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JP2005210013A - Solid-state image sensor - Google Patents

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JP2005210013A
JP2005210013A JP2004017358A JP2004017358A JP2005210013A JP 2005210013 A JP2005210013 A JP 2005210013A JP 2004017358 A JP2004017358 A JP 2004017358A JP 2004017358 A JP2004017358 A JP 2004017358A JP 2005210013 A JP2005210013 A JP 2005210013A
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JP
Japan
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light receiving
solid
light
lens
imaging device
Prior art date
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Pending
Application number
JP2004017358A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tokuo Takahashi
徳男 高橋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dai Nippon Printing Co Ltd
Original Assignee
Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dai Nippon Printing Co Ltd filed Critical Dai Nippon Printing Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state imaging device which has high light-utilization efficiency and can be miniaturized and thin-shaped. <P>SOLUTION: The solid-state imaging device comprises a plurality of light receiving parts and a planar light-condensing lens arranged via at least a planarization layer and a color-filter layer on a light receiving plane which is constituted by arranging the light receiving parts. The light-condensing lens is constituted by arranging a plurality of microlenses at positions so as to correspond to the respective light receiving parts. Each microlens has a refractive index distribution in which a refractive index increases from the peripheral edge to the center. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明はCCD、CMOS等の固体撮像素子に係り、特に光の利用効率が高く薄型の固体撮像素子に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device such as a CCD or CMOS, and more particularly to a thin solid-state imaging device with high light utilization efficiency.

CCD、CMOS等の固体撮像素子は、一般に微細な複数の受光部(画素)を配列し、この上に平坦化層やカラーフィルタ層を設け、さらに、各画素の集光効率を向上させるために、微細な凸レンズを複数配列した集光レンズを配設した構造を有している。
上記の集光レンズは、例えば、配列された受光部上に感光性の熱可塑性樹脂層を形成し、この熱可塑性樹脂層を所定のレンズパターンを有するフォトマスクを用いて露光・現像して、各受光部に対応する位置に熱可塑性樹脂の平面パターンを形成し、その後、加熱処理を施して熱可塑性樹脂を熱流動させ、表面張力を利用して凸レンズ形状とすることで作製される。(特許文献1)
In order to improve the light collection efficiency of each pixel, a solid-state imaging device such as a CCD or CMOS generally has a plurality of fine light receiving portions (pixels) arranged thereon, and a flattening layer and a color filter layer are provided thereon. In addition, a condensing lens in which a plurality of fine convex lenses are arranged is provided.
The condensing lens, for example, forms a photosensitive thermoplastic resin layer on the arranged light receiving portions, and this thermoplastic resin layer is exposed and developed using a photomask having a predetermined lens pattern, It is manufactured by forming a planar pattern of a thermoplastic resin at a position corresponding to each light receiving portion, and then heat-treating the thermoplastic resin to cause it to flow into a convex lens shape using surface tension. (Patent Document 1)

また、平坦なレンズ用樹脂層の上に感光性レジスト膜を形成し、遮光ドット密度を段階的に変化させた遮光膜パターンを有するフォトマスクを介して上記の感光性レジスト膜を露光、現像し、レンズ形状にパターニングしたレジスト膜を形成し、その後、エッチバックしてレジスト膜を除去すると同時に、レンズ用樹脂層に凸レンズを形成して集光レンズが形成される。(特許文献2)
特開昭61−67003号公報 特開平5−142752号公報
In addition, a photosensitive resist film is formed on a flat lens resin layer, and the photosensitive resist film is exposed and developed through a photomask having a light-shielding film pattern in which the light-shielding dot density is changed stepwise. Then, a resist film patterned into a lens shape is formed, and then etched back to remove the resist film. At the same time, a convex lens is formed on the lens resin layer to form a condensing lens. (Patent Document 2)
JP 61-67003 A Japanese Patent Laid-Open No. 5-142752

しかしながら、上記の集光レンズは、微細な凸レンズの立体形状によりレンズ効果を得ているため、赤外線カットフィルタやカバーガラス等を取り付ける場合、接着剤を用いると微細な凸レンズの周辺が接着剤で埋まりレンズ効果が損なわれることになる。このため、集光レンズと赤外線カットフィルタやカバーガラスとの間に隙間を設ける必要があり、固体撮像素子の厚みが大きくなり、小型化、薄型化に支障を来たしていた。
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたものであり、光の利用効率が高く、小型化、薄型化が可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。
However, since the above condenser lens has a lens effect due to the three-dimensional shape of a fine convex lens, when an infrared cut filter or a cover glass is attached, the periphery of the fine convex lens is filled with the adhesive when an adhesive is used. The lens effect will be impaired. For this reason, it is necessary to provide a gap between the condenser lens and the infrared cut filter or the cover glass, which increases the thickness of the solid-state imaging device, which hinders downsizing and thinning.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that has high light utilization efficiency and can be reduced in size and thickness.

このような目的を達成するために、本発明は、複数の受光部が配設された素子本体と、該素子本体の受光面上に、少なくとも平坦化層とカラーフィルタ層とを介して設けられた平面集光レンズとを備え、該平面集光レンズは各受光部に対応した位置に配列された複数のマイクロレンズを有し、各マイクロレンズは周縁部から中心部に向けて屈折率が大きくなるような屈折率分布を有する構成とした。   In order to achieve such an object, the present invention is provided with an element main body in which a plurality of light receiving portions are disposed, and a light receiving surface of the element main body via at least a planarizing layer and a color filter layer. And a plurality of microlenses arranged at positions corresponding to the respective light receiving portions, and each microlens has a large refractive index from the peripheral portion toward the central portion. It was set as the structure which has such refractive index distribution.

本発明の好ましい態様として、前記受光面と前記平面集光レンズとの間に平坦化層とカラーフィルタ層をこの順に積層して備えるような構成とした。
また、本発明の好ましい態様として、前記受光面と前記平面集光レンズとの間に第1平坦化層、カラーフィルタ層および第2平坦化層をこの順に積層して備えるような構成とした。
また、本発明の好ましい態様として、前記平面集光レンズの厚みは0.5〜5μmの範囲であるような構成とした。
さらに、本発明の好ましい態様として、前記マイクロレンズにおける屈折率分布の幅は1.4〜1.8の範囲であるような構成とした。
As a preferred aspect of the present invention, a flattening layer and a color filter layer are laminated in this order between the light receiving surface and the planar condenser lens.
Moreover, as a preferable aspect of the present invention, the first planarizing layer, the color filter layer, and the second planarizing layer are laminated in this order between the light receiving surface and the planar condenser lens.
As a preferred embodiment of the present invention, the planar condenser lens has a thickness in the range of 0.5 to 5 μm.
Furthermore, as a preferable aspect of the present invention, the micro lens has a refractive index distribution width in the range of 1.4 to 1.8.

本発明によれば、平面集光レンズを備えているので、隙間を設けることなく赤外線カットフィルタやカバーガラス等を取り付けることができ、小型薄型化が可能となり、また、
平面集光レンズを構成する各マイクロレンズの有効面積が、立体形状によりレンズ効果を得る従来の微細凸レンズに比べ拡大され、集光効率がより高くなるとともに、赤外線カットフィルタやカバーガラス等から受光部までの距離を短くすることができ、光の入射角に対する感度の依存性が低くなるという効果が奏される。
According to the present invention, since the flat condensing lens is provided, it is possible to attach an infrared cut filter, a cover glass or the like without providing a gap, and it is possible to reduce the size and thickness.
The effective area of each microlens that composes a flat condensing lens is expanded compared to the conventional micro-convex lens that obtains the lens effect by a three-dimensional shape, and the condensing efficiency is higher, and the light receiving part from the infrared cut filter, cover glass, etc. Distance can be shortened, and the sensitivity dependency on the incident angle of light is reduced.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は本発明の固体撮像素子の実施形態の一例を示す概略構成図である。図1において本発明の固体撮像素子1は、複数の受光部3が配設された素子本体2と、この素子本体2の受光面4に順次積層された第1平坦化層5、カラーフィルタ層6、第2平坦化層7と、この第2平坦化層7上に設けられた平面集光レンズ8とを有している。
固体撮像素子1を構成する素子本体2は、CCD、CMOS等の固体撮像素子に応じた構成を有するものであり、例えば、シリコンウェハ、ガラスウェハ等の一方の面に受光部3を複数配設したものである。また、上記の受光部3は、フォトダイオード、CdS等であってよく、図示しない信号電極が各受光部3に対応して形成されたものである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of an embodiment of a solid-state imaging device of the present invention. In FIG. 1, a solid-state imaging device 1 of the present invention includes an element body 2 in which a plurality of light receiving portions 3 are disposed, a first planarization layer 5 and a color filter layer that are sequentially stacked on the light receiving surface 4 of the element body 2. 6. A second planarizing layer 7 and a planar condenser lens 8 provided on the second planarizing layer 7 are provided.
The element body 2 constituting the solid-state imaging device 1 has a configuration corresponding to a solid-state imaging device such as a CCD or CMOS. For example, a plurality of light receiving portions 3 are arranged on one surface of a silicon wafer, a glass wafer, or the like. It is a thing. The light receiving section 3 may be a photodiode, CdS or the like, and a signal electrode (not shown) is formed corresponding to each light receiving section 3.

固体撮像素子1を構成する第1平坦化層5は、受光面4の凹凸を緩和して平坦化するための層である。このような第1平坦化層5は、例えば、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、フェノール系樹脂、ポリイミド系樹脂等の透明樹脂材料を用いて形成することができる。第1平坦化層5の厚みは、例えば、0.5〜3μmの範囲内で適宜設定することができる。このような第1平坦化層5は、上述の透明樹脂材料を含有した組成物をスピンコート法、フローコート法等の方法を用いて受光面4上に塗布し、乾燥(硬化)することにより形成することができる。   The first planarization layer 5 constituting the solid-state imaging device 1 is a layer for relaxing and leveling the unevenness of the light receiving surface 4. Such a 1st planarization layer 5 can be formed using transparent resin materials, such as an acrylic resin, a styrene resin, a phenol resin, a polyimide resin, for example. The thickness of the 1st planarization layer 5 can be suitably set within the range of 0.5-3 micrometers, for example. Such a first planarizing layer 5 is formed by applying a composition containing the above-described transparent resin material onto the light receiving surface 4 using a method such as spin coating or flow coating, and drying (curing) it. Can be formed.

固体撮像素子1を構成するカラーフィルタ層6は、赤(R)、緑(G)、青(B)の着色パターンを有するものであり、例えば、各色の着色レジスト層を塗布した後、フォトリソグラフィ法により形成することができる。
固体撮像素子1を構成する第2平坦化層7は、カラーフィルタ層6の各色の着色パターンの厚みの差、重ね部分による凹凸を緩和して平坦化するための層である。この第2平坦化層7は、上述の第1平坦化層5と同様の材料、形成方法により形成することができ、厚みは、例えば、0.5〜2μmの範囲内で適宜設定することができる。
The color filter layer 6 constituting the solid-state imaging device 1 has a coloring pattern of red (R), green (G), and blue (B). For example, after applying a colored resist layer of each color, photolithography is applied. It can be formed by the method.
The second flattening layer 7 constituting the solid-state imaging device 1 is a layer for relaxing and flattening the difference in thickness of each color pattern of the color filter layer 6 and the unevenness due to the overlapping portion. The second planarizing layer 7 can be formed by the same material and forming method as the first planarizing layer 5 described above, and the thickness can be appropriately set within a range of 0.5 to 2 μm, for example. it can.

固体撮像素子1を構成する平面集光レンズ8は、各受光部3に対応した位置に配列された複数のマイクロレンズ9を有し、各マイクロレンズ9は周縁部から中心部に向けて屈折率が大きくなるような屈折率分布を有している。図2は、平面集光レンズ8を構成するマイクロレンズ9の構造を説明するための図である。図2に示されるように、マイクロレンズ9は、その中心部9aにおける屈折率n0が、周縁部9bにおける屈折率n1よりも大きいものである。そして、屈折率n0から屈折率n1までの屈折率変化(屈折率分布)は、所望の集光距離を得るために、例えば、1.4〜1.8の範囲で適宜設定することができる。例えば、平面集光レンズ8と第2平坦化層7との界面から受光部3までの距離を集光距離S1とした場合、下記式1から屈折率分布定数Aを算出し、下記式2から屈折率分布N(r)[n1≦N(r)≦n0]を設定することができる。 The flat condensing lens 8 constituting the solid-state imaging device 1 has a plurality of microlenses 9 arranged at positions corresponding to the respective light receiving portions 3, and each microlens 9 has a refractive index from the peripheral portion toward the central portion. Has a refractive index distribution that increases. FIG. 2 is a view for explaining the structure of the microlens 9 constituting the planar condenser lens 8. As shown in FIG. 2, the microlens 9 has a refractive index n 0 at the central portion 9a larger than the refractive index n 1 at the peripheral portion 9b. Then, the refractive index change (refractive index distribution) from the refractive index n 0 to the refractive index n 1 can be appropriately set within a range of 1.4 to 1.8, for example, in order to obtain a desired condensing distance. it can. For example, when the distance from the interface between the flat condensing lens 8 and the second flattening layer 7 to the light receiving unit 3 is the condensing distance S1, the refractive index distribution constant A is calculated from the following formula 1, and the following formula 2 The refractive index distribution N (r) [n 1 ≦ N (r) ≦ n 0 ] can be set.

S1=1/[n0√A・tan(√A・(Z))] … 式1
N(r)=n0[1−(A/2)r2] … 式2
ここで、N(r):r点での屈折率
0:中心軸L上での屈折率
A:屈折率分布定数
Z:平面集光レンズ8の厚み
r:レンズ中心軸Lからの距離(μm)
S1 = 1 / [n 0 √A · tan (√A · (Z))] Equation 1
N (r) = n 0 [1- (A / 2) r 2 ]... Formula 2
Where N (r): refractive index at point r
n 0 : Refractive index on the central axis L
A: Refractive index distribution constant
Z: thickness of the flat condenser lens 8
r: Distance from the lens center axis L (μm)

上記の平面集光レンズ8は、例えば、図3に示されるように、レンズ形成用の感光性樹脂組成物膜8′をフォトマスクMを介して露光・現像することにより、同時に複数のマイクロレンズ9を形成するようにして設けることができる。
フォトマスクMは、露光波長では解像しない微細透光ドットの集合パターンからなる微小透光領域が受光部3に対応してマスク基材上に複数配列されたものを使用することができる。上記の微小透光領域は、周縁部から中心部に向けて微細透光ドットの密度が減少するものである。
For example, as shown in FIG. 3, the planar condensing lens 8 is formed by exposing and developing a photosensitive resin composition film 8 ′ for forming a lens through a photomask M, so that a plurality of microlenses can be simultaneously formed. 9 can be provided.
As the photomask M, it is possible to use a photomask M in which a plurality of fine light-transmitting regions composed of an aggregate pattern of fine light-transmitting dots that are not resolved at the exposure wavelength are arranged on the mask base material corresponding to the light receiving unit 3. In the above-described minute light-transmitting region, the density of the minute light-transmitting dots decreases from the peripheral edge toward the center.

図4は、露光されると屈折率が低下するレンズ形成用の感光性樹脂組成物膜8′を用いる場合のフォトマスクMの微小透光領域を説明するための図である。図4に示されるように、微小透光領域11は微細透光ドット12(図示例では白抜きの正方形で表示している)の集合パターンとなっている。そして、微小透光領域11の周縁部11bにおける微細透光ドット12の密度が、中心部11aにおける微細透光ドット12の密度よりも大きいものとなっている。微細透光ドット12の集合パターンは、2値化処理、光近接効果等を利用して適宜設定することができる。微細透光ドット12の寸法は、露光波長に近い寸法で適宜設定することができる。また、微細透光ドット12の寸法が露光波長帯域の一部と重なり解像が生じる場合には、フォトマスクMと感光性樹脂組成物膜8′との間隙を10〜20μm程度に設定して、解像をぼやかすようにしてもよい。   FIG. 4 is a diagram for explaining a minute light-transmitting region of the photomask M when using a photosensitive resin composition film 8 ′ for forming a lens whose refractive index decreases when exposed. As shown in FIG. 4, the minute light-transmitting region 11 is a set pattern of minute light-transmitting dots 12 (indicated by white squares in the illustrated example). The density of the fine light transmitting dots 12 in the peripheral edge portion 11b of the minute light transmitting region 11 is larger than the density of the fine light transmitting dots 12 in the central portion 11a. The collective pattern of the fine light-transmitting dots 12 can be set as appropriate using a binarization process, a light proximity effect, or the like. The dimension of the fine translucent dot 12 can be appropriately set to a dimension close to the exposure wavelength. When the dimension of the fine light transmitting dots 12 overlaps with a part of the exposure wavelength band and resolution occurs, the gap between the photomask M and the photosensitive resin composition film 8 ′ is set to about 10 to 20 μm. The resolution may be blurred.

このようなフォトマスクMは、例えば、ガラス基板等の透過性基材にCr薄膜等の遮光膜を成膜し、この遮光膜をパターンエッチングして微細透光ドット12の集合パターンを形成することにより作製することができる。
このようなフォトマスクMに照射された光は、フォトマスクMを透過することにより、各微小透光領域11の微細透光ドット12の集合パターンに対応した光量の分布をもってレンズ形成用の感光性樹脂組成物膜8′を露光することになる。
尚、露光されると屈折率が高くなるレンズ形成用の感光性樹脂組成物膜8′を用いる場合は、上記の微細透光ドット12を微細遮光ドットとしたフォトマスクMを使用する。
For such a photomask M, for example, a light-shielding film such as a Cr thin film is formed on a transparent base material such as a glass substrate, and the light-shielding film is subjected to pattern etching to form an aggregate pattern of fine light-transmitting dots 12. Can be produced.
The light irradiated to the photomask M passes through the photomask M, and has a light amount distribution corresponding to the aggregate pattern of the fine light-transmitting dots 12 in each minute light-transmitting region 11. The resin composition film 8 'is exposed.
When a photosensitive resin composition film 8 ′ for forming a lens that has a refractive index that increases when exposed to light is used, a photomask M in which the fine light-transmitting dots 12 are fine light-shielding dots is used.

上記の感光性樹脂組成物膜8′に使用できる樹脂組成物のうち、露光されると屈折率が低下する感光性樹脂組成物としては、例えば、トリフルオロエチルアクリレート、ポリメチルフェニルシラン(大阪ガスケミカル(株)製 PMPS、日本ペイント(株)製 グラシア等)等を挙げることができる。また、露光されると屈折率が高くなる感光性樹脂組成物としては、例えば、トリブロモフェノキシエチルアクリレート、フォトポリマー(デュポン社製 OmniDex等、但し、可視光露光の材料である場合、露光後、ポストベーク等により光重合を止める必要がある)等を挙げることができる。   Among the resin compositions that can be used for the photosensitive resin composition film 8 ′, examples of the photosensitive resin composition that decreases in refractive index upon exposure include trifluoroethyl acrylate, polymethylphenylsilane (Osaka Gas). Chemical Co., Ltd. PMPS, Nippon Paint Co., Ltd. Gracia etc.) etc. can be mentioned. Examples of the photosensitive resin composition having a refractive index that increases upon exposure include, for example, tribromophenoxyethyl acrylate, a photopolymer (such as OmniDex manufactured by DuPont, etc., but if it is a material for visible light exposure, It is necessary to stop photopolymerization by post-baking or the like.

感光性樹脂組成物は、このような屈折率分布型モノマーと透明ポリマー、また、必要に応じて光重合開始剤、光増感剤、耐熱向上剤、耐薬品性向上剤等を混合したものを使用することができる。透明ポリマーとしては、例えば、ポリメチルアクリレート、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリウレタン、エポキシアクリレート、ポリイミド等を挙げることができ、また、耐熱向上剤、耐薬品性向上剤としてポリシラザン等を挙げることができる。屈折率分布型モノマー、透明ポリマーは、上記の例示の材料等の中から屈折率を考慮して適宜選択することができるが、屈折率の大きい材料を使用することにより、同じ集光距離を有する平面集光レンズにおいて、その厚みをより薄いものとすることができる。
上述の平面集光レンズ8の厚みは0.5〜5μm、好ましくは0.7〜3μmの範囲とすることができる。また、転写基材上に上記と同様に形成した平面集光レンズを第2平坦化層7上に転写接合することにより平面集光レンズ8を設けてもよい。
The photosensitive resin composition is a mixture of such a refractive index distribution type monomer and a transparent polymer, and, if necessary, a photopolymerization initiator, a photosensitizer, a heat improver, a chemical resistance improver, etc. Can be used. Examples of the transparent polymer include polymethyl acrylate, polyolefin, polyester, polyurethane, epoxy acrylate, polyimide, and the like, and examples of the heat resistance improver and the chemical resistance improver include polysilazane. The refractive index distribution type monomer and the transparent polymer can be appropriately selected from the above exemplified materials and the like in consideration of the refractive index, but have the same light collection distance by using a material having a large refractive index. The thickness of the planar condenser lens can be made thinner.
The thickness of the planar condenser lens 8 described above can be in the range of 0.5 to 5 μm, preferably 0.7 to 3 μm. Alternatively, the flat condensing lens 8 may be provided by transferring and bonding a flat condensing lens formed on the transfer substrate in the same manner as described above onto the second planarizing layer 7.

図5は本発明の固体撮像素子の実施形態の他の例を示す概略構成図である。図5において本発明の固体撮像素子21は、複数の受光部23が配設された素子本体22と、この素子本体22の受光面24に順次積層された平坦化層25、カラーフィルタ層26と、このカラーフィルタ層26上に設けられた平面集光レンズ28とを有している。この固体撮像素子21は、第2平坦化層を備えていない点で上述の固体撮像素子1と相違するものであり、本実施形態では、平面集光レンズ28が第2平坦化層を兼ねている。平面集光レンズ28は、各受光部23に対応した位置に配列された複数のマイクロレンズ29を有し、各マイクロレンズ29は周縁部から中心部に向けて屈折率が大きくなるような屈折率分布を有している。この平面集光レンズ28は、上述の平面集光レンズ8と同様の構成であってよく、カラーフィルタ層26上に上述の平面集光レンズ8と同様にして形成することができる。また、固体撮像素子21を構成する素子本体22、受光部23、平坦化層25、カラーフィルタ層26は、上述の固体撮像素子1を構成する素子本体2、受光部3、第1平坦化層5、カラーフィルタ層6と同様とすることができる。   FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing another example of the embodiment of the solid-state imaging device of the present invention. In FIG. 5, the solid-state imaging device 21 of the present invention includes an element main body 22 provided with a plurality of light receiving portions 23, a planarization layer 25 and a color filter layer 26 that are sequentially stacked on the light receiving surface 24 of the element main body 22. And a flat condensing lens 28 provided on the color filter layer 26. The solid-state imaging device 21 is different from the above-described solid-state imaging device 1 in that it does not include the second planarization layer. In the present embodiment, the planar condenser lens 28 also serves as the second planarization layer. Yes. The flat condensing lens 28 has a plurality of microlenses 29 arranged at positions corresponding to the respective light receiving portions 23, and each microlens 29 has a refractive index that increases in refractive index from the peripheral portion toward the central portion. Have a distribution. The planar condenser lens 28 may have the same configuration as the planar condenser lens 8 described above, and can be formed on the color filter layer 26 in the same manner as the planar condenser lens 8 described above. In addition, the element main body 22, the light receiving unit 23, the planarization layer 25, and the color filter layer 26 that configure the solid-state imaging device 21 are the element main body 2, the light receiving unit 3, and the first planarization layer that configure the solid-state imaging device 1. 5. It can be the same as the color filter layer 6.

上述のような本発明の固体撮像素子は、平面集光レンズを備えているので、平面集光レンズの外側に接着剤を用いて赤外線カットフィルタやカバーガラス等を取り付けてもレンズ効果が損なわれることがなく、固体撮像素子の小型化、薄型化が可能となる。また、従来の微細凸レンズを複数有する集光レンズに比べてレンズ効果が得られる有効面積が大きく、集光効率が向上したものとなる。   Since the solid-state imaging device of the present invention as described above includes a planar condenser lens, the lens effect is impaired even if an infrared cut filter or a cover glass is attached to the outside of the planar condenser lens using an adhesive. This makes it possible to reduce the size and thickness of the solid-state imaging device. In addition, the effective area where the lens effect can be obtained is larger than the conventional condensing lens having a plurality of fine convex lenses, and the condensing efficiency is improved.

次に、より具体的な実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
[実施例1]
CCDが形成された素子本体(シリコンウェハ)の受光面に、平坦化層用組成物(富士フィルムアーチ(株)製 CT−2000L)をスピンコート法で塗布し、220℃、12分間の乾燥・熱硬化を行って約1.5μmの厚みの第1平坦化層を形成した。
次に、赤(R)色パターン用組成物(富士フィルムアーチ(株)製 SR−3000L)、緑(G)色パターン用組成物(富士フィルムアーチ(株)製 SG−3000L)、青(B)色パターン用組成物(富士フィルムアーチ(株)製 SB−3000L)の各着色パターン用組成物を、R、G、Bの順にスピンコート法で塗布した後、フォトリソグラフィ法によりパターン形成して、カラーフィルタ層(各層の厚み約1μm)を設けた。
Next, the present invention will be described in more detail by showing more specific examples.
[Example 1]
A planarization layer composition (CT-2000L manufactured by Fuji Film Arch Co., Ltd.) is applied to the light-receiving surface of the element body (silicon wafer) on which the CCD is formed by spin coating, followed by drying at 220 ° C. for 12 minutes. Thermal curing was performed to form a first planarization layer having a thickness of about 1.5 μm.
Next, a composition for red (R) color pattern (SR-3000L manufactured by Fuji Film Arch Co., Ltd.), a composition for green (G) color pattern (SG-3000L manufactured by Fuji Film Arch Co., Ltd.), and blue (B ) After applying each colored pattern composition of the color pattern composition (SB-3000L manufactured by Fuji Film Arch Co., Ltd.) in the order of R, G, and B, the pattern is formed by photolithography. A color filter layer (the thickness of each layer was about 1 μm) was provided.

次いで、カラーフィルタ層上に、上記の平坦化層用組成物をスピンコート法で塗布し、その後、220℃、12分間の乾燥・熱硬化を行って約1μmの厚みの第2平坦化層を形成した。
次に、第2平坦化層上に下記組成のレンズ形成用の感光性樹脂組成物をスピンコート法で塗布し、120℃、2分間の乾燥を行って感光性樹脂組成物膜(厚み3μm)を形成した。
(レンズ形成用の感光性樹脂組成物)
・ポリメチルフェニルシラン … 50重量部
(大阪ガスケミカル(株)製 PMPS)
・プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート … 50重量部
Next, the above planarization layer composition is applied onto the color filter layer by a spin coating method, followed by drying and thermal curing at 220 ° C. for 12 minutes to form a second planarization layer having a thickness of about 1 μm. Formed.
Next, a photosensitive resin composition for lens formation having the following composition is applied onto the second planarizing layer by spin coating, and dried at 120 ° C. for 2 minutes to form a photosensitive resin composition film (thickness 3 μm). Formed.
(Photosensitive resin composition for lens formation)
・ Polymethylphenylsilane: 50 parts by weight (PMPS manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd.)
・ Propylene glycol monomethyl ether acetate: 50 parts by weight

次いで、上記のレンズ形成用の感光性樹脂組成物膜を、下記の仕様の2値型フォトマスクを介して露光装置(ウシオ電機(株)製 UIV−570)にて下記の条件で露光した。尚、露光装置は、短波長光を透過するよう、レンズを石英レンズに交換して使用した。また、フォトマスクはガラス基板の片面にCr蒸着膜を成膜し、パターンエッチングにより微細透光ドットを形成したものであり、フォトマスクと感光性樹脂組成物膜の距離は18μmに設定した。   Next, the above-described photosensitive resin composition film for lens formation was exposed under the following conditions with an exposure apparatus (UIV-570 manufactured by Ushio Electric Co., Ltd.) through a binary photomask having the following specifications. The exposure apparatus was used by exchanging the lens with a quartz lens so as to transmit the short wavelength light. Further, the photomask was obtained by forming a Cr vapor deposition film on one side of a glass substrate and forming fine light-transmitting dots by pattern etching, and the distance between the photomask and the photosensitive resin composition film was set to 18 μm.

(フォトマスクの仕様)
・微細透光ドット径 : 0.4μm
・微細透光ドットの集合パターン : 図4に示される集合パターン
(露光条件)
・光源 : 超高圧水銀灯(ウシオ電機(株)製 USH−500D)
・投入電力 : 500W
・露光時間 : 10分間
これにより、第2平坦化層上にCCDに対応した複数のマイクロレンズを備えた平面集光レンズを形成した。この平面集光レンズは、厚みが3μmであった。
(Photomask specifications)
-Fine translucent dot diameter: 0.4 μm
-Aggregation pattern of fine light-transmitting dots: Aggregation pattern shown in Fig. 4 (exposure conditions)
・ Light source: Ultra high pressure mercury lamp (USH-500D manufactured by USHIO INC.)
-Input power: 500W
-Exposure time: 10 minutes Thereby, the planar condensing lens provided with the some microlens corresponding to CCD on the 2nd planarization layer was formed. This planar condenser lens had a thickness of 3 μm.

[実施例2]
実施例1と同様にして、CCDが形成された素子本体(シリコンウェハ)の受光面に、第1平坦化層、カラーフィルタ層を形成した。
次に、カラーフィルタ層上に、実施例1と同じレンズ形成用の感光性樹脂組成物をスピンコート法で塗布し、120℃、2分間の乾燥を行って感光性樹脂組成物膜(厚み3μm)を形成した。
次いで、上記のレンズ形成用の感光性樹脂組成物膜を、実施例1と同様のフォトマスク、露光条件にて露光した。
これにより、カラーフィルタ層上にCCDに対応した複数のマイクロレンズを備えた平面集光レンズを形成した。この平面集光レンズは、厚みが3μmであった。
[Example 2]
In the same manner as in Example 1, the first planarizing layer and the color filter layer were formed on the light receiving surface of the element body (silicon wafer) on which the CCD was formed.
Next, the same lens-forming photosensitive resin composition as in Example 1 was applied onto the color filter layer by spin coating, and dried at 120 ° C. for 2 minutes to form a photosensitive resin composition film (thickness 3 μm). ) Was formed.
Next, the above-described photosensitive resin composition film for lens formation was exposed using the same photomask and exposure conditions as in Example 1.
As a result, a planar condenser lens having a plurality of microlenses corresponding to the CCD was formed on the color filter layer. This planar condenser lens had a thickness of 3 μm.

[評価1]
CCDが形成された素子本体(シリコンウェハ)の代わりにガラス基板を使用し、このガラス基板上に、実施例1、2と同様にして、それぞれ平面集光レンズを有する積層構造(試料1、2)を作製した。すなわち、図6に示されるように、ガラス基板31の一方の面にCr薄膜32を成膜し、このCr薄膜32に試料作製用の開口部33(5mm×5mm)と2個の参照開口部(5μm×5μm)34a,34bをエッチングで形成した。このガラス基板31のCr薄膜形成面側の開口部位33内に積層構造(試料1、2)を作製した。
上記の試料1、2の各マイクロレンズの集光距離を下記の方法で測定した結果、試料1では4μm、試料2では5μmであり、集光距離が極めて小さいことが確認された。
[Evaluation 1]
A glass substrate is used instead of the element main body (silicon wafer) on which the CCD is formed, and a laminated structure (samples 1 and 2) having a planar condenser lens on the glass substrate in the same manner as in the first and second embodiments. ) Was produced. That is, as shown in FIG. 6, a Cr thin film 32 is formed on one surface of a glass substrate 31, and an opening 33 (5 mm × 5 mm) for sample preparation and two reference openings are formed in the Cr thin film 32. (5 μm × 5 μm) 34a and 34b were formed by etching. A laminated structure (samples 1 and 2) was produced in the opening 33 on the Cr thin film forming surface side of the glass substrate 31.
As a result of measuring the condensing distance of each of the microlenses of Samples 1 and 2 by the following method, it was 4 μm for Sample 1 and 5 μm for Sample 2, and it was confirmed that the condensing distance was extremely small.

(集光距離の測定方法)
上記のガラス基板31を、図7に示されるように、ステージ41に固定し、ガラス基板31を介して平行光の光源42と光学顕微鏡43(対物レンズ倍率=60倍、NA=0.85、接眼レンズ倍率=5倍)を対向させて配置した。但し、ガラス基板31は、平面集光レンズを有する積層構造(試料1、2)やCr薄膜32が作製された面が光源42側となるように配置した。また、光源42とガラス基板31の間には光量調整用の減光フィルタ(NDフィルタ)44を配した。
次に、開口部33と参照開口部34a、参照開口部34bの拡大図である図8に示されるように、参照開口部34a、参照開口部34bを、それぞれ光学顕微鏡43で観察しながらステージ41をZ軸方向に移動させ、参照開口部のZ軸の位置Z1、Z2を決定した。尚、このZ軸の位置は、参照開口部が最小に見える(ピントが合う)位置とした。
次いで、平面集光レンズを有する積層構造(試料1、2)が作製された開口部位33を光学顕微鏡43で観察しながらステージ41をZ軸方向に移動させ、光スポットが最小に見える位置Z3(ビームウエスト)を決定した。
また、ガラス基板31の傾きを補正するために、上記の参照開口部の位置Z1、Z2の平均を算出し、平面集光レンズ部分の平面の位置Z4とした。
上記の位置Z3と位置Z4の距離を、平面集光レンズから集光位置までの距離とした。
(Condensing distance measurement method)
As shown in FIG. 7, the glass substrate 31 is fixed to a stage 41, and a parallel light source 42 and an optical microscope 43 (objective lens magnification = 60 times, NA = 0.85, through the glass substrate 31). The eyepiece magnification is 5 times. However, the glass substrate 31 was disposed such that the surface on which the laminated structure (samples 1 and 2) having the flat condensing lens and the Cr thin film 32 were formed was on the light source 42 side. Further, a neutral density filter (ND filter) 44 for adjusting the amount of light is disposed between the light source 42 and the glass substrate 31.
Next, as shown in FIG. 8 which is an enlarged view of the opening 33, the reference opening 34a, and the reference opening 34b, the stage 41 while observing the reference opening 34a and the reference opening 34b with the optical microscope 43, respectively. Were moved in the Z-axis direction to determine the Z-axis positions Z1 and Z2 of the reference opening. Note that the position of the Z-axis was a position where the reference opening could be seen to the minimum (focused).
Next, the stage 41 is moved in the Z-axis direction while observing the opening portion 33 in which the laminated structure (samples 1 and 2) having the planar condensing lens is manufactured with the optical microscope 43, and the position Z3 (where the light spot can be minimized) Beam waist) was determined.
Further, in order to correct the inclination of the glass substrate 31, the average of the positions Z1 and Z2 of the reference opening was calculated and set as the plane position Z4 of the planar condenser lens portion.
The distance between the position Z3 and the position Z4 was defined as the distance from the flat condensing lens to the condensing position.

[評価2]
CMOSセンサが形成された素子本体(シリコンウェハ)を使用し、この素子本体上に、実施例1、2と同様にして、それぞれ平面集光レンズを有する積層構造(試料3、4)を作製した。また、平面集光レンズを設けない他は、試料3、4と同様にして、それぞれ積層構造(比較試料1、2)を作製した。
上記の試料3、4、比較試料1、2について、横河電機(株)製 CCD−CMOSエリアセンサテスタTS6600を用いて、ウェハ状態でセンサ出力を測定した。その結果、比較試料1、2のセンサ出力に比べ、試料3、4のセンサ出力は約3倍であり、集光効率が高いことが確認された。
[Evaluation 2]
A device body (silicon wafer) on which a CMOS sensor was formed was used, and a laminated structure (samples 3 and 4) each having a planar condenser lens was produced on the device body in the same manner as in Examples 1 and 2. . In addition, a laminated structure (Comparative Samples 1 and 2) was prepared in the same manner as Samples 3 and 4 except that the flat condenser lens was not provided.
With respect to Samples 3 and 4 and Comparative Samples 1 and 2, sensor outputs were measured in a wafer state using a CCD-CMOS area sensor tester TS6600 manufactured by Yokogawa Electric Corporation. As a result, the sensor outputs of Samples 3 and 4 were about three times as high as the sensor outputs of Comparative Samples 1 and 2, and it was confirmed that the light collection efficiency was high.

小型、薄型のCCD、CMOS等の固体撮像素子に適用できる。   The present invention can be applied to a solid-state imaging device such as a small and thin CCD or CMOS.

本発明の固体撮像素子の実施形態の一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of embodiment of the solid-state image sensor of this invention. 平面集光レンズを構成するマイクロレンズの構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the micro lens which comprises a planar condensing lens. 平面集光レンズの形成方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the formation method of a plane condensing lens. フォトマスクを構成する微小透光領域を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the fine translucent area | region which comprises a photomask. 本発明の固体撮像素子の実施形態の他の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the other example of embodiment of the solid-state image sensor of this invention. 実施例における集光距離測定用の試料を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the sample for condensing distance measurement in an Example. 実施例における集光距離の測定方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the measuring method of the condensing distance in an Example. 実施例における集光距離の測定方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the measuring method of the condensing distance in an Example.

符号の説明Explanation of symbols

1,21…固体撮像素子
2,22…素子本体
3,23…受光部
4,24…受光面
5,25…第1平坦化層(平坦化層)
6,26…カラーフィルタ層
7…第2平坦化層
8,28…平面集光レンズ
9,29…マイクロレンズ
M…フォトマスク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,21 ... Solid-state image sensor 2,22 ... Element main body 3,23 ... Light-receiving part 4,24 ... Light-receiving surface 5,25 ... 1st planarization layer (flattening layer)
6, 26 ... Color filter layer 7 ... Second flattening layer 8, 28 ... Planar condenser lens 9, 29 ... Micro lens M ... Photomask

Claims (5)

複数の受光部が配設された素子本体と、該素子本体の受光面上に、少なくとも平坦化層とカラーフィルタ層とを介して設けられた平面集光レンズとを備え、該平面集光レンズは各受光部に対応した位置に配列された複数のマイクロレンズを有し、各マイクロレンズは周縁部から中心部に向けて屈折率が大きくなるような屈折率分布を有することを特徴とする固体撮像素子。   An element main body provided with a plurality of light receiving portions, and a planar condensing lens provided on the light receiving surface of the element main body via at least a planarizing layer and a color filter layer, the planar condensing lens Has a plurality of microlenses arranged at positions corresponding to the respective light receiving portions, and each microlens has a refractive index distribution such that the refractive index increases from the peripheral portion toward the central portion. Image sensor. 前記受光面と前記平面集光レンズとの間に平坦化層とカラーフィルタ層をこの順に積層して備えることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。   2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a planarization layer and a color filter layer are laminated in this order between the light receiving surface and the planar condenser lens. 前記受光面と前記平面集光レンズとの間に第1平坦化層、カラーフィルタ層および第2平坦化層をこの順に積層して備えることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。   2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a first planarizing layer, a color filter layer, and a second planarizing layer are laminated in this order between the light receiving surface and the planar condenser lens. 前記平面集光レンズの厚みは0.5〜5μmの範囲であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の固体撮像素子。   4. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a thickness of the planar condenser lens is in a range of 0.5 to 5 μm. 前記マイクロレンズにおける屈折率分布の幅は1.4〜1.8の範囲であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 4, wherein a width of a refractive index distribution in the microlens is in a range of 1.4 to 1.8.
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