KR101923740B1 - 고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 제조 방법, 및 전자 기기 - Google Patents

고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 제조 방법, 및 전자 기기 Download PDF

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Abstract

본 기술은, 사용 환경에 의하지 않고서 고화질로의 촬상이 가능한 복안계의 고체 촬상 장치를 제공할 수 있는 고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 제조 방법, 및 전자 기기에 관한 것이다. 2차원 배열된 광전 변환부(21)와, 각 광전 변환부(21)에 대응하여 광전 변환부(21)의 상방에 2차원 배열된 온 칩 렌즈(27a)와, 온 칩 렌즈(27a)중의 복수마다 대향 배치된 마이크로 렌즈(10a)와, 온 칩 렌즈(27a)와 마이크로 렌즈(10a)와의 사이에 끼워져 지지된 제 1 중간층(29) 및 제 2 중간층(31)으로 이루어지는 투명 재료층을 구비한 고체 촬상 장치이다.

Description

고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 제조 방법, 및 전자 기기{SOLID-STATE IMAGE PICKUP DEVICE, METHOD FOR MANUFACTURING SOLID-STATE IMAGE PICKUP DEVICE, AND ELECTRONIC APPARATUS}
본 개시는, 고체 촬상 장치, 고체 촬상 장치의 제조 방법, 및 전자 기기에 관한 것으로, 특히 복수의 온 칩 렌즈마다 대향시켜서 하나의 마이크로 렌즈가 배치된 복안계(複眼系)의 고체 촬상 장치와 그 제조 방법, 및 이 고체 촬상 장치를 이용한 전자 기기에 관한 것이다.
고체 촬상 장치는, 기판의 한 주면측에 2차원 배열된 복수의 광전 변환부를 구비하고 있다. 각 광전 변환부의 상방에는, 각각의 광전 변환부에 대응한 온 칩 렌즈가 배치되어 있다. 또한 근래, 예를 들면 2×2 또는 3×3 등으로 배치된 복수의 온 칩 렌즈마다 대향시켜서 하나의 마이크로 렌즈를 배치한 복안계의 고체 촬상 장치(이른바 Light Field Camera)가 제안되어 있다. 복안계의 고체 촬상 장치에서는, 광전 변환부로부터 얻어지는 촬상 데이터로서, 광의 강도 분포에 더하여 그 광의 진행 방향의 정보를 얻을 수 있다. 이 때문에, 얻어진 촬상 데이터에 소정의 화상 처리를 시행함에 의해, 예를 들면 임의의 시야(視野)에서의 화상(시차(視差) 화상)이나 임의의 초점에서의 화상(리포커스 화상)을 생성할 수 있다. 이 밖에도, 인테그럴 방식이라고 불리는 표시 수법을 이용한 3차원 디스플레이에의 응용도 가능하다.
이와 같은 복안계의 고체 촬상 장치에서는, 각 마이크로 렌즈의 초점면에 온 칩 렌즈가 배치되도록, 온 칩 렌즈가 마련된 기판상에 공간을 통하여 마이크로 렌즈가 마련되어 있다(예를 들면 하기 특허 문헌 1, 2 참조). 이 공간은, 예를 들면 온 칩 렌즈가 마련된 기판(촬상 유닛)과 마이크로 렌즈를 배열하여 이루어지는 마이크로 렌즈 어레이와의 사이에, 마이크로 렌즈에 대응하는 복수의 개구부를 갖는 차광 블록을 마련하여 구성되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본국 특개2002-171430호 공보 특허 문헌 2 : 일본국 특개2010-67624호 공보
그런데 이와 같은 구성의 복안계의 고체 촬상 장치에서는, 마이크로 렌즈 어레이와 촬상 유닛이 공간부를 통하여 배치되어 있다. 이 때문에, 예를 들면 고온 또는 고온 고습의 사용 환경하에어서, 마이크로 렌즈 어레이와 촬상 유닛과의 사이의 열팽창 계수차에 의해, 광축 어긋남 등이 발생하여, 셰이딩 및 화질 얼룩 등의 화질 열화가 일어난다.
그래서 본 개시는, 마이크로 렌즈 어레이와 촬상 유닛과의 사이의 광축 어긋남에 기인하는 화질 열화를 억제하는 것이 가능하고, 이에 의해 사용 환경에 의하지 않고서 고화질로의 촬상이 가능한 복안계의 고체 촬상 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 개시는, 이와 같은 고체 촬상 장치의 제조 방법, 및 이 고체 촬상 장치를 이용한 전자 기기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 개시된 고체 촬상 장치는, 2차원 배열된 광전 변환부와, 각 광전 변환부에 대응하여 당해 각 광전 변환부의 상방에 2차원 배열된 온 칩 렌즈와, 복수의 온 칩 렌즈마다 대향 배치된 마이크로 렌즈를 구비하고 있다. 그리고 특히, 온 칩 렌즈와 마이크로 렌즈와의 사이에 끼워져 지지된 투명 재료층을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
이와 같은 구성의 고체 촬상 장치에서는, 온 칩 렌즈와 마이크로 렌즈와의 사이에 투명 재료층을 끼워져 지지시킴에 의해, 광전 변환부로부터 마이크로 렌즈까지가 공간부를 통하는 일 없이 일체화된다. 이에 의해, 고온 고습의 사용 환경하에서도, 온 칩 렌즈와 마이크로 렌즈와의 사이에, 열팽창 계수차에 의한 광축 어긋남이 발생하기 어렵게 된다.
또한 본 개시는 이와 같은 고체 촬상 장치의 제조 방법이기도 하고, 온 칩 렌즈와 마이크로 렌즈와의 사이에 끼워져 지지된 투명 재료층을, 광전 변환부 및 온 칩 렌즈가 형성된 기판상, 또는 마이크로 렌즈가 형성된 기판상에 형성하는 공정을 포함한다.
또한 본 개시는, 이와 같은 고체 촬상 장치를 이용한 전자 기기이기도 하고, 고체 촬상 장치의 마이크로 렌즈에 입사광을 유도하는 광학계와, 고체 촬상 장치의 광전 변환부로부터의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 구비하고 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 개시에 의하면, 온 칩 렌즈와 이 상부의 마이크로 렌즈와의 사이의 열팽창 계수차에 의한 광축 어긋남이 발생하기 어렵게 되기 때문에, 사용 환경에 의하지 않고서 복안계의 고체 촬상 장치에서의 촬상 화질의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 개시를 적용하여 얻어지는 고체 촬상 장치에서의 주요부의 개략 구성도.
도 2는 제 1 실시 형태의 고체 촬상 장치의 주요부 단면도.
도 3은 온 칩 렌즈와 제 1 중간층과의 굴절률차와 초점 거리와의 관계를 도시하는 그래프.
도 4는 제 1 실시 형태의 고체 촬상 장치의 제조 공정도(제조 공정도 1).
도 5는 제 1 실시 형태의 고체 촬상 장치의 제조 공정도(제조 공정도 2).
도 6은 제 2 실시 형태의 고체 촬상 장치의 주요부 단면도.
도 7은 제 2 실시 형태의 고체 촬상 장치의 제조 공정도(제조 공정도 1).
도 8은 제 2 실시 형태의 고체 촬상 장치의 제조 공정도(제조 공정도 2).
도 9는 제 3 실시 형태의 고체 촬상 장치의 주요부 단면도.
도 10은 제 3 실시 형태의 고체 촬상 장치의 제조 공정도(제조 공정도 1).
도 11은 제 3 실시 형태의 고체 촬상 장치의 제조 공정도(제조 공정도 2).
도 12는 본 개시된 전자 기기의 구성도.
이하 본 개시된 실시의 형태를 도면에 의거하여, 다음에 도시하는 순서로 실시의 형태를 설명한다.
1. 본 개시된 고체 촬상 장치의 개략 구성례
2.제 1 실시 형태(볼록형의 온 칩 렌즈 + 볼록형의 마이크로 렌즈를 이용한 예)
3. 제 2 실시 형태(볼록형의 온 칩 렌즈 + 오목형의 마이크로 렌즈를 이용한 예)
4. 제 3 실시 형태(오목형의 온 칩 렌즈 + 오목형의 마이크로 렌즈를 이용한 예)
5. 제 4 실시 형태(전자 기기의 실시 형태)
그리고, 각 실시 형태 및 변형례에 있어서 공통의 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 생략한다.
≪1. 고체 촬상 장치의 개략 구성례≫
도 1에, 본 개시된 각 실시 형태의 제조 방법을 적용하여 제작되는 고체 촬상 장치의 한 예로서, MOS형의 고체 촬상 장치의 개략 구성을 도시한다.
이 도면에 도시하는 고체 촬상 장치(1)는, 기판(2)의 일면상에 광전 변환부를 포함하는 복수의 화소(3)가 규칙적으로 2차원적으로 배열된 화소 영역을 갖고 있다. 각 화소(3)에는, 광전 변환부와, 전하 축적부와, 복수의 트랜지스터(이른바 MOS 트랜지스터) 및 용량 소자 등으로 구성된 화소 회로가 마련되어 있다. 또한, 복수의 화소로 화소 회로의 일부를 공유하고 있는 경우도 있다.
이상과 같은 화소 영역의 주변 부분에는, 수직 구동 회로(4), 칼럼 신호 처리 회로(5), 수평 구동 회로(6), 및 시스템 제어 회로(7) 등의 주변 회로가 마련되어 있다.
수직 구동 회로(4)는, 예를 들면 시프트 레지스터에 의해 구성되고, 화소 구동선(8)을 선택하고, 선택된 화소 구동선(8)에 화소를 구동하기 위한 펄스를 공급하고, 화소 영역에 배열된 화소(3)를 행 단위로 구동한다. 즉, 수직 구동 회로(4)는, 화소 영역에 배열된 각 화소(3)를 행 단위로 순차적으로 수직 방향으로 선택 주사한다. 그리고, 화소 구동선(8)에 대해 수직으로 배선된 수직 신호선(9)을 통하여, 각 화소(3)에서 수광량에 응하여 생성한 신호 전하에 의거한 화소 신호를 칼럼 신호 처리 회로(5)에 공급한다.
칼럼 신호 처리 회로(5)는, 화소(3)의 예를 들면 열마다 배치되어 있고, 1행분의 화소(3)로부터 출력되는 신호를 화소열마다 노이즈 제거 등의 신호 처리를 행한다. 즉 칼럼 신호 처리 회로(5)는, 화소 고유의 고정 패턴 노이즈를 제거하기 위한 상관 이중 샘플링(CDS : Correlated Double sampling)이나, 신호 증폭, 아날로그/디지털 변환(AD : Analog/Digital Conversion) 등의 신호 처리를 행한다.
수평 구동 회로(6)는, 예를 들면 시프트 레지스터에 의해 구성되고, 수평 주사 펄스를 순차적으로 출력함에 의해, 칼럼 신호 처리 회로(5)의 각각을 순번대로 선택하고, 칼럼 신호 처리 회로(5)의 각각으로부터 화소 신호를 출력시킨다.
시스템 제어 회로(7)는, 입력 클록과, 동작 모드 등을 지령하는 데이터를 수취하고, 또한 고체 촬상 장치(1)의 내부 정보 등의 데이터를 출력한다. 즉, 시스템 제어 회로(7)에서는, 수직 동기 신호, 수평 동기 신호 및 마스터 클록에 의거하여, 수직 구동 회로(4), 칼럼 신호 처리 회로(5), 및 수평 구동 회로(6) 등의 동작의 기준이 되는 클록 신호나 제어 신호를 생성한다. 그리고, 이들의 신호를 수직 구동 회로(4), 칼럼 신호 처리 회로(5), 및 수평 구동 회로(6) 등에 입력한다.
이상과 같은각 주변 회로(4 내지 7)와, 각 화소(3)에 마련된 화소 회로로서, 각 화소를 구동하는 구동 회로가 구성되어 있다. 또한, 주변 회로(4 내지 7)는, 화소 영역에 적층된 위치에 배치되어 있어도 좋다.
이상의 구성에서, 화소(3)의 상부에는, 복수의 화소(3)마다 하나의 마이크로 렌즈(10)을 마련함에 의해, 복안계의 고체 촬상 장치(1)가 구성되어 있다. 여기서는 한 예로서, 3×3으로 배열된 9개의 화소(3)마다, 하나의 마이크로 렌즈(10)가 마련된 예를 도시하고 있다.
≪2.제 1 실시 형태(볼록형의 온 칩 렌즈 + 볼록형의 마이크로 렌즈를 이용한 예)≫
[제 1 실시 형태의 고체 촬상 장치의 구성]
도 2는, 제 1 실시 형태의 고체 촬상 장치(1a)의 주요부 단면도이다. 이 도면에 도시하는 고체 촬상 장치는, 이른바 복안계의 고체 촬상 장치(Light Field Camera)로서, 이하와 같이 구성되어 있다.
복안계의 고체 촬상 장치(1a)는, 예를 들면 단결정 실리콘으로 이루어지는 기판(2)의 한 주면측을 수광면으로 하고, 수광면측의 표면층에는, 불순물 영역으로 이루어지는 광전 변환부(21)가 2차원적으로 배열 형성되어 있다. 이 광전 변환부(21)는, 화소(3)마다 마련되어 있다. 이와 같은 기판(2)의 수광면상에는, 보호 절연막(23)을 통하여 컬러 필터층(25)이 마련되어 있다. 이 컬러 필터층(25)은, 화소(3)마다 패터닝된 각 색 컬러 필터에 의해 구성되어 있다.
이상까지의 구성은, 통상의 고체 촬상 장치와 같으면 좋고, 각 화소(3)에 배치되는 각 부재의 구성이 한정되는 일은 없다. 즉, 광전 변환부(21)는, 도시한 바와 같이 기판(2)에서의 수광면측이 되는 한 주면측에만 마련되든지, 또는 한 주면측부터 다른 주면측에 걸쳐서 마련되어 있어도 좋다. 또한 기판(2)에는, 필요에 응하여 여기서의 도시를 생략한 소자 분리나 플로팅 디퓨전 등의 다른 불순물 영역이 배치되어 있는 것으로 한다. 또한, 광전 변환부(21)를 포함하는 불순물 영역이 마련된 기판(2)상에는, 여기서의 도시를 생략한 게이트 절연막이나 게이트 전극 등이 배치되어 있어도 좋다. 이 경우, 게이트 절연막이나 게이트 전극을 덮는 상태로, 보호 절연막(23)이 배치되어 있는 것으로 한다. 또한, 게이트 절연막이나 게이트 전극을 포함하는 화소 회로는, 기판(2)에서의 수광면과는 반대측의 면에 배치되어 있어도 좋다.
이와 같은 컬러 필터층(25)상에, 본 개시에 특징적인 각 층이 마련되어 있다. 즉, 컬러 필터층(25)상에는, (A) 온 칩 렌즈(27a), (B) 제 1 중간층(29), (C) 제 2 중간층(31), 및 (D) 마이크로 렌즈(10a)가 이 순서로 마련되어 있다. 이하, 기판(2)측부터 차례로상세한 구성을 설명한다.
(A) 온 칩 렌즈(27a)는, 각 화소(3) 및 각 광전 변환부(21)에 대응하여 배치되어 있고, 여기서는 예를 들면 광 입사 방향에 대해 볼록하게 되는 볼록형의 렌즈인 것으로 한다. 이와 같은 온 칩 렌즈(27a)는, 광전 변환부(21)에서 광전 변환하는 파장의 광에 대해 투과성을 갖는 재료(이하, 투명 재료라고 기재한다)로 구성되고, 굴절률(n0)의 재료로 구성되어 있는 것으로 한다. 또한, 각 광전 변환부(21)상에는 복수개의 온 칩 렌즈가 적층되어 있는 경우도 있지만, 여기서의 온 칩 렌즈(27a)는 최상층의 온 칩 렌즈인 것으로 한다.
여기서 온 칩 렌즈(27a)를 구성하는 재료는, 다음의 제 1 중간층(29)에서 설명하는 바와 같이, 제 1 중간층(29)과의 굴절률차가 큰 재료가 사용되는 것이 바람직하다. 특히 여기서는 온 칩 렌즈(27a)가 볼록형의 렌즈이기 때문에, 투명 재료중에서도 굴절률이 큰 재료가 사용되는 것으로 한다. 여기서는 한 예로서, 질화 실리콘(굴절률(n0)=1.9)을 사용하여 온 칩 렌즈(27a)가 구성되어 있는 것으로 한다. 또한 이와 같은 볼록형의 온 칩 렌즈(27a)를 구성하는 재료로서는, 질화 실리콘 외에, 질화산화 실리콘(굴절률(n0)=1.85), 산화 티탄 분산 폴리실록산 수지(굴절률(n0)=1.8), 산화 티탄 분산 아크릴 수지(굴절률(n0)=1.8) 등이 예시된다. 또한, 굴절률(n0) 및 이하에서 나타내는 굴절률은, 촬상 파장인 가시광의 중심 부근의 파장(λ)=550㎚에 대한 굴절률인 것으로 한다.
(B) 제 1 중간층(29)은, 투명 재료층으로서 마련된 층이고, 온 칩 렌즈(27a)의 렌즈 형상을 매입하여 표면 평탄하게 형성되어 있다. 이 제 1 중간층(29)은, 온 칩 렌즈(27a)에 의한 광전 변환부(21)에의 집광 특성을 유지할 수 있을 정도로, 온 칩 렌즈(27a)의 굴절률(n0)과의 차가 충분히 큰 굴절률(n1)의 재료로 구성되어 있을 것이 중요하다. 여기서는, 온 칩 렌즈(27a)가 볼록형의 렌즈이기 때문에, 투명 재료중에서도 굴절률이 작은 재료를 사용하여 제 1 중간층(29)이 형성되고, 온 칩 렌즈(27a)의 굴절률(n0)과 제 1 중간층(29)의 굴절률(n1)은 n1<n0이다. 또한, 제 1 중간층(29)은, 온 칩 렌즈(27a)의 렌즈 형상이 매입되고, 표면 평탄하게 형성될 정도의 막두께면 좋고, 이후에 설명할 마이크로 렌즈(10a)의 초점 거리를 고려할 필요는 없다.
하기 표 1에는, 온 칩 렌즈(27a)의 굴절률(n0)과 제 1 중간층(29)의 굴절률(n1)과의 굴절률차(a)(|n0-n1|), 및 온 칩 렌즈(27a)의 초점 거리(b)를 나타낸다. 또한 제 1 중간층(29)을 대기(굴절률(n)=1.0)로 치환한 경우의 온 칩 렌즈(27a)의 초점 거리를 기준치=0로 한 경우의 초점 거리차(c)를 나타낸다. 또한 도 3은, 상기 굴절률차(a)와 초점 거리차(c)와의 관계를 도시하는 그래프이다. 또한, 온 칩 렌즈(27a)는, 질화 실리콘(굴절률(n0)=1.9)을 이용하여 구성되고, 화소 사이즈 1.4㎛에 적용하여 형성하는 것이고, 제 1 중간층(29)의 굴절률(n1)을 변화시킴에 의해 얻은 그래프이다.
[표 1]
Figure 112012075346383-pct00001
상기 표 1 및 그래프에 도시하는 바와 같이, 각 온 칩 렌즈(27a)는, 광의 입사 방향에 인접하여 배치되는 제 1 중간층(29)과의 굴절률차가 작아지면, 초점 거리가 커진다. 온 칩 렌즈(27a)의 초점 거리가 길어지면, 온 칩 렌즈(27a) - 광전 변환부(21) 사이의 거리를 크게 할 필요가 있기 때문에 경사광 입사 감도의 악화 등이 상정된다. 이 때문에, 온 칩 렌즈(27a)에는, 제 1 중간층(29)을 대기와 치환한 경우와 같은 정도로 작은 초점 거리가 요구되고, 굴절률차|n0-n1|≥0.4가 되도록, 제 1 중간층(29)을 구성하는 재료가 선택된다. 보다 바람직하게는, 온 칩 렌즈(27a)의 초점 거리가 화소(3)의 사이즈보다도 작아지는 것으로 한다.
이상과 같은 제 1 중간층(29)을 구성하는 재료의 선택에 즈음하여서는, 제 1 중간층(29)의 막두께(t1)의 후막화를 고려할 필요는 없다. 구체적으로는, 온 칩 렌즈(27a)가 질화 실리콘(굴절률(n0)=1.9)을 이용하여 구성되어 있는 경우라면, 제 1 중간층(29)은, 굴절률(n1)=1.5 이하의 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 재료로서는, 불소 함유 폴리실록산 수지(굴절률(n1)=1.42), 불소 함유 아크릴 수지(굴절률(n1)=1.42), 중공(中空) 실리카 입자 함유 폴리실록산 수지(굴절률(n1)=1.35)가 예시된다.
(C) 제 2 중간층(31)은, 투명 재료층으로서 마련된 층이고, 표면 평탄하게 형성되어 있다. 이 제 2 중간층(31)은, 마이크로 렌즈(10a)에 의한 온 칩 렌즈(27a)에의 집광 특성을 유지할 수 있을 정도의 막두께(t2)를 갖고 있을 것이 중요하다. 이 때문에, 제 2 중간층(31)의 막두께(t2)와 제 1 중간층(29)의 막두께(t1)는, t2>t1이 된다.
예를 들면, 하나의 마이크로 렌즈(10a)가 3×3화소에 대응하여 배치되고, 화소 사이즈가 1.4㎛이고, 가장 초점 거리가 짧은 반구(半球)의 렌즈 형상인 경우, 마이크로 렌즈(10a)의 초점 거리는 [1.5×(1.4㎛×3/2)/(1.5-1)]=6.3㎛이다. 따라서 이 경우의 제 2 중간층(31)의 막두께(t2)는, 마이크로 렌즈(10a)의 초점 거리 6.3㎛로부터 제 1 중간층(29)의 막두께(t1)를 뺀 값으로 설정되게 된다. 그렇지만, 예를 들면 멜트·플로법을 적용하여 마이크로 렌즈(10a)를 형성하는 경우라면, 온 칩 렌즈(27a)와 비교하여 체적이 큰 마이크로 렌즈(10a)를, 반구에 가까운 큰 곡률로 형성하는 것은 곤란하다. 이 때문에, 마이크로 렌즈(10a)의 초점 거리는, 더욱 커지는 경향에 있다. 따라서 앞의 예에서는, 반구라고 가정한 마이크로 렌즈(10a)의 초점 거리 6.3㎛로부터 제 1 중간층(29)의 막두께(t1)를 뺀 값보다도, 제 2 중간층(31)의 막두께(t2)는 더욱 크게 설정되게 된다.
이와 같은 제 2 중간층(31)을 구성하는 재료의 굴절률(n2)은, 온 칩 렌즈(27a)의 굴절률(n0), 제 1 중간층(29)의 굴절률(n1)에 대해, |n0-n1|>|n0-n2|이면 좋다. 또한, 제 1 중간층(29)과 제 2 중간층(31)과의 계면에서의 광반사를 방지하는 관점에서는, 굴절률(n1)≒ 굴절률(n2)인 것이 바람직하다.
이상과 같은 제 2 중간층(31)을 구성하는 재료로서는, 아크릴 수지(굴절률(n2)=1.5), 폴리실록산 수지(굴절률(n2)=1.5), 폴리스티렌 수지(굴절률(n2)=1.6)가 예시된다. 이들의 재료는, 예를 들면 젖산 에틸을 용제로서 사용한 경우, 이 용제중에 다량으로 용해 가능하다. 이 때문에, 성막시에 고점도의 도포 용액을 형성 가능하고, 후막으로 도포할 수 있다.
(D) 마이크로 렌즈(10a)는, 복수의 온 칩 렌즈(27a)마다 배치되어 있고, 여기서는 예를 들면 3×3으로 2차원 배열된 9화소의 온 칩 렌즈(27a)마다, 하나의 마이크로 렌즈(10a)가 배치되어 있는 것으로 한다. 이와 같은 마이크로 렌즈(10a)는, 예를 들면 광 입사 방향에 대해 볼록하게 되는 볼록형의 렌즈이고, 대기의 굴절률(n=1)과의 차가 충분히 큰 굴절률(n3)을 갖는 투명 재료로 구성되어 있는 것으로 한다. 여기서는 마이크로 렌즈(10a)가 볼록형의 렌즈이기 때문에, 대기의 굴절률(n=1)보다도 큰 굴절률(n3)을 갖는 재료가 사용된다.
또한 이와 같이 온 칩 렌즈(27a)와 비교하여 대형의 마이크로 렌즈(10a)를 구성하는 재료로서는, 가공성도 고려한 재료가 선택하여 사용된다. 이와 같은 재료로서는, 예를 들면 폴리히드록시스티렌계 레지스트 재료(굴절률(n3)=1.5), 질화 실리콘(굴절률(n3)=1.9), 아크릴계 레지스트 재료(굴절률(n3)=1.5) 등의 무기 유리계 또는 유기 투명 수지 재료계 재료가 예시된다. 마이크로 렌즈(10a)로서, 굴절률(n3)이 큰 재료를 사용할수록, 제 2 중간층(31)의 막두께(t2)가 박막화된다.
[제 1 실시 형태의 고체 촬상 장치의 제조 방법]
도 4 및 도 5는, 제 1 실시 형태의 고체 촬상 장치의 제조 순서를 도시하는 단면 공정도이다. 이하, 이들의 도면에 따라, 도 2에 도시한 제 1 실시 형태의 고체 촬상 장치의 제조 방법을 설명한다.
[도 4의 A]
우선 도 4의 A에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 단결정 실리콘으로 이루어지는 기판(2)의 한 주면측의 각 화소(3)에, 마스크상(上)부터의 이온 주입과 그 후의 열처리에 의해 불순물 영역으로 이루어지는 광전 변환부(21)를 형성한다. 또할 필요에 응하여 기판(2)의 내부에 다른 불순물 영역을 형성하고, 또한 기판(2)상에 게이트 절연막 및 게이트 전극을 형성한다. 그 후, 기판(2)상에 보호 절연막(23)을 성막한다. 이 때, 보호 절연막(23)은, 이후에 형성하는 온 칩 렌즈의 초점 거리를 고려하여, 온 칩 렌즈의 초점이 광전 변환부(21) 내에 위치하도록 조정된 막두께로 형성된다. 그 후, 보호 절연막(23) 상부에서의 각 화소(3)에, 각 색의 컬러 필터를 패턴 형성한다. 이에 의해, 보호 절연막(23)상에 컬러 필터층(25)을 형성한다.
[도 4의 B]
다음에 도 4의 B에 도시하는 바와 같이, 컬러 필터층(25)상에, 온 칩 렌즈(27a)를 형성한다. 여기서는, 앞서 설명한 바와 같이 , 질화 실리콘(굴절률(n0)=1.9)으로 이루어지는 온 칩 렌즈(27a)를 형성한다. 이 때, 우선 컬러 필터층(25)상에 질화 실리콘막을 성막하고, 이 상부의 각 화소 부분에 대응시켜서 독립한 섬형상의 레지스트 패턴을 형성한다. 다음에, 멜트·플로법을 적용하여, 열처리를 행함에 의해 레지스트 패턴을 유동시켜서, 표면장력에 의해 볼록형의 렌즈 형상으로 정형한다. 그 후, 볼록형의 렌즈 형상을 갖는 레지스트 패턴의 상부로부터, 레지스트 패턴과 함께 질화 실리콘막을 에칭하여, 레지스트 패턴의 곡면 형상을 질화 실리콘막에 전사한다. 이에 의해, 질화 실리콘으로 이루어지는 볼록형의 온 칩 렌즈(27a)를, 각 광전 변환부(21)상에 형성한다.
[도 4의 C]
뒤이어, 도 4의 C에 도시하는 바와 같이, 온 칩 렌즈(27a)의 렌즈 형상을 매입하는 상태로, 제 1 중간층(29)을 성막한다. 여기서는, 온 칩 렌즈(27a)를 구성하는 질화 실리콘에 대해, 충분한 굴절률차를 갖는 투명 재료를 사용한다. 이와 같은 재료로서, 여기서는 불소 함유 폴리실록산 수지(굴절률(n1)=1.42)을 사용하고, 스핀 코트법을 적용하여 제 1 중간층(29)을 성막한다. 이 때, 우선 용매로서 프로필렌글리콜모노메틸에텔아세테이트(PEGMEA)에 불소 함유 폴리실록산 수지를 용해시킨 용액을, 온 칩 렌즈(27a)상에 스핀 코트한다. 이 때, PEGMEA에 대한 불소 함유 폴리실록산 수지의 포화 용해량은 작고, 용액은 극히 저점도이다. 이 때문에, 온 칩 렌즈(27a)상에의 스핀 코트에 의한 용액의 도포막 두께에는 한계가 있다. 그렇지만, 여기서는 온 칩 렌즈(27a)의 렌즈 형상이 매입되고 표면 평탄하게 용액이 도포되면 좋고, 도포막 두께의 후막화가 요구되는 일은 없고, 예를 들면 온 칩 렌즈(27a)의 정부(頂部)로부터 1㎛ 정도의 도포막 두께로 용액을 도포한다. 또한, 이와 같은 포화 용해량이 작은 용액을 이용한 스핀 코트법에서는, 용액이 극히 저점도이기 때문에, 온 칩 렌즈(27a)의 매입성이 양호하게 되고, 보이드 기인(起因)에 의한 화질 결함이 적은 양호한 화질을 제공할 수 있다.
그 후, 예를 들면 120℃, 1분의 열처리를 행함에 의해, 온 칩 렌즈(27a)상에 도포한 용액중의 용매를 건조 제거하고, 계속해서 230℃, 5분의 열처리를 행함에 의해 불소 함유 폴리실록산 수지를 충분히 경화시킨다. 이에 의해, 온 칩 렌즈(27a)의 렌즈 형상이 매입되고, 표면 평탄하게 정형된 불소 함유 폴리실록산 수지로 이루어지는 제 1 중간층(29)을 성막한다. 이 제 1 중간층(29)은, 온 칩 렌즈(27a)의 정부로부터 1㎛ 이하의 막두께(t1)가 된다.
[도 4의 D]
다음에, 도 4의 D에 도시하는 바와 같이, 제 1 중간층(29)상에 제 2 중간층(31)을 성막한다. 여기서는, 어느 정도의 후막으로 성막 가능한 투명 재료를 사용하여 제 2 중간층(31)을 성막한다. 이와 같은 재료로서, 여기서는 아크릴 수지(굴절률(n2)=1.50)을 사용하여, 스핀 코트법을 적용하여 제 2 중간층(31)을 성막한다. 이 때, 우선 용매로서 PEGMEA에 아크릴 수지를 용해시킨 용액을, 제 1 중간층(29)상에 스핀 코트한다. 이 때, PEGMEA에 대한 아크릴 수지의 포화 용해량은, 불소 함유 폴리실록산 수지보다도 크고, 용액은 고점도이다. 따라서 스핀 코트에 의한 용액의 도포막 두께는, 후막화가 가능하다. 여기서는, 제 2 중간층(31)의 필요 막두께에 응하여, 예를 들면 도포막 두께 6.0㎛ 정도로 용액을 도포한다.
그 후, 예를 들면 120℃, 1분의 열처리를 행함에 의해 용액중의 용매를 건조 제거하고, 계속해서 230℃, 5분의 열처리를 행함에 의해 아크릴 수지를 충분히 경화시킨다. 이에 의해, 제 1 중간층(29)상에, 막두께(t2)=6㎛ 정도로 후막화된 제 2 중간층(31)을 성막한다.
또한, 제 2 중간층(31)의 형성은, 스핀 코트법의 적용으로 한정되는 일은 없고, 인쇄와 같은 다른 도포법이나, 다음의 제 2 실시 형태에서 설명하는 수지 시트의 맞붙임을 적용하여도 좋다.
[도 5의 A]
다음에 도 5의 A에 도시하는 바와 같이, 리소그래피법을 적용하여 제 2 중간층(31)상에 레지스트 패턴(35)을 형성한다. 이 레지스트 패턴(35)은, 앞서 설명한 마이크로 렌즈의 형성 위치에 대응하여 형성되고, 예를 들면 3×3으로 2차원 배열된 9개의 온 칩 렌즈(27a)마다 대응하여 독립한 섬형상으로 형성된다. 레지스트 재료로서는, 노볼락 수지계 레지스트 재료(굴절률(n3)=1.6)을 사용하여, 우선 스핀 코트법에 의해, 제 2 중간층(31)상에 미경화의 레지스트 재료를 막두께 1.5㎛ 정도로 도포 성막한다. 뒤이어 120℃, 1분의 열처리를 행함으로써 도포 성막한 레지스트막중의 용매를 건조 제거한다. 다음에, 레지스트막에 대해 i선 노광 장치를 이용한 패턴 노광을 행한다. 그 후, 패턴 노광된 레지스트막에 대해, 2.38wt%의 테트라메틸암모늄하이드라이드(TMAH)의 수용액을 사용한 현상 처리를 행함에 의해, 제 2 중간층(31)상에 레지스트 패턴(35)을 형성한다.
[도 5의 B]
다음에, 도 5의 B에 도시하는 바와 같이, 멜트·플로 및 경화를 위한 포스트익스포저 베이크 처리를 행한다. 여기서는, 예를 들면 200℃, 5분의 열처리를 행함에 의해, 레지스트 패턴(35)을 유동(流動)시켜서, 표면장력에 의해 볼록형상의 곡면 형상으로 정형함과 함께, 정형된 레지스트 패턴(35)을 경화시킨다. 이에 의해, 레지스트 패턴(35)을 렌즈 형상으로 정형하여 이루어지는 마이크로 렌즈(10a)를 형성한다.
이상에 의해, 도 2를 이용하여 설명한 제 1 실시 형태의 고체 촬상 장치(1a)를 얻을 수 있다. 또한, 마이크로 렌즈(10a)를, 질화 실리콘과 같은 무기 재료로 형성하는 경우에는, 다음의 제 2 실시 형태에서 설명한 마이크로 렌즈의 형성 방법을 적용할 수 있다.
[제 1 실시 형태의 효과]
이상 설명한 제 1 실시 형태에 의하면, 온 칩 렌즈(27a)와, 이 상부에서 복수의 온 칩 렌즈(27a)마다 대응하여 배치된 마이크로 렌즈(10a)와의 사이에, 제 1 중간층(29) 및 제 2 중간층(31)으로 이루어지는 투명 재료층을 끼워져 지지시켰다. 이에 의해, 온 칩 렌즈(27a) 아래의 광전 변환부(21)로부터 마이크로 렌즈(10a)까지가, 공간부를 통하는 일 없이 일체화된 구성으로 된다. 이 때문에, 고온 고습의 사용 환경하에서도, 온 칩 렌즈(27a)와 마이크로 렌즈(10a)와의 사이에, 열팽창 계수차에 의한 광축 어긋남이 발생하기 어렵게 된다. 이 결과, 사용 환경에 의하지 않고서, 복안계의 고체 촬상 장치에서의 촬상 화질의 향상을 도모하는 것이 가능해진다. 또한 이 고체 촬상 장치(1a)는, 공간부를 통하는 일 없이 일체화된 구조이기 때문에, 감도 특성에 우수하고, 또한 플레어 고스트가 저감된 양호한 화질을 제공하는 것이 가능하다.
또한 특히 본 제 1 실시 형태에서는, 온 칩 렌즈(27a)와 마이크로 렌즈(10a)와의 사이에 끼워져 지지시킨 투명 재료층을, 온 칩 렌즈(27a)측의 제 1 중간층(29)과, 마이크로 렌즈(10a)측의 제 2 중간층(31)과의 적층 구조로 하였다. 이에 의해, 지름이 큰 마이크로 렌즈(10a)의 초점 거리에 맞춘 후막화가 가능한 재료를 사용하여 제 2 중간층(31)을 구성하는 한편, 온 칩 렌즈(27a)의 집광 성능만을 고려한 굴절률을 갖는 재료를 사용하여 제 1 중간층(29)을 구성하는 것이 가능하다.
이 결과, 복안계의 고체 촬상 장치(1a)에서, 지름이 큰 마이크로 렌즈(10a)의 초점 거리를 확보하면서도, 온 칩 렌즈(27a) - 광전 변환부(21) 사이의 거리를 작게 하여, 인접하는 화소(3)로부터의 경사 입사광의 침입에 의한 감도의 저하를 방지하는 것이 가능해진다.
≪3. 제 2 실시 형태(볼록형의 온 칩 렌즈 + 오목형의 마이크로 렌즈를 이용한 예)≫
[제 2 실시 형태의 고체 촬상 장치의 구성]
도 6은, 제 2 실시 형태의 고체 촬상 장치(1b)의 주요부 단면도이다. 이 도면에 도시하는 복안계의 고체 촬상 장치가 제 1 실시 형태의 고체 촬상 장치와 다른 점은, 마이크로 렌즈(10b)가 오목형으로 구성되어 있는 점에 있고, 다른 구성은 마찬가지인 것으로 한다.
즉 복안계의 고체 촬상 장치(1b)는, 광전 변환부(21)상에 보호 절연막(23) 및 컬러 필터층(25)을 통하여 (A) 온 칩 렌즈(27a), (B) 제 1 중간층(29), (C) 제 2 중간층(31), 및 (D) 마이크로 렌즈(10b)가 이 순서로 마련되어 있다. 이 중, (A) 온 칩 렌즈(27a), (B) 제 1 중간층(29), 및 (C) 제 2 중간층(31)은, 제 1 실시 형태와 같은 구성이다. (D) 마이크로 렌즈(10b)의 구성은 이하와 같다.
(D) 마이크로 렌즈(10b)는, 광 입사 방향에 대해 오목하게 되는 오목형의 렌즈이고, 제 2 중간층(31)측으로 볼록하게 되어 있다. 이와 같은 마이크로 렌즈(10b)는, 제 2 중간층(31)의 굴절률(n2)과의 차가 충분히 큰 굴절률(n3)을 갖는 투명 재료로 구성되어 있는 것으로 한다. 특히 여기서는 마이크로 렌즈(10b)가 오목형의 렌즈이기 때문에, 제 2 중간층(31)의 굴절률(n2)보다도 큰 굴절률(n3)을 갖는 재료가 사용되는 것으로 한다. 이 때문에, 제 2 중간층(31)의 굴절률(n2)과 마이크로 렌즈(10b)의 굴절률(n3)은 n2<n3이다.
또한 마이크로 렌즈(10b)는, 복수의 온 칩 렌즈(27a)마다 배치되어 있는 것은, 제 1 실시 형태와 마찬가지이고, 여기서는 예를 들면 3×3으로 2차원 배열된 9화소의 온 칩 렌즈(27a)마다, 하나의 마이크로 렌즈(10b)가 배치되어 있는 것으로 한다.
이상과 같이, 제 2 중간층(31)과의 굴절률차가 크고, 또한 온 칩 렌즈(27a)와 비교하여 대형의 마이크로 렌즈(10b)를 구성하는 재료로서는, 가공성도 고려한 재료가 선택하여 사용된다. 여기서, 제 2 중간층(31)은, 아크릴 수지(굴절률(n2)=1.5), 폴리실록산 수지(굴절률(n2)=1.5), 폴리스티렌 수지(굴절률(n2)=1.6) 등으로 구성된다. 이 경우, 마이크로 렌즈(10b)를 구성하는 재료로서는, 예를 들면 질화 실리콘(굴절률(n3)=1.9), 질화산화 실리콘(굴절률(n3)=1.85) 등이 예시된다.
따라서 제 2 중간층(31)을 구성하는 재료의 굴절률(n2)은, 온 칩 렌즈(27a)의 굴절률(n0), 제 1 중간층(29)에 대해, |n0-n1|>|n0-n2|이면 좋다. 또한, 제 1 중간층(29)과 제 2 중간층(31)과의 계면에서의 광반사를 방지하는 관점에서는, 굴절률(n1)≒굴절률(n2)인 것이 바람직한 것은, 제 1 실시 형태와 마찬가지이다. 또한, 제 2 중간층(31)의 막두께(t2)와 제 1 중간층(29)의 막두께(t1)는, t2>t1이 된다.
또한, 마이크로 렌즈(10b)의 상부에는, 이후에 설명할 제조 공정에서 이용한 투명 기판(41)이 마련되어 있어도 좋다.
[제 2 실시 형태의 고체 촬상 장치의 제조 방법]
도 7 및 도 8은, 제 2 실시 형태의 고체 촬상 장치의 제조 순서를 도시하는 단면 공정도이다. 이하, 이들의 도면에 따라, 도 6에 도시한 제 2 실시 형태의 고체 촬상 장치의 제조 방법을 설명한다.
[도 7의 A]
우선 도 7의 A에 도시하는 바와 같이, 유리나 플라스틱 재료로 이루어지는 투명 기판(41)상에, 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 렌즈 재료막(43)을 성막한다. 여기서는, 예를 들면 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition)법에 의해, 질화 실리콘으로 이루어지는 렌즈 재료막(43)을 성막한다. 이 때, 한 예로서, 성막 가스로서 실란(SiH4), 암모니아(NH3), 질소(N2)의 혼합 가스종(種)을 사용하고, 분위기 온도 400℃, RF 전력 800W의 조건으로 질화 실리콘으로 이루어지는 렌즈 재료막(43)을 성막한다.
다음에, 리소그래피법을 적용하여 렌즈 재료막(43)상에 레지스트 패턴(45)을 형성한다. 이 레지스트 패턴(45)은, 앞서 설명한 마이크로 렌즈의 형성 위치에 대응하여 형성되고, 예를 들면 3×3으로 2차원 배열된 9개의 온 칩 렌즈(27a)마다 대응하여 독립한 섬형상으로 형성된다. 이와 같은 레지스트 패턴(45)의 형성 방법은, 제 1 실시 형태에서 설명한 레지스트 패턴의 형성 방법과 마찬가지이고, 이하와 같이 행한다.
레지스트 재료로서는, 예를 들면 노볼락 수지계 레지스트 재료를 사용하고, 우선 스핀 코트법에 의해, 렌즈 재료막(43)상에 미경화의 레지스트 재료를 막두께 0.5㎛ 정도로 도포 성막한다. 뒤이어 120℃, 1분의 열처리를 행함으로써 도포 성막한 레지스트막중의 용매를 건조 제거한다. 다음에, 레지스트막에 대해 i선 노광 장치를 이용한 패턴 노광을 행한다. 그 후, 패턴 노광된 레지스트막에 대해, 2.38wt%의 테트라메틸암모늄하이드라이드(TMAH)의 수용액을 사용한 현상 처리를 행함에 의해, 렌즈 재료막(43)상에 레지스트 패턴(45)을 형성한다.
[도 7의 B]
뒤이어 도 7의 B에 도시하는 바와 같이, 멜트·플로법을 적용하여, 레지스트 패턴(45)을 렌즈 형상으로 정형한다. 이 때, 예를 들면 200℃, 5분의 열처리를 행함에 의해, 레지스트 패턴(45)을 유동시켜서, 표면장력에 의해 볼록형상의 곡면 형상으로 정형함과 함께, 정형된 레지스트 패턴(45)을 경화시킨다. 이에 의해, 레지스트 패턴(45)을 렌즈 형상으로 정형한다.
[도 7의 C]
다음에 도 7의 C에 도시하는 바와 같이, 렌즈 형상으로 정형된 레지스트 패턴(45)의 상부로부터, 레지스트 패턴(45)과 함께 질화 실리콘으로 이루어지는 렌즈 재료막(43)을 에칭한다. 이 때, 에칭 가스로서 4불화 탄소(CF4)/산소(O2)의 혼합 가스를 사용하여, 바이어스 전력 150W, 소스 전력 1000W로 설정한 드라이 에칭을 행한다. 이에 의해, 레지스트 패턴(45)의 곡면 형상을 렌즈 재료막(43)에 전사하고, 렌즈 재료막(43)으로 이루어지는 마이크로 렌즈(10b)를 형성한다.
[도 7의 D]
뒤이어 도 7의 D에 도시하는 바와 같이, 마이크로 렌즈(10b)가 형성된 투명 기판(41)상에, 제 2 중간층(31)을 형성한다. 이 제 2 중간층(31)은, 다음에 형성하는 제 1 중간층과 맞추어서 마이크로 렌즈(10b)의 초점 거리를 고려한 막두께(t2)로 형성되는 것으로 한다. 여기서는, 예를 들면 수지 시트를 이용한 진공 래미네이트에 의해, 마이크로 렌즈(10b)의 상부에 제 2 중간층(31)을 맞붙인다. 이 때, 맏붙인 후에는, 질소(N2) 분위기중에서, 130℃, 5분의 열처리를 행한다. 이에 의해, 아크릴 수지(굴절률(n2)=1.5)로 이루어지는 제 2 중간층(31)이 맏붙임면에서의 보이드의 제거와, 표면 평탄화를 행한다.
또한, 제 2 중간층(31)의 형성은, 수지 시트의 맞붙임으로 한정되는 일은 없고, 예를 들면 제 1 실시 형태에서 설명한 수지 재료의 스핀 코트, 나아가서는 인쇄 등 도포법을 적용하여도 좋다.
[도 8의 A]
또한 도 8의 A에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 단결정 실리콘으로 이루어지는 기판(2)의 한 주면측에 광전 변환부(21), 보호 절연막(23), 컬러 필터층(25), 온 칩 렌즈(27a), 및 제 1 중간층(29)을 형성하여 둔다. 이들의 형성 방법은, 제 1 실시 형태에서 도 4의 A 내지 도 4의 C를 이용하여 설명한 순서와 마찬가지로 행한다.
이와 같이 제 1 중간층(29)까지가 형성된 기판(2)과, 제 2 중간층(31)까지가 형성된 투명 기판(41)을, 제 1 중간층(29)과 제 2 중간층(31)을 대향시켜서 배치한다. 이 때, 3×3화소에 배치된 9개의 온 칩 렌즈(27a)마다, 하나의 마이크로 렌즈(10b)가 대향 배치되도록 위치맞춤을 행한다.
[도 8의 B]
뒤이어 도 8의 B에 도시하는 바와 같이, 기판(2)과 투명 기판(41)을, 제 1 중간층(29) - 제 2 중간층(31) 사이에서 맞붙인다. 이 때, 110℃의 가열 조건하에서의 열접착을 행한다. 그 후, 질소(N2)분위기중에서, 130℃, 5분의 열처리를 행한다. 이에 의해 아크릴 수지 시트로 이루어지는 제 2 중간층(31)을 경화시킴과 함께, 예를 들면 불소 함유 폴리실록산 수지(굴절률(n1)=1.42)로 이루어지는 제 1 중간층(29)과의 접착을 확실하게 한다.
이상에 의해, 도 6을 이용하여 설명한 제 2 실시 형태의 고체 촬상 장치(1b)를 얻을 수 있다.
[제 2 실시 형태의 효과]
이상 설명한 제 2 실시 형태에서는, 온 칩 렌즈(27a)와, 이 상부에서 복수의 온 칩 렌즈(27a)마다 대응하여 배치된 마이크로 렌즈(10b)와의 사이에, 제 1 중간층(29) 및 제 2 중간층(31)으로 이루어지는 투명 재료층을 끼워져 지지시켰다. 이에 의해 제 1 실시 형태와 마찬가지로, 온 칩 렌즈(27a) 아래의 광전 변환부(21)로부터 마이크로 렌즈(10b)까지가, 공간부를 통하는 일 없이 일체화된 구성으로 된다. 이 때문에, 제 1 실시 형태와 마찬가지로, 고온 고습의 사용 환경하에서도, 온 칩 렌즈(27a)와 마이크로 렌즈(10b)와의 사이에, 열팽창 계수차에 의한 광축 어긋남이 발생하기 어렵게 된다. 이 결과, 사용 환경에 의하지 않고서, 복안계의 고체 촬상 장치에서의 촬상 화질의 향상을 도모하는 것이 가능해진다. 또한 이 고체 촬상 장치(1b)는, 공간부를 통하는 일 없이 일체화된 구조이기 때문에, 감도 특성에 우수하고, 또한 플레어 고스트가 저감된 양호한 화질을 제공하는 것이 가능하다.
또한 본 제 2 실시 형태에서도, 온 칩 렌즈(27a)와 마이크로 렌즈(10b)와의 사이에 끼워져 지지시킨 투명 재료층을, 온 칩 렌즈(27a)측의 제 1 중간층(29)과, 마이크로 렌즈(10b)측의 제 2 중간층(31)과의 적층 구조로 하였다. 이에 의해, 지름이 큰 마이크로 렌즈(10b)의 초점 거리에 맞춘 후막화가 가능한 재료를 사용하여 제 2 중간층(31)을 구성하는 한편, 온 칩 렌즈(27a)의 집광 성능만을 고려한 굴절률(n1)의 재료를 사용하여 제 1 중간층(29)을 구성하는 것이 가능하다.
이 결과, 복안계의 고체 촬상 장치(1b)에서, 지름이 큰 마이크로 렌즈(10b)의 초점 거리를 확보하면서도, 온 칩 렌즈(27a) - 광전 변환부(21) 사이의 거리를 작게 하여, 인접하는 화소(3)로부터의 경사 입사광의 침입에 의한 감도의 저하를 방지하는 것이 가능해진다.
≪4. 제 3 실시 형태(오목형의 온 칩 렌즈 + 오목형의 마이크로 렌즈를 이용한 예)≫
[제 3 실시 형태의 고체 촬상 장치의 구성]
도 9는, 제 3 실시 형태의 고체 촬상 장치(1c)의 주요부 단면도이다. 이 도면에 도시하는 복안계의 고체 촬상 장치가 다른 고체 촬상 장치와 다른 점은, 온 칩 렌즈(27b)가 오목형으로 구성되어 있는 점에 있다. 여기서는, 온 칩 렌즈(27b) 이외의 다른 구성은, 제 2 실시 형태와 마찬가지인 것으로 한다.
즉 복안계의 고체 촬상 장치(1c)는, 광전 변환부(21)상에 보호 절연막(23) 및 컬러 필터층(25)을 통하여 (A) 온 칩 렌즈(27b), (B) 제 1 중간층(29), (C) 제 2 중간층(31), 및 (D) 마이크로 렌즈(10b)가 이 순서로 마련되어 있다. 이 중, (B) 제 1 중간층(29), (C) 제 2 중간층(31), 및 (D) 마이크로 렌즈(10b)는, 제 2 실시 형태와 같은 구성이다. (A) 온 칩 렌즈(27b)의 구성은 이하와 같다.
(A) 온 칩 렌즈(27b)는, 광 입사 방향에 대해 오목하게 되는 오목형의 렌즈이고, 컬러 필터층(25)측으로 볼록하게 되어 있다. 이와 같은 온 칩 렌즈(27b)는, 제 1 중간층(29)의 굴절률(n1)과의 차가 충분히 큰 굴절률(n0)을 갖는 투명 재료로 구성되어 있는 것으로 한다. 특히 여기서는 온 칩 렌즈(27b)가 오목형의 렌즈이기 때문에, 온 칩 렌즈(27b)의 굴절률(n0)과 제 1 중간층(29)의 굴절률(n1)은, n0<n1이다.
여기서 제 1 중간층(29)은, 제 2 중간층(31)과 굴절률이 가까운 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 제 1 중간층(29)의 굴절률(n1)과 제 2 중간층(31)의 굴절률(n2)이 n1≒n2인 것은 다른 실시 형태와 마찬가지이다. 예를 들면, 제 1 중간층(29)으로서, 굴절률(n1)=1.5 정도의 재료를 사용한 경우, 온 칩 렌즈(27b)는, 굴절률(n0)<1.5로, 또한 |n0-n1|>|n0-n2|가 되는 재료가 사용된다. 또한, 제 2 중간층(31)의 막두께(t2)와 제 1 중간층(29)의 막두께(t1)는, t2>t1이 된다.
[제 3 실시 형태의 고체 촬상 장치의 제조 방법]
도 10 및 도 11은, 제 3 실시 형태의 고체 촬상 장치의 제조 순서를 도시하는 단면 공정도이다. 이하, 이들의 도면에 따라, 도 9에 도시한 제 3 실시 형태의 고체 촬상 장치의 제조 방법을 설명한다.
[도 10의 A]
우선 도 10의 A에 도시하는 바와 같이, 유리나 플라스틱 재료로 이루어지는 투명 기판(41)상에, 마이크로 렌즈(10b)를 형성한다. 마이크로 렌즈(10b)의 형성은, 한 예로서 제 2 실시 형태에서 도 7의 A 내지 도 7의 C를 이용하여 설명한 순서와 마찬가지로 행한다.
[도 10의 B]
우선 도 10의 B에 도시하는 바와 같이, 마이크로 렌즈(10b)가 형성된 투명 기판(41)상에, 제 2 중간층(31)을 형성한다. 이 제 2 중간층(31)은, 다음에 형성하는 제 1 중간층과 맞추어서 마이크로 렌즈(10b)의 초점 거리를 고려한 막두께(t2)로 형성되는 것으로 한다. 이와 같은 제 2 중간층(31)의 형성은, 제 1 실시 형태에서 도 4의 D를 이용하여 설명한 스핀 코트법, 또는 인쇄법과 같은 도포법, 나아가서는 제 2 실시 형태에서 도 7의 D를 이용하여 설명한 수지 시트의 맞붙임에 의해 행한다.
[도 10의 C]
우선 도 10의 C에 도시하는 바와 같이, 제 2 중간층(31)상에, 표면에 볼록 렌즈 형상을 갖는 제 1 중간층(29)을 형성한다. 여기서는 예를 들면, 예를 들어 멜트·플로법을 적용함에 의해, 레지스트 패턴을 볼록 렌즈 형상으로 형성하고, 각 볼록 렌즈 형상을 저부에서 연속시킨 제 1 중간층(29)을 형성한다. 이 때, 각 마이크로 렌즈(10b)에 대해 3×3개 분의 볼록 렌즈 형상을 형성한다.
[[도 10의 D]
그 후, 도 10의 D에 도시하는 바와 같이, 제 2 중간층(31)상에, 당해 제 2 중간층(31)의 표면에 형성한 볼록 렌즈 형상을 매입함과 함께 표면 평탄하게 렌즈 재료막을 성막함에 의해, 각 볼록 렌즈 형상을 모방한 오목 렌즈 형상을 갖는 온 칩 렌즈(27b)를 형성한다.
[도 11의 A]
또한 도 11의 A에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 단결정 실리콘으로 이루어지는 기판(2)의 한 주면측에 광전 변환부(21), 보호 절연막(23), 및 컬러 필터층(25)을 형성하여 둔다. 이들의 형성 방법은, 제 1 실시 형태에서 도 4의 A를 이용하여 설명한 순서와 마찬가지로 행한다.
이와 같이 컬러 필터층(25)까지가 형성된 기판(2)과, 온 칩 렌즈(27b)까지가 형성된 투명 기판(41)을, 컬러 필터층(25)과 온 칩 렌즈(27b)를 대향시켜서 배치한다. 이 때, 각 온 칩 렌즈(27b)와 각 광전 변환부(21)가 대향 배치되도록 위치맞춤을 행한다.
[도 11의 B]
그 후, 도 11의 B에 도시하는 바와 같이, 기판(2)과 투명 기판(41)을, 컬러 필터층(25) - 온 칩 렌즈(27b) 사이에서 맞붙인다. 이 때, 가열 조건하에서의 열접착을 행한다. 그 후, 필요에 응하여 질소(N2)분위기중에서 열처리를 행하여, 온 칩 렌즈(27b)와 컬러 필터층(25)과의 접착을 확실하게 한다.
이상에 의해, 도 9를 이용하여 설명한 제 3 실시 형태의 고체 촬상 장치(1c)를 얻을 수 있다.
[제 3 실시 형태의 효과]
이상 설명한 제 3 실시 형태에서도, 온 칩 렌즈(27b)와, 이 상부에서 복수의 온 칩 렌즈(27b)마다 대응하여 배치된 마이크로 렌즈(10b)와의 사이에, 제 1 중간층(29) 및 제 2 중간층(31)으로 이루어지는 투명 재료층을 끼워져 지지시켰다. 이에 의해 다른 실시 형태와 마찬가지로, 온 칩 렌즈(27b) 아래의 광전 변환부(21)로부터 마이크로 렌즈(10b)까지가, 공간부를 통하는 일 없이 일체화된 구성으로 된다. 이 때문에, 다른 실시 형태와 마찬가지로, 고온 고습의 사용 환경하에서도, 온 칩 렌즈(27b)와 마이크로 렌즈(10b)와의 사이에, 열팽창 계수차에 의한 광축 어긋남이 발생하기 어렵게 된다. 이 결과, 사용 환경에 의하지 않고서, 복안계의 고체 촬상 장치에서의 촬상 화질의 향상을 도모하는 것이 가능해진다. 또한 이 고체 촬상 장치(1c)는, 공간부를 통하는 일 없이 일체화된 구조이기 때문에, 감도 특성에 우수하고, 또한 플레어 고스트가 저감된 양호한 화질을 제공하는 것이 가능하다.
또한 본 제 3 실시 형태에서도, 온 칩 렌즈(27b)와 마이크로 렌즈(10b)와의 사이에 끼워져 지지시킨 투명 재료층을, 온 칩 렌즈(27b)측의 제 1 중간층(29)과, 마이크로 렌즈(10b)측의 제 2 중간층(31)과의 적층 구조로 하였다. 이에 의해, 지름이 큰 마이크로 렌즈(10b)의 초점 거리에 맞춘 후막화가 가능한 재료를 사용하여 제 2 중간층(31)을 구성하는 한편, 온 칩 렌즈(27b)의 집광 성능만을 고려한 굴절률(n1)을 갖는 재료를 사용하여 제 1 중간층(29)을 구성하는 것이 가능하다.
이 결과, 복안계의 고체 촬상 장치(1c)에서, 지름이 큰 마이크로 렌즈(10b)의 초점 거리를 확보하면서도, 온 칩 렌즈(27b) - 광전 변환부(21) 사이의 거리를 작게 하여, 인접하는 화소(3)로부터의 경사 입사광의 침입에 의한 감도의 저하를 방지하는 것이 가능해진다.
≪5. 제 4 실시 형태(전자 기기의 실시 형태)≫
상술한 각 실시 형태에서 설명한 본 개시에 관한 고체 촬상 장치는, 예를 들면 디지털 카메라나 비디오 카메라 등의 카메라 시스템이나, 촬상 기능이 있는 소형 휴대 단말이나 컴퓨터, 나아가서는 촬상 기능을 구비한 로봇 비전 등의 전자 기기에 적용할 수 있다.
도 12는, 본 개시에 관한 전자 기기의 한 예로서, 고체 촬상 장치를 이용한 카메라의 구성도를 도시한다. 본 실시 형태예에 관한 카메라는, 정지화상 또는 동화 촬영 가능한 비디오 카메라를 예로 한 것이다. 본 실시 형태예의 카메라(91)는, 고체 촬상 장치(1)와, 고체 촬상 장치(1)의 수광 센서부에 입사광을 유도하는 광학계(93)와, 셔터 장치(94)와, 고체 촬상 장치(1)를 구동하는 구동 회로(95)와, 고체 촬상 장치(1)의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로(96)를 갖는다.
고체 촬상 장치(1)에는, 상술한 각 실시 형태에서 설명한 고체 촬상 장치(1a 내지 1c)가 적용된다. 광학계(광학 렌즈)(93)는, 피사체로부터의 상광(입사광)을 고체 촬상 장치(1)의 촬상면상에 결상시킨다. 이에 의해, 고체 촬상 장치(1) 내에, 일정 기간 신호 전하가 축적된다. 광학계(93)는, 복수의 광학 렌즈로 구성된 광학 렌즈계로 하여도 좋다. 셔터 장치(94)는, 고체 촬상 장치(1)에의 광조사 기간 및 차광 기간을 제어한다. 구동 회로(95)는, 고체 촬상 장치(1)의 전송 동작 및 셔터 장치(94)의 셔터 동작을 제어하는 구동 신호를 공급한다. 구동 회로(95)로부터 공급되는 구동 신호(타이밍 신호)에 의해, 고체 촬상 장치(1)의 신호 전송을 행한다. 신호 처리 회로(96)는, 각종의 신호 처리를 행한다. 신호 처리가 행하여진 영상 신호는, 메모리 등의 기억 매체에 기억되고, 또는, 모니터에 출력된다.
이상 설명한 본 실시 형태에 관한 전자 기기에 의하면, 사용 환경에 의하지 않고서 촬상 화질의 향상이 도모된 복안계의 고체 촬상 장치(1)를 이용함에 의해, 복안계의 고체 촬상 장치를 구비한 전자 기기의 신뢰성의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.
또한, 본 기술은 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
(1)
2차원 배열된 광전 변환부와,
상기 각 광전 변환부에 대응하여 당해 광전 변환부의 상방에 2차원 배열된 온 칩 렌즈와,
상기 온 칩 렌즈중의 복수마다 대향 배치된 마이크로 렌즈와,
상기 온 칩 렌즈와 상기 마이크로 렌즈와의 사이에 끼워져 지지된 투명 재료층을 구비한 고체 촬상 장치.
(2)
상기 투명 재료층은,
상기 온 칩 렌즈를 덮고서 표면 평탄화된 제 1 중간층과,
상기 제 1 중간층과 상기 마이크로 렌즈와의 사이에 배치되는 제 2 중간층을 구비한 (1)에 기재된 고체 촬상 장치.
(3)
상기 온 칩 렌즈의 굴절률(n0), 상기 제 1 중간층의 굴절률(n1), 상기 제 2 중간층의 굴절률(n2)로 한 경우, |n0-n1|>|n0-n2|인 (2)에 기재된 고체 촬상 장치.
(4)
상기 제 2 중간층의 막두께는, 상기 제 1 중간층의 막두께보다도 두꺼운 (2) 또는 (3)에 기재된 고체 촬상 장치.
(5)
상기 온 칩 렌즈의 초점 거리는, 상기 광전 변환부가 배치된 각 화소의 사이즈보다도 작은 (1) 내지 (4)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 장치.
(6)
2차원 배열된 광전 변환부의 상부에 당해 각 광전 변환부에 대응하여 배치된 온 칩 렌즈와, 당해 온 칩 렌즈중의 복수마다 대향 배치된 마이크로 렌즈와의 사이에 끼워져 지지되는 투명 재료층을, 상기 광전 변환부 및 상기 온 칩 렌즈가 형성된 기판상, 또는 상기 마이크로 렌즈가 형성된 기판상에 형성하는 공정을 포함하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
(7)
상기 투명 재료층을 형성하는 공정은,
상기 온 칩 렌즈를 덮은 상태로 표면 평탄화된 제 1 중간층을 형성하는 공정과, 상기 제 1 중간층과 상기 마이크로 렌즈와의 사이에 배치되는 제 2 중간층을 형성하는 공정을 포함하는 (6)에 기재된 고체 촬상 장치의 제조 방법.
(8)
상기 온 칩 렌즈의 굴절률(n0), 상기 제 1 중간층의 굴절률(n1), 상기 제 2 중간층의 굴절률(n2)로 한 경우, |n0-n1|>|n0-n2|인 (7)에 기재된 고체 촬상 장치의 제조 방법.
(9)
상기 광전 변환부와 이 상부의 상기 온 칩 렌즈가 형성된 기판상에, 상기 제 1 중간층 및 상기 제 2 중간층을 이 순서로 형성하는 공정과,
상기 제 2 중간층의 상부에 상기 마이크로 렌즈를 형성하는 공정을 포함하는 (7) 또는 (8)에 기재된 고체 촬상 장치의 제조 방법.
(10)
상기 온 칩 렌즈가 형성된 기판상에, 상기 제 1 중간층을 형성하는 공정과,
상기 마이크로 렌즈가 형성된 기판상에, 상기 제 2 중간층을 형성하는 공정과,
상기 제 1 중간층과 상기 제 2 중간층을 대향시켜서 상기 2개의 기판을 맞붙이는 공정을 포함하는 (7) 또는 (8)에 기재된 고체 촬상 장치의 제조 방법.
(11)
상기 마이크로 렌즈가 형성된 기판상에, 당해 마이크로 렌즈를 덮고서 표면 평탄화된 상기 제 2 중간층을 형성하는 공정과,
상기 제 2 중간층상에 상기 온 칩 렌즈를 반전시킨 렌즈 형상을 표면에 갖는 상기 제 1 중간층을 형성하는 공정과,
상기 제 1 중간층상에, 당해 제 1 중간층의 렌즈 형상을 매입하여 표면 평탄화된 상기 온 칩 렌즈를 형성하는 공정과,
상기 광전 변환부가 형성된 기판과, 상기 온 칩 렌즈가 형성된 기판을, 당해 광전 변환부와 당해 온 칩 렌즈를 대향시켜서 맞붙이는 공정을 포함하는 (7) 또는 (8)에 기재된 고체 촬상 장치의 제조 방법.
(12)
2차원 배열된 광전 변환부와,
상기 각 광전 변환부에 대응하여 당해 광전 변환부의 상방에 2차원 배열된 온 칩 렌즈와,
상기 온 칩 렌즈중의 복수마다 대향 배치된 마이크로 렌즈와,
상기 온 칩 렌즈와 상기 마이크로 렌즈와의 사이에 끼워져 지지된 투명 재료층과,
상기 마이크로 렌즈에 입사광을 유도하는 광학계와,
상기 광전 변환부로부터의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 구비한
전자 기기.
1, 1a, 1b, 1c : 고체 촬상 장치
2 : 기판
10, 10a, 10bc : 마이크로 렌즈
21 : 광전 변환부
27, 27c : 온 칩 렌즈
29 : 제 1 중간층(투명 재료층)
31 : 제 2 중간층(투명 재료층)
41 : 투명 기판
91 : 전자 기기
93 : 광학계
96 : 신호 처리 회로
n0 : 온 칩 렌즈의 굴절률
n1 : 제 1 중간층의 굴절률
n2 : 제 2 중간층의 굴절률
t2 : 제 2 중간층의 막두께

Claims (12)

  1. 2차원 배열된 광전 변환부와, 상기 각 광전 변환부에 대응하여 당해 광전 변환부의 상방에 2차원 배열된 온 칩 렌즈와, 상기 온 칩 렌즈중의 복수마다 대향 배치된 마이크로 렌즈와, 상기 온 칩 렌즈를 덮고서 표면 평탄화된 제 1 중간층과, 상기 제 1 중간층과 상기 마이크로 렌즈와의 사이에 배치되는 제 2 중간층을 구비한 고체 촬상 장치의 제조 방법으로서,
    상기 온 칩 렌즈가 형성된 기판상에, 상기 제 1 중간층을 형성하는 공정과,
    상기 마이크로 렌즈가 형성된 기판상에, 상기 제 2 중간층을 형성하는 공정과,
    상기 제 1 중간층과 상기 제 2 중간층을 대향시켜서 상기 2개의 기판을 맞붙이는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
  2. 2차원 배열된 광전 변환부와, 상기 각 광전 변환부에 대응하여 당해 광전 변환부의 상방에 2차원 배열된 온 칩 렌즈와, 상기 온 칩 렌즈중의 복수마다 대향 배치된 마이크로 렌즈와, 상기 온 칩 렌즈를 덮고서 표면 평탄화된 제 1 중간층과, 상기 제 1 중간층과 상기 마이크로 렌즈와의 사이에 배치되는 제 2 중간층을 구비한 고체 촬상 장치의 제조 방법으로서,
    상기 마이크로 렌즈가 형성된 기판상에, 당해 마이크로 렌즈를 덮고서 표면 평탄화된 상기 제 2 중간층을 형성하는 공정과,
    상기 제 2 중간층상에 상기 온 칩 렌즈를 반전시킨 렌즈 형상을 표면에 갖는 상기 제 1 중간층을 형성하는 공정과,
    상기 제 1 중간층상에, 당해 제 1 중간층의 렌즈 형상을 매입하여 표면 평탄화된 상기 온 칩 렌즈를 형성하는 공정과,
    상기 광전 변환부가 형성된 기판과, 상기 온 칩 렌즈가 형성된 기판을, 당해 광전 변환부와 당해 온 칩 렌즈를 대향시켜서 맞붙이는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 온 칩 렌즈의 굴절률(n0), 상기 제 1 중간층의 굴절률(n1), 상기 제 2 중간층의 굴절률(n2)로 한 경우, |n0-n1|>|n0-n2|인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
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