(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の主面上に２次元状に配列形成された光電変換部を有する固体撮像素子と、
前記固体撮像素子上に設けられており、所定間隙をおいて２次元状に配列形成された透光性を有する材料からなる導光部及び該導光部の間に設けられた吸光部を有する導光膜と、を備え、
前記導光膜の前記導光部の光軸は、前記固体撮像素子の前記主面と平行でなく且つ垂直でない所定の角度で傾斜している撮像装置。
【請求項２】
前記固体撮像素子と前記導光膜との間に設けられたマイクロレンズを備え、前記マイクロレンズは、前記固体撮像素子の平坦化層の上に設けられている請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
半導体基板の主面上に２次元状に配列形成された光電変換部を有する固体撮像素子と、
前記固体撮像素子上に設けられており、所定間隙をおいて２次元状に配列形成された透光性を有する材料からなる導光部及び該導光部の間に設けられた吸光部を有する導光膜と、
前記固体撮像素子と前記導光膜との間に設けられたマイクロレンズと、を備え、
前記マイクロレンズは、前記固体撮像素子の平坦化層の上に設けられている撮像装置。
【請求項４】
前記導光膜の前記導光部は、前記固体撮像素子の前記光電変換部に対応して設けられている請求項１〜３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項５】
前記導光膜の厚みは１μｍ〜１００μｍである請求項１〜４のいずれかに記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は撮像装置に関し、より詳細には指紋などのように測定対象物の表面に存在する凹凸パターンを検出するのに好適な撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかる撮像装置として、例えば特開平７−１７４９４７号公報（以下、文献１という）には、複数の光ファイバを一体化してなるファイバ光学プレートと、ＣＣＤ（電荷結合素子）イメージセンサなどの固体撮像素子とを接合してなる指紋検出装置が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した文献１に開示の撮像装置では、固体撮像素子にファイバ光学プレートを接合して構成されていたため、装置全体としての重量が重たく、また薄型化も十分でなかった。
【０００４】
そこで本発明は、軽量、薄型でかつ撮像特性に優れた撮像装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る撮像装置は、半導体基板の主面上に２次元状に配列形成された光電変換部を有する固体撮像素子と、固体撮像素子上に設けられており、所定間隙をおいて２次元状に配列形成された透光性を有する材料からなる導光部及び該導光部の間に設けられた吸光部を有する導光膜と、を備える。
【０００６】
この撮像装置では、導光膜に入射した光は、導光部に案内され固体撮像素子の光電変換部に受光される。このように、ファイバ光学プレートと比べて非常に薄い導光膜により、指向性を持って固体撮像素子に光を案内して受光させることができるため、良好な画像が得られると共に、撮像装置の軽量化、薄型化が図られる。
【０００７】
本発明に係る撮像装置では、導光膜の導光部の光軸は、固体撮像素子の主面と平行でなく且つ垂直でない所定の角度で傾斜している。このように導光部の光軸を傾斜させることで、空気中から導光部に直接入射する光の影響を低減することができる。
【０００８】
また本発明に係る撮像装置では、導光膜の導光部は、固体撮像素子の光電変換部に対応して設けられていてもよい。このようにすれば、導光部に案内された光がそれぞれ光電変換部に受光される。
【０００９】
また本発明に係る撮像装置では、固体撮像素子と導光膜との間にはマイクロレンズが設けられていてもよい。マイクロレンズは、固体撮像素子の平坦化層の上に設けられていてもよい。このようにすれば、導光部に案内されて固体撮像素子に受光される光の利用効率が高まり、よりコントラストの高い良好な画像を得ることが可能となる。
【００１０】
また本発明に係る撮像装置では、導光膜の厚みは１μｍ〜１００μｍであると好ましい。このようにすれば、導光膜の厚みは非常に薄く、撮像装置の軽量化、薄型化がより一層図られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明に係る撮像装置の好適な実施形態について説明する。なお、図面において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る撮像装置としての指紋検出装置の構成を示す図である。図１に示すように、指紋検出装置１０は、固体撮像素子１１と導光膜２１とを備えている。
【００１３】
固体撮像素子１１は、半導体基板の主面上に２次元状に配列形成された光電変換部を有している。かかる固体撮像素子としては、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどが挙げられる。本実施形態では、固体撮像素子としてインターライン転送方式ＣＣＤイメージセンサ（ＩＴＣＣＤ）について説明する。
【００１４】
固体撮像素子１１としてのＩＴＣＣＤでは、半導体基板１２の主面１３上に光電変換部１４が２次元状に配列形成されている。光電変換部１４それぞれの間には、該光電変換部１４に蓄積された信号電荷を垂直方向及び水平方向に転送する垂直ＣＣＤ１５及び水平ＣＣＤ（図示しない）が形成されており、その上部には遮光膜１６が設けられている。これにより、遮光膜１６の間を通り光電変換部１４で受光された光は、光電変換されて信号電荷として蓄積される。そして、この信号電荷が垂直ＣＣＤ１５及び水平ＣＣＤ（図示しない）により転送され、図示しない出力部から画像処理系に向けて出力される。
【００１５】
この固体撮像素子１１では、遮光膜１６の上に保護膜１７が設けられている。そして、この保護膜１７や光電変換部１４の上から半導体基板１２の主面１３の全面に、透明樹脂により平坦化層１８が形成されている。
【００１６】
導光膜２１は、固体撮像素子１１の平坦化層１８上に設けられている。この導光膜２１は、所定間隙をおいて２次元状に配列形成された導光部２２と導光部２２同士の隙間を埋めるように設けられた吸光部２３とを有している。導光膜２１の厚みは１μｍ〜１００μｍ程度であり、互いに略平行な光入射面２４と光出射面２５とを有している。
【００１７】
導光部２２は、透光性を有する材料から形成されている。ここで、「透光性」とは、可視光及び近赤外光領域における透光性を意味する。かかる透光性を有する材料としては、例えばアクリル酸エステル系ポリマー等の樹脂、ホウ素リン・シリケートガラス（ＢＰＳＧ）等のガラスが挙げられる。この導光部２２の屈折率は１．４６〜１．５８程度が好ましい。一方、吸光部２３は、光を吸収する部材、例えば黒色フィルタなどから形成されている。この黒色フィルタは、例えば黒色に染色されたゼラチン薄膜、黒色のポリイミドなどから形成することができる。この吸光部２３は、導光部２２に入射した光が導光部２２の外部へ進行すると光を吸収し、隣接する導光部２２への導光を抑制する。なお、吸光部２３の可視光領域における透過率は、０．１％以下であると好ましい。
【００１８】
ここで、導光部２２の光軸と固体撮像素子１１の主面１３とのなす傾斜角θ１は、主面１３と平行でなく垂直でない所定の角度θ１を有すると好ましい。より好ましくは、傾斜角θ１は、空気中から導光部２２に入射した光が、直接固体撮像素子１１の光電変換部１４に受光されないような角度に設定されていると好ましい。例えば、導光部２２の屈折率が１．５のときは、傾斜角θ１を４８．１°以下の角度に設定すると好ましい。このようにすれば、空気中から導光部２２へ入射した光が導光膜２１の光出射面２５から出射されることなく、光入斜面２４に接触した物を通じて導光部２２へ入射された光のみが光出射面２５から出射されることとなり、不要な光による影響を抑えて撮像特性の向上が図られる。
【００１９】
この指紋検出装置１０では、導光膜２１の導光部２２は固体撮像素子１１の光電変換部１４と対応するように設けられており、導光部２２のピッチと光電変換部１４のピッチは３μｍ〜２５μｍで一致している。ただし、必ずしも一致の必要はない。
【００２０】
次に、上記した構成の指紋検出装置１０の製造方法の一例について説明する。
【００２１】
まず図２（ａ）に示すように、固体撮像素子１１を準備する。固体撮像素子１１の主面１３が平坦化されていないときは、透明樹脂材料により平坦化を行う。次に、図２（ｂ）に示すように、無色のゼラチンを用いてゼラチン薄膜３１を固体撮像素子１１の平坦化層１８上に形成する。ゼラチン薄膜３１の厚みは、１μｍ〜１００μｍ程度が好ましい。
【００２２】
次に、図３（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いてゼラチン薄膜３１のパターニングを行い、導光部２２を形成すべき部分のゼラチン薄膜３１を所望の傾斜角θ１で除去する。そして、図３（ｂ）に示すように、残存するゼラチン薄膜３１を酸性染料を用いて黒色に染色し、吸光部２３を形成する。このとき、酸性染料のｐHを調節して染色の度合いを調整する。
【００２３】
その後、図３（ｂ）に示す吸光部２３の間にアクリル酸エステル系ポリマーなどの透明樹脂を埋め込み、導光部２２を形成する。このようにして、図１に示すように、固体撮像素子１１の上に導光部２２と吸光部２３とを有する導光膜２１が形成された指紋検出装置１０の製造を終了する。
【００２４】
なお、予め黒色のレジストを用いて固体撮像素子１１の平坦化層１３上に黒色のレジスト膜を形成し、これをパターニングすることで吸光部２３を形成するようにしてもよい。
【００２５】
次に、本実施形態に係る指紋検出装置１０の作用及び効果について説明する。
【００２６】
本実施形態に係る指紋検出装置１０では、導光膜２１に入射した光は、導光部２２に案内され固体撮像素子１１の光電変換部１４に受光される。このように、ファイバ光学プレートと比べて非常に薄い導光膜２１により、指向性を持って固体撮像素子１１に光を案内して受光させることができる。これにより、良好な画像が得られると共に、装置の軽量化、薄型化を図ることが可能となる。
【００２７】
また、本実施形態に係る指紋検出装置１０では、高価なファイバ光学プレートを使用することがないため、製造コストの抑制を図ることが可能となる。
【００２８】
また、本実施形態に係る指紋検出装置１０では、固体撮像素子１１と導光膜２１とを一体化して製造することができるため、接着工程が省け製造作業の効率化が図られると共に、指紋検出装置１０の取り扱いが容易になる。
【００２９】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る撮像装置としての指紋検出装置について説明する。なお、第１実施形態に係る指紋検出装置と同一の要素には同一の符号を附し、重複する説明を省略する。
【００３０】
図４は、第２実施形態に係る撮像装置としての指紋検出装置の構成を示す図である。図４に示すように、指紋検出装置１０は、固体撮像素子１１と導光膜４１とを備えている。固体撮像素子１１は、第１実施形態において説明したものと同じ構成のものであり、説明を省略する。
【００３１】
導光膜４１は、固体撮像素子１１の平坦化層１８上に設けられている。この導光膜４１は、所定間隙をおいて２次元状に配列形成された導光部４２と導光部４２同士の隙間を埋めるように設けられた吸光部４３とを有している。導光膜４１の厚みは１μｍ〜１００μｍ程度であり、互いに略平行な光入射面４４と光出射面４５とを有している。
【００３２】
導光部４２は、透光性を有する材料から形成されている。ここで、「透光性」とは、可視光及び赤外光領域における透光性を意味する。かかる透光性を有する材料としては、例えばアクリル酸エステル系ポリマー等の樹脂、ホウ素リン・シリケートガラス（ＢＰＳＧ）等のガラスが挙げられる。この導光部４２の屈折率は１．４６〜１．５８程度が好ましい。一方、吸光部４３は、吸光体４６と透光体４７とが交互に積層されて形成されている。吸光体４３は、光を吸収する部材、例えば黒色フィルタなどから形成されている。この黒色フィルタは、例えば黒色に染色されたゼラチン薄膜、黒色のポリイミドなどから形成することができる。透光体４７は、導光部４２と同じ透光性を有する樹脂から形成することができる。
【００３３】
この吸光部４３は、導光部４２に入射した光が導光部４２の外部へ進行すると光を吸収し、隣接する導光部４２への導光を抑制する。なお、吸光部４３の吸光体４６の可視光領域における透過率は、０．１％以下であると好ましい。
【００３４】
ここで、導光部４２の光軸と固体撮像素子１１の主面１３とのなす傾斜角θ１は、主面１３と平行でなく垂直でない所定の角度θ１を有すると好ましい。より好ましくは、傾斜角θ１は、空気中から導光部４２に入射した光が、直接固体撮像素子１１の光電変換部１４に受光されないような角度に設定されていると好ましい。例えば、導光部４２の屈折率が１．５のときは、傾斜角θ１を４８．１°以下の角度に設定すると好ましい。このようにすれば、空気中から導光部４２へ入射した光が導光膜４２の光出射面４５から出射されることなく、光入射面４４に接触した物を通じて導光部４２へ入射された光のみが光出射面４５から出射されることとなり、不要な光による影響を抑えて撮像特性の向上が図られる。
【００３５】
この指紋検出装置１０では、導光膜４１の導光部４２は固体撮像素子１１の光電変換部１４と対応するように設けられており、導光部４２のピッチと光電変換部２４のピッチは３μｍ〜２５μｍで一致している。ただし、必ずしも一致の必要はない。
【００３６】
次に、上記した構成の指紋検出装置１０の製造方法の一例について説明する。
【００３７】
まず図５（ａ）に示すように、固体撮像素子１１を準備する。固体撮像素子１１の主面が平坦化されていないときは、透明樹脂材料により平坦化を行う。次に、図５（ｂ）に示すように、予め黒色のレジストを用いて固体撮像素子１１の平坦化層１８上に黒色のレジスト膜５１を形成する。レジスト膜５１の厚みは、１μｍ〜３０μｍ程度が好ましい。
【００３８】
次に、図５（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いてレジスト膜５１のパターニングを行い、導光部４２を形成すべき部分のレジスト膜５１を除去し、下段の吸光体４６を形成する。次に、図６（ａ）に示すように、吸光体４６の上から平坦化層１８の全面にアクリル酸エステル系ポリマーなどの透明樹脂を塗布する。透明樹脂５２の厚みは、平坦化層１８上面から１μｍ〜５０μｍ程度が好ましい。
【００３９】
さらに、図６（ｂ）に示すように、塗布された透明樹脂５２の上に予め黒色のレジストを用いてレジスト膜５３を形成する。このレジスト膜５３の厚みは、１μｍ〜３０μｍ程度が好ましい。そして、図７（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いてレジスト膜５３のパターニングを行い、導光部４２を形成すべき部分のレジスト膜５３を除去して上段の吸光体４６を形成する。このとき、上段の吸光体４６は、下段の吸光体４６と比べて所定量だけ位相をずらして形成する。位相のずれ量は、後述する導光部４２と半導体基板１２の主面１３とのなす角度が、所定の傾斜角θ１となるように設定する。
【００４０】
最後に、上段の吸光体４６の上から全面にアクリル酸エステル系ポリマーなどの透明樹脂５４を塗布する。このようにして、導光部４２と吸光部４３とを有する導光膜４１が固体撮像素子１１の上に形成された指紋検出装置１０の製造を終了する。
【００４１】
なお、第１実施形態と同様に無色のゼラチンを用いてゼラチン薄膜を形成し、これをパターニングして除去した後、黒色に染色することで吸光体４６を形成するようにしてもよい。
【００４２】
次に、本実施形態に係る指紋検出装置１０の作用及び効果について説明する。
【００４３】
本実施形態に係る指紋検出装置１０では、導光膜４１に入射した光は、導光部４２に案内され固体撮像素子１１の光電変換部１４に受光される。このように、ファイバ光学プレートと比べて非常に薄い導光膜４１により、指向性を持って固体撮像素子１１に光を案内して受光させることができる。これにより、良好な画像が得られると共に、装置の軽量化、薄型化を図ることが可能となる。
【００４４】
特に、本実施形態に係る指紋検出装置１０では、複数の層を積み上げて形成することで導光部４２が長く形成されているため、その分、導光膜４１の光出射面４５から出射される光の指向性が高められ、より鮮明な画像を得ることが可能となる。
【００４５】
また、本実施形態に係る指紋検出装置１０では、高価なファイバ光学プレートを使用することがないため、製造コストの抑制を図ることが可能となる。
【００４６】
また、本実施形態に係る指紋検出装置１０では、固体撮像素子１１と導光膜４１とを一体化して製造することができるため、製造作業の効率化が図られると共に、指紋検出装置１０の取り扱いが容易になる。
【００４７】
なお、本実施形態に係る指紋検出装置１０では、吸光部４３の吸光体４６の積層段数は２段に限られず、３段以上積層してもよい。このようにすれば、導光部４２をより長く形成することができるため、その分、導光膜４１の光出射面４５から出射される光の指向性が高められ、より鮮明な画像を得ることが可能となる。
【００４８】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る撮像装置としての指紋検出装置について説明する。なお、第１実施形態に係る指紋検出装置と同一の要素には同一の符号を附し、重複する説明を省略する。
【００４９】
図８は、第３実施形態に係る撮像装置としての指紋検出装置の構成を示す図である。図８に示すように、指紋検出装置１０は、固体撮像素子１１と導光膜２１と、これら固体撮像素子１１と導光膜２１との間に設けられたマイクロレンズ６１とを備えている。固体撮像素子１１及び導光膜２１は、第１実施形態において説明したものと同じ構成のものであり、説明を省略する。
【００５０】
マイクロレンズ６１は、固体撮像素子１１の平坦化層１８の上に設けられている。マイクロレンズ６１のピッチと光電変換部１４のピッチは、３μｍ〜２５μｍで一致している。マイクロレンズ６１上には、透明樹脂により平坦化層６２が形成されている。そして、この平坦化層６２の上に、導光膜２１が形成されている。なお、導光膜２１は第２実施形態で説明した構成を用いてもよい。
【００５１】
本実施形態に係る指紋検出装置１０は、第１実施形態に係る指紋検出装置と同様の作用効果を奏し得ると共に、特に、マイクロレンズ６１を備えることで、導光膜２１の導光部２２に案内されて固体撮像素子１１に受光される光の利用効率が高まり、よりコントラストの高い良好な画像を得ることが可能となる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、軽量、薄型でかつ撮像特性に優れた撮像装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る撮像装置としての指紋検出装置の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る指紋検出装置の製造工程を示す図である。
【図３】第１実施形態に係る指紋検出装置の製造工程を示す図である。
【図４】第２実施形態に係る撮像装置としての指紋検出装置の構成を示す図である。
【図５】第２実施形態に係る指紋検出装置の製造工程を示す図である。
【図６】第２実施形態に係る指紋検出装置の製造工程を示す図である。
【図７】第２実施形態に係る指紋検出装置の製造工程を示す図である。
【図８】第３実施形態に係る撮像装置としての指紋検出装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０…指紋検出装置、１１…固体撮像素子、１２…半導体基板、１３…主面、１４…光電変換部、２１…導光膜、２２…導光部、２３…吸光部、４１…導光膜、４２…導光部、４３…吸光部、４６…吸光体、４７…透光体、６１…マイクロレンズ。
【図１】
0003954373.tif 000002
【図２】
0003954373.tif 000003
【図３】
0003954373.tif 000004
【図４】
0003954373.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0003954373.tif 000008
【図８】
0003954373.tif 000009