JP2006100764A - 固体撮像装置ならびに固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 固体撮像素子において、マイクロレンズ表面での反射によるフレアやゴーストといった画像欠陥を防ぎ、かつ感度向上に有効な固体撮像素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 加熱溶融（リフロー）処理、あるいはグレートーンマスクを用いて形成したマイクロレンズ７表面にプラズマもしくはウェットエッチ処理を施し、凹凸をつける（荒らす）。このことによって、マイクレンズ表面での反射を抑え、カメラレンズとの反射を防止し、フレアやゴーストといった画像欠陥の発生を抑制するとこができる。または、感度向上にも有効である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像装置ならびに固体撮像装置の製造方法に関するものであり、さらに詳しくはフレアやゴーストといった不具合の発生を防ぎ、かつ感度向上に有効なマイクロレンズを備えた固体撮像装置の製造方法に関する。

従来、光を電荷に変換する光電変換部を有するＣＣＤ固体撮像装置およびＭＯＳ固体撮像装置などの固体撮像装置は、ビデオカメラおよびデジタルスチルカメラ、あるいはファクシミリなどの、様々な画像入力機器に使用されている。

また、このような固体撮像装置においては、小型化、高解像度化の要請により、受光部であるフォトダイオードの面積が減少してきている。このような受光部の面積減少に伴う光電変換特性の低下を補うため、いわゆるオンチップマイクロレンズが開発された。オンチップマイクロレンズは、画素ごとに形成された受光部の上方に凸型のドーム型や半球状、半円筒状に形成された樹脂から構成される。このマイクロレンズは、転送領域等の受光部以外の領域に入射しようとする光を屈折させて受光部に集光する役割を担う。

図４に、従来のマイクロレンズの形成方法を示す。
まず、図４（Ａ）に示されるように、固体撮像素子基板１および入射光を電気信号に変換するための受光部２の凹凸表面上にアクリル樹脂を全面回転塗布した後に加熱乾燥させて第１アクリル平坦膜３を形成する。この第１アクリル平坦膜３上に白色光を分光するためのカラーフィルタ４を形成する。さらにカラーフィルタ４の凹凸表面上に、アクリル樹脂を全面回転塗布したのちに２００〜２５０℃で加熱乾燥する、塗布・乾燥工程を２〜５回繰り返すことによって平坦性の高い第2アクリル平坦膜５を形成する。

次に、図４（Ｂ）に示されるように、第2アクリル平坦膜５上に合成樹脂膜６を全面回転塗布し低温乾燥させたのち、フォトマスクを用いて所定のパターンとなるようｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）等の紫外光を照射し、各画素に分離独立するようなパターンを形成する。

次に、紫外線による全面露光を行い、可視光領域の透過率を全領域で９０％以上に向上させ（図４（C））、全面加熱溶融処理（リフロー）を行い、上記合成樹脂膜６を所望とする曲率をもった上凸の半球状に熱変形させ、マイクロレンズ７を形成する（図４（D））。マイクロレンズ７を構成する樹脂としては、例えば、フェノール系樹脂、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂であって、上記のような形成方法が適用できる樹脂材料が用いられる。

図４（E）に、上記方法で形成されたマイクロレンズ７へ入射する光の光線を示す。この図から明らかなように、大半の入射光は、マイクロレンズ７で集光し、受光部２に到達するが、マイクロレンズ７表面で反射して、カメラレンズ側へ進む光も存在する。
特開平４−０７４４７０号公報

ところで、上述した従来のマイクロレンズの形成方法では、マイクロレンズ表面には凹凸がなく、滑らかな状態になっており、デジタルカメラに組み込んだ際に、斜めから入射した光がマイクロレンズ表面で反射し易く、カメラレンズとの間で反射や散乱することによって、ゴーストやフレアといった画像欠陥の原因となることがわかっている。

そのため、マイクロレンズ表面に反射防止膜を形成することも提案されている。例えば、特開平１０−１５０１７９号には、フッ化アルミニウム膜等で形成されている。しかしながら、蒸着機等の新たな装置も必要となり、コスト増となってしまう。

本発明は、このような問題点を解決すべくなされたものであり、現有装置で製造することができ、マイクロレンズ表面での反射を防ぐとともに、感度向上にも有効なマイクロレンズ構造を形成することが可能な固体撮像装置の製造方法を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の固体撮像装置ならびに固体撮像装置の製造方法は、入射光を光電変換する受光部と、前記受光部の上方に前記入射光を集光するマイクロレンズとを有する画素が複数配列された固体撮像装置および当該固体撮像装置の製造方法であって、マイクロレンズの表面に同材質の凹凸を有する構造、およびマイクロレンズの表面に凹凸をつける工程を有することを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、前記マイクロレンズの表面に凹凸をつける工程において、マイクロレンズの表面にプラズマ処理をすることにより凹凸をつけることを特徴とする。

ここで、前記プラズマ処理する際のガスは、酸素もしくはＣＦ系のガスであることを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、前記マイクロレンズの表面に凹凸をつける工程において、ウェットエッチ処理によりマイクロレンズの表面に凹凸をつけることを特徴とする。

ここで、前記ウェットエッチ処理する際の液は、アミン系のエッチング液であることを特徴とする。

なお、前記マイクロレンズは、樹脂の加熱溶融（リフロー）により形成したものであることを特徴とする。また、前記マイクロレンズは、感光性樹脂のグレートーンマスクによる露光および現像により形成したものであることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、現有の装置にてプラズマ処理、もしくはウェットエッチ処理を行うことにより、マイクロレンズ表面での反射を低減させ、カメラレンズとの間で反射光が発生しにくくなるため、デジタルカメラに組み込んだ際にゴーストやフレアといった画像欠陥を防ぐことが可能となる。また、マイクロレンズ表面の凹凸形状によって形成される擬似的な低屈折率層が反射防止膜として作用し、約２〜５％の感度向上にも有効である。

以下，本発明の第1の実施形態について、図示実施例に従って詳細に説明する。図１（Ａ）〜（Ｅ）は本発明のマイクロレンズの製造方法の実施例を工程順に示す断面図である。

まず、図１（Ａ）に示されるように、固体撮像素子基板１および入射光を電気信号に変換するための受光部２の凹凸表面上にアクリル樹脂を全面回転塗布した後に加熱乾燥させて第１アクリル平坦膜３を形成する。この第１アクリル平坦膜３上に白色光を分光するための薄膜カラーフィルタ４を形成する。さらにカラーフィルタ４の凹凸表面上に、アクリル樹脂を全面回転塗布したのちに２００〜２５０℃で加熱乾燥する、塗布・乾燥工程を２〜５回繰り返すことによって平坦性の高い第2アクリル平坦膜５を形成する。

次に、図１（Ｂ）に示されるように、第2アクリル平坦膜５上に、例えばアクリル系の樹脂よりなる合成樹脂膜６を全面回転塗布し低温乾燥させたのち、フォトマスクを用いて所定のパターンとなるようｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）等の紫外光を照射し、各画素に分離独立するようパターンニングする。

次に、図１（Ｃ）に示されるように、紫外線による全面露光を行い、可視光領域の透過率を全領域で90％以上に向上させる。

次に、図１（Ｄ）に示されるように、全面加熱溶融処理（リフロー）を行い、上記合成樹脂膜６を所望とする曲率をもった半球状に熱変形させ、マイクロレンズ７を形成する。

次に、図１（Ｅ）に示されるように、上記マイクロレンズ７全面に酸素あるいはＣＦ系のガスを用いたプラズマ処理８を３０秒以上行い、上記マイクロレンズ７表面に凹凸をつける。もしくは、例えばアミン系の液でウェットエッチすることによりマイクロレンズ７表面に凹凸をつけることも可能である。

凹凸の大きさとしては、入射光の波長帯域よりも小さい、５ｎｍ〜２００ｎｍの粗さの凹凸であることが好ましい。

図２に示すように、凹凸の大きさは高さ（深さ）と幅（ピッチ、周期）で定義され、高さについては入射光の波長帯域よりも小さい１００ｎｍ〜４００ｎｍ、幅は５００ｎｍ以下の形状が好ましい。また凹凸形状が画素サイズに対し比較的大きい場合、例えば幅が５００ｎｍより大きい場合、本来入射光を電気信号に変換するための受光部２へ効率よく集光させるためのマイクロレンズ７の曲率が維持できなくなり、結果固体撮像素子としての集光率が低下する恐れがある。集光率を低下させることなく、かつ感度向上を得るためには高さが２００〜３００ｎｍ、幅は２５０ｎｍ以下が好ましい。

ところで、上述した実施例では、マイクロレンズの凸曲面形状を得るのに加熱溶融処理を行ったが、図３に示すように、グレートーンマスクを用いてマイクロレンズを形成してもよい。

以下に第2の実施形態であるグレートーンマスクを用いたマイクロレンズの形成方法を説明する。

まず、図３（Ａ）に示されるように、図１と同様に固体撮像素子基板１および受光部２の凹凸表面上に第１アクリル平坦膜３を形成し、カラーフィルタ４を形成する。さらに薄膜カラーフィルタ４の凹凸表面上に第2アクリル平坦膜５を形成する。

次に、図３（Ｂ）に示されるように、第2アクリル平坦膜５上に合成樹脂膜６を全面回転塗布し低温乾燥させたのち、グレートーンマスクを用いてｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）等の紫外光を照射し、マイクロレンズ形状になるよう露光、現像する。

次に、図３（Ｃ）示されるように、紫外線による全面露光を行い、可視光領域の透過率を全領域で90％以上に向上させる
次に、図３（Ｄ）示されるように、上記マイクロレンズ７全面に酸素あるいはＣＦ系のガスを用いたプラズマ処理８を行い、上記マイクロレンズ７表面に凹凸をつける。もしくは、例えばアミン系の液でウェットエッチすることによりマイクロレンズ７表面に凹凸をつける。

なお、マイクロレンズ７をリフローで形成した場合は、グレートーンマスクで形成した場合に比べて表面形状が滑らかに形成されるため、表面を荒らす効果の高いプラズマ処理を使用するのがより効果的である。

また、マイクロレンズ７をグレートーンマスクで形成した場合は、マスクのグラデーションが連続的でないため、リフローで形成した場合に比べてマイクロレンズ７の表面形状が微小に波打ち、表面積が大きくなる。そのため、ウェットエッチにおける液の接触面積が広くなるため、粗面化処理の効果は十分な効果が得られる。ここで、プラズマ処理を使用すれば、さらに高い効果が得られる。

第1、第2の実施形態で説明したプラズマ処理で用いるガスを酸素あるいはＣＦ系のガスとしたが、違うガスを用いてもマイクロレンズ７表面に凹凸をつけることができれば、同様の効果が得られることは言うまでもない。

また、第1、第2の実施形態で説明したプラズマ処理の時間を３０秒以上としたが、３０秒以下でもマイクロレンズ７表面に凹凸をつけることができれば、同様の効果が得られることは言うまでもない。

また、第1、第2の実施形態で説明したウェットエッチ処理でエッチング液をアミン系としたが、違う液を用いてもマイクロレンズ７表面に凹凸をつけることができれば、同様の効果が得られることは言うまでもない。

本発明は、固体撮像装置の製造方法に利用でき、特にマイクロレンズの製造方法に利用でき、マイクロレンズの製造方法によれば、マイクロレンズ表面に凹凸をつけることにより、マイクロレンズ表面での反射を低減させることができ、ゴーストやフレアの発生を防ぐのに有効である。また、感度向上にも有効である。同時にマイクロレンズ表面の凹凸形状によって形成される擬似的な低屈折率層が反射防止膜として作用し、約２〜５％の感度向上を得ることができる。

本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の製造方法を示す図である。 同実施形態における固体撮像装置のマイクロレンズ表面の凹凸形状を示す図である。 本発明の第２の実施形態における固体撮像装置の製造方法を示す図である。 従来の固体撮像装置の製造方法を示す図である。

符号の説明

１ 固体撮像素子基板
２ 受光部
３ 第１アクリル平坦膜
４ カラーフィルタ
５ 第２アクリル平坦膜
６ 合成樹脂膜
７ マイクロレンズ
８ プラズマ処理、ウェットエッチ処理

Claims (9)

1. 入射光を光電変換する受光部と、前記受光部の上方に前記入射光を集光するマイクロレンズとを有する画素が複数配列された固体撮像装置の製造方法であって、
   マイクロレンズの表面に凹凸をつける工程を有する
   ことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
2. 前記マイクロレンズの表面に凹凸をつける工程において、マイクロレンズの表面にプラズマ処理をすることにより凹凸をつける
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。
3. 前記プラズマ処理する際のガスは、酸素もしくはＣＦ系のガスである
   ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置の製造方法。
4. 前記マイクロレンズの表面に凹凸をつける工程において、ウェットエッチ処理によりマイクロレンズの表面に凹凸をつける
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置の製造方法。
5. 前記ウェットエッチ処理する際の液は、アミン系のエッチング液である
   ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置の製造方法。
6. 前記マイクロレンズは、樹脂の加熱溶融（リフロー）により形成したものである
   ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置の製造方法。
7. 前記マイクロレンズは、感光性樹脂のグレートーンマスクによる露光および現像により形成したものである
   ことを特徴とする請求項２又は請求項４記載の固体撮像装置の製造方法。
8. 入射光を光電変換する受光部と、前記受光部の上方に前記入射光を集光するマイクロレンズとを有する画素が複数配列された固体撮像装置であって、
   前記マイクロレンズは表面に凹凸を有する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
9. 前記マイクロレンズの表面の凹凸形状の高さ（深さ）は１００〜４００ｎｍ、幅（ピッチ、周期）は５００ｎｍ以下である
   ことを特徴とする請求項８記載の固体撮像装置。

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