(57)【要約】【課題】入射する電磁波から見たときの屈折率が空間的に滑らかに変化している構造を有するサブ波長レンズを備えた２次元固体撮像装置を提供する。【解決手段】２次元固体撮像装置にあっては、複数の画素領域２０がＸ方向及びＹ方向の２次元状マトリクス状に配列されており、各画素領域２０は少なくとも１つの受光素子２１を備え、各画素領域２０は集光素子３０を備えており、集光素子３０は、受光素子２１に入射する電磁波の波長以下の大きさの凸部又は凹部を有するサブ波長レンズから成り、凸部又は凹部のエッジ部は丸みを帯びている。【選択図】  図１
2010129777.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素領域がＸ方向及びＹ方向の２次元マトリクス状に配列されており、
各画素領域は、少なくとも１つの受光素子を備え、
各画素領域は集光素子を備えており、
集光素子は、受光素子に入射する電磁波の波長以下の大きさの凸部を有するサブ波長レンズから成り、
凸部のエッジ部は丸みを帯びている２次元固体撮像装置。
【請求項２】
凸部と凸部の間に位置する空間は、集光素子を構成する材料の屈折率と異なる屈折率を有する物質で満たされている請求項１に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項３】
Ｘ方向及びＹ方向に直線状に延びる溝部によって凸部は分離されている請求項１に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項４】
溝部の延長上に、隣接する画素領域における集光素子に形成された溝部が位置する請求項３に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項５】
Ｘ方向及びＹ方向に対して所望の角度だけ回転して直線状に延びる溝部によって凸部は分離されている請求項１に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項６】
Ｘ方向及びＹ方向に直線状に延びる溝部、並びに、Ｘ方向及びＹ方向に対して所望の角度だけ回転して直線状に延びる溝部によって凸部は分離されている請求項１に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項７】
受光素子に入射する電磁波の波長をλ0（ｎｍ）、集光素子を構成する材料の屈折率をｎ0としたとき、凸部の大きさの単位、及び、凸部と凸部の間隔の単位は、λ0／（ｐ・ｎ0）［但し、ｐは正数］である請求項１に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項８】
複数の画素領域がＸ方向及びＹ方向の２次元マトリクス状に配列されており、
各画素領域は、少なくとも１つの受光素子を備え、
各画素領域は集光素子を備えており、
集光素子は、受光素子に入射する電磁波の波長以下の大きさの凹部を有するサブ波長レンズから成り、
凹部のエッジ部は丸みを帯びている２次元固体撮像装置。
【請求項９】
凹部は、集光素子を構成する材料の屈折率と異なる屈折率を有する物質で満たされている請求項８に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１０】
凹部は、Ｘ方向及びＹ方向に沿って配置されている請求項８に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１１】
凹部は、仮想の正三角形、正方形、又は、正六角形の頂点上に配置されている請求項８に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１２】
受光素子に入射する電磁波の波長をλ0（ｎｍ）、集光素子を構成する材料の屈折率をｎ0としたとき、凹部の大きさの単位、及び、凹部と凹部の間隔の単位は、λ0／（ｐ・ｎ0）［但し、ｐは正数］である請求項８に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１３】
集光素子は、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭素化合物、又は、有機化合物から成る請求項１又は請求項８に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１４】
集光素子は、受光素子の法線方向に沿って屈折率が周期的に変化する材料から成る請求項１又は請求項８に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１５】
集光素子は、フォトニック結晶から成る請求項１４に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１６】
２次元固体撮像装置の中央部あるいはその近傍に位置する画素領域における集光素子の光軸は、該画素領域の中心を通る請求項１又は請求項８に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１７】
２次元固体撮像装置の周辺部に位置する画素領域における集光素子の光軸は、該画素領域の中心から外れた部分を通る請求項１又は請求項８に記載の２次元固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は２次元固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセスのデザインルールの改善や固体撮像装置の多画素化により、画素サイズの微細化が進んでいる。固体撮像装置にあっては、複数の画素領域がＸ方向及びＹ方向の２次元マトリクス状に配列されており、各画素領域は、少なくとも１つの受光素子を備えている。そして、既に、１画素領域の大きさは可視波長の約２倍程度の大きさにまで達しており、このような固体撮像装置では、１画素領域の物理サイズが、レンズ光学系の回折限界であるエアリーディスクよりも小さくなる。
【０００３】
画素領域に効率良く光を導く集光素子として、現在、主に、オンチップ・マイクロ凸レンズが用いられている。しかしながら、オンチップ・マイクロ凸レンズを用いた場合、集光素子に斜めに入射する光に対して集光効率が悪い。それ故、固体撮像装置の中央部に位置する画素領域と周辺部に位置する画素領域とで、受光素子とオンチップ・マイクロ凸レンズとの相対位置を変化させている。即ち、オンチップ・マイクロ凸レンズの光軸が受光素子を通過する位置を変えるといった対策が取られている（例えば、特開昭６３−３９００９号参照）。
【０００４】
オンチップ・マイクロ凸レンズに対しては、画素領域サイズの縮小に伴い、サブミクロンスケールでの加工精度が要求される。しかしながら、熱リフローによりレジスト材料を溶解させ、レジスト材料の表面張力を利用してオンチップ・マイクロ凸レンズを形成するといった従来の方法では、短焦点で曲率の大きいオンチップ・マイクロ凸レンズを高精度で作製することは極めて困難である。また、表面張力を利用した成形方法であるために、球形以外の構造を実現することが難しい。
【０００５】
受光素子に入射する電磁波（例えば、可視光）の波長よりも小さい物理スケールの周期構造を有するサブ波長レンズ（Sub-Wavelength Lens：ＳＷＬＬ）から成る集光素子が、微細化された画素領域にあっても、効率良く集光することができ、高い設計自由度を実現できる技術として注目されている（例えば、特開２００１−１０８８１２参照）。尚、サブ波長とは、対象とする電磁波の波長と同程度かそれ以下の領域を指す。サブ波長レンズは、より広い入射角範囲で高い集光特性を示す等、斜め入射光に対しても優れた特性を有する。例えば、特開２００６−３５１９７２に開示されたサブ波長レンズにあっては、同心円状の構造体が各画素領域に配置されている。ここで、可視光での使用に適した固体撮像装置にサブ波長レンズを適用する場合、可視光の波長よりも小さい空間スケールの構造体を高い精度で実現する技術が不可欠である。例えば、可視光の波長は４００ｎｍ〜７００ｎｍ程度である。従って、少なくとも１００ｎｍ〜２００ｎｍ以下の大きさを有する構造体を形成する必要がある。
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−３９００９号
【特許文献２】特開２００１−１０８８１２
【特許文献３】特開２００６−３５１９７２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、サブ波長レンズによって電磁波を効率良く集光するためには、その電磁波（例えば可視光）から見たときのサブ波長レンズの屈折率が空間的に滑らかに変化していることが重要である。特開２００６−３５１９７２に開示されたサブ波長レンズにあっては、同心円構造という複雑な構造を各画素領域に対して設けている。それ故、微細加工が難しく、実際に達成されている加工精度は１００ｎｍ程度と、可視光の波長に対して十分に小さいとは云い難い。従って、集光能力を低下させないための工夫として、幾何光学での集光（フレネルレンズ）と、波動光学での集光（サブ波長レンズ）を折衷した構造となっている。このような構造によって集光能力は高め得るが、集光素子の深さ方向にも階段構造を有することになり、複雑な散乱や反射が生じるといった問題がある。また、同心円構造の場合、各々の同心円の接線方向に着目したとき、屈折率の変化に乏しい構造となってしまう。そして、その結果、接線方向に偏光した電磁波と接線方向に直交する方向に偏光した電磁波とでは実効的な屈折率に差が生じ、集光特性の劣化に繋がる虞がある。
【０００８】
従って、本発明の目的は、入射する電磁波（例えば可視光）から見たときの屈折率が空間的に滑らかに変化している構造を有するサブ波長レンズを備えた２次元固体撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る２次元固体撮像装置は、
複数の画素領域がＸ方向及びＹ方向の２次元マトリクス状に配列されており、
各画素領域は、少なくとも１つの受光素子を備え、
各画素領域は集光素子を備えており、
集光素子は、受光素子に入射する電磁波の波長以下の大きさの凸部（柱状部）を有するサブ波長レンズから成り、
凸部（柱状部）のエッジ部は丸みを帯びている。
【００１０】
上記の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る２次元固体撮像装置は、
複数の画素領域がＸ方向及びＹ方向の２次元マトリクス状に配列されており、
各画素領域は、少なくとも１つの受光素子を備え、
各画素領域は集光素子を備えており、
集光素子は、受光素子に入射する電磁波の波長以下の大きさの凹部（孔部）を有するサブ波長レンズから成り、
凹部（孔部）のエッジ部は丸みを帯びている。
【発明の効果】
【００１１】
電磁波の反射は、界面を挟む２つの物質の屈折率差によって決まる。本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る２次元固体撮像装置にあっては、サブ波長レンズから成る集光素子を構成する凸部のエッジ部は丸みを帯びており、あるいは又、凹部のエッジ部は丸みを帯びている。これによって、入射波の伝播方向（全体として見たとき、Ｚ方向）の屈折率変化の度合い（微分係数）を滑らかにすることができる。その結果、集光素子表面での反射成分を軽減することができ、電磁波を効率良く受光素子へと集光することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明するが、本発明は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本発明の２次元固体撮像装置、全般に関する説明
２．本発明の２次元固体撮像装置を構成する集光素子の原理に関する説明
３．実施例１（本発明の２次元固体撮像装置の具体的な説明）
４．実施例２（実施例１の２次元固体撮像装置の変形例）
５．実施例３（実施例１の２次元固体撮像装置の別の変形例）
６．実施例４（実施例１の２次元固体撮像装置の更に別の変形例）
７．その他
【００１３】
［本発明の２次元固体撮像装置、全般に関する説明］
本発明の第１の態様に係る２次元固体撮像装置において、凸部と凸部の間に位置する空間は、集光素子を構成する材料の屈折率ｎ0と異なる屈折率ｎfを有する物質（便宜上、『充填物質』と呼ぶ）で満たされている形態とすることができる。また、本発明の第２の態様に係る２次元固体撮像装置において、凹部は、集光素子を構成する材料の屈折率ｎ0と異なる屈折率ｎfを有する物質（充填物質）で満たされている形態とすることができる。ここで、充填物質として、空気（屈折率：１．００）を挙げることができるし、ＳｉＯ2やＭｇＦ2といった屈折率の値の低い光学材料を挙げることもできる。あるいは又、
ｎ0−ｎf≧０．５
を満足する物質から充填物質を選択する形態とすることもできる。２次元固体撮像装置における画素領域の位置に依存して、凸部と凸部の間に位置する空間又は凹部を充填物質で満たす状態を異ならせてもよい。凹部と凹部との間は、集光素子を構成する光学材料で占められている。尚、以下の説明において、凸部と凸部の間に位置する空間を、便宜上、『凸部間領域』と呼ぶ場合があるし、凹部と凹部との間に位置する集光素子の部分を、便宜上、『凹部間領域』と呼ぶ場合がある。
【００１４】
上記の好ましい形態を含む本発明の第１の態様に係る２次元固体撮像装置において、Ｘ方向及びＹ方向に直線状に延びる溝部によって凸部は分離されている構成とすることができる。そして、この場合、溝部の延長上に、隣接する画素領域における集光素子に形成された溝部が位置する構成とすることができ、このような構成を採用することで、溝部を容易に形成することが可能となる。あるいは又、Ｘ方向及びＹ方向に対して所望の角度だけ回転して直線状に延びる溝部によって凸部は分離されている構成とすることができる。ここで、所望の角度として、Ｘ方向を基準として、±３０度、±４５度、±６０度を例示することができる。あるいは又、２次元固体撮像装置と画素領域の中心を結ぶ直線とＸ方向との成す角度を所望の角度とすることができる。あるいは又、複数の画素領域をグルーピングし、係るグルーピングされた画素領域の中心と２次元固体撮像装置の中央部を結ぶ直線とＸ方向との成す角度を所望の角度とすることができる。あるいは又、Ｘ方向及びＹ方向に直線状に延びる溝部、並びに、Ｘ方向及びＹ方向に対して所望の角度だけ回転して直線状に延びる溝部によって凸部は分離されている構成とすることもできる。ここで、所望の角度は、一定であってもよいし、２次元固体撮像装置において画素領域が占める位置に応じて変化させてもよい。直線状に延びる溝部の組合せで集光素子を実現すれば、各々の画素領域に対して独立して微細加工を施す従来の技術に比べて、隣接画素領域間での集光素子の特性ばらつきを小さくすることが可能となる。
【００１５】
あるいは又、上記の好ましい形態を含む本発明の第２の態様に係る２次元固体撮像装置において、凹部は、Ｘ方向及びＹ方向に沿って配置されている構成とすることができる。あるいは又、凹部は、仮想の正三角形、正方形、又は、正六角形の頂点上に配置されている構成とすることができる。あるいは又、凹部は、規則的に配列されていてもよいし、不規則に配列されていてもよい。凹部を不規則に配列することによって、系統的な凹部の面内分布バラツキ成分を軽減し、系統的な誤差を小さくすることができる。また、異なる波長（色）成分の検出効率を最大化するために受光素子毎に焦点距離を微調整する場合等にあっては、凹部の面密度分布を変化させればよい。従って、設計の自由度が高い。あるいは又、集光素子は、受光素子に入射する電磁波の波長以下の大きさの凹部を有するサブ波長レンズから成り、凹部の密度は、集光素子の中心ほど低い構成とすることができるし、あるいは又、集光素子の縁部ほど低い構成とすることができる。
【００１６】
以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様に係る２次元固体撮像装置において、受光素子に入射する電磁波の波長をλ0（ｎｍ）、集光素子を構成する材料の屈折率をｎ0としたとき、限定するものではないが、凸部の大きさの単位、及び、凸部と凸部の間隔（凸部間領域の距離）の単位は、Ｌunit≡λ0／（ｐ・ｎ0）［但し、ｐは正数］であることが好ましい。即ち、凸部の大きさ、及び、凸部と凸部の間隔（凸部間領域の距離）を、ｑ・λ0／（ｐ・ｎ0）とすることが好ましい。あるいは又、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第２の態様に係る２次元固体撮像装置において、受光素子に入射する電磁波の波長をλ0（ｎｍ）、集光素子を構成する材料の屈折率をｎ0としたとき、限定するものではないが、凹部の大きさの単位、及び、凹部と凹部の間隔（凹部間領域の距離）の単位は、Ｌunit≡λ0／（ｐ・ｎ0）［但し、ｐは正数］であることが好ましい。即ち、凹部の大きさ、及び、凹部と凹部の間隔（凹部間領域の距離）を、ｑ・λ0／（ｐ・ｎ0）とすることが好ましい。
【００１７】
以上に説明した好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る２次元固体撮像装置において、集光素子は、受光素子が感度を有する電磁波に対して光学的に透明な材料から作製されている。具体的には、集光素子は、シリコン、酸化シリコン（ホウ素やリン等の不純物を含有する酸化シリコンを含む）、ＳＯＧ、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、化合物半導体（具体的には、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰ）、炭素化合物（具体的には、例えば、炭化シリコン）、又は、有機化合物（具体的には、例えば、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、各種の光硬化型樹脂、紫外線硬化型樹脂、電子線硬化型樹脂）から成る構成とすることができる。
【００１８】
あるいは又、上記の好ましい形態を含む本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る２次元固体撮像装置において、集光素子は、受光素子の法線方向に沿って屈折率が周期的に変化する材料、具体的には、積層材料や多層膜、より具体的には、例えば、低屈折率材料（例えば、ＳｉＯ2やＭｇＦ2）と高屈折率材料（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体材料；ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＮ等の酸化物、窒化物）とを積層したフォトニック結晶から成る構成とすることができる。ここで、集光素子の材料として、Ｚ方向に屈折率が周期的に異なる光学材料を光の電磁波の半波長周期で積層したフォトニック結晶を用いることで、Ｚ方向での電磁波の波長方向の分光性能を実現し、且つ、ＸＹ平面での屈折率分布による集光性能を実現することが可能になる。それ故、色分離フィルターを有する集光素子を実現することが可能となる。
【００１９】
以上に説明した好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係る２次元固体撮像装置において、２次元固体撮像装置の中央部あるいはその近傍に位置する画素領域における集光素子の光軸（集光素子の光学的中心であり、集光素子の焦点を通過する集光素子の法線に相当し、通常、高合成屈折率を有する部分。以下においても同様である）は、この画素領域の中心を通る形態とすることができる。一方、２次元固体撮像装置の周辺部に位置する画素領域における集光素子の光軸は、この画素領域の中心から外れた部分を通る形態とすることができる。即ち、２次元固体撮像装置の周辺部に位置する画素領域における集光素子は、受光素子に対してオフセットされており、これによって、所謂瞳補正がなされ、斜めから入射する電磁波（例えば光）を効率良く受光素子に導くことが可能となる。尚、合成屈折率については、後述する。
【００２０】
ここで、ｐの値は、集光素子の製造プロセスにおける加工寸法の限界等に律速される。１画素領域の面積をＳpixelとしたとき、１画素領域は、（Ｓpixel／Ｌunit2）の単位ユニットに分割することができる。また、ｑの値は、１画素領域の中でも、単位ユニットが画素領域のどこに位置するかによって変化する。Ｘ方向とＹ方向において、ｑの値は同じである場合もあるし、異なっている場合もある。ここで、凸部あるいは凹部間領域は、Ｘ方向にＸ0個の単位ユニット、Ｙ方向にＹ0個の単位ユニットの単位ユニット集合体から構成される。受光素子に入射する電磁波の波長が複数存在する場合、あるいは、受光素子に入射する電磁波が連続スペクトルを有する場合、適切な電磁波の波長をλ0とすればよい。
【００２１】
ＸＹ平面で切断したときの凸部の断面形状として、正方形、丸みを帯びた正方形を挙げることができるが、係る形状に限定するものではなく、本質的には任意の断面形状とすることができ、例えば、長方形、丸みを帯びた長方形、正多角形、丸みを帯びた正多角形、円形、楕円形、長円形を挙げることができる。凸部の断面形状が正方形以外の場合、係る断面形状と同じ面積を占める仮想正方形を想定し、この仮想正方形の一辺の長さを凸部の大きさとすればよい。凸部と凸部の間隔（凸部間領域の距離）とは、凸部と凸部の間に位置する空間における最短距離を意味する。また、ＸＹ平面で切断したときの凹部の断面形状として、円形を挙げることができるが、係る形状に限定するものではなく、本質的には任意の断面形状とすることができる。凹部の断面形状が円形以外の場合、係る断面形状と同じ面積を占める仮想円形を想定し、この仮想円形の直径を凹部の大きさとすればよい。凹部と凹部の間隔（凹部間領域の距離）とは、凹部と凹部の間に位置する空間における最短距離を意味する。
【００２２】
以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係る２次元固体撮像装置（以下、これらを総称して、単に、『本発明の装置』と呼ぶ場合がある）において、電磁波として、可視光を挙げることができるし、あるいは又、赤外線、紫外線を挙げることもできる。画素領域は少なくとも１つの受光素子を備えているが、具体的には、画素領域は、１つの受光素子を備えている形態、２×２＝４個の受光素子を備えている形態、３×３＝９個の受光素子を備えている形態、正六角形の中心及び頂点上に配置された７個の受光素子を備えている形態を例示することができる。
【００２３】
本発明の装置の具体例として、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサといった固体撮像装置を挙げることができる。本発明の装置は、表面照射型とすることもできるし、裏面照射型とすることもできる。本発明の装置には、フィルターが備えられていてもよい。フィルターがカラーフィルターから構成されている場合、フィルターは、赤色、緑色、青色、シアン色、マゼンダ色、黄色等の特定波長を透過させる。あるいは又、特定の波長をカットする有機材料若しくは無機材料によって構成されたフィルターとすることもできる。また、フィルターを、フォトニック結晶や導体グリッド（金属製の回折格子であり、格子間隔を可視光波長程度とすることで、特定の波長の光を通過させるフィルターとして機能する）、アモルファスシリコン等の無機材料から成る薄膜から構成することもできる。尚、色分離を目的としない場合、若しくは、受光素子それ自体が特定波長に感度を有するような受光素子にあっては、フィルターは不要な場合がある。
【００２４】
本発明の装置において、集光素子が、受光素子に入射する電磁波の波長以下の大きさの凸部を有するサブ波長レンズから成り、２つの方向に直線状に延びる溝部によって凸部は分離されており、しかも、溝部の延長上に、隣接する画素領域における集光素子に形成された溝部が位置する構成とする場合、係る構成の集光素子は、以下の方法で作製することができる。即ち、第１段階のパターニング工程として、一方の方向に直線状に延びる溝部をリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて形成する。次いで、第２段階のパターニング工程として、他方の方向に直線状に延びる溝部をリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて形成する。このような方法により、凸部を高い精度で形成することができるが故に、凸部の直交する側面の成す角度にバラツキが生じ難くなり、集光素子の特性、品質バラツキの発生を抑制することができる。あるいは又、フェムト秒レーザ等の極短時間パルスレーザによる微細加工技術に基づき、サブ波長構造を有する集光素子を形成することができる。あるいは又、ナノインプリント法に基づき、サブ波長構造を有する集光素子を形成することもできる。
【００２５】
本発明の装置にあっては、凸部又は凹部のエッジ部（凸部頂面と凸部側面とによって形成されるエッジ部、あるいは、凹部側面と凹部間領域の頂面とによって形成されるエッジ部）は丸みを帯びているが、係るエッジ部は、例えば、異方性エッチングにより凸部又は凹部を形成した後に、プラズマエッチングやウェットエッチング等の等方性エッチングを行うことで得ることができる。その他、丸みを帯びたエッジ部を得るには、例えば、電子ビームリソグラフィ法やナノインプリント法により予め曲率を有する構造体を形成する方法を挙げることができる。
【００２６】
［本発明の２次元固体撮像装置を構成する集光素子の原理に関する説明］
以下に説明する各実施例における集光素子の集光の原理について、以下、概説する。ここでは、一例として、電磁波の波長を５００ｎｍ（おおよそ緑色の光）とする。この場合、電磁波の回折限界は５００ｎｍ程度の広がりを持ち、それよりも小さい物理サイズの構造に対しては、電磁波は空間的に分解して見ることができない。つまり、例えば、屈折率ｎ0＝２．００の光学材料（ＳｉＮ）から成る集光素子、及び、屈折率ｎf＝１．００の充填物質（空気）の組合せを考えた場合、Ｘ方向に或るＸjの値を有し、Ｙ方向に或るＹjの値を有する単位ユニット集合体（Ｘj，Ｙj）の合成屈折率ｎ（Ｘj，Ｙj）は、凸部を構成する材料の屈折率ｎ0と充填物質の屈折率ｎfがミックスされた状態で表現することができる。即ち、合成屈折率ｎ（Ｘj，Ｙj）は、単位ユニット集合体（Ｘj，Ｙj）を占める凸部の体積と空間の体積の比率で近似することができる。従って、充填物質（空気）が占める割合が大きい単位ユニット集合体（Ｘj，Ｙj）では、合成屈折率ｎ（Ｘj，Ｙj）が相対的に小さくなり、電磁波は光速度に近い速度で伝播する。一方、凸部が占める割合が大きい単位ユニット集合体（Ｘj，Ｙj）では、合成屈折率ｎ（Ｘj，Ｙj）が大きくなり、電磁波の伝播速度は、光速／ｎ0に近い速度で伝播する。
【００２７】
集光素子が満たすべき条件を、概念的に図１２に示す。尚、図１２は、後述する図１の（Ａ）あるいは図２の（Ａ）に示す画素領域に該当する。集光素子の中心を伝播する電磁波（経路を「Ａ」で示す）と、集光素子の中心から外れた部分を伝播する電磁波（経路を「Ｂ」で示す）と、集光素子の縁部を伝播する電磁波（経路を「Ｃ」で示す）とが１点に集まるためには、各経路を伝播する電磁波の伝播時間が同じであることが必要とされる。尚、図示した経路は、単に説明のためのものである。
【００２８】
ここで、それぞれの経路での単位ユニット集合体（Ｘj，Ｙj）における合成屈折率ｎ（Ｘj，Ｙj）をｎA，ｎB，ｎCとし、集光素子よりも受光素子側の領域の屈折率をｎDとする。また、集光素子の厚さをＴ、集光素子内における光のそれぞれの経路の光路長をＴA，ＴB，ＴC、集光素子を出た光の経路の光路長をＤA，ＤB，ＤCとする。更には、光速をｃで表す。すると、これらの間には、以下の関係式を満たす必要がある。尚、ＶA，ＶB，ＶC，ＶDは、それぞれ、経路Ａにおける集光素子内部での電磁波の速度、経路Ｂにおける集光素子内部での電磁波の速度、経路Ｃにおける集光素子内部での電磁波の速度、及び、集光素子を出た光の経路における電磁波の速度である。
【００２９】
ＴA／ＶA  ＋  ＤA／ＶD
＝ＴB／ＶB  ＋  ＤB／ＶD
＝ＴC／ＶC  ＋  ＤC／ＶD    （１）
但し、
ＶA＝ｃ／ｎA    （２−１）
ＶB＝ｃ／ｎB    （２−２）
ＶC＝ｃ／ｎC    （２−２）
ＶD＝ｃ／ｎD    （２−４）
そして、式（２−１）、式（２−２）、式（２−３）、式（２−４）を式（１）へ代入することで、以下の式（３）を得ることができる。
ＴA・ｎA  ＋  ＤA・ｎD
＝ＴB・ｎB  ＋  ＤB・ｎD
＝ＴC・ｎC  ＋  ＤC・ｎD    （３）
【００３０】
従って、式（３）を満たすような屈折率分布を近似的に実現することで、即ち、単位ユニット集合体（Ｘj，Ｙj）における合成屈折率ｎ（Ｘj，Ｙj）を決定することで、集光素子は１点に光を集めることができる。
【００３１】
図１３に、屈折率の変化の１例を示す。画素領域のサイズを２０μｍ、集光素子から焦点までの距離を１０μｍ、集光素子の厚さを１０μｍとする。尚、図１３には、画素領域の中心から縁部までに至る屈折率の変化を示している。平行光が焦点を結ぶための屈折率の分布は図１３のとおりとなる。集光素子の中心（Ｒ＝０μｍ）は屈折率が２．００に近いため、凸部（あるいは凹部間領域）の占める割合をほぼ１００％とすればよい。一方、画素領域の縁部（Ｒ＝１０μｍ）では屈折率は１．２程度にまで減少させる必要がある。そして、このような合成屈折率ｎ（Ｘj，Ｙj）を得るためには、単位ユニット集合体（Ｘj，Ｙj）において、凸部（あるいは凹部間領域）が占める体積割合を２０％、凹部（あるいは凸部間領域）が占める体積割合（云い換えれば、充填物質（空気）が占める体積割合）を８０％とすればよい。即ち、
合成屈折率ｎ（Ｘj，Ｙj）＝２．００×０．８＋１．００×０．２＝１．２０
となる。このように、単位ユニット集合体（Ｘj，Ｙj）における合成屈折率ｎ（Ｘj，Ｙj）を、凸部、凸部間領域、凹部、凹部間領域を組み合わせることで得ることができ、上記の関係を近似的に再現する屈折率分布を実現することができる。但し、実際には、１画素領域は有限の面積を有するが故に、厳密に一点に焦点を結ぶ必要はない。入射角度の調整には、図１２中の、集光素子の厚さＴ、集光素子から受光素子までの距離Ｄ、合成屈折率の空間分布を調整することで、所望の入射角度条件を得ることができる。
【００３２】
しかも、サブ波長レンズから成る集光素子を構成する凸部又は凹部のエッジ部は丸みを帯びている。即ち、凸部（あるいは凹部間領域）が占める体積割合、凹部（あるいは凸部間領域）が占める体積割合が、入射波の伝播方向（全体として見たとき、Ｚ方向）においても、滑らかに増加している。それ故、合成屈折率の変化の度合い（微分係数）を滑らかにすることができる。その結果、集光素子表面での反射成分を軽減することができ、電磁波を効率良く集光することが可能となる。
【実施例１】
【００３３】
実施例１は、本発明の第１の態様に係る２次元固体撮像装置に関する。実施例１〜実施例４における２次元固体撮像装置の模式的な一部断面図を、図１の（Ａ）及び（Ｂ）、並びに、図２の（Ａ）及び（Ｂ）に示す。尚、図１の（Ａ）及び（Ｂ）、図２の（Ａ）及び（Ｂ）は、固体撮像装置である電界増幅型イメージセンサ（ＣＭＯＳイメージセンサ）の１画素領域の模式的な一部断面図である。ここで、図１の（Ａ）及び図２の（Ａ）は、２次元固体撮像装置の中央部に位置する画素領域を示す。また、図１の（Ｂ）及び図２の（Ｂ）は、２次元固体撮像装置の周辺部に位置する画素領域を示す。即ち、図１の（Ａ）及び図２の（Ａ）に示す画素領域にあっては、光は垂直に入射する。一方、図１の（Ａ）及び図２の（Ａ）に示す画素領域にあっては、光は斜めから入射する。図１の（Ａ）及び（Ｂ）に示す２次元固体撮像装置は、表面照射型の２次元固体撮像装置である。一方、図２の（Ａ）及び（Ｂ）に示す２次元固体撮像装置は、裏面照射型の２次元固体撮像装置である。
【００３４】
更には、図３の（Ａ）には、実施例１における集光素子の平面レイアウト図を模式的に示し、図３の（Ｂ）及び（Ｃ）には、図３の（Ａ）の矢印Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃに沿った模式的な断面概念図を示す。ここで、図３に平面レイアウト図を示した集光素子は、図１の（Ａ）及び図２の（Ａ）に示した２次元固体撮像装置における画素領域に含まれている。また、図４の（Ａ）にも、実施例１における集光素子の平面レイアウト図を模式的に示し、図４の（Ｂ）及び（Ｃ）には、図４の（Ａ）の矢印Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃに沿った模式的な断面概念図を示す。ここで、図４に平面レイアウト図を示した集光素子は、図１の（Ｂ）及び図２の（Ｂ）に示した２次元固体撮像装置における画素領域に含まれている。
【００３５】
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３の２次元固体撮像装置は、本発明の第１の態様に係る２次元固体撮像装置に関し、
複数の画素領域２０がＸ方向及びＹ方向の２次元マトリクス状に配列されており、
各画素領域２０は、少なくとも１つの受光素子２１を備え、
各画素領域２０は集光素子（集光部材）を備えており、
集光素子は、受光素子に入射する電磁波の波長以下の大きさの凸部（受光素子に入射する電磁波の波長よりも有意に小さい凸部）を有するサブ波長レンズから成り、
凸部（柱状部）のエッジ部は丸みを帯びている。
【００３６】
一方、後述する実施例４の２次元固体撮像装置は、本発明の第２の態様に係る２次元固体撮像装置に関し、
複数の画素領域２０がＸ方向及びＹ方向の２次元マトリクス状に配列されており、
各画素領域２０は、少なくとも１つの受光素子２１を備え、
各画素領域２０は集光素子（集光部材）を備えており、
集光素子は、受光素子に入射する電磁波の波長以下の大きさの凹部（受光素子に入射する電磁波の波長よりも有意に小さい凹部）を有するサブ波長レンズから成り、
凹部（孔部）のエッジ部は丸みを帯びている。
【００３７】
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４の２次元固体撮像装置にあっては、受光素子が検出（受光）する電磁波は、例えば、可視光である。また、画素領域２０は、具体的には、１つの受光素子２１を備えている。更には、各画素領域２０は、カラーフィルター２２を備えている。図１の（Ａ）及び（Ｂ）に示す表面照射型の２次元固体撮像装置にあっては、集光素子によって集光された光は、カラーフィルター２２、ＳｉＯ2やＳｉＮといった透明な物質から成る平滑化層２４を通過して、受光素子２１に導かれる。そして、光は、光電変換により電荷として蓄積された後、電気信号として外部に読み出される。参照番号２５は配線を示し、参照番号１１はシリコン基板から成る基板を示す。受光素子２１は、基板１１に形成されている。一方、図２の（Ａ）及び（Ｂ）に示す裏面照射型の２次元固体撮像装置にあっては、集光素子によって集光された光は、カラーフィルター２２、基板１１、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）から成る遮光膜２３の開口領域を通過して、受光素子２１に導かれる。
【００３８】
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４における集光素子は、例えば、屈折率（ｎ0）２．００を有するＳｉＮといった光学材料から成る。また、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３にあっては、凸部と凸部の間に位置する空間は、集光素子を構成する材料の屈折率ｎ0と異なる屈折率ｎfを有する充填物質、具体的には、空気（屈折率：１．００）で満たされている。そして、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３において、ＸＹ平面で切断したときの凸部の断面形状は丸みを帯びた正方形である。一方、後述する実施例４において、凹部は、集光素子を構成する材料の屈折率ｎ0と異なる屈折率ｎfを有する充填物質、具体的には、空気（屈折率：１．００）で満たされている。後述する実施例４において、ＸＹ平面で切断したときの凹部の断面形状は円形である。
【００３９】
そして、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４にあっては、受光素子２１に入射する電磁波の波長をλ0（ｎｍ）、集光素子を構成する材料の屈折率をｎ0としたとき、凸部（あるいは凹部）の大きさの単位、及び、凸部と凸部（あるいは凹部と凹部）の間隔（凸部間領域の距離あるいは凹部間領域の距離）の単位は、Ｌunit≡λ0／（ｐ・ｎ0）［但し、ｐは正数］である。具体的には、
ｎ0   ＝２．００
λ0   ＝５００（ｎｍ）
ｐ    ＝５
Ｌunit＝５０（ｎｍ）
である。そして、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４における集光素子にあっては、１画素領域２０の一辺を２μｍとした。ここで、Ｌunit＝５０ｎｍとしているので、１画素領域２０は４０×４０＝１６００の単位ユニットに分割される。尚、画素領域２０と画素領域２０との間には、０．５μｍのギャップが設けられている。
【００４０】
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４の２次元固体撮像装置において、図１の（Ａ）あるいは図２の（Ａ）に示すように、２次元固体撮像装置の中央部あるいはその近傍に位置する画素領域２０における集光素子の光軸は、その画素領域２０の中心を通る。即ち、図１の（Ａ）あるいは図２の（Ａ）に示す画素領域２０にあっては、画素領域２０の中央部における凸部あるいは凹部間領域の密度が高い。一方、図１の（Ｂ）あるいは図２の（Ｂ）に示すように、２次元固体撮像装置の周辺部に位置する画素領域２０における集光素子の光軸は、その画素領域２０の中心から外れた部分を通る。即ち、図１の（Ｂ）あるいは図２の（Ｂ）に示す画素領域２０にあっては、画素領域２０の縁部における凸部あるいは凹部間領域の密度が高い。従って、２次元固体撮像装置の周辺部に位置する画素領域２０における集光素子は、受光素子に対してオフセットされている。そして、これによって、所謂瞳補正がなされ、斜めから入射する電磁波（例えば光）を効率良く受光素子に導くことができる。
【００４１】
図１の（Ａ）あるいは図２の（Ａ）に示す画素領域２０を構成する集光素子の平面レイアウト図を、図３の（Ａ）に模式的に示す。また、図１の（Ｂ）あるいは図２の（Ｂ）に示す画素領域２０を構成する集光素子の平面レイアウト図を、図４の（Ａ）に模式的に示す。図面の簡素化のために、図３の（Ａ）及び図４の（Ａ）にあっては、１画素領域２０は、１２×１２＝１４４の単位ユニットに分割されているとした。また、図３に示す例にあっては、Ｘ0の値を１．５、２及び５、Ｙ0の値を１．５、２及び５とした。即ち、（Ｘ0，Ｙ0）＝（１．５，１．５），（２，１．５），（５，１．５），（１．５，２），（２，２），（５，２），（１．５，５），（２，５），（５，５）の９通りである。一方、図４に示す例にあっては、Ｘ0の値を２．５、４．５及び５．５、Ｙ0の値を２，２．５及び５．５とした。即ち、（Ｘ0，Ｙ0）＝（２．５，２），（４．５，２），（５．５，２），（２．５，２．５），（４．５，２．５），（５．５，２．５），（２．５，５．５），（４．５，５．５），（５．５，５．５）の９通りである。尚、図３の（Ａ）及び図４の（Ａ）にあっては、凸部１３１を明示するために、凸部１３１に斜線を付し、単位ユニット集合体の境界を点線で示した。また、図３の（Ｂ）、（Ｃ）及び図４の（Ｂ）、（Ｃ）にあっても、凸部１３１を明示するために、凸部１３１に斜線を付した。更には、単位ユニットを明確化するために単位ユニットの境界を実線で示した。他の図面においても同様である。凸部１３１のエッジ部は丸みを帯びている。また、凸部１３１は、一種の柱状（ピラー）構造を有する。尚、参照番号１３６，２３６，３３６は、凸部と凸部の間に位置する空間（凸部間領域）を指す。
【００４２】
実施例１の２次元固体撮像装置において、集光素子１３０は、受光素子２１に入射する電磁波の波長以下の大きさの凸部１３１を有するサブ波長レンズから成り、Ｘ方向及びＹ方向に直線状に延びる溝部１３２，１３３によって凸部１３１は分離されている。そして、溝部１３２，１３３の延長上に、隣接する画素領域２０における集光素子１３０に形成された溝部１３２，１３３が位置する。この状態を図５に模式的に示す。図５において、２次元固体撮像装置における画素領域２０の外縁を一点鎖線で示し、画素領域２０を点線で示し、溝部１３２，１３３を太い実線で示した。
【００４３】
このように、微細な幅を有する直線状の溝部１３２，１３３によって凸部１３１を分離し、Ｘ方向及びＹ方向に沿って周期的に合成屈折率が変化する構造を形成することで、屈折率の空間分布（ＸＹ平面分布）を制御して電磁波を集光することが可能となる。つまり、集光の物理メカニズムは屈折率分布によるものであるが、オンチップ・マイクロ凸レンズと同等の機能を実現することができる。
【００４４】
実施例１の２次元固体撮像装置における集光素子の形成方法の概略を、以下、説明するが、この方法は、基本的には、第１段階のパターニング工程として、一方の方向に直線状に延びる溝部をリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて形成する。次いで、第２段階のパターニング工程として、他方の方向に直線状に延びる溝部をリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて形成する。
【００４５】
［工程−１００］
基板１１における受光素子２１の作製（形成）、遮光膜２３、平滑化層２４、配線２５、カラーフィルター２２の形成は、周知の方法とすることができるので、具体的な説明は省略する。
【００４６】
［工程−１１０］」
そして、集光素子１３０の形成にあっては、先ず、カラーフィルター２２上にＳｉＮ層（光学材料）４０をＣＶＤ法やＰＶＤ法に基づき成膜する。
【００４７】
［工程−１２０］
次いで、ＳｉＮ層４０上に、リソグラフィ技術に基づきレジストから成る第１マスク層４１を形成する。この状態を、図１０に模式的に示す。尚、図１０及び図１１は、２×２の画素領域における模式的な平面図である。図１０及び図１１において、第１マスク層４１、第２マスク層４２、露出した光学材料４０に斜線を付した。また、画素領域の境界を一点鎖線で示した。更には、露出したカラーフィルター２２には黒丸を付した。ここで、この第１マスク層４１は、Ｘ方向に延び、ライン・アンド・ストライプ状の形状を有する。第１マスク層４１あるいは後述する第２マスク層４２の形成にあっては、使用する材料にも依るが、露光光源として、高圧水銀灯のｇ線、ｉ線、ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ、Ｘ線、電子線等の短波長の電磁波を用いることが好ましい。そして、この第１マスク層４１をエッチング用マスクとして、ＳｉＮ層４０をＲＩＥ法に基づきエッチングする。尚、パターニング法として物理的なパターニング法を採用してもよい。これによって、ライン・アンド・ストライプ状であって、Ｘ方向に延びる形状を有するＳｉＮ層４０を得ることができる。その後、第１マスク層４１を除去する。
【００４８】
［工程−１３０］
その後、ＳｉＮ層４０及び露出したカラーフィルター２２の上に、再び、リソグラフィ技術に基づきレジストから成る第２マスク層４２を形成する。この状態を、図１１に模式的に示す。この第２マスク層４２は、Ｙ方向に延び、ライン・アンド・ストライプ状の形状を有する。そして、この第２マスク層４２をエッチング用マスクとして、ＳｉＮ層４０をＲＩＥ法に基づきエッチングする。その後、第２マスク層４２を除去する。これによって、ＸＹ平面における断面形状が正方形の凸部１３１を得ることができる。
【００４９】
次いで、プラズマエッチングやウェットエッチング等の等方性エッチングを行うことで、凸部１３１のエッジ部（凸部頂面と凸部側面とによって形成されるエッジ部）に丸みを帯びさせる。こうして、図３あるいは図４に示した集光素子１３０を得ることができる。
【００５０】
あるいは又、［工程−１２０］において、ＳｉＮ層上にハードマスク層を形成し、ハードマスク層上に第１マスク層を形成する。そして、第１マスク層を用いて、ハードマスク層をエッチングすることで、ライン・アンド・ストライプ状であって、Ｘ方向に延びる形状を有するハードマスク層を得ることができる。その後、第１マスク層を除去する。次いで、ハードマスク層上に第２マスク層を形成する。そして、第２マスク層を用いて、ハードマスク層をエッチングすることで、ＸＹ平面における断面形状が正方形の凸部形状を有するハードマスク層を得ることができる。その後、第２マスク層を除去する。そして、係るハードマスク層をエッチング用マスクとしてＳｉＮ層をエッチングした後、ハードマスク層を除去する。このような方法によっても、ＸＹ平面における断面形状が正方形の凸部１３１を得ることができる。
【００５１】
このような２段階のパターニング方法を採用することにより、凸部１３１を高い精度で形成することができる。それ故、凸部１３１の直交する側面の成す角度にバラツキが生じ難くなり、集光素子１３０の特性、品質バラツキの発生を抑制することができる。
【００５２】
尚、図１４に示すように、極短時間パルスレーザによる微細加工等、数十ｎｍの加工精度を実現でき、且つ、集光素子等に悪影響を与えない加工方法であれば、如何なる方法を採用してもよい。
【００５３】
実施例１の２次元固体撮像装置にあっては、サブ波長レンズから成る集光素子１３０を構成する凸部１３１のエッジ部は丸みを帯びている。これによって、入射波の伝播方向の屈折率変化の度合い（微分係数）を滑らかにすることができる。それ故、集光素子表面での反射成分を軽減することができ、電磁波を効率良く集光することが可能となる。
【００５４】
また、従来のオンチップ・マイクロ凸レンズでは、熱リフローによりレジスト材料を溶解させ、レジスト材料の表面張力を利用してオンチップ・マイクロ凸レンズを形成する。それ故、短焦点で曲率の大きいオンチップ・マイクロ凸レンズを高精度で作製することは極めて困難である。また、表面張力を利用した成形方法であるために、球形以外の構造を実現することが難しい。一方、実施例１における集光素子は、エッチング等によって屈折率分布レンズを実現するため、微細な画素領域に対応したマイクロ凸レンズや非球形凸レンズ、１軸方向のみ集光するシリンドリカルレンズ等と同等の機能を有するサブ波長レンズから成る集光素子を、高い自由度にて実現することができる。また、充填物質としての空気（屈折率＝１．００）と光学材料との屈折率差を利用するが、これらの屈折率差が大きいため、斜め入射光に対しても精度良く集光することができる。
【００５５】
電磁波は、高屈折率側（絶対屈折率：ｎHIGH）から低屈折率側（絶対屈折率：ｎLOW）へと入射する際、
ｓｉｎ（θ）＝ｎLOW／ｎHIGH
で記述される角度（θ）よりも大きい入射角で入射するとき、全反射する。そのため、画素領域と画素領域とを、受光素子に入射する電磁波の波長よりも幅の広いギャップによって分離すると、一部の電磁波は集光素子の界面で全反射を起こし、画素間の混色の低減や斜め入射光を効率良く全反射して受光素子に集光するといった特性を、２次元固体撮像装置に付与することができる。この効果は、画素領域間が連続したギャップによって分離されていることによって実現することができる。尚、画素領域間が、受光素子に入射する電磁波の波長よりも幅の狭いギャップによって分離されている場合、集光素子の界面から染み出る近接場光（エバネッセント光）が伝播する。従って、集光素子の内部の凹部や溝部には、上述した議論は必ずしも当てはまらない。
【００５６】
また、実施例１における集光素子は、直線状の溝部の組合せに基づき屈折率分布を実現しているため、リソグラフィ技術及びエッチング技術に基づき高い加工精度を実現することができる。従来のサブ波長レンズにあっては、１画素領域に同心円状の溝部を形成することで、フレネルレンズとサブ波長レンズとを併用した構造になっているが、本発明における集光素子にあっては、凸部や凹部の加工精度を可視波長の１／１０以下程度まで高めることで、サブ波長レンズによる電磁波の波動特性による集光効果だけで十分高い特性を実現することができる。更には、加工精度が高くなるということは、１画素領域をより細かい単位ユニットに分割することが可能になることを意味し、結果として、１画素領域を分割する屈折率分布の階調を増やすことができる。
【００５７】
更には、従来のサブ波長レンズにあっては、画素領域において同心円構造を作製する。従って、画素領域と集光素子との相対位置のバラツキや誤差を小さくすることが困難である。一方、実施例１にあっては、溝部の延長上に、隣接する画素領域における集光素子に形成された溝部が位置する。従って、画素領域間における溝部のバラツキを一層少なくすることができる。つまり、集光特性のバラツキを一層小さく抑えることができる。
【実施例２】
【００５８】
実施例２は、実施例１の変形である。図６に、２次元固体撮像装置における実施例２の集光素子の模式的な平面レイアウト図を示す。実施例２の２次元固体撮像装置において、集光素子２３０は、受光素子２１に入射する電磁波の波長以下の大きさの凸部２３１を有するサブ波長レンズから成り、Ｘ方向及びＹ方向に対して所望の角度だけ回転して直線状に延びる溝部２３２，２３３によって凸部２３１は分離されている。ここで、所望の角度を、限定するものではないが、Ｘ方向を基準として、±４５度とした。尚、図６において、溝部２３２，２３３の延びる方向に矢印を付した。
【００５９】
以上の点を除き、実施例２の２次元固体撮像装置は、実施例１の２次元固体撮像装置と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【実施例３】
【００６０】
実施例３も、実施例１の変形である。図７に、２次元固体撮像装置における実施例３の集光素子の模式的な平面レイアウト図を示す。実施例３の２次元固体撮像装置において、集光素子３３０は、受光素子２１に入射する電磁波の波長以下の大きさの凸部３３１を有するサブ波長レンズから成り、Ｘ方向及びＹ方向に直線状に延びる溝部３３２，３３３、並びに、Ｘ方向及びＹ方向に対して所望の角度（具体的には、±４５度）だけ回転して直線状に延びる溝部３３４，３３５によって凸部３３１は分離されている。尚、図７において、溝部３３２，３３３，３３４，３３５の延びる方向に矢印を付した。実施例３における集光素子にあっては、先ず、溝部３３４，３３５を形成し、その後、溝部３３２，３３３を形成すればよい。
【００６１】
以上の点を除き、実施例３の２次元固体撮像装置は、実施例１の２次元固体撮像装置と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。実施例３の集光素子３３０にあっては、合成屈折率の空間分布が同心円状に近くなり、円形の凸レンズと同等の集光特性を得ることができる。
【実施例４】
【００６２】
実施例４は、本発明の第２の態様に係る２次元固体撮像装置に関する。図８に、２次元固体撮像装置における実施例４の集光素子の模式的な平面レイアウト図を示す。実施例４の２次元固体撮像装置において、集光素子４３０は、受光素子２１に入射する電磁波の波長以下の大きさの凹部４３１を有するサブ波長レンズから成り、凹部４３１は、Ｘ方向及びＹ方向に沿って配置されている。あるいは又、凹部４３１は、仮想の正方形の頂点上に配置されている。尚、ＸＹ平面で切断したときの凹部４３１の断面形状は円形であり、前述したとおり、Ｌunit＝５０（ｎｍ）であり、更には、凹部４３１の直径は５０ｎｍである。尚、参照番号４３６は、凹部間領域を指す。
【００６３】
図８に示した例にあっては、凹部４３１は、規則的に配列されている。そして、凹部４３１の密度は、集光素子４３０の中心ほど低く、集光素子４３０の縁部ほど高い。これによって、図３に示したと同様の機能、作用を有する集光素子を得ることができる。尚、図示しないが、凹部４３１の密度を、集光素子４３０の中心ほど高く、集光素子４３０の縁部ほど低くすれば、図４に示したと同様の機能、作用を有する集光素子を得ることができる。
【００６４】
実施例４の２次元固体撮像装置にあっては、サブ波長レンズから成る集光素子４３０を構成する凹部４３１のエッジ部（凹部側面と凹部間領域４３６の頂面とによって形成されるエッジ部）は丸みを帯びている。これによって、入射波の伝播方向の屈折率変化の度合い（微分係数）を滑らかにすることができる。それ故、集光素子表面での反射成分を軽減することができ、電磁波を効率良く集光することが可能となる。
【００６５】
図９に示すように、凹部４３１は、不規則に配列されていてもよい。凹部４３１を不規則に配列することによって、系統的な凹部の面内分布バラツキ成分を軽減し、系統的な誤差を小さくすることができる。また、凹部４３１は、仮想の正三角形あるいは正六角形の頂点上に配置されていてもよい。尚、凹部の密度分布によって合成屈折率の値が決定されるので、凹部の直径や真円度に対する精度が低くても問題は生じない。凹部同士が、隣接あるいは離間し、規則的にあるいは不規則に配置されていても、電磁波の広がり程度で平滑化（平均化）してみたときの平均的な屈折率分布を制御できれば、凹部径や形状にバラツキがあっても、何ら、問題は生じない。
【００６６】
［その他］
以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例にて説明した２次元固体撮像装置の構成、構造、集光素子における凸部や凹部の配置状態、集光素子を構成する光学材料、集光素子の製造方法等は例示であり、適宜、変更することができる。集光素子を構成する光学材料として、例えば、低屈折率材料（例えば、ＳｉＯ2やＭｇＦ2）と高屈折率材料（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体材料；ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＮ等の酸化物、窒化物）とを積層したフォトニック結晶を用いることもできる。また、実施例においては、ＣＭＯＳイメージセンサを例にとり、説明したが、その他、ＣＣＤイメージセンサ等、任意の固体撮像装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】図１の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１〜実施例４における表面照射型の２次元固体撮像装置の模式的な一部断面図である。
【図２】図２の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１〜実施例４における裏面照射型の２次元固体撮像装置の模式的な一部断面図である。
【図３】図３の（Ａ）は、図１の（Ａ）あるいは図２の（Ａ）に示した２次元固体撮像装置における実施例１の集光素子の模式的な平面レイアウト図であり、図３の（Ｂ）及び（Ｃ）は、図３の（Ａ）の矢印Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃに沿った模式的な断面概念図である。
【図４】図４の（Ａ）は、図１の（Ｂ）あるいは図２の（Ｂ）に示した２次元固体撮像装置における実施例１の集光素子の模式的な平面レイアウト図であり、図４の（Ｂ）及び（Ｃ）は、図４の（Ａ）の矢印Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃに沿った模式的な断面概念図である。
【図５】図５は、２次元固体撮像装置における実施例１の集光素子に形成された溝部の一部を模式的に示す図である。
【図６】図６は、２次元固体撮像装置における実施例２の集光素子の模式的な平面レイアウト図である。
【図７】図７は、２次元固体撮像装置における実施例３の集光素子の模式的な平面レイアウト図である。
【図８】図８は、２次元固体撮像装置における実施例４の集光素子の模式的な平面レイアウト図である。
【図９】図９は、２次元固体撮像装置における実施例４の集光素子の変形例の模式的な平面レイアウト図である。
【図１０】図１０は、実施例１の集光素子の製造方法を説明するためのマスク層等の模式的なレイアウト図である。
【図１１】図１１は、図１０に引き続き、実施例１の集光素子の製造方法を説明するためのマスク層等の模式的なレイアウト図である。
【図１２】図１２は、集光素子が満たすべき条件を説明するための集光素子等の断面を示す概念図である。
【図１３】図１３は、平行光が焦点を結ぶための屈折率の分布を示すグラフである。
【図１４】図１４は、極短時間パルスレーザ装置の概念図である。
【符号の説明】
【００６８】
１１・・・基板、２０・・・画素領域、２１・・・受光素子、２２・・・カラーフィルター、２３・・・遮光膜、２４・・・平滑化層、２５・・・配線、４０・・・光学材料（ＳｉＮ層）、４１，４２・・・マスク層、１３０，２３０，３３０，３４０・・・集光素子、１３１，２３１，３３１・・・凸部、１３２，１３３，２３２，２３３，３３２，３３３，３３４，３３５・・・溝部、１３６，２３６，３３６・・・凸部と凸部の間に位置する空間（凸部間領域）、４３１・・・凹部、４３６・・・凹部と凹部との間に位置する集光素子の部分（凹部間領域）
【図１】
2010129777.tif 000003
【図２】
2010129777.tif 000004
【図３】
2010129777.tif 000005
【図４】
2010129777.tif 000006
【図５】
2010129777.tif 000007
【図６】
2010129777.tif 000008
【図７】
2010129777.tif 000009
【図８】
2010129777.tif 000010
【図９】
2010129777.tif 000011
【図１０】
2010129777.tif 000012
【図１１】
2010129777.tif 000013
【図１２】
2010129777.tif 000014
【図１３】
2010129777.tif 000015
【図１４】
2010129777.tif 000016