JP5239417B2 - Microlens array manufacturing method, density distribution mask and design method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、撮像デバイスに利用されるマイクロレンズアレイの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a microlens array used in an imaging device.
ビデオカメラ、ディジタルカメラ、携帯電話に用いられる撮像デバイスは高画素化が求められている。画素が微細となると、画素を構成するＣＣＤ、ＣＭＯＳ等からなる受光素子も微細となる。微細な受光素子への集光効率を高めるため、広くマイクロレンズが利用されている。これは、画素への入射光を効率よくマイクロレンズにて集光して、受光素子に入射させ、受光感度を向上させるためである。 Imaging devices used for video cameras, digital cameras, and mobile phones are required to have higher pixels. When the pixel becomes finer, the light receiving element made up of CCD, CMOS, etc. constituting the pixel becomes finer. Microlenses are widely used in order to increase the light collection efficiency to fine light receiving elements. This is because the incident light to the pixel is efficiently condensed by the microlens and incident on the light receiving element to improve the light receiving sensitivity.
このようなマイクロレンズは、一般に次のような方法で製造される。まずひとつには、熱リフロー方式で製造される。すなわち、まず、マイクロレンズとなる素材（例えば、透明な感光性樹脂）を基板上に塗布する。次に、所定のパターンを有するパターン露光用マスクを介し感光性樹脂にパターン露光した後、現像を行い、マイクロレンズを形成する部位に透明樹脂層を形成する。次に、基板に加熱処理を行い透明樹脂層の表面を溶かし、溶けた透明樹脂層の表面張力にて、曲面を有するマイクロレンズを形成する。このような熱リフロー方式でマイクロレンズを形成する際、個々のマイクロレンズ同士に隙間がないと、加熱処理時、隣接したマイクロレンズ同士が溶着し、所望する曲面が形成できないことになる。このため、熱リフロー方式では隣接するマイクロレンズ同士の距離をある程度離す必要が生じ、各マイクロレンズ間に隙間を持たせる必要が生じる（以上、例えば特許文献１に記載）。そのため、画像領域を全てマイクロレンズで覆うことが出来ず、集光性の向上には限度がある。 Such microlenses are generally manufactured by the following method. First, it is manufactured by a thermal reflow method. That is, first, a material that becomes a microlens (for example, a transparent photosensitive resin) is applied on a substrate. Next, after pattern exposure is performed on the photosensitive resin through a pattern exposure mask having a predetermined pattern, development is performed, and a transparent resin layer is formed at a site where a microlens is to be formed. Next, the substrate is subjected to heat treatment to melt the surface of the transparent resin layer, and a microlens having a curved surface is formed by the surface tension of the melted transparent resin layer. When microlenses are formed by such a thermal reflow method, if there is no gap between the individual microlenses, adjacent microlenses are welded together during the heat treatment, and a desired curved surface cannot be formed. For this reason, in the thermal reflow method, it is necessary to increase the distance between adjacent microlenses to some extent, and it is necessary to provide a gap between the microlenses (for example, described in Patent Document 1). For this reason, the entire image area cannot be covered with the microlens, and there is a limit to improving the light collecting property.
そのため、近年、３次元形状作成用濃度分布マスクを用いた感光性材料へのパターン露光および現像により、基板上に３次元構造の感光性材料パターンを形成する方法、又は、その感光性材料パターンを基板に彫り写すことにより３次元構造の表面形状をもつ物品を製造する方法があり、濃度分布マスク及びその製造方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この濃度分布マスクを用いてマイクロレンズを製造することができる。この方法によれば、隣接するマイクロレンズ同士を接して形成することが可能になるためマイクロレンズで画素領域を覆う割合を大きくでき、集光性向上の上で好ましい。 Therefore, in recent years, a method of forming a photosensitive material pattern having a three-dimensional structure on a substrate by pattern exposure and development on a photosensitive material using a density distribution mask for creating a three-dimensional shape, or a photosensitive material pattern thereof There is a method of manufacturing an article having a three-dimensional surface shape by engraving on a substrate, and a concentration distribution mask and a manufacturing method thereof have been proposed (for example, see Patent Document 2). A microlens can be manufactured using this density distribution mask. According to this method, since adjacent microlenses can be formed in contact with each other, the ratio of covering the pixel region with the microlenses can be increased, which is preferable in terms of improving light collecting performance.
特許文献２によれば、３次元形状の工程や傾斜面は、露光マスクの濃淡（光透過率１００％から０％の間の任意の濃度）と中間階調の連続的な変化により、露光光の透過率を変化させ感光性材料に露光する光量を変化させることにより実現している。 According to Patent Document 2, the three-dimensional shape process and the inclined surface are caused by the exposure light due to the continuous change in the gradation of the exposure mask (arbitrary density between 100% and 0% light transmittance) and the intermediate gradation. This is realized by changing the light transmittance of the photosensitive material by changing the transmittance.
具体的には、濃度分布マスクの露光に使用される領域は適当な形状および大きさの単位セルにより隙間なく分割されており、その単位セル内に円形の遮光パターン（ドット）を、段階的に大きさを変えて形成し、所定の透過量（濃度）を得ている。 Specifically, the area used for exposure of the density distribution mask is divided without gaps by unit cells having an appropriate shape and size, and a circular light-shielding pattern (dot) is gradually formed in the unit cells. A predetermined transmission amount (density) is obtained by changing the size.
円形の遮光パターン（ドット）の大きさが段階的に変化するものであっても、単位セルが充分に小さければ、例えば露光装置の解像度又は、使用する感光性材料の解像度よりも単位セルの大きさ、もしくは遮光パターン（ドット）の大きさが小さければ、結果として露光〜現像により感光性材料で形成されるパターンの表面形状は連続的に変化する３次元形状となる。 Even if the size of the circular light-shielding pattern (dot) changes stepwise, if the unit cell is sufficiently small, for example, the unit cell size is larger than the resolution of the exposure apparatus or the photosensitive material used. If the size of the light-shielding pattern (dot) is small, as a result, the surface shape of the pattern formed of the photosensitive material by exposure to development becomes a three-dimensional shape that continuously changes.
また、特許文献２では、矩形の遮光パターンで形成された濃度分布マスクを用いて、写真製版工程（フォトリソ工程）で以下の工程を含めた方法で、基板上に３次元構造の感光
性材料パターンによるマイクロレンズアレイ１を形成している。
（１）前記のような３次元構造を製作するために、その３次元構造を基に露光時の露光量の全体的な光強度分布を計算し、基板上での各ポイントの感光性材料の除去量をシミュレーションで計算し、除去量に見合った光を透過する矩形遮光パターンを設計する計算シミュレーション工程。
（２）透明基板上に遮光膜を形成し、さらにその上にマスク用感光性材料層をもつマスクブランクスに電子線またはレーザー光線によって前記の設計された矩形遮光パターンに基づいて露光し、現像してマスク用感光性材料パターンを形成するパターン化工程。
（３）形成されたマスク用感光性材料パターンをマスクとして前記遮光膜をドライエッチング又はウエットエッチングし、矩形遮光パターンを形成する工程。
（４）次いで必要により、工程（３）で形成された遮光パターンを工程（１）で設計された矩形遮光パターンと比較し、両者が一致するように前記形成された濃度分布マスクの遮光パターンを修正する工程。
In Patent Document 2, a photosensitive material pattern having a three-dimensional structure is formed on a substrate by a method including the following steps in a photoengraving process (photolithographic process) using a density distribution mask formed with a rectangular light shielding pattern. The microlens array 1 is formed.
(1) In order to produce a three-dimensional structure as described above, the overall light intensity distribution of the exposure amount at the time of exposure is calculated based on the three-dimensional structure, and the photosensitive material at each point on the substrate is calculated. A calculation simulation step of calculating a removal amount by simulation and designing a rectangular light-shielding pattern that transmits light corresponding to the removal amount.
(2) A light-shielding film is formed on a transparent substrate, and further a mask blank having a photosensitive material layer for a mask thereon is exposed and developed based on the designed rectangular light-shielding pattern with an electron beam or a laser beam. A patterning process for forming a photosensitive material pattern for a mask.
(3) A step of forming a rectangular light-shielding pattern by dry-etching or wet-etching the light-shielding film using the formed photosensitive material pattern for a mask as a mask.
(4) Next, if necessary, the light shielding pattern formed in the step (3) is compared with the rectangular light shielding pattern designed in the step (1), and the light shielding pattern of the density distribution mask formed so that the two match each other. Process to correct.
以下に公知文献を記す。
上記した従来の製造方法を用いれば曲面を有するマイクロレンズが得られると考えられるが、非対称な形状のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイをどういう濃度分布マスクを用いて製造するかの具体的製造方法が明確に示されていない問題があった。 Although it is considered that a microlens having a curved surface can be obtained by using the above-described conventional manufacturing method, there is a specific manufacturing method for using a density distribution mask to manufacture a microlens array having a microlens having an asymmetric shape. There was a problem that was not clearly indicated.
本発明は、この問題点を解決し、濃度分布マスクにより、非対称な形状のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイを製造する方法を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to solve this problem and to provide a method of manufacturing a microlens array including microlenses having an asymmetric shape by using a density distribution mask.
本発明は、上記課題を解決するために、格子上に千鳥足状に設置した遮光パターンの集合のパターンで構成した濃度分布マスクの設計方法であって、前記濃度分布マスクにマイクロレンズアレイを構成する複数の単位レンズの領域を形成し、個々の前記単位レンズの領域を、各単位レンズの中心からの距離が異なる階調境界円で分割した複数の環状領域に分割し、前記濃度分布マスクにおける全ての前記単位レンズの領域で、前記単位レンズの中心からの距離が同じ前記環状領域毎に前記環状領域内の遮光パターンを集合させて、該環状領域に係る遮光パターン群を構成し、単位レンズの中心からの距離が異なる環状領域に係る前記遮光パターン群毎に異なる拡大縮小率で、該遮光パターン群に属する各遮光パターンの設計位置を前記マイクロレンズアレイの中心に関して対称に移動させるシュリンク処理を行い設計することを特徴とする濃度分布マスクの設計方法である。 In order to solve the above problems, the present invention is a method for designing a density distribution mask configured by a set of light shielding patterns arranged in a staggered pattern on a lattice, and a microlens array is configured on the density distribution mask. forming a region of a plurality of unit lenses, and dividing an area of each of the unit lenses, the plurality of annular regions distance is divided by different gradation boundary circle from the center of each unit lens, all in the concentration distribution mask in the area of the unit lens, said distance from the center of the unit lens is set a light shielding pattern of the annular area for each same said annular region, constitutes a light-shielding pattern group according to the annular region, the unit lenses in the light-shielding pattern different scaling factor for each group of distances according to different annular region from the center, the microphone design position of the light-shielding patterns belonging to the light shielding pattern group A design method of the density distribution mask, characterized by designing performs a shrink process of moving symmetrically about the center of the lens array.
また、本発明は、上記シュリンク処理が、上記遮光パターン群の上記環状領域が単位レンズの中心に近いほど大きく拡大縮小し、かつ、全ての上記階調境界円において、上記階調境界円で分割された内側の環状領域と外側の環状領域の境界が相対的にずれて重なる長さが上記格子のピッチ以下になるシュリンク処理を行うことを特徴とする請求項１記載の濃度分布マスクの設計方法である。 Further, according to the present invention, the shrink processing is greatly enlarged / reduced as the annular region of the light shielding pattern group is closer to the center of the unit lens, and all the gradation boundary circles are divided by the gradation boundary circles. 2. The density distribution mask design method according to claim 1, wherein a shrink process is performed in which the length of the overlap between the boundary between the inner annular region and the outer annular region is shifted to be equal to or less than the pitch of the lattice. It is.
また、本発明は、上記の濃度分布マスクの設計方法で設計することで、単位レンズの中心からの距離が異なる環状領域に係る前記遮光パターン群毎に異なる拡大縮小率で、該遮光パターン群に属する各遮光パターンの設計位置が移動されたことを特徴とする濃度分布マスクである。 Further, the present invention is designed by the above-described density distribution mask design method, so that the light shielding pattern group has different enlargement / reduction ratios for the light shielding pattern groups related to the annular regions having different distances from the center of the unit lens. The density distribution mask is characterized in that the design position of each shading pattern to which it belongs is moved .
また、本発明は、基板上に塗布した感光性レジスト材料層に、上記の濃度分布マスクのパターンを介して露光し、前記感光性レジスト材料層を現像することで、非対称な形の単位レンズを配列したマイクロレンズアレイを製造することを特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法である。 In the present invention, the photosensitive resist material layer applied on the substrate is exposed through the pattern of the density distribution mask, and the photosensitive resist material layer is developed to form an asymmetric unit lens. A method of manufacturing a microlens array, characterized in that an arrayed microlens array is manufactured .
本発明のマイクロレンズアレイの製造方法は、以上のように、個々の単位レンズの領域が、単位レンズの中心からの距離が異なる環状領域に分割され、その環状領域の大きさ毎に、全ての単位レンズにおける大きさが同じ環状領域内の遮光パターンが一体にされてマイクロレンズアレイの中心に関して対称に拡大縮小するシュリンク処理が行なわれて遮光パターンの位置が移動している濃度分布マスクを用いることで、非対称な形の単位レンズを有するマイクロレンズアレイが得られる効果がある。 In the microlens array manufacturing method of the present invention, as described above, the area of each unit lens is divided into annular areas having different distances from the center of the unit lens. Use a density distribution mask in which the light-shielding patterns in the annular region of the same size in the unit lens are integrated and subjected to shrink processing that is enlarged and reduced symmetrically with respect to the center of the microlens array, and the position of the light-shielding pattern is moved. Thus, there is an effect that a microlens array having asymmetrical unit lenses can be obtained.
本実施形態では、図１に示すように、撮像デバイス１０の半導体基板１１上に塗布した感光性レジスト材料層２０に濃度分布マスク２のパターンを露光し現像することで、その撮像デバイス１０の個々の受光素子１２毎の画素のカラーフィルターの画素１４ｒ、１４ｇ、１４ｂ上に個々のマイクロレンズ（単位レンズ）を形成することでマイクロレンズアレイ１を製造する。個々の単位レンズは、平面上の画素の配列の個々のカラーフィルターの画素１４ｒ、１４ｇ、１４ｂ毎に夫々略矩形状の単位レンズを配置する。 In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the pattern of the concentration distribution mask 2 is exposed and developed on the photosensitive resist material layer 20 applied on the semiconductor substrate 11 of the imaging device 10, so that each of the imaging devices 10. The microlens array 1 is manufactured by forming individual microlenses (unit lenses) on the color filter pixels 14r, 14g, and 14b of the pixels for each of the light receiving elements 12. For each unit lens, a substantially rectangular unit lens is arranged for each of the pixels 14r, 14g, and 14b of each color filter in the pixel array on the plane.
（濃度分布マスク）
マイクロレンズアレイ１の形成用の濃度分布マスク２は、実際に形成するパターンの５倍や４倍や１．２５倍の寸法に形成し、パターン露光時に、縮小投影型露光装置（ステッパー）で縮小して、露光光の波長以下の寸法のパターンにして投影する。あるいは、濃度分布マスク２を実際に形成するパターンと同じ縮尺の寸法に形成し、マスクアライナーで濃度分布マスク２のパターンを半導体基板１１に、コンタクト露光あるいはプロキシミティ露光又は投影露光しても良い。
(Density distribution mask)
The density distribution mask 2 for forming the microlens array 1 is formed to have a size 5 times, 4 times, or 1.25 times the pattern to be actually formed, and is reduced by a reduction projection type exposure apparatus (stepper) at the time of pattern exposure. Then, it is projected as a pattern having a dimension smaller than the wavelength of the exposure light. Alternatively, the density distribution mask 2 may be formed to the same scale as the pattern to be actually formed, and the pattern of the density distribution mask 2 may be contact exposed, proximity exposed, or projected exposed to the semiconductor substrate 11 with a mask aligner.
この濃度分布マスク２は、図２（ａ）に平面図を示すように、個々の単位レンズ毎に、単位レンズの中心の周りの同心円の階調境界円５で単位レンズの領域を分割し、外周円の階調境界円５と内周円の階調境界円５間の領域である環状領域６に分解する。図２（ａ）では、各単位レンズの各環状領域６を、その外周の階調境界円５により示す。環状領域６の内周の階調境界円５の記載は省略した。図２（ａ）では円環状の環状領域６同士の一部が重なり合っているが、その重なりの詳細は、後に図３で説明する。図２（ｂ）には、マイクロレンズアレイ１の領域の端部の単位レンズの（ネガ型の）濃度分布パターン３を、複数の矩形の遮光パターン４を配置して形成する例を示す。図２（ｂ）では、矩形の遮光パターン４を略市松模様に並べて濃度分布パターン３を形成している。遮光パターン４は千鳥足状の格子点４ａ位置に設置する。図２（ａ）の階調境界円５で分割した環状領域６毎に、すなわち、単位レンズの中心からの距離が異なる円環状の環状領域６毎に、図２（ｂ）に示すように、遮光パターン４の寸法を変える。これにより、単位レンズの中心からの距離が異なる環状領域６毎に階調（グレースケール：濃度）を変える。図２（ｂ）は、濃度分布マスク２のネガパターンを示す。図２（ｂ）のような、単位レンズの中心に近い環状領域６ほど、個々の遮光パターン４の面積を小さくすることで、単位レンズの中心に近い環状領域６ほど濃度を薄くするように階調を変化させたネガパターンの白黒を反転させたポジ型の濃度分布マスク２のパターンを作製する。 As shown in the plan view of FIG. 2A, the density distribution mask 2 divides a region of the unit lens by a concentric gradation boundary circle 5 around the center of the unit lens for each unit lens. It is broken down into an annular region 6 which is a region between the outer peripheral circle gradation boundary circle 5 and the inner peripheral circle gradation boundary circle 5. In FIG. 2A, each annular region 6 of each unit lens is indicated by a gradation boundary circle 5 on the outer periphery thereof. The description of the gradation boundary circle 5 on the inner periphery of the annular region 6 is omitted. In FIG. 2A, a part of the annular regions 6 overlap each other. Details of the overlap will be described later with reference to FIG. FIG. 2B shows an example in which the (negative) density distribution pattern 3 of the unit lens at the end of the region of the microlens array 1 is formed by arranging a plurality of rectangular light shielding patterns 4. In FIG. 2B, the density distribution pattern 3 is formed by arranging rectangular light shielding patterns 4 in a substantially checkered pattern. The light shielding pattern 4 is installed at the staggered lattice point 4a position. As shown in FIG. 2B, for each annular region 6 divided by the gradation boundary circle 5 in FIG. 2A, that is, for each annular region 6 having a different distance from the center of the unit lens. The dimension of the light shielding pattern 4 is changed. Thereby, the gradation (gray scale: density) is changed for each annular region 6 having a different distance from the center of the unit lens. FIG. 2B shows a negative pattern of the density distribution mask 2. As shown in FIG. 2B, the annular region 6 closer to the center of the unit lens has a lower density so that the density of the annular region 6 closer to the center of the unit lens is reduced by reducing the area of each light shielding pattern 4. A pattern of the positive density distribution mask 2 is produced by reversing the black and white of the negative pattern whose tone is changed.
こうして、個々の単位レンズの中心からの距離により単位レンズの領域が環状領域６に分割され、その環状領域６の大きさ毎に、全ての単位レンズにおけるその環状領域６内の遮光パターン４が一体にされて、マイクロレンズアレイ１の中心に関して対称に拡大縮小するシュリンク処理が行なわれ、単位レンズの中心に近い環状領域６の遮光パターン４ほど大きく拡大縮小されて、格子点４ａとともに位置が移動した遮光パターン４が形成された濃度分布マスク２のパターンが得られる。そして、このパターンの白黒を反転し、個々の単位レンズ毎の濃度分布パターン３を有するポジ型の濃度分布マスク２を製造する。その濃度分布マスク２を介してポジ型の感光性レジスト材料層２０を露光する。 Thus, the unit lens region is divided into annular regions 6 according to the distance from the center of each unit lens, and the light shielding patterns 4 in the annular regions 6 of all unit lenses are integrated for each size of the annular region 6. As a result, a shrinking process is performed to enlarge / reduce symmetrically with respect to the center of the microlens array 1, and the light shielding pattern 4 in the annular region 6 near the center of the unit lens is enlarged / reduced greatly, and the position is moved together with the lattice point 4a. A pattern of the density distribution mask 2 on which the light shielding pattern 4 is formed is obtained. Then, the black and white of this pattern is reversed, and the positive density distribution mask 2 having the density distribution pattern 3 for each unit lens is manufactured. The positive photosensitive resist material layer 20 is exposed through the concentration distribution mask 2.
（濃度分布マスクの階調）
濃度分布マスク２の濃度（階調）は、グリッド（格子）上の互い違いの千鳥足状の格子点４ａの位置に配置された矩形の遮光パターン４の寸法を変えて調整する。すなわち、矩形の遮光パターン４の辺の長さを０からグリッドのピッチの２倍の大きさにまで変えることにより、マスクの光透過率を変えて調整する。矩形の遮光パターン４の辺の長さがちょうどグリッドのピッチと等しい場合は、遮光パターン４と、その間の同じ大きさの正方形の開口パターンとで市松模様が形成される。矩形の遮光パターン４の辺の長さが開口パターンより大きい場合は、隣接する矩形の遮光パターン４同士が重なり合い、その間の矩形の開口パターンの寸法が小さくなる。こうして単位面積当たりに形成される光透過部の割合により濃度分布マスク２の階調を調整する。
(Gradation of density distribution mask)
The density (gradation) of the density distribution mask 2 is adjusted by changing the dimensions of the rectangular light-shielding pattern 4 arranged at the staggered grid point 4a on the grid. That is, by changing the length of the side of the rectangular light shielding pattern 4 from 0 to twice the grid pitch, the light transmittance of the mask is changed and adjusted. When the side length of the rectangular light shielding pattern 4 is exactly equal to the pitch of the grid, a checkered pattern is formed by the light shielding pattern 4 and a square opening pattern of the same size therebetween. When the side length of the rectangular light shielding pattern 4 is larger than the opening pattern, adjacent rectangular light shielding patterns 4 overlap each other, and the size of the rectangular opening pattern therebetween becomes small. In this way, the gradation of the density distribution mask 2 is adjusted according to the ratio of the light transmission portions formed per unit area.
図２（ａ）で、全ての単位レンズの、各単位レンズの中心からの距離が同じで大きさが同じ環状領域６を一体にして、すなわち、それらの環状領域６に設置された遮光パターン４の集合を一体にして、その集合を、マイクロレンズアレイ１の中心に関して対称に拡大縮小するシュリンク処理を行う。それにより、マイクロレンズアレイ１の端部の環状領域６はマイクロレンズアレイ１の中心に向かって移動する。このシュリンク処理は、各単位レンズの中心からの距離が異なる環状領域６に関しては異なる縮小率で拡大縮小処理を行う。そのため、単位レンズの中心からの距離が異なる環状領域６は異なる移動量で移動する。図２（ａ）のマイクロレンズアレイ１の領域の端部の単位レンズの濃度分布パターン３は、その単位レンズの領域を分割した外側の環状領域６と内側の環状領域６が異なる縮小率でシュリンク処理され、大きさの異なる環状領域６が異なる移動距離で移動させられている。内側の環状領域６と外側の環状領域６が異なる移動距離で移動する結果、相対的に移動し、互いに重なる部分ができ、その重なり部分では濃度分布マスク２の階調が高くなる。逆に、内側の環状領域６と外側の環状領域６が互いに離れて隙間ができる部分もでき、その部分では階調が低くなる。 In FIG. 2A, the annular regions 6 having the same distance from the center of each unit lens and the same size of all the unit lenses are integrated, that is, the light shielding pattern 4 installed in the annular regions 6. The shrinking process is performed to enlarge and reduce the set symmetrically with respect to the center of the microlens array 1. Thereby, the annular region 6 at the end of the microlens array 1 moves toward the center of the microlens array 1. In this shrink process, the enlargement / reduction process is performed at different reduction ratios for the annular regions 6 having different distances from the center of each unit lens. For this reason, the annular regions 6 having different distances from the center of the unit lens move with different movement amounts. The density distribution pattern 3 of the unit lens at the end of the region of the microlens array 1 in FIG. 2A shrinks at different reduction ratios in the outer annular region 6 and the inner annular region 6 that divide the unit lens region. Processed, the annular regions 6 having different sizes are moved at different moving distances. As a result of the inner annular region 6 and the outer annular region 6 moving at different movement distances, they move relatively and overlap each other, and the gradation of the density distribution mask 2 becomes higher at the overlapping portion. On the contrary, there is a portion where the inner annular region 6 and the outer annular region 6 are separated from each other to form a gap, and the gradation is lowered in that portion.
（濃度分布マスクの格子点）
図３の平面図に、遮光パターン４を設置する位置である格子点４ａを十字線で示す。図３（ａ）は、マイクロレンズアレイ１の領域の中心の単位レンズの濃度分布パターン３内の格子点４ａの分布を示し、図３（ｂ）は、マイクロレンズアレイ１の領域の端部の単位レンズの濃度分布パターン３内の格子点４ａの分布を示す。図３（ｂ）に示すように、マイクロレンズアレイ１の領域の端部の単位レンズの環状領域６をその中の格子点４ａと一体にして移動させるシュリンク処理を行う。このシュリンク処理により、単位レンズの領域を分けた外側の環状領域６と内側の環状領域６を独立に移動させ、その移動距離を変えることで、場所により、内側の環状領域６と外側の環状領域６を重ねることで格子点４ａの密度を高くした部分を形成し、逆に、内側の環状領域６と外側の環状領域６を離すことで格子点４ａの密度を低くした部分を形成する。これにより格子点４ａの密度分布を変えて、単位レンズの濃度分布パターン３の階調（濃度）の分布を非対称に変える。そして、この濃度分布マスク２で感光性レジスト材料層２０に露光することで、個々の単位レンズ毎に異なるパターンの濃度分布パターン３を露光し感光性レジスト材料層２０を現像することにより異なる形状の単位レンズから成るマイクロレンズアレイ１を形成する。
(Concentration distribution mask grid points)
In the plan view of FIG. 3, the lattice points 4 a which are positions where the light shielding patterns 4 are installed are indicated by cross lines. 3A shows the distribution of the lattice points 4a in the density distribution pattern 3 of the unit lens at the center of the area of the microlens array 1, and FIG. 3B shows the distribution of the end of the area of the microlens array 1. The distribution of lattice points 4a in the density distribution pattern 3 of the unit lens is shown. As shown in FIG. 3B, shrink processing is performed in which the annular region 6 of the unit lens at the end of the region of the microlens array 1 is moved integrally with the lattice point 4a therein. By this shrink process, the outer annular region 6 and the inner annular region 6 into which the unit lens regions are divided are moved independently, and the moving distance is changed, so that the inner annular region 6 and the outer annular region are changed depending on the location. A portion where the density of the lattice points 4a is increased by overlapping 6 is formed, and conversely, a portion where the density of the lattice points 4a is decreased is formed by separating the inner annular region 6 and the outer annular region 6 from each other. As a result, the density distribution of the lattice points 4a is changed, and the gradation (density) distribution of the density distribution pattern 3 of the unit lens is changed asymmetrically. Then, by exposing the photosensitive resist material layer 20 with the density distribution mask 2, the density distribution pattern 3 having a different pattern is exposed for each unit lens, and the photosensitive resist material layer 20 is developed to develop different shapes. A microlens array 1 composed of unit lenses is formed.
（格子点のピッチ）
格子点４ａのピッチは以下の様に設定する。すなわち、半導体基板１１側のステッパーの投影レンズの開口比をＮａとし、露光する光の波長をλとすると、（λ／Ｎａ）に０．２から０．５の係数Ｋ１を掛け算した値の寸法より小さいピッチのグリッドに、遮光パターン４を図２（ｂ）の様に互い違いに千鳥足状に配置する。この投影レンズの開口比Ｎａは最大１．３まで可能である。例えば、半導体基板１１を露光する光の波長λが０．３６５μｍの場合、投影レンズのＮａが０．５程度でＫ１が０．２の場合、グリッドのピッチの上限は概ね０．１５μｍになる。この場合は、縮尺が５倍の濃度分布マスク２には、０．７５μｍのピッチのグリッド上に遮光パターン４を互い違いに千鳥足状に配置したパターンを形成する。このパターンをステッパーで５分の１に縮小して半導体基板側１１上の感光性レジスト材料層２０に投影する。あるいは、概ね１μｍのピッチのグリッドに遮光パターン４を千鳥足状に設置した１：１の縮尺の濃度分布マスク２のパターンを、マスクアライナーで半導体基板１１上の感光性レジスト材料層２０に投影することもできる。
(Pitch of grid points)
The pitch of the lattice points 4a is set as follows. That is, when the aperture ratio of the projection lens of the stepper on the semiconductor substrate 11 side is Na and the wavelength of the light to be exposed is λ, the dimension is a value obtained by multiplying (λ / Na) by a coefficient K1 of 0.2 to 0.5. The light shielding patterns 4 are alternately arranged in a staggered pattern as shown in FIG. 2B on a grid having a smaller pitch. The aperture ratio Na of this projection lens can be up to 1.3. For example, when the wavelength λ of light for exposing the semiconductor substrate 11 is 0.365 μm, when the Na of the projection lens is about 0.5 and K1 is 0.2, the upper limit of the grid pitch is approximately 0.15 μm. In this case, a pattern in which the light shielding patterns 4 are alternately arranged in a staggered pattern on a grid with a pitch of 0.75 μm is formed on the density distribution mask 2 having a scale of 5 times. This pattern is reduced to 1/5 with a stepper and projected onto the photosensitive resist material layer 20 on the semiconductor substrate side 11. Alternatively, the pattern of the 1: 1 concentration distribution mask 2 in which the light shielding patterns 4 are arranged in a staggered pattern on a grid with a pitch of approximately 1 μm is projected onto the photosensitive resist material layer 20 on the semiconductor substrate 11 by a mask aligner. You can also.
（濃度分布マスクの製造方法）
このようにパターンを設計して製造する濃度分布マスク２は、半導体基板１１上に樹脂のマイクロレンズアレイ１を形成するために用いる。それは、そのパターンの設計を含めて、以下の工程で製造する。
（１）マイクロレンズアレイ１を製造するために、そのマイクロレンズアレイ１の３次元構造を基に露光時の露光量の全体的な光強度分布を計算し、半導体基板１１上での各ポイントの感光性レジスト材料層２０の除去量をシミュレーションで計算し、除去量に見合った光を透過するように矩形の遮光パターン４の大きさを設計する。ここで、以下で説明する濃度分布マスクのパターンのシュリンク処理を行い、マスクのパターンを設計する。
（２）合成石英ガラス基板からなる透明基板上にＣｒ等の金属もしくは金属酸化物遮光膜を形成し、さらにその上にマスク用感光性レジストをもつマスクブランクスに電子線またはレーザー光線によって前記の設計された矩形の遮光パターン４を形成するように露光し、現像してマスク用感光性レジストのパターンを形成する。
（３）形成されたマスク用感光性レジストのパターンをエッチングマスクとして前記遮光膜をドライエッチング又はウエットエッチングし、図２（ｂ）のような遮光パターン４を形成する。
（４）次いで必要に応じ、工程（３）で形成された遮光パターン４を工程（１）で設計された遮光パターン４と比較し、両者が一致するように、濃度分布マスク２に形成された遮光パターン４の寸法を修正する。
(Density distribution mask manufacturing method)
The density distribution mask 2 manufactured by designing the pattern in this way is used for forming the resin microlens array 1 on the semiconductor substrate 11. It is manufactured by the following process including the design of the pattern.
(1) In order to manufacture the microlens array 1, the overall light intensity distribution of the exposure amount at the time of exposure is calculated based on the three-dimensional structure of the microlens array 1, and each point on the semiconductor substrate 11 is calculated. The removal amount of the photosensitive resist material layer 20 is calculated by simulation, and the size of the rectangular light-shielding pattern 4 is designed so as to transmit light corresponding to the removal amount. Here, the shrink process of the density distribution mask pattern described below is performed to design the mask pattern.
(2) A metal blank such as Cr or a metal oxide light-shielding film is formed on a transparent substrate made of a synthetic quartz glass substrate, and the above-mentioned design is applied to a mask blank having a mask photosensitive resist thereon by an electron beam or a laser beam. Then, exposure is performed so as to form a rectangular light-shielding pattern 4 and development is performed to form a mask resist pattern.
(3) The light-shielding film is dry-etched or wet-etched using the formed pattern of the mask photosensitive resist as an etching mask to form a light-shielding pattern 4 as shown in FIG.
(4) Next, if necessary, the light shielding pattern 4 formed in the step (3) is compared with the light shielding pattern 4 designed in the step (1). The dimension of the light shielding pattern 4 is corrected.
（濃度分布マスクのパターンのシュリンク処理）
濃度分布マスク２のパターンのシュリンク処理は以下のように行う。すなわち、マイクロレンズアレイ１の領域の中心の単位レンズの濃度分布パターン３は、図３（ａ）のように、等ピッチのグリッド（格子）上の千鳥足状の格子点４ａに遮光パターン４を設置する。そして、同心円状の階調境界円５ａから５ｄで領域を分割した各環状領域６毎に遮光パターン４の矩形の寸法を変えることで階調（濃度）を設定する。マイクロレンズアレイ１の領域の各単位レンズの濃度分布パターン３は、図２（ａ）の中央の単位レンズの濃度分布パターン３における階調境界円５で分割された各環状領域６内の遮光パターン４の格子点４ａから、図２（ａ）の左下の単位レンズの濃度分布パターン３を以下のようにして形成する。図３（ａ）に示すように、単位レンズの領域を階調境界円５ａから５ｄで分割して、環状領域６に分割する。そして、マイクロレンズアレイ１の全単位レンズの同じ階調境界円５を外周にする環状領域６とその中の格子点４ａと遮光パターン４とを一括して、寸法を縮小するシュリンク処理を行う。このシュリンク処理によるパターンの縮小の結果、マイクロレンズアレイ１の端部の単位レンズの環状領域６は、図３（ｂ）のように、移動する。このように、マイクロレンズアレイ１の全単位レンズの同じ直径の環状領域６と遮光パターン４を一括して寸法を所定の割合で縮小させて、その結果、マイクロレンズアレイ１の端部の単位レンズの環状領域６を移動させる処理をシュリンク処理と呼ぶ。
(Shrink processing of density distribution mask pattern)
The shrink process of the pattern of the density distribution mask 2 is performed as follows. That is, the density distribution pattern 3 of the unit lens in the center of the microlens array 1 is provided with the light shielding pattern 4 at a staggered grid point 4a on a grid with a constant pitch as shown in FIG. To do. Then, the gradation (density) is set by changing the rectangular dimension of the light shielding pattern 4 for each annular region 6 obtained by dividing the region by concentric gradation boundary circles 5a to 5d. The density distribution pattern 3 of each unit lens in the region of the microlens array 1 is a light shielding pattern in each annular region 6 divided by the gradation boundary circle 5 in the density distribution pattern 3 of the central unit lens in FIG. The density distribution pattern 3 of the lower left unit lens in FIG. 2A is formed from the four grid points 4a as follows. As shown in FIG. 3A, the unit lens region is divided into gradation boundary circles 5a to 5d and divided into annular regions 6. Then, shrink processing is performed to reduce the size of the annular region 6 around the same gradation boundary circle 5 of all the unit lenses of the microlens array 1, the lattice points 4 a therein, and the light shielding pattern 4. As a result of the reduction of the pattern by the shrink process, the annular region 6 of the unit lens at the end of the microlens array 1 moves as shown in FIG. In this way, the annular region 6 having the same diameter and the light shielding pattern 4 of all the unit lenses of the microlens array 1 are collectively reduced by a predetermined ratio, and as a result, the unit lens at the end of the microlens array 1 is obtained. The process of moving the annular region 6 is called a shrink process.
このシュリンク処理により環状領域６を移動させ、マイクロレンズアレイ１の全単位レンズの、内側の直径の小さい環状領域６の集合を外側の直径の大きい環状領域６の集合以上に縮小させることで、直径の小さい環状領域６ほどマイクロレンズアレイ１の中心に近づける。それにより、単位レンズの領域の内側の直径の小さい環状領域６の、マイクロレンズアレイ１の領域の中心側の端は、外側の直径の大きい環状領域６に重なる。一方、内側の環状領域６の、マイクロレンズアレイ１の領域の中心から遠い側の端は、外側の環状領域６から離れて間隙が開く。環状領域６の重なる長さは、格子点４ａのピッチより短くする。環状領域６の重なる長さが格子点４ａの格子のピッチで左右あるいは前後で重なると、辺の長さが格子のピッチである遮光パターン４同士では完全に遮光することになり、階調（濃度）が上がる。そのため、単位レンズの領域を分割する全ての階調境界円５において、その内側の環状領域６と外側の環状領域６の重なる長さを格子点４ａのグリッド（格子）のピッチ以下にしたシュリンク処理を行う。 By moving the annular region 6 by this shrink process, the set of annular regions 6 with a small inner diameter of all the unit lenses of the microlens array 1 is reduced to be larger than the set of annular regions 6 with a large outer diameter. The smaller the annular region 6, the closer to the center of the microlens array 1. Accordingly, the end of the annular region 6 having a small diameter inside the unit lens region on the center side of the region of the microlens array 1 overlaps the annular region 6 having a large outside diameter. On the other hand, the end of the inner annular region 6 on the side far from the center of the region of the microlens array 1 is separated from the outer annular region 6 and a gap is opened. The overlapping length of the annular regions 6 is shorter than the pitch of the lattice points 4a. If the overlapping length of the annular regions 6 overlaps with the grid pitch of the grid point 4a on the left and right or front and back, the light shielding patterns 4 whose side length is the grid pitch are completely shielded from each other. ) Goes up. Therefore, in all the gradation boundary circles 5 that divide the unit lens region, the shrinking process in which the overlapping length of the inner annular region 6 and the outer annular region 6 is set to be equal to or less than the grid pitch of the lattice point 4a. I do.
（具体的パターンのシュリンク処理）
また、マイクロレンズアレイ１の全単位レンズの同じ直径の階調境界円５を外周とする環状領域６の集合を、マイクロレンズアレイ１の中心に関して対称に所定の割合で縮小するシュリンク処理を行い、その結果、図２（ａ）のように環状領域６の位置をずらす。すなわち、図２（ａ）のように、直径が小さい環状領域６の集合ほど、元の位置から大きく移動するように縮小し、一番直径の大きい環状領域６の集合はほとんど縮小しないシュリンク処理を行う。図２（ａ）の左下の単位レンズの濃度分布パターン３を拡大して図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）の階調境界円５で分割された各環状領域６内の格子点４ａは、以下のシュリンク処理の結果、単位レンズの中心からの距離が異なる環状領域６毎に異なる移動量で移動する。
（１）マイクロレンズアレイ１の全単位レンズの最外周の階調境界円５ｄを外周とする環状領域６ａと格子点４ａの座標は等倍に設置する。
（２）マイクロレンズアレイ１の全単位レンズの階調境界円５ｃを外周とする環状領域６ｃと格子点４ａの座標を０．９８倍に縮小させる。
（３）マイクロレンズアレイ１の全単位レンズの階調境界円５ｂを外周とする環状領域６ｂと格子点４ａの座標を０．９６倍に縮小させる。
（４）マイクロレンズアレイ１の全単位レンズの階調境界円５ａを外周とする円状の環状領域６ａと格子点４ａの座標を０．９４倍に縮小させる。
(Specific pattern shrink processing)
Further, a shrink process is performed in which a set of annular regions 6 having the same diameter gradation boundary circle 5 of all unit lenses of the microlens array 1 as an outer periphery is reduced symmetrically with respect to the center of the microlens array 1 at a predetermined ratio, As a result, the position of the annular region 6 is shifted as shown in FIG. That is, as shown in FIG. 2 (a), a shrink process is performed in which a set of annular regions 6 having a smaller diameter is reduced so as to move from the original position, and a set of annular regions 6 having the largest diameter is hardly reduced. Do. The density distribution pattern 3 of the lower left unit lens in FIG. 2A is enlarged and shown in FIG. The lattice points 4a in each annular region 6 divided by the gradation boundary circles 5 in FIG. 3 (b) have different movement amounts for each annular region 6 having different distances from the center of the unit lens as a result of the following shrink process. Move with.
(1) Coordinates of the annular region 6a and the lattice point 4a having the outer periphery of the gradation boundary circle 5d at the outermost periphery of all the unit lenses of the microlens array 1 are set at the same magnification.
(2) The coordinates of the annular region 6c and the lattice point 4a having the gradation boundary circle 5c of the entire unit lens of the microlens array 1 as the outer periphery are reduced by 0.98 times.
(3) The coordinates of the annular region 6b and the lattice point 4a having the outer periphery of the gradation boundary circle 5b of all the unit lenses of the microlens array 1 are reduced by 0.96 times.
(4) The coordinates of the circular annular region 6a having the gradation boundary circle 5a of all the unit lenses of the microlens array 1 and the lattice point 4a are reduced by 0.94 times.
（露光強度分布のシミュレーション）
以上の条件のシュリンク処理により、図３（ｂ）のように環状領域６と遮光パターン４を移動させたポジ型の濃度分布マスク２で、単位レンズの中心位置に近づくほど光の透過率が下がる濃度分布マスク２を作った。このポジ型の濃度分布マスク２でポジ型の感光性レジスト材料層２０を露光することで、濃度分布マスク２を介した露光光の強度分布のグラフは単位レンズの領域にわたる３次元的なお椀形（凹状）の湾曲面の光強度分布で露光する。その露光箇所を現像して除去し、単位レンズの中心ほど厚くレジストを残すことで図１のように凸状の単位レンズを形成する。そのポジ型の濃度分布マスク２でポジ型感光性レジスト材料層２０を露光する場合の単位レンズの光の強度分布のシミュレーション結果を図４に示す。図４（ａ）に、その結果の、光強度分布の平面図を示し、図４（ｂ）に、図４（ａ）のＡ−Ａ’部の光の強度を、その縦軸のスケールを逆にしたグラフで示す。図４（ｂ）に示すように、露光光の強度分布のグラフは、単位レンズの領域にわたる３次元的なお椀形（凹状）の湾曲面の光強度分布が非対称な形に形成された。この非対称な形の単位レンズは、シュリンク処理がマイクロレンズアレイ１の中心に関して対称であるため、マイクロレンズアレイ１の中心に関して対称に形成されて配置される。
(Exposure intensity distribution simulation)
By the shrink processing under the above conditions, the light transmittance decreases as the center position of the unit lens approaches the positive density distribution mask 2 in which the annular region 6 and the light shielding pattern 4 are moved as shown in FIG. A density distribution mask 2 was made. By exposing the positive-type photosensitive resist material layer 20 with the positive-type density distribution mask 2, the graph of the intensity distribution of the exposure light through the density distribution mask 2 is a three-dimensional bowl shape over the unit lens area. The exposure is performed with the light intensity distribution of the (concave) curved surface. The exposed portion is developed and removed, and the resist is made thicker toward the center of the unit lens, thereby forming a convex unit lens as shown in FIG. FIG. 4 shows a simulation result of the light intensity distribution of the unit lens when the positive photosensitive resist material layer 20 is exposed with the positive density distribution mask 2. FIG. 4 (a) shows a plan view of the resulting light intensity distribution. FIG. 4 (b) shows the light intensity at the AA ′ portion in FIG. 4 (a) and the vertical axis scale. Shown in inverted graph. As shown in FIG. 4B, the graph of the exposure light intensity distribution was formed in a shape in which the light intensity distribution of the three-dimensional bowl-shaped (concave) curved surface over the unit lens region is asymmetric. This asymmetrical unit lens is formed symmetrically with respect to the center of the microlens array 1 because the shrink process is symmetric with respect to the center of the microlens array 1.
なお、ポジ型の濃度分布マスク２は、隣接する単位レンズの濃度分布パターン３同士の境界線上に両単位レンズの濃度分布パターン３にかかるように、スリット（図２（ｂ）に示すマスクのネガパターンでは帯状遮光部になる）を形成することが望ましい。それにより、単位レンズの濃度分布パターン３の中央に比べ、単位レンズの濃度分布パターン３の端部近傍では濃度分布マスク２の透過率の変化を激しくすることができ、急激に透過率を高くすることで単位レンズの端部のレンズの傾斜を大きく形成できる。特に、単位レンズの濃度分布パターン３の四隅のパターンを四隅近傍のパターンに比し大きく開口して光を多く透過させるパターンで形成することで、露光されたポジ型レジストを現像して形成する各単位レンズの対角方向の端部近傍を中央部と同等の球面曲率で形成する。 The positive density distribution mask 2 has a slit (a negative of the mask shown in FIG. 2B) so as to cover the density distribution pattern 3 of both unit lenses on the boundary line between the density distribution patterns 3 of adjacent unit lenses. It is desirable to form a band-shaped light shielding portion in the pattern. Thereby, compared with the center of the density distribution pattern 3 of the unit lens, the change in the transmittance of the density distribution mask 2 can be made intense near the end of the density distribution pattern 3 of the unit lens, and the transmittance is rapidly increased. In this way, the inclination of the lens at the end of the unit lens can be increased. In particular, each of the four positive corner patterns of the density distribution pattern 3 of the unit lens is formed with a pattern that opens larger than the patterns near the four corners and transmits a large amount of light, thereby developing the exposed positive resist. The vicinity of the diagonal end of the unit lens is formed with a spherical curvature equivalent to that of the central portion.
（マイクロレンズアレイの製造方法）
以下、この濃度分布マスク２を用いてカラー撮像デバイス１０にマイクロレンズアレイ１を製造する方法について、図５と図１を参照し詳細に説明する。先ず、図５（ａ）に示すように、複数のＣＭＯＳの撮像デバイス１０のパターンが形成された半導体基板１１を用いる。この撮像デバイス１０は受光素子１２の配列から成り、個々の受光素子１２に対応する各画素のサイズは、長方形もしくは正方形等の四角形状で寸法が略０．５μｍ〜略１００μｍの範囲であり、例えば略０．８μｍ〜略２．７μｍの画素の撮像デバイス１０が形成された半導体基板１１を用いる。
(Manufacturing method of microlens array)
Hereinafter, a method for manufacturing the microlens array 1 in the color imaging device 10 using the density distribution mask 2 will be described in detail with reference to FIGS. 5 and 1. First, as shown in FIG. 5A, a semiconductor substrate 11 on which patterns of a plurality of CMOS imaging devices 10 are formed is used. The imaging device 10 is composed of an array of light receiving elements 12, and the size of each pixel corresponding to each light receiving element 12 is a rectangle such as a rectangle or a square and has a dimension in a range of approximately 0.5 μm to approximately 100 μm. A semiconductor substrate 11 on which an imaging device 10 having pixels of about 0.8 μm to about 2.7 μm is formed is used.
（工程１）
次に、図５（ｂ）に示すように、半導体基板１１の表面に熱硬化型のアクリル系樹脂をスピンコートにより塗布した後に加熱して熱硬化させることにより略０．１μｍの厚さの平坦化層１３を形成する。
（工程２）
次には、図５（ｃ）に示すように、平坦化層１３の上に、個々の受光素子１２に対応した個々の画素で、厚さが略１μｍの緑，青，そして赤の３色のカラーフィルターの画素１４ｇ、１４ｂ、１４ｒから成るカラーフィルター層１４を形成する。この３色のカラーフィルターの画素１４ｇ、１４ｂ、１４ｒは、平坦化層１３の上の全体に均一に順次形成した夫々の色のネガ型カラーレジスト層から所望の受光素子１２に対応した位置にのみ残るようフォトリソグラフィー法により形成する。あるいは、夫々の色のポジ型カラーレジスト層から所望の受光素子１２に対応した位置にのみ夫々の色のカラーフィルターの画素１４ｇ、１４ｂ、１４ｒが残るようフォトリソグラフィー法によりカラーフィルター層１４を形成することもできる。
(Process 1)
Next, as shown in FIG. 5 (b), a thermosetting acrylic resin is applied to the surface of the semiconductor substrate 11 by spin coating, and then heated and thermally cured to make a flat surface having a thickness of about 0.1 μm. The formation layer 13 is formed.
(Process 2)
Next, as shown in FIG. 5C, three colors of green, blue, and red having a thickness of about 1 μm are formed on the planarization layer 13 on each pixel corresponding to each light receiving element 12. The color filter layer 14 composed of the color filter pixels 14g, 14b, and 14r is formed. The pixels 14g, 14b, and 14r of the three color filters are only at positions corresponding to the desired light receiving elements 12 from the negative color resist layers of the respective colors formed sequentially and uniformly on the entire flattening layer 13. It is formed by photolithography so as to remain. Alternatively, the color filter layer 14 is formed by photolithography so that the color filter pixels 14g, 14b, and 14r of the respective colors remain only at positions corresponding to the desired light receiving elements 12 from the positive color resist layers of the respective colors. You can also.
（工程３）
次には、図５（ｄ）に示すように、カラーフィルター層１４上に感光性レジスト材料層２０を形成する。感光性レジスト材料層２０は、カラーフィルター層１４上にアクリル系樹脂やフェノール系樹脂やスチレン系樹脂を主体とするポジ型感光性レジスト材料をスピンコーターで１０００〜２０００ｒｐｍでコートし、約１００℃で約２秒間プリベークすることで略０．７〜１μｍの厚さに形成する。
(Process 3)
Next, as shown in FIG. 5D, a photosensitive resist material layer 20 is formed on the color filter layer 14. The photosensitive resist material layer 20 is formed by coating a positive photosensitive resist material mainly composed of an acrylic resin, a phenol resin, or a styrene resin on the color filter layer 14 at 1000 to 2000 rpm with a spin coater, and at about 100 ° C. By pre-baking for about 2 seconds, a thickness of about 0.7 to 1 μm is formed.
（工程４）
次に、図５（ｅ）に示すように、感光性レジスト材料層２０を、現像後に対応する受光素子１２上のカラーフィルター層１４のカラーフィルターの画素１４ｇ、１４ｂ、１４ｒ上に図１に示すマイクロレンズアレイ１の単位レンズ１ｇ、１ｂ、１ｒが形成されるように濃度分布マスク２を用いて、ステッパーで露光する。この各濃度分布マスク２は、５倍レチクルであり、感光性レジスト材料層２０の表面に露光するパターンの寸法の５倍の大きさの寸法のパターンを用い、半導体基板１１の領域（１）の感光性レジスト材料層２０の表面に濃度分布マスク２のパターンを１／５に縮小して、紫外線域の３６５ｎｍの波長
の光を２００〜３００ｍＪ／ｃｍ2の露光量で照射する。
(Process 4)
Next, as shown in FIG. 5E, the photosensitive resist material layer 20 is shown in FIG. 1 on the color filter pixels 14g, 14b, and 14r of the color filter layer 14 on the corresponding light receiving element 12 after development. Exposure is performed with a stepper using the density distribution mask 2 so that the unit lenses 1g, 1b, and 1r of the microlens array 1 are formed. Each density distribution mask 2 is a five-fold reticle, and uses a pattern having a size five times larger than the size of the pattern exposed on the surface of the photosensitive resist material layer 20 to form the region (1) of the semiconductor substrate 11. The pattern of the concentration distribution mask 2 is reduced to 1/5 on the surface of the photosensitive resist material layer 20, and light having a wavelength of 365 nm in the ultraviolet region is irradiated at an exposure amount of 200 to 300 mJ / cm 2 .
（工程５）
次に、その感光性レジスト材料層２０を、有機アルカリ現像液（ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）水溶液：液濃度０．０５重量％）を用いて現像する。
（工程６）
次に、現像後に残った感光性レジスト材料層２０に３６５ｎｍの波長の光を２００〜２５００ｍＪ／ｃｍ2の露光量で照射することで、次の加熱処理によってマイクロレンズを形成する樹脂の熱だれが生じない程度に感光性レジスト材料層２０を仮硬化させる。最後に、ホットプレートを使用して、３分間の１６０℃の加熱処理と、それに続く６分間の２００℃の加熱処理とでベークすることで、図１のように単位レンズ１ｒ、１ｇ、１ｂを硬化させる。
(Process 5)
Next, the photosensitive resist material layer 20 is developed using an organic alkali developer (TMAH (tetramethylammonium hydroxide) aqueous solution: solution concentration 0.05% by weight).
(Step 6)
Next, the photosensitive resist material layer 20 remaining after development is irradiated with light having a wavelength of 365 nm at an exposure amount of 200 to 2500 mJ / cm 2 , so that the heat of the resin that forms the microlens by the next heat treatment is discharged. The photosensitive resist material layer 20 is temporarily cured to such an extent that it does not occur. Finally, using a hot plate, the unit lenses 1r, 1g, and 1b are baked as shown in FIG. 1 by baking at 160 ° C. for 3 minutes and then at 200 ° C. for 6 minutes. Harden.
このようにして、半導体基板１１のマイクロレンズアレイ１の領域において、複数の受光素子１２が開口した表面に平坦化層１３を介し複数の受光素子１２に対応して形成されたカラーフィルター層１４の画素上に、頂点の高さが０．６〜１μｍの単位レンズ１ｇ、１ｂ、１ｒを、形成する。そして、濃度分布マスク２の同じ直径の環状領域６の集合の遮光パターン４の集合がシュリンク処理により所定の割合で一括して縮小された結果、マイクロレンズアレイ１の領域の端部の単位レンズが非対称な形に形成される。 Thus, in the region of the microlens array 1 of the semiconductor substrate 11, the color filter layer 14 formed corresponding to the plurality of light receiving elements 12 via the planarization layer 13 on the surface where the plurality of light receiving elements 12 are opened. Unit lenses 1g, 1b, and 1r having apex heights of 0.6 to 1 μm are formed on the pixels. Then, as a result of shrinking the set of light shielding patterns 4 of the set of annular regions 6 of the same diameter of the density distribution mask 2 at a predetermined rate by shrink processing, unit lenses at the end of the region of the microlens array 1 are obtained. It is formed in an asymmetric shape.
以上の実施形態では、遮光パターンを格子点４ａ上に設置した濃度分布マスク２のパターンの設計において、個々の単位レンズの中心からの距離が異なる階調境界円５で単位レンズの領域を環状領域６に分割し、単位レンズの中心からの距離が同じ環状領域６内の格子上に設置した遮光パターン４を全ての単位レンズで集合して一体化した遮光パターン群を複数形成し、その遮光パターン群をマイクロレンズアレイ１の中心に関して対称に拡大縮小するシュリンク処理を行い移動させた。そして、その遮光パターン群の単位レンズの中心からの距離によりシュリンク処理の拡大縮小率を変え、遮光パターン群の環状領域６が単位レンズの中心に近いほどシュリンク処理の拡大縮小率を大きくし、単位レンズの中心に近い遮光パターン４を元の位置から大きく移動させて濃度分布マスク２のパターンを形成した。このため、単位レンズの領域が階調境界円５で分割された内側の環状領域６から成る遮光パターン群と、外側の環状領域から成る前記遮光パターン群において互いの環状領域の境界が相対的にずれて環状領域６同士が重なる。マイクロレンズアレイ１形成用の濃度分布マスク２のパターンを設計する際のこのシュリンク処理は、遮光パターン群をマイクロレンズアレイ１の中心に関して対称に縮小するのみならず、この遮光パターン群をマイクロレンズアレイ１の中心に関して対称に拡大することもできる。 In the above embodiment, in the design of the density distribution mask 2 pattern in which the light shielding pattern is placed on the lattice point 4a, the unit lens region is defined as the annular region by the gradation boundary circle 5 having different distances from the center of each unit lens. A plurality of light shielding pattern groups are formed by integrating the light shielding patterns 4 arranged on the lattice in the annular region 6 having the same distance from the center of the unit lens into all unit lenses. The group was moved by performing a shrinking process in which the group was symmetrically enlarged or reduced with respect to the center of the microlens array 1. Then, the enlargement / reduction ratio of the shrink process is changed according to the distance from the center of the unit lens of the light shielding pattern group, and the enlargement / reduction ratio of the shrink process is increased as the annular region 6 of the light shielding pattern group is closer to the center of the unit lens. The pattern of the density distribution mask 2 was formed by largely moving the light shielding pattern 4 near the center of the lens from the original position. For this reason, in the light shielding pattern group composed of the inner annular region 6 in which the unit lens region is divided by the gradation boundary circle 5 and the light shielding pattern group composed of the outer annular region, the boundary between the annular regions is relatively The annular regions 6 are overlapped with each other. This shrink process when designing the pattern of the density distribution mask 2 for forming the microlens array 1 not only reduces the light shielding pattern group symmetrically with respect to the center of the microlens array 1, but also reduces the light shielding pattern group to the microlens array. It is also possible to enlarge symmetrically about the center of 1.
また、この実施形態の濃度分布マスク２は、大きさの異なる矩形の遮光パターン４を互い違いに配置することによって濃度分布マスクで単位レンズの濃度分布パターン３を形成したが、遮光パターン４の形状は特にこれにこだわるものではなく、矩形に代えて多角形や円形などの図形を、種々の配置で形成してもよい。また、遮光パターン４は縦横の市松模様に限らず、斜め４５度の市松模様に形成しても良い。 In the density distribution mask 2 of this embodiment, the density distribution pattern 3 of the unit lens is formed by the density distribution mask by alternately arranging rectangular light shielding patterns 4 having different sizes. The shape of the light shielding pattern 4 is as follows. In particular, this is not particular, and instead of a rectangle, a figure such as a polygon or a circle may be formed in various arrangements. Further, the light shielding pattern 4 is not limited to a vertical and horizontal checkered pattern, and may be formed in a checkered pattern of 45 degrees obliquely.
また、濃度分布マスク２のパターンは、単位レンズの中心から同心円状に階調を変化させたパターンを用いることができるが、その階調の変化は、ポジパターンでは単位レンズの中心から外側に向かって濃度を薄くするように階調を変化させた濃度分布マスク２を用いることで、濃度分布マスク２を介した露光光の強度分布のグラフは、縦軸のスケールの大小を逆にしてあらわした図４（ｂ）のように、単位レンズの領域にわたる３次元的なお椀形（凹状）の湾曲面の光強度分布で露光し、単位レンズの中心ほど厚くレジストを残すことで図１のように単位レンズを凸レンズにしたマイクロレンズアレイ１を形成することができる。あるいは、それとは逆に、ポジパターンでは単位レンズの中心から外側に向か
って濃度を薄くするように階調を変化させたパターンを用いることで、単位レンズを凹レンズにしたマイクロレンズアレイ１を形成することもできる。
As the pattern of the density distribution mask 2, a pattern in which the gradation is changed concentrically from the center of the unit lens can be used. However, in the positive pattern, the change in the gradation is directed outward from the center of the unit lens. By using the density distribution mask 2 in which the gradation is changed so as to reduce the density, the graph of the exposure light intensity distribution through the density distribution mask 2 is expressed by reversing the scale of the vertical axis. As shown in FIG. 4B, exposure is performed with the light intensity distribution of a three-dimensional bowl-shaped (concave) curved surface over the unit lens area, and the resist is made thicker toward the center of the unit lens as shown in FIG. It is possible to form the microlens array 1 in which the unit lens is a convex lens. Or, conversely, in the positive pattern, the microlens array 1 in which the unit lens is a concave lens is formed by using a pattern in which the gradation is changed so that the density decreases from the center of the unit lens toward the outside. You can also.
また、本実施形態は、撮像デバイス１０にマイクロレンズアレイ１を直接形成する製造方法に適用するのみならず、感光性レジスト材料層に濃度分布マスク２のパターンを露光し、それを現像してマイクロアレイレンズアレイ用母型を形成することも可能である。その母型に電鋳技術で金属めっきすることで金型を形成し、その金型をスタンパにして熱可塑性樹脂に金型の形状を転写することで撮像デバイス１０用、又はその他のシステム用の樹脂のマイクロレンズアレイを形成することも可能である。 In addition, the present embodiment is not only applied to a manufacturing method in which the microlens array 1 is directly formed on the imaging device 10, but the pattern of the concentration distribution mask 2 is exposed to the photosensitive resist material layer, and developed to develop the microarray. It is also possible to form a lens array matrix. A metal mold is formed on the mother mold by electroforming technology, and the mold is used as a stamper, and the shape of the mold is transferred to a thermoplastic resin for the imaging device 10 or other system. It is also possible to form a resin microlens array.
１・・・マイクロレンズアレイ
１ｇ、１ｂ、１ｒ・・・（マイクロレンズ）単位レンズ
２・・・濃度分布マスク
３・・・単位レンズの濃度分布パターン
４・・・遮光パターン
４ａ・・・格子点
５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ・・・階調境界円
６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ・・・環状領域
１０・・・撮像デバイス
１１・・・半導体基板
１２・・・受光素子
１３・・・平坦化層
１４・・・カラーフィルター層
１４ｇ、１４ｂ、１４ｒ・・・カラーフィルターの画素
２０・・・感光性レジスト材料層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Micro lens array 1g, 1b, 1r ... (micro lens) Unit lens 2 ... Density distribution mask 3 ... Density distribution pattern 4 of unit lens ... Shading pattern 4a ... Grid point 5, 5a, 5b, 5c, 5d ... gradation boundary circles 6, 6a, 6b, 6c, 6d ... annular region 10 ... imaging device 11 ... semiconductor substrate 12 ... light receiving element 13 ..Flattening layer 14 Color filter layers 14g, 14b, 14r Color filter pixels 20 Photosensitive resist material layer
Claims (4)
前記濃度分布マスクにマイクロレンズアレイを構成する複数の単位レンズの領域を形成し、
個々の前記単位レンズの領域を、各単位レンズの中心からの距離が異なる階調境界円で分割した複数の環状領域に分割し、
前記濃度分布マスクにおける全ての前記単位レンズの領域で、前記単位レンズの中心からの距離が同じ前記環状領域毎に前記環状領域内の遮光パターンを集合させて、該環状領域に係る遮光パターン群を構成し、
単位レンズの中心からの距離が異なる環状領域に係る前記遮光パターン群毎に異なる拡大縮小率で、該遮光パターン群に属する各遮光パターンの設計位置を前記マイクロレンズアレイの中心に関して対称に移動させるシュリンク処理を行い設計することを特徴とする濃度分布マスクの設計方法。 A design method of a density distribution mask configured with a pattern of a set of shading patterns arranged in a staggered pattern on a lattice ,
Forming a region of a plurality of unit lenses constituting a microlens array in the density distribution mask;
Dividing the area of each of the unit lenses, the plurality of annular regions distance is divided by different gradation boundary circle from the center of each unit lens,
For all the unit lens regions in the density distribution mask , the light shielding patterns in the annular region are assembled for each annular region having the same distance from the center of the unit lens , and a light shielding pattern group related to the annular region is obtained. Configure
Shrink that moves the design position of each light-shielding pattern belonging to the light-shielding pattern group symmetrically with respect to the center of the micro-lens array at different enlargement / reduction ratios for the light-shielding pattern groups related to the annular regions having different distances from the center of the unit lens A method for designing a density distribution mask, characterized by performing processing and designing .
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