(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゾル・ゲル材料を塗布するステップと、
前記ゾル・ゲル材料を露光するステップと、
前記ゾル・ゲル材料を現像して、前記ゾル・ゲル材料の一部を取り除くステップと
を含んでなることを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
【請求項２】
前記塗布するステップは、カラーフィルタ材料上に前記ゾル・ゲル材料を塗布することを含んでいることを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズの製造方法。
【請求項３】
光電性デバイスと、
前記光電性デバイス上に配置された、光重合開始材を含むゾル・ゲル材料から形成されたマイクロレンズと、
前記光電性デバイス上に配置され、前記ゾル・ゲル材料から形成された反射防止被覆と
を含んでなることを特徴とする光検出器。
【請求項４】
前記マイクロレンズは第１の層と第２の層とを含んでおり、該第１の層は該第２の層を越えて延びているものである請求項３に記載の光検出器。
【請求項５】
カラーフィルタを含んでおり、該カラーフィルタの上に前記マイクロレンズが形成されていることを特徴とする請求項３に記載の光検出器。
【請求項６】
第１の光加工できる層を形成するステップと、
第２の光加工できる層を該第１の光加工できる層の上に形成するステップと、
前記第１の光加工できる層が該第２の光加工できる層を越えて延びている段差構造を作成するように、該第２の光加工できる層を規定するステップと、
該段差構造を回折マイクロレンズとして作用させるステップと
を含んでなる方法。
【請求項７】
ゾル・ゲル材料からなる前記第１および第２の光加工できる層を形成することを含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記マイクロレンズの下に光検出器が配置されていることを含む請求項６に記載の方法。
【請求項９】
フォトレジスト材料からなる前記第１および第２の光加工できる層を形成することを含む請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
ポジ型フォトレジスト材料からなる前記第１および第２の光加工できる層を形成することを含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１または第２の光加工できる層に光重合開始剤を含めることにより前記光加工できる層を形成することを含む請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
カラーフィルタ材料上に前記第１の光加工できる層を塗布することを含む請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
第１の光加工できる層と、
該第１の光加工できる層より広がりが小さく、段差構造を形成するように該第１の光加工できる層の上に配置される第２の光加工できる層と
を含んでなり、
ここで、前記第１および第２の光加工できる層が回折マイクロレンズを形成するものである構造体。
【請求項１４】
前記第１および第２の光加工できる層がゾル・ゲル材料から形成されるものである請求項１３に記載の構造体。
【請求項１５】
前記第１および第２の光加工できる層がフォトレジスト材料から形成されるものである請求項１３に記載の構造体。
【請求項１６】
前記第１および第２の光加工できる層の下に配置された光検出器を含む請求項１３に記載の構造体。
【請求項１７】
前記第１および第２の光加工できる層の下に配置されたカラーフィルタを含む請求項１３に記載の構造体。
【請求項１８】
第１の直径を有する円形の第１の層と、
該第１の層より小さい第２の直径を有し、段差構造を形成するように該第１の層の上に配置される円形の第２の層と
を含んでなり、前記第１および第２の層により形成されている回折マイクロレンズ。
【請求項１９】
前記第１および第２の層がゾル・ゲル材料から形成されるものである請求項１８に記載の回折マイクロレンズ。
【請求項２０】
前記第１および第２の層がフォトレジスト材料から形成されるものである請求項１８に記載の回折マイクロレンズ。
【請求項２１】
前記第１および第２の層が光加工できるものである請求項１８に記載の回折マイクロレンズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、例えば、カメラやスキャナを含むデジタル撮像デバイスに対して使用できるマイクロレンズ及び光検出器に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
光検出器はデジタル撮像デバイスにおいて光を検出するために使用される。大多数の光検出器は、所定のピクセルに対する光強度値をそれぞれ検出できる。これらの光強度値はデジタル化され、特定の画像のデジタル描写を形成するために使用される。このような撮像デバイスは、デジタルカメラ、スキャナや他のデバイスにおいて使用される。
【０００３】
撮像デバイスは、例えば、相補型金属酸化膜半導体（以下、「ＣＭＯＳ」と呼ぶ。）技術を使って形成できる。ＣＭＯＳ技術を使用して作られた撮像デバイスは能動ピクセルセンサ（active pixel sensors：以下、「ＡＰＳ」と呼ぶ。）及び受動ピクセルセンサ（passive pixel sensors：以下、「ＰＰＳ」と呼ぶ。）を含む。代わりに、撮像デバイスは電荷結合デバイス（charge coupled device：ＣＣＤ）技術を使用することができる。これらすべてのデバイスは特に小さいサイズで作ることができる。
【０００４】
特に小さなサイズの撮像配列（イメージングアレイ）はフィルファクタ（fill factor）の問題を有することがある。フィルファクタとは、あらゆる所与の光検出器上に照射される光量のことである。理想的には、各光検出器に照射される光量は、信号対ノイズ比を改善するために可能な限り高く設計される。小さな光検出器でフィルファクタを改善するために、マイクロレンズを光検出器上に配置することができる。マイクロレンズは光検出器の１ピクセルに入射するすべての光を集中（フォーカス）させ、それによって光検出器のフィルファクタを改善する。
【０００５】
しかしながら、従来のマイクロレンズでは、高い精度と公差を持つこれらの比較的に小さなマイクロレンズの形成は困難である。例えば、このようなデバイスは、製造時間を浪費して高価にするような精巧な温度またはエッチング条件を必要とすることがある。さらに、一部のマイクロレンズの光学的な透明度（optical clarity）は入射光に逆に影響を与える。
【０００６】
従って、改良された特性を有するマイクロレンズを有することが望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明が提供する改良された光検出器は回折レンズ要素（diffractive lens elements）を含む。光電性（photosensitive）デバイスはそのレンズ要素を通して光を受け取るように構成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
光電性配列１０は、複数の光検出器１２を含み、光検出器１２は、入力光信号を、光検出器に入射した光の強度（輝度）についての情報を運ぶアナログ信号に変換する。複数の光検出器からの信号をデジタル化し、照射された画像のデジタル再生を準備するために組み合わせる。そして、このデジタル情報は、照射された場面の表示を再生するためにデジタルカメラ及びスキャナと他の撮像デバイスにおいて使用できる。
【０００９】
各光検出器１２の最上部中央にマイクロレンズ１４が置かれている。隣接するマイクロレンズの要素１４ｂ及び１４ａは、照射される下にある光検出器１２により多くの光が照射されるように光を回折させる機能を果たす。
【００１０】
カラーフィルタ配列（color filter array：ＣＦＡ）１６及びシリコン酸化物層１８を、光検出器１２とマイクロレンズ１４との間に形成できる。金属バイアス２０は、二酸化シリコン層１８を通ってマイクロレンズ１４の下で上方に延びてよい。
【００１１】
図２を参照して説明すると、マイクロレンズ１４は上から見たときに形状において対称的かつ円形であり、全体的にピラミッド形状を有しうる。マイクロレンズは、図１に図示されたように横から見たときに段のある形状を生み出す複数の工程２２から形成できる。
【００１２】
本実施態様では４つの工程を示しているが、工程数はかなり可変的であり、特定の光電性配列のデザインに依存する。
【００１３】
マイクロレンズ１４の効果は、入射光を受け取って回折させ、それによって光検出器１２上に集中（フォーカス）することができる追加的な光を集めるものである。このことは、光検出器１２の有効なフィルファクタを改善し、ピクセル及び配列１０の集光効率を改善する。
【００１４】
マイクロレンズ１４を形成するために有利な材料はゾル・ゲル混成ガラス（sol-gel hybrid glass）である。本発明において使用される有利なゾル・ゲル混成ガラスは低温形成プロセスを使用して形成できる。このように、フォトレジストの形成と関係して利用される技術と両立する技術を使用してガラスを形成できる。すなわち、ＵＶ光をゾル・ゲル材料の一部に照射して、残りの部分が取り除かれるよう材料を現像するために使用できる。また、ゾル・ゲルは、マイクロレンズを形成するために使用される従来の材料と比較して有利な透過率も示す。
【００１５】
例えば、テトラエチルオルトシリケート（tetraethylorthosilicate：ＴＥＯＳ）及び／またはテトラメチルオルトシリケート（tetramethylorthosilicate：ＴＭＯＳ）の加水分解によって、ゾル・ゲルガラスを形成できる。加水分解の後、これらの材料は、オキソレーション（oxolation）または酸素架橋（oxygen bridge formation）と重縮合（polycondensation）を受けうる。結果として生じる物質は、膨張して重合化したネットワークを形成した溶剤であるシリコン酸化物の合成物である。もし、その合成物に光重合開始材（photoinitiator）を含む場合には、材料は従来のフォトレジストパターニング技術を使用して形を作ることができる。
【００１６】
一実施態様によれば、水が存在する中でメタクリル酸塩グループ置換シラン（methacrylate group substituted silane）の加水分解重縮合によって、ゾル・ゲル混成ガラスを用意できる。メチルアクリルオキシプロピルトリメトキシラン（methylacryloxypropyl trimethoxysilane）またはグリシドオキシプロピルトリメチルシラン（glysidoxypropyltrimethylsilane）の先駆体（precursor）と、希釈酸性溶液（diluted acid solution）または塩基性水溶液（base water solution）とを、例えばそれぞれ１：２のモル比で数時間反応させるとゲル合成が起きる。
【００１７】
スピン塗布の前に、適切な量の１ヒドロキシキクロヘキシルフェニルケトン（1hydroxycyclohexyl phenyl ketone）を、不飽和ガラス混成重合体の重合を開始するために光重合開始材として加えうる。
【００１８】
ゲルは、集まった重合体粒子を取り去って、良い表面品質のフィルムを形成するために、０．１ミリのフィルタによって濾過できる。そして、フィルムは、ＣＦＡを形成するために使用される先に製造されたカラーフィルタ重合体の最上部または他の基板上に堆積され、１５分の間だけ６０℃でプリベーク（pre-bake）されうる。結果として生じるフィルムの膜厚は、スピン塗布の回転速度の変化や、メタノール、エタノールまたはキシレンといった溶剤を使用することによって調整できる。
【００１９】
図３に示すように、スピン塗布された膜はパターンを形成するために水銀ＵＶランプまたは他の光源によってフォトマスクの開口部を通して、例えば１分間〜３０分間の硬化処理をすることができる。特に、ＵＶマスク２４は、図４のライン３０に示すようにゾル・ゲル２６内に段のある露光パターンを生成するよう、ＣＦＡ１６の上に置かれた混成ゾル・ゲル２６上に位置づけできる。パターン化構造２８は、照射されていない部分を取り除いて図５に示すように段３２を形成するために、イソプロパノール内でゾル・ゲル２６を現像することによって得られる。この除去工程の後、フィルムは、フィルムを硬化させるため１０分間から６０分間、１００℃から２００℃でプリベークできる。
【００２０】
ゾル・ゲル２６は個別の光特性を有する複数の別々の層から形成できる。図５に示しているように、それぞれの層または層の組合せによって異なる段２２が形成できる。
【００２１】
もし特定の材料特性が必要ならば、チタン、シリコンまたはジルコニウム（zirconium）、あるいはこれらの材料の事前に加水分解されたアルコキシド（prehydrolysed alkoksides）がメタクリル酸塩グループ置換シラン（methacrylate group substituted silane）の溶液に加えうる。例えば、チタン(titan)（ＩＶ）−プロポキシド（propoxide）とジルコニウム(zirconium)（ＩＶ）−プロポキシド（propoxide）を使用できる。ジルコニウムプロポキシド（zirconium propoxide）の析出を妨げるためにメタクリル酸を使用できる。
【００２２】
図２に示しているようなマイクロレンズ形状を作り出すには、グレースケールマスクを使用できる。Suleski,T.J.及びOshea,D.C.の１９９５年に発行された「Gray Scale Mask For Diffractive Optics Fabrication」Appl. Optics 34, 7507を参照されたい。石英またはガラスのような従来のマスク材料を従来通りクロム（Chromium）で覆う。
【００２３】
このようにしてゾル・ゲルを堆積し、２００℃未満の温度においてパターン化できる。このことは、ＣＦＡに逆に影響を与えるのを防ぐ。
【００２４】
反射防止被覆を形成するための光重合開始材と、呈色（colortion）と、選択的な反射器と、エレクトロクロミズム（electrochromism）及びフォトクロミズム（photochromism）選択吸収とを使用して低い温度においても同じゾル・ゲル材料をパターン化できる。例えば、図６に示しているように、集積回路撮像デバイス３８のパッケージ３６にウインドウ３４を形成できる。このウインドウは反射防止被覆４０を形成するためにゾル・ゲル材料で被覆できる。その材料は、それぞれが異なる光学的特性を有する一つ以上の層に形成できる。例えば、異なる層は異なる光波長に対して有効でありうる。代わりに、ゾル・ゲル内で徐々に変化する多孔率（graded porosity）を作り出すことによって、反射率を変化しうる。ゾル・ゲルを堆積させ、そして既知の技術を使用してそのゾル・ゲルをエッチングすることによって、このような傾斜多孔率を実現できる。
【００２５】
代わりに、半導体製造プロセスにおいて従来的にフォトレジストで使用される低温処理を使用してマイクロレンズ及び光検出器を形成するために、光学的に透明な安定したポジ型フォトレジストを使用できる。例えば、米国カリフォルニア州Sunnyvaleに所在するＪＳＲマイクロエレクトロニクス社（JSR Microelectronics, Inc.）によって製造されているＭＦＲ−３２４を、マイクロレンズを形成するために使用できる。
【００２６】
本発明を限定数の実施態様に関して説明してきたが、当業者であればそれから多数の修正及び変更を考え付くであろう。請求項は、本発明の思想及び請求範囲内にある、そのような全ての修正及び変更をカバーすることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施態様による光検出器の縦拡大断面図である。
【図２】  図１のライン２−２に沿った平面図である。
【図３】  図１のデバイスの一製造方法におけるＵＶ光照射工程を示した概念図である。
【図４】  図３に示されたＵＶ光照射工程の結果を示した概念図である。
【図５】  図４に示された構造を現像した結果の構造を示す概念図である。
【図６】  本発明の一実施態様による集積回路用パッケージの拡大断面図である。
【図２】
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【図１】
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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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