JP2016025334A - 固体撮像装置およびカメラモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】画素微細化の末に解像度限界に達した固体撮像装置でも、解像度を向上させることができる固体撮像装置およびカメラモジュールを提供すること。【解決手段】一つの実施形態によれば、固体撮像装置が提供される。固体撮像装置は、センサ基板と、マイクロレンズと、平坦化層とを備える。センサ基板は、複数の光電変換素子が２次元アレイ状に配置される。マイクロレンズは、複数の光電変換素子の各受光面とそれぞれ対向する位置に設けられ、入射する光を前記光電変換素子へ集光する。平坦化層は、マイクロレンズの光が入射する側に設けられ、屈折率が空気の屈折率よりも高く、且つ、マイクロレンズの屈折率の１／１．３倍以下である。【選択図】図２
Description
本発明の実施形態は、固体撮像装置およびカメラモジュールに関する。
近年、カメラモジュールに適用される固体撮像装置では、画素サイズを小さくして単位体積あたりの画素数を増やすことで高い解像度を実現している。
しかしながら、カメラモジュールに使用される撮像レンズを含む光学系では、撮像レンズの回折限界や収差があるためレンズの分解能に限界がある。このため、従来の固体撮像装置では画素サイズがある所定のレベルまで小さくなると、それ以上画素サイズを小さくしても解像度が向上しなくなる。
一つの実施形態は、画素微細化の末に解像度限界に達した固体撮像装置でも、解像度を向上させることができる固体撮像装置およびカメラモジュールを提供することを目的とする。
一つの実施形態によれば、固体撮像装置が提供される。固体撮像装置は、センサ基板と、マイクロレンズと、平坦化層とを備える。センサ基板は、複数の光電変換素子が２次元アレイ状に配置される。マイクロレンズは、複数の光電変換素子の各受光面とそれぞれ対向する位置に設けられ、入射する光を前記光電変換素子へ集光する。平坦化層は、マイクロレンズの光が入射する側に設けられ、屈折率が空気の屈折率よりも高く、且つ、マイクロレンズの屈折率の１／１．３倍以下である。
以下に添付図面を参照して、実施形態に係る固体撮像装置およびカメラモジュールについて詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るカメラモジュール１の概略構成を示す断面図であり、図２は、第１の実施形態に係るカメラモジュール１を模式的に示す説明図である。図１に示すように、カメラモジュール１は、撮像レンズ１０と、レンズホルダ１１と、シールドケース１２と、セラミック基板３と、固体撮像装置１４とを備える。
図１は、第１の実施形態に係るカメラモジュール１の概略構成を示す断面図であり、図２は、第１の実施形態に係るカメラモジュール１を模式的に示す説明図である。図１に示すように、カメラモジュール１は、撮像レンズ１０と、レンズホルダ１１と、シールドケース１２と、セラミック基板３と、固体撮像装置１４とを備える。
シールドケース１２は、底面が開放され、上面の中央に円形の開口が設けられた箱状のケースである。レンズホルダ１１は、シールドケース１２の上面に設けられた開口に嵌合される環状の部材であり、撮像レンズ１０の周縁部を支持する。
撮像レンズ１０は、被写体からの光を取り込み、固体撮像装置１４に被写体像を結像させる。なお、レンズホルダ１１には、内周縁部に撮像レンズ１０から入射する光の量を調整可能な絞り部１３が設けられる。
セラミック基板３は、シールドケース１２の開放された底面を閉塞するカバーである。固体撮像装置１４は、セラミック基板３とシールドケース１２と撮像レンズ１０とによって囲まれた内部空間に設けられる。具体的には、固体撮像装置１４は、撮像レンズ１０から入射する光の光軸が受光面の中心となるように、セラミック基板３上の中央に設けられる。
固体撮像装置１４は、セラミック基板３上に設けられるロジック基板３１と、ロジック基板３１上に設けられるセンサ基板２と、センサ基板２の受光面となる上面に設けられる複数のマイクロレンズ３２と、マイクロレンズ３２を被覆する平坦化層４とを備える。
センサ基板２は、被写体を撮像するイメージセンサを備える。イメージセンサは、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサである。なお、イメージセンサは、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサなどの他のイメージセンサであってもよい。
ＣＭＯＳイメージセンサは、２次元アレイ状に配置される複数の光電変換素子を備える。各光電変換素子は、撮像画像の各画素に対応しており、入射する光を信号電荷に変換して蓄積する。マイクロレンズ３２は、受光面が半球状をした平凸レンズであり、入射する光を光電変換素子へ集光する。
ロジック基板３１は、センサ基板２内の光電変換素子から信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷に対して種々の信号処理を行うＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのロジック回路を備える。
平坦化層４は、マイクロレンズ３２を被覆して封止するように設けられる。かかる平坦化層４は、空気よりも屈折率が高く、且つ、マイクロレンズ３２よりも屈折率の低い材料によって形成される。
さらに、本実施形態では、平坦化層４の屈折率ｎ１とマイクロレンズ３２の屈折率ｎ２との比を最適化することによって、マイクロレンズ３２の集光特性を劣化させることなく撮像レンズ１０の分解能を高めてカメラモジュール１の解像度を向上させた。
ここで、平坦化層４を設けたこと、および平坦化層４の屈折率ｎ１とマイクロレンズ３２の屈折率ｎ２との比を最適化したことによる作用効果について説明する。まず、撮像レンズ１０の分解能について説明する。
なお、ここでは、平坦化層４を設けたこと、および平坦化層４の屈折率ｎ１とマイクロレンズ３２の屈折率ｎ２との比を最適化したことにより生起される効果を明確にするため、あえて平坦化層４が設けられない場合を例に挙げて説明する。
カメラモジュール１では、平坦化層４が設けられない場合、マイクロレンズ３２と撮像レンズ１０との間には、空気（ｎ０＝１）が介在することになる。かかる場合、撮像レンズ１０の分解能ωは、撮像レンズ１０の開口数ＮＡと撮像レンズ１０へ入射する光の波長λとにより下記の式（１）に示す関係式で表すことができる。
ω＝（０．６１×λ）／ＮＡ…（１）
ω＝（０．６１×λ）／ＮＡ…（１）
また、開口数ＮＡは、撮像レンズ１０からマイクロレンズ３２に入射する光線の光軸に対する最大角度θと、空気の屈折率ｎ０とにより下記の式（２）に示す関係式で表すことができる。
ＮＡ＝ｎ０・ｓｉｎθ…（２）
ＮＡ＝ｎ０・ｓｉｎθ…（２）
したがって、上記の式（１）と式（２）とにより撮像レンズ１０の分解能ωは、下記の（３）式に示す関係式で表すことができる。
ω＝（０．６１×λ）／（ｎ０・ｓｉｎθ）…（３）
ω＝（０．６１×λ）／（ｎ０・ｓｉｎθ）…（３）
上記の（３）式に示すように、撮像レンズ１０の分解能ωは、撮像レンズ１０とマイクロレンズ３２との間に介在する媒質の屈折率（ここでは、空気の屈折率のｎ０に相当する。）が大きいほど高くなる。
そこで、カメラモジュール１では、図２に示すように、マイクロレンズ３２と撮像レンズ１０との間に、空気よりも屈折率の大きな平坦化層４を設ける。これにより、カメラモジュール１は、マイクロレンズ３２と撮像レンズ１０との間に平坦化層４が設けられない場合に比べて、撮像レンズ１０の分解能ωを向上させることができる。
ただし、マイクロレンズ３２と撮像レンズ１０との間に、空気よりも屈折率の大きな平坦化層４を設けるだけでは、マイクロレンズ３２の集光特性が劣化する場合がある。例えば、平坦化層４の屈折率ｎ１がマイクロレンズ３２の屈折率ｎ２に近づき過ぎた場合、平坦化層４とマイクロレンズ３２との界面において屈折角が大きくなり、マイクロレンズ３２へ入射する光が光電変換素子の受光面へ到達し難くなる。
そこで、カメラモジュール１では、平坦化層４の屈折率ｎ１とマイクロレンズ３２の屈折率ｎ２との比を最適化することによって、マイクロレンズ３２の集光特性の劣化を防止した。
具体的には、マイクロレンズ３２は、屈折率ｎ２が平坦化層４の屈折率ｎ１の１．３倍以上であれば、十分な集光特性を確保することが可能である。言い換えれば、マイクロレンズ３２は、平坦化層４の屈折率ｎ１がマイクロレンズ３２の屈折率ｎ２の１／１．３倍以下であれば、十分な集光特性を発揮することが可能である。
マイクロレンズ３２上での解像度は、平坦化層４の屈折率ｎ１が高いほど高くなる。一方、マイクロレンズ３２の集光力は、マイクロレンズ３２の屈折率ｎ２と平坦化層４の屈折率ｎ１との差に対応して強くなる。本発明者は、屈折率ｎ１の値と屈折率ｎ２の値とをいろいろ変えて光学シミュレーションを繰り返した結果、屈折率ｎ１が屈折率ｎ２の１／１．３倍以下となる条件が最低限必要であることを確認した。
そこで、カメラモジュール１では、平坦化層４の屈折率ｎ１をマイクロレンズ３２の屈折率ｎ２の１／１．３倍以下としている。これにより、カメラモジュール１は、マイクロレンズ３２の集光特性を劣化させることなく撮像レンズ１０の分解能ωを高めることによって、解像度を向上させることができる。
ここで、平坦化層４は、例えば、多孔質シリカや中空シリカなどと呼ばれる内部に気泡を含むＳｉＯ２（酸化シリコン）を材料とすることによって、屈折率ｎ１が空気よりも高い１．３〜１．５となる。かかる場合、マイクロレンズ３２には、平坦化層４の屈折率ｎ１の１．３倍以上の屈折率が必要となる。
しかし、マイクロレンズ３２の材料として一般的に使用されている有機系樹脂では、１．３〜１．５の１．３倍以上の屈折率を実現することは困難である。そこで、カメラモジュール１では、有機系樹脂よりも屈折率の高いＴｉＯ２（酸化チタン）を材料として形成されたマイクロレンズ３２を備える。マイクロレンズ３２は、ＴｉＯ２を微粒子化して有機系樹脂に分散した塗布可能な材料でもよい。
これにより、マイクロレンズ３２は、屈折率ｎ２が２．０程度となるので、十分な集光特性を発揮することができる。なお、マイクロレンズ３２の材料は、ＴｉＯ２に限定されるものではない。例えば、マイクロレンズ３２の材料は、Ｐ−ＳｉＮ（プラズマＣＶＤ窒化シリコン）、Ｃ（炭素）および／またはＮ（窒素）を含むＳｉＯ２（酸化シリコン）、ＺｒＯ２（酸化ジルコニウム）、ＴａＯ（酸化タンタル）のうちのいずれかであってもよい。また、これらの材料を微粒子化して有機系樹脂に分散した塗布可能な材料でもよい。これらの材料によってマイクロレンズ３２を形成することにより、マイクロレンズ３２の屈折率ｎ２を１．７〜２．０程度にすることができる。
かかるカメラモジュール１では、図２に示すように、撮像レンズ１０から入射した光は、平坦化層４を通過してマイクロレンズ３２の入射側の面で結像する。具体的には、平坦化層４の法線に対して入射角αで平坦化層４に入射する光は、平坦化層４の法線に対して入射角αよりも小さい角度の屈折角βで屈折してマイクロレンズ３２へ入射する。
ここで、前述したように、平坦化層４の屈折率ｎ１は、１．３〜１．５であり、マイクロレンズ３２の屈折率ｎ２は、１．７〜２．０である。つまり、マイクロレンズ３２の屈折率ｎ２は、平坦化層４の屈折率ｎ１の１．３倍以上である。言い換えれば、平坦化層４の屈折率ｎ１は、マイクロレンズ３２の屈折率ｎ２の１／１．３倍以下である。
これにより、マイクロレンズ３２は、十分な集光特性を発揮して入射する光を光電変換素子へ集光することができる。光電変換素子に入射した光は、光電変換素子によって信号電荷へ変換される。
また、図２に示すように、平坦化層４においてマイクロレンズ３２の受光面から平坦化層４の光が入射する側の面までの距離Ｔは、撮像レンズ１０において高い分解能ωを確保するために、焦点深度ｄよりも大きくする必要がある。
焦点深度ｄとは、レンズの焦点をある一点に合わせた場合に、その点から前後に鮮明な像を結び得る範囲のことである。焦点深度ｄは、平坦化層４の屈折率ｎ１と平坦化層４へ入射する光の波長λに比例し、撮像レンズ１０の開口数ＮＡの２乗に反比例するため、下記の式（４）に示す関係式で表すことができる。
ｄ＝ｎ１・λ／（ＮＡ）２…（４）
ｄ＝ｎ１・λ／（ＮＡ）２…（４）
上述した距離Ｔが焦点深度ｄよりも小さい場合、撮像レンズ１０から入射した光は、平坦化層４を通過せずに平坦化層４の表面で結像するため、撮像レンズ１０の分解能ωが低下してしまう。
したがって、かかるカメラモジュール１は、下記の式（５）に示す条件を満たすことで、撮像レンズ１０から入射した光が、平坦化層４を通過してマイクロレンズ３２の入射側の面で結像し、撮像レンズ１０において高い分解能ωを確保することができる。
Ｔ＞（ｎ１・λ）／（ＮＡ）２…（５）
Ｔ＞（ｎ１・λ）／（ＮＡ）２…（５）
上述したように、第１の実施形態に係るカメラモジュール１では、屈折率ｎ２が１．７〜２．０である複数のマイクロレンズ３２を覆うようにセンサ基板２の表面に平坦化層４が設けられる。平坦化層４の屈折率ｎ１は、マイクロレンズ３２の屈折率ｎ１の１／１．３倍以下である。
このような構成にすることで、かかるカメラモジュール１は、マイクロレンズ３２の集光特性を高い状態に維持したまま、撮像レンズ１０の分解能ωを大きくすることができる。この結果、カメラモジュール１の解像度が向上する。
次に、第１の実施形態に係る固体撮像装置１４の製造方法について、図３および図４を参照しながら説明する。ここで、センサ基板２は、ＣＭＯＳセンサを備える一般的なセンサ基板と同様の構成である。このため、ここでは、センサ基板２の受光面にマイクロレンズ３２および平坦化層４を形成する製造工程について説明する。図３および図４は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１４の製造工程を示す断面模式図である。
図３（ａ）に示すように、センサ基板２は、支持基板２８の表面に接着層２７を介して配線層５と半導体層６と導波層２０とカラーフィルタ２９とがこの順に積層された構造である。配線層５は、絶縁膜２４に配線２５や読み出し電極２６などが埋設されたものである。
半導体層６は、Ｐ型のＳｉ層２１内にＮ型のＳｉ領域２２がアレイ状に配列されたものである。また、半導体層６は、Ｐ型のＳｉ層２１とＮ型のＳｉ領域２２とのＰＮ接合により形成されたフォトダイオードである光電変換素子２３を備える。
導波層２０は、マイクロレンズ３２を透過した光を光電変換素子２３へ導くために透明膜によって形成されたものである。カラーフィルタ２９は、光電変換素子２３の受光面に対応する位置に形成され、赤、緑、青、もしくは白のいずれかの色光を選択的に透過させるものである。配線層５、半導体層６、導波層２０およびカラーフィルタ２９は、例えば、一般的なＣＭＯＳセンサの製造プロセスを用いて形成される。
カラーフィルタ２９を形成した後、図３（ｂ）に示すように、カラーフィルタ２９の表面に、例えば、ＴｉＯ２の微粒子を有機系樹脂に分散した材料からなる高屈折率材料膜３０を形成する。高屈折率材料膜３０は、例えば、スピン塗布法により形成される。
続いて、高屈折率材料膜３０の表面に、図示しないレジストを塗布してレジスト膜を形成し、フォトマスクを用いて露光および現像することにより、所定のパターンのレジスト膜を形成する。
その後、加熱処理をすることにより、レジストパターンを溶融させてレジスト膜の受光面を半球状に形成する。そして、ドライエッチングにより高屈折率材料膜３０にレジスト膜のパターンを転写し、図４（ａ）に示すように、半球状のマイクロレンズ３２を形成する。
なお、マイクロレンズ３２の形成方法としては、上述した方法に限られず、例えば、グレーティングマスクを用いてのエッチング法により、高屈折率材料膜３０から半球状のマイクロレンズ３２を形成してもよい。
この後、図４（ｂ）に示すように、複数のマイクロレンズ３２の光が入射する側の面に、複数のマイクロレンズ３２を覆うように、例えば、多孔質シリカや中空シリカなどの微粒子を低屈折率の有機系樹脂に分散させた平坦化層４を形成する。平坦化層４は、例えば、スピン塗布法により形成される。
上述の方法により製造された固体撮像装置１４では、屈折率ｎ２が１．７〜２．０である複数のマイクロレンズ３２を覆うようにセンサ基板２の表面に平坦化層４が形成される。平坦化層４の屈折率ｎ１は、マイクロレンズ３２の屈折率ｎ２の１／１．３倍以下である。
このため、かかる固体撮像装置１４は、マイクロレンズ３２の集光特性を高い状態に維持したまま、撮像レンズ１０の分解能ωを大きくすることができる。この結果、固体撮像装置１４の解像度が向上する。
（第２の実施形態）
次に、図５を参照して第２の実施形態に係るカメラモジュール７について説明する。第２の実施形態に係るカメラモジュール７は、例えば、多孔質シリカや中空シリカなどのＳｉＯ２を分散させた樹脂からなるシート状の平坦化層４をマイクロレンズ３２の受光面に載置した点を除き、第１の実施形態に係るカメラモジュール１と同様の構成である。
次に、図５を参照して第２の実施形態に係るカメラモジュール７について説明する。第２の実施形態に係るカメラモジュール７は、例えば、多孔質シリカや中空シリカなどのＳｉＯ２を分散させた樹脂からなるシート状の平坦化層４をマイクロレンズ３２の受光面に載置した点を除き、第１の実施形態に係るカメラモジュール１と同様の構成である。
図５は、第２の実施形態に係るカメラモジュール７を模式的に示す説明図である。図５に示すように、平坦化層４は、マイクロレンズ３２の受光面に一枚のシートとして載置される。
本実施形態に係るカメラモジュール７においても、平坦化層４の屈折率ｎ１は、１．３〜１．５であり、マイクロレンズ３２の屈折率ｎ２は、１．７〜２．０である。つまり、マイクロレンズ３２の屈折率ｎ２は、平坦化層４の屈折率ｎ１の１．３倍以上である。言い換えれば、平坦化層４の屈折率ｎ１は、マイクロレンズ３２の屈折率ｎ２の１／１．３倍以下である。
これにより、かかるカメラモジュール７は、マイクロレンズ３２の集光特性を高い状態に維持したまま、撮像レンズ１０の分解能ωを大きくすることができる。この結果、カメラモジュール７の解像度が向上する。
また、かかるカメラモジュール７では、マイクロレンズ３２の受光面に一枚のシートからなる平坦化層４を載置するだけで、容易にカメラモジュール７の解像度を向上させることができる。このため、カメラモジュールの設計変更に対して容易に対処することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１ カメラモジュール、 １０ 撮像レンズ、 １１ レンズホルダ、 １２ シールドケース、 １３ 絞り部、 １４ 固体撮像装置、 ２ センサ基板、 ２０ 導波層、 ２１ Ｐ型のＳｉ層、 ２２ Ｎ型のＳｉ領域、 ２３ 光電変換素子、 ２４ 絶縁膜、 ２５ 配線、 ２６ 読み出し電極、 ２７ 接着層、 ２８ 支持基板、 ２９ カラーフィルタ、 ３ セラミック基板、 ３０ 高屈折率材料膜、 ３１ ロジック基板、 ３２ マイクロレンズ、 ４ 平坦化層、 ５ 配線層、 ６ 半導体層、 ７ カメラモジュール
Claims (5)
- 複数の光電変換素子が２次元アレイ状に配置されたセンサ基板と、
前記複数の光電変換素子の各受光面とそれぞれ対向する位置に設けられ、入射する光を前記光電変換素子へ集光するマイクロレンズと、
前記マイクロレンズの光が入射する側に設けられ、屈折率が空気の屈折率よりも高く、且つ、前記マイクロレンズの屈折率の１／１．３倍以下である平坦化層と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記平坦化層は、
前記複数のマイクロレンズを覆うように前記センサ基板に設けられる
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。 - 前記マイクロレンズは、
屈折率が１．７〜２．０である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。 - 前記マイクロレンズは、
酸化チタン、窒化シリコン、炭素および／または窒素を含む酸化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化タンタルのうちのいずれかの材料を含む
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の固体撮像装置。 - 複数の光電変換素子が２次元アレイ状に配置されたセンサ基板と、
前記複数の光電変換素子の各受光面とそれぞれ対向する位置に設けられ、入射する光を前記光電変換素子へ集光するマイクロレンズと、
被写体からの光を前記複数のマイクロレンズに結像させる撮像レンズと、
前記撮像レンズと前記マイクロレンズとの間に配置され、屈折率が空気の屈折率よりも高く、且つ、前記マイクロレンズの屈折率の１／１．３倍以下である平坦化層と
を備えることを特徴とするカメラモジュール。
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