(57)【要約】【課題】  マイクロレンズ構造形成する方法を提供すること。【解決手段】  ハードマスクが、透過材料をオーバーレイして形成される。開口部がハードマスクにパターニングされる。パターニングされたハードマスクおよびアンダーレイする透過材料の両方が、ハードマスクおよび透過材料をエッチングするウェットエッチングにさらされる。ハードマスクがエッチングされるとき、開口部は、透過材料のより多くを露出することを増加させる。エッチングの選択性に依存して、勾配のある側壁を有するレンズ形が形成される。レンズの開口部は、レンズ材料で充填されることにより、レンズを形成し得る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロレンズ構造を形成する方法であって、
ａ）透過材料を提供することと、
ｂ）該透過材料をオーバーレイするハードマスクを形成することと、
ｃ）該ハードマスクの開口部をパターニングすることと、
ｄ）等方性ウェットエッチングを用いて該ハードマスクおよび該透過材料をエッチングすることによってレンズ形を形成し、これによって、該エッチングが進むにつれて、該ハードマスクが該アンダーレイする透過層のより大きな領域を露出するために水平にエッチングされることと
を包含する、方法。
【請求項２】
レンズ材料で前記レンズ形を充填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３】
前記透過材料は、シリコン酸化物もしくはガラスである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記透過材料は、光学樹脂である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記等方性ウェットエッチングは、バッファードＨＦエッチングである、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記レンズ材料は、前記透過材料より高い屈折率を有する、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記レンズ材料は、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＺｎＯ２もしくは光学樹脂を包含する、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記レンズ材料をオーバーレイスするＡＲコーティングを形成することをさらに包含する、請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記ＡＲコーティングは、単層のＡＲコーティングである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記単層のＡＲコーティングは、シリコン酸化物、ガラスもしくは光学樹脂を包含する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
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２に記載の方法。
【請求項１２】
前記レンズ材料を平坦化することは、化学機械的研磨することをさらに包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
平坦化することは、前記レンズ材料をリフローすることを包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記等方性ウェットエッチングは、前記透過材料より前記ハードマスクをより速くエッチングする、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記ハードマスクは、ＴＥＯＳ酸化物であり、前記透過材料は、熱酸化物である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ハードマスクは、ドープされたシリコン酸化物であり、前記透過物材料は、ドープされていないシリコン酸化物である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記ハードマスクの前記開口部は、垂直でない壁を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記透過材料をオーバーレイする第２の透過材料をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の透過材料は、前記透過材料より速いエッチング率を有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記透過層が、基板に形成される光出器を有する該基板をオーバーレイして提供されている、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロレンズ構造およびマイクロレンズアレイを形成する方法に関する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
マイクロレンズ構造形成する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
ハードマスクが、透過材料をオーバーレイして形成される。開口部がハードマスクにパターニングされる。パターニングされたハードマスクおよびアンダーレイする透過材料の両方が、ハードマスクおよび透過材料をエッチングするウェットエッチングにさらされる。ハードマスクがエッチングされるとき、開口部は、透過材料のより多くを露出することを増加させる。エッチングの選択性に依存して、勾配のある側壁を有するレンズ形が形成される。レンズの開口部は、レンズ材料で充填されることにより、レンズを形成し得る。      
【発明を実施するための最良の形態】
【０００４】
図１は、本発明の実施形態に従って形成されたマイクロレンズ構造の実施形態を示す。透過層１４が、基板１０をオーバーレイして堆積される。反射防止層２２が、マイクロレンズ２０をオーバーレイして形成される。透過層１４の厚さは、部分的には、所望されるレンズの湾曲および焦点の長さの考慮に基づいて決定される。
【０００５】
図２は、透過層１４が基板をオーバーレイして形成された後の基板１０を示す。ハードマスク１６が透過層１４をオーバーレイして形成される。
【０００６】
図３は、ハードマスク１６をオーバーレイして堆積したフォトレジスト２４の層を示す。示されるように、開口部２６がフォトレジストにパターニングされる。開口部２６がハードマスク１６をパターニングするために用いられる。開口部２６は、所望されるレンズの大きさより小さくなる。開口部２６は、ハードマスクにパターニングされる所望の形状を有し得る。
【０００７】
ハードマスク１６が、異方性エッチングを用いてエッチングされ（例えば、アルゴンともにＣ３Ｆ８といったフッ化炭素を用いるドライエッチング）、透過層１４でほぼ止まることにより、図４に示されるように、開口部２７を形成する。わずか手前で止まるもしくは部分的に透過層に入りこむことは、一部の実施形態において許容されることに留意する。その透過層で正確に止まらないことは、生じるレンズの大きさに影響し得るが、これはプロセスの許容内であり得る。フォトレズスト２４の層が、それから、剥離される。ハードマスク１６は開口部２７を有する。開口部２７は所望される任意の形状を有し得る。しかしながら、図４は、断面図を示すだけである。１つの実施形態において、開口部２７は、直径（ｒ）およびハードマスクの厚さ（ｔ）を有する円形である。
【０００８】
開口部２７がハードマスク１６に形成されたら、等方性ウェットエッチングが用いられることにより、図５に示されるようにレンズ形３２を形成する。例えば、ガラスもしくはシリコン酸化物がハードマスクもしくは透過層として用いられるとき、バッファードＨＦエッチングが用いられ得る。ハードマスク１６が、垂直および水平ともに、等方性ウェットエッチングの時間の経過とともに消費される。これにより、開口部２７は、エッチングが継続するにつれて、より大きくなる。ハードマスク１６は、エッチング率（ａ）を有し、一方透過層１４は、エッチング率（ｂ）を有する。レンズ形３２は、エッチング比率（ｓ＝ａ／ｂ）によって決定される。エッチング比率（ｓ）は、側壁２８の勾配を決定する。本発明の１つの実施形態において、ハードマスク１６および透過層１４は、エッチング比率が１より大きくなるように選ばれる。これは、ハードマスクが、透過層より、ｓ回速くエッチングすることを意味する。
【０００９】
本発明の１つの実施形態において、透過層１４は熱酸化物であり、ハードマスク１６はＴＥＯＳ酸化物である。ここで用いられるように、用語シリコン酸化物は、通常、熱酸化、ＣＶＤもしくはスパッタリングのどれかを用いて形成されるシリコン酸化物もしくは二酸化シリコンの任意の形状を意味する。シリコン酸化物の特性は、酸化物層を形成する方法に依存して変化し得る。熱酸化物は、堆積したシリコン層もしくはシリコン基板の熱酸化によって形成されるシリコン酸化物材料を意味する。ＴＥＯＳ酸化物は、ＴＥＯＳ前駆物質を用いるＣＶＤ方法を用いて堆積したシリコン酸化物を意味する。ＴＥＯＳ酸化物は、バッファードＨＦウェットエッチングを用いるとき、熱酸化物よりおよそ３倍より大きいエッチング率を有する。その結果、ＴＥＯＳ酸化物の熱酸化物に対するエッチング比率ｓは、３である。これは勾配のある側壁２８を有するレンズ形３２を作成する。
【００１０】
本発明の他の実施形態において、ハードマスク１６は、透過層１４を形成するために用いられるものと同じ基材を用いて形成され、ハードマスクだけがエッチング率を変更するためにドープされる。例えば、ＴＥＯＳ酸化物がリンでドープされるとき、それはドープされていないＴＥＯＳ酸化物より速いエッチング率を有する。ドーピングは、また２つの異なる材料が用いられるとき、エッチング率を微調整するために用いられ得る。例えば、ＴＥＯＳ酸化物がホウ素でドープされるとき、それはドープされていないＴＥＯＳ酸化物より遅いエッチング率を有する。このような方法で、熱酸化物をオーバーレイするＴＥＯＳ酸化物のハードマスクのエッチング率は、また調整され得る。
【００１１】
他の実施形態において、光学質の有機樹脂といった透過的な有機材料が用いられることにより、透過層および／またはハードマスクを形成するために用いられ得る。これらの材料は、透過層およびハードマスクの両方を、異なるエッチング率でエッチングする等方性ウェットエッチングが利用可能なように選択され得る。
【００１２】
本発明の１つの実施形態において、ハードマスク１６がエッチング中に完全に消費されるとき、図６に示されるようにエッチングが止まる。ハードマスク１６の厚さは、ウェットエッチングの終わりまでに、レンズ形３２がおよそ所望される大きさを有するように計算される。レンズの直径（Ｄ）は、ハードマスクの厚さ（ｔ）に開口部の直径（ｒ）を加えた２倍に等しい、したがって、Ｄ＝２＊ｔ＋ｒである。レンズの厚さ（ｄ）は、ハードマスクの厚さ（ｔ）をエッチングの選択性（ｓ）で割ったのに等しい。したがって、ｄ＝ｔ／ｓである。ウェットエッチングプロセスの性質のため、レンズ形３２は、おそらく丸いコーナーを有する。これは、所望されないわけでなく、むしろ好まれる。
【００１３】
透過層１４の厚さは、部分的には、等方性ウェットエッチングによって起こるエッチングの量と同様に、所望されるレンズの湾曲および焦点の長さの考慮に基づいて決定される。本発明のマイクロレンズ構造の１つの実施形態において、マイクロレンズ２０の所望される焦点の長さは、およそ２μｍと８μｍとの間である。堆積される透過層１４の厚さは、すべてのエッチングステップおよび平坦化ステップに続く所望される焦点の長さの距離を達成するために十分厚いべきである。
【００１４】
レンズ形３２が完成した後、レンズ材料４０が堆積して、図７に示されるように、レンズ形３２を充填する。レンズ材料は、スパッタリングプロセス、ＣＶＤプロセス、スピンプロセスもしくは他の適したプロセスによって堆積し得る。スピンプロセスが用いられるとき、さらなる上平面の平滑化は必要でない。この場合、レンズ２０が形成される。本発明のプロセスの１つの実施形態において、反射防止（ＡＲ）層２２が、レンズ２０上に形成される。反射防止層２２は、レンズ材料４０の屈折率値と空気の屈折率値との間の屈折率値を有する単層の材料であり得る。他の実施形態において、多層のＡＲコーティングが用いられる。ＡＲ層２２は、スパッタリングプロセス、ＣＶＤプロセス、スピンプロセスもしくは他の適したプロセスによって堆積され得る。所望されれば、ＣＭＰプロセスがＡＲ層２２の上面を平坦化するために用いられ得る。
【００１５】
レンズ材料４０が粗いとき、図８に示されているように、平坦化ステップが実行される。本発明の実施形態の１つにおいて、ＣＭＰプロセスがレンズ材料４０を平坦化するために用いられる。もしくは、リフロープロセスがレンズ材料４０を平坦化を達成するために用いられる。各レンズが改善した光収集を達成し続ける限りは、平坦化量は重要ではない。
【００１６】
図９は、レンズ材料を研摩するＣＭＰを用いることによって形成されるレンズ２０を示す。ＣＭＰが透過層１４で止まり得る、もしくは、部分的に透過層１４を研摩し得る。
【００１７】
図１０は、レンズ材料４０をパターニングおよびエッチングの代替の方法を用いて形成されるレンズ２０を示す。レンズ材料４０は、パターニングおよびエッチングの前に、上述のように堆積され、もしくは平坦化されたまま残され得る。
【００１８】
レンズ２０はＡＲコーティングで被覆される。例えば、図１は、ＡＲコーティングを堆積させた後の図９のレンズ構造に対応する。ＡＲコーティングは、図１０に示されるレンズに適用され得る。  
【００１９】
本発明の１つの実施形態において、レンズは、図１１に示されるように、光出器２３に当たる光の強さを増加させることを意図される。光出器２３は、例えば、ＣＣＤアレイ内のピクセルであり得る。本発明を用いて形成されるレンズ２０が、球状や放射状でないときでさえ、レンズ２０に当たっている光５０を、光出器２３の方へダイレクトさせることにより、光出器２３に当たる光の強さを増加させる。レンズ２０が完全に光出器２３上に光を集中させる必要はない。本発明のマイクロレンズ構造の１つの実施形態において、光を光出器２３上に集中させることが所望されるとき、透過層１４は、マイクロレンズより低い屈折率値を有する。例えば、透過層１４が屈折率およそ１．５を有するとき、マイクロレンズ２０は、より高い屈折率値を有するはずである。透過層１４が二酸化シリコンもしくはガラスであるとき、マイクロレンズ２０は、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＺｎＯ２もしくはおよそ２の屈折率を有する他のレンズ材料から成る。
【００２０】
他の実施形態において、１．５より大きい屈折率を有する光学樹脂がマイクロレンズを形成するために用いられ得る。現在利用可能な光学樹脂は、およそ１．７の屈折率である。
【００２１】
本発明のプロセスの１つの実施形態において、マイクロレンズ２０は、光出器２３をオーバーレイして形成される。このことは、レンズを形成し、それからレンズを基板に移す必要性をなくす。従って、基板に形成された所望される光出器２３を有する基板が用意される。透過層１４は、光検出器２３をオーバーレイして形成され、レンズ２０が形成される。
【００２２】
単一の材料のＡＲ層２２を含む本発明のマイクロレンズ構造の１つの実施形態において、ＡＲ層は、好ましくは、空気の屈折率とレンズの材料の屈折率との間の屈折率を有する材料から成る。例えば、二酸化シリコン、ガラスもしくは光学樹脂が、二酸化シリコンの屈折率より大きい屈折率を有するマイクロレンズの上に用いられ得る。
【００２３】
これまでの実施形態は、実質的に垂直な側壁を有する開口部２７を有するハードマスク１６を利用する。この場合、レンズの大きさは、開口部２７の大きさおよびハードマスクの厚さによって決定される。制御のさらなるレベルが、ドライエッチングプロセスを変更することにより、本発明の一部の実施形態において達成されて、図１２に示されるように、垂直でない側壁を有する側壁５２を有する開口部２７を作成し得る。垂直側壁に対応する９０度から側壁角度を減少させることにより、サイン角によって割られる１の因数分、有効ラテラルエッチング率が増加する。例えば、側壁が６０度であるとき、ラテラルエッチング率は、１．５５５の因数分増加する（ラテラルエッチング率においておよそ１５％の増加）。側壁５２が４５度のとき、ラテラルエッチング率は、１．４１４の因数分増加する（ラテラルエッチング率においておよそ４０％の増加）。側壁の角度を調整することにより、エッチング時間は、同じままである。従って、結果生じるレンズは、同じ厚さ（ｄ）を有するが、より大きな直径（Ｄ）を有する。
【００２４】
本発明の実施形態は、単一のレンズを形成することを記載した。しかしながら、上述の本発明の実施形態は、またマイクロレンズアレイを形成するのに適している。図１３、１４は、レンズ２０が接しており、可能ならばオーバーラップしていることを示す。隣接するレンズをエッチングする能力は、レンズが接するまで、達成され得る充填比を増加させる。本発明の実施形態は、充填比が１００％に近づくことを可能にする。これは、例えば、光出器にリダイレクトされ得る光の量を増加させる。上述のように、本発明の実施形態は、円形もしくは方形を作成することに限定されない。
【００２５】
本発明の他の実施形態の１つにおいて、レンズ形３２は、多層構造を提供することによって変更される。図１５に示されるように、第２の透過層１５が透過層１４をオーバーレイして形成される。従って、第２の透過層１５が、ハードマスク１６と透過層１４との間に位置する。第２の透過層１５は、例えば、透過層１４のエッチング率値とハードマスク１６エッチング率値との間であるエッチング率値を有する。例えば、透過層が熱酸化物であり、ハードマスクがＴＥＯＳ酸化物の場合、第２の透過層１５は、ドープされていないＴＥＯＳ酸化物より遅いエッチング率を有するドープされたＴＥＯＳ酸化物、もしくはドープされていない熱酸化物より速いエッチング率を有するドープされた熱酸化物であり得る。
【００２６】
図１６は、図１５に示される最初の多層構造を用いるレンズ形３２示す。レンズ形３２は、側壁２６とは異なる角度を有する側壁領域５４によって作成され、より円形の見た目を有する。
【００２７】
図１７は、完全にエッチングされたＴＥＯＳハードマスクの層を用いるレンズ形３２であって、熱酸化物透過層をオーバーレイして形成されたレンズ形３２のＳＥＭのイメージである。図１８は、レンズ形３２のアレイのＳＥＭのイメージである。
【００２８】
実施形態が上述されてきたが、その範囲は、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決定する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】基板をオーバーレイするマイクロレンズ構造の断面図である。
【図２】基板をオーバーレイする中間段階のマイクロレンズ構造の断面図である。
【図３】基板をオーバーレイする中間段階のマイクロレンズ構造の断面図である。
【図４】基板をオーバーレイする中間段階のマイクロレンズ構造の断面図である。
【図５】基板をオーバーレイする中間段階のマイクロレンズ構造の断面図である。
【図６】基板をオーバーレイする中間段階のマイクロレンズ構造の断面図である。
【図７】基板をオーバーレイする中間段階のマイクロレンズ構造の断面図である。
【図８】基板をオーバーレイする中間段階のマイクロレンズ構造の断面図である。
【図９】基板をオーバーレイするマイクロレンズ構造の断面図である。
【図１０】基板をオーバーレイするマイクロレンズ構造の断面図である。
【図１１】基板をオーバーレイするマイクロレンズ構造の断面図である。
【図１２】基板をオーバーレイする中間段階のマイクロレンズ構造の断面図である。
【図１３】基板をオーバーレイするマイクロレンズアレイ構造の断面図である。
【図１４】基板をオーバーレイするマイクロレンズアレイ構造の平面図である。
【図１５】基板をオーバーレイする中間段階のマイクロレンズ構造の断面図である。
【図１６】基板をオーバーレイする中間段階のマイクロレンズ構造の断面図である。
【図１７】マイクロレンズ構造のＳＥＭイメージである。
【図１８】マイクロレンズアレイ構造のＳＥＭイメージである。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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