WO2013027338A1 - イメージセンサ及びその製造方法並びに検査装置 - Google Patents

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    • H10F39/024—Manufacture or treatment of image sensors covered by group H10F39/12 of coatings or optical elements

Definitions

  • the present technology relates to an image sensor having a condensing structure, a manufacturing method thereof, and an inspection apparatus. More specifically, the present invention relates to an image sensor that detects a light emission process of a sample, a manufacturing method thereof, and an inspection apparatus.
  • an analysis method that detects a minute light emission process in parallel for a large number of samples.
  • an ELISA method EnzymezyLinked Immuno Sorbent Assay
  • a substrate on which a large number of antibodies are arrayed and immobilized is immersed in a solution containing the protein to be measured, then exposed to fluorescently modified antibodies, which are exposed to excitation light and observed with a microscope or the like. It is possible to determine which antibody has reacted from the position of fluorescence.
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • CCD Charge Coupled Device
  • one light emission process is made to correspond to the unit pixel of these image sensors, and a light detection system is configured to simultaneously record and analyze one million units of light emission processes in time series. Can do. Further, by adopting a configuration in which these light emission processes appear in the vicinity of the surface of the image sensor, it is possible to measure the simultaneous light emission processes for a large number of samples with a small detection system.
  • Patent Documents 1 and 2 image sensors for measuring living tissue such as cells have been proposed (for example, see Patent Documents 1 and 2).
  • an optical filter layer that blocks the wavelength range of excitation light and transmits the wavelength range of fluorescence is provided on the upper surface of the photodiode of each pixel cell. ing.
  • an antireflection film is formed on the light receiving surface, thereby improving the transmittance on the light receiving surface and improving the detection sensitivity. Further, in the image sensor described in Patent Document 2, spots in which a large number of biopolymers such as single-stranded probe DNA are collected are formed in a matrix on the antireflection film, and a specific sample is bound to the spots. I have to.
  • the conventional image sensor described above has a problem that crosstalk occurs between adjacent pixels. For example, when a light emission process occurs in the vicinity of the sensor surface, the light emitted from the sample is evenly emitted in all directions as described above, which affects not only the pixels immediately below but also the pixels in the vicinity thereof. . For this reason, in the conventional image sensor, the light emission process cannot be detected independently for each pixel, and the number of light emission processes that can be detected is inevitably limited.
  • the main object of the present disclosure is to provide an image sensor with high light collection efficiency and little crosstalk between pixels, a manufacturing method thereof, and an inspection apparatus.
  • An image sensor includes a plurality of light receiving elements, and converts a light source conversion unit that converts incident light into an electrical signal, and is disposed in a region immediately above each light receiving element and directed to the light receiving unit of the light receiving element located immediately below the light receiving element.
  • a detection region located on an extension line of a line connecting the center of the light receiving portion of the element and the center of the lens arranged immediately above, and a sample to be detected is fixed at least to the detection region. is there.
  • the sample to be detected can be fixed only in the detection region.
  • the detection region may be subjected to a surface treatment, or an antibody, an adapter, or a gene adsorption substance that binds to the sample may be immobilized.
  • a light shielding mask may be formed on the surface of the insulating layer in a portion other than the detection region.
  • the insulating layer can be formed of silicon oxide.
  • An image sensor manufacturing method includes a step of forming a photoelectric conversion unit that includes a plurality of light receiving elements on a semiconductor wafer and converts incident light into an electrical signal, and a region immediately above each light receiving element, immediately below the region.
  • the inspection apparatus includes the above-described image sensor.
  • the detection region is provided in the region immediately above the center of each light receiving element on the surface of the insulating layer, the light collection efficiency can be improved and the crosstalk between the pixels can be reduced.
  • FIG. 1 It is a top view showing typically composition of an image sensor concerning a 1st embodiment of this indication.
  • sectional drawing which shows the structure of the pixel cell 1 shown in FIG.
  • (A) is a figure which shows the condensing state in the image sensor 10 of this embodiment
  • (b) is a figure which shows the condensing state of the conventional image sensor.
  • (A) is a figure which shows the focus formation of the micro lens 5
  • (b) is a figure which shows a state when it measures with the conventional image sensor.
  • It is a figure which shows the suitable conditions of the focal distance f of the micro lens It is a figure which shows typically the state at the time of the measurement of the image sensor 10 shown in FIG.
  • First embodiment an example of an image sensor in which a sample is fixed only at the center of a pixel
  • Second Embodiment Example of an image sensor in which a light shielding mask is provided in a portion other than the detection region
  • Third Embodiment Example of inspection apparatus equipped with an image sensor
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing the configuration of the image sensor of this embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the pixel cell 1.
  • a plurality of microlenses 5 are disposed on a photoelectric conversion unit 3 in which a plurality of light receiving elements constituting the pixel cell 1 are arranged in a matrix. Is arranged.
  • An insulating layer 6 is formed so as to cover each microlens 5, and a detection region 2 is provided for each pixel cell 1 on the insulating layer 6.
  • the photoelectric conversion unit 3 is a part that detects an optical phenomenon such as a light emission process in the sample 11 by each light receiving element and outputs it as an electrical signal.
  • each light receiving element is constituted by a PN junction.
  • the size a of each pixel cell 1 of the photoelectric conversion unit 3 is not particularly limited, but may be 0.2 to 10 ⁇ m square, for example.
  • the thickness t of the photoelectric conversion unit 3 is not particularly limited, but can be about 1 to 10 ⁇ m as in the case of a conventional image sensor.
  • the microlens 5 collects light toward the light receiving unit 4 of each light receiving element disposed in the photoelectric conversion unit 3, and is disposed in the region immediately above the light receiving element for each pixel cell 1.
  • one microlens may be provided for one light receiving element, but one microlens may be configured to correspond to a plurality of light receiving elements.
  • the shape of the microlens 5 is not particularly limited, and various shapes such as a plano-convex lens and a biconvex lens can be applied.
  • the array system is not particularly limited, and is appropriately selected. Can do.
  • FIG. 3A is a view showing a light collection state in the image sensor 10 of the present embodiment
  • FIG. 3B is a view showing a light collection state of a conventional image sensor
  • FIG. 4A is a diagram showing the focus formation of the microlens 5
  • FIG. 4B is a diagram showing a state when measured by a conventional image sensor.
  • FIG. 5 is a diagram showing a preferable condition for the focal length f of the microlens 5.
  • the components between the light receiving unit 4 and the microlens 5 are omitted and the microlens 5 is described in a biconvex shape for easy viewing.
  • a conventional image sensor usually has a structure for condensing parallel light on a light receiving surface. Therefore, when the distance of the refractive index to the light receiving portion 104 is a light receiving surface from the microlens 105 n 1, the lens 105 to the imaging surface set to L 1, the focal length f of the microlens 105, f ⁇ L It is designed to be 1 ⁇ n 1 . For this reason, as shown in FIG. 4B, in the case of the conventional image sensor structure, even if the sample 11 is fixed at the center of the pixel, the distance L 1 from the microlens 105 to the imaging plane is negative. Value, resulting in a system that does not collect light.
  • the image sensor 10 of the present embodiment responds by collimating or converging at least light beams emitted from the detection region 2 and being condensed.
  • the focal point of the microlens 5 is formed so as to be within the light receiving unit 4. Specifically, the thickness of the insulating layer 6, the distance from the microlens 5 to the light receiving unit 4, the light receiving element and the light receiving unit 4 so that the focal length f of the microlens 5 satisfies f ⁇ L 2 ⁇ n 2. Adjust the size.
  • n 2 is the refractive index of the insulating layer 6
  • L 2 is the distance from the sample 11 to the microlens 5.
  • the focal length f of the microlens 5 is a condition in which all the light from the detection region 2 is geometrically incident on the light receiving unit 4 as shown in FIG.
  • the conditions for all the light velocities emitted from the microlens 5 having the aperture S 2 to enter the light receiving unit 4 having the aperture S 1 are as follows. Geometrically, it is expressed by the following mathematical formula (1).
  • L 1 in the following equation (1) is the distance from the microlens 5 to the light receiving unit 4
  • L 3 is the distance from the microlens 5 to the focal point.
  • the focal length f of the microlens 5 is set so as to satisfy the following formula (3). That's fine.
  • n 1 in the following mathematical formula (3) is the refractive index from the microlens 5 to the light receiving portion 4, and n 2 is the refractive index of the insulating layer 6.
  • the focal length f of the microlens 5 satisfies the following formula (4).
  • the insulating layer 6 is provided for protection of the light conversion unit 3, electrical insulation and structural support of the light receiving element and its peripheral integrated circuit, surface flattening, and the like. It is made of a material that does not affect the light detection by the light receiving element.
  • the insulating layer 6 is a light-transmitting inorganic material such as silicon oxide (SiO 2 ) and silicon nitride (SiN x ), or a high-melting and light-transmitting polymer material such as polyimide. Can be formed.
  • the insulating layer 6 may be formed of a material that transmits only light having a wavelength to be detected, such as fluorescence, and absorbs or reflects light that is not to be detected, such as excitation light.
  • a color filter that transmits only light having a wavelength to be detected and absorbs light outside the detection target is interposed between the microlens 5 and the light receiving unit 4. It is desirable to provide it.
  • the thickness of the insulating layer 6 is not particularly limited as long as the surface can be flattened, but is preferably about 1 to 30 ⁇ m in relation to the focal length f of the lens.
  • the detection region 2 is provided on the surface of the insulating layer 6 so as to be separated for each light receiving element. Further, the center of the detection region 2 is located on an extension line of a line connecting the center of the light receiving unit 4 of each light receiving element and the center of the lens 5 disposed immediately above the center.
  • the sample 11 is fixed only in the detection region 2, and only light emission in this portion is detected by the light receiving unit 4.
  • the ratio of the detection region 2 in the pixel cell 1 can be set as appropriate in accordance with the size of the light receiving surface of the light receiving element, but is preferably about 1 to 70% from the viewpoint of suppressing crosstalk. .
  • the method for fixing the sample 11 is not particularly limited.
  • the detection region 2 may be subjected to a surface treatment such as a hydrophobic treatment or a hydrophilic treatment, and the sample 11 may be fixed only to that portion.
  • a surface treatment such as a hydrophobic treatment or a hydrophilic treatment
  • an antibody, an adapter, a gene adsorbing substance, or the like that binds to the sample 11 is fixed in advance in the detection region 2 by various printing methods such as an ink jet method, and the sample 11 is bound to the sample 11 to thereby bind the sample 11. Can also be fixed.
  • a method for manufacturing the image sensor 10 configured as described above will be described.
  • a photoelectric conversion unit 3 that includes a plurality of light receiving elements and converts incident light into an electrical signal is formed on a semiconductor wafer.
  • a plurality of microlenses 5 for condensing light toward the light receiving portion 4 of the light receiving element located immediately below the light receiving elements are formed in the region immediately above each light receiving element, and further made of a light transmissive material.
  • An insulating layer 6 is formed.
  • the formation method of these photoelectric conversion part 3, the micro lens 5, and the insulating layer 6 is not specifically limited, A well-known method is applicable.
  • the detection region 2 where the sample to be detected is fixed is separated from each other, and the center is arranged directly above and above the center of the light receiving portion of each light receiving element. It is formed so as to be located on the extended line of the line connecting the center of the lens.
  • the detection region 2 can be subjected to a surface treatment such as a hydrophobic treatment or a hydrophilic treatment, or an antibody, an adapter or a gene adsorbing substance that binds to the sample 11 can be fixed by various printing methods. . Thereby, the sample 11 can be easily fixed only to the detection region 2. Thereafter, the wafer is cut by a known method and separated into individual image sensors 10.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a state during measurement of the image sensor 10
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a state during measurement when the detection region 2 is not limited to the center of the pixel. .
  • the components between the light receiving unit 4 and the microlens 5 are omitted, and the microlens 5 is shown in a biconvex shape for easy viewing.
  • the samples 11a to 11c fixed to the detection region 2 are irradiated with excitation light 12.
  • excitation light 12 fluorescence corresponding to each of the samples 11a to 11c is generated.
  • the fluorescence 13 generated by the excitation light 12 enters the insulating layer 6, is condensed by the microlens 5, and enters the light receiving unit 4 of the light receiving element.
  • the center of the detection region 2 is located on an extension line of a line (optical axis) connecting the center of the microlens 5 and the center of the light receiving unit 4 and only in the vicinity thereof. Luminescence occurs. Thereby, the fluorescence 13 emitted from the sample 11b can be efficiently condensed by the microlens 5, and the detection sensitivity is improved.
  • the image sensor 10 can also prevent crosstalk in which fluorescence emitted from the other samples 11 a and 11 c enters the other light receiving unit 4.
  • the sample 11 is fixed only in the detection region 2 that is located on the extension line of the optical axis of the microlens 5 and is spaced apart for each light receiving element. Therefore, the light collection efficiency can be increased and the propagation of stray light to adjacent pixels can be prevented.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing the configuration of the pixel cell of the image sensor of this embodiment.
  • the same components as those of the pixel cell 1 of the image sensor according to the first embodiment shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • a light shielding mask 22 that shields light is formed in a portion other than the detection region 2 on the surface of the insulating layer 6.
  • the light shielding mask 22 is not particularly limited as long as it absorbs and / or reflects light such as the excitation light 12 or the fluorescence 13 emitted from the sample 11, and the material thereof is not particularly limited. It can be formed of a thin film and a photosensitive resin. Further, the formation method is not particularly limited, and a known method such as dry etching or photolithography can be applied.
  • nuclei are randomly formed at such a density that the nuclei that cause the light emission process enter each non-light-shielding portion (detection region 2) of each pixel cell 21 approximately one by one. be able to.
  • the sample 11 may be fixed to a part other than the detection region 2. For this reason, for example, printing with rougher accuracy may be performed on the light shielding mask 22 to fix the sample 11 and the antibody, adapter, or gene adsorbing substance that binds to the sample 11 to the surface of the pixel cell 21.
  • the light shielding mask 22 is formed in a portion other than the detection region 2, even if the sample 11 is fixed over the entire surface of the pixel cell 21, the adjacent pixel Propagation of stray light to can be prevented.
  • the configuration and effects of the image sensor of this embodiment other than those described above are the same as those of the first embodiment described above.
  • FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the inspection apparatus of the present embodiment.
  • the inspection apparatus 30 according to the present embodiment includes the image sensor 10 according to the first embodiment described above.
  • a light source is applied to the sample 11 injected from the sample injection unit 33.
  • the light emitted from 32 is irradiated and the light emission process is detected.
  • the image processing device 34 of the inspection device 30 includes an image processing unit 34 that processes detection signals, a memory 35 that stores processed data, a display unit 36 that displays data, and data in the memory 35.
  • a transmission unit 37 for transmission is provided.
  • the imaging device 31 is provided with a control unit 38 that controls the image sensor 10, the image processing unit 34, the transmission unit 37, the light source 32, and the sample injection unit 33.
  • the image sensor 10 in which the propagation of stray light to the adjacent pixels is reduced is mounted, the light emission process of the sample can be detected with high accuracy.
  • the case where the image sensor 10 is mounted has been described as an example.
  • the present disclosure is not limited thereto, and even when the image sensor according to the second embodiment is mounted, Similar effects can be obtained.
  • a light source converter that includes a plurality of light receiving elements and converts incident light into an electrical signal; A plurality of lenses that are arranged in a region immediately above each light receiving element and collect light toward a light receiving portion of the light receiving element located immediately below the light receiving element; An insulating layer formed on the lens and made of a light transmitting material; Each of the light receiving elements is provided on the surface of the insulating layer so as to be separated from each other, and the center thereof is located on an extension of a line connecting the center of the light receiving portion of each light receiving element and the center of the lens disposed immediately above the center.
  • a detection area Have An image sensor in which a sample to be detected is fixed at least in the detection region.
  • Image sensor (3) The image sensor according to (1) or (2), wherein a sample to be detected is fixed only in the detection region. (4) The image sensor according to (3), wherein the detection region is subjected to a surface treatment. (5) The image sensor according to (3), wherein an antibody, an adapter, or a gene adsorbing substance that binds to the sample is fixed in the detection region.
  • Forming a photoelectric conversion unit that includes a plurality of light receiving elements on a semiconductor wafer and converts incident light into an electrical signal; Forming a plurality of lenses for condensing light in a region immediately above each light receiving element toward a light receiving portion of the light receiving element located immediately below the light receiving element; Forming an insulating layer made of a light transmissive material on the lens; A detection region where a sample to be detected is fixed for each light receiving element is separated from each other on the surface of the insulating layer, and the center of the light receiving portion of each light receiving element and the center of the lens disposed immediately above the center.
  • a step of forming the wire so as to be positioned on the extended line of the wire A method for manufacturing an image sensor.

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Abstract

【課題】集光効率が高く、かつ画素間のクロストークが少ないイメージセンサ及びその製造方法並びに検査装置を提供する。 【解決手段】複数の受光素子を備え、入射した光を電気信号に変換する光源変換部と、各受光素子の直上域に配置され、その直下に位置する受光素子に向けて光を集光する複数のレンズと、このレンズ上に形成され、光透過材料からなる絶縁層とを備えるイメージセンサにおいて、絶縁層の表面に、受光素子毎にそれぞれ離間して形成され、その中心が、各受光素子の受光部の中心とその直上に配置されたレンズの中心とを結んだ線の延長線上に位置する検出領域を設ける。そして、検出対象の試料を、少なくともこの検出領域に固定する。

Description

イメージセンサ及びその製造方法並びに検査装置
　本技術は、集光構造を備えるイメージセンサ及びその製造方法並びに検査装置に関する。より詳しくは、試料の発光過程を検出するイメージセンサ及びその製造方法並びに検査装置に関する。
　生命科学領域には、微小な発光過程を、多数の試料について同時並行的に検出する分析手法がある。例えば、溶液中に含まれるタンパク質を同定したい場合には、従来、ＥＬＩＳＡ法（Enzyme Linked Immuno Sorbent Assay：酵素免疫測定法）などが利用されている。ＥＬＩＳＡ法は、多数の抗体を配列・固定した基板を、測定対象のタンパク質を含有する溶液に浸漬した後、更に蛍光修飾した抗体にさらし、これを励起光に暴露して顕微鏡などで観察する測定法であり、蛍光の位置からどの抗体が反応したかを判別することができる。
　一方、蛍光をはじめとして発光過程で生じる光の多くは、周囲の空間に等方的に放射される。このため、前述したＥＬＩＳＡ法などのように、発光過程の観察に顕微鏡を用いる方法は、検出効率が顕微鏡の集光効率によって制限され、良好な結果が得られないという問題がある。
　この発光過程における検出効率を向上させる方法としては、受光素子を発光源（試料）近傍に設置することが考えられる。例えば、検出対象の発光過程が、十分に小さい空間で生じる現象であれば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor：相補性金属酸化膜半導体）やＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）イメージセンサを用いることができる。
　その場合、これらのイメージセンサの単位ピクセルに１つの発光過程を対応させる形態で、光検出系を構成することにより、同時並行的に１００万単位の発光過程を、時系列で記録及び解析することができる。また、イメージセンサの表面近傍でこれらの発光過程が出現するような構成とすることで、多数の試料について同時並行的発光過程を、小型の検出系で測定することが可能となる。
　このような理由から、従来、細胞などの生体組織を測定するためのイメージセンサが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。例えば、特許文献１に記載のイメージセンサでは、検出精度を向上させるために、各画素セルのフォトダイオード上面に、励起光の波長域を遮断すると共に蛍光の波長域を透過する光学フィルター層を設けている。
　一方、特許文献２に記載のイメージセンサは、受光面上に反射防止膜を形成することにより、受光面における透過率を向上させて、検出感度の向上を図っている。また、特許文献２に記載のイメージセンサでは、一本鎖プローブＤＮＡなどの生体高分子が多数集まったスポットを、反射防止膜上にマトリクス状に形成し、このスポットに特定のサンプルが結合するようにしている。
特開２００５－２２７１５５号公報 特開２００６－３０１６２号公報
　しかしながら、前述した従来のイメージセンサには、隣接する画素間でクロストークが生じるという問題点がある。例えば、センサ表面近傍で発光過程が生じた場合、前述したように試料から発せられた光は全方向に均等に放射されるため、直下の画素のみならず、その近傍の画素にも影響を与える。このため、従来のイメージセンサでは、ピクセル毎に独立して発光過程を検出することができず、必然的に検出できる発光過程の数が限られてしまう。
　この画素間のクロストークを低減する方法としては、イメージセンサの各画素の間に遮光壁を設けることが考えられるが、その場合、製造工程が複雑になるため、従来のイメージセンサでは、完全な遮光壁は形成されていないのが現状である。
　そこで、本開示は、集光効率が高く、かつ画素間のクロストークが少ないイメージセンサ及びその製造方法並びに検査装置を提供することを主目的とする。
　本開示のイメージセンサは、複数の受光素子を備え、入射した光を電気信号に変換する光源変換部と、各受光素子の直上域に配置され、その直下に位置する受光素子の受光部に向けて光を集光する複数のレンズと、前記レンズ上に形成され、光透過材料からなる絶縁層と、前記絶縁層の表面に受光素子毎にそれぞれ離間して設けられ、その中心が、各受光素子の受光部の中心とその直上に配置されたレンズの中心とを結んだ線の延長線上に位置する検出領域と、を有し、検出対象の試料は少なくとも前記検出領域に固定されるものである。
　このイメージセンサでは、絶縁層の屈折率をｎ、試料からレンズまでの距離をＬとしたとき、前記レンズの焦点距離ｆを、試料とレンズ間の光路長（＝ｎ×Ｌ）よりも短くしてもよい。
　また、前記検出領域にのみ検出対象の試料を固定することができる。
　その場合、前記検出領域には、表面処理が施されていてもよく、又は、前記試料と結合する抗体、アダプター若しくは遺伝子吸着物質が固定されていてもよい。
　更に、前記絶縁層の表面には、前記検出領域以外の部分に、遮光マスクが形成されていてもよい。
　更にまた、前記絶縁層は、シリコンオキサイドにより形成することができる。
　本開示のイメージセンサの製造方法は、半導体ウエハに、複数の受光素子を備え、入射した光を電気信号に変換する光電変換部を形成する工程と、各受光素子の直上域に、その直下に位置する受光素子の受光部に向けて光を集光する複数のレンズを形成する工程と、前記レンズ上に、光透過性材料からなる絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の表面に、受光素子毎に、検出対象の試料が固定される検出領域を、相互に離間し、かつ中心が各受光素子の受光部の中心とその直上に配置されたレンズの中心とを結んだ線の延長線上に位置するように形成する工程と、を有する。
　本開示の検査装置は、前述したイメージセンサが搭載されたものである。
　本開示によれば、絶縁層の表面の各受光素子の中心部の直上域に検出領域が設けられているため、集光効率が向上すると共に、画素間のクロストークを低減することができる。
本開示の第１の実施形態に係るイメージセンサの構成を模式的に示す平面図である。 図１に示す画素セル１の構成を示す断面図である。 （ａ）は本実施形態のイメージセンサ１０における集光状態を示す図であり、（ｂ）は従来のイメージセンサの集光状態を示す図である。 （ａ）はマイクロレンズ５の焦点形成を示す図である、（ｂ）は従来のイメージセンサで測定したときの状態を示す図である。 マイクロレンズ５の焦点距離ｆの好適な条件を示す図である。 図１に示すイメージセンサ１０の測定時の状態を模式的に示す図である。 検出領域を画素の中心部に限定しなかった場合の測定時の状態を模式的に示す図である。 本開示の第２の実施形態に係るイメージセンサの画素セルの構成を示す断面図である。 本開示の第３の実施形態に係る検査装置の構成を示すブロック図である。
　以下、本開示を実施するための形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。
なお、本開示は、以下に示す各実施形態に限定されるものではない。また、説明は、以下の順序で行う。

　１．第１の実施の形態
　　　（画素中心部にのみ試料が固定されるイメージセンサの例）
　２．第２の実施の形態
　　　（検出領域以外の部分に遮光マスクが設けられたイメージセンサの例）
　３．第３の実施の形態
　　　（イメージセンサを搭載した検査装置の例）
＜１．第１の実施の形態＞
　先ず、本開示の第１の実施形態に係るイメージセンサについて説明する。図１は本実施形態のイメージセンサの構成を模式的に示す平面図であり、図２はその画素セル１の構成を示す断面図である。
［全体構成］
　図１及び図２に示すように、本実施形態のイメージセンサ１０では、画素セル１を構成する複数の受光素子がマトリクス状に配設された光電変換部３の上に、複数のマイクロレンズ５が配置されている。そして、各マイクロレンズ５を覆うように絶縁層６が形成されており、絶縁層６上には、画素セル１ごとに検出領域２が設けられている。
［光電変換部３］
　光電変換部３は、各受光素子により、試料１１における発光過程などの光現象を検出して、電気信号として出力する部分である。例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子を用いた場合、各受光素子はＰＮ接合により構成される。また、光電変換部３の各画素セル１のサイズａは、特に限定されるものではないが、例えば０．２～１０μｍ角とすることができる。更に、光電変換部３の厚さｔも、特に限定されるものではないが、従来のイメージセンサと同様に１～１０μｍ程度とすることができる。
［マイクロレンズ５］
　マイクロレンズ５は、光電変換部３に配設された各受光素子の受光部４に向けて光を集光するものであり、画素セル１ごとに受光素子の直上域に配置されている。本実施形態のイメージセンサ１０においては、１つの受光素子に対して１つのマイクロレンズが設けられていてもよいが、１つのマイクロレンズが複数の受光素子に対応する構成としてもよい。また、マイクロレンズ５の形状は、特に限定されるものではなく、平凸レンズや両凸レンズなど各種形状のものを適用することができ、そのアレイ方式も特に限定されるものではなく、適宜選択することができる。
　図３（ａ）は本実施形態のイメージセンサ１０における集光状態を示す図であり、図３（ｂ）は従来のイメージセンサの集光状態を示す図である。また、図４（ａ）はマイクロレンズ５の焦点形成を示す図である、図４（ｂ）は従来のイメージセンサで測定したときの状態を示す図である。更に、図５はマイクロレンズ５の焦点距離ｆの好適な条件を示す図である。更に、なお、図３～図５においては、図を見やすくするために、受光部４とマイクロレンズ５との間の構成要素は省略し、マイクロレンズ５を両凸形状で記載している。
　図３（ｂ）に示すように、従来のイメージセンサでは、通常、平行光を受光面に集光する構造をとっている。このため、マイクロレンズ１０５から受光面である受光部１０４までの屈折率をｎ１、レンズ１０５から結像面までの距離をＬ１としたとき、マイクロレンズ１０５の焦点距離ｆは、ｆ≧Ｌ１×ｎ１となるように設計されている。このため、図４（ｂ）に示すように、従来のイメージセンサ構造の場合、仮に、画素中央部に試料１１を固定したとしても、マイクロレンズ１０５から結像面までの距離Ｌ１は負の値となり、集光しない系となってしまう。
　一方、図３（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、本実施形態のイメージセンサ１０では、検出領域２から発せられ、少なくとも集光途中にある光束を並行又は収束させて、対応する受光部４内に収まるように、マイクロレンズ５の焦点を形成する。具体的には、マイクロレンズ５の焦点距離ｆが、ｆ＜Ｌ２×ｎ２となるように、絶縁層６の厚さ、マイクロレンズ５から受光部４までの距離及び受光素子や受光部４の大きさなどを調整する。ここで、ｎ２は絶縁層６の屈折率、Ｌ２は試料１１からマイクロレンズ５までの距離である。
　更に、マイクロレンズ５の焦点距離ｆは、図５に示すように検出領域２からの光が幾何学的に全て受光部４に入射する条件であることが好ましい。具体的には、検出領域２がマイクロレンズ５の光軸近傍のみに存在する場合は、口径Ｓ２のマイクロレンズ５から出射した光速が、全て、口径Ｓ１の受光部４に入射する条件は、幾何学的には、下記数式（１）で表される。ここで、下記数式（１）におけるＬ１はマイクロレンズ５から受光部４までの距離であり、Ｌ３はマイクロレンズ５から焦点までの距離である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上記数式（１）をＬ３について解くと、下記数式（２）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　そして、検出領域２からの光を、上記数式（２）で表されるＬ３よりも手前で合焦させるためには、マイクロレンズ５の焦点距離ｆが下記数式（３）を満たすようにすればよい。ここで、下記数式（３）におけるｎ１はマイクロレンズ５から受光部４までの屈折率、ｎ２は絶縁層６の屈折率である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　なお、マイクロレンズ５の焦点距離ｆは、下記数式（４）を満たすことが理想である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
［絶縁層６］
　絶縁層６は、光変換部３の保護、受光素子及びその周辺集積回路の電気的絶縁並びに構造的支持、表面の平坦化などのために設けられており、光を透過し、かつ試料１１や受光素子での光検出に影響しない材料で形成されている。具体的には、絶縁層６は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）及び窒化シリコン（ＳｉＮｘ）などの光透過性がある無機材料、ポリイミドなどの高融点でかつ光透過性がある高分子材料で形成することができる。
　また、蛍光などの検出対象の波長の光のみを透過し、励起光など検出対象外の光を吸収又は反射する材料で形成してもよい。更に、絶縁層６が透明材料で形成されている場合は、マイクロレンズ５と受光部４との間に、検出対象の波長の光のみを透過し、検出対象外の光を吸収するカラーフィルターを設けることが望ましい。なお、絶縁層６の厚さは、特に限定されるものではなく、表面を平坦化できる程度であればよいが、レンズの焦点距離ｆとの関係から、１～３０μｍ程度が好適である。
［検出領域２］
　検出領域２は、絶縁層６の表面に、受光素子ごとにそれぞれ離間して設けられている。また、検出領域２の中心は、各受光素子の受光部４の中心とその直上に配置されたレンズ５の中心とを結んだ線の延長線上に位置している。そして、本実施形態のイメージセンサ１０においては、検出領域２にのみ試料１１が固定され、この部分での発光のみが受光部４において検出される。ここで、画素セル１における検出領域２の割合は、受光素子の受光面の大きさなどに応じて適宜設定することができるが、クロストーク抑制の観点から、１～７０％程度が好適である。
　試料１１を固定する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、検出領域２に疎水処理又は親水処理などの表面処理を施し、その部分にのみ、試料１１が固定されるようにしてもよい。また、予め、インクジェット法などの各種印刷方法などにより、検出領域２に、試料１１と結合する抗体、アダプター又は遺伝子吸着物質などを固定しておき、これらに試料１１を結合させることにより、試料１１を固定することもできる。
［製造方法］
　次に、前述の如く構成されるイメージセンサ１０の製造方法について説明する。本実施形態のイメージセンサ１０を製造する場合は、先ず、半導体ウエハに、複数の受光素子を備え、入射した光を電気信号に変換する光電変換部３を形成する。次に、各受光素子の直上域に、その直下に位置する受光素子の受光部４に向けて光を集光する複数のマイクロレンズ５を形成し、更に、その上に光透過性材料からなる絶縁層６を形成する。これら光電変換部３、マイクロレンズ５及び絶縁層６の形成方法は、特に限定されるものではなく、公知の方法を適用することができる。
　次に、絶縁層６の表面に、受光素子毎に、検出対象の試料が固定される検出領域２を、相互に離間し、かつ中心が各受光素子の受光部の中心とその直上に配置されたレンズの中心とを結んだ線の延長線上に位置するように形成する。その際、例えば、検出領域２に、疎水処理や親水処理などの表面処理を施したり、各種印刷方法などによって、試料１１と結合する抗体、アダプター若しくは遺伝子吸着物質などを固定したりすることもできる。これにより、容易に、検出領域２にのみ試料１１を固定することができる。その後、公知の方法によりウエハを切断し、個々のイメージセンサ１０に分離する。
［動作］
　次に、本実施形態のイメージセンサ１０の動作について、蛍光色素で修飾された試料の発光過程を測定する場合を例にして説明する。図６はイメージセンサ１０の測定時の状態を模式的に示す図であり、図７は検出領域２を画素の中心部に限定しなかった場合の測定時の状態を模式的に示す図である。なお、図６及び図７においては、図を見やすくするために、受光部４とマイクロレンズ５との間の構成要素は省略し、マイクロレンズ５を両凸形状で記載している。
　図６に示すように、本実施形態のイメージセンサ１０では、検出領域２に固定された試料１１ａ～１１ｃに励起光１２を照射する。これにより、各試料１１ａ～１１ｃに応じた蛍光が発生する。そして、例えば、試料１１ｂの場合、励起光１２により生じた蛍光１３は、絶縁層６に入射し、マイクロレンズ５で集光され、受光素子の受光部４に入射する。
　このとき、本実施形態のイメージセンサ１０では、検出領域２の中心が、マイクロレンズ５の中心と受光部４の中心を結ぶ線（光軸）の延長線上に位置しており、その近傍でのみ発光が生じる。これにより、試料１１ｂから発せられた蛍光１３を、マイクロレンズ５で効率的に集光することができ、検出感度が向上する。また、イメージセンサ１０は、他の試料１１ａ，１１ｃから発せられた蛍光が他の受光部４に入射するクロストークも防止できる。
　これに対して、図７に示す従来のイメージセンサでは、各画素セル１の全面に試料１１ａ～１１ｃが固定されているため、例えば、励起光１２の照射により試料１１ｂから発せられた蛍光１３は、同一画素セル１内の受光部４に集光されると共に、それ以外にも隣接する他の受光部４にも入射する。即ち、隣接する画素間で、クロストークが生じる。
　以上詳述したように、本実施形態のイメージセンサ１０では、その中心がマイクロレンズ５の光軸の延長線上位置し、受光素子毎に離間して設けられた検出領域２にのみ試料１１が固定されるため、集光効率を高めることができると共に、隣接画素への迷光の伝搬を防止することができる。
＜２．第２の実施の形態＞
　次に、本開示の第２の実施形態に係るイメージセンサについて説明する。図８は本実施形態のイメージセンサの画素セルの構成を示す断面図である。なお、図８においては、図２に示す第１の実施形態のイメージセンサの画素セル１の構成要素と同じものには同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
［全体構成］
　図８に示すように、本実施形態のイメージセンサにおいては、絶縁層６の表面の検出領域２以外の部分に、光を遮光する遮光マスク２２が形成されている。
［遮光マスク２２］
　遮光マスク２２は、励起光１２や試料１１から発せられる蛍光１３などの光を吸収及び／又は反射するものであればよく、その材質は特に限定されるものではないが、例えばアルミニウム薄膜、酸化クロム薄膜及び感光性樹脂などにより形成することができる。また、その形成方法も、特に限定されるものではなく、ドライエッチングや光リソグラフィーなどの公知の方法を適用することができる。
［動作］
　本実施形態のイメージセンサは、例えば、発光過程の要因となる核が、各画素セル２１の非遮光部（検出領域２）に、およそ１つずつ入る程度の密度でランダムに核の形成を行うことができる。また、本実施形態のイメージセンサでは、検出領域２以外の部分にも試料１１が固定されていてもよい。このため、例えば、遮光マスク２２の上から、より荒い精度で印刷など行い、試料１１や、試料１１と結合する抗体、アダプター又は遺伝子吸着物質を画素セル２１の表面に固定してもよい。
　以上詳述したように、本実施形態のイメージセンサでは、検出領域２以外の部分に遮光マスク２２が形成されているため、画素セル２１の表面全域に試料１１が固定されていても、隣接画素への迷光の伝搬を防止することができる。なお、本実施形態のイメージセンサにおける上記以外の構成及び効果は、前述した第１の実施形態と同様である。
＜２．第３の実施の形態＞
　次に、本開示の第３の実施形態に係る検査装置について説明する。図９は本実施形態の検査装置の構成を示すブロック図である。図９に示すように、本実施形態の検査装置３０は、前述した第１の実施形態のイメージセンサ１０が搭載されたものであり、例えば、試料注入部３３から注入された試料１１に、光源３２から出射された光を照射し、その発光過程を検出するものである。
　この検査装置３０の撮像装置３１には、イメージセンサ１０の他に、検出信号を処理する画像処理部３４、処理されたデータを記憶するメモリ３５や表示する表示部３６、メモリ３５内のデータを送信する送信部３７が設けられている。また、撮像装置３１には、イメージセンサ１０、画像処理部３４、送信部３７、光源３２及び試料注入部３３を制御する制御部３８が設けられている。
　本実施形態の検査装置３０では、隣接画素への迷光の伝搬が低減されたイメージセンサ１０を搭載しているため、精度良く試料の発光過程を検出することができる。なお、本実施形態において、イメージセンサ１０が搭載されている場合を例にして説明したが、本開示はこれに限定されるものではなく、第２の実施形態のイメージセンサを搭載した場合でも、同様の効果が得られる。
　また、本開示は、以下のような構成をとることもできる。
（１）
　複数の受光素子を備え、入射した光を電気信号に変換する光源変換部と、
　各受光素子の直上域に配置され、その直下に位置する受光素子の受光部に向けて光を集光する複数のレンズと、
　前記レンズ上に形成され、光透過材料からなる絶縁層と、
　前記絶縁層の表面に受光素子毎にそれぞれ離間して設けられ、その中心が、各受光素子の受光部の中心とその直上に配置されたレンズの中心とを結んだ線の延長線上に位置する検出領域と、
を有し、
　検出対象の試料は少なくとも前記検出領域に固定されるイメージセンサ。
（２）
　絶縁層の屈折率をｎ、試料からレンズまでの距離をＬとしたとき、前記レンズの焦点距離ｆが、試料とレンズ間の光路長（＝ｎ×Ｌ）よりも短い（１）に記載のイメージセンサ。
（３）
　前記検出領域にのみ検出対象の試料が固定される（１）又は（２）に記載のイメージセンサ。
（４）
　前記検出領域には、表面処理が施されている（３）に記載のイメージセンサ。
（５）
　前記検出領域には、前記試料と結合する抗体、アダプター又は遺伝子吸着物質が固定されている（３）に記載のイメージセンサ。
（６）
　前記絶縁層の表面には、前記検出領域以外の部分に、遮光マスクが形成されている（１）～（５）のいずれかに記載のイメージセンサ。
（７）
　前記絶縁層は、シリコンオキサイドにより形成されている（１）～（６）のいずれかに記載のイメージセンサ。
（８）
　半導体ウエハに、複数の受光素子を備え、入射した光を電気信号に変換する光電変換部を形成する工程と、
　各受光素子の直上域に、その直下に位置する受光素子の受光部に向けて光を集光する複数のレンズを形成する工程と、
　前記レンズ上に、光透過性材料からなる絶縁層を形成する工程と、
　前記絶縁層の表面に、受光素子毎に、検出対象の試料が固定される検出領域を、相互に離間し、かつ中心が各受光素子の受光部の中心とその直上に配置されたレンズの中心とを結んだ線の延長線上に位置するように形成する工程と、
を有するイメージセンサの製造方法。
（９）
　（１）～（７）のいずれかに記載のイメージセンサが搭載された検査装置。
　１、２１　画素セル
　２　検出領域
　３　光電変換部
　４、１０４　受光部
　５、１０５　マイクロレンズ
　６　絶縁層
　１０　イメージセンサ
　１１、１１ａ～１１ｃ　試料
　１２　励起光
　１３　蛍光
　ａ　画素セル１のサイズ
　ｔ　光電変換部３の厚さ
　３０　検査装置
　３１　撮像装置
　３２　光源
　３３　試料注入部
　３４　画像処理部
　３５　メモリ
　３６　表示部
　３７　送信部
　３８　制御部

Claims (9)

  1. 　複数の受光素子を備え、入射した光を電気信号に変換する光源変換部と、
    　各受光素子の直上域に配置され、その直下に位置する受光素子の受光部に向けて光を集光する複数のレンズと、
    　前記レンズ上に形成され、光透過材料からなる絶縁層と、
    　前記絶縁層の表面に受光素子毎にそれぞれ離間して設けられ、その中心が、各受光素子の受光部の中心とその直上に配置されたレンズの中心とを結んだ線の延長線上に位置する検出領域と、
    を有し、
    　検出対象の試料は少なくとも前記検出領域に固定されるイメージセンサ。
  2. 　絶縁層の屈折率をｎ、試料からレンズまでの距離をＬとしたとき、前記レンズの焦点距離ｆが、試料とレンズ間の光路長（＝ｎ×Ｌ）よりも短い請求項１に記載のイメージセンサ。
  3. 　前記検出領域にのみ検出対象の試料が固定される請求項１に記載のイメージセンサ。
  4. 　前記検出領域には、表面処理が施されている請求項３に記載のイメージセンサ。
  5. 　前記検出領域には、前記試料と結合する抗体、アダプター又は遺伝子吸着物質が固定されている請求項３に記載のイメージセンサ。
  6. 　前記絶縁層の表面には、前記検出領域以外の部分に、遮光マスクが形成されている請求項１に記載のイメージセンサ。
  7. 　前記絶縁層は、シリコンオキサイドにより形成されている請求項１に記載のイメージセンサ。
  8. 　半導体ウエハに、複数の受光素子を備え、入射した光を電気信号に変換する光電変換部を形成する工程と、
    　各受光素子の直上域に、その直下に位置する受光素子の受光部に向けて光を集光する複数のレンズを形成する工程と、
    　前記レンズ上に、光透過性材料からなる絶縁層を形成する工程と、
    　前記絶縁層の表面に、受光素子毎に、検出対象の試料が固定される検出領域を、相互に離間し、かつ中心が各受光素子の受光部の中心とその直上に配置されたレンズの中心とを結んだ線の延長線上に位置するように形成する工程と、
    を有するイメージセンサの製造方法。
  9. 　請求項１に記載のイメージセンサが搭載された検査装置。
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