(57)【要約】【課題】撮像デバイスの基板上にレンズのピッチが１μｍ以下のマイクロレンズアレイを、濃度分布マスクを用いて形成する際に、光の干渉効果による光の結像パターンの歪みを補正した露光をする濃度分布マスクを得る。【解決手段】凸レンズ状の単位レンズを配列させたマイクロレンズアレイを露光・現像して形成するための濃度分布マスクであって、前記濃度分布マスクの遮光パターンの等濃度線が、１より小さいスーパー楕円のパラメータｋとＶＷ軸切片パラメータｒを用いるＶＷ座標系のスーパー楕円式の形状を４５度回転させた上で、Ｘ方向及びＹ方向に拡大し、凸レンズ状の単位レンズの底面の等濃度線の対角方向に突出した四隅を囲む矩形のＸ方向の長さを前記マイクロレンズアレイのＸ方向のピッチにし、また、その矩形のＹ方向の長さを前記マイクロレンズアレイのＹ方向のピッチに等しくした等濃度線を有することを特徴とする濃度分布マスクを用いる。【選択図】図１
2011164384.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凸レンズ状の単位レンズを配列させたマイクロレンズアレイを露光・現像して形成するための濃度分布マスクであって、前記濃度分布マスクの遮光パターンの等濃度線が、１より小さいスーパー楕円のパラメータｋとＶＷ軸切片パラメータｒを用いるスーパー楕円式、
（Ｖ／ｒ）ｋ ＋（Ｗ／ｒ）ｋ ＝１
のＶＷ座標で表される形状を４５度回転させた上で、Ｘ方向及びＹ方向に拡大し、凸レンズ状の単位レンズの底面の等濃度線の対角方向に突出した四隅を囲む矩形のＸ方向の長さを前記マイクロレンズアレイのＸ方向のピッチにし、また、その矩形のＹ方向の長さを前記マイクロレンズアレイのＹ方向のピッチに等しくした等濃度線を有することを特徴とする濃度分布マスク。
【請求項２】
立体形状の高さＺの等高線を、１より小さいスーパー楕円のパラメータｋとＶＷ軸切片パラメータｒを用いるスーパー楕円式、
（Ｖ／ｒ）ｋ ＋（Ｗ／ｒ）ｋ ＝１
のＶＷ座標で表される形状を４５度回転させた上で、Ｘ方向及びＹ方向に拡大し、凸レンズ状の単位レンズの底面の等濃度線の対角方向に突出した四隅を囲む矩形のＸ方向の長さを前記マイクロレンズアレイのＸ方向のピッチにし、また、その矩形のＹ方向の長さを前記マイクロレンズアレイのＹ方向のピッチに等しくした等高線であらわし、前記立体形状を設計する濃度分布マスクの透過率計算手段と、前記濃度分布マスクの遮光パターンの直径計算手段と、前記濃度分布マスクの描画データ計算手段とを有することを特徴とする濃度分布マスクの設計装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像デバイスに利用されるマイクロレンズアレイの製造に用いる濃度分布マスクに関する。
【背景技術】
【０００２】
ビデオカメラ、ディジタルカメラ、カメラ付き携帯電話などに用いられる撮像デバイスは高画素化が求められている。画素が微細化すると、画素を構成するＣＣＤ（Charge Coupled Device: 電荷結合素子）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor: 相補型金属酸化膜半導体）等からなる受光素子も微細化する。微細な受光素子への集光効率を高めるため、受光素子の光が入射する面側にマイクロレンズを形成する方法が広く利用されている。これは、画素への入射光を効率よくマイクロレンズにて集光して、受光素子に入射させ、受光感度を向上させるためである。
【０００３】
このマイクロレンズは、特許文献１や特許文献２では、隣接するマイクロレンズ同士を互いに重複させた曲面を形成するために、濃度分布マスクのパターンを感光性材料層へ露光し現像する工程によって３次元の表面形状をもつ物品を製造する方法が提案されていた。この濃度分布マスクを用いる方法によれば、隣接するマイクロレンズ同士を接して形成することが可能になるためマイクロレンズで画素領域を覆う割合を大きくでき、集光性を良くできる効果がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２４４２７３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】
特許文献１では、単位レンズをＸ方向及びＹ方向に等ピッチで配列したマイクロレンズアレイが濃度分布マスクを用いて製造されるが、このマイクロレンズアレイの単位レンズのピッチが１μｍ以下で配列される場合、顕著に不具合を生じることがわかった。それは、円形の等濃度線を持つ濃度分布マスクを用いて撮像デバイスの上の感光性材料層に露光すると、光の干渉効果により、撮像デバイス上のポジ型の感光性材料層に露光される光の光量の等高線が円形で無く、菱形に近い等高線になってしまうことがわかった。そのような光密度で露光してマイクロレンズアレイを製造すると、そのマイクロレンズアレイの単位レンズは球面では無くなる歪みを生じ、その単位レンズの集光能力が低下し、性能が悪化する問題があった。
【０００６】
この現象が発生するのは、例えば、凸レンズ状の単位レンズをＸ方向及びＹ方向に等ピッチで配列するマイクロレンズアレイを形成する場合であって、ポジ型の感光性材料層に濃度分布マスクのパターンを露光する場合に以下の現象が発生する。すなわち、ポジ型の感光性材料層を露光して凸レンズを形成する場合の結像パターンは、凸レンズの単位レンズの底面まで感光性材料層を掘り込むための露光強度を強くするために、単位レンズの四隅の位置に光量の高い部分があり、その部分に集中した光が、光の干渉効果によりその部分の外側に広がることにより、濃度分布マスクが投影する露光の結像パターンが歪む。
【０００７】
そのため、本発明は、撮像デバイスの基板上にレンズのピッチが１μｍ以下のマイクロレンズアレイを、濃度分布マスクを用いて形成する際に、光の干渉効果による光の結像パ
ターンの歪みを補正した露光をする濃度分布マスクを得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１にかかる発明は、上記課題を解決するために、凸レンズ状の単位レンズを配列させたマイクロレンズアレイを露光・現像して形成するための濃度分布マスクであって、前記濃度分布マスクの遮光パターンの等濃度線が、１より小さいスーパー楕円のパラメータｋとＶＷ軸切片パラメータｒを用いるスーパー楕円式、（Ｖ／ｒ）ｋ ＋（Ｗ／ｒ）ｋ ＝１のＶＷ座標で表される形状を４５度回転させた上で、Ｘ方向及びＹ方向に拡大し、凸レンズ状の単位レンズの底面の等濃度線の対角方向に突出した四隅を囲む矩形のＸ方向の長さを前記マイクロレンズアレイのＸ方向のピッチにし、また、その矩形のＹ方向の長さを前記マイクロレンズアレイのＹ方向のピッチに等しくした等濃度線を有することを特徴とする濃度分布マスクである。
【０００９】
また、本発明の請求項２にかかる発明は、立体形状の高さＺの等高線を、１より小さいスーパー楕円のパラメータｋとＶＷ軸切片パラメータｒを用いるスーパー楕円式、（Ｖ／ｒ）ｋ ＋（Ｗ／ｒ）ｋ ＝１のＶＷ座標で表される形状を４５度回転させた上で、Ｘ方向及びＹ方向に拡大し、凸レンズ状の単位レンズの底面の等濃度線の対角方向に突出した四隅を囲む矩形のＸ方向の長さを前記マイクロレンズアレイのＸ方向のピッチにし、また、その矩形のＹ方向の長さを前記マイクロレンズアレイのＹ方向のピッチに等しくした等高線であらわし、前記立体形状を設計する濃度分布マスクの透過率計算手段と、前記濃度分布マスクの遮光パターンの直径計算手段と、前記濃度分布マスクの描画データ計算手段とを有することを特徴とする濃度分布マスクの設計装置である。
【発明の効果】
【００１０】
単位レンズをＸＹ方向に１μｍ以下のピッチｄで格子状に配列したマイクロレンズアレイを形成するために、濃度分布マスクのパターンを波長λが３６５ｎｍの光でポジ型の感光性材料層に露光すると、光の干渉効果により結像パターンに歪みを生じる。本発明の濃度分布マスクは、１より小さいスーパー楕円のパラメータｋを用いるスーパー楕円式のＶＷ座標で表される形状を４５度回転させた上で、Ｘ方向及びＹ方向に拡大し、凸レンズ状の単位レンズの底面の等濃度線の対角方向に突出した四隅を囲む矩形のＸ方向の長さを前記マイクロレンズアレイのＸ方向のピッチにし、また、その矩形のＹ方向の長さを前記マイクロレンズアレイのＹ方向のピッチに等しくした等濃度線を有するパターンの濃度分布マスクを製造して用いる。その濃度分布マスクのパターンを感光性材料層に投影することで、１μｍ以下のピッチｄで格子状に配列したマイクロレンズアレイを、波長λの光の干渉効果による結像パターンの歪みを少なくして製造できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）本発明の第１の実施形態の単位レンズあたりの濃度分布マスクのパターンの等濃度線の平面図である。（ｂ）本発明の第１の実施形態の単位レンズあたりの濃度分布マスクのパターンのＸ方向に沿った光透過率Ｐの分布を示すグラフである。
【図２】（ａ）本発明の濃度分布マスクの平面図である。（ｂ）本発明のマイクロレンズアレイを有する撮像デバイスの側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明のマイクロレンズアレイ１の凸レンズ状の単位レンズの領域における濃度分布マスク２の光透過率Ｐ毎の等濃度線をあらわす。ここで、濃度分布マスク２のパターンの寸法
は、単位レンズのピッチｄのｎ倍に形成し、その濃度分布マスク２のパターンをｎ分の１に縮小投影してマイクロレンズアレイ１を形成する。図１（ｂ）は、濃度分布マスク２のＸ方向の光透過率Ｐの分布を示す。図２（ａ）は、濃度分布マスク２の平面図（ＸＹ平面）を示し、図２（ｂ）は、その濃度分布マスク２を用いて撮像デバイス上の感光性材料層を露光することで得られるマイクロレンズアレイ１の断面形状を示す。濃度分布マスク２は、図２（ａ）に示すように、単位レンズの濃度分布パターンをＸ方向にレンズピッチｄに対応するｄ×ｎのピッチで配列し、Ｙ方向にｄ×ｂ×ｎのピッチで配列したパターンを有する。濃度分布マスク２のパターンは、マイクロレンズアレイ１を形成する半導体基板１１上の感光性材料層に投影する寸法が露光に用いる光の波長λの解像度以下の微細な寸法の遮光パターン３の集合で形成する。
【００１３】
ここで、本発明の特徴は、マイクロレンズを作成するための濃度分布マスク２の光透過率Ｐが等しい等濃度線の形状をスーパー楕円式（式１）から（式３）によって定義する点にある。
（式１）  （Ｖ／ｒ）ｋ ＋（Ｗ／ｒ）ｋ ＝１
（式２）  Ｖ≡（Ｘ＋Ｙ／ｂ）／２
（式３）  Ｗ≡（Ｘ−Ｙ／ｂ）／２
（式４）  等濃度線のＸ方向の半径（Ｘｒ）＝２ｒ／２（１／ｋ）
ここで、（Ｖ，Ｗ）座標系を原点を中心にして４５度回転させた座標系をＸ’Ｙ’座標系にし、そのＸ’座標系でのＸ’座標値を√２倍にしてＸ座標値にし、Ｙ’座標値をｂ√２倍にしてＹ座標値にする。その（Ｘ，Ｙ）座標が、濃度分布マスク２での単位レンズの領域の位置座標を、単位レンズの中心を原点にしてＸＹ座標であらわす。また、等濃度線がＶ座標軸（あるいはＷ座標軸）と交わる点の座標の値がＶ軸切片パラメータｒと等しい。
【００１４】
ＸＹ座標系でＹ＝０となるＸ座標軸は、ＶＷ座標系では、Ｖ＝Ｗとなる直線になる。式１は、斜め方向の座標系ＶＷを基準にしたスーパー楕円式であり、スーパー楕円のパラメータｋは１より小さくする。図１（ａ）は、スーパー楕円のパラメータｋの値が０．９２５の式１のスーパー楕円式であらわされる濃度分布マスク２の光透過率Ｐ毎のＸＹ面（基板面）の等濃度線の形状をあらわす。スーパー楕円のパラメータｋが１よりも小さいため、等濃度線の形状は、正方形の四隅が対角方向に突出した形状になる。スーパー楕円のパラメータｋが１以下の値で１に近づくと等濃度線は正方形に近づく。ｋが１より更に小さくなると、正方形の対角方向への四隅の突出の割合が大きくなる。等濃度線のＸ方向の半径Ｘｒは式４であらわされる。濃度分布マスク２は、レンズの配列のピッチｄ（例えば０．７μｍから１μｍ）のｎ倍を凸レンズ状の単位レンズ底面のＶＷ軸切片パラメータｒ０の２倍と等しくし、その２×ｒ０のピッチでＸ方向に単位レンズのパターンを配列する。また、等濃度線の寸法を与える式２及び式３のＹ方向の縮尺パラメータｂに応じて、単位レンズのパターンをＹ方向に２ｂ×ｒ０のピッチで配列する。それにより、濃度分布マスク２で単位レンズ底面をあらわす等濃度線の対角方向に突出した四隅を囲む矩形のＸ方向の長さが単位レンズをＸ方向に配列するピッチに等しくなり、また、その矩形のＹ方向の長さが単位レンズをＹ方向に配列するピッチに等しくなる。
【００１５】
なお、図１（ａ）では、単位レンズ底面のＶＷ軸切片パラメータｒ０の長さの単位を１として等濃度線をあらわす。濃度分布マスク２のパターンは撮像デバイス１０の感光性材料層に縮小、投影されてマイクロレンズアレイ１を製造するので、マイクロレンズアレイ１と濃度分布マスク２の縮尺は異なる。そのため、以降では、説明を簡単にするため、濃度分布マスク２の寸法は、マイクロレンズ１を形成するために縮小投影する寸法に換算して説明する。
【００１６】
この濃度分布マスク２の等濃度線のＶＷ軸切片パラメータｒに関する光透過率Ｐは、以下の式５で定める値にする。
（式５）
Ｐ＝Ｐ１＋(Ｐ０−Ｐ１){ｒ１−(ｒ１２−ｒ２)１／２}／{ｒ１−(ｒ１２−ｒ０２)１／２}
ここで、Ｐ０は凸レンズ状の単位レンズの底面の高さを与える濃度分布マスク２の光透過率であり、Ｐ１は単位レンズの頂点の高さを与える濃度分布マスク２の光透過率であり、ｒ１は単位レンズの曲率半径にかかわるパラメータである。光透過率ＰがＰ０となる単位レンズの底面の高さを与える等濃度線は、単位レンズ底面のＶＷ軸切片パラメータｒ０に関する等濃度線であり、その等濃度線のＸ方向の半径Ｘｒは２ｒ０／２（１／ｋ）になる。
【００１７】
図１（ｂ）は、式５であらわした濃度分布マスク２の光透過率Ｐを縦軸にし、横軸をＸ座標ＸであらわしたＸ軸上の透過率Ｐのグラフである。この光透過率Ｐの分布は、ポジ型の感光性材料層に露光してレンズを形成するため、単位レンズの立体形状の高さを逆さにした形状になる。図１（ｂ）のように、単位レンズの底面の高さを与える光透過率Ｐ０の場合には、等濃度線のＸ方向の半径Ｘｒは０．９４であり、単位レンズの頂点の高さを与える光透過率Ｐ１の等濃度線のＸ方向の半径Ｘｒは０である。また、図１（ａ）で光透過率Ｐ０の等濃度線より外側の単位レンズの領域の濃度分布マスク２の光透過率ＰはＰ０にする。ただし、光透過率Ｐ０の等濃度線より外側の単位レンズの領域の光透過率Ｐも式５で計算した値を用いる設計をしても良い。
【００１８】
（濃度分布マスクの設計装置）
図１（ａ）では、等濃度線の形状は、正方形の四隅が対角方向に突出した形状である。濃度分布マスクの設計装置が、濃度分布マスクの透過率計算手段により、濃度分布マスク２上の格子点の（Ｘｍ，Ｙｐ）座標毎に、スーパー楕円式（式１から式３）を用いて、単位レンズのスーパー楕円のＶＷ軸切片パラメータｒを計算する。次に、そのＶＷ軸切片パラメータｒの値を式５に代入して光透過率値Ｐ＝Ｐｍｐを計算し、その光透過率値Ｐｍｐの分布を与えるｍ×ｐ個の配列データを記憶手段に記憶する。次に、濃度分布マスクの遮光パターンの直径計算手段が、光透過率値Ｐｍｐ毎に、予め記憶手段に記憶させた、透過率毎の遮光パターンの直径換算データを用いて、濃度分布マスク２の遮光パターンの直径Ｄｍｐを計算し、Ｘ座標ＸｍとＹ座標Ｙｐと遮光パターンの直径Ｄｍｐのリストから成るデータ構造のｍ×ｎ個の配列から成る遮光パターンの寸法データを作成し、記憶手段に記憶させる。次に、濃度分布マスクの描画データ計算手段が、濃度分布マスクパターン描画装置に、各格子点（Ｘｍ，Ｙｐ）毎に、指定された直径Ｄｍｐの遮光パターンの描画を指令する濃度分布マスク描画データを作成する。その濃度分布マスク描画データにより、濃度分布マスクパターン描画装置を用いて、図２（ａ）のようなパターンを描画した濃度分布マスク２を製作する。
【００１９】
その濃度分布マスク２を用いて以下の製造方法により感光性材料層に露光して現像することで、図２（ｂ）のような撮像デバイス１０のマイクロレンズアレイ１を製造する。すなわち、半導体基板１１の受光素子１２の上の平坦化層１３の上のカラーフィルタ層１４の上に、受光素子１２毎に単位レンズを形成したマイクロレンズアレイ１を形成する。
【００２０】
（マイクロレンズアレイの製造方法）
この濃度分布マスク２を用いて、図２（ｂ）のような、カラー撮像デバイス１０にマイクロレンズアレイ１を製造する。例えば、受光素子１２の配列から成り、個々の受光素子１２に対応する各画素のサイズは、正方形で寸法が略０．５μｍ〜略１００μｍの範囲であり、ほぼ０．８μｍ〜略１μｍの画素の複数のＣＭＯＳの撮像デバイス１０が形成された半導体基板１１を用いる。その半導体基板１１の表面に熱硬化型のアクリル系樹脂により略０．１μｍの厚さの平坦化層１３を形成する。次に、平坦化層１３の上に、個々の受光素子１２に対応した個々の画素で、厚さが略１μｍの緑，青，そして赤の３色の画素か
ら成るカラーフィルタ層１４を形成する。次に、カラーフィルタ層１４上にアクリル系樹脂やフェノール系樹脂やスチレン系樹脂を主体とするポジ型の感光性材料層を略０．７〜１μｍの厚さに形成する。次に、その感光性材料層に、紫外線域の３６５ｎｍの波長λの光を用いて、５倍レチクル（ｎ＝５）の濃度分布マスク２のパターンをステッパーで縮小投影する。そのように露光した感光性材料層を現像することでマイクロレンズアレイ１を形成する。最後に、２００℃程度の加熱処理でベークすることで、図２（ｂ）に示すマイクロレンズアレイ１を硬化させる。このようにして、半導体基板１１において、複数の受光素子１２上に平坦化層１３を介し、各々の受光素子１２に対応して形成されたカラーフィルタ層１４の各画素上に、頂点の高さが０．６〜１μｍのマイクロレンズアレイ１を形成する。
【００２１】
ここで、撮像デバイスの基板上でレンズのピッチｄが１μｍ以下で配列されるマイクロレンズアレイのパターンを有する濃度分布マスク２を、波長λが３６５ｎｍの光で感光性材料層に縮小投影する際の光の干渉により投影する光量分布に不具合が生じる。その不具合を、スーパー楕円式（式１）であらわされる等濃度線を有する濃度分布マスクによりどの程度補正できるかをシミュレーションで調べた。シミュレーションの条件は、マイクロレンズアレイ１をｎ＝５倍に拡大したパターンの濃度分布マスク２を用い、式１から式５で与えられる光透過率Ｐの分布を有する濃度分布マスク２のパターンを、通常の５分の１縮小投影ステッパーのコヒーレンズファクタσの値０．６で、投影レンズのＮＡが０．６３のステッパーを用いて、波長λが３６５ｎｍの光で感光性材料層に露光する。そして、レンズの配列のピッチｄが０．８μｍのマイクロレンズアレイ１のパターンを投影する場合をシミュレーションした。その結果、以下の表１の結果を得た。
（表１）
（条件）                          （露光パターンの形状）
（条件１）ｋ＜０．９１              菱形状に歪み
（条件２）０．９１≦ｋ≦０．９４    露光パターンは良好な円形状
（条件３）ｋ＞０．９４              正方形状に歪み
すなわち、スーパー楕円のパラメータｋが０．９１以上で０．９４以下の場合は、その濃度分布マスク２を用いて露光すると、感光性材料層に良好に光の干渉効果を補正した光量分布の露光光が投影され、マイクロレンズアレイ１の単位レンズの表面が球面から歪まずに形成できることが分かった。ｋが０．９４より大きい場合は、マイクロレンズアレイ１は菱形状に歪み、ｋが０．９１より小さい場合は、マイクロレンズアレイ１が正方形状に歪む。
【００２２】
以上で説明したように、単位レンズをＸＹ方向に１μｍ以下のピッチｄで格子状に配列したマイクロレンズアレイを形成するために、濃度分布マスク２のパターンを波長λが３６５ｎｍの光でポジ型の感光性材料層に露光すると、光の干渉効果により結像パターンに歪みを生じる。それに対して、本実施形態の濃度分布マスクは、その等濃度線の形が式１から式５で与えられる、１より小さいスーパー楕円のパラメータｋのスーパー楕円式（式１）のＶＷ座標で表される形状を４５度回転させた上で、Ｘ方向及びＹ方向に拡大した等濃度線を作成する。そして、凸レンズ状の単位レンズの底面の等濃度線の対角方向に突出した四隅を囲む矩形のＸ方向の長さを単位レンズをＸ方向に配列するピッチにし、また、その矩形のＹ方向の長さを単位レンズをＹ方向に配列するピッチに等しくした等濃度線を有する濃度分布マスク２を製造する。その濃度分布マスク２をステッパーで縮小投影することで、波長λの光の干渉効果による結像パターンの歪みを少なくして１μｍ以下のピッチの単位レンズを製造できる効果がある。
【符号の説明】
【００２３】
１・・・マイクロレンズアレイ
２・・・濃度分布マスク
３・・・遮光パターン
１０・・・撮像デバイス
１１・・・半導体基板
１２・・・受光素子
１３・・・平坦化層
１４・・・カラーフィルタ層
Ｐ・・・濃度分布マスクの光透過率
Ｐ０・・・単位レンズの底面の高さを与える光透過率
Ｐ１・・・単位レンズの頂点の高さを与える光透過率
ｂ・・・Ｙ方向の縮尺パラメータ
ｄ・・・レンズのピッチ
ｎ・・・濃度分布マスクのパターンのマイクロレンズアレイに対する倍率
ｒ、ｒ０・・・ＶＷ軸切片パラメータ
【図１】
2011164384.tif 000003
【図２】
2011164384.tif 000004