JP2006074055A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 感度が向上した固体撮像素子を提供する。
【解決手段】 ２次元平面に配列された受光部上にレンズアレイが積層されている。前記レンズアレイは、縦横方向に集光レンズが複数個配列されてなり、前記レンズアレイの個々の集光レンズは個々の前記受光部に１対１に対応する。前記集光レンズは凸レンズである。一つの前記受光部に対応する面積のうち前記集光レンズが占める割合が１００％である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像素子に関する。

固体撮像装置を例にとって説明する。

図１５は、一般的な固体撮像装置の構成の概略を示した断面図である。

一般に固体撮像素子は、図１５に示されるように、ｎ型半導体基板３１２、ｐウェル層３１１、受光部３１０、電荷転送部３０９、シリコン酸化膜あるいは窒化膜３０７、ポリシリコン電極３０８、メタル遮光層３０６、素子表面保護層３０５、平坦膜３０４、カラーフィルター層３０３、中間透明膜３０２、レンズアレイ（オンチップレンズ）３０１から成っている。なおカラーフィルター層３０３は３板式撮像装置や白黒撮像装置の場合、あるいはその他の波長選別手段によって色分けされる場合には必要ではない。

一般的な固体撮像素子では、光は受光部３１０のみで受け、それ以外にあたった光線は感度に寄与しない。そのため、高感度化の技術のひとつとして、レンズアレイ３０１を受光部３１０上の透明表面層に形成し、受光部３１０により多く光を集めることが知られている。

レンズアレイ３０１の各レンズを各受光部３１０に対応させて配置し、その集光作用を用いて、レンズに入射する光を各受光部３１０に効率よく導く。

従来のレンズアレイの構造を図１６に示す。図１６（ａ）はレンズアレイ３０１を上から見た平面図であり、図１６（ｂ）は図１６（ａ）のXII−XII線での矢印方向から見た断面図である。１画素に対応する領域は、縦の辺３５５と横の辺３５４で囲まれた領域であり、このほぼ中央部にレンズ３０１を配置し、感度向上に貢献している。ここで、隣り合うレンズの間には、製造上の理由から、隙間３５３を持たせてある。なお、図１６では、図面を簡素化するために４画素のみを示したが、実際には図１６（ａ）に示した各画素が縦横方向にそれぞれ所定個数配列されている。

上記レンズアレイでは、隣り合うレンズ間に隙間３５３を設けているため、ここに入射した光はほとんど受光素子に入ることがない。また、レンズ形状が略円形または略楕円形のため、四角い画素領域のうち、レンズ３０１が形成されていない角部にも隙間が生じ、この部分に入射する光についてもほとんど受光素子に入ることがなく、感度に寄与しないという問題があった。

同様に、透過型液晶表示装置などに使用される液晶表示素子においても、各画素に対応するように図１６に示したような隙間を有するレンズアレイが積層されるが、上記隙間に入射する光は液晶表示装置の画面の輝度に寄与しないという問題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑み、レンズの開口を拡げること等により、例えば固体撮像装置に使用した場合には感度を向上させることができ、また液晶表示素子に使用した場合には画面の輝度を向上させることができるレンズアレイを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のレンズアレイは以下の構成とする。

すなわち、本発明の第１の構成にかかるレンズアレイは、縦横方向に集光レンズが複数個配列されてなり、個々の前記集光レンズは２次元平面に配列された各画素に１対１に対応するように設置して使用されるレンズアレイであって、前記集光レンズは、縦横方向に隣り合う集光レンズと接触して形成されていることを特徴とする。

本発明の第２の構成にかかるレンズアレイは、縦横方向に集光レンズが複数個配列されてなり、個々の前記集光レンズは２次元平面に配列された各画素に１対１に対応するように設置して使用されるレンズアレイであって、前記集光レンズは凸レンズであり、前記画素に対応する領域の全域に形成されていることを特徴とする。

上記第２の構成において前記画素に対応する領域は矩形状であり、前記領域の縦方向及び横方向の長さを順にＸ，Ｙとしたとき、前記集光レンズの曲率半径Ｒが下記式（１）を満足することが好ましい。

(1/2)×（Ｘ²＋Ｙ²）^1/2≦Ｒ≦(2/3)×（Ｘ²＋Ｙ²）^1/2 ・・（１）

また、上記第２の構成において、前記画素に対応する領域は矩形状であり、前記領域の縦方向及び横方向の長さを順にＸ，Ｙ、前記集光レンズの曲率半径をＲとしたとき、下記式（２）及び（３）を満足することが好ましい。

４μｍ≦（Ｘ²＋Ｙ²）^1/2≦５．７μｍ ・・（２）
２μｍ≦Ｒ≦４μｍ ・・（３）

本発明の第３の構成にかかるレンズアレイは、縦横方向に集光レンズが複数個配列されてなり、個々の前記集光レンズは２次元平面に配列された各画素に１対１に対応するように設置して使用されるレンズアレイであって、前記集光レンズは、前記画素に対応する領域の略中央部に形成された第１のレンズと、前記領域のうち前記第１のレンズが形成されていない四隅の領域に形成された第２のレンズとを含み、前記第１のレンズは凸レンズであり、前記四隅に形成された各第２のレンズは共通する曲率中心点を有することを特徴とする。

本発明の第４の構成にかかるレンズアレイは、縦横方向に集光レンズが複数個配列されてなり、個々の前記集光レンズは２次元平面に配列された各画素に１対１に対応するように設置して使用されるレンズアレイであって、前記集光レンズは、前記画素に対応する領域の略中央部に形成された第１のレンズと、前記領域のうち前記第１のレンズが形成されていない四隅の領域に形成された第２のレンズとを含み、前記第１のレンズは凸レンズであり、前記四隅に形成された各第２のレンズは共通する曲率中心点を有し、前記第２のレンズの前記第１のレンズ側の壁面が前記集光レンズの配列面に対して垂直でないことを特徴とする。

本発明の第５の構成にかかるレンズアレイは、縦横方向に集光レンズが複数個配列されてなり、個々の前記集光レンズは２次元平面に配列された各画素に１対１に対応するように設置して使用されるレンズアレイであって、前記集光レンズはフレネルレンズであることを特徴とする。

本発明の第６の構成にかかるレンズアレイは、縦横方向に集光レンズが複数個配列されてなり、個々の前記集光レンズは２次元平面に配列された各画素に１対１に対応するように設置して使用されるレンズアレイであって、前記集光レンズはフレネルレンズであって、前記フレネルレンズは前記画素に対応する領域ごとに少なくとも２種類以上の異なる溝深さを有することを特徴とする。

上記第６の構成において、前記フレネルレンズは、フレネルレンズ形成材料の屈折率をｎ、前記フレネルレンズを透過する光の波長または中心波長をλとしたとき、溝深さがｍλ／（ｎ−１）（ｍ：自然数）である鋸歯形状であることが好ましい。

上記第５又は第６の構成において前記フレネルレンズが、前記画素に対応する領域の全域に形成されていることが好ましい。

上記第１〜第６の構成において、前記集光レンズは、その形状を階段状に近似したバイナリー形状で形成されていることが好ましい。

本発明の第７の構成にかかるレンズアレイは、縦横方向に集光レンズが複数個配列されてなり、個々の前記集光レンズは２次元平面に配列された各画素に１対１に対応するように設置して使用されるレンズアレイであって、前記集光レンズは屈折率の変化によりレンズ機能が付与されたレンズであり、前記レンズアレイの表面が略平面であることを特徴とする。

上記第７の構成において、屈折率の変化によりレンズ機能が付与された前記レンズが前記画素に対応する領域の全域に形成されていることが好ましい。

本発明の第８の構成にかかるレンズアレイは、縦横方向に集光レンズが複数個配列されてなり、個々の前記集光レンズは２次元平面に配列された各画素に１対１に対応するように設置して使用されるレンズアレイであって、前記集光レンズは屈折率分布型レンズであり、前記レンズアレイの表面が略平面であることを特徴とする。

上記第８の構成において、前記屈折率分布型レンズが前記画素に対応する領域の全域に形成されていることが好ましい。

本発明の第９の構成にかかるレンズアレイは、縦横方向に集光レンズが複数個配列されてなり、個々の前記集光レンズは２次元平面に配列された各画素に１対１に対応するように設置して使用されるレンズアレイであって、前記集光レンズは、屈折率の変化によりレンズ機能が付与されたレンズと、この上に形成された凸レンズとからなることを特徴とする。

上記第９の構成において、屈折率の変化によりレンズ機能が付与された前記レンズが前記画素に対応する領域の全域に形成されていることが好ましい。

本発明の第１０の構成にかかるレンズアレイは、縦横方向に集光レンズが複数個配列されてなり、個々の前記集光レンズは２次元平面に配列された各画素に１対１に対応するように設置して使用されるレンズアレイであって、前記集光レンズは、前記画素に対応する領域の略中央部に形成された第１のレンズと、前記領域のうち前記第１のレンズが形成されていない領域に形成された第３のレンズとを含み、前記第１のレンズは凸レンズであり、前記第３のレンズは屈折率の変化によりレンズ機能が付与されたレンズであることを特徴とする。

上記第１０の構成において、前記画素に対応する領域には、前記第１のレンズ及び前記第３のレンズのいずれか一方が形成されていることが好ましい。

本発明のレンズアレイは、上記の第１〜第１０の構成としたことにより、例えば固体撮像装置に使用した場合には感度を向上させることができ、また液晶表示素子に使用した場合には画面の輝度を向上させることができるレンズアレイを提供することができる。

また、本発明にかかる固体撮像素子は、２次元平面に配列された受光部と、前記受光部上に積層された上記のいずれかに記載のレンズアレイとを有する固体撮像素子であって、前記レンズアレイの個々の集光レンズは個々の前記受光部に１対１に対応することを特徴とする。

また、本発明にかかる固体撮像装置は、２次元平面に配列された受光部と、前記受光部上に積層された透明基板とを有する固体撮像素子であって、前記透明基板が上記第７又は第８の構成にかかるレンズアレイであって、前記レンズアレイの個々の集光レンズは個々の前記受光部に１対１に対応することを特徴とする。

上記の固体撮像素子において、前記集光レンズの焦点距離が、前記受光部までの距離に略等しいことが好ましい。

また、本発明にかかる液晶表示素子は、２次元平面に配列された画素と、前記画素上に積層された上記のいずれかに記載のレンズアレイとを有する液晶表示素子であって、前記レンズアレイの個々の集光レンズは個々の前記画素に１対１に対応することを特徴とする。

上記の液晶表示素子において、前記集光レンズの焦点距離が、前記画素までの距離に略等しいことが好ましい。

本発明によれば、例えば凸レンズで画素領域全域を覆うこと等により画素領域を有効に使用することなどによって、例えば固体撮像装置に使用した場合には感度を向上させることができ、また液晶表示素子に使用した場合には画面の輝度を向上させることができるレンズアレイを提供することができる。

以下本発明のレンズアレイについて、図面を参照しつつさらに具体的に説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１にかかるレンズアレイの概念図であって、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のIb−Ib線での矢印方向から見た断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のIc−Ic線での矢印方向から見た断面図である。なお、図１では、図面を簡素化するために４画素のみを示したが、実際には図１（ａ）に示した各画素が縦横方向にそれぞれ所定個数配列されている。

本実施の形態のレンズアレイは、縦横方向に配列された矩形状の画素領域に凸レンズ形状を有する集光レンズ１１１が、一つの画素領域に一つの集光レンズが対応するように配置されている。

ここで、集光レンズ１１１は縦横方向に隣り合う集光レンズと接触している。例えば受光素子間隔が５μｍの固体撮像素子にレンズアレイを形成した場合を考える。従来の集光レンズの間隙（図１６（ｂ）の隙間３５３）が０．４μｍとすると、一つの受光素子に対応する面積（画素領域）のうち集光レンズの占める面積の割合は６６．５％である。これに対して、本実施の形態の集光レンズのように縦横方向に隣り合う集光レンズの間隙が０の場合は、一つの受光素子に対応する面積のうち集光レンズの占める面積の割合は７８．５％となり、従来と比較して、レンズに入る光線が１８％増加するので、固体撮像素子の感度がそれに伴い増加する。

図１５に示したように、ｐウェル層３１１を設け、その表層部に１辺約２．５μｍの受光部３１０を構成し、次に厚さ約０．１μｍのシリコン酸化膜あるいは窒化膜３０７を構成し、屈折率１．５５、厚さ約０．９μｍの素子表面保護膜３０５と、屈折率１．４７、厚さ約１μｍの平坦膜３０４と、屈折率１．５２で厚さ約２μｍのカラーフィルター層３０３を構成し、その受光素子に対応する画素領域の範囲が縦横約４．５μｍの正方形である固体撮像素子を仮定する。その画素領域の上部に、屈折率が１．５、曲率半径が３μｍの集光レンズ３０１を、縦横方向に隣り合う集光レンズ同士の間隔を変化させて形成した場合の集光率の変化をシミュレーションした。結果を図２に示す。本実施の形態のレンズアレイは縦横方向に隣り合う集光レンズ同士は接触しているため、この集光レンズ間隔は０であり、集光率は７５％である。一方、従来の一般的なレンズアレイの縦横方向の集光レンズ間隙は、約０．４μｍであるので、その集光率は６８％であり、本発明の集光率は従来に比べて約１０％向上したことがわかる。

このとき、集光率とは、任意に光線追跡を実施したとき、１つの受光素子に対応する画素領域を通る光線の本数の内、受光素子に入射する光線の本数である。ただし、本シミュレーションでは、画素領域への入射光線角度は、０度から１５度の範囲で任意である。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２にかかるレンズアレイの概念図であって、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のIIb−IIb線での矢印方向から見た断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のIIc−IIc線での矢印方向から見た断面図である。なお、図３では、図面を簡素化するために４画素のみを示したが、実際には図３（ａ）に示した各画素が縦横方向にそれぞれ所定個数配列されている。

本実施の形態のレンズアレイは、縦横方向に配列された矩形状の画素領域に凸レンズ形状を有する集光レンズ１２１が、一つの画素領域に一つの集光レンズが対応するように配置されている。

ここで、集光レンズ１２１は画素領域の全域を覆っており、画素領域内に集光レンズが形成されていない領域が存在しない。例えば受光素子間隔が５μｍの固体撮像素子にレンズアレイを形成した場合を考える。従来の集光レンズの間隙（図１６（ｂ）の隙間３５３）が０．４μｍとすると、一つの受光素子に対応する面積（画素領域）のうち集光レンズの占める面積の割合は６６．５％である。これに対して、本実施の形態のレンズアレイは、一つの受光素子に対応する面積のうちの集光レンズが占める割合は１００％となる。したがって、本実施の形態のレンズアレイにより、受光有効面積は５０．７％向上する。それに伴い、固体撮像素子の受光感度も向上する。

レンズの曲率半径は、例えばレンズが画素領域の全領域を覆うためには最短でも画素の対角線の長さの半分以上が必要となる。また、曲率半径が大きくなりすぎても集光力が弱まり、感度の低下を引き起こす。このため、画素の縦の長さをＸ、横の長さをＹとすると、集光レンズの曲率半径Ｒが下記式（１）を満足することが好ましい。式（１）を満足すると、レンズは画素領域全域を覆うことができ、かつ十分な集光力を得ることができる。式（１）の下限を下回ると、レンズは画素領域全域を覆うことができない。一方、式（１）の上限を上回ると、十分な集光力が得られない。

(1/2)×（Ｘ²＋Ｙ²）^1/2≦Ｒ≦(2/3)×（Ｘ²＋Ｙ²）^1/2 ・・（１）

また、下記式（２）及び（３）を満足すると、十分な感度を得ることができ、かつ十分な解像度を得ることができるので好ましい。

４μｍ≦（Ｘ²＋Ｙ²）^1/2≦５．７μｍ ・・（２）
２μｍ≦Ｒ≦４μｍ ・・（３）

ここで、シミュレーションを行うために、固体撮像素子の形状を以下のようにした。図１５に示したように、厚さ約３μｍのｐウェル層３１１があって、その表層部に１辺約１μｍおよび他の１辺約２．５μｍの受光部３１０を構成し、次に厚さ約０．１μｍのシリコン酸化膜または窒化膜３０７を構成した。さらに、屈折率１．５５、厚さ約０．９μｍの素子表面保護膜３０５と、屈折率１．４７であり、厚さ約１μｍの平坦膜３０４と、屈折率１．５２で厚さ約２μｍのカラーフィルター層３０３を構成し、その受光素子に対応する画素領域の範囲が縦横約４．５μｍの正方形である固体撮像素子を仮定する。その画素領域の上部に、屈折率が１．５の集光レンズを形成した場合、その曲率半径と集光率との関係は図４のようになる。曲率半径が３．４μｍのときが集光率が最大となり、そのときの集光率は９４％であり、従来の集光率６８％と比べて、３８％向上する。

（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３にかかるレンズアレイの概念図であって、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のIIIb−IIIb線での矢印方向から見た断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）のIIIc−IIIc線での矢印方向から見た断面図である。なお、図５では、図面を簡素化するために４画素のみを示したが、実際には図５（ａ）に示した各画素が縦横方向にそれぞれ所定個数配列されている。

本実施の形態のレンズアレイは、縦横方向に配列された矩形状の個々の画素領域の略中央部に形成された凸レンズ形状を有する第１のレンズ１３１と、第１のレンズ１３１が形成されていない四隅の領域を含む画素領域の残りの領域に形成された第２のレンズ１３２とを一単位とする集光レンズが、一つの画素領域に一つの集光レンズが対応するように配置されている。ここで、画素領域の四隅に形成された第２のレンズ１３２は共通する曲率中心点を有する。

一般に、矩形状の画素領域内に凸レンズを形成しようとすると、実施の形態２のような構成を採らない限り、少なくとも対角線方向にレンズが形成されない領域ができてしまう。本実施の形態は、この領域にもう一つ別の第２のレンズ１３２を形成することで、有効受光面積を大きく取ることができる。さらに、この第２のレンズ１３２の曲率は、中心にある第１のレンズ１３１の曲率と同じにする必要がないので、例えばシミュレーションなどによって２つのレンズの曲率の組み合わせを最適化して、より多くの受光量を確保することが可能となる。

また、本実施の形態によれば、第２のレンズ１３２の曲率半径を画素領域の対角線の長さの半分以上にすることにより、画素領域の全域に隙間なくレンズを形成することができる。例えば受光素子間隔が５μｍの固体撮像素子にレンズアレイを形成した場合を考える。従来の集光レンズの間隙（図１６（ｂ）の隙間３５３）が０．４μｍとすると、一つの受光素子に対応する面積（画素領域）のうち集光レンズの占める面積の割合は６６．５％である。これに対して、本実施の形態のレンズアレイは、一つの受光素子に対応する面積のうちの集光レンズが占める割合をほぼ１００％とすることができる。したがって、本実施の形態のレンズアレイにより、受光有効面積は５０．７％向上する。それに伴い、固体撮像素子の受光感度も向上する。

なお、本実施の形態では、第１のレンズ１３１のまわりに第２のレンズ１３２を構成したが、第２のレンズ１３２のまわりにさらに曲率の異なる別のレンズを構成しても良い。

ここで、シミュレーションを行うために、固体撮像素子の形状を以下のようにした。図１５に示したように、厚さ約３μｍのｐウェル層３１１があって、その表層部に１辺約１μｍおよび他の１辺約２．５μｍの受光部３１０を構成し、次に厚さ約０．１μｍのシリコン酸化膜または窒化膜３０７を構成した。さらに、屈折率１．５５、厚さ約０．９μｍの素子表面保護膜３０５と、屈折率１．４７であり、厚さ約１μｍの平坦膜３０４と、屈折率１．５２で厚さ約２μｍのカラーフィルター層３０３を構成し、その受光素子に対応する画素領域の範囲が縦横約４．５μｍの正方形である固体撮像素子を仮定する。その画素領域の上部の略中央部に屈折率が１．５の従来と同様の凸レンズ（第１のレンズ）を形成し、その周りに曲率半径４μｍの第２のレンズを形成した場合、集光率は７８％となり、従来の中央部のレンズのみの場合の集光率６８％と比べて、集光率が１５％向上する。

（実施の形態４）
図６は本発明の実施の形態４にかかるレンズアレイの概念図であって、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のIVb−IVb線での矢印方向から見た断面図、図６（ｃ）は図６（ａ）のIVc−IVc線での矢印方向から見た断面図である。なお、図６では、図面を簡素化するために４画素のみを示したが、実際には図６（ａ）に示した各画素が縦横方向にそれぞれ所定個数配列されている。

本実施の形態のレンズアレイは、縦横方向に配列された矩形状の個々の画素領域の略中央部に形成された凸レンズ形状を有する第１のレンズ１４１と、第１のレンズ１４１が形成されていない四隅の領域を含む画素領域の残りの領域に形成された第２のレンズ１４２とを一単位とする集光レンズが、一つの画素領域に一つの集光レンズが対応するように配置されている。ここで、画素領域の四隅に形成された第２のレンズ１４２は共通する曲率中心点を有する。

一般に、矩形状の画素領域内に凸レンズを形成しようとすると、実施の形態２のような構成を採らない限り、少なくとも対角線方向にレンズが形成されない領域ができてしまう。本実施の形態は、この領域にもう一つ別の第２のレンズ１４２を形成することで、有効受光面積を大きく取ることができる。さらに、この第２のレンズ１４２の曲率は、中心にある第１のレンズ１４１の曲率と同じにする必要がないので、例えばシミュレーションなどによって２つのレンズの曲率の組み合わせを最適化して、より多くの受光量を確保することが可能となる。

更に、外側の第２のレンズ１４２は、入射角度の比較的小さな光線が内壁１４３で全反射して光線が散乱するのを防ぐために、内壁１４３は第１のレンズ１４１の中心１４５から外側方向に角度θだけ傾斜させてある。

また、本実施の形態によれば、第２のレンズ１４２の曲率半径を画素領域の対角線の長さの半分以上にすることにより、画素領域の全域に隙間なくレンズを形成することができる。例えば受光素子間隔が５μｍの固体撮像素子にレンズアレイを形成した場合を考える。従来の集光レンズの間隙（図１６（ｂ）の隙間３５３）が０．４μｍとすると、一つの受光素子に対応する面積（画素領域）のうち集光レンズの占める面積の割合は６６．５％である。これに対して、本実施の形態のレンズアレイは、一つの受光素子に対応する面積のうちの集光レンズが占める割合をほぼ１００％とすることができる。したがって、本実施の形態のレンズアレイにより、受光有効面積は５０．７％向上する。それに伴い、固体撮像素子の受光感度も向上する。

なお、本実施の形態では、第１のレンズ１４１のまわりに第２のレンズ１４２を構成したが、第２のレンズ１４２のまわりにさらに曲率の異なる別のレンズを構成しても良い。

ここで、シミュレーションを行うために、固体撮像素子の形状を以下のようにした。図１５に示したように、厚さ約３μｍのｐウェル層３１１があって、その表層部に１辺約１μｍおよび他の１辺約２．５μｍの受光部３１０を構成し、次に厚さ約０．１μｍのシリコン酸化膜または窒化膜３０７を構成した。さらに、屈折率１．５５、厚さ約０．９μｍの素子表面保護膜３０５と、屈折率１．４７であり、厚さ約１μｍの平坦膜３０４と、屈折率１．５２で厚さ約２μｍのカラーフィルター層３０３を構成し、その受光素子に対応する画素領域の範囲が縦横約４．５μｍの正方形である固体撮像素子を仮定する。その画素領域の上部の略中央部に屈折率が１．５の従来と同様の凸レンズ（第１のレンズ）を形成し、その周りに内側の壁面を外側に傾斜させた第２のレンズを形成した。ここで、第２のレンズの曲率半径と第２のレンズの内壁の傾斜角θを変えた場合の集光率の変化の様子を表１に示す。

第２のレンズの曲率半径を４μｍ、傾斜角θを１０deg.とすると、集光率が約８１％となり、同じ曲率半径で傾斜角θが０deg.の場合の集光率約７８％と比べて、集光率が約３％向上する。また、従来レンズの集光率６８％と比べると、約１９％向上する。

（実施の形態５）
図７は本発明の実施の形態５にかかるレンズアレイの概念図であって、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＶ−Ｖ線での矢印方向から見た断面図である。なお、図７では、図面を簡素化するために４画素のみを示したが、実際には図７（ａ）に示した各画素が縦横方向にそれぞれ所定個数配列されている。

本実施の形態のレンズアレイは、縦横方向に配列された矩形状の個々の画素領域に形成された集光作用を有するフレネルレンズ１５１より構成される。このフレネルレンズ１５１は、レンズの位相変調量に応じた凹凸部がレンズ表面に形成されて構成される。このことにより、例えば固体撮像素子においては、受光素子とレンズ間の距離が縮められ、感度向上に役立つ。また、一つの受光素子に対応する画素領域全域にフレネルレンズを形成することにより、有効受光面積が拡大し、感度を向上させることができる。

（実施の形態６）
図８は本発明の実施の形態６にかかるレンズアレイの概念図であって、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のVI−VI線での矢印方向から見た断面図である。なお、図８では、図面を簡素化するために４画素のみを示したが、実際には図８（ａ）に示した各画素が縦横方向にそれぞれ所定個数配列されている。

本実施の形態のレンズアレイは、縦横方向に配列された矩形状の個々の画素領域に形成された集光作用を有するフレネルレンズ１６１，１６２，１６３より構成される。各フレネルレンズは、フレネルレンズ形成材料の屈折率をｎ、透過する光の波長または中心波長をλとしたとき、溝深さがｍλ／（ｎ−１）（ｍ：自然数）の鋸歯形状である。本実施の形態におけるレンズアレイの各フレネルレンズは、３種類の異なる波長に対応させるべく、各波長に対して最適な形状としてある。従って、例えば固体撮像素子に使用した場合には、特定波長の光線に対して感度を向上させることに役立つ。

なお、図８では、レンズアレイは３種類の波長に対応する３種類のフレネルレンズで構成されているが、２種類のフレネルレンズで構成されていても良いし、４種類以上のフレネルレンズで構成されていても良い。

また、それぞれのフレネルレンズは波長選択性を持っているので、波長フィルターを省略することができる。

また、一つの受光素子に対応する画素領域全域にフレネルレンズを形成することにより、有効受光面積が拡大し、感度を向上させることができる。

（実施の形態７）
図９は本発明の実施の形態７にかかるレンズアレイの概念図であって、図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のVII−VII線での矢印方向から見た断面図である。なお、図９では、図面を簡素化するために４画素のみを示したが、実際には図９（ａ）に示した各画素が縦横方向にそれぞれ所定個数配列されている。

本実施の形態のレンズアレイは、縦横方向に配列された矩形状の画素領域に、実施の形態２（図３）で示したように一の画素領域全域を凸レンズで覆う方式のレンズアレイであって、レンズ形状を階段状で近似したバイナリーレンズとしたものである。

もとのレンズ形状１７２に近づくように階段形状１７１を形成する。この場合、階段のステップ数が多いほど、本来のレンズ形状の持つ性能に近づく。このようなバイナリーレンズ形状を用いることで、レンズアレイの製造上の選択肢を拡げることができる。

図９では、実施の形態２（図３）に示したレンズアレイをバイナリーレンズとした例を示したが、上述の他の実施の形態で示したレンズアレイを同様にバイナリーレンズとすることもできる。

（実施の形態８）
図１０は本発明の実施の形態８にかかるレンズアレイの概念図であって、図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のVIIIb−VIIIb線での矢印方向から見た断面図、図１０（ｃ）は図１０（ａ）のVIIIc−VIIIc線での矢印方向から見た断面図である。なお、図１０では、図面を簡素化するために４画素のみを示したが、実際には図１０（ａ）に示した各画素が縦横方向にそれぞれ所定個数配列されている。

本実施の形態のレンズアレイは、縦横方向に配列された矩形状の画素領域に屈折率の変化によりレンズ機能が付与された集光レンズが、一つの画素領域に一つの集光レンズが対応するように配置されている。

すなわち、レンズ材層１８３は、高屈折率部１８１と低屈折率部１８２とから構成され、両者の界面が所定の曲率を有している。この結果、両者の界面を光線が透過する際に屈折し、高屈折率部１８１が集光レンズとして機能する。従って、例えば、固体撮像素子に適用した場合には、レンズ部が受光素子により近くなり、レンズに対して入射角の比較的大きな光線に対して有効に働く。よって、受光感度が向上する。

なお、本実施例において屈折率変化による集光レンズは画素領域の全域に形成されているが、一部でもよい。画素領域全域に集光レンズを形成することにより、有効受光面積が拡大し、感度を向上させることができる。

また、屈折率変化によるレンズを、図１０のようにレンズ材層１８３を新たに設けてその内部に形成するのではなく、固体撮像素子または液晶表示素子等の内部に直接屈折率変化を持たせて集光レンズを形成しても良い。

（実施の形態９）
図１１は本発明の実施の形態９にかかるレンズアレイの概念図であって、図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のIX−XI線での矢印方向から見た断面図である。なお、図１１では、図面を簡素化するために４画素のみを示したが、実際には図１１（ａ）に示した各画素が縦横方向にそれぞれ所定個数配列されている。

本実施の形態のレンズアレイは、縦横方向に配列された矩形状の画素領域に集光レンズとして機能する屈折率分布型レンズが、一つの画素領域に一つの集光レンズが対応するように配置されている。

すなわち、矩形状の各画素領域におけるレンズ材層１９３は、画素領域の対角線の交点（中心部）を中心として同心円状に屈折率の異なる複数の層からなり、中心部１９１が最も高い屈折率を有し、周辺部１９２にいくにしたがって順に屈折率が小さくなるように構成されている。以上のようにして形成された屈折率分布型レンズは全体として集光レンズとして機能する。従って、例えば、固体撮像素子に適用した場合には、レンズ部が受光素子により近くなり、レンズに対して入射角の比較的大きな光線に対して有効に働く。よって、受光感度が向上する。

なお、本実施例において屈折率分布型レンズは画素領域の全域に形成されているが、一部でもよい。画素領域全域に形成することにより、有効受光面積が拡大し、感度を向上させることができる。

また、屈折率分布型レンズを、図１１のようにレンズ材層１９３を新たに設けてその内部に形成するのではなく、固体撮像素子または液晶表示素子等の内部に直接屈折率分布を持たせて集光レンズを形成しても良い。

（実施の形態１０）
図１２は本発明の実施の形態１０にかかるレンズアレイの概念図であって、図１２（ａ）は平面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＸ−Ｘ線での矢印方向から見た断面図である。なお、図１２では、図面を簡素化するために４画素のみを示したが、実際には図１２（ａ）に示した各画素が縦横方向にそれぞれ所定個数配列されている。

本実施の形態のレンズアレイは、矩形状の画素領域に、実施の形態８で説明した屈折率の変化によりレンズ機能が付与されたレンズと、その上に形成された凸レンズとからなる集光レンズが、一つの画素領域に一つの集光レンズが対応するように縦横方向に配置されて構成されている。

すなわち、レンズ材層２０４の上部表面には、凸レンズ２０１が画素領域の略中央部に形成されている。また、レンズ材層２０４は、高屈折率部２０２と低屈折率部２０３とから構成され、両者の界面が所定の曲率を有している。この結果、両者の界面を光線が透過する際に屈折し、高屈折率部２０２が集光レンズとして機能する。

以上により、画素領域の中央部は凸レンズ２０１と、屈折率変化によるレンズ２０２の２つのレンズ作用が得られ、集光力が高められる。また、例えば、固体撮像素子に適用した場合には、屈折率変化によるレンズ２０２の存在によりレンズ部が受光素子により近くなり、レンズに対して入射角の比較的大きな光線に対して有効に働く。よって、受光感度が向上する。

また、屈折率変化によるレンズ２０２を図１２のように画素領域全域に形成することにより、一つの受光素子に対応する面積のうちレンズが占める割合は、ほぼ１００％となり、有効受光面積が拡大し、感度を向上させることができる。

なお、屈折率変化によるレンズ２０２は、必ずしも凸レンズ２０１より面積が大きく受光素子に対応する画素領域すべてに形成されている必要はなく、その一部でもよい。ただし、画素領域全域に屈折率変化によるレンズ２０２を形成することにより、有効受光面積が拡大し、感度を向上させることができる。

また、凸レンズ２０１は必ずしも、受光素子に対応する画素領域の一部に形成されている必要はなく、その画素領域のすべてに形成されていてもよい。画素領域全域に凸レンズ２０１を形成することにより、有効受光面積が拡大し、感度を向上させることができる。

また、屈折率変化によるレンズ２０２を、図１２のようにレンズ材層２０４を新たに設けてその内部に形成するのではなく、固体撮像素子または液晶表示素子等の内部に直接屈折率変化を持たせて集光レンズを形成しても良い。

（実施の形態１１）
図１３は本発明の実施の形態１１にかかるレンズアレイの概念図であって、図１３（ａ）は平面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のXI−XI線での矢印方向から見た断面図である。なお、図１３では、図面を簡素化するために４画素のみを示したが、実際には図１３（ａ）に示した各画素が縦横方向にそれぞれ所定個数配列されている。

本実施の形態のレンズアレイは、矩形状の画素領域の略中央部に形成された凸レンズ（第１のレンズ）と、画素領域の凸レンズが形成されていない領域に形成された屈折率の変化によりレンズ機能が付与されたレンズ（第３のレンズ）とからなる集光レンズが、一つの画素領域に一つの集光レンズが対応するように縦横方向に配置されて構成されている。

すなわち、レンズ材層２１４の上部表面には、凸レンズ２１１が画素領域の略中央部に形成されている。また、レンズ材層２１４は、高屈折率部２１３と低屈折率部２１２とから構成される。これにより、図１３（ｂ）の上方より入射した光線に対して低屈折率部２１２は発散レンズとして機能する。

以上により、例えば固体撮像素子に適用した場合には、画素領域の中央部では凸レンズ２１１により光が集光され、凸レンズ２１１が形成されていない周辺部では屈折率変化によるレンズ２１２により光線が各受光素子に導かれる。従って、画素領域全域を有効に使え、感度向上に寄与できる。

なお、屈折率変化によるレンズ２１２は画素領域全域に形成しても良く、凸レンズ２１１と重なっていても良い。これにより、有効受光面積が拡大し、感度を向上させることができる。

また、屈折率変化によるレンズ２１２を、図１３のようにレンズ材層２１４を新たに設けてその内部に形成するのではなく、固体撮像素子または液晶表示素子等の内部に直接屈折率変化を持たせて集光レンズを形成しても良い。

以上の各実施の形態で説明したレンズアレイは、固体撮像素子に使用する場合には、レンズアレイを構成する集光レンズの焦点距離が固体撮像素子の受光部までの距離に略等しくなるように形成するのが好ましい。また、液晶表示素子に使用する場合には、レンズアレイを構成する集光レンズの焦点距離が液晶表示素子の画素までの距離に略等しくなるように形成するのが好ましい。いずれの場合も、そのような構成とすることにより、鮮明な画像を得ることができる。

（実施の形態１２）
以下に本発明のレンズアレイの製造方法の一例を説明する。

例えば、固体撮像素子の平坦膜上にレンズアレイを形成する場合について、図１４を用いて説明する。

まず、平坦膜４０２上に、レンズ材料となる合成樹脂層４２１を回転塗布で形成する（図１４（ａ））。合成樹脂層４２１に用いられる材料としては、例えばフェノール系樹脂、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂が使用できるが、その他従来から用いられてきた材料も使用できる。合成樹脂層４２１の材料としては、具体的には、ポリパラビニルフェノール系樹脂にナフトキノンジアジドを添加した感光性樹脂が好ましい。この樹脂は、ポジ型レジストとして用いることができ、熱処理すると熱可塑性により液状化して形状が半球状に変形し、その後熱硬化性による形状固定と固化が進行し、硬化したレンズ形状が実現される。また、上記感光性樹脂は、現像直後の工程において紫外線照射により可視光透過率を９０％以上にまで向上させ、この透明化した状態でレンズ形状へと変形させることができる。

ついで、塗布形成された合成樹脂層４２１を選択露光する。上記ポリパラビニルフェノール樹脂のようなポジ型のレジストを用いる場合には、除去すべき部分にのみ紫外光４２３を照射し、現像する。このような紫外線ステッパを用いたパターニングにより、合成樹脂層４２１を各受光部と１対１に対応するように分割する（図１４（ｂ））。

さらに、分割した各合成樹脂部分４２２をブリーチングする。すなわち、紫外光を照射して不透明な材料を透明化する。この後、断面矩形の合成樹脂部分４２２を回転塗布等の方法でオーバーコート層４２５により被覆する（図１４（ｃ））。

オーバーコート層４２５により覆われた各合成樹脂部分４２２は加熱されることにより軟化して、上方に凸となった曲線により断面が構成されるドーム型レンズ形状４０１へと変形する（図１４（ｄ））。この変形の際、オーバーコート層４２５が形成されているために、隣接する各合成樹脂部分は互いに接触しにくくなる。換言すれば、オーバーコート層４２５は、合成樹脂部分が急速に接近しないように緩衝作用を発揮する。オーバーコート層４２５の材料は、上記の緩衝作用を奏し得る材料であれば特に制限することなく使用することができる。一方、オーバーコート層４２５には、合成樹脂部分４２２が加熱される温度において合成樹脂部分４２２の変形を完全に制限してしまわないことが要求される。

オーバーコート層４２５をそのまま残しておくことで、縦横方向に隣り合う集光レンズと相互に接触して形成されたレンズアレイを形成することができる。また、画素に対応する領域全域にレンズを形成する場合も上記と同様の方法で作成することが可能である。

また、オーバーコート層４２５が極端に薄い場合には、図１４（ｅ）のように、オーバーコート層を取り除いても、隣り合う集光レンズ４０１がほぼ接触したレンズアレイを得ることができる。

本発明の実施の形態１にかかるレンズアレイの概念図であって、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のIb−Ib線での矢印方向から見た断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のIc−Ic線での矢印方向から見た断面図である。 縦横方向に隣り合う凸レンズの間隔と集光率との関係を示した図である。 本発明の実施の形態２にかかるレンズアレイの概念図であって、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のIIb−IIb線での矢印方向から見た断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のIIc−IIc線での矢印方向から見た断面図である。 凸レンズの曲率半径と集光率との関係を示した図である。 本発明の実施の形態３にかかるレンズアレイの概念図であって、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のIIIb−IIIb線での矢印方向から見た断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）のIIIc−IIIc線での矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施の形態４にかかるレンズアレイの概念図であって、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のIVb−IVb線での矢印方向から見た断面図、図６（ｃ）は図６（ａ）のIVc−IVc線での矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施の形態５にかかるレンズアレイの概念図であって、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＶ−Ｖ線での矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施の形態６にかかるレンズアレイの概念図であって、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のVI−VI線での矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施の形態７にかかるレンズアレイの概念図であって、図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のVII−VII線での矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施の形態８にかかるレンズアレイの概念図であって、図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のVIIIb−VIIIb線での矢印方向から見た断面図、図１０（ｃ）は図１０（ａ）のVIIIc−VIIIc線での矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施の形態９にかかるレンズアレイの概念図であって、図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のIX−XI線での矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施の形態１０にかかるレンズアレイの概念図であって、図１２（ａ）は平面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＸ−Ｘ線での矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施の形態１１にかかるレンズアレイの概念図であって、図１３（ａ）は平面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のXI−XI線での矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施の形態１２にかかるレンズアレイの製造方法の概略を工程順に示した断面図である。 一般的な固体撮像装置の構成の概略を示した断面図である。 従来のレンズアレイの概略を示した図であって、図１６（ａ）は平面図、図１６（ｂ）は図１６（ａ）のXII−XII線での矢印方向から見た断面図である。

符号の説明

１１１ 集光レンズ（レンズアレイ）
１２１ 集光レンズ（レンズアレイ）
１３１ 第１のレンズ
１３２ 第２のレンズ
１４１ 第１のレンズ
１４２ 第２のレンズ
１４３ 第２のレンズの内壁
１５１ フレネルレンズ
１６１，１６２，１６３ フレネルレンズ
１７１ 階段形状（バイナリーレンズ）
１７２ もとのレンズ形状
１８１ 高屈折率部（集光レンズ部）
１８２ 低屈折率部
１８３ レンズ材層
１９１ 中心部（高屈折率部）
１９２ 周辺部（低屈折率部）
１９３ レンズ材層
２０１ 凸レンズ
２０２ 高屈折率部（集光レンズ部）
２０３ 低屈折率部
２０４ レンズ材層
２１１ 凸レンズ
２１２ 低屈折率部（発散レンズ部）
２１３ 高屈折率部
２１４ レンズ材層
３０１ レンズアレイ（オンチップレンズ）
３０２ 中間透明膜
３０３ カラーフィルター層
３０４ 平坦膜
３０５ 素子表面保護層
３０６ メタル遮光膜
３０７ シリコン酸化膜あるいは窒化膜
３０８ ポリシリコン電極
３０９ 電荷転送部
３１０ 受光部
３１１ ｐウェル層
３１２ ｎ型半導体基板
４０１ 集光レンズ
４０２ 平坦膜
４２１ 合成樹脂層
４２２ 合成樹脂部分
４２３ 紫外光
４２５ オーバーコート層

Claims (9)

1. ２次元平面に配列された受光部と、前記受光部上に積層されたレンズアレイとを有する固体撮像素子であって、
   前記レンズアレイは、縦横方向に集光レンズが複数個配列されてなり、
   前記レンズアレイの個々の集光レンズは個々の前記受光部に１対１に対応し、
   前記集光レンズは凸レンズであり、一つの前記受光部に対応する面積のうち前記集光レンズが占める割合が１００％であることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記領域の縦方向及び横方向の長さを順にＸ，Ｙとしたとき、前記集光レンズの曲率半径Ｒが下記式（１）を満足する請求項１に記載の固体撮像素子。
   (1/2)×（Ｘ²＋Ｙ²）^1/2≦Ｒ≦(2/3)×（Ｘ²＋Ｙ²）^1/2 ・・（１）
3. 前記領域の縦方向及び横方向の長さを順にＸ，Ｙ、前記集光レンズの曲率半径をＲとしたとき、下記式（２）及び（３）を満足する請求項１に記載の固体撮像素子。
   ４μｍ≦（Ｘ²＋Ｙ²）^1/2≦５．７μｍ ・・（２）
   ２μｍ≦Ｒ≦４μｍ ・・（３）
4. 前記受光部に対応する領域は矩形状である請求項２又は３に記載の固体撮像素子。
5. 前記集光レンズは、その形状を階段状に近似したバイナリー形状で形成されている請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像素子。
6. 前記集光レンズの焦点距離が、前記受光部までの距離に略等しい請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像素子。
7. 前記受光部の上に素子保護絶縁膜と、前記素子保護絶縁膜の上に平坦化膜をさらに備え、
   前記素子保護絶縁膜の屈折率が前記平坦化膜よりも大きいことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の固体撮像素子。
8. 前記素子保護絶縁膜と前記平坦化膜とは接して形成されており、これらの界面が凹凸形状をなす請求項７に記載の固体撮像素子。
9. 前記集光レンズの可視光透過率が９０％以上である請求項１〜８のいずれかに記載の固体撮像素子。

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