KR20080106854A - 광학 부재, 고체 촬상 장치, 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

고체 촬상 장치와 일체적으로 구성되는 광학 렌즈가 두꺼운 것에 의해 생기는 문제를 해결한다. 광학 길이(렌즈 길이)에 비해 상대적으로 얇고, 굴절률이 큰 고굴절률층(21)과, 굴절률이 작은 저굴절률층(20)이 광축에 대하여 가로 방향으로 교대로 배열한 교대 배치층(2)을 설치한다. 고굴절률층(21) 및 저굴절률층(20)의 각각의 폭은, 입사광의 파장 오더와 같거나 또는 파장 오더보다 작게 한다. 각 고굴절률층(20)을, 교대 배치층(2A)의 기계적인 중심에서는 조밀하게 배치하고 중심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되도록, 또는 저굴절률층(20)을, 교대 배치층(2A)의 기계적인 중심에서는 덜 조밀하게 배치하고, 중심으로부터 멀어짐에 따라 조밀하게 되도록, 좌우 대칭으로 배치하여 볼록 렌즈로 한다. 교대 배치층(2A)은, 광학 길이보다 짧고, 스넬 법칙(Snell's law)을 이용한 굴절형 렌즈 구조의 것보다 얇게 할 수 있다. 종래와 같은 상대적으로 두께가 있는 구조의 렌즈에서 생기던 문제를 완화할 수 있다.

Description

광학 부재, 고체 촬상 장치, 및 제조 방법{OPTICAL MEMBER, SOLID-STATE IMAGING DEVICE, AND MANUFACTURING METHOD}

본 발명은, 광학 부재 및 이 광학 부재를 이용한 고체 촬상 장치 및 이들 제조 방법에 관한 것이다.

CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal-oxide Semiconductor) 센서를 시작으로 하는 고체 촬상 장치에서는, 온 칩 렌즈(OCL: On Chip Lenz : 마이크로 렌즈라고도 칭함)나 층내 렌즈 등의 광학 부재를 설치하고, 입사광을 수광부에 집광시키는 것이 일반적이다. 여기서, 상기 광학 부재로서는, 스넬 법칙(Snell's law)을 이용한 굴절형 렌즈 구조이 사용된다.

그런데 스넬 법칙을 이용한 굴절형 렌즈 구조는, 렌즈 그 자체가 1μm 정도 이상으로 두꺼우므로, 고체 촬상 장치의 온 칩 렌즈나 층내 집광 렌즈에 응용하면 디바이스 상층이 두껍게 되어 버린다. 이로써, 인접하는 화소로부터의 바람직하지 않은 광 입사(경사 입사광이라고 칭함)가 증가하여, 이 경사 입사광에 의한 혼합색이 증가하여 색 재현성이 악화된다.

또, 종래의 온 칩 렌즈나 층내 집광 렌즈의 제작 공정에서는, 레지스 트(resist)를 리플로우시키는 등 공정수가 많이 복잡하며 비용도 높다. 또한, 리플로우로 제작하면 구면 형상 밖에 제작하지 못하고, 예를 들면, 가로 방향으로 변형된 비대칭인 렌즈 형상이 불가하다.

또한, 외부 부착의 결상계 렌즈의 F값을 작게 하면 경사 입사광이 증가하므로 상층이 두꺼워지는 것에 의해 이상적인 감도로부터의 저하가 현저하게 되어, 본래의 감도가 잡히지 않게 된다(F값 광 감도 저하).

또, 종래의 온 칩 렌즈에서는, 집광 효율이 신호광의 입사 각도에 의존하여 저하된다. 즉, 온 칩 렌즈에 수직으로 입사하여 오는 광에 대하여는 고효율로 집광할 수 있지만, 경사 입사광에 대하여는 집광 효율이 감소한다. 복수의 화소가 2차원 배열되어 구성되어 있는 고체 촬상 장치에서는, 넓혀진 각(spread angle)을 가지는 입사광의 경우, 고체 촬상 장치의 중앙 부근의 화소와 주변 부근의 화소와는 입사각이 상이하고, 그 결과, 주변 부근의 화소의 집광 효율이 중앙 부근의 것보다 저하되는 현상, 즉 디바이스 중심에 비교하여 단부에서 감도가 작아지는 현상(쉐이딩(shading))도 현저하게 된다.

경사 입사광에 색 재현성 저하에 관하여는, 색 재현성을 회복시키기 위해 연산 처리를 행하는 것도 고려되지만, 여분의 노이즈가 발생하여 화질이 열화되는 폐해가 염려된다.

또한, 외부 부착의 결상계 렌즈의 F값을 작게 하면, 경사 입사광이 증가하므로 상층이 두꺼워지는 것에 의해 이상적인 감도로부터의 저하가 현저하게 되어, 본래의 감도가 잡히지 않게 되는 F값 광 감도 저하 현상도 생긴다.

이에 대하여, 상층이 두꺼워지는 문제점이나 감도 저하를 해결하는 한 방법으로서 프레넬 렌즈를 이용한 구조가 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1, 2를 참조).

[특허 문헌 1] 일본 특개 2005-011969호 공보

[특허 문헌 2] 일본 특개 2006-351972호 공보

예를 들면, 특허 문헌 1에 기재된 구조는, 온 칩 렌즈 등의 상부 렌즈로 수속된 광을 더 수속시켜 대응하는 광전 변환부에 입사시키는 층내 집광 렌즈를, 프레넬 렌즈를 베이스로서 구성하고 있는 것이다. 굴절형 렌즈이지만, 파형(wave type)으로 함으로써 렌즈를 얇게 할 수 있는 특징이 있다.

또, 특허 문헌 2에 기재된 구조는, 집광 소자를, 입사광의 파장과 같은 정도이거나 그보다 짧은 선폭으로 분할된 동심 구조의 복수의 존 영역의 편성에 의해 구성된 것으로 하고 있다. 2단 동심원 구조의 분포 굴절률 렌즈(즉, 프레넬 렌즈)를 베이스로서 집광 소자를 구성하고 있는 점이 특징이다.

그러나 특허 문헌 1에 기재된 구조에서는, 프레넬 렌즈의 개념을 기본으로 하고 있으므로, 이 프레넬 렌즈는 굴절형이므로 파장 오더보다 얇게 하는데 한도가 있다.

또, 이와 같은 파형을 제작하는 것은 통상의 굴절형 렌즈의 공정보다 더 복잡한 공정으로 되고, 비용도 더 높다. 또, 구면으로밖에 렌즈를 제작하지 못하고, 비대칭성을 넣을 수가 없다.

또한, 특허 문헌 1, 2의 어느 쪽의 구성에 있어서도, 프레넬 렌즈를 베이스 로 하기 때문에, 어느 영역에 경사 입사한 광에 있어서 본래 집광하는 포인트에 모이지 않는 경우가 있다(자세한 것은 후술한다). 이것은, 집광 효율이 저하되어 버리므로, 발산된 광이 인접하는 화소에 입사한 경우에는 혼합색의 원인이 된다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 전술한 각종의 문제 중 적어도 1개를 해소할 수 있는 새로운 광학 부재의 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

광학 길이(렌즈 길이)에 비해 상대적으로 얇은 고굴절률층과 저굴절률층이 광학 부재의 가로 방향(광축에 대하여 수직으로 되는 평면상의 임의의 방향)에 교대로 배열되어 있는 경우에, 저굴절률층이나 고굴절률층의 각각의 폭이 입사광의 파장 오더로부터 충분히 클 때는, 광학 부재를 통과하는 광의 등위상면은, 입사 측의 매질에서의 등위상면과 마찬가지로 형성되고, 만곡되는 것은 없다.

그런데 저굴절률층이나 고굴절률층의 각각의 폭이 입사광의 파장 오더와 같은 정도이거나 보다 작아지면 파동 방정식의 연속성에 의해, 저굴절률층 내에서의 파면과 고굴절률층 내에서의 파면이 연결되어, 그 결과, 전체의 등위상면이 만곡되는 현상이 생긴다.

본 발명에 관한 광학 부재는, 상기 지견에 따라 행해진 것이다. 즉, 본 발명에 관한 광학 부재의 일실시예는, 광학 길이(렌즈 길이)에 비해 상대적으로 얇고, 굴절률이 큰 고굴절률층과, 굴절률이 작은 저굴절률층이 광축에 대하여 가로 방향으로 교대로 배열한 것으로 한다. 여기서, 고굴절률층 및 저굴절률층의 각각의 폭은, 입사광의 파장 오더와 같거나 또는 파장 오더보다 작은 것으로 한다.

파장 오더와 같거나 또는 파장 오더보다 작은 폭의 저굴절률층과 고굴절률층을 가로 방향으로 배열하여 광학 부재로서의 기능을 갖게 하려면, 부재의 중심과 단부의 고굴절률층의 각 밀도의 배치 관계를 조정함으로써, 등위상면(equiphase wave surface)의 만곡 상태를 조정할 수 있다.

이로써, 볼록 렌즈 기능(집광성)을 갖게 할 수 있으면, 오목 렌즈 기능(확산성)을 갖게 할 수도 있다. 또, 경사 입사광을 수직 입사광으로 변환하는 기능(경사 광 보정 기능)을 갖게 할 수도 있다. 저굴절률층과 고굴절률층의 각 배열 폭을 조정함으로써 등위상면(파면)의 만곡 상태를 제어할 수 있는 새로운 구조의 광학 부재(광학 렌즈)를 실현할 수 있게 된다.

예를 들면, 각 고굴절률층을, 부재의 기계적인 중심에서는 조밀하게 배치하고, 중심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되도록, 좌우 대칭으로 배치하면, 볼록 렌즈 기능(집광성)을 제공하도록 된다. 저굴절률층 측으로부터 보면, 부재의 기계적인 중심에서는 덜 조밀하게 배치하고, 중심으로부터 멀어짐에 따라 조밀하게 되도록, 좌우 대칭으로 배치하면, 볼록 렌즈 기능(집광성)을 제공하도록 된다.

각 고굴절률층을, 부재의 기계적인 중심에서는 덜 조밀하게 배치하고, 중심으로부터 멀어짐에 따라 조밀하게 되도록, 좌우 대칭으로 배치하면, 오목 렌즈 기능(발산성)을 제공하도록 된다. 저굴절률층 측으로부터 보면, 부재의 기계적인 중심에서는 조밀하게 배치하고, 중심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되도록, 좌우 대칭으로 배치하면, 오목 렌즈 기능(발산성)을 제공하도록 된다.

고굴절률층 및 저굴절률층 중 적어도 한쪽을, 각각의 폭이, 가로 방향으로 비대칭으로 배치하면, 경사 광 보정 기능을 제공하도록 된다.

이와 같은 광학 부재는, 독립된 부재로서, 레이저 주사 광학계 등에 사용되는 종래의 일반적인 광학 렌즈와 치환하여 사용할 수 있다.

단, 고체 촬상 장치와의 조합에 있어서는, 화소 어레이부 등이 형성되는 반도체 기판상에, 광학 부재를 일체적으로 형성하는 것이 바람직하다.

고체 촬상 장치는 원칩으로서 형성된 형태이어도 되고, 촬상부와 신호 처리부 또는 광학계가 모아져 패키지화된, 촬상 기능을 가지는 모듈형의 형태라도 된다.

또, 본 발명은, 고체 촬상 장치만이 아니고, 촬상 장치에도 적용할 수 있다. 이 경우, 촬상 장치로서, 고체 촬상 장치와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 여기서, 촬상 장치는, 예를 들면, 카메라(또는 카메라 시스템)나 촬상 기능을 가지는 휴대 기기를 나타낸다. 또 「촬상」은, 통상의 카메라 촬영시의 상의 촬영뿐 아니고, 광의의 의미로서 지문 검출 등도 포함하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 입사광의 파장 오더와 같거나 또는 파장 오더보다 작은 렌즈 길이보다 얇은 고굴절률층과 저굴절률층을 광축에 대하여 가로 방향으로 교대로 배열하여 광학 부재를 구성하였으므로, 입사광이 광학 부재를 통과할 때 등위상면을, 고굴절률층과 저굴절률층의 각각의 폭의 배열 상태에 따라 만곡시킬 수 있다. 그 결과, 광학 부재는, 고굴절률층과 저굴절률층의 각각의 폭의 배열 상태에 따른 광학 특성(예를 들면, 집광 기능, 발산 기능, 또는 입사각 변환 기 능)을 나타내게 된다.

이와 같이 고굴절률층과 저굴절률층을 교대로 가로 방향으로 배열한 광학 부재는, 광학 길이보다 짧고 얇은 부재로 할 수 있어 종래의 스넬 법칙을 이용한 굴절형 렌즈 구조의 것보다 얇은 부재로 할 수 있다. 그 결과, 종래와 같은 상대적으로 두께가 있는 구조의 렌즈에서 생기는 문제를 완화·해소할 수 있다.

예를 들면, 촬상 디바이스의 상층이 얇아져, 혼합색이 줄어들므로 색 재현성이 좋게 된다. 연산 처리에 의한 혼합색 대책이 불필요하게 되므로, 여분의 노이즈 발생도 적어진다. 또 F값 광 감도 저하를 막거나 경사 입사광을 수직 입사광에 보정할 수도 있어 쉐이딩 대책으로도 된다.

또, 얇은 저굴절률층과 고굴절률층이 교대로 배열되는 부재가 구성되어 있으므로, 프레넬 렌즈와 같이 큰 굴절률의 단차는 없고, 경사 입사광에 대해서도 반사나 굴절에 의해 발산하는 광은 적다. 그 결과, 집광 효율을 높일 수 있고, 경사 입사광에 의한 혼합색의 문제도 해결할 수 있다.

얇은 저굴절률층과 고굴절률층을 가로 방향으로 교대로 배열된 것으로 하면 되고, 반도체 프로세스에 준한 제조를 할 수 있어 제작 공정이 간편해 비용이 낮고 억제된다.

저굴절률층과 고굴절률층의 각 배열 폭을 조정함으로써 광학 특성을 제어할 수 있으므로, 구면 렌즈에 비해 광학적으로 설계의 폭이 넓어지는 이점도 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

＜제1 실시예: 볼록 렌즈의 기본＞

도 1 ~ 도 1b는, 광학 렌즈의 제1 실시예의 기본 원리를 설명하는 도면이다. 여기서 도 1 및 도 1a는 등위상면을 나타낸 도면이며, 도 1b는 제1 실시예의 광학 렌즈의 평면 모식도이다.

후술하는 다른 실시예도 포함하여, 본 실시예의 각 광학 렌즈는, 기본적으로는, 광축에 대하여 가로 방향으로, 굴절률이 큰 직사각형의 층과 작은 직사각형의 층을 교대로 배열하는 동시에 각각의 폭을 파장 오더와 같거나 또는 파장 오더보다 작은 폭의 구조를 가지는 것으로 함으로써 렌즈 기능을 갖게 한다.

예를 들면, 광 리소그라피 및 전자선 리소그라피에 대표되는 플래너 프로세스(planar process) 프로세스 기술을 이용하여 형성되는, 서브 파장의 주기 구조를 가지는 집광 소자(Subwave length Lens: SWLL)의 구조를 이용함으로써, 「파장 오더와 같거나 또는 파장 오더보다 작은 폭의 구조」를 형성할 수 있다.

SWLL을 고체 촬상 장치용의 집광 소자에 사용함으로써, 일반적인 반도체 프로세스로, 온 칩 렌즈를 형성할 수 있고, 또, 렌즈의 형상을 자유롭게 제어할 수 있게 된다.

여기서, 제1 실시예는, 집광 효과를 가지는 볼록 렌즈에 관한 것이다. 그러므로 굴절률이 큰 층을, 판형으로, 중심(렌즈의 기계적인 중심: 본 예에서는 광축 위치와 일치)이 더 조밀하고 중심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되는 좌우 대칭 구조로 한다. 굴절률이 작은 층의 측면으로부터 말하면, 각 저굴절률층은, 부재의 기계적인 중심에서는 덜 조밀하게 배치되고, 중심으로부터 멀어짐에 따라 조밀하게 되는 좌우 대칭 구조로 한다. 렌즈의 좌우가 대칭인(좌우 대칭 구조를 가짐) 점에서, 후술하는 제2 또는 제3 실시예와 상위하다.

중심이 조밀하고 중심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되는 구조로 함으로써 볼록 렌즈 기능을 갖게 하려면, 예를 들면, 굴절률이 큰 층의 폭이 렌즈의 중심을 향해 서서히 커지게 되는 구조를 가지는 것으로 하는 제1 볼록 렌즈화 방법, 굴절률이 작은 층의 폭이 렌즈의 중심을 향해 서서히 작아지는 구조를 가지는 것으로 하는 제2 볼록 렌즈화 방법, 또는 이들 제1 및 제2 볼록 렌즈화 방법을 병용한 제3 볼록 렌즈화 방법 중 어느 것을 채용하는 것이 좋다. 집광 효율의 면에서는 제3 볼록 렌즈화 방법을 적용하는 것이 가장 효과적이다.

먼저, 도 1에 나타낸 바와 같이, 굴절률 n0만의 판형의 단일재층(1)이 존재하고, 그것(상세하게는 위상면(1_4) 측)에 인접하여, 굴절률 n0의 직사각형의 층(저굴절률층으로 칭함)(20)과 굴절율 n0보다 높은(큰) 굴절률 n1(n1＞n0)의 직사각형의 층(고굴절률층으로 칭함)(21)을 각각 가로 방향으로 교대로 배열한 판형의 층(교대 배치층으로 칭함)(2A)이 설치되어 있는 것으로 한다. 교대 배치층(2A)의 더 후방(광 입사 측과는 반대측)에는, 굴절률 n0만의 판형의 단일재층(3)이 설치되는 것을 고려해도 좋다. 자세한 것은 후술하지만, 교대 배치층(2A)은, 집광 효과를 가지는 광학 렌즈(볼록 렌즈)의 기능을 이룬다.

교대 배치층(2A)에 있어서는, 광학 중심 CL에 대하여 우측의 것에는 "R"과 참조 번호를, 좌측의 것에는 "L"과 참조 번호를 부여하여 나타낸다. 우측과 좌측의 구별을 하지 않을 때는, "R", "L"를 할애하여 설명한다. 이들은, 후술하는 다 른 예에서도 마찬가지이다.

도시한 제1 실시예의 기본 예의 구성에서는, 중심 CL에 대하여 좌우 대칭과, 굴절률이 큰 직사각형의 고굴절률층(21)이 5층 설치되고, 그 사이에 굴절률이 작은 저굴절률층(20)이 4층 설치되어 있다. 고굴절률층(21R_1 ~ 21R_5, 21L_1 ~ 21L_5)의 폭은, 중심 CL로 향해 서서히 커지게 되는 구조를 가지는 동시에, 저굴절률층(20R_1 ~ 20R_4, 20L_1 ~ 20L_4)의 폭이 중심 CL로 향해 서서히 작아지는 구조를 가진다. 즉, 이 제1 실시예의 기본예에서는, 전술한 제1 및 제2 볼록 렌즈화 방법을 병용한 제3 볼록 렌즈화 방법을 채용한 것이다.

교대 배치층(2A)은, 전체적으로는, 굴절률이 큰 고굴절률층(21R_k, 21L_k(본 예에서는 k=1~5))이, 판형으로, 중심이 더 조밀하고 중심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되는 구조로 되어 있다. 고굴절률층(121)에 주목하면, 렌즈의 중심에서는 광폭으로 주변에서는 폭이 좁은 구조로 되어 있다.

여기서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 광이 굴절률 n0만의 단일재층(1) 측으로부터 입사한 것으로 한다. 그때, 광속 c는 c=c0/n1로 된다. 여기서 c0는 진공 중의 광속이다. 따라서, 판형의 교대 배치층(2A)에 있어서의 고굴절률층(21)의 각각에 있어서, 그 중에서는 광속이 작아지고, 결과로서 도 1과 같이, 단일재층(1)과 마찬가지의 등위상면(파면)이 형성되는 것으로 고려된다. 그러나 높은 굴절률 n1의 고굴절률층(21)이나 그 옆의 굴절률이 작은 저굴절률층(20)의 가로 방향의 길이(즉, 폭)가 파장 오더보다 클 때는 이것이 성립된다.

이에 대하여, 높은 굴절률 n1의 고굴절률층(21)이나 그 옆의 굴절률이 작은 저굴절률층(20)의 가로 방향의 길이(폭)가 파장 오더 정도이거나 또는 파장 오더보다 짧은 경우에는, 단일재층(1)과 마찬가지의 등위상면(파면)이 형성되지 않고, 고굴절률층(21)과 그 옆의 저굴절률층(20)의 폭의 배열 방법에 따라 파면이 만곡된다.

구체적으로는, 파동 방정식의 연속성에 의해, 저굴절률층(20_j) 내에서의 파면과 고굴절률층(21_k) 내에서의 파면이 연속적으로 연결되어, 그 결과, 전체의 등위상면이 만곡된다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 굴절률이 큰 고굴절률층(21_k)이, 판형으로, 중심이 더 조밀하고 중심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되는 구조를 가지는 경우, 도 1a에 나타낸 바와 같이 된다. 굴절률이 큰 곳(고굴절률층(21))과 작은 곳(저굴절률층(20))의 광속이 상이한 것이 원인이다.

도면으로부터 알 수 있듯이, 광의 파면이 교대 배치층(2A)에 의해 오목면이 되고, 그것이 더 후방의 굴절률 n0만의 판형의 단일재층(3)을 통과하여 간다. 결과로서, 도시한 바와 같이, 렌즈 중심을 경계로 좌우에서는 중심 측에 입사광의 경로를 변환하는 기능이 활성화되어, 집광성을 갖게 할 수 있다. 굴절률이 큰 고굴절률층(21)과 작은 저굴절률층(20)의 광속이 상이하면, 파동함수의 연속성을 조합함으로써, 볼록 렌즈 효과를 향수 가능하게 된다.

이상으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 제1 실시예의 광학 렌즈는, 굴절률이 큰 고굴절률층(21_k)과, 굴절률이 작은 저굴절률층(20_j)을 직사각형으로 가로 방향으로 교대로 배열하는 동시에, 그 폭을 파장 오더와 같거나 또는 파장 오더보다 작은 폭의 구조를 가지는 것으로 하고, 이때, 굴절률이 큰 고굴절률층(21_k)을 중심이 조밀하고 중심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되는 구조를 가지도록 함으로써, 집광성을 가지는 볼록 렌즈로서 기능하게 할 수 있다.

높은 굴절률 n1의 고굴절률층(21)과 그 옆의 굴절률이 작은 저굴절률층(20)의 폭의 배열 방법에 따라 파면이 만곡되는 것이기 때문에, 각각의 폭의 배열 방법을 조정함으로써 광의 파면의 만곡 상태를 제어할 수 있고, 결과로서, 볼록 렌즈의 집광성을 제어할 수 있다. 즉, 제1 실시예의 교대 배치층(2A)은, 파면 제어의 구조를 이용한 집광 렌즈(즉 볼록 렌즈)인 것으로 고려할 수 있다.

도 1a에 나타내는 구조로부터 명백한 바와 같이, 그 렌즈 두께는, 굴절률이 큰 직사각형의 고굴절률층(21_k)과, 굴절률이 작은 직사각형의 저굴절률층(20_j)을 가로 방향으로 교대로 배열한 교대 배치층(2A)의 두께이므로, 극히 얇은 볼록 렌즈로 할 수 있다. 예를 들면, 종래의 스넬 법칙을 이용한 굴절형 렌즈 구조에서는 1μm 이상으로 되어 버리지만, 본 실시예의 구조의 광학 렌즈로 함으로써, 0.5μm 이하까지 렌즈를 얇게 할 수 있다.

렌즈 두께를 얇게 할 수 있으면, 고체 촬상 장치에 적용하는 경우, 상층이 얇게 이루어지는 것에 의해, 혼합색이 줄어들므로 색 재현성이 좋게 된다. 또, 혼합색이 줄어들므로 색 재현성을 회복시키기 위한 연산 처리가 불필요해지므로, 연산 처리에 의한 여분의 노이즈 발생도 적어진다. 또, 렌즈 두께가 얇기 때문에, 외부 부착의 결상계 렌즈의 F값을 작게 하는 경우라도 경사 입사광이 증가하지 않고, F값 광 감도 저하의 문제가 일어나지 않는다.

교대 배치층(2A)은, 평면 구조에 있어서도, 당연하게, 중심이 조밀하고 중심 으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되는 구조로 되어 있으면 되고, 그 한도에 있어서, 다양한 평면 구조를 채용할 수 있다. 굴절률이 큰 고굴절률층(21_k)과, 굴절률이 작은 저굴절률층(20_j)의 각각의 형상은, 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형 등, 임의의 형상으로 할 수 있다. 그리고 이들 동일이라고 볼 수 있는 형상의 것을 환형으로 하는 것이나, 상이한 형상의 것을 조합시켜, 각 링의 폭이 상하 좌우로 동일해지도록 환형으로 하면 된다.

예를 들면, 도 1b(1)에 나타낸 바와 같이, 고굴절률층(21_k)과 저굴절률층(20_j)의 각각이 원형 또는 원형 링 형상의, 전체적으로 환형으로 된 것이어도 좋다. 도 1b(2)에 나타낸 바와 같이, 고굴절률층(21_k)과 저굴절률층(20_j)의 각각이 타원 또는 타원형 링 형상의, 전체적으로 환형으로 된 것이어도 좋다. 도 1b(3)에 나타낸 바와 같이, 고굴절률층(21_k)과 저굴절률층(20_j)의 각각이 정사각형 또는 정방 링 형상의, 전체적으로 환형으로 된 것이어도 좋다. 도 1b(4)에 나타낸 바와 같이, 고굴절률층(21_k)과 저굴절률층(20_j)의 각각이 직사각형 또는 직사각형 링 형상의, 전체적으로 환형으로 된 것이어도 좋다.

도시하지 않지만, 고굴절률층(21_k)과 저굴절률층(20_j)의 각각이 삼각형 또는 삼각 링 형상의, 전체적으로 환형으로 된 것이어도 좋다. 또, 도시하지 않지만, 예를 들면, 중심에서는 원형 또는 원형 링 형상의 것으로 하고, 외주에서는 사각 링 형상으로 하는 등, 중심 측과 외주측으로 상이한 형상의 것을 사용하여, 이들을 조합시켜, 전체적으로 환형으로 되도록 해도 된다.

단, 볼록 렌즈로서의 집광 효과는 교대 배치층(2A)의 평면 구조, 즉 고굴절 률층(21)과 저굴절률층(20)의 배열 방법의 평면 구조의 영향을 받으므로, 고체 촬상 소자에 응용하는 경우에는, 도 1b에 예시한 평면 구조, 특히 중심부의 고굴절률층(21_1)의 형상은, 수광부의 평면 형상으로 정합시키는 것이 좋다.

＜제1 실시예: 볼록 렌즈의 적용예 1＞

도 2 ~ 도 2d는, 광학 렌즈의 제1 실시예를 적용한 고체 촬상 장치의 제1 예(적용예 1)를 설명하는 도면이다. 여기서 도 2는 적용예 1의 고체 촬상 장치의 단면 모식도이며, 도 2a는, 제1 실시예(적용예 1)의 고체 촬상 장치의 보다 구체적인 단면도이며, 도 2b ~ 도 2d는, 그 광학 특성의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

제1 실시예(적용예 1)의 고체 촬상 장치(100A)는, 굴절률 n3이 4.1에서 소쇠 계수(extinction coefficient)(광의 흡수와 관련이 있는 계수) k가 0.04의 실리콘 Si로 되는 반도체 기판(이하 실리콘 기판으로도 칭함)(102) 상에, 굴절률 n1이 2.0인 실리콘 나이트라이드 Si3N4(이하 SiN이라고 함)의 박막층(130)(두께= 0.1μm)을 가지고, 그 상층에, 도 1 ~ 도 1b를 사용하여 설명한 구조(교대 배치층(112A))를 주요부에 가지는 광학 렌즈(110A)를 가진다.

박막층(130)은, 실리콘 기판(102)에 대한 반사 방지막으로서 설치된 것이다. 이로써, 유효하게 광을 포토 다이오드 등의 수광부에 입사시키는 것이 가능해진다. 예를 들면, 실리콘 Si와 실리콘 나이트라이드 SiN과 산화 실리콘 SiO2의 굴절률을 각각 n_Si, n_SiN, n_SiO2로 하면 n_Si>n_SiN>n_ SiO2로 되는 관계가 있다. 이 경우, 박막층(130)의 두께 d가 "d≒λ×(m/2+1/4)/n_SiN"의 관계가 되는 것으로, 반 사 방지막의 기능이 유효하게 나온다. 여기서 λ는 광의 파장으로, m은 0 이상의 정수이다.

도 2a에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(102)의 광학 렌즈(110A) 측의 경계 근방(기판 표면)에는, PN 접합으로 되는 광전 변환부(수광부)(104)가 소정의 화소 피치로 배치된다. 고체 촬상 장치(100A)는, 복수(예를 들면, 수백만)의 광전 변환부(104)를 종횡으로 또는 경사 방향으로 규칙적으로 배열하여 이루어지는 화소 어레이부를 가진다.

광학 렌즈(110A)의 광 입사면 측의 상층에는, 컬러 필터(106)나 온 칩 렌즈(108)가 필요에 따라 설치된다. 온 칩 렌즈(108)는, 스넬 법칙을 이용한 굴절형 렌즈 구조이다.

도 2a에 나타낸 예는, 상층 렌즈(표면 렌즈)로서 온 칩 렌즈(108)를 사용하고, 층내 집광 렌즈로서 광학 렌즈(110A)의 교대 배치층(112A)을 사용하는 예로 나타내고 있지만, 온 칩 렌즈(108)를 교대 배치층(112A)으로 치환하는 것도 할 수 있다. 이 경우, 그 교대 배치층(112A)은, 디바이스 상층 내에 매립된 것이 아니고, 디바이스의 가장 상층에 렌즈 구조로서 배치된 것으로 되어, 그 표면은 공기와 접하게 된다.

온 칩 렌즈(108)는, 스넬 법칙을 이용한 굴절형 렌즈 구조이며, 렌즈 그 자체가 1μm 정도로 두꺼우므로 디바이스 상층이 두껍게 되어 버려, 경사 입사광에 의한 혼합색의 문제가 일어날 수 있지만, 교대 배치층(112A)으로 치환함으로써 그 문제를 경감할 수 있다.

도 2a에 나타낸 예는, 화소 어레이부의 주변부 상태를 나타낸 것이며, 온 칩 렌즈(108)를 통과한 경사 입사광이 교대 배치층(112A)의 중심을 통과하도록, 온 칩 렌즈(108)의 중심과 광학 렌즈(110A)의 1주기 분의 교대 배치층(112A)의 중심을 어긋나게 배치하고 있다. 화소 어레이부의 중앙부에서는, 그럴 필요가 없이, 온 칩 렌즈(108)의 중심과 광학 렌즈(110A)의 1주기 분의 교대 배치층(112A)의 중심을 일치시켜 배치한다.

교대 배치층(112A)과 실리콘 기판(102)의 표면(박막층(130) 측) 사이에는, 배선층(109)이 설치된다. 배선층(109)에서는, 각 광전 변환부(104)의 전하 축적 동작이나 신호 판독 동작을 제어하기 위한 알루미늄 배선이, 광전 변환부(104)로의 광로를 방해하지 않도록 설치된다.

광학 렌즈(110A)는, 굴절률 n1이 1.46인 산화 실리콘 SiO2의 두께가 있는 층(산화 실리콘 층으로 칭함)을 매질로서 가지고, 그 광 입사 측의 표면 근방에, 도 1 ~ 도 1b를 사용하여 설명한 교대 배치층(2A)과 동일한 구조의 교대 배치층(112A)을 가진다. 교대 배치층(112A)보다 광 입사 측이, 도 1 ~ 도 1b를 사용하여 설명한 단일재층(1)과 마찬가지의 단일재층(111)으로 되고, 교대 배치층(112A)보다 실리콘 기판(102) 측이, 도 1 ~ 도 1b를 사용하여 설명한 단일재층(3)과 같은 단일재층(113)으로 된다.

광학 렌즈(110A)의 1주기(즉 렌즈 사이즈)를 화소 사이즈(=화소 피치) 3.6μm로 정합시킨다. 실리콘 기판(102)의 표면, 즉 실리콘 기판(102)과 박막층(130)의 경계면으로부터 교대 배치층(112A)까지의 거리(두께: 실질적인 렌즈 길이)를 3.6μ m, 교대 배치층(112A)의 두께(실질적인 렌즈 두께)를 0.5μm로 한다. 이것으로도 알 수 있듯이, 고굴절률층(21_k)과 저굴절률층(20_j))이 교대로 배열되어 구성되어 있는 교대 배치층(2A)은, 광학 길이(렌즈 길이)에 비해 충분히 얇게 설정되어 있다.

교대 배치층(112A)은, 굴절률 n0가 1.46인 산화 실리콘 SiO2의 직사각형의 저굴절률층(120)과 굴절률 n1이 2.0인 실리콘 나이트라이드 SiN의 직사각형의 고굴절률층(121)을, 고굴절률층(121)의 폭이 렌즈의 중심을 향해 서서히 커지는 동시에, 저굴절률층(120)의 폭이 렌즈의 중심을 향해 서서히 작아지도록 배치함으로써, 고굴절률층(121)을, 판형으로, 중심이 더 조밀하고 중심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되는 구조로 하고 있다.

제1 실시예(적용예 1)에 있어서, 1주기 내에서의 교대 배치층(112A) 내의 저굴절률층(120_j)과 고굴절률층(121_k)(어느 쪽도 도시하지 않음)의 폭이나 경계 거리(본 예에서는 인접하는 저굴절률층(120R_5, 120L_5)의 합성 폭)는 다음과 같이 설정한다.

고굴절률층(121R_ 1)+고굴절률층(121L_1): 0.45μm

고굴절률층(121R_2), 고굴절률층(121L_2): 0.25μm

고굴절률층(121R_3), 고굴절률층(121L_3): 0.20μm

고굴절률층(121R_4), 고굴절률층(121L_4): 0.15μm

고굴절률층(121R_5), 고굴절률층(121L_5): 0.10μm

저굴절률층(120R_1), 저굴절률층(120L_1): 0.10μm

저굴절률층(120R_2), 저굴절률층(120L_2): 0.15μm

저굴절률층(120R_3), 저굴절률층(120L_3): 0.20μm

저굴절률층(120R_4), 저굴절률층(120L_4): 0.225μm

저굴절률층(120R_ 5)+저굴절률층(120L_5): 0.40μm

도면으로부터 알 수 있듯이, 광학 렌즈(110A)의 교대 배치층(112A)은, 굴절률이 1.46인 산화 실리콘 SiO2의 저굴절률층(120)과, 굴절률이 2.0인 실리콘 나이트라이드 SiN의 고굴절률층(121)의 주기 구조에 의해 입사광을 만곡시키는 SWLL 구조의 집광 소자로 되어 있다. 본 예에서는, 실리콘 나이트라이드 SiN 및 산화 실리콘 SiO2의 주기 구조를 가지는 교대 배치층(112A)은, 저굴절률층(120) 및 고굴절률층(121)의 어느 쪽도, 가로 방향의 최소 선폭을 0.1μm, 렌즈의 두께를 0.5μm로 하고 있다.

도 2b는, 도 2에 나타낸 광학 렌즈(110A)를 통과하는 파장 λ가 540nm인 녹색광에 관한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도면 중, cT는, 광속 c에 시간 T를 건 것으로, 광이 진공 중을 진행한 거리(단위 μm)를 나타낸다. 여기서는, 시뮬레이션에 걸린 시간이라고 파악해도 된다.

먼저, 도 2b(1)는, 도 2에 나타낸 광학 렌즈(110A)의 교대 배치층(112A)을 통과한 직후의 시뮬레이션 결과이다. 이 결과로부터, 교대 배치층(112A)을 통과한 녹색광의 프론트(실리콘 기판(102) 측)의 파면이 오목면이 되어 있는 것을 알 수 있다.

도 2b(2)는, 교대 배치층(112A)을 통과하고, 또한 실리콘 기판(102)(즉 광전 변환 소자)의 표면에 대략 도달했을 때의 시뮬레이션 결과이다. 이 결과로부터, 각 광학 렌즈(110A)의 중심에 녹색광이 집광하고 있고 녹색광(λ=540nm)에 관하여 볼록 렌즈 효과가 있는 것을 알 수 있다. 도시하지 않지만, 근 적외광(λ=780nm), 적색광(λ=640nm), 청색광(λ=460nm)에 대해서도, 마찬가지로 렌즈 효과가 있다.

도 2c 및 도 2d는, 도 2에 나타낸 제1 실시예(적용예 1)의 광학 렌즈(110A)와 동일한 구조를 가지는 광학 렌즈를 적용한 제1 실시예(적용예 1)의 고체 촬상 장치(100A)에 관한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이며, 각각 근 적외광(λ=780nm), 적색광(λ=640nm), 녹색광(λ=540nm), 청색광(λ=460nm)의 결과이다. 이들로부터도 알 수 있듯이, 어느 쪽의 파장의 광도, 광학 렌즈(110A)에 의해 집광되어 있으므로, 볼록 렌즈 효과가 있다.

＜제1 실시예: 볼록 렌즈의 적용예 2＞

도 3 ~ 도 3b는, 광학 렌즈의 제1 실시예를 적용한 고체 촬상 장치의 제2 예(적용예 2)를 설명하는 도면이다. 여기서 도 3은 제1 실시예(적용예 2)의 고체 촬상 장치의 단면 모식도이며, 도 3a 및 도 3b는, 그 광학 특성의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

제1 실시예(적용예 2)의 고체 촬상 장치(100A)는, 기본적으로는, 제1 실시예(적용예 1)의 고체 촬상 장치(100A)와 동일한 구조로 하면서, 가로 방향의 최소 선폭을 0.1μm가 아니고, 0.2μm으로 한 것이다. 이 가로 방향의 최소 선폭의 변경에 따라 교대 배치층(112A) 내의 저굴절률층(120_j)과 고굴절률층(121_k)의 각 수나 폭이나 경계 거리를 조정한다.

구체적으로는, 제1 실시예(적용예 2)에 있어서, 광학 렌즈(110A)의 1주기 내에서의 교대 배치층(112A) 내의 저굴절률층(120_j)과 고굴절률층(121_k)(어느 쪽도 도시하지 않음)의 폭이나 경계 거리(본 예에서는 인접하는 고굴절률층(121R_4, 121L_4)의 합성 폭)는 다음과 같이 설정한다.

고굴절률층(121R_1)+고굴절률층(121L_1): 0.75μm

고굴절률층(121R_2), 고굴절률층(121L_2): 0.25μm

고굴절률층(121R_3), 고굴절률층(121L_3): 0.25μm

고굴절률층(121R_4)+고굴절률층(121L_4): 0.20μm

저굴절률층(120R_1), 저굴절률층(120L_1): 0.20μm

저굴절률층(120R_2), 저굴절률층(120L_2): 0.25μm

저굴절률층(120R_3), 저굴절률층(120L_3): 0.375μm

도 3a 및 도 3b는, 도 3에 나타낸 제1 실시예(적용예 2)의 광학 특성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이며, 각각 근 적외광(λ=780nm), 적색광(λ=640nm), 녹색광(λ=540nm), 청색광(λ=460nm)의 결과이다.

이들로부터도 알 수 있듯이, 가로 방향의 최소 선폭을 0.1μm에서 0.2μm로 변경하는 경우라도, 교대 배치층(112A) 내의 저굴절률층(120_j)과 고굴절률층(121_k)의 각 수나 폭이나 경계 거리를 적정하게 설정함으로써, 어느 쪽의 파장의 광도, 교대 배치층(112A)에 의해 집광할 수 있어 볼록 렌즈 효과가 있다.

＜제1 실시예: 볼록 렌즈의 적용예 3＞

도 4 ~ 도 4b는, 광학 렌즈의 제1 실시예를 적용한 고체 촬상 장치의 제3 예(적용예 3)를 설명하는 도면이다. 여기서 도 4는 제1 실시예(적용예 3)의 고체 촬상 장치의 단면 모식도이며, 도 4a 및 도 4b는, 그 광학 특성의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

제1 실시예(적용예 3)의 고체 촬상 장치(100A)는, 기본적으로는, 제1 실시예(적용예 1)의 고체 촬상 장치(100A)와 동일한 구조로 하면서, 교대 배치층(112A)의 두께(실질적인 렌즈 두께)를, 0.5μm가 아닌, 보다 얇은 0.3μm로 한 것이다. 이 렌즈 두께의 변경에 따라 필요에 따라 교대 배치층(112A) 내의 저굴절률층(120_j)과 고굴절률층(121_k)의 각 수나 폭이나 경계 거리를 조정한다. 본 예에서는, 제1 실시예(적용예 1)와 완전 동일하게 하고 있다.

구체적으로는, 제1 실시예(적용예 3)에 있어서, 1주기 내에서의 교대 배치층(112A) 내의 저굴절률층(120_j)과 고굴절률층(121_k)(어느 쪽도 도시하지 않음)의 폭이나 경계 거리(본 예에서는 인접하는 저굴절률층(120R_5, 120L_5)의 합성 폭)는 다음과 같이 설정한다. 전술한 바와 같이, 제1 실시예(적용예 1)에 대하여, 세로 방향의 두께 치수를 0.5μm에서 0.3μm로 변경하고 있지만, 가로 방향의 폭 치수는 같다.

고굴절률층(121R_1)+고굴절률층(121L_1): 0.45μm

고굴절률층(121R_2), 고굴절률층(121L_2): 0.25μm

고굴절률층(121R_3), 고굴절률층(121L_3): 0.20μm

고굴절률층(121R_4), 고굴절률층(121L_4): 0.15μm

고굴절률층(121R_5), 고굴절률층(121L_5): 0.10μm

저굴절률층(120R_1), 저굴절률층(120L_1): 0.10μm

저굴절률층(120R_2), 저굴절률층(120L_2): 0.15μm

저굴절률층(120R_3), 저굴절률층(120L_3): 0.20μm

저굴절률층(120R_4), 저굴절률층(120L_4): 0.225μm

저굴절률층(120R_5)+저굴절률층(120L_5): 0.40μm

도 4a 및 도 4b는, 도 4에 나타낸 제1 실시예(적용예 3)의 광학 특성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이며, 각각 근 적외광(λ=780nm), 적색광(λ=640nm), 녹색광(λ=540nm), 청색광(λ=460nm)의 결과이다.

이들로부터도 알 수 있듯이, 교대 배치층(112A)의 두께(실질적인 렌즈 두께)를, 0.5μm에서 0.3μm로 변경하는 경우라도, 교대 배치층(112A) 내의 저굴절률층(120_j)과 고굴절률층(121_k)의 각 수나 폭이나 경계 거리를 적정하게 설정함으로써, 어느 쪽의 파장의 광도, 교대 배치층(112A)에 의해 집광할 수 있어 볼록 렌즈 효과가 있다.

＜제1 실시예: 볼록 렌즈의 적용예 4＞

도 5 ~ 도 5c는, 광학 렌즈의 제1 실시예를 적용한 고체 촬상 장치의 제4 예(적용예 4)를 설명하는 도면이다. 여기서 도 5는 제1 실시예(적용예 4)의 고체 촬상 장치의 단면 모식도이며, 도 5a는, 보다 구체적인 단면도이며, 도 5b 및 도 5c는, 그 광학 특성의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

제1 실시예(적용예 4)의 고체 촬상 장치(100A)는, 기본적으로는, 제1 실시예(적용예 1)의 고체 촬상 장치(100A)와 동일한 구조로 하면서, 화소 사이즈 또는 렌즈 사이즈를 3.6μm가 아닌, 보다 작은 1.4μm으로 한 것이다. 이 화소 사이즈 또는 렌즈 사이즈의 변경에 따라 실리콘 기판(102)과 박막층(130)의 경계면으로부터 교대 배치층(112A)까지의 거리(두께: 실질적인 렌즈 길이) 및 교대 배치층(112A)의 두께(실질적인 렌즈 두께), 및 교대 배치층(112A) 내의 저굴절률층(120_j)과 고굴절률층(121_k)의 각 수나 폭이나 경계 거리를 조정한다.

구체적으로는, 제1 실시예(적용예 4)에 있어서, 먼저, 교대 배치층(112A)의 두께(실질적인 렌즈 두께)를 0.5μm로 한다. 광학 렌즈(110A)의 1주기(즉 렌즈 사이즈)를 화소 사이즈(=화소 피치) 1.4μm에 정합시킨다.

광학 렌즈(110A)의 1주기 내에서의 교대 배치층(112A) 내의 저굴절률층(120_j)과 고굴절률층(121_k)(어느 쪽도 도시하지 않음)의 폭이나 경계 거리(본 예에서는 인접하는 저굴절률층(120R_3, 120L_3)의 합성 폭)는 다음과 같이 설정한다.

고굴절률층(121R_1)+고굴절률층(121L_1): 0.25μm

고굴절률층(121R_2), 고굴절률층(121L_2): 0.15μm

고굴절률층(121R_3), 고굴절률층(121L_3): 0.10μm

저굴절률층(120R_1), 저굴절률층(120L_1): 0.10μm

저굴절률층(120R_2), 저굴절률층(120L_2): 0.13μm

저굴절률층(120R_3)+저굴절률층(120L_3): 0.19μm

또, 광학 렌즈(110A)의 주요부를 이루는 교대 배치층(112A)의 실리콘 나이트라이드 SiN로 되는 각 고굴절률층(121_k)의 상하에는, 각 고굴절률층(121_k)과 같 은 폭으로, 굴절률 n4가 1.7인 SiON의 박막(두께=0.08μm)을 반사 방지막(124)으로서 붙인다. 반사 방지막(124)은, 실리콘 나이트라이드 SiN과 산화 실리콘 SiO2의 사이의 중간적인 굴절률 재료(본 예에서는 굴절률이 1.7의 SiON)의 박막으로, 반사에 의한 광학적인 로스를 적게 하기 위한 것이다.

반사 방지막(124)은, 박막이며, 그 두께나 폭에 관계없이, 설치하거나 설치하지 않아도, 교대 배치층(112A)의 렌즈 효과 그 자체에는 영향을 주지 않는다. 물론, 반사 방지막(124)은, 이 제1 실시예(적용예 4)뿐 아니라, 제1 실시예의 적용예 1 ~ 3에도 설치할 수 있다.

반사 방지막(124)을 설치하는 경우의 렌즈 길이는, 실리콘 기판(102)과 박막층(130)의 경계면으로부터 반사 방지막(124)까지의 거리이며, 본 예에서는 2.3μm로 설정한다.

도 5b 및 도 5c는, 도 5에 나타낸 제1 실시예(적용예 4)의 광학 특성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이며, 각각 근 적외광(λ=780nm), 적색광(λ=640nm), 녹색광(λ=540nm), 청색광(λ=460nm)의 결과이다.

이들로부터도 알 수 있듯이, 화소 사이즈나 렌즈 사이즈를 3.6μm에서 1.4μm로 변경하는 경우라도, 렌즈 길이나, 교대 배치층(112A) 내의 저굴절률층(120_j)과 고굴절률층(121_k)의 각 수나 폭이나 경계 거리를 적정하게 설정함으로써, 어느 쪽의 파장의 광도, 교대 배치층(112A)에 의해 집광할 수 있어 볼록 렌즈 효과가 있다.

＜제1 비교예＞

도 6은, 제1 실시예의 광학 렌즈(110A)가 구비하는 교대 배치층(112A)(유닛으로서의 교대 배치층(2A)도)에 의한 볼록 렌즈에 대한 제1 비교예를 설명하는 도면이다.

제1 비교예의 고체 촬상 장치(100A)는, 실리콘 기판(102) 상에 배선층(109)을 가지며, 그 배선층(109)의 상층에 층내 집광 렌즈(105)를 가지며, 그 층내 집광 렌즈(105)의 상층에 컬러 필터(106) 및 온 칩 렌즈(108)를 가진다.

층내 집광 렌즈(105) 및 온 칩 렌즈(108)는, 어느 쪽도 스넬 법칙을 이용한 굴절형 렌즈 구조이다. 그러므로 렌즈 그 자체가 1μm 정도로 두껍고, 실리콘 기판(102)의 광 입사 측인 디바이스 상층이 두껍게 되어 버린다. 이로써, 인접하는 화소로부터의 바람직하지 않은 경사 입사광이 증가하여, 이 경사 입사광에 의한 혼합색이 증가하여 색 재현성이 악화된다.

색 재현성을 회복시키기 위해 매트릭스 연산 등의 연산 처리를 행하는 것도 고려되지만, 여분의 노이즈가 발생하여 화질이 열화된다.

외부 부착의 결상계 렌즈의 F값을 작게 하면, 배선층(109)의 메탈 배선에 의한 케라레(eclipse)에 의해 경사 입사광이 증가하므로, 상층이 두꺼워지는 것에 의해 이상적인 감도로부터의 저하가 현저하게 되어, 본래의 감도가 잡히지 않게 되는 F값 광 감도 저하가 생긴다.

광전 변환부(104)가 2차원 상태로 배치된 화소 어레이부의 중심에 비교하여 단부에서 감도가 작아지는 이른바 쉐이딩 현상도 현저하게 된다. 주광선이 경사지게 입사하는 케라레의 영향이 보다 크게 되는 등의 때문이다.

경사지게 입사한 광을 수직 입사광에 보정 가능하도록 각 렌즈를 가로 방향으로 변형된 비대칭인 렌즈 형상으로 하는 것도 고려된다. 그러나 제조 프로세스의 면에서는, 예를 들면, 리플로우로 각 렌즈를 제작하면, 중력이나 표면 장력의 영향을 받으므로, 구면 형상 밖에 제작할 수 없다. 환언하면, 리플로우로 구면 렌즈를 제작하므로, 가로 방향으로 변형된 구조의 렌즈를 제작하지 못하고, 경사지게 입사한 광을 수직 입사광에 보정할 수 있도록 한 렌즈를 제작할 수 없다.

이에 대하여, 제1 실시예의 각 광학 렌즈(110A)는, 교대 배치층(112A)을 주요부로서 구성하고, 집광 효과를 가지는 볼록 렌즈의 기능을, 극히 얇은 렌즈로 실현할 수 있다. 이로써, 디바이스의 상층을 얇게 할 수 있어 혼합색이 줄어들므로 색 재현성이 되는 것과 동시에, 연산 처리에 의한 여분의 노이즈 발생도 적어진다. 또 F값 광 감도 저하도 작아진다.

또한, 광학 렌즈(110A)의 주요부를 이루는 교대 배치층(112A)은, 저굴절률층(120)과 고굴절률층(121)을 소정의 폭으로 교대로 배열한 구조이며, 리소그라피 기술이나 RIE(Reactive Ion Etching)법 등의 단순하고 간편한 가공 기술만으로 제작할 수 있기 때문에(자세한 것은 후술함), 제작 공정이 간편해 비용을 낮게 억제할 수 있다.

또, 적용예 1 ~ 4에서 나타낸 것으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 교대 배치층(112A)에 의한 볼록 렌즈 효과는, 직사각형의 각 저굴절률층(120) 및 각 고굴절률층(121)의 폭이나 배열수를 조정함으로써 적당히 변경이 가능하며, 구면 렌즈에 비해 광학적으로 설계의 폭이 넓어진다.

＜제2 비교예＞

도 6a는, 제1 실시예의 광학 렌즈(110A)가 구비하는 교대 배치층(112A)(유닛으로서의 교대 배치층(2A) 포함)에 의한 볼록 렌즈에 대한 제2 비교예를 설명하는 도면이다.

제2 비교예의 고체 촬상 장치(100A)는, 일본 특개 2005-011969호 공보에 기재되어 있는 것이다. 간단하게 말하면, 온 칩 렌즈 등의 상부 렌즈로 수속된 광을 더 수속시켜 대응하는 광전 변환부에 입사시키는 층내 집광 렌즈를, 프레넬 렌즈를 베이스로서 구성하고 있는 것이다.

상세하게는, 굴절형 렌즈이지만, 파형으로 함으로써 렌즈를 얇게 할 수 있도록 하고 있다. 그러나 이 렌즈는 굴절형이므로 파장 오더보다 얇게 하는데 한게가 있다. 또, 이와 같은 파형을 제작하는 것은 통상의 굴절형 렌즈의 공정보다 더 복잡한 공정으로 되고, 비용도 더 높다. 또, 구면으로밖에 렌즈를 제작하지 못하고, 비대칭성을 넣을 수가 없다.

또한, 프레넬 렌즈의 경우, 어느 영역에 경사 입사한 광에 있어서 본래 집광하는 포인트에 모이지 않는 경우가 있다. 예를 들면, 도 6a에 있어서, 실선과 같이 렌즈의 곡면부에 광이 입사한 경우에는 집광하지만, 점선과 같이 단차의 벽에 광이 입사하면 벽에서 반사하거나 굴절함으로써, 도면과 같이 집광하지 않고 발산하게 된다. 이것은, 집광 효율이 저하되어 버려, 발산된 광이 인접하는 화소에 입사한 경우에는 혼합색의 원인이 된다.

＜제3 비교예＞

도 6b는, 제1 실시예의 광학 렌즈(110A)가 구비하는 교대 배치층(112A)(단일 체로서의 교대 배치층(2A)도)에 의한 볼록 렌즈에 대한 제3 비교예를 설명하는 도면이다.

제3 비교예의 고체 촬상 장치(100A)는, 일본 특개 2006-351972호 공보에 기재되어 있는 것이다. 집광 소자(즉 볼록 렌즈)를, 입사광의 파장과 같은 정도이거나 그보다 짧은 선폭으로 분할된 동심 구조의 복수의 존 영역의 편성에 의해 구성된 것으로 하고 있다. 여기서, 복수의 존 영역 중 적어도 1의 존 영역은, 제1 선폭 및 제1 막두께의 동심 구조의 하단 광 투과막과 하단 광 투과막의 상위에 구성되는 제2 선폭 및 제2 막두께의 동심 구조의 상단 광 투과막을 포함한다. 간단하게 말하면, 2단 동심원 구조의 분포 굴절률 렌즈(즉 프레넬 렌즈)를 베이스로서 집광 소자를 구성하고 있다.

따라서, 일본 특개 2006-351972호 공보에 기재되어 있는 제3 비교예의 집광 소자(볼록 렌즈)는 굴절률 렌즈로 되어 있지만, 프레넬 렌즈를 베이스로 하고 있으므로, 일본 특개 2005-011969호 공보에 기재되어 있는 제2 비교예의 층내 집광 렌즈와 마찬가지의 것이 생긴다. 도 6b에 그것을 나타내지만, 각 영역의 경계 부근의 굴절률의 단차에 경사 입사광이 들어가면, 벽에서 반사하거나 굴절함으로써, 도면과 같이 집광하지 않고 발산하게 된다. 이것은, 집광 효율이 저하되어 버리므로, 발산된 광이 인접하는 화소에 입사한 경우에는 혼합색의 원인이 된다.

이에 대하여, 제1 실시예의 교대 배치층(2A)(교대 배치층(112A))에서는, 굴절률이 큰 고굴절률층(121)과, 굴절률이 작은 저굴절률층(120)이 파장 오더 이하에 서 폭이 서서히 변화되므로, 프레넬 렌즈와 같이 큰 굴절률의 단차는 없고, 경사 입사광에 대해서도 반사나 굴절에 의한 발산하는 광은 적다. 따라서, 집광의 열화가 적고, 효율적으로 광을 모을 수가 있다.

또, 제1 실시예의(112)(교대 배치층(2A))의 제조 프로세스 쪽이, 일본 특개 2005-011969호 공보에 기재되어 있는 제2 비교예의 층내 집광 렌즈나 일본 특개 2006-351972호 공보에 기재되어 있는 제3 비교예의 집광 소자의 제조 프로세스에 비해 간편하다. 예를 들면, 도 6b에 나타내는 구조로 알 수 있듯이, 2단계로 에칭하기 때문에 공정 수가 많게 되어, 결과로서 비용이 높아진다. 또, 이와 같은 복잡한 에칭에 의해 재현성이나 균일성에도 영향을 주어, 생산 불균일이 생기기 쉬워진다.

제1 실시예의(112)(교대 배치층(2A))에서는, 고굴절률층(21)(고굴절률층(121))과 저굴절률층(20)(저굴절률층(120))을 교대로 가로 방향으로 배열한 것이므로, 기본적으로는, 고굴절률층(21)(고굴절률층(121))의 퇴적 및 1회의 에칭, 그 후의 저굴절률층(20)(저굴절률층(120))의 퇴적 및 리소그라피 기술이나 RIE법 등의 단순하고 간편한 가공 기술만으로 끝나기 때문에, 공정수는 적고, 저비용으로 재현성이나 균일성도 더 좋게 된다.

이상으로부터 알 수 있듯이, 파면 제어의 구조를 이용한 집광 렌즈(즉 볼록 렌즈)를 층내 집광 렌즈(또는 표면 렌즈)로서 사용하는 것으로 고려할 수 있는 제1 실시예의 교대 배치층(2A)(교대 배치층(112A))과, 제2 비교예 일본 특개 2005-011969호 공보)의 층내 집광 렌즈나, 제3 비교예 일본 특개 2006-351972호 공보)의 집광 소자와는, 전혀 원리가 상이하다. 제2 비교예의 층내 집광 렌즈나 제3 비교예의 집광 소자에서는, 제1 실시예의 교대 배치층(2A)(교대 배치층(112A))이 가지는 효과를 향수할 수 없다.

＜제4 비교예＞

일본 특개 2005-252391호 공보에는, 굴절률이 큰 산란체를 화소 내 상층에 설치하는 구성(제4 비교예 이라는)이 개시되어 있다. 그러나 제4 비교예의 구조는, 제1 실시예의 교대 배치층(2A)(교대 배치층(112A))과 같이, 굴절률이 높은 고굴절률층(121)을, 판형으로, 중심이 더 조밀하고 중심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되는 구조, 구체적으로는, 굴절률이 큰 고굴절률층(121)의 폭이, 렌즈의 중심을 향해 서서히 커지게 되는 구조, 즉 중심이 광폭으로 주변이 폭이 좁은 구조로는 되어 있지 않다.

또한, 제4 비교예의 구조에서는, 산란 효과에 의한 로패스 필터-기능이나 MTF 제어 기능이고, 렌즈 기능이 아니다. 이 점은, 제1 실시예의 교대 배치층(2A)(교대 배치층(112A)은, 굴절률이 큰 고굴절률층(21)(고굴절률층(121))과 작은 저굴절률층(20)(저굴절률층(120))의 광속이 상이하면 파동함수의 연속성을 조합함으로써, 볼록 렌즈 효과를 향수하는 것이며, 제4 비교예의 구조와는, 원리나 목적이 전혀 상이하다.

＜제5 비교예＞

일본 특개 2005-203526호 공보에는, 렌즈 기판에 화소에 대응하여 형성된 관통구멍에 굴절률 분포형 렌즈를 매립하고, 관통구멍의 직경 방향으로 변화된 굴절 률을 가지는 것으로 하는 구성(제5 비교예라 칭함)이 개시되어 있다. 그러나 제5 비교예의 구조는, 관통구멍의 직경 방향, 즉 가로 방향으로 굴절률 분포를 서서히 변화시키는 것으로, 굴절률이 큰 고굴절률층(21)(고굴절률층(121))과 작은 저굴절률층(20)(저굴절률층(120))의 광속이 상이한 것과 파동함수의 연속성을 조합한 교대 배치층(2A)(교대 배치층(112A))에 의해 볼록 렌즈 효과를 향수하는 제1 실시예의 구조와는, 기본적인 구조의 개념이 상이하다.

제5 비교예의 구조에서는, 굴절률이 큰 층과 낮은 층을 차례로 가로 방향으로 퇴적시키는 경우도 동시에 설명하고 있지만, 현실적으로는 가로 방향으로부터 뿐만 아니라 아래로부터도 퇴적하여 버리므로, 이와 같은 구조로는 실현이 어렵고 따라서, 가로 방향으로만 굴절률이 상이한 다층 구조로는 용이하게 제작할 수 없다.

이에 대하여, 제1 실시예의(112)(교대 배치층(2A))에서는, 고굴절률층(21)(고굴절률층(121))과 저굴절률층(20)(저굴절률층(120))을 교대로 가로 방향으로 배열한 것이므로, 기본적으로는, 고굴절률층(21)(고굴절률층(121))의 퇴적 및 1회의 에칭, 그 후의 저굴절률층(20)(저굴절률층(120))의 퇴적이라는 세로 방향의 다층 구조 및 리소그라피 기술이나 RIE법 등의 프로세스만으로, 간편하고 적은 공정수로 제작할 수 있는 이점이 있다.

＜제1 실시예: 볼록 렌즈의 변형예 1＞

도 7 및 도 7a는, 광학 렌즈의 제1 실시예의 제1 변형예(변형예 1)를 설명하는 도면이다. 여기서 도 7은 변형예 1의 광학 렌즈를 적용한 변형예 1의 고체 촬 상 장치를 설명하는 단면 모식도이다. 도 7a는, 그 광학 특성의 시뮬레이션 결과(λ=540nm)를 나타낸 도면이다.

제1 실시예의 기본예에서는, 중심이 조밀하고 중심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되는 구조로 함으로써 볼록 렌즈 기능을 갖게 하는데 해당되고, 제1 및 제2 볼록 렌즈화 방법을 병용한 제3 볼록 렌즈화 방법을 채용하고 있지만, 변형예 1에서는, 굴절률이 큰 층(고굴절률층(121_k))의 폭이 렌즈의 중심을 향해 서서히 커지게 되는 구조를 가지는 것으로 하는 제1 볼록 렌즈화 방법만을 적용한 것이다. 굴절률이 작은 층(저굴절률층(120_j))에 관하여는 모두를 같은 폭(equal width)으로 하고 있다.

실리콘 기판(102)과 박막층(130)의 경계면으로부터 교대 배치층(112A)까지의 거리(두께: 실질적인 렌즈 길이)를 3.6μm, 교대 배치층(112A)의 두께(실질적인 렌즈 두께)를 0.5μm로 한다. 광학 렌즈(110A)의 1주기(즉 렌즈 사이즈)를 화소 사이즈(=화소 피치) 3.25μm에 정합시킨다. 제1 실시예(적용예 1)에서는, 렌즈 사이즈나 화소 사이즈를 3.6μm으로 하고 있는데 대하여 약간의 차이가 있다. 화소 사이즈를 전례에 대하여 다소 바꾸고 있지만, 이것은, 고굴절률층(121)을 적당한 치수(0.05μm 단위)로 하면서, 저굴절률층(120)도 적당한 치수(0.05μm 단위)로 같은 폭으로 할 때의 조정에 의한 것이다. 화소 사이즈를 전례로 할 수 있는 만큼 동일하게 하면서 저굴절률층(120) 부분을 같은 폭으로 하는 경우도 가능하다.

제1 실시예(변형예 1)의 고체 촬상 장치(100A)는, 기본적으로는, 제1 실시예(적용예 1)의 고체 촬상 장치(100A)와 동일한 구조로 하면서, 저굴절률층(120_j) 의 폭을 모두 같은 폭으로 하는 변경에 따라 교대 배치층(112A) 내의 저굴절률층(120_j)과 고굴절률층(121_k)의 각 수나 고굴절률층(121_k)의 폭이나 경계 거리를 조정한다.

구체적으로는, 제1 실시예(변형예 1)에 있어서, 1주기 내에서의 교대 배치층(112A) 내의 저굴절률층(120_j)과 고굴절률층(121_k)(어느 쪽도 도시하지 않음)의 폭이나 경계 거리(본 예에서는 인접하는 저굴절률층(120R_4, 120L_4)의 합성 폭)는 다음과 같이 설정한다.

고굴절률층(121R_1)+고굴절률층(121L_1): 0.65μm

고굴절률층(121R_2), 고굴절률층(121L_2): 0.25μm

고굴절률층(121R_3), 고굴절률층(121L_3): 0.20μm

고굴절률층(121R_4), 고굴절률층(121L_4): 0.15μm

저굴절률층(120R_1), 저굴절률층(120L_1): 0.20μm

저굴절률층(120R_2), 저굴절률층(120L_2): 0.20μm

저굴절률층(120R_3), 저굴절률층(120L_3): 0.20μm

저굴절률층(120R_4)+저굴절률층(120L_4): 0.20μm

굴절률이 작은 저굴절률층(120_j)의 폭이 0.2μm로 같은 폭이 되어 있고, 또한 굴절률이 큰 고굴절률층(121_k)의 폭이 0.65μm, 0.25μm, 0.2μm, 0.15μm로 중심으로부터 단부로 갈수록 서서히 작게 되어 있는 것을 알 수 있다.

도면으로부터 알 수 있듯이, 제1 실시예(변형예 1)에 있어서도, 광학 렌즈(110A)의 교대 배치층(112A)은, 굴절률이 1.46인 산화 실리콘 SiO2의 저굴절률 층(120)과, 굴절률이 2.0인 실리콘 나이트라이드 SiN의 고굴절률층(121)의 주기 구조에 의해 입사광을 만곡시키는 SWLL 구조의 집광 소자로 되어 있다. 본 예에서는, 교대 배치층(112A)은, 저굴절률층(120)의 가로 방향의 최소 선폭을 0.20μm, 고굴절률층(121)의 가로 방향의 최소 선폭을 0.15μm, 렌즈의 두께를 0.5μm로 하고 있다.

도 7a는, 도 7에 나타낸 제1 실시예(변형예 1)의 광학 특성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이며, 녹색광(λ=540nm)의 결과이다. 이들로부터도 알 수 있듯이, 굴절률이 작은 층(저굴절률층(120_j))에 관하여는 모두를 같은 폭으로 하면서, 굴절률이 큰 고굴절률층(121)의 폭이 렌즈의 중심을 향해 서서히 커지게 되는 구조를 가지는 것으로 함으로써, 교대 배치층(112A) 내의 저굴절률층(120_j)과 고굴절률층(121_k)의 각 수나 폭이나 경계 거리를 적정하게 설정함으로써, 녹색광(λ=540nm)을, 교대 배치층(112A)에 의해 집광할 수 있어 볼록 렌즈 효과가 있다.

도시하지 않지만, 근 적외광(λ=780nm), 적색광(λ=640nm), 청색광(λ=460nm)에 대해서도, 마찬가지로 볼록 렌즈 효과가 있다.

이와 같이, 굴절률이 작은 저굴절률층(120_j)이 같은 폭에서도, 굴절률이 큰 고굴절률층(121_k)의 폭이 렌즈의 중심을 향해 서서히 커지게 되는 구조를 가지는 제1 실시예(변형예 1)로 함으로써, 굴절률이 높은 고굴절률층(121_k)을, 판형으로, 중심이 더 조밀하고 중심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되는 구조로 할 수 있어, 제1 실시예(기본예 및 그 적용예 1 ~ 4)와 마찬가지로, 집광성이 존재하는 것을 알 수 있다.

제1 실시예(변형예 1)의 구성에서는, 렌즈 제작이 용이하게 되는 효과가 있다. 즉, 저굴절률층(120)을 매립하는 프로세스 공정에서, 리소그래프의 분해능이 불충분해 매립 폭을 좁게 할 수 없기도 하고, 매립 폭을 좁게 하면 보이드(void) 등이 발생하여 매립성이 나빠지거나 해서 곤란한 경우, 리소그래프나 매립 가능한 폭으로 변형예 1과 같이 같은 폭으로 함으로써 제작이 가능해진다. 특히, 이 매립 가능한 폭이 파장 오더이고 그 이상 폭을 넓히면, 등위상면(파면)의 연속성이 없어질 때 유효한 수단으로 된다.

＜제1 실시예: 볼록 렌즈의 변형예 2＞

도 8 및 도 8a는, 광학 렌즈의 제1 실시예의 제2 변형예(변형예 2)를 설명하는 도면이다. 여기서 도 8은 변형예 2의 광학 렌즈를 적용한 변형예 2의 고체 촬상 장치를 설명하는 단면 모식도이다. 도 8a는, 그 광학 특성의 시뮬레이션 결과(λ=540nm)를 나타낸 도면이다.

제1 실시예의 기본예에서는, 중심이 조밀하고 중심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되는 구조로 함으로써 볼록 렌즈 기능을 갖게 하는데 해당되고, 제1 및 제2 볼록 렌즈화 방법을 병용한 제3 볼록 렌즈화 방법을 채용하고 있지만, 변형예 3에서는, 굴절률이 작은 층(저굴절률층(120_j))의 폭이 렌즈의 중심을 향해 서서히 작아지는 구조를 가지는 것으로 하는 제2 볼록 렌즈화 방법만을 적용한 것이다. 굴절률이 큰 층(고굴절률층(121_k))에 관하여는 모두를 같은 폭으로 하고 있다.

실리콘 기판(102)과 박막층(130)의 경계면으로부터 교대 배치층(112A)까지의 거리(두께: 실질적인 렌즈 길이)를 3.6μm, 교대 배치층(112A)의 두께(실질적인 렌즈 두께)를 0.5μm로 한다. 광학 렌즈(110A)의 1주기(즉 렌즈 사이즈)를 화소 사이즈(=화소 피치) 3.85μm에 정합시킨다. 제1 실시예(적용예 1)에서는, 렌즈 사이즈나 화소 사이즈를 3.6μm으로 하고 있는데 대하여 약간의 차이가 있다. 화소 사이즈를 전례에 대하여 다소 바꾸어 있지만, 이것은, 저굴절률층(120)을 적당한 치수(0.05μm 단위)로 하면서, 고굴절률층(121)도 적당한 치수(0.05μm 단위)로 같은 폭으로 할 때의 조정에 의한 것이다. 화소 사이즈를 전례로 할 수 있는 만큼 동일하게 하면서 고굴절률층(121) 부분을 같은 폭으로 하는 경우도 가능하다.

제1 실시예(변형예 2)의 고체 촬상 장치(100A)는, 기본적으로는, 제1 실시예(적용례 1)의 고체 촬상 장치(100A)와 동일한 구조로 하면서, 고굴절률층(121_k)을 모두 같은 폭으로 하는 변경에 따라 교대 배치층(112A) 내의 저굴절률층(120_j)과 고굴절률층(121_k)의 각 수나 고굴절률층(121_k)의 폭이나 경계 거리를 조정한다.

구체적으로는, 제1 실시예(변형예 2)에 있어서, 1주기 내에서의 교대 배치층(112A) 내의 저굴절률층(120_j)과 고굴절률층(121_k)(어느 쪽도 도시하지 않음)의 폭이나 경계 거리(본 예에서는 인접하는 저굴절률층(120R_5, 120L_5)의 합성 폭)는 다음과 같이 설정한다.

고굴절률층(121R_1)+고굴절률층(121L)_(1): 0.15μm

고굴절률층(121R_2), 고굴절률층(121L_2): 0.15μm

고굴절률층(121R_3), 고굴절률층(121L_3): 0.15μm

고굴절률층(121R_4), 고굴절률층(121L_4): 0.15μm

고굴절률층(121R_5), 고굴절률층(121L_5): 0.15μm

저굴절률층(120R_1), 저굴절률층(120L_1): 0.10μm

저굴절률층(120R_2), 저굴절률층(120L_2): 0.20μm

저굴절률층(120R_3), 저굴절률층(120L_3): 0.30μm

저굴절률층(120R_4), 저굴절률층(120L_4): 0.40μm

저굴절률층(120R_5)+저굴절률층(120L_5): 0.50μm

굴절률이 큰 고굴절률층(121_k)의 폭이 0.15μm로 같은 폭이 되어 있고, 또한 굴절률이 작은 저굴절률층(120_j)의 폭이 0.10μm, 0.20μm, 0.30μm, 0.40μm, 0.50μm로 중심으로부터 단부로 갈수록 서서히 크게 되어 있는 것을 알 수 있다.

도면으로부터 알 수 있듯이, 제1 실시예(변형예 2)에 있어서도, 광학 렌즈(110A)의 교대 배치층(112A)은, 굴절률이 1.46인 산화 실리콘 SiO2의 저굴절률층(120)과, 굴절률이 2.0인 실리콘 나이트라이드 SiN의 고굴절률층(121)의 주기 구조에 의해 입사광을 만곡시키는 SWLL 구조의 집광 소자로 되어 있다. 본 예에서는, 교대 배치층(112A)은, 고굴절률층(121)의 가로 방향의 최소 선폭을 0.10μm, 고굴절률층(121)의 가로 방향의 최소 선폭을 0.15μm, 렌즈의 두께를 0.5μm로 하고 있다.

도 8a는, 도 8에 나타낸 제1 실시예(변형예 2)의 광학 특성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이며, 녹색광(λ=540nm)의 결과이다. 이들로부터도 알 수 있듯이, 굴절률이 큰 층(고굴절률층(121_k))에 관하여는 모두를 같은 폭으로 하면서, 굴절률이 작은 저굴절률층(120)의 폭이 렌즈의 중심으로 향해 더 서서히 작아지는 구조를 가지는 것으로 함으로써, 교대 배치층(112A) 내의 저굴절률층(120_j)과 고굴절률층(121_k)의 각 수나 폭이나 경계 거리를 적정하게 설정함으로써, 녹색광(λ=540nm)을, 교대 배치층(112A)에 의해 집광할 수 있어 볼록 렌즈 효과가 있다. 도시하지 않지만, 근 적외광(λ=780nm), 적색광(λ=640nm), 청색광(λ=460nm)에 대해서도, 마찬가지로 볼록 렌즈 효과가 있다.

이와 같이, 굴절률이 큰 고굴절률층(121_k)이 같은 폭에서도, 굴절률이 작은 저굴절률층(120_j)의 폭이 렌즈의 중심을 향해 서서히 작아지는 구조를 가지는 제1 실시예(변형예 2)로 함으로써, 굴절률이 높은 고굴절률층(121_k)을, 판형으로, 중심이 더 조밀하고 중심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되는 구조로 할 수 있어 제1 실시예(기본예 및 그 적용예 1 ~ 4)와 마찬가지로, 집광성이 존재하는 것을 알 수 있다.

제1 실시예(변형예 2)의 구성에서는, 렌즈 제작이 용이하게 되는 효과가 있다. 즉, 고굴절률층(121)을 리소그래프로 에칭하는 프로세스 공정에서, 리소그래프의 분해능이 불충분하고 좁게 할 수 없거나, 또는 에칭 공정일 때 사이드 에칭 등이 발생하여 폭의 제어성이 나빠지거나 함으로써, 좁은 폭의 리소그래프나 에칭 공정이 곤란한 경우, 리소그래프나 에칭이 가능한 폭으로 변형예 2와 같이 같은 폭으로 함으로써 제작이 가능해진다. 특히, 리소그래프나 에칭이 가능한 폭이 파장 오더이고 그 이상 폭을 넓히면 등위상면(파면)의 연속성이 없어질 때 유효한 수단으로 된다.

＜제2 실시예: 볼록형 렌즈＋경사 입사광 보정(별체형)＞

도 9 ~ 도 10c는, 광학 렌즈의 제2 실시예의 기본 원리를 설명하는 도면이다. 여기서 도 9는, 제1 실시예의 구조(예를 들면, 도 2의 적용예 1)에 있어서, 경사 입사광을 입사했을 때의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 도 10은 광학 렌즈의 제2 실시예의 기본 원리를 설명하기 위한 등위상면을 나타낸 도면이다. 도 10a는, 고체 촬상 장치(100A)의 수광 광학계를 설명하는 도면이다. 도 10b는 제2 실시예의 광학 렌즈의 하나 분의 평면 모식도이다. 도 10c는, 제2 실시예의 광학 렌즈를 고체 촬상 장치의 화소 어레이부 상에 적용한 경우의 평면 개략도이다. 그리고 도 10c에서는, 화소 어레이부 전체에 있어서 각 화소의 교대 배치층에 의한 렌즈 형상에 관하여, 대표적인 위치만을 픽업하여 확대하여 나타내고 있다.

제2 실시예의 렌즈 구조는, 경사 입사광의 입사에 대한 보정 기구를 구비하도록 한 점에 특징을 가진다. 후술하는 제3 실시예와의 상위점으로서는, 볼록 렌즈 기능을 가지는 교대 배치층(112A)에 대하여, 경사 입사광 보정 기능을 가지는 광학 부재를 별체로 추가하는(다른 층에 배치하는) 점이다.

제1 실시예의 구조(예를 들면, 도 2의 적용예 1)에 있어서, 경사 입사광을 입사했을 때는, 도 9에 나타낸 바와 같이, 집광 위치가 렌즈 중심에 대하여 가로 방향으로 조금 어긋나는 것을 알 수 있다. 이것은, 통상의 구면 렌즈에서도 생기는 현상과 공통된다. 이 때문에, 제1 실시예의 광학 렌즈의 구성에서는, 이미지 센서에 있어서는, 인접하는 화소로부터의 바람직하지 않은 경사 입사광이 입사하는 것에 의한 혼합색의 문제나, 화소 어레이부의 단부에서 감도 저하가 현저하게 되는 쉐이딩의 문제를 일으킬 가능성이 있다.

제2 실시예의 광학 렌즈의 구조에서는, 이들 경사 입사광의 입사에 기인하는 문제를 작게 하고, 경사 입사광을 수직 입사광으로 하는 보정 기능을 갖게 한다. 그 보정 기능의 구조는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 렌즈 중심을 경계로, 한쪽(도시한 예에서는 좌측)에서는 높은 굴절률의 고굴절률층(21)이 많은 비율로 존재하고, 반대측(도시한 예에서는 우측)에서는 적은 비율로 존재하는 점에 특징을 가진다. 당연하게, 렌즈의 좌우가 비대칭인 점에서, 전술한 제1 실시예와 상위하다.

렌즈 중심을 경계로, 한쪽에서는 높은 굴절률의 고굴절률층(21)이 많은 비율로 존재하고, 반대측에서는 적은 비율로 존재하는 구조로 함으로써 경사 입사광의 입사에 대한 보정 기능을 갖게 하려면, 예를 들면, 고굴절률층(21)에 주목할 때, 광학 렌즈의 1주기(즉 렌즈 사이즈)에 있어서, 굴절률이 큰 고굴절률층(21)이 한쪽 방향으로(도시한 예에서는 좌측에), 폭이 서서히 커지게 되는 구조를 가지는 것으로 하는 제1 경사 입사광 보정 방법을 채용할 수 있다. 역으로, 저굴절률층(20)에 주목할 때, 광학 렌즈의 1주기(즉 렌즈 사이즈)에 있어서, 굴절률이 작은 저굴절률층(20)이 한쪽 방향으로(도시한 예에서는 우측에), 폭이 서서히 커지게 되는 구조를 가지는 것으로 하는 제2 경사 입사광 보정 방법을 채용할 수도 있다. 또한, 이들 제1 및 제2 경사 입사광 보정 방법을 병용한 제3 경사 입사광 보정 방법을 채용할 수도 있다. 보정 효율의 면에서는 제3 경사 입사광 보정 방법을 적용하는 것이 가장 효과적이다.

제2 실시예의 광학 렌즈는, 경사 입사광을 수직 입사광으로 변환하는 기능 (입사각 변환 기능이라고 함)을 가지는 것으로, 비대칭의 중심이, 광학 렌즈의 단부(도 10에서는 좌측단의 고굴절률층(21L_4)의 중심)가 되는 점에서, 후술하는 제3 실시예와 상이하다. 그리고 「중심」의 정의에 대하여는, 제3 실시예에서 설명한다.

제1 경사 입사광 보정 방법은, 후술하는 제3 실시예의 구성 설명을 감안하여 환언하면, 부재(렌즈: 교대 배치층(2B))의 한쪽의 단부 측으로부터 광학적인 중심 위치(본 예의 경우 렌즈의 다른 쪽의 단부 측)로 향하여, 굴절률이 큰 고굴절률층(21)의 폭이 서서히 커지게 되는 구조를 가지는 것으로 하는 방법이다. 마찬가지로, 제2 경사 입사광 보정 방법은, 후술하는 제3 실시예와의 상위를 감안하여 환언하면, 부재(렌즈: 교대 배치층(2B))의 한쪽의 단부 측으로부터 광학적인 중심 위치(본 예의 경우 렌즈의 다른 쪽의 단부 측)로 향하여, 굴절률이 작은 저굴절률층(20)의 폭이 서서히 작아지는 구조를 가지는 것으로 하는 방법이다. 이 설명으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 입사각 변환 기능의 기본적인 생각은, 제2 및 제3 실시예에서 상위는 없다.

먼저, 도 10에 나타낸 바와 같이, 광출력 측에는 굴절률 n0만의 판형의 단일재층(1)이 수층(도면에서는 1_1 ~ 1_6의 6층) 존재하고, 그것(상세하게는 층 1_6)에 인접하여, 굴절률 n0의 직사각형의 층(저굴절률층으로 칭함)(20)과 굴절률 n0보다 높은(큰) 굴절률 n1(n1＞n0)의 직사각형의 층(고굴절률층으로 칭함)(21)을 각각 가로 방향으로 교대로 배열한 판형의 층(교대 배치층으로 칭함)(2B)이 설치되어 있는 것으로 한다. 도시하지 않지만, 교대 배치층(2B)의 광 입사 측에는, 굴절률 n0 만의 판형의 단일재층이 설치되어 있는 것으로 고려해도 된다. 자세한 것은 후술하지만, 교대 배치층(2B)은, 경사 입사광을 수직 입사광으로 변환하는 광학 렌즈의 기능을 이룬다.

도시한 제2 실시예의 기본 예의 구성에서는, 중심 CL에 대하여 좌측에서는, 높은 굴절률의 고굴절률층(21)이 많은 비율로 존재하고, 우측에서는 적은 비율로 존재하는 구조로 하는데 있어서, 좌측의 고굴절률층(21L_1 ~ 21L_4)의 폭은, 중심 CL로 향해 서서히 작아지는 구조를 가지는 동시에, 우측의 고굴절률층(21R_1 ~ 21R_4)의 폭은, 중심 CL로 향해 서서히 커지게 되는 구조를 가지고, 굴절률이 큰 고굴절률층(21)이 우측으로부터 좌측에 걸쳐 한쪽 방향으로 폭이 서서히 커지게 되는 구조를 가진다.

또한, 좌측의 저굴절률층(20L_1 ~ 20L_3)의 폭은, 중심 CL로 향해 서서히 커지게 되는 구조를 가지는 동시에, 우측의 저굴절률층(20R_1 ~ 20R_3)의 폭은, 중심 CL로 향해 서서히 작아지는 구조를 가지고, 굴절률이 작은 저굴절률층(20_j)이 우측으로부터 좌측에 걸쳐 한쪽 방향으로 폭이 서서히 작아지는 구조를 가진다.

즉, 이 제2 실시예의 기본예에서는, 전술한 제1 및 제2 경사 입사광 보정 방법을 병용한 제3 경사 입사광 보정 방법을 채용한 것이다. 이로써, 도면과 같이, 경사 입사광을 수직 입사광으로 변환할 수 있게 된다.

도 1a에 나타낸 제1 실시예의 교대 배치층(2A)과의 비교에 있어서는, 교대 배치층(2A)의 렌즈 중심을 경계로, 좌우의 어느 한쪽(도시한 예에서는 우측)만의 구조로 한 것이 제2 실시예의 교대 배치층(2B)에 상당하게 된다. 제1 실시예의 교 대 배치층(2A)에서는, 렌즈 중심을 경계로 좌우에서는 중심 측에 입사광의 경로를 변환하는 기능이 활성화되어 있지만, 그 기능의 한쪽만을 이용한 것이 제2 실시예의 교대 배치층(2B)으로 고려할 수 있다.

이와 같은 교대 배치층(2B)을 교대 배치층(2A)의 광 입사 측 또는 광 출사 측 또는 그 양쪽에 배치하여 고체 촬상 장치(100A)에 적용하면, 볼록 렌즈 기능의 집광 포인트를, 화소의 중심 또는 광전 변환부(104) 상에 확실하게 가지고 가는 기능을 실현할 수 있다.

제2 실시예의 렌즈 구조에 있어서는, 이와 같은 경사 입사광을 수직 입사광으로 변환하는 입사각 변환 기능을 가지는 교대 배치층(2B)을, 집광 효과를 가지는 광학 렌즈의 기능을 이루는 제1 실시예의 교대 배치층(2A)에 적층한다. 그때는, 광 입사 측에 교대 배치층(2B)을 배치하는 구조, 즉 볼록 렌즈 기능을 가지는 교대 배치층(2A)의 상에 입사각 변환 기능을 가지는 교대 배치층(2B)을 적층한 구조로 해도 된다.

또는, 광 입사 측에 교대 배치층(2A)을 배치하는 구조, 즉 볼록 렌즈 기능을 가지는 교대 배치층(2A) 아래에 입사각 변환 기능을 가지는 교대 배치층(2B)을 적층한 구조로 해도 된다. 또한, 광 입사 측과 광 출사 측의 양쪽에 교대 배치층(2B)을 배치하는 구조, 즉 볼록 렌즈 기능을 가지는 교대 배치층(2A)의 상하 양쪽에 입사각 변환 기능을 가지는 교대 배치층(2B)을 적층한 구조로 해도 된다.

경사 입사광을 수직 입사광으로 변환할 수 있으면, 인접하는 화소로부터의 광이 입사하는 혼합색의 문제나, 화소 어레이부의 단부에서 감도 저하가 현저하게 되는 쉐이딩의 문제를 해결할 수 있게 된다.

이 효과는, 예를 들면, 고체 촬상 장치(100A)에 적용한 경우, 도 10a에 나타낸 바와 같이, 결상 렌즈로부터의 주광선이 화소 어레이부의 단부로 갈수록 경사 입사가 되므로, 화소 어레이부의 중심은 경사 보정 기능을 약하게 하고, 화소 어레이부의 단부로 될수록 보정 기능을 강하게 함으로써 보다 효과적으로 된다. 예를 들면, 화소 어레이부의 단부로 될수록, 굴절률이 큰 고굴절률층(21)의 비율의 비대칭성을 크게 한다.

도 10에 나타내는 구조로부터 명백한 바와 같이, 그 렌즈 두께는, 굴절률이 큰 직사각형의 고굴절률층(21_k)과, 굴절률이 작은 직사각형의 저굴절률층(20_j)을 가로 방향으로 교대로 배열한 교대 배치층(2B)의 두께이므로, 극히 얇은 입사각 변환 렌즈(경사 광 보정 렌즈)로 할 수 있다. 예를 들면, 0.5μm 이하까지 렌즈를 얇게 할 수 있다.

교대 배치층(2B)은, 평면 구조에 있어서도, 당연하게, 렌즈 중심을 경계로, 한쪽에서는 높은 굴절률의 고굴절률층(21)이 많은 비율로 존재하고, 반대측에서는 적은 비율로 존재하는 구조로 되어 있으면 되고, 그 한도에 있어서, 다양한 평면 구조를 채용할 수 있다.

예를 들면, 도 10b에 나타낸 바와 같이, 선형의 저굴절률층(20) 및 고굴절률층(21)을, 소정 폭으로 한쪽으로 치우치게 배열한 구조이어도 된다. 또, 도시하지 않지만, 저굴절률층(20) 및 고굴절률층(21)은 곡선형의 것이어도 된다.

볼록 렌즈로서의 교대 배치층(2A)과 조합시켜 고체 촬상 장치(100A)의 화소 어레이부에 적용하는 경우, 화소 어레이부의 중심에서는 경사 입사광의 입사가 문제가 되지 않기 때문에 교대 배치층(2B)이 불필요하다. 이에 대하여, 화소 어레이부의 단부로 갈수록 경사 입사광의 입사가 문제가 된다. 그러므로 도 10c에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 도 10b에 나타낸 바와 같은 선형의 저굴절률층(20) 및 고굴절률층(21)을 소정 폭으로 한쪽으로 치우치게 배열한 구조를 가지는 교대 배치층(2B)을, 광축이 화소 어레이부의 중심에 향하도록 배치한다.

이때는, 화소 어레이부의 단부로 갈수록 입사각 변환 기능이 강하게 되도록, 화소 어레이부의 단부로 갈수록 저굴절률층(20)이나 고굴절률층(21)의 비율의 변화 상태가 강하게 되도록 한다. 즉, 화소 어레이부의 중심에서는 비대칭성이 없고, 화소 어레이부의 단부로 될수록 비대칭성이 강해지는 구조로 하는 것이 좋다.

여기서는, 광전 변환 소자(수광부)가 2차원 상태로 배열되어 있는 화소 어레이부의 경우에 대해 나타냈으나, 광전 변환 소자(수광부)가 1차원 상태로 배열되어 있는 화소 어레이부의 경우라도 마찬가지이다.

이렇게 함으로써, 화소 어레이부의 단부로 갈수록 주광선이 경사 입사하는 것을 보정하여 교대 배치층(2A)에 의한 각 볼록 렌즈의 집광 포인트를 화소 중심으로 가지고 갈 수가 있다. 이와 같은 렌즈 형상을 고체 촬상 장치(100B)의 내부에 가지는(즉 고체 촬상 장치(100B)와 일체적으로 형성하는) 것에서, 눈동자 보정 기구를 형성하지 않아도 화소 어레이부의 단부에서 일어나는 감도 저하(쉐이딩)를 작게 할 수 있는 동시에, 혼합색도 감소할 수 있으므로, 색 재현성을 개선할 수 있다.

＜제2 실시예: 입사각 변환 기능의 적용예＞

도 11 및 도 11a는, 광학 렌즈의 제2 실시예를 적용한 고체 촬상 장치를 설명하는 도면이다. 여기서 도 11은 입사각 변환 기능을 가지는 교대 배치층(2B)을 적용한 고체 촬상 장치의 단면 모식도이며, 도 11a는, 그 광학 특성의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 제2 실시예의 고체 촬상 장치(100B)는, 도 2에 나타낸 제1 실시예의 교대 배치층(2A)의 적용예 1의 고체 촬상 장치(100A)를 베이스로 한 것이며, 볼록 렌즈 기능을 가지는 교대 배치층(112A)의 광 입사 측(지면의 아래쪽)에 입사각 변환 기능(경사 보정 기능)을 가지는 교대 배치층(112B)을 배치한 광학 렌즈(110B)를 구비한다. 이와 같이, 제2 실시예의 광학 렌즈(110B)는, 교대 배치층(112A)에 의한 볼록 렌즈 기능과 교대 배치층(112B)에 의한 경사 보정 기능을 별개로 갖도록 한 구조이다.

도 11에 나타내는 교대 배치층(112A)과 교대 배치층(112B)의 배치 관계는, 지면의 우측 아래쪽으로부터 광이 입사하는 경우에 나타내고 있다. 그리고 교대 배치층(112A)에 의한 볼록 렌즈의 중심에 대하여, 교대 배치층(112B)에 의한 입사각 변환 렌즈(경사 광 보정 렌즈)의 중심을 약간 지면의 우측에 어긋나 있다.

제2 실시예(적용예)에 있어서, 광학 렌즈(110B)는, 1주기(화소 사이즈 = 3.6μm) 내에서의 교대 배치층(112B) 내의 저굴절률층(120_j)과 고굴절률층(121_k)(어느 쪽도 도시하지 않음)의 폭은 다음과 같이 설정한다.

고굴절률층(121R_4): 0.45μm

고굴절률층(121R_3): 0.35μm

고굴절률층(121R_2): 0.25μm

고굴절률층(121R_1)+고굴절률층(121L_1): 0.20μm

고굴절률층(121L_2): 0.15μm

고굴절률층(121L_3): 0.11μm

고굴절률층(121L_4): 0.10μm

저굴절률층(120R_3): 0.10μm

저굴절률층(120R_2): 0.12μm

저굴절률층(120R_1): 0.185μm

저굴절률층(120L_1): 0.235μm

저굴절률층(120L_2): 0.260μm

저굴절률층(120L_3): 0.345μm

저굴절률층(120L_4): 0.745μm

도 11a는, 도 11에 나타낸 제2 실시예(적용예)의 광학 특성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이며, 녹색광(λ=540nm)의 경사 입사광을 고체 촬상 장치(100B)에 입사한 결과이다. 이들로부터도 알 수 있듯이, 렌즈 중심을 경계로, 한쪽에서는 높은 굴절률의 고굴절률층(121)이 많은 비율로 존재하고, 반대측에서는 적은 비율로 존재하는 구조를 가지는 교대 배치층(112B)을 교대 배치층(112A)에 중첩하여 배치함으로써, 녹색광의 경사 입사광을 교대 배치층(112A)에 의한 볼록 렌즈의 대략 중심에 집광시키는 것이 가능하다. 이것은 입사각 변환 기능에 의한 경사 보정 기능이 효과적으로 작용하고 있는 것을 의미한다.

도시하지 않지만, 근 적외광(λ=780nm), 적색광(λ=640nm), 청색광(λ=460nm)에 대해서도, 마찬가지로, 경사 입사광을 교대 배치층(2A)에 의한 볼록 렌즈의 대략 중심에 집광시키는 경사 보정 기능 효과가 있다.

교대 배치층(112A)에 의한 볼록 렌즈 기능과 교대 배치층(112B)에 의한 입사각 변환 기능(경사 보정 기능)을 가지는 고체 촬상 장치(100B)로 함으로써, 경사 입사광을 수직 입사광으로 변환할 수 있어 쉐이딩이나 혼합색의 저감으로도 되어 고화질을 달성할 수 있다.

＜제3 실시예: 볼록형 렌즈＋경사 입사광 보정(일체형)＞

도 12 ~ 도 12c는, 광학 렌즈의 제3 실시예의 기본 원리를 설명하는 도면이다. 여기서 도 12는 광학 렌즈의 제3 실시예의 기본 원리를 설명하기 위한 등위상면을 나타낸 도면이다. 도 12a는 렌즈의 중심을 설명하는 도면이며, 도 12b 및 도 12c는 광학 렌즈의 제3 실시예의 평면 모식도이다.

제3 실시예의 렌즈 구조는, 경사 입사광의 입사에 대한 보정 기구를 구비하도록 한 점에 특징을 가지고, 이 점에 있어서는 제2 실시예와 공통된다. 전술한 제2 실시예와의 상위점으로서는, 볼록 렌즈 기능과 경사 입사광 보정 기능의 양자를 겸비한 교대 배치층으로 하는 점이다.

도 12에 나타낸 바와 같이, 제3 실시예의 교대 배치층(2C)의 기본적인 생각은, 굴절률이 큰 층이, 판형으로, 중심이 더 조밀하고 중심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되는 좌우 대칭 구조를 가지는 제1 실시예의 교대 배치층(2A)을 베이 스로서 렌즈 중심을 경계로, 한쪽에서는 높은 굴절률의 고굴절률층이 많은 비율로 존재하고, 반대측에서는 적은 비율로 존재하는 좌우 비대칭 구조를 가지는 제2 실시예의 교대 배치층(2B)의 구조를 적용한 것이다.

즉, 제3 실시예의 교대 배치층(2C)은, 폭이 파장 오더와 같거나 또는 파장 오더보다 작은 폭의 굴절률이 큰 층이, 판형으로, 중심이 더 조밀하고 중심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되는 구조를 가지는 것과 동시에, 렌즈 중심에 대하여 가로 방향으로 비대칭 구조를 가짐으로써, 볼록 렌즈 기능과 입사각 변환 기능(경사 입사광 보정 기능)을 동시에 가지는 점에 특징을 가진다.

중심의 좌우 어느 쪽으로부터 보아도, 비대칭의 중심으로 향하여, 굴절률이 큰 고굴절률층(21)의 폭이 서서히 커지게 되는 구조를 가진다. 또, 비대칭의 중심으로 향하여, 굴절률이 작은 저굴절률층(20)의 폭이 서서히 작아지는 구조를 가진다. 제1 실시예와의 상위는, 렌즈의 중심에 대하여, 좌우의 한쪽에서는 저굴절률층(20)이고 고굴절률층(21)의 배열이 결점이며, 다른 쪽 측에서는 조밀하게 되는 점이다.

좌우 대칭 구조를 가지는 교대 배치층(2A)에 대하여 좌우 비대칭 구조를 적용하는 데는, 예를 들면, 부재(렌즈: 교대 배치층(2C))의 한쪽의 단부 측으로부터 광학적인 중심 위치를 향하여, 굴절률이 큰 고굴절률층(21)의 폭이 서서히 커지게 되는 구조를 가지는 것으로 하는, 즉 굴절률이 큰 고굴절률층(21)의 폭이 비대칭의 중심으로 향해 서서히 커지게 되는 구조를 가지는 것으로 하는 제1 비대칭화 방법을 채용할 수 있다.

또는, 부재(렌즈: 교대 배치층(2C))의 한쪽의 단부 측으로부터 광학적인 중심 위치를 향하여, 굴절률이 작은 저굴절률층(20)의 폭이 서서히 작아지는 구조를 가지는 것으로 하는, 즉 굴절률이 작은 저굴절률층(20)의 폭이 비대칭의 중심으로 향해 서서히 작아지는 구조를 가지는 것으로 하는 제2 비대칭화 방법을 채용할 수도 있다. 또는 이들 제1 및 제2 비대칭화 방법을 병용한 제3 비대칭화 방법을 채용할 수도 있다. 비대칭화의 효율의 면에서는 제3 비대칭화 방법을 적용하는 것이 가장 효과적이다.

여기서, 「중심」에 대하여, 도 12a를 참조하여 설명한다. 화소 매트릭스 내 또는 일정 영역 면 내에 있어서, 굴절률이 큰 고굴절률층(21)의 굴절률을 n1, 굴절률이 작은 저굴절률층(20)의 굴절률을 n0로 한다. 평면 내의 (x, y)좌표에 있어서, 하기의 식(1)이 성립되는 경우, 그 (x1, y1)의 위치를 광학적인 중심이라고 정의한다.

이것은, 중심의 위치에 있어서, 주위의 굴절률의 1차 모멘트의 적분이 0인 것을 의미한다. 도 12a는 1차원의 경우의 중심의 위치의 개념도를 나타내지만, 실제로는 2차원으로 되므로, (x, y)좌표로 되고, 동시에 (x, y)의 적분이 0이 되는 조건을 만족시키는 위치가 2차원에서 중심으로 된다.

제1 실시예의 경우에는, 굴절률이 큰 고굴절률층(21)이, 중심이 조밀하고 중 심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되는 좌우 대칭 구조를 가지므로 렌즈의 기계적인 중심과 중심이 일치한다. 제2 실시예의 경우에는, 좌우 대칭 구조를 가지는 제1 실시예의 좌우 어느 한쪽만을 사용한 것으로 생각하면 되고, 중심이, 광학 렌즈의 단부가 된다. 즉, 비대칭의 중심으로 된다.

이에 대하여, 제3 실시예의 경우에는, 좌우 대칭 구조를 가지는 제1 실시예에 대하여 제2 실시예를 적용하여 굴절률이 높은 고굴절률층(21)의 비율이 좌우로 비대칭으로 되도록 하고 있으므로, 렌즈의 기계적인 중심에 대하여 중심이 어긋나고, 비대칭의 중심으로 된다. 이것은, 도 12b나 도 12c에 나타내는 평면 모식도로부터도 분명하다.

즉, 제3 실시예의 교대 배치층(2C)은, 평면 구조에 있어서도, 당연하게, 제1 실시예에 대하여 제2 실시예를 적용한 구조를 이룬다. 예를 들면, 제1 실시예의 교대 배치층(2A)과 마찬가지로 환형 구조를 가지는 것으로 하는 경우이면, 굴절률이 큰 고굴절률층(21_k)과, 굴절률이 작은 저굴절률층(20_j)의 각각의 형상은, 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형 등, 임의의 형상으로 할 수 있다. 그리고 이들 동일이라고 볼 수 있는 형상의 것을 환형으로 하는 것이나, 상이한 형상의 것을 조합시켜, 각 링의 폭이, 렌즈 중심이 아닌 중심을 경계로, 좌우로 단계적으로 상이하도록 환형으로 하면 된다.

예를 들면, 도 12b(1)는, 도 1b(1)에 대응하는 것으로, 고굴절률층(21_k)과 저굴절률층(20_j)의 각각이 원형 또는 원형 링 형상으로, 각 링의 폭이, 렌즈 중심을 경계로, 좌측에서는 저굴절률층(20)이 렌즈 중심을 향해 단계적으로 좁아지고, 또한, 고굴절률층(21)이 중심으로 향해 단계적으로 굵어지고, 우측에서는 저굴절률층(20)이 중심으로 향해 단계적으로 가늘어지며, 또한 고굴절률층(21)이 렌즈 중심을 향해 단계적으로 굵어지며, 또한 좌우로 그 각각의 폭이나 변화 정도가 상이한, 비대칭인 원형 또는 원형 링 형상으로 된 것이어도 된다.

도 12b(2)는, 도 1b(2)에 대응하는 것으로, 비대칭인 타원형 또는 타원형의 환형으로 한 것이다. 도 12b(3)는, 도 1b(3)에 대응하는 것으로, 비대칭인 정사각형 또는 정사각형의 환형으로 한 것이다. 도 12b(4)는, 도 1b(4)에 대응하는 것으로, 비대칭인 직사각형 또는 직사각형의 환형으로 한 것이다.

물론, 각 렌즈의 토탈 집광 효과(total condensing effect)는 교대 배치층(2A)의 평면 구조, 즉 고굴절률층(21)과 저굴절률층(20)의 배열 방법의 평면 구조의 영향을 받으므로, 고체 촬상 소자에 응용하는 경우에는, 도 12b에 예시한 평면 구조, 특히 중심의 고굴절률층(21_1)의 형상은, 수광부의 평면 형상으로 정합시키는 것이 좋다.

또, 경사 입사광을 수직 광으로 변환하는 기능은, 중심에 대하여 좌측 및 우측의 어느 쪽에서도 존재하므로, 중심에 대하여 좌측 및 우측의 어느 한쪽만을 사용하는 구조로 할 수도 있다. 예를 들면, 도 12c(1)에 나타낸 바와 같이, 도 12b(1)에 나타내는 평면 배치에 대하여, 굴절률이 작은 원형상의 저굴절률층(20_j)이나 굴절률이 큰 원형상의 고굴절률층(21)의 일부가 빠져 환형으로 되지 않는 구조이어도 된다. 또는, 도 12c(2)에 나타낸 바와 같이, 도 12b(3)에 나타내는 평면 배치에 대하여, 굴절률이 작은 사각형 모양의 저굴절률층(20_j)이나 굴절률이 큰 사각형 모양의 고굴절률층(21_k)의 일부가 빠져 환형으로 되지 않는 구조이어도 된다.

고체 촬상 장치(100C)의 화소 어레이부에 적용하는 경우, 화소 어레이부의 중심에서는 경사 입사광의 입사가 문제가 되지 않기 때문에 경사 광 보정 효과가 불필요하다. 이에 대하여, 화소 어레이부의 단부로 갈수록 경사 입사광의 입사가 문제가 된다. 그러므로 화소 어레이부의 단부로 갈수록 입사각 변환 기능이 강하게 되도록, 화소 어레이부의 단부로 갈수록 저굴절률층(20)이나 고굴절률층(21)의 비율의 변화 상태가 강하게 되도록 한다.

즉, 화소 어레이부의 중심에서는 비대칭성이 없고, 화소 어레이부의 단부로 될수록 비대칭성이 강해지는 구조로 하는 것이 좋다. 견해를 바꾸면, 화소 어레이부의 단부로 될수록 비대칭의 중심의 위치를 화소(광전 변환부, 수광부)의 중심으로부터 화소 어레이부의 중심 방향으로 어긋나게 한 구조로 하는 것이 좋다.

여기서는, 광전 변환 소자(수광부)가 2차원 상태로 배열되어 있는 화소 어레이부의 경우에 나타냈으나, 광전 변환 소자(수광부)가 1차원 상태로 배열되어 있는 화소 어레이부의 경우에도 마찬가지이다.

이렇게 함으로써, 제2 실시예와 마찬가지로, 화소 어레이부의 단부로 갈수록 주광선이 경사 입사하는 것을 보정하여 교대 배치층(2A)에 의한 각 볼록 렌즈의 집광 포인트를 화소 중심으로 가지고 갈 수가 있다. 이와 같은 렌즈 형상을 고체 촬상 장치(100C)의 내부에 가지는(즉 고체 촬상 장치(100C)와 일체적으로 형성하는) 것에서, 화소 어레이부의 단부에서 일어나는 감도 저하(쉐이딩)를 작게 할 수 있는 동시에, 혼합색도 감소할 수 있으므로, 색 재현성을 개선할 수 있다. 또한, 볼록 렌즈 효과와 경사 광 보정 효과를 1개의 교대 배치층(2C)으로 실현함으로써, 구조를 컴팩트하게 할 수 있다.

＜제3 실시예: 볼록 렌즈 기능＋입사각 변환 기능의 적용예 1＞

도 13 및 도 13a는, 광학 렌즈의 제3 실시예를 적용한 고체 촬상 장치의 제1 예(적용예 1)를 설명하는 도면이다. 여기서 도 13은 제3 실시예(적용예 1)의 고체 촬상 장치의 단면 모식도이며, 도 13a는, 그 광학 특성의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

도 13에 나타낸 바와 같이, 제3 실시예(적용예 1)의 고체 촬상 장치(100C)는, 화소 사이즈나 렌즈 사이즈가 1.4μm이며, 도 5에 나타낸 제1 실시예의 교대 배치층(2A)의 적용예 4의 고체 촬상 장치(100A)를 베이스로 한 것이다.

제3 실시예(적용예)에 있어서, 광학 렌즈(110C)는, 1주기 내에서의 교대 배치층(112C) 내의 저굴절률층(120_j)과 고굴절률층(121_k)(어느 쪽도 도시하지 않음)의 폭은 다음과 같이 설정한다.

고굴절률층(121R_1)+고굴절률층(121L_1): 0.25μm

고굴절률층(121R_2): 0.10μm

고굴절률층(121L_2): 0.15μm

고굴절률층(121L_3): 0.10μm

저굴절률층(120R_1): 0.14μm

저굴절률층(120L_1): 0.155μm

저굴절률층(120L_2): 0.195μm

또, 광학 렌즈(110C)의 주요부를 이루는 교대 배치층(112C)의 실리콘 나이트라이드 SiN로 되는 각 고굴절률층(121_k)의 상하에는, 각 고굴절률층(121_k)과 같은 폭으로, 굴절률 n4가 1.7인 SiON의 박막(두께=0.08μm)을 반사 방지막(124)으로서 붙인다. 이 점은, 제1 실시예의 적용예 4와 같다.

도 13a는, 도 13에 나타낸 제3 실시예(적용예 1의 광학 특성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이며, 녹색광(λ=540nm)의 경사 입사광을 고체 촬상 장치(100C)에 입사한 결과이다. 이들로부터도 알 수 있듯이, 볼록 렌즈 기능을 가지는 제1 실시예의 교대 배치층(112A)의 구조와 경사 입사각 변환 기능(광 보정 기능)을 가지는 제2 실시예의 교대 배치층(112B)의 구조를 겸비한 1개의 교대 배치층(112C)으로 하는 경우라도, 녹색광의 경사 입사광을 교대 배치층(112C)에 의한 볼록 렌즈의 대략 중심에 집광시키는 것이 가능하다. 이것은 입사각 변환 기능에 의한 경사 보정 기능이 효과적으로 작용하고 있는 것을 의미한다.

도시하지 않지만, 근 적외광(λ=780nm), 적색광(λ=640nm), 청색광(λ=460nm)에 대해서도, 마찬가지로, 경사 입사광을 교대 배치층(2C)에 의한 볼록 렌즈의 대략 중심에 집광시키는 경사 보정 기능 효과가 있다.

볼록 렌즈 기능과 입사각 변환 기능(경사 보정 기능)을 겸비한 교대 배치층(112C)을 가지는 고체 촬상 장치(100C)로 함으로써, 경사 입사광을 수직 입사광으로 변환할 수 있어 쉐이딩이나 혼합색의 저감으로도 되어 고화질을 달성할 수 있다.

현재, 통상의 이미지 센서용의 렌즈는 리플로우로 제작하지만, 표면 장력에 의해 반드시 구면이 되기 때문에 비대칭성을 만들 수가 없다. 따라서, 전술한 바와 같은 효과는 얻을 수 없는 것으로 된다.

＜제3 실시예: 적용예 2 (CMOS 대응)＞

도 14 및 도 14a는, 광학 렌즈의 제3 실시예를 적용한 고체 촬상 장치의 제2 예(적용예 2)를 설명하는 도면이다. 여기서 도 14는, 제3 실시예(적용예 2)의 고체 촬상 장치의 회로도이다. 도 14a는, 제3 실시예(적용예 2)의 고체 촬상 장치에서의 화소 어레이부 상에 적용한 교대 배치층의 평면 개략도이다. 그리고 도 14a에서는, 화소 어레이부 전체에 있어서 각 화소의 교대 배치층에 의한 렌즈 형상에 관하여, 대표적인 위치만을 픽업하여 확대하여 나타내고 있다.

제3 실시예(적용예 2)의 고체 촬상 장치는, CMOS 센서에 응용한 것이다. 이하, CMOS 고체 촬상 장치(201)라 한다. 이 경우, 화소 어레이부 내의 하나하나의 화소(특히 광전 변환 소자)에 대하여 셀 앰프를 1개 가지는 구조로 된다. 화소 신호는 셀 앰프로 증폭된 후에 노이즈 캔슬 회로 등을 통해 출력된다.

도 14(1)에 나타낸 바와 같이, CMOS 고체 촬상 장치(201)는, 입사광량에 따른 신호를 출력하는 수광 소자(전하 생성부의 일례)를 포함하는 복수의 화소(211)가 행 및 열로 배열된(즉, 2차원 매트릭스형의) 화소 어레이부(210)를 가지고, 각 화소(211)로부터의 신호 출력이 전압 신호로서, CDS(Correlated Double Sampling； 상관 2중 샘플링) 처리 기능부나 디지털 변환부(ADC；Analog Digital Converter) 등이 열병렬로 설치되어 있는, 이른바 전형적인 컬럼형으로 되어 있다.

구체적으로는, 도시한 바와 같이, CMOS 고체 촬상 장치(201)는, 복수의 화소(211)가 행 및 열로 배열된 화소 어레이부(210)와, 화소 어레이부(210)의 외측에 설치된 구동 제어부(207)와, 컬럼 처리부(226)와, 출력 회로(228)를 구비하고 있다.

구동 제어부(207)는, 화소 어레이부(210)의 신호를 차례로 판독하기 위한 제어 회로 기능을 구비하고 있다. 예를 들면, 구동 제어부(207)로서는, 열 어드레스나 열 주사를 제어하는 수평 주사 회로(열 주사 회로)(212)와, 행 어드레스나 행주사를 제어하는 수직 주사 회로(행 주사 회로)(214)와, 외부 사이에서의 인터페이스 기능이나 내부 클록을 생성하는 등의 기능을 가지는 통신·타이밍 제어부(220)를 구비하고 있다.

수평 주사 회로(212)는, 컬럼 처리부(226)로부터 카운트 값을 판독하는 판독 주사부의 기능을 가진다. 이들 구동 제어부(207)의 각 요소는, 화소 어레이부(210)와 함께, 반도체 집적회로 제조 기술과 마찬가지의 기술을 이용하여 단결정 실리콘 등의 반도체 영역에 일체적으로 형성되고, 반도체 시스템의 일례인 고체 촬상 소자(촬상 디바이스)로서 구성된다.

도 14(1)에서는, 간단히 하기 위해 행 및 열의 일부를 생략하여 나타내고 있지만, 현실적으로는, 각 행이나 각 열에는, 수십 내지 수천의 화소(211)가 배치된다. 이 화소(211)는, 전형적으로는, 수광 소자(전하 생성부) 등으로도 칭해지는 광전 변환 소자(212)와, 증폭용의 반도체 소자(예를 들면, 트랜지스터)를 가지는 화소 내 앰프(셀 앰프； 화소 신호 생성부)(205)로 구성된다. 화소 내 앰프(205) 로서는, 예를 들면, 플로팅 디퓨전 앰프(floating diffusion amplifier) 구성의 것이 사용된다.

화소(211)는, 행 선택을 위한 행 제어선(215)을 통하여 수직 주사 회로(214)와, 또 수직 신호선(219)을 통하여 컬럼 처리부(226)와 각각 접속되어 있다. 여기서, 행 제어선(215)은 수직 주사 회로(214)로부터 화소에 들어가는 배선 전반을 나타낸다.

수평 주사 회로(212)나 수직 주사 회로(214)는, 예를 들면, 시프트 레지스터나 디코더를 포함하여 구성되며, 통신·타이밍 제어부(220)로부터 부여되는 제어 신호에 응답하여 어드레스 선택 동작(주사)을 개시하도록 되어 있다. 그러므로 행 제어선(215)에는, 화소(211)를 구동시키기 위한 각종의 펄스 신호(예를 들면, 리셋 펄스 RST, 전송 펄스 TRF, DRN 제어 펄스 DRN 등)가 포함된다.

통신·타이밍 제어부(220)는, 도시하지 않지만, 각 부의 동작에 필요한 클록이나 소정 타이밍의 펄스 신호를 공급하는 타이밍 제너레이터 TG(판독 어드레스 제어 장치의 일례)의 기능 블록과, 단자(220a)를 통하여 마스터 클록 CLK0를 수취하고, 또 단자(220b)를 통하여 동작 모드 등을 지령하는 데이터 DATA를 수취하고, 또한 CMOS 고체 촬상 장치(201)의 정보를 포함하는 데이터를 단자(220c)를 통하여 출력하는 통신 인터페이스의 기능 블록을 구비한다.

화소(211)를 2차원 매트릭스형으로 배치하고 있으므로, 화소 내 앰프(화소 신호 생성부)(205)에 의해 생성되고 수직 신호선(219)을 통하여 열 방향으로 출력되는 아날로그의 화소 신호를 행 단위로(열병렬로) 액세스하여 취입(수직) 스캔 읽 기를 행하고, 이후에, 수직열의 배열 방향인 행방향으로 액세스하여 화소 신호(예를 들면, 디지털화된 화소 데이터)를 출력 측에 판독(수평) 스캔 읽기를 행하도록 함으로써, 화소 신호나 화소 데이터의 판독의 고속화를 도모하는 것이 좋다. 물론, 스캔 읽기에 한정되지 않고, 판독하려는 화소(211)를 직접 어드레스 지정함으로써, 필요한 화소(211)의 정보만을 판독하는 랜덤 액세스도 가능하다.

통신·타이밍 제어부(220)에서는, 단자(220a)를 통하여 입력되는 마스터 클록(마스터 클록) CLK0와 같은 주파수의 클록 CLK1나, 그것을 2분주한 클록이나 더욱 분주한 저속의 클록을 디바이스 내의 각 부, 예를 들면, 수평 주사 회로(212), 수직 주사 회로(214), 컬럼 처리부(226) 등에 공급한다.

수직 주사 회로(214)는, 화소 어레이부(210)의 행을 선택하고, 그 행에 필요한 펄스를 공급하는 것이다. 예를 들면, 수직 방향의 판독 행을 규정하는 (화소 어레이부(210)의 행을 선택하는) 수직 디코더와 수직 디코더에 의해 규정된 판독 어드레스 위(행방향)의 화소(211)에 대한 행 제어선(215)에 펄스를 공급하여 구동하는 수직 구동 회로를 가진다. 그리고 수직 디코더는, 신호를 판독하는 행 외에, 전자 셔터용의 행 등도 선택한다.

수평 주사 회로(212)는, 저속 클록 CLK2에 동기하여 컬럼 처리부(226) 내의 도시하지 않은 컬럼 회로를 차례대로 선택하고, 그 신호를 수평 신호선(수평 출력 선)(218)에 안내하는 것이다. 예를 들면, 수평 방향의 판독 열을 규정하는 (컬럼 처리부(226) 내의 각각의 컬럼 회로를 선택하는) 수평 디코더와 수평 디코더에 의해 규정된 판독 어드레스에 따라 선택 스위치(227)에 의해 컬럼 처리부(226)의 각 신호를 수평 신호선(218)에 안내하는 수평 구동 회로를 가진다. 그리고 수평 신호선(218)은, 예를 들면, 컬럼 AD 회로가 취급하는 비트수 n(n은 플러스의 정수)분, 예를 들면, 10=n 비트이면, 그 비트수 분에 대응하여 10개 배치된다.

이와 같은 구성의 CMOS 고체 촬상 장치(201)에 있어서, 화소(211)로부터 출력된 화소 신호는, 수직열마다, 수직 신호선(219)을 통하여, 컬럼 처리부(226)의 컬럼 회로에 공급된다.

컬럼 처리부(226)의 각 컬럼 회로는, 1열 분의 화소의 신호를 받아, 그 신호를 처리한다. 예를 들면, 각 컬럼 회로는, 아날로그 신호를, 예를 들면, 저속 클록 CLK2를 사용하여, 예를 들면 10비트의 디지털 데이터로 변환하는 ADC(Analog Digital Converter) 회로를 가진다.

컬럼 처리부(226)는, 회로 구성을 연구함으로써 노이즈 캔슬 기능을 갖게 할 수 있어 수직 신호선(219)을 통하여 입력된 전압 모드의 화소 신호에 대하여, 화소 리셋 직후의 신호 레벨(노이즈 레벨)과 진정한(수광 광량에 따른) 신호 레벨 Vsig 와의 차분을 취하는 처리를 행할 수 있다. 이로써, 고정 패턴 노이즈(FPN；Fixed Pattern Noise)나 리셋 노이즈라는 노이즈 신호 성분을 없앨 수가 있다.

컬럼 처리부(226)에서 처리된 아날로그의 화소 신호(또는 디지털의 화소 데이터)는, 수평 주사 회로(212)로부터의 수평 선택 신호에 의해 구동되는 수평 선택 스위치(217)를 통하여 수평 신호선(218)에 전달되고, 또한 출력 회로(228)에 입력된다. 그리고 10비트는 일례로서, 10비트 미만(예를 들면, 8비트)이나 10비트를 초과하는 비트수(예를 들면, 14비트) 등, 그 외의 비트 수로 해도 된다.

이와 같은 구성에 의해, 전하 생성부로서의 화소(211)가 행렬형으로 배치된 화소 어레이부(210)로부터는, 행마다 각 수직열에 대하여 화소 신호가 차례로 출력된다. 그리고 수광 소자가 행렬형으로 배치된 화소 어레이부(210)에 대응하는 1매 분의 화상, 즉 프레임 화상이, 화소 어레이부(210) 전체의 화소 신호의 집합으로 나타내는 것으로 된다.

CMOS 고체 촬상 장치(201)를 사용했을 때의 촬상 장치(200)의 구성예를 도 14(2)에 나타낸다. 촬상 장치(200)는, 예를 들면, 카메라(또는 카메라 시스템)나 촬상 기능을 가지는 휴대 기기 등에 사용된다. 후술하는 촬상 장치(300)에서도 마찬가지이다.

CMOS 출력(Vout)으로서 출력 회로(228)로부터 도출된 화소 신호는, 도 14(2)에 나타내는 화상 신호 처리부(240)에 입력된다. CMOS 고체 촬상 장치(201)의 구동 제어부(구동부의 일례)(207)나, CMOS 고체 촬상 장치(201)의 후단에 설치된 화상 신호 처리부(240)에는, CPU(Central Processing Unit), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory) 등으로 구성되는 중앙 제어부(242)로부터의 제어 신호가 입력되도록 되어 있다. 구동 제어부(207)는, 중앙 제어부(242)로부터의 제어 신호에 따라 구동 타이밍을 결정한다. CMOS 고체 촬상 장치(201)의 화소 매트릭스부(210)(상세하게는 화소(211)를 구성하는 트랜지스터)는, 구동 제어부(207)로부터의 구동 펄스에 기초하여 구동된다.

중앙 제어부(242)는, 구동 제어부(207)를 제어하는 것 외에, 화상 신호 처리부(240)에 있어서의 신호 처리나 화상 출력 처리 등을 제어한다.

화상 신호 처리부(140)는, 예를 들면, 각 화소의 촬상 신호 R, G, B를 디지털화하는 AD 변환 처리, 디지털화된 촬상 데이터 R, G, B를 동시화하는 동시화 처리, 스미어(smear) 현상이나 블루밍(blooming) 현상에 의해 생기는 세로의 줄무늬의 노이즈 성분을 보정하는 세로의 줄무늬 노이즈 보정 처리, 화이트 밸런스(WB；White Balance) 조정을 제어하는 WB 제어 처리, 계조 정도를 조정하는 감마 보정 처리, 전하 축적 시간의 상이한 2 화면의 화소 정보를 이용하여 다이내믹 레인지를 확대하는 다이내믹 레인지 확대 처리, 또는 휘도 데이터(Y)나 색 데이터(3)를 생성하는 YC신호 생성 처리 등을 행한다. 이로써, 적(R), 녹(G), 청(B)의 원색의 촬상 데이터(R, G, B의 각 화소 데이터)에 따른 화상을 얻을 수 있다.

이와 같이 하여 생성된 각 화상은, 도시하지 않은 표시부에 보내지고, 조작자에게 가시 화상으로서 제시되거나 또는 그대로 하드 디스크 장치 등의 기억 장치에 기억·보존되거나, 또는 그 외의 기능부에 처리된 데이터로서 보내진다.

여기서, 제3 실시예(적용예 2)의 CMOS 고체 촬상 장치(201)에 있어서, 화소 어레이부(210) 상에는, 렌즈 중심이 각 화소(211)의 중심에 대응하도록 교대 배치층(2)이 설치하고, 그 평면 형태는 도 14a와 같이 한다.

즉, 먼저, 교대 배치층(2)으로서는, 도 1b(1)나 도 12b(1)에 나타낸 바와 같은 고굴절률층(21_k)과 저굴절률층(20_j)의 각각이 원형 또는 원형 링 형상인 것을 사용하는 것을 기본으로 한다. 그리고 교대 배치층(2)을, 광축이 화소 어레이부(210)의 중심에 향하도록 배치한다. 이때는, 화소 어레이부(210)의 단부로 갈수록 입사각 변환 기능이 강하게 되도록, 화소 어레이부(210)의 단부로 갈수록 저굴 절률층(20)이나 고굴절률층(21)의 비율의 변화 상태가 강하게 되도록 한다. 즉, 화소 어레이부(210)의 중심에서는 비대칭성이 없이 도 1b(1)에 나타낸 교대 배치층(2A)을 사용하고, 화소 어레이부(210)의 단부로 될수록 도 12b(1)에 나타낸 교대 배치층(2C)의 비대칭성이 강해지는 구조로 하는 것이 좋다. 요컨대, 화소 어레이부(210)의 중심에서는 대칭인 원형 또는 원형 링 형상, 또한 화소 어레이부(210)의 단부로 갈수록 비대칭인 구조로 한다.

그때의 비대칭의 중심 위치는 화소 어레이부(210)의 중심 방향으로 어긋나므로, 어긋남 양이 단부로 갈수록 커지도록 설정한다. 이렇게 함으로써, 화소 어레이부(210)의 단부로 갈수록 주광선이 경사 입사하는 것을 보정하여 각 렌즈의 집광 포인트를 화소(211)의 중심에 가지고 갈 수가 있다. 이와 같은 렌즈 형상을 CMOS 고체 촬상 장치(201)의 내부(화소 어레이부(210) 상)에 가지는 것으로, 화소 어레이부(210)의 단부에서 일어나는 감도 저하(쉐이딩)가 작아지는 동시에, 혼합색이 줄어들므로 색 재현성이 좋게 이루어지는 것을 알았다.

＜제3 실시예: 적용예 3 (CCD 대응)＞

도 15 ~ 도 15b는, 광학 렌즈의 제3 실시예를 적용한 고체 촬상 장치의 제3 예(적용예 3)를 설명하는 도면이다. 여기서 도 15는, 제3 실시예(적용예 3)의 고체 촬상 장치의 회로도이다. 도 15a는, 제3 실시예(적용예 3)의 고체 촬상 장치의 기판 표면 부근의 단면 구조도이다. 도 15b는, 제3 실시예(적용예 3)의 고체 촬상 장치에서의 화소 어레이부 상에 적용한 교대 배치층의 평면 개략도이다. 그리고 도 15b에서는, 화소 어레이부 전체 두어 각 화소의 교대 배치층에 의한 렌즈 형상 에 관하여, 대표적인 위치만을 픽업하여 확대하여 나타내고 있다.

제3 실시예(적용예 3)의 고체 촬상 장치는, 인터 라인 전송 방식의 CCD 고체 촬상 장치(IT＿CCD 이미지 센서)에 응용한 것이다. 이하, CCD 고체 촬상 장치(301)라 한다.

도 14(1)에 나타낸 바와 같이, CCD 고체 촬상 장치(301)는, 입사광량에 따른 신호를 출력하는 수광 소자(전하 생성부의 일례)를 포함하는 복수의 화소(311)(이른바 센서부)가 행 및 열로 배열된(즉, 2차원 매트릭스형의) 화소 어레이부(310)를 가진다. 화소 어레이부(310)는, 상세하게는, 입사광량에 따른 신호를 출력하는 수광 소자(전하 생성부) 등이라고도 하는 광전 변환 소자(312)를 가진다.

또, 광전 변환 소자(312)에서 생성된 신호 전하를 수직 전송하는 수직 전송 CCD(322)가 수직 전송 방향으로 복수 병렬로 설치되어 있다. 직접 전송 CCD(322)의 전하 전송 방향 즉 화소 신호의 판독 방향이 세로 방향(도면 중의 X 방향)이다.

도 15(1)에 나타내는 CCD 고체 촬상 장치(301)의 구조에 있어서는, 몇 개의 화소(311)만을 나타내고 있지만, 실제로는 이것을 가로 방향으로 반복, 그것을 또한, 세로 방향으로 반복한 구조이다.

또한, 수직 전송 CCD(322)와 각 광전 변환 소자(312) 사이에는 판독 게이트(324)를 이루는 MOS 트랜지스터가 개재하고, 또 각 유닛 셀(단위 구성 요소)의 경계 부분에는 도시하지 않은 채널 스톱이 설치된다.

이들 화소(311)의 수직열마다 설치되고, 각 화소(311)로부터 판독 게이트(324)에 의해 판독된 신호 전하를 수직 전송하는 복수의 수직 전송 CCD(322)에 의해 촬상 영역으로서의 화소 매트릭스부(310)가 구성된다.

화소(311)의 광전 변환 소자(312)에 축적된 신호 전하는, 판독 게이트(324)에 판독 펄스 ROG에 대응하는 드라이브 펄스 φROG가 인가됨으로써, 동일 수직열의 수직 전송 CCD(322)에 판독된다. 수직 전송 CCD(322)는, 예를 들면 3상 ~ 8상 등의 수직 전송 클록 Vx에 따른 드라이브 펄스 φVx 따라 전송 구동되고, 판독된 신호 전하를 수평 블랭킹 기간의 일부에 의해 1주사선(1라인)에 상당하는 부분마다 차례로 수직 방향으로 전송(라인 시프트라 칭함)한다.

또, CCD 고체 촬상 장치(301)에는, 복수의 수직 전송 CCD(322)의 각 전송처 측 단부 즉, 최후의 행의 수직 전송 CCD(322)에 인접하여, 소정(예를 들면, 좌우) 방향으로 연장되는 수평 전송 CCD(326)(H레지스터부, 수평 전송부)가 1라인분 설치된다. 이 수평 전송 CCD(326)는, 예를 들면(2) 상의 수평 전송 클록 H1, H2에 따른 드라이브 펄스 φH1, φH2에 의해 전송 구동되고, 복수의 수직 전송 CCD(322)로부터 전송된 1라인 분의 신호 전하를, 수평 블랭킹 기간 후의 수평 주사 기간에 있어서 차례로 수평 방향으로 전송한다. 그러므로 2상 구동에 대응하는 복수(2개)의 수평 전송 전극이 형성된다.

수평 전송 CCD(326)의 전송처의 단부에는, 예를 들면, 플로팅·디퓨전·앰프(FDA) 구성의 전하 전압 변환부를 가지는 출력 앰프(328)가 설치된다. 출력 앰프(328)는, 전하 전압 변환부에 있어서, 수평 전송 CCD(326)에 의해 수평 전송되어 온 신호 전하를 차례로 전압 신호로 변환해서 소정 레벨로 증폭하여 출력한다. 이 전압 신호는, 피사체로부터의 광의 입사량에 따른 CCD 출력(Vout)으로서 화소 신호 가 도출된다. 이상으로부터, 인터 라인 전송 방식의 CCD 고체 촬상 장치(301)가 구성된다.

CCD 출력(Vout)으로서 출력 앰프(328)로부터 도출된 화소 신호는, 도 29(2)에 나타내는 화상 신호 처리부(140)에 입력된다. 화상 신호 처리부(140)에는, 신호 전환 제어부의 일례인 화상 전환 제어부(142)로부터의 화상 전환 제어 신호가 입력되도록 되어 있다. CCD 고체 촬상 장치(301)는, 구동 제어부(구동부의 일례)(146)로부터의 구동 펄스에 기초하여 구동된다.

CCD 고체 촬상 장치(301)를 사용했을 때의 촬상 장치(300)의 구성예를 도 15(2)에 나타낸다. 기본적으로는, 촬상 디바이스를 CMOS 고체 촬상 장치(201)로부터 CCD 고체 촬상 장치(301)로 대신한 것뿐이므로, 도 14(2)에 나타낸 구성과 마찬가지이다.

여기서, 제3 실시예(적용예 3)의 CCD 고체 촬상 장치(301)에 있어서, 화소 어레이부(310) 상에는, 렌즈 중심이 각 화소(311)의 중심에 대응하도록 교대 배치층(2)이 설치하고, 즉 촬상 디바이스 중에 교대 배치층(2)을 이용한 렌즈 구조가 존재한다.

예를 들면, 도 15a에는, 기판 표면 부근의 단면 구조도가 나타나 있다. 입사광을 수광하는 화소(311)에 있어서, PN 접합으로 되는 광전 변환 소자(312)에 대응시켜 교대 배치층으로 되는 광학 렌즈가 층내 집광 렌즈로서 설치되고, 그 위에, 색 필터나 온 칩 렌즈가 설치되어 있다.

도 15b에는, 그 평면 형태가 나타나 있다. 기본적으로는, 도 14a에 나타낸 CMOS 고체 촬상 장치(201)의 경우와 마찬가지의 생각을 적용한다. 먼저, 교대 배치층(2)으로서는, 도 1b(3)나 도 12b(3)에 나타낸 바와 같은 고굴절률층(21_k)과 저굴절률층(20_j)의 각각이 사각 또는 사각 링 형상인 것을 사용하는 것을 기본으로 한다. 그리고 교대 배치층(2), 광축이 화소 어레이부(310)의 중심에 향하도록 배치한다. 이때는, 화소 어레이부(310)의 중심에서는 비대칭성이 없는 도 1b(3)에 나타낸 교대 배치층(2A)을 사용하고, 화소 어레이부(310)의 단부로 될수록 도 12b(3)에 나타낸 교대 배치층(2C)의 비대칭성이 강해지는 구조로 하는 것이 좋다. 요컨대, 화소 어레이부(310)의 중심에서는 대칭인 사각형 또는 사각형 링 형상, 또한 화소 어레이부(310)의 단부로 갈수록 비대칭인 구조로 한다.

그때의 비대칭의 중심 위치는 화소 어레이부(310)의 중심 방향으로 어긋나고, 어긋난 양이 단부로 갈수록 커지도록 설정한다. 이렇게 함으로써, 화소 어레이부(310)의 단부로 갈수록 주광선이 경사 입사하는 것을 보정하여 각 렌즈의 집광 포인트를 화소(311)의 중심에 가지고 갈 수가 있다. 이와 같은 렌즈 형상을 CCD 고체 촬상 장치(301)의 내부(화소 어레이부(310) 상)에 가지면, 면 내에서 비대칭성을 넣는 것으로, 화소 어레이부(310)의 단부에서 일어나는 감도 저하(쉐이딩)가 작아지는 동시에, 혼합색이 줄어들므로 색 재현성이 좋고, 고화질의 장치가 되는 것을 알았다.

＜제3 실시예: 볼록 렌즈＋입사각 변환의 변형예＞

제3 실시예의 기본예에서는, 좌우 대칭 구조를 가지는 교대 배치층(2A)에 대하여 좌우 비대칭 구조를 적용하기 위하여, 제1 및 제2 비대칭화 방법을 병용한 제 3 비대칭화 방법을 채용하고 있었지만, 그 어느 한쪽만을 적용한 것이어도 된다. 이 점은, 제1 실시예에 있어서, 제1 및 제2 볼록 렌즈화 방법을 병용한 제3 볼록 렌즈화 방법에 한정되지 않고, 제1 및 제2 볼록 렌즈화 방법 중 어느 하나만을 적용한 것으로 해도 되는 것으로 공통된다.

예를 들면, 도시하지 않지만, 굴절률이 큰 층(고굴절률층(21_k))의 폭이 비대칭의 중심으로 향해 서서히 커지게 되는 구조를 가지는 것으로 하는 제1 비대칭화 방법만을 적용한 변형예 1로 할 수도 있다. 이 경우, 굴절률이 작은 층(저굴절률층(20_j)))에 관하여는 모두를 같은 폭으로 하면 된다. 이 경우라도, 중심의 좌우 어느 쪽으로부터 보아도, 비대칭의 중심으로 향하여, 굴절률이 큰 고굴절률층(21_k)의 폭이 서서히 커지게 되는 구조를 가진다.

또, 도시하지 않지만, 굴절률이 작은 층(저굴절률층(20_j))의 폭이 비대칭의 중심으로 향해 서서히 작아지는 구조를 가지는 것으로 하는 제2 비대칭화 방법만을 적용한 변형예 2로 할 수도 있다. 이 경우, 굴절률이 큰 층(고굴절률층(21_k)에 관하여는 모두를 같은 폭으로 하면 된다. 이 경우라도, 비대칭의 중심으로 향하여, 굴절률이 작은 저굴절률층(20_j)의 폭이 서서히 작아지는 구조를 가진다.

＜제4 실시예: 오목 렌즈의 기본＞

도 16은, 광학 렌즈의 제4 실시예의 기본 원리를 설명하는 도면이다. 여기서 도 16은 제4 실시예의 기본 원리를 설명하기 위한 등위상면을 나타낸 도면이다.

전술한 제1 ~ 제3 실시예는, 집광 효과를 가지는 볼록 렌즈 기능을 교대 배치층(2A ~ 2C) 등에 갖게 하고 있었지만, 이 제4 실시예에서는, 발산 효과를 가지 는 오목 렌즈 기능을 교대 배치층(2D)에 갖게 하도록 한 점에 특징을 가진다.

발산 효과를 가지는 오목 렌즈 기능을 교대 배치층(2D)에 갖게 할 수 있도록, 제4 실시예에서는, 파장 오더와 같거나 또는 파장 오더보다 작은 폭의 굴절률이 큰 층을, 판형으로, 중심이 덜 조밀하고 중심으로부터 멀어짐에 따라 조밀하게 되는 좌우 대칭 구조로 한다. 즉, 굴절률이 큰 층과, 굴절률이 작은 층의 폭의 관계를 제1 실시예에 대하여 역전시키는 것으로, 교대 배치층(2D)에 오목 렌즈 기능을 갖게 할 수 있다.

중심이 덜 조밀하고 중심으로부터 멀어짐에 따라 조밀하게 되는 구조로 함으로써 오목 렌즈 기능을 갖게 하려면, 예를 들면, 굴절률이 큰 층의 폭이 렌즈의 중심을 향해 서서히 작아지는 구조를 가지는 것으로 하는 제1 오목 렌즈화 방법, 굴절률이 작은 층의 폭이 렌즈의 중심을 향해 서서히 커지게 되는 구조를 가지는 것으로 하는 제2 오목 렌즈화 방법, 또는 이들 제1 및 제2 볼록 렌즈화 방법을 병용한 제3 오목 렌즈화 방법 중 어느 하나를 채용하는 것이 좋다.

발산 효율의 면에서는 제3 오목 렌즈화 방법을 적용하는 것이 가장 효과적이다. 이들 경우, 파면은 볼록면으로 되고, 광에 확산성을 갖게 할 수 있다.

또, 저굴절률층을 매립하는 프로세스 공정에서, 리소그래프의 분해능이 불충분해서 매립 폭을 좁게 할 수 없기도 하고, 매립 폭을 좁게 하면 보이드 등이 발생하여 매립성이 나빠지거나 해서 곤란한 경우, 리소그래프나 매립 가능한 폭으로 제4 실시예(변형예 1)와 같이, 같은 폭으로 함으로써 제작이 가능해진다. 특히, 이 매립 가능한 폭이 파장 오더이고 그 이상 폭을 넓히면 등위상면(파면)의 연속성이 없어질 때 유효한 수단으로 된다.

또, 고굴절률층을 리소그래프로 에칭하는 프로세스 공정에서, 리소그래프의 분해능이 불충분하고 좁게 할 수 없기도 하거나, 또는 에칭 공정일 때 사이드 에칭 등이 발생하여 폭의 제어성이 나빠지거나 함으로써, 좁은 폭의 리소그래프나 에칭 공정이 곤란한 경우, 리소그래프나 에칭이 가능한 폭으로 제4 실시예(변형예 2)와 같이 같은 폭으로 함으로써 제작이 가능해진다. 특히, 리소그래프나 에칭이 가능한 폭이 파장 오더이며 그 이상 폭을 넓히면 등위상면(파면)의 연속성이 없어질 때 유효한 수단으로 된다.

이와 같은 오목 렌즈의 이점으로서는, 예를 들면, 복수의 배선을 포함하는 배선층 상에 고굴절률층(21_k)을 에칭하여 형성한 오목부를 저굴절률층(20_j)으로 메우도록 하여, 각 광전 변환부(수광부)에 대하여 층 내 발산 렌즈(오목 렌즈)를 형성할 수 있으므로, 배선의 요철에 의존하지 않고 적절한 위치에 층 내 발산 렌즈를 배치할 수 있다. 이로써, 입사광을 광전 변환부에 최적으로 집광시키는 것이 가능하다.

층 내 발산 렌즈의 중심을 광전 변환부의 중심으로부터 화소 어레이부(촬상 영역)의 중심 측에 치우쳐 형성할 때는, 경사 입사광에 의한 쉐이딩이 개선되어 눈동자 보정(puril correction)이 가능하게 된다. 복수의 렌즈 중 적어도 1개가 층 내 발산 렌즈의 위쪽으로 형성된 온 칩 렌즈로 함으로써, 집광 렌즈로서의 온 칩 렌즈와 층 내 발산 렌즈와의 공동 작업에 의해 입사광을 수광부에 집광시키는 것이 가능하다.

제4 실시예에 있어서도, 제2 실시예와 같이, 입사각 변환 기능(경사 광 보정 기능)을 가지는 교대 배치층(2B)을 오목 렌즈 기능을 가지는 교대 배치층(2D)과 조합시키는 것도 할 수 있다. 또, 제3 실시예와 같이, 오목 렌즈 기능을 가지는 제4 실시예의 교대 배치층(2D)을 베이스로서 렌즈 중심을 경계로, 한쪽에서는 높은 굴절률의 고굴절률층이 많은 비율로 존재하고, 반대측에서는 적은 비율로 존재하는 좌우 비대칭 구조를 가지는 제2 실시예의 교대 배치층(2B)의 구조를 적용하여, 오목 렌즈 기능과 경사 입사광 보정 기능의 양자를 겸비한 교대 배치층(2D)으로 할 수도 있다.

이들 설명으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 파장 오더와 같거나 또는 파장 오더보다 작은 폭의 저굴절률층(20_j)과 고굴절률층(21_k)을 가로 방향으로 배열하여 광학 부재로서의 기능을 갖게 할 때, 렌즈 중심과 단부의 고굴절률층(21_k)의 각 밀도의 배치 관계를 조정함으로써, 볼록 렌즈 기능(집광성)을 갖게 할 수도 있으면, 오목 렌즈 기능(확산성)을 갖게 할 수도 있다. 집광성을 갖도록 하거나, 확산성을 갖도록 함으로써, 고체 촬상 장치(100)나 디스플레이 등의 광 디바이스에 응용 가능해진다.

＜＜제조 프로세스＞＞

도 17은, 제1 ~ 제4 실시예의 교대 배치층(2)(2A ~ 2D)을 고체 촬상 장치와 일체적으로 형성하는 경우의 본 실시예의 제조 프로세스를 설명하는 개념도이다. 도 17a 및 도 17b는, 본 실시예의 제조 프로세스에 대한 비교예를 설명하는 개념도이다. 여기서, 도 17a는 층내 렌즈의 제조 공정을 나타내고, 도 17b는 온 칩 렌즈 의 제조 공정을 나타낸다.

제1 ~ 제4 실시예의 교대 배치층(2)(2A ~ 2D)을 고체 촬상 장치와 일체적으로 형성하는 경우, 먼저, 화소부가 형성된 실리콘 기판(도시를 할애함)의 상층에 광학 렌즈(110)의 매질로 되는 단일재층(3)을 이루는 산화 실리콘 SiO2(굴절률 n1=1.46)을 소정 두께로 형성한다. 필요에 따라 실리콘 기판(도시를 할애함)의 상층에 먼저 박막층(130)을 이루는 실리콘 나이트라이드 SiN의 박막을 형성하고, 그 상층에 광학 렌즈(110)의 매질로 되는 단일재층(3)을 이루는 산화 실리콘 SiO2를 소정 두께로 형성한다. 여기서, 소정의 두께란, 실리콘 기판의 표면으로부터 후술하는 교대 배치층(2)을 이루는 실리콘 나이트라이드 SiN까지의 거리(실질적인 렌즈 길이)를 의미한다.

이후, 도 17(1)에 나타낸 바와 같이, 산화 실리콘 SiO2로 되는 단일재층(3)의 상층에 교대 배치층(2)을 이루는 실리콘 나이트라이드 SiN를 소정 두께로 적층한다. 여기서, 소정의 두께란, 교대 배치층(2)의 두께, 즉 렌즈 두께를 의미한다.

이후, 도 17(2)에 나타내는 레지스트 코트 공정과 같이, 실리콘 나이트라이드 SiN로 되는 교대 배치층(2)의 상층에 레지스트막을 형성한다. 또한, 도 17(3)에 나타내는 노광·현상 공정과 같이, 각각 단계적으로 변화하는 소정 폭의 각 저굴절률층(20_j)과 고굴절률층(21_k)이 소정의 순서로 배열되도록 한 레지스트 패턴을 사용하여, 레지스트막을 노광하여, 레지스트막으로부터 저굴절률층(20_j)으로 되는 부분에 대응하는 부분을 제거(에칭)한다. 각 저굴절률층(20_j)과 고굴절률층(21_k)의 배열 개소는 화소(특히 수광부)의 위치와 대응하는 위치로 하는 것은 물론이다.

교대 배치층(2)을 이루는 실리콘 나이트라이드 SiN과 도시하지 않은 실리콘 기판 사이에는 렌즈 길이에 대응하는 두께의 산화 실리콘 SiO2로 되는 단일재층(3)이 존재하므로, 실리콘 기판 표면 근처까지 에칭하는 것에 의한 손상의 문제는 일어나지 않는다.

이후, 도 17(4)에 나타내는 개구(RIE 가공) 공정과 같이, 저굴절률층(20_j)으로 되는 부분에 대응한 레지스트막의 개구부를 통하여, RIE(Reactive Ion Etching)법 등을 사용하여 에칭함으로써, 교대 배치층(2A)의 실리콘 나이트라이드 SiN에 최하층의 SiO2막에 이르는 개구부를 설치한다.

이후, 도 17(5)에 나타내는 레지스트 제거 공정과 같이, 교대 배치층(2)을 이루는 실리콘 나이트라이드 SiN상의 레지스트막을 제거한다. 이렇게 함으로써, 산화 실리콘 SiO2로 되는 단일재층(3)의 상층에는, 저굴절률층(20_j)으로 되는 부분에 개구부가 형성되어 있는 교대 배치층(2)이 형성되게 된다.

또한, 이너 렌즈에의 적용의 경우에는, 평탄화 등을 위하여, 도 17(6)에 나타내는 매립 공정과 같이, 저굴절률층(20_j)으로 되는 부분에 개구부가 형성되어 있는 교대 배치층(2)이 형성되어 있는 산화 실리콘 SiO2로 되는 단일재층(3)의 상층에, 예를 들면, 재차 CVD 등을 사용하여, 저굴절률층(20_j)으로 되는 동시에 교대 배치층(2)의 보호를 이루는 산화 실리콘 SiO2의 막을 소정의 두께로 형성한다. 이렇게 함으로써, 개구부가 형성되어 있는 실리콘 나이트라이드 SiN로 되는 교대 배치층(2)의 저굴절률층(20_j)으로 되는 부분이 산화 실리콘 SiO2로 매립되는 동시 에, 광 입사 측의 매질로 되는 산화 실리콘 SiO2의 단일재층(1)이 소정의 두께로 형성된다.

도시하지 않지만, 또한 그 위에 색 필터나 마이크로 렌즈를 화소에 대응하도록 형성해도 된다.

한편, 색 필터 상에 배치하는 온 칩 렌즈에의 적용의 경우에는, 도 17(6)에 나타내는 매립 공정은 불필요하다.

그리고 여기서 나타낸 제조 프로세스에서는, 매립 공정에 있어서, 저굴절률층(20_j)으로 되는 부분을 산화 실리콘 SiO2로 매립할 뿐 아니라, 저굴절률층(20_j)과 고굴절률층(21_k)이 교대로 배치된 교대 배치층(2)의 상층에, 또한 산화 실리콘 SiO2의 막을 형성하여 단일재층(1)을 형성하였지만, 단일재층(1)을 형성하는 것은 필수는 아니다. 또, 극단의 케이스에서는, 매립 공정의 전체를 행하지 않아도 된다. 이 경우, 실리콘 나이트라이드 SiN에 설치되어 있는 개구부가 산화 실리콘 SiO2로 매립되지 않기 때문에, 저굴절률층(20_j)은 비어 있게 된다.

어느 쪽의 경우에도, 촬상 디바이스의 최상층에 교대 배치층(2)의 구조를 이용한 온 칩 렌즈를 형성하게 된다. 이 경우, 사실상, 그 표면은 공기와 접하게 된다.

이와 같이, 본 실시예의 제조 프로세스에서는, 리플로우의 공정이 없고, 단순하고 간편한 리소그라피와 에칭의 가공 기술만으로 제작할 수 있기 때문에, 에치백 등의 복잡한 공정이 없는 간편한 프로세스로 할 수 있어 공정수가 적고 비용이 적어지게 될 뿐 아니라 재현성이나 균일성이나 양산성이 우수하다.

또한, 포토레지스트의 마스크 설계에 의해, 각각 단계적으로 변화하는 소정 폭의 각 저굴절률층(20_j)과 고굴절률층(21_k)이 소정의 순서로 배열되도록 할 수 있다. 교대 배치층(2)에 의한 렌즈 효과는, 직사각형의 각 저굴절률층(20_j) 및 각 고굴절률층(121_k)의 폭이나 배열수를 조정함으로써 적당히 변경할 수 있다. 면 내측 방향에 비대칭인 구조를 제작하는 것도 용이하며, 종래의 구면 렌즈를 제조하는 경우에 비해 광학적으로 설계의 폭이 넓어진다.

한편, 도 17a에 나타내는 비교예의 제조 프로세스에 있어서는, 이너 렌즈를 형성하는 경우, 먼저 도 17a(1)에 나타낸 바와 같이, 산화 실리콘 SiO2 상에 렌즈의 매질로 되는 실리콘 나이트라이드 SiN를 소정 두께로 형성한다. 소정의 두께는, 최종적인 이너 렌즈의 두께보다 조금 두꺼운 정도이다.

다음에, 도 17a(2)에 나타내는 레지스트 코트 공정과 같이, 렌즈 매질층의 상층에 레지스트막을 형성한다. 또한, 도 17a(3)에 나타내는 노광·현상 공정과 같이, 렌즈가 소정의 순서로 배열되도록 한 레지스트 패턴을 사용하여, 레지스트막을 노광하여, 레지스트막으로부터 인접 렌즈 사이로 되는 부분에 대응하는 부분을 제거(에칭)한다.

이후, 도 17a(4)에 나타내는 리플로우 공정과 같이, 레지스트를 용해하여 렌즈 형상을 형성한다. 예를 들면, 포스트베이크를 150℃으로 함으로써 레지스트를 용해(리플로우)시켜, 렌즈의 형상을 만든다. 그러므로 레지스트로서는 내열성이 약한 재료를 필요로 한다.

이후, 도 17a(5)에 나타내는 에치백(RIE 가공) 공정과 같이, RIE(Reactive Ion Etching)법 등을 사용하여 에칭함으로써, 레지스트를 제거한다. 이렇게 함으로써, 도 17a(6)에 나타낸 바와 같이, 렌즈 매질층에 볼록 렌즈가 형성된다. 이때, 게인이 들어가(데포 막(deposition film)이 형성되어) 렌즈 간 갭이 좁아지는 문제를 일으킬 가능성이 있다.

이후, 표면을 평탄하게 할 수 있도록, 도 17a(7)에 나타내는 매립 공정과 같이, 산화 실리콘 SiO2의 막을 소정의 두께로 형성한다. 도시하지 않지만, 또한 그 위에 색 필터나 마이크로 렌즈를 화소에 대응하도록 형성해도 된다.

한편, 색 필터 상에 배치하는 온 칩 렌즈를 형성하는 경우, 먼저 도 17b(1)에 나타낸 바와 같이, 실리콘 기판(102) 상의 더 상층에 형성되는 컬러 필터의 상층에 렌즈의 매질로 되는 OPV 등의 고분자 재료를 소정 두께로 형성한다. 소정의 두께는, 최종적인 온 칩 렌즈의 두께보다 조금 두꺼운 정도이다.

이하, 전술한 이너 렌즈를 형성하는 경우와 마찬가지로 하여, 도 17b(5)에 나타내는 에치백(RIE 가공) 공정까지를 행함으로써, 도 17b(6)에 나타낸 바와 같이, 볼록 렌즈가 형성된다.

온 칩 렌즈에의 적용의 경우에는, 이너 렌즈 형성에 있어서의 도 17a(6)에 나타내는 매립 공정은 불필요하다. 단, 표면 보호 등의 목적으로 경우에 따라서는 굴절률이 낮은 고분자 재료로 더 매립해도 된다.

이와 같이, 비교예의 제조 프로세스에서는, 이너 렌즈 형성인지 온 칩 렌즈 형성인지를 불문하고, 리플로우와 에치백으로 볼록 렌즈의 형성이 행해진다. 렌즈 형상의 기초로 되는 레지스트의 리플로우에서는 표면 장력에 의해 구형을 만들기 때문에 면 내에 있어서 비대칭인 구조는 할 수 없다. 또 공정수도 많고, 비용이 높다.

도 1은 광학 렌즈의 제1 실시예의 기본 원리를 설명하기 위한 등위상면을 나타낸 도면이다.

도 1a는 광학 렌즈의 제1 실시예의 기본 원리를 설명하기 위한 등위상면을 나타낸 도면이다.

도 1b는 제1 실시예의 광학 렌즈의 평면 모식도이다.

도 2는 광학 렌즈의 제1 실시예를 적용한 고체 촬상 장치의 제1 예(적용예 1)를 설명하는 단면 모식도이다.

도 2a는 제1 실시예(적용예 1)의 고체 촬상 장치의 보다 구체적인 단면도이다.

도 2b는 제1 실시예(적용예 1)의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면(도중 과정의 것)이다.

도 2c는 제1 실시예(적용예 1)의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면(λ=780, 640nm)이다.

도 2d는 제1 실시예(적용예 1)의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면(λ=540, 480nm)이다.

도 3은 광학 렌즈의 제1 실시예를 적용한 고체 촬상 장치의 제2 예(적용예 2)를 설명하는 단면 모식도이다.

도 3a는 제1 실시예(적용예 2)의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면(λ=780, 640nm)이다.

도 3b는 제1 실시예(적용예 2)의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면(λ=540, 480nm)이다.

도 4는 광학 렌즈의 제1 실시예를 적용한 고체 촬상 장치의 제3 예(적용예 3)를 설명하는 단면 모식도이다.

도 4a는 제1 실시예(적용예 3)의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면(λ=780, 640nm)이다.

도 4b는 제1 실시예(적용예 3)의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도(λ=540, 480nm)이다.

도 5는 광학 렌즈의 제1 실시예를 적용한 고체 촬상 장치의 제4 예(적용예 4)를 설명하는 단면 모식도이다.

도 5a는 제1 실시예(적용예 4)의 고체 촬상 장치의 보다 구체적인 단면도이다.

도 5b는 제1 실시예(적용예 4)의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도(λ=780, 640nm)이다.

도 5c는 제1 실시예(적용예 4)의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도(λ=540, 480nm)이다.

도 6은 제1 실시예의 교대 배치층에 의한 볼록 렌즈에 대한 제1 비교예를 설명하는 도면이다.

도 6a는 제1 실시예의 교대 배치층에 의한 볼록 렌즈에 대한 제2 비교예를 설명하는 도면이다.

도 6b는 제1 실시예의 교대 배치층에 의한 볼록 렌즈에 대한 제3 비교예를 설명하는 도면이다.

도 7은 광학 렌즈의 제1 실시예의 변형예 1을 적용한 변형예 1의 고체 촬상 장치를 설명하는 단면 모식도이다.

도 7a는 변형예 1의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면(λ= 540nm)이다.

도 8은 광학 렌즈의 제1 실시예의 변형예 2를 적용한 변형예 2의 고체 촬상 장치를 설명하는 단면 모식도이다.

도 8a는 변형예 2의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면(λ= 540nm)이다.

도 9는 제1 실시예의 구조(예를 들면, 도 2의 적용예 1에 있어서, 경사 입사광을 입사했을 때의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

도 10은 광학 렌즈의 제2 실시예의 기본 원리를 설명하기 위한 등위상면을 나타낸 도면이다.

도 10a는 고체 촬상 장치의 수광 광학계를 설명하는 도면이다.

도 10b는 제2 실시예의 광학 렌즈의 하나 분의 평면 모식도이다.

도 10c는 제2 실시예의 광학 렌즈를 고체 촬상 장치의 화소 어레이부 상에 적용한 경우의 평면 개략도이다.

도 11은 광학 렌즈의 제2 실시예를 적용한 고체 촬상 장치를 설명하는 단면 모식도이다.

도 11a는 제2 실시예의 고체 촬상 장치의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면(λ=540nm)이다.

도 12는 광학 렌즈의 제3 실시예의 기본 원리를 설명하기 위한 등위상면을 나타낸 도면이다.

도 12a는 렌즈의 중심을 설명하는 도면이다.

도 12b는 광학 렌즈의 제3 실시예의 평면 모식도(그 1)이다.

도 12c는 광학 렌즈의 제3 실시예의 평면 모식도(그 2)이다.

도 13은 광학 렌즈의 제3 실시예를 적용한 고체 촬상 장치의 제1 예(적용예 1)를 설명하는 단면 모식도이다.

도 13a는 제3 실시예(적용예 1)의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도(λ=540이다.

도 14는 광학 렌즈의 제3 실시예를 적용한 고체 촬상 장치의 제2 예(적용예 2: CMOS 대응)을 설명하는 회로도이다.

도 14a는 제3 실시예(적용예 2)의 고체 촬상 장치에서의 화소 어레이부 상에 적용한 교대 배치층의 평면 개략도이다.

도 15는 광학 렌즈의 제3 실시예를 적용한 고체 촬상 장치의 제3 예(적용예 3: CCD 대응)을 설명하는 회로도이다.

도 15a는 제3 실시예(적용예 3)의 고체 촬상 장치의 기판 표면 부근의 단면 구조도이다.

도 15b는 제3 실시예(적용예 3)의 고체 촬상 장치에서의 화소 어레이부 상에 적용한 교대 배치층의 평면 개략도이다.

도 16은 광학 렌즈의 제4 실시예의 기본 원리를 설명하기 위한 등위상면을 나타낸 도면이다.

도 17은 제1 ~ 제4 실시예의 교대 배치층을 고체 촬상 장치와 일체적으로 형성하는 경우의 본 실시예의 제조 프로세스를 설명하는 개념도이다.

도 17a는 본 실시예의 제조 프로세스에 대한 비교예(이너(inner) 렌즈 형성의 경우)를 설명하는 개념도이다.

도 17b는 본 실시예의 제조 프로세스에 대한 비교예 온 칩 렌즈 형성의 경우)를 설명하는 개념도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 3, 111, 113…단일재층

2, 2A, 2B, 2C, 2D, 112A, 112B, 112C…교대 배치층

20, 120…저굴절률층

21, 121…고굴절률층

100A, 100B, 100C…고체 촬상 장치

102…실리콘 기판

104…광전 변환부

105…층내 집광 렌즈

106…컬러 필터

108…온 칩 렌즈

109…배선층

100A, 100B, 100C…광학 렌즈

124…반사 방지막

130…박막층

200, 300…촬상 장치

201…CMOS 고체 촬상 장치

210, 310…화소 어레이부

211, 311…화소

Claims (23)

1. 각각 광학 길이에 비해 상대적으로 얇고, 굴절률이 큰 고굴절률층과, 굴절률이 작은 저굴절률층이, 광축에 대하여 가로 방향으로 교대로 배열되어 있고,

   상기 고굴절률층 및 상기 저굴절률층의 각각의 폭은, 입사광의 파장 오더와 같거나 또는 파장 오더보다 작은, 광학 부재.
2. 제1항에 있어서,

   각각의 상기 고굴절률층은, 부재의 기계적인 중심에서는 조밀하게 배치되고, 상기 중심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되도록, 좌우 대칭으로 배치되어 있는, 광학 부재.
3. 제2항에 있어서,

   각각의 상기 고굴절률층의 폭이, 상기 부재의 기계적인 중심을 향해 서서히 커지도록 배치되어 있고,

   각각의 상기 저굴절률층의 폭이, 상기 부재의 기계적인 중심을 향해 서서히 작아지도록 배치되어 있는, 광학 부재.
4. 제2항에 있어서,

   각각의 상기 고굴절률층의 폭이, 상기 부재의 기계적인 중심을 향해 서서히 커지도록 배치되어 있고,

   각각의 상기 저굴절률층이, 같은 폭으로 배치되어 있는, 광학 부재.
5. 제2항에 있어서,

   각각의 상기 저굴절률층의 폭이, 상기 부재의 기계적인 중심을 향해 서서히 작아지도록 배치되어 있고,

   각각의 상기 고굴절률층이, 같은 폭으로 배치되어 있는, 광학 부재.
6. 제1항에 있어서,

   각각의 상기 고굴절률층은, 부재의 기계적인 중심에서는 덜 조밀하게 배치되고, 상기 중심으로부터 멀어짐에 따라 조밀하게 되도록, 좌우 대칭으로 배치되어 있는, 광학 부재.
7. 제6항에 있어서,

   각각의 상기 고굴절률층의 폭이, 상기 부재의 기계적인 중심을 향해 서서히 작아지도록 배치되어 있고,

   각각의 상기 저굴절률층의 폭이, 상기 부재의 기계적인 중심을 향해 서서히 커지도록 배치되어 있는, 광학 부재.
8. 제6항에 있어서,

   각각의 상기 고굴절률층의 폭이, 상기 부재의 기계적인 중심을 향해 서서히 작아지도록 배치되어 있고,

   각각의 상기 저굴절률층이, 같은 폭으로 배치되어 있는, 광학 부재.
9. 제6항에 있어서,

   각각의 상기 저굴절률층의 폭이, 상기 부재의 기계적인 중심을 향해 서서히 커지도록 배치되어 있고,

   각각의 상기 고굴절률층이, 같은 폭으로 배치되어 있는, 광학 부재.
10. 제1항에 있어서,

    상기 고굴절률층 및 상기 저굴절률층 중 적어도 한쪽은, 각각의 폭이, 상기 가로 방향으로 비대칭으로 배치되어 있는, 광학 부재.
11. 제10항에 있어서,

    각각의 상기 고굴절률층이, 상기 부재의 한쪽의 단부로부터 광학적인 중심 위치를 향하여, 폭이 서서히 커지도록 배치되어 있고,

    각각의 상기 저굴절률층이, 상기 부재의 한쪽의 단으로부터 광학적인 중심 위치를 향하여, 폭이 서서히 작아지도록 배치되어 있는, 광학 부재.
12. 제10항에 있어서,

    각각의 상기 고굴절률층이, 상기 부재의 한쪽의 단으로부터 광학적인 중심 위치를 향하여, 폭이 서서히 커지도록 배치되어 있고,

    각각의 상기 저굴절률층이, 같은 폭으로 배치되어 있는, 광학 부재.
13. 제10항에 있어서,

    각각의 상기 저굴절률층이, 상기 부재의 한쪽의 단으로부터 광학적인 중심 위치를 향하여, 폭이 서서히 작아지도록 배치되어 있고,

    각각의 상기 고굴절률층이, 같은 폭으로 배치되어 있는, 광학 부재.
14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 광학적인 중심 위치는, 부재의 다른 쪽의 단에 존재하는, 광학 부재.
15. 제14항에 있어서,

    각각의 상기 고굴절률층이, 상기 부재의 기계적인 중심에서는 조밀하게 배치되고, 상기 중심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되도록, 좌우 대칭으로 배치되어 있는 제1 광학 부재를 구비하는 동시에,

    상기 제1 광학 부재의 광 입사 측 및 광 출사 측 중 적어도 한쪽에, 상기 광학적인 중심 위치가 부재의 다른 쪽의 단에 존재하는 제2 광학 부재를 구비하는, 광학 부재.
16. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

    각각의 상기 고굴절률층은, 상기 부재의 기계적인 중심에서는 조밀하게 배치되고, 상기 중심으로부터 멀어짐에 따라 덜 조밀하게 되도록, 좌우 비대칭으로 배치되어 있는, 광학 부재.
17. 제14항에 있어서,

    각각의 상기 고굴절률층이, 상기 부재의 기계적인 중심에서는 덜 조밀하게 배치되고, 상기 중심으로부터 멀어짐에 따라 조밀하게 되도록, 좌우 대칭으로 배치되어 있는 제1 광학 부재를 구비하는 동시에,

    상기 제1 광학 부재의 광 입사 측 및 광 출사 측 중 적어도 한쪽에, 상기 광학적인 중심 위치가 부재의 다른 쪽의 단에 존재하는 제2 광학 부재를 구비하는, 광학 부재.
18. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

    각각의 상기 고굴절률층은, 상기 부재의 기계적인 중심에서는 덜 조밀하게 배치되고, 상기 중심으로부터 멀어짐에 따라 조밀하게 되도록, 좌우 비대칭으로 배치되어 있는, 광학 부재.
19. 각각 광학 길이에 비해 상대적으로 얇고, 굴절률이 큰 고굴절률층과, 굴절률이 작은 저굴절률층이, 광축에 대하여 가로 방향으로 교대로 배열되어 있고, 또한 상기 고굴절률층 및 상기 저굴절률층의 각각의 폭은, 입사광의 파장 오더(wavelength order)와 같거나 또는 파장 오더보다 작은 광학 부재와,

    상기 광학 부재를 통한 광을 수광하는 수광부를 구비하는, 고체 촬상 장치.
20. 제19항에 있어서,

    복수의 상기 수광부가 1차원 상태 또는 2차원 상태로 배열되어 있는 화소 어레이부를 구비하고,

    상기 수광부에 대응하는 상기 광학 부재로서 상기 고굴절률층의 각각의 폭이 상기 가로 방향으로 대칭으로 배치되어 있는 것과, 상기 고굴절률층 및 상기 저굴절률층 중 적어도 한쪽의 각각의 폭이 상기 가로 방향으로 비대칭으로 배치되어 있는 것이 사용되고 있고,

    상기 화소 어레이부의 중심에서는 상기 대칭으로 배치되어 있는 광학 부재가 사용되고, 상기 화소 어레이부의 단부로 될수록 상기 비대칭성이 강해지는 광학 부재가 사용되고 있는, 고체 촬상 장치.
21. 제19항에 있어서,

    복수의 상기 수광부가 1차원 상태 또는 2차원 상태로 배열되어 있는 화소 어레이부를 구비하고,

    상기 수광부에 대응하는 상기 광학 부재로서 상기 고굴절률층의 각각의 폭이 상기 가로 방향으로 대칭으로 배치되어 있는 것과, 상기 고굴절률층 및 상기 저굴 절률층 중 적어도 한쪽의 각각의 폭이 상기 가로 방향으로 비대칭으로 배치되어 있는 것이 사용되고 있고,

    상기 화소 어레이부의 중심에서는 상기 대칭으로 배치되어 있는 광학 부재가 사용되고, 상기 화소 어레이부의 단부로 될수록 광학적인 중심의 위치가 상기 수광부의 중심으로부터 상기 화소 어레이부의 중심 방향으로 어긋나 배치되어 있는, 고체 촬상 장치.
22. 굴절률이 큰 고굴절률층 및 굴절률이 작은 저굴절률층의 어느 한쪽의 막을 형성하고,

    상기 막의 가로 방향으로 복수의 개구부를 배열하여 형성하고,

    각각의 상기 개구부를, 상기 고굴절률층 및 상기 저굴절률층의 다른 쪽에 매립하고, 이로써, 상기 고굴절률층과 상기 저굴절률층이, 광축에 대하여 가로 방향으로 교대로 배열된 광학 부재를 제조하는, 광학 부재의 제조 방법.
23. 수광부가 형성되어 있는 반도체 기판상에 굴절률이 작은 저굴절률층을 형성하고,

    상기 저굴절률층 상에 굴절률이 큰 고굴절률층을 형성하고,

    상기 굴절률층의 상기 수광부와 대응하는 위치에 복수의 개구부를 배열하여 형성하고,

    각각의 상기 개구부를, 상기 저굴절률층에서 매립하고,

    이로써, 상기 고굴절률층과 상기 저굴절률층이, 광축에 대하여 가로 방향으로 교대로 배열된 광학 부재를 상기 반도체 기판과 일체적으로 제조하는, 고체 촬상 장치의 제조 방법.

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