專利名稱：固態(tài)成像器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及固態(tài)成像器件，更特別地，涉及用于數(shù)字靜態(tài)照相機和數(shù)字攝像機等的固態(tài)成像器件。
背景技術：
在數(shù)字靜態(tài)照相機或攝像機中，已知用于自動聚焦(AF)的距離檢測技術。關于這種用于AF的距離檢測技術，日本專利No. 3592147提出了一種固態(tài)成像器件，在所述固態(tài)成像器件中，成像器件的一部分像素具有測距功能，并且，檢測是由相位差系統(tǒng)進行的。相位差系統(tǒng)是這樣一種方法，其中，通過照相機透鏡的光瞳上的不同區(qū)域的光學像被比較，并且，使用立體圖像的三角測量被用于檢測距離。在這種方法中，與常規(guī)的對比度系統(tǒng)的情況不同，不必為了進行測距而移動透鏡， 并且因此，能夠進行高精度的高速AF。此外，能夠在拍攝運動圖像時進行實時AF。在上述的日本專利No. 3592147中，測距像素在微透鏡和光電轉換單元之間具有相對于微透鏡的光學中心偏心的開口。這使得能夠將通過照相機透鏡的光瞳上的預定區(qū)域的光選擇性地引到光電轉換單元以執(zhí)行測距。然而，在日本專利No. 3592147中所述的具有偏心的開口的結構中，由于在布線部件等處的光散射，存在光束不能被充分分離并且測距精度降低的可能性。此外，當日本專利No. 3592147中所述的結構被應用于具有小像素尺寸的固態(tài)成像器件時，有可能發(fā)生如下問題。隨著像素尺寸變小，用于將光引向光電轉換單元的微透鏡的F值變大，并且，像素尺寸與衍射像的尺寸變得幾乎相同。因此，光在像素中發(fā)散，因而，存在光束不能在偏心開口處被充分分離并且測距精度進一步降低的可能性。

發(fā)明內容
考慮到上述問題而做出了本發(fā)明，并且本發(fā)明的一個目的是提供一種固態(tài)成像器件，該固態(tài)成像器件能夠執(zhí)行高精度的測距，特別地，該固態(tài)成像器件即使在像素尺寸小時也能夠執(zhí)行高精度的測距。根據(jù)本發(fā)明，一種包括像素的固態(tài)成像器件包括光電轉換單元，用于把光轉換為電信號；光學波導，設置于光電轉換單元的光入射側，該光學波導被配置為使得從第一方向進入的光被轉換為第一波導模式并且被引導，并且，從與第一方向不同的第二方向進入的光被轉換為第二波導模式并且被引導；以及光阻擋部件，設置于光學波導中，用于與被引導到光電轉換單元的第一波導模式的光相比，更多地減少被引導到光電轉換單元的第二波導模式的光。根據(jù)本發(fā)明，可以實現(xiàn)一種固態(tài)成像器件，該固態(tài)成像器件能夠執(zhí)行高精度的測距，特別地，該固態(tài)成像器件即使在像素尺寸小時也能夠執(zhí)行高精度的測距。從參照附圖對示例性實施例的以下描述，本發(fā)明的其它特征將變得清晰。


圖1是示出根據(jù)實施例1的布置在固態(tài)成像器件的一部分中的測距像素的示意性截面圖。

圖2A示出根據(jù)實施例1的當在光學波導中沒有光阻擋部件時的波導模式。圖2B示出根據(jù)實施例1的當在光學波導中沒有光阻擋部件時的另一波導模式。圖3A示出根據(jù)實施例1的當在光學波導中布置有光阻擋部件時的光學波導中的波導模式。圖3B示出根據(jù)實施例1的當在光學波導中布置有光阻擋部件時的光學波導中的另一波導模式。圖4是示出根據(jù)實施例1的像素中的檢測到的光強度對入射角的依賴關系的繪圖。圖5A是根據(jù)實施例1的使用成像器件測量到對象的距離的方法的說明圖。圖5B是根據(jù)實施例1的使用成像器件測量到對象的距離的方法的另一說明圖。圖5C是根據(jù)實施例1的使用成像器件測量到對象的距離的方法的又一說明圖。圖6示出了根據(jù)實施例1的在光學波導的光入射側使用微透鏡而形成的示例性結構。圖7A是根據(jù)實施例1的包括像素的固態(tài)成像器件的制造過程步驟的說明圖。圖7B是根據(jù)實施例1的包括像素的固態(tài)成像器件的制造過程步驟的說明圖。圖7C是根據(jù)實施例1的包括像素的固態(tài)成像器件的制造過程步驟的說明圖。圖7D是根據(jù)實施例1的包括像素的固態(tài)成像器件的制造過程步驟的說明圖。圖7E是根據(jù)實施例1的包括像素的固態(tài)成像器件的制造過程步驟的說明圖。圖8是示出根據(jù)實施例2的布置在固態(tài)成像器件的一部分中的測距像素的示意性截面圖。圖9A示出根據(jù)實施例2的當在光學波導中沒有光阻擋部件時的波導模式。圖9B示出根據(jù)實施例2的當在光學波導中沒有光阻擋部件時的另一波導模式。圖IOA示出根據(jù)實施例2的當在光學波導中布置有光阻擋部件時的光學波導中的波導模式。圖IOB示出根據(jù)實施例2的當在光學波導中布置有光阻擋部件時的光學波導中的另一波導模式。圖11是示出根據(jù)實施例2的像素中的檢測到的光強度對入射角的依賴關系的繪圖。圖12A示出根據(jù)實施例2的其中布線部件形成于包層部件中的例子。圖12B示出根據(jù)實施例2的其中微透鏡被設置于光學波導的光入射側的例子。圖13A示出根據(jù)實施例1的成像器件中的測距像素的示例性布置。圖13B示出根據(jù)實施例1的成像器件中的測距像素的另一示例性布置。
具體實施例方式現(xiàn)在將根 據(jù)附圖詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。本發(fā)明利用波導中的光傳播狀態(tài)(波導模式)根據(jù)進入波導的光束的入射角變化的性質。更具體地，實現(xiàn)如下的固態(tài)成像器件。在該固態(tài)成像器件中，光阻擋部件被布置于波導中，它使得能夠檢測全體入射光中的以預定的角度進入的光，因而，可以高精度地執(zhí)行測距。以下參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像器件的各實施例。注意，對于在所有圖中用于指示具有相同功能的部件的附圖標記，省略其重復的描述。實施例實施例1作為實施例1，參照圖1描述根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像器件的示例性結構。在圖1中，像素100具有測距功能并且被布置于本實施例的固態(tài)成像器件的一部分中。該像素100從光入射側(+ζ側)起包括光入射部件101、其中具有光阻擋部件106 的光學波導(芯部件102和包層部件103)、以及其中具有光電轉換單元104的基板105。光阻擋部件106被布置為關于包括光學波導的中心軸107的yz平面不對稱。這里，光學波導的中心軸107是芯部件102的中心軸。光入射部件101、芯部件102、以及包層部件103由成像中的波長帶中的透明材料 (諸如Si02、SiN或者有機材料)形成。注意，光入射部件101和芯部件102由折射率高于包層部件103的折射率的材料形成。這使得能夠限制光在光入射部件101和芯部件102中傳播。光入射部件101被成形為使得其直徑向著光入射側逐漸變大，即，具有漸寬的形狀(tapered shape)。這使得入射到像素100上的光束能夠有效率地被引到芯部件102?；?05由吸收成像中的波長帶中的光的材料例如Si形成，并且包括通過離子注入等形成在其中的光電轉換單元104。光阻擋部件106由對成像中的波長帶中的光不透明的材料(例如，諸如Al或者Cu 之類的金屬)形成。已經(jīng)從外部進入像素100的光束108經(jīng)由光入射部件101進入光學波導，被轉換為波導模式，通過光學波導傳播，并且被引到光電轉換單元104。進入光電轉換單元104的光束被轉換為電子，并且，根據(jù)入射光強度的電信號被輸出到信號處理電路(未示出)。波導模式由光學波導的多個本征模式的和來表達，并且指示通過光學波導的傳播狀態(tài)。該本征模式由光學波導的芯部件和包層部件的形狀和折射率唯一確定。圖2A和2B示出光學波導中不包括光阻擋部件106時的各波導模式。圖2A示出了以角度-θ (從第一方向)進入的光束110的第一波導模式111中的電場強度分布，而圖2Β示出了以角度+ θ (從第二方向)進入的光束120的第二波導模式121中的電場強度分布。以 這種方式，光學波導中的波導模式取決于入射角而變化。圖3A和3B示出了當光阻擋部件106被布置于光學波導中時的各波導模式。圖3A示出了以角度-Θ (從第一方向)進入的光束110的第一波導模式112中的電場強度分布，而圖3B示出了以角度+ θ (從第二方向)進入的光束120的第二波導模式 122中的電場強度分布。如圖3Α所示，從第一方向進入的光束110被轉換為第一波導模式112，通過光學波導被引導，并且被引到光電轉換單元104而未受光阻擋部件106影響。另一方面，如圖3Β中所示，從第二方向進入的光束120被轉換為第二波導模式 122，通過光學波導被引導，被光阻擋部件106阻擋，并且未到達光電轉換單元104。圖4是示出像素100中的被檢測到的光強度對入射角的依賴關系的繪圖。能夠確認，與光以角度+ θ (從第二方向)入射的情況相比，當光以角度-θ (從第一方向)入射時可檢測到更多的光。如上所述，通過在光學波導中布置光阻擋部件106，從與第一方向不同的第二方向進入并且被引導到光電轉換單元的光比從第一方向進入并且被引導到光電轉換單元的光被減少得更多。這使得能夠檢測以預定角度進入的光。注意，在以上描述中，角度-Θ被定義為第一方向并且角度+ θ被定義為第二方向，但是第一方向和第二方向被定義為不同的方向就足夠了。例如，角度_ θ可以被定義為第二方向而角度+ θ可以被定義為第一方向。此外，第一方向上的角度與第二方向上的角度不必被要求為關于中心軸107對稱，并且那些方向的角度的符號不必被要求為相反的符號。然后，參照圖5Α到5C描述根據(jù)本實施例的使用成像器件測量到對象的距離的方法。如圖5Α中所述，圖像形成透鏡300將外部世界的像形成在成像器件400的平面上。成像器件400具有第一像素區(qū)域，該第一像素區(qū)域包括圖1和圖5Β中示出的用于檢測從第一方向進入的光的多個像素(第一像素)100。成像器件400還具有第二像素區(qū)域，該第二像素區(qū)域包括圖5C中示出的用于檢測從第二方向進入的光的多個像素(第二像素)200。在像素200中，光阻擋部件206被布置為與圖5Β中示出的像素100的光阻擋部件 106關于包括光學波導的中心軸107的yz平面對稱。圖像形成透鏡300和成像器件400之間的距離對于各像素的尺寸是大的。因此， 通過圖像形成透鏡300的出射光瞳上的不同區(qū)域的光束作為不同入射角的光束入射到成像器件400上。在第一像素區(qū)域中的像素100中，通過基本上對應于圖像形成透鏡300的出射光瞳(形成物像的光學系統(tǒng)的出射光瞳)的第一方向的區(qū)域301 (第一出射光瞳區(qū)域)的光束被檢測。類似地，在第二像素區(qū)域中的像素200中，通過基本上對應于圖像形成透鏡300的出射光瞳的第二方向的區(qū)域302 (第二出射光瞳區(qū)域)的光束被檢測。因此，可以檢測通過圖像形成透鏡的出射光瞳上的不同區(qū)域的光學像，并且，比較來自第一像素區(qū)域的像素信號與來自第二像素區(qū)域的像素信號。對象測距信號可以從其被創(chuàng)建并且可以被輸出以檢測到對象的距離。圖13A和13B示出了成像器件中的第一像素100和第二像素200的示例性布置。 如圖13A中所示，包括第一像素100的行(第一像素區(qū)域)和包括第二像素200的行(第二像素區(qū)域)可以被并排布置在普通Bayer陣列成像器件中。當在成像器件上形成圖像的照相機透鏡對焦時，來自第一像素區(qū)域的圖像信號和來自第二像素區(qū)域的圖像信號是相同的。如果照相機透鏡對焦在成像器件的成像平面前面或者后面的位置上，則在來自第一像素區(qū)域的圖像信號與來自第二像素區(qū)域的圖像信號之間引起相位差。焦點在成像平面的前面的平面上時的相位偏移的方向與焦點在成像平面的后面的平面上時的相位偏移的方向相反?；谙辔徊詈拖辔黄频姆较?，可以檢測到對象的距離。此外，如圖13B中所示，第一像素區(qū)域100和第二像素區(qū)域200可以被布置在一行中或者被布置在互相接近的行中。注意，為了與到對象的距離和對象位置無關地以高精度檢測距離，希望第一出射光瞳區(qū)域301和第二出射光瞳區(qū)域302被設置為關于出射光瞳的中心303對稱。

因此，第一方向和第二方向是相對于主光束(main light beam)定義的，所述主光束是穿過出射光瞳的中心303并且進入成像器件的光束。更具體地，當主光束以傾斜方向進入成像器件的平面時，第一方向和第二方向被分別定義為相對于傾斜主光束的入射角在相反的方向上形成相等的角度。通過基于根據(jù)入射角的波導模式的空間分布來確定光阻擋部件的形狀和位置，可以實現(xiàn)被檢測到的光強度對入射角的必要的依賴關系。當圖像形成透鏡的出射光瞳的位置處于距成像器件的平面的有限距離處并且主光束的入射角取決于視場而變化時，可根據(jù)入射角的變化量在成像器件的平面內改變像素中的光阻擋部件的形狀和位置。此外，可以在光入射側設置用于限制進入像素100的光的波長帶的濾色器。這可以使由于波長導致的波導模式的變化的影響較小，并且因此，可以改善被檢測到的光強度的角度選擇性，并且，可使檢測距離的精度更高。該濾色器由透射預定波長帶中的光并且吸收、反射、或者散射其它波長帶中的光的材料形成，并且例如，有機材料或者無機材料被用于形成濾色器。此外，如圖6中所示，可以利用光學波導的光入射側的微透鏡109形成濾色器。此外，通過光學波導傳播的光不僅通過芯部件102而且還通過包層部件103的一部分。因此，光阻擋部件106不僅可以被布置在芯部件102中，而且還可以被布置在包層部件103的一部分中。如上所述，通過布置光阻擋部件106使得其關于包括光學波導的中心軸107的yz 平面不對稱，以預定角度進入的光可以被檢測，并且可實現(xiàn)能夠執(zhí)行高精度測距的固態(tài)成像器件。圖7A到7E用于描述根據(jù)本實施例的包括像素100的固態(tài)成像器件的制造過程步
馬聚ο首先，離子被注入到由硅形成的基板105的預定位置以形成光電轉換單元104。在形成布線等(未示出)之后，從后側通過CMP或回蝕刻(etch back)等將基板制成薄膜(圖7A)。然后，形成SiN膜，通過光刻和剝離(lift-off)等形成芯部件102，形成SOG膜并且通過CMP或回蝕刻等執(zhí)行平坦化，從而形成包層部件103 (圖7B)。然后，通過光刻和蝕刻在芯部件的預定位置處形成凹陷部分，并且，Al被嵌入其中，從而形成光阻擋部件106 (圖7C)。此外，形成SiN膜，并且，通過光刻或剝離等形成芯部件102 (圖7D)。在SOG膜被形成并且平坦化被執(zhí)行以形成包層部件103之后，通過光刻和蝕刻形成凹陷部分。通過在其中嵌入SiN，形成光入射部件101。以這種方式，可以形成像素100 (圖 7E)。實施例2作為實施例2，參照圖8描述根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像器件的另一示例性結構。在圖8中，測距像素130被布置于本實施例的固態(tài)成像器件的一部分中。該像素130從光入射側(+ζ側)起包括光入射部件131、其中包括光阻擋部件136 的光學波導(芯部件132和包層部件133)、以及其中包括光電轉換單元134的基板135。光學波導的中心軸137相對于像素130的中心軸138在xz平面中偏移。光阻擋部件136被布置得關于包括光學波導的中心軸137的yz平面對稱。光入射部件131被成形為使得其直徑向著光入射側逐漸變大，即，具有漸寬的形狀。此外，光入射部件131的在光入射側的中心軸與像素130的中心軸138 —致，而光入射部件131的在光學出射側的中心軸與光學波導的中心軸137—致。以這種方式，光入射部件131具有關于包括光學波導的中心軸137的yz平面不對稱的漸寬的形狀。這使得能夠有效率地把入射到像素130上的光束引到芯部件132。已經(jīng)從外部進入像素130的光束139經(jīng)由光入射部件131進入光學波導，被轉換為波導模式，通過光學波導傳播，并且被引導到光電轉換單元134。進入光電轉換單元134的光束被轉換為電子，并且，根據(jù)入射光強度的電信號被輸出到信號處理電路(未示出)。圖9A和9B示出在光學波導中不包括光阻擋部件136時的各波導模式。圖9A示出了在以角度-θ (從第一方向)進入的光束110的第一波導模式113中的電場強度分布，而圖9Β示出了在以角度+ θ (從第二方向)進入的光束120的第二波導模式123中的電場強度分布。以這種方式，光學波導中的波導模式取決于入射角而變化。當光阻擋部件136被布置于光學波導中時的各波導模式在圖IOA和IOB中示出。圖IOA和IOB示出了從各預定方向進入的光束的各波導模式中的電場強度分布。圖IOA示出了在以角度-θ (從第一方向)進入的光束110的第一波導模式114 中的電場強度分布，而圖IOB示出了在以角度+ θ (從第二方向)進入的光束120的第二波導模式124中的電場強度分 布。如圖IOA所示，從第一方向進入的光束110被轉換為第一波導模式114，通過光學波導被引導，并且被引到光電轉換單元134而未受光阻擋部件136影響。另一方面，如圖IOB所示，從第二方向進入的光束120被轉換為第二波導模式124，通過光學波導被引導，被光阻擋部件136阻擋，并且未到達光電轉換單元134。圖11是示出像素130中的被檢測到的光強度對入射角的依賴關系的繪圖。能夠確認，與光以角度+ θ (從第二方向)入射的情況相比，當光以角度-θ (從第一方向)入射時可檢測到更多的光。如上所述，通過將光阻擋部件布置在與要被阻擋的入射角對應的波導模式通過并且與要被引導的入射角對應的波導模式不通過的區(qū)域中，可以檢測到以預定角度進入的光。

如上所述，通過相對于像素的中心軸138偏移光學波導的中心軸137并且布置光阻擋部件136使得其關于包括光學波導的中心軸137的yz平面對稱，以預定角度進入的光可以被檢測。其中形成有用于檢測從第一方向進入的光的多個像素130的第一像素區(qū)域和其中形成有用于檢測從第二方向進入的光的多個像素的第二像素區(qū)域被設置在成像器件中。與實施例1的情況類似，這使得能夠高精度地檢測到對象的距離。注意，后者的像素與圖8中所示的像素130關于包括像素的中心軸138的yz平面對稱。更具體地，關于后面的像素，光學波導的中心軸137被偏移到相對于像素的中心軸138相反的側。光阻擋部件相對于光學波導的中心軸的位置與在像素130中的相同。在本實施例中，使被檢測的光強度變得最高的入射角可以由光學波導的中心軸相對于像素的中心軸的偏移量來確定。此外，根據(jù)入射角的被檢測的光強度的變化量可以由光阻擋部件的形狀和位置來確定。如上所述，與實施例1中的情況相比較，可以增大設計靈活度并且使高精度的距離檢測成為可能。此外，類似于實施例1中的情況，光學波導的中心軸的偏移量可以在成像器件的平面內關于主光束的入射角而變化。此外，如圖12A中所示，布線部件140可以被形成于包層部件133中。這里，如果光阻擋部件136的材料與布線部件140的材料相同，則使用的材料的種類數(shù)量可以被減少以有助于制造。如果光阻擋部件136與布線部件140齊平，則光阻擋部件136和布線部件 140可以同時被形成，這進一步有助于制造，因此這是所期望的。此外，如圖12B中所示，微透鏡141可以被設置在光學波導的光入射側。這里，如果微透鏡141被布置以使得其中心相對于像素的中心軸138偏移，則入射到像素130上的光束可以被有效率地引到光學波導。雖然已參照示例性實施例描述了本發(fā)明，但是應該理解，本發(fā)明不限于公開的示例性實施例。以下的權利要求的范圍應被給予最寬的解釋，以便包含所有這樣的變型以及等同的結構和功能。
權利要求
1.一種包含像素的固態(tài)成像器件，包括光電轉換單元，用于把光轉換為電信號；光學波導，設置于光電轉換單元的光入射側，該光學波導被配置為使得從第一方向進入的光被轉換為第一波導模式并且被引導，并且，從與第一方向不同的第二方向進入的光被轉換為第二波導模式并且被引導；以及光阻擋部件，設置于光學波導中，用于與被引導到光電轉換單元的第一波導模式的光相比，更多地減少被引導到光電轉換單元的第二波導模式的光。
2.根據(jù)權利要求1的固態(tài)成像器件，其中，光學波導和光阻擋部件中的一個被形成為關于像素的中心軸不對稱。
3.根據(jù)權利要求2的固態(tài)成像器件，其中，光阻擋部件被布置為關于包括光學波導的中心軸的平面不對稱。
4.根據(jù)權利要求2的固態(tài)成像器件，其中光學波導的中心軸相對于像素的中心軸偏移；以及光阻擋部件被布置為關于包括光學波導的中心軸的平面對稱。
5.根據(jù)權利要求1的固態(tài)成像器件，其中，光學波導包含具有漸寬的形狀從而其直徑向著光入射側變大的光入射部件，該光入射部件被形成為關于包括光學波導的中心軸的平面不對稱的形狀。
6.根據(jù)權利要求1的固態(tài)成像器件，還包含布線部件，該布線部件被布置得比光電轉換單元更接近光入射側，其中，光阻擋部件是由與布線部件的材料相同的材料制成的。
7.根據(jù)權利要求6的固態(tài)成像器件，其中，光阻擋部件與布線部件齊平。
8.根據(jù)權利要求1的固態(tài)成像器件，其中從第一方向進入的光是通過用于對于固態(tài)成像器件形成對象圖像的光學系統(tǒng)的出射光瞳的表面上的第一出射光瞳區(qū)域的光；以及從第二方向進入的光是通過在光學系統(tǒng)的出射光瞳的表面上并且與第一出射光瞳區(qū)域關于出射光瞳的中心對稱的第二出射光瞳區(qū)域的光。
9.根據(jù)權利要求1的固態(tài)成像器件，包含第一像素區(qū)域，所述第一像素區(qū)域包含多個第一像素，所述多個第一像素中的每一個包含設置于其光學波導中的光阻擋部件；以及第二像素區(qū)域，所述第二像素區(qū)域包含多個第二像素，所述多個第二像素中的每一個包含另一個光阻擋部件，所述另一個光阻擋部件用于減少與第一像素區(qū)域中的光阻擋部件要減少的光的模式不同的模式的光，該另一個光阻擋部件被設置于其光學波導中，其中，使用來自第一像素區(qū)域和第二像素區(qū)域的像素信號，輸出對象的測距信號。
全文摘要
提供一種固態(tài)成像器件，其即使在像素尺寸小時也能夠執(zhí)行高精度的測距。包括像素的該固態(tài)成像器件包括光電轉換單元，用于把光轉換為電信號；光學波導，設置于光電轉換單元的光入射側，該光學波導被配置為使得從第一方向進入的光被轉換為第一波導模式并且被引導，并且，從與第一方向不同的第二方向進入的光被轉換為第二波導模式并且被引導；以及光阻擋部件，設置于光學波導中，用于與被引導到光電轉換單元的第一波導模式的光相比，更多地減少被引導到光電轉換單元的第二波導模式的光。
文檔編號H04N5/335GK102215349SQ20111008546
公開日2011年10月12日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權日2010年4月12日
發(fā)明者高木章成 申請人:佳能株式會社