撮像素子、撮像素子の製造方法、画素設計方法および電子機器
【課題】簡易な加工プロセスにより、高感度化および微細化を実現することが可能な撮像素子を提供する。
【解決手段】イメージセンサ１は、２次元配置された複数の画素Ｐを備え、各画素Ｐが、フォトダイオードを含む受光部２０と、入射光を受光部２０へ向けて集光する集光部１０とを有する。集光部１０では、その画素位置に応じた特定の凹凸構造１１Ａを表面に有する１または複数の光学機能層（例えばオンチップレンズ１１）を含んでいる。特定の凹凸構造１１Ａを有することにより、オンチップレンズ１１表面における反射率が低減すると共に、瞳補正の効果が得られる。
【解決手段】イメージセンサ１は、２次元配置された複数の画素Ｐを備え、各画素Ｐが、フォトダイオードを含む受光部２０と、入射光を受光部２０へ向けて集光する集光部１０とを有する。集光部１０では、その画素位置に応じた特定の凹凸構造１１Ａを表面に有する１または複数の光学機能層（例えばオンチップレンズ１１）を含んでいる。特定の凹凸構造１１Ａを有することにより、オンチップレンズ１１表面における反射率が低減すると共に、瞳補正の効果が得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device Image Sensor）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）等の撮像素子およびそのような撮像素子を用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療分野において使用される電子機器（内視鏡カメラやビジョンチップ、生体センサ等）への半導体イメージングデバイス（撮像装置）の応用が活発に行われつつある。そこで、更なる高感度化とデバイスの小型化（画素の微細化）とを両立することが要求されるが、画素の微細化が進むと、射出瞳距離が短くなることから、次のような不具合が生じる。即ち、画素端領域でのＯＣＬ（On Chip Lens：オンチップレンズ）への光の入射角度が大きくなり、ＯＣＬ表面での反射率の増大や、ケラレの増大が生じる。
【０００３】
このため、一般的には、ＣＣＤやＣＭＯＳといったイメージセンサでは、ＯＣＬの表面に反射防止膜を設けたり、あるいはレンズの中心軸をフォトダイオードの中心軸からシフトさせる補正（いわゆる瞳補正）を行うことにより対応している。
【０００４】
また最近では、ＯＣＬを円柱形状とし、更にその円柱形状のレンズに複数のスリットを設けた構造（デジタルマイクロレンズ）を採用することで、入射角度に応じてレンズの実効的な屈折率を変えることで、集光効率を向上させる技術が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２６６９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のようなＯＣＬ表面へ反射防止膜を積層した場合、それによって画素の微細化が阻害される。また、瞳補正の際には、上記のようにレンズの中心軸をシフトさせたり、あるいはレンズ自体をシュリンク（レンズ径を小さく）させて中心軸を内側にシフトさせる手法が知られているが、前者では画素の微細化が阻害され、後者では集光面積が小さくなり感度が低下してしまう。
【０００７】
また、上記特許文献１に記載の手法では、複数のスリットが複雑なパターンで設けられる特殊なレンズ構造であるがゆえに、マスク形状も複雑になると共に、高アスペクト比（例えば１０以上）の微細加工を、高い加工再現性で行う必要がある。そのような加工は画素の微細化が進めば進むほど、難しくなる。また、複雑かつ難しい加工のため、製造コストも抑えられない。
【０００８】
昨今の先進的医療技術開発をはじめ、半導体イメージングデバイスの応用分野が拡大しつつあり、更なる高感度化、微細化が要求されている。また、そのような高感度化および微細化に対応可能なイメージングデバイスを、簡易かつ低コストな加工プロセスによって実現することが望まれている。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡易な加工プロセスにより、高感度化および微細化を実現することが可能な撮像素子、撮像素子の製造方法、画素設計方法および電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の撮像素子は、２次元配置されると共に、それぞれが、光電変換素子を含む受光部と入射光を受光部へ向けて集光する集光部とを有する複数の画素を備えている。複数の画素における各集光部は、その画素位置に応じた特定の凹凸構造を表面に有する１または複数の光学機能層を含んでいる。
【００１１】
本発明の撮像素子では、２次元配置された複数の画素がそれぞれ、光電変換素子を含む受光部と、入射光を受光部へ集光する集光部とを備え、各集光部の１または複数の光学機能層の表面に、その画素位置に応じた特定の凹凸構造が設けられている。これにより、光学機能層表面における反射率が低減すると共に瞳補正がなされる。
【００１２】
本発明の撮像素子の製造方法は、２次元配置されると共に、それぞれが、光電変換素子を含む受光部と入射光を受光部へ向けて集光する集光部とを有する複数の画素を形成する際に、複数の画素の各集光部において、その画素位置に応じた特定の凹凸構造を表面に有する１または複数の光学機能層を形成するものである。
【００１３】
本発明の撮像素子の製造方法では、２次元配置されると共に、光電変換素子を含む受光部と入射光を受光部へ向けて集光する集光部とを有する複数の画素を形成する際に、各集光部において、その画素位置に応じた特定の凹凸構造を表面に有する１または複数の光学機能層を形成する。その際、複雑なマスク形状は不要であり、高い加工精度も要求されない。
【００１４】
本発明の画素設計方法は、表面に凹凸構造を有する１または複数の光学機能層を含む画素において凹凸構造のスケールを設計する際に、光学機能層における実効的屈折率を、射出瞳距離および中央画素からの距離の関数として求め、求めた実効的屈折率に基づいて凹凸構造のスケールを決定するものである。
【００１５】
本発明の電子機器は、上記本発明の撮像素子を備えたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の撮像素子によれば、２次元配置されると共に、光電変換素子を含む受光部と、入射光を受光部へ集光する集光部とを備えた複数の画素において、各集光部の１または複数の光学機能層の表面に、その画素位置に応じた特定の凹凸構造が設けられている。これにより、光学機能層表面における反射率を低減すると共に瞳補正を行うことができ、高感度化を実現できる。また、本発明の撮像素子の製造方法によれば、そのような撮像素子を、複雑なマスク形状を用いることなく、また高い加工精度が要求されることなく製造できるため、微細化にも対応可能である。よって、簡易な加工プロセスにより、高感度化および微細化を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態に係るイメージセンサの概略構成を表す断面模式図である。
【図２】図１に示した受光部の詳細構成を表す断面模式図である。
【図３】図１に示した受光部の周辺回路構成を表す平面模式図である。
【図４】凹凸スケールによる界面の屈折率変化を表す概念図である。
【図５】平面へ入射した光の屈折率と反射率との関係を表す特性図である。
【図６】シミュレーションに使用した画素構造を表す図である。
【図７】凹凸スケールに対する集光効率の変化を表すシミュレーション結果である。
【図８】瞳補正の原理および凹凸設計を説明するための概念図である。
【図９】凹凸設計の手順を表す流れ図である。
【図１０】レンズ表面の凹凸構造の加工プロセス（ナノインプリント法）を説明するための断面模式図である。
【図１１】凹凸構造の他の加工プロセス（ナノボール溶液を利用した手法）を説明するための断面模式図である。
【図１２】反射率改善結果を示す特性図である。
【図１３】変形例１に係るイメージセンサの概略構成を表す断面模式図である。
【図１４】変形例２に係るイメージセンサの概略構成を表す断面模式図である。
【図１５】変形例３に係るイメージセンサの概略構成を表す断面模式図である。
【図１６】変形例４に係る受光部（表面照射型）の概略構成を表す断面模式図である。
【図１７】適用例１（撮像装置）に係る全体構成を表す機能ブロック図である。
【図１８】適用例２（カプセル型内視鏡カメラ）に係る全体構成を表す機能ブロック図である。
【図１９】内視鏡カメラの他の例（挿入型内視鏡カメラ）に係る全体構成を表す機能ブロック図である。
【図２０】適用例３（ビジョンチップ）に係る全体構成を表す機能ブロック図である。
【図２１】適用例４（生体センサ）に係る全体構成を表す機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態（中央画素から端画素にかけて、オンチップレンズの表面に所定の凹凸構造を設けた例）
２．変形例１（レンズ位置を画素位置に応じてシフトさせた例）
３．変形例２（インナーレンズに所定の凹凸構造を設けた例）
４．変形例３（反射防止膜に所定の凹凸構造を設けた例）
５．適用例（電子機器への適用例）
【００１９】
＜実施の形態＞
図１は、本発明の一実施の形態に係るイメージセンサ（イメージセンサ１）の断面構成を表したものである。イメージセンサ１は、例えば裏面照射型（裏面受光型）の固体撮像素子（ＣＣＤ，ＣＭＯＳ）であり、基板上に複数の画素Ｐが２次元配列した構造を有する。各画素Ｐは、光電変換素子（後述のフォトダイオード２０２）を含む受光部２０と、入射光をその受光部２０へ向けて集光させる集光部１０とを備えている。
【００２０】
（集光部１０）
集光部１０は、受光部２０の受光面に設けられると共に、光入射側には、画素Ｐ毎にオンチップレンズ１１を有している。集光部１０には、また、そのオンチップレンズ１１と受光部２０との間に、オンチップレンズ１１の側から順に、カラーフィルタ１２、反射防止膜１３および遮光膜１４が設けられている。尚、本実施の形態では、オンチップレンズ１１が、本発明における光学機能層の一具体例となっている。
【００２１】
オンチップレンズ１１は、受光部２０（詳細には受光部２０のフォトダイオード２０２）の受光面へ光を集光させる機能を有するものである。このオンチップレンズ１１のレンズ径は、画素Ｐのサイズに応じた値に設定されており、例えば２μｍ程度以下である。また、このオンチップレンズ１１を構成するレンズ材料の屈折率は、例えば１．１〜１．４である。レンズ材料としては、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）が挙げられるが、後述する凹凸設計および製造方法に応じて適切なものが選定される。
【００２２】
本実施の形態では、このようなオンチップレンズ１１の表面に凹凸構造１１Ａが設けられており（オンチップレンズ１１の表面が凹凸面となっており）、この凹凸構造１１Ａのスケール（以下、凹凸スケールという）が、画素位置に応じた分布を持っている。具体的には、凹凸スケールは、例えば受光部２０における受光波長よりも小さなオーダーで設けられ、中央画素Ｐｃからの距離が大きくなるに従って、凹凸スケールが小さくなるように設計されている。この凹凸構造１１Ａの詳細構成および凹凸スケールの設計手法については後述する。尚、本明細書において「スケール」とは、凹凸構造における凹部（凸部）の幅および深さ（高さ）によって規定されるものである。また以下では、各凹凸構造１１Ａのアスペクト比が画素Ｐの全領域において同等であることを想定して説明を行うが、必ずしも各凹部（凸部）のアスペクト比は同等でなくともよい。後述する設計手法における実効的屈折率を実現し得る形状であれば、本実施の形態と同等の効果を得ることができる。
【００２３】
カラーフィルタ１２は、例えば赤色（Ｒ）フィルタ、緑色（Ｇ）フィルタおよび青色（Ｂ）フィルタのいずれかであり、例えば画素Ｐ毎に設けられている。これらのカラーフィルタは、規則的な色配列（例えばベイヤー配列）で設けられている。このようなカラーフィルタ１２を有することにより、イメージセンサ１では、その色配列に対応したカラーの受光データが得られる。
【００２４】
反射防止膜１３は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）およびシリコン窒化膜（ＳｉＮ）のいずれかよりなる単層膜または、これらの積層膜により構成されている。
【００２５】
遮光膜１４は、オンチップレンズ１１の光路上に開口１４ａを有しており、隣接画素間における光線のクロストークを抑制するために設けられている。この遮光膜１４は、例えばタングステン（Ｗ）よりなり、厚みは例えば１００ｎｍである。
【００２６】
（受光部２０）
図２は、受光部２０の断面構造（裏面照射型構造）について、集光部１０の構成と共に表したものである。受光部２０は、画素部１００と周辺回路部２００とが、同一基板２０１上に集積された構造を有している。このような受光部２０では、基板２０１上に、トランジスタや金属配線を含む配線層２０３を介して、フォトダイオード２０２が設けられている。フォトダイオード２０２は、シリコン（Ｓｉ）層２０４に埋設されており、このＳｉ層２０４上にはＳｉＯ2膜２０５が形成されている。
【００２７】
図３は、受光部２０の画素部の周辺回路構成を表す機能ブロック図である。受光部２０は、垂直（Ｖ）選択回路２０６，Ｓ／Ｈ（サンプル／ホールド）・ＣＤＳ(Correlated Double Sampling:相関二重サンプリング)回路２０７，水平（Ｈ）選択回路２０８，タイミングジェネレータ（ＴＧ）２０９，ＡＧＣ(Automatic Gain Control)回路２１０，Ａ ／Ｄ変換回路２１１およびデジタルアンプ２１２を有し、これらが同一の基板（チップ）２０４上に搭載されている。
【００２８】
［凹凸構造の詳細構成例］
続いて、図４〜図８を参照して、凹凸構造１１Ａの詳細構成および設計手法について説明する。本実施の形態では、凹凸構造１１Ａを設けることにより、反射率低減および瞳補正の効果を実現するが、以下にその原理と、そのような凹凸構造１１Ａの設計手法について述べる。
【００２９】
（反射率低減の原理）
図４（Ａ），（Ｂ）は、凹凸構造１１Ａを付与することによる界面の屈折率変化を表す概念図である。上述のように、本実施の形態では、オンチップレンズ１１の表面に凹凸構造１１Ａを有するが、この凹凸構造１１Ａによって、空気層とレンズ層との界面における屈折率変化が実効的に緩やかになる。例えば、図４（Ａ）に示したように、中央部（中央画素Ｐｃ）では、屈折率ｎ１の層と屈折率ｎ２の層との界面付近における屈折率変化は、凹凸を設けなかった場合（平面の場合）（ｔ１００）に比べ、緩やか（ｔ１，ｔ２）なものとなる。端部（端画素Ｐｅ）についても同様である（図４（Ｂ））。このように、凹凸構造１１Ａの付与により、オンチップレンズ１１表面（空気層との界面）入射時における屈折率変化を緩やかなものとすることができ、これにより、レンズ表面における反射率を低減することができる。
【００３０】
このような凹凸構造１１Ａにおける凹凸スケールは、画素位置に応じて変化するようになっている。また、各画素における凹凸スケールは、受光波長に対して１／５程度以下の範囲内で設定されていることが望ましい。例えば、受光波長５５０ｎｍに対して、中央画素Ｐｃの凹凸スケールを１００ｎｍとし、このスケールが端画素Ｐｅに向かって小さくなるように設定される。但し、受光波長は、この５５０ｎｍに限定されず、５５０ｎｍ以外の可視光や、赤外光等の他の波長についても適用可能である。いずれの受光波長であっても、凹凸スケールは上記範囲内で設定されることが望ましい。
【００３１】
（瞳補正の原理）
続いて、凹凸構造１１Ａにおける瞳補正の原理について説明する。受光波長よりも小さな凹凸構造１１Ａを考えた場合、近似的に、図５に示したような平面における光の透過および反射を考えることができる。屈折率ｎ１の媒質（たとえば空気）から屈折率ｎ２の媒質（たとえばレンズ）に光が入射するとき、入射角度をα、透過角度（出射角度：フォトダイオード受光面への入射角度に相当）をβとすると、一般に、レンズ表面での反射率Ｒは、以下の式（１）のように表される。また、スネルの法則より、上記の入射角度αおよび出射角度βと屈折率ｎ１，ｎ２との関係は以下の式（２）のように表せる。
【００３２】
【数１】
【００３３】
ここで、様々な入射角度αに対して（全画素領域にわたって）、出射角度βを一定にすることで、イメージセンサ１における瞳補正の効果が得られる。出射角度βを一定にすることは、後述するように、レンズ表層の屈折率ｎ２を入射角度αに応じて実効的に変化させればよい。つまり、図１に示したように、中央画素Ｐｃからの距離に依存してレンズ表面の凹凸のスケールを変化させることにより、実効的屈折率を出射角度βが一定となるように変化させることができ、瞳補正の効果を得ることができる。尚、本明細書において、このような凹凸スケールに依存して変化する“見かけの”屈折率を「実効的屈折率」と称する。
【００３４】
上記のような原理により、レンズ表層に中央画素Ｐｃからの距離に依存したスケール分布を有する凹凸構造１１Ａを付加させることにより、瞳補正と反射率低減の両方の効果が得られ、集光部１０における集光効率の向上へつながる。
【００３５】
例えば、図６に示したような画素構造を想定し、凹凸構造１１Ａを有する球面レンズに５５０ｎｍの波長の平面光を入射したときの集光効率を、ＦＤＴＤ（Finite-difference time-domain）法を用いた電磁界シミュレーションにより測定した。この際、凹凸スケール（凸部直径ｄ）は、０ｎｍ，５５ｎｍ，１１０ｎｍ，２２０ｎｍとした。尚、凹凸スケール０ｎｍの構造（直径ｄ／入射波長５５０＝１／∞）は、通常の滑らかな表面のレンズ（凹凸構造を有していないレンズ）に相当する。図７に、そのシミュレーション結果を示す。
【００３６】
図７に示したように、凹凸スケールが入射波長よりも十分に小さい場合、例えば入射波長の１／５以下、望ましくは１／１０以下である場合には、凹凸が大きくなるほど集光効率が向上する傾向にあることがわかる。一方、凹凸スケールが入射波長の１／５より大きい場合には、凹凸構造における局所的散乱等が影響することから、スネルの法則から逸脱するため、逆に反射率が増大して集光効率が低減してしまう。従って、上述したように、凹凸スケールは受光波長の１／５程度以下の微細な凹凸スケールであることが望ましい。
【００３７】
（凹凸スケール分布の規定）
次に、上記のような凹凸スケールと画素位置との関係について、図８を参照して説明する。ここでは、中央画素Ｐｃとその中央画素Ｐｃから距離Ｌだけ離れた位置に配置された周辺画素Ｐｍについての光線幾何について考える。射出瞳距離をＨ、オンチップレンズ１１の大きさ（長軸方向における径）をｒ、レンズ表面上の任意の点の角度をθ、中央画素Ｐｃにおける光線の入射角度をα、周辺画素Ｐｍにおける入射角度をα'（＝Δ＋α）とすると、次のような式（３）〜（５）のように表すことができる。また、一般に、イメージセンサでは、射出瞳距離Ｈ＞＞ｒであるため、これらの式（３）〜（５）から、近似的にΔを求めることができる（式（６））。
【００３８】
更に、スネルの法則を中央画素Ｐｃと周辺画素Ｐｍとについて考えると、中央画素Ｐｃでは、以下の式（７）、周辺画素Ｐｍでは式（８）のような関係で表すことができる。
【００３９】
【数２】
ここで、出射角度βを一定にすることを考えると、上記式（７），（８）および上記式（６）より、周辺画素Ｐｍにおいて、中央画素Ｐｃと出射角度βを等しくするような実効的屈折率ｎ２(L)（＞ｎ２）を、中央画素からの距離Ｌの関数として求めることができる。このような実効的屈折率ｎ２(L)と、凹凸スケールとの関係を、実験ないしはシミュレーションにより予め求めておけば、中央画素Ｐｃからの距離Ｌに応じて適切な実効的屈折率ｎ２(L)が求まり、この実効的屈折率ｎ２(L)に対応する凹凸スケールが決定される。このようにして、画素位置（距離Ｌ）に応じて、出射角度βを一定とするような実効的屈折率ｎ２(L)を満たす凹凸スケールを決定することができる。このような凹凸設計のフロー図を図９に示す。
【００４０】
図９に示したように、凹凸構造１１Ａにおける凹凸スケールを設計する際には、まず、射出瞳距離（Ｈ）を設定する（ステップＳ１１）。つまり、集光部１０におけるいずれの光学機能層に、凹凸スケールを付与するかを決定する。本実施の形態では、オンチップレンズ１１の表面に凹凸スケールを形成する。続いて、設定した射出瞳距離Ｈを含む中央画素Ｐｃと周辺画素Ｐｍとの光線幾何から、周辺画素Ｐｍと中央画素Ｐｃとにおいて出射角度βを等しくする実効的屈折率ｎ２(L)を導出する（ステップＳ１２）。これにより、実効的屈折率ｎ２(L)を距離Ｌの関数として求め（ステップＳ１３）、求めた実効的屈折率ｎ２(L)に基づいて（実効的屈折率ｎ２(L)を満たす）凹凸スケールを決定する（ステップＳ１４）。尚、実効的屈折率と凹凸スケールとの関係（上述のようにシミュレーション等を用いて事前に取得しておく）は、予めデータベース（図示せず）等に保持しておけばよい。
【００４１】
［凹凸構造の製造方法］
オンチップレンズ１１における凹凸構造１１Ａは、上述したような凹凸設計に基づいて、例えば次のようにして製造することができる。即ち、ナノインプリントリソグラフィ法、および有機ナノボール（ナノボール溶液）を用いた方法により製造可能である。以下、これらの具体的な手法について説明する。
【００４２】
（ナノインプリントリソグラフィ法）
図１０（Ａ）〜（Ｅ）は、ナノインプリントリソグラフィ法を用いたオンチップレンズ１１の製造工程を工程順に表したものである。まず、図１０（Ａ）に示したように、
レンズ母体１１０上にレンズマスク母材１１１ａを形成し、このレンズマスク母材１１１ａをリフローする。これにより、図１０（Ｂ）に示したように、レンズ母体１１０上に、レンズマスク１１１を形成する。尚、ここでは、簡便化のため、１つのオンチップレンズ１１に対応する領域（１画素分の領域）のみを図示している。
【００４３】
他方、基板上に、光ないしは電子ビーム露光等により、例えばフォトレジストよりなるマスク材１１２を所定のパターン（前述した凹凸設計に基づいた、画素位置に応じてスケールが変化するマスクパターン）で形成する（図示せず）。続いて、このようにしてパターン形成したマスク材１１２上に、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を液滴し、約１００℃で２０分ベーキングすることにより、ＰＤＭＳモールド１１３を形成する（図示せず）。その後、室温に戻し、基板から、マスク材１１２とＰＤＭＳモールド１１３をはがす。このようにして作成したマスク材１１２およびＰＤＭＳモールド１１３を、図１０（Ｃ）に示したように、上記のレンズマスク１１１の表面に押し当てることにより、レンズマスク１１１の表面にマスク材１１２を転写する。尚、ＰＤＭＳモールドは有機材料からなるため、レンズのような曲面に対してもパターン形成されたマスク材１１２を精度良く転写することができる。
【００４４】
この後、図１０（Ｄ）に示したように、形成したレンズマスク１１１およびマスク材１１２をマスクとして、その下層に設けられたレンズ母体１１０をドライエッチング（エッチバック）する。これにより、図１０（Ｅ）に示したように、オンチップレンズ１１を形成すると共に、その表面に、マスク材１１２のパターンに応じた凹凸スケールを有する凹凸構造１１Ａを形成することができる。凹凸構造１１Ａを表面に有するオンチップレンズ１１を形成する。この際のエッチング条件の一例としては、ＣＣＰ（Capacitive Coupled Plasma：容量結合型）エッチング装置を使用し、例えばフルオロカーボンガスの流量を５０ｓｃｃｍ（Standard Cubic Centimeter per Minutes），酸素ガスの流量を２０ｓｃｃｍとし、ソース電力を８００Ｗ，バイアス電力を１００Ｗ，ガス圧力を５０ｍＴ，下部電極温度を２０℃とする。但し、これらの条件は一例に過ぎず、エッチングガス種、エッチングガスの流量比率、ガス圧力、基板温度、エッチング時間等の調整により、表面の凹凸の形状を緻密にコントロールすることが可能である。尚、ドライエッチング終了時点において、レジスト残渣が生じた場合は、その残渣を、シンナー剥離を行うことにより除去すればよい。
【００４５】
（ナノボール溶液を用いた手法）
図１１（Ａ），（Ｂ）は、ナノボール溶液を用いたオンチップレンズ１１の製造工程の一部を模式的に表したものである。まず、上記ナノインプリントリソグラフィ法の場合と同様にして、レンズ母体１１０上にレンズマスク１１１を形成する。この後、図１１（Ａ）に示したように、 レンズマスク１１１の表面に、所定のスケールのナノボール（ナノ粒子）１１４ａ（前述した凹凸設計に基づいた、画素位置に応じてスケールが変化するナノボール）を含有するナノボール溶液１１４を塗布する。この際、使用するナノボール１１４ａの粒径は、例えば１００ｎｍ程度以下の範囲とし、その材料としては、フォトレジストよりも熱耐性およびプラズマ耐性の高い有機系材料、例えばポリイミド樹脂を用いる。
【００４６】
但し、これらの粒径および材料は一例であり、凹凸の形状もしくは凹部（凸部）幅や深さに応じて、適切な粒径および材料が選択されればよい。また、溶媒としては、ナノボールよりも熱耐性およびプラズマ耐性が低く、かつ粘度の低い有機系溶媒、例えば、ＰＧＭＥ(プロピレングリコールモノメチルエーテル)、ＰＧＭＥＡ(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート)、ＥＬ(乳酸エチル)もしくは純水を用いることができる。粘度の低い溶媒を用いる理由は、ナノボール１個分に相当する程度の膜厚でレンズ表面上にナノボール溶液を塗布し、できるだけナノボール個々の形状を一様にレンズに転写するためである。
【００４７】
ナノボール溶液１１４を塗布する際には、例えばＰＳＬ塗布機(パーティクル散布装置)を用いることで、ナノボール溶液１１４をレンズ表面に高精度(μｍレベル以下)で散布することが可能である。但し、ナノボール溶液１１４をμｍレベルの精度で任意のウエハ位置に塗布できる装置であれば、他の装置を用いてもよい。また、スピンコートなどのウェットコーティングのできる装置を使用してもよい。
【００４８】
続いて、図１１（Ｂ）に示したように、ナノボール溶液１１４が塗布されたレンズ母体１１０を、フルオロカーボンガスに酸素を添加した混合ガス、もしくは塩素ガスに酸素を添加した混合ガスを使用してドライエッチング(エッチバック)する。尚、この際のエッチング条件としては、上記ナノインプリントリソグラフィ法の場合と同様の条件とすることもできるし、他の条件としてもよい。これにより、オンチップレンズ１１を形成すると共に、その表面に、ナノボール１１４のスケールに応じた凹凸スケールを有する凹凸構造１１Ａを形成することができる。
【００４９】
尚、ドライエッチング終了時点においてナノボール残渣がある場合には、上記ナノインプリントリソグラフィ法の場合と同様、シンナー剥離を行えばよいが、ナノボール１１４ａを用いた本手法では、ナノボール１１４ａの粒径とレンズ膜厚とが大きく異なるため、そのような残渣が生じにくい。
【００５０】
（作用・効果）
本実施の形態のイメージセンサ１では、複数の画素が２次元配置され、各画素が、フォトダイオード２０２を含む受光部２０と、入射した光を受光部２０へ向けて集光する集光部１０とを有している。集光部１０はオンチップレンズ１１を含み、このオンチップレンズ１１の表面に、画素位置に応じた特定の凹凸構造１１Ａが設けられている。具体的には、凹凸構造１１Ａにおける凹凸スケールが、画素全域においてオンチップレンズ１１の透過光線の出射角度（β）が一定となるような屈折率（実効的屈折率）を満たすように設計されている。このような凹凸構造１１Ａの付与により、オンチップレンズ１１の表面における反射率を低減すると共に、瞳補正の効果を得ることができる。従って、近年のイメージングデバイスの応用分野拡大に伴う高感度化に対応可能となる。また、従来のように、オンチップレンズ表面に反射防止膜を設ける必要もなくなるため、更なる画素の微細化にも対応できる。
【００５１】
例えば、次のような数値条件で画素設計を行い、反射率を測定したところその改善が確認された。条件としては、オンチップレンズ１１の表面に、画素位置に応じた凹凸スケールを有する凹凸構造１１Ａを設けると共に、射出瞳距離Ｈを１ｍｍ，単位画素サイズを１．４μｍ×１．４μｍ，画素数を１０００万画素とした。また、オンチップレンズ１１におけるレンズ径を１．４μｍ，カラーフィルタ１２（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の膜厚を７００ｎｍ，遮光膜１４の膜厚を１００ｎｍ，反射防止膜１３の膜厚を４００ｎｍとした。更に、フォトダイオード（シリコン）膜厚を３μｍとした。このような構成において、凹凸スケールを、中央画素において１００ｎｍとし、端画素に向かって徐々に小さくなる（実効的屈折率が１．４から１．１の間で変化する）ようにした。図１２に、そのようにして作製した中央画素Ｐｃと端画素Ｐｅとの反射率改善の一例を示す。このように、中央画素Ｐｃと端画素Ｐｅのいずれにおいても、数％程度の反射率低減効果がみられる。また、これらの値は、従来のように、反射防止膜をレンズ表面に形成した場合とほぼ同等の効果を示すものである。
【００５２】
また、このような反射率低減および瞳補正の効果を生じる凹凸構造１１Ａは、その所定の凹凸スケールに対応したマスクパターンを用いたナノインプリントリソグラフィ法、またはそのような凹凸スケールに対応したナノボールを用いた手法等により、容易に形成可能である。即ち、マスクパターンやナノボール等、マスクとして使用する部材のスケールを調整するだけでよいので、複雑なパターン形状を有するマスクを使用せずに済み、また高い加工精度も要求されない。即ち、画素の微細化への対応が可能となる。よって、イメージセンサ１では、簡易な加工プロセスにより、高感度化および微細化を実現することが可能となる。
【００５３】
以下、上記実施の形態の変形例（変形例１〜４）について説明する。以下では、上記実施の形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００５４】
＜変形例１＞
図１３は、変形例１に係るイメージセンサ（イメージセンサ１Ａ）の断面構成を表したものである。イメージセンサ１Ａは、上記実施の形態のイメージセンサ１と同様、裏面照射型の固体撮像素子であり、基板上に複数の画素Ｐが２次元配列した構造を有する。また、各画素Ｐは、光電変換素子（フォトダイオード２０２）を含む受光部２０と、オンチップレンズ１１を含む集光部１０Ａとを備えている。集光部１０Ａは、オンチップレンズ１１と受光部２０との間に、カラーフィルタ１２、反射防止膜１３および遮光膜１４を有している。このような構成において、本変形例においても、上記実施の形態と同様、オンチップレンズ１１の表面に凹凸構造１１Ａを有しており、この凹凸構造１１Ａが画素位置に応じて異なる所定の凹凸スケールを有している。
【００５５】
但し、本変形例では、上記凹凸スケールの変化に加え、オンチップレンズ１１の位置を画素位置に応じてシフトさせた構造となっている。具体的には、中央画素Ｐｃ以外の画素におけるオンチップレンズ１１を、その中心軸（ｈ１〜ｈｎ）が中央画素Ｐｃの側（内側）に近づくようにシフトさせる。このとき、そのシフト量、例えば受光部２０（フォトダイオード２０２）の中心軸ｈｆと、オンチップレンズ１１の中心軸ｈ１〜ｈｎのそれぞれの間の距離（シフト量ｄ１〜ｄｎ）は、中央画素Ｐｃから端画素Ｐｅに向かって徐々に大きくなっている（ｄ１＜ｄ２＜…＜ｄｎ）。またシフト量ｄｎは、例えば０．２μｍである。このようなレンズシフトによっても、瞳補正の効果を得ることができる。
【００５６】
尚、ここでは中央画素Ｐｃから端画素Ｐｅに向かって徐々にシフト量が大きくなるように画素の全域において、オンチップレンズ１１をシフトさせる場合について説明したが、必ずしも全てのレンズをシフトさせる必要はなく、例えば端画素Ｐｅのみシフトさせるようにしてもよい。あるいは、端部側に配置された選択的な画素においてシフトさせるような構成であってもよい。
【００５７】
このように、オンチップレンズ１１に所定の凹凸構造１１Ａを設けたうえで、更にレンズ位置をシフトして瞳補正を行うようにしてもよい。これにより、上記実施の形態と同等かそれ以上の効果（瞳補正効果の更なる向上）が得られる。
【００５８】
＜変形例２＞
図１４は、変形例２に係るイメージセンサ（イメージセンサ１Ｂ）の断面構成を表したものである。イメージセンサ１Ｂは、上記実施の形態のイメージセンサ１と同様、裏面照射型の固体撮像素子であり、基板上に複数の画素Ｐが２次元配列した構造を有する。また、各画素Ｐは、光電変換素子（フォトダイオード２０２）を含む受光部２０と、オンチップレンズ１１を含む集光部１０Ｂとを備えている。このような構成において、本変形例においても、上記実施の形態と同様、オンチップレンズ１１の表面に凹凸構造１１Ａを有しており、この凹凸構造１１Ａが画素位置に応じて異なる所定の凹凸スケールを有している。
【００５９】
但し、本変形例では、集光部１０Ｂにおいて、オンチップレンズ１１と受光部２０との間に、インナーレンズ１５を有している。具体的には、インナーレンズ１５は、受光部２０上の遮光膜１４の開口領域に配設されており、このインナーレンズ１５上にカラーフィルタ１２を介してオンチップレンズ１１が設けられている。このインナーレンズ１５が積層された多重レンズ構造により、より反射率を低減して、集光効率を高めることができる。
【００６０】
本変形例では、このようなインナーレンズ１５の表面にも、オンチップレンズ１１における凹凸構造１１Ａと同様の凹凸構造１５Ａが設けられている。即ち、インナーレンズ１５の凹凸構造１５Ａにおいても、画素位置に応じた所定の凹凸スケールを有している。この場合、凹凸構造１５Ａの凹凸スケールは、例えば上述したような設計手順を経て得られた凹凸スケールと同等のスケール（直上のオンチップレンズ１１と同等の凹凸スケール）とすればよい。
【００６１】
このように、集光部１０Ｂが多重レンズ構造を有する場合に、オンチップレンズ１１に所定の凹凸構造１１Ａを設けたうえで、更にインナーレンズ１５にも同様の凹凸構造１５Ａを設けてもよい。これにより、上記実施の形態と同等かそれ以上の効果（反射率の更なる低減、および瞳補正効果の更なる向上）が得られる。
【００６２】
＜変形例３＞
図１５は、変形例３に係るイメージセンサ（イメージセンサ１Ｃ）の断面構成を表したものである。イメージセンサ１Ｃは、上記実施の形態のイメージセンサ１と同様、裏面照射型の固体撮像素子であり、基板上に複数の画素Ｐが２次元配列した構造を有する。また、各画素Ｐは、光電変換素子（フォトダイオード２０２）を含む受光部２０と、オンチップレンズ１１を含む集光部１０Ｃとを備えている。集光部１０Ｃは、オンチップレンズ１１と受光部２０との間に、カラーフィルタ１２、反射防止膜１６および遮光膜１４を有している。このような構成において、本変形例においても、上記実施の形態と同様、オンチップレンズ１１の表面に凹凸構造１１Ａを有しており、この凹凸構造１１Ａが画素位置に応じて異なる所定の凹凸スケールを有している。
【００６３】
但し、本変形例では、集光部１０Ｃにおいて、反射防止膜１６の表面にも、オンチップレンズ１１における凹凸構造１１Ａと同様の凹凸構造１６Ａが設けられている。即ち、反射防止膜１６の凹凸構造１６Ａにおいても、画素位置に応じた所定の凹凸スケールを有している。この場合、凹凸構造１６Ａにおける凹凸スケールは、例えば上述したような設計手順を経て得られた凹凸スケールと同等のスケール（直上のオンチップレンズ１１と同等の凹凸スケール）とすればよい。
【００６４】
このように、集光部１０Ｃにおいて、オンチップレンズ１１に所定の凹凸構造１１Ａを設けたうえで、更に反射防止膜１６にも同様の凹凸構造１６Ａを設けてもよい。これにより、上記実施の形態と同等かそれ以上の効果（反射率の更なる低減、および瞳補正効果の更なる向上）が得られる。
【００６５】
＜変形例４＞
図１６は、変形例４に係るイメージセンサにおける受光部（受光部２０Ａ）の断面構成を表したものである。上記実施の形態等では、裏面照射型のイメージセンサを例に挙げたが、本発明は、以下に説明するような表面照射型のイメージセンサにも適用可能である。即ち、表面照射型のイメージセンサでは、受光部２０Ａにおいて、画素部１００と周辺回路部２００とが、同一基板２０１上に集積された構造を有するが、基板２０１上に、フォトダイオード２１４が埋設されたシリコン層２１３が設けられており、このフォトダイオード２１４の上層（光入射側）に、トランジスタや金属配線を含む配線層２１５が設けられている。尚、この受光部２０Ａ上に、上記実施の形態等で説明した集光部１０が形成される。
【００６６】
このように、裏面照射型のイメージセンサに限らず、表面照射型のイメージセンサにも適用可能であり、表面照射型の場合であっても、上記実施の形態と同等の効果を得ることができる。
【００６７】
［適用例］
以下、上記実施の形態および変形例等において説明したイメージセンサの適用例（適用例１〜４）について説明する。上記実施の形態等におけるイメージセンサはいずれも、様々な分野における電子機器に適用可能である。ここでは、その一例として、撮像装置（カメラ）、内視鏡カメラ、ビジョンチップ（人工網膜）および生体センサについて説明する。また、上述のイメージセンサを代表して上記実施の形態において説明したイメージセンサ１を例に挙げる。
【００６８】
＜適用例１＞
図１７は、適用例１に係る撮像装置（撮像装置２）の全体構成を表す機能ブロック図である。撮像装置２は、例えばデジタルスチルカメラまたはデジタルビデオカメラであり、光学系２１と、シャッタ装置２２と、イメージセンサ１と、駆動回路２４と、信号処理回路２３と、制御部２５とを備えている。
【００６９】
光学系２１は、被写体からの像光（入射光）をイメージセンサ１の撮像面上に結像させる１または複数の撮像レンズを含むものである。シャッタ装置２２は、イメージセンサ１への光照射期間（露光期間）および遮光期間を制御するものである。駆動回路２４は、シャッタ装置２２の開閉駆動を行うと共に、イメージセンサ１における露光動作および信号読み出し動作を駆動するものである。信号処理回路２３は、イメージセンサ１からの出力信号に対して、所定の信号処理、例えばデモザイク処理やホワイトバランス調整処理等の各種補正処理を施すものである。制御部２５は、例えばマイクロコンピュータから構成され、駆動回路２４におけるシャッタ駆動動作およびイメージセンサ駆動動作を制御すると共に、信号処理回路２３における信号処理動作を制御するものである。
【００７０】
この撮像装置２では、入射光が、光学系２１、シャッタ装置２２を介してイメージセンサ１において受光されると、イメージセンサ１では、その受光量に基づく信号電荷が蓄積される。駆動回路２４により、イメージセンサ１に蓄積された信号電荷が読み出しがなされ、読み出された電気信号は信号処理回路２３へ出力される。イメージセンサ１から出力された出力信号は、信号処理部２３において所定の信号処理が施され、映像信号Ｄoutとして外部（モニタ等）へ出力されるが、あるいは、図示しないメモリ等の記憶部（記憶媒体）に保持される。
【００７１】
＜適用例２＞
図１８は、適用例２に係る内視鏡カメラ（カプセル型内視鏡カメラ３Ａ）の全体構成を表す機能ブロック図である。カプセル型内視鏡カメラ３Ａは、光学系３１と、シャッタ装置３２と、イメージセンサ１と、駆動回路３４と、信号処理回路３３と、データ送信部３５と、駆動用バッテリー３６と、姿勢（方向、角度）感知用のジャイロ回路３７とを備えている。これらのうち、光学系３１、シャッタ装置３２、駆動回路３４および信号処理回路３３は、上記撮像措置２において説明した光学系２１、シャッタ装置２２、駆動回路２４および信号処理回路２３と同様の機能を有している。但し、光学系３１は、３次元空間における複数の方位（例えば全方位）での撮影が可能となっていることが望ましく、１つまたは複数のレンズにより構成されている。但し、本例では、信号処理回路３３における信号処理後の映像信号Ｄ１およびジャイロ回路３７から出力された姿勢感知信号Ｄ２は、データ送信部３５を通じて無線通信により外部の機器へ送信されるようになっている。
【００７２】
尚、上記実施の形態におけるイメージセンサを適用可能な内視鏡カメラとしては、上記のようなカプセル型のものに限らず、例えば図１９に示したような挿入型の内視鏡カメラ（挿入型内視鏡カメラ３Ｂ）であってもよい。挿入型内視鏡カメラ３Ｂは、上記カプセル型内視鏡カメラ３Ａにおける一部の構成と同様、光学系３１、シャッタ装置３２、イメージセンサ１、駆動回路３４、信号処理回路３３およびデータ送信部３５を備えている。但し、この挿入型内視鏡カメラ３Ｂは、更に、装置内部に格納可能なアーム３８ａと、このアーム３８ａを駆動する駆動部３８とが付設されている。このような挿入型内視鏡カメラ３Ｂは、駆動部３８へアーム制御信号ＣＴＬを伝送するための配線３９Ａと、撮影画像に基づく映像信号Ｄoutを伝送するための配線３９Ｂとを有するケーブル３９に接続されている。
【００７３】
＜適用例３＞
図２０は、適用例３に係るビジョンチップ（ビジョンチップ４）の全体構成を表す機能ブロック図である。ビジョンチップ４は、眼の眼球Ｅ１の奥側の壁（視覚神経を有する網膜Ｅ２）の一部に、埋め込まれて使用される人口網膜である。このビジョンチップ４は、例えば網膜Ｅ２における神経節細胞Ｃ１、水平細胞Ｃ２および視細胞Ｃ３のうちのいずれかの一部に埋設されており、例えばイメージセンサ１と、信号処理回路４１と、刺激電極部４２とを備えている。これにより、眼への入射光に基づく電気信号をイメージセンサ１において取得し、その電気信号を信号処理回路４１において処理することにより、刺激電極部４２へ所定の制御信号を供給する。刺激電極部４２は、入力された制御信号に応じて視覚神経に刺激（電気信号）を与える機能を有するものである。
【００７４】
＜適用例４＞
図２１は、適用例４に係る生体センサ（生体センサ５）の全体構成を表す機能ブロック図である。生体センサ５は、例えば指Ａに装着可能な血糖値センサであり、半導体レーザ５１と、イメージセンサ１と、信号処理回路５２とを備えたものである。半導体レーザ５１は、例えば赤外光（波長７８０ｎｍ以上）を出射するＩＲ（infrared laser）レーザである。このような構成により、血中のグルコース量に応じたレーザ光の吸収具合をイメージセンサ１によりセンシングし、血糖値を測定するようになっている。
【００７５】
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態等では、オンチップレンズ１１の表面に凹凸構造１１Ａを設けた構成を例に挙げて説明したが、必ずしもオンチップレンズ１１が凹凸構造１１Ａを有している必要はなく、集光部におけるいずれかの光学機能層が、凹凸構造を有していればよい。例えば、受光部とオンチップレンズとの間に設けられた反射防止膜のみが凹凸構造を有していてもよいし、上記変形例２において説明したような多重レンズ構造を有する場合には、インナーレンズのみが凹凸構造を有していてもよい。あるいは逆に、オンチップレンズと受光部との間に更に他の光学機能層を備え、それらの光学機能層の表面にもオンチップレンズと同様の凹凸構造を設けるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１，１Ａ〜１Ｃ…イメージセンサ、１０…集光部、１１…オンチップレンズ、１１Ａ，１５Ａ，１６Ａ…凹凸構造、１２…カラーフィルタ、１３，１６…反射防止膜、１４…遮光膜、１５…インナーレンズ、２…撮像装置、３…内視鏡カメラ、４…ビジョンチップ、５…生体センサ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device Image Sensor）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）等の撮像素子およびそのような撮像素子を用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療分野において使用される電子機器（内視鏡カメラやビジョンチップ、生体センサ等）への半導体イメージングデバイス（撮像装置）の応用が活発に行われつつある。そこで、更なる高感度化とデバイスの小型化（画素の微細化）とを両立することが要求されるが、画素の微細化が進むと、射出瞳距離が短くなることから、次のような不具合が生じる。即ち、画素端領域でのＯＣＬ（On Chip Lens：オンチップレンズ）への光の入射角度が大きくなり、ＯＣＬ表面での反射率の増大や、ケラレの増大が生じる。
【０００３】
このため、一般的には、ＣＣＤやＣＭＯＳといったイメージセンサでは、ＯＣＬの表面に反射防止膜を設けたり、あるいはレンズの中心軸をフォトダイオードの中心軸からシフトさせる補正（いわゆる瞳補正）を行うことにより対応している。
【０００４】
また最近では、ＯＣＬを円柱形状とし、更にその円柱形状のレンズに複数のスリットを設けた構造（デジタルマイクロレンズ）を採用することで、入射角度に応じてレンズの実効的な屈折率を変えることで、集光効率を向上させる技術が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２６６９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のようなＯＣＬ表面へ反射防止膜を積層した場合、それによって画素の微細化が阻害される。また、瞳補正の際には、上記のようにレンズの中心軸をシフトさせたり、あるいはレンズ自体をシュリンク（レンズ径を小さく）させて中心軸を内側にシフトさせる手法が知られているが、前者では画素の微細化が阻害され、後者では集光面積が小さくなり感度が低下してしまう。
【０００７】
また、上記特許文献１に記載の手法では、複数のスリットが複雑なパターンで設けられる特殊なレンズ構造であるがゆえに、マスク形状も複雑になると共に、高アスペクト比（例えば１０以上）の微細加工を、高い加工再現性で行う必要がある。そのような加工は画素の微細化が進めば進むほど、難しくなる。また、複雑かつ難しい加工のため、製造コストも抑えられない。
【０００８】
昨今の先進的医療技術開発をはじめ、半導体イメージングデバイスの応用分野が拡大しつつあり、更なる高感度化、微細化が要求されている。また、そのような高感度化および微細化に対応可能なイメージングデバイスを、簡易かつ低コストな加工プロセスによって実現することが望まれている。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡易な加工プロセスにより、高感度化および微細化を実現することが可能な撮像素子、撮像素子の製造方法、画素設計方法および電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の撮像素子は、２次元配置されると共に、それぞれが、光電変換素子を含む受光部と入射光を受光部へ向けて集光する集光部とを有する複数の画素を備えている。複数の画素における各集光部は、その画素位置に応じた特定の凹凸構造を表面に有する１または複数の光学機能層を含んでいる。
【００１１】
本発明の撮像素子では、２次元配置された複数の画素がそれぞれ、光電変換素子を含む受光部と、入射光を受光部へ集光する集光部とを備え、各集光部の１または複数の光学機能層の表面に、その画素位置に応じた特定の凹凸構造が設けられている。これにより、光学機能層表面における反射率が低減すると共に瞳補正がなされる。
【００１２】
本発明の撮像素子の製造方法は、２次元配置されると共に、それぞれが、光電変換素子を含む受光部と入射光を受光部へ向けて集光する集光部とを有する複数の画素を形成する際に、複数の画素の各集光部において、その画素位置に応じた特定の凹凸構造を表面に有する１または複数の光学機能層を形成するものである。
【００１３】
本発明の撮像素子の製造方法では、２次元配置されると共に、光電変換素子を含む受光部と入射光を受光部へ向けて集光する集光部とを有する複数の画素を形成する際に、各集光部において、その画素位置に応じた特定の凹凸構造を表面に有する１または複数の光学機能層を形成する。その際、複雑なマスク形状は不要であり、高い加工精度も要求されない。
【００１４】
本発明の画素設計方法は、表面に凹凸構造を有する１または複数の光学機能層を含む画素において凹凸構造のスケールを設計する際に、光学機能層における実効的屈折率を、射出瞳距離および中央画素からの距離の関数として求め、求めた実効的屈折率に基づいて凹凸構造のスケールを決定するものである。
【００１５】
本発明の電子機器は、上記本発明の撮像素子を備えたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の撮像素子によれば、２次元配置されると共に、光電変換素子を含む受光部と、入射光を受光部へ集光する集光部とを備えた複数の画素において、各集光部の１または複数の光学機能層の表面に、その画素位置に応じた特定の凹凸構造が設けられている。これにより、光学機能層表面における反射率を低減すると共に瞳補正を行うことができ、高感度化を実現できる。また、本発明の撮像素子の製造方法によれば、そのような撮像素子を、複雑なマスク形状を用いることなく、また高い加工精度が要求されることなく製造できるため、微細化にも対応可能である。よって、簡易な加工プロセスにより、高感度化および微細化を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態に係るイメージセンサの概略構成を表す断面模式図である。
【図２】図１に示した受光部の詳細構成を表す断面模式図である。
【図３】図１に示した受光部の周辺回路構成を表す平面模式図である。
【図４】凹凸スケールによる界面の屈折率変化を表す概念図である。
【図５】平面へ入射した光の屈折率と反射率との関係を表す特性図である。
【図６】シミュレーションに使用した画素構造を表す図である。
【図７】凹凸スケールに対する集光効率の変化を表すシミュレーション結果である。
【図８】瞳補正の原理および凹凸設計を説明するための概念図である。
【図９】凹凸設計の手順を表す流れ図である。
【図１０】レンズ表面の凹凸構造の加工プロセス（ナノインプリント法）を説明するための断面模式図である。
【図１１】凹凸構造の他の加工プロセス（ナノボール溶液を利用した手法）を説明するための断面模式図である。
【図１２】反射率改善結果を示す特性図である。
【図１３】変形例１に係るイメージセンサの概略構成を表す断面模式図である。
【図１４】変形例２に係るイメージセンサの概略構成を表す断面模式図である。
【図１５】変形例３に係るイメージセンサの概略構成を表す断面模式図である。
【図１６】変形例４に係る受光部（表面照射型）の概略構成を表す断面模式図である。
【図１７】適用例１（撮像装置）に係る全体構成を表す機能ブロック図である。
【図１８】適用例２（カプセル型内視鏡カメラ）に係る全体構成を表す機能ブロック図である。
【図１９】内視鏡カメラの他の例（挿入型内視鏡カメラ）に係る全体構成を表す機能ブロック図である。
【図２０】適用例３（ビジョンチップ）に係る全体構成を表す機能ブロック図である。
【図２１】適用例４（生体センサ）に係る全体構成を表す機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態（中央画素から端画素にかけて、オンチップレンズの表面に所定の凹凸構造を設けた例）
２．変形例１（レンズ位置を画素位置に応じてシフトさせた例）
３．変形例２（インナーレンズに所定の凹凸構造を設けた例）
４．変形例３（反射防止膜に所定の凹凸構造を設けた例）
５．適用例（電子機器への適用例）
【００１９】
＜実施の形態＞
図１は、本発明の一実施の形態に係るイメージセンサ（イメージセンサ１）の断面構成を表したものである。イメージセンサ１は、例えば裏面照射型（裏面受光型）の固体撮像素子（ＣＣＤ，ＣＭＯＳ）であり、基板上に複数の画素Ｐが２次元配列した構造を有する。各画素Ｐは、光電変換素子（後述のフォトダイオード２０２）を含む受光部２０と、入射光をその受光部２０へ向けて集光させる集光部１０とを備えている。
【００２０】
（集光部１０）
集光部１０は、受光部２０の受光面に設けられると共に、光入射側には、画素Ｐ毎にオンチップレンズ１１を有している。集光部１０には、また、そのオンチップレンズ１１と受光部２０との間に、オンチップレンズ１１の側から順に、カラーフィルタ１２、反射防止膜１３および遮光膜１４が設けられている。尚、本実施の形態では、オンチップレンズ１１が、本発明における光学機能層の一具体例となっている。
【００２１】
オンチップレンズ１１は、受光部２０（詳細には受光部２０のフォトダイオード２０２）の受光面へ光を集光させる機能を有するものである。このオンチップレンズ１１のレンズ径は、画素Ｐのサイズに応じた値に設定されており、例えば２μｍ程度以下である。また、このオンチップレンズ１１を構成するレンズ材料の屈折率は、例えば１．１〜１．４である。レンズ材料としては、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）が挙げられるが、後述する凹凸設計および製造方法に応じて適切なものが選定される。
【００２２】
本実施の形態では、このようなオンチップレンズ１１の表面に凹凸構造１１Ａが設けられており（オンチップレンズ１１の表面が凹凸面となっており）、この凹凸構造１１Ａのスケール（以下、凹凸スケールという）が、画素位置に応じた分布を持っている。具体的には、凹凸スケールは、例えば受光部２０における受光波長よりも小さなオーダーで設けられ、中央画素Ｐｃからの距離が大きくなるに従って、凹凸スケールが小さくなるように設計されている。この凹凸構造１１Ａの詳細構成および凹凸スケールの設計手法については後述する。尚、本明細書において「スケール」とは、凹凸構造における凹部（凸部）の幅および深さ（高さ）によって規定されるものである。また以下では、各凹凸構造１１Ａのアスペクト比が画素Ｐの全領域において同等であることを想定して説明を行うが、必ずしも各凹部（凸部）のアスペクト比は同等でなくともよい。後述する設計手法における実効的屈折率を実現し得る形状であれば、本実施の形態と同等の効果を得ることができる。
【００２３】
カラーフィルタ１２は、例えば赤色（Ｒ）フィルタ、緑色（Ｇ）フィルタおよび青色（Ｂ）フィルタのいずれかであり、例えば画素Ｐ毎に設けられている。これらのカラーフィルタは、規則的な色配列（例えばベイヤー配列）で設けられている。このようなカラーフィルタ１２を有することにより、イメージセンサ１では、その色配列に対応したカラーの受光データが得られる。
【００２４】
反射防止膜１３は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）およびシリコン窒化膜（ＳｉＮ）のいずれかよりなる単層膜または、これらの積層膜により構成されている。
【００２５】
遮光膜１４は、オンチップレンズ１１の光路上に開口１４ａを有しており、隣接画素間における光線のクロストークを抑制するために設けられている。この遮光膜１４は、例えばタングステン（Ｗ）よりなり、厚みは例えば１００ｎｍである。
【００２６】
（受光部２０）
図２は、受光部２０の断面構造（裏面照射型構造）について、集光部１０の構成と共に表したものである。受光部２０は、画素部１００と周辺回路部２００とが、同一基板２０１上に集積された構造を有している。このような受光部２０では、基板２０１上に、トランジスタや金属配線を含む配線層２０３を介して、フォトダイオード２０２が設けられている。フォトダイオード２０２は、シリコン（Ｓｉ）層２０４に埋設されており、このＳｉ層２０４上にはＳｉＯ2膜２０５が形成されている。
【００２７】
図３は、受光部２０の画素部の周辺回路構成を表す機能ブロック図である。受光部２０は、垂直（Ｖ）選択回路２０６，Ｓ／Ｈ（サンプル／ホールド）・ＣＤＳ(Correlated Double Sampling:相関二重サンプリング)回路２０７，水平（Ｈ）選択回路２０８，タイミングジェネレータ（ＴＧ）２０９，ＡＧＣ(Automatic Gain Control)回路２１０，Ａ ／Ｄ変換回路２１１およびデジタルアンプ２１２を有し、これらが同一の基板（チップ）２０４上に搭載されている。
【００２８】
［凹凸構造の詳細構成例］
続いて、図４〜図８を参照して、凹凸構造１１Ａの詳細構成および設計手法について説明する。本実施の形態では、凹凸構造１１Ａを設けることにより、反射率低減および瞳補正の効果を実現するが、以下にその原理と、そのような凹凸構造１１Ａの設計手法について述べる。
【００２９】
（反射率低減の原理）
図４（Ａ），（Ｂ）は、凹凸構造１１Ａを付与することによる界面の屈折率変化を表す概念図である。上述のように、本実施の形態では、オンチップレンズ１１の表面に凹凸構造１１Ａを有するが、この凹凸構造１１Ａによって、空気層とレンズ層との界面における屈折率変化が実効的に緩やかになる。例えば、図４（Ａ）に示したように、中央部（中央画素Ｐｃ）では、屈折率ｎ１の層と屈折率ｎ２の層との界面付近における屈折率変化は、凹凸を設けなかった場合（平面の場合）（ｔ１００）に比べ、緩やか（ｔ１，ｔ２）なものとなる。端部（端画素Ｐｅ）についても同様である（図４（Ｂ））。このように、凹凸構造１１Ａの付与により、オンチップレンズ１１表面（空気層との界面）入射時における屈折率変化を緩やかなものとすることができ、これにより、レンズ表面における反射率を低減することができる。
【００３０】
このような凹凸構造１１Ａにおける凹凸スケールは、画素位置に応じて変化するようになっている。また、各画素における凹凸スケールは、受光波長に対して１／５程度以下の範囲内で設定されていることが望ましい。例えば、受光波長５５０ｎｍに対して、中央画素Ｐｃの凹凸スケールを１００ｎｍとし、このスケールが端画素Ｐｅに向かって小さくなるように設定される。但し、受光波長は、この５５０ｎｍに限定されず、５５０ｎｍ以外の可視光や、赤外光等の他の波長についても適用可能である。いずれの受光波長であっても、凹凸スケールは上記範囲内で設定されることが望ましい。
【００３１】
（瞳補正の原理）
続いて、凹凸構造１１Ａにおける瞳補正の原理について説明する。受光波長よりも小さな凹凸構造１１Ａを考えた場合、近似的に、図５に示したような平面における光の透過および反射を考えることができる。屈折率ｎ１の媒質（たとえば空気）から屈折率ｎ２の媒質（たとえばレンズ）に光が入射するとき、入射角度をα、透過角度（出射角度：フォトダイオード受光面への入射角度に相当）をβとすると、一般に、レンズ表面での反射率Ｒは、以下の式（１）のように表される。また、スネルの法則より、上記の入射角度αおよび出射角度βと屈折率ｎ１，ｎ２との関係は以下の式（２）のように表せる。
【００３２】
【数１】
【００３３】
ここで、様々な入射角度αに対して（全画素領域にわたって）、出射角度βを一定にすることで、イメージセンサ１における瞳補正の効果が得られる。出射角度βを一定にすることは、後述するように、レンズ表層の屈折率ｎ２を入射角度αに応じて実効的に変化させればよい。つまり、図１に示したように、中央画素Ｐｃからの距離に依存してレンズ表面の凹凸のスケールを変化させることにより、実効的屈折率を出射角度βが一定となるように変化させることができ、瞳補正の効果を得ることができる。尚、本明細書において、このような凹凸スケールに依存して変化する“見かけの”屈折率を「実効的屈折率」と称する。
【００３４】
上記のような原理により、レンズ表層に中央画素Ｐｃからの距離に依存したスケール分布を有する凹凸構造１１Ａを付加させることにより、瞳補正と反射率低減の両方の効果が得られ、集光部１０における集光効率の向上へつながる。
【００３５】
例えば、図６に示したような画素構造を想定し、凹凸構造１１Ａを有する球面レンズに５５０ｎｍの波長の平面光を入射したときの集光効率を、ＦＤＴＤ（Finite-difference time-domain）法を用いた電磁界シミュレーションにより測定した。この際、凹凸スケール（凸部直径ｄ）は、０ｎｍ，５５ｎｍ，１１０ｎｍ，２２０ｎｍとした。尚、凹凸スケール０ｎｍの構造（直径ｄ／入射波長５５０＝１／∞）は、通常の滑らかな表面のレンズ（凹凸構造を有していないレンズ）に相当する。図７に、そのシミュレーション結果を示す。
【００３６】
図７に示したように、凹凸スケールが入射波長よりも十分に小さい場合、例えば入射波長の１／５以下、望ましくは１／１０以下である場合には、凹凸が大きくなるほど集光効率が向上する傾向にあることがわかる。一方、凹凸スケールが入射波長の１／５より大きい場合には、凹凸構造における局所的散乱等が影響することから、スネルの法則から逸脱するため、逆に反射率が増大して集光効率が低減してしまう。従って、上述したように、凹凸スケールは受光波長の１／５程度以下の微細な凹凸スケールであることが望ましい。
【００３７】
（凹凸スケール分布の規定）
次に、上記のような凹凸スケールと画素位置との関係について、図８を参照して説明する。ここでは、中央画素Ｐｃとその中央画素Ｐｃから距離Ｌだけ離れた位置に配置された周辺画素Ｐｍについての光線幾何について考える。射出瞳距離をＨ、オンチップレンズ１１の大きさ（長軸方向における径）をｒ、レンズ表面上の任意の点の角度をθ、中央画素Ｐｃにおける光線の入射角度をα、周辺画素Ｐｍにおける入射角度をα'（＝Δ＋α）とすると、次のような式（３）〜（５）のように表すことができる。また、一般に、イメージセンサでは、射出瞳距離Ｈ＞＞ｒであるため、これらの式（３）〜（５）から、近似的にΔを求めることができる（式（６））。
【００３８】
更に、スネルの法則を中央画素Ｐｃと周辺画素Ｐｍとについて考えると、中央画素Ｐｃでは、以下の式（７）、周辺画素Ｐｍでは式（８）のような関係で表すことができる。
【００３９】
【数２】
ここで、出射角度βを一定にすることを考えると、上記式（７），（８）および上記式（６）より、周辺画素Ｐｍにおいて、中央画素Ｐｃと出射角度βを等しくするような実効的屈折率ｎ２(L)（＞ｎ２）を、中央画素からの距離Ｌの関数として求めることができる。このような実効的屈折率ｎ２(L)と、凹凸スケールとの関係を、実験ないしはシミュレーションにより予め求めておけば、中央画素Ｐｃからの距離Ｌに応じて適切な実効的屈折率ｎ２(L)が求まり、この実効的屈折率ｎ２(L)に対応する凹凸スケールが決定される。このようにして、画素位置（距離Ｌ）に応じて、出射角度βを一定とするような実効的屈折率ｎ２(L)を満たす凹凸スケールを決定することができる。このような凹凸設計のフロー図を図９に示す。
【００４０】
図９に示したように、凹凸構造１１Ａにおける凹凸スケールを設計する際には、まず、射出瞳距離（Ｈ）を設定する（ステップＳ１１）。つまり、集光部１０におけるいずれの光学機能層に、凹凸スケールを付与するかを決定する。本実施の形態では、オンチップレンズ１１の表面に凹凸スケールを形成する。続いて、設定した射出瞳距離Ｈを含む中央画素Ｐｃと周辺画素Ｐｍとの光線幾何から、周辺画素Ｐｍと中央画素Ｐｃとにおいて出射角度βを等しくする実効的屈折率ｎ２(L)を導出する（ステップＳ１２）。これにより、実効的屈折率ｎ２(L)を距離Ｌの関数として求め（ステップＳ１３）、求めた実効的屈折率ｎ２(L)に基づいて（実効的屈折率ｎ２(L)を満たす）凹凸スケールを決定する（ステップＳ１４）。尚、実効的屈折率と凹凸スケールとの関係（上述のようにシミュレーション等を用いて事前に取得しておく）は、予めデータベース（図示せず）等に保持しておけばよい。
【００４１】
［凹凸構造の製造方法］
オンチップレンズ１１における凹凸構造１１Ａは、上述したような凹凸設計に基づいて、例えば次のようにして製造することができる。即ち、ナノインプリントリソグラフィ法、および有機ナノボール（ナノボール溶液）を用いた方法により製造可能である。以下、これらの具体的な手法について説明する。
【００４２】
（ナノインプリントリソグラフィ法）
図１０（Ａ）〜（Ｅ）は、ナノインプリントリソグラフィ法を用いたオンチップレンズ１１の製造工程を工程順に表したものである。まず、図１０（Ａ）に示したように、
レンズ母体１１０上にレンズマスク母材１１１ａを形成し、このレンズマスク母材１１１ａをリフローする。これにより、図１０（Ｂ）に示したように、レンズ母体１１０上に、レンズマスク１１１を形成する。尚、ここでは、簡便化のため、１つのオンチップレンズ１１に対応する領域（１画素分の領域）のみを図示している。
【００４３】
他方、基板上に、光ないしは電子ビーム露光等により、例えばフォトレジストよりなるマスク材１１２を所定のパターン（前述した凹凸設計に基づいた、画素位置に応じてスケールが変化するマスクパターン）で形成する（図示せず）。続いて、このようにしてパターン形成したマスク材１１２上に、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を液滴し、約１００℃で２０分ベーキングすることにより、ＰＤＭＳモールド１１３を形成する（図示せず）。その後、室温に戻し、基板から、マスク材１１２とＰＤＭＳモールド１１３をはがす。このようにして作成したマスク材１１２およびＰＤＭＳモールド１１３を、図１０（Ｃ）に示したように、上記のレンズマスク１１１の表面に押し当てることにより、レンズマスク１１１の表面にマスク材１１２を転写する。尚、ＰＤＭＳモールドは有機材料からなるため、レンズのような曲面に対してもパターン形成されたマスク材１１２を精度良く転写することができる。
【００４４】
この後、図１０（Ｄ）に示したように、形成したレンズマスク１１１およびマスク材１１２をマスクとして、その下層に設けられたレンズ母体１１０をドライエッチング（エッチバック）する。これにより、図１０（Ｅ）に示したように、オンチップレンズ１１を形成すると共に、その表面に、マスク材１１２のパターンに応じた凹凸スケールを有する凹凸構造１１Ａを形成することができる。凹凸構造１１Ａを表面に有するオンチップレンズ１１を形成する。この際のエッチング条件の一例としては、ＣＣＰ（Capacitive Coupled Plasma：容量結合型）エッチング装置を使用し、例えばフルオロカーボンガスの流量を５０ｓｃｃｍ（Standard Cubic Centimeter per Minutes），酸素ガスの流量を２０ｓｃｃｍとし、ソース電力を８００Ｗ，バイアス電力を１００Ｗ，ガス圧力を５０ｍＴ，下部電極温度を２０℃とする。但し、これらの条件は一例に過ぎず、エッチングガス種、エッチングガスの流量比率、ガス圧力、基板温度、エッチング時間等の調整により、表面の凹凸の形状を緻密にコントロールすることが可能である。尚、ドライエッチング終了時点において、レジスト残渣が生じた場合は、その残渣を、シンナー剥離を行うことにより除去すればよい。
【００４５】
（ナノボール溶液を用いた手法）
図１１（Ａ），（Ｂ）は、ナノボール溶液を用いたオンチップレンズ１１の製造工程の一部を模式的に表したものである。まず、上記ナノインプリントリソグラフィ法の場合と同様にして、レンズ母体１１０上にレンズマスク１１１を形成する。この後、図１１（Ａ）に示したように、 レンズマスク１１１の表面に、所定のスケールのナノボール（ナノ粒子）１１４ａ（前述した凹凸設計に基づいた、画素位置に応じてスケールが変化するナノボール）を含有するナノボール溶液１１４を塗布する。この際、使用するナノボール１１４ａの粒径は、例えば１００ｎｍ程度以下の範囲とし、その材料としては、フォトレジストよりも熱耐性およびプラズマ耐性の高い有機系材料、例えばポリイミド樹脂を用いる。
【００４６】
但し、これらの粒径および材料は一例であり、凹凸の形状もしくは凹部（凸部）幅や深さに応じて、適切な粒径および材料が選択されればよい。また、溶媒としては、ナノボールよりも熱耐性およびプラズマ耐性が低く、かつ粘度の低い有機系溶媒、例えば、ＰＧＭＥ(プロピレングリコールモノメチルエーテル)、ＰＧＭＥＡ(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート)、ＥＬ(乳酸エチル)もしくは純水を用いることができる。粘度の低い溶媒を用いる理由は、ナノボール１個分に相当する程度の膜厚でレンズ表面上にナノボール溶液を塗布し、できるだけナノボール個々の形状を一様にレンズに転写するためである。
【００４７】
ナノボール溶液１１４を塗布する際には、例えばＰＳＬ塗布機(パーティクル散布装置)を用いることで、ナノボール溶液１１４をレンズ表面に高精度(μｍレベル以下)で散布することが可能である。但し、ナノボール溶液１１４をμｍレベルの精度で任意のウエハ位置に塗布できる装置であれば、他の装置を用いてもよい。また、スピンコートなどのウェットコーティングのできる装置を使用してもよい。
【００４８】
続いて、図１１（Ｂ）に示したように、ナノボール溶液１１４が塗布されたレンズ母体１１０を、フルオロカーボンガスに酸素を添加した混合ガス、もしくは塩素ガスに酸素を添加した混合ガスを使用してドライエッチング(エッチバック)する。尚、この際のエッチング条件としては、上記ナノインプリントリソグラフィ法の場合と同様の条件とすることもできるし、他の条件としてもよい。これにより、オンチップレンズ１１を形成すると共に、その表面に、ナノボール１１４のスケールに応じた凹凸スケールを有する凹凸構造１１Ａを形成することができる。
【００４９】
尚、ドライエッチング終了時点においてナノボール残渣がある場合には、上記ナノインプリントリソグラフィ法の場合と同様、シンナー剥離を行えばよいが、ナノボール１１４ａを用いた本手法では、ナノボール１１４ａの粒径とレンズ膜厚とが大きく異なるため、そのような残渣が生じにくい。
【００５０】
（作用・効果）
本実施の形態のイメージセンサ１では、複数の画素が２次元配置され、各画素が、フォトダイオード２０２を含む受光部２０と、入射した光を受光部２０へ向けて集光する集光部１０とを有している。集光部１０はオンチップレンズ１１を含み、このオンチップレンズ１１の表面に、画素位置に応じた特定の凹凸構造１１Ａが設けられている。具体的には、凹凸構造１１Ａにおける凹凸スケールが、画素全域においてオンチップレンズ１１の透過光線の出射角度（β）が一定となるような屈折率（実効的屈折率）を満たすように設計されている。このような凹凸構造１１Ａの付与により、オンチップレンズ１１の表面における反射率を低減すると共に、瞳補正の効果を得ることができる。従って、近年のイメージングデバイスの応用分野拡大に伴う高感度化に対応可能となる。また、従来のように、オンチップレンズ表面に反射防止膜を設ける必要もなくなるため、更なる画素の微細化にも対応できる。
【００５１】
例えば、次のような数値条件で画素設計を行い、反射率を測定したところその改善が確認された。条件としては、オンチップレンズ１１の表面に、画素位置に応じた凹凸スケールを有する凹凸構造１１Ａを設けると共に、射出瞳距離Ｈを１ｍｍ，単位画素サイズを１．４μｍ×１．４μｍ，画素数を１０００万画素とした。また、オンチップレンズ１１におけるレンズ径を１．４μｍ，カラーフィルタ１２（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の膜厚を７００ｎｍ，遮光膜１４の膜厚を１００ｎｍ，反射防止膜１３の膜厚を４００ｎｍとした。更に、フォトダイオード（シリコン）膜厚を３μｍとした。このような構成において、凹凸スケールを、中央画素において１００ｎｍとし、端画素に向かって徐々に小さくなる（実効的屈折率が１．４から１．１の間で変化する）ようにした。図１２に、そのようにして作製した中央画素Ｐｃと端画素Ｐｅとの反射率改善の一例を示す。このように、中央画素Ｐｃと端画素Ｐｅのいずれにおいても、数％程度の反射率低減効果がみられる。また、これらの値は、従来のように、反射防止膜をレンズ表面に形成した場合とほぼ同等の効果を示すものである。
【００５２】
また、このような反射率低減および瞳補正の効果を生じる凹凸構造１１Ａは、その所定の凹凸スケールに対応したマスクパターンを用いたナノインプリントリソグラフィ法、またはそのような凹凸スケールに対応したナノボールを用いた手法等により、容易に形成可能である。即ち、マスクパターンやナノボール等、マスクとして使用する部材のスケールを調整するだけでよいので、複雑なパターン形状を有するマスクを使用せずに済み、また高い加工精度も要求されない。即ち、画素の微細化への対応が可能となる。よって、イメージセンサ１では、簡易な加工プロセスにより、高感度化および微細化を実現することが可能となる。
【００５３】
以下、上記実施の形態の変形例（変形例１〜４）について説明する。以下では、上記実施の形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００５４】
＜変形例１＞
図１３は、変形例１に係るイメージセンサ（イメージセンサ１Ａ）の断面構成を表したものである。イメージセンサ１Ａは、上記実施の形態のイメージセンサ１と同様、裏面照射型の固体撮像素子であり、基板上に複数の画素Ｐが２次元配列した構造を有する。また、各画素Ｐは、光電変換素子（フォトダイオード２０２）を含む受光部２０と、オンチップレンズ１１を含む集光部１０Ａとを備えている。集光部１０Ａは、オンチップレンズ１１と受光部２０との間に、カラーフィルタ１２、反射防止膜１３および遮光膜１４を有している。このような構成において、本変形例においても、上記実施の形態と同様、オンチップレンズ１１の表面に凹凸構造１１Ａを有しており、この凹凸構造１１Ａが画素位置に応じて異なる所定の凹凸スケールを有している。
【００５５】
但し、本変形例では、上記凹凸スケールの変化に加え、オンチップレンズ１１の位置を画素位置に応じてシフトさせた構造となっている。具体的には、中央画素Ｐｃ以外の画素におけるオンチップレンズ１１を、その中心軸（ｈ１〜ｈｎ）が中央画素Ｐｃの側（内側）に近づくようにシフトさせる。このとき、そのシフト量、例えば受光部２０（フォトダイオード２０２）の中心軸ｈｆと、オンチップレンズ１１の中心軸ｈ１〜ｈｎのそれぞれの間の距離（シフト量ｄ１〜ｄｎ）は、中央画素Ｐｃから端画素Ｐｅに向かって徐々に大きくなっている（ｄ１＜ｄ２＜…＜ｄｎ）。またシフト量ｄｎは、例えば０．２μｍである。このようなレンズシフトによっても、瞳補正の効果を得ることができる。
【００５６】
尚、ここでは中央画素Ｐｃから端画素Ｐｅに向かって徐々にシフト量が大きくなるように画素の全域において、オンチップレンズ１１をシフトさせる場合について説明したが、必ずしも全てのレンズをシフトさせる必要はなく、例えば端画素Ｐｅのみシフトさせるようにしてもよい。あるいは、端部側に配置された選択的な画素においてシフトさせるような構成であってもよい。
【００５７】
このように、オンチップレンズ１１に所定の凹凸構造１１Ａを設けたうえで、更にレンズ位置をシフトして瞳補正を行うようにしてもよい。これにより、上記実施の形態と同等かそれ以上の効果（瞳補正効果の更なる向上）が得られる。
【００５８】
＜変形例２＞
図１４は、変形例２に係るイメージセンサ（イメージセンサ１Ｂ）の断面構成を表したものである。イメージセンサ１Ｂは、上記実施の形態のイメージセンサ１と同様、裏面照射型の固体撮像素子であり、基板上に複数の画素Ｐが２次元配列した構造を有する。また、各画素Ｐは、光電変換素子（フォトダイオード２０２）を含む受光部２０と、オンチップレンズ１１を含む集光部１０Ｂとを備えている。このような構成において、本変形例においても、上記実施の形態と同様、オンチップレンズ１１の表面に凹凸構造１１Ａを有しており、この凹凸構造１１Ａが画素位置に応じて異なる所定の凹凸スケールを有している。
【００５９】
但し、本変形例では、集光部１０Ｂにおいて、オンチップレンズ１１と受光部２０との間に、インナーレンズ１５を有している。具体的には、インナーレンズ１５は、受光部２０上の遮光膜１４の開口領域に配設されており、このインナーレンズ１５上にカラーフィルタ１２を介してオンチップレンズ１１が設けられている。このインナーレンズ１５が積層された多重レンズ構造により、より反射率を低減して、集光効率を高めることができる。
【００６０】
本変形例では、このようなインナーレンズ１５の表面にも、オンチップレンズ１１における凹凸構造１１Ａと同様の凹凸構造１５Ａが設けられている。即ち、インナーレンズ１５の凹凸構造１５Ａにおいても、画素位置に応じた所定の凹凸スケールを有している。この場合、凹凸構造１５Ａの凹凸スケールは、例えば上述したような設計手順を経て得られた凹凸スケールと同等のスケール（直上のオンチップレンズ１１と同等の凹凸スケール）とすればよい。
【００６１】
このように、集光部１０Ｂが多重レンズ構造を有する場合に、オンチップレンズ１１に所定の凹凸構造１１Ａを設けたうえで、更にインナーレンズ１５にも同様の凹凸構造１５Ａを設けてもよい。これにより、上記実施の形態と同等かそれ以上の効果（反射率の更なる低減、および瞳補正効果の更なる向上）が得られる。
【００６２】
＜変形例３＞
図１５は、変形例３に係るイメージセンサ（イメージセンサ１Ｃ）の断面構成を表したものである。イメージセンサ１Ｃは、上記実施の形態のイメージセンサ１と同様、裏面照射型の固体撮像素子であり、基板上に複数の画素Ｐが２次元配列した構造を有する。また、各画素Ｐは、光電変換素子（フォトダイオード２０２）を含む受光部２０と、オンチップレンズ１１を含む集光部１０Ｃとを備えている。集光部１０Ｃは、オンチップレンズ１１と受光部２０との間に、カラーフィルタ１２、反射防止膜１６および遮光膜１４を有している。このような構成において、本変形例においても、上記実施の形態と同様、オンチップレンズ１１の表面に凹凸構造１１Ａを有しており、この凹凸構造１１Ａが画素位置に応じて異なる所定の凹凸スケールを有している。
【００６３】
但し、本変形例では、集光部１０Ｃにおいて、反射防止膜１６の表面にも、オンチップレンズ１１における凹凸構造１１Ａと同様の凹凸構造１６Ａが設けられている。即ち、反射防止膜１６の凹凸構造１６Ａにおいても、画素位置に応じた所定の凹凸スケールを有している。この場合、凹凸構造１６Ａにおける凹凸スケールは、例えば上述したような設計手順を経て得られた凹凸スケールと同等のスケール（直上のオンチップレンズ１１と同等の凹凸スケール）とすればよい。
【００６４】
このように、集光部１０Ｃにおいて、オンチップレンズ１１に所定の凹凸構造１１Ａを設けたうえで、更に反射防止膜１６にも同様の凹凸構造１６Ａを設けてもよい。これにより、上記実施の形態と同等かそれ以上の効果（反射率の更なる低減、および瞳補正効果の更なる向上）が得られる。
【００６５】
＜変形例４＞
図１６は、変形例４に係るイメージセンサにおける受光部（受光部２０Ａ）の断面構成を表したものである。上記実施の形態等では、裏面照射型のイメージセンサを例に挙げたが、本発明は、以下に説明するような表面照射型のイメージセンサにも適用可能である。即ち、表面照射型のイメージセンサでは、受光部２０Ａにおいて、画素部１００と周辺回路部２００とが、同一基板２０１上に集積された構造を有するが、基板２０１上に、フォトダイオード２１４が埋設されたシリコン層２１３が設けられており、このフォトダイオード２１４の上層（光入射側）に、トランジスタや金属配線を含む配線層２１５が設けられている。尚、この受光部２０Ａ上に、上記実施の形態等で説明した集光部１０が形成される。
【００６６】
このように、裏面照射型のイメージセンサに限らず、表面照射型のイメージセンサにも適用可能であり、表面照射型の場合であっても、上記実施の形態と同等の効果を得ることができる。
【００６７】
［適用例］
以下、上記実施の形態および変形例等において説明したイメージセンサの適用例（適用例１〜４）について説明する。上記実施の形態等におけるイメージセンサはいずれも、様々な分野における電子機器に適用可能である。ここでは、その一例として、撮像装置（カメラ）、内視鏡カメラ、ビジョンチップ（人工網膜）および生体センサについて説明する。また、上述のイメージセンサを代表して上記実施の形態において説明したイメージセンサ１を例に挙げる。
【００６８】
＜適用例１＞
図１７は、適用例１に係る撮像装置（撮像装置２）の全体構成を表す機能ブロック図である。撮像装置２は、例えばデジタルスチルカメラまたはデジタルビデオカメラであり、光学系２１と、シャッタ装置２２と、イメージセンサ１と、駆動回路２４と、信号処理回路２３と、制御部２５とを備えている。
【００６９】
光学系２１は、被写体からの像光（入射光）をイメージセンサ１の撮像面上に結像させる１または複数の撮像レンズを含むものである。シャッタ装置２２は、イメージセンサ１への光照射期間（露光期間）および遮光期間を制御するものである。駆動回路２４は、シャッタ装置２２の開閉駆動を行うと共に、イメージセンサ１における露光動作および信号読み出し動作を駆動するものである。信号処理回路２３は、イメージセンサ１からの出力信号に対して、所定の信号処理、例えばデモザイク処理やホワイトバランス調整処理等の各種補正処理を施すものである。制御部２５は、例えばマイクロコンピュータから構成され、駆動回路２４におけるシャッタ駆動動作およびイメージセンサ駆動動作を制御すると共に、信号処理回路２３における信号処理動作を制御するものである。
【００７０】
この撮像装置２では、入射光が、光学系２１、シャッタ装置２２を介してイメージセンサ１において受光されると、イメージセンサ１では、その受光量に基づく信号電荷が蓄積される。駆動回路２４により、イメージセンサ１に蓄積された信号電荷が読み出しがなされ、読み出された電気信号は信号処理回路２３へ出力される。イメージセンサ１から出力された出力信号は、信号処理部２３において所定の信号処理が施され、映像信号Ｄoutとして外部（モニタ等）へ出力されるが、あるいは、図示しないメモリ等の記憶部（記憶媒体）に保持される。
【００７１】
＜適用例２＞
図１８は、適用例２に係る内視鏡カメラ（カプセル型内視鏡カメラ３Ａ）の全体構成を表す機能ブロック図である。カプセル型内視鏡カメラ３Ａは、光学系３１と、シャッタ装置３２と、イメージセンサ１と、駆動回路３４と、信号処理回路３３と、データ送信部３５と、駆動用バッテリー３６と、姿勢（方向、角度）感知用のジャイロ回路３７とを備えている。これらのうち、光学系３１、シャッタ装置３２、駆動回路３４および信号処理回路３３は、上記撮像措置２において説明した光学系２１、シャッタ装置２２、駆動回路２４および信号処理回路２３と同様の機能を有している。但し、光学系３１は、３次元空間における複数の方位（例えば全方位）での撮影が可能となっていることが望ましく、１つまたは複数のレンズにより構成されている。但し、本例では、信号処理回路３３における信号処理後の映像信号Ｄ１およびジャイロ回路３７から出力された姿勢感知信号Ｄ２は、データ送信部３５を通じて無線通信により外部の機器へ送信されるようになっている。
【００７２】
尚、上記実施の形態におけるイメージセンサを適用可能な内視鏡カメラとしては、上記のようなカプセル型のものに限らず、例えば図１９に示したような挿入型の内視鏡カメラ（挿入型内視鏡カメラ３Ｂ）であってもよい。挿入型内視鏡カメラ３Ｂは、上記カプセル型内視鏡カメラ３Ａにおける一部の構成と同様、光学系３１、シャッタ装置３２、イメージセンサ１、駆動回路３４、信号処理回路３３およびデータ送信部３５を備えている。但し、この挿入型内視鏡カメラ３Ｂは、更に、装置内部に格納可能なアーム３８ａと、このアーム３８ａを駆動する駆動部３８とが付設されている。このような挿入型内視鏡カメラ３Ｂは、駆動部３８へアーム制御信号ＣＴＬを伝送するための配線３９Ａと、撮影画像に基づく映像信号Ｄoutを伝送するための配線３９Ｂとを有するケーブル３９に接続されている。
【００７３】
＜適用例３＞
図２０は、適用例３に係るビジョンチップ（ビジョンチップ４）の全体構成を表す機能ブロック図である。ビジョンチップ４は、眼の眼球Ｅ１の奥側の壁（視覚神経を有する網膜Ｅ２）の一部に、埋め込まれて使用される人口網膜である。このビジョンチップ４は、例えば網膜Ｅ２における神経節細胞Ｃ１、水平細胞Ｃ２および視細胞Ｃ３のうちのいずれかの一部に埋設されており、例えばイメージセンサ１と、信号処理回路４１と、刺激電極部４２とを備えている。これにより、眼への入射光に基づく電気信号をイメージセンサ１において取得し、その電気信号を信号処理回路４１において処理することにより、刺激電極部４２へ所定の制御信号を供給する。刺激電極部４２は、入力された制御信号に応じて視覚神経に刺激（電気信号）を与える機能を有するものである。
【００７４】
＜適用例４＞
図２１は、適用例４に係る生体センサ（生体センサ５）の全体構成を表す機能ブロック図である。生体センサ５は、例えば指Ａに装着可能な血糖値センサであり、半導体レーザ５１と、イメージセンサ１と、信号処理回路５２とを備えたものである。半導体レーザ５１は、例えば赤外光（波長７８０ｎｍ以上）を出射するＩＲ（infrared laser）レーザである。このような構成により、血中のグルコース量に応じたレーザ光の吸収具合をイメージセンサ１によりセンシングし、血糖値を測定するようになっている。
【００７５】
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態等では、オンチップレンズ１１の表面に凹凸構造１１Ａを設けた構成を例に挙げて説明したが、必ずしもオンチップレンズ１１が凹凸構造１１Ａを有している必要はなく、集光部におけるいずれかの光学機能層が、凹凸構造を有していればよい。例えば、受光部とオンチップレンズとの間に設けられた反射防止膜のみが凹凸構造を有していてもよいし、上記変形例２において説明したような多重レンズ構造を有する場合には、インナーレンズのみが凹凸構造を有していてもよい。あるいは逆に、オンチップレンズと受光部との間に更に他の光学機能層を備え、それらの光学機能層の表面にもオンチップレンズと同様の凹凸構造を設けるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１，１Ａ〜１Ｃ…イメージセンサ、１０…集光部、１１…オンチップレンズ、１１Ａ，１５Ａ，１６Ａ…凹凸構造、１２…カラーフィルタ、１３，１６…反射防止膜、１４…遮光膜、１５…インナーレンズ、２…撮像装置、３…内視鏡カメラ、４…ビジョンチップ、５…生体センサ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元配置されると共に、それぞれが、光電変換素子を含む受光部と入射光を前記受光部へ向けて集光する集光部とを有する複数の画素を備え、
前記複数の画素における各集光部は、その画素位置に応じた特定の凹凸構造を表面に有する１または複数の光学機能層を含む
撮像素子。
【請求項２】
前記複数の画素では、中央画素からの距離が大きくなるに従って、前記光学機能層における凹凸構造がより微細なスケールを有する
請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記光学機能層を通過する光線の出射角度が前記複数の画素において略一定となっている
請求項２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記凹凸構造のスケールは、前記受光部における受光波長よりも小さいものである
請求項２に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記集光部は、前記光学機能層としてレンズを有し、
前記レンズの表面に前記凹凸構造が設けられている
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項６】
前記レンズと前記受光部との間に更にインナーレンズを有する
請求項５に記載の撮像素子。
【請求項７】
前記インナーレンズの表面に前記凹凸構造が設けられている
請求項６に記載の撮像素子。
【請求項８】
前記レンズと前記受光部との間に反射防止膜を有する
請求項５に記載の撮像素子。
【請求項９】
前記反射防止膜の表面に前記凹凸構造が設けられている
請求項８に記載の撮像素子。
【請求項１０】
前記複数の画素では、前記レンズが中央画素に向かってシフトして配設され、
前記レンズのシフト量は、中央画素からの距離が大きくなるに従って大きくなっている
請求項５に記載の撮像素子。
【請求項１１】
２次元配置されると共に、それぞれが、光電変換素子を含む受光部と入射光を前記受光部へ向けて集光する集光部とを有する複数の画素を形成する際に、
前記複数の画素の各集光部において、その画素位置に応じた特定の凹凸構造を表面に有する１または複数の光学機能層を形成する
撮像素子の製造方法。
【請求項１２】
前記光学機能層としてレンズを設け、
前記レンズの表面に前記凹凸構造を形成する
請求項１１に記載の撮像素子の製造方法。
【請求項１３】
前記光学機能層における前記凹凸構造を、ナノインプリント法を用いて形成する
請求項１２に記載の撮像素子の製造方法。
【請求項１４】
前記光学機能層における前記凹凸構造を、ナノボール溶液を用いて形成する
請求項１２に記載の撮像素子の製造方法。
【請求項１５】
前記レンズにおける実効的屈折率を、射出瞳距離および中央画素からの距離の関数として求め、
求めた実効的屈折率に基づいて前記凹凸構造のスケールを決定する
請求項１２に記載の撮像素子の製造方法。
【請求項１６】
表面に凹凸構造を有する１または複数の光学機能層を含む画素において前記凹凸構造のスケールを設計する際に、
前記光学機能層における実効的屈折率を、射出瞳距離および中央画素からの距離の関数として求め、
求めた実効的屈折率に基づいて前記凹凸構造のスケールを決定する
画素設計方法。
【請求項１７】
２次元配置されると共に、それぞれが、光電変換素子を含む受光部と入射光を前記受光部へ向けて集光する集光部とを有する複数の画素を備え、
前記複数の画素における各集光部は、その画素位置に応じた特定の凹凸構造を表面に有する１または複数の光学機能層を含む
撮像素子を有する電子機器。
【請求項１】
２次元配置されると共に、それぞれが、光電変換素子を含む受光部と入射光を前記受光部へ向けて集光する集光部とを有する複数の画素を備え、
前記複数の画素における各集光部は、その画素位置に応じた特定の凹凸構造を表面に有する１または複数の光学機能層を含む
撮像素子。
【請求項２】
前記複数の画素では、中央画素からの距離が大きくなるに従って、前記光学機能層における凹凸構造がより微細なスケールを有する
請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記光学機能層を通過する光線の出射角度が前記複数の画素において略一定となっている
請求項２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記凹凸構造のスケールは、前記受光部における受光波長よりも小さいものである
請求項２に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記集光部は、前記光学機能層としてレンズを有し、
前記レンズの表面に前記凹凸構造が設けられている
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項６】
前記レンズと前記受光部との間に更にインナーレンズを有する
請求項５に記載の撮像素子。
【請求項７】
前記インナーレンズの表面に前記凹凸構造が設けられている
請求項６に記載の撮像素子。
【請求項８】
前記レンズと前記受光部との間に反射防止膜を有する
請求項５に記載の撮像素子。
【請求項９】
前記反射防止膜の表面に前記凹凸構造が設けられている
請求項８に記載の撮像素子。
【請求項１０】
前記複数の画素では、前記レンズが中央画素に向かってシフトして配設され、
前記レンズのシフト量は、中央画素からの距離が大きくなるに従って大きくなっている
請求項５に記載の撮像素子。
【請求項１１】
２次元配置されると共に、それぞれが、光電変換素子を含む受光部と入射光を前記受光部へ向けて集光する集光部とを有する複数の画素を形成する際に、
前記複数の画素の各集光部において、その画素位置に応じた特定の凹凸構造を表面に有する１または複数の光学機能層を形成する
撮像素子の製造方法。
【請求項１２】
前記光学機能層としてレンズを設け、
前記レンズの表面に前記凹凸構造を形成する
請求項１１に記載の撮像素子の製造方法。
【請求項１３】
前記光学機能層における前記凹凸構造を、ナノインプリント法を用いて形成する
請求項１２に記載の撮像素子の製造方法。
【請求項１４】
前記光学機能層における前記凹凸構造を、ナノボール溶液を用いて形成する
請求項１２に記載の撮像素子の製造方法。
【請求項１５】
前記レンズにおける実効的屈折率を、射出瞳距離および中央画素からの距離の関数として求め、
求めた実効的屈折率に基づいて前記凹凸構造のスケールを決定する
請求項１２に記載の撮像素子の製造方法。
【請求項１６】
表面に凹凸構造を有する１または複数の光学機能層を含む画素において前記凹凸構造のスケールを設計する際に、
前記光学機能層における実効的屈折率を、射出瞳距離および中央画素からの距離の関数として求め、
求めた実効的屈折率に基づいて前記凹凸構造のスケールを決定する
画素設計方法。
【請求項１７】
２次元配置されると共に、それぞれが、光電変換素子を含む受光部と入射光を前記受光部へ向けて集光する集光部とを有する複数の画素を備え、
前記複数の画素における各集光部は、その画素位置に応じた特定の凹凸構造を表面に有する１または複数の光学機能層を含む
撮像素子を有する電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１２−１７４８８５（Ｐ２０１２−１７４８８５Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３５４７１（Ｐ２０１１−３５４７１）
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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