JPWO2005101067A1 - 集光素子および固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

受光素子６及びＡｌ配線３を有する固体撮像素子に、入射光の波長と同程度かそれより短い幅のゾーン形状の光透過膜の集合体からなる分布屈折率レンズを設ける。該ゾーン形状は偏心させた中心対称形状であり、前期光透過膜の集合体が実効屈折率分布を生じる。

Description

本発明は、ディジタルカメラ等に使用される集光素子および固体撮像装置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、固体撮像素子に対する要望は高感度化／高画素化など変化してきたが、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、固体撮像素子に入射する光は広角（固体撮像素子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。
固体撮像素子の感度は、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１０５に垂直に入射した光１０６（破線で示した光）は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のいずれかのカラーフィルタ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。比較的高い集光効率が得られることから、マイクロレンズ１０５は、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、特許文献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に開示されている技術には、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、レンズに垂直に入射してくる光１０６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１０７（実線で示した光）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１０７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の画素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、電気配線部分を内側方向にずらす（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、集光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。
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）に対応した固体撮像装置等を実現するため、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等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、本発明は、入射光を集光する集光素子であって、前記入射光が入射する基板と、前記基板上の前記入射光が入射する位置に形成された、光透過膜の集合体とを備え、前記光透過膜は、前記入射光の波長と同程度か、それより短い幅のゾーン形状を有し、前記ゾーン形状は、偏心させた中心対称形状であり、前記光透過膜の集合体が実効屈折率分布を生じることを特徴とする。
これにより、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を実現することができる。
さらに、前記光学素子の屈折率分布を制御することにより、特定の角度で入射する光の出射角度を制御できる偏向素子や、入射光を任意の位置で集光できる集光素子の形成が可能となる。
前記光透過膜において、入力対象とする光の波長によって、もしくは、入力対象とする色の代表波長によって、前記光透過膜の位相変調が異なる。これにより、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となり、色による集光効率の違いを無くすことができる。
また、前記光透過膜において、入力対象とする光の焦点距離の設定によって、前記光透過膜の位相変調が異なる。これにより、入射光の焦点距離が可変となり、各画素構造に適したレンズ設計が可能となる
もしくは、最も光強度の強い入射光成分の入射角度によって、前記光透過膜の位相変調が異なり、入射光の入射角度によって各画素のレンズ構造を最適化することが可能となり、入射角度の増加に伴う集光効率の低下を無くすことができる。
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、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、
をほぼ満たすことが望ましい。これにより、第１フレネルゾーン領域のみで集光でき、集光ロスの少ない、高効率な集光が可能となる。
また、前記光透過膜による位相変調Φ（ｘ）が、
ｍ＝自然数
をほぼ満たすことが望ましい。これにより、複数フレネルゾーン領域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に対する差をΔｎ（ｘ）とするとき、
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。
また、前記分布屈折率レンズにおいて、
をほぼ満たすことが望ましい。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。
前記光透過膜の膜厚の最大値をＬｍａｘ、膜厚分布をＬ（ｘ）とするとき、
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、高集光効率な膜厚分布レンズを形成できる。
また、前記膜厚分布レンズにおいて、
をほぼ満たすことが望ましい。これにより、前記膜厚分布レンズの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。
前記分布屈折率レンズにおいて、膜厚が均一であることからプロセスが容易になり、製造コストを低減させることができる。
また、前記分布屈折率レンズにおいて、膜厚を不均一にすることにより、第１フレネルゾーン領域のみを使用でき、集光効率が向上する。
また、前記分布屈折率レンズにおいて、面内方向の線幅が、入射の対象となる光の波長と同程度か、もしくは小さい一定の値で分割された複数の分割領域ごとに、前記線幅に対して線幅の合計の占める割合が互いに異なる、同心形状を有する構造を考案した。この手法を用いれば、同心円の線幅を変化させることによって、有効屈折率を変化させ、分布屈折率素子を容易に形成できる。
このとき、光透過膜の断面形状が矩形であることが望ましい。これにより、より鋭い屈折率変化が生じ、集光が高まる。
また、前記分布屈折率レンズにおいて、面内方向に入射の対象となる光の波長と同程度か、もしくは小さい直径を有する光透過材料が不均一に分散している構造を考案した。この手法を用いれば、隣り合う前記光透過材料の間隔を変化させることによって、有効屈折率を変化させ、分布屈折率素子を容易に形成できる。
また、前記光透過膜において、面内方向に連続的かつ不均一に屈折率または膜厚が変化している構造を考案した。これにより、入射光の位相は連続的に変化することから、集光率が向上する。
また、前記膜厚分布レンズにおいて、面内方向に離散的かつ不均一に膜厚が変化している構造を考案した。この手法を用いることにより、高い集光効率を維持したまま、プロセスが容易になる。
さらに、前記光透過膜は、屈折率が１．４５以上３．４以下の高屈折透明材料からなることを特徴とする。
さらに、前記光透過膜は、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉ２Ｎ３の中のいずれかを含むことを特徴とする。これらは高屈折率材料であるため、光透過膜の膜厚を薄くでき、製造プロセスが容易になる。
また、前記光透過膜は、ＢまたはＰが添加されたＳｉＯ２（ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ−Ｐｈｏｓｐｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅｄ Ｇｌａｓｓ））およびＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）の中のいずれかを含むことを特徴とする。これらは従来の半導体プロセスで一般的に使用されている材料であるので、集光素子の容易な形成が可能であり、製造コストを低減させることができる。
また、前記光透過膜は、ベンゾシクロブテン、ポリメタクリル酸メチル、ポリアミドおよびポリイミドの中のいずれかを含むことを特徴とする。樹脂は直接加工でき、ナノインプリントで直接集光素子を形成できるため、量産性が高まる。
また、単位画素が複数設置された固体撮像装置であって、入射光を集光する本発明に係る集光素子と、前記集光素子で集光された光を入射し、電荷に変換する受光素子とを備えることを特徴とする。これにより、マイクロレンズを用いることなく、画素の集光効率を向上させることができる。従って、高解像度、高感度な固体撮像装置を実現できる。
さらに、前記集光素子は、対応する画素領域の全域に形成されていることを特徴とする。これにより、光の入射面が画素領域全体となり、集光ロスが低減する。
さらに、少なくとも、前記入射光のうち第１の色光用の第１の単位画素と、前記第１の色光の代表波長とは異なる代表波長を有する第２の色光用の第２の単位画素とを備え、前記第１の単位画素は、第１の集光素子を備え、前記第２の単位画素は、前記第２の色光の焦点距離が前記第１の集光素子の前記第１の色光の焦点距離と等しい第２の集光素子を備えることを特徴とする。これにより、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となり、色による集光効率の違いを無くすことができる。
さらに、前記焦点距離は、前記光透過膜の屈折率分布を制御することにより、所定の値に設定されていることを特徴とする。これにより、入射光の焦点距離が可変となり、各画素構造に適したレンズ設計が可能となる。
さらに、前記集光素子は、前記光透過膜の屈折率分布を制御することにより、最も光強度の大きい入射角度を有する光の前記受光素子における集光効率が所定値以上になるように設定されていることを特徴とする。これにより、入射光の入射角度によって各画素のレンズ構造を最適化することが可能となり、入射角度の増加に伴う集光効率の低下を無くすことができる。
さらに、前記単位画素は、前記集光素子の出射面側に、前記受光素子の上部を開口部とする配線層を備え、前記集光素子で集光された光の焦点が、前記配線層の前記開口部の位置と一致していることを特徴とする。これにより受光面を最大限に使用でき、集光効率が高くなる。
さらに、前記単位画素において、前記偏向素子または前記集光素子の出射側に集光レンズを備えていることを特徴とする。これにより、画素内での集光ロスが低減し、前記偏向素子または前記集光素子の設計が容易となる。
さらに、前記複数の単位画素が、２次元状に配列されていることを特徴とする。これにより、感度の高い二次元画像入力装置が実現できる。
さらに、前記複数の単位画素が形成された面の中央に位置する前記単位画素の集光素子と、周辺に位置し、前記中央に位置する単位画素と同一の色用の単位画素の集光素子では、前記光透過膜の屈折率分布が異なっていることを特徴とする。これにより、固体撮像装置上の画素の位置によって、レンズ構造を最適化することが可能となり、固体撮像装置のシュリンク構造を緩和させることができる。また、集光素子の製造方法が容易となり、集光素子全体の感度も向上する。
さらに、前記複数の単位画素が形成された面の中央に位置する前記単位画素では、前記受光素子の中心軸と前記集光素子の中心軸が一致するように形成され、周辺に位置する前記単位画素では、前記受光素子の中心軸より前記集光素子の中心軸が前記面の中央寄りに形成されていることを特徴とする。これにより、低度のシュリンク構造をとることができ、周辺画素の集光効率がより向上する。
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できる。
［図１］従来に係る固体撮像装置の基本構造の一例を示す図である。
［図２］従来に係る周辺の画素の構造例を示す図である。
［図３］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４］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５］実施の形態１に係る個体撮像素子の基本構造を示す図である。
［図６］実施の形態１に係る分布屈折率レンズの上面図を示す図である。
［図７］実施の形態１に係る分布屈折率レンズの断面構造を示す図である。
［図８］実施の形態１に係るレンズの屈折率分布を示す図である。
［図９］（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１において、光の伝播方向を説明するための概念図である。
［図１０］実施の形態１において、光透過膜に対して斜め入射する光をＺ軸上で集光させるための条件を示す図である。
［図１１］実施の形態１における光の位相変調を示す図である。
［図１２］（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態２に係る同心円構造を有する分布屈折率レンズの走査型電子顕微鏡写真である。
［図１３］（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態２に係るレンズ表面に垂直な方向に光を入射した場合の集光スポットの光学顕微鏡写真である。
［図１４］（ａ）、（ｂ）は、実施の形態２において、光を斜め入射もしくは垂直入射した場合の焦点位置の変化を示す図である。
［図１５］（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態２における入射窓領域が円形の場合と四角の場合との比較を示す図である。
［図１６］（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態３〜５に係る分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。
［図１７］（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態３に係る１画素の基本構造を示す図である。
［図１８］（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態３に係るレンズの屈折率分布を示す図である。
［図１９］実施の形態４に係る固体撮像装置における画素配列の様子を示す図である。
［図２０］実施の形態４に係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。
［図２１］（ａ）、（ｂ）は、実施の形態４に係る固体撮像装置の集光効率を示す図である。
［図２２］（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態５に係る１画素の基本構造を示す図である。
［図２３］（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態５に係るレンズの屈折率分布を示す図である。
［図２４］実施の形態５に係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。
［図２５］（ａ）、（ｂ）は、実施の形態５に係る固体撮像装置の集光効率を示す図である。
［図２６］実施の形態６に係る１画素の基本構造を示す図である。
［図２７］実施の形態６に係る分布屈折率レンズの上面構造を示す図である。
［図２８］（ａ）〜（ｅ）は、実施の形態６に係る分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。
［図２９］実施の形態７に係る１画素の基本構造を示す図である。
［図３０］実施の形態７に係る分布屈折率レンズの上面構造を示す図である。
［図３１］（ａ）〜（ｅ）は、実施の形態７に係る分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。
［図３２］実施の形態８に係る膜厚分布レンズの断面構造を示す図である。
［図３３］実施の形態９に係る膜厚分布レンズの断面構造を示す図である。
［図３４］実施の形態１０に係る膜厚分布レンズの断面構造を示す図である。
［図３５］は、実施の形態１１に係る１画素の基本構造を示す図である。
［図３６］（ａ）、（ｂ）は、実施の形態１１に係るレンズの上面構造ならびに屈折率分布を示す図である。
 符号の説明
１ 分布屈折率レンズ（同心円構造）
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（前記２〜７によって構成）
９ 入射光
１０ 高屈折率領域［ＧｅＯ２（ｎ＝１．６５）］
１１ 低屈折率領域［ＳｉＯ２（ｎ＝１．４５）］
１６ 入射角
１７ 出射角
１９ 分布屈折率レンズ
１０１ 分布屈折率レンズ（同心円構造型）
１０２ 低屈折率材料［空気（ｎ＝１．０）］
１０３ 高屈折率材料［ＴｉＯ２（ｎ＝１．６５）］
１０４ 入射光（斜め入射）
１０５ マイクロレンズ
１０６ 入射光（垂直入射）
１０７ 入射光（斜め入射）
１０８ 分布屈折率レンズ（偏向成分のみ）
１０９ 層内レンズ
１１２ 階段形状膜厚分布レンズ
２０ 受光部分
２１ 画素
２６ 位相変調
２７ 第１ゾーン
２８ 第２ゾーン
２９ 第３ゾーン
２０１ 出射側領域（屈折率ｎ１）
２０２ レンズ領域（屈折率ｎ０＋Δｎ（ｘ））
２０３ 入射側領域（屈折率ｎ１）
２０４ 入射光１
２０５ 入射光２
２０６ 光路長差１（偏向成分）
２０７ 光路長差２（集光成分）
２０８ 焦点距離
３３ 高屈折率材料（ＴｉＯ２）
３４ 低屈折率材料（空気）
３５ 隣り合う分割領域の幅
３６ レジスト
３７ ＴｉＯ２
３８ 金型
３９ Ａｒイオンミリング
４０ ウェットエッチング
４２ 半導体集積回路（前記２〜７によって構成）
４３ ＳｉＯ２
４４ レジスト
４５ 電子線描画
４６ 電子線蒸着
４７ Ａｕ
４８ イオン注入
４８１ Ｇｅ
４９ 膜厚分布レンズ（第一ゾーン使用）
５０ 膜厚分布レンズ（複数ゾーン使用）
５７ １画素
５８ 入射光（垂直入射）
５９ 焦点位置のシフト（ｆ×ｔａｎｑ）
６２ 集光スポット
６３ 漏れ光
６６ 入射光（０°入射）
６７ 入射光（α／２°入射）
６８ 入射光（α°入射）
６９ ０°入射光用分布屈折率レンズ
７０ α／２°入射光用分布屈折率レンズ
７１ α°入射光用分布屈折率レンズ
７５ 入射光
７６ 光学レンズ
７７ 固体撮像装置
７８ 装置中央部の入射光
７９ 装置中央部画素用分布屈折率レンズ
８０ 装置周辺部の入射光
８１ 装置周辺部画素用分布屈折率レンズ
８６ 入射光（０°入射）
８７ 入射光（低角度入射）
８８ 入射光（高角度入射）
８９ ０°入射光用分布屈折率レンズ
９０ 低角度入射光用分布屈折率レンズ
９１ 高角度入射光用分布屈折率レンズ
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。
（実施の形態１）
図５は、本実施の形態に係る固体撮像素子の基本構造を示す図である。各画素（サイズ□２．８μｍ）は、分布屈折率レンズ（「光透過膜の集合体」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、分布屈折率レンズの上面図を示す図である。
分布屈折率レンズ１における同心円構造は、高屈折率材料３３［ＴｉＯ２（ｎ＝２．５３）］と低屈折率材料３４［空気（ｎ＝１．０）］で構成されており、複数の隣り合う分割領域の幅３５は、例えば一定の２００ｎｍである。また、膜厚ｔは０．５μｍである。
図６示されるように、各光透過膜はゾーン形状を有し、偏心された中心対称形状であり、所定の線幅を有している。図６における同心状の高屈折率光透過材料３３や同心状の低屈折率光透過材料３４は、それぞれ１つのゾーンを形成する。したがって、分布屈折率レンズ１は、複数のゾーンの集合体でもある。なお、ゾーンの幅を「線幅」ということとする。
ここで、「分割領域」とは、入射光の波長と同程度、もしくはそれ以下の任意の幅で同心状に分割した領域をいう。
図７は、分布屈折率レンズの断面構造を示す図である。同心円の各光透過膜（即ち、ゾーン）の線幅は円中心部分が最も大きく、外側のリングになるに従って、線幅は順に小さくなっていく。各ゾーンの幅が入射光の波長と同程度か波長より小さいときには、光が感じる有効屈折率は、分割領域における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、線幅を変えるだけで、屈折率分布を自由自在に制御できることである。
このときの屈折率の変化は図８のように表され、非対称である。レンズの屈折率は、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。つまり、図５に示す入射光９のように、一定の方向から入射される光に対する屈折率分布が、分布屈折率レンズ１の中心に対して非対称である。
図８において実線で示した放物線は、波長λ（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。
ここで、Δｎ（ｘ）は、入射側媒質とレンズ材料との屈折率差（今回は１．５３）、Φ（ｘ）は、光透過膜によって生じる位相変調であり、画素中央からの距離ｘの２次関数で定義される。
本実施の形態では、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。図９（ａ）〜（ｃ）は、光の伝播方向を説明するための概念図を示す。
本実施の形態に係る光透過膜１９は、特定の角度で入射した光を任意の位置で集光させるための集光素子であるが、大きく分けて２つの成分に区別できる。一つは、特定の角度１６で入射する光９を任意の角度１７で出射する偏向成分であり、もう一つは、任意の焦点距離で光を集める集光成分である。このような偏向成分と集光成分を生じさせるためには、次のような設計が必要となる。
図１０は、光透過膜に対して斜め入射する光２０４、２０５をＺ軸上で集光させるための条件を示している。
位相の異なる入射光２０４と２０５を焦点距離２０８で集光させるためには、入射光２０４と入射光２０５の間に光路長差２０６と光路長差２０７が必要である。このとき、光路長差２０６は、光を偏向させるための光路長差であり、光路長差２０７は、集光させるために必要な光路長差である。入射光の波数をｋ０、光が集まる焦点距離をｆ、光の入射角度をθ、レンズ厚みをＬｍａｘ、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、偏向成分による位相変調ΦＡ、と集光成分による位相変調ΦＢは、
で表される。このとき、光透過膜によって生じる全位相変調Φ（ｘ）は、
または、
となる。このとき、図１１に示すように、上記（４）式で示される位相変調２６は、フレネルゾーン領域の区切りがなく、連続して位相が変化する。これに対して、（５）式で示される位相変調は、第１フレネルゾーン領域２７だけでなく、第２フレネルゾーン領域２８、第３フレネルゾーン領域２９のように、（４）式を２πで分割して得られる位相変調となる。１位相毎にフレネルゾーン領域を区別しているため、実効的な位相変調は（４）式と（５）式で等しくなる。
上記（１）式では、屈折率分布によって入射光に位相変調を与えているが、次の（６）式で表される膜厚分布Ｌ（ｘ）を有する光透過膜を形成してもよい。
また、複数フレネルゾーン領域を有する光透過膜を形成するときの、各フレネルゾーン領域境界での位相差を２πとするための条件は、
である。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（７）式を満たしていれば、集光効率は１００％となる。
（実施の形態２）
図１２（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る実施の形態２における、同心円構造を有する分布屈折率レンズの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。この分布屈折率レンズは、溶融石英基板上に、電子線（ＥＢ）描画用レジスト（ＺＥＰ５２０：屈折率１．５６）と空気の屈折率差を利用した分布屈折率レンズをＥＢ描画によって形成した。作製手法の詳細は後述する。レンズ径は２．８μｍ、レンズ厚は１μｍ、分割領域の幅は０．２μｍである。屈折率分布は、上記（５）式に従い、焦点距離は５μｍ、入射光の波長を０．５５μｍ、入射側媒質の屈折率を１．４５（溶融石英）、出射側媒質の屈折率を１（空気）として設計した。
図１２（ａ）は、入射角度設定値が０°（θ＝０°）の分布屈折率レンズの上面ＳＥＭ写真を示す。真円の同心円（図１２（ａ））が複数個配列している様子が確認できる。入射角度設定値を５°（図１２（ｂ））、１０°図１２（ｃ））と増加するに従って、同心円が紙面右側方向にシフトしている。これは有効屈折率の高い領域が右側にシフトしていくことを意味している。
図１３（ａ）〜（ｃ）は、レンズ表面に垂直な方向に光を入射した場合の、集光スポットの光学顕微鏡写真（透過測定）を示す。この場合の光源の中心波長は０．５５μｍである。設定角度の増加に伴って、集光スポットが紙面右側（有効屈折率の高い方向）へとシフトしていく様子が確認できる。この中心からのずれは、本実施例の分布屈折率レンズが有する偏向成分によって生じている。
図１４は、光を斜め入射（図１４（ａ））又は垂直入射（図１４（ｂ））した場合の焦点位置の変化を示す。角度で入射した光９を画素中央で集光するように設計されているレンズ（図１４（ａ））に、光を垂直入射すると集光スポットは、画素中央からｆ×ｔａｎだけシフトした位置に現れる（図１４（ｂ））。このとき、中央からのシフト量を測定することによって、作製したレンズが何度対応のレンズであるかを評価することができる。今回作製した５°、１０°対応のレンズの実験値は５．２°、１１．１°であり、非常に精度良く形成できていることがわかる。
図１５（ａ）〜（ｄ）は、入射窓領域が円形の場合と四角の場合との比較を示す。入射窓領域が円形の場合（図１５（ａ））は、図１５（ｂ）に示すようにレンズとレンズの間に隙間ができるため、集光スポット６２のほかに漏れ光６３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し、隣のレンズと共有する領域についても本屈折率分布を形成させると（図１５（ｃ））、図１５（ｄ）に示すように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、上記の集光ロス６３を低減することができる。
図１６（ａ）〜（ｄ）は、分布屈折率レンズの作製工程を示す。レンズ形成は、ナノインプリンティング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、信号伝送部からなる半導体集積回路８（上記図９では描いていない）とカラーフィルタ２を形成する。１画素のサイズは、２．８μｍ角であり、受光部は１．１μｍ角である。その後に、プラズマＣＶＤを用いて、ＴｉＯ２膜３７を形成し、その上にレジスト３６を塗布する（図１６（ａ））。ＴｉＯ２膜とレジストの厚みはそれぞれ、０．５μｍと０．５μｍである。同心円構造をパターニングしてあるＳｉＣ製のモールド（金型）３８を、レジストに１５０℃で加熱プレスすることによって、微細構造をレジスト上に転写する（図１６（ｂ））。モールドは、通常の電子線ビームリソグラフィーとエッチングによって形成したものである。その後、１８０℃でポストベークを行った後、Ａｒイオンミリングによって、第１段階のエッチング３９を行う（図１６（ｃ））。レジストを除去した後、ウェットエッチング４０によって画素上に同心円構造を形成する（図１６（ｄ））。
これ以降で説明する実施形態３〜５におけるレンズは、前記ナノプリンティング法によって形成しており、ＴｉＯ２と空気の屈折率差を利用した分布屈折率レンズである。
（実施の形態３）
図１７（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態３に係る１画素の基本構造を示す図である。本画素に係るレンズは、入射光に対して上記（４）式の位相変調を与えるような、単一フレネルゾーン領域の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６６、入射角α／２°で入射してくる光６７、入射角α°で入射してくる光６８は、それぞれ０°入射光用分布屈折率レンズ６９、α／２°入射光用分布屈折率レンズ７０、α°入射光用分布屈折率レンズ７１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。ここで角度αは、下記（８）式で定義される。ここで、Ｄは画素サイズである。
本実施の形態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（４）式と上記（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θの増加に伴って、光入射側にシフトするためである（図１８参照）。
入射角度がα以下の場合には、膜厚を一定（１位相分）にしたまま、レンズを単一フレネルゾーン領域で設計することができる。このとき、光は連続してレンズに入射されるので、レンズ表面での散乱ロスが低減し、集光効率は向上する。入射角度をα以上にする場合には、光路長を長くする（位相変調を大きくする）ために、膜厚をさらに大きくすればよい。
また、上記（４）、（５）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。本実施例において、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。
（実施の形態４）
図１９は、実施の形態４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７５は、光学レンズ７６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７７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、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。なお、入射角度が２０°以下の光に対しては、半導体集積回路のシュリンクによって集光効率の向上を行った。入射角度２０°以上の入射光に対しては、最大シュリンク量（最下層Ａｌ配線のズレで０．４３８μｍ）を保ったまま、レンズ構造の最適化を行った。
図２０は、入射角度４５°の入射光に対して、回路のシュリンクとレンズ構造の最適化を行った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（４）式ならびに（１）式に従ってレンズ構造を変化させることによって、光の出射角度や焦点距離の制御が可能であることを示唆している。
図２１（ａ）は、集光効率の入射角度依存性を示す図である。回路シュリンクを行っていない、入射角度θの設定が０°のレンズでは、入射角度の増加に伴って、集光効率は単調に減少している。シュリンク量の増加にしたがって、集光効率のピークは高角度側にシフトし、最大シュリンク量０．４３８μｍで、効率のピーク位置は２０°となる。最大シュリンク量を保ったまま、レンズ構造の最適化すると、ピークはさらに高角度側にシフトし、θ設定が１５°のレンズでは最大効率のピーク位置は４５°となった。
この結果を固体撮像装置全体の特性としてプロットすると図２１（ｂ）のようになる。横軸の角度は、固体撮像素子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、本発明の分布屈折率レンズでは、周辺画素においても、集光効率は８０％を保っている。図２１（ｂ）からも明らかなように、本発明の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ことがわかる。これにより、シュリンク構造と本発明のレンズを組み合わせることによって、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。
（実施の形態５）
図２２（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態５に係る１画素の基本構造を示す図である。本画素におけるレンズは、入射光に対して上記（５）式の位相変調を与えるような、複数フレネルゾーン領域の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８６、入射角α°で入射してくる光８７、入射角２α°で入射してくる光８８は、それぞれ０°入射光用分布屈折率レンズ８９、α°入射光用分布屈折率レンズ９０、２α°入射光用分布屈折率レンズ９１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。
上記実施の形態４のレンズと同様に、本実施の形態に係る分布屈折率レンズにおいても、入射角度の増加に伴って、第１フレネルゾーン領域の屈折率分布の最大値が、入射側にシフトしていく（図２３（ａ）〜（ｃ））。さらに角度を大きくすると、第２、第３フレネルゾーン領域が出現する。４５°以上の高角度で入射する光に対しても、複数フレネルゾーン領域を使用することにより、高集光効率を維持することが可能である。原理上、膜厚が１位相分であるとき、集光効率は１００％となるが、膜厚が上記（７）式からずれるときや、各フレネルゾーン領域配列の周期構造が上記（５）式を満たさないとき、効率は減少する。
図２４は、入射角度４５°の入射光に対して、レンズ構造の最適化を行った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。なお、回路のシュリンクは行っていない。入射光が、レンズによって受光素子方向へとコリメートされ、第１の配線層（遮光層）を抜けて、受光素子まで伝播していく様子が確認できる。
図２５（ａ）は、集光効率の入射角度依存性を示す図である。入射角度θの設定を０°から増加させると、集光効率のピークは高角度側にシフトし、θ設定が４０°で、集光効率のピーク位置は４０°となる。
図２５（ｂ）は、集光効率の画素位置依存性を示す図である。入射角の増加は、画素の位置が撮像装置の端方向であることを示唆している。比較として、マイクロレンズ構造を有する固体撮像装置のデータを併記する。なお、この構造では半導体集積回路のシュリンクを行っていない。図２５（ｂ）からも明らかなように、複数フレネルゾーン領域を持つレンズを有する固体撮像装置では、シュリンクを行っていないにもかかわらず、入射角度２０°以上の高角度領域において、マイクロレンズ以上の集光効率を得ることに成功している。この結果は、シュリンクフリーで、集光効率が画素位置に依存しない高感度の撮像装置が作製できることを示唆している。
（実施の形態６）
図２６は、実施の形態６に係るＳＶＧＡ対応（４８万画素）の固体撮像素子の基本構造を示す図である。各画素（サイズ□２．８μｍ）は、分布屈折率レンズ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２７は、分布屈折率レンズの上面図である。屈折率は、面内方向において、高屈折率領域１０［ＧｅＯ２（ｎ＝１．６５）］
から低屈折率領域１１［ＳｉＯ２（ｎ＝１．４５）］まで連続的に変化している。屈折率が連続的に分布しているため、レンズ表面での散乱ロスがなくなり、集光効率が大きく改善される。本実施の形態における屈折率分布は、上記（４）式に従い単一フレネルゾーン領域とした。また、膜厚は１μｍである。
図２８（ａ）〜（ｅ）は、本実施の形態に係る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、イオン注入によって行った。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、信号伝送部からなる半導体集積回路４２（図２８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１．１μｍ角である。その後に、スパッタ装置を用いて、ＳｉＯ２膜４３を形成し、その上にレジスト４４を塗布する。その後、電子線露光４５によって、パターニングを行う（図２８（ａ））。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（図２８（ｂ））、マスクとして金属（今回はＡｕを用いた）を電子線蒸着４６する（図２８（ｃ））。レジストを除去した後、１８０ｋｅＶの加速電圧でＧｅイオンの注入を行う（図２８（ｄ））。レジストを除去した後、６００℃でポストベークを行うことにより、画素上に連続的に屈折率分布したレンズが形成できる（図２８（ｅ））。
（実施の形態７）
図２９は、実施の形態７におけるＶＧＡ対応（３１万画素）の固体撮像素子の基本構造を示す図である。各画素（サイズ□２．８μｍ）は、分布屈折率レンズ１０１、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３０は、本実施の形態に係る分布屈折率レンズの上面図を示す。本構造のレンズは、面内方向に入射の対象となる光の波長と同程度か、もしくは小さい直径を有する光透過材料が、異なる屈折率を有する光透過膜の中、もしくは上に不均一に分散している構造である。このとき、光が感じる有効屈折率は高屈折率材料１０３と低屈折率材料１０２の体積比によって算出できる。本構造の最大の特長は、隣り合う高低屈折率材料の間隔を変化させることによって、有効屈折率を変化させ、分布屈折率素子を容易に形成できることである。本実施例では、一辺が０．２μｍ以下の高屈折率材料１０３［ＴｉＯ２（ｎ＝２．５３）］が低屈折率材料１０２［ＳｉＯ２（ｎ＝１．４５）］の中に分散している構造を用いた。
図３１（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態に係る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、電子線描画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、信号伝送部からなる半導体集積回路４２（図３１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１．１μｍ角である。その後に、スパッタ装置を用いて、ＳｉＯ２膜４３を形成し、その上にレジスト４４を塗布する。その後、電子線露光４５によって、パターニングを行う（図３１（ａ））。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３１（ｂ））。なお、上記実施の形態２のレンズは、レジストを露光し、現像した段階で作製工程を完了したレンズである。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３１（ｃ））。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、８００度でポストベークを行う（図３１（ｄ））。以上の工程を経て、画素上に光屈折率材料が不均一に分散している屈折率分布レンズが形成できる。
上記実施の形態１から７では、上記（４）、（５）式で与えられる位相変調を、光透過膜の面内方向における屈折率分布によって実現しているが、もちろん法線方向の膜厚分布によって実現しても良い。
（実施の形態８）
図３２は、実施の形態８として、上記（４）、（６）式から得られる膜厚分布レンズの断面図である。位相変調は単一フレネルゾーン領域であるため、光は連続してレンズに入射され、表面での散乱ロスは非常に小さく、集光効率は向上する。より高角度入射に強いレンズを形成するためには、光の入射側の膜厚を上記（４）、（６）式に従って、増加すればよい。
（実施の形態９）
図３３は、実施の形態９として、上記（５）、（６）式から得られる膜厚分布レンズの断面図である。位相変調は複数フレネルゾーン領域であるため、単一フレネルゾーン領域のレンズに比べてより、高角度入射の光に対応できる。また、膜厚は入射光の１位相分で一定であるため、固体撮像素子への搭載が容易となる。
膜厚分布レンズにおいては、サイズが大きいレンズの場合は、機械研磨等による形成が可能である。しかしながら、直径が数十μｍ以下のマイクロレンズともなると、非常に微細な構造であり、リフローで自己組織化的に形成されるため、球面形状の制御が非常に困難でとなる。そのため、微細な膜厚分布レンズを形成するためには、表面を連続ではなく、不連続にする必要がある。
（実施の形態１０）
図３４は、実施の形態１０として、光透過膜の面内方向において、膜厚が離散的かつ不均一に変化している膜厚分布レンズを示す図である。レンズ表面を、入射の対象となる光の波長と同程度か、もしくは小さい段差を持つ階段構造で形成することによって、不連続な膜厚分布は集光効率にほとんど影響を与えなくなる。段差の大きさが０．１μｍである本実施例の膜厚分布レンズ（直径３μｍ）の集光効率は８０％と非常に高い値であった。微小レンズの形成は、上記実施の形態１から５で示したナノインプリント技術や、上記実施の形態７で示した電子線描画技術を用いることによって、容易に行うことができる。
（実施の形態１１）
図３５は、実施の形態１１として、本発明における光透過膜の偏向成分のみを用いた固体撮像素子を示す。各画素（サイズ□２．８μｍ）は、分布屈折率レンズ１０８、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、層内レンズ１０９から構成されている。
図３６（ａ）は、分布屈折率レンズの上面図である。屈折率は、面内方向において、高屈折率領域１１０［ＧｅＯ２（ｎ＝１．６５）］から低屈折率領域１１１１［ＳｉＯ２（ｎ＝１．４５）］まで連続的に変化している。本実施の形態における屈折率分布は、上記（２）式で示される位相変調を与えるように設計している。上記（２）式の成分はｘの１次関数であるため、屈折率の変化は線形となり、光の入射側の屈折率が高くなる。本実施の形態では、単一フレネルゾーン領域としたがもちろん複数フレネルゾーン領域を利用しても良い。また、同様の位相変調は膜厚分布によっても実現可能である。
なお、実施の形態１、３〜７、１１では、ＣＣＤを用いているが、ＭＯＳセンサを用いてももちろんよい。また、説明を行った分布屈折率レンズならびに膜厚分布レンズと同じ特性をもつ、他の材料によって形成された分布屈折率レンズならびに膜厚分布レンズを用いてももちろんよい。また、説明を行った以外の製造方法を用いて分布屈折率レンズならびに膜厚分布レンズを製造してももちろんよい。
本発明に係る集光素子および固体撮像装置は、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、カメラ付携帯電話などに利用が可能であり、性能向上や低価格化も実現できるため、産業上有用である。
本発明は、ディジタルカメラ等に使用される集光素子および固体撮像装置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、固体撮像素子に対する要望は高感度化／高画素化など変化してきたが、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、固体撮像素子に入射する光は広角（固体撮像素子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。
固体撮像素子の感度は、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１０５に垂直に入射した光１０６（破線で示した光）は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のいずれかのカラーフィルタ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。比較的高い集光効率が得られることから、マイクロレンズ１０５は、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、特許文献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に開示されている技術には、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、レンズに垂直に入射してくる光１０６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１０７（実線で示した光）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１０７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の画素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、電気配線部分を内側方向にずらす（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、集光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。
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）に対応した固体撮像装置等を実現するため、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等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、本発明は、入射光を集光する集光素子であって、前記入射光が入射する基板と、前記基板上の前記入射光が入射する位置に形成された、光透過膜の集合体とを備え、前記光透過膜は、前記入射光の波長と同程度か、それより短い幅のゾーン形状を有し、前記ゾーン形状は、偏心させた中心対称形状であり、前記光透過膜の集合体が実効屈折率分布を生じることを特徴とする。
これにより、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を実現することができる。
さらに、前記光学素子の屈折率分布を制御することにより、特定の角度で入射する光の出射角度を制御できる偏向素子や、入射光を任意の位置で集光できる集光素子の形成が可能となる。
前記光透過膜において、入力対象とする光の波長によって、もしくは、入力対象とする色の代表波長によって、前記光透過膜の位相変調が異なる。これにより、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となり、色による集光効率の違いを無くすことができる。
また、前記光透過膜において、入力対象とする光の焦点距離の設定によって、前記光透過膜の位相変調が異なる。これにより、入射光の焦点距離が可変となり、各画素構造に適したレンズ設計が可能となる
もしくは、最も光強度の強い入射光成分の入射角度によって、前記光透過膜の位相変調が異なり、入射光の入射角度によって各画素のレンズ構造を最適化することが可能となり、入射角度の増加に伴う集光効率の低下を無くすことができる。
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、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、
をほぼ満たすことが望ましい。これにより、第1フレネルゾーン領域のみで集光でき、集光ロスの少ない、高効率な集光が可能となる。
また、前記光透過膜による位相変調Φ(x)が、
ｍ＝自然数
をほぼ満たすことが望ましい。これにより、複数フレネルゾーン領域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に対する差をΔn(x)とするとき、
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。
また、前記分布屈折率レンズにおいて、
をほぼ満たすことが望ましい。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。
前記光透過膜の膜厚の最大値をLmax、膜厚分布をL(x)とするとき、
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、高集光効率な膜厚分布レンズを形成できる。
また、前記膜厚分布レンズにおいて、
をほぼ満たすことが望ましい。これにより、前記膜厚分布レンズの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。
前記分布屈折率レンズにおいて、膜厚が均一であることからプロセスが容易になり、製造コストを低減させることができる。
また、前記分布屈折率レンズにおいて、膜厚を不均一にすることにより、第1フレネルゾーン領域のみを使用でき、集光効率が向上する。
また、前記分布屈折率レンズにおいて、面内方向の線幅が、入射の対象となる光の波長と同程度か、もしくは小さい一定の値で分割された複数の分割領域ごとに、前記線幅に対して線幅の合計の占める割合が互いに異なる、同心形状を有する構造を考案した。この手法を用いれば、同心円の線幅を変化させることによって、有効屈折率を変化させ、分布屈折率素子を容易に形成できる。
このとき、光透過膜の断面形状が矩形であることが望ましい。これにより、より鋭い屈折率変化が生じ、集光が高まる。
また、前記分布屈折率レンズにおいて、面内方向に入射の対象となる光の波長と同程度か、もしくは小さい直径を有する光透過材料が不均一に分散している構造を考案した。この手法を用いれば、隣り合う前記光透過材料の間隔を変化させることによって、有効屈折率を変化させ、分布屈折率素子を容易に形成できる。
また、前記光透過膜において、面内方向に連続的かつ不均一に屈折率または膜厚が変化している構造を考案した。これにより、入射光の位相は連続的に変化することから、集光率が向上する。
また、前記膜厚分布レンズにおいて、面内方向に離散的かつ不均一に膜厚が変化している構造を考案した。この手法を用いることにより、高い集光効率を維持したまま、プロセスが容易になる。
さらに、前記光透過膜は、屈折率が１．４５以上３．４以下の高屈折透明材料からなることを特徴とする。
さらに、前記光透過膜は、ＴiＯ2、ＺrＯ2、Ｎb2Ｏ5、Ｔa2Ｏ5、Ａl2Ｏ3、ＨfＯ2、Ｓi3Ｎ4およびＳi2Ｎ3の中のいずれかを含むことを特徴とする。これらは高屈折率材料であるため、光透過膜の膜厚を薄くでき、製造プロセスが容易になる。
また、前記光透過膜は、ＢまたはＰが添加されたＳiＯ2（ＢＰＳＧ(Boro-Phospho Silicated Glass)）およびＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane）の中のいずれかを含むことを特徴とする。これらは従来の半導体プロセスで一般的に使用されている材料であるので、集光素子の容易な形成が可能であり、製造コストを低減させることができる。
また、前記光透過膜は、ベンゾシクロブテン、ポリメタクリル酸メチル、ポリアミドおよびポリイミドの中のいずれかを含むことを特徴とする。樹脂は直接加工でき、ナノインプリントで直接集光素子を形成できるため、量産性が高まる。
また、単位画素が複数設置された固体撮像装置であって、入射光を集光する本発明に係る集光素子と、前記集光素子で集光された光を入射し、電荷に変換する受光素子とを備えることを特徴とする。これにより、マイクロレンズを用いることなく、画素の集光効率を向上させることができる。従って、高解像度、高感度な固体撮像装置を実現できる。
さらに、前記集光素子は、対応する画素領域の全域に形成されていることを特徴とする。これにより、光の入射面が画素領域全体となり、集光ロスが低減する。
さらに、少なくとも、前記入射光のうち第１の色光用の第１の単位画素と、前記第１の色光の代表波長とは異なる代表波長を有する第２の色光用の第２の単位画素とを備え、前記第１の単位画素は、第１の集光素子を備え、前記第２の単位画素は、前記第２の色光の焦点距離が前記第１の集光素子の前記第１の色光の焦点距離と等しい第２の集光素子を備えることを特徴とする。これにより、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となり、色による集光効率の違いを無くすことができる。
さらに、前記焦点距離は、前記光透過膜の屈折率分布を制御することにより、所定の値に設定されていることを特徴とする。これにより、入射光の焦点距離が可変となり、各画素構造に適したレンズ設計が可能となる。
さらに、前記集光素子は、前記光透過膜の屈折率分布を制御することにより、最も光強度の大きい入射角度を有する光の前記受光素子における集光効率が所定値以上になるように設定されていることを特徴とする。これにより、入射光の入射角度によって各画素のレンズ構造を最適化することが可能となり、入射角度の増加に伴う集光効率の低下を無くすことができる。
さらに、前記単位画素は、前記集光素子の出射面側に、前記受光素子の上部を開口部とする配線層を備え、前記集光素子で集光された光の焦点が、前記配線層の前記開口部の位置と一致していることを特徴とする。これにより受光面を最大限に使用でき、集光効率が高くなる。
さらに、前記単位画素において、前記偏向素子または前記集光素子の出射側に集光レンズを備えていることを特徴とする。これにより、画素内での集光ロスが低減し、前記偏向素子または前記集光素子の設計が容易となる。
さらに、前記複数の単位画素が、2次元状に配列されていることを特徴とする。これにより、感度の高い二次元画像入力装置が実現できる。
さらに、前記複数の単位画素が形成された面の中央に位置する前記単位画素の集光素子と、周辺に位置し、前記中央に位置する単位画素と同一の色用の単位画素の集光素子では、前記光透過膜の屈折率分布が異なっていることを特徴とする。これにより、固体撮像装置上の画素の位置によって、レンズ構造を最適化することが可能となり、固体撮像装置のシュリンク構造を緩和させることができる。また、集光素子の製造方法が容易となり、集光素子全体の感度も向上する。
さらに、前記複数の単位画素が形成された面の中央に位置する前記単位画素では、前記受光素子の中心軸と前記集光素子の中心軸が一致するように形成され、周辺に位置する前記単位画素では、前記受光素子の中心軸より前記集光素子の中心軸が前記面の中央寄りに形成されていることを特徴とする。これにより、低度のシュリンク構造をとることができ、周辺画素の集光効率がより向上する。
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できる。
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。
（実施の形態１）
図５は、本実施の形態に係る固体撮像素子の基本構造を示す図である。各画素（サイズ□２．８μｍ）は、分布屈折率レンズ（「光透過膜の集合体」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、分布屈折率レンズの上面図を示す図である。
分布屈折率レンズ１における同心円構造は、高屈折率材料３３［ＴiＯ2（ｎ＝２．５３）］と低屈折率材料３４［空気（ｎ＝１．０）］で構成されており、複数の隣り合う分割領域の幅３５は、例えば一定の２００ｎｍである。また、膜厚ｔは０．５μｍである。
図６示されるように、各光透過膜はゾーン形状を有し、偏心された中心対称形状であり、所定の線幅を有している。図６における同心状の高屈折率光透過材料３３や同心状の低屈折率光透過材料３４は、それぞれ１つのゾーンを形成する。したがって、分布屈折率レンズ１は、複数のゾーンの集合体でもある。なお、ゾーンの幅を「線幅」ということとする。
ここで、「分割領域」とは、入射光の波長と同程度、もしくはそれ以下の任意の幅で同心状に分割した領域をいう。
図７は、分布屈折率レンズの断面構造を示す図である。同心円の各光透過膜（即ち、ゾーン）の線幅は円中心部分が最も大きく、外側のリングになるに従って、線幅は順に小さくなっていく。各ゾーンの幅が入射光の波長と同程度か波長より小さいときには、光が感じる有効屈折率は、分割領域における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、線幅を変えるだけで、屈折率分布を自由自在に制御できることである。
このときの屈折率の変化は図８のように表され、非対称である。レンズの屈折率は、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。つまり、図５に示す入射光９のように、一定の方向から入射される光に対する屈折率分布が、分布屈折率レンズ１の中心に対して非対称である。
図８において実線で示した放物線は、波長λ（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。

ここで、Δｎ(x)は、入射側媒質とレンズ材料との屈折率差（今回は１．５３）、Φ(x)は、光透過膜によって生じる位相変調であり、画素中央からの距離ｘの２次関数で定義される。
本実施の形態では、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。図９（ａ）〜（ｃ）は、光の伝播方向を説明するための概念図を示す。
本実施の形態に係る光透過膜１９は、特定の角度で入射した光を任意の位置で集光させるための集光素子であるが、大きく分けて２つの成分に区別できる。一つは、特定の角度１６で入射する光９を任意の角度１７で出射する偏向成分であり、もう一つは、任意の焦点距離で光を集める集光成分である。このような偏向成分と集光成分を生じさせるためには、次のような設計が必要となる。
図１０は、光透過膜に対して斜め入射する光２０４、２０５をＺ軸上で集光させるための条件を示している。
位相の異なる入射光２０４と２０５を焦点距離２０８で集光させるためには、入射光２０４と入射光２０５の間に光路長差２０６と光路長差２０７が必要である。このとき、光路長差２０６は、光を偏向させるための光路長差であり、光路長差２０７は、集光させるために必要な光路長差である。入射光の波数をｋ0、光が集まる焦点距離をｆ、光の入射角度をθ、レンズ厚みをLmax、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、偏向成分による位相変調ΦＡ、と集光成分による位相変調ΦＢは、



で表される。このとき、光透過膜によって生じる全位相変調Φ(x)は、
または、
となる。このとき、図１１に示すように、上記（４）式で示される位相変調２６は、フレネルゾーン領域の区切りがなく、連続して位相が変化する。これに対して、（５）式で示される位相変調は、第１フレネルゾーン領域２７だけでなく、第２フレネルゾーン領域２８、第３フレネルゾーン領域２９のように、（４）式を２πで分割して得られる位相変調となる。１位相毎にフレネルゾーン領域を区別しているため、実効的な位相変調は（４）式と（５）式で等しくなる。
上記（１）式では、屈折率分布によって入射光に位相変調を与えているが、次の（６）式で表される膜厚分布Ｌ(x)を有する光透過膜を形成してもよい。
また、複数フレネルゾーン領域を有する光透過膜を形成するときの、各フレネルゾーン領域境界での位相差を２πとするための条件は、
である。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（７）式を満たしていれば、集光効率は１００％となる。
（実施の形態２）
図１２（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る実施の形態２における、同心円構造を有する分布屈折率レンズの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。この分布屈折率レンズは、溶融石英基板上に、電子線（ＥＢ）描画用レジスト（ＺＥＰ５２０：屈折率１．５６）と空気の屈折率差を利用した分布屈折率レンズをＥＢ描画によって形成した。作製手法の詳細は後述する。レンズ径は２．８μｍ、レンズ厚は１μｍ、分割領域の幅は０．２μｍである。屈折率分布は、上記（５）式に従い、焦点距離は５μｍ、入射光の波長を０．５５μｍ、入射側媒質の屈折率を１．４５（溶融石英）、出射側媒質の屈折率を１（空気）として設計した。
図１２（ａ）は、入射角度設定値が０°（θ＝０°）の分布屈折率レンズの上面ＳＥＭ写真を示す。真円の同心円（図１２（ａ））が複数個配列している様子が確認できる。入射角度設定値を５°(図１２(ｂ))、１０°図１２（ｃ））と増加するに従って、同心円が紙面右側方向にシフトしている。これは有効屈折率の高い領域が右側にシフトしていくことを意味している。
図１３（ａ）〜（ｃ）は、レンズ表面に垂直な方向に光を入射した場合の、集光スポットの光学顕微鏡写真（透過測定）を示す。この場合の光源の中心波長は０．５５μｍである。設定角度の増加に伴って、集光スポットが紙面右側（有効屈折率の高い方向）へとシフトしていく様子が確認できる。この中心からのずれは、本実施例の分布屈折率レンズが有する偏向成分によって生じている。
図１４は、光を斜め入射（図１４（ａ））又は垂直入射（図１４（ｂ））した場合の焦点位置の変化を示す。角度で入射した光９を画素中央で集光するように設計されているレンズ（図１４（ａ））に、光を垂直入射すると集光スポットは、画素中央からf×tanだけシフトした位置に現れる（図１４（ｂ））。このとき、中央からのシフト量を測定することによって、作製したレンズが何度対応のレンズであるかを評価することができる。今回作製した５°、１０°対応のレンズの実験値は５．２°、１１．１°であり、非常に精度良く形成できていることがわかる。
図１５（ａ）〜（ｄ）は、入射窓領域が円形の場合と四角の場合との比較を示す。入射窓領域が円形の場合（図１５（ａ））は、図１５（ｂ）に示すようにレンズとレンズの間に隙間ができるため、集光スポット６２のほかに漏れ光６３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し、隣のレンズと共有する領域についても本屈折率分布を形成させると（図１５（ｃ））、図１５（ｄ）に示すように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、上記の集光ロス６３を低減することができる。
図１６（ａ）〜（ｄ）は、分布屈折率レンズの作製工程を示す。レンズ形成は、ナノインプリンティング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、信号伝送部からなる半導体集積回路８（上記図９では描いていない）とカラーフィルタ２を形成する。１画素のサイズは、２．８μｍ角であり、受光部は１．１μｍ角である。その後に、プラズマＣＶＤを用いて、ＴiＯ2膜３７を形成し、その上にレジスト３６を塗布する（図１６(ａ)）。ＴiＯ2膜とレジストの厚みはそれぞれ、０．５μｍ と０．５μｍである。同心円構造をパターニングしてあるＳiＣ製のモールド（金型）３８を、レジストに１５０℃で加熱プレスすることによって、微細構造をレジスト上に転写する（図１６(ｂ)）。モールドは、通常の電子線ビームリソグラフィーとエッチングによって形成したものである。その後、１８０℃でポストベークを行った後、Ａrイオンミリングによって、第１段階のエッチング３９を行う（図１６(ｃ)）。レジストを除去した後、ウェットエッチング４０によって画素上に同心円構造を形成する（図１６(ｄ)）。
これ以降で説明する実施形態３〜５におけるレンズは、前記ナノプリンティング法によって形成しており、ＴiＯ2と空気の屈折率差を利用した分布屈折率レンズである。
（実施の形態３）
図１７（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態３に係る１画素の基本構造を示す図である。本画素に係るレンズは、入射光に対して上記（４）式の位相変調を与えるような、単一フレネルゾーン領域の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６６、入射角α/２°で入射してくる光６７、入射角α°で入射してくる光６８は、それぞれ０°入射光用分布屈折率レンズ６９、α/２°入射光用分布屈折率レンズ７０、α°入射光用分布屈折率レンズ７１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。ここで角度αは、下記（８）式で定義される。ここで、Ｄは画素サイズである。
本実施の形態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（４）式と上記（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θの増加に伴って、光入射側にシフトするためである（図１８参照）。
入射角度がα以下の場合には、膜厚を一定（１位相分）にしたまま、レンズを単一フレネルゾーン領域で設計することができる。このとき、光は連続してレンズに入射されるので、レンズ表面での散乱ロスが低減し、集光効率は向上する。入射角度をα以上にする場合には、光路長を長くする（位相変調を大きくする）ために、膜厚をさらに大きくすればよい。
また、上記（４）、（５）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。本実施例において、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。
（実施の形態４）
図１９は、実施の形態４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７５は、光学レンズ７６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７７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、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。なお、入射角度が２０°以下の光に対しては、半導体集積回路のシュリンクによって集光効率の向上を行った。入射角度２０°以上の入射光に対しては、最大シュリンク量（最下層Ａl配線のズレで０．４３８μｍ）を保ったまま、レンズ構造の最適化を行った。
図２０は、入射角度４５°の入射光に対して、回路のシュリンクとレンズ構造の最適化を行った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（４）式ならびに（１）式に従ってレンズ構造を変化させることによって、光の出射角度や焦点距離の制御が可能であることを示唆している。
図２１（ａ）は、集光効率の入射角度依存性を示す図である。回路シュリンクを行っていない、入射角度θの設定が０°のレンズでは、入射角度の増加に伴って、集光効率は単調に減少している。シュリンク量の増加にしたがって、集光効率のピークは高角度側にシフトし、最大シュリンク量０．４３８μｍで、効率のピーク位置は２０°となる。最大シュリンク量を保ったまま、レンズ構造の最適化すると、ピークはさらに高角度側にシフトし、θ設定が１５°のレンズでは最大効率のピーク位置は４５°となった。
この結果を固体撮像装置全体の特性としてプロットすると図２１（ｂ）のようになる。横軸の角度は、固体撮像素子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、本発明の分布屈折率レンズでは、周辺画素においても、集光効率は８０％を保っている。図２１（ｂ）からも明らかなように、本発明の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ことがわかる。これにより、シュリンク構造と本発明のレンズを組み合わせることによって、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。
（実施の形態５）
図２２（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態５に係る１画素の基本構造を示す図である。本画素におけるレンズは、入射光に対して上記（５）式の位相変調を与えるような、複数フレネルゾーン領域の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８６、入射角α°で入射してくる光８７、入射角２α°で入射してくる光８８は、それぞれ０°入射光用分布屈折率レンズ８９、α°入射光用分布屈折率レンズ９０、２α°入射光用分布屈折率レンズ９１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。
上記実施の形態４のレンズと同様に、本実施の形態に係る分布屈折率レンズにおいても、入射角度の増加に伴って、第１フレネルゾーン領域の屈折率分布の最大値が、入射側にシフトしていく（図２３（ａ）〜（ｃ））。さらに角度を大きくすると、第２、第３フレネルゾーン領域が出現する。４５°以上の高角度で入射する光に対しても、複数フレネルゾーン領域を使用することにより、高集光効率を維持することが可能である。原理上、膜厚が１位相分であるとき、集光効率は１００％となるが、膜厚が上記（７）式からずれるときや、各フレネルゾーン領域配列の周期構造が上記（５）式を満たさないとき、効率は減少する。
図２４は、入射角度４５°の入射光に対して、レンズ構造の最適化を行った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。なお、回路のシュリンクは行っていない。入射光が、レンズによって受光素子方向へとコリメートされ、第１の配線層（遮光層）を抜けて、受光素子まで伝播していく様子が確認できる。
図２５（ａ）は、集光効率の入射角度依存性を示す図である。入射角度θの設定を０°から増加させると、集光効率のピークは高角度側にシフトし、θ設定が４０°で、集光効率のピーク位置は４０°となる。
図２５（ｂ）は、集光効率の画素位置依存性を示す図である。入射角の増加は、画素の位置が撮像装置の端方向であることを示唆している。比較として、マイクロレンズ構造を有する固体撮像装置のデータを併記する。なお、この構造では半導体集積回路のシュリンクを行っていない。図２５（ｂ）からも明らかなように、複数フレネルゾーン領域を持つレンズを有する固体撮像装置では、シュリンクを行っていないにもかかわらず、入射角度２０°以上の高角度領域において、マイクロレンズ以上の集光効率を得ることに成功している。この結果は、シュリンクフリーで、集光効率が画素位置に依存しない高感度の撮像装置が作製できることを示唆している。
（実施の形態６）
図２６は、実施の形態６に係るＳＶＧＡ対応（４８万画素）の固体撮像素子の基本構造を示す図である。各画素（サイズ□２．８μｍ）は、分布屈折率レンズ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２７は、分布屈折率レンズの上面図である。屈折率は、面内方向において、高屈折率領域１０[Ｇe０2(ｎ＝１．６５)]
から低屈折率領域１１[Ｓi０2(ｎ＝１．４５)]まで連続的に変化している。屈折率が連続的に分布しているため、レンズ表面での散乱ロスがなくなり、集光効率が大きく改善される。本実施の形態における屈折率分布は、上記（４）式に従い単一フレネルゾーン領域とした。また、膜厚は１μｍである。
図２８（ａ）〜（ｅ）は、本実施の形態に係る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、イオン注入によって行った。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、信号伝送部からなる半導体集積回路４２（図２８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１.１μｍ角である。その後に、スパッタ装置を用いて、Ｓi０2膜４３を形成し、その上にレジスト４４を塗布する。その後、電子線露光４５によって、パターニングを行う（図２８（ａ））。Ｓi０2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（図２８(ｂ)）、マスクとして金属（今回はＡuを用いた）を電子線蒸着４６する（図２８(ｃ)）。レジストを除去した後、１８０ｋｅＶの加速電圧でＧeイオンの注入を行う（図２８(ｄ)）。レジストを除去した後、６００℃でポストベークを行うことにより、画素上に連続的に屈折率分布したレンズが形成できる（図２８(ｅ)）。
（実施の形態７）
図２９は、実施の形態７におけるＶＧＡ対応（３１万画素）の固体撮像素子の基本構造を示す図である。各画素（サイズ□２．８μｍ）は、分布屈折率レンズ１０１、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３０は、本実施の形態に係る分布屈折率レンズの上面図を示す。本構造のレンズは、面内方向に入射の対象となる光の波長と同程度か、もしくは小さい直径を有する光透過材料が、異なる屈折率を有する光透過膜の中、もしくは上に不均一に分散している構造である。このとき、光が感じる有効屈折率は高屈折率材料１０３と低屈折率材料１０２の体積比によって算出できる。本構造の最大の特長は、隣り合う高低屈折率材料の間隔を変化させることによって、有効屈折率を変化させ、分布屈折率素子を容易に形成できることである。本実施例では、一辺が０．２μｍ以下の高屈折率材料１０３[Ｔi０2(ｎ＝２．５３)]が低屈折率材料１０２[Ｓi０2(ｎ＝１．４５)]の中に分散している構造を用いた。
図３１（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態に係る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、電子線描画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、信号伝送部からなる半導体集積回路４２（図３１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１．１μｍ角である。その後に、スパッタ装置を用いて、ＳiＯ2膜４３を形成し、その上にレジスト４４を塗布する。その後、電子線露光４５によって、パターニングを行う（図３１(ａ)）。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３１(ｂ)）。なお、上記実施の形態２のレンズは、レジストを露光し、現像した段階で作製工程を完了したレンズである。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３１(ｃ)）。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、８００度でポストベークを行う（図３１(ｄ)）。以上の工程を経て、画素上に光屈折率材料が不均一に分散している屈折率分布レンズが形成できる。
上記実施の形態１から７では、上記（４）、（５）式で与えられる位相変調を、光透過膜の面内方向における屈折率分布によって実現しているが、もちろん法線方向の膜厚分布によって実現しても良い。
（実施の形態８）
図３２は、実施の形態８として、上記（４）、（６）式から得られる膜厚分布レンズの断面図である。位相変調は単一フレネルゾーン領域であるため、光は連続してレンズに入射され、表面での散乱ロスは非常に小さく、集光効率は向上する。より高角度入射に強いレンズを形成するためには、光の入射側の膜厚を上記（４）、（６）式に従って、増加すればよい。
（実施の形態９）
図３３は、実施の形態９として、上記（５）、（６）式から得られる膜厚分布レンズの断面図である。位相変調は複数フレネルゾーン領域であるため、単一フレネルゾーン領域のレンズに比べてより、高角度入射の光に対応できる。また、膜厚は入射光の１位相分で一定であるため、固体撮像素子への搭載が容易となる。
膜厚分布レンズにおいては、サイズが大きいレンズの場合は、機械研磨等による形成が可能である。しかしながら、直径が数十μｍ以下のマイクロレンズともなると、非常に微細な構造であり、リフローで自己組織化的に形成されるため、球面形状の制御が非常に困難でとなる。そのため、微細な膜厚分布レンズを形成するためには、表面を連続ではなく、不連続にする必要がある。
（実施の形態１０）
図３４は、実施の形態１０として、光透過膜の面内方向において、膜厚が離散的かつ不均一に変化している膜厚分布レンズを示す図である。レンズ表面を、入射の対象となる光の波長と同程度か、もしくは小さい段差を持つ階段構造で形成することによって、不連続な膜厚分布は集光効率にほとんど影響を与えなくなる。段差の大きさが０．１μｍである本実施例の膜厚分布レンズ（直径３μｍ）の集光効率は８０％と非常に高い値であった。微小レンズの形成は、上記実施の形態１から５で示したナノインプリント技術や、上記実施の形態７で示した電子線描画技術を用いることによって、容易に行うことができる。
（実施の形態１１）
図３５は、実施の形態１１として、本発明における光透過膜の偏向成分のみを用いた固体撮像素子を示す。各画素（サイズ□２．８μｍ）は、分布屈折率レンズ１０８、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、層内レンズ１０９から構成されている。
図３６（ａ）は、分布屈折率レンズの上面図である。屈折率は、面内方向において、高屈折率領域１１０[ＧeＯ2(ｎ＝１．６５)]から低屈折率領域１１１１[ＳiＯ2(ｎ＝１．４５)]まで連続的に変化している。本実施の形態における屈折率分布は、上記（２）式で示される位相変調を与えるように設計している。上記（２）式の成分はxの１次関数であるため、屈折率の変化は線形となり、光の入射側の屈折率が高くなる。本実施の形態では、単一フレネルゾーン領域としたがもちろん複数フレネルゾーン領域を利用しても良い。また、同様の位相変調は膜厚分布によっても実現可能である。
なお、実施の形態１、３〜７、１１では、ＣＣＤを用いているが、ＭＯＳセンサを用いてももちろんよい。また、説明を行った分布屈折率レンズならびに膜厚分布レンズと同じ特性をもつ、他の材料によって形成された分布屈折率レンズならびに膜厚分布レンズを用いてももちろんよい。また、説明を行った以外の製造方法を用いて分布屈折率レンズならびに膜厚分布レンズを製造してももちろんよい。
本発明に係る集光素子および固体撮像装置は、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、カメラ付携帯電話などに利用が可能であり、性能向上や低価格化も実現できるため、産業上有用である。
図１は、従来に係る固体撮像装置の基本構造の一例を示す図である。 図２は、従来に係る周辺の画素の構造例を示す図である。 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効率の入射角度依存性を示す図である。 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５は、実施の形態１に係る個体撮像素子の基本構造を示す図である。 図６は、実施の形態１に係る分布屈折率レンズの上面図を示す図である。 図７は、実施の形態１に係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に係るレンズの屈折率分布を示す図である。 図９は、（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１において、光の伝播方向を説明するための概念図である。 図１０は、実施の形態１において、光透過膜に対して斜め入射する光をＺ軸上で集光させるための条件を示す図である。 図１１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１２は、（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態２に係る同心円構造を有する分布屈折率レンズの走査型電子顕微鏡写真である。 図１３は、（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態２に係るレンズ表面に垂直な方向に光を入射した場合の集光スポットの光学顕微鏡写真である。 図１４は、（ａ）、（ｂ）は、実施の形態２において、光を斜め入射もしくは垂直入射した場合の焦点位置の変化を示す図である。 図１５は、（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態２における入射窓領域が円形の場合と四角の場合との比較を示す図である。 図１６は、（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態３〜５に係る分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。 図１７は、（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態３に係る１画素の基本構造を示す図である。 図１８は、（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態３に係るレンズの屈折率分布を示す図である。 図１９は、実施の形態４に係る固体撮像装置における画素配列の様子を示す図である。 図２０は、実施の形態４に係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。 図２１は、（ａ）、（ｂ）は、実施の形態４に係る固体撮像装置の集光効率を示す図である。 図２２は、（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態５に係る１画素の基本構造を示す図である。 図２３は、（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態５に係るレンズの屈折率分布を示す図である。 図２４は、実施の形態５に係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。 図２５は、（ａ）、（ｂ）は、実施の形態５に係る固体撮像装置の集光効率を示す図である。 図２６は、実施の形態６に係る１画素の基本構造を示す図である。 図２７は、実施の形態６に係る分布屈折率レンズの上面構造を示す図である。 図２８は、（ａ）〜（ｅ）は、実施の形態６に係る分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。 図２９は、実施の形態７に係る１画素の基本構造を示す図である。 図３０は、実施の形態７に係る分布屈折率レンズの上面構造を示す図である。 図３１は、（ａ）〜（ｅ）は、実施の形態７に係る分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。 図３２は、実施の形態８に係る膜厚分布レンズの断面構造を示す図である。 図３３は、実施の形態９に係る膜厚分布レンズの断面構造を示す図である。 図３４は、実施の形態１０に係る膜厚分布レンズの断面構造を示す図である。 図３５は、実施の形態１１に係る１画素の基本構造を示す図である。 図３６は、（ａ）、（ｂ）は、実施の形態１１に係るレンズの上面構造ならびに屈折率分布を示す図である。
符号の説明
１ 分布屈折率レンズ（同心円構造）
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（前記２〜７によって構成）
９ 入射光
１０ 高屈折率領域 ［ＧeＯ2（ｎ＝１．６５）］
１１ 低屈折率領域 ［ＳiＯ2（ｎ＝１．４５）］
１６ 入射角
１７ 出射角
１９ 分布屈折率レンズ
１０１ 分布屈折率レンズ（同心円構造型）
１０２ 低屈折率材料 ［空気（ｎ＝１．０）］
１０３ 高屈折率材料 ［ＴiＯ2（ｎ＝１．６５）］
１０４ 入射光（斜め入射）
１０５ マイクロレンズ
１０６ 入射光（垂直入射）
１０７ 入射光（斜め入射）
１０８ 分布屈折率レンズ（偏向成分のみ）
１０９ 層内レンズ
１１２ 階段形状膜厚分布レンズ
２０ 受光部分
２１ 画素
２６ 位相変調
２７ 第１ゾーン
２８ 第２ゾーン
２９ 第３ゾーン
２０１ 出射側領域（屈折率ｎ1）
２０２ レンズ領域（屈折率ｎ0＋Δｎ（ｘ））
２０３ 入射側領域（屈折率ｎ1）
２０４ 入射光１
２０５ 入射光２
２０６ 光路長差１（偏向成分）
２０７ 光路長差２（集光成分）
２０８ 焦点距離
３３ 高屈折率材料（ＴiＯ2）
３４ 低屈折率材料（空気）
３５ 隣り合う分割領域の幅
３６ レジスト
３７ ＴiＯ2
３８ 金型
３９ Ａｒイオンミリング
４０ ウェットエッチング
４２ 半導体集積回路（前記２〜７によって構成）
４３ ＳiＯ2
４４ レジスト
４５ 電子線描画
４６ 電子線蒸着
４７ Ａu
４８ イオン注入
４８１ Ｇe
４９ 膜厚分布レンズ（第一ゾーン使用）
５０ 膜厚分布レンズ（複数ゾーン使用）
５７ １画素
５８ 入射光（垂直入射）
５９ 焦点位置のシフト（ｆ×ｔａｎｑ）
６２ 集光スポット
６３ 漏れ光
６６ 入射光（０°入射）
６７ 入射光（α／２°入射）
６８ 入射光（α°入射）
６９ ０°入射光用分布屈折率レンズ
７０ α／２°入射光用分布屈折率レンズ
７１ α°入射光用分布屈折率レンズ
７５ 入射光
７６ 光学レンズ
７７ 固体撮像装置
７８ 装置中央部の入射光
７９ 装置中央部画素用分布屈折率レンズ
８０ 装置周辺部の入射光
８１ 装置周辺部画素用分布屈折率レンズ
８６ 入射光（０°入射）
８７ 入射光（低角度入射）
８８ 入射光（高角度入射）
８９ ０°入射光用分布屈折率レンズ
９０ 低角度入射光用分布屈折率レンズ
９１ 高角度入射光用分布屈折率レンズ

Claims (15)

  1. 入射光を集光する集光素子であって、
    前記入射光が入射する基板と、前記基板上の前記入射光が入射する位置に形成された、光透過膜の集合体とを備え、前記光透過膜は、前記入射光の波長と同程度か、それより短い幅のゾーン形状を有し、前記ゾーン形状は、偏心させた中心対称形状であり、前記光透過膜の集合体が実効屈折率分布を生じる
    ことを特徴とする集光素子。
  2. 前記光透過膜は、当該光透過膜の面心に対して、非対称な角度で入射した光を前記光透過膜の面心で集光する
    ことを特徴とする請求項１記載の集光素子。
  3. 前記入射光の入射角度をθとし、所定の定数をＡ及びＢとした場合において、面内方向の距離ｘに依存する、前記入射光の位相変化量Φ（ｘ）が、
    Φ（ｘ）＝Ａｘ２＋Ｂｘｓｉｎθ＋２ｍπ（ｍ：自然数）
    をほぼ満たす
    ことを特徴とする請求項１記載の集光素子。
  4. 前記光透過膜と光入射側媒質との屈折率差をΔｎｍａｘ、位置ｘにおける前記光透過膜と前記光入射側媒質との屈折率差をΔｎ（ｘ）とするとき、
    Δｎ（ｘ）＝Δｎｍａｘ［Φ（ｘ）／２π＋Ｃ］（Ｃ：定数）
    を満たす
    ことを特徴とする請求項１記載の集光素子。
  5. 前記光透過膜の法線方向の高さが一定である
    ことを特徴とする請求項１記載の集光素子。
  6. 前記光透過膜は、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉ２Ｎ３の中のいずれかを含む
    ことを特徴とする請求項１記載の集光素子。
  7. 前記光透過膜は、ＢまたはＰが添加されたＳｉＯ２（ＢＰＳＧ）およびＴＥＯＳの中のいずれかを含む
    ことを特徴とする請求項１記載の集光素子。
  8. 前記光透過膜は、ベンゾシクロブテン、ポリメタクリル酸メチル、ポリアミドおよびポリイミドの中のいずれかを含む
    ことを特徴とする請求項１記載の集光素子。
  9. 入射光を集光する集光素子を備える単位画素が複数設置された固体撮像装置であって、
    前記集光素子は、
    前記入射光が入射する基板と、前記基板上の前記入射光が入射する位置に形成された、光透過膜の集合体とを備え、前記光透過膜は、前記入射光の波長と同程度か、それより短い幅のゾーン形状を有し、前記ゾーン形状は、偏心させた中心対称形状であり、前記光透過膜の集合体が実効屈折率分布を生じる
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  10. 単位画素の前記集光素子は、
    隣接する他の単位画素の集光素子と共有する領域においても、偏心された前記光透過膜が形成されている
    ことを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
  11. 前記固体撮像装置は、
    少なくとも、前記入射する光のうち第１の色光用の第１の単位画素と、
    前記第１の色光の代表波長とは異なる代表波長を有する第２の色光用の第２の単位画素とを備え、
    前記第１の単位画素は、第１の集光素子を備え、
    前記第２の単位画素は、前記第２の色光の焦点距離が前記第１の集光素子の前記第１の色光の焦点距離と等しい第２の集光素子を備える
    ことを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
  12. 前記焦点位置は、
    前記光透過膜の屈折率分布を制御することにより、所定の位置に設定されている
    ことを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
  13. 前記単位画素は、さらに、
    前記集光素子の出射側に集光レンズを備えている
    ことを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
  14. 前記複数の単位画素が形成された面の中央に位置する前記単位画素の集光素子と、前記面の周辺に位置する単位画素の集光素子では、前記光透過膜の屈折率分布が異なっている
    ことを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
  15. 前記固体撮像装置は、さらに、
    中央に位置する前記単位画素では、前記受光素子の中心軸と前記集光素子の中心軸が一致するように形成され、周辺に位置する前記単位画素では、前記受光素子の中心軸より前記集光素子の中心軸が前記面の中央寄りに形成されている
    ことを特徴とする請求項９記載の固体撮像装置。
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