JP2013117662A - マイクロレンズの製造方法およびマイクロレンズ製造用フォトマスク - Google Patents

Abstract

【課題】平面上にマトリクス配列される平面視矩形で凸面状のマイクロレンズの隣接するマイクロレンズとの隙間を均一に小さくするためのマイクロレンズの製造方法を、工程負荷の増大や品質の低下を招くことなく、提供すること。
【解決手段】フォトレジスト層をフォトリソグラフィー法によりパターニングする際に用いるフォトマスクは、概ね矩形状のパターンが、縦横にマトリクス配列され、パターン間の縦方向の隙間の最大距離と、横方向の隙間の最大距離と、対角方向に隣接するパターンとの隙間の距離とが同一になるように変形して形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子等の集光に用いるマイクロレンズの製造方法に関する。

近年、撮像装置は画像の記録、通信、放送の内容の拡大に伴って広く用いられるようになっている。撮像装置として種々の形式のものが提案されているが、小型、軽量で高性能のものが安定して製造されるようになった固体撮像素子を組み込んだ撮像装置が、デジタルカメラやデジタルビデオとして普及してきている。

固体撮像素子は、撮影対象物からの光学像を受け、入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換素子を有する。光電変換素子の種類はＣＣＤ（電荷結合素子）タイプとＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）タイプとに大別される。また、光電変換素子の配列形態から、光電変換素子を1列に配置したリニアセンサ（ラインセンサ）と、光電変換素子を縦横に２次元的に配列させたエリアセンサ（面センサ）との２種類に大別される。いずれのセンサにおいても光電変換素子の数（画素数）が多いほど撮影された画像は精密になるので、近年は特に、大画素数の固体撮像素子を安価に製造する方法が検討されている。小型化した固体撮像素子で撮影した画像の情報量を多くするためには、受光部となる光電変換素子を微細化して高集積化する必要がある。
光電変換素子を微細化した場合、各光電変換素子の面積が小さくなり、受光部として利用できる面積割合も減るので、光を取り込む面積が小さくなるため、光電変換素子の受光部に取り込める光の量が少なくなり、実効的な感度は低下する。このため、固体撮像素子に要求される性能で重要な課題の一つに、入射する光への感度を向上させることが挙げられる。

微細化した固体撮像素子の感度の低下を防止するための手段として、光電変換素子の受光部に効率良く光を取り込むために、対象物から入射される光を集光して光電変換素子の受光部に導くマイクロレンズを光電変換素子上に形成する技術が提案されている。マイクロレンズで光を集光して光電変換素子の受光部に導くことで、受光部の見かけ上の開口率を大きくすることが可能になり、固体撮像素子の感度の向上が可能になる。
図３は、着色透明樹脂パターンからなるカラーフィルタ画素上に１画素毎に１個の無色透明なマイクロレンズを設けて集光し、色分解した光を光電変換素子の受光部に導くカラー化した固体撮像素子の構造例を説明するための模式断面図である。
カラー化した固体撮像素子１は、半導体基板２上に規則的に設けた複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面４に、透明平坦化層５を介して、複数色を繰り返し配列する着色透明画素パターン８を光電変換素子３に対応させて複数設け、さらに第二の透明平坦化層５１により着色透明画素パターン８を配列した平面上の平坦化を行った後に、上記のマイクロレンズ６を着色透明画素パターン８および光電変換素子３に対応させて設けることにより、感度の向上を図ることができる。

上述のマイクロレンズを形成する方法として、種々の提案がなされているが、感光性樹脂の熱溶融を伴う変形を利用する方法が主である。
例えば、マイクロレンズの素材となる透明樹脂に感光性を付与して均一に塗布し、フォトリソグラフィー法により選択的にパターン形成した後に、材料の熱リフロー性を利用してレンズ形状を作るフローレンズタイプ（特許文献１参照）や、マイクロレンズの素材となる透明樹脂の平坦層の上に、アルカリ可溶性と感光性と熱リフロー性を有するレジスト材料を用いてフォトリソグラフィー法と熱リフローによりレンズ母型を形成し、ドライエッチング法によりレンズ母型の形状を透明樹脂層に転写する転写タイプ（特許文献２参照）
がある。

特開２００８−３４５０９号公報 特開２００９−１５２３１５号公報

図４は、エリアセンサに使用するマイクロレンズの平面配列において隣接するマイクロレンズとの隙間を説明するための模式平面図であって、（ａ）は、望ましい形状を示し、（ｂ）は、通常の隙間を有する形状を示す。
図４（ａ）に示すように、太線で示す正常な矩形が隅まで形成されていれば、個々のマイクロレンズ６の集光機能を最大に発揮でき、それを用いる固体撮像素子の感度を充分に向上できる。なお、点線の円周は、太線の矩形内で凸面状となるマイクロレンズ形状を平面表示するものである。樹脂の熱溶融を利用することの多いマイクロレンズの製造工程においては、隣接するマイクロレンズ間の融着を防ぐ必要があるため、前述の望ましい形状を得ることが容易でない。例えば、前記フローレンズタイプでは、隣接するマイクロレンズ間の融着を直接的に防ぐために、予め、マイクロレンズ間に一定の隙間を設けることを前提とした設計を行わざるを得ない。また、前記転写タイプでは、レンズ母型の形状を透明樹脂層に転写する工程で、隙間を小さくできるため、フローレンズタイプより形状を改善する余地はあるが、通常は、図４（ｂ）の一部の模式平面図に示すように、マイクロレンズ６１の平面形状が太線で示すように隅の丸まった不完全な矩形の形状となる。従って、対角方向に隣接するマイクロレンズとの隙間７が無視できない大きさとなり、それを用いる固体撮像素子の感度を充分に向上することができない。

前記転写タイプにおいて、対角方向に隣接するマイクロレンズとの隙間を小さくするために、工程条件を変えることも可能である。例えば、マイクロレンズを形成すべき樹脂層の上に設けたフォトレジスト層のフォトリソグラフィー工程後の熱溶融によるパターンを下層の透明樹脂層にエッチング転写するという転写タイプの製法を採用する場合、エッチング時間を長くすることにより、隙間は減少する。しかし、エッチング時間を長くすると、工程の負荷が増大するばかりでなく、エッチング処理を行う広い領域全体における面内の均一性が悪化するという品質上の不具合が生じやすい。

本発明は、前記の問題点に鑑みて提案するものであり、本発明が解決しようとする課題は、平面上にマトリクス配列される平面視矩形で凸面状のマイクロレンズの隣接するマイクロレンズとの隙間を均一に小さくするためのマイクロレンズの製造方法を、工程負荷の増大や品質の低下を招くことなく、提供し、また、それに使用するフォトマスクを提供することである。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、平面上にマトリクス配列される平面視矩形で凸面状のマイクロレンズの製造方法であって、マイクロレンズの製造工程が、マイクロレンズを構成すべき透明樹脂層を平面上に形成し、感光性樹脂からなるフォトレジスト層を透明樹脂層上に形成し、フォトレジスト層をフォトマスクを用いたフォトリソグラフィー法によりパターニングした後に熱溶融して凸面状の転写用マイクロレンズパターンとし、前記透明樹脂層上の転写用マイクロレンズパターンをエッチングレジストとして前記透明樹脂層にエッチング転写する工程からなり、前記フォトマスクは、概ね矩形状のパターンが、縦横にマトリクス配列され、パターン間の縦方向の隙間の最大距離と、横方向の隙間の最大距離と、対角方向に隣接するパターンとの隙間の距離と
が同一になるように変形して形成されたことを特徴とするマイクロレンズの製造方法である。

また、請求項２に記載の発明は、前記透明樹脂層上の転写用マイクロレンズパターンをエッチングレジストとして前記透明樹脂層にエッチング転写する工程が、フッ素系ガスによるドライエッチングであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズの製造方法である。

また、請求項３に記載の発明は、前記透明樹脂層が、アクリル系の樹脂材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロレンズの製造方法である。

また、請求項４に記載の発明は、前記フォトレジスト層が、アクリル系またはノボラック系のポジ型レジスト材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロレンズの製造方法である。

また、請求項５に記載の発明は、前記透明樹脂層の膜厚を１．４〜１．７μｍとし、マトリクス配列のパターンピッチを１．１〜１．７５μｍとする場合の、フォトマスクパターン上での前記同一とする隙間の距離を０．３〜０．４μｍとすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロレンズの製造方法である。

また、請求項６に記載の発明は、概ね矩形状のパターンが、縦横にマトリクス配列され、パターン間の縦方向の隙間の最大距離と、横方向の隙間の最大距離と、対角方向に隣接するパターンとの隙間の距離とが同一になるように変形して形成されたことを特徴とするマイクロレンズ製造用フォトマスクである。

本発明は、マイクロレンズの製造工程が、マイクロレンズを構成すべき透明樹脂層を平面上に形成し、感光性樹脂からなるフォトレジスト層を透明樹脂層上に形成し、フォトレジスト層をフォトマスクを用いたフォトリソグラフィー法によりパターニングした後に熱溶融して凸面状の転写用マイクロレンズパターンとし、前記透明樹脂層上の転写用マイクロレンズパターンをエッチングレジストとして前記透明樹脂層にエッチング転写する工程からなる場合に、前記フォトマスクは、概ね矩形状のパターンが、縦横にマトリクス配列され、パターン間の縦方向の隙間の最大距離と、横方向の隙間の最大距離と、対角方向に隣接するパターンとの隙間の距離とが同一になるように変形して形成されたことを特徴とするマイクロレンズの製造方法であるので、平面上にマトリクス配列される平面視矩形で凸面状のマイクロレンズの隣接するマイクロレンズとの隙間を均一に小さくするためのマイクロレンズの製造方法を、工程負荷の増大や品質の低下を招くことなく、提供することができる。

本発明に使用するフォトマスクのパターン配置の一例を説明するための模式平面図である。 本発明に使用するフォトマスクのパターン配置の他の一例を説明するための模式平面図である。 マイクロレンズを用いるカラー化した固体撮像素子の構造例を説明するための模式断面図である。 マイクロレンズの平面配列において隣接するマイクロレンズとの隙間を説明するための模式平面図であって、（ａ）は、望ましい形状を示し、（ｂ）は、通常の隙間を有する形状を示す。 本発明におけるマイクロレンズの製造工程を説明するための断面模式図であって、（ａ）〜（ｅ）は工程順に例示した図である。

以下、図面に従って、本発明を実施するための形態について説明する。
まず、本発明を適用するマイクロレンズの製造工程について、カラー固体撮像素子にマイクロレンズを設ける例に従って、図５の（ａ）〜（ｅ）の工程順の断面模式図により詳細を説明する。なお、本図では明示していないが、本発明は、マイクロレンズ間の平面視形状を最適にする目的であるので、平面上にマイクロレンズがマトリクス配列される例を、前提としている。

図５（ａ）は、カラー固体撮像素子のマイクロレンズを設ける前の断面模式図であって、シリコン等の半導体基板２上に規則的に設けた複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面に、透明平坦化層５を介して、複数色を繰り返し配列する着色透明画素パターン８を光電変換素子３に対応させて複数設け、さらに第二の透明平坦化層５１により着色透明画素パターン８を配列した平面上の平坦化を行った後に、マイクロレンズを構成すべき透明樹脂層６５を均一に塗布形成した状態を表す。透明樹脂層６５として、アクリル系の樹脂材料をスピンコーターを用いて乾燥膜厚１．４〜１．７μｍに均一に塗布できる。乾燥工程にはホットプレートを用いて短時間で均一に乾燥できる。

次に、透明樹脂層６５上に、アルカリ可溶性と感光性と熱リフロー性を有する樹脂であるフォトレジスト材料をスピンコーターにより均一に塗布してフォトレジスト層６６を形成する。フォトレジスト層６６として、アクリル系またはノボラック系のポジ型レジスト材料をスピンコーターを用いて乾燥膜厚０．３〜０．５μｍに均一に塗布できる。乾燥は１００℃以下の低温で行う。
次に、フォトレジスト層６６を形成した基板に対して、フォトリソグラフィー法によりパターニングする。露光工程は、図５（ｂ）に示すように、ポジ型のフォトレジストを残すべき領域に対応して遮光部３１のパターンを設け、他を光透過部３２として予めパターン形成したフォトマスク３０を、対象とする基板に対して正確に位置合わせし、例えば、水銀ランプ光源からの波長３６５ｎｍ光を用いるｉ線ステッパーからの平行な照射光９をフォトマスク３０の背面から照射することにより露光できる。露光条件は、使用するフォトレジスト材料の膜厚、感度、また、現像液の条件等により決定する。

次に、現像工程を行って、図５（ｃ）に示すように、フォトレジストパターン６７を形成する。現像には、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）やアミン系の有機アルカリ現像液を用いることができる。スピン現像やパドル現像の方法により、現像処理を均一に進めることができ、フォトマスク３０の遮光部３１に対応するフォトレジストパターン６７を残して、他を溶解除去する。

次に、図５（ｄ）に示すように、フォトレジストパターン６７を、材料の熱リフロー性を利用して熱溶融により成形することにより、レンズ母型としての凸面状の転写用マイクロレンズパターン６８を透明樹脂層６５上に形成する。本工程の熱溶融には、ホットプレート装置を用いて、例えば、１６０℃加熱後に２００℃の高温加熱を行うというステップベイキングの手法により、材料溶融時の表面張力で規制される半球面形状を良好に形成することができる。上記加熱温度が、フォトレジストパターン６７から転写用マイクロレンズパターン６８への成形に有効であるとともに、透明樹脂層６５を始めとする下層材料に悪影響を与えない条件で決める必要があることは言うまでも無い。

次に、透明樹脂層６５上に形成した転写用マイクロレンズパターン６８をエッチングレジストとして、前記透明樹脂層６５にエッチング転写し、図５（ｅ）に示すように、マイクロレンズ６２を形成する。エッチング処理の方法としては、Ｃ_３Ｆ_８等のフッ素系ガス
によるドライエッチングを行うことが最適である。
ドライエッチングにより転写されるマイクロレンズ６２の断面形状は、レンズ母型とした転写用マイクロレンズパターン６８に基本的には忠実であるが、転写用マイクロレンズパターン６８の素材となるフォトレジスト層６６と、マイクロレンズ６２の素材となる透明樹脂層６５との、実際のドライエッチング条件におけるエッチレート比や、エッチング深度により種々の影響を受けて変化する。特に本発明の目的である、平面上にマトリクス配列される平面視矩形で凸面状のマイクロレンズの隣接するマイクロレンズとの隙間を均一に小さくするための製造方法を、工程負荷の増大や品質の低下を招くことなく、提案するに当たっては、後述のように、フォトレジストパターン６７を形成するためのフォトマスク３０のパターンに配慮することが重要である。

図１は、本発明に使用するフォトマスクのパターン配置の一例を説明するための模式平面図である。
本例におけるフォトマスク１０は、前述の製造工程の説明に用いたポジ型レジスト材料に対応するものである。マトリクス配列される画素区画の仮想線１３を点線で示すと、遮光部１１で形成されるフォトマスクの繰り返しパターンは、それぞれ画素区画仮想線１３の内側に、画素区画仮想線１３から対称的な光透過部１２を設けて形成される。遮光部１１は概ね矩形状のパターンであり、本パターンにより遮光されてフォトリソグラフィー処理されたフォトレジストパターン６７の平面形状も略同形となる。フォトレジストパターン６７を熱溶融により成形した凸面状の転写用マイクロレンズパターン６８の平面外形は、熱リフローにより若干の平面輪郭の変化を伴うものの、隣接する転写用マイクロレンズパターンとの独立を保つ程度に隙間を設けるものとする。しかし、前記隙間は、図４（ｂ）に示したような、対角方向に隣接するマイクロレンズとの隙間７が無視できない大きさの、隅の丸まった不完全な矩形の形状となるマイクロレンズ６１を作るための母型に備わるものであってはならない。上記の要請に応えるためのフォトマスクのパターンとするために、図１に太線両方向矢印で示す異なる方向の隙間を同じにしたフォトマスクパターンが好ましい。
すなわち、本発明に使用するフォトマスクは、概ね矩形状のパターンが、縦横にマトリクス配列され、パターン間の縦方向の隙間の最大距離と、横方向の隙間の最大距離と、対角方向に隣接するパターンとの隙間の距離とが同一になるように変形して形成されたことを特徴とする。

図２は、本発明に使用するフォトマスクのパターン配置の他の一例を説明するための模式平面図である。
本例におけるフォトマスク２０は、前述の製造工程の説明に用いたポジ型レジスト材料に対応するものである。マトリクス配列される画素区画の仮想線２３を点線で示すと、遮光部２１で形成されるフォトマスクの繰り返しパターンは、それぞれ画素区画仮想線２３の内側に、画素区画仮想線２３から対称的な光透過部２２を設けて形成される。遮光部２１は概ね矩形状のパターンであり、本パターンにより遮光されてフォトリソグラフィー処理されたフォトレジストパターン６７の平面形状も略同形となる。フォトレジストパターン６７を熱溶融により成形した凸面状の転写用マイクロレンズパターン６８の平面外形は、熱リフローにより若干の平面輪郭の変化を伴うものの、隣接する転写用マイクロレンズパターンとの独立を保つ程度に隙間を設けるものとする。しかし、前記隙間は、図４（ｂ）に示したような、対角方向に隣接するマイクロレンズとの隙間７が無視できない大きさの、隅の丸まった不完全な矩形の形状となるマイクロレンズ６１を作るための母型に備わるものであってはならない。上記の要請に応えるためのフォトマスクのパターンとするために、図２に太線両方向矢印で示す異なる方向の隙間を同じにしたフォトマスクパターンが好ましい。
すなわち、本発明に使用するフォトマスクは、概ね矩形状のパターンが、縦横にマトリクス配列され、パターン間の縦方向の隙間の最大距離と、横方向の隙間の最大距離と、対角
方向に隣接するパターンとの隙間の距離とが同一になるように変形して形成されたことを特徴とする。

前述のように、本発明に使用するフォトマスクの概ね矩形状のパターンが、縦横にマトリクス配列され、パターン間の縦方向の隙間の最大距離と、横方向の隙間の最大距離と、対角方向に隣接するパターンとの隙間の距離とが同一になるように変形されてなる場合、実用上どの程度の隙間とすべきかは、本発明のマイクロレンズ製造方法における各構成要素の仕様と各工程の詳細な条件により決まる。例えば、前記透明樹脂層の膜厚を１．４〜１．７μｍとし、マトリクス配列のパターンピッチを１．１〜１．７５μｍとする場合の、フォトマスクパターン上での前記同一とする隙間の距離を０．３〜０．４μｍとすると、０．３〜０．５μｍ厚さのポジ型レジスト材料を用いて、フッ素系ガスによるドライエッチングにより、３分間以内のエッチング時間で、アクリル系の透明樹脂層へのエッチング転写が良好に実施でき、マイクロレンズの隣接するマイクロレンズとの隙間を均一に小さくすることができる。本例において、フォトマスクパターン上での前記同一とする隙間の距離を０．３μｍより小さくすると、露光光のｉ線の波長より短いパターン形成に解像上の問題が生じてマイクロレンズ相互の独立性が損なわれる。また、フォトマスクパターン上での前記同一とする隙間の距離を０．４μｍより大きくすると、隣接するマイクロレンズとの隙間を小さくするためにエッチング時間を長くする必要が生じ、工程負荷の増大や品質の低下を招く。

また、本発明は、マイクロレンズ製造用フォトマスクを提供することができる。
フォトマスクは、一般に用いられるものと同様に、露光光に対して透明性の良好な石英やガラス等の基板表面に金属クロム等の遮光性膜による遮光部パターンを光透過部と区別してパターン形成することにより、通常知られた方法で作製される。本発明のマイクロレンズ製造用フォトマスクは、概ね矩形状のパターンが、縦横にマトリクス配列され、パターン間の縦方向の隙間の最大距離と、横方向の隙間の最大距離と、対角方向に隣接するパターンとの隙間の距離とが同一になるように変形して形成される。

１・・・固体撮像素子
２・・・半導体基板
３・・・光電変換素子
４・・・固体撮像素子画素部の受光面側表面
５・・・透明平坦化層
５１・・・第二の透明平坦化層
６、６１、６２・・・マイクロレンズ
６５・・・透明樹脂層
６６・・・フォトレジスト層
６７・・・フォトレジストパターン
６８・・・転写用マイクロレンズパターン（レンズ母型）
７・・・マイクロレンズ間の隙間
８・・・着色透明画素パターン
９・・・照射光
１０、２０、３０・・・フォトマスク
１１、２１、３１・・・遮光部
１２、２２、３２・・・光透過部
１３、２３・・・画素区画仮想線

Claims (6)

1. 平面上にマトリクス配列される平面視矩形で凸面状のマイクロレンズの製造方法であって、
   マイクロレンズの製造工程が、マイクロレンズを構成すべき透明樹脂層を平面上に形成し、感光性樹脂からなるフォトレジスト層を透明樹脂層上に形成し、フォトレジスト層をフォトマスクを用いたフォトリソグラフィー法によりパターニングした後に熱溶融して凸面状の転写用マイクロレンズパターンとし、前記透明樹脂層上の転写用マイクロレンズパターンをエッチングレジストとして前記透明樹脂層にエッチング転写する工程からなり、
   前記フォトマスクは、概ね矩形状のパターンが、縦横にマトリクス配列され、パターン間の縦方向の隙間の最大距離と、横方向の隙間の最大距離と、対角方向に隣接するパターンとの隙間の距離とが同一になるように変形して形成されたことを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
2. 前記透明樹脂層上の転写用マイクロレンズパターンをエッチングレジストとして前記透明樹脂層にエッチング転写する工程が、フッ素系ガスによるドライエッチングであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズの製造方法。
3. 前記透明樹脂層が、アクリル系の樹脂材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロレンズの製造方法。
4. 前記フォトレジスト層が、アクリル系またはノボラック系のポジ型レジスト材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロレンズの製造方法。
5. 前記透明樹脂層の膜厚を１．４〜１．７μｍとし、マトリクス配列のパターンピッチを１．１〜１．７５μｍとする場合の、フォトマスクパターン上での前記同一とする隙間の距離を０．３〜０．４μｍとすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロレンズの製造方法。
6. 概ね矩形状のパターンが、縦横にマトリクス配列され、パターン間の縦方向の隙間の最大距離と、横方向の隙間の最大距離と、対角方向に隣接するパターンとの隙間の距離とが同一になるように変形して形成されたことを特徴とするマイクロレンズ製造用フォトマスク。