WO2021161961A1 - 光学フィルタ及びその製造方法、光センサ並びに固体撮像素子 - Google Patents

光学フィルタ及びその製造方法、光センサ並びに固体撮像素子 Download PDF

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dielectric
light
dielectric layer
intermediate layer
layer
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角　博文
小竹　利明
基史 祖父江
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株式会社ナノルクス
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    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/11—Anti-reflection coatings
    • G—PHYSICS
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
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    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures

Definitions

  • the present invention relates to an optical filter and a method for manufacturing the same, an optical sensor provided with the optical filter, and a solid-state image sensor. More specifically, the present invention relates to a technique for detecting visible light and near-infrared light having a specific wavelength by using an optical filter having a dielectric laminated structure.
  • Patent Document 1 acquires pulse wave information of a subject using green light and infrared light.
  • a solid-state image sensor is provided with a bandpass filter that suppresses the transmission of visible light and transmits infrared light, and a color filter that transmits red light, green light, or blue light for each pixel. Is used.
  • the ophthalmologic imaging apparatus described in Patent Document 2 photographs the anterior segment of the eye with infrared light and images the fundus with visible light.
  • a camera that captures an image by visible light is provided in addition to a solid-state image sensor that captures an image by infrared light.
  • Optical sensors and solid-state imaging devices that detect visible light and near-infrared light are equipped with infrared light cut filters that transmit visible light and block infrared light in order to prevent light that is not detected.
  • a bandpass filter that suppresses the transmission of light and transmits infrared light is provided.
  • an optical filter for example, an interference filter having a dielectric laminated structure in which high refractive index films and low refractive index films are alternately laminated is used (see, for example, Patent Documents 3 and 4).
  • the optical sensor described in Patent Document 3 is provided with an infrared light cut filter having a dielectric laminated structure.
  • a high refractive index film such as a polysilicon film or a Ta 2 O 5 film is provided between the interference filter and the condenser lens. Has been done.
  • an optical sensor capable of integrally forming a plurality of optical filters having different optical characteristics and individually and simultaneously detecting light of a specific wavelength in at least a visible light region and an infrared light region. And a solid-state imaging device.
  • the filter region is formed with an intermediate layer located at the center in the thickness direction. It is composed of a dielectric laminated film formed on each of the light incident side and the light emitting side of the intermediate layer, and the dielectric laminated film includes a first dielectric layer made of a dielectric material and the first dielectric.
  • It has a structure in which second dielectric layers made of a dielectric material having a higher refractive index than the layers are alternately laminated, and the thickness of the intermediate layer differs for each filter region, and at least the dielectric laminated film on the light emitting side is ,
  • the first dielectric layer and the second dielectric layer are continuously formed over the entire area without being separated for each filter region.
  • the dielectric laminated film on the light incident side is also formed continuously over the entire area without the first dielectric layer and the second dielectric layer being separated for each filter region. You may be.
  • an infrared light cut filter region that attenuates infrared light and selectively transmits only visible light and a near-infrared light of a specific wavelength that attenuates visible light and selectively transmits the visible light are transmitted.
  • a bandpass filter area can also be provided. In that case, two or more bandpass filter regions having different wavelengths of near-infrared light to be selectively transmitted may be provided.
  • the intermediate layer in the optical filter of the present invention can be formed of the same dielectric material as the first dielectric layer or the second dielectric layer.
  • the optical filter of the present invention may be provided with an antireflection film on the outermost layer on the light emitting side. In that case, the outermost layer on the light incident side may be provided with a low refractive index dielectric layer made of a dielectric material having a lower refractive index than the second dielectric layer.
  • a first dielectric layer made of a dielectric material and a second dielectric layer made of a dielectric material having a higher refractive index than the first dielectric layer are formed on the entire surface of the substrate.
  • the optical sensor according to the present invention includes the above-mentioned optical filter.
  • the solid-state image sensor according to the present invention includes the above-mentioned optical filter.
  • the solid-state image sensor may be provided with a color filter that transmits only visible light having a specific wavelength on the light incident side or the light emitting side of the optical filter.
  • a plurality of optical filters having different optical characteristics can be integrally formed, and light of a specific wavelength can be detected individually and simultaneously from at least the visible light region to the infrared light region.
  • An optical sensor and a solid-state image sensor can be realized.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line aa shown in FIG. It is sectional drawing which shows the other structural example of the optical filter of 1st Embodiment of this invention.
  • a to F are schematic cross-sectional views showing the manufacturing method of the optical filter shown in FIG. 3 in the order of the steps. It is sectional drawing which shows the structural example of the optical sensor of the 2nd Embodiment of this invention.
  • a to C are plan views showing an example of pixel arrangement of the optical sensor shown in FIG.
  • A is a plan view showing a pixel arrangement example of the solid-state image sensor according to the third embodiment of the present invention
  • B is a plan view showing a configuration example of an optical filter.
  • It is a cross-sectional view which shows the schematic structure of the solid-state image sensor of the 3rd Embodiment of this invention, A is a cross section by line bb shown in FIG. 7A, and B is a cross section by line cc shown in FIG. 7A.
  • A is a plan view showing an example of pixel arrangement of the solid-state image sensor according to the fourth embodiment of the present invention
  • B is a plan view showing the configuration of an optical filter.
  • a and B are cross-sectional views showing a schematic configuration of a solid-state image sensor according to a fourth embodiment of the present invention
  • A is a cross-sectional view taken along the line dd shown in FIG. 9A
  • B is an e-e shown in FIG. 9A. It is a cross section by a line.
  • FIG. 1 is a plan view
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line aa shown in FIG.
  • a first bandpass filter region 11 that selectively transmits only light of a specific wavelength and attenuates light of other wavelengths to suppress transmission, and a first bandpass.
  • Second bandpass filter regions 12 that selectively transmit light having a wavelength different from that of the filter regions 11 are alternately formed.
  • the arrangement and area of the first bandpass filter area 11 and the second bandpass filter area 12 are not limited to the configuration shown in FIG. 1, and the number of either one may be increased or the area may be increased. Or it can be arranged in a biased manner. Further, the number of bandpass filter regions is not limited to two, and other bandpass filter regions having different transmission wavelengths or attenuation wavelengths may be provided.
  • the first bandpass filter region 11 and the second bandpass filter region 12 are formed on the intermediate layer 13 and the dielectric laminated films 14 formed on both sides (light incident side and light emitting side) of the intermediate layer 13. It is composed of 15.
  • the first dielectric layer 10L made of a dielectric material and the second dielectric layer 10H made of a dielectric material having a refractive index higher than that of the first dielectric layer 10L are alternately laminated. It has a structure.
  • the thickness of the intermediate layer 13 is different between the first bandpass filter region 11 and the second bandpass filter region 12, but the thickness of the other layers, that is, the first dielectric having a low refractive index.
  • the thickness of the body layer 10L and the thickness of the second dielectric layer 10H having a high refractive index are common to the bandpass filter regions 11 and 12.
  • At least the first dielectric layer 10L and the second dielectric layer 10H are integrally formed over the entire optical filter, and are integrally formed with the first bandpass filter region 11 and the second bandpass filter region 12. No light-shielding wall is provided at the boundary, and it is not physically or optically separated.
  • the thicknesses of the first dielectric layer 10L, the second dielectric layer 10H, and the intermediate layer 13 are not particularly limited, and depend on the performance required for the bandpass filter and the wavelength of transmitted light or attenuated light. Can be set as appropriate.
  • the reference wavelength is ⁇ 0
  • the refractive index of the dielectric material forming the first dielectric layer 10L is n L
  • the refractive index of the dielectric material forming the second dielectric layer 10H is n H
  • the first band The thickness of the first dielectric layer 10L in the pass filter region 11 and the second band pass filter region 12 is ⁇ 0 / (4 ⁇ n L )
  • the thickness of the second dielectric layer 10H is ⁇ 0 / (4). ⁇ n H ).
  • the reference wavelength ⁇ 0 is the central wavelength of the light to be selectively transmitted in the bandpass filter regions 11 and 12.
  • the thickness of the intermediate layer 13 is, for example, 0.15 ⁇ ⁇ 0 in the first bandpass filter region 11. / (4 ⁇ n L ), and the second bandpass filter region 12 is 0.29 ⁇ ⁇ 0 / (4 ⁇ n L ).
  • the intermediate layer 13 is made of a high-dielectric material, the thickness thereof is, for example, 1.74 ⁇ ⁇ 0 / (4 ⁇ n H ) in the first bandpass filter region 11 and the second band.
  • the path filter region 12 is 2.21 ⁇ ⁇ 0 / (4 ⁇ n H ).
  • the thickness of the intermediate layer 13 may be 0 depending on the wavelength of the light to be selectively transmitted.
  • the number of layers of the first dielectric layer 10L and the second dielectric layer 10H is also not particularly limited, but the second dielectric layer 10H having a high refractive index is three or more layers, and a total of five or more layers are laminated. It is preferable, more preferably 5 layers or more of each layer, and further preferably 10 or more layers of each layer. As a result, the frequency characteristics of the bandpass filter regions 11 and 12 can be made steep.
  • the first dielectric layer 10L having a low refractive index can be formed of, for example, silicon dioxide (SiO 2 ), and the second dielectric layer 10H having a higher refractive index can be formed of, for example, titanium oxide (SiO 2). It can be formed of TiO 2 ), niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), single crystal silicon, polycrystalline silicon and the like.
  • the intermediate layer 13 includes a high refractive index polymer material such as polyimide and a light transmissive polymer having a low refractive index, in addition to the inorganic dielectric material used in the first dielectric layer 10L or the second dielectric layer 10H described above. It can be formed from a material. Note that FIG. 2 shows an example formed of the same material as the first dielectric layer 10L.
  • the wavelength of the light selectively transmitted in the first bandpass filter region 11 and the second bandpass filter 12 can be arbitrarily set in the range from the visible light region to the infrared light region, for example.
  • the first bandpass filter region 11 is an "infrared cut filter” that cuts infrared light and transmits only visible light
  • the second bandpass filter region 12 is specified by cutting visible light. It is also possible to have a configuration in which only the near-infrared light of the above is transmitted.
  • the light separated by the optical filter of the present embodiment is not limited to visible light and infrared light, and terahertz waves, microwaves, and millimeter waves can also be targeted.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration example of another optical filter of the present embodiment
  • FIGS. 4A to 4F are schematic cross-sectional views showing the manufacturing method of the optical filter shown in FIG. 3 in the order of the steps.
  • the first dielectric layer 10L and the second dielectric layer 10H are alternately laminated on the entire surface of the pixel, and the dielectric laminated film on the light emitting side is laminated. 14 is formed.
  • the same material as the first dielectric layer 10L or the second dielectric layer 10H or an organic or inorganic dielectric material different from the dielectric layers 10L and 10H is placed on the dielectric laminated film 14.
  • the first intermediate layer 13a is formed.
  • the first intermediate layer 13a formed in the region directly above the pixel 3 is removed by patterning.
  • a second intermediate layer 13b for the pixel 3 is formed as a whole with the same dielectric material as the first intermediate layer 13a, and then as shown in FIG. 4E, on the first intermediate layer 13a.
  • the second intermediate layer 13b formed in the above is removed by patterning. After that, the first dielectric layer 10L and the second dielectric layer 10H are alternately laminated on the first intermediate layer 13a and the second intermediate layer 13b to form the dielectric laminated film 15 on the light incident side.
  • the optical filter of the present embodiment uses the principle of the Fabry-Perot interferometer, and since the dielectric laminated films formed on both sides of the intermediate layer function as semi-transmissive films, it is selected by changing the thickness of the intermediate layer. The wavelength of the light to be transmitted can be changed. Further, since the optical filter of the present embodiment can integrally form a plurality of filter regions having different optical characteristics, light of a specific wavelength can be detected individually and simultaneously from at least the visible light region to the infrared light region. It becomes possible to do.
  • the layers other than the intermediate layer are common and integrally formed between the bandpass filter regions, so that the etching and patterning steps are significantly larger than those of the conventional interference film filter. It can be reduced to and the manufacturing process can be simplified.
  • the conventional optical filter attenuates light by all layers, the wavelength of selective transmission is determined by the thickness of the entire filter, but in the optical filter of the present embodiment, the wavelength of selective transmission is determined by the intermediate layer. Since the thickness of the intermediate layer is about 1/100 of the total thickness of the conventional optical filter, as shown in Table 1 below, the incident angle is higher than that of the conventional color filter using an organic material. The dependence is low, and the color mixing ratio can be suppressed to about 1% even for light having an incident angle of 25 °.
  • the optical filter of the present invention may have a structure in which dielectric laminated films 14 and 15 are formed on at least both sides of the intermediate layer 13 shown in FIG. 2, and is on the light incident side surface and / or the light emitting side. Other layers may be laminated on the surface.
  • an antireflection film is provided on the light emitting side.
  • the antireflection film can be formed of, for example, a material having a refractive index in the range of 1.5 to 2.5, preferably 1.9 to 2.1, and specifically, SiN, C, SiON, Ni or It can be formed of silver chloride or the like.
  • the material for forming the antireflection film is not limited to these, and may be formed of other materials as long as the refractive index is within the above-mentioned range.
  • the thickness of the antireflection film can be arbitrarily set in the range of 5 to 1000 nm, but is preferably ⁇ 0 / (4 ⁇ n R).
  • ⁇ 0 is a reference wavelength
  • n R is the refractive index of the dielectric material forming the antireflection film.
  • the optical filter of this modification is provided with an antireflection film on the outermost layer on the light emitting side, the transmission wavelength intensity disturbance due to the reflection of light in each wavelength range is suppressed, and the variation in spectral characteristics is reduced.
  • the transmission characteristics can be sharpened. As a result, it is possible to suppress the occurrence of a phenomenon called spectral ripple in which the sensitivity of light fluctuates up and down.
  • the configurations and effects other than the above in this modification are the same as those in the first embodiment described above.
  • the optical filter according to the second modification of the first embodiment of the present invention has a low refractive index dielectric material on the light emitting side surface of the dielectric laminated film 14 and / or the light incident side surface of the dielectric laminated film 15.
  • a refractive index dielectric layer is laminated, and an antireflection film is laminated on the outermost layer on the light emitting side. That is, when the low refractive index dielectric layer is laminated on the light emitting side surface of the dielectric laminated film 14, the antireflection film is further laminated on the light emitting side surface, and the low refractive index dielectric layer is laminated. If not, an antireflection film is laminated on the light emitting side surface of the dielectric laminated film 14.
  • This low refractive index dielectric layer can be formed of, for example, the same material as the above-mentioned dielectric layer 10L.
  • the thickness of the low refractive index dielectric layer provided on the light emitting side surface of the dielectric laminated film 14 may be 100 nm or more, and the thickness of the low refractive index dielectric layer provided on the light incident side surface of the dielectric laminated film 15. Is, for example, 0.5 ⁇ ⁇ 0 / (4 ⁇ n L ).
  • ⁇ 0 is a reference wavelength
  • n L is the refractive index of the dielectric material forming the low refractive index dielectric layer.
  • the refractive index, material, thickness, etc. of the antireflection film are the same as those of the first modification described above.
  • an antireflection film is provided on the outermost layer on the light emitting side, and a low refractive index dielectric is provided between the outermost layer on the light incident side and / or the dielectric laminated film on the light emitting side. Since the layer is provided, the transmission characteristics can be significantly improved especially in the visible light region.
  • the configurations and effects other than the above in this modification are the same as those in the first embodiment described above.
  • the optical sensor of the present embodiment includes the optical filter of the first embodiment described above, and simultaneously detects two or more lights having different wavelengths.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration example of the optical sensor of the present embodiment
  • FIGS. 6A to 6C are plan views showing a pixel arrangement example of the optical sensor shown in FIG.
  • the optical sensor 1 of the present embodiment has two types of pixels (first near-infrared pixel IR1, second near-red) that detect near-infrared light having different wavelengths from each other. It is provided with an outer pixel IR2).
  • an optical filter 10 is provided on the photoelectric conversion layer 20.
  • the optical filter 10 has a first band path that attenuates visible light and near-infrared light that is not to be detected at a position corresponding to the first near-infrared pixel IR1 and transmits only the near-infrared light that is to be detected.
  • a second filter region 11 is provided, and visible light and near-infrared light not to be detected are attenuated at a position corresponding to the second near-infrared pixel IR2, and only the near-infrared light to be detected is transmitted.
  • a band path filter region 12 is provided.
  • an on-chip lens 30 is provided for each pixel on the bandpass filter regions 11 and 12 of the optical filter 10.
  • the photoelectric conversion layer 20 detects the incident light as an electric signal, and has a configuration in which a plurality of photoelectric conversion portions are formed on a semiconductor substrate such as silicon or germanium or an organic photoelectric conversion film.
  • the structure of the photoelectric conversion layer 20 is not particularly limited, and a CCD (Charge Coupled Device) structure, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) structure, or the like can be adopted.
  • the pixel arrangement in the optical sensor 1 of the present embodiment is not particularly limited, but for example, as shown in FIG. 6A, the first near-infrared pixel IR1 and the second near-infrared pixel IR2 are alternately arranged in a grid pattern. Can be placed in.
  • the near-infrared light detection region 71 composed of the plurality of first near-infrared pixels IR1 and the near-infrared light detection region 72 composed of the plurality of second near-infrared pixels IR2 are arranged in a grid pattern (FIG. 6B) or. It may be arranged in a strip shape (FIG. 6C).
  • the optical sensor 1 of the present embodiment is not limited to the one that detects two types of near-infrared light, and may detect visible light and near-infrared light, and has different wavelengths 3 It can also detect more than a species of light. Further, the wavelength region of the optical sensor 1 of the present embodiment is not limited to near-infrared light, but includes all wavelength regions corresponding to the signal region converted by the photoelectric conversion layer 20, and includes wavelength spectroscopy thereof.
  • the optical sensor of this embodiment uses an optical filter in which a plurality of filter regions having different optical characteristics are integrated, two or more types of light can be detected simultaneously and individually, and measurement can be performed in a short time. , It is possible to acquire multiple pieces of information. As a result, the optical sensor of the present embodiment is expected to be applied not only to the sensing field but also to various applications such as the medical field and the security field.
  • the solid-state image sensor of the present embodiment includes the optical filter of the first embodiment described above, and simultaneously and individually detects one or two or more visible lights and one or two or more near-infrared lights. ..
  • FIG. 7A is a plan view showing an example of pixel arrangement of the solid-state image sensor of the present embodiment
  • FIG. 7B is a plan view showing a configuration example of an optical filter.
  • 8A and 8B are cross-sectional views showing a schematic configuration of the solid-state image sensor of the present embodiment
  • FIG. 8A is a cross-sectional view taken along the line bb shown in FIG. 7A
  • FIG. 8B is taken along the line cc shown in FIG. 7A. It is a cross section.
  • the solid-state image sensor 2 of the present embodiment includes a visible light detection region composed of pixels R, G, and B for detecting visible light, and pixels IR1 and IR2 for detecting near-infrared light.
  • a near-infrared light detection region composed of IR3 is provided.
  • the solid-state imaging device 2 has an infrared light cut filter region that transmits visible light and attenuates infrared light on a photoelectric conversion layer 21 that detects incident light as an electric signal. 44.
  • An optical filter 40 having three types of bandpass filter regions 41, 42, and 43 that selectively transmit near-infrared light of a specific wavelength, and selectively transmit red light R, blue light B, and green light R.
  • Three types of color filters 50 and an on-chip lens 30 are provided.
  • the visible light detection region In the visible light detection region, three types of pixels having different detection wavelengths are provided.
  • the three types of pixels provided in the visible light detection region are defined as "first visible light pixel”, “second visible light pixel”, and “third visible light pixel”, for example, the first visible light pixel is red light. R can be detected, green light G can be detected by the second visible light pixel, and blue light B can be detected by the third visible light pixel.
  • the infrared light cut filter region 44 of the optical filter 40 is formed at a position corresponding to the first to third visible light pixels, and further, visible light other than the red light R is formed on the infrared light cut filter region 44.
  • a red light filter 51 that reflects and / or absorbs visible light, a green light filter 53 that reflects and / or absorbs visible light other than green light G, and a blue light filter that reflects and / or absorbs visible light other than blue light B. 52 may be provided, and the on-chip lens 30 may be provided on the 52.
  • the position of the on-chip lens 30 differs between the visible light detection region and the near-infrared light detection region depending on the presence or absence of the color filters 51 to 53.
  • This can be solved by providing a flattening layer after forming the color filter 50 and forming an on-chip lens 30 on the flattening layer.
  • the transmission wavelengths of the color filters 51 to 53 provided on the photoelectric conversion layer 11 are not limited to the red light R, the green light G, and the blue light B described above, and are not limited to the specifications of the solid-state image sensor 2 and the like. It can be appropriately selected accordingly.
  • the material forming each of the color filters 51 to 53 is not particularly limited, and a known material can be used.
  • the near-infrared light detection region is also provided with three types of pixels having different detection wavelengths.
  • first near-infrared pixel IR1 “second near-infrared pixel IR2” and “third near-infrared pixel IR3”, for example.
  • the first near-infrared pixel IR1 detects light of an arbitrary wavelength in the range of 700 to 830 nm
  • the second near-infrared pixel IR2 detects light of an arbitrary wavelength in the range of 830 to 880 nm
  • the outer pixel IR3 can be configured to detect light of an arbitrary wavelength in the range of 880 to 1200 nm.
  • the bandpass filter region 41 is located at a position corresponding to the first near-infrared pixel IR1 and the bandpass filter region 42 is located at a position corresponding to the second near-infrared pixel IR2.
  • An optical filter 40 in which a bandpass filter region 43 is formed at a position corresponding to the near-infrared pixel IR3 may be used.
  • the bandpass filter region 41 of the optical filter 40 selectively transmits the light to be detected in the range of 700 to 830 nm
  • the bandpass filter region 42 selectively transmits the light to be detected in the range of 830 to 880 nm. It is transmitted, and the bandpass filter region 43 selectively transmits the light to be detected in the range of 880 to 1200 nm.
  • an on-chip lens 30 is provided for each pixel on the optical filter 40 or on the flattening layer formed on the optical filter 40.
  • the color filter 50 is provided on the optical filter 40, but the optical filter 40 may be provided on the color filter 50 by turning it upside down. As a result, it is possible to suppress color mixing in which light from an oblique direction is incident on other pixels.
  • the solid-state image sensor 2 of the present embodiment detects visible light in each pixel of the visible light detection region and detects near-infrared light in each pixel of the near-infrared light detection region. Specifically, visible light (R, G, B) in a specific wavelength band transmitted through the color filters 51 to 53 arranged on the photoelectric conversion layer 21 in the visible light detection region is incident on the photoelectric conversion layer 21. Then, an electric signal corresponding to the intensity of visible light (R, G, B) in the wavelength band transmitted through the color filters 51 to 53 is output from the photoelectric conversion layer 21. Thereby, for example, a color image derived from visible light can be obtained.
  • the photoelectric conversion layer 21 in the near-infrared light detection region near-infrared light in a specific wavelength band transmitted through the first to third bandpass filter regions 41 to 43 of the optical filter 40 arranged on the photoelectric conversion layer 21 is transmitted. Incident. Then, an electric signal corresponding to the intensity of near-infrared light in the wavelength band transmitted through the first to third bandpass filter regions 41 to 43 is output from the photoelectric conversion layer 21.
  • the solid-state image sensor of the present embodiment does not always need to detect and image using all six types of pixels, and detects only in either the visible light detection region or the near-infrared light detection region.
  • detection / imaging may be performed using one or two of the three types of pixels. For example, in the daytime, only each pixel in the visible light detection region is operated or only the signal from each photoelectric conversion unit in the visible light detection region is used to detect visible light, and in the nighttime, each of the near infrared light detection regions is detected. It is also possible to detect near-infrared light by operating only the pixels or by using only the signals from each photoelectric conversion unit in the near-infrared light detection region.
  • the signals of the near-infrared light detected in the near-infrared light detection region are used to correct the red light R, green light G, and blue light B signals detected in the visible light detection region.
  • the influence of the near-infrared light component can be removed.
  • the signals of the near-infrared light IR1, IR2, and IR3 detected in the near-infrared detection region 3 are used by using the red light R, green light G, and blue light B signals detected in the visible light detection region. Can be corrected to eliminate the influence of visible light components contained in ambient light such as headlights. As a result, the detection accuracy of visible light and near-infrared light is improved, and the color reproducibility in color photography can be improved.
  • a near-infrared light cut filter and a plurality of bandpass filters that selectively transmit light of a specific wavelength are integrally formed with continuity. It is possible to simultaneously and individually detect a wide range of light from visible light to infrared light and capture an unprecedented image. Further, since the solid-state image sensor of the present embodiment detects with different pixels for each wavelength, the design of each pixel is easy and the film configuration can be simplified, so that it can be manufactured more easily than the conventional product. It will be possible.
  • the configuration of the solid-state image sensor of the present embodiment can be applied to both the back-illuminated type and the front-illuminated type, but the back-illuminated type, which is less affected by the reflected light, is preferable.
  • the configurations and effects of the solid-state image sensor of the present embodiment other than the above are the same as those of the optical sensor of the second embodiment described above.
  • the solid-state image sensor of the present embodiment includes the optical filter of the first embodiment described above, and detects both visible light and near-infrared light in some pixels.
  • FIG. 9A is a plan view showing an example of pixel arrangement of the solid-state image sensor of the present embodiment
  • FIG. 9B is a plan view showing the configuration of an optical filter.
  • 10A and 10B are cross-sectional views showing a schematic configuration of the solid-state image sensor of the present embodiment
  • FIG. 10A is a cross-sectional view taken along the line dd shown in FIG. 9A
  • FIG. 10B is an e-e shown in FIG. 9A. It is a cross section by a line.
  • the solid-state image sensor 3 of the present embodiment is provided with pixels for detecting visible light and near-infrared light in addition to pixels R, G, and B for detecting only visible light. ..
  • the solid-state imaging device 3 has a band path that transmits visible light of a specific wavelength and near-infrared light of a specific wavelength on a photoelectric conversion layer 21 that detects incident light as an electric signal.
  • An optical filter 60 provided with filter regions 61, 62, 63 and an infrared light cut filter region that attenuates near-infrared light and transmits only visible light, and a color filter 50 that transmits only visible light of a specific wavelength are provided.
  • an on-chip lens 30 is provided for each pixel.
  • the positions of the optical filter 60 and the color filter 50 may be opposite to each other, and the optical filter 60 may be formed on the color filter 50.
  • the color information of visible light is mainly used in an environment where the amount of visible light is small.
  • the signal-to-noise ratio S / N ratio
  • visible light is detected as in the conventional case. It is not necessary to take the image by the image and the image by the near-infrared light separately, and it is possible to obtain the image by the visible light and one or more near-infrared light by one imaging.
  • both near-infrared light and visible light can be used by using invisible near-infrared illumination even in a dark environment where there is little visible light such as at night.
  • a clear image can be obtained by using.
  • near-infrared light information can be determined from the image by multi-spectroscopy using near-infrared light on the color image by visible light.
  • Optical sensor 2 3 Solid-state image sensor 10, 40, 60 Optical filter 10L 1st dielectric layer (low refractive index layer) 10H second dielectric layer (high refractive index layer) 11, 12, 41 to 43, 61 to 63 Bandpass filter area 13, 13a, 13b Intermediate layer 14, 15 Dielectric laminated film 20 to 22 Photoconverted layer 30 Lens 44, 64 Infrared light cut filter area 50 to 53 Color Filter 71, 72 Near infrared light detection region

Abstract

光学特性が異なる複数の光学フィルタを一体的に形成することができ、少なくとも可視光領域から赤外光領域に亘って特定波長の光を個別かつ同時に検出することが可能な光センサ及び固体撮像素子を提供する。　異なる波長の光を選択的に透過する２以上のフィルタ領域１１，１２を同一面上に形成し、フィルタ領域１１，１２は厚さ方向中央に位置する中間層１３と、その光入射側及び光出射側に形成された誘電体積層膜１４，１５により構成し、誘電体積層膜１３，１４は、誘電材料からなる第１誘電体層１０Ｌと、第１誘電体層１０Ｌよりも高屈折率の誘電材料からなる第２誘電体層１０Ｈが交互に積層された構造とし、中間層１３の厚さはフィルタ領域１１，１２毎に異なり、少なくとも光出射側の誘電体積層膜１４は、第１誘電体層１０Ｌ及び第２誘電体層１０Ｈがフィルタ領域１１，１２毎に分離されることなく全域に亘って連続形成する。

Description

光学フィルタ及びその製造方法、光センサ並びに固体撮像素子
　本発明は、光学フィルタ及びその製造方法、この光学フィルタを備える光センサ並びに固体撮像素子に関する。より詳しくは、誘電体積層構造の光学フィルタを用いて、特定波長の可視光と近赤外光を検出する技術に関する。
　近年、可視光と近赤外光の両方を用いて、対象物から各種情報を得る方法が提案されている（例えば、特許文献１，２参照。）。特許文献１に記載の生体情報取得システムは、緑色光と赤外光を利用して対象者の脈波情報を取得している。この生体情報取得システムでは、画素毎に、可視光の透過を抑制して赤外光を透過するバンドパスフィルタや、赤色光、緑色光又は青色光を透過するカラーフィルタが設けられた固体撮像素子が用いられている。また、特許文献２に記載の眼科撮影装置は、赤外光で前眼部を撮影し、可視光で眼底を撮影している。この眼科撮影装置では、赤外光による像を撮像する固体撮像素子とは別に、可視光による像を撮像するカメラが設けられている。
　可視光や近赤外光を検出する光センサや固体撮像素子には、検出対象外の光の入射を防ぐため、可視光を透過して赤外光を遮断する赤外光カットフィルタや、可視光の透過を抑制して赤外光を透過するバンドパスフィルタが設けられている。このような光学フィルタとしては、例えば高屈折率膜と低屈折率膜とが交互に積層された誘電体積層構造の干渉フィルタが用いられる（例えば、特許文献３，４参照。）。特許文献３に記載の光センサには、誘電体積層構造の赤外光カットフィルタが設けられている。また、特許文献４に記載の受光デバイスは、干渉フィルタの入射角依存性を改善するため、干渉フィルタと集光レンズの間にポリシリコン膜やＴａ２Ｏ５膜などの高屈折率膜が設けられている。
特開２０１８－１３６８５９号公報 特開２０１９－８０８６８号公報 特開２０１８－６３３７８号公報 特開２００９－７６６７２号公報
　しかしながら、誘電体積層構造の光学フィルタを用いて、赤外光領域の光を精度よく分光するためには、高精度の膜厚制御が要求される。特に、同一素子上に、可視光検出画素と赤外光検出画素が存在する場合や、波長が異なる複数の赤外光を検出する場合は、画素毎に膜構成を変える必要があるため、製造プロセスが煩雑となる。また、特許文献３に記載されているように、従来の固体撮像素子では、一般に、混色の発生を抑制するために隣り合う画素間に光を透過しない遮光壁が設けられており、この遮光壁の形成も製造プロセスを煩雑化する要因の１つである。
　そこで、本発明は、光学特性が異なる複数の光学フィルタを一体的に形成することができ、少なくとも可視光領域及び赤外光領域における特定波長の光を個別かつ同時に検出することが可能な光センサ及び固体撮像素子を提供することを目的とする。
　本発明に係る光学フィルタは、相互に異なる波長の光を選択的に透過する２以上のフィルタ領域が同一面上に形成されており、前記フィルタ領域は、厚さ方向中央に位置する中間層と、前記中間層の光入射側及び光出射側にそれぞれ形成された誘電体積層膜により構成されており、前記誘電体積層膜は、誘電材料からなる第１誘電体層と、前記第１誘電体層よりも屈折率が高い誘電材料からなる第２誘電体層が交互に積層された構造であり、前記中間層の厚さはフィルタ領域毎に異なり、少なくとも前記光出射側の誘電体積層膜は、前記第１誘電体層及び前記第２誘電体層がフィルタ領域毎に分離されることなく全域に亘って連続して形成されている。
　本発明の光学フィルタは、前記光入射側の誘電体積層膜も、前記第１誘電体層及び前記第２誘電体層がフィルタ領域毎に分離されることなく全域に亘って連続して形成されていてもよい。
　また、前記フィルタ領域として、赤外光を減衰させて可視光のみを選択的に透過させる赤外光カットフィルタ領域と、可視光を減衰させて特定波長の近赤外光を選択的に透過させるバンドパスフィルタ領域を設けることもできる。
　その場合、選択的に透過させる近赤外光の波長が異なる２以上のバンドパスフィルタ領域が設けられていてもよい。
　本発明の光学フィルタにおける前記中間層は、前記第１誘電体層又は第２誘電体層と同じ誘電材料で形成することができる。
　また、本発明の光学フィルタは、光出射側最外層に反射防止膜が設けられていてもよい。
　その場合、光入射側最外層には前記第２誘電体層よりも低屈折率の誘電材料からなる低屈折率誘電体層が設けられていてもよい。
　本発明に係る光学フィルタの製造方法は、基板の全面に、誘電材料からなる第１誘電体層と、前記第１誘電体層よりも高屈折率の誘電材料からなる第２誘電体層とを交互に積層して誘電体積層膜を形成する工程と、前記誘電体積層膜上に、前記第１誘電体層と同じ誘電材料又は前記第２誘電体層と同じ誘電材料で第１中間層を形成する工程と、任意の画素の直上域の前記中間層を除去する工程と、前記第１中間層と同じ誘電材料第２中間層を形成した後、前記第１中間層上に形成された第２中間層を除去する工程と、前記第１中間層及び第２中間層上に、前記第１誘電体層及び前記第２誘電体層を交互に積層して、誘電体積層膜を形成する工程を有する。
　本発明に係る光センサは、前述した光学フィルタを備えるものである。
　本発明に係る固体撮像素子は、前述した光学フィルタを備えるものである。
　この固体撮像素子は、前記光学フィルタの光入射側又は光出射側に特定波長の可視光のみ透過するカラーフィルタが設けられていてもよい。
　本発明によれば、光学特性が異なる複数の光学フィルタを一体的に形成することができ、少なくとも可視光領域から赤外光領域に亘って特定波長の光を個別かつ同時に検出することが可能な光センサ及び固体撮像素子を実現することができる。
本発明の第１の実施形態の光学フィルタの構成例を示す平面図である。 図１に示すａ－ａ線による断面図である。 本発明の第１の実施形態の光学フィルタの他の構成例を示す断面図である。 Ａ～Ｆは図３に示す光学フィルタの製造方法をその工程順に示す模式的断面図である。 本発明の第２の実施形態の光センサの構成例を示す断面図である。 Ａ～Ｃは図５に示す光センサの画素配置例を示す平面図である。 Ａは本発明の第３の実施形態の固体撮像素子の画素配置例を示す平面図であり、Ｂは光学フィルタの構成例を示す平面図である。 本発明の第３の実施形態の固体撮像素子の概略構成を示す断面図であり、Ａは図７Ａに示すｂ－ｂ線による断面であり、Ｂは図７Ａに示すｃ－ｃ線による断面である。 Ａは本発明の第４の実施形態の固体撮像素子の画素配置例を示す平面図であり、Ｂは光学フィルタの構成を示す平面図である。 Ａ，Ｂは本発明の第４の実施形態の固体撮像素子の概略構成を示す断面図であり、Ａは図９Ａに示すｄ－ｄ線による断面であり、Ｂは図９Ａに示すｅ－ｅ線による断面である。
　以下、本発明を実施するための形態について、添付の図面を参照して、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
（第１の実施形態）
　先ず、本発明の第１の実施形態に係る光学フィルタについて説明する。本実施形態の光学フィルタは、相互に異なる波長の光を選択的に透過する２以上のバンドパスフィルタ領域が、同一面上に一体的に形成されている。図１及び図２は本実施形態の光学フィルタの構成例を示す図であり、図１は平面図、図２は図１に示すａ－ａ線による断面図である。
　例えば、図１に示す光学フィルタ１０の場合、特定波長の光のみを選択的に透過し、その他の波長の光を減衰させて透過を抑制する第１バンドパスフィルタ領域１１と、第１バンドパスフィルタ領域１１とは異なる波長の光を選択的に透過する第２バンドパスフィルタ領域１２が交互に形成されている。なお、第１バンドパスフィルタ領域１１と第２バンドパスフィルタ領域１２の配置及び面積は、図１に示す構成に限定されるものではなく、いずれか一方の数を多くしたり、面積を広くしたり、偏った配置にしたりすることもできる。また、バンドパスフィルタ領域の数も２種類に限定されるものではなく、透過波長又は減衰波長が異なる他のバンドパスフィルタ領域を設けてもよい。
　図２に示すように、第１バンドパスフィルタ領域１１及び第２バンドパスフィルタ領域１２は、中間層１３と、その両側（光入射側，光出射側）に形成された誘電体積層膜１４，１５により構成されている。誘電体積層膜１４，１５は、それぞれ誘電材料からなる第１誘電体層１０Ｌと、第１誘電体層１０Ｌよりも屈折率が高い誘電材料からなる第２誘電体層１０Ｈが交互に積層された構造となっている。
　この光学フィルタ１０では、中間層１３の厚さは第１バンドパスフィルタ領域１１と第２バンドパスフィルタ領域１２で異なっているが、それ以外の層の厚さ、即ち低屈折率の第１誘電体層１０Ｌの厚さ及び高屈折率の第２誘電体層１０Ｈの厚さは、各バンドパスフィルタ領域１１，１２で共通している。そして、少なくとも第１誘電体層１０Ｌ及び第２誘電体層１０Ｈは、それぞれ光学フィルタ全体に亘って一体的に形成されており、第１バンドパスフィルタ領域１１及び第２バンドパスフィルタ領域１２との境界部分に遮光壁は設けられておらず、物理的にも光学的にも分離されていない。
　第１誘電体層１０Ｌ、第２誘電体層１０Ｈ及び中間層１３の厚さは、特に限定されるものではなく、バンドパスフィルタに要求される性能や透過させる光又は減衰させる光の波長に応じて適宜設定することができる。例えば、基準波長をλ０、第１誘電体層１０Ｌを形成する誘電材料の屈折率をｎＬ、第２誘電体層１０Ｈを形成する誘電材料の屈折率をｎＨとしたとき、第１バンドパスフィルタ領域１１及び第２バンドパスフィルタ領域１２における第１誘電体層１０Ｌの膜厚はλ０／（４×ｎＬ）であり、第２誘電体層１０Ｈの膜厚はλ０／（４×ｎＨ）である。ここで、基準波長λ０は、バンドパスフィルタ領域１１，１２において選択的に透過させたい光の中心波長である。
　一方、図２示す光学フィルタ１０のように、中間層１３が低誘電材料により形成されている場合、中間層１３の厚さは、例えば、第１バンドパスフィルタ領域１１が０．１５×λ０／（４×ｎＬ）であり、第２バンドパスフィルタ領域１２が０．２９×λ０／（４×ｎＬ）となる。また、中間層１３が高誘電材料により形成されている場合は、その厚さは、例えば第１バンドパスフィルタ領域１１が１．７４×λ０／（４×ｎＨ）であり、第２バンドパスフィルタ領域１２が２．２１×λ０／（４×ｎＨ）である。なお、選択的に透過させる光の波長によっては、中間層１３の厚さが０になる場合もある。
　第１誘電体層１０Ｌ及び第２誘電体層１０Ｈの積層数も、特に限定されるものではないが、高屈折率の第２誘電体層１０Ｈが３層以上で合計５層以上積層されていることが好ましく、より好ましくは各層５層以上、更に好ましくは各層１０層以上である。これにより、バンドパスフィルタ領域１１，１２の周波数特性を急峻にすることができる。
　ここで、低屈折率の第１誘電体層１０Ｌは、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ２）、などで形成することができ、それよりも高屈折率の第２誘電体層１０Ｈは、例えば酸化チタン（ＴｉＯ２）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、単結晶シリコン、多結晶シリコンなどで形成することができる。また、中間層１３は、前述した第１誘電体層１０Ｌ又は第２誘電体層１０Ｈで用いられる無機誘電材料の他、ポリイミドなどの高屈折率高分子材料や低屈折率の光透過性高分子材料により形成することができる。なお、図２には第１誘電体層１０Ｌと同じ材料で形成した例を示している。
　第１バンドパスフィルタ領域１１及び第２バンドパスフィルタ１２において選択透過させる光の波長は、例えば可視光領域から赤外光領域の範囲で任意に設定することができる。具体的には、第１バンドパスフィルタ領域１１は赤外光をカットし、可視光のみを透過させる「赤外カットフィルタ」とし、第２バンドパスフィルタ領域１２は可視光をカットして、特定の近赤外光のみを透過させる構成とすることもできる。なお、本実施形態の光学フィルタにより分光する光は、可視光及び赤外光に限定されるものではなく、テラヘルツ波、マイクロ波及びミリ波を対象とすることもできる。
〔光学フィルタの製造方法〕
　次に、本実施形態の光学フィルタの製造方法について、３種類の画素に対応し、透過波長が異なる３つのバンドパスフィルタ領域を備える光学フィルタを製造する場合を例に説明する。図３は本実施形態の他の光学フィルタの構成例を示す断面図であり、図４Ａ～Ｆは図３に示す光学フィルタの製造方法をその工程順に示す模式的断面図である。
　図３に示す光学フィルタを製造する場合、先ず、図４Ａに示すように、画素全面に第１誘電体層１０Ｌ及び第２誘電体層１０Ｈを交互に積層し、光出射側の誘電体積層膜１４を形成する。次に、図４Ｂに示すように、誘電体積層膜１４上に、第１誘電体層１０Ｌ若しくは第２誘電体層１０Ｈと同じ材料又は誘電体層１０Ｌ，１０Ｈとは異なる有機若しくは無機の誘電材料で、第１中間層１３ａを形成する。その後、図４Ｃに示すように、パターニングにより、画素３の直上域に形成された第１中間層１３ａを除去する。
　次に、図４Ｄに示すように、第１中間層１３ａと同じ誘電材料で画素３用の第２中間層１３ｂを全体に成膜した後、図４Ｅに示すように、第１中間層１３ａ上に形成された第２中間層１３ｂをパターニングにより除去する。その後、第１中間層１３ａ及び第２中間層１３ｂ上に、第１誘電体層１０Ｌ及び第２誘電体層１０Ｈを交互に積層して、光入射側の誘電体積層膜１５を形成する。
　本実施形態の光学フィルタは、ファブリーペロー干渉計の原理を用いており、中間層の両側に形成された誘電体積層膜が半透過膜として機能するため、中間層の厚さを変えることにより選択的に透過させる光の波長を変更することができる。また、本実施形態の光学フィルタは、光学特性が異なる複数のフィルタ領域を一体的に形成することができるため、少なくとも可視光領域から赤外光領域に亘って特定波長の光を個別かつ同時に検出することが可能になる。
　本実施形態の光学フィルタでは、中間層以外の層は、各バンドパスフィルタ領域間で共通化して一体的に形成しているため、従来の干渉膜フィルタに比べて、エッチングやパターニングの工程を大幅に削減することができ、製造プロセスを簡素化することができる。更に、従来の光学フィルタは全ての層により光を減衰させるため、選択透過する波長はフィルタ全体の厚さで決まるが、本実施形態の光学フィルタは、中間層で選択的に透過する波長が決まり、中間層の厚さは従来の光学フィルタの全体の厚さに比べて１／１００程度であるため、下記表１に示すように、従来の有機材料を用いたカラーフィルタに比べて、入射角度依存性が低く、入射角２５°の光についても混色率を１％程度に抑えることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
（第１の実施形態の第１変形例）
　本発明の光学フィルタは、少なくとも図２に示す中間層１３の両側に誘電体積層膜１４，１５が形成された構造を有していればよく、光入射側の面及び／又は光出射側の面にその他の層が積層されていてもよい。例えば、本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る光学フィルタでは、光出射側に反射防止膜が設けられている。
　反射防止膜は、例えば屈折率が１．５～２．５、好ましくは１．９～２．１の範囲の材料で形成することができ、具体的には、ＳｉＮ、Ｃ、ＳｉＯＮ、Ｎｉ又は塩化銀などにより形成することができる。なお、反射防止膜を形成する材料は、これらに限定されるものではなく、屈折率が前述した範囲内であればその他の材料により形成されていてもよい。反射防止膜の厚さは、５～１０００ｎｍの範囲で任意に設定することができるが、λ０／（４×ｎＲ）とすることが好ましい。ここで、λ０は基準波長であり、ｎＲは反射防止膜を形成する誘電材料の屈折率である。
　本変形例の光学フィルタは、光出射側最外層に反射防止膜が設けられているため、各波長域での光の反射による透過波長強度乱れが抑制され、分光特性のばらつきを低減して、透過特性をシャープにすることができる。その結果、分光リップルと呼ばれる光の感度が上下に振れる現象の発生を抑制することができる。なお、本変形例における上記以外の構成及び効果は、前述した第１の実施形態と同様である。
（第１の実施形態の第２変形例）
　本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る光学フィルタは、誘電体積層膜１４の光出射側面及び／又は誘電体積層膜１５の光入射側面に、低屈折率誘電材料からなる低屈折率誘電体層が積層されており、光出射側最外層に反射防止膜が積層されている。即ち、誘電体積層膜１４の光出射側面に低屈折率誘電体層が積層されている場合は、更にその光出射側面に反射防止膜が積層されており、低屈折率誘電体層が積層されていない場合は、誘電体積層膜１４の光出射側面に反射防止膜が積層されている。
　この低屈折率誘電体層は、例えば、前述した誘電体層１０Ｌと、同じ材料で形成することができる。誘電体積層膜１４の光出射側面に設けられる低屈折率誘電体層の厚さは１００ｎｍ以上であればよく、誘電体積層膜１５の光入射側面に設けられる低屈折率誘電体層の厚さは例えば０．５×λ０／（４×ｎＬ）である。ここで、λ０は基準波長であり、ｎＬは低屈折率誘電体層を形成する誘電材料の屈折率である。一方、反射防止膜の屈折率、材料及び厚さなどは、前述した第１変形例と同様である。
　本変形例の光学フィルタは、光出射側最外層に反射防止膜を設けると共に、光入射側最外層及び／又は反射防止膜と光出射側の誘電体積層膜との間に低屈折率誘電体層を設けているため、特に可視光領域での透過特性を大幅に向上させることができる。なお、本変形例における上記以外の構成及び効果は、前述した第１の実施形態と同様である。
（第２の実施形態）
　次に、本発明の第２の実施形態に係る光センサについて説明する。本実施形態の光センサは、前述した第１の実施形態の光学フィルタを備えるものであり、波長が異なる２以上の光を同時に検出する。図５は本実施形態の光センサの構成例を示す断面図であり、図６Ａ～Ｃは図５に示す光センサの画素配置例を示す平面図である。図５及び図６Ａ～Ｃに示すように、本実施形態の光センサ１は、相互に異なる波長の近赤外光を検出する２種類の画素（第１近赤外画素ＩＲ１，第２近赤外画素ＩＲ２）を備える。
　具体的には、本実施形態の光センサ１は、光電変換層２０上に、光学フィルタ１０が設けられている。この光学フィルタ１０には、第１近赤外画素ＩＲ１に相当する位置に、可視光及び検出対象外の近赤外光を減衰させ、検出対象の近赤外光のみを透過する第１バンドパスフィルタ領域１１が設けられており、第２近赤外画素ＩＲ２に相当する位置には可視光及び検出対象外の近赤外光を減衰させ、検出対象の近赤外光のみを透過する第２バンドパスフィルタ領域１２が設けられている。更に、光学フィルタ１０の各バンドパスフィルタ領域１１，１２上には、画素毎にオンチップレンズ３０が設けられている。
　ここで、光電変換層２０は、入射した光を電気信号として検出するものであり、シリコンやゲルマニウムなどの半導体基板又は有機光電変換膜に複数の光電変換部が形成された構成となっている。光電変換層２０の構造は、特に限定されるものではなく、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）構造などを採用することができる。
　本実施形態の光センサ１における画素配置は、特に限定されるものではないが、例えば、図６Ａに示すように、第１近赤外画素ＩＲ１と第２近赤外画素ＩＲ２を互い違いに格子状に配置することができる。又は、複数の第１近赤外画素ＩＲ１からなる近赤外光検出領域７１と、複数の第２近赤外画素ＩＲ２からなる近赤外光検出領域７２とを、格子状（図６Ｂ）又は帯状（図６Ｃ）に配置してもよい。
　なお、本実施形態の光センサ１は、２種類の近赤外光を検出するものに限定されるものではなく、可視光と近赤外光を検出してもよく、また、波長が異なる３種以上の光を検出することもできる。更に、本実施形態の光センサ１の波長領域は、近赤外光に限らず、光電変換層２０で変換される信号領域に対応する全ての波長領域を含み、それらの波長分光も含まれる。
　本実施形態の光センサは、光学特性が異なる複数のフィルタ領域が一体化された光学フィルタを用いているため、２種類以上の光を同時かつ個別に検出することができ、短時間の測定で、複数の情報を取得することが可能となる。その結果、本実施形態の光センサは、センシング分野だけでなく、医療分野やセキュリティ分野など様々な用途への適用が見込まれる。
（第３の実施形態）
　次に、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像素子について説明する。本実施形態の固体撮像素子は、前述した第１の実施形態の光学フィルタを備え、１又は２以上の可視光と１又は２以上の近赤外光を、同時かつ個別に検出するものである。図７Ａは本実施形態の固体撮像素子の画素配置例を示す平面図であり、図７Ｂは光学フィルタの構成例を示す平面図である。また、図８は本実施形態の固体撮像素子の概略構成を示す断面図であり、図８Ａは図７Ａに示すｂ－ｂ線による断面であり、図８Ｂは図７Ａに示すｃ－ｃ線による断面である。
　図７Ａに示すように、本実施形態の固体撮像素子２には、可視光を検出する画素Ｒ，Ｇ，Ｂで構成される可視光検出領域と、近赤外光を検出する画素ＩＲ１，ＩＲ２，ＩＲ３で構成される近赤外光検出領域が設けられている。この固体撮像素子２は、図８Ａ，Ｂに示すように、入射した光を電気信号として検出する光電変換層２１上に、可視光を透過すると共に赤外光を減衰させる赤外光カットフィルタ領域４４、特定波長の近赤外光を選択的に透過する３種のバンドパスフィルタ領域４１，４２，４３を備える光学フィルタ４０と、赤色光Ｒ，青色光Ｂ，緑色光Ｒを選択的に透過する３種のカラーフィルタ５０と、オンチップレンズ３０が設けられている。
［可視光検出領域］
　可視光検出領域には、検出波長が異なる３種類の画素が設けられている。可視光検出領域に設けられた３種の画素をそれぞれ「第１可視光画素」、「第２可視光画素」及び「第３可視光画素」とした場合、例えば第１可視光画素で赤色光Ｒを検出し、第２可視光画素で緑色光Ｇを検出し、第３可視光画素で青色光Ｂを検出する構成とすることができる
　その場合、第１～第３可視光画素に相当する位置に光学フィルタ４０の赤外光カットフィルタ領域４４を形成し、更に、赤外光カットフィルタ領域４４上に、赤色光Ｒ以外の可視光を反射及び／又は吸収する赤色光フィルタ５１と、緑色光Ｇ以外の可視光を反射及び／又は吸収する緑色光フィルタ５３と、青色光Ｂ以外の可視光を反射及び／又は吸収する青色光フィルタ５２を設け、その上にオンチップレンズ３０を設けた構成とすることができる。
　なお、図８Ａ，Ｂに示す固体撮像素子２では、カラーフィルタ５１～５３の有無により、可視光検出領域と近赤外光検出領域で、オンチップレンズ３０の位置が異なるが、この点については、カラーフィルタ５０形成後に平坦化層を設け、その上にオンチップレンズ３０を形成することで解消することが可能である。また、光電変換層１１上に設けられる各カラーフィルタ５１～５３の透過波長は、前述した赤色光Ｒ、緑色光Ｇ及び青色光Ｂに限定されるものではなく、固体撮像素子２の仕様などに応じて適宜選択することができる。また、各カラーフィルタ５１～５３を形成する材料も、特に限定されるものではなく、公知の材料を用いることができる。
［近赤外光検出領域］
　近赤外光検出領域にも、検出波長が異なる３種類の画素が設けられている。近赤外光検出領域に設けられた３種の画素をそれぞれ「第１近赤外画素ＩＲ１」、「第２近赤外画素ＩＲ２」及び「第３近赤外画素ＩＲ３」とした場合、例えば第１近赤外画素ＩＲ１では７００～８３０ｎｍの範囲で任意の波長の光を検出し、第２近赤外画素ＩＲ２では８３０～８８０ｎｍの範囲で任意の波長の光を検出し、第３近赤外画素ＩＲ３では８８０～１２００ｎｍの範囲で任意の波長の光を検出する構成とすることができる。
　その場合、図７Ｂに示すように、第１近赤外画素ＩＲ１に相当する位置にバンドパスフィルタ領域４１が、第２近赤外画素ＩＲ２に相当する位置にバンドパスフィルタ領域４２が、第３近赤外画素ＩＲ３に相当する位置にバンドパスフィルタ領域４３が形成された光学フィルタ４０を用いればよい。ここで、光学フィルタ４０のバンドパスフィルタ領域４１は７００～８３０ｎｍの範囲で検出対象の光を選択的に透過し、バンドパスフィルタ領域４２は８３０～８８０ｎｍの範囲で検出対象の光を選択的に透過し、バンドパスフィルタ領域４３は８８０～１２００ｎｍの範囲で検出対象の光を選択的に透過するものとする。
　そして、近赤外光検出領域では、光学フィルタ４０上又はその上に形成された平坦化層上には、オンチップレンズ３０が画素毎に設けられる。なお、本実施形態の固体撮像素子２では、光学フィルタ４０上にカラーフィルタ５０が設けられているが、上下を逆にし、カラーフィルタ５０上に光学フィルタ４０を設けてもよい。これにより、斜め方向からの光が他の画素に入射する混色を抑制することができる。
［動作］
　次に、本実施形態の固体撮像素子２の動作について説明する。本実施形態の固体撮像素子２は、可視光検出領域の各画素で可視光を検出し、近赤外光検出領域の各画素で近赤外光を検出する。具体的には、可視光検出領域の光電変換層２１には、その上に配置されたカラーフィルタ５１～５３を透過した特定波長帯域の可視光（Ｒ，Ｇ，Ｂ）が入射する。そして、光電変換層２１からは、カラーフィルタ５１～５３を透過した波長帯域の可視光（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の強度に対応する電気信号が出力される。これにより、例えば可視光に由来するカラー画像を得ることができる。
　一方、近赤外光検出領域の光電変換層２１には、その上に配置された光学フィルタ４０の第１～第３バンドパスフィルタ領域４１～４３を透過した特定波長帯域の近赤外光が入射する。そして、光電変換層２１からは、第１～第３バンドパスフィルタ領域４１～４３を透過した波長帯域の近赤外光の強度に対応する電気信号が出力される。
　なお、本実施形態の固体撮像素子は、常に６種の画素の全てを用いて検出・撮像する必要はなく、可視光検出領域又は近赤外光検出領域のいずれか一方のみで検出を行ってもよいし、３種の画素のうち１種又は２種の画素を用いて検出・撮像してもよい。例えば、昼間は可視光検出領域の各画素のみを動作させて又は可視光検出領域の各光電変換部からの信号のみを利用して可視光を検出し、夜間は近赤外光検出領域の各画素のみを動作させて又は近赤外光検出領域の各光電変換部からの信号のみを利用して、近赤外光を検出することもできる。
　或いは、常時、可視光検出領域及び近赤外光検出領域の両方の画素を用いて検出することもできる。その場合、例えば、昼間は、近赤外光検出領域で検出した近赤外光の信号を用いて、可視光検出領域で検出した赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、青色光Ｂの各信号を補正し、近赤外光成分の影響を除去することができる。
　一方、夜間は、可視光検出領域で検出した赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、青色光Ｂの各信号を用いて、近赤外検出領域３で検出した近赤外光ＩＲ１，ＩＲ２，ＩＲ３の信号を補正し、ヘッドライトなどの環境光に含まれる可視光成分の影響を除去することができる。その結果、可視光及び近赤外光の検出精度が向上し、カラー撮影における色の再現性を高めることができる。
　以上詳述したように、本実施形態の固体撮像素子は、近赤外光カットフィルタと特定波長の光を選択透過させる複数のバンドパスフィルタが、連続性をもって一体的に形成されているため、可視光から赤外光まで広い範囲の光を、同時にかつ個別に検出し、従来にない画像を撮像することが可能となる。また、本実施形態の固体撮像素子は、波長毎に異なる画素で検出しているため、各画素の設計が容易であり、膜構成も簡素化できるため、従来品よりも容易に製造することが可能となる。
　更に、本実施形態の固体撮像素子の構成は、裏面照射型及び表面照射型のどちらにも適用可能であるが、反射光の影響が少ない裏面照射型が好適である。なお、本実施形態の固体撮像素子における上記以外の構成及び効果は、前述した第２の実施形態の光センサと同様である。
（第４の実施形態）
　次に、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像素子について説明する。本実施形態の固体撮像素子は、前述した第１の実施形態の光学フィルタを備え、一部の画素で可視光と近赤外光の両方を検出する。図９Ａは本実施形態の固体撮像素子の画素配置例を示す平面図であり、図９Ｂは光学フィルタの構成を示す平面図である。また、図１０Ａ，Ｂは本実施形態の固体撮像素子の概略構成を示す断面図であり、図１０Ａは図９Ａに示すｄ－ｄ線による断面であり、図１０Ｂは図９Ａに示すｅ－ｅ線による断面である。
　図９Ａに示すように、本実施形態の固体撮像素子３には、可視光のみを検出する画素Ｒ，Ｇ，Ｂに加えて、可視光と近赤外光を検出する画素が設けられている。この固体撮像素子３は、図１０Ａ，Ｂに示すように、入射した光を電気信号として検出する光電変換層２１上に、特定波長の可視光と特定波長の近赤外光を透過するバンドパスフィルタ領域６１，６２，６３及び近赤外光を減衰させて可視光のみを透過させる赤外光カットフィルタ領域が設けられた光学フィルタ６０と、特定波長の可視光のみ透過するカラーフィルタ５０が設けられ、更にその上に画素毎にオンチップレンズ３０が設けられている。なお、本実施形態の固体撮像素子３においても、光学フィルタ６０とカラーフィルタ５０の位置は逆でもよく、カラーフィルタ５０上に光学フィルタ６０が形成されていてもよい。
　本実施形態の固体撮像素子では、可視光を検出する画素の一部で、可視光と共に近赤外光を検出するため、特に可視光の光量が少ない環境下において、主に可視光の色情報を用いて撮影する場合に、可視光の微弱輝度情報に加えて近赤外光からの輝度情報を用いることで、信号雑音比（Ｓ／Ｎ比）を改善して画像を高画質化することができる。また、本実施形態の固体撮像素子においても、光学特性が異なる複数の光学フィルタを一体的に形成し、可視光と赤外光を個別かつ同時に検出しているため、従来のように、可視光による像と近赤外光による像をそれぞれ別に撮影する必要がなく、一度の撮像で可視光及び１又は２以上の近赤外光による像を得ることができる。
　その結果、本実施形態の固体撮像素子を用いることで、例えば夜間のように可視光が少ない暗い環境下においても、目に見えない近赤外線照明を用いて、近赤外光と可視光の両方を用いて鮮明な画像を得ることができる。さらに、可視光によるカラー画像上で近赤外光を用いたマルチ分光により、画像上から近赤外光情報を判断することができる。なお、本実施形態の固体撮像素子における上記以外の構成及び効果は、前述した第３の実施形態の固体撮像素子と同様である。
　１　光センサ
　２、３　固体撮像素子
　１０、４０、６０　光学フィルタ
　１０Ｌ　第１誘電体層（低屈折率層）
　１０Ｈ　第２誘電体層（高屈折率層）
　１１、１２、４１～４３、６１～６３　バンドパスフィルタ領域
　１３、１３ａ、１３ｂ　中間層
　１４、１５　誘電体積層膜
　２０～２２　光電変換層
　３０　レンズ
　４４、６４　赤外光カットフィルタ領域
　５０～５３　カラーフィルタ
　７１、７２　近赤外光検出領域

Claims (11)

  1. 　相互に異なる波長の光を選択的に透過する２以上のフィルタ領域が同一面上に形成されており、
    　前記フィルタ領域は、厚さ方向中央に位置する中間層と、前記中間層の光入射側及び光出射側にそれぞれ形成された誘電体積層膜により構成されており、
    　前記誘電体積層膜は、誘電材料からなる第１誘電体層と、前記第１誘電体層よりも屈折率が高い誘電材料からなる第２誘電体層が交互に積層された構造であり、
    　前記中間層の厚さはフィルタ領域毎に異なり、
    　少なくとも前記光出射側の誘電体積層膜は、前記第１誘電体層及び前記第２誘電体層がフィルタ領域毎に分離されることなく全域に亘って連続して形成されている光学フィルタ。
  2. 　前記光入射側の誘電体積層膜も、前記第１誘電体層及び前記第２誘電体層がフィルタ領域毎に分離されることなく全域に亘って連続して形成されている請求項１に記載の光学フィルタ。
  3. 　前記フィルタ領域として、
    　赤外光を減衰させて可視光のみを選択的に透過させる赤外光カットフィルタ領域と、
    　可視光を減衰させて特定波長の近赤外光を選択的に透過させるバンドパスフィルタ領域が設けられている請求項１又は２に記載の光学フィルタ。
  4. 　選択的に透過する近赤外光の波長が異なる２以上のバンドパスフィルタ領域が設けられている請求項３に記載の光学フィルタ。
  5. 　前記中間層は、前記第１誘電体層又は第２誘電体層と同じ誘電材料で形成されている請求項１～４のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
  6. 　光出射側最外層に反射防止膜が設けられている請求項１～５のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
  7. 　更に、光入射側最外層に前記第２誘電体層よりも低屈折率の誘電材料からなる低屈折率誘電体層が設けられている請求項６に記載の光学フィルタ。
  8. 　基板の全面に、誘電材料からなる第１誘電体層と、前記第１誘電体層よりも高屈折率の誘電材料からなる第２誘電体層とを交互に積層して誘電体積層膜を形成する工程と、
    　前記誘電体積層膜上に、前記第１誘電体層と同じ誘電材料又は前記第２誘電体層と同じ誘電材料で第１中間層を形成する工程と、
    　任意の画素の直上域の前記中間層を除去する工程と、
    　前記第１中間層と同じ誘電材料第２中間層を形成した後、前記第１中間層上に形成された第２中間層を除去する工程と、
    　前記第１中間層及び第２中間層上に、前記第１誘電体層及び前記第２誘電体層を交互に積層して、誘電体積層膜を形成する工程を有する光学フィルタの製造方法。
  9. 　請求項１～７のいずれか１項に記載の光学フィルタを備える光センサ。
  10. 　請求項１～７のいずれか１項に記載の光学フィルタを備える固体撮像素子。
  11. 　前記光学フィルタの光入射側又は光出射側に特定波長の可視光のみ透過するカラーフィルタが設けられている請求項１０に記載の固体撮像素子。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023095827A1 (ja) * 2021-11-25 2023-06-01 三菱ケミカル株式会社 構造体及び固体撮像素子

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005069376A1 (ja) * 2004-01-15 2005-07-28 Matsushita Electric Industrial Co.,Ltd. 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法及びこれを用いたカメラ
WO2018155486A1 (ja) * 2017-02-21 2018-08-30 株式会社ナノルクス 固体撮像素子及び撮像装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005069376A1 (ja) * 2004-01-15 2005-07-28 Matsushita Electric Industrial Co.,Ltd. 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法及びこれを用いたカメラ
WO2018155486A1 (ja) * 2017-02-21 2018-08-30 株式会社ナノルクス 固体撮像素子及び撮像装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023095827A1 (ja) * 2021-11-25 2023-06-01 三菱ケミカル株式会社 構造体及び固体撮像素子

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