KR20080100792A - 고체 촬상 소자, 고체 촬상 장치, 및 전자 정보 기기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고체 촬상 소자를 제공한다. 고체 촬상 소자에서 반도체 기판 또는 기판 상에 제공된 반도체 영역에 복수의 수광 소자가 배치된 수광 영역으로서 상기 수광 소자 상의 광 입사측에 전극 배선층의 개구부, 컬러 필터, 및 마이크로렌즈 중 적어도 어느 하나가 제공되고, 상기 수광 소자에 대한, 또는 광속을 통과시키길 원하는 기준 위치에 대한 상기 전극 배선층의 개구부, 상기 컬러 필터, 및 상기 마이크로렌즈 중 적어도 어느 하나의 시프트량은 상기 고체 촬상 소자면으로의 상기 수광 영역에 입사되는 광속의 입사 각도(θ0)에 의거하여 스넬의 법칙에 의해 산출된다.
고체 촬상 소자, 고체 촬상 장치, 전자 정보 기기, 전극 배선층, 컬러 필터, 마이크로렌즈, 스넬의 법칙
Description
이 출원은 2007년 5월 14일자로 출원된 일본 특허 출원 2007-128667호에 관한 35 U.S.C §119(a) 하의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 참조 문헌에 의해 여기에 통합되어 있다.
본 발명은 촬상 영역으로서 복수의 수광 소자 위에 전극 배선층의 개구부, 컬러 필터, 및 마이크로렌즈 중 적어도 어느 하나가 마련되어 복수의 수광 소자에 의해 피사체로부터의 화상광을 촬상하는 CCD 이미지 센서 및 CMOS 이미지 센서 등의 고체 촬상 소자, 이 고체 촬상 소자 및 그 전방에 제공된 촬상 광학계를 구비하는 고체 촬상 장치, 및 이 고체 촬상 소자 또는 고체 촬상 장치를 화상 입력 디바이스로서 촬상부에 사용한, 예를 들면 디지털 카메라(예를 들면, 디지털 비디오 카메라, 디지털 스틸 카메라), 화상 입력 카메라, 스캐너, 팩시밀리, 카메라 장착 휴대전화 장치 등의 전자 정보 기기에 관한 것이다.
종래적으로 복수의 수광 소자의 광 입사측에 마이크로렌즈 어레이가 배열되 고 입사광이 수광 소자 상에 집광되어 사용되지 않는 광의 량을 감소시켜 집광율을 향상시킨다고 알려져 있다.
한편, 촬상 광학계의 출사 각도 특성에 관하여 고체 촬상 소자의 수광 영역의 중심부에서 수광 영역면에 대하여 법선 방향으로부터 광축을 따라 주광선이 입사되는 반면에 수광 영역의 (중심부 이외의) 주변부에서 주광선이 각도를 가져서(경사져서) 입사된다고 알려져 있다. 여기서, 주광선은 촬상 광학계에서 개구 조리개(aperture stop)의 중심을 통과하는 광으로서 정의된다. 개구 조리개가 없는 경우 렌즈의 중앙을 통과하는 광으로서 주광선이 정의된다.
도 8은 예로서 UXGA를 사용하여 종래의 고체 촬상 소자의 유효 화소 영역을 나타내는 평면도이다.
도 8에서 종래의 고체 촬상 소자의 유효 화소 영역(100)은 직사각형이다. 고체 촬상 소자가, 예를 들면 UXGA인 경우 UXGA는 유효 화소 1200(행)×1600(열)의 다수의 수광 소자를 갖는다. 유효 화소 영역(100)의 중심부(대각선 상의 교점)가 화상 높이(image height) "0"으로서 정의되면 정사각형의 유효 화소 영역(100)의 4개의 코너는 화상 높이 "100%"로서 정의될 수 있다. 그러므로, 화상 높이는 중심부로부터 동심원 형상으로 광선이 어느 정도 떨어져 있는지를 나타낸다. 제조시의 변동이 일어나거나 특별한 용도가 가정되는 한 광축 상에 유효 화소 영역의 화상 높이 "0"이 존재한다.
도 9는 도 8에서의 고체 촬상 소자의 촬상 영역으로 주광선이 입사 각도를 갖고 입사되는 상태를 나타내는 주요 구조의 종단면도이다.
도 9에서 주광선은 촬상 광학계로서 기능하는 렌즈(101)를 통하여 유효 화소 영역(100)에 입사한다. 이때, 렌즈(101)에 광축 방향으로부터 입사된 광(102)은 유효 화소 영역(100)의 중심부에 입사되고, 광축으로부터 기울어서 입사된 광(103)은 유효 화소 영역(100)의 주변부에 입사한다. 여기서, 촬상 광학계에 입사된 광 중 가장 강한 광량을 갖는 각도가 주광선의 입사 각도로서 정의된다. 유효 화소 영역(100)에 대한 입사 각도(CRA; Chief ray angle)는 유효 화소 영역(100)의 중앙부로부터 그 주변부에까지 각이 이동하는 만큼 그 경사도가 증가한다. 또한, 주광선 입사 각도도 렌즈(101) 타입에 의거하여 변화된다. 도 9에서 단지 하나의 렌즈지만 하나 이상의 렌즈가 사용되는 경우가 있을 수 있다. 렌즈(101)의 형상은 구면뿐만 아니라 몇몇 렌즈의 구면 및 비구면의 조합, 또는 비구면만을 포함한다. 그러므로, 렌즈(101)에 의거하여 주광선 입사 각도에 대한 여러가지 특성이 존재한다. 주광선 입사 각도의 예가 도 10에 개략적으로 나타내어진다. 도 8에서의 고체 촬상 소자의 유효 화소 영역(100)의 화상 높이에 대하여 도 10에 나타낸 각도로 주광선이 입사한다.
주광선 입사 각도는 유효 화소 영역(수광 영역)(100)의 중앙부로부터 그 주변부까지 이동하는 만큼 더 경사지므로, 예를 들면 참조 문헌 1은 수광 영역(100)의 중심부로부터 멀어짐에 따라 집광율이 향상되도록 수광 영역(100)에서의 마이크로렌즈의 배열 피치가 수광 소자의 배열 피치보다 점차적으로 작게 되어 마이크로렌즈가 중심부측을 향하여 근접하게 되는 마이크로렌즈의 배열 방법을 개시한다. 이것은 도 11에 나타내어져 있다.
도 11은 참조 문헌 1에 개시된 종래의 고체 촬상 장치에 관하여 마이크로렌즈의 수광 소자에 대한 시프트량뿐만 아니라 마이크로렌즈의 배열 피치와 화상 높이 사이의 관계도 나타낸 그래프이다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 종래의 고체 촬상 장치에 의한 수광 영역(100)의 중심부(화상 높이 "0")로부터 멀어짐에 따라 수광 소자에 대한 마이크로렌즈의 시프트량은 점차적으로 커지도록 설정된다. 반면에, 마이크로렌즈의 배열 피치는 수광 영역(100)의 중심부(화상 높이 "0")로부터 멀어짐에 따라 점차적으로 작아지도록 설정된다. 그 결과, 수광 영역(100)의 주변부측으로 입사되는 입사광(피사체광)은 수광 소자 상에 집광됨으로써 셰이딩 보정을 행한다.
그러나, 최근에 고체 촬상 장치의 용도에 따라 촬상 광학계의 출사 특성으로서 다른 특성을 갖는 여러가지 렌즈(예로서 도 12에 나타낸 비구면 렌즈)가 사용된다. 그러므로, 도 13에 나타낸 바와 같이, 화상 높이 "0"으로부터 특정 화상 높이까지 화상 높이가 증가함에 따라 입사 각도가 상승한 후 감소하는 주광선 특성을 갖는 렌즈가 더 자주 사용되고, 단지 마이크로렌즈의 배열 피치가 수광 소자의 배열 피치보다 점차적으로 작아지도록 마이크로렌즈를 배열하는 방법을 사용하는 것은 불충분하다.
따라서, 예를 들면 참조 문헌 2는 마이크로렌즈의 배열 피치를 중심부로부터 주변부의 소정 위치까지 일부 증가시키고 배열 피치를 주변부의 소정 위치로부터 외측까지 일부 감소시키는 방법을 개시한다. 이것은 도 14에 나타내어진다.
도 14는 참조 문헌 2에 개시된 종래의 고체 촬상 장치에 관해서 수광 소자 에 대한 마이크로렌즈의 시프트량뿐만 아니라 마이크로렌즈의 배열 피치와 화상 높이 사이의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 14에서 세로축은 수광 소자에 대한 마이크로렌즈의 시프트량뿐만 아니라 마이크로렌즈의 배열 피치를 나타내는 반면에, 가로축은 화상 높이를 나타낸다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 종래의 고체 촬상 장치는 수광 영역(100)의 중심부(화상 높이 "0")로부터 거리가 증가함에 따라 수광 소자에 대한 마이크로렌즈의 시프트량은 점차적으로 커지도록 설정되는 반면에, 마이크로렌즈의 배열 피치는 수광 영역(100)에서 중심부와 화상 높이 80%의 주변부 사이에서 점차적으로 작아지도록 설정된다. 다음에, 화상 높이 80% 점을 더 통과하는 주변부에 관한 것과 반대로 중심부(화상 높이 0%)로부터 거리가 증가함에 따라 수광 소자에 대한 마이크로렌즈의 시프트량은 점차적으로 작아지도록 설정되는 반면에, 마이크로렌즈의 배열 피치는 점차적으로 커지도록 설정된다. 이러한 구성은 광축으로부터의 화상 높이가 증가함에 따라 촬상 광학계로부터의 주광선의 출사 각도가 단조 증가하지 않는 경우에서도 셰이딩 보정을 가능하게 한다.
참조 문헌 1: 일본 특허 제 2600250호 공보
참조 문헌 2: 일본 특허 공개 2004-228645호 공보
그러나, 상술된 종래의 고체 촬상 장치는 다음의 문제를 갖는다.
참조 문헌 1에 개시된 종래의 고체 촬상 장치는 광속의 출사 각도(광속의 입사 각도)가 화상 높이에 대하여 비례적으로 증가하는 경우에만 셰이딩 특성에 대한 보정 효과를 갖는다. 그러나, 촬상 광학계로부터의 주광선의 출사 각도, 또는 화상 높이가 증가함에 따라 시프트량이 지속적으로 증가하지 않는 경우(예를 들면, 촬상 광학계로서 도 12에 나타낸 비구면 렌즈가 사용되는 경우) 보정 효과는 효과가 없다.
다음에 참조 문헌 1에 개시된 종래의 고체 촬상 장치와 달리 참조 문헌 2에 개시된 종래의 고체 촬상 장치는 최근에 널리 사용되고 있는 촬상 광학계(예로서 도 12에 나타낸 비구면 렌즈)의 출사 각도를 반영시킬 수 있다. 그러나, 다음의 문제가 남는다.
우선, 마이크로렌즈의 배열에 대해서 화상 높이가 증가함에 따라 마이크로렌즈의 시프트량이 증가된 후 시프트량이 감소되는 경우 종래의 고체 촬상 장치는 도 12에 예로서 나타낸 비구면 렌즈를 사용할 수 있다고 이해된다. 그러나, 촬상 광학계의 출사 각도와 마이크로렌즈 사이의 대응 관계는 마이크로렌즈에 대한 최적의 배열을 나타내도록 구체적으로 정의되지 않으므로 컬러 셰이딩 및 휘도 셰이딩이 발생할 가능성이 있다.
게다가, 마이크로렌즈의 배열에 대한 문제는 어떻게 연속적으로 배열시킬 것인가이고, 많은 화소를 갖는 수광 소자에 대해 설계시에 각 화소에 대한 최적의 시 프트량을 결정하는 것은 현실적이지 않다. 그러므로, 컬러 셰이딩(예를 들면, 빨강, 초록, 파랑 중 어느 하나가 약해짐) 또는 휘도 셰이딩(화면의 외주부가 어두워짐)의 가능성이 있다. 마이크로렌즈와 수광 소자 사이의 배열이 제자리를 벗어나면 표시 화면 상의 화상은 불연속이 되고 명백하게 표시 품질이 저하한다.
또한, 촬상 광학계의 타입에 의거하여 출사 각도(입사 각도)는 변화된다. 촬상 광학계의 출사 각도가 변화될 때마다 사용되는 촬상 광학계가 조금이라도 변경되면 마이크로렌즈의 배열은 처음부터 다시 설계되어야 하고 설계 시간에 관해서 불리하다.
본 발명은 상술된 종래의 문제를 해결하기 위해 의도된다. 본 발명의 목적은 촬상 광학계의 출사 각도에 의한 컬러 셰이딩 및 휘도 셰이딩을 방지하고 표시 품질을 향상시키기 위해서 광학에 의거하여 수광 소자에 대한 마이크로렌즈의 시프트량을 입사 각도에 의존한 함수로서 표현하여 수광 영역에서 마이크로렌즈는 연속적으로 배열될 수 있고 함수는 재이용될 있어 설계 기간을 단축하고 설계 비용을 저감시키는 고체 촬상 소자, 이 고체 촬상 소자를 제공하는 고체 촬상 장치, 및 이 고체 촬상 소자 또는 고체 촬상 장치를 화상 입력 디바이스로서 촬영부에 사용한 전자 정보 기기를 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 고체 촬상 소자는 반도체 기판 또는 기판 상에 제공된 반도체 영역에 복수의 수광 소자가 배치된 수광 영역으로서 상기 수광 소자 상의 광 입사측에 제공된 전극 배선층의 개구부, 컬러 필터, 및 마이크로렌즈 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 수광 소자에 대한, 또는 광속을 통과시키길 원하는 기준 위 치에 대한 상기 전극 배선층의 개구부, 상기 컬러 필터, 및 상기 마이크로렌즈 중 적어도 어느 하나의 시프트량은 상기 고체 촬상 소자면으로의 상기 수광 영역에 입사되는 광속의 입사 각도(θ0), 및 상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 굴절율(nk)과 막 두께(tk)에 의거하여 스넬의 법칙(Snell's law)에 의해 산출되어 상기 전극 배선층의 개구부, 상기 컬러 필터, 및 상기 마이크로렌즈 중 적어도 어느 하나는 상기 복수의 수광 소자에 대하여, 또는 광속을 통과시키길 원하는 기준 위치에 대하여 시프트되어 상기 수광 영역에 배치됨으로써 상술된 목적을 달성한다.
바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 광속을 통과시키길 원하는 기준 위치는 상기 전극 배선층의 개구부의 최상위층, 중간층, 및 최하위층뿐만 아니라 기판 상의 화소 중심 및 광전 변환 디바이스의 중심 중 어느 하나에 있다.
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 산출된다.
θk = arcsin((sinθ0)n0/nk)
매체가 공기인 경우 제공된 n0 = 1
시프트량 = Σkak×tk×tanθk
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 근사적으로 산출된다.
시프트량 = Σkak×sinθ0
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 후막층의 보정 계수는 ak1으로 정의되고, 상기 후막층을 통한 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 산출되고,
θk = arcsin((sinθ0)n0/nk)
매체가 공기인 경우 n0 = 1
시프트량 = Σkak1×tk×tanθk
상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 박막층의 보정 계수는 ak2로 정의되고, 상기 박막층을 통한 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 근사적으로 산출된다.
시프트량 = Σk2ak2×sinθ0
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 입사광의 상부 광선과 하부 광선 사이의 특정 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 산출된다.
θk = arcsin((sinθ0)n0/nk)
매체가 공기인 경우 n0 = 1
시프트량 = Σkak×tk×tanθk
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 입사광의 상부 광선과 하부 광선 사이의 특정 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 근사적으로 산출된다.
시프트량 = Σkak×sinθ0
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 입사광의 상부 광선과 하부 광선 사이의 중간 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 산출된다.
θk = arcsin((sinθ0)n0/nk)
매체가 공기인 경우 n0 = 1
시프트량 = Σkak×tk×tanθk
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 입사광의 상부 광선과 하부 광선 사이의 중간 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 근사적으로 산출된다.
시프트량 = Σkak×sinθ0
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 입사광의 상부 광선으로부터 하부 광선까지의 중간 각도와 입사광의 주광선 사이의 중간 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 산출된다.
θk=arcsin((sinθ0)n0/nk)
매체가 공기인 경우 n0 = 1
시프트량 = Σkak×tk×tanθk
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 입사광의 상부 광선으로부터 하부 광선까지의 중간 각도와 입사광의 주광선 사이의 중간 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 근사적으로 산출된다.
시프트량 = Σkak×sinθ0
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 주광선의 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 산출된다.
θk = arcsin((sinθ0)n0/nk)
매체가 공기인 경우 n0 = 1
시프트량 = Σkak×tk×tanθk
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 주광선의 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 근사적으로 산출된다.
시프트량 = Σkak×sinθ0
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 주광선의 입사 각도가 어떤 조건에 의해 변화되는 경우에 상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 입사 주광선의 변화 편향 폭 내의 입사 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 산출된다.
θk = arcsin((sinθ0)n0/nk)
매체가 공기인 경우 n0 = 1
시프트량 = Σkak×tk×tanθk
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 주광선의 입사 각도가 어떤 조건에 의해 변화되는 경우에 상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 입사 주광선의 변화 편향 폭 내의 입사 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 근사적으로 산출된다.
시프트량 = Σkak×sinθ0
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 상기 주광선의 입사 각도가 어떤 조건에 의해 변화되는 경우는 상기 주광선의 입사 각도가 포커스 조건에 의해 변화되는 경우이다.
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 상기 주광선의 입사 각도가 어떤 조건에 의해 변화되는 경우는 상기 주광선의 입사 각도가 줌 조건에 의해 변화되는 경우이다.
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 상기 보정 계수(ak)로서 상기 수광 영역 및/또는 상기 수광 소자의 장변 방향과 단변 방향에 대하여 다른 보정 계수가 설정된다.
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 상기 보정 계수(ak) 로서 상기 전극 배선층의 개구부, 화소 피치 중심 또는 광전 변환 디바이스의 중심에서 장변 방향과 단변 방향에 대하여 다른 기준 위치가 설정된다.
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 상기 수광 소자에 대한, 또는 상기 수광 소자 상의 광속을 통과시키길 원하는 기준 위치에 대한 상기 전극 배선층의 개구부, 상기 컬러 필터, 및 상기 마이크로렌즈의 시프트에 더하여, 모든 수광 소자에서 일률적으로, 상기 전극 배선층의 레이아웃의 반복에 따라 일률적으로, 또는 상기 컬러 필터의 반복에 따라 일률적으로, 상기 전극 배선층의 개구부, 상기 컬러 필터, 및 상기 마이크로렌즈 중 적어도 어느 하나가 상기 수광 소자 또는 상기 수광 소자 상의 광속을 통과시키길 원하는 기준 위치에 대하여 시프트되어 상기 수광 영역에 배치된다.
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 굴절율(nk)에서 파장 의존성이 관찰되는 경우 상기 수광 소자에 대한, 또는 상기 수광 소자 상의 광속을 통과시키길 원하는 기준 위치에 대한 상기 전극 배선층의 개구부, 상기 컬러 필터, 및 상기 마이크로렌즈의 시프트량이 상기 굴절율에 따라 파장마다 또는 상기 컬러 필터의 컬러마다 변화된다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치는 본 발명에 의한 고체 촬상 소자, 및 상기 고체 촬상 소자의 전방에 제공된 촬상 광학계를 구비하고, 상기 촬상 광학계로부터 상기 수광 영역으로 광이 입사한다.
더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 고체 촬상 소자에서 상기 촬상 광학계는 구면 렌즈, 비구면 렌즈 또는 프레넬(Fresnel) 렌즈이다.
본 발명에 의한 전자 정보 기기는 본 발명에 의한 고체 촬상 소자, 또는 본 발명에 의한 고체 촬상 장치를 화상 입력 디바이스로서 촬영부에 사용한다.
이하, 상술된 구조를 갖는 본 발명의 기능이 설명될 것이다.
상술된 문제를 해결하기 위해서 본 출원의 발명자는 물리 법칙으로서 스넬의 법칙(굴절의 법칙)과 수학적 근사 이론을 이용하여 수광 소자 또는 이 수광 소자 상의 광속을 통과시키길 원하는 기준 위치에 대한 전극 배선층의 개구부, 컬러 필터, 및 마이크로렌즈 중 적어도 어느 하나의 시프트량이 도출되어 화소 영역에 전극 배선층의 개구부, 컬러 필터, 및 마이크로렌즈를 배열한다.
촬상 광학계로부터의 출사 각도(θ0)에 입사하는 광속에 대하여 고체 촬상 소자를 구성하는 재료층(k)에서 광속이 진행하는 각도(θk)는 이하의 식에 의해 산출된다.
θk = arcsin((sinθ0)n0/nk)
그러므로, 마이크로렌즈 등의 시프트량은 다음과 같이 θk를 이용하여 산출될 수 있다.
시프트량 = Σkak×tk×tanθk
상술된 식에서 tk는 재료층(k)의 막두께이고 nk는 재료층(Mk)의 굴절율이다. 또한, ak는 재료층(k)의 보정 계수이고 보통은 "1"이 가정되지만 "1" 이외의 일 수 있거나 ak = "0"(극단적인 박막; "0"은 게이트 산화막층 등의 박층은 제외될 수 있다는 것을 의미한다)인 값일 수 있다. 보정 계수(ak)는 마이크로렌즈의 막두께가 고정되지 않았으므로 균등한 막두께로 퇴적된 재료층을 제외한, 예를 들면 마이크로렌즈의 막두께를 보정하기 위해 사용된다. 그러나, 보정 계수는 다른 목적(예를 들면, 굴절율의 기대값으로부터의 분산이 있는 경우)을 위해 사용될 수도 있다.
또한, 일반적으로 각도(θ)가 작은 경우 tanθ≒sinθ 및 sinθ≒θ의 근사 관계를 유지한다. 이 가정을 도입하면 마이크로렌즈 등의 시프트량의 산출식은 간략화될 수 있다. 그 결과, 마이크로렌즈 등의 시프트량은 이하의 식에 의해 산출된다.
시프트량 = Σkak×sinθ0
또한, 상기 이외의 다른 근사식을 이용하여 식을 변형하는 것도 가능하다.
또한, 상기 입사 각도(θ0)로서 촬상 광학계로부터 각 수광 소자로 입사하는 주광선의 출사 각도, 촬상 광학계로부터 각 수광 소자로 입사하는 광속의 상부 광선과 하부 광선 사이의 특정 각도, 및 촬상 광학계로부터 각 수광 소자로 입사하는 광속의 상부 광선과 하부 광선 사이의 중간 각도가 사용될 수 있다. 또한, 촬상 광학계(101)로부터의 주광선의 출사 각도가 포커스 조건에 의해 변화되는 경우 상기 입사 각도(θ0)로서 촬상 광학계로부터 각 수광 소자로 입사하는 주광선의 편향 폭 내의 출사 각도가 사용될 수 있다.
또한, 수광 영역의 장변 방향과 단변 방향에 대하여 다른 보정 계수(ak)가 사용될 수 있다.
또한, 수광 영역의 중심에 관하여 금속 등으로 이루어진 전극 배선층의 개구부와 수광 소자의 중심이 서로 일치하지 않는 경우, 또는 수광 소자의 중심(포토다이오드 및 판독 전극을 포함한 영역)과 수광 소자를 구성하는 포토다이오드의 중심이 서로 일치하지 않는 경우가 있을 수 있다. 이러한 경우에서 불일치량에 따라 각 수광 소자에 대하여 마이크로렌즈 등이 미리 시프트될 수 있다.
또한, 거의 모든 재료층의 굴절율에서 파장 의존성이 관찰된다. 그러므로, 굴절율에 따라 마이크로렌즈의 시프트량이 각 파장에 대하여 변화될 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명은 여러가지 촬상 광학계의 출사 각도(촬상 광학계로부터의 입사 각도)에 대하여 마이크로렌즈, 컬러 필터 및 전극 배선층의 개구부 중 적어도 어느 하나를 스넬의 법칙에 의거한 함수에 의해 수광 영역에서 각 수광 소자에 대하여 연속적으로 시프트하도록 배열하는 것을 가능하게 함으로써 촬상 광학계의 출사 각도에 의한 컬러 셰이딩 및 휘도 셰이딩이 없는 양호한 화상을 얻는다. 또한, 마이크로렌즈 등의 시프트량을 함수로서 표현하여 여러가지 종류의 촬상 광학계에 따라 함수는 재이용가능해지므로 설계 기간을 단축하고 설계 비용을 저감한다.
본 발명의 이러한 및 다른 이점은 첨부 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명 을 읽고 이해함으로써 당업자에게 명백해질 것이다.
이하, 본 발명의 고체 촬상 소자를 사용한 고체 촬상 장치의 실시형태가 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이고, 여기서 본 발명에 의한 고체 촬상 소자를 사용한 고체 촬상 장치는 CM0S 이미지 센서에 적용된다. 또한, CM0S 이미지 센서뿐만 아니라 CCD 이미지 센서에도 본 발명에 의한 고체 촬상 소자를 사용한 고체 촬상 장치의 실시형태가 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 고체 촬상 소자의 주요 구조의 예를 나타내는 종단면도이다. 또한, 도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 고체 촬상 소자에서의 수광 영역의 일부를 나타낸다.
도 1에서 실시형태에 의한 고체 촬상 소자(10)는 반도체 기판(11)에 복수의 수광 소자(12)(12a,12b,...)가 2차원(또는 매트릭스)으로 배치된 수광 영역을 포함한다. 수광 소자(12)는 포토다이오드 등의 광전 변환 소자, 및 (트랜지스터를 포함하기 위한) 전하 판독 전극 등으로 구성된다.
복수의 수광 소자(12)의 광 입사측에 금속 등으로 이루어진 전극 배선층(13)(13a,13b,...)이 수광 소자(12)의 바로 위를 피하도록 전극 배선층의 개구부를 형성하기 위한 다층 구조로 제공된다. 전극 배선층(13) 위에 각 수광 소자(12)에 대응되도록 컬러 필터(14)(14a,14b,...)가 제공된다. 또한, 컬러 필터(14) 위에 각 수광 소자(12) 및 컬러 필터(14)에 대응되도록 마이크로렌즈(15)(15a,15b,..)가 제공된다. 마이크로렌즈(15)는 일반적으로는 포토리소그래피 기술에 의해 렌즈 재 료로 패턴이 형성된 후 열처리에 의해 렌즈 재료가 유동되어 렌즈 형상을 형성하도록 형성되지만 렌즈의 특성을 나타내는 한은 마이크로렌즈의 제조 방법은 포토리소그래피 기술에 한정되지 않는다. 또한, 금속층에 관하여 다층을 형성하는 것을 요즘 선호하지만, 단층의 금속층일 수도 있다. 또한, 도면에 도시되지 않았지만, 고체 촬상 소자(10)에 광을 입사하기 위해 고체 촬상 소자(10)의 광 입사측에 촬상 광학계(예를 들면, 모듈 렌즈)가 제공되도록 고체 촬상 장치가 구성된다.
촬상 광학계(예를 들면, 모듈 렌즈)의 화상 높이에 대한 주광선(C)의 입사 각도(θ0)(도 10에 나타낸 CRA)이 주어져 복수의 수광 소자(12)에 대한 전극 배선층(13)의 개구부, 컬러 필터(14) 및 마이크로렌즈(15) 중 적어도 어느 하나의 시프트량(광축 방향 또는 광축측에 접근하는 방향에서의 시프트량)이 고체 촬상 소자면으로의 수광 영역(100)에 입사하는 광속(C)(주광선)의 입사 각도(θ0)(주광선 각도), 및 수광 영역(100)을 구성하는 수광 소자(12) 상의 각 층의 굴절율(nk)과 막두께(tk)에 의거하여 스넬의 법칙에 의해 산출된다. 그 결과, 전극 배선층(13)의 개구부, 컬러 필터(14) 및 마이크로렌즈(15) 중 적어도 어느 하나가 복수의 수광 소자(12)에 대하여 시프트되어 수광 영역(100)에 배열된다.
이하, 본 실시형태에 의한 고체 촬상 소자(10)에서 수광 소자(12)에 대한 마이크로렌즈(15), 컬러 필터(14) 및 전극 배선층(13)의 개구부의 시프트량을 도출하는 방법이 상세히 설명될 것이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 고체 촬상 소자(10)를 구성하는 수광 소자(12) 상 의 재료층(Mk)에 광 입사면의 법선(L)에 의해 함께 형성되는 각도(θ0)[촬상 광학계로부터 각 수광 소자(12)로 입사하는 주광선의 출사 각도]에서 광속(C)이 입사하는 경우가 고려된다. 재료층(Mk)의 굴절율을 nk로서 정의하면 재료층(Mk)에서 광속(C)의 진행 방향과 법선(L) 사이의 각도(θk)는 스넬의 굴절 법칙에 의해 산출된다.
n0sinθ0 = nksinθk
sinθk = (n0/nk)sinθ0
θk =arcsin{(sinθ0)n0/nk}
여기서, n0 = 1(공기)
따라서, 재료층(Mk)의 막두께(광속이 조정되는 위치 상의 막두께)가 tk로서 정의되면 재료층(Mk)에서의 광속의 시프트량은 θk를 이용하여 이하의 식으로 산출된다.
재료층(Mk)에서의 광속의 시프트량 = tk×tanθk
여기서, 전극 배선층(13)의 개구부가 좁아지는 경우(광속을 통과시키기 어려운 경우) 전극 배선층(13)의 개구부를 통과하기 위해 조정되는 광량이 최대가 되도록 시프트량이 결정된다. 도 3에 나타낸 단면을 고려하여 마이크로렌즈(15)로부터 전극 배선층(13)의 개구부까지의 각 투과 재료를 구성하는 "M1"부터 "Mk"까지의 재료층을 광이 통과할 때 광속의 총 시프트량은 이하의 식에 의해 산출된다.
재료층(M1)부터 재료층(Mk)까지의 광속(C)의 시프트량 = Σktk×tanθk
그러나, 마이크로렌즈(15) 등의 막두께(t1)가 불분명한 층(마이크로렌즈가 렌즈 형상으로 되어 있으므로 막두께가 결정될 수 없음)이 있으므로 상기 식은 보정 계수(ak)에 의해 곱해진다.
재료층(M1)부터 재료층(Mk)까지의 광속(C)의 시프트량 = Σkak×tk×tanθk
또한, 보정 계수(ak)는 대부분의 경우에서 "1"로서 정의된다.
그 밖에, 굴절율(nk)은 재료에 의거하는 값이므로 보정 계수(ak)(0∼2.0)로 조정가능하다. 예를 들면, Si3N4에 일반적으로 굴절율(n) = 2가 사용되지만, 이의 제조 조건, 파장 등에 의해 변경될 수 있다. 또한, 광화이버 등에 사용되는 바와 같이 아크릴수지(PMMA)도 굴절율의 광대한 변화를 갖고 재료 특성에 따라 보정 계수(ak)로 조정된다.
수광 소자(12)에 대한 상술된 마이크로렌즈(15)의 시프트는 광속(C)의 시프트량을 보정하기 위해 행해진다. 그러므로, 예를 들면, 도 4에서 광속(C)을 통과시키길 원하는 위치를 광이 통과하도록 마이크로렌즈(15)의 위치가 시프트되는 경우 상술된 광속(C)의 시프트량은 마이크로렌즈(15)의 시프트량으로서 정의될 수 있다. 그러므로, 다음과 같다.
마이크로렌즈(15)의 시프트량 = Σkak×tk×tanθk
유사하게, 상기 합계(총합)을 취하는 층간막이 변화되어 컬러 필터(14), 전극 배선층(13)의 개구부 등의 시프트량을 산출할 수 있다.
또한, 도 5에 나타낸 바와 같이, 수광 영역(100)[전극 배선층(13)의 개구부도 직사각형임)의 단변 방향(y) 및 장변 방향(x)에서 광속(C)을 통과시키길 원하는 기준 위치[전극 배선층(13)의 개구부의 중심(MR)과 수광 소자(12)(수광부)의 중심(PD) 사이의 깊이가 다르므로 광속을 시프트함]는 다르다고 가정된다. 장변 방향(x)에서와 같이 전극 배선층(13)의 개구부가 직사각형이고 충분한 마진을 갖는 경우 수광 소자(12)(수광부)의 중심(PD)으로 광속(C)을 통과시키길 원하는 위치가 조정되는 반면에, 단변 방향(y)에서와 같이 전극 배선층(13)의 개구부가 작고 광이 그 주위에 부딪치는 경우 전극 배선층(13)의 개구부의 중심(MR)으로 광속(C)을 통과시키킬 원하는 위치가 조정되어 기준 위치가 중심(PD)으로부터 벗어난다. 이러한 경우는 보정 계수(ak)로서 단변 방향과 장변 방향에 대하여 다른 값을 사용함으로써 처리될 수 있다. 또한, 이러한 경우는 단변 방향과 장변 방향에 대하여 다른 기준 위치를 설정함으로써 처리될 수 있다.
상기 설명으로 실시형태에 따라 여러가지 촬상 광학계의 출사 각도에 대하여 스넬의 법칙에 의거한 함수에 의해 마이크로렌즈(15), 컬러 필터(14) 및 전극 배선층(13)의 개구부 등의 연속적인 배치가 실행될 수 있으므로 촬상 광학계의 출사 각도에 의한 컬러 셰이딩 및 휘도 셰이딩 없이 양호한 화상을 얻는 고체 촬상 소자(10)를 실현할 수 있다. 또한, 마이크로렌즈(15) 등의 시프트량을 함수로서 나타 내어 여러가지 종류의 촬상 광학계에 따라 함수가 재이용가능해지므로 설계 기간을 단축하고 설계 비용을 저감한다.
상술된 실시형태에서 수광 영역을 구성하는 수광 소자(12) 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 마이크로렌즈(15), 컬러 필터(14)이나 전극 배선층(13)의 개구부 등의 시프트량은 이하의 식에 의해 산출된다.
시프트량 = Σkak×tk×tanθk
그러나, 식은 이것에 한정하지 않고, 시프트량을 근사적으로(수학적 처리에 의한 근사) 산출하기 위해 이하의 식이 이용될 수도 있다.
시프트량 = ak×sinθ0
여기서, tanθk가 sinθ0으로 근사되면 다음은 스넬의 법칙에 의해 얻어질 수 있다.
n0sinθ0 = nksinθk
sinθk = (n0/nk)sinθ0
Σktk×sinθk = Σktk×(n0/nk)×sinθ0
따라서, tk×(n0/nk) = akall, 및
시프트량 = akall×sinθ0
그러므로, ak는 크기가 제한되고 akal1은 아니다.
또한, 수광 영역(100)을 구성하는 수광 소자(12) 상의 후막층의 보정 계수는 akl로 정의되고, 후막층을 통한 시프트량은 이하의 식에 의해 산출되고,
θk = arcsin((sinθO)nO/nk)
매체가 공기인 경우 nO = 1
시프트량 = Σkak1×tk×tanθk
수광 영역(100)을 구성하는 수광 소자(12) 상의 박막층의 보정 계수는 ak2로서 정의된다. 박막층을 통한 시프트량은 이하의 식에 의해 근사적으로 산출된 바와 같이,
시프트량 = ak2all×sinθ0
시프트량은 후막층에 대하여 근사식없이 산출되는 반면에, 박막층을 통한 시프트량은 근사식을 이용하여 산출될 수 있다. 여기서, ak2all은 이전의 ak와 달리 크기가 제한되지 않는다.
상술된 실시형태에서 입사 각도(θ0)로서 촬상 광학계로부터 고체 촬상 소자(10)의 각 수광 소자(12)를 향해서 입사하는 주광선[광속(C)]의 출사 각도가 사용되지만 입사 각도는 이것에 한정되지 않는다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 중심을 통과하는 광이 주광선으로 정의되지만, 촬상 광학계(101)로부터 고체 촬상 소자(10)의 각 수광 소자(12)까지 입사하는 광속(C)의 상부 광선(θ0이 작은 광선)과 하부 광선(θ0이 큰 광선) 사이의 중간 각도(또는 평균 각도) 등의 특정 각도가 사용될 수 있다. 이 경우 촬상 광학계(101)에 관하여, 도 7에 나타낸 바와 같이, 상부 광선과 하부 광선의 중간에 주광선의 CRA는 존재하지 않고, 예를 들면 파선에 의해 나타내어지는 입사 각도(1)와 같이 위쪽으로 평행하지 않게 시프트된다.
즉, 고체 촬상 소자(10)의 수광 영역(100)을 구성하는 각 층의 보정 계수는 ak로서 정의되고, 입사 각도(θ0)는 상기 촬상 광학계(101)로부터 각 수광 소자(12)로 입사되는 광속(C)의 상부 광선(θ0이 작은 광선)과 하부 광선(θ0이 큰 광선) 사이의 중간 각도(또는 평균 각도) 등의 특정 각도로서 정의된다. 수광 소자(12) 또는 수광 소자(12) 상의 광속(C)을 통과시키킬 원하는 기준 위치[예를 들면, 전극 배선층(13)의 개구부]에 대한 전극 배선층(13)의 개구부, 컬러 필터(14) 및 마이크로렌즈(15) 중 적어도 어느 하나의 시프트량은 이하의 식에 의해 산출될 수 있다.
θk = arcsin((sinθO)nO/nk)
마이크로렌즈(15) 등의 시프트량 = Σkak×tk×tanθk
유사하게, 고체 촬상 소자(10)의 수광 영역(100)을 구성하는 각 층의 보정 계수는 ak로서 정의되고, 입사 각도(θ0)는 촬상 광학계(101)로부터 각 수광 소자(12)로 입사되는 광속(C)의 상부 광선과 하부 광선 사이의 중간 각도 등의 특정 각도로서 정의된다. 수광 소자(12) 등에 대한 전극 배선층(13)의 개구부, 컬러 필터(14) 및 마이크로렌즈(15) 중 적어도 어느 하나의 시프트량은 이하의 식에 의해 근사적으로 산출될 수 있다.
시프트량 = ak×sinθO
입사 광선의 폭이 넓은 경우에도 가장 많은 광량을 각 수광 소자(12)에 집광시키도록 시프트량이 조정될 수 있다.
또한, 수광 영역(100)을 구성하는 수광 소자(12) 상의 각 층의 보정 계수는 ak로서 정의되고, 입사광의 입사 각도(θ0)는 입사광의 상부 광선과 하부 광선 사이의 중간 각도와 입사광의 주광선 사이의 중간 각도로서 정의된다. 시프트량은 이하의 식에 의해 산출될 수 있다.
θk = arcsin((sinθO)nO/nk)
시프트량 = Σkak×tk×tanθk
이 경우, 도 7의 파선에 의해 나타내어지는 입사 각도(1)와 주광선 사이의 도 7의 파선에 의해 나타내어지는 입사 각도(2)는 주광선의 상측을 향하여 시프트된다.
수광 영역(100)을 구성하는 수광 소자(12) 상의 각 층의 보정 계수는 ak로서 정의되고, 입사광의 입사 각도(θ0)는 입사광의 상부 광선으로부터 하부 광선까지의 중간 각도와 입사광의 주광선 사이의 중간 각도로서 정의된다. 시프트량은 이하의 식에 의해 근사적으로 산출될 수 있다.
시프트량 = ak×sinθO
이 경우, 도 7의 파선에 의해 나타내어지는 입사 각도(1)와 주광선 사이의 도 7의 파선에 의해 나타내어지는 입사 각도(2)는 주광선의 상측을 향하여 시프트된다.
상기 설명에 의하면, 광속을 통과시키길 원하는 기준 위치는 최상위층, 중간층, 최하위층, 기판 상의 화소의 중심 및 광전 변환 디바이스의 중심 중 어느 하나에 있다.
다음에, 촬상 광학계(101)로부터의 주광선[광속(C)]의 입사 각도(θ0)가 포커스 조건, 줌 조건 등에 의해 변화되는 경우 입사 각도(θ0)로서 촬상 광학계(101)로부터 각 수광 소자(12)를 향하여 입사되는 주광선[광속(C)]의 편향 폭내의 출사 각도가 사용될 수 있다. 예를 들면, 오토 포커스에 의해 촬상 광학계(101)가 취하는 화상에 의거하여 모듈 렌즈가 이동하면 입사 각도(θ0)도 변화된다. 변화된 입사 각도(θ0)의 범위, 즉 주광선[광속(C)]의 편향 폭내의 입사 각도가 사용된다. 다른 줌 조건을 갖는 디바이스에 동일하게 적용된다. 간단히 말하면, 가장 많이 사용되는 것으로 입사 각도(θ0)를 설정하는 것이 적합하지만, 수광 소자에 대한 입사 각도의 편향 폭에 대하여 허용가능한 양이 작으면 편향 폭의 중간으로 θ0가 설정될 수 있다.
즉, 촬상 광학계(101)로부터의 주광선의 입사 각도가 어떤 조건에 의해 변화되는 경우(예를 들면, 줌 촬영을 위해 렌즈를 이동하는 경우) 고체 촬상 소자(10) 의 수광 영역(100)을 구성하는 각 층의 보정 계수는 ak로서 정의되고, 입사 각도(θ0)는 촬상 광학계(101)로부터 각 수광 소자(12)로 입사되는 주광선의 편향 폭내의 입사 각도로서 정의된다. 수광 소자(12) 또는 수광 소자(12) 상의 광속(C)을 통과시키길 원하는 기준 위치[예를 들면, 전극 배선층(13)의 개구부]에 대한 전극 배선층(13)의 개구부, 컬러 필터(14) 및 마이크로렌즈(15) 중 적어도 어느 하나의 시프트량은 이하의 식에 의해 산출된다.
θk = arcsin((sinθO)nO/nk)
마이크로렌즈 등의 시프트량 = Σkak×tk×tanθk
유사하게, 촬상 광학계(101)로부터의 주광선의 입사 각도가 어떤 조건에 의해 변화되는 경우에 고체 촬상 소자(10)의 수광 영역(100)을 구성하는 각 층의 보정 계수는 ak로서 정의되고, 입사 각도(θ0)는 촬상 광학계(101)로부터 각 수광 소자(12)로 입사되는 주광선의 편향 폭내의 입사 각도로서 정의된다. 수광 소자(12) 또는 수광 소자(12) 상의 광속(C)을 통과시키길 원하는 기준 위치[예를 들면, 전극 배선층(13)의 개구부]에 대한 전극 배선층(13)의 개구부, 컬러 필터(14) 및 마이크로렌즈(15) 중 적어도 어느 하나의 시프트량은 이하의 식에 의해 근사적으로 산출된다.
시프트량 = Σkak×sinθO
또한, 상기 실시형태에서 특별히 설명되지 않았지만 수광 영역(100)에서 전 극 배선층(13)의 개구부와 수광 소자 피치[예를 들면, 1개의 수광 소자는 2.2㎛×2.2㎛(높이 및 폭)으로 구성되면 2.2㎛ 피치]의 중심이 서로 일치하지 않는 경우, 또는 수광 소자(12)의 중심과 포토다이오드의 중심이 서로 일치하지 않는 경우(도 5) 수광 소자(12)에 대한 상기 마이크로렌즈(15), 컬러 필터(14) 및 전극 배선층(13)의 개구부의 시프트에 더하여, 모든 수광 소자(12)에 대하여 일률적으로, 또는 전극 배선층의 레이아웃의 반복에 따라 일률적으로, 또는 컬러 필터(14)의 반복에 따라 일률적으로 마이크로렌즈(15), 컬러 필터(14) 및 전극 배선층(13)의 개구부가 시프트되어 수광 소자(12)에 가장 많이 집광될 수 있다.
또한, 보정 계수(ak)로서 수광 영역(100)의 장변 방향과 단변 방향에서 모두 다른 보정 계수가 설정된다. 이것에 더해서, 또는 이것과 별도로 보정 계수(ak)로서 수광 소자(12)의 장변 방향과 단변 방향에서 모두 다른 보정 계수가 설정될 수 있다. 또한, 이것에 더해서, 또는 이것과는 별도로 보정 계수(ak)로서 전극 배선층(13)의 개구부의 장변 방향과 단변 방향에서 모두 다른 보정 계수가 설정될 수 있다.
또한, 고체 촬상 소자(10)를 구성하는 재료층(Mk)의 굴절율(nk)에서 파장 의존성이 관찰되는 경우 마이크로렌즈(15), 컬러 필터(14) 및 전극 배선층(13)의 개구부의 시프트량은 굴절율에 따라 파장마다 또는 컬러 필터(14)의 컬러마다 변화된다.
또한, 상술된 실시형태에서 수광 소자(12)에 대하여 마이크로렌즈(15), 컬러 필터(14) 및 전극 배선층(13)의 개구부가 시프트되지만, 그 중 1개 또는 2개만이 시프트될 수도 있다.
상술된 실시형태에서 특별히 설명되지 않았지만, 본 발명은 상술된 고체 촬상 소자(10)를 사용한 예를 들면, 디지털 카메라(예를 들면, 디지털 비디오 카메라, 디지털 스틸 카메라), 화상 입력 카메라(예를 들면, 감시 카메라, 도어 인터콤 카메라, 차량 탑재 카메라, 텔레비젼 전화용 카메라 및 휴대 전화용 카메라), 화상 입력 디바이스(예를 들면, 스캐너, 팩시밀리 및 카메라 장착 휴대 전화 장치)를 갖는 전자 정보 기기에 적용될 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시형태에 의한 고체 촬상 소자(10)를 그 촬영부에 사용한 전자 정보 기기의 개략적인 구조의 예를 나타내는 블럭도이다.
도 15에서 본 발명에 의한 전자 정보 기기(90)는 기록을 위한 소정의 신호 처리를 행한 후에 고체 촬상 소자(10)를 촬상부로서 이용함으로써 얻어진 고품질 화상 데이터를 데이터 기록하는 메모리부(92)(예를 들면, 기록 미디어), 소정의 신호 처리를 행한 후에 표시 화면(예를 들면, 액정 표시 화면) 상에 화상 데이터를 표시하는 표시부(93)(예를 들면, 액정 표시 장치), 통신을 위한 화상 데이터에 소정의 신호 처리를 행한 후에 화상 데이터를 통신하는 통신부(94)(예를 들면, 송수신 장치), 및 화상 데이터를 프린트(타이핑 아웃)하고 출력(프린팅 아웃)하는 화상 출력부(95) 중 적어도 하나를 포함한다.
상술된 바와 같이, 본 발명은 그것의 바람직한 실시형태를 이용하여 예시된다. 그러나, 본 발명은 상술된 실시형태에 의거하여서만 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 범위는 청구항에 의거하여서만 해석되어야한다는 것이 이해된다. 또한, 당업자는 본 발명의 상세한 바람직한 실시형태의 설명으로부터 본 발명의 설명 및 상식에 의거하여 동등한 기술 범위를 실시할 수 있다는 것이 이해된다. 게다가, 본 명세서에서 인용된 어떤 특허, 어떤 특허 출원 및 어떤 참조 문헌도 여기서 그 내용이 구체적으로 설명되도록 본 명세서에서 참조하여 통합되어야 한다는 것이 이해된다.
촬상 영역으로서 복수의 수광 소자 상에 전극 배선층의 개구부, 컬러 필터, 및 마이크로렌즈 중 적어도 어느 하나를 제공하고, 복수의 수광 소자에 의해 피사체로부터의 화상광을 촬상하기 위한 CCD 이미지 센서나 CMOS 이미지 센서 등의 고체 촬상 소자, 고체 촬상 소자 및 고체 촬상 소자 전방에 제공된 촬상 광학계를 구비하는 고체 촬상 장치, 및 고체 촬상 소자 또는 고체 촬상 장치를 화상 입력 디바이스로서 촬상부에 이용한, 예를 들면 디지털 카메라(에를 들면, 디지털 비디오 카메라, 디지털 스틸), 화상 입력 카메라, 스캐너, 팩시밀리 및 카메라 장착 휴대 전화 장치를 포함한 전자 정보 기기의 분야에서 본 발명은 스넬의 법칙에 의거한 함수에 의해 수광 영역에서 각 수광 소자에 대하여 연속적으로 시프트되도록 여러가지 촬상 광학계의 출사 각도(촬상 광학계로부터의 입사 각도)에 대하여 마이크로렌즈, 컬라 필터 및 전극 배선층의 개구부 중 적어도 어느 하나에서 배열가능하게 함으로써 촬상 광학계의 출사 각도에 의한 컬러 셰이딩 및 휘도 셰이딩 없는 양호한 화상을 얻을 수 있다. 또한, 마이크로렌즈 등의 시프트량이 함수로서 나타내어져 여러가지 종류의 촬상 광학계에 따라 함수는 재이용가능해지므로 설계 기간을 단축하고 설계 비용을 저감할 수 있다.
여러가지 다른 변경은 본 발명의 범위 및 정신으로부터 벗어남 없이 당업자에 의해 명백해질 것이고 용이하게 이루어질 수 있다. 따라서, 여기에 첨부된 청구항의 범위가 여기에 나타낸 바와 같은 설명에 한정된다고 의도되지 않지만 청구항은 광범위하게 해석되는 것이 좋다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 고체 촬상 소자의 주요 구조를 나타내는 종단면도이다.
도 2는 입사 각도(θ0) 및 굴절 각도(θk)를 설명하는 도면이고, 또한 광의 시프트량을 설명한다.
도 3은 마이크로렌즈 등을 통과하는 광속이 각 층을 통과한 후의 광속의 시프트량을 결정하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 4는 전극 배선층의 개구부에 대한 마이크로렌즈의 시프트량을 설명하는 도면이다.
도 5는 수광 영역에 제공된 수광 소자가 직사각형이고 수광 소자의 장변 방향과 단변 방향에 대하여 보정 계수가 다른 경우를 설명하는 도면이다.
도 6은 입사광의 상부 광선, 주광선, 및 하부 광선을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 고체 촬상 소자의 촬상 영역에서의 화상 높이에 대한 주광선 각도에 더하여 상부 광선 및 하부 광선을 고려한 입사광 각도를 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 8은 종래의 고체 촬상 소자의 촬상 영역을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 9는 도 8에서의 고체 촬상 소자의 촬상 영역으로 입사 각도를 갖는 주광선이 입사되는 상태를 나타내는 주요 구조의 종단면도이다.
도 10은 도 8에서의 고체 촬상 소자의 촬상 영역에서의 화상 높이에 대한 주광선 입사각을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 11은 참조 문헌 1에 개시된 종래의 고체 촬상 장치에 관하여 수광 소자에 대한 마이크로렌즈의 시프트량뿐만 아니라 마이크로렌즈의 배열 피치와 화상 높이 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 12는 촬상 광학계로서 비구면 렌즈를 개략적으로 나타내는 종단면도이다.
도 13은 참조 문헌 2에 개시된 종래의 고체 촬상 장치에 관하여 주광선 각도가 한번 상승하고 특정 입사 각도에서 감소하는 렌즈 특성을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 14는 참조 문헌 2에 개시된 종래의 고체 촬상 장치에 관하여 수광 소자에 대한 마이크로렌즈의 시프트량뿐만 아니라 마이크로렌즈의 배열 피치와 화상 높이 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시형태에 의한 고체 촬상 소자를 그 촬영부에 사용한 전자 정보 기기의 개략적인 구조의 예를 나타내는 블럭도이다.
<부호의 설명>
10: 고체 촬상 소자 11: 반도체 기판
12, 12a, 12b, 12c, 12d: 수광 소자
13, 13a, 13b, 13c: 전극 배선층
14, 14a, 14b, 14c, 14d: 컬러 필터
15, 15a, 15b, 15c, 15d: 마이크로렌즈
90: 전자 정보 기기 92: 메모리부
93: 표시부 94: 통신부
95: 화상 출력부 100: 촬상 영역
101, 101a, 101b: 모듈 렌즈(촬상 광학계)
Claims (25)
- 반도체 기판 또는 기판 상에 제공된 반도체 영역에 복수의 수광 소자가 배열된 수광 영역으로서 상기 수광 소자 상의 광 입사측에 전극 배선층의 개구부, 컬러 필터, 및 마이크로렌즈 중 적어도 어느 하나가 제공된 고체 촬상 소자에 있어서:상기 수광 소자에 대한, 또는 광속을 통과시키길 원하는 기준 위치에 대한 상기 전극 배선층의 개구부, 상기 컬러 필터, 및 상기 마이크로렌즈 중 적어도 어느 하나의 시프트량은 상기 고체 촬상 소자면으로의 상기 수광 영역에 입사되는 광속의 입사 각도(θ0), 및 상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 굴절율(nk)과 막 두께(tk)에 의거하여 스넬의 법칙에 의해 산출되어 상기 전극 배선층의 개구부, 상기 컬러 필터, 및 상기 마이크로렌즈 중 적어도 어느 하나는 상기 복수의 수광 소자에 대하여, 또는 광속을 통과시키길 원하는 기준 위치에 대하여 시프트되어 상기 수광 영역에 배치되어 있는 것을 특징으로 고체 촬상 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 광속을 통과시키길 원하는 기준 위치는 상기 전극 배선층의 개구부의 최상위층, 중간층, 및 최하위층뿐만 아니라 기판 상의 화소 중심 및 광전 변환 디바이스의 중심 중 어느 하나에 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.θk = arcsin((sinθ0)n0/nk),매체가 공기인 경우 n0 = 1,시프트량 = Σkak×tk×tanθk
- 제 1 항에 있어서,상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 근사적으로 산출되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.시프트량 = Σkak×sinθ0
- 제 1 항에 있어서,상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 후막층의 보정 계수는 ak1으로 정의되고, 상기 후막층을 통한 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 산출되고,θk = arcsin((sinθ0)n0/nk),매체가 공기인 경우 n0 = 1,시프트량 = Σkak1×tk×tanθk,상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 박막층의 보정 계수는 ak2로 정의되고, 상기 박막층을 통한 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 근사적으로 산출되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.시프트량 = Σk2ak2×sinθ0
- 제 1 항에 있어서,상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 입사광의 상부 광선과 하부 광선 사이의 특정 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.θk = arcsin((sinθ0)n0/nk),매체가 공기인 경우 n0 = 1,시프트량 = Σkak×tk×tanθk
- 제 1 항에 있어서,상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 입사광의 상부 광선과 하부 광선 사이의 특정 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 근사적으로 산출되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.시프트량 = Σkak×sinθ0
- 제 1 항에 있어서,상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 입사광의 상부 광선과 하부 광선 사이의 중간 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.θk = arcsin((sinθ0)n0/nk),매체가 공기인 경우 n0 = 1,시프트량 = Σkak×tk×tanθk
- 제 1 항에 있어서,상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 입사광의 상부 광선과 하부 광선 사이의 중간 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 근사적으로 산출되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.시프트량 = Σkak×sinθ0
- 제 1 항에 있어서,상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 입사광의 상부 광선으로부터 하부 광선까지의 중간 각도와 입사광의 주광선 사이의 중간 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.θk=arcsin((sinθ0)n0/nk),매체가 공기인 경우 n0 = 1,시프트량 = Σkak×tk×tanθk
- 제 1 항에 있어서,상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 입사광의 상부 광선으로부터 하부 광선까지의 중 간 각도와 입사광의 주광선 사이의 중간 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 근사적으로 산출되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.시프트량 = Σkak×sinθ0
- 제 1 항에 있어서,상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 주광선의 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.θk = arcsin((sinθ0)n0/nk),매체가 공기인 경우 n0 = 1,시프트량 = Σkak×tk×tanθk
- 제 1 항에 있어서,상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 주광선의 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 근사적으로 산출되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.시프트량 = Σkak×sinθ0
- 제 1 항에 있어서,주광선의 입사 각도가 어떤 조건에 의해 변화되는 경우에 상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 입사 주광선의 변화 편향 폭 내의 입사 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.θk = arcsin((sinθ0)n0/nk),매체가 공기인 경우 n0 = 1,시프트량 = Σkak×tk×tanθk
- 제 1 항에 있어서,주광선의 입사 각도가 어떤 조건에 의해 변화되는 경우에 상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 보정 계수는 ak로 정의되고, 상기 입사 각도(θ0)는 입사 주광선의 변화 편향 폭 내의 입사 각도로 정의되며, 상기 시프트량은 이하의 식에 의해 근사적으로 산출되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.시프트량 = Σkak×sinθ0
- 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,상기 주광선의 입사 각도가 어떤 조건에 의해 변화되는 경우는 상기 주광선의 입사 각도가 포커스 조건에 의해 변화되는 경우인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
- 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,상기 주광선의 입사 각도가 어떤 조건에 의해 변화되는 경우는 상기 주광선의 입사 각도가 줌 조건에 의해 변화되는 경우인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
- 제 3 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 보정 계수(ak)로서 상기 수광 영역 및/또는 상기 수광 소자의 장변 방향과 단변 방향에 대하여 다른 보정 계수가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
- 제 3 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 보정 계수(ak)로서 상기 전극 배선층의 개구부, 화소 피치 중심 또는 광전 변환 디바이스의 중심에서 장변 방향과 단변 방향에 대하여 다른 기준 위치가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 수광 소자에 대한, 또는 상기 수광 소자 상의 광속을 통과시키길 원하는 기준 위치에 대한 상기 전극 배선층의 개구부, 상기 컬러 필터, 및 상기 마이크로렌즈의 시프트에 더하여, 모든 수광 소자에서 일률적으로, 또는 상기 전극 배선층의 레이아웃의 반복에 따라 일률적으로, 또는 상기 컬러 필터의 반복에 따라 일률적으로, 상기 전극 배선층의 개구부, 상기 컬러 필터, 및 상기 마이크로렌즈 중 적어도 어느 하나가 상기 수광 소자 또는 상기 수광 소자 상의 광속을 통과시키길 원하는 기준 위치에 대하여 시프트되어 상기 수광 영역에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 수광 영역을 구성하는 상기 수광 소자 상의 각 층의 굴절율(nk)에서 파장 의존성이 관찰되는 경우, 상기 수광 소자에 대한, 또는 상기 수광 소자 상의 광속을 통과시키길 원하는 기준 위치에 대한 상기 전극 배선층의 개구부, 상기 컬러 필터, 및 상기 마이크로렌즈의 시프트량이 상기 굴절율에 따라 파장마다 또는 상기 컬러 필터의 컬러마다 변화되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
- 제 1 항에 기재된 고체 촬상 소자; 및 상기 고체 촬상 소자의 전방에 제공된 촬상 광학계를 구비하고; 상기 촬상 광학계로부터 상기 수광 영역으로 광이 입사되 는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 22 항에 있어서,상기 촬상 광학계는 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 22 항에 있어서,상기 촬상 광학계는 프레넬 렌즈인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 1 항에 기재된 고체 촬상 소자, 또는 제 22 항에 기재된 고체 촬상 장치를 화상 입력 디바이스로서 촬영부에 사용한 것을 특징으로 하는 전자 정보 기기.
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