JP5365353B2 - 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の製造に用いる濃度分布マスクに関する。

ビデオカメラ、ディジタルカメラ、カメラ付き携帯電話など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。画素が微細化すると、画素を構成するＣＣＤ、ＣＭＯＳ等からなる受光素子も微細化する。微細な受光素子への集光効率を高めるため、受光素子の光が入射する面側にマイクロレンズを形成する方法が広く利用されている。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。

このマイクロレンズは、特許文献１では、隣接するマイクロレンズ同士を互いに重複させた曲面を形成するために、濃度分布マスクのパターンを感光性材料層へ露光し現像する工程によって３次元の表面形状をもつ物品を製造する方法が提案されていた。この濃度分布マスクを用いる方法によれば、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、集光性を良くできる効果がある。

特開２００２−２４４２７３号公報

特許文献１の濃度分布マスクにより、単位レンズをＸ方向及びＹ方向に等ピッチで配列したマイクロレンズアレイが製造されていた。しかし、このマイクロレンズアレイの単位レンズのピッチが２μｍ以下で配列される場合に以下のように不具合を生じることがわかった。それは、円形の等濃度線を持つ濃度分布マスクを用いて撮像デバイスの上の感光性材料層に露光すると、光の干渉効果により、撮像デバイス上のポジ型の感光性材料層に露光される光の光量の等高線が円形で無くなり菱形に近い等高線になってしまうことがわかった。そのような光密度で露光してマイクロレンズアレイを製造すると、そのマイクロレンズアレイの単位レンズは球面では無くなる歪みを生じ、その単位レンズの集光能力が低下し性能が悪化する問題があった。

この現象が発生するのは、例えば、凸レンズ状の単位レンズをＸ方向及びＹ方向に等ピッチで配列するマイクロレンズアレイを形成する場合に、ポジ型の感光性材料層に濃度分布マスクのパターンを露光する場合に以下の現象が発生する。すなわち、ポジ型の感光性材料層を露光して凸レンズを形成する場合の結像パターンは、凸レンズの単位レンズの底面まで感光性材料層を掘り込むための露光強度を強くするために、単位レンズの四隅の位置に光量の高い部分があり、その部分に集中した光が、光の干渉効果によりその部分の外側に広がることにより、濃度分布マスクが投影する露光の結像パターンが歪む。

そのため、本発明は、撮像デバイスの基板上にレンズのピッチが２μｍ以下のマイクロレンズアレイを、濃度分布マスクを用いて形成する際に、光の干渉効果による光の結像パターンの歪みを補正した濃度分布マスクを得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、感光性材料層に波長λ（μｍ）の光でパターンを露光・現像して、単位レンズをＸＹ方向に（λ／０．３６５）μｍ以上（２λ／０．３６５）μｍ以下のピッチｄ（μｍ）で格子状に配列したマイクロレンズアレイを形成するために用いる濃度分布マスクであって、前記単位レンズの中心を原点とするＸＹ座標であらわした前記濃度分布マスクの等濃度線の形が、パラメータｋと半径ｒによるスーパー楕円式Ｘ^ｋ ＋Ｙ^ｋ ＝ｒ^ｋであらわされ、前記パラメータｋが２．０５以上で２．４５以下であり、かつ、前記パラメータｋが1.16＋2.93(0.365ｄ/λ)−2.14(0.365ｄ/λ)^２＋0.448(0.365ｄ/λ)^３±0.5の範囲内にあることを特徴とするマイクロレンズアレイ形成用濃度分布マスクである。

単位レンズをＸＹ方向に１μｍ以上２μｍ以下のピッチｄで格子状に配列したマイクロレンズアレイを形成するために、濃度分布マスク２のパターンを波長λが０．３６５μｍの光でポジ型の感光性材料層に露光すると、光の干渉効果により結像パターンに歪みを生じる。本発明の濃度分布マスクは、その等濃度線の形が以下に説明する式３で与えられるパラメータｋによるスーパー楕円式Ｘ^ｋ ＋Ｙ^ｋ ＝ｒ^ｋであらわされるパターンの濃度分布マスクにすることで、波長λの光の干渉効果による結像パターンの歪みを少なくできる効果がある。

（ａ）本発明の第１の実施形態の単位レンズあたりの濃度分布マスクのパターンの等濃度線の平面図である。（ｂ）本発明の第１の実施形態の単位レンズあたりの濃度分布マスクのパターンのＸ方向に沿った光透過率Ｐの分布を示すグラフである。 （ａ）本発明の濃度分布マスクの平面図である。（ｂ）本発明のマイクロレンズアレイを有する撮像デバイスの側断面図である。 本発明の濃度分布マスクにより形成する単位レンズの断面図のシミュレーション結果である。 本発明の第１の実施形態のスーパー楕円のパラメータｋの最適値のレンズのピッチの関数を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明のマイクロレンズアレイ１の単位レンズの領域における濃度分布マスク２の光透過率Ｐ毎の等濃度線をあらわす。ここで、濃度分布マスク２のパターンの寸法は、単位レンズのピッチｄのｎ倍に形成し、その濃度分布マスク２のパターンをｎ分の１に縮小投影してマイクロレンズアレイ１を形成する。図１（ｂ）は、濃度分布マスク２のＸ方向の光透過率Ｐの分布を示す。図２（ａ）は、濃度分布マスク２の平面図（ＸＹ平面）を示し、図２（ｂ）は、その濃度分布マスク２を用いて撮像デバイス上の感光性材料層を露光することで得られるマイクロレンズアレイ１の断面形状を示す。濃度分布マスク２は、図２（ａ）に示すように、単位レンズの濃度分布パターン２ａをＸ方向とＹ方向にレンズピッチｄに対応するｄ×ｎのピッチで配列したパターンを有する。濃度分布マスク２のパターンは、マイクロレンズアレイ１を形成する半導体基板１１上の感光性材料層に投影する寸法が露光に用いる光の波長λの解像度以下の微細な寸法の遮光パターン３の集合で形成する。

ここで、本発明の特徴は、マイクロレンズを作成するための濃度分布マスク２の光透過率Ｐが等しい等濃度線の形状をスーパー楕円式（式１）によって定義する点にある。
（式１） Ｘ^ｋ ＋Ｙ^ｋ ＝ｒ^ｋ
（Ｘ，Ｙ）は、単位レンズの中心を原点にした座標系であらわした単位レンズの部分の位置をあらわし、ｒは等濃度線の半径をあらわし、ｋはスーパー楕円のパラメータをあらわす。濃度分布マスク２のパターンは撮像デバイス１０の感光性材料層に縮小して投影してマイクロレンズアレイ１を製造するので、マイクロレンズアレイ１と濃度分布マスク２の縮尺は異なる。そのため、以降では、説明を簡単にするため、濃度分布マスク２の寸法は、マイクロレンズ１を形成するために縮小投影する寸法に換算して説明する。

この濃度分布マスク２の半径ｒの等濃度線の光透過率Ｐは以下の式２で計算される光透過率Ｐを設定する。
（式２）
Ｐ＝Ｐ１＋(Ｐ０−Ｐ１){ｒｂ−√(ｒｂ^２−ｒ^２)}／{ｒｂ−√(ｒｂ^２−ｒ０^２)}
ここで、Ｐ０は単位レンズの底面の高さを与える光透過率であり、Ｐ１は単位レンズの頂点の高さを与える光透過率であり、ｒｂは単位レンズの曲率半径のｎ倍（ｎは濃度分布マスク２の拡大率である）、ｒ０は単位レンズの底面のＸ方向とＹ方向の半径のｎ倍であり、それはレンズのピッチｄのｎ倍の半分である。この式２の光透過率Ｐを設定することで濃度分布マスク２で露光して形成するマイクロレンズアレイ１の単位レンズの表面を球面に形成することができる。

図１（ａ）は、濃度分布マスク２の光透過率Ｐ毎のＸＹ面（基板面）の等濃度線の形状を、マイクロレンズを基板に配置するＸ方向とＹ方向の単位レンズの底面の半径ｒ０のｎ倍の長さを１とする単位であらわす。ここでｒ０は、レンズのピッチｄ（例えば０．８μｍから２μｍ）の半分のｎ倍である。すなわち、図１（ａ）は、ＸＹ面の等濃度線の形状を、以下の式１のスーパー楕円のパラメータｋの値が２．５のスーパー楕円式（式１）であらわす。

図１（ｂ）は、式２であらわした濃度分布マスク２の光透過率Ｐを縦軸にし、等濃度線の半径ｒを横軸Ｘであらわしたグラフである。この光透過率Ｐの分布は、ポジ型の感光性材料層に露光してレンズを形成するため、単位レンズの立体形状の高さを逆さにした形状になる。ここで、単位レンズの球面の曲率半径ｒｂは１．２５にした。図１（ｂ）のように、単位レンズの底面の高さを与える光透過率Ｐ０の場合には、等濃度線の擬似円形のＸ方向とＹ方向の半径ｒの値は１であり、単位レンズの頂点の高さを与える光透過率Ｐ１では０になる。

図１（ａ）の等濃度線は、式１のスーパー楕円のパラメータｋが２．５の場合の等濃度線をあらわす。スーパー楕円のパラメータｋが２よりも大きいため、この等濃度線の形状は、円形と正方形の中間の形であり円形の４箇所が正方形の四隅に近づくように突出した形状である。濃度分布マスク２の設計装置が、このスーパー楕円式（式１）に基づき、（Ｘｍ，Ｙｎ）座標毎に単位レンズのスーパー楕円の半径ｒを求めて、式２により、その半径ｒが得られる濃度分布マスク２の光透過率値Ｐｍｎを計算する。また、濃度分布マスク２の設計装置が、その光透過率値Ｐｍｎを得る露光用濃度分布マスク２の遮光パターン３の直径Ｄｍｎを計算し、それにより、その寸法の遮光パターン３を有する濃度分布マスク２の設計データを計算する。それにより設計された図２（ａ）のような濃度分布マスク２を製作して、それを用いて以下の製造方法により感光性材料層に露光して現像することで、図２（ｂ）のような撮像デバイス１０のマイクロレンズアレイ１を製造する。すなわち、半導体基板１１の受光素子１２の上の平坦化層１３の上のカラーフィルタ層１４の上に、受光素子１２毎に単位レンズを形成したマイクロレンズアレイ１を形成する。

（マイクロレンズアレイの製造方法）
この濃度分布マスク２を用いて、図２（ｂ）のような、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。例えば、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、正方形で寸法が略０．５μｍ〜略１００μｍの範囲であり、ほぼ０．８μｍ〜略２μｍの画素の複数のＣＭＯＳの撮像デバイス１０が形成された半導体基板１１を用いる。その半導体基板１１の表面に熱硬化型のアクリル系樹脂により略０．１μｍの厚さの平坦化層１３を形成する。次に、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色の画素から成るカラーフィルタ層１４を形成する。次に、カラーフィルタ層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の感光性材料層を略０．７〜１μｍの厚さに形成する。次に、その感光性材料層に、紫外線域の３６５ｎｍの波長の光を用いて、５倍レチクル（ｎ＝５）の濃度分布マスク２のパターンをステッパーで縮小投影する。そのように露光した感光性材料層を現像することでマイクロレンズアレイ１を形成する。最後に、２００℃程度の加熱処理でベークすることで、図２（ｂ）に示すマイクロレンズアレイ１を硬化させる。このようにして、半導体基板１１において、複数の受光素子１２上に平坦化層１３を介し各々の受光素子１２に対応して形成されたカラーフィルタ層１４の各画素上に、頂点の高さが０．６〜１μｍのマイクロレンズアレイ１を形成する。

ここで、撮像デバイスの基板上でレンズのピッチｄが２μｍ以下で配列されるマイクロレンズアレイのパターンを有する濃度分布マスク２を、波長λが３６５ｎｍの光で感光性材料層に縮小投影する際の光の干渉による投影する光量分布に不具合が生じる。その不具合を、スーパー楕円式（式１）であらわされる等濃度線を有する濃度分布マスクによりどの程度補正できるかをシミュレーションで調べた。その結果、以下のように、等濃度線をあらわす式１のスーパー楕円のパラメータｋを、レンズのピッチｄに応じた最適値に設定することで良好に光の干渉効果を補正して良好な光量分布の露光パターンが得られることがわかった。

（シミュレーションで導出したパラメータｋの最適値）
図３は、シミュレーション結果の単位レンズの形を実線であらわし、理想的な球面形状の単位レンズの断面形状を破線で示す。このシミュレーションの条件は、レンズのピッチｄ（単位レンズの底面の直径）が１．６μｍの場合に、濃度分布マスク２の等濃度線を式１のスーパー楕円であらわし、そのパラメータｋの値を２から２．３まで変えた。その濃度分布マスク２のパターンを感光性材料層に波長λが０．３６５μｍの光で露光・現像してマイクロレンズアレイ１を形成する場合の単位レンズの形をシミュレーションで求めた。図３（ａ）は、パラメータｋの値が２の場合の単位レンズの断面を示し、左側の図は、ＸＹ座標で斜め４５度方向に沿った単位レンズの断面の形状を示し、右側の図は、Ｘ方向に沿った単位レンズの断面の形状を示す。図３（ｂ）は、パラメータｋの値が２．２の場合、図３（ｃ）は、パラメータｋの値が２．３の場合を示す。図３から、パラメータｋの値が２．２及び２．３のスーパー楕円の等濃度線を有する濃度分布マスク２で形成する単位レンズの形状は球面に近く歪みが小さい。特に、パラメータｋの値が２．２の場合に、単位レンズの形状が最も球面に近く歪みが小さい。すなわち、レンズのピッチｄが１．６μｍの場合にスーパー楕円のパラメータｋの最適値が２．２であることがわかった。このパラメータｋの濃度分布マスク２のパターンを投影してマイクロレンズアレイ１を製造することで、単位レンズが球面に近く集光性能が良い理想的なマイクロレンズアレイ１を製造することができる効果がある。なお、スーパー楕円のパラメータｋのこの最適値はプラスマイナス０．５程度の幅がある。

更に、レンズのピッチｄを２μｍから１μｍまでの範囲内で変えてシミュレーションし、単位レンズが球面に最も近づき歪みを最も小さくするスーパー楕円のパラメータｋの最適な値をレンズのピッチｄ毎に求めた。それにより得られたスーパー楕円のパラメータｋの最適値を図４に黒丸印で示す。図４から、スーパー楕円のパラメータｋは、レンズのピッチｄが２μｍから１μｍまで小さくなるにつれて２．０５から２．４まで大きくなることがわかった。このパラメータｋの最適値はプラスマイナス０．５程度の幅がある。

図４のグラフは、波長λが３６５ｎｍの場合に限定されず、任意の波長λの光で感光性材料層に露光する場合に、レンズのピッチｄが（λ／０．３６５）λから（２λ／０．３６５）までの範囲での、スーパー楕円のパラメータｋの最適値（２．４から２．０５まで）をあらわすグラフでもある。パラメータｋの値にはプラスマイナス０．５程度の幅があることも加味し、露光する光の波長をλとし、レンズのピッチをｄとするとき、レンズのピッチｄが（λ／０．３６５）λから（２λ／０．３６５）までの範囲での最適なｋ値は、２．０５以上で２．４５以下の値であって、レンズのピッチｄの関数として以下の近似式３であらわされる。
（式３）
ｋ＝1.16＋2.93(0.365ｄ/λ)−2.14(0.365ｄ/λ)^２＋0.448(0.365ｄ/λ)^３±0.5
この近似式３のグラフを図４に実線で示す。

以上で説明したように、単位レンズをＸＹ方向に１μｍ以上２μｍ以下のピッチｄで格子状に配列したマイクロレンズアレイを形成するために、濃度分布マスク２のパターンを波長λが０．３６５μｍの光でポジ型の感光性材料層に露光すると、光の干渉効果により結像パターンに歪みを生じる。それに対して、本実施形態の濃度分布マスクは、その等濃度線の形が以下に説明する式３で与えられるパラメータｋによるスーパー楕円式Ｘ^ｋ ＋Ｙ^ｋ ＝ｒ^ｋであらわされるパターンの濃度分布マスクにすることで、波長λの光の干渉効果による結像パターンの歪みを少なくできる効果がある。

１・・・マイクロレンズアレイ
２・・・濃度分布マスク
２ａ・・・単位レンズの濃度分布パターン
３・・・遮光パターン
１０・・・撮像デバイス
１１・・・半導体基板
１２・・・受光素子
１３・・・平坦化層
１４・・・カラーフィルタ層
Ｐ・・・濃度分布マスクの光透過率
Ｐ０・・・単位レンズの底面の高さを与える光透過率
Ｐ１・・・単位レンズの頂点の高さを与える光透過率
ｄ・・・レンズのピッチ

Claims (1)

1. 感光性材料層に波長λ（μｍ）の光でパターンを露光・現像して、単位レンズをＸＹ方向に（λ／０．３６５）μｍ以上（２λ／０．３６５）μｍ以下のピッチｄ（μｍ）で格子状に配列したマイクロレンズアレイを形成するために用いる濃度分布マスクであって、前記単位レンズの中心を原点とするＸＹ座標であらわした前記濃度分布マスクの等濃度線の形が、パラメータｋと半径ｒによるスーパー楕円式Ｘ^ｋ ＋Ｙ^ｋ ＝ｒ^ｋであらわされ、前記パラメータｋが２．０５以上で２．４５以下であり、かつ、前記パラメータｋが1.16＋2.93(0.365ｄ/λ)−2.14(0.365ｄ/λ)^２＋0.448(0.365ｄ/λ)^３±0.5の範囲内にあることを特徴とするマイクロレンズアレイ形成用濃度分布マスク。

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