JP2015060156A - レジスト厚膜の形成方法と使用方法及び固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レジストそれ自体では十分な厚みを形成できないレジストを使用して、２０μｍ以上の十分な厚みを有するレジスト厚膜を形成する技術と、このレジスト厚膜を利用して厚いレンズをできるだけ効率的に固体撮像素子内に作成・配置する技術の提供である。
【解決手段】透明基板２上にマトリックス状のダム１３を形成し、ダム１３内部に樹脂層１５とレジスト層１４とを充填することでレジスト厚膜を形成し、グレースケール露光１６後、現像して所望の三次元形状（レンズ要素）を得て、次いでドライエッチングして樹脂層１５に三次元形状を転写することを特徴とする厚膜の使用方法である。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像装置に係わり、特にセンサ面側を封止するための封止用基板に十分な厚みを有するレンズ要素を形成する技術に関する。

ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサを用いた固体撮像装置１のセンサ基板１０と保護用カバーグラス１１の構成を図５に示した。センサ基板は、入射光をできるだけ受光面内の光電変換素子２１に集光にするために、光電素子ごとにその上部にＲ，Ｇ，Ｂの着色画素からなるカラーフィルタ２５とマイクロレンズ１２ａを備えている。また、素子の信頼性向上のためにセンサ基板１０の受光面側を封止している。このために、センサ基板上の受光領域を避けた領域に枠状のダム１３（スペーサ：障壁）を形成し、このダム１３にカバーガラス２８を貼り付けるようにしている。

ところで、センサ基板１０については、高解像度化が進んで光電素子１個あたりの受光面積が減少する傾向があり、集光効率の一層の向上が必要である。このためには図５のセンサ部にさらにレンズを搭載することが考えられるが、同じマイクロレンズ１２ａを重ねることはできないから、マイクロレンズ１２ａを数千万個（図では３個しか描かれたいない）集めた固体撮像素子ごとに別のレンズ要素を載せて集光させることが考えられる。この新たなレンズ要素については、口径が大きく、また装置全体の厚みが薄くなるように焦点距離の短いレンズ要素が必要で、レンズの厚みを２０μｍ以上に厚くする必要がある。

一般にマイクロレンズ１２ａは、熱リフロー法もしくはポジ型レジストを、レジストパターンが現像後所望の形状になるようにグレイスケール露光して形成する（特許文献１）。熱リフロー法は、溶融レジストの表面張力を利用してレンズ形状を得るもので、溶融時の膨張のためレンズの微細化が難しいという問題がある。グレイスケール法は、ネガ型レジストに対しては、リフトオフにより所望の形状が得られない。

しかしながらポジ型レジストは厚塗りが難しく、最大でも１０μｍ程度の厚みにしかならない（特許文献２）。また、グレイスケール露光以外の方法でも、所望の特性（屈折率等）を持つレジストを使おうとすると、混ぜ物などで粘性・チキソ性を調整することができず、レンズ形状の自由度や厚みが確保できないという問題がある。

特開２０１０−１６９７２０号公報 特開２００３−３３０１６１号公報 特開２０１０−１２９６４３号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、レジストそれ自体では十分な厚みを形成できないレジストを使用して、２０μｍ以上の十分な厚みを有するレジスト厚膜を形成する技術の提供である。
次に、このレジスト厚膜を利用して厚いレンズをできるだけ効率的に固体撮像素子内に作成・配置する技術の提供である。

上記課題を解決するための請求項1に記載の発明は、透明基板上にマトリックス状のダムを形成し、ダム内部に樹脂層とレジスト層とを充填することを特徴とするレジスト厚膜の形成方法としたものである。

また、請求項２に記載の発明は、透明基板上にマトリックス状のダムを形成し、ダム内部にレジスト層を充填することを特徴とするレジスト厚膜の形成方法としたものである。

また、請求項３に記載の発明は、前記ダムを、ネガ型レジスト層を用いたフォトリソ法にて形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレジスト厚膜の形成方法としたものである。

また、請求項４に記載の発明は、前記ダムを、液体インキを用いてスクリーン印刷もしくは真空スクリーン印刷にて形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレジスト厚膜の形成方法としたものである。

また、請求項５に記載の発明は、前記ダムが黒色であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレジスト厚膜の形成方法としたものである。

また、請求項６に記載の発明は、前記ダムを形成する際に、同時にアライメント用マークを形成することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレジスト厚膜の形成方法としたものである。

また、請求項７に記載の発明は、前記樹脂層もしくはレジスト層を、スピンコート法、ダイコート法、スクリーン印刷法、インクジェット法、もしくはアプリケーターのいずれかの方法により充填することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のレジスト厚膜の形成方としたものである。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のレジスト厚膜の形成方法にて形成したレジスト厚膜を、グレイスケール露光後、現像して所望の三次元形状を得ることを特徴とするレジスト厚膜の使用方としたものである。

また、請求項９に記載の発明は、請求項１に記載のレジスト厚膜において、さらに選択的ドライエッチングにより樹脂層をエッチングして所望の三次元形状を樹脂層に転写することを特徴とする請求項８に記載のレジスト厚膜の使用方法としたものである。

また、請求項１０に記載の発明は、前記所望の三次元形状がレンズ状であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載のレジスト厚膜の使用方法としたものである。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の方法でレンズを製造したウエハーレベルレンズ基板と、ＣＣＤイメージャー基板もしくはＣＭＯＳイメージャー基板とを、ダムをスペーサにして接着することを特徴とする固体撮像素子の製造方法としたものである。

また、請求項１２に記載の発明は、請求項１０に記載の方法で透明基板の表裏面にレンズを形成したウエハーレベルレンズ基板と、ＣＣＤイメージャー基板もしくはＣＭＯＳイメージャー基板とを、ダムをスペーサにして接着することを特徴とする固体撮像素子の製造方法としたものである。

また、請求項１３に記載の発明は、請求項１１または請求項１２に記載の固体撮像素子の製造方法に、さらにウエハーレベルレンズ基板を積層する工程を加えたことを特徴とする固体撮像素子の製造方法としたものである。

また、請求項14に記載の発明は、前記所望の三次元形状がインテグラルレンズ状、レンチキュラーレンズ状、プリズム状、回折格子状のいずれかであることを特徴とする請求項８に記載のレジスト厚膜の使用方法としたものである。

本発明は、透明基板上に形成したいレジスト層の厚みよりも厚みが厚いマトリックス状のダム（隔壁）を形成し、ダムの内部にレジストあるいは樹脂を十分な厚みで充填して、単に平坦な基板上から得られるよりも厚いレジスト膜を得ること及びその使用法に関するものである。ダムでレジストが横に拡がるのが防止されるので、厚みを稼ぐことが可能である。厚いレジスト層が得られれば、固体撮像素子装置用の厚いレンズが形成できるので、薄いレンズを何枚も重ねる必要がなくなる。

厚いレンズは、固体撮像素子のセンサ部を保護し多面付けされた素子全体の一体性を保つのに不可欠なシール用カバーガラスの表裏もしくはいずれか一方の面上に形成されるので、スペースや支持用透明基板の数が節約される。
また、光学的には焦点距離の短い厚いレンズが追加されているので集光効率が向上し撮像素子としての感度の向上が達成され薄く軽い固体撮像素子が提供できる。

また、ダム材料を黒色にすれば、ダムの存在によるセンサ内での乱反射を抑制することができる。さらに、ダムの製造方法として印刷法を採用することにより、ローコストでダムを十分厚くして転写法が適用できる厚膜が形成できる。

（ａ）〜（ｄ）ウエハーレベルレンズの製造工程を説明する断面視工程図である。 （ａ）〜（ｅ）ウエハーレベルレンズを転写法で製造する工程を説明する断面視工程図である。 本発明に係る固体撮像装置の構造を説明する断面視の図である。ウエハーレベルレンズがスタックされた場合。 ウエハー上のレンズ要素とダムの位置関係を説明する上面視の模式図である。 固体撮像素子の従来構造を説明する断面視の図である。

図５は、Ｓｉウエハー２０上にＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子２１が形成されたセンサ基板１０の構成とその保護形態を示す図である。このセンサ基板１０には、光電素子２１に繋がる配線が貫通ビア２２を介して基板裏面の電極パッド２２に引き出されている。電極パッドはソルダーレジストで保護されて通常のＢＧＡ（BallGrid Array）構造２９をなしている。

センサ基板１０の表面側受光領域には、光電変換素子２１ごとにカラーフィルタ２５及びマイクロレンズ１２ａが設けられている。カラーフィルタ２５は、例えばＲＧＢに対応する３種類の着色皮膜をベイヤー配列で数百万個備えている（但し、図５、図３では簡単のため３個しか描いていない）。マイクロレンズ１２ａは、各画素の感度を高めるためのものであり、レンズ無しでも画素の感度が十分に高い場合は省略することも可能である。さらに、ウエハー基板の表面凹凸が問題になる場合は、フィルタ２５形成前と後に透明な平滑化層２６ａ，２６ｂを設けている。

また、受光領域を避けて、受光領域を囲むように、厚さ（高さ）数十μｍのダム１３が設けられている。ダム１３の上には、透明なカバーガラス２８が固定されており、このカバーガラス２８の設置により、センサ基板１０の受光領域側が封止されるものとなっており、固体撮像装置ごとに耐久性向上が図られ、作業性の向上に資している。

本発明になる固体撮像装置は、上記の構成を利用してカバーガラス２８の表裏面に、感度向上用のレンズ要素１２ｂを造りこんだものである（図３参照）。
以下、図１、図２、図４を用いて説明する。

先ず、ウエハーサイズの透明基板２上に、２０μｍ以上の厚みのマトリック状のダム１３を形成する（図１（ａ）、図２（ａ））。ガラスウエハーとしては、ホウケイサンガラス、アルミナシリケートガラス、ソーダライムガラスの、厚みが０．３〜２．０ｍｍ程度のものが使える。

ダム１３の配置態様は図４に示すように樹脂からなる枠をマトリックス状に配置したものである。単位の枠の大きさは、単位の固体撮像装置を囲む大きさであり、１ｃｍ角程度以上である。この中には数百万個以上の着色画素、マイクロレンズ、光電変換素子が周期的に配置されている。最終的には、枠部分で断裁されて所望の固体撮像装置が得られる。ダム１３の素材には、厚みが１００μｍ以上必要な場合は、ネガ型のドライフィルムを使用する。それ以下では、ネガ型の液状感光性レジストを使用する。

マトリックス状に加工するには、定法のフォトリソ法が適用できる。フォトリソ法は、例えば、光硬化性樹脂と熱硬化性樹脂を含むレジストを用いる方法であって、透明基板２上にレジスト皮膜を形成し、マトリックス状のフォトマスクを介して露光して、ダムとなる部分の光硬化性樹脂を選択的に硬化させる。その後、未硬化の光硬化性樹脂を除去（現像）すればよい。最後に熱硬化性樹脂を加熱硬化させてダム１３を形成する。

上記フォトリソ法では、感光性が必要であるが、ダムの高さを１００〜５０μｍの範囲とする場合には適用が困難である。このような場合には、スクリーン印刷もしくは真空スクリーン印刷法が適用できる。例えば、マトリックス状に光硬化性樹脂層をスクリーン印刷する工程〜光硬化性樹脂層を硬化する工程〜硬化した光硬化性樹脂層上に、更にマトリックス状に光硬化性樹脂をスクリーン印刷する工程、を所望回数だけ（ダムが所望の厚さになるまで）繰り返す。その後、光硬化性樹脂を硬化させるとマトリックス状のダムが得られる。

ダム１３の材料としては、エポキシ樹脂を主成分とし、黒色フィラーを含有した液体インキで、熱硬化性（更にＵＶ硬化性）を備える材料が好ましい。液体インキとしては、エポキシ系樹脂を主成分とする以外に、エポキシ−ウレタン系樹脂，及びイソシアネート系樹脂，シアノアクリレート系樹脂を挙げることができ、主成分の樹脂に、染料若しくは顔料の色材，比較的低分子量の溶剤可溶性樹脂，光重合性モノマー若しくはオリゴマー，光重合開始剤及び溶剤からなる感光性インキも採用できる。

なお、添加する黒色顔料としては、カーボンブラックあるいは３５０ｎｍ〜４００ｎｍの近紫外線域に対する透過率がカーボンブラックよりも高く、且つ６００ｎｍ以上の可視光域に対する透過率がカーボンブラックよりも低いチタンブラックが好適に採用できる。カーボンブラック，チタンブラックの何れを添加する場合であっても、ダムを形成した後の光学特性として、可視波長域での反射率が１．５％を下回ることが望ましい。

次に、レンズ要素１２ｂの素材となるネガ型レジスト１４を充填する（図１（ｂ））。転写法の場合にはアクリル形の有機樹脂１５を充填し、半硬化させてからレジストを充填
する（図２（ｂ））。方法としては、スピンコート法、ダイコート法、スクリーン印刷法、インクジェット法、もしくはアプリケーターのいずれかの方法が採用できる。レジスト１４はダム１３の高さまで充填できるが、グレイスケール露光が可能でありさえすればオーバーフローしても構わない。ネガレジストの一例としては、ＪＳＲ製のＡＲＴＯＮ Ｆ５０２３を挙げられる。

次に、グレイスケールマスク１６を用いてレジスト１４に、波長が３６５ｎｍの紫外線１７を照射する（図１(ｃ)、図２（ｃ））。レジスト１３は、グレイスケール露光してから現像する定法のフォトリソ法によりレンズ構造１２ｂが得られる（図１（ｄ））。他方図２に示すように、ダム内部に先ずアクリル樹脂１５を充填するのは、先に上層のレジスト１４をグレイスケール露光→現像して、レンズ要素を形成してから、このレンズ要素をマスクとして下層のアクリル樹脂層１５をドライエッチングするためである。ドライエッチングによりマスクとなったレンズ要素１２ｂも剥離されるが同時に樹脂層にレンズ要素１２ｂが転写される（図２（ｄ），（ｅ））。

グレイスケール露光とは、レンズの形状に対応した光透過率を有するように所定の網点が形成されたマスクを介してレジストに紫外線を照射するものである。ネガ型レジストであれば、レンズの肉厚の厚い部分に対応する部位の透過率が高く薄い部分に対応する部分には遮光膜で被覆して透過率を低くして滑らかに透過率が変化するようにしたフォトマスクになる。

マスクブランク上の網点形成は次のようにする。露光に使用する紫外線の波長（例えば３６５ｎｍ）に比べて十分短い長さ、例えば１００ｎｍを一辺とする正方形でブランク酢をメッシュ状に区画したものとみなす。レンズ要素を構成しない部位に対応するブランクスのメッシュ部位は、全て金属クロムなどの遮光膜で被覆される。一方肉厚のレンズ要素に対応するメッシュは遮光膜で被覆しないようにする。すなわちレンズの肉厚に反比例するように遮光膜で被覆して製造する。凹レンズであれば濃淡を逆にすればよい。

さらに別の方法としては、金属クロム等遮光膜の厚さを変えたハーフトーンマスクでも光透過率を制御できる。メッシュが微細な場合は、マスク製造に縮小露光法や電子線露光が使える。

ドライエッチングは、上層に形成したレンズ要素を下層のよりレンズに好適な特性を有する材料に転写する際に使用する。ドライエッチング装置にて、フロン系ガスＣＦ_４、Ｃ_４Ｆ_４の混合ガスを用い、上部のレンズをエッチングマスクとし、膜厚方向のエッチングレートを高める条件のドライエッチングにより、レンズと下地の、例えば透明性の高いアクリル樹脂層を削りとって、洗浄すれば所望のレンズ要素が得られる。一般に１０％以上レンズの厚さを増加させることができる。

レンズ要素１２ｂは、透明基板２の片面だけに形成することもできるが、図３に示すように両面に形成することができる。さらに、これらのレンズ基板を複数個ダム同士が対抗するように積層することができる。対抗基板あるいはダム同士の接続にはエポキシ系接着剤１９を使用できる。

固体撮像装置は、図３に示すように、上記で得られたウエハーサイズのレンズ基板と、ＣＣＤイメージャー基板１０もしくはＣＭＯＳイメージャー基板とを、ダム１３をスペーサにして接着して製造する。従来型の固体撮像装置（図５）に比べると、シール用ガラス２８にレンズ要素１２ｂが付加敷設された構造である。

イメージャー基板１０は、数百個の光電変換素子が形成されたＳｉウエハーから製造す
る。先ず、ウエハー基板上に熱硬化型のアクリル樹脂をコーティングした後、加熱して０．１μｍ程度の厚さの第一の平坦化層２６ａが形成されている。この平坦化層２６ａの上に、個々の光電変換素子に対応した厚さが概ね１μｍ程度の緑２５ａ、赤２５ｂ、青２５ｃの着色画素からなるカラーフィルタ２５を備えている。カラーフィルタの上にも第二の平坦化層２６ｂが形成される。

次に、光電変換素子／着色画素ごとにマイクロレンズ１２ａを構成する。このマイクロレンズ１２ａは先述したレンズ要素１２ｂよりもはるかに小さい。カラーフィルタ２５の上にアクリル樹脂、フェノール樹脂、スチレン系樹脂を主体とするポジ型レジストをコーティングし乾燥して０．７〜１．０μｍの皮膜を形成する。次に、グレイスケールマスクを用いて、ステッパー露光する。その後、有機系アルカリ現像液（ＴＭＡＨ）で現像するとマイクロレンズ１２ａが得られる。最後に、３６５ｎｍの紫外線を照射して、１６０℃程度でベークして完成する。

イメージャー基板の裏面には、詳細が省略するが、光電素子からの電気信号を外部に取り出すための電気配線、ビアホールと外部接続用のＢＧＡ端子構造が形成され、ソルダーレジストで接続端子部が保護されている。

イメージャー基板に位置合わせして、レンズ基板１１を接着層を介して張り合わせると本発明に係る固体撮像装置１が得られる。したがって、固体撮像装置はイメージャー基板側のマイクロレンズとレンズ基板側の口径が大きく厚いマイクロレンズを備えている。大きいマイクロレンズはダムによりマトリックス状に区画されている。
レンズ基板は、図３に示すように複数積層することが可能である。また、レンズ要素１２ｂは、グレイスケールマスクの濃淡を適切に設定することで、凸レンズ、凹レンズのみならず、インテグラルレンズ状、レンチキュラーレンズ状、プリズム状、回折格子状にすることができる。

１…固体撮像装置
２…透明基板（ウエハーサイズ）
１０…センサ基板（イメージャー基板）
１１…レンズ基板（保護用カバーグラス）
１２…レンズ要素
１２ａ…マイクロレンズ（センサ基板側）
１２ｂ…レンズ要素（レンズ基板）
１３…ダム（隔壁）
１４…レジスト（層）
１５…樹脂(層)
１６…グレイスケールマスク
１７…紫外線
１８…アライメントマーク
１９…接着層
２０…Ｓｉウエハー（半導体基板）
２１…光電変換素子
２２…電極パッド
２３…配線
２４…貫通ビア
２５…カラーフィルタ
２５ａ…赤着色画素
２５ｂ…緑着色画素
２５ｃ…青着色画素
２６…平坦化層
２６ａ…第一の平坦化層
２６ｂ…第二の平坦化層
２７…マイクロレンズ
２８…カバーガラス
２９…ＢＧＡ

Claims (14)

1. 透明基板上にマトリックス状のダムを形成し、ダム内部に樹脂層とレジスト層とを充填することを特徴とするレジスト厚膜の形成方法。
2. 透明基板上にマトリックス状のダムを形成し、ダム内部にレジスト層を充填することを特徴とするレジスト厚膜の形成方法。
3. 前記ダムを、ネガ型レジスト層を用いたフォトリソ法にて形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレジスト厚膜の形成方法。
4. 前記ダムを、液体インキを用いてスクリーン印刷もしくは真空スクリーン印刷にて形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレジスト厚膜の形成方法。
5. 前記ダムが黒色であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレジスト厚膜の形成方法。
6. 前記ダムを形成する際に、同時にアライメント用マークを形成することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレジスト厚膜の形成方法。
7. 前記樹脂層もしくはレジスト層を、スピンコート法、ダイコート法、スクリーン印刷法、インクジェット法、もしくはアプリケーターのいずれかの方法により充填することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のレジスト厚膜の形成方法。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のレジスト厚膜の形成方法にて形成したレジスト厚膜を、グレースケール露光後、現像して所望の三次元形状を得ることを特徴とするレジスト厚膜の使用方法。
9. 請求項１に記載のレジスト厚膜において、さらに選択的ドライエッチングにより樹脂層をエッチングして所望の三次元形状を樹脂層に転写することを特徴とする請求項８に記載のレジスト厚膜の使用方法。
10. 前記所望の三次元形状がレンズ状であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載のレジスト厚膜の使用方法。
11. 請求項１０に記載の方法でレンズを形成したウエハーレベルレンズ基板と、ＣＣＤイメージャー基板もしくはＣＭＯＳイメージャー基板とを、ダムをスペーサにして接着することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
12. 請求項１０に記載の方法で透明基板の表裏面にレンズを形成したウエハーレベルレンズ基板と、ＣＣＤイメージャー基板もしくはＣＭＯＳイメージャー基板とを、ダムをスペーサにして接着することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
13. 請求項１１または請求項１２に記載の固体撮像素子の製造方法に、さらにウエハーレベルレンズ基板を積層する工程を加えたことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
14. 前記所望の三次元形状がインテグラルレンズ状、レンチキュラーレンズ状、プリズム状、回折格子状のいずれかであることを特徴とする請求項８に記載のレジスト厚膜の使用方法。