JP5319370B2 - Imaging device pixel structure structure determination method, imaging device pixel structure structure determination program, and imaging device pixel structure structure determination device - Google Patents
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Description
本発明は、撮像素子画素構造体の構造決定方法、撮像素子画素構造体の構造決定プログラム、および撮像素子画素構造体の構造決定装置に関する。 The present invention relates to an image sensor pixel structure structure determination method, an image sensor pixel structure structure determination program, and an image sensor pixel structure structure determination apparatus.
従来、光学像を撮像するためのエリアイメージセンサーとして、CCD(Charge Coupled Device)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などの固体撮像素子が知られている。このような固体撮像素子は、例えばビデオカメラやデジタルカメラ等の撮像装置に広く用いられている。固体撮像素子は、同一半導体基板上に、撮像レンズを介して結像した被写体の光学像を受光画素毎に電気信号に光電変換する複数の受光画素を配列した受光画素部と、受光画素毎の電気信号に対し所定の信号処理を行った後に半導体基板外部に出力する信号読出し回路部とを有している。 Conventionally, solid-state imaging devices such as a CCD (Charge Coupled Device) and a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) are known as area image sensors for capturing an optical image. Such a solid-state imaging device is widely used in imaging devices such as video cameras and digital cameras. The solid-state image sensor includes a light-receiving pixel section in which a plurality of light-receiving pixels that photoelectrically convert an optical image of a subject formed through an imaging lens into an electric signal for each light-receiving pixel on the same semiconductor substrate, and each light-receiving pixel And a signal readout circuit portion that outputs the electrical signal to the outside of the semiconductor substrate after performing predetermined signal processing.
近年、固体撮像素子を小型化するために、固体撮像素子の画素構造体が微細化・複雑化する傾向にある。これに伴い、画素構造体における感度低下、ノイズの増加が懸念され、固体撮像素子の画素構造体の構造を最適化する必要性が高まっている。ここで、固体撮像素子の画素構造体とは、固体撮像素子へ入射した光が固体撮像素子の内部で示す伝播特性に影響する構造体で、具体的には例えばマイクロレンズや配線等を有する構造体である。
画素構造体の構造を最適化するとは、光学像が結像されるフォトダイオードの受光量等、撮像結果に影響を及ぼす構造体の形状・寸法、特性値の値を求めることである。
In recent years, in order to reduce the size of a solid-state imaging device, the pixel structure of the solid-state imaging device tends to be miniaturized and complicated. Along with this, there is a concern about sensitivity reduction and noise increase in the pixel structure, and there is an increasing need to optimize the structure of the pixel structure of the solid-state imaging device. Here, the pixel structure of the solid-state image sensor is a structure in which the light incident on the solid-state image sensor affects the propagation characteristics shown inside the solid-state image sensor. Specifically, for example, a structure having a microlens, a wiring, or the like Is the body.
Optimizing the structure of the pixel structure means obtaining values of the shape / size and characteristic values of the structure that affect the imaging result, such as the amount of light received by a photodiode on which an optical image is formed.
一般的に、画素構造体の構造を最適化するためには、まずシミュレーションで画素構造の評価指標を求める。次いで、経験則に基づいて画素構造を修正して、再度シミュレーションで画素構造の評価指標を確認する。このように、従来の画素構造の最適化は、経験則に基づく修正とその確認という作業が繰り返されて行われており、試行錯誤的に最適な画素構造を探索するものであった。 In general, in order to optimize the structure of the pixel structure, first, an evaluation index of the pixel structure is obtained by simulation. Next, the pixel structure is corrected based on an empirical rule, and the evaluation index of the pixel structure is confirmed again by simulation. As described above, the optimization of the conventional pixel structure is performed by repeating the correction based on the empirical rule and the confirmation thereof, and searches for the optimal pixel structure by trial and error.
上記シミュレーションを行う手法としては、大きく分けて光学的解析によるシミュレーションと、電磁場解析によるシミュレーションとが知られている。 As a method for performing the above-mentioned simulation, a simulation by optical analysis and a simulation by electromagnetic field analysis are roughly classified.
光学的解析の例として、非特許文献1には光学的解析に基づいた固体撮像素子の構造の最適化が開示されている。非特許文献1では、光を受光領域に集光させるマイクロレンズを備えたFT(Frame Transfer)イメージセンサーが記載されており、このマイクロレンズを備えたFTイメージセンサーによれば光の感度を高めることができる。 As an example of optical analysis, Non-Patent Document 1 discloses optimization of the structure of a solid-state imaging device based on optical analysis. Non-Patent Document 1 describes an FT (Frame Transfer) image sensor provided with a microlens for condensing light in a light receiving region. According to the FT image sensor provided with this microlens, the sensitivity of light is increased. Can do.
また、電磁場解析の例として、特許文献1には集積導波路におけるピクセル(画素構造体)の構造を最適化するようにピクセルを構成する方法が記載されている。この特許文献1に記載の方法では、電磁場シミュレーションツールによってFDTD法による電磁場解析を行い、ピクセルを構成する要素とピクセルに入射する光との相互作用をシミュレートする。この方法によれば、ピクセル内の光検出器に光が好適に到達できる集積導波路を設計することができる。 As an example of electromagnetic field analysis, Patent Document 1 describes a method of configuring pixels so as to optimize the structure of pixels (pixel structures) in an integrated waveguide. In the method described in Patent Document 1, an electromagnetic field analysis is performed by an FDTD method using an electromagnetic field simulation tool, and an interaction between elements constituting a pixel and light incident on the pixel is simulated. According to this method, it is possible to design an integrated waveguide in which light can suitably reach the photodetector in the pixel.
しかしながら、非特許文献1に記載されたような光学的解析による最適化の場合には、短い計算時間で解析結果が得られるものの計算精度が相対的に低い。従って、最適な画素構造を得られない恐れがある。特に光の波長と同等かそれ以下の長さの構造を持つ微細な画素において光学的解析が適用された場合には、光学的解析によって得られたパラメーターと実際に最適な構造との間に顕著な乖離が生じるという問題があった。 However, in the case of optimization by optical analysis as described in Non-Patent Document 1, although the analysis result can be obtained in a short calculation time, the calculation accuracy is relatively low. Therefore, there is a possibility that an optimal pixel structure cannot be obtained. In particular, when optical analysis is applied to a fine pixel with a structure with a length equal to or less than the wavelength of light, there is a significant difference between the parameters obtained by optical analysis and the actually optimal structure. There was a problem that a great divergence occurred.
一方、特許文献1に記載されたような電磁場解析による最適化の場合には、計算精度は光学的解析よりも相対的に高いが計算時間が相対的に長い。画素構造を最適化する工程では、様々な初期値に基づいて、電磁場解析を繰り返す必要がある。このため、指定すべき初期値の範囲が広いと最適解を決定するまでに要する計算回数が増え、計算に要する時間が膨大になるという問題があった。さらに、指定した初期値に対して最適解が存在しない場合もあり、この場合には膨大な計算時間を費やした上でなお画素構造が決定できないという極めて非効率的な結果となるという問題もあった。 On the other hand, in the case of optimization by electromagnetic field analysis as described in Patent Document 1, the calculation accuracy is relatively higher than that of optical analysis, but the calculation time is relatively long. In the process of optimizing the pixel structure, it is necessary to repeat the electromagnetic field analysis based on various initial values. For this reason, if the range of the initial values to be specified is wide, there has been a problem that the number of calculations required to determine the optimal solution increases and the time required for the calculation becomes enormous. In addition, there may be no optimal solution for the specified initial value. In this case, there is a problem that a very inefficient result is that the pixel structure cannot be determined after a huge calculation time is spent. It was.
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は撮像素子画素構造体の構造を迅速かつ確実に決定することができる撮像素子画素構造体の構造決定方法、撮像素子画素構造体の構造決定プログラム、および撮像素子画素構造体の構造決定装置の提供を図ることにある。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to determine a structure of an image sensor pixel structure, which can quickly and reliably determine the structure of the image sensor pixel structure, and an image sensor pixel. The object is to provide a structure determination program for a structure and a structure determination apparatus for an image sensor pixel structure.
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の撮像素子画素構造体の構造決定方法は、少なくとも受光素子と配線回路と光学系とを要素として有する撮像素子画素構造体に配置される前記要素の寸法、相対位置関係あるいは物性情報を示す第一情報群を光学的解析によって決定する第一決定工程と、前記第一決定工程に続いて、前記第一決定工程で使用した前記要素の初期条件よりも詳細な前記要素のそれぞれの物性情報と前記第一情報群とを初期条件として前記要素の寸法、相対位置関係あるいは物性情報を示す第二情報群を電磁場解析によって決定する第二決定工程と、を備えることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
The method for determining the structure of an image sensor pixel structure according to the present invention shows the size, relative positional relationship, or physical property information of the elements arranged in the image sensor pixel structure having at least a light receiving element, a wiring circuit, and an optical system as elements. A first determination step of determining a first information group by optical analysis; and subsequent to the first determination step, physical property information of each of the elements in more detail than the initial conditions of the elements used in the first determination step And a second determination step of determining a second information group indicating the dimension, relative positional relationship, or physical property information of the element by electromagnetic field analysis using the first information group and the first information group as initial conditions.
この発明によれば、第一決定工程では光学的解析が用いられるので、光の透過や屈折に基づいた構造決定が行われる。さらに第二決定工程では電磁場解析によって撮像画素構造体の物性情報をさらに加味した構造決定が行われる。このとき、煩雑な計算を要する電磁場解析のための初期値として、第一決定工程において最適構造として決定された第一情報群が用いられる。したがって、電磁場解析における試行回数を減少させることができる。また、最適な撮像素子画素構造に近い条件が第一決定工程で決定される。したがって、第二決定工程において解が発散するなどして計算不能となることが抑制され、撮像素子画素構造が決定できる可能性が高まる。 According to the present invention, since optical analysis is used in the first determination step, structure determination based on light transmission and refraction is performed. Further, in the second determination step, structure determination is performed by further adding physical property information of the imaging pixel structure by electromagnetic field analysis. At this time, the first information group determined as the optimum structure in the first determination step is used as an initial value for the electromagnetic field analysis requiring complicated calculation. Therefore, the number of trials in the electromagnetic field analysis can be reduced. Further, a condition close to the optimal image sensor pixel structure is determined in the first determination step. Therefore, it is suppressed that the calculation becomes impossible due to the solution divergence in the second determination step, and the possibility that the image sensor pixel structure can be determined increases.
また、本発明の撮像素子画素構造体の構造決定方法は、前記光学的解析が近軸理論に基づく光学的解析であることが好ましい。
また、本発明の撮像素子画素構造体の構造決定方法は、前記光学的解析が幾何光学に基づく光学的解析であってもよい。
また、本発明の撮像素子画素構造体の構造決定方法は、前記光学的解析が波動光学に基づく光学的解析であってもよい。
In the method for determining the structure of the image sensor pixel structure according to the present invention, the optical analysis is preferably an optical analysis based on a paraxial theory.
In the method of determining the structure of the image sensor pixel structure according to the present invention, the optical analysis may be an optical analysis based on geometric optics.
In the method for determining the structure of the image sensor pixel structure according to the present invention, the optical analysis may be an optical analysis based on wave optics.
また、本発明の撮像素子画素構造体の構造決定プログラムは、少なくとも受光素子と配線回路と光学系とを要素として有する撮像素子画素構造体に配置される前記要素の寸法、相対位置関係あるいは物性情報を示す第一情報群を光学的解析によって決定する第一決定工程と、前記第一決定工程に続いて、前記第一決定工程で使用した前記要素の初期条件よりも詳細な前記要素のそれぞれの物性情報と前記第一情報群とを初期条件として前記要素の寸法、相対位置関係あるいは物性情報を示す第二情報群を電磁場解析によって決定する第二決定工程と、を電子計算機に処理させることを特徴としている。 The structure determination program for an image sensor pixel structure according to the present invention is a size, relative positional relationship, or physical property information of an element disposed in an image sensor pixel structure having at least a light receiving element, a wiring circuit, and an optical system as elements. A first determination step of determining a first information group indicating optical analysis, and subsequent to the first determination step, each of the elements more detailed than the initial conditions of the elements used in the first determination step A second determination step of determining, by an electromagnetic field analysis, a second information group indicating the dimension, relative positional relationship, or physical property information of the element using the physical property information and the first information group as initial conditions; It is a feature.
この発明によれば、撮像素子画素構造の決定を電子計算機上で行うことができるので、光学素子の現物を試作する手間を省くことができる。また、第一決定工程と第二決定工程とがともに電子計算機によって行われるため、撮像素子画素構造を決定するための繰り返し計算を迅速に行うことができる。 According to the present invention, since the determination of the pixel structure of the image sensor can be performed on the electronic computer, it is possible to save the trouble of making a prototype of the actual optical element. In addition, since both the first determination step and the second determination step are performed by an electronic computer, iterative calculation for determining the image sensor pixel structure can be quickly performed.
本発明の撮像素子画素構造体の構造決定装置は、少なくとも受光素子と配線回路と光学系とを要素として有する撮像素子画素構造体に配置される前記要素の寸法、相対位置関係あるいは物性情報を示す第一情報群を光学的解析によって決定する第一決定部と、前記第一決定部で使用した前記要素の初期条件よりも詳細な前記要素のそれぞれの物性情報と前記第一情報群とを初期条件として前記要素の寸法、相対位置関係あるいは物性情報を示す第二情報群を電磁場解析によって決定する第二決定部と、を備えることを特徴としている。 An image sensor pixel structure structure determining apparatus according to the present invention indicates the size, relative positional relationship, or physical property information of an element disposed in an image sensor pixel structure having at least a light receiving element, a wiring circuit, and an optical system as elements. A first determination unit for determining a first information group by optical analysis, and initial information on each physical property information of the element and the first information group, which are more detailed than the initial condition of the element used in the first determination unit. And a second determination unit that determines a second information group indicating the dimension, relative positional relationship, or physical property information of the element as a condition by electromagnetic field analysis.
この発明によれば、第一決定部と第二決定部とによって撮像素子画素構造を決定することができる。また、第一決定部と第二決定部とが分かれて設けられているため、第二決定部が使用されている間に第一決定部が使用されて後続の撮像素子画素決定を進めることができる。 According to the present invention, the imaging element pixel structure can be determined by the first determination unit and the second determination unit. In addition, since the first determination unit and the second determination unit are provided separately, the first determination unit can be used while the second determination unit is being used to advance subsequent imaging element pixel determination. it can.
本発明の撮像素子画素構造体の構造決定方法、撮像素子画素構造決定プログラム、および撮像素子画素構造体の構造決定装置によれば、先行して行われる光学的解析と、光学的解析で決定された値が初期値として用いられる電磁場解析とが行われることで、撮像素子画素構造体の構造を迅速かつ確実に決定することができる。 According to the structure determination method of the image sensor pixel structure, the image sensor pixel structure determination program, and the structure determination device of the image sensor pixel structure of the present invention, the optical analysis and the optical analysis performed in advance are determined. By performing electromagnetic field analysis in which the obtained value is used as an initial value, the structure of the image sensor pixel structure can be determined quickly and reliably.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態の撮像素子画素構造体の構造決定方法について図1から図11を参照して説明する。
(画素構造体の構成)
まず、本実施形態の画素構造体を備える撮像装置を例に画素構造体の構成を説明する。
図1は、本実施形態における撮像素子画素構造体の構造決定方法によって構造が決定される対象となる撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
(First embodiment)
The structure determination method for the image sensor pixel structure according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
(Configuration of pixel structure)
First, the configuration of the pixel structure will be described by taking an imaging device including the pixel structure of the present embodiment as an example.
FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of an imaging apparatus whose structure is determined by the structure determination method of the imaging element pixel structure according to the present embodiment.
図1に示すように、撮像装置1は、外部から入射する光を所定の結像位置に集光させる撮像光学系2と、撮像光学系2によって集光された光を受光する受光領域3aを有して光学像を撮像する撮像素子3と、CDS (Correlated Double Sampling) / AGC (Automatic Gain Control) / ADC (Analog to Digital Converter)等の回路4と、回路4によって読み出された光学像のデジタル信号を処理する画像処理回路5と、撮像された画像情報を表示可能な表示部6と、撮像された画像情報を記憶するための例えば不揮発メモリなどを有する記憶媒体7とを備えている。
As shown in FIG. 1, the imaging apparatus 1 includes an imaging
図2は、撮像素子3を示す断面図である。図2に示すように、本実施形態の撮像素子3はCMOSエリアイメージセンサーである。また撮像素子3は、画素31、32、33、・・・のように複数の画素(画素構造体)が並べて配置されている。詳細は図示していないが、撮像素子3において上記画素は受光領域3aの面に沿って格子状に配列されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the
以下では受光領域3aの中心付近に位置する画素31(図1参照)の構成について説明する。なお、他の画素についても概略構成は同様である。
画素31は、半導体基板10に構成された撮像素子形成領域11内および撮像素子形成領域11に重畳するように厚さ方向に配置された要素12〜21を備える。具体的には、撮像素子形成領域11内には、受光素子であるフォトダイオード(要素12)と、フォトダイオードに蓄積された電荷を検出するFD (Floating Diffusion)(要素13)と、が設けられている。
Hereinafter, the configuration of the pixel 31 (see FIG. 1) located near the center of the
The
また、撮像素子形成領域11に重畳して配置される要素の具体例としては、半導体基板10の面上に配置されたポリシリコン転送電極(要素14)と、絶縁性を有する層間絶縁膜(要素15)と、層間絶縁膜を介して配置された配線回路である配線層(要素16、17、18)と、配線層に積層された保護膜(要素19)と、保護膜にさらに積層された光学系であるカラーフィルタ(要素20)およびマイクロレンズ(要素21)と、である。
Further, as a specific example of the element arranged so as to overlap the imaging
上記要素12〜21は、画素31に入射する光を効率的に受光するためにその配置、形状、および物性についての最適化を要する要素である。
The
図2に示すように、画素31には、マイクロレンズ(要素21)側から光が入射する。たとえば画素31への入射光束22はマイクロレンズ(要素21)で屈折され、多層配線層(要素16、17、18)の隙間を通過して、フォトダイオード(要素12)で受光されて光電変換される。
As shown in FIG. 2, light enters the
ここで、入射光束22の開き角α0は、撮像光学系2のFナンバーによって定まるものである。
なお、図2では画素31に入射される光の例として入射光束22を示したが、入射光束は入射光束22だけではない。すなわちマイクロレンズの他の位置から入射される入射光束も存在する。
Here, the opening angle α 0 of the
In FIG. 2, the
詳細は図示していないが、撮像素子3において、受光領域3aの中央では入射光束は受光領域3aの面の法線方向にほぼ沿って進む。また、受光領域3aの中央から周辺に向かうにしたがって入射光束は受光領域3aの面の法線に対して角度を有するようになる。このため、受光領域3aの周辺部にある画素における入射光束は、受光領域3a上の位置に応じた光束傾き角(例えば光束傾き角β0)を有して画素に入射する。
Although details are not shown, in the
(撮像素子画素構造体の構造決定方法)
以下では、上述の撮像素子画素構造体(画素31、32、33、・・・)の構造決定方法について図3から図11を参照して説明する。
画素構造体の構造決定とは、上記画素における要素12〜21の構造(寸法、配置、物性)の最適条件を決定することである。ここで、最適条件とは、フォトダイオード(要素12)における光の感度が最も高くなる条件である。
(Structure determination method of image sensor pixel structure)
Hereinafter, a method for determining the structure of the above-described imaging element pixel structure (
The structure determination of the pixel structure is to determine the optimum condition of the structure (size, arrangement, physical properties) of the
図3は本実施形態の撮像素子画素構造体の構造決定方法の概要を示すフローチャートである。図3に示すように本実施形態の撮像素子画素構造体の構造決定方法は、第一決定工程S1と、第一決定工程S1に続いて実行される第二決定工程S2と、を備えている。 FIG. 3 is a flowchart showing an outline of the structure determination method of the image sensor pixel structure according to the present embodiment. As shown in FIG. 3, the structure determination method for the image sensor pixel structure according to the present embodiment includes a first determination step S <b> 1 and a second determination step S <b> 2 executed subsequent to the first determination step S <b> 1. .
以下では、第一決定工程S1について詳述する。
第一決定工程S1は、要素12〜21の寸法、相対位置関係あるいは物性情報を示す第一情報群を光学的解析によって決定する工程である。
Below, 1st determination process S1 is explained in full detail.
The first determination step S1 is a step of determining a first information group indicating the dimensions, relative positional relationship, or physical property information of the
図4は、第一決定工程S1を示すフローチャートである。図4に示すように、第一決定工程S1は、マイクロレンズ(要素21)のパワー配置を決める工程S11と、配線層(要素16、17、18)の配置を決める工程S12と、を有している。工程S11と工程S12とは、いずれも受光領域3aの中央に位置する画素(例えば画素31など)に対する構造決定の工程である。
FIG. 4 is a flowchart showing the first determination step S1. As shown in FIG. 4, the first determination step S1 includes a step S11 for determining the power arrangement of the microlens (element 21) and a step S12 for determining the arrangement of the wiring layers (
また、受光領域3aの中央と周辺とでは入射光束の傾きの違いによって画素構造の最適条件が異なっている。このため、第一決定工程S1は受光領域3aの周辺において光束傾き角を有して入射される画素に対して構造を補正する工程S13を有している。工程S13では、工程S11および工程S12によって決定された条件を初期条件として画素の構造の補正が行われる。
In addition, the optimum condition of the pixel structure is different between the center and the periphery of the
以下では、第一決定工程S1における入射光束の扱い方について図5を参照して説明する。図5は第一決定工程S1が画素31に適用される状態を模式的に示す模式図である。
図5(A)ないし(C)には、第一決定工程S1では、画素31のマイクロレンズ(要素21)の最周辺に入射する入射光束22と、入射光束22とは光軸を挟んで反対側のマイクロレンズ(要素21)の最周辺に入射する入射光束23と、マイクロレンズ(要素21)の光軸付近に入射する入射光束24と、をそれぞれ示している。
Below, how to handle the incident light beam in the first determination step S1 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing a state in which the first determination step S <b> 1 is applied to the
5A to 5C, in the first determination step S1, the
ここで、入射光束22、23、24のそれぞれの開き角は、共通にα0である。撮像光学系2のFナンバーをFNとしたとき、α0=sin−1(1/(2FN))である。また、図5(D)に示すように、入射光束22、23、24のうち、符号X側から入射してくる最周辺光線を抽出して、これらを新たな入射光束25として考える。このように、マイクロレンズ(要素21)に向かって2α0の角度で集光している入射光束22、23、24をマイクロレンズ(要素21)に向かって傾き角が2α0のコリメート光である入射光束25に置き換える。
Here, the opening angles of the incident light beams 22, 23, and 24 are α0 in common. When the F number of the imaging
図6は、第一決定工程S1において構造決定が行われる要素を模式的に示した図である。ここで、図6に示す各記号について説明する。Pは画素の一つ当たりの幅を示すピッチ、Wはフォトダイオード(要素12)の幅、E1及びE2は画素31においてマイクロレンズ(要素21)の面頂を通る軸(光軸O1)を基準として測った配線層(要素16、17、18)の間隔、Dは層間絶縁膜(要素15)と保護膜(要素19)の厚さの合計値、R1はマイクロレンズ(要素21)の曲率半径、Hはマイクロレンズ(要素21)の厚さ、GはピッチPと幅Wとの差の二分の一の値、α1はα0なる角度でマイクロレンズ(要素21)に入射する光線のマイクロレンズ(要素21)における屈折角をそれぞれ表している。
FIG. 6 is a diagram schematically showing elements for which structure determination is performed in the first determination step S1. Here, each symbol shown in FIG. 6 will be described. P is a pitch indicating the width per pixel, W is the width of the photodiode (element 12), E1 and E2 are based on an axis (optical axis O1) passing through the top of the microlens (element 21) in the
画素31等の画素の構造決定において、要素12〜21のうち以下に説明する要素については撮像装置1の仕様あるいは撮像素子3の製造プロセス等の条件によって調整範囲が予め制限されている。
In determining the structure of a pixel such as the
具体的には、画素31のピッチPは、撮像装置の仕様で既に決められている。フォトダイオード(要素12)の幅Wは、製造プロセスの制約によって決められている。その他の要素13〜21の材質は、製造プロセスによって決まっており、また、入射光束25が透過する領域における屈折率と分散は既知である。またマイクロレンズ(要素21)の曲率半径R1の下限値は製造プロセスによって決まっている。また曲率半径R1が決まるとマイクロレンズの厚さHも製造プロセスによって一意的に決まる。また、値Gの下限値も製造プロセスによって決まっている。さらに、カラーフィルタ(要素20)の厚さは撮像装置1の仕様で定められる色特性によって予め定められている。
Specifically, the pitch P of the
したがって、本実施形態で変数となる要素は、間隔E1、E2の大きさに関わる要素16、17、18の寸法および配置と、曲率半径R1の大きさにかかわる要素21の寸法および配置と、厚さDの大きさに関わる層間絶縁膜(要素15)および保護膜(要素19)の厚さである。
Therefore, the variable elements in the present embodiment are the dimensions and arrangement of the
以下では第一決定工程S1における上記変数の決定の工程について図7ないし図9を参照して説明する。
まずマイクロレンズのパワー配置を決める工程S11が行われる。図7に工程S11の詳細なフローを示す。
Hereinafter, the process of determining the variable in the first determination process S1 will be described with reference to FIGS.
First, step S11 for determining the power arrangement of the microlens is performed. FIG. 7 shows a detailed flow of step S11.
まず、予め決められた値であるピッチPと値Gとを用いて、マイクロレンズ(要素21)の曲率半径R1の下限値R1minを求める(工程S111)。工程S111では、R1min=P/2−GとしてR1minの値を算出する。 First, a lower limit value R1 min of the radius of curvature R1 of the microlens (element 21) is obtained using a pitch P and a value G, which are predetermined values (step S111). In step S111, the value of R1 min is calculated as R1 min = P / 2−G.
続いて、R1minにおけるマイクロレンズ(要素21)の焦点距離f1および屈折角α1の大きさを周知の近軸光線追跡によって求め、次のa)、b)の条件を満たす厚さDが存在するかどうかを調べる(工程S112)。なお、厚さDは画素の製造プロセスによってとりうる値の範囲に制限を有する。
a)f1≒>D
b)α1f1<≒W/2
Subsequently, the focal length f1 and the refraction angle α1 of the microlens (element 21) at R1 min are obtained by well-known paraxial ray tracing, and there is a thickness D that satisfies the following conditions a) and b). Whether or not (step S112). Note that the thickness D has a limit on the range of values that can be taken by the pixel manufacturing process.
a) f1≈> D
b) α1f1 <≈W / 2
上記条件b)は入射光束25の結像位置における像の概略の大きさを表している。第一決定工程S1では、上記のように条件b)として、マイクロレンズ(要素21)、層間絶縁膜(要素15)、保護膜(要素19)、カラーフィルタ(要素)の屈折率差が無いとした場合の近似式を採用することができる。
The condition b) represents the approximate size of the image at the imaging position of the
また、工程S112では、R1=R1minの状態でa)b)の条件を共に満たすDが求まらない場合には、曲率半径R1の値をR1minから漸次大きく変化させる。曲率半径R1の大きさを大きくすると、マイクロレンズ(要素21)の焦点距離が長くなるため、フォトダイオード(要素12)に好適に光学像を結像させるための厚さDの値を大きくする必要がある。 Further, in step S112, when D satisfying both the conditions a) and b) is not found in the state of R1 = R1 min , the value of the radius of curvature R1 is gradually increased from R1 min . When the radius of curvature R1 is increased, the focal length of the microlens (element 21) is increased. Therefore, it is necessary to increase the thickness D for suitably forming an optical image on the photodiode (element 12). There is.
曲率半径R1を大きく変えていくことで上記a)b)の条件を共に満たすDがとり得る場合は、上記a)b)の条件を共に満たす厚さDbと、厚さDbに対応する曲率半径Rbとが決定される。続いて、厚さDbに対応する曲率半径Rbとが決定された条件の下で配線層(要素16、17、18)の配置を決める工程S12へ移る。
When D satisfying both of the above conditions a) and b) can be obtained by greatly changing the radius of curvature R1, it corresponds to the thickness D b that satisfies both of the above conditions a) and b) and the thickness D b . A radius of curvature Rb is determined. Subsequently, the process proceeds to second process S12 to determine the arrangement of the wiring layer under the condition that the curvature radius R b corresponding has been determined to a thickness D b (
曲率半径R1の大きさを小さく変えても厚さDとして適切な値が得られない場合には、工程S113においてNOが選択される。すると、マイクロレンズ(要素21)に加えてさらに層内絶縁膜(要素15)と保護膜(要素19)との間に層内レンズ(不図示)を介在させて画素の設計を試みる(工程S115)。工程S115では、層内レンズの曲率半径をR2とした場合のマイクロレンズと層内レンズとの合成曲率半径をR12、合成焦点距離をf12として次のb’)を満たすように曲率半径R1、R2を決定する。 If an appropriate value is not obtained as the thickness D even if the radius of curvature R1 is reduced, NO is selected in step S113. Then, in addition to the microlens (element 21), an intralayer lens (not shown) is further interposed between the in-layer insulating film (element 15) and the protective film (element 19) (step S115). ). In step S115, the radius of curvature R1, R2 is set so as to satisfy the following b ′) where R12 is the combined radius of curvature of the microlens and the intralayer lens when the radius of curvature of the intralayer lens is R2, and f12 is the combined focal length. To decide.
b’)α1f12<≒W/2 b ') α1f12 <≈W / 2
続いて、上記b’)で決定された曲率半径R1、R2が決定された条件の下で次のa’)を満たすDが存在するかを調べる(工程S116)。 Subsequently, it is examined whether or not D satisfying the following a ′) exists under the condition in which the curvature radii R1 and R2 determined in b ′) are determined (step S116).
a’)f12≒>D a ′) f12≈> D
工程S116では、上記a’)を満たすDが製造プロセス内で調整できる(YES)場合には工程S114へ移行して厚さDが決定される。上記a’)を満たすDが調整できない(NO)場合には工程S117移行して製造プロセスにおいて調整可能な最短の厚さDに対して工程S115のb’)を満たすようにR1、R2を決定して工程S11を完了する。 In step S116, when D satisfying the above a ′) can be adjusted in the manufacturing process (YES), the process proceeds to step S114, and the thickness D is determined. When D satisfying a ′) cannot be adjusted (NO), the process proceeds to step S117, and R1 and R2 are determined so as to satisfy b ′) of step S115 with respect to the shortest thickness D that can be adjusted in the manufacturing process. Then, step S11 is completed.
このようにマイクロレンズのパワー配置を決める工程S11では、要素12〜21のうち要素15、要素19、要素21(および層内レンズ)の寸法と配置とが決定される。なお、工程S11での決定は確定ではなく後続の各工程において不適切な結果となった場合には工程S11が再度実行される場合がある。
As described above, in step S11 for determining the power arrangement of the microlens, the dimensions and arrangement of the
工程S11に続いて、配線配置を決める工程S12が実行される。図8は、工程S12を詳細に示すフローチャートである。工程S12では、配線層(要素16、17、18)は視野絞りとしての作用のみが考慮されている。また、工程S12では、配線層(要素16、17、18)のうちもっともフォトダイオード(要素12)から遠くに配置された要素18について配置を決定する工程が最初に実行される。続いて、要素18の配置が決定された後に要素17に対する工程S11が実行される。このように、配線層のそれぞれに対して要素12から遠い順に順番に配置が決定される。以下、要素18に対する工程S11を代表して説明する。
Subsequent to step S11, step S12 for determining the wiring arrangement is performed. FIG. 8 is a flowchart showing the details of step S12. In step S12, the wiring layer (
図8に示すように、まず配線層間隔E1、E2の初期値が設定される(工程S121)。本実施形態ではE1、E2の初期値は予め定められた初期値が用いられており、E1=E2=W/2である。なお、必要に応じて他の初期値が採用されてもよい。 As shown in FIG. 8, first, initial values of the wiring layer intervals E1 and E2 are set (step S121). In the present embodiment, predetermined initial values are used as initial values of E1 and E2, and E1 = E2 = W / 2. Note that other initial values may be adopted as necessary.
続いて、入射光束25の開き角が0±α0度となる範囲で、開き角=0度となる位置を含む数箇所が選択されて近軸マージナル光線追跡が行われ、開口比が計測される(工程S122)。
Subsequently, in the range where the opening angle of the
続いて、上記開口比に基づいて、フォトダイオード(要素12)に到達する光量を見積り、開き角が0度以外の位置における光量落ちの大きさが計算される(工程S123)。 Subsequently, the amount of light reaching the photodiode (element 12) is estimated on the basis of the aperture ratio, and the magnitude of the light amount drop at a position where the opening angle is other than 0 degrees is calculated (step S123).
続いて、工程S123において計算された光量落ちが、撮像装置1の仕様を満たしているかどうかを確認する(工程S124)。仕様を満たしている(YES)場合にはそのまま工程S12が完了となる。 Subsequently, it is confirmed whether or not the light amount drop calculated in step S123 satisfies the specification of the imaging device 1 (step S124). If the specification is satisfied (YES), step S12 is completed as it is.
仕様を満たしていない(NO)場合には、配線層(要素18)間隔E1、E2の値を漸次拡大して、工程S122から工程S124を繰り返して実行する。
なお、製造プロセスの制約の範囲内で適切な配線層間隔を見出せない場合は、マイクロレンズのパワー配置の工程S11へ戻って、厚さDを短くした上で再度工程S12を実施する。
When the specification is not satisfied (NO), the values of the wiring layer (element 18) intervals E1 and E2 are gradually enlarged, and the processes from step S122 to step S124 are repeated.
If an appropriate wiring layer interval cannot be found within the limits of the manufacturing process, the process returns to step S11 of the power arrangement of the microlens, the thickness D is shortened, and step S12 is performed again.
工程S12が完了したら、工程S12までで決定された変数に基づいて、受光領域3a内の周辺部分に設けられた周辺画素の構造を決定する。周辺画素の構造の決定方法は、中央の画素に対して決定された構造を補正する方法が採用されている。
When step S12 is completed, the structure of the peripheral pixels provided in the peripheral portion in the
図9は、工程S13を詳細に示すフローチャートである。以下では、周辺画素のうち入射光束25が傾きβ0度で入射する周辺画素を例に説明する。図9に示すように、まず、傾き角β0である入射光束25のうち、マイクロレンズ(要素21)の中心を通る光線が、マイクロレンズ(要素21)の面頂付近とフォトダイオード(PD、要素12)の中心付近を通るように、マイクロレンズ(要素21)を受光領域3aの面に沿って偏心させる(工程S131)。なお、マイクロレンズと共に上述の層間レンズが採用されている場合には、マイクロレンズと層間レンズとを共に偏心させる。
FIG. 9 is a flowchart showing the details of step S13. Hereinafter, a peripheral pixel in which the
マイクロレンズ(要素21)の偏心量は、受光領域の中央を起点として、画素の配列方向に基づく直交する2直線を軸とした軸方向成分に分解されて決定される。 The amount of eccentricity of the microlens (element 21) is determined by being decomposed into axial components centering on two orthogonal straight lines based on the pixel arrangement direction starting from the center of the light receiving region.
続いて、入射光束25の開き角が0±α0度となる範囲で、開き角=0度となる位置を含む数箇所が選択されて近軸マージナル光線追跡が行われ、開口比が計測される(工程S132)。
Subsequently, in the range where the opening angle of the
続いて、上記開口比に基づいて、フォトダイオード(要素12)に到達する光量を見積り、開き角が0度以外の位置における光量落ちの大きさが計算される(工程S133)。 Subsequently, the amount of light reaching the photodiode (element 12) is estimated based on the aperture ratio, and the magnitude of the light amount drop at a position where the opening angle is other than 0 degrees is calculated (step S133).
続いて、工程S123において計算された光量落ちが、撮像装置1の仕様を満たしているかどうかを確認する(工程S134)。仕様を満たしている(YES)場合にはそのまま工程S13が完了となる。 Subsequently, it is confirmed whether or not the light amount drop calculated in step S123 satisfies the specification of the imaging device 1 (step S134). If the specification is satisfied (YES), step S13 is completed as it is.
仕様を満たしていない(NO)場合には、配線層(要素18)の位置を受光領域3aの面に沿って偏心させ、工程S132から工程S134を繰り返して実行する。
If the specification is not satisfied (NO), the position of the wiring layer (element 18) is decentered along the surface of the
このように、工程S11〜工程S13を有する第一決定工程S1によって、要素12〜21の寸法、相対位置関係あるいは物性情報を示す第一情報群I1が光学的解析によって決定される。
光学的解析によってなされる上記第一決定工程S1では、要素12〜21に対する第一情報群I1は確定された値として決定される。しかしながら、例えば光の波長と同等かそれ以下の長さの構造を持つ微細な画素の構造を決定する場合には、光学的解析によって得られたパラメータと実際に最適な構造との間に顕著な乖離が生じる場合がある。
この問題を解決するため、本実施形態では、第一決定工程S1に引き続いて、第二決定工程S2が実行される。
Thus, by the first determination step S1 including the steps S11 to S13, the first information group I1 indicating the dimensions, relative positional relationship, or physical property information of the
In the first determination step S1 performed by optical analysis, the first information group I1 for the
In order to solve this problem, in the present embodiment, the second determination step S2 is executed subsequent to the first determination step S1.
以下では、本実施形態の第二決定工程S2について詳述する。
第二決定工程S2は、要素12〜21の寸法、相対位置関係あるいは物性情報を示す第二情報群を電磁場解析によって決定する工程である。
Below, 2nd determination process S2 of this embodiment is explained in full detail.
The second determination step S2 is a step of determining a second information group indicating the dimensions, relative positional relationship, or physical property information of the
図10は、電磁場シミュレーションを用いて画素構造を最適化する第二決定工程S2を詳細に示すフローチャートである。図10に示すように、第二決定工程S2では、まず、第一決定工程S1で決定された略画素構造を入力する(工程S21)。
続いて、第一決定工程S1で使用された要素12〜21寸法や配置の初期値よりも詳細な物性値が第二決定工程S2における画素構造初期値として入力される(工程S22)。
FIG. 10 is a flowchart showing in detail the second determination step S2 for optimizing the pixel structure using electromagnetic field simulation. As shown in FIG. 10, in the second determination step S2, first, the approximate pixel structure determined in the first determination step S1 is input (step S21).
Subsequently, physical property values more detailed than the initial values of the dimensions and arrangement of the
工程S22では、マイクロレンズ(要素21)や配線層(要素16、17、18)の詳細な形状情報(3次元的な非対称性を含む寸法、配置)を工程S21で入力した略画素構造に追加する。また、画素の構成要素の物性値として、屈折率とその分散に加えて、吸収係数とその分散を付加する。あるいは誘電率、透磁率、導電率等にしても良い。物性値としては、周知のDrudeモデルや、多損失誘Lorentzモデルなどを利用して付加しても良い。
In step S22, detailed shape information (dimensions and arrangement including three-dimensional asymmetry) of the microlens (element 21) and the wiring layer (
続いて、電磁場シミュレーションの準備として光源情報の設定や光検出器の設定を行った上で、電磁場シミュレーションを実施する(工程S23)。
電磁場シミュレーションの周知の方法には、FEM(Finite Element Method、有限要素法)、FDFD法(Finite-Difference Frequency-Domain Method、有限差分周波数領域法)、及びFDTD法(Finite-Difference Time-Domain Method、有限差分時間領域法)を含むいくつかのものが存在している。
Subsequently, the electromagnetic field simulation is performed after setting the light source information and the photodetector in preparation for the electromagnetic field simulation (step S23).
Known methods of electromagnetic field simulation include FEM (Finite Element Method), FDFD method (Finite-Difference Frequency-Domain Method), and FDTD method (Finite-Difference Time-Domain Method, There are several things including finite difference time domain methods.
電磁場シミュレーションを実行するに際しての準備は、まず画素への入射光束を発する光源を設定する。例えば、連続光源であるかパルス光源であるかの設定や中心波長や振幅などである。入射光束の開き角度や傾き角などは、第一決定工程S1で設定した開き角α0、傾き角β0を用いることができる。さらに準備として電磁場の観測領域を設定する。観測領域は、例えば画素31のフォトダイオード(要素12)と、隣接する画素32のフォトダイオード(要素12)と、に設定されるように必要に応じて複数設けられていてもよい。また、観測領域は要素12以外の場所に設定されていてもよく、例えば、画素31の表面に設けられていてもよい。
In preparation for executing the electromagnetic field simulation, first, a light source that emits a luminous flux incident on a pixel is set. For example, the setting of whether the light source is a continuous light source or a pulse light source, the center wavelength, the amplitude, and the like. As the opening angle and inclination angle of the incident light beam, the opening angle α0 and the inclination angle β0 set in the first determination step S1 can be used. In addition, an electromagnetic field observation area is set as a preparation. For example, a plurality of observation regions may be provided as necessary so as to be set to the photodiode (element 12) of the
続いて、工程S23で得られた電磁場情報に基づいて、光学効率や周辺光量落ち、クロストークなどの値を算出する(工程S24)。
光学効率は、画素表面に入射する分光放射照度に対する、画素のフォトダイオード(要素12)で入射する光の分光放射照度の比率である。これら放射照度は、電磁場データからポインティングベクトルを求めることで算出できる。
Subsequently, based on the electromagnetic field information obtained in step S23, values such as optical efficiency, peripheral light loss, and crosstalk are calculated (step S24).
Optical efficiency is the ratio of the spectral irradiance of light incident on the pixel photodiode (element 12) to the spectral irradiance incident on the pixel surface. These irradiances can be calculated by obtaining a pointing vector from electromagnetic field data.
画素の性能評価指標は、フォトダイオード領域内のポインティングベクトルを積算した総受光量であっても良いし、総受光量に画素の感度係数、撮像装置の露光時間等の係数をかけて、画素で発生する総電荷量に換算しても良い。
また、画素の性能評価指標は、撮像素子中心付近の画素の受光量に対する周辺部の画素の受光量の比(シェーディング)であっても良い。
The performance evaluation index of the pixel may be the total received light amount obtained by integrating the pointing vectors in the photodiode region, or the total received light amount may be multiplied by a coefficient such as the sensitivity coefficient of the pixel and the exposure time of the imaging device. You may convert into the total electric charge to generate | occur | produce.
Further, the pixel performance evaluation index may be a ratio (shading) of the light reception amount of the peripheral pixels to the light reception amount of the pixels near the center of the image sensor.
また、画素の性能指標は、隣接する画素間におけるクロストーク量であっても良い。なお、上記に説明した指標の全てを用いても良いし、上記で説明した以外の指標を導入しても良い。これら評価指標を算出するためのプログラムは、市販されている数値解析プログラム:MATLABなどを利用して作成することができる。 The pixel performance index may be the amount of crosstalk between adjacent pixels. Note that all of the indexes described above may be used, or indexes other than those described above may be introduced. A program for calculating these evaluation indexes can be created using a commercially available numerical analysis program: MATLAB or the like.
続いて、光学効率や周辺光量落ち、クロストークなどが、所定の目標に到達したかどうかを判定する(工程S25)。
工程S25では、工程S24で算出された性能評価指標が、撮像装置1の目標値に到達したかどうかを判定する。工程S24で算出された性能評価指標が目標値以上である場合は、画素の構成要素の寸法、配置、材質は、十分最適化されたと判断され、第二決定工程S2が完了する。
一方、工程S24で算出された性能評価指標が目標値に達していない場合は、工程S26に進む。
Subsequently, it is determined whether or not the optical efficiency, peripheral light amount drop, crosstalk, and the like have reached a predetermined target (step S25).
In step S25, it is determined whether or not the performance evaluation index calculated in step S24 has reached the target value of the imaging apparatus 1. If the performance evaluation index calculated in step S24 is equal to or greater than the target value, it is determined that the dimensions, arrangement, and material of the pixel components are sufficiently optimized, and the second determination step S2 is completed.
On the other hand, if the performance evaluation index calculated in step S24 does not reach the target value, the process proceeds to step S26.
光学効率や周辺光量落ち、クロストークなどが目標に到達していない場合は、画素構造を構成する要素の寸法、配置、物性値を変更する(工程S26)。
工程S26では、工程S22で設定した構成要素の寸法、配置、材質を変更する。さらに、新たな構成要素、例えばフォトダイオード(要素12)以外の領域を遮光する部材などを追加しても良い。
If the optical efficiency, peripheral light loss, crosstalk, etc. have not reached the target, the dimensions, arrangement, and physical property values of the elements constituting the pixel structure are changed (step S26).
In step S26, the dimensions, arrangement, and materials of the components set in step S22 are changed. Further, a new component, for example, a member that shields light other than the photodiode (element 12) may be added.
続いて、工程S26において変更された要素12〜21の寸法、配置、および物性値に基づいて、工程S23〜工程S25が、工程S25で(YES)が選択されるまで繰り返される。
Subsequently, steps S23 to S25 are repeated until (YES) is selected in step S25 based on the dimensions, arrangement, and physical property values of the
工程S25でYESが選択されたら、第二決定工程S2が完了する。第二決定工程S2によって、要素12〜21の寸法、配置、材質を示す第二情報群I2が決定される。これにより、撮像素子3における画素31等の画素構造体の構造が決定できる。
If YES is selected in step S25, the second determination step S2 is completed. In the second determination step S2, the second information group I2 indicating the dimensions, arrangement, and materials of the
以上説明したように、本実施形態の撮像素子画素構造体の構造決定方法によれば、第一決定工程S1では光学的解析が用いられて光の透過や屈折に基づいた構造決定が行われる。さらに第二決定工程S2では電磁場解析によって撮像画素構造体の物性情報をさらに加味した構造決定が行われる。 As described above, according to the structure determination method of the image sensor pixel structure of the present embodiment, the first determination step S1 uses optical analysis to determine the structure based on light transmission and refraction. Furthermore, in the second determination step S2, structure determination is performed by further adding physical property information of the imaging pixel structure by electromagnetic field analysis.
このとき、煩雑な計算を要する電磁場解析のための初期値として、第一決定工程S1において最適構造として決定された第一情報群I1が用いられる。したがって、電磁場解析における試行回数を減少させることができる。 At this time, the first information group I1 determined as the optimum structure in the first determination step S1 is used as an initial value for the electromagnetic field analysis requiring complicated calculations. Therefore, the number of trials in the electromagnetic field analysis can be reduced.
また、最適な撮像素子画素構造に近い条件が第一決定工程S1で決定される。したがって、第二決定工程S2において解が発散するなどして計算不能となることが抑制され、撮像素子画素構造が決定できる可能性が高まる。 In addition, a condition close to the optimal image sensor pixel structure is determined in the first determination step S1. Therefore, it is suppressed that the calculation becomes impossible due to the solution divergence in the second determination step S2, and the possibility that the image sensor pixel structure can be determined increases.
(変形例)
以下では、第1実施形態の撮像素子画素構造体の構造決定方法の変形例について図11を参照して説明する。図11は本変形例の撮像素子画素構造体の構造決定方法における第二決定工程を示すフローチャートである。
(Modification)
Below, the modification of the structure determination method of the image pick-up element pixel structure of 1st Embodiment is demonstrated with reference to FIG. FIG. 11 is a flowchart showing a second determination step in the structure determination method of the image sensor pixel structure according to this modification.
図11に示すように、本変形例では、工程S25と工程S26との間に、所定のアルゴリズムに従って新たな構造を生成する工程S27を有している。 As shown in FIG. 11, in the present modification, a step S27 for generating a new structure according to a predetermined algorithm is provided between the step S25 and the step S26.
工程S27では、例えば、Philip E. Gill, WalterMurray, and Margaret H. Wright, “Practical Optimization”, Academic Press, Inc., San Diego, CA, 1981に開示されている非線形最適化手順を、MATLABなどでソフト化して使用している。 In step S27, for example, the nonlinear optimization procedure disclosed in Philip E. Gill, Walter Murray, and Margaret H. Wright, “Practical Optimization”, Academic Press, Inc., San Diego, CA, 1981 is performed in MATLAB or the like. Software is used.
また、工程S27は、エンジニアス・ジャパン社:iSIGHTなどの最適化ソフトウエアに電磁場シミュレーションソフトをリンクさせて実施しても良い。 Further, step S27 may be performed by linking electromagnetic field simulation software to optimization software such as Engineers Japan: iSIGHT.
また、画素の各構成要素の寸法、配置、材料の物性値の微小変化に対する画素の性能評価指標の変化量をテーブル化しておき、それをもとに新たな画素構造を生成するようにしても良い。
このように工程S27を有することで、画素性能指標が目標に達しなかった場合に画素構造を再構成するための新たな設定が容易になる。
In addition, a change amount of the performance evaluation index of the pixel with respect to a minute change in the physical property value of the pixel component size, arrangement, and the material may be tabulated, and a new pixel structure may be generated based on the table. good.
By including the step S27 in this manner, new settings for reconfiguring the pixel structure when the pixel performance index does not reach the target are facilitated.
(第2実施形態)
以下では、本発明の第2実施形の撮像素子画素構造体の構造決定プログラムおよび態撮像素子画素構造体の構造決定装置について図12を参照して説明する。なお、本実施形態において、上述した第1実施形態と共通の箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。
図12は、本実施形態の撮像素子画素構造体の構造決定装置50(以下「構造決定装置50」と称する。)の概略構成を示すブロック図である。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a structure determination program for an image sensor pixel structure and a structure determination apparatus for a state image sensor pixel structure according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the same parts as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
FIG. 12 is a block diagram showing a schematic configuration of a structure determining device 50 (hereinafter referred to as “
図12に示すように、本実施形態の構造決定装置50は、要素12〜21の寸法や配置位置の情報を入力するための入力部51と、入力部51において入力された値に基づいて画素構造を決定する構造決定プログラム100が記憶されたHDD(Hard Disk Drive)52と、構造決定プログラム100および構造決定プログラム100に基づく一時的情報が記憶されるRAM(Random Access Memory)53と、構造決定プログラム100の指令に基づいて演算処理を行うCPU(Central Processing Unit)54と、CPU54によって演算処理された結果を表示する表示部55とを備えている。
As illustrated in FIG. 12, the
構造決定プログラム100は、第一決定工程S1と第二決定工程S2とを有している。本実施形態では、HDD52には、第一決定工程S1を実行する第一決定部101と、第二決定工程S2を実行する第二決定部102とが論理的に分けて記憶されている。
The
本実施形態では、第1実施形態で説明した第一決定工程S1と第二決定工程S2とが共に電子計算機によるシミュレーションとして実行される。 In the present embodiment, both the first determination step S1 and the second determination step S2 described in the first embodiment are executed as a simulation by an electronic computer.
第一決定工程S1は、市販の光学設計ソフトCode-V、Zemax、LightTools等を利用して実施することができる。これらの市販の光学設計ソフトの最適化機能を利用すると、マイクロレンズのパワー配置を決める工程、配線配置を決める工程、周辺画素の構造を補正する工程を同時に実施することも可能である。すなわち、撮像装置1の仕様(画素の受光量、周辺光量落ち量など)を目標値とし、上述のR1、R2、D、E1、E2、マイクロレンズや配線層の偏心量をパラメータとして、最適化を実行すれば良い。 The first determination step S1 can be performed using commercially available optical design software Code-V, Zemax, LightTools, or the like. If the optimization function of these commercially available optical design software is used, the step of determining the power arrangement of the microlens, the step of determining the wiring arrangement, and the step of correcting the structure of the peripheral pixels can be performed simultaneously. That is, optimization is performed using the specifications of the imaging device 1 (the amount of light received by the pixels, the amount of decrease in peripheral light amount, etc.) as target values, and the above-described R1, R2, D, E1, E2, and the amount of eccentricity of the microlens or wiring layer as parameters Should be executed.
第二決定工程S2は、市販の光学設計ソフトを利用して実施することができる。例えばオプティウェーブ社:OptiFDTD、ルーメリカル社:FDTDSolutions等の市販製品を利用することができる。 The second determination step S2 can be performed using commercially available optical design software. For example, commercially available products such as Optiwave: OptiFDTD and Lumerical: FDTDSolutions can be used.
本実施形態の構造決定プログラム100によれば、撮像素子画素構造の決定を電子計算機上で行うことができるので、光学素子の現物を試作する手間を省くことができる。また、第一決定工程S1と第二決定工程S2とがともに電子計算機によって行われるため、撮像素子画素構造を決定するための繰り返し計算を迅速に行うことができる。
According to the
また、本実施形態の構造決定装置50によれば、第一決定部101と第二決定部102とによって撮像素子画素構造を決定することができる。また、第一決定部101と第二決定部102とが分かれて設けられている。このため、第二決定部102が使用されている間に第一決定部101が使用されて後続の撮像素子画素決定を進めることができ、画素構造体の構造決定を効率的に行うことができる。
In addition, according to the
一般に、電磁場解析を用いる場合には膨大な計算時間が必要である。例えば、数μmの画素ピッチの撮像素子画素に可視単色光が入射したときの光の振る舞いを電磁場解析すると、一般的なパーソナルコンピュータでは数時間〜数十時間が必要となる。画素構造の最適化を行うためには、この電磁場解析を反復して行う必要があり、その数倍〜数十倍の計算時間が必要となる。また、反復計算を行っても解が発散や振動することで、必ずしも最適解が得られない場合もある。 In general, enormous calculation time is required when electromagnetic field analysis is used. For example, when an electromagnetic field analysis is performed on the behavior of light when visible monochromatic light is incident on an image sensor pixel having a pixel pitch of several μm, a general personal computer requires several hours to several tens of hours. In order to optimize the pixel structure, it is necessary to repeat this electromagnetic field analysis, which requires several times to several tens of times of calculation time. Moreover, even if iterative calculation is performed, the optimal solution may not always be obtained because the solution diverges or vibrates.
本実施形態の構造決定装置50では第一決定工程S1によって、最適解に近い画素構造を得ることができる。第一決定工程S1の結果を第二決定工程S2での初期値とすることで、第二決定工程S2において画素構造を最適化する際に、従来よりも少ない計算回数で画素構造の最適化結果を得ることができる。
In the
したがって、本実施形態の構造決定装置50では、最適化に必要な計算時間を従来法に対して数十%程度減少させることができる。これは上述のパーソナルコンピュータ程度の処理能力を有する電子計算機においては数十時間〜数百時間程度の減少に相当する。その結果、一般に普及しているパーソナルコンピュータ程度の演算処理能力を有する電子計算機であっても画素構造を決定することができるという効果を奏する。
Therefore, in the
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上記第1実施形態では、第一決定工程S1において受光領域3aの面に沿う2次元の略寸法及び略配置を決定したが、これに限らず、第一決定工程において画素の3次元構造を光学的解析によって決定することもできる。
As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail with reference to drawings, the concrete structure is not restricted to this embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included.
For example, in the first embodiment, the two-dimensional approximate size and the approximate arrangement along the surface of the
また、上記第1実施形態では、撮像装置の仕様あるいは製造プロセス制約によって予め決まっている要素についてはその寸法、配置を変数としない例を示した。これに限らず、調整可能な範囲内で上記要素の寸法、配置を変数として第一決定工程においてそれぞれ決定することもできる。 In the first embodiment, an example is shown in which the dimensions and arrangement of elements determined in advance by the specifications of the imaging device or the manufacturing process are not variables. However, the present invention is not limited to this, and the dimensions and arrangement of the elements can be determined as variables within the adjustable range in the first determination step.
また、上記第1実施形態では、第一決定工程S1を近軸光線追跡法で計算する説明を行ったが、これに限らず第一決定工程は幾何光学的な光線追跡法によっても実施することができる。この場合には、近軸光線追跡法で行うよりもより高精度で撮像素子画素構造の寸法、配置を決定することができるため、第二決定工程において少ない計算回数、すなわち短い計算時間で精度の高い画素構造の最適化結果を得ることができる。 In the first embodiment, the first determination step S1 has been described as being calculated by the paraxial ray tracing method. However, the present invention is not limited to this, and the first determination step is also performed by the geometric optical ray tracing method. Can do. In this case, since the size and arrangement of the image sensor pixel structure can be determined with higher accuracy than that performed by the paraxial ray tracing method, the number of calculations in the second determination step, that is, accuracy can be reduced with a short calculation time. A high pixel structure optimization result can be obtained.
さらに、第一決定工程は波動光学的な解析によっても実施することができる。この場合には、上記幾何光学的な光線追跡法よりもさらに高精度で撮像素子画素構造の寸法、配置を決定することができる。したがって、第二決定工程においてさらに少ない計算回数、すなわちさらに短い計算時間で精度の高い画素構造の最適化結果を得ることができる。 Furthermore, the first determination step can also be performed by wave optical analysis. In this case, the size and arrangement of the image sensor pixel structure can be determined with higher accuracy than the geometric optical ray tracing method. Therefore, it is possible to obtain a highly accurate optimization result of the pixel structure with a smaller number of calculations, that is, with a shorter calculation time in the second determination step.
また、上記第1実施形態では、画素の構造を決定するために中央と周辺の2領域に対して構造決定を行う例を示したが、これに限らず、受光領域の中央から任意の位置で(例えば所定間隔おきに)複数の画素に対して構造決定を行うこともできる。この場合、従来法では構造決定に要する時間が膨大になるために実行不可能であった多地点における画素構造の個別設計が可能になり、受光領域の中央と周辺との間における光量落ちの程度の変化に対応して好適な構造に調整することができる。 In the first embodiment, the example in which the structure is determined for the center and the peripheral two regions in order to determine the structure of the pixel has been described. However, the present invention is not limited to this. It is also possible to determine the structure for a plurality of pixels (for example, at predetermined intervals). In this case, it is possible to individually design the pixel structure at multiple points, which was impossible to execute because the time required for structure determination in the conventional method is enormous, and the degree of light loss between the center and the periphery of the light receiving area It is possible to adjust to a suitable structure in response to the change of.
12、13、14、15、16、17、18、19、20、21 要素
31、32、33 画素(撮像素子画素構造体)
I1 第一情報群
I2 第二情報群
S1 第一決定工程
S2 第二決定工程
101 第一決定部
102 第二決定部
12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21
I1 1st information group I2 2nd information group S1 1st determination process S2
Claims (6)
前記第一決定工程に続いて、前記第一決定工程で使用した前記要素の初期条件よりも詳細な前記要素のそれぞれの物性情報と前記第一情報群とを初期条件として前記要素の寸法、相対位置関係あるいは物性情報を示す第二情報群を電磁場解析によって決定する第二決定工程と、
を備える撮像素子画素構造体の構造決定方法。 First determination to determine, by optical analysis, a first information group indicating the size, relative positional relationship, or physical property information of the element disposed in the imaging element pixel structure having at least a light receiving element, a wiring circuit, and an optical system as elements. Process,
Subsequent to the first determination step, the physical property information of the element and the first information group more detailed than the initial condition of the element used in the first determination step, the dimensions of the element, relative A second determination step for determining a second information group indicating positional relationship or physical property information by electromagnetic field analysis;
A method for determining a structure of an image sensor pixel structure.
前記第一決定工程に続いて、前記第一決定工程で使用した前記要素の初期条件よりも詳細な前記要素のそれぞれの物性情報と前記第一情報群とを初期条件として前記要素の寸法、相対位置関係あるいは物性情報を示す第二情報群を電磁場解析によって決定する第二決定工程と、
を電子計算機に処理させる撮像素子画素構造体の構造決定プログラム。 First determination to determine, by optical analysis, a first information group indicating the size, relative positional relationship, or physical property information of the element disposed in the imaging element pixel structure having at least a light receiving element, a wiring circuit, and an optical system as elements. Process,
Subsequent to the first determination step, the physical property information of the element and the first information group more detailed than the initial condition of the element used in the first determination step, the dimensions of the element, relative A second determination step for determining a second information group indicating positional relationship or physical property information by electromagnetic field analysis;
For determining the structure of an image sensor pixel structure that causes a computer to process the image.
前記第一決定部で使用した前記要素の初期条件よりも詳細な前記要素のそれぞれの物性情報と前記第一情報群とを初期条件として前記要素の寸法、相対位置関係あるいは物性情報を示す第二情報群を電磁場解析によって決定する第二決定部と、
を備える撮像素子画素構造体の構造決定装置。 First determination to determine, by optical analysis, a first information group indicating the size, relative positional relationship, or physical property information of the element disposed in the imaging element pixel structure having at least a light receiving element, a wiring circuit, and an optical system as elements. And
Second indicating the dimension, relative positional relationship, or physical property information of the element using the physical property information of the element and the first information group more detailed than the initial condition of the element used in the first determination unit as an initial condition . A second determination unit for determining an information group by electromagnetic field analysis;
An apparatus for determining a structure of an image sensor pixel structure.
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