JP4439326B2 - Method for forming microlens, solid-state imaging device including microlens, and liquid crystal display device - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロレンズの形成方およびこのマイクロレンズを備えた固体撮像素子及び液晶表示装置に関する。 The present invention relates to a method of forming a microlens, and a solid-state imaging device and a liquid crystal display device including the microlens.
固体撮像素子、液晶表示装置に使用されるマイクロレンズは、感光性フォトレジストをマイクロレンズ材料として用い、これを基体上に平板状にして所望の線幅の矩形にフォトリソ加工した後、この矩形パターンを熱リフローによって所定の曲率半径を有するレンズ形状に加工するものが知られている。(特許文献1) The microlens used in the solid-state imaging device and the liquid crystal display device uses a photosensitive photoresist as a microlens material, which is formed into a flat plate shape on a substrate and is photolithography processed into a rectangle with a desired line width, and then the rectangular pattern Is processed into a lens shape having a predetermined radius of curvature by thermal reflow. (Patent Document 1)
図3は特許文献1に開示されている構成を示し、1は半導体基板、2は光電変換領域、3は光電変換領域2で発生した電荷を転送する転送電極、4は電荷転送部、5は層間絶縁膜、6は遮光膜、7は光電変換領域2と転送電極3との段差を一定値以下に抑えるために光学的に透過率の高い樹脂などで形成された透明平坦化膜、9は入射光を光電変換領域2に効率よく集光するためのマイクロレンズを示す。
近年の画素の微細化に伴い光電変換領域2の面積は縮小を続けている。より小さい光電変換領域に対しても十分な集光を得るためには、マイクロレンズ9の高屈折率化が必要不可欠である。また、マイクロレンズ9の高屈折率化にはマイクロレンズ材料に金属酸化物を添加することが有効である。
With the recent miniaturization of pixels, the area of the
従来のマイクロレンズ9の加工は、フェノールボラック系やポリスチレン系のポジ型感光性樹脂にマスクを介して、矩形にパターニングし、これを熱リフローによってレンズ形状に加工していた。この場合、例えば酸化チタンのような金属酸化物を含有するリフロー性の弱い高屈折率レジスト材料では、熱による十分な溶融が行われずに所望の曲率半径を有するレンズ形状を得ることができなかった。
In the conventional processing of the
このようにマイクロレンズが所望の曲率半径を有するレンズ形状にならない場合、固体撮像素子に入射された光は光電変換領域2に十分に集光されずに感度が劣化するという問題点があった。
Thus, when the microlens does not have a lens shape having a desired radius of curvature, there is a problem that the light incident on the solid-state imaging device is not sufficiently condensed on the
本発明は、マイクロレンズの高屈折率化を目的とした金属酸化物含有のマイクロレンズ材料に対しても所望の曲率半径を有するレンズ形状をつくり、微細な画素に対して高い集光率が得られ高感度な固体撮像素子を提供することを目的とする。 The present invention creates a lens shape having a desired radius of curvature even for a metal oxide-containing microlens material for the purpose of increasing the refractive index of the microlens, thereby obtaining a high light condensing rate for a fine pixel. It is an object to provide a highly sensitive solid-state imaging device.
本発明のマイクロレンズの形成方法は、基体上に平板状にマイクロレンズ材料層を形成する工程と、前記平板状に形成されたマイクロレンズ材料層をデフォーカスで露光する工程と、現像してパターニングを行う工程とからなることを特徴とする。
また本発明のマイクロレンズの形成方法は、前記パターニング工程の後、さらにリフローする工程を備えることを特徴とする。さらに本発明のマイクロレンズの形成方法は、前記マイクロレンズ材料層が高屈折率レンズ材であることを特徴とする。特に前記高屈折率レンズ材が金属酸化物を含むことを特徴とする。金属酸化物としては酸化チタンが好ましい。
そして本発明のマイクロレンズの形成方法は、前記基体が固体撮像素子であることを特徴とする。また本発明のマイクロレンズの形成方法は、前記基体が液晶表示装置であることを特徴とする。
The microlens formation method of the present invention includes a step of forming a microlens material layer in a flat plate shape on a substrate, a step of exposing the microlens material layer formed in a flat plate shape by defocus, and developing and patterning Characterized by comprising the steps of:
The microlens forming method of the present invention is characterized by further comprising a reflow step after the patterning step. Furthermore, the microlens formation method of the present invention is characterized in that the microlens material layer is a high refractive index lens material. In particular, the high refractive index lens material includes a metal oxide. Titanium oxide is preferable as the metal oxide.
The microlens forming method of the present invention is characterized in that the substrate is a solid-state imaging device. The microlens forming method of the present invention is characterized in that the substrate is a liquid crystal display device.
また本発明の固体撮像素子は、上記の方法で形成されたマイクロレンズを、半導体基板に形成された光電変換領域に焦点を結ぶように備えたことを特徴とする。また本発明の液晶表示装置は、上記の方法で形成されたマイクロレンズを、画素領域に焦点を結ぶように備えたことを特徴とする。 The solid-state imaging device of the present invention is characterized in that the microlens formed by the above method is provided so as to focus on the photoelectric conversion region formed on the semiconductor substrate. The liquid crystal display device of the present invention is characterized in that the microlens formed by the above method is provided so as to focus on the pixel region.
本発明におけるマイクロレンズは、基体上に平板状にマイクロレンズ材料層を形成し、これをデフォーカスで露光し、現像してパターニングを行うので、熱可塑性が比較的悪く高屈折率レンズ材を所望の曲率半径を有するマイクロレンズ状に形成することができ、高い集光率を得ることができる。また必要に応じてリフローすることによりレンズ形状を整形することができる。或いは、マイクロレンズ材料層をデフォーカスで露光する工程と、現像する工程と、リフローする工程とを具備するので、マイクロレンズの曲率半径を、デフォーカスによるマイクロレンズの曲率形成と、熱リフローによる溶融性による曲率形成を合わせて、所望の曲率半径を得ることができる。
また本発明の固体撮像素子は、半導体基板に形成された光電変換領域に焦点を結ぶように高屈折率レンズ材よりなるマイクロレンズを配置したので、より微細な光電変換領域の固体撮像素子であっても高い集光率が得られ、高出力が得られる。液晶表示装置は絵素領域に集光することができ、効率が高くなり、輝度を大きくすることができる。
In the microlens according to the present invention, a microlens material layer is formed in a flat plate shape on a substrate, and this is exposed with defocus, developed, and patterned. Can be formed in the shape of a microlens having a radius of curvature of 2 mm, and a high light collection rate can be obtained. Moreover, the lens shape can be shaped by reflowing as necessary. Alternatively, it includes a step of exposing the microlens material layer by defocusing, a step of developing, and a step of reflowing. The desired curvature radius can be obtained by combining the curvature formation by the sex.
In addition, the solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device with a finer photoelectric conversion region because the microlens made of a high refractive index lens material is disposed so as to focus on the photoelectric conversion region formed on the semiconductor substrate. Even in such a case, a high light collection rate can be obtained, and a high output can be obtained. The liquid crystal display device can focus light on the picture element region, increase efficiency, and increase luminance.
本発明においてレンズ材料は、従来公知の材料も使用できるが、本発明は熱による十分な溶融が行ないにくい高屈折率レジスト材料に適用した場合に有効である。例えば酸化チタンのような金属酸化物を含有するリフロー性の弱い、ポリイミド系などのポリマーを主成分とする、ポジ型レジスト層を使用することができる。また本発明の場合に、露光時の焦点位置をずらすように設定して露光することにより、光の強度分布は中心部が強く、周辺部が弱くなり、円形あるいは楕円形に形成され、また断面が所望の曲率を有するマイクロレンズに形成される In the present invention, a conventionally known material can be used as the lens material, but the present invention is effective when applied to a high refractive index resist material which is not easily melted by heat. For example, it is possible to use a positive resist layer mainly composed of a polyimide-based polymer having a weak reflow property and containing a metal oxide such as titanium oxide. In the case of the present invention, the exposure is performed by shifting the focal position at the time of exposure, so that the light intensity distribution is strong in the central part and weak in the peripheral part, and is formed in a circular or elliptical shape. Is formed into a microlens having a desired curvature
以下、本発明のマクロレンズは固体撮像素子、液晶表示装置に適用できるが、ここでは特にCCDを例にとり、マイクロレンズの構成を詳細に説明する。図1は本発明のマイクロレンズをCCDに形成した場合の断面図、第2図はCCDの上にマイクロレンズを形成する製造工程図である。図1、2はマイクロレンズ及びCCDが2個と半分だけが示されているが、実際には縦横に多数配列され、アレイ状になっている。図1、2において、1は半導体基板、2は光電変換領域、3は光電変換領域2で発生した電荷を転送する転送電極、4は電荷転送部で、光電変換領域2と転送電極3により形成される電荷転送部4とは半導体基板1上に交互に形成されている。5は層間絶縁膜、6は遮光膜、7は光電変換領域2と転送電荷部3との段差を一定値以下に抑えるために光学的に透過率の高い樹脂などで形成された透明平坦化膜で、使用できる材料としては、例えば、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、アルキッド樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂等の透明高分子樹脂やBPSG(Boron Phosphide Silicate Glass)、PSG(Phosphide Silicate Glass)、SiN(Silicon Nitride)等の無機化合物を挙げることができる。
Hereinafter, the macro lens of the present invention can be applied to a solid-state imaging device and a liquid crystal display device. Here, the configuration of the micro lens will be described in detail by taking a CCD as an example. FIG. 1 is a sectional view when the microlens of the present invention is formed on a CCD, and FIG. 2 is a manufacturing process diagram for forming the microlens on the CCD. 1 and 2 show only two and a half of the microlenses and the CCD, but in reality, a large number of microlenses and CCDs are arrayed vertically and horizontally. 1 and 2, 1 is a semiconductor substrate, 2 is a photoelectric conversion region, 3 is a transfer electrode for transferring charges generated in the
次に、図1および図2を用いて、固体撮像素子の上にマイクロレンズを形成する製造工程を説明する。まず、従来技術と同様に、半導体基板1の表面に光電変換領域2、電荷転送部4を形成し、半導体基板1上部に転送電極3、層間絶縁膜5、遮光膜6および透明平坦化層7を形成する。
Next, a manufacturing process for forming a microlens on a solid-state imaging device will be described with reference to FIGS. First, as in the prior art, the
次に、透明平坦化膜層7上に、例えば酸化チタンのような金属酸化物を含有し、紫外線などの照射によるブリーチングで可視光波長領域の光吸収を抑えることのできる感光剤を用い、且つ、熱可塑性を有するポリイミド系などのポリマーを主成分とする、ポジ型レジスト層8をスピンコートなどにより形成する(図2(a))。ポジ型レジスト層8としては、酸化チタン以外、金属酸化物以外、ポリイミド系以外に屈折率を大きくすることができるものを使用することができる。また硬化剤などマイクロレンズを形成するために必要なものを含有していても良い。 Next, a photosensitive agent that contains a metal oxide such as titanium oxide on the transparent planarizing film layer 7 and can suppress light absorption in the visible light wavelength region by bleaching by irradiation with ultraviolet rays or the like, Further, a positive resist layer 8 mainly composed of a polyimide-based polymer having thermoplasticity is formed by spin coating or the like (FIG. 2A). As the positive resist layer 8, other than titanium oxide, other than metal oxide, other than polyimide, a layer capable of increasing the refractive index can be used. Moreover, what is necessary in order to form microlenses, such as a hardening | curing agent, may be contained.
その後、各光電変換領域2にそれぞれマイクロレンズの焦点を結ぶようにマスク(図示しない)を用いて、フォトリソグラフィー技術により、露光・現像してポジ型レジスト層8をパターニングする。この時、露光機のオートフォーカス機能を用いて所望のフォーカスオフセット値を設定して、露光時の焦点位置をずらすように設定する。露光時の焦点位置をずらせることにより、光の強度分布がマスクの形状に一致せず、通常はマスクされているポジ型レジスト層8の個所にも光が回りこんで露光されるため、現像後のパターンはマスクの形状と同一ではなく、ポジ型レジスト層8のパターン形状の断面が矩形とならず、円形あるいは楕円形に形成され、またマスクパターンの周辺部分は弱く露光されるので、断面が所望の曲率を有するマイクロレンズに形成される(図2(b))。露光時に焦点位置をずらせる距離は、ポジ型レジスト層8の材質、厚さ、光の波長、強度、露光時間、現像液の種類、現像時間、その他により決められ、露光機のベストフォーカスからのオフセット量を、仕上がりのレンズ形状を見て最適の値に設定される。なお、レジストパターンに紫外線などの(例えば350-450nm)の光を、照射するのは、パターニングされたポジ型レジスト層8に含まれる感光剤などの脱色を行い、透過率を増強するためである。i線の外にKrF線材料を使用して露光してもよく、露光時の光の強さは300mJ/cm2程度である。
Thereafter, the positive resist layer 8 is patterned by exposure and development by a photolithography technique using a mask (not shown) so that each
次に、パターニングされたポジ型レジスト層8を加熱して熱変形させ、擬半球型のマイクロレンズ9を形成する。(図2(c))この際の加熱温度は、ポリマーの熱溶融の臨界値と熱硬化剤の架橋開始温度、マイクロレンズ9の屈折率の温度依存性などのバランスから最適化が測られるが、例えば300℃に設定される。この加熱工程は必ずしも熱変形させる必要はなく、デフォーカスによりマイクロレンズ形状が得られる場合は、レンズ形状を整形するだけでも良い。あるいは、デフォーカスによるレンズ形成と、加熱による変形を合わせてマイクロレンズの所望の曲率半径が得らるように工程ごとの形状確認をして各工程の配分を決定してもよい。最後に、マイクロレンズ9の上に、必要に応じてアクリル樹脂のような透明層10を形成する。
Next, the patterned positive resist layer 8 is heated and thermally deformed to form a pseudo
半導体基板1の表面に光電変換領域2、電荷転送部4を形成し、半導体基板1上部に転送電極3、層間絶縁膜5、遮光膜6および透明平坦化層7を形成する。この上に、酸化チタン、ブリーチング感光剤、熱硬化剤を含有するポリイミド系ポジ型レジスト層8を形成し、レンズ位置にマスクを合わせて、デフォーカスで露光する。このときの露光波長は365nmであり,300mJ/cm2の強度であった。その後加熱処理してマイクロレンズを得る。
A
1 半導体基板
2 光電変換領域
3 転送電極
4 電荷転送部
5 層間絶縁膜
6 遮光膜
7 透明平坦化膜
8 ポジ型レジスト層
9 マイクロレンズ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記平板状に形成されたマイクロレンズ材料層をデフォーカスで露光する工程と、
現像してパターニングを行う工程とからなり、
前記マイクロレンズ材料層は、金属酸化物を含有する熱可塑性を有するポリマーを主成分とするポジ型レジスト層からなることを特徴とするマイクロレンズの形成方法。 Forming a microlens material layer in a flat plate shape on a substrate;
Exposing the microlens material layer formed in the flat plate shape by defocusing;
Ri Do and a step of patterning developed to,
The method for forming a microlens, wherein the microlens material layer comprises a positive resist layer mainly composed of a thermoplastic polymer containing a metal oxide .
を備えることを特徴とする請求項1に記載のマイクロレンズの形成方法。 The method of forming a microlens according to claim 1, further comprising a step of reflowing after the patterning step.
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