JP2023095291A - レンズアレイの製造方法、レンズアレイ、および固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】エッチバックを用いつつ、マイクロレンズの形状制御の自由度が高いレンズアレイの製造方法を提供する。【解決手段】複数のマイクロレンズを有するレンズアレイの製造方法は、レンズアレイとなる母材層１００を形成するステップＡと、母材層上に、母材層とエッチングレートの異なる調節層１１０を形成するステップＢと、調節層上に、複数の転写レンズを有する転写アレイを形成するステップＣと、エッチングにより転写アレイおよび調節層を消失させるとともに、転写レンズに対応する形状を母材層に転写するステップＤとを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、レンズアレイの製造方法およびレンズアレイに関する。このレンズアレイを用いた固体撮像素子についても言及する。

持ち運び可能で薄型の携帯電話にも組み込み可能な、固体撮像素子を用いた距離画像センサが知られている。
例えば、特許文献１には、複数の光電変換部と、光電変換部の上に設けられたマイクロレンズアレイを備えた光電変換基板が記載されている。マイクロレンズアレイは、入射した光を各光電変換部に集光する機能を有する。

マイクロレンズを形成する方法の一つとしてエッチバック形成法が知られている（例えば、特許文献１参照）。エッチバック形成法は露光・現像や熱フロー等によって母材上に形成した一次レンズに対してフッ素系ガスなどを用いたドライエッチングを施し、母材に一次レンズの形状を転写することにより母材からなるマイクロレンズを形成する方法である。この方法は、ドライエッチングの時間を調節することにより、マイクロレンズ間のギャップを調節できるという利点がある。

特開２０１９－２００２７９号公報

マイクロレンズの形状は、適用される固体撮像素子等の性能等に大きく影響するため、精緻に設定したいという要望がある。しかし、エッチバック形成法では、一次レンズの形状がそのまま母材に転写されることはまれであり、一次レンズのエッチングレートと母材のエッチングレートとの関係で変化しつつ転写される。

例えば、一次レンズより母材のエッチングレートの方が大きいと（一次レンズ＜母材）、母材に転写されるレンズの曲率半径は一次レンズよりも小さくなる。逆に、一次レンズより母材のエッチングレートの方が小さいと（一次レンズ＞母材）、母材に転写されるレンズの曲率半径は一次レンズより大きくなる。この点は、ドライエッチングの時間を変化させても変わらない。

これを踏まえて、マイクロレンズの形状を所望の態様とするために母材のエッチングレートを変化させることも考えられるが、母材は最終的にマイクロレンズとなるため、選択にあたっては、透過率、耐光性、耐熱性等の他に優先すべき特性が多くある。したがって、エッチングレートのみに基づいて母材の材質を決定することは実際には困難である。

本発明は、エッチバックを用いつつ、マイクロレンズの形状制御の自由度が高いレンズアレイの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様は、複数のマイクロレンズを有するレンズアレイの製造方法である。
この製造方法は、レンズアレイとなる母材層を形成するステップＡと、母材層上に、母材層とエッチングレートの異なる調節層を形成するステップＢと、調節層上に、複数の転写レンズを有する転写アレイを形成するステップＣと、エッチングにより転写アレイおよび調節層を消失させるとともに、転写レンズに対応する形状を母材層に転写するステップＤとを備える。

本発明の第二の態様は、複数のマイクロレンズを有するレンズアレイであって、マイクロレンズの曲率半径が、１．８２μｍ以上２．１０μｍ以下であるレンズアレイである。
本発明の第三の態様は、第二の態様に係るレンズアレイを備えた固体撮像素子である。

本発明によれば、エッチバックを用いつつ、レンズアレイにおけるマイクロレンズの形状制御を高い自由度で行える。

本発明の一実施形態に係るレンズアレイを備えた固体撮像素子の模式断面図である。 同レンズアレイの製造時の一過程を示す図である。 同レンズアレイの製造時の一過程を示す図である。 同レンズアレイの製造時の一過程を示す図である。 同レンズアレイの製造時の一過程を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図１から図５を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る固体撮像素子の模式断面図である。固体撮像素子１０は、基板２０と、ＣＭＯＳイメージセンサ２４と、カラーフィルタ２８と、レンズアレイ３０とを備える。
レンズアレイ３０は、本発明に係るレンズアレイである。

基板２０は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板である。基板２０の材料は、例えばＳｉであるが、ＣＭＯＳイメージセンサ２４等の画素や受光素子を備えてこれらを電気的に機能させることが可能な材料であれば特に限定されない。

基板２０は、複数のＣＭＯＳイメージセンサ２４を有する。複数のＣＭＯＳイメージセンサ２４は、固体撮像素子１０の平面視において、二次元マトリクス状に配列されている。
上述した基板２０の構成やイメージセンサの種類、配列等は一例であり、固体撮像素子１０の用途等に応じて適宜設定できる。

カラーフィルタ２８は、各々のＣＭＯＳイメージセンサ２４の受光面２５の上に設けられている。本実施形態においてカラーフィルタ２８は光の３原色である赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の何れかの色の波長帯の光を透過させる機能を有する。カラーフィルタ２８が透過する色は、複数のＣＭＯＳイメージセンサ２４の配置等に応じて、複数のＣＭＯＳイメージセンサ２４毎に適宜決められている。
固体撮像素子１０の用途により、カラーフィルタの色の構成が変更されたり、カラーフィルタ自体が省略されたりしてもよい。

レンズアレイ３０は、カラーフィルタ２８上に形成されており、カラーフィルタに対応して整列配置された複数のマイクロレンズ３１を有する。

集光作用の観点からは、マイクロレンズ３１は、例えば屈折率１．６程度の高屈折率材料からなることが好ましい。さらに、曲率半径や高さ、隣接するマイクロレンズ間のギャップ等の各種形状パラメータも、適用される固体撮像素子の性能に影響する。

レンズアレイ３０の製造方法について説明する。
まず、図２に示すように、母材層１００を形成する（ステップＡ）。母材層１００の厚さは、形成するマイクロレンズ３１の高さ等を考慮して適宜設定する。母材層の材質は、レンズアレイ３０に求められる透過率、耐光性、耐熱性等を考慮しつつ、公知の各種透明樹脂から選択できる。
レンズアレイ３０を固体撮像素子１０に直接設ける場合は、カラーフィルタ２８上に直接母材層１００を形成すればよい。レンズアレイ３０を別の用途に用いる場合は、下地となる樹脂フィルム等の上に母材層１００を形成してもよい。

次に、図３に示すように、母材層１００上に、母材層１００とエッチングレートの異なる調節層１１０を形成する（ステップＢ）。調節層１１０の材質は、エッチングが可能な樹脂であればよい。母材層１００の材質と構成成分が同一であっても、各成分の含有率が異なるとエッチングレートは変化するため、そのような材料を用いて調節層１１０を形成することもできる。

次に、図４に示すように、転写アレイ１２０を形成する（ステップＣ）。転写アレイ１２０は、二次元マトリクス状に配置された複数の転写レンズ１２１を有する。各転写レンズ１２１は、レンズアレイ３０の各マイクロレンズ３１を設ける位置に対して、概ね真上に配置される。
転写アレイ１２０は、光硬化性の樹脂を用いることにより簡便に形成できる。転写アレイは、グレースケールマスクを用いた露光および現像により形成されてもよいし、フォトリソグラフィによるパターニングと熱フローにより形成されてもよい。
ステップＣにおける転写レンズの曲率半径は、概ね使用する材料によって決まり、自由に制御することは難しい。

続いて、フッ素系ガス等を用いたドライエッチングを行う（ステップＤ）。ステップＤにおいては、転写レンズ１２１のある部位ではまず転写レンズ１２１が削られ、転写レンズ１２１のない部位では調節層１１０が削られる。これにより、転写レンズ１２１の形状が徐々に転写アレイ１２０の下の層に転写されていく。

調節層１１０がない場合、ステップＤにおいて母材層１００に転写される形状は、転写アレイのエッチングレートと母材層１００のエッチングレートとにより、ほぼ一義に決まる。したがって、エッチバックでマイクロレンズを形成する限り、これを変化させることは困難である。
しかし、本実施形態に係る製造方法では、母材層１００と転写アレイ１２０との間に調節層１１０が存在しているため、ドライエッチングにより調節層１１０が削られる過程で、母材層１００上の構造物の形状が、調節層１１０がない場合とは異なる形状となる。その結果、ステップＤの終了時における母材の形状も、調節層１１０がない場合とは異なる形状となる。
ステップＤが終了すると、転写アレイ１２０および調節層１１０がエッチングにより消失し、図５に示すように、母材層１００の材料からなり、転写レンズに対応する形状が転写されてマイクロレンズ３１が形成されたレンズアレイ３０が完成する。

ステップＤの終了時における母材の形状、すなわち完成したマイクロレンズ３１の形状は、調節層１１０のエッチングレートや厚さを変更することにより制御できる。例えば、調節層１１０のエッチングレートを母材層１００のエッチングレートより小さくすると、調節層がない場合よりもマイクロレンズ３１の曲率半径を大きくでき、調節層のエッチングレートを母材層のエッチングレートより大きくすると、マイクロレンズ３１の曲率半径を小さくできる。

発明者の検討では、転写アレイのエッチングレートが０．２７２μｍ／分、転写レンズの曲率半径が２．３２μｍ、母材層のエッチングレートが０．３８７μｍ／分である場合、調節層を設けずに形成したマイクロレンズの曲率半径は１．７６μｍであったが、母材層上にエッチングレートが０．３５７μｍ／分の調節層を厚さ１．１μｍで設けることにより、母材層を変更することなくマイクロレンズの曲率半径を１．９６μｍに変化させることができた。
また、調節層の厚さを０．９μｍ以上１．３μｍ以下の範囲で変化させることにより、形成されるマイクロレンズの曲率半径を、調節層を設けずに形成した場合には実現不可能な１．８２μｍ以上２．１０μｍ以下の範囲で制御することができた。マイクロレンズの曲率半径が１．８２μｍ以上２．１０μｍ以下の範囲になることで、集光効率を高めることができた。
この検討では、母材層および調節層のいずれも、プロピレングリコールモノメチルアセテートとアクリル系樹脂の混合物からなり、混合比率のみが異なっている。

以上説明したように、本実施形態に係るレンズアレイの製造方法によれば、調節層を設けるステップＣを備えるため、母材層の材料として、透過率、耐光性、耐熱性等を考慮した最適なものを選択しつつ、形成されるマイクロレンズの形状を自由度高く制御することができる。その結果、現在入手できる材料では実現が難しいような曲率半径のマイクロレンズを備えたレンズアレイを製造することも可能になり、より高性能な固体撮像素子等の実現に寄与できる。

本実施形態において、ステップＤは、少なくとも転写アレイおよび調節層が完全に消失するまで行われるが、完全に消失した後に一定時間継続されてもよい。これにより、レンズアレイにおけるマイクロレンズ間のギャップを調節することができ、ゼロギャップとすることも可能になる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせなども含まれる。以下にいくつか変更を例示するが、これらはすべてではなく、それ以外の変更も可能である。これらの変更が２以上適宜組み合わされてもよい。

・ステップＣにおいて、複数種類の調節層が設けられてもよい。このようにすることで、マイクロレンズの形状制御の自由度をさらに高めることができる。

・上述の実施形態では、本発明に係るレンズアレイの適用例として、基板上に直接カラーフィルタが形成されたオンチップタイプの固体撮像素子を示したが、本発明に係るレンズアレイの適用範囲はこれには限られず、例えば有機ＥＬ（ＯＬＥＤ）上に配置されるレンズシート等にも広く適用できる。

・本発明に係るレンズアレイは、マイクロレンズを覆う機能層を有してもよい。機能層としては、低屈折率層、防眩層、防汚層等を例示できる。

１０ 固体撮像素子
３０ レンズアレイ
３１ マイクロレンズ
１００ 母材層
１１０ 調節層
１２０ 転写アレイ
１２１ 転写レンズ

Claims (7)

1. 複数のマイクロレンズを有するレンズアレイの製造方法であって、
   前記レンズアレイとなる母材層を形成するステップＡと、
   前記母材層上に、前記母材層とエッチングレートの異なる調節層を形成するステップＢと、
   前記調節層上に、複数の転写レンズを有する転写アレイを形成するステップＣと、
   エッチングにより前記転写アレイおよび前記調節層を消失させるとともに、前記転写レンズに対応する形状を前記母材層に転写するステップＤと、
   を備える、
   レンズアレイの製造方法。
2. 前記母材層の材料と前記調節層の材料とが同一の組成を有し、組成比のみが異なっている、
   請求項１に記載のレンズアレイの製造方法。
3. 前記調節層の厚みが０．９μｍ以上１．３μｍ以下である、
   請求項１または２に記載のレンズアレイの製造方法。
4. 前記母材層と前記調節層とのエッチングレートの差が、０．０２０μｍ／分以上０．０４０μｍ／分以下である、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のレンズアレイの製造方法。
5. 複数のマイクロレンズを有するレンズアレイであって、
   前記マイクロレンズの曲率半径が、１．８２μｍ以上２．１０μｍ以下である、
   レンズアレイ。
6. プロピレングリコールモノメチルアセテートとアクリル系樹脂の混合物からなる、
   請求項５に記載のレンズアレイ。
7. 請求項５また６に記載のレンズアレイを備える、
   固体撮像素子。

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