JP4479969B2 - 集光素子 - Google Patents

集光素子 Download PDF

Info

Publication number
JP4479969B2
JP4479969B2 JP2006531986A JP2006531986A JP4479969B2 JP 4479969 B2 JP4479969 B2 JP 4479969B2 JP 2006531986 A JP2006531986 A JP 2006531986A JP 2006531986 A JP2006531986 A JP 2006531986A JP 4479969 B2 JP4479969 B2 JP 4479969B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
refractive index
incident
lens
pixel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2006531986A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2006025496A1 (ja
Inventor
公明 歳清
和利 小野澤
大助 上田
卓 河原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp, Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Panasonic Corp
Publication of JPWO2006025496A1 publication Critical patent/JPWO2006025496A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4479969B2 publication Critical patent/JP4479969B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1876—Diffractive Fresnel lenses; Zone plates; Kinoforms
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1876—Diffractive Fresnel lenses; Zone plates; Kinoforms
    • G02B5/188—Plurality of such optical elements formed in or on a supporting substrate
    • G02B5/1885—Arranged as a periodic array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14632—Wafer-level processed structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0216—Coatings
    • H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02162—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02327—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14621—Colour filter arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627—Microlenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14685—Process for coatings or optical elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14687—Wafer level processing

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Description

本発明は、ディジタルカメラ等に使用される集光素子、固体撮像装置およびその製造方法に関し、特に同心構造の光透過膜を有する集光素子に関するものである。
ディジタルカメラやカメラ付携帯電話の普及に伴い、固体撮像装置の市場は著しく拡大してきた。このような流れの中、固体撮像装置に対する要望は、より高感度化／高画素密度化へと変化してきたが、近年はデジタルスチルカメラ／携帯電話などの薄型化に伴い、カメラ部分の薄型化に対する要望も強くなっている。これは言い換えれば、カメラ部分に用いるレンズが短焦点になるということであり、固体撮像装置に入射する光は広角（固体撮像装置の入射面の垂直軸から測定して大きな角度）になることを意味する。
現在、固体撮像装置として広く使用されているＣＣＤやＭＯＳイメージセンサでは、複数の受光部分を有する半導体集積回路を２次元に配列して、被写体からの光信号を電気信号に変換している。
固体撮像装置の感度は、入射光量に対する受光素子の出力電流の大きさによって定義されていることから、入射した光を確実に受光素子に導入することが感度向上のため重要な要素となっている。
図４は、従来の一般的な画素の基本構造の一例を示す図である。図４に示すように、マイクロレンズ６１に垂直に入射した光（破線で示した光）５９は、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）のうちのいずれかの光に対するカラーフィルタ２によって色分離された後、受光部６において電気信号への変換がなされる。このマイクロレンズ６１は、比較的高い集光効率が得られることから、ほとんど全ての固体撮像装置において使用されている。
上記のマイクロレンズを使用した固体撮像装置において、各画素に対し、非対称にレンズを配置する構成例の提案がある（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１には、斜め入射光をセンサ部に導くことができる実施例が記載されている。
また、フレネルレンズを利用した固体撮像装置として、様々な技術が開示されている（例えば、特許文献２および３参照）。
特許文献２に開示されている技術は、レンズは同心円状に異なる屈折率を持つ複数の層からなり、中心部が最も屈折率が高く、周辺部になるにつれて順に屈折率が減少するように構成されている。また、特許文献３に開示された技術では、厚さ分布型レンズと、ドーピングによって連続的に屈折率分布を持たせた分布屈折率型レンズが利用されている。
特開２００１−１９６５６８号公報 特開２０００−３９５０３号公報 特開平５−２５１６７３号公報
今後、広角入射に対応した固体撮像装置を開発するためには、特定の角度で入射する光を確実に受光素子へと導入する必要がある。
しかしながら、マイクロレンズでは、集光効率が信号光の入射角度に依存して低下する。つまり図４に示すように、マイクロレンズ６１に垂直に入射してくる光５９については高効率に集光することができるが、斜め入射の光（実線で示した光）６０に対しては集光効率が減少するのである。これは、斜め入射の光６０が、画素中のＡｌ配線３に遮光されてしまい、受光素子６まで到達できないためである。
上述したように、固体撮像装置は、複数の画素の２次元配列で構成されているため、広がり角を持つ入射光の場合、中央の画素と周辺の画素とでは入射角が異なる（図１参照）。その結果、周辺の画素の集光効率が中央より低下するという問題が起こる。
図２は、従来における周辺の画素の構造例を示す図である。周辺の画素では、入射光の入射角度が大きくなるため、電気配線部分を固体撮像装置の中心方向にずらす（シュリンクさせる）ことによって、集光効率の向上を図っている。
図３は、従来のマイクロレンズを用いた固体撮像装置の集光効率の入射角度依存性を示す図である。図３に示すように、入射角度が２０°程度までの光に対しては、高効率に集光できていることがわかる。しかしながら、それ以上の入射角度になると、効率は急激に減少する。結果として、周辺画素の光量は中央部分の約４０％程度であり、素子全体の感度は周辺素子の感度に律速されているのが現状である。また、この値は画素サイズの減少に伴ってさらに低下するため、小型カメラのような短焦点光学系への応用が非常に困難になる。さらに、製造工程においては、これ以上の回路シュリンクができないといった問題が発生している。
さらに、フレネルレンズ形状などの微小な段差形状が固体撮像装置の表面にある場合は、製造時、特にダイシング加工のダストが微小な段差形状に堆積する等の問題が発生する。
また、フレネルレンズ形状などの微小な段差形状が固体撮像装置の表面にある場合は、集光素子の上部にカラーフィルタを設けることができない。
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、薄型カメラ用の焦点距離が短い光学系（入射角θが大きい光学系）にも対応した固体撮像装置を実現するため、現存のマイクロレンズよりも高角度の入射光を集光し得る光学素子構造、かつダストが堆積する等の問題が発生しない構造を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る集光素子は、屈折率が異なる４種類の材料の光透過膜から構成される集合体を備え、固体撮像装置の各画素に設けられる集光素子であって、前記集合体における一の光透過膜は、入射光の波長より短い幅および所定の厚さの同心状のリングであり、前記集合体における他の光透過膜は、前記一の光透過膜が存在していない空間の全部又は一部を同心状に充填するリングであり、前記集合体の屈折率と入射側媒質の屈折率との差分の最大値をΔｎmaxとし、前記所定の厚さをＬ、前記入射光の波長をλとした場合に、ΔｎmaxＬ＝λを満たし、前記集合体の同心状の複数のリングのうち、中心のリングは最も高い高屈折率材料で構成され、外側のリングになるに従って順に低屈折率材料となっていることを特徴とする。
これにより、一の光透過膜の線幅およびその配置密度を変化させることによって、有効屈折率を変化させることが可能な分布屈折率型の集光素子を実現することができる。さらに、従来の半導体プロセスを踏襲して、微小な分布屈折率レンズを作製することができる。
また、前記集光素子において、前記集合体は、前記入射光の入射角度をθ、当該集合体の屈折率と入射側媒質の屈折率との差分の最大値をΔｎmaxとし、予め決定された定数をＡ及びＢ及びＣとした場合において、前記集合体上における前記画素の中央に対応する位置から面内方向の距離ｘに依存する、前記集合体の屈折率と入射側媒質の屈折率との差分をΔｎ(ｘ)とするとき、
Δｎ(ｘ)＝Δｎmax［(Ａｘ2＋Ｂｘsinθ)／２π＋Ｃ］（A、B、C：定数）
を満たすことを特徴とする。これにより、特定の角度で入射する光を任意の位置で集光することが可能となり、高集光効率な分布屈折率レンズを形成できる。
また、前記集光素子において、前記集合体の厚さをＬ、前記入射光の波長をλとした場合に、
ΔｎmaxＬ＝λ
をほぼ満たすように構成してもよい。これにより、前記分布屈折率レンズによる最大位相変調が入射光の１位相分となり、集光ロスが最小となることから、高効率な集光が可能となる。
本発明の固体撮像装置は、上記レンズ構造を有しているため、解像度ならびに感度の向上や製造工程の容易化を実現することができる。さらに、ダストの微小形状への堆積を防止することができる。
図１は、従来の固体撮像装置における画素配列の基本構造を示す図である。 図２は、従来の固体撮像装置の基本構造を示す図である。 図３は、従来のマイクロレンズを用いた固体撮像装置の集光特性を示す図である。 図４は、従来の固体撮像装置における画素の基本構造を示す図である。 図５は、実施の形態１における固体撮像装置の基本構造を示す図である。 図６は、実施の形態１における分布屈折率レンズの上面図の一例を示す図である。 図７は、実施の形態１における分布屈折率レンズの断面構造を示す図である。 図８は、実施の形態１におけるレンズの屈折率分布を示す図である。 図９は、実施の形態１における光の位相変調を示す図である。 図１０（ａ）〜（ｈ）は、実施の形態１における分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。 図１１は、実施の形態１における画素配列の基本構造を示す図である。 図１２（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１における、光入射角度に依存した画素の基本構造を示す図である。 図１３（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１におけるレンズの屈折率分布を示す図である。 図１４は、実施の形態１における分布屈折率レンズの上面図である。 図１５は、実施の形態１におけるレンズの屈折率分布を示す図である。 図１６は、実施の形態１における画素中の光伝播を示す図である。 図１７は、実施の形態１における固体撮像装置の集光効率を示す図である。
以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら、さらに具体的に説明する。なお、以下の実施の形態において、本発明について図面を用いて説明するが、本発明をこれらに限定することを意図するものではない。
（実施の形態１）
図５は、本実施の形態における固体撮像装置の基本構造を示す図である。各画素（サイズ□２．８mm）は、分布屈折率レンズ（単に「レンズ」、又は「光透過膜」ともいう。）１、Ｇ用カラーフィルタ２、Ａｌ配線３、信号伝送部４、平坦化層５、受光素子（Ｓｉフォトダイオード）６、Ｓｉ基板７から構成されている。
図６は、上記図１における分布屈折率レンズ１の上面図の一例である。同心円構造を有する分布屈折率レンズ１は、屈折率の異なる４種類の材料、ＴiO 2 、ＳiN、ＳiO 2 、空気で構成されており、隣り合う円型光透過膜の外周の半径差１４は、例えば２００ｎｍ（この場合の単位幅は、１００ｎｍ）である。また、膜厚は０．４μmである。
一般に、光が入射する入射窓領域の形状は、各画素の開口に合わせて四角形状となっている。入射窓領域が円形の場合、レンズとレンズの間に隙間ができるため、漏れ光が発生し、集光ロスの大きな原因となる。しかしながら、入射窓領域を四角とすると、画素全領域の入射光を集光することができるので、漏れ光は無くなり、集光ロスは低減する。
図７は、分布屈折率レンズ１の断面図の一例を示す図である。一般的な分布屈折率レンズでは、屈折率は光学中心１５で最も高くなる。本実施の形態においても、光学中心１５付近のリングは高屈折率材料ＴｉＯ2で構成され、外側のリングになるに従って、ＳｉＮ、ＳｉＯ2、空気のように低屈折率材料を使用している。周期が入射光の波長と同程度か小さいときには、光が感じる有効屈折率は高屈折率材料と低屈折率材料の体積比によって算出できる。本構造の最大の特長は、隣り合う材料の組み合わせを変えるだけで、屈折率分布を自由自在に制御できることである。本実施の形態では、屈折率が異なる材料を用いることによる屈折率変化に加えて、隣り合う領域で構造の幅を変化させることによる屈折率変化も利用している。これによって、より木目細かい階調の屈折率分布を実現することができるため、集光効率は向上する。しかしながら、屈折率が異なる材料を用いることによる屈折率変化だけでも、高い集光効率を得ることができるため（３材料で、集光効率７０％程度）。これによって、同心円構造を同一の抜き／残し幅で形成することができるようになるため、プロセスが容易になる。
このときの屈折率の変化は、図８のように表される。レンズの屈折率は、同心円の中心部分が最も高く、端になるに従って順に低くなる。放物線は、波長（５５０ｎｍ）の入射光を焦点距離ｆ（４．４３μｍ）で集光させるための屈折率分布を示しており、下の式で表される。
Δｎ(ｘ)＝Δｎmax［(Ａｘ2＋Ｂｘsinθ)／２π＋Ｃ］ （１）
（A、B、C：定数）
ここで、Δｎmaxは、入射側媒質とレンズ材料との屈折率差（今回は１．４３）である。また、上記（１）式は、入射側媒質の屈折率をｎ0、出射側媒質の屈折率をｎ1とするときに、
Ａ＝−（ｋ0ｎ1）／２ｆ （１−１）
Ｂ＝−ｋ0ｎ0 （１−２）
ｋ0＝２π／λ （１−３）
のようにパラメータを設定できる。これにより、目的とする焦点距離ならびに対象とする入射光の入射角度、波長ごとにレンズを最適化することが可能となる。上記（１）式において、集光成分は画素中央からの距離ｘの２次関数によって表し、偏向成分は距離ｘと三角関数との積によって表している。なお、実際のレンズは３次元構造であるので、屈折率分布はｘ軸、ｙ軸およびｚ軸空間上の関数として表されるが、ここでは、簡単化のために等価な2次元座標で表記している。
なお、上記図８は、入射光の角度を０°としたときのレンズ構造を示した図であり、光学中心は各画素の中心と一致する。
また、入射光の波長をλ、光が集まる焦点距離をｆ、光の入射角度をθ、入射側媒質の屈折率をｎ0、出射側媒質の屈折率をｎ1とするとき、前記光透過膜の面内方向の距離ｘに依存する、前記光透過膜による位相変調Φ（ｘ）が、
Figure 0004479969
をほぼ満たすことが望ましい。これにより、第１ゾーンのみで集光でき、集光ロスの少ない、高効率な集光が可能となる。
さらに、前記光透過膜による位相変調Φ（ｘ）が、
Figure 0004479969
 ｍ＝自然数
をほぼ満たすことが望ましい。これにより、複数ゾーンでの集光が可能となり、位相変調を大きくできるため、より高角度の入射光に強い集光素子が実現できる。
前記光透過膜の屈折率の最大値をｎ0＋Δｎmax、前記光透過膜の面内方向の屈折率分布においてｎ0に対する差分をΔｎ（ｘ）とするとき、
Figure 0004479969
をほぼ満たすことが望ましい。これにより、特定の角度で入射する光を任意の位置で集光可能である、高集光効率な分布屈折率レンズを形成できる。
本実施の形態では、屈折率分布によって入射光を位相変調することによって、光の伝播方向を制御している。このとき、図９に示すように、上記（１）式でもたらされる位相変調は、第１ゾーン１７だけでなく、第２ゾーン１８、第３ゾーン１９のように、上記（１）式を２πで分割して得られる不連続な位相変調となる。しかしながら、１位相毎にゾーンを区別しているため、実効的な位相変調は連続的な位相変調１６と等しくなる。
また、複数ゾーンを有する光透過膜を形成するときの、各ゾーン境界での位相差を２πとするための条件は、レンズ厚をＬとすると、
ΔｎmaxＬ＝λ （２）
となる。光透過膜が薄い場合は、一般には損失要因はないので、上記（２）式を満たしていれば、集光効率は１００％となる。
図１０（ａ）〜（ｈ）は、分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。レンズ形成は、フォトリソグラフィーとエッチングによって行った。まず、通常の半導体プロセスを用いて、Ｓｉ基板上に受光素子、および配線、遮光層、信号伝送部、カラーフィルタらなる半導体集積回路２２（上記図１０では描いていない。）を形成する。１画素のサイズは、２．８μｍ角であり、受光部は１．５μｍ角である。その後に、スパッタ装置を用いて、ＳｉＯ2膜２１を形成し、その上にレジスト２０を塗布する（図１０（ａ））。その後、光露光２３によって、パターニングを行う（図１０（ｂ））。ＳｉＯ2膜とレジストの厚みはそれぞれ、０．５μｍ と０．５μｍである。現像した後、エッチングを行い、画素表面に微細構造を形成する（図１０（ｃ））。レジストを除去した後、プラズマＣＶＤを用いて、ＴｉＯ2を堆積する（図１０(ｄ））。画素全域を被覆したＴｉＯ2層を、表面研磨によって取り除いた後（図１０（ｅ））、再びレジストを塗布し、光露光２３によって、パターンを形成する（図１０（ｆ））。その後、エッチングを行って、ＣＶＤを用いてＳｉＮを堆積させる（図１０（ｇ））。最終的に、画素表面を研磨することによって、ＴｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＯ2で構成された分布屈折率レンズが形成される。
本実施例では代表的な３種類の材料によるレンズ形成を試みたが、上記図１０に示したフォトリソグラフィーまたは電子リソグラフィーとエッチングとを組み合わせた工程を用いることにより、さらなる多種類の材料でレンズを構成することが可能である。
図１１は、本実施の形態に係る、ＶＧＡ使用（３１万画素）の固体撮像装置における画素配列の様子を示す図である。信号光２６は、光学レンズ２７によって集光され、分布屈折率レンズを有する固体撮像装置２８上に照射される。受光素子と配線等からなる半導体集積回路８ならびに分布屈折率レンズが２次元配列している固体撮像装置においては、中心部分の画素と周辺部分の画素とでは、光の入射角度が異なる。中心部分ではほぼ０°入射であるのに対して、周辺部分では約３０°入射となる。そこで、本実施の形態では、固体撮像装置の中央から周辺部分にかけて、各画素に入射する最も光強度の強い入射光成分に対応する分布屈折率レンズを形成した。それぞれのレンズは、撮像装置上の画素の位置によって、レンズ構造を最適化し、最も集光効率が高くなるようにしている。
図１２（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態における、光入射角度（画素位置）に依存した画素の基本構造を示す図である。本レンズは、入射光に対して上記（１）式で表される屈折率分布を有している。入射窓に入射角０°で入射してくる光３３、入射角α／２°で入射してくる光３４、入射角α°で入射してくる光３５は、それぞれ０°入射光用分布屈折率レンズ３６、α／２°入射光用分布屈折率レンズ３７、α°入射光用分布屈折率レンズ３８によって集光され、カラーフィルタ２を通過して、受光部で電気信号への変換が行われる。
本発明に係る分布屈折率レンズでは、入射光の波長によって各画素のレンズ構造を最適化することが可能であることから、入射角度による集光効率の違いはなく高効率に集光することができる。０°入射光用分布屈折率レンズでは、同心円の中心が画素中央部分にあるのに対して、入射角度が増加すると、円の中心は光の入射側にシフトしていく。
これは、上記（１）式に示されているように、屈折率分布の２次曲線の最大値が、入射角度ｑの増加に伴って、光入射側にシフトするためである（図１３参照）。
このとき、屈折率の異なる材料で構成されたレンズの構造は、画素領域に対して非対称となる（図１４参照）。さらに、図１５に示すように、屈折率の分布は周期ごとに構成材料が異なるため離散的な値をとるが、周期が入射光の波長より十分に短い場合には、散乱成分がなくなり、連続的な屈折率分布が形成される。
また、上記（１−３）、（２）式から明らかなように、位相変調は対象とする光の波長によって異なる。これは各画素に入射する光の色に応じて、最適なレンズ構造を持つことを意味している。本実施の形態において、波長０．４５μｍ、０．５５μｍ、０．６５μｍの光を、それぞれの色用のレンズ構造を有する画素に入射した場合、いずれも８０％程度の高い集光効率を示すことがわかっている。
図１６は、入射角度４０°の入射光に対する、画素中における光伝播プロファイルのシミュレーション結果を示す図である。入射光の伝播方向はレンズ通過時に曲げられ、第１の配線層（遮光層）で焦点を結び、その後受光素子まで伝播していく様子が確認できる。これは、上記（１）式に従って作製したレンズを用いることにより、光を効率よく受光素子へと伝播させることが可能であることを示唆している。
図１７は、本実施の形態における固体撮像装置の集光効率の角度依存性を示した図である。横軸の角度は、固体撮像装置に入射する光の角度を示しており、０°が中心部分、３０°以上が周辺画素を意味している。マイクロレンズを用いた固体撮像装置の集光効率が入射角度２０°付近の画素から急激に低下するのに対して、本発明に係る分布屈折率レンズでは、周辺画素においても、集光効率は６０％を保っている。図１７からも明らかなように、本発明に係る分布屈折率レンズは、マイクロレンズと比較して、入射光の角度依存性に強い（即ち、集光効率が入射光の角度にそれほど依存しない。）ことがわかる。これにより、入射角度の増加に伴う集光効率の低下を緩和することができることから、携帯電話用カメラ等の短焦点光学系への応用が期待できる。
本発明に係る固体撮像装置は、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、およびカメラ付携帯電話などに利用が可能である。
１ 分布屈折率レンズ
２ カラーフィルタ
３ Ａｌ配線
４ 電気信号伝送部
５ 平坦化層
６ 受光素子（Ｓiフォトダイオード）
７ Ｓｉ基板
８ 半導体集積回路
９ 入射光
１０ ＴｉＯ2（ｎ＝２．４３）
１１ ＳｉＮ （ｎ＝２．０）
１２ ＳｉＯ2（ｎ＝１．４５）
１３ 空気（ｎ＝１．０）
１４ 周期（０．２μｍ）
１５ レンズ中心
１６ 位相変調
１７ 第１ゾーン
１８ 第２ゾーン
１９ 第３ゾーン
２０ レジスト
２１ ＳｉＯ2
２２ 半導体集積回路（前記２〜７によって構成）
２３ 電子線描画
２４ エッチング
２５ ＴｉＯ2
２６ 入射光
２７ 光学レンズ
２８ 固体撮像装置
２９ 装置中央部の入射光
３０ 装置中央部画素用分布屈折率レンズ
３１ 装置周辺部の入射光
３２ 装置周辺部画素用分布屈折率レンズ
３３ 入射光（０°入射）
３４ 入射光（α／２°入射）
３５ 入射光（α°入射）
３６ ０°入射光用分布屈折率レンズ
３７ α／２°入射光用分布屈折率レンズ
３８ α°入射光用分布屈折率レンズ
５４ 入射光
５５ 光学レンズ
５６ 固体撮像装置
５７ 斜め入射光
５８ マイクロレンズ
５９ 垂直入射光
６０ 斜め入射光
６１ マイクロレンズ

Claims (1)

  1. 屈折率が異なる４種類の材料の光透過膜から構成される集合体を備え、固体撮像装置の各画素に設けられる集光素子であって、
    前記集合体における一の光透過膜は、入射光の波長より短い幅および所定の厚さの同心状のリングであり、
    前記集合体における他の光透過膜は、前記一の光透過膜が存在していない空間の全部又は一部を同心状に充填するリングであり、
    前記集合体の屈折率と入射側媒質の屈折率との差分の最大値をΔｎmaxとし、前記所定の厚さをＬ、前記入射光の波長をλとした場合に、
    ΔｎmaxＬ＝λ
    を満たし、
    前記集合体の同心状の複数のリングのうち、中心のリングは最も高い高屈折率材料で構成され、外側のリングになるに従って順に低屈折率材料となっており、
    前記入射光の入射角度をθとし、予め決定された定数をＡ及びＢ及びＣとした場合において、
    前記集合体上における前記画素の中央に対応する位置から面内方向の距離ｘに依存する、前記集合体の屈折率と入射側媒質の屈折率との差分をΔｎ(ｘ)とするとき、
    Δｎ(ｘ)＝Δｎmax［(Ａｘ2＋Ｂｘsinθ)／２π＋Ｃ］（A、B、C：定数）
    を満たす
    ことを特徴とする集光素子。
JP2006531986A 2004-09-01 2005-09-01 集光素子 Active JP4479969B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004254733 2004-09-01
JP2004254733 2004-09-01
PCT/JP2005/016024 WO2006025496A1 (ja) 2004-09-01 2005-09-01 集光素子、固体撮像装置およびその製造方法

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009091605A Division JP4531843B2 (ja) 2004-09-01 2009-04-03 固体撮像装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2006025496A1 JPWO2006025496A1 (ja) 2008-05-08
JP4479969B2 true JP4479969B2 (ja) 2010-06-09

Family

ID=36000145

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006531986A Active JP4479969B2 (ja) 2004-09-01 2005-09-01 集光素子
JP2009091605A Active JP4531843B2 (ja) 2004-09-01 2009-04-03 固体撮像装置

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009091605A Active JP4531843B2 (ja) 2004-09-01 2009-04-03 固体撮像装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7667286B2 (ja)
EP (1) EP1785750A1 (ja)
JP (2) JP4479969B2 (ja)
CN (1) CN100547439C (ja)
WO (1) WO2006025496A1 (ja)

Families Citing this family (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4479969B2 (ja) * 2004-09-01 2010-06-09 パナソニック株式会社 集光素子
JP4882224B2 (ja) * 2004-11-26 2012-02-22 ソニー株式会社 固体撮像装置の製造方法
JP2008147259A (ja) * 2006-12-06 2008-06-26 Canon Inc 撮像素子及び撮像装置
EP1944808A1 (fr) 2007-01-15 2008-07-16 Stmicroelectronics Sa Module optique imageur destiné à être associé à un composant semi-conducteur optique et procédé pour sa fabrication.
US8456560B2 (en) * 2007-01-26 2013-06-04 Digitaloptics Corporation Wafer level camera module and method of manufacture
TW200913238A (en) * 2007-06-04 2009-03-16 Sony Corp Optical member, solid state imaging apparatus, and manufacturing method
FR2930372B1 (fr) * 2008-04-18 2011-05-27 St Microelectronics Sa Element et module optique imageur pour composant semi-conducteur optique, procede pour le traitement d'un element optique imageur et appareil de captation d'images
JP5329903B2 (ja) * 2008-10-15 2013-10-30 オリンパス株式会社 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法
JP5487686B2 (ja) * 2009-03-31 2014-05-07 ソニー株式会社 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、及び電子機器
JP2010251489A (ja) 2009-04-15 2010-11-04 Sony Corp 固体撮像装置および電子機器
US9419032B2 (en) 2009-08-14 2016-08-16 Nanchang O-Film Optoelectronics Technology Ltd Wafer level camera module with molded housing and method of manufacturing
WO2013008395A1 (ja) * 2011-07-08 2013-01-17 パナソニック株式会社 固体撮像素子および撮像装置
EP2570701B1 (en) * 2011-09-14 2013-11-20 Kongsberg Automotive AB Knob assembly
US8953083B2 (en) 2012-02-13 2015-02-10 Apple Inc. Housing camera lens cover using GRIN technology
US20150283531A1 (en) * 2012-04-18 2015-10-08 Biofire Diagnostics, Llc Microspotting Device
US20140003777A1 (en) * 2012-07-02 2014-01-02 Commscope, Inc. Of North Carolina Light focusing structures for fiber optic communications systems and methods of fabricating the same using semiconductor processing and micro-machining techniques
CN103293573A (zh) * 2013-05-27 2013-09-11 北京京东方光电科技有限公司 一种增光片、背光源以及液晶显示器
FR3009890B1 (fr) 2013-08-23 2016-12-23 Commissariat Energie Atomique Photodiode bsi a haut rendement quantique
JP6356557B2 (ja) * 2013-09-30 2018-07-11 株式会社豊田中央研究所 レンズおよびその製造方法
CN103762244A (zh) * 2013-11-29 2014-04-30 深圳市华星光电技术有限公司 薄膜晶体管及其制造方法、薄膜晶体管阵列基板及液晶面板
JP6237431B2 (ja) 2014-04-15 2017-11-29 ソニー株式会社 焦点検出装置、電子機器
JP2015225966A (ja) * 2014-05-28 2015-12-14 ソニー株式会社 レンズおよびレンズの製造方法、ならびに撮像装置および表示装置
EP3465294A4 (en) * 2016-06-03 2020-01-22 3M Innovative Properties Company OPTICAL FILTERS WITH SPATIALLY DIFFERENT MICROREPLICED LAYERS
US9978789B2 (en) * 2016-06-06 2018-05-22 Visera Technologies Company Limited Image-sensing device
FR3069955A1 (fr) * 2017-08-04 2019-02-08 Stmicroelectronics (Crolles 2) Sas Dispositif electronique capteur d'images a couche additionnelle formant des lentilles optiques
KR102644944B1 (ko) * 2018-10-04 2024-03-08 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 이미지 센싱 방법
KR20210059290A (ko) * 2019-11-15 2021-05-25 에스케이하이닉스 주식회사 이미지 센싱 장치
CN116134619A (zh) 2020-07-30 2023-05-16 松下知识产权经营株式会社 光检测器、固体摄像元件、以及光检测器的制造方法
CN116615677A (zh) * 2020-09-22 2023-08-18 华为技术有限公司 用于实现球形效果的光学结构及其制造方法
CN116391139A (zh) * 2020-10-12 2023-07-04 日本电信电话株式会社 光学元件、摄像元件以及摄像装置
CN116368407A (zh) 2020-10-12 2023-06-30 日本电信电话株式会社 摄像元件和摄像装置
JPWO2022079765A1 (ja) * 2020-10-12 2022-04-21
EP4227716A4 (en) * 2020-10-12 2024-04-24 Nippon Telegraph And Telephone Corporation IMAGING ELEMENT AND IMAGING DEVICE
WO2022113352A1 (ja) * 2020-11-30 2022-06-02 日本電信電話株式会社 光学素子、撮像素子及び撮像装置
WO2022113362A1 (ja) * 2020-11-30 2022-06-02 日本電信電話株式会社 光学素子、撮像素子及び撮像装置
KR20220096967A (ko) * 2020-12-31 2022-07-07 삼성전자주식회사 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치
US20220326415A1 (en) * 2020-12-31 2022-10-13 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensor including planar nano-photonic microlens array and electronic device including the image sensor
KR102634938B1 (ko) * 2021-07-15 2024-02-07 삼성전자주식회사 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 광학 센서 및 이를 포함하는 전자 장치
TW202310382A (zh) * 2021-08-06 2023-03-01 日商索尼半導體解決方案公司 光檢測裝置及其製造方法以及電子機器
CN113885108B (zh) * 2021-10-26 2023-02-03 深圳市中兴新地技术股份有限公司 一种基于离子交换的非球面透镜制造方法及透镜
CN114545620B (zh) * 2022-02-10 2023-09-12 中国科学院上海技术物理研究所 一种对非理想刻蚀工艺制备介质超表面的补偿设计方法
KR102697266B1 (ko) * 2022-06-28 2024-08-22 삼성전자주식회사 평면 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4994664A (en) 1989-03-27 1991-02-19 Massachusetts Institute Of Technology Optically coupled focal plane arrays using lenslets and multiplexers
JPH05251673A (ja) 1992-03-05 1993-09-28 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光検出装置
US5561558A (en) 1993-10-18 1996-10-01 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Diffractive optical device
US5696371A (en) 1996-05-23 1997-12-09 Eastman Kodak Company Diffractive/refractive lenslet array
JP3507632B2 (ja) * 1996-09-17 2004-03-15 株式会社東芝 回折格子レンズ
JP2000039503A (ja) 1998-07-22 2000-02-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd レンズアレイ
US6583438B1 (en) * 1999-04-12 2003-06-24 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Solid-state imaging device
JP3547665B2 (ja) 1999-10-13 2004-07-28 日本電信電話株式会社 光学素子
JP2001177097A (ja) * 1999-12-10 2001-06-29 Koninkl Philips Electronics Nv 薄膜トランジスタ及びその製造方法
JP2001196568A (ja) * 2000-01-14 2001-07-19 Sony Corp 固体撮像素子及びその製造方法、並びにカメラ
JP4125114B2 (ja) 2001-12-27 2008-07-30 キヤノン株式会社 光学素子、光学変調素子、画像表示装置
US6947215B2 (en) 2001-12-27 2005-09-20 Canon Kabushiki Kaisha Optical element, optical functional device, polarization conversion device, image display apparatus, and image display system
JP4310080B2 (ja) * 2002-06-17 2009-08-05 キヤノン株式会社 回折光学素子およびこれを備えた光学系、光学装置
US6841888B2 (en) * 2003-06-04 2005-01-11 Yazaki Corporation Encapsulant for opto-electronic devices and method for making it
US7463364B2 (en) * 2003-07-31 2008-12-09 Ler Technologies, Inc. Electro-optic sensor
JP2005084485A (ja) 2003-09-10 2005-03-31 Nikon Corp 回折光学素子
US7115853B2 (en) * 2003-09-23 2006-10-03 Micron Technology, Inc. Micro-lens configuration for small lens focusing in digital imaging devices
US7116405B2 (en) * 2003-12-04 2006-10-03 Johnson Kenneth C Maskless, microlens EUV lithography system with grazing-incidence illumination optics
JP4479969B2 (ja) * 2004-09-01 2010-06-09 パナソニック株式会社 集光素子

Also Published As

Publication number Publication date
WO2006025496A1 (ja) 2006-03-09
CN1993634A (zh) 2007-07-04
EP1785750A1 (en) 2007-05-16
JP2009157390A (ja) 2009-07-16
US20080272454A1 (en) 2008-11-06
CN100547439C (zh) 2009-10-07
WO2006025496A8 (ja) 2007-06-21
JP4531843B2 (ja) 2010-08-25
JPWO2006025496A1 (ja) 2008-05-08
US7667286B2 (en) 2010-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4479969B2 (ja) 集光素子
JP4733030B2 (ja) 固体撮像装置
JP5022601B2 (ja) 固体撮像装置
JP4456040B2 (ja) 固体撮像素子
US7718949B2 (en) Solid-state imaging element and solid-state imaging device
JP2008192771A (ja) 固体撮像素子およびその製造方法
JP5283371B2 (ja) 固体撮像素子
US7586530B2 (en) Solid-state imaging device including pixels arranged in a two-dimensional array
JP5487686B2 (ja) 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、及び電子機器
US20090250594A1 (en) Solid-state image sensor and manufacturing method thereof
US20110128405A1 (en) Optical element, image sensor including the optical element, and image pickup apparatus including the image sensor
US8610228B2 (en) Solid-state image sensor
JP2011096732A (ja) 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、電子機器
JP2009266900A (ja) 固体撮像素子
JP6613648B2 (ja) 固体撮像素子および電子機器
JP2008258367A (ja) 固体撮像素子、固体撮像装置およびその製造方法
WO2010122758A1 (ja) 集光素子、集光素子群および固体撮像装置
JP2009267000A (ja) 固体撮像素子
WO2013161168A1 (ja) 固体撮像装置
JP2005203676A (ja) 固体撮像素子およびその製造方法
KR100649030B1 (ko) 씨모스 이미지 센서의 제조방법
KR100649004B1 (ko) 씨모스 이미지 센서의 제조방법
JP2008294139A (ja) 固体撮像素子およびカメラ

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090203

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20090403

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090915

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20091105

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20091208

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100119

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20100216

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20100310

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130326

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4479969

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130326

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140326

Year of fee payment: 4