JP4249459B2 - 撮像装置と撮像装置における屈折部の形成方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、カメラレンズを通った光が結像する面に固体撮像素子を2次元的に配列させ、光の強度を電気信号に変換することによって,各画素における色または輝度情報という形式で動画像または静止画像を出力する撮像装置に関し、特に、CCDやCMOS等のイメージセンサの受光部側上に微小な集光レンズ(マイクロレンズアレイ)等を配設した撮像装置に関する。
具体的には、デジタルスチルカメラ,デジタルビデオカメラ、携帯電話に組み込まれるカメラ、防犯用監視カメラ等の撮像装置が挙げられるがこれらに限定はされない。
【0002】
【従来の技術】
カメラレンズと該カメラレンズを通った光の結像面に感光部を2次元的に配列させている固体撮像素子を備え、動画像または静止画像を出力する方式の撮像装置においては、近年、その感度を向上し、ノイズの低減を目的として、図16に示すように、その感光部への集光効率を高めるために、各セルの受光部側表面に、透明材料からなる微小集光レンズ(以下、マイクロレンズとも言う)を形成している。
撮像装置の構成概略図である図16に基づいて、このような、撮像装置を簡単に説明しておく。
尚、図16のD1は撮像部の中心部の断面で、D2は周辺部の断面で、他は省略して示してある。
カメラレンズ110の光軸115上を通過する光線は、固体撮像素子120の感光部125に垂直に入射し、光軸115から離れるに従い斜め入射する入射角θ0を大とするが、マイクロレンズ130により効率良く集光するためには、光軸115からのマイクロレンズ130の位置と感光部との位置関係を所定量だけずらしておく必要がある。
このようなずらしを画素ずらしと言い、従来は、画素ずらしにより、周辺の光量の低下を防止していた。
しかしながら、画素ずらしを採用した場合、マイクロレンズ130と固体撮像素子120の感光部を、それぞれ、均一なピッチで形成することはできず、設計上の制約やその作製が難しくなると言う問題があった。
また、画素ずらしはかなり効果的ではあるが、特に広角のカメラレンズに対しては効果が十分ではないという問題があった。
撮像素子としては、従来は、CCDイメージセンサが主流であったが、近年は消費電力の低さで優位性のあるCMOSイメージセンサがより積極的に採用されるようになってきた。
しかし、セル内で光が通過して感光部にまで達する奥行きは、ー般的にはCMOSイメージセンサの方が深いので、CMOSイメージセンサの場合、CCDイメージセンサに比べ周辺光量低下も顕著でより問題となっていた。
【0003】
尚、図16におけるD0部のように、感光部125、平坦化層171、遮光部150、カラーフィルタ140、平坦化層マイクロレンズの組みを単位の感光機能領域として、セルと呼び、このようなセルが、撮像面側に敷き詰められている。
セルの撮像素子面に沿う断面は正方形であることが多いが、長方形や正六角形であることもあり、そのピッチサイズは、現状では、3μm〜12μm程度であるものがー般的である。
感光部125はセルの底部に配置され、そこに入射した光の強度に応じて、光強度を電気信号に変換する。
そして、感光部125から出力された電気信号に補間等の処理を施すことにより.ディジタル画像が出力される。
セル内部に金属配線等を配置する必要性から、セルの底面全体にわたって感光部を設けるのは困難であり、感光部125の領域はセルの底面領域のー部分である。
【0004】
このような微小集光レンズ(マイクロレンズ)は、従来、集光部上側に形成された樹脂部を熱フローにてレンズ状に形成していた。
この方法の1例を、図17に基づいて、以下、簡単に説明しておく。
尚、図17中、301はデバイス基板(イメージセンサ基板)、302はシリコンウエハ、303は感光部(受光部とも言う)、304はカラーフィルタ、304aは平坦化層、305は平坦化層、306はレジスト層、307はフォトマスク、308は露光光、309はレジストパターン(現像後のレジスト像)、310は凸レンズ(熱フロー後のレジスト像)である。
本例は、シリコンウエハ302の一面に形成された感光部303上側に、カラーフィルタ304を配設したデバイス基板301(図17(a)に対し、その各感光部303に対応して微小集光レンズを設ける場合である。
先ず、ディバイス基板301のカラーフィルタ304を覆う平坦化層305を設け、更に平坦化層305上にレンズを形成するための感光性の樹脂であるレジスト層306を塗布する。(図17(b))
次いで、フォトマスク307をレジスト層306に近接した状態で、レジスト層306を選択露光し(図17(c))、現像処理して、各感光部303に対応する領域に感光部303を覆う略四角状のレジストパターン309を形成する。(図17(d))
この後、熱処理してレジストパターン309を熱フローさせ、各感光部303に対応した凸レンズ310を形成する。(図17(e))
この方法の場合、レジストパターン309を熱フローにより凸レンズ形状とするため、所望の焦点距離を有する集光効率の良いレンズの形成することが難しかった。
特に、感光部までの距離が長いCMOSイメージセンサにおいては、熱処理による自然フローでは、焦点距離の長い設計通りのレンズ形状を形成することができなかった。
【0005】
また、別に、特開平5−142752号公報には、微細なドットパターンの分布を用いて透過率を変化させることで,微小集光レンズを作成する方法が開示されている。
しかし、この方法の場合、エッチバックによりマイクロレンズを形成しており、且つ、マスクのパターン作成において、乱数によるパターンの配置を行う方法が採られているため、正確な所望の透過光量プロフファイルを得るのは困難であった。
【0006】
【特許文献1】
特開平10−32762号公報(図1)
【特許文献2】
特開平5−142752号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、CCDやCMOS等のイメージセンサーにおいては、感光部の集光効率を高めるため、フォトマスクを用いたパターン形成により、各感光部に微小集光レンズを形成し、更に、画素ずらしにより、周辺セルの感光部の受ける光量の低下を防いでいるが、設計上の制約やその作製の困難さがあり、且つ、周辺のセルの光量の低下防止の効果が十分でなく、対応が求められていた。
本発明は、これに対応するもので、CCDやCMOS等のイメージセンサーを撮像素子として備え、動画像または静止画像を出力する方式の撮像装置であって、従来の図16に示す撮像装置に比べ、その設計上の制約やその作製の困難さがより少なく、且つ、周辺のセルの感光部の受ける光量の低下防止の効果がより効果的である撮像装置を提供しようとするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の撮像装置は、カメラレンズと該カメラレンズを通った光の結像面に感光部を2次元的に配列させている固体撮像素子を備え、動画像または静止画像を出力する方式の撮像装置であって、セルの受光側面の中心において、中心セルではカメラレンズの光軸と平行な法線をもち、周辺セルに向かうにつれて、その法線の傾きが外側に向かい増大するように、各セルの受光部側表面に、透明材料からなる屈折部を設けており、前記各セルにおけるセルの受光側面中心の前記屈折部の法線の傾きは、カメラレンズの中心P0から各セルの受光側面の中心へ入射した光線が全て、Snellの法則にしたがって屈折した後、カメラレンズの光軸上の所定の1点Q0と各セルの感光部とを結ぶ直線上を進むように設計され、屈折部と感光部とは対応づけてずらして配置していることを特徴とするものである。
そして、上記の撮像装置であって、屈折部は、その受光側の表面形状が各セルごとに平面をなしているものであることを特徴とするものである。
あるいは、上記の撮像装置であって、屈折部は、その受光側表面部にマイクロレンズを形成するものであることを特徴とするものである。
尚、ここでは、「対応づけてずらして」とは、屈折部と感光部とを対応づけて、集光効率を良くするように、中央セル部では、ずらし量を0とし外側に行くに従いずらし量を大きくすることを意味する。
【0009】
本発明の撮像装置における屈折部の形成方法は、上記発明の撮像装置における屈折部の形成方法であって、屈折部を形成する前の固体撮像素子に対し、その屈折部形成側に、屈折部形成用の素材である露光量に応じて残膜厚の変化する感光性材料層を塗布形成した後、感光性材料層を、露光波長では解像しない微細なドットパターンの分布状態により、露光する際の透過光量(露光量)分布を制御するフォトマスクで、且つ、形成する屈折部の形状に合せて作製されたフォトマスクを用い露光して、現像して、形成するものであり、前記フォトマスクは、順に、(a)屈折部形成用の素材である感光性材料層の現像後のレジストの所望のプロファイルを得るための、フォトマスクのパターンの露光量分布を得て、フォトマスクのパターン形成平面をX−Y座標として、その座標値x、yを関数として、目的とするフォトマスクの透過光量(露光量)分布を、Z座標上のz値として表す、透過光量(露光量)分布把握処理と、(b)露光においてフォトマスク面上は均一照度とし、前記Z座標上のz値に対応して、所定のアルゴリズムを用いて、露光波長では解像しない所定サイズのX−Y座標の領域毎に、該領域サイズのドットパターンの配置の有無を決め、パターンの配置が有と決められた、所定サイズのX−Y座標の領域には、ドットパターンを生成配置する、ドットパターンの生成処理とを行ない作成されたフォトマスクのパターンデータを用い、描画して形成したものであることを特徴とするものである。
そして、上記撮像装置における屈折部の形成方法であって、所定のアルゴリズムが誤差分散法あるいはオーダードディザ法であることを特徴とするものである。
【0010】
【作用】
本発明の撮像装置は、このような構成にすることにより、CCDやCMOS等のイメージセンサーを撮像素子として備え、動画像または静止画像を出力する方式の撮像装置であって、従来の図16に示す撮像装置に比べ、その設計上の制約やその作製の困難さがより少なく、且つ、周辺のセルの感光部の受ける光量の低下防止の効果がより効果的である撮像装置の提供を可能としている。
具体的には、セルの受光側面の中心(以下、単に、セルの中心、セル中心とも言う)において、中心セルではカメラレンズの光軸と平行な法線をもち、周辺セルに向かうにつれて、その法線の傾きが外側に向かい増大するように、各セルの受光部側表面に、透明材料からなる屈折部を設けていることにより、これを達成している。
即ち、このようにすることにより、従来に比べて、奥行きがあるセルに入射した光が、よりその感光部へ達し易くなり、周辺セルの感光部の受ける光量の低下の問題を低減することとなる。
更に、各セルにおけるセルの受光側面の中心の屈折部の法線の傾きは、カメラレンズの中心P0から各セルの中心へ入射した光線が全て、Snellの法則にしたがって屈折した後、カメラレンズの光軸上の所定の1点Q0と各セルの感光部とを結ぶ直線上を進むように設計され、且つ、屈折部と感光部とを対応づけてずらして配置していることにより、屈折部のピッチ、感光部のピッチを均一にでき、ピッチからくる設計上の制約や作製の困難性を解消できるものとしている。
屈折部としては、屈折部は、その受光側の表面形状が各セルごとに平面をなしているもの、あるいは、その受光側表面部にマイクロレンズを形成するものが挙げられる。
【0011】
本発明の撮像装置における屈折部の形成方法は、このような構成にすることにより、上記本発明の撮像装置における屈折部の形成方法の提供を可能としている。
特に、ウエハレベルでフォトマスクを用いて露光(通常はステッパ露光)を行なう場合には、量産性の良いものとしている。
用いられるフォトマスクとしては、具体的には、順に、(a)屈折部形成用の素材である感光性材料層の現像後のレジストの所望のプロファイルを得るための、フォトマスクのパターンの露光量分布を得て、フォトマスクのパターン形成平面をX−Y座標として、その座標値x、yを関数として、目的とするフォトマスクの透過光量(露光量)分布を、Z座標上のz値として表す、透過光量(露光量)分布把握処理と、(b)露光においてフォトマスク面上は均一照度とし、前記Z座標上のz値に対応して、所定のアルゴリズムを用いて、露光波長では解像しない所定サイズのX−Y座標の領域毎に、該領域サイズのドットパターンの配置の有無を決め、パターンの配置が有と決められた、所定サイズのX−Y座標の領域には、ドットパターンを生成配置する、ドットパターンの生成処理とを行ない作成されたフォトマスクのパターンデータを用い、描画して形成したものが挙げられ、その透過光量(露光量)分布把握処理は、屈折部形成用の素材である感光性材料層を露光し、現像して、得られた、露光量と感光性材料層の残膜厚の関係のデータと、所望の被加工物の形状のプロファイルとから、露光量に応じて残膜厚の変化する感光性材料層の現像後の感光性材料層の所望のプロファイルを得るための、フォトマスクのパターンの露光量分布を得るものが挙げられ、更に、前記所定のアルゴリズムが誤差分散法あるいはオーダードディザ法であるものが挙げられる。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態例を挙げ、図に基づいて説明する。
図1は本発明の撮像装置の実施の形態の第1の例の概略構成図で、図2は図1に示す第1の例撮像装置における光路を説明するための図で、図3(a)は本発明の撮像装置の実施の形態の第2の例の概略構成図で、図3(b)は屈折部の拡大図で、図4は、本発明の撮像装置における屈折部の形成方法に用いるフォトマスクの形成方法の1例を示した概略工程図で、図5(a)はフォトマスクのパターン形成平面をX−Y座標として、その座標値x、yを関数として、所望の露光する際の透過光量(露光量)分布をZ座標上の値zとして表した図で、図5(b)はフォトマスクパターンを表した図で、図6(a)は現像後の屈折部形成用の素材である感光性材料層の所望のプロファイルを得るための、フォトマスクのパターンの露光量分布を表した図で、図6(b)は図6(a)に示す露光量分布における所定のX−Y座標位置でのZ座標上の値zの一覧を示した図で、図7はオーダードディザ法を説明するための図で、図8は最大値を1としたディザ行列を示した図で、図9は誤差分散法を説明するための図で、図10は図6に示す所定のX−Y座標位置でのZ座標上の値zの一覧に基づき誤差分散法を実施した結果を示した図で、図11は誤差分散行列を用いた誤差分散法を数式により説明するための図で、図12は各種のディザ行列の例を表した図で、図13(a)は誤差分散法の各種走査方向を示した図で、図13(b)は各種誤差分散行列の例を示した図で、図14は現像後屈折部形成用の素材である感光性材料層の残膜厚と透過光量の関係を示した図で、図15はマスクと現像後の屈折部形成用の素材である感光性材料層の残膜プロファイルとの関係を示した図である。
図1において、A1は撮像部の中心に断面図で、A2は周辺の断面図であり、図3において、B1は撮像部の中心に断面図で、B2は周辺の断面図である。
また、図4において、S11〜S22は処理ステップを示す。
図1から図3において、110はカメラレンズ、115は光軸、120は撮像素子、125は感光部、130、131、132は屈折部、132Aは底上げ部、132Bはレンズ部、135は(屈折部の)法線、137は光軸平行な線、140はカラーフィルタ、150は遮光部、160は光線、171、172は平坦化層である。
【0013】
本発明の撮像装置の実施の形態の第1の例を、図1に基づいて説明する。
第1の例の撮像装置は、カメラレンズ110と該カメラレンズを通った光の結像面に感光部125を2次元的に配列させている固体撮像素子120を備え、動画像または静止画像を出力する方式の撮像装置で、セルの中心において、中心セルではカメラレンズの光軸と平行な法線をもち、周辺セルに向かうにつれて、その法線の傾きが外側に向かい増大するように、各セルの受光部側表面に、透明材料からなる屈折部130を設けているもので、屈折部130は、その受光側の表面形状が各セルごとに平面をなしているものある。
尚、図1中、135は屈折部130の表面中心R(ここでは、セルの受光側の面の中心位置上である)における法線で、137は、光軸115に平行で屈折部130のRを通る線で、法線135のこの線137からの傾きθcを法線の傾きと言う。
θ1はRにおける入射角である。
そして、各セルにおけるセル中心の屈折部130の法線の傾きは、カメラレンズの中心P0から各セルの中心へ入射した光線が全て、Snellの法則にしたがって屈折した後、カメラレンズの光軸上の所定の1点Q0と各セルの感光部とを結ぶ直線上を進むようになり、且つ、屈折部と感光部とを対応づけてずらして配置しているものである。
固体撮像素子120としては、CCDイメージセンサあるいはCMOSイメージセンサが用いられる。
図2に示すように、第1の例の撮像装置においては、レンズの中心P0から各セル中心の屈折部130に入射され、屈折した光は、所定の1点Q0と各セルの対応する感光部120中心を結ぶ直線上を感光部120側に進むように設計されている。
即ち、第1の例においては、各屈折部130、各感光部120は、それぞれ、所定の均一のピッチにて配列されており、少なくともどちらか一方が均一ピッチとならない従来のものに比べ、設計上の制約は少なく、製造の困難性も少なくなる。
【0014】
本発明の撮像装置の実施の形態の第2の例を、図3に基づいて説明する。
第2の例の撮像装置は、図1に示す第1の例と同様、カメラレンズ110と該カメラレンズを通った光の結像面に感光部125を2次元的に配列させている固体撮像素子120を備え、動画像または静止画像を出力する方式の撮像装置で、セルの中心において、中心セルではカメラレンズの光軸と平行な法線をもち、周辺セルに向かうにつれて、その法線の傾きが内側に向かい増大するように、各セルの受光側表面に、透明材料からなる屈折部130(131、132に相当)を設けているものであるが、第2の例における屈折部130(131、132に相当)は、その受光側表面部にマイクロレンズを形成するものである。
尚、図3中、135は屈折部132(130)の表面中心R1(ここでは、セルの受光側の面の中心位置上である)における法線で、137は光軸115に平行で屈折部132(130)のR1を通る線で、法線135のこの線137からの傾きγcを法線の傾きと言う。
γ1はRにおける入射角である。
そして、第1の例と同様、レンズの中心から各セル中心の屈折部(131、132)に入射され、屈折した光は、所定の1点と各セルの対応する感光部120中心を結ぶ直線上を感光部120側に進むように設計されており、各屈折部(131、132)、各感光部120は、それぞれ、所定の均一のピッチにて配列されている。
尚、図3(b)において、屈折部132の内、132Aは底上げ部、132Bはレンズ部で、本例においては、レンズ部132Bを除去した場合、第1の例と同じものとなる。
【0015】
法線の傾きを設計する方法を、第2の例について、以下簡単に説明しておく。空気の屈折率をn1 (≒1)とし、説明を簡単にするため、ここでは、仮に、マイクロレンズを含めセル内部を充填する透明な材質の屈折率をn2 として離しを進める。
まず,周辺部を代表するセルをひとつ決め,これを代表セルとする。
代表セルにおけるマイクロレンズ中心からの法線の傾きを次のようにして決定する。
カメラレンス中心からその代表セルに至る光線の入射角をγ1 とする。
まず、マイクロレンズがないものとし、セル表面が水平面( すなわち法線がカメラレンスの光軸と平行) であったと仮定し、このときの屈折角をγ2 とする。
Snellの法則により、
n1 sin(γ1 )=n2 sin(γ2 )
である。
この式により、γ2 を算出することができる。
いま、カメラレンズの光軸および、上述の入射光線とを含む平面をSとする。セル表面の法線が平面S内に収まるというという制約の下で、セル表面を角度γcだけ傾ける。
これにより、向じ入射光線が先ほどの屈折角γ2よりも小さなγ2’になるようにしたい。
このγ2’は適当な値を与える。
垂直にしたい場合はγ2’=0とする。
そうすると、Snellの法則は
n1 sin(γ1 +γc)=n2 sin(γ2 +γc)
と記述される。
未知の変数γcが両辺に入っており、正弦関数の中身になっているので、これをー般的に解くことはできないので、ニュートン法などの数値解法を用いて.個別に数値解を求める。
これで、セル表面の傾斜角γcが決まる。
マイクロレンズ(図3(b)の132Bに相当)は,この傾いた平面上面の上に形成すると考えると、今、求めた法線がマイクロレンズの中心からの法線となる。
次に、代表セル以外のセルにおけるマイクロレンズの中心からの法線の傾きを次のようにして決定する。
これは、各セルごとに決めることになる。
いま、任意のひとつのセルを着目セルとし、また、代表セルの屈折した後の光路の延長とカメラレンズの光軸との交点をQ1とする。
カメラレンズの中心から着目セルに至る入射光が屈折してあたかも点Q1から放射されたかのごとく進むように、底上げ部(図3(b)の132Aに相当)の傾きを決める。
この際も、上述したのと同様に行うことができる。
この操作を、各セルについて行なう。
【0016】
次いで、第1の例あるいは、第2の例の撮像装置における屈折部(第1の例の130ないし第2の例の131、132)の形成方法を、以下簡単に説明する。尚、これをもって、本発明の撮像装置における屈折部の形成方法の実施の形態の1例に代える。
先ず、ウエハレベルの状態で、屈折部を形成する前の固体撮像素子に対し、その屈折部形成側に、屈折部形成用の素材である露光量に応じて残膜厚の変化する感光性材料層を塗布形成しておく。
次いで、感光性材料層を、露光波長では解像しない微細なドットパターンの分布状態により、露光する際の透過光量(露光量)分布を制御するフォトマスクで、且つ、形成する屈折部の形状に合せて作製されたフォトマスクを用いて露光して、現像して、屈折部を形成する。
露光は、通常ステッパーを用いて、繰り返し露光により行なう。
簡単には、以上のように、屈折部形成用の素材である露光量に応じて残膜厚の変化する感光性材料層をフォトリソ工程により加工して、撮像素子上に所望の屈折部を形成する。
微細なドットパターンとしては、フォトマスクの透過光量(露光量)分布の面からは、露光波長では解像しないサイズで小さいものほど好ましいが、例えば、露光波長365nm(i線)の、1/5縮小投影レチクルマスクを対象とした場合には、光学的に解像性という面からは、NAが0. 63、σが0. 6で、シミュレーション計算からは900nm以下であることが必要である。
また、レジスト(感光性レジスト材料)がレンズ形成用材料であり、現像後のレジストの所望のプロファイルが、レンズ形状のプロファイルである場合(特に、CCDやCMOS等のイメージセンサの受光部上側への微小な集光レンズ(マイクロレンズアレイ)用のレンズのものである場合)、作製するレンズの曲面を表現するには、4μm角で、20×20ドットが必要とされているため、これを確保するには、1ドットのサイズは1000nm以下であることが求められる。しかし、フォトマスク作製の際に用いる描画用の露光機の性能上の制約もあり、現状では、1ドットサイズは300nm以上に制限されてしまう。
結局、微細なドットパターンのサイズは、光学的解像性の他、現像後のレジストの所望のプロファイル表現、フォトマスク作製の際に用いる描画用の露光機の性能上の制約を考慮して決める。
【0017】
以下更に、このようなフォトマスクの製造方法を説明しておく。
上記加工に用いられるフォトマスクは、順に、(a)屈折部形成用の素材である感光性材料層の現像後のレジストの所望のプロファイルを得るための、フォトマスクのパターンの露光量分布を得て、フォトマスクのパターン形成平面をX−Y座標として、その座標値x、yを関数として、目的とするフォトマスクの透過光量(露光量)分布を、Z座標上のz値として表す、透過光量(露光量)分布把握処理と、(b)露光においてフォトマスク面上は均一照度とし、前記Z座標上のz値に対応して、所定のアルゴリズムを用いて、露光波長では解像しない所定サイズのX−Y座標の領域毎に、該領域サイズのドットパターンの配置の有無を決め、パターンの配置が有と決められた、所定サイズのX−Y座標の領域には、ドットパターンを生成配置する、ドットパターンの生成処理とを行ない作成されたフォトマスクのパターンデータを用い、描画して形成する。
【0018】
本発明のパターンデータの作製方法とフォトマスクの作製を図4に基づいて説明する。
予め、所望の現像後のプロファイルを得る屈折部形成用の素材である感光性材料層(ここでは、感光性レジスト材料、あるいは単にレジストとも言う)と、この感光性材料層を露光する露光波長を決めておく。(S11、S12)
先ず、決められた感光性材料層を、所定の膜厚に前記現像後のプロファイルを形成する基板と同等の基板上に塗布し、各種露光量にて所定サイズの領域を露光し、現像して(S13)、露光量と感光性材料層の残膜厚の関係データを求める。(S14)
数式化した露光量と感光性材料層の残膜厚の関係データとしても良い。
感光性材料層としてポジレジストを用いる場合、透過光量(露光量のこと)と残膜厚の関係は、通常、図14のようになる。
尚、図14においては、透過光量(露光量)、残膜厚とも正規化して示してある。
作製する現像後の感光性材料層の像によっては、絵柄の形状や粗密によって、露光量と残膜厚の関係データが異なるため、絵柄状態に対応し、数種のデータ採り込みを行なう必要がある。
尚、必要な種類の、所望の現像後のプロファイルを得るための感光性レジスト材料の、露光量に対する残膜厚特性が分かっていれば、その都度、露光量と残膜厚の関係データを求めることは必ずしも必要ではない。
この露光量と感光性材料層の残膜厚の関係データを用い、被加工物の所望のプロファイル(S15)にあったフォトマスクのパターンの露光量分布を求める。(S16)
上記S13〜S15を経てS16に至る一連の処理が透過光量(露光量)分布把握処理である。
尚、通常は、得たいプロファイルの関数について、感光性材料層、露光系などに対して最適化した補正式をかける。
フォトマスクのパターン形成平面をX−Y座標として、その座標値x、yを関数として露光量分布をZ座標上のz値として表す。
ここでは、z=F(x、y)と表し、図5(a)に示すように求められるとする。
一方、フォトマスクの、決められた露光波長では解像しないパターン領域のサイズを所定サイズに決定しておく。(S17)
ここでは、X方向幅a、Y方向幅aとする。
先にも述べた通り、露光波長による光学的解像性の他、現像後のレジストの所望のプロファイル表現、フォトマスク作製の際に用いる描画用の露光機の性能上の制約を考慮して決める。
次いで、求められた、z=F(x、y)の関係データと、決められた露光波長では解像しないパターン領域のサイズとから、再現性のある所定のアルゴリズム(S18)を用いて、露光波長では解像しない所定サイズのドットパターンを、X−Y座標上、該サイズに分割された各領域毎に、配置の有無を決定する。(S19)
所定のアルゴリズムとしては、誤差分散法やオーダードディザ法が挙げられる。
そして、この決定に基づき、CADツールにより、X−Y座標上、所定の位置にドットパターンを配置してパターンデータを作製する。(S20)
上記の、S18〜S20に至る一連の処理がドットパターンの生成処理である。
このようにして、パターンデータを作製することができるが、図5(a)に示す露光量分布、z=F(x、y)に対応するパターンデータは、図5(b)のようになる。
【0019】
ここで、所望の現像後のプロファイルを得る露光量分布が、図6(a)に示す露光量分布、z=F1(x、y)であり、各位置(x、y)のz値が図6(b)の表のようになる場合について、オーダードディザ法を適用する場合を、図7に基づいて、その手順のみを簡単に説明しておく。
図6(b)に示す表は図7(a)の表と同じであるが、図7(a)の表のように、各位置におけるz値は配列される。
一方、例えば、図7(a)に示す表の配列に合せ、図8に示す最大値を1とした4行×4列のディザ行列を1単位とし、図7(b)のように、この単位を3行×3列に配列させておく。
ここで、図7(a)の表の配列と、図7(b)の表の配列について、対応する位置毎に、その大小を比較し、図7(b)の表側が図7(a)側よりも小の場合1、そうでない場合を0として、図7(c)に示すように、同様の配列を求める。
ここでは、1の領域の場合はドットパターンを配置しない領域とし、0の領域の場合はドットパターンを配置する領域とする。
ドットパターンのX方向、Y方向サイズと図7(a)に示す各位置間距離とを同じとするほうが精度面で好ましいが、計算量が大きくなる。
尚、ドットパターンのX方向、Y方向サイズと図7(a)に示す各位置間距離を必ずしも同じとする必要はない。
また、ディザ行列には、図12に示すような様々なパターンが考えられ、得たい露光分布に合わせて適宜選択して使用する。
【0020】
次に、誤差分散法を適用する場合について説明する。
先ず、図9に基づいて、誤差分散法の手順を簡単に説明しておく。
例えば、表の横方向を、縦方向をX方向、Y方向とし、それぞれ、所定ピッチでセル(画素とも言い、ピッチに対応するサイズである)を設け、各セルに図9(a)のように、値が配列されている場合について、表の左上から右下方向にかけて以下の処理を順次行なう。
先ず、左上セルP0について、中間値(0. 5)を閾値とし、2値化を行なう。(図9(b)
左上セルP0の値0. 1は2値化により0となる。
次いで、このセルP0に隣接するセルに重み付け加算(あるいは減算)して、図9(c)のようになる。
図9(b)中、▲1▼、▲2▼、▲3▼は、セルP0に対し、重み付け加算(あるいは減算)する隣接セルとその値を示している。
次に、隣のセルP1にに移り、2値化、重み付け加算(あるいは減算)して図9(d)を得る。
更に、その隣のセルP2に移り、同様に、値化、重み付け加算(あるいは減算)して図9(e)を得る。
以降、図9(e)の矢印の方向に順次、各セルに対し、同様の処理を行ない、得られた結果が求めるものである。
【0021】
図6(b)に示す表の場合、図10のようになる。
即ち、図6(a)に示す露光量分布、Z=F1(x、y)の場合、図10に示す1の領域の場合はドットパターンを配置しない領域とし、図10に示す0の領域の場合はドットパターンを配置する領域とする。
上記は、図13(a)のように、表の左上から右下方向にかけて処理を順次行なったが、これに限定はされない。
図13(b)、図13(c)の方向で処理を行なっても良い。
【0022】
上記操作を、図13(b)(イ)、図13(b)(ロ)に示すような誤差分散行列を用いて、座標(0、0)からはじめて、順次全セルに対して繰り返す誤差分散方法もある。
f(x、y)を元データ、fnew(x、y)を誤差分散を行った後のデータ、g(x、y)を閾値0. 5で2値化したデータ、Exyを2値化により生じた誤差とした場合、それぞれの関係は、図11の(1)式〜(5)式のように表される。
これらの関係式に基づいて、上記と同様にして、図10に相当する配列を求めることもできる。
【0023】
次いで、上記のようにして作製された、ドットパターンを配置したパターンデータを用いて、電子線描画露光装置にて、フォトマスク用基板の遮光層上のレジストを露光描画し(S21)、所定の現像、エッチング等のプロセス処理を経て、本発明のフォトマスク(S22)を作製する。
このようにして作製されたフォトマスクを用い、露光して、例えば、屈折部形成用の被加工基板(イメージセンサ基板)上に屈折部形成用の素材である感光性材料層で屈折部を形成する場合、図15(a)に示すように、フォトマスク210のパターンを屈折部形成用の被加工基板上の屈折部形成用の素材である感光性材料層230に、縮小投影にて露光し、現像して、図15(b)のように、屈折部形成用の被加工基板240上に直接屈折部を得ることができる。
このようにして、屈折部の形成が行われる。
【0024】
【発明の効果】
本発明は、上記のように、CCDやCMOS等のイメージセンサーを撮像素子として備え、動画像または静止画像を出力する方式の撮像装置であって、従来の(図16に示す)撮像装置に比べ、その設計上の制約やその作製の困難さがより少なく、且つ、周辺のセルの感光部の受ける光量の低下防止の効果がより効果的である撮像装置の提供を可能とした。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の撮像装置の実施の形態の第1の例の概略構成図である。
【図2】図1に示す第1の例撮像装置における光路を説明するための図である。
【図3】図3(a)は本発明の撮像装置の実施の形態の第2の例の概略構成図で、図3(b)は屈折部の拡大図である。
【図4】本発明の撮像装置における屈折部の形成方法に用いるフォトマスクの形成方法の1例を示した概略工程図である。
【図5】図5(a)はフォトマスクのパターン形成平面をX−Y座標として、その座標値x、yを関数として、所望の露光する際の透過光量(露光量)分布をZ座標上の値zとして表した図で、図5(b)はフォトマスクパターンを表した図である。
【図6】図6(a)は現像後の屈折部形成用の素材である感光性材料層の所望のプロファイルを得るための、フォトマスクのパターンの露光量分布を表した図で、図6(b)は図6(a)に示す露光量分布における所定のX−Y座標位置でのZ座標上の値zの一覧を示した図である。
【図7】オーダードディザ法を説明するための図である。
【図8】最大値を1としたディザ行列を示した図である。
【図9】誤差分散法を説明するための図である。
【図10】図6に示す所定のX−Y座標位置でのZ座標上の値zの一覧に基づき誤差分散法を実施した結果を示した図である。
【図11】誤差分散行列を用いた誤差分散法を数式により説明するための図である。
【図12】各種のディザ行列の例を表した図である。
【図13】図13(a)は誤差分散法の各種走査方向を示した図で、図13(b)は各種誤差分散行列の例を示した図である。
【図14】現像後の屈折部形成用の素材である感光性材料層の残膜厚と透過光量の関係を示した図である。
【図15】マスクと屈折部形成用の素材である感光性材料層の残膜プロファイルとの関係を示した図である。
【図16】従来の撮像装置の1例の概略構成図である。
【図17】従来の微小な集光レンズの形成方法の工程を示した工程断面図である。
【符号の説明】
110 カメラレンズ
115 光軸
120 撮像素子
125 感光部
130、131、132 屈折部
132A 底上げ部
132B レンズ部
140 カラーフィルタ
150 遮光部
160 光線
171、172 平坦化層
210 フォトマスク
211 透明基板
212 遮光膜
220 露光光
230 屈折部形成用の素材である感光性材料層
235 現像後の屈折部形成用の素材である感光性材料層
240 屈折部形成用の被加工基板(イメージセンサ基板)
Claims (6)
- カメラレンズと該カメラレンズを通った光の結像面に感光部を2次元的に配列させている固体撮像素子を備え、動画像または静止画像を出力する方式の撮像装置であって、セルの受光側面の中心において、中心セルではカメラレンズの光軸と平行な法線をもち、周辺セルに向かうにつれて、その法線の傾きが外側に向かい増大するように、各セルの受光部側表面に、透明材料からなる屈折部を設けており、前記各セルにおけるセルの受光側面中心の前記屈折部の法線の傾きは、カメラレンズの中心P0から各セルの受光側面の中心へ入射した光線が全て、Snellの法則にしたがって屈折した後、カメラレンズの光軸上の所定の1点Q0と各セルの感光部とを結ぶ直線上を進むように設計され、屈折部と感光部とは対応づけてずらして配置していることを特徴とする撮像装置。
- 請求項1に記載の撮像装置であって、屈折部は、その受光側の表面形状が各セルごとに平面をなしているものであることを特徴とする撮像装置。
- 請求項1記載の撮像装置であって、屈折部は、その受光側表面部にマイクロレンズを形成するものであることを特徴とする撮像装置。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の撮像装置における屈折部の形成方法であって、屈折部を形成する前の固体撮像素子に対し、その屈折部形成側に、屈折部形成用の素材である露光量に応じて残膜厚の変化する感光性材料層を塗布形成した後、感光性材料層を、露光波長では解像しない微細なドットパターンの分布状態により、露光する際の透過光量(露光量)分布を制御するフォトマスクで、且つ、形成する屈折部の形状に合せて作製されたフォトマスクを用い露光して、現像して、形成するものであり、前記フォトマスクは、順に、(a)屈折部形成用の素材である感光性材料層の現像後のレジストの所望のプロファイルを得るための、フォトマスクのパターンの露光量分布を得て、フォトマスクのパターン形成平面をX−Y座標として、その座標値x、yを関数として、目的とするフォトマスクの透過光量(露光量)分布を、Z座標上のz値として表す、透過光量(露光量)分布把握処理と、(b)露光においてフォトマスク面上は均一照度とし、前記Z座標上のz値に対応して、所定のアルゴリズムを用いて、露光波長では解像しない所定サイズのX−Y座標の領域毎に、該領域サイズのドットパターンの配置の有無を決め、パターンの配置が有と決められた、所定サイズのX−Y座標の領域には、ドットパターンを生成配置する、ドットパターンの生成処理とを行ない作成されたフォトマスクのパターンデータを用い、描画して形成したものであることを特徴とする撮像装置における屈折部の形成する方法。
- 請求項4に記載の撮像装置における屈折部の形成方法であって、透過光量(露光量)分布把握処理は、屈折部形成用の素材である感光性材料層を露光し、現像して、得られた、露光量と感光性材料層の残膜厚の関係のデータと、所望の被加工物の形状のプロファイルとから、露光量に応じて残膜厚の変化する感光性材料層の現像後の感光性材料層の所望のプロファイルを得るための、フォトマスクのパターンの露光量分布を得るものであることを特徴とする撮像装置における屈折部を形成する方法。
- 請求項4ないし5のいずれか1項記載の撮像装置における屈折部の形成方法であって、所定のアルゴリズムが誤差分散法あるいはオーダードディザ法であることを特徴とする撮像装置における屈折部を形成する方法。
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