(57)【要約】【課題】固体撮像装置における光学部品を改善し、それによって固体撮像装置を薄型化かつ軽量化し、さらに固体撮像装置における光の利用効率を改善する【解決手段】固体撮像装置は、アレイ状に配列された複数のフォトダイオード領域（２）と、各フォトダイオード領域の周囲に存在する不透光性境界領域（６）と、複数のフォトダイオード領域に対応してアレイ状に配列された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイ（８ａ）とを備え、各マイクロレンズはそれに対応するフォトダイオード領域の周囲の不透光性境界領域ヘ直進しようとする入射光（７）をその対応するフォトダイオード領域内へ集光するように作用し、マイクロレンズアレイは透光性ＤＬＣ膜を用いて形成されており、そのＤＬＣ膜は各マイクロレンズに対応して屈折率が変調させられた領域を含み、その屈折率が変調させられた領域を光束が通過するときに集光作用を生じる。【選択図】図１
2007109801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体撮像装置であって、
アレイ状に配列された複数のフォトダイオード領域と、各前記フォトダイオード領域の周囲に存在する不透光性境界領域と、前記複数のフォトダイオード領域に対応してアレイ状に配列された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイとを備え、
各前記マイクロレンズはそれに対応する前記フォトダイオード領域の周囲の前記不透光性境界領域ヘ直進しようとする入射光をその対応するフォトダイオード領域内へ集光するように作用し、
前記マイクロレンズアレイは透光性ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を用いて形成されており、前記ＤＬＣ膜は各前記マイクロレンズに対応して屈折率が変調させられた領域を含み、その屈折率が変調させられた領域を光束が通過するときに集光作用を生じることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記ＤＬＣ膜の一主面側において各前記マイクロレンズに対応して相対的に高い屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、前記レンズ領域は前記一主面と概略球面の一部に相当する界面とに囲まれた凸レンズの形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記ＤＬＣ膜の一主面側において各前記マイクロレンズに対応して相対的に高い屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、前記レンズ領域は前記一主面とその主面に対して平行な中心軸を有する概略円柱面の一部に相当する界面とに囲まれた柱状凸レンズの形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記ＤＬＣ膜には各前記マイクロレンズに対応して相対的に高い屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、前記レンズ領域は前記ＤＬＣ膜を貫通する概略円柱形状を有していて、前記円柱形状の中心軸は前記ＤＬＣ膜に直交していてその中心軸に近いほど屈折率が高められていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記ＤＬＣ膜には各前記マイクロレンズに対応して相対的に高い屈折率を有する屈折型レンズ領域が形成されており、前記レンズ領域は前記ＤＬＣ膜を貫通する帯状領域であって、前記帯状領域の幅方向の中央を通りかつ前記ＤＬＣ膜に直交する面に近いほど屈折率が高められていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記ＤＬＣ膜は各前記マイクロレンズに対応して同心円状の複数の帯状リング領域を含み、それらの帯状リング領域は回折格子として作用するように屈折率が変調されており、前記帯状リング領域の幅は前記同心円の中心から遠いリング領域ほど狭められていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記ＤＬＣ膜は各前記マイクロレンズに対応して同心円状のｍ個のリングゾーンを含み、前記リングゾーンの各々はｎ個の前記帯状リング領域を含み、前記リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて高い屈折率を有し、前記リングゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有していることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記ＤＬＣ膜は各前記マイクロレンズに対応して互いに平行な複数の帯状領域を含み、それらの帯状領域は回折格子として作用するように屈折率が変調されており、前記帯状領域の幅は所定の帯状領域から遠い帯状領域ほど狭められていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記ＤＬＣ膜は各前記マイクロレンズに対応して互いに平行なｍ個の帯ゾーンを含み、前記帯ゾーンの各々はｎ個の前記帯状領域を含み、前記帯ゾーンの各々において前記所定の帯状領域に近い帯状領域は遠い帯状領域に比べて高い屈折率を有し、前記帯ゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状領域は互いに同じ屈折率を有していることを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
固体撮像装置であって、
アレイ状に配列された複数のフォトダイオード領域とホログラム素子を備え、
前記ホログラム素子は透光性基板上に形成された透光性ＤＬＣ膜を含み、このＤＬＣ膜には相対的に高屈折率の帯状領域と相対的に低屈折率の帯状領域とが交互に配置されており、
前記ホログラム素子は入射光をホログラムにより回折分光して異なる波長の光を前記フォトダイオードの配列に対応した周期で所定の位置に出射するカラーフィルタの機能を有していることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１１】
前記ホログラム素子は入射光をホログラムにより回折分光して青色、緑色、および赤色の光を前記フォトダイオードの配列に対応した周期で所定の位置に出射するカラーフィルタの機能を有していることを特徴とする請求項１０に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
青色光領域内の波長４７０μｍから赤色光領域内の波長６３０μｍに至るまでの波長領域において、前記入射光に関する前記ホログラム素子の回折効率の変動が４０％以下であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記ＤＬＣ膜はマイクロレンズアレイと組み合わされており、前記ＤＬＣ膜において前記高屈折率帯状領域の幅および間隔が一定に設定されており、前記マイクロレンズアレイは前記フォトダイオードの配列に対応した周期で配置された複数のマイクロレンズを含むことを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記高屈折率帯状領域の幅および間隔が前記フォトダイオードの配列に対応して周期的に変化させられており、それによって前記ホログラム素子は分光機能とマイクロレンズアレイ機能とを兼ね備えていることを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記ホログラム素子は前記ＤＬＣ膜の複数を含み、これらのＤＬＣ膜は互いに異なる波長の光に対して回折効率のピークを有していることを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
前記複数のＤＬＣ膜は第１と第２のＤＬＣ膜を含み、前記第１ＤＬＣ膜は赤色の光に対して回折効率のピークを有し、前記第２ＤＬＣ膜は青色の光に対して回折効率のピークを有していることを特徴とする請求項１５に記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
固体撮像装置であって、
アレイ状に配列された複数のフォトダイオードと、前記フォトダイオードの配列に対応した周期で配置された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、ホログラム素子とを備え、
前記マイクロレンズアレイは透光性ＤＬＣ膜を用いて形成されており、このＤＬＣ膜は各前記マイクロレンズに対応して屈折率が変調させられた領域を含み、その屈折率が変調させられた領域を光束が通過するときに集光作用を生じ、
前記ホログラム素子も透光性ＤＬＣ膜を含み、このＤＬＣ膜には相対的に高屈折率の帯状領域と相対的に低屈折率の帯状領域とが交互に配置されており、
前記ホログラム素子は入射光をホログラムにより回折分光して異なる波長の光を前記フォトダイオードの配列に対応した周期で所定の位置に出射するカラーフィルタの機能を有していることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１８】
前記低屈折率帯状領域から前記高屈折率帯状領域への境界領域において屈折率が多段階に変化させられていることを特徴とする請求項６から１７のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１９】
前記低屈折率帯状領域から前記高屈折率帯状領域への境界領域において屈折率が連続的に変化させられていることを特徴とする請求項６から１７のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項２０】
前記低屈折率帯状領域と前記高屈折率帯状領域との間の境界領域は前記ＤＬＣ膜の厚さ方向に対して傾斜させられていることを特徴とする請求項６から１７のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項２１】
請求項１から２０のいずれかの固体撮像装置を製造するための方法であって、前記ＤＬＣ膜はプラズマＣＶＤによって形成されることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【請求項２２】
前記ＤＬＣ膜中において相対的に高い屈折率を有する領域は、そのＤＬＣ膜へ紫外光照射、Ｘ線照射、シンクロトロン放射光照射、イオン照射、および電子線照射のいずれかを行うことによって形成されることを特徴とする請求項２１に記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項２３】
請求項８から１７、１９、および２０のいずれかの固体撮像装置を製造するための方法であって、前記ＤＬＣ膜中において相対的に高い屈折率を有する領域は、位相格子マスクを通過した２種の回折光の干渉によって得られる周期的な紫外光強度分布による露光によって形成されることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体撮像装置に関し、特に固体撮像装置における光学部品の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、ＣＣＤ（電荷結合素子）イメージセンサやＣＭＯＳ（相補型ＭＯＳ（金属・酸化物・半導体）トランジスタ）イメージセンサなどの固体撮像装置は、ビデオカメラ、ディジタルカメラ、スキャナなどにおいて広範に利用されている。
【０００３】
ＣＣＤイメージセンサとＣＭＯＳイメージセンサとのいずれの固体撮像装置においても、複数のフォトダイオードが１次元または２次元のアレイ状に配列されている。ＣＣＤイメージセンサでは、フォトダイオードで光電変換された電荷がＣＣＤを介して読み出されたあとに増幅される。他方、ＣＭＯＳイメージセンサでは、フォトダイオードで光電変換された電荷がＣＭＯＳトランジスタで増幅されたあとに読み出される。
【０００４】
すなわち、ＣＣＤイメージセンサでは各フォトダイオードの近傍にＣＣＤが配置され、ＣＭＯＳイメージセンサでは各フォトダイオードの近傍にＣＭＯＳトランジスタが配置されている。そして、光電変換に寄与しないそれらのＣＣＤやＣＭＯＳトランジスタは遮光膜によって覆われている。そこで、固体撮像装置においては、各フォトダイオードへの光の入射効率を高めるために、マイクロレンズアレイが利用されている。
【０００５】
図１９において、先行技術によるカラー画像用のＣＣＤイメージセンサの一例が模式的な断面図で図解されている。このカラー固体撮像装置は、シリコン基板１上で２次元のアレイ状に配列された複数のフォトダイオード２を含んでいる。赤色光透過領域、緑色光透過領域、および青色光透過領域を含む吸収型カラーフィルタ３を透過した赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、および青色光Ｂをそれぞれ受光する３つのフォトダイオード２が、一組となって一つのカラー画素を構成している。すなわち、一つのカラー画素を構成する３つのフォトダイオード２は、図１９の左右方向に周期的に配列されている。また、複数のフォトダイオード２は、図１９の紙面に直交する方向にも配列されている。
【０００６】
図１９の紙面に直交する方向に配列された複数のフォトダイオード２の列に沿って、垂直ＣＣＤとして作用する複数のレジスタ４とポリシリコンのゲート電極５とが形成されている。すなわち、光電変換によってフォトダイオード２内に発生した電荷はそのフォトダイオード２の右側または左側に隣接するレジスタ４内へトランスファーゲート（図示せず）を介して読み出され、読み出された電荷はゲート電極５による制御によって順次に隣接するレジスタ４内へ転送される。そうして垂直ＣＣＤによって順次に転送された電荷は水平ＣＣＤ（図示せず）によってさらに転送され、最終的にアンプによって増幅されて電気信号として検知される。
【０００７】
上述のような固体撮像装置の機能からして、ＣＣＤやトランスファーゲートなどの領域は、フォトダイオード２で生じた電荷に対するノイズとなる光電変換を生じさせてはならない。したがって、フォトダイオード２以外の領域は、遮光膜６によって覆われている。すなわち、固体撮像装置に入射した光７のうちで、遮光膜６によって遮られる光は検知されず、遮光膜６に開けられた開口を通してフォトダイオード２に入射した光だけが検知される。
【０００８】
そこで、入射光７のできるだけ多くの部分をフォトダイオード２内へ集光するために、カラーフィルタ３の各色領域に対応して配置された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイ８が設けられている。
【非特許文献１】米本和也著、「ＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージ・センサの基礎と応用」、２００３年初版、ＣＱ出版株式会社発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図１９に示されているような先行技術による固体撮像装置におけるマイクロレンズアレイ８は、一般にガラス板またはプラスチック板を型押しして形成される。そのような型押しによって形成されたマイクロレンズアレイ８は、相当な厚さと重さを有している。ここで、そのようなマイクロレンズアレイ８を薄膜で形成することができれば、固体撮像装置の薄型化および軽量化を図ることができるであろう。
【００１０】
また、図１９のカラー固体撮像装置に含まれる吸収型カラーフィルタ３の各色領域では、特定波長領域の光のみが透過し、他の波長領域の光は吸収されて熱となる。ここで、回折光学素子（ホログラム素子）による分光作用をカラーフィルタとして利用できれば、一つの画素に入射する光から赤色光、緑色光、および青色光の３色光を分離して取り出すことができ、カラー固体撮像装置における光の利用効率と高めることができる。
【００１１】
そこで、本発明は固体撮像装置における光学部品を改善し、それによって固体撮像装置を薄型化かつ軽量化し、さらには固体撮像装置における光の利用効率を改善することをも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一つの態様によれば、固体撮像装置は、アレイ状に配列された複数のフォトダイオード領域と、各フォトダイオード領域の周囲に存在する不透光性境界領域と、複数のフォトダイオード領域に対応してアレイ状に配列された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイとを備え、各マイクロレンズはそれに対応するフォトダイオード領域の周囲の不透光性境界領域ヘ直進しようとする入射光をその対応するフォトダイオード領域内へ集光するように作用し、マイクロレンズアレイは透光性ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を用いて形成されており、ＤＬＣ膜は各マイクロレンズに対応して屈折率が変調させられた領域を含み、その屈折率が変調させられた領域を光束が通過するときに集光作用を生じることを特徴としている。
【００１３】
なお、ＤＬＣ膜の一主面側において各マイクロレンズに対応して相対的に高い屈折率を有する屈折型レンズ領域を形成することができ、そのレンズ領域は一主面と概略球面の一部に相当する界面とに囲まれた凸レンズの形状を有することができる。また、その屈折型レンズ領域は、ＤＬＣ膜の一主面とその主面に対して平行な中心軸を有する概略円柱面の一部に相当する界面とに囲まれた柱状凸レンズの形状を有することもできる。
【００１４】
屈折型レンズ領域はＤＬＣ膜を貫通する概略円柱形状に形成することももでき、その場合には、その円柱形状の中心軸がＤＬＣ膜に直交していて、その中心軸に近いほど屈折率が高められている。屈折型レンズ領域はＤＬＣ膜を貫通する帯状領域に形成することもでき、その場合には、その帯状領域の幅方向の中央を通りかつＤＬＣ膜に直交する面に近いほど屈折率が高められている。
【００１５】
ＤＬＣ膜は各マイクロレンズに対応して同心円状の複数の帯状リング領域を含むこともでき、その場合には、それらの帯状リング領域は回折格子として作用するように屈折率が変調されており、帯状リング領域の幅は同心円の中心から遠いリング領域ほど狭められている。この場合、ＤＬＣ膜は各マイクロレンズに対応して同心円状のｍ個のリングゾーンを含み、リングゾーンの各々はｎ個の帯状リング領域を含み、リングゾーンの各々において内側の帯状リング領域は外側の帯状リング領域に比べて高い屈折率を有し、リングゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状リング領域は互いに同じ屈折率を有していることが好ましい。
【００１６】
ＤＬＣ膜は各マイクロレンズに対応して互いに平行な複数の帯状領域を含むこともでき、その場合には、それらの帯状領域は回折格子として作用するように屈折率が変調されており、帯状領域の幅は所定の帯状領域から遠い帯状領域ほど狭められている。この場合には、ＤＬＣ膜は各マイクロレンズに対応して互いに平行なｍ個の帯ゾーンを含み、帯ゾーンの各々はｎ個の帯状領域を含み、帯ゾーンの各々において所定の帯状領域に近い帯状領域は遠い帯状領域に比べて高い屈折率を有し、帯ゾーンのそれぞれにおいて互いに対応する帯状領域は互いに同じ屈折率を有していることが好ましい。
【００１７】
本発明の他の態様によれば、固体撮像装置は、アレイ状に配列された複数のフォトダイオード領域とホログラム素子を備え、そのホログラム素子は透光性基板上に形成された透光性ＤＬＣ膜を含み、このＤＬＣ膜には相対的に高屈折率の帯状領域と相対的に低屈折率の帯状領域とが交互に配置されており、ホログラム素子は入射光をホログラムにより回折分光して異なる波長の光をフォトダイオードの配列に対応した周期で所定の位置に出射するカラーフィルタの機能を有していることを特徴としている。
【００１８】
なお、そのＤＬＣホログラム素子は入射光を回折分光して、青色、緑色、および赤色の光をフォトダイオードの配列に対応した周期で所定の位置に出射するカラーフィルタの機能を有し得る。また、青色光領域内の波長４７０μｍから赤色光領域内の波長６３０μｍに至るまでの波長領域において、入射光に関するホロＤＬＣグラム素子の回折効率の変動は４０％以下であり得る。
【００１９】
ホログラム素子のＤＬＣ膜はマイクロレンズアレイと組み合わせることができ、その場合に、ＤＬＣ膜において高屈折率帯状領域の幅および間隔が一定に設定され得て、マイクロレンズアレイはフォトダイオードの配列に対応した周期で配置された複数のマイクロレンズを含むことができる。高屈折率帯状領域の幅および間隔がフォトダイオードの配列に対応して周期的に変化させられてもよく、それによってホログラム素子は分光機能とマイクロレンズアレイ機能とを兼ね備えることもできる。
【００２０】
ホログラム素子はＤＬＣ膜の複数を含むこともでき、これらのＤＬＣ膜は互いに異なる波長の光に対して回折効率のピークを有し得る。その場合に、複数のＤＬＣ膜は第１と第２のＤＬＣ膜を含むことができ、第１ＤＬＣ膜は赤色の光に対して回折効率のピークを有し、第２ＤＬＣ膜は青色の光に対して回折効率のピークを有していることが好ましい。
【００２１】
本発明のさらに他の態様によれば、固体撮像装置は、アレイ状に配列された複数のフォトダイオードと、それらのフォトダイオードの配列に対応した周期で配置された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、ホログラム素子とを備え、マイクロレンズアレイは透光性ＤＬＣ膜を用いて形成されており、このＤＬＣ膜は各マイクロレンズに対応して屈折率が変調させられた領域を含み、その屈折率が変調させられた領域を光束が通過するときに集光作用を生じ、ホログラム素子も透光性ＤＬＣ膜を含み、このＤＬＣ膜には相対的に高屈折率の帯状領域と相対的に低屈折率の帯状領域とが交互に配置されており、ホログラム素子は入射光を回折分光して異なる波長の光をフォトダイオードの配列に対応した周期で所定の位置に出射するカラーフィルタの機能を有していることを特徴としている。
【００２２】
上述のＤＬＣ膜における低屈折率帯状領域から高屈折率帯状領域への境界領域において屈折率が多段階に変化させられていることが好ましい。ＤＬＣ膜における低屈折率帯状領域から高屈折率帯状領域への境界領域において、屈折率が連続的に変化させられていることも好ましい。ＤＬＣ膜における低屈折率帯状領域と高屈折率帯状領域との境界領域は、ＤＬＣ膜の厚さ方向に対して傾斜させられていてもよい。
【００２３】
上述のような固体撮像装置を製造するための方法において、ＤＬＣ膜はプラズマＣＶＤによって好ましく形成され得る。また、ＤＬＣ膜中において相対的に高い屈折率を有する領域は、そのＤＬＣ膜へ紫外光照射、Ｘ線照射、シンクロトロン放射光照射、イオン照射、および電子線照射のいずれかを行うことによって形成され得る。さらに、固体撮像装置を製造する方法において、ＤＬＣ膜中で相対的に高い屈折率を有する領域は、位相格子マスクを通過した２種の回折光の干渉によって得られる周期的な紫外光強度分布による露光によって形成することもできる。
【発明の効果】
【００２４】
以上のような本発明によれば、固体撮像装置における光学部品を改善し、それによって固体撮像装置を薄型化かつ軽量化し、さらには撮像装置における光の利用効率を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、本発明の一実施形態による固体撮像装置を模式的な断面図で図解している。この図１の固体撮像装置は、図１９の先行技術によるものに比べて、透光性のダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜内に形成されたマイクロレンズアレイ８ａを含んでいることのみにおいて異なっている。このようにＤＬＣ膜内に形成されたマイクロレンズアレイ８ａを含む固体撮像装置は、従来の固体撮像装置に比べて、薄型化および軽量化することができる。
【００２６】
まず、図１の固体撮像装置に必要とされるマイクロレンズアレイを透光性ＤＬＣ層内に形成することに関して、本発明者らは、ＤＬＣ膜にエネルギビームを照射することによってその屈折率を高めることができることを確認している。そのようなＤＬＣ膜は、シリコン基板、ガラス基板、ポリマ基板、およびその他の種々の基体上にプラズマＣＶＤ（化学気相堆積）によって形成することができる。そのようなプラズマＣＶＤによって得られる透光性ＤＬＣ膜は、通常は１．５５程度の屈折率を有している。
【００２７】
ＤＬＣ膜の屈折率を高めるためのエネルギビームとしては、紫外線（ＵＶ）、Ｘ線、シンクロトロン放射（ＳＲ）光、イオンビーム、電子ビームなどを用いることができる。なお、ＳＲ光は、一般に紫外光からＸ線までの広い波長範囲の電磁波を含んでいる。
【００２８】
たとえば、Ｈｅイオンを８００ｋｅＶの加速電圧の下で５×１０17／ｃｍ2のドース量で注入することによって、屈折率変化量をΔｎ＝０．６５程度まで高めることができる。なお、Ｈ、Ｌｉ、Ｂ、Ｃなどのイオンの注入によっても、同様に屈折率を高めることができる。また、０．１〜１３０ｎｍのスペクトルを有するＳＲ光を照射することによっても、屈折率変化量を最大でΔｎ＝０．６５程度まで高めることができる。さらに、ＵＶ光照射では、たとえば波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光をパルス当たり１６０ｍＷ／ｍｍ2の照射密度にて１００Ｈｚの周期でパルス照射すれば、屈折率変化量をΔｎ＝０．２２程度まで高めることができる。なお、ＡｒＦ（１９３ｎｍ）、ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）、ＸｅＦ（３５１ｎｍ）などのエキシマレーザ光やＡｒレーザ光（４８８ｎｍ）の照射によっても、同様に屈折率を高めることができる。これらのＤＬＣ膜のエネルギビーム照射による屈折率変化量は、従来の石英系ガラスのＵＶ光照射による屈折率変化量（Δｎ＝０．０１以下程度）に比べて顕著に大きいことが分かる。
【００２９】
図５において、ＤＬＣ膜を用いて屈折型マイクロレンズアレイを作製する方法が、模式的な断面図で図解されている。
【００３０】
図５（ａ）において、ＤＬＣ膜２１上にマスク層２２が形成される。マスク層２２としては、エネルギビーム２３の透過を制限し得る機能を有する種々の材料を用いることができる。たとえば、マスク層に対するエネルギビームの透過量の設計に応じて最適化されるように、金、クロム、ニッケル、アルミ、タングステンなどから選択することができる。このマスク層２２はアレイ状に配列された微小な凹部２２ａを有している。それらの凹部２２ａの各々は、概略球面の一部または概略円柱面（この円柱面の中心軸は図の紙面に直交）の一部からなる底面を有している。それらの凹部２２ａのアレイを含むマスク層２２を介して、エネルギビーム２３がＤＬＣ膜２１に照射される。
【００３１】
図５（ｂ）において、エネルギビーム２３の照射後にマスク層２２を除去することによって、ＤＬＣ膜２１中に形成されたマイクロレンズアレイ２１ａが得られる。すなわち、エネルギビーム２３の照射によって、マスク層２２の凹部２２ａのアレイに対応して、ＤＬＣ膜２１内において高屈折率領域２１ａのアレイが形成されている。このとき、マスク層２２の凹部２２ａは球面状または円柱面状の底面を有しているので、凹部２１ａの中央から周縁に向かうにしたがってマスク層の厚さが増大している。すなわち、エネルギビーム２３は、凹部２２ａの周縁部に比べて中央部において透過しやすいことになる。したがって、高屈折率領域２１ａの深さは、その中央部において深くて周縁部において浅い球面状凸レンズまたは円柱面状凸レンズの形状を有している。その結果、それらの高屈折率領域２１ａの各々が、そのまま一つのマイクロレンズとして作用し得る。
【００３２】
なお、図５（ａ）に示されているようなエネルギビーム２３によってマイクロレンズアレイを作製する場合、概略球面状または概略円柱面状の凹部２２ａの深さを調節することによって、図５（ｂ）のマイクロレンズ２１ａの厚さを調節することができ、すなわちその焦点距離を調節することができる。また、凹部２２ａの深さを変化させなくても、照射するエネルギビーム２３の透過能を変化させることによってもマイクロレンズ２１ａの焦点距離を調節することができる。たとえば、エネルギビーム２３としてＨｅイオンビームを用いる場合、そのイオンの加速エネルギを高めて透過能を高めることによって、マイクロレンズ２１ａの焦点距離を短くすることができる。また、ＤＬＣ膜に対するエネルギビーム２３のドース量が高いほど屈折率変化Δｎが大きくなるので、そのドース量を調節することによってもマイクロレンズ２１ａの焦点距離を調節することも可能である。
【００３３】
図５（ｃ）は、他の形態のマイクロレンズアレイを模式的な断面図で示している。このマイクロレンズ２１ｂは、ＤＬＣ膜２１を貫通する円柱状または帯状領域を有している。マイクロレンズ２１ｂが円柱状である場合、その中心軸２１ｃはＤＬＣ膜２１の厚さ方向に平行であり、中心軸２１ｃに近いほど屈折率が高くされている。マイクロレンズ２１ｂが帯状である場合、その幅方向の中心を通る中心面（図の紙面に直交）２１ｃはＤＬＣ膜２１の厚さ方向に平行であり、中心面２１ｃに近いほど屈折率が高くされている。
【００３４】
図５（ｃ）のマイクロレンズアレイも、図５（ａ）に類似の方法によって形成され得る。すなわち、マスク層２２の薄い領域およびＤＬＣ膜２１を貫通し得る高いエネルギのビーム２３を照射することによって、中心線または中心面２１ｃに近い領域ほど高いドース量でそのエネルギビームが照射されることになって屈折率がより高められることになる。
【００３５】
図５（ａ）に示されているような概略球面状または概略円柱面状の底面を有する凹部２２ａを含むマスク層２２は、種々の方法によって作製することができる。たとえば、ＤＬＣ膜２１上に均一な厚さのマスク層２２を形成し、その上にアレイ状に配列された微小な穴または平行に配列された線状の開口を有するレジスト層を形成する。そして、そのレジスト層の微小な穴または線状の開口から等方的エッチングを行なうことによって、その微小な穴の下のマスク層２２内に概略半球状または概略半円柱状の凹部２２ａを形成することができる。
【００３６】
図５（ａ）に示されているような概略球面状または概略円柱面状の底面を有する凹部２２ａを含むマスク層２２は、図６の模式的な断面図に図解されているような方法で作製され得る刻印型を用いて簡便に作製することもできる。
【００３７】
図６（ａ）において、たとえばシリカの基板３１上にレジストパターン３２が形成される。このレジストパターン３２は、基板３１上でアレイ状に配列された複数の微小な円形領域上または平行に配列された複数の細い帯状領域上に形成されている。
【００３８】
図６（ｂ）において、レジストパターン３２が加熱溶融させられ、各微小円形領域上または細い帯状領域上で溶融したレジスト３２は、その表面張力によって概略球面状または概略円柱面状の凸レンズ形状３２ａになる。
【００３９】
図６（ｃ）において、概略凸レンズ状のレジスト３２ｂとともにシリカ基板３１ａをＲＩＥすれば、レジスト３２ｂの径または幅がＲＩＥで縮小しながらシリカ基板３１ａがエッチングされる。
【００４０】
その結果、図６（ｄ）に示されているように、概略球面状または概略円柱面状の凸部３１ｂが配列されたシリカの刻印型３１ｃが最終的に得られる。なお、凸部３１ｂの高さは、図６（ｃ）におけるレジスト３２ｂのエッチング速度とシリカ基板３１ａのエッチング速度との比率を調節することによって調節することができる。
【００４１】
こうして得られた刻印型３１ｃは、図５（ａ）に示されているような凹部２２ａを含むマスク層２２の作製に好ましく用いられ得る。すなわち、たとえばマスク層２２が金材料で形成されている場合、金は展延性に富んでいるので、その金マスク層２２に刻印型３１ｃで刻印することによって、簡便に凹部２２ａを形成することができる。また、刻印型３１ｃは一度作製すれば繰り返し使用可能であるので、エッチングによってマスク層２２中の凹部２２ａを形成する場合に比べて遥かに簡便かつ低コストで凹部２２ａを形成することを可能にする。
【００４２】
上述のような本実施形態による屈折型マイクロレンズアレイは、従来のガラス基板またはプラスチック基板に押し型を用いて形成されたマイクロレンズアレイに比べて、遥かに薄いＤＬＣ膜中に形成することができる。しかし、ＤＬＣ膜を用いた屈折型マイクロレンズであっても、次に述べる回折型マイクロレンズに比べれば厚いＤＬＣ膜を要し、１０μｍから２０μｍ程度以上の厚さを要する。
【００４３】
すなわち、マイクロレンズとしては従来から屈折型マイクロレンズが主に用いられているが、近年では光学装置のサイズ、重量、コストなどを低減させる観点から、回折型のマイクロレンズが注目されている。回折型マイクロレンズは、光の回折現象を利用してレンズ機能を生じさせるものである。回折型マイクロレンズは、レリーフ型（または膜厚変調型）マイクロレンズと屈折率変調型マイクロレンズに大別される。レリーフ型マイクロレンズでは、典型的には透光性基板の表面に同心円状の複数の微細なリング状溝が形成されており、それらの溝の深さ（すなわち基板の厚さ）が周期的に変化させられた構造を有している。他方、屈折率変調型マイクロレンズは、典型的には平板状基板が同心円状の複数の微細な帯状リング領域に分けられており、それらの領域の屈折率が周期的に変化させられた構造を有している。
【００４４】
透光性基板の厚さの周期的変化や屈折率の周期的変化は、その基板を通過する光の位相を周期的に変化させ、回折格子と同様に光の回折効果を生じさせる。そして、回折格子の格子ピッチが小さくなるにしたがって、回折格子を通過する光の回折角が大きくなる。したがって、同心円の中心から周縁に至るにしたがって同心円状回折格子のピッチを減少させることによって、その回折格子を通過する光を凸レンズのように集光することができる。
【００４５】
図７は、公知のレリーフ型マイクロレンズの作製方法の一例を模式的な断面図で図解している（「マイクロレンズ（アレイ）の超精密加工と量産化技術」、技術情報協会出版、２００３年４月２８日、第２０−２１頁、および第７１−８１頁参照）。また、図８は、図７の作製方法において用いられる露光マスクを模式的な平面図で示しており、周知のフレネルゾーンプレートに類似のパターンを有している。
【００４６】
図７（ａ）において、Ｓｉ基板１１上にポジ型フォトレジスト層１２を形成し、第１のフォトマスク１３を介して紫外光１４ａが照射される。この第１のフォトマスク１３は、図８（ａ）に示されているような同心円状の帯状リングパターンを有し、リング間のピッチは同心円の中心から周縁に向かうにつれて減少させられている。なお、図８（ａ）においては図面の明瞭化と簡略化のためにわずかに２つの透光リングが示されているが、実際にはさらに多くのリングが含まれ得ることは言うまでもない。
【００４７】
図７（ｂ）において、露光されたレジスト層１２を現像して第１のレジストパターン１２ａが形成される。そして、その第１レジストパターン１２ａをマスクとして、矢印１４ｂで表された反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって、所定深さの帯状溝リングが形成される。
【００４８】
図７（ｃ）において、第１レジストパターン１２ａを除去することによって、バイナリレベル（光の位相を２段階に変調）のレリーフ型マイクロレンズ１１ａが得られる。なお、帯状溝リングの幅と深さは、２レベルまたは多レベルのレリーフ型マイクロレンズのそれぞれに応じて最も良好な回折効率が得られるように設定される。
【００４９】
図７（ｄ）から（ｆ）は、図７（ａ）から（ｃ）と同様な工程に続いて４レベルのレリーフ型マイクロレンズを作製する工程を図解している。
【００５０】
図７（ｄ）において、図７（ｃ）までと同様の工程で形成されたＳｉ基板１１ａの上面にさらに第２のレジスト層１５を形成し、第２のマスク１６を介して紫外光１４ｃを照射する。図８（ｂ）は、この第２マスク１６を模式的平面図で示している。図８（ａ）と（ｂ）から分かるように、第２マスク１６は第１マスク１３に比べて２倍の本数の帯状透光リングを有している。換言すれば、第２マスクの帯状透光リングおよび帯状不透光リングは、第１マスクの帯状透光リングおよび帯状不透光リングに比べて約１／２の幅を有している。
【００５１】
図７（ｅ）において、露光された第２レジスト層１５を現像して同図に示されているような第２のレジストパターン１５ａが形成される。そして、その第２レジストパターン１５ａをマスクとして、矢印１４ｄで表されているＲＩＥによって、さらに所定深さまでのエッチングが行なわれる。
【００５２】
図７（ｆ）において、第２レジストパターン１５ａを除去して、４レベルの位相変化を生じ得るレリーフ型マイクロレンズ１１ｂが得られる。なお、２レベルの回折型レンズに比べて、多レベルの回折型レンズでは高い回折効率が得られ、より高い集光効率が得られる。また、上述のようなフォトリソグラフィとＲＩＥの工程をＮ回繰り返すことによって、２Ｎレベルのレリーフ型マイクロレンズを作製することができる。ただし、理論上は無限数レベルの回折レンズで１００％の回折効率が得られることになるが、作製工程数と費用が増大するので、実際上は９５％の回折効率が得られる８レベルの回折型レンズで十分であろう（上述の工程をＮ＝３回繰り返すことで作製可能）。
【００５３】
回折型マイクロレンズに関して、レリーフ型マイクロレンズでは、透光性基板にエッチングで溝を彫らなければならないので、その基板はそれなりの厚さを要する。また、エッチングによって彫る溝の深さを正確に調節することが容易ではない。さらに、レリーフ型マイクロレンズはその表面に微細な凹凸を有するので、埃や汚れが付着しやすいという問題もある。
【００５４】
他方、回折型マイクロレンズを屈折率変調型マイクロレンズとして作製することは一般に困難である。なぜならば、たとえば石英系ガラスに紫外光のようなエネルギビームを照射することによって屈折率を高め得ることが知られているが、その場合の屈折率変化Δｎは０．０１以下程度に小さいからである。ところが、前述のようにＤＬＣ膜を用いればエネルギビーム照射によって屈折率変化Δｎを大きく高めることができるので、屈折率変調型マイクロレンズを簡便に作製することができる。
【００５５】
図９（ａ）の模式的な平面図と図９（ｂ）の模式的な断面図において、ＤＬＣ膜を用いて形成された回折型マイクロレンズが図解されている。回折型マイクロレンズは屈折型マイクロレンズに比べて薄く作製することが可能であり、１〜２μｍ程度の厚さのＤＬＣ薄膜中に回折型マイクロレンズを作製することができる。この回折型マイクロレンズ４０は、同心円状の複数の帯状リング領域Ｒｍｎを含んでいる。ここで、符号Ｒｍｎは、第ｍ番目のリングゾーン中の第ｎ番目の帯状リング領域を表すとともに、同心円の中心からその帯状リング領域の外周までの半径をも表すものとする。それらの帯状リング領域Ｒｍｎは、同心円の中心から遠いものほど、減少させられた幅を有している。
【００５６】
互いに隣接する帯状リング領域Ｒｍｎは、互いに異なる屈折率を有している。図９の回折型マイクロレンズは、それが２レベルの回折型レンズである場合には、ｎ＝２番目までの帯状リング領域を含むリングゾーンをｍ＝３番目まで含んでいることになる。そして、同じリングゾーン中では、外側に比べて内側の帯状リング領域の方が高い屈折率を有している。
【００５７】
このことから類推されるであろうように、４レベルの回折型レンズでは、一つのリングゾーンがｎ＝４番目までの帯状リング領域を含み、この場合にも同じリングゾーン中では同心円の中心に近い帯状リング領域ほど高い屈折率を有している。すなわち、一つのリングゾーン中で内周側から外周側に向かって４段階の屈折率変化が形成されている。そして、そのような４段階の屈折率変化の周期がリングゾーンごとにｍ回繰り返されることになる。
【００５８】
なお、帯状リング領域Ｒｍｎの外周半径は、スカラー近似を含む回折理論から次式（１）にしたがって設定することができる。この式（１）において、Ｌはレンズの回折レベルを表し、λは光の波長を表し、そしてｆはレンズの焦点距離を表している。また、最大の屈折率変化量Δｎは、最大の位相変調振幅Δφ＝２π（Ｌ−１）／Ｌを生じさせ得るものでなければならない。
【００５９】
【数１】
2007109801.tif 000003
【００６０】
図１０の模式的な断面図において、図９に示されているような２レベルの回折型マイクロレンズの作製方法の一例が図解されている。
【００６１】
図１０（ａ）において、ＤＬＣ膜４１上に、たとえばＮｉの導電層４２が周知のＥＢ（電子ビーム）蒸着法によって形成される。このＮｉ導電層４２上には図９中のｎ＝１に対応する帯状リング領域Ｒｍｎ（ｍ＝１〜３）を覆うようにレジストパターン４３が形成される。そのレジストパターン４３の開口部に、電気めっきによって金マスク４４が形成される。
【００６２】
図１０（ｂ）において、レジストパターン４３が除去されて、金マスク４４が残される。そして、その金マスク４４の開口部を通して、エネルギビーム４５がＤＬＣ膜４１に照射される。その結果、エネルギビーム４５に照射された帯状リング領域Ｒｍ１の屈折率が高められ、エネルギビーム４５がマスクされた帯状リング領域Ｒｍ２は当初のＤＬＣ膜の屈折率を維持している。すなわち、図９に示されているような２レベルの回折型マイクロレンズが得られる。なお、エネルギビーム照射後の金マスクは、シアン系のエッチング液に室温で数分程度浸漬することによって溶解されて除去される。
【００６３】
なお、図１０の例ではＤＬＣ膜ごとにその上にマスク層が形成されるが、図１３（ａ）に示されているような独立のマスクの開口部と遮蔽部とを逆にしたマスクを用いてＤＬＣ膜にエネルギビーム照射してもよい。また、図８（ｂ）に示されているようなマスクの開口部と遮蔽部とを逆にした独立のマスクを用いてＤＬＣ膜にさらにエネルギビーム照射することによって、４レベルの回折型マイクロレンズが形成され得ることが理解されよう。この場合に、ＤＬＣ膜にエネルギビーム照射して回折型マイクロレンズを形成する方法は、図７に図解されたレリーフ型マイクロレンズの作製方法にくらべて、顕著に簡略であることも理解されよう。
【００６４】
さらに、図６（ｄ）に示されているような刻印型の代わりに、図７（ｆ）に示めされているような形状を有する刻印型を用いてＤＬＣ膜上の金マスク層に刻印し、その刻印された金マスク層を介してエネルギビーム照射することによって、一回のエネルギビーム照射で多レベルの回折型マイクロレンズを作製することも可能である。
【００６５】
さらにまた、回折型マイクロレンズに関する上述の実施形態では屈折型レンズの球面状凸レンズに対応する回折型マイクロレンズが説明されたが、本発明は屈折型レンズの柱面状凸レンズに対応する回折型マイクロレンズにも同様に適用し得ることが理解されよう。その場合には、屈折率変調された同心円状の複数の帯状リング領域の代わりに、屈折率変調された互いに平行な複数の帯状領域を形成すればよい。この場合、たとえば図９（ｂ）の断面図において、屈折率変調された互いに平行な複数の帯状領域は、その図の紙面に対して垂直に伸びていることになる。また、その場合において、図１０（ｂ）中の金マスク４４もその図の紙面に対して垂直に伸びていればよい。
【００６６】
図１１では、ＤＬＣ膜を用いて回折型マイクロレンズを作製するさらに他の方法が、模式的な断面図で図解されている。この方法では、屈折型レンズの柱面状凸レンズに対応する回折型マイクロレンズが作製され得る。なお図１１においては、図面の簡略化と明瞭化のために、ガラス製のレリーフ型位相格子マスク（回折格子）の格子ピッチが一定にされている。
【００６７】
図１１の作製方法においては、たとえば厚さ１００μｍのスペーサ８６を介して、ガラス製のレリーフ型位相格子マスク８４がＤＬＣ膜８２に対して近接配置される。この状態で、たとえばＫｒＦレーザ光（波長２４８ｎｍ）８５を１６ｍｗ／ｍｍ2のエネルギ密度で１時間照射することによって、回折型マイクロレンズを作製することができる。このとき、位相格子マスク８４からの＋１次回折光と−１次回折光との干渉光に露光される領域８２ｂの屈折率が高められる。他方、その干渉光よって露光されない領域８２ａの屈折率は、成膜されたままの状態に維持される。
【００６８】
この場合、＋１次回折光と−１次回折光との干渉光は、レリーフ型位相格子マスク８４の凹凸周期の１／２の周期で現れる。したがって、ＤＬＣ膜中の所望の高屈折率領域８２ｂの周期に比べて２倍の凹凸周期で形成されたレリーフ型位相格子マスク８４を用いることができる。また、高屈折率領域８２ｂの幅の中央おけるほど、干渉光の強度が高くなる。したがって、ＤＬＣ膜８２において、低屈折率領域８２ａと高屈折率領域８２ｂとの界面近傍において屈折率が連続的に変化し、高い回折効率を得ることができる。なお、望まれる場合には、レリーフ型位相格子マスク８４の代わりに、クロム膜、酸化クロム膜、アルミ膜などをパターニングして得られる振幅型位相格子マスクを用いることもできる。
【００６９】
また、図１１における回折型マイクロレンズの作製方法では高屈折率領域と低屈折率領域との間の境界領域が膜厚方向に平行な場合が例示されているが、望まれる場合には、その境界領域を膜厚方向に対して傾斜させてもよい。そのためには、図１１の作製方法において、紫外光８５をＤＬＣ膜面に対して斜め方向に入射させて、０次回折光と＋１次回折光または−１次回折光との干渉光による露光を利用すればよい。ただし、０次回折光と＋１次回折光または−１次回折光との干渉光は、位相格子マスク８４の凹凸周期と同じ周期で現れる。したがって、ＤＬＣ膜中の所望の高屈折率領域８２ｂの周期に比べて同じ周期の凹凸で形成された位相格子マスク８４を用いなければならない。
【００７０】
図２は、本発明の他の実施形態によるカラー固体撮像装置を模式的な断面図で図解している。この図２のカラー固体撮像装置は、図１９の先行技術によるものに比べて、ＤＬＣ膜内に形成された回折型カラーフィルタ３ａを含んでいることにおいて顕著に異なっている。
【００７１】
図２のカラー固体撮像装置において自然光７がホログラムカラーフィルタ３ａに入射すれば、その光は波長に依存して異なる角度で回折され、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、および青色光Ｂに分光される。これらの分光された光は、ホログラムカラーフィルタ３ａに隣接して配置されたマイクロレンズ８ｂによって、その焦点面に波長毎に分離されて集光させられる。すなわち、赤色光Ｒは画素中の赤色受光フォトダイオードに、緑色光Ｇは緑色受光フォトダイオードに、そして青色光Ｂは青色受光フォトダイオードにそれぞれ回折集光するように、カラーフィルタ３ａが構成配置される。
【００７２】
このようなカラー固体撮像装置においては、ホログラムカラーフィルタ３ａとして、集光性を有しなくて回折効率の波長依存性が少ない透過型ホログラムを利用するので、ホログラムカラーフィルタ３ａをマイクロレンズ８ｂの配列周期と位置合わせする必要がない。また、図１９の場合のように各色受光フォトダイオードごとに対応して１個のマイクロレンズを配置する場合に比べて、３つのフォトダイオードを含む１カラー画素ごとに対応して１個のマイクロレンズ８ｂを配置するのでその配列周期が３倍になり、マイクロレンズアレイが作りやすくかつ整列させやすくなる。
【００７３】
図１２のグラフは、屈折率変調型ホログラム膜における屈折率変化Δｎが回折効率に及ぼす影響に関する計算機シミュレーション結果を例示している。このグラフにおいて、横軸は光の波長（μｍ）を表し、縦軸は回折効率を表している。そして、黒丸印で表された曲線は回折効率を表している。
【００７４】
ＤＬＣ膜を用いた屈折率変調型ホログラム膜に関する図１２において、Δｎが０．５、膜厚が２．１μｍ、低屈折率領域の幅に対する高屈折率領域の幅の比率であるデューティ比が０．５、光入射角が５０度、そして高屈折率領域と低屈折率領域の周期が３２６ｎｍに設定された。ここで、ＤＬＣ膜の厚さが薄く設定され得るのは、Δｎが大きい場合には膜厚が小さくても十分な回折効率が得られるからである。
【００７５】
図１２から分かるように、ＤＬＣ膜によるホログラム膜では、７０％以上の回折効率を得ることが容易であり、しかも同一の入射角において良好な回折効率が得られる波長範囲が非常に広い。そして、ＤＬＣ膜によるホログラム膜では、たとえば青色光領域内の波長４７０μｍから赤色光領域内の波長６３０μｍに至るまでの波長領域において、入射光に関する回折効率の変動を４０％以下にすることが容易であり、３０％以下にすることもできる。このことは、Ｂ光、Ｇ光、およびＲ光を同一の入射角で照射した場合に、ＤＬＣ膜によるホログラム膜では３色光をほぼ同等な効率で回折させ得ることを意味している。
【００７６】
図１０に類似した図１３においても、ＤＬＣ膜を用いたホログラム膜の作製方法の一例が模式的に図解されている。この図１３のＤＬＣホログラム膜の作製方法においては、例えばシリカ（ＳｉＯ2）ガラス基板２０上にプラズマＣＶＤによってＤＬＣ膜２１が形成される。そして、シリカガラス基板２４ａ上に形成されたマスク２５ａがそのＤＬＣ膜２１上に重ねられる。マスク２５ａは種々の材料で形成され得るが、金（Ａｕ）膜がより好ましく用いられ得る。なぜならば、金は高精度に加工しやすく、エネルギビームの遮蔽性にも優れ、酸化や腐食による問題を生じることもないからである。この金マスク２５ａは、たとえば以下のようにして作製され得る。
【００７７】
まず、周知のスパッタリング法またはＥＢ（電子ビーム）蒸着法によって、ガラス基板上に厚さ約０．５μｍの金膜が堆積され、その上にレジスト層が塗布される。このレジスト層は、ステッパ露光を利用してパターン化される。そのレジストパターンを介してドライエッチングすることによって、金膜がパターン化される。そして、レジストパターンを除去することによって、金マスクパターンが得られる。
【００７８】
これに代わり得る他の方法においては、まずスパッタリング法またはＥＢ蒸着法によって、ガラス基板上に約５０ｎｍ以下の厚さのＮｉ導電層が堆積され、その上にレジストパターンが形成される。このレジストパターンを介してＮｉ層上に厚さ約０．５μｍの金膜を電気めっきによって堆積してレジストを除去することによって、金マスクが形成され得る。
【００７９】
以上のいずれの方法で形成される金マスクも、ホログラム作用のための回折格子パターンに対応したパターンを有している。
【００８０】
図１３に示されているように、金膜のマスク２５ａがＤＬＣ膜２１上に重ねられた状態で、上方からＵＶ光２６ａがＤＬＣ膜２１に照射される。その結果、ＤＬＣ膜２１中で、金マスク２５ａによって覆われてＵＶ光２６ａの照射を受けなかった領域は屈折率の変化を生じなくて、プラズマＣＶＤによって堆積されたままの屈折率ｎ1を維持している。他方、ＤＬＣ膜２１中で、金マスク２５ａによって覆われていなくてＵＶ光２６ａの照射を受けた領域は屈折率変化を生じて、その屈折率がｎ2へ高められる。ＵＶ光照射後には、シリカガラス基板２４ａと金マスク２５ａをＤＬＣホログラム膜２１から取り外す。こうして得られたＤＬＣホログラム膜２１は、ｎ1とｎ2との２値の屈折率を含んでおり、２レベルの屈折率変調型回折格子として作用する。なお、屈折率差Δｎを大きくし得るＤＬＣホログラム膜においては、前述のように回折効率の波長依存性を小さくすることができる。
【００８１】
図１４では、ＤＬＣ膜を用いてホログラム膜を作製する他の方法が、模式的な断面図で図解されている。この図１４においては、図１３と同様な方法で形成されたｎ1とｎ2との２レベルの屈折率変調を含むＤＬＣホログラム膜２１上に、シリカガラス基板２４ａ上の第２の金マスク２５ｂがさらに重ねられる。そして、その状態において再度のＵＶ光照射２６ｂが行われる。
【００８２】
このとき、第２の金マスク２５ｂは、図１３の過程で形成されたＤＬＣホログラム膜中の高屈折率ｎ2の領域内の選択された領域のみにＵＶ光を照射するための開口を有している。したがって、ＵＶ光２６ｂの照射後においては、比較的高い屈折率ｎ2の領域内の選択された領域の屈折率がさらに高いｎ3に高められる。すなわち、図１４において作製されたＤＬＣホログラム膜２１は、ｎ1、ｎ2、およびｎ3の３レベルの屈折率変調を含む回折格子として作用する。
【００８３】
このように、部分的に修正されたパターンを有するマスクを順次用いながらＤＬＣ膜にＵＶ光照射を繰り返して行うことによって、所望の多レベルの屈折率変調を含むＤＬＣホログラム膜を得ることができる。そして、周知のように２レベルの屈折率変調型回折格子に比べて多レベルの屈折率変調型回折格子は高い回折効率を生じ得るので、光の利用効率がさらに改善され得る。
【００８４】
図１５では、ＤＬＣ膜を用いてホログラム膜を作製するさらに他の方法が、模式的な断面図で図解されている。この作製方法においては、シリカガラス基板（図示せず）上のＤＬＣ膜２１上に金マスク３４が形成される。この金マスク２４ａも電子ビーム描画で形成することができ、所定のホログラム（回折格子）パターンを有している。
【００８５】
ここで、帯状金膜３４に特徴的なことは、その上面が半円柱状面に形成されていることである。このような半円柱状面は、例えばエッチングまたはナノインプリント（型転写）にて形成することができる。
【００８６】
そのように形成された金マスク３４を介して、例えばＨｅのイオン３５がＤＬＣ膜２１に照射される。このとき、各帯状金膜３４が半円柱状の上面を有しているので、各帯状金膜３４の側面近傍では一部のＨｅイオンがそのマスクを透過することができ、その透過ＨｅイオンがＤＬＣ膜２１内に侵入し得る。その結果、図１５のＤＬＣ膜２１中においては、低屈折率領域２１ａと高屈折率領域２１ｂとの界面近傍において、屈折率が連続的に変化することになる。なお、イオンビーム照射によってＤＬＣ膜の屈折率を変調した後に、金用のシアン系エッチング液に室温で数分程度浸漬することによって、金マスク３４が溶解除去され得る。
【００８７】
前述のように、多レベルの屈折率変調型回折格子においては、そのレベル数を高めるほど回折効率が改善される。そして、屈折率が連続的に変化させられている屈折率変調型回折格子は、屈折率変調レベルを無限大にしたことに相当している。すなわち、図１５において得られるＤＬＣホログラム膜は、図１４の場合に比べて、さらに改善された回折効率を有し、光の利用効率をさらに改善することができる。
【００８８】
なお、カラーフィルタ機能を有するＤＬＣホログラム膜は、図１１に示された方法によっても作製し得ることは言うまでもない。
【００８９】
図１６は、ITE Technical Report Vol.20, 1996, pp.69-72に開示されたホログラムカラーフィルタを模式的に図解する断面図である。このホログラムカラーフィルタは、赤色光、緑色光、および青色光における強度バランスを改善するために、２つのホログラム膜７１、７２を含んでいる。
【００９０】
一般に、ホログラム膜においては、そのホログラム膜によって最も回折されやすい光の波長が存在する。すなわち、ホログラム膜は特定波長の光に対して最も高い回折効率を有し、その特定波長からの波長差が大きくなるにしたがって回折効率が低下する傾向にある。特に、前述のように、屈折率変調型のホログラム膜中の屈折率差Δｎが小さい場合に、このような回折効率の波長依存性が顕著になる傾向にある。たとえば、フォトポリマのホログラム膜におけるように屈折率差がΔｎ＝０．０４以下に小さい場合には、回折効率の波長依存性が小さなホログラム膜を得ることが困難である。
【００９１】
したがって、ホログラム膜によって自然光から赤色光、緑色光、および青色光を分光する場合、そのホログラム膜は、赤色光、緑色光、および青色光のうちで中間の波長域に相当する緑色光において最も高い回折効率が得られるように設計される。このように設計されたホログラム膜は緑色光に比べて赤色光と青色光に対して低い回折効率を有し、そのホログラム膜によって分光された赤色光と青色光は緑色光に比べて低い強度を有することになる。
【００９２】
図１６のホログラムカラーフィルタは、このような波長に依存する回折効率の不均一性の問題を改善してカラー固体撮像装置の色バランスを改善するために、２つのホログラム膜７１、７２を含むことができる。第１のホログラム膜７１は或る特定波長λの光に対してη1の回折効率を有し、第２のホログラム膜７２はその波長λの光に対してη2の回折効率を有している。ここで、入射光の全てが回折される場合に回折効率１とし、入射光の全てが回折されずに透過する場合に回折効率０とする。
【００９３】
特定波長λを有する強度１の入射光が第１ホログラム膜７１を通過すれば、その透過光と回折光との強度比率は（１−η1）：η1となる。第１ホログラム膜７１を通過した透過光が第２ホログラム膜７２を通過すれば、透過光（元の入射光の方向に平行）とその回折光（第１ホログラム膜７１による回折方向に平行）との強度比率は（１−η1）（１−η2）：η2（１−η1）となる。第１ホログラム膜７１を通過した回折光が第２ホログラム膜７２を通過すれば、その回折光（元の入射光の方向に平行）と透過光（第１ホログラム膜７１による回折方向に平行）との強度比率はη1η2：η1（１−η2）となる。したがって、２枚のホログラム膜７１、７２を通過した回折方向の光の強度は、η2（１−η1）＋η1（１−η2）＝η1＋η2−２η1η2となる。
【００９４】
図１７は、図１６に示されているような２枚のホログラム膜を含むホログラムカラーフィルタに関する計算機シミュレーション結果の一例を示している。すなわち、図１７のグラフにおいて、横軸は光の波長（ｎｍ）を表し、縦軸はホログラム膜の回折効率を表している。
【００９５】
曲線ａは、単一のホログラム膜からなるホログラムカラーフィルタの回折効率の一例を示している。この単一のホログラム膜ａは、赤色光と青色光との中間の波長に相当する緑色光において回折効率が最大になるように設計されている。したがって、自然光がホログラム膜ａによって分光された後においては、緑色光に比べて赤色光と青色光の強度が低くなる傾向にある。
【００９６】
他方、ホログラム膜ｂは赤色光において回折効率が最大になるように設計されており、ホログラム膜ｃは青色光において回折効率が最大になるように設計されている。そして、これらの２枚のホログラム膜ｂ、ｃを含むホログラムカラーフィルタは、曲線ｄで示されているような合成回折効率を有することになる。すなわち、ホログラムカラーフィルタｄは緑色光に比べて赤色光と青色光において高い回折効率を有しており、回折効率の２つのピークを有することから２ピークホログラムカラーフィルタと称されることもある。
【００９７】
図３は、本発明のさらに他の実施形態によるカラー固体撮像装置を模式的な断面図で図解している。この図３の固体撮像装置は、図１９の先行技術によるものに比べて、吸収型カラーフィルタ３がＤＬＣ膜の回折型カラーフィルタ３ａに置き換えられ、かつマイクロレンズ８がＤＬＣ膜で形成されたマイクロレンズ８ａに置き換えられていることのみにおいて異なっている。すなわち、図３のカラー固体撮像装置は、図１および図２のカラー固体撮像装置の双方における利点を兼ね備えている。
【００９８】
図４は、本発明のさらに他の実施形態によるカラー固体撮像装置を模式的な断面図で図解している。この図４の固体撮像装置は、図１９の先行技術によるものに比べて、吸収型カラーフィルタ３とマイクロレンズ８が回折型カラーフィルタ作用と回折型マイクロレンズ作用とを兼ね備えたＤＬＣ膜のホログラム素子９に置き換えられていることのみにおいて異なっている。
【００９９】
図１８は、分光機能とマイクロレンズアレイ機能とを併有する公知のホログラム（回折格子）の一例を示す模式的平面図である。この回折格子は、ガラス基板６１上に形成された格子パターンを含んでいる。その格子パターンは互いに平行な複数の帯状領域６２を含み、それらの帯状領域６２は例えば金属クロム（Ｃｒ）膜で形成することができる。もちろんＣｒ膜６２は非透光性であって、光は複数の帯状Ｃｒ膜６２の間のみを透過する。
【０１００】
すなわち、複数の平行な帯状Ｃｒ膜領域６２が回折格子として作用し、光は帯状Ｃｒ膜６２の長手方向に直交する方向に回折される。その際に、周知のように回折角には波長依存性があるので、Ｒ、Ｇ、およびＢの光は互いに異なる回折角で回折されることになり、自然光をカラー分離することできる。
【０１０１】
さらに、図１８の回折格子において特徴的なことは、帯状Ｃｒ膜領域６２の幅と間隔が周期的に変化させられていることである。これは、回折格子にマイクロレンズアレイ作用を生じさせるためである。すなわち、波長が同じである場合に、周知のように回折格子の間隔が小さくなるにしたがって回折角が大きくなるので、回折格子の間隔を徐々に変化させることによってレンズ作用を生じさせることができるのである。
【０１０２】
なお、図１８の回折格子においては、前述のように光は帯状Ｃｒ膜６２の長手方向に直交する方向のみに回折されるので、レンズ作用もその方向のみにおいて生じ、すなわち線状のフォーカスを有する柱状レンズのように作用する。ただし、望まれる場合には、周知のフレネルゾーンプレートに類似の回折格子を利用することによって、点状のフォーカスを有する円形状レンズまたは正方形状レンズの作用を生じさせ得ることは言うまでもない。
【０１０３】
図１８の回折格子は互いに平行な複数の柱状マイクロレンズを含んでいるかのように作用し、矢印６３で示された領域が一つの柱状マイクロレンズとして作用する。一つの柱状マイクロレンズ領域６３内では、右側に比べて左側において帯状Ｃｒ膜６２の幅と間隔が減少させられている。すなわち、図１８の回折格子においては、帯状Ｃｒ膜６２の幅と間隔が、柱状マイクロレンズ領域６３ごとに周期的に変化させられている。なお、図１８に示されているような回折格子構造は、チャープ構造と称されることもある。
【０１０４】
ところで、図１８のような回折格子をそのまま適用した場合、帯状Ｃｒ膜６２は光を透過しないので、入射光の利用効率が低くなる。また、図１８の回折格子においては、帯状Ｃｒ膜領域６２のピッチが非常に小さい。例えば領域６３内の中央部において、そのピッチは約０．５μｍ以下である。したがって、図１８のような回折格子は電子ビーム描画を利用して作製しなければならず、工業的量産には適していない。
【０１０５】
そこで、図４のカラー固体撮像装置においては、ＤＬＣ膜中にチャープ構造が形成されていてマイクロレンズ作用とカラーフィルタ作用を併有するホログラム膜９が使用される。ここで、ＤＬＣホログラム膜９と図１８の回折格子とを比較すれば、図１８の回折格子においてはＣｒ膜６２によって遮蔽された光は回折光として利用することができなくて光の利用効率が低くなるのに対して、ＤＬＣホログラム膜９においては低屈折率ｎ1と高屈折率ｎ2のいずれの領域を通過する光も回折光として利用することができて光の利用効率が高くなる。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
以上のように、本発明によれば、固体撮像装置における光学部品を改善し、それによって固体撮像装置を薄型化かつ軽量化し、さらには撮像装置における光の利用効率を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の一実施形態による固体撮像装置を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態によるカラー固体撮像装置を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明のさらに他の実施形態によるカラー固体撮像装置を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施形態によるカラー固体撮像装置を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明による固体撮像装置に使用され得る屈折型マイクロレンズアレイの作製方法を図解する模式的な断面図である。
【図６】図５の屈折型マイクロレンズアレイの作製方法において使用し得る刻印型の形成方法を図解する模式的断面図である。
【図７】レリーフ型の回折型マイクロレンズの作製方法を図解する模式的な断面図である。
【図８】図７のレリーフ型マイクロレンズの作製方法に使用されるマスクを示す模式的な平面図である。
【図９】（ａ）は本発明による透光型表示パネルに使用され得る回折型マイクロレンズを図解する模式的な平面図であり、（ｂ）はそれに対応する断面図である。
【図１０】図９の回折型マイクロレンズの作製方法の一例を図解する模式的な断面図である。
【図１１】本発明による回折型マイクロレンズの作製方法の他の例を図解する模式的な断面図である。
【図１２】ＤＬＣ膜中に形成された屈折率変調型回折格子における回折効率の波長依存性を示すグラフである。
【図１３】ＤＬＣホログラム膜の作製方法の一例を図解する模式的断面図である。
【図１４】ＤＬＣホログラム膜の作製方法の他の例を図解する模式的断面図である。
【図１５】ＤＬＣホログラム膜の作製方法のさらに他の例を図解する模式的断面図である。
【図１６】２層のホログラムカラーフィルタを図解する模式的断面図である。
【図１７】図１６のホログラムカラーフィルタにおける回折効率の波長依存性を模式的に示すグラフである。
【図１８】波長分離機能とマイクロレンズ機能とを併有する回折格子の一例を示す模式的平面図である。
【図１９】先行技術によるカラー固体撮像装置の一例を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１  シリコン基板、２  フォトダイオード、３  吸収型カラーフィルタ、３ａ  ＤＬＣ膜に形成された回折型カラーフィルタ、４  レジスタ、５  ゲート電極、６  遮光膜、７  入射光、８  マイクロレンズアレイ、８ａ  ＤＬＣ膜に形成されたマイクロレンズアレイ、８ｂ  マイクロレンズアレイ、９  マイクロレンズ機能とカラーフィルタ機能を併有するＤＬＣホログラム膜。
【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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