JP2012151421A - イメージセンシング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】イメージセンサの対応する画素同士のアライメントを正確に行うことができるイメージセンシング装置を得る。
【解決手段】光信号を受光して信号を出力する複数個の受光素子と、受光素子の面上に複数積層された光学層とを含むイメージセンシング装置において、複数積層された光学層は、それぞれ異なる光学的機能を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、イメージセンシング装置に関する。

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（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）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方法は、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。

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。チップサイズパッケージの固体撮像装置は、イメージセンサチップの受光部の外周をスペーサで取り囲み、このスペーサの上にカバーガラスを接合し、受光部を気密封止する構造となっていて、ウェハレベルのパッケージも提案されている。このような固体撮像装置では、カバーガラスの下面（イメージセンサ側の面）に偏光フィルタなどの光学素子を備えることによって、光量以外の情報を付加して得る技術が考えられ、既に知られている。

しかし、今までの固体撮像装置は、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周りをスペーサで囲い、カバーガラスなどで蓋をすることで受光面を封止していた。このため、偏光カラーイメージング装置の場合、カバーガラスなどの蓋の部分に偏光フィルタを、イメージセンサの上にカラーフィルタを製作し、センサ基板と蓋となるガラス基板を接着するか、カラーフィルタ、偏光フィルタ、イメージセンサを別個に製作し、後から冶具や筐体によって位置合わせと組み付けを行う構成が一般的であった。

この構成では、カラーフィルタ、偏光フィルタ、イメージセンサの対応する画素同士の調整、整合（以下、「アライメント」ともいう。）を正確に行うことが難しく、アライメント誤差は数μｍ〜数１０μｍとなる。イメージセンサの画素サイズは数μｍ角であり、このアライメント誤差によって正確な偏光カラー情報を得ることができないという問題があった。

また、この従来の構成では、カラーフィルタ、偏光フィルタ、イメージセンサの対応する画素同士の距離が数１０μｍ離れているため、入射光束の径が広がり、隣接する画素でのクロストークが発生してしまうという問題もあった。これは偏光カラーイメージング装置に限らず、イメージセンサの上方に、センサ画素に対応したアライメントが必要となる光学素子を組み付ける装置では特に問題になる。

特許文献１には、画像処理精度を向上させた偏光イメージング装置を提供することを目的として、それぞれ透過軸が異なる３つ以上の偏光子の領域に分かれており、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個又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開示されている。

この技術では、偏光フィルタを透過した光を受光素子で受光することにより、イメージセンシングを行っているが、偏光フィルタと受光素子との距離が離れているために、隣接した受光素子の画素と偏光フィルタの画素との間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されていない。

特許文献２にはイメージセンシングデバイス及びＣＭＯＳイメージセンサを提供することを目的として、フォトダイオードの上面にパターニングされた金属層を形成することにより、カラーイメージングを行うイメージセンシングデバイスが開示されている。

この技術では、イメージセンサ上にパターニングされた材料層を形成しているが、例えば偏光カラーイメージングを行うために、ワイヤグリッド偏光子と表面プラズモン共鳴カラーフィルタの役割を持つといった、２層以上のパターニングされた光学機能層を持つといった構成を採用していない。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、少なくとも２つの光学素子を持ち、イメージセンサの対応する画素同士のアライメントを正確に行うことができ、各フィルタとセンサとの距離を狭くする構造を採用することで、正確なイメージ情報を得ることができるイメージングセンシング装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明におけるイメージセンシング装置は、光信号を受光して信号を出力する複数個の受光素子と、前記受光素子の面上に複数積層された光学層とを含むイメージセンシング装置において、前記複数積層された光学層は、それぞれ異なる光学的機能を有することを特徴とする。

また、本発明におけるイメージセンシング装置は、請求項１に記載のイメージセンシング装置において、前記光学層は、パターニングされた光学素子と、前記光学素子の表面を平坦にする平坦化層とを含むことを特徴とする。

さらに、本発明におけるイメージセンシング装置は、請求項１又は２に記載のイメージセンシング装置において、前記光学層は、前記複数積層されることにより所定の光学的機能を有することを特徴とする。

また、本発明におけるイメージセンシング装置は、請求項１から３のいずれか１項に記載のイメージセンシング装置において、前記光学的機能は、偏光フィルタとしての機能と、カラーフィルタとしての機能とを含むことを特徴とする。

そして、本発明におけるイメージセンシング装置は、請求項１から４のいずれか１項に記載のイメージセンシング装置において、前記光学層の各々は、同一の材料又は異なる材料から構成されていることを特徴とする。

また、本発明のイメージセンシング装置は、請求項１から５のいずれか１項に記載のイメージセンシング装置において、前記平坦層の各々は、同一の材料又は異なる材料から構成されていることを特徴とする。

さらに、本発明におけるイメージセンシング装置は、請求項１から６のいずれか１項に記載のイメージセンシング装置において、前記受光素子の受光面は、前記光学層の最下面と配線層を介して配置されていることを特徴とする。

また、本発明におけるイメージセンシング装置は、請求項１から６のいずれか１項に記載のイメージセンシング装置において、前記受光素子の受光面は、前記光学層の最下面と近接して配置されていることを特徴とする。

そして、本発明におけるイメージセンシング装置は、請求項１から８のいずれか１項に記載のイメージセンシング装置において、前記受光素子から出力される信号を外部に伝達する電極部をさらに含むことを特徴とする。

また、本発明におけるイメージセンシング装置は、請求項７から９のいずれか１項に記載のイメージセンシング装置において、前記電極部は、前記受光素子の受光面と同一方向を表面として形成されていることを特徴とする。

さらに、本発明におけるイメージセンシング装置は、請求項７から９のいずれか１項に記載のイメージセンシング装置において、前記電極部は、前記受光素子の受光面と反対方向を表面として形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、劣化の少ない正確なイメージ情報を得ることができると共に、固体撮像装置が薄型化されたイメージセンシング装置を得ることができる。

本発明の実施形態におけるイメージセンシング装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるイメージセンシング装置の構成を示す斜視外略図である。 本発明の実施形態におけるイメージセンシング装置において、裏面照射型のイメージセンサを用いた場合の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるイメージセンシング装置において、電極を裏面に形成した場合の構成を示す断面図である。

次に、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化乃至省略する。まず始めに、本発明の実施形態におけるイメージセンシング装置について説明する。

本発明は、イメージセンシング装置に際して、次の特徴を有する。すなわち、イメージセンサチップの受光素子上に第１の光学機能層が作製され、その第１の光学機能層を保護するとともに、第１の光学機能層の作製された層の上面を平坦にする平坦化層、平坦化層の上面に製作された第２の光学機能層から構成されており、第１の光学機能層と第２の光学機能層とはパターニングされた材料層によってできている。そして、第１の光学機能層と第２の光学機能層との間のギャップが少なく、第１の光学機能層、第２の光学機能層、及び受光素子は、アライメント精度の低い接合プロセスや組み付けが一切行われずに一体化構成されるため、アライメント精度が良くなることが特徴になっている。

図１は、本発明の実施形態におけるイメージセンシング装置の構造を示す断面図である。本発明のイメージセンシング装置１は、イメージセンサ受光素子１１と、受光素子を保護する保護膜１２と、イメージセンサ受光素子１１から出力される信号を外部に伝えるための電極１３とからなるイメージセンサチップ１０と、イメージセンサチップ１０の上面にイメージセンサ受光素子１１の各画素に対応するようにアライメントされた第１の光学機能層２０と、第１の光学機能層２０を保護し、上面を平坦にする第１の平坦化層４１と、イメージセンサ受光素子１１と第１の光学機能層２０の各画素領域に対応しアライメントされた第２の光学機能層３０と、第２の光学機能層３０を保護し、その上面を平坦化する第２の平坦化層４２と、第２の平坦化層４２の上面に形成され、各画素に対してより多くの光を入射させるマイクロレンズ５０から構成される。

ここで、第１の光学機能層２０と第２の光学機能層３０を形成する材料は同一のものであっても異なるものであっても良い。同様に、第１の平坦化層４１と、第２の平坦化層４２の材料も同一の場合や異なる場合もあり得る。また、第１の平坦化層４１、第２の平坦化層４２を形成する材料が反射防止機能を有する材料から形成されていても良い。

マイクロレンズ５０上方からイメージセンシング装置１に入射した光は、それぞれ対応した画素の第２の光学機能層３０、第１の光学機能層２０、及びイメージセンサ受光素子１１へと入射する。第２の光学機能層３０と第１の光学機能層２０の間には第１の平坦化層４１が、第１の光学素子２０と受光素子１１の間には、イメージセンサ保護用の保護膜１２があるだけであり、この保護膜１２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形成できるので、ギャップは〜１μｍが可能であり、第２の平坦化層４２からイメージセンサ受光素子１１までの距離も〜２、３μｍ程度で製作可能である。このため、各光学機能層のある画素を通った光は、対応するイメージセンサ受光素子１１以外の画素に照射されることはほとんどない。

各光学機能層にそれぞれ個別の異なる機能をもたせる場合は、第１の光学機能層２０と第２の光学機能層３０が使用する光の波長程度以上離れていないと個別の機能が現れない。このため、各光学機能層の機能が発揮できるギャップの範囲で、イメージセンサ受光素子１１から最表面の光学素子までの距離が数μｍ程度となることが好ましい。逆に、各光学機能層のギャップを使用する光の波長以下にすることで、各光学機能層全体で１つの機能をより強化することも可能である。この構成により、従来のイメージセンシング装置よりも正確なイメージ情報が得られる。なお、光学機能層は２つ以上積層されていても構わないし、マイクロレンズ５０がない場合も考えられる。

図２は、本発明の実施形態におけるイメージセンシング装置の構成を示す斜視外略図である。
具体的には、本発明の実施形態におけるイメージセンシング装置の代表例として、偏光カラーイメージング装置の受光モジュールは、カラーフィルタ、偏光フィルタ、及びイメージセンサから構成されている。

図２に示すとおり、本発明の実施形態におけるイメージセンシング装置の代表例としての偏光カラーイメージング装置２の受光部は、イメージセンサ受光素子１１と、偏光フィルタ（第１の光学機能層）２０と、カラーフィルタ（第２の光学機能層）３０とから構成されている。偏光フィルタ２０とカラーフィルタ３０は、アルミニウム（Ａｌ）等の金属薄膜にナノ構造をパターニングしたものである。このとき、イメージセンサ受光素子１１、偏光フィルタ２０、及びカラーフィルタ３０の対応する画素がずれてしまうと、正しい偏光カラー情報が得られなくなってしまう。

そこで、本発明の実施形態における偏光カラーイメージング装置２の構成では、アルミニウム（Ａｌ）等の金属薄膜を電子ビームリソグラフィ、フォトリソグラフィ、干渉露光法、及びナノインプリント等のアライメント精度が高い微細パターニングを行うことができるため、イメージセンサ受光素子１１、偏光フィルタ２０、及びカラーフィルタ３０の画素のズレを抑えることができる。これにより、従来の偏光イメージング装置よりも正確な偏光情報を得ることができる。

図３は、本発明の実施形態におけるイメージセンシング装置において、裏面照射型のイメージセンサを用いた場合の構成を示す断面図である。裏面照射型のイメージセンサ６３では、光電変換素子６１が配線層６２の上方にあるため、光電変換素子６１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６３を用いた本発明の実施形態におけるイメージセンシング装置３では、配線層６２が各光学機能層２０、３０と光電変換素子（受光素子）６１との間に存在しない（光電変換素子６１の受光面と第１の光学機能層とが近接している。）ため、従来型の配線層が各光学機能層と光電素子との間に存在する表面照射型のイメージセンサに比べて、第１の光学機能層２０、第２の光学機能層３０と光電変換素子６１との間のギャップをより小さくすることが可能となる。

これにより、各光学機能層のある画素を通った光は、大きく広がる前に光電変換素子６１に到達するため、対応する画素以外の部分に光が照射されることはほとんどない。この構成により、従来型の表面照射型のイメージセンサを用いたイメージセンシング装置よりも、より正確なイメージ情報を得ることができる。

図４は、本発明の実施形態におけるイメージセンシング装置において、電極を裏面に形成した場合の構成を示す断面図である。電極１３を貫通電極技術によりイメージセンサチップ１０の裏面に形成した場合、イメージセンシング装置４と駆動用回路基板（図示せず）とをワイヤーボンディング等を使用せずに実装することが可能となり、配線数を少なくすることにより、装置全体の小型化が可能となる。

また、この構成をとる場合、イメージセンサ受光素子１１の保護膜１２と第１、第２の平坦化層４１、４２に、電極１３上面の開口を形成する必要が無くなる（図１を参照。） 。この構成は、表面照射型イメージセンサにおいても裏面照射型イメージセンサにおいて実施可能である。

すなわち、表面照射型イメージセンサにおいては、電極１３が、イメージセンサ受光素子１１の受光面と反対方向を表面として形成される場合（図１）と、イメージセンサ受光素子１１の受光面と同一方向を表面として形成される場合とがあり、裏面照射型イメージセンサにおいても、電極１３が、光電変換素子６１（図３）の受光面と同一方向を表面として形成される場合と、光電変換素子６１の受光面と反対方向を表面として形成される場合とがあり得る。

このように、本発明によれば、イメージセンサチップの受光素子上に２層以上の光学素子が作製され、その各光学素子を保護すると共に、各光学素子の作製された層の上面を平坦にする平坦化層から構成されており、光学素子が受光素子の上に直接作製される構成であるため、各光学素子間、光学素子と受光素子の間のギャップが少なく、各光学素子を通った光が広がる前に受光素子に入射する構成としている。また、各光学素子とイメージセンサチップとは、アライメント精度の低い接合プロセスや組み付けを行わずに一体化構成としているため、アライメント精度が良くなるのである。

以上、本発明の好適な実施の形態により本発明を説明した。ここでは特定の具体例を示して本発明を説明したが、特許請求の範囲に定義された本発明の広範囲な趣旨及び範囲から逸脱することなく、これら具体例に様々な修正及び変更が可能である。

１、３、４ イメージセンシング装置
２ 偏光カラーイメージング装置
１０ イメージセンサチップ
１１ イメージセンサ受光素子
１２ 保護膜
１３ 電極
２０ 第１の光学機能層（偏光フィルタ）
３０ 第２の光学機能層（カラーフィルタ）
４１ 第１の平坦化層
４２ 第２の平坦化層
５０ マイクロレンズ
６１ 光電変換素子
６２ 配線層
６３ イメージセンサ

特開２００７−０８６７２０号公報 特開２００９−１４７３２６号公報

Claims (11)

1. 光信号を受光して信号を出力する複数個の受光素子と、前記受光素子の面上に複数積層
   された光学層とを含むイメージセンシング装置において、
   前記複数積層された光学層は、それぞれ異なる光学的機能を有することを特徴とするイメージセンシング装置。
2. 前記光学層は、パターニングされた光学素子と、前記光学素子の表面を平坦にする平坦化層とを含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンシング装置。
3. 前記光学層は、前記複数積層されることにより所定の光学的機能を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のイメージセンシング装置。
4. 前記光学的機能は、偏光フィルタとしての機能と、カラーフィルタとしての機能とを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のイメージセンシング装置。
5. 前記光学層の各々は、同一の材料又は異なる材料から構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のイメージセンシング装置。
6. 前記平坦層の各々は、同一の材料又は異なる材料から構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のイメージセンシング装置。
7. 前記受光素子の受光面は、前記光学層の最下面と配線層を介して配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のイメージセンシング装置。
8. 前記受光素子の受光面は、前記光学層の最下面と近接して配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のイメージセンシング装置。
9. 前記受光素子から出力される信号を外部に伝達する電極部をさらに含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のイメージセンシング装置。
10. 前記電極部は、前記受光素子の受光面と同一方向を表面として形成されていることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載のイメージセンシング装置。
11. 前記電極部は、前記受光素子の受光面と反対方向を表面として形成されていることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載のイメージセンシング装置。

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