(57)【要約】【課題】入射光の入射方向に対応した好適なレンズ形状を容易に実現しうるマイクロレンズ及びその製造方法を提供する。【解決手段】基板１０に、第１パターン２２ａを形成する工程と、第１のパターン２２ａが形成された基板の上に、平面視において第１のパターン２２ａの重心の位置とは異なる位置に重心が位置する第２のパターン２６ａを、第１のパターン２２ａを覆うように形成する工程と、第２のパターン２６ａをリフローすることにより、第２のパターン２６ａを成形してマイクロレンズ２０を形成する工程とを有する。【選択図】図５
2016118675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に、第１のパターンを形成する工程と、
前記第１のパターンが形成された前記基板の上に、平面視において前記第１のパターンの重心の位置とは異なる位置に重心が位置する第２のパターンを、前記第１のパターンを覆うように形成する工程と、
前記第２のパターンをリフローすることにより、前記第２のパターンを成形してマイクロレンズを形成する工程とを有するマイクロレンズの製造方法。
【請求項２】
前記第２のパターンをリフローする工程では、対称な形状の前記第２のパターンを、非球面形状の前記マイクロレンズに成形する請求項１記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項３】
前記第２のパターンを形成する工程の前に、前記第１のパターンを硬化する工程を更に有する、請求項１又は２記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項４】
前記第１のパターンを形成する工程では、複数の前記第１のパターンを形成し、
前記第２のパターンを形成する工程では、
前記複数の第１のパターンのそれぞれを覆うように複数の前記第２のパターンを形成し、
前記第１のパターンとこれを覆う前記第２のパターンとからなる複数の組のうち、少なくとも２つの組において、平面視における前記第１のパターンの重心の位置と、平面視における前記第２のパターンの重心の位置との間の距離が互いに異なるように、前記複数の第２のパターンを配置し、
前記第２のパターンをリフローする工程では、前記複数の第２のパターンをそれぞれリフローし、複数の前記マイクロレンズを形成する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項５】
前記複数の第２のパターンを形成する工程では、隣接する前記第２のパターンが接触するように前記複数の第２のパターンを配置する請求項４記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項６】
前記複数のマイクロレンズは、２次元アレイ状に配列されてマイクロレンズアレイを構成しており、
前記複数の組における前記第１のパターンの重心の位置と前記第２のパターンの重心の位置との間の距離が、前記マイクロレンズアレイの中心から外周に向かって連続的に変化している請求項４又は５記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項７】
前記複数の第１のパターンを形成する工程では、前記複数の第１のパターンに対応する複数の第１のマスクパターンを有する第１のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィにより、前記複数の第１のパターンを形成し、
前記複数の第２のパターンを形成する工程では、前記複数の第２のパターンに対応する複数の第２のマスクパターンを有し、前記複数の第２のマスクパターンの重心の位置が前記複数の第１のマスクパターンの重心の位置とは異なる第２のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィにより、前記複数の第１のパターンを形成する工程における露光アライメント条件と同じ露光アライメント条件で、前記複数の第２のパターンを形成する請求項４乃至６のいずれか１項に記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項８】
前記複数の第１のパターンを形成する工程では、前記複数の第１のパターンに対応する複数の第１のマスクパターンを有する第１のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィにより、前記複数の第１のパターンを形成し、
前記複数の第２のパターンを形成する工程では、前記複数の第２のパターンに対応する複数の第２のマスクパターンを有し、前記複数の第２のマスクパターンの重心の位置が前記複数の第１のマスクパターンの重心の位置と同じである第２のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィにより、前記複数の第１のパターンを形成する工程における露光ショット倍率とは異なる露光ショット倍率で、前記複数の第２のパターンを形成する請求項４乃至６のいずれか１項に記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項９】
前記複数の第１のパターンを形成する工程では、前記第１のフォトマスクを用い、第１の膜厚の感光性樹脂膜を、第１の露光量で露光し、
前記複数の第二のパターンを形成する工程では、前記第２のフォトマスクとして前記第１のフォトマスクを用い、前記第１の膜厚よりも厚い第２の膜厚の感光性樹脂膜を、前記第１の露光量よりも小さい第２の露光量で露光する請求項８記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項１０】
前記マイクロレンズをマスクとして前記基板をエッチバックし、前記マイクロレンズの形状を前記基板に転写する工程を更に有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項１１】
基板の上に配置されたマイクロレンズであって、
前記基板の上に配置された第１の部分と、
前記基板の上に前記第１の部分を覆うように配置され、平面視において前記第１の部分の重心の位置とは異なる位置に重心が位置し、前記基板の法線方向に平行な軸に対して回転非対称な形状を有する第２の部分とを有するマイクロレンズ。
【請求項１２】
前記第２の部分は、前記第１の部分と前記第２の部分との界面における反射を防止するように、前記第２の部分を通過する光の光路距離が規定されている請求項１１記載のマイクロレンズ。
【請求項１３】
前記第１の部分と前記第２の部分との間に、第１の反射防止膜を更に有する請求項１１記載のマイクロレンズ。
【請求項１４】
前記第１の部分の屈折率と、前記第２の部分の屈折率とが異なっている請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載のマイクロレンズ。
【請求項１５】
請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の複数のマイクロレンズが２次元アレイ状に配列されてなるマイクロレンズアレイであって、
前記複数のマイクロレンズは、平面視における前記第１の部分の重心の位置と前記第２の部分の重心の位置との間の距離が互いに異なる２つ以上のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイ。
【請求項１６】
前記複数のマイクロレンズの前記第１の部分の重心の位置と前記第２の部分の重心の位置との間の距離が、前記マイクロレンズアレイの中心から外周に向かって連続的に変化している請求項１５記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項１７】
前記複数のマイクロレンズのうち、隣接するマイクロレンズは、互いに接触している請求項１５又は１６記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項１８】
光電変換素子を含む複数の画素が２次元アレイ状に配列された撮像領域を含む基板と、
前記基板の上に配置され、前記複数の画素の前記光電変換素子にそれぞれ集光する請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイとを有する固体撮像装置。
【請求項１９】
１つの画素を構成する前記光電変換素子と前記マイクロレンズとの位置関係が、前記マイクロレンズアレイの中心から外周に向かって連続的に変化している請求項１８記載の固体撮像装置。
【請求項２０】
前記複数の画素の前記光電変換素子と前記マイクロレンズとの間にそれぞれ配置されたインナーレンズを更に有する請求項１８又は１９記載の固体撮像装置。
【請求項２１】
前記基板は、前記複数の画素と前記マイクロレンズアレイとの間に配置された層間絶縁膜を更に有し、
前記層間絶縁膜は、前記複数の画素の前記光電変換素子と前記マイクロレンズとの間に、第１の屈折率である第１の領域と、前記第１の屈折率と異なる第２の屈折率である第２の領域とを含む請求項１８又は１９記載の固体撮像装置。
【請求項２２】
基板に、複数の第１のパターンを形成する工程と、
前記複数の第１のパターンが形成された前記基板の上に、複数の第２のパターンを、前記複数の第１のパターンのそれぞれを覆うように形成する工程と、
前記第２のパターンをリフローすることにより、前記第２のパターンを成形してマイクロレンズを形成する工程と、を有し、
前記複数の第１のパターンは、異なる形状を有するマイクロレンズアレイの製造方法。
【請求項２３】
基板の上に配置されたマイクロレンズアレイであって、
前記基板の上に配置された、異なる形状を有する複数の第１の部分と、
前記基板の上に前記複数の第１の部分のそれぞれを覆うように配置された複数の第２の部分とを有するマイクロレンズアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロレンズ及びその製造方法に関する。
【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装置には、光電変換素子における集光効率を高めるために光電変換素子上にオンチップのマイクロレンズが設けられている。
【０００３】
このようなマイクロレンズには種々の製造方法が提案されているが、フォトリソグラフィ技術を核にした典型的な製造方法として、リフロー法、エッチバック法、グレイトーンマスク利用法の３つが挙げられる。リフロー法は、フォトリソグラフィで形成したパターンを加熱処理して熱流動させることにより球面形状に成形し、マイクロレンズを形成する方法である。
【０００４】
エッチバック法は、リフロー法で形成したレンズ形状のパターンをマスクにして下地をエッチングしてレンズ形状を転写することで、下地の表面にマイクロレンズを形成する方法である。グレイトーンマスク利用法は、フォトリソグラフィの解像限界以下の微小なドットパターンを配置したグレイトーンマスクを用い、感光性樹脂の光反応の度合いを領域毎に変えることで、球面形状のマイクロレンズを形成する方法である。
【０００５】
これまで固体撮像装置には、このような方法により製造された球面形状のマイクロレンズが広く用いられていた。しかしながら、近年における固体撮像装置の高画素化や撮像領域の大面積化に伴い、球面形状のマイクロレンズでは撮像領域の総ての画素において均一な光感度を得ることが困難になってきた。これは、撮像領域の中心部の画素に入射する光線は垂直方向から入射するのに対して、外周部に近い画素に入射する光線は垂直方向に対して傾斜した方向から入射するため、撮像領域内の場所によってマイクロレンズが結ぶ焦点位置が異なることに起因している。
【０００６】
このような観点から、撮像領域内の場所に応じて異なる形状のマイクロレンズを配置した固体撮像装置が提案されている。例えば、特許文献１には、第１レンズパターンの一部分上に第２のレンズパターンを形成し、これらレンズパターンを同時にリフローすることにより、マイクロレンズを形成する方法が開示されている。この方法によって形成されるマイクロレンズは、撮像領域の中心から撮像領域の外へ向かう方向に沿った断面における曲率が非対称的な形状を有する。撮像領域の中心から遠いマイクロレンズほど前述の断面における曲率の非対称性が大きくなるようにすることで、垂直方向に対して傾斜した方向から入射する光線の焦点位置を補正し、撮像領域の面内において均一な光感度を得ることが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２１５５４７号公報
【特許文献２】特開２００４−１４５３１９号公報
【特許文献３】特開２０１３−０５５１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、所望の形状のマイクロレンズを得るためには、２つのレンズパターンの融点、加熱条件、液化時の粘度等を綿密に調整することが必要であった。更に、熱硬化していない第１のレンズパターン上に第２のレンズパターンを積層することが困難であることも相俟って、レンズ形状の制御が非常に難しかった。
【０００９】
一方、特許文献１に記載されるような形状のマイクロレンズは、グレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィにより形成することも可能である。しかしながら、グレイトーンマスクでは、総ての画素のマイクロレンズに対してそれぞれ好適なドットパターンを設計することは現実的に不可能であった。
【００１０】
本発明の目的は、入射光の入射方向に対応した好適なレンズ形状を容易に実現しうるマイクロレンズ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一観点によれば、基板に、第１パターンを形成する工程と、前記第１のパターンが形成された前記基板の上に、平面視において前記第１のパターンの重心の位置とは異なる位置に重心が位置する第２のパターンを、前記第１のパターンを覆うように形成する工程と、前記第２のパターンをリフローすることにより、前記第２のパターンを成形してマイクロレンズを形成する工程とを有するマイクロレンズの製造方法が提供される。
【００１２】
また、本発明の他の一観点によれば、基板の上に配置されたマイクロレンズであって、前記基板の上に配置された第１の部分と、前記基板の上に前記第１の部分を覆うように配置され、平面視において前記第１の部分の重心の位置とは異なる位置に重心が位置し、前記基板の法線方向に平行な軸に対して回転非対称な形状を有する第２の部分とを有するマイクロレンズが提供される。
【００１３】
また、本発明の更に他の一観点によれば、基板に、複数の第１のパターンを形成する工程と、前記複数の第１のパターンが形成された前記基板の上に、複数の第２のパターンを、前記複数の第１のパターンのそれぞれを覆うように形成する工程と、前記第２のパターンをリフローすることにより、前記第２のパターンを成形してマイクロレンズを形成する工程と、を有し、前記複数の第１のパターンは、異なる形状を有するマイクロレンズアレイの製造方法が提供される。
【００１４】
また、本発明の更に他の一観点によれば、基板の上に配置されたマイクロレンズアレイであって、前記基板の上に配置された、異なる形状を有する複数の第１の部分と、前記基板の上に前記複数の第１の部分のそれぞれを覆うように配置された複数の第２の部分とを有するマイクロレンズアレイが提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、入射光の入射方向に対応した好適なレンズ形状を有するマイクロレンズやマイクロレンズアレイを容易に形成することができる。また、このようなマイクロレンズアレイを適用することにより、高感度の固体撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係るマイクロレンズの構造を示す平面図及び断面図である。
【図２】球面形状のマイクロレンズの集光能力を説明する図である。
【図３】非球面形状のマイクロレンズの集光能力を説明する図である。
【図４】非球面形状のマイクロレンズの集光能力を説明する図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るマイクロレンズの製造方法を示す工程図である。
【図６】本発明の実施形態において使用するフォトマスクの１画素のマスクパターンを示す平面図である。
【図７】流体に加わる作用力とそれによる形状変化を説明する図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係るマイクロレンズの製造方法におけるパターンの形状変化を説明する図である。
【図９】本発明の第１実施形態に係るマイクロレンズの集光能力を説明する図である。
【図１０】本発明の第１実施形態の変形例によるマイクロレンズの製造方法を説明する図（その１）である。
【図１１】本発明の第１実施形態の変形例によるマイクロレンズの製造方法を説明する図（その２）である。
【図１２】本発明の第１実施形態の変形例によるマイクロレンズの製造方法を説明する図（その３）である。
【図１３】本発明の第２実施形態に係るマイクロレンズの構造を示す断面図及び平面図である。
【図１４】本発明の第２実施形態に係るマイクロレンズの製造方法を示す工程図である。
【図１５】本発明の第３乃至第５実施形態に係るマイクロレンズの製造方法を示す工程断面図である。
【図１６】本発明の第６実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す概略断面図である。
【図１７】本発明の第７実施形態によるマイクロレンズの製造方法を示す工程断面図である。
【図１８】本発明の第８実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す概略断面図である。
【図１９】本発明の第９実施形態に係る固体撮像装置の構造を示す概略断面図である。
【図２０】本発明の第１０実施形態に係るマイクロレンズの構造を示す平面図及び断面図である。
【図２１】本発明の第１０実施形態に係るマイクロレンズの製造方法を示す工程断面図である。
【図２２】本発明の第１１実施形態に係るマイクロレンズの構造を示す平面図及び断面図である。
【図２３】本発明の第１１実施形態に係るマイクロレンズの製造方法を示す工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態によるマイクロレンズ及びその製造方法について図１乃至図１２を用いて説明する。
【００１８】
はじめに、本実施形態によるマイクロレンズの構造について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態によるマイクロレンズを示す平面図及び断面図である。図１（ａ）は、本実施形態によるマイクロレンズの構造を示す平面図であり、図１（ｂ）は、本実施形態によるマイクロレンズの構造を示す概略断面図である。また、図１（ｃ）は、本実施形態の変形例によるマイクロレンズの構造を示す概略断面図である。
【００１９】
本実施形態によるマイクロレンズ２０は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、下地基板１０上に形成されたオンチップレンズである。下地基板１０は、マイクロレンズ２０が形成される下地となる基板であり、特に限定されるものではない。例えば、固体撮像装置に用いられるマイクロレンズの場合、下地基板１０には、光電変換素子やその駆動素子並びにこれらを覆う層間絶縁膜等が形成された半導体基板が該当する。この場合のマイクロレンズ２０は、光電変換素子に光を集光する役割を担う。
【００２０】
マイクロレンズ２０は、下地基板１０に接する第１の部分２２と、第１の部分２２を覆い且つ下地基板１０に接する第２の部分２６とを含む。第１の部分２２は、下地基板１０の表面に凸部を形成する。第２の部分２６は、第１の部分２２により形成されたこの凸部を覆うように形成されている。第１の部分２２及び第２の部分２６は、図１（ａ）に示すように、平面視において略円形形状を有している。平面視における第２の部分２６の重心２６ｃの位置は、平面視における第１の部分２２の重心２２ｃの位置からずれている。断面視における第２の部分２６の頂部２６ｔの位置は、図１（ｂ）に示すように、平面視における第２の部分２６の重心２６ｃの位置よりも平面視における第１の部分２２の重心２２ｃの位置の方向側にずれている。このずれ量は、マイクロレンズ２０に光が入射する方向や、マイクロレンズ２０によって光を集光する位置に応じて適宜設定される。
【００２１】
このように、本実施形態によるマイクロレンズ２０は、非球面形状のマイクロレンズである。ここで、本明細書において、非球面形状とは、下地基板１０の法線方向と平行な軸に対して回転対称ではないことを意味するものとする。半球面形状とは、下地基板１０の法線方向と平行な軸に対して回転対称であることを意味するものとする。なお、マイクロレンズ２０は、法線方向と平行な軸を含み、線分Ａ−Ａ’を含む断面において、面対称である。なお、線分Ａ−Ａ’はマイクロレンズアレイにおいて、撮像領域の中心から外に向かう方向に沿っているものとする。
【００２２】
なお、本実施形態では、便宜上、マイクロレンズ２０が第１の部分２２及び第２の部分２６を含むものであるとして説明をするが、第１の部分２２は、下地基板１０の一部であると捉えることもできる。すなわち、第１の部分２２によって表面に突起部が形成された下地基板１０上に、第２の部分２６からなるマイクロレンズ２０が形成されていると考えることもできる。
【００２３】
また、マイクロレンズ２０には、例えば図１（ｃ）に示すように、第１の部分２２と第２の部分２６との界面部に反射防止膜２４を、第２の部分２６の表面に反射防止膜２８を、設けるようにしてもよい。反射防止膜２４、２８は、いずれか一方のみを形成してもよいし、両方を形成してもよい。
【００２４】
次に、本実施形態においてマイクロレンズ２０を非球面形状としている理由について、マイクロレンズ２０を固体撮像装置に適用した場合を例に挙げ、図２乃至図４を用いて説明する。
【００２５】
図２は、球面形状のマイクロレンズの集光能力を説明する図である。固体撮像装置３０は、例えば図２（ａ）に示すように、複数の画素が２次元アレイ状に配列された撮像領域３２と、撮像領域３２で取得した画素信号の読み出し動作等を制御する周辺回路領域３４とを含む。ここで、撮像領域３２の中央部を領域１、外周部を領域３、領域１と領域３との間の領域を領域２と定義するものとする。
【００２６】
図２（ｂ）は、図２（ａ）において撮像領域３２の中心部と外周部の一点とを結ぶＢ−Ｂ′線断面において、領域１、領域２及び領域３からそれぞれ１つずつの画素を抜き出して示した概略断面図である。撮像領域３２には、光電変換素子であるフォトダイオード１４や駆動用のトランジスタ（図示せず）等が形成された半導体基板１２、半導体基板１２上に配置された層間絶縁膜１６、層間絶縁膜１６上に配置されたマイクロレンズ２０が設けられている。半導体基板１２及び層間絶縁膜１６が、前述の下地基板１０に相当する。層間絶縁膜１６は、カラーフィルタ等の無色透明ではない層を含んでいてもよい。マイクロレンズ２０は、入射した光（図２（ｂ）中、点線で表す）をフォトダイオード１４に集光する。マイクロレンズ２０は、各画素に１つずつ配置されており、全体として、複数のマイクロレンズ２０が２次元アレイ状に配列されたマイクロレンズアレイを構成している。
【００２７】
マイクロレンズ２０の典型的な製造方法としては、リフロー法と呼ばれる技術を用いた方法が知られている。リフロー法は、フォトリソグラフィで形成したパターンを加熱処理することによってマイクロレンズを形成する方法である。フォトリソグラフィで形成した感光性樹脂材料のパターンを加熱処理すると、溶媒成分が徐々に揮発し、１３０℃〜１６０℃程度の融点を超えると液化し、丸みを帯びたレンズ状に変形する。パターンがレンズ状に変形する理由は、重力、表面張力、液体摩擦力など、作用力のバランスが球面形状になったところで安定するからである。その後も加熱を続けると、パターンの樹脂成分が硬化し、レンズ形状のまま固体になる。その後、加熱をやめ、冷却すると、球面のレンズ形状を有するマイクロレンズ２０が完成する。
【００２８】
リフロー法によりマイクロレンズアレイを形成した場合、総てのマイクロレンズ２０は同一の形状となる。例えば図２の例では、領域１に形成されたマイクロレンズ２０、領域２に形成されたマイクロレンズ２０、領域３に形成されたマイクロレンズ２０は、同一の形状となる。すなわち、マイクロレンズ２０の層間絶縁膜１６に対する接触角θは、総てのマイクロレンズ２０において同じ値になる。図２（ｂ）に示すように、当該断面における両端部でのマイクロレンズ２０の層間絶縁膜１６に対する接触角をθｎａ、θｎｂ（ｎは領域１〜３に対応する整数）と定義すると、以下の関係が成立する。
θ１ａ＝θ１ｂ＝θ２ａ＝θ２ｂ＝θ３ａ＝θ３ｂ
【００２９】
ここで、接触角θ１ａ、θ１ｂは、領域１に形成された画素のマイクロレンズ２０の接触角である。また、接触角θ２ａ、θ２ｂは、領域２に形成された画素のマイクロレンズ２０の接触角である。また、接触角θ３ａ、θ３ｂは、領域３に形成された画素のマイクロレンズ２０の接触角である。また、θｎａはＢ−Ｂ′線上における撮像領域３２の中心側の端部における接触角であり、θｎｂは反対側の端部における接触角である（図２（ｂ）参照）。
【００３０】
撮像領域３２に入射する光は、撮像領域３２の中央部（領域１）から離れるに従って、垂直入射から斜入射へと傾いていく。この斜入射光の傾き程度は、固体撮像装置３０を使用する撮像システムの光学系のＦ値が小さくなる程、大きくなっていく。
【００３１】
マイクロレンズ２０に入射した光線は、スネルの法則に従い、屈折する。すなわち、屈折率ｎＡの媒質Ａから屈折率ｎＢの媒質Ｂへ光を入射したときの入射角θＡと屈折角θＢとの関係は、
ｎＡ×ｓｉｎθＡ＝ｎＢ×ｓｉｎθＢ      …（１）
と表される。空気である媒質Ａから媒質Ｂのマイクロレンズ２０に入射する場合、式（１）の左辺は空気側のパラメータであり、式（１）の右辺はマイクロレンズ２０側のパラメータとなる。空気の屈折率を１とすると、左辺はｓｉｎθＡで表される。屈折率ｎＢは、マイクロレンズの材料によって異なる。
【００３２】
光線が垂直入射（入射角φ１＝０度）となる領域１では、位置ａと位置ｂとにおいて屈折角が同じになる。マイクロレンズ２０の接触角θ１ａ、θ１ｂは、層間絶縁膜１６の厚さに応じて、ベストフォーカス（Δｆ＝０％）となるように最適化される。つまり、領域１において、集光能力は高い。例えば、Ｆ値２．８の光学系を使用する場合を想定すると、接触角θ１ａ＝θ１ｂ＝６０度、マイクロレンズ２０の屈折率が１．６のとき、入射角φ１＝０度で垂直入射した光線は、マイクロレンズ２０で屈折した結果、傾斜角α１＝β１＝約２７度の光線になる。なお、傾斜角αｎは位置ａに入射した光線の屈折光の垂直方向に対する傾斜角度であり、傾斜角βｎは位置ｂに入射した光線の屈折光の垂直方向に対する傾斜角度である（ｎは領域１〜３に対応する整数）。また、Δｆは、半導体基板１２の表面を基準としたマイクロレンズ２０の焦点高さの、層間絶縁膜１６の膜厚に対する比率である。つまり、Δｆが小さいほど、焦点位置が半導体基板１２に近いことを表す。
【００３３】
領域２のマイクロレンズ２０の接触角θ２ａ、θ２ｂは、領域１のマイクロレンズ２０の接触角θ１ａ、θ１ｂと同じである。しかし、領域２は領域１と違って斜入射光になるため、屈折角度は領域１とは違ったものになる。相対比較すると、位置ａで屈折した光線の傾斜角は領域１よりも大きくなり、位置ｂで屈折した光線の傾斜角は領域１よりも小さくなる。例えば、入射角φ２＝５度で斜入射した光線は、マイクロレンズ２０で屈折した結果、傾斜角α２＝約２９度、傾斜角β２＝約２５度の光線になる。領域１と比較すると、共に２度ずつ傾き、層間絶縁膜１６中での光路長が異なるため、焦点位置が高くなる。その結果、レンズ焦点ズレ率Δｆは、０．６％となる。
【００３４】
領域３では、更にズレ率が大きくなる。例えば、入射角φ３＝１０度で斜入射した光線は、マイクロレンズ２０で屈折した結果、傾斜角α３＝約３１度、傾斜角β３＝約２４度の光線になる。領域２と比較すると、さらに焦点位置が高くなる。その結果、レンズ焦点ズレ率Δｆは、２．６％となる。
【００３５】
光学系のＦ値が異なる場合も、その度合いは異なるが、上記と同様の傾向となる。表１に、上述したＦ値が２．８の場合の計算結果とともに、Ｆ値が１６．０の場合及びＦ値が１．４の場合の計算結果を示す。
【００３６】
【表１】
2016118675.tif 000003
【００３７】
このように、マイクロレンズアレイを総て同一形状の球面のマイクロレンズ２０で構成した場合、撮像領域３２の中央からの距離によって変化する斜入射光に対応できず、撮像領域３２の外周側ほどレンズ焦点ズレ率Δｆが増加する。レンズ焦点ズレ率Δｆが増加した周辺部では集光能力が低下するようになるため、周辺領域において感度が低下する等の問題が発生する。
【００３８】
撮像領域３２の中央からの距離によって入射方向が変化する斜入射光に対応する手段としては、撮像領域３２内の位置に応じて画素ごとにマイクロレンズ２０の形状を調整することが考えられる。
【００３９】
図３及び図４は、非球面形状のマイクロレンズの集光能力を説明する図である。図３は、撮像領域３２内の位置に応じてマイクロレンズ２０の形状を変化した一例である。図３（ａ）は、固体撮像装置の上面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ′線断面において、領域１、領域２及び領域３からそれぞれ１つずつの画素を抜き出して示した概略断面図である。
【００４０】
図３に示す固体撮像装置３０が有するマイクロレンズアレイは、形状の異なる複数種類のマイクロレンズ２０を含む。撮像領域３２の中央部（領域１）から離間した部分（領域２及び領域３）に配置されたマイクロレンズ２０は、重心に対して回転非対称な形状を有しており、重心と画素の中心とが一致していない。また、マイクロレンズ２０の表面は、球面ではなく、言わば楕円体面である。本明細書において、このような形状のマイクロレンズ２０を、非球面形状のマイクロレンズと定義するものとする。
【００４１】
図３のマイクロレンズアレイでは、撮像領域３２の中心から離間した画素のマイクロレンズ２０ほど、画素の中心に対するマイクロレンズ２０の重心の位置の、撮像領域３２の中心方向へのシフト量が大きくなるようにしている。この関係をマイクロレンズ２０の接触角で表すと、撮像領域３２の中心側のマイクロレンズの接触角をθｎａ、反対側の接触角をθｎｂとして、領域１ではθ１ａ＝θ１ｂ、領域２ではθ２ａ＞θ２ｂ、領域３ではθ３ａ≫θ３ｂとなる。なお、ｎは、領域１〜３に対応する整数である。
【００４２】
表２は、図３のマイクロレンズアレイにおいて、光学系のＦ値が１６．０、２．８及び１．４の場合における各パラメータの計算結果の一例を示したものである。
【００４３】
【表２】
2016118675.tif 000004
【００４４】
表２の計算例のうち、光学系のＦ値が２．８の場合を例にして説明する。マイクロレンズの屈折率は１．６０を想定している。
【００４５】
領域１には、接触角θ１ａ＝θ１ｂ＝６０度の球面マイクロレンズ２０が形成されている。そのため、入射角φ１＝０度で垂直入射した光線は、マイクロレンズ２０で屈折した結果、傾斜角α１＝β１＝約２７度の光線になる。
【００４６】
領域２には、接触角θ２ａ＝６５度、接触角θ２ｂ＝５４度の非球面形状のマイクロレンズ２０が形成されている。例えば、入射角φ２＝５度で斜入射した光線は、マイクロレンズ２０で屈折した結果、傾斜角α２＝約３２度、傾斜角β２＝約２２度の光線になる。領域１の傾斜角α１＝β１＝約２７度と比較すると、共に５度ずつ傾くことになるが、フォーカス面は領域１とほぼ同じ（Δｆ＝０％）となる。そのため、領域１と同等の集光能力を維持できる。
【００４７】
領域３には、接触角θ３ａ＝７０度、接触角θ３ｂ＝４６度のマイクロレンズ２０が形成されている。例えば、入射角φ３＝１０度で斜入射した光線は、マイクロレンズ２０で屈折した結果、傾斜角α３＝約３７度、傾斜角β３＝約１５度の光線になる。領域１と比較すると、それぞれ１０度、１２度傾くことになるが、フォーカス面は領域１とほぼ同じ（Δｆ＝０％）になる。そのため、領域１と同等の集光能力を維持できる。
【００４８】
図４は、撮像領域３２内の位置に応じてマイクロレンズ２０の形状を変化した他の一例である。図４（ａ）は、固体撮像装置の上面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ′線断面において、領域１、領域２及び領域３からそれぞれ１つずつの画素を抜き出して示した概略断面図である。
【００４９】
図４のマイクロレンズアレイでは、撮像領域３２の中心から離間した画素のマイクロレンズ２０ほど、画素の中心に対するマイクロレンズ２０の重心の位置の、撮像領域３２の外周方向へのシフト量が大きくなるようにしている。この関係をマイクロレンズ２０の接触角で表すと、撮像領域３２の中心側のマイクロレンズの接触角をθｎａ、反対側の接触角をθｎｂとして、領域１ではθ１ａ＝θ１ｂ、領域２ではθ２ａ＜θ２ｂ、領域３ではθ３ａ≪θ３ｂとなる。なお、ｎは、領域１〜３に対応する整数である。
【００５０】
表３は、図４のマイクロレンズアレイにおいて、光学系のＦ値が１６．０、２．８及び１．４の場合における各パラメータの計算結果の一例を示したものである。
【００５１】
【表３】
2016118675.tif 000005
【００５２】
表３の計算例のうち、光学系のＦ値が２．８の場合を例にして説明する。マイクロレンズの屈折率は１．６０を想定している。
【００５３】
領域１には、接触角θ１ａ＝θ１ｂ＝６０度の球面マイクロレンズ２０が形成されている。そのため、入射角φ１＝０度で垂直入射した光線は、マイクロレンズ２０で屈折した結果、傾斜角α１＝β１＝約２７度の光線になる。
【００５４】
領域２には、接触角θ２ａ＝５７度、接触角θ２ｂ＝６２度の非球面形状のマイクロレンズ２０が形成されている。例えば、入射角φ２＝５度で斜入射した光線は、マイクロレンズ２０で屈折した結果、傾斜角α２＝約２８度、傾斜角β２＝約２７度の光線になる。領域１の傾斜角α１＝β１＝約２７度と比較すると、ほぼ同等の光線を維持するため、フォーカス面は領域１とほぼ同じ（Δｆ＝０％）となる。そのため、領域１と同等の集光能力を維持できる。
【００５５】
領域３には、接触角θ３ａ＝５２度、接触角θ３ｂ＝６４度の非球面形状のマイクロレンズ２０が形成されている。例えば、入射角φ２＝１０度で斜入射した光線は、マイクロレンズ２０で屈折した結果、傾斜角α３＝約２７度、傾斜角β３＝約２７度の光線になる。領域１と比較すると、ほぼ同等の光線を維持するため、フォーカス面は領域１とほぼ同じ（Δｆ＝０％）になる。そのため、領域１と同等の集光能力を維持できる。
【００５６】
図３及び図４に示す構造は、共にＦ値が２．８のレンズの使用時は、共にΔｆ＝０％であるため、集光能力は同等である。したがって、どちらのマイクロレンズ構造を選択すべきかについては、Δｆ以外に何を重視するか、すなわちその用途次第となる。
【００５７】
例えば、図３の構造よりも図４の構造の方が、マイクロレンズ２０の焦点位置はマイクロレンズ２０の直下からずれていない。図４の構造であれば、傾斜角β１≒β２≒β３≒２７度で、各マイクロレンズ２０の外周側の集光角度の傾きが同等である。このように、図面においてβ側の光線角度が均一に揃っていると、画素間の混色量の撮像領域３２面内のバラツキは小さくなる。というのも、傾斜光線の一部は、フォトダイオード１４の表面で反射され、隣の画素に入っていくようになるからである。したがって、混色の抑制を重要視する場合は、図４の構造のように、傾斜角β１、β２、β３の角度は近い方がよい。
【００５８】
対する図３の構造は、撮像システムが使用する光学系のＦ値に依存した、集光能力の変化が小さい。実際に、表１〜３に示した値で比較してみると分かるように、Ｆ値１．４使用時の領域３におけるΔｆ値が最も良好なのは、図３の構造である。したがって、Ｆ値変化に強い集光能力を重視する場合は、図３の構造の方がよい。
【００５９】
つまり、図３或いは図４のどちらの構造が最適であるかは、その用途次第といえる。
【００６０】
なお、本明細書では以後、本発明を図３の構造に適用した例について代表して説明するが、図４の構造についても同様に適用が可能である。
【００６１】
図３及び図４に示す非球面形状のマイクロレンズの製造方法としては、例えば以下に示す２つの方法が挙げられる。
【００６２】
第１の方法は、第１のパターン上に第２のパターンを積層し、これらパターンを同時にリフローすることによって、非球面形状マイクロレンズを形成する方法である。
【００６３】
しかしながら、この第１の方法では、２つのパターンの材料の融点、加熱条件、液化時の粘度などを綿密に調整することが求められる。一般的な感光性樹脂材料では、融点が近く液化時の粘度も低いため、２つの材料が液化したときに混ざって球面形状になってしまい、非球面形状のマイクロレンズは形成できない。また、熱硬化していない半乾きの第１のパターン上に第２のパターンを積層することは困難である。第１のパターンが半乾きの状態であると、第２のパターン形成時の露光・現像によって第１のパターンも感光されてしまい、形状が変形してしまう。他にも、半乾きの第１のパターン上に第２のパターンを積層することに対しては、塗布ムラが発生するなどの懸念点が挙げられる。このように、第１の方法は、所望の形状を得ることが困難であり、非球面形状マイクロレンズの製造方法としては難度が高い。
【００６４】
第２の方法は、グレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィによって、非球面形状マイクロレンズを形成する方法である。この方法では、出来上がりのパターンが非球面形状となるようにフォトマスク上にドットパターンを配置するだけでよいため、第１の方法と比較して難度は高くない。しかしながら、斜入射光に対応した非球面形状のマイクロレンズを設計するに際し、平均２０００〜３０００万画素を有する固体撮像装置に対して、全画素分のドットパターンを設計することは現実的に不可能である。画素サイズが一辺１μｍ〜数μｍであるのに対して、マスク描画装置で形成可能な最小ドットサイズは一辺約５０ｎｍであり、マイクロレンズ１個あたりに配置できるドット数は２０個／辺〜数十個／辺になる。一辺数十個のドットによって実現できる階調性では、２０００〜３０００万画素分の形状を表現することはできない。
【００６５】
したがって、グレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィによって非球面形状のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイを形成するためには、グレイトーンマスクの設計方法に工夫が必要になる。例えば、固体撮像装置の撮像領域３２を幾つかのエリアに分割し、各エリア内の総てのドットパターンを、そのエリアへの代表的な入射光の入射角度を元に設計する、といった対応が必要になる。
【００６６】
しかしながら、エリア分割されたマイクロレンズアレイは、エリアとエリアとの境界で集光能力の変化量が大きくなるため、撮影された画像は境界線のある画像になる可能性が高い。もちろん、境界線を認識しないような改善も考えられるが、本質的にはエリア分割のないマイクロレンズアレイを形成することが望ましい。
【００６７】
このように、第２の方法では、１個の非球面形状のマイクロレンズは容易に形成できるが、マイクロレンズアレイを形成するためにはエリア分割が必要であり、それでは十分満足できる画質を得ることが困難である。本実施形態では、第１の方法及び第２の方法におけるこれら課題を解決すべく、下地基板１０に接する第１の部分２２と、第１の部分２２を覆い且つ下地基板１０に接する第２の部分２６とを含むマイクロレンズ２０を構成している。そして、平面視における第２の部分２６の重心２６ｃの位置を、平面視における第１の部分２２の重心２２ｃの位置からずらしている。そしてこれにより、断面視における第２の部分２６の頂部２６ｔの位置を、平面視における第２の部分２６の重心２６ｃの位置よりも平面視における第１の部分２２の重心２２ｃの位置の方向側にずらしている。
【００６８】
次に、本実施形態において、このような第１の部分２２及び第２の部分２６を含むマイクロレンズ２０を構成している理由について、本実施形態によるマイクロレンズ２０の製造方法とともに、図５及び図６を用いて説明する。
【００６９】
図５は、本実施形態によるマイクロレンズの製造方法を示す工程図である。図６は、本実施形態において使用するフォトマスクの１画素のマスクパターンを示す平面図である。まず、下地基板１０の第１の領域上に、例えばフォトリソグラフィにより、第１のパターン２２ａを形成する（図５（ａ）及び図５（ｂ））。例えば、下地基板１０上にポジ型の感光性樹脂膜を形成後、例えば図６（ａ）に示すマスクパターン４２を有するフォトマスクを用いて感光性樹脂膜を露光し、現像する。図６において、各図における周囲の線は１つの画素領域をイメージしたものであり、線影を付した領域が遮光部を示している。図６（ａ）に示すマスクパターン４２において、第１のパターン２２ａの形成領域に対応する遮光部４２ａの中心は、画素領域の中心から一方向に距離ｄだけずらして配置されている。現像によってパターニングされた感光性樹脂膜の熱処理を行うと、感光性樹脂が軟化して流動し、表面張力によって球面形状に成形される。その後も熱処理を継続すると、感光性樹脂は硬化する。このようにして形成されたものが、第１のパターン２２ａである。
【００７０】
なお、第１のパターン２２ａの形成には、ネガ型の感光性樹脂材料を使用してもよい。また、第１のパターン２２ａの形成には、必ずしもフォトリソグラフィを用いる必要はない。例えば、インクジェット法により、下地基板１０上に樹脂材料を滴下するような方法で第１のパターン２２ａを形成してもよい。また、第１のパターン２２ａと下地基板１０とは、同一の組成物で一体的に形成してもよい。例えば、上述の方法で形成した第１のパターン２２ａをマスクとして下地基板１０をエッチバックし、第１のパターン２２ａのパターンを下地基板１０の表面に転写してもよい。
【００７１】
次いで、第１の領域を含む下地基板１０の第２の領域に、例えばフォトリソグラフィにより、第１のパターン２２ａを覆うように第２のパターン２６ａを形成する（図５（ｃ）及び図５（ｄ））。例えば、下地基板１０上にポジ型の感光性樹脂膜を形成後、例えば図６（ｂ）に示すマスクパターン４４を有するフォトマスクを用いて感光性樹脂膜を露光し、現像することで、第２のパターン２６ａを形成する。図６（ｂ）に示すマスクパターン４４において、第２のパターン２６ａの形成領域に対応する遮光部４４ａの中心は、画素領域の中心に一致するように配置されている。
【００７２】
これにより、平面視における第２のパターン２６ａの重心の位置は、平面視における第１のパターン２２ａの重心の位置とは異なる位置に配置されることになる。或いは、第２のパターン２６ａを下地基板１０へ正射影した図形の重心の位置が、第１のパターン２２ａを下地基板１０へ正射影した図形の重心の位置とは異なる、ということもできる。第１のパターン２２ａの重心の位置と、第２のパターン２６ａの重心の位置との間のずれ量及びずらす方向は、形成しようとするマイクロレンズ２０の形状に応じて適宜選択する。第１のパターン２２ａに対して第２のパターン２６ａをずらす量は、第２のパターン２６ａの構成材料や、後述する熱処理条件等に応じて変化するため、これらパラメータに応じて適宜選択する。異なる形状の複数種類のマイクロレンズ２０を有するマイクロレンズアレイを形成する場合は、例えば図９に示すように、マイクロレンズ２０毎に、第１のパターン２２ａの重心位置に対する第２のパターン２６ａの重心の位置のずれ量を設定する。
【００７３】
なお、第１のパターン２２ａの形成には、ネガ型の感光性樹脂材料を使用してもよい。また、第２のパターン２６ａの形成には、必ずしもフォトリソグラフィを用いる必要はない。例えば、インクジェット法により、第１のパターン２２ａの上に樹脂材料を滴下するような方法で第２のパターン２６ａを形成してもよい。また、第１のパターン２２ａと第２のパターン２６ａとは、同一材料により構成してもよいし、異なる材料により構成してもよい。
【００７４】
次いで、熱処理を行い、第２のパターン２６ａを液化させる。このとき、液化した第２のパターン２６ａは、以下に説明するような作用力を受けて形状変化し、非球面形状に成形される。そして、そのまま熱処理を続けることにより、この形状のまま硬化する。
【００７５】
第２のパターン２６ａを液化するための処理は、熱処理に限定されるものではない。具体的には、加熱処理を行う方法のほかに、第２のパターン２６ａを低圧下におく方法も考えられる。本発明の特徴を活かすためには、第２のパターン２６ａの少なくとも一部分が、相変化特性に従い液相になる時間が、一定時間存在すればよい。そして、この第２のパターン２６ａと混ざらないならば、第１のパターン２２ａが同時に液相になっていても差し支えはない。ただし、第２のパターン２６ａが液化する期間に、第１のパターン２２ａも液化し、第２のパターン２６ａと第１のパターン２２ａとが混ざってしまうと、実質的に下地の凹凸がなくなってしまう。そして、本発明の一つの特徴である、アルキメデスの原理に基づく応力による効果が得られなくなる。したがって、第２のパターン２６ａが液化する期間に、第２のパターン２６ａと第１のパターン２２ａとが混合しないように、これらの材料や処理条件を調整することが望ましい。
【００７６】
本実施形態による製造方法を用いてマイクロレンズ２０を安定して量産するうえで、第２のパターン２６ａの形状変化量を一定以内に抑えることは重要である。そのためには、液化したときの第２のパターン２６ａの粘度バラツキを低減することが望ましい。具体的には、第２のパターン２６ａを液化した際に、第２のパターン２６ａが必要以上に流動性を持たないように、第２のパターン２６ａを液化する条件を最適化することが望ましい。また、第２のパターン２６ａの形成後から液化するまでの時間を統一させることが望ましい。
【００７７】
このようにして、第１のパターン２２ａからなる第１の部分２２と第２のパターン２６ａからなる第２の部分２６とを含む、非球面形状のマイクロレンズ２０が製造される（図５（ｅ）及び図５（ｆ））。第１のパターン２２ａによって凸部が形成された下地基板１０上に第２のパターン２６ａを形成する場合のように、平坦ではない下地上でパターンを融解させると、アルキメデスの原理に基づく作用によって、以下のようなパターン変形が生じる。
【００７８】
ここで、アルキメデスの原理に基づく作用によるパターンの変形について、図７及び図８を用いて説明する。図７は、流体に加わる作用力とそれによる形状変化を説明する図であり、図８は、本実施形態によるマイクロレンズの製造方法におけるパターンの形状変化を説明する図である。アルキメデスの原理とは、アルキメデスが発見した物理学の法則であり、「流体中の物体に働く力は、その物体が押しのけている分の流体の重さに等しい」というものである。式で表わすと次のようになる。
Ａ＝ρｇＶ    …（２）
【００７９】
ここで、ρは流体の密度、ｇは重力加速度、Ｖは流体の体積である。熱処理によって樹脂材料をリフローする場合にも、この原理は働いている。液体５２に外力が働かない場合（重力も働かない場合）を想定すると、内力にあたる気体−液体間の表面張力しか働かないため、図７（ａ）に示すように、液体５２は球状になる。このときの表面張力のベクトルの向きは、液体表面の接線方向である。図が複雑になることを避けるために、図中に表面張力は記載していない。
【００８０】
この状態に外力が作用することを想定する。まず、液体５２に重力ｇが働いて地面５０に着地する。すると、液体−固体間の表面張力が発生するとともに、重力ｇによって液体５２の下部の形状が歪むように変形し始める（図７（ｂ））。なお、図中には、液体−固体間の表面張力は記載していない。このとき、地面５０によって歪むように変形した分が、アルキメデスの原理でいう「押しのけられた分」に相当する。そのため液体５２には、式（２）に基づく応力Ａが作用する。この状態から更に進行すると、地面５０を広がっていく液体５２に摩擦力Ｆ１、Ｆ２も加わり始め、やがて液体５２が広がるのを止める。これが、図７（ｃ）の状態であり、作用力がバランスした安定状態である。
【００８１】
図８（ａ）は、第２のパターン２６ａの形成直後の状態、すなわち図５（ｃ）及び図５（ｄ）の工程に対応している。下地基板１０上には第１のパターン２２ａが形成されており、第２のパターン２６ａを形成した下地には、第１のパターン２２ａによる凸部が形成されているものといえる。ここで、第１のパターン２２ａは、第２のパターン２６ａによって覆われている。また、第２のパターン２６ａの重心の位置は、第１のパターン２２ａの重心の位置よりも右側にずれて配置されている。
【００８２】
図８（ｂ）は、熱処理を行った結果、第２のパターン２６ａが液体化し、気体−液体間の表面張力によって丸みを帯び始めた状態を表している。このとき、図７で説明したと同じような作用力（気体−液体間の表面張力、液体−固体間の表面張力、重力、アルキメデスの原理に基づく応力、液体摩擦力など）が働いている。ただし、図が複雑になることを避けるため、図面には全ての作用力を記載していない。
【００８３】
まず、第２のパターン２６ａの液体は、気体−液体間の表面張力によって球面化するとともに、重力によって下部の形状は球面から歪むように変形する。更に、下地に凸形状が形成されていることで、アルキメデスの原理でいう「物体が押しのけている分」に基づく作用力が働く。このとき、下地の凸形状に対する非対称性に起因して、アルキメデスの原理に基づく作用力が左右で偏るため、第２のパターン２６ａに働く応力Ａｔｏｔａｌは、図８（ｂ）に示すようにやや上向きの左方向のベクトルとなる。ここで、非対称性とは、ある断面における形状のことを意味している。すなわち、図８（ｂ）の断面における、第２のパターン２６ａの下地基板１０における中心を通り、下地基板１０の法線方向と平行な軸に対して、第１のパターン２２ａの位置が非対称であることを意味している。
【００８４】
図８（ｃ）は、液体への作用力がバランスのとれている最終状態を表している。液体がこのような非対称な形状になる理由の１つは、図面において左方向に働くアルキメデスの原理に基づく応力Ａｔｏｔａｌを受けているからである。そしてもう１つの理由は、この力を受けて液体が移動しようとするときに、動的な液体摩擦力が作用するからである。動的な液体摩擦力とは、例えば、液体が固体斜面を流れているときに液体が受けている外力であり、液体の進行方向とは逆向きに働く。この結果、液体の進行部位にあたる図面の左側では、液体摩擦力Ｆ１が強くなるために前進接触角θａは大きくなるのに対して、液体の後退部位にあたる図面の右側では、液体摩擦力Ｆ２が弱くなるために後退接触角θｂは小さくなる。結果、動的な液体摩擦力も含め、全ての力のバランスがとれた状態は、図８（ｃ）に示すような非球面形状になる。また、図８（ｂ）及び図８（ｃ）における応力Ａｔｏｔａｌのベクトルは、やや上側を向いている。このため、液体状となった樹脂材料が移動した結果、第２のパターン２６ａの頂点は、やや高くなる。
【００８５】
比較として、第１のパターン２２ａの重心位置と第２のパターン２６ａの重心位置とが一致している場合の第２のパターン２６ａの形状の変化の様子を、図８（ｄ）に示す。図示するように、下地の凸形状（第１のパターン２２ａ）が第２のパターン２６ａの中央に位置している場合、アルキメデスの原理に基づく応力は左右対称的に働くため、液体状となった樹脂材料が移動しても非対称な形状にはならない。ただし、下地基板１０が平坦である場合に比べて、凸形状（第１のパターン２２ａ）がある分だけアルキメデスの原理に基づく応力Ａｔｏｔａｌは上向きに大きくなるため、より高さのあるマイクロレンズ２０が形成される。もし、非対称なマイクロレンズ２０ではなく、単により高さのあるマイクロレンズ２０が要求される場合には、このように本手法を活用してもよい。
【００８６】
非球面形状のマイクロレンズの製造方法として例示した前述の第１の方法では、複数の材料の融点、粘度等を綿密に計算して行う必要があるのに対して、本実施形態の製造方法では、１つの材料の熱処理をコントロールするだけでよい。また、半乾きのパターン上に別のパターンを積層する必要はないので、積層パターニングも容易に行える。本実施形態によるマイクロレンズの製造方法は、非球面形状のマイクロレンズをより容易に作成できるという点で、第１の方法よりも優れているといえる。
【００８７】
また、前述の第２の方法ではエリア分割が必要であるのに対して、本実施形態の製造方法では第１のパターン２２ａと第２のパターン２６ａとの位置関係をフォトマスク上のマスクパターンで任意に設定できるためエリア分割は不要である。したがって、本実施形態によるマイクロレンズの製造方法によれば、画質を低下させてしまうようなエリア分割を行うことなく、マイクロレンズアレイを製造することができる。
【００８８】
第１のパターン２２ａにより形成される第１の部分２２の屈折率（或いは材料）と、第２のパターン２６ｂにより形成される第２の部分２６の屈折率（或いは材料）とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。第１の部分２２と第２の部分２６の屈折率が同じ場合、第１の部分２２と第２の部分２６との間の界面はわずかに見える程度であり、界面で光路は変化しない。したがって、図３に示したマイクロレンズアレイの場合と同様に、撮像領域３２の中央（領域１）からの距離によって変化する斜入射光に対応した位置に焦点を結ぶ光線経路を得ることができる（図９（ａ）参照）。
【００８９】
図３に示すマイクロレンズとの違いは、第１の部分２２と第２の部分２６とが同じ屈折率であっても、これらの間に界面が存在することである。界面が存在することにより、この界面では光線の全反射が生じることがある。このような場合、第２の部分２６を通過する光の光路距離ｄ（複数光路がある場合は、強度が最大となる光路の距離）を、可視光波長の反射防止効果が得られる距離に調整することで、感度向上の効果が期待できる。反射防止効果の得られる条件は、０以上の整数をｍ、反射防止を行いたい光線の波長をλ（一般的には可視光５５０ｎｍを用いる）、第１の部分２２及び第２の部分の屈折率をｎとして、以下の式（３）で表される。
ｄ＝（２ｍ＋１）×λ／（４×ｎ）    …（３）
【００９０】
すなわち、第２の部分２６が反射防止膜として機能している。第１の部分２２と第２の部分２６との間の界面における光線の反射を抑制するためには、図１（ｃ）に示すように、第１の部分２２と第２の部分２６との間に反射防止膜２４を設けるようにしてもよい。また、マイクロレンズ２０の表面における反射を抑制するために、図１（ｃ）に示すように、第２の部分２６の表面に反射防止膜２８を設けるようにしてもよい。反射防止膜２４，２８は、単層構造であっても積層構造であってもよい。例えば、反射防止膜２８を構成する材料としては、空気の屈折率（ｎ＝１）とマイクロレンズ２０の屈折率（例えば、ｎ≒１．６）との間の屈折率を有し、消衰係数の小さい材料が望ましく、可視光線に対しては膜厚１００ｎｍ程度が好適である。例えば、低温プラズマＣＶＤ装置で堆積した膜厚１００ｎｍ程度の酸化シリコン膜（ｎ≒１．４）により反射防止膜２８を形成することが考えられる。
【００９１】
第１の部分２２と第２の部分２６の屈折率が異なる場合、それらの関係に応じてマイクロレンズ２０を通過する光線の経路を変化できるため、目的によっては第１の部分２２と第２の部分２６とを屈折率の異なる材料で形成するという選択もあり得る。例えば、第１の部分２２を第２の部分２６よりも屈折率の高い材料で形成すると、図９（ｂ）に示した例のように、第１の部分２２と第２の部分２６との界面で、より集光される方向に光路が変化する。この場合、入射光線は、第２の部分２６ａの表面のみならず、第１の部分２２と第２の部分２６との界面でも屈折されるため、フォーカスは散乱するが、フォトダイオード１４が位置する画素領域の中心寄りへの散乱であり、混色を抑制する効果が見込める。混色しなくなった光線は本来入るべき画素に入射するため、第１の部分２２と第２の部分２６とを同じ屈折率とした場合と比較して、更なる感度向上の効果を得ることもできる。
【００９２】
図９（ｂ）には第１の部分２２を第２の部分２６よりも屈折率の高い材料で形成した場合を示しているが、逆に、第１の部分２２を第２の部分２６よりも屈折率の低い材料で形成した場合の方が集光能力の向上を見込めるケースもあり得る。つまり、第１の部分２２及び第２の部分２６の屈折率の最適な条件は、画素の光学設計方法に依存する。なお、第１の部分２２と第２の部分との間の界面或いはマイクロレンズ２０の表面における光線の反射の抑制には、第１の部分２２と第２の部分２６とが同じ屈折率の場合と同様の対策を講じることができる。
【００９３】
第１のパターン２２ａは、第２のパターン２６ａを配置する場所に、非対称な下地構造を形成することを一つの目的としたものである。この目的のもと、第１のパターン２２ａには、第２のパターン２６ａの重心の位置に対してずらして配置するほか、様々なバリエーションが考えられる。例えば、第１のパターン２２ａのバリエーションとしては、図１０（ａ）〜（ｐ）に示す種々の態様が挙げられる。
【００９４】
図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は第１のパターン２２ａの変形例を示しており、様々な大きさの第１のパターン２２ａを用いることができる。第１のパターン２２ａの大きさが大きいほど、アルキメデスの原理を表す（２）式における「物体が押しのける流体の体積Ｖ」が増加するため、物体から流体が受ける応力Ａも増す。
【００９５】
図１０（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は、第１のパターン２２ａの形状の変形例を示している。第１のパターン２２ａの形状は、これまでに説明してきた球面形状に限定されるものではない。例えば、立方体、円柱、角柱、円錐、角錐、楕円などの典型的な立体形状でもよいし、その他の複雑な形状でもよい。アルキメデスの原理に基づく応力のベクトルは、第１のパターン２２ａの面に影響されるため、第１のパターン２２ａの面の形状を適宜選択することにより、マイクロレンズ２０の形状制御が可能となる。
【００９６】
図１０（ｇ）、（ｈ）は第１のパターン２２ａの他の変形例を示しており、１個のマイクロレンズ２０に対して配置する第１のパターン２２ａの個数を様々に変更し得る。各画素に複数の第１のパターン２２ａを配置して、マイクロレンズ２０の形状を制御することも可能である。この場合、１個のマイクロレンズ２０に対応して配置される複数の第１のパターン２２ａの大きさや形状は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、画素毎に、第１のパターン２２ａの大きさ、形状、個数、配置等が異なっていてもよい。
【００９７】
図１０（ｉ）、（ｊ）は、製造プロセスの変形例を示している。例えば、第２のパターン２６ａを形成する工程は、第１のパターン２２ａを形成する工程の後にすぐに行う必要はなく、これら工程の間に他の処理工程を行ってもよい。例えば、図９（ｉ）に示すように第１のパターン２２ａを形成する工程の後、第２のパターン２６ａを形成する工程の前に、反射防止膜２４を形成する工程を追加してもよい。また、図９（ｊ）に示すように、第１のパターン２２ａを形成する工程を繰り返し行うようにしてもよい。例えば、第１のパターン２２ａとは異なる組成、大きさ或いは形状の第１のパターン２２ｂを形成する場合などに適用可能である。
【００９８】
図１０（ｋ）、（ｌ）、（ｍ）は、下地基板１０に形成する凹凸形状の変形例を示している。下地基板１０に形成する凹凸は、必ずしも下地基板１０上に形成した第１のパターン２２ａからなる突起物である必要はなく、凹部１８ａや傾斜面１８ｂであってもよい。下地基板１０に形成された凹部１８ａや傾斜面１８ｂも、下地基板１０とともに第１のパターン２２ａを形成するものであるといえる。第２のパターン２６ａを配置する領域の一部に凹部１８ａが形成されている場合や、第２のパターン２６ａを傾斜面１８ｂ上に形成する場合も、アルキメデスの原理に基づく応力は、異なる働き方をする。例えば、これらの場合、平坦面上に第２のパターン２６ａを形成する場合よりも、アルキメデスの原理に基づく応力が小さくなることがある。したがって、下地基板１０に形成する凹部１８ａや傾斜面１８ｂを適宜設定することで、所望の非球面形状を有するマイクロレンズを形成することが可能になる。
【００９９】
図１０（ｎ）、（ｏ）、（ｐ）は、第１のパターン２２ａの位置の変形例を示している。図面には、所定の領域（例えば、１つの画素領域）内の異なる位置に第１のパターン２２ａを配置した例を３つ示している。各図には、断面図と上面図とを記載している。第１のパターン２２ａの配置場所を移動すると、アルキメデスの原理に基づく応力の影響が変わるために、第２のパターン２６ａの完成形状にも影響する。
【０１００】
このように、第１のパターン２２ａにおいて、大きさ、形状、個数、製造プロセス、凹凸、位置等を変更し得る。これらの変形例の中から任意のものを選択し、或いは、任意に選択される複数のものを組み合わせ、第１のパターン２２ａを形成するようにしてもよい。図１０に示した第１のパターン２２ａの様々な変形例のうち、非球面形状の第２のパターン２６ａの形成方法について、図１１を用いて説明する。
【０１０１】
図１１（ａ）及び（ｂ）は、下地基板１０の傾斜面上に第２のパターン２６ａを形成する方法を示しており、図１０（ｍ）に示す第１のパターン２２ａが用いられている。図１１（ａ）は、傾斜面１８ｂ上に第２のパターン２６ａを配置し、熱処理を行った結果、第２のパターン２６ａが液体化し、気体−液体間の表面張力によって丸みを帯び始めた状態を表している。このとき、傾斜面１８ｂ上に形成した第２のパターン２６ａには、外力によって傾斜面１８ｂの法線方向に応力Ａｔｏｔａｌが加わっている。この応力Ａｔｏｔａｌには図面において右方向の成分が含まれるため、頂部２６ｔが右側にシフトするように第２のパターン２６ａの変形が進行し、結果として非球面形状の第２のパターン２６ａに成形される（図１１（ｂ））。
【０１０２】
図１１（ｃ）及び（ｄ）は、複数の形状の異なる第１のパターン２２ａを用いた形成方法を示しており、図１０（ａ）〜（ｃ）、（ｇ）、（ｈ）に示す第１のパターン２２ａが用いられている。下地基板１０上に大きさの異なる２つの第１のパターン２２ａと第２のパターン２６ａとを配置し、熱処理を行うことにより、第２のパターン２６ａが液体化する。このため、図１０（ｃ）に示すように、気体−液体間の表面張力によって第２のパターン２６ａが丸みを帯び始める。なお、第２のパターン２６ａの形成時、第１のパターン２２ａが第２のパターン２６ａによって完全に覆われている必要はない。図１１（ｃ）は、第１のパターン２２ａの一部が第２のパターン２６ａに覆われていない状態を示している。このとき、大きさの異なる２つの第１のパターン２２ａ上に形成した第２のパターン２６ａには、外力によって、図面において右方向の成分を含む応力Ａｔｏｔａｌが加わっている。これにより、頂部２６ｔが右側にシフトするように第２のパターン２６ａの変形が進行し、結果として非球面形状の第２のパターン２６ａに成形される（図１１（ｄ））。
【０１０３】
第２のパターン２６ａが第１のパターン２２ａを完全に覆う必要がないのは、以下の理由による。すなわち、第２のパターン２６ａがある程度が覆われていれば、アルキメデスの原理、すなわち「流体中の物体に働く力は、その物体が押しのけている分の流体の重さに等しい」との原理に基づく力が十分に発揮できるからである。また、ある程度覆われていれば、第２のパターン２６ａが液化したときに、第１のパターン２２ａとの液体−固体間の表面張力によって、自動的に覆われてしまう可能性もある。もちろん、第２のパターン２６ａが第１のパターン２２ａを完全に覆う必要がないのは、第１のパターン２２ａが複数あるときに限ったことではない。
【０１０４】
図１２は、第１のパターン２２ａによる第２のパターン２６ａの形状の他の変形例を示している。図１２に示す例は、非球面形状の第２のパターン２６ａを形成するためのものではないが、後述する実施形態とも関係するため、補足として説明する。
【０１０５】
図１２（ａ）、（ｂ）は、第２のパターン２６ａの中央に第１のパターン２２ａを配置した場合に、第２のパターン２６ａがどのような形状に変化するかを示したものである。図１２（ａ）の状態は、第２のパターン２６ａが液体化して気体−液体間の表面張力によって丸みを帯び始めた状態、或いは、グレイトーンマスクを用いて第２のパターン２６ａを形成した直後の状態を示している。第１のパターン２２ａが中央にあるとアルキメデスの原理に基づく応力が左右対称的に働くため、非対称形状にはならない。しかしながら、下地が平坦である場合に比べて、第１のパターン２２ａがある分だけ、アルキメデスの原理に基づく応力Ａｔｏｔａｌは上向きに大きくなるため、楕円体面に近い形状になる。この結果、球面形状のマイクロレンズよりも高さのある、マイクロレンズとなる。
【０１０６】
図１２（ｃ）、（ｄ）は、第２のパターン２６ａを配置する領域に、相対的に幅の広い円柱状の第１のパターン２２ａを配置した場合に、第２のパターン２６ａがどのような形状に変化するかを示したものである。この場合も、図１２（ａ）、（ｂ）の場合と同様、アルキメデスの原理に基づく応力は左右対称に働くため第２のパターン２６ａは非対称形状にはならない。しかしながら、第２のパターン２６ａの側面が第１のパターン２２ａに近くなり、側面において第２のパターン２６ａが受けるアルキメデスの原理に基づく応力（図中、応力Ａ１、Ａ２）が強くなる。そしてこれにより、第２のパターン２６ａは角部が丸みを帯びた略台形形状になる。
【０１０７】
このように、本実施形態では、第１のパターン上に、平面視において第１のパターンの重心の位置とは異なる位置に重心が位置する第２のパターンを形成し、この第２のパターンをリフローすることによってマイクロレンズを形成する。したがって、本実施形態によれば、非球面形状を有するマイクロレンズを容易に形成することができる。また、第１のパターンの重心の位置と第２のパターンの重心の位置とを適宜設定することにより、入射光の入射方向に対応した好適なレンズ形状を有するマイクロレンズを実現することができる。
【０１０８】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態によるマイクロレンズ及びその製造方法について図１３及び図１４を用いて説明する。図１乃至図１２に示す第１実施形態によるマイクロレンズと同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。
【０１０９】
図１３は、本実施形態によるマイクロレンズの構造を示す断面図及び平面図である。図１４は、本実施形態によるマイクロレンズの製造方法を示す工程断面図である。第１実施形態では、リフロー法を用いて非球面形状のマイクロレンズを製造する方法を説明した。本実施形態では、非球面形状のマイクロレンズの形成に、グレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィを利用した例について説明する。
【０１１０】
固体撮像装置の感度を向上する手法の一つとして、マイクロレンズの直径を大きくしてマイクロレンズ同士の間隔を狭くする方法が挙げられる。このようにして各画素のマイクロレンズの面積占有率（画素におけるマイクロレンズの敷地面積の割合）を広げることで、感度向上を図ることができる。しかしながら、第１実施形態において説明したような、リフロー法を用いた非球面形状のマイクロレンズの製造方法では、面積占有率の高い、接触型マイクロレンズアレイを形成することはできない。ここで、接触型マイクロレンズアレイとは、各マイクロレンズの直径が画素サイズよりも大きく、隣接するマイクロレンズ同士が接触しているようなマイクロレンズアレイのことである。この接触型マイクロレンズアレイがリフロー法で形成できない理由は、マイクロレンズ同士が接触したままパターンを構成する樹脂材料を液化すると、マイクロレンズ同士が表面張力で融着してしまい、所望の形状を保てなくなるからである。
【０１１１】
個々のマイクロレンズの形状を保持したままで接触型マイクロレンズアレイを製造するための手法の一つとして、グレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィを利用する方法が挙げられる。グレイトーンマスクとは、例えば図６（ｄ）に示すような、露光装置の光源波長で解像しない微細なドットを多数配置したマスクパターン４８を有するフォトマスクのことである。フォトマスク上におけるドットの配置を適宜調整することで、感光性樹脂の光反応の度合いを領域毎に異ならせることができ、塗布・露光・現像といったフォトリソグラフィの一連の工程のみによって、球面形状等の任意のパターンを形成することができる。
【０１１２】
また、グレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィを利用するプロセスでは、リフロー法において生じるような隣接パターンの融着が生じることもないため、球面形状の接触マイクロレンズを製造することができる。グレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィを利用するプロセスにおいて隣接するマイクロレンズ同士が融着しないのは、グレイトーンマスク用の感光性樹脂が、適度に都合のよい流動性を持つからである。
【０１１３】
グレイトーンマスク用の感光性樹脂は、溶剤と樹脂とを含んだ液体材料である。そのため、フォトリソグラフィ後のパターンは、樹脂が硬化されておらず溶剤を多く含んだ状態であり、このままでは耐久性に乏しい。そのため、リフロー法の場合と同様に熱処理を施し、溶剤の揮発と樹脂の硬化を行う必要がある。しかしながら、元々が液体溶剤を含んでいる点や、ベースとなる樹脂がリフロー法で使用するものと同じである点から、パターンはどうしても流動性を持ってしまう。
【０１１４】
そこで、グレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィで使用する感光性樹脂は、熱処理で溶融しにくいような材料に改良されている。この感光性樹脂は、リフロー法に用いられる樹脂のように構成分子がパターン内部を自由に動き回れるものではなく、その移動範囲は限られたものになる。接触型マイクロレンズにおいては、マイクロレンズ同士の接触箇所は、体積から見て含有溶剤量が少ないため、熱硬化時でも比較的に流動性は少ない。対するマイクロレンズの中央箇所は、含有溶剤量が多いため、相対的に流動性は高くなる。
【０１１５】
マイクロレンズの接触部分で流動性が低く、中央部分で流動性が高くなる、グレイトーンマスク用の感光性樹脂は、本発明を適用するうえで非常に都合がよい。なぜなら、マイクロレンズの接触部分では融着せずにレンズ形状を保持できるうえに、マイクロレンズの中央部分では、アルキメデスの原理に基づく応力を得て、非球面形状に変形するからである。つまり、グレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィを第２のパターン２６ａの形成に利用すれば、接触型の非球面形状マイクロレンズを容易に形成することができる。
【０１１６】
図１３は、本実施形態によるマイクロレンズの構造を示す断面図及び平面図である。図１３において、領域１、領域２及び領域３は、図２乃至図４において説明した領域１、領域２及び領域３と同様である。本実施形態によるマイクロレンズ２０は、接触型マイクロレンズアレイを構成するものであり、断面を見ると、図１３（ａ）に示すように、第２の部分２６の表面は層間絶縁膜１６の表面とは接触していない。上面から見ると、図１３（ｂ）に示すように、第２の部分２６同士は接触しているが、画素の角部にあたる位置にマイクロレンズ２０が敷かれていないエリア、すなわちマイクロレンズギャップ５２が存在している。なお、このマイクロレンズギャップ５２は、存在していなくてもよい。このような接触型のマイクロレンズアレイは集光面積が広いため、集光率を向上することができる。
【０１１７】
また、各マイクロレンズ２０は、画素の配置場所の違いによる入射光の入射方向の違いにも対応できるような、非球面形状になっている。具体的には、撮像領域３２の中央部にあたる領域１ではほぼ球面形状をしているが、領域２、領域３と中心部から離れるほどにより非球面形状となっている。これにより、大面積の撮像領域３２を維持したうえで、撮像領域３２の中央からの距離によって変化する斜入射光（図面に点線で記載）に対応して、高い集光能力を得ることができる。
【０１１８】
次に、本実施形態によるマイクロレンズの製造方法について、図１４を用いて具体的に説明する。なお、図１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のそれぞれにおいて、上側が断面図であり、下側が上面図である。
【０１１９】
まず、下地基板１０上に、フォトリソグラフィにより、第１のパターン２２ａを形成する（図１４（ａ））。次いで、第１のパターン２２ａが形成された下地基板１０上に、グレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィにより、第２のパターン２６ａを形成する（図１４（ｂ））。例えば、各画素領域に、図６（ｄ）に示すマスクパターン４８をそれぞれ有するグレイトーンマスクを用い、球面形状の第２のパターン２６ａを形成する。この際、隣接する第２のパターン２６ａ同士は、一部が接触している。
【０１２０】
次いで、熱処理により、第２のパターン２６ａのリフロー及び硬化を行い、第２のパターン２６ａを、第１のパターン２２ａと第２のパターン２６ａとの位置関係に応じた非球面形状に成形する（図１４（ｃ））。この際、隣接する第２のパターン２６ａの接触部分は感光性樹脂の流動性が低く、中央部分は流動性が高いため、接触部分における流動を抑制し、中央部分を非球面形状に成形することができる。
【０１２１】
このように、本実施形態では、第１のパターン上に、平面視において第１のパターンの重心の位置とは異なる位置に重心が位置する第２のパターンを形成し、この第２のパターンをリフローすることによってマイクロレンズを形成する。したがって、本実施形態によれば、非球面形状を有するマイクロレンズを容易に形成することができる。また、第１のパターンの重心の位置と第２のパターンの重心の位置とを適宜設定することにより、入射光の入射方向に対応した好適なレンズ形状を有するマイクロレンズを実現することができる。
【０１２２】
また、第２のパターンの形成に、グレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィを利用するので、接触型のマイクロレンズアレイを形成することができる。したがって、このマイクロレンズアレイを固体撮像装置に適用すれば、高感度の固体撮像装置を実現することができる。
【０１２３】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態によるマイクロレンズ及びその製造方法について図１５を用いて説明する。図１乃至図１４に示す第１及び第２実施形態によるマイクロレンズと同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。本実施形態では、グレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィを利用した製造方法において、エリア分割をすることなく、撮像領域内の各画素に好適な非球面形状のマイクロレンズを形成する方法を示す。
【０１２４】
図１５は、本実施形態によるマイクロレンズの製造方法を示す工程断面図であり、詳しくは撮像領域３２の中心から外周に向かう直線（図２のＢ−Ｂ′線に相当）に沿った工程断面図である。図１５において、撮像領域３２の中心から外周までの間にｎ個の画素が並び、中心側の画素領域から順に、領域１、領域２、…、領域ｎと表記されている。なお、本明細書において撮像領域３２の中心とは、撮像領域３２の中で最も垂直（下地基板１０の法線方向と平行）に近い方向から光線が入射する部分を意味し、必ずしも撮像領域３２の物理的な中心点である必要はない。すなわち、各領域に入射する光線の入射角は、垂直入射を０度として、領域１、領域２、…、領域ｎの順に大きくなる。
【０１２５】
まず、下地基板１０上に、第１及び第２の実施形態と同様に、第１のパターン２２ａを形成する（図１５（ａ））。このとき、画素領域の中心と第１のパターン２２ａの中心との距離ｄが、領域１、領域２、…、領域ｎの順に連続的に大きくなるように、各画素領域に第１のパターン２２ａを配置する。すなわち、領域１、領域２、領域３、領域４、領域５、…、領域ｎにおける距離ｄを、それぞれ距離ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５、…、ｄｎとすると、以下のような関係式で表すことができる。
ｄ１＜ｄ２＜ｄ３＜ｄ４＜ｄ５  …  ＜ｄｎ
【０１２６】
次いで、第１のパターン２２ａが形成された下地基板１０上に、グレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィにより、第２のパターン２６ａを形成する（図１５（ｂ））。例えば、各画素領域に、図６（ｄ）に示すようなマスクパターン４８をそれぞれ有するグレイトーンマスクを用い、球面形状の第２のパターン２６ａを形成する。この際、撮像領域３２内を複数のエリアに分割してエリア毎に第２のパターン２６ａの形状を変更する必要はない。すなわち、各領域に形成される第２のパターン２６ａの、撮像領域３２の中心側の接触角ψは、同じである。領域１、領域２、領域３、領域４、領域５、…、領域ｎにおける接触角ψを、それぞれ接触角ψ１、ψ２、ψ３、ψ４、ψ５、…、ψｎとすると、以下のような関係式で表すことができる。
ψ１＝ψ２＝ψ３＝ψ４＝ψ５＝  …  ＝ψｎ
【０１２７】
各領域に形成される第２のパターン２６ａの、撮像領域３２の外周側の接触角も同じ値である。第２のパターン２６ａの配置場所は、マイクロレンズ２０の最終的な配置場所を規定するものであり、各画素領域内における第２のパターン２６ａの配置は、典型的には総ての画素領域において同じである。一例では、第２のパターン２６ａは、例えば図１５（ｂ）に示すように、第２のパターン２６ａの中心が画素領域の中心と一致するように配置することができる。この場合、各領域に配置される第１のパターン２２ａと第２のパターン２６ａとの組を比較すると、平面視における第１のパターン２２ａの重心の位置と、平面視における第２パターンの重心の位置との間の距離（距離ｄ）は、互いに異なっている。
【０１２８】
なお、図１５では、各領域に配置されるマイクロレンズの下地基板１０に対する接触角ψの関係をわかりやすくするために、隣接する第２のパターン２６ａ同士が結合された状態では描いていない。接触型マイクロレンズアレイを形成する場合は、隣接する第２のパターン２６ａ同士が接触するように配置する。非接触型マイクロレンズアレイを形成する場合は、隣接する第２のパターン２６ａ同士を互いに離間して配置する。後者の場合、必ずしもグレイトーンマスクを用いる必要もなく、図６（ｂ）に示すマスクパターン４４を有するフォトマスクを用い、第１実施形態と同様にして第２のパターン２６ａを形成してもよい。
【０１２９】
次いで、熱処理により、第２のパターン２６ａのリフロー及び硬化を行い、第２のパターン２６ａを、第１のパターン２２ａと第２のパターン２６ａとの位置関係に応じた非球面形状に成形する（図１５（ｃ））。すなわち、液化した第２のパターン２６ａが第１のパターン２２ａの位置ズレしている方向へと変形するために、第１のパターン２２ａの位置ずれ量（距離ｄ）に応じて異なる非球面形状に成形される。この結果、熱処理後における第２のパターン２６ａの撮像領域３２の中心側の接触角θは、領域１、領域２、…、領域ｎの順に大きくなる。領域１、領域２、領域３、領域４、領域５、…、領域ｎにおける接触角θを、それぞれ接触角θ１、θ２、θ３、θ４、θ５、…、θｎとすると、以下のような関係式で表すことができる。
θ１＜θ２＜θ３＜θ４＜θ５＜  …  ＜θｎ
【０１３０】
第２のパターン２６ａの撮像領域３２の外周側の接触角は、これとは逆に、領域１、領域２、…、領域ｎの順に小さくなる。これにより、第１のパターン２２ａ及び第２のパターン２６ａを含み、撮像領域の中心からの距離に応じて異なる非球面形状を有するマイクロレンズを製造することができる。特に、本実施形態の方法では、撮像領域３２内を複数のエリアに分割してエリア毎に第２のパターン２６ａの形状を変更する必要はないため、エリア分割による画質劣化が生じることはない。
【０１３１】
前述のように、本実施形態では、図６（ａ）に示すようなマスクパターン４２を用いて第１のパターン２２ａを形成し、図６（ｂ）或いは図６（ｄ）に示すようなマスクパターン４４、４８を用いて第２のパターン２６ａを形成している。すなわち、フォトマスク上におけるマスクパターンのレイアウトによって、形成される第１のパターン２２ａの重心位置と第２のパターン２６ａの重心位置とのずれ量が規定できるように工夫されている。したがって、通常のフォトリソグラフィ工程を行うだけで、所望の形状のマイクロレンズを形成することができる。
【０１３２】
ただし、マイクロレンズ２０の形状の制御性を高めるためには、第１のパターン２２ａ及び第２のパターン２６ａを形成する際のフォトリソグラフィ工程における感光性樹脂の塗布膜厚を適切に調整することが求められる。また、第１のパターン２２ａと第２のパターン２６ａとの間で位置合わせズレが生じてしまうと、理想とする距離ｄ１〜ｄｎの位置ズレを実現できず、所望の形状のマイクロレンズを形成することが困難となる。これに対しては、第１のパターン２２ａを形成する際のフォトリソグラフィ工程と、第２のパターン２６ａを形成する際のフォトリソグラフィ工程とにおいて、露光アライメント条件として同じ値を用いて露光処理を行う等の対策が考えられる。これにより、アライメントのバラツキ等、少なくともプロセス起因のバラツキを抑制することができるので、第１のパターン２２ａと第２のパターン２６ａとの位置合わせズレ量は小さくなり、理想に近い距離ｄ１〜ｄｎの位置ズレ量を実現することができる。
【０１３３】
このように、本実施形態では、第１のパターン上に、平面視において第１のパターンの重心の位置とは異なる位置に重心が位置する第２のパターンを形成し、この第２のパターンをリフローすることによってマイクロレンズを形成している。したがって、本実施形態によれば、非球面形状を有するマイクロレンズを容易に形成することができる。また、第１のパターンの重心の位置と第２のパターンの重心の位置とを適宜設定することにより、入射光の入射方向に対応した好適なレンズ形状を有するマイクロレンズを実現することができる。
【０１３４】
また、このマイクロレンズを用いたマイクロレンズアレイを固体撮像装置に適用するに際し、撮像領域の中心からの距離に応じてマイクロレンズの形状を連続的に変化するので、エリア分割による画質劣化のない良質の画像を取得することができる。
【０１３５】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態によるマイクロレンズ及びその製造方法について、図１５を用いて説明する。図１乃至図１５に示す第１乃至第３実施形態によるマイクロレンズと同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。
【０１３６】
第３実施形態では、フォトマスク上におけるパターンのレイアウトによって、形成される第１のパターン２２ａの重心位置と第２のパターン２６ａの重心位置とのズレを実現した。本実施形態では、形成される第１のパターン２２ａの重心位置と第２のパターン２６ａの重心位置とのズレを実現するための他の手法について説明する。
【０１３７】
本実施形態によるマイクロレンズの製造方法は、第１のパターン２２ａを形成する際の露光条件によって、画素中心と第１のパターン２２ａの中心とのズレを実現するものである。使用するフォトマスク上のパターンには、距離ｄ１〜ｄｎを規定するためのオフセットを設ける必要はない。すなわち、フォトマスク上において、第１のパターン２２ａを形成するためのマスクパターンは、総ての画素領域の同じ位置に配置されている。
【０１３８】
ただし、このようなフォトマスクを用いてそのままフォトリソグラフィを行ったのでは、撮像領域３２の中心からの距離に応じて画素毎に距離ｄを規定することはできない。そこで、本実施形態では、露光アライメント条件の１つである露光ショット倍率を、第２のパターン２６ａを形成する際の露光ショット倍率よりも小さくして、フォトリソグラフィを行う。露光ショット倍率を小さくすると、撮像領域３２の外周側の画素ほど第１のパターン２２ａが撮像領域３２の中心側にずれて配置されることとなり、画素領域３２の中心と第１のパターン２２ａの中心との距離ｄは、領域１、領域２、…、領域ｎの順に大きくなる。これにより、図１５（ａ）に示した第３実施形態と同様の、第１のパターン２２ａのレイアウトを実現することができる。以降の工程は、図１５（ｂ）及び図１５（ｃ）に示す第３実施形態によるマイクロレンズの製造方法と同様である。
【０１３９】
このように、第１のパターン２２ａ用のマスクパターンと第２のパターン２６ａ用のマスクパターンとの間のオフセットが画素毎に設定されていない場合でも、プロセス条件の１つである露光アライメント条件の変更によって対応が可能である。マスクパターンではなくプロセス条件で対応する利点としては、容易に実施できる点が挙げられる。例えば、重心位置のずれ量を最適化するために時間のかかるマスク改訂を何度も行う必要はなくなる、等の利点がある。
【０１４０】
このように、本実施形態では、第１のパターンを形成する際の露光ショット倍率と第２のパターンを形成する際の露光ショット倍率とを変えることで、第１のパターンの重心の位置と第２のパターンの重心の位置とを撮像領域内において連続的に変化している。したがって、本実施形態によれば、フォトマスクに変更を加えることなく、第１のパターンの重心の位置と第２のパターンの重心の位置との関係を容易に最適化することができる。
【０１４１】
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態によるマイクロレンズの製造方法について、図１５を用いて説明する。図１乃至図１５に示す第１乃至第４実施形態によるマイクロレンズと同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。
【０１４２】
これまでの実施形態では、第１のパターン２２ａの形成用のフォトマスクと第２のパターン２６の形成用のフォトマスクマスクとして別々のフォトマスクを用いる例を示した。本実施形態では、第１のパターン２２ａ及び第２のパターン２６ａの形成に同じフォトマスクを使用する方法について説明する。
【０１４３】
第１のパターン２２ａ及び第２のパターン２６ａの形成にグレイトーンマスクを使用すれば、これらパターンの形成には必ずしも別々のマスクを使用する必要はない。プロセス条件である、塗布膜厚、露光量、露光アライメント条件等を適宜調整することで、同一のグレイトーンマスクを使用して、第１のパターン２２ａと第２のパターン２６ａとを形成することは可能である。２つの工程でフォトマスクを共用することにより、フォトマスクの設計工数や製造コストを削減し、ひいては製造コストを低廉化することができる。
【０１４４】
一例を述べると、まず、第１のパターン２２ａの形成の際に、感光性樹脂の塗布膜厚を第１の膜厚、露光量を第１の露光量として、第４実施形態で説明した方法により、第１のパターン２２ａを形成する。感光性樹脂の塗布膜厚を薄くして、露光量を高くすることによって、第１のパターン２２ａは、図１５（ａ）に示すように小さく形成することができる。また、露光ショット倍率を小さくすることで、画素領域の中心と第１のパターン２２ａの中心との距離ｄを、領域１、領域２、…、領域ｎの順に大きくすることができる。
【０１４５】
続く、第２のパターン２６ａの形成の際には、第１のパターン２２ａの形成に用いたフォトマスクを用いて、第２のパターン２６ａを形成する。この際、感光性樹脂の塗布膜厚は第１の膜厚よりも厚い第２の膜厚、露光量は第１の露光量よりも小さい第２の露光量とし、露光ショット倍率は変更（縮小）しない。使用する感光性樹脂は、第１のパターン２２ａと第２のパターン２６ａとで、同じであっても異なっていてもよい。これにより、図１５（ｂ）に示すように、第１のパターン２２ａよりも大きい第２のパターン２６ａを、第１のパターン２２ａ上に形成することができる。
【０１４６】
以降の工程は、図１５（ｃ）に示す第３実施形態によるマイクロレンズの製造方法と同様である。本発明者は、撮像領域３２内の位置によって形状が異なるマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイを本実施形態において説明した製造方法によって実際に製造できることを検証している。
【０１４７】
このように、本実施形態では、第１のパターン及び第２のパターンの形成に、同じフォトマスクを用い、露光アライメント条件を制御することによって第１のパターン及び第２のパターンを作り分ける。したがって、本実施形態によれば、フォトマスクの設計工数や製造コストを削減し、ひいては製造コストを低廉化することができる。
【０１４８】
［第６実施形態］
本発明の第６実施形態による固体撮像装置及びその製造方法について図１６を用いて説明する。図１乃至図１４に示す第１乃至第５実施形態によるマイクロレンズ或いは固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。
【０１４９】
図１６は、本実施形態による固体撮像装置の構造を示す概略断面図である。
【０１５０】
撮像領域３２の中心部から離れるにつれて傾斜角が大きくなる入射光線に対しては、第１乃至第５実施形態で説明したように、非球面形状のマイクロレンズを用いることにより、フォーカス面のズレΔfがほぼゼロになるように制御することができる。その一方で、マイクロレンズによって集光される光線の焦点位置は、例えば図９に示したように、撮像領域３２の外周側の画素ほど画素中心から外側に向けてずれることになる。そして、フォトダイオード１４のエリアの外側に光が集光するようになると、集光率が低下してしまうことが予想される。
【０１５１】
そこで、本実施形態では、図１６に示すように、フォトダイオード１４とマイクロレンズ２０との相対的な位置を、撮像領域３２の中心とフォトダイオード１４との間の距離に応じて変えるように工夫している。すなわち、撮像領域３２の外周側の画素ほど、マイクロレンズ２０に対するフォトダイオード１４の相対的な位置を、撮像領域３２の外周側にシフトしている。このようにすることで、マイクロレンズ２０によってフォトダイオード１４のエリアの外側に光が集光されるのを防止することができ、集光率の低下を抑制することができる。
【０１５２】
図１６に示すマイクロレンズアレイを製造するための方法としては、例えば以下のものが挙げられる。第１の方法は、画素毎に、撮像領域３２の中心からの距離に応じて、画素中心に対するフォトダイオード１４の配置場所を変更する方法である。第２の方法は、マイクロレンズ層の位置とフォトダイオード層の位置とをずらして配置する方法である。例えば、第４実施形態と同様の手法を用い、マイクロレンズ２０を形成する際のフォトリソグラフィにおける露光ショット倍率を、フォトダイオード１４を形成する際のフォトリソグラフィにおける露光ショット倍率よりも小さくする。これにより、撮像領域３２の外周側の画素ほど、マイクロレンズ２０に対するフォトダイオード１４の相対的な位置を、撮像領域３２の外周側にシフトすることができる。この方法は、画素毎に素子レイアウトを変える必要がないため、画素間の特性ばらつきの抑制や設計工数削減等の観点から、第１の方法よりも優れていると言える。
【０１５３】
このように、本実施形態によれば、フォトダイオードとマイクロレンズとの相対的な位置関係を、撮像領域の中心とフォトダイオードとの間の距離に応じて適宜変更するので、撮像領域内の場所による集光率のばらつきを低減することができる。これにより、良質の画像を取得することができる。
【０１５４】
［第７実施形態］
本発明の第７実施形態によるマイクロレンズ及びその製造方法について図１７を用いて説明する。図１乃至図１６に示す第１乃至第６実施形態によるマイクロレンズと同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。
【０１５５】
図１７は、本実施形態によるマイクロレンズの製造方法を示す工程断面図である。第１乃至第６実施形態では、フォトリソグラフィにより形成した第１のパターン２２ａ及び第２のパターン２６ａによりマイクロレンズ２０を構成した。本実施形態では、これら第１のパターン２２ａ及び第２のパターン２６ａをマスクにして下地材料をエッチング（エッチバック）し、マイクロレンズ形状を下地に転写するようにしてもよい。
【０１５６】
特に、第１のパターン２２ａ及び第２のパターン２６ａによって非接触型のマイクロレンズアレイを構成した場合、これをマスクにエッチバックして下地に転写することにより、マイクロレンズ間のギャップが埋め込むことができる。したがって、グレイトーンマスクを用いなくても、接触型のマイクロレンズアレイを形成することができる。
【０１５７】
図１７は、エッチバックによりレンズ形状を下地に転写するプロセスの一例を示したものである。下地基板１０上に、マイクロレンズ形状を転写する下地膜６０が形成され、その上に第１のパターン２２ａ及び第２のパターン２６ａが形成されているものとする（図１７（ａ））。下地膜６０は、層間絶縁膜１６の一部であってもよい。次いで、第１のパターン２２ａ及び第２のパターン２６ａをマスクとして下地膜６０をドライエッチングする（図１７（ｂ））。この際、エッチングの進行とともに第２のパターン２６ａの側壁にエッチング物が成膜されていき、徐々にマイクロレンズ同士の間隔が狭くなっていく。そのため、非接触型のマイクロレンズアレイからエッチングプロセスを開始しても、接触型のマイクロレンズアレイを製造することができる。
【０１５８】
このようにして、第１のパターン２２ａ及び第２のパターン２６ａのパターンを下地膜６０に転写し、下地膜６０よりなるマイクロレンズ２０を形成する（図１７（ｃ））。
【０１５９】
なお、第１のパターン２２ａと第２のパターン２６ａとを異なる材料により形成すれば、第１のパターン２２ａと第２のパターン２６ａの界面からエッチング速度を変えることができる。これを積極的に利用すれば、所望の形状を作成するための製法が容易になる等の効果が期待できる。また、エッチバック法の更なる利点は、レンズ材料の選択の幅が広がることである。下地膜６０としてレンズ材料に好適な透明材料を選択することにより、より良質のマイクロレンズを形成することができる。
【０１６０】
［第８実施形態］
本発明の第８実施形態による固体撮像装置について、図１８を用いて説明する。図１乃至図１７に示す第１乃至第７実施形態によるマイクロレンズ或いは固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。
【０１６１】
図１８は、本実施形態による固体撮像装置の構造を示す概略断面図である。本実施形態による固体撮像装置は、図１８に示すように、非球面形状のマイクロレンズ２０とフォトダイオード１４との間の層間絶縁膜１６内に配置されたインナーレンズ５４を更に有している。インナーレンズ５４は、マイクロレンズ２０で集光した光線を更に集光し、焦点距離を短くする目的で配置される。そのため、マイクロレンズ２０よりも屈折率の高い材料により構成される。
【０１６２】
撮像領域３２の中央部から離れるにつれて傾斜角が大きくなる入射光線に対しては、第１乃至第５実施形態で説明したように、非球面形状のマイクロレンズを用いることにより、フォーカス面のズレΔfがほぼゼロになるように制御することができる。その一方で、フォーカスの位置は、撮像領域３２の中央部から離れた画素ほど画素中心から外側に向けてずれるため、隣接画素へ光線が入射して混色を生じやすい状況になっている。
【０１６３】
マイクロレンズ２０とフォトダイオード１４との間にインナーレンズ５４を配置することで焦点距離を短くすることができ、フォーカス位置をフォトダイオード１４のより内側の領域にシフトさせることができる。これにより、隣接画素へ光線が入射して混色を生じることを抑制することができる。また、混色しなくなった光線は本来入るべき画素のフォトダイオード１４に入射するため、更なる感度向上にも繋がる。
【０１６４】
インナーレンズ５４を用いて焦点距離を短くできることには、フォトダイオード１４との距離を短くできる効果があり、裏面照射型の固体撮像装置への適用にも有効である。
【０１６５】
なお、インナーレンズ５４は光路を変更させるものであり、インナーレンズ５４を追加する場合、インナーレンズ５４で光線が屈折することも加味した画素設計が必要である。このように、本実施形態によれば、フォトダイオードとマイクロレンズとの間にインナーレンズを更に設けるので、混色の抑制並びに感度の向上を実現することができる。
【０１６６】
［第９実施形態］
本発明の第９実施形態による固体撮像装置について、図１９を用いて説明する。図１乃至図１８に示す第１乃至第８実施形態によるマイクロレンズ或いは固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。
【０１６７】
図１９は、本実施形態による固体撮像装置の構造を示す概略断面図である。本実施形態による固体撮像装置は、図１９に示すように、非球面形状のマイクロレンズ２０とフォトダイオード１４との間の層間絶縁膜１６内に配置された光導波路５６を更に有している。光導波路５６は、層間絶縁膜１６の構成材料よりも屈折率の高い材料により構成される。
【０１６８】
層間絶縁膜１６よりも屈折率の大きい光導波路５６は、混色を抑止する方向に光線を屈折する効果がある。したがって、光導波路５６を設けた場合も、第８実施形態のようにインナーレンズ５４を設けた場合と同様に、混色の低減、ひいては感度向上の効果を得ることができる。
【０１６９】
なお、光導波路５６も、インナーレンズ５４と同様、光路を変更させるものであり、光導波路５６を追加する場合、光導波路５６の上面で光線が屈折することも加味した画素設計が必要である。このように、本実施形態によれば、フォトダイオードとマイクロレンズとの間の層間絶縁膜に、屈折率の高い光導波路を更に設けるので、混色の抑制並びに感度の向上を実現することができる。
【０１７０】
［第１０実施形態］
本発明の第１０実施形態によるマイクロレンズ及びその製造方法について図２０及び図２１を用いて説明する。図１乃至図１９に示す第１乃至第９実施形態によるマイクロレンズ或いは固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。
【０１７１】
図２０は、本実施形態による固体撮像装置の構造を示す平面図及び断面図である。図２１は、本実施形態によるマイクロレンズの製造方法を示す工程断面図である。はじめに、本実施形態による固体撮像装置の構造について、図２０を用いて説明する。なお、図２０において、領域１、領域２及び領域３は、図２乃至図４において説明した領域１、領域２及び領域３と同様である。
【０１７２】
本実施形態による固体撮像装置は、図２０（ｂ）に示すように、撮像領域３２の中心から外周に向かうにつれて高さが徐々に高くなるマイクロレンズ２０を有している。このような構造のマイクロレンズ２０は、後述するように、第１のパターン２２ａの高さを場所に応じて適宜変更することにより実現することができる。ここで、マイクロレンズの屈折率が１．６、光学系のＦ値が２．８の場合を例に挙げ、本実施形態によるマイクロレンズの効果について説明する。本実施形態のマイクロレンズ２０は、少なくとも軸を含むある断面において対称形状である。なお、本実施形態のマイクロレンズ２０が回転対称な球面形状や非対称な形状であってもよい。
【０１７３】
領域１には、接触角θ１ａ＝θ１ｂ＝６０度の球面マイクロレンズ２０が形成されているものとする。この場合、入射角φ１＝０度で垂直入射した光線は、マイクロレンズ２０で屈折した結果、傾斜角α１＝β１＝約２７度の光線になる。
【０１７４】
領域２には、接触角θ２ａ＝θ２ｂ＝６２度の対称な形状のマイクロレンズ２０が形成されているものとする。例えば、入射角φ２＝５度で斜入射した光線は、マイクロレンズ２０で屈折した結果、傾斜角α２＝約３０度、傾斜角β２＝約２７度の光線になる。この結果、フォーカス面は領域１よりも上方向にずれて、Δf＝５．９％となり、集光能力は低下する。しかし、傾斜角β２（＝２７度）は、傾斜角β１と同値であり、画素間の混色は抑制することができる。
【０１７５】
領域３には、接触角θ３ａ＝θ３ｂ＝６４度の対称な形状のマイクロレンズ２０が形成されているものとする。例えば、入射角φ３＝１０度で斜入射した光線は、マイクロレンズ２０で屈折した結果、傾斜角α３＝約３４度、傾斜角β３＝約２７度の光線になる。この結果、フォーカス面は領域１よりも更に上方向にずれて、Δf＝１２．５％となり、集光能力は低下する。しかし、傾斜角β３（＝２７度）は、傾斜角β１と同値であり、画素間の混色は抑制することができる。
【０１７６】
光学系のＦ値が異なる場合も、その度合いは異なるが、上記と同様の傾向となる。表４に、上述したＦ値が２．８の場合の計算結果とともに、Ｆ値が１６．０の場合及びＦ値が１．４の場合の計算結果を示す。
【０１７７】
【表４】
2016118675.tif 000006
【０１７８】
このように、撮像領域３２の外周に近い画素ほどフォーカス面のズレは大きくなるが、各マイクロレンズ２０の外周側の傾斜角β１〜β３が約２７度で安定するため、画素間の混色量の撮像領域３２面内のバラツキを抑制することができる。
【０１７９】
次に、本実施形態によるマイクロレンズの製造方法について、図２１を用いて説明する。
【０１８０】
まず、下地基板１０上に、第１及び第２の実施形態と同様に、第１のパターン２２ａを形成する（図２１（ａ））。このとき、マスクパターンの遮光部の面積を、撮像領域３２の中心から外周に向かって徐々に大きくすることで、出来上がりの第１のパターン２２ａの高さを、撮像領域３２の中心から外周に向かって徐々に高くすることができる。
【０１８１】
すなわち、領域１、領域２、領域３、領域４、領域５、…、領域ｎにおける第１のパターン２２ａの高さｈを、それぞれ高さｈ１、ｈ２、ｈ３、ｈ４、ｈ５、…、ｈｎとすると、以下のような関係式で表すことができる。
ｈ１＜ｈ２＜ｈ３＜ｈ４＜ｈ５  …  ＜ｈｎ
【０１８２】
第１のパターン２２ａは、後工程で第２のパターン２６ａを液化する際に混ざらないように、この時点で熱硬化する等の対応をしておくことが望ましい。なお、撮像領域３２の中心部の画素では、例えば図２０（ｂ）に示したように、第１のパターン２２ａは必ずしも形成しなくてもよい。これは、中心部の画素が領域１であるとすると、高さｈ１＝０に相当する。
【０１８３】
次いで、第１のパターン２２ａが形成された下地基板１０上に、グレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィにより、第２のパターン２６ａを形成する（図２１（ｂ））。例えば、各画素領域に、図６（ｄ）に示すようなマスクパターン４８をそれぞれ有するグレイトーンマスクを用い、球面形状の第２のパターン２６ａを形成する。
【０１８４】
本実施形態では、各領域に、同じ形状の第２のパターン２６ａを、第２のパターン２６ａの中心と第１のパターン２２ａの中心と一致するように配置する。すなわち、各領域に形成される第２のパターン２６ａの、撮像領域３２の中心側の接触角ψは、同じである。領域１、領域２、領域３、領域４、領域５、…、領域ｎにおける接触角ψを、それぞれ接触角ψ１、ψ２、ψ３、ψ４、ψ５、…、ψｎとすると、以下のような関係式で表すことができる。
ψ１＝ψ２＝ψ３＝ψ４＝ψ５＝  …  ＝ψｎ
【０１８５】
各領域に形成される第２のパターン２６ａの、撮像領域３２の外周側の接触角も同値である。なお、各領域に形成する第２のパターン２６ａは同一形状であり、グレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィにあたり、エリア分割を行う必要はない。
【０１８６】
また、図２１では、接触型マイクロレンズアレイの製造を想定し、隣接する第２のパターン２６ａ同士が接触した状態を示しているが、必ずしも接触型マイクロレンズアレイとする必要はなく、隣接する第２のパターン２６ａを離間して配置してもよい。この場合、第２のパターン２６ａの形成には、必ずしもグレイトーンマスクを用いる必要はない。
【０１８７】
次いで、熱処理により、第２のパターン２６ａのリフロー及び硬化を行う。この際、液化した第２のパターン２６ａは、第１のパターン２２ａの高さｈに応じて、高くなる方向へと変形する（図２１（ｃ））。これは、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）を用いて第１実施形態において説明したように、第１のパターン２２ａの高さｈが高くなるほど、アルキメデスの原理に基づく応力が上方向に強くなるからである。この結果、第２のパターン２６ａの高さＨは、領域１、領域２、領域３、領域４、領域５、…、領域ｎにおける高さＨを、それぞれ高さＨ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４、Ｈ５、…、Ｈｎとすると、以下のような関係式で表すことができる。
Ｈ１＜Ｈ２＜Ｈ３＜Ｈ４＜Ｈ５＜  …  ＜Ｈｎ
【０１８８】
これにより、第１のパターン２２ａ及び第２のパターン２６ａを含み撮像領域３２の中心からの距離に応じて高さが異なるマイクロレンズを製造することができる。このように、本実施形態では、場所によって高さの異なる第１のパターン上に第２のパターンを形成し、この第２のパターンをリフローすることによってマイクロレンズを形成する。したがって、本実施形態によれば、場所によって高さの異なるマイクロレンズを容易に形成することができる。また、第１のパターンの高さを適宜設定することにより、入射光の入射方向に対応した好適なレンズ形状を有するマイクロレンズを実現することができる。
【０１８９】
［第１１実施形態］
本発明の第１１実施形態によるマイクロレンズ及びその製造方法について図２２及び図２３を用いて説明する。図１乃至図２１に示す第１乃至第１０実施形態によるマイクロレンズ或いは固体撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。
【０１９０】
図２２は、本実施形態による固体撮像装置の構造を示す平面図及び断面図である。図２３は、本実施形態によるマイクロレンズの製造方法を示す工程断面図である。はじめに、本実施形態による固体撮像装置の構造について、図２０を用いて説明する。なお、図２２において、領域１、領域２及び領域３は、図２乃至図４において説明した領域１、領域２及び領域３と同様である。
【０１９１】
本実施形態による固体撮像装置は、図２２（ｂ）に示すように、撮像領域３２の中心から外周に向かうにつれて接触角θａ、θｂが徐々に大きくなる対称形状のマイクロレンズ２０を有している。このような構造のマイクロレンズ２０は、後述するように、第１のパターン２２ａの幅を場所に応じて適宜変更することにより実現することができる。本実施形態のマイクロレンズ２０は、少なくとも軸を含むある断面において対称形状である。なお、本実施形態のマイクロレンズ２０が回転対称な球面形状や非対称な形状であってもよい。
【０１９２】
ここで、マイクロレンズの屈折率が１．６、光学系のＦ値が２．８の場合を例に挙げ、本実施形態によるマイクロレンズの効果について説明する。
【０１９３】
領域１には、接触角θ１ａ＝θ１ｂ＝６０度の球面マイクロレンズ２０がされているものとする。この場合、入射角φ１＝０度で垂直入射した光線は、マイクロレンズ２０で屈折した結果、傾斜角α１＝β１＝約２７度の光線になる。
【０１９４】
領域２には、接触角θ２ａ＝θ２ｂ＝６１度の対称な形状のマイクロレンズ２０が形成されているものとする。例えば、入射角φ２＝５度で斜入射した光線は、マイクロレンズ２０で屈折した結果、傾斜角α２＝約３０度、傾斜角β２＝約２７度の光線になる。この結果、フォーカス面は領域１よりも上方向にずれて、Δf＝４．６％となり、集光能力は低下する。しかし、傾斜角β２（＝２７度）は、傾斜角β１と同値であり、画素間の混色は抑制することができる。
【０１９５】
領域３には、接触角θ３ａ＝θ３ｂ＝６５度の対称な形状のマイクロレンズ２０が形成されているものとする。例えば、入射角φ３＝１０度で斜入射した光線は、マイクロレンズ２０で屈折した結果、傾斜角α３＝約３４度、傾斜角β３＝約２７度の光線になる。この結果、フォーカス面は領域１よりも更に上方向にずれて、Δf＝１３．６％となり、集光能力は低下する。しかし、傾斜角β３（＝２７度）は、傾斜角β１と同値であり、画素間の混色は抑制することができる。
【０１９６】
光学系のＦ値が異なる場合も、その度合いは異なるが、上記と同様の傾向となる。表５に、上述したＦ値が２．８の場合の計算結果とともに、Ｆ値が１６．０の場合及びＦ値が１．４の場合の計算結果を示す。
【０１９７】
【表５】
2016118675.tif 000007
【０１９８】
このように、撮像領域３２の外周に近い画素ほどフォーカス面のズレは大きくなるが、各マイクロレンズ２０の外周側の傾斜角β１〜β３が約２７度で安定するため、画素間の混色量の撮像領域３２面内のバラツキは抑制することができる。
【０１９９】
次に、本実施形態によるマイクロレンズの製造方法について、図２３を用いて説明する。
【０２００】
まず、下地基板１０上に、フォトリソグラフィにより、第１のパターン２２ａを形成する（図２３（ａ））。このとき、マスクパターンの遮光部の直径を、撮像領域３２の中心から外周に向かって徐々に大きくすることで、撮像領域３２の中心から外周に向かうほど底面の直径ｗが大きい円柱形状の第１のパターン２２ａを形成する。すなわち、領域１、領域２、領域３、領域４、領域５、…、領域ｎにおける第１のパターン２２ａの底面の直径ｗを、それぞれ直径ｗ１、ｗ２、ｗ３、ｗ４、ｗ５、…、ｗｎとすると、以下のような関係式で表すことができる。
ｗ１＜ｗ２＜ｗ３＜ｗ４＜ｗ５  …  ＜ｗｎ
【０２０１】
第１のパターン２２ａは、後工程で第２のパターン２６ａを液化する際に混ざらないように、この時点で熱硬化する等の対応をしておくことが望ましい。なお、撮像領域３２の中心部の画素では、例えば図２２（ｂ）に示したように、第１のパターン２２ａは必ずしも形成しなくてもよい。これは、中心部の画素が領域１であるとすると、直径ｗ１＝０に相当する。
【０２０２】
次いで、第１のパターン２２ａが形成された下地基板１０上に、グレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィにより、第２のパターン２６ａを形成する（図２３（ｂ））。
例えば、各画素領域に、図６（ｄ）に示すようなマスクパターン４８をそれぞれ有するグレイトーンマスクを用い、球面形状の第２のパターン２６ａを形成する。
【０２０３】
本実施形態では、各領域に、同じ形状の第２のパターン２６ａを、第２のパターン２６ａの中心と第１のパターン２２ａの中心と一致するように配置する。すなわち、各領域に形成される第２のパターン２６ａの、撮像領域３２の中心側の接触角ψは、同じである。領域１、領域２、領域３、領域４、領域５、…、領域ｎにおける接触角ψを、それぞれ接触角ψ１、ψ２、ψ３、ψ４、ψ５、…、ψｎとすると、以下のような関係式で表すことができる。
ψ１＝ψ２＝ψ３＝ψ４＝ψ５＝  …  ＝ψｎ
【０２０４】
各領域に形成される第２のパターン２６ａの、撮像領域３２の外周側の接触角も同値である。なお、各領域に形成する第２のパターン２６ａは同一形状であり、グレイトーンマスクを用いたフォトリソグラフィにあたり、エリア分割を行う必要はない。
【０２０５】
また、図２３では、接触型マイクロレンズアレイの製造を想定し、隣接する第２のパターン２６ａ同士が接触した状態を示しているが、必ずしも接触型マイクロレンズアレイとする必要はなく、隣接する第２のパターン２６ａを離間して配置してもよい。この場合、第２のパターン２６ａの形成には、必ずしもグレイトーンマスクを用いる必要はない。次いで、熱処理により、第２のパターン２６ａのリフロー及び硬化を行う。この際、液化した第２のパターン２６ａは、第１のパターン２２ａの底面の直径ｗの大きさに応じて、台形のように幅広なレンズ形状へと変形する（図２３（ｃ））。これは、図１２（ｃ）及び図１２（ｄ）を用いて第１実施形態において説明した通りである。この結果、第２のパターン２６ａの接触角θは、領域１、領域２、領域３、領域４、領域５、…、領域ｎにおける撮像領域３２の中心側の接触角θを、それぞれ接触角θ１、θ２、θ３、θ４、θ５、…、θｎとすると、以下のような関係式で表すことができる。
θ１＜θ２＜θ３＜θ４＜θ５＜  …  ＜θｎ
【０２０６】
各領域に形成される第２のパターン２６ａの、撮像領域３２の外周側の接触角も同値である。これにより、第１のパターン２２ａ及び第２のパターン２６ａを含み撮像領域３２の中心からの距離に応じて接触角が異なる対称な形状を有するマイクロレンズを製造することができる。
【０２０７】
このように、本実施形態では、場所によって幅の異なる第１のパターン上に第２のパターンを形成し、この第２のパターンをリフローすることによってマイクロレンズを形成する。したがって、本実施形態によれば、場所によって接触角の異なるマイクロレンズを容易に形成することができる。また、第１のパターンの幅を適宜設定することにより、入射光の入射方向に対応した好適なレンズ形状を有するマイクロレンズを実現することができる。
【０２０８】
第１０、１１の実施形態において、第１のパターン２２ａと第２のパターン２６ａの位置関係は、平面視において重心が一致していてもよく、重心がオフセットしていてもよい。また、第１のパターン２２ａの形状の変化は高さや幅に限定されず、形状の変化も撮像領域の位置に応じていない場合にも起用可能である。
【０２０９】
［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【０２１０】
例えば、上記第３実施形態では、総ての画素に対して共通のマスクパターンを用いて第２のパターンを形成したが、グレイトーンマスクを用いる場合にあっては必ずしも共通のマスクパターンである必要はない。例えば、撮像領域を、中心からの距離に応じて複数のエリアに分割し、エリア毎にマスクパターン、すなわち第２のパターンの形状を変えるようにしてもよい。最終的なマイクロレンズの形状は、第１のパターンの重心の位置と第２のパターンの重心の位置との関係によって決まるため、リフロー前の第２のパターンの形状は、必ずしも総ての画素において同じである必要はない。
【０２１１】
また、上記第３実施形態では、撮像領域の中心からの距離に応じて、第１のパターンの重心の位置と第２のパターンの重心の位置との間の距離を連続的に変化する場合を示したが、必ずしも連続的に変化する必要はない。第１のパターンの重心の位置と第２のパターンの重心の位置との間の距離を連続的に変化しているのは、画素間においてマイクロレンズの光学特性が極端に変化して境界線が生じるのを防止するためである。境界線を視認できるほどに光学特性の変化が大きくならなければ、第１のパターンの重心の位置と第２のパターンの重心の位置との間の距離を複数の画素毎に段階的に変化するようにしてもよい。
【０２１２】
また、上記第４実施形態では、第２のパターンを形成する際の露光ショット倍率に対して第１のパターンを形成する際の露光ショット倍率を縮小したが、露光ショット倍率は、形成しようとするマイクロレンズアレイの形状に応じて適宜選択することができる。例えば、図４に示す構造のマイクロレンズアレイを形成する場合は、第２のパターンを形成する際の露光ショット倍率に対して第１のパターンを形成する際の露光ショット倍率を拡大すればよい。
【０２１３】
また、上記実施形態では、少なくとも一の基準に対して非対称なパターンを形成する本発明の方法を、マイクロレンズの製造に適用した例を示した。しかしながら、本方法は、マイクロレンズの製造のみに適用可能なものではなく、非対称な略楕円体形状のパターンの形成に広く適用することができる。一例としては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）等の分野への適用が考えられる。また、第１０、１１実施形態においては、一の基準に対して非対称なパターンに限らず、対称なパターンにも適用可能である。
【０２１４】
上記実施形態は、本発明を適用しうる幾つかの態様を例示したものに過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜修正や変形を行うことを妨げるものではない。
【符号の説明】
【０２１５】
１０  下地基板
１２  半導体基板
１４  フォトダイオード
１６  層間絶縁膜
２０  マイクロレンズ
２２  第１の部分
２２ａ  第１のパターン
２４、２８  反射防止膜
２６  第２の部分
２６ａ  第２のパターン
３０  固体撮像装置
３２  撮像領域
３４  周辺回路領域
４２、４４、４６、４８  マスクパターン
５０  地面
５２  液体
６０  下地膜
【図１】
2016118675.tif 000008
【図２】
2016118675.tif 000009
【図３】
2016118675.tif 000010
【図４】
2016118675.tif 000011
【図５】
2016118675.tif 000012
【図６】
2016118675.tif 000013
【図７】
2016118675.tif 000014
【図８】
2016118675.tif 000015
【図９】
2016118675.tif 000016
【図１０】
2016118675.tif 000017
【図１１】
2016118675.tif 000018
【図１２】
2016118675.tif 000019
【図１３】
2016118675.tif 000020
【図１４】
2016118675.tif 000021
【図１５】
2016118675.tif 000022
【図１６】
2016118675.tif 000023
【図１７】
2016118675.tif 000024
【図１８】
2016118675.tif 000025
【図１９】
2016118675.tif 000026
【図２０】
2016118675.tif 000027
【図２１】
2016118675.tif 000028
【図２２】
2016118675.tif 000029
【図２３】
2016118675.tif 000030