JP2011013411A

JP2011013411A - マイクロレンズアレイの製造方法及びフォトマスク

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Publication number: JP2011013411A
Application number: JP2009156656A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Asao; 良和浅尾; Tomohito Kitamura; 智史北村
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2011-01-20

Abstract

【課題】斜め方向でのレンズ間ギャップが０．２μｍ以下のマイクロレンズアレイのレンズ間ギャップの製造バラツキを小さくする。
【解決手段】市松状に配置した第１のマイクロレンズを、第１のフォトマスクのパターンを感光性レンズ材料層に露光し現像することにより形成する第１の工程と、前記第１の工程において選択されなかった第２のマイクロレンズを市松状に配置した第２のマイクロレンズを、第２のフォトマスクのパターンを感光性レンズ材料層に露光し現像することにより形成する第２の工程とを有し、前記第１のフォトマスクに、八角形の遮光パターンと、前記遮光パターンの斜め方向の間の間隔に位置する光透過率が１００％の帯状の間隙パターンと、前記遮光パターンと前記帯状の間隙パターン以外の領域であって半透過性を有する半透光部とを有するフォトマスクを用いてマイクロレンズアレイを製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶ディスプレイなどに組み込まれたハロゲンランプ、冷陰極線管、ＬＥＤなどの光源から発せられた光を均一に光拡散、集光するために用いるマイクロレンズアレイ、あるいは、ＣＭＯＳやＣＣＤ等の受光素子に代表される撮像素子に画像を投影する際に、各受光素子が受光する光量を大きくするために各受光素子上に形成される集光性のマイクロレンズに関し、特に、微細ピッチのマイクロレンズであっても開口率が高いマイクロレンズアレイの製造方法及びフォトマスクに関する。

ビデオカメラ、ディジタルカメラ、携帯電話に用いられる撮像デバイスは高画素化が求められている。画素が微細になると、画素を構成するＣＣＤ、ＣＭＯＳ等からなる受光素子も微細になる。微細な受光素子への集光効率を高めるため、広くマイクロレンズが利用されている。これは、画素への入射光を効率よくマイクロレンズにて集光して、受光素子に入射させ、受光感度を向上させるためである。

特許文献１のように、マイクロレンズアレイを熱リフロー方式で製造する方法がある。すなわち、まず、マイクロレンズとなる感光性レンズ材料（例えば、透明なポジ型の感光性樹脂）を基板上に塗布して感光性レンズ材料層を形成する。次に、所定のパターンを有するパターン露光用マスクを介し感光性レンズ材料層にパターン露光した後、現像を行い、マイクロレンズを形成する部位に感光性レンズ材料層を形成する。次に、基板に加熱処理を行い感光性レンズ材料層の表面を溶かし、溶けた感光性レンズ材料層の表面張力にて、曲面を有するマイクロレンズを形成する。このような熱リフロー方式でマイクロレンズを形成する際、個々のマイクロレンズ同士に隙間がないと、加熱処理時、隣接したマイクロレンズ同士が溶着し、所望する曲面が形成できないことになる。このため、熱リフロー方式では隣接するマイクロレンズ同士の距離をある程度離す必要が生じ、各マイクロレンズ間に隙間を持たせる必要が生じる。そのため、画像領域を全てマイクロレンズで覆うことが出来ず、集光性の向上には限度がある。

そのため、特許文献２では、撮像デバイスの縦横の格子状に配置した複数の受光素子の中から市松状に選択された受光素子上にマイクロレンズを形成する第１の工程と、第１の工程において選択されなかった受光素子上にマイクロレンズを形成する第２の工程によりマイクロレンズを形成することでマイクロレンズ間の間隔を狭めてマイクロレンズで覆う画像領域を広げる技術が提案されていた。

特開２００１−０８５６５７号公報特開２００６−０６６９３１号公報

特許文献２の技術では、第１の工程と第２の工程で用いるマイクロレンズ形成用のフォトマスクは、それぞれ、市松状のマイクロレンズのパターンを有する。そのフォトマスクは、マイクロレンズにより集光した光の撮像デバイスの受光量を大きくするために、マイクロレンズが撮像デバイスの受光素子を覆う面積を可能な限り大きくすることが重要である。そのために、マイクロレンズの斜め方向で間隔が開いてマイクロレンズが覆わない領域ができないようにしている。その第１の工程と第２の工程で用いる各フォトマスクは、
マイクロレンズを市松状に配置するが、そのマイクロレンズの集光光量を大きくするために、マイクロレンズの斜め方向での間隔をできるだけ小さく形成する必要がある。そうすると、マイクロレンズの斜め方向でのレンズ間ギャップを０．２μｍ以下に非常に狭くする必要がある。

マイクロレンズのサイズ（平面視でのマイクロレンズの大きさ）は、光の波長の３〜４倍あれば光の集光や光拡散に有効である。従って、例えば緑（Ｇｒｅｅｎ）光の波長５５０ｎｍを基準とすれば、平面視での大きさを１．５μｍから２．２μｍとし、マイクロレンズの曲率（あるいはレンズの厚み）や、傾き（断面視での斜面部の形状）を適宜調整することによって最適な集光性を得ることができる。

本発明者らの観測では、マイクロレンズの素材として用いるポジ型の感光性フェノール樹脂の感光性レンズ材料層をフォトリソ法でパターン形成を行うと、孤立した単独パターンでは、パターンマスクに形成された０．２μｍ〜０．２５μｍ幅のパターンは、どうにか樹脂パターンとして再現できる。

しかし、ポジ型の感光性樹脂から成る感光性レンズ材料層に、レンズ間ギャップを０．２μｍ以下に非常に狭くするために帯状の間隙パターンを露光しようとすると、露光に通常用いる３６５ｎｍの波長の露光光が、波長より小さいその帯状の間隙パターンの被露光基板上の投影パターンに入りきらない。そのため、パターンマスク上の１００％の光透過率の帯状の間隙パターンを感光性レンズ材料層に投影して樹脂パターンから形成するマイクロレンズアレイ間に０．２μｍ以下のレンズ間ギャップを実現しようとする場合は、パターン露光時に感光性レンズ材料層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。しかも、過剰露光を行った場合に得られるパターンは、図４のように、わずかな光量の違いでレンズ間ギャップの大きさが変わり、製造するマイクロレンズの形状の製造バラツキが大きくなる。このように、マイクロレンズアレイのレンズ間ギャップが０．２μｍ以下と小さい場合に、レンズ間ギャップの製造バラツキが大きい問題があった。

そのため、本発明の課題は、光の集光性に優れたマイクロレンズアレイのマイクロレンズ間の微小なレンズ間ギャップの製造バラツキを小さくすることを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、斜め方向でのレンズ間ギャップが０．２μｍ以下のマイクロレンズアレイの製造方法において、市松状に配置した第１のマイクロレンズを、第１のフォトマスクのパターンを感光性レンズ材料層に露光し現像することにより形成する第１の工程と、前記第１の工程において選択されなかった第２のマイクロレンズを市松状に配置した第２のマイクロレンズを、第２のフォトマスクのパターンを感光性レンズ材料層に露光し現像することにより形成する第２の工程とを有し、前記第１のフォトマスクが、八角形の遮光パターンと、前記遮光パターンの斜め方向の間の間隔に位置する光透過率が１００％の帯状の間隙パターンと、前記遮光パターンと前記帯状の間隙パターン以外の領域であって半透過性を有する半透光部とを有するフォトマスクであることを特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法である。

また、本発明は、斜め方向でのレンズ間ギャップが０．２μｍ以下のマイクロレンズアレイの製造用のフォトマスクであって、八角形の遮光パターンと、前記遮光パターンの斜め方向の間の間隔に位置する光透過率が１００％の帯状の間隙パターンと、前記遮光パターンと前記帯状の間隙パターン以外の領域であって半透過性を有する半透光部とを有することを特徴とするフォトマスクである。

本発明のマイクロレンズアレイの製造方法は、マイクロレンズアレイ形成用のフォトマスクに、八角形の主要遮光パターンと、光透過率が１００％の帯状の間隙パターンと、それら以外の八角形の半透光部を形成することで、帯状の間隙パターンを透過する光量の変化の影響を下げることで、斜め方向での０．２μｍ以下のレンズ間ギャップを精度良く製造できる効果がある。

（ａ）本発明で用いる第１のフォトマスクを示す平面図である。（ｂ）本発明で用いる第２のフォトマスクを示す平面図である。本発明によるマイクロレンズアレイの製造方法を示す図である。本発明によるマイクロレンズアレイの製造方法を示す断面図である。本発明によるマイクロレンズアレイのレンズ間ギャップとフォトマスクの露光量との関係を示すグラフである。

＜第１の実施形態＞
以下、図１から図４によって、本発明の第１の実施形態を説明する。図１に本実施形態の、市松状に選択した受光素子１２上に第１のマイクロレンズ１ａを形成する第１の工程で用いる第１のフォトマスク２ａと、第１の工程において選択されなかった受光素子１２上に第２のマイクロレンズ１ｂを形成する第２の工程で用いる第２のフォトマスク２ｂを示す。図１のように、第１のフォトマスク２ａと第２のフォトマスク２ｂには、撮像デバイスの被露光基板１０に形成するマイクロレンズ１ａ及び１ｂの４倍から５倍の寸法に拡大したパターンでマイクロレンズの主要遮光パターン４ａ及び４ｂを形成し、また、それらの主要遮光パターン４ａ及び４ｂを市松状に形成する。

（マイクロレンズアレイの製造方法）
図２（ｂ）及び図３（ａ）のように、第１のフォトマスク２ａを用いて、半導体基板１１の、受光素子１２の上の平坦化層１３の上のカラーフィルタ層１４上に形成した感光性レンズ材料層に、マイクロレンズのパターンを投影して露光し、現像して感光性レンズ材料層のパターン２０ａを形成する。感光性レンズ材料層のパターン２０ａは、市松状のカラーフィルタ層１４の画素上に形成し、感光性レンズ材料層のパターン２０ａが隣接するカラーフィルタ層１４の画素上にはみ出すように形成する。次に、感光性レンズ材料層のパターン２０ａを熱リフローして、図３（ｂ）のように隣接するカラーフィルタ層１４の画素上にはみ出す第１のマイクロレンズ１ａを形成する。

この第１のフォトマスク２ａ及び第２のフォトマスク２ｂのパターンの露光処理は、縮小投影型露光装置（ステッパー）で第１のフォトマスク２ａ及び第２のフォトマスク２ｂのパターンを縮小して投影することで行なう。
（第１の工程）
マイクロレンズアレイの製造方法の第１の工程では、図２（ｂ）のように被露光基板１０の上に感光性レンズ材料層を形成する。次に、第１のフォトマスク２ａのパターンを感光性レンズ材料層に露光して現像することで第１の感光性レンズ材料層のパターン２０ａを形成する。ここで用いる第１のフォトマスク２ａのパターンは、図２（ａ）のように、カラーフィルタ層１４の市松状に並ぶＧ（緑）の領域上の感光性レンズ材料層に第１のフォトマスク２ａで露光して、図３（ａ）のように、感光性レンズ材料層のパターン２０ａを形成する。次に図３（ｂ）のように、感光性レンズ材料層のパターン２０ａを熱リフローして隣接するカラーフィルタ層１４の画素上にはみ出す第１のマイクロレンズ１ａを形成する。

（第２の工程）
次に、マイクロレンズアレイの製造方法の第２の工程では、図３（ｃ）のように被露光基板１０の上に第２の感光性レンズ材料層を形成する。次に、第２のフォトマスク２ｂのパターンを第２の感光性レンズ材料層に露光して現像することで第２の感光性レンズ材料層のパターン２０ｂを形成する。ここで用いる第２のフォトマスク２ｂのパターンは、図２（ｂ）のように、カラーフィルタ層１４の、残りの領域が市松状に並ぶＲ（赤）とＢ（青）の領域上の第２の感光性レンズ材料層に第２のフォトマスク２ｂで露光し現像して第２の感光性レンズ材料層のパターン２０ｂを形成する。この感光性レンズ材料層のパターン２０ｂは第１のマイクロレンズ１ａの一部に重なるように形成する。次に図３（ｄ）のように、第２の感光性レンズ材料層のパターン２０ｂを熱リフローして、第１のマイクロレンズ１ａに重なる第２のマイクロレンズ１ｂを形成する。こうして、第１のマイクロレンズ１ａと第２のマイクロレンズ１ｂとから成るマイクロレンズアレイを製造する。

（フォトマスクのパターン）
図１（ａ）に、平面図で、撮像デバイスに第１のマイクロレンズ１ａを形成する第１のフォトマスク２ａのパターンを示す。この第１のフォトマスク２ａを第１の工程で用い、ポジ型の感光性樹脂から成る感光性レンズ材料層に露光する。また、図１（ａ）に示す第１のフォトマスク２ａのパターンは、露光パターンに対してｎ倍の寸法のパターンを形成し、マイクロレンズの露光パターンは１．７５μｍのピッチで配列させる。この倍率ｎは４倍から５倍の値にすることが望ましい。図１（ａ）のように、第１のフォトマスク２ａには、第１のマイクロレンズ１ａを形成する単位レンズ領域３を市松状に配置し、単位レンズ領域３毎に八角形の主要遮光パターン４ａを光透過率が０の遮光パターンで形成する。その主要遮光パターン４ａはそれを配置する単位レンズ領域３からはみ出して隣接する単位レンズ領域３の一部も覆うパターンに形成する。そして、斜め方向で隣接する主要遮光パターン４ａ間の間隙には、約０．２９μｍ×ｎの幅で光透過率が１００％の帯状の間隙パターン５を開ける。

一方、第１のフォトマスク２ａの、八角形の主要遮光パターン４ａと帯状の間隙パターン５以外の領域は、光透過率が０％より大きく１００％未満の半透光部６にする。このように半透光部６を形成すると、半透光部６から被露光基板１０上の帯状の間隙パターン５に対応する領域への露光光の回り込みが露光に加わるため、帯状の間隙パターン５の幅が製造誤差で増減することで帯状の間隙パターン５を透過する光量が変化しても、全露光光量に対する光量変化の割合が小さくなる効果がある。また、半透光部６からの露光光量もレンズ間ギャップの形成に寄与するため、帯状の間隙パターン５からの露光光強度を下げることができる。そうすると、レンズ間に０．２μｍ以下のレンズ間ギャップを形成するための第１のフォトマスク２ａの光透過率が１００％の帯状の間隙パターン５の幅を０．２μｍ×ｎ以上の０．２９μｍ×ｎ程度にまで広くできる。このように、帯状の間隙パターン５を透過する光量の変化の影響を下げることで、フォトリソグラフィーで形成する第１のマイクロレンズ１ａの斜め方向で０．２μｍ以下のレンズ間ギャップの幅の製造バラツキを小さくできる。すなわち、半透光部６を加えることで斜め方向での０．２μｍ以下のレンズ間ギャップを精度良く実現できる効果がある。

図１（ｂ）に、平面図で、撮像デバイスに第２のマイクロレンズ１ｂを形成する第２のフォトマスク２ｂのパターンを示す。この第２のフォトマスク２ｂを第２の工程で用い、ポジ型の感光性樹脂から成る感光性レンズ材料層に露光する。図１（ｂ）に示す第２のフォトマスク２ｂには、第２のマイクロレンズ１ｂを、第１のマイクロレンズ１ａの間の単位レンズ領域３に市松状に配置し、単位レンズ領域３毎に正方形の主要遮光パターン４ｂを光透過率が０の遮光パターンで形成する。この正方形の主要遮光パターン４ｂは隣接する単位レンズ領域にははみ出さないパターンに形成する。この正方形の主要遮光パターン４ｂ同士が斜め方向で最も近づく間隙を０．１４μｍ×ｎの間隙を開ける。この主要遮光パターン４ｂ以外の第２のフォトマスク２ｂの領域は光透過率が１００％の透明領域７にする。この第２のフォトマスク２ｂの間隙は、最も近づく間隙が０．１４μｍ×ｎであり、大部分の間隙がそれ以上あるため、マイクロレンズアレイの間隙を透過する光量が変化しても、フォトリソグラフィーで形成するマイクロレンズの斜め方向での０．２μｍ以下のレンズ間ギャップの幅の製造バラツキを小さくできる。すなわち、斜め方向での０．２μｍ以下のレンズ間のギャップを精度良く実現できる効果がある。

（フォトスクの製造方法）
合成石英ガラス等の透明基板２１上に、薄膜で高い遮光性が得られるＣｒ，Ｓｉ，Ｗ，Ａｌ等の金属もしくは金属酸化物の遮光膜を、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ（化学的気相成長）法などで成膜したマスクブランクスを用意する。次に、このマスクブランク上に描画用のポジ型レジスト膜を形成し、電子線描画機或いはレーザ描画機などを用いて描画を行い、それを現像してレジストパターン２４ａを形成する。次に、そのレジストパターン２４ａをマスクとして、遮光膜２２をエッチングして、遮光膜パターン２２ａを形成する。残存するレジストパターン２４ａは、酸素によるアッシング或いは濃硫酸などを用いて除去する。

次に、以上のようにして遮光膜パターン２２ａを形成した基板上に、薄膜で露光機の露光光の波長に対する光透過率が５０％程度の半透過性が得られるＣｒ化合物（酸化クロム（ＣｒＯ）、Ｃｒの窒化物、酸窒化物、フッ化物など）、酸化タンタル（ＴａＯ）、モリブデンシリサイド類（ＭｏＳｉ、酸化モリブデンシリサイド、酸化窒化モリブデンシリサイド、窒化モリブデンシリサイドなど）、Ｓｉ，Ｗ，Ａｌ等の半透光膜２３を、蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ（化学的気相成長）法などで成膜する。これらの半透光膜２３の材質は、その膜厚によって高い遮光性も得られ、或いは半透過性も得られる。また、半透光膜の光透過率は５０％程度に限定されず、半透光部６の透過性をどの程度に設定するかは設計上の問題であり、半透光膜２３の膜厚は、所望の半透光性が得られるように最適化された膜厚で形成する。

次に、再び全面にポジ型レジスト膜を形成し、電子線描画機或いはレーザ描画機などを用いて描画を行い、それを現像してレジストパターン２４ｂを形成する。次に、形成されたレジストパターン２４ｂをマスクとして、デバイスパターンの透光部にする領域の半透光膜２３をドライエッチングにより除去して、半透光部６を形成する。残存するレジストパターン２４ｂは、酸素アッシング等を用いて除去する。

本実施形態のフォトマスクでは、以上の製造方法で製造した第１のフォトマスク２ａを第１の工程で用いて第１のマイクロレンズ１ａを形成し、第２のフォトマスク２ｂを第２の工程で用いて第２のマイクロレンズ１ｂを形成することで、マイクロレンズアレイのマイクロレンズ間の微小なレンズ間ギャップを精度良く実現できる効果がある。

本発明は、フォトマスクにより撮像デバイスにマイクロレンズアレイを製造する技術に利用できるのみならず、液晶ディスプレイなどに組み込まれたハロゲンランプ、冷陰極線管、ＬＥＤなどの光源から発せられた光を均一に光拡散する光拡散板にマイクロレンズアレイを製造する技術や、光源からの光を集光する構造を、フォトマスクによるフォトリソグラフィにより数μｍサイズの微小径のマイクロレンズを製造することで得る技術に利用できる。

１ａ・・・第１のマイクロレンズ
１ｂ・・・第２のマイクロレンズ
２ａ・・・第１のフォトマスク
２ｂ・・・第２のフォトマスク
３・・・単位レンズ領域
４ａ、４ｂ・・・主要遮光パターン
５・・・帯状の間隙パターン
６・・・半透光部
７・・・透明領域
１０・・・被露光基板
１１・・・半導体基板
１２・・・受光素子
１３・・・平坦化層
１４・・・カラーフィルタ層
２０ａ・・・第１の感光性レンズ材料層のパターン
２０ｂ・・・第２の感光性レンズ材料層のパターン
ｎ・・・フォトマスクのパターンの露光パターンに対する倍率

Claims

斜め方向でのレンズ間ギャップが０．２μｍ以下のマイクロレンズアレイの製造方法において、市松状に配置した第１のマイクロレンズを、第１のフォトマスクのパターンを感光性レンズ材料層に露光し現像することにより形成する第１の工程と、前記第１の工程において選択されなかった第２のマイクロレンズを市松状に配置した第２のマイクロレンズを、第２のフォトマスクのパターンを感光性レンズ材料層に露光し現像することにより形成する第２の工程とを有し、前記第１のフォトマスクが、八角形の遮光パターンと、前記遮光パターンの斜め方向の間の間隔に位置する光透過率が１００％の帯状の間隙パターンと、前記遮光パターンと前記帯状の間隙パターン以外の領域であって半透過性を有する半透光部とを有するフォトマスクであることを特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法。
斜め方向でのレンズ間ギャップが０．２μｍ以下のマイクロレンズアレイの製造用のフォトマスクであって、八角形の遮光パターンと、前記遮光パターンの斜め方向の間の間隔に位置する光透過率が１００％の帯状の間隙パターンと、前記遮光パターンと前記帯状の間隙パターン以外の領域であって半透過性を有する半透光部とを有することを特徴とするフォトマスク。