(57)【要約】【課題】微細なレンズを形成するのに有利な技術を提供する。【解決手段】レンズアレイの形成方法は、各々が所定の階調分布を有する複数の階調パターンが配列されたフォトマスクを用いて感光性の部材を露光し、前記部材に像を形成する第１露光工程と、前記第１露光工程により形成された像とは異なる位置に像を形成するように、前記フォトマスクをシフトさせて前記部材を露光する第２露光工程と、前記第１露光工程および前記第２露光工程の後に前記部材の現像処理を行い、それぞれがレンズ形状を有する複数のパターンを形成するパターン形成工程と、を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が所定の階調分布を有する複数の階調パターンが配列されたフォトマスクを用いて感光性の部材を露光し、前記部材に像を形成する第１露光工程と、
前記第１露光工程により形成された像とは異なる位置に像を形成するように、前記フォトマスクをシフトさせて前記部材を露光する第２露光工程と、
前記第１露光工程および前記第２露光工程の後に前記部材の現像処理を行い、それぞれがレンズ形状を有する複数のパターンを形成するパターン形成工程と、を含む、
ことを特徴とするレンズアレイの形成方法。
【請求項２】
前記第２露光工程を行う回数をＮとし、前記階調パターンが形成する像の所定方向の寸法をＷとしたときに、
前記Ｎ回の前記第２露光工程では、ｋを１乃至Ｎの自然数として、前記第１露光工程により形成された像とは前記所定方向にｋ×Ｗ／（Ｎ＋１）だけ異なる各位置に像が形成されるように前記フォトマスクをシフトさせてそれぞれ露光する、
ことを特徴とする請求項１に記載のレンズアレイの形成方法。
【請求項３】
前記Ｎを２以上の整数としたときに、
前記Ｎ回の前記第２露光工程により露光する各位置の順序は任意である、
ことを特徴とする請求項２に記載のレンズアレイの形成方法。
【請求項４】
前記所定方向は、前記階調パターンにおける縦方向、横方向および対角方向のいずれか１つである、
ことを特徴とする請求項２または３に記載のレンズアレイの形成方法。
【請求項５】
前記Ｎは１乃至３の１つである、
ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載のレンズアレイの形成方法。
【請求項６】
前記階調パターンは、その階調の濃淡が、当該階調パターンの中心を軸として同心状の分布を有するように設けられている、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレンズアレイの形成方法。
【請求項７】
前記階調の濃淡の強度分布は、球面、二葉双曲面の一方、および放物線を回転させた面のいずれか１つで表せる、
ことを特徴とする請求項６に記載のレンズアレイの形成方法。
【請求項８】
前記複数の階調パターンは、各々が連続的に変化する階調分布を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレンズアレイの形成方法。
【請求項９】
複数の画素が配列された画素アレイを有する基板を準備する工程と、
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のレンズアレイの形成方法により前記基板の上にレンズアレイを形成する工程と、を含み、
前記複数の画素のそれぞれは、前記パターン形成工程で形成された前記複数のパターンのそれぞれにそれぞれ対応している、
ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズアレイの形成方法および固体撮像装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置の光感度を向上させるため、固体撮像装置の画素部の上には複数のマイクロレンズが配列されたレンズアレイが設けられうる。特許文献１には、マイクロレンズの形成方法の一例が開示されている。特許文献１および特許文献２によると、画素部の上に設けられた感光性の部材に対して、階調パターンを有するフォトマスクを用いて露光処理および現像処理を行う。
【０００３】
感光性の部材の露光量の分布は、フォトマスクの階調パターンが有する階調の濃淡の分布にしたがう。よって、階調の濃度の分布を調整することにより、当該部材の現像処理を経てレンズ形状のパターンを形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３６５７８４号公報
【特許文献２】特開２００４−１４５３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の方法によると、各々が所定の階調を有する複数の階調パターンが配列されたフォトマスクを用いてマイクロレンズアレイを形成することができる。しかしながら、より微細なマイクロレンズアレイを形成する場合に、十分な階調を有する階調パターンのフォトマスクを製作することは困難であり、マイクロレンズパターンの微細化は容易ではない。
【０００６】
本発明の目的は、微細なレンズを有するレンズアレイを形成するのに有利な技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一つの側面はレンズアレイの製造方法にかかり、前記レンズアレイの製造方法は、各々が所定の階調分布を有する複数の階調パターンが配列されたフォトマスクを用いて感光性の部材を露光し、前記部材に像を形成する第１露光工程と、前記第１露光工程により形成された像とは異なる位置に像を形成するように、前記フォトマスクをシフトさせて前記部材を露光する第２露光工程と、前記第１露光工程および前記第２露光工程の後に前記部材の現像処理を行い、それぞれがレンズ形状を有する複数のパターンを形成するパターン形成工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、微細なレンズを有するレンズアレイを形成するのに有利な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】レンズアレイの製造工程の一部を説明する図。
【図２】実施形態にしたがうフォトマスクの設置位置を説明する図。
【図３】実施形態にしたがう露光方法による露光量の分布を説明する図。
【図４】フォトレジストのレジスト感度を説明する図。
【図５】フォトマスクにおける光透過率のパターンの例を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、マイクロレンズを備えるレンズアレイの製造工程における露光工程の態様を模式的に示している。本実施形態にかかるレンズアレイの製造方法によると、まず、また、複数の画素Ｐが配列された画素アレイを有する基板１０を準備し、基板１０の上に感光性の部材２０（以下、単に「部材２０」と称する）を形成する（部材形成工程）。部材２０には、後にマイクロレンズ（集光レンズ）となるべき透光性を有する材料、例えば、アクリル系やスチレン系などの光硬化性の合成樹脂を用いればよい。部材２０はスピンコートなどの塗布法により形成できる。複数の画素Ｐのそれぞれは、例えば、光電変換部３０と画素信号を読み出すための複数のトランジスタ（不図示）とを含みうる。複数の画素Ｐのそれぞれは、後述の工程により形成される複数のパターン２１のそれぞれに、それぞれ対応しうる。また、基板１０と部材２０との間には、例えば、信号伝搬用ないし電源供給用の配線パターンが配された配線領域２５を含みうる。
【００１１】
次に、露光用のフォトマスク４０を用いて、部材２０に対して、１回目の露光処理を行う（第１露光工程）。フォトマスク４０には、各々が所定の階調を有する複数の階調パターン５０が配列されている。階調パターン５０の個々は、例えば、その階調の濃淡が、当該パターンの中心を軸として同心状の分布を有するように設けられうる。階調パターン５０の一部または全部であって、階調が連続的に変化している領域がレンズパターン領域である。階調パターン５０の一部には、階調が一様である非レンズパターン領域を含みうるが、レンズパターン領域は階調パターンの全部であることが好ましい。階調の濃淡の強度分布は、部材２０が後にレンズ形状を形成するように調整されていればよく、例えば、球面、二葉双曲面の一方、および放物線（二次曲線）を回転させた面のいずれか１つにより表されうる。なお、フォトマスクは、階調パターンが、露光光の透過の可否を決定するドット（遮光体の点）の疎密にしたがうバイナリマスクの他、階調パターンが透過率の分布にしたがうハーフトーンマスク等、公知の種類のフォトマスクないしレチクルを含む。
【００１２】
次に、図２に例示されるように、フォトマスク４０を所定方向に所定距離だけシフトさせた位置に設置して、部材２０に対して２回目の露光処理を行う（第２露光工程）。フォトマスク４０をシフトさせる方向は、例えば、階調パターン５０における縦方向Ｖ、横方向Ｈおよび対角方向Ｄのいずれか１つとすればよい。縦方向Ｖ、横方向Ｈをまとめて対辺方向と呼ぶことができる。ここで、フォトマスク４０のシフト量は、縮小投影露光装置（ステッパー）を用いる場合は、露光対象である部材２０に対して当該投影倍率を考慮した移動量を示す。フォトマスク４０（の階調パターン５０）の寸法についても、同様にして、フォトマスク４０（の階調パターン５０）が部材２０に形成する像（潜像）の寸法を示す。
【００１３】
図２では、フォトマスク４０を対角方向Ｄにシフトさせた場合を例示している。フォトマスク４０のシフト量Ｌは、階調パターン５０における対角方向Ｄの寸法ＷＤを２で割った値、すなわち、ＷＤ／２とすればよい。なお、フォトマスク４０のシフト量Ｌは、例えば、フォトマスク４０を縦方向Ｖにシフトさせる場合はＷＶ／２とすればよいし、横方向Ｈにシフトさせる場合はＷＨ／２とすればよい。縦方向Ｖ、横方向Ｈ、対角方向Ｄにおける階調パターン５０の寸法ＷＤ、ＷＶ、ＷＨは縦方向Ｖ、横方向Ｈ、対角方向Ｄにおけるレンズパターン領域の配列周期（ピッチ）と一致する。そして、レンズパターン領域が階調パターン５０の全部を占める場合には、縦方向Ｖ、横方向Ｈ、対角方向Ｄにおけるレンズパターン領域の寸法は、ＷＤ、ＷＶ、ＷＨにそれぞれ一致する。しかし、レンズパターン領域が階調パターン５０よりも小さい場合には、縦方向Ｖ、横方向Ｈ、対角方向Ｄにおけるレンズパターン領域の寸法は、ＷＤ、ＷＶ、ＷＨよりも小さくなる。
【００１４】
図３は、本実施形態にかかる各露光工程による部材２０に対する露光量の分布を説明する図である。図３（ａ）は、第１露光工程による部材２０に対する露光量の分布を示している。前述のとおり、階調パターン５０の個々は、部材２０が後にレンズ形状を形成するように階調の濃淡の強度分布が調整されていればよい。よって、階調パターン５０の所定方向の寸法Ｗごと（ここでは、対角方向Ｄの寸法ＷＤごと）に、例えば、山と谷とを周期的に繰り返す分布が得られる。
【００１５】
図３（ｂ）は、図３（ａ）と同様に、第２露光工程による部材２０に対する露光量の分布を示している。第２露光工程による露光量の分布は、図３（ｂ）に示されるように、第１露光工程による露光量の分布を１／２周期だけシフトしたものになっている。図３（ｃ）は、第１露光工程および第２露光工程による部材２０に対する露光量の総和の分布を示している。図３（ｃ）に示されるように、第１露光工程および第２露光工程による露光量の総和の分布は、１／２周期ごとに山と谷とを繰り返す分布が得られる。
【００１６】
最後に、上述の第１露光工程および第２露光工程により合計２回の露光処理が為された部材２０について現像処理を行う。これにより、各々がマイクロレンズとなる複数のパターン２１が形成される（パターン形成工程）。
【００１７】
図４は、部材２０に対する露光量と部材２０の残膜厚との関係を説明する感度図の一例である。例えば、ポジ型の部材２０を用いて露光処理および現像処理を行う場合は、露光量が大きくなると溶解量が大きくなり、部材２０の残膜厚が減少する。上述のとおり、第１露光工程および第２露光工程によって、フォトマスク４０の本来の露光量分布（山および谷の分布）の周期よりも小さい周期の分布が形成されている（図３（ｃ））。例えば、フォトマスク４０が２μｍピッチのマイクロレンズアレイを形成するためのものであった場合には、本実施形態によると、現像処理を経て、１μｍピッチのマイクロレンズアレイを形成することができる。
【００１８】
なお、図３（ｃ）から分かるように、形成されたマイクロレンズアレイのうち最も外側に配された部分については１回しか露光処理が為されておらず、中央領域の各レンズとは形状が異なる。よって、マイクロレンズアレイの外側に配された部分をマイクロレンズとして使用しない場合には、当該部分を除去してもよい。
【００１９】
以上、本実施形態によると、フォトマスクで形成可能なマイクロレンズサイズを４分の１に微細化することが可能である。即ち、本実施形態によると、１回の露光処理の後に現像処理を行って得られることが予定されるマイクロレンズサイズよりも小さいサイズおよびピッチのマイクロレンズを形成することが可能になる。
【００２０】
本実施形態においては、各々が正方形の階調パターン５０が配列されたフォトマスク４０を対角方向Ｄにシフトさせる場合を例示したが、縦方向Ｖや横方向Ｈにシフトさせる場合も同様である。縦方向Ｖや横方向Ｈにシフトさせる態様は、例えば、配列された各階調パターン５０が長方形のフォトマスク４０を用いる場合に適用可能である。具体的には、例えば、階調パターン５０の寸法の縦：横の比が１：２の場合には、フォトマスク４０を横方向Ｈにシフトさせて第２露光工程を行ってもよい。
【００２１】
図５（ａ）は、フォトマスク４０１に配列された複数の階調パターン５０１の１つにおける光透過率の分布を例示している。すなわち、フォトマスク４０１は、縦２０区画、横２０区画の計４００区画の各々の区画が、図５（ａ）に例示されるような光透過率を有する階調パターン５０１を１つの単位として、階調パターン５０１が配列されて構成されている。フォトマスク４０１においては、階調パターン５０１が行列状に隙間なく繰り返し配列されている。対辺方向において互いに隣り合う複数の階調パターン５０１は各々が対辺方向において連続的に変化する階調分布を有する。つまり、フォトマスク４０１は、対辺方向においてレンズパターン領域がギャップレスに配列された、いわゆる対辺ギャップレスレンズ配列を有する。また、対角方向において互いに隣り合う複数の階調パターン５０１は各々が対角方向において連続的に変化する階調分布を有する。つまり、フォトマスク４０１は、対角方向においてレンズパターン領域がギャップレスに配列された、いわゆる対角ギャップレスレンズ配列を有する。対辺ギャップレスレンズ配列かつ対角ギャップレスレンズ配列を有する場合には、レンズパターン領域の輪郭は長方形（正方形を含む）となりうる。これに対して、対辺ギャップレスレンズ配列かつ非対角ギャップレスレンズ配列を有する場合には、レンズパターン領域の輪郭は角丸四角形となりうる。非対辺ギャップレスレンズ配列かつ非対角ギャップレスレンズ配列を有する場合には、レンズパターン領域の輪郭は円形あるいは楕円形となりうる。非対辺ギャップレスレンズ配列や非対辺ギャップレスレンズ配列とは、対辺方向や対角方向においてレンズパターン領域同士の間に透過率が一様な非レンズパターン領域が存在して、階調パターンが不連続に変化する階調分布を有するものである。非レンズパターン領域は、先の露光処理によってもたらされた露光量分布に対して、有効な露光量分布の変化をもたらさない。そのため、非レンズパターン領域はできるだけ狭いこと、好ましくは存在しないことが、良好なレンズ形状を形成する上で有効である。
【００２２】
図５（ｂ）は、このフォトマスク４０１を用いて、上述の第１露光工程および第２露光工程を経たときの総露光量を２行×２列の画素Ｐについて示している。ここで、図５（ｂ）に示された総露光量の各値は、１回あたりの露光光の照射量を１０とし、第１露光工程による光透過率をＴ１とし、第２露光工程による光透過率をＴ２とし、１０×Ｔ１＋１０×Ｔ２として計算している。図５（ｂ）によると、マイクロレンズは、画素Ｐの中心を軸として同心状に対称性を有するように形成されうる。
【００２３】
その他、例えば、各階調パターン５０の濃淡の強度分布が、二葉双曲面の一方の面を形成するようにフォトマスク４０を設計してもよいし、放物線（二次曲線）を回転させることにより描かれる面を形成するようにフォトマスク４０を設計してもよい。特に、階調の濃淡の強度分布が放物線を回転させた面を形成する階調パターンによると、当該パターン形成工程により得られる各パターン２１は、当該パターン２１の中心を軸として同心状に対称な分布を有するように形成されうる。例えば、各パターン２１の４隅におけるそれぞれの高さが均一化され、即ち、各マイクロレンズは、画素Ｐの中心を軸として同心状に対称性を有しうる。
【００２４】
（第２実施形態）
本実施形態は、第２露光工程において、フォトマスク４０をシフトさせた後に露光処理を行う工程を２回以上繰り返す点で、第１実施形態と異なる。すなわち、本実施形態では、第１露光工程と併せて合計３回以上の露光処理が為される。
【００２５】
例えば、第２露光工程において上述のフォトマスクのシフトおよび露光処理を２回行う場合は、第１露光工程の後に、フォトマスク４０のシフト量Ｌは、Ｗ／３（ここでは、対角方向Ｄの寸法ＷＤ／３ごと）とすればよい。すなわち、第１露光工程と併せて合計３回の露光処理が、所定方向にＷ／３だけ互いに異なる位置に設置されたフォトマスク４０を用いて、それぞれ為される。よって、フォトマスクで形成可能なマイクロレンズサイズを９分の１に微細化することが可能である。
【００２６】
同様にして、第２露光工程においてフォトマスク４０をシフトおよび露光処理を３回行う場合は、合計４回の露光処理が、所定方向にＷ／４だけ互いに異なる位置に設置されたフォトマスク４０を用いて、それぞれ為されればよい。よって、上述と同様にして、フォトマスクで形成可能なマイクロレンズサイズを１６分の１に微細化することが可能である。以上、本実施形態によると、マイクロレンズをさらに微細化することが可能である。本実施形態においては、フォトマスク４０を対角方向Ｄにシフトさせる場合を例示したが、縦方向Ｖや横方向Ｈにシフトさせる場合も同様である。
【００２７】
第１実施形態では第２露光工程において露光処理を１回行う場合について述べ、第２実施形態では、第２露光工程においてフォトマスク４０をシフトさせて露光処理を複数回行う場合について述べた。第１実施形態と第２実施形態を総合すると、第１露光工程において１回目の露光を行い、第２露光工程でＮ回の露光を行い、計N＋１回の露光がなされる。Ｎは、第２露光工程を行う回数を示し、１以上の整数（例えば１乃至３のうちの１つ）を示す。すなわち、フォトマスク４０を、第１露光工程におけるフォトマスク４０の位置(初期位置)から、ｋ×Ｗ／（Ｎ＋１）だけ所定方向（縦方向Ｖ、横方向Ｈおよび対角方向Ｄのいずれか）にシフトさせた各位置に設置し、１回ずつの露光処理を行う。ｋは、１乃至Ｎの自然数を示す。Ｗは、階調パターン５０の寸法（縦方向Ｖの寸法ＷＶ、横方向Ｈの寸法ＷＨ、対角方向Ｄの寸法ＷＤ）を示す。Ｎが２以上の整数の場合は、これらの露光処理は任意の順序で為されてもよい。
【００２８】
つまり、例えば第２露光工程の１回目の露光処理における、初期位置からのシフト量は２×Ｗ／（Ｎ＋１）であってもよく、その後に、初期位置から１×Ｗ／（Ｎ＋１）だけシフトした位置で２回目の露光処理を行ってもよい。典型的には所定方向は対角方向Ｗ、シフト量Ｌとしての所定距離はＷ＝ＷＤ＝√（ＷＶ２＋ＷＨ２）より小さい値である。所定方向を対角方向とすることで、階調パターン５０が有する第１露光工程で形成される潜像と相似形であって、第１露光工程で形成される潜像の略Ｎ２分の１に微細化されたレンズ形状の潜像を容易に得えることができる。好適なシフト量Ｌはｋ×Ｗ／（Ｎ＋１）である。しかし、階調パターン５０の対称性を考慮すれば、実際のシフト量はWより大きくてもよい。つまり、ｍを１以上の整数として、初期位置から所定方向にｋ×Ｗ／（Ｎ＋１）＋ｍ×Ｗだけフォトマスク４０を移動させることは、ｋ×Ｗ／（Ｎ＋１）だけフォトマスク４０を移動させることと実質的に等価である。
【００２９】
以上では２つの実施形態を述べたが、本発明はこれに限られるものではなく、目的、状態、用途及び機能その他の仕様に応じて、適宜、変更が可能であり、他の実施形態によっても為されうる。
【００３０】
例えば、以上の各実施形態では、部材２０を露光して現像することによって直接マイクロレンズアレイを形成する場合を示したが、本願発明は、いわゆるエッチバック方式によってマイクロレンズアレイを形成する場合にも適用されうる。具体的には、本願発明にかかるフォトマスク４０のシフトと露光処理とを繰り返して現像処理を行う方法を用いて、レンズ形状のアレイパターンをレンズ用樹脂の層の上に形成する。その後、これに対して異方性ドライエッチングを行うことによって、当該樹脂の層にレンズ形状のアレイパターンを転写し、マイクロレンズアレイが形成されうる。また、レンズアレイはシリンドリカルレンズを横方向に並べたレンチキュラーレンズであってもよく、その場合には第１露光工程の後、横方向のみにシフトして第２露光工程を行えばよい。
【００３１】
以上では、カメラ（撮像システム）の固体撮像装置に設けられるレンズアレイの形成方法について述べたが、カメラの概念には撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。カメラは、例示された固体撮像装置と、この固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部とを含みうる。この処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、および、このＡ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。また、レンズアレイの形成方法は、レンズアレイを備える固体撮像装置の製造のみならず、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなど、レンズアレイを備える表示装置の製造にも適用できる。
【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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