KR20080027329A - 고체촬상소자 - Google Patents

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KR20080027329A
KR20080027329A KR1020087000230A KR20087000230A KR20080027329A KR 20080027329 A KR20080027329 A KR 20080027329A KR 1020087000230 A KR1020087000230 A KR 1020087000230A KR 20087000230 A KR20087000230 A KR 20087000230A KR 20080027329 A KR20080027329 A KR 20080027329A
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도루 다카기
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가부시키가이샤 니콘
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Abstract

본 발명의 고체촬상소자는, 반도체 기판상에 형성된 화소와, 상기 화소내에 설치되어, 빛을 전기신호로 변환하는 광전변환부와, 상기 광전변환부의 위쪽에 설치된 마이크로 렌즈를 구비하고, 상기 마이크로 렌즈는 중심으로부터 렌즈단까지의 직선 거리가 다른 평면 형상을 가지며, 상기 마이크로 렌즈는, 상기 직선 거리가 상대적으로 긴 n개소(n은 자연수)의 렌즈단 근방의 제1 저면 부위와 상기 제1 저면 부위를 포함하지 않는 제2 저면 부위를 가지며, 상기 광전변환부의 윗면으로부터의 수직 방향의 높이는 상기 제2 저면 부위보다 상기 제1 저면 부위 쪽이 낮은 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 광전변환부에 효율적으로 집광할 수 있다.

Description

고체촬상소자{SOLID-STATE IMAGING ELEMENT}
본 발명은, 마이크로 렌즈를 가진 고체촬상소자에 관한 것이다.
근래, CCD(Charge Coupled Device)형이나 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)형 등의 고체촬상소자를 이용한 비디오 카메라나 전자 카메라가 널리 일반적으로 보급되어 있다. 고체촬상소자는 화소가 받는 빛을 전기신호로 변환하는 광전(光電)변환부를 가지며, 복수의 화소가 매트릭스형상으로 배치되고, 각 화소의 광전변환부의 전기신호를 읽어내기 위한 신호선 등이 광전변환부의 주위에 배치되어 있다. 고체촬상소자를 이용한 비디오 카메라나 전자 카메라의 촬영 렌즈에 의해서 입사되는 피사체로부터의 빛은, 매트릭스형상으로 배치된 화소에 결상(結像)되고, 광전변환부에 의해서 전기신호로 변환된다.
그러나, 화소에 결상된 빛은, 신호선 등에 의해서 반드시 모든 빛이 광전변환부에 입사되는 것은 아니기 때문에, 각 화소에 빛이 입사하는 측에 마이크로 렌즈를 매트릭스형상으로 배치하여, 낭비되고 있던 빛을 마이크로 렌즈에 의해서 광전변환부에 집광시키는 기술이 사용되고, 특허 문헌 1에 기재되어 있다.
또한, 통상의 마이크로 렌즈는 반구형으로 형성되고, 그 평면 형상은 원형 형상이지만, 화소의 평면 형상은 사각형 형상이 일반적이고, 화소의 형상과 마이크 로 렌즈의 평면 형상이 반드시 일치하지는 않고, 광전변환부에 충분히 집광되지 않는 영역이 생겨 버린다. 이것을 방지하기 위해서, 마이크로 렌즈의 평면 형상을 사각형 형상으로 하거나, 화소의 형상과 마이크로 렌즈의 평면 형상을 다각형 형상으로 하는 기술이 특허 문헌 2에 기재되어 있다.
특허 문헌 1: 일본 특허공개 소60-59752호 공보
특허 문헌 2: 일본 특허공개 평5-326913호 공보
[발명의 개시]
[발명이 해결하고자 하는 과제]
마이크로 렌즈를 가진 고체촬상소자에 있어서, 고체촬상소자의 화소의 형상이 사각형 형상인데 비하여, 마이크로 렌즈의 평면 형상은 원형 형상으로 형성되는 것이 일반적이고, 광전변환부로 효율적으로 집광하는 것은 어렵다고 하는 과제가 있었다. 이것을 해결하기 위해서, 화소의 형상과 마이크로 렌즈의 평면 형상을 다각형 형상으로 형성하는 방법이 고려되고 있지만, 현실적으로는 설계나 제조가 용이하지 않다. 또한, 마이크로 렌즈의 평면 형상을 단순히 사각형 형상으로 한 것만으로는 반드시 광전변환부에의 집광율이 개선된다고는 할 수 없다고 하는 과제가 있다.
이러한 종래의 기술의 과제에 대하여 도 13을 이용하여 설명한다. 도 13(a)은 일반적인 고체촬상소자를 위쪽에서 보았을 때의 평면도이고, 701은 종래의 기술에 의한 사각형 형상의 마이크로 렌즈, 111은 포토 다이오드 등의 광전변환부, 110은 매트릭스형상으로 구분된 각각의 화소, A는 화소(110)의 대향하는 변의 중심을 연결하는 수평 방향으로 절단하는 수평 단면 위치, B는 화소(110)를 대각방향으로 절단하는 대각 단면 위치를 각각 나타내고 있다. 도 13(b) 및 (c)는, 도 13(a)에 있어서의 수평 단면 위치 A 및, 대각 단면 위치 B로 절단했을 때의 마이크로 렌즈(701)와 광전변환부(111)의 단면 형상 및 집광이미지를 나타낸 도면으로, 309는 입사광, L1는 마이크로 렌즈(701)의 두께이다.
여기서, 광전변환부(111)의 대각선의 길이는 각 변의 길이보다 길기 때문에, 도 13(c)의 마이크로 렌즈(701)의 대각 단면 형상은 도 13(b)의 마이크로 렌즈(701)의 수평 단면 형상보다 길어져, 광전변환부(111)도 대각 단면 위치 B에서 절단한 도 13(c) 쪽이 길어진다.
그런데, 렌즈의 두께 L1가 동일한 경우, 도 13(b)의 마이크로 렌즈(701)의 수평 단면 형상으로 효율적으로 광전변환부(111)에 집광할 수 있도록 하면, 도 13(c)의 마이크로 렌즈(701)의 대각 단면 형상에서는 곡율 반경이 커져 버리므로, 광전변환부(111)에 충분히 집광하는 것이 어려워진다.
이와 같이, 고체촬상소자의 화소(110)의 형상에 맞추어 마이크로 렌즈(701)의 평면 형상을 단순히 사각형 형상으로 한 것만으로는 광전변환부(111)에의 집광율이 개선되지 않는다고 하는 과제가 있었다.
본 발명의 목적은, 화소(110)의 형상이 사각형 형상이라 하더라도 광전변환부(111)에 있어서 양호한 집광율을 얻을 수 있는 고체촬상소자를 제공하는 것에 있다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
본 발명의 고체촬상소자는, 반도체 기판상에 형성된 화소와, 상기 화소내에 설치된 빛을 전기신호로 변환하는 광전변환부와, 상기 광전변환부의 위쪽에 설치된 마이크로 렌즈를 구비하고, 상기 마이크로 렌즈는 중심으로부터 렌즈단까지의 직선거리가 다른 평면 형상을 가지며, 상기 마이크로 렌즈는, 상기 직선 거리가 상대적으로 긴 n개소(n은 자연수)의 렌즈단 근방의 제1 저면 부위와 상기 제1 저면 부위를 포함하지 않는 제2 저면 부위를 가지며, 상기 광전변환부의 윗면으로부터의 수직 방향의 높이는, 상기 제2 저면 부위보다 상기 제1 저면 부위가 낮은 것을 특징으로 한다.
또한, 반도체 기판상에 형성된 화소와, 상기 화소내에 설치되어 빛을 전기신호로 변환하는 광전변환부와, 상기 광전변환부의 위쪽에 설치된 평탄층과, 상기 평탄층 위에 형성된 마이크로 렌즈를 구비하고, 상기 마이크로 렌즈는 중심으로부터 렌즈단까지의 직선 거리가 다른 평면 형상을 가지며, 상기 평탄층은, 상기 마이크로 렌즈의 평면 형상을 상기 평탄층상에 수직으로 투영한 상기 직선 거리가 상대적으로 긴 n개소(n은 자연수)의 렌즈단 근방에 위치하는 제1 부위와 상기 제1 부위를 포함하지 않는 제2 부위를 가지며, 상기 평탄층의 두께는, 상기 제1 부위보다 상기 제2 부위가 마이크로 렌즈측으로 두꺼운 것을 특징으로 한다.
혹은, 반도체 기판상에 형성된 화소와, 상기 화소내에 설치되어 빛을 전기신호로 변환하는 광전변환부와, 상기 광전변환부의 위쪽에 설치된 마이크로 렌즈를 구비하고, 상기 마이크로 렌즈는 중심으로부터 렌즈단까지의 직선 거리가 다른 평면 형상을 가지며, 상기 마이크로 렌즈는, 상기 직선 거리가 상대적으로 긴 n 개소(n은 자연수)의 렌즈단 근방의 제1 부위와 상기 제1 부위를 포함하지 않는 제2 부위를 가지며, 상기 마이크로 렌즈의 중심 근방에서 렌즈가 가장 두꺼운 두께를 최대 막두께라 정의하고, 상기 제1 부위에서 렌즈가 가장 얇은 두께를 제1 최소 막두께라 정의하며, 상기 제2 부위에서 렌즈가 가장 얇은 두께를 제2 최소 막두께라 정의하면, 상기 최대 막두께와 상기 제1 최소 막두께의 차는, 상기 최대 막두께와 상기 제2 최소 막두께의 차보다 큰 것을 특징으로 한다.
또한, 반도체 기판상에 형성된 화소와, 상기 화소내에 설치되어 빛을 전기신호로 변환하는 광전변환부와, 상기 광전변환부의 위쪽에 설치된 평탄층과, 상기 평탄층 위에 형성된 마이크로 렌즈를 구비하고, 상기 평탄층의 내부에 상기 광전변환부와 대략 평행하게 상기 마이크로 렌즈와 광축이 맞도록 제2 렌즈를 설치하고, 상기 제2 렌즈는 중심으로부터 렌즈단까지의 직선 거리가 다른 평면 형상으로 상기 평탄층보다 굴절률이 큰 부재에 의해서 구성된 것을 특징으로 한다.
[발명의 효과]
본 발명의 고체촬상소자는, 화소의 형상이 사각형 형상이라 하더라도, 네 모서리의 집광율이 개선되어 양호한 집광율을 얻을 수 있는 마이크로 렌즈를 실현할 수 있으므로, 같은 광량으로도 광전변환부로부터의 신호 출력이 증대하여, 고체촬상소자의 감도를 향상하는 것이 가능해진다.
[도 1] 본 발명의 제1 실시형태의 고체촬상소자의 구성을 나타내는 설명도이 다.
[도 2] 본 발명의 제1 실시형태의 화소 단위(60)의 구성을 나타내는 설명도이다.
[도 3] 본 발명의 제1 실시형태의 마이크로 렌즈의 형상을 설명하기 위한 보조도이다.
[도 4] 본 발명의 제2 실시형태의 화소 단위(60)의 구성을 나타내는 설명도이다.
[도 5] 본 발명의 제2 실시형태의 마이크로 렌즈의 제조방법을 설명하는 설명도이다.
[도 6] 본 발명의 제2 실시형태의 마이크로 렌즈의 제조방법을 설명하는 설명도이다.
[도 7] 본 발명의 제2 실시형태의 마이크로 렌즈의 제조방법을 설명하는 설명도이다.
[도 8] 본 발명의 제3의 실시형태의 화소 단위(60)의 구성을 나타내는 설명도이다.
[도 9] 본 발명의 제3의 실시형태의 제2 렌즈의 형상을 설명하기 위한 보조도이다.
[도 10] 본 발명의 제3의 실시형태의 제2 렌즈의 형상을 설명하기 위한 보조도이다.
[도 11] 본 발명의 제3의 실시형태의 집광의 모습을 설명하기 위한 보조도이 다.
[도 12] 렌즈 두께가 두꺼운 경우의 집광의 모습을 나타내는 보조도이다.
[도 13] 종래의 기술에 의한 화소 단위(60)의 구성을 나타내는 설명도이다.
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
(제1 실시형태)
본 발명의 고체촬상소자의 제1 실시형태에 대해서, 도 1 및 도 2를 이용하여 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시형태에 의한 고체촬상소자를 위쪽에서 보았을 때의 모양을 나타내는 평면도이다. 도 1에 있어서, 1은 고체촬상소자, 2는 매입(embedded) 포토 다이오드 등으로 이루어지는 광전변환부, 3은 광전변환부(2)로 생성된 신호 전하를 수직 방향으로 전송하는 수직 CCD, 4는 수직 CCD(3)로부터 보내져 오는 신호 전하를 수평 방향으로 전송하는 수평 CCD, 5는 출력 앰프, 6은 화소, 60은 집광되는 영역에서 본 화소 단위를 각각 나타내고 있다. 또한, 도 1에는 나타나지 않지만, 광전변환부(2)의 상부에는 평탄층을 개재하여 마이크로 렌즈가 배치되어 있다.
화소(6)는, 광전변환부(2)와 수직 CCD(3)의 일부를 가지며, 2차원 형상으로 복수가 배치되어 있다. 다만, 마이크로 렌즈는, 그 중심이 광전변환부(2)의 중심과 동일하게 되도록 배치된다. 따라서, 화소 단위는, 집광되는 영역으로부터 정의하면 부호 60의 영역이 된다. 한편, 여기서는 이해하기 쉽도록 화소 단위를 장방 형상으로서 나타냈지만, 실제로는 정방형상이며, 이후의 도면에서는, 집광되는 정방형상의 영역을 화소 단위로서 표시하고 있다.
수직 CCD(3)의 전하의 전송을 제어하기 위한 전극은, 일반적인 CCD형 고체촬상소자와 같이, 제1 폴리 실리콘 전극(도시하지 않음)과, 제2 폴리 실리콘 전극(도시하지 않음)으로 구성되어 있다. 또한, 고체촬상소자(1)는, 구동 펄스 등을 발생하기 위한 주변회로 등도 가지고 있지만, 본 발명의 주요한 부분은 아니기 때문에 도면에서는 생략하고 있다.
한편, 본 발명은 CCD형의 고체촬상소자에 한정되는 것이 아니고, CMOS형이나 그 외의 고체촬상소자에 있어서도, 본 발명의 효과는 변하지 않는다.
다음에, 도 2는 도 1에 있어서의 화소 단위(60)을 상세하게 그린 도면으로, 도 2(a)는 화소 단위(60)를 위쪽에서 보았을 때의 평면도, 도 2(b)는 도 2(a)에 있어서의 수평 단면 위치 A에서 절단했을 때의 화소 단위(60)의 수평 단면도, 도 2(c)는 도 2(a)에 있어서의 대각 단면 위치 B에서 절단했을 때의 화소 단위(60)의 대각 단면도를 각각 나타낸다.
도 2(a), (b) 및 (c)에 있어서, 101은 마이크로 렌즈, 102는 마이크로 렌즈(101) 아래의 평탄층, 103은 칼라 필터, 104는 전원 배선을 겸한 차광막, 105는 배선, 106은 차광막, 107은 반도체 기판, 108은 광전변환부(111)와 칼라 필터(103) 사이의 평탄층, 109는 평탄층(102)의 오목면부, L1는 평탄층(102)의 오목면부(109) 이외의 부분에서의 마이크로 렌즈의 두께, L2는 평탄층(102)의 오목면부(109)에서의 마이크로 렌즈(101)의 두께, W1는 평탄층(102)의 오목면부(109) 이외의 부분의 두께, W2는 평탄층(102)의 오목면부(109)의 두께를 각각 나타내고 있다.
도 2에 있어서, 도 2(b)의 수평 단면 위치 A의 경우는, 마이크로 렌즈(101)는 두께 L1의 렌즈로서 작용하지만, 도 2(c)의 대각 단면 위치 B의 경우는, 평탄층(102) 및 마이크로 렌즈(101)의 네 모서리에 있어서, 평탄층(102)의 두께 W1보다 얇은 W2가 되어 있기 때문에, 마이크로 렌즈(101)는 두께 L2의 렌즈로서 작용한다.
한편, 마이크로 렌즈(101)는 예를 들면 포토레지스트이고, 평탄층(102)은 예를 들면 아크릴계의 수지 등으로 형성되므로, 굴절률은 거의 동일하고, 마이크로 렌즈(101)와 평탄층(102)은 일체가 된 렌즈로 볼 수 있다.
여기서, 수평 단면 위치 A와 대각 단면 위치 B에서 마이크로 렌즈(101)의 두께가 다른 것에 의한 효과를 도 13 및 도 12를 이용하여 상세하게 설명한다. 종래 기술의 설명에서, 도 13(b) 및 (c)의 렌즈의 두께가 L1인 경우의 집광의 모양에 대하여 기술하였지만, 도 12는 렌즈의 두께가 L1보다 두꺼운 L2의 마이크로 렌즈(121)로 했을 경우의 집광의 모양을 나타내고 있다. 도 12(a)는 두께가 L2의 마이크로 렌즈(121)의 수평 단면 형상, 도 12(b)는 두께가 L2의 마이크로 렌즈(121)의 대각 단면 형상을 각각 나타내고, 도 13과 동일 부호의 것은 도 13과 동일한 것을 나타내고 있다.
종래의 기술에서는, 도 13(b)과 같이 수평 단면 형상으로 효율적으로 집광하도록 마이크로 렌즈(701)의 두께를 L1로 하면, 도 13(c)과 같이 대각 단면 형상에서의 집광이 나빠지는 것을 설명하였다. 이번에는, 도 12(b)와 같이 대각 단면 형상으로 효율적으로 집광할 수 있도록 마이크로 렌즈(121)의 두께를 L1보다 두꺼운 L2로 하면, 곡율 반경이 너무 작아져서, 도 12(a)와 같이 수평 단면 형상에서의 집광이 나빠져 버려, 광전변환부(111)에 입사광(309)을 충분히 집광시킬 수 없게 되어 버린다.
그런데, 도 2의 본 발명의 제1 실시형태의 경우는, 수평 단면 위치 A에서는 도 13(b)의 두께 L1의 마이크로 렌즈(701)로서 작용하고, 대각 단면 위치 B에서는 도 12(b)의 두께 L2의 마이크로 렌즈(121)로서 작용하므로, 수평 단면 위치 A 및 대각 단면 위치 B의 어느 쪽이라 하더라도 도 13(b)과 도 12(b)에 나타낸 바와 같은 양호한 집광상태를 실현할 수 있다.
여기서, 본 발명의 마이크로 렌즈(101)의 형상을 도 3(a)의 사시도에 나타낸다. 도 3(b)의 마이크로 렌즈(201)는 먼저 설명한 마이크로 렌즈(101)의 네 모서리의 각을 둥글게 한 것으로, 네 모서리 근방의 렌즈 효과는 거의 변하지 않기 때문에, 이러한 형상이라도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 평탄층(102)을 두께 W1와 두께 W2의 2단 구성으로 했으나 다단층으로 해도 좋고, 연속적으로 경사를 형성해도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이러한 형상은, 에칭 등 종래부터 알려진 일반적인 공법에 의해서 실현할 수 있고, 예를 들면 제1 실시형태의 경우는, 미리 W1의 두께의 평탄층(102)을 형성한 다음에 중앙 부분을 마스크하여 주위를 에칭에 의해서 제거하면 가공할 수 있고, 이 공정을 반복하면 다단계로 가공할 수도 있다. 또한, 평탄층(102)을, 두꺼운 하나의 평탄층으로서 가공하는 것이 아니라, 각각의 단으로 평탄층을 형성하도록 가공하고, 적층시켜 2단 이상의 평탄층으로 해도 좋다. 마이크로 렌즈(101)에 관해서도, 종래부터 알려진 공법에 따라서 실현할 수 있고, 예를 들면 제1 실시형태의 경우는, W1와 W2의 두께를 가진 평탄층(102)을 가공한 후에, 포토레지스트 등에 의한 마이크로 렌즈(101)의 바탕이 되는 층을 평탄층(102)에 씌우고, 리플로우 등에 의해서 열을 가하면, 평탄층(102)의 낮아지고 있는 W2의 부분에 늘어져 돌아 들어감으로써, 마이크로 렌즈(101)를 형성할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 고체촬상소자는, 화소의 형상이 사각형 형상이라 하더라도, 네 모서리의 집광율이 개선되어 양호한 집광율을 얻을 수 있는 고체촬상소자를 제공할 수 있으므로, 동일한 광량으로도 광전변환부로부터의 신호 출력이 증대하여, 고체촬상소자의 감도를 향상하는 것이 가능해진다.
(제2 실시형태)
다음에, 본 발명의 고체촬상소자의 제2 실시형태에 대해서, 도 4를 이용하여 상세하게 설명한다. 도 4(a)는 본 발명의 고체촬상소자의 화소 단위(60)를 위쪽에서 보았을 때의 평면도, 도 4(b)는 도 4(a)에 있어서의 수평 단면 위치 A로 절단했을 때의 마이크로 렌즈를 가진 고체촬상소자의 화소 단위(60)의 수평 단면도, 도 4(c)는 도 4(a)에 있어서의 대각 단면 위치 B에서 절단했을 때의 고체촬상소자의 화소 단위(60)의 대각 단면도를 각각 나타내고 있다.
도 4(a), (b) 및 (c)에 있어서, 302는 마이크로 렌즈, 301은 오목 부분(도 5에서 상세하게 설명한다), 303은 수평 단면위치 A에서 절단했을 때의 마이크로 렌즈(302)의 수평렌즈형상, 304는 대각 단면 위치 B에서 절단했을 때의 마이크로 렌즈(302)의 대각렌즈형상, 305는 평탄층, 306은 마이크로 렌즈(302)의 정점 위치, 307은 수평렌즈형상(303)의 최하점위치, 308은 대각렌즈형상(304)의 최하점위치, T는 평탄층(305)의 마이크로 렌즈(302)측의 면으로부터의 마이크로 렌즈(302)의 최대두께, S1는 대각렌즈형상(304)의 최하점위치(308)와 정점 위치(306)의 두께의 차, S2는 수평렌즈형상(303)의 최하점위치(307)와 정점 위치(306)의 두께의 차, U는 평탄층(305)의 마이크로 렌즈(302)측의 면으로부터 최하점위치(307)까지의 두께를 각각 나타내고 있다. 한편, 도 4에 있어서, 칼라 필터, 차광막, 배선 등은 설명이 이해하기 어려우므로 생략하고 있다.
도 4(b)와 같이, 수평 단면 위치 A에서의 렌즈의 두께는, S1보다 얇은 S2의 마이크로 렌즈(302)가 되고, 도 4(c)와 같이, 대각 단면 위치 B에서의 렌즈의 두께가, S2보다 두꺼운 S1의 마이크로 렌즈(302)가 된다. 즉, 수평 단면 위치 A의 경우는 도 13(b)의 마이크로 렌즈(701)의 수평 단면 형상의 두께가 얇은 L1의 렌즈로서 작용하고, 대각 단면 위치 B의 경우는 도 12(b)의 마이크로 렌즈(121)의 대각 단면 형상의 두께가 두꺼운 L2의 렌즈로서 작용하므로, 수평 단면 위치 A 및 대각 단면 위치 B의 어느 쪽이라 하더라도 도 13(b) 및 도 12(b)에 나타낸 바와 같은 양호한 집광상태를 실현할 수 있다.
여기서, 도 4(b) 및 (c)에 나타낸 바와 같은 수평렌즈형상(303) 및 대각렌즈형상(304)을 가진 마이크로 렌즈(302)의 실현 방법에 대하여 도 5, 도 6 및 도 7을 이용하여 상세하게 설명한다.
도 5는 도 4(c)에 나타낸 대각 단면 위치 B에서 절단했을 때에 대각렌즈형상(304)으로 성형하는 모양을 나타낸 설명도로서, 도 5(a)는 도 4의 대각 단면 위 치 B와 대비하여 마이크로 렌즈(302)의 모재인 포토레지스트층(401)과의 위치 관계를 알 수 있기 쉽도록 나타내는 도면이고, 포토레지스트층(401)은 대각렌즈형상(304)의 정점 위치(306)를 중심으로 하는 부위에는 형성되어 있지만, 오목 부분(301)의 부분에는 포토레지스트층(401)은 형성되어 있지 않다. 이 상태로 리플로우에 의해서 열을 가해 나가면, 포토레지스트층(401)은 부드러워져 각의 부분이 늘어지기 시작하고, 도 5(b)의 402와 같은 형상이 된다. 리플로우로 열을 더 가해 나가면 늘어진 부분에서 오목 부분(301)이 메워져 나가고, 최종적으로는 도 5(c)와 같이 대각렌즈형상(304)을 가진 마이크로 렌즈(302)가 형성된다. 한편, 본 설명도는 모식적으로 알기 쉽게 그리고 있으므로, 늘어진 모양 등 실제 상태를 정확하게 묘사한 것은 아니다.
다음에 도 6을 이용하여, 도 4(b)에 있어서의 수평단면위치 A에서 절단했을 때의 수평렌즈형상(303)으로 성형하는 모양을 설명한다. 도 6(a)는 도 4의 수평 단면 위치 A에서의 포토레지스트층(401)과의 위치 관계를 대비하여 나타낸 도면으로, 포토레지스트층(401)의 수평 단면위치 A에는 오목 부분(301)이 포함되지 않기 때문에, 오목하지는 않고 동일한 두께가 되어 있다. 이 상태로, 리플로우를 가하면 포토레지스트층(401)은 부드러워지고, 도 6(b)에는 도시되어 있지 않지만, 일점 쇄선의 원(501)의 부분에서 점차 오목해져 나가, 포토레지스트층(402)과 같은 형상으로 변화한다.
여기서, 이 변화의 모양을 도 7을 이용하여 알기 쉽게 설명한다. 도 7은 리플로우를 가했을 때의 오목 부분(301)이 변형하는 모양을 모식적으로 그린 설명도 이다. 리플로우를 가하기 전에는 도 7(a)과 같이 오목 부분(301)은 에칭 등에 의해서 기하학적으로 잘라내지고 있지만, 리플로우를 가하여 열이 가해지면, 도 7(b)과 같이, 포토레지스트층(401)은 부드러워져 각의 부분이 점선 화살표와 같이 둥글게 늘어지기 시작하여, 특히 도 7(b)의 일점 쇄선의 원(501)으로 나타낸 부분은 양측의 오목 부분(301)에 당겨지도록 오목해지기 시작한다.
리플로우로 더 열을 가해 가나면 오목 부분(301)이 서서히 메워져나가고, 도 6(c)에 나타내는 수평렌즈형상(303)을 가진 마이크로 렌즈(302)가 형성된다. 이 모양을 도 7(c)에 나타낸다. 도 7(c)은 렌즈 형상을 와이어 프레임 형상으로 그린 것으로, 렌즈의 정점 위치(306)의 최대두께 T에 대해서, 수평 단면 위치 A에서는 리플로우로 완전히 평탄하게는 안되고, 수평렌즈형상(303)의 최하점위치(307)의 두께 U만큼 네 모서리의 대각렌즈형상(304)의 최하점위치(308)의 부분에 비해 두꺼워지고 있으며, 두께 S2의 렌즈로서 작용한다.
이와 같이, 수평 단면 위치 A에서의 마이크로 렌즈(302)의 두께와, 대각 단면 위치 B에서의 마이크로 렌즈(302)의 두께가 다르고, 수평 단면 위치 A에서의 마이크로 렌즈(302)는 도 13(b)의 마이크로 렌즈(701)의 두께가 얇은 L1의 렌즈로서 작용하고, 대각 단면 위치 B에서의 마이크로 렌즈(302)는 도 12(b)의 마이크로 렌즈(121)의 두께가 두꺼운 L2의 렌즈로서 작용하므로, 수평 단면 위치 A 및 대각 단면 위치 B의 어느 한 쪽이라 하더라도 도 13(b) 및 도 12(b)에 나타내는 양호한 집광상태를 실현하는 것이 가능해진다.
(제3 실시형태)
다음에, 본 발명의 고체촬상소자의 제3 실시형태에 대해서, 도 8을 이용하여 상세하게 설명한다. 도 8(a)는 본 발명의 고체촬상소자의 화소 단위(60)를 위쪽에서 보았을 때의 평면도, 도 8(b)는 도 8(a)에 있어서의 수평 단면 위치 A에서 절단했을 때의 고체촬상소자의 화소 단위(60)의 수평 단면도, 도 8(c)은 도 8(a)에 있어서의 대각 단면 위치 B에서 절단했을 때의 고체촬상소자의 화소 단위(60)의 대각 단면도를 각각 나타낸다.
도 8(a), (b) 및 (c)에 있어서, 701은 마이크로 렌즈, 702는 제2 렌즈, 703 및 704는 평탄층, 705는 제2 렌즈(702)의 경사 부분(도 10에서 상세하게 설명한다), 706은 제2 렌즈(702)의 오목 부분(도 10에서 상세하게 설명한다)이다. 한편, 상술의 제1 실시형태 및 제2 실시형태에서 기재한 것과 동일한 번호인 것은 동일한 기능을 가지므로 설명을 생략한다.
도 8에 있어서, 마이크로 렌즈(701)는 도 13의 종래의 기술에서 설명한 일반적인 사각형상을 가진 마이크로 렌즈이지만, 종래의 기술의 도 13(b)에서 설명한 수평 단면 위치 A에 있어서 효율적으로 광전변환부(111)에 집광하도록 성형되어 있는 것으로 한다. 따라서, 도 13(c)과 같이 대각 단면 위치 B에 있어서는 광전변환부(111)의 네 모서리 근방에서 충분히 집광되지 않는다고 하는 문제가 발생하고 있는 것으로 한다.
그런데, 도 8에 있어서, 평탄층(703) 및 (704)은 예를 들면 산화실리콘 등으로 형성되고 있으며, 굴절률은 약 1.5, 그 사이의 제2 렌즈(702)는 굴절률이 다른 예를 들면 질화실리콘 등으로 형성되어 있으며, 굴절률은 약 2이므로, 제2 렌즈(702)는 렌즈로서 작용한다. 한편, 제2 렌즈(702)는 일반적으로 이용되고 있는 에칭 등의 공법에 따라 원하는 형상으로 형성된다.
여기서, 이 제2 렌즈(702)의 형상에 대해서, 도 9 및 도 10을 이용하여 상세하게 설명한다. 도 9(a)는 제2 렌즈(702)의 사시도이고, 수평 단면 위치 A의 위치에서는 제2 렌즈(702)의 두께는 변함없이 평면형상의 층에 지나지 않지만, 대각 단면 위치 B의 위치에서는 각의 부분이 경사지고 있으며, 이 부분에서 렌즈 작용을 가진다. 도 9(a)에 있어서, 수평 단면 위치 A로 절단했을 때의 제2 렌즈(702)의 단면도를 도 10(a)에, 대각 단면 위치 B에서 절단했을 때의 제2 렌즈(702)의 단면도를 도 10(b)에 각각 나타낸다. 도 10(a)에 있어서, 평탄층(703) 위에 제2 렌즈(702)가 형성되어 있지만 제2 렌즈(702)의 층은 평탄하게 되어 있으며, 렌즈로서 작용하지 않는다. 즉, 수평 단면 위치 A에 있어서는, 마이크로 렌즈(701)에만 따라 광전변환부(111)에 집광되므로, 도 13(b)과 같이 효율적으로 광전변환부(111)에 집광할 수 있다.
한편, 도 10(b)에 있어서, 평탄층(703) 위에 제2 렌즈(702)가 형성되어 있지만, 도 8의 오목 부분(706)에 위치하는 곳에서는 제2 렌즈(702)의 층은 없고, 도 8의 오목 부분(706)의 영역을 제외한 경사 부분(705)의 영역에서는 제2 렌즈(702)의 층은 오목 부분(706)을 향해 서서히 얇아지도록 경사지고 있다. 즉, 제2 렌즈(702)는, 오목 부분(706) 및 경사 부분(705)을 제외한 부분은 대략 평면이므로 렌즈 작용은 거의 없지만, 경사지고 있는 네 모서리 근방만큼 렌즈 작용을 가지게 된다.
이와 같이, 대각 단면 위치 B에 있어서는, 마이크로 렌즈(701)에 의한 집광과 제2 렌즈(702)의 네 모서리 부분의 렌즈 작용에 의한 집광이 합성되어 광전변환부(111)에 집광되게 되고, 마이크로 렌즈(701)만이면 도 13(c)와 같이 광전변환부(111)의 네 모서리의 부분에 효율적으로 집광할 수 없었지만, 제2 렌즈(702)의 네 모서리의 부분의 렌즈 작용에 의해서 보정되어, 도 11과 같이 2단계로 집광되게 되므로, 효율적으로 광전변환부(111)에 집광하는 것이 가능해진다.
한편, 제3 실시형태의 제2 렌즈(702)는, 도 9(a)에 나타낸 바와 같은 네 모서리를 직선으로 잘라낸 형상으로 했지만, 도 9(b)와 같이 각을 둥글게 하여도, 네 모서리 근방의 렌즈 효과에는 변화는 없기 때문에, 제3의 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

Claims (10)

  1. 반도체 기판상에 형성된 화소와, 상기 화소내에 설치되어 빛을 전기신호로 변환하는 광전변환부와,
    상기 광전변환부의 위쪽에 설치된 마이크로 렌즈를 구비하고,
    상기 마이크로 렌즈는 중심으로부터 렌즈단까지의 직선 거리가 다른 평면 형상을 가지며,
    상기 마이크로 렌즈는, 상기 직선 거리가 상대적으로 긴 n개소(n은 자연수)의 렌즈단 근방의 제1 저면 부위와 상기 제1 저면 부위를 포함하지 않는 제2 저면 부위를 가지며,
    상기 광전변환부의 윗면으로부터의 수직 방향의 높이는, 상기 제2 저면 부위보다 상기 제1 저면 부위 쪽이 낮은 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전변환부의 윗면으로부터의 수직 방향의 높이는, 상기 제2 저면 부위로부터 상기 제1 저면 부위를 향하여 단계적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전변환부의 윗면으로부터의 수직 방향의 높이는, 상기 제2 저면 부위 로부터 상기 제1 저면 부위를 향하여 연속적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
  4. 반도체 기판상에 형성된 화소와, 상기 화소내에 설치되어 빛을 전기신호로 변환하는 광전변환부와,
    상기 광전변환부의 위쪽에 설치된 평탄층과,
    상기 평탄층 위에 형성된 마이크로 렌즈를 구비하고,
    상기 마이크로 렌즈는 중심으로부터 렌즈단까지의 직선 거리가 다른 평면 형상을 가지며, 상기 평탄층은, 상기 마이크로 렌즈의 평면 형상을 상기 평탄층상에 수직으로 투영한 상기 직선 거리가 상대적으로 긴 n개소(n은 자연수)의 렌즈단 근방에 위치하는 제1 부위와 상기 제1 부위를 포함하지 않는 제2 부위를 가지며,
    상기 평탄층의 두께는, 상기 제1 부위보다 상기 제2 부위가 마이크로 렌즈측으로 두꺼운 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 평탄층의 두께는, 상기 제2 부위로부터 상기 제1 부위를 향하여 단계적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 평탄층의 두께는, 상기 제2 부위로부터 상기 제1 부위를 향해 연속적으 로 감소하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
  7. 반도체 기판상에 형성된 화소와, 상기 화소내에 설치되어 빛을 전기신호로 변환하는 광전변환부와,
    상기 광전변환부의 위쪽에 설치된 마이크로 렌즈를 구비하고,
    상기 마이크로 렌즈는 중심으로부터 렌즈단까지의 직선 거리가 다른 평면 형상을 가지며, 상기 마이크로 렌즈는, 상기 직선 거리가 상대적으로 긴 n개소(n은 자연수)의 렌즈단 근방의 제1 부위와 상기 제1 부위를 포함하지 않는 제2 부위를 가지며,
    상기 마이크로 렌즈의 중심 근방에서 렌즈가 가장 두꺼운 두께를 최대 막두께로 정의하고,
    상기 제1 부위에서 렌즈가 가장 얇은 두께를 제1 최소 막두께로 정의하며,
    상기 제2 부위에서 렌즈가 가장 얇은 두께를 제2 최소 막두께로 정의하면,
    상기 최대 막두께와 상기 제1 최소 막두께의 차이는, 상기 최대 막두께와 상기 제2 최소 막두께의 차보다 큰 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
  8. 반도체 기판상에 형성된 화소와, 상기 화소내에 설치되어 빛을 전기신호로 변환하는 광전변환부와,
    상기 광전변환부의 위쪽에 설치된 평탄층과,
    상기 평탄층 위에 형성된 마이크로 렌즈를 구비하고,
    상기 평탄층의 내부에 전기 광전변환부와 대략 평행하게 상기 마이크로 렌즈와 광축이 맞도록 제2 렌즈를 설치하고,
    상기 제2 렌즈는 중심으로부터 렌즈단까지의 직선 거리가 다른 평면 형상으로 상기 평탄층보다 굴절률이 큰 부재에 의해서 구성된 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈는, 상기 직선 거리가 상대적으로 긴 n개소(n은 자연수)의 렌즈단의 근방의 제1 부위와 상기 제1 부위를 포함하지 않는 제2 부위를 가지며,
    상기 제2 렌즈는, 상기 제2 부위로부터 상기 제1 부위의 렌즈단을 향하여 얇아지도록 경사지고 있는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2 부위는 대략 평면이며,
    상기 제2 렌즈에 있어서의 상기 제1 부위의 두께는, 상기 제2 부위에 인접하는 부분으로부터 상기 제1 부위의 렌즈단을 향해 얇아지도록 경사지고 있는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
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