(57)【要約】【課題】光検出器の各ピクセルに入射する光を増大させるマイクロレンズ構成の形成方法を提供する。【解決手段】  本発明による形成方法では、光素子（１２）が提供された基板（１０）の表面の上に重ねて透明な材料（１４）を堆積し、透明な材料の上に重ねて堆積されたＣＭＰ停止層（１６）の上に重ねてレンズ形成層を堆積する。レンズ形成層を露出する開口を形成するために、レンズ形成層の上に重ねてフォトレジストを堆積しパターニングする。開口に第１の異方性腐食剤を入れ、露出された形成材料をエッチングすることによって、半径を有する最初のレンズ形状を形成する。レンズ形状の半径を増加させるために、第２の異方性腐食剤にレンズ形成層を晒し、異方性エッチングを使用して、ＣＭＰ停止層を介してレンズ形状を透明な材料に転写する。透明な材料の上に重ねてレンズ材料を堆積し、レンズ材料によって該レンズ形状が少なくとも部分的に充填される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロレンズ構成の形成方法であって、
ａ）表面を有する基板の該表面上に光素子を提供することと、
ｂ）該基板の表面の上に重ねて透明な材料を堆積することと、
ｃ）該透明な材料の上に重ねてＣＭＰ停止層を堆積することと、
ｄ）該ＣＭＰ停止層の上に重ねてレンズ形成材料を堆積することと、
ｅ）該レンズ形成材料の上に重ねてフォトレジスト層を堆積しパターニングすることによって、該透明な材料を露出させる開口を形成することと、
ｆ）該開口に第１の異方性腐食剤を入れ、露出された該レンズ形成材料をエッチングすることによって、半径を有する最初のレンズ形状を形成することと、
ｇ）該フォトレジスト層を除去することと、
ｈ）該レンズ形状の半径を増大させるために、第２の異方性腐食剤に該レンズ形成材料を晒すことと、
ｉ）該ＣＭＰ停止層を介して該下にある透明な材料に該レンズ形状を転送することと、
ｊ）該透明な材料の上に重ねてレンズ材料を堆積し、それにより、該レンズ材料によって該レンズ形状が少なくとも部分的に充填されることと
を含包する、マイクロレンズ構成の形成方法。
【請求項２】
前記透明な材料が二酸化シリコンまたはガラスである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＣＭＰ停止層が金属である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記金属がＩｒまたはＰｔである、請求項３に記載のマイクロレンズ構成の形成方法。
【請求項５】
前記ＣＭＰ停止層が難溶性の金属である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記難溶性の金属がＴｉ，ＴｉＮ，Ｎｉ，ＰｄまたはＴａである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ＣＰＭ停止層が誘電性材料である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記誘電性材料が窒化シリコン、酸化アルミニウム、または窒化アルミニウムである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記レンズ形成材料がポリシリコン、アモルファスシリコン、二酸化シリコンまたはポリイミドである、請求項１に記載のマイクロレンズ構成の形成方法。
【請求項１０】
前記レンズ材料の屈折率が前記透明な材料よりも高い、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記レンズ材料がＨｆＯ２、ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，またはＺｎＯ２を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１２】
前記レンズ材料の上に重ねてＡＲ被覆を形成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１３】
前記レンズ材料の上に重ねて単一のＡＲ被覆層を形成することをさらに包含する、請求項４に記載の方法。
【請求項１４】
前記単一のＡＲ被覆層が二酸化シリコンまたはガラスを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１５】
前記レンズ材料を平坦化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１６】
前記レンズ材料を平坦化することが化学機械的研磨（ＣＭＰ）プロセスを包含する、請求項８に記載の方法。
【請求項１７】
ＣＣＤアレイ上へのマイクロレンズアレイの形成方法であって、
ａ）該ＣＣＤアレイを有する基板を提供することと、
ｂ）該ＣＣＤアレイの上に重ねて二酸化シリコンまたはガラスを含む透明な層を堆積することと、
ｃ）該透明な材料の上に重ねてＣＭＰ停止層を堆積することと、
ｄ）該ＣＭＰ停止層の上に重ねてレンズ形成材料を堆積することと、
ｅ）該レンズ形成材料の上に重ねてフォトレジスト層を堆積してパターンニングすることによって、該透明な材料を露出する開口を形成することと、
ｆ）該開口に腐食剤を入れ、露出された該レンズ形成材料をエッチングして、第１の異方性エッチングプロセスを実行することによって、半径を有する最初のレンズ形状を形成することと、
ｇ）該フォトレジスト層を除去することと、
ｈ）該レンズ形状の半径を増大させるために、第２の異方性エッチングプロセスに該レンズ形成材料を晒すことと、
ｉ）該透明な材料の上に重ねてＨｆＯ２，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，またはＺｎＯ２を含むレンズ材料を堆積し、それにより、該レンズ形状を少なくとも部分的に充填する該レンズ材料によってレンズを形成することと、
ｊ）該ＣＭＰ停止層においてＣＭＰストッピングを使用して該レンズ材料を平坦化することと、
ｋ）該レンズ材料の上に重ねてＡＲ被覆を形成することと
を包含する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は基板上へのマイクロレンズ構成の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
イメージセンサの解像度を向上させると、ピクセルサイズを減少させる必要がある。ピクセルサイズを減少させると、各ピクセルの光活性領域が減少し、各ピクセルにより検出される光量が低減させられる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、以下の手段を提供する。
【０００４】
（項目１）
マイクロレンズ構成の形成方法であって、
ａ）表面を有する基板の該表面上に光素子を提供することと、
ｂ）該基板の表面の上に重ねて透明な材料を堆積することと、
ｃ）該透明な材料の上に重ねてＣＭＰ停止層を堆積することと、
ｄ）該ＣＭＰ停止層の上に重ねてレンズ形成材料を堆積することと、
ｅ）該レンズ形成材料の上に重ねてフォトレジスト層を堆積しパターニングすることによって、該透明な材料を露出させる開口を形成することと、
ｆ）該開口に第１の異方性腐食剤を入れ、露出された該レンズ形成材料をエッチングすることによって、半径を有する最初のレンズ形状を形成することと、
ｇ）該フォトレジスト層を除去することと、
ｈ）該レンズ形状の半径を増大させるために、第２の異方性腐食剤に該レンズ形成材料を晒すことと、
ｉ）該ＣＭＰ停止層を介して該下にある透明な材料に該レンズ形状を転送することと、
ｊ）該透明な材料の上に重ねてレンズ材料を堆積し、それにより、該レンズ材料によって該レンズ形状が少なくとも部分的に充填されることと
を含包する、マイクロレンズ構成の形成方法。
【０００５】
（項目２）
上記透明な材料が二酸化シリコンまたはガラスである、項目１に記載の方法。
【０００６】
（項目３）
上記ＣＭＰ停止層が金属である、項目１に記載の方法。
【０００７】
（項目４）
上記金属がＩｒまたはＰｔである、項目３に記載のマイクロレンズ構成の形成方法。
【０００８】
（項目５）
上記ＣＭＰ停止層が難溶性の金属である、項目１に記載の方法。
【０００９】
（項目６）
上記難溶性の金属がＴｉ，ＴｉＮ，Ｎｉ，ＰｄまたはＴａである、項目５に記載の方法。
【００１０】
（項目７）
上記ＣＰＭ停止層が誘電性材料である、項目１に記載の方法。
【００１１】
（項目８）
上記誘電性材料が窒化シリコン、酸化アルミニウム、または窒化アルミニウムである、項目７に記載の方法。
【００１２】
（項目９）
上記レンズ形成材料がポリシリコン、アモルファスシリコン、二酸化シリコンまたはポリイミドである、項目１に記載のマイクロレンズ構成の形成方法。
【００１３】
（項目１０）
上記レンズ材料の屈折率が上記透明な材料よりも高い、項目１に記載の方法。
【００１４】
（項目１１）
上記レンズ材料がＨｆＯ２、ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，またはＺｎＯ２を含む、項目２に記載の方法。
【００１５】
（項目１２）
上記レンズ材料の上に重ねてＡＲ被覆を形成することをさらに包含する、項目１に記載の方法
（項目１３）
上記レンズ材料の上に重ねて単一のＡＲ被覆層を形成することをさらに包含する、項目４に記載の方法。
【００１６】
（項目１４）
上記単一のＡＲ被覆層が二酸化シリコンまたはガラスを含む、項目６に記載の方法。
【００１７】
（項目１５）
上記レンズ材料を平坦化することをさらに包含する、項目１に記載の方法。
【００１８】
（項目１６）
上記レンズ材料を平坦化することが化学機械的研磨（ＣＭＰ）プロセスを包含する、項目８に記載の方法。
【００１９】
（項目１７）
ＣＣＤアレイ上へのマイクロレンズアレイの形成方法であって、
ａ）該ＣＣＤアレイを有する基板を提供することと、
ｂ）該ＣＣＤアレイの上に重ねて二酸化シリコンまたはガラスを含む透明な層を堆積することと、
ｃ）該透明な材料の上に重ねてＣＭＰ停止層を堆積することと、
ｄ）該ＣＭＰ停止層の上に重ねてレンズ形成材料を堆積することと、
ｅ）該レンズ形成材料の上に重ねてフォトレジスト層を堆積してパターンニングすることによって、該透明な材料を露出する開口を形成することと、
ｆ）該開口に腐食剤を入れ、露出された該レンズ形成材料をエッチングして、第１の異方性エッチングプロセスを実行することによって、半径を有する最初のレンズ形状を形成することと、
ｇ）該フォトレジスト層を除去することと、
ｈ）該レンズ形状の半径を増大させるために、第２の異方性エッチングプロセスに該レンズ形成材料を晒すことと、
ｉ）該透明な材料の上に重ねてＨｆＯ２，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，またはＺｎＯ２を含むレンズ材料を堆積し、それにより、該レンズ形状を少なくとも部分的に充填する該レンズ材料によってレンズを形成することと、
ｊ）該ＣＭＰ停止層においてＣＭＰストッピングを使用して該レンズ材料を平坦化することと、
ｋ）該レンズ材料の上に重ねてＡＲ被覆を形成することと
を包含する、方法。
【００２０】
（摘要）
マイクロレンズアレイを使用するＣＣＤアレイ構成と共にマイクロレンズ構成を形成する方法。この方法の一実施形態は、表面を有する基板の該表面上に光素子を提供することと、基板の表面の上に重ねて透明な材料を堆積することと、透明な材料の上に重ねてＣＭＰ停止層を堆積することと、ＣＭＰ停止層の上に重ねてレンズ形成層を堆積することと、レンズ形成層を露出する開口を形成するために、レンズ形成層の上に重ねてフォトレジストを堆積しパターニングすることと、開口に第１の異方性腐食剤を入れ、露出された形成材料をエッチングすることによって、半径を有する最初のレンズ形状を形成することと、フォトレジスト層を除去することと、レンズ形状の半径を増加させるために、第２の異方性腐食剤にレンズ形成層を晒すことと、異方性エッチングを使用して、ＣＭＰ停止層を介してレンズ形状を透明な材料に転写することと、透明な材料の上に重ねてレンズ材料を堆積し、それにより、レンズ材料によって該レンズ形状が少なくとも部分的に充填されることとを含む。ＣＭＰを使用してレンズ材料を平坦化し、ＣＭＰ停止層で停止する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
マイクロレンズを形成して、動作中の光検出装置の各ピクセルに入射する光を増大させる方法を提供する。マイクロレンズが正しく製造されて形状と位置が適切である場合には、マイクロレンズは、レンズに入射する光を光検出器のピクセルに向ける。マイクロレンズ領域が、ピクセル領域よりも大きい場合には、各々の個々のピクセル外部の領域に入射する光を集光して、光検出器のピクセルに光を向けることができる。光検出器のピクセルに入射する光量を増大させると、それに伴ってピクセルで生成された電気信号も増加する。
【００２２】
図１は、本発明の方法の一実施形態により形成されたマイクロレンズ構成の一実施形態を示す図である。基板１０は、その上に形成された少なくとも１つの光素子１２を備えている。光素子１２は光検出素子、例えば、ＣＣＤカメラピクセル、光センサ、または発光素子であってもよい。透明な層１４が基板１０の上に重ねて堆積されている。また、マイクロレンズ２０が、光素子１２の上に形成されている。図１に示すように、マイクロレンズ２０の上の平らな面は、ＣＭＰ停止層１６の上部に対応している。マイクロレンズ２０の上に重ねて反射防止層２２が形成されている。マイクロレンズ２０は、光素子１２の方向を向いた凸面を有するほぼ平凸形のレンズである。透明な層１４の厚さは、所望のレンズ曲率と焦点長に基づいて部分的に決定される。凸面の代わりに平らな面に最初に光が入射している間、公知の収差が増大するが、このことは、本発明においてそれ程重要ではなく、明瞭に結像させようとするというよりは、各光素子１２に入射する光量の増加に関する。
【００２３】
本発明の方法の一実施形態において、マイクロレンズ２０は、光素子１２の上に重ねて形成され、レンズを形成してそれらを基板に転写する必要性をなくす。従って、基板上に形成された所望の光素子１２を有する基板が用意される。図２は、光を検出するピクセル１２を有する基板１０を示す。ピクセルの上に重ねて透明な層１４が堆積されている。ＣＭＰ停止層１６が、透明な層１４の上に重ねて堆積されており、その後レンズ形成層１８が堆積される。「レンズ形成材料」や「レンズ形成層」という用語は、レンズ形状の基本的形状、例えば、レンズ形状の窪みを形成する異方性エッチングプロセスに適した材料層を意味する。
【００２４】
図３は、レンズ形成層１８の上に重ねて堆積されたフォトレジスト層２４を示す。図３に示すように、開口２６がフォトレジストにパターン形成されている。開口２６は腐食剤を入れるのに使用するが、腐食剤を入れることができれば、出来るだけ小さく形成すべきである。
【００２５】
次に、開口２６から腐食剤を入れ、レンズ形成層１８を異方性ウェットエッチングすることで、異方性ウェットエッチングを実行する。開口２６が十分に小さい場合、腐食剤の点放射源のように動作せず、レンズ形成層１８に一般的に半球形状のエッチングパターンを生成する。レンズ形成層１８は、透明である必要はないので、例えば、ポリシリコン、二酸化シリコン、またはポリイミド等の様々なエッチング可能材料を使用してもよい。当業者が理解しているように、レンズ形成層を異方性エッチングする適切な腐食剤を使用する必要がある。例えば、レンズ形成層１８が二酸化シリコンである場合には、緩衝ＨＦを腐食剤として使用してもよい、一方、レンズ形成層１８がアモルファスシリコンまたはポリシコンである場合には、硝酸とフッ化水素酸の混合物を使用してもよい。図４に示すように、このエッチングステップにより最初のレンズ形状２８が生成される。フォトレジスト２４の剥離を防ぐために、エッチング時間を制限する必要があり得る。
【００２６】
いったんレンズ形状２８が形成されると、フォトレジスト層が除去されて、図５に示すように、最初のレンズ形状２８を露出状態にしておく。
【００２７】
第１の異方性ウェットエッチングに使用したのと同じ腐食剤をおそらく使用する第２の異方性ウェットエッチングにより、図６に示すように、最初のレンズ形状の半径を増大させて最終のレンズ曲率を生成する。レンズ形成層１８の全体的な厚さも、第２の異方性ウェットエッチングプロセス時に低減されるため、レンズ形成層１８の元の厚さは、第２の異方性ウェットエッチングによる低減を考慮に入れるのに充分な程の厚さでなければならない。レンズ形状３２に隣接する曲率半径の増加に伴い、それらのレンズ形状が重なる可能性がある。出来るだけ多くの光を所望に集光する一方で、レンズアレイの密度を増大させるため、これは望ましくない効果とは言えない。その間に空間がないレンズアレイにより全表面が覆われる場合、レンズアレイの表面に入射する全ての光は、最終的な装置の光素子１２の下部のアレイ上に結像するのが望ましい。
【００２８】
レンズ形状３２の形成後、異方性エッチング、例えば、図７に示すように、ドライエッチングプロセスを使用しＣＭＰ停止層を１６介して透明な層１４にレンズ形状が転写される。転写時にレンズ形状が壊れる可能性があるが、光素子１２で光を集光するのに適していなければならない。この転写プロセスにより、光素子１２に接近させてレンズ形状を移動させることができる。レンズ形状３２の底部と光素子１２の間の最終的な距離は、最終的なレンズの焦点長により部分的に決定される。透明な層１４が二酸化シリコンである場合、フッ素ベースの異方性腐食剤、例えば、アルゴンを有するＣ８Ｆ８等のフッ化炭素を使用し得る。ＣとＦの比を変更して、エッチングプロフィールを変化させることができる。レンズ形成材料１８、ＣＭＰ停止層１６、および透明な材料１４に選択された材料に応じて、当業者は様々な異方性エッチングプロセスに精通している。例えば、Ｃｌ２／ＢＣｌ３エッチングを使用してもよい。一部の実施形態においては、腐食剤の混合物を使用して、異なる材料によりエッチング速度を制御できる。別の実施形態において、エッチングの化学的性質に関する特別な考慮を必要とすることなく、イオンミリング加工プロセスを使用して異方性エッチングを行ってもよい。
【００２９】
図８に示すように、いったんレンズ形状３２が形成され、透明な層１４に転写されると、レンズ材料４０が堆積されてレンズ形状３２を充填する。スパッタリングプロセス、ＣＶＤプロセス、スピンオンプロセス、またはその他の適切なプロセスによりレンズ材料を堆積できる。
【００３０】
レンズ材料が堆積された後に、平坦化プロセスが実行される。本発明の方法の一実施形態において、ＣＭＰプロセスを使用してレンズ材料４０を平坦化する。図９に示すように、ＣＭＰ停止層１６に到達するまで、ＣＭＰプロセスが連続して実行される。ＣＭＰ停止層１６は、レンズ形成材料１８やレンズ材料４０よりも低速の研磨速度で研磨される材料を含む。ＣＭＰ停止層は、ＩｒやＰｔ等の金属、Ｔｉ，ＴｉＮ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｔａ，またはその他の適切な耐熱性金属等の耐熱性金属から構成し得る。ある実施形態において、窒化シリコン、酸化アルミニウム、または窒化アルミニム等の絶縁材料も使用できる。一部の利用可能なＣＭＰ停止層１６は、レンズ形成材料１８としても使用できるが、通常、同じ実施形態では使用できない。ＣＭＰ停止層１６を使用することにより、最終的なマイクロレンズ２０と光素子１２の距離に対するレンズの厚さのかなりの部分の制御が可能になる。一部の実施形態において、集光を改良するのに充分なレンズが残っている限り、平坦化量は重要な問題ではない。一部の実施形態において、ＣＭＰ停止層１６に金属を使用した場合、ＣＭＰ停止層は、漂遊光を低減させるレンズ間の光も遮断することができる。
【００３１】
図１について説明する。平坦化後、ＡＲ層２２を適用して最終的な構成を生成する。光素子１２を形成し支持する何らかの適切な材料から基板を構成し得る。例えば、ある実施形態において、基板１０は、シリコン基板、ＳＯＩ基板、水晶基板、またはガラス基板である。
【００３２】
本発明のマイクロレンズ構成の一実施形態において、光素子１２上に光を集光させることが望ましく、透明な層１４の屈折率は、マイクロレンズ２０よりも小さい。例えば、透明な層１４の屈折率が約１．５である場合には、マイクロレンズ２０の屈折率は約２に等しいか、それよりも大きくなければならない。透明な層１４が二酸化シリコンまたはガラスである場合には、マイクロレンズ２０は、ＨｆＯ２，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，ＺｎＯ２、または屈折率が約２に等しいか、それ以上のその他の材料から構成される。
【００３３】
単一のＡＲ材料層２２を備える本発明のマイクロレンズ構成の一実施形態において、屈折率が空気とレンズ材料の間の材料から好適にＡＲ層を構成できる。例えば、屈折率が約２のマイクロレンズ全体に二酸化シリコンを使用し得る。
【００３４】
第２の異方性ウェットエッチングのエッチング量並びに所望のレンズ曲率と焦点長に基づいて、透明な層１４の厚さが部分的に決定される。レンズ形状の形成に最初に使用されるレンズ形成材料の厚さは、レンズ形状の最終的な曲率に適合させるのに充分な厚さでなければならないが、焦点距離を考慮に入れる必要はない。本発明のマイクロレンズ構成の一実施形態において、マイクロレンズ２０の所望の焦点長は、約２μｍから８μｍの間である。堆積された透明な層１４の厚さは、エッチングと平坦化ステップの後に、所望の焦点長距離を得るのに充分な厚さでなければならない。
【００３５】
光素子１２の上に重ねてマイクロレンズ構成が直接形成されるので、分離層を設ける必要もなく、個別のモールドからレンズ構成を転写してそれを再配置する必要もない。
【００３６】
本発明の実施形態を上記で説明したが、本発明の範囲は特定の実施形態に限定されない。むしろ、請求項が本発明の範囲を限定することになる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】基板上に重ねて形成されるマイクロレンズ構成の断面図である。
【図２】基板上に重ねて形成される中間マイクロレンズ構成の断面図である。
【図３】基板上に重ねて形成される中間マイクロレンズ構成の断面図である。
【図４】基板上に重ねて形成される中間マイクロレンズ構成の断面図である。
【図５】基板上に重ねて形成される中間マイクロレンズ構成の断面図である。
【図６】基板上に重ねて形成される中間マイクロレンズ構成の断面図である。
【図７】基板上に重ねて形成されるマイクロレンズ構成の断面図である。
【図８】基板上に重ねて形成される中間マイクロレンズ構成の断面図である。
【図９】基板上に重ねて形成される中間マイクロレンズ構成の断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  基板
１２  光素子
１４  透明な層
１６  ＣＭＰ停止層
１８  レンズ形成層
２０  マイクロレンズ
２２  ＡＲ層
２４  フォトレジスト
２８，３２  レンズ形状
４０  レンズ材料
【図１】
2006106732.tif 000003
【図２】
2006106732.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006106732.tif 000008
【図７】
2006106732.tif 000009
【図８】
2006106732.tif 000010
【図９】
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