JP2007193266A - マイクロレンズアレイの製造方法及びマイクロレンズ基板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】転写方式のマイクロレンズアレイの製造方法において、パターン露光工程に使用するフォトマスクとして、1.5μm角の矩形状のメインパターン11の4隅に0.2μmのパターン幅を有する形状補正用パターン12aを連結するようにパターン付加するとともに、矩形状のメインパターン11の相対する辺の一部が0.2μmのパターン幅を有する形状補正用パターン12bでパターン抜きされているマスクパターンが配置されたフォトマスクを用いることを特徴とする。
【選択図】図3
Description
これらディスプレイは、携帯機器での使用や、ゴーグルタイプのような顔に装着しての使用など、使用目的が多目的化し一層の小型化が進んでいる。
小型ディスプレイ用LEDに用いられる光学機能素子は、数mm〜1mm□程度の大きさにて高い集光性や光拡散性が求められている。
これを補う目的で、集光のためにマイクロレンズを受光素子の上に形成することが一般的となっている。
通常、マイクロレンズは半球状であり、有機樹脂から構成されるが、そのレンズの高さはおよそ2μmから0.2μmの範囲にある。
特許文献1には、熱リフローによる樹脂の熱流動性を用いてレンズを丸く半球状に形成する技術、及びレンズ表面にPGMAなどの有機膜やOCD(SiO2系)の無機膜を形成することも開示されている。
以下、このドライエッチング技術により形成されるマイクロレンズを転写レンズと呼び、また、この加工方法を転写方式と略称する。
更に、感光性のレンズ材料を用いて画素間のギャップを小さくする技術が開示されている(例えば、特許文献5参照)。
まず、光電変換素子111が形成された半導体基板110上に公知の方法で平坦化層121及び赤色フィルタ131R、緑色フィルタ132G、青色フィルタ133Bからなるカラーフィルタ130を形成する(図22(a)〜(c)参照)。
熱リフロー性を有する感光性樹脂層161としては、一般にポジ型の感光性樹脂(通常、半導体レジストにも用いられる感光性フェノール樹脂)が用いられる。
また、エッチング制御層は、後述するドライエッチングの際にレンズ母型より遅いエッチングレートとなる樹脂で形成するのが望ましい。
なお、パターン露光の際にはステッパー露光装置にて1/5に縮小されてパターン露光が行われるため、5倍レチクルマスク上では図18上の寸法は5倍のパターン寸法になる。
スクパターンが矩形状であっても、感光性樹脂層161の解像度と、露光波長(365nm)の影響などから、コーナー部(角部)が丸みを帯びたレジストパターンとなる。
また、マイクロレンズ形成用の感光性樹脂層の解像度に限界があることも樹脂のコーナー部が丸みを帯びる原因となる。
図20に示すように、マイクロレンズ141aの対角方向のマイクロレンズ間の隙間142は大きくなっており、この隙間142は光の集光及び拡散に寄与しないためマイクロレンズの開口率を下げることになる。
さらに、2.2μm以下の画素ピッチになると、図20に示すように、対角方向のマイクロレンズ間の隙間142が大きくなることによる開口率の低下による集光性の低下は顕著なものとなる。
上記したように、熱リフローレンズは、熱処理で樹脂を溶融し、その溶融時の樹脂の表面張力を利用して凸レンズ状に丸く加工するものであるが、熱リフローの際の流動化時に隣接するレンズ同士がくっつかないように、そのレンズ間に約0.3μm程度のギャップ(平面視矩形状のレンズの辺方向の隙間)が必要である。
そのため、画素ピッチが微細化するとともに、図21に示すように、急激に実効的な開口率が低下する。
らないため、パターン露光波長が365nm(0.365μm)である半導体製造に用いられる高精度のステッパー露光装置を使用し、また、マイクロレンズ形成用の素材として、感光性を有し、かつ、熱リフロー性を有する樹脂として、例えば感光性フェノール樹脂を使用することになる。
同様に、パターンマスク上の透光パターンが0.1μm幅の場合も、パターン露光時に感光性樹脂に極端な過剰露光を行わないと樹脂でのパターン再現ができない。
このことから、0.15〜0.2μm幅の単独パターンは、パターン再現できるかどうかの境界領域となる。
ズアレイを形成するための矩形状のメインパターンがマトリクス状に配置され、前記矩形状のメインパターンの4隅に0.15〜0.2μmのパターン幅を有する形状補正用パターンが、対角線上に隣接するメインパターンの隅同士を連結するように付加され、かつ、前記矩形状のメインパターンが交差する部位には矩形状の抜きパターンが形成されたパターンを感光性樹脂層にパターン露光しうるフォトマスクを用いることを特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法としたものである。
ズ基板としたものである。
同時に、レンズ形状及び曲率を制御できるため、光学機能素子及び撮像素子に最適のマイクロレンズアレイを提供できる。
また、本発明のマイクロレンズアレイの製造方法では、透明樹脂層として熱硬化樹脂や低屈折・高屈折率樹脂など広範囲の樹脂を選択できるため、最適なレンズの反射率、光学特性、信頼性(耐熱性など)を有するマイクロレンズアレイを形成できる。
さらに、本発明のマイクロレンズアレイの製造方法では、レンズ形状や厚み(曲率)を個々に調整できるため、光電変換素子へ集光用、もしくはLED等の光源からの光を拡散するのに最も適した光学特性を有するマイクロレンズを提供することができる。
請求項1に係る発明は、基板上に熱リフロー性を有する感光性樹脂層を形成する工程と、前記感光性樹脂層にフォトマスクを用いてパターン露光するパターン露光工程と、現像等のパターニング処理を行ってレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンを熱溶融してマイクロレンズアレイを形成する熱リフロー工程とを有するマイクロレンズアレイの製造方法において、前記パターン露光の際、マイクロレンズアレイを形成するための矩形状のメインパターンがマトリクス状に配置され、前記矩形状のメインパターンの4隅に0.15〜0.2μmのパターン幅を有する形状補正用パターンが、対角線上に隣接するメインパターンの隅同士を連結するように付加され、かつ、前記矩形状のメインパターンが交差する部位には矩形状の抜きパターンが形成されたパターンを感光性樹脂層にパターン露光しうるフォトマスクを用いるようにしたものである。
マスクパターン10aは、ポジ型の感光性樹脂層をパターン露光する際に使用するマスクパターンの一例であって、マスクパターン上で遮光部となる1.5μm角の矩形状のメインパターン11の4隅に0.2μmのパターン幅を有する形状補正用パターン12aをメインパターン同士を連結するようにパターン付加し、さらに形状補正用パターン12a同士が交差する連結中央部を0.15〜0.2μmのパターン幅を有する形状補正用パターン13aでパターン抜きして、矩形状のメインパターン11のパターン補正をしている。尚、形状補正パターン12a同士が交差する部位は、レジスト残りが生じ易く、パターン不良となり易い。そのため、不要なレジスト残りを防止するため、交差部に抜きパターンを形成している(図6参照)。
このように、矩形状のメインパターン11を形状補正用パターンでパターン補正することにより、2.2μm以下の矩形状のメインパターンにおいてもコーナー部のパターン再現性が改善され、コーナー部の丸みが低減されたマイクロレンズを得られるため、マイクロ
レンズのレンズ開口率を上げることができる。
このように矩形状のメインパターン11のパターン補正することにより、2.2μm以下の矩形状のメインパターンにおいてもコーナー部のパターン再現性が改善され、マイクロレンズのレンズ開口率を上げることができ、且つ凹部により熱フローの際にリフローするレンズの体積を調整できるため、マイクロレンズの断面形状やレンズ体積(厚み、曲率)を調整できる。
このときに、マイクロレンズの中心位置を、受光素子の位置に合わせて、例えば、0.1μm〜0.3μmといった量で位置調整や微妙な曲率調整が必要になってくる。
図7に示すパターンを有するフォトマスクを用いることで、マイクロレンズの位置調整や微妙な曲率調整の可能な技術を提案するものである。
マイクロレンズアレイを形成するための矩形状のメインパターンがマトリクス状に配置され、前記矩形状のメインパターンの4隅に0.15〜0.2μmのパターン幅を有する形状補正用パターンが、対角線上に隣接するメインパターンの隅同士を連結するように付加され、かつ、前記矩形状のメインパターンが交差する部位には矩形状の抜きパターンが形成されたパターンを感光性樹脂層にパターン露光しうるフォトマスクを用いるようにしたものである。
ターン露光されるパターンの寸法であり、5倍レチクルを用いてパターン露光する場合には、5倍レチクル上には図1の5倍の寸法を有するパターンが形成される。
マスクパターン10aは、ポジ型の感光性樹脂層をパターン露光する際に使用するマスクパターンの一例であって、1.5μm角の矩形状のメインパターン11の4隅に0.2μmのパターン幅を有する形状補正用パターン12aを連結するようにパターン付加し、さらに形状補正用パターン12aの交差する連結中央部を0.15〜0.2μmのパターン幅を有する形状補正用パターン13aでパターン抜きしている。
特に、上記請求項1に係わる熱リフロー方式のマイクロレンズよりも、マイクロレンズのレンズ開口率を上げることができる。
このように、矩形状のメインパターン11をパターン補正することにより、2.2μm以下の矩形状のメインパターンにおいてもコーナー部のパターン再現性が改善され、マイクロレンズのレンズ開口率を上げることができ、且つマイクロレンズの断面形状やレンズ体積(厚み、曲率)を調整できる。
図14(a)〜(e)及び図15(f)〜(h)は、転写方式のマイクロレンズアレイの製造方法の一実施例を示す模式構成断面図である。
まず、光電変換素子21が形成された半導体基板20上に公知の方法で平坦化層31及び赤色フィルタ41R、緑色フィルタ42G、青色フィルタ43Bからなるカラーフィルタ40を形成する(図14(a)〜(c)参照)。
熱リフロー性を有する感光性樹脂層71としては、一般にポジ型の感光性樹脂(通常、半
導体レジストにも用いられる感光性フェノール樹脂)が用いられ、感光性フェノール樹脂、感光性フェノールノボラック樹脂、感光性ポリスチレン樹脂、感光性アクリル樹脂などが使用可能である。熱リフロー性、感光性、アルカリ現像(通常ポジ型)などの特性を保有していれば良い。サブミクロンの高い解像度があることは、より望ましい。
レンズ母型71bは、溶融時にレジストパターン71a表面に生じる表面張力により、凸状(例えば、断面が半球状)のレンズが形成される。
あるいは、ベンゼン環を有する紫外線吸収剤などを添加しても表面荒れを抑制する効果が得られる。
エッチング制御層61に採用可能な樹脂は熱硬化型の樹脂であっても良いし、アルカリ現像の可能な感光性樹脂であっても良い。
特に、カーボン原子/フッソ原子比率でカーボンの割合の高いガスを用いると、ドライエッチングでの形状転写にて、図15(g)に示す中間マイクロレンズ61aを大きく形成しやすい。これは、ドライエッチング時にレンズ母型71bや中間マイクロレンズ61aの側壁にCFxが形成されやすく、レンズ形状を大きくできるためである。
レンズ母型パターンが大きくなり、結果として、レンズ間の隙間が小さくなり、「狭ギャップ」効果が得られることになる。
の大きいフロロカーボン系のガスを用いることが良い。
また、部分的に水素原子を含んだフロン系ガスを導入しても良い。
高屈折率を要求する場合は、ポリイミド樹脂やイオウなどハロゲン基を導入したアクリル樹脂、あるいは、SiN(窒化シリコン)のような無機材料もその選択範囲に入る。
耐熱性が重要な用途であれば、前記した材料のほか、耐熱アクリル樹脂も採用可能である。
エッチングレートの異なるレンズ母型の感光性樹脂、エッチング制御層、透明樹脂を用いることにより、マイクロレンズの厚み(曲率)の調整も可能である。
この場合、マイクロレンズのサイズは、2.2μmピッチでも良いが、必要に応じ2.2μmより大きいサイズで形成しても良い。
を有する形状補正用パターン12aを連結するようにパターン付加し、且つ前記矩形状のメインパターンの一部を0.15〜0.2μmのパターン幅を有する形状補正用パターンでパターン抜きしたマスクパターンが配置されたフォトマスクを使用してパターン露光するので、マイクロレンズアレイのマイクロレンズを断面非対称のマイクロレンズで構成することができる。
次いで、有機アルカリ等の現像液にて現像処理を行って、エッチング制御層151上の所定位置にレジストパターン71aを形成した(図14(e)参照)。
図2に、レジストパターン71aの電子顕微鏡写真を示す。
図3に、レンズ母型71bの電子顕微鏡写真を示す。
図4に、マイクロレンズ51aの電子顕微鏡写真を、図5に、マイクロレンズ51aの断面拡大写真をそれぞれ示す。
図4の電子顕微鏡写真からも分かるように、4隅に0.2μm幅の形状補正用パターン12aを付加することにより、マイクロレンズのコーナー部の丸みが小さくなり、開口率が上昇していていることが確認された。
また、マイクロレンズ51aの開口率は約94%であった。
まず、画素の中央より辺方向に位置ずれした光電変換素子21を有する半導体基板20a
上に実施例1と同様な方法で平坦化層31及び赤色フィルタ41R、緑色フィルタ42G、青色フィルタ43Bからなるカラーフィルタ40を形成した(図14(a)〜(c)参照)。
次いで、有機アルカリ等の現像液にて現像処理を行って、エッチング制御層151上の所定位置にレジストパターン72aを形成した(図14(e)参照)。
図8は、レジストパターン72aの電子顕微鏡写真を示す。
図9は、レンズ母型72bの電子顕微鏡写真を示す。
図10は、マイクロレンズ52aの電子顕微鏡写真を、図11は、マイクロレンズ52aの断面拡大写真をそれぞれ示す。
また、マイクロレンズ52aの高さのピークは、形状補正用パターン13bでパターン抜きした部分と反対側に、中心よりおよそ0.2μmずれていることが確認された。
また、マイクロレンズ52aの開口率は約92%であった。
程となるため、製造工程は図14、図15を用いて説明する。
まず、図17(b)に示すように画素の中央より対角方向に位置ずれした光電変換素子21を有する半導体基板20a上に実施例1と同様な方法で平坦化層31及び赤色フィルタ41R、緑色フィルタ42G、青色フィルタ43Bからなるカラーフィルタ40を形成した(図14(a)〜(c)参照)。
次いで、有機アルカリ等の現像液にて現像処理を行って、エッチング制御層151上の所定位置にレジストパターン73aを形成した(図14(e)参照)。
ここで、マスクパターン10cを用いて形成したレンズ母型は、形状補正用パターン12cでパターン抜きすることにより、熱で溶融、リフローするレンズの体積を調整できるため、レンズ高さ(レンズ曲率)を調整できることになる。
ここで、マイクロレンズの1隅がなだらかな曲線をもつ非対称のマクロレンズを加工することができた。
次いで、有機アルカリ等の現像液にて現像処理を行って、エッチング制御層151上の所定位置にレジストパターン74aを形成した(図14(e)参照)。
ここで、マスクパターン10dを用いて形成したレンズ母型は、1.5μmの矩形状のメインパターンの1部を0.2μmのパターン幅を有する形状補正用パターン13dと13eとでパターン抜きしているので、全体として膜厚が薄い熱リフローレンズとなる。
ここで、マイクロレンズ54aは、実施例1で作製したマイクロレンズ51aよりも中心部の高さが0.1μmほど低いマイクロレンズを作製することができた。
また、マイクロレンズ54aの開口率は約93%であった。
撮像素子においては、2μmピッチ以下の微細画素においても受光素子の位置に関わらず、集光を最適化でき、また、形状や厚みの異なるマイクロレンズを撮像素子チップの光学条件にあわせて配設することにより、従来、問題であったチップ中央部と端部の集光性の差を解消することができる。
また、赤・緑・青などの各色のカラーフィルタの屈折率差を補正するため、赤・緑・青のフィルタに対応して形成する各レンズの厚みを調整できる。
例えば、ガラス基板上に上述した方法でマイクロレンズアレイを形成したマイクロレンズ基板は、光を均一に集光、拡散することができる。
そのため、かかるマイクロレンズ基板をLED等の光源に組み込めば高品質の表示装置を得ることが可能となる。
11……矩形状のメインパターン
12a、13a、13b、13c、13d……形状補正用パターン
20、20a、110……半導体基板
21、111……光電変換素子
31、121……平坦化層
40……カラーフィルタ
41R、131R……赤色フィルタ
42G、132G……緑色フィルタ
43B、133B……青色フィルタ
51、141……透明樹脂層
51a、52a、53a、54a、141a……マイクロレンズ
61、151……エッチング制御層
61a、62a、63a、64a、151a……中間レンズ
71、161……感光性樹脂層
71a、72a、73a、74a、161a……レジストパターン
71b、72b、73b、74b、161b……レンズ母型
100a、100b、100c、100d……マイクロレンズ基板
Claims (10)
- 基板上に熱リフロー性を有する感光性樹脂層を形成する工程と、前記感光性樹脂層にフォトマスクを用いてパターン露光するパターン露光工程と、現像等のパターニング処理を行ってレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンを熱溶融してマイクロレンズアレイを形成する熱リフロー工程とを有するマイクロレンズアレイの製造方法において、
前記パターン露光の際、
マイクロレンズアレイを形成するための矩形状のメインパターンがマトリクス状に配置され、前記矩形状のメインパターンの4隅に0.15〜0.2μmのパターン幅を有する形状補正用パターンが、対角線上に隣接するメインパターンの隅同士を連結するように付加され、かつ、前記矩形状のメインパターンが交差する部位には矩形状の抜きパターンが形成されたパターンを感光性樹脂層にパターン露光しうるフォトマスクを用いることを特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法。 - 前記矩形状のメインパターンの一部が0.15〜0.2μmのパターン幅を有する形状補正用パターンでパターン抜きされて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アレイの製造方法。
- 基板上に透明樹脂層を形成する工程と、前記透明樹脂層上に熱リフロー性を有する感光性樹脂層を形成する工程と、前記感光性樹脂層にフォトマスクを用いてパターン露光するパターン露光工程と、現像等のパターニング処理を行って前記感光性樹脂層を所定のレジストパターンとする工程と、前記レジストパターンを熱溶融して半球状のレンズ母型を形成する工程と、前記レンズ母型をマスクにして前記透明樹脂層をドライエッチングしてレンズ母型の形状を前記透明樹脂層に転写してマイクロレンズとするマイクロレンズアレイの製造方法において、
前記パターン露光の際、
マイクロレンズアレイを形成するための矩形状のメインパターンがマトリクス状に配置され、前記矩形状のメインパターンの4隅に0.15〜0.2μmのパターン幅を有する形状補正用パターンが、対角線上に隣接するメインパターンの隅同士を連結するように付加され、かつ、前記矩形状のメインパターンが交差する部位には矩形状の抜きパターンが形成されたパターンを感光性樹脂層にパターン露光しうるフォトマスクを用いることを特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法。 - 前記矩形状のメインパターンの一部が0.15〜0.2μmのパターン幅を有する形状補正用パターンでパターン抜きされていることを特徴とする請求項3に記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
- 前記透明樹脂層と感光性樹脂層との間に、レンズ母型を構成する樹脂のエッチングレートより遅いエッチングレートを有するエッチング制御層を有し、レンズ母型をマスクとしてエッチング制御層にドライエッチングを行って中間マイクロレンズを形成し、しかる後、中間マイクロレンズをマスクとして前記透明樹脂層にドライエッチングを行うことを特徴とする請求項3また4に記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
- 基板上に透明樹脂層を形成する工程と、前記透明樹脂層上に熱リフロー性を有する感光性樹脂層を形成する工程と、前記感光性樹脂層にフォトマスクを用いてパターン露光するパターン露光工程と、現像等のパターニング処理を行って前記感光性樹脂層を所定のレジストパターンとする工程と、前記レジストパターンを熱溶融して半球状のレンズ母型を形成する工程と、前記レンズ母型をマスクにして前記透明樹脂層をドライエッチングしてレンズ母型の形状を前記透明樹脂層に転写してマイクロレンズとするマイクロレンズアレイ
の製造方法において、
前記パターン露光の際、
マイクロレンズアレイを形成するための矩形状のメインパターンがマトリクス状に配置され、前記矩形状のメインパターンの3隅に0.15〜0.2μmのパターン幅を有する形状補正用パターンが、対角線上に隣接するメインパターンの隅同士を連結するように付加され、形状補正用パターンが付加されない前記メインパターンの1隅が0.15μm〜0.2μmのパターン幅を有する形状補正パターンでパターン抜きされたパターンを感光性樹脂層にパターン露光しうるフォトマスクを用いることを特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法。 - 前記透明樹脂層と感光性樹脂層との間に、レンズ母型を構成する樹脂のエッチングレートより遅いエッチングレートを有するエッチング制御層を有し、レンズ母型をマスクとしてエッチング制御層にドライエッチングを行って中間マイクロレンズを形成し、しかる後、中間マイクロレンズをマスクとして前記透明樹脂層にドライエッチングを行うことを特徴とする請求項6記載のマイクロレンズアレイの製造方法。
- 請求項1乃至7のいずれか一項に記載のマイクロレンズアレイの製造方法にて作製されたマイクロレンズ基板であって、前記基板は、個々のマイクロレンズと対応する光電変換素子が形成された半導体基板であり、個々のマイクロレンズの面積が、前記光電変換素子のアレイ画素面積の90%以上であることを特徴とするマイクロレンズ基板。
- 請求項1乃至7のいずれか一項に記載のマイクロレンズアレイの製造方法にて作製されたマイクロレンズ基板であって、前記マイクロレンズアレイが、厚みの異なるマイクロレンズを含むことを特徴とする請求項6に記載のマイクロレンズ基板。
- 請求項1乃至7のいずれか一項に記載のマイクロレンズアレイの製造方法にて作製されたマイクロレンズ基板であって、前記マイクロレンズアレイが、断面形状が非対称となったマイクロレンズで構成されていることを特徴とするマイクロレンズ基板。
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