JP2005292828A - 基板上にマイクロレンズアレイを形成する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ピクセルの縮小化に対して好適に受光量を確保することのできるマイクロレンズアレイの形成方法を提供する。
【解決手段】 本発明のマイクロレンズアレイの形成方法においては、フォト素子（１２）を有する基板（１０）が提供され、透過材料（１４）が基板上に堆積される。フォトレジスト層（２４）を透過材料上に堆積し、パターニングすることによって、開口部（２６）を形成して透過材料を露出する。開口部内に第１の等方性エッチャントを導入し、露出された個所の透過材料をエッチングすることにより、初期のレンズ形（２８）が形成される。フォトレジストを剥離して、透過材料を第２の等方性エッチャントに曝すことにより、レンズ形の半径が拡大される。レンズ材料を透過材料上に堆積することによって、レンズ形が少なくとも部分的に埋められる。
【選択図】 図４

Description

本発明の方法は、基板上にマイクロレンズ構造を形成する方法に関する。

イメージセンサーの解像度が上がることにより、ピクセルの大きさを小さくすることが要求される。ピクセルの大きさを小さくすることにより、各ピクセルの光活性領域が減り、これにより、各ピクセルによって感知された光の量が減少される。

本発明の課題は、ピクセルの縮小化に対して好適に受光量を確保することのできるマイクロレンズアレイの形成方法を提供することにある。

したがって、アクティブな光検出器の各ピクセルに当たる光を増加するための、マイクロレンズを形成する方法が提供される。マイクロレンズが適切な形と位置とを提供するよう適切に製造されると、マイクロレンズは、レンズに当たる光を光検出器のピクセルに向ける。マイクロレンズがピクセルの領域よりも大きな領域を有する場合、各個別のピクセルの外の領域に通常当たる光を集めて、その光を光検出器のピクセルに向けることができる。光検出器のピクセルに当たる光の量を増加させると、その結果、ピクセルによって生成される電気的信号が増加する。

本発明の一局面は、マイクロレンズ構造を形成する方法を提供する。該方法において、表面上にフォト素子を有する基板が提供され、基板の表面にオーバーレイする透過材料が堆積される。透過材料にオーバーレイするフォトレジスト層を堆積し、パターニングすることより、開口部が形成され透過材料が露出される。開口部に第１の等方性エッチャントを導入し、露出された個所の透過材料をエッチングすることにより、半径を有する初期のレンズ形が形成される。フォトレジストが剥離される。透過材料を第２の等方性エッチャントに曝すことにより、レンズ形の半径を大きくする。透過材料にオーバーレイするレンズ材料を堆積することにより、レンズ形がレンズ材料によって少なくとも部分的に埋められる。

好ましくは、透過材料は、酸化シリコンまたはガラスであり、ここで、第１の等方性エッチャントは緩衝化されたＨＦであり、かつレンズ材料は、ＨｆＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、またはＺｎＯ_２を包む。さらに、レンズ材料は、透過材料よりも高い屈折率を有する。

この方法は、レンズ材料にオーバーレイする単層または多層のＡＲコーティングを形成することをさらに包含し、ここで、単層のＡＲコーティングは、酸化シリコンまたはガラスを含む。

さらに、この方法は、レンズ材料を平坦化することを包含し、ここで、レンズ材料の平坦化は、好ましくは、化学物理的研磨および／またはレンズ材料をリフローすることによって行われる。

さらに、この方法において、透過材料をエッチングするために異方性エッチャントを用いることによって、レンズ材料を堆積する前に、透過材料の全体の厚さが調節される。ここで、好ましくは、レンズ材料にオーバーレイするＡＲコーティングが形成され、レンズ材料が平坦化される。

本発明の他の局面は、ＣＣＤアレイ上にマイクロレンズアレイを形成する方法を提供する。該方法において、ＣＣＤアレイを備える基板が提供され、ＣＣＤアレイにオーバーレイする酸化シリコンまたはガラスを含む透過層が堆積される。透過層にオーバーレイするフォトレジスト層を堆積しパターニングすることにより、開口部が形成され透過材料が露出される。開口部に第１の等方性エッチャントを導入し、露出された個所の透過材料をエッチングすることにより、半径を有する初期のレンズ形が形成される。フォトレジスト剥離される。透過材料を第２の等方性エッチャントに曝すことによりレンズ形の半径を大きくする。透過材料にオーバーレイする、ＨｆＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、またはＺｎＯ_２を含むレンズ材料を堆積することにより、少なくとも部分的にレンズ形を埋めるレンズ材料によってレンズが形成される。さらに、ＣＭＰを用いてレンズ材料が平坦化され、レンズ材料にオーバーレイするＡＲコーティングが形成される。

本発明のさらに別の局面においては、基板上にＣＣＤピクセルのアレイと、ＣＣＤピクセルのアレイと接触するレンズアレイとを備える、ＣＣＤアレイが提供される。ここで、レンズアレイは、凹状のくぼみを有する透過材料と、透過材料と接触する平凸レンズを形成する凹状のくぼみを少なくとも部分的に埋めるレンズ材料とを含む。

好ましくは、ＣＣＤアレイにおいて、透過材料は酸化シリコンまたはガラスを、および／またはレンズ材料はＨｆＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２またはＺｎＯ_２を含む。さらに、このＣＣＤアレイは平凸レンズにオーバーレイするＡＲコーティングをさらに含み得る。
（要約）
マイクロレンズ構造を形成する方法が、マイクロレンズアレイを使用するＣＣＤアレイ構造と共に提供される。この方法の実施形態は、基板上にフォト素子を有する表面を有する基板を提供するステップと、基板の表面にオーバーレイする透過材料を堆積するステップと、透過材料にオーバーレイするフォトレジスト層を堆積およびパターニングさせることにより、開口部を形成し、透過材料を露出するステップと、開口部内に第１の等方性エッチャントを導入し、露出された個所の透過材料をエッチングすることにより、半径を有する初期のレンズ形を形成するステップと、フォトレジストを剥離するステップと、透過材料を第２の等方性エッチャントに曝すことにより、レンズ形の半径を大きくするステップと、透過材料にオーバーレイするレンズ材料を堆積し、それにより、レンズ形は少なくとも部分的にはレンズ材料で埋められるステップとを包含する。ＣＣＤアレイの実施形態は、基板上に、ＣＣＤピクセルのアレイと、ＣＣＤピクセルのアレイと接触するレンズアレイとを備える。ここで、レンズアレイは、凹状のくぼみを有する透過材料と、透過材料と接触する平凸レンズを形成する凹状のくぼみを少なくとも部分的に埋めるレンズ材料とを含む。

図１は、この方法の実施形態に従って形成されたマイクロレンズの構造の実施形態を示す。基板１０は、その上に形成された少なくとも１つのフォト素子１２を有する。フォト素子１２は、たとえば、ＣＣＤカメラピクセルといった感光素子、フォトセンサ、あるいは光電子放出素子であり得る。透過層１４は、基板１０の上に重なって堆積される。マイクロレンズ２０は、フォト素子１２の上に形成される。反射防止層２２は、マイクロレンズ２０の上に重なって形成される。マイクロレンズ２０は、フォト素子１２の方に向けられた凸面を有するほぼ平凸レンズである。透過層１４の厚さは、所望のレンズ湾曲と焦点距離との事項に部分的に基づいて決定される。光を、凸面の代わりに、最初に平面に当てることによって既知の収差が増加するが、各フォト素子１２に当たる光の量を増やすことに関連する本応用において、これは、像に明瞭に焦点を合わせようとするほど重要ではない。

この処理の一実施形態では、マイクロレンズ２０は、フォト素子１２をオーバーレイして形成されており、それにより、レンズを形成し、レンズを基板に移動させる必要性が排除される。その結果、基板の上に形成された所望のフォト素子１２を有する基板が整う。図２は、光を感知するピクセル１２を有する基板１０を示す。透過層１４は、ピクセルの上に重なって堆積される。

図３は、透過層１４の上に重なって堆積したフォトレジスト２４の層を示す。図示されているように、開口部２６はフォトレジスト内にパターニングされている。開口部２６は、エッチャントを導入するために用いられ、これは、エッチャントの導入が可能な限度において、できる限り小さく作成されるべきである。

次に、等方性ウェットエッチングは、開口部２６からエッチャントを導入することによって行われ、これにより透過層１４をエッチングする。開口部２６が十分に小さいと、開口部はエッチャントの点状源のように働き、透過層１４に一般的に半球のエッチングパターンを生成する。透過層が酸化シリコンの場合、緩衝化されたＨＦがエッチャントとして使用され得る。このエッチングステップは、図４に示されるような初期のレンズ形２８を生成する。エッチングする時間は、フォトレジスト２４が剥離されることを避けるために制限される必要があり得る。

初期のレンズ形２８が形成されると、フォトレジストが剥離され、そしてそれにより、図５に示されるように初期のレンズ形２８が露出される。

図６に示されるように、できる限り第１の等方性ウェットエッチングに使用されたエッチャントと同じものを用いる、第２の等方性ウェットエッチングは、初期のレンズ形の半径を大きくすることにより、最終のレンズ湾曲を生成する。透過層１４の全体の厚さもまた、この第２の等方性ウェットエッチング処理の間に減らされるので、透過層の最初の厚さは、第２の等方性ウェットエッチングによって引き起こされる削減を考慮して、十分な厚さであるべきである。隣接するレンズ形３２の湾曲の半径が大きくなるにつれて、これらレンズ形はオーバーラップし得る。これは、好ましいことに可能な限り多くの光を集める一方で、レンズアレイの密度を上げるので、所望されない効果ではない。表面の全体が、レンズ間に空間がないレンズアレイで覆われる場合には、願わくば、レンズアレイの表面に当たる全ての光が、アンダーレイするフォト素子１２のアレイに集中する。

この方法の一実施形態では、最終のレンズの湾曲が得られた後、レンズ形３２とアンダーレイするピクセル１２との間の距離は、異方性エッチングを用いて微調整され得る。異方性エッチング、たとえば、ドライエッチング処理は、レンズ形３２を本質的に維持する一方で、透過層１４の厚さを減らす。これにより、本質的に、レンズ形がピクセル１２に接近することを可能にする。透過層１４が酸化シリコンの場合、フッ素ベースの異方性エッチャントは、たとえば、アルゴンを有するＣ_３Ｆ_８のようなフッ化炭素を使用し得る。ＣとＦとの比は、エッチングの断面を変えるために変更され得る。

図７に示されるように、レンズ形３２が形成されて、かつ必要に応じてレンズ形の位置が変えられると、レンズ材料４０がレンズ形３２を埋めるように堆積される。レンズ材料は、スパッタリングプロセス、ＣＶＤプロセス、スピンプロセス、または他の適切なプロセスによって堆積され得る。スピンプロセスが用いられた場合、上部の平面をさらに滑らかにすることは必ずしも必要ではない。この場合に、レンズ２０は形成される。この処理の一実施形態において、反射防止（ＡＲ）層２２はレンズ２０の上に形成される。反射防止層２２は、レンズ材料４０の単層と空気との間にある、屈折率の値を有する材料の単層であり得る。他の実施形態では、多層のＡＲコーティングが使用される。ＡＲ層２２は、スパッタリングプロセス、ＣＶＤプロセス、スピンプロセス、または他の適切なプロセスによって堆積され得る。必要に応じて、ＣＭＰプロセスを用いて、ＡＲ層２２の上部の表面が平坦化される。

図８に示されるように、レンズ材料４０が粗い場合、平坦化ステップが行われる。この方法の一実施形態では、ＣＭＰプロセスがレンズ材料４０を平坦化するために用いられる。代替的に、リフロープロセスがレンズ材料４０の平坦化を達成するために用いられる。平坦化する量は、改善された光収集を得るために十分なレンズが残る限りは重要ではない。図９は、なおもオーバーラッピングしているレンズを示し、図１０は、分離したレンズ２０を残して、実質的により多くのレンズ材料４０が取り除かれたことを示す。平坦化された後、ＡＲ層２２が適用されて、図１に示された最終構造を生成し得る。

図１を再度参照する。基板は、フォト素子１２を形成またはサポートするために任意の適切な材料を含み得る。たとえば、いくつかの実施形態では、基板１０は、シリコン基板、ＳＯＩ基板、石英基板、またはガラス基板である。

光をフォト素子１２の集中させることが所望される、このマイクロレンズ構造の実施形態では、透過層１４は、マイクロレンズ２０よりも低い屈折率を有する。たとえば、透過層１４がほぼ１．５の屈折率を有する場合、マイクロレンズ２０は、ほぼ２以上の屈折率を有するべきである。透過層１４が酸化シリコンまたはガラスである場合、マイクロレンズ２０は、ＨｆＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＺｎＯ_２、または、ほぼ２以上の屈折率を有するその他のレンズ材料を含み得る。

単一の材料のＡＲ層２２を備える、このマイクロレンズ構造の実施形態では、ＡＲ層は、空気とレンズ材料の屈折率の間の屈折率を有する材料を備えることが好ましい。たとえば、酸化シリコンは、ほぼ２の屈折率を有するマイクロレンズの上に使用され得る。

透過層１４の厚さは、第２の等方性ウェットエッチングによって引き起こされるエッチング量に加えて、所望のレンズ湾曲と焦点距離との事項に部分的に基づいて決定される。このマイクロレンズ構造の一実施形態にて、マイクロレンズ２０の所望の焦点距離は、約２μｍと８μｍとの間である。堆積された透過層１４の厚さは、エッチングと平坦化のステップの全ての後に、所望の焦点距離を得るために十分な厚さであるべきである。マイクロレンズ構造は、フォト素子１２の上に直接重なって形成されるので、分離させる層を提供したり、分離した型からレンズ構造を移動させて位置を変えたりする必要はない。

実施形態は上記において議論されてきたが、範囲はいずれか特定の実施形態に限られるものではない。本発明の範囲は請求項の内容によって定まるものである。

基板にオーバーレイするマイクロレンズ構造の断面図である。 製造の途中段階における、基板にオーバーレイするマイクロレンズ構造の断面図である。 製造の途中段階における、基板にオーバーレイするマイクロレンズ構造の断面図である。 製造の途中段階における、基板にオーバーレイするマイクロレンズ構造の断面図である。 製造の途中段階における、基板にオーバーレイするマイクロレンズ構造の断面図である。 製造の途中段階における、基板にオーバーレイするマイクロレンズ構造の断面図である。 製造の途中段階における、基板にオーバーレイするマイクロレンズ構造の断面図である。 製造の途中段階における、基板にオーバーレイするマイクロレンズ構造の断面図である。 製造の途中段階における、基板にオーバーレイするマイクロレンズ構造の断面図である。 製造の途中段階における、基板にオーバーレイするマイクロレンズ構造の断面図である。

符号の説明

１０ 基板
１２ フォト素子
１４ 透過層
２０ マイクロレンズ
２２ 反射防止層
２４ フォトレジスト
２６ 開口部
２８ 初期のレンズ形
３２ レンズ形
４０ レンズ材料

Claims (19)

1. マイクロレンズ構造を形成する方法であって、
   ａ）表面を有する基板であって、該表面上にフォト素子を有する基板を提供するステップと、
   ｂ）該基板の該表面にオーバーレイする透過材料を堆積するステップと、
   ｃ）該透過材料にオーバーレイするフォトレジスト層を堆積し、パターニングすることにより、開口部を形成し、該透過材料を露出するステップと、
   ｄ）該開口部に第１の等方性エッチャントを導入し、露出された個所の該透過材料をエッチングすることにより、半径を有する初期のレンズ形を形成するステップと、
   ｅ）フォトレジストを剥離するステップと、
   ｆ）該透過材料を第２の等方性エッチャントに曝すことにより、該レンズ形の該半径を大きくするステップと、
   ｇ）該透過材料にオーバーレイするレンズ材料を堆積し、これにより、該レンズ形が該レンズ材料によって少なくとも部分的に埋められるステップと
   を包含する、方法。
2. 前記透過材料は、酸化シリコンまたはガラスである、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の等方性エッチャントは緩衝化されたＨＦである、請求項２に記載の方法。
4. 前記レンズ材料は、前記透過材料よりも高い屈折率を有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記レンズ材料は、ＨｆＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、またはＺｎＯ_２を含む、請求項２に記載の方法。
6. 前記レンズ材料にオーバーレイするＡＲコーティングを形成するステップをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
7. 前記レンズ材料にオーバーレイする単層のＡＲコーティングを形成するステップをさらに包含する、請求項５に記載の方法。
8. 前記単層のＡＲコーティングは、酸化シリコンまたはガラスを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記レンズ材料を平坦化するステップをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
10. 前記レンズ材料を平坦化するステップは、化学物理的研磨を包含する、請求項９に記載の方法。
11. 前記平坦化するステップは、前記レンズ材料をリフローするステップをさらに包含する、請求項９に記載の方法。
12. 前記透過材料をエッチングするために異方性エッチャントを用いることによって、前記レンズ材料を堆積する前に、該透過材料の全体の厚さを調節するステップをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
13. 前記レンズ材料を平坦化するステップをさらに包含する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記レンズ材料にオーバーレイするＡＲコーティングを形成するステップをさらに包含する、請求項１３に記載の方法。
15. ＣＣＤアレイ上にマイクロレンズアレイを形成する方法であって、
    ａ）該ＣＣＤアレイを備える基板を提供するステップと、
    ｂ）該ＣＣＤアレイにオーバーレイする酸化シリコンまたはガラスを含む透過層を堆積するステップと、
    ｃ）該透過層にオーバーレイするフォトレジスト層を堆積し、パターニングすることにより、開口部を形成し、透過材料を露出するステップと、
    ｄ）該開口部に第１の等方性エッチャントを導入し、露出された個所の該透過材料をエッチングすることにより、半径を有する初期のレンズ形を形成するステップと、
    ｅ）フォトレジストを剥離するステップと、
    ｆ）該透過材料を第２の等方性エッチャントに曝すことにより、該レンズ形の該半径を大きくするステップと、
    ｇ）該透過材料にオーバーレイする、ＨｆＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、またはＺｎＯ_２を含むレンズ材料を堆積し、これにより、レンズが少なくとも部分的に該レンズ形を埋める該レンズ材料によって形成されるステップと、
    ｈ）ＣＭＰを用いて該レンズ材料を平坦化するステップと、
    ｉ）該レンズ材料にオーバーレイするＡＲコーティングを形成するステップと
    を包含する、方法。
16. ａ）基板上のＣＣＤピクセルのアレイと、
    ｂ）該ＣＣＤピクセルのアレイと接触するレンズアレイと
    を備えた、ＣＣＤアレイであって、
    該レンズアレイは、凹状のくぼみを有する透過材料と、該透過材料と接触する平凸レンズを形成する凹状のくぼみを少なくとも部分的に埋めるレンズ材料とを含む、ＣＣＤアレイ。
17. 前記透過材料は、酸化シリコンまたはガラスを含む、請求項１６に記載のＣＣＤアレイ。
18. 前記レンズ材料は、ＨｆＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２またはＺｎＯ_２を含む、請求項１６に記載のＣＣＤアレイ。
19. 前記平凸レンズにオーバーレイするＡＲコーティングをさらに含む、請求項１６に記載のＣＣＤアレイ。

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