(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率が異なる複数の光透過膜から構成される集合体を備える集光素子を有する単位画素が平面的に複数配置された固体撮像装置であって、
前記集合体における一の光透過膜は、入射光の波長より短い幅の同心円の形状を有し、前記集合体における他の光透過膜は、前記一の光透過膜が存在していない空間を同心状に充填しており、かつ、前記他の光透過膜は前記一の光透過膜を覆っており、
前記一の光透過膜の屈折率と前記他の光透過膜の屈折率との差分をΔｎmaxとし、
前記入射光の入射角度をθとし、予め決定された定数をＡ及びＢ及びＣとした場合、
前記集合体は、単位画素の中心から面内方向の距離ｘにおける、前記集合体の一の光透過膜と入射側媒質である前記他の光透過膜との体積比によって算出される有効屈折率をΔｎ(ｘ)とするとき、
Δｎ(ｘ)＝Δｎmax［(Ａｘ2＋Ｂｘsinθ)／２π＋Ｃ］（A、B、C：定数）
を満たし、
前記固体撮像装置の中央に位置する単位画素において、前記集合体の屈折率分布を表す前記Δｎ(ｘ)の最大値が得られる位置である、前記一の光透過膜の同心円の中心位置は、当該単位画素の中心と一致し、当該固体撮像装置の周辺に位置する単位画素において、前記集合体の屈折率分布を表す前記Δｎ(ｘ)の最大値が得られる位置である、前記一の光透過膜の同心円の中心位置は、光の入射側にシフトしている
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記入射光の入射角度をθとし、予め決定された定数をＡ及びＢとした場合において、前記集合体における、単位画素の中心から面内方向の距離ｘに依存する位相変調Φ(x)が、
Φ(x)＝Ａｘ2＋Ｂｘsinθ＋２ｍπ（ｍ：自然数）
をほぼ満たす
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記一の光透過膜又は前記他の光透過膜は、さらに、
鉛直方向において、屈折率が異なる複数の光透過材料からなる多層構造である
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記一の光透過膜又は前記他の光透過膜は、前記入射光の波長又は前記入射光の代表光の波長に応じて、当該一の光透過膜又は当該他の光透過膜を構成する光透過材料の種類又はその配列が異なっている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記一の光透過膜又は前記他の光透過膜は、前記入射光について設定した焦点距離に応じて、当該一の光透過膜又は当該他の光透過膜を構成する光透過材料の種類又はその配列が異なっている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記一の光透過膜は、ＴiO2、ＺrO2、Ｎb2O5、Ｔa2O5、Ｓi3Ｎ4、Ｓi2Ｎ3及びＳiO2のいずれかを含む
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記一の光透過膜は、ベンゾシクロブテン、ポリメタクリル酸メチル、ポリアミドおよびポリイミドのいずれかを含む
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記固体撮像装置は、さらに、
前記集合体の上部にカラーフィルタを備える
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記集合体は、対応する単位画素の全体を覆うように形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記屈折率が異なる複数の光透過膜は、３種類以上の材料で構成されており、
前記集合体は、該中心のリングは最も高い高屈折率材料で構成され、外側のリングになるに従って順に低屈折率材料を使用する
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルカメラ等に使用される集光素子、固体撮像装置およびその製造方法に関し、特に同心構造の光透過膜を有する固体撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラやカメラ付携帯電話の普及に伴い、固体撮像装置の市場は著しく拡大してきた。このような流れの中、固体撮像装置に対する要望は、より高感度化／高画素密度化へと変化してきたが、近年はデジタルスチルカメラ／携帯電話などの薄型化に伴い、カメラ部分の薄型化に対する要望も強くなっている。これは言い換えれば、カメラ部分に用いるレンズが短焦点になるということであり、固体撮像装置に入射する光は広角（固体撮像装置の入射面の垂直軸から測定して大きな角度）になることを意味する。
【０００３】
現在、固体撮像装置として広く使用されているＣＣＤやＭＯＳイメージセンサでは、複数の受光部分を有する半導体集積回路を２次元に配列して、被写体からの光信号を電気信号に変換している。
【０００４】
固体撮像装置の感度は、入射光量に対する受光素子の出力電流の大きさによって定義されていることから、入射した光を確実に受光素子に導入することが感度向上のため重要な要素となっている。
【０００５】
図４は、従来の一般的な画素の基本構造の一例を示す図である。図４に示すように、マイクロレンズ６１に垂直に入射した光（破線で示した光）５９は、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）のうちのいずれかの光に対するカラーフィルタ２によって色分離された後、受光素子６において電気信号への変換がなされる。このマイクロレンズ６１は、比較的高い集光効率が得られることから、ほとんど全ての固体撮像装置において使用されている。
【０００６】
上記のマイクロレンズを使用した固体撮像装置において、各画素に対し、非対称にレンズを配置する構成例の提案がある（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１には、斜め入射光をセンサ部に導くことができる実施例が記載されている。
【０００７】
また、フレネルレンズを利用した固体撮像装置として、様々な技術が開示されている（例えば、特許文献２および３参照）。
【０００８】
特許文献２に開示されている技術は、レンズは同心円状に異なる屈折率を持つ複数の層からなり、中心部が最も屈折率が高く、周辺部になるにつれて順に屈折率が減少するように構成されている。また、特許文献３に開示された技術では、厚さ分布型レンズと、ドーピングによって連続的に屈折率分布を持たせた分布屈折率型レンズが利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１９６５６８号公報
【特許文献２】特開２０００−３９５０３号公報
【特許文献３】特開平５−２５１６７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
今後、広角入射に対応した固体撮像装置を開発するためには、特定の角度で入射する光を確実に受光素子へと導入する必要がある。
【００１１】
しかしながら、マイクロレンズでは、集光効率が信号光の入射角度に依存して低下する。つまり図４に示すように、マイクロレンズ６１に垂直に入射してくる光５９については高効率に集光することができるが、斜め入射の光（実線で示した光）６０に対しては集光効率が減少するのである。これは、斜め入射の光６０が、画素中のＡｌ配線３に遮光されてしまい、受光素子６まで到達できないためである。
【００１２】
上述したように、固体撮像装置は、複数の画素の２次元配列で構成されているため、広がり角を持つ入射光の場合、中央の画素と周辺の画素とでは入射角が異なる（図１参照）。その結果、周辺の画素の集光効率が中央より低下するという問題が起こる。
【００１３】
図２は、従来における周辺の画素の構造例を示す図である。周辺の画素では、入射光の入射角度が大きくなるため、電気配線部分を固体撮像装置の中心方向にずらす（シュリンクさせる）ことによって、集光効率の向上を図っている。
【００１４】
図３は、従来のマイクロレンズを用いた固体撮像装置の集光効率の入射角度依存性を示す図である。図３に示すように、入射角度が２０°程度までの光に対しては、高効率に集光できていることがわかる。しかしながら、それ以上の入射角度になると、効率は急激に減少する。結果として、周辺画素の光量は中央部分の約４０％程度であり、素子全体の感度は周辺素子の感度に律速されているのが現状である。また、この値は画素サイズの減少に伴ってさらに低下するため、小型カメラのような短焦点光学系への応用が非常に困難になる。さらに、製造工程においては、これ以上の回路シュリンクができないといった問題が発生している。
【００１５】
さらに、フレネルレンズ形状などの微小な段差形状が固体撮像装置の表面にある場合は、製造時、特にダイシング加工のダストが微小な段差形状に堆積する等の問題が発生する。
【００１６】
また、フレネルレンズ形状などの微小な段差形状が固体撮像装置の表面にある場合は、集光素子の上部にカラーフィルタを設けることができない。
【００１７】
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、薄型カメラ用の焦点距離が短い光学系（入射角θが大きい光学系）にも対応した固体撮像装置を実現するため、現存のマイクロレンズよりも高角度の入射光を集光し得る光学素子構造、かつダストが堆積する等の問題が発生しない構造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】
【００１８】
上記課題を解決するために、本発明に係る固体撮像装置は、屈折率が異なる複数の光透過膜から構成される集合体を備える集光素子を有する単位画素が平面的に複数配置された固体撮像装置であって、前記集合体における一の光透過膜は、入射光の波長より短い幅の同心円の形状を有し、前記集合体における他の光透過膜は、前記一の光透過膜が存在していない空間を同心状に充填しており、かつ、前記他の光透過膜は前記一の光透過膜を覆っており、前記一の光透過膜の屈折率と前記他の光透過膜の屈折率との差分をΔｎmaxとし、前記入射光の入射角度をθとし、予め決定された定数をＡ及びＢ及びＣとした場合、前記集合体は、単位画素の中心から面内方向の距離ｘにおける、前記集合体の一の光透過膜と入射側媒質である前記他の光透過膜との体積比によって算出される有効屈折率をΔｎ(ｘ)とするとき、
Δｎ(ｘ)＝Δｎmax［(Ａｘ2＋Ｂｘsinθ)／２π＋Ｃ］（A、B、C：定数）
を満たし、前記固体撮像装置の中央に位置する単位画素において、前記集合体の屈折率分布を表す前記Δｎ(ｘ)の最大値が得られる位置である、前記一の光透過膜の同心円の中心位置は、当該単位画素の中心と一致し、当該固体撮像装置の周辺に位置する単位画素において、前記集合体の屈折率分布を表す前記Δｎ(ｘ)の最大値が得られる位置である、前記一の光透過膜の同心円の中心位置は、光の入射側にシフトしていることを特徴とする。
【００１９】
これにより、一の光透過膜の線幅およびその配置密度を変化させることによって、有効屈折率を変化させることが可能な分布屈折率型の集光素子を実現することができる。さらに、従来の半導体プロセスを踏襲して、微小な分布屈折率レンズを作製することができる。また、固体撮像装置上の画素の位置によって、レンズ構造を最適化することが可能となるため、装置全体の感度が向上する。また、固体撮像装置のシュリンク構造を緩和させることができるため、固体撮像装置の製造方法が容易となる。
【００２０】
また、前記集光素子は、前記一の光透過膜が前記他の光透過膜によって埋め込まれていることを特徴とする。これにより、集光素子の上面におけるダストの堆積を防止することができる。
【００２１】
また、前記集光素子における前記集合体の光学中心は、偏心していることを特徴とする。さらに、前記固体撮像装置は、前記入射光の入射角度をθとし、予め決定された定数をＡ及びＢとした場合において、前記集合体における、単位画素の中心から面内方向の距離ｘに依存する前記位相変調Φ(x)が、
【００２２】
Φ(x)＝Ａｘ2＋Ｂｘsinθ＋２ｍπ（ｍ：自然数）
【００２３】
をほぼ満たすことを特徴とする。
【００２４】
これにより、特定の角度で入射した光の伝播方向を容易に制御でき、入射光を任意の位置で集光することが可能となる。
【００２５】
また、前記集光素子を、前記一の光透過膜の屈折率と前記他の光透過膜の屈折率との差が０．１以上となるように構成してもよい。これにより、有効屈折率を変化することができる分布屈折率型集光素子を実現することができる。
【００２６】
また、前記集光素子の前記一の光透過膜の屈折率は、１．４５以上かつ３．４以下であることを特徴とする。このように高屈折率材料を用いることにより、光透過膜の膜厚を薄くすることができ、製造プロセスを容易にすることが可能となる。
【００２７】
また、前記集光素子を、前記一の光透過膜の屈折率が、前記他の光透過膜の屈折率より大きくなるように構成したり、前記一の光透過膜の屈折率が、前記他の光透過膜の屈折率より小さくなるように構成してもよい。
【００２８】
また、前記集光素子において、前記一の光透過膜又は前記他の光透過膜を構成する光透過材料は、空気であることを特徴とする。これにより、屈折率分布のダイナミックレンジが大きくなり、レンズの集光性を向上させることができる。
【００２９】
また、前記固体撮像装置において、前記一の光透過膜又は前記他の光透過膜は、さらに、鉛直方向において、屈折率が異なる複数の光透過材料からなる多層構造であることを特徴とする。これにより、屈折率分布の諧調が増加し、高効率な分布屈折率レンズを形成することができる。
【００３０】
また、前記固体撮像装置において、前記一の光透過膜又は前記他の光透過膜は、前記入射光の波長又は前記入射光の代表光の波長に応じて、当該一の光透過膜又は当該他の光透過膜を構成する光透過材料の種類又はその配列が異なっていることを特徴とする。これにより、入射光の波長によって各画素のレンズ構造を最適化することが可能となり、色による集光効率の違いを無くすることができる。
【００３１】
また、前記固体撮像装置において、前記一の光透過膜又は前記他の光透過膜は、前記入射光について設定した焦点距離に応じて、当該一の光透過膜又は当該他の光透過膜を構成する光透過材料の種類又はその配列が異なっていることを特徴とする。これにより、入射光の焦点距離を可変できるため、各画素構造に適したレンズ設計が可能となる。
【００３２】
また、前記固体撮像装置において、前記集合体は、前記入射光の入射角度をθ、当該集合体の屈折率と入射側媒質の屈折率との差分の最大値をΔｎmaxとし、予め決定された定数をＡ及びＢ及びＣとした場合において、前記集合体における中心から面内方向の距離ｘに依存する、前記集合体の屈折率と入射側媒質の屈折率との差分をΔｎ(ｘ)とするとき、
【００３３】
Δｎ(ｘ)＝Δｎmax［(Ａｘ2＋Ｂｘsinθ)／２π＋Ｃ］（A、B、C：定数）
【００３４】
をほぼ満たすことを特徴とする。これにより、特定の角度で入射する光を任意の位置で集光することが可能となり、高集光効率な分布屈折率レンズを形成できる。
【００３５】
また、前記固体撮像装置において、前記集合体は、当該集合体の屈折率と入射側媒質の屈折率との差分の最大値をΔｎmaxとし、前記集合体の厚さをＬ、前記入射光の波長をλとした場合に、
【００３６】
ΔｎmaxＬ＝λ
【００３７】
をほぼ満たすように構成してもよい。これにより、前記分布屈折率レンズによる最大位相変調が入射光の１位相分となり、集光ロスが最小となることから、高効率な集光が可能となる。
【００３８】
また、前記固体撮像装置は、前記一の光透過膜又は前記他の光透過膜の法線方向の断面形状が矩形であることを特徴とする。これにより、設計に従った高精度の屈折率変化を実現することができ、高感度な固体撮像装置を構成することができる。
【００３９】
また、前記集光素子において、前記一の光透過膜又は前記他の光透過膜は、前記入射光の波長と同程度の直径、もしくはその波長より小さい直径の光透過材料によって構成されていることを特徴とする。これにより、隣り合う前記光透過材料の粒径を変化させることによって、有効屈折率を変化させ、分布屈折率素子を容易に形成することができる。
【００４０】
また、前記固体撮像装置において、前記一の光透過膜は、ＴiO2、ＺrO2、Ｎb2O5、Ｔa2O5、Ｓi3Ｎ4、Ｓi2Ｎ3及びＳiO2のいずれかを含むことを特徴とする。これらは高屈折率材料であるため、光透過膜の膜厚を薄くでき、製造プロセスを容易にすることができる。
【００４１】
また、前記集光素子において、前記一の光透過膜は、ＢまたはＰが添加されたＳiO2（ＢＰＳＧ）およびＴＥＯＳのいずれかを含むことを特徴とする。これらは従来の半導体プロセスで一般的に使用されている材料であるので、集光素子の容易な形成が可能であり、製造コストを低減させることができる。
【００４２】
また、前記固体撮像装置において、前記一の光透過膜は、ベンゾシクロブテン、ポリメタクリル酸メチル、ポリアミドおよびポリイミドのいずれかを含むことを特徴とする。これらの樹脂は直接加工でき、ナノインプリントで直接光学素子を形成できるため、量産性を高めることができる。
【００４３】
また、本発明に係る固体撮像装置は、屈折率が異なる複数の光透過膜から構成される集合体を備える集光素子を有する単位画素が平面的に複数配置された固体撮像装置であって、前記集合体における一の光透過膜は、入射光の波長と同程度かそれより短い幅および予め決定された厚さの同心状の形状を有し、前記集合体における他の光透過膜は、前記一の光透過膜が存在していない空間の全部又は一部を同心状に充填していることを特徴とする。
【００４４】
これにより、一の光透過膜の線幅およびその配置密度を変化させることによって、有効屈折率を変化させることが可能な分布屈折率型の集光素子を搭載した固体撮像装置を実現することができる。さらに、従来の半導体プロセスを踏襲して、微小な分布屈折率レンズを作製することができる。
【００４５】
さらに、前記固体撮像装置は、前記集合体の上部にカラーフィルタを備えることを特徴とするが、前記集合体の下部にカラーフィルタを備えることとしてもよい。
【００４６】
また、前記固体撮像装置の中央に位置する単位画素に係る前記一の光透過膜又は前記他の光透過膜と、当該固体撮像装置の周辺に位置する単位画素に係る前記一の光透過膜と前記他の光透過膜とでは、それらを構成する光透過材料の種類又はその配列が異なっていることを特徴とする。これにより、固体撮像装置上の画素の位置によって、レンズ構造を最適化することが可能となるため、素子全体の感度が向上する。また、固体撮像装置のシュリンク構造を緩和させることができるため、固体撮像装置の製造方法が容易となる。
【００４７】
また、前記固体撮像装置における前記集合体は、対応する単位画素の全体を覆うように形成されていることを特徴とする。これにより、画素間領域の集光ロスが低減し、固体撮像装置の感度を向上させることができる。
【００４８】
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、屈折率が異なる複数の光透過膜から構成される集合体を備える集光素子を有する単位画素が平面的に複数配置された固体撮像装置の製造方法であって、前記集合体における一の光透過膜は、入射光の波長と同程度かそれより短い幅および予め決定された厚さの同心状の形状を有し、前記集合体における他の光透過膜は、前記一の光透過膜が存在していない空間の全部又は一部を同心状に充填しており、前記集合体を最小加工寸法１ｎｍ以下の金型を用いたナノインプリントによって形成する工程を含むことを特徴とする。これにより、微細な同心構造を容易にかつ大量に形成することが可能となる。また、各画素間の相対位置のズレがなくなり、調整作業の工程が減り、光学素子の低価格化を実現することができる。
【００４９】
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、屈折率が異なる複数の光透過膜から構成される集合体を備える集光素子を有する単位画素が平面的に複数配置された固体撮像装置の製造方法であって、前記集合体における一の光透過膜は、入射光の波長と同程度かそれより短い幅および予め決定された厚さの同心状の形状を有し、前記集合体における他の光透過膜は、前記一の光透過膜が存在していない空間の全部又は一部を同心状に充填しており、前記集合体を電子線描画または光線描画によって形成する工程を含むことを特徴とする。これにより、従来の半導体プロセスを使用でき、超微細構造を形成することができるので、高集光効率な光学素子を得ることができる。
【００５０】
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、屈折率が異なる複数の光透過膜から構成される集合体を備える集光素子を有する単位画素が平面的に複数配置された固体撮像装置の製造方法であって、前記集合体における一の光透過膜は、入射光の波長と同程度かそれより短い幅および予め決定された厚さの同心状の形状を有し、前記集合体における他の光透過膜は、前記一の光透過膜が存在していない空間の全部又は一部を同心状に充填しており、前記集合体を前記入射光の波長以下の粒径を有する微粒子の自己凝集によって形成する工程を含むことを特徴とする。これにより、プロセス工程数を減らすことができ、製造コストを低減させることができる。
【００５１】
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、屈折率が異なる複数の光透過膜から構成される集合体を備える集光素子を有する単位画素が平面的に複数配置された固体撮像装置の製造方法であって、前記集合体における一の光透過膜は、入射光の波長と同程度かそれより短い幅および予め決定された厚さの同心状の形状を有し、前記集合体における他の光透過膜は、前記一の光透過膜が存在していない空間の全部又は一部を同心状に充填しており、Ｓi基板上に受光素子、配線、遮光層および信号伝送部からなる半導体集積回路を形成する工程と、前記半導体集積回路上に第１の光透過膜を堆積する工程と、前記第１の光透過膜上に第２の光透過膜を堆積する工程と、前記第２の光透過膜を同心円構造に加工する工程と、前記第２の光透過膜上にレジストを形成する工程と、前記第２の光透過膜をマスクとして、前記第１の光透過膜をエッチングする工程とを含むことを特徴とする。これにより、第１層と第２層の位置精度を限りなく０とし、設計に従ったレンズ構造を容易に作製できることから、集光効率の高い素子を得ることができる。
【００５２】
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、屈折率が異なる複数の光透過膜から構成される集合体を備える集光素子を有する単位画素が平面的に複数配置された固体撮像装置の製造方法であって、前記集合体における一の光透過膜は、入射光の波長と同程度かそれより短い幅および予め決定された厚さの同心状の形状を有し、前記集合体における他の光透過膜は、前記一の光透過膜が存在していない空間の全部又は一部を同心状に充填しており、Ｓi基板上に受光素子、および配線、遮光層、信号伝送部からなる半導体集積回路を形成する工程と、前記半導体集積回路上に第１の光透過材料と第２の光透過材料とからなる第１の光透過膜を形成する工程と、前記第１の光透過膜上に第２の光透過膜を堆積する工程と、前記第２の光透過膜を同心円構造に加工する工程と、前記第２の光透過膜上にレジストを形成する工程と、前記第２の光透過膜をマスクとして、前記第１の光透過膜を構成している、前記第１の光透過材料と前記第２の光透過材料との界面をエッチングする工程と、前記第１の光透過膜のエアホールに前記第１の光透過材料を埋め込む工程と、前記第２の光透過膜を平坦化する工程とを含むことを特徴とする。これにより、第１層の材料界面と第２層の材料界面はほぼ一致するため、高精度の屈折率分布を形成することができ、集光効率の高い素子を得ることができる。
【００５３】
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、屈折率が異なる複数の光透過膜から構成される集合体を備える集光素子を有する単位画素が平面的に複数配置された固体撮像装置の製造方法であって、前記集合体における一の光透過膜は、入射光の波長と同程度かそれより短い幅および予め決定された厚さの同心状の形状を有し、前記集合体における他の光透過膜は、前記一の光透過膜が存在していない空間の全部又は一部を同心状に充填しており、Ｓi基板上に受光素子、および配線、遮光層、信号伝送部からなる半導体集積回路を形成する工程と、前記半導体集積回路上に第１の光透過膜を堆積する工程と、前記第１の光透過膜上に第２の光透過膜を堆積する工程と、前記第２の光透過膜を同心円構造に加工する工程と、前記第２の光透過膜上にレジストを形成する工程と、前記第２の光透過膜をマスクとして、前記第１の光透過膜を等方性エッチングする工程とを含むことを特徴とする。これにより、屈折率分布の階調を増加させることが可能となる、集光効率を向上させることができる。
【００５４】
また、本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、屈折率が異なる複数の光透過膜から構成される集合体を備える集光素子を有する単位画素が平面的に複数配置された固体撮像装置の製造方法であって、前記集合体における一の光透過膜は、入射光の波長と同程度かそれより短い幅および予め決定された厚さの同心状の形状を有し、前記集合体における他の光透過膜は、前記一の光透過膜が存在していない空間の全部又は一部を同心状に充填しており、Ｓi基板上に受光素子、および配線、遮光層、信号伝送部からなる半導体集積回路を形成する工程と、前記半導体集積回路上に第１の光透過材料と第２の光透過材料とからなる第１の光透過膜を形成する工程と、前記第１の光透過膜上に第２の光透過膜を堆積する工程と、前記第２の光透過膜を同心円構造に加工する工程と、前記第２の光透過膜上にレジストを形成する工程と、前記第２の光透過膜をマスクとして、前記第１の光透過膜を構成している、前記第１の光透過材料と前記第２の光透過材料との界面を等方性エッチングする工程と、前記第１の光透過膜のエアホールに前記第１の光透過材料を埋め込む工程と、前記第２の光透過膜を平坦化する工程とを含むことを特徴とする。
【００５５】
さらに、本発明は、固体撮像装置の製造方法であって、第１と第２の材料から構成されている前記光透過膜の材料界面を、第１と第２の材料に対してエッチングレートの異なるエッチャントを用いて、エッチングする工程を含むことを特徴とする。これにより、材料別に体積比を制御することができるようになり、より分布の階調を増加させることが可能となり、集光効率を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００５６】
本発明の固体撮像装置は、上記レンズ構造を有しているため、解像度ならびに感度の向上や製造工程の容易化を実現することができる。さらに、ダストの微小形状への堆積を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図１は、従来の固体撮像装置における画素配列の基本構造を示す図である。
【図２】図２は、従来の固体撮像装置の基本構造を示す図である。
【図３】図３は、従来のマイクロレンズを用いた固体撮像装置の集光特性を示す図である。
【図４】図４は、従来の固体撮像装置における画素の基本構造を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態１における固体撮像装置の基本構造を示す図である。
【図６】図６は、実施の形態１における分布屈折率レンズの上面図の一例を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態１における分布屈折率レンズの断面構造を示す図である。
【図８】図８は、実施の形態１におけるレンズの屈折率分布を示す図である。
【図９】図９は、実施の形態１における光の位相変調を示す図である。
【図１０】図１０（ａ）〜（ｈ）は、実施の形態１における分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。
【図１１】図１１は、実施の形態１における画素配列の基本構造を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１における、光入射角度に依存した画素の基本構造を示す図である。
【図１３】図１３（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１におけるレンズの屈折率分布を示す図である。
【図１４】図１４は、実施の形態１における分布屈折率レンズの上面図である。
【図１５】図１５は、実施の形態１におけるレンズの屈折率分布を示す図である。
【図１６】図１６は、実施の形態１における画素中の光伝播を示す図である。
【図１７】図１７は、実施の形態１における固体撮像装置の集光効率を示す図である。
【図１８】図１８は、実施の形態２における分布屈折率レンズの上面図である。
【図１９】図１９は、実施の形態２における分布屈折率レンズの断面構造を示す図である。
【図２０】図２０は、実施の形態２におけるレンズの屈折率分布を示す図である。
【図２１】図２１（ａ）〜（ｆ）は、実施の形態２における分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。
【図２２】図２２（ａ）、（ｂ）は、実施の形態２における画素と分布屈折率レンズの位置合わせの様子を示す図である。
【図２３】図２３（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態２における分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。
【図２４】図２４（ａ）、（ｂ）は、実施の形態２における画素と分布屈折率レンズの位置合わせの様子を示す図である。
【図２５】図２５（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態２における分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。
【図２６】図２６（ａ）は、実施の形態２における、異方性エッチングによって多層構造を形成した場合の分布屈折率レンズの断面図である。図２６（ｂ）は、等方性エッチングによって横方向の線幅を制御した場合の分布屈折率レンズの断面図である。
【図２７】図２７（ａ）は、実施の形態２における、第１層を構成する２材料に対して、同程度のエッチングレートであるエッチャントを使用した場合に形成されるレンズの断面図である。図２７（ｂ）は、第１層を構成する２材料に対して、異なるエッチングレートであるエッチャントを使用した場合に形成されるレンズの断面図である。
【図２８】図２８は、実施の形態２における、微粒子の凝集によって構成された分布屈折率レンズの断面構造を示す図である。
【図２９】図２９（ａ）〜（ｅ）は、実施の形態２における分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。
【図３０】図３０は、実施の形態３における固体撮像装置の基本構造を示す図である。
【図３１】図３１は、実施の形態３における分布屈折率レンズの上面図を示す図である。
【図３２】図３２は、実施の形態３における分布屈折率レンズの断面構造を示す図である。
【図３３】図３３は、実施の形態３におけるレンズの屈折率分布を示す図である。
【図３４】図３４は、実施の形態３における光の位相変調を示す図である。
【図３５】図３５（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態３に係る１画素の基本構造を示す図である。
【図３６】図３６（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態３に係るレンズの屈折率分布を示す図である。
【図３７】図３７（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態３に係る分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。
【図３８】図３８は、実施の形態３に係る固体撮像装置における画素配列の基本構造の様子を示す図である。
【図３９】図３９は、実施の形態３に係る固体撮像装置の集光効率の入射角度依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら、さらに具体的に説明する。なお、以下の実施の形態において、本発明について図面を用いて説明するが、本発明をこれらに限定することを意図するものではない。
【００５９】
（実施の形態１）
本実施の形態は、本発明には属さない参考例を開示するものである。
図５は、本実施の形態における固体撮像装置の基本構造を示す図である。各画素（サイズ□２．８mm）は、分布屈折率レンズ（単に「レンズ」、又は「光透過膜」ともいう。）１、Ｇ用のカラーフィルタ２、Al配線３、電気信号伝送部４、平坦化層５、受光素子（Ｓiフォトダイオード）６、Ｓi基板７から構成されている。
【００６０】
図６は、上記図５における分布屈折率レンズ１の上面図の一例である。同心円構造を有する分布屈折率レンズ１は、屈折率の異なる４種類の材料、ＴiO2、ＳiN、ＳiO2、空気（ｎ=１．０）で構成されており、隣り合う円型光透過膜の外周の半径差は、例えば２００ｎｍ（この場合の単位幅は、１００ｎｍ）である。また、膜厚は０．４μmである。  
【００６１】
一般に、光が入射する入射窓領域の形状は、各画素の開口に合わせて四角形状となっている。入射窓領域が円形の場合、レンズとレンズの間に隙間ができるため、漏れ光が発生し、集光ロスの大きな原因となる。しかしながら、入射窓領域を四角とすると、画素全領域の入射光を集光することができるので、漏れ光は無くなり、集光ロスは低減する。
【００６２】
図７は、分布屈折率レンズ１の断面図の一例を示す図である。一般的な分布屈折率レンズでは、屈折率はレンズ中心１５で最も高くなる。本実施の形態においても、レンズ中心１５付近のリングは高屈折率材料ＴiO2で構成され、外側のリングになるに従って、ＳiN、ＳiO2、空気のように低屈折率材料を使用している。周期が入射光の波長と同程度か小さいときには、光が感じる有効屈折率は高屈折率材料と低屈折率材料の体積比によって算出できる。本構造の最大の特長は、隣り合う材料の組み合わせを変えるだけで、屈折率分布を自由自在に制御できることである。本実施の形態では、屈折率が異なる材料を用いることによる屈折率変化に加えて、隣り合う領域で構造の幅を変化させることによる屈折率変化も利用している。これによって、より木目細かい階調の屈折率分布を実現することができるため、集光効率は向上する。しかしながら、屈折率が異なる材料を用いることによる屈折率変化だけでも、高い集光効率を得ることができる（３材料で、集光効率７０％程度）。これによって、同心円構造を同一の抜き／残し幅で形成することができるようになるため、プロセスが容易になる。
【００６３】
このときの屈折率の変化は、図８のように表される。レンズの屈折率は、同心円の中心部分が最も高く、端になるに従って順に低くなる。放物線は、波長（５５０ｎｍ）の入射光を焦点距離ｆ（４．４３μｍ）で集光させるための屈折率分布を示しており、下の式で表される。
【００６４】
Δｎ(ｘ)＝Δｎmax［(Ａｘ2＋Ｂｘsinθ)／２π＋Ｃ］        （１）
（A、B、C：定数）
【００６５】
ここで、Δｎmaxは、入射側媒質とレンズ材料との屈折率差（今回は１．４３）である。また、上記（１）式は、入射側媒質の屈折率をｎ0、出射側媒質の屈折率をｎ1とするときに、
【００６６】
Ａ＝−（ｋ0ｎ1）／２ｆ                               （１−１）
Ｂ＝−ｋ0ｎ0                                         （１−２）
ｋ0＝２π／λ                                       （１−３）
【００６７】
のようにパラメータを設定できる。これにより、目的とする焦点距離ならびに対象とする入射光の入射角度、波長ごとにレンズを最適化することが可能となる。上記（１）式において、集光成分は画素中央からの距離ｘの２次関数によって表し、偏向成分は距離ｘと三角関数との積によって表している。なお、実際のレンズは３次元構造であるので、屈折率分布はｘ軸、ｙ軸およびｚ軸空間上の関数として表されるが、ここでは、簡単化のために等価な２次元座標で表記している。
【００６８】
なお、上記図８は、入射光の角度を０°としたときのレンズ構造を示した図であり、光学中心は各画素の中心と一致する。
【００６９】
また、入射光の波長をλ、光が集まる焦点距離をｆ、光の入射角度をθ、入射側媒質の屈折率をｎ0、出射側媒質の屈折率をｎ1とするとき、前記光透過膜の面内方向の距離ｘに依存する、前記光透過膜による位相変調Φ(x)が、
【００７０】
【数１】
0004531843.tif 000002
【００７１】
をほぼ満たすことが望ましい。これにより、第１ゾーンのみで集光でき、集光ロスの少な
い、高効率な集光が可能となる。
【００７２】
さらに、前記光透過膜による位相変調Φ(x)が、
【００７３】
【数２】
0004531843.tif 000003
ｍ＝自然数
【００７４】
をほぼ満たすことが望ましい。これにより、複数ゾーンでの集光が可能となり、位相変調を大きくできるため、より高角度の入射光に強い集光素子が実現できる。
【００７５】
前記光透過膜の屈折率の最大値をn0+Δnmax、前記光透過膜の面内方向の屈折率分布に
おいてn0に対する差分をΔn(x)とするとき、
【００７６】
【数３】
0004531843.tif 000004
【００７７】
をほぼ満たすことが望ましい。これにより、特定の角度で入射する光を任意の位置で集光可能である、高集光効率な分布屈折率レンズを形成できる。
【００７８】
本実施の形態では、屈折率分布によって入射光を位相変調することによって、光の伝播方向を制御している。このとき、図９に示すように、上記（１）式でもたらされる位相変調は、第１ゾーン１７だけでなく、第２ゾーン１８、第３ゾーン１９のように、上記（１）式を２πで分割して得られる不連続な位相変調となる。しかしながら、１位相毎にゾーンを区別しているため、実効的な位相変調は連続的な位相変調１６と等しくなる。
【００７９】
また、複数ゾーンを有する光透過膜を形成するときの、各ゾーン境界での位相差を２πとするための条件は、レンズ厚をＬとすると、
【００８０】
ΔｎmaxＬ＝λ                                        （２）
【００８１】
となる。光透過膜が薄い場合は、一般には損失要因はないので、上記（２）式を満たしていれば、集光効率は１００％となる。
【００８２】
図１０（ａ）〜（ｈ）は、分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。レンズ形成は、フォトリソグラフィーとエッチングによって行った。まず、通常の半導体プロセスを用いて、Ｓi基板上に受光素子、および配線、遮光層、信号伝送部、カラーフィルタからなる半導体集積回路２２（上記図１０では描いていない。）を形成する。１画素のサイズは、２．８μｍ角であり、受光部は１．５μｍ角である。その後に、スパッタ装置を用いて、ＳiＯ2膜２１を形成し、その上にレジスト２０を塗布する（図１０（ａ））。その後、パターニングを行う（図１０（ｂ））。ＳiＯ2膜とレジストの厚みはそれぞれ、０．５μｍ と０．５μｍである。現像した後、エッチングを行い、画素表面に微細構造を形成する（図１０（ｃ））。レジストを除去した後、プラズマＣＶＤを用いて、ＴiＯ2を堆積する（図１０（ｄ））。画素全域を被覆したＴiＯ2層を、表面研磨によって取り除いた後（図１０（ｅ））、再びレジストを塗布し、パターンを形成する（図１０（ｆ））。その後、エッチングを行って、ＣＶＤを用いてＳiNを堆積させる（図１０（ｇ））。最終的に、画素表面を研磨することによって、ＴiO2、ＳiN、ＳiO2で構成された分布屈折率レンズが形成される。
【００８３】
本実施例では代表的な３種類の材料によるレンズ形成を試みたが、上記図１０に示したフォトリソグラフィーまたは電子リソグラフィーとエッチングとを組み合わせた工程を用いることにより、さらなる多種類の材料でレンズを構成することが可能である。
【００８４】
図１１は、本実施の形態に係る、ＶＧＡ使用（３１万画素）の固体撮像装置における画素配列の様子を示す図である。入射光２６は、光学レンズ２７によって集光され、分布屈折率レンズを有する固体撮像装置２８上に照射される。受光素子と配線等からなる半導体集積回路８ならびに分布屈折率レンズが２次元配列している固体撮像装置においては、中心部分の画素と周辺部分の画素とでは、光の入射角度が異なる。中心部分ではほぼ０°入射であるのに対して、周辺部分では約３０°入射となる。そこで、本実施の形態では、固体撮像装置の中央から周辺部分にかけて、各画素に入射する最も光強度の強い入射光成分に対応する分布屈折率レンズを形成した。それぞれのレンズは、撮像装置上の画素の位置によって、レンズ構造を最適化し、最も集光効率が高くなるようにしている。
【００８５】
図１２（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態における、光入射角度（画素位置）に依存した画素の基本構造を示す図である。本レンズは、入射光に対して上記（１）式で表される屈折率分布を有している。入射窓に入射角０°で入射してくる光３３、入射角α／２°で入射してくる光３４、入射角α°で入射してくる光３５は、それぞれ０°入射光用分布屈折率レンズ３６、α／２°入射光用分布屈折率レンズ３７、α°入射光用分布屈折率レンズ３８によって集光され、カラーフィルタ２を通過して、受光部で電気信号への変換が行われる。
【００８６】
本発明に係る分布屈折率レンズでは、入射光の波長によって各画素のレンズ構造を最適化することが可能であることから、入射角度による集光効率の違いはなく高効率に集光することができる。０°入射光用分布屈折率レンズでは、同心円の中心が画素中央部分にあるのに対して、入射角度が増加すると、円の中心は光の入射側にシフトしていく。
【００８７】
これは、上記（１）式に示されているように、屈折率分布の２次曲線の最大値が、入射角度ｑの増加に伴って、光入射側にシフトするためである（図１３参照）。
【００８８】
このとき、屈折率の異なる材料で構成されたレンズの構造は、画素領域に対して非対称となる（図１４参照）。さらに、図１５に示すように、屈折率の分布は周期ごとに構成材料が異なるため離散的な値をとるが、周期が入射光の波長より十分に短い場合には、散乱成分がなくなり、連続的な屈折率分布が形成される。
【００８９】
また、上記（１−３）、（２）式から明らかなように、位相変調は対象とする光の波長によって異なる。これは各画素に入射する光の色に応じて、最適なレンズ構造を持つことを意味している。本実施の形態において、波長０．４５μｍ、０．５５μｍ、０．６５μｍの光を、それぞれの色用のレンズ構造を有する画素に入射した場合、いずれも８０％程度の高い集光効率を示すことがわかっている。
【００９０】
図１６は、入射角度４０°の入射光に対する、画素中における光伝播プロファイルのシミュレーション結果を示す図である。入射光の伝播方向はレンズ通過時に曲げられ、第１の配線層（遮光層）で焦点を結び、その後受光素子まで伝播していく様子が確認できる。これは、上記（１）式に従って作製したレンズを用いることにより、光を効率よく受光素子へと伝播させることが可能であることを示唆している。
【００９１】
図１７は、本実施の形態における固体撮像装置の集光効率の角度依存性を示した図である。横軸の角度は、固体撮像装置に入射する光の角度を示しており、０°が中心部分、３０°以上が周辺画素を意味している。マイクロレンズを用いた固体撮像装置の集光効率が入射角度２０°付近の画素から急激に低下するのに対して、本発明に係る分布屈折率レンズでは、周辺画素においても、集光効率は６０％を保っている。図１７からも明らかなように、本発明に係る分布屈折率レンズは、マイクロレンズと比較して、入射光の角度依存性に強い（即ち、集光効率が入射光の角度にそれほど依存しない。）ことがわかる。これにより、入射角度の増加に伴う集光効率の低下を緩和することができることから、携帯電話用カメラ等の短焦点光学系への応用が期待できる。
【００９２】
（実施の形態２）
本実施の形態は、本発明には属さない参考例を開示するものである。
図１８は、実施の形態２における空気領域を持たない分布屈折率レンズの上面図である。空気領域を入れないことによって、屈折率変化のダイナミックレンジは低下するが、レンズ表面を平坦にすることができるため、散乱ロスが低減できる。また、レンズの上面にさらに堆層できることから多層膜化への応用が容易になる。
【００９３】
図１９は、本実施の形態における多層構造を有する分布屈折率レンズの構造を示す図である。レンズの面内方向だけでなく、垂直方向（即ち、ｚ方向）に屈折率が異なる複数の光透過材料を配置することにより、屈折率分布の諧調を格段に増やすことができる。これにより、離散的な屈折率変化が連続的になり、集光効率を向上させることができる。
【００９４】
図２０は、本実施の形態におけるレンズの屈折率分布を示す図である。
【００９５】
図２１は、本実施の形態における分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。レンズ形成は、ナノインプリンティングとエッチングによって行った。まず、通常の半導体プロセスを用いて、Ｓi基板上に受光素子、および配線、遮光層、信号伝送部からなる半導体集積回路８（図２１では描いていない。）を形成する。１画素のサイズは、２.８μm角であり、受光部は１.５μｍ角である。その後に、プラズマＣＶＤを用いて、ＴiO2膜４０を形成し、その上にレジスト３９を塗布する（図２１（ａ））。ＴiO2膜とレジストの厚みはそれぞれ、０．５μｍ と０．５μｍである。同心円構造をパターニングしてあるＳiC製のモールド（金型）４１を、レジストに１５０℃で加熱プレスすることによって、微細構造をレジスト上に転写する（図２１（ｂ））。モールドは通常の電子線ビームリソグラフィーとエッチングによって形成したものである。その後、１８０℃でポストベークを行った後、Ａｒミリング４２によって、第一段階のエッチングを行う（図２１（ｃ））。レジストを除去した後、ウェットエッチング４３によって画素上に同心円構造を形成する（図２１（ｄ））。その後、プラズマＣＶＤを用いてＳiNを堆積させ４４、表面研磨を行って平坦化する（図２１（ｅ））。図２１（ａ）〜（ｅ）の工程を繰り返すことによって、ＴiO2、ＳiN、ＳiO2で構成された分布屈折率レンズが形成される。
【００９６】
本実施の形態の多層構造を有する分布屈折率レンズは、上記図２１で示した製造方法を用いて形成することができる。ここで、最も重要な工程は基板側の第１光透過膜とその上に形成する第２透過膜との位置合わせである。上記（１）式のような屈折率分布を光透過膜に持たせるためには、精度の高い３次元構造が必要となるため、第１光透過膜と第２光透過膜における位置合わせ精度は限りなく０であるほうが望ましい（図２２（ａ））。しかしながら、現在の位置合わせ技術では、寸分のずれもなく多層構造を形成することは不可能であり、ずれが生じる（図２２（ｂ））。
【００９７】
そこで、本実施の形態のレンズ形成には、セルフアライン法を応用した、位置合わせ精度の高い多層構造形成プロセスを用いた。図２３に分布屈折率レンズの作製工程を示す。まず、Ｓi基板上に受光素子、および配線、遮光層、信号伝送部からなる半導体集積回路８（図２３では描いていない。）を形成する。その後、プラズマＣＶＤを用いて、ＴiO2膜１０とＳiO2膜１２を形成する（図２３（ａ））。ＥＢ描画、光描画、またはナノインプリントを用いて、第２層に凸凹構造を形成した後、第１層に構造を形成しない箇所には、レジスト３９を塗布する（図２３（ｂ））。エッチングによって第１層に凸凹構造を形成した後、レジストを除去し、必要であれば他の材料によって凹構造を埋める（図２３（ｃ））。形成された分布屈折率レンズにおいて、第１層と第２層との位置精度は限りなく０であり、設計に従ったレンズ構造を容易に作製できることから、集光効率の高い素子を得ることができる。
【００９８】
また、本発明では微小領域（光の波長以下）において、各光学素子を構成する材料を変化させる必要がある。特に多層構造を形成する場合には、第１層の材料変化に合わせて、第２層を高精度で形成しなければならない（図２４（ａ））。隣り合う２種類の材料が、微小領域で決まった体積比で存在していなければ、高集光効率な分布屈折率レンズの形成は不可能である（図２４（ｂ））。
【００９９】
図２５は、本実施の形態における分布屈折率レンズの作製工程を示す。まず、Ｓi基板
上に受光素子、および配線、遮光層、信号伝送部からなる半導体集積回路８（図２５では描いていない。）を形成する。その後、描画プロセスとプラズマＣＶＤを用いて、ＴiO2膜１０とＳiＮ膜１１で構成される第１層を形成した後、ＳiO2膜１２を堆積する（図２５(ａ)）。描画プロセス、またはナノインプリントを用いて、パターニングを行い、第１層に構造を形成しない箇所には、レジスト３９を塗布する。エッチングによって第１層に凸凹構造を形成した後、レジストを除去する（図２５（ｂ））。最後にＳiＮを堆積して、凹構造を埋めた後、表面研磨を行う（図２５（ｃ））。形成された分布屈折率レンズにおいて、第１層と第２層との位置精度は限りなく０であり、第１層の材料界面と第２層の材料界面はほぼ一致する。これによって、高精度の屈折率分布を形成することができ、集光効率の高い素子を得ることができる。
【０１００】
図２６（ａ）は、異方性エッチングによって多層構造を形成した場合の分布屈折率レンズの断面図である。断面が矩形であるため、屈折率分布の制御が容易である。しかし、分布の諧調を多くするためには、凸凹構造の抜き／残し幅を小さくしなければならない。そのため、描画、またはナノインプリントでパターンを形成するために、より微細な構造を形成するプロセス技術が必要となる。そこで、本発明では等方性エッチングによって横方向の線幅を制御している（図２６（ｂ））。これにより、エッチングの条件によって屈折率分布を制御することが可能となり、分布の諧調が増加し、集光効率が向上する。
【０１０１】
また、図２７（ａ）に第１層を構成する２材料に対して、同程度のエッチングレートであるエッチャントを使用した場合に形成されるレンズの断面図を示す。上述したように、断面が矩形に形成できるときは、屈折率分布の制御が容易であるが、パターン形成プロセスが困難となる。そこで、図２７（ｂ）では、第１層を構成する２材料に対して、異なるエッチングレートであるエッチャントを使用した場合に形成されるレンズの断面図を示している。これにより、材料別に体積比を制御することができるようになり、より分布の階調が増加し、集光効率が向上する。
【０１０２】
上記の作製工程ならびに構造は、２層構造だけではなく３層以上の多層構造にも有効である。また、上記手法を用いて合わせ精度の高い多層構造を形成することによって、層間の干渉によるモアレをなくすことができる。
【０１０３】
図２８は、本実施の形態における微粒子の凝集によって構成された分布屈折率レンズの断面構造を示す図である。屈折率と粒径の異なる微粒子がＧeO2４５のパーティションで区切られた空間凝集し、屈折率分布を形成している。微粒子の直径が入射波長よりも小さい場合、光が感じる屈折率分布は連続的になり、高い集光効率が得られる。
【０１０４】
図２９（ａ）〜（ｅ）は、本実施の形態における分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。レンズ形成は、フォトリソグラフィーとエッチングによって行った。まず通常の半導体プロセスを用いて、Ｓi基板上に受光素子、および配線、遮光層、信号伝送部、カラーフィルタからなる半導体集積回路８（上記図２９では描いていない。）を形成する。１画素のサイズは、２．８μｍ角であり、受光部は１．５μｍ角である。その後に、スパッタ装置を用いて、ＧeＯ2膜４８を形成し、その上にレジスト４７を塗布する（図２９（ａ））。その後、パターニングを行う（図２９（ｂ））。ＳiＯ2膜とレジストの厚みはそれぞれ、０．５μｍ と０．５μｍである。エッチングによって微細構造を形成した後、ＴiO2微粒子５０（粒径２００nm）を含む溶液５１を滴下する（図２９（ｃ））。この後、加熱を行い水溶液中の水を蒸発させる。このとき、水の蒸発速度を十分遅くすることによって、微粒子はエアホール中に埋め込まれる。次にエアブローによって、試料表面の余分な微粒子を取り除き、今度はＳiN微粒子５２（粒径１５０ｎｍ）を含む水溶液を滴下する（図２９（ｄ））。上記作業の繰り返しによって微粒子が凝集した分布屈折率レンズを作製する（図２９（ｅ））。本作製手法のポイントは２点である。まず一つ目は、描画パターンで形成される微細凹構造の幅は凝集させる微粒子の粒径よりわずかに広くする必要がある（１０％程度）。二つ目は、粒径の大きい微粒子から滴下を始めることによって、選択的に微粒子の凝集領域を制限することができる。すでに、微粒子が凝集している領域には、新たな微粒子は混入しないので（混入したとしてもわずかであり、屈折率変化には影響しない）、材料の選別が非常に容易となる。これらの手法を用いることによって、前記作製手法に示したような、位置合わせ、平坦化が不要となり、プロセスの簡単化、生産コストの低減が実現できる。
【０１０５】
（実施の形態３）
図３０は、本実施の形態における固体撮像装置の基本構造を示す図である。
【０１０６】
各画素（サイズ□２．８mm）は、分布屈折率レンズ１、Ｇ用のカラーフィルタ２、Ａｌ配線３、電気信号伝送部４、平坦化層５、受光素子（Ｓiフォトダイオード）６、Ｓi基板７から構成されている。
【０１０７】
図３１は、上記図３０における分布屈折率レンズ１の上面図を示す図である。同心円構造を有する分布屈折率レンズ１は、第１の光透過膜である高屈折率材料［ＴiO2(ｎ=２．５３)］と第２の光透過膜である低屈折率材料［ＳiO2(ｎ＝１．４５)］で構成されており、隣り合う第２の光透過膜の同心円の線幅は円の中心部分が最も大きく、外側のリングになるに従って、線幅は順に小さくなっていく。周期が入射光の波長と同程度か波長より小さいときには、光が感じる有効屈折率は、高屈折率材料である第１の光透過膜と低屈折率材料である第２の光透過膜の体積比によって算出できる。本構造の最大の特長は、円周幅、即ち光透過膜の体積比を変えるだけで、屈折率分布を自由自在に制御できることである（特願２００３−４２１１１１参照）。
【０１０８】
このときの屈折率の変化は、図３３のように表され、非対称である。レンズの屈折率は、円の中心部分が最も高く、円の端になるに従って順に低くなる。つまり、図３０に示す入射光９のように、一定の方向から入射される光に対する屈折率分布が、分布屈折率レンズ１の中心に対して非対称である。
【０１０９】
一般に、光が入射する入射窓領域の形状は、各画素の開口に合わせて四角形状となっている。入射窓領域が円形の場合、レンズとレンズの間に隙間ができるため、漏れ光が発生し、集光ロスの大きな原因となる。しかしながら、入射窓領域を四角とすると、画素全領域の入射光を集光することができるので、漏れ光は無くなり、集光ロスは低減する。
【０１１０】
図３２は、分布屈折率レンズ１の断面図の一例を示す図である。一般的な分布屈折率レンズでは、屈折率は光学中心７１で最も高くなる。本実施の形態においても、光学中心７１付近のリングは、第１の光透過膜である高屈折率材料のＴiO2で構成され、第２の光透過膜である低屈折率材料のＳiＯ2で埋め込まれている。光透過膜で形成されたリング周期が入射光の波長と同程度か小さいときには、光が感じる有効屈折率は、第１の光透過膜である高屈折率材料ＴiO2と第２の光透過膜である低屈折率材料ＳiＯ2の体積比によって算出できる。本構造の最大の特長は、隣り合う材料の組み合わせを変えるだけで、屈折率分布を自由自在に制御できることである。本実施の形態では、屈折率が異なる材料を用いることによる屈折率変化に加えて、隣り合う領域で構造の幅を変化させることによる屈折率変化も利用している。これによって、細かい階調の屈折率分布を実現することができるため、集光効率は向上する。
【０１１１】
また、第１の光透過膜の高屈折率材料ＴiO2だけの構成でも、分布屈折率レンズとして機能するが、製造工程の一部であるダイシング加工時のダストが、第１の光透過膜の高屈折率材料ＴiＯ2のリング状の構造体の隙間に付着するなどの問題が発生する。付着物は、屈折率を有するため、屈折率レンズの機能が低下する。さらに、空気中のダストも付着する可能性があるため、第２の光透過膜の低屈折率材料で埋め込まれていることが重要である。
【０１１２】
分布屈折率レンズ１の屈折率の変化を図３３に示す。分布屈折率レンズ１の屈折率は、同心円の中心部分が最も高く、円の端になるに従って順に低くなる。放物線は、波長λ（５５０ｎｍ）の入射光を焦点距離ｆ(４．４３μm)で集光させるための屈折率分布を示しており、上記（１）式で表される。
【０１１３】
なお、本実施の形態においては、Δｎmaxは、第１の光透過膜の高屈折率材料ＴiO2と第２の光透過膜の低屈折率材料のＳiＯ2との屈折率差（今回は１．０８）である。屈折率差は大きい方が好ましいが、０．１以上あれば実現できる。
【０１１４】
本実施の形態では、屈折率分布によって入射光を位相変調することによって、光の伝播方向を制御している。このとき、図３４に示すように、上記（１）式でもたらされる位相変調は、第１のゾーン１７だけでなく、第２のゾーン１８および第３のゾーン１９のように、上記（１）式を２πで分割して得られる不連続な位相変調となる。しかしながら、１位相毎にゾーンを区別しているため、実効的な位相変調は連続的な位相変調１６と等しくなる。
【０１１５】
上記では、「第１の光透過膜の屈折率＞第２の光透過膜の屈折率」となるように設計したが、「第１の光透過膜の屈折率＜第２の光透過膜の屈折率」となるような設計も可能である。
【０１１６】
さらに、カラーフィルタが最上部に設ける構造も、第１の光透過膜を第２の光透過膜に埋め込むことにより実現できる。
【０１１７】
図３５（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態に係る１画素の基本構造を示す図である。本画素に係るレンズは、入射光に対して位相変調を与えるような、単一ゾーンの屈折率分布を有している。入射窓に入射角０°で入射してくる入射光（０°入射）６６、入射角α／２°で入射してくる入射光（α／２°入射）６７、入射角α°で入射してくる入射光（α°入射）６８は、それぞれ０°入射光用分布屈折率レンズ６９、α／２°入射光用分布屈折率レンズ７０、α°入射光用分布屈折率レンズ７１によって集光され、カラーフィルタ２を通過して、受光部で電気信号への変換が行われる。ここで、角度αは、下記（３）式で定義される。ここで、Ｄは画素サイズである。
【０１１８】
【数４】
0004531843.tif 000005
（３）
【０１１９】
本実施の形態に係る分布屈折率レンズでは、入射光の波長によって各画素のレンズ構造を最適化することが可能であることから、入射角度による集光効率の違いはなく高効率に集光することができる。０°入射光用分布屈折率レンズ６９では、同心円の中心が画素中央部分にあるのに対して、入射角度が増加すると、円の中心は光の入射側にシフトしていく。
【０１２０】
これは、上記（１）式に示されているように、屈折率分布の２次曲線の最大値が、入射角度θの増加に伴って、光入射側にシフトするためである（図３６参照）。
【０１２１】
入射角度がα°以下の場合には、膜厚を一定（１位相分）にしたまま、レンズを単一ゾーンで設計することができる。このとき、光は連続してレンズに入射されるので、レンズ表面での散乱ロスが低減し、集光効率は向上する。入射角度をα°以上にする場合には、光路長を長くする（位相変調を大きくする）ために、膜厚をさらに大きくすればよい。
【０１２２】
また、位相変調は、対象とする光の波長によって異なる。本実施例において、波長０．４５μｍ、０．５５μｍ、０．６５μｍの光を、それぞれの色用のレンズ構造を有する画素に入射した場合、いずれも８０％程度の高い集光効率を示すことがわかっている。
【０１２３】
図３７（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態に係る分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。レンズ形成は、フォトリソグラフィー、エッチングおよびＣＶＤによって行った。まず、通常の半導体プロセスを用いて、Ｓi基板２２上に受光素子、および配線、遮光層、信号伝送部からなる半導体集積回路８（図３０では描いていない）とカラーフィルタ２を形成する。１画素のサイズは、２．８μｍ角であり、受光部は１．１μｍ角である。その後に、スパッタ装置を用いて、ＴiＯ2膜２５を形成し、その上にレジスト２０を塗布する（図８（ａ））。ＴiＯ2膜とレジストの厚みはそれぞれ、０．５μｍ と０．５μｍである。次に、フォトリソグラフィーの工程により、同心円構造のレジストパターンを形成する（図８（ｂ））。その後、１８０℃でポストベークを行った後、ドライエッチングによってエッチング２４を行う（図８（ｃ））。レジストを除去した後、プラズマＣＶＤによって同心円構造を埋め込むようにＳiＯ2を形成する（図８（ｄ））。この実施例では、ＳiＯ2はＴiＯ2を覆っているが、ＣＭＰなどにより平坦化することにより、ＳiＯ2とＴiＯ2の両方が露出する構造としてもよい。
【０１２４】
図３８は、本実施の形態に係るＶＧＡ使用（３１万画素）の固体撮像装置における画素配列の様子を示す図である。信号光７５は、光学レンズ７６によって集光され、分布屈折率レンズを有する固体撮像装置７７上に照射される。受光素子と配線等からなる半導体集積回路８ならびに分布屈折率レンズが２次元配列している固体撮像装置においては、中心部分の画素と周辺部分の画素とでは、光の入射角度が異なる。中心部分ではほぼ０°入射であるのに対して、周辺部分では約３０°入射となる。そこで、本実施の形態では、撮像装置の中央から周辺部分にかけて、各画素に入射する最も光強度の強い入射光成分に対応する分布屈折率レンズを形成した。それぞれのレンズは、撮像装置上の画素の位置によって、レンズ構造を最適化し、最も集光効率が高くなるようにしている。なお、半導体集積回路のシュリンクによる集光効率の向上を併用してもよい。
【０１２５】
図３９は、集光効率の入射角度依存性を示す図である。横軸の角度は、固体撮像装置に入射する光の角度を示しており、０°が中心部分、３０°以上が周辺画素を意味している。マイクロレンズを用いた固体撮像装置の集光効率が入射角度２０°付近の画素から急激に低下するのに対して、本発明の分布屈折率レンズでは、周辺画素においても、集光効率は８０％を保っている。本発明の分布屈折率レンズは、マイクロレンズと比較して、入射光の角度依存性に強いことがわかる。これにより、入射角度の増加に伴う集光効率の低下を緩和することができることから、携帯電話用カメラ等の短焦点光学系への応用が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明に係る固体撮像装置は、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、およびカメラ付携帯電話などに利用が可能である。
【符号の説明】
【０１２７】
１    分布屈折率レンズ
２    カラーフィルタ
３    Al配線
４    電気信号伝送部
５    平坦化層
６    受光素子（Ｓiフォトダイオード）
７    Ｓi基板
８    半導体集積回路
９    入射光
１０    ＴiＯ2膜
１１    ＳiＮ膜
１２    ＳiＯ2膜
１３    空気（ｎ=１．０）
１４    周期（０．２μm）
１５    レンズ中心
１６    位相変調
１７    第１ゾーン
１８    第２ゾーン
１９    第３ゾーン
２０    レジスト
２１    ＳiＯ2膜
２２    半導体集積回路（前記２〜７によって構成）
２３    電子線描画
２４    エッチング
２５    ＴiＯ2膜
２６    入射光
２７    光学レンズ
２８    固体撮像装置
２９    装置中央部の入射光
３０    装置中央部画素用分布屈折率レンズ
３１    装置周辺部の入射光
３２    装置周辺部画素用分布屈折率レンズ
３３    入射光（０°入射）
３４    入射光（α／２°入射）
３５    入射光（α°入射）
３６    ０°入射光用分布屈折率レンズ
３７    α／２°入射光用分布屈折率レンズ
３８    α°入射光用分布屈折率レンズ
３９    レジスト
４０    ＴiＯ2膜
４１    金型
４２    Ａｒミリング
４３    ウェットエッチング
４４    ＳiＮ
４５    ＧeＯ2
４６    粒子堆積領域
４７    レジスト
４８    ＧeＯ2膜
４９    電子線描画
５０    ＴiＯ2微粒子
５１    溶液
５２    ＳiＮ微粒子
５３    ＳiＯ2微粒子
５４    入射光
５５    光学レンズ
５６    固体撮像装置
５７    斜め入射光
５８    マイクロレンズ
５９    垂直入射光
６０    斜め入射光
６１    マイクロレンズ
６６    入射光（０°入射）
６７    入射光（α／２°入射）
６８    入射光（α°入射）
６９    ０°入射光用分布屈折率レンズ
７０    α／２°入射光用分布屈折率レンズ
７１    光学中心
７５    入射光
７６    光学レンズ
７７    固体撮像装置
７８    装置中央部の入射光
７９    装置中央部画素用分布屈折率レンズ
８０    装置周辺部の入射光
８１    装置周辺部画素用分布屈折率レンズ
１００    画素の中心軸
１０１    レンズの中心軸
１０２    等方性エッチング
【図１】
0004531843.tif 000006
【図２】
0004531843.tif 000007
【図３】
0004531843.tif 000008
【図４】
0004531843.tif 000009
【図５】
0004531843.tif 000010
【図６】
0004531843.tif 000011
【図７】
0004531843.tif 000012
【図８】
0004531843.tif 000013
【図９】
0004531843.tif 000014
【図１０】
0004531843.tif 000015
【図１１】
0004531843.tif 000016
【図１２】
0004531843.tif 000017
【図１３】
0004531843.tif 000018
【図１４】
0004531843.tif 000019
【図１５】
0004531843.tif 000020
【図１６】
0004531843.tif 000021
【図１７】
0004531843.tif 000022
【図１８】
0004531843.tif 000023
【図１９】
0004531843.tif 000024
【図２０】
0004531843.tif 000025
【図２１】
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【図２２】
0004531843.tif 000027
【図２３】
0004531843.tif 000028
【図２４】
0004531843.tif 000029
【図２５】
0004531843.tif 000030
【図２６】
0004531843.tif 000031
【図２７】
0004531843.tif 000032
【図２８】
0004531843.tif 000033
【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
0004531843.tif 000037
【図３３】
0004531843.tif 000038
【図３４】
0004531843.tif 000039
【図３５】
0004531843.tif 000040
【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
0004531843.tif 000043
【図３９】
0004531843.tif 000044