(57)【要約】【課題】フローレンズタイプのマイクロレンズの製造方法であって、平面上にマトリクス配列される平面視矩形で凸面状のマイクロレンズの対角方向に隣接するマイクロレンズとの隙間を小さくするためのマイクロレンズの製造方法を、工程負荷の増大や品質の低下を招くことなく、提供し、また、それに使用するフォトマスクを提供すること。【解決手段】マイクロレンズの製造工程が、マイクロレンズの素材となる透明樹脂に感光性を付与して均一に塗布し、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー法により選択的にパターン形成した後に、材料の熱リフロー性を利用してレンズ形状を作る工程からなり、前記フォトマスクのパターンは、概ね矩形状のパターンが、縦横にマトリクス配列され、各矩形角部に繋げて対角方向の隙間を狭めるように小パターンを付加した形状とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面上に平面視矩形で凸面状のマイクロレンズをマトリクス配列するマイクロレンズの製造方法であって、
マイクロレンズの製造工程が、マイクロレンズの素材となる透明樹脂に感光性を付与して均一に塗布し、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー法により選択的にパターン形成した後に、透明樹脂材料の熱リフロー性を利用してレンズ形状を作る工程からなり、
前記フォトマスクのパターンは、概ね矩形状のパターンが、縦横にマトリクス配列され、各矩形角部に繋げて対角方向の隙間を狭めるように小パターンを付加した形状としたことを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
【請求項２】
前記マイクロレンズの素材となる感光性を付与した透明樹脂材料が、アクリル系またはノボラック系のポジ型レジスト材料からなることを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項３】
前記感光性透明樹脂層の膜厚を乾燥時で０．３〜０．５μｍとし、マトリクス配列のパターンピッチを２〜３μｍとする場合の、フォトマスクパターン上での対角方向に付加した小パターン間の隙間の距離を０．２〜０．３μｍとすることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロレンズの製造方法に用いるフォトマスクであって、概ね矩形状のパターンが、縦横にマトリクス配列され、各矩形角部に繋げて対角方向の隙間を狭めるように小パターンを付加した形状としたことを特徴とするマイクロレンズ製造用フォトマスク。
【請求項５】
対角方向に隣接するパターンとの隙間の距離が、矩形辺部のパターン間の縦方向の隙間と横方向の隙間の最大距離の０．５以上、かつ、最小距離の１以下となるように形成したことを特徴とする請求項４に記載のマイクロレンズ製造用フォトマスク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子等の集光に用いるマイクロレンズの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、撮像装置は画像の記録、通信、放送の内容の拡大に伴って広く用いられるようになっている。撮像装置として種々の形式のものが提案されているが、小型、軽量で高性能のものが安定して製造されるようになった固体撮像素子を組み込んだ撮像装置が、デジタルカメラやデジタルビデオとして普及してきている。
【０００３】
固体撮像素子は、撮影対象物からの光学像を受け、入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換素子を有する。光電変換素子の種類はＣＣＤ（電荷結合素子）タイプとＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）タイプとに大別される。また、光電変換素子の配列形態から、光電変換素子を1列に配置したリニアセンサ（ラインセンサ）と、光電変換素子を縦横に２次元的に配列させたエリアセンサ（面センサ）との２種類に大別される。いずれのセンサにおいても光電変換素子の数（画素数）が多いほど撮影された画像は精密になるので、近年は特に、大画素数の固体撮像素子を安価に製造する方法が検討されている。小型化した固体撮像素子で撮影した画像の情報量を多くするためには、受光部となる光電変換素子を微細化して高集積化する必要がある。
光電変換素子を微細化した場合、各光電変換素子の面積が小さくなり、受光部として利用できる面積割合も減るので、光を取り込む面積が小さくなるため、光電変換素子の受光部に取り込める光の量が少なくなり、実効的な感度は低下する。このため、固体撮像素子に要求される性能で重要な課題の一つに、入射する光への感度を向上させることが挙げられる。
【０００４】
微細化した固体撮像素子の感度の低下を防止するための手段として、光電変換素子の受光部に効率良く光を取り込むために、対象物から入射される光を集光して光電変換素子の受光部に導くマイクロレンズを光電変換素子上に形成する技術が提案されている。マイクロレンズで光を集光して光電変換素子の受光部に導くことで、受光部の見かけ上の開口率を大きくすることが可能になり、固体撮像素子の感度の向上が可能になる。
図２は、着色透明樹脂パターンからなるカラーフィルタ画素上に１画素毎に１個の無色透明なマイクロレンズを設けて集光し、色分解した光を光電変換素子の受光部に導くカラー化した固体撮像素子の構造例を説明するための模式断面図である。
カラー化した固体撮像素子１は、半導体基板２上に規則的に設けた複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面４に、透明平坦化層５を介して、複数色を繰り返し配列する着色透明画素パターン８を光電変換素子３に対応させて複数設け、さらに第二の透明平坦化層５１により着色透明画素パターン８を配列した平面上の平坦化を行った後に、上記のマイクロレンズ６を着色透明画素パターン８および光電変換素子３に対応させて設けることにより、感度の向上を図ることができる。
【０００５】
上述のマイクロレンズを形成する方法として、種々の提案がなされているが、感光性樹脂の熱溶融を伴う変形を利用する方法が主である。
例えば、マイクロレンズの素材となる透明樹脂に感光性を付与して均一に塗布し、フォトリソグラフィー法により選択的にパターン形成した後に、材料の熱リフロー性を利用してレンズ形状を作るフローレンズタイプ（特許文献１参照）や、マイクロレンズの素材となる透明樹脂の平坦層の上に、アルカリ可溶性と感光性と熱リフロー性を有するレジスト材料を用いてフォトリソグラフィー法と熱リフローによりレンズ母型を形成し、ドライエッチング法によりレンズ母型の形状を透明樹脂層に転写する転写タイプ（特許文献２参照）
がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−３４５０９号公報
【特許文献２】特開２００９−１５２３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図３は、エリアセンサに使用するマイクロレンズの平面配列において隣接するマイクロレンズとの隙間を説明するための模式平面図であって、（ａ）は、望ましい形状を示し、（ｂ）は、通常の隙間を有する形状を示す。
図３（ａ）に示すように、太線で示す正常な矩形が隅まで形成されていれば、個々のマイクロレンズ６の集光機能を最大に発揮でき、それを用いる固体撮像素子の感度を充分に向上できる。なお、点線の円周は、太線の矩形内で凸面状となるマイクロレンズ形状を平面表示するものである。樹脂の熱溶融を利用することの多いマイクロレンズの製造工程においては、隣接するマイクロレンズ間の融着を防ぐ必要があるため、前述の望ましい形状を得ることが容易でない。特に、図３（ｂ）に示す通常の隙間を有する形状のように、マイクロレンズ６１の平面形状が太線で示す隅の丸まった不完全な矩形の形状となる。従って、対角方向に隣接するマイクロレンズとの隙間７が無視できない大きさとなり、それを用いる固体撮像素子の感度を充分に向上することができない。
【０００８】
一般に、マイクロレンズを形成する方法として用いられる上述の転写タイプは、フローレンズタイプと比較して、工程条件の調整により隙間の少ない望ましい形状に近付けることが可能である。しかし、製造工程が長くなることによる良品率の低下や品質の均一性障害、製造コストの増大が問題であるため、用途に応じて、より簡単に製造できるフローレンズタイプが用いられる。特に、マイクロレンズのパターンピッチが２μｍ以上の場合には、レンズ隙間による固体撮像素子の感度低下の悪影響を、パターンピッチが２μｍ未満の場合より相対的に小さくできるので、フローレンズタイプをある程度許容できる。とは言え、対角方向に隣接するマイクロレンズとの隙間７により、マイクロレンズが組み込まれる固体撮像素子の感度低下に与える影響が好ましくないことは変わらず、隙間を小さくすることが課題として残る。
【０００９】
本発明は、前記の問題点に鑑みて提案するものであり、本発明が解決しようとする課題は、フローレンズタイプのマイクロレンズの製造方法であって、平面上にマトリクス配列される平面視矩形で凸面状のマイクロレンズの対角方向に隣接するマイクロレンズとの隙間を小さくするためのマイクロレンズの製造方法を、工程負荷の増大や品質の低下を招くことなく提供し、また、それに使用するフォトマスクを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、平面上に平面視矩形で凸面状のマイクロレンズをマトリクス配列するマイクロレンズの製造方法であって、マイクロレンズの製造工程が、マイクロレンズの素材となる透明樹脂に感光性を付与して均一に塗布し、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー法により選択的にパターン形成した後に、透明樹脂材料の熱リフロー性を利用してレンズ形状を作る工程からなり、前記フォトマスクのパターンは、概ね矩形状のパターンが、縦横にマトリクス配列され、各矩形角部に繋げて対角方向の隙間を狭めるように小パターンを付加した形状としたことを特徴とするマイクロレンズの製造方法である。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、前記マイクロレンズの素材となる感光性を付与した透
明樹脂材料が、アクリル系またはノボラック系のポジ型レジスト材料からなることを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズの製造方法である。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、前記感光性透明樹脂層の膜厚を乾燥時で０．３〜０．５μｍとし、マトリクス配列のパターンピッチを２〜３μｍとする場合の、フォトマスクパターン上での対角方向に付加した小パターン間の隙間の距離を０．２〜０．３μｍとすることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロレンズの製造方法である。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロレンズの製造方法に用いるフォトマスクであって、概ね矩形状のパターンが、縦横にマトリクス配列され、各矩形角部に繋げて対角方向の隙間を狭めるように小パターンを付加した形状としたことを特徴とするマイクロレンズ製造用フォトマスクである。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、対角方向に隣接するパターンとの隙間の距離が、矩形辺部のパターン間の縦方向の隙間と横方向の隙間の最大距離の０．５以上、かつ、最小距離の１以下となるように形成したことを特徴とする請求項４に記載のマイクロレンズ製造用フォトマスクである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、マイクロレンズの製造工程が、マイクロレンズの素材となる透明樹脂に感光性を付与して均一に塗布し、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー法により選択的にパターン形成した後に、透明樹脂材料の熱リフロー性を利用してレンズ形状を作る工程からなり、前記フォトマスクのパターンは、概ね矩形状のパターンが、縦横にマトリクス配列され、各矩形角部に繋げて対角方向の隙間を狭めるように小パターンを付加した形状としたことを特徴とするマイクロレンズの製造方法であるので、
平面上にマトリクス配列される平面視矩形で凸面状のマイクロレンズの対角方向に隣接するマイクロレンズとの隙間を小さくするためのフローレンズタイプのマイクロレンズの製造方法を、工程負荷の増大や品質の低下を招くことなく、提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に使用するフォトマスクのパターン配置の一例を説明するための模式平面図であって、（ａ）は、複数単位のパターン集合部分の例を示し、（ｂ）は、（ａ）の中央部分のみを拡大した図である。
【図２】マイクロレンズを用いるカラー化した固体撮像素子の構造例を説明するための模式断面図である。
【図３】マイクロレンズの平面配列において隣接するマイクロレンズとの隙間を説明するための模式平面図であって、（ａ）は、望ましい形状を示し、（ｂ）は、通常の隙間を有する形状を示す。
【図４】本発明におけるマイクロレンズの製造方法を説明するための断面模式図であって、（ａ）〜（ｄ）は工程順に例示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面に従って、本発明を実施するための形態について説明する。
まず、本発明を適用するマイクロレンズの製造工程について、カラー固体撮像素子にマイクロレンズを設ける例に従って、図４の（ａ）〜（ｄ）の工程順の断面模式図により詳細を説明する。なお、本図では明示していないが、本発明は、マイクロレンズ間の平面視形状を最適にする目的であるので、平面上にマイクロレンズがマトリクス配列される例を、前提としている。
【００１８】
図４（ａ）は、カラー固体撮像素子のマイクロレンズを設ける前の断面模式図であって
、シリコン等の半導体基板２上に規則的に設けた複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面に、透明平坦化層５を介して、複数色を繰り返し配列する着色透明画素パターン８を光電変換素子３に対応させて複数設け、さらに第二の透明平坦化層５１により着色透明画素パターン８を配列した平面上の平坦化を行った後に、マイクロレンズ６２の素材となる透明樹脂に感光性を付与した感光性透明樹脂層６５を均一に塗布形成した状態を表す。感光性透明樹脂層６５は、アクリル系またはノボラック系の透明樹脂材料にポジタイプの感光性を与えたポジレジストをスピンコーターを用いて乾燥後の膜厚が０．３〜０．５μｍになるように均一に塗布して形成できる。乾燥工程にはホットプレートで１００℃以下の加熱を行い、短時間で均一に乾燥できる。
【００１９】
次に、フォトリソグラフィー法により感光性透明樹脂層６５をパターニングする。露光工程は、図４（ｂ）に示すように、ポジ型の感光性透明樹脂層の残すべき領域に対応して遮光部３１のパターンを設け、他を光透過部３２として予めパターン形成したフォトマスク３０を、対象とする基板に対して正確に位置合わせし、例えば、水銀ランプ光源からの波長３６５ｎｍ光を用いるｉ線ステッパーからの平行な照射光９をフォトマスク３０の背面から照射することにより露光できる。露光条件は、使用する感光性透明樹脂材料の膜厚、感度、また、現像液の条件等により決定する。
【００２０】
次に、現像工程を行って、図４（ｃ）に示すように、感光性透明樹脂層パターン６６を形成する。現像には、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）やアミン系の有機アルカリ現像液を用いることができる。スピン現像やパドル現像の方法により、現像処理を均一に進めることができ、フォトマスク３０の遮光部３１に対応する感光性透明樹脂層パターン６６を残して、他を溶解除去する。
【００２１】
次に、図４（ｄ）に示すように、感光性透明樹脂層パターン６６を、材料の熱リフロー性を利用して熱溶融により成形することにより、凸面状のマイクロレンズ６２を形成する。本工程の熱溶融には、ホットプレート装置を用いて、例えば、１６０℃加熱後に２５０℃の高温加熱を行うというステップベイキングの手法により、材料溶融時の表面張力で規制される半球面形状を良好に形成することができる。上記加熱温度が、下層材料に悪影響を与えない条件で決める必要があることは言うまでも無い。
【００２２】
図１は、本発明に使用するフォトマスクのパターン配置の一例を説明するための模式平面図であって、（ａ）は、複数単位のパターン集合部分の例を示し、（ｂ）は、（ａ）の中央部分のみを拡大した図である。
本例におけるフォトマスク１０は、前述の製造工程の説明に用いたポジ型レジスト材料に対応するものである。フローレンズタイプのマイクロレンズにおいては、隣接するマイクロレンズ間の融着を直接的に防ぐために、予め、マイクロレンズ間に一定の隙間を設けることを前提とした設計を行う。すなわち、マイクロレンズをマトリクス配列するための画素区画の仮想線１３を一点鎖線で示すと、遮光部とした矩形状パターン１１で形成されるフォトマスクの繰り返しパターンは、それぞれ画素区画仮想線１３の内側に、画素区画仮想線１３から対称的な光透過部１２を設けて形成される。本例に限らず、遮光部は概ね矩形状のパターンであり、本パターンにより遮光されてフォトリソグラフィー処理された感光性透明樹脂層パターン６６の平面形状も略同形となる。感光性透明樹脂層パターン６６を熱溶融により成形した凸面状のマイクロレンズ６２の平面外形は、熱リフローにより若干の平面輪郭の変化を伴うものの、隣接するマイクロレンズとの独立を保つ程度に隙間を設けるものとする。しかし、本発明の課題で述べた通り、前記隙間は、図３（ｂ）に示したような、対角方向に隣接するマイクロレンズとの隙間７が無視できない大きさの、隅の丸まった不完全な矩形の形状となるマイクロレンズ６１を作るものであってはならない。
【００２３】
本発明は、上記の要請に応えるためのフォトマスク１０のパターンとするために、図１
（ａ）に示す点線三角形で表した例のように、各矩形角部に繋げて対角方向の隙間を狭めるように付加した遮光部を有する小パターン１４を備えたフォトマスクパターンとする。そして、この点線三角形の三つの頂点のうちの第一の頂点は、対角方向に隣接する矩形パターンの角部同士を結ぶ対角線上に位置しており、他の二つの頂点は、それぞれ、前記矩形角部を挟む２辺の上に位置している。なお、点線三角形は、第一の頂点を挟む二等辺三角形とする小パターンとすることができる。
すなわち、本発明に使用するフォトマスクは、概ね矩形状のパターンが、縦横にマトリクス配列され、各矩形角部に繋げて対角方向の隙間を狭めるように小パターンを付加した形状とすることを特徴とする。
前記小パターン１４は、マトリクス配列される矩形状パターン１１の各矩形角部に繋げて全ての対角方向の隙間に向けて形成することが望ましく、図１（ａ）の複数単位のパターン集合部分の例と同様に、図示されていない他の集合部分にも形成される。
【００２４】
小パターンを各矩形角部に繋げて対角方向の隙間に向けて付加することにより、フォトマスクパターンにおける新たな対角方向の隙間は、図１（ｂ）に示す矢印ｄとなり、小パターンを設けない場合より小さくできる。上記のフォトマスクを用いてフォトリソグラフィー法による感光性透明樹脂層のパターン形成と、その後の熱リフロー成形を、図４で説明したように行うことにより、平面上にマトリクス配列される平面視矩形で凸面状のマイクロレンズの対角方向に隣接するマイクロレンズとの隙間を小さくすることができる。例えば、前記感光性透明樹脂層６５の膜厚を乾燥時で０．３〜０．５μｍとし、マトリクス配列のパターンピッチａ／２を２〜３μｍとする場合の、フォトマスクパターン上での対角方向に付加した小パターン間の隙間の距離ｄを０．２〜０．３μｍとすることにより、マイクロレンズのサイズに比較して、対角方向に隣接するマイクロレンズとの隙間７（図３（ｂ）に表示）を充分小さくでき、隙間による感度低下の悪影響を抑制できる。
【００２５】
また、本発明は、マイクロレンズ製造用フォトマスクを提供することができる。
フォトマスクは、一般に用いられるものと同様に、露光光に対して透明性の良好な石英やガラス等の基板表面に金属クロム等の遮光性膜による遮光部パターンを光透過部と区別してパターン形成することにより、通常知られた方法で作製される。本発明のマイクロレンズ製造用フォトマスクは、概ね矩形状のパターンが、縦横にマトリクス配列され、各矩形角部に繋げて対角方向の隙間を狭めるように小パターンを付加した形状としたことを特徴とする。
【００２６】
また、本発明のフローレンズタイプのマイクロレンズにおいて、隣接するマイクロレンズ間の融着を直接的に防ぐために、予め、マイクロレンズ間に一定の隙間を設けることが必要である。そのため、本発明のマイクロレンズ製造用フォトマスクは、図１に示すように、矩形辺部のパターン間の縦方向の隙間の最大距離ｃ’および横方向の隙間の最大距離ｃを一定程度の大きさで設ける。従来のマイクロレンズ製造用フォトマスクでは、対角方向に隣接するパターンとの隙間の距離が上記ｃおよびｃ’のいずれよりも大きかったが、本発明においては、そのいずれをも超えないことが、対角方向に隣接するマイクロレンズとの隙間７による感度低下の悪影響を抑制する上で、好ましい。一方、対角方向といえども隣接するマイクロレンズとの融着の恐れをなくするようにフォトマスクパターンを設計する必要がある。矩形角部同士の融着は辺部の融着に較べて発生し難いことを考慮して、対角方向の隙間ｄの大きさを、ｃ／２およびｃ’／２の大きい距離を下回らないことが好ましい。
すなわち、本発明のマイクロレンズ製造用フォトマスクは、対角方向に隣接するパターンとの隙間の距離が、矩形辺部のパターン間の縦方向の隙間と横方向の隙間の最大距離の０．５以上、かつ、最小距離の１以下となるように形成することが好ましい。
【符号の説明】
【００２７】
１・・・固体撮像素子
２・・・半導体基板
３・・・光電変換素子
４・・・固体撮像素子画素部の受光面側表面
５・・・透明平坦化層
６、６１、６２・・・マイクロレンズ
７・・・マイクロレンズ間の隙間
８・・・着色透明画素パターン
９・・・照射光
１０、３０・・・フォトマスク
１１・・・矩形状パターン（遮光部）
１１’・・・矩形状パターンの一部
１２、３２・・・光透過部
１３・・・画素区画仮想線
１４・・・小パターン（遮光部）
３１・・・遮光部
５１・・・第二の透明平坦化層
６５・・・感光性透明樹脂層
６６・・・感光性透明樹脂層パターン
【図１】
2014016454.tif 000003
【図２】
2014016454.tif 000004
【図３】
2014016454.tif 000005
【図４】
2014016454.tif 000006