(57)【要約】【課題】屈折率が高く、集光性の高い光学装置及びこれを用いた固体撮像装置を提供する。【解決手段】複数の光学素子がアレイ状に配列された光学装置である。この光学素子は、複数の小パターン２１０からなる光学層を具備している。この複数の小パターン２１０は、第１及び第２の金属層２１１，２１３と、これら第１及び第２の金属層２１１，２１３の間に配された誘電体層２１２との積層体からなり、中心から周縁に向かうに従い、その密度が小さくなるように、規則的に配列されたループ状のパターンを構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光学素子がアレイ状に配列された光学装置であって、
前記複数の光学素子の少なくとも一部は、複数の小パターンからなる光学層を具備し、
前記複数の小パターンは、複数の金属層と、これら複数の金属層の間に配された誘電体層との積層体からなり、ループ中心から周縁に向かうに従い、その密度が小さくなるように、規則的に配列された複数のループ状のパターンであることを特徴とする光学装置。
【請求項２】
半導体基板内または半導体基板上に形成され、入射する光を信号電荷に光電変換する複数の光電変換部と、前記光電変換部上に形成された集光部とを具備し、
前記集光部が、各光電変換部上に対応する位置で、複数の光学素子がアレイ状に配列されてなり、
前記複数の光学素子の少なくとも一部は、複数の小パターンからなる光学層を具備し、
前記複数の小パターンは、複数の金属層と、これら複数の金属層の間に配された誘電体層との積層体からなり、ループ中心から周縁に向かうに従い、その密度が小さくなるように、規則的に配列された複数のループ状のパターンであることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
前記ループ状のパターンは周上で分断され、間隙部を含むことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記小パターンは、同心円状に配列された複数のパターンを含むことを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記光学素子のうち、
前記半導体基板の周縁部に配される光学素子は、ループ中心が周縁部画素内の端側にずれていることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光学装置及び固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＣＭＯＳイメージセンサーにおける高画質化への要求は近年益々高まっており、それに伴い高解像度を実現するために画素の微細化は必須である。また、一方でＣＭＯＳイメージセンサーでは、低背化への要求もあり、それに伴い、光の周辺ロスであるシェーディングの問題は、益々深刻になっている。そこで近年、この問題を解決するために例えば各画素に配置するマイクロレンズとして、デジタルマイクロレンズという構造が提案されている。
【０００３】
デジタルマイクロレンズでは、格子型の高屈折率材と低屈折率材（空気でもよい）の周期やピッチを調整して、全体の屈折率分布を調整する屈折率分布レンズを形成している。そして、画素の中央と、周辺で屈折率分布を変えることで従来よりもシェーディング効果を向上することもできるとされている。
【０００４】
しかしながら、従来のデジタルマイクロレンズは、既存の材料を用いるため、画素が微細化されたとき屈折率が十分にとはいえず、集光性を劣化させてしまうという問題がある。
【０００５】
ところで、高屈折率部材としてメタマテリアルが提案されている。この高屈折率部材は、テラヘルツ帯ではあるが、金属と絶縁物を積層して、Ｉ型パターンを周期的に並べることで広範囲でかつ非常に“正”側に高い屈折率を持つ材料として実現されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−９８７９０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Muhan Choi, et al; nature 470 ,7334, p369-p373 (2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の一つの実施形態は、屈折率が高く、集光性の高い光学装置及びこれを用いた固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一つの実施形態は、複数の光学素子がアレイ状に配列された光学装置であって、複数の光学素子の少なくとも一部は、複数の小パターンからなる光学層を具備している。この複数の小パターンは、複数の金属層と、これら複数の金属層の間に配された誘電体層との積層体からなり、ループ中心から周縁に向かうに従い、その密度が小さくなるように、規則的に配列された複数のループ状のパターンを構成する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１の実施形態の固体撮像装置を適用したカメラモジュールの構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、同カメラモジュールのデジタルマイクロレンズの一部拡大図であり、（ａ）は、断面図であり、（ｂ）は、平面図である。
【図３】図３は、集光性を立証するために、電磁界解析により波動をシミュレーションした結果を示す図である。
【図４】図４は、第１の実施形態のデジタルマイクロレンズの平面パターンの変形例を模式的に示す図である。
【図５】図５は、第１の実施形態のデジタルマイクロレンズの集光性の波動のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は、波長６５０ｎｍの場合、（ｂ）は、波長４５０ｎｍの場合を示す図である。
【図６】図６は、従来のデジタルマイクロレンズの集光性の波動のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は、波長６５０ｎｍの場合、（ｂ）は、波長４５０ｎｍの場合を示す図である。
【図７】図７は、本実施形態のデジタルマイクロレンズと従来のデジタルマイクロレンズとの感度を比較した結果を示す図である。
【図８】図８は、チップ上での、本実施形態のデジタルマイクロレンズの配列及び構成を示す図であり、（ａ）は、チップ中心部３Cでの屈折率分布及びレンズ配列を示し、（ｂ）は、チップ周縁部３Rでの屈折率分布及びレンズ配列を示し、（ｃ）は、チップ全体を示す説明図である。
【図９】図９（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態のデジタルマイクロレンズの形成工程を示す工程断面図である。
【図１０】図１０は、第２の実施形態の固体撮像装置を適用したカメラモジュールのデジタルマイクロレンズの一部拡大図であり、（ａ）は、断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ断面図に相当する平面図である。
【図１１】図１１は、変形例のデジタルマイクロレンズの一部拡大図であり、（ａ）は、断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ断面図に相当する平面図である。
【図１２】図１２は、第３の実施形態の固体撮像装置を適用したカメラモジュールのデジタルマイクロレンズの一部拡大図であり、（ａ）は、断面図であり、（ｂ）は、平面図である。
【図１３】図１３は、第４の実施形態の固体撮像装置を適用したカメラモジュールのデジタルマイクロレンズの一部拡大図であり、（ａ）は、断面図であり、（ｂ）は、平面図である。
【図１４】図１４は、第５の実施形態の固体撮像装置を適用したカメラモジュールのデジタルマイクロレンズの一部拡大断面図である。
【図１５】図１５は、第６の実施形態の固体撮像装置を適用したカメラモジュールのデジタルマイクロレンズの一部拡大断面図である。
【図１６】図１６は、チップ上での、第７の実施形態のデジタルマイクロレンズの配列及び構成を示す図であり、（ａ）は、チップ中心部３Cでのレンズ配列を示し、（ｂ）は、チップ周縁部３Rでのレンズ配列を示し、（ｃ）は、チップ全体を示す説明図である。
【図１７】図１７は、チップ上での、第８の実施形態のデジタルマイクロレンズの配列及び構成を示す図であり、（ａ）は、チップ中心部３Cでのレンズ配列を示し、（ｂ）は、チップ周縁部３Rでのレンズ配列を示し、（ｃ）は、チップ全体を示す説明図である。
【図１８】図１８は、チップ上での、第９の実施形態のデジタルマイクロレンズの配列及び構成を示す図であり、（ａ）は、チップ中心部３Cでのレンズ配列を示し、（ｂ）は、チップ周縁部３Rでのレンズ配列を示し、（ｃ）は、チップ全体を示す説明図である。
【図１９】図１９は、第１０の実施形態の固体撮像装置を適用したカメラモジュールのデジタルマイクロレンズの一部拡大図であり、（ａ）は、断面図であり、（ｂ）は、平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる光学装置及びこれを用いた固体撮像装置を詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の固体撮像装置を適用したカメラモジュールの構成を模式的に示す断面図である。図２は、同カメラモジュールのデジタルマイクロレンズの一部拡大図であり、（ａ）断面図であり、（ｂ）は、平面図である。なお図２（ａ）は、図２（ｂ）のＡ−Ａ断面に相当する。本実施形態では、光学素子としてのデジタルマイクロレンズ２００の格子を金属と絶縁物の積層構造のメタマテリアル構造で構成したものである（図２(ａ)）。本実施形態のカメラモジュールは、固体撮像素子１００と、この上に配されたデジタルマイクロレンズ２００と、光学フィルタ（カラーフィルタ）３００から構成された固体撮像装置、およびこの固体撮像装置に対する光の入射側に配された、カメラレンズ４００とを具備している。光学フィルタ３００は、デジタルマイクロレンズ２００と固体撮像素子１００との間に配され、赤色フィルタＲ、緑色フィルタＧ、青色フィルタＢが順次配列されている。カメラレンズ４００を介して固体撮像装置に入射した光は、デジタルマイクロレンズ２００で集光され、光学フィルタ３００を経て、固体撮像素子１００に導かれる。光学素子としてのデジタルマイクロレンズ２００は、固体撮像素子１００の各画素（光電変換部）上に対応してアレイ状に配列形成され、集光部を構成する。
【００１３】
図２（ｂ）にこのデジタルマイクロレンズ２００の１レンズユニットの平面パターンを模式的に示す。本実施形態のデジタルマイクロレンズ２００は、複数の小パターン２１０からなる光学層を配列してなる。この複数の小パターン２１０は、間隙２２０を介して規則的に配列されたループ状（ドーナツ状）のパターンであり、それぞれ、第１及び第２の金属層２１１，２１３と、これら第１及び第２の金属層２１１，２１３の間に配された誘電体層２１２との積層体からなる。また、これら複数の同心円状パターンの外側にはループ状の各パターンと同様の積層体からなる外形が円形の島状パターンが配置されている。そして小パターン２１０の幅Ｗ0，Ｗ1，Ｗ2（Ｗ0＝Ｗ1＝Ｗ2）は一定で、中心から周縁に向かうに従い、その間隙２２０の幅Ｃ1,Ｃ2,Ｃ3（Ｃ1＞Ｃ2＞Ｃ3）が大きくなり、その結果、密度が小さくなっている。ここで小パターン２１０の幅Ｗ0，Ｗ1，Ｗ2は数１０ｎｍ程度であり、線幅はできるだけ細くするのが望ましい。これら小パターン２１０の幾何学的な関係が屈折率に応じて設定される。
【００１４】
なお、本実施形態では、小パターン２１０の間の間隙２２０は空気層であり、空気層と、第１及び第２の金属層２１１，２１３の間に挟まれた誘電体層２１２による屈折率分布に加え、第１及び第２の金属層２１１，２１３の間に挟まれた空気層による屈折率分布を利用している。
【００１５】
固体撮像素子１００は、光電変換部などが設けられた単結晶シリコン基板１０１と、この単結晶シリコン基板１０１上に層間絶縁膜１１１を介して設けられた単層または多層の配線１１２とで構成され、画素領域と、画素領域の周辺に形成された図示しない周辺回路領域とで形成される。図１は、画素領域における断面を示している。単結晶シリコン基板１０１における画素領域には、光電変換部としてｐｎ接合を有するフォトダイオード１０２が設けられている。このフォトダイオード１０２が１画素に対応し、単結晶シリコン基板１０１の表面を光の入射方向から見た場合に、マトリクス状に２次元配列されている。そして入射する光をこのフォトダイオード１０２で光電変換して生成された信号電荷を転送する転送部（図示せず）を具備し、画像信号を周辺回路領域で信号処理し、出力するように構成されたものである。
【００１６】
より詳細には、それぞれ赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）にピークをもつ波長域の光を３つのフォトダイオード１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂで受光するもので、これらフォトダイオード１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂは、光学フィルタ３００のうちそれぞれの色に対応して設けられる。赤色フィルタＲを介してフォトダイオード１０２Ｒが赤色帯域の光を受光する。また、緑色フィルタＧを介してフォトダイオード１０２Ｇが緑色帯域の光を受光する。そして、青色フィルタＢを介してフォトダイオード１０２Ｂが青色帯域の光を受光する。このようにして、それぞれフォトダイオード１０２は、赤色、緑色、青色の光を受光する。そして単結晶シリコン基板１０１における周辺回路部（図示せず）には、トランジスタなどの回路素子が設けられ、信号処理回路、駆動制御回路などを構成している。そして信号処理回路によってフォトダイオード１０２の出力を信号処理により、所望の電気信号として取り出す。また、駆動制御回路により、フォトダイオード１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂの駆動制御が行われる。
【００１７】
なお、光電変換部は、単結晶シリコン基板１０１内に形成されたｐｎ接合に代えて単結晶シリコン基板１０１上に形成した光電変換膜で構成してもよい。また、赤色、緑色、青色用の各光電変換膜は、各画素において積層した光電変換部の構成としてもよく、この場合、光学フィルタ３００の形成を省略することも可能となる。
【００１８】
本実施形態によれば、デジタルマイクロレンズ２００をメタマテリアル構造にすることで、屈折率を既存材料よりも高く（屈折率３以上）している。更に格子周期を調整することで、屈折率分布の勾配（屈折率の最大値）を大きくしている。格子数、格子の幅、格子間スペース、金属の層数、金属間距離（絶縁物の膜厚）は所望の屈折率分布になるように任意に調整している。
【００１９】
屈折率ｎは、誘電率εと透磁率μの平方根の乗算（ｎ＝√ε・√μ）で表される光学パラメータである。したがって、金属間距離を小さくするか（キャパシタンスを大きくする、つまり実効的な誘電率を高くする）、誘導渦電流が流れないようにする（インダクタンスを大きくする、つまり透磁率を高くする）ことが高い屈折率にするためには重要である。このようなあたかも電気的なインダクタンスやキャパシタンスを調整するようにパターンを配置するメタマテリアルは伝送線路型ともいわれ、広帯域の波長を扱うものとして知られている。
【００２０】
本実施形態では、高い屈折率を得るために、金属間距離が小さくなるように、また金属部に光が入射した際の磁界を打ち消すための誘導渦電流をできるだけ発生しないように、小パターン２１０を設定している。小パターンの層構成およびパターンレイアウトなどの設定により、格子周期を調整することで、最大屈折率の増大を図ることができる。したがって画素内での屈折率勾配を大きくし、集光性を高めることができる。
【００２１】
また本実施形態では、可視光域での“正”の高い屈折率をもつメタマテリアルを使ってマイクロレンズを形成するものである。また“正”側の屈折率にする理由は、前述したように屈折率分布レンズの集光性に重要な最大屈折率を上げるためである。
【００２２】
実際の集光性を立証するために、電磁界解析により波動をシミュレーションした結果を図３に示す。画素サイズ０．９μｍ相当でも、集光性のある波動があることがわかる。このときのメタマテリアルの構造は、金属層厚、金属間距離ともに数１０ｎｍ程度に構成されており、格子幅は、０．１μｍ以下である。また第１の金属層及び第２の金属層はＡｌ、誘電体層はＳｉＯ2である。しかし、材料については、上記に限定されることなく、基本的には、金属と絶縁物の構成であればよい。格子幅と金属層厚とを小さくすることで渦電流が流れにくくなり、かつ金属間距離を小さくすることで実効的な誘電率を大きくすることができる。
【００２３】
図２に示したドーナツ形状に代えて、図４に示すように全体としてドーナツ型の島状パターン群の形状にしてもよい。つまり、渦電流が発生しにくいようなパターンにすればよい。いずれにしても金属層厚は数１０ｎｍ程度で、かつ線幅はできるだけ細くする。
【００２４】
図４にこのデジタルマイクロレンズ２００の平面パターンの変形例を模式的に示す。このデジタルマイクロレンズ２００は、複数の小パターン２１０からなる光学層を具備してなり、この複数の小パターン２１０は、第１及び第２の金属層２１１，２１３と、これら第１及び第２の金属層２１１，２１３の間に配された誘電体層２１２との積層体からなる。そしてこの小パターン２１０は、ループ中心から周縁に向かうに従い、その密度が小さくなるように、間隙２２０を介して規則的に配列されたループ状のパターンである。そしてこの小パターン２１０を構成する各ループは分断されてギャップ（間隙部）２２１を形成し、渦電流の電流ループが形成されるのを阻止する構成となっている。
【００２５】
本実施形態のデジタルマイクロレンズと従来のデジタルマイクロレンズとの集光性の波動を比較した場合のシミュレーション結果を図５（ａ），（ｂ）及び図６（ａ），（ｂ）に示す。図５（ａ），（ｂ）及び図６（ａ），（ｂ）において（ａ）は、波長６５０ｎｍの場合、（ｂ）は、波長４５０ｎｍの場合を示す。図５（ａ），（ｂ）に示す本実施形態のデジタルマイクロレンズの場合の方が図６（ａ），（ｂ）に示す従来のデジタルマイクロレンズの場合よりも、集光性が高いことがわかる。ここで図６（ａ），（ｂ）の従来例ではＳｉＯ2を格子構造として用いている。このように従来例の誘電体パターンからなるデジタルマイクロレンズは、メタマテリアルパターンからなるデジタルマイクロレンズに対して集光性が悪いことがわかる。
【００２６】
また本実施形態のデジタルマイクロレンズと従来のデジタルマイクロレンズとの感度を比較した結果を図７に示す。縦軸は規格化感度、横軸は光線の入射角度を示す。曲線ａは本実施形態のデジタルマイクロレンズを用いた場合の感度を示し、曲線ｂは従来例のデジタルマイクロレンズを用いた場合の感度を示す。曲線ａ及びｂの比較からも、本実施形態のデジタルマイクロレンズを用いた場合の感度が、従来例の場合に比べて明らかに高感度となっていることがわかる。
【００２７】
次に、このように高感度化を図ることのできるデジタルマイクロレンズ２００を用いて固体撮像装置を構成し、チップ上での出力特性を高めた構成について説明する。図８にチップ１上での、本実施形態のデジタルマイクロレンズ２００の配列及び構成を示す。（ａ）は、半導体基板であるチップ１の中心部（以下チップ中心部）３Cでの屈折率分布及びレンズ配列を示し、（ｂ）は、半導体基板であるチップ１の周縁部（以下チップ周縁部）３Rでの屈折率分布及びレンズ配列を示す。（ｃ）は、チップ全体を示す説明図であり、チップ１上の画素領域２上にデジタルマイクロレンズ２００が配列されている。光学素子であるデジタルマイクロレンズ２００のうち、チップ中心部３Cに配される第１のデジタルマイクロレンズと、チップ周縁部３R上に配される第２のデジタルマイクロレンズでは、ループ状のパターンの配置の仕方が異なり、特にチップ周縁部３Rの第２デジタルマイクロレンズではパターン密度の高い領域の位置が第２のデジタルマイクロレンズが置かれる画素内の端側にシフトするように構成される。
【００２８】
このように、本実施形態の装置によれば、第１および第２の金属層２１１，２１３と誘電体層２１２との積層構造体からなるデジタルマイクロレンズ２００を採用することで、パターン密度など、パターンの幅やピッチを調整するだけで、最大屈折率を上げることができるため、高屈折率勾配を得ることができる。
【００２９】
また、チップ周縁部３R上に配されるデジタルマイクロレンズ２００では、屈折率分布を非対称化することで、屈折率分布の中で屈折率の高い位置を端側すなわち光の進行方向とは逆側にずらすことにより、光が隣接画素に入射するのを抑制するような波動を形成する。そして、チップ周縁部３Rにおいてもデジタルマイクロレンズ２００に斜めに入射した光が対応するフォトダイオード１０２上に効率よく集光するようにしている。一方で、図８（ａ）および（ｂ）の屈折率分布図からわかるように、チップ周縁部３Rでは、パターンを非対称にシフトさせることで画素全体としての屈折率は低下することになる。しかしながら、本実施形態では、メタマテリアル構造を用いることで、このチップ周縁部３Rにおける屈折率の低下や斜め光による集光ロスを低減することができる。
【００３０】
このようにしてチップ中心部３Cとチップ周縁部３Rとで、屈折率分布を変化させることで、各デジタルマイクロレンズ２００におけるレンズ特性の補正だけでなく、集光ロスを低減しつつ、シェーディング補正をはじめとする撮像面全体としての補正も同時に実現可能である。本実施形態のデジタルマイクロレンズ２００の配列を変化させ、屈折率の高い位置を端側にずらすことにより、光が隣接画素に行くのを抑制するような波動を形成する屈折率分布を持たせることで、チップ周縁部３Rにおいてもデジタルマイクロレンズ２００に入射した光が対応するフォトダイオード１０２上に集光するようにして、チップ１上で光量が均一となるように補正することができる。
【００３１】
さらに、本実施形態のデジタルマイクロレンズ２００によれば、チップ周縁部３Rではチップ中心部３Cに比べて光の入射角が大きいため、特に、上層側に位置する第２の金属膜２１３において光路的な観点での厚さは、基板垂直方向の実膜厚よりも厚くみえる。このため、実質的にインダクタンスが大きくなる方向に寄与することになり、屈折率が高くみえる。ひいては、斜め光による集光ロスの生じ易いチップ周縁部３Rにおいてはチップ中心部３Cよりも屈折率を実質的に高めたことになり、結果的にフォトダイオードに入射する光量を均一化することができる。
【００３２】
なお、このような寄与に基づく光量の均一化が十分である場合は、チップ周縁部３Rにおけるループ状のパターンを非対称とするような配列の変化を省略しつつ、撮像面全体において、デジタルマイクロレンズ２００をメタマテリアル構造としたことでシェーディング補正をはじめとする光学補正の実現が可能である。
【００３３】
次に本実施形態のデジタルマイクロレンズを形成するためのプロセスフローについて説明する。図９(ａ)〜（ｄ）は、第１の実施形態のデジタルマイクロレンズの形成工程を示す工程断面図である。まずシリコン基板上に光電変換部、電荷転送部といったセンサーからなるセンサー画素から配線層（図示せず）まで形成された固体撮像素子１００上にカラーフィルタ（図示せず）を形成する。この後スパッタリング法により、デジタルマイクロレンズを形成するための第１の金属層２１１を成膜する（図９(ａ)）。
【００３４】
その後、スパッタリング法により誘電体層２１２としてのＳｉＯ2膜を成膜し、さらに順次第２の金属層２１３を成膜する（図９（ｂ））。本実施形態では金属層を２層としたが、層数を増やす場合は層数に応じて図９（ｂ）に示す工程を繰り返せばよい。
【００３５】
次に、図９(ｃ)に示すようにレジストＲｅを塗布してリソグラフィによるデジタルマイクロレンズ用のパターニングを行う。
【００３６】
最後に、図９(ｄ)に示すように反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、イオンビームエッチング（ＩＢＥ）などのエッチングにより、メタマテリアルからなる小パターンＰｍ（２１０）を形成する。そしてレジスト剥離後、メタマテリアルのデジタルマイクロレンズ２００を得る。
【００３７】
本実施形態のプロセスフローを用いれば、前述したようにフォトリソグラフィによるパターニング工程（ＰＥＰ）数は１回で済むので低コストのプロセスを実現することが可能である。また図９(ｄ)の工程で集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）などを使えば図９(ｃ)のフォトリソグラフィ工程は省略可能である。
【００３８】
以上説明してきたように、第１の実施形態によれば、メタマテリアル構造をデジタルマイクロレンズ２００の格子に適用した。その結果、ＣＭＯＳイメージセンサーの微細な画素でも集光性の高いマイクロレンズを形成でき、高感度の固体撮像装置を得ることができる。
【００３９】
また、光学素子としてデジタルマイクロレンズ２００を用いることで、屈折率勾配の大きいレンズを得ることができるため、焦点距離を短くすることができ、低背化が可能となる。このデジタルマイクロレンズ２００の厚さは、１００ｎｍ以下とすることができる。デジタルマイクロレンズ２００の厚さを、１００ｎｍ以下とすることで、固体撮像装置としての低背化が可能となる。
【００４０】
なお、デジタルマイクロレンズ２００を構成する積層体としては、２層の金属層と、１層の誘電体層とを含む例について説明したが、２層以上の金属層と、１層以上の誘電体層とを含むようにするのが望ましい。２層以上の金属層と、１層以上の誘電体層とを含むようにすることで、より大きな屈折率を得ることが可能となる。
【００４１】
また、デジタルマイクロレンズ２００を構成する小パターン２１０の幅は、0.１μｍ以下とするのが望ましい。0.１μｍ以下とすることで、屈折率勾配の制御が容易となる。
【００４２】
さらにまた、デジタルマイクロレンズ２００を構成する各小パターン２１０中の各金属層厚は、渦電流を流れにくくするためには５０ｎｍ以下であるのが望ましい。本実施形態では第１及び第２の金属層の合計膜厚を５０ｎｍ以下とすることで、デジタルマイクロレンズ２００全体としての、透過率が向上し、光電変換部を構成するフォトダイオード１０２に取り込まれる光量の増大を図ることができるという効果がある。
【００４３】
なお、メタマテリアル構造を構成する金属材料としては、Ａｌに限定されることなく、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕなども用いられる。誘電体材料としては、屈折率が、１以上２以下のものであればよく、例えばＳｉＯ2、ＳｉＮやその他樹脂系の材料でもよい。
【００４４】
また、本実施形態では、図示しない取り出し電極を形成し、配線１１２が形成された基板面側を受光面とした固体撮像装置について説明したが、取り出し電極や配線１１２が形成された基板面と反対側の面を受光面とした固体撮像装置にも適用可能であることはいうまでもない。本実施形態によれば、高屈折率のデジタルマイクロレンズ２００を得ることができるため、特に、その入射面側に配線層を形成しないことで、デジタルマイクロレンズ２００とフォトダイオード１０２との距離を短くすることのできる、裏面照射型の固体撮像装置に対しても、特に有効である。
【００４５】
（第２の実施形態）
前記第１の実施形態では、小パターン２１０の間の間隙２２０は空気層で構成したが、空気層に代えて、小パターン２１０の間の間隙部２２０に第２の誘電体層を充填するようにしてもよい。
【００４６】
図１０は、第２の実施形態の固体撮像装置を適用したカメラモジュールのデジタルマイクロレンズの一部拡大図であり、（ａ）は、断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ断面図に相当する平面図である。本実施形態では、光学素子としてのデジタルマイクロレンズ２００の格子を金属と絶縁物の積層構造のメタマテリアル構造で構成しこの小パターン２１０の間の間隙部２２０に第２の誘電体層２１４を充填し、小パターン全体を覆うようにしたことに特徴を有するものである（図１０(ａ)）。ポリイミド樹脂からなる第２の誘電体層２１４を充填した点以外は、前記第１の実施形態と同様である。同一部位には同一符号を付した。
【００４７】
上記構成によれば、小パターン２１０の間の間隙２２０はポリイミド樹脂層からなる第２の誘電体層２１４であり、第２の誘電体層２１４と、第１及び第２の金属層２１１，２１３の間に挟まれた誘電体層２１２による屈折率分布に加え、第１及び第２の金属層２１１，２１３の間に挟まれた第２の誘電体層２１４による屈折率分布を利用している。パターン配置により、より高い屈折率勾配を得ることも可能となる。
【００４８】
上記効果に加え、本実施形態のデジタルマイクロレンズは、表面全体をポリイミド樹脂で覆う構造であるため、レンズ強度を高めることができ、固体撮像装置表面の保護効果も得ることができるため、別途保護部材を装着することが不要となり、更なる薄型化が実現される。
【００４９】
なお、変形例として、図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２の誘電体層２１４は、小パターン間領域にのみ存在するようにしてもよい。図１１は、変形例のデジタルマイクロレンズの一部拡大図であり、（ａ）は、断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ断面図に相当する平面図である。本変形例では、小パターン間領域に充填される第２の誘電体層２１４が、第２の金属層２１３の高さを越えないように低めの膜厚としたものである（図１１(ａ)）。各小パターン２１０を金属と絶縁物との積層構造のメタマテリアル構造で構成し、この小パターン２１０の間の間隙部２２０に第２の誘電体層２１４を充填した点では図１０に示した構造と同様である。すなわち、ポリイミド樹脂からなる第２の誘電体層２１４を小パターン間にのみ充填した点以外は、図１０に示した構造と同様である。同一部位には同一符号を付した。
【００５０】
かかる構成によっても、パターン配置により、より高い屈折率勾配を得ることが可能となる。また、変形例のデジタルマイクロレンズは、全体をポリイミド樹脂で覆う構造より、若干保護効果は低いが、レンズ強度を高めることができ、固体撮像装置表面の保護効果も得ることができるため、別途保護部材を装着することが不要となり、更なる薄型化が実現される。
【００５１】
なお、本実施形態では、間隙２２０を覆うために、ポリイミド樹脂を充填したが、ポリイミド樹脂に限定されることなく、ＳｉＯ2、ＳｉＮやその他樹脂系の材料を用いてもよい。
【００５２】
（第３の実施形態）
前記第１の実施形態では、小パターン２１０は第１及び第２の金属層２１１，２１３間に誘電体層２１２を挟む構成としたが、これを積層構造にすることで更なる高屈折率分布を得ることができる。
【００５３】
図１２は、第３の実施形態の固体撮像装置を適用したカメラモジュールのデジタルマイクロレンズの一部拡大図であり、（ａ）は、断面図であり、（ｂ）は、平面図である。本実施形態では、光学素子としてのデジタルマイクロレンズ２００の格子を金属と絶縁物の積層体の２層構造としたメタマテリアル構造で構成したことに特徴を有するものである（図１２(ａ)）。本実施形態では、第１の金属層２１１、誘電体層２１２、第２の金属層２１３、誘電体層２１５、第３の金属層２１６の順に積層され、３層の金属層を有するループ状の小パターン２１０を、間隙２２０を隔てて複数配列している。このようにメタマテリアル構造の層数を増大した点以外は、前記第１の実施形態と同様である。同一部位には同一符号を付した。
【００５４】
かかる構成によれば、上記第１の実施形態による作用効果に加え、メタマテリアル構造の層数を増大し、屈折率を高めることで、パターン配置により、より高い屈折率勾配をも得ることが可能となる。従って集光性の高い光学素子を得ることが可能となる。小パターン２１０は、３層以上の金属層と、２層以上の誘電体層とを含むようにすることで、更なる屈折率勾配の増大をはかることができる。
【００５５】
（第４の実施形態）
前記第１の実施形態では、小パターン２１０は、パターン幅Ｗを一定にしたが、本実施形態では小パターン間の間隙２２０の幅Ｃ1，Ｃ2を一定としつつ、第１の実施形態と同様の屈折率分布が得られるパターン密度となるように、パターン幅Ｗの寸法を設定した。
【００５６】
図１３は、第４の実施形態の固体撮像装置を適用したカメラモジュールのデジタルマイクロレンズの一部拡大図であり、（ａ）は、断面図であり、（ｂ）は、平面図である。本実施形態では、光学素子としてのデジタルマイクロレンズ２００の格子の構造を変形したものである。ここでは金属と絶縁物の積層構造のパターン配置を間隙部の幅が一定となるようにしたものである（図１３(ａ)）。パターン配置を変更した点以外は、前記第１の実施形態と同様である。同一部位には同一符号を付した。
【００５７】
本実施形態において、光学素子を構成する複数の小パターン２１０は、間隙２２０を介して規則的に配列されたループ状（ドーナツ状）のパターンであり、それぞれ、第１及び第２の金属層２１１，２１３と、これら第１及び第２の金属層２１１，２１３の間に配された誘電体層２１２との積層体からなる。そしてこの小パターン２１０の間隙２２０の幅Ｃ1,Ｃ2（Ｃ1＝Ｃ2）は一定で、幅Ｗ0，Ｗ1，Ｗ2（Ｗ0＜Ｗ1＜Ｗ2）が中心から周縁に向かうに従い、小さくなっており、その結果、密度が小さくなっている。ここで小パターン２１０のパターン（金属層）の幅Ｗ0，Ｗ1，Ｗ2は数１０ｎｍ程度であり、線幅はできるだけ細くするのが望ましい。
【００５８】
かかる構成によれば、間隙の幅２２０を一定に確保しているため、パターン設計に無理がなく、容易に設計可能である。またパターン配置の調整により、より高い屈折率勾配を得ることが可能となる。
【００５９】
（第５の実施形態）
前記第１〜４の実施形態では、第１及び第２の金属層２１１，２１３は、同一材料、同一膜厚、同一幅で形成したが、本実施形態では、上層側に位置する第２の金属層２１３の膜厚ｔ2は下層側に位置する第１の金属層２１１の膜厚ｔ1よりも薄くした（ｔ2＜ｔ1）。小パターン２１０に対して直角で入射する光以外は、小パターン２１０における光の入射側で出射側よりもより斜めであるため、上層側に位置する第２の金属層２１３の膜厚ｔ2が薄くても、光路的には下層側に位置する第１の金属層２１１と厚さが同程度となるる。従って、上層側に位置する第２の金属層２１３の膜厚ｔ2を下層側に位置する第１の金属層２１１の膜厚ｔ1よりも薄くして、同程度の膜厚に近い屈折特性を示すことがわかった。
【００６０】
図１４は、第５の実施形態の固体撮像装置を適用したカメラモジュールのデジタルマイクロレンズの一部拡大断面図である。第２の金属層２１３の膜厚ｔ2を変更した点以外は、前記第１の実施形態と同様である。同一部位には同一符号を付した。
【００６１】
かかる構成によれば、上記第１の実施形態による効果に加え、第２の金属層２１３の膜厚ｔ2を小さくする分、より低背化が可能となり、薄型の固体撮像装置の形成が可能となる。また、第２の金属層２１３の膜厚ｔ2を小さくした分、デジタルマイクロレンズ全体としての光透過率が向上し、フォトダイオードへの入射光量の増大をはかることができる。
【００６２】
（第６の実施形態）
前記第１〜４の実施形態では、第１及び第２の金属層２１１，２１３は、同一材料、同一膜厚、同一幅で形成したが、本実施形態では、小パターン２１０を基板上から上層に行くにつれて幅が小さくなるテーパ状断面となるように加工し、上層側に位置する第２の金属層２１３の幅ＷM2を下層側に位置する第１の金属層２１１の幅ＷM1よりも小さくした（ＷM2＜ＷM1）。この場合、小パターン２１０における格子の幅、格子間スペースは下層側と上層側で異なることになるが、パターンの高さ方向に沿って平均した格子の幅、格子間スペースの寸法を調整すれば、非テーパ状構造と同等の屈折特性を示すことがわかった。
【００６３】
図１５は、第６の実施形態の固体撮像装置を適用したカメラモジュールのデジタルマイクロレンズの一部拡大断面図である。小パターン２１０をテーパ状構造として、第１および第２の金属層２１１，２１３の幅ＷM1，ＷM2を変更した点以外は、前記第１の実施形態と同様である。同一部位には同一符号を付した。
【００６４】
かかる構成によれば、上記第１の実施形態による効果に加え、光がより斜めに入射する上層側に位置する第２の金属層２１３の幅ＷM2を小さくする分、デジタルマイクロレンズ全体としての光透過率が高くなり、フォトダイオードへの入射光量の増大を図ることができる。
【００６５】
（第７の実施形態）
前記第１の実施形態では、チップ１上でのデジタルマイクロレンズ２００の配列を変化させ、屈折率の高い位置を端側にずらすことにより、光が隣接画素に行くのを抑制するような波動を形成する屈折率分布を持たせることで、チップ周縁部３Rの画素においてもデジタルマイクロレンズ２００に入射した光が対応するフォトダイオード１０２上に効率よく集光するようにして、チップ１上で光量が均一となるように補正した。これに対し、本実施形態では、チップ周縁部３Rの屈折率を高めるために、メタマテリアルの小パターン２１０の層構造を調整することで、光量の補正を行う。すなわち、本実施形態では、光学素子のうち、チップ中心部３Cに配される第１のデジタルマイクロレンズは、チップ周縁部３Rに配される第２のデジタルマイクロレンズよりも、金属層の積層数が少ない。図１６は、チップ上での、第７の実施形態のデジタルマイクロレンズの配列及び構成を示す図であり、（ａ）は、チップ中心部３Cでのレンズ配列を示し、（ｂ）は、チップ周縁部３Rでのレンズ配列を示す。（ｃ）は、チップ全体を示す説明図であり、チップ１上の画素領域２上にデジタルマイクロレンズが配列されている。図１６（ａ）に示されるように、チップ中心部３Cに配される第１のデジタルマイクロレンズは、第１の実施形態と同様、第１及び第２の金属層２１１，２１３間に誘電体層２１２を挟んだ構造を有する。一方、図１６（ｂ）に示されるように、チップ周縁部３Rに配される第２のデジタルマイクロレンズは、さらに誘電体層２１５を介して第３の金属層２１６を積層し、金属層を３層としたものである。この構成により、チップ周縁部３Rでの屈折率を高くすることができる。
【００６６】
チップ中心部３Cの第１のデジタルマイクロレンズとチップ周縁部３Rの第２のデジタルマイクロレンズとで金属層の積層数を異ならせた点以外は、前記第１の実施形態と同様である。同一部位には同一符号を付した。
【００６７】
かかる構成によれば、上記第１の実施形態による効果に加え、デジタルマイクロレンズのレイアウトパターンを変更することなく、金属層の積層数を調整するのみでシェーディング補正をはじめとする光量補正が簡単に実現可能である。なお小パターンは、３層以上の金属層と、２層以上の誘電体層とを含むようにすることで、更なる屈折率勾配の増大をはかることができる。
【００６８】
（第８の実施形態）
本実施形態では、第２の金属層２１３の膜厚がチップ周縁部３Rで薄くなるようにし、チップ１上への入射光量が均一となるように補正した光学素子を提供する。図１７は、チップ上での、第８の実施形態のデジタルマイクロレンズの配列及び構成を示す図であり、（ａ）は、チップ中心部３Cでのレンズ配列を示し、（ｂ）は、チップ周縁部３Rでのレンズ配列を示す。（ｃ）は、チップ全体を示す説明図であり、チップ１上の画素領域２上にデジタルマイクロレンズが配列されている。図１７（ｂ）に示されるように、チップ中心部３Cに配される第１のデジタルマイクロレンズは、チップ周縁部３R上に配される第２のデジタルマイクロレンズよりも、第２の金属層２１３の膜厚が大きい。この構成により、光路的な観点での金属層厚をチップ中心部３Cとチップ周縁部３Rとで同程度としつつ、チップ周縁部３Rでは第２の金属層２１３の膜厚を薄くして渦電流を発生しにくくすることで、チップ周縁部３Rでの屈折率を高くすることができる。
【００６９】
第２の金属層２１３の膜厚を変更した点以外は、前記第１の実施形態と同様である。同一部位には同一符号を付した。
【００７０】
かかる構成によれば、上記第１の実施形態による効果に加え、デジタルマイクロレンズのレイアウトパターンを変更することなく、金属層厚を調整するのみでシェーディング補正をはじめとする光量補正が簡単に実現可能である。なお、金属層厚を調整するだけでなく、レイアウトパターンの調整も行うようにしても、より効率よい補正が可能となる。実際にはシミュレーションにより、第１及び第２の金属層２１１，２１３の膜厚とレイアウトパターンとの両方を調整し、最適化を図ることで、更なる補正が可能となる。
【００７１】
（第９の実施形態）
本実施形態では、チップ周縁部３Rの画素領域のみ第１及び第２の金属層２１１，２１３で誘電体層２１２を挟んだメタマテリアル構造の小パターン２１０を用いたデジタルマイクロレンズの構成とし、チップ中心部３Cでは、メタマテリアル構造の小パターン２１０に代えて誘電体パターンを形成した。図１８は、チップ上での、第９の実施形態のデジタルマイクロレンズの配列及び構成を示す図であり、（ａ）は、チップ中心部３Cでのレンズ配列を示し、（ｂ）は、チップ周縁部３Rでのレンズ配列を示す。（ｃ）は、チップ全体を示す説明図であり、チップ１上の画素領域２上にデジタルマイクロレンズが配列されている。図１８（ａ）に示されるように、チップ中心部３Cに配される第１のデジタルマイクロレンズは、メタマテリアル構造のパターンからなるものではなく、誘電体パターンからなるものである。そして図１８（ｂ）に示されるように、チップ周縁部３Rに配される第２のデジタルマイクロレンズのみを、メタマテリアル構造の小パターン２１０で形成している。この構成により、チップ周縁部３Rでの屈折率を高くすることができる。
【００７２】
チップ中心部３Cに配される第１のデジタルマイクロレンズを、メタマテリアル構造ではなく、誘電体パターンからなる誘電体光学素子とした点以外は、前記第１の実施形態と同様である。同一部位には同一符号を付した。
【００７３】
かかる構成によれば、チップ周縁部３Rにおいては、メタマテリアル構造を用いているので、誘電体パターンからなる誘電体光学素子を用いた場合のように、誘電体材料で主としてきまる屈折率勾配でシェーディング補正が制限されることがなく、より高精度のシェーディング補正が可能となる。また、チップ中心部３Cを誘電体のみのデジタルマイクロレンズにすることで画素全体への入射光量の増大を更に図ることができるという効果を奏する。また、製造に際しては、デジタルマイクロレンズのレイアウトパターンを変更することなく、チップ中心部３Cで第１及び第２の金属層２１１，２１３を除去するようにするのみで容易に製造可能であり、本実施形態の構造によれば、シェーディング補正をはじめとする光量補正が簡単に実現可能である。
【００７４】
（第１０の実施形態）
図１９は、第１０の実施形態の固体撮像装置を適用したカメラモジュールのデジタルマイクロレンズの一部拡大図であり、（ａ）は、断面図であり、（ｂ）は、平面図である。前記第１〜９の実施形態では、小パターン２１０は同心円状に形成したが、本実施形態では図１９（ａ）及び（ｂ）に示すように、同心状でかつ、間隙部２２１を有する正六角形パターン群で構成したことを特徴とする。なお、同心状パターンの中心には、外形が正六角形の島状パターンが配置されている。第１及び第２の金属層２１１，２１３は、同一材料、同一膜厚、同一幅で形成した。
【００７５】
小パターン２１０の形状を同心円から、同心状に配された正六角形パターン群に変更した点以外は、前記第１の実施形態の変形例と同様である。同一部位には同一符号を付した。
【００７６】
かかる構成によれば、最密充填構造が容易に形成でき、配列に無駄のない構造を得ることができる。なお、デジタルマイクロレンズ間に黒色層からなる遮光枠を配設してもよい。
【００７７】
さらに、間隙部２２１のない、正多角形パターンのリング構造も適用可能である。この場合も、複数のループ状パターンの中心にはこれらと外形が相似の関係にある島状のパターンを配置することができる。また、固体撮像素子についてもデジタルマイクロレンズに符合するように、画素単位を六角形構造としてもよい。
【００７８】
以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、実施形態はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、実施形態の特徴を備えている限り、実施形態の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
【００７９】
また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも実施形態の特徴を含む限り実施形態の範囲に包含される。その他、実施形態の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変形例を想到し得るものであり、それら変形例についても実施形態の範囲に属するものとする。
【００８０】
例えば、上記第１の実施形態から第１０の実施形態またはそれぞれに示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決できる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、上記第１の実施形態から第１０の実施形態にわたる構成要件を適宜組み合わせてもよい。
【００８１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８２】
１  チップ、２  画素領域、３C  チップ中心部、３R  チップ周縁部、１００  固体撮像素子、１０１  単結晶シリコン基板、１０２  フォトダイオード、２００  デジタルマイクロレンズ、２１０、Ｐｍ  小パターン、２１１  第１の金属層、２１２  誘電体層、２１３  第２の金属層、２１４  第２の誘電体層、２１５  誘電体層  ２１６  第３の金属層、２２０  間隙、２２１  ギャップ（間隙部）、３００  光学フィルタ、４００  カメラレンズ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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