JP3269644B2 - マイクロレンズの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＣＣＤ等の固体撮像素
子上に設けるマイクロレンズおよびその製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像カメラもしくはイメージセンサ
ーとして用いられる固体撮像素子についてはこれまでに
受光部、電極部や転送方式等について種々の提案がなさ
れてきた。その中で電荷結合型固体撮像素子（以下ＣＣ
Ｄと称す）は （１）自己走査が可能であるために周辺回路が簡単にな
る。

【０００３】（２）構造が簡単である。

【０００４】（３）可視域での光検出能力が大きい。

【０００５】などの性質を持っているため広範囲に用い
られている。最近では一層の小型化、高画素化の要求と
同時に、高感度化、低雑音化が要求されているため、こ
れに関する回路面あるいは撮像デバイス構造面について
の様々な提案がなされている。特に、デバイス構造面に
ついてスミアが他の方法よりも少なく、モザイクタイプ
のカラーフィルターを使用して分解能を上げられる事か
ら、インターライン型のＣＣＤが有利であることがわか
っている。しかし、インターライン型のＣＣＤでは受光
部の隣に電荷転送部を設けなくてはならないために表面
上の受光部の開口率が小さくならざるを得ない。更に高
画素化になるに従いますます開口率は減少してしまう。
また、固体撮像素子自体の固有ノイズの低減には限界が
あるため、開口率の減少はすなわちＳ／Ｎ比の低下をも
たらし、撮像画面の質が悪くなることとなる。

【０００６】その対策として入射光を増加させて入力信
号強度を増加させるため、固体撮像素子上にマイクロレ
ンズを直接形成する方法が提案されている。この方法
は、構造が簡単であるにもかかわらず開口率を増加させ
る効果的な方法の１つである。マイクロレンズを有する
ＣＣＤの断面図を図４に示す。ＣＣＤ基板４１には受光
部４２を有し、各受光部の間には遮光部４３が形成され
ている。受光層上には適当なカラーフィルター４４を形
成した後、レンズの焦点距離を調節するために適切な間
隔を形成する透明樹脂層４５を具備している。その上面
に受光部４２に入射光を集束させる位置にマイクロレン
ズ４６が設けられる。外部入射光はマイクロレンズ４６
が有する光学的屈折作用により受光部４２に集束させら
れるとともに、その周りの転送部や配線部４７への入射
光をも受光部４２に入射させられる。これにより開口率
が大きくなるとともに、転送部や配線部に光が入射しな
くなるために、スミアの低減も実現される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のような使用に供
せられるマイクロレンズの製造は、透明な合成樹脂材料
を加熱溶融して、溶融した透明な合成樹脂が表面張力に
より球状となる性質を利用する加熱溶融法と、レンズ用
の透明樹脂層上に形成したフォトレジストを加熱溶融し
て形成したマイクロレンズをパターンとしてエッチング
することによって透明樹脂層にマイクロレンズを転写す
るエッチバック法で形成されていたが、これらの方法で
得られるレンズは曲面が球面であるレンズのみであっ
た。

【０００８】マイクロレンズは固体撮像素子の距離が比
較的近いのでレンズは曲率の大きなものを作らなければ
ならないが、曲面が球面に近似されるようなレンズで
は、レンズの端部に入射した光は受光部へ集光すること
ができないので、受光部へ入射する実質的な受光量が減
少してしまうこととなる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、かかる課題を
解決するために検討の結果、完成にいたったもので、エ
ッチバック法において、フォトレジスト等を熱溶融して
形成したレンズのパターンを下部の透明樹脂にエッチン
グによって転写する際に、マイクロレンズのパターンを
形成したフォトレジストと透明樹脂との両者のエッチン
グ速度の差を利用したもので、透明樹脂層のエッチング
速度をマイクロレンズのパターンのエッチング速度より
も速くすることによって、形成されるマイクロレンズの
曲面を非球面とくに楕円体の一部とするものである。そ
の結果、レンズ端部の光もレンズ中央部に集光するよう
になるため、この位置にＣＣＤの受光部を置けば実質的
な開口率を向上することができる。

【００１０】図面を参照しつつ本発明を説明すると、図
２は本発明にかかる非球面である楕円体の一部からなる
マイクロレンズ（以下楕円レンズと呼ぶ）について入射
した光が集光される様子を示した図であり、図３は従来
の球面の曲面を有するマイクロレンズ（以下球面レンズ
と呼ぶ）よって集光される様子を示した図である。

【００１１】図３のようにＣＣＤ基板３１に設けた受光
部３２に対応して、球面レンズ３３が設けられており、
球面レンズへの入射光３４は球面レンズによって屈折す
るがレンズの端部に入射した光は受光部に集光すること
ができない。これに対して、楕円レンズを形成した場合
には、図２に示すように、ＣＣＤ基板２１の受光部２２
に対応して設けた楕円レンズ２３への入射光２４は、レ
ンズの端部へ入射した光もすべて受光部へ集光すること
ができるため、受光部２２の面積が小さくても実質的な
レンズの開口率を大きくすることができる。

【００１２】そして、楕円レンズとすることにより同一
の屈折率の樹脂を使用した場合でも球面レンズに比べて
焦点距離を短くするすることができるので、レンズと受
光部との間隔を小さくすることができ、レンズとＣＣＤ
基板との間の下引き層２５に設ける透明樹脂を少なくす
ることができるので、素子の小型化も可能となる。

【００１３】また、楕円レンズに最適な楕円体の形状は
基板に対して垂直方向に長い楕円体となるが、最適な楕
円体の長軸と短軸の比（以下偏平率と呼ぶ）は、使用す
る樹脂の屈折率により異なり、その値は表１のようにな
る。また、長軸と単軸の比は転写するマイクロレンズの
パターンと最終的にマイクロレンズが形成される透明樹
脂層とのエッチング速度の比によって任意に調整するこ
とが可能である。

【００１４】

【表１】

【００１５】本発明では、マイクロレンズの焦点距離が
ＣＣＤ基板の受光面と一致することが好ましい。しかし
ながら、本発明のマイクロレンズは楕円の一部に合致す
る形状から集光性が高まっているので、受光面の範囲に
集光された光がすべて入射するようにすれば、焦点位置
が多少受光面の上下または左右にずれていてもよい。本
発明のマイクロレンズの製造方法を示す図１を参照して
説明する。 図１（ａ）シリコン基板に面付けされた受光部、転送
部、その周辺回路を有するインタライン型ＣＣＤ１上に
アクリル系等の感光性樹脂を塗布し、クリーンオーブン
中でプリベークした。次に所望のパターンを介して紫外
線露光した後、現像してボンディングパッドやスクライ
ブライン上のアクリル樹脂を除いた。さらに１５０℃の
クリーンオーブン中でポストベークしてレンズと受光部
の距離を保つ為の下引き層２を形成した。次いで、その
下引き層の上にポリスチレン系感光性樹脂の塗布層を形
成し、クリーンオーブンに入れプリベークし、次に所望
のパターンを介して紫外線露光した後、現像してボンデ
ィングパッドやスクライブライン上の樹脂を除いた。さ
らにクリーンオーブン中でポストベークして、マイクロ
レンズ形成用樹脂層３を形成した。ポリスチレン系感光
性樹脂としては例えばＴＰＳ（東ソー株式会社製）を使
用することができる。さらに、マイクロレンズ形成用樹
脂層３の上には、ノボラック系感光性樹脂を塗布し、ク
リーンオーブンにてプリベークした。次にＣＣＤの受光
部に対応する部分のノボラック系感光性樹脂だけが残る
様なパターンを用いて紫外線露光した後、現像して受光
部のみにノボラック系感光性樹脂パターン４を形成し
た。ノボラック系感光性樹脂としてはＡＺ１３５０（シ
プレイ社製）等を使用することができる。

【００１６】図１（ｂ） ノボラック系感光性樹脂パタ
ーンをクリーンオーブン内で熱溶融させ、表面張力によ
って球形となった溶融樹脂を固化して転写用球面レンズ
５を形成した。 図１（ｃ） マイクロレンズ用透明樹脂層をマイクロレ
ンズ酸素プラズマ等の乾式のエッチング手段によってエ
ッチングして、転写用球面レンズのパターンをマイクロ
レンズ形成用樹脂層に転写して非球面の楕円レンズ６を
得た。

【００１７】転写用の球面レンズのパターン使用して、
楕円レンズを形成するためには、マイクロレンズ形成用
透明樹脂のエッチング速度が転写用球面レンズのパター
ンよりも速くエッチングすることが必要となる。

【００１８】このためには、転写用球面レンズのパター
ンに使用する樹脂、マイクロレンズ形成用樹脂のそれぞ
れを、エッチング特性によって樹脂を選択するが、同一
樹脂の組み合わせによっても適用するエッチング方法に
よってはエッチング特性が変わるので、これらを総合的
に判断して樹脂とエッチング条件を選ぶことが必要であ
る。

【００１９】エッチングをドライエッチングで行う場合
には酸素プラズマを適用することができるが、酸素プラ
ズマの生成条件を高周波出力、酸素流量、酸素圧力等を
変化させて両者の樹脂に対するエッチング速度に差が生
じる条件を調整することができる。エッチング条件は、
高周波電力３００〜６００Ｗ、酸素流量を５０〜２００
ｓｃｃｍ、圧力を４〜２０Ｐａとすることが好ましい。

【００２０】

【作用】ＣＣＤ等の固体撮像素子の基板上に塗布したマ
イクロレンズ用樹脂層上に、をパターン化した転写用樹
脂を溶融して形成した転写用球面レンズパターンをエッ
チバック法によって転写して、非球面の楕円レンズを形
成したものであり、レンズの周辺部に入射する光も確実
にＣＣＤの受光部へ集中させることが可能となる。

【００２１】

【実施例】以下に本発明の実施例を示し、さらに詳細に
説明する。 実施例１ ５インチのシリコン基板に面付けされた受光部、転送
部、その周辺回路を有するインタライン型ＣＣＤ（開口
率２０％）上にアクリル系感光性樹脂としてＦＶＲ（富
士薬品工業（株）製）を５μｍの膜厚で塗布し、オーブ
ン中でプリベークした。次に所望のパターンを介して紫
外線露光した後、現像してボンディングパッドやスクラ
イブライン上のアクリル樹脂を除いた。さらに１５０℃
のクリーンオーブン中で３０分間ポストベークしてレン
ズと受光部の距離を保つための下引き層を形成した。

【００２２】下引き層の上にはマイクロレンズ形成用樹
脂として、ポリスチレン系感光性樹脂ＴＰＳ（東ソー株
式会社製）を３．５μｍの厚さで塗布し、１２０℃のク
リーンオーブンに入れプリベークした。次に所望のパタ
ーンを介して紫外線露光した後、現像してボンディング
パッドやスクライブライン上の樹脂を除いた。さらに１
５０℃のクリーンオーブン中で３０分ポストベークし
た。

【００２３】さらに、マイクロレンズ形成用樹脂層上に
ノボラック系感光性樹脂としてＡＺ１３５０（シプレイ
社製）を２．６μｍの厚さで塗布し、９０℃のクリーン
オーブンにてプリベークした。次にＣＣＤの受光部に対
応する部分のノボラック系感光性樹脂だけが残る様なパ
ターンを用いて紫外線露光した後、現像して受光部のみ
にノボラック系感光性樹脂パターンを形成した。その
後、１２０℃のクリーンオーブン内で熱溶融させた後に
固化させ、転写用球面レンズパターンを形成した。

【００２４】ついで、酸素プラズマ法によってエッチン
グしたが、エッチング装置には平行平板電極に５００Ｗ
の高周波電力を供給し、酸素流量１００ｓｃｃｍ、圧力
２０Ｐａの条件でエッチングした。以上の操作により、
ＣＣＤの受光部１つ１つに楕円レンズを形成することが
できた。この方法で作成した楕円レンズの偏平率の値は
１．３３となり、同一の樹脂を使用した球面レンズでは
４０％であった開口率を５０％にまで引き上げる事がで
きた。

【００２５】実施例２ 下引き層の形成までは実施例１と同様にして、下引き層
上にノボラック系感光性樹脂よりもエッチング速度が速
いアクリル系感光性樹脂ＦＶＲ（富士薬品工業（株）
製）を３．５μｍの厚さで塗布し、１２０℃のクリーン
オーブンに入れプリベークした。次に所望のパターンを
介して紫外線露光した後、現像してボンディングパッド
やスクライブライン上の樹脂を除いた。さらに１５０℃
のクリーンオーブン中で３０分ポストベークしてマイク
ロレンズ形成用樹脂層を形成した。さらに、その上にノ
ボラック系感光性樹脂であるＡＺ−１３５０（シプレイ
社社製）を２．６μｍの厚さで塗布し、９０℃のクリー
ンオーブンにてプリベークした。次にＣＣＤの受光部に
対応する部分のノボラック系感光性樹脂だけが残る様な
パターンを用いて紫外線露光した後、で現像して受光部
のみにノボラック系感光性樹脂パターンを形成し、１２
０℃のクリーンオーブン内で熱溶融させた後に固化し、
転写パターン用球面レンズを得た。

【００２６】転写パターン用球面レンズを形成したＣＣ
Ｄを酸素プラズマ法によってドライエッチングした。ド
ライエッチングは５００Ｗの高周波電力を平行平板電極
に供給し、酸素供給量１００ｓｃｃｍ、圧力２０Ｐａに
おいて酸素プラズマを発生させて処理を行い、各ＣＣＤ
の受光部１つ１つに楕円レンズを作る事ができた。この
方法で作成した楕円レンズの偏平率の値は１．３３とな
り、球面レンズでは４０％であった開口率を５０％にま
で引き上げる事が出来た。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば透明なマイクロレンズ形
成用樹脂層上に形成した転写用のマイクロレンズのパタ
ーンをエッチング法によって転写してマイクロレンズ形
成用樹脂層にマイクロレンズと形成する際に、転写用の
マイクロレンズパターンとマイクロレンズ形成用樹脂の
エッチング速度の差によって得られるマイクロレンズを
楕円体の一部としたもので、レンズの中央部の光とレン
ズの端部の光を同時にＣＣＤの受光部に集光できるた
め、見かけ上の開口率が断面が円の一部であるレンズよ
りも向上することになり、取り出される信号強度の増加
が図れる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマイクロレンズを製造する１実施例を
示す図である。

【図２】本発明の楕円レンズを形成した場合の光の進路
を説明する図である。

【図３】球面レンズを形成した場合の光の進路を説明す
る図である。

【図４】ＣＣＤ基板上に形成されたマイクロレンズの概
略図を示したものである。

【符号の説明】

１…インタライン型ＣＣＤ、２…下引き層、３…マイク
ロレンズ用透明樹脂層、４…ノボラック系感光性樹脂パ
ターン、５…転写用球面レンズ、６…楕円レンズ、２１
…ＣＣＤ基板、２２…受光部、２３…楕円レンズ、２４
…入射光、２５…下引き層、３１…ＣＣＤ基板、３２…
受光部、３３…球面レンズ、３４…入射光、４１…ＣＣ
Ｄ基板、４２…受光部、４３…遮光部、４４…カラーフ
ィルター、４５…透明樹脂層、４６…マイクロレンズ、
４７…配線部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｖ Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｄ (56)参考文献 特開 昭60−53073（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−14611（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/26 - 6/34 G02B 6/42

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体撮像素子基板上に合成樹脂からなる
   マイクロレンズを形成する方法において、マイクロレン
   ズ形成用樹脂層上に熱溶融によって転写用マイクロレン
   ズパターンを形成し、エッチングによって転写用マイク
   ロレンズパターンを転写する際に、マイクロレンズ形成
   用樹脂層のエッチング速度を転写用マイクロレンズパタ
   ーンのエッチング速度よりも大きくし、転写されて得ら
   れるレンズを楕円の一部にほぼ合致する形状とすること
   を特徴とするマイクロレンズの製造方法。