(57)【要約】【課題】光の利用効率が高く、小型化、薄型化が可能な固体撮像素子を提供する。【解決手段】複数の受光部と、これら受光部が配設されてなる受光面上に少なくとも平坦化層とカラーフィルタ層とを介して設けた平面集光レンズとを備え、平面集光レンズは各受光部に対応して複数のマイクロレンズを配列したものと、各マイクロレンズは周縁部から中心部に向けて屈折率が大きくなような屈折率分布を有するように構成する。【選択図】  図１
2005210013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光部が配設された素子本体と、該素子本体の受光面上に、少なくとも平坦化層とカラーフィルタ層とを介して設けられた平面集光レンズとを備え、該平面集光レンズは各受光部に対応した位置に配列された複数のマイクロレンズを有し、各マイクロレンズは周縁部から中心部に向けて屈折率が大きくなるような屈折率分布を有することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記受光面と前記平面集光レンズとの間に平坦化層とカラーフィルタ層をこの順に積層して備えることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記受光面と前記平面集光レンズとの間に第１平坦化層、カラーフィルタ層および第２平坦化層をこの順に積層して備えることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記平面集光レンズの厚みは０．５〜５μｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記マイクロレンズにおける屈折率分布の幅は１．４〜１．８の範囲であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の固体撮像素子に係り、特に光の利用効率が高く薄型の固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の固体撮像素子は、一般に微細な複数の受光部（画素）を配列し、この上に平坦化層やカラーフィルタ層を設け、さらに、各画素の集光効率を向上させるために、微細な凸レンズを複数配列した集光レンズを配設した構造を有している。
上記の集光レンズは、例えば、配列された受光部上に感光性の熱可塑性樹脂層を形成し、この熱可塑性樹脂層を所定のレンズパターンを有するフォトマスクを用いて露光・現像して、各受光部に対応する位置に熱可塑性樹脂の平面パターンを形成し、その後、加熱処理を施して熱可塑性樹脂を熱流動させ、表面張力を利用して凸レンズ形状とすることで作製される。（特許文献１）
【０００３】
また、平坦なレンズ用樹脂層の上に感光性レジスト膜を形成し、遮光ドット密度を段階的に変化させた遮光膜パターンを有するフォトマスクを介して上記の感光性レジスト膜を露光、現像し、レンズ形状にパターニングしたレジスト膜を形成し、その後、エッチバックしてレジスト膜を除去すると同時に、レンズ用樹脂層に凸レンズを形成して集光レンズが形成される。（特許文献２）
【特許文献１】特開昭６１−６７００３号公報
【特許文献２】特開平５−１４２７５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の集光レンズは、微細な凸レンズの立体形状によりレンズ効果を得ているため、赤外線カットフィルタやカバーガラス等を取り付ける場合、接着剤を用いると微細な凸レンズの周辺が接着剤で埋まりレンズ効果が損なわれることになる。このため、集光レンズと赤外線カットフィルタやカバーガラスとの間に隙間を設ける必要があり、固体撮像素子の厚みが大きくなり、小型化、薄型化に支障を来たしていた。
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたものであり、光の利用効率が高く、小型化、薄型化が可能な固体撮像素子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】
【０００５】
このような目的を達成するために、本発明は、複数の受光部が配設された素子本体と、該素子本体の受光面上に、少なくとも平坦化層とカラーフィルタ層とを介して設けられた平面集光レンズとを備え、該平面集光レンズは各受光部に対応した位置に配列された複数のマイクロレンズを有し、各マイクロレンズは周縁部から中心部に向けて屈折率が大きくなるような屈折率分布を有する構成とした。
【０００６】
本発明の好ましい態様として、前記受光面と前記平面集光レンズとの間に平坦化層とカラーフィルタ層をこの順に積層して備えるような構成とした。
また、本発明の好ましい態様として、前記受光面と前記平面集光レンズとの間に第１平坦化層、カラーフィルタ層および第２平坦化層をこの順に積層して備えるような構成とした。
また、本発明の好ましい態様として、前記平面集光レンズの厚みは０．５〜５μｍの範囲であるような構成とした。
さらに、本発明の好ましい態様として、前記マイクロレンズにおける屈折率分布の幅は１．４〜１．８の範囲であるような構成とした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、平面集光レンズを備えているので、隙間を設けることなく赤外線カットフィルタやカバーガラス等を取り付けることができ、小型薄型化が可能となり、また、
平面集光レンズを構成する各マイクロレンズの有効面積が、立体形状によりレンズ効果を得る従来の微細凸レンズに比べ拡大され、集光効率がより高くなるとともに、赤外線カットフィルタやカバーガラス等から受光部までの距離を短くすることができ、光の入射角に対する感度の依存性が低くなるという効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の固体撮像素子の実施形態の一例を示す概略構成図である。図１において本発明の固体撮像素子１は、複数の受光部３が配設された素子本体２と、この素子本体２の受光面４に順次積層された第１平坦化層５、カラーフィルタ層６、第２平坦化層７と、この第２平坦化層７上に設けられた平面集光レンズ８とを有している。
固体撮像素子１を構成する素子本体２は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の固体撮像素子に応じた構成を有するものであり、例えば、シリコンウェハ、ガラスウェハ等の一方の面に受光部３を複数配設したものである。また、上記の受光部３は、フォトダイオード、ＣｄＳ等であってよく、図示しない信号電極が各受光部３に対応して形成されたものである。
【０００９】
固体撮像素子１を構成する第１平坦化層５は、受光面４の凹凸を緩和して平坦化するための層である。このような第１平坦化層５は、例えば、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、フェノール系樹脂、ポリイミド系樹脂等の透明樹脂材料を用いて形成することができる。第１平坦化層５の厚みは、例えば、０．５〜３μｍの範囲内で適宜設定することができる。このような第１平坦化層５は、上述の透明樹脂材料を含有した組成物をスピンコート法、フローコート法等の方法を用いて受光面４上に塗布し、乾燥（硬化）することにより形成することができる。
【００１０】
固体撮像素子１を構成するカラーフィルタ層６は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の着色パターンを有するものであり、例えば、各色の着色レジスト層を塗布した後、フォトリソグラフィ法により形成することができる。
固体撮像素子１を構成する第２平坦化層７は、カラーフィルタ層６の各色の着色パターンの厚みの差、重ね部分による凹凸を緩和して平坦化するための層である。この第２平坦化層７は、上述の第１平坦化層５と同様の材料、形成方法により形成することができ、厚みは、例えば、０．５〜２μｍの範囲内で適宜設定することができる。
【００１１】
固体撮像素子１を構成する平面集光レンズ８は、各受光部３に対応した位置に配列された複数のマイクロレンズ９を有し、各マイクロレンズ９は周縁部から中心部に向けて屈折率が大きくなるような屈折率分布を有している。図２は、平面集光レンズ８を構成するマイクロレンズ９の構造を説明するための図である。図２に示されるように、マイクロレンズ９は、その中心部９ａにおける屈折率ｎ0が、周縁部９ｂにおける屈折率ｎ1よりも大きいものである。そして、屈折率ｎ0から屈折率ｎ1までの屈折率変化（屈折率分布）は、所望の集光距離を得るために、例えば、１．４〜１．８の範囲で適宜設定することができる。例えば、平面集光レンズ８と第２平坦化層７との界面から受光部３までの距離を集光距離Ｓ１とした場合、下記式１から屈折率分布定数Ａを算出し、下記式２から屈折率分布Ｎ（ｒ）［ｎ1≦Ｎ（ｒ）≦ｎ0］を設定することができる。
【００１２】
Ｓ１＝１／［ｎ0√Ａ・tan（√Ａ・(Z)）］        …    式１
Ｎ（ｒ）＝ｎ0［１−（Ａ／２）ｒ2］            …    式２
ここで、Ｎ（ｒ）：ｒ点での屈折率
ｎ0：中心軸Ｌ上での屈折率
Ａ：屈折率分布定数
Ｚ：平面集光レンズ８の厚み
ｒ：レンズ中心軸Ｌからの距離（μｍ）
【００１３】
上記の平面集光レンズ８は、例えば、図３に示されるように、レンズ形成用の感光性樹脂組成物膜８′をフォトマスクＭを介して露光・現像することにより、同時に複数のマイクロレンズ９を形成するようにして設けることができる。
フォトマスクＭは、露光波長では解像しない微細透光ドットの集合パターンからなる微小透光領域が受光部３に対応してマスク基材上に複数配列されたものを使用することができる。上記の微小透光領域は、周縁部から中心部に向けて微細透光ドットの密度が減少するものである。
【００１４】
図４は、露光されると屈折率が低下するレンズ形成用の感光性樹脂組成物膜８′を用いる場合のフォトマスクＭの微小透光領域を説明するための図である。図４に示されるように、微小透光領域１１は微細透光ドット１２（図示例では白抜きの正方形で表示している）の集合パターンとなっている。そして、微小透光領域１１の周縁部１１ｂにおける微細透光ドット１２の密度が、中心部１１ａにおける微細透光ドット１２の密度よりも大きいものとなっている。微細透光ドット１２の集合パターンは、２値化処理、光近接効果等を利用して適宜設定することができる。微細透光ドット１２の寸法は、露光波長に近い寸法で適宜設定することができる。また、微細透光ドット１２の寸法が露光波長帯域の一部と重なり解像が生じる場合には、フォトマスクＭと感光性樹脂組成物膜８′との間隙を１０〜２０μｍ程度に設定して、解像をぼやかすようにしてもよい。
【００１５】
このようなフォトマスクＭは、例えば、ガラス基板等の透過性基材にＣｒ薄膜等の遮光膜を成膜し、この遮光膜をパターンエッチングして微細透光ドット１２の集合パターンを形成することにより作製することができる。
このようなフォトマスクＭに照射された光は、フォトマスクＭを透過することにより、各微小透光領域１１の微細透光ドット１２の集合パターンに対応した光量の分布をもってレンズ形成用の感光性樹脂組成物膜８′を露光することになる。
尚、露光されると屈折率が高くなるレンズ形成用の感光性樹脂組成物膜８′を用いる場合は、上記の微細透光ドット１２を微細遮光ドットとしたフォトマスクＭを使用する。
【００１６】
上記の感光性樹脂組成物膜８′に使用できる樹脂組成物のうち、露光されると屈折率が低下する感光性樹脂組成物としては、例えば、トリフルオロエチルアクリレート、ポリメチルフェニルシラン（大阪ガスケミカル（株）製  ＰＭＰＳ、日本ペイント（株）製  グラシア等）等を挙げることができる。また、露光されると屈折率が高くなる感光性樹脂組成物としては、例えば、トリブロモフェノキシエチルアクリレート、フォトポリマー（デュポン社製  OmniDex等、但し、可視光露光の材料である場合、露光後、ポストベーク等により光重合を止める必要がある）等を挙げることができる。
【００１７】
感光性樹脂組成物は、このような屈折率分布型モノマーと透明ポリマー、また、必要に応じて光重合開始剤、光増感剤、耐熱向上剤、耐薬品性向上剤等を混合したものを使用することができる。透明ポリマーとしては、例えば、ポリメチルアクリレート、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリウレタン、エポキシアクリレート、ポリイミド等を挙げることができ、また、耐熱向上剤、耐薬品性向上剤としてポリシラザン等を挙げることができる。屈折率分布型モノマー、透明ポリマーは、上記の例示の材料等の中から屈折率を考慮して適宜選択することができるが、屈折率の大きい材料を使用することにより、同じ集光距離を有する平面集光レンズにおいて、その厚みをより薄いものとすることができる。
上述の平面集光レンズ８の厚みは０．５〜５μｍ、好ましくは０．７〜３μｍの範囲とすることができる。また、転写基材上に上記と同様に形成した平面集光レンズを第２平坦化層７上に転写接合することにより平面集光レンズ８を設けてもよい。
【００１８】
図５は本発明の固体撮像素子の実施形態の他の例を示す概略構成図である。図５において本発明の固体撮像素子２１は、複数の受光部２３が配設された素子本体２２と、この素子本体２２の受光面２４に順次積層された平坦化層２５、カラーフィルタ層２６と、このカラーフィルタ層２６上に設けられた平面集光レンズ２８とを有している。この固体撮像素子２１は、第２平坦化層を備えていない点で上述の固体撮像素子１と相違するものであり、本実施形態では、平面集光レンズ２８が第２平坦化層を兼ねている。平面集光レンズ２８は、各受光部２３に対応した位置に配列された複数のマイクロレンズ２９を有し、各マイクロレンズ２９は周縁部から中心部に向けて屈折率が大きくなるような屈折率分布を有している。この平面集光レンズ２８は、上述の平面集光レンズ８と同様の構成であってよく、カラーフィルタ層２６上に上述の平面集光レンズ８と同様にして形成することができる。また、固体撮像素子２１を構成する素子本体２２、受光部２３、平坦化層２５、カラーフィルタ層２６は、上述の固体撮像素子１を構成する素子本体２、受光部３、第１平坦化層５、カラーフィルタ層６と同様とすることができる。
【００１９】
上述のような本発明の固体撮像素子は、平面集光レンズを備えているので、平面集光レンズの外側に接着剤を用いて赤外線カットフィルタやカバーガラス等を取り付けてもレンズ効果が損なわれることがなく、固体撮像素子の小型化、薄型化が可能となる。また、従来の微細凸レンズを複数有する集光レンズに比べてレンズ効果が得られる有効面積が大きく、集光効率が向上したものとなる。
【実施例】
【００２０】
次に、より具体的な実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
［実施例１］
ＣＣＤが形成された素子本体（シリコンウェハ）の受光面に、平坦化層用組成物（富士フィルムアーチ（株）製  ＣＴ−２０００Ｌ）をスピンコート法で塗布し、２２０℃、１２分間の乾燥・熱硬化を行って約１．５μｍの厚みの第１平坦化層を形成した。
次に、赤（Ｒ）色パターン用組成物（富士フィルムアーチ（株）製  ＳＲ−３０００Ｌ）、緑（Ｇ）色パターン用組成物（富士フィルムアーチ（株）製  ＳＧ−３０００Ｌ）、青（Ｂ）色パターン用組成物（富士フィルムアーチ（株）製  ＳＢ−３０００Ｌ）の各着色パターン用組成物を、Ｒ、Ｇ、Ｂの順にスピンコート法で塗布した後、フォトリソグラフィ法によりパターン形成して、カラーフィルタ層（各層の厚み約１μｍ）を設けた。
【００２１】
次いで、カラーフィルタ層上に、上記の平坦化層用組成物をスピンコート法で塗布し、その後、２２０℃、１２分間の乾燥・熱硬化を行って約１μｍの厚みの第２平坦化層を形成した。
次に、第２平坦化層上に下記組成のレンズ形成用の感光性樹脂組成物をスピンコート法で塗布し、１２０℃、２分間の乾燥を行って感光性樹脂組成物膜（厚み３μｍ）を形成した。
（レンズ形成用の感光性樹脂組成物）
・ポリメチルフェニルシラン                          …    ５０重量部
（大阪ガスケミカル（株）製  ＰＭＰＳ）
・プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート  …    ５０重量部
【００２２】
次いで、上記のレンズ形成用の感光性樹脂組成物膜を、下記の仕様の２値型フォトマスクを介して露光装置（ウシオ電機（株）製  ＵＩＶ−５７０）にて下記の条件で露光した。尚、露光装置は、短波長光を透過するよう、レンズを石英レンズに交換して使用した。また、フォトマスクはガラス基板の片面にＣｒ蒸着膜を成膜し、パターンエッチングにより微細透光ドットを形成したものであり、フォトマスクと感光性樹脂組成物膜の距離は１８μｍに設定した。
【００２３】
（フォトマスクの仕様）
・微細透光ドット径  ：  ０．４μｍ
・微細透光ドットの集合パターン  ：  図４に示される集合パターン
（露光条件）
・光源      ：  超高圧水銀灯（ウシオ電機（株）製  ＵＳＨ−５００Ｄ）
・投入電力  ：  ５００Ｗ
・露光時間  ：  １０分間
これにより、第２平坦化層上にＣＣＤに対応した複数のマイクロレンズを備えた平面集光レンズを形成した。この平面集光レンズは、厚みが３μｍであった。
【００２４】
［実施例２］
実施例１と同様にして、ＣＣＤが形成された素子本体（シリコンウェハ）の受光面に、第１平坦化層、カラーフィルタ層を形成した。
次に、カラーフィルタ層上に、実施例１と同じレンズ形成用の感光性樹脂組成物をスピンコート法で塗布し、１２０℃、２分間の乾燥を行って感光性樹脂組成物膜（厚み３μｍ）を形成した。
次いで、上記のレンズ形成用の感光性樹脂組成物膜を、実施例１と同様のフォトマスク、露光条件にて露光した。
これにより、カラーフィルタ層上にＣＣＤに対応した複数のマイクロレンズを備えた平面集光レンズを形成した。この平面集光レンズは、厚みが３μｍであった。
【００２５】
［評価１］
ＣＣＤが形成された素子本体（シリコンウェハ）の代わりにガラス基板を使用し、このガラス基板上に、実施例１、２と同様にして、それぞれ平面集光レンズを有する積層構造（試料１、２）を作製した。すなわち、図６に示されるように、ガラス基板３１の一方の面にＣｒ薄膜３２を成膜し、このＣｒ薄膜３２に試料作製用の開口部３３（５ｍｍ×５ｍｍ）と２個の参照開口部（５μｍ×５μｍ）３４ａ，３４ｂをエッチングで形成した。このガラス基板３１のＣｒ薄膜形成面側の開口部位３３内に積層構造（試料１、２）を作製した。
上記の試料１、２の各マイクロレンズの集光距離を下記の方法で測定した結果、試料１では４μｍ、試料２では５μｍであり、集光距離が極めて小さいことが確認された。
【００２６】
（集光距離の測定方法）
上記のガラス基板３１を、図７に示されるように、ステージ４１に固定し、ガラス基板３１を介して平行光の光源４２と光学顕微鏡４３（対物レンズ倍率＝６０倍、ＮＡ＝０．８５、接眼レンズ倍率＝５倍）を対向させて配置した。但し、ガラス基板３１は、平面集光レンズを有する積層構造（試料１、２）やＣｒ薄膜３２が作製された面が光源４２側となるように配置した。また、光源４２とガラス基板３１の間には光量調整用の減光フィルタ（ＮＤフィルタ）４４を配した。
次に、開口部３３と参照開口部３４ａ、参照開口部３４ｂの拡大図である図８に示されるように、参照開口部３４ａ、参照開口部３４ｂを、それぞれ光学顕微鏡４３で観察しながらステージ４１をＺ軸方向に移動させ、参照開口部のＺ軸の位置Ｚ１、Ｚ２を決定した。尚、このＺ軸の位置は、参照開口部が最小に見える（ピントが合う）位置とした。
次いで、平面集光レンズを有する積層構造（試料１、２）が作製された開口部位３３を光学顕微鏡４３で観察しながらステージ４１をＺ軸方向に移動させ、光スポットが最小に見える位置Ｚ３（ビームウエスト）を決定した。
また、ガラス基板３１の傾きを補正するために、上記の参照開口部の位置Ｚ１、Ｚ２の平均を算出し、平面集光レンズ部分の平面の位置Ｚ４とした。
上記の位置Ｚ３と位置Ｚ４の距離を、平面集光レンズから集光位置までの距離とした。
【００２７】
［評価２］
ＣＭＯＳセンサが形成された素子本体（シリコンウェハ）を使用し、この素子本体上に、実施例１、２と同様にして、それぞれ平面集光レンズを有する積層構造（試料３、４）を作製した。また、平面集光レンズを設けない他は、試料３、４と同様にして、それぞれ積層構造（比較試料１、２）を作製した。
上記の試料３、４、比較試料１、２について、横河電機（株）製  ＣＣＤ−ＣＭＯＳエリアセンサテスタＴＳ６６００を用いて、ウェハ状態でセンサ出力を測定した。その結果、比較試料１、２のセンサ出力に比べ、試料３、４のセンサ出力は約３倍であり、集光効率が高いことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
小型、薄型のＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の固体撮像素子に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の固体撮像素子の実施形態の一例を示す概略構成図である。
【図２】平面集光レンズを構成するマイクロレンズの構造を説明するための図である。
【図３】平面集光レンズの形成方法を説明するための図である。
【図４】フォトマスクを構成する微小透光領域を説明するための図である。
【図５】本発明の固体撮像素子の実施形態の他の例を示す概略構成図である。
【図６】実施例における集光距離測定用の試料を説明するための図である。
【図７】実施例における集光距離の測定方法を説明するための図である。
【図８】実施例における集光距離の測定方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３０】
１，２１…固体撮像素子
２，２２…素子本体
３，２３…受光部
４，２４…受光面
５，２５…第１平坦化層（平坦化層）
６，２６…カラーフィルタ層
７…第２平坦化層
８，２８…平面集光レンズ
９，２９…マイクロレンズ
Ｍ…フォトマスク
【図１】
2005210013.tif 000003
【図２】
2005210013.tif 000004
【図３】
2005210013.tif 000005
【図４】
2005210013.tif 000006
【図５】
2005210013.tif 000007
【図６】
2005210013.tif 000008
【図７】
2005210013.tif 000009
【図８】
2005210013.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成16年1月29日(2004.1.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005210013.tif 000011
【図２】
2005210013.tif 000012
【図３】
2005210013.tif 000013
【図４】
2005210013.tif 000014
【図５】
2005210013.tif 000015
【図６】
2005210013.tif 000016
【図７】
2005210013.tif 000017
【図８】
2005210013.tif 000018