JP3981055B2

JP3981055B2 - 光源付きイメージセンサ

Info

Publication number: JP3981055B2
Application number: JP2003285735A
Authority: JP
Inventors: 光文小玉; 三千男荒井
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd; TDK Corp
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd; TDK Corp
Priority date: 2003-08-04
Filing date: 2003-08-04
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2022-09-26
Also published as: JP2004096736A

Description

本発明は、ファクシミリ等に用いられる光源付きイメージセンサに関する。

近年、ファクシミリはその普及に合わせて、より小型化、軽量化、低価格化が求められている。ファクシミリ等に用いられているイメージセンサは大別して非密着型、密着型、完全密着型の３種類がある。

電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いた非密着型は、すでに確立されている、シリコンウェハを用いたＬＳＩ製造プロセスで生産できることやＣＣＤチップが小型で済むこともあって価格面で有利であるが、原稿を縮小レンズ系を通してＣＣＤに投影しているため、小型化、軽量化に関しては他の２方式に比べ劣る。

また、密着型イメージセンサは縮小光学系がいらないため小型化が比較的容易であるというメリットがあり徐々に市場に受け入れられつつあるが、やや高価であるということがその普及を阻んでいるという状態である。また、セルフォックレンズアレイを用いて原稿を固体撮像素子上に投影していることと光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイがあるために、ある程度の幅と厚さが必要（〜１５ｍｍ）である。

一方、完全密着型イメージセンサは密着型イメージセンサと比してもさらに小型化が可能であり、セルフォックレンズアレイと撮像素子の光学的な位置調整が不必要であるため組立工程の簡素化が容易であるという特徴を持つ。しかしながら、密着型イメージセンサと同様にＬＥＤ分の厚みはやはり必要である。また、完全密着型イメージセンサは固体撮像素子が配置されている基板の裏側から原稿に光を投射する必要があるため透明基板上に固体撮像素子を形成する必要があり、シリコンウェハ上に形成されるＣＣＤやアルミナ基板などの光を透過しない基板に形成された固体撮像素子を完全密着型イメージセンサ構造にする事は困難であった。

以下、従来例を図面に基づいて説明する。
図７は、従来例の説明図であり、図７（ａ）は、従来の密着型イメージセンサの説明である。図７（ａ）において、筐体４１内には、ＬＥＤハウス４２とセルフォックレンズアレイ４３と固体撮像素子が載っている基板１が設けてある。また、ＬＥＤハウス内に設けられるＬＥＤは、点光源のため、すりガラスのような光拡散板やレンズ等を用いて光を均質化している。このため、原稿面との距離を取る必要があった。

この密着型イメージセンサは、ＬＥＤハウス４２から発射された光が筐体４１上の原稿（図示せず）により反射し、この反射光がセルフォックレンズアレイ４３を通り基板１上の固体撮像素子に入力されるものである。

このような密着型イメージセンサは、図７（ａ）下部の矢印で示すように、ある程度の幅と厚さが必要となる。

図７（ｂ）は、従来の完全密着型イメージセンサの説明であり、筐体４１の上面には、固体撮像素子１０が載っている基板１が設けてあり、この基板１には光を透過するためのスリット４０が設けてある。また、筐体４１の下面には、ＬＥＤハウス４２が設けてある。この完全密着型イメージセンサは、ＬＥＤハウスから発射された光が基板１に設けた光を透過させるためのスリット４０を通り原稿（図示せず）より反射し、この反射光が固体撮像素子１０に入力されるものである。

この完全密着型イメージセンサは、図７（ｂ）下部の上下の矢印のように、ＬＥＤハウス分の厚さが必要となる。

上記従来のものにおいて、次のような課題があった。
非密着型のイメージセンサは、原稿を縮小レンズ系を通してＣＣＤに投影しているため、小型化、軽量化ができなかった。また、密着型イメージセンサは、光源としてＬＥＤハウスがあるため、ある程度以上小型化することができなかった。さらに、完全密着型イメージセンサは、ＬＥＤハウスの厚さが必要であった。

以上、イメージセンサの大きさを制限しているものはレンズや光源などの光学系であることが分かった。即ち、さらにイメージセンサの小型化を達成するためには、光学系を小型化する事が必要であることが分かる。また、これらの光学系は製造コストという点からみても固体撮像素子本体と同等かそれ以上の割合を占めており、光学系のコストダウンが低価格化に非常に重要であるといえる。

本発明は、薄形、超小型でかつ安価な光源付きイメージセンサを実現することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では次のように構成した。
図１は、本発明の構成図である。図１において、基板１上に原稿２８の反射光が入力される固体撮像素子１０と固体撮像素子１０の読み取り駆動回路２０を形成する。前記固体撮像素子１０は、ソース領域及びドレイン領域が形成された活性層と該活性層上に設けられたゲート電極を有する薄膜フォトトランジスタであり、前記固体撮像素子の読み取り駆動回路２０は、前記薄膜フォトトランジスタと同一工程によって得られた薄膜トランジスタである。また、前記基板１とほぼ同じ程度の厚さの透明基板２１上（図１では下面）にライン発光を行い原稿２８を照射する薄膜発光素子３０を形成し、この透明基板２１の少なくとも一側面にアルミニウム（Ａｌ）等の光反射体２９を設ける。次に、固体撮像素子１０側の基板１の側面に薄膜発光素子３０の基板２１を両者がほぼ同一平面となるように固着する。さらに、これらの固体撮像素子１０と透明基板２１上に透明薄板３２を透明の接着剤２７等で一体化（接着又はモールド）する。

上記構成に基づく本発明の作用を説明する。
図１の薄膜発光素子３０から発射された光は、透明基板２１と透明薄板３２を通して原稿２８に投射され、この原稿２８からの反射光が透明薄板３２を通して固体撮像素子１０に入力され、固体撮像素子１０で光電変換される。この光電変換された出力が読み取り駆動回路２０に入力され、読み取り駆動回路２０から原稿の濃淡に応じた信号が得られる。

このように、薄膜発光素子３０は、光反射体２９により原稿２８を効率よく照射することができ、また薄膜発光素子３０は、例えば薄膜面状体の有機エレクトロルミネセンス（以上、ＥＬという）素子を用いるので、透明基板２１上にフラットに形成することができる。このため、透明基板２１と固体撮像素子１０の基板１とをほぼ同一平面となるように固着することができ、超小型で安価な光源付きイメージセンサを得ることができる。

本発明によれば次のような効果がある。
（１）薄膜発光素子３０を形成した透明基板２１の側面を光を反射する光反射体２９で被覆したため、読み取り原稿面を効率よく照射することができる。また、薄膜発光素子３０の有機ＥＬ膜は、発光ダイオードのような点光源と異なり、面光源であるため、光拡散板やレンズを用いなくとも、読み取り原稿面をむらなく照射することができる。

（２）薄膜発光素子３０が形成された透明基板２１を固体撮像素子１０が形成された基板１と隣接して、筐体の平板面等に固定することにより、薄形で安価にすることができる。

本発明を図１〜図５に基づき説明する。図１は本発明の構成図、図２はフォトトランジスタの説明図、図３、図４は固体撮像素子の形成工程説明図、図５は薄膜発光素子の形成工程説明図である。

図１は光源付きイメージセンサの構成を示しており、以下図１の説明をする。基板１上に固体撮像素子１０と固体撮像素子１０の読み取り駆動回路２０を形成する。また、前記基板１とほぼ同程度の厚さの透明基板２１上に薄膜発光素子３０を形成し、この透明基板２１の側面をＡｌ等の光を反射する薄膜、厚膜あるいは金属箔である光反射体２９で被覆する。

次に、固体撮像素子１０と透明基板２１の上面に厚さが５０〜２００μｍの薄板ガラスである透明薄板３２を、例えばエポキシ系接着剤、紫外線硬化型の接着剤等の透明の接着剤２７で接着するものである。この場合、読み取る原稿２８は透明薄板３２に接触するものである。

図２は、固体撮像素子１０に用いるフォトトランジスタの説明図である。図２において、１は基板であり、例えばガラス基板、石英基板、セラミックス（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリコン基板（多結晶又は単結晶）等である。２は絶縁膜であり、基板１がシリコン基板の場合は、熱酸化工程を使用して形成できる。３は活性層、４はゲート絶縁膜、５はゲート電極、６は層間絶縁膜、７は金属配線電極、８はいわゆるソース・ドレイン領域である不純物導入部である。

このフォトトランジスタは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を製造するプロセスとほぼ同時に構成することのできる薄膜フォトトランジスタを用いるものである。この薄膜フォトトランジスタがイメージセンサの光電変換素子（固体撮像素子）となるものである。図２では、入力光は上面より入力され活性層３で光電変換するものである。

図３は、固体撮像素子の形成工程説明図（１）、図４は、固体撮像素子の形成工程説明図（２）である。以下、図３、図４に基づいて説明する。

基板１として例えば安価なグレードの低い単結晶シリコン基板又は多結晶シリコン基板を用い、熱酸化により３００ｎｍの熱酸化シリコン膜を形成する。こうして形成した酸化シリコン膜は使用したシリコン基板１のグレードによっては不純物を含む場合があるため、更に２００ｎｍの清浄な酸化シリコン膜を減圧気相成長（ＬＰＣＶＤ）法で成膜して絶縁膜２を形成する（図３（ａ）参照）。

この後に活性層３として２００ｎｍの膜厚の非晶質（アモルファス）シリコンをプラズマＣＶＤ法により成膜する。このときの成膜条件は反応ガスとしてシランを用い、反応温度２００℃、ガス圧５．３Ｐａ、ＲＦ（高周波）電力３５Ｗで被着速度６ｎｍ／ｍｉｎで行い、更に６００℃で２０時間加熱することで非晶質シリコンは固相成長し、結晶性を有するようになる（図３（ｂ）参照）。なお、このプラズマＣＶＤ法のかわりにＬＰＣＶＤ法を用いることもできる。

こうして得られた多結晶シリコン活性層３を島状にパターニングする（図３（ｃ）参照）。引き続きゲート酸化シリコン膜４が例えば１００ｎｍになるように多結晶シリコン活性層３の熱酸化を行う（図３（ｄ）参照）。

この酸化シリコン膜４の形成後速やかにＬＰＣＶＤ法により、ゲート電極５としてリン（Ｐ）を１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度以上ドーピングしたｎ⁺ポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）を約２００ｎｍ成膜する（図３（ｅ）参照）。

次に、ドライエッチング法によりゲート電極５をパターニングし、引き続き、コンタクト層を形成する活性層３上の酸化シリコン膜４を一部ないし全部取り除く（図３（ｆ）参照）。

イオン注入あるいはイオンドーピング法により不純物の導入を行い不純物導入部８を形成する。Ｎ型に対してはリン（Ｐ）を６０ＫＶの加速電圧で１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ²打ち込む（図４（ａ）参照）。またＰ型に対しては不純物の導入を行いたくない部分をフォトレジスト９で被覆して更にボロン（Ｂ）を４０ＫＶの加速電圧で５×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ²のドーズ量を打ち込んだ後（図４（ｂ）参照）、これら導入した不純物を活性化するため窒素雰囲気中において６００℃のアニール温度で１２時間の熱処理を行う。

次に、常圧ＣＶＤ法により層間絶縁膜６として酸化シリコン膜あるいはＰＳＧ（ＰｈｏｓｐｈｏＳｉｌｉｃａｔｅＧｌａｓｓ）膜を約８００ｎｍ成膜した後（図４（ｃ）参照）、コンタクトホールを開孔し（図４（ｄ）参照）、アルミニウム（Ａｌ）７をスパッタ法で成膜する（図４（ｅ）参照）。その後、パターニングしてＡｌ配線を施す（図４（ｆ）参照）。最後に電気特性を改善するために３５０℃の水素雰囲気中で１時間のアニール処理を行う。これにより、所望のイメージセンサ、即ち、固体撮像素子１０と読み取り駆動回路２０を同時に得ることができる。

図５は、薄膜発光素子の形成工程説明図である。図５において、まず、透明基板２１である固体撮像素子１０の基板１とほぼ同じ厚さのガラス等の基板の洗浄を行う（図５（ａ）参照）。

次に、この透明基板２１上に透明電極２２となるＩＴＯ（インジウムすず酸化物）を成膜し（図５（ｂ）参照）、このＩＴＯ膜をパターニングし（図５（ｃ）参照）、その上に絶縁膜２３を形成する。この絶縁膜２３は例えばＳｉＯ₂が主成分であるＳＯＧ（ＳｐｉｎＯｎＧｌａｓｓ）膜を成膜する（図５（ｄ）参照）。この時、必要に応じて水素化処理を行いＩＴＯの特性を良好にする（抵抗を小さくし、光の透明率を向上する）。

次に、この絶縁膜２３をパターニングし（図５（ｅ）参照）、有機ＥＬ膜２４を抵抗加熱でマスク蒸着する（図５（ｆ）参照）。この有機ＥＬ膜２４は、図５（ｆ）のように例えば電子輸送層２４−１、正孔輸送層２４−２、発光層２４−３の３層よりなる。

さらにＭｇＡｇ（マグネシウム銀合金）膜２５を蒸着し（図５（ｇ）参照）、その後、配線電極２６としてＡｌを蒸着又はスパッタリング等で成膜する（図５（ｈ）参照）。

このＡｌ膜をパターニングし配線電極２６を形成し、薄膜発光素子３０を形成する（図５（ｉ）参照）。

次に、図１のように薄膜発光素子３０の透明基板２１の側面をＡｌ等の光を反射する薄膜、厚膜あるいは金属箔等の光反射体２９で被覆する。そして、この透明基板２１と固体撮像素子１０が形成された基板１とを筐体（図示せず）に固定することにより、透明基板２１を基板１の側面に隣接して固定する。

なお、透明基板２１と基板１は、密接して固定することもできる。また光反射体２９は、一側面が光反射面に接するような場合は、他側面のみに設けるようにしてもよい。

更に、この固体撮像素子１０と透明基板２１上に透明薄板３２を透明の接着剤２７等で固着する。この透明薄板３２として厚さが５０〜２００μｍの薄板ガラスを用いる。この薄板ガラスの厚さは、２００μｍ以上になると隣の反射光が固体撮像素子１０に混じり込むことになり、イメージセンサの分解能が悪くなり、また、５０μｍより薄いと薄板としての強度が保持できなくなる。

このようにして、光源付きイメージセンサを薄形、超小型でかつ安価に得ることができる。

なお、固体撮像素子１０の基板１に透明の基板を用いることにより、薄膜発光素子３０の透明基板２１は基板１と同じ基板を用いることができより安価にすることができる。さらに、基板１と透明基板２１を固定する筐体を安価な平板の鉄板等とすることが可能である。

図６は遮光層に窓を設ける場合の説明図であり、光源付きイメージセンサの構成を示す。図６において、透明のガラス等の基板１に遮光層３１を設け、この遮光層３１にスリット状の窓３３を形成する。さらに、この遮光層３１上に複数個の固体撮像素子１０及び読み取り駆動回路（図示せず）等を形成する。

また、薄膜発光素子３０を透明基板２１上に形成し、この透明基板２１の側面を光を反射する薄膜、厚膜あるいは金属箔等の光反射体２９で被覆する。

次に、基板１の窓３３が開けられた下面に、薄膜発光素子３０が形成されていない透明基板２１の光照射面を密接させる。さらに、この固体撮像素子１０と窓３３上に薄板ガラスである透明薄板３２を透明の接着剤２７等で固着する。

なお、遮光層３１上に形成される固体撮像素子１０等および薄膜発光素子３０は、第１実施例と同様に薄膜で形成することができる。

この図６の例では、ライン状の薄膜発光素子３０からの光は、透明基板２１、基板１、窓３３、透明薄板３２を通して原稿２８を照射する。この原稿２８からの反射光が透明薄板３２を通して固体撮像素子１０に入力される。

これにより、原稿２８の濃淡に応じた信号を固体撮像素子１０より得ることができる。この図６の例では、固体撮像素子１０の基板１と薄膜発光素子の透明基板２１は必ずしも同じものを使用する必要がないが、同じものを使用することにより安価になる。また、厚みが第１実施例のものと比較して２倍程度となるが、基板１及び透明基板２１として０．７〜１．１ｍｍのものを使用すれば重ね合わせても１．４〜２．２ｍｍ程度であり従来のＬＥＤハウス４２より小型となる。

更に、各固体撮像素子１０に接している遮光層３１に開いた窓を通してスポット光を原稿に当てることができるためイメージセンサの分解能の向上ができる。

また、前記説明では、有機ＥＬ膜を電子輸送層、正孔輸送層、発光層の３層構成のものについて行ったが、本発明は勿論これに限定されるものではなく、例えば、電子輸送層（発光層）と正孔輸送層又は、電子輸送層と正孔輸送層（発光層）の如き２層構成のものを使用してもよい。

なお、上記説明において原稿とは、紙類等に記載された文書や図形等のもののみならず、紙類以外の物体等の発光素子からの光を反射して、電気信号に変換される被変換物を総称するものである。

本発明の構成図である。本発明のフォトトランジスタの説明図である。本発明の固体撮像素子の形成工程説明図（１）である。本発明の固体撮像素子の形成工程説明図（２）である。本発明の薄膜発光素子の形成工程説明図である。遮光層に窓を設ける場合の説明図である。従来例の説明図である。

符号の説明

１基板
１０固体撮像素子
２０読み取り駆動回路
２１透明基板
２７透明接着剤
２８原稿
２９光反射体
３０薄膜発光素子

Claims

原稿を照射するための光を発する薄膜発光素子が形成された透明基板と、
前記原稿によって反射された光が入力される固体撮像素子及び該固体撮像素子の読み取り駆動回路が形成された基板とを備える光源付きイメージセンサであって、
前記固体撮像素子は、ソース領域及びドレイン領域が形成された活性層と該活性層上に設けられたゲート電極を有する薄膜フォトトランジスタであり、
前記固体撮像素子の読み取り駆動回路は、前記薄膜フォトトランジスタと同一工程によって得られた薄膜トランジスタを有し、
前記薄膜発光素子は前記透明基板の原稿面側と反対の面に形成され、
前記透明基板および前記基板はほぼ同じ厚さを有しており、
前記透明基板および前記基板のそれぞれの原稿面側の面がほぼ同一平面となるように、前記基板の側面に前記透明基板が密接して、前記基板と前記透明基板が筐体の平板面に固定され、
前記透明基板の少なくとも前記基板側以外の一側面は光反射体で被覆され、さらに、前記透明基板が密接する前記基板の側面が光反射面でない場合には、前記光反射体は前記透明基板の前記基板側の一側面にも被覆されることを特徴とする光源付きイメージセンサ。
請求項１において、前記薄膜発光素子は、有機ＥＬ素子であることを特徴とする光源付きイメージセンサ。