專利名稱:聚光元件、固體攝像器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用于數(shù)碼攝像機(jī)等的聚光元件、固體攝像器件及其制造方法，特別涉及具有同心結(jié)構(gòu)的透光膜的聚光元件。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)碼攝像機(jī)及帶攝像機(jī)的便攜電話的普及，固體攝像器件的市場顯著擴(kuò)大。在這樣的趨勢中，對固體攝像器件的期望向更高靈敏度化/高像素密度化變化，但是，近年來隨著數(shù)碼靜止攝像機(jī)/便攜電話等的薄型化，對攝像機(jī)部分的薄型化的期望也變得強(qiáng)烈。換言之，用于攝像機(jī)部分的透鏡成為短焦距，意味著射入固體攝像器件的光成為廣角(從固體攝像器件的入射面的垂直軸測量而較大的角度)。
目前，在作為固體攝像元件廣泛使用的CCD及MOS圖像傳感器中，將具有多個(gè)受光部分的半導(dǎo)體集成電路2維排列，將來自被攝體的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。
固體攝像元件的靈敏度由相對于入射光量的受光元件的輸出電流的大小定義，所以可靠地將入射的光導(dǎo)入受光元件成為用于提高靈敏度的重要的要素。
圖4是表示以往的一般的像素的基本結(jié)構(gòu)的一例的圖。如圖4所示，垂直射入微透鏡61的光(用虛線表示的光)59由對應(yīng)于紅色光(R)、綠色光(G)、藍(lán)色光(B)中的任一光的濾色片2進(jìn)行色分離后，在受光部6中進(jìn)行向電信號的轉(zhuǎn)換。該微透鏡61由于得到較高的聚光效率，所以幾乎在所有的固體攝像器件中使用。
在使用上述微透鏡的固體攝像器件中，有相對于各像素非對稱地配置透鏡的結(jié)構(gòu)例的方案(例如參照專利文獻(xiàn)1)。在該專利文獻(xiàn)1中，記載了能夠?qū)⑿比肷涔鈱?dǎo)入傳感器部的實(shí)施例。
此外，作為利用了菲涅爾透鏡的固體攝像器件，公開了各種技術(shù)(例如參照專利文獻(xiàn)2及3)。
專利文獻(xiàn)2公開的技術(shù)中，透鏡由同心圓狀地具有不同的折射率的多個(gè)層構(gòu)成，構(gòu)成為中心部的折射率較高、而折射率隨著成為周邊部依次減少。此外，專利文獻(xiàn)3公開的技術(shù)中，利用厚度分布型透鏡、和通過摻雜而具有連續(xù)的折射率分布的梯度折射率型透鏡。
專利文獻(xiàn)1日本特開2001-196568號公報(bào)專利文獻(xiàn)2日本特開2000-39503號公報(bào)專利文獻(xiàn)3日本特開平5-251673號公報(bào)今后，為了開發(fā)對應(yīng)于廣角入射的固體攝像器件，需要將以特定的角度入射的光可靠地向受光元件導(dǎo)入。
但是，在微透鏡中，聚光效率取決于信號光的入射角度而降低。即，如圖4所示，對于垂直地入射到微透鏡61的光59能夠高效率地聚光，但對于斜向入射的光(由實(shí)線表示的光)60，聚光效率降低。這是因?yàn)?，斜向入射的?0被像素中的Al布線3遮擋而不能到達(dá)受光元件6。
如上所述，固體攝像器件由于由多個(gè)像素的2維排列構(gòu)成，所以在具有擴(kuò)散角的入射光的情況下，在中央的像素與周邊的像素中入射角不同(參照圖1)。其結(jié)果，發(fā)生周邊的像素的聚光效率比中央低的問題。
圖2是表示以往的周邊的像素的結(jié)構(gòu)例的圖。在周邊的像素中，由于入射光的入射角度增大，所以通過使電布線部分向固體攝像器件的中心方向錯(cuò)開(縮小)，來實(shí)現(xiàn)聚光效率的提高。
圖3是表示使用以往的微透鏡的固體攝像器件的聚光效率的入射角度依存性的圖。如圖3所示，可知對于入射角度為20°左右以內(nèi)的光能夠高效率地聚光。但是，如果入射角度成為其以上，則效率急劇地降低。作為結(jié)果，周邊像素的光量為中央部分的約40％左右、元件整體的靈敏度被周邊元件的靈敏度局限是現(xiàn)狀。此外，由于該值隨著像素尺寸的減少而進(jìn)一步降低，所以應(yīng)用于小型攝像機(jī)那樣的短焦距光學(xué)系統(tǒng)非常困難。進(jìn)而，在制造工序中，產(chǎn)生不能進(jìn)一步縮小電路的問題。
進(jìn)而，在固體攝像器件的表面具有菲涅爾透鏡形狀等的微小的階差形狀的情況下，特別是在制造時(shí)產(chǎn)生切割加工的灰塵堆積成微小的階差形狀等的問題。
此外，在固體攝像器件的表面具有菲涅爾透鏡形狀等的微小的階差形狀的情況下，不能在聚光元件的上部設(shè)置濾色片。

發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明是鑒于上述課題而做出的，為了實(shí)現(xiàn)也能夠?qū)?yīng)于薄型攝像機(jī)用的焦距短的光學(xué)系統(tǒng)(入射角θ較大的光學(xué)系統(tǒng))的固體攝像器件，其目的是提供一種可以對角度比現(xiàn)有的微透鏡高的入射光進(jìn)行聚光的光學(xué)元件結(jié)構(gòu)，而且不發(fā)生灰塵堆積等的問題的結(jié)構(gòu)。
為了解決上述課題，本發(fā)明涉及的聚光元件具備由折射率不同的多個(gè)透光膜構(gòu)成的集合體，其特征在于，上述集合體中的一個(gè)透光膜具有與入射光的波長相同程度或比其短的寬度及預(yù)定厚度的同心形狀；上述集合體中的其它透光膜以同心狀填充不存在上述一個(gè)透光膜的空間的全部或一部分。
由此，能夠?qū)崿F(xiàn)可以通過改變一個(gè)透光膜的線寬及其配置密度而使有效折射率變化的梯度折射率型的聚光元件。進(jìn)而，能夠繼承以往的半導(dǎo)體工藝來制造微小的梯度折射率透鏡。
此外，上述聚光元件的特征在于，上述一個(gè)透光膜被上述其它透光膜埋入。由此，能夠防止聚光元件的上表面的灰塵的堆積。
此外，其特征在于，上述聚光元件中的上述集合體的光學(xué)中心偏心。進(jìn)而，上述集光元件的特征在于，在設(shè)上述入射光的入射角度為θ、預(yù)定的常數(shù)為A及B的情況下，取決于上述集合體中的面內(nèi)方向的距離x的上述相位調(diào)制Φ(x)大致滿足Φ(x)＝Ax2+Bxsinθ+2mπ(m自然數(shù))。
由此，能夠容易地控制以特定的角度入射的光的傳播方向，可以在任意的位置對入射光進(jìn)行聚光。
此外，也可以將上述聚光元件構(gòu)成為，使上述一個(gè)透光膜的折射率與上述其它透光膜的折射率的差為0.1以上。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)能夠改變有效折射率的梯度折射率型聚光元件。
此外，其特征在于，上述聚光元件的上述一個(gè)透光膜的折射率為1.45以上且3.4以下。通過這樣使用高折射率材料，能夠減薄透光膜的膜厚，能夠使制造工藝變得容易。
此外，也可以將上述聚光元件構(gòu)成為，使上述一個(gè)透光膜的折射率比上述其它透光膜的折射率大，或者構(gòu)成為，使上述一個(gè)透光膜的折射率比上述其它透光膜的折射率小。
此外，在上述聚光元件中，其特征在于，構(gòu)成上述一個(gè)透光膜或上述其它透光膜的透光材料是空氣。由此，能夠使折射率分布的動態(tài)范圍變大，能夠提高透鏡的聚光性。
此外，在上述聚光元件中，其特征在于，上述一個(gè)透光膜或上述其它透光膜還是在垂直方向上由折射率不同的多個(gè)透光材料構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。由此，增加了折射率分布的層次，能夠形成高效率的梯度折射率透鏡。
此外，在上述聚光元件中，其特征在于，上述一個(gè)透光膜或上述其它透光膜根據(jù)上述入射光的波長或上述入射光的代表光的波長而使構(gòu)成該一個(gè)透光膜或該其它透光膜的透光材料的種類或其排列不同。由此，能夠根據(jù)入射光的波長而使各像素的透鏡結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，能夠消除由顏色引起的聚光效率的差異。
此外，在上述聚光元件中，其特征在于，上述一個(gè)透光膜或上述其它透光膜根據(jù)對上述入射光設(shè)定的焦距而使構(gòu)成該一個(gè)透光膜或該其它透光膜的透光材料的種類或其排列不同。由此，能夠改變?nèi)肷涔獾慕咕?，所以能夠進(jìn)行適于各像素結(jié)構(gòu)的透鏡設(shè)計(jì)。
此外，在上述聚光元件中，其特征在于，在設(shè)上述入射光的入射角度為θ、該集合體的折射率與入射側(cè)介質(zhì)的折射率的差分的最大值為Δnmax、預(yù)定的常數(shù)為A、B及C的情況下，在設(shè)取決于上述集合體中的面內(nèi)方向的距離x的、上述集合體的折射率與入射側(cè)的介質(zhì)的折射率的差分為Δn(x)時(shí)，上述集合體大致滿足Δn(x)＝Δnmax[(Ax2+Bxsinθ)/2π+C](A、B、C常數(shù))。
由此，能夠?qū)⒁蕴囟ǖ慕嵌热肷涞墓庠谌我獾奈恢镁酃猓軌蛐纬筛呔酃庑实奶荻日凵渎释哥R。
此外，在上述聚光元件中，也可以構(gòu)成為，在設(shè)上述集合體的厚度為L、設(shè)上述入射光的波長為λ的情況下，大致滿足ΔnmaxL＝λ。
由此，上述梯度折射率透鏡的最大相位調(diào)制成為入射光的1相位量，聚光損失變?yōu)樽钚?，所以能夠進(jìn)行高效率的聚光。
此外，上述聚光元件的特征在于，上述一個(gè)透光膜或上述其它透光膜的法線方向的截面形狀是矩形。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)符合設(shè)計(jì)的高精度的折射率變化，能夠構(gòu)成高靈敏度的固體攝像器件。
此外，在上述聚光元件中，其特征在于，上述一個(gè)透光膜或上述其它透光膜由直徑與上述入射光的波長相同程度、或者直徑比該波長小的透光材料構(gòu)成。由此，通過改變相鄰的上述透光材料的粒徑，能夠改變有效折射率，而容易地形成梯度折射率元件。
此外，在上述聚光元件中，其特征在于，上述一個(gè)透光膜包含TiO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5、Si3N4及Si2N3中的任一種。由于這些是高折射率材料，所以能夠減薄透光膜的膜厚，能夠使制造工藝變得容易。
此外，在上述聚光元件中，其特征在于，上述一個(gè)透光膜包含添加了B或P的SiO2(BPSG)及TEOS中的任一種。由于這些是一般在以往的半導(dǎo)體工藝中使用的材料，所以能夠容易形成聚光元件，能夠降低制造成本。
此外，在上述聚光元件中，其特征在于，上述一個(gè)透光膜包含苯并環(huán)丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺及聚酰亞胺中的任一種。由于這些樹脂能夠直接加工，能夠通過納米印刷(nano-imprint)直接形成光學(xué)元件，所以能夠提高量產(chǎn)性。
此外，有關(guān)本發(fā)明的固體攝像器件，平面地配置有多個(gè)具有聚光元件的單位像素，上述聚光元件具備由折射率不同的多個(gè)透光膜構(gòu)成的集合體，其特征在于，上述集合體中的一個(gè)透光膜具有與入射光的波長相同程度或比其短的寬度及預(yù)定厚度的同心形狀，上述集合體中的其它透光膜以同心狀填充不存在上述一個(gè)透光膜的空間的全部或一部分。
由此，通過改變一個(gè)透光膜的線寬及其配置密度，能夠?qū)崿F(xiàn)搭載有可改變有效折射率的梯度折射率型的聚光元件的固體攝像器件。進(jìn)而，能夠繼承以往的半導(dǎo)體工藝，來制作微小的梯度折射率透鏡。
進(jìn)而，上述固體攝像器件的特征在于，在上述集合體的上部具備濾色片，但是也可以在上述集合體的下部具備濾色片。
此外，其特征在于，在與位于上述固體攝像器件的中央的單位像素有關(guān)的上述一個(gè)透光膜或上述其它透光膜、和與位于該固體攝像器件的周邊的單位像素有關(guān)的上述一個(gè)透光膜和上述其它透光膜中，構(gòu)成它們的透光材料的種類或其排列不同。由此，能夠根據(jù)固體攝像器件上的像素的位置而使透鏡結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，所以提高元件整體的靈敏度。此外，由于能夠緩和固體攝像元件的縮小結(jié)構(gòu)，所以固體攝像器件的制造方法變得容易。
此外，其特征在于，上述固體攝像器件中的上述集合體覆蓋對應(yīng)的單位像素的整體而形成。由此，減少了像素間區(qū)域的聚光損失，能夠提高固體攝像器件的靈敏度。
此外，本發(fā)明涉及的固體攝像器件的制造方法，所述固體攝像器件平面地配置有多個(gè)具有聚光元件的單位像素，上述聚光元件具備由折射率不同的多個(gè)透光膜構(gòu)成的集合體，其特征在于，上述集合體中的一個(gè)透光膜具有與入射光的波長相同程度或比其短的寬度及預(yù)定厚度的同心形狀，上述集合體中的其它透光膜以同心狀填充不存在上述一個(gè)透光膜的空間的全部或一部分；上述固體攝像器件的制造方法包括通過使用最小加工尺寸1nm以下的模具的納米印刷來形成上述集合體的工序。由此，能夠容易且大量地形成細(xì)微的同心結(jié)構(gòu)。此外，沒有了各像素間的相對位置的偏移，調(diào)節(jié)作業(yè)的工序減少，能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)元件的低價(jià)格化。
此外，本發(fā)明涉及的固體攝像器件的制造方法，所述固體攝像器件平面地配置有多個(gè)具有聚光元件的單位像素，上述聚光元件具備由折射率不同的多個(gè)透光膜構(gòu)成的集合體，其特征在于，上述集合體中的一個(gè)透光膜具有與入射光的波長相同程度或比其短的寬度及預(yù)定厚度的同心形狀，上述集合體中的其它透光膜以同心狀填充不存在上述一個(gè)透光膜的空間的全部或一部分；上述固體攝像器件的制造方法包括通過電子束描繪或光束描繪形成上述集合體的工序。由此，能夠使用以往的半導(dǎo)體工藝，能夠形成超細(xì)微結(jié)構(gòu)，所以能夠得到高聚光效率的光學(xué)元件。
此外，本發(fā)明涉及的固體攝像器件的制造方法，所述固體攝像器件平面地配置有多個(gè)具有聚光元件的單位像素，上述聚光元件具備由折射率不同的多個(gè)透光膜構(gòu)成的集合體，其特征在于，上述集合體中的一個(gè)透光膜具有與入射光的波長相同程度或比其短的寬度及預(yù)定厚度的同心形狀，上述集合體中的其它透光膜以同心狀填充不存在上述一個(gè)透光膜的空間的全部或一部分；上述固體攝像器件的制造方法包括通過具有上述入射光的波長以下的粒徑的微粒子的自凝聚而形成上述集合體的工序。由此，能夠減少工藝工序數(shù)，能夠降低制造成本。
此外，本發(fā)明涉及的固體攝像器件的制造方法，所述固體攝像器件平面地配置有多個(gè)具有聚光元件的單位像素，上述聚光元件具備由折射率不同的多個(gè)透光膜構(gòu)成的集合體，其特征在于，上述集合體中的一個(gè)透光膜具有與入射光的波長相同程度或比其短的寬度及預(yù)定厚度的同心形狀，上述集合體中的其它透光膜以同心狀填充不存在上述一個(gè)透光膜的空間的全部或一部分；上述固體攝像器件的制造方法包括在Si基板上形成由受光元件、布線、遮光層及信號傳送部構(gòu)成的半導(dǎo)體集成電路的工序；在上述半導(dǎo)體集成電路上堆積第1透光膜的工序；在上述第1透光膜上堆積第2透光膜的工序；將上述第2透光膜加工為同心圓結(jié)構(gòu)的工序；在上述第2透光膜上形成抗蝕劑的工序；及將上述第2透光膜作為掩模，對上述第1透光膜進(jìn)行蝕刻的工序。由此，能夠使第1層與第2層的位置精度無限接近于0，能夠容易地制造符合設(shè)計(jì)的透鏡結(jié)構(gòu)，所以能夠得到聚光效率較高的元件。
此外，本發(fā)明涉及的固體攝像器件的制造方法，所述固體攝像器件平面地配置有多個(gè)具有聚光元件的單位像素，上述聚光元件具備由折射率不同的多個(gè)透光膜構(gòu)成的集合體，其特征在于，上述集合體中的一個(gè)透光膜具有與入射光的波長相同程度或比其短的寬度及預(yù)定厚度的同心形狀，上述集合體中的其它透光膜以同心狀填充不存在上述一個(gè)透光膜的空間的全部或一部分；上述固體攝像器件的制造方法包括在Si基板上形成由受光元件、布線、遮光層及信號傳送部構(gòu)成的半導(dǎo)體集成電路的工序；在上述半導(dǎo)體集成電路上形成由第1透光材料和第2透光材料構(gòu)成的第1透光膜的工序；在上述第1透光膜上堆積第2透光膜的工序；將上述第2透光膜加工為同心圓結(jié)構(gòu)的工序；在上述第2透光膜上形成抗蝕劑的工序；將上述第2透光膜作為掩模，對構(gòu)成了上述第1透光膜的上述第1透光材料和第2透光材料的界面進(jìn)行蝕刻的工序；在上述第1透光膜的空氣孔中埋入上述第1透光材料的工序；及將上述第2透光膜平坦化的工序。由此，由于第1層的材料界面與第2層的材料界面大致一致，所以能夠形成高精度的折射率分布，能夠得到聚光效率較高的元件。
此外，本發(fā)明涉及的固體攝像器件的制造方法，所述固體攝像器件平面地配置有多個(gè)具有聚光元件的單位像素，上述聚光元件具備由折射率不同的多個(gè)透光膜構(gòu)成的集合體，其特征在于，上述集合體中的一個(gè)透光膜具有與入射光的波長相同程度或比其短的寬度及預(yù)定厚度的同心形狀，上述集合體中的其它透光膜以同心狀填充不存在上述一個(gè)透光膜的空間的全部或一部分；上述固體攝像器件的制造方法包括在Si基板上形成由受光元件、布線、遮光層及信號傳送部構(gòu)成的半導(dǎo)體集成電路的工序；在上述半導(dǎo)體集成電路上堆積第1透光膜的工序；在上述第1透光膜上堆積第2透光膜的工序；將上述第2透光膜加工為同心圓結(jié)構(gòu)的工序；在上述第2透光膜上形成抗蝕劑的工序；及將上述第2透光膜作為掩模，對上述第1透光膜進(jìn)行各向同性蝕刻的工序。由此，能夠增加折射率分布的層次，能夠提高聚光效率。
此外，本發(fā)明涉及的固體攝像器件的制造方法，所述固體攝像器件平面地配置有多個(gè)具有聚光元件的單位像素，上述聚光元件具備由折射率不同的多個(gè)透光膜構(gòu)成的集合體，其特征在于，上述集合體中的一個(gè)透光膜具有與入射光的波長相同程度或比其短的寬度及預(yù)定厚度的同心形狀，上述集合體中的其它透光膜以同心狀填充不存在上述一個(gè)透光膜的空間的全部或一部分；上述固體攝像器件的制造方法包括在Si基板上形成由受光元件、布線、遮光層及信號傳送部構(gòu)成的半導(dǎo)體集成電路的工序；在上述半導(dǎo)體集成電路上形成由第1透光材料和第2透光材料構(gòu)成的第1透光膜的工序；在上述第1透光膜上堆積第2透光膜的工序；將上述第2透光膜加工為同心圓結(jié)構(gòu)的工序；在上述第2透光膜上形成抗蝕劑的工序；將上述第2透光膜作為掩模，對構(gòu)成了上述第1透光膜的上述第1透光材料和第2透光材料的界面進(jìn)行各向同性蝕刻的工序；在上述第1透光膜的空氣孔中埋入上述第1透光材料的工序；及將上述第2透光膜平坦化的工序。
另外，本發(fā)明的固體攝像器件的制造方法，其特征在于，包括利用對第1和第2材料蝕刻速度不同的蝕刻劑對由第1和第2材料構(gòu)成的上述透光膜的材料界面進(jìn)行蝕刻的工序。由此，能夠根據(jù)材料來控制體積比，能夠進(jìn)一步增加分布的層次，能夠提高聚光效率。
發(fā)明效果本發(fā)明的固體攝像器件具有上述的透鏡結(jié)構(gòu)，因此可以實(shí)現(xiàn)分辨率和靈敏度的提高和使制造工序變得容易。另外，可以防止灰塵堆積成微小形狀。
圖1是表示以往的固體攝像器件中的像素排列的基本結(jié)構(gòu)的圖。
圖2是表示以往的固體攝像器件的基本結(jié)構(gòu)的圖。
圖3是表示使用以往的微透鏡的固體攝像器件的聚光特性的圖。
圖4是表示以往的固體攝像器件中的像素的基本結(jié)構(gòu)的圖。
圖5是表示實(shí)施方式1中的固體攝像器件的基本結(jié)構(gòu)的圖。
圖6是表示實(shí)施方式1中的梯度折射率透鏡的俯視圖的一例的圖。
圖7是表示實(shí)施方式1中的梯度折射率透鏡的截面結(jié)構(gòu)的圖。
圖8是表示實(shí)施方式1中的透鏡的折射率分布的圖。
圖9是表示實(shí)施方式1中的光的相位調(diào)制的圖。
圖10(a)～圖10(h)是表示實(shí)施方式1中的梯度折射率透鏡的制造工序的圖。
圖11是表示實(shí)施方式1中的像素排列的基本結(jié)構(gòu)的圖。
圖12(a)～圖12(c)是表示實(shí)施方式1中的、取決于光入射角度的像素的基本結(jié)構(gòu)的圖。
圖13(a)～圖13(c)是表示實(shí)施方式1中的透鏡的折射率分布的圖。
圖14是表示實(shí)施方式1中的梯度折射率透鏡的俯視圖。
圖15是表示實(shí)施方式1中的透鏡的折射率分布的圖。
圖16是表示實(shí)施方式1中的像素中的光傳播的圖。
圖17是表示實(shí)施方式1中的固體攝像器件的聚光效率的圖。
圖18是表示實(shí)施方式2中的梯度折射率透鏡的俯視圖。
圖19是表示實(shí)施方式2中的梯度折射率透鏡的截面結(jié)構(gòu)的圖。
圖20是表示實(shí)施方式2中的透鏡的折射率分布的圖。
圖21(a)～圖21(f)是表示實(shí)施方式2中的梯度折射率透鏡的制造工序的圖。
圖22(a)、圖22(b)是表示實(shí)施方式2中的像素與梯度折射率透鏡對準(zhǔn)位置的狀況的圖。
圖23(a)～圖23(c)是表示實(shí)施方式2中的梯度折射率透鏡的制造工序的圖。
圖24(a)、圖24(b)是表示實(shí)施方式2中的像素與梯度折射率透鏡對準(zhǔn)位置的狀況的圖。
圖25(a)～圖25(c)是表示實(shí)施方式2中的梯度折射率透鏡的制造工序的圖。
圖26(a)是實(shí)施方式2中的、通過各向異性蝕刻形成了多層結(jié)構(gòu)時(shí)的梯度折射率透鏡的截面圖。圖26(b)是通過各向同性蝕刻抑制了橫向的線寬時(shí)的梯度折射率透鏡的截面圖。
圖27(a)是實(shí)施方式2中的、在對構(gòu)成第1層的兩種材料使用了相同程度的蝕刻速度的蝕刻劑的情況下形成的透鏡的截面圖。圖27(b)是在對構(gòu)成第1層的兩種材料使用不同的蝕刻速度的蝕刻劑的情況下形成的透鏡的截面圖。
圖28是表示實(shí)施方式2中的、通過微粒子的凝聚而構(gòu)成的梯度折射率透鏡的截面結(jié)構(gòu)的圖。
圖29(a)～圖29(e)是表示實(shí)施方式2中的梯度折射率透鏡的制造工序的圖。
圖30是表示實(shí)施方式3中的固體攝像器件的基本結(jié)構(gòu)的圖。
圖31是表示實(shí)施方式3中的梯度折射率透鏡的俯視圖的圖。
圖32是表示實(shí)施方式3中的梯度折射率透鏡的截面結(jié)構(gòu)的圖。
圖33是表示實(shí)施方式3中的透鏡的折射率分布的圖。
圖34是表示實(shí)施方式3中的光的相位調(diào)制的圖。
圖35(a)～圖35(c)是表示實(shí)施方式3涉及的1個(gè)像素的基本結(jié)構(gòu)的圖。
圖36(a)～圖36(c)是表示實(shí)施方式3涉及的透鏡的折射率分布的圖。
圖37(a)～圖37(d)是表示有關(guān)實(shí)施方式3中的梯度折射率透鏡的制造工序的圖。
圖38是表示實(shí)施方式3涉及的固體攝像器件中的像素排列的基本結(jié)構(gòu)的狀況的圖。
圖39是表示實(shí)施方式3涉及的固體攝像器件的聚光效率的入射角度依存性的圖。
符號說明1 梯度折射率透鏡2 濾色片3 Al布線4 電信號傳送部5 平坦化層6 受光元件(Si光敏二極管)7 Si基板8 半導(dǎo)體集成電路9 入射光10 TiO2(n＝2.43)11 SiN(n＝2.0)12 SiO2(n＝1.45)13 空氣(n＝1.0)14 周期(0.2 μm)15 透鏡中心16 相位調(diào)制17 第1區(qū)域18 第2區(qū)域19 第3區(qū)域20 抗蝕劑21 SiO222 半導(dǎo)體集成電路(由上述2～7構(gòu)成)23 電子束描繪
24 蝕刻25 TiO226 入射光27 光學(xué)透鏡28 固體攝像器件29 裝置中央部的入射光30 裝置中央部像素用梯度折射率透鏡31 裝置周邊部的入射光32 裝置周邊部像素用梯度折射率透鏡33 入射光(0°入射)34 入射光(α/2°入射)35 入射光(α°入射)36 0°入射光用梯度折射率透鏡37 α/2°入射光用梯度折射率透鏡38 α°入射光用梯度折射率透鏡39 抗蝕劑40 TiO241 模具42 Ar銑削43 蝕刻44 SiN45 GeO246 粒子堆積區(qū)域47 抗蝕劑48 GeO249 電子束描繪50 TiO2微粒子51 溶液
52 SiN微粒子53 SiO2微粒子54 入射光55 光學(xué)透鏡56 固體攝像器件57 斜向入射光58 微透鏡59 垂直入射光60 斜向入射光61 微透鏡71 光學(xué)中心75 入射光76 光學(xué)透鏡77 固體攝像器件78 裝置中央部的入射光79 裝置中央部像素用梯度折射率透鏡80 裝置周邊部的入射光81 裝置周邊部像素用梯度折射率透鏡100 像素的中心軸101 透鏡的中心軸102 各向同性蝕刻具體實(shí)施方式
下面，參照附圖更具體地說明有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施方式。另外，在以下的實(shí)施方式中，利用附圖對本發(fā)明進(jìn)行說明，但并不意味著將本發(fā)明限定在這些實(shí)施方式中。
(實(shí)施方式1)圖5是表示本實(shí)施方式中的固體攝像器件的基本結(jié)構(gòu)的圖。各像素(尺寸□2.8mm)由梯度折射率透鏡(也單純稱作“透鏡”或“透光膜”)1、G用濾色片2、Al布線3、信號傳送部4、平坦化層5、受光元件(Si光敏二極管)6、Si基板7構(gòu)成。
圖6是上述圖1中的梯度折射率透鏡1的俯視圖的一例。具有同心圓結(jié)構(gòu)的梯度折射率透鏡1由折射率不同的4種材料、TiO2(n＝2.53)、SiN(n＝2.53)、SiO2(n＝2.53)、空氣(n＝1.0)構(gòu)成，相鄰的圓形透光膜的外周的半徑差14例如為200nm(此時(shí)的單位寬度是100nm)。此外，膜厚為0.4μm。
一般，光入射的入射窗區(qū)域的形狀配合各像素的開口而成為四邊形狀。在入射窗區(qū)域?yàn)閳A形的情況下，由于在透鏡與透鏡之間產(chǎn)生間隙，所以會發(fā)生漏光，成為聚光損失的較大原因。但是，如果將入射窗區(qū)域做成四邊形，則能夠?qū)⑾袼卣麄€(gè)區(qū)域的入射光聚光，所以沒有漏光，聚光損失降低。
圖7是表示梯度折射率透鏡1的截面圖的一例的圖。在一般的梯度折射率透鏡中，折射率在光學(xué)中心15處最高。在本實(shí)施方式中，光學(xué)中心15附近的環(huán)也由高折射率材料TiO2構(gòu)成，隨著成為外側(cè)的環(huán)，如SiN、SiO2、空氣那樣使用低折射率材料。在周期與入射光的波長相同程度或小時(shí)，感光的有效折射率可以根據(jù)高折射率材料和低折射率材料的體積比來計(jì)算。本結(jié)構(gòu)的最大的特長是僅通過改變相鄰的材料的組合而能夠自由自在地控制折射率分布。在本實(shí)施方式中，除了使用折射率不同的材料帶來的折射率變化以外，還利用由于在相鄰的區(qū)域使結(jié)構(gòu)的寬度變化而引起的折射率變化。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)更細(xì)密的層次的折射率分布，所以提高了聚光效率。但是，僅通過使用折射率不同的材料帶來的折射率變化，也能夠得到較高的聚光效率(通過3種材料，聚光效率為70％左右)。由此，由于能夠以相同的去除/殘留寬度形成同心圓結(jié)構(gòu)，所以工藝變得容易。
此時(shí)的折射率的變化如圖8那樣表示。透鏡的折射率在同心圓的中心部分最高，隨著成為端部而依次降低。拋物線表示用來使波長(550nm)的入射光以焦點(diǎn)距離f(4.43μm)聚光的折射率分布，用下面的式子表示。
Δn(x)＝Δnmax[(Ax2+Bxsinθ)/2π+C] (1)(A、B、C常數(shù))這里，Δnmax是入射側(cè)介質(zhì)與透鏡材料的折射率差(這里是1.43)。此外，上述(1)式在設(shè)入射側(cè)介質(zhì)的折射率為n0、射出側(cè)介質(zhì)的折射率為n1時(shí)，可以如A＝-(k0n1)/2f (1-1)B＝-k0n0(1-2)k0＝2π/λ (1-3)那樣設(shè)定參數(shù)。由此，能夠?qū)τ诿總€(gè)作為目的的焦距以及作為對象的入射光的入射角度、波長來將透鏡最優(yōu)化。在上述的(1)式中，聚光成分由自像素中央的距離x的2次函數(shù)表示，偏轉(zhuǎn)成分由距離x與三角函數(shù)的積表示。另外，由于實(shí)際的透鏡是3維結(jié)構(gòu)，所以折射率分布表示為x軸、y軸及z軸空間上的函數(shù)表示，但這里為了簡化而用等價(jià)的2維坐標(biāo)表示。
另外，上述圖6是使入射光的角度為0°時(shí)的透鏡結(jié)構(gòu)的圖，光學(xué)中心與各像素的中心一致。
此外，在設(shè)入射光的波長為λ、光會聚的焦距為f、光的入射角度為θ、入射側(cè)介質(zhì)的折射率為n0、射出側(cè)介質(zhì)的折射率為n1時(shí)，取決于上述透光膜的面內(nèi)方向的距離x的、上述透光膜的相位調(diào)制Φ(x)優(yōu)選地大致滿足[數(shù)學(xué)式1]Φ(x)=-k0n12fx2-k0n0xsinθ]]>k0=2πλ]]>由此，能夠僅通過第1區(qū)域聚光，能夠進(jìn)行聚光損失較少、高效率的聚光。
進(jìn)而，上述透光膜的相位調(diào)制Φ(x)優(yōu)選地大致滿足[數(shù)學(xué)式2]Φ(x)=-k0n12fx2-k0n0xsinθ+2mπ]]>k0=2πλ]]>m＝自然數(shù)由此，能夠進(jìn)行通過多個(gè)區(qū)域的聚光，能夠增大相位調(diào)制，所以能夠?qū)崿F(xiàn)對更高角度的入射光有效的聚光元件。
在設(shè)上述透光膜的折射率的最大值為n0+Δnmax、設(shè)在上述透光膜的面內(nèi)方向的折射率的分布中相對于n0的差分為Δn(x)時(shí)，優(yōu)選地大致滿足[數(shù)學(xué)式3]Δn(x)=Δnmax[φ(x)2π+C]]]>由此，能夠形成能夠?qū)σ蕴囟ǖ慕嵌热肷涞墓庠谌我獾奈恢眠M(jìn)行聚光的、高聚光效率的梯度折射率透鏡。
在本實(shí)施方式中，通過用折射率分布對入射光進(jìn)行相位調(diào)制，來控制光的傳播方向。此時(shí)，如圖9所示，由上述(1)式帶來的相位調(diào)制不僅是第1區(qū)域17，也如第2區(qū)域18、第3區(qū)域19那樣，成為將上述(1)式用2π分割而得到的不連續(xù)的相位調(diào)制。但是，為了在每個(gè)相位區(qū)分區(qū)域，實(shí)際有效的相位調(diào)制與連續(xù)的相位調(diào)制16相等。
此外，如果設(shè)透鏡厚為L，則形成具有多個(gè)區(qū)域的透光膜時(shí)的、為了使各區(qū)域邊界處的相位差為2π的條件為，ΔnmaxL＝λ (2)在透光膜較薄的情況下，一般沒有損失原因，所以只要滿足上述(2)式，聚光效率就成為100％。
圖10(a)～圖10(h)是表示梯度折射率透鏡的制造工序的圖。透鏡形成是通過光刻法與蝕刻來進(jìn)行的。首先，利用通常的半導(dǎo)體工藝，在Si基板上形成由受光元件、以及布線、遮光層、信號傳送部、濾色片構(gòu)成的半導(dǎo)體集成電路22(在上述圖10中沒有描繪)。1個(gè)像素的尺寸為2.8μm見方，受光部為1.5μm見方。然后，使用濺鍍裝置形成SiO2膜21，在其上涂覆抗蝕劑20(圖10(a))。然后，通過光曝光23進(jìn)行構(gòu)圖(圖10(b))。SiO2膜與抗蝕劑的厚度分別為0.5μm與0.5μm。在顯影后，進(jìn)行蝕刻，在像素表面形成細(xì)微結(jié)構(gòu)(圖10(c))。在將抗蝕劑除去后，利用等離子CVD堆積TiO2(圖10(d))。在將覆蓋像素整個(gè)區(qū)域的TiO2層通過表面研磨除去后(圖10(e))，再次涂覆抗蝕劑，通過曝光23形成圖案(圖10(f))。然后，進(jìn)行蝕刻，利用CVD堆積SiN(圖10(g))。最終，通過研磨像素表面，形成由TiO2、SiN、SiO2構(gòu)成的梯度折射率透鏡。
在本實(shí)施例中嘗試了用代表性的3種材料形成透鏡，但是利用將上述圖10所示的光刻法或電子蝕刻法與蝕刻進(jìn)行組合的工序，從而能夠用更多種類的材料構(gòu)成透鏡。
圖11是表示有關(guān)本實(shí)施方式的、VGA使用(31萬像素)的固體攝像器件中的像素排列的狀況的圖。信號光26被光學(xué)透鏡27聚光，照射在具有梯度折射率透鏡的固體攝像器件28上。在2維排列有由受光元件和布線等構(gòu)成的半導(dǎo)體集成電路8以及梯度折射率透鏡的固體攝像器件中，在中心部分的像素與周邊部分的像素中，光的入射角不同，在中心部分是大致0°入射，相對于此，在周邊部分是30°入射。所以，在本實(shí)施方式中，從固體攝像器件的中央到周邊部分，形成了與射入各像素中的光強(qiáng)度最強(qiáng)的入射光成分對應(yīng)的梯度折射率透鏡。各個(gè)透鏡根據(jù)攝像裝置上的像素的位置使透鏡結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，聚光效率變得最高。
圖12(a)～圖12(c)是表示本實(shí)施方式中的、取決于光入射角度(像素位置)的像素的基本結(jié)構(gòu)的圖。該透鏡對于入射光具有由上述(1)式表示的折射率分布。以入射角0°射入入射窗的光33、以入射角α/2°入射的光34、以入射角α°入射的光35分別由0°入射光用梯度折射率透鏡36、α/2°入射光用梯度折射率透鏡37、α°入射光用梯度折射率透鏡38聚光，通過濾色片2而由受光部進(jìn)行向電信號的轉(zhuǎn)換。
在有關(guān)本發(fā)明的梯度折射率透鏡中，能夠根據(jù)入射光的波長將各像素的透鏡結(jié)構(gòu)最合適化，所以沒有由入射角度帶來的聚光效率的差異而能夠高效率地聚光。在0°入射光用梯度折射率透鏡中，相對于同心圓的中心處于像素中央部分，如果入射角度增加，則圓的中心向光的入射側(cè)移動。
這是因?yàn)椋缟鲜?1)式所示，折射率分布的2次曲線的最大值隨著入射角度q的增加而向光入射側(cè)移動(參照圖13)。
此時(shí)，由折射率不同的材料構(gòu)成的透鏡的結(jié)構(gòu)相對于像素區(qū)域?yàn)榉菍ΨQ(參照圖14)。進(jìn)而，如圖15所示，折射率的分布在每個(gè)周期由于構(gòu)成材料不同而取離散的值，但在周期比入射光的波長短很多的情況下，沒有了散射成分，而形成連續(xù)的折射率分布。
此外，由上述(1-3)、(2)式可知，相位調(diào)制隨著成為對象的光的波長而不同。這意味著對應(yīng)于入射到各像素的光的顏色而具有最合適的透鏡結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施方式中可知，將波長0.45μm、0.55μm、0.65μm的光入射到具有各個(gè)顏色用的透鏡結(jié)構(gòu)的像素中的情況下，都顯示出80％左右的較高的聚光效率。
圖16是表示對應(yīng)于入射角度40°的入射光的、像素中的光傳播輪廓的模擬結(jié)果的圖?？梢源_認(rèn)入射光的傳播方向在透鏡通過時(shí)彎曲并在第1布線層(遮光層)中結(jié)成焦點(diǎn)、然后傳播到受光元件的狀況。這啟示著通過使用按照上述(1)式制造的透鏡，能夠使光高效率地向受光元件傳播。
圖17是表示本實(shí)施方式中的固體攝像器件的聚光效率的角度依存性的圖。橫軸的角度表示射入固體攝像器件中的光的角度，0°意味著中心部分，30°以上意味著周邊像素。相對于使用微透鏡的固體攝像器件的聚光效率從入射角度20°附近的像素開始急劇降低，在有關(guān)本發(fā)明的梯度折射率透鏡中，即使在周邊像素中，聚光效率也保持60％。由圖17可知，有關(guān)本發(fā)明的梯度折射率透鏡與微透鏡相比，在入射光的角度依存性優(yōu)良方面較好(即聚光效率不那么取決于入射光的角度)。由此，能夠緩和伴隨著入射角度的增加的聚光效率的降低，所以能夠期待向便攜電話用攝像機(jī)等的短焦距光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用。
(實(shí)施方式2)圖18是實(shí)施方式2的不具有空氣區(qū)域的梯度折射率透鏡的俯視圖。通過不加入空氣區(qū)域，雖然折射率變化的動態(tài)范圍降低，但是能夠使透鏡表面變得平坦，所以能夠減少散射損失。此外，由于能夠還在透鏡的上表面堆積，所以向多層膜化的應(yīng)用變得容易。
圖19是表示本實(shí)施方式中的具有多層結(jié)構(gòu)的梯度折射率透鏡的結(jié)構(gòu)的圖。通過不僅在透鏡的面內(nèi)方向還在垂直方向(即z方向)上配置折射率不同的多個(gè)透光材料，能夠顯著增加折射率分布的層次。由此，離散的折射率變化變得連續(xù)，能夠提高聚光效率。
圖20是表示本實(shí)施方式中的透鏡的折射率分布的圖。
圖21是表示本實(shí)施方式中的梯度折射率透鏡的制造工序的圖。透鏡形成是通過納米印刷和蝕刻來進(jìn)行的。首先，利用通常的半導(dǎo)體工藝，在Si基板上形成由受光元件以及布線、遮光層、信號傳送部構(gòu)成的半導(dǎo)體集成電路8(在圖21中沒有描繪)。1個(gè)像素的尺寸是2.8μm見方，受光部是1.5μm見方。然后，利用等離子CVD，形成TiO2膜40，在其上涂覆抗蝕劑39(圖21(a))。TiO2膜與抗蝕劑的厚度分別為0.5μm和0.5μm。通過將構(gòu)圖了同心圓結(jié)構(gòu)的SiC制的模子(模具)41以150℃加熱擠壓在抗蝕劑上，將細(xì)微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到抗蝕劑上(圖21(b))。模子是通過通常的電子束蝕刻和蝕刻形成的。然后，在180℃下進(jìn)行后烘干后，通過Ar離子銑削進(jìn)行第一階段的蝕刻42(圖21(c))。在除去了抗蝕劑后，通過濕法蝕刻43在像素上形成同心圓結(jié)構(gòu)(圖21(d))。然后，利用等離子CVD堆積SiN44，進(jìn)行表面研磨而平坦化(圖21(e))。通過重復(fù)圖21(a)～圖21(e)的工序，形成由TiO2、SiN、SiO2構(gòu)成的梯度折射率透鏡。
本實(shí)施方式的具有多層結(jié)構(gòu)的梯度折射率透鏡可以利用上述圖21所示的制造方法形成。這里，最重要的工序是基板側(cè)的第1透光膜與形成在其上的第2透射膜的位置對準(zhǔn)。為了使透光膜具有上述(1)式那樣的折射率分布，需要精度較高的3維結(jié)構(gòu)，所以第1透光膜與第2透光膜的位置對準(zhǔn)精度優(yōu)選為無限接近于0(圖22(a))。但是，在現(xiàn)有的位置對準(zhǔn)技術(shù)下，沒有尺寸偏差地形成多層結(jié)構(gòu)是不可能的，會發(fā)生偏差(圖22(b))。
所以，在本實(shí)施方式的透鏡形成中，采用應(yīng)用了自動聚焦的位置對準(zhǔn)精度較高的多層結(jié)構(gòu)形成工藝。圖23表示梯度折射率透鏡的制造工序。首先，在Si基板上形成由受光元件以及布線、遮光層、信號傳送部構(gòu)成的半導(dǎo)體集成電路8(在圖23中沒有描繪)。然后，利用等離子CVD形成TiO2膜10和SiO2膜12(圖23(a))。在利用EB描繪、光描繪、或者納米印刷，在第2層上形成凹凸結(jié)構(gòu)后，在第1層上沒有形成結(jié)構(gòu)的部位涂覆抗蝕劑39(圖23(b))。通過蝕刻在第1層上形成凹凸結(jié)構(gòu)后，將抗蝕劑除去，如果需要則用其他材料填埋凹結(jié)構(gòu)(圖23(c))。在形成的梯度折射率透鏡中，第1層與第2層的位置精度無限接近于0，能夠容易地制造符合設(shè)計(jì)的透鏡結(jié)構(gòu)，所以能夠得到聚光效率較高的元件。
此外，在本發(fā)明中，在微小區(qū)域(光的波長以下)，需要使構(gòu)成各光學(xué)元件的材料變化。特別在形成多層結(jié)構(gòu)的情況下，必須配合第1層的材料的變化而高精度地形成第2層(圖24(a))。如果相鄰的兩種材料不以由微小區(qū)域決定的體積比存在，就不能形成高聚光效率的梯度折射率透鏡(圖24(b))。
圖25表示本實(shí)施方式中的梯度折射率透鏡的制造工序。首先，在Si基板上形成由受光元件以及布線、遮光層、信號傳送部構(gòu)成的半導(dǎo)體集成電路8(在圖25中沒有描繪)。然后，利用描繪工藝和等離子CVD形成由TiO2膜10和SiN膜11構(gòu)成的第1層后，堆積SiO2膜12(圖25(a))。通過描繪工藝或者納米印刷來進(jìn)行構(gòu)圖，在第1層的未形成結(jié)構(gòu)的部位涂覆抗蝕劑39。通過蝕刻在第1層上形成凹凸結(jié)構(gòu)后，將抗蝕劑除去(圖25(b))。最后堆積SiN，將凹結(jié)構(gòu)填埋后，進(jìn)行表面研磨(圖25(c))。在形成的梯度折射率透鏡中，第1層與第2層的位置精度無限接近于0，第1層的材料界面與第2層的材料界面大致一致。由此，能夠形成高精度的折射率分布，能夠得到聚光效率較高的元件。
圖26(a)是通過各向異性蝕刻形成多層結(jié)構(gòu)時(shí)的梯度折射率透鏡的截面圖。由于截面是矩形，所以折射率分布的控制較容易。但是，為了使分布的層次較多而必須減小凹凸結(jié)構(gòu)的去掉/剩余寬度。因此，為了通過描繪或納米印刷來形成圖案，需要形成更細(xì)微的結(jié)構(gòu)的工藝技術(shù)。所以，在本發(fā)明中通過各向同性蝕刻控制橫向的線寬(圖26(b))。由此，能夠通過蝕刻的條件控制折射率分布，分布的層次增加，聚光效率提高。
此外，在圖27(a)中表示在對構(gòu)成第1層的兩種材料使用了相同程度的蝕刻速度的蝕刻劑的情況下形成的透鏡的截面圖。如上所述，在將截面能夠形成為矩形時(shí)，折射率分布的控制較容易，但圖案形成工藝變得困難。所以，在圖27(b)中表示對構(gòu)成第1層的兩種材料使用不同的蝕刻速度的蝕刻劑的情況下形成的透鏡的截面圖。由此，能夠分材料控制體積比，分布的層次進(jìn)一步增加，聚光效率提高。
上述的制造工序及結(jié)構(gòu)不僅在兩層結(jié)構(gòu)中，在3層以上的多層結(jié)構(gòu)中也是有效的。此外，通過使用上述方法形成對準(zhǔn)精度較高的多層結(jié)構(gòu)，能夠消除由層間的干涉帶來的莫爾條紋。
圖28是表示本實(shí)施方式中的通過微粒子的凝聚構(gòu)成的梯度折射率透鏡的截面結(jié)構(gòu)的圖。折射率與粒徑不同的微粒子在由GeO2的隔板45隔開的空間凝聚，形成折射率分布。在微粒子的直徑比入射波長小的情況下，感光的折射率分布變得連續(xù)，得到較高的聚光效率。
圖29(a)～圖29(e)是表示本實(shí)施方式中的梯度折射率透鏡的制造工序的圖。透鏡形成是通過光刻法和蝕刻進(jìn)行的。首先，利用通常的半導(dǎo)體工藝，在Si基板上形成由受光元件以及布線、遮光層、信號傳送部、及濾色片構(gòu)成的半導(dǎo)體集成電路8(在上述圖29中沒有描繪)。1個(gè)像素的尺寸是2.8μm見方，受光部是1.5μm見方。然后，利用濺鍍裝置，形成GeO2膜48，在其上涂覆抗蝕劑47(圖29(a))。然后，通過光曝光49進(jìn)行構(gòu)圖(圖29(b))。SiO2膜與抗蝕劑的厚度分別是0.5μm和0.5μm。在通過蝕刻形成細(xì)微結(jié)構(gòu)后，使包含TiO2微粒子50(粒徑200nm)的水溶液51滴下(圖29(c))。然后，進(jìn)行加熱而使水溶液中的水蒸發(fā)。此時(shí)，通過充分減慢水的蒸發(fā)速度，將微粒子埋入空氣孔中。接著，通過空氣噴吹，將試料表面的多余的微粒子除去，這次使含有SiN微粒子50(粒徑150nm)的水溶液滴下(圖29(d))。通過重復(fù)上述操作，來制造凝聚了微粒子的梯度折射率透鏡(圖29(e))。本制造方法的要點(diǎn)是兩點(diǎn)。首先，第一點(diǎn)是，通過描繪圖案形成的細(xì)微凹結(jié)構(gòu)的寬度需要比凝聚的微粒子的粒徑稍大(10％左右)。第二點(diǎn)是，通過從粒徑較大的微粒子開始滴下，能夠有選擇地限制微粒子的凝聚區(qū)域。由于在已經(jīng)凝聚了微粒子的區(qū)域不會混入新的微粒子(即使混入了也很少，對折射率變化沒有影響)，材料的選擇變得非常容易。通過采用這些方法，不再需要上述制造方法所示那樣的對準(zhǔn)位置、平坦化，能夠?qū)崿F(xiàn)簡化工藝、降低生產(chǎn)成本。
(實(shí)施方式3)圖30是表示本實(shí)施方式中的固體攝像器件的基本結(jié)構(gòu)的圖。在上述實(shí)施方式1中，在本實(shí)施方式中對實(shí)施例進(jìn)行說明。
各像素(尺寸□2.8mm)由梯度折射率透鏡71、G用濾色片2、Al布線3、信號傳送部4、平坦化層5、受光元件(Si光敏二極管)6、Si基板7構(gòu)成。
圖31是表示上述圖30中的梯度折射率透鏡71的俯視圖的圖。具有同心圓結(jié)構(gòu)的梯度折射率透鏡71由作為第1透光膜的高折射率材料33[TiO2(n＝2.53)]和作為第2透光膜的低折射率材料34[SiO2(n＝1.45)]構(gòu)成，相鄰的第2透光膜的同心圓的線寬在圓的中心部分最大，隨著成為外側(cè)的環(huán)而線寬依次減小。在周期與入射光的波長相同程度或比波長小時(shí)，感光的有效折射率可以根據(jù)作為高折射率材料的第1透光膜和作為低折射率材料的第2透光膜的體積比來計(jì)算。本結(jié)構(gòu)的最大的特長是僅改變圓周寬、即透光膜的體積比來自由自在地控制折射率分布(參照日本特愿2003-421111)。
此時(shí)的折射率的變化如圖33所示是非對稱的。透鏡的折射率在圓的中心部分最高，隨著成為圓的端部而依次降低。即，如圖30所示的入射光9那樣，與從一定的方向入射的光對應(yīng)的折射率分布相對于梯度折射率透鏡1的中心為非對稱。
一般，光入射的入射窗區(qū)域的形狀配合各像素的開口而為四邊形狀。在入射窗區(qū)域是圓形的情況下，由于在透鏡與透鏡之間產(chǎn)生間隙，所以會產(chǎn)生漏光，成為聚光損失的原因。但是，如果將入射光區(qū)域做成四邊形，則能夠?qū)⑾袼卣麄€(gè)區(qū)域的入射光聚光，所以沒有漏光，聚光損失減少。
圖32是表示梯度折射率透鏡71的截面圖的一例的圖。在一般的梯度折射率透鏡中，折射率在光學(xué)中心72處最高。在本實(shí)施方式中，光學(xué)中心75附近的環(huán)由作為第1透光膜的高折射率材料的TiO2構(gòu)成，被作為第2透光膜的低折射率材料的SiO2埋入。在由透光膜形成的環(huán)周期與入射光的波長為相同程度或比其小時(shí)，感光的有效折射率可以根據(jù)作為第1透光膜的高折射率材料TiO2和作為第2透光膜的低折射率材料的SiO2的體積比來計(jì)算。本結(jié)構(gòu)的最大的特長是僅通過改變相鄰的材料的組合就能夠自由自在地控制折射率分布。在本實(shí)施方式中，除了使用折射率不同的材料帶來的折射率變化以外，還利用通過在相鄰的區(qū)域改變結(jié)構(gòu)的寬度帶來的折射率變化。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)密的層次的折射率分布，所以聚光效率提高。
此外，采用只有第1透光膜的高折射率材料TiO2的結(jié)構(gòu)也具有梯度折射率透鏡的功能，但是會發(fā)生作為制造工序的一部分的切割加工時(shí)的灰塵附著在第1透光膜的高折射率材料TiO2的環(huán)狀的結(jié)構(gòu)體的間隙中的問題。附著物具有折射率，所以折射率透鏡的功能降低。進(jìn)而，由于空氣中的灰塵也有可能附著，所以用第2透光膜的低折射率材料埋入是很重要的。
圖33表示梯度折射率透鏡71的折射率的變化。梯度折射率透鏡71的折射率在同心圓的中心部分最高，隨著成為圓的端部而依次變低。拋物線表示用來使波長λ(550nm)的入射光在焦距f(4.43μm)聚光的折射率分布，由上述(1)式表示。
另外，在本實(shí)施方式中，Δnmax是第1透光膜的高折射率材料TiO2和第2透光膜的低折射率材料SiO2的折射率差(這次是1.08)。折射率差優(yōu)選為較大，但只要為0.1以上就能夠?qū)崿F(xiàn)。
在本實(shí)施方式中，通過由折射率分布對入射光進(jìn)行相位調(diào)制，來控制光的傳播方向。此時(shí)，如圖34所示，由上述(1)式帶來的相位調(diào)制不僅在第1區(qū)域17中，而且如第2區(qū)域18及第3區(qū)域19那樣，成為將上述(1)式用2π分割而得到的不連續(xù)的相位調(diào)制。但是，由于對每1個(gè)相位區(qū)分了區(qū)域，因此實(shí)際有效的相位調(diào)制與連續(xù)的相位調(diào)制16相等。
在上述中，設(shè)計(jì)成“第1透光膜的折射率＞第2透光膜的折射率”，但也可以設(shè)計(jì)成“第1透光膜的折射率＜第2透光膜的折射率”。
進(jìn)而，濾色片設(shè)在最上部的結(jié)構(gòu)也可以通過將第1透光膜埋入第2透光膜中來實(shí)現(xiàn)。
圖35(a)～圖35(c)是表示有關(guān)本實(shí)施方式的1個(gè)像素的基本結(jié)構(gòu)的圖。有關(guān)該像素的透鏡具有對入射光賦予相位調(diào)制那樣的、單一區(qū)域的折射率分布。以入射角0°射入入射窗中的光66、以入射角α/2°入射的光67、以入射角α°入射的光68分別由0°入射光用梯度折射率透鏡69、α/2°入射光用梯度折射率透鏡70、α°入射光用梯度折射率透鏡71聚光，通過濾色片2，由受光部進(jìn)行向電信號的轉(zhuǎn)換。這里，角度α由下述(3)式定義。這里，D是像素尺寸。
α=sin-1[n1D2n0f]---(3)]]>在有關(guān)本實(shí)施方式的梯度折射率透鏡中，能夠根據(jù)入射光的波長而使各像素的透鏡結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，所以沒有由入射角度帶來的聚光效率的差異而能夠高效率地聚光。在0°入射光用梯度折射率透鏡69中，相對于同心圓的中心處于像素中央部分，如果入射角度增加，則圓的中心向光的入射側(cè)移動。
這是因?yàn)?，如上?1)式所示，折射率分布的2次曲線的最大值隨著入射角度θ的增加而向光入射側(cè)移動(參照圖36)。
在入射角度為α°以下的情況下，能夠在使膜厚為一定(1相位的量)的狀態(tài)下以單一區(qū)域設(shè)計(jì)透鏡。此時(shí)，由于光連續(xù)地射入透鏡，所以透鏡表面上的散射損失降低，聚光效率提高。在使入射角度為α°以上的情況下，為了使光路長變長(增大相位調(diào)制)，只要進(jìn)一步增大膜厚就可以。
此外，相位調(diào)制因作為對象的光的波長而不同。在本實(shí)施方式中可知，使波長0.45μm、0.55μm、0.65μm的光射入具有各個(gè)顏色用的透鏡結(jié)構(gòu)的像素中的情況下，都顯示出80％左右的較高的聚光效率。
圖37(a)～圖37(d)是表示本實(shí)施方式涉及的梯度折射率透鏡的制造工序的圖。透鏡形成是通過光刻法與蝕刻及CVD來進(jìn)行的。首先，利用通常的半導(dǎo)體工藝，在Si基板22上形成由受光元件、以及布線、遮光層、信號傳送部構(gòu)成的半導(dǎo)體集成電路22(在圖30中沒有描繪)和濾色片2。1個(gè)像素的尺寸為2.8μm見方，受光部為1.1μm見方。然后，使用濺鍍裝置形成TiO2膜21，在其上涂覆抗蝕劑20(圖8(a))。TiO2膜與抗蝕劑的厚度分別為0.5μm與0.5μm。接著，通過光刻法的工序形成同心圓結(jié)構(gòu)的抗蝕劑圖案(圖8(b))。然后，在180℃下進(jìn)行后烘干后，通過干法蝕刻進(jìn)行蝕刻23(圖8(c))。在將抗蝕劑除去后，利用等離子CVD24形成SiO2，以便埋入同心圓結(jié)構(gòu)(圖8(d))。在該實(shí)施例中，SiO2覆蓋TiO2，但也可以通過由CMP等進(jìn)行平坦化，而做成SiO2與TiO2兩者露出的結(jié)構(gòu)。
圖38是表示有關(guān)本實(shí)施方式的VGA使用(31萬像素)的固體攝像器件中的像素排列的狀況的圖。信號光75由光學(xué)透鏡76聚光，照射在具有梯度折射率透鏡的固體攝像元件77上。在2維排列有由受光元件和布線等構(gòu)成的半導(dǎo)體集成電路8及梯度折射率透鏡的固體攝像器件中，在中心部分的像素與周邊部分的像素中，光的入射角度不同。相對于在中心部分處是大致0°入射，在周邊部分處為30°入射。所以，在本實(shí)施方式中，從攝像裝置的中央到周邊部分形成了與射入各像素的光強(qiáng)度最強(qiáng)的入射光成分對應(yīng)的梯度折射率透鏡。各個(gè)透鏡根據(jù)攝像裝置上的像素的位置而使透鏡結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，聚光效率變得最高。另外，也可以同時(shí)利用半導(dǎo)體集成電路的縮小帶來的聚光效率的提高。
圖39是表示聚光效率的入射角度依存性的圖。橫軸的角度表示入射到固體攝像器件中的光的角度，0°意味著中心部分，30°以上意味著周邊像素。相對于使用了微透鏡的固體攝像器件的聚光效率從入射角度20°附近的像素開始急劇降低，在本發(fā)明的梯度折射率透鏡中，即使在周邊像素中，聚光效率也保持80％。可知本發(fā)明的梯度折射率透鏡與微透鏡相比，在入射光的角度依存性方面較好。由此，能夠緩和伴隨著入射角度的增加的聚光效率的降低，所以能夠期待向便攜電話用攝像機(jī)等的短焦距光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用。
工業(yè)實(shí)用性有關(guān)本發(fā)明的固體攝像器件能夠利用于數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)碼靜止攝像機(jī)、以及帶攝像機(jī)的便攜電話等中。
權(quán)利要求
1.一種聚光元件，具備由折射率不同的多個(gè)透光膜構(gòu)成的集合體，其特征在于，上述集合體中的一個(gè)透光膜具有與入射光的波長相同程度或比其短的寬度及預(yù)定厚度的同心形狀；上述集合體中的其它透光膜以同心狀填充不存在上述一個(gè)透光膜的空間的全部或一部分。
2.如權(quán)利要求
1所述的聚光元件，其特征在于，在上述聚光元件中，上述一個(gè)透光膜被上述其它透光膜埋入。
3.如權(quán)利要求
1所述的聚光元件，其特征在于，上述集合體的光學(xué)中心偏心。
4.如權(quán)利要求
1所述的聚光元件，其特征在于，在設(shè)上述入射光的入射角度為θ、預(yù)定的常數(shù)為A及B的情況下，取決于上述集合體中的面內(nèi)方向的距離x的上述相位調(diào)制Ф(x)大致滿足Ф(x)＝Ax2+Bxsinθ+2mπ，m為自然數(shù)。
5.如權(quán)利要求
1所述的聚光元件，其特征在于，上述一個(gè)透光膜的折射率與上述其它透光膜的折射率的差為0.1以上。
6.如權(quán)利要求
1所述的聚光元件，其特征在于，上述一個(gè)透光膜的折射率為1.45以上且3.4以下。
7.如權(quán)利要求
1所述的聚光元件，其特征在于，上述一個(gè)透光膜的折射率比上述其它透光膜的折射率大。
8.如權(quán)利要求
1所述的聚光元件，其特征在于，上述一個(gè)透光膜的折射率比上述其它透光膜的折射率小。
9.如權(quán)利要求
1所述的聚光元件，其特征在于，構(gòu)成上述一個(gè)透光膜或上述其它透光膜的透光材料是空氣。
10.如權(quán)利要求
1所述的聚光元件，其特征在于，上述一個(gè)透光膜或上述其它透光膜進(jìn)一步在垂直方向上是由折射率不同的多種透光材料構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求
1所述的聚光元件，其特征在于，上述一個(gè)透光膜或上述其它透光膜，根據(jù)上述入射光的波長或上述入射光的代表光的波長而使構(gòu)成該一個(gè)透光膜或該其它透光膜的透光材料的種類或其排列不同。
12.如權(quán)利要求
1所述的聚光元件，其特征在于，上述一個(gè)透光膜或上述其它透光膜根據(jù)對上述入射光設(shè)定的焦點(diǎn)距離而使構(gòu)成該一個(gè)透光膜或該其它透光膜的透光材料的種類或其排列不同。
13.如權(quán)利要求
1所述的聚光元件，其特征在于，在設(shè)上述入射光的入射角度為θ、該集合體的折射率與入射側(cè)介質(zhì)的折射率的差分的最大值為Δnmax、預(yù)定的常數(shù)為A、B及C的情況下，在設(shè)取決于上述集合體中的面內(nèi)方向的距離x的、上述集合體的折射率與入射側(cè)介質(zhì)的折射率的差分為Δn(x)時(shí)，上述集合體大致滿足Δn(x)＝Δnmax[(Ax2+Bxsinθ)/2π+C]，其中，A、B、C為常數(shù)。
14.如權(quán)利要求
13所述的聚光元件，其特征在于，在設(shè)上述集合體的厚度為L、上述入射光的波長為λ的情況下，大致滿足ΔnmaxL＝λ。
15.如權(quán)利要求
1所述的聚光元件，其特征在于，上述一個(gè)透光膜或上述其它透光膜的法線方向的截面形狀為矩形。
16.如權(quán)利要求
1所述的聚光元件，其特征在于，上述一個(gè)透光膜或上述其它透光膜由直徑與上述入射光的波長相同程度、或者直徑比該波長小的透光材料構(gòu)成。
17.如權(quán)利要求
1所述的聚光元件，其特征在于，上述一個(gè)透光膜包含TiO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5、Si3N4及Si2N3中的任一種。
18.如權(quán)利要求
1所述的聚光元件，其特征在于，上述一個(gè)透光膜包含添加了B或P的SiO2即BPSG、及TEOS中的任一種。
19.如權(quán)利要求
1所述的聚光元件，其特征在于，上述一個(gè)透光膜含有苯并環(huán)丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺及聚酰亞胺的任一種。
20.一種固體攝像器件，平面地配置有多個(gè)具有聚光元件的單位像素，該聚光元件具備由折射率不同的多個(gè)透光膜構(gòu)成的集合體，其特征在于，上述集合體中的一個(gè)透光膜具有與入射光的波長相同程度或比其短的寬度及預(yù)定厚度的同心形狀，上述集合體中的其它透光膜以同心狀填充不存在上述一個(gè)透光膜的空間的全部或一部分。
21.如權(quán)利要求
20所述的固體攝像器件，其特征在于，上述固體攝像器件還在上述集合體的上部具備濾色片。
22.如權(quán)利要求
20所述的固體攝像器件，其特征在于，上述固體攝像器件還在上述集合體的下部具備濾色片。
23.如權(quán)利要求
20所述的固體攝像器件，其特征在于，在位于該固體攝像器件的中央的單位像素的上述一個(gè)透光膜或上述其它透光膜、和位于該固體攝像器件的周邊的單位像素的上述一個(gè)透光膜及上述其它透光膜中，構(gòu)成它們的透光材料的種類或其排列不同。
24.如權(quán)利要求
20所述的固體攝像器件，其特征在于，上述集合體形成為覆蓋對應(yīng)的單位像素的整體。
25.一種固體攝像器件的制造方法，上述固體攝像器件平面地配置有多個(gè)具有聚光元件的單位像素，上述聚光元件具備由折射率不同的多個(gè)透光膜構(gòu)成的集合體，其特征在于，上述集合體中的一個(gè)透光膜具有與入射光的波長相同程度或比其短的寬度及預(yù)定厚度的同心形狀，上述集合體中的其它透光膜以同心狀填充不存在上述一個(gè)透光膜的空間的全部或一部分；該固體攝像器件的制造方法包括通過使用了最小加工尺寸為1nm以下的模具的納米印刷來形成上述集合體的工序。
26.一種固體攝像器件的制造方法，上述固體攝像器件平面地配置有多個(gè)具有聚光元件的單位像素，上述聚光元件具備由折射率不同的多個(gè)透光膜構(gòu)成的集合體，其特征在于，上述集合體中的一個(gè)透光膜具有與入射光的波長相同程度或比其短的寬度及預(yù)定厚度的同心形狀，上述集合體中的其它透光膜以同心狀填充不存在上述一個(gè)透光膜的空間的全部或一部分；該固體攝像器件的制造方法包括通過電子束描繪或光束描繪形成上述集合體的工序。
27.一種固體攝像器件的制造方法，上述固體攝像器件平面地配置有多個(gè)具有聚光元件的單位像素，上述聚光元件具備由折射率不同的多個(gè)透光膜構(gòu)成的集合體，其特征在于，上述集合體中的一個(gè)透光膜具有與入射光的波長相同程度或比其短的寬度及預(yù)定厚度的同心形狀，上述集合體中的其它透光膜以同心狀填充不存在上述一個(gè)透光膜的空間的全部或一部分；該固體攝像器件的制造方法包括通過具有上述入射光的波長以下的粒徑的微粒子的自凝聚而形成上述集合體的工序。
28.一種固體攝像器件的制造方法，上述固體攝像器件平面地配置有多個(gè)具有聚光元件的單位像素，上述聚光元件具備由折射率不同的多個(gè)透光膜構(gòu)成的集合體，其特征在于，上述集合體中的一個(gè)透光膜具有與入射光的波長相同程度或比其短的寬度及預(yù)定厚度的同心形狀，上述集合體中的其它透光膜以同心狀填充不存在上述一個(gè)透光膜的空間的全部或一部分；該固體攝像器件的制造方法包括在Si基板上形成由受光元件、布線、遮光層及信號傳送部構(gòu)成的半導(dǎo)體集成電路的工序；在上述半導(dǎo)體集成電路上堆積第1透光膜的工序；在上述第1透光膜上堆積第2透光膜的工序；將上述第2透光膜加工為同心圓結(jié)構(gòu)的工序；在上述第2透光膜上形成抗蝕劑的工序；及將上述第2透光膜作為掩模對上述第1透光膜進(jìn)行蝕刻的工序。
29.一種固體攝像器件的制造方法，上述固體攝像器件平面地配置有多個(gè)具有聚光元件的單位像素，上述聚光元件具備由折射率不同的多個(gè)透光膜構(gòu)成的集合體，其特征在于，上述集合體中的一個(gè)透光膜具有與入射光的波長相同程度或比其短的寬度及預(yù)定厚度的同心形狀，上述集合體中的其它透光膜以同心狀填充不存在上述一個(gè)透光膜的空間的全部或一部分；該固體攝像器件的制造方法包括在Si基板上形成由受光元件、布線、遮光層及信號傳送部構(gòu)成的半導(dǎo)體集成電路的工序；在上述半導(dǎo)體集成電路上形成由第1透光材料和第2透光材料構(gòu)成的第1透光膜的工序；在上述第1透光膜上堆積第2透光膜的工序；將上述第2透光膜加工為同心圓結(jié)構(gòu)的工序；在上述第2透光膜上形成抗蝕劑的工序；將上述第2透光膜作為掩模，對構(gòu)成了上述第1透光膜的上述第1透光材料和第2透光材料的界面進(jìn)行蝕刻的工序；在上述第1透光膜的空氣孔中埋入上述第1透光材料的工序；及將上述第2透光膜平坦化的工序。
30.一種固體攝像器件的制造方法，上述固體攝像器件平面地配置有多個(gè)具有聚光元件的單位像素，上述聚光元件具備由折射率不同的多個(gè)透光膜構(gòu)成的集合體，其特征在于，上述集合體中的一個(gè)透光膜具有與入射光的波長相同程度或比其短的寬度及預(yù)定厚度的同心形狀，上述集合體中的其它透光膜以同心狀填充不存在上述一個(gè)透光膜的空間的全部或一部分；該固體攝像器件的制造方法包括在Si基板上形成由受光元件、布線、遮光層及信號傳送部構(gòu)成的半導(dǎo)體集成電路的工序；在上述半導(dǎo)體集成電路上堆積第1透光膜的工序；在上述第1透光膜上堆積第2透光膜的工序；將上述第2透光膜加工為同心圓結(jié)構(gòu)的工序；在上述第2透光膜上形成抗蝕劑的工序；及將上述第2透光膜作為掩模，對上述第1透光膜進(jìn)行各向同性蝕刻的工序。
31.一種固體攝像器件的制造方法，上述固體攝像器件平面地配置有多個(gè)具有聚光元件的單位像素，上述聚光元件具備由折射率不同的多個(gè)透光膜構(gòu)成的集合體，其特征在于，上述集合體中的一個(gè)透光膜具有與入射光的波長相同程度或比其短的寬度及預(yù)定厚度的同心形狀，上述集合體中的其它透光膜以同心狀填充不存在上述一個(gè)透光膜的空間的全部或一部分；該固體攝像器件的制造方法包括在Si基板上形成由受光元件、布線、遮光層及信號傳送部構(gòu)成的半導(dǎo)體集成電路的工序；在上述半導(dǎo)體集成電路上形成由第1透光材料和第2透光材料構(gòu)成的第1透光膜的工序；在上述第1透光膜上堆積第2透光膜的工序；將上述第2透光膜加工為同心圓結(jié)構(gòu)的工序；在上述第2透光膜上形成抗蝕劑的工序；將上述第2透光膜作為掩模，對構(gòu)成上述第1透光膜的、上述第1透光材料和上述第2透光材料的界面進(jìn)行各向同性蝕刻的工序；在上述第1透光膜的空氣孔中埋入上述第1透光材料的工序；及將上述第2透光膜平坦化的工序。
專利摘要
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)也對應(yīng)于焦距較短的光學(xué)系統(tǒng)(入射角θ較大的光學(xué)系統(tǒng))并且高靈敏度的固體攝像器件。各像素(尺寸□2.8mm)由梯度折射率透鏡(1)、G用濾色片(2)、Al布線(3)、信號傳送部(4)、平坦化層(5)、受光元件(Si光敏二極管)(6)、Si基板(7)構(gòu)成。梯度折射率透鏡的同心圓結(jié)構(gòu)由折射率不同的4種材料TiO
文檔編號H04N5/369GK1993634SQ200580026622
公開日2007年7月4日 申請日期2005年9月1日
發(fā)明者歲清公明, 小野澤和利, 上田大助, 河原卓 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan