JP2007316153A - Method of manufacturing microlens for color imaging element and microlens array for color imaging element - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、カラー撮像素子のマイクロレンズ製造方法及びカラー撮像素子のマイクロレンズアレイに関係している。 The present invention relates to a microlens manufacturing method for a color image sensor and a microlens array for a color image sensor.
従来のカラー撮像素子では、半導体基板に設けられた複数の光電変換素子上にフォトリソグラフィー技術を使用して相互に隣接して隙間なく複数色のカラーフィルターが形成されている。カラーフィルターは、略1μmの厚さを有している。なお、カラーフィルターには無色のものも含まれている。 In a conventional color imaging device, color filters of a plurality of colors are formed on a plurality of photoelectric conversion elements provided on a semiconductor substrate, adjacent to each other using a photolithography technique, without a gap. The color filter has a thickness of approximately 1 μm. Color filters include those that are colorless.
近年、撮像素子の高画素化が進んでおり、近年では数百万画素にもなっている。しかも、このような高画素化の進展に伴い、各画素において各画素を動作させるための種々の配線や電子回路が占める面積の割合が増加し、現在各画素において実際に光電変換素子が受光する為に利用することが出来る面積の割合(開口率)は20〜40%程度である。 In recent years, the number of pixels of an image sensor has been increased, and in recent years, the number of pixels has reached several million. In addition, as the number of pixels increases, the ratio of the area occupied by various wirings and electronic circuits for operating each pixel in each pixel increases, and the photoelectric conversion element actually receives light in each pixel at present. Therefore, the ratio of the area that can be used (opening ratio) is about 20 to 40%.
このことは、撮像素子の光感度が低下することを意味している。 This means that the photosensitivity of the image sensor is lowered.
撮像素子の光感度を向上させるために、カラーフィルター上に光電変換素子に対応してマイクロレンズを形成することが特開昭59−122193号公報(特許文献1),及び特開2005−294467号公報(特許文献2),そして特開2004−145319号公報(特許文献3)に開示されている。 In order to improve the photosensitivity of the image pickup device, it is possible to form a microlens on the color filter corresponding to the photoelectric conversion device, as disclosed in JP-A-59-122193 (Patent Document 1) and JP-A-2005-294467. This is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2004-145319 and Japanese Patent Laid-Open No. 2004-145319 (Patent Document 3).
特許文献1及び特許文献2の夫々に記載のマイクロレンズ付きカラー撮像素子では、マイクロレンズが対応するカラーフィルターの表面に直接形成されている。そして、特許文献3に記載のマイクロレンズ付きカラー撮像素子では、カラーフィルター上に形成された平坦化層の上にマイクロレンズが形成されている。
従来のマイクロレンズは、通常熱リフロー法により形成される。 Conventional microlenses are usually formed by a thermal reflow method.
従って、マイクロレンズが対応するカラーフィルターの表面に直接形成されている従来例では、カラーフィルター表面の凹凸がマイクロレンズの周辺部の厚さの薄い部分の表面に反映されてしまい、マイクロレンズの周辺部の厚さの薄い部分の光学的性能が低下し、ひいてはマイクロレンズの周辺部の厚さの薄い部分からカラーフィルターを介して対応した光電変換素子に入射した光が対応する光電変換素子から発生される電気信号にノイズを生じさせたりカラーフィルターの色に正確に対応しない電気信号を生じさせることがあるという問題が生じていた。 Therefore, in the conventional example in which the micro lens is directly formed on the surface of the corresponding color filter, the unevenness of the color filter surface is reflected on the surface of the thin portion of the peripheral portion of the micro lens, and the periphery of the micro lens is The optical performance of the thin part of the part decreases, and as a result, light incident on the corresponding photoelectric conversion element through the color filter from the thin part of the peripheral part of the microlens is generated from the corresponding photoelectric conversion element There has been a problem that the generated electrical signal may generate noise or an electrical signal that does not accurately correspond to the color of the color filter.
マイクロレンズが対応するカラーフィルター上に形成された平坦化層の上に形成されている従来例では、カラーフィルター表面の凹凸がマイクロレンズの表面に反映されてしまうことがなく、マイクロレンズとしての光学的性能が低下するという問題は生じないが、平坦化層を形成する工程がマイクロレンズ付きカラー撮像素子の製造コストを上昇させている。さらに、平坦化層がマイクロレンズから光電変換素子までの距離を遠ざけ光電変換素子に対するマイクロレンズの集光特性を低下させるので、カラー撮像素子の光感度が平坦化層により低下されている。 In the conventional example in which the microlens is formed on the flattening layer formed on the corresponding color filter, the unevenness of the color filter surface is not reflected on the surface of the microlens, and the optical as a microlens However, the process of forming the planarization layer increases the manufacturing cost of the color image sensor with microlenses. Furthermore, since the flattening layer increases the distance from the microlens to the photoelectric conversion element and reduces the condensing characteristic of the microlens with respect to the photoelectric conversion element, the photosensitivity of the color imaging element is reduced by the flattening layer.
また従来のカラー撮像素子では、熱リフロー法によりマイクロレンズが形成される時に隣接するマイクロレンズが相互に融着するのを防止する為に、隣接するマイクロレンズはその周辺が相互に離間するよう形成される。従って、隣接するマイクロレンズの相互間では、マイクロレンズの下にある平坦化層が露出している。そして、このような隣接するマイクロレンズの相互間の部分に入射した光はマイクロレンズによってカラーフィルターを介し対応する光電変換素子に導かれることがなく、撮像素子の光感度をさらに向上させることが出来なかった。 Also, in the conventional color image sensor, adjacent microlenses are formed so that their periphery is separated from each other in order to prevent adjacent microlenses from being fused to each other when the microlenses are formed by the thermal reflow method. Is done. Therefore, the planarization layer under the microlens is exposed between the adjacent microlenses. The light incident on the part between the adjacent microlenses is not guided to the corresponding photoelectric conversion element through the color filter by the microlens, and the photosensitivity of the imaging element can be further improved. There wasn't.
この発明は上記事情の下で為され、この発明の目的は、撮像素子の光感度を向上させるためにカラーフィルター上に光電変換素子に対応してマイクロレンズを直接形成してもマイクロレンズとしての光学的性能を低下させることがなく、ひいては上記光感度の更なる向上と製造コストの低下とをもたらすことが出来るカラー撮像素子のマイクロレンズ製造方法を提供すること、及びカラー撮像素子において隣接するマイクロレンズの相互間でもマイクロレンズとして十分機能可能なマイクロレンズアレイを提供することである。 The present invention has been made under the above circumstances, and the object of the present invention is to provide a microlens even if a microlens is directly formed on a color filter corresponding to a photoelectric conversion element in order to improve the photosensitivity of an image pickup element. Providing a microlens manufacturing method for a color image sensor that can further improve the photosensitivity and lower the manufacturing cost without degrading the optical performance, and providing a microlens adjacent to the color image sensor. The object is to provide a microlens array that can sufficiently function as a microlens even between lenses.
上述したこの発明の目的を達成するために、この発明に従ったカラー撮像素子のマイクロレンズ製造方法は:撮像素子の半導体基板の複数の光電変換素子の上に平坦化層を形成する平坦化層形成工程と;平坦化層の上に複数の光電変換素子の夫々に対応して所望の色のカラーフィルター層を形成するカラーフィルター層形成工程と;カラーフィルター層の上に感光性レンズ材料の層を形成する感光性レンズ材料層形成工程と;感光性レンズ材料層を透過率分布を制御したフォトマスクを使用して、現像後に対応する光電変換素子上にマイクロレンズが形成されるようパターン露光する露光工程と;パターン露光された感光性レンズ材料層を現像し対応する光電変換素子上にマイクロレンズを形成する現像工程と;そして、現像されたマイクロレンズを硬化させる硬化工程と;を備えたことを特徴としている。 In order to achieve the above-described object of the present invention, a method for manufacturing a microlens for a color image sensor according to the present invention includes: a planarization layer that forms a planarization layer on a plurality of photoelectric conversion elements on a semiconductor substrate of an image sensor. Forming step; forming a color filter layer of a desired color corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion elements on the planarizing layer; and forming a layer of photosensitive lens material on the color filter layer A photosensitive lens material layer forming step for forming the photosensitive lens material; pattern exposure using a photomask having a controlled transmittance distribution so that a microlens is formed on the corresponding photoelectric conversion element after development. An exposure step; a development step of developing the pattern-exposed photosensitive lens material layer to form a microlens on a corresponding photoelectric conversion element; and a developed micro It is characterized by comprising; a curing step of curing the lens.
また、この発明に従ったマイクロレンズアレイは、上述した如く構成されたことを特徴とするカラー撮像素子のマイクロレンズ製造方法により、その全周に渡りその頂点からその基端までの曲率が同じであるマイクロレンズを2次元的に配置して形成されたことを特徴としている。 In addition, the microlens array according to the present invention has the same curvature from its apex to its base end over the entire circumference by the microlens manufacturing method of the color image pickup device configured as described above. It is characterized in that a certain microlens is formed two-dimensionally.
この発明に従ったカラー撮像素子のマイクロレンズ製造方法では、平坦化層形成工程により撮像素子の半導体基板の複数の光電変換素子の上に平坦化層が形成され、次に、平坦化層の上にカラーフィルター層形成工程により複数の光電変換素子の夫々に対応して所望の色のカラーフィルター層が形成され、さらに、カラーフィルター層の上に感光性レンズ材料層形成工程により感光性レンズ材料の層が形成される。 In the microlens manufacturing method for a color image pickup device according to the present invention, the flattening layer is formed on the plurality of photoelectric conversion elements on the semiconductor substrate of the image pickup device by the flattening layer forming step, and then on the flattening layer. Then, a color filter layer of a desired color is formed corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion elements by the color filter layer forming step, and further, the photosensitive lens material layer is formed on the color filter layer by the photosensitive lens material layer forming step. A layer is formed.
カラーフィルター層と感光性レンズ材料層との間に感光性レンズ材料層の為の平坦化層が形成されないので、前述した従来例に比べ製造コストを低下させることが出来る。さらに、このような平坦化層がないのでマイクロレンズから光電変換素子までの距離が近くなる。従って、後に感光性レンズ材料層から形成されるマイクロレンズ及びカラーフィルター層を介して対応する光電変換素子に入射する光の光量が、このような平坦化層があった前述した従来例の場合に比べ、増加し、そして、カラー撮像素子の光感度が増加する。 Since the planarizing layer for the photosensitive lens material layer is not formed between the color filter layer and the photosensitive lens material layer, the manufacturing cost can be reduced as compared with the conventional example described above. Furthermore, since there is no such flattening layer, the distance from the microlens to the photoelectric conversion element is reduced. Therefore, in the case of the above-described conventional example in which the amount of light incident on the corresponding photoelectric conversion element through the microlens and the color filter layer formed later from the photosensitive lens material layer has such a flattening layer, In comparison, the light sensitivity of the color image sensor increases.
この発明に従ったカラー撮像素子のマイクロレンズ製造方法ではさらに、感光性レンズ材料層が、露光工程より、透過率分布を制御したフォトマスクを使用して、現像後に対応する光電変換素子上のカラーフィルター層上にマイクロレンズが形成されるようパターン露光され、次に、パターン露光された感光性レンズ材料層を現像工程により現像し対応する光電変換素子上のカラーフィルター層上にマイクロレンズを形成し、最後に、現像されたマイクロレンズを、硬化工程により硬化させる。 In the microlens manufacturing method for a color image pickup device according to the present invention, the photosensitive lens material layer further uses a photomask whose transmittance distribution is controlled from the exposure step, and the color on the photoelectric conversion device corresponding to the color after development. Pattern exposure is performed so that microlenses are formed on the filter layer, and then the pattern-exposed photosensitive lens material layer is developed by a development process to form microlenses on the color filter layer on the corresponding photoelectric conversion element. Finally, the developed microlens is cured by a curing process.
撮像素子の光感度を向上させるためにカラーフィルター層上に光電変換素子に対応してこのようにして熱リフロー法によらず直接形成されたマイクロレンズの表面には、カラーフィルター層のカラーフィルター表面の凹凸がマイクロレンズの周辺部の厚さの薄い部分の表面に反映されることがない。従って、マイクロレンズの周辺部の厚さの薄い部分の光学的性能が低下することがなく、ひいてはマイクロレンズの周辺部の厚さの薄い部分からカラーフィルターを介して対応した光電変換素子に入射した光が対応する光電変換素子から発生される電気信号にノイズを生じさせることがなく、また、カラーフィルターの色に正確に対応しない電気信号を生じさせることがない。 In order to improve the photosensitivity of the image sensor, the color filter surface of the color filter layer is formed on the surface of the microlens formed directly on the color filter layer in correspondence with the photoelectric conversion element in this way without using the thermal reflow method. Are not reflected on the surface of the thin portion of the peripheral portion of the microlens. Accordingly, the optical performance of the thin portion of the peripheral portion of the microlens is not deteriorated, and the incident portion enters the corresponding photoelectric conversion element through the color filter from the thin portion of the peripheral portion of the microlens. Light does not cause noise in the electric signal generated from the corresponding photoelectric conversion element, and does not cause an electric signal that does not accurately correspond to the color of the color filter.
さらに上述したように熱リフロー法によらずマイクロレンズを形成することで、隣接するマイクロレンズが相互に融着することがない。従って、個々のマイクロレンズを対応する画素のカラーフィルターの全体にわたり形成することが出来、隣接するマイクロレンズの相互間にマイクロレンズの下にあるカラーフィルターを露出させないようにすることが出来る。そして、このような隣接するマイクロレンズの相互間の部分に入射した光もマイクロレンズによってカラーフィルターを介し対応する光電変換素子に導かれるので、撮像素子の光感度をさらに向上させることが出来る。 Further, as described above, by forming the microlens without using the thermal reflow method, adjacent microlenses are not fused to each other. Therefore, each micro lens can be formed over the entire color filter of the corresponding pixel, and the color filter under the micro lens can be prevented from being exposed between adjacent micro lenses. And since the light which entered into the part between such adjacent microlenses is also guide | induced to a corresponding photoelectric conversion element through a color filter by a microlens, the photosensitivity of an image pick-up element can further be improved.
この発明に従ったマイクロレンズアレイは、上述した如く構成されたことを特徴とするカラー撮像素子のマイクロレンズ製造方法により形成されたマイクロレンズを2次元的に配置して形成されているので、個々のマイクロレンズはその全周に渡りその頂点からその基端までの曲率にすることが出来る。 The microlens array according to the present invention is formed by two-dimensionally arranging the microlenses formed by the microlens manufacturing method of the color imaging element, which is configured as described above. The microlens can have a curvature from its apex to its base end over its entire circumference.
従って、この発明に従ったマイクロレンズアレイは、カラー撮像素子において隣接するマイクロレンズの相互間でもマイクロレンズとして十分機能可能である。 Therefore, the microlens array according to the present invention can sufficiently function as a microlens even between adjacent microlenses in a color imaging device.
以下、この発明に従ったカラー撮像素子のマイクロレンズ製造方法、及びこのマイクロレンズ製造方法により製造されたマイクロレンズアレイについて、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, a microlens manufacturing method of a color imaging device according to the present invention and a microlens array manufactured by the microlens manufacturing method will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1の(A)には、半導体基板10に複数のCMOS光電変換素子12が設けられている撮像素子14の概略的な縦断面が示されている。なおこの実施の形態では光電変換素子はCMOS光電変換素子12であるが、この発明の概念に従えば光電変換素子はCCD光電変換素子であっても良い。このような撮像素子14の構成は周知であり、ここではこれ以上詳細に説明しない。
FIG. 1A shows a schematic longitudinal section of an
なおこの発明が適用可能な平面視が長方形もしくは正方形等の四角形状の画素のサイズは、略10μm〜略1μmの範囲であり、この実施の形態では略2.7μm〜略2.2μmの範囲である。 In addition, the size of a rectangular pixel such as a rectangle or a square in plan view to which the present invention can be applied is in a range of approximately 10 μm to approximately 1 μm, and in this embodiment, in a range of approximately 2.7 μm to approximately 2.2 μm. is there.
次には、図1の(B)中に示されている如く、撮像素子14において複数の光電変換素子12が開口している表面に平坦化層16が形成される。この実施の形態において平坦化層16は、熱硬化型のアクリル系樹脂をスピンコートにより塗布した後に加熱して熱硬化させることにより形成され、略0.1μmの厚さを有する。
Next, as shown in FIG. 1B, the
次には、図1の(C)中に示されている如く、平坦化層16の上に複数の光電変換素子12の夫々に対応して所望の色のカラーフィルター層18が形成される。この実施の形態において、カラーフィルター層18は、複数の光電変換素子12に対応して所望の配列に配置され所定の厚さを有する緑,青,そして赤の3色のカラーフィルター18g,18b,そして18rを含み、夫々の厚さは略1μmである。
Next, as shown in FIG. 1C, a
この実施の形態において3色のカラーフィルター18g,18b,そして18rの夫々は、平坦化層16の上の全体に均一に順次形成した夫々の色のネガ型カラーレジスト層から所望の光電変換素子12に対応した位置にのみ残るようフォトリソグラフィー法により形成されている。しかしながら、夫々の色のネガ型カラーレジスト層に代わり夫々の色のポジ型カラーレジスト層を使用し、この夫々の色のポジ型カラーレジスト層から所望の光電変換素子12に対応した位置にのみ夫々の色のカラーフィルター18g,18b,そして18rが残るようフォトリソグラフィー法により形成されることも出来る。
In this embodiment, each of the three
そして、緑色のカラーレジスト層は、例えば、シクロヘキサンやPGMEA等の有機溶剤,ポリマーワニス,モノマー,そして開始材等に色材としてC.I.ピグメントイエロー139,C.I.ピグメントグリーン36,そしてC.I.ピグメントブルー15:6を添加することにより準備することが出来る。 The green color resist layer is, for example, an organic solvent such as cyclohexane or PGMEA, a polymer varnish, a monomer, a starting material and the like as a coloring material. I. Pigment yellow 139, C.I. I. Pigment green 36, and C.I. I. It can be prepared by adding Pigment Blue 15: 6.
また、青色のカラーレジスト層は、例えば、シクロヘキサンやPGMEA等の有機溶剤,ポリマーワニス,モノマー,そして開始材等に色材としてC.I.ピグメントブルー15:6,そしてC.I.ピグメントバイオレット23を添加することにより準備することが出来る。 In addition, the blue color resist layer may be C.I. as a color material for organic solvents such as cyclohexane and PGMEA, polymer varnish, monomer, and starting material. I. Pigment blue 15: 6, and C.I. I. It can be prepared by adding Pigment Violet 23.
さらに、赤色のカラーレジスト層18は、例えば、シクロヘキサンやPGMEA等の有機溶剤,ポリマーワニス,モノマー,そして開始材等に色材として例えばC.I.ピグメントレッド117,C.I.ピグメントレッド48:1,そしてC.I.ピグメントイエロー139を添加することにより準備することが出来る。
Further, the red color resist
なおカラーフィルター18g,18b,そして18rの夫々は、所望の光電変換素子12に対応した位置に所望の光学特性を有して形成することが出来るのであれば、上述した以外の種々の公知の方法により形成することが出来る。
Each of the
次には、図1の(D)中に示されている如く、カラーフィルター層18上に感光性レンズ材料層20が形成される。
Next, as shown in FIG. 1D, a photosensitive
この実施の形態において、感光性レンズ材料層20は、カラーフィルター層18上にポジ型感光性レンズ材料をスピンコートした後にプレベークすることにより形成されていて、略0.73μmの厚さを有している。このようなポジ型感光性レンズ材料はアクリル系樹脂やフェノール系樹脂やスチレン系樹脂を主体とすることが出来る。
In this embodiment, the photosensitive
そして、このような感光性レンズ材料の一例は日本国のJSR株式会社から品番号MFR401−Mの名前で販売されているものであり、この一例の感光性レンズ材料は、半導体基板10において複数の光電変換素子12が開口している表面上に平坦化層16及びカラーフィルター層18が上述したように形成されている撮像素子14が2000rpmで回転されている間にスピンコートされた後に90℃で90秒間プレベークされる。
An example of such a photosensitive lens material is sold under the name of product number MFR401-M from JSR Corporation in Japan. At 90 ° C. after spin coating while the
次には、図2の(A)中に示されている如く、感光性レンズ材料層20が、現像後に対応する光電変換素子12上のカラーフィルター層18のカラーフィルター18g,18b,そして18r上に図2の(B)中に示されているマイクロレンズ22g,22b,そして22rが形成されるようなパターンの階調性を有したハーフトーンマスクにより構成されたフォトマスク24を使用して露光26される。
Next, as shown in FIG. 2A, the photosensitive
図3の(A)には、このようなフォトマスク24の概略的な平面図が示されている。なお通常、フォトマスクは、実際に形成するパターンの5倍の寸法を有していて、パターン露光時に1/5に縮小してパターン露光する。またフォトマスク24は、同心円状に階調(グレースケール)を順次変化させている。同心円状の階調は、例えば1/5縮小時に、例えば露光光の波長以下の寸法になる微細な黒ドット(或いは白ドット)の単位面積当たりの個数をフォトマスク24上で調整して形成する。これにより光の透過率が同心円状に異なる同心円状の階調をフォトマスク24に持たせることが出来る。
FIG. 3A shows a schematic plan view of such a
この実施の形態に使用したフォトマスク24では、光電変換素子12の中心を通過する線を中心とした同心円状に中心に近づくほど黒ドットの数を増やしており、この結果として中心に近づくほど同心円状に光の透過率が減少する。
In the
この実施の形態のフォトマスク24は、5倍レチクルであり、感光性レンズ材料層20の表面に露光されるパターンの寸法の5倍の大きさの寸法のパターンを有している。そして、図示しないステッパー露光装置を使用し、フォトマスク24のパターンを1/5に縮小し対応する光電変換素子12の中心を通過する線を中心として感光性レンズ材料層20の表面に露光26している。
The
この実施の形態では、露光26の為に紫外線域の365nmの波長の光が使用され、その照射量は250mj/cm2にした。
In this embodiment, light having a wavelength of 365 nm in the ultraviolet region is used for the
次に、上述した如くパターン露光された感光性レンズ材料層20は現像され、対応する光電変換素子12上のカラーフィルター層18の対応するカラーフィルター18g,18b,そして18r上にマイクロレンズ22g,22b,そして22rが形成される。
Next, the photosensitive
この実施の形態では、上記現像の為に例えばアルカリ現像液(TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)水溶液:液濃度0.05重量%)が使用され、パドル現像が60秒行なわれた。 In this embodiment, for example, an alkaline developer (TMAH (tetramethylammonium hydroxide) aqueous solution: 0.05% by weight) was used for the development, and paddle development was performed for 60 seconds.
上述した如く現像により形成されたマイクロレンズ22g,22b,そして22rは、最後に硬化処理される。
The
この実施の形態では、上記硬化処理として、光照射処理とその後の加熱処理との組み合わせが採用された。光照射処理では、上述した露光26の為に使用された紫外線域の光と同じ365nmの波長の光を200mj/cm2の露光量で照射した。なお、この露光量は、200mj/cm2以上で2500mj/cm2以下であることが好ましい。また加熱処理では、ホットプレートを使用して、3分間の160℃の加熱処理と、それに続く6分間の200℃の加熱処理とを行なった。
In this embodiment, a combination of light irradiation treatment and subsequent heat treatment is adopted as the curing treatment. In the light irradiation treatment, the light having the same wavelength of 365 nm as the light in the ultraviolet region used for the
ここで注目すべきは、上記硬化処理として、光照射処理とその後の加熱処理との組み合わせが採用されていることである。加熱処理のみによる硬化処理では、加熱によってマイクロレンズを形成している樹脂に熱だれが生じ、平面視が四角形状の画素に対応して上述したように現像により形成されたマイクロレンズ22g,22b,そして22rの夫々では、夫々の頂点から夫々の基端まで全周に渡り周囲の任意の方向(例えば、対角線に沿った方向や辺に沿った方向)に向かったときの夫々の外表面の曲率が等しくならなくなる可能性がある。
It should be noted here that a combination of a light irradiation process and a subsequent heat treatment is employed as the curing process. In the curing process using only the heat treatment, heat dripping occurs in the resin forming the microlens by heating, and the
しかしながら、加熱処理の前に光照射処理を行なうことにより、平面視が四角形状の画素に対応して上述したように現像により形成されたマイクロレンズ22g,22b,そして22rの夫々の表面に、光照射処理を行なうことで、加熱処理における加熱によってマイクロレンズを形成する樹脂を熱だれが生じない程度に仮硬化させることが出来る。この結果、平面視が四角形状の画素に対応して上述したように現像により形成されたマイクロレンズ22g,22b,そして22rの夫々では、光照射処理に続き加熱処理を行なっても、夫々の頂点から夫々の基端まで全周に渡り周囲の任意の方向(例えば、対角線に沿った方向や辺に沿った方向)に向かったときの夫々の外表面の曲率を等しく維持できる。
However, by performing the light irradiation treatment before the heat treatment, the light is applied to the respective surfaces of the
なお、上記光照射処理では、上述した露光26の為に使用された紫外線域の光と同じ365nmの波長の光の露光量を200mj/cm2以上で2500mj/cm2以下の範囲とすることが好ましいとしたが、上記露光量が200mj/cm2以下であると所望の上記仮硬化の効果を得ることが出来ない可能性が大きくなる。また、上記露光量を2500mj/cm2以上にすると上記仮硬化の為に費やす時間が多くなりすぎ、カラー撮像素子の生産性に悪影響を生じさせる可能性が大きくなる。
Incidentally, in the above light irradiation process, be 2,500 mJ / cm 2 or less in the range of the exposure amount of the same 365nm wavelengths of light and light in the ultraviolet range is used in 200 mj / cm 2 or more for
このようにして、撮像素子14の半導体基板10において複数の光電変換素子12が開口した表面に平坦化層16を介し複数の光電変換素子12に対応して形成されたカラーフィルター層18のカラーフィルター18g,18b,そして18r上にさらに形成された複数のマイクロレンズ22g,22b,そして22rは、この実施の形態において、図2の(B)及び図3の(B)中に示されている如く、相互に隣接するマイクロレンズ22g,22b,そして22rの間に感光性レンズ材料の薄膜TFを残して相互に連結されたマイクロレンズアレイ28を構成している。
In this way, the color filter of the
この実施の形態において薄膜TFは0.13μmの厚さを有しているが、この厚さは0.05μm〜0.2μmの範囲にあることが好ましい。 In this embodiment, the thin film TF has a thickness of 0.13 μm, but this thickness is preferably in the range of 0.05 μm to 0.2 μm.
このように、マイクロレンズアレイ28が相互に隣接するマイクロレンズ22g,22b,そして22rの間に感光性レンズ材料の薄膜TFを残していると、夫々の平面視が四角形状の複数の画素に対応する相互に隣接するマイクロレンズ22g,22b,そして22rの夫々は、夫々の頂点から夫々の基端まで夫々に対応する画素の対角線方向の4つの隅部を含む全周に渡り周囲の任意の方向(例えば、対角線に沿った方向や辺に沿った方向)に向かったときの夫々の外表面のレンズとしての曲率を等しく維持できる。その結果として、夫々の平面視が四角形状の複数の画素に対応する相互に隣接するマイクロレンズ22g,22b,そして22rの夫々は、夫々の頂点から夫々の基端まで夫々に対応する画素の対角線方向の4つの隅部を含む全周に渡り対応する光電変換素子12に対し良好な集光性を発揮することが出来る。さらに、マイクロレンズ22g,22b,そして22rの夫々の基端から薄膜TFに連なる部位の近傍も対応する光電変換素子12に対する集光に寄与するため、光電変換素子12に対する集光性がさらに向上する。かかる集光性の向上の効果は、マイクロレンズ22g,22b,そして22rの夫々の対応する画素の対角線方向において顕著になる。
Thus, when the
マイクロレンズ22g,22b,そして22rの間に感光性レンズ材料の薄膜TFが残っておらず、マイクロレンズ22g,22b,そして22rの夫々が相互に分離して形成されていると、マイクロレンズ22g,22b,そして22rの相互間で露出しているカラーフィルター18g,18b,又は18rの表面の部分に入射した光はカラーフィルター18g,18b,又は18rの表面の凹凸の影響を受けるようになる。夫々の平面視が四角形状である複数の画素においてマイクロレンズ22g,22b,そして22rの相互間でカラーフィルター18g,18b,又は18rの表面が露出するのは、夫々の画素の対角線方向の4つの隅部である。その結果、マイクロレンズ22g,22b,そして22rの夫々に対応した光電変換素子12に対しカラーフィルター18g,18b,又は18rを介して入射する光には、マイクロレンズ22g,22b,そして22rの相互間で露出しているカラーフィルター18g,18b,又は18rの表面の部分、特に夫々の画素の対角線方向の4つの隅部に対応したカラーフィルター18g,18b,又は18rの表面の部分、の凹凸の影響を受けた光が含まれ、光電変換素子12が発生させる電気信号にノイズを発生させたり、対応するカラーフィルター18g,18b,又は18rの色に正確に対応しない電気信号を生じさせることがある。さらに、マイクロレンズ22g,22b,そして22rの夫々の基端から薄膜TFに連なる部位が無くなるので、当然のことながら、上記連なる部位がマイクロレンズ22g,22b,そして22rの夫々に対応する光電変換素子12に対する集光に寄与しなくなるため、その分だけ光電変換素子12に対する集光性が低下する。かかる集光性の低下は、マイクロレンズ22g,22b,そして22rの夫々の対応する画素の対角線方向において顕著になる。
If the thin film TF of the photosensitive lens material does not remain between the
なお、この実施の形態において薄膜TFの厚さは0.05μm〜0.2μmの範囲にあることが好ましいとしたが、その第1の理由は、現状において感光性レンズ材料層20を上述したようにフォトマスク24を使用してパターン露光し、現像処理し、さらに硬化処理をした後でも確実に膜厚を制御して残すことが出来る最低の薄膜TFの厚さが0.05μmであることである。また、第2の理由は、薄膜TFの厚さを0.2μm以上とすると、カラーフィルター層18上に平坦化層を形成した後にこの平坦化層上にマイクロレンズを形成した前述の従来例における平坦化層と機能的に同じになり、マイクロレンズ22g,22b,そして22rの夫々から対応する光電変換素子12までの距離が遠ざかり光電変換素子12に対するマイクロレンズの集光特性を低下させて、カラー撮像素子の光感度を低下させるからである。
In this embodiment, the thickness of the thin film TF is preferably in the range of 0.05 μm to 0.2 μm. The first reason is that the photosensitive
そして、薄膜TFの厚さが0.05μm〜0.2μmの範囲にあれば、平面視が四角形状でありサイズが略10μm〜略1μmの範囲にある画素に対し適用されるマイクロレンズは、上記画素の周辺部の対角線に沿った方向の部位を含む全ての領域において対応する光電変換素子12に対し、最も良好な集光特性を発揮することが出来る。
If the thickness of the thin film TF is in the range of 0.05 μm to 0.2 μm, the microlens applied to a pixel having a square shape in plan view and a size in the range of about 10 μm to about 1 μm The best condensing characteristics can be exhibited with respect to the corresponding
また、複数のマイクロレンズ22g,22b,そして22rの夫々の頂点は、カラーフィルター層18の対応するカラーフィルター18g,18b,そして18rの夫々の表面からの高さが0.60μmとなった。
In addition, the height of each of the plurality of
さらに、複数のマイクロレンズ22g,22b,そして22rが形成されているカラーフィルター層18の対応するカラーフィルター18g,18b,そして18rの夫々の表面から、撮像素子14の半導体基板10において複数の光電変換素子12が開口している表面までのいわゆるレンズ下距離は、1.25μmとなった。
Further, a plurality of photoelectric conversions are performed on the
このようにして形成された、撮像素子14の複数の光電変換素子12に対応した複数のカラーフィルター22g,22b,そして22r上に複数の相互に連結されたマイクロレンズ18g,18b,そして18rを含むマイクロレンズアレイ28を伴ったカラー撮像素子においては、夫々の平面視が四角形状の複数の画素に対応する相互に隣接するマイクロレンズ22g,22b,そして22rが、相互間に感光性レンズ材料の薄膜TFを残して相互に連結されているので、マイクロレンズ22g,22b,そして22rの夫々は、夫々に対応する画素の対角線方向の4つの隅部を含む夫々の全周の基端においてもカラーフィルター層18の表面の凹凸が反映されず、夫々に対応する画素の対角線方向の4つの隅部を含む夫々の全周において夫々の頂点から夫々の基端までの曲率が変わらず所望の光学性能を発揮することが出来る。さらに、マイクロレンズ22g,22b,そして22rの夫々の基端から薄膜TFに連なる部位の近傍も対応する光電変換素子12に対する集光に寄与するため、光電変換素子12に対する集光性がさらに向上する。かかる集光性の向上の効果は、マイクロレンズ22g,22b,そして22rの夫々の対応する画素の対角線方向において顕著になる。
The plurality of
即ち、相互に隣接するマイクロレンズ22g,22b,そして22rの夫々は、図3の(A)中に示されている夫々が対応する四角形状の画素において、対角線方向の断面の表面の曲率と四角形状の画素において相互に対向している2辺の夫々の中央及びマイクロレンズ22g,22b,又は22rの中央とを結ぶ線に沿った断面の表面の曲率とが、同じになる。
That is, each of the
このことは、上記画素の対角線方向の4つの隅部を含む全周に沿ったいずれの方向から上記画素に向かい上記画素に対応したマイクロレンズ22g,22b,又は22rに入射した光も、上記画素に対応したマイクロレンズ22g,22b,又は22rにより同じ光学特性で上記画素に対応したカラーフィルター18g,18b,又は18r及び平坦化層16を介して対応する光学変換素子12に到達することが出来ることを意味している。その結果として、全ての画素は、対応するカラーフィルター18g,18b,又は18rの対角線方向の4つの隅部を含む全域を介して対応した光電変換素子12に入射した光が対応する光電変換素子12から発生される電気信号にノイズを生じさせることがなく、また、対応するカラーフィルター18g,18b,又は18rの色に正確に対応しない電気信号を生じさせることがない。
This means that light incident on the
これに対し、熱リフロー法により平面視が四角形状の画素の全面に対応してマイクロレンズを形成すると、マイクロレンズの周辺部において頂点からの距離が異なる方向、例えば対角線に沿った方向と辺に沿った方向(即ち、四角形状の画素において相互に対向している2辺の夫々と略直交する方向)、における断面の表面の曲率が同じにならない。この場合、平面視が四角形状の画素の全面に対応して熱リフロー法により形成されたマイクロレンズにおいては、対応する画素の周辺に対応している周辺部がその周方向位置により、特に対応する画素の対角線方向の4隅部において、収差が異なり、対応する画素の光電変換素子12に対し効率良く集光性を発揮することが出来ない。その結果として、全ての画素は、対応するカラーフィルター18g,18b,又は18rを介して対応した光電変換素子12に入射した光が対応する光電変換素子12から発生される電気信号にノイズを生じさせることになり、また、対応するカラーフィルター18g,18b,又は18rの色に正確に対応しない電気信号を生じさせることになる。
On the other hand, when a microlens is formed corresponding to the entire surface of a pixel having a square shape in plan view by the thermal reflow method, the distance from the apex is different in the peripheral portion of the microlens, for example, in the direction and the side along the diagonal line. The curvature of the surface of the cross section in the direction along the line (that is, the direction substantially orthogonal to each of the two sides facing each other in the rectangular pixel) is not the same. In this case, in the microlens formed by the thermal reflow method corresponding to the entire surface of the square-shaped pixel in plan view, the peripheral portion corresponding to the periphery of the corresponding pixel particularly corresponds to the circumferential position thereof. At the four corners in the diagonal direction of the pixel, the aberration is different, and the light condensing property cannot be efficiently exhibited with respect to the
10…半導体基板、12…光電変換素子、14…撮像素子、16…平坦化層、18…カラーフィルター層、18g,18b,18r…カラーフィルター,20…感光性レンズ材料層、22g,22b,22r…マイクロレンズ、24…フォトマスク、28…マイクロレンズアレイ。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
平坦化層の上に複数の光電変換素子の夫々に対応して所望の色のカラーフィルター層を形成するカラーフィルター層形成工程と;
カラーフィルター層の上に感光性レンズ材料の層を形成する感光性レンズ材料層形成工程と;
感光性レンズ材料層を透過率分布を制御したフォトマスクを使用して、現像後に対応する光電変換素子上のカラーフィルター層上にマイクロレンズが形成されるようパターン露光する露光工程と;
パターン露光された感光性レンズ材料層を現像し対応する光電変換素子上のカラーフィルター層上にマイクロレンズを形成する現像工程と;そして、
現像されたマイクロレンズを硬化させる硬化工程と;
を備えたことを特徴とするカラー撮像素子のマイクロレンズ製造方法。 A planarization layer forming step of forming a planarization layer on the plurality of photoelectric conversion elements of the semiconductor substrate of the imaging element;
Forming a color filter layer of a desired color corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion elements on the planarizing layer;
Forming a photosensitive lens material layer on the color filter layer;
An exposure process in which a photosensitive lens material layer is subjected to pattern exposure so that a microlens is formed on a color filter layer on a corresponding photoelectric conversion element after development using a photomask having a controlled transmittance distribution;
Developing a pattern-exposed photosensitive lens material layer to form a microlens on a color filter layer on a corresponding photoelectric conversion element; and
A curing step of curing the developed microlens;
A method for manufacturing a microlens for a color imaging device.
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