JP7301530B2 - 光学装置および機器 - Google Patents
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Description
本発明は、レンズを備える光学装置に関する。
ＣＭＯＳイメージセンサーなどの光学装置では、オンチップのレンズアレイによる集光が行われる。オンチップのレンズアレイはシリコン化合物層で構成されうる。特許文献１には、層内レンズが、窒化シリコン層と酸化シリコン層とが交互に積層された構造を有することが開示されている。
特許文献１では、窒化シリコン層と酸化シリコン層の間での光の損失や、収差の悪化により、十分な光学特性を得ることができない。そこで本発明は、レンズアレイの光学特性を向上した光学装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための手段は、基体と、前記基体の上に配列された複数のレンズと、を備える光学装置であって、複数のレンズの各々のレンズの凸面または凹面を成す曲面は、少なくとも、珪素および窒素を含む第１層と、珪素および窒素を含む第２層と、で定義されており、前記第１層は前記第２層と前記基体との間に設けられており、前記第１層と前記第２層との間に、前記第１層および前記第２層とは組成が異なる第３層が設けられており、前記第３層の厚さは前記第１層の厚さおよび前記第２層の厚さよりも小さく、前記第３層の厚さは前記第１層の厚さの１／１０以下であり、前記第３層の厚さは前記第２層の厚さの１／１０以下であり、前記第２層は前記複数のレンズの間で不連続である、ことを特徴とする。
また、別の手段は、基体と、前記基体の上に配列された複数のレンズと、を備える光学装置であって、複数のレンズの各々のレンズの凸面または凹面を成す曲面は、少なくとも、珪素および窒素を含む第１層と、珪素および窒素を含む第２層と、で定義されており、前記第１層は前記第２層と前記基体との間に設けられており、前記第１層と前記第２層との間に、前記第１層および前記第２層とは組成が異なる第３層が設けられており、前記第３層の厚さは前記第１層の厚さおよび前記第２層の厚さよりも小さく、前記第３層における酸素濃度が、前記第１層における酸素濃度および前記第２層における酸素濃度よりも高く、前記第２層は前記複数のレンズの間で不連続である、ことを特徴とする。
また、別の手段は、基体と、前記基体の上に配列された複数のレンズと、を備える光学装置であって、複数のレンズの各々のレンズの凸面または凹面を成す曲面は、少なくとも、珪素および窒素を含む第１層と、珪素および窒素を含む第２層と、で定義されており、前記第１層は前記第２層と前記基体との間に設けられており、前記第１層と前記第２層との間に、前記第１層および前記第２層とは組成が異なる第３層が設けられており、前記第３層の厚さは前記第１層の厚さおよび前記第２層の厚さよりも小さく、前記第３層における酸素濃度が、前記第１層における酸素濃度および前記第２層における酸素濃度よりも高く、前記第２層は前記複数のレンズの間で不連続である、ことを特徴とする。
本発明によれば、複数のレンズの光学特性を向上した光学装置を提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。なお、以下の説明および図面において、複数の図面に渡って共通の構成については共通の符号を付している。そのため、複数の図面を相互に参照して共通する構成を説明し、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。
図１（ａ）は、光学装置９３０の一例の断面模式図を示す。光学装置９３０は基体１０と、レンズアレイ２００とを備える。レンズアレイ２００は基体１０の上にて複数のレンズ２０１、２０２、２０３が配列されてなる。複数のレンズ２０１、２０２、２０３の各々は、レンズの屈折面としての凸面または凹面を成す曲面（以下、レンズ曲面と称する）を有する。図１（ａ）では、レンズ曲面を、複数のレンズ２０１、２０２、２０３が矢印で指す点線で示している。本例では、レンズ２０１、２０２、２０３はそれぞれ上凸の平凸レンズであるから、レンズ２０１、２０２、２０３のレンズ曲面は、基体１０の側とは反対側の凸面である。レンズ曲面は、少なくとも、珪素（Ｓｉ）および窒素（Ｎ）を含む層である窒化シリコン層２１と、珪素（Ｓｉ）および窒素を含む層（Ｎ）である窒化シリコン層２２と、で構成されている。窒化シリコン層２１と窒化シリコン層２２との間に窒化シリコン層２１および窒化シリコン層２２とは組成が異なる中間層２３が設けられている。窒化シリコン層２１が窒化シリコン層２２と基体１０との間に位置する。ここで、比較対象となる２つの層の「組成」が異なることは、２つの層の構成元素の少なくとも１つの元素の有無が異なる、つまり、２つの層の全構成元素が完全一致しないことを包含する。また、比較対象となる２つの層の「組成」が異なることは、２つの層の全構成元素が完全一致する場合、または、２つの層の全構成元素が完全一致しない場合であって、少なくとも１つの元素の濃度が異なることを包含する。
珪素（Ｓｉ）および窒素（Ｎ）を含む層である窒化シリコン層２１、２２はその可視光に対する透過率、純粋な酸化シリコンや典型的な透明樹脂よりも高い屈折率を有する点でレンズ２０１、２０２、２０３の材料として適切である。レンズ２０１、２０２、２０３のパワーを高めるためにはレンズ２０１、２０２、２０３の高さを高くすることが有効である。その場合に、レンズ２０１、２０２、２０３を厚い単層の窒化シリコン層で構成すると、厚い単層の窒化シリコン層の内部応力が大きくなる。図１（ａ）には窒化シリコン層２１の厚さＴａと窒化シリコン層２２の厚さＴｂとを示している。仮に中間層２３がない場合、窒化シリコン層２１と窒化シリコン層２２とが連続することになり、厚さＴａ＋Ｔｂの厚い単層の窒化シリコン層でレンズアレイ２００が構成されることになる。窒化シリコン層の厚さが大きければ大きいほど、窒化シリコン層の内部応力が大きくなる。窒化シリコン層の内部応力が大きくなると、レンズアレイ２００に生じる歪みによって、レンズアレイ２００の光学特性が低下する。これに対して、窒化シリコン層２１と窒化シリコン層２２との間に中間層２３を設けることで、窒化シリコン層２１と窒化シリコン層２２とを不連続にし、内部応力の増大を抑制している。つまり、中間層２３は窒化シリコン層２１と窒化シリコン層２２との間の応力緩和層として機能しうる。窒化シリコン層２１と窒化シリコン層２２とが組成的に不連続であればよいので、中間層２３の組成がおよび窒化シリコン層２１と窒化シリコン層２２の組成と異なっていればよい。
中間層２３の厚さＴｃは窒化シリコン層２１の厚さＴａよりも小さいこと（Ｔｃ＜Ｔａ）が好ましい。中間層２３の厚さＴｃは窒化シリコン層２２の厚さＴｂよりも小さいこと（Ｔｃ＜Ｔｂ）が好ましい。中間層２３の厚さＴｃを窒化シリコン層２１の厚さＴａや窒化シリコン層２２の厚さＴｂよりも小さくすることで、中間層２３による光学的影響を、窒化シリコン層２１、２２による光学的影響よりも少なくすることができる。仮に中間層２３の厚さＴｃを、窒化シリコン層２１の厚さＴａ以上、かつ、窒化シリコン層２２の厚さＴｂ以上にすると、中間層２３での光の屈折が窒化シリコン層２１での光の屈折と窒化シリコン層２２での光の屈折に対して無視できないほど大きくなる。そのため、球面収差、コマ収差、非点収差などの収差が生じて、レンズ２０１、２０２、２０３の光学特性が低下する。中間層２３の厚さＴｃを、窒化シリコン層２１の厚さＴａ未満、かつ、窒化シリコン層２２の厚さＴｂ未満にすることで、光学特性を向上できる。例えば、中間層２３内での光路長を、窒化シリコン層２１、２２内での光路長よりも短くすることができるため、中間層２３内での屈折の影響は窒化シリコン層２１、２２内での屈折の影響よりも小さくできる。なお、厳密には中間層２３はレンズ曲面を構成しうるが、中間層２３がレンズ曲面を構成することは本質的でない。なぜなら、本実施形態の思想として、レンズにおける主たる屈折体は窒化シリコン層２１と窒化シリコン層２２であって、中間層２３がレンズにおける屈折体として実質的な機能を有しないことが理想的であるからである。
中間層２３の厚さＴｃは窒化シリコン層２１の厚さＴａの１／１０以下でありうる（Ｔｃ≦Ｔａ／１０）。中間層２３の厚さＴｃは窒化シリコン層２１の厚さＴｂの１／１０以下でありうる（Ｔｃ≦Ｔｂ／１０）。中間層２３の厚さＴｃは窒化シリコン層２１の厚さＴａと窒化シリコン層２２の厚さＴｂの和の１／１０以下でありうる（Ｔｃ≦（Ｔａ＋Ｔｂ）／１０）。中間層２３の厚さＴｃは窒化シリコン層２１の厚さＴａと窒化シリコン層２２の厚さＴｂの和の１／１００以下でありうる（Ｔｃ≦（Ｔａ＋Ｔｂ）／１００）。窒化シリコン層２１の厚さＴａと窒化シリコン層２２の厚さＴｂの和は例えば８００ｎｍ以上であり（Ｔａ＋Ｔｂ≧８００ｎｍ）、例えば１０００ｎｍ以上である（Ｔａ＋Ｔｂ≧１０００ｎｍ）。窒化シリコン層２１の厚さＴａは、例えば１００ｎｍ以上であり、例えば３００ｎｍ以上であり、例えば５００ｎｍ以上であり、例えば１０００ｎｍ以下であり、例えば８００ｎｍ以下である。窒化シリコン層２２の厚さＴｂは、例えば１００ｎｍ以上であり、例えば３００ｎｍ以上であり、例えば１０００ｎｍ以下であり、例えば８００ｎｍ以下であり、例えば５００ｎｍ以下である。窒化シリコン層２２の厚さＴｂが窒化シリコン層２１の厚さＴａよりも小さくなりうる（Ｔａ＞Ｔｂ）。中間層２３の厚さＴｃは２０ｎｍ未満でありうる（Ｔｃ＜２０ｎｍ）。中間層２３の厚さＴｃが２０ｎｍ未満であれば、可視光に対する中間層２３の光学的な影響をほとんど無視できるようになる。中間層２３の厚さＴｃは、レンズ２０１、２０２、２０３に入射する光の波長λ、中間層２３の屈折率Ｎｃに対して、Ｎｃ×Ｔｃ＜λ／１０であることが好ましい。Ｎｃ×Ｔｃは中間層２３の光学膜厚である。化学量論的組成の窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）の屈折率を２．０、化学量論的組成の窒化シリコン（ＳｉＯ２）の屈折率を１．５とすると、窒化シリコン層が酸化されて形成された中間層２３の屈折率は１．５～２．０である。ここで、入射光が可視光である場合を考える。なお、可視光の波長は４００～８００ｎｍであるものとする。厚さＴｃが２０ｎｍ未満であれば、中間層２３の屈折率が２．０以下でありさえすれば、入射光の波長が４００ｎｍ以上の場合に、Ｎｃ×Ｔｃ＜λ／１０を満たす。中間層２３の厚さＴｃは５ｎｍ以下でありうる（Ｔｃ≦５ｎｍ）。屈折率Ｎｃが８．０である中間層２３を仮定すると、入射光の波長が４００ｎｍ以上の場合に、厚さＴｃが５ｎｍ未満であれば、Ｎｃ×Ｔｃ＜λ／１０を満たす。よって、仮に中間層２３が単結晶シリコン（屈折率は５．６～３．５）のような高屈折率材料であったとしても、波長が４００ｎｍ以上である入射光に対して、中間層２３は屈折による光学特性への影響をほとんど生じない。なお、仮に中間層２３が光を吸収する特性があったとしても、厚さＴｃが２０ｎｍ未満であれば、光の吸収による損失は無視できるし、厚さＴｃが５ｎｍ未満であれば、なおさらである。中間層２３は少なくとも単原子層よりも厚く、中間層２３の厚さＴｃは１Å以上でありうる（Ｔｃ≧１Å）。中間層２３の厚さＴｃは１ｎｍ以上でありうる（Ｔｃ≧１ｎｍ）。
窒化シリコン層２１と中間層２３との間の距離は中間層２３の厚さよりも小さくなりうる。本例において窒化シリコン層２１と中間層２３は互いに接しており、窒化シリコン層２１と中間層２３との間の距離はゼロである。窒化シリコン層２２と中間層２３との間の距離は中間層２３の厚さよりも小さくなりうる。本例において窒化シリコン層２２と中間層２３は互いに接しており、窒化シリコン層２２と中間層２３との間の距離はゼロである。
光学装置９３０は、レンズの曲面に沿って設けられた反射防止層２４を備えうる。本例の反射防止層２４は珪素と窒素と酸素を含む層（酸窒化シリコン層）である。光学装置９３０は、レンズアレイ２００に対して基体１０の側とは反対側に設けられた平坦化層２５を備えうる。本例の平坦化層は珪素と酸素を含む層（酸化シリコン層）であるが、樹脂を含む層（樹脂層）であってもよい。平坦化層２５の下面はレンズ曲面に沿った形状を有し、平坦化層２５の上面は平坦化層２５の下面よりも平坦であり、平坦化層２５の上面はレンズ曲面よりも平坦である。本例の反射防止層２４は平坦化層２５とレンズアレイ２００との間に配されており、平坦化層２５からレンズアレイ２００へ入射する光の反射を抑制する。反射防止層２４を省略して、平坦化層２５がレンズアレイ２００に接するようにすることもできる。平坦化層２５を省略して、空気等の外部媒質からレンズアレイ２００へ入射するように構成することもでき、その場合にも反射防止層２４を設けることは有用である。反射防止層２４の屈折率は、レンズ曲面を構成する窒化シリコン層２１、２２の屈折率と、レンズアレイ２００に対して、光が入射する側の媒質（本例では平坦化層２５）の屈折率との間の屈折率を有することが好ましい。反射防止層２４と平坦化層２５をともに省略し、外部媒質からレンズアレイ２００へ光が直接的に入射するように構成することもできる。
反射防止層２４の厚さＴｄは窒化シリコン層２１の厚さＴａよりも小さくてよい（Ｔｄ＜Ｔａ）。反射防止層２４の厚さＴｄは窒化シリコン層２２の厚さＴｂよりも小さくてよい（Ｔｄ＜Ｔａ）。反射防止層２４の厚さＴｄが中間層２３の厚さＴｃよりも大きいことが好ましい（Ｔｃ＜Ｔｄ）。また、このように中間層２３の厚さＴｃを他の層よりも小さくすることで、中間層２３以外の層が生じる光学的な作用に比べて、中間層２３が生じうる光学的な作用を小さくし、中間層２３の光学的な影響を小さくすることができる。反射防止層２４の厚さＴｄは、例えば１００ｎｍ以下であってよく、２０ｎｍ以上であってよく、５０ｎｍ以上であってよい。窒化シリコン層２１と反射防止層２４との間の距離は窒化シリコン層２２の厚さＴｂよりも小さくなりうる。窒化シリコン層２１と反射防止層２４との間の距離は反射防止層２４の厚さＴｄよりも小さくなりうる。本例において窒化シリコン層２１と反射防止層２４は互いに接しており、窒化シリコン層２１と反射防止層２４との間の距離はゼロである。窒化シリコン層２２と反射防止層２４との間の距離は反射防止層２４の厚さＴｄよりも小さくなりうる。本例において窒化シリコン層２２と反射防止層２４は互いに接しており、窒化シリコン層２２と反射防止層２４との間の距離はゼロである。
反射防止層２４がレンズアレイ２００のレンズ曲面に沿った凹凸を有する。一方、反射防止層２４が凹凸を有するのと対照的に、中間層２３は基体１０の主面に沿って平坦であり、反射防止層２４の凹凸よりも、中間層２３の基体１０からの高低差が小さい。反射防止層２４の凹凸は、窒化シリコン層２１、２２が有する、窒化シリコン層２１、２２の厚さＴａ、Ｔｂ以下の凹凸に起因するものである。中間層２３は中間層２３の基体１０からの高低差が窒化シリコン層２１の厚さＴａよりも小さくなりうる。中間層２３の基体１０から高低差が窒化シリコン層２２の厚さＴｃよりも小さくなりうる。
平坦化層２５や反射防止層２４は、複数のレンズ２０１、２０２、２０３の間に位置する部分（中間部分）部分を有する。この中間部分と基体１０との間に、レンズ２０１、２０２、２０３を構成する層が延在部分２０４、２０５、２０６、２０７を有するように位置している。本例では、延在部分２０４、２０５、２０６、２０７は窒化シリコン層２１によって構成されている。つまり、中間部分と、基体１０との間に窒化シリコン層２１が延在している。延在部分２０４、２０５、２０６、２０７を中間層２３や窒化シリコン層２２で構成することもできる。しかしながら、本例のように、窒化シリコン層２２が複数のレンズ２０１、２０２、２０３の間で不連続であることが好ましい。
また、本例のように、中間層２３が複数のレンズ２０１、２０２、２０３の間で不連続であることが好ましい。窒化シリコン層２２や中間層２３が複数のレンズ２０１、２０２、２０３の間で不連続となるような位置に、窒化シリコン層２２や中間層２３を配置することは、複数のレンズ２０１、２０２、２０３の光学特性を向上するうえで有利である。延在部分２０４、２０５、２０６、２０７における窒化シリコン層２１の厚さＴｅはレンズ２０１、２０２、２０３における窒化シリコン層２１の厚さＴａよりも小さくなりうる（Ｔｅ＜Ｔａ）。例えば、厚さＴｅは厚さＴａの１／２以下であってよく、厚さＴｅは厚さＴａの１／３以下であってよく、厚さＴｅは厚さＴａの１／４以上であってよい。延在部分２０４、２０５、２０６、２０７における窒化シリコン層２１の厚さＴｅは窒化シリコン層２２の厚さＴｂよりも小さくなりうる（Ｔｅ＜Ｔｂ）。例えば、厚さＴｅは厚さＴｂの１／２以下であってよく、厚さＴｅは厚さＴｂの１／４以上であってよい。厚さＴｅは厚さＴｄよりも大きくてよい（Ｔｄ＜Ｔｅ）。厚さＴｅは例えば１００ｎｍ以上であり、例えば５００ｎｍ以下であり、例えば３００ｎｍ以下である。
図１（ｂ）には、窒化シリコン層２１、２２と中間層２３と反射防止層２４と平坦化層２５を含む部分における珪素（Ｓｉ）と窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）のそれぞれの濃度の分布を示している。ここで、特に明記しない場合に濃度の単位はａｔｏｍ％（原子％）であり、ａｔｏｍ％で表される濃度を相対濃度と称し、ａｔｏｍ／ｃｍ３で表される濃度を絶対濃度と称する。相対濃度の分母は軽元素を除く元素の原子の個数である。
図１（ｂ）に示した濃度分布を説明するため、各層２１、２２、２３、２４、２５について、各層の符号をＱとして、珪素濃度を“Ｓｉ［Ｑ］”と表し、窒素濃度を“Ｎ［Ｑ］”、酸素濃度を“Ｏ［Ｑ］”とする。例えば窒化シリコン層２１の窒素濃度は、Ｑ＝２１なのでＮ［２１］で表され、中間層２３の酸素濃度はＱ＝２３なのでＯ［２３］で表される。図１（ｂ）から理解されるように、珪素濃度の関係は、例えばＳｉ［２５］＜Ｓｉ［２４］＜Ｓｉ［２３］＜Ｓｉ［２１］＝Ｓｉ［２２］を満たしうる。窒素濃度の関係は、例えばＮ［２５］＜Ｎ［２４］＜Ｎ［２３］＜Ｎ［２１］＝Ｎ［２２］を満たしうる。酸素濃度の関係は、例えばＯ［２１］＝Ｏ［２２］＜Ｏ［２３］＜Ｏ［２４］＜Ｏ［２５］を満たしうる。各層２１、２２、２３、２４、２５の組成がこの関係の少なくとも一部を満足することは、複数のレンズの光学特性を向上するうえで有利である。
中間層２３は酸素を含みうる。中間層２３における酸素濃度が、窒化シリコン層２１における酸素濃度よりも高い。また、中間層２３における酸素濃度が、窒化シリコン層２２における酸素濃度よりも高い。本例の中間層２３は窒化シリコン層の表面が自然酸化することによって形成されている。そのため、中間層２３は珪素、窒素および酸素を含みうる。中間層２３が窒化シリコンの自然酸化によって形成される場合、中間層２３の珪素濃度（ａｔｏｍ％）は窒化シリコン層２１、２２の珪素濃度よりも低くなりうる。中間層２３の酸素の絶対濃度は、窒化シリコン層２１、２２の酸素の絶対濃度よりも高い。また、中間層２３の窒素濃度（ａｔｏｍ％）は窒化シリコン層２１、２２の窒素濃度よりも低くなりうる。これは、元から存在する珪素と窒素に、自然酸化によって酸素が追加されたことによって相対的に珪素および窒素が減少するからである。そのため、中間層２３の窒素の絶対濃度は、窒化シリコン層２１、２２の窒素の絶対濃度と等しくてもよく、中間層２３の珪素の絶対濃度は、窒化シリコン層２１、２２の珪素の絶対濃度と等しくてもよい。中間層２３の組成の他の例として中間層２３は炭素を含みうる。炭素を含む中間層は窒化シリコン層の表面に有機物が吸着することによって形成されうる。その場合、中間層２３は珪素、窒素および炭素を含みうる。自然酸化および有機物の吸着の両方が生じてもよく、その場合、中間層２３は珪素、窒素、酸素および炭素を含みうる。中間層２３が任意の元素を含むように、成膜装置を用いて人工的に中間層２３を形成してもよい。自然酸化や吸着によって形成される中間層２３の厚さＴｃは５ｎｍ以下でありうる（Ｔｃ≦５ｎｍ）。
窒化シリコン層２１、２２が化学量論的組成を有する窒化シリコンからなる場合にはＳｉ３Ｎ４の組成となるが、窒化シリコン層２１、２２は非化学量論的組成を有していてもよい。窒化シリコン層２１、２２は、珪素および窒素よりも少ない、軽元素（水素（Ｈ）とヘリウム（Ｈｅ））以外の元素を含んでいてもよい。珪素および窒素の少なくとも一方よりも多い、軽元素以外の元素を含んでいてもよい。窒化シリコン層２１、２２が含みうる、軽元素以外の元素としては、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）、弗素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、アルゴン（Ａｒ）が例示される。窒化シリコン層２１、２２は珪素および窒素の少なくとも一方よりも多い軽元素（水素（Ｈ）とヘリウム（Ｈｅ））を含みうる。窒化シリコン層２１、２２が含む軽元素は珪素および窒素よりも少なくてもよい。
反射防止層２４の酸素濃度が中間層２３の酸素濃度よりも高くてもよい。中間層２３に含まれる酸素が多いと、中間層２３の屈折率と窒化シリコン層２１、２２の屈折率の差が大きくなり、窒化シリコン層２１と窒化シリコン層２２との間での光の反射が増大しうる。中間層２３の酸素濃度を酸窒化シリコン層である反射防止層２４の酸素濃度よりも低くすることで、窒化シリコン層２１と窒化シリコン層２２との間での光の反射を低減できる。
図１（ｂ）に記載した濃度分布における各元素の濃度の一例を説明する。下記に示した各層の元素濃度の範囲から、珪素濃度と窒素濃度と酸素濃度の和が１００ａｔｏｍ％を超えないように適宜調整することができる。窒化シリコン層２１および窒化シリコン層２２における珪素濃度は、例えば５０ａｔｏｍ％以上であり、例えば８０ａｔｏｍ％以下である。中間層２３における珪素濃度は、例えば１ａｔｏｍ％以上であり、例えば１０ａｔｏｍ％以上であり、例えば３０ａｔｏｍ％以上であり、例えば８０ａｔｏｍ％以下である。反射防止層２４および平坦化層２５における珪素濃度は、例えば２０ａｔｏｍ％以上であり、例えば６０ａｔｏｍ％以下である。窒化シリコン層２１および窒化シリコン層２２における窒素濃度は、例えば２０ａｔｏｍ％以上であり、例えば５０ａｔｏｍ％以下である。中間層２３における窒素濃度は、例えば１ａｔｏｍ％以上であり、例えば１０ａｔｏｍ％以上であり、例えば２０ａｔｏｍ％以上であり、例えば４０ａｔｏｍ％以下である。反射防止層２４における窒素濃度は、例えば１０ａｔｏｍ％以上であり、例えば４０ａｔｏｍ％以下である。平坦化層２５における窒素濃度は、例えば１０ａｔｏｍ％未満あり、例えば１ａｔｏｍ％未満であり、例えば０ａｔｏｍ％である。平坦化層２５における酸素濃度は、例えば５０ａｔｏｍ％以上であり、例えば８０ａｔｏｍ％以下である。反射防止層２４における酸素濃度は、例えば１０ａｔｏｍ％以上であり、例えば４０ａｔｏｍ％以下である。中間層２３における酸素濃度は、例えば１ａｔｏｍ％以上であり、例えば１０ａｔｏｍ％以上であり、例えば６０ａｔｏｍ％以下であり、例えば２０ａｔｏｍ％以下である。窒化シリコン層２１および窒化シリコン層２２における酸素濃度は、例えば１０ａｔｏｍ％未満あり、例えば１ａｔｏｍ％未満であり、例えば０ａｔｏｍ％である。
図２（ａ）～（ｆ）は、図１（ａ）で示した光学装置９３０の製造方法を工程順に示す断面模式図である。
図２（ａ）に示す工程ａでは、基体１０の上に窒化シリコン膜２１０を形成する。窒化シリコン膜２１０が後に窒化シリコン層２１になる。
図２（ｂ）に示す工程ｂでは、窒化シリコン膜２１０の上に、窒化シリコン膜２１０とは組成が異なる異組成膜２３０を形成する。異組成膜２３０が後に中間層２３になる。異組成膜２３０の厚さは窒化シリコン膜２１０の厚さよりも小さくすることができる。異組成膜２３０の厚さは窒化シリコン膜２１０の厚さの１／１０以下であることが好ましい。異組成膜２３０の厚さは窒化シリコン膜２１０の厚さの１／１００以下であることがより好ましい。異組成膜２３０は、窒化シリコン膜２１０の成膜装置のチャンバー内に空気等の酸素含ガスを導入することで、窒化シリコン膜２１０をチャンバー内で自然酸化することで形成することができる。異組成膜２３０は、窒化シリコン膜２１０の成膜装置のチャンバーから取り出して、基体１０の上に成膜された窒化シリコン膜２１０を空気等の酸素含ガスに晒すことで、窒化シリコン膜２１０を自然酸化することで形成することもできる。異組成膜２３０は、窒化シリコン膜２１０の成膜装置のチャンバー内の雰囲気中の有機物を窒化シリコン膜２１０に吸着させることで形成することもできる。異組成膜２３０は、窒化シリコン膜２１０の成膜装置、あるいは、窒化シリコン膜２１０の成膜装置とは別の成膜装置を用いて、窒化シリコン膜２１０の成膜条件とは異なる成膜条件で成膜することもできる。異組成膜２３０をスパッタ法、蒸着法、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、プラズマＣＶＤ法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法のいずれかを用いて形成することができる。
図２（ｃ）に示す工程ｃでは、異組成膜２３０の上に窒化シリコン膜２２０を形成する。窒化シリコン膜２２０が後に窒化シリコン層２２になる。窒化シリコン膜２２０の厚さは異組成膜２３０の厚さよりも大きくすることができる。窒化シリコン膜２２０の厚さは異組成膜２３０の厚さの１０倍以上であることが好ましい。窒化シリコン膜２２０の厚さは異組成膜２３０の厚さの１００倍以上であることがより好ましい。
窒化シリコン膜２１０、２２０は、スパッタ法、蒸着法、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、プラズマＣＶＤ法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法のいずれかを用いて形成することができる。レンズ２０１、２０２、２０３の窒化シリコン層２１、２２として良好な屈折率、透過率を実現するためには、窒化シリコン膜２１０、２２０をＣＶＤ法で形成することが好ましい。窒化シリコン膜２１０、２２０の成膜時の基体１０の熱膨張によって生じうる応力を考慮すると、窒化シリコン膜２１０、２２０を熱ＣＶＤ法よりもプラズマＣＶＤ法で形成することが好ましい。より厚い窒化シリコン膜２１０、２２０は、レンズ２０１、２０２、２０３の高さを高くする（厚くする）上で有利であり、また、レンズ２０１、２０２、２０３内に生じうる異種材料の界面の数を減らすうえでも有利である。そのため、窒化シリコン膜２１０、２２０の厚さは、例えば１００ｎｍ以上とすることができ、例えば３００ｎｍ以上とすることができ、例えば５００ｎｍ以上とすることができる。一方、窒化シリコン膜２１０、２２０が厚ければ厚いほど、窒化シリコン膜２１０、２２０に生じる応力が増大する。そこで、窒化シリコン膜２１０、２２０の厚さは、１０００ｎｍ以下とすることができ、例えば８００ｎｍ以下とすることができる。
図２（ｄ）に示す工程ｄでは、窒化シリコン膜２２０の上に被転写部材２４１、２４２、２４３を形成する。被転写部材２４１、２４２、２４３は後で形成されるレンズ２０１、２０２、２０３のレンズ曲面に対応した略半球状の曲面を有する。被転写部材２４１、２４２、２４３は例えば感光性樹脂からなる。曲面を有する被転写部材２４１、２４２、２４３は、感光性樹脂膜（フォトレジスト膜）をレチクル（フォトマスク）を用いて露光し、現像によってパターニングして形成された感光性樹脂パターンをリフローして形成することができる。あるいは、曲面を有する被転写部材２４１、２４２、２４３は、感光性樹脂膜を、ハーフトーンレチクルの透過率分布（階調）に応じて露光量分布が生じるように露光し、これを現像することで露光量分布に応じた膜厚分布を有するように形成されてもよい。いずれにしても、被転写部材２４１、２４２、２４３となる感光性樹脂を露光機によって露光する際には、下地である基体１０に形成したパターンと、レチクルとの位置合わせ（アライメント）が行われる。このアライメントの際に、被転写部材２４１、２４２、２４３の下地となる窒化シリコン膜の内部応力が大きいと、アライメト誤差が大きくなる。しかし、異組成膜２３０を介して窒化シリコン膜２１０と窒化シリコン膜２２０とを重ねることで、連続した窒化シリコン膜の厚さの増大を抑制し、被転写部材２４１、２４２、２４３の下地となる窒化シリコン膜の応力を低減することができる。その結果、重ね合わせ精度の低下を抑制できたり、アライメント精度が向上したりする。
図２（ｅ）に示す工程ｅでは、被転写部材２４１、２４２、２４３を用いて窒化シリコン膜２２０をエッチングする。この時、被転写部材２４１、２４２、２４３と窒化シリコン膜２２０のエッチング選択比が小さくなる条件（選択比は例えば１～１０）でエッチングを行うと、被転写部材２４１、２４２、２４３の曲面形状が窒化シリコン膜２２０に転写される。工程ｅでは異組成膜２３０が露出しうる。この段階では、窒化シリコン膜２２０の上には被転写部材２４１、２４２、２４３の一部が残存しうる。
図２（ｆ）に示す工程ｆでは、工程ｅに引き続き、窒化シリコン膜２２０と異組成膜２３０と窒化シリコン膜２１０のエッチングを行う。これにより、窒化シリコン膜２２０と異組成膜２３０と窒化シリコン膜２１０に被転写部材２４１、２４２、２４３の形状を転写し、レンズ２０１、２０２、２０３を形成する。工程ｆでは、工程ｅとエッチング条件を異ならせてもよいが、工程ｅと同じエッチング条件でエッチングを進めることができる。異組成膜２３０の厚さが窒化シリコン膜２１０、２２０の厚さより小さければ、異組成膜２３０のエッチングレートが窒化シリコン膜２１０、２２０のエッチングレートよりも低くても、異組成膜２３０を設けることによるエッチング時のスループットの低下は小さい。
工程ａから工程ｃにおいて、先に成膜される窒化シリコン膜２１０と、後に成膜される窒化シリコン膜２２０とで成膜方法を異ならせる必要がない。しかし、窒化シリコン膜２１０、２２０の一方が窒化シリコン膜２１０、２２０の他方よりも応力分布が大きくなるように、窒化シリコン膜２１０、２２０を成膜してもよい。その場合、先に成膜される窒化シリコン膜２１０の応力分布が、後に成膜される窒化シリコン膜２２０の応力分布よりも大きいこと（条件１とする）が好ましい。条件１の方が、先に成膜される窒化シリコン膜２１０の応力分布が、後に成膜される窒化シリコン膜２２０の応力分布よりも小さい場合（条件２とする）よりも、異組成膜２３０を形成することにより応力緩和効果が高い。この応力緩和効果の大小は、パターニング後のレンズ２０１、２０２、２０３と、下地である基体１０に形成したパターンとの重ね合わせ精度によって評価した結果である。発明者らの検討では、条件１では条件２に対して２０％の重ね合わせ精度の改善を確認した。
図３（ａ）は図１（ａ）に示した例の変形例である。光学装置９３０は、複数のレンズ２０１、２０２、２０３の間に設けられた遮光壁７２１、７２２を備える。遮光壁７２１、７２２はタングステン等の金属からなる。遮光壁７２１、７２２を設けることで、レンズ２０１、２０２、２０３に入射する光のクロストークを抑制できる。本例の遮光壁７２１、７２２は反射防止層２４を貫通して窒化シリコン層２１に接するが、遮光壁７２１、７２２が、遮光壁７２１、７２２と窒化シリコン層２１との間の反射防止層２４を介して、窒化シリコン層２１から離間してもよい。
図３（ａ）の変形例における光学装置９３０は、レンズアレイ２００と基体１０との間に設けられた低屈折率層１１を備えうる。低屈折率層１１は窒化シリコン層２１、２２よりも低い屈折率を有する。本例の低屈折率層１１は珪素と酸素を含む層（酸化シリコン層）である。光学装置９３０は、レンズアレイ２００と基体１０との間に設けられた反射防止層１２を備えうる。反射防止層１２は窒化シリコン層２１、２２よりも低い屈折率を有し、低屈折率層１１と窒化シリコン層２１との間の屈折率を有しうる。本例の反射防止層１２は珪素と窒素と酸素を含む層（酸窒化シリコン層）である。反射防止層１２の組成は反射防止層２４と同様であってよい。反射防止層１２の厚さＴｆは、反射防止層１２の厚さＴｄと同様に、窒化シリコン層２１の厚さＴａよりも小さくてよく、窒化シリコン層２２の厚さＴｂよりも小さくてよく、中間層２３の厚さＴｃよりも大きくてよい。反射防止層１２の厚さＴｆは、例えば１００ｎｍ以下であってよく、２０ｎｍ以上であってよく、５０ｎｍ以上であってよい。
図１（ａ）あるいは図３（ａ）に関して、各層の厚さの関係は、例えばＴｃ＜１０ｎｍ＜Ｔｄ＝Ｔｆ＜１００ｎｍ＜Ｔｅ＜Ｔｂ＜Ｔａ＜１０００ｎｍ＜Ｔａ＋Ｔｂでありうる。各層の厚さがこの関係の少なくとも一部を満足することは、複数のレンズの光学特性を向上するうえで有利である。
図３（ｂ）は図１（ａ）に示した例の変形例である。光学装置９３０が備える複数のレンズ２０１、２０２、２０３は両凸レンズであり。レンズ曲面のうちの基体１０とは反対側の凸面が窒化シリコン層２１と窒化シリコン層２２とで構成され、窒化シリコン層２１と窒化シリコン層２２との間に中間層２３が位置する点は図１（ａ）の例と共通である。図３（ｂ）の例では、レンズ曲面のうちの基体１０の側の凸面が窒化シリコン層２７で構成され、窒化シリコン層２７と窒化シリコン層２１の間に中間層２８が位置している。窒化シリコン層２７の組成や厚さは窒化シリコン層２１と同様であってよく、中間層２８の組成や厚さは中間層２３と同様であってよい。レンズ２０１、２０２、２０３との間には凹面を有する低屈折率層１１が位置しており、低屈折率層１１の凹面に沿って反射防止層１２が位置している。このような構造は、凹面を有する低屈折率層１１上に、反射防止層１２になる酸窒化シリコン膜と、窒化シリコン層２７になる窒化シリコン膜を成膜し、窒化シリコン層２７となる窒化シリコン膜の上に中間層２８となる異組成膜を形成する。中間層２８となる異組成膜の上に窒化シリコン層２７となる窒化シリコン膜を形成し、窒化シリコン層２７となる窒化シリコン膜をＣＭＰ法などにより平坦化する。平坦化された窒化シリコン層２７となる窒化シリコン膜の上に中間層２３となる異組成膜と窒化シリコン層２２となる窒化シリコン膜を形成する。この後は、図２で示した方法と同様にして、基体１０とは反対側の凸面を有するように窒化シリコン層２２となる窒化シリコン膜、中間層２３となる異組成膜、窒化シリコン層２１なる窒化シリコン膜、中間層２８となる異組成膜、を順次エッチングする。
図１（ａ）、図３（ａ）、図３（ｃ）では、レンズ曲面を主に２層の窒化シリコン層２１、２２で構成する例を示したが、３層以上の窒化シリコン層でレンズ曲面を構成してもよい。そして、それぞれの窒化シリコン層の間に、窒化シリコン層とは組成が異なり、窒化シリコン層よりも薄い中間層を配置すればよい。レンズ曲面を構成する窒化シリコン層の層数は中間層の層数よりも多いことが好ましい。レンズ曲面を構成する窒化シリコン層の層数は、中間層の層数の３／２倍よりも大きくてよく、中間層の層数の３倍よりも小さくてよい。
図４（ａ）は、図３（ｂ）に示したレンズ下面の非球面をウエットエッチッチングで形成するプロセスフローを示す概略図である。曲率半径を小さくすると一般に収差が発生しやすくなる。そこで、基体１０に近い面を非球面とすることで、両凸層内レンズで発生する収差、特に球面収差、を補正することも可能である。併せて低屈折率材料を使うことで所望の焦点距離を得るためには曲率半径を小さくする必要がなくなり、ここでも収差を軽減することが可能となる。低屈折率材料として、例えば東京応化製のＬＡＬシリーズの屈折率は１．２である。低屈折率材料を凹形状に形成し、その後、高屈折率、例えば屈折率は２程度の材質、例えば窒化シリコン膜を成膜することで、下面が凸レンズとして働く。窒化シリコン膜を、図３（ｂ）に示すように、自然酸化膜からなる中間層２８、２３を介して、３回にわけて成膜する。この時、超低屈折率材料の凹形状の周辺部を非球面にして球面収差を低減するには、周辺部の曲率を大きくすることが好ましい。そのためには、スリットＳを有するマスク材Ｍを用いて、レジストＲ１がマスク材Ｍの孔Ｈを塞いだ状態で、低屈折率材料に等方的なウエットエッチングエッチングを施して周辺部の凹部を形成する。また、孔Ｈを有するマスク材Ｍを用いて、レジストＲ２がマスク材ＭのスリットＳを塞いだ状態で、低屈折率材料に等方的なウエットエッチングエッチングを施して中央部の凹部を形成する。図４（ｂ）は、低屈折率材料の凹形状の別の形成方法を示す図であり、層内レンズ下面の非球面を、階調マスク露光でパターニングされたレジストＲ３をエッチバックで低屈折率材料に転写して形成するプロセスフローを示す概略図である。階調マスク露光とエッチバックによっても非球面の凹形状を形成することが可能となる。
図５は、光学装置９３０が表面照射型の撮像装置である形態を示している。図１（ａ）や図３（ａ）で示した基体１０は、半導体層１００、配線構造４４０、導光部４５１、４５２、４５３、導光部４５１、４５２、４５３を連結する連結部４５０を含んでいる。半導体層１００には複数のフォトダイオード１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６が設けられている。フォトダイオード１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６の各々が光電変換部である。配線構造４４０はレンズアレイ２００と半導体層１００との間に位置する。
光学装置９３０は、平坦化層２５の上に設けられ、赤色のカラーフィルタ８６１、緑色のカラーフィルタ８６２、青色のカラーフィルタ８６３を含む、カラーフィルタアレイを備える。光学装置９３０は、レンズアレイ２００に対して基体１０の側とは反対側に設けられた、別のレンズアレイ（マイクロレンズアレイ）を備える。マクロレンズアレイは、カラーフィルタアレイの上に平坦化層８５０を介して配列された、マイクロレンズ８７１、８７２、８７３を含む。すなわち、レンズアレイ２００のレンズ２０１、２０２、２０３は層内レンズでありうる。
複数のレンズ２０１、２０２、２０３のうちの１つのレンズ２０１に、複数のフォトダイオード１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６のうちの２つ以上（本例では２つ）のフォトダイオード１０６、１０１が対応している。複数のレンズ２０１、２０２、２０３のうちの１つのレンズ２０２に、複数のフォトダイオード１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６のうちの２つ以上（本例では２つ）のフォトダイオード１０２、１０３が対応している。複数のレンズ２０１、２０２、２０３のうちの１つのレンズ２０３に、複数のフォトダイオード１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６のうちの２つ以上（本例では２つ）のフォトダイオード１０４、１０５が対応している。同様に、カラーフィルタ８６１とマイクロレンズ８７１にフォトダイオード１０６、１０１が対応する。カラーフィルタ８６２とマイクロレンズ８７２にフォトダイオード１０２、１０３が対応する。カラーフィルタ８６３とマイクロレンズ８７３にフォトダイオード１０４、１０５が対応する。このように、１つのレンズあるいはカラーフィルタで定義される画素が２つ以上のフォトダイオードを有している。このような構成により、焦点検出や測距、ダイナミックレンジの拡大などが可能となる。このように、１つのレンズで定義される画素が２つ以上のフォトダイオードを有している場合、２つ以上のフォトダイオードの各々で光電変換される光を分離できる。分離精度を向上するためには、フォトダイオードに対して極力１つのレンズに近い位置に焦点を結ぶことが好ましい。上述のように、窒化シリコン層２１、２２と中間層２３を備えることで、レンズ２０１、２０２、２０３の応力の低減と光学特性の劣化抑制を実現しつつ、レンズ２０１、２０２、２０３の厚さを大きくして、そのパワーを高めることができる。
配線構造４４０は、配線層４１０、４２０と、層間絶縁膜４３０とを含む。配線構造４４０の配線層４１０、４２０は半導体層１００に設けられた半導体素子に接続されている。半導体層１００に設けられた半導体素子は電極層４００を含み、例えば電極層４００をゲート電極として有するトランジスタでありうる。電極層４００はポリシリコン層でありうる。半導体層１００に設けられた半導体素子には、フォトダイオードで生じた電荷を転送する転送トランジスタや、フォトダイオードで生じた電荷に基づく電気信号を生成する増幅トランジスタなどを含む画素回路を構成する。画素回路の半導体素子はＳＴＩ構造を有する素子分離部１０９によって分離されている。層間絶縁膜４３０には開口が設けられており、この開口内に導光部４５１、４５２、４５３が位置する。導光部４５１、４５２、４５３の屈折率は層間絶縁膜４３０の少なくとも一部の絶縁体層よりも高く、導光部４５１、４５２、４５３がコア、層間絶縁膜４３０の少なくとも一部の絶縁体層がクラッドとなるコア－クラッド型の導光構造が構成されている。クラッドとなる絶縁体層は例えば酸化シリコンからなり、導光部４５１、４５２、４５３は窒化シリコンや樹脂からなる。層間絶縁膜４３０を２種類の以上の絶縁体層の積層構造とすることができる。層間絶縁膜４３０の一方の絶縁体層と他方の絶縁体層との屈折率が異なる場合、異種の絶縁体層の界面で光の反射が生じて感度が低下しうる。層間絶縁膜４３０に開口を設けて異種の絶縁体層を部分的に除去し、当該開口に共通の材料を埋め込んで、導光部４５１、４５２、４５３を形成してもよい。例えば、炭化シリコン層と酸化シリコン層の積層構造からなる層間絶縁膜４３０に炭化シリコン層と酸化シリコン層を貫通する開口を設け、その開口の中に酸化シリコン層を埋め込んで、導光部４５１、４５２、４５３を形成してもよい。
レンズ２０１、２０２、２０３に入射した光を、レンズ２０１、２０２、２０３から至近距離に位置する導光部４５１、４５２、４５３へ光を入射させるためには、レンズ２０１、２０２、２０３のパワーを高める必要がある。ここでいう至近距離の目安は、例えばレンズ２０１、２０２、２０３から導光部４５１、４５２、４５３の入り口までの距離が、１μｍ以下の場合である。上述のように、窒化シリコン層２１、２２と中間層２３を備えることで、レンズ２０１、２０２、２０３の応力の低減と光学特性の劣化抑制を実現しつつ、レンズ２０１、２０２、２０３の厚さを大きくして、そのパワーを高めることができる。
図５（ｂ）は３×３画素分のレンズアレイ２００を透過的に平面視したものを示している。図５（ｂ）において、実線は窒化シリコン層２２および中間層２３の輪郭を示しており、点線はレンズ２０１、２０２、２０３の輪郭を示している。鎖線は導光部４５１、４５２、４５３の輪郭を示しており、２点鎖線はマイクロレンズ８７１、８７２、８７３の輪郭を示している。図５（ｂ）では、窒化シリコン層２１のうち、窒化シリコン層２２および中間層２３に重ならない部分のみをハッチングを付けて示しており、窒化シリコン層２１のうち窒化シリコン層２２と重なる部分については窒化シリコン層２２のハッチングを付けている。図５（ｂ）の例ではレンズ２０１、２０２、２０３の輪郭は円形であるが、多角形でもよく、角丸多角形でもよい。図５（ｂ）の上下方向、左右方向および斜め方向において、レンズ２０１、２０２、２０３は離間している。レンズ２０１、２０２、２０３を隣り合うレンズから離間させることは、レンズ２０１、２０２、２０３の幅を小さくして、レンズ２０１、２０２、２０３曲率を大きくして、レンズ２０１、２０２、２０３のパワーを高めるうえで有用である。一方、マイクロレンズ８７１、８７２、８７３は上下方向、左右方向および斜め方向において、マイクロレンズ８７１、８７２、８７３は互いに境界をなしている。その結果、マイクロレンズ８７１、８７２、８７３の輪郭は四角形となっている。マイクロレンズ８７１、８７２、８７３が隣り合うレンズに隣接することは、マイクロレンズ８７１、８７２、８７３間での光の損失を低減するうえで有利である。図５（ｂ）の例では導光部４５１、４５２、４５３の輪郭は、窒化シリコン層２２および中間層２３の輪郭に内包される。つまり、窒化シリコン層２２および中間層２３の幅が導光部４５１、４５２、４５３の幅よりも大きくなっている。このような関係にすることが、レンズ２０１、２０２、２０３へ入射した光を導光部４５１、４５２、４５３の内側に集光するうえで有利である。しかし、窒化シリコン層２２および中間層２３の輪郭が、導光部４５１、４５２、４５３の輪郭に内包されてもよい。つまり、窒化シリコン層２２および中間層２３の幅が導光部４５１、４５２、４５３の幅よりも小さくなってもよい。
図５（ａ）に示した形態の変形例として、図５（ａ）のレンズ２０１、２０２、２０３の間に、図３（ａ）に示した遮光壁７２１、７２２を追加してもよい。
図６は、光学装置９３０が裏面照射型の撮像装置である形態を示している。図１（ａ）や図３（ａ）で示した基体１０は、半導体層１００、配線構造４４０、半導体基板６００、配線構造５４０を含んでいる。配線構造４４０の配線層４１０、４２０は半導体層１００に設けられた半導体素子に接続されている。配線構造５４０の配線層５１０、５２０は半導体基板６００に設けられた半導体素子に接続されている。半導体基板６００に設けられた半導体素子は電極層５００を含み、例えば電極層５００をゲート電極として有するトランジスタでありうる。電極層５００はポリシリコン層でありうる。半導体基板６００に設けられた半導体素子は、半導体層１００に設けられた画素回路を駆動する駆動回路や、画素回路から出力された画素信号を処理する処理回路などの周辺回路を構成する。配線構造４４０とレンズアレイ２００との間に半導体層１００が位置する。半導体層１００は裏面１００１と表面１００２とを有する。半導体層１００には、裏面１００１から連続する溝が設けられており、溝によって、分離部１１０、１２０、１２３、１４０、１５０、１６０、１７０が構成されている。分離部１５０、１２０、１４０は、フォトダイオード１０１とフォトダイオード１０６との間、フォトダイオード１０２とフォトダイオード１０３との間、フォトダイオード１０４とフォトダイオード１０５との間、に設けられている。分離部１１０、１３０は、フォトダイオード１０１とフォトダイオード１０２との間、フォトダイオード１０３とフォトダイオード１０４との間に設けられている。このように、分離部１５０、１２０、１４０は画素内の光学的および／または電気的な分離をなし、分離部１１０、１３０は画素間の光学的および／または電気的な分離をなす。分離部１６０、１７０も分離部１１０、１３０と同様に画素間の分離をなす。誘電体膜３００は、酸化シリコン層や窒化シリコン層などのシリコン化合物層および／または金属酸化物層を含む多層膜でありうる。誘電体膜３００に含まれる層は反射防止層や電荷固定層として機能する。誘電体膜３００に含まれる層が分離部１１０、１２０、１２３、１４０、１５０、１６０、１７０を構成する。
低屈折率層１１と誘電体膜３００との間には遮光部材７１０が設けられている。遮光部材７１０は分離部１１０、１３０、１６０、１７０に重なるように配置されうる。遮光部材７１０は分離部１２０、１４０、１５０に重ならないように配置されうる。遮光部材７１０の上には遮光壁７２０が設けられている。遮光壁７２０は、図３（ａ）の遮光壁７２１、７２２と同様に、レンズ２０１、２０２、２０３の間に配される。本例では、遮光壁７２０は、窒化シリコン層２１（延在部分２０５、２０６）を貫通して、遮光部材７１０に接するように設けられている。そして、遮光壁７２０は層内レンズ２０１、２０２、２０３を囲むように配置されうる。
レンズ２０１、２０２、２０３に入射した光を、レンズ２０１、２０２、２０３から至近距離に位置する裏面１００１の近傍で焦点を結ぶように集光するには、レンズ２０１、２０２、２０３のパワーを高める必要がある。ここでいう至近距離の目安は、例えばレンズ２０１、２０２、２０３から裏面１００１までの距離が、２μｍ以下の場合である。上述のように窒化シリコン層２１、２２と中間層２３を備えることで、レンズ２０１、２０２、２０３の応力の低減と光学特性の劣化抑制を実現しつつ、レンズ２０１、２０２、２０３の厚さを大きくして、そのパワーを高めることができる。また、図５の形態と同様に、２０１、２０２、２０３のパワーを高めることで、２つ以上のフォトダイオードに入射する光の分離精度を向上することもできる。
図５、図６では、窒化シリコン層２１、２２および中間層２３で構成されたレンズアレイ２００を１段だけ備える例を説明したが、窒化シリコン層２１、２２および中間層２３で構成されたレンズアレイ２００を複数段に重ねて設けてよい。レンズアレイ２００を複数段設けることで、より焦点距離の短いオンチップ光学系を提供することができる。
図７は、撮像装置としての光学装置９３０を備える機器９１９１の模式図である。機器９１９１は、光学装置９３０に加えて、光学系９４０、制御装置９５０、処理装置９６０、記憶装置９７０、表示装置９８０、および、機械装置９９０の少なくともいずれかを更に備える。制御装置９５０は光学装置９３０を制御する。処理装置９６０は光学装置９３０から出力された信号を処理する。記憶装置９７０は光学装置９３０で得られた情報を記憶する。表示装置９８０は光学装置９３０で得られた情報を表示する。機械装置９９０は光学装置９３０で得られた情報に基づいて動作する。機械装置９９０は光学装置９３０を機器９１９１の中で、あるいは機器９１９１ごと移動させる移動装置であってもよい。機器９１９１の中で光学装置９３０を移動させることで防振（イメージスタビライザー）機能を実現できる。
光学装置９３０は、電子デバイス９１０と実装部材９２０とを含みうるが、実装部材９２０は無くてもよい。電子デバイス９１０は、図１（ａ）に示した基体１０に含まれる半導体層を有する半導体デバイスである。電子デバイス９１０は、画素が配列された画素エリア９０１と、周辺回路（不図示）が配列された周辺エリア９０２を含む。機器９１９１における画素エリア９０１に、本実施形態におけるレンズアレイ２００を配置することができる。周辺回路には、上述の駆動回路やＡＤ変換回路、デジタル信号処理回路や制御回路などが含まれる。光電変換エリア９０１と周辺回路エリア９０２は、同一の半導体層に配されてもよいが、本例では、互いに積層された別々の半導体層（半導体基板）に配されてもよい。
実装部材９２０は、セラミックパッケージやプラスチックパッケージ、プリント配線板、フレキシブルケーブル、半田、ワイヤボンディングなどを含む。光学系９４０は、例えばレンズやシャッター、フィルター、ミラーである。制御装置９５０、例えばＡＳＩＣなどの半導体デバイスである。処理装置９６０は、例えばＡＦＥ（アナログフロントエンド）あるいはＤＦＥ（デジタルフロントエンド）を構成する、例えばＣＰＵ（中央処理装置）やＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）などの半導体デバイスである。表示装置９８０は、例えばＥＬ表示装置や液晶表示装置である。記憶装置９７０は、ＳＲＡＭやＤＲＡＭなどの揮発性メモリ、あるいは、フラッシュメモリやハードディスクドライブなどの不揮発性メモリであり、例えば磁気デバイスや半導体デバイスである。機械装置ＭＣＨＮはモーターやエンジン等の可動部あるいは推進部を有する。
図７に示した機器９１９１は、撮影機能を有する情報端末（例えばスマートフォンやウエアラブル端末）やカメラ（例えばレンズ交換式カメラ、コンパクトカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ）などの電子機器でありうる。カメラにおける機械装置９９０はズーミングや合焦、シャッター動作のために光学系９４０の部品を駆動することができる。レンズ交換式カメラとしてはレフレックス方式（一眼レフカメラ）よりもノンレフレックス方式（ミラーレスカメラ）に好適である。ノンレフレックス方式ではミラーがない分、イメージセンサセンサー（撮像装置）までのフランジバックが短くなり、バックフォーカスも短くなる。そのため、ノンレフレックス方式のカメラには、レフレックス方式のカメラよりパワーの大きいオンチップレンズアレイが必要となる。上述のように、本明細書に開示した技術は、そのような要求を満足する、光学特性に優れたオンチップレンズアレイを備えたセンサーを有するカメラを提供できる。
また、機器９１９１は、車両や船舶、飛行体、人工衛星などの輸送機器（移動体）でありうる。輸送機器における機械装置９９０は移動装置として用いられうる。輸送機器としての機器９１９１は、光学装置９３０を輸送するものや、撮影機能により運転（操縦）の補助および／または自動化を行うものに好適である。運転（操縦）の補助および／または自動化のための処理装置９６０は、光学装置９３０で得られた情報に基づいて移動装置としての機械装置９９０を操作するための処理を行うことができる。また、機器９１９１は、分析機器や、医療機器でありうる。
本実施形態による光学装置９３０は、その設計者、製造者、販売者、購入者および／または使用者に、高い価値を提供することができる。そのため、光学装置９３０を機器９１９１に搭載すれば、機器９１９１の価値も高めることができる。よって、機器９１９１の製造、販売を行う上で、本実施形態の光学装置９３０の機器９１９１への搭載を決定することは、機器９１９１の価値を高める上で有利である。
図５、６では、光学装置９３０として画像を生成する撮像装置を例示したが、光電変換部としてのフォトダイオードを有する光電変換装置としては、撮像装置の他に、測光装置、光検出装置、測距装置、焦点検出装置などであってもよい。また、レンズアレイを有する光学装置９３０は表示装置であってもよい。表示装置におけるレンズアレイは表示に用いられる光を集光することで、精細感や光利用効率などの面で、画質を向上することができる。かかる表示装置は有機ＥＬ素子などを有する自発光型の表示装置であってもよいし、透過型あるいは反射型の表示装置であってもよい。機器９１９１における光学系９４０は表示装置に対応付けられて、光学装置９３０が表示した映像を外部へ投影する。機器９１９１における処理装置９６０は表示装置へ入力する信号を処理する。
以上、説明した実施形態は、本発明の思想を逸脱しない範囲において適宜変更が可能である。
１０ 基体
２０１、２０２、２０２ レンズ
２１ 窒化シリコン層
２２ 窒化シリコン層
２３ 中間層
２０１、２０２、２０２ レンズ
２１ 窒化シリコン層
２２ 窒化シリコン層
２３ 中間層
Claims (20)
- 基体と、
前記基体の上に配列された複数のレンズと、
を備える光学装置であって、
複数のレンズの各々のレンズの凸面または凹面を成す曲面は、少なくとも、珪素および窒素を含む第１層と、珪素および窒素を含む第２層と、で定義されており、
前記第１層は前記第２層と前記基体との間に設けられており、
前記第１層と前記第２層との間に、前記第１層および前記第２層とは組成が異なる第３層が設けられており、
前記第３層の厚さは前記第１層の厚さおよび前記第２層の厚さよりも小さく、
前記第３層の厚さは前記第１層の厚さの１／１０以下であり、
前記第３層の厚さは前記第２層の厚さの１／１０以下であり、
前記第２層は前記複数のレンズの間で不連続である、
ことを特徴とする光学装置。 - 基体と、
前記基体の上に配列された複数のレンズと、
を備える光学装置であって、
複数のレンズの各々のレンズの凸面または凹面を成す曲面は、少なくとも、珪素および窒素を含む第１層と、珪素および窒素を含む第２層と、で定義されており、
前記第１層は前記第２層と前記基体との間に設けられており、
前記第１層と前記第２層との間に、前記第１層および前記第２層とは組成が異なる第３層が設けられており、
前記第３層の厚さは前記第１層の厚さおよび前記第２層の厚さよりも小さく、
前記第３層における酸素濃度が、前記第１層における酸素濃度および前記第２層における酸素濃度よりも高く、
前記第２層は前記複数のレンズの間で不連続である、
ことを特徴とする光学装置。 - 前記第３層は珪素、窒素および酸素を含む、
請求項１または２に記載の光学装置。 - 前記第３層における酸素濃度が、前記第１層における酸素濃度および前記第２層における酸素濃度よりも高い、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学装置。 - 前記第３層の厚さは２０ｎｍ未満である、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学装置。 - 前記第３層の厚さは前記第１層の厚さと前記第２層の厚さの和の１／１００以下である、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学装置。 - 前記第１層の厚さおよび前記第２層の厚さの和は８００ｎｍ以上であり、
前記第３層の厚さは５ｎｍ以下である、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学装置。 - 前記第１層と前記第３層との間の距離、および、前記第２層と前記第３層との間の距離は、前記第３層の厚さよりも小さい、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学装置。 - 前記複数のレンズの各々は、前記基体の側とは反対側に前記凸面を有し、
前記第１層が前記第２層と前記基体との間に位置し、
前記第２層の厚さが前記第１層の厚さよりも小さい、
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学装置。 - 前記第３層の前記基体からの高低差が、前記第１層の厚さおよび前記第２層の厚さよりも小さい、
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学装置。 - 前記複数のレンズの間に位置する部分と前記基体との間に前記第１層が延在する、
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光学装置。 - 前記第２層および前記第３層は前記複数のレンズの間で不連続である、
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光学装置。 - 前記複数のレンズの間に設けられた遮光壁を備える、
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光学装置。 - 前記凸面に沿って設けられた、珪素と窒素と酸素を含む第４層を備える、
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光学装置。 - 前記第４層の厚さが前記第３層の厚さよりも大きく、
前記第４層の厚さが前記第１層の厚さおよび前記第２層の厚さよりも小さい、
請求項１４に記載の光学装置。 - 前記第４層の酸素濃度が前記第３層の酸素濃度よりも高い、
請求項１４または１５に記載の光学装置。 - 前記基体は、半導体層および配線構造と、を含み、
前記配線構造は前記半導体層に設けられた半導体素子に接続された配線層を含み、
前記配線構造と前記複数のレンズの間に前記半導体層が位置する、
請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光学装置。 - 前記基体は、複数のフォトダイオードが設けられた半導体層を含み、
前記複数のフォトダイオードのうちの２つ以上のフォトダイオードが、前記複数のレンズのうちの１つのレンズに対応している、
請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光学装置。 - 前記複数のレンズに対して前記基体の側とは反対側に設けられたレンズアレイを備える、
請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の光学装置。 - 請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の光学装置を備える機器であって、
前記光学装置は電子デバイスであって、
前記光学装置に対応付けられた光学系、
前記光学装置を制御する制御装置、
前記光学装置から出力された信号を処理する処理装置、
前記光学装置で得られた情報を表示する表示装置、
前記光学装置で得られた情報を記憶する記憶装置、および、
前記光学装置で得られた情報に基づいて前記光学装置を移動させる機械装置、
の少なくともいずれかを更に備えることを特徴とする機器。
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