(57)【要約】【課題】ＣＣＤ固体撮像装置等に用いられるマイクロレンズを製造するにあたり、複雑なプロセスを用いることなく、所望のレンズ形状を安定して製造することのできるマイクロレンズの製造方法を提供すること。【解決手段】マイクロレンズ１１の製造方法を、フォトレジストからなるレンズ材１１Ａをレンズ基板上１２に塗布する工程と、塗布されたレンズ材１１Ａにフォトリソグラフィを施して、レンズ形成パターン１１Ｂのサイズを変えずにパターニングされたレンズ材１１Ａの体積を減少させるようにレンズ形成パターン１１Ｂをパターニングする工程と、パターニングされたレンズ材１１Ａにリフロー処理を施してマイクロレンズ１１を形成する工程とで構成し、これによってレンズ形状を任意の形状に形成できるようにした。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ基板上にマイクロレンズを形成するマイクロレンズの製造方法において、
フォトレジストからなるレンズ材を前記レンズ基板上に塗布する工程と、
前記塗布されたレンズ材にフォトリソグラフィを施して、レンズ形成パターンのサイズを変えずにパターニングされたレンズ材の体積を減少させるようにレンズ形成パターンをパターニングする工程と、
前記パターニングされたレンズ材にリフロー処理を施してマイクロレンズを形成する工程とを有することを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
【請求項２】
前記フォトリソグラフィでは、レンズ形成パターンの膜厚を塗布されたレンズ材の膜厚より薄く形成することによってパターニングされたレンズ材の体積を減少させ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】
前記フォトリソグラフィでは、グレースケールフォトマスクを用いて前記レンズ材を露光し、レンズ形成パターンの膜厚を塗布されたレンズ材の膜厚より薄く形成することを特徴とする請求項２に記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項４】
前記グレースケールフォトマスクの光の透過率を変化させるか又は露光時間を制御することにより、前記レンズ形成パターンの膜厚を制御することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項５】
前記フォトリソグラフィでは、レンズ形成パターンに複数の空隙部を設けることによってパターニングされたレンズ材の体積を減少させ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６】
前記フォトリソグラフィでは、前記レンズ形成パターンと同サイズのマスクパターン中に複数の空隙部用露光パターンを有するフォトマスクを用いて、前記レンズ形成パターンに複数の空隙部を設けることを特徴とする請求項５に記載のマイクロレンズの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロレンズの製造方法に係り、特にＣＣＤ固体撮像素子等に適用されるレンズ基板上に微細なレンズを形成するマイクロレンズの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子や液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）においては、画素の微細化が益々進み、これに伴い固体撮像素子では受光部の感度向上を図るための開口率を上げる必要が生じ、また液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）では照明光源からの光を効率良くカラーフィルタの画素部に集光し、目視者方向への輝度を高める必要が生じてきた。
【０００３】
このため、カラーフィルタ上に微細なレンズを配置し、固体撮像素子の感度向上又は液晶ディスプレイの輝度向上を図る方法が用いられてきた。この方法によれば、固体撮像素子においては入射光はレンズを経て受光部に入るので、撮像素子の感度を高めることができる。また、液晶ディスプレイにおいては、各画素からの光がレンズを通して外部に発光されるので、目視者への輝度が高められる。
【０００４】
これらの微細なレンズの製造方法としては、レンズ基板上に熱可塑性樹脂を平面形状にパターン化した後、加熱流動させて表面張力によってレンズ形状を形成する、いわゆる熱リフロープロセスが用いられ、レンズ基板上に多数の微細レンズを配置したマイクロレンズアレイとして製造される。
【０００５】
ところで、近年では、固体撮像素子や液晶ディスプレイの層構成やサイズが多様化し、撮像素子受光部への集光や液晶画素からの輝度を各品種毎に最適化するべく、レンズ形状を自由にコントロールする技術が望まれているが、前述したような単にレンズ基板上に熱可塑性樹脂をパターン化し、熱リフロープロセスで流動させる方法では所望形状のレンズを作成するのは困難であった。
【０００６】
このような問題に対し、種々のマイクロレンズ曲率制御方法が提案されている。その一つとして、リフロー前のレジスト厚みを変化させてレンズ高さを変える方法（例えば、特許文献１参照。）、あるいは、格子状のダミーパターンを用いて見かけの膜厚を薄くする方法を用いた小曲率レンズの作製方法（例えば、特許文献２参照。）等がある。
【特許文献１】特開平９−１４８５４９号公報
【特許文献２】特開２００２−７６３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前述の特許文献１に記載された方法の場合、レンズ材料の粘度や塗布ムラ等の観点から薄膜塗布には限界があり、小曲率のレンズ作製に適用するためには解決しなければならない問題をたくさん抱えていた。
【０００８】
また、前述の特許文献２に記載された方法の場合は、ダミーパターン形成のために余計なプロセスが必要となると共に、結果的に上記ダミーパターンにより焦点距離制御に制約を受けることになり、やはり小曲率のレンズ作製に適用するためには問題があった。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ＣＣＤ固体撮像素子や液晶ディスプレイ等に用いられるマイクロレンズを製造するにあたり、特殊な材料や複雑なプロセスを用いることなく、所望のレンズ形状を安定して製造することのできるマイクロレンズの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は前記目的を達成するために、レンズ基板上にマイクロレンズを形成するマイクロレンズの製造方法において、フォトレジストからなるレンズ材を前記レンズ基板上に塗布する工程と、前記塗布されたレンズ材にフォトリソグラフィを施して、レンズ形成パターンのサイズを変えずにパターニングされたレンズ材の体積を減少させるようにレンズ形成パターンをパターニングする工程と、
前記パターニングされたレンズ材にリフロー処理を施してマイクロレンズを形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、フォトリソグラフィ工程でレンズ形成パターンのサイズを変えずにパターニングされたレンズ材の体積を減少させるので、リフロー処理後のマイクロレンズの曲率を所望の値に形成することができる。
【００１２】
また本発明は、前記発明において、前記フォトリソグラフィでは、レンズ形成パターンの膜厚を塗布されたレンズ材の膜厚より薄く形成することによってパターニングされたレンズ材の体積を減少させることを特徴とする。
【００１３】
また、前記フォトリソグラフィでは、グレースケールフォトマスクを用いて前記レンズ材を露光し、レンズ形成パターンの膜厚を塗布されたレンズ材の膜厚より薄く形成することを特徴とする。更に、前記グレースケールフォトマスクの光の透過率を変化させるか又は露光時間を制御することにより、前記レンズ形成パターンの膜厚を制御することを特徴とする。
【００１４】
これによれば、フォトリソグラフィ工程でグレースケールフォトマスクを用いてレンズ材を露光し、グレースケールフォトマスクの光の透過率を変化させるか又は露光時間を制御することにより、レンズ形成パターンの膜厚を塗布されたレンズ材の膜厚より薄く形成するように制御して、パターニングされたレンズ材の体積を減少させるので、リフロー処理後のマイクロレンズの曲率を容易に所望の値に形成することができる。
【００１５】
また、本発明は、前記フォトリソグラフィでは、レンズ形成パターンに複数の空隙部を設けることによってパターニングされたレンズ材の体積を減少させることを特徴とする。
【００１６】
この場合、前記フォトリソグラフィでは、前記レンズ形成パターンと同サイズのマスクパターン中に複数の空隙部用露光パターンを有するフォトマスクを用いて、前記レンズ形成パターンに複数の空隙部を設けることができる。
【００１７】
これによれば、レンズ形成パターンと同サイズのマスクパターン中に複数の空隙部用露光パターンを有するフォトマスクを用い、レンズ形成パターンに複数の空隙部を設けてパターニングされたレンズ材の体積を減少させるので、通常のフォトリソグラフィ工程を用い、リフロー処理後のマイクロレンズの曲率を容易に所望の値に形成することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように本発明のマイクロレンズの製造方法によれば、フォトレジストからなるレンズ材をレンズ基板上に塗布し、フォトリソグラフィでレンズ形成パターンをパターニングするにあたり、フォトリソグラフィ工程でレンズ形成パターンのサイズを変えずにパターニングされたレンズ材の体積を減少させるので、リフロー処理後のマイクロレンズの曲率を所望の値に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下添付図面に従って本発明に係るマイクロレンズの製造方法の好ましい実施の形態について詳説する。尚、本実施の形態では、ＣＣＤアレイからなる固体撮像素子に用いられるマイクロレンズアレイの製造方法として説明する。また、各図において同一部材には同一の番号または記号を付している。
【００２０】
先ず最初に、固体撮像素子の構造について説明する。図１はＣＣＤアレイからなる固体撮像素子の部分断面図である。固体撮像素子１は、ＣＣＤアレイ２０とＣＣＤアレイ２０の上部に形成されたマイクロレンズアレイ１０とで構成されている。
【００２１】
ＣＣＤアレイ２０は、Ｓｉ基板２１、Ｓｉ基板２１に形成された受光素子であるフォトダイオード２２、光電変換された電荷を外部に転送する転送電極２３、遮光膜２４、層間絶縁膜２５、層間絶縁膜２５、の上部に形成されたインナーレンズ２６、インナーレンズ２６の上部に中間層２７を介して設けられたカラーフィルタ２８とで構成されている。
【００２２】
また、マイクロレンズアレイ１０は、レンズ基板１２とレンズ基板１２上でアレイ状に形成された複数のマイクロレンズ１１、１１、…とで構成されている。
【００２３】
固体撮像素子１はこのように構成されているため、外部から入射する光が個々のマイクロレンズ１１及びインナーレンズ２６によって集光されてフォトダイオード２２に照射され、有効開口率が上がるようになっている。
【００２４】
次に、図２及び図３を用いて本発明の実施の形態に係るマイクロレンズの製造方法について説明する。図２（ａ）に示すように、ＣＣＤアレイ２０の上面にはレンズ基板１２が成膜されている。レンズ基板１２は、フォトレジスト等に用いられる透明樹脂硬化膜でアクリル樹脂、フェノール樹脂、ポリカーボネート、ポリアミド等のポリマーが用いられている。例えば、ＪＳＲ株式会社製のアクリル系樹脂で商品名ＭＦＲ−３４５等が好適に用いられる。
【００２５】
このレンズ基板１２上にフォトレジストからなるレンズ材１１Ａを塗布し、低温でベーキングする。レンズ材１１Ａとしては、ポジ型レジスト等の感光性を有する熱硬化性樹脂が好適である。また、塗布方法は、ディップコーティング、スプレーコーティング等を用いることもできるが、厚さの均一性に優れたスピンコーティングが好適である。
【００２６】
次に、図２（ｂ）に示すように、塗布されたレンズ材１１Ａの上面からグレースケールフォトマスク３１を用いて露光する。
【００２７】
グレースケールフォトマスクは、電子ビームを照射することによって表面が暗黒色に変化するような特殊処理を表面層に施したガラスプレートをマスクブランクに用いたもので、暗黒色の濃度は電子ビームの照射量に比例するように作られている。このため、様々な階調のグレーレベル（例えば、光の透過率５〜９５％）を容易にマスクブランク上に形成することができるようになっている。このようなグレースケールフォトマスクとしては、ＯＰＴＬＩＮＥ社から発売されているものや、株式会社日本レーザー社の商品名「３Ｄホトマスク（グレーレベルマスク）」等がある。
【００２８】
このグレースケールフォトマスクを用いた露光により光が照射された部分のポジ型レジストは完全に分解して現像液に対して可溶性となり、淡黒色（グレー）のマスク部分のレジストは光の照射が弱いので完全には分解されず現像液に対する溶解性が弱く、暗黒色のマスク部分のレジストは光の照射が遮られて分解しないので現像液で溶解しない。
【００２９】
本実施の形態では、グレースケールフォトマスク３１はガラスプレート３１ａ上に表面層３１ｂが形成され、表面層３１ｂにはレンズ形成パターン１１Ｂ、１１Ｂ、…に対応するマスクパターン３１ｐ、３１ｐ、…が淡黒色（グレー）でパターニングされている。
【００３０】
このグレースケールフォトマスク３１を用いて露光することにより、図３に示すように、レンズ材１１Ａの光が照射された部分（全露光部）は分解して現像液に対して可溶性となり、光の照射の弱い部分（ハーフ露光部）は現像液に対する溶解性が弱い。なお、ここでいうハーフ露光とは、１／２露光という意味ではなく、全露光に対して中間露光という意味である。また、図３は概念図であり、レンズ材１１Ａのハーフ露光部は現像により図の白抜きの部分が残るというイメージで記載してある。
【００３１】
露光に引き続き現像を行って、図２（ｃ）に示すように、レンズ材１１Ａの光で分解された部分を溶解除去し、レンズ形成パターン１１Ｂ、１１Ｂ、…を形成する。このように、グレースケールフォトマスク３１を用いたフォトリソグラフィによって、塗布したレンズ材１１Ａの膜厚よりも薄い厚みのレンズ形成パターン１１Ｂ、１１Ｂ、…をアレイ状に形成する。
【００３２】
次に、このレンズ基板１２上にレンズ形成パターン１１Ｂがアレイ状にパターニングされたＣＣＤアレイ２０をリフロー装置内で加熱し、アレイ状に配置された各レンズ形成パターン１１Ｂを流動させる。熱リフローされた各レンズ形成パターン１１Ｂは、表面張力によって曲面形状となり、これを冷却後、更に高温で加熱硬化することによって図２（ｄ）に示すように、レンズ基板１２上にマイクロレンズ１１、１１、…をアレイ状に形成することができる。
【００３３】
本実施の形態では、グレースケールフォトマスク３１のグレーレベルを調整して光の透過率を変化させるか、あるいは露光時間を調整することにより、レンズ形成パターン１１Ｂの膜厚を制御する。このため、所望の曲率をを有するマイクロレンズ１１を容易に製造することができる。
【００３４】
以上説明した本発明のマイクロレンズの製造方法で製造される固体撮像素子１に用いられるマイクロレンズアレイ１０は、レンズ形状が円形又は多角形（四角形、八角形等）の底面を有し、その表面は球面又は非球面、あるいは複合曲率面（底面が多角形の場合）であり、レンズ径が２μｍ〜１０μｍ、厚みが５μｍ以下（レンズ径の１／２以下）のものである。この場合のレンズ基板１２の液体との接触角は、１°〜４５°の範囲の中で、夫々のマイクロレンズ１１のサイズに応じて選択される。
【００３５】
なお、固体の液体との接触角は、図８に示すように、固体表面に液体を滴下したときに、固体の表面張力と液体の表面張力とのバランスの結果液体の表面が曲面状となるが、このときの固体と液体周縁部の接線方向とのなす角度（図８におけるθ）で定義される。
【００３６】
次に、本発明に係るマイクロレンズの製造方法の別の実施形態について説明する。図４は、この別の実施形態の工程の流れを表わしている。図４（ａ）は前述の実施の形態と同じレンズ基板１２上にフォトレジストからなるレンズ材１１Ａを塗布してベーキングする工程である。レンズ基板１２の材質、レンズ材１１Ａの材質、及びレンズ材１１Ａの塗布方法は前述の実施の形態と同一なので、説明は省略する。
【００３７】
次に、図４（ｂ）に示すように、フォトマスク３２を用いてレンズ材１１Ａを露光する。フォトマスク３２は、図５に示すようなマスクパターンを有している。即ち、フォトマスク３２にはレンズ形成パターン１１Ｃに対応したマスクパターン３２ｐが１画素毎にアレイ状に形成されている。
【００３８】
このマスクパターン３２ｐ内には、後出のレンズ形成パターン１１Ｃに設ける空隙部１１ｈに対応した微小円形の空隙部用露光パターン３２ｈが透過パターンで複数形成されている。
【００３９】
このようなマスクパターン３２ｐを有したフォトマスク３２を用いて露光することにより、図４（ｂ）に示すように、マスクパターン３２ｐとマスクパターン３２ｐとの間及び複数の空隙部用露光パターン３２ｈの部分ではレンズ材１１Ａに光が照射され、ポジ型フォトレジストからなるレンズ材１１Ａはこの部分が分解され、現像液に可溶性となる。
【００４０】
次にこれを現像して、図４（ｃ）に示すような、内部に多数の微小円形孔として形成された空隙部１１ｈを有するレンズ形成パターン１１Ｃ、１１Ｃ、…をアレイ状に形成する。このように形成されたレンズ形成パターン１１Ｃは、内部に多数の空隙部１１ｈとしての微小孔が形成されているので、レンズ形成パターン１１Ｃの厚さがベーキング後のレンズ材１１Ａの塗布厚さと同じであるが、体積が多数の微小空隙部１１ｈの分だけ減少している。
【００４１】
次にこのレンズ形成パターン１１Ｃがアレイ状にパターニングされたＣＣＤアレイ２０をリフロー装置内で加熱し、アレイ状に配置された各レンズ形成パターン１１Ｃを流動させる。熱リフローされた各レンズ形成パターン１１Ｃは、レジストの濡れ広がりにより微小空隙部１１ｈが消失するとともに、表面張力によって曲面形状となるので、これを冷却後、更に高温で加熱硬化することによって図４（ｄ）に示すように、レンズ基板１２上にマイクロレンズ１１、１１、…をアレイ状に形成することができる。
【００４２】
この別の実施形態では、レンズ形成パターン１１Ｃのサイズ及び厚さを変化させなくても、内部に形成する空隙部１１ｈとしての微小孔の径又は数を変化させることにより、容易にレンズ形成パターン１１Ｃの体積を変化させることができ、マイクロレンズ１１の厚さを制御することができる。
【００４３】
なお、空隙部１１ｈとして微小な円形孔を形成したが、孔形状は円形孔に限らず断面形状が楕円、多角形、その他任意の形状の孔で形成してもよく、また孔に限らず、微小幅の溝を多数形成してもよい。
【００４４】
[ 実施例 ]
グレースケールフォトマスクを用いてレンズ材を露光し、マイクロレンズを形成する本発明の実施例について以下に説明する。レンズ形成面材料であるレンズ基板１２には、前述のＪＳＲ株式会社製のアクリル系樹脂で商品名ＭＦＲ−３４５を使用した。また、レンズ材１１Ａはポジ型レジストを用い、これをレンズ基板１２上面に均一な厚さにスピンコーティングした後プリベーキングした。
【００４５】
プリベーク後のレンズ材１１Ａの膜厚を３５００Å、４２５０Å、５０００Å、及び７２５０Åの４種類作成した。これらに対して夫々同一のグレースケールフォトマスク３１を用いてハーフ露光を施し、これを現像してサイズ２．２６μｍで厚さの薄いレンズ形成パターン１１Ｂ、１１Ｂ、…を夫々４種類形成した。
【００４６】
これらを１３３℃でリフローして４種類のマイクロレンズアレーを製造した。４種類夫々のマイクロレンズ１１の厚さを測定したところ、図６に示すような、結果が得られた。図６は、横軸がプリベーク後のレジスト膜厚（Å）を、縦軸がレンズ高さ（厚さ）（ｎｍ）を表わすレジスト膜厚とレンズ高さ（厚さ）の関係グラフである。
【００４７】
図６に示すように、プリベーク後のレンズ材１１Ａの膜厚３５００Å、４２５０Å、５０００Å、及び７２５０Åに対してレンズ高さは５１０ｎｍ、６１０ｎｍ、７４０ｎｍ、及び９８０ｎｍであった。このときのレンズサイズはいずれも約２μｍであった。
【００４８】
また、プリベーク後のレンズ材１１Ａの膜厚３５００Å、５０００Å、及び７２５０Åに対応する図８に示すようなマイクロレンズ１１のレンズ基板１２に対する接触角θを測定した。
【００４９】
図７は、この実施例におけるプリベーク後のレンズ材１１Ａの膜厚とマイクロレンズ１１のレンズ基板１２に対する接触角θとの関係を表わしたものである。図７に示すように、プリベーク後のレンズ材１１Ａの膜厚３５００Å、５０００Å、及び７２５０Åに対して接触角θは４２°、５１°、及び６３°であった。
【００５０】
このように、レンズサイズの半分以下の厚さを有するマイクロレンズ１１を特別な工程を用いずに、容易に製造することができた。従って、本発明によれば、半導体装置の製造工程で広く用いられているフォトリソグラフィ技術を用い、レンズ基板１２上に所望の曲率を有するアレイ状のマイクロレンズ１１を容易に効率良く形成することができる。
【００５１】
なお、前述の実施形態では、ＣＣＤアレイからなる固体撮像素子１に用いられるマイクロレンズアレイの製造方法として説明したが、固体撮像素子１に限らず、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等に用いられるマイクロレンズアレイの製造方法にも適用することができる。更に、マイクロレンズアレイに限らず、単一のレンズの製造方法においても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】固体撮像素子の構造を表わす部分断面図
【図２】本発明に係るマイクロレンズの製造方法の実施の形態を説明する概念図
【図３】ハーフ露光を説明する概念図
【図４】本発明の別の実施形態を説明する概念図
【図５】フォトマスクのマスクパターンを示す部分平面図
【図６】レジスト膜厚とレンズ厚さとの関係を表わすグラフ
【図７】レジスト膜厚と接触角との関係を表わすグラフ
【図８】固体の液体との接触角を説明する概念図
【符号の説明】
【００５３】
１…固体撮像素子、１０…マイクロレンズアレイ、１１…マイクロレンズ、１１Ａ…レンズ材、１１Ｂ、１１Ｃ…レンズ形成パターン、１１ｈ…空隙部、１２…レンズ基板、２０…ＣＣＤアレイ、３１…グレースケールフォトマスク、３２…フォトマスク、３２ｐ…マスクパターン、３２ｈ…空隙部用露光パターン
【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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