(57)【要約】【課題】シャッター機構の小型化及び寿命の長期化を図り、また高速なシャッター動作が可能な光シャッター及びこれを用いた固体撮像素子を提供することを目的とする。【解決手段】少なくとも第１及び第２の屈折率材料部３及び４と、この第２の屈折率材料部４に電圧を印加する電極２及び５より構成し、第１及び第２の屈折率材料部３及び４の境界面を、相対向する斜面６により構成して、これら第１及び第２の屈折率材料部３及び４を積層し、第２の屈折率材料部４を、電気光学効果を有する材料より構成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１及び第２の屈折率材料部と、上記第２の屈折率材料部に電圧を印加する電極より構成され、
上記第１及び第２の屈折率材料部の境界面は、相対向する斜面により構成されて、上記第１及び第２の屈折率材料部が積層されて成り、
上記第２の屈折率材料部は、電気光学効果を有する材料より成ることを特徴とする光シャッター。
【請求項２】
上記第１及び第２の屈折率材料部の境界面である上記斜面は、光入射方向の基準軸と直交する基準面と該斜面との成す角度がほぼ等しくされて成ることを特徴とする請求項１に記載の光シャッター。
【請求項３】
上記第１及び第２の屈折率材料部の上記斜面と上記基準面との成す角度が、４０°以上５０°以下とされることを特徴とする請求項２に記載の光シャッター。
【請求項４】
少なくとも受光部の上部に、光シャッターが設けられて成り、
上記光シャッターは、少なくとも第１及び第２の屈折率材料部と、上記第２の屈折率材料部に電圧を印加する電極より構成され、
上記第１及び第２の屈折率材料部の境界面が、相対向する斜面により構成されて、上記第１及び第２の屈折率材料部が積層されて成り、
上記第２の屈折率材料部は、電気光学効果を有する材料より成ることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項５】
上記第１及び第２の屈折率材料部の境界面である上記斜面は、光入射方向の基準軸と直交する基準面と該斜面との成す角度がほぼ等しくされて成ることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
上記第１及び第２の屈折率材料部の上記斜面と上記基準面との成す角度が、４０°以上５０°以下とされることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
フレームトランスファー型転送方式とされ、
上記第１及び第２の屈折率材料部に電圧を印加する電極のうち一方の電極が、垂直転送レジスタの電極と兼用されることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
一方の電極を形成する工程と、
該電極上に第１の屈折率材料層を形成する工程と、
上記第１の屈折率材料層上に、感光層を被着する工程と、
相対向する斜面が設けられた形状の光透過性の型を上記感光層の表面に押圧し、光照射して上記感光層を硬化させた後、異方性ドライエッチングにより、上記感光層及び上記第１の屈折率材料層のエッチングを行って、相対向する斜面を有する第１の屈折率材料部を形成する工程と、
上記第１の屈折率材料層上に、電気光学効果を有する材料より成る第２の屈折率材料層を、上記エッチングにより形成された上記第１の屈折率材料層の上記斜面を埋め込むように被着して第２の屈折率材料部を形成する工程と、
上記第２の屈折率層上に他方の電極を形成する工程とを有することを特徴とする光シャッターの製造方法。
【請求項９】
光シャッターを有する固体撮像素子の製造方法であって、
少なくとも受光部上に一方の電極を形成する工程と、
上記電極上に第１の屈折率材料層を形成する工程と、
上記第１の屈折率材料層上に第１の感光層を被着する工程と、
相対向する斜面が設けられた形状の光透過性の型を上記感光層の表面に押圧し、光照射して上記感光層を硬化させた後、異方性ドライエッチングにより、上記感光層及び上記第１の屈折率材料層のエッチングを行って、相対向する斜面を有する第１の屈折率材料部を形成する工程と、
上記第１の屈折率材料層上に、電気光学効果を有する材料より成る第２の屈折率材料層を、上記エッチングにより形成された上記第１の屈折率材料層の上記斜面を埋め込むように被着して第２の屈折率材料部を形成する工程と、
上記第２の屈折率層上に他方の電極を形成する工程とを有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光シャッター、固体撮像素子及びこれらの製造方法に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
ビデオカメラ、デジタルカメラ等に用いられる各種固体撮像素子（ＣＣＤ）においては、その撮像特性向上のため入射光制御の機構として、機械的なシャッター（メカニカルシャッター）が設けられている。
例えば受光領域を比較的広く形成することが可能なフレームトランスファー（ＦＴ）転送方式の固体撮像素子などにおいて特に、その電荷転送中、転送部に光が漏れこむことにより画像信号に不要な電荷信号が混じるいわゆるスミア現象を回避するため、メカニカルシャッターを用いることが必要となる（例えば特許文献１参照。）。
【０００３】
また各種転送方式のＣＣＤに限らずＣＭＯＳセンサなどにおいても、画素毎の光電変換時間が異なることにより発生する残像の問題改善のために、メカニカルシャッターの遮光特性が重要となる。
【０００４】
しかしながら、メカニカルシャッターを用いる場合は、受光検出部であるＣＣＤとメカニカルシャッターとの両者の占める空間を縮小し難く、ビデオカメラ等の製品の小型化を図ることが難しい。
また、メカニカルシャッターを構成する部品の磨耗等によりシャッターの寿命、ひいては製品の寿命の長期化を図り難いという問題がある。
更に、機械的に部品を回転させる動作原理を用いるメカニカルシャッターの場合は、シャッター動作の速度をある程度以上に高速化することが困難であり、撮像特性の向上を図ることが難しい。
【０００５】
一方、電気光学材料を用いた高速反応の可能な光シャッターが報告されている（例えば非特許文献１参照。）。
【０００６】
この光シャッターの構成としては、電気光学材料としてＰＬＺＴ（ＰｂＺｒＯ３  とＰｂＴｉＯ３  の固溶体にＬａを添加した材料）を用いるもので、特にその組成比が、［Ｐｂ１−ｘ  Ｌａｘ  ］［（Ｚｒｙ  Ｔｉ１−ｙ  ）１−ｘ／４  ］Ｏ３  としてｘ／ｙ／ｚ＝９／６５／３５とする材料、すなわちＬａ９ｍｏｌ％、Ｚｒ６５ｍｏｌ％、Ｔｉ３５ｍｏｌ％  を含むＰＬＺＴは、電気光学効果が大きい材料として挙げられている。
このＰＬＺＴに電極を被着して、直交偏光板間に挟みこむことにより、高速応答の光シャッターを構成することができ、例えば閃光保護メガネ、光シャッターを一列に配列したプリンターなどが提案されている（例えば非特許文献１参照。）。
【０００７】
これら従来のＰＬＺＴを利用した光シャッターは、メカニカルシャッターのような部品の磨耗のないこと、また高速応答性を有することなど、数々の優位性をもつ。しかしながらその動作原理上、直交偏光板を利用する必要があるため、この光シャッターを透過する光量が著しく制限されるという理由から、上述の従来構成の光シャッターが固体撮像素子等の光学精密機器に適用された例は過去にない。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−  １４８８０９号公報
【非特許文献１】
村野寛治、「透明セラミックスＰＬＺＴ」、固体物理、アグネ技術センター、１９８６年、Ｖｏｌ．２、Ｎｏ．９、ｐ．６５〜７１
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述したメカニカルシャッターの問題に鑑みて、シャッター機構の小型化及び寿命の長期化を図り、また高速なシャッター動作が可能な光シャッター及びこれを用いた固体撮像素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも第１及び第２の屈折率材料部と、この第２の屈折率材料部に電圧を印加する電極より構成し、第１及び第２の屈折率材料部の境界面を、相対向する斜面により構成して、これら第１及び第２の屈折率材料部を積層し、第２の屈折率材料部を、電気光学効果を有する材料より構成する。
【００１１】
また本発明による固体撮像素子は、少なくとも受光部の上部に、上述の構成による光シャッターを設けるものである。
更に本発明による固体撮像素子は、上述の構成とするフレームトランスファー型転送方式においては、第１及び第２の屈折率材料部に電圧を印加する電極のうち一方の電極を、垂直転送レジスタの電極と兼用する構成とする。
【００１２】
また本発明による光シャッターの製造方法は、基材上に、電極を形成する工程と、この第１の電極上に第１の屈折率材料層を形成し、この第１の屈折率材料層上に、感光層を被着する工程と、相対向する斜面が設けられた形状の光透過性の型を感光層の表面に押圧し、光照射して感光層を硬化させた後、異方性ドライエッチングにより、感光層及び第１の屈折率材料層のエッチングを行って相対向する斜面を有する第１の屈折率材料部を形成する工程と、この第１の屈折率材料層上に、電気光学効果を有する材料より成る第２の屈折率材料層を、エッチングにより形成された第１の屈折率材料層の斜面を埋め込むように被着して第２の屈折率材料部を形成する工程と、第２の屈折率層上に電極を形成する工程とを有する。
【００１３】
更にまた本発明による固体撮像素子の製造方法は、上述の構成による光シャッターを有する固体撮像素子の受光部上に形成するものである。
【００１４】
上述したように、本発明においては、光シャッターとして、第１の屈折率材料部と第２の屈折率材料部とより構成し、その境界面を、相対向する斜面により構成する。そして更に、第２の屈折率材料部を電気光学材料より構成することによって、電気光学材料である第２の屈折率材料部への電圧印加による屈折率の変化によって、入射光を効率よく、また速い応答速度をもって遮光又は透過させることができる。以下これを説明する。
【００１５】
上述の本発明構成による光シャッターにおいて、第２の屈折率材料部の上部から光が入射されると、入射光は第１及び第２の屈折率材料部の境界面である斜面によって反射するか、または所定の角度をもって第１の屈折率材料部に入射する。
ここで、比較的屈折率の大なる材料から、比較的屈折率の小なる材料に光が入射するとき、その界面における全反射の臨界角θｃ  は、第１及び第２の屈折率材料の屈折率をｎ１  及びｎ２  とすると、
θｃ＝ｓｉｎ−１（ｎ２  ／ｎ１  ）
で表される（但しｎ１  ＞ｎ２  ）。
【００１６】
そこで、上述の光シャッターにおいて、第２の屈折率材料部に印加する電圧を制御し、その屈折率を変化させて全反射の臨界角を制御することによって、すなわち電圧印加により屈折率が低下する材料である場合は、例えば電圧を印加しないことにより屈折率を大として全反射の臨界角を比較的小さくするか、又は電圧印加により屈折率を小として全反射の臨界角を比較的大とするかの制御を行って、第１及び第２の屈折率材料部の境界面において、光の入射角がこの臨界角度θｃを超える角度となるか、または臨界角度θｃ内の入射角となるかを制御することができる。
【００１７】
例えば屈折率を制御して境界面で入射光が全反射するようにし、更に、この全反射した光が、この斜面と相対向する他方の斜面においても、同様に全反射の臨界角をほぼ超える角度で入射され、この面においても全反射される構成とすることにより、光は第１の屈折率材料部に入射されることなく、光シャッターの外部にほぼ全反射される構成とすることができる。
また同様に屈折率を制御することによって、光の入射角が全反射の臨界角内となるようにする場合は、第１の屈折率材料部に入射させることができる。
【００１８】
電圧印加により屈折率が増加する電気光学材料を用いる場合も同様に、印加電圧の調整により臨界角度θｃの制御によって境界面での入射光量を制御することができる。
このような本発明による光シャッターは、電気光学効果を有する材料を用いることから、応答速度に優れ、メカニカルシャッターのような磨耗の問題がなく、且つ小型の光シャッターが実現できる。
【００１９】
また、特にこの本発明構成による光シャッターを固体撮像素子の受光部上に設ける場合は、小型で応答速度に優れた遮光機構を有する固体撮像素子を提供することができる。
なお、固体撮像素子においては、通常入射光はレンズの絞りを通過するため、その入射角度は絞りの開口率に依存する値に限定される。従って、後段の実施の形態において詳細に説明するように、この開口率により限定される入射角の範囲の光を、第２の屈折率材料部の屈折率を制御することによって、全反射又は透過させることによって、従来のメカニカルシャッターと比較して特段に小型化が可能で、また部品の劣化等の恐れがなく、寿命の長期化が可能な固体撮像素子を提供することができる。特に、ＰＬＺＴ等の電気光学材料を用いることにより、応答速度に優れた遮光機構を有する固体撮像素子を提供することができる。
これにより、固体撮像素子の小型化、寿命の長期化、更に高速遮光により撮像特性の向上をはかることができる。
【００２０】
また、上述の本発明による光シャッターの製造方法によれば、光透過性の型の押圧、感光硬化及び異方性エッチングによって、簡単に第１の屈折率材料部を相対向する斜面を有する第１の屈折率材料部を形成することができ、この後、第２の屈折率材料部を構成する材料を通常のスパッタリングにより被着するか、または材料を溶融してスピンコート法等により塗布するなどの方法により、境界面が相対向する斜面より成る第１及び第２の屈折率材料部が積層された本発明構成による光シャッターを簡単且つ確実に製造することができる。
【００２１】
更に、この光シャッターの製造方法を用いて固体撮像素子の受光部上に光シャッターを形成することによって、簡単且つ確実に、小型で応答速度の高い、また寿命の低下を回避し得る遮光機構を有する固体撮像素子を製造することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態の各例を、図面を参照して説明するが、本発明は以下の各例に限定されるものではなく、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。
【００２３】
（１）第１の実施の形態
この例においては、本発明構成による光シャッターの一例について説明する。
図１は、光シャッターの一例の模式的な構成を示す略線的斜視図である。図１において、本発明による光シャッター１０は、第１及び第２の屈折率材料部３及び４と、この第２の屈折率材料部４に電圧を印加する電極２及び５より構成される。そして、第１及び第２の屈折率材料部３及び４の境界面は、相対向する斜面６とされて、第１及び第２の屈折率材料部３及び４が積層される。
第２の屈折率材料部５は、ＰＬＺＴ等の電気光学材料であって、且つその屈折率が、第１の屈折率材料部３の屈折率に比して大なる材料より構成する。
また、電極２及び５は、光透過性導電材料の例えばＩＴＯにより構成する。
【００２４】
更にまた、図１において一点鎖線ａは入射光の入射する基準軸を示し、入射光の主たる入射方向は、矢印Ｌで示すようにこの基準軸に沿う方向となる。具体的にはこの基準軸は、例えば撮像装置等においては、光シャッターの上部に設けられる集光レンズの光軸とほぼ平行となる。この場合入射光は、この光軸に沿う基準軸から、開口絞りにより限定される入射角をもって光シャッターに入射されることとなる。
【００２５】
この例においては、この基準軸ａと直交する基準面７に沿って電極２を形成し、この基準面７と斜面６との成す角度αがそれぞれほぼ等しくなるように各斜面６を形成し、且つこの斜面６が基準面に沿って一方向に延在し、この延在方向と直交する断面においては、第１及び第２の屈折率材料部３及び４がそれぞれ二等辺三角形状とされる三角柱が複数個並置配列される構成としたものである。
【００２６】
このような構成における入射光の反射態様の一例を、図２を参照して説明する。図２において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。破線ｂは、相対向する斜面６の一方の斜面６Ａの法線方向を示す。また、角度θｃは、第１及び第２の屈折率材料部３及び４の屈折率により決定される全反射の臨界角を示し、その境界線を実線ｃで示す。
【００２７】
例えば、第１の屈折率材料部３をＳｉＯ２  、第２の屈折率材料部４をＬａ９ｍｏｌ％、Ｚｒ６５ｍｏｌ％、Ｔｉ３５ｍｏｌ％を含むＰＬＺＴより構成すると、ＳｉＯ２  の屈折率は１．４６であり、また上述の組成のＰＬＺＴの屈折率は、前述の特許文献１に記載されているように、電圧を印加しない場合は約２．５であることから、全反射の臨界角θｃは３５．７°となる。
すなわち、破線ｂで示す斜面６Ａの法線方向から３５．７°を超える角度で入射される光は全反射させることができることとなる。
【００２８】
ここで、光シャッターに入射する光の集光系において、例えばＦ値が２．８とすると、入射角は基準軸ａに対して±１０°程度となる。図２の紙面において入射角が±１０°となる入射角範囲の光を矢印ｄ１及びｄ２で示す。斜面６Ａの基準面との成す角度αが４５°とすると、基準軸ａと、全反射の臨界角の境界である実線ｃとの成す角度は、９．３°となる。つまり、この図２に沿う断面においては、基準軸方向から、斜面６Ａの傾斜方向下側にずれる矢印ｄ１で示す光は、０．７°程度の漏れ込みが生じることとなるが、実際にはこの入射光は立体角をもって広がるものであること、一方この斜面６は、図２の紙面に直交する方向に延在する平面であることから、この場合その漏れ込み率は比較的低く、殆どの光は確実に反射させることができる。
【００２９】
なお、この例においては第１の屈折率材料部をＳｉＯ２  とした場合であるが、これと比較して屈折率の低い光透過性材料を第１の屈折率材料部として用いる場合には、全反射の臨界角をより小とすることができて、このような一部漏れ込みを回避することができることはいうまでもない。同様に、集光系の調整により入射角を制限できる場合においても同様に光の漏れ込みを回避ないしは抑制し、より確実に遮光を行うことができることとなる。
【００３０】
一方、この斜面６Ａを一旦反射した光は、この斜面６Ａと相対向するもう一方の斜面６Ｂにおいて反射される。この斜面６Ｂの法線方向（破線ｄで示す）からの角度が全反射の臨界角より大きい場合は、この面６Ｂにおいても全反射されることとなる。
この場合、斜面６Ａ及び６Ｂの基準面との成す角度をα、矢印ｄ２で示す入射光の基準軸からの角度をβ、この光が斜面６Ａで反射されて、これと相対向する斜面６Ｂへの入射光（矢印ｄ３で示す）の入射角をγとすると、
γ＝３α＋β―９０°
となる。
ここで、先ほどの屈折率材料を用いて、斜面６Ａ及び６Ｂの傾斜角度αが４５°、集光レンズのＦ値が２．８で入射角βが１０°とする場合は、この入射角γは５５°となる。すなわち、この反射の際にも図２の紙面に沿う断面において、多少の漏れ込みは生じるが、殆どの光を反射させることができる。
【００３１】
次に、光を透過させる場合について説明する。図３は、一例として、上述の組成によるＰＬＺＴの屈折率の印加電圧依存性を示す図である。ここで、図３を求めるに際しては、前述の非特許文献１より、カー定数Ｒを１×１０−１５  ｍ２  ／Ｖ２  とし、ＰＬＺＴの無電圧印加時の屈折率をｎ＝２．５、膜厚ｔを１μｍとして、下記の式より屈折率変化量Δｎを計算した。
Δｎ＝−（１／２ｔ２  ）・ｎ３  ・Ｒ・Ｖ２  
【００３２】
図３より、厚さ１μｍのＰＬＺＴに例えば１１Ｖの電圧を印加した際には、その屈折率が約０．９５減少することがわかる。このとき、全反射の起こる臨界角を算出すると、約７０°となる。ここで、上述の屈折率材料、入射角の条件による光は、殆どが第１及び第２及び屈折率材料部の界面において反射されることなく、光シャッターの下部に透過されることとなる。
従って、このような本発明構成によれば、従来に比して高速の応答性を有する小型の光シャッターを提供することができることとなる。
【００３３】
尚、上述の例においては、第１及び第２の屈折率材料部３及び４の境界面である斜面を、基準面に対してほぼ同じ角度をもつ構成とし、その角度αを４５°として計算したものであるが、各斜面がほぼ等しい傾斜角を有する場合は、その設計が容易となるという利点を有する。また、入射角範囲、全反射の臨界角などは、光シャッターを用いる装置によって随時調整されるものであり、傾斜角度の良好な範囲は一概には規定できないものであるが、この角度αを４０°〜５０°の範囲とする場合に、一方の面で反射された光をほぼ同様の条件をもってこれとは相対向する斜面において反射させ、良好な反射特性を得ることができる。
例えば上述の屈折率材料、入射角範囲の場合に、傾斜角度αを４０°とするときは、最大５．７°の漏れ込み、５０°とする場合は最大１５．７°の漏れ込みに抑えることができる。このように、光の漏れ込みが多少生じることを抑制する場合は、傾斜角度αはほぼ４５°近傍とすることが望ましいことがわかる。
【００３４】
また、上述の例においては、第２の屈折率材料部４の材料として、電圧印加により屈折率が減少する電気光学材料を用いた場合であるが、その他、電圧印加によって屈折率が増加する電気光学材料を用いる場合においても、その印加電圧を調整し、臨界角度を制御することによって、同様の効果を得ることができることはいうまでもない。
更にまた、図１及び図２に示す例においては、光シャッター１０は例えば光透過性材料より成る基材１上に形成された例を示すが、基材１としては、光透過性材料の単体構造に限定されることなく、入射光を制御する種々の構造の光学装置の上部に、光透過性の絶縁層等を介して光シャッター１０を形成することもでき、または既存の特定のパターンの配線構造を電極２として兼用して、その上に第１及び第２の屈折率材料部３及び４、電極５を形成して光シャッター１０を構成することもできる。
【００３５】
また上述の例においては、電極２を単層構成としているが、特に下側の電極２は、第２の屈折率材料部４に電圧を印加する形状であれば、図１の紙面に直交する方向に延在するストライプ状パターンなど、各種のパターン形状とすることもできる。
【００３６】
次に、固体撮像素子への入射光制御に本発明による光シャッターを用いた固体撮像素子の各例について説明する。
（２）第２の実施の形態
図４に示す例においては、フレームトランスファー転送方式のＣＣＤ（ＦＴ−ＣＣＤ型固体撮像素子）に本発明を適用した例を示す。このＦＴ−ＣＣＤ型固体撮像素子は、その一例の模式的な構成図を図５に示すように、受光領域１６と蓄積領域１７とが分離され、垂直転送レジスタ１８により受光領域１６において光電変換された電荷信号を蓄積領域１７に素早く転送し、蓄積領域１７から水平転送レジスタ１９に順次蓄積電荷信号を転送する構成とされる。２１はアンプを示す。
【００３７】
このようなＦＴ−ＣＣＤ型固体撮像素子２０においては、図４に示すように、受光部１２の上に光透過性導電材料のＩＴＯ等より成る例えば第１及び第２の転送電極１３及び１４が、垂直転送レジスタの転送方向と直交する方向に延在して設けられる。
【００３８】
そしてこの例においては、この第１及び第２の転送電極１３及び１４のうち、第１の転送電極１３を、光シャッター１０の下側電極として兼用した場合を示す。すなわち、本実施の形態における光シャッター１０は、これら第１及び第２の転送電極１３及び１４上を覆うように、断面二等辺三角形の三角柱状の第１及び第２の屈折率材料部３及び４が形成され、この上に第２の屈折率材料部４の上部に電圧を印加する電極５が形成される。そして特に、第１及び第２の屈折率材料部３及び４の斜面６が衝合するいわば三角柱の稜線に対応する衝合部のうち、受光部１２側の衝合部１５が、第１の転送電極１３に接するように形成される。第１及び第２の屈折率材料部３及び４は、前述の第１の実施の形態と同様に、それぞれＳｉＯ２  、上述の組成比によるＰＬＺＴ等を用いることができる。また、第１及び第２の屈折率材料部３及び４の境界面の斜面６の基準面に対する角度も、前述の例と同様に、ほぼ４５°とすることができる。電極５は例えばＩＴＯ等の光透過性導電材より構成する。
【００３９】
このような第１及び第２の転送電極と、第２の屈折率材料部４上の電極５とに印加する電圧を適切に選定することによって、光シャッター１０による反射ないしは透過を行って、受光部１２において光信号を受光する場合には、光を透過させ、信号の転送動作には、光シャッターによる遮光を行って、光の漏れ込みによるノイズの発生を抑制した受光及び転送を行うことができる。以下これについて説明する。
【００４０】
図６Ａ及びＢは、図４において説明したＦＴ−ＣＣＤ型固体撮像素子の受光時及び転送時における、転送電極１３及び１４への電圧印加による基材内部のポテンシャルの変化態様を模式的に示した説明図である。
【００４１】
先ず、受光時には、図６Ａに示すように、第１及び第２の転送電極１３及び１４にそれぞれ１０Ｖ、５Ｖを印加する。一方、第２の屈折率材料部４上の電極５には、−１Ｖの電圧を印加する。このとき、第２の屈折率材料部４への印加電圧は１１Ｖとなり、前述の第１の実施の形態において詳細に説明したように、入射光が、屈折率の差によって生じる全反射の臨界角以内の範囲で入射されることから、光シャッター１０を透過して、受光部１２に入射される。
受光部１２を例えばｎ型のＳｉで構成し、各転送電極１３及び１４の下部に、図示のように部分的に例えばｐ型の不純物拡散領域２２を設けることによって、転送電極下のポテンシャルは実線ｅで示すように階段状となり、第１の電極１３の下部において信号電荷２６が蓄積される。
【００４２】
一方、転送時には、図６Ｂに示すように、第１及び第２の転送電極１３及び１４に、それぞれ５Ｖと１０Ｖの電圧を交互に印加し、転送電極下のポテンシャルを実線ｆ及びｇで示すように変化させ、矢印ｔで示すように、図６の紙面において右方向に電荷を転送する。
このとき、第２の屈折率材料部４上の電極５には、７．５Ｖの一定電圧を印加することにより、第２の屈折率材料部４には差し引き２．５Ｖ程度のわずかな電圧が印加され、前述の図３からわかるように、屈折率変化量は０．０５°程度となり、全反射の臨界角は３６．６°程度となる。したがって、電圧が印加されない場合と比較して０．９°程度の差異が生じるのみとなり、殆どの光を全反射させ、遮光することができることとなる。
【００４３】
このような構成による固体撮像素子においては、メカニカルシャッターが不要であることから、この素子を組み込む装置の大幅な小型化を図ることができる。また、メカニカルシャッターを設けない場合には、その機械的部品の劣化による寿命の低下を回避することができる。更には、ＰＬＺＴを用いる場合は応答速度に優れた遮光機能を有する小型の固体撮像素子を提供することができる。
特に上述の例においては、転送電極を下部電極として兼用して光シャッターを設ける構成とすることから、製造工程数の低減化、装置の小型薄型化に有利となる。
【００４４】
尚、上述の実施の形態においては、ＦＴ−ＣＣＤ型固体撮像素子において、受光部上に第１及び第２の転送電極１３及び１４が設けられる場合を示したが、本発明は、上述の構成に限定されることなく、その他例えば３相以上の転送電極が設けられる場合など、種々の変形、変更が可能であり、この場合においても、同様の効果を得ることができることはいうまでもない。
【００４５】
（３）第３の実施の形態
次に、インターライントランスファー転送方式のＣＣＤ固体撮像素子（ＩＴ−ＣＣＤ型固体撮像素子）に本発明を適用した場合を示す。
図７はＩＴ−ＣＣＤ型固体撮像素子２５の一例の模式的な構成図である。図７において、１８及び１９はそれぞれ垂直転送レジスタ及び水平転送レジスタ、２３は各受光部、２４は読み出しゲート部である。２１はアンプである。各受光部２３において受光された信号電荷は、読み出しゲート部２４を介して垂直転送レジスタ１８に転送され、更に水平転送レジスタ１９に転送されて、電荷信号として読み出される。
【００４６】
このようなＩＴ−ＣＣＤ型固体撮像素子２５の一例のＡＡ‘線上の断面構成の一例を図８に示す。図８において、５１はＳｉ等の基体で、５２は第１ｐ型ウェル、５３は第２ｐ型ウェル、５４はｎ型不純物領域、５５はチャンネルストップ領域、５６は絶縁層、５７は電極、５８及び５９はそれぞれｎ型及びｐ型不純物領域で、受光部２３を構成する。そして、受光部２３以外の領域は、絶縁層６０を介してＡｌ等より成る遮光膜６１が形成される。そして例えばＳｉＯ２  等より成る絶縁層６２によって平坦化され、カラーフィルター６３、オンチップレンズ６４が形成される。
【００４７】
この例においては、この上に、平坦化絶縁層６５を介して、ＩＴＯ等の光透過性導電材より成る電極２、ＳｉＯ２  等より成る第１の屈折率材料部３、ＰＬＺＴ等より成る第２の屈折率材料部４、ＩＴＯ等より成る電極５が設けられ、また第１及び第２の屈折率材料部３及び４は、断面二等辺三角形の三角柱状として、その相対向する斜面が、光の入射基準軸と直交する基準面からの角度が例えばほぼ４５°となるように構成する。
【００４８】
このような構成とすることによって、電極２及び５間に電圧を印加しない場合は入射光を殆ど反射させ、また１１Ｖ程度の電圧を印加する場合は殆どの光を透過させて受光部２３に光を入射させる光シャッターを、ＩＴ−ＣＣＤ型固体撮像素子に設けることができる。
【００４９】
このような本発明構成の固体撮像素子においては、メカニカルシャッターを設ける場合に比して装置の小型化を図ることができ、また応答速度に優れた遮光機能を有する固体撮像素子を提供することができる。更に、メカニカルシャッターを設けない場合は、機械部品の損傷等による寿命の低下を回避することができる。
【００５０】
尚、上述の例においては、カラーフィルター、オンチップレンズ上に光シャッターを設ける構成とした場合について説明したが、その他光シャッター上にカラーフィルター、オンチップレンズを設けることもでき、また絶縁層中には受光部上の導波路部など他の機構を設ける構成とすることもできるなど、種々の変形、変更が可能である。
更に、この場合においては、第１及び第２の屈折率材料部３及び４の斜面６が延在する方向は、垂直転送レジスタの延在方向に平行でなくてもよく、水平転送レジスタに沿う方向に延在するとか、各レジスタに対し斜め方向などとすることもできる。オンチップのレンズ形状も種々の変形が可能であり、例えば絶縁層内凹レンズ状とすることもできる。
【００５１】
（４）第４の実施の形態
次に、図９を参照してＣＭＯＳセンサ型固体撮像素子に本発明を適用した場合について説明する。図９において、７１は基体を示し、７２は素子分離領域、７３は受光部、７４は絶縁層、７５は受光部で光電変換された電荷を転送する転送ゲートを示す。そしてこの上に、絶縁層７６が被着され、この上に第１の配線層７８が例えばＸ走査方向に延在して設けられる。７７は第１の配線層７８を接続する第１の導電プラグである。そしてこの上に、同様に中間絶縁層７９を介して、例えばＹ走査方向に延在する第２の配線層８１が設けられる。８０は第２の配線層を接続する第２の導電プラグを示す。この配線層８１上を絶縁層８２が設けられ、その表面が平坦化される。
【００５２】
そして、この例においては、絶縁層８２上に、光透過性導電材の例えばＩＴＯ等より成る電極２、ＳｉＯ２  等より成る第１の屈折率材料部３、ＰＬＺＴ等より成る第２の屈折率材料部４、ＩＴＯ等より成る電極５が設けられる。この例においても、第１及び第２の屈折率材料部３及び４は、断面二等辺三角形の三角柱状として設けることができ、その境界面である相対向する斜面６が、光入射方向の基準軸と直交する基準面に対し、ほぼ等しい例えば４５°となるように形成される。
【００５３】
この場合においても、第２の屈折率材料部３に対し、電圧を印加しない場合は殆どの光を全反射させ、１１Ｖ程度の電圧を印加する場合は光を透過させ、ＣＭＯＳセンサ上に光シャッターを構成することができる。
そして、上述の本発明構成によるＣＭＯＳセンサ型固体撮像素子においては、前述の各実施の形態と同様に、メカニカルシャッターを設ける場合と比較してその小型化を図ると共に、応答速度に優れた遮光機構を構成することができる。またメカニカルシャッターを設けないことから、寿命の低下を回避することができる。
【００５４】
（５）第５の実施の形態
次に、本発明による光シャッターの製造方法の一例について図１０Ａ〜Ｄの工程図を参照して説明する。この例においては、基材１上に光シャッターを構成する場合について説明するが、基材１に限定されることなく、ＦＴ−ＣＣＤ型固体撮像素子においては、第１及び第２の転送電極上を覆うように電極２を形成して、同様にこの上に光シャッターを形成することができ、また他の撮像素子においては、表面が平坦化された光透過性の絶縁層上に電極２を形成し、この上に同様に光シャッターを形成することができることはいうまでもない。
【００５５】
先ず、図１０Ａに示すように、例えば光透過性のＰＣ等より成る基材１の上に、光透過性のＩＴＯ等より成る電極２を全面的に被着する。この上に、ＳｉＯ２  等より成る第１の屈折率材料層３ａを全面的に被着し、更にこの上にフォトレジスト等の感光層９１を全面的に被着する。そして、例えば断面二等辺三角形上の三角柱が並置配列された表面形状の光透過性の型９２を持ち来たして、矢印ｈで示すように、感光層９１上に押圧する。
【００５６】
図１０Ｂに示すように、光透過性の型の押圧により感光層９１の表面には、相対向する斜面９３が形成される。この斜面９３は、光透過性の型９２の形状、その押圧方向を調整することによって、入射光の基準軸方向とは直交する基準面に対する角度を調整することができ、例えばほぼ４５°の角度を有する斜面として形成することができる。
【００５７】
感光層９１に光照射し、硬化させる工程を経て、次に、図１０Ｃに示すように、例えばＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等の異方性ドライエッチングによって、矢印ｉで示すように、各層の積層方向に直交する方向にエッチングを行う。このとき、感光層９１の表面形状を保持してエッチングが進行し、第１の屈折率材料部３ａに感光層９１の表面に形成した斜面９３と同様の傾斜角度をもった斜面が形成されて、相対向する斜面を有する第１の屈折率材料部３を形成することができる。
【００５８】
次に、この上にＰＬＺＴ等より成る第２の屈折率材料部を、この斜面６を埋め込むように、スパッタリング法、またはスピンコート法による塗布等によって被着形成し、更にこの上にＩＴＯ等より成る電極５をスパッタリング法等により被着して、本発明構成の光シャッターを製造することができる。
【００５９】
このような製造方法によれば、光透過性の型を用いることによって、安価で簡単に所望の傾斜角度の相対向する斜面が境界面に設けられた光シャッター、更にこれを用いた固体撮像素子を製造することができる。
【００６０】
尚、本発明は、上述の各実施の形態において説明した例に限定されることなく第１及び第２の屈折率材料部の形状として、例えば四角錐型の第１の屈折率材料部が複数個垂直転送方向及び水平転送方向に並置配列され、その上にこれを覆うように第２の屈折率材料部が被着された形状として、その境界面を相対向する斜面として構成するなど、種々の変形が可能である。
【００６１】
更に、固体撮像素子に本発明を適用する場合には、上述の第２〜第４の実施の形態に限定されることなく、その他各種の固体撮像素子に適用し得ることはいうまでもない。
【００６２】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、電気光学材料を利用した光シャッターを構成することから、応答速度に優れ、小型の光シャッター及びこれを用いた固体撮像素子を提供することができる。特に、メカニカルシャッターを設けない場合は、その部品の劣化等による寿命の低下を回避することができる。
【００６３】
また、本発明において、第１及び第２の屈折率材料部の境界面である斜面を、その傾斜角度を基準面に対しほぼ等しく構成する場合は、その設計を容易にし、入射光の殆どを確実に全反射ないしは透過させる構成とすることができる。
更に、第１及び第２の屈折率材料部の相対向する斜面と基準面との成す角度を４０°以上５０°以下程度とするときに、入射光の漏れ込みを抑えたシャッターを構成することができる。
【００６４】
また本発明による光シャッターの製造方法及び固体撮像素子の製造方法によれば、本発明構成の光シャッター及び固体撮像素子を簡単に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光シャッターの一例の模式的な構成図である。
【図２】光シャッターの光の反射態様の説明図である。
【図３】ＰＬＺＴの屈折率変化量の印加電圧依存性を示す図である。
【図４】固体撮像素子の一例の模式的な構成図である。
【図５】固体撮像素子の一例の模式的な構成図である。
【図６】Ａは固体撮像素子の一例の受光時のポテンシャルの説明図である。Ｂは固体撮像素子の一例の転送時のポテンシャルの説明図である。
【図７】固体撮像素子の一例の模式的な構成図である。
【図８】固体撮像素子の一例の模式的な構成図である。
【図９】固体撮像素子の一例の模式的な構成図である。
【図１０】Ａは光シャッターの一製造工程図である。
Ｂは光シャッターの一製造工程図である。
Ｃは光シャッターの一製造工程図である。
Ｄは光シャッターの一製造工程図である。
【符号の説明】
１  基材、２  電極、３  第１の屈折率材料部、４  第２の屈折率材料部、５  電極、６  斜面、６Ａ  斜面、６Ｂ  斜面、７  基準面、１０  光シャッター、１１  基体、１２  受光部、１３  第１の転送電極、１４  第２の転送電極、１５  衝合部、１８  垂直転送レジスタ、１９  水平転送レジスタ、２０  ＦＴ転送型固体撮像素子、２２  不純物拡散領域、２３  受光部、２４  読み出しゲート部、２５  ＩＴ転送型固体撮像素子、２６  信号電荷、５１  基体、５２  第１ｐ型ウェル、５３  第２ｐ型ウェル、５４  ｎ型不純物領域、５５  チャンネルストップ領域、５６  絶縁層、５７  電極、５８  ｐ型不純物領域、５９  ｎ型不純物領域、６０  絶縁層、６１  遮光膜、６２  絶縁層、６３  カラーフィルター、６４  オンチップレンズ、６５  絶縁層、７１  基体、７２  素子分離領域、７３  受光部、７４  絶縁層、７５  転送ゲート、７６  絶縁層、７７  第１の導電プラグ、７８  第１の配線層、７９  中間絶縁層、８０  第２の導電プラグ、８１  第２の配線層、８２  絶縁層、９１  感光層、９２  型
【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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