JP2013161848A - マイクロレンズ用フォトマスクおよびそれを用いるカラー固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カラー固体撮像素子に設けるマイクロレンズに、隣接するマイクロレンズとのギャップを狭くして高い集光性能を与えるとともに、各色別の感度を安定的に調整できるように容易に形成する製造手段を提供すること。
【解決手段】
着色透明画素パターンは、矩形状の領域を小矩形状に四等分し、各対角方向の部位に着色透明画素パターンを配置し、矩形状の領域を縦横方向に繰り返し配列して、各異なる対角方向の着色透明画素パターンがそれぞれ市松模様状になるように形成したカラー固体撮像素子の、マイクロレンズを形成するためのフォトマスクであって、１つの対角方向の着色透明画素パターンに対応するマイクロレンズＡ用の第一のパターンと、他の異なる対角方向の着色透明画素パターンに対応するマイクロレンズＢ用の第二のパターンと、が同一の有効面上に異なる寸法で配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、カラー固体撮像素子の品質向上を図るための、マイクロレンズの改善に関する。

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ー（ラインセンサー）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ー（面センサー）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。
また、光電変換素子に入射する光の経路に特定の波長の光を透過するカラーフィルタ機能を設けることで、対象物の色情報を得ることを可能とした単板式のカラーセンサーとしてのカラー固体撮像素子も普及している。カラー固体撮像素子は、１個の光電変換素子に対応して特定の着色透明画素による１画素をパターン形成して、規則的に多数配列することにより、色分解した画像情報を集めることができる。着色透明画素の色としては、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３色からなる３原色系、あるいは、シアン色（Ｃ）、マゼンタ色（Ｍ）、イエロー色（Ｙ）からなる補色系が一般的であり、特に３原色系が多く使われている。

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。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。しかし、光電変換素子を高集積化した場合、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。
このような、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１画素毎に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均一な形状に形成する技術が提案されている（特許文献１参照）。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。

マイクロレンズの製造方法としては、マイクロレンズの素材となる透明なアクリル系感光性樹脂を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や、マイクロレンズの素材となるアクリル透明樹脂の平坦層の上に、アルカリ可溶性と感光性と熱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アクリル透明樹脂層に転写してレンズ形状を作る
エッチング転写タイプがある。

マイクロレンズの形成において、上記フローレンズタイプとエッチング転写タイプのいずれの製造方法で微細化された画素に対応する場合にも、マイクロレンズの光取り込み面積をできるだけ広く、すなわち、隣接するマイクロレンズとのギャップを狭くして、なおかつ、レンズ形状を良好に保つことが、固体撮像素子の実効的な感度を高く保持するための必要条件となる。しかし、比較的製造工程が短くて容易なフローレンズ方式で製造する場合に、隣接するマイクロレンズとの境界部分での豊富な量の樹脂の熱リフロー挙動を制御して、狭ギャップと良好な形状とを保持することは高い難度を有し、品質の不安定要因となる。また、着色透明画素パターンを用いてカラー画像を入力するためのカラー固体撮像素子においては、光電変換素子毎に画素対応する着色透明画素上に設けるマイクロレンズのサイズまたは隣接するマイクロレンズとのギャップやレンズ自身の形状のばらつきにより、集光性能にばらつきが生じると、色別の感度のバランスが崩れて色表現上のムラ等の不具合が明瞭に発生するので、マイクロレンズの上記性能を高める必要性がさらに大きくなる。

上述のように隣接するマイクロレンズとのギャップを狭くしてレンズ形状を良好に保つために、マイクロレンズの製造工程を実施する対象領域を画素区分により分けて、それぞれ別個にフォトリソグラフィー法を含む工程により処理する方法が提案されている（特許文献２および特許文献３を参照）。図２は、このような画素区分による領域分割により２段階でマイクロレンズを形成する方法を説明するための部分模式図である。図２（ａ）、（ｂ）は、ベイヤ（Ｂａｙｅｒ）配列と呼ばれる市松模様状の配列を着色透明画素パターンに適用した場合を例として、マイクロレンズ形成時に使用される２枚のフォトマスクの主要部のパターンをそれぞれ説明するための模式平面図であり、（ｃ）は、（ａ）、（ｂ）に示す各フォトマスクを用いて２段階のフォトリソグラフィー法によりマイクロレンズを形成した結果のカラー固体撮像素子の構造の一例を示す模式断面図である。
図２（ｃ）において、カラー固体撮像素子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６を複数の光電変換素子３に１対１に対応させて設け、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６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７１、７２を設けてなる。

なお、ベイヤ配列と呼ばれる市松模様状の配列を着色透明画素パターンに適用する例は、カラーエリアセンサーとして使用されるカラー固体撮像素子に多く用いられる。前記マイクロレンズを用いた集光を考慮すると、素子の画素形状を細長くすることは困難であり、また、微細化した各画素３色に対応させて光電変換素子の数を増やすことも製造上の制約を大きくするので、見かけ上の解像度を低下させずに総画素数の低減を図ることが、ベイヤ配列を用いる理由である。
ベイヤ配列では、１画素が１色の着色透明画素パターンに対応しており、Ｇ（緑色）２画素を対角に配置した４画素で１組の配列が繰り返し配置される。この配列の場合、光電変換素子の総画素数Ｎに対して、Ｇ（緑色）の画素数はＮ／２、Ｒ（赤色）及びＢ（青色）の画素数はＮ／４となるが、各画素ごとに周辺の画素の出力を用いて補間演算を行うことにより、Ｎ個のＲＧＢ別の撮像光レベルの組を作り出す。ここで、Ｇ（緑色）の画素を他の色に比べて２倍に多くしているのは、人の目の視感度の高いＧに対する解像度が見かけ上の解像度を高める効果が大きいからである。

図２（ａ）において、ベイヤ配列された着色透明画素パターン６に対応する２行×２列の４画素からなる１組を拡大表示して、対角配置されＲおよびＢ表示の無いＧ（緑色）の画素に対応させたマイクロレンズ用の第一のフォトマスクのパターン７３を示す。このパ
ターン７３をカラー固体撮像素子１を製造する対象基板に位置合わせして、フォトリソグラフィー法の露光工程に使用し、図２（ｃ）に示すＧ（緑色）の画素に対応するマイクロレンズ７１を形成する。すなわち、前述のフローレンズタイプで形成する例では、例えばポジ型感光性レンズ材料を用いる場合には、パターン７３を遮光領域とし、非パターン部を透明領域とすることにより、パターン７３のレンズ材料を選択的に残し、材料の熱リフロー性を利用してマイクロレンズ７１を作る。Ｇ（緑色）の画素に対応するマイクロレンズ７１を形成した後に、図２（ｂ）に示す第二のフォトマスクを用いて同様の方法を繰り返すことにより、Ｇ表示の無いＲ（赤色）及びＢ（青色）の画素に対応させたマイクロレンズ用のフォトマスクのパターン７４を用いて、マイクロレンズ７２を形成することができる。

特開平３−１５２９７２号公報 特開２０００−２２１１７号公報 特開２０００−２６９４７４号公報

前記ベイヤ配列に示したような市松模様状に複数色を配置した着色透明画素パターンを用いて、カラー固体撮像素子の色別の感度を調整して、白色に対する純白度を良好に入力する、いわゆるホワイトバランスの向上を図るために、着色透明画素パターンの色別に色純度や明るさの調整を必要に応じて行うことがある。最も簡単に行うには、各色別の着色透明画素パターンの膜厚を調整する方法がある。しかし、例えば、膜厚を薄くした着色透明画素パターンに対しては、その色が明るくなって撮像素子に取り込む光量が増えるため、素子の感度は向上するが、画素パターン色の純度が低下するので、素子の色分解性は低下する。明るさと色純度とを共に高めた着色透明画素パターンを形成するには、構成材料の着色透明樹脂材料の色特性を改善することが必要であり、容易ではない。

また、前述のように２段階のフォトリソグラフィー法によりマイクロレンズを形成する場合に、異なるパターン形状を有する２枚のフォトマスクを使い分けて、各着色透明画素パターン上のマイクロレンズ形状に差異を設けることにより、形成されるマイクロレンズの平面上の面積に差を付けて、色別の感度を補正し、ホワイトバランスの向上を図ることができる。２段階のフォトリソグラフィー法によるフローレンズタイプで、マイクロレンズ間の狭ギャップを保持することが可能となる。しかし、全画素上のマイクロレンズを２段階で形成する方法では、狭ギャップ化は達成できても、マイクロレンズの断面形状も含めて均一性を良好に形成することは困難であり、マイクロレンズの集光性能にばらつきが生じ易く、カラー固体撮像素子における色別の感度の制御が充分にできない。また、フォトリソグラフィー法の回数が多いことは、固体撮像素子の製造方法として、工程負荷を大きくすることになり、品質保証の面からも製造コストの面からも好ましくない。

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、カラー固体撮像素子に設けるマイクロレンズに、隣接するマイクロレンズとのギャップを狭くして高い集光性能を与えるとともに、各色別の感度を安定的に調整できるように容易に形成する製造手段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、複数の光電変換素子に１対１に対応して着色透明画素パターンを設け、着色透明画素パターンの各々の上に、１つずつマイクロレンズを形成し、着色透明画素パターンは、矩形状の領域を小矩形状に四等分し、各対角方向の部位に着色透明画素パターンを配置し、矩形状の領域を縦横方向に繰り返し配列して、各異なる対角方向の着色透明画素パターンがそれぞれ市松模様状になるように形成したカラー固体撮像素子の、マイクロレンズを形成するためのフォトマスクであって、１つの対角方向の着色透明画素パターンに対応するマイクロレンズＡ用の第一のパターンと、他の異なる対角方向の着色透明画素パターンに対応するマイクロレンズＢ用の第二のパターンと、が同一の有効面上に異なる寸法で配置されることを特徴とするマイクロレンズ用フォトマスクである。

また、請求項２に記載の発明は、前記着色透明画素パターン中の対角方向に配置した緑色画素パターン上に前記マイクロレンズＡを設け、他の異なる対角方向に配置した青色画素パターン上と赤色画素パターン上に前記マイクロレンズＢを設ける場合に、マイクロレンズＡ用の第一のパターンをマイクロレンズＢ用の第二のパターンより大きく形成することを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズ用フォトマスクである。

また、請求項３に記載の発明は、前記第一のパターンと第二のパターンとの寸法比が、１：０．７５〜１：０．９５の範囲にあ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用フォトマスクである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロレンズ用フォトマスクを使用するカラー固体撮像素子の製造方法であって、複数の光電変換素子の各々に対応して、市松模様状に複数色を規則的に配置した着色透明画素パターンを設けた後、各着色透明画素パターン上に１つずつマイクロレンズを形成する工程が、マイクロレンズに加工すべき透明樹脂層を所定の平面上に形成する工程、感光性樹脂からなるフォトレジスト層を該透明樹脂層上に形成する工程、前記フォトマスクを用いるフォトリソグラフィー法によりフォトレジスト層をパターニングする工程、フォトレジストパターンを熱溶融して、凸面形状の転写用マイクロレンズパターンとする工程、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、を順に行うことを特徴とするカラー固体撮像素子の製造方法である。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロレンズ用フォトマスクを、各マスクパターン内に濃度階調を設けて使用するカラー固体撮像素子の製造方法であって、複数の光電変換素子の各々に対応して、市松模様状に複数色を規則的に配置した着色透明画素パターンを設けた後、各着色透明画素パターン上に１つずつマイクロレンズを形成する工程が、マイクロレンズに加工すべき感光性の透明樹脂層を所定の平面上に形成する工程、前記濃度階調を設けたフォトマスクを用いるフォトリソグラフィー法により前記感光性の透明樹脂層をパターニングして、凸面形状のマイクロレンズパターンを形成する工程、を順に行うことを特徴とするカラー固体撮像素子の製造方法である。

本発明のカラー固体撮像素子のマイクロレンズ用フォトマスクは、カラー固体撮像素子の着色透明画素パターンの各々の上に、１つずつマイクロレンズを形成するためのフォトマスクであって、市松模様状の特定の対角方向に配置するマイクロレンズＡ用のマスクパターンＡと、他の異なる対角方向に配置するマイクロレンズＢ用のマスクパターンＢと、が同一のフォトマスク有効面上に異なる寸法で配置されるので、カラー固体撮像素子に設けるマイクロレンズに、隣接するマイクロレンズとのギャップを狭くして高い集光性能を与えるとともに、各色別の感度を安定的に調整できるように容易に形成することができる。また、請求項４または５に記載のカラー固体撮像素子の製造方法によれば、本発明のフォトマスクを用いる簡単な工程で、上記の高性能のマイクロレンズを形成し、色別の感度調整に優れたカラー固体撮像素子を提供することができる。

本発明の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。 従来の、画素区分による領域分割により２段階でマイクロレンズを形成する方法を説明するための部分模式図であって、（ａ）、（ｂ）は、ベイヤ配列をカラーフィルタに適用した場合を例として、マイクロレンズ形成時に使用される２枚のフォトマスクの主要部のパターンをそれぞれ説明するための模式平面図であり、（ｃ）は、（ａ）、（ｂ）に示す各フォトマスクを用いて２段階のフォトリソグラフィー法によりマイクロレンズを形成した結果のカラー固体撮像素子の構造の一例を示す模式断面図である。 本発明のフォトマスクのパターン配置の一例を部分拡大して説明するための模式平面図である。 濃度階調付きフォトマスクを説明するための模式平面図であって、（ａ）は比較対象としての従来のタイプ、（ｂ）は濃度階調付きのタイプである。 本発明のカラー固体撮像素子の製造方法の一例を説明するための模式断面図であって、（ａ）〜（ｅ）のマイクロレンズ形成工程順に示す。 本発明のカラー固体撮像素子の製造方法の他の一例を説明するための模式断面図であって、（ａ）〜（ｃ）のマイクロレンズ形成工程順に示す。

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。図１は、本発明の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。
図は、一点鎖線で仕切られた画素区画に対応するフォトマスク１０の一部を示し、一区画が、カラー固体撮像素子の複数の光電変換素子に１対１に対応する着色透明画素パターン６に合わせて形成される。フォトマスクを合わせる対象とする着色透明画素パターン６を、参考のために図に併せて表示しており、市松模様状に複数色を規則的に配置した４つの着色透明画素パターンの組、例えば、図で左上の４画素の組を単位として、Ｇ（緑色）Ｂ（青色）Ｒ（赤色）Ｇ（緑色）の市松模様状配置、を繰り返し配列している。すなわち、左上の４画素の組を単位とした矩形状の領域を小矩形状に四等分し、各対角方向の部位に着色透明画素パターンを配置し、矩形状の領域を縦横方向に繰り返し配列して、各異なる対角方向の着色透明画素パターンがそれぞれ市松模様状になるように形成した例を示している。
本発明のフォトマスク１０は、上記の着色透明画素パターン６の各々の上に、１つずつマイクロレンズを形成するためのフォトマスクである。市松模様状の特定の対角方向、本図面でＧを連ねる方向に配置する八角形で示すマイクロレンズＡを緑色画素対応のマイクロレンズとして、マイクロレンズＡ用のパターンをフォトマスクの第一のパターン７５とする。また、市松模様状の他の異なる対角方向、本図面でＢとＲとを連ねる方向に配置する矩形で示すマイクロレンズＢを青色画素対応と赤色画素対応とのマイクロレンズとして、マイクロレンズＢ用のパターンをフォトマスクの第二のパターン７６とする。本発明は、第一のパターン７５と第二のパターン７６とが、同一のフォトマスク有効面上に異なる寸法で配置されることを特徴とする。

図３は、本発明のフォトマスクのパターン配置の一例を部分拡大して説明するための模式平面図である。
前述のように、着色透明画素パターン６中の対角方向に配置した緑色画素パターンＧ上に八角形で示すマイクロレンズＡを設け、他の異なる対角方向に配置した青色画素パターンＢ上と赤色画素パターンＲ上に矩形で示すマイクロレンズＢを設ける場合に、本発明に記載するカラー固体撮像素子のマイクロレンズ用フォトマスクは、また、マイクロレンズＡ用の第一のパターン７５をマイクロレンズＢ用の第二のパターン７６より大きく形成することを特徴とする。なお、ここで言うパターンの大きさは、一点鎖線で示す一定ピッチに配列される画素区画に対して、第一のパターン７５と第二のパターン７６のそれぞれを代
表する平面パターンの寸法、ａ_１とａ_２を指す。各画素区画の平面形状は正方形または縦横比が一定の矩形であり、画素区画に１対１に対応するそれぞれのマイクロレンズパターンを代表するマスクパターンの寸法をそれぞれ一つの数値で表すことができる。すなわち、ａ_１をａ_２より大きく形成することにより、対応するマイクロレンズＡをマイクロレンズＢより大きくでき、人の眼の視感度の高い緑色画素に対する感度を高く調整したカラー固体撮像素子を製造することができる。
なお、マイクロレンズを画素区画毎に独立分離し、かつ、隣接するマイクロレンズとのギャップをできるだけ小さく形成することが望ましいので、第一のパターン７５と第二のパターン７６の寸法と配置は、後述のマイクロレンズ製造工程のタイプに依存する一定の隙間を保持して設ける。

マイクロレンズの基本的な製造プロセスとしては、前述のとおり、フローレンズタイプやエッチング転写タイプが、いずれも可能である。本発明は、特にエッチング転写タイプのマイクロレンズ製造工程に、従来の２枚のフォトマスクによる２回のフォトリソグラフィー法を繰り返す複雑な工程とは異なる本発明のフォトマスクを用いる簡単な工程を採用することにより、容易に高性能のマイクロレンズを形成し、色別の感度調整に優れたカラー固体撮像素子を提供する効果が大きい。
以下、図５（ａ）〜（ｅ）のマイクロレンズ形成工程順に示す模式断面図に従って、本発明のカラー固体撮像素子の製造方法の一例を説明する。

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模式断面図であって、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６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６を配列した平面上の平坦化を行った後に、マイクロレンズに加工すべき透明樹脂層４６を均一に塗布形成した状態を表す。着色透明画素パターン６は、２×２の画素の組を単位として、市松模様状に緑色画素が配置され、他の画素が青色画素と赤色画素の対角配置となっている。透明樹脂層４６は、アクリル系の透明樹脂材料を、スピンコーターを用いて乾燥時の膜厚１．３μｍ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。なお、本例に使用する透明樹脂材料は、後述のドライエッチングによる転写を行うため、ドライエッチング適性の優れた材料が望ましい。
さらに、図示されていないが、透明樹脂層４６上に、エッチングレートの異なる他の透明樹脂層を設けることもできる。エッチングレートの異なる他の透明樹脂層を積層することにより、マイクロレンズの高さの調整が可能となる。材料としては、アクリル系の透明樹脂材料を用いることができる。

次に、透明樹脂層４６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４２を形成する。フォトレジスト層４２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０．４μｍに均一に塗布できる。乾燥はホットプレートを用いて１００℃以下の低温で行う。
次に、フォトレジスト層４２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１１のパターンを設け、他を光透過部１２として予めパターン形成したフォトマスク１０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１０の背面から照射することにより選択的に露光できる。遮光部のマスクパターンの例として、１辺が１．３５μｍの正方形のコーナー部を除いた八角形と１辺が１．１５μｍの正方形とを市松模様状に配置したフォトマスクを用いることができる。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４３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、フォトレジスト層４２の現像処理を均一に進めることができ、フォトマスク１０の遮光部１１に対応するフォトレジストパターン４３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４３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、レンズ母型となる凸面状の転写用マイクロレンズパターン４４を透明樹脂層４６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、１４０℃、２分間加熱後に２００℃、２分間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４３から転写用マイクロレンズパターン４４への成形に有効であるとともに、透明樹脂層４６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４６上に形成した転写用マイクロレンズパターン４４をエッチングレジストとして、前記透明樹脂層４６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７７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、例えば０．３μｍ／ｍｉｎ．のエッチレートで３分間で行うことができ、その結果、凸面レンズ高さ０．５μｍで、隣接マイクロレンズとのギャップをゼロとして、市松模様状に平面寸法が異なるマイクロレンズを同時に形成できる。
ドライエッチングにより転写されるマイクロレンズ７７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４４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４４の素材となるフォトレジスト層４２と、マイクロレンズ７７の素材となる透明樹脂層４６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る種々の影響により変化するので、望ましい断面形状を得るための条件は個々のケースにより調整する。

上述の実施形態において、遮光部のマスクパターン寸法のみを変えて、１辺が１．３５μｍの正方形のコーナー部を除いた八角形と１辺が０．９５μｍの正方形とを市松模様状に配置したフォトマスクを用いて、マイクロレンズを形成した場合は、隣接マイクロレンズとのギャップをゼロにはできないが、市松模様状に平面寸法が異なるマイクロレンズを同時に形成できる。
一方、遮光部のマスクパターン寸法のみを変えて、１辺が１．２５μｍの正方形のコーナー部を除いた八角形だけを縦横に配列したフォトマスクを用いて、マイクロレンズを形成した場合は、平面寸法が同一のマイクロレンズしか得られないことが確認できる。

同一のフォトマスク有効面上に異なる寸法で配置される市松模様状のパターンを形成する、カラー固体撮像素子のマイクロレンズ用フォトマスクにおいて、市松模様状の特定の対角方向に配置するマイクロレンズＡ用の第一のパターンと、市松模様状の他の異なる対角方向に配置するマイクロレンズＢ用の第二のパターンとの寸法比を、上記のように各種検討した。その結果、隣接マイクロレンズとのギャップをゼロに近づけて市松模様状に平面寸法が異なるマイクロレンズを同時に形成できるような第一のパターンと第二のパターンとの寸法比が、１：０．７５〜１：０．９５の範囲にあることが好ましいことを確認した。

上述の好ましい種々の条件を選択することによって、カラー固体撮像素子に設けるマイ
クロレンズに、隣接するマイクロレンズとのギャップを狭くして高い集光性能を与えるとともに、各色別の感度を安定的に調整できるように異なる寸法を組み合わせたマイクロレンズを容易に形成することができる。また、本発明のフォトマスクを用いる簡単な工程で、上記の高性能のマイクロレンズを形成し、色別の感度調整に優れたカラー固体撮像素子を提供することができる。

図６は、本発明のカラー固体撮像素子の製造方法の他の一例、すなわち、材料の熱溶融による熱リフロー性を利用せず、レンズ母型からのエッチング転写も利用しないで、濃度階調付きフォトマスクによる高度なフォトリソグラフィー技術のみにより、凸面形状のマイクロレンズを短い工程で形成する例、を説明するための模式断面図であって、（ａ）〜（ｃ）のマイクロレンズ形成工程順に示す。
図６（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模式断面図であって、感光性を有する透明樹脂層４０を、前述の図５（ａ）で説明した非感光性の透明樹脂層４６に代えて使用する以外は、前述のエッチング転写タイプの工程の初期と同様である。
感光性を有する透明樹脂層４０として、アクリル系の透明樹脂材料にアルカリ可溶性と感光性を付与し、スピンコーターを用いて乾燥時の膜厚１．３〜１．７μｍ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、露光工程を図６（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー法により、感光性の透明樹脂層４０のパターニングを行う。ここで、ポジ型の感光性透明樹脂層４０に対して、マイクロレンズ形状に残すべき領域に対応して濃度階調付き遮光部２１のパターンを設け、他を光透過部２２としてパターン形成した濃度階調付きフォトマスク２０を予め準備しておく。

本例に使用する濃度階調付きフォトマスクについて、以下に説明する。
図４は、濃度階調付きフォトマスクを説明するための模式平面図であって、（ａ）は比較対象としての従来のタイプ、（ｂ）は濃度階調付きのタイプである。いずれも、光透過部１２、２２で仕切られた遮光部１１、濃度階調付き遮光部２１を有し、簡単のために、パターン形状は模式的に同一の矩形で示している。
本発明のカラー固体撮像素子の製造方法の内、前述の例、すなわちレジストパターンを熱リフローによりレンズ母型として、エッチング転写によりマイクロレンズを形成する製造方法においては、図４（ａ）に示す通常の２値化フォトマスクを用い、遮光部１１の領域内は均一な遮光濃度を有するフォトマスクであった。一方、本例の凸面形状のマイクロレンズを濃度階調付きフォトマスクにより直接形成する製造方法においては、図４（ｂ）に示す濃度階調付きのフォトマスクを用いる。すなわち、遮光部２１の領域内は、例えば、各遮光部パターンの中央部が最大の遮光濃度を有し、周辺に向かうにつれて遮光性が低下するような濃度階調付き遮光部２１とする。濃度階調を適切に制御することにより、フォトリソグラフィー法における露光量の緩やかな変化を実現し、現像後に凸面形状の曲面を得ることができる。

なお、通常の２値化フォトマスクは、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を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。また、濃度階調付き遮光部２１を形成するには、前記基板上に、通常の濃度階調付きフォトマスクの製造方法を適用できる。すなわち、遮光性の金属膜等の膜厚を漸次変化させて領域内に濃度傾斜を設ける手法や、ドット（網点）配列やライン・アンド・スペースのような遮光膜の微細パターンの集合状態を変化させて、微細パターン各領域の平均的遮光濃度を傾斜させるグレートーンタイプの手法などが可能である。

図６（ｂ）に示す露光工程は、透明樹脂層４０のパターニングされるべき位置に対して
、濃度階調付きフォトマスク２０を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２０の背面から照射することにより露光できる。露光条件は、使用する感光性透明樹脂層４０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６（ｃ）に示すように、透明樹脂パターンをそのままマイクロレンズ７８として形成する。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、透明樹脂層４０の現像処理を前工程の局部的な露光量に応じて進めることができ、フォトマスク２０の濃度階調付き遮光部２１に対応する凸面形状を有するマイクロレンズ７８を残すように、他の部分を溶解除去する。

このように、濃度階調付きフォトマスクを用いる直接形成工程によるマイクロレンズ７８は、マイクロレンズの素材となる透明樹脂の感光性を利用して、比較的短い工程で形成することができる。しかも、本例の製造工程により形成されるマイクロレンズは、熱リフロー工程を必要としないので、隣接するマイクロレンズ間のギャップの制御を初期のフォトマスクパターンに忠実に行うことができる。
以上の方法により、カラー固体撮像素子に設けるマイクロレンズに、隣接するマイクロレンズとのギャップを狭くして高い集光性能を与えるとともに、各色別の感度を安定的に調整できるように異なる寸法を組み合わせたマイクロレンズを容易に形成することができる。また、本発明のフォトマスクを用いる簡単な工程で、上記の高性能のマイクロレンズを形成し、色別の感度調整に優れたカラー固体撮像素子を提供することができる。

１・・・カラー固体撮像素子
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
６・・・着色透明画素パターン
９・・・照射光
１０・・・フォトマスク
１１・・・遮光部
１２・・・光透過部
２０・・・フォトマスク（濃度階調付き）
２１・・・濃度階調付き遮光部
２２・・・光透過部
４０・・・透明樹脂層（感光性）
４２・・・フォトレジスト層
４３・・・フォトレジストパターン
４４・・・転写用マイクロレンズパターン（レンズ母型）
４６・・・透明樹脂層（非感光性）
５１・・・第二の透明平坦化層
７１、７２・・・マイクロレンズ
７３・・・第一のフォトマスクのパターン（緑色画素対応のマイクロレンズ用）
７４・・・第二のフォトマスクのパターン（赤色、青色画素対応のマイクロレンズ用）
７５・・・フォトマスクの第一のパターン（緑色画素対応のマイクロレンズ用）
７６・・・フォトマスクの第二のパターン（赤色、青色画素対応のマイクロレンズ用）
７７、７８・・・マイクロレンズ

Claims (5)

1. 複数の光電変換素子に１対１に対応して着色透明画素パターンを設け、
   着色透明画素パターンの各々の上に、１つずつマイクロレンズを形成し、
   着色透明画素パターンは、矩形状の領域を小矩形状に四等分し、各対角方向の部位に着色透明画素パターンを配置し、矩形状の領域を縦横方向に繰り返し配列して、各異なる対角方向の着色透明画素パターンがそれぞれ市松模様状になるように形成したカラー固体撮像素子の、
   マイクロレンズを形成するためのフォトマスクであって、
   １つの対角方向の着色透明画素パターンに対応するマイクロレンズＡ用の第一のパターンと、他の異なる対角方向の着色透明画素パターンに対応するマイクロレンズＢ用の第二のパターンと、が同一の有効面上に異なる寸法で配置されることを特徴とするマイクロレンズ用フォトマスク。
2. 前記着色透明画素パターン中の対角方向に配置した緑色画素パターン上に前記マイクロレンズＡを設け、他の異なる対角方向に配置した青色画素パターン上と赤色画素パターン上に前記マイクロレンズＢを設ける場合に、
   マイクロレンズＡ用の第一のパターンをマイクロレンズＢ用の第二のパターンより大きく形成することを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズ用フォトマスク。
3. 前記第一のパターンと第二のパターンとの寸法比が、１：０．７５〜１：０．９５の範囲にあ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用フォトマスク。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロレンズ用フォトマスクを使用するカラー固体撮像素子の製造方法であって、
   複数の光電変換素子の各々に対応して、市松模様状に複数色を規則的に配置した着色透明画素パターンを設けた後、各着色透明画素パターン上に１つずつマイクロレンズを形成する工程が、
   マイクロレンズに加工すべき透明樹脂層を所定の平面上に形成する工程、感光性樹脂からなるフォトレジスト層を該透明樹脂層上に形成する工程、前記フォトマスクを用いるフォトリソグラフィー法によりフォトレジスト層をパターニングする工程、フォトレジストパターンを熱溶融して、凸面形状の転写用マイクロレンズパターンとする工程、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、を順に行うことを特徴とするカラー固体撮像素子の製造方法。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロレンズ用フォトマスクを、各マスクパターン内に濃度階調を設けて使用するカラー固体撮像素子の製造方法であって、
   複数の光電変換素子の各々に対応して、市松模様状に複数色を規則的に配置した着色透明画素パターンを設けた後、各着色透明画素パターン上に１つずつマイクロレンズを形成する工程が、
   マイクロレンズに加工すべき感光性の透明樹脂層を所定の平面上に形成する工程、前記濃度階調を設けたフォトマスクを用いるフォトリソグラフィー法により前記感光性の透明樹脂層をパターニングして、凸面形状のマイクロレンズパターンを形成する工程、を順に行うことを特徴とするカラー固体撮像素子の製造方法。