(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージセンサの受光部上側への微小な集光レンズの形成方法であって、イメージセンサの受光部上側に形成された平坦化層上にレジスト膜を塗布し、フォトマスクを介して、レジスト膜を露光し、現像し、レンズ形状にパターニングするもので、前記フォトマスクは、遮光層を持たない透過型のフォトマスクで、被露光部の表面において所望の光強度分布を得るように、その各位置における透過光の位相が所定値幅単位で制御された、表面部に階段部を有する光屈折系の媒体からなる光透過部を設けたものであることを特徴とする微小な集光レンズの形成方法。
【請求項２】
請求項１において、フォトマスクは、形成する集光レンズの形状にあった被露光部の表面の光強度分布のデータから、計算により求めた、このような光強度分布を得るフォトマスクの各位置の透過光の位相変化のデータに基づき、フォトマスクの各位置の厚さを、透過光の位相変化が所定値となる幅単位で、求めて近似し、これに合せた形状に加工して、表面部に階段部を有する光屈折系の媒体からなる光透過部を形成したものであることを特徴とする微小な集光レンズの形成方法。
【請求項３】
請求項１ないし２において、パターニング後、更に、遠紫外線を照射して、樹脂の硬化と感光性物質のブリーチングを行なうことを特徴とする微小な集光レンズの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳの等のイメージセンサ部上への微小レンズの形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージセンサーにおいては、受光部の集光効率を高めるため、各受光部に微小集光レンズを形成している。
このような微小集光レンズは、従来、集光部上側に形成された樹脂部を熱フロにてレンズ状に形成していた。
この方法の１例を、図４に基づいて、以下、簡単に説明しておく。
尚、図４中、３０１はデバイス基板（イメージセンサ基板）、３０２はシリコンウエハ、３０３は受光部、３０４はカラーフィルタ、３０４ａは平坦化層、３０５は平坦化層、３０６はレジスト層、３０７はフォトマスク、３０８は露光光、３０９はレジストパターン（現像後のレジスト像）、３１０は凸レンズ（熱フロー後のレジスト像）である。
本例は、シリコンウエハ３０２の一面に形成された受光部３０３上側に、カラーフィルタ３０４を配設したデバイス基板３０１（図４（ａ）に対し、その各受光部３０３に対応して微小集光レンズを設ける場合である。
先ず、ディバイス基板３０１のカラーフィルタ３０４を覆う平坦化層３０５を設け、更に平坦化層３０５上にレンズを形成するための感光性の樹脂であるレジスト層３０６を塗布する。（図４（ｂ））
次いで、フォトマスク３０７をレジスト層３０６に近接した状態で、レジスト層３０６を選択露光し（図４（ｃ））、現像処理して、各受光部３０３に対応する領域に受光部３０３を覆う略四角状のレジストパターン３０９を形成する。（図４（ｄ））
この後、熱処理してレジストパターン３０９を熱フローさせ、各受光部３０３に対応した凸レンズ３１０を形成する。（図４（ｅ））
この方法の場合、レジストパターン３０９を熱フローにより凸レンズ形状とするため、所望の焦点距離を有する集光効率の良いレンズの形成することが難しかった。
特に、受光部までの距離が長いＣＭＯＳイメージセンサにおいては、熱処理による自然フローでは、焦点距離の長い設計通りのレンズ形状を形成することができなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来、ＣＣＤやＣＭＯＳの等のイメージセンサ部上への微小な集光レンズの形成方法においては、熱フローによりレンズ形状を形成しており、所望の形状を得ることが難しく、集光効率にも限度があり、この対応が求められていた。
本発明は、これに対応するもので、ＣＣＤやＣＭＯＳの等のイメージセンサ部上への微小な集光レンズの形成方法において、集光効率の良い設計形状のレンズを形成することができる方法を提供しようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の微小な集光レンズの形成方法は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージセンサの受光部上側への微小な集光レンズの形成方法であって、イメージセンサの受光部上側に形成された平坦化層上にレジスト膜を塗布し、フォトマスクを介して、レジスト膜を露光し、現像し、レンズ形状にパターニングするもので、前記フォトマスクは、遮光層を持たない透過型のフォトマスクで、被露光部の表面において所望の光強度分布を得るように、その各位置における透過光の位相が所定値幅単位で制御された、表面部に階段部を有する光屈折系の媒体からなる光透過部を設けたものであることを特徴とするものである。
そして、上記において、フォトマスクは、形成する集光レンズの形状にあった被露光部の表面の光強度分布のデータから、計算により求めた、このような光強度分布を得るフォトマスクの各位置の透過光の位相変化のデータに基づき、フォトマスクの各位置の厚さを、透過光の位相変化が所定値となる幅単位で、求めて近似し、これに合せた形状に加工して、表面部に階段部を有する光屈折系の媒体からなる光透過部を形成したものであることを特徴とするものである。
また、上記において、パターニング後、更に、遠紫外線を照射して、樹脂の硬化と感光性物質のブリーチングを行なうことを特徴とするものである。
尚、ここで、フォトマスクの各位置とはフォトマスクの面方向二次元的な位置であり、勿論、フォトマスクの各位置の透過光の位相変化は、フォトマスクの各位置の厚さの変化に対応するものである。
また、階段部を有するこのようなマスクの形成方法として、マスク基材を多段階エッチングする方式、あるいは、マスク基材上にデポジッション等により形成する方法が挙げられる。
【０００５】
【作用】
本発明の微小な集光レンズの形成方法は、このような構成にすることにより、ＣＣＤやＣＭＯＳの等のイメージセンサ部上への微小な集光レンズの形成方法において、集光効率の良い設計形状のレンズを形成することができる方法の提供としている。
具体的には、イメージセンサの受光部上側に形成された平坦化層上にレジスト膜を塗布し、フォトマスクを介して、レジスト膜を露光し、現像し、レンズ形状にパターニングするもので、前記フォトマスクは、遮光層を持たない透過型のフォトマスクで、被露光部の表面において所望の光強度分布を得るように、その各位置における透過光の位相が所定値幅単位で制御された、表面部に階段部を有する光屈折系の媒体からなる光透過部を設けたものであることにより、これを達成している。
フォトマスクとしては、形成する集光レンズの形状にあった被露光部の表面の光強度分布のデータから、計算により求めた、このような光強度分布を得るフォトマスクの各位置の透過光の位相変化のデータに基づき、フォトマスクの各位置の厚さを、透過光の位相変化が所定値となる幅単位で、求めて近似し、これに合せた形状に加工して、表面部に階段部を有する光屈折系の媒体からなる光透過部を形成したものが、その作製面から実用レベルのものとして挙げられる。
【０００６】
また、パターニング後、更に、遠紫外線を照射して、樹脂の硬化と感光性物質のブリーチングを行なうことにより、現像形成された集光レンズの透過特性を向上させることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の微小な集光レンズの形成方法の実施の形態例を挙げ、図に基づいて説明する。
図１は本発明の微小な集光レンズの形成方法の実施の形態の１例の工程を示した工程断面図で、図２は図１に示す実施の形態の微小な集光レンズの形成方法における作製する集光レンズの形状と対応する露光の際の光強度分布、フォトマスクの光透過部の形状の関係を示した図で、図３は光透過部（レンズ）の曲線的に連続する部分を階段状の段差部で近似する方法を説明するための図である。
尚、図２、図３は、それぞれ一断面についての図である。
図１、図２、図３中、１０１はデバイス基板（イメージセンサ基板）、１０２はシリコンウエハ、１０３は受光部、１０４はカラーフィルタ、１０４ａは平坦化層、１０５は平坦化層、１０６はレジスト層（レジスト膜とも言う）、１０７はフォトマスク、１０７ａは光透過部、１０７ｂフォトマスク基材、１０８は露光光、１１０は現像後のレジスト像、１１０Ａはブリーチング処理後のレジスト像、１１１は遠紫外光、２１０は光透過部（レンズ）、２１１は曲線部、２１５は凹部、２２０は光透過部（階段状レンズ）、２２１は階段部、２２２は底部、２２５は凹部、２３０は（露光光の）波長分の厚さ部、２４０は光透過部（レンズ）、２４１は階段部、２４２は底部である。
【０００８】
本例の微小な集光レンズの形成方法の１例を図１に基づいて説明する。
本例は、カラーフィルタ１０４を配設したＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージセンサであるデバイス基板１０１（図１（ａ））の受光部１０３上側への微小な集光レンズの形成方法で、受光部１０３上側、カラーフィルタ１０４上に形成された平坦化層１０５上にレジスト層１０６を塗布し、フォトマスク１０７を介して、レジスト層１０６を露光し、現像し、レンズ形状にパターニングするもので、これに使用するフォトマスク１０７は、遮光層を持たない透過型のフォトマスクで、被露光部の表面において所望の光強度分布を得るように、その各位置における透過光の位相が所定値幅単位で制御された、表面部に階段部を有する光屈折系の媒体からなる光透過部（図２（ｃ）の１０７ａに相当）を設けたものである。
本例で使用するフォトマスク１０７は、形成する集光レンズの形状にあった被露光部の表面の光強度分布のデータから、計算により求めた、このような光強度分布を得るフォトマスク各位置の透過光の位相変化のデータに基づき、フォトマスク各位置の厚さを、透過光の位相変化が所定値となる幅単位で、求めて近似し、これに合せた形状に加工して、表面部に階段部を有する光屈折系の媒体からなる光透過部を形成したものである。（図３（ｄ）の２４０に相当）
【０００９】
先ず、カラーフィルタ１０４を配設したＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージセンサであるデバイス基板１０１（図１（ａ））上にカラーフィルタ１０５を接着形成し、更にカラーフィルタ１０５を覆う平坦化層１０５を配設した後、レンズを形成するための加工素材で感光性の樹脂であるポジ型のレジスト層１０６をスピンコーティング等により所定の厚さに形成しておく。（図１（ｂ））
次いで、先に述べたようにして、表面部に階段部を有する光屈折系の媒体からなる光透過部を形成したフォトマスク１０７を用い、レジスト層１０６を所定の露光光１０８で露光する。（図１（ｃ））
次いで、現像処理を施してパターニングし、現像後のレジスト像１１０をレンズ形状とする。（図１（ｄ））
パターニング後、更に、遠紫外線１１１を照射して、現像後のレジスト像１１０の樹脂の硬化と感光性物質のブリーチング処理を行なう。（図１（ｅ））
ブリーチング処理は、現像形成された集光レンズの透過特性を向上させるためのものである。
【００１０】
ここで、フォトマスク１０７の光透過部の形状について、図２、図３に基づいて簡単に説明しておく。
所望とする集光レンズの断面形状が図２（ａ）の斜線部１１０である場合、このような形状をポジ形のレジスト層を現像して得るには、対応する箇所のレジスト層の表面部にて、図２（ｂ）のような光強度分布が得られることが必要である。
光強度分布は、レジストの感度や現像特性から決まる。
そして、図２（ｂ）に示すような光強度分布を得るための、図２（ｃ）に示す光透過部１０７ａの形状は、図２（ｂ）に示す光強度分布のデータから、フーリエ変換計算により求めることができる。
このような光強度分布を得るフォトマスク各位置の透過光の位相変化のデータとして求められる。
尚、図２は、注目する一断面についての対応した図であるが、光強度分布のデータ、透過光の位相変化のデータは、フォトマスク各位置に対応した二次元的なデータとなる。
また、図２（ｃ）において、通常、光透過部１０７ａはフォトマスク基材１０７ｂを加工して、あるいはフォトマスク基材１０７ｂに更に同質の材料を付与して形成される。
【００１１】
このようにフーリエ変換計算により求められた形状の光透過部（レンズ）が図３（ａ）の凹部２１５を有する光透過部２１０である場合、例えば、図３（ｂ）に示すような階段部２２１を有する光透過部２２０で、これを、近似することができる。
各階段部の厚さ方向の最小幅は、透過光の位相変化が所定値となる幅である。
即ち、図３（ｂ）に示すような階段部２２１は、計算により求めた、所望の光強度分布を得るフォトマスク各位置の透過光の位相変化のデータに基づき、フォトマスク各位置の厚さを、透過光の位相変化が所定値となる幅単位で、求めて近似し、これに合せた形状に加工して形成できる。
尚、本例のような集光レンズを形成する場合、通常、階段部は同心状となる。
また、図３（ｂ）中、フォトマスクのＰ０点における厚さはＴｐで、Ｄｏが階段部の厚さ方向の最小幅である。
また、Ｂ０は、図３（ａ）の曲線部２１１に相当するものである。
【００１２】
図３（ｂ）の底部２２２を基準として、凹部２２５形成側の厚さが透過光の位相変化に寄与するため、図３（ｃ）に示す、露光光の位相２π変化分の厚さ部２３０（斜線部）は、無くても位相的には同じで、露光光の波長分の厚さ部２３０に相当する厚みを取り除いた状態の図３（ｄ）に示す光透過部２４０は、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示す光透過部２２０と等価と言える。
結局、図３（ｄ）に示す光透過部２４０は、図３（ｂ）に示すような階段部２２１を有する光透過部２２０と等価で、図３（ａ）の凹部２１５を有する光透過部２１０を近似したものである。
尚、底部２４２を入れＮ段の階段部２４１を備えた光透過部２４０を形成するには、露光光の波長をλ、光透過部の屈折率をｎとし、階段部をＮ段とした場合、厚さ方向の階段部の最小幅は［（Ｎ−１）／Ｎ］［λ／（ｎ−１）］とする。
【００１３】
ところで、図３（ａ）に示す形状の光透過部２１０はその作製が困難で、通常、図３（ｄ）に示す階段数の少ない光透過部２４０がその加工性の面から用いられる。
加工は、多段階のフォトエッチング法、あるいはデポジッション等による選択的形成にて行なう。
多段階のフォトエッチング法の場合は、フォトマスク基材を加工し、デポジッッション等による選択的形成の場合は、基材と同材料を堆積して形成する。
例えば、多段階のフォトエッチング法の場合、レジストの塗布、描画露光、現像の各処理を行なう製版処理と、製版処理後のレジストの開口領域の加工用素材（フォトマスク基材）をドライエッチング加工する一連の処理からなるドライエッチング加工工程を、複数回段階的に繰り返し、光屈折系の媒体からなる板状の加工用素材（の表面に階段状の階段部を形成して作製する。
尚、各段階のフォトエッチング工程においては、必要に応じ、加工用素材の一面にクロム系等の遮光膜等を形成する。
そして、遮光膜等をエッチング加工し、更に遮光膜の開口から露出した加工用素材をエッチングする際の耐エッチングマスク等に利用する。
これらの場合、加工用素材の加工後は、遮光膜等を除去しておく。
加工用素材１１０としては、石英ガラス基板（合成石英基板も含む）が、通常用いられるがこれに限定はされない。
【００１４】
【発明の効果】
本発明は、上記のように、ＣＣＤやＣＭＯＳの等のイメージセンサ部上への微小な集光レンズの形成方法において、集光効率の良い設計形状のレンズを形成することができる方法の提供を可能とした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の微小な集光レンズの形成方法の実施の形態の１例の工程を示した工程断面図である。
【図２】図１に示す実施の形態の微小な集光レンズの形成方法における作製する集光レンズの形状と対応する露光の際の光強度分布、フォトマスクの光透過部の形状の関係を示した図である。
【図３】光透過部（レンズ）の曲線的に連続する部分を階段状の段差部で近似する方法を説明するための図である。
【図４】従来の微小な集光レンズの形成方法の工程を示した工程断面図である。
【符号の説明】
１０１          デバイス基板（イメージセンサ基板）
１０２          シリコンウエハ
１０３          受光部
１０４          カラーフィルタ
１０４ａ        平坦化層
１０５          平坦化層
１０６          レジスト層（レジスト膜とも言う）
１０７          フォトマスク
１０７ａ        光透過部
１０７ｂ        フォトマスク基材
１０８          露光光
１１０          現像後のレジスト像
１１０Ａ        ブリーチング処理後のレジスト像
１１１          遠紫外光
２１０          光透過部（レンズ）
２１１          曲線部
２１５          凹部
２２０          光透過部（階段状レンズ）
２２１          階段部
２２２          底部
２２５          凹部
２３０        （露光光の）波長分の厚さ部
２４０          光透過部（レンズ）
２４１          階段部
２４２          底部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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