JP2008524657A

JP2008524657A - マイクロレンズアレイ

Info

Publication number: JP2008524657A
Application number: JP2007546932A
Authority: JP
Inventors: ウォーレンウェーク，ロナルド
Original assignee: イーストマンコダックカンパニー
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2008-07-10
Also published as: EP1825514A1; KR20070092285A; US20060131683A1; WO2006066081A1; TW200637019A

Abstract

マイクロレンズアレイは2以上のマイクロレンズアレイを有する。個々のマイクロレンズは、入射光がマイクロレンズを通り抜けることなく通過できる、マイクロレンズ間のギャップが（実質的に）生じないように、その大きさが決定され、かつ配置される。

Description

本発明は、電子画像センサの表面上へのマイクロレンズアレイの製造に関する。

さらに高解像度の電子画像センサを製造する動きが続いている。このことは、各画素の表面領域がより小さくなるので、各画素に照射される光の量も減少する、ということを意味する。基礎となる電子画像センサ技術の進歩は、減少する光の量を補償する信号対雑音比の上昇に寄与してきた。しかし画素の光活性部分は大抵の場合、全画素領域のわずか50%以下なので、画素アレイに対して整合したマイクロレンズアレイの作製が、画素の光活性領域に衝突する入射光の割合を増大させるのに非常に有効な方法であることが分かる。

マイクロレンズアレイ作製の非常に効率的でかつ量産可能な方法は、標準的なマイクロリソグラフィ法によってフォトレジスト材料にパターンを形成することである。続いて、形成時に直角コーナーを有するこれらのパターンは溶融するので、マイクロレンズ部品になる。この方法の主な要件は、個々のマイクロレンズが、溶解したときに隣接パターン同士が接触しないように、十分離れている必要があることである。もし隣接パターン同士が接触してしまうと、パターンは一緒に流れてしまい、所望のマイクロレンズ形状を形成しなくなる。よってこの方法の結果、隣接マイクロレンズ間のギャップは常に存在する。これらのギャップは画素周辺に存在する。ギャップに入射する如何なる光も画素の光活性領域には集光されない。よってこれらのギャップが減少する又は除去されるマイクロレンズアレイを作製する有効な方法が求められている。

これらのギャップを減少させるための取り組みは、複数の方法によってなされてきた。マイクロレンズアレイ作製の分野で一般的な方法は、上述の流れによる方法を用いて、上部層にマイクロレンズ形状を最初に形成する方法である。続いてこのマイクロレンズ形状は、反応性イオンエッチング(RIE)によって下部層へ転写される。RIEは、プラズマである反応性イオンが電気的バイアスによって基板へ向かって加速される、プラズマエッチング法である。これにより、非常に等方的なエッチング、及び下地層への正確なマイクロレンズ形状の転写が実現される。マイクロレンズ材料が直接的なマイクロリソグラフィパターニング及び溶融を可能にするのに適切な特性を有していないときに、この方法は用いられる。特許文献1は、最終のマイクロレンズギャップを減少させる方法について開示している。これは、2層のエッチングレートに違いが生じるようにRIE条件を変更することによって実現される。この結果、最初に溶融したフォトレジストとはわずかに異なるマイクロレンズ形状となる。エッチングレートを適切に調節した結果、最終のマイクロレンズアレイ中に存在するギャップは小さくできる。この方法でもギャップが減少しないということは、画素の全周辺のギャップを完全に除去するだけの十分なプロセス許容度がないということである。この方法の別な欠点には、余計なパターン転写RIE工程を必要とすること、及びプラズマ環境から下に存在する画像センサが損傷を受ける危険性が含まれる。

ギャップのないマイクロレンズアレイの製造にとって有望である他の方法は、グレースケールリソグラフィである。この方法は、一般的に用いられている密度が0%又は100%のマスクに代わって、密度の幅を有するマスクによってフォトレジストをパターニングする工程を有する。その密度幅の結果、露光されたフォトレジスト膜の溶解度に幅が生じる。よって、現像後の最終フォトレジストプロファイルは、マスクを透過した光強度分布と一致する。しかしこの方法は複数の困難を有する。第1に、明らかに、マスクの設計及び製造は複雑でかつ高価である。次にフォトレジストは、光強度の変化を正確に再現できなければならない。光強度変化の正確な再現は、コントラストが1に近い値を有するフォトレジストで最も良く実現される。これらの型のフォトレジストは見つけるのが難しい。なぜなら、ほとんどのフォトレジストの現像作業は、現在の電子素子で用いられる高密度回路を作製するのに必要な高コントラストを目標としているためである。またこれらのフォトレジストは、大抵の場合において最終のマイクロレンズ材料として用いるのに必要な特性を有していない。マイクロレンズ材料として用いるのに必要な特性には、可視光に対する透明性、熱及び光に対する安定性、並びに比較的高い屈折率が含まれる。このことは、フォトレジストパターンが、上述の方法同様に、下地層に転写される必要があることを意味する。これらの理由により、グレースケールリソグラフィは、ギャップのないマイクロレンズアレイを作製する量産可能な方法とは考えられない。

ギャップのないマイクロレンズアレイを形成する概念上単純な方法は、剛性のダイを用いて柔らかい材料にプロファイルを押印する方法である。この方法は、たとえばエンボス加工、インプリント法、及びコンタクトプリント法のような複数の異なる方法によって実行される。どの方法によって実行されるのかは、印加方法詳細に依存する。この型の技術は、ファイバ光学系及びディスプレイ用の微小光学部品の製造に用いられる。標準的な利用には、基板上にコーティングされた材料膜が含まれ、続いてその膜は、ダイによって押印される。ほとんどの用途では、ダイの像を被押印層へ押印するには、熱又は大きな圧力が必要となる。電子画像センサ用にマイクロレンズアレイを作製するのにこの方法を用いることは考えにくい。なぜなら熱又は圧力を用いることで歪みが発生するからである。これらの歪みはファイバ光学系又はディスプレイ装置の品質に影響を及ぼすほどの大きさではない。しかし画素の大きさは画像センサにとってはかなり小さく、熱又は圧力で発生した歪みが性能に深刻な影響を及ぼす。
米国特許第6163407号明細書

従って上記の観点から、コスト効率が良く、かつ歪みが最小となるマイクロレンズアレイを製造する、ギャップが減少した又は除去されたマイクロレンズアレイの製造方法が必要となっている。

本発明は、電子画像センサ上にマイクロレンズアレイを作製する改善された方法に関する。当該改善は、好適である球面形状の利用を可能にしながら、隣接マイクロレンズ間の大きなギャップが除去されるほど十分近接した状態で隣接マイクロレンズを集めることを可能にする方法を有する。当該方法は、マイクロレンズアレイ用の所望の複製像を有するテンプレートを用いる工程を有する。インプリント用スタンプは重合可能な組成物と接し、それによって複製像が前記重合可能な流体組成物によって完全に満たされる。その重合可能な組成物の流体的性質及び毛管作用のため、ほとんど圧力をかけることなく、この複製像にその組成物を充填することができる。インプリント用スタンプは、重合可能な流体組成物を光化学的に硬化するのに必要な光の波長に対して透明な材料で作られる。このことにより、インプリント用スタンプがその重合可能な流体組成物と接したまま、その重合可能な流体組成物を介して照射することが可能となる。この照射の結果、重合可能な流体組成物は硬化する。従ってこの硬化により、その硬化した重合可能な組成物が所望のマイクロレンズ形状を保持したままでインプリント用スタンプを除去することが可能となる。硬化した重合可能な組成物は、必要な光学的透過及び安定性特性を有する。その必要な光学的透過及び安定性特性によって、その硬化した重合可能な組成物は、エッチング法によって下地層へマイクロレンズ形状を転写しなくても、電子画像センサ上のマイクロレンズアレイとして直接使用可能となる。

図1を参照すると、光活性領域12、電極14及び光シールド16を有する半導体部分10が、固体電子画像センサに係る半導体部分の典型的素子を表すものとして図示されている。電子画像センサのほとんど用途については、入射電磁波の特性を向上させるのが望ましい。このような向上を促進するため、大抵の場合平坦化層18が、電子画像センサの半導体部分の表面に成膜される。この平坦化層18は様々な材料で構成されて良い。ただし平坦化層が、入射放射線のスペクトル特性に悪影響を及ぼさないこと、及び電子画像センサの製造に用いられる材料及び処理と相性が良いことだけは必要である。平坦化層の目的が平坦化であるため、平坦化層18の表面を、電子画像センサの光活性領域12の表面で平坦にできる方法が利用できなければならない。単純なスピンコーティングで、十分平坦な表面を供することが可能である。しかしプラズマエッチバックや機械化学的平坦化のような他の方法も、表面のコプラナリティを改善するために一般的に利用可能である。一端平坦な表面が実現されると、入射放射線のスペクトル特性をフィルタリングすることもまた望ましいと考えられる。このようなフィルタリングは、カラーフィルタ層20を成膜することによって実現される。そのカラーフィルタ層20は、下地の光活性領域12に対して整合するようにパターニングされた、様々なスペクトル透過を有する2以上の領域からなる。光活性領域12が、電子画像センサ全体の一部しか有していないため、放射線を捕らえることのできず、かつ像を生成できない領域に入射する入射放射線の量は多い。このため、電子画像センサの感度が減少する。従って、光活性領域12に入射する入射放射線の割合を増大させることが望ましい。このことは一般的に、個々のマイクロレンズ素子が下地の光活性層12で整合しているようなマイクロレンズアレイを電子画像センサ上に製造することで実現される。このマイクロレンズアレイは、マイクロレンズの焦点距離を適合させるため、平坦な表面と光活性領域表面からの正確な距離の両方を必要とする。これらの要求は大抵の場合、カラーフィルタ層20上にスペーサ層22が成膜されることを必要とする。スペーサ層22がマイクロレンズアレイの物理的な位置設定のみに機能するので、スペーサ層22は平坦化層22に対する要件と似たような要件を有する。スペーサ層22は大抵の場合、同一材料である。本発明は、マイクロレンズアレイを形成する改善された方法を有する。当該方法は、マイクロレンズアレイの所望複製像を表す複数の曲面からなるテンプレート30の利用を有する。図示されているように、テンプレート30は、電子画像センサ10にわたり、ギャップ40で整合している。

図2を参照すると、光重合可能な流体組成物50が、ギャップ40（図1に図示されている）を満たすようにしてスペーサ層22の表面及びテンプレート30と接触している。テンプレート30は、光活性波長に対して透明な材料で作られている。テンプレート30の製造に好適な材料は石英である。石英は幅広い波長に対して透明で、かつ大きさが安定している。光重合可能な流体組成物50は、効率的にギャップを満たすことができるように低い粘性を有して良い。光重合可能な流体組成物50の粘性は、25℃で、約0.01cpsから約100cpsの範囲にあることが好ましく、約0.01cpsから約1cpsの範囲にあることがより好ましい。

図3を参照すると、テンプレート30は、スペーサ層22に近接するように移動することで、余分な光重合可能な流体組成物50を排除する。それによって、テンプレート30の端部はスペーサ層22と接するようになる。続いて光重合可能な流体組成物50は、適切な波長の電磁波に曝露されることで重合する。

ここで図4を参照すると、光重合可能な流体組成物50は、その流体組成物を重合し、かつ60で表される固化した高分子材料を形成するのに十分な放射線に曝露されることが好ましい。光重合可能な流体組成物は、たとえ熱又は他の形態の放射線のような他の手段を利用して、流体組成物を重合できるとしても、紫外光で露光されるのが好ましい。

続いてテンプレート30は、図5に図示されているように、スペーサ層22上に固化された高分子層60を残す。固化された高分子層60は、所望のマイクロレンズ形状で残される。好適には、固化された高分子材料は、電子画像センサ用のマイクロレンズ素子（マイクロレンズ素子が組み合わせられることでマイクロレンズアレイが形成される。）としての機能と一貫した特性を有することが好ましい。これらの特性には、可視光又は熱に対する曝露によって劣化しない、可視波長に対する透明性が含まれる。またこれらの特性は、たとえば適切なパッケージ中に電子画像センサをマウントするような、如何なる次の動作の間であっても、好適マイクロレンズ形状が保存されるほど十分に高いT_gを有する。

図5に図示されたマイクロレンズアレイは、互いに近接する個々のマイクロレンズアレイを有する。この横方向の図では、これは非常に効率的な配置に見える。しかし図6に図示されているように、これと同一のマイクロレンズアレイを上から見て検討すると、対角的に隣接するマイクロレンズアレイ素子間に、かなりの程度の空いた空間が依然として存在することが明らかである。この型のマイクロレンズアレイは、背景技術で述べた方法を用いる従来技術でも実現可能である。本発明は、上述の方法を用いて同様なマイクロレンズアレイを作製する。光の集光効率を最大化するために、マイクロレンズの球面形状を保存することが有利であるので、対角的に隣接するマイクロレンズアレイ素子が接触するか、又はほぼ接触するように直径を増大させる結果、隣接するマイクロアレイ素子は水平方向にも垂直方向にも大きく重なる。マイクロアレイ素子のこのような緊密配置は、フォトレジストの溶融を含む従来技術ではできない。これは、溶融中に隣接するフォトレジスト部位が接触する結果、部位が一緒に流れてしまうことで、所望のマイクロレンズ形状が失われてしまうためである。

図7、図8及び図9を参照すると、図7に図示されているマイクロレンズアレイ70は、個々のマイクロレンズアレイ素子60の中心を、光活性領域12上での同一位置に残し、かつ、対角的に隣接するマイクロレンズ間のギャップが基本的にゼロにまで減少するように、マイクロレンズアレイ素子の直径を拡張することによって作製される。

図7に図示されているマイクロレンズアレイパターンを実現するのに必要な唯一の調整は、テンプレート30のマイクロレンズアレイ素子のレイアウトを変更することである（隣接マイクロレンズ間にギャップを生成しない、又は隣接マイクロレンズ内に重なりを生成するテンプレート）。図8は、図7に図示された、このような緊密マイクロレンズアレイに必要なテンプレートの側面を図示している。図1-5に図示された処理手順が同じようになされる。その結果、図9の断面図に示された電子画像センサとなる。

図10を参照すると、本発明の代替実施例が図示されている。この実施例では、マイクロレンズアレイ80は、マイクロレンズアレイ素子110からなる複数の行(row)90及び列(column)100を有する。ここで各行90及び列100は、実質的に同一の大きさである個々のマイクロレンズ110を複数有する。各行90は、画素幅の1/2で隣接する行90からオフセットされていることが好ましい。列100は、1行とびでマイクロレンズ110を有するのが好ましいように配置されている。このようにして、個々のマイクロレンズ110は、マイクロレンズ110間で、マイクロレンズを通り抜けずに入射光が通過できるギャップが存在しないか、又は実質的に存在しないように、配置され、かつ大きさが決定される。

大きさと配置との組み合わせは、当業者が決定できるように、個々のマイクロレンズ110間のギャップが存在しないように調節される。このようにして、個々のマイクロレンズ110の大きさは、同一の大きさである必要はなく、かつ配置は、個々のマイクロレンズ間でギャップが存在しないか、又は実質的に存在しないように調節される。繰り返しになるが、図10に図示されたマイクロレンズアレイのパターンを実現するのに必要な唯一の調整は、テンプレート30中のマイクロレンズアレイ素子のレイアウトを変更することである。

画像センサ及び該画像センサを覆うマイクロレンズ作製に用いられるテンプレートの側面図で、マイクロレンズ作製に用いられる本発明の初期工程を図示している。画像センサを覆うマイクロレンズの作製に用いられる本発明の他の工程を図示している。画像センサを覆うマイクロレンズの作製に用いられる本発明の他の工程を図示している。画像センサを覆うマイクロレンズの作製に用いられる本発明の他の工程を図示している。画像センサを覆うマイクロレンズの作製に用いられる本発明の他の工程を図示している。図1-図5で図示された処理から形成されたマイクロレンズの上面図である。本発明の処理を用いた代替テンプレートによって作製された重なり部分を有するマイクロレンズの上面図である。本発明の代替テンプレートの側面図である。代替実施例の画像センサを覆うマイクロレンズアレイの側面図である。本発明の代替実施例の上面図である。

符号の説明

10 半導体部分/電子画像センサ
12 光活性領域
14 電極
16 光シールド
18 平坦化層
20 カラーフィルタアレイ
22 スペーサ層
30 テンプレート
40 ギャップ
50 光重合可能な流体組成物
60 固化した高分子材料
70 マイクロレンズアレイ
80 代替マイクロレンズアレイ
90 行
100 列
110 個々のマイクロレンズ

Claims

マイクロレンズの製造方法であって：
複数の光活性領域を有する基板を供する工程；
前記基板上に光重合可能な流体組成物を供する工程；
光活性波長に対して透明で、かつ前記光活性領域へ入射光を集光するように働く複数の曲面を有するテンプレートを供する工程；
前記テンプレートを前記光重合可能な流体組成物上に設けることによって、前記流体材料が広がり、かつ前記テンプレートの前記曲面が実質的に満たされる工程；及び
前記テンプレートを介して前記光重合可能な流体組成物上に光を照射することによって、光重合可能な組成物を硬化して、前記基板に及ぶマイクロレンズにする工程；
を有する方法。
前記テンプレートを除去する結果、前記基板上に前記硬化した材料が保持される工程をさらに有する、請求項1に記載の方法。
隣接するマイクロレンズ間にギャップを生成しない、又は隣接するマイクロレンズ間に重なりを生成するテンプレートを供する工程をさらに有する、請求項1に記載の方法。
前記テンプレート用材料に石英を供する工程をさらに有する、請求項1に記載の方法。
可視光又は熱に対する曝露によっても劣化せず、可視波長に対する透明性を有する前記硬化した光重合可能な組成物を供する工程をさらに有する、請求項1に記載の方法。
引き続いて実行される如何なるパッケージング動作中であっても、所定のマイクロレンズ形状を保持するのに十分高いT_gを有する前記硬化した光重合可能な組成物を供する工程をさらに有する、請求項1に記載の方法。
複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイであって、入射光がマイクロレンズを通り抜けることなく通過できるギャップがマイクロレンズ間に生じない又は実質的に生じないように、前記個々のマイクロレンズは配置され、かつその大きさが決定される、マイクロレンズアレイ。
前記個々のマイクロレンズが実質的かつ部分的に、平凸形状及び切頭球形状を含む球形状である、請求項7に記載のマイクロレンズアレイ。
前記個々のマイクロレンズが行(row)及び列(column)で配置され、
前記行中の前記個々のマイクロレンズは前記行の隣接する個々のマイクロレンズと部分的に重なるようなレンズであり、かつ、
前記列中の前記個々のマイクロレンズは前記列の隣接する個々のマイクロレンズと部分的に重なるようなレンズであり、かつ、
前記マイクロレンズ間の対角距離はゼロ又は実質的にゼロである、
請求項7に記載のマイクロレンズアレイ。
前記個々のマイクロレンズが2次元である所定のパターンで配置され、
行中の前記個々のマイクロレンズは、前記行中の前記マイクロレンズ間距離がゼロ又は実質的にゼロとなるような大きさであり、かつ、
前記行中の前記マイクロレンズは、隣接行中の個々の画素から画素幅の1/2でオフセットされ、かつ
前記個々のマイクロレンズは、マイクロレンズを通り抜けずに入射光が通過できるマイクロレンズ間のギャップが存在しない又は実質的に存在しないように、配置され、かつレンズの大きさが決定される、
請求項7に記載のマイクロレンズアレイ。
前記個々のマイクロレンズが実質的かつ部分的に、平凸形状及び切頭球形状を含む球形状である、請求項9に記載のマイクロレンズアレイ。
前記個々のマイクロレンズが実質的かつ部分的に、平凸形状及び切頭球形状を含む球形状である、請求項10に記載のマイクロレンズアレイ。
マイクロレンズアレイを有する画像センサであって、
前記マイクロレンズアレイは複数のマイクロレンズを有し、
前記個々のマイクロレンズは、入射光がマイクロレンズを通り抜けることなく通過できるギャップがマイクロレンズ間に生じない又は実質的に生じないように、配置され、かつレンズの大きさが決定される、
画像センサ。
前記個々のマイクロレンズが実質的かつ部分的に、平凸形状及び切頭球形状を含む球形状である、請求項13に記載の画像センサ。
前記個々のマイクロレンズが行及び列で配置され、
前記行中の前記個々のマイクロレンズは前記行の隣接する個々のマイクロレンズと部分的に重なるようなレンズであり、かつ、
前記列中の前記個々のマイクロレンズは前記列の隣接する個々のマイクロレンズと部分的に重なるようなレンズであり、かつ、
前記マイクロレンズ間の対角距離はゼロ又は実質的にゼロである、
請求項13に記載の画像センサ。
前記個々のマイクロレンズが2次元である所定のパターンで配置され、
行中の前記個々のマイクロレンズは、前記行中の前記マイクロレンズ間距離がゼロ又は実質的にゼロとなるような大きさであり、かつ、
前記行中の前記マイクロレンズは、隣接行中の個々の画素から画素幅の1/2でオフセットされ、かつ
前記個々のマイクロレンズは、マイクロレンズを通り抜けずに入射光が通過できるマイクロレンズ間のギャップが存在しない又は実質的に存在しないように、配置され、かつレンズの大きさが決定される、
請求項13に記載の画像センサ。
前記個々のマイクロレンズが実質的かつ部分的に、平凸形状及び切頭球形状を含む球形状である、請求項15に記載の画像センサ。
前記個々のマイクロレンズが実質的かつ部分的に、平凸形状及び切頭球形状を含む球形状である、請求項16に記載の画像センサ。
画像センサを有するカメラであって、
前記画像センサはマイクロレンズアレイを有し、
前記マイクロレンズアレイは複数のマイクロレンズを有し、
前記個々のマイクロレンズは、入射光がマイクロレンズを通り抜けることなく通過できるギャップがマイクロレンズ間に生じない又は実質的に生じないように、配置され、かつレンズの大きさが決定される、
カメラ。
前記個々のマイクロレンズが実質的かつ部分的に、平凸形状及び切頭球形状を含む球形状である、請求項19に記載のカメラ。
前記個々のマイクロレンズが行及び列で配置され、
前記行中の前記個々のマイクロレンズは前記行の隣接する個々のマイクロレンズと部分的に重なるようなレンズであり、かつ、
前記列中の前記個々のマイクロレンズは前記列の隣接する個々のマイクロレンズと部分的に重なるようなレンズであり、かつ、
前記マイクロレンズ間の対角距離はゼロ又は実質的にゼロである、
請求項19に記載のカメラ。
前記個々のマイクロレンズが2次元である所定のパターンで配置され、
行中の前記個々のマイクロレンズは、前記行中の前記マイクロレンズ間距離がゼロ又は実質的にゼロとなるような大きさであり、かつ、
前記行中の前記マイクロレンズは、隣接行中の個々の画素から画素幅の1/2でオフセットされ、かつ
前記個々のマイクロレンズは、マイクロレンズを通り抜けずに入射光が通過できるマイクロレンズ間のギャップが存在しない又は実質的に存在しないように、配置され、かつレンズの大きさが決定される、
請求項19に記載のカメラ。
前記個々のマイクロレンズが実質的かつ部分的に、平凸形状及び切頭球形状を含む球形状である、請求項21に記載のカメラ。
前記個々のマイクロレンズが実質的かつ部分的に、平凸形状及び切頭球形状を含む球形状である、請求項22に記載のカメラ。