JP2011248306A - 階段状およびレンズ形状レジスト構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 パターニングした１層のレジストを表面張力によって丸める、通常のリフロー法ではマイクロレンズの直径が大きくなると、レジスト材料が中央部に集まりづらくなるため、直径が大きなマイクロレンズの製作が難しいという問題があった。
【解決手段】 本発明は、パターニングしたレジストを加熱しつつ波長300nm前後の紫外線を照射して硬化させる工程であるUVキュア処理と、該硬化したレジスト上にレジスト塗布する工程、を繰り返し行い、レジスト層を多段に積み重ねていくことでレンズ形状に近い階段状レジスト構造を製作し、該階段状レジスト上に、さらにもう１層のレジストを塗布およびパターニングし、パターニング工程を終えたレジスト層をリフローすることにより、直径が比較的大きいマイクロレンズであっても、リフロー法により製作することを可能にしたものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、マイクロレンズに代表される立体構造をフォトリソグラフィで利用するレジストによって製造する方法に関する。

赤外線センサやCCD撮像素子では直径数１０μm程度のマイクロレンズを多数配置したマイクロレンズアレイが、又光通信の接続部などでは直径１０−５００μm程度のマイクロレンズが利用されている。
現在，電子機器の動作周波数の高速化に伴いボード間，ボード内の配線を光に置き換える検討や面発光レーザーアレイと近接場を利用した高密度光記録の検討などが行われており，マイクロレンズはますます重要になっている。
マイクロレンズは形状が微小であることから，通常のレンズ作製に用いられる研磨やモールドとは異なる様々な作製方法が検討されており、リフロー法、イオン拡散法、インクジェット法等の方法がある。

赤外線センサやCCD撮像素子のような機能デバイスを、レンズの裏面に製作できるのは、ドライエッチング加工方法でだけあり、ドライエッチング加工の前に必要となるレジストレンズの製作には、半導体プロセスで実績のあるレジスト材料と装置が利用出来るリフロー法が適している。
リフロー法は，スピンコーティングによって塗布したレジストを露光・現像によって円柱状のフォトレジストパターンを作製した上で、
この円柱状のレジストをガラス転移温度以上で加熱することでレジストを溶かし、表面張力の働きによりレンズ形状にするものである。通常フォトレジストで作製したレンズはそのままでは透過率不足や湿度や光照射に対する耐性が弱い等の問題があるため，ドライエッチングによりレジストパターンを基板材料に転写して利用される。
リフロー法を利用すると、スピンコータ装置、露光装置、オーブンといった半導体プロセスで使用する一般的な装置でマイクロレンズが製作可能となる。

特開２００９−１９９５４７ 特開２００３−３１５５０６ 特願２００６−２５９９３４

リフロー法では、円柱形状のレジスト膜をパターニングにより製作してから、リフローによりレンズ形状にする。
図１０は、パターニング後の円柱形状の直径とアスペクト比（厚さ／直径）によって分類してリフロー前、後の形状を示したものである。
図１０の（ａ）は、円柱形状のレジスト膜厚が１.１μm、径が１４μmの例である。直径に対して、厚さが十分な大きさの比率を持つ場合は図１０の（ａ）のように放物線近似曲線とほぼ一致し、球面収差の少ないレンズ形状が得られる。
図１０の（ｂ）は、円柱形状のレジスト膜厚が４.５μm、径が３４μmの例である。直径に対して厚さが十分な大きさの比率でない場合は図１０の（ｂ）のように放物線から外れたレンズ形状となる。円柱の直径に対して、厚さが不十分な場合は、上面が平らもしくは凹んだ形状となりレンズ形状にはならない。直径数１０μmの小さなレンズでもレンズ形状にすることは難しいことが分かる。

マイクロレンズは、センサの検知部に光線を集光するため使用されるが、一般に、より多くの光量を集めて信号を大きくしたい要求があり、レンズのサイズは大きくなる。例えば、センサチップのサイズが１.５ｍｍ角程度で、その中心部が受光部の場合、マイクロレンズの直径も１.５ｍｍ程度の比較的大きいマイクロレンズが用意できると、積層構造にした際にもチップ面積を最大限に有効利用できることになる。
リフロー法ではマイクロレンズの直径が大きくなると、表面力である表面張力が相対的に小さくなり、レジストが中央部に集まりづらくなる。このため、マイクロレンズの直径が１００μｍ程度以上になると通常のリフロー法では製作が難しいという問題があった。

本発明は、パターニングしたレジストを加熱しつつ波長300nm前後の紫外線を照射して硬化させる工程（減圧下ないしは窒素雰囲気下など水分を除去して行う方が望ましい）であるUVキュア処理と、該硬化したレジスト上に、さらにもう１層のレジストを塗布およびパターニングする工程を繰り返し行い、レジスト層を多段に積み重ねていくことで階段状レジスト構造を製作すること、得られた階段状レジスト構造の上に、さらにもう１層のレジストを塗布およびパターニングし、パターニング工程を終えたレジスト層をリフローする工程により、平滑なレンズ形状を形成することを特徴とするレンズ形状レジスト構造の製造方法を実現することにより、直径が比較的大きいマイクロレンズであっても製作を可能にしたものである。

本発明により、半導体プロセスで実績のあるレジスト材料と加工装置（レンズ形状をシリコンなどの基板に転写する、ドライエッチング装置も含む）を利用し、直径が大なマイクロレンズが製作出来るようになった。これと組み合わせて、レンズの裏面に赤外線センサのように一画素の面積が比較的大きな機能デバイスを組み合わせること可能になった。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１と図２は本発明によるマイクロレンズの製造方法の原理を２つの直径の異なる円を積み上げる場合を例に上げて説明した模式図である。
図１は、レジストにUVキュア処理を施すことなく、単純に通常の重ね塗りして積層したレジスト構造を製作する本発明の基となるプロセスの結果を示した図である。図２は、下地となるレジスト層にUVキュア処理を施した後に、レジストを重ね塗りした本発明のプロセスの結果を示した図である。
図１と図２において、１１は１層目のレジスト、２１は２層目のレジストである。１２は、UVキュア処理して硬化したレジスト膜である。硬化したレジスト膜は、露光紫外線や溶媒や熱に対する耐性などが向上する。

図１のプロセスでは、第１のステップで１層目のレジスト１１をパターニングし第２のステップ工程でパターニングした１層目のレジストの上にスピンコーティングによりレジスト２０を塗布する。このとき、液状のレジスト溶液にはシンナーが多量に含まれており、これが１層目のレジスト１１に浸透してレジスト１１のパターンが崩れてしまう。
第３のステップで、塗布したレジスト２０を露光し、第４のステップで、これを現像することで２層目のパターニングされたレジスト２１を形作るが、２層目のレジスト塗布と露光の際にパターン崩れした１層目のレジスト１１も同時に露光され、現像により溶解してしまう。パターン崩れが避けられない。
図２は図１のプロセスを改良した本発明のプロセスを示したものである。
図２のプロセスでは、第１のステップで１層目のレジスト１１をパターニングし、第２のステップで、パターニングしたレジスト１１にUVキュア処理を行い、２層目のレジスト塗布（溶媒）や露光に対して反応しない性質に変わった１層目のレジスト１２を製作する。

第３のステップで、UVキュア処理された１層目のレジスト１２の上にスピンコーティングにより２層目のレジスト２１を塗布する。スピンコーティング時に１層目のレジスト１２は２層目のレジスト２１に含まれるシンナーに触れるがUVキュア処理されたレジストは型崩れしない。
第４のステップで、塗布したレジスト２０を露光し、第５のステップで、これを現像することで２層目のパターニングされたレジスト２１を形作る。
UVキュアしたレジストは感光性を失っているため２層目のレジスト２１を露光、現像しても１層目のレジスト１１はそのままパターンが維持され、１層目のパターンの上に２層目が乗ったレジスト形状を得ることができる。

図３は本発明によるマイクロレンズの製造方法の具体的なプロセスを示した図である。
以下、図３に従って本発明によるマイクロレンズの製造方法を説明する。
本発明によるマイクロレンズの製造方法では、
第１の工程で、２.５cm角にダイシングしたシリコン（Si）ウエハの基板１０にスピンコータでアライメントマーク用ポジ型レジスト１３を塗布し、第２の工程で、アライメントマークの露光を行う。
アライメントマークは、レジストを正確に積み上げていくための以後の基準位置を示すマークである。アライメントマークの詳細については図５において説明する。
第３の工程で、アライメントマーク用レジストの現像を行いアライメントマーク用レジスト１４を形成し、第４の工程で、アライメントマーク用レジスト１４にUVキュア処理を行いUVキュア処理されたアライメントマーク１５を製作する。

第５の工程で、１層目のレジスト１６を塗布し、第６の工程で、これを露光し、第７の工程で、これを現像することで１層目のレジストパターン１１を形作する。
第８の工程で、１層目のレジストパターン１１にUVキュア処理を施して、硬化させた１層目のレジスト１２を製作する。
第９の工程で、UVキュア処理によって硬化させた１層目のレジスト１２の上に２層目のレジスト２０を塗布し、第１０の工程で、塗布したレジスト２０を露光し、第１１の工程で、これを現像することで２層目のレジストパターン２１を製作する。
第１２の工程で、レジストパターン２１をUVキュア処理によって硬化させたレジストパターント２２を製作する。

図３のプロセスでは、２層のレジスト１１.２１をUVキュア処理によって硬化させたレジスト１２.２２を製作する具体的な処理について説明したが、同じようにして、直径の異なる円柱形状のパターンを複数層用意し、パターニング、UVキュアして積み重ねていくことでレンズ形状のもととなる任意の段数を持った階段状のレジストを製作することができる。この階段状のレジストの上からさらにもう１層のレジストを塗布しパターニングし、これをリフローすることで表面張力により積み重ねたレジストの間の角がなめらかになり、より大きな直径を持つパターンであってもレンズ形状を得ることができる。
本プロセスは、UVキュアによりレジストの性質を変化させているが、元々同じ材料のレジストが重なった構造を造るものである。従って界面における特性の変化は少ない。従って、後にドライエッチング時に変化が表れることは少ない。
図３のプロセスを実施する装置は、レジストを塗布するスピンコータ、パターニングを行う片面マスクアライナ、UVキュアを行うUVキュアリング装置、リフローを行うオーブンを使用した。

図４は本発明によるマイクロレンズの製造方法による最上層のレンズ形状とリフロープロセスを説明する図である。
図４の（１）は、図３で説明したプロセスにより、レジスト層の形成とUVキュア処理のサイクルを４回繰り返し、パターニングされたレジスト層１２.２２.３２.４２を４層積層したものを示している。各レジスト層１２.２２.３２.４２はすべて大きさが異なり、積み重ねると断面プロファイルが放物線に近い形になるように設計されている。
図４の（２）は、（１）に示したUVキュアされたレジスト層１２.２２.３２.４２の上に５層目のレジスト５０を塗布した状態を示している。図４の（３）は、５層目のレジスト５１をパターニングした後の状態を示し、図４の（４）は、パターニングした５層目のレジスト５０を現像した後高温でリフローすることでレンズ形状にした状態を示したものである。

図５は本発明によるマイクロレンズの製造方法に使用されるレンズ製作用フォトマスクを示す図である。
マイクロレンズの直径は約１４０μm、約５００μm、約１.５mmの３種類を用意した。レジスト１層分の厚さを一定と仮定して、各層の端が放物線上にのるように各層の円の直径を設計した。
プロセスに用いるレンズ製作用フォトマスクの枚数をできるだけ少なくするために、１つのマスク内に１〜４層のマスクパターンを用意した。
ウエハの大きさは２５mm×２５mmを想定しており、外側の「」印内部のコーナーがウエハの角に合うようにした。このマスクは田の字状に４つの領域５１.５２.５３.５４に分かれており、各領域は各層のそれぞれのマスクパターンとなっている。

１つの領域に３種類の直径のレンズ用のパターンがある。直径約１.５mmのレンズに関してはプロファイルの異なる２種類のパターンを用意した。したがってマスク全体には４種類のレンズが設計されており、４層分に対応する１６種類の円がある。図５中の右下の領域では円が最も小さく、左下の領域では円が最も大きくなっている。
フォトマスクはサイズが２inch角で厚みが１.６mmのガラスマスクを用いた。ガラスの種類は青板ガラスである。マスク部分はクロムである。
マスクのほとんどの領域がガラスであり、アライナでの操作の際に、マスクを透過してウエハ表面を観ることができる。これによりマスクとサンプル上のアライメントマークを互いに探し易くなっている。

図６は本発明によるマイクロレンズの製造方法に使用されるアライメントマークの説明図である。
図６の（ａ）はウエハ側アライメントマークを、図６の（ｂ）はマスク側アライメントマークを、図６の（ｃ）はアライメントマークの配置される位置を示したものである。
レンズの下地には、各層のレジストパターンや最上層のレジストを正確に積み上げていくためのアライメントマークが必要となる。アライメントマークは図６に示すような形状とした。図６の（ａ）はウエハ側アライメントマークのパターンは、先の図５に示したレンズパターンの前にウエハに転写される。
図６の（ｃ）に示すようにアライメントマークは、マスク６１の各辺両端の中心付近に配置される。図６の（ａ）はウエハ上に最初に製作する目印であり、後のパターニングの位置基準となる。図６の（ｂ）は円形パターンを含むマスク側の目印である。レジストを積層するプロセスにおいて複数回（４〜５回）アライメントを行うため、その分のアライメントマークが用意されている。アライメントマークの形状は同一であっても、利用すべきアライメントマークの組を特定できるようにするため、マークの下には番号が付けられている。

図７は本発明によるマイクロレンズの製造方法により製作されたレジストの上面図である。
図７において、７０はレジストを塗布されるウエハである。７１、７２、７３、７４はウエハ７０を田の字に４分割した各領域を示している。
図７に示すレジストは、ウエハ７０の４領域７１.７２.７３.７４に分割して、図５に示したマスクパターンを使用して順にパターニングされ積層される。
レジストパターンの最も大きい円である１層目のパターンは、図５に示したマスクパターンの左下の領域５１に配置されているものを使用する。図６に示したマスクパターンのアライメントマークに合わせることで、ウエハ７０の左下の領域７１に１層目のパターニングが形成される。次に、図５に示したマスクパターンの左上の領域５２の２層目のパターンを重ねて配置するため、図５に示したマスクパターンを反時計回りに９０度回転させることにより、２層目のパターンをマスクウエハ７０の左下の領域７１に位置決めと共にパターニングすることができる。このとき９０度回転した場所にあるアライメントマークに合わせることができるようにマスク設計されている。

同様にして図５に示したマスクパターンの３層目、４層目をさらに９０度、１８０度回転することでマスクウエハ７０の左下の領域７１にレジストの層を１層目から順に４層目まで積層することができる。マスクウエハ７０の左下の領域には、大きな円形パターンから小さな円の順に、小さくなりながらプロセスが進められる。
ウエハ７０の右上７３、右下７４、左上７２の領域にも同様に４層目までレジストが積み上げられることになるが、それぞれ１層目から４層目パターンの積み上がる順番が異なる。積み上げの順番が異なっても、マイクロレンズは製作できることが分かった。
４層目まで積層したレジストの上面図は図７のようになり、最初のパターニングで一番大きな円が作製され、２回目で二番目に大きな円、３回目で三番目に大きな円、４回目で四番目に大きな円が作製される。

図８は、本発明によるマイクロレンズの製造方法によるレンズの製作プロセスに使用される、露光量をモニタリングするパターンの説明図である。
図８において、８１、８２は露光量をモニタリングするパターンである。露光量をモニタリングするパターン８１、８２は、目盛の役割を果たすラインアンドスペースの行が配置されている。マスク上は、僅かに異なるレジストが残る幅と、無くなる幅がペアで用意されている。パターニング後に、レジストが残った幅と、無くなった幅が同一になる組み合わせが、何処に生じるかでオーバー露光やアンダー露光を判断できる。83はオーバー露光を示すマーク、84はアンダー露光を示すマークである。
本発明によるマイクロレンズの製造方法において、各レジスト層をパターニングする際に最適露光量をモニタリングするためのパターンを最上層マスクの４領域の境界に配置される。図８のパターンを利用して、以下のように露光量の判断がされる。
露光量をモニタリングするパターン８１、８２の上下２種類の行にはどちらも左から右へいくにしたがって幅が増えていくようにラインが設計されている。また、スペースの幅は全て同じ長さである。

図８の最下部のパターンは、それぞれオーバー露光を示すマーク83 とアンダー露光を示すマーク84の“U”である。
露光量が最適であった場合、現像後に露光量モニターのマスクパターンが寸法も含めてそのまま転写されることになる。上の行の中央に配置された最も長いライン（レジスト部）の幅と、その真下のスペースの幅は同じ３０μmでマスク上は用意されている。
最適露光量であれば互いは一致する。ポジレジストを用いてアンダー露光であった場合、レジストが残り易くなるわけであるから上の行のライン幅が広くなり、下の行のスペース幅が狭くなる。モニターパターンではラインとスペースの幅が上下で一致する場所が左へずれる。逆にオーバー露光であった場合、上の行のライン幅が狭くなり、下の行のスペース幅が広くなることから、ラインとスペースの幅が一致する場所が右へずれる。
このパターンを使用する際は、現像後のパターンを観察し実際の寸法幅を計測することなく、上部のライン幅と下部のスペース幅が一致する場所を調べることで、アンダー露光、オーバー露光を判定できる。

図９は、本発明によるマイクロレンズの製造方法により直径の異なる各種のマイクロレンズ用に設計した各レジスト層の円の直径を示したデータである。
直径１４０、５５９μmのレンズについては最終的な形状が球面になるように設計した。１６１７μmのレンズは２種類のタイプを用意した。１つは直径１４０、５５９μmのレンズと同様に最終形状が球面になるタイプであり、もう１つはレンズ中心の１/３以内の領域を平坦な表面形状とし、その周りを球面になるようにしたタイプである。
球面タイプのレンズは結像特性を持つが、本発明の目的は、赤外線を漏らさず、赤外線センサの感光部に集めることである。従って、結像特性は重要ではなく、中心部はそのまま下流部に赤外線を伝搬させれば目的を果たす。中心部平坦タイプはレンズ端部におけるプロファイルの形成に重点を置いたデザインである。
以上の説明より明らかなように、本発明によるマイクロレンズの製造方法により、半導体プロセスで実績のあるレジスト材料と装置が利用出来るリフロー法により直径が大きなマイクロレンズが製作出来るようになった。これにより、レンズの裏面に赤外線センサのような大きな面積の機能デバイスをドライエッチング加工方法で製作が可能になった。

本発明は、半導体プロセスおよび光デバイスと組み合わせが可能であり、各種の電子産業、光通信産業等で広く利用される可能性がある。

レジストを単純に通常の重ね塗りして直径が大なレジストを製作する本発明の基となるプロセスの結果を示した図である。 パターニングしたレジストをUVキュア処理した後、レジストを重ね塗りした本発明のプロセスの結果を示した図である。 本発明によるマイクロレンズの製造方法の具体的なプロセスを示した図である。 本発明によるマイクロレンズの製造方法による最上層のレンズ形状とリフロープロセスを説明する図である。 本発明によるマイクロレンズの製造方法に使用されるレンズ製作用 フォトマスクの例を示す図である。 本発明によるマイクロレンズの製造方法に使用されるアライメントマークの説明図である。 本発明によるマイクロレンズの製造方法により積層されたレジストの上面図である。 本発明によるマイクロレンズの製造方法による製作プロセスに使用される露光量をモニタリングするパターンの説明図である。 本発明によるマイクロレンズの製造方法により直径の異なる各種のマイクロレンズ用に設計した各レジスト層の円の直径を示したデータである。 パターニング後の円柱形状の直径とアスペクト比（厚さ／直径）によって分類してリフロー前、後の形状を示したものである。

１１・・・パターニングされた１層目のレジスト
１２・・・UVキュア処理された１層目のレジストパターン
２０・・・１層目のレジストパターンの上に塗布されたレジスト
２１・・・パターニングされた２層目のレジスト
２２・・・UVキュア処理された２層目のレジストパターン
１０・・・シリコン（Si）ウエハ
１３・・・アライメントマーク用ポジ型レジスト
１４・・・アライメントマーク
１５・・・UVキュア処理されたアライメントマーク
１６・・・１層目のレジスト
１２.２２.３２.４２・・・UVキュア処理されたレジスト層
５０・・・５層目のレジスト
マスクは田の字状に４つの領域５１.５２.５３.５４
７０・・・ウエハ
７１.７２.７３.７４・・・ウエハ７０の４領域
８１、８２・・・露光量をモニタリングするパターン
83・・・オーバー露光のときにレジストと空隙が一致するマーク
84・・・アンダー露光のときにレジストと空隙が一致するマーク

Claims (3)

1. パターニングしたレジストを加熱しつつ紫外線照射して硬化させる工程と、
   該硬化したレジスト上に、さらにもう１層のレジストを塗布およびパターニングし、
   レジスト層を多段に積み重ねていくことを特徴とする、階段状レジスト構造の製作方法。
2. 請求項１において、
   パターニングしたレジストを加熱しつつ紫外線照射して硬化させる工程と、
   該硬化したレジスト上に、さらにもう１層のレジストを塗布およびパターニングし、
   パターニング工程を終えたレジスト層をリフローする工程により、平滑なレンズ形状を形成することを特徴とするレンズ形状レジスト構造の製造方法。
3. 請求項２において、
   サイズの異なる円柱や楕円柱や六角柱や四角柱などの形状に
   パターニングしたレジストを加熱しつつ紫外線照射して硬化させる工程と、該硬化したレジスト上にレジスト塗布する工程、を繰り返し行い、
   レジスト層を多段に積み重ねていくことでレンズ形状に近い階段状レジスト構造を製作し、
   該階段状レジスト上に、さらにもう１層のレジストを塗布およびパターニングし、
   パターニング工程を終えたレジスト層をリフローする工程により、平滑なレンズ形状を形成することを特徴とするレンズ形状レジストの製造方法。
   

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