CN102646689B - 成像元件及其制造方法、像素设计方法和电子设备 - Google Patents

Abstract

提供了成像元件及其制造方法、像素设计方法和电子设备。该成像元件包括：多个像素，以二维排列，并且每个像素都具有包括光电转换元件的光接收部分和采集向着光接收部分的入射光的光采集部分。多个像素中的每个光采集部分都包括在表面上具有取决于像素位置的凸凹结构的光功能层。

Description

成像元件及其制造方法、像素设计方法和电子设备

技术领域

本公开涉及诸如电荷耦合器件(CCD)图像传感器或者互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器之类的成像元件以及采用这种成像元件的电子设备。

背景技术

最近几年，医学领域使用的电子设备(内窥镜照相机、视觉芯片、生物传感器等)的半导体成像器件的应用正在得到积极发展。因此，要求在该器件的灵敏度和尺寸减小(像素的超小型化(microminiaturization))这两个方面得到进一步增强。然而，像素的超小型化的进展缩短了出瞳(exit pupil)距离，并因此产生了下面的问题。具体地说，到像素端区域中的片上透镜(OCL)的光的入射角变大，这导致OCL表面上的反射率增大和晕映(vignetting)增加。

因此，通常在诸如CCD图像传感器和CMOS图像传感器之类的图像传感器中，通过在OCL的表面上提供抗反射膜或者通过将透镜的中心轴移开光电二极管的中心轴进行校正(所谓的瞳校正)来解决该问题。

此外，最近提出了通过采用将OCL成型为圆柱形并且在该圆柱透镜中提供多个狭缝(数字微透镜)从而根据入射角改变透镜的有效折射率的结构，来增强光采集效率的技术(请参考第2009-266900号日本专利特开(下面称为专利文献1))。

发明内容

然而，如果抗反射膜层叠在OCL表面上，则其阻碍了像素的超小型化。此外，对于瞳校正，公知如上所述地将透镜的中心轴偏移或者将透镜本身缩小(减小透镜直径)以将中心轴移到内侧的方法。然而，在前者中，阻碍了像素的超小型化。在后者中，光采集区域变小，并且灵敏度降低。

在上述专利文献1中描述的方法中，因为其中多个狭缝提供有复杂图形的特定透镜结构，所以掩模形状也复杂，并且需要以高处理再现性执行高纵横比(例如10或者更大)的微处理。因为像素的超小型化进入更高的程度，所以这种处理变得更加困难。此外，制造成本也未得到抑制，因为处理复杂并且困难。

半导体成像器件的应用领域正在拓宽，包括最近开发的高级医疗技术。因此，要求进一步增强灵敏度和超小型化。此外，要求利用简单、低成本的处理过程来实现能够解决这种灵敏度增强和超小型化的成像器件。

需要提供能够利用简单的处理过程来实现灵敏度增强和超小型化的成像元件的技术、用于制造成像元件的方法、像素设计方法以及电子设备。

根据本公开实施例，提供了一种成像元件，包括：多个像素，配置为以二维排列，并且每个像素具有：包括光电转换元件的光接收部分和用于采集向着光接收部分的入射光的光采集部分。多个像素中的每个光采集部分都包括在表面上具有取决于像素位置的特定凸凹结构的光功能层。

在根据本公开实施例的成像元件中，二维排列的多个像素中的每个像素具有包括光电转换元件的光接收部分和用于采集到该光接收部分上的入射光的光采集部分。在每个光采集部分中的光功能层的表面上，提供取决于像素位置的特定凸凹结构。因为该特征，在光功能层表面的反射率降低，并且实现了瞳校正。

根据本公开实施例，提供了一种用于制造成像元件的方法。该方法包括：在形成二维排列并且每个具有包括光电转换元件的光接收部分和用于采集向着光接收部分的入射光的光采集部分的多个像素时，在多个像素中的每个光采集部分中形成在表面上具有根据像素位置的特定凸凹结构的光功能层。

在根据本公开实施例的制造成像元件的方法中，在形成二维排列并且每个具有包括光电转换元件的光接收部分和用于采集向着光接收部分的入射光的光采集部分的多个像素时，在每个光采集部分中形成在表面上具有根据像素位置的特定凸凹结构的光功能层。在该形成过程中，不需要复杂的掩模形状，并且也不要求高处理精度。

根据本公开实施例，提供了一种在设计像素中的凸凹结构的规模时使用的像素设计方法，该像素包括在表面上具有凸凹结构的光功能层。该方法包括：作为出瞳距和距中心像素的距离的函数，获得光功能层的有效折射率；以及根据获得的有效折射率，决定该凸凹结构的规模。

根据本公开实施例，提供了一种包括根据本公开的上述实施例的成像元件的电子设备。

在根据本公开实施例的成像元件中，在以二维排列并且每个具有包括光电转换元件的光接收部分和用于采集向着该光接收部分的入射光的光采集部分的多个像素中，在每个光采集部分中的光功能层的表面上提供取决于像素位置的特定凸凹结构。因为该特征，在光功能层表面的反射率可以减小，并且可以执行瞳校正，以使得可以实现灵敏度增强。此外，利用根据本公开实施例的制造成像元件的方法，可以制造这种成像元件，而不采用复杂的掩模形状，并且也不要求高处理精度。因此，也可以解决超小型化。因此，可以利用简单的处理过程来实现灵敏度增强和超小型化。

附图说明

图1是示出根据本公开的一个实施例的图像传感器的示意性配置的示意性截面图；

图2是示出图1所示光接收部分的详细配置的示意性截面图；

图3是示出图1所示光接收部分的外围电路配置的示意性平面图；

图4A和图4B是示出折射率根据凸凹规模在截面附近变化的示意性图；

图5是示出平坦表面上入射的光的折射率与反射率之间关系的特性图；

图6是示出模拟中使用的像素结构的示意性图；

图7示出显示说明光采集效率相对于凸凹规模的变化的模拟结果；

图8是用于解释瞳校正和凸凹设计的原理的概念图；

图9是示出凸凹设计的过程的流程图；

图10A至图10E是用于解释透镜表面上的凸凹结构的处理过程(纳米压印方法)的示意性截面图；

图11A和图11B是用于解释凸凹结构的另一处理过程(采用纳米球溶液的方法)的示意性截面图；

图12是示出折射率改进结果的特性图；

图13是根据修改例1的图像传感器的示意性配置的示意性截面图；

图14是根据修改例2的图像传感器的示意性配置的示意性截面图；

图15是根据修改例3的图像传感器的示意性配置的示意性截面图；

图16是根据修改例4的光接收部分(前照明型)的示意性配置的示意性截面图；

图17是示出根据应用例1(成像器件)的整体配置的功能框图；

图18是示出根据应用例2(胶囊式内窥镜照相机)的整体配置的功能框图；

图19是示出根据内窥镜照相机(插入式内窥镜照相机)的另一示例的整体配置的功能框图；

图20是示出根据应用例3(视觉芯片)的整体配置的功能框图；以及

图21是示出根据应用例4(生物传感器)的整体配置的功能框图。

具体实施方式

下表面将参考附图详细描述本公开的实施例。以下面的顺序进行描述。

1.实施例(其中在从中心像素到端像素的区域两端的片上透镜的表面上提供预定凸凹结构的示例)

2.修改例1(其中透镜位置根据像素位置偏移的示例)

3.修改例2(其中对于内透镜提供预定凸凹结构的示例)

4.修改例3(其中对于抗反射膜提供预定凸凹结构的示例)

5.修改例4(本公开实施例应用于前照明型图像传感器的示例)

6.应用例(应用于电子设备的示例)

<实施例>

图1示出根据本公开的一个实施例的图像传感器(图像传感器1)的截面配置。图像传感器1例如是后照明型(在后表面接收光的类型)的固态成像元件(CCD、CMOS)，并且具有多个像素P二维排列在基底之上的结构。每个像素P包括：光接收部分20，包括光电转换元件(下面描述的光电二极管202)；以及光采集部分10，采集向着光接收部分20的入射光。

(光采集部分10)

光采集部分10提供在光接收部分20的光接收表面上，并且在光入射侧上对于每个像素P具有片上(on-chip)透镜11。在光采集部分10上，在片上透镜11与光接收部分20之间，从片上透镜11一侧开始依次提供滤色片12、抗反射膜13以及光阻膜14。在本实施例中，片上透镜11是本公开的光功能层的一个特定示例。

片上透镜11具有采集到光接收部分20(具体地说，光接收部分20的光电二极管202)的光接收表面上的光的功能。该片上透镜11的透镜直径被设置到取决于像素P的尺寸的值，并且例如是约2μm或者更小。该片上透镜11的透镜材料的折射率是例如1.1至1.4。透镜材料的示例包括氧化硅膜(SiO₂)，并且根据下面描述的凸凹设计和制作方法来选择适当的材料。

在本实施例中，凸凹结构11A提供在片上透镜11的表面上(片上透镜11的表面是凸凹表面)，并且该凸凹结构11A的规模(下面称为凸凹规模)具有与像素位置相关的分布。具体地说，以小于例如光接收部分20中的接收光波长的尺寸的量级设置凸凹规模，并且设计为随着距中心像素Pc的距离变长而变小。下面将描述该凸凹结构11A的详细配置和凸凹规模的设计方法。本说明书中的“规模”是根据凸凹结构中的凹部分(凸部分)的宽度和深度(高度)定义的。下面的描述取决于在像素P的整个区域中各个凸凹结构11A的纵横比彼此相等的假定。然而，各个凹部分(凸部分)的纵横比不必需要彼此相等。只要凸凹结构11A具有允许实现在下面描述的设计方法中的有效折射率的形状，就可以实现与本实施例的效果等同的有益效果。

滤色片12是例如红(R)滤色片、绿(G)滤色片和蓝(B)滤色片的任意一个，并且例如对于每个像素P提供滤色片12。这些滤色片提供有规则的色阵列(例如，Bayer阵列)。存在滤色片12允许图像传感器1获得其颜色对应于该色阵列的接收光数据。

抗反射膜13由例如由氧化硅膜(SiO₂)或者氮化硅膜(SiN)形成的单层膜或者由这些材料的多层膜配置。

光阻膜14在片上透镜11的光路径上具有孔径14a，并且为了抑制相邻像素之间的光的串扰而提供。该光阻膜14由例如钨(W)构成，并且其厚度是例如100nm。

(光接收部分20)

图2示出光接收部分20(后照明结构)的截面结构。光接收部分20具有像素部分100和外围电路部分200集成在同一基底201之上的结构。在光接收部分20中，光电二极管202提供在基底201之上，中间是包括晶体管和金属布线的布线层203。光电二极管202埋在硅(Si)层204内，且SiO₂膜205形成在该Si层204上。

图3是示出光接收部分20的像素部分的外围电路配置的功能框图。光接收部分20包括垂直(V)选择电路206、采样/保持(S/H)与相关二重采样(CDS)电路207、水平(H)选择电路208、定时发生器(TG)209、自动增益控制(AGC)电路210、A/D转换电路211和数字放大器212。这些电路安装在同一基底(芯片)201之上。

[凸凹结构的详细配置示例]

下面将参考图4A至图8，描述凸凹结构11A的详细配置和设计方法。在本实施例中，通过提供凸凹结构11A，实现反射率减小和瞳校正的效果。下面描述其原理和凸凹结构11A的设计方法。

(反射率减小的原理)

图4A和图4B是示出在界面附近由于提供凸凹结构11A导致的折射率变化的示意性图。如上所述，在本实施例中，在片上透镜11的表面上存在凸凹结构11A。因为该凸凹结构11A，有效地使空气层与透镜层之间的界面附近的折射率的变化变得温和。例如，如图4A所示，在中心部分(中心像素Pc)，与未设置凸凹结构的情况相比(界面是平坦表面)，折射率n1的层与折射率n2的层之间的界面附近的折射率变化更温和(t1)(t100)。这也适用于端部(端像素Pe)(图4B中的t2)。这样，通过提供凸凹结构11A，可以使片上透镜11的表面(与空气层的界面)上的入射光的折射率变化更温和。这样可以减小在透镜表面的反射率。

凸凹结构11A的凸凹规模根据像素位置而变化。希望将每个像素上的凸凹规模设置为在比接收光波长小约1/5的范围内。例如，对于550nm的接收光波长，中心像素Pc的凸凹规模被设置为100nm，并且设置该规模从而在向着端像素Pe的方向变得更小。然而，接收光波长并不限于550nm，并且该设置方式还可以应用于550nm之外的可见光以及其他红外光波长等。无论假定哪个接收光波长，都希望凸凹规模设置在上述范围内。

(瞳校正的原理)

下面将描述凸凹结构11A的瞳校正的原理。当考虑小于接收光波长的凸凹结构11A时，可以近似地考虑平坦表面的光透射和反射，如图5所示。当光从折射率n1的介质(例如，空气)入射到折射率n2的介质(例如，透镜)上时，如果入射角被定义为α，而透射角(出射角：等效于到光电二极管的光接收表面的入射角)被定义为β，则通常由下面的等式(1)表示在透镜表面的反射率R。此外，根据斯涅耳(Snell)定理，入射角α、出射角β以及折射率n1和n2之间的关系由下面的等式(2)表示。

$R=\frac{{\left\{\frac{\sin (\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&beta;})}{\sin (\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;})}\right\}}^2+{\left\{\frac{\tan (\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&beta;})}{\tan (\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;})}\right\}}^2}{2}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(1\right)$

$\frac{\sin \mathrm{\&alpha;}}{\sin \mathrm{\&beta;}}=\frac{n2}{n1}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(2\right)$

h²＝r²+H²-2rHcosθ……(3)

L²＝HL²+h²-2HLhcosΔ……(4)

HL²＝(L+rsinθ)²+(H-rcosθ)²……(5)

$\mathrm{\&Delta;}=\arccos \left\{\frac{H}{\sqrt{(H^2+L^2)}}\right\}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(6\right)$

通过使出射角β相对于各种入射角α保持恒定(在整个像素区域上)，获得图像传感器1中的瞳校正效果。为了使出射角β保持恒定，透镜表面层的折射率n2根据入射角α有效地变化，如下所述。具体地说，通过如图1所示根据距中心像素Pc的距离来改变透镜表面上的凸凹结构的规模，可以改变有效折射率以使得出射角β保持恒定。因此，可以获得瞳校正的效果。在本说明书中，这种根据凸凹规模变化的“视在(apparent)”折射率被称为“有效折射率”。

根据上述原理，通过向透镜表面层给出其规模分布取决于具中心像素Pc的距离的凸凹结构11A，获得瞳校正和折射率减小这两个效果，这增强了光采集部分10的光校正效率。

例如，根据图6所示像素结构的假定，通过采用有限差分时域(FDTD)方法的电磁场模拟来测量波长为550nm的平调光入射在具有凸凹结构11A的球形透镜上时的光采集效率。在该模拟中，凸凹规模(凸部分的直径d)设置为0nm、55nm、110nm和220nm。凸凹规模为0nm的结构(直径d/入射波长550＝1/∞)等效于具有光滑表面的标准透镜(没有凸凹结构的透镜)。图7示出模拟结果。

如图7所示，结果是，如果凸凹规模充分小于入射波长，具体地说，例如，如果凸凹规模等于或者小于透射波长的1/5、优选地1/10，则光采集效率通常随着凸凹规模的增大而增强。相反，如果凸凹规模大于入射波长的1/5，则因为凸凹结构中局部散射的影响等而出现根据斯涅耳定理的偏差。因此，反射率增大，而光采集效率不利地降低。因此，如上所述，希望凸凹规模是等于或者小于接收光波长的约1/5的微小凸凹规模。

(调节凸凹规模分布)

下面将参考图8描述上述凸凹规模与像素位置之间的关系。在此，将考虑关于中心像素Pc的光束几何形状和位于与中心像素Pc分开距离L的位置的外围像素Pm。出瞳距离定义为H。片上透镜11的尺寸(长轴方向的直径)定义为r。透镜表面上的任意点的角度定义为θ。中心像素Pc上的光束的入射角定义为α。外围像素Pm上的入射角定义为α’(＝Δ+α)。此时，利用上面示出的等式(3)至(5)表示参数之间的关系。此外，通常，在图像传感器中，出瞳距离H满足H＞＞r的关系。因此，由等式(3)至(5)可以近似获得Δ(等式(6))。

此外，当关于中心像素Pc和外围像素Pm考虑斯涅耳定理时，可以分别利用下面的等式(7)和(8)表示关于中心像素Pc与外围像素Pm的关系。

中心像素： $\frac{\sin \mathrm{\&alpha;}}{\sin \mathrm{\&beta;}}=\frac{n2}{n1}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(7\right)$

外围像素： $\frac{\sin (\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&Delta;})}{\sin \mathrm{\&beta;}}=\frac{n2\left(L\right)}{n1}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(8\right)$

在此，考虑将出射角β保持恒定的方案。由上面描述的等式(7)和(8)及上面描述的等式(6)，对于外围像素Pm，可以获得使出射角β等于中心像素Pc的出射角的有效折射率n2(L)(＞n2)，作为距中心像素的距离L的函数。如果利用实验或者模拟事先获得这种有效折射率n2(L)与凸凹规模之间的关系，则根据距中心像素Pc的距离L来获得适当的有效折射率n2(L)，并且决定对应于该有效折射率n2(L)的凸凹规模。这样，可以根据像素位置(距离L)决定满足提供恒定出射角β的有效折射率n2(L)的凸凹规模。图9是示出这种凸凹设计的流程图。

如图9所示，在设计凸凹结构11A的凸凹规模的过程中，首先，设置出瞳距离(H)(步骤S11)。即，决定向光采集部分10内的哪个光功能层给予凸凹结构。在本实施例中，在片上透镜11的表面上形成凸凹结构。随后，根据关于包括所设置的出瞳距离H的中心像素Pc和外围像素Pm的光束几何形状，求得使外围像素Pm与中心像素Pc之间的出射角β相等的有效折射率n2(L)(步骤S12)。因此，作为距离L的函数而获得有效折射率n2(L)(步骤S13)，并且根据获得的有效折射率n2(L)来决定凸凹规模(满足有效折射率n2(L))(步骤S14)。有效折射率与凸凹规模之间的关系(利用例如上面描述的模拟事先获取的)可以事先存储在例如数据库(未示出)中。

[制造凸凹结构的方法]

例如可以以如下方式，根据上面描述的凸凹设计来制造片上透镜11中的凸凹结构11A。具体地说，可以利用纳米压印光刻(nanoimprint lithography)方法和采用有机纳米球(organic nanoball)的方法(纳米球溶液)来制造。下面描述这些具体方法。

(纳米压印光刻方法)

图10A至图10E以步骤次序示出采用纳米压印光刻方法制造片上透镜11的步骤。首先，如图10A所示，透镜掩模基材料111a形成在透镜基座110上，并且该透镜掩模基材料111a经历软熔(reflow)。因此，如图10B所示，透镜掩模111形成在透镜基座110上。在此，为了简化，仅示出对应于一个片上透镜11的区域(一个像素的区域)。

另一方表面，在基底上，利用光或者电子束辐照等将例如由光致抗蚀剂形成的掩模材料112形成为预定图形(取决于上面描述的凸凹设计并且其规模根据像素位置而变化的掩模图形)(未示出)。随后，聚二甲基硅氧烷(PDMS)的液滴沉积在这样形成图形的掩模材料112上，然后，以约100℃焙烤20分钟。因此，形成PDMS注模113(未示出)。此后，温度回到室温，并且将掩模材料112和PDMS注模113与基底分离。如图10C所示，以这种方式制成的掩模材料112和PDMS注模113压在上面描述的透镜掩模111的表面上，从而将掩模材料112转移到透镜掩模111的表面上。因为PDMS注模由有机材料构成，所以形成图形的掩模材料112甚至可以以高精度转移到诸如透镜表面之类的曲面上。

此后，如图10D所示，利用透镜掩模111和掩模材料112作为蚀刻掩模，使得在所形成的透镜掩模111和掩模材料112下提供的透镜基底110经历干蚀刻(回蚀)。因此，如图10E所示，形成片上透镜11，并且可以在片上透镜11的表面上形成其凸凹规模根据掩模材料112的图形的凸凹结构11A。即，形成在其表面上具有凸凹结构11A的片上透镜11。如下是这种干蚀刻的蚀刻条件的一个示例：使用电容性耦合等离子体(CCP)蚀刻设备；氟碳气体的流速是50sccm(标准立方厘米每分钟)；氧气的流速是20sccm；电源是800W；偏置电源是100W；气压是50mT；以及下部电极温度是20℃。然而，这些条件仅是一个示例，并且通过调节蚀刻气体的种类、蚀刻气体的流速比、气压、基底温度、蚀刻时间等可以精细地控制该表面的凸凹结构的形状。如果在干蚀刻结束时残留抗蚀剂的残余物，则可以利用稀疏分离来去除该残余物。

(利用纳米球溶液的方法)

图11A和图11B示意性地示出采用纳米球溶液制造片上透镜11的一部分步骤。首先，与上面描述的纳米压印蚀刻方法的情况相同，透镜掩模111形成在透镜基底110上。此后，如图11A所示，含有预定规模的纳米球(纳米颗粒)114a(取决于上面描述的凸凹设计并且其规模根据像素位置改变的纳米球)的纳米球溶液114涂覆(apply)在透镜掩模111的表面上。纳米球114a的颗粒直径设置为等于或者小于例如约100nm的范围内。作为其材料，采用其热电阻和等离子体电阻比光致抗蚀剂的热电阻和等离子体电阻高的有机材料，具体地说，例如聚酰亚胺树脂。

然而，这些颗粒直径和材料是一个示例，并且根据凸凹结构的形状或者凹部分(凸部分)的宽度和深度，选择适当的颗粒直径和材料。作为溶剂，采用其热电阻和等离子体电阻低于纳米球的热电阻和等离子体电阻并且其粘度低的有机溶剂。这种有机溶剂的示例包括：丙二醇单甲醚(PGME)、丙二醇单甲醚醋酸酯(PGMEA)、乳酸乙酯(EL)和纯水。使用低粘度溶剂的原因是为了将纳米球溶液以等同于一个纳米球的厚度的小厚度涂覆在透镜表面上，并且尽可能均匀地将单独纳米球的形状转移到透镜上。

在涂覆纳米球溶液114时，利用例如PSL涂覆设备(颗粒扩散设备)可以使纳米球溶液114以高精度(μm级或者更细微的程度)扩散在透镜表面上。然而，可以使用另一设备，只要它可以以μm级精度将纳米球溶液涂覆在任何晶元位置。可以采用能够进行诸如旋涂之类的湿喷涂的设备。

随后，如图11B所示，利用通过将氧气添加到氟碳气体获得的混合气体或者通过将氧气与氯气混合获得的混合气体，纳米球溶液114涂覆的透镜基底110经历干蚀刻(回蚀)。作为该干蚀刻的蚀刻条件，可以与上面描述的纳米压印光刻方法情况采用相同的条件，也可以采用其他条件。利用该步骤，形成片上透镜11，并且在片上透镜11的表面上形成具有根据纳米球114a的规模的凸凹规模的凸凹结构11A。

如果在干蚀刻结束时残留纳米球残余物，则与上面描述的纳米压印蚀刻方法的情况类似地执行稀疏分离。然而，在采用纳米球114a的当前方法中，不容易残留这种残余物，因为纳米球114a的颗粒直径与透镜膜厚度显著不同。

(操作和效果)

在本实施例的图像传感器1中，二维排列多个像素，并且每个像素都具有包括光电二极管202的光接收部分20和采集向着光接收部分20的入射光的光采集部分10。光采集部分10包括片上透镜11，并且在该片上透镜11的表面上提供取决于像素位置的特定凸凹结构11A。具体地说，设计凸凹结构11A的凸凹规模以满足在整个像素区域上使片上透镜11的透射光束的出射角(β)恒定的折射率(有效折射率)。因为给出了这种凸凹结构11A，所以在片上透镜11的表面处折射率减小，并且可以获得瞳校正效果。因此，图像传感器1可以解决根据最近成像器件的应用领域的拓宽的灵敏度增强问题。此外，与现有技术不同，不需要在片上透镜表面上提供抗反射膜。因此，图像传感器1还可以解决像素的进一步小型化。

例如，在下面的几个条件下，进行像素设计，并且测量反射率。因此，确认改善反射率。作为条件，具有取决于像素位置的凸凹规模的凸凹结构11A提供在片上透镜11的表面上。此外，出瞳距离H设置为1mm。单位像素尺寸设置为1.4μm×1.4μm。像素数设置为1千万。此外，片上透镜11的透镜直径设置为1.4μm。滤色片12(R、G、B)的膜厚度设置为700nm。光阻膜14的膜厚度设置为100nm。抗反射膜13的膜厚度设置为400nm。此外，光电二极管(硅)的膜厚度设置为3μm。在该配置中，凸凹规模在中心像素设置为100nm，并且以在向着端像素的方向逐渐减小的方式设计(有效折射率在1.4与1.1之间变化)。图12示出以这种方式制造的中心像素Pc和端像素Pe的反射率改善的一个示例。如图12所示，在中心像素Pc和端像素Pe都可以观察到约几个百分点的反射率减小效果。此外，这些值示出了几乎等同于与现有技术类似的抗反射膜形成在透镜表面上的情况的效果的效果。

通过例如利用对应于凸凹结构11A的预定凸凹规模的掩模图形的纳米压印蚀刻方法或者通过利用对应于凸凹规模的纳米球的方法，可以轻而易举地形成提供这种反射率减小和瞳校正效果的凸凹结构11A。即，仅调节用作诸如掩模图形或者纳米球之类的掩模的组件的规模就足够了。因此，不需要使用具有复杂图形形状的掩模，并且也不要求高处理精度。即，可以解决像素小型化。因此，在图像传感器1中，可以通过简单处理的过程实现灵敏度增强和小型化。

下面将描述上面描述的实施例的修改例(修改例1至4)。在下面，与上面描述的实施例中的组成要素相同的组成要素被赋予相同的附图标记，并因此省略描述它们。

<修改例1>

图13是根据修改例1的图像传感器(图像传感器1A)的截面配置。图像传感器1A是后照明固态成像元件，并且具有与上面描述的实施例的图像传感器1类似的，多个像素P二维排列在基底之上的结构。每个像素P均具有包括光电转换元件(光电二极管202)的光接收部分20和包括片上透镜11的光采集部分10A。光采集部分10A具有滤色片12、抗反射膜13以及在片上透镜11与光接收部分20之间的光屏蔽膜14。也在本修改例的这种配置中，凸凹结构11A位于片上透镜11的表面上，并且与上面描述的实施例类似，该凸凹结构11A具有根据像素位置而不同的预定凸凹规模。

此外，本修改例具有除了上面描述的凸凹规模的改变外，还具有片上透镜11的位置根据像素位置而偏移的结构。具体地说，中心像素Pc之外的像素上的片上透镜11偏移，以使得其中心轴(h1至hn)更靠近中心像素Pc一侧(内侧)。偏移量，具体地说，例如光接收部分20(光电二极管202)的中心轴hf与片上透镜11的中心轴h1至hn之间的距离(偏移量d1至dn)具有这样的关系，即，在从中心像素Pc向着端像素Pe(d1＜d2＜...＜dn)的方向上偏移量逐步变大。偏移量dn是例如0.2μm。此外，利用这种透镜偏移，可以获得瞳校正效果。

在上面描述的情况下，片上透镜11在整个像素区域上以偏移量在从中心像素Pc向着端像素Pe的方向上逐步变大的方式偏移。然而，不需要所有透镜偏移，并且例如可以仅将端像素Pe的透镜偏移。作为选择地，透镜可以在布置在端部一侧的像素中的所选像素中偏移。

正如刚才描述的，除了对片上透镜11提供预定凸凹结构11A，为了进行瞳校正，还可以偏移透镜位置。这实现了等同于或者大于上述实施例的效果的有益效果(进一步增强瞳校正效果)。

<修改例2>

图14示出根据修改例2的图像传感器(图像传感器1B)的截面配置。与上述实施例的图像传感器1类似，图像传感器1B是后照明固态成像元件，并且具有多个像素P二维排列在基底之上的结构。每个像素P分别具有包括光电转换元件(光电二极管202)的光接收部分20和包括片上透镜11的光采集部分10B。在这种配置中，也在本修改例中，凸凹结构11A位于片上透镜11的表面上，并且该凸凹结构11A具有与像素位置相关而不同的预定凸凹规模，这与上述实施例类似。

然而，在本修改例中，光采集部分10B具有位于片上透镜11与光接收部分20之间的内透镜15。具体地说，内透镜15布置在光接收部分20上的光屏蔽膜14的孔径区域内，并且在中间具有滤色片12的情况下，片上透镜11提供在该内透镜15之上。通过层叠内透镜15获得的该多透镜结构，反射率可以进一步降低，并且光采集效率可以增强。

在本修改例中，凸凹结构15A与片上透镜11上的凸凹结构11A类似地也提供在内透镜15的表面上。即，内透镜15的凸凹结构15A也具有取决于像素位置的预定凸凹规模。在这种情况下，作为凸凹结构15A的凸凹规模，采用例如等同于通过上述设计过程获得的凸凹规模的规模(等同于直接在内透镜15之上的片上透镜11的规模的凸凹规模)。

正如刚才描述的，如果除了对于片上透镜11提供预定凸凹结构11A外，光采集部分10B具有多透镜结构，则还可以对于内透镜15提供类似的凸凹结构15A。这实现等同于或者大于上述实施例的效果的有益效果(进一步降低反射率并且进一步增强瞳校正效果)。

<修改例3>

图15示出根据修改例3的图像传感器(图像传感器1C)的截面配置。与上述实施例的图像传感器1类似，图像传感器1C是后照明固态成像元件，并且具有多个像素P二维排列在基底之上的结构。每个像素P分别具有包括光电转换元件(光电二极管202)的光接收部分20和包括片上透镜11的光采集部分10C。光采集部分10C具有滤色片12、抗反射膜16和位于片上透镜11与光接收部分20之间的光屏蔽膜14。在这种配置中，也在本修改例中，凸凹结构11A位于片上透镜11的表面上，并且该凸凹结构11A具有与像素位置相关而不同的预定凸凹规模，这与上述实施例类似。

然而，在本修改例中，在光采集部分10C中，凸凹结构16A与片上透镜11上的凸凹结构11A类似地也提供在抗反射膜16的表面上。即，抗反射膜16的凸凹结构16A也具有取决于像素位置的预定凸凹规模。在这种情况下，作为凸凹结构16A的凸凹规模，采用例如等同于通过上述设计过程获得的凸凹规模的规模(等同于直接位于抗反射膜16之上的片上透镜11的规模的凸凹规模)。

正如刚才描述的，在光采集部分10C中，除了对于片上透镜11提供预定凸凹结构11A外，还可以对于抗反射膜16提供类似凸凹结构16A。这样实现等同于或者大于上述实施例的效果的有益效果(进一步降低反射率并且进一步增强瞳校正效果)。

<修改例4>

图16示出根据修改例4的图像传感器中的光接收部分(光接收部分20A)的截面配置。在上述实施例等中，以后照明图像传感器作为示例。然而，本公开的实施例还可以应用于前照明图像传感器，诸如下面描述的前照明图像传感器。具体地说，在前照明图像传感器中，光接收部分20A具有像素部分100和外围电路部分200集成在同一基底201之上的结构。埋入了光电二极管214的硅层213提供在基底201上，并且包括晶体管和金属布线的布线层215提供在该光电二极管214之上(光入射侧上)。上述实施例等中解释的光采集部分10形成在该光接收部分20A上。

正如刚才描述的，本公开的实施例不仅可以应用于后照明图像传感器，而且可以应用于前照明图像传感器。此外，对于前照明图像传感器，可以实现等同于上述实施例的效果的有益效果。

<应用例>

下面将描述上述实施例、修改例等中解释的图像传感器的应用示例(应用例1至4)。上述实施例等中的所有图像传感器均可以应用于各种领域的电子设备。作为一个应用例，下面描述成像装置(照相机)、内窥镜照相机、视觉芯片(人造视网膜)以及生物传感器。作为上面描述的图像传感器的代表，将在上述实施例中解释的图像传感器1作为示例。

<应用例1>

图17是示出根据应用例1的成像器件(成像器件2)的整体配置的功能框图。成像装置2是例如数码相机或者数码摄像机，并且包括光学系统21、快门装置22、图像传感器1、驱动电路24、信号处理电路23和控制部分25。

光学系统21包括一个或者多个成像镜头，用于根据来自被摄体的图像光(入射光)在图像传感器1的成像平面上形成图像。快门装置22控制到图像传感器1的光照射的周期(曝光周期)和光屏蔽周期。驱动电路24驱动快门装置22的开启和关闭，并且驱动图像传感器1中的曝光操作和信号读取操作。信号处理电路23执行预定信号处理，具体地说，例如对于来自图像传感器1的输出信号的各种校正处理，比如解马赛克处理和白平衡调节处理。控制部分25由例如微型计算机形成。其控制驱动电路24内的快门驱动操作和图像传感器驱动操作，并且控制信号处理电路23内的信号处理操作。

在该成像装置2中，当图像传感器1通过光学系统21和快门装置22接收到入射光时，取决于接收到的光量的信号电荷累积在图像传感器1中。图像传感器1中累积的信号电荷由驱动电路24读出，并且所读取的电信号输出到信号处理电路23。来自图像传感器1的输出信号在信号处理电路23经历预定信号处理，并且输出到外部(监视器等)作为视频信号Dout。作为选择地，将其保存在诸如存储器(未示出)之类的存储部分(存储介质)内。

<应用例2>

图18是示出根据应用例2的内窥镜照相机(胶囊式内窥镜照相机3A)的整体配置的功能框图。胶囊式内窥镜照相机3A包括：光学系统31、快门装置32、图像传感器1、驱动电路34、信号处理电路33、数据发送器35、驱动电池36以及用于感测姿态(方向或者角度)的陀螺仪电路37。在它们中，光学系统31、快门装置32、驱动电路34以及信号处理电路33的功能与对于上述成像装置2解释的光学系统21、快门装置22、驱动电路24和信号处理电路23的功能类似。然而，希望光学系统31能够在三维空间内在多个方位(例如，全方位)进行拍摄，且光学系统31由一个或者多个镜头组成。在本示例中，利用无线通信通过数据发送器35将由信号处理电路33内的信号处理获得的视频信号D1和从陀螺仪电路37输出的姿态感测信号D2发送到外部设备。

与上面描述的内窥镜照相机类似，上述实施例的图像传感器可以应用于的内窥镜照相机并不局限于胶囊式内窥镜照相机，并且可以是例如插入式内窥镜照相机，诸如图19所示的(插入式内窥镜照相机3B)。与上述胶囊式内窥镜照相机的部分配置相同，插入式内窥镜照相机3B包括：光学系统31、快门装置32、图像传感器1、驱动电路34、信号处理电路33以及数据发送器35。该插入式内窥镜照相机3B还提供有可以容纳在该装置内的臂38a和用于驱动该臂38a的驱动部分38。该插入式内窥镜照相机3B连接到电缆39，该电缆39具有用于将臂控制信号CTL发送到驱动部分38的互连接器39A和用于根据所拍摄的图像发送视频信号Dout的互连接器39B。

<应用例3>

图20是示出根据应用例3的视觉芯片(视觉芯片4)的整体配置的功能框图。视觉芯片4是人造视网膜，使用人造视网膜以使得将其埋入眼睛的眼球E1的后壁的一部分中(具有光神经的视网膜E2)。该视觉芯片4埋入例如视网膜E2的神经节细胞C1、水平细胞C2和感光细胞C3中任意的一部分中，并且包括例如图像传感器1、信号处理电路41以及刺激电极部分42。根据该配置，在图像传感器1中获取取决于到眼睛的入射光的电信号，并且在信号处理电路41中处理该电信号，从而将预定控制信号提供到刺激电极部分42。刺激电极部分42具有响应于输入控制信号对光神经给予刺激(电信号)的功能。

<应用例4>

图21是示出根据应用例4的生物传感器(生物传感器5)的整体配置的功能框图。生物传感器5是例如可以安装在手指A上的血糖水平传感器，并且包括半导体激光器51、图像传感器1和信号处理电路52。半导体激光器51是例如发出红外光(波长是780nm或者更长)的红外(IR)激光器。根据该配置，由图像传感器1感测根据血液中的葡萄糖的量吸收激光的程度，从而测量血糖水平。

尽管上面描述了本公开的实施例和修改例，但是本公开并不局限于上述实施例，并且可以进行各种修改。例如，通过将凸凹结构11A提供在片上透镜11的表面上的配置作为示例，解释上述实施例等。然而，片上透镜11不必须具有凸凹结构11A，并且光采集部分中的任意光功能层具有凸凹结构就足够了。例如，可以仅在光接收部分与片上透镜之间提供的抗反射膜具有凸凹结构。如果与对上面描述的修改例2所解释的相同，光采集部分具有多透镜结构，则可以仅内透镜具有凸凹结构。相反，在片上透镜与光接收部分之间还可以提供其他光功能层，并且与片上透镜的凸凹结构类似的凸凹结构也可以提供在这些光功能层的表面上。

本申请含有与于2011年2月22日向日本专利局提交的第JP2011-035471号日本优先权专利申请公开的主题有关的主题，在此通过引用包括该专利申请的全部内容。

本技术领域内的技术人员应当明白，根据设计要求和其他因素，可以设想各种修改、组合、部分组合和变型，然而，它们均落入所附权利要求书或者其等效物的范围内。

Claims (16)

1.一种成像元件，包括：

多个像素，配置为二维排列，并且每个像素具有：

光接收部分，包括光电转换元件，以及

光采集部分，采集向着所述光接收部分的入射光，

所述多个像素中的每个光采集部分都包括在表面上具有取决于像素位置的特定凸凹结构的光功能层，

其中，在所述多个像素中，通过所述光功能层的光束的出射角恒定。

2.根据权利要求1所述的成像元件，其中

在所述多个像素中，距中心像素的距离越大，所述光功能层中的所述凸凹结构的规模越小，所述规模根据所述凸凹结构中的凹部分的宽度和深度或凸部分的宽度和高度定义。

3.根据权利要求2所述的成像元件，其中

在所述光采集部分中，所述凸凹结构的规模小于接收光波长。

4.根据权利要求1所述的成像元件，其中

所述光采集部分具有作为所述光功能层的透镜，以及

所述凸凹结构提供在所述透镜的表面上。

5.根据权利要求4所述的成像元件，其中

内透镜存在于所述透镜与所述光接收部分之间。

6.根据权利要求5所述的成像元件，其中

所述凸凹结构提供在所述内透镜的表面上。

7.根据权利要求5所述的成像元件，其中

抗反射膜存在于所述透镜与所述光接收部分之间。

8.根据权利要求7所述的成像元件，其中

所述凸凹结构提供在所述抗反射膜的表面上。

9.根据权利要求4所述的成像元件，其中

在所述多个像素中，设置所述透镜以向着中心像素偏移，以及

距所述中心像素的距离越长，所述透镜的偏移量越大。

10.一种用于制造成像元件的方法，所述方法包括：

在形成二维排列并且每个都具有包括光电转换元件的光接收部分和采集向着所述光接收部分的入射光的光采集部分的多个像素时，在所述多个像素中，在每个光采集部分中形成在表面上具有取决于像素位置的特定凸凹结构的光功能层，

其中，在所述多个像素中，通过所述光功能层的光束的出射角恒定。

11.根据权利要求10所述的制造成像元件的方法，其中

提供透镜作为所述光功能层，以及

在所述透镜的表面上形成所述凸凹结构。

12.根据权利要求11所述的制造成像元件的方法，其中

利用纳米压印方法形成所述光功能层中的所述凸凹结构。

13.根据权利要求11所述的制造成像元件的方法，其中

利用纳米球溶液形成所述光功能层中的所述凸凹结构。

14.根据权利要求11所述的制造成像元件的方法，其中

作为出瞳距离和距中心像素的距离的函数，获得所述透镜的有效折射率，以及

根据所获得的有效折射率，决定所述凸凹结构的规模，所述规模根据所述凸凹结构中的凹部分的宽度和深度或凸部分的宽度和高度定义。

15.一种在设计像素中的凸凹结构的规模时使用的像素设计方法，所述像素包括在表面上具有凸凹结构的光功能层，所述方法包括：

作为出瞳距离和距中心像素的距离的函数，获得所述光功能层的有效折射率；以及

根据所获得的有效折射率，决定所述凸凹结构的所述规模，所述规模根据所述凸凹结构中的凹部分的宽度和深度或凸部分的宽度和高度定义。

16.一种具有成像元件的电子设备，包括：

多个像素，配置为二维排列，并且每个像素都具有包括光电转换元件的光接收部分和采集向着所述光接收部分的入射光的光采集部分，

所述多个像素中的每个光采集部分都包括在表面上具有取决于像素位置的特定凸凹结构的光功能层，

其中，在所述多个像素中，通过所述光功能层的光束的出射角恒定。