(57)【要約】      （修正有）【課題】斜入射光に対する集光能力の低下を軽減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の上に配置されたマイクロレンズ20であって、基板10の上に配置された第１の部分22と、第１の部分22を覆うように配置され、平面視において第１の部分の重心22Cとは異なる位置に重心26Cが位置しており、第１の部分22とは屈折率の異なる第２の部分26とを有する。【選択図】図１
2016224387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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の部分の重心とは異なる位置に重心が位置しており、前記第１の部分とは屈折率の異なる第２の部分と
を有することを特徴とするマイクロレンズ。
【請求項２】
前記第２の部分は、前記基板の法線方向に平行な軸に対して回転非対称な非球面形状を有する
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロレンズ。
【請求項３】
前記第２の部分は、球面形状を有する
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロレンズ。
【請求項４】
前記第１の部分は、球面形状を有する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロレンズ。
【請求項５】
前記第１の部分は、前記基板の法線方向に平行な軸に対して回転非対称な非球面形状を有する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロレンズ。
【請求項６】
前記第１の部分及び前記第２の部分は、透過率が８０％以上の材料により構成されている
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のマイクロレンズ。
【請求項７】
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
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のマイクロレンズ。
【請求項８】
前記第２の部分の表面に第２の反射防止膜を更に有する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のマイクロレンズ。
【請求項９】
請求項１乃至８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、
前記第１の部分の屈折率は、前記第２の部分の屈折率よりも高く、
前記第１の部分の前記重心の位置は、前記第２の部分の前記重心の位置よりも前記マイクロレンズアレイの外周側に位置しているマイクロレンズを含む
ことを特徴とするマイクロレンズアレイ。
【請求項１０】
前記第１の部分は、窒化シリコン又は感光性樹脂材料により構成されており、
前記第２の部分は、感光性樹脂材料又は酸化シリコンにより構成されている
ことを特徴とする請求項９記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項１１】
請求項１乃至８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、
前記第２の部分の屈折率は、前記第１の部分の屈折率よりも高く、
前記第１の部分の前記重心の位置は、前記第２の部分の前記重心の位置よりも前記マイクロレンズアレイの中心側に位置しているマイクロレンズを含む
ことを特徴とするマイクロレンズアレイ。
【請求項１２】
前記第１の部分は、酸化シリコン又は感光性樹脂材料により構成されており、
前記第２の部分は、感光性樹脂材料又は窒化シリコンにより構成されている
ことを特徴とする請求項１１記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項１３】
前記複数のマイクロレンズの前記第１の部分の前記重心の位置と前記第２の部分の前記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徐々に大きくなっている
ことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項１４】
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
ことを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項１５】
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９乃至１４のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイと
を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１６】
基板に、第１の部分を形成する工程と、
前記第１の部分が形成された前記基板の上に、平面視において前記第１の部分の重心とは異なる位置に重心が位置しており、前記第１の部分とは屈折率の異なる第２の部分を形成する工程と
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１７】
前記第１の部分を形成する工程は、
前記基板の上に第１の膜を形成する工程と、
前記第１の膜の上に、レンズ形状を有する第１のパターンを形成する工程と、
前記第１のパターン及び前記第１の膜をエッチバックし、前記レンズ形状を前記第１の膜に転写し、前記第１の膜よりなる前記第１の部分を形成する工程と、を有する
ことを特徴とする請求項１６記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項１８】
前記第２の部分を形成する工程は、
前記第１の部分が形成された前記基板の上に、第２の膜を形成する工程と、
前記第２の膜の上に、レンズ形状を有する第２のパターンを形成する工程と、
前記第２のパターン及び前記第２の膜をエッチバックし、前記レンズ形状を前記第２の膜に転写し、前記第２の膜よりなる前記第２の部分を形成する工程と、を有する
ことを特徴とする請求項１６又は１７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、グレイトーンマスク利用法、エッチバック法の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（特許文献４参照）。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（特許文献２，３参照）。エッチバック法は、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。
【０００４】
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。
【０００５】
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、曲率が非対称的なマイクロレンズを形成する方法が開示されている。撮像領域の中心から遠いマイクロレンズほど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】
【０００６】
【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
【特許文献４】特公昭６０−０５９７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載のマイクロレンズでも、斜入射光となる周辺画素部における集光能力は必ずしも十分ではなかった。特許文献１に記載される形状のマイクロレンズは、特許文献２や特許文献３に記載される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、この場合にも同様に、斜入射光となる周辺画素部における集光能力は十分ではなかった。
【０００８】
本発明の目的は、斜入射光に対する集光能力の低下を軽減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】
【０００９】
本発明の一観点によれば、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の部分の重心とは異なる位置に重心が位置しており、前記第１の部分とは屈折率の異なる第２の部分とを有することを特徴とするマイクロレンズが提供される。
【００１０】
また、本発明の他の一観点によれば、基板に、第１の部分を形成する工程と、前記第１の部分が形成された前記基板の上に、平面視において前記第１の部分の重心とは異なる位置に重心が位置しており、前記第１の部分とは屈折率の異なる第２の部分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が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、斜入射光に対する集光能力の低下を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態によるマイクロレンズを示す上面図及び断面図である。
【図２】マイクロレンズの形状を説明するための断面図である。
【図３】第１実施形態による固体撮像装置の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４】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】回転非対称な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６】第１実施形態による固体撮像装置のマイクロレンズの集光能力を説明する図である。
【図７】第１実施形態によるマイクロレンズの第１の製造方法を示す断面図及び平面図である。
【図８】第１実施形態によるマイクロレンズの製造方法において用いるマスクパターンの例を示す平面図である。
【図９】第１実施形態によるマイクロレンズの第２の製造方法を示す断面図である。
【図１０】第１実施形態によるマイクロレンズの第３の製造方法を示す断面図である。
【図１１】第２実施形態による固体撮像装置のマイクロレンズの構造及び集光能力を説明する図である。
【図１２】第２実施形態によるマイクロレンズの製造方法において用いるマスクパターンの例を示す平面図である。
【図１３】第３実施形態による固体撮像装置のマイクロレンズの構造及び集光能力を説明する図である。
【図１４】第４実施形態による固体撮像装置のマイクロレンズの構造及び集光能力を説明する図である。
【図１５】第５実施形態による固体撮像装置のマイクロレンズの構造及び集光能力を説明する図である。
【図１６】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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［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１０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の構造を示す上面図及び断面図である。図２は、マイクロレンズの形状を説明するための断面図である。図３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４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。図５は、回転非対称な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６は、本実施形態による固体撮像装置のマイクロレンズの集光能力を説明する図である。図７乃至図１０は、本実施形態によるマイクロレンズの製造方法を説明する図である。
【００１４】
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（ａ）は本実施形態によるマイクロレンズ２０の上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ′線断面図である。
【００１５】
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。
【００１６】
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は第１の屈折率を有する材料により構成されており、第２の部分２６は第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する材料により構成されている。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。
【００１７】
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１の部分２２の重心２２ｃの位置は、平面視における第２の部分２６の重心２６ｃの位置からずれている。第１の部分２２は、図１（ｂ）に示すように、球面形状を有している。また、第１の部分２２の頂点２２ｔは、平面視における第２の部分２６の重心２６ｃの位置から、Ａ−Ａ′線に沿ってＡ′方向にずれている。第２の部分２６は、図１（ｂ）に示すように、回転非対称な非球面形状を有している。また、第２の部分２６の頂点２６ｔは、平面視における第２の部分２６の重心２６ｃの位置から、Ａ−Ａ′線に沿って、頂点２２ｔとは反対のＡ方向にずれている。このように、本実施形態によるマイクロレンズ２０は、第１の部分２２及び第２の部分２６を含む全体としては、回転非対称な非球面形状を有している。
【００１８】
なお、本明細書において「球面形状」とは、図２（ａ）に示すように、断面における外縁が円形の一部と見なせる形状を有し、且つ、下地基板１０の法線方向と平行な軸Ｃ１に対して回転対称である形状を意味するものとする。また、「非球面形状」とは、球面形状以外の形状を意味するものとする。また、「回転非対称な非球面形状」とは、例えば図２（ｂ）に示すように、非球面形状であって、且つ、下地基板１０の法線方向と平行な軸Ｃ１に対して回転対称ではない形状を意味するものとする。また、「回転対称な非球面形状」とは、例えば図２（ｃ）に示すように、非球面形状であって、且つ、下地基板１０の法線方向と平行な軸Ｃ１に対して回転対称である形状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Ｃ１及び線分Ａ−Ａ′を含む面に対して、面対称である。線分Ａ−Ａ′は、固体撮像装置の撮像領域に設けられたマイクロレンズアレイにあっては、撮像領域の中心から外側に向かう方向に沿っているものとする。
【００１９】
第１の部分２２の頂点２２ｔと第２の部分２６の頂点２６ｔとの間の平面視におけるずれ量ｄｔ（図１（ｂ）参照）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。第１の部分２２の頂点２２ｔと第２の部分２６の頂点２６ｔとの間のずれ量ｄｔ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３を用いて説明する。
【００２０】
固体撮像装置３０は、例えば図３（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。
【００２１】
図３（ｂ）は、図３（ａ）において撮像領域３２の中心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。図３（ｂ）におけるＢ−Ｂ′線断面は、図１におけるＡ−Ａ′線断面に対応している。
【００２２】
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。
【００２３】
図３（ｂ）に示すように、領域１に設けられた画素は、球面形状の第１の部分２２と、球面形状の第２の部分２６とを含むマイクロレンズ２０を有している。第１の部分２２の頂点２２ｔと第２の部分２６の頂点２６ｔとの間のずれ量ｄｔは、ほぼゼロである。領域２及び領域３に設けられた画素は、球面形状の第１の部分２２と、回転非対称な非球面形状の第２の部分２６とを含むマイクロレンズ２０を有している。第１の部分２２の頂点２２ｔは画素の中心よりも撮像領域３２の外側にずれており、第２の部分２６の頂点２６ｔは画素の中心よりも撮像領域３２の中心側にずれており、これらの間にずれが生じている。第１の部分２２の頂点２２ｔと第２の部分２６の頂点２６ｔとの間のずれ量ｄｔは、撮像領域３２の外周側ほど大きくなっている。すなわち、領域３の画素における第１の部分２２の頂点２２ｔと第２の部分２６の頂点２６ｔとの間のずれ量ｄｔは、領域２の画素における第１の部分２２の頂点２２ｔと第２の部分２６の頂点２６ｔとの間のずれ量ｄｔよりも大きくなっている。
【００２４】
次に、本実施形態においてこのような構造のマイクロレンズ２０を用いている理由について、図４及び図５を用いて説明する。
【００２５】
図４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。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。領域１、領域２及び領域３は、図３の場合と同様である。
【００２６】
マイクロレンズ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（特許文献４を参照）。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、丸みを帯びた略円形のレンズ状に変形する。パターンが略円形の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が完成する。このようなマイクロレンズを所定の間隔でアレイ状に形成したものが、図４（ｂ）のマイクロレンズ２０に相当する。
【００２７】
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４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、同じ形状となる。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４（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。
【００２８】
θ１ａ＝θ１ｂ＝θ２ａ＝θ２ｂ＝θ３ａ＝θ３ｂ
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４（ｂ）参照）。
【００２９】
撮像領域３２に入射する光は、撮像領域３２の中心（領域１）から離れるほど、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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における集光能力は高い。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（レンズ焦点ズレ率）である。つまり、レンズ焦点ズレ率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。
【００３２】
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。
【００３３】
領域３では、更にレンズ焦点ズレ率Δｆ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。
【００３４】
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。
【表１】
2016224387.tif 000003
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
図５は、回転非対称な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（ａ）は、固体撮像装置の上面図である。図５（ｂ）は、図５（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。領域１、領域２及び領域３は、図３の場合と同様である。
【００３８】
図５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の中心部（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、半導体基板１２の法線方向と平行な軸に対して回転非対称な形状を有しており、頂点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。
【００３９】
図５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の頂点の位置の、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。
【００４０】
表２は、図５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。
【表２】
2016224387.tif 000004
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
領域２には、接触角θ２ａ＝６５度、接触角θ２ｂ＝５４度の回転非対称な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。
【００４４】
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、光線経路をみると領域１と同等の集光能力を維持できる。
【００４５】
図５の構造は、図４の構造と比較すると、Ｆ値が１６や２．８のときはさほどΔｆ値に差がないが、Ｆ値が１．４のときに領域３のΔｆの値を半分程度まで小さくできる（図４の構造の９．７％に対して、図５の構造の５．１％）。このことは、図５の構造はＦ値が変化しても斜入射光に対する集光能力を維持できることを意味している。つまり、回転非対称な非球面形状のマイクロレンズ２０によれば、斜入射光に対して集光能力の改善を図ることが可能である。
【００４６】
図５に示す回転非対称な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。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、非球面形状のマイクロレンズを形成する方法である。第１の方法は、特許文献１に記載されている。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、非球面形状の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を用いた技術については、特許文献２及び特許文献３に記載されている。
【００４７】
上述のように、図５に示す回転非対称な非球面形状のマイクロレンズ２０には、斜入射光に対する集光能力を改善する効果がある。しかしながら、このようなマイクロレンズ２０でも、斜入射光となる周辺画素部における集光能力は、十分とは言えなかった。
【００４８】
図５に示すように、固体撮像装置３０への入射光は、撮像領域３２の中心部（領域１）からより外周部（領域３）側に入射する入射光ほど、周辺回路領域３４側を向いている。このため、外周部側の画素への入射光ほど、フォトダイオード１４への集光位置が平面視において周辺回路領域３４側に寄ることになる。領域１、領域２及び領域３におけるフォトダイオード１４の中心位置と入射光の集光位置との差を、それぞれ、ｄ１，ｄ２，ｄ３とすると、以下の式で表される。
ｄ１（≒０）＜ｄ２＜ｄ３
【００４９】
すなわち、撮像領域３２の外周部側の画素ほど集光位置がより外周部側に移動するため、集光位置の移動量によっては入射光がフォトダイオード１４に入射せず、集光能力が低下することになる。
【００５０】
また、外周部側の画素ほど、フォトダイオード１４への入射光の入射角が、半導体基板１２の法線に対して全体的に撮像領域３２の中心側に傾いている。式で表わすと、マイクロレンズ２０により屈折した光の傾斜角α，βは、以下の関係となる。
α１＜α２＜α３
β１＞β２＞β３
【００５１】
入射光のフォトダイオード１４への入射角が変化すると、フォトダイオード１４の表面（半導体基板１２と層間絶縁膜１６との界面）における反射率も変化する。すなわち、物質に対する反射光の強度は、フレネルの反射法則に従い、物質への入射が斜入射になればなるほど、大きくなる。これとともに、物質内への透過光の強度は逆に小さくなる。この結果、外周部側の画素ほど、フォトダイオード１４の表面における反射が大きくなり、フォトダイオード１４に入射する光が減少するため、受光感度が低下することになる。
【００５２】
したがって、図５に示すマイクロレンズアレイでは、上述した２つの現象に起因して、外周部側の画素ほど受光感度が低下することになる。その結果、固体撮像装置３０で撮影した画像は、周辺部で暗くなってしまう。本実施形態によるマイクロレンズ２０は、図５に示すマイクロレンズアレイに見られるような撮像領域３２の外周部側の画素における感度低下を低減することを一つの目的とするものである。
【００５３】
次に、本実施形態によるマイクロレンズ２０の効果について、図６を用いて説明する。図６（ａ）は図３（ｂ）と同様の断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のそれぞれの領域に対応する上面図である。
【００５４】
本実施形態のマイクロレンズ２０は、前述のように、球面形状の第１の部分２２と、回転非対称な非球面形状の第２の部分２６とを有する。そして、第１の部分２２の頂点２２ｔと第２の部分２６の頂点２６ｔとの間の平面視におけるずれ量ｄｔは、撮像領域３２の中心部（領域１）から外周部（領域３）に向かうにつれて徐々に大きくなっている。撮像領域３２の外周部側の画素ほど、第１の部分２２の頂点２２ｔが外周側に、第２の部分２６の頂点２６ｔが中心側にずれることで、第１の部分２２の頂点２２ｔと第２の部分２６の頂点２６ｔとの間のずれ量ｄｔが設けられている（図６（ａ）参照）。
【００５５】
第１の部分２２を構成する材料の屈折率は、第２の部分２６を構成する材料の屈折率よりも高くなっている。第１の部分２２及び第２の部分２６の屈折率は、その差が大きくなればなるほど光線が強く曲がるようになって、より前ピンになる。なお、前ピンとは、第１の部分２２を通過する光線の焦点位置が、第１の部分２２を通過しない光線の焦点位置よりも上側（マイクロレンズ２０側）に位置していることを意味する。これとは逆に、第１の部分２２を通過する光線の焦点位置が第１の部分２２を通過しない光線の焦点位置よりも下側に位置しているときは、後ピンと呼ぶ。
【００５６】
第１の部分２２及び第２の部分２６は、透過率の高い材料で形成されることが望ましい。マイクロレンズ２０の透過率が低いとマイクロレンズ２０の内部で光損失が発生するため、集光能力を高めるというマイクロレンズ２０の目的に反することになるからである。かかる観点からは、固体撮像装置３０に実装される現実的な膜厚において少なくとも約８０％以上の透過率を有する材料、例えば、フォトレジスト、窒化シリコン、酸化シリコンなどは、マイクロレンズ２０を構成する材料として好適であるといえる。
【００５７】
図６（ｂ）に示すように、マイクロレンズ２０を通過する光線のうち、第２の部分２６のみを通過した光線は、フォトダイオード１４の照射エリア２６ｇに集光される。また、マイクロレンズ２０を通過する光線のうち、第２の部分２６を通過し、更に、第１の部分２２を通過した光線は、フォトダイオード１４の照射エリア２２ｇに集光される。このように、マイクロレンズ２０を第１の部分２２及び第２の部分２６により構成すると、フォトダイオード１４の照射エリア２２ｇ，２６ｇが１点に定まらなくはなる。しかしながら、第１の部分２２を通過した光線の照射エリア２２ｇにおける光強度の重心は、フォトダイオード１４の中心側（図面の矢印の方向）に移動する。この結果、屈折率の高い第１の部分２２を含まない図５に示すマイクロレンズ２０と比較して、撮像領域３２の中心部の画素と外周部の画素との間の照射エリアや光強度の重心の差が小さくなる。なお、焦点位置が１点に定まらなくなる点に対しては、必要に応じてフォトダイオード１４の面積を広くする等の対策を行うことが望ましい。
【００５８】
また、マイクロレンズ２０を通過する光線のうち、第２の部分２６を通過し、更に、第１の部分２２を通過した光線の焦点位置が前ピン化されることで、フォトダイオード１４に入射する光線の入射角が調整される。特に、撮像領域３２の周辺部の画素においては、フォトダイオード１４への入射角は、より小さくなる。この結果、屈折率の高い第１の部分２２を含まない図５に示すマイクロレンズと比較して、撮像領域３２の中心部の画素と外周部の画素との間の入射角度の差が小さくなる。
【００５９】
したがって、本実施形態によるマイクロレンズ２０の構造にすることで、照射エリア、光強度の重心、入射角という点において、撮像領域３２の中心部の画素と外周部の画素との間の差が小さくなり、撮像領域３２の面内における感度はより均一になる。これにより、撮像領域３２の周辺部の画素における感度の低下を軽減することができる。
【００６０】
以上、説明したように、本実施形態のマイクロレンズ２０において、第１の部分２２の屈折率を第２の部分２６の屈折率よりも大きくしている理由は、焦点位置を前ピンにするためである。また、第１の部分２２を撮像領域３２の外周方向にずらして配置している理由は、マイクロレンズ２０の外周側の面を通過する光線を特に前ピンにして、周辺回路領域３４側に寄る光を撮像領域３２の中心側に移動させるためである。また、第２の部分２６を回転非対称な非球面形状としているのは、レンズ焦点ズレ率Δｆの撮像領域３２における面内均一性を向上するためである。そして、第１の部分２２の頂点２２ｔと第２の部分２６の頂点２６ｔとのずれ量ｄｔを撮像領域３２の中心部から外周部に向かって少しずつ変化している理由は、集光率が撮像領域３２の面内で急激に変化しないようにするためである。集光率が撮像領域３２の面内で急激に変化しないようにすることで、撮影画像のムラにならないようにすることができる。撮像領域３２の周辺部の画素だけ第１の部分２２の頂点２２ｔと第２の部分２６の頂点２６ｔとの位置関係をずらすのでは、周辺部の画素における集光能力向上の効果は得られるが、局所的な変化は撮像写真において境界部を生み出す要因となりやすいからである。
【００６１】
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７乃至図１０を用いて説明する。なお、ここでは３種類の製造方法を例示するが、本実施形態によるマイクロレンズの製造方法はこれらに限定されるものではない。
【００６２】
第１の製造方法は、マイクロレンズ２０の第１の部分２２及び第２の部分２６をともに感光性樹脂材料により形成する実施例である。
【００６３】
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７（ａ）及び図７（ｂ））。例えば、下地基板１０上に感光性樹脂膜を形成後、各画素領域に図８（ａ）に示すようなマスクパターン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８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る。図８（ａ）の線影を付した領域が遮光部を示している。図８（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第１の方向に距離ｄａだけずらして配置されている。なお、第１の方向は、撮像領域３２の中心から当該画素領域の中心に向かう方向である。
【００６４】
次いで、第１のパターン２２ａが形成された下地基板１０を熱処理し、第１のパターン２２ａをリフローする。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、第１のパターン２２ａを構成する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、球面形状の第１のパターン２２ａよりなる第１の部分２２を形成する（図７（ｃ）及び図７（ｄ））。
【００６５】
なお、第１の部分２２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してもよい。例えば、各画素領域に、図８（ｂ）に示すようなマスクパターン４４をそれぞれ有するグレイトーンマスクを用いて感光性樹脂膜を露光及び現像することにより、感光性樹脂膜のリフローを行うことなく、球面形状の第１の部分２２を形成することができる。図８（ｂ）に示すマスクパターン４４において、第２の部分２６の頂点２６ｔとなる部分は、画素領域の中心から第１の方向に距離ｄａだけずらして配置されている。
【００６６】
次いで、第１の領域を含む下地基板１０の第２の領域に、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１の部分２２を覆うように、感光性樹脂膜よりなる第２の部分２６を形成する（図７（ｅ）及び図７（ｆ））。例えば、各画素領域に、図８（ｃ）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ることにより、非対象な非球面形状の第２の部分２６を形成することができる。図８（ｃ）に示すマスクパターン４８において、第２の部分２６の頂点２６ｔとなる部分は、画素領域の中心から第１の方向とは逆方向の第２の方向に距離ｄｂだけずらして配置されている。なお、非対象な非球面形状の第２の部分２６は、特許文献１に記載された方法により形成してもよい。
【００６７】
このようにして、第１の部分２２を、第２の部分２６を構成する樹脂材料の屈折率よりも高い屈折率を有する樹脂材料により構成することにより、本実施形態によるマイクロレンズ２０を形成することができる。
【００６８】
第１の製造方法では、第１の部分２２の頂点２２ｔ及び第２の部分２６の頂点２６ｔの位置は、フォトマスク上のマスクパターンによって決まり、その後の熱処理によってほとんど変化しない。したがって、第１の製造方法によれば、リフロー法によりマイクロレンズ２０を形成する場合と比較して、頂点２２ｔと頂点２６ｔとの間のずれ量ｄｔ（＝ｄａ＋ｄｂ）の制御性を向上することができる。
【００６９】
第２の製造方法は、第１の部分２２を感光性樹脂材料ではない他の材料により形成し、第２の部分を感光性樹脂材料により形成する実施例である。
【００７０】
まず、下地基板１０上に、例えばプラズマＣＶＤ法により、窒化シリコン膜５２を形成する。窒化シリコン膜５２の表面は、必要に応じてＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：科学的機械的研磨）法等により平坦化してもよい。
【００７１】
次いで、窒化シリコン膜５２上に、第１の製造方法における第１の部分２２の製造方法と同様にして、球面形状の第１のパターン２２ａを形成する（図９（ａ））。
【００７２】
次いで、第１のパターン２２ａを構成する樹脂材料のエッチングレートと窒化シリコン膜５２のエッチングレートがほぼ等しいエッチング条件で、第１のパターン２２ａ及び窒化シリコン膜５２を異方性エッチング（エッチバック）する。第１のパターン２２ａが形成されていない部分の下地基板１０が露出した段階でエッチングを停止することにより、第１のパターン２２ａの形状を窒化シリコン膜５２に転写することができる。これにより、窒化シリコンよりなる第１の部分２２を形成することができる（図９（ｂ））。窒化シリコン膜５２のエッチングは、第１のパターン２２ａが窒化シリコン膜５２に転写されていれば、必ずしも下地基板１０が露出するまで行う必要はない。
【００７３】
次いで、第１の製造方法と同様にして、感光性樹脂よりなる第２の部分２６を形成する（図９（ｃ））。
【００７４】
これにより、第１の部分２２が窒化シリコンよりなり、第２の部分２６が感光性樹脂材料よりなる本実施形態によるマイクロレンズ２０を形成することができる。
【００７５】
典型的な感光性樹脂材料は、屈折率がおよそ１．５〜１．６程度であり、第１の部分２２及び第２の部分２６に異なる感光性樹脂材料を適用したとしても、これらの間に十分な屈折率差を得られない場合が想定される。この点、第２の製造方法によれば、第１の部分２２を感光性樹脂材料ではない他の材料によって形成することが可能であり、第１の部分の材料と第２の部分の材料との組み合わせの選択肢を広げることができる。
【００７６】
例えば、上述の窒化シリコンは、屈折率が１．８〜１．９程度であり、感光性樹脂材料の屈折率である１．５〜１．６よりも十分に大きい。したがって、第１の部分２２を窒化シリコンにより形成し、第２の部分２６を感光性樹脂材料により形成することで、第１の部分２２と第２の部分２６との間の屈折率差を十分に確保することができる。
【００７７】
第３の製造方法は、第１の部分２２を感光性樹脂材料により形成し、第２の部分を感光性樹脂材料ではない他の材料により形成する実施例である。
【００７８】
まず、下地基板１０上に、第１の製造方法と同様にして、感光性樹脂材料よりなる第１の部分２２を形成する（図１０（ａ））。
【００７９】
次いで、第１の部分２２が形成された下地基板１０上に、例えばプラズマＣＶＤ法により、酸化シリコン膜５４を形成する。酸化シリコン膜５４の表面は、必要に応じてＣＭＰ法等により平坦化してもよい。
【００８０】
次いで、酸化シリコン膜５４上に、例えば第１の製造方法における第２の部分２６の製造方法と同様にして、感光性樹脂材料よりなる回転非対称な非球面形状の第２のパターン２６ａを形成する（図１０（ｂ））。
【００８１】
なお、回転非対称な非球面形状の第２のパターン２６ａは、特許文献１に記載された方法により形成してもよいし、同一出願人による特願２０１４−２５８４９６号明細書に記載の方法により形成してもよい。
【００８２】
次いで、第２のパターン２６ａを構成する樹脂材料のエッチングレートと酸化シリコン膜５４とのエッチングレートがほぼ等しいエッチング条件で、第２のパターン２６ａ及び酸化シリコン膜５４を異方性エッチング（エッチバック）する。第２のパターン２６ａが形成されていない部分の下地基板１０が露出した段階でエッチングを停止することにより、第２のパターン２６ａのパターンを酸化シリコン膜５４に転写することができる（図１０（ｃ））。酸化シリコン膜５４のエッチングは、第２のパターン２６ａが酸化シリコン膜５４に転写されていれば、必ずしも下地基板１０が露出するまで行う必要はない。
【００８３】
これにより、第１の部分２２が感光性樹脂材料よりなり、第２の部分２６が酸化シリコンよりなる本実施形態によるマイクロレンズ２０を形成することができる。
【００８４】
第２の部分２６を感光性樹脂材料ではない他の材料により形成することによっても、第２の製造方法の場合と同様、第１の部分２２と第２の部分２６との間の屈折率差を十分に確保することが容易となる。
【００８５】
例えば、上述の酸化シリコンは、屈折率が１．３〜１．４程度であり、感光性樹脂材料の屈折率である１．５〜１．６よりも十分に小さい。したがって、第１の部分２２を感光性樹脂材料により形成し、第２の部分２６を酸化シリコンにより形成することで、第１の部分２２と第２の部分２６との間の屈折率差を十分に確保することができる。
【００８６】
第２の製造方法と第３の製造方法とを組み合わせ、第１の部分２２及び第２の部分２６の両方をエッチバックで形成するようにしてもよい。
【００８７】
上述のマイクロレンズ２０の製造方法にはそれぞれメリットやデメリットがあるため、何を重視してマイクロレンズ２０を製造するかに応じて、適宜選択することが望ましい。例えば、第１の製造方法は、ある程度コストを安く抑えたうえで、形成される形状を精度よく制御することが可能である。反面、第１の製造方法は、第１の部分２２と第２の部分２６との間の屈折率差を拡大することは困難である。また、第２の製造方法及び第３の製造方法は、第１の部分２２と第２の部分２６との間の屈折率差を大きくできるため、撮像領域３２の周辺部で光線経路を大きく曲げる必要のあるような場合には好適である。反面、第２の製造方法及び第３の製造方法は、エッチバック工程を追加する必要があり、第１の製造方法と比較して生産コストは増加することになる。
【００８８】
このように、本実施形態によれば、斜入射光に対する集光能力の低下を軽減することができる。
【００８９】
［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１１及び図１２を用いて説明する。図１乃至図１０に示す第１実施形態によるマイクロレンズ及びその製造方法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。
【００９０】
図１１は、本実施形態による固体撮像装置のマイクロレンズの構造及び集光能力を説明する図である。図１１（ａ）は図６（ａ）と同様の断面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のそれぞれの領域に対応する上面図である。図１２は、本実施形態によるマイクロレンズの製造方法において用いるマスクパターンの例を示す平面図である。
【００９１】
本実施形態による固体撮像装置のマイクロレンズ２０は、図１１（ａ）に示すように、球面形状の第１の部分２２と、球面形状の第２の部分２６とを有する。そして、第１の部分２２の頂点２２ｔと第２の部分の頂点２６ｔとの間の平面視におけるずれ量ｄｔは、撮像領域３２の中心部（領域１）から外周部（領域３）に向かうにつれて徐々に大きくなっている。撮像領域３２の外周部側の画素ほど、第１の部分２２の頂点２２ｔが外周側にずれることで、第１の部分２２の頂点２２ｔと第２の部分の頂点２６ｔとの間のずれ量ｄｔが設けられている。第１の部分２２を構成する材料の屈折率は、第２の部分２６を構成する材料の屈折率よりも高くなっている。
【００９２】
すなわち、本実施形態によるマイクロレンズ２０は、第２の部分２６が球面形状である点で、第２の部分２６が回転非対称な非球面形状である第１実施形態によるマイクロレンズ２０とは異なっている。
【００９３】
球面形状のマイクロレンズ２０は、図４を用いて説明した通り、斜入射光によって焦点位置が基板の表面からずれるため、回転非対称な非球面形状をしたマイクロレンズ２０と比較して集光能力は劣る。例えば、領域３における第２のパターンによる照射エリア２６ｇは、図１１（ｂ）に示すように、点では無く、広がりをもつことになる。
【００９４】
しかしながら、こういった場合でも、第１実施形態の場合と同様に、第２の部分２６よりも屈折率の高い第１の部分２２を配置することで、好適な光線経路変化を起こすことができる。すなわち、第１の部分２２によって照射エリア２２ｇが前ピン化するため、照射エリア、照射エリア光強度の重心、入射角の状態という点において、撮像領域３２の中心部と周縁部とにおける差が小さくなり、感度の面内均一性が向上する。したがって、撮像領域３２の外周部における感度低下を軽減することができる。
【００９５】
つまり、外形形状が球面形状である本実施形態のマイクロレンズ２０においても、屈折率の高い第１の部分２２を設けることで、回転非対称な非球面形状をしたマイクロレンズ２０と同様の効果を得ることができる。
【００９６】
なお、屈折率の高い第１の部分２２を設けることにより得られる上述の効果は、回転非対称な非球面形状の第２の部分２６を有する第１実施形態のマイクロレンズや、球面形状の第２の部分２６を有する本実施形態のマイクロレンズに限定されるものではない。ここでは図面を用いた説明は省略するが、例えば、第２の部分２６が図２（ｃ）に示すような回転対称な非球面形状をしたマイクロレンズにおいても、屈折率の高い第１の部分２２を設けることで同様の効果を得ることができる。概ね、マイクロレンズがどのような外形形状を有していても、屈折率の高い第１の部分２２を設けることで、本発明の効果を得ることができる。
【００９７】
本実施形態のマイクロレンズ２０は、第１実施形態のマイクロレンズと同様の製造方法により、製造することができる。球面形状の第２の部分２６或いはエッチバックの際に用いる第２のパターン２６ａは、リフロー法により形成してもよい。その際、例えば図１２（ａ）に示すような遮光部４６ａを有するマスクパターン４６を用いることができる。球面形状の第２の部分２６或いは第２のパターン２６ａを、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場合は、例えば図１２（ｂ）に示すようなフォトマスク４８を用いることができる。回転対称な非球面形状の第２の部分２６或いはエッチバックの際に用いる第２のパターン２６ａは、例えば、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ができる。
【００９８】
このように、本実施形態によれば、斜入射光に対する集光能力の低下を軽減することができる。
【００９９】
［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１３を用いて説明する。図１乃至図１２に示す第１及び第２実施形態によるマイクロレンズ及びその製造方法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。
【０１００】
図１３は、本実施形態による固体撮像装置のマイクロレンズの構造及び集光能力を説明する図である。図１３（ａ）は図６（ａ）と同様の断面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のそれぞれの領域に対応する上面図である。
【０１０１】
本実施形態による固体撮像装置のマイクロレンズ２０は、図１３（ａ）に示すように、球面形状の第１の部分２２と、回転非対称な非球面形状の第２の部分２６とを有する点で、第１実施形態によるマイクロレンズ２０と同様である。ただし、本実施形態による固体撮像装置のマイクロレンズ２０は、第１の部分２２が、第２の部分２６を構成する材料よりも屈折率が小さい材料により構成されている点で、第１実施形態によるマイクロレンズ２０とは異なっている。すなわち、第１の部分２２を通過する光線は、後ピンになる。また、本実施形態による固体撮像装置のマイクロレンズ２０は、撮像領域３２の外周側の画素ほど、第１の部分２２の頂点２２ｔが撮像領域３２の中心側にずれている点においても、第１実施形態によるマイクロレンズ２０とは異なっている。
【０１０２】
図１３（ｂ）に示すように、マイクロレンズ２０を通過する光線のうち、第２の部分２６のみを通過した光線は、フォトダイオード１４の照射エリア２６ｇに集光される。また、マイクロレンズ２０を通過する光線のうち、第２の部分２６を通過し、更に、第１の部分２２を通過した光線は、フォトダイオード１４の照射エリア２２ｇに集光される。このように、マイクロレンズ２０を第１の部分２２及び第２の部分２６により構成すると、フォトダイオード１４の照射エリア２２ｇ，２６ｇが１点に定まらなくはなる。しかしながら、第１の部分２２を通過した光線の照射エリア２２ｇにおける光強度の重心は、フォトダイオード１４の中心寄り（図面の矢印の方向）に移動する。この結果、屈折率の低い第１の部分２２を含まない図５に示すマイクロレンズと比較して、撮像領域３２の中心部の画素と外周部の画素との間の照射エリアや照射エリア光強度の重心の差が小さくなる。なお、焦点位置が１点に定まらなくなる点に対しては、必要に応じてフォトダイオード１４の面積を広くする等の対策を行うことが望ましい。
【０１０３】
また、マイクロレンズ２０を通過する光線のうち、第２の部分２６を通過し、更に、第１の部分２２を通過した光線の焦点位置が後ピン化されることで、フォトダイオード１４に入射する光線の入射角が調整される。特に、撮像領域３２の周辺部の画素においては、フォトダイオード１４への入射角は、より小さくなる。この結果、屈折率の低い第１の部分２２を含まない図５に示すマイクロレンズ２０と比較して、撮像領域３２の中心部の画素と外周部の画素との間の入射角度の差が小さくなる。
【０１０４】
したがって、本実施形態によるマイクロレンズ２０の構造にすることで、照射エリア、光強度の重心、入射角という点において、撮像領域３２の中心部の画素と外周部の画素との間の差が小さくなり、撮像領域３２の面内における感度はより均一になる。これにより、撮像領域３２の周辺部の画素における感度の低下を軽減することができる。本実施形態によるマイクロレンズ２０において、第１の部分２２と第２の部分２６との間の、屈折率の大小関係と頂点の平面位置関係とが、本件の効果を得るための条件として密接に関わっていることが判る。したがって、本発明を実施する際には、この点を顧みて構造設計することが重要である。
【０１０５】
本実施形態のマイクロレンズ２０は、第１実施形態のマイクロレンズ２０と同様の製造方法により、製造することができる。回転非対称な非球面形状の第２の部分２６或いはエッチバックの際に用いる第２のパターン２６ａは、同一出願人による特願２０１４−２５８４９６号明細書に記載の方法により形成することも可能である。
【０１０６】
このように、本実施形態によれば、斜入射光に対する集光能力の低下を軽減することができる。
【０１０７】
［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１４を用いて説明する。図１乃至図１３に示す第１乃至第３実施形態によるマイクロレンズ及びその製造方法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。
【０１０８】
図１４は、本実施形態による固体撮像装置のマイクロレンズの構造及び集光能力を説明する図である。図１４（ａ）は図６（ａ）と同様の断面図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のそれぞれの領域に対応する上面図である。
【０１０９】
第１乃至第３実施形態によるマイクロレンズ２０では、第１の部分２２を球面形状で統一している。これは、面積占有率の大きい第２の部分２６の方が集光能力に寄与する割合が大きいため、主に第２の部分２６の形状に着目して説明を行ってきたからである。しかしながら、第１の部分２２は、必ずしも球面形状である必要はない。例えば図１４に示すように、第１の部分２２を、第２の部分２６と同様の回転非対称な非球面形状としてもよい。
【０１１０】
第１の部分２２を回転非対称な非球面形状とすることにより、図５を用いて説明したように、中心と外周とで焦点位置の差が小さくなるように調整できる。したがって、領域１、領域２、領域３の間において、第１の部分２２を通過した光線の照射エリア２２ｇの大きさの差が小さくなるように調整することができる。これにより、撮像領域３２の周辺部の画素における感度の低下を軽減することができる。
【０１１１】
本実施形態のマイクロレンズ２０は、第１実施形態のマイクロレンズと同様の製造方法により、製造することができる。その際、回転非対称な非球面形状の第１の部分２２は、第１実施形態のマイクロレンズ２０の第２の部分２６と同様の方法により、形成することができる。
【０１１２】
このように、本実施形態によれば、斜入射光に対する集光能力の低下を軽減することができる。
【０１１３】
［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１３に示す第１乃至第３実施形態によるマイクロレンズ及びその製造方法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。
【０１１４】
図１５は、本実施形態による固体撮像装置のマイクロレンズの構造及び集光能力を説明する図である。図１５（ａ）は図６（ａ）と同様の断面図であり、図１５（ｂ）は図１５（ａ）のそれぞれの領域に対応する上面図である。
【０１１５】
本実施形態による固体撮像装置は、図１５に示すように、隣接する画素のマイクロレンズ２０同士が接触している構造、いわゆる接触型マイクロレンズアレイを有するものである。接触型マイクロレンズアレイは、面積占有率が高く、集光能力が高いという特徴を有している。前述のように、第２の部分２６による集光能力の向上と第１の部分２２を配置したことによる周辺部の画素における感度低下を軽減する効果は別々に寄与するため、接触型マイクロレンズアレイとすることで更なる集光能力の改善を図ることができる。
【０１１６】
接触型マイクロレンズアレイの製造方法としては、第１の方法として、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を用いたフォトリソグラフィによれば、隣接する第２の部分２６が接触した状態のなだらかな凹凸を形成することが可能である。なお、リフロー法では、隣接するマイクロレンズ同士が融着するため、作成することはできない。
【０１１７】
また、第２の方法として、エッチバック法を用いる方法が挙げられる。第１実施形態の第３の製造方法によって第２のパターン２６ａを形成後、第２のパターン２６ａ間の領域に下地膜（例えば、酸化シリコン膜５４）が残存するようにエッチバックを行う。これにより、エッチング前の第２のパターン２６ａ同士が接触していなくても、下地膜に接触型マイクロレンズアレイのパターンを形成することができる。
【０１１８】
このように、本実施形態によれば、斜入射光に対する集光能力の低下を軽減することができる。
【０１１９】
［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。
【０１２０】
例えば、上記第１乃至第５実施形態のマイクロレンズ２０において、例えば図１６に示すように、第１の部分２２と第２の部分２６との界面に反射防止膜２４を、第２の部分２６の表面に反射防止膜２８を、それぞれ形成す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するようにしてもよい。反射防止膜２４，２８を設けることにより、第１の部分２２の表面又は第２の部分２６の表面における反射を抑制し、受光効率を高めることができる。反射防止膜２４，２８としては、約１００ｎｍ程度の透過率の高い材料の薄膜が好ましい。反射防止膜２４，２８の膜厚は、光の干渉条件を考慮して、第１の部分２２及び第２の部分２６における表面反射を減少するように、適宜選択される。
【０１２１】
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【符号の説明】
【０１２２】
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
２６・・・第２の部分
３０・・・固体撮像装置
３２・・・撮像領域
３４・・・周辺回路領域
【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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