JP2007101661A - マイクロレンズアレイおよびマイクロレンズアレイの製造方法 - Google Patents

マイクロレンズアレイおよびマイクロレンズアレイの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】集光効率の高いマイクロレンズアレイを、特別な装置や特別な製造プロセスを必要としない、非常に簡単な方法を用いて、低コストかつ安定に製造する。
【解決手段】マイクロレンズ18を形成した後、オーバーコート膜20を形成するが、この膜厚を調整して、マイクロレンズ18をどの切り口で切断しても、同様の断面形状(同様の曲率)が得られるようにする。オーバーコート膜20の膜厚の調整は、例えば、隣接する複数のマイクロレンズ間の、対辺方向や対角方向における隙間の間隔を調整すると共に、マイクロレンズ材料と同じ材料成分からなるオーバーコート膜の粘性を低下させて流動性をもたせ、これをスピンコートによって塗布することによって実現する。
【選択図】図1

Description

本発明は、マイクロレンズアレイおよびマイクロレンズアレイの製造方法に関し、特に、固体撮像素子(CCDやCMOS等を用いたイメージセンサ)に使用されるマイクロレンズアレイならびにその製造方法に関する。
固体撮像素子の小型化、高画素化に伴う受光部面積の減少による感度およびS/N比の低下に対しては、受光部の上方にマイクロレンズを配置して入射光を受光部に集光する方法が広く用いられている。
上記マイクロレンズの作製方法としては、熱可塑性樹脂を平面形状にパターン化した後、加熱流動させて表面張力によってレンズ形状を形成する、いわゆる熱リフロープロセスが用いられる。
また、近年益々進む画素の微細化に対しては、入射面のマイクロレンズ(トップレンズまたはオンチップレンズ等と呼ばれる)の無光領域を極力小さくすべく、画素サイズに対応した矩形パターンとするのが一般的となっている。
ところが、矩形パターンを熱リフロー処理して得られるレンズは、各断面形状(曲率)が一定ではなく断面毎の焦点距離に大きな差が発生する、言わば入射光を受光部一点に集光することができない。これは感度向上阻害やスミアの原因にもなり得る為、本来は底面が矩形で曲率が一定のレンズが理想的である。
曲率がほぼ一定で集光効率の高いレンズアレイの製造方法としては、特許文献1に記載される方法(金型を用いた転写によってレンズアレイを作成する方法)や、特許文献2に記載される方法(金型を押しつけてオンチップレンズを形成する方法)がある。
また、他の製造方法としては、特許文献3や特許文献4で提案されているようなグレースケールマスク露光を用いる方法がある。
また、特許文献5に記載されるように、マイクロレンズアレイを市松状に2段階の工程を経て形成する方法も提案されている。
特開2000−323693号公報 特開2001−358320号公報 特開2003−107209号公報 特開平10−74927号公報 特開2003−229550号公報
特許文献1ならびに特許文献2で提案されているような型転写を用いる方法は、微細パターンをもつ型の作製が、加工精度やコストの面で困難である。また、転写時の位置精度や剥離性の面でも課題がある。
また、特許文献3や特許文献4に記載されるグレースケールマスク露光を使用する方法では、そのような透過率分布を持たせたグレースケールマスク作製にコストがかかると共に、所望の形状に対応した透過率分布の設計がむずかしい、という課題がある。
また、特許文献5に記載されるように、マイクロレンズアレイを市松状に2段階の工程を経て形成する方法では、フォトリソプロセスが1工程追加となり、製造プロセスの複雑化を招き、余計なコストがかかるという課題がある。
本発明は、このような考察に基づいてなされたものであり、断面形状がほぼ一定な集光効率の高いマイクロレンズアレイを、特別な装置や特別な製造プロセスを必要としない簡単な方法を用いて製造することを目的とする。
本発明のマイクロレンズアレイは、平坦面上に底面が非真円状のマイクロレンズを多数配列したマイクロレンズアレイであって、前記多数のマイクロレンズの上には、前記多数のマイクロレンズの各々の曲率を調整するオーバーコート膜が形成され、前記マイクロレンズの中心からの距離が最大となる該マイクロレンズの端部である第一端部上の前記オーバーコート膜の厚みが、前記マイクロレンズの中心からの距離が最小となる該マイクロレンズの端部である第二端部上の前記オーバーコート膜の厚みよりも薄くなっている。
この構成により、オーバーコート膜が形成された個々のマイクロレンズの曲率がどの断面においてもほぼ一定になり、集光効率が向上する。
また、本発明のマイクロレンズアレイの一態様では、前記第一端部から前記第二端部に向かうにしたがって、前記マイクロレンズ上のオーバーコート膜の厚みが徐々に厚くなっている。
また、本発明のマイクロレンズアレイの他の態様では、前記非真円状が、角部が丸みを帯びた多角形状である。
また、本発明のマイクロレンズアレイの他の態様では、前記多角形状が四角形状である。
また、本発明のマイクロレンズアレイの他の態様では、前記マイクロレンズの材料と前記オーバーコート膜の材料が、それぞれ樹脂を含み、それぞれの前記樹脂の組成が同一である。
また、本発明のマイクロレンズアレイの他の態様では、前記マイクロレンズの材料に含まれる前記樹脂の分子量分布と前記オーバーコート膜の材料に含まれる前記樹脂の分子量分布が異なる。
また、本発明のマイクロレンズアレイの他の態様では、前記マイクロレンズの材料と前記オーバーコート膜の材料が同一である。
マイクロレンズの材料とオーバーコート膜の材料が同じであるため、マイクロレンズとオーバーコート膜の相互の密着性は何ら問題なく、また、熱膨張係数等の差に起因して余分なストレス(応力)が生じるといった心配もない。
また、本発明のマイクロレンズアレイの他の態様では、前記マイクロレンズの材料の粘度が、前記オーバーコート膜の材料の粘度よりも高い。
オーバーコート膜の厚みは、その位置に応じて調整する必要がある。この場合、オーバーコート膜の材料が低粘性で、ある程度の流動性をもつ方が、膜厚の調整がし易いことから、オーバーコート材料の粘性を低く設定したものである。
また、本発明のマイクロレンズアレイの他の態様では、前記マイクロレンズと前記オーバーコート膜が、それぞれイオン注入により硬化処理されたものである。
また、本発明のマイクロレンズの製造方法は、平坦面上に底面が非真円状のマイクロレンズを多数配列したマイクロレンズアレイの製造方法であって、前記平坦面上に前記多数のマイクロレンズを形成するレンズ形成工程と、前記多数のマイクロレンズの上に、前記多数のマイクロレンズの各々の曲率を調整するオーバーコート膜を形成するオーバーコート膜形成工程とを含み、前記レンズ形成工程では、前記マイクロレンズの中心と、前記中心からの距離が最大となる該マイクロレンズの端部とを結ぶ方向に並ぶマイクロレンズ同士の隙間が、前記マイクロレンズの中心と、前記中心からの距離が最小となる該マイクロレンズの端部とを結ぶ方向に並ぶマイクロレンズ同士の隙間よりも大きくなるように前記多数のマイクロレンズを形成する。
この方法により、オーバーコート膜が形成された個々のマイクロレンズの曲率がどの断面においてもほぼ一定になり、集光効率が向上する。
また、本発明のマイクロレンズアレイの製造方法の一態様では、前記オーバーコート膜形成工程では、スピンコートによって前記オーバーコート膜を形成する。
スピンコートによるオーバーコート材料の塗布は、半導体製造において一般的に使用されている方法であり、導入が容易であり、また、半導体ウエハの量産性にも優れている。
また、本発明のマイクロレンズアレイの製造方法の一態様では、前記非真円状が、角部が丸みを帯びた多角形状である。
また、本発明のマイクロレンズアレイの製造方法の他の態様では、前記多角形状が四角形状である。
また、本発明のマイクロレンズアレイの製造方法の一態様では、前記マイクロレンズの材料と前記オーバーコート膜の材料が、それぞれ樹脂を含み、それぞれの前記樹脂の組成が同一である。
また、本発明のマイクロレンズアレイの製造方法の一態様では、前記マイクロレンズの材料に含まれる前記樹脂の分子量分布と前記オーバーコート膜の材料に含まれる前記樹脂の分子量分布が異なる。
本発明のマイクロレンズアレイの製造方法の他の態様では、前記マイクロレンズの材料と前記オーバーコート膜の材料が同一である。
マイクロレンズの材料とオーバーコート膜の材料が同じであるため、マイクロレンズとオーバーコート膜の相互の密着性は何ら問題なく、また、熱膨張係数等の差に起因して余分なストレス(応力)が生じるといった心配もない。
また、本発明のマイクロレンズアレイの製造方法の他の態様では、前記マイクロレンズの材料の粘度が、前記オーバーコート膜の材料の粘度よりも高い。
オーバーコート膜の厚みは、その位置に応じて調整する必要がある。この場合、オーバーコート膜の材料が低粘性で、ある程度の流動性をもつ方が、膜厚の調整がし易いことから、オーバーコート材料の粘性を低く設定したものである。これにより、隣接するマイクロレンズ同士間の隙間を利用してオーバーコート膜の膜厚を部分的に調整することが実現し易くなる。
又、本発明のマイクロレンズアレイは、平坦面上にマイクロレンズを多数配列したマイクロレンズアレイであって、前記多数のマイクロレンズの上には、前記多数のマイクロレンズの各々の曲率を調整するオーバーコート膜が形成され、前記マイクロレンズの材料と前記オーバーコート膜の材料が別材料で構成される。
本発明によれば、断面形状がほぼ一定な集光効率の高いレンズアレイを、特別な装置や特別な製造プロセスを必要としない簡単な方法を用いて製造することができる。
次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
まず、図1を用いて、本発明の実施形態を説明するためのマイクロレンズアレイの製造工程の概要を説明する。本実施形態では、固体撮像素子に搭載されるマイクロレンズアレイを例示するが、用途はこれに限定されない。
図1は、本発明の実施形態を説明するためのマイクロレンズアレイの製造工程を示す断面模式図である。
まず、図1(a)に示すように、光電変換素子等が作りこまれたシリコン基板やその上方に形成されたカラーフィルタ等を含む基板10上に平坦化膜12を形成する。次に、図1(b)に示すように、平坦化膜12上にマイクロレンズ材料であるレジスト14を所定厚みで塗布する。次に、図1(c)に示すように、フォトリソ工程によりレジスト14をパターニングし、各光電変換素子に対応した位置に、所定間隔を空けて矩形状のレジスト(以下、単位レジストという)16を形成する。次に、図1(d)に示すように、単位レジスト16を所定温度で熱リフロー処理し、角部を丸めてマイクロレンズ18を形成し、イオン注入等によってレンズ硬化処理を施す。この状態で、マイクロレンズ18の底面は、角部が丸みを帯びた矩形状となっている。次に、図1(e)に示すように、レジスト14と同一材料で且つレジスト14よりも低粘度のレジストからなるオーバーコート膜20(マイクロレンズ18の曲率を調整するための膜)を、マイクロレンズ18上に形成する。次に、そのオーバーコート膜20にイオン注入等によって硬化処理を施し、これによって、マイクロレンズ18とオーバーコート膜20とからなる所望のマイクロレンズアレイを得る。
本実施形態のマイクロレンズアレイは、マイクロレンズ18の中心からの距離が最大となる該マイクロレンズ18の端部である第一端部上のオーバーコート膜20の厚みが、マイクロレンズ18の中心からの距離が最小となる該マイクロレンズ18の端部である第二端部上のオーバーコート膜20の厚みよりも薄くなっており、この結果、個々のマイクロレンズ18(その上にあるオーバーコート膜20を含む)が、どの切断面であってもその断面の曲率がほぼ同じであるという特徴を有する。以下では、このような特徴を持つマイクロレンズアレイをどのようにして製造するのかを具体的に説明する。
図2は、図1(d)に示すレンズ形成工程後のマイクロレンズアレイの平面図である。図2では、4つのマイクロレンズが形成された部分のみを示した。図2において、符号Pは各マイクロレンズの中心(中心軸)を示す。
図2に示すように、図1(d)のレンズ形成工程では、マイクロレンズ18の中心Pと、該マイクロレンズ18の第一端部とを結ぶ方向(B−B線で示す方向及びこれに直交する方向、以下では第一方向という)に並ぶマイクロレンズ18同士の隙間Yが、マイクロレンズ18の中心Pと、該マイクロレンズ18の第二端部とを結ぶ方向(A−A線で示す方向及びこれに直交する方向、以下では第二方向という)に並ぶマイクロレンズ18同士の隙間Xよりも大きく(例えばX:Y=1:3)なるようにマイクロレンズ18を形成する。マイクロレンズ18の形成位置は、単位レジスト16の配置間隔、単位レジスト16の形状、及び熱リフロー条件等を制御することで調整可能である。
図3(a)は、図2に示すA−A線断面図のオーバーコート膜形成後の状態を示す図であり、図3(b)は、図2に示すB−B線断面図のオーバーコート膜形成後の状態を示す図である。
レンズ形成工程後は、図1(e)に示したように、マイクロレンズ18上にオーバーコート膜20を形成する。具体的には、図2に示すように配置されたマイクロレンズ18上にオーバーコート膜の材料(以下、オーバーコート材料という)をスピンコートによって塗布してオーバーコート膜20を形成する。
図2に示したように、第一方向では、マイクロレンズ18同士の隙間Yが広いため、スピンコートによって塗布されたオーバーコート材料は、その隙間Yに流れ込んで平坦化膜12に水平な方向に浅く広がり、平坦化膜12に垂直な方向の膜厚はあまり厚くならない。この結果、図3(b)に示したように、マイクロレンズ18の第一端部上のオーバーコート膜20の膜厚L2は薄くなる。したがって、第一方向については、オーバーコート膜20で覆われたマイクロレンズ18の曲率Rが、マイクロレンズ18そのものの持つ曲率に近い値を維持する。
一方、第二方向におけるマイクロレンズ18同士の隙間Xは隙間Yよりも狭いため、スピンコートによって塗布されたオーバーコート材料は、その隙間Xに流れ込んでも、平坦化膜12に水平な方向にはあまり広がることはできず、平坦化膜12に垂直な方向の膜厚が厚くなる。この結果、図3(a)に示したように、マイクロレンズ18の第二端部上のオーバーコート膜20の膜厚L1は膜厚L2よりも厚くなる。したがって、第二方向については、オーバーコート膜20で覆われたマイクロレンズ18の曲率Rが、マイクロレンズ18そのものの持つ曲率よりも小さい値となるよう調整される。
以上では、第一端部上と第二端部上の膜厚についてのみ説明したが、マイクロレンズ18の端部上のオーバーコート膜20の膜厚は、マイクロレンズ18の形状及び配置により、第一端部から第二端部に向かうにしたがって厚くなる。
このように、第二方向におけるマイクロレンズ18の第二端部上のオーバーコート膜20の膜厚は厚くし、第一方向におけるマイクロレンズ18の第一端部上のオーバーコート膜20の膜厚は薄くすることが可能であるため、オーバーコート膜20を含むマイクロレンズ18の各断面における曲率Rを一定に調整することができ、オーバーコート膜20で覆われたマイクロレンズ18をどの切り口で切断しても、略同じ断面形状(曲率)が得られるようになる。この結果、マイクロレンズアレイの集光効率を向上させることができる。
マイクロレンズの底面形状が真円でない場合には、マイクロレンズの曲率を全体で一定にすることは難しい。しかし、本実施形態のようにマイクロレンズの形成位置を調整して、スピンコートによりオーバーコート膜を形成することで、底面形状が非真円のマイクロレンズにおいても、その全体の曲率を容易に制御することができる。したがって、底面矩形レンズ等においても、焦点距離のばらつきを効果的に低減することができる。
また、以上のような製造方法では、特別な装置、プロセス技術は一切必要なく、製造プロセスの複雑化、コスト上昇を招くことがない。
また、オーバーコート膜20の形成に際し、スピンコートを用いることは、粘性の低いオーバーコート材料をマイクロレンズ18上に効率的に広げるという点で有利であり、また、この方法は導入が容易であり、また、半導体ウエハの量産性にも優れている。
また、マイクロレンズ18の材料であるレジスト14とオーバーコート膜20の材料とが同一材料であるため、マイクロレンズ18とオーバーコート膜20の相互の密着性は何ら問題なく、また、熱膨張係数等の差に起因して余分なストレス(応力)が生じるといった心配もない。
また、オーバーコート膜20の粘度が、マイクロレンズ18の材料であるレジスト14の粘度よりも低くなっているため、オーバーコート材料の流動性が高くなり、隙間X,Yを埋める効果を高めることができる。上記のとおり、オーバーコート膜20の膜厚は、その位置に応じて調整する必要があるが、この場合、オーバーコート材料が低粘性で、ある程度の流動性をもつ方が、上記膜厚の調整がし易いといった利点がある。これにより、隣接するマイクロレンズ同士間の隙間を利用してオーバーコート膜の膜厚を部分的に調整することが実現し易くなる。
次に、図1(a)〜(e)の各工程にて使用される材料の具体例について説明する。
マイクロレンズ18の材料であるレジスト14としては、例えば、感光性・熱硬化性樹脂を使用することができる。この感光性・熱硬化性樹脂は、例えば、PGMEA(溶剤)、PGME(溶剤)、ポリスチレン誘導体樹脂ならびに光酸発生剤を含んで構成される材料を使用することができる。
オーバーコート材料としては、例えば、レジスト14と同じ材料を使用することができる。オーバーコート材料をレジスト14よりも低粘度にする場合は、PGMEA(溶剤)、PGME(溶剤)、ポリスチレン誘導体樹脂ならびに光酸発生剤を含んで構成される感光性・熱硬化性樹脂を、EL(エチルラクトースまたはγ−ブチロラクトン等の高沸点溶剤)にて薄めたものを用いることができる。
平坦化膜12としては、例えば、透明樹脂硬化膜を使用することができる。この透明樹脂硬化膜は、例えば、アクリル系樹脂、ナフトキノンジアジドスルホン酸エステル、カップリング剤ならびにジエチレングリコールメチルエチルエーテル等を含んで構成される材料を使用することができる。
マイクロレンズの好適なサイズは1〜10μm程度であり、マイクロレンズトップの好適な厚みは5μm以下(レンズサイズの半分以下)である。
なお、以上の説明では、マイクロレンズ材料とオーバーコート材料を同一材料としたが、これらは別材料であっても同様の効果を得ることが可能である。
例えば、マイクロレンズ材料とオーバーコート材料が、それぞれ樹脂を含み、それぞれの樹脂の組成が同一である材料であっても良い。この場合、この樹脂の分子量分布が異なっていることがより好ましい。
また、本実施形態では、マイクロレンズ18の底面が角部が丸みを帯びた矩形状としたが、本実施形態の効果は、マイクロレンズ18の底面が非真円状であれば得ることができる。例えば、マイクロレンズ18の底面が角部が丸みを帯びた8角形状等の多角形状であっても良い。これは、単位レジスト16の底面を8角形状(多角形状)にすることで実現可能である。
本発明の実施形態を説明するためのマイクロレンズアレイの製造工程を示す断面模式図 図1(d)に示す製造工程後のマイクロレンズアレイの平面図 (a)は図2に示すA−A線断面図のオーバーコート膜形成後の状態を示す図であり、(b)は図2に示すB−B線断面図のオーバーコート膜形成後の状態を示す図
符号の説明
10 基板
12 平坦化膜
14 レジスト
16 単位レジスト
18 マイクロレンズ
20 オーバーコート膜

Claims (18)

  1. 平坦面上に底面が非真円状のマイクロレンズを多数配列したマイクロレンズアレイであって、
    前記多数のマイクロレンズの上には、前記多数のマイクロレンズの各々の曲率を調整するオーバーコート膜が形成され、
    前記マイクロレンズの中心からの距離が最大となる該マイクロレンズの端部である第一端部上の前記オーバーコート膜の厚みが、前記マイクロレンズの中心からの距離が最小となる該マイクロレンズの端部である第二端部上の前記オーバーコート膜の厚みよりも薄くなっているマイクロレンズアレイ。
  2. 請求項1記載のマイクロレンズアレイであって、
    前記第一端部から前記第二端部に向かうにしたがって、前記マイクロレンズ上のオーバーコート膜の厚みが徐々に厚くなっているマイクロレンズアレイ。
  3. 請求項1又は2記載のマイクロレンズアレイであって、
    前記非真円状が、角部が丸みを帯びた多角形状であるマイクロレンズアレイ。
  4. 請求項3記載のマイクロレンズアレイであって、
    前記多角形状が四角形状であるマイクロレンズアレイ。
  5. 請求項1〜4のいずれか記載のマイクロレンズアレイであって、
    前記マイクロレンズの材料と前記オーバーコート膜の材料が、それぞれ樹脂を含み、それぞれの前記樹脂の組成が同一であるマイクロレンズアレイ。
  6. 請求項5記載のマイクロレンズアレイであって、
    前記マイクロレンズの材料に含まれる前記樹脂の分子量分布と前記オーバーコート膜の材料に含まれる前記樹脂の分子量分布が異なるマイクロレンズアレイ。
  7. 請求項5記載のマイクロレンズアレイであって、
    前記マイクロレンズの材料と前記オーバーコート膜の材料が同一であるマイクロレンズアレイ。
  8. 請求項7記載のマイクロレンズアレイであって、
    前記マイクロレンズの材料の粘度が、前記オーバーコート膜の材料の粘度よりも高いマイクロレンズアレイ。
  9. 請求項1〜8のいずれか記載のマイクロレンズアレイであって、
    前記マイクロレンズと前記オーバーコート膜が、それぞれイオン注入により硬化処理されたものであるマイクロレンズアレイ。
  10. 平坦面上に底面が非真円状のマイクロレンズを多数配列したマイクロレンズアレイの製造方法であって、
    前記平坦面上に前記多数のマイクロレンズを形成するレンズ形成工程と、
    前記多数のマイクロレンズの上に、前記多数のマイクロレンズの各々の曲率を調整するオーバーコート膜を形成するオーバーコート膜形成工程とを含み、
    前記レンズ形成工程では、前記マイクロレンズの中心と、前記中心からの距離が最大となる該マイクロレンズの端部とを結ぶ方向に並ぶマイクロレンズ同士の隙間が、前記マイクロレンズの中心と、前記中心からの距離が最小となる該マイクロレンズの端部とを結ぶ方向に並ぶマイクロレンズ同士の隙間よりも大きくなるように前記多数のマイクロレンズを形成するマイクロレンズアレイの製造方法。
  11. 請求項10記載のマイクロレンズアレイの製造方法であって、
    前記オーバーコート膜形成工程では、スピンコートによって前記オーバーコート膜を形成するマイクロレンズアレイの製造方法。
  12. 請求項10又は11記載のマイクロレンズアレイの製造方法であって、
    前記非真円状が、角部が丸みを帯びた多角形状であるマイクロレンズアレイの製造方法。
  13. 請求項12記載のマイクロレンズアレイの製造方法であって、
    前記多角形状が四角形状であるマイクロレンズアレイの製造方法。
  14. 請求項10〜13のいずれか記載のマイクロレンズアレイの製造方法であって、
    前記マイクロレンズの材料と前記オーバーコート膜の材料が、それぞれ樹脂を含み、それぞれの前記樹脂の組成が同一であるマイクロレンズアレイの製造方法。
  15. 請求項14記載のマイクロレンズアレイの製造方法であって、
    前記マイクロレンズの材料に含まれる前記樹脂の分子量分布と前記オーバーコート膜の材料に含まれる前記樹脂の分子量分布が異なるマイクロレンズアレイの製造方法。
  16. 請求項14記載のマイクロレンズアレイの製造方法であって、
    前記マイクロレンズの材料と前記オーバーコート膜の材料が同一であるマイクロレンズアレイの製造方法。
  17. 請求項16記載のマイクロレンズアレイの製造方法であって、
    前記マイクロレンズの材料の粘度が、前記オーバーコート膜の材料の粘度よりも高いマイクロレンズアレイの製造方法。
  18. 平坦面上にマイクロレンズを多数配列したマイクロレンズアレイであって、
    前記多数のマイクロレンズの上には、前記多数のマイクロレンズの各々の曲率を調整するオーバーコート膜が形成され、
    前記マイクロレンズの材料と前記オーバーコート膜の材料が別材料で構成されるマイクロレンズアレイ。
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