专利名称：聚光元件、固体摄像器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及使用于数码摄像机等的聚光元件、固体摄像器件及其制造方法，特别涉及具有同心结构的透光膜的聚光元件。
背景技术：
随着数码摄像机及带摄像机的便携电话的普及，固体摄像器件的市场显著扩大。在这样的趋势中，对固体摄像器件的期望向更高灵敏度化/高像素密度化变化，但是，近年来随着数码静止摄像机/便携电话等的薄型化，对摄像机部分的薄型化的期望也变得强烈。换言之，用于摄像机部分的透镜成为短焦距，意味着射入固体摄像器件的光成为广角(从固体摄像器件的入射面的垂直轴测量而较大的角度)。
目前，在作为固体摄像元件广泛使用的CCD及MOS图像传感器中，将具有多个受光部分的半导体集成电路2维排列，将来自被摄体的光信号转换为电信号。
固体摄像元件的灵敏度由相对于入射光量的受光元件的输出电流的大小定义，所以可靠地将入射的光导入受光元件成为用于提高灵敏度的重要的要素。
图4是表示以往的一般的像素的基本结构的一例的图。如图4所示，垂直射入微透镜61的光(用虚线表示的光)59由对应于红色光(R)、绿色光(G)、蓝色光(B)中的任一光的滤色片2进行色分离后，在受光部6中进行向电信号的转换。该微透镜61由于得到较高的聚光效率，所以几乎在所有的固体摄像器件中使用。
在使用上述微透镜的固体摄像器件中，有相对于各像素非对称地配置透镜的结构例的方案(例如参照专利文献1)。在该专利文献1中，记载了能够将斜入射光导入传感器部的实施例。
此外，作为利用了菲涅尔透镜的固体摄像器件，公开了各种技术(例如参照专利文献2及3)。
专利文献2公开的技术中，透镜由同心圆状地具有不同的折射率的多个层构成，构成为中心部的折射率较高、而折射率随着成为周边部依次减少。此外，专利文献3公开的技术中，利用厚度分布型透镜、和通过掺杂而具有连续的折射率分布的梯度折射率型透镜。
专利文献1日本特开2001-196568号公报专利文献2日本特开2000-39503号公报专利文献3日本特开平5-251673号公报今后，为了开发对应于广角入射的固体摄像器件，需要将以特定的角度入射的光可靠地向受光元件导入。
但是，在微透镜中，聚光效率取决于信号光的入射角度而降低。即，如图4所示，对于垂直地入射到微透镜61的光59能够高效率地聚光，但对于斜向入射的光(由实线表示的光)60，聚光效率降低。这是因为，斜向入射的光60被像素中的Al布线3遮挡而不能到达受光元件6。
如上所述，固体摄像器件由于由多个像素的2维排列构成，所以在具有扩散角的入射光的情况下，在中央的像素与周边的像素中入射角不同(参照图1)。其结果，发生周边的像素的聚光效率比中央低的问题。
图2是表示以往的周边的像素的结构例的图。在周边的像素中，由于入射光的入射角度增大，所以通过使电布线部分向固体摄像器件的中心方向错开(缩小)，来实现聚光效率的提高。
图3是表示使用以往的微透镜的固体摄像器件的聚光效率的入射角度依存性的图。如图3所示，可知对于入射角度为20°左右以内的光能够高效率地聚光。但是，如果入射角度成为其以上，则效率急剧地降低。作为结果，周边像素的光量为中央部分的约40％左右、元件整体的灵敏度被周边元件的灵敏度局限是现状。此外，由于该值随着像素尺寸的减少而进一步降低，所以应用于小型摄像机那样的短焦距光学系统非常困难。进而，在制造工序中，产生不能进一步缩小电路的问题。
进而，在固体摄像器件的表面具有菲涅尔透镜形状等的微小的阶差形状的情况下，特别是在制造时产生切割加工的灰尘堆积成微小的阶差形状等的问题。
此外，在固体摄像器件的表面具有菲涅尔透镜形状等的微小的阶差形状的情况下，不能在聚光元件的上部设置滤色片。
发明内容
因此，本发明是鉴于上述课题而做出的，为了实现也能够对应于薄型摄像机用的焦距短的光学系统(入射角θ较大的光学系统)的固体摄像器件，其目的是提供一种可以对角度比现有的微透镜高的入射光进行聚光的光学元件结构，而且不发生灰尘堆积等的问题的结构。
为了解决上述课题，本发明涉及的聚光元件具备由折射率不同的多个透光膜构成的集合体，其特征在于，上述集合体中的一个透光膜具有与入射光的波长相同程度或比其短的宽度及预定厚度的同心形状；上述集合体中的其它透光膜以同心状填充不存在上述一个透光膜的空间的全部或一部分。
由此，能够实现可以通过改变一个透光膜的线宽及其配置密度而使有效折射率变化的梯度折射率型的聚光元件。进而，能够继承以往的半导体工艺来制造微小的梯度折射率透镜。
此外，上述聚光元件的特征在于，上述一个透光膜被上述其它透光膜埋入。由此，能够防止聚光元件的上表面的灰尘的堆积。
此外，其特征在于，上述聚光元件中的上述集合体的光学中心偏心。进而，上述集光元件的特征在于，在设上述入射光的入射角度为θ、预定的常数为A及B的情况下，取决于上述集合体中的面内方向的距离x的上述相位调制Φ(x)大致满足Φ(x)＝Ax2+Bxsinθ+2mπ(m自然数)。
由此，能够容易地控制以特定的角度入射的光的传播方向，可以在任意的位置对入射光进行聚光。
此外，也可以将上述聚光元件构成为，使上述一个透光膜的折射率与上述其它透光膜的折射率的差为0.1以上。由此，能够实现能够改变有效折射率的梯度折射率型聚光元件。
此外，其特征在于，上述聚光元件的上述一个透光膜的折射率为1.45以上且3.4以下。通过这样使用高折射率材料，能够减薄透光膜的膜厚，能够使制造工艺变得容易。
此外，也可以将上述聚光元件构成为，使上述一个透光膜的折射率比上述其它透光膜的折射率大，或者构成为，使上述一个透光膜的折射率比上述其它透光膜的折射率小。
此外，在上述聚光元件中，其特征在于，构成上述一个透光膜或上述其它透光膜的透光材料是空气。由此，能够使折射率分布的动态范围变大，能够提高透镜的聚光性。
此外，在上述聚光元件中，其特征在于，上述一个透光膜或上述其它透光膜还是在垂直方向上由折射率不同的多个透光材料构成的多层结构。由此，增加了折射率分布的层次，能够形成高效率的梯度折射率透镜。
此外，在上述聚光元件中，其特征在于，上述一个透光膜或上述其它透光膜根据上述入射光的波长或上述入射光的代表光的波长而使构成该一个透光膜或该其它透光膜的透光材料的种类或其排列不同。由此，能够根据入射光的波长而使各像素的透镜结构最优化，能够消除由颜色引起的聚光效率的差异。
此外，在上述聚光元件中，其特征在于，上述一个透光膜或上述其它透光膜根据对上述入射光设定的焦距而使构成该一个透光膜或该其它透光膜的透光材料的种类或其排列不同。由此，能够改变入射光的焦距，所以能够进行适于各像素结构的透镜设计。
此外，在上述聚光元件中，其特征在于，在设上述入射光的入射角度为θ、该集合体的折射率与入射侧介质的折射率的差分的最大值为Δnmax、预定的常数为A、B及C的情况下，在设取决于上述集合体中的面内方向的距离x的、上述集合体的折射率与入射侧的介质的折射率的差分为Δn(x)时，上述集合体大致满足Δn(x)＝Δnmax[(Ax2+Bxsinθ)/2π+C](A、B、C常数)。
由此，能够将以特定的角度入射的光在任意的位置聚光，能够形成高聚光效率的梯度折射率透镜。
此外，在上述聚光元件中，也可以构成为，在设上述集合体的厚度为L、设上述入射光的波长为λ的情况下，大致满足ΔnmaxL＝λ。
由此，上述梯度折射率透镜的最大相位调制成为入射光的1相位量，聚光损失变为最小，所以能够进行高效率的聚光。
此外，上述聚光元件的特征在于，上述一个透光膜或上述其它透光膜的法线方向的截面形状是矩形。由此，能够实现符合设计的高精度的折射率变化，能够构成高灵敏度的固体摄像器件。
此外，在上述聚光元件中，其特征在于，上述一个透光膜或上述其它透光膜由直径与上述入射光的波长相同程度、或者直径比该波长小的透光材料构成。由此，通过改变相邻的上述透光材料的粒径，能够改变有效折射率，而容易地形成梯度折射率元件。
此外，在上述聚光元件中，其特征在于，上述一个透光膜包含TiO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5、Si3N4及Si2N3中的任一种。由于这些是高折射率材料，所以能够减薄透光膜的膜厚，能够使制造工艺变得容易。
此外，在上述聚光元件中，其特征在于，上述一个透光膜包含添加了B或P的SiO2(BPSG)及TEOS中的任一种。由于这些是一般在以往的半导体工艺中使用的材料，所以能够容易形成聚光元件，能够降低制造成本。
此外，在上述聚光元件中，其特征在于，上述一个透光膜包含苯并环丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺及聚酰亚胺中的任一种。由于这些树脂能够直接加工，能够通过纳米印刷(nano-imprint)直接形成光学元件，所以能够提高量产性。
此外，有关本发明的固体摄像器件，平面地配置有多个具有聚光元件的单位像素，上述聚光元件具备由折射率不同的多个透光膜构成的集合体，其特征在于，上述集合体中的一个透光膜具有与入射光的波长相同程度或比其短的宽度及预定厚度的同心形状，上述集合体中的其它透光膜以同心状填充不存在上述一个透光膜的空间的全部或一部分。
由此，通过改变一个透光膜的线宽及其配置密度，能够实现搭载有可改变有效折射率的梯度折射率型的聚光元件的固体摄像器件。进而，能够继承以往的半导体工艺，来制作微小的梯度折射率透镜。
进而，上述固体摄像器件的特征在于，在上述集合体的上部具备滤色片，但是也可以在上述集合体的下部具备滤色片。
此外，其特征在于，在与位于上述固体摄像器件的中央的单位像素有关的上述一个透光膜或上述其它透光膜、和与位于该固体摄像器件的周边的单位像素有关的上述一个透光膜和上述其它透光膜中，构成它们的透光材料的种类或其排列不同。由此，能够根据固体摄像器件上的像素的位置而使透镜结构最优化，所以提高元件整体的灵敏度。此外，由于能够缓和固体摄像元件的缩小结构，所以固体摄像器件的制造方法变得容易。
此外，其特征在于，上述固体摄像器件中的上述集合体覆盖对应的单位像素的整体而形成。由此，减少了像素间区域的聚光损失，能够提高固体摄像器件的灵敏度。
此外，本发明涉及的固体摄像器件的制造方法，所述固体摄像器件平面地配置有多个具有聚光元件的单位像素，上述聚光元件具备由折射率不同的多个透光膜构成的集合体，其特征在于，上述集合体中的一个透光膜具有与入射光的波长相同程度或比其短的宽度及预定厚度的同心形状，上述集合体中的其它透光膜以同心状填充不存在上述一个透光膜的空间的全部或一部分；上述固体摄像器件的制造方法包括通过使用最小加工尺寸1nm以下的模具的纳米印刷来形成上述集合体的工序。由此，能够容易且大量地形成细微的同心结构。此外，没有了各像素间的相对位置的偏移，调节作业的工序减少，能够实现光学元件的低价格化。
此外，本发明涉及的固体摄像器件的制造方法，所述固体摄像器件平面地配置有多个具有聚光元件的单位像素，上述聚光元件具备由折射率不同的多个透光膜构成的集合体，其特征在于，上述集合体中的一个透光膜具有与入射光的波长相同程度或比其短的宽度及预定厚度的同心形状，上述集合体中的其它透光膜以同心状填充不存在上述一个透光膜的空间的全部或一部分；上述固体摄像器件的制造方法包括通过电子束描绘或光束描绘形成上述集合体的工序。由此，能够使用以往的半导体工艺，能够形成超细微结构，所以能够得到高聚光效率的光学元件。
此外，本发明涉及的固体摄像器件的制造方法，所述固体摄像器件平面地配置有多个具有聚光元件的单位像素，上述聚光元件具备由折射率不同的多个透光膜构成的集合体，其特征在于，上述集合体中的一个透光膜具有与入射光的波长相同程度或比其短的宽度及预定厚度的同心形状，上述集合体中的其它透光膜以同心状填充不存在上述一个透光膜的空间的全部或一部分；上述固体摄像器件的制造方法包括通过具有上述入射光的波长以下的粒径的微粒子的自凝聚而形成上述集合体的工序。由此，能够减少工艺工序数，能够降低制造成本。
此外，本发明涉及的固体摄像器件的制造方法，所述固体摄像器件平面地配置有多个具有聚光元件的单位像素，上述聚光元件具备由折射率不同的多个透光膜构成的集合体，其特征在于，上述集合体中的一个透光膜具有与入射光的波长相同程度或比其短的宽度及预定厚度的同心形状，上述集合体中的其它透光膜以同心状填充不存在上述一个透光膜的空间的全部或一部分；上述固体摄像器件的制造方法包括在Si基板上形成由受光元件、布线、遮光层及信号传送部构成的半导体集成电路的工序；在上述半导体集成电路上堆积第1透光膜的工序；在上述第1透光膜上堆积第2透光膜的工序；将上述第2透光膜加工为同心圆结构的工序；在上述第2透光膜上形成抗蚀剂的工序；及将上述第2透光膜作为掩模，对上述第1透光膜进行蚀刻的工序。由此，能够使第1层与第2层的位置精度无限接近于0，能够容易地制造符合设计的透镜结构，所以能够得到聚光效率较高的元件。
此外，本发明涉及的固体摄像器件的制造方法，所述固体摄像器件平面地配置有多个具有聚光元件的单位像素，上述聚光元件具备由折射率不同的多个透光膜构成的集合体，其特征在于，上述集合体中的一个透光膜具有与入射光的波长相同程度或比其短的宽度及预定厚度的同心形状，上述集合体中的其它透光膜以同心状填充不存在上述一个透光膜的空间的全部或一部分；上述固体摄像器件的制造方法包括在Si基板上形成由受光元件、布线、遮光层及信号传送部构成的半导体集成电路的工序；在上述半导体集成电路上形成由第1透光材料和第2透光材料构成的第1透光膜的工序；在上述第1透光膜上堆积第2透光膜的工序；将上述第2透光膜加工为同心圆结构的工序；在上述第2透光膜上形成抗蚀剂的工序；将上述第2透光膜作为掩模，对构成了上述第1透光膜的上述第1透光材料和第2透光材料的界面进行蚀刻的工序；在上述第1透光膜的空气孔中埋入上述第1透光材料的工序；及将上述第2透光膜平坦化的工序。由此，由于第1层的材料界面与第2层的材料界面大致一致，所以能够形成高精度的折射率分布，能够得到聚光效率较高的元件。
此外，本发明涉及的固体摄像器件的制造方法，所述固体摄像器件平面地配置有多个具有聚光元件的单位像素，上述聚光元件具备由折射率不同的多个透光膜构成的集合体，其特征在于，上述集合体中的一个透光膜具有与入射光的波长相同程度或比其短的宽度及预定厚度的同心形状，上述集合体中的其它透光膜以同心状填充不存在上述一个透光膜的空间的全部或一部分；上述固体摄像器件的制造方法包括在Si基板上形成由受光元件、布线、遮光层及信号传送部构成的半导体集成电路的工序；在上述半导体集成电路上堆积第1透光膜的工序；在上述第1透光膜上堆积第2透光膜的工序；将上述第2透光膜加工为同心圆结构的工序；在上述第2透光膜上形成抗蚀剂的工序；及将上述第2透光膜作为掩模，对上述第1透光膜进行各向同性蚀刻的工序。由此，能够增加折射率分布的层次，能够提高聚光效率。
此外，本发明涉及的固体摄像器件的制造方法，所述固体摄像器件平面地配置有多个具有聚光元件的单位像素，上述聚光元件具备由折射率不同的多个透光膜构成的集合体，其特征在于，上述集合体中的一个透光膜具有与入射光的波长相同程度或比其短的宽度及预定厚度的同心形状，上述集合体中的其它透光膜以同心状填充不存在上述一个透光膜的空间的全部或一部分；上述固体摄像器件的制造方法包括在Si基板上形成由受光元件、布线、遮光层及信号传送部构成的半导体集成电路的工序；在上述半导体集成电路上形成由第1透光材料和第2透光材料构成的第1透光膜的工序；在上述第1透光膜上堆积第2透光膜的工序；将上述第2透光膜加工为同心圆结构的工序；在上述第2透光膜上形成抗蚀剂的工序；将上述第2透光膜作为掩模，对构成了上述第1透光膜的上述第1透光材料和第2透光材料的界面进行各向同性蚀刻的工序；在上述第1透光膜的空气孔中埋入上述第1透光材料的工序；及将上述第2透光膜平坦化的工序。
另外，本发明的固体摄像器件的制造方法，其特征在于，包括利用对第1和第2材料蚀刻速度不同的蚀刻剂对由第1和第2材料构成的上述透光膜的材料界面进行蚀刻的工序。由此，能够根据材料来控制体积比，能够进一步增加分布的层次，能够提高聚光效率。
发明效果本发明的固体摄像器件具有上述的透镜结构，因此可以实现分辨率和灵敏度的提高和使制造工序变得容易。另外，可以防止灰尘堆积成微小形状。
图1是表示以往的固体摄像器件中的像素排列的基本结构的图。
图2是表示以往的固体摄像器件的基本结构的图。
图3是表示使用以往的微透镜的固体摄像器件的聚光特性的图。
图4是表示以往的固体摄像器件中的像素的基本结构的图。
图5是表示实施方式1中的固体摄像器件的基本结构的图。
图6是表示实施方式1中的梯度折射率透镜的俯视图的一例的图。
图7是表示实施方式1中的梯度折射率透镜的截面结构的图。
图8是表示实施方式1中的透镜的折射率分布的图。
图9是表示实施方式1中的光的相位调制的图。
图10(a)～图10(h)是表示实施方式1中的梯度折射率透镜的制造工序的图。
图11是表示实施方式1中的像素排列的基本结构的图。
图12(a)～图12(c)是表示实施方式1中的、取决于光入射角度的像素的基本结构的图。
图13(a)～图13(c)是表示实施方式1中的透镜的折射率分布的图。
图14是表示实施方式1中的梯度折射率透镜的俯视图。
图15是表示实施方式1中的透镜的折射率分布的图。
图16是表示实施方式1中的像素中的光传播的图。
图17是表示实施方式1中的固体摄像器件的聚光效率的图。
图18是表示实施方式2中的梯度折射率透镜的俯视图。
图19是表示实施方式2中的梯度折射率透镜的截面结构的图。
图20是表示实施方式2中的透镜的折射率分布的图。
图21(a)～图21(f)是表示实施方式2中的梯度折射率透镜的制造工序的图。
图22(a)、图22(b)是表示实施方式2中的像素与梯度折射率透镜对准位置的状况的图。
图23(a)～图23(c)是表示实施方式2中的梯度折射率透镜的制造工序的图。
图24(a)、图24(b)是表示实施方式2中的像素与梯度折射率透镜对准位置的状况的图。
图25(a)～图25(c)是表示实施方式2中的梯度折射率透镜的制造工序的图。
图26(a)是实施方式2中的、通过各向异性蚀刻形成了多层结构时的梯度折射率透镜的截面图。图26(b)是通过各向同性蚀刻抑制了横向的线宽时的梯度折射率透镜的截面图。
图27(a)是实施方式2中的、在对构成第1层的两种材料使用了相同程度的蚀刻速度的蚀刻剂的情况下形成的透镜的截面图。图27(b)是在对构成第1层的两种材料使用不同的蚀刻速度的蚀刻剂的情况下形成的透镜的截面图。
图28是表示实施方式2中的、通过微粒子的凝聚而构成的梯度折射率透镜的截面结构的图。
图29(a)～图29(e)是表示实施方式2中的梯度折射率透镜的制造工序的图。
图30是表示实施方式3中的固体摄像器件的基本结构的图。
图31是表示实施方式3中的梯度折射率透镜的俯视图的图。
图32是表示实施方式3中的梯度折射率透镜的截面结构的图。
图33是表示实施方式3中的透镜的折射率分布的图。
图34是表示实施方式3中的光的相位调制的图。
图35(a)～图35(c)是表示实施方式3涉及的1个像素的基本结构的图。
图36(a)～图36(c)是表示实施方式3涉及的透镜的折射率分布的图。
图37(a)～图37(d)是表示有关实施方式3中的梯度折射率透镜的制造工序的图。
图38是表示实施方式3涉及的固体摄像器件中的像素排列的基本结构的状况的图。
图39是表示实施方式3涉及的固体摄像器件的聚光效率的入射角度依存性的图。
符号说明1 梯度折射率透镜2 滤色片3 Al布线4 电信号传送部5 平坦化层6 受光元件(Si光敏二极管)7 Si基板8 半导体集成电路9 入射光10 TiO2(n＝2.43)11 SiN(n＝2.0)12 SiO2(n＝1.45)13 空气(n＝1.0)14 周期(0.2 μm)15 透镜中心16 相位调制17 第1区域18 第2区域19 第3区域20 抗蚀剂21 SiO222 半导体集成电路(由上述2～7构成)23 电子束描绘
24 蚀刻25 TiO226 入射光27 光学透镜28 固体摄像器件29 装置中央部的入射光30 装置中央部像素用梯度折射率透镜31 装置周边部的入射光32 装置周边部像素用梯度折射率透镜33 入射光(0°入射)34 入射光(α/2°入射)35 入射光(α°入射)36 0°入射光用梯度折射率透镜37 α/2°入射光用梯度折射率透镜38 α°入射光用梯度折射率透镜39 抗蚀剂40 TiO241 模具42 Ar铣削43 蚀刻44 SiN45 GeO246 粒子堆积区域47 抗蚀剂48 GeO249 电子束描绘50 TiO2微粒子51 溶液
52 SiN微粒子53 SiO2微粒子54 入射光55 光学透镜56 固体摄像器件57 斜向入射光58 微透镜59 垂直入射光60 斜向入射光61 微透镜71 光学中心75 入射光76 光学透镜77 固体摄像器件78 装置中央部的入射光79 装置中央部像素用梯度折射率透镜80 装置周边部的入射光81 装置周边部像素用梯度折射率透镜100 像素的中心轴101 透镜的中心轴102 各向同性蚀刻具体实施方式
下面，参照附图更具体地说明有关本发明的实施方式。另外，在以下的实施方式中，利用附图对本发明进行说明，但并不意味着将本发明限定在这些实施方式中。
(实施方式1)图5是表示本实施方式中的固体摄像器件的基本结构的图。各像素(尺寸□2.8mm)由梯度折射率透镜(也单纯称作“透镜”或“透光膜”)1、G用滤色片2、Al布线3、信号传送部4、平坦化层5、受光元件(Si光敏二极管)6、Si基板7构成。
图6是上述图1中的梯度折射率透镜1的俯视图的一例。具有同心圆结构的梯度折射率透镜1由折射率不同的4种材料、TiO2(n＝2.53)、SiN(n＝2.53)、SiO2(n＝2.53)、空气(n＝1.0)构成，相邻的圆形透光膜的外周的半径差14例如为200nm(此时的单位宽度是100nm)。此外，膜厚为0.4μm。
一般，光入射的入射窗区域的形状配合各像素的开口而成为四边形状。在入射窗区域为圆形的情况下，由于在透镜与透镜之间产生间隙，所以会发生漏光，成为聚光损失的较大原因。但是，如果将入射窗区域做成四边形，则能够将像素整个区域的入射光聚光，所以没有漏光，聚光损失降低。
图7是表示梯度折射率透镜1的截面图的一例的图。在一般的梯度折射率透镜中，折射率在光学中心15处最高。在本实施方式中，光学中心15附近的环也由高折射率材料TiO2构成，随着成为外侧的环，如SiN、SiO2、空气那样使用低折射率材料。在周期与入射光的波长相同程度或小时，感光的有效折射率可以根据高折射率材料和低折射率材料的体积比来计算。本结构的最大的特长是仅通过改变相邻的材料的组合而能够自由自在地控制折射率分布。在本实施方式中，除了使用折射率不同的材料带来的折射率变化以外，还利用由于在相邻的区域使结构的宽度变化而引起的折射率变化。由此，能够实现更细密的层次的折射率分布，所以提高了聚光效率。但是，仅通过使用折射率不同的材料带来的折射率变化，也能够得到较高的聚光效率(通过3种材料，聚光效率为70％左右)。由此，由于能够以相同的去除/残留宽度形成同心圆结构，所以工艺变得容易。
此时的折射率的变化如图8那样表示。透镜的折射率在同心圆的中心部分最高，随着成为端部而依次降低。抛物线表示用来使波长(550nm)的入射光以焦点距离f(4.43μm)聚光的折射率分布，用下面的式子表示。
Δn(x)＝Δnmax[(Ax2+Bxsinθ)/2π+C](1)(A、B、C常数)这里，Δnmax是入射侧介质与透镜材料的折射率差(这里是1.43)。此外，上述(1)式在设入射侧介质的折射率为n0、射出侧介质的折射率为n1时，可以如A＝-(k0n1)/2f(1-1)B＝-k0n0(1-2)k0＝2π/λ (1-3)那样设定参数。由此，能够对于每个作为目的的焦距以及作为对象的入射光的入射角度、波长来将透镜最优化。在上述的(1)式中，聚光成分由自像素中央的距离x的2次函数表示，偏转成分由距离x与三角函数的积表示。另外，由于实际的透镜是3维结构，所以折射率分布表示为x轴、y轴及z轴空间上的函数表示，但这里为了简化而用等价的2维坐标表示。
另外，上述图6是使入射光的角度为0°时的透镜结构的图，光学中心与各像素的中心一致。
此外，在设入射光的波长为λ、光会聚的焦距为f、光的入射角度为θ、入射侧介质的折射率为n0、射出侧介质的折射率为n1时，取决于上述透光膜的面内方向的距离x的、上述透光膜的相位调制Φ(x)优选地大致满足[数学式1]Φ(x)=-k0n12fx2-k0n0xsinθ]]>k0=2πλ]]>由此，能够仅通过第1区域聚光，能够进行聚光损失较少、高效率的聚光。
进而，上述透光膜的相位调制Φ(x)优选地大致满足[数学式2]Φ(x)=-k0n12fx2-k0n0xsinθ+2mπ]]>k0=2πλ]]>m＝自然数由此，能够进行通过多个区域的聚光，能够增大相位调制，所以能够实现对更高角度的入射光有效的聚光元件。
在设上述透光膜的折射率的最大值为n0+Δnmax、设在上述透光膜的面内方向的折射率的分布中相对于n0的差分为Δn(x)时，优选地大致满足[数学式3]Δn(x)=Δnmax[φ(x)2π+C]]]>由此，能够形成能够对以特定的角度入射的光在任意的位置进行聚光的、高聚光效率的梯度折射率透镜。
在本实施方式中，通过用折射率分布对入射光进行相位调制，来控制光的传播方向。此时，如图9所示，由上述(1)式带来的相位调制不仅是第1区域17，也如第2区域18、第3区域19那样，成为将上述(1)式用2π分割而得到的不连续的相位调制。但是，为了在每个相位区分区域，实际有效的相位调制与连续的相位调制16相等。
此外，如果设透镜厚为L，则形成具有多个区域的透光膜时的、为了使各区域边界处的相位差为2π的条件为，ΔnmaxL＝λ(2)在透光膜较薄的情况下，一般没有损失原因，所以只要满足上述(2)式，聚光效率就成为100％。
图10(a)～图10(h)是表示梯度折射率透镜的制造工序的图。透镜形成是通过光刻法与蚀刻来进行的。首先，利用通常的半导体工艺，在Si基板上形成由受光元件、以及布线、遮光层、信号传送部、滤色片构成的半导体集成电路22(在上述图10中没有描绘)。1个像素的尺寸为2.8μm见方，受光部为1.5μm见方。然后，使用溅镀装置形成SiO2膜21，在其上涂覆抗蚀剂20(图10(a))。然后，通过光曝光23进行构图(图10(b))。SiO2膜与抗蚀剂的厚度分别为0.5μm与0.5μm。在显影后，进行蚀刻，在像素表面形成细微结构(图10(c))。在将抗蚀剂除去后，利用等离子CVD堆积TiO2(图10(d))。在将覆盖像素整个区域的TiO2层通过表面研磨除去后(图10(e))，再次涂覆抗蚀剂，通过曝光23形成图案(图10(f))。然后，进行蚀刻，利用CVD堆积SiN(图10(g))。最终，通过研磨像素表面，形成由TiO2、SiN、SiO2构成的梯度折射率透镜。
在本实施例中尝试了用代表性的3种材料形成透镜，但是利用将上述图10所示的光刻法或电子蚀刻法与蚀刻进行组合的工序，从而能够用更多种类的材料构成透镜。
图11是表示有关本实施方式的、VGA使用(31万像素)的固体摄像器件中的像素排列的状况的图。信号光26被光学透镜27聚光，照射在具有梯度折射率透镜的固体摄像器件28上。在2维排列有由受光元件和布线等构成的半导体集成电路8以及梯度折射率透镜的固体摄像器件中，在中心部分的像素与周边部分的像素中，光的入射角不同，在中心部分是大致0°入射，相对于此，在周边部分是30°入射。所以，在本实施方式中，从固体摄像器件的中央到周边部分，形成了与射入各像素中的光强度最强的入射光成分对应的梯度折射率透镜。各个透镜根据摄像装置上的像素的位置使透镜结构最优化，聚光效率变得最高。
图12(a)～图12(c)是表示本实施方式中的、取决于光入射角度(像素位置)的像素的基本结构的图。该透镜对于入射光具有由上述(1)式表示的折射率分布。以入射角0°射入入射窗的光33、以入射角α/2°入射的光34、以入射角α°入射的光35分别由0°入射光用梯度折射率透镜36、α/2°入射光用梯度折射率透镜37、α°入射光用梯度折射率透镜38聚光，通过滤色片2而由受光部进行向电信号的转换。
在有关本发明的梯度折射率透镜中，能够根据入射光的波长将各像素的透镜结构最合适化，所以没有由入射角度带来的聚光效率的差异而能够高效率地聚光。在0°入射光用梯度折射率透镜中，相对于同心圆的中心处于像素中央部分，如果入射角度增加，则圆的中心向光的入射侧移动。
这是因为，如上述(1)式所示，折射率分布的2次曲线的最大值随着入射角度q的增加而向光入射侧移动(参照图13)。
此时，由折射率不同的材料构成的透镜的结构相对于像素区域为非对称(参照图14)。进而，如图15所示，折射率的分布在每个周期由于构成材料不同而取离散的值，但在周期比入射光的波长短很多的情况下，没有了散射成分，而形成连续的折射率分布。
此外，由上述(1-3)、(2)式可知，相位调制随着成为对象的光的波长而不同。这意味着对应于入射到各像素的光的颜色而具有最合适的透镜结构。在本实施方式中可知，将波长0.45μm、0.55μm、0.65μm的光入射到具有各个颜色用的透镜结构的像素中的情况下，都显示出80％左右的较高的聚光效率。
图16是表示对应于入射角度40°的入射光的、像素中的光传播轮廓的模拟结果的图。可以确认入射光的传播方向在透镜通过时弯曲并在第1布线层(遮光层)中结成焦点、然后传播到受光元件的状况。这启示着通过使用按照上述(1)式制造的透镜，能够使光高效率地向受光元件传播。
图17是表示本实施方式中的固体摄像器件的聚光效率的角度依存性的图。横轴的角度表示射入固体摄像器件中的光的角度，0°意味着中心部分，30°以上意味着周边像素。相对于使用微透镜的固体摄像器件的聚光效率从入射角度20°附近的像素开始急剧降低，在有关本发明的梯度折射率透镜中，即使在周边像素中，聚光效率也保持60％。由图17可知，有关本发明的梯度折射率透镜与微透镜相比，在入射光的角度依存性优良方面较好(即聚光效率不那么取决于入射光的角度)。由此，能够缓和伴随着入射角度的增加的聚光效率的降低，所以能够期待向便携电话用摄像机等的短焦距光学系统的应用。
(实施方式2)图18是实施方式2的不具有空气区域的梯度折射率透镜的俯视图。通过不加入空气区域，虽然折射率变化的动态范围降低，但是能够使透镜表面变得平坦，所以能够减少散射损失。此外，由于能够还在透镜的上表面堆积，所以向多层膜化的应用变得容易。
图19是表示本实施方式中的具有多层结构的梯度折射率透镜的结构的图。通过不仅在透镜的面内方向还在垂直方向(即z方向)上配置折射率不同的多个透光材料，能够显著增加折射率分布的层次。由此，离散的折射率变化变得连续，能够提高聚光效率。
图20是表示本实施方式中的透镜的折射率分布的图。
图21是表示本实施方式中的梯度折射率透镜的制造工序的图。透镜形成是通过纳米印刷和蚀刻来进行的。首先，利用通常的半导体工艺，在Si基板上形成由受光元件以及布线、遮光层、信号传送部构成的半导体集成电路8(在图21中没有描绘)。1个像素的尺寸是2.8μm见方，受光部是1.5μm见方。然后，利用等离子CVD，形成TiO2膜40，在其上涂覆抗蚀剂39(图21(a))。TiO2膜与抗蚀剂的厚度分别为0.5μm和0.5μm。通过将构图了同心圆结构的SiC制的模子(模具)41以150℃加热挤压在抗蚀剂上，将细微结构转印到抗蚀剂上(图21(b))。模子是通过通常的电子束蚀刻和蚀刻形成的。然后，在180℃下进行后烘干后，通过Ar离子铣削进行第一阶段的蚀刻42(图21(c))。在除去了抗蚀剂后，通过湿法蚀刻43在像素上形成同心圆结构(图21(d))。然后，利用等离子CVD堆积SiN44，进行表面研磨而平坦化(图21(e))。通过重复图21(a)～图21(e)的工序，形成由TiO2、SiN、SiO2构成的梯度折射率透镜。
本实施方式的具有多层结构的梯度折射率透镜可以利用上述图21所示的制造方法形成。这里，最重要的工序是基板侧的第1透光膜与形成在其上的第2透射膜的位置对准。为了使透光膜具有上述(1)式那样的折射率分布，需要精度较高的3维结构，所以第1透光膜与第2透光膜的位置对准精度优选为无限接近于0(图22(a))。但是，在现有的位置对准技术下，没有尺寸偏差地形成多层结构是不可能的，会发生偏差(图22(b))。
所以，在本实施方式的透镜形成中，采用应用了自动聚焦的位置对准精度较高的多层结构形成工艺。图23表示梯度折射率透镜的制造工序。首先，在Si基板上形成由受光元件以及布线、遮光层、信号传送部构成的半导体集成电路8(在图23中没有描绘)。然后，利用等离子CVD形成TiO2膜10和SiO2膜12(图23(a))。在利用EB描绘、光描绘、或者纳米印刷，在第2层上形成凹凸结构后，在第1层上没有形成结构的部位涂覆抗蚀剂39(图23(b))。通过蚀刻在第1层上形成凹凸结构后，将抗蚀剂除去，如果需要则用其他材料填埋凹结构(图23(c))。在形成的梯度折射率透镜中，第1层与第2层的位置精度无限接近于0，能够容易地制造符合设计的透镜结构，所以能够得到聚光效率较高的元件。
此外，在本发明中，在微小区域(光的波长以下)，需要使构成各光学元件的材料变化。特别在形成多层结构的情况下，必须配合第1层的材料的变化而高精度地形成第2层(图24(a))。如果相邻的两种材料不以由微小区域决定的体积比存在，就不能形成高聚光效率的梯度折射率透镜(图24(b))。
图25表示本实施方式中的梯度折射率透镜的制造工序。首先，在Si基板上形成由受光元件以及布线、遮光层、信号传送部构成的半导体集成电路8(在图25中没有描绘)。然后，利用描绘工艺和等离子CVD形成由TiO2膜10和SiN膜11构成的第1层后，堆积SiO2膜12(图25(a))。通过描绘工艺或者纳米印刷来进行构图，在第1层的未形成结构的部位涂覆抗蚀剂39。通过蚀刻在第1层上形成凹凸结构后，将抗蚀剂除去(图25(b))。最后堆积SiN，将凹结构填埋后，进行表面研磨(图25(c))。在形成的梯度折射率透镜中，第1层与第2层的位置精度无限接近于0，第1层的材料界面与第2层的材料界面大致一致。由此，能够形成高精度的折射率分布，能够得到聚光效率较高的元件。
图26(a)是通过各向异性蚀刻形成多层结构时的梯度折射率透镜的截面图。由于截面是矩形，所以折射率分布的控制较容易。但是，为了使分布的层次较多而必须减小凹凸结构的去掉/剩余宽度。因此，为了通过描绘或纳米印刷来形成图案，需要形成更细微的结构的工艺技术。所以，在本发明中通过各向同性蚀刻控制横向的线宽(图26(b))。由此，能够通过蚀刻的条件控制折射率分布，分布的层次增加，聚光效率提高。
此外，在图27(a)中表示在对构成第1层的两种材料使用了相同程度的蚀刻速度的蚀刻剂的情况下形成的透镜的截面图。如上所述，在将截面能够形成为矩形时，折射率分布的控制较容易，但图案形成工艺变得困难。所以，在图27(b)中表示对构成第1层的两种材料使用不同的蚀刻速度的蚀刻剂的情况下形成的透镜的截面图。由此，能够分材料控制体积比，分布的层次进一步增加，聚光效率提高。
上述的制造工序及结构不仅在两层结构中，在3层以上的多层结构中也是有效的。此外，通过使用上述方法形成对准精度较高的多层结构，能够消除由层间的干涉带来的莫尔条纹。
图28是表示本实施方式中的通过微粒子的凝聚构成的梯度折射率透镜的截面结构的图。折射率与粒径不同的微粒子在由GeO2的隔板45隔开的空间凝聚，形成折射率分布。在微粒子的直径比入射波长小的情况下，感光的折射率分布变得连续，得到较高的聚光效率。
图29(a)～图29(e)是表示本实施方式中的梯度折射率透镜的制造工序的图。透镜形成是通过光刻法和蚀刻进行的。首先，利用通常的半导体工艺，在Si基板上形成由受光元件以及布线、遮光层、信号传送部、及滤色片构成的半导体集成电路8(在上述图29中没有描绘)。1个像素的尺寸是2.8μm见方，受光部是1.5μm见方。然后，利用溅镀装置，形成GeO2膜48，在其上涂覆抗蚀剂47(图29(a))。然后，通过光曝光49进行构图(图29(b))。SiO2膜与抗蚀剂的厚度分别是0.5μm和0.5μm。在通过蚀刻形成细微结构后，使包含TiO2微粒子50(粒径200nm)的水溶液51滴下(图29(c))。然后，进行加热而使水溶液中的水蒸发。此时，通过充分减慢水的蒸发速度，将微粒子埋入空气孔中。接着，通过空气喷吹，将试料表面的多余的微粒子除去，这次使含有SiN微粒子50(粒径150nm)的水溶液滴下(图29(d))。通过重复上述操作，来制造凝聚了微粒子的梯度折射率透镜(图29(e))。本制造方法的要点是两点。首先，第一点是，通过描绘图案形成的细微凹结构的宽度需要比凝聚的微粒子的粒径稍大(10％左右)。第二点是，通过从粒径较大的微粒子开始滴下，能够有选择地限制微粒子的凝聚区域。由于在已经凝聚了微粒子的区域不会混入新的微粒子(即使混入了也很少，对折射率变化没有影响)，材料的选择变得非常容易。通过采用这些方法，不再需要上述制造方法所示那样的对准位置、平坦化，能够实现简化工艺、降低生产成本。
(实施方式3)图30是表示本实施方式中的固体摄像器件的基本结构的图。在上述实施方式1中，在本实施方式中对实施例进行说明。
各像素(尺寸□2.8mm)由梯度折射率透镜71、G用滤色片2、Al布线3、信号传送部4、平坦化层5、受光元件(Si光敏二极管)6、Si基板7构成。
图31是表示上述图30中的梯度折射率透镜71的俯视图的图。具有同心圆结构的梯度折射率透镜71由作为第1透光膜的高折射率材料33[TiO2(n＝2.53)]和作为第2透光膜的低折射率材料34[SiO2(n＝1.45)]构成，相邻的第2透光膜的同心圆的线宽在圆的中心部分最大，随着成为外侧的环而线宽依次减小。在周期与入射光的波长相同程度或比波长小时，感光的有效折射率可以根据作为高折射率材料的第1透光膜和作为低折射率材料的第2透光膜的体积比来计算。本结构的最大的特长是仅改变圆周宽、即透光膜的体积比来自由自在地控制折射率分布(参照日本特愿2003-421111)。
此时的折射率的变化如图33所示是非对称的。透镜的折射率在圆的中心部分最高，随着成为圆的端部而依次降低。即，如图30所示的入射光9那样，与从一定的方向入射的光对应的折射率分布相对于梯度折射率透镜1的中心为非对称。
一般，光入射的入射窗区域的形状配合各像素的开口而为四边形状。在入射窗区域是圆形的情况下，由于在透镜与透镜之间产生间隙，所以会产生漏光，成为聚光损失的原因。但是，如果将入射光区域做成四边形，则能够将像素整个区域的入射光聚光，所以没有漏光，聚光损失减少。
图32是表示梯度折射率透镜71的截面图的一例的图。在一般的梯度折射率透镜中，折射率在光学中心72处最高。在本实施方式中，光学中心75附近的环由作为第1透光膜的高折射率材料的TiO2构成，被作为第2透光膜的低折射率材料的SiO2埋入。在由透光膜形成的环周期与入射光的波长为相同程度或比其小时，感光的有效折射率可以根据作为第1透光膜的高折射率材料TiO2和作为第2透光膜的低折射率材料的SiO2的体积比来计算。本结构的最大的特长是仅通过改变相邻的材料的组合就能够自由自在地控制折射率分布。在本实施方式中，除了使用折射率不同的材料带来的折射率变化以外，还利用通过在相邻的区域改变结构的宽度带来的折射率变化。由此，能够实现细密的层次的折射率分布，所以聚光效率提高。
此外，采用只有第1透光膜的高折射率材料TiO2的结构也具有梯度折射率透镜的功能，但是会发生作为制造工序的一部分的切割加工时的灰尘附着在第1透光膜的高折射率材料TiO2的环状的结构体的间隙中的问题。附着物具有折射率，所以折射率透镜的功能降低。进而，由于空气中的灰尘也有可能附着，所以用第2透光膜的低折射率材料埋入是很重要的。
图33表示梯度折射率透镜71的折射率的变化。梯度折射率透镜71的折射率在同心圆的中心部分最高，随着成为圆的端部而依次变低。抛物线表示用来使波长λ(550nm)的入射光在焦距f(4.43μm)聚光的折射率分布，由上述(1)式表示。
另外，在本实施方式中，Δnmax是第1透光膜的高折射率材料TiO2和第2透光膜的低折射率材料SiO2的折射率差(这次是1.08)。折射率差优选为较大，但只要为0.1以上就能够实现。
在本实施方式中，通过由折射率分布对入射光进行相位调制，来控制光的传播方向。此时，如图34所示，由上述(1)式带来的相位调制不仅在第1区域17中，而且如第2区域18及第3区域19那样，成为将上述(1)式用2π分割而得到的不连续的相位调制。但是，由于对每1个相位区分了区域，因此实际有效的相位调制与连续的相位调制16相等。
在上述中，设计成“第1透光膜的折射率＞第2透光膜的折射率”，但也可以设计成“第1透光膜的折射率＜第2透光膜的折射率”。
进而，滤色片设在最上部的结构也可以通过将第1透光膜埋入第2透光膜中来实现。
图35(a)～图35(c)是表示有关本实施方式的1个像素的基本结构的图。有关该像素的透镜具有对入射光赋予相位调制那样的、单一区域的折射率分布。以入射角0°射入入射窗中的光66、以入射角α/2°入射的光67、以入射角α°入射的光68分别由0°入射光用梯度折射率透镜69、α/2°入射光用梯度折射率透镜70、α°入射光用梯度折射率透镜71聚光，通过滤色片2，由受光部进行向电信号的转换。这里，角度α由下述(3)式定义。这里，D是像素尺寸。
α=sin-1[n1D2n0f]---(3)]]>在有关本实施方式的梯度折射率透镜中，能够根据入射光的波长而使各像素的透镜结构最优化，所以没有由入射角度带来的聚光效率的差异而能够高效率地聚光。在0°入射光用梯度折射率透镜69中，相对于同心圆的中心处于像素中央部分，如果入射角度增加，则圆的中心向光的入射侧移动。
这是因为，如上述(1)式所示，折射率分布的2次曲线的最大值随着入射角度θ的增加而向光入射侧移动(参照图36)。
在入射角度为α°以下的情况下，能够在使膜厚为一定(1相位的量)的状态下以单一区域设计透镜。此时，由于光连续地射入透镜，所以透镜表面上的散射损失降低，聚光效率提高。在使入射角度为α°以上的情况下，为了使光路长变长(增大相位调制)，只要进一步增大膜厚就可以。
此外，相位调制因作为对象的光的波长而不同。在本实施方式中可知，使波长0.45μm、0.55μm、0.65μm的光射入具有各个颜色用的透镜结构的像素中的情况下，都显示出80％左右的较高的聚光效率。
图37(a)～图37(d)是表示本实施方式涉及的梯度折射率透镜的制造工序的图。透镜形成是通过光刻法与蚀刻及CVD来进行的。首先，利用通常的半导体工艺，在Si基板22上形成由受光元件、以及布线、遮光层、信号传送部构成的半导体集成电路22(在图30中没有描绘)和滤色片2。1个像素的尺寸为2.8μm见方，受光部为1.1μm见方。然后，使用溅镀装置形成TiO2膜21，在其上涂覆抗蚀剂20(图8(a))。TiO2膜与抗蚀剂的厚度分别为0.5μm与0.5μm。接着，通过光刻法的工序形成同心圆结构的抗蚀剂图案(图8(b))。然后，在180℃下进行后烘干后，通过干法蚀刻进行蚀刻23(图8(c))。在将抗蚀剂除去后，利用等离子CVD24形成SiO2，以便埋入同心圆结构(图8(d))。在该实施例中，SiO2覆盖TiO2，但也可以通过由CMP等进行平坦化，而做成SiO2与TiO2两者露出的结构。
图38是表示有关本实施方式的VGA使用(31万像素)的固体摄像器件中的像素排列的状况的图。信号光75由光学透镜76聚光，照射在具有梯度折射率透镜的固体摄像元件77上。在2维排列有由受光元件和布线等构成的半导体集成电路8及梯度折射率透镜的固体摄像器件中，在中心部分的像素与周边部分的像素中，光的入射角度不同。相对于在中心部分处是大致0°入射，在周边部分处为30°入射。所以，在本实施方式中，从摄像装置的中央到周边部分形成了与射入各像素的光强度最强的入射光成分对应的梯度折射率透镜。各个透镜根据摄像装置上的像素的位置而使透镜结构最优化，聚光效率变得最高。另外，也可以同时利用半导体集成电路的缩小带来的聚光效率的提高。
图39是表示聚光效率的入射角度依存性的图。横轴的角度表示入射到固体摄像器件中的光的角度，0°意味着中心部分，30°以上意味着周边像素。相对于使用了微透镜的固体摄像器件的聚光效率从入射角度20°附近的像素开始急剧降低，在本发明的梯度折射率透镜中，即使在周边像素中，聚光效率也保持80％。可知本发明的梯度折射率透镜与微透镜相比，在入射光的角度依存性方面较好。由此，能够缓和伴随着入射角度的增加的聚光效率的降低，所以能够期待向便携电话用摄像机等的短焦距光学系统的应用。
工业实用性有关本发明的固体摄像器件能够利用于数码摄像机、数码静止摄像机、以及带摄像机的便携电话等中。
权利要求
1.一种聚光元件，具备由折射率不同的多个透光膜构成的集合体，其特征在于，上述集合体中的一个透光膜具有与入射光的波长相同程度或比其短的宽度及预定厚度的同心形状；上述集合体中的其它透光膜以同心状填充不存在上述一个透光膜的空间的全部或一部分。
2.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，在上述聚光元件中，上述一个透光膜被上述其它透光膜埋入。
3.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，上述集合体的光学中心偏心。
4.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，在设上述入射光的入射角度为θ、预定的常数为A及B的情况下，取决于上述集合体中的面内方向的距离x的上述相位调制Ф(x)大致满足Ф(x)＝Ax2+Bxsinθ+2mπ，m为自然数。
5.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，上述一个透光膜的折射率与上述其它透光膜的折射率的差为0.1以上。
6.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，上述一个透光膜的折射率为1.45以上且3.4以下。
7.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，上述一个透光膜的折射率比上述其它透光膜的折射率大。
8.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，上述一个透光膜的折射率比上述其它透光膜的折射率小。
9.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，构成上述一个透光膜或上述其它透光膜的透光材料是空气。
10.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，上述一个透光膜或上述其它透光膜进一步在垂直方向上是由折射率不同的多种透光材料构成的多层结构。
11.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，上述一个透光膜或上述其它透光膜，根据上述入射光的波长或上述入射光的代表光的波长而使构成该一个透光膜或该其它透光膜的透光材料的种类或其排列不同。
12.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，上述一个透光膜或上述其它透光膜根据对上述入射光设定的焦点距离而使构成该一个透光膜或该其它透光膜的透光材料的种类或其排列不同。
13.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，在设上述入射光的入射角度为θ、该集合体的折射率与入射侧介质的折射率的差分的最大值为Δnmax、预定的常数为A、B及C的情况下，在设取决于上述集合体中的面内方向的距离x的、上述集合体的折射率与入射侧介质的折射率的差分为Δn(x)时，上述集合体大致满足Δn(x)＝Δnmax[(Ax2+Bxsinθ)/2π+C]，其中，A、B、C为常数。
14.如权利要求13所述的聚光元件，其特征在于，在设上述集合体的厚度为L、上述入射光的波长为λ的情况下，大致满足ΔnmaxL＝λ。
15.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，上述一个透光膜或上述其它透光膜的法线方向的截面形状为矩形。
16.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，上述一个透光膜或上述其它透光膜由直径与上述入射光的波长相同程度、或者直径比该波长小的透光材料构成。
17.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，上述一个透光膜包含TiO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5、Si3N4及Si2N3中的任一种。
18.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，上述一个透光膜包含添加了B或P的SiO2即BPSG、及TEOS中的任一种。
19.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，上述一个透光膜含有苯并环丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺及聚酰亚胺的任一种。
20.一种固体摄像器件，平面地配置有多个具有聚光元件的单位像素，该聚光元件具备由折射率不同的多个透光膜构成的集合体，其特征在于，上述集合体中的一个透光膜具有与入射光的波长相同程度或比其短的宽度及预定厚度的同心形状，上述集合体中的其它透光膜以同心状填充不存在上述一个透光膜的空间的全部或一部分。
21.如权利要求20所述的固体摄像器件，其特征在于，上述固体摄像器件还在上述集合体的上部具备滤色片。
22.如权利要求20所述的固体摄像器件，其特征在于，上述固体摄像器件还在上述集合体的下部具备滤色片。
23.如权利要求20所述的固体摄像器件，其特征在于，在位于该固体摄像器件的中央的单位像素的上述一个透光膜或上述其它透光膜、和位于该固体摄像器件的周边的单位像素的上述一个透光膜及上述其它透光膜中，构成它们的透光材料的种类或其排列不同。
24.如权利要求20所述的固体摄像器件，其特征在于，上述集合体形成为覆盖对应的单位像素的整体。
25.一种固体摄像器件的制造方法，上述固体摄像器件平面地配置有多个具有聚光元件的单位像素，上述聚光元件具备由折射率不同的多个透光膜构成的集合体，其特征在于，上述集合体中的一个透光膜具有与入射光的波长相同程度或比其短的宽度及预定厚度的同心形状，上述集合体中的其它透光膜以同心状填充不存在上述一个透光膜的空间的全部或一部分；该固体摄像器件的制造方法包括通过使用了最小加工尺寸为1nm以下的模具的纳米印刷来形成上述集合体的工序。
26.一种固体摄像器件的制造方法，上述固体摄像器件平面地配置有多个具有聚光元件的单位像素，上述聚光元件具备由折射率不同的多个透光膜构成的集合体，其特征在于，上述集合体中的一个透光膜具有与入射光的波长相同程度或比其短的宽度及预定厚度的同心形状，上述集合体中的其它透光膜以同心状填充不存在上述一个透光膜的空间的全部或一部分；该固体摄像器件的制造方法包括通过电子束描绘或光束描绘形成上述集合体的工序。
27.一种固体摄像器件的制造方法，上述固体摄像器件平面地配置有多个具有聚光元件的单位像素，上述聚光元件具备由折射率不同的多个透光膜构成的集合体，其特征在于，上述集合体中的一个透光膜具有与入射光的波长相同程度或比其短的宽度及预定厚度的同心形状，上述集合体中的其它透光膜以同心状填充不存在上述一个透光膜的空间的全部或一部分；该固体摄像器件的制造方法包括通过具有上述入射光的波长以下的粒径的微粒子的自凝聚而形成上述集合体的工序。
28.一种固体摄像器件的制造方法，上述固体摄像器件平面地配置有多个具有聚光元件的单位像素，上述聚光元件具备由折射率不同的多个透光膜构成的集合体，其特征在于，上述集合体中的一个透光膜具有与入射光的波长相同程度或比其短的宽度及预定厚度的同心形状，上述集合体中的其它透光膜以同心状填充不存在上述一个透光膜的空间的全部或一部分；该固体摄像器件的制造方法包括在Si基板上形成由受光元件、布线、遮光层及信号传送部构成的半导体集成电路的工序；在上述半导体集成电路上堆积第1透光膜的工序；在上述第1透光膜上堆积第2透光膜的工序；将上述第2透光膜加工为同心圆结构的工序；在上述第2透光膜上形成抗蚀剂的工序；及将上述第2透光膜作为掩模对上述第1透光膜进行蚀刻的工序。
29.一种固体摄像器件的制造方法，上述固体摄像器件平面地配置有多个具有聚光元件的单位像素，上述聚光元件具备由折射率不同的多个透光膜构成的集合体，其特征在于，上述集合体中的一个透光膜具有与入射光的波长相同程度或比其短的宽度及预定厚度的同心形状，上述集合体中的其它透光膜以同心状填充不存在上述一个透光膜的空间的全部或一部分；该固体摄像器件的制造方法包括在Si基板上形成由受光元件、布线、遮光层及信号传送部构成的半导体集成电路的工序；在上述半导体集成电路上形成由第1透光材料和第2透光材料构成的第1透光膜的工序；在上述第1透光膜上堆积第2透光膜的工序；将上述第2透光膜加工为同心圆结构的工序；在上述第2透光膜上形成抗蚀剂的工序；将上述第2透光膜作为掩模，对构成了上述第1透光膜的上述第1透光材料和第2透光材料的界面进行蚀刻的工序；在上述第1透光膜的空气孔中埋入上述第1透光材料的工序；及将上述第2透光膜平坦化的工序。
30.一种固体摄像器件的制造方法，上述固体摄像器件平面地配置有多个具有聚光元件的单位像素，上述聚光元件具备由折射率不同的多个透光膜构成的集合体，其特征在于，上述集合体中的一个透光膜具有与入射光的波长相同程度或比其短的宽度及预定厚度的同心形状，上述集合体中的其它透光膜以同心状填充不存在上述一个透光膜的空间的全部或一部分；该固体摄像器件的制造方法包括在Si基板上形成由受光元件、布线、遮光层及信号传送部构成的半导体集成电路的工序；在上述半导体集成电路上堆积第1透光膜的工序；在上述第1透光膜上堆积第2透光膜的工序；将上述第2透光膜加工为同心圆结构的工序；在上述第2透光膜上形成抗蚀剂的工序；及将上述第2透光膜作为掩模，对上述第1透光膜进行各向同性蚀刻的工序。
31.一种固体摄像器件的制造方法，上述固体摄像器件平面地配置有多个具有聚光元件的单位像素，上述聚光元件具备由折射率不同的多个透光膜构成的集合体，其特征在于，上述集合体中的一个透光膜具有与入射光的波长相同程度或比其短的宽度及预定厚度的同心形状，上述集合体中的其它透光膜以同心状填充不存在上述一个透光膜的空间的全部或一部分；该固体摄像器件的制造方法包括在Si基板上形成由受光元件、布线、遮光层及信号传送部构成的半导体集成电路的工序；在上述半导体集成电路上形成由第1透光材料和第2透光材料构成的第1透光膜的工序；在上述第1透光膜上堆积第2透光膜的工序；将上述第2透光膜加工为同心圆结构的工序；在上述第2透光膜上形成抗蚀剂的工序；将上述第2透光膜作为掩模，对构成上述第1透光膜的、上述第1透光材料和上述第2透光材料的界面进行各向同性蚀刻的工序；在上述第1透光膜的空气孔中埋入上述第1透光材料的工序；及将上述第2透光膜平坦化的工序。
全文摘要
本发明实现也对应于焦距较短的光学系统(入射角θ较大的光学系统)并且高灵敏度的固体摄像器件。各像素(尺寸□2.8mm)由梯度折射率透镜(1)、G用滤色片(2)、Al布线(3)、信号传送部(4)、平坦化层(5)、受光元件(Si光敏二极管)(6)、Si基板(7)构成。梯度折射率透镜的同心圆结构由折射率不同的4种材料TiO
文档编号H04N5/369GK1993634SQ20058002662
公开日2007年7月4日 申请日期2005年9月1日 优先权日2004年9月1日
发明者岁清公明, 小野泽和利, 上田大助, 河原卓 申请人:松下电器产业株式会社