JP2022019233A - Solid-state image sensor and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

To provide a solid-state image sensor equipped with a lens array composed of a semi-cylindrical microlens that has no disturbance in the cross-sectional shape of the microlens even when the pitch of the semi-cylindrical microlens in a direction orthogonal to the stretching direction of the semi-cylindrical microlens is 10 μm to 20 μm.SOLUTION: A solid-state image sensor 10 includes a semiconductor substrate for a solid-state image sensor in which a plurality of photodiodes 4 are formed in an XY matrix, and a lens array 8 composed of a plurality of semi-cylindrical microlenses 1 formed so as to overlap the photodiode in a plan view, and the semi-cylindrical microlens of the lens array are stretched corresponding to the photodiode formed in the XY matrix and is provided parallel to each other at a constant pitch, and the formation pitch in the Y or X direction of the microlens is 10 μm to 20 μm, and the height is 1.5 μm to 3.0 μm.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、マイクロレンズを使用した固体撮像素子に関する。更に詳しくは、半円筒状のマイクロレンズを使用した固体撮像素子に関する。 The present invention relates to a solid-state image sensor using a microlens. More specifically, the present invention relates to a solid-state image sensor using a semi-cylindrical microlens.

固体撮像素子は、レンズ系を通して固体撮像素子面に結像させた画像を、フォトダイオードなどの光電変換素子を用いて電気信号に変換する半導体装置である。固体撮像素子は、シリコンウェハをウェハ加工して作製された半導体デバイスであり、マトリクス状に光電変換素子が配列されている。それらの光電変換素子の上方の周囲には多層配線層が形成されている。その様な半導体素子の表面の最上層はパッシベーション膜で被覆され、水分などが半導体素子に侵入されない様な構造となっている。その様な固体撮像素子の表面には、色分解用のオンチップカラーフィルタが形成されており、更にその上層に、光電変換素子の周囲の光も光電変換素子に取り込んで感度を向上させるためのマイクロレンズが形成されているのが通常である。 The solid-state image sensor is a semiconductor device that converts an image formed on the surface of a solid-state image sensor through a lens system into an electric signal using a photoelectric conversion element such as a photodiode. The solid-state image sensor is a semiconductor device manufactured by processing a silicon wafer into a wafer, and photoelectric conversion elements are arranged in a matrix. A multilayer wiring layer is formed around the upper part of these photoelectric conversion elements. The uppermost layer of the surface of such a semiconductor element is covered with a passivation film, and has a structure that prevents moisture and the like from entering the semiconductor element. An on-chip color filter for color separation is formed on the surface of such a solid-state image sensor, and light around the photoelectric conversion element is also taken into the photoelectric conversion element on the upper layer to improve the sensitivity. Microlenses are usually formed.

マイクロレンズの形態は、通常は半球状であるが、固体撮像デバイスの形態によっては、かまぼこ状のマイクロレンズが使用される事がある。かまぼこ状のマイクロレンズとは、長尺状のレンズが互いに平行に隣接した状態で、長手方向に延伸しているマイクロレンズであり、1本のかまぼこ状のマイクロレンズの長手方向に直交する平面における断面形状は半円状であるが、非球面を形成できる特徴がある。以後、かまぼこ状のマイクロレンズを、半円筒状のマイクロレンズ、または単にマイクロレンズとも記す事にする。 The form of the microlens is usually hemispherical, but depending on the form of the solid-state image sensor, a semi-cylindrical microlens may be used. A semicircular microlens is a microlens that is elongated in the longitudinal direction with long lenses adjacent to each other in parallel, and is formed in a plane orthogonal to the longitudinal direction of one semicircular microlens. Although the cross-sectional shape is semicircular, it has the characteristic of being able to form an aspherical surface. Hereinafter, the semi-cylindrical microlens will be referred to as a semi-cylindrical microlens, or simply a microlens.

この半円筒状のマイクロレンズは、非球面レンズとする事ができる為、レンズとしての集光効率が高いマイクロレンズを作製することができる。 Since this semi-cylindrical microlens can be an aspherical lens, it is possible to manufacture a microlens having high focusing efficiency as a lens.

特開2005-62692号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-62692 特開2008-015395号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-05395

この様な半円筒状のマイクロレンズは、半円筒状のマイクロレンズの長手方向に直交する方向に、複数の半円筒状のマイクロレンズが平行に連接して備えられている。
図3(a)は、マイクロレンズ1-1が延伸する方向に直交する面における固体撮像素子10-1の断面図の一例を示したものである。長手方向に直交する方向のピッチ(半円筒状のマイクロレンズの幅と同程度の寸法)が10μm未満の場合には、半円筒状のマイクロレンズ1-1の断面形状は半円筒状の正常な断面形状となる。この場合、マイクロレンズ1-1に入射した光(入射光)5は、平坦化層2とカラーフィルタ3-1を通り、設計通りにフォトダイオード4の表面に集光される。
Such a semi-cylindrical microlens is provided with a plurality of semi-cylindrical microlenses connected in parallel in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the semi-cylindrical microlens.
FIG. 3A shows an example of a cross-sectional view of the solid-state image pickup device 10-1 on a plane orthogonal to the stretching direction of the microlens 1-1. When the pitch (similar to the width of the semi-cylindrical microlens) in the direction orthogonal to the longitudinal direction is less than 10 μm, the cross-sectional shape of the semi-cylindrical microlens 1-1 is normal to be semi-cylindrical. It has a cross-sectional shape. In this case, the light (incident light) 5 incident on the microlens 1-1 passes through the flattening layer 2 and the color filter 3-1 and is focused on the surface of the photodiode 4 as designed.

しかしながら、長手方向に直交する方向のピッチが10μm~20μmの場合、図3(b)に固体撮像素子10´の断面図を例示した様に、マイクロレンズ1´の断面における中央部において、レンズ形状の乱れ部6が形成される場合が出てくる場合があった。レンズ形状の乱れ部6とは、マイクロレンズ1´の断面において、中央部に凹みが発生する現象である。この様なレンズの表面形状の乱れが発生すると、レンズとしての正常な機能を失う。その為、入射光5´として例示した様に、レンズによる集光が乱れ、正常にフォトダイオード4の表面に集光されなくなる。なお、平坦化層2とフォトダイオード4は図3(a)と同じであるが、マイクロレンズ1´は、図3(a)におけるカラーフィルタ3-1のピッチ(10μm未満)より大きなピッチ(10μm~20μm)で形成されたカラーフィルタ3´に対応して形成された大きな半円筒状のマイクロレンズである。 However, when the pitch in the direction orthogonal to the longitudinal direction is 10 μm to 20 μm, the lens shape is formed in the central portion of the cross section of the microlens 1 ′, as illustrated in the cross-sectional view of the solid-state image sensor 10 ′ in FIG. 3 (b). In some cases, the disordered portion 6 of the lens is formed. The disordered portion 6 of the lens shape is a phenomenon in which a dent is generated in the central portion in the cross section of the microlens 1'. When such a disorder of the surface shape of the lens occurs, the normal function as a lens is lost. Therefore, as illustrated as the incident light 5', the light focused by the lens is disturbed, and the light is not normally focused on the surface of the photodiode 4. The flattening layer 2 and the photodiode 4 are the same as those in FIG. 3 (a), but the microlens 1'has a pitch (10 μm) larger than the pitch (less than 10 μm) of the color filter 3-1 in FIG. 3 (a). It is a large semi-cylindrical microlens formed corresponding to the color filter 3'formed by (~ 20 μm).

この様な半円筒状のマイクロレンズの問題点を解決する技術に最も近い先行技術としては、例えば、特許文献1に、カラーフィルタを用いない液晶表示装置が開示されている。この技術は、半円筒状のマイクロレンズに、それぞれ赤色、緑色、青色となる角度を備えたプリズム構造を備えておく事により、プリズムの作用によってそれらのプリズム構造に入射した光を分光し、カラーフィルタを使用する事無く赤色、緑色、青色を作り出す技術である。 As a prior art closest to the technique for solving the problem of such a semi-cylindrical microlens, for example, Patent Document 1 discloses a liquid crystal display device that does not use a color filter. In this technology, a semi-cylindrical microlens is equipped with prism structures having angles of red, green, and blue, respectively, so that the light incident on those prism structures is separated by the action of the prism and colored. It is a technology that produces red, green, and blue without using a filter.

また、特許文献2には、半円筒状のマイクロレンズを使用した立体画像表示装置が開示されている。この技術においては、立体感を作り出すのに必要な両眼に入る画像の視差を作り出す手段として、焦点距離が異なる2枚のマイクロレンズシートを、半円筒状のマイクロレンズの長手方向を異なる方向にして、一定の角度をなす様に、配置する事で作り出す事を特徴としている。 Further, Patent Document 2 discloses a stereoscopic image display device using a semi-cylindrical microlens. In this technology, as a means of creating the parallax of an image that enters both eyes, which is necessary to create a stereoscopic effect, two microlens sheets having different focal lengths are used in different longitudinal directions of the semi-cylindrical microlenses. The feature is that it is created by arranging it so that it forms a certain angle.

これらの技術は、半円筒状のマイクロレンズに関連する技術であるが、半円筒状のマイクロレンズが延伸する方向に直交する方向の半円筒状のマイクロレンズのピッチが10μm~20μmの場合に、マイクロレンズの断面形状の中央部に発生するレンズ形状の乱れ(凹み)を解決する技術とは異なる。 These techniques are related to the semi-cylindrical microlens, but when the pitch of the semi-cylindrical microlens in the direction orthogonal to the stretching direction of the semi-cylindrical microlens is 10 μm to 20 μm, This is different from the technology for solving the disorder (dent) of the lens shape that occurs in the center of the cross-sectional shape of the microlens.

上記の事情に鑑み、本発明は、半円筒状のマイクロレンズが延伸する方向に直交する方向の半円筒状のマイクロレンズのピッチが10μm~20μmであっても、マイクロレンズの断面形状の乱れが無い半円筒状のマイクロレンズからなるレンズアレイを備えた固体撮像素子を提供する事を課題とする。 In view of the above circumstances, in the present invention, even if the pitch of the semi-cylindrical microlens in the direction orthogonal to the stretching direction of the semi-cylindrical microlens is 10 μm to 20 μm, the cross-sectional shape of the microlens is disturbed. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device provided with a lens array composed of a semi-cylindrical microlens.

上記の課題を解決する手段として、本発明の第一態様は、複数のフォトダイオードをXYマトリクス状に形成した固体撮像素子用半導体基板と、該フォトダイオードと平面視で重なる様に形成された複数の半円筒状のマイクロレンズからなるレンズアレイと、を備えた固体撮像素子であって、
レンズアレイを構成する各半円筒状のマイクロレンズは、XYマトリクス状に形成されたフォトダイオードのXまたはY方向に対応して延伸し、互いに平行に、一定のピッチで備えられており、
該半円筒状のマイクロレンズの幅方向における形成ピッチは、10μm~20μmであり、高さが1.5μm~3.0μmである事を特徴とする固体撮像素子である。
As a means for solving the above problems, the first aspect of the present invention is a semiconductor substrate for a solid-state image sensor in which a plurality of photodiodes are formed in an XY matrix, and a plurality of photodiodes formed so as to overlap the photodiodes in a plan view. A solid-state image sensor equipped with a lens array consisting of semi-cylindrical microlenses.
Each semi-cylindrical microlens constituting the lens array is extended corresponding to the X or Y direction of the photodiode formed in the XY matrix, and is provided in parallel with each other at a constant pitch.
The semi-cylindrical microlens is a solid-state imaging device characterized in that the formation pitch in the width direction is 10 μm to 20 μm and the height is 1.5 μm to 3.0 μm.

また、複数のフォトダイオードをXYマトリクス状に形成した固体撮像素子用半導体基板と、該フォトダイオードと平面視で重なる様に形成された複数の半円筒状のマイクロレンズからなるレンズアレイと、を備えた固体撮像素子であって、
レンズアレイを構成する各半円筒状のマイクロレンズは、XYマトリクス状に形成されたフォトダイオードのXまたはY方向に対応して延伸し、互いに平行に、一定のピッチで備えられており、
前記半円筒状のマイクロレンズの幅方向における形成ピッチは、10μm~20μmであり、高さが1.5μm~3.0μmであり、
前記半円筒状のマイクロレンズと前記半導体基板の間には、前記半円筒状のマイクロレンズの幅の中点を通り、長手方向に延伸する中心線と重なる位置に、該半円筒状のマイクロレンズの、30%~50%の幅で、且つ50%~70%の高さの、透明層からなるパタ
ーンが備えられている事を特徴とする固体撮像素子である。
Further, the present invention includes a semiconductor substrate for a solid-state image sensor in which a plurality of photodiodes are formed in an XY matrix, and a lens array composed of a plurality of semi-cylindrical microlenses formed so as to overlap the photodiodes in a plan view. It is a solid-state image sensor
Each semi-cylindrical microlens constituting the lens array is extended corresponding to the X or Y direction of the photodiode formed in the XY matrix, and is provided in parallel with each other at a constant pitch.
The formation pitch of the semi-cylindrical microlens in the width direction is 10 μm to 20 μm, and the height is 1.5 μm to 3.0 μm.
Between the semi-cylindrical microlens and the semiconductor substrate, the semi-cylindrical microlens passes through the midpoint of the width of the semi-cylindrical microlens and overlaps with the center line extending in the longitudinal direction. It is a solid-state image pickup device characterized by having a pattern made of a transparent layer having a width of 30% to 50% and a height of 50% to 70%.

また、前記透明層の屈折率は、前記半円筒状のマイクロレンズの屈折率より低い事を特徴とする。 Further, the refractive index of the transparent layer is lower than that of the semi-cylindrical microlens.

また、本発明の第二態様は、
固体撮像素子のレンズアレイの製造方法であって、
前記半円筒状のマイクロレンズとなる樹脂層を形成する工程と、
透明層からなるパターンを形成する工程と、
前記半円筒状のマイクロレンズの母型となる感光性樹脂パターンを形成する工程と、
該感光性樹脂パターンを加熱処理する事により前記半円筒状のマイクロレンズの母型を形成する工程と、
前記半円筒状のマイクロレンズの母型と透明層からなるパターンをドライエッチングにより除去し、前記マイクロレンズとなる樹脂層に前記半円筒状のマイクロレンズを転写する工程と、を備えており、
前記半円筒状のマイクロレンズの幅の中点を通り長手方向に延伸する中心線は、前記透明層からなるパターンの幅の中点を通り長手方向に延伸する中心線と平面視で重なる位置に形成される事を特徴とするレンズアレイの製造方法である。
Further, the second aspect of the present invention is
A method for manufacturing a lens array of a solid-state image sensor.
The step of forming the resin layer to be the semi-cylindrical microlens, and
The process of forming a pattern consisting of a transparent layer and
The process of forming a photosensitive resin pattern that serves as a base for the semi-cylindrical microlens, and
The step of forming the matrix of the semi-cylindrical microlens by heat-treating the photosensitive resin pattern, and
The process includes a step of removing the pattern consisting of the mother mold of the semi-cylindrical microlens and the transparent layer by dry etching, and transferring the semi-cylindrical microlens to the resin layer to be the microlens.
The center line extending in the longitudinal direction through the midpoint of the width of the semi-cylindrical microlens is located at a position overlapping the center line extending in the longitudinal direction through the midpoint of the width of the pattern made of the transparent layer. It is a method for manufacturing a lens array, which is characterized by being formed.

また、前記半円筒状のマイクロレンズとなる樹脂層を形成する工程と、
透明層からなるパターンを形成する工程と、
前記半円筒状のマイクロレンズとなる感光性樹脂パターンを形成する工程と、
該感光性樹脂パターンを加熱処理する事により前記半円筒状のマイクロレンズを形成する工程と、を備えており、
前記半円筒状のマイクロレンズの幅の中点を通り長手方向に延伸する中心線は、前記透明層からなるパターンの幅の中点を通り長手方向に延伸する中心線と平面視で重なる位置に形成される事を特徴とするレンズアレイの製造方法である。
Further, the step of forming the resin layer to be the semi-cylindrical microlens, and
The process of forming a pattern consisting of a transparent layer and
The step of forming a photosensitive resin pattern to be a semi-cylindrical microlens, and
It comprises a step of forming the semi-cylindrical microlens by heat-treating the photosensitive resin pattern.
The center line extending in the longitudinal direction through the midpoint of the width of the semi-cylindrical microlens is located at a position overlapping the center line extending in the longitudinal direction through the midpoint of the width of the pattern made of the transparent layer. It is a method for manufacturing a lens array, which is characterized by being formed.

本発明の固体撮像素子によれば、複数のフォトダイオードがXYマトリクス状に形成された固体撮像素子用半導体基板のX方向またはY方向に形成されたフォトダイオードに沿って延伸し、互いに平行に、連接して備えられた半円筒状のマイクロレンズを備えている。それらの半円筒状のマイクロレンズのY方向またはX方向における形成ピッチは、10μm~20μmであり、高さが1.5μm~3.0μmである。これらの事により、半円筒状のマイクロレンズの長手方向に直交する平面における断面の最も高い部位を中心としたレンズ形状の乱れが発生することが無い。その為、半円筒状のマイクロレンズの集光性能が劣化することが無い。 According to the solid-state image pickup device of the present invention, a plurality of photodiodes are stretched along the photodiodes formed in the X-direction or the Y-direction of the semiconductor substrate for a solid-state image pickup device formed in an XY matrix, and are parallel to each other. It is equipped with a semi-cylindrical microlens provided in conjunction with each other. The formation pitch of these semi-cylindrical microlenses in the Y direction or the X direction is 10 μm to 20 μm, and the height is 1.5 μm to 3.0 μm. As a result, the lens shape is not disturbed centering on the highest part of the cross section in the plane orthogonal to the longitudinal direction of the semi-cylindrical microlens. Therefore, the light collection performance of the semi-cylindrical microlens does not deteriorate.

また、本発明の固体撮像素子によれば、半円筒状のマイクロレンズと半導体基板の間には、X方向またはY方向に沿って、該半円筒状のマイクロレンズの幅の30%~50%の幅で、半円筒状のマイクロレンズの50%~70%の高さの透明層が備えられている。その為、半円筒状のマイクロレンズの長手方向に直交する平面における断面の最も高い部位を中心としたレンズ形状の乱れが発生することが無い。その為、半円筒状のマイクロレンズの集光性能が劣化することが無い。 Further, according to the solid-state image sensor of the present invention, between the semi-cylindrical microlens and the semiconductor substrate is 30% to 50% of the width of the semi-cylindrical microlens along the X direction or the Y direction. A transparent layer with a width of 50% to 70% of the height of a semi-cylindrical microlens is provided. Therefore, the lens shape is not disturbed centering on the highest part of the cross section in the plane orthogonal to the longitudinal direction of the semi-cylindrical microlens. Therefore, the light collection performance of the semi-cylindrical microlens does not deteriorate.

本発明のレンズアレイの製造方法によれば、樹脂の熱フロー工程の見直しをせず、パターンの形成工程を1工程増やすだけで、本発明の固体撮像素子を提供可能とする事ができる。 According to the method for manufacturing a lens array of the present invention, the solid-state image pickup device of the present invention can be provided by increasing the pattern forming step by one step without reviewing the heat flow step of the resin.

本発明の固体撮像素子の半円筒状のマイクロレンズを説明する断面説明図。The cross-sectional explanatory view explaining the semi-cylindrical microlens of the solid-state image sensor of this invention. 本発明の固体撮像素子の半円筒状のマイクロレンズの製造方法を説明する断面説明図。The cross-sectional explanatory view explaining the manufacturing method of the semi-cylindrical microlens of the solid-state image sensor of this invention. 従来の固体撮像素子の半円筒状のマイクロレンズの問題点を説明する断面説明図。A cross-sectional explanatory view illustrating a problem of a semi-cylindrical microlens of a conventional solid-state image sensor.

<第一の実施形態>
本発明の第一の実施形態における固体撮像素子について図1(a)を用いて説明する。(固体撮像素子)
本発明の固体撮像素子10は、複数のフォトダイオード4をXYマトリクス状に形成した固体撮像素子用半導体基板と、該フォトダイオード4と平面視で重なる様に形成された複数の半円筒状のマイクロレンズ1からなるレンズアレイ8と、を備えた固体撮像素子である。
<First embodiment>
The solid-state image sensor according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 (a). (Solid image sensor)
The solid-state image sensor 10 of the present invention includes a semiconductor substrate for a solid-state image sensor in which a plurality of photodiodes 4 are formed in an XY matrix, and a plurality of semi-cylindrical micros formed so as to overlap the photodiode 4 in a plan view. It is a solid-state image pickup device including a lens array 8 composed of a lens 1.

ここで、半円筒状のマイクロレンズ1は、1本1本の半円筒状のマイクロレンズを指す。また、レンズアレイ8は、複数の半円筒状のマイクロレンズ1が、マイクロレンズ1が形成されている平面上で、その長手方向に直交する方向に、一定のピッチで備えられているものを指す。1本1本の半円筒状のマイクロレンズ1は、互いに端部で重なっていても良いし、分離し離間した状態で、一定のピッチで配置されたものであっても良い。また、隣接するマイクロレンズ1の長辺同士が並行に配列されてもよい。 Here, the semi-cylindrical microlens 1 refers to each semi-cylindrical microlens. Further, the lens array 8 refers to a lens array 8 in which a plurality of semi-cylindrical microlenses 1 are provided at a constant pitch in a direction orthogonal to the longitudinal direction thereof on a plane on which the microlens 1 is formed. .. The semi-cylindrical microlenses 1 may be overlapped with each other at the ends, or may be arranged at a constant pitch in a separated and separated state. Further, the long sides of adjacent microlenses 1 may be arranged in parallel.

各半円筒状のマイクロレンズ1からなるレンズアレイ8は、XYマトリクス状に形成されたフォトダイオード4のX方向かY方向の何れかに沿って延伸し、互いに平行に、一定のピッチで備えられている。即ち、印刷物の立体視などで使用されるレンチキュラーレンズより微細な寸法のレンチキュラーレンズがX方向およびY方向に形成されたフォトダイオード4に対応して備えられている。なお、レンチキュラーレンズとは、かまぼこ状または半円筒状のレンズが、その長手方向に直交する方向に、複数本、一定のピッチで形成されたシート状のレンズである。なお、印刷物の立体視や見る角度で画像が変化するチェンジングに使用する半円筒状のレンズの形成ピッチは、通常、15(Line/inch)~150(Line/inch)(約1.7mm~約17.0mm)である。 The lens array 8 composed of each semi-cylindrical microlens 1 is extended along either the X direction or the Y direction of the photodiode 4 formed in an XY matrix, and is provided parallel to each other at a constant pitch. ing. That is, a lenticular lens having a finer size than the lenticular lens used for stereoscopic viewing of printed matter is provided corresponding to the photodiode 4 formed in the X direction and the Y direction. The lenticular lens is a sheet-shaped lens in which a plurality of lenticular or semi-cylindrical lenses are formed at a constant pitch in a direction orthogonal to the longitudinal direction thereof. The formation pitch of the semi-cylindrical lens used for changing the image changes depending on the stereoscopic view of the printed matter and the viewing angle is usually 15 (Line / inch) to 150 (Line / inch) (about 1.7 mm to about). 17.0 mm).

本発明の固体撮像素子に使用される半円筒状のマイクロレンズ1からなるレンズアレイ8のY方向またはX方向における形成ピッチは10μm~20μmであり、高さは1.5μm~3.0μmである事が特徴である。この様なピッチと高さを備えた半円筒状のマイクロレンズ1からなるレンズアレイ8であっても、半円筒状のマイクロレンズ1の最も厚い部分を中心にして発生する凹部などのレンズ形状の乱れが発生していない。 The formation pitch of the lens array 8 made of the semi-cylindrical microlens 1 used in the solid-state image pickup device of the present invention in the Y direction or the X direction is 10 μm to 20 μm, and the height is 1.5 μm to 3.0 μm. The feature is that. Even in the lens array 8 composed of the semi-cylindrical microlens 1 having such a pitch and height, the lens shape such as a recess generated around the thickest portion of the semi-cylindrical microlens 1 No turbulence has occurred.

(半円筒状のマイクロレンズの製造方法)
上記で説明した固体撮像素子は、本発明の実施形態における半円筒状のマイクロレンズの製造方法によって得る事が可能である。以下に本発明の一実施形態における半円筒状のマイクロレンズの製造方法を説明する。なお、半円筒状のマイクロレンズ以外の構成としては、図1(a)に示すように、フォトダイオード4がXYマトリクス状の形成された半導体基板上に平坦化層などの機能層が形成されている。機能層の表面にはカラーフィルタ3が形成され、更にカラーフィルタ3の表面に平坦化層2が形成されている。なお、機能層の形成は任意であり、図1(a)においては不図示である。
(Manufacturing method of semi-cylindrical microlens)
The solid-state image sensor described above can be obtained by the method for manufacturing a semi-cylindrical microlens according to the embodiment of the present invention. Hereinafter, a method for manufacturing a semi-cylindrical microlens according to an embodiment of the present invention will be described. As a configuration other than the semi-cylindrical microlens, as shown in FIG. 1A, a functional layer such as a flattening layer is formed on a semiconductor substrate in which the photodiode 4 is formed in an XY matrix shape. There is. A color filter 3 is formed on the surface of the functional layer, and a flattening layer 2 is further formed on the surface of the color filter 3. The formation of the functional layer is arbitrary and is not shown in FIG. 1 (a).

半円筒状のマイクロレンズの製造方法は、半円筒状のマイクロレンズとなる樹脂層を形成する工程と、透明層からなるパターンを形成する工程と、半円筒状のマイクロレンズの母型となる感光性樹脂パターンを形成する工程と、該感光性樹脂パターンを加熱処理する
事により前記半円筒状のマイクロレンズの母型を形成する工程と、半円筒状のマイクロレンズの母型と透明層からなるパターンをドライエッチングにより除去し、マイクロレンズとなる樹脂層に前記半円筒状のマイクロレンズを転写する工程と、を備えている。
The method for manufacturing a semi-cylindrical microlens includes a step of forming a resin layer to be a semi-cylindrical microlens, a step of forming a pattern consisting of a transparent layer, and a photosensitivity to be a mother mold of the semi-cylindrical microlens. It consists of a step of forming a sex resin pattern, a step of forming a master mold of the semi-cylindrical microlens by heat-treating the photosensitive resin pattern, and a master mold and a transparent layer of the semi-cylindrical microlens. The present invention comprises a step of removing the pattern by dry etching and transferring the semi-cylindrical microlens to a resin layer to be a microlens.

以下に、図2(A)を用いて本発明の半円筒状のマイクロレンズの製造方法について説明する。
(半円筒状のマイクロレンズとなる樹脂層を形成する工程)
半円筒状のマイクロレンズとなる樹脂層を形成する工程では、まず、フォトダイオード4がXYマトリクス状に配置された半導体基板を用意し(図2(A)(a)参照)、その半導体基板上にカラーフィルタ3をフォトダイオードに目合わせして形成する(図2(A)(b)参照)。次に、カラーフィルタ3の上に平坦化層2を形成する(図2(A)(c)参照)。次に、平坦化層2の表面にレンズ樹脂層9を形成する(図2(A)(d)参照)。レンズ樹脂層9は、半円筒状のマイクロレンズ1となる樹脂層である。
Hereinafter, a method for manufacturing a semi-cylindrical microlens of the present invention will be described with reference to FIG. 2 (A).
(Step of forming a resin layer to be a semi-cylindrical microlens)
In the step of forming the resin layer to be a semi-cylindrical microlens, first, a semiconductor substrate in which the photodiode 4 is arranged in an XY matrix is prepared (see FIGS. 2A and 2A), and the photodiode 4 is placed on the semiconductor substrate. The color filter 3 is formed in alignment with the photodiode (see FIGS. 2A and 2B). Next, the flattening layer 2 is formed on the color filter 3 (see FIGS. 2A and 2C). Next, the lens resin layer 9 is formed on the surface of the flattening layer 2 (see FIGS. 2A and 2D). The lens resin layer 9 is a resin layer that becomes a semi-cylindrical microlens 1.

レンズ樹脂層9の材料は、透明な樹脂であれば特に限定する必要は無い。例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂(PMMA、Polymethyl methacrylate)を好適に使用する事ができる。
レンズ樹脂層9の形成方法は、透明な樹脂とその溶剤などによって作製した塗工液を用い、各種の塗工方法を用いて塗工する事ができる。例えば、スピンコート法をはじめ、ロールコート法、オフセット転写法、スクリーン印刷法、などを挙げることができる。
The material of the lens resin layer 9 is not particularly limited as long as it is a transparent resin. For example, polymethylmethacrylate resin (PMMA, Polymethyl methylate) can be preferably used.
As a method for forming the lens resin layer 9, a coating liquid prepared by a transparent resin and a solvent thereof or the like can be used, and various coating methods can be used for coating. For example, a spin coating method, a roll coating method, an offset transfer method, a screen printing method, and the like can be mentioned.

(透明層からなるパターンを形成する工程)
透明層からなるパターンを形成する工程では、まず、半円筒状のマイクロレンズとなる樹脂層(レンズ樹脂層9)の上に、透明層7からなるパターンを形成する(図2(A)(e)参照)。
透明層7からなるパターンの幅は半円筒状のマイクロレンズの幅の30%~50%であり、パターンの高さ(または厚さ)は半円筒状のマイクロレンズの50%~70%である。透明層7からなるパターンの幅が、半円筒状のマイクロレンズの幅の30%未満である場合、凹状となったマイクロレンズ形状を改善するほどの影響を与えられなくなる可能性が高まる。一方、50%を超えた場合、凹状箇所だけでなく、マイクロレンズ全体の膜厚に影響を与えてしまいやすい。また、透明層からなるパターンの高さが、半円筒状のマイクロレンズの50%未満である場合、凹状となった分の膜厚を補填することが出来ず、凹状が残りうる。さらに、70%を超えた場合、マイクロレンズの一部のみ凸状となりやすい。
(Step of forming a pattern consisting of a transparent layer)
In the step of forming the pattern made of the transparent layer, first, the pattern made of the transparent layer 7 is formed on the resin layer (lens resin layer 9) to be a semi-cylindrical microlens (FIGS. 2A and 2E). )reference).
The width of the pattern composed of the transparent layer 7 is 30% to 50% of the width of the semi-cylindrical microlens, and the height (or thickness) of the pattern is 50% to 70% of the semi-cylindrical microlens. .. If the width of the pattern composed of the transparent layer 7 is less than 30% of the width of the semi-cylindrical microlens, there is a high possibility that the effect of improving the concave microlens shape will not be exerted. On the other hand, if it exceeds 50%, it tends to affect not only the concave portion but also the film thickness of the entire microlens. Further, when the height of the pattern made of the transparent layer is less than 50% of that of the semi-cylindrical microlens, the film thickness of the concave shape cannot be compensated and the concave shape may remain. Further, when it exceeds 70%, only a part of the microlens tends to be convex.

フォトダイオード4などの光電変換素子が半導体基板にXYマトリクス状に形成されており、半円筒状のマイクロレンズはこれら光電変換素子に対応して形成される。例えば、半導体基板のX方向に形成された光電変換素子に対応して、半円筒状のマイクロレンズの長手方向をX方向と平行になるように形成される。Y方向には、同じ形態の半円筒状のマイクロレンズが、光電変換素子が形成されている位置に対応して、平行に、且つ連接して形成される。なお、X方向とY方向が入れ替わっても良い。 A photoelectric conversion element such as a photodiode 4 is formed on a semiconductor substrate in an XY matrix shape, and a semi-cylindrical microlens is formed corresponding to these photoelectric conversion elements. For example, it is formed so that the longitudinal direction of the semi-cylindrical microlens is parallel to the X direction, corresponding to the photoelectric conversion element formed in the X direction of the semiconductor substrate. In the Y direction, semi-cylindrical microlenses of the same form are formed in parallel and in connection with each other corresponding to the position where the photoelectric conversion element is formed. The X direction and the Y direction may be interchanged.

透明層7からなるパターンと半円筒状のマイクロレンズとは長手方向(延伸する方向)が平行となる。且つ透明層からなるパターンは半円筒状のマイクロレンズが延伸する方向と直交する幅方向の略中点を通る。さらに、透明層からなるパターンの長手方向の中心線と半円筒状のマイクロレンズの長手方向の中心線が一致する方が好ましい。この様にする事により、最終的に形成される半円筒状のマイクロレンズの長手方向に直交する平面における断面形状が左右対称の形状となる。また、透明層7からなるパターンの厚さや幅が上述した数値範囲に入っている事により、大型の半円筒状のマイクロレンズであってもレンズ頂点付近の形状が乱れることを抑制でき、優れた集光性能を備えたレンズとなる。 The pattern made of the transparent layer 7 and the semi-cylindrical microlens are parallel in the longitudinal direction (stretching direction). The pattern made of the transparent layer passes through a substantially midpoint in the width direction orthogonal to the stretching direction of the semi-cylindrical microlens. Further, it is preferable that the longitudinal center line of the pattern made of the transparent layer coincides with the longitudinal center line of the semi-cylindrical microlens. By doing so, the cross-sectional shape in the plane orthogonal to the longitudinal direction of the finally formed semi-cylindrical microlens becomes a symmetrical shape. Further, since the thickness and width of the pattern composed of the transparent layer 7 are within the above-mentioned numerical range, it is possible to suppress the shape near the lens apex from being disturbed even with a large semi-cylindrical microlens, which is excellent. It is a lens with light-collecting performance.

透明層7の材料は、下地の半円筒状のマイクロレンズとなる樹脂層と同じ材料である事が好ましいが、その樹脂層と同等の屈折率を持つ透明な樹脂であれば使用することができる。 The material of the transparent layer 7 is preferably the same material as the resin layer that becomes the semi-cylindrical microlens underneath, but any transparent resin having a refractive index equivalent to that of the resin layer can be used. ..

例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂(PMMA、Polymethyl methacrylate)、ポリメチルペンテン(PMP、Polymethylpentene)、アリルジグリコールカーボネート(CR-39)、MS樹脂(メチルメタクリレート・スチレン共重合)、アクリロニトリルスチレン樹脂(AS樹脂)、ポリカーボネート樹脂(PC)、ポリエチレン樹脂(PS)などを挙げる事ができる。 For example, polymethylmethacrylate resin (PMMA, Polymethylmethacrylicate), polymethylpentene (PMP, Polymethylpentene), allyldiglycolcarbonate (CR-39), MS resin (methylmethacrylate / styrene copolymer), acryliconitrile styrene resin (AS resin). ), Polycarbonate resin (PC), polyethylene resin (PS) and the like.

透明層7からなるパターンを形成する方法としては、特に限定する必要は無い。例えば、上記したポリメタクリル酸メチル樹脂などの透明樹脂材料を使用した感光性透明樹脂塗液を作製し、その塗液を用いて、フォトリソグラフィ法を用いてパターニングする事により、透明層からなるパターンを形成する事ができる。透明層からなるパターンが延伸する方向に直交する方向である幅の中点が、半円筒状のマイクロレンズの幅の中点と、一致する様に形成する。しかしながら、この段階では半円筒状のマイクロレンズは形成されていない。その為、半導体基板にXYマトリクス状に配置されているフォトダイオードなどの光電変換素子に対応して形成すれば良い。 The method of forming the pattern composed of the transparent layer 7 is not particularly limited. For example, a photosensitive transparent resin coating liquid using the above-mentioned transparent resin material such as polymethyl methacrylate resin is prepared, and the coating liquid is used for patterning by a photolithography method to form a pattern consisting of a transparent layer. Can be formed. The midpoint of the width in the direction orthogonal to the extending direction of the pattern made of the transparent layer is formed so as to coincide with the midpoint of the width of the semi-cylindrical microlens. However, a semi-cylindrical microlens has not been formed at this stage. Therefore, it may be formed corresponding to a photoelectric conversion element such as a photodiode arranged in an XY matrix on a semiconductor substrate.

(半円筒状のマイクロレンズの母型となる感光性樹脂パターンを形成する工程)
半円筒状のマイクロレンズの母型となる感光性樹脂パターンを形成する工程では、半円筒状のマイクロレンズとなる樹脂層と、その樹脂層の上に形成された透明層からなるパターンが形成された基板の上に、感光性樹脂層を形成し、その感光性樹脂層をフォトリソグラフィ法によってパターン化する。この状態では、ほぼ矩形の断面形状を備えた感光性樹脂層のパターンが形成される(図示省略)。
(Step of forming a photosensitive resin pattern that serves as a base for a semi-cylindrical microlens)
In the step of forming the photosensitive resin pattern that becomes the matrix of the semi-cylindrical microlens, a pattern consisting of the resin layer that becomes the semi-cylindrical microlens and the transparent layer formed on the resin layer is formed. A photosensitive resin layer is formed on the substrate, and the photosensitive resin layer is patterned by a photolithography method. In this state, a pattern of the photosensitive resin layer having a substantially rectangular cross-sectional shape is formed (not shown).

次に、このパターン化された感光性樹脂層を加熱処理する事によって、半円筒状のマイクロレンズと同等の断面形状を備えた感光性樹脂層からなるレジストパターン11が得られる(図2(A)(f)参照)。この様にして、半円筒状のマイクロレンズを形成する為のエッチングマスクパターン、即ち半円筒状のマイクロレンズの母型が形成される。 Next, by heat-treating the patterned photosensitive resin layer, a resist pattern 11 made of a photosensitive resin layer having a cross-sectional shape equivalent to that of a semi-cylindrical microlens is obtained (FIG. 2 (A). ) (F). In this way, an etching mask pattern for forming a semi-cylindrical microlens, that is, a mother mold of a semi-cylindrical microlens is formed.

この様にして形成された半円筒状のマイクロレンズの母型には、半円筒状のマイクロレンズの母型が延伸する方向に直交する方向における半円筒状のマイクロレンズの母型のピッチが10μm~20μmであっても、マイクロレンズの母型の断面形状の乱れ(凹み)が形成される事が無い。凹みは、通常はマイクロレンズの母型の断面形状の中央部に形成されるが、その部分には、透明層7からなるパターンが形成されており、透明層7からなるパターンの厚さに対応して厚くなっている。その透明層7からなるパターンの厚さは、マイクロレンズの母型の断面形状の乱れ(凹み)が形成されない厚さに調整されている為、母型の断面形状の乱れ(凹み)が形成される事が無い。この様にする為、半円筒状のマイクロレンズの幅の30%~50%の幅で、半円筒状のマイクロレンズの50%~70%の高さ(または厚さ)である透明層からなるパターンを形成する事が必要となる。 In the mother mold of the semi-cylindrical microlens formed in this way, the pitch of the mother mold of the semi-cylindrical microlens in the direction orthogonal to the extending direction of the mother mold of the semi-cylindrical microlens is 10 μm. Even if the thickness is up to 20 μm, the cross-sectional shape of the matrix of the microlens is not disturbed (dented). The dent is usually formed in the central part of the cross-sectional shape of the matrix of the microlens, but a pattern made of the transparent layer 7 is formed in that part, and corresponds to the thickness of the pattern made of the transparent layer 7. And it is getting thicker. Since the thickness of the pattern composed of the transparent layer 7 is adjusted to a thickness at which the cross-sectional shape of the microlens is not disturbed (dented), the cross-sectional shape of the master mold is not disturbed (dented). There is nothing to do. To do this, it consists of a transparent layer that is 30% to 50% of the width of the semi-cylindrical microlens and 50% to 70% of the height (or thickness) of the semi-cylindrical microlens. It is necessary to form a pattern.

(半円筒状のマイクロレンズの母型と透明層からなるパターンをドライエッチングにより除去し、レンズ樹脂層9に半円筒状のマイクロレンズを転写する工程)
半円筒状のマイクロレンズの母型(レジストパターン11)と透明層7からなるパターンをドライエッチングにより除去し、レンズ樹脂層9に半円筒状のマイクロレンズを転写する工程では、半円筒状のマイクロレンズの母型をエッチングマスクとして、その下地にある半円筒状のマイクロレンズとなるレンズ樹脂層9をドライエッチングする。
(Step of removing the pattern consisting of the mother mold of the semi-cylindrical microlens and the transparent layer by dry etching and transferring the semi-cylindrical microlens to the lens resin layer 9)
In the step of removing the pattern consisting of the mother mold (resist pattern 11) of the semi-cylindrical microlens and the transparent layer 7 by dry etching and transferring the semi-cylindrical microlens to the lens resin layer 9, the semi-cylindrical micro Using the lens master as an etching mask, the lens resin layer 9 that is a semi-cylindrical microlens underneath is dry-etched.

ドライエッチングの種類としては、酸素ガスを含むガスを用いて樹脂のガス化によるドライエッチングが可能なものであれば特に限定されない。例えば、プラズマアッシャやオゾンアッシャと呼ばれる装置を使用する事ができる。装置の電極構成としては、平行平板型の装置であっても良いし、バレル型の装置であっても構わない。 The type of dry etching is not particularly limited as long as it can be dry-etched by gasifying the resin using a gas containing oxygen gas. For example, a device called a plasma asher or an ozone asher can be used. The electrode configuration of the device may be a parallel plate type device or a barrel type device.

ドライエッチングを行う事によって、エッチングマスクでカバーされていない下地の半円筒状のマイクロレンズとなるレンズ樹脂層9はドライエッチングされて除去されて行く。同時に、エッチングマスクも除去されて行く。エッチングマスクがドライエッチングによって消失した段階で、エッチングマスクの形態が下地の半円筒状のマイクロレンズとなるレンズ樹脂層9に転写され、半円筒状のマイクロレンズ1からなるレンズアレイ8が形成される(図2(A)(g)参照)。 By performing dry etching, the lens resin layer 9 that becomes a semi-cylindrical microlens underneath that is not covered by the etching mask is dry-etched and removed. At the same time, the etching mask is also removed. When the etching mask disappears by dry etching, the form of the etching mask is transferred to the lens resin layer 9 which is a semi-cylindrical microlens underneath, and a lens array 8 composed of the semi-cylindrical microlens 1 is formed. (See FIGS. 2 (A) and 2 (g)).

以上に説明した半円筒状のマイクロレンズの製造方法により、フォトダイオードなどの光電変換素子と対応する位置に、半円筒状のマイクロレンズの断面形状における乱れ(凹み)が形成されていない半円筒状のマイクロレンズからなるレンズアレイを形成する事ができる。その為、半円筒状のマイクロレンズの断面形状に乱れ(凹み)が形成されていない半円筒状のマイクロレンズからなるレンズアレイを備えた固体撮像素子を得る事ができる。 By the method for manufacturing a semi-cylindrical microlens described above, a semi-cylindrical shape in which the cross-sectional shape of the semi-cylindrical microlens is not disturbed (dented) at a position corresponding to a photoelectric conversion element such as a photodiode. It is possible to form a lens array consisting of microlenses of the above. Therefore, it is possible to obtain a solid-state image sensor equipped with a lens array made of a semi-cylindrical microlens in which the cross-sectional shape of the semi-cylindrical microlens is not disturbed (dented).

<第二の実施形態>
次に、本発明の固体撮像素子の第二の実施形態について、第一の実施形態と異なる点を中心に、図2(B)を用いて説明する。
<Second embodiment>
Next, the second embodiment of the solid-state image pickup device of the present invention will be described with reference to FIG. 2B, focusing on the differences from the first embodiment.

第二の実施形態における半円筒状のマイクロレンズの製造方法は、まず、フォトダイオード4がXYマトリクス状に配置された半導体基板を用意し(図2(B)(a)参照)、その半導体基板上にカラーフィルタ3をフォトダイオードに目合わせして形成する(図2(B)(b)参照)。次に、カラーフィルタ3の上に平坦化層2を形成する(図2(B)(c)参照)。ここまでは、第一の実施形態と同様である。
次に、透明層からなるパターンを形成する工程(図2(B)(d)参照)と、半円筒状のマイクロレンズとなる感光性レンズ樹脂層9-1を形成する工程(図2(B)(e)参照)と、パターン化された感光性レンズ樹脂層12を形成する工程(図2(B)(f)参照)と、加熱溶融する事で半円筒状のマイクロレンズ1を形成する工程(図2(B)(g)参照)を実施する。
すなわち、第二の実施形態においては、ドライエッチングによる半円筒状のマイクロレンズを形成するのではなく、加熱溶融により半円筒状のマイクロレンズを形成する。
In the method for manufacturing a semi-cylindrical microlens in the second embodiment, first, a semiconductor substrate in which the photodiode 4 is arranged in an XY matrix is prepared (see FIGS. 2B and 2A), and the semiconductor substrate is prepared. The color filter 3 is formed on the top by aligning with the photodiode (see FIGS. 2B and 2B). Next, the flattening layer 2 is formed on the color filter 3 (see FIGS. 2B and 2C). Up to this point, it is the same as the first embodiment.
Next, a step of forming a pattern made of a transparent layer (see FIGS. 2B and 2d) and a step of forming a photosensitive lens resin layer 9-1 to be a semi-cylindrical microlens (FIG. 2B). ) (E), a step of forming the patterned photosensitive lens resin layer 12 (see FIGS. 2B and 2F), and heating and melting to form a semi-cylindrical microlens 1. The step (see FIGS. 2B and 2g) is carried out.
That is, in the second embodiment, the semi-cylindrical microlens is not formed by dry etching, but the semi-cylindrical microlens is formed by heating and melting.

まず、複数のフォトダイオード4がXYマトリクス状に形成された固体撮像素子用半導体基板上にカラーフィルタ3と平坦化層2を備えた基板上に、透明層7からなるパターンを形成する(図2(B)(d)参照)。透明層7からなるパターンは、第一の実施形態における透明層7と同等である。
次に、半円筒状のマイクロレンズ1となる透明樹脂からなる感光性レンズ樹脂層9-1を形成する(図2(B)(e)参照)。その形成方法は特に限定されない。例えば、スピンコート法によって透明樹脂からなる感光性樹脂塗液を、透明層7からなるパターンが形成された基板上に塗布する。
First, a pattern composed of a transparent layer 7 is formed on a substrate provided with a color filter 3 and a flattening layer 2 on a semiconductor substrate for a solid-state image sensor in which a plurality of photodiodes 4 are formed in an XY matrix shape (FIG. 2). (B) See (d)). The pattern composed of the transparent layer 7 is equivalent to the transparent layer 7 in the first embodiment.
Next, a photosensitive lens resin layer 9-1 made of a transparent resin that becomes a semi-cylindrical microlens 1 is formed (see FIGS. 2B and 2e). The forming method is not particularly limited. For example, a photosensitive resin coating liquid made of a transparent resin is applied onto a substrate on which a pattern made of a transparent layer 7 is formed by a spin coating method.

次に、クリーンオーブンなどを使用して塗布された感光性レンズ樹脂層9-1を乾燥させる。所望のパターンを備えたフォトマスクを用いて露光し、現像する事によって、透明層7からなるパターンに目合わせされたパターン化感光性レンズ樹脂層12を形成する事ができる(図2(B)(f)参照)。この目合わせとは、透明層7からなるパターンの幅の中心を通り長手方向に延伸する中心線と、半円筒状のマイクロレンズ1の幅の中心を通
り長手方向に延伸する中心線と、の位置を平面視で重ね合わせる、という意味である。
Next, the coated photosensitive lens resin layer 9-1 is dried using a clean oven or the like. By exposing and developing with a photomask provided with a desired pattern, it is possible to form a patterned photosensitive lens resin layer 12 aligned with the pattern composed of the transparent layer 7 (FIG. 2B). (F)). This alignment is defined as a center line extending in the longitudinal direction through the center of the width of the pattern composed of the transparent layer 7 and a center line extending in the longitudinal direction through the center of the width of the semi-cylindrical microlens 1. It means that the positions are overlapped in a plan view.

以上の様にして形成されたパターン化感光性レンズ樹脂層12の形状は、ほぼ矩形状の端部を備えた直方体となっている。この様な形態のパターン化感光性レンズ樹脂層12を、パターン化感光性レンズ樹脂層12を構成する透明樹脂の軟化点以上に加熱処理する事により、透明樹脂を溶融させ、液体状にし流動させる事で、直方体だった透明樹脂パターンを半円筒状のマイクロレンズ1とする事ができる(図2(B)(g)参照)。 The shape of the patterned photosensitive lens resin layer 12 formed as described above is a rectangular parallelepiped having a substantially rectangular end portion. By heat-treating the patterned photosensitive lens resin layer 12 having such a form above the softening point of the transparent resin constituting the patterned photosensitive lens resin layer 12, the transparent resin is melted and made into a liquid to flow. Therefore, the transparent resin pattern that was a rectangular body can be made into a semi-cylindrical microlens 1 (see FIGS. 2B and 2g).

このパターン化感光性レンズ樹脂層12を溶融させた時に、半円筒状のマイクロレンズ1の断面形状において、最も厚い部分を中心に、凹部が形成される現象がある。この現象は、半円筒状のマイクロレンズ1の幅が10μm以上、厚さが1.5μm以上、である場合にみられる現象である。これは、パターン化感光性レンズ樹脂層12が液体状になる事で、液体状の透明樹脂の表面張力に基づく現象ではないかと推定される。その為、透明樹脂パターンの幅が10μm未満、厚さが1.5μm未満である場合は凹部が形成されないが、それらの値以上になると、凹部が形成される虞が出てくる。 When the patterned photosensitive lens resin layer 12 is melted, there is a phenomenon that a recess is formed around the thickest portion in the cross-sectional shape of the semi-cylindrical microlens 1. This phenomenon is observed when the width of the semi-cylindrical microlens 1 is 10 μm or more and the thickness is 1.5 μm or more. It is presumed that this is a phenomenon based on the surface tension of the liquid transparent resin because the patterned photosensitive lens resin layer 12 becomes liquid. Therefore, if the width of the transparent resin pattern is less than 10 μm and the thickness is less than 1.5 μm, the recesses are not formed, but if the width is more than those values, there is a possibility that the recesses are formed.

この凹部が形成される現象を防ぐ為、本発明においては、半円筒状のマイクロレンズ1の断面形状において、最も厚い部分を中心に、各半円筒状のマイクロレンズ1の下に、透明層7からなるパターンを形成する。この透明層7からなるパターンは、半円筒状のマイクロレンズ1の幅方向の中点を通り、長手方向に延伸する中心線に沿って、その半円筒状のマイクロレンズ1の、30%~50%の幅で、且つ50%~70%の高さを備え、且つ透明層7からなるパターンの幅方向の中点を通り、長手方向に延伸する中心線と重なる位置に形成されている事が特徴である点は、第一の実施形態と同じである。 In order to prevent the phenomenon that this recess is formed, in the present invention, in the cross-sectional shape of the semi-cylindrical microlens 1, the transparent layer 7 is placed under each semi-cylindrical microlens 1 centering on the thickest portion. Form a pattern consisting of. The pattern composed of the transparent layer 7 passes through the midpoint in the width direction of the semi-cylindrical microlens 1 and along the center line extending in the longitudinal direction, 30% to 50% of the semi-cylindrical microlens 1. It has a width of% and a height of 50% to 70%, and is formed at a position that passes through the midpoint in the width direction of the pattern made of the transparent layer 7 and overlaps with the center line extending in the longitudinal direction. The feature is the same as that of the first embodiment.

この様な半円筒状のマイクロレンズ1が延伸する方向に直交する方向に、複数の半円筒状のマイクロレンズ1が、互いに平行に、一定のピッチで備えられたものが、レンズアレイ8である。 The lens array 8 is provided with a plurality of semi-cylindrical microlenses 1 parallel to each other at a constant pitch in a direction orthogonal to the extending direction of the semi-cylindrical microlens 1. ..

フォトダイオードなどの光電変換素子がXYマトリクス状に形成された固体撮像素子用半導体基板上に、この様なレンズアレイ8が形成される事により、本発明の第二の実施形態にかかる固体撮像素子20を得る事ができる。 By forming such a lens array 8 on a semiconductor substrate for a solid-state image pickup device in which photoelectric conversion elements such as a photodiode are formed in an XY matrix, the solid-state image pickup device according to the second embodiment of the present invention is formed. You can get 20.

なお、透明層7からなるパターンの屈折率は、半円筒状のマイクロレンズ1と同等あるいは同等以下であっても良い。換言すると、半円筒状のマイクロレンズ1の屈折率は透明層7からなるパターンの屈折率以上であることが好ましい。屈折率がこの関係を満たせば、透明層7からなるパターンと半円筒状のマイクロレンズ1との界面における反射を抑えることができ、集光効率をより高めることができる。 The refractive index of the pattern composed of the transparent layer 7 may be equal to or less than that of the semi-cylindrical microlens 1. In other words, the refractive index of the semi-cylindrical microlens 1 is preferably equal to or higher than the refractive index of the pattern composed of the transparent layer 7. If the refractive index satisfies this relationship, reflection at the interface between the pattern made of the transparent layer 7 and the semi-cylindrical microlens 1 can be suppressed, and the light collection efficiency can be further improved.

1・・・半円筒状のマイクロレンズ
2・・・平坦化層
3・・・カラーフィルタ
4・・・フォトダイオード
5・・・入射光
6・・・レンズの乱れ部
7・・・透明層(からなるパターン)
8・・・レンズアレイ
9・・・レンズ樹脂層
9-1・・・感光性レンズ樹脂層
10、10-1、10´、20・・・固体撮像素子
11・・・レジストパターン
12・・・パターン化感光性レンズ樹脂層
1 ... Semi-cylindrical microlens 2 ... Flattening layer 3 ... Color filter 4 ... Photodiode 5 ... Incident light 6 ... Lens disturbance 7 ... Transparent layer ( Pattern consisting of)
8 ... Lens array 9 ... Lens resin layer 9-1 ... Photosensitive lens resin layer 10, 10-1, 10', 20 ... Solid image sensor 11 ... Resist pattern 12 ... Patterned photosensitive lens resin layer

Claims (8)

X方向および前記X方向と直交する方向であるY方向からなるXYマトリクス状に複数の光電変換素子を配置した固体撮像素子用半導体基板と、該光電変換素子と平面視で重なる様に配置した複数の半円筒状のマイクロレンズからなるレンズアレイと、を備えた固体撮像素子であって、
前記レンズアレイを構成する各々の前記半円筒状のマイクロレンズは、XYマトリクス状に形成された前記光電変換素子のX方向またはY方向に沿って延伸し、前記半円筒状のマイクロレンズの長手方向が互いに平行であり、
該半円筒状のマイクロレンズの幅は10μm以上20μm以下であり、高さが1.5μm以上3.0μm以下である事を特徴とする固体撮像素子。
A semiconductor substrate for a solid-state image sensor in which a plurality of photoelectric conversion elements are arranged in an XY matrix consisting of an X direction and a Y direction orthogonal to the X direction, and a plurality of semiconductor substrates arranged so as to overlap the photoelectric conversion elements in a plan view. A solid-state image sensor equipped with a lens array consisting of semi-cylindrical microlenses.
Each of the semi-cylindrical microlenses constituting the lens array is stretched along the X direction or the Y direction of the photoelectric conversion element formed in an XY matrix, and the longitudinal direction of the semi-cylindrical microlens. Are parallel to each other
A solid-state image sensor characterized in that the width of the semi-cylindrical microlens is 10 μm or more and 20 μm or less, and the height is 1.5 μm or more and 3.0 μm or less.
前記半円筒状のマイクロレンズで覆われた透明層からなるパターンを有し、
前記透明層からなるパターンの幅は該半円筒状のマイクロレンズの30%以上50%以下であり、
前記透明層からなるパターンの高さは該半円筒状のマイクロレンズの50%以上70%以下であることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
It has a pattern consisting of a transparent layer covered with the semi-cylindrical microlens.
The width of the pattern made of the transparent layer is 30% or more and 50% or less of the semi-cylindrical microlens.
The solid-state image sensor according to claim 1, wherein the height of the pattern made of the transparent layer is 50% or more and 70% or less of the semi-cylindrical microlens.
前記透明層からなるパターンの幅の中心を通り長手方向に延伸する中心線と、前記半円筒状のマイクロレンズの幅の中心を通り長手方向に延伸する中心線とが平面視で重なる事を特徴とする請求項2に記載の固体撮像素子。 The feature is that the center line extending in the longitudinal direction through the center of the width of the pattern made of the transparent layer and the center line extending in the longitudinal direction through the center of the width of the semi-cylindrical microlens overlap in a plan view. The solid-state image pickup device according to claim 2. 前記半円筒状のマイクロレンズの屈折率は前記透明層からなるパターンの屈折率以上である事を特徴とする請求項2または3に記載の固体撮像素子。 The solid-state image sensor according to claim 2 or 3, wherein the refractive index of the semi-cylindrical microlens is equal to or higher than the refractive index of the pattern made of the transparent layer. 請求項1に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記半円筒状のマイクロレンズとなる樹脂層を形成する工程と、
透明層からなるパターンを形成する工程と、
前記半円筒状のマイクロレンズの母型となる感光性樹脂パターンを形成する工程と、
該感光性樹脂パターンを加熱処理する事により前記半円筒状のマイクロレンズの母型を形成する工程と、
前記半円筒状のマイクロレンズの母型と透明層からなるパターンをドライエッチングにより除去し、前記マイクロレンズとなる樹脂層に前記半円筒状のマイクロレンズを転写する工程と、を備えていることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
The method for manufacturing a solid-state image sensor according to claim 1.
The step of forming the resin layer to be the semi-cylindrical microlens, and
The process of forming a pattern consisting of a transparent layer and
The process of forming a photosensitive resin pattern that serves as a base for the semi-cylindrical microlens, and
The step of forming the matrix of the semi-cylindrical microlens by heat-treating the photosensitive resin pattern, and
It is provided with a step of removing the pattern consisting of the mother mold of the semi-cylindrical microlens and the transparent layer by dry etching and transferring the semi-cylindrical microlens to the resin layer to be the microlens. A method for manufacturing a solid-state image sensor as a feature.
前記透明層からなるパターンの幅の中心を通り長手方向に延伸する中心線と、前記半円筒状のマイクロレンズの幅の中心を通り長手方向に延伸する中心線とが平面視で重なる事を特徴とする請求項5に記載の固体撮像素子の製造方法。 The feature is that the center line extending in the longitudinal direction through the center of the width of the pattern made of the transparent layer and the center line extending in the longitudinal direction through the center of the width of the semi-cylindrical microlens overlap in a plan view. The method for manufacturing a solid-state image sensor according to claim 5. 請求項2から4のいずれか一項に記載の固体撮像素子の製造方法であって、
前記半円筒状のマイクロレンズとなる樹脂層を形成する工程と、
透明層からなるパターンを形成する工程と、
前記半円筒状のマイクロレンズとなる感光性樹脂パターンを形成する工程と、
該感光性樹脂パターンを加熱処理する事により前記半円筒状のマイクロレンズを形成する工程と、を備えていることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
The method for manufacturing a solid-state image sensor according to any one of claims 2 to 4.
The step of forming the resin layer to be the semi-cylindrical microlens, and
The process of forming a pattern consisting of a transparent layer and
The step of forming a photosensitive resin pattern to be a semi-cylindrical microlens, and
A method for manufacturing a solid-state image sensor, which comprises a step of forming the semi-cylindrical microlens by heat-treating the photosensitive resin pattern.
前記透明層からなるパターンの幅は該半円筒状のマイクロレンズの30%以上50%以下であり、
前記透明層からなるパターンの高さは該半円筒状のマイクロレンズの50%以上70%以下であることを特徴とする請求項5から7のいずれか一項に記載の固体撮像素子の製造方
法。
The width of the pattern made of the transparent layer is 30% or more and 50% or less of the semi-cylindrical microlens.
The method for manufacturing a solid-state image sensor according to any one of claims 5 to 7, wherein the height of the pattern made of the transparent layer is 50% or more and 70% or less of the semi-cylindrical microlens. ..
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