JP4570007B2 - 微小な集光レンズの形成方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、CCDやCMOSの等のイメージセンサ部上への微小レンズの形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、CCDやCMOS等のイメージセンサーにおいては、受光部の集光効率を高めるため、各受光部に微小集光レンズを形成している。
このような微小集光レンズは、従来、集光部上側に形成された樹脂部を熱フロにてレンズ状に形成していた。
この方法の1例を、図4に基づいて、以下、簡単に説明しておく。
尚、図4中、301はデバイス基板(イメージセンサ基板)、302はシリコンウエハ、303は受光部、304はカラーフィルタ、304aは平坦化層、305は平坦化層、306はレジスト層、307はフォトマスク、308は露光光、309はレジストパターン(現像後のレジスト像)、310は凸レンズ(熱フロー後のレジスト像)である。
本例は、シリコンウエハ302の一面に形成された受光部303上側に、カラーフィルタ304を配設したデバイス基板301(図4(a)に対し、その各受光部303に対応して微小集光レンズを設ける場合である。
先ず、ディバイス基板301のカラーフィルタ304を覆う平坦化層305を設け、更に平坦化層305上にレンズを形成するための感光性の樹脂であるレジスト層306を塗布する。(図4(b))
次いで、フォトマスク307をレジスト層306に近接した状態で、レジスト層306を選択露光し(図4(c))、現像処理して、各受光部303に対応する領域に受光部303を覆う略四角状のレジストパターン309を形成する。(図4(d))
この後、熱処理してレジストパターン309を熱フローさせ、各受光部303に対応した凸レンズ310を形成する。(図4(e))
この方法の場合、レジストパターン309を熱フローにより凸レンズ形状とするため、所望の焦点距離を有する集光効率の良いレンズの形成することが難しかった。
特に、受光部までの距離が長いCMOSイメージセンサにおいては、熱処理による自然フローでは、焦点距離の長い設計通りのレンズ形状を形成することができなかった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来、CCDやCMOSの等のイメージセンサ部上への微小な集光レンズの形成方法においては、熱フローによりレンズ形状を形成しており、所望の形状を得ることが難しく、集光効率にも限度があり、この対応が求められていた。
本発明は、これに対応するもので、CCDやCMOSの等のイメージセンサ部上への微小な集光レンズの形成方法において、集光効率の良い設計形状のレンズを形成することができる方法を提供しようとするものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の微小な集光レンズの形成方法は、CCDやCMOS等のイメージセンサの受光部上側への微小な集光レンズの形成方法であって、イメージセンサの受光部上側に形成された平坦化層上にレジスト膜を塗布し、フォトマスクを介して、レジスト膜を露光し、現像し、レンズ形状にパターニングするもので、前記フォトマスクは、遮光層を持たない透過型のフォトマスクで、被露光部の表面において所望の光強度分布を得るように、その各位置における透過光の位相が所定値幅単位で制御された、表面部に階段部を有する光屈折系の媒体からなる光透過部を設けたものであることを特徴とするものである。
そして、上記において、フォトマスクは、形成する集光レンズの形状にあった被露光部の表面の光強度分布のデータから、計算により求めた、このような光強度分布を得るフォトマスクの各位置の透過光の位相変化のデータに基づき、フォトマスクの各位置の厚さを、透過光の位相変化が所定値となる幅単位で、求めて近似し、これに合せた形状に加工して、表面部に階段部を有する光屈折系の媒体からなる光透過部を形成したものであることを特徴とするものである。
また、上記において、パターニング後、更に、遠紫外線を照射して、樹脂の硬化と感光性物質のブリーチングを行なうことを特徴とするものである。
尚、ここで、フォトマスクの各位置とはフォトマスクの面方向二次元的な位置であり、勿論、フォトマスクの各位置の透過光の位相変化は、フォトマスクの各位置の厚さの変化に対応するものである。
また、階段部を有するこのようなマスクの形成方法として、マスク基材を多段階エッチングする方式、あるいは、マスク基材上にデポジッション等により形成する方法が挙げられる。
【0005】
【作用】
本発明の微小な集光レンズの形成方法は、このような構成にすることにより、CCDやCMOSの等のイメージセンサ部上への微小な集光レンズの形成方法において、集光効率の良い設計形状のレンズを形成することができる方法の提供としている。
具体的には、イメージセンサの受光部上側に形成された平坦化層上にレジスト膜を塗布し、フォトマスクを介して、レジスト膜を露光し、現像し、レンズ形状にパターニングするもので、前記フォトマスクは、遮光層を持たない透過型のフォトマスクで、被露光部の表面において所望の光強度分布を得るように、その各位置における透過光の位相が所定値幅単位で制御された、表面部に階段部を有する光屈折系の媒体からなる光透過部を設けたものであることにより、これを達成している。
フォトマスクとしては、形成する集光レンズの形状にあった被露光部の表面の光強度分布のデータから、計算により求めた、このような光強度分布を得るフォトマスクの各位置の透過光の位相変化のデータに基づき、フォトマスクの各位置の厚さを、透過光の位相変化が所定値となる幅単位で、求めて近似し、これに合せた形状に加工して、表面部に階段部を有する光屈折系の媒体からなる光透過部を形成したものが、その作製面から実用レベルのものとして挙げられる。
【0006】
また、パターニング後、更に、遠紫外線を照射して、樹脂の硬化と感光性物質のブリーチングを行なうことにより、現像形成された集光レンズの透過特性を向上させることができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明の微小な集光レンズの形成方法の実施の形態例を挙げ、図に基づいて説明する。
図1は本発明の微小な集光レンズの形成方法の実施の形態の1例の工程を示した工程断面図で、図2は図1に示す実施の形態の微小な集光レンズの形成方法における作製する集光レンズの形状と対応する露光の際の光強度分布、フォトマスクの光透過部の形状の関係を示した図で、図3は光透過部(レンズ)の曲線的に連続する部分を階段状の段差部で近似する方法を説明するための図である。
尚、図2、図3は、それぞれ一断面についての図である。
図1、図2、図3中、101はデバイス基板(イメージセンサ基板)、102はシリコンウエハ、103は受光部、104はカラーフィルタ、104aは平坦化層、105は平坦化層、106はレジスト層(レジスト膜とも言う)、107はフォトマスク、107aは光透過部、107bフォトマスク基材、108は露光光、110は現像後のレジスト像、110Aはブリーチング処理後のレジスト像、111は遠紫外光、210は光透過部(レンズ)、211は曲線部、215は凹部、220は光透過部(階段状レンズ)、221は階段部、222は底部、225は凹部、230は(露光光の)波長分の厚さ部、240は光透過部(レンズ)、241は階段部、242は底部である。
【0008】
本例の微小な集光レンズの形成方法の1例を図1に基づいて説明する。
本例は、カラーフィルタ104を配設したCCDやCMOS等のイメージセンサであるデバイス基板101(図1(a))の受光部103上側への微小な集光レンズの形成方法で、受光部103上側、カラーフィルタ104上に形成された平坦化層105上にレジスト層106を塗布し、フォトマスク107を介して、レジスト層106を露光し、現像し、レンズ形状にパターニングするもので、これに使用するフォトマスク107は、遮光層を持たない透過型のフォトマスクで、被露光部の表面において所望の光強度分布を得るように、その各位置における透過光の位相が所定値幅単位で制御された、表面部に階段部を有する光屈折系の媒体からなる光透過部(図2(c)の107aに相当)を設けたものである。
本例で使用するフォトマスク107は、形成する集光レンズの形状にあった被露光部の表面の光強度分布のデータから、計算により求めた、このような光強度分布を得るフォトマスク各位置の透過光の位相変化のデータに基づき、フォトマスク各位置の厚さを、透過光の位相変化が所定値となる幅単位で、求めて近似し、これに合せた形状に加工して、表面部に階段部を有する光屈折系の媒体からなる光透過部を形成したものである。(図3(d)の240に相当)
【0009】
先ず、カラーフィルタ104を配設したCCDやCMOS等のイメージセンサであるデバイス基板101(図1(a))上にカラーフィルタ105を接着形成し、更にカラーフィルタ105を覆う平坦化層105を配設した後、レンズを形成するための加工素材で感光性の樹脂であるポジ型のレジスト層106をスピンコーティング等により所定の厚さに形成しておく。(図1(b))
次いで、先に述べたようにして、表面部に階段部を有する光屈折系の媒体からなる光透過部を形成したフォトマスク107を用い、レジスト層106を所定の露光光108で露光する。(図1(c))
次いで、現像処理を施してパターニングし、現像後のレジスト像110をレンズ形状とする。(図1(d))
パターニング後、更に、遠紫外線111を照射して、現像後のレジスト像110の樹脂の硬化と感光性物質のブリーチング処理を行なう。(図1(e))
ブリーチング処理は、現像形成された集光レンズの透過特性を向上させるためのものである。
【0010】
ここで、フォトマスク107の光透過部の形状について、図2、図3に基づいて簡単に説明しておく。
所望とする集光レンズの断面形状が図2(a)の斜線部110である場合、このような形状をポジ形のレジスト層を現像して得るには、対応する箇所のレジスト層の表面部にて、図2(b)のような光強度分布が得られることが必要である。
光強度分布は、レジストの感度や現像特性から決まる。
そして、図2(b)に示すような光強度分布を得るための、図2(c)に示す光透過部107aの形状は、図2(b)に示す光強度分布のデータから、フーリエ変換計算により求めることができる。
このような光強度分布を得るフォトマスク各位置の透過光の位相変化のデータとして求められる。
尚、図2は、注目する一断面についての対応した図であるが、光強度分布のデータ、透過光の位相変化のデータは、フォトマスク各位置に対応した二次元的なデータとなる。
また、図2(c)において、通常、光透過部107aはフォトマスク基材107bを加工して、あるいはフォトマスク基材107bに更に同質の材料を付与して形成される。
【0011】
このようにフーリエ変換計算により求められた形状の光透過部(レンズ)が図3(a)の凹部215を有する光透過部210である場合、例えば、図3(b)に示すような階段部221を有する光透過部220で、これを、近似することができる。
各階段部の厚さ方向の最小幅は、透過光の位相変化が所定値となる幅である。
即ち、図3(b)に示すような階段部221は、計算により求めた、所望の光強度分布を得るフォトマスク各位置の透過光の位相変化のデータに基づき、フォトマスク各位置の厚さを、透過光の位相変化が所定値となる幅単位で、求めて近似し、これに合せた形状に加工して形成できる。
尚、本例のような集光レンズを形成する場合、通常、階段部は同心状となる。
また、図3(b)中、フォトマスクのP0点における厚さはTpで、Doが階段部の厚さ方向の最小幅である。
また、B0は、図3(a)の曲線部211に相当するものである。
【0012】
図3(b)の底部222を基準として、凹部225形成側の厚さが透過光の位相変化に寄与するため、図3(c)に示す、露光光の位相2π変化分の厚さ部230(斜線部)は、無くても位相的には同じで、露光光の波長分の厚さ部230に相当する厚みを取り除いた状態の図3(d)に示す光透過部240は、図3(b)、図3(c)に示す光透過部220と等価と言える。
結局、図3(d)に示す光透過部240は、図3(b)に示すような階段部221を有する光透過部220と等価で、図3(a)の凹部215を有する光透過部210を近似したものである。
尚、底部242を入れN段の階段部241を備えた光透過部240を形成するには、露光光の波長をλ、光透過部の屈折率をnとし、階段部をN段とした場合、厚さ方向の階段部の最小幅は[(N−1)/N][λ/(n−1)]とする。
【0013】
ところで、図3(a)に示す形状の光透過部210はその作製が困難で、通常、図3(d)に示す階段数の少ない光透過部240がその加工性の面から用いられる。
加工は、多段階のフォトエッチング法、あるいはデポジッション等による選択的形成にて行なう。
多段階のフォトエッチング法の場合は、フォトマスク基材を加工し、デポジッッション等による選択的形成の場合は、基材と同材料を堆積して形成する。
例えば、多段階のフォトエッチング法の場合、レジストの塗布、描画露光、現像の各処理を行なう製版処理と、製版処理後のレジストの開口領域の加工用素材(フォトマスク基材)をドライエッチング加工する一連の処理からなるドライエッチング加工工程を、複数回段階的に繰り返し、光屈折系の媒体からなる板状の加工用素材(の表面に階段状の階段部を形成して作製する。
尚、各段階のフォトエッチング工程においては、必要に応じ、加工用素材の一面にクロム系等の遮光膜等を形成する。
そして、遮光膜等をエッチング加工し、更に遮光膜の開口から露出した加工用素材をエッチングする際の耐エッチングマスク等に利用する。
これらの場合、加工用素材の加工後は、遮光膜等を除去しておく。
加工用素材110としては、石英ガラス基板(合成石英基板も含む)が、通常用いられるがこれに限定はされない。
【0014】
【発明の効果】
本発明は、上記のように、CCDやCMOSの等のイメージセンサ部上への微小な集光レンズの形成方法において、集光効率の良い設計形状のレンズを形成することができる方法の提供を可能とした。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の微小な集光レンズの形成方法の実施の形態の1例の工程を示した工程断面図である。
【図2】図1に示す実施の形態の微小な集光レンズの形成方法における作製する集光レンズの形状と対応する露光の際の光強度分布、フォトマスクの光透過部の形状の関係を示した図である。
【図3】光透過部(レンズ)の曲線的に連続する部分を階段状の段差部で近似する方法を説明するための図である。
【図4】従来の微小な集光レンズの形成方法の工程を示した工程断面図である。
【符号の説明】
101 デバイス基板(イメージセンサ基板)
102 シリコンウエハ
103 受光部
104 カラーフィルタ
104a 平坦化層
105 平坦化層
106 レジスト層(レジスト膜とも言う)
107 フォトマスク
107a 光透過部
107b フォトマスク基材
108 露光光
110 現像後のレジスト像
110A ブリーチング処理後のレジスト像
111 遠紫外光
210 光透過部(レンズ)
211 曲線部
215 凹部
220 光透過部(階段状レンズ)
221 階段部
222 底部
225 凹部
230 (露光光の)波長分の厚さ部
240 光透過部(レンズ)
241 階段部
242 底部
Claims (3)
- CCDやCMOS等のイメージセンサの受光部上側への微小な集光レンズの形成方法であって、イメージセンサの受光部上側に形成された平坦化層上にレジスト膜を塗布し、フォトマスクを介して、レジスト膜を露光し、現像し、レンズ形状にパターニングするもので、前記フォトマスクは、遮光層を持たない透過型のフォトマスクで、被露光部の表面において所望の光強度分布を得るように、その各位置における透過光の位相が所定値幅単位で制御された、表面部に階段部を有する光屈折系の媒体からなる光透過部を設けたものであることを特徴とする微小な集光レンズの形成方法。
- 請求項1において、フォトマスクは、形成する集光レンズの形状にあった被露光部の表面の光強度分布のデータから、計算により求めた、このような光強度分布を得るフォトマスクの各位置の透過光の位相変化のデータに基づき、フォトマスクの各位置の厚さを、透過光の位相変化が所定値となる幅単位で、求めて近似し、これに合せた形状に加工して、表面部に階段部を有する光屈折系の媒体からなる光透過部を形成したものであることを特徴とする微小な集光レンズの形成方法。
- 請求項1ないし2において、パターニング後、更に、遠紫外線を照射して、樹脂の硬化と感光性物質のブリーチングを行なうことを特徴とする微小な集光レンズの形成方法。
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