(57)【要約】【課題】受光素子とレンズとの位置精度の向上を図ると共に、製造コストの削減が可能な撮像素子を提供する。【解決手段】二次元状に配列された複数の受光素子３と、複数の受光素子３上に設けられた光透過層４と、光透過層４と一体的に設けられた複数の集光光学系５とを備え、集光光学系５は、複数の受光素子３のうち１画素分に相当する一群の受光素子３に対応して光透過層４の面上を区画した領域Ｓ毎に配置されている。【選択図】図３
2011091253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元状に配列された複数の受光素子と、
前記複数の受光素子上に設けられた光透過層と、
前記光透過層と一体的に設けられた複数の集光光学系とを備え、
前記集光光学系は、前記複数の受光素子のうち１画素分に相当する一群の受光素子に対応して前記光透過層の面上を区画した領域毎に配置されていることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記集光光学系は、第１の曲率を有して前記各領域の中央に配置された第１レンズと、前記第１の曲率よりも大きい第２の曲率を有して前記第１のレンズの周囲に配置された第２レンズとを有して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記第２レンズは、前記第１レンズの周囲を囲む輪帯状のレンズ体からなることを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記第２レンズは、前記第１レンズの周囲を囲むレンズの集合体からなることを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記第２レンズは、前記第１のレンズの周囲に同心円状に複数並んで配置されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の撮像素子。
【請求項６】
前記第２レンズには、前記第１レンズ側を部分的に遮光する遮光膜が設けられていることを特徴とする請求項３〜５の何れか一項に記載の撮像素子。
【請求項７】
前記光透過層上には、少なくとも一部のレンズの形成面の高さを異ならせる段差部が設けられていることを特徴とする請求項２〜５の何れか一項に記載の撮像素子。
【請求項８】
前記段差部は、前記各領域の中央部から周辺部に向かって高さが順に低くなるように設けられていることを特徴とする請求項７に記載の撮像素子。
【請求項９】
前記集光光学系は、前記光透過層の表面に形成された凹部に光学部材を埋め込むことによって形成されたレンズを含むことを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の撮像素子。
【請求項１０】
前記集光光学系は、前記光透過層の表面に同心円状に並ぶ複数の溝部を形成した回折レンズからなることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像素子の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮影後に任意の像面における画像を得ることができる撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００３】
この撮像装置に用いられる撮像素子は、半導体基板上に二次元状に配列された複数のフォトダイオードと、複数のフォトダイオードの一部のフォトダイオード群に対して１つのマイクロレンズを対応づけて配置されたマイクロレンズアレイとを備えている。
【０００４】
このマイクロレンズは、曲率半径が比較的長く、大きなレンズが要求されるため、一般的な撮像素子のオンチップマイクロレンズに比べて容易に作製することができないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−４４７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、曲率の大きなマイクロレンズアレイを有する撮像素子を容易に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る撮像素子は、二次元状に配列された複数の受光素子と、複数の受光素子上に設けられた光透過層と、光透過層と一体的に設けられた複数の集光光学系とを備え、集光光学系が、複数の受光素子のうち１画素分に相当する一群の受光素子に対応して光透過層の面上を区画した領域毎に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
以上のように、本発明に係る撮像素子では、曲率の大きい集光光学系を有する撮像素子を容易に作製することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態として示す撮像素子の平面図である。
【図２】図２中に示す撮像素子の要部を拡大して示す平面図である。
【図３】図３に示す撮像素子の断面図である。
【図４】段差部の形成方法を説明するための断面図である。
【図５】レンズの形成方法を説明するための断面図である。
【図６】第２の実施形態として示す撮像素子の平面図である。
【図７】図６中に示す撮像素子の断面図である。
【図８】本発明を適用した別の集光光学系を説明するための断面図である。
【図９】集光光学系として回折レンズを形成した場合を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した撮像素子について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１１】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態として図１、図２及び図３に示す撮像素子１について説明する。
この撮像素子１は、半導体基板２上に二次元状に配列された複数の受光素子３と、複数の受光素子３上に設けられた光透過層４と、光透過層４と一体的に設けられた複数の集光光学系５とを備えている。
【００１２】
複数の受光素子３は、ＣＣＤやＣＭＯＳを構成するフォトダイオードであり、半導体基板２上にマトリックス状に形成されてなる。また、各受光素子３は、受光した光を光電変換して電気信号として出力する。
【００１３】
光透過層４は、受光素子３と集光光学系５との間の距離を調整するためのものであり、光透過性を有する有機系樹脂やシリコン酸化膜などからなる。
【００１４】
集光光学系５は、複数の受光素子３のうち１画素分に相当する一群の受光素子３に対応して光透過層４の面上を区画した領域Ｓ毎に配置されたレンズの集合体（オンチップレンズ）からなる。
【００１５】
具体的に、この集光光学系５は、各領域Ｓの中央に配置された第１レンズ６と、第１のレンズ６の周囲に配置された第２レンズ７ａ，７ｂとを有して構成されている。このうち、第１レンズ６は、第１の曲率を有する半球状のレンズ体からなる。一方、第２レンズ７ａ，７ｂは、第１レンズ６の周囲を囲む輪帯状のレンズ体からなり、第１の曲率よりも大きい第２の曲率を有すると共に、第１のレンズ６の周囲に同心円状に並んで配置されている。
【００１６】
また、第２レンズ７ａ，７ｂには、レンズ体を部分的に遮光する遮光膜８が設けられている。この遮光膜８は、黒色の顔料等を含む有機膜や、アルミ等の金属膜などからなり、第２レンズ７ａ，７ｂを構成する各レンズ体の下面のうち第１レンズ６側の半分を遮光するように設けられている。
【００１７】
ここで、第１及び第２レンズ６，７ａ，７ｂは、光透過層４上においてオンチップレンズを形成する方法により光透過層４と一体的に形成されるため、その材質と形成方法との関係から、サイズ（直径）の大きいものを形成することが困難であり、その大きさは、画素サイズ（５〜２０μｍ）の概ね２倍よりも小さいサイズとなる。この場合、大きいレンズで曲率を大きくする（焦点距離を短くする）ことは困難である。
【００１８】
そこで、この集光光学系５では、光透過層４上にレンズ６，７ａの形成面の高さを異ならせる段差部９ａ，９ｂを設けて、等価的に従来のマイクロレンズアレイに相当する大きなサイズのレンズに近い光学特性を得ている。
【００１９】
具体的に、これらの段差部９ａ，９ｂは、各領域Ｓの中央部から周辺部に向かって高さが順に低くなるように設けられている。このうち、最も高い段差部９ａ上に第１レンズ６、それよりも低い段差部９ｂ上に第２レンズ７ａが設けられ、それよりも低い光透過層４上に第２レンズ７ｂが設けられている。これにより、第１及び第２レンズ６，７ａ，７ｂは、その曲率に合わせて受光素子３までの距離が調整されている。
【００２０】
なお、第１及び第２レンズ６，７ａ，７ｂは、その曲率半径を若干調整することにより、段差部９ａ，９ｂを設けただけでは解消できない微小な光学的な焦点位置の調整を行うことが可能である。
【００２１】
段差部９ａ，９ｂの形成方法としては、例えば図４に示す方法を挙げることができる。具体的には、先ず、図４（ａ）に示すように、光透過層４上にシリコン酸化膜１０を形成する。次に、図４（ｂ）に示すように、このシリコン酸化膜１０上に段差部９ｂに対応した形状にパターニングされたレジスト層１１を形成する。次に、図４（ｃ）に示すように、パターニングされたマスク層１１を用いてシリコン酸化膜１０を厚み方向の中途部までエッチングする。次に、図４（ｄ）に示すように、レジスト層１１を除去した後、このレジスト層１１を除去した面上に段差部９ａに対応した形状にパターニングされたレジスト層１２を形成する。次に、図４（ｅ）に示すように、パターニングされたレジスト層１２を用いてシリコン酸化膜１０を光透過層４が表出するまでエッチングする。次に、図４（ｆ）に示すように、レジスト層１２を除去を除去する。これにより、高さの異なる段差部９ａ，９ｂを形成することができる。
【００２２】
なお、上述したシリコン酸化膜１０を厚み方向の中途部までエッチングする際に、エッチングを所定の位置で停止させる方法としては、通常の半導体プロセスと同様に、シリコン酸化膜１０の間にストッパーとなる別の膜を配置する方法や、エッチング時間を制御する方法などがある。また、上述した２段構成の段差部９ａ，９ｂに限らず、段差部の数については上記工程を繰り返すことによって調整可能である。また、段差部９ａ，９ｂは、上述したシリコン酸化膜以外にも、有機膜や窒化シリコン膜などの透明材料を用いることができ、これらの材料をデポジション、蒸着、塗布などの方法を用いて光透過層４上に形成することができる。
【００２３】
第１及び第２レンズ６，７ａ，７ｂの形成方法としては、例えば図５に示す方法を挙げることができる。具体的には、図５（ａ）に示すように、光透過層４（又は段差部９ａ，９ｂ）上に、第１及び第２レンズ６，７ａ，７ｂ用の有機レジスト材２０，２１をパターン形成した後、加熱処理より有機レジスト材２０，２１を溶融させてレンズ形状とする。これにより、図５（ｂ）に示すように、曲率半径の異なるレンズ２０ａ，２１ａを形成することができる。なお、レンズ２０ａ，２１ａの曲率半径は、溶融した有機レジスト材２０，２１の表面張力（温度と時間）により制御することができる。すなわち、レンズ２０ａ，２１ｂの曲率半径は、レンズ材料と形成面との間の粘着性や、溶融したレンズ材料の表面張力、レンズサイズなどによって決まるが、一般的に大きいレンズ２０ａでは曲率半径が大きく、小さいレンズ２１ａでは曲率半径が小さくなる。この特性を用いてパターンの大きさとレンズ材料を適切に選択することによって、レンズ２０ａ，２１ｂの曲率半径を制御することが可能である。
【００２４】
以上のような構造を有する撮像素子１では、被写体からの光を複数の集光光学系５によって集光させながら、各集光光学系５によって集光された光が段差部９ａ，９ｂを含む光透過層４を介して画素毎に一群の受光素子３に受光されると、各受光素子３がその光による明暗を電荷の量に光電変換し、それを順次読み出して電気信号に変換する。そして、これにより得られた電気信号から被写体の像に対応したデジタル画像データを生成することが可能である。また、この撮像素子１は、撮影後にフォーカスの合う位置や深さを変更し、任意の距離でピントの合った画像を生成する任意焦点システムにも適用可能である。
【００２５】
以上のように、本発明を適用した撮像素子１では、従来において半導体基板１００上に直接形成することが困難であったマイクロレンズアレイ１０５を、半導体基板１００との位置を合わせて半導体基板１００に貼り付けるといったことを行わずに、上述したオンチップレンズを形成する方法によって、上記集光光学系５を構成する各レンズ６，７ａ，７ｂの曲率半径を変えながら、また、レンズ６，７ａの下に段差部９ａ，９ｂを設けることによって、実現することが可能である。
【００２６】
したがって、本発明によれば、１画素分に相当する一群の受光素子３に対応して光透過層４の面上を区画した領域Ｓ毎に集光光学系５を配置した場合に、各集光光学系５と受光素子３との位置精度の向上を図ることが可能であり、また、製造コストの削減を図ることが可能である。また、この撮像素子１を任意焦点システムに適用した場合には、画質の向上を図ることが可能である。
【００２７】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態として図６及び図７に示す撮像素子５０について説明する。
なお、以下の説明では、上記撮像素子１と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
【００２８】
この撮像素子５０は、上記撮像素子１が備える集光光学系５の代わりに、図６及び図７に示す集光光学系５１を備えたものであり、それ以外は上記撮像素子１とほぼ同様の構成を有している。
【００２９】
具体的に、この集光光学系５１は、各領域Ｓの中央に配置された第１レンズ５２と、第１のレンズ６の周囲に配置された第２レンズ５３ａ，５３ｂとを有して構成されている。このうち、第１レンズ５２は、第１の曲率を有する半球状のレンズ体からなる。一方、第２レンズ５３ａ，５３ｂは、第１レンズ５２の周囲を囲む複数のレンズの集合体からなり、第１の曲率よりも大きい第２の曲率を有すると共に、第１のレンズ６の周囲に同心円状に並んで配置されている。
【００３０】
また、第２レンズ５３ａ，５３ｂには、レンズ体を部分的に遮光する遮光膜５４が設けられている。この遮光膜５４は、上記遮光膜８と同じ材料からなり、第２レンズ５３ａ，５３ｂを構成する各レンズ体の下面のうち第１レンズ６側の半分を遮光するように設けられている。
【００３１】
また、光透過層４上には、レンズ５２，５３ａの形成面の高さを異ならせる段差部５５ａ，５５ｂが設けられている。このうち、最も高い段差部５５ａ上に第１レンズ５２、それよりも低い段差部５５ｂ上に第２レンズ５３ａが設けられ、それよりも低い光透過層４上に第２レンズ５５ｂが設けられている。これにより、第１及び第２レンズ５２，５３ａ，５３ｂは、その曲率に合わせて受光素子３までの距離が調整されている。
【００３２】
以上のような構造を有する撮像素子５０では、上記撮像素子１と同様に、従来において半導体基板１００上に直接形成することが困難であったマイクロレンズアレイ１０５を、半導体基板１００との位置を合わせて半導体基板１００に貼り付けるといったこと行わずに、上述したオンチップレンズを形成する方法によって、上記集光光学系５１を構成する各レンズ５２，５３ａ，５３ｂの曲率半径を変えながら、また、レンズ５２，５３ａの下に段差部５５ａ，５５ｂを設けることによって、実現することが可能である。
【００３３】
したがって、本発明によれば、１画素分に相当する一群の受光素子３に対応して光透過層４の面上を区画した領域Ｓ毎に集光光学系５１を配置した場合に、各集光光学系５１と受光素子３との位置精度の向上を図ることが可能であり、また、製造コストの削減を図ることが可能である。また、この撮像素子５０を任意焦点システムに適用した場合には、画質の向上を図ることが可能である。
【００３４】
なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、図８に示す集光光学系６０のように、光透過層６１の表面に形成された凹部６２に光学部材６３を埋め込むことによってレンズ６４を形成することも可能である。
【００３５】
このようなレンズ６４の形成方法としては、先ず、図８（ａ）に示すように、光透過層４上にシリコン酸化膜（光透過層）６１を形成する。次に、図８（ｂ）に示すように、このシリコン酸化膜６１上に所定の形状にパターニングされたレジスト層６５を形成する。次に、図８（ｃ）に示すように、このパターニングされたレジスト層６５を用いてシリコン酸化膜６４を厚み方向の中途部まで等方エッチングし、凹部６２を形成する。次に、図８（ｄ）に示すように、レジスト層６５を除去した後に、光透過層４の表面に形成された凹部６２にシリコン窒化膜（光学部材）６３を埋め込み形成する。これにより、レンズ６４を形成することができる。
【００３６】
また、図９に示す集光光学系７０のように、光透過層４の表面に同心円状に並ぶ複数の溝部７１によって形成された回折レンズ７２であってもよい。さらに、集光光学系としてフレネルレンズ（図示せず。）を形成することも可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１…撮像素子（第１の実施形態）  ２…半導体基板  ３…受光素子  ４…光透過層  ５…集光光学系  ６…第１レンズ  ７ａ，７ｂ…第２レンズ  ８…遮光膜  ９ａ，９ｂ…段差部  ５０…撮像素子（第２の実施形態）  ５１…集光光学系  ５２…第１レンズ  ５３ａ，５３ｂ…第２レンズ  ５４…遮光膜  ５５ａ，５５ｂ…段差部  ６０，７０…集光光学系
【図１】
2011091253.tif 000003
【図２】
2011091253.tif 000004
【図３】
2011091253.tif 000005
【図４】
2011091253.tif 000006
【図５】
2011091253.tif 000007
【図６】
2011091253.tif 000008
【図７】
2011091253.tif 000009
【図８】
2011091253.tif 000010
【図９】
2011091253.tif 000011