JP4479969B2 - 集光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、ディジタルカメラ等に使用される集光素子、固体撮像装置およびその製造方法に関し、特に同心構造の光透過膜を有する集光素子に関するものである。
ディジタルカメラやカメラ付携帯電話の普及に伴い、固体撮像装置の市場は著しく拡大してきた。このような流れの中、固体撮像装置に対する要望は、より高感度化/高画素密度化へと変化してきたが、近年はデジタルスチルカメラ/携帯電話などの薄型化に伴い、カメラ部分の薄型化に対する要望も強くなっている。これは言い換えれば、カメラ部分に用いるレンズが短焦点になるということであり、固体撮像装置に入射する光は広角(固体撮像装置の入射面の垂直軸から測定して大きな角度)になることを意味する。
現在、固体撮像装置として広く使用されているCCDやMOSイメージセンサでは、複数の受光部分を有する半導体集積回路を2次元に配列して、被写体からの光信号を電気信号に変換している。
固体撮像装置の感度は、入射光量に対する受光素子の出力電流の大きさによって定義されていることから、入射した光を確実に受光素子に導入することが感度向上のため重要な要素となっている。
図4は、従来の一般的な画素の基本構造の一例を示す図である。図4に示すように、マイクロレンズ61に垂直に入射した光(破線で示した光)59は、赤色光(R)、緑色光(G)、青色光(B)のうちのいずれかの光に対するカラーフィルタ2によって色分離された後、受光部6において電気信号への変換がなされる。このマイクロレンズ61は、比較的高い集光効率が得られることから、ほとんど全ての固体撮像装置において使用されている。
上記のマイクロレンズを使用した固体撮像装置において、各画素に対し、非対称にレンズを配置する構成例の提案がある(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1には、斜め入射光をセンサ部に導くことができる実施例が記載されている。
また、フレネルレンズを利用した固体撮像装置として、様々な技術が開示されている(例えば、特許文献2および3参照)。
特許文献2に開示されている技術は、レンズは同心円状に異なる屈折率を持つ複数の層からなり、中心部が最も屈折率が高く、周辺部になるにつれて順に屈折率が減少するように構成されている。また、特許文献3に開示された技術では、厚さ分布型レンズと、ドーピングによって連続的に屈折率分布を持たせた分布屈折率型レンズが利用されている。
特開2001−196568号公報 特開2000−39503号公報 特開平5−251673号公報
今後、広角入射に対応した固体撮像装置を開発するためには、特定の角度で入射する光を確実に受光素子へと導入する必要がある。
しかしながら、マイクロレンズでは、集光効率が信号光の入射角度に依存して低下する。つまり図4に示すように、マイクロレンズ61に垂直に入射してくる光59については高効率に集光することができるが、斜め入射の光(実線で示した光)60に対しては集光効率が減少するのである。これは、斜め入射の光60が、画素中のAl配線3に遮光されてしまい、受光素子6まで到達できないためである。
上述したように、固体撮像装置は、複数の画素の2次元配列で構成されているため、広がり角を持つ入射光の場合、中央の画素と周辺の画素とでは入射角が異なる(図1参照)。その結果、周辺の画素の集光効率が中央より低下するという問題が起こる。
図2は、従来における周辺の画素の構造例を示す図である。周辺の画素では、入射光の入射角度が大きくなるため、電気配線部分を固体撮像装置の中心方向にずらす(シュリンクさせる)ことによって、集光効率の向上を図っている。
図3は、従来のマイクロレンズを用いた固体撮像装置の集光効率の入射角度依存性を示す図である。図3に示すように、入射角度が20°程度までの光に対しては、高効率に集光できていることがわかる。しかしながら、それ以上の入射角度になると、効率は急激に減少する。結果として、周辺画素の光量は中央部分の約40%程度であり、素子全体の感度は周辺素子の感度に律速されているのが現状である。また、この値は画素サイズの減少に伴ってさらに低下するため、小型カメラのような短焦点光学系への応用が非常に困難になる。さらに、製造工程においては、これ以上の回路シュリンクができないといった問題が発生している。
さらに、フレネルレンズ形状などの微小な段差形状が固体撮像装置の表面にある場合は、製造時、特にダイシング加工のダストが微小な段差形状に堆積する等の問題が発生する。
また、フレネルレンズ形状などの微小な段差形状が固体撮像装置の表面にある場合は、集光素子の上部にカラーフィルタを設けることができない。
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、薄型カメラ用の焦点距離が短い光学系(入射角θが大きい光学系)にも対応した固体撮像装置を実現するため、現存のマイクロレンズよりも高角度の入射光を集光し得る光学素子構造、かつダストが堆積する等の問題が発生しない構造を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る集光素子は、屈折率が異なる4種類の材料の光透過膜から構成される集合体を備え、固体撮像装置の各画素に設けられる集光素子であって、前記集合体における一の光透過膜は、入射光の波長より短い幅および所定の厚さの同心状のリングであり、前記集合体における他の光透過膜は、前記一の光透過膜が存在していない空間の全部又は一部を同心状に充填するリングであり、前記集合体の屈折率と入射側媒質の屈折率との差分の最大値をΔnmaxとし、前記所定の厚さをL、前記入射光の波長をλとした場合に、ΔnmaxL=λを満たし、前記集合体の同心状の複数のリングのうち、中心のリングは最も高い高屈折率材料で構成され、外側のリングになるに従って順に低屈折率材料となっていることを特徴とする。
これにより、一の光透過膜の線幅およびその配置密度を変化させることによって、有効屈折率を変化させることが可能な分布屈折率型の集光素子を実現することができる。さらに、従来の半導体プロセスを踏襲して、微小な分布屈折率レンズを作製することができる。
また、前記集光素子において、前記集合体は、前記入射光の入射角度をθ、当該集合体の屈折率と入射側媒質の屈折率との差分の最大値をΔnmaxとし、予め決定された定数をA及びB及びCとした場合において、前記集合体における前記画素の中央に対応する位置から面内方向の距離xに依存する、前記集合体の屈折率と入射側媒質の屈折率との差分をΔn(x)とするとき、
Δn(x)=Δnmax[(Ax2+Bxsinθ)/2π+C](A、B、C:定数)
を満たすことを特徴とする。これにより、特定の角度で入射する光を任意の位置で集光することが可能となり、高集光効率な分布屈折率レンズを形成できる。
また、前記集光素子において、前記集合体の厚さをL、前記入射光の波長をλとした場合に、
ΔnmaxL=λ
をほぼ満たすように構成してもよい。これにより、前記分布屈折率レンズによる最大位相変調が入射光の1位相分となり、集光ロスが最小となることから、高効率な集光が可能となる。
本発明の固体撮像装置は、上記レンズ構造を有しているため、解像度ならびに感度の向上や製造工程の容易化を実現することができる。さらに、ダストの微小形状への堆積を防止することができる。
図1は、従来の固体撮像装置における画素配列の基本構造を示す図である。 図2は、従来の固体撮像装置の基本構造を示す図である。 図3は、従来のマイクロレンズを用いた固体撮像装置の集光特性を示す図である。 図4は、従来の固体撮像装置における画素の基本構造を示す図である。 図5は、実施の形態1における固体撮像装置の基本構造を示す図である。 図6は、実施の形態1における分布屈折率レンズの上面図の一例を示す図である。 図7は、実施の形態1における分布屈折率レンズの断面構造を示す図である。 図8は、実施の形態1におけるレンズの屈折率分布を示す図である。 図9は、実施の形態1における光の位相変調を示す図である。 図10(a)〜(h)は、実施の形態1における分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。 図11は、実施の形態1における画素配列の基本構造を示す図である。 図12(a)〜(c)は、実施の形態1における、光入射角度に依存した画素の基本構造を示す図である。 図13(a)〜(c)は、実施の形態1におけるレンズの屈折率分布を示す図である。 図14は、実施の形態1における分布屈折率レンズの上面図である。 図15は、実施の形態1におけるレンズの屈折率分布を示す図である。 図16は、実施の形態1における画素中の光伝播を示す図である。 図17は、実施の形態1における固体撮像装置の集光効率を示す図である。
以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら、さらに具体的に説明する。なお、以下の実施の形態において、本発明について図面を用いて説明するが、本発明をこれらに限定することを意図するものではない。
(実施の形態1)
図5は、本実施の形態における固体撮像装置の基本構造を示す図である。各画素(サイズ□2.8mm)は、分布屈折率レンズ(単に「レンズ」、又は「光透過膜」ともいう。)1、G用カラーフィルタ2、Al配線3、信号伝送部4、平坦化層5、受光素子(Siフォトダイオード)6、Si基板7から構成されている。
図6は、上記図1における分布屈折率レンズ1の上面図の一例である。同心円構造を有する分布屈折率レンズ1は、屈折率の異なる4種類の材料、TiO 2 SiN、SiO 2 気で構成されており、隣り合う円型光透過膜の外周の半径差14は、例えば200nm(この場合の単位幅は、100nm)である。また、膜厚は0.4μmである。
一般に、光が入射する入射窓領域の形状は、各画素の開口に合わせて四角形状となっている。入射窓領域が円形の場合、レンズとレンズの間に隙間ができるため、漏れ光が発生し、集光ロスの大きな原因となる。しかしながら、入射窓領域を四角とすると、画素全領域の入射光を集光することができるので、漏れ光は無くなり、集光ロスは低減する。
図7は、分布屈折率レンズ1の断面図の一例を示す図である。一般的な分布屈折率レンズでは、屈折率は光学中心15で最も高くなる。本実施の形態においても、光学中心15付近のリングは高屈折率材料TiO2で構成され、外側のリングになるに従って、SiN、SiO2、空気のように低屈折率材料を使用している。周期が入射光の波長と同程度か小さいときには、光が感じる有効屈折率は高屈折率材料と低屈折率材料の体積比によって算出できる。本構造の最大の特長は、隣り合う材料の組み合わせを変えるだけで、屈折率分布を自由自在に制御できることである。本実施の形態では、屈折率が異なる材料を用いることによる屈折率変化に加えて、隣り合う領域で構造の幅を変化させることによる屈折率変化も利用している。これによって、より木目細かい階調の屈折率分布を実現することができるため、集光効率は向上する。しかしながら、屈折率が異なる材料を用いることによる屈折率変化だけでも、高い集光効率を得ることができるため(3材料で、集光効率70%程度)。これによって、同心円構造を同一の抜き/残し幅で形成することができるようになるため、プロセスが容易になる。
このときの屈折率の変化は、図8のように表される。レンズの屈折率は、同心円の中心部分が最も高く、端になるに従って順に低くなる。放物線は、波長(550nm)の入射光を焦点距離f(4.43μm)で集光させるための屈折率分布を示しており、下の式で表される。
Δn(x)=Δnmax[(Ax2+Bxsinθ)/2π+C] (1)
(A、B、C:定数)
ここで、Δnmaxは、入射側媒質とレンズ材料との屈折率差(今回は1.43)である。また、上記(1)式は、入射側媒質の屈折率をn0、出射側媒質の屈折率をn1とするときに、
A=−(k01)/2f (1−1)
B=−k00 (1−2)
0=2π/λ (1−3)
のようにパラメータを設定できる。これにより、目的とする焦点距離ならびに対象とする入射光の入射角度、波長ごとにレンズを最適化することが可能となる。上記(1)式において、集光成分は画素中央からの距離xの2次関数によって表し、偏向成分は距離xと三角関数との積によって表している。なお、実際のレンズは3次元構造であるので、屈折率分布はx軸、y軸およびz軸空間上の関数として表されるが、ここでは、簡単化のために等価な2次元座標で表記している。
なお、上記図は、入射光の角度を0°としたときのレンズ構造を示した図であり、光学中心は各画素の中心と一致する。
また、入射光の波長をλ、光が集まる焦点距離をf、光の入射角度をθ、入射側媒質の屈折率をn0、出射側媒質の屈折率をn1とするとき、前記光透過膜の面内方向の距離xに依存する、前記光透過膜による位相変調Φ(x)が、
Figure 0004479969
をほぼ満たすことが望ましい。これにより、第1ゾーンのみで集光でき、集光ロスの少ない、高効率な集光が可能となる。
さらに、前記光透過膜による位相変調Φ(x)が、
Figure 0004479969
m=自然数
をほぼ満たすことが望ましい。これにより、複数ゾーンでの集光が可能となり、位相変調を大きくできるため、より高角度の入射光に強い集光素子が実現できる。
前記光透過膜の屈折率の最大値をn0+Δnmax、前記光透過膜の面内方向の屈折率分布においてn0に対する差分をΔn(x)とするとき、
Figure 0004479969
をほぼ満たすことが望ましい。これにより、特定の角度で入射する光を任意の位置で集光可能である、高集光効率な分布屈折率レンズを形成できる。
本実施の形態では、屈折率分布によって入射光を位相変調することによって、光の伝播方向を制御している。このとき、図9に示すように、上記(1)式でもたらされる位相変調は、第1ゾーン17だけでなく、第2ゾーン18、第3ゾーン19のように、上記(1)式を2πで分割して得られる不連続な位相変調となる。しかしながら、1位相毎にゾーンを区別しているため、実効的な位相変調は連続的な位相変調16と等しくなる。
また、複数ゾーンを有する光透過膜を形成するときの、各ゾーン境界での位相差を2πとするための条件は、レンズ厚をLとすると、
ΔnmaxL=λ (2)
となる。光透過膜が薄い場合は、一般には損失要因はないので、上記(2)式を満たしていれば、集光効率は100%となる。
図10(a)〜(h)は、分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。レンズ形成は、フォトリソグラフィーとエッチングによって行った。まず、通常の半導体プロセスを用いて、Si基板上に受光素子、および配線、遮光層、信号伝送部、カラーフィルタらなる半導体集積回路22(上記図10では描いていない。)を形成する。1画素のサイズは、2.8μm角であり、受光部は1.5μm角である。その後に、スパッタ装置を用いて、SiO2膜21を形成し、その上にレジスト20を塗布する(図10(a))。その後、光露光23によって、パターニングを行う(図10(b))。SiO2膜とレジストの厚みはそれぞれ、0.5μm と0.5μmである。現像した後、エッチングを行い、画素表面に微細構造を形成する(図10(c))。レジストを除去した後、プラズマCVDを用いて、TiO2を堆積する(図10(d))。画素全域を被覆したTiO2層を、表面研磨によって取り除いた後(図10(e))、再びレジストを塗布し、光露光23によって、パターンを形成する(図10(f))。その後、エッチングを行って、CVDを用いてSiNを堆積させる(図10(g))。最終的に、画素表面を研磨することによって、TiO2、SiN、SiO2で構成された分布屈折率レンズが形成される。
本実施例では代表的な3種類の材料によるレンズ形成を試みたが、上記図10に示したフォトリソグラフィーまたは電子リソグラフィーとエッチングとを組み合わせた工程を用いることにより、さらなる多種類の材料でレンズを構成することが可能である。
図11は、本実施の形態に係る、VGA使用(31万画素)の固体撮像装置における画素配列の様子を示す図である。信号光26は、光学レンズ27によって集光され、分布屈折率レンズを有する固体撮像装置28上に照射される。受光素子と配線等からなる半導体集積回路8ならびに分布屈折率レンズが2次元配列している固体撮像装置においては、中心部分の画素と周辺部分の画素とでは、光の入射角度が異なる。中心部分ではほぼ0°入射であるのに対して、周辺部分では約30°入射となる。そこで、本実施の形態では、固体撮像装置の中央から周辺部分にかけて、各画素に入射する最も光強度の強い入射光成分に対応する分布屈折率レンズを形成した。それぞれのレンズは、撮像装置上の画素の位置によって、レンズ構造を最適化し、最も集光効率が高くなるようにしている。
図12(a)〜(c)は、本実施の形態における、光入射角度(画素位置)に依存した画素の基本構造を示す図である。本レンズは、入射光に対して上記(1)式で表される屈折率分布を有している。入射窓に入射角0°で入射してくる光33、入射角α/2°で入射してくる光34、入射角α°で入射してくる光35は、それぞれ0°入射光用分布屈折率レンズ36、α/2°入射光用分布屈折率レンズ37、α°入射光用分布屈折率レンズ38によって集光され、カラーフィルタ2を通過して、受光部で電気信号への変換が行われる。
本発明に係る分布屈折率レンズでは、入射光の波長によって各画素のレンズ構造を最適化することが可能であることから、入射角度による集光効率の違いはなく高効率に集光することができる。0°入射光用分布屈折率レンズでは、同心円の中心が画素中央部分にあるのに対して、入射角度が増加すると、円の中心は光の入射側にシフトしていく。
これは、上記(1)式に示されているように、屈折率分布の2次曲線の最大値が、入射角度qの増加に伴って、光入射側にシフトするためである(図13参照)。
このとき、屈折率の異なる材料で構成されたレンズの構造は、画素領域に対して非対称となる(図14参照)。さらに、図15に示すように、屈折率の分布は周期ごとに構成材料が異なるため離散的な値をとるが、周期が入射光の波長より十分に短い場合には、散乱成分がなくなり、連続的な屈折率分布が形成される。
また、上記(1−3)、(2)式から明らかなように、位相変調は対象とする光の波長によって異なる。これは各画素に入射する光の色に応じて、最適なレンズ構造を持つことを意味している。本実施の形態において、波長0.45μm、0.55μm、0.65μmの光を、それぞれの色用のレンズ構造を有する画素に入射した場合、いずれも80%程度の高い集光効率を示すことがわかっている。
図16は、入射角度40°の入射光に対する、画素中における光伝播プロファイルのシミュレーション結果を示す図である。入射光の伝播方向はレンズ通過時に曲げられ、第1の配線層(遮光層)で焦点を結び、その後受光素子まで伝播していく様子が確認できる。これは、上記(1)式に従って作製したレンズを用いることにより、光を効率よく受光素子へと伝播させることが可能であることを示唆している。
図17は、本実施の形態における固体撮像装置の集光効率の角度依存性を示した図である。横軸の角度は、固体撮像装置に入射する光の角度を示しており、0°が中心部分、30°以上が周辺画素を意味している。マイクロレンズを用いた固体撮像装置の集光効率が入射角度20°付近の画素から急激に低下するのに対して、本発明に係る分布屈折率レンズでは、周辺画素においても、集光効率は60%を保っている。図17からも明らかなように、本発明に係る分布屈折率レンズは、マイクロレンズと比較して、入射光の角度依存性に強い(即ち、集光効率が入射光の角度にそれほど依存しない。)ことがわかる。これにより、入射角度の増加に伴う集光効率の低下を緩和することができることから、携帯電話用カメラ等の短焦点光学系への応用が期待できる。
本発明に係る固体撮像装置は、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、およびカメラ付携帯電話などに利用が可能である。
1 分布屈折率レンズ
2 カラーフィルタ
3 Al配線
4 電気信号伝送部
5 平坦化層
6 受光素子(Siフォトダイオード)
7 Si基板
8 半導体集積回路
9 入射光
10 TiO2(n=2.43)
11 SiN (n=2.0)
12 SiO2(n=1.45)
13 空気(n=1.0)
14 周期(0.2μm)
15 レンズ中心
16 位相変調
17 第1ゾーン
18 第2ゾーン
19 第3ゾーン
20 レジスト
21 SiO2
22 半導体集積回路(前記2〜7によって構成)
23 電子線描画
24 エッチング
25 TiO2
26 入射光
27 光学レンズ
28 固体撮像装置
29 装置中央部の入射光
30 装置中央部画素用分布屈折率レンズ
31 装置周辺部の入射光
32 装置周辺部画素用分布屈折率レンズ
33 入射光(0°入射)
34 入射光(α/2°入射)
35 入射光(α°入射)
36 0°入射光用分布屈折率レンズ
37 α/2°入射光用分布屈折率レンズ
38 α°入射光用分布屈折率レン
54 入射光
55 光学レンズ
56 固体撮像装置
57 斜め入射光
58 マイクロレンズ
59 垂直入射光
60 斜め入射光
61 マイクロレン

Claims (1)

  1. 屈折率が異なる4種類の材料の光透過膜から構成される集合体を備え、固体撮像装置の各画素に設けられる集光素子であって、
    前記集合体における一の光透過膜は、入射光の波長より短い幅および所定の厚さの同心状のリングであり
    前記集合体における他の光透過膜は、前記一の光透過膜が存在していない空間の全部又は一部を同心状に充填するリングであり
    前記集合体の屈折率と入射側媒質の屈折率との差分の最大値をΔnmaxとし、前記所定の厚さをL、前記入射光の波長をλとした場合に、
    ΔnmaxL=λ
    を満たし、
    前記集合体の同心状の複数のリングのうち、中心のリングは最も高い高屈折率材料で構成され、外側のリングになるに従って順に低屈折率材料となっており、
    前記入射光の入射角度をθとし、予め決定された定数をA及びB及びCとした場合において、
    前記集合体における前記画素中央に対応する位置から面内方向の距離xに依存する、前記集合体の屈折率と入射側媒質の屈折率との差分をΔn(x)とするとき、
    Δn(x)=Δnmax[(Ax2+Bxsinθ)/2π+C](A、B、C:定数)
    を満たす
    ことを特徴とする集光素子。
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