(57)【要約】【課題】  パターン化可能なレンズ材料を用いたマイクロレンズの形成方法を提供すること。【解決手段】  本発明のマイクロレンズ構造の形成方法は、透明材料（１４）の上にパターン化可能なレンズ材料（１８）の層を形成することと、パターン化可能なレンズ材料（１８）を所定の焦点と露光とを用いて露光し、パターン化可能なレンズ材料（１８）の内部においてレンズ形状の領域を硬化することと、パターン化可能なレンズ材料（１８）を現像して、硬化したレンズ形状の領域を残すことと、該硬化したレンズ形状の領域をベイクして、レンズを形成することとを含む。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロレンズ構造の形成方法であって、
透明材料の上にパターン化可能なレンズ材料の層を形成することと、
該パターン化可能なレンズ材料を所定の焦点と露光とを用いて露光し、該パターン化可能なレンズ材料の内部においてレンズ形状の領域を硬化することと、
該パターン化可能なレンズ材料を現像して、硬化したレンズ形状の領域を残すことと、
該硬化したレンズ形状の領域をベイクして、レンズを形成することと
を包含する、方法。
【請求項２】
前記パターン化可能なレンズ材料は、有機−無機ハイブリッド前駆体材料を用いて製造される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記有機−無機ハイブリッド前駆体材料は、二酸化チタン成分を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記有機−無機ハイブリッド前駆体材料は、キレート化された有機チタネートポリマーを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記有機−無機ハイブリッド前駆体材料はキレート化されたポリ（ｎ−ブチルチタネート）を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記パターン化可能なレンズ材料は、チタンを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記パターン化可能なレンズ材料は、チタンアルコキシド溶液を含む前駆体を用いて形成する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記パターン化可能なレンズ材料は、チタン酸溶液を包含する前駆体を用いて形成される、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記所定の焦点は、１μｍから５μｍの間でデフォーカスされている、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記所定の焦点は、２μｍから３μｍの間でデフォーカスされている、請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
前記レンズは、前記透明材料よりも高い屈折率を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記透明材料は、二酸化シリコン又はガラスを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記レンズは、ＴｉＯ２を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記透明材料の下に光素子を配置することをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記光素子はＣＣＤピクセルである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記光素子はＬＣＤピクセルである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記光素子はＣＭＯＳピクセルである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
マイクロレンズ構造の製造方法であって、
デフォーカスされたマスクイメージを用いたＵＶ光線によって、二酸化チタンを含む有機−無機ハイブリッドポリマーの内部においてレンズ形状の領域を所定の焦点を用いて露光することと、
該有機−無機ハイブリッドポリマーを現像することと、
該有機−無機ハイブリドポリマーをベークして、レンズを形成することと
を包含する、方法。
【請求項１９】
前記所定の焦点が、１μｍから５μｍの間でデフォーカスされている、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記所定の焦点が、２μｍから３μｍの間でデフォーカスされている、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の方法は、基板上にマイクロレンズを形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
イメージセンサーの解像度が上がることにより、ピクセルの寸法を小さくすることが要求される。ピクセル寸法を小さくすることは、各ピクセルの光活性領域が減り、これにより各ピクセルによって感知される光の量が減少する。
【０００３】
各ピクセルに入射する光の量を増加させ、それによって各ピクセルの有効な信号を増加させるために、各ピクセルの上にマイクロレンズを置く方法がある。
【０００４】
マイクロレンズを形成する現行の加工手順は、レンズ形状をパターン化するために多くのステップを用い、その後該レンズ形状を実際のレンズ材料に転写して最終的レンズを形成する。これはフォトレジストのリフロー法を用いて実行され得る。例えば、フォトレジストがバンプを作るようにパターン化されリフローされ得る。次にドライエッチを用いて、レンズ形状のバンプがその下層のレンズ材料に転写され得る。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、以下の手段を提供する。
【０００６】
（項目１）
マイクロレンズ構造の形成方法であって、
透明材料の上にパターン化可能なレンズ材料の層を形成することと、
該パターン化可能なレンズ材料を所定の焦点と露光とを用いて露光し、該パターン化可能なレンズ材料の内部においてレンズ形状の領域を硬化することと、
該パターン化可能なレンズ材料を現像して、硬化したレンズ形状の領域を残すことと、
該硬化したレンズ形状の領域をベイクして、レンズを形成することと
を包含する、方法。
【０００７】
（項目２）
上記パターン化可能なレンズ材料は、有機−無機ハイブリッド前駆体材料を用いて製造される、項目１に記載の方法。
【０００８】
（項目３）
上記有機−無機ハイブリッド前駆体材料は、二酸化チタン成分を含む、項目２に記載の方法。
【０００９】
（項目４）
上記有機−無機ハイブリッド前駆体材料は、キレート化された有機チタネートポリマーを含む、項目３に記載の方法。
【００１０】
（項目５）
上記有機−無機ハイブリッド前駆体材料はキレート化されたポリ（ｎ−ブチルチタネート）を含む、項目４に記載の方法。
【００１１】
（項目６）
上記パターン化可能なレンズ材料は、チタンを含む、項目１に記載の方法。
【００１２】
（項目７）
上記パターン化可能なレンズ材料は、チタンアルコキシド溶液を含む前駆体を用いて形成する、項目６に記載の方法。
【００１３】
（項目８）
上記パターン化可能なレンズ材料は、チタン酸溶液を包含する前駆体を用いて形成される、項目６に記載の方法。
【００１４】
（項目９）
上記所定の焦点は、１μｍから５μｍの間でデフォーカスされている、項目１に記載の方法。
【００１５】
（項目１０）
上記所定の焦点は、２μｍから３μｍの間でデフォーカスされている、項目５に記載の方法。
【００１６】
（項目１１）
上記レンズは、上記透明材料よりも高い屈折率を有する、項目１に記載の方法。
【００１７】
（項目１２）
上記透明材料は、二酸化シリコン又はガラスを含む、項目１１に記載の方法。
【００１８】
（項目１３）
上記レンズは、ＴｉＯ２を含む、項目１２に記載の方法。
【００１９】
（項目１４）
上記透明材料の下に光素子を配置することをさらに包含する、項目１に記載の方法。
【００２０】
（項目１５）
上記光素子はＣＣＤピクセルである、項目１４に記載の方法。
【００２１】
（項目１６）
上記光素子はＬＣＤピクセルである、項目１４に記載の方法。
【００２２】
（項目１７）
上記光素子はＣＭＯＳピクセルである、項目１４に記載の方法。
【００２３】
（項目１８）
マイクロレンズ構造の製造方法であって、
デフォーカスされたマスクイメージを用いたＵＶ光線によって、二酸化チタンを含む有機−無機ハイブリッドポリマーの内部においてレンズ形状の領域を所定の焦点を用いて露光することと、
該有機−無機ハイブリッドポリマーを現像することと、
該有機−無機ハイブリドポリマーをベークして、レンズを形成することと
を包含する、方法。
【００２４】
（項目１９）
上記所定の焦点が、１μｍから５μｍの間でデフォーカスされている、項目１８に記載の方法。
【００２５】
（項目２０）
上記所定の焦点が、２μｍから３μｍの間でデフォーカスされている、項目１９に記載の方法。
（摘要）
パターン化可能なレンズ材料を用いたマイクロレンズの形成方法が提供される。二酸化チタンを包含する有機−無機ハイブリッドポリマーが、デフォーカスのマスクイメージを使用した光により露光され、次いで現像されてレンズ形状の領域が生成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
作動中の光検出デバイスの各ピクセルに入射する光を強めるためのマイクロレンズを形成する方法が示されている。マイクロレンズが適切な形状と位置とを与えるように適切に製造されていれる場合、そのマイクロレンズはレンズに入射する光を光検出デバイスのピクセルの上に導く。マイクロレンズがピクセルの面積よりも大きな面積を有する場合、レンズは各ピクセルの外側の面積に垂直に入射する光を集め、その光を光検出デバイスのピクセルに導く。光検出デバイスのピクセルに入射する光の量の増加は、ピクセルによって作られる電気的信号の対応した増加をもたらす。
【００２７】
図１は基板１０の表面上の光素子１２を示す。光素子１２は，例えばＣＣＤ、ＣＭＯＳ又はカメラピクセルのような光感受性の素子か、あるいは例えばＬＣＤピクセルのような光表示素子である。透明層１４は基板１０の上に重ねて堆積されている。金属層１６は基板１０の上に重なるように示されている。金属層１６、および光素子１２は図面上の表示のために描かれているが、実際の装置ではより複雑な構造をしている。例えば複数の金属層１６が使用される。
【００２８】
図２に示されるように、透明層１４の上にパターン化可能なレンズ材料の層１８が置かれる。「パターン化可能なレンズ材料」の用語は、それを光エネルギーにさらす、現像する、およびその他の処理を行うことにより、パターン化される材料、可能であれば、堆積された直後の（ａｓ−ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ）材料をレンズに変換するような材料を意味する。パターン化可能なレンズ材料の層１８はパターン化可能なレンズ材料の前駆体を用いて形成され、例えばその前駆体はスピンコーティングによって堆積される。ある場合には、プリベークのような、前処理がパターン化に先立って望ましいことがある。パターン化可能なレンズ材料の前駆体は、ハイブリッド有機−無機コーティング材料が該当する可能性がある。その他の可能性のあるパターン化可能なレンズ材料の前駆体はＴｉＣｌ４をベースとするチタン酸溶液、又はチタンイソプロポキシドをベースとするチタンアルコキシド溶液がある。
【００２９】
有機−無機ハイブリッド材料は二酸化チタンを包含する可能性がある。ハイブリッド有機−無機コーティング材料は、二酸化チタンポリマーの前駆体を相溶的な（ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ）有機ポリマーとグリコールエーテル溶液の中で結合し得る。キレート化された有機チタネートポリマーが、ポリ（ｎ−ブチルチタネート）、又はＰＢＴのキレート反応により、四配位チタン原子核を六配位の種に変換することで得られる。キレート化されたＰＢＴおよび有機ポリマーは、プロピレングリコール  ｎ−プロピルエーテルに、任意の金属酸化物−対−ポリマーの比率で溶解する。二酸化チタンの７０％以上の最終的割合は、反応の間に応力割れを生じ得るが、しかしながら、二酸化チタンの増加は屈折率を増加させる。出来上がった溶液は室温で４時間攪拌され、ついでコーティングの前に粒子を除去するために、最終的に０．１μｍテフロン（登録商標）フィルターを通じてろ過される。Ｂｒｅｗｅｒ・Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｉｎｃ．は、パターン化レンズ材料として使用に適した，利用可能なハイブリッド有機−無機コーティング材料，例えばＯＰＴＩＮＤＥＸ（登録商標）Ａ１４高屈折率ポリマー、を商業的に製造している。
【００３０】
チタン酸溶液は、ＴｉＣｌ４をアルゴン雰囲気の下で目盛りをつけた滴下漏斗（ｇｒａｄｕａｔｅｄ  ｄｒｏｐｐｉｎｇ  ｆｕｎｎｅｌ）のなかに移すことにより製造され得る。ＴｉＣｌ４はジクロロメタンと混合され、そしてメタクリル酸がその混合液に添加される。水が強い攪拌とともにゆっくりと添加され、その結果、固体の析出物が形成され、さらに、より多くの水の添加により溶解する。チタンの前駆体の溶液は、その後ジクロロメタンから抽出され、ジクロロメタンにより洗浄され得る。ジクロロメタンによる洗浄は、必要に応じて、複数回なされ得る。つぎに２−メトキシエタノール又は酢酸が、抽出され濃縮されたチタン前駆体に、スピンコーティングに適した溶液濃度を得るために、加えられ得る。
【００３１】
チタンイソプロポキシドをベースとするチタンアルコキシド溶液が、チタンイソプロポキシド、水、イソ−プロパノール、および２−メトキシエタノールを混合し、白色の固形物が析出すまで、約４時間、攪拌することで作られる。白色固形析出物を溶解するために、ＨＣｌが加えられる。さらに追加の２−メトキシエタノール(ｍｅｔｈｏｘｙｅｔｈａｎｏｌ)が、スピンコーティングに適した濃度を得るために加えられる。得られたチタンアルコキシド溶液は、その後、フィルターを通して溶解しない固形物を除去する。例えば０．２μｍのフィルターが用いられる。
【００３２】
パターン化可能なレンズ材料の前駆体は，スピン−オンプロセスを用いて堆積される。例えばＯＰＴＩＮＤＥＸ（登録商標）Ａ１４高屈折率ポリマーの前駆体は、スピン−コーティングを用いて一回のコーティングで、その３ｍｌを１５０ｍｍのウェーハ上に、毎分７００回、その後２０００回の回転数で約１分間に、図２に示すように、約２５０ｎｍの層が得られる。パターン化可能なレンズ材料は、その後、プリベークされる。例えばＯＰＴＩＮＤＥＸ（登録商標）Ａ１４高屈折率ポリマーの前駆体は、温度１００℃の加熱板を用いて約２分間、プリベークされる。
【００３３】
図３は、プリベークの後のパターン化可能なレンズ材料の層１８を示す。パターン化可能なレンズ材料の層１８は所要のレンズ面積の基本形状、例えば円形、のマスクを通じて露光される。パターン化可能なレンズ材料層１８は、後の現像においてレンズの形状が得られるように、露光される。パターン化可能なレンズ材料１８のパターニングに影響する変数の中には、現像条件とともに、焦点、露光，レチクル寸法、がある。焦点、露光およびレチクル設計の変数は、空間像（ａｅｒｉａｌ  ｉｍａｇｅ）の形成と関連し、それは光学システムによってパターン化可能なレンズ材料の層１８の上に照射されるレチクルのイメージである。焦点の変化はパターンの縁における空間像のコントラストを調整する。露光は、最終的なフォトレジストの横方向パターンのパターン寸法を調整する。レチクルの設計には対象物の全体のパターンを近接影響として考慮する。矢印３０で示すように、焦点と露光の調節により、露光の強さはパターン化可能なレンズ材料の層１８の上に投射されたレチクルパターンに沿って一様ではない。この強さの違いは、パターン化可能なレンズ材料の層１８を、その上に投影されたパターンに沿って、異なる速さで硬化する。この「硬化する」の用語は、材料が硬化の後に続く現像処理の影響をより受けにくくなることを意味する。例えば、円形のマスク開口を、デフォーカスと共に使用すれば、パターンの中心部により高い強さが得られ、パターンの縁部にはより低い強さが得られる。パターン化可能なレンズ材料の層１８の露光にはＵＶ光源が用いられる。例えば、通常のフォトリソグラフィ用スッテパーのｉ−ラインが用いられる。ｉ−ラインの３６５ｎｍＵＶの照射は、パターン化可能なレンズ材料の層１８の露光している部分を、少なくとも部分的に硬化する。合計の露光時間はフォトレジストに用いられるものよりもかなり長い。例えば、もしＯＰＴＩＮＤＥＸ（登録商標）Ａ１４高屈折率ポリマーの前駆体が用いられる場合は、露光は約０．４ｗａｔｔｓ/ｃｍ２と３６．０ｗａｔｔｓ/ｃｍ２の間である。約１μｍから３μｍの間の円形の開口における、望ましい強さの勾配を得るために、ステッパーは約２μｍのデフォーカスを生じるようにセットされる。デフォーカスを１０μｍのデフォーカスより大きくすることで，１０μｍを超えるレンズ直径が得られる。上記の例ではステッパーのｉ−ラインを使用したが、その他の様々なＵＶ光源が使用できる。ｉ−ラインフィルターを取り外し、ステッパーの中で使用されているＨｇランプのより広いスペクトルを使用することができる。例えばその他のＵＶランプおよびＸｅＦ、ＸｅＣｌ、ＫＲＦ又はＡｒＦレーザーなどのＵＶレーザー光源、あるいはソリッドステートＵＶレーザーが使用できる。いくつかの使用目的に対しては、非ＵＶ光源もまた使用できる。
【００３４】
デフォーカス露光の後，パターン化可能なレンズ材料層１８は現像される。例えば露光されたパターン化可能なレンズ材料の層１８がＯＰＴＩＮＤＥＸ（登録商標）Ａ１４高屈折率ポリマーの前躯体であれば、テトラハイドロフラン（ＴＨＦ）の中に約１０秒から６０秒の間浸漬され、さらに超音波イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）のバスに約５分間浸される。パターン化可能なレンズ材料層１８の露光されていない箇所に対するＴＨＦおよびその後の超音波ＩＰＡとによる複合処理が、レンズ形状の領域を残し不必要な材料を除去する。ＩＰＡ洗浄に代わり、例えばメタノール、クロロフォルム、またはエタノールを含む多種類の洗浄方法が使用できる。次に最終ベークが、マイクロレンズ２０の形成を完了しマイクロレンズ２０の屈折率を増加させるために、図４に示すように行われる。約２００℃から３００℃の間の最終ベークが用いられる。ある使用目的に対しては、最終ベークの温度は下層の部品構成によって制限される。他の使用目的に対しては、より高い温度が使用される。
【００３５】
ＴＨＦとＩＰＡを使用する現像方法は、ＴｉＣｌ４をベースとするチタン酸溶液、又はチタンイソプロポキシドをベースとするチタンアルコキシド溶液の現像にも使用できるが、しかしその時間は最終ベーク温度と同様に調節される必要がある。
【００３６】
ＯＰＴＩＮＤＥＸ（登録商標）Ａ１４高屈折率ポリマーの前駆体は、図５に示すように、約４５０ｎｍ以下からＵＶ領域では不透明となる透過率スペクトルを有する。従って可視光による露光よりもＵＶによる露光のほうが望ましい．
後続の処理と最終ベークにより、ＯＰＴＩＮＤＥＸ（登録商標）Ａ１４高屈折率ポリマーは、図６に示すように、約３４０ｎｍの下まで極めて透明になる。このことは，ＯＰＴＩＮＤＥＸ（登録商標）Ａ１４高屈折率ポリマーは、自己制限効果、即ちその前駆体が例えば３６５ｎｍのＵＶ照射を吸収することにより一層透明になり、その後の露光に対しては吸収と硬化作用が減少すること、を有することを意味する。
【００３７】
図７は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を使用して得られた表層の側面を示す。厚さ約１００ｎｍの最終的なマイクロレンズ２０が示されているが，これは初期の厚さ約２５０ｎｍのＯＰＴＩＮＤＥＸ（登録商標）Ａ１４高屈折率ポリマーの前駆体の現像と最終ベークの後に得られた。この最終の厚さは、得られるマイクロレンズの得られる焦点距離を決定する際に考慮されるべきものである。このレンズはＯＰＴＩＮＤＥＸ（登録商標）Ａ１４高屈折率ポリマー前駆体の単層を用いて形成されたが、製造過程で多層を用いればより厚いレンズの製造が可能である。
【００３８】
基板は、光素子１２の形成あるいは支持するのに適した任意の材料で作られる。例えばある実施形態では、基板１０はシリコン基板、ＳＯＩ基板，石英基板、又はガラス基板である。
【００３９】
本マイクロレンズ構造の実施形態では、光を光素子１２の上に集中することが望ましいので、透明層１４は各マイクロレンズ２０よりも低い屈折率を有する。例えば透明層１４が約１．５の屈折率を有する場合、マイクロレンズ２０は１．５以上、望ましくは２又はそれ以上の屈折率を有するべきである。例えば表示画面に使用される他の実施形態では、各光素子１２からの光を収束するよりもむしろ拡散するために、透明層よりも低い屈折率を持つレンズを形成することが望ましい。
【００４０】
透明層１４の厚さは、部分的には、望ましいレンズの曲率と焦点距離を考慮して決定される。本マイクロレンズ構造のある実施形態では、マイクロレンズ２０の望ましい焦点距離は約２μｍから８μｍの間である．
上に重なる（ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ）、下に重なる（ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ）、真下に（ｂｅｎｅａｔｈ）などの相対的位置を示す用語は、準備された図面の中の方向の記述を容易にするためのみに用いており、加工処理中およびその後の実際の方向は完全に任意である。
【００４１】
いくつかの望ましい実施形態を含む実施形態は、上記において議論されてきたが、その範囲はある特定の実施形態に限定されるものではない。むしろ、請求項の内容が発明の範囲を決定する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】レンズが形成される前の、基板の断面図である。
【図２】レンズを形成中の、基板の断面図である。
【図３】レンズを形成中の、基板の断面図である。
【図４】基板上に重なるマイクロレンズの断面図である。
【図５】パターン化可能なレンズ材料の前駆体の透過率曲線である。
【図６】最終ベーク後のパターン化可能なレンズ材料の透過率曲線である。
【図７】ＡＦＭを用いて作画されたレンズの断面形状である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  基板
１２  光素子
１４  透明材料
１６  金属層
１８  パターン化可能なレンズ材料
２０  マイクロレンズ
【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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