JP6371792B2 - イメージセンサー - Google Patents

Description

本発明は、イメージセンサーに関するものであって、フィルターユニット上に格子構造を有するイメージセンサーに関するものである。

一般に、デジタルカメラは、イメージセンサーを用いて、光線を検出するとともに、イメージ信号を生成する。よって、デジタルカメラにより撮影される画像は、イメージ信号にしたがって生成される。

デジタルカメラの発展に伴い、高品質のイメージ信号の需要も高まっている。背面照射 (ＢＳＩ)技術を用いたイメージセンサーは光導体構造を有して、 光線をフォトダイオードに導く。イメージセンサーはよい感光性とイメージ品質を有する。

イメージセンサーは、すでに、それらの本来の目的に十分であるが、それらは、すべての態様において十分満足するものではない。それゆえに、イメージセンサーを改善することが望まれる。

本発明は、イメージセンサーを提供して、イメージセンサーにより生成されるイメージ信号の品質を改善することを目的とする。

本発明は、検出層、フィルターユニット、および、格子構造を有するイメージセンサーを提供する。フィルターユニットが、検出層上に設置される。格子構造が、フィルターユニット上に設置され、且つ、格子部分を有する。格子部分は複数の格子グループを形成し、各格子グループは互いに分離される。

いくつかの実施態様において、格子グループは、それぞれ、少なくとも２５個の格子部分を有する。

いくつかの実施態様において、イメージセンサーは、検出層上に設置され、各フィルターユニットを囲む格子構造を有する。各格子グループは、フィルターユニットのひとつに位置合わせされる。格子構造は、フィルターユニット上に設置される基層を有し、格子部分が基層上に設置される。

いくつかの実施態様において、イメージセンサーは、さらに、フィルターユニットに位置合わせされるマイクロレンズを有する。基層がマイクロレンズ上に設置される。

いくつかの実施態様において、フィルターユニットは第一フィルターユニットを有し、格子グループは、第一フィルターユニット上に設置される第一格子グループを有し、第一フィルターユニット、および、第一格子グループは同じ材料を有する。

いくつかの実施態様において、フィルターユニットは第二フィルターユニットを有し、格子グループは、さらに、第二フィルターユニット上に設置される第二格子グループを有し、第二フィルターユニット、および、第二格子グループは同じ材料を有する。

いくつかの実施態様において、第二フィルターユニット、および、第二格子グループの材料は、第一フィルターユニット、および、第一格子グループの材料と異なる。

イメージセンサーの格子構造により、イメージセンサーにより生成されるイメージ上に出現するフレア現象が減少し、イメージセンサーの光学クロストークが縮小する。よって、イメージセンサーのイメージ品質が改善される。

本発明のいくつかの実施態様によるイメージセンサーを示す図である。 本発明のいくつかの実施態様による格子構造の上面図である。 本発明のいくつかの実施態様による格子構造の断面図である。 本発明のいくつかの実施態様による格子構造の上面図である。 本発明のいくつかの実施態様によるイメージセンサーを示す図である。 本発明のいくつかの実施態様によるイメージセンサーを示す図である。

本発明が充分理解できるように、次に添付図面を参照しながら発明を説明する。詳細は以下のようである。理解できることは、これらの実施態様は本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。以下の開示は、多くの異なる実施態様、または、例を提供して、本発明の異なる特徴を実行する。コンポーネンツと配置の特定の例が以下で記述されて、本発明をわかりやすくする。たとえば、第一特徴を第二特徴上に形成するという記述は、第一、および、第二特徴を直接つなげて形成される実施態様を含み、追加特徴が第一と第二特徴間に形成されて、第一、および、第二特徴が直接接触しない実施態様も含む。

このほか、本発明は、各種例中で、参照番号、および／または、文字を繰り返す。この反復は、簡潔、且つ、わかりやすくするためのものであり、各種実施態様、および／または、配置間の関係を決定づけるものではない。さらに、単なる説明の目的であり、図面中の形状、大小、および、厚さは縮小率で描かれておらず、あるいは、図面を、簡潔に表す。

図１は、本発明のいくつかの実施態様によるイメージセンサー１を示す図である。図２は、本発明のいくつかの実施態様による格子構造５０の上面図である。イメージセンサー１はイメージを捕捉する。イメージセンサー１は、画像装置、たとえば、デジタルカメラに適用される。いくつかの実施態様において、イメージセンサー１はＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)センサーである。いくつかの実施態様において、イメージセンサー１は、ＦＳＩ(表面照射)、または、ＢＳＩ(背面照射)ＣＭＯＳセンサー、または、その他の適当なセンサーである。

イメージセンサー１は、検出層１０、フィルターユニット２０、マイクロレンズ３０、格子構造４０、および、格子構造５０を有する。検出層１０は、基準面Ｐ１に沿って延伸する。検出層１０は、入射光を検出するとともに、検出層１０に入射する光線にしたがって、イメージ信号を生成する。

検出層１０は、以下の素子のすべてを有するが、検出層１０の目的が達成される限り、検出層１０は、以下の素子のすべてを含む必要がない。検出層１０は、基板１１、反射防止層１２、誘電層１３、および、遮蔽素子１４を有する。いくつかの実施態様において、検出層１０は、さらに、その他の任意の光学層(図示しない)を有してもよい。

検出層１０は、さらに、基板１１中に設置される検出ユニット１１１を有する。検出ユニット１１１が、基準面Ｐ１上の検出アレイに配置される。いくつかの実施態様において、検出ユニット１１１はフォトダイオードである。各検出ユニット１１１は、光線を検出するとともに、入射する光線の強度にしたがって、強度信号を生成する。イメージ信号は、強度信号により形成される。

反射防止層１２が、基板１１上に設置されるとともに、基準面Ｐ１に平行に延伸する。反射防止層１２は、検出ユニット１１１に伝送される光線の反射を減少させる。いくつかの実施態様において、反射防止層１２は、検出層１０に平行である。反射防止層１２は高誘電率膜である。

誘電層１３が、反射防止層１２上に設置されるとともに、基準面Ｐ１に平行に延伸する。いくつかの実施態様において、誘電層１３は、低誘電率誘電層１３である。遮蔽素子１４は、誘電層１３に組み込まれている。遮蔽素子１４は、光線をブロックして、イメージセンサー１のクロストーク効果を減少させる。

フィルターユニット２０が、検出層１０の誘電層１３上に設置される。フィルターユニット２０は、基準面Ｐ１に平行な平面上で、フィルターアレイに配置される。各フィルターユニット２０が検出ユニット１１１のひとつに設置される。

各フィルターユニット２０は、所定範囲の波長の光線を通過できるようにする。いくつかの実施態様において、フィルターユニット２０は、カラーフィルターユニットである。フィルターユニット２０は、赤色フィルターユニット２０a、緑色フィルターユニット２０b、および、青色フィルターユニット２０cを有する。赤色フィルターユニット２０a、緑色フィルターユニット２０b、および、青色フィルターユニット２０cは、交互に、フィルターアレイ中に配置される。

赤色フィルターユニット２０aは、620nmから750nmの範囲(赤色光)の光の波長が、検出ユニット１１１を通過できるようにする。緑色フィルターユニット２０bは、495nmから570nm(緑色光)の範囲の光線の波長が、検出ユニット１１１を通過できるようにする。青色フィルターユニット２０cは、425nmから495nm(青色光)の範囲の光線の波長が、検出ユニット１１１を通過できるようにする。

マイクロレンズ３０はフィルターユニット２０に位置に合うように、配置されている。各マイクロレンズ３０が、フィルターユニット２０のひとつ上に設置されるか、または、フィルターユニット２０のひとつの上方に配置されている。マイクロレンズ３０は、基準面Ｐ１に平行な平面で、マイクロレンズアレイに配列される。マイクロレンズ３０は、光線を検出ユニット１１１に集光する。

格子構造４０が各フィルターユニット２０に接続されて、各フィルターユニット２０を囲む。さらに、格子構造４０が検出層１０上に設置され、且つ、基準面Ｐ１に平行である。格子構造４０は、フィルターユニット２０中の光線を、検出ユニット１１１に反射させる。

いくつかの実施態様において、格子構造４０の屈折率は、フィルターユニット２０の屈折率より低く、よって、フィルターユニット２０、および、格子構造４０は、光導体構造を形成して、光線を検出ユニット１１１に導く。いくつかの実施態様において、格子構造４０の屈折率は、約1.2から約1.5である。フィルターユニット２０の屈折率は約1.7から約3.2である。

格子構造(grating structure)５０が、フィルターユニット２０上に設置される。格子構造５０は、基準面Ｐ１にほぼ平行に延伸する。この実施態様において、格子構造５０が、マイクロレンズ３０上に設置される。格子構造５０は透明である。格子構造５０は、反射防止機能を提供するとともに、フレア現象(flare phenomenon)を減少させる。フレアは、イメージセンサー１により生成されるイメージ上に現れる。

いくつかの実施態様において、格子構造５０は反射防止機能を提供する。反射防止機能の性能を高めるため、格子構造５０の屈折率は、空気の屈折率とマイクロレンズ３０の屈折率の間である。格子構造５０は、たとえば、SiO₂などの無機材料により形成される。よって、格子構造５０は、イメージセンサー１の検出層１０に防水機能を提供する。

格子構造５０は、基層５１、および、格子部分(grating portions)５２を有する。基層５１は、フィルターユニット２０上に設置される。この実施態様において、基層５１は、マイクロレンズ３０上に設置される。

格子部分５２が基層５１上に形成され、且つ、フィルターユニット２０の上方に位置する。いくつかの実施態様において、格子部分５２は、検出層１０、または、基準面Ｐ１に平行な平面に沿って配置される。格子部分５２は、イメージセンサー１により生成されるイメージ上に出現するフレアの入射を減少させる。

図１と図２に示されるように、いくつかの実施態様において、基層５１は、格子領域５１１、および、グリッド領域５１２を有する。格子領域５１１は、フィルターユニット２０上に位置する。グリッド領域５１２は、各格子領域５１１を囲み、格子構造４０の上方に位置する。格子部分５２は、格子領域５１１上に位置する。いくつかの実施態様において、格子部分５２は、グリッド領域５１２上に位置しない。

格子部分５２がグリッド領域５１２上に位置しないので、グリッド領域５１２は平坦な上表面５１３を有し、光線の一部がグリッド領域５１２によって反射する。よって、グリッド領域５１２から、格子構造４０、または、フィルターユニット２０に入射する光線が減少する。イメージセンサー１の光学クロストークが縮小し、これにより、イメージセンサー１のイメージ品質が改善される。

図１と図２に示されるように、いくつかの実施態様において、格子部分５２は、互いに分離した複数の格子グループＧ１を形成する（複数の格子部分５２が集まってひとつの格子グループＧ１を形成する）。各格子グループＧ１は、フィルターユニット２０のひとつ位置と合うように配置されている。各格子グループＧ１は、格子領域５１１とフィルターユニット２０のひとつ上に位置するか、または、格子領域５１１とフィルターユニット２０のひとつの上方に配置されている。各格子グループＧ１は、グリッド領域５１２の平坦な上表面５１３により囲われている。グリッド領域５１２の平坦な上表面５１３は格子構造４０に位置合わせされている。つまり、格子領域５１１のひとつ上に位置するいくつかの格子部分５２は、一格子グループＧ１を形成する。格子部分５２は、格子グループＧ１中の格子アレイで配置される。

いくつかの実施態様において、格子部分５２が、NxNマトリクスで配置され、Nは４より大きい正の整数である。図１と図２に示されるように、この実施態様において、格子部分５２は、5x5マトリクスで配置される。いくつかの実施態様において、格子部分５２は、6x6マトリクス、7x7マトリクス、8x8マトリクス、または、9x9マトリクスで配置される。いくつかの実施態様において、一格子グループＧ１中の格子部分５２の数量は、約25から225である。いくつかの実施態様において、各格子グループＧ１は、少なくとも25個の格子部分を有する。

さらに、いくつかの実施態様において、異なる格子グループＧ１中の格子部分２５の数量は同じである。いくつかの実施態様において、異なる格子グループＧ１中の格子部分５２の数量は異なってもよい。

図３は、本発明のいくつかの実施態様による格子構造５０の断面図である。図４は、本発明のいくつかの実施態様による格子構造５０の上面図である。この実施態様において、一格子グループＧ１中の格子部分５２はランダムに配置される。

格子部分５２は、角錐、角錐台、円錐、または、円錐台で形成されている。いくつかの実施態様において、一格子グループＧ１中の格子部分５２の形状は、同じか、ほぼ同じである(図１と図２に示される)。いくつかの実施態様において、一格子グループＧ１中のいくつかの、または、全ての格子部分５２の形状は異なる(図３と図４に示される)。

格子部分５２は、グリッド領域５１２に相対する高さ（グリッド領域５１２の表面を基準としたときの高さ）Ｈ１、および、各種幅（グリッド領域５１２の表面に沿う方向の幅）Ｗ１を有する。各種幅Ｗ１は、基層５１に平行な方向で測定される。各格子部分５２のアスペクト比(幅:高さ)は、約1:4から1:20である。いくつかの実施態様において、格子部分５２のアスペクト比は1:4より大きく、格子部分５２のアスペクト比は1:20より小さい。いくつかの実施態様において、一格子グループＧ１中のいくつか、または、全ての格子部分５２のアスペクト比は異なる。いくつかの実施態様において、一格子グループＧ１中の格子部分５２のアスペクト比は、同じ、または、ほぼ同じである。

いくつかの実施態様において、一格子グループＧ１中の格子部分５２の高さＨ１は同じか、ほぼ同じである(図１に示される)。いくつかの実施態様において、一格子グループＧ１中のいくつか、または、全ての格子部分５２の高さＨ１は異なる(図３に示される)。

格子部分５２は、下表面５２１、および、上表面５２２を有する。下表面５２１は、フィルターユニット２０(図１に示される)に近接し、基層５１に接続される（下表面５２１は基層５１の表面に沿う面である。）。上表面５２２は基層５１(または、フィルターユニット２０)から離れる。各種幅Ｗ１は、下表面５２１から上表面５２２に向けて徐々に縮小する。

いくつかの実施態様において、上表面５２２は、平坦な面、または、点(尖っていることを意味する)を有する。いくつかの実施態様において、一格子グループＧ１中の下表面５２１の幅Ｗ１は、同じか、ほぼ同じである(図１に示される)。いくつかの実施態様において、一格子グループＧ１中のいくつか、または、全ての下表面５２１の幅Ｗ１は異なる(図４に示される)。

いくつかの実施態様において、下表面５２１は円形か楕円形を有する(図４に示される)。いくつかの実施態様において、下表面５２１は、多角形、長方形、または、正方形を有する。いくつかの実施態様において、一格子グループＧ１中の下表面５２１の形状は、同じか、ほぼ同じである(図２に示される)。いくつかの実施態様において、一格子グループＧ１中のいくつか、または、全ての下表面５２１の形状は異なる(図４に示される)。

このほか、いくつかの実施態様において、一格子グループＧ１中の下表面５２１に含まれる各形状の面積は、同じか、ほぼ同じである(図２に示される)。いくつかの実施態様において、一格子グループＧ１中のいくつか、または、全ての下表面５２１に含まれる各形状の面積は異なる(図４に示される)。

格子部分５２は、さらに、傾斜面５２３を有する。傾斜面５２３は、基層５１に対して傾斜する。いくつかの実施態様において、一格子グループＧ１中の格子部分５２の勾配は、同じか、ほぼ同じである(図１に示される)。いくつかの実施態様において、一格子グループＧ１中のいくつか、または、全ての格子部分５２の勾配は異なる(図３に示される)。

図５は、本発明のいくつかの実施態様によるイメージセンサー１を示す図である。いくつかの実施態様において、フィルターユニット２０と格子構造５０間に位置するマイクロレンズ３０がない。いくつかの実施態様において、イメージセンサー１中に、マイクロレンズ３０がない。基層５１は、フィルターユニット２０、および、格子構造４０と接触する。

格子部分５２はグリッド領域５１２に設置されないので、グリッド領域５１２は平坦な上表面を有し、よって、光線の一部は、グリッド領域５１２により反射する。グリッド領域５１２により、格子構造４０、または、フィルターユニット２０に進入する光線が減少する。さらに、格子構造５０が用いられて、光線をフィルターユニット２０に集める。よって、マイクロレンズ３０が省略される。マイクロレンズ３０が省略されるので、イメージセンサー１の製造コストが減少する。

図６は、本発明のいくつかの実施態様によるイメージセンサー１を示す図である。いくつかの実施態様において、フィルターユニット２０と格子構造５０間に位置するマイクロレンズ３がない。格子構造５０は、各格子部分５２に接続される基層５１を有さない。

格子部分５２は、格子部分５２a、格子部分５２b、および、格子部分５２cを有する。格子部分５２aは複数の格子グループＧ１aを形成し、格子部分５２bは複数の格子グループＧ１bを形成し、格子部分５２cは、複数の格子グループＧ１cを形成する。格子部分５２aは、フィルターユニット２０aの上方に設置されるか、または、直接接触する。格子部分５２bは、フィルターユニット２０bの上方に設置されるか、または、直接接触する。格子部分５２cは、フィルターユニット２０cの上方に設置されるか、または、直接接触する。

いくつかの実施態様において、格子構造４０上に格子部分５２がない。格子部分５２a、５２b、および、５２cは、互いに隔てられる。フィルターユニット２０aと格子部分５２aは同じ材料を有し、且つ、一体成型で形成される。フィルターユニット２０bと格子部分５２bは同じ材料を有し、且つ、一体成型で形成される。フィルターユニット２０cと格子部分５２cは同じ材料を有し、且つ、一体成型で形成される。

このほか、いくつかの実施態様において、フィルターユニット２０aと格子部分５２aの材料は、フィルターユニット２０bと格子部分５２bの材料と異なり、フィルターユニット２０cと格子部分５２cの材料と異なる。フィルターユニット２０bと格子部分５２bの材料は、フィルターユニット２０cと格子部分５２cの材料と異なる。

上記のより、イメージセンサーの格子構造により、イメージセンサーにより生成されるイメージ上に出現するフレア現象が減少し、イメージセンサーのクロストークが縮小する。よって、イメージセンサーのイメージ品質が改善する。

開示される特徴は、一つ以上の開示される実施態様において、任意の適当な方式で、結合、修正、あるいは、再配置されるが、特定の実施態様に限定されない。

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

１…イメージセンサー
１０…検出層
１１…基板
１１１…検出ユニット
１２…反射防止層
１３…誘電層
１４…遮蔽素子
２０…フィルターユニット
２０а…赤色フィルターユニット
２０ｂ…緑色フィルターユニット
２０ｃ…青色フィルターユニット
３０…マイクロレンズ
４０…格子構造
５０…格子構造
５１…基層
５１１…格子領域
５１２…グリッド領域
５２…格子部分
５２а…格子部分
５２ｂ…格子部分
５２ｃ…格子部分
５２１…下表面
５２２…上表面
５２３…傾斜面

Claims (10)

1. イメージセンサーであって、
   検出層、
   前記検出層上の複数のフィルターユニット、
   前記検出層上に設置され、前記複数のフィルターユニットのそれぞれを囲み、前記複数のフィルターユニットのそれぞれの入射面を露出させる第一格子構造、および、
   前記複数のフィルターユニットおよび前記第一格子構造上に設置され、複数の格子部分を有する第二格子構造を有し、
   前記複数の格子部分は、複数の格子グループを形成し、
   前記複数の格子グループは、互いに隔てられ、かつ、前記第二格子構造の平坦な上表面にそれぞれ囲われており、
   前記第二格子構造の前記平坦な上表面は、前記第一格子構造と位置合わせされていることを特徴とするイメージセンサー。
2. 前記複数の格子グループは、それぞれ、少なくとも25個の格子部分を有することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
3. 前記各格子グループは、前記複数のフィルターユニットのひとつとそれぞれ位置合わせされることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
4. 前記複数のフィルターユニットと位置合わせされる複数のマイクロレンズを有し、
   前記第二格子構造は、前記複数のマイクロレンズ上に設置される基層を有し、
   前記複数の格子部分が前記基層上に設置されることを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサー。
5. 前記複数のフィルターユニットは、第一フィルターユニットを有し、
   前記複数の格子グループは、前記第一フィルターユニット上に設置される第一格子グループを有し、
   前記第一フィルターユニット、および、前記第一格子グループは、同じ材料を有することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
6. 前記複数のフィルターユニットは、第二フィルターユニットを有し、
   前記複数の格子グループは、前記第二フィルターユニット上に設置される第二格子グループを有し、
   前記第二フィルターユニット、および、前記第二格子グループは、同じ材料を有することを特徴とする請求項５に記載のイメージセンサー。
7. 前記複数の格子部分は、前記複数のフィルターユニットに近接する下表面、前記複数のフィルターユニットから離れた上表面を有し、
   前記複数の格子部分の各幅は、前記下表面から前記上表面に向かって減少することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
8. 前記複数の格子部分は、角錐、角錐台、円錐、または、円錐台の形状に形成され、
   前記上表面は、平らな面、または、点であることを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサー。
9. 前記複数の格子部分は、角錐、角錐台、円錐、または、円錐台の形状に形成され、
   前記下表面は、円形、楕円形、多角形、長方形、または、正方形であることを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサー。
10. 前記複数の格子部分のアスペクト比は1:4より大きく、1:20より小さいことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。

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