JP2014187160A - 固体撮像装置および携帯情報端末 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロレンズアレイの焦点距離を考慮した位置合わせが容易で、製造する際の歩留まりが高い、固体撮像装置を提供する。
【解決手段】本実施形態の固体撮像装置は、複数の画素を有する撮像素子と、前記撮像素子に接して設けられた接着層と、前記接着層に接して設けられ、前記接着層の屈折率よりも高い屈折率の材料からなる、複数の第１マイクロレンズを含む第１マイクロレンズアレイと、前記第１マイクロレンズアレイの上方に設けられたメインレンズと、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置および携帯情報端末に関する。

２次元アレイ情報として被写体の奥行き方向の距離を得ることができる撮像技術は、参照光を使用する技術、複数カメラを使用したステレオ測距技術など様々な方法が知られている。特に近年は、民生用途での新たな入力デバイスとして比較的廉価な、距離情報を得ることのできる撮像デバイスのニーズが高まっている。

ライトフィールドフォトグラフィ技術を利用した従来の撮像装置において、ライトフィールドフォトグラフィ技術を用いない通常の高解像度の撮像モードと、ライトフィールドフォトグラフィ技術に基づく撮像モードとの切り替えを行う場合には、高解像度の撮像モードはマイクロレンズアレイが不要であり、ライトフィールドフォトグラフィ技術に基づく撮像モードでは、マイクロレンズアレイを光軸上に配置する必要がある。

ライトフィールドカメラは、通常のカメラにおける絞りの機構を拡張したものとみなすことができ、光学的には多眼カメラにより実現される。ライトフィールドカメラでは、様々な画角で焦点の異なった複数の画像を同時に撮影する。このような画像データを解析することにより、領域全体で焦点の合っている画像を生成できる。さらに、被写界深度を利用した距離計測や、画像データ解析による光源方向の推定もでき、従来のカメラでは得られない情報も取得できる。

そこで、多眼で多数視差を得ることができ、結像レンズを持つ複眼構成の撮像装置が提案されている。この撮像装置は、撮像レンズ、撮像レンズを透過した光が入射するマクロレンズアレイ、およびマイクロレンズアレイから出射された光を受光する撮像素子を備えている。

また、マイクロレンズアレイの微小な結像距離を定義し、かつ画素フォトダイオードを含む半導体基板を実装する手法として、画素フォトダイオードを含む半導体基板と、マイクロレンズアレイとを、任意の高さで制御した接続ポストによって相互を接続する構成が知られている。

このように、再構成画像を得ることのできる複眼光学系を構成するために、撮像レンズ、撮像レンズを透過した光が入射するマクロレンズアレイ、およびマイクロレンズアレイから出射された光を受光する撮像素子を備えた固体撮像装置においては、マイクロレンズアレイと撮像素子との間は、マイクロレンズアレイの焦点距離を考慮した高精度な位置合わせが必要である。

しかし、従来の固体撮像装置では、マイクロレンズアレイを支持機構により支持しているため、マイクロレンズアレイの焦点距離を考慮した位置合わせは困難であり、製造する際の歩留まりが低く、製造コストが増大するという問題がある。

特開２０１２−１７８６９３号公報

本実施形態は、マイクロレンズアレイの焦点距離を考慮した位置合わせが容易で、製造する際の歩留まりが高い、固体撮像装置および携帯情報端末を提供する。

本実施形態による固体撮像装置は、複数の画素を有する撮像素子と、前記撮像素子に接して設けられた接着層と、前記接着層に接して設けられ、前記接着層の屈折率よりも高い屈折率の材料からなる、複数の第１マイクロレンズを含む第１マイクロレンズアレイと、前記第１マイクロレンズアレイの上方に設けられたメインレンズと、を備えている。

第１実施形態による固体撮像装置を示す断面図。 第１実施形態の固体撮像装置の、撮像素子、マイクロレンズアレイおよびメインレンズを拡大した模式図。 図３（ａ）乃至３（ｄ）は、第１実施形態の固体撮像装置の製造工程を示す断面図。 図４（ａ）乃至４（ｃ）は、第１実施形態の固体撮像装置の製造工程を示す断面図。 図５（ａ）乃至５（ｅ）は、第１実施形態の固体撮像装置のウェハレベルでの製造工程を説明する模式図。 第１実施形態の一変形例による固体撮像装置を示す断面図。 第２実施形態による固体撮像装置を示す断面図。 第２実施形態の固体撮像装置の、撮像素子、マイクロレンズアレイおよびメインレンズを拡大した模式図。 第２実施形態の一変形例による固体撮像装置を示す断面図。 第３実施形態による携帯情報端末を示す図。

以下、図面を参照して実施形態について説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態による固体撮像装置の断面図を図１に示す。この第１実施形態の固体撮像装置１は、撮像素子１０と、平坦化層（接着層）３０と、マイクロレンズアレイ４０と、メインレンズ６０とを備えている。撮像素子１０は、実装基板２上に形成された半導体基板４に設けられた、例えばフォトダイオードからなる複数の画素１０ａを備えている。画素１０aは、半導体基板４の第一面において、例えば、アレイ状に配列されている。

また、半導体基板４には、図示しない駆動回路および読み出し回路が設けられている。駆動回路は、複数の画素１０ａを駆動し、読み出し回路は、各画素１０ａによって光信号から信号電荷に変換された電気信号を読み出す。この読み出された電気信号は、半導体基板と実装基板２を接続するボンディングワイヤ２５を介して、外部に送られる。

また、撮像素子１０は、各画素１０ａ上に設けられたカラーフィルタ１０ｂと、このカラーフィルタ１０ｂ上に設けられた画素マイクロレンズ（第２マイクロレンズ）からなる画素マイクロレンズアレイ（第２マイクロレンズアレイ）１０ｃとを更に備えていても良い。カラーフィルタ１０ｂは、例えば半導体基板と平坦化層３０との間に設けられ、カラーフィルタ１０ｂは平坦化層３０と向き合う。画素マイクロレンズアレイ１０ｃは、例えば半導体基板と平坦化層３０との間に設けられ、画素マイクロレンズアレイ１０ｃは平坦化層３０と向き合う。画素マイクロレンズアレイ１０ｃは、例えばカラーフィルタ１０ｂと平坦化層３０との間に設けられ、画素マイクロレンズアレイ１０ｃは平坦化層３０と向き合う。１つのカラーフィルタ１０ｂは、画素１０ａに対応して設けられる。撮像素子１０は、カラーフィルタ１０ｂを複数有していても良い。画素マイクロレンズアレイ１０ｃは１つの画素１０ａに対応して設けられる。撮像素子１０は、画素マイクロレンズアレイ１０ｃを複数有していても良い。

撮像素子１０の上に平坦化層３０が設けられている。平坦化層３０は撮像素子１０に接する。平坦化層３０は、例えば撮像素子１０の半導体基板と接する。あるいは、撮像素子１０がカラーフィルタ１０ｂを有する場合には、平坦化層３０はカラーフィルタ１０ｂと接する。あるいは、撮像素子１０が画素マイクロレンズアレイ１０ｃを有する場合には、平坦化層３０は画素マイクロレンズアレイ１０ｃと接する。

この平坦化層３０上に複数のマイクロレンズ（第１マイクロレンズ）からなるマイクロレンズアレイ４０が設けられている。マイクロレンズアレイ（第１マイクロレンズアレイ）４０は、平坦化層３０と接する。複数のマイクロレンズは複数の画素ブッロクに対応して設けられ、各画素ブロックは複数の画素を有している。すなわち、１つのマイクロレンズは複数の画素に対応する。各マイクロレンズは、撮像素子１０とは反対側に、すなわち被写体からの光線が入射する側に凸形状を有している。

マイクロレンズアレイ４０は、例えば、平坦化層３０と対向する面が平坦である。マイクロレンズアレイ４０は、例えば、メインレンズ６０と対向する面が凸状の凸平レンズである。

マイクロレンズアレイ４０の上方には、可視光透過基板（ＩＲＣＦ(Infrared Cut Filter)）５２が設けられていても良い。このＩＲＣＦ５２は、例えば不要な赤外光をカットする材料であってもよいし、赤外光をカットする膜が形成されていてもよい。ＩＲＣＦ５２は、例えばカメラ筐体５０に支持される。マイクロレンズアレイ４０の上方には、メインレンズ６０が設けられている。このメインレンズ６０は、被写体からの光線を結像する結像光学系であって、少なくとも１つのレンズを有している。このメインレンズ６０は、接合層５５によってカメラ筐体５０と接合される。なお、実装基板２の周囲には、不要な光を遮断するために、図示しない光遮蔽カバーが取り付けられる。

第１実施形態の固体撮像装置の、撮像素子１０、複数のマイクロレンズ４０ａを含むマイクロレンズアレイ４０、およびメインレンズ６０を拡大した模式図を図２に示し、撮像素子１０およびマイクロレンズアレイ４０の製造工程を示す断面図を図３（ａ）乃至図４（ｃ）に示す。

半導体基板４には画素１０ａとなるフォトダイオードが形成され、撮像素子１０の画素を構成している。各画素の直上にはＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｗ（透明）などによるカラーフィルタ１０ｂが形成されている。カラーフィルタ１０ｂは、例えばベイヤー配列等のものを用いることができる。カラーフィルタ１０ｂの直上には画素マイクロレンズアレイ１０ｃが形成される（図３（ａ））。画素マイクロレンズアレイ１０ｃは、各画素１０ａに対応し、例えばフォトレジストのリフローによりレンズ形状に形成することができる。画素マイクロレンズアレイ１０ｃの屈折率は１．４以上であることが好ましい。

画素マイクロレンズアレイ１０ｃからなるアレイの直上には、平坦化層３０が形成される（図３（ｂ））。この平坦化層３０は有機膜のスピン塗布等で所望の膜厚で形成することができる。この平坦化層３０の屈折率は１．３以下であることが好ましい。

次に、平坦化層３０上にマイクロレンズアレイ４０を形成するための材料層７０を形成する。マイクロレンズアレイ４０を形成するための材料層７０としては可視波長帯域で透明なものが用いられ、紫外線硬化樹脂、または熱硬化樹脂などを用いることができる。材料層７０の形成にはスピン塗布方式や、ディスペンス塗布方式、スキージ印刷などを用いることができる（図３（ｃ））。

次に、マイクロレンズアレイ４０を形成のための、マイクロレンズアレイテンプレート８０を用意する（図３（ｄ））。マイクロレンズアレイテンプレート８０は最終的なマイクロレンズ形状の凹凸反転した構造である。本実施形態では、凸型マイクロレンズアレイ４０を製造するので、表面に凹型のレンズパターンが形成されたマイクロレンズアレイテンプレート８０を用いる。マイクロレンズアレイテンプレート８０は、例えば石英などを用いることができる。この石英基板に所望のパターニングを実行し、等方性エッチングなどを活用し、凹型マイクロレンズ形状を有した構造を形成することにより完成される。

マイクロレンズアレイ４０を形成するための材料層７０上に、マイクロレンズアレイテンプレート８０の凹面を押し付けスタンプする（図４（ａ）、４（ｂ））。マイクロレンズアレイテンプレート８０として、上述したように石英基板からなる材料を用いた場合、上部がら紫外線を照射した場合、マイクロレンズアレイテンプレート８０は紫外線を透過し、マイクロレンズアレイ４０を形成するための紫外線硬化樹脂に到達させることができる。ここで、必要に応じてマイクロレンズアレイテンプレート８０上の荷重や基板加熱、仮硬化のための紫外線照射を行ってもよい。マイクロレンズアレイ４０を硬化させる工程では、紫外線照射を行う。ここでも必要に応じてマイクロレンズアレイテンプレート８０上の荷重や基板加熱を行うこともできる。なお、上記では、マイクロレンズアレイ４０を形成する材料層７０として、紫外線硬化樹脂を例にとって説明したが、熱硬化樹脂を用いることもできる。

上記製造工程により、平坦化層３０の直上には凸平型のマイクロレンズアレイ４０が形成される（図４（ｃ））。すなわち、マイクロレンズアレイ４０と平坦化層３０との界面は平面となり、メインレンズの方向に向かって凸形状を有したマイクロレンズアレイ４０として形成される。

上述したように、本実施形態の固体撮像装置においては、撮像素子１６の上面に平坦化層３０が積層され、この平坦化層３０上にマイクロレンズアレイ４０が積層された構造を有している。このため、マイクロレンズアレイ４０の焦点距離はマイクロレンズアレイ４０を支持する平坦化層３０の厚さ等で決まる。このため、撮像素子１０と、マイクロレンズアレイ４０との間の距離を高い制御性を持って光学配置することが可能になる。なお、マイクロレンズアレイ４０の、焦点距離は１μｍ〜１００ｍｍであり、平坦化層３０の総厚は、マイクロレンズアレイ４０の焦点距離以内であることが好ましい。

さらに、本実施形態の固体撮像装置によれば、インプリント法を用いたたことにより、ウェハレベルで撮像素子上にマイクロレンズアレイを接合することが可能になり、製造上のコストを大幅に低減することができる。

また、マイクロレンズアレイとして凸平レンズを用いるため、球面収差を軽減できる。これは、平凸レンズの場合、前面では光線は屈折せず、後面でのみ屈折するため、屈折角が大きい。これに対して、凸平レンズでは前面と後面の両方で屈折するため、１回あたりの屈折角が小さくて済み、凸平半球レンズの方が球面収差は小さいからである。通常、マイクロレンズアレイの焦点距離が十数ミクロンから百数十ミクロンで定義される。このため、積層構造を伴わない光学配置を考えた場合、マイクロレンズアレイを支持する、例えばガラス基板等を、本実施形態のようなオーダで薄膜化することは困難であり、平凸構造を取らざるを得ない。

一方、本実施形態の構成では、撮像素子の直上にマイクロレンズを積層することが可能になるため、凸平レンズ構成が実現できる。ここで、マイクロレンズアレイは、前述したように、樹脂材料を用いたインプリント法を用いて形成することができ、屈折率は例えば１．４以上で定義される。マイクロレンズアレイと、画素マイクロレンズアレイは一般的にレンズ形状の形成に望ましい樹脂材料を用いるが、一般的には屈折率が１．４以上となる。ここで、マイクロレンズアレイと画素マイクロレンズアレイは同等の屈折率となるため、前述した中間の低屈折率層を配置しないと、マイクロレンズアレイを通過した構成は、画素マイクロレンズアレイを光学的素子としてとられることができず、画素への集光効率が低下する恐れがある。しかしながら、低屈折率平坦化層を挿入することで、マイクロレンズアレイと画素マイクロレンズアレイの間に屈折率差を生成し、画素マイクロレンズアレイを作用させることができる。

このような構成とするにより、高い歩留まりを実現しつつ、実装時のコストを低減した固体撮像装置を提供することが可能になる。さらに、凸平レンズ構成を実現できるため、球面収差の低減を図ることができる。

図５（ａ）乃至５（ｅ）は、本実施形態の固体撮像装置をウェハレベルで製造する方法を説明する図である。

複数の画素、これらの画素を駆動する駆動回路、および画素からの信号を読み出す読み出し回路が形成された半導体基板４上にカラーフィルタ１０ｂを形成する。更に、カラーフィルタ１０ｂ上に画素マイクロレンズアレイ１０ｃを形成する（図５（ａ））。続いて、画素マイクロレンズアレイ１０ｃ上に平坦化層３０を形成する（図５（ｂ））。その後、平坦化層３０上に、例えばインプリント法を用いてマイクロレンズアレイ４０を形成し、ウェハレベルでの固体撮像装置を作製する（図５（ｃ））。次に、例えばブレードダイシング、またはレーザを用いたダイシングにより、チップサイズで切出し、チップサイズの固体撮像装置を得る（図５（ｄ）、５（ｅ））。

なお、図６に示す第１実施形態の変形例による固体撮像装置のように、ウェハレベルで画素上にマイクロレンズアレイを直接形成した場合、画素を駆動し、信号を読み出すための外部インタフェースが、貫通電極６５により形成され、光入射面と反対側で取り出すことができる。また、ボンディングワイヤ２５を用いずに実装基板２と半導体基板に設けられた電気接続部６７とを電気的に結合することもできる。

以上説明したように、本実施形態によれば、マイクロレンズアレイの焦点距離を考慮した位置合わせが容易で、製造する際の歩留まりが高い、固体撮像装置を提供することができる。また、組立て時のマクロレンズアレイの傾きや変位を解消でき、実装時の歩留まりを向上させ、かつ組立てコストの低減を図ることができる。さらに、マイクロレンズアレイを凸平レンズで構成できるため、球面収差を低減することが可能となり、画質の向上を図ることもできる。

（第２実施形態）
第２実施形態による固体撮像装置を図７に示す。この第２実施形態の固体撮像装置は、図１に示す第１実施形態の固体撮像装置において、画素マイクロレンズアレイ１０ｃを有しない構成となっている。

複数の画素が形成された半導体基板4が裏面照射型の撮像素子として作用させる場合、光入射面には表面照射型の撮像素子で形成される読み出し用の配線を含む層間絶縁膜(図示せず)等が存在しない。表面照射型の撮像素子では、前記層間絶縁膜上から到来した光波を半導体基板4に形成された画素部(具体的にはダイオード部)に集光する必要があり、このために画素マイクロレンズを要するケースが多いが裏面照射型構造ではこの限りではない。また、表面照射型の撮像素子、裏面照射型の撮像素子に関わらず、近年画素サイズの微細化が進んでおり、画素ピッチが1umを下回る構成では、可視波長帯域の光波の回折限界から、前記微細な画素ピッチに対応した微小な画素マイクロレンズを適応しても高効率の集光作用の実現が困難となる。従って、本発明の関わる第2の実施形態では、画素マイクロレンズを備えない構成としている。

図８に示すように、撮像素子１０は、画素１０ａと、カラーフィルタ１０ｂとを有している。なお、図８は、撮像素子１０、複数のマイクロレンズ４０ａを含むマイクロレンズアレイ４０、およびメインレンズ６０を拡大した模式図である。

この第２実施形態の固体撮像装置は、図３（ａ）乃至図４（ｃ）で説明した第１実施形態の固体撮像装置の製造方法において、半導体基板４上に画素マイクロレンズアレイ１０ｃを形成しない以外は、同様の工程を用いて製造することができる。

図９に示す第２実施形態の変形例による固体撮像装置のように、ウェハレベルで画素上にマイクロレンズアレイを直接形成した場合、画素を駆動し、信号を読み出すための外部インタフェースが、貫通電極６５により形成され、光入射面と反対側で取り出すことができる。また、ボンディングワイヤ２５を用いずに実装基板２と電気接続部６７によって電気的に結合することもできる。

以上説明したように、第２実施形態によれば、マイクロレンズアレイの焦点距離を考慮した位置合わせが容易で、製造する際の歩留まりが高い、固体撮像装置を提供することが
できる。また、組立て時のマクロレンズアレイの傾きや変位を解消でき、実装時の歩留まりを向上させ、かつ組立てコストの低減を図ることができる。さらに、マイクロレンズアレイを凸平レンズで構成できるため、球面収差を低減することが可能となり、画質の向上を図ることもできる。

（第３実施形態）
第３実施形態による携帯情報端末を図１０に示す。この第３実施形態の携帯情報端末２００は、第１乃至第２実施形態の固体撮像装置１をカメラモジュールとして備えている。なお、図２１に示す携帯情報端末は一例である。

第３実施形態によれば、マイクロレンズアレイの焦点距離を考慮した位置合わせが容易で、製造する際の歩留まりが高い、固体撮像装置を備えた携帯情報端末を提供することができる。また、マイクロレンズアレイを凸平レンズで構成できるため、球面収差を低減することが可能となり画質の向上を図ることもできる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 固体撮像装置
２ 実装基板
４ 半導体基板
１０ 撮像素子
１０ａ 画素
１０ｂ カラーフィルタ
１０ｃ 画素マイクロレンズ
２５ ボンディングワイヤ
３０ 平坦化層
４０ マイクロレンズアレイ
４０ａ マイクロレンズ
５０ カメラ筐体
５２ ＩＲＣＦ（可視光透過基板）
５５ 接合層
６０ メインレンズ
２００ 携帯情報端末

Claims (12)

1. 複数の画素を有する撮像素子と、
   前記撮像素子に接して設けられた接着層と、
   前記接着層に接して設けられ、前記接着層の屈折率よりも高い屈折率の材料からなる、複数の第１マイクロレンズを含む第１マイクロレンズアレイと、
   前記第１マイクロレンズアレイの上方に設けられたメインレンズと、
   を備えた固体撮像装置。
2. 前記第１マイクロレンズアレイの各前記第１マイクロレンズは、前記接着層側が平坦で、前記メインレンズ側が凸状の凸平レンズである請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記第１マイクロレンズアレイの各第１マイクロレンズの屈折率は１．４以上である請求項１または２記載の固体撮像装置。
4. 前記接着層の屈折率は１．３以下である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記第１マイクロレンズアレイの前記第１マイクロレンズの一つは、複数の前記画素に対応する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記撮像素子は、前記接着層と向き合い、それぞれの前記画素に対応する第２マイクロレンズを含む第２マイクロレンズアレイをさらに備えている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記撮像素子は、前記接着層と向き合うカラーフィルタを有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 前記撮像素子、前記接着層、および前記第１マイクロレンズアレイは密着接合されている請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 前記撮像素子は実装基板上に実装された半導体基板を有し、前記半導体基板と前記実装基板との電気的接続は、ボンディングワイヤによって行われる請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 前記撮像素子は実装基板上に実装された半導体基板を有し、前記半導体基板と前記実装基板との電気的接続は、貫通電極によって行われる請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. 前記第１マイクロレンズアレイは、インプリント法により形成される請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備えている携帯情報端末。

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