JP4923456B2 - Solid-state imaging device, manufacturing method thereof, and camera - Google Patents
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Description
本発明は、特に、オンチップレンズを備えた固体撮像装置およびその製造方法、並びに当該固体撮像装置を備えたカメラに関する。 The present invention particularly relates to a solid-state imaging device including an on-chip lens, a manufacturing method thereof, and a camera including the solid-state imaging device.
CCD型あるいはMOS型の固体撮像装置においては、各画素が微細化される傾向にある。これにより画素中の受光部の面積が減少し、固体撮像装置の特性の1つである光電変換特性、すなわち光感度を低下させている。 In a CCD type or MOS type solid-state imaging device, each pixel tends to be miniaturized. As a result, the area of the light receiving portion in the pixel is reduced, and the photoelectric conversion characteristic, that is, the photosensitivity, which is one of the characteristics of the solid-state imaging device, is reduced.
固体撮像装置の光感度を向上させるため、各受光部に対応した位置にマイクロレンズを設けて、入射光を効率良く受光部に集光させる技術が導入されている(特許文献1,2参照)。
In order to improve the photosensitivity of the solid-state imaging device, a technique has been introduced in which a microlens is provided at a position corresponding to each light receiving unit and incident light is efficiently condensed on the light receiving unit (see
特許文献1に記載の固体撮像装置では、有機樹脂からなるマイクロレンズ上に、透明樹脂が形成されている。特許文献2に記載の固体撮像装置では、窒化シリコンからなるマイクロレンズ上に、透明樹脂が形成されている。上記の透明樹脂としては、マイクロレンズの屈折率よりも低い屈折率の樹脂が使用される。
入射光をマイクロレンズにより屈折させて集光特性を向上させるためには、マイクロレンズとその上の透明樹脂との間には屈折率差がある必要がある。 In order to refract the incident light by the microlens and improve the light collecting characteristic, it is necessary to have a refractive index difference between the microlens and the transparent resin thereon.
しかしながら、特許文献1では、マイクロレンズとその上の透明樹脂はともに、有機樹脂により形成されているため、マイクロレンズと透明樹脂との間の屈折率差は0.4程度までしか確保できない。
However, in
特許文献2では、マイクロレンズは無機系の窒化シリコン(屈折率約2.0)であり、透明樹脂はエポキシ樹脂(屈折率1.5)であるため、屈折率差は0.5程度となる。しかしながら、特許文献2では、レジストマスクを用いた全面ドライエッチングにより窒化シリコンをレンズ形状に加工する必要があり、この全面ドライエッチングにおいて、窒化シリコンとレジストマスクのエッチング選択比を1にすることが困難となる。エッチング選択比が大きくなると、マイクロレンズの無効領域(レンズ同士の隙間)が増大し、集光特性が低下する。また、ドライエッチング時のプラズマダメージにより、固体撮像装置の暗電流が増大するという問題がある。
In
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、マイクロレンズと透明保護膜との間の屈折率差を確保し、かつマイクロレンズ同士の隙間をなくすことにより、集光特性を向上した固体撮像装置およびカメラを提供することにある。
本発明の他の目的は、ドライエッチング技術を用いることなく、マイクロレンズと透明保護膜との屈折率差を確保し、かつ隙間を無くしたマイクロレンズを有する固体撮像装置の製造方法を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and the purpose thereof is to secure a refractive index difference between the microlens and the transparent protective film and eliminate a gap between the microlenses, thereby collecting light. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device and a camera with improved performance.
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a solid-state imaging device having a microlens that ensures a difference in refractive index between the microlens and the transparent protective film and eliminates a gap without using a dry etching technique. It is in.
上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、基板に形成された複数の受光部と、前記基板の上層であって前記各受光部に対応して形成されたマイクロレンズと、前記マイクロレンズを被覆し、前記マイクロレンズよりも屈折率の低い透明保護膜とを有し、前記マイクロレンズは、屈折率調整粒子を含有するレンズ形状の樹脂により形成された第1レンズ層と、隣接する前記第1レンズ層同士の隙間を埋め込むように、前記第1レンズ層を被覆して形成された無機系の第2レンズ層とを有する。 In order to achieve the above object, a solid-state imaging device according to the present invention includes a plurality of light receiving portions formed on a substrate, a microlens formed on the substrate and corresponding to each light receiving portion, And a transparent protective film having a refractive index lower than that of the microlens. The microlens is adjacent to a first lens layer formed of a lens-shaped resin containing refractive index adjusting particles. And an inorganic second lens layer formed so as to cover the first lens layer so as to fill a gap between the first lens layers.
本発明の固体撮像装置では、マイクロレンズは、屈折率調整粒子を含有するレンズ形状の樹脂により形成された第1レンズ層と、隣接する第1レンズ層同士の隙間を埋め込むように、第1レンズ層を被覆して形成された無機系の第2レンズ層とを有する。有機樹脂は、一般的に無機系の材料よりも屈折率が低いが、本発明では樹脂中に屈折率調整粒子を分散させることで第1レンズ層の屈折率を、もとの樹脂の屈折率よりも大きくすることができる。このため、第1レンズ層と無機系の第2レンズ層により形成されるマイクロレンズの屈折率を大きくすることができる。このため、マイクロレンズとその上の透明保護膜との屈折率差を確保できる。
また、隣接する第1レンズ層同士の隙間を第2レンズ層により埋めることにより、第1レンズ層と第2レンズ層により形成されるマイクロレンズの無効領域、すなわち隙間が無くなる。
In the solid-state imaging device according to the present invention, the microlens includes the first lens so as to embed a gap between the first lens layer formed of the lens-shaped resin containing the refractive index adjusting particles and the adjacent first lens layers. And an inorganic second lens layer formed by covering the layer. The organic resin generally has a lower refractive index than that of an inorganic material, but in the present invention, the refractive index of the first lens layer can be changed by dispersing the refractive index adjusting particles in the resin, thereby changing the refractive index of the original resin. Can be larger. For this reason, the refractive index of the microlens formed by the first lens layer and the inorganic second lens layer can be increased. For this reason, the difference in refractive index between the microlens and the transparent protective film thereon can be secured.
Further, by filling the gap between the adjacent first lens layers with the second lens layer, the ineffective area of the microlens formed by the first lens layer and the second lens layer, that is, the gap is eliminated.
上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置の製造方法は、基板に複数の受光部を形成する工程と、前記基板の上層に屈折率調整粒子を含有する感光性樹脂を用いて第1レンズ層を形成する工程と、前記第1レンズ層を露光および現像して、前記各受光部に対応したパターンをもつ第1レンズ層に加工する工程と、熱処理により前記第1レンズ層をレンズ形状に成形する工程と、隣接する前記第1レンズ層同士の隙間を埋めるように前記第1レンズ層を被覆する無機系の第2レンズ層を形成する工程と、前記第2レンズ層上に、前記第1レンズ層および前記第2レンズ層の屈折率よりも小さい屈折率をもつ透明保護膜を形成する工程とを有する。 In order to achieve the above object, a method of manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention includes a step of forming a plurality of light receiving portions on a substrate, and a photosensitive resin containing refractive index adjusting particles on an upper layer of the substrate. A step of forming one lens layer, a step of exposing and developing the first lens layer to process it into a first lens layer having a pattern corresponding to each of the light receiving portions, and a lens for forming the first lens layer by heat treatment. Forming the shape, forming an inorganic second lens layer that covers the first lens layer so as to fill a gap between the adjacent first lens layers, and on the second lens layer, Forming a transparent protective film having a refractive index smaller than that of the first lens layer and the second lens layer.
上記の本発明の固体撮像装置の製造方法では、第1レンズ層として、屈折率調整粒子を含有する感光性樹脂を用いることにより、露光、現像および熱処理により、受光部に対応した配置の第1レンズ層に加工できる。そして、隣接する第1レンズ層同士の隙間を埋めるように第1レンズ層を被覆する無機系の第2レンズ層を形成することにより、第1レンズ層と第2レンズ層の積層構造のマイクロレンズが形成される。このように本発明では、ドライエッチング技術を用いずにレンズ形状が得られる。 In the manufacturing method of the solid-state imaging device of the present invention, the first lens layer is made of the photosensitive resin containing the refractive index adjusting particles, so that the first corresponding to the light receiving portion is formed by exposure, development, and heat treatment. Can be processed into a lens layer. Then, a microlens having a laminated structure of the first lens layer and the second lens layer is formed by forming an inorganic second lens layer that covers the first lens layer so as to fill a gap between the adjacent first lens layers. Is formed. Thus, in the present invention, the lens shape can be obtained without using the dry etching technique.
上記の目的を達成するため、本発明のカメラは、固体撮像装置と、前記固体撮像装置の撮像面に光を結像させる光学系と、前記固体撮像装置からの出力信号に対して所定の信号処理を行う信号処理回路とを有し、前記固体撮像装置は、基板に形成された複数の受光部と、前記基板の上層であって前記各受光部に対応して形成されたマイクロレンズと、前記マイクロレンズを被覆し、前記マイクロレンズよりも屈折率の低い透明保護膜とを有し、前記マイクロレンズは、屈折率調整粒子を含有するレンズ形状の樹脂により形成された第1レンズ層と、隣接する前記第1レンズ層同士の隙間を埋め込むように、前記第1レンズ層を被覆して形成された無機系の第2レンズ層とを有する。 In order to achieve the above object, a camera of the present invention includes a solid-state imaging device, an optical system that focuses light on the imaging surface of the solid-state imaging device, and a predetermined signal with respect to an output signal from the solid-state imaging device. A signal processing circuit that performs processing, and the solid-state imaging device includes a plurality of light receiving portions formed on a substrate, a microlens formed on the substrate and corresponding to each light receiving portion, The microlens is covered with a transparent protective film having a refractive index lower than that of the microlens, and the microlens is formed of a lens-shaped resin containing refractive index adjusting particles; And an inorganic second lens layer formed so as to cover the first lens layer so as to fill a gap between the adjacent first lens layers.
上記の本発明のカメラでは、固体撮像装置のマイクロレンズは、屈折率調整粒子を含有するレンズ形状の樹脂により形成された第1レンズ層と、隣接する第1レンズ層同士の隙間を埋め込むように、第1レンズ層を被覆して形成された無機系の第2レンズ層とを有する。有機樹脂は、一般的に無機系の材料よりも屈折率が低いが、本発明では樹脂中に屈折率調整粒子を分散させることで第1レンズ層の屈折率を、もとの樹脂の屈折率よりも大きくすることができる。このため、第1レンズ層と無機系の第2レンズ層により形成されるマイクロレンズの屈折率を大きくすることができる。このため、マイクロレンズとその上の透明保護膜との屈折率差を確保できる。
また、隣接する第1レンズ層同士の隙間を第2レンズ層により埋めることにより、第1レンズ層と第2レンズ層により形成されるマイクロレンズの無効領域、すなわち隙間が無くなる。
In the camera of the present invention described above, the microlens of the solid-state imaging device is configured to embed a gap between the first lens layer formed of a lens-shaped resin containing refractive index adjusting particles and the adjacent first lens layers. And an inorganic second lens layer formed by covering the first lens layer. The organic resin generally has a lower refractive index than that of an inorganic material, but in the present invention, the refractive index of the first lens layer can be changed by dispersing the refractive index adjusting particles in the resin, thereby changing the refractive index of the original resin. Can be larger. For this reason, the refractive index of the microlens formed by the first lens layer and the inorganic second lens layer can be increased. For this reason, the difference in refractive index between the microlens and the transparent protective film thereon can be secured.
Further, by filling the gap between the adjacent first lens layers with the second lens layer, the ineffective area of the microlens formed by the first lens layer and the second lens layer, that is, the gap is eliminated.
本発明によれば、マイクロレンズと透明保護膜との間の屈折率差を確保し、かつマイクロレンズ同士の隙間をなくすことにより、集光特性を向上した固体撮像装置およびカメラを実現できる。
本発明の固体撮像装置の製造方法によれば、ドライエッチング技術を用いることなく、マイクロレンズと透明保護膜との屈折率差を確保し、かつ隙間を無くしたマイクロレンズを有する固体撮像装置を製造することができる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solid-state imaging device and camera which improved the condensing characteristic by ensuring the refractive index difference between a microlens and a transparent protective film, and eliminating the clearance gap between microlenses are realizable.
According to the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention, a solid-state imaging device having a microlens that secures a refractive index difference between the microlens and the transparent protective film and eliminates a gap without using dry etching technology. can do.
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。各図において、同一の構成要素には同一の符号を付してある。本実施形態では、本発明をインターライントランスファ方式のCCD(Charge Coupled Device)型の固体撮像装置に適用した例について説明する。ただし、転送方式に特に限定はない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same components are denoted by the same reference numerals. In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to an interline transfer type CCD (Charge Coupled Device) type solid-state imaging device will be described. However, there is no particular limitation on the transfer method.
(第1実施形態)
図1は、本実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図である。本実施形態に係る固体撮像装置1は、撮像部2と、水平転送部3と、出力部4とを有する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a solid-state imaging apparatus according to the present embodiment. The solid-
撮像部2には、画素毎に行列状に配置された複数の受光部5と、受光部5の垂直列ごとに配置された複数本の垂直転送部7と、受光部5と垂直転送部7との間に配置された読み出しゲート部6とを有する。
The
受光部5は、例えばフォトダイオードからなり、被写体から入射する像光(入射光)をその光量に応じた電荷量の信号電荷に光電変換して蓄積する。読み出しゲート部6は、受光部5に蓄積された信号電荷を垂直転送部7に読み出す。
The
垂直転送部7は、4相のクロック信号φV1,φV2,φV3,φV4によって駆動され、受光部5から読み出された信号電荷を垂直方向(図中、下方向)に転送する。なお、クロック信号としては、4相に限定されるものではない。クロック信号φV1〜ΦV4は、例えば0Vあるいは−8.5Vである。
The
水平転送部3は、2相のクロック信号φH1,φH2によって駆動され、垂直転送部7から垂直転送された信号電荷を、水平方向(図中、左方向)に転送する。
The horizontal transfer unit 3 is driven by the two-phase clock signals φH1 and φH2, and transfers the signal charges vertically transferred from the
垂直転送部7および水平転送部3は、基板に形成された転送方向に伸びる転送チャネルと、転送チャネル上に絶縁膜を介在させた状態で、転送方向に並べて形成された複数の転送電極とを有する。
The
出力部4は、例えば、フローティングディフュージョンにて構成された電荷−電圧変換部4aを有し、水平転送部3により水平転送された信号電荷を電気信号に変換して、アナログ画像信号として出力する。
The output unit 4 includes, for example, a charge-
図2は、撮像部2における要部平面図である。
FIG. 2 is a plan view of the main part of the
マトリックス状に配置された受光部5に隣接して、転送方向に伸びる転送チャネル14が形成されている。転送チャネル14上には、絶縁膜を介在させた状態で、第1転送電極21と第2転送電極22が転送方向に交互に繰り返し並んでいる。第1転送電極21および第2転送電極22を区別する必要がない場合には、単に転送電極20と称する。転送チャネル14と、転送電極20により垂直転送部7が構成される。転送方向に並んだ第1転送電極21および第2転送電極22は、端部が互いに重なるように配置されている。
A
水平方向における第1転送電極21および第2転送電極22は、互いに接続されている。第1転送電極21は1層目のポリシリコン層により形成され、第2転送電極22は2層目のポリシリコン層により形成される。本実施形態では、2層構造の転送電極の例について説明するが、単層構造であっても、3層以上の構造であってもよい。
The
第1転送電極21および第2転送電極22に電圧を印加すると、転送チャネル14に電位井戸が形成される。この電位井戸を形成するためのクロック信号φV1,V2,V3,V4が、転送方向に並べられた第1転送電極21および第2転送電極22に対して位相をずらして印加されることで、電位井戸の分布が順次変化し、電位井戸内の電荷が転送方向に沿って転送される。
When a voltage is applied to the
図3は、本実施形態に係る固体撮像装置の要部断面図である。図3は、図2のA−A’線における断面図に相当する。 FIG. 3 is a cross-sectional view of a main part of the solid-state imaging device according to the present embodiment. FIG. 3 corresponds to a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 2.
例えば、n型のシリコン基板(以下、基板10という)に、p型ウェル11が形成されている。p型ウェル11は、オーバーフローバリアを形成する。
For example, a p-
受光部5は、p型ウェル11に形成されたn型の信号電荷蓄積領域12と、信号電荷蓄積領域12の表層に形成されたp+型の正孔蓄積領域13を有する。正孔蓄積領域13は、信号電荷蓄積領域12の表面近くで発生し、雑音源となる暗電流を抑制するために設けられている。
The
受光部5には、信号電荷蓄積領域12、p型ウェル11および基板10により、npn構造が形成されている。このnpn構造は、受光部5に強い光が入射して過剰に発生した信号電荷がp型ウェル11により形成されるオーバーフローバリアを超えると、当該信号電荷を基板10側に排出する縦型オーバーフロードレイン構造を構成する。
In the
また、上記の受光部5は電子シャッタの機能を備えている。すなわち、基板10に供給される基板電位を高レベル(例えば+12V)にすることにより、p型ウェル11の電位障壁が下がり、信号電荷蓄積領域12に蓄積された電荷が当該電位障壁を乗り越えて、縦方向すなわち基板10に掃き捨てられる。これにより露光期間を調整することができる。
Further, the
垂直転送部7は、信号電荷蓄積領域12と所定間隔を隔ててp型ウェル11に形成されたn型の転送チャネル14と、転送チャネル14上に酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜18を介して形成された例えばポリシリコンからなる転送電極20により構成されている。転送チャネル14の下には、比較的高濃度のp型領域15が形成されている。p型領域15は、転送チャネル14の下に電位障壁を形成する。このため、基板10の深部で光電変換された信号電荷が転送チャネル14へ入ることが防止され、スミアの発生が抑制される。
The
読み出しゲート部6は、信号電荷蓄積領域12と転送チャネル14との間のp型の読み出しゲート領域16と、読み出しゲート領域16上にゲート絶縁膜18を介して形成された転送電極20により構成されている。読み出しゲート領域16は、n型の信号電荷蓄積領域12と転送チャネル14との間に、電位障壁を形成する。読み出し時には、転送電極に正の読み出し電圧(例えば15V)が印加されて、読み出しゲート領域16の電位障壁が引き下げられて、信号電荷は信号電荷蓄積領域12から転送チャネル14へと移される。
The read
信号電荷蓄積領域12に対して読み出し側とは反対側には、p型のチャネルストップ領域17が形成されている。チャネルストップ領域17は、信号電荷に対して電位障壁を形成し、信号電荷の流出入を防止する。
A p-type
転送電極20上には、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜23を介して、転送電極20を被覆する遮光膜24が形成されている。遮光膜24は、例えばタングステンなどの高融点金属からなる。遮光膜24には、受光部5に光を入射させるための開口部が形成されている。
A
遮光膜24上には、例えばBPSG(Boro Phospho Silicate glass)からなる第1層間絶縁膜25が形成されている。第1層間絶縁膜25には、下地の表面段差に起因する凹凸が形成されている。第1層間絶縁膜25上には、第1層間絶縁膜25よりも高屈折率材料からなる第2層間絶縁膜26が形成されている。第2層間絶縁膜26は例えば窒化シリコンからなる。第2層間絶縁膜26の表面は、平坦化されている。第1層間絶縁膜25と第2層間絶縁膜26の界面により層内レンズが形成されている。
On the
第2層間絶縁膜26上には、カラーフィルタ30が形成されている。カラーフィルタ30は例えば原色タイプであり、グリーンカラーフィルタ31と、ブルーカラーフィルタ32と、レッドカラーフィルタ33とを有する。補色タイプの場合には、カラーフィルタ30はシアン、マゼンタ、イエロー、グリーンのカラーフィルタにより形成される。
A
カラーフィルタ30上には、例えばアクリル熱硬化樹脂からなる平坦化膜40が形成されている。平坦化膜40上には、マイクロレンズ50が形成されている。
On the
マイクロレンズ50は、第1レンズ層51と第2レンズ層52とを有する。第1レンズ層51および第2レンズ層52の屈折率は略同じに調整されている。マイクロレンズ50の屈折率は、1.85〜2.10である。マイクロレンズ50の厚さDは、例えば550nmである。
The
第1レンズ層51は、各受光部5に対応して配置されており、レンズ形状に加工されている。第1レンズ層51は、金属酸化物粒子を含有する感光性樹脂からなる。金属酸化物粒子は、本発明の屈折率調整粒子の一実施形態である。感光性樹脂は、例えばポリイミド樹脂である。
The
第1レンズ層51の屈折率は、金属酸化物粒子の添加量を変えることにより調整される。すなわち、金属酸化物粒子の添加量を増やせば、第1レンズ層51の屈折率が高くなる。金属酸化物粒子は、例えば酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化錫である。
The refractive index of the
第2レンズ層52は、第1レンズ層51同士の隙間および第1レンズ層51を被覆するように全面に形成されている。第2レンズ層52により、マイクロレンズ50同士の隙間(無効領域)がなくなる。第2レンズ層52は、例えば窒化シリコンにより形成される。
The
マイクロレンズ50を被覆するように、マイクロレンズ50よりも屈折率の低い透明保護膜60が形成されている。透明保護膜60の表面は、平坦化されている。透明保護膜60は、例えばフッ素を含む有機高分子材料、有機SOG(Spin on Glass)、アクリル系樹脂、エポキシ樹脂などからなる。透明保護膜60の屈折率は、1.34〜1.50である。
A transparent
マイクロレンズ50(屈折率1.85〜2.10)と、透明保護膜60(屈折率1.34〜1.50)により、両者の屈折率差を0.4以上確保することができる。なお、材料の組み合わせにより最大で0.76程度の屈折率差を確保することができる。 The microlens 50 (refractive index of 1.85 to 2.10) and the transparent protective film 60 (refractive index of 1.34 to 1.50) can ensure a refractive index difference of 0.4 or more. In addition, a maximum refractive index difference of about 0.76 can be ensured by a combination of materials.
上記の固体撮像装置では、入射光は、マイクロレンズ50により集光されて各カラーフィルタ31,32,33に到達する。所定の波長領域の光のみが各カラーフィルタを通過し、第1層間絶縁膜25および第2層間絶縁膜26の界面により形成される層内レンズによりさらに集光されて、受光部5に入射する。受光部5に入射した光は、入射光量に応じた信号電荷に光電変換されて、信号電荷蓄積領域12に蓄積される。その後、転送チャネル14に読み出されて、垂直転送部7により垂直方向に転送される。
In the solid-state imaging device described above, incident light is collected by the
次に、上記の本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について、図4〜図8を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
図4(a)に示すように、n型のシリコンからなる基板10に、イオン注入法により、p型ウェル11、n型の信号電荷蓄積領域12、n型の転送チャネル14、p型領域15、p型の読み出しゲート領域16、p型のチャネルストップ領域17を形成する。続いて、熱酸化法により基板10上に酸化シリコンからなるゲート絶縁膜18を形成する。
As shown in FIG. 4A, a p-
次に、図4(b)に示すように、ゲート絶縁膜18上に転送電極20を形成する。転送電極20は、ポリシリコンを堆積した後に、レジストを用いてポリシリコンをエッチングすることにより形成する。転送電極20が2層構造の場合には、1層目と2層目の転送電極間には絶縁膜を形成する。転送電極20を形成した後に、例えばCVD法により転送電極20を被覆する酸化シリコンからなる絶縁膜23を形成する。続いて、転送電極20をマスクとしたイオン注入により、信号電荷蓄積領域12の表層にp型の正孔蓄積領域13を形成する。これにより、基板10に受光部5、読み出しゲート部6および垂直転送部7が形成される。
Next, as shown in FIG. 4B, the
次に、図5(a)に示すように、受光部5の位置に開口部24aをもち、転送電極20を被覆する遮光膜24を形成する。遮光膜24は、例えば基板10上にタングステンなどの高融点金属膜を堆積し、レジストマスクを用いたドライエッチングにより高融点金属膜を加工して形成される。
Next, as shown in FIG. 5A, a
次に、図5(b)に示すように、基板10上に、例えばBPSGを堆積させて、リフロー処理を行うことにより第1層間絶縁膜25を形成する。続いて、第1層間絶縁膜25上に、プラズマCVD法により窒化シリコン膜を堆積し、窒化シリコン膜の表面を平坦化加工することにより第2層間絶縁膜26を形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, a first
次に、図6(a)に示すように、第2層間絶縁膜26上にカラーフィルタ30を形成する。カラーフィルタ30は、例えばカラーレジスト法を用いて形成する。例えば第2層間絶縁膜26上にグリーンカラーレジストを形成した後に、グリーンカラーレジストを露光および現像することにより、グリーンカラーフィルタ31のパターンを形成する。同様に、カラーレジストの形成、露光および現像を行うことにより、ブルーカラーフィルタ32およびレッドカラーフィルタ33を形成する。なお、カラーフィルタ30の形成順序に限定はない。
Next, as shown in FIG. 6A, the
次に、図6(b)に示すように、カラーフィルタ30の表面凹凸を平坦化する目的で、カラーフィルタ30上に透明な平坦化膜40を形成する。平坦化膜40としては、例えばアクリル熱硬化樹脂を用いる。
Next, as shown in FIG. 6B, a
次に、図7(a)に示すように、平坦化膜40上に金属酸化物粒子を分散させた感光性樹脂をスピンコート法により塗布して、第1レンズ層51aを形成する。感光性樹脂としては、感光剤を含むポリイミド樹脂を用いる。
Next, as shown in FIG. 7A, a photosensitive resin in which metal oxide particles are dispersed is applied onto the
次に、図7(b)に示すように、露光および現像により、受光部5に対応した第1レンズ層51bに加工する。ここで、全ての第1レンズ層51aが受光部5の直上に形成されている必要はなく、瞳補正を行っても良い。瞳補正とは、撮像部2の周辺部において、第1レンズ層51bの位置をわずかに中心方向に寄せる技術をいう。
Next, as shown in FIG. 7B, the
次に、図8(a)に示すように、熱処理により、レンズ形状の第1レンズ層51を形成する。本例では、熱処理によりポリイミド前駆体がポリイミド化する際に収縮する(20〜30%)現象を用いて、金属酸化物を含有する感光性樹脂からなる第1レンズ層51をマイクロレンズ形状とする。熱処理は、ホットプレートを用いて、200℃の温度で5分間行う。なお、厚さDが550nmのマイクロレンズ50を形成する場合には(図3参照)、熱処理後の第1レンズ層51の厚さEを300nmとなるようにする。第1レンズ層51は、収縮現象を用いてレンズ形状に加工されることから、幅Wの無効領域が生じる。幅Wは第1レンズ層51bを加工する際の露光条件に応じて代わるが、例えば幅Wが500nmとなるように条件設定を行う。
Next, as shown in FIG. 8A, a lens-shaped
次に、図8(b)に示すように、隣接する第1レンズ層51同士の隙間を埋めるように、第1レンズ層51上に第2レンズ層52を形成する。第2レンズ層52として、例えばプラズマCVD法により窒化シリコン膜を形成する。プラズマCVD法には、HDP-CVD(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition)、CAT−CVD(Catalytic Chemical Vapor Deposition)、ICP−CVD(Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition)などが挙げられる。
Next, as shown in FIG. 8B, the
例えば、HDP−CVD法により、成膜温度140℃、成膜時間3分の設定で、300nmの厚みで屈折率が1.95程度の窒化シリコン膜を形成する。窒化シリコン膜の膜厚は、第1レンズ層51の無効領域の幅Wに対して、W/2より厚くすることが好ましい。また、CVD法における縦方向(図中、H方向)と横方向(図中、I方向)とで成膜スピードの差異を考慮する必要がある。この縦横方向の成膜スピードを調べた結果、縦方向の成膜スピードが1に対して、横方向の成膜スピードが0.9であった。よって、無効領域の幅Wが500nmの場合には、277nm成膜すれば、実質的に無効領域がゼロのマイクロレンズ50が形成されることになる。本実施形態においてはマージンをとり、300nmの成膜条件に設定した。
For example, a silicon nitride film having a thickness of 300 nm and a refractive index of about 1.95 is formed by HDP-CVD at a film formation temperature of 140 ° C. and a film formation time of 3 minutes. The thickness of the silicon nitride film is preferably greater than W / 2 with respect to the width W of the ineffective region of the
次に、マイクロレンズ50上に、マイクロレンズ50よりも屈折率の低い透明保護膜60をスピンコートにより形成する(図3参照)。透明保護膜60の材料としては、例えば、フッ素を含む有機高分子材料、有機SOG、アクリル系樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられる。本実施形態においては、フッ素系樹脂を用いた。熱処理後において、マイクロレンズ50のない撮像部2の周辺部と、マイクロレンズ50のある撮像部2とで実質的に平坦な透明保護膜60が得られるように、透明保護膜60の厚さを設定する。例えば、200℃で5分間の熱処理後において平坦な透明保護膜60が得られるのは、2300nm以上の膜厚が必要であった。このため、例えば2500nmの条件で成膜を行った。尚、透明保護膜60の屈折率は1.38に調整した。
Next, a transparent
図9は、第2レンズ層52の膜厚を図8(b)に示す第2レンズ層52の膜厚よりも厚くした場合の断面図である。
FIG. 9 is a cross-sectional view when the thickness of the
第2レンズ層52の膜厚を無効領域の幅Wが埋まる程度に設定した場合におけるマイクロレンズ50の曲率半径をrとすると(図8(b)参照)、第2レンズ層52をより厚く形成することにより、マイクロレンズ50の曲率半径がrよりも大きいr’となる。このように、第2レンズ層52の膜厚を変えることにより、マイクロレンズ50における焦点距離を調整でき、様々な固体撮像装置に対して、マイクロレンズの最適化が可能となる。
When the radius of curvature of the
以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置が製造される。上記の固体撮像装置は、例えば、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、あるいは電子内視鏡用カメラなどのカメラに用いられる。 As described above, the solid-state imaging device according to this embodiment is manufactured. The solid-state imaging device is used for a camera such as a video camera, a digital still camera, or an electronic endoscope camera, for example.
図10は、上記の固体撮像装置が用いられるカメラの概略構成図である。 FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a camera in which the above-described solid-state imaging device is used.
カメラ100は、上記した固体撮像装置1と、光学系102と、駆動回路103と、信号処理回路104とを有する。
The
光学系102は、被写体からの像光(入射光)を固体撮像装置1の撮像面上に結像させる。これにより、固体撮像装置1の各受光部5において、入射光は入射光量に応じた信号電荷に変換され、受光部5の信号電荷蓄積領域12において、一定期間当該信号電荷が蓄積される。
The
駆動回路103は、上述した4相のクロック信号φV1,φV2,φV3,φV4および2相のクロック信号φH1,φH2などの各種のタイミング信号を固体撮像装置1に与える。これにより、固体撮像装置1の信号電荷の読み出し、垂直転送、水平転送などの各種の駆動が行われる。また、この駆動により、固体撮像装置1の出力部4からアナログ画像信号が出力される。
The
信号処理回路104は、固体撮像装置1から出力されたアナログ画像信号に対して、ノイズ除去を行ったり、ディジタル信号に変換するといった各種の信号処理を行う。信号処理回路104による信号処理が行われた後に、メモリなどの記憶媒体に記憶される。
The
次に、上記の本実施形態に係る固体撮像装置およびその製造方法、並びにカメラの効果について説明する。 Next, the solid-state imaging device according to the present embodiment, the manufacturing method thereof, and the effects of the camera will be described.
本実施形態に係る固体撮像装置では、マイクロレンズ50は、金属酸化物粒子を含有するレンズ形状の樹脂により形成された第1レンズ層51と、隣接する第1レンズ層51同士の隙間を埋め込むように、第1レンズ層51を被覆して形成された無機系の第2レンズ層52により形成される。そして、マイクロレンズ50を被覆するように、マイクロレンズ50よりも屈折率の低い透明保護膜60が形成されている。
In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the
有機樹脂は、一般的に無機系の材料よりも屈折率が低いが、本実施形態では樹脂中に金属酸化物粒子を分散させることで第1レンズ層51の屈折率を、もとの樹脂の屈折率よりも大きくすることができる。このため、第1レンズ層51と無機系の第2レンズ層52により形成されるマイクロレンズ50の屈折率を大きくすることができる。このため、マイクロレンズ50とその上の透明保護膜60との屈折率差を確保することができ、マイクロレンズ50の集光特性を向上させることができ、光感度向上を図ることができる。
The organic resin generally has a lower refractive index than that of an inorganic material. However, in this embodiment, the refractive index of the
また、第1レンズ層51同士の隙間を第2レンズ層52により埋めることにより、第1レンズ層51と第2レンズ層52により形成されるマイクロレンズ50の無効領域を無くすことができる。この結果、マイクロレンズ50の集光特性を向上させることができ、光感度を向上させることができる。
Further, by filling the gap between the first lens layers 51 with the
また、透明保護膜60とその周囲の空気との間においても屈折率差が存在する。すなわち、透明保護膜60の方が周囲の空気の屈折率よりも大きい。このため、透明保護膜60の表面において斜めから入射した光は屈折されて、入射光の角度を小さくすることができる。この結果、マイクロレンズ50によりさらに光を屈折させて入射光を受光部5へ集光させることができることから、光感度向上を図ることができる。
There is also a refractive index difference between the transparent
本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法では、第1レンズ層51として、金属酸化物粒子を含有する感光性樹脂を用いることにより、露光、現像および熱処理により、受光部に対応した配置の第1レンズ層51に加工できる。そして、第1レンズ層51間の隙間を埋めるように第1レンズ層51を被覆する無機系の第2レンズ層52を形成する。本実施形態では、ドライエッチング技術を用いずにレンズ形状を得ることができることから、ドライエッチング時のプラズマダメージに起因した暗電流の増加等の特性悪化を招くこともない。
In the manufacturing method of the solid-state imaging device according to the present embodiment, the
以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、マイクロレンズ50と透明保護膜60との間の屈折率差を確保でき、かつマイクロレンズ同士の隙間をなくすことができることから、集光特性を向上した固体撮像装置を実現することができる。
As described above, according to the solid-state imaging device according to the present embodiment, a difference in refractive index between the
また、ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどのカメラ30において、光感度を向上させた固体撮像装置1を用いることにより、光感度を向上させたカメラ100を実現することができる。
In addition, in the
また、本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法によれば、ドライエッチング技術を用いることなく、マイクロレンズ50と透明保護膜60との屈折率差を確保することができ、かつ隙間を無くしたマイクロレンズ50を有する固体撮像装置を製造することができる。
In addition, according to the method for manufacturing the solid-state imaging device according to the present embodiment, it is possible to ensure the difference in refractive index between the
(第2実施形態)
図11は、第2実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。図11は、図2のA−A’線における断面図に相当する。
(Second Embodiment)
FIG. 11 is a cross-sectional view of the solid-state imaging device according to the second embodiment. FIG. 11 corresponds to a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.
本実施形態に係る固体撮像装置では、透明保護膜60における入射光の反射を防止するために、透明保護膜60上に反射防止膜70が形成されている。反射防止膜70は、透明保護膜60よりも屈折率が低い材料で形成される。
In the solid-state imaging device according to the present embodiment, an
上記の本実施形態に係る固体撮像装置およびその製造方法によれば、透明保護膜60上に反射防止膜70が形成されていることから、入射光が反射して受光部5に入射する光量の減少を抑制することができる。この結果、光感度を向上させた固体撮像装置を実現することができる。
According to the solid-state imaging device and the manufacturing method thereof according to the above-described embodiment, since the
(第3実施形態)
図12は、第3実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。図12は、図2のA−A’線における断面図に相当する。
(Third embodiment)
FIG. 12 is a cross-sectional view of the solid-state imaging device according to the third embodiment. 12 corresponds to a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG.
本実施形態に係る固体撮像装置では、マイクロレンズ50における入射光の反射を防止するために、マイクロレンズ50上に反射防止膜70が形成されている。反射防止膜70上には、透明保護膜60が形成されている。反射防止膜70は、透明保護膜60よりも屈折率が高く、マイクロレンズ50よりも屈折率が低い材料により形成される。
In the solid-state imaging device according to the present embodiment, an
上記の本実施形態に係る固体撮像装置およびその製造方法によれば、マイクロレンズ50上に反射防止膜70が形成されていることから、入射光が反射して受光部5に入射する光量の減少を抑制することができる。この結果、光感度を向上させた固体撮像装置を実現することができる。
According to the solid-state imaging device and the manufacturing method thereof according to the above-described embodiment, since the
(第4実施形態)
図13(a)は、第4実施形態に係る固体撮像装置の平面図であり、図13(b)は、図13(a)のB−B’線における断面図である。なお、図13(b)では、カラーフィルタ30よりも上層の構成のみを図解している。
(Fourth embodiment)
FIG. 13A is a plan view of the solid-state imaging device according to the fourth embodiment, and FIG. 13B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. In FIG. 13B, only the configuration of the upper layer than the
図13(a)に示すように、受光部に対応するようにマトリックス状にマイクロレンズ50が配置されている。マイクロレンズ50の角部、すなわち対角方向に隣接するマイクロレンズ間の領域における第2レンズ層52には、酸素供給孔52aが形成されている。酸素供給孔52aは、マイクロレンズ50の4つの角部の全てに形成されている必要はない。
As shown in FIG. 13A, microlenses 50 are arranged in a matrix so as to correspond to the light receiving portions. Oxygen supply holes 52 a are formed in the
酸素供給孔52aは、第2レンズ層52を形成した後に、レジストマスクを用いたドライエッチングにより形成される。酸素供給孔52aは、平坦化膜40を貫通していてもよい。ここで、従来のレンズ形状を得るための全面ドライエッチングに比べて、酸素供給孔52aのパターン加工の際のドライエッチングは局所的に行うものであるため、プラズマダメージを低減することができる。このため、暗電流の発生を抑制することができる。
The
第2レンズ層52として用いる窒化シリコンは、酸素遮断膜となる。ここで、グリーンカラーフィルタ31には、例えば色素として銅フタロシアニンが用いられる。この銅フタロシアニンは、還元反応に弱い。すなわち還元反応により銅フタロシアニンが分解してしまう。なお、還元反応により分解してしまうような色素をもつカラーフィルタ30であれば、特に限定はない。
Silicon nitride used as the
本実施形態では、第2レンズ層52に酸素供給孔52aが形成されていることにより、酸素供給孔52aを介してカラーフィルタ30に酸素を供給することができる。このため、還元反応により分解してしまう色素をもつカラーフィルタ30を採用する場合には、長期にわたってカラーフィルタ30の特性を維持することができる。
In the present embodiment, since the
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。本発明は、インターライントランスファ方式以外にも、フレームトランスファ方式、フレームインターライントランスファ方式の固体撮像装置に適用することもできる。また、CCD型の固体撮像装置以外にもMOS型の固体撮像装置に本発明を適用することもできる。また、屈折率調整粒子として金素酸化物粒子を用いた例について説明したが、屈折率を調整できる他の粒子を用いてもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
The present invention is not limited to the description of the above embodiment. The present invention can be applied to a solid-state imaging device of a frame transfer system or a frame interline transfer system in addition to the interline transfer system. Further, the present invention can be applied to a MOS type solid-state imaging device in addition to a CCD type solid-state imaging device. Moreover, although the example using the metal oxide particles as the refractive index adjusting particles has been described, other particles capable of adjusting the refractive index may be used.
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1…固体撮像装置、2…撮像部、3…水平転送部、4…出力部、4a…電荷―電圧変換部、5…受光部、6…読み出しゲート部、7…垂直転送部、10…基板、11…p型ウェル、12…信号電荷蓄積領域、13…正孔蓄積領域、14…転送チャネル、15…p型領域、16…読み出しゲート領域、17…チャネルストップ領域、18…ゲート絶縁膜18…転送電極、21…第1転送電極、22…第2転送電極、23…絶縁膜、24…遮光膜、24a…開口部、25…第1層間絶縁膜、26…第2層間絶縁膜、30…カラーフィルタ、31…グリーンカラーフィルタ、32…ブルーカラーフィルタ、33…レッドカラーフィルタ、40…平坦化膜、50…マイクロレンズ、51…第1レンズ層、52…第2レンズ層、52a…酸素供給孔、60…透明保護膜、70…反射防止膜、100…カメラ、102…光学系、103…駆動回路、104…信号処理回路
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記基板の上層であって前記各受光部に対応して形成されたマイクロレンズと、
前記マイクロレンズを被覆し、前記マイクロレンズよりも屈折率の低い透明保護膜とを有し、
前記マイクロレンズは、
屈折率調整粒子を含有するレンズ形状の樹脂により形成された第1レンズ層と、
隣接する前記第1レンズ層同士の隙間を埋め込むように、前記第1レンズ層を被覆して形成された無機系の第2レンズ層と
を含み、
前記基板と前記マイクロレンズとの間には、還元反応で分解する色素を含んだカラーフィルタが配置されており、
前記第2レンズ層は、隣接する前記第1レンズ層同士の間に、酸素供給孔が形成されており、当該酸素供給孔を介して前記カラーフィルタへ酸素が供給される、
固体撮像装置。 A plurality of light receiving portions formed on the substrate;
A microlens formed in an upper layer of the substrate and corresponding to each light receiving portion;
Covering the microlens, and having a transparent protective film having a lower refractive index than the microlens,
The microlens is
A first lens layer formed of a lens-shaped resin containing refractive index adjusting particles;
An inorganic second lens layer formed so as to cover the first lens layer so as to embed a gap between the adjacent first lens layers , and
Between the substrate and the microlens, a color filter containing a pigment that decomposes by a reduction reaction is disposed,
The second lens layer has an oxygen supply hole formed between the adjacent first lens layers, and oxygen is supplied to the color filter through the oxygen supply hole.
Solid-state imaging device.
前記酸素供給孔は、対角方向に隣接する前記マイクロレンズの間に設けられている、The oxygen supply hole is provided between the microlenses adjacent in the diagonal direction,
請求項1に記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 1.
請求項1または2に記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 1 or 2.
請求項1から3のいずれかに記載の固体撮像装置。 The second lens layer is made of silicon nitride;
The solid-state imaging device according to claim 1.
請求項4に記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 4.
請求項1から5のいずれかに記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an antireflection film is formed on the transparent protective film or between the microlens and the transparent protective film.
請求項1から6のいずれかに記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second lens layer has a film thickness that is equal to or greater than a half of a gap between the adjacent first lens layers.
前記基板の上層に、還元反応で分解する色素を含んだカラーフィルタを形成する工程と、
前記カラーフィルタが形成された前記基板の上層に、屈折率調整粒子を含有する感光性樹脂を用いて第1レンズ層を形成する工程と、
前記第1レンズ層を露光および現像して、前記各受光部に対応したパターンをもつ第1レンズ層に加工する工程と、
熱処理により前記第1レンズ層をレンズ形状に成形する工程と、
隣接する前記第1レンズ層同士の隙間を埋めるように前記第1レンズ層を被覆する無機系の第2レンズ層を形成する工程と、
前記第2レンズ層上に、前記第1レンズ層および前記第2レンズ層の屈折率よりも小さい屈折率をもつ透明保護膜を形成する工程と
を有し、
前記第2レンズ層を形成する工程の実施後であって、前記透明保護膜を形成する工程の実施前に、隣接する前記第1レンズ層同士の間の領域における前記第2レンズ層に酸素供給孔を形成する、
固体撮像装置の製造方法。 Forming a plurality of light receiving portions on the substrate;
Forming a color filter containing a pigment that decomposes in a reduction reaction on the upper layer of the substrate;
Forming a first lens layer on the upper layer of the substrate on which the color filter is formed using a photosensitive resin containing refractive index adjusting particles;
Exposing and developing the first lens layer to process it into a first lens layer having a pattern corresponding to each light receiving portion;
Forming the first lens layer into a lens shape by heat treatment;
Forming an inorganic second lens layer that covers the first lens layer so as to fill a gap between the adjacent first lens layers;
The second lens layer, have a forming a transparent protective layer having a refractive index lower than the refractive index of the first lens layer and the second lens layer,
After the step of forming the second lens layer and before the step of forming the transparent protective film, oxygen is supplied to the second lens layer in a region between the adjacent first lens layers. Forming holes,
Manufacturing method of solid-state imaging device.
対角方向に隣接する前記マイクロレンズの間に、前記酸素供給孔を設ける、Providing the oxygen supply hole between the microlenses adjacent in the diagonal direction;
請求項8に記載の固体撮像装置の製造方法。The manufacturing method of the solid-state imaging device of Claim 8.
請求項8または9に記載の固体撮像装置の製造方法。 Forming the second lens layer with silicon nitride;
The manufacturing method of the solid-state imaging device of Claim 8 or 9 .
請求項10に記載の固体撮像装置の製造方法。The manufacturing method of the solid-state imaging device of Claim 10.
請求項8から11のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。 The method further comprises a step of forming an antireflection film after the step of forming the transparent protective film or after the step of forming the second lens layer and before the step of forming the transparent protective film. The manufacturing method of the solid-state imaging device in any one of 8-11.
請求項8から12のいずれかに記載の固体撮像装置の製造方法。 In the step of forming the second lens layer, according to claim 8 which forms the second lens layer having a thickness of 1/2 or more of the gap of said first lens layer adjacent to 12 Manufacturing method of solid-state imaging device.
前記固体撮像装置の撮像面に光を結像させる光学系と、
前記固体撮像装置からの出力信号に対して所定の信号処理を行う信号処理回路と
を有し、
前記固体撮像装置は、
基板に形成された複数の受光部と、
前記基板の上層であって前記各受光部に対応して形成されたマイクロレンズと、
前記マイクロレンズを被覆し、前記マイクロレンズよりも屈折率の低い透明保護膜とを有し、
前記マイクロレンズは、
屈折率調整粒子を含有するレンズ形状の樹脂により形成された第1レンズ層と、
隣接する前記第1レンズ層同士の隙間を埋め込むように、前記第1レンズ層を被覆して形成された無機系の第2レンズ層と
を含み、
前記基板と前記マイクロレンズとの間には、還元反応で分解する色素を含んだカラーフィルタが配置されており、
前記第2レンズ層は、隣接する前記第1レンズ層同士の間に、酸素供給孔が形成されており、当該酸素供給孔を介して前記カラーフィルタへ酸素が供給される、
カメラ。 A solid-state imaging device;
An optical system for imaging light on the imaging surface of the solid-state imaging device;
A signal processing circuit that performs predetermined signal processing on an output signal from the solid-state imaging device;
The solid-state imaging device
A plurality of light receiving portions formed on the substrate;
A microlens formed in an upper layer of the substrate and corresponding to each light receiving portion;
Covering the microlens, and having a transparent protective film having a lower refractive index than the microlens,
The microlens is
A first lens layer formed of a lens-shaped resin containing refractive index adjusting particles;
An inorganic second lens layer formed so as to cover the first lens layer so as to embed a gap between the adjacent first lens layers , and
Between the substrate and the microlens, a color filter containing a pigment that decomposes by a reduction reaction is disposed,
The second lens layer has an oxygen supply hole formed between the adjacent first lens layers, and oxygen is supplied to the color filter through the oxygen supply hole.
camera.
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