JP4544466B2 - Cmp停止層を使用する基板上へのマイクロレンズの形成方法 - Google Patents

Cmp停止層を使用する基板上へのマイクロレンズの形成方法 Download PDF

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Description

本発明は基板上へのマイクロレンズ構成の形成方法に関する。
イメージセンサの解像度を向上させると、ピクセルサイズを減少させる必要がある。ピクセルサイズを減少させると、各ピクセルの光活性領域が減少し、各ピクセルにより検出される光量が低減させられる。
本発明は、以下の手段を提供する。
(項目1)
マイクロレンズ構成の形成方法であって、
a)表面を有する基板の該表面上に光素子を提供することと、
b)該基板の表面の上に重ねて透明な材料を堆積することと、
c)該透明な材料の上に重ねてCMP停止層を堆積することと、
d)該CMP停止層の上に重ねてレンズ形成材料を堆積することと、
e)該レンズ形成材料の上に重ねてフォトレジスト層を堆積しパターニングすることによって、該透明な材料を露出させる開口を形成することと、
f)該開口に第1の異方性腐食剤を入れ、露出された該レンズ形成材料をエッチングすることによって、半径を有する最初のレンズ形状を形成することと、
g)該フォトレジスト層を除去することと、
h)該レンズ形状の半径を増大させるために、第2の異方性腐食剤に該レンズ形成材料を晒すことと、
i)該CMP停止層を介して該下にある透明な材料に該レンズ形状を転送することと、
j)該透明な材料の上に重ねてレンズ材料を堆積し、それにより、該レンズ材料によって該レンズ形状が少なくとも部分的に充填されることと
を含包する、マイクロレンズ構成の形成方法。
(項目2)
上記透明な材料が二酸化シリコンまたはガラスである、項目1に記載の方法。
(項目3)
上記CMP停止層が金属である、項目1に記載の方法。
(項目4)
上記金属がIrまたはPtである、項目3に記載のマイクロレンズ構成の形成方法。
(項目5)
上記CMP停止層が難溶性の金属である、項目1に記載の方法。
(項目6)
上記難溶性の金属がTi,TiN,Ni,PdまたはTaである、項目5に記載の方法。
(項目7)
上記CPM停止層が誘電性材料である、項目1に記載の方法。
(項目8)
上記誘電性材料が窒化シリコン、酸化アルミニウム、または窒化アルミニウムである、項目7に記載の方法。
(項目9)
上記レンズ形成材料がポリシリコン、アモルファスシリコン、二酸化シリコンまたはポリイミドである、項目1に記載のマイクロレンズ構成の形成方法。
(項目10)
上記レンズ材料の屈折率が上記透明な材料よりも高い、項目1に記載の方法。
(項目11)
上記レンズ材料がHfO、TiO,ZrO,またはZnOを含む、項目10に記載の方法。
(項目12)
上記レンズ材料を堆積した後、上記レンズ材料を平坦化することをさらに包含する、項目1に記載の方法
(項目13)
上記レンズ材料を平坦化することが化学機械的研磨(CMP)プロセスを包含する、項目12に記載の方法。
(項目14)
上記レンズ材料を平坦化した後、上記レンズ材料の上に重ねてAR被覆を形成することをさらに包含する、項目12に記載の方法。
(項目15)
上記AR被覆として単一のAR被覆層を形成することをさらに包含する、項目14に記載の方法。
(項目16)
上記単一のAR被覆層の材料が二酸化シリコンまたはガラスである、項目15に記載の方法。
(項目17)
CCDアレイ上へのマイクロレンズアレイの形成方法であって、
a)該CCDアレイを有する基板を提供することと、
b)該CCDアレイの上に重ねて二酸化シリコンまたはガラスを含む透明な層を堆積することと、
c)該透明な材料の上に重ねてCMP停止層を堆積することと、
d)該CMP停止層の上に重ねてレンズ形成材料を堆積することと、
e)該レンズ形成材料の上に重ねてフォトレジスト層を堆積してパターンニングすることによって、該透明な材料を露出する開口を形成することと、
f)該開口に腐食剤を入れ、露出された該レンズ形成材料をエッチングして、第1の異方性エッチングプロセスを実行することによって、半径を有する最初のレンズ形状を形成することと、
g)該フォトレジスト層を除去することと、
h)該レンズ形状の半径を増大させるために、第2の異方性エッチングプロセスに該レンズ形成材料を晒すことと、
i)該透明な材料の上に重ねてHfO,TiO,ZrO,またはZnOを含むレンズ材料を堆積し、それにより、該レンズ形状を少なくとも部分的に充填する該レンズ材料によってレンズを形成することと、
j)該CMP停止層においてCMPストッピングを使用して該レンズ材料を平坦化することと、
k)該レンズ材料の上に重ねてAR被覆を形成することと
を包含する、方法。
(摘要)
マイクロレンズアレイを使用するCCDアレイ構成と共にマイクロレンズ構成を形成する方法。この方法の一実施形態は、表面を有する基板の該表面上に光素子を提供することと、基板の表面の上に重ねて透明な材料を堆積することと、透明な材料の上に重ねてCMP停止層を堆積することと、CMP停止層の上に重ねてレンズ形成層を堆積することと、レンズ形成層を露出する開口を形成するために、レンズ形成層の上に重ねてフォトレジストを堆積しパターニングすることと、開口に第1の異方性腐食剤を入れ、露出された形成材料をエッチングすることによって、半径を有する最初のレンズ形状を形成することと、フォトレジスト層を除去することと、レンズ形状の半径を増加させるために、第2の異方性腐食剤にレンズ形成層を晒すことと、異方性エッチングを使用して、CMP停止層を介してレンズ形状を透明な材料に転写することと、透明な材料の上に重ねてレンズ材料を堆積し、それにより、レンズ材料によって該レンズ形状が少なくとも部分的に充填されることとを含む。CMPを使用してレンズ材料を平坦化し、CMP停止層で停止する。
マイクロレンズを形成して、動作中の光検出装置の各ピクセルに入射する光を増大させる方法を提供する。マイクロレンズが正しく製造されて形状と位置が適切である場合には、マイクロレンズは、レンズに入射する光を光検出器のピクセルに向ける。マイクロレンズ領域が、ピクセル領域よりも大きい場合には、各々の個々のピクセル外部の領域に入射する光を集光して、光検出器のピクセルに光を向けることができる。光検出器のピクセルに入射する光量を増大させると、それに伴ってピクセルで生成された電気信号も増加する。
図1は、本発明の方法の一実施形態により形成されたマイクロレンズ構成の一実施形態を示す図である。基板10は、その上に形成された少なくとも1つの光素子12を備えている。光素子12は光検出素子、例えば、CCDカメラピクセル、光センサ、または発光素子であってもよい。透明な層14が基板10の上に重ねて堆積されている。また、マイクロレンズ20が、光素子12の上に形成されている。図1に示すように、マイクロレンズ20の上の平らな面は、CMP停止層16の上部に対応している。マイクロレンズ20の上に重ねて反射防止層22が形成されている。マイクロレンズ20は、光素子12の方向を向いた凸面を有するほぼ平凸形のレンズである。透明な層14の厚さは、所望のレンズ曲率と焦点長に基づいて部分的に決定される。凸面の代わりに平らな面に最初に光が入射している間、公知の収差が増大するが、このことは、本発明においてそれ程重要ではなく、明瞭に結像させようとするというよりは、各光素子12に入射する光量の増加に関する。
本発明の方法の一実施形態において、マイクロレンズ20は、光素子12の上に重ねて形成され、レンズを形成してそれらを基板に転写する必要性をなくす。従って、基板上に形成された所望の光素子12を有する基板が用意される。図2は、光を検出するピクセル12を有する基板10を示す。ピクセルの上に重ねて透明な層14が堆積されている。CMP停止層16が、透明な層14の上に重ねて堆積されており、その後レンズ形成層18が堆積される。「レンズ形成材料」や「レンズ形成層」という用語は、レンズ形状の基本的形状、例えば、レンズ形状の窪みを形成する異方性エッチングプロセスに適した材料層を意味する。
図3は、レンズ形成層18の上に重ねて堆積されたフォトレジスト層24を示す。図3に示すように、開口26がフォトレジストにパターン形成されている。開口26は腐食剤を入れるのに使用するが、腐食剤を入れることができれば、出来るだけ小さく形成すべきである。
次に、開口26から腐食剤を入れ、レンズ形成層18を異方性ウェットエッチングすることで、異方性ウェットエッチングを実行する。開口26が十分に小さい場合、腐食剤の点放射源のように動作せず、レンズ形成層18に一般的に半球形状のエッチングパターンを生成する。レンズ形成層18は、透明である必要はないので、例えば、ポリシリコン、二酸化シリコン、またはポリイミド等の様々なエッチング可能材料を使用してもよい。当業者が理解しているように、レンズ形成層を異方性エッチングする適切な腐食剤を使用する必要がある。例えば、レンズ形成層18が二酸化シリコンである場合には、緩衝HFを腐食剤として使用してもよい、一方、レンズ形成層18がアモルファスシリコンまたはポリシコンである場合には、硝酸とフッ化水素酸の混合物を使用してもよい。図4に示すように、このエッチングステップにより最初のレンズ形状28が生成される。フォトレジスト24の剥離を防ぐために、エッチング時間を制限する必要があり得る。
いったんレンズ形状28が形成されると、フォトレジスト層が除去されて、図5に示すように、最初のレンズ形状28を露出状態にしておく。
第1の異方性ウェットエッチングに使用したのと同じ腐食剤をおそらく使用する第2の異方性ウェットエッチングにより、図6に示すように、最初のレンズ形状の半径を増大させて最終のレンズ曲率を生成する。レンズ形成層18の全体的な厚さも、第2の異方性ウェットエッチングプロセス時に低減されるため、レンズ形成層18の元の厚さは、第2の異方性ウェットエッチングによる低減を考慮に入れるのに充分な程の厚さでなければならない。レンズ形状32に隣接する曲率半径の増加に伴い、それらのレンズ形状が重なる可能性がある。出来るだけ多くの光を所望に集光する一方で、レンズアレイの密度を増大させるため、これは望ましくない効果とは言えない。その間に空間がないレンズアレイにより全表面が覆われる場合、レンズアレイの表面に入射する全ての光は、最終的な装置の光素子12の下部のアレイ上に結像するのが望ましい。
レンズ形状32の形成後、異方性エッチング、例えば、図7に示すように、ドライエッチングプロセスを使用しCMP停止層を16介して透明な層14にレンズ形状が転写される。転写時にレンズ形状が壊れる可能性があるが、光素子12で光を集光するのに適していなければならない。この転写プロセスにより、光素子12に接近させてレンズ形状を移動させることができる。レンズ形状32の底部と光素子12の間の最終的な距離は、最終的なレンズの焦点長により部分的に決定される。透明な層14が二酸化シリコンである場合、フッ素ベースの異方性腐食剤、例えば、アルゴンを有するC等のフッ化炭素を使用し得る。CとFの比を変更して、エッチングプロフィールを変化させることができる。レンズ形成材料18、CMP停止層16、および透明な材料14に選択された材料に応じて、当業者は様々な異方性エッチングプロセスに精通している。例えば、Cl/BClエッチングを使用してもよい。一部の実施形態においては、腐食剤の混合物を使用して、異なる材料によりエッチング速度を制御できる。別の実施形態において、エッチングの化学的性質に関する特別な考慮を必要とすることなく、イオンミリング加工プロセスを使用して異方性エッチングを行ってもよい。
図8に示すように、いったんレンズ形状32が形成され、透明な層14に転写されると、レンズ材料40が堆積されてレンズ形状32を充填する。スパッタリングプロセス、CVDプロセス、スピンオンプロセス、またはその他の適切なプロセスによりレンズ材料を堆積できる。
レンズ材料が堆積された後に、平坦化プロセスが実行される。本発明の方法の一実施形態において、CMPプロセスを使用してレンズ材料40を平坦化する。図9に示すように、CMP停止層16に到達するまで、CMPプロセスが連続して実行される。CMP停止層16は、レンズ形成材料18やレンズ材料40よりも低速の研磨速度で研磨される材料を含む。CMP停止層は、IrやPt等の金属、Ti,TiN,Ni,Pd,Ta,またはその他の適切な耐熱性金属等の耐熱性金属から構成し得る。ある実施形態において、窒化シリコン、酸化アルミニウム、または窒化アルミニム等の絶縁材料も使用できる。一部の利用可能なCMP停止層16は、レンズ形成材料18としても使用できるが、通常、同じ実施形態では使用できない。CMP停止層16を使用することにより、最終的なマイクロレンズ20と光素子12の距離に対するレンズの厚さのかなりの部分の制御が可能になる。一部の実施形態において、集光を改良するのに充分なレンズが残っている限り、平坦化量は重要な問題ではない。一部の実施形態において、CMP停止層16に金属を使用した場合、CMP停止層は、漂遊光を低減させるレンズ間の光も遮断することができる。
図1について説明する。平坦化後、AR層22を適用して最終的な構成を生成する。光素子12を形成し支持する何らかの適切な材料から基板を構成し得る。例えば、ある実施形態において、基板10は、シリコン基板、SOI基板、水晶基板、またはガラス基板である。
本発明のマイクロレンズ構成の一実施形態において、光素子12上に光を集光させることが望ましく、透明な層14の屈折率は、マイクロレンズ20よりも小さい。例えば、透明な層14の屈折率が約1.5である場合には、マイクロレンズ20の屈折率は約2に等しいか、それよりも大きくなければならない。透明な層14が二酸化シリコンまたはガラスである場合には、マイクロレンズ20は、HfO,TiO,ZrO,ZnO、または屈折率が約2に等しいか、それ以上のその他の材料から構成される。
単一のAR材料層22を備える本発明のマイクロレンズ構成の一実施形態において、屈折率が空気とレンズ材料の間の材料から好適にAR層を構成できる。例えば、屈折率が約2のマイクロレンズ全体に二酸化シリコンを使用し得る。
第2の異方性ウェットエッチングのエッチング量並びに所望のレンズ曲率と焦点長に基づいて、透明な層14の厚さが部分的に決定される。レンズ形状の形成に最初に使用されるレンズ形成材料の厚さは、レンズ形状の最終的な曲率に適合させるのに充分な厚さでなければならないが、焦点距離を考慮に入れる必要はない。本発明のマイクロレンズ構成の一実施形態において、マイクロレンズ20の所望の焦点長は、約2μmから8μmの間である。堆積された透明な層14の厚さは、エッチングと平坦化ステップの後に、所望の焦点長距離を得るのに充分な厚さでなければならない。
光素子12の上に重ねてマイクロレンズ構成が直接形成されるので、分離層を設ける必要もなく、個別のモールドからレンズ構成を転写してそれを再配置する必要もない。
本発明の実施形態を上記で説明したが、本発明の範囲は特定の実施形態に限定されない。むしろ、請求項が本発明の範囲を限定することになる。
基板上に重ねて形成されるマイクロレンズ構成の断面図である。 基板上に重ねて形成される中間マイクロレンズ構成の断面図である。 基板上に重ねて形成される中間マイクロレンズ構成の断面図である。 基板上に重ねて形成される中間マイクロレンズ構成の断面図である。 基板上に重ねて形成される中間マイクロレンズ構成の断面図である。 基板上に重ねて形成される中間マイクロレンズ構成の断面図である。 基板上に重ねて形成されるマイクロレンズ構成の断面図である。 基板上に重ねて形成される中間マイクロレンズ構成の断面図である。 基板上に重ねて形成される中間マイクロレンズ構成の断面図である。
符号の説明
10 基板
12 光素子
14 透明な層
16 CMP停止層
18 レンズ形成層
20 マイクロレンズ
22 AR層
24 フォトレジスト
28,32 レンズ形状
40 レンズ材料

Claims (17)

  1. マイクロレンズ構成の形成方法であって、
    a)表面を有する基板の該表面上に光素子を提供することと、
    b)該基板の表面の上に重ねて透明な材料を堆積することと、
    c)該透明な材料の上に重ねてCMP停止層を堆積することと、
    d)該CMP停止層の上に重ねてレンズ形成材料を堆積することと、
    e)該レンズ形成材料の上に重ねてフォトレジスト層を堆積しパターニングすることによって、該透明な材料を露出させる開口を形成することと、
    f)該開口に第1の異方性腐食剤を入れ、露出された該レンズ形成材料をエッチングすることによって、半径を有する最初のレンズ形状を形成することと、
    g)該フォトレジスト層を除去することと、
    h)該レンズ形状の半径を増大させるために、第2の異方性腐食剤に該レンズ形成材料を晒すことと、
    i)該CMP停止層を介して該下にある透明な材料に該レンズ形状を転送することと、
    j)該透明な材料の上に重ねてレンズ材料を堆積し、それにより、該レンズ材料によって該レンズ形状が少なくとも部分的に充填されることと
    を含包する、マイクロレンズ構成の形成方法。
  2. 前記透明な材料が二酸化シリコンまたはガラスである、請求項1に記載の方法。
  3. 前記CMP停止層が金属である、請求項1に記載の方法。
  4. 前記金属がIrまたはPtである、請求項3に記載のマイクロレンズ構成の形成方法。
  5. 前記CMP停止層が難溶性の金属である、請求項1に記載の方法。
  6. 前記難溶性の金属がTi,TiN,Ni,PdまたはTaである、請求項5に記載の方法。
  7. 前記CPM停止層が誘電性材料である、請求項1に記載の方法。
  8. 前記誘電性材料が窒化シリコン、酸化アルミニウム、または窒化アルミニウムである、請求項7に記載の方法。
  9. 前記レンズ形成材料がポリシリコン、アモルファスシリコン、二酸化シリコンまたはポリイミドである、請求項1に記載のマイクロレンズ構成の形成方法。
  10. 前記レンズ材料の屈折率が前記透明な材料よりも高い、請求項1に記載の方法。
  11. 前記レンズ材料がHfO、TiO,ZrO,またはZnOを含む、請求項10に記載の方法。
  12. 前記レンズ材料を堆積した後、前記レンズ材料を平坦化することをさらに包含する、請求項1に記載の方法。
  13. 前記レンズ材料を平坦化することが化学機械的研磨(CMP)プロセスを包含する、請求項12に記載の方法。
  14. 前記レンズ材料を平坦化した後、前記レンズ材料の上に重ねてAR被覆を形成することをさらに包含する、請求項12に記載の方法
  15. 前記AR被覆として単一のAR被覆層を形成することをさらに包含する、請求項14に記載の方法。
  16. 前記単一のAR被覆層の材料が二酸化シリコンまたはガラスである、請求項15に記載の方法。
  17. CCDアレイ上へのマイクロレンズアレイの形成方法であって、
    a)該CCDアレイを有する基板を提供することと、
    b)該CCDアレイの上に重ねて二酸化シリコンまたはガラスを含む透明な層を堆積することと、
    c)該透明な材料の上に重ねてCMP停止層を堆積することと、
    d)該CMP停止層の上に重ねてレンズ形成材料を堆積することと、
    e)該レンズ形成材料の上に重ねてフォトレジスト層を堆積してパターンニングすることによって、該透明な材料を露出する開口を形成することと、
    f)該開口に腐食剤を入れ、露出された該レンズ形成材料をエッチングして、第1の異方性エッチングプロセスを実行することによって、半径を有する最初のレンズ形状を形成することと、
    g)該フォトレジスト層を除去することと、
    h)該レンズ形状の半径を増大させるために、第2の異方性エッチングプロセスに該レンズ形成材料を晒すことと、
    i)該透明な材料の上に重ねてHfO,TiO,ZrO,またはZnOを含むレンズ材料を堆積し、それにより、該レンズ形状を少なくとも部分的に充填する該レンズ材料によってレンズを形成することと、
    j)該CMP停止層においてCMPストッピングを使用して該レンズ材料を平坦化することと、
    k)該レンズ材料の上に重ねてAR被覆を形成することと
    を包含する、方法。
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