(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の画素からなる画素面上に、各画素毎に独立してマイクロレンズを設けるとともに、該マイクロレンズを、前記画素面の中心部では該マイクロレンズ中心とこれに対応する単一画素の中心とを一致させ、画素面の周辺部にいくに連れて、漸次マイクロレンズ中心と画素中心とをずらす射出瞳補正を行って形成するマイクロレンズの形成方法であって、
マイクロレンズ材料であるレジストを前記画素面上に塗布してレジスト層を形成する工程と、
前記レジスト層をパターニングして各画素毎にそれぞれ独立したレジストパターンを射出瞳補正した状態に形成するとともに、該レジストパターンを、前記画素面の中央部では互いに隣り合うレジストパターン間の間隔を広くし、画素面の周辺部にいくに連れて、互いに隣り合うレジストパターン間の間隔を徐々に狭くして、レジストパターン自体が前記画素面の中央部から周辺側にいくに連れてその体積が徐々に増加していくように形成する工程と、
前記レジストパターンをリフロー処理して上に凸の凸状マイクロレンズを形成するとともに、該凸状マイクロレンズの曲率半径を前記画素面の中央部から周辺にいくに連れて徐々に大きくして、各マイクロレンズに入射する斜め光の光束の量が画素面の中央部と周辺部とで同じになるように調整する工程と、を備えてなる
ことを特徴とするマイクロレンズの形成方法。
【請求項２】
前記マイクロレンズが固体撮像素子の画素面上に設けられることを特徴とする請求項１記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項３】
前記マイクロレンズがイメージセンサの画素面上に設けられることを特徴とする請求項１記載のマイクロレンズの形成方法。
【請求項４】
前記マイクロレンズが液晶表示素子の画素面上に設けられることを特徴とする請求項１記載のマイクロレンズの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多数の画素からなる画素面上に、各画素毎に独立してマイクロレンズを形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のマイクロレンズを備えたものとして、固体撮像素子やエリアセンサ、リニアセンサ等のイメージセンサ、液晶表示素子などが知られている。
中でも固体撮像素子は、その集光効率を高めて感度向上を図るべく、近年ではマイクロレンズを設けるのが普通になってきている。
【０００３】
ところで、このような固体撮像素子においては、これへの入射光が、チップ中央部、すなわち多数の画素からなる画素面の中央部では画面に対して垂直となり、周辺側にいくに連れて垂直から角度をもった斜め光へと変化する。
図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、各光学系における固体撮像素子への結像モデルを示す図であり、図５（ａ）に示すテレセントリック光学系の場合を除き、図５（ｂ）に示す射出瞳がマイナスである光学系の場合、あるいは図５（ｃ）に示す射出瞳がプラスである光学系の場合では、固体撮像素子の画素面上への光の入射角は、その画素面の位置によって変わってくる。
【０００４】
したがって、近年の固体撮像素子では、各単位画素における受光センサ部上にマイクロレンズを形成する場合、画素面全域での感度の均一化を図るため、画素面の周辺側にいくに連れてマイクロレンズの中心を受光センサ部の中心からずらすことにより、斜めの入射光も受光センサ部に確実に入射するように工夫されている。
なお、このようにマイクロレンズの中心と受光センサ部の中心とをずらし、斜め入射光を確実に受光センサ部に入射させることを、本明細書では射出瞳補正と称する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図５（ｂ）に示したような射出瞳マイナス光学系では、前記射出瞳補正を行った従来の固体撮像素子のマイクロレンズでの集光が図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す通りとなる。ここで、図６（ａ）は、固体撮像素子の画素面を示す側面図である図７の、画素面１の中央部Ａでのマイクロレンズ集光状態を示し、同様に図６（ｂ）は図７における中央部Ａより周辺部側のＢでのマイクロレンズ集光状態を示し、図６（ｃ）は図７における周辺部Ｃでのマイクロレンズ集光状態を示している。なお、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）中において符号２は受光センサ部、３はマイクロレンズ、４は遮光膜であり、固体撮像素子の画素面上に入射した光は、これらの図に示すようにマイクロレンズ３で集光されてこれの下方に位置する受光センサ部２に入射するようになっている。
【０００６】
図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、画素面１上に形成されたマイクロレンズ３はいずれも同じ曲率であり、したがって同一の曲率半径Ｒを有しているものの、斜め光に対する集光効率をよくするため、画素面中心から周辺にいくに連れてマイクロレンズ３の中心が受光センサ部２の中心より画素面中心にずれるように射出瞳補正されている。（ＬA ＝０＜ＬB ＜ＬC ；ただし、ＬA 、ＬB 、ＬC はマイクロレンズ３の中心と受光センサ部２の中心との距離）。
【０００７】
したがって、該マイクロレンズ３で受ける入射光の光束の量は、図８に示すように像面照度における「ＣＯＳＩＮ４乗則」にしたがい、画素面１の中央部Ａから周辺部Ｃにいくに連れ、ＷA 、ＷB 、ＷC の順に小さくなる。
なお、「ＣＯＳＩＮ４乗則」は、図８から以下のように示される。
Ｅ＝Ｅ0 ×ＣＯＳ4 ω
ただし、Ｅ  ：光軸外の放射照度〔１ｍ／ｍ2 〕
Ｅ0 ：光軸上の放射照度〔１ｍ／ｍ2 〕
ω  ：被写体の主光線が光軸となす角
【０００８】
このように射出瞳補正のみでは、画素面１の中央部Ａから周辺部Ｃにいくに連れて入射光の光束の量が少なくなるので、画素面１内で均一な放射強度をもつ平面物体を撮像したとき、得られる表示画面は図９に示すように中央部で明るく周辺側にいくに連れて徐々に暗くなり、感度シェーディング（不具合）が発生して実物とは異なってしまうのである。
【０００９】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、マイクロレンズの集光位置による感度不均一性を改善することのできる、マイクロレンズの形成方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロレンズの形成方法では、多数の画素からなる画素面上に、各画素毎に独立してマイクロレンズを設けるとともに、該マイクロレンズを、前記画素面の中心部では該マイクロレンズ中心とこれに対応する単一画素の中心とを一致させ、画素面の周辺部にいくに連れて、漸次マイクロレンズ中心と画素中心とをずらす射出瞳補正を行って形成するに際し、まず、マイクロレンズ材料であるレジストを前記画素面上に塗布してレジスト層を形成し、次に、前記レジスト層をパターニングして各画素毎にそれぞれ独立したレジストパターンを射出瞳補正した状態に形成するとともに、該レジストパターンを、前記画素面の中央部では互いに隣り合うレジストパターン間の間隔を広くし、画素面の周辺部にいくに連れて、互いに隣り合うレジストパターン間の間隔を徐々に狭くして、レジストパターン自体が前記画素面の中央部から周辺側にいくに連れてその体積が徐々に増加していくように形成し、その後、前記レジストパターンをリフロー処理して上に凸の凸状マイクロレンズを形成するとともに、該凸状マイクロレンズの曲率半径を前記画素面の中央部から周辺にいくに連れて徐々に大きくして、各マイクロレンズに入射する斜め光の光束の量が画素面の中央部と周辺部とで同じになるように調整することを前記課題の解決手段とした。
【００１１】
この形成方法によれば、射出瞳補正を行うだけでなく、その曲率半径を画素面の中央部から周辺にいくに連れて徐々に大きくしてマイクロレンズを形成するので、得られるマイクロレンズはその集光位置による感度不均一性が改善されたものとなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、多数の画素からなる画素面上に、各画素毎に独立してマイクロレンズを形成する方法であり、詳しくは、射出瞳補正を行うとともに、画素面の中央部から周辺側にいくに連れて曲率半径を徐々に大きくしてマイクロレンズを形成する方法である。
【００１３】
このようにして形成されるマイクロレンズとしては、種々のものに適用可能であり、具体的には固体撮像素子やエリアセンサ、リニアセンサ等のイメージセンサ、さらには液晶表示素子などにも用いられる。なお、液晶表示素子としては、点光源から発せられる光を各画素がマイクロレンズで集め、映し出すタイプのものはもちろん、バックライト付きのものにも適用することができる。
【００１４】
以下、本発明のマイクロレンズの形成方法を、固体撮像素子のマイクロレンズの形成に適用した例を基に詳しく説明するが、これに先立ち、本発明方法が適用される固体撮像素子の概略構成について説明する。
図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明が適用された固体撮像素子の一例を示す図であり、（ａ）は固体撮像素子の平面図、（ｂ）は図４（ａ）中ｂで示す位置における単位画素部の、水平方向（Ｈ方向）での側断面図、（ｃ）は図４（ａ）中ｃで示す位置における単位画素部の、垂直方向（Ｖ方向）での側断面図である。
【００１５】
図４（ｂ）、（ｃ）において符号１０は固体撮像素子、１１はシリコン基板である。シリコン基板１１には、その表層部に光電変換をなす受光センサ部１２が形成されており、その一方の側には読み出しゲート（図示略）を介して垂直転送部１３（図４（ｂ）参照）が、また他方の側にはチャネルストップ（図示略）を介して別の垂直転送部１３が形成されている。
なお、受光センサ部１２が一つ形成されることにより、基本的にこの箇所にて独立した単一の画素が構成されるようになっている。
シリコン基板１１の表面部にはＳｉＯ2 からなる絶縁膜１４が形成されており、この絶縁膜１４の上には第１ポリシリコンからなる第１転送電極１５と第２ポリシリコンからなる第２転送電極１６（図４（ｃ）参照）とが一部重なり合う状態で形成されている。
【００１６】
これら第１転送電極１５、第２転送電極１６上にはこれらを覆って絶縁膜（図示略）が形成されており、該絶縁膜上には前記受光センサ部１２の直上部の一部を開口した状態に遮光膜１７が形成されている。
遮光膜１７の上にはこれを覆って保護膜１８が形成され、さらにその上にはカラーフィルタ層１９を介してマイクロレンズ２０が形成されている。ここで、このマイクロレンズ２０は、本発明の方法によって形成されたものとなっているのである。
【００１７】
このマイクロレンズ２０を形成するには、まず図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、図４（ｂ）、（ｃ）においてカラーフィルタ層１９までを形成したもののカラーフィルタ層１９上に、すなわち各受光センサ部１２毎に単一画素が形成されてなる画素面上に、マイクロレンズ材料であるレジストを塗布してレジスト層を形成し、さらに、このレジスト層をパターニングして各画素毎にそれぞれ独立した矩形状のレジストパターン２１ａ、２１ｂ、２１ｃを形成する。ここで、図１（ａ）は前記図７に示した、画素面１の中央部Ａに形成したレジストパターン２１ａを示し、図１（ｂ）は図７における中央部Ａより周辺部側のＢに形成したレジストパターン２１ｂを示し、図６（ｃ）は図７における周辺部Ｃに形成したレジストパターン２１ｃを示している。
【００１８】
このようなレジストパターン２１ａ、２１ｂ、２１ｃの形成に際しては、従来と同様にこれらレジストパターン２１ａ、２１ｂ、２１ｃを射出瞳補正するとともに、該レジストパターン２１ａ、２１ｂ、２１ｃを、図７に示した画素面１の中央部Ａでは図１（ａ）に示すように互いに隣り合うレジストパターン２１ａ、２１ａ間の間隔ＧA を広くし、以下、画素面の周辺部にいくに連れて、互いに隣り合うレジストパターン間の間隔を徐々に狭くして形成する。
【００１９】
すなわち、図７に示した画素面１のＢでは、図１（ｂ）に示すようにレジストパターン２１ｂ、２１ｂ間の間隔ＧB を前記ＧA より狭くし、さらに図７に示した画素面１の周辺部Ｃでは、図１（ｃ）に示すようにレジストパターン２１ｃ、２１ｃ間の間隔ＧC を前記ＧB より狭くする。このようにして画素面１の中央部から周辺側にいくに連れてレジストパターン間の間隔を徐々に狭くしていくと、レジストパターン自体は中央部から周辺側にいくに連れてその体積が徐々に増加していく。
【００２０】
なお、これらレジストパターン２１ａ、２１ｂ、２１ｃについては、従来と同様に射出瞳補正を行うべく、画素面１の中央部から周辺部にいくに連れて、各レジストパターンの中心とこれの直下に位置する受光センサ部１２の中心とを徐々にずらして形成する。したがって、レジストパターン形成に用いる露光用のマスクについては、射出瞳補正がなされると同時に、レジストパターン間の距離が徐々に狭くなるように予め設計され作製されている。
【００２１】
また、レジストパターン間の距離が徐々に狭くなる度合いについては、後述するように該レジストパターン間の距離の差により形成されるレジストパターンの体積に差が生じ、これによって得られるマイクロレンズの曲率半径に差が生じ、このため各マイクロレンズに入射する斜め光の光束の量が画素面１の中央部と周辺部とで同じになるように調整される。
【００２２】
このようにしてレジストパターン２１ａ、２１ｂ、２１ｃを形成したら、これらレジストパターン２１ａ、２１ｂ、２１ｃをリフローベーク処理し、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように上に凸の凸状マイクロレンズ２０ａ、２０ｂ、２０ｃを形成する。
形成されたマイクロレンズ２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、射出瞳補正されて形成されているのはもちろん、レジストパターン自体が中央部から周辺側にいくに連れてその体積が増加していることにより、その曲率半径も画素面１の中央部から周辺部にいくに連れて徐々に大きくなっている。
【００２３】
すなわち、このように本発明によって得られたマイクロレンズ２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、斜め光に対する集光効率をよくするため、画素面中心から周辺にいくに連れてマイクロレンズの中心が受光センサ部１２の中心より画素面中心にずれて射出瞳補正されている（ＬA ＝０＜ＬB ＜ＬC ；ただし、ＬA 、ＬB 、ＬC はマイクロレンズの中心と受光センサ部１２の中心との距離）だけでなく、その曲率半径がｒA 、ｒB 、ｒC の順に徐々に大きくなっているのである（ｒA ＜ｒB ＜ｒC ）。
したがって、これらマイクロレンズ２０ａ、２０ｂ、２０ｃで受ける入射光の光束の量は、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示したように同じＷに統一され、これにより各画素の受光センサ部１２で取り込む光が同じになり、よって放射強度が均一なものについては均一に表示（絵出し）することができるようになる。
【００２４】
よって、本発明のマイクロレンズの形成方法にあっては、射出瞳補正を行うだけでなく、その曲率半径ｒA 、ｒB 、ｒC を画素面の中央部から周辺にいくに連れて徐々に大きくなるようにマイクロレンズ２０ａ、２０ｂ、２０ｃを形成するので、その集光位置による感度不均一性を改善し、したがって画素面の中央部と周辺部とで画質に差のない表示が可能となるようにマイクロレンズを形成することができる。
また、このようにして得られた固体撮像素子にあっては、従来の構成からなるマイクロレンズを用いた固体撮像素子では射出瞳距離プラスまたはマイナスの場合に、撮像エリア（画素面）中心から周辺側にいくに連れて集光ポイントが受光面からその上側に移動する現象があったが、これを抑制することもできる。
【００２５】
なお、本発明はこのような固体撮像素子のマイクロレンズの形成に限定されることなく、前述したようにエリアセンサ、リニアセンサ等のイメージセンサや、液晶表示素子にも適用される。例えば液晶表示素子に適用すれば、画像を映し出す液晶表示素子の光源から遠くなるほどマイクロレンズを大きくし、光源から発せられる光を各画素毎にマイクロレンズで集めることにより、画面を同一輝度にすることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のマイクロレンズの形成方法は、射出瞳補正を行うだけでなく、その曲率半径を画素面の中央部から周辺にいくに連れて徐々に大きくしてマイクロレンズを形成する方法であるから、得られるマイクロレンズについて、その集光位置による感度不均一性を改善することができる。
したがって、本発明を例えば固体撮像素子の製造に適用した場合に、ＣＯＳＩＮＥ４乗則に伴う像面照度不均一性を改善することができ、さらに、射出瞳距離がプラスまたはマイナスの光学系である場合に、固体撮像素子の撮像エリア中心から周辺にかけてマイクロレンズの集光ポイントが変化することによる、感度不均一性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明を固体撮像素子のマイクロレンズの形成に適用した場合の例を説明するための図であり、レジストパターンを形成した状態を表す要部側面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明を固体撮像素子のマイクロレンズの形成に適用した場合の例を説明するための図であり、図１に続いてマイクロレンズを形成した状態を表す要部側面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明を固体撮像素子のマイクロレンズの形成に適用した場合の例を説明するための図であり、形成されたマイクロレンズの状態を説明するための要部側面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明が適用された固体撮像素子の一例を示す図であり、（ａ）は固体撮像素子の平面図、（ｂ）は（ａ）中ｂで示す位置における単位画素部の、水平方向（Ｈ方向）での側断面図、（ｃ）は（ａ）中ｃで示す位置における単位画素部の、垂直方向（Ｖ方向）での側断面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、各光学系における固体撮像素子への結像モデルを示す図であり、（ａ）はテレセントリック光学系の場合を示す図、（ｂ）は射出瞳がマイナスである光学系の場合を示す図、（ｃ）は射出瞳がプラスである光学系の場合を示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、従来の固体撮像素子におけるマイクロレンズの形成方法を説明するための図であり、形成されたマイクロレンズの状態を説明するための要部側面図である。
【図７】固体撮像素子の画素面を示す側面図である。
【図８】ＣＯＳＩＮ４乗則の説明図である。
【図９】感度シューディングが発生した表示画面の様子を模式的に示す図である。
【符号の説明】
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…マイクロレンズ、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…レジストパターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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