JP5391701B2 - 濃度分布マスクとその設計装置及び微小立体形状配列の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液晶パネルに形成する微小立体形状配列、半導体基板などに形成される微小立体形状配列やＭＥＭＳやバイオチップ等の微小立体形状配列を製造するのに適した微小立体形状配列の製造方法に関するものである。特に、撮像デバイスの半導体において、画像を投影されて受光する半導体の各受光素子毎にマイクロレンズ（単位レンズ）の微小立体形状配列を製造する場合や、それらを形成する金型や母型で微小立体形状配列を製造する場合に用いる濃度分布マスクと、その設計装置、及び微小立体形状配列の製造方法に関するものである。

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。画素が微細になると、画素を構成するＣＣＤ、ＣＭＯＳ等からなる受光素子も微細になる。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。

マイクロレンズアレイ等の微小立体形状配列を製造するためには、金型の形状をマイクロレンズ形成用樹脂に転写してマイクロレンズの微小立体形状を製造できる。シリンドリカルレンズアレイのように、金型を製造するために一軸方向への加工のみで十分である特別な形の微小立体形状を形成する場合には、それを形成するために用いる金型は、金属母材の基板表面に所望の断面形状を持った溝を旋盤を用いて切削加工することにより金型を製作することが可能である。しかし、表面を球面に形成するマイクロレンズアレイの場合には、構造が二軸以上の方向に存在するため、旋盤による加工が不可能である。旋盤以外に機械加工の手段がないわけではないが、たとえばエンドミルを使用して単位胞を一個ずつ切削した場合には膨大な時間を要することによるコストの増大以外に、単位胞中心部に加工の中心点が異常形状となって残留するという致命的な欠点が存在する。そこで、これまでに、機械加工を行わずにマイクロレンズアレイ等の微小立体形状配列を製造する方法が開発されてきている。

マイクロレンズアレイ等の微小立体形状配列の製造方法では、熱リフロー方式で製造する方法がある。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。

また、特許文献２には、光学基板の表面にドライエッチングのレジスト用の感光性レジストの層を形成し、この感光性レジスト層に対してマイクロレンズの微小立体形状作成用濃度分布マスクを用いて露光、現像処理を経て、感光性レジストのマイクロレンズの微小立体形状（単位レンズ）として立体的な凸面形状もしくは凹面形状を得、次に感光性レジストと光学基板とに対してドライエッチングにより異方性エッチングを行なうことで感光
性レジストの表面形状を光学基板に彫り写して転写することにより、光学基板の表面に所望のマイクロレンズの微小立体形状を得る技術が開示されている。この方法は、濃度分布マスクのレチクルに微小図形を形成し、その濃度分布マスクのパターンを、その微小図形が解像されない光の波長以下の寸法にステッパーで縮小投影して光学基板の感光性レジストを露光することで露光濃度を分布させる。これにより、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。しかし、特許文献２では、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のでマイクロレンズアレイが稠密には配列されていなかった。

一方、特許文献３には、濃度分布マスクを用いてマイクロレンズアレイを平面に蜂の巣状の六方稠密配列に形成する技術が開示されていた。

特開２００１−０８５６５７号公報 特表平０８−５０４５１５号公報 特開２００５−１１４８６５号公報

特許文献３では、マイクロレンズアレイを、平面上に単位レンズを平面に隙間無く稠密に配列し、単位レンズ毎に、平面方向の方位角が６０度刻みの６方向で隣接する単位レンズと接触させていた。しかし、特許文献３の技術では、濃度分布マスクにおいて、単位レンズ毎に濃度分布マスクの網点にあたる遮光パターンを設置する格子点の位置が、隣接する単位レンズ同士の境界でずれることで、単位レンズの境界における遮光パターンの密度（濃度）が偏る恐れがある問題があった。また、特許文献３の技術では、微小立体形状の配列のＸ方向のピッチとＹ方向のピッチが異なることにより、遮光パターンの配列と微小立体形状の間で特定方向の回折現象による回折模様が発生する恐れがあった。

そのため、本発明は、マイクロレンズアレイ等の微小立体形状配列の濃度分布マスクの遮光パターンの配列を微小立体形状（単位レンズ）の同じパターンを繰り返して配列しても、遮光パターンの分布（濃度）が微小立体形状同士が隣接する境界で偏ることが無く、また、特定方向の回折現象が発生しない濃度分布マスクの製造方法と濃度分布マスクを得、その濃度分布マスクを用いることで回折模様を発生させない微小立体形状配列の製造方法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、ＸＹ平面に複数の微小立体形状を、Ｘ方向のピッチをＸｐにしＹ方向のピッチをＹｐにしてＸｐとＹｐを異ならせて配列して微小立体形状配列を形成する濃度分布マスクにおいて、前記ＸＹ平面にＸ方向のピッチが前記Ｘｐの（Ｘ方向分割数ｎ）分の１で、Ｙ方向のピッチが前記Ｙｐの（Ｙ方向分割数ｍ）分の１の格子点を設定し、前記格子点に、Ｘ方向の寸法がＹ方向の寸法の（Ｘｐ／Ｙｐ）×（ｍ／ｎ）倍の遮光パターンを階調に応じた寸法で形成して設置したものであり、前記微小立体形状同士が前記ＸＹ平面のＸＹ面の一方向（Ｙ方向）で隣接し、Ｙ方向から６０度傾いた方向で隣接するように前記ＸＹ平面に六方稠密に配列し、前記微小立体形状の配列のＹ方向のピッチをＹｐとすると、Ｙ方向に垂直なＸ方向でピッチＸｐをＹｐの√３倍にしたことを特徴とする濃度分布マスクである。

また、本発明は、上記の濃度分布マスクにおいて、上記Ｙ方向分割数ｍが上記Ｘ方向分割数ｎと等しいことを特徴とする濃度分布マスクである。

また、本発明は、上記の濃度分布マスクのパターンを感光性レジスト材料層に露光する工程と、前記感光性レジスト材料層を現像する工程を有することを特徴とする微小立体形状配列の製造方法である。

また、本発明は、ＸＹ平面に複数の微小立体形状を、Ｘ方向のピッチをＸｐにしＹ方向のピッチをＹｐにしてＸｐとＹｐを異ならせて配列して微小立体形状配列を形成するための濃度分布マスクの設計方法において、前記濃度分布マスクの領域を、Ｘ方向のピッチＸｐで分割しＹ方向のピッチＹｐで分割したパターン繰り返し単位領域を計算する手段と、前記パターン繰り返し単位領域のＸ方向の寸法Ｘｐを（Ｘ方向分割数ｎ）分の１に分割し、Ｙ方向の寸法Ｙｐを（Ｙ方向分割数ｍ）分の１に分割した格子を計算し、Ｘ方向の格子線とＹ方向の格子線が交わる格子点の座標を計算する手段と、前記微小立体形状を形成するための感光性レジスト材料層の除去量をシミュレーションで計算する手段と、前記除去量に対応する階調に応じた寸法の前記遮光パターンで、Ｘ方向の寸法がＹ方向の寸法の（Ｘｐ／Ｙｐ）×（ｍ／ｎ）倍の矩形の前記遮光パターンの形状を計算し、前記遮光パターンを前記格子点の座標に設置する濃度分布マスク４の描画データを作成する手段を有するものであり、前記微小立体形状同士を前記ＸＹ平面の一方向（Ｙ方向）でピッチＹｐで隣接させて配列させ、前記微小立体形状同士をＹ方向から６０度傾いた方向で隣接させて六方稠密に配列させ、前記微小立体形状をＹ方向に垂直なＸ方向ではＹｐの√３倍のピッチＸｐで配列させる設計データを計算する手段を有することを特徴とする濃度分布マスクの設計装置である。

また、本発明は、上記の濃度分布マスクの設計装置において、上記Ｙ方向分割数ｍが上記Ｘ方向分割数ｎと等しいことを特徴とする濃度分布マスクの設計装置である。

本発明の微小立体形状配列の製造方法は、微小立体形状同士を平面のＸＹ面の一方向（Ｙ方向）で隣接させ、Ｙ方向から６０度傾いた方向で隣接させることで、微小立体形を平面に稠密に高い密度で配列できる効果がある。それに加え、感光性レジスト材料層に露光してその微小立体形状配列を製造するための濃度分布マスクが、その微小立体形状のＸ方向のピッチをＸ方向の寸法にし、Ｙ方向のピッチをＹ方向の寸法にしたパターン繰り返し単位領域を格子で分割した格子点の位置に、その格子のＸ方向のピッチとＹ方向のピッチに比と同じ比のＸ方向の寸法とＹ方向の寸法を有する矩形の遮光パターンを有することで、濃度分布マスクの遮光パターンが微小立体形状同士が隣接する境界で偏らず、回折模様が形成されることも無く、露光用の光が回折する不具合も生じない効果がある。

本発明の第１の実施形態の微小立体形状配列の等高線をあらわす平面図である。 本発明の濃度分布マスクの微小立体形状毎のパターン繰り返し単位領域における遮光パターンの配列を示す平面図である。 （ａ）本発明の濃度分布マスクを示す平面図である。（ｂ）本発明の製造方法で形成される微小立体形状配列を有する撮像デバイスの概略的な断面図である。 本発明の微小立体形状配列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。 （ａ）本発明の微小立体形状配列のポジ型の濃度分布マスクの濃度分布パターンを示す平面図である。（ｂ）図５（ａ）の濃度分布マスクによる露光量の光強度分布を示す平面図である。（ｃ）図５（ｂ）の各直線に沿った位置の露光量の光強度分布を示すグラフである。

＜第１の実施形態＞
以下、図１によって、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態のマイクロレンズアレイの微小立体形状配列１の高さＺ毎のＸＹ面（基板面）の等高線２の形状を、高さＺの等高線２（Ｚ軸に垂直なＸＹ平面に平行な平面による断面図）であらわす。マイクロレンズアレイの微小立体形状配列１は、単位レンズを成す微小立体形状３を平面のＸＹ面に隙間無く配列し、微小立体形状３同士がＹ方向で隣接し、Ｙ方向から６０度傾いた方向で隣接するようにＸＹ平面に六方稠密に隙間無く配列する。すなわち、この微小立体形状配列１は、図１に示すように、微小立体形状３をＹ方向に、その直径と同じ距離のピッチＹｐで配列し、Ｙ方向に垂直なＸ方向では隣接させず、Ｘ方向ではＹｐの√３倍のピッチＸｐで配列する。図１では、微小立体形状３の底面の位置での等高線２を六角形にする。そして、底面からの高さＺが高くなるにつれて等高線２が六角形から円まで連続的に変化する形に微小立体形状３を形成する。微小立体形状３の形状は、この形に限定されず、例えば等高線２を同心円状にした微小立体形状３を形成しても良い。

本実施形態では、図４の微小立体形状配列１の製造方法に示すように、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、図３（ａ）に示す濃度分布マスク４のパターンを露光し現像する。それにより、図３（ｂ）に示すように、撮像デバイス１０の個々の受光素子１２毎に、平坦化層１３上のカラーフィルタ層１４の各画素上に、個々の単位レンズの微小立体形状３を形成したマイクロレンズアレイの微小立体形状配列１を製造する。個々の微小立体形状３は、平面上の画素の配列の個々のカラーフィルタ層１４の各画素毎に夫々平面視六角形状の微小立体形状３を配置する。

（濃度分布マスク）
微小立体形状配列１の形成用の濃度分布マスク４は、実際に形成するパターンの５倍や４倍や１．２５倍の寸法に拡大して露光用パターンを形成し、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、露光量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４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４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。

本発明の濃度分布マスク４を得るにあたり、先ず、図１に平面図を示すように、個々の微小立体形状３毎に、微小立体形状３の中心の周りの同心の環状の等高線２により微小立体形状３の領域を環状領域５に分割する。環状領域５は、微小立体形状３の中心では円形で、中心以外では、環状領域５は隣接する等高線２に囲まれたドーナツ状の領域である。

（パターン繰り返し単位領域）
図２の平面図に、個々の単位レンズの微小立体形状３を配列してマイクロレンズアレイの微小立体形状配列１を形成する、濃度分布マスク４の、パターン繰り返し単位領域６（ネガ型）を示す。個々の微小立体形状３毎に、同じ遮光パターン７の配列のパターン繰り返し単位領域６のパターンを繰り返して配列して用いる。パターン繰り返し単位領域６は、Ｘ方向の寸法がＸｐであり、Ｙ方向の寸法がＹｐの寸法の領域である。パターン繰り返し単位領域６はＸ方向にピッチＸｐで繰り返して並べ、Ｙ方向にＹｐのピッチで繰り返して並べることで微小立体形状配列１の濃度分布マスク４のパターンの全領域を覆う。微小立体形状３をＹ方向では隣接させて六方稠密に配列する場合は、Ｙ方向に垂直なＸ方向のピッチＸｐはＹ方向のピッチＹｐの√３倍である。図２に示すように、パターン繰り返し単位領域６内に、以下で説明する格子点８の位置に複数の矩形の遮光パターン７を配列する。図２では、点線の交点で格子点８の位置を示す。その格子点８に、矩形の遮光パターン７を千鳥足状に設置して、市松模様の配列を形成する。

（濃度分布マスクの格子点のピッチ）
図２で、遮光パターン７の配置する場所（座標）である格子点８は、平面視で、点線で示す複数本の平行線（微小立体形状３の中心を原点とするＸ軸に平行な複数の点線）と、前記複数本の平行線と各々直交する複数本の点線（微小立体形状３の中心を原点とするＹ軸に平行な複数の線）同士の交差点で示す。格子点８（グリッド）のＸ方向のピッチは、パターン繰り返し単位領域６の、Ｘ方向の寸法Ｘｐを（Ｘ方向の分割数ｎ）分の１のピッチにし、Ｙ方向のピッチは、Ｙ方向の寸法Ｙｐを（Ｙ方向分割数ｍ）分の１のピッチにする。ここで、ｎとｍは整数である。すなわち、格子点８（グリッド）のＹ方向のピッチはＹｐ／ｍ（ｍは整数のＹ方向分割数）にし、Ｘ方向のピッチはそのＹ方向のピッチの（Ｘｐ／Ｙｐ）×（ｍ／ｎ）倍にする。図２では、（Ｙ方向分割数ｍ）＝（Ｘ方向分割数ｎ）にした場合を示す。

（遮光パターンの形）
図２のように、により、パターン繰り返し単位領域６をＸ方向でｎ分割しＹ方向でｍ分割した格子を形成することで、パターン繰り返し単位領域６のＸ方向とＹ方向でのつなぎ目における格子点８の分布がずれずに良く整合して接続する効果がある。これにより、遮光パターン７の配列が偏ることが無い効果がある。また、遮光パターン７の形状は、この格子点８（グリッド）のピッチに合わせて、各遮光パターン７のＸ方向の寸法をＹ方向の寸法の（Ｘｐ／Ｙｐ）×（ｍ／ｎ）倍の矩形に形成する。これにより、隣接する格子点８の遮光パターン７同士のＸ方向の重なりの割合とＹ方向の重なりの割合が同じになる。すなわち、遮光パターン７同士がＸ方向で重なるのと同時にＹ方向でも重なるので、その重なりが方向によって偏らないようにできる。このため、遮光パターン７がＹ方向に一列に接続した線の群の回折格子が形成されることが無く、その回折格子が形成される場合に光がＸ方向に回折される不具合が発生することを防止できる効果がある。つまり、一方向に偏った回折を防ぎ、回折模様の発生を防ぐことができる効果がある。

格子点８（グリッド）のピッチの上限は以下の様に設定する。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とする。図２で点線で示す平行線及び格子点８は、遮光パターン７を配置する座標を決めるために仮に設定しているもので、濃度分布マスク上には存在しないパターンである。

かかるピッチとした格子点８（座標）上に、遮光パターン７を図２の様に互い違いに千鳥足状に配列する。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、遮光パターン７が置かれる格子点８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４には、０．７５μｍのピッチの格子点８上に遮光パターン７を互い違いに千鳥足状に配列したパターンを形成する。この遮光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０．１μｍのピッチの格子点８（グリッド）に遮光パターン７を千鳥足状に設置し、１：１の縮尺の濃度分布マスク４のパターンを形成した濃度分布マスク４を作製し、その濃度分布マスク４の遮光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に投影する露光処理を行うこともできる。こうして露光された感光性レジスト材料層２０を現像することにより、半導体基板１１の個々の受光素子１２毎に微小立体形状３を配列したマイクロレンズアレイの微小立体形状配列１を作製することができる。

（濃度分布マスクの階調）
図１の等高線２で分割した環状領域５毎に、すなわち、微小立体形状３の中心からの距離が異なる円環状の環状領域５毎に指定された階調（グレースケール：濃度）に従って、図２に示すように、寸法（面積）を変えた、格子点８の格子が形成する矩形に相似な遮光パターン７を設置する。すなわち、遮光パターン７のＸ方向の辺の長さを、Ｙ方向の辺の長さの（Ｘｐ／Ｙｐ）×（ｍ／ｎ）倍に形成する。濃度分布マスク４の濃度（階調）は、格子点８に互い違いの千鳥足状に配列された矩形の遮光パターン７の寸法を変えて調整する。すなわち、矩形の遮光パターン７の辺の長さを０から格子点８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７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７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７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７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４の階調を調整する。

図２は微小立体形状配列１の濃度分布マスク４のネガパターンを示すが、マイクロレンズの微小立体形状３の中心に近い環状領域５ほど、個々の遮光パターン７の面積を小さくすることで濃度を薄くするように階調を分布させたネガパターンを形成する。そして、このネガパターンの白黒を反転し図３（ａ）に示すポジ型の濃度分布マスク４を製造する。その濃度分布マスク４を介してポジ型の感光性レジスト材料層２０を露光する。

（濃度分布マスクの設計）
この濃度分布マスク４の設計は、濃度分布マスクの設計装置が以下のように計算して濃度分布マスク４の描画データを作成する。
（１）微小立体形状のＸＹ平面への稠密配列手段
濃度分布マスクの設計装置の稠密配列手段が、以下の処理によって、微小立体形状３同士をＸＹ平面の一方向（Ｙ方向）でピッチＹｐで隣接させて配列させ、Ｙ方向から６０度傾いた方向で隣接させて配列させるようにＸＹ平面に六方稠密に配列し、微小立体形状３をＹ方向に垂直なＸ方向ではＹｐの√３倍のピッチＸｐで配列させて微小立体形状配列１を得る濃度分布マスクのパターンを計算する。
（２）パターン繰り返し単位領域と格子点の設計手段
濃度分布マスクの設計装置の格子点の設計手段が、濃度分布マスク４の領域を、Ｘ方向のピッチＸｐで分割しＹ方向のピッチＹｐで分割したパターン繰り返し単位領域６を計算する。すなわち、パターン繰り返し単位領域６は、Ｘ方向の寸法をＸｐにし、Ｙ方向の寸法をＹｐに計算する。更に、濃度分布マスクの設計装置は、そのパターン繰り返し単位領域６のＸ方向の寸法Ｘｐを（Ｘ方向分割数ｎ）分の１に分割し、Ｙ方向の寸法Ｙｐを（Ｙ方向分割数ｍ）分の１に分割した格子を計算し、Ｘ方向の格子線とＹ方向の格子線が交わる格子点８の座標を計算する。

（３）濃度分布マスクの微小立体形状毎の遮光パターンの設計手段
次に、濃度分布マスクの設計装置の遮光パターンの設計手段が、濃度分布マスク４の格子点８に千鳥足状に遮光パターン７を設置した遮光パターン設置データを計算する。濃度分布マスクの設計装置は、その遮光パターン７の形状を、Ｘ方向の寸法がＹ方向の寸法の（Ｘｐ／Ｙｐ）×（ｍ／ｎ）倍の矩形にし、濃度分布マスク４の濃度（階調）に応じた寸法を計算する。また、濃度分布マスクの設計装置は、格子点８の位置毎に、単位レンズの微小立体形状３を形成するため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する。そして、その除去量に見合った光を濃度分布マスク４が透過する濃度（階調）を有するように、格子点８毎の矩形の遮光パターン７の大きさを計算する。そして、濃度分布マスクの設計装置の描画データ作成手段が、その大きさの矩形の遮光パターン７を所定の格子点８の座標に形成する濃度分布マスク４の描画データを作成する。

（濃度分布マスクの製造手順）
この濃度分布マスク４は、以下の工程で製造する。
（４）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の遮光膜を形成し、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、先に得た描画データに基づいて、電子ビームのベクタービーム描画装置またはレーザー光線による描画装置によって矩形の遮光パターン７を露光して描画する。この描画データは、矩形の遮光パターン７を描画するためデータ量が少なく、高速描画できる効果がある。次に、そのマスク用感光性レジストを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。（５）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にして前記の金属もしくは金属酸化物の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７を各パターン繰り返し単位領域６の格子点８に千鳥足状に設置した濃度分布マスク４のパターンを形成する。
（６）次いで必要に応じ、工程（５）で形成された遮光パターン７を工程（３）で設計された遮光パターン７と比較し、両者が一致するように、濃度分布マスク４の遮光パターン７の寸法を修正する。

（露光強度分布のシミュレーション）
図５に、微小立体形状３の直径が約４．３μｍの微小立体形状配列１の濃度分布マスク４の場合について、感光性レジスト材料層２０に露光する場合の露光量のシミュレーション結果を示す。図５（ａ）に、遮光パターン７を階調の指定に応じて寸法を変えて千鳥足状に設置したポジ型の濃度分布マスク４を示す。図５（ｂ）に、そのポジ型の濃度分布マスク４を用いてポジ型の感光性レジスト材料層２０を露光する場合をシミュレーションした結果の露光の光強度分布の平面図を示す。図５（ｃ）に、図５（ｂ）の０度の直線、９０度の直線、３０度の直線に沿った露光量の光強度分布を縦軸であらわすグラフを示す。図５（ｃ）に示すように、露光量の光強度分布は、微小立体形状３毎に３次元的なお椀形（凹状）の湾曲面の光強度分布が形成された。これにより、ポジ型の感光性レジスト材料層２０を露光し、現像することで凸状の微小立体形状３が平面に六方稠密に配列された微小立体形状配列１が形成される。

なお、ポジ型の濃度分布マスク４は、隣接する微小立体形状３同士の境界線上にその境界線の両側の微小立体形状３にかかるように、スリット（ネガ型の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、微小立体形状３は、端部が中央部に比べ透過率を急激に変えることができ、急激に透過率を高くすることで、この濃度分布マスク４のパターンを感光性レジスト材料層に露光・現像して形成する微小立体形状３の傾斜を端部で大きくできる。特に、微小立体形状３の中心から、（Ｘ軸からの傾きが）０度の方向、６０度の方向、１２０度の方向、１８０度の方向、２４０度の方向、３００度の方向の６方向の隅のパターンを大きく開口して光を多く透過させるパターンで形成した濃度分布マスク４によりポジ型の感光性レジスト材料層２０に露光・現像して形成する各微小立体形状３の表面の曲率は、微小立体形状３の６方向の端部近傍を中央部と同等の球面曲率で形成できる効果がある。

（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４を用いて、図３のように、カラー撮像デバイス１０にマイクロレンズアレイの微小立体形状配列１を製造する方法を、図４を参照し詳細に説明する。先ず、図４（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、六角形状で寸法が略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。

（工程１）
次に、図４（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、図４（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色の画素１４ｇ、１４ｂ、１４ｒから成るカラーフィルタ層１４を形成する。この３色のカラーフィルタ層１４の画素１４ｇ、１４ｂ、１４ｒは、平坦化層１３の上の全面に均一に夫々の色のネガ型あるいはポジ型のカラーレジスト層を順次形成し、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層１４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形成する。

（工程３）
次には、図４（ｄ）に示すように、カラーフィルタ層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４（ｅ）に示すように、感光性レジスト材料層２０を、濃度分布マスク４を用いて、ステッパーで露光することで、それを現像した後に、受光素子１２上のカラーフィルタ層１４の画素１４ｇ、１４ｂ、１４ｒ上に各画素毎に微小立体形状３が形成されるようにする。この各濃度分布マスク４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４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／ｃｍ^２の露光量で照射する。

（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、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／ｃｍ^２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３に示す微小立体形状３を硬化させる。

このようにして、半導体基板１１のマイクロレンズアレイの微小立体形状配列１の領域において、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１４ｇ、１４ｂ、１４ｒ上に、頂点の高さが０．６〜１μｍの微小立体形状３を形成する。

また、濃度分布マスク４のパターンは、微小立体形状３の中心から同心円状の環状領域５毎に階調を変えたパターンを用いることができるが、その階調の変化は、ポジパターンでは微小立体形状３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えた濃度分
布マスク４を用いることで、濃度分布マスク４を介した露光量の光強度分布のグラフは、図５（ｃ）のように微小立体形状３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、微小立体形状の中心ほど厚くレジストを残すことで図３（ｂ）のように微小立体形状３を凸レンズにしたマイクロレンズアレイの微小立体形状配列１を形成することができる。あるいは、それとは逆に、ポジパターンでは微小立体形状３の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えたパターンを用いることで、微小立体形状３を凹レンズにしたマイクロレンズアレイの微小立体形状配列１を製造することもできる。

また、本発明は、微小立体形状３を六方稠密に配列する技術に限定されず、微小立体形状３の配列のＸ方向のピッチＸｐとＹ方向のピッチＹｐが異なる配列一般に適用することができる。更に、遮光パターン７は、Ｘ方向の寸法がＹ方向の寸法の（Ｘｐ／Ｙｐ）×（ｍ／ｎ）倍の遮光パターン７であれば良く、その形は矩形に限定されず、円形や六角形や八角形の遮光パターン７を用いることもできる。

また、本発明は、撮像デバイス１０にマイクロレンズアレイの微小立体形状配列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２０に濃度分布マスク４のパターンを露光し、それを現像してマイクロレンズアレイの微小立体形状配列用母型を形成し、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することもできる。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のマイクロレンズアレイ用、又はその他のシステム用の樹脂の微小立体形状配列１を形成することが可能である。

本発明は、平面に六方稠密に配列したマイクロレンズアレイの微小立体形状配列１形成用の濃度分布マスク４に利用できる。更に、本発明は、微小立体形状３を六方稠密に配列した凹凸パターンから成る光散乱構造の微小立体形状配列１を形成する技術に利用でき、一般的に、微小立体形状３を六方稠密に配列した凹凸パターンの微小立体形状配列１を形成する技術に利用できる。

１・・・微小立体形状配列
２・・・等高線
３・・・微小立体形状
４・・・濃度分布マスク
５・・・環状領域
６・・・パターン繰り返し単位領域
７・・・遮光パターン
８・・・格子点
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
１４ｇ、１４ｂ、１４ｒ・・・カラーフィルタ層の画素
２０・・・感光性レジスト材料層

Claims (5)

1. ＸＹ平面に複数の微小立体形状を、Ｘ方向のピッチをＸｐにしＹ方向のピッチをＹｐにしてＸｐとＹｐを異ならせて配列して微小立体形状配列を形成する濃度分布マスクにおいて、前記ＸＹ平面にＸ方向のピッチが前記Ｘｐの（Ｘ方向分割数ｎ）分の１で、Ｙ方向のピッチが前記Ｙｐの（Ｙ方向分割数ｍ）分の１の格子点を設定し、前記格子点に、Ｘ方向の寸法がＹ方向の寸法の（Ｘｐ／Ｙｐ）×（ｍ／ｎ）倍の遮光パターンを階調に応じた寸法で形成して設置したものであり、前記微小立体形状同士が前記ＸＹ平面のＸＹ面の一方向（Ｙ方向）で隣接し、Ｙ方向から６０度傾いた方向で隣接するように前記ＸＹ平面に六方稠密に配列し、前記微小立体形状の配列のＹ方向のピッチをＹｐとすると、Ｙ方向に垂直なＸ方向でピッチＸｐをＹｐの√３倍にしたことを特徴とする濃度分布マスク。
2. 請求項１記載の濃度分布マスクにおいて、前記Ｙ方向分割数ｍが前記Ｘ方向分割数ｎと等しいことを特徴とする濃度分布マスク。
3. 請求項１記載の濃度分布マスクのパターンを感光性レジスト材料層に露光する工程と、前記感光性レジスト材料層を現像する工程を有することを特徴とする微小立体形状配列の製造方法。
4. ＸＹ平面に複数の微小立体形状を、Ｘ方向のピッチをＸｐにしＹ方向のピッチをＹｐにしてＸｐとＹｐを異ならせて配列して微小立体形状配列を形成するための濃度分布マスクの設計方法において、前記濃度分布マスクの領域を、Ｘ方向のピッチＸｐで分割しＹ方向のピッチＹｐで分割したパターン繰り返し単位領域を計算する手段と、前記パターン繰り返し単位領域のＸ方向の寸法Ｘｐを（Ｘ方向分割数ｎ）分の１に分割し、Ｙ方向の寸法Ｙｐを（Ｙ方向分割数ｍ）分の１に分割した格子を計算し、Ｘ方向の格子線とＹ方向の格子線が交わる格子点の座標を計算する手段と、前記微小立体形状を形成するための感光性レジスト材料層の除去量をシミュレーションで計算する手段と、前記除去量に対応する階調に応じた寸法の前記遮光パターンで、Ｘ方向の寸法がＹ方向の寸法の（Ｘｐ／Ｙｐ）×（ｍ／ｎ）倍の矩形の前記遮光パターンの形状を計算し、前記遮光パターンを前記格子点の座標に設置する濃度分布マスク４の描画データを作成する手段を有するものであり、前記微小立体形状同士を前記ＸＹ平面の一方向（Ｙ方向）でピッチＹｐで隣接させて配列させ、前記微小立体形状同士をＹ方向から６０度傾いた方向で隣接させて六方稠密に配列させ、前記微小立体形状をＹ方向に垂直なＸ方向ではＹｐの√３倍のピッチＸｐで配列させる設計データを計算する手段を有することを特徴とする濃度分布マスクの設計装置。
5. 請求項４記載の濃度分布マスクの設計装置において、前記Ｙ方向分割数ｍが前記Ｘ方向分割数ｎと等しいことを特徴とする濃度分布マスクの設計装置。