JP5286821B2 - マイクロレンズアレイの製造方法及び濃度分布マスク - Google Patents

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やマイクロプリズムアレイの製造や、それらを形成する金型の母型の製造などの、微細構造体配列の製造方法に関する。

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。

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。

そのため、近年、濃度分布マスクにてマイクロレンズを形成する方法が提案されている。すなわち、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、基板上に三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にてマイクロレンズを作成するものである（例えば、特許文献２参照）。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。

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。

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又は矩形状の遮光パターン（ドット）を、段階的に大きさ又は配置位置を変えて形成し、所定の透過量（濃度）を得ている。

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。

また、特許文献３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。

以下に公知文献を記す。
特開２００１−０８５６５７号公報 特開２００２−２４４２７３号公報 特開２００６−０３０５１０号公報

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容易に得られる。被写体から発せられた光を扱えるため撮像デバイスの前面には、コンデンサーレンズなどの集光レンズ系を設ける。集光レンズ系を経由した光が、受光素子を形成した基板に入射する。そのため、基板の各部位に入射する光の角度が異なることになる。そのため、各マイクロレンズに入射する光の角度も異なる。一般的に、基板の中心領域では垂直に光入射し、基板の周辺に向かうにつれ、斜めに光入射するようになる。各マイクロレンズが同一形状であったり、頂点の位置が同じであった場合、各マイクロレンズに入射する光の角度が異なるので、各マイクロレンズの集光性に相違が生じる。その結果、画像にムラが生じる。そのため、各マイクロレンズの頂点の位置を変え、例えば、各マイクロレンズの頂点を結ぶことで得られる仮想的な面である頂点面を湾曲させたマイクロレンズアレイとすることが要求される。マイクロレンズの各単位レンズの頂点を結ぶことで得られる頂点面を湾曲させたマイクロレンズアレイを形成する場合に、個々のマイクロレンズ毎にレンズ性能の確認と濃度分布マスクの個々の遮光パターンの補正を行うのでその作業に多くの時間を要する問題があった。

本発明は、この問題点を解決し、マイクロレンズアレイやマイクロプリズムアレイ等の微細構造体配列の形成用の濃度分布マスクの製造コストを低減した微細構造体配列の製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、１枚のレチクルに、１台の撮像デバイスのマイクロレンズアレイ用の第１の濃度分布マスクのパターンと、前記マイクロレンズアレイ用の第２の濃度分布マスクのパターンとを１台の撮像デバイスの領域分ずらして形成した複合パターンを有する濃度分布マスクを用い、前記第１の濃度分布マスクのパターンが、前記マイクロレンズアレイの個々単位レンズ毎に同心円状に階調を変化させたパターンであり、前記第２の濃度分布マスクのパターンが、１台の撮像デバイス用のマイクロレンズアレイの領域において中心から周辺まで同心円状に階調を変化させたパターンであり、前記撮像デバイスを複数形成する半導体基板上の感光性レジスト材料層へ、前記複合パターンを有する濃度分布マスクのパターンを露光して潜像を形成し、次に、前記複合パターンを有する濃度分布マスクの露光位置を１台の撮像デバイスの領域分ずらしつつ順次に前記感光性レジスト材料層へ露光することで、前記感光性レジスト材料層に各撮像デバイス用の領域毎に第１の濃度分布マスクのパターンの露光による潜像と第２の濃度分布マスクのパターンの露光による潜像を重ねたマイクロレンズアレイ用の潜像を形成し、次に、前記感光性レジスト材料層を現像することで１台の撮像デバイス毎のマイクロレンズアレイを、前記単位レンズの頂点を結んだ頂点面を湾曲させて形成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。

また、本発明は、１枚のレチクルに、１台の撮像デバイスのマイクロレンズアレイ用の第１の濃度分布マスクのパターンと、前記マイクロレンズアレイ用の第２の濃度分布マスクのパターンとを１台の撮像デバイスの領域分ずらして形成した複合パターンを有し、前記複合パターンの前記第１の濃度分布マスクのパターンが、前記マイクロレンズアレイの個々単位レンズ毎に同心円状に階調を変化させたパターンであり、前記第２の濃度分布マスクのパターンが、１台の撮像デバイス用のマイクロレンズアレイの領域において中心か
ら周辺まで同心円状に階調を変化させたパターンであることを特徴とする濃度分布マスクである。

本発明の製造方法で形成するマイクロレンズアレイは以上のように第１の濃度分布マスクの露光と第２のマスクの露光を重ねて行うことで、濃度分布マスクの製造コストを低減しマイクロレンズアレイの製造コストを低減する効果がある。

本実施形態では、図１に示すように、受光素子１２を形成した半導体基板１１上に塗布した感光性レジスト材料層２０に濃度分布マスクのパターンを露光し現像することで、個々の受光素子１２に対応して形成したカラーフィルターの画素１４ｒ、１４ｇ、１４ｂ上に各々マイクロレンズ（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。マイクロレンズアレイ１は、第１の濃度分布マスク２および第２の濃度分布マスク３との２種類の濃度分布マスクによる露光を重ねて行うことで製造し、それらの濃度分布マスクは、図２に示すような矩形の遮光パターン４を市松模様に並べて形成する。すなわち、本実施形態は、図３に示す、個々の単位レンズ形成用の第１の濃度分布マスク２と、図４に示す、単位レンズの頂点を結ぶことで得られる仮想面としての頂点面を湾曲させるための湾曲形成用の第２の濃度分布マスク３との２種類の濃度分布マスクを用いる。すなわち、第１の濃度分布マスク２により、感光性レジスト材料層２０に個々の単位レンズの濃度分布パターン２ａを露光し、更に重ねて、湾曲形成用の第２の濃度分布マスク３のパターンを露光する。そして、その感光性レジスト材料層２０を現像することにより、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上に夫々略矩形状の個々単位レンズを配置し、かつ、撮像デバイス１０の単位レンズの配列の各単位レンズの頂点を結ぶことで得られる仮想面としての頂点面を湾曲させたマイクロレンズアレイ１を形成する。

（濃度分布マスクの遮光パターン）
マイクロレンズアレイ１を形成するための第１の濃度分布マスク２及び第２の濃度分布マスク３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及び３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しても良い。

図２に、本実施形態のマイクロレンズアレイ１を形成する際に用いる第１の濃度分布マ
スク２のパターンの一部を平面図で示す。すなわち、図２には、単位レンズを形成するための濃度分布パターン２ａを９個配置した部分を示す。図２（ａ）はネガ型の第１の濃度分布マスク２を示し、図２（ｂ）はポジ型の第１の濃度分布マスク２を示す。すなわち、マイクロレンズアレイ１形成用の第１の濃度分布マスク２は、図２中の２ａで囲まれた領域中の複数の矩形の遮光パターン４で１個の単位レンズを形成する。遮光パターン４は、図２（ａ）のネガ型の第１の濃度分布マスク２において光を遮る矩形の点（ドット）状のパターンである。

この濃度分布マスクのパターンは、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。いずれにしても、遮光パターン４、もしくは、遮光パターン４で囲まれる開口部の大きさは、感光性レジスト材料層２０で解像しないよう、露光装置の解像性能、レジストの解像特性、現像条件などを考慮して決めることが望ましい。

濃度分布マスクの濃度（階調）は、グリッド上に互い違いに千鳥状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の辺の長さがそれより大きい場合は、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第１の濃度分布マスク２及び第２の濃度分布マスク３の階調を調整する。

そして、個々の単位レンズ形成用のネガ型の第１の濃度分布マスク２は、図２（ａ）のように、単位レンズ毎に同心円状に階調（グレースケール）を順次変化させる。同心円状に変化させる階調は、受光素子１２の中心位置を中心とした同心円状に変化させ、その同心円の中心に近づくほど個々の遮光パターン４の面積を小さくして、その結果として受光素子１２の中心位置に近づくほど光の透過率を上げる。このネガ型の第１の濃度分布マスク２でネガ型の感光性レジスト材料層２０を露光することで、単位レンズの中心ほど厚くレジストを残すことで凸状の単位レンズを形成する。なお、ポジ型の感光性レジスト材料層２０を使用しても構わず、その場合、ポジ型の第１の濃度分布マスク２は、図２（ｂ）のように、図２（ａ）のパターンの白黒を逆にしたパターンを用いる。また、第２の濃度分布マスク３は、前述したように、マイクロレンズアレイ１の各単位レンズの頂点を結ぶことで得られる仮想面としての頂点面を曲面に形成する。

このような、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濃度分布マスクは、以下の工程で製造する。
（１）マイクロレンズアレイ１を製作するために、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。
（２）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、濃度分布マスクに形成された遮光パターン４の寸法を修正する。

（第１の濃度分布マスク）
マイクロレンズアレイ１を形成するのにポジ型の感光性レジスト材料層２０を用いるときの第１の濃度分布マスク２の平面図を図３（ａ）に示す。第１の濃度分布マスク２は、合成石英ガラス基板からなる透明基板上にマイクロレンズの個々の単位レンズの濃度分布パターン２ａを形成し、単位レンズ毎に同心円状の階調を順次変化させるように形成した濃度分布マスクである。第１の濃度分布マスク２は、その露光に重ねて第２の濃度分布マスク３で露光する用途に合わせて、通常のマイクロレンズアレイ１形成用の濃度分布マスクよりも透過光量を低くしたパターンを形成したマスクを用いることが可能である。また、露光量を弱くして、通常のマイクロレンズアレイ１形成用の濃度分布マスクと同等の第１の濃度分布マスク２と第２の濃度分布マスク３の露光を重ねて行うことも可能である。

また、前述したように、ポジ型感光性レジスト材料層２０を露光する図２（ｂ）のポジ型の第１の濃度分布マスク２の部分の５×５個の単位レンズの領域を図３（ａ）に示す。なお、ポジ型の第１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２ａ同士の境界線上に両単位レンズの濃度分布パターン２ａにかかるように、スリット（ネガ型のマスクの場合は帯状遮光部）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２ａの中央に比べ、単位レンズの濃度分布パターン２ａの端部近傍では第１の濃度分布マスク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２ａ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。図３（ｂ）に、ポジ型の第１の濃度分布マスク２でポジ型感光性レジスト材料層２０を露光する際に、図３（ａ）のＡ−Ａ'部を通過し、感光性レジスト材料層２０に照射される光の強度分布の例を示す。

（第２の濃度分布マスク）
マイクロレンズアレイ１の単位レンズの頂点を結んで得られる仮想面である頂点面を湾曲させるための湾曲形成用のポジ型の第２の濃度分布マスク３の平面図を図４（ａ）に示す。第２の濃度分布マスク３は、マイクロレンズを形成する領域を覆うようマイクロレンズアレイ１の領域に渡り、同心円状に階調（グレースケール）を順次変化させる。すなわち、第２の濃度分布マスク３は、半導体基板１１の個々の撮像デバイス１０のマイクロレンズアレイの領域の中心からその領域の周辺まで同心円状に階調を変化させることで、各単位レンズの頂点を結ぶことで得られる仮想面としての頂点面を湾曲させる。図４（ｂ）に、湾曲形成用のポジ型の第２の濃度分布マスク３でポジ型感光性レジスト材料層２０を露光する際に、図４（ａ）のＢ−Ｂ'部を通過し、感光性レジスト材料層２０に照射される光の強度分布の例を示す。すなわち、基板上の感光性レジスト材料層２０には、それへ
の露光光の光強度分布のグラフが３次元的に湾曲した裾野を有する山状となった湾曲面を成す光強度分布の光が照射される。

半導体基板１１上に形成したポジ型の感光性レジスト材料層２０を第１の濃度分布マスク２で露光することで単位レンズの配列であるマイクロレンズアレイ１を形成する潜像を形成する。更に、その感光性レジスト材料層２０に重ねて、マイクロレンズアレイ１の領域の中心から領域の端まで同心円状に階調を変化させた第２の濃度分布マスク３のパターンを露光し、現像を行う。これにより単位レンズは、あたかも湾曲した裾野の上に逐次形成されることになる。各単位レンズの頂点は裾野の湾曲に応じた高低差を有することになる。そして、個々の撮像デバイス１０毎の各単位レンズの頂点を結ぶことで得られる仮想面としての頂点面は湾曲面となる。その２回の重ね露光を行うために、図５（ａ）のように、１枚のレチクルに、１台の撮像デバイス１０用の、第１の濃度分布マスク２のパターンと第２の濃度分布マスク３のパターンとを横に併置した複合マスク５を用意する。そして、図５（ｂ）のように、その複合マスク５で、半導体基板１１の感光性レジスト材料層２０へ、第１の濃度分布マスク２のパターンと第２の濃度分布マスク３のパターンとを同時に露光し、次に、その複合マスク５の露光位置を複合マスク５の半分だけ、すなわち、１台の撮像デバイス１０の領域分（マイクロレンズアレイ１の領域）の１区画分ずらし露光する。こうすることで、感光性レジスト材料層２０へ第１の濃度分布マスク２の露光と第２の濃度分布マスク３による露光が重ねて行われる。この方法は、一台分の撮像デバイスに使用される基板を１枚の大きな基板上に面付けして形成するのに有利である。

その重ね露光により、基板に照射される光の光強度の分布の平面図を図６（ａ）に示す。なお、説明の都合上、図６（ａ）は５×５個の単位レンズでマイクロレンズアレイ１を構成するものとしている。さらに、図６（ａ）では、面への露光の強度が弱い程黒く表示した。図６（ｂ）に、ポジ型の感光性レジスト材料層２０に第１の濃度分布マスク２による露光と、頂点面の湾曲形成用のポジ型の第２の濃度分布マスク３による露光を重ねて行った際に、図６（ａ）のＣ−Ｃ'部において多重露光で累積された露光量の強度分布をグラフで示す。この露光強度分布でポジ型感光性レジスト材料層２０を露光し、それを現像することで図１に示すマイクロレンズアレイ１が得られる。なお、この重ね露光は、第２の濃度分布マスク３による露光を先に行い次に第１の濃度分布マスク２で露光するように露光の順番を逆にしても良い。

（マイクロレンズアレイの製造方法）
以下、この第１の濃度分布マスク２と第２の濃度分布マスク３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７と図１を参照し詳細に説明する。先ず、図７（ａ）に示すように、複数のＣＭＯＳタイプの受光素子１２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の画素の領域が形成された撮像デバイス１０となる。なお、基板上には一台分の撮像デバイス１０に使用される基板が面付けして形成されているが、説明の都合上、図７（ａ）から図７（ｅ）ではその一部を示している。

（工程１）
次に、図７（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７（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
た個々の画素領域として、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。

（工程３）
次には、図７（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。

（工程４）
次に、図７（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で露光する。

その際に用いる各濃度分布マスクは、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る。図５（ａ）のように、１台の撮像デバイス１０の領域分（マイクロレンズアレイ１の領域）の第１の濃度分布マスク２のパターンと、同じく１台の撮像デバイス１０の領域分の第２の濃度分布マスク３のパターンとを１枚のレチクルに併置した複合マスク５を用意する。あるいは、独立した第１の濃度分布マスク２と第２の濃度分布マスク３を併置した複合マスク５を用いても良い。

この第１の濃度分布マスク２は、図３に示すように単位レンズ毎に同心円状に階調を変化させた濃度分布マスクである。また、第２の濃度分布マスク３は、図４に示すようにマイクロレンズアレイ１の半導体基板１１の個々の撮像デバイス１０の領域の中心からその領域の周辺まで同心円状に階調を変化させた濃度分布マスクである。

このように第１の濃度分布マスク２のパターンと第２の濃度分布マスク３のパターンとが併置された複合マスク５を用いて、１台のステッパーにより、以下の手順で露光する。すなわち、ステッパーにより、図５（ａ）の複数のパターンが併置された複合マスク５により、半導体基板１１の領域（１）の感光性レジスト材料層２０の表面に複合マスクのパターンを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。これにより、第１の濃度分布マスク２のパターンを領域（Ａ）に投影する。次に、その複合マスク５の露光位置を、複合マスク５の領域の半分、すなわち、１台の撮像デバイス１０の領域（マイクロレンズアレイ１）の１区画分右にずらして領域（２）に露光する。これにより、第１の濃度分布マスク２のパターンを領域（Ｂ）に投影し、また、第２の濃度分布マスク３のパターンを領域（Ａ）に投影する。こうして、領域（Ａ）には、先の露光による第１の濃度分布マスク２の露光と、二度目の露光による第２の濃度分布マスク３の露光が重ねて行われる。次に、その複合マスク５の露光位置を更に右に１区画分ずらした領域（３）に露光し、第１の濃度分布マスク２のパターンを領域（Ｃ）に投影し、また、第２の濃度分布マスク３のパターンを領域（Ｂ）に投影する。この手順を繰り返すことで、先に第１の濃度分布マスク２のパターンを露光した感光性レ
ジスト材料層２０に重ねて、第２の濃度分布マスク３のパターンを露光し、同時に新たな感光性レジスト材料層２０上に第１の濃度分布マスク２のパターンを新たに露光する。こうして、半導体基板１１上に第１の濃度分布マスク２のパターンに重ねて、第２の濃度分布マスク３のパターンを露光し、露光を重ね合わせた露光強度分布で感光性レジスト材料層２０を露光する。これにより、一枚の大きな基板上に一台分の撮像デバイス１０に使用する基板を複数面付けして露光することができる。

（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、図１のように、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単位レンズ１ｇ、１ｂ、１ｒを硬化させる。

このようにして、半導体基板１１の各撮像デバイス１０の領域（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。
（工程７）
その後、複数の基板が面付けして形成された基板に断裁を行い、個々の基板への分離を行う。

この実施形態の第１及び第２の濃度分布マスク２及び３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のパターンを形成したが、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。また、本実施形態の、１台の撮像デバイス１０の領域分（マイクロレンズアレイ１の領域）の第１の濃度分布マスク２のパターンと第２の濃度分布マスク３のパターンとを併置した複合マスク５において、第２の濃度分布マスク３のパターンの代わりにハーフトーンマスクのパターンにしたマスクを用いることもできる。更に、本実施形態の、１台の撮像デバイス１０の領域分の第１の濃度分布マスク２のパターンと第２の濃度分布マスク３のパターンとを併置した複合マスク５に、もう１つのマスクのパターンを加えて併置し、その３つのマスクのパターンから成る複合マスク５のパターンを感光性レジスト材料層２０へ露光することもできる。その複合マスクの露光位置は、その複合マスク５の領域の３分の１づつずらして３回重ねて露光する。３つ目のマスクとしては、ハーフトーンマスクやバイナリマスクも用いることができる。特に、３つ目のマスクとして、単位レンズの濃度分布パターン２ａの四隅に強い光を露光するバイナリマスクを用いると、マイクロレンズアレイ１の単位レンズの端部（エッジ）の傾斜を急（シャープ）に形成できる効果がある。

また、第２の濃度分布マスク３のパターンは、撮像デバイス１０のマイクロレンズアレイ１を形成する領域の中心から対称な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。ポジ型の第２の濃度分布マスク３の場合、その階調の変化はその領域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、第２の濃度分布マスク３を介した露光光の強度分布のグラフはマイクロレンズアレイ１の領域
にわたる３次元的な山形（凸状）の湾曲面の光強度分布で露光し、出来上がった各単位レンズの頂点を結んだ頂点面を凹面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。すなわち、第２の濃度分布マスク３を介したパターン露光によって得られる、単位レンズが乗る下地の形状を３次元的に湾曲した椀状（凹状）にする。あるいは逆に、中心から外側に向かって濃度を濃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、第２の濃度分布マスク３を介した露光光の強度分布のグラフはマイクロレンズアレイ１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、出来上がった各単位レンズの頂点を結んで形成する頂点面を凸面にしたマイクロレンズアレイ１も形成できる。すなわち、単位レンズによって集光される光の集光方向の仕様によっては、第２の濃度分布マスク３を介したパターン露光によって得られる、単位レンズが乗る下地の形状を３次元的な山状（凸状）としても構わない。

なお、マスクをネガ型とした場合は、濃度の変化を逆にすることで、同様に凹面、凸面となったマイクロレンズアレイを形成できる。また、第２の濃度分布マスク３の階調の変化を、マイクロレンズアレイ１の領域である撮像デバイス１０の領域の中心からずらした位置を中心としてマイクロレンズアレイ１を形成することも可能であり、また、等階調部分の形状を円形にすることも楕円形にすることも可能であり、等階調部分の形状をその他の任意の形状にしたパターンを用いることも可能である。

第１の濃度分布マスク２についても、単位レンズを凸レンズに形成するように階調を変化させたパターン以外に、単位レンズを凹レンズに形成するように階調を変化させたパターンを用いることも可能である。また、第１の濃度分布マスク２の等階調部分の形状を八角形や矩形や楕円形にすることも可能である。あるいは、第２の濃度分布マスク３の露光による湾曲した裾野の上に第１の濃度分布マスク２の露光を重ねてマイクロレンズを形成することでマイクロレンズの形に歪みが発生することもあり得る。そのマイクロレンズの形の歪みを補正するべく、第１の濃度分布マスク２を、その単位レンズの中心の周囲の階調をレンズの中心に対して非対称になるように形成しても良い。

撮像デバイス１０の上方に形成するマイクロプリズムアレイの製造方法においても、第１の濃度分布マスク２の露光と第２の濃度分布マスク３の露光を重ねて行うことでマイクロプリズムアレイを形成することができる。すなわち、撮像デバイス１０の上方に設置する透明基板上に、撮像デバイス１０の各受光素子１２に対応して単位プリズムを形成したマイクロプリズムの配列を透明基板上に形成することができる。その透明基板上に感光性レジスト材料層２０を形成し、それに、図５（ａ）のように、１つのレチクルに、単位プリズムの配列を形成する第１の濃度分布マスク２と、撮像デバイス１０中の位置に応じて単位プリズムの形状を変えるように撮像デバイス１０の領域の位置により階調を変えた第２の濃度分布マスク３を併設した複合マスク５を用いて、図５（ｂ）のように、ステッパーで複合マスク５のパターンを位置をずらしつつ重ねて露光することで撮像デバイス１０用のマイクロプリズムアレイを形成することができる。

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やマイクロプリズムアレイ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第１の濃度分布マスク２のパターンの露光に重ねて、第２の濃度分布マスク３のパターンの露光を行い、それを現像して得られたものをマイクロアレイレンズアレイ用母型やマイクロプリズムアレイ用母型として用いることも可能である。また、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微細構造体の配列を形成することも可能である。

本発明の製造方法で形成されるマイクロレンズアレイの概略的な断面図である。 本発明のマイクロレンズアレイの個々の単位レンズ形成用の第１の濃度分布マスクの９個のマイクロレンズの部分を示す平面図である。（ａ）ネガ型の第１の濃度分布マスクである。（ｂ）ポジ型の第１の濃度分布マスクである。 （ａ）本発明のマイクロレンズアレイの個々の単位レンズ形成用の（ポジ型の）第１の濃度分布マスクの一部分の平面図である。（ｂ）本発明の第１の濃度分布マスクのＡ−Ａ'部の露光強度を示すグラフである。 （ａ）本発明のマイクロレンズアレイの単位レンズの頂点を結ぶことで得られる仮想面としての頂点面を湾曲させるための湾曲形成用の（ポジ型の）第２の濃度分布マスクの平面図である。（ｂ）本発明の第２の濃度分布マスクのＢ−Ｂ'部の露光強度を示すグラフである。 （ａ）本発明の第１の濃度分布マスクのパターンと第２の濃度分布マスクのパターンが併置された複合マスクの概略平面図である。（ｂ）本発明の複合マスクにより半導体基板上の感光性レジスト材料層に露光する手順を示す平面図である。 （ａ）本発明のマイクロレンズアレイ形成用の第１濃度分布マスクによる露光に重ねて、第２濃度分布マスクによる露光を行った累積露光強度の分布を示す平面図である。（ｂ）本発明の第１の濃度分布マスクによる露光に重ねて、第２の濃度分布マスクによる露光を行った累積露光のＣ−Ｃ'部の露光強度を示すグラフである。 本発明のマイクロレンズアレイの製造工程を示す半導体基板の概略的な縦断面図である。

符号の説明

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・・・（個々の単位レンズ形成用の）第１の濃度分布マスク
２ａ・・・単位レンズの濃度分布パターン
３・・・湾曲形成用の（ポジ型の）第２の濃度分布マスク
４・・・遮光パターン
５・・・複合マスク
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

Claims (2)

1. １枚のレチクルに、１台の撮像デバイスのマイクロレンズアレイ用の第１の濃度分布マスクのパターンと、前記マイクロレンズアレイ用の第２の濃度分布マスクのパターンとを１台の撮像デバイスの領域分ずらして形成した複合パターンを有する濃度分布マスクを用い、
   前記第１の濃度分布マスクのパターンが、前記マイクロレンズアレイの個々単位レンズ毎に同心円状に階調を変化させたパターンであり、
   前記第２の濃度分布マスクのパターンが、１台の撮像デバイス用のマイクロレンズアレイの領域において中心から周辺まで同心円状に階調を変化させたパターンであり、
   前記撮像デバイスを複数形成する半導体基板上の感光性レジスト材料層へ、前記複合パターンを有する濃度分布マスクのパターンを露光して潜像を形成し、
   次に、前記複合パターンを有する濃度分布マスクの露光位置を１台の撮像デバイスの領域分ずらしつつ順次に前記感光性レジスト材料層へ露光することで、前記感光性レジスト材料層に各撮像デバイス用の領域毎に第１の濃度分布マスクのパターンの露光による潜像と第２の濃度分布マスクのパターンの露光による潜像を重ねたマイクロレンズアレイ用の潜像を形成し、
   次に、前記感光性レジスト材料層を現像することで１台の撮像デバイス毎のマイクロレンズアレイを、前記単位レンズの頂点を結んだ頂点面を湾曲させて形成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。
2. １枚のレチクルに、１台の撮像デバイスのマイクロレンズアレイ用の第１の濃度分布マスクのパターンと、前記マイクロレンズアレイ用の第２の濃度分布マスクのパターンとを１台の撮像デバイスの領域分ずらして形成した複合パターンを有し、前記複合パターンの前記第１の濃度分布マスクのパターンが、前記マイクロレンズアレイの個々単位レンズ毎に同心円状に階調を変化させたパターンであり、前記第２の濃度分布マスクのパターンが、１台の撮像デバイス用のマイクロレンズアレイの領域において中心から周辺まで同心円状に階調を変化させたパターンであることを特徴とする濃度分布マスク。