JP2011176525A - 偏光イメージング装置、その製造方法及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】劣化の無い正確な偏光情報を得られる。
【解決手段】本発明の偏光イメージング装置１において保護膜１３は入射光を電気信号に光電変換する光電変換素子１２の上に薄膜形成される。偏光フィルタ１６は保護膜１３の上に堆積した偏光材料をパターニングして形成され、入射光の偏光方向を定める。平坦化層１７は偏光フィルタ１６を保護し、偏光フィルタ１６の上に平面を形成される。マイクロレンズ１８が平坦化層１７の上に光電変換素子１２及び偏光フィルタ１６の各画素に対応して形成され入射光を光電変換素子１２に集光する。よって光電変換素子１２と偏光フィルタ１６との間に薄膜状の保護膜１３が介在することになる。また、偏光フィルタ１６が保護膜１３の上に堆積された偏光材料をパターニングして形成されることから従来のような接合プロセスを行わずに一体化できることによりアライメント精度が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏光イメージング装置、その製造方法及び偏光イメージング装置を搭載した撮像装置に関するものである。

デジタルカメラやデジタルビデオカメラの小型化が進み、これらに使用されているＣＣＤやＣＭＯＳから構成される固体撮像装置にも小型化が求められている。この要求に応えるため、固体撮像装置のパッケージタイプは、イメージセンサチップをセラミック等のパッケージによって気密封止する従来のタイプから、より小型化が可能なチップサイズパッケージタイプに移行しつつある。また、ウェハレベルのパッケージも提案されている。更に、最近では、携帯電話や携帯情報端末機、車載カメラ等の多岐にわたる用途で固体撮像装置が用いられ、小型化、高性能化の要求が高まっている。その要求に応えるためにチップサイズパッケージタイプの薄型の固体撮像装置が開発されている。更に、塵や汚れなどの影響を受け易い条件下で使用される携帯電話や携帯情報端末機、車載カメラ等の電子機器に搭載することから、塵や汚れなどを避ける構造が必要とされている。そのため、今までの個体撮像装置は、汚れなどを避けるためにイメージセンサチップの受光部の外周をスペーサで囲い、このスペーサの上に蓋の機能を有するカバーガラスで受光部を封止している。このような構造の固体撮像装置に偏光フィルタを設けようとすると、上記カバーガラスに偏光フィルタを一体化させることにより、偏光イメージングを行う方法が一般的である。

また、特許文献１には、それぞれ透過軸が異なる３つ以上の偏光子の領域にわかれており、入射される入力光のうち、各領域において当該入力光の偏光成分を透過させる偏光子ユニットを１個または複数含む偏光子アレイと、各領域を透過した光を独立に受光する受光素子アレイと、受光素子アレイからの偏光成分及び無偏光成分を処理する画像処理部とを有する偏光イメージング装置が記載されている。

しかし、上述したガバーガラスと偏光フィルタの一体化構成では、偏光フィルタとイメージセンサの間に空隙が存在していることから偏光フィルタとイメージセンサの距離が離れてしまう。そのため、偏光フィルタのある画素に入射した光はその後広がってからイメージセンサの画素に入射することになる。その結果、偏光フィルタの画素における偏光情報が偏光フィルタの当該画素に対応するイメージセンサの画素に隣接するイメージセンサの画素にも入射され、偏光情報が混在してしまい、その結果偏光イメージが劣化してしまうという問題があった。また、偏光フィルタが形成されたカバーガラスとイメージセンサチップは、個別に製作された後に接合されるため、アライメントが困難であり、それぞれ対応するマイクロレンズ、偏光フィルタの画素、センサの画素がずれてしまう問題もあった。

また、上記特許文献１の構造によれば、偏光子アレイは透明基板上に高屈折率材料と低屈折率材料を交互に積層して構成され、その偏光子アレイの透明基板側に受光素子アレイが重なっている。そのため、数百μｍの厚みとなる透明基板が受光素子アレイと偏光子アレイとの間に介在することなる。その結果、その透明基板の厚み分、偏光子と受光子の間の距離が離れるために、上記特許文献１でも、隣接した受光素子の画素と偏光フィルタの画素でクロストークが発生し、偏光イメージが劣化するという問題は解決できない。

本発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、偏光フィルタの画素から出射する光が対応するイメージセンサの画素に入射する光と一致するように、偏光フィルタとイメージセンサの間の距離を小さくでき、隣接する画素でのクロストークが発生せず、劣化の無い正確な偏光情報を得ることできるとともに、光電変換素子を保護する保護膜の上に偏光フィルタをパターニングして形成することで、アライメントを簡単にでき、かつアライメント精度も向上するという効果も期待できる、偏光イメージング装置、及びその製造方法を提供することを目的とする。更に、劣化のない画像を得ることができる撮像装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、入射光を電気信号に光電変換する光電変換素子と、該光電変換素子の上に薄膜形成され、上記光電変換素子を保護する保護膜と、該保護膜の上に堆積した偏光材料をパターニングして形成され、かつ入射光の偏光方向を定める偏光フィルタと、上記偏光フィルタを保護するとともに、上記偏光フィルタの上に平面を形成する平坦化層と、上記平坦化層の上に設けられ、上記光電変換素子及び上記偏光フィルタの各画素に対応して形成されて、入射光を上記光電変換素子に集光するためのマイクロレンズとを具備することを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、請求項１記載の偏光イメージング装置において、上記光電変換素子は裏面照射型イメージセンサであることを特徴とするものである。
更に、請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の偏光イメージング装置において、上記光電変換素子から出力される電気信号を外部回路に出力するための電極を、上記光電変換素子が設けられた上記基板の面に対向する上記基板の面に設けたことを特徴とするものである。
また、請求項４の発明は、請求項１記載の偏光イメージング装置において、上記平坦化層を形成する材料は反射防止材料を含むことを特徴とするものである。
更に、請求項５の発明は、入射光の偏光成分を電気信号に変換する光電変換素子を有する偏光イメージング装置の製造方法において、基板上に設けられた上記光電変換素子を保護する保護膜を薄膜形成する工程と、上記保護膜の上に偏光材料を堆積し、該偏光材料をパターニングして偏光フィルタを形成する工程と、上記偏光フィルタ上に平坦面を有する平坦化層を薄膜形成する工程と、上記平坦化層の上に、上記光電変換素子及び上記偏光フィルタの各画素に対応して形成されて、入射光を上記光電変換素子に集光するためのマイクロレンズを形成する工程とを有することを特徴とするものである。
また、請求項６の発明は、請求項５記載の偏光イメージング装置の製造方法において、上記平坦化層を形成する材料は反射防止材料を含むことを特徴とするものである。
更に、請求項７の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の偏光イメージング装置、あるいは請求項５又は６に記載の偏光イメージング装置の製造方法により製造された偏光イメージング装置を搭載したことを特徴とする撮像装置である。

以上、本発明によれば、偏光フィルタの画素から出射する光が、対応するイメージセンサの画素に入射する光と一致するように、偏光フィルタとイメージセンサの間の距離を少なくし、隣接する画素でのクロストークの発生をなくし、劣化のない偏光イメージを得ることができる。また、保護膜の上に偏光フィルタをパターニング形成することで、偏光フィルタとイメージセンサのアライメントを簡単に、かつ精度よく行うことができ、よってイメージセンサの画素と偏光フィルタの画素がずれず、劣化のない偏光画像を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る偏光イメージング装置の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る偏光イメージング装置の別の構成を示す断面図である。 図１の偏光イメージング装置の製造工程を示す工程断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る偏光イメージング装置の構成を示す説明図である。 別の発明の撮像装置の構成を示す分解斜視図である。 ワイヤグリッド方式を用いた偏光子の構造を示す斜視図である。 撮像素子の別の構成の一部を示す分解斜視図である。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る偏光イメージング装置の構成を示す断面図である。同図において、本実施の形態の偏光イメージング装置１は、基板１１に、入射した光の偏光成分を電気信号に変換する光電変換素子１２と、光電変換素子１２を保護する１［μｍ］以下の膜厚の保護膜１３と、光電変換素子１２から出力される信号を外部回路に供給するため外部回路との間を結線する結線用の電極パッド１４、１５とが設けられて構成されているイメージセンサチップ１０と、保護膜１３の上面に光電変換素子１２の各画素に対応するようにアライメントされた偏光フィルタ１６と、偏光フィルタ１６を保護しつつ、かつ上面を平坦にする平坦化層１７と、光電変換素子１２と偏光フィルタ１６の各画素に対応しアライメントされ、かつ平坦化層１７の上面に形成されるマイクロレンズ１８とを具備している。また、マイクロレンズ１８の上方から入射した光は、平坦化層１７、それぞれ対応した画素の偏光フィルタ１６及び保護膜１３を順に通過し、光電変換素子１２に入射される。受光素子１３と偏光フィルタ１６との間には、イメージセンサ保護用の保護膜１３があるだけであり、この保護膜１３はＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)やスピンコートなど一般的なマイクロマシニング技術により１［μｍ］以下の膜厚に形成されている。よって、保護膜１３の膜厚に相当する、光電変換素子１２と偏光フィルタ１６とのギャップは１［μｍ］以下にできる。このため、偏光フィルタ１６のある画素を通った光は、対応する光電変換素子１２以外の画素に照射されることはほとんどない。このような本実施の形態の構成により、正確な偏光情報が得られる。

図２は本発明の第１の実施の形態に係る偏光イメージング装置の別の構成を示す断面図である。同図に示す本実施の形態の偏光イメージング装置１において、図１に示す構成と比して、貫通電極技術により基板１１を貫通して貫通した孔を介して電極パッド１４と接続させた電極パッド２４を基板１１の裏面に設けている構成が異なる。この構成により、偏光イメージング装置と回路基板の三次元実装が可能となり、装置全体の小型化が可能となる。また、光電変換素子１２の保護膜１３、電極パッド１５や平坦化層１７の上面の開口を形成する必要が無くなる。更に、入射領域に影響なく結線を行うことができる。なお、図２に示す構成は表面照射型イメージセンサでも裏面照射型イメージセンサでも可能である。

次に、第１の実施の形態に係る偏光イメージング装置を製造する方法において概説する。図３は図１の偏光イメージング装置の製造工程を示す工程断面図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素である。図３の（ａ）に示すように、先ず、基板１１上に、光電変換素子１２と、光電変換素子１２を保護するための保護膜１３とを形成する。この保護膜１３は各種ＣＶＤや、スピンコートなどの一般的なマイクロマシニング技術により１［μｍ］以下の膜厚で製作可能である。次に、図３の（ｂ）に示すように、偏光フィルタ１６を形成するための材料１９を堆積する。なお、この偏光フィルタ１６を形成する材料１９はＡｌのワイヤグリッドであるが、材料１９はＡｌ系の化合物やその他の金属でも可能である。そして、図３の（ｃ）に示すように、材料１９の膜をパターニングすることにより偏光フィルタ１６が形成される。この偏光フィルタ１６は数１００［ｎｍ］以下のラインアンドスペースを基本としたパターンからできており、ＥＢリソグラフィやナノインプリントによってパターニングされている。その後、図３の（ｄ）のように、偏光フィルタ１６の保護層を兼ねる平坦化層１７を形成する。この平坦化層１７も各種ＣＶＤや、スピンコートなどの一般的なマイクロマシニング技術により１［μｍ］以下の膜厚で製作可能である。なお、平坦化層１７で反射が発生すると光電変換素子１２に入射する光が減り光電変換による電気信号に悪影響を及ぼすことがないように、平坦化層１７の材料は反射防止材料であることが好ましい。続いて、電極パッド１５上の平坦化層１７は取り除き開口を形成する。次に、図３の（ｅ）に示すように、マイクロレンズ１８を形成するためにレジスト２０を塗布する。そして、図３の（ｆ）に示すように、このレジスト２０をフォトリソグラフィによりパターニングする。次に、図３の（ｇ）に示すように、熱を加えレジスト２０をリフローすることによって、マイクロレンズ１８を形成する。以上の各製造工程を行い、光電変換素子１２と偏光フィルタ１６の間に、１［μｍ］以下の膜厚の保護膜１３を介在することができることから、光電変換素子１２と偏光フィルタ１６の間の距離が極めて小さくなりクロストークの影響がなくなって正確な偏光情報が得られる。また、光電変換素子１２の上に形成された保護膜１３上に堆積した偏光材料をパターニングして偏光フィルタを形成することにより、光電変換素子１２の画素と偏光フィルタ１６の画素がずれずにイメージセンサのアライメントを簡単に、かつ精度よくできることで、劣化の無い偏光情報を得ることが可能となる。なお、熱を加えてリフローする上記工程を施すことでマイクロレンズ１８を形成する以外の方法として、レンズ材料を堆積した後レジストマスクをリフローしてエッチングを行うことによっても製作できる。

図４は本発明の第２の実施の形態に係る偏光イメージング装置の構成を示す説明図である。同図において、図１及び図２と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施に形態の偏光イメージング装置２は、裏面照射型のイメージセンサ２１を有している。裏面照射型のイメージセンサ２１では、光電変換素子２２が配線層２３の上方にあるため、光電変換素子２２に入射する光量のロスが少ない。この裏面照射型のイメージセンサ２１を用いた本実施の形態に係る偏光イメージング装置２によれば、表面照射型のイメージセンサを用いた第１の実施の形態に係る偏光イメージング装置１に比べ、偏光フィルタ１６と光電変換素子２２のギャップをより一層小さくすることが可能となる。このような構成を有する本実施の形態の偏光イメージング装置２によれば、偏光フィルタのある画素を通った光は対応する光電変換素子以外の画素に照射されることはほとんどなくなり、より一層正確な偏光情報が得られる。

図５は別の発明の一実施の形態に係る撮像装置の構成を示す分解斜視図である。同図に示す撮像装置の一例である偏光カメラ１００は、撮像素子がＰ偏光画像とＳ偏光画像とについて個別に設けられている。各撮像素子が近接配置されている。詳細に説明すると、偏光カメラ１００は、レンズアレイ１２２と、遮光スペーサ１２３と、偏光フィルタ１２４と、スペーサ１２５と、固体撮像ユニット１２６とが積層されて形成されている。レンズアレイ１２２は、２つの撮像レンズ１２２ａ，１２２ｂを有する。この２つの撮像レンズ１２２ａ，１２２ｂは、互いに独立した同一形状の例えば非球面レンズ等からなる単レンズで形成され、それぞれの光軸１２１ａ，１２１ｂが互いに平行となるように、かつ、同一平面上に配置している。遮光スペーサ１２３は、２つの開口部１２３ａ，１２３ｂを有し、レンズアレイ１２２に対して被写体側とは反対側に設けられている。２つの開口部１２３ａ，１２３ｂは、光軸１２１ａ，１２１ｂをそれぞれ中心として所定の大きさで貫通され、内壁面には黒塗りや粗面やつや消しなどにより光の反射防止処理がされている。偏光フィルタ１２４は、偏光面が９０度異なる２つの偏光子領域１２４ａ，１２４ｂを有する領域分割型の偏光子フィルタであり、遮光スペーサ１２３に対してレンズアレイ１２２とは反対側に設けられている。この偏光子領域１２４ａ，１２４ｂは、不特定の方向に電磁界が振動する無偏光を、偏光面に沿った方向の振動成分（偏光成分）だけを透過させて直線偏光にする。なお、金属の微細凹凸形状で形成されたワイヤグリッド方式や、オートクローニング型のフォトニック結晶方式を用いることで、境界部が明瞭な領域分割型の偏光子フィルタを得ることができる。ここで、図６にワイヤグリッド方式を用いた構造を示す。同図に示すように、ガラス等の基板上に厚みとピッチが共に数百［ｎｍ］程度のＡｌ、Ｃｒ等の金属の構造物が規則的に並ぶことによって、直交する偏光成分を吸収できるという特異な光学現象が発現する。スペーサ１２５は、偏光フィルタ１２４の偏光子領域偏光ａ，偏光ｂに対応する領域が貫通した開口部１２５ａを有する矩形枠状に形成され、偏光フィルタ１２４に対して遮光スペース１２３とは反対側に設けられている。固体撮像ユニット１２６は、基板１２７上に搭載された２つの固体撮像素子１２６ａ，１２６ｂを有し、スペーサ１２５に対して偏光フィルタ１２４とは反対側に設けられている。本実施の形態では、モノクロのセンシングを行うため、これらの固体撮像素子１２６ａ，１２６ｂはカラーフィルタを備えていない。ただし、カラー画像のセンシングを行う場合には、カラーフィルタを配置する。なお、図５の撮像装置の構造に限定する必要はなく、図７に示すように、１枚の偏光フィルタ１２４内に偏光面が９０度異なる２種類の偏光子領域１２４ａ，１２４ｂがタイル状に並んだ構造でもよい。このような図１２の偏光フィルタを用いた場合偏光フィルタ上に設けられるレンズ群（図示せず）が１つで済むという利点がある。

なお、図５及び図７に示す本実施の形態の撮像装置に、図１、図２及び図４に示す本発明の偏光イメージング装置、もしくは図３に示す本発明の偏光イメージング装置の製造方法によって製造された偏光イメージング装置を搭載させ、取得した画像は良好な画像であった。

以上説明したように、本実施の形態の偏光イメージング装置１は、光電変換素子１２と保護膜１３と偏光フィルタ１６と平坦化層１７とマイクレンズ１８とを具備している。そして、保護膜１３は、入射光を電気信号に光電変換する光電変換素子の上に薄膜形成される。このように、光電変換素子１２と偏光フィルタ１６との間に薄膜状の保護膜１３が介在することで、光電変換素子１２と偏光フィルタ１６との間の距離を極めて小さくすることができる。よって、隣接する画素でのクロストークが発生せず、正確な偏光情報が光電変換素子１２から得られ、劣化のない偏光イメージを得ることができる。更には、偏光フィルタ１６が保護膜１３の上にパターニングされて形成される。また、平坦化層１７が、偏光フィルタ１６を保護するために偏光フィルタ１６の上に平面を形成されている。この平坦化層１７は保護膜１３と同様に１μｍ以下の膜厚である。このように１［μｍ］以下の膜厚である平坦化層１７が集光手段であるマイクロレンズ１８と偏光フィルタ１６の間に介在するため、マイクロレンズ１８で集光した光情報が散乱することなく偏光フィルタ１６、そして光電変換素子１２に到達することなる。よって、正確な偏光情報が光電変換素子１２から得られる。また、アライメント精度が向上し、よって光電変換素子の画素と偏光フィルタの画素のずれがなくなり偏光イメージの劣化を防ぐことができる。

更に、光電変換素子１２は裏面照射型イメージセンサであることにより、偏光フィルタとの距離がより一層小さくなるため、光電変換素子１２は正確な偏光情報を得ることができる。

また、光電変換素子１２から出力される電気信号を外部回路に出力するための電極１５を、光電変換素子１２が設けられた基板１１の面に対向する基板の面に設けたことにより、保護膜や平坦化膜に開口を設ける必要がなくなるとともに、受光領域外での結線が可能となる。

更に、平坦化層１７を形成する材料は反射防止材料を含むことにより、反射による入射光の減少が少なくなり、偏光情報の劣化を防ぐことができる。

また、偏光イメージング装置を製造する方法は、先ず基板上に設けられた光電変換素子１２を保護する保護膜１３を薄膜形成する。そして、光電変換素子１２を覆うように薄膜形成された保護膜１３の上に偏光材料１９を堆積する。その後、堆積された偏光材料１９をパターニングして偏光フィルタ１６を形成する。更に、保護膜の上に形成された偏光フィルタ上に平坦面を有する平坦化層を薄膜形成する。最後に、平坦化層の上にマイクロレンズを設ける。このような製造方法を行うことによれば、光電変換素子１２と偏光フィルタ１６の間には薄膜形成された保護膜１３が介在することになり、保護膜１３の膜厚に比してかなりの厚みを有す基板が光電変換素子と偏光フィルタの間に介在する従来例に比べて光電変換素子１３と偏光フィルタ１６は極めて近接することになる。よって、画素でのクロストークの発生を防げ、正確な偏光情報が光電変換素子１２から得られ、劣化のない偏光イメージを得ることができる。この効果に加えて、偏光フィルタ１６が保護膜１３の上に偏光材料１９を堆積しパターニングして形成されることにより、アライメント精度が向上し、よって光電変換素子の画素と偏光フィルタの画素のずれがなくなり偏光イメージの劣化を防ぐことができる。

また、平坦化層を形成する材料は反射防止材料を含むことにより、反射による入射光の減少が少なくなり、偏光情報の劣化を防ぐことができる。

また、撮像装置１００は、本実施の形態の偏光イメージング装置を、あるいは製造方法により製造された偏光イメージング装置を搭載したことにより、劣化のない偏光イメージを得られ、良好な画像が得られる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換、応用が可能である。

１，２；偏光イメージング装置
１０；イメージセンサチップ
１１；基板
１２；受光素子
１３；保護膜
１４,１５,２４；電極パッド
１６；偏光フィルタ
１７；平坦化層
１８；マイクロレンズ
１９；材料
２０；レジスト
２１；イメージセンサ
２２；光電変換素子
２３；配線層
１００；撮像装置

特開２００７−０８６７２０号公報

Claims (7)

1. 入射光を電気信号に光電変換する光電変換素子と、該光電変換素子の上に薄膜形成され、上記光電変換素子を保護する保護膜と、該保護膜の上に堆積した偏光材料をパターニングして形成され、かつ入射光の偏光方向を定める偏光フィルタと、上記偏光フィルタを保護するとともに、上記偏光フィルタの上に平面を形成する平坦化層と、上記平坦化層の上に設けられ、上記光電変換素子及び上記偏光フィルタの各画素に対応して形成されて、入射光を上記光電変換素子に集光するためのマイクロレンズとを具備することを特徴とする偏光イメージング装置。
2. 請求項１記載の偏光イメージング装置において、
   上記光電変換素子は裏面照射型イメージセンサであることを特徴とする偏光イメージング装置。
3. 請求項１又は２に記載の偏光イメージング装置において、
   上記光電変換素子から出力される電気信号を外部回路に出力するための電極を、上記光電変換素子が設けられた上記基板の面に対向する上記基板の面に設けたことを特徴とする偏光イメージング装置。
4. 請求項１記載の偏光イメージング装置において、
   上記平坦化層を形成する材料は反射防止材料を含むことを特徴とする偏光イメージング装置。
5. 入射光の偏光成分を電気信号に変換する光電変換素子を有する偏光イメージング装置の製造方法において、
   基板上に設けられた上記光電変換素子を保護する保護膜を薄膜形成する工程と、
   上記保護膜の上に偏光材料を堆積し、該偏光材料をパターニングして偏光フィルタを形成する工程と、
   上記偏光フィルタ上に平坦面を有する平坦化層を薄膜形成する工程と、
   上記平坦化層の上に、上記光電変換素子及び上記偏光フィルタの各画素に対応して形成されて、入射光を上記光電変換素子に集光するためのマイクロレンズを設ける工程と
   を有することを特徴とする偏光イメージング装置の製造方法。
6. 請求項５記載の偏光イメージング装置の製造方法において、
   上記平坦化層を形成する材料は反射防止材料を含むことを特徴とする偏光イメージング装置の製造方法。
7. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の偏光イメージング装置、あるいは請求項５又は６に記載の偏光イメージング装置の製造方法により製造された偏光イメージング装置を搭載したことを特徴とする撮像装置。

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