JPH07161953A

JPH07161953A - マイクロレンズ

Info

Publication number: JPH07161953A
Application number: JP5340606A
Authority: JP
Inventors: Takanao Fukuoka; 荘尚福岡
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-12-08
Filing date: 1993-12-08
Publication date: 1995-06-23

Abstract

(57)【要約】【目的】輪帯状の光電変換部を有する固体撮像素子の
不感領域の入射光成分を効率よく集光させ、固体撮像素
子の画素の微細化による素子の小型化と高感度化を図
る。【構成】輪帯状の光電変換部８を有する固体撮像素子
に用いるマイクロレンズ９において、各画素の光電変換
部８の中心を中心軸とした輪帯状の正の屈折力をもつ部
分と、前記輪帯状の部分の中心部に負の屈折力をもつ部
分とを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、輪帯状の光電変換部を
有する画素で構成される固体撮像素子の感度向上のため
の光学素子に係り、特に固体撮像素子の不感領域への入
射光を光電変換部へ集光させることにより感度を向上さ
せるために、固体撮像素子上に形成される集光素子（マ
イクロレンズ）に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄ
Ｄｅｖｉｃｅ）のような固体撮像素子上の各画素は、
主に、矩形の光電変換部と、信号の読み出し回路部の二
つの領域からなる。このうち、信号の読み出し回路上は
入射光成分に対する不感領域である。そこで、従来、こ
の不感領域上に入射する光成分を光電変換部に集光し、
撮像素子の高感度化を達成するとともに、他の素子の特
性を劣化させない有効な手段の一つとして、固体撮像素
子上に透明なレンズアレイを配置し、不感領域である信
号読み出し回路上に到達する入射光成分を光電変換部に
集光させるようにした、一体型の凸あるいは凹のマイク
ロレンズアレイが提案されている（特開昭５３−７４３
９５号公報）。ここでは、凸形状のマイクロレンズを作
製する方法として、熱軟化性の材料でパターンを形成
し、熱だれにより凸形状のマイクロレンズを製造する方
法が開示されている。

【０００３】また、ＣＭＤ（ＣｈａｒｇｅＭｏｄｕｌ
ａｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ）のような輪帯状の光電変換
部を有する固体撮像素子においては、不感領域である輪
帯状光電変換部の内径内部および隣接する画素で囲まれ
た部分の真上に円錐状のプリズムを設け、各不感領域に
入射する光束を、断面において一定の幅で一定の角度に
放射される円錐波に波面変換し、輪帯状光電変換部に効
率よく集光する方法が特開平３−１５０１０４号公報に
開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】現在、固体撮像素子開
発上の大きな焦点となっているのは、画素の微細化によ
る素子の小型化および素子の高感度化である。しかし、
このような画素の微細化は、撮像素子の受光面積の減少
を伴う結果となり、必然的に光感度の低下という問題が
生じることになる。このような問題点を解決するために
は、各画素上にマイクロレンズを形成し、光電変換部に
光束を集光すればよい（特開昭５３−７４３９５号公
報）。この際に、各画素の光電変換部の形状が矩形であ
る一般的な電荷結合素子（ＣＣＤ）の場合には、比較的
単純な凸型または凹型のマイクロレンズアレイを用いる
ことで十分である。しかしながら、光電変換部の形状が
輪帯状である固体撮像素子（例えばＣＭＤ）の場合、例
えば単純な凸形状のレンズを画素の真上に設置した場合
には、画素の内径内部に集光された光束は最も明るい
が、内径内部が不感領域であるために感度向上に対して
何ら影響を与えることがない。同様に、凹形状のレンズ
を各画素の間に設けることにより集光を行う場合にも、
不感領域である内径内部の真上から入射する光を利用す
ることができない。つまり、輪帯状の光電変換部を有す
る固体撮像素子に対しては、単純な凸形状または凹形状
を有するマイクロレンズを画素上に形成しても素子の高
感度化を実現することはできない。

【０００５】この欠点を解消するために、不感領域であ
る輪帯状の光電変換部の内径内部および各画素間に円錐
状のプリズムを形成する方法が提案されているが（特開
平５−１５０１０４号公報）、各画素の構造が微細であ
り、そこに形成された光電変換部の内径内部および各画
素間の不感領域は非常に狭い範囲であるため、この部分
に円錐状のプリズムを形成することは、精度上、非常に
困難であった。

【０００６】以上のように、従来の方法のみでは、輪帯
状の光電変換部を有する固体撮像素子の不感領域の入射
光成分を効率よく集光させ、素子の高感度化を実現する
ことは困難であった。

【０００７】本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので、輪帯状の光電変換部を有する固体撮像素
子の不感領域の入射光成分を効率よく集光させ、固体撮
像素子の画素の微細化による素子の小型化と高感度化を
図ることができるマイクロレンズを提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に係る発明は、各画素の光電変換部の形状
が略輪帯状である固体撮像素子に用いるマイクロレンズ
において、各画素の光電変換部の略輪帯状の中心を中心
軸とした輪帯状の正の屈折力をもつ部分と、前記輪帯状
の部分の中心部に負の屈折力をもつ部分を有することと
した。また、請求項２に係る発明は、各画素の光電変換
部の形状が略輪帯状である固体撮像素子に用いるマイク
ロレンズにおいて、正の屈折力をもつ面と負の屈折力を
もつ面とを有し、前記負の屈折力をもつ面の有効径が前
記正の屈折力をもつ面の有効径より小さくなるように構
成した。

【０００９】

【作用】光電変換部が輪帯状の画素で構成される固体撮
像素子の一例における一つの画素の断面斜視図を図２に
示す。この撮像素子は、一般のフォトトランジスタと異
なり、略輪帯状のゲートを備えるＣＭＤとなっている。
受光領域に形成された多結晶シリコンゲート１を透過し
た入射光は、Ｓｉ結晶からなるｐ^-基板２上にエピタキ
シャル成長されたｎ^-チャンネル層３中に正孔−電子対
を発生させる。このうち、正孔４は多結晶シリコンゲー
ト１直下の領域で、ＳｉＯ₂層５とｎ^-チャンネル層３
との界面に蓄積される。すなわち、入射光の有無によ
り、多結晶シリコンゲート１の電位が変化し、ｎ⁺ソー
ス層６間のチャンネルが増減し、ソース７から供給され
る電子、つまりドレイン電流が変調される。この結果、
入射光に増幅された信号電流を取り出すことができる。

【００１０】このような、輪帯状の光電変換部を有する
固体撮像素子において、各画素毎に図１に示すような各
画素の光電変換部８の中心を中心軸とした輪帯状の正の
屈折力をもつ部分と、前記輪帯状の部分の中心部に負の
屈折力をもつ部分を有するマイクロレンズ９を形成す
る。これにより、信号読み出し回路上の不感領域に入射
する光成分は、マイクロレンズ９の正の屈折力をもつ部
分での屈折作用により、図１中の矢印Ａのような経路を
通って光電変換部８へ集光する。また、輪帯状の光電変
換部８の内径内部上の不感領域より入射する光成分は、
略凸形状のマイクロレンズ９の光軸付近に設けられた負
の屈折力をもつ部分による屈折の作用により、図１中の
矢印Ｂのような経路を通って光電変換部８に集光するこ
ととなる。このとき、負の屈折力をもつ部分の中心軸は
輪帯状の光電変換部８の中心軸と一致することが最も望
ましいが、完全に一致していなくてもよい。また、正の
屈折力をもつ部分が凸部を有する場合にはその凸形状の
頂点が輪帯状の光電変換部８の真上であることが最も望
ましいが、完全に真上でなくても、輪帯状の光電変換部
８に集光させる作用を有する正の屈折力をもつ部分を有
すれば同様の効果を有する。

【００１１】また、図３に示すように、各画素の光電変
換部８上に、正の屈折力をもつ面と負の屈折力をもつ面
とを有し、前記負の屈折力をもつ面の有効径が前記正の
屈折力をもつ面の有効径より小さいマイクロレンズ１０
を形成する。これにより、信号読み出し回路上の不感領
域に入射する光成分は、マイクロレンズ１０の正の屈折
力をもつ面での屈折作用により、図３中の矢印Ｃのよう
な経路を通って光電変換部８へ集光する。また、輪帯状
の光電変換部８の内径内部上の不感領域より入射する光
成分は、まず正の屈折力をもつ面の作用により集光され
るが、さらに光軸付近に設けられた、正の屈折力をもつ
面の有効径より小さな有効径の負の屈折力をもつ面によ
り発散され、図３中の矢印Ｄのような経路を通って光電
変換部８に集光することとなる。つまり、このような素
子を各画素上に形成することにより、画素間および輪帯
状光電変換部８の内径内部の不感領域に入射する光成分
に対しても光電変換部８への集光が可能となり、素子の
高感度化を実現することが可能となる。

【００１２】また、ここでのマイクロレンズ９，１０
は、正パワー部と負パワー部は同軸であるのが好ましい
が、あくまで完全に同軸でなくともよい。また、レンズ
の正パワー部および負パワー部の形状にはかなりの自由
度をもたせることができる。マイクロレンズ９，１０の
断面形状は、例えば図４に示すように、種々のものが考
えられる。正パワー部および負パワー部の形状は、例え
ば図４（ａ）に示すように連続的に変化しているものだ
けでなく、（ｂ）に示すように不連続に変化しているも
のでも効果を有し、図４（ｄ）のように、図４（ａ）の
マイクロレンズ９の上に低屈折率物１１を配したり、図
４（ｂ）および（ｃ）に対して（ｅ）および（ｆ）のよ
うに、上下が反対で、高屈折率領域と低屈折率領域のど
ちら側から光が入射しても同様の効果を有する。さら
に、図４（ｇ）のように、マイクロレンズ１０を形成し
ている組成物がマイクロレンズの上下で異なり、接合レ
ンズのような構成となっていても、マイクロレンズ１０
全体として、一方の面が正の屈折力をもつ面で、かつ他
方の面が該正の屈折力をもつ面より有効径の小さな負の
屈折力をもつ面である構成となっていれば、本発明の効
果を有する。つまり、各画素の光電変換部の形状が、ほ
ぼ輪帯状である固体撮像素子に用いるマイクロレンズに
おいて、各画素の光電変換部の中心軸付近に凹レンズ作
用をもつものであれば、形状および組成物の配置は図４
に示したものに限定されるものではなく、同様の効果を
有する。

【００１３】以上に述べたマイクロレンズは以下に説明
する、大別して３つの方法、即ち、熱だれやスタンパー
を用いる方法、ゾルゲル法によるもの、フォトリソ加工
を利用する方法により製造できる。熱だれやスタンパー
を用いる方法は、まず、ガラスや樹脂等の凸形状のレン
ズパターンを形成する。次に、凸面の面頂部にレーザー
光を照射すると凸面の面頂部の一部が溶け、凹形状部が
形成され、凸形状のレンズパターンの光軸付近に凹形状
部を設けた凸形状のマイクロレンズ、つまり各画素の光
電変換部の略輪帯状の中心を中心軸とした輪帯状の正の
屈折力をもつ部分と、前記輪帯状の部分の中心部に負の
屈折力をもつ部分を有したマイクロレンズを作製するこ
とができる。

【００１４】金属アルコキシドを用いたゾルゲル法は、
溶液中にコロイド粒子が分散したゾルを作製し、これを
ゲル化させた後に、熱処理等を行ってガラスやセラミッ
クスを作製する方法である。そこで、この方法を応用し
て、図７（ａ）に示すような形状のスタンパーにゾルを
接触させながらゲル化させたり、ゲル化した後、ゲルが
まだ柔らかいうちにスタンパーを押し付けて、スタンパ
ーの形状を転写して凹形状部を設けた凸形状のゲル状の
レンズパターンを形成し、熱処理等を行ってガラス化す
ると、凸形状のレンズパターンの光軸付近に凹形状部を
設けた凸形状のマイクロレンズ、つまり各画素の光電変
換部の略輪帯状の中心を中心軸とした輪帯状の正の屈折
力をもつ部分と、前記輪帯状の部分の中心部に負の屈折
力をもつ部分を有したマイクロレンズを作製することが
できる。このときに、ゲル状のレンズパターンは、基板
の平面方向には余り収縮しないが、縦方向には収縮がか
なりおこるので、スタンパーの形状はこの収縮を考慮し
て作製することが必要となる。また、このスタンパーを
用いる方法は、樹脂を用いても同様に作製することがで
きる。

【００１５】従来のフォトリソ加工を利用する方法は、
図５に示すような形状から図６（ａ）に示すような形状
となるように、輪帯状の光電変換部を有する固体撮像素
子の光電変換部の中心付近および隣あった画素の間に溝
部を有するパターニングを行い、更にこれを熱だれさせ
て図６（ｂ）に示すような凸形状のレンズパターンの光
軸付近に凹形状部を設けた凸形状のマイクロレンズ９、
つまり各画素の光電変換部の略輪帯状の中心を中心軸と
した輪帯状の正の屈折力をもつ部分と、前記輪帯状の部
分の中心部に負の屈折力をもつ部分を有したマイクロレ
ンズ９を作製することができる。このように、従来から
のプロセスを応用することによって、容易に本発明のマ
イクロレンズを作製することができる。

【００１６】

【実施例１】受光領域がＳｉＯ₂で覆われたＣＭＤの上
に、ＰＭＭＡ樹脂をスピンコートして中間層を形成し
た。この後に、ｉ−ｌｉｎｅに感度を有するポジ型合成
樹脂をスピンコートし、ｉ−ｌｉｎｅにより露光し、現
像を行って、図５に示すように、受光領域の真上にパタ
ーニングを行った。これを１５０℃で熱処理を行うこと
によって、マトリックス状の凸面形状を形成した。更
に、ここに凸形状の面頂部にレーザーを照射し、凸形状
のレンズの光軸付近に凹形状部を有するマイクロレン
ズ、つまり各画素の光電変換部の略輪帯状の中心を中心
軸とした輪帯状の正の屈折力をもつ部分と、前記輪帯状
の部分の中心部に負の屈折力をもつ部分を有したマイク
ロレンズを作製した。このマイクロレンズを輪帯状の光
電変換部を有する撮像素子の集光素子として使用したと
ころ、高感度化が実現した。

【００１７】［比較例１］実施例１と同様の操作でマイ
クロレンズを作製した。ただし、レーザーの照射の操作
は行わなかった。このマイクロレンズを輪帯状の光電変
換部を有する撮像素子の集光素子として利用したとこ
ろ、感度の低いものであった。

【００１８】

【実施例２】実施例１と同様の工程により、図６（ａ）
に示すようなＣＭＤの光電変換部の中心付近および隣あ
った画素の間に溝部１２を有するパターンをフォトリソ
加工によりパターニングした。これを熱だれさせて、図
６（ｂ）に示すような凸形状のレンズの光軸付近に凹形
状部を有するマイクロレンズ９、つまり各画素の光電変
換部の略輪帯状の中心を中心軸とした輪帯状の正の屈折
力をもつ部分と、前記輪帯状の部分の中心部に負の屈折
力をもつ部分を有したマイクロレンズを作製した。この
マイクロレンズを輪帯状の光電変換部を有する撮像素子
の集光素子として使用したところ、高感度化が実現し
た。

【００１９】

【実施例３】５９．１ｇのＳｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄に０．
０２ＮのＨＣｌ水溶液４２ｍｌを加えて加水分解を行っ
た。ここに０．５ｍｏｌ／ｌのＴｌＮＯ₃水溶液１００
ｍｌを添加し、さらに平均粒径が２０ｎｍのシリカの微
粉末１０．０ｇを添加し、超音波をかけて均一なゾルと
した。ここに０．２Ｎのアンモニア溶液を添加し、ゾル
のｐＨを４．５に調製した。このゾルを基板上に塗布し
た後、図７（ａ）のような形状のパターンがマトリック
ス状に並んだスタンパーと接触させ、ゲル化させた。こ
れを３５０℃で熱処理することによってゲル状レンズパ
ターンをガラス化した。これにより、図７（ｂ）に示す
ような形状のマイクロレンズ９を作製することができ
た。この集光素子を輪帯状の光電変換部を有する撮像素
子の集光素子として利用したところ、高感度化が実現し
た。なお、本実施例では、ゾルをスタンパーと接触させ
ながらゲル化させたが、ゲル化した後にスタンパーによ
り形状を付与することもできる。

【００２０】

【実施例４】原料にＳｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄とＴｉ（Ｏｎ
Ｃ₄Ｈ₂）₄を用いて、実施例３と同様にして図７
（ｂ）に示すような形状のマイクロレンズを作製し、さ
らにこの上にスピンオングラスをコーティングして表面
を平坦な形状とした。効果は実施例３と同様であるが、
表面が平坦であるためＣＭＤを実装するときに、非常に
容易であった。

【００２１】

【実施例５】受光領域がＳｉＯ₂で被われたＣＭＤの光
電変換部の中心の不感領域の真上に、ＣＯ₂レーザーに
よるレーザーＣＶＤによりほぼガウス分布を有する凸状
になるように、図８（ａ）の状態から図８（ｂ）となる
ように、ＳｉＯ₂を堆積させた。この後に、Ｓｉ（ＯＣ
Ｈ₃）₄とＴｉ（ＯＣＨ₃）₄を原料に用いてＭＯＣＶ
Ｄ法により３０ＴｉＯ₂・７０ＳｉＯ₂（ｍｏｌ％）組
成のガラスをコートし、図８（ｃ）のように表面をフラ
ットにした。さらに、レーザーＣＶＤにより前記ＳｉＯ
₂で作製された凸状部の光軸と同じ光軸を有する３０Ｔ
ｉＯ₂・７０ＳｉＯ₂（ｍｏｌ％）組成のガラスを凸状
に堆積させて、図８（ｄ）のように、正の屈折力をもつ
面と負の屈折力をもつ面とを有し、前記負の屈折力をも
つ面の有効径が前記正の屈折力をもつ面の有効径より小
さいマイクロレンズ１０を作製した。

【００２２】

【実施例６】石英ガラス基板上のＣＯ₂レーザーによる
レーザーＣＶＤによりほぼガウス分布を有する凸状にな
るように、ＳｉＯ₂を堆積させた。この後に、石英基板
の凸状パターンを有さない面に、凸状パターンの軸上に
中心を有するマスクを設け、フッ酸を含んだ溶液でエッ
チングして凹状部を形成し、図４（ｃ）に示した形状の
マイクロレンズ９を作製した。この集光素子を輪帯状の
光電変換部を有する撮像素子の集光素子として利用した
ところ、高感度化が実現した。

【００２３】

【実施例７】通常のフォトリソ工程により、石英ガラス
基板上にｉ−ｌｉｎｅに感度を有するポジ型合成樹脂を
スピンコートし、ｉ−ｌｉｎｅにより露光し、現像を行
ってパターニングを行った。これを１５０℃で熱処理を
行うことによって、マトリクス状の凸面形状を形成し
た。この後に、石英基板の凸状パターンを有さない面
に、凸状パターンの軸上に中心を有するマスクを設け、
フッ酸を含んだ溶液でエッチングして凹状部を形成し、
図４（ｇ）に示した形状のマイクロレンズ１０を作製し
た。この集光素子を輪帯状の光電変換部を有する撮像素
子の集光素子として利用したところ、交換度化が実現し
た。また、実施例により作製したマイクロレンズには、
光の入射方向の区別はなく、光が基板の上下どちらの方
向から入射しても同様に高感度化が可能となる。更に、
画素と画素の間の不感部に凹形状部を設けても本発明は
何等制限されるものではない。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、本発明のマイクロレンズ
によれば、輪帯状の光電変換部を有する固体撮像素子上
の不感領域に入射する光を効率よく集光することがで
き、これにより、固体撮像素子の画素の微細化による素
子の小型化と高感度化を同時に達成することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマイクロレンズの集光の状態を示す光
路図である。

【図２】光電変換部が輪帯状の画素で形成される固体撮
像素子の一つの画素の断面斜視図である。

【図３】本発明のマイクロレンズの集光の状態を示す光
路図である。

【図４】本発明のマイクロレンズの断面形状の例を示す
概念図である。

【図５】従来法によるフォトリソ加工のパターニングの
断面形状を示す概念図である。

【図６】（ａ）本発明によるフォトリソ加工のパターニ
ングの断面形状を示す概念図、（ｂ）本発明の実施例２
で得たマイクロレンズの断面形状を示す概念図である。

【図７】（ａ）本発明で用いるスタンパーの断面形状を
示す概念図、（ｂ）本発明の実施例３で得たマイクロレ
ンズの断面形状を示す概念図である。

【図８】本発明の実施例４の製造工程を示す工程図であ
る。

【符号の説明】

１多結晶シリコンゲート８光電変換部９，１０マイクロレンズ１１低屈折率物１２溝部１３ガラス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】各画素の光電変換部の形状が略輪帯状で
ある固体撮像素子に用いるマイクロレンズにおいて、各
画素の光電変換部の略輪帯状の中心を中心軸とした輪帯
状の正の屈折力をもつ部分と、前記輪帯状の部分の中心
部に負の屈折力をもつ部分を有することを特徴とするマ
イクロレンズ。
【請求項２】各画素の光電変換部の形状が略輪帯状で
ある固体撮像素子に用いるマイクロレンズにおいて、正
の屈折力をもつ面と負の屈折力をもつ面とを有し、前記
負の屈折力をもつ面の有効径が前記正の屈折力をもつ面
の有効径より小さいことを特徴とするマイクロレンズ。