JP2007178713A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】混色を抑制して色再現性に優れ、耐光性が良くかつ高温状態でも耐久性があり経時変化にも強い撮像装置を適用すること。
【解決手段】本発明は、撮像素子に入射される光の波長を選択するため多層膜から成るフィルタ１０を備えた撮像装置において、フィルタ１０が、選択する光の中心波長をλ、多層膜の各層の厚さをｄ、各層の屈折率をｎとした場合、ｄ＝λ／（４×ｎ）を満たすよう設けられているものである。また、このフィルタ１０の多層膜として、窒化シリコン膜（Ｓｉ_xＮ_y膜：例えば、Ｓｉ₃Ｎ₄膜）と酸化シリコン（ＳｉＯ_x膜：例えば、ＳｉＯ₂膜）との組み合わせから成るものを用いている。
【選択図】図１

Description

本発明は、入射した光を受光センサによって取り込み電気信号に変換する撮像装置に関し、特に受光センサへ向かう光のうち特定波長を選択するフィルタを備えた撮像装置に関する。

撮像装置であるイメージセンサにおいては、色フィルタを用いることで色を識別する機能を備えたものが現在の主流となっている。通常、色の三原色である赤，緑，青色の減色フィルタを用いることによって色を識別し、それぞれのフィルタの下に光を検出する半導体層を設けることで、フィルタを透過した三原色光をそれぞれ別に検出する。

これに対し、近年では光の波長によって半導体の吸収係数が異なることを利用して色を識別するセンサが考えられている。これは、三原色光の吸収係数が青，緑，赤の順に小さくなることを利用して、Ｓｉ（シリコン）半導体の表面から深さ方向に青，緑，赤色光を検出するための層を青，緑，赤の順に設けたものである（例えば、特許文献１参照。）。

米国特許第５９６５８７５号明細書

しかしながら、撮像装置として色フィルタ方式を用いる場合、カットされる光が多いために効率が悪い。特に赤，緑，青の三原色のフィルタを用いてそれぞれの色を識別する場合、光量はそれだけで１／３以下に落ちてしまう。また色別にセンサが必要であるために１つの画素に３つのセンサが必要となるので解像度が落ちる。その上、色フィルタが必要であるためにコストが高くなる。また色フィルタは通常、染料や顔料と高分子が用いられているので、高温状況や経時変化に弱く、耐光性にも問題がある。

一方、波長による吸収係数の違いを利用した撮像装置では、理論上検知できる光量が低下しないものの、青色光を検知する層では赤色光や緑色光が通過するときにある程度吸収を受けるためにそれらの光が青色光として検知されてしまう（混色）。このために青の信号が本来ない場合でも緑や赤の信号が入ることで青にも信号が入ることになる。

これを避けるために三原色全体で計算による信号処理で補正を行っている。しかしながら、例えば三元色のうちどれか一色が飽和するとその飽和した光の本来の値が判らなくなることで計算に狂いが生じ、結果として本来の色とは異なるように信号を処理することになる。また、計算に必要な回路を別途必要となるのでコスト的に高くなる。

本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、撮像素子に入射される光の波長を選択するため多層膜から成るフィルタを備えた撮像装置において、フィルタが、選択する光の中心波長をλ、多層膜の各層の厚さをｄ、各層の屈折率をｎとした場合、ｄ＝λ／（４×ｎ）を満たすよう設けられているものである。

特に、本発明では、このフィルタの多層膜として、窒化シリコン膜（Ｓｉ_xＮ_y膜：例えば、Ｓｉ₃Ｎ₄膜）と酸化シリコン（ＳｉＯ_x膜：例えば、ＳｉＯ₂膜）との組み合わせから成るものを用いている。このような多層膜、特に誘電体多層膜をフィルタとして用いることで、染料や顔料から成る色フィルタを用いる場合に比べて光の透過性に優れ、耐光性や耐久性、経時変化にも強いフィルタを実現できるようになる。

また、本発明は、撮像素子に入射される光のうち原色の波長を選択する原色フィルタを備えた撮像装置において、原色フィルタが、２つ以上の周期をもつ複数組の多層膜によって構成されるものである。

このような本発明では、２つ以上の周期をもつ複数組の多層膜によって原色フィルタが構成されているため、染料や顔料から成る色フィルタを用いる場合に比べて光の透過性に優れ、耐光性や耐久性、経時変化にも強いフィルタを実現できるようになる。

また、本発明は、基板の異なる深さに設けられている２つ以上の受光センサと、この２つ以上の受光センサに向けて入射する光の波長を選択する誘電体多層膜から成る干渉フィルタとを備える撮像装置である。

このような本発明では、誘電体多層膜から成る干渉フィルタによって入射する光の波長を選択し、その選択された波長の光について基板の異なる深さに設けられた２つ以上の受光センサで基板深さによる波長選択機能によって各受光センサに対応した波長の光を受光する。このフィルタとして、誘電体多層膜から成る干渉フィルタを用いることから、染料や顔料から成る色フィルタを用いる場合に比べて光の透過性に優れ、耐光性や耐久性、経時変化にも強いフィルタを実現できるようになる。

したがって、本発明によれば、光電変換による混色を抑制し、色再現性の優れた撮像装置を提供することが可能となる。また、フィルタとして染料や顔料や高分子材料を使用しないことから、耐光性が良くかつ高温状態でも耐久性があり、経時変化にも強い撮像装置を実現することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図１は、本実施形態に係る撮像装置で適用されるフィルタの概念図である。本実施形態に係る撮像装置では、光電変換を行うセンサ（撮像素子：フォトダイオード）に入射される光の波長を選択するため誘電体多層膜から成るフィルタ１０を用いたものである。フィルタ１０の誘電体多層膜は、この図のように屈折率が異なる層を複数積層した構造であり、このような構造に光を入射させると多層膜中での光の干渉により反射率が波長に対してある依存性を持つようになる。

特に、この誘電体多層膜が周期的な構造や、ある条件（例えば、各層の厚みｄの条件ｄ＝λ₀／４×ｎ）を持つことで、ある特定波長域の光の反射率だけを効果的に高めて（すなわち透過率が小さい）、かつそれ以外の波長域の光の反射率を低く（すなわち透過率が大きく）することができる。ここでλ₀はある波長域の中心波長で、ｎはその層の屈折率である。

このような誘電体多層膜から成るフィルタ１０によって、例えば、図２（ａ）に示す反射スペクトルのように、ある特定の波長領域だけを反射させることができる。本実施形態では、誘電体多層膜をセンサの上側（光入射面側）に形成し、可視光の一部を反射してその残りの光を透過させることで、透過光をセンサ内部に進入させる。このとき、波長に対する透過率は図２（ｂ）に示すような透過スペクトルとなる。

図３は、本実施形態に係る撮像装置の断面構造を示す模式断面図である。誘電体多層膜から成るフィルタ１０の各層の厚みは計算上の厚さに対して±１０％以内に収めることで望みの波長の色フィルタとなる。とりわけ±５％以内であればさらに望ましい特性を得ることができる。

このようなフィルタ１０をセンサ２０の上に形成することによって、図２に示すようなスペクトルに基づき、入射光の一部を反射、一部を透過して目的の波長から成る光のみをセンサ２０に入射できるようになる。

次に、本実施形態に係る撮像装置で用いられるフィルタの特性について説明する。図４は、多層膜構造のフィルタの模式構成図である。また、図５〜図８は、下式の条件を満たして図４に示す多層膜構造のフィルタを構成し、屈折率差を変えて計算した反射スペクトルについての結果である。ただし、この計算では、２種類の層のうち片方の層の屈折率を固定して（ｎ１＝１．４８）、もう一つの層の屈折率ｎ２を変化させて計算している。

ｄ１＝λ_C／（４×ｎ１）
ｄ２＝λ_C／（４×ｎ２）

ここでλ_Cは反射させたい光の中心波長でｄ１とｎ１,ｄ２とｎ２は屈折率と厚みである。図５〜図８は、それぞれλ_C＝２００ｎｍ，２５０ｎｍ,７００ｎｍ,９００ｎｍの場合である。

以上の結果から、次の図９に示すような反射率のピーク値の半値になるところの波長λ_1/2と最初の底値の波長λ_Edgeとを求め、横軸に屈折率差Δｎとして縦軸に波長としてプロットした結果を図１０、図１１に示す。ここでλ_C＝λ₁＝２００ｎｍ，２５０ｎｍの場合（図９（ａ）、図１０参照）はピークより長波長側で、逆にλ_C＝λ₂＝７００ｎｍ，９００ｎｍの場合（図９（ｂ）、図１１参照）はピークより短波長側での波長を読み取っている。

図１０に示すプロットから最小二乗法で求めた各式をまとめると以下のようになる。
λ₁＝２００ｎｍ
λ_Edge ＝２９．６５７×Δｎ＋３８８．５４
λ_1/2 ＝４２．６７８×Δｎ＋２４６．８６
λ₁＝２５０ｎｍ
λ_Edge ＝３７．０５４×Δｎ＋４８５．３７
λ_1/2 ＝５３．０８８×Δｎ＋３０８．７３

これより、
λ_Edge ＝（０．１４８×Δｎ＋１．９４２）×λ₁ …（１）
λ_1/2 ＝（０．２１３×Δｎ＋１．２３４）×λ₁ …（２）
の式が求められる。

また、図１１に示すプロットから同様に最小二乗法で求めた各式をまとめると次のようになる。
λ₂＝７００ｎｍ
λ_Edge ＝−８．４９９７×Δｎ’＋４６８．３８
λ_1/2 ＝−２８．４５２×Δｎ’＋５６３．２１
λ₂＝９００ｎｍ
λ_Edge ＝−９．８７４５×Δｎ’＋６００．１３
λ_1/2 ＝−３８．３２６×Δｎ’＋７２８．３４

これから、
λ_Edge ＝（−０．０１１５×Δｎ’＋０．６６８）×λ₂ …（３）
λ_1/2 ＝（−０．０４１５×Δｎ’＋０．８０７）×λ₂ …（４）
の式が求められる。

以上の結果は図４に示すような多層膜構造が２周期（２層で１周期に対応）の場合であるが、次に屈折率差Δｎ＝２．６２に固定して周期依存性についてλ_C＝２５０ｎｍ，７００ｎｍの条件で調べた結果をそれぞれ図１２、図１３に示す。

これらの結果から同様に反射率のピーク値の半値になるところの波長λ_1/2と最初の底値の波長λ_Edgeを求め、横軸に周期ｍ，ｍ’として縦軸に波長としてプロットした結果を図１４、図１５に示す。

図１４に示す結果から最小二乗法で求めた各式をまとめると以下のようになる。
λ₁＝２５０ｎｍ
λ_Edge ＝３２９．０３＋１５３４．９×ｅｘｐ（−１．０３７４×m）
λ_1/2 ＝３１７．５５＋２８１．５６×ｅｘｐ（−０．９４６×m）

これから
λ_Edge ＝（１．３１６＋６．１３９６×ｅ^-1.0374×m）×λ₁
λ_1/2 ＝（１．２７０２＋１．１２６２４×ｅ^-0.946×m）×λ₁

これらの結果は屈折率差Δｎ＝２．６２に固定した結果である。ここでｍ＝２のときに左側の係数の項を１に規格化した式はそれぞれ以下のようになる。
１／（１．３１６＋６．１３９６×ｅ^-1.0374×2）×（１．３１６＋６．１３９６×ｅ^-1.0374×m）×λ₁
１／（１．２７０２＋１．１２６２４×ｅ^-0.946×2）×（１．２７０２＋１．１２６２４×ｅ^-0.946×m）×λ₁

したがって（１）式と（２）式と合せて屈折率差と周期依存性も含めた式に書き直すと以下のようになる。

λ_Edge ＝１／（１．３１６＋６．１３９６×ｅ^-1.0374×2）×（１．３１６＋６．１３９６×ｅ^-1.0374×m）×（０．１４８×Δｎ＋１．９４２）×λ₁
＝（０．６３６３＋２．９４×ｅ^-1.0374×m）×（０．１４８×Δｎ＋１．９４２）×λ₁ …（５）
λ_1/2 ＝１／（１．２７０２＋１．１２６２４×ｅ^-0.946×2）×（１．２７０２＋１．１２６２４×ｅ^-0.946×m）×（０．２１３×Δｎ＋１．２３４）×λ₁
＝（０．８８２＋０．７８２×ｅ^-0.946×m）×（０．２１３×Δｎ＋１．２３４）×λ₁ …（６）
上記（５）式、（６）式が求める式となる。

また、図１５に示す結果から同様に最小二乗法で求めた各式をまとめると以下のようになる。
λ₂＝７００ｎｍ
λ_Edge ＝５７４．８９−３８０．９４×ｅｘｐ（−０．６００×ｍ’）
λ_1/2 ＝５８３．１２−１６７．３６×ｅｘｐ（−０．６３３×ｍ’）

これから、
λ_Edge ＝（０．８２１−０．５４４×ｅ^-0.600×m'）×λ₂
λ_1/2 ＝（０．８３３−０．２３９×ｅ^-0.600×m'）×λ₂
となる。

さらに同様に、ｍ＝２のときに左側の係数の項を１に規格化した式はそれぞれ以下のようになる。

１／（０．８２１−０．５４４×ｅ^-0.600×2）×（０．８２１−０．５４４×ｅ^-0.600×m'）×λ₂
１／（０．８３３−０．２３９×ｅ^-0.600×2）×（０．８３３−０．２３９×ｅ^-0.600×m'）×λ₂

したがって（３）式と（４）式と合せて屈折率差と周期依存性も含めた式に書き直すと以下のようになる。

λ_Edge ＝１／（０．８２１−０．５４４×ｅ^-0.600×2）×（０．８２１−０．５４４×ｅ^-0.600×m'）×（−０．０１１５×Δｎ’＋０．６６８）×λ₂
＝（１．２５０−０．８２８×ｅ^-0.600×m'）×（−０．０１１５×Δｎ’＋０．６６８）×λ₂ …（７）
λ_1/2 ＝１／（０．８３３−０．２３９×ｅ^-0.600×2）×（０．８３３−０．２３９×ｅ^-0.600×m'）×（−０．０４１５×Δｎ’＋０．８０７）×λ₂
＝（１．０９５−０．３１４×ｅ^-0.600×m'）×（−０．０４１５×Δｎ’＋０．８０７）×λ₂ …（８）
上記（７）式、（８）式が求める式となる。

次に、どのような条件であれば光の透過領域が有効に形成できるかについて、図１６に基づき説明する。それを示したのが図１６である。短波長ピークＡの長波長側で１／２の反射率となる波長をλ₃として、長波長ピークＢの短波長側で半値１／２の反射率となる波長をλ₄とした。また、透過させたい波長領域の中心波長をλ₀とした。ここで、図１６（ａ）は、λ₃＝λ₀＝λ₄の場合、図１６（ｂ）は、λ₃＜λ₀＜λ₄の場合である。これにより、図１６（ｂ）に示すようなλ₃＜λ₀＜λ₄の条件を満たせば良いことがわかる。

ここで、（６）式、（８）式より、
λ₃ ＝（０．８８２＋０．７８２×ｅ^-0.946×m）×（０．２１３×Δｎ＋１．２３４）×λ₁
λ₄ ＝（１．０９５−０．３１４×ｅ^-0.600×m'）×（−０．０４１５×Δｎ’＋０．８０７）×λ₂
となる。

さらに望ましくは、図１７のように最初の底値の波長λ_Edgeが中心波長をλ₀と一致するほうが中心波長での透過が高く、フィルタとして好特性であることがわかる。すなわち短波長ピークＡの底値となる波長をλ₃として、長波長ピークＢの短波長側で底値となる波長をλ₄とした場合、
λ₃＝λ₀＝λ₄
となる。

ここで、（５）式、（７）式より、
λ₃＝（０．６３６３＋２．９４×ｅ^-1.0374×m）×（０．１４８×Δｎ＋１．９４２）×λ₁
λ₄＝（１．２５０−０．８２８×ｅ^-0.600×m'）×（−０．０１１５×Δｎ’＋０．６６８）×λ₂
となる。

次に、具体的なフィルタの構成について説明する。図１８は、第１実施形態（その１）のフィルタを説明する模式構成図である。図１８に示すフィルタ１０では、多層膜の材料として通常のＳｉ（シリコン）系プロセスで使われる窒化シリコンＳｉ_xＮ_y(本実施形態では、Ｓｉ₃Ｎ₄(以下ＳｉＮと記す)を用いる)と酸化シリコンＳｉＯ_x（本実施形態では、ＳｉＯ₂を用いる）とを用いている。したがって、多層膜をプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）でも作製できるし、あるいは真空過熱法やスパッタによる製膜方法でも可能である。このような誘電体多層膜は高温状態での径時変化に強く、耐光性に優れている。

この例では、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の補色に対応した構造で、ＳｉＮ層とＳｉＯ₂層の厚みをそれぞれｄ１、ｄ２としているが、Ｒに対応したｄ１＝８１ｎｍ，ｄ２＝１１０ｎｍ、Ｇに対応したｄ１＝６７ｎｍ，ｄ２＝９１ｎｍ，Ｂに対応したｄ１＝５６ｎｍ，ｄ２＝７６ｎｍとしている。

この構造に垂直方向から光が入射した場合の反射スペクトルを有効フレネル係数法で見積もった結果を図１９に示す。この結果から主にＲＧＢ三元色を反射していることがわかる。

さらに、図２０に透過スペクトルを示すが、主にＲＧＢの補色の光を透過していることがわかる。このような構造から成るフィルタを、例えば図２１に示されるようなＣＣＤ構造に作製することで、補色フィルタに対応させることが可能となる。

図２２は、第１実施形態（その２）のフィルタを説明する模式構成図である。図２２に示すフィルタの誘電体多層膜は、ＳｉとＳｉＯ₂との組み合わせから成るものである。図２３は、上記フィルタの反射スペクトル、図２４は、上記フィルタの透過スペクトルを示す。図２２に示すフィルタの誘電体多層膜では、下側５層と上側４層で厚みが異なっている。ここでＳｉとＳｉＯ₂の厚みとして、上側４層をそれぞれｄ１、ｄ２、下側５層をそれぞれｄ１’、ｄ２’とする。この構造の場合、原色フィルタに相当する。

このようなフィルタは、例えば図２５に示すような画素配列構造に適用することができる。この場合、Ｇ（緑）が４画素中２つあるので通常のベア配列と同じで解像度が低下せずに色再現性の良い画像を提供できる。

図２６はＣＣＤ構造を示す模式図、図２７はＣＭＯＳ構造を示す模式図である。このようなＣＣＤ（Charge Coupled Devices）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）構造の回路を形成した後に、Ｓｉフォトダイオードの上に例えばＣＶＤなどを用いてＳｉＯ₂膜とＳｉＮ膜、またはＳｉＯ₂膜とＳｉ膜を順次積層した後、例えば４つの画素の内２つの画素の多層膜をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法などを用いてエッチングする。さらに別構造の多層膜で埋め込みを行い、平坦化プロセスをすることでデバイスが作製できる。

次に、第２実施形態の説明を行う。第２実施形態に係る撮像装置は、基板の深さ方向に複数のフォトダイオードが形成された例である。図２８は、第２実施形態に係る撮像装置で適用されるフィルタの概念図である。本実施形態に係る撮像装置では、光電変換を行うセンサ（撮像素子：フォトダイオード）に入射される光の波長を選択するため誘電体多層膜から成るフィルタ１０を用いたものである。

フィルタ１０の誘電体多層膜は、この図のように屈折率が異なる層を複数積層した構造であり、このような構造に光を入射させると多層膜中での光の干渉により反射率が波長に対してある依存性を持つようになる。特に、この多層膜が周期的な構造やある条件（例えば各層の厚みｄの条件ｄ＝λ₀／４×ｎ）を持つことで、ある特定波長域の光の反射率だけを効果的に高めて（すなわち透過率が小さい）、かつそれ以外の波長域の光の反射率を低くすることができる（すなわち透過率が大きい）。ここでλ₀はある波長域の中心波長で、ｎはその層の屈折率である。

例えば、図２９（ａ）に示す反射スペクトルのようなある特定の波長領域だけを反射させることができる。本実施形態では、多層膜をフォトダイオードの上側に形成させ、可視光の一部を反射してその残りの光を透過させることで、透過光がフォトダイオード内部に進入する。このとき、図２９（ｂ）に示すような多層膜の透過スペクトルとなる。

さらに図３０に示すようなフォトダイオード部において、厚み方向に２つ以上のセンサ（ここではセンサＳ１、Ｓ２）が積層されており、吸収係数の違いによって長波長側の光と短波長側の光とに分けられて別々のセンサＳ１、Ｓ２で感知されることになる。

図３１は、吸収係数の違いだけで厚み方向に二つセンサを配置した場合の感度特性を示す図である。この場合、短波長側で感度が高いセンサＳ１と、長波長側で感度が高いセンサＳ１とで、両者の感度が重なる部分において混色する多く発生し、色分離特性の悪化を招くことがわかる。

一方、図２９に示す透過スペクトルを持つフィルタと、図３１に示す厚さの違いで感度特性を変えたセンサ構造とを掛け合わせることにより、図３２に示すような感度特性を実現できることになる。このように単純にシリコン基板の深さ方向の色分離だけでなく、上層に多層膜のフィルタを用いた色分離をすることで混色が小さくなり、色再現が良くなるセンサを提供できることになる。

ところで、特開２００３−２９８０３８号公報および特開２００３−２９８１０２号公報において、フォトダイオードの上層に色フィルタを配置する構造が提案されているが、色フィルタによる方法では色分離が必ずしも良くないといった問題や、染料や顔料を用いるため耐光性や高温にすることで劣化するといった経時変化が生じるという問題が生じる。本実施形態では、色分離のフィルタとして誘電体多層膜を用いることから、これらの問題を抑制することが可能となる。

次に、具体的なフィルタの構成について説明する。図３３は、第２実施形態（その１）のフィルタを説明する模式構成図である。ここで、フィルタ１０の多層膜の材料として、通常のＳｉ（シリコン）系プロセスで使われる窒化シリコンＳｉＮやシリコンＳｉ、酸化シリコンＳｉＯ₂を用いている。したがって、多層膜をプラズマＣＶＤでも作製できるし、あるいは真空過熱法やスパッタによる製膜方法でも可能である。このような誘電体多層膜は高温状態での径時変化に強く、耐光性に優れている。

この構造に垂直方向から光が入射した場合の反射スペクトルを有効フレネル係数法で見積もった結果を図３４に示す。この結果から主に緑色を反射していることがわかる。さらに、図３５に透過スペクトルを示す。この結果からに赤と青の光を透過していることがわかる。

次に、図３６に示すセンサ構造において、Ｓｉの吸収係数から見積もられるセンサＳ１とセンサＳ２との感度特性について計算結果を図３７に示す。ここでセンサＳ１は、表面から厚み０．５μmまでに感度があるとして、さらにセンサＳ２は厚み０．５μmから厚み５μｍまで感度があるように設計されている。ここでセンサＳ２は０．５μm以上の深さであれば良い。

さらに、図３５に示す透過スペクトルを持つフィルタと図３７に示す感度特性を備えたセンサとを掛け合わせることで図３８に示すような分光感度特性が得られる。深さ方向だけの分光感度特性（図３７参照）に比べて図３８に示す分光感度特性では、Ｂ（青）とＲ（赤）の分離が効率良く行われているのがわかる。

図３９は、第２実施形態（その２）のフィルタを説明する模式構成図である。このフィルタ構造は、誘電体多層膜としてＳｉとＳｉＯ₂とを組み合わせたものである。図４０は、このフィルタ構造の反射スペクトル、図４１は透過スペクトルを示す図である。さらに深さの異なるセンサによる分光を取り入れることで図４２に示されるような分光感度特性が得られる。このようにすることでＢ（青）とＲ（赤）の分離（分光特性）が良くなり、混色の問題を抑制できることが可能となる。

以上、主にＢ（青）とＲ（赤）との分離について述べたが、さらにデバイス内にＧ（緑）の画素を追加してもよい。つまり、図４３（ａ）に示すように、誘電体多層膜の干渉フィルタと深さ方向でＲ（赤）とＢ（青）とを分離できる画素を２つ、また色フィルタまたは誘電体多層膜だけでＧ（緑）を分離できる画素を２つ配置する。

誘電体多層膜のフィルタだけで構成する場合には、Ｇ（緑）の多層膜として、例えば図４４に示すような多層膜構造にすれば、図４５に示す反射スペクトルおよび図４６に示す透過スペクトルになってＧ（緑）のフィルタの役目を果たす。

さらに、Ｇ（緑）に対応した画素について、さらに深さ方向に分光することでＥ（エメラルド色）とＧ（緑）とに分けることも可能である（図４３（ｂ）参照）。このようなＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｅ（エメラルド）の４色分光をすることで、さらなる色再現性の向上を図ることが可能となる。

上記のようなフィルタが適用される画素構造としては、第１実施形態と同様に、図２６に示すようなＣＣＤ構造や、図２７に示すようなＣＭＯＳ構造が挙げられる。このようなＣＣＤやＣＭＯＳ構造の回路を形成した後に、Ｓｉフォトダイオードの上に例えばＣＶＤなどを用いてＳｉＯ₂膜とＳｉＮ膜を、またはＳｉＯ₂膜とＳｉ膜とを順次積層した後、例えば、４つの画素の内２つの画素の多層膜をＲＩＥ法などを用いてエッチングする。さらに別構造の多層膜で埋め込みを行い、平坦化プロセスをすることでデバイスが作製できる。

上記実施形態で示した波長や多層膜の各膜の厚さ、材質、屈折率は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。また、上記実施形態では、撮像装置（入射した光を電気信号に変換するデバイス）について説明したが、各実施形態に記載のフィルタ構成は、生成（発生）した光を外部に放出する発光デバイスのフィルタとしても適用可能である。

本実施形態に係る撮像装置で適用されるフィルタの概念図である。 フィルタの反射および透過スペクトルを示す模式図である。 本実施形態に係る撮像装置の断面構造を示す模式断面図である。 多層膜構造のフィルタの模式構成図である。 多層膜構造のフィルタにおいて屈折率差を変えて計算された反射スペクトルの図（その１）である。 多層膜構造のフィルタにおいて屈折率差を変えて計算された反射スペクトルの図（その２）である。 多層膜構造のフィルタにおいて屈折率差を変えて計算された反射スペクトルの図（その３）である。 多層膜構造のフィルタにおいて屈折率差を変えて計算された反射スペクトルの図（その４）である。 反射率の半値を示す図である。 屈折率差と波長との関係を示し図（その１）である。 屈折率差と波長との関係を示し図（その２）である。 反射率の周期依存性を示す図（その１）である。 反射率の周期依存性を示す図（その２）である。 周期と波長との関係を示す図（その１）である。 周期と波長との関係を示す図（その２）である。 透過領域の形成について説明する図（その１）である。 透過領域の形成について説明する図（その２）である。 第１実施形態（その１）のフィルタを説明する模式構成図である。 第１実施形態（その１）のフィルタの反射スペクトルを示す図である。 第１実施形態（その１）のフィルタの透過スペクトルを示す図である。 本実施形態のフィルタが適用されるＣＣＤ構造を示す模式断面図である。 第１実施形態（その２）のフィルタを説明する模式構成図である。 第１実施形態（その２）のフィルタの反射スペクトルを示す図である。 第１実施形態（その２）のフィルタの透過スペクトルを示す図である。 画素配列構造を示す模式図である。 ＣＣＤ構造を示す模式図である。 ＣＭＯＳ構造を示す模式図である。 第２実施形態に係る撮像装置で適用されるフィルタの概念図である。 フィルタの反射および透過スペクトルを示す模式図である。 第２実施形態に係る撮像装置の模式構造図である。 波長に対する感度特性を示す図である。 フィルタを合わせた場合の感度特性を示す図である。 第２実施形態（その１）のフィルタを説明する模式構成図である。 第２実施形態（その１）のフィルタの反射スペクトルを示す図である。 第２実施形態（その１）のフィルタの透過スペクトルを示す図である。 第２実施形態のフィルタが適用されるセンサの模式断面図である。 分光感度特性を示す図である。 フィルタを合わせた場合の分光感度特性を示す図である。 第２実施形態（その２）のフィルタを説明する模式構成図である。 第２実施形態（その２）のフィルタの反射スペクトルを示す図である。 第２実施形態（その２）のフィルタの透過スペクトルを示す図である。 フィルタを合わせた場合の分光感度特性を示す図である。 デバイス構造の例を示す模式図である。 Ｇ（緑）に対応したフィルタの多層膜構造例を示す模式断面図である。 Ｇ（緑）に対応したフィルタの反射スペクトルを示す図である。 Ｇ（緑）に対応したフィルタの透過スペクトルを示す図である。

符号の説明

１０…フィルタ、２０…センサ、Ｓ１…センサ、Ｓ２…センサ

Claims (10)

1. 撮像素子に入射される光の波長を選択するため多層膜から成るフィルタを備えた撮像装置において、
   前記フィルタは、選択する光の中心波長をλ、多層膜の各層の厚さをｄ、各層の屈折率をｎとした場合、
   ｄ＝λ／（４×ｎ）
   を満たす
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記フィルタを構成する多層膜は、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との組み合わせから成る
   ことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記フィルタが赤に対する補色を選択する場合、窒化シリコン膜の厚さをｄ１、酸化シリコン膜の厚さをｄ２とすると
   ｄ１＝８１ｎｍ、ｄ２＝１１０ｎｍで各々±１０％の範囲に収まるよう構成されている
   ことを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
4. 前記フィルタが緑に対する補色を選択する場合、窒化シリコン膜の厚さをｄ１、酸化シリコン膜の厚さをｄ２とすると
   ｄ１＝６７ｎｍ、ｄ２＝９１ｎｍで各々±１０％の範囲に収まるよう構成されている
   ことを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
5. 前記フィルタが青に対する補色を選択する場合、窒化シリコン膜の厚さをｄ１、酸化シリコン膜の厚さをｄ２とすると
   ｄ１＝５６ｎｍ、ｄ２＝７６ｎｍで各々±１０％の範囲に収まるよう構成されている
   ことを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
6. 撮像素子に入射される光のうち原色の波長を選択する原色フィルタを備えた撮像装置において、
   前記原色フィルタは、２つ以上の周期をもつ複数組の多層膜によって構成される
   ことを特徴とする撮像装置。
7. 前記複数組の多層膜において第１の多層膜を構成する膜の厚さをｄ１、ｄ２、屈折率をｎ１、ｎ２、第２の多層膜を構成する膜の厚さをｄ１’、ｄ２’、屈折率をｎ１’、ｎ２’、前記第１の多層膜で透過させたい光の中心波長をλ₁、前記第２の多層膜で透過させたい光の中心波長をλ₂、前記原色フィルタによって透過させたい光の中心波長をλ₀とした場合、以下の関係１を満たしていることを特徴とする請求項６記載の撮像装置。
   （関係１）
   ｄ１＝λ₁／（４×ｎ１）
   ｄ２＝λ₁／（４×ｎ２）
   ｄ１’＝λ₂／（４×ｎ１’）
   ｄ２’＝λ₂／（４×ｎ２’）
   を満たすｄ１、ｄ２、ｄ１’、ｄ２’、ｎ１、ｎ２、ｎ１’、ｎ２’において、
   λ₃＜λ₀＜λ₄である。
   ここで、
   λ₃＝（０．８８２＋０．７８２×ｅ^-0.946×m）×（０．２１３×Δｎ＋１．２３４）×λ₁
   λ₄＝（１．０９５−０．３１４×ｅ^-0.600×m'）×（−０．０４１５×Δｎ’＋０．８０７）×λ₂
   であり、さらに、ｍとｍ’とはそれぞれ多層膜の周期数である。
   また、ｎ２≧ｎ１の場合、Δｎ＝ｎ２−ｎ１
   または、ｎ２＜ｎ１の場合、Δｎ＝ｎ１−ｎ２である。
8. 前記複数組の多層膜において第１の多層膜を構成する膜の厚さをｄ１、ｄ２、屈折率をｎ１、ｎ２、第２の多層膜を構成する膜の厚さをｄ１’、ｄ２’、屈折率をｎ１’、ｎ２’、前記第１の多層膜で透過させたい光の中心波長をλ₁、前記第２の多層膜で透過させたい光の中心波長をλ₂、前記原色フィルタによって透過させたい光の中心波長をλ₀とした場合、以下の関係２を満たしていることを特徴とする請求項６記載の撮像装置。
   （関係２）
   ｄ１＝λ₁／（４×ｎ１）
   ｄ２＝λ₁／（４×ｎ２）
   ｄ１’＝λ₂／（４×ｎ１’）
   ｄ２’＝λ₂／（４×ｎ２’）
   を満たすｄ１、ｄ２、ｄ１’、ｄ２’、ｎ１、ｎ２、ｎ１’、ｎ２’において、
   λ₃＝λ₀＝λ₄である。
   ここで、
   λ₃＝（０．６３６３＋２．９４×ｅ^-1.0374×m）×（０．１４８×Δｎ＋１．９４２）×λ₁
   λ₄＝（１．２５０−０．８２８×ｅ^-0.600×m'）×（−０．０１１５×Δｎ’＋０．６６８）×λ₂
   であり、さらに、ｍとｍ’とはそれぞれ多層膜の周期数である。
   また、ｎ２≧ｎ１の場合、Δｎ＝ｎ２−ｎ１
   または、ｎ２＜ｎ１の場合、Δｎ＝ｎ１−ｎ２である。
9. 基板の異なる深さに設けられている２つ以上の受光センサと、
   前記２つ以上の受光センサに向けて入射する光の波長を選択する誘電体多層膜から成る干渉フィルタと
   を備えることを特徴とする撮像装置。
10. 前記干渉フィルタの誘電体多層膜は、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコンのうち選択された２つの組み合わせから成る
    ことを特徴とする請求項９記載の撮像装置。
    

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