JP2017022200A - イメージセンサ、および電子機器 - Google Patents

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啓之 伊藤
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Abstract

【課題】受光素子層上に遮光体を配した構造を有するイメージセンサの低背化を実現する。
【解決手段】本開示の第1の側面であるイメージセンサは、遮光壁と前記遮光壁間に充填されている透光部とから成る遮光体と、前記遮光体の前記透光部を介して入力された入射光に応じて光電変換を行う多数の受光素子が配列された受光素子層とを備え、前記遮光体を成す透光部の少なくとも一部は、レンズ状に形成されている。本開示は、例えば、複眼光学系に適用できる。
【選択図】図2

Description

本開示は、イメージセンサ、および電子機器に関し、特に、例えば、複眼光学系に用いて好適なイメージセンサ、および電子機器に関する。
従来、例えば複眼光学系に用いるイメージセンサとして、マイクロレンズと受光素子との間に遮光体を設ける構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。
図1は、マイクロレンズと受光素子との間に遮光体を設けた、従来のイメージセンサの構成の一例を示している。
このイメージセンサ10は、受光素子層11、透明絶縁層13、遮光体14、およびマイクロレンズアレイ17が積層されて構成される。受光素子層11は、縦横に配置された多数の受光素子12から成る。遮光体14は、黒顔料樹脂から成る遮光壁15と、光重合性樹脂から成る透光部16から成る。マイクロレンズアレイ17は、マイクロレンズの上面にカバーガラスなどを積層して平坦化されている。
イメージセンサ10によれば、マイクロレンズアレイ17により受光素子層11の各区画に入射光を集光することができる。また、遮光体14により、集光された入射光が隣接する区画に漏れ出すことを抑止できる。さらに、遮光体14を成す遮光壁15間に透光部16が配置されているので、温度変化等の周囲の環境変化によって遮光壁15の側面が発生することを防止できる。
特開2005−72662号公報
上述したイメージセンサ10の場合、遮光体14の上にマイクロレンズアレイ17を形成する必要があることに加え、マイクロレンズアレイ17をカバーガラスなどの積層によって平坦化する場合、イメージセンサ10の全体としての高さが高くなってしまい、低背化が困難であった。
本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、受光素子層上に遮光体を配した構造を有するイメージセンサの低背化を実現できるようにするものである。
本開示の第1の側面であるイメージセンサは、遮光壁と前記遮光壁間に充填されている透光部とから成る遮光体と、前記遮光体の前記透光部を介して入力された入射光に応じて光電変換を行う多数の受光素子が配列された受光素子層とを備え、前記遮光体を成す透光部の少なくとも一部は、レンズ状に形成されている。
本開示の第1の側面であるイメージセンサは、前記遮光体と前記受光層とを接合する接合層をさらに備えることができる。
本開示の第1の側面であるイメージセンサは、前記遮光体の入射側を平坦化する保護膜をさらに備えることができる。
前記遮光体を成す透光部の前記受光素子側は、レンズ状に形成されているようにすることができる。
前記遮光体を成す透光部の光の入射側は、レンズ状に形成されているようにすることができる。
前記遮光体を成す透光部の前記受光素子側および光の入射側は、それぞれレンズ状に形成されているようにすることができる。
前記遮光体を成す透光部は、球レンズ状に形成されているようにすることができる。
前記遮光体を成す透光部には、高屈折率の透明材から成る第1の層と、前記高屈折率の透明材から放射されるα線を遮蔽する遮蔽材から成る第2の層が積層されているようにすることができる。
前記第1の層を成す透明材には、重金属が含有されているようにすることができる。
前記第2層は、SiOから成るようにすることができる。
本開示の第2の側面である電子機器は、イメージセンサが搭載された電子機器において、前記イメージセンサが、遮光壁と前記遮光壁間に充填されている透光部とから成る遮光体と、前記遮光体の前記透光部を介して入力された入射光に応じて光電変換を行う多数の受光素子が配列された受光素子層とを備え、前記遮光体を成す透光部の少なくとも一部は、レンズ状に形成されている。
本開示の第1および第2の側面においては、遮光体を成す透光部に形成されているレンズ形状の部位を介して、入射光が受光素子層に入射される。
本開示の第1および第2の側面によれば、イメージセンサの低背化を実現できる。
従来のイメージセンサの構成の一例を示す断面図である。 本開示を適用したイメージセンサの第1の構成例を示す断面図である。 本開示を適用したイメージセンサの第2の構成例を示す断面図である。 本開示を適用したイメージセンサの第3の構成例を示す断面図である。 本開示を適用したイメージセンサの第4の構成例を示す断面図である。 本開示を適用したイメージセンサの第5の構成例を示す断面図である。 本開示を適用したイメージセンサの第6の構成例を示す断面図である。 本開示を適用した電子装置の使用例を示す図である。
以下、本開示を実施するための最良の形態(以下、実施の形態と称する)について、図面を参照しながら詳細に説明する。
<本開示の実施の形態であるイメージセンサの第1の構成例>
図2は、本開示の実施の形態であるイメージセンサの第1の構成例を示している。
このイメージセンサ20は、別途生成された受光素子層21と遮光体23が薄膜接合樹脂層22により接合されて形成される。
受光素子層21は、縦横に配置された多数の受光素子から成る。薄膜接合樹脂層22は、透明材から成り、受光素子層21と遮光体23を隙間なく接合するために配される。
遮光体23は、Siなどの遮光材から成る遮光壁25と、ガラスまたは樹脂などの透明材から成る透光部24と、透光部24の下辺側(受光素子側)に形成された下方レンズ部26から成る。遮光壁25は、Siなどの遮光材に対してリソグラフィとドライエッチングなどの加工によって貫通孔を開口することにより形成される。透光部24は、遮光壁25の間(すなわち、貫通孔)に透明材が充填されることにより形成される。下方レンズ部26は、透光部24の透明材がレンズ状に加工されることにより形成される。遮光壁25の間にそれぞれ形成された下方レンズ部26は、直下の受光素子層21に入射光を集光することができる。
保護膜27は、遮光体23の入射面側を保護するとともに平坦化する目的で必要に応じて配される。
図2の場合、下方レンズ部26は下方向(受光素子層21の方向)に凸形状とされている。透光部24を成す透明材がガラスである場合、その屈折率は、例えば1.4であり、薄膜接合樹脂層22の屈折率は透光部24の屈折率よりも低いことが望ましい。
なお、下方レンズ部26の形状は、イメージセンサ20からどのような画像を出力したいかに依存して決められるものであり、受光素子上に必要な結像が得られる形状であれば、図示する凸形状に限るものではなく、例えば凹形状であってもよい。
イメージセンサ20においては、遮光体23の透光部24に入射した光が下方レンズ部26によって、その直下の受光素子層21の区画に集光される。したがって、図1に示されたような、マイクロレンズと平坦化膜から成るマイクロレンズアレイ17が不要となるので、イメージセンサ20の高さを低背化することが可能となる。
また、受光素子層21と遮光体23は薄膜接合樹脂層22により隙間なく接合されているので、従来その隙間に起こり得た結露を防止することができる。よって、得られる画像の劣化を抑止することができる。
<本開示の実施の形態であるイメージセンサの第2の構成例>
次に、図3は、本開示の実施の形態であるイメージセンサの第2の構成例を示している。
なお、該第2の構成例であるイメージセンサ30の構成要素のうち、上述したイメージセンサ20の構成要素と共通するものについては、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。
このイメージセンサ30は、別途生成された受光素子層21と遮光体31が薄膜接合樹脂層22により接合されて形成される。
遮光体31は、Siなどの遮光材から成る遮光壁25と、ガラスまたは樹脂などの透明材から成る透光部24と、透光部24の上辺側(光の入射側)に形成された上方レンズ部32から成る。遮光壁25は、Siなどの遮光材に対してリソグラフィとドライエッチングなどの加工によって貫通孔を開口することにより形成される。透光部24は、遮光壁25の間(すなわち、貫通孔)に透明材が充填されることにより形成される。下方レンズ部26は、透光部24の透明材がレンズ状に加工されることにより形成される。遮光壁25の間にそれぞれ形成された上方レンズ部32は、直下の受光素子層21に入射光を集光することができる。
図3の場合、上方レンズ部32は上方向(光の入射面の方向)に凸形状とされている。透光部24を成す透明材がガラスである場合、その屈折率は、例えば1.4であり、保護膜27の屈折率は、透光部24の屈折率よりも低いことが望ましい。また、透光部24と接合する薄膜接合樹脂層22の屈折率は、透光部24の屈折率とできるだけ近いことが望ましい。
なお、上方レンズ部32の形状は、イメージセンサ30からどのような画像を出力したいかに依存して決められるものであり、受光素子上に必要な結像が得られる形状であれば、図示する凸形状に限るものではなく、例えば凹形状であってもよい。
イメージセンサ30においては、遮光体31の上方レンズ部32によって集光された入射光が透光部24を通ってその直下の受光素子層21の区画に集光される。したがって、図1に示されたような、マイクロレンズと平坦化膜から成るマイクロレンズアレイ17が不要となるので、イメージセンサ30の高さを低背化することが可能となる。
また、受光素子層21と遮光体31は薄膜接合樹脂層22により隙間なく接合されているので、従来その隙間に起こり得た結露を防止することができる。よって、得られる画像の劣化を抑止することができる。
<本開示の実施の形態であるイメージセンサの第3の構成例>
次に、図4は、本開示の実施の形態であるイメージセンサの第3の構成例を示している。
なお、該第3の構成例であるイメージセンサ40の構成要素のうち、上述したイメージセンサ20,30の構成要素と共通するものについては、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。
このイメージセンサ40は、別途生成された受光素子層21と遮光体41が薄膜接合樹脂層22により接合されて形成される。
遮光体41は、Siなどの遮光材から成る遮光壁25と、ガラスまたは樹脂などの透明材から成る透光部24と、透光部24の下辺側(受光素子側)に形成された下方レンズ部26と、透光部24の上辺側(光の入射側)に形成された上方レンズ部32から成る。
図4の場合、下方レンズ部26は下方向(受光素子の方向)に凸形状、上方レンズ部32は上方向(光の入射面の方向)に凸形状とされている。透光部24を成す透明材がガラスである場合、その屈折率は、例えば1.4であり、薄膜接合樹脂層22と保護膜27の屈折率は、透光部24の屈折率よりも低いことが望ましい。
イメージセンサ40においては、遮光体41の上方レンズ部32および26によって集光された入射光がその直下の受光素子層21の区画に集光される。したがって、図1に示されたような、マイクロレンズと平坦化膜から成るマイクロレンズアレイ17が不要となるので、イメージセンサ40の高さを低背化することが可能となる。
また、受光素子層21と遮光体41は薄膜接合樹脂層22により隙間なく接合されているので、従来その隙間に起こり得た結露を防止することができる。よって、得られる画像の劣化を抑止することができる。
<本開示の実施の形態であるイメージセンサの第4の構成例>
次に、図5は、本開示の実施の形態であるイメージセンサの第4の構成例を示している。
なお、該第4の構成例であるイメージセンサ50の構成要素のうち、上述したイメージセンサ20,30,40の構成要素と共通するものについては、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。
このイメージセンサ50は、別途生成された受光素子層21と遮光体51が薄膜接合樹脂層22により接合されて形成される。
遮光体51は、Siなどの遮光材から成る遮光壁25と、ガラスまたは樹脂などの透明材から成る透光部24と、透光部24の下辺側(受光素子側)に形成された下方レンズ部52と、透光部24の上辺側(光の入射側)に形成された上方レンズ部53から成る。
透光部24を成す透明材がガラスである場合、その屈折率は、例えば1.4であり、薄膜接合樹脂層22と保護膜27の屈折率は、透光部24の屈折率よりも低いことが望ましい。
図5の場合、下方レンズ部52は下方向(受光素子の方向)に凸形状、上方レンズ部53は上方向(光の入射面の方向)に凸形状とされている。ただし、下方レンズ部52および53は、イメージセンサ40の下方レンズ部26および32に比較して、凸形状の曲率が大きく形成されている。これにより、遮光体51の厚さを、イメージセンサ40の遮光体41の厚さに比較して薄く形成することができる。
イメージセンサ50においては、遮光体51の上方レンズ部53および52によって集光された入射光がその直下の受光素子層21の区画に集光される。したがって、図1に示されたような、マイクロレンズと平坦化膜から成るマイクロレンズアレイ17が不要となる。また、上述したように、遮光体51の厚さも薄く形成することができるので、イメージセンサ50の高さをより低背化することが可能となる。
また、受光素子層21と遮光体51は薄膜接合樹脂層22により隙間なく接合されているので、従来その隙間に起こり得た結露を防止することができる。よって、得られる画像の劣化を抑止することができる。
<本開示の実施の形態であるイメージセンサの第5の構成例>
次に、図6は、本開示の実施の形態であるイメージセンサの第5の構成例を示している。
なお、該第5の構成例であるイメージセンサ60の構成要素のうち、上述したイメージセンサ20,30,40,50の構成要素と共通するものについては、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。
このイメージセンサ60は、別途生成された受光素子層21と遮光体61が薄膜接合樹脂層22により接合されて形成される。
遮光体61は、Siなどの遮光材から成る遮光壁25と、ガラスまたは樹脂などの透明材から形成された球レンズ部62から成る。球レンズ部62を形成する透明材がガラスである場合、その屈折率は、例えば1.4であり、薄膜接合樹脂層22と保護膜27の屈折率は、球レンズ部62の屈折率よりも低いことが望ましい。
遮光体61内に球レンズ部62を配したことにより、遮光体61の厚さを、イメージセンサ50の遮光体51の厚さに比較して薄く形成することができる。
イメージセンサ60においては、遮光体61の球レンズ部62によって集光された入射光がその直下の受光素子層21の区画に集光される。したがって、図1に示されたような、マイクロレンズと平坦化膜から成るマイクロレンズアレイ17が不要となる。また、上述したように、遮光体61の厚さも薄く形成することができるので、イメージセンサ60の高さをより低背化することが可能となる。
また、受光素子層21と遮光体61は薄膜接合樹脂層22により隙間なく接合されているので、従来その隙間に起こり得た結露を防止することができる。よって、得られる画像の劣化を抑止することができる。
<本開示の実施の形態であるイメージセンサの第6の構成例>
次に、図7は、本開示の実施の形態であるイメージセンサの第6の構成例を示している。
なお、該第6の構成例であるイメージセンサ70の構成要素のうち、上述したイメージセンサ20,30,40,50,60の構成要素と共通するものについては、同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。
このイメージセンサ70は、別途生成された受光素子層21と遮光体71が薄膜接合樹脂層22により接合されて形成される。
遮光体71は、Siなどの遮光材から成る遮光壁25と、通常のガラスに比較して屈折率が高い高屈折率ガラスなどの透明材から成る透光部72と、SiOなどの透明であってα線を遮蔽する遮蔽材から成るα線遮蔽層73と、透光部72の上辺側(光の入射側)に形成された上方レンズ部32から成る。上方レンズ部32の代わりに、または追加して、透光部72とα線遮蔽層73との境界をレンズ状に加工するようにしてもよい。あるいは、透光部72を球レンズ状に加工してもよい。
遮光壁25は、Siなどの遮光材に対してリソグラフィとドライエッチングなどの加工によって貫通孔を開口することにより形成される。透光部72およびα線遮蔽層73は、遮光壁25の間(すなわち、貫通孔)にSiOなどと高屈折ガラスなどが充填されることにより形成される。上方レンズ部32は、透光部72の透明材がレンズ状に加工されることにより形成される。遮光壁25の間にそれぞれ形成された上方レンズ部32は、直下の受光素子層21に入射光を集光することができる。
なお、上方レンズ部32および透光部72を成す高屈折率ガラスは、ガラスに対してウランやトリウムなどの重金属が混合されたものであってα線放射が多くなるが、α線遮蔽層73を配することにより、透光部72からのα線放射が受光素子層21に到達することを防ぐことができる。
遮光体71の厚さが300μm程度であった場合、SiOから成るα線遮蔽層73の厚さは、その密度を2.2g/cmと仮定したとき、約20μm程度と見積もられる。この場合、α線遮蔽層73の厚さは、遮光体71の厚さの1/15程度の厚さとなるので、遮光体71の遮光壁25(Si)と、α線遮蔽層73(SiO)の熱膨張率の差に起因する熱工程での影響は微少であって、イメージセンサ60の機能に影響しないと考えられる。
ただし、α線遮蔽層73を配する代わりに、薄膜接合樹脂層22の厚みを増すことにより、透光部72から放射されるα線が受光素子層21に入射することを抑止してもよい。ただし、薄膜接合樹脂層22の厚みを増した場合、受光素子層21と遮光体71とを接合した際にアライメントずれが生じ得る。これに対して、イメージセンサ70では、α線遮蔽層73を配したことにより、薄膜接合樹脂層22の厚みを受光素子層21と遮光体71の接合に要する最小限の厚みとすることができるので、両者のアライメントずれの発生を抑止できる。
図7の場合、上方レンズ部32は上方向(光の入射面の方向)に凸形状とされている。上方レンズ部32はWLL(Wafer Level Lens)を兼ねることができる。また、上方レンズ部32と透光部72が高屈折ガラスであることから、遮光体71の厚さを、図3に示されたイメージセンサ30の遮光体31に比較して薄く形成することができる。したがって、イメージセンサ30に比較して、全体の高さをより低背化することが可能となる。
また、受光素子層21と遮光体71は薄膜接合樹脂層22により隙間なく接合されているので、従来その隙間に起こり得た結露を防止することができる。よって、得られる画像の劣化を抑止することができる。
<イメージセンサの使用例>
図8は、上述したイメージセンサ20乃至70を使用する使用例を示す図である。
イメージセンサ20乃至70は、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
なお、本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
本開示は以下のような構成も取ることができる。
(1)
遮光壁と前記遮光壁間に充填されている透光部とから成る遮光体と、
前記遮光体の前記透光部を介して入力された入射光に応じて光電変換を行う多数の受光素子が配列された受光素子層と
を備え、
前記遮光体を成す透光部の少なくとも一部は、レンズ状に形成されている
イメージセンサ。
(2)
前記遮光体と前記受光層とを接合する接合層を
さらに備える
前記(1)に記載のイメージセンサ。
(3)
前記遮光体の入射側を平坦化する保護膜を
さらに備える前記(1)または(2)に記載のイメージセンサ。
(4)
前記遮光体を成す透光部の前記受光素子側は、レンズ状に形成されている
前記(1)から(3)のいずれかに記載のイメージセンサ。
(5)
前記遮光体を成す透光部の光の入射側は、レンズ状に形成されている
前記(1)から(3)のいずれかに記載のイメージセンサ。
(6)
前記遮光体を成す透光部の前記受光素子側および光の入射側は、それぞれレンズ状に形成されている
前記(1)から(3)のいずれかに記載のイメージセンサ。
(7)
前記遮光体を成す透光部は、球レンズ状に形成されている
前記(1)から(3)のいずれかに記載のイメージセンサ。
(8)
前記遮光体を成す透光部には、高屈折率の透明材から成る第1の層と、前記高屈折率の透明材から放射されるα線を遮蔽する遮蔽材から成る第2の層が積層されている
前記(1)から(7)のいずれかに記載のイメージセンサ。
(9)
前記第1の層を成す透明材には、重金属が含有されている
前記(8)に記載のイメージセンサ。
(10)
前記第2層は、SiOから成る
前記(8)に記載のイメージセンサ。
(11)
イメージセンサが搭載された電子機器において、
前記イメージセンサは、
遮光壁と前記遮光壁間に充填されている透光部とから成る遮光体と、
前記遮光体の前記透光部を介して入力された入射光に応じて光電変換を行う多数の受光素子が配列された受光素子層と
を備え、
前記遮光体を成す透光部の少なくとも一部は、レンズ状に形成されている
電子機器。
20 イメージセンサ, 21 受光素子層, 22 薄膜接合樹脂層, 23 遮光体, 24 透光部, 25 遮光壁, 26 下方レンズ部, 27 保護膜, 30 イメージセンサ, 31 遮光体, 32 上方レンズ部, 40 イメージセンサ, 41 遮光体, 50 イメージセンサ, 51 遮光体, 52 下方レンズ部, 53 上方レンズ部, 60 イメージセンサ, 61 遮光体, 62 球レンズ部, 70 イメージセンサ, 71 遮光体, 72 透光部, 73 α線遮蔽層

Claims (11)

  1. 遮光壁と前記遮光壁間に充填されている透光部とから成る遮光体と、
    前記遮光体の前記透光部を介して入力された入射光に応じて光電変換を行う多数の受光素子が配列された受光素子層と
    を備え、
    前記遮光体を成す透光部の少なくとも一部は、レンズ状に形成されている
    イメージセンサ。
  2. 前記遮光体と前記受光層とを接合する接合層を
    さらに備える
    請求項1に記載のイメージセンサ。
  3. 前記遮光体の入射側を平坦化する保護膜を
    さらに備える請求項2に記載のイメージセンサ。
  4. 前記遮光体を成す透光部の前記受光素子側は、レンズ状に形成されている
    請求項2に記載のイメージセンサ。
  5. 前記遮光体を成す透光部の光の入射側は、レンズ状に形成されている
    請求項2に記載のイメージセンサ。
  6. 前記遮光体を成す透光部の前記受光素子側および光の入射側は、それぞれレンズ状に形成されている
    請求項2に記載のイメージセンサ。
  7. 前記遮光体を成す透光部は、球レンズ状に形成されている
    請求項2に記載のイメージセンサ。
  8. 前記遮光体を成す透光部には、高屈折率の透明材から成る第1の層と、前記高屈折率の透明材から放射されるα線を遮蔽する遮蔽材から成る第2の層が積層されている
    請求項2に記載のイメージセンサ。
  9. 前記第1の層を成す透明材には、重金属が含有されている
    請求項8に記載のイメージセンサ。
  10. 前記第2層は、SiOから成る
    請求項8に記載のイメージセンサ。
  11. イメージセンサが搭載された電子機器において、
    前記イメージセンサは、
    遮光壁と前記遮光壁間に充填されている透光部とから成る遮光体と、
    前記遮光体の前記透光部を介して入力された入射光に応じて光電変換を行う多数の受光素子が配列された受光素子層と
    を備え、
    前記遮光体を成す透光部の少なくとも一部は、レンズ状に形成されている
    電子機器。
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