JP6816717B2 - イメージセンサおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、イメージセンサに関する技術であり、Ｃ−ＭＯＳやＣＣＤ等の光電変換素子上に形成されるマイクロレンズに特徴を有する技術である。
昨今では、カメラモジュールの小型・薄型化を目的に、ウェハプロセスにて作製できるモジュール構造が提案されている（特許文献１〜５参照）。イメージセンサが形成された半導体基板（シリコンウェハ）には、その上面の光電変換素子面に、色分解用の色分解フィルタ（カラーフィルタ）や集光用のマイクロレンズを各画素に作りこんでいる。
光電変換素子にて得られる画像情報の電気信号は、半導体基板に形成される貫通孔内に充填もしくはその内壁を被覆する導電物質により半導体基板の裏面に導かれ、パターン化された絶縁層と導電層によって、例えばボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）方式による接続端子にて外部回路基板との接続が可能となっている。
光電変換素子にて得られる画像情報の電気信号は、半導体基板に形成される貫通孔内に充填もしくはその内壁を被覆する導電物質により半導体基板の裏面に導かれ、パターン化された絶縁層と導電層によって、例えばボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）方式による接続端子にて外部回路基板との接続が可能となっている。
カメラモジュールは、直径２０〜３０ｃｍの半導体基板の加工プロセスに、同じく直径２０〜３０ｃｍのガラス板の加工プロセスを組み合わせて、ウェハプロセスにて作製され、位置合わせをして積層された後、最終的にダイシング工程にて個々に断裁されて１個のカメラモジュールとなる。
一般に携帯電話に装着されるカメラである場合、カメラモジュールにおける半導体基板の大きさは、０．３ｍｍ角程度であるから、直径２０ｃｍの一枚のウェハから３，５００〜４，３００個程度形成することが可能である。
マイクロレンズは、光電変換素子への集光効率を向上させるため、レンズ間ギャップを０に近づける必要がある。またマイクロレンズの表面を平滑とすることで、集光効率を向上させることができる。
一般に携帯電話に装着されるカメラである場合、カメラモジュールにおける半導体基板の大きさは、０．３ｍｍ角程度であるから、直径２０ｃｍの一枚のウェハから３，５００〜４，３００個程度形成することが可能である。
マイクロレンズは、光電変換素子への集光効率を向上させるため、レンズ間ギャップを０に近づける必要がある。またマイクロレンズの表面を平滑とすることで、集光効率を向上させることができる。
マイクロレンズをエッチング転写法により形成する場合、レンズ表面が荒れてしまい、集光効率が落ちやすい問題がある。一方、マイクロレンズをフォトリソグラフィ法により形成する場合、マイクロレンズ表面は滑らかになるが、隣り合うマイクロレンズ間の隙間が埋まってしまい、集光効率が落ちやすい問題がある。
本発明は、マイクロレンズの表面の平滑性と、隣り合うマイクロレンズ間の隙間保持を両立したイメージセンサの提供を目的とする。
本発明は、マイクロレンズの表面の平滑性と、隣り合うマイクロレンズ間の隙間保持を両立したイメージセンサの提供を目的とする。
課題を解決するため、本発明の一態様のイメージセンサは、半導体基板に形成された光電変換素子上に、色分解フィルタとマイクロレンズとをこの順に積層したイメージセンサであって、上記マイクロレンズは、上記積層方向に沿って、色分解フィルタ側のマイクロレンズ下層と、そのマイクロレンズ下層の上に形成されたマイクロレンズ上層の２層構造となっており、上記マイクロレンズ下層は、柱状若しくは錐台状の形状であり、上記マイクロレンズ上層は、半球状の形状であることを特徴とする。
また、本発明の一態様のイメージセンサの製造方法は、半導体基板に形成された光電変換素子上に、色分解フィルタとマイクロレンズとをこの順に積層したイメージセンサの製造方法であって、上記マイクロレンズは、上記積層方向に沿って上下２層で形成され、上記マイクロレンズの下層であるマイクロレンズ下層をエッチング転写法で形成した後に、上記マイクロレンズの上層であるマイクロレンズ上層をフォトリソグラフィ法により形成することを特徴とする。
本発明の態様のイメージセンサによれば、マイクロレンズについて、レンズ間において、レンズ下部に谷間が形成されると共に、レンズ上部に平滑曲面が形成し易くなる。例えば、エッチング転写法でレンズ下部の谷間を形成し、フォトリソグラフィ法でレンズ上部の平滑曲面を形成する。
この結果、本発明の一態様によれば、マイクロレンズの表面の平滑性と、隣り合うマイクロレンズ間の隙間保持を両立したイメージセンサを提供することが出来る。
このため、本発明の態様によれば、高精細なマイクロレンズであっても、集光効率の向上を効果的に行うことが出来る。
この結果、本発明の一態様によれば、マイクロレンズの表面の平滑性と、隣り合うマイクロレンズ間の隙間保持を両立したイメージセンサを提供することが出来る。
このため、本発明の態様によれば、高精細なマイクロレンズであっても、集光効率の向上を効果的に行うことが出来る。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
ここで、図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なる。
また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造等が下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
ここで、図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なる。
また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造等が下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
本実施形態のイメージセンサは、図１の模式図に示すように、半導体基板３に、複数の光電変換素子（不図示）が配置されると共に、色分解用のカラーフィルタである色分解フィルタ２や集光用マイクロレンズ１が単位となる光電変換素子毎に形成されている。
ここで、本明細書では、半導体基板３、光電変換素子、色分解フィルタ２、マイクロレンズ１までをイメージセンサと指称する。
ここで、本明細書では、半導体基板３、光電変換素子、色分解フィルタ２、マイクロレンズ１までをイメージセンサと指称する。
イメージセンサの光電変換素子にて得られる画像情報の電気信号は、電極（図示せず）を経由して貫通孔内に充填もしくは内壁を被覆して貫通孔電極４を形成する導電物質により半導体基板３の裏面に導かれ、パターン化された絶縁層と導電層によって、ＢＧＡ方式による接続バンプ５にて外部回路との接続が図られる。
その他、レンズモジュールの側壁にフレア防止用で遮光性のある無電解めっき層を施しても良い。その材質は、ニッケル、クロム、コバルト、鉄、銅、金等から選択される金属の単一めっき層のほか、ニッケル−鉄、コバルト−鉄、銅−鉄等の組合せから選択される合金の無電解めっき層があげられる。そのほかに、銅等の金属を無電解めっきし、しかる後、その表面を化学処理や酸化処理して金属化合物とし、表面の光反射率の低い金属遮光層とすることも可能である。
本実施形態の各マイクロレンズ１は、図１に示すように、上記積層方向に沿って、色分解フィルタ側のマイクロレンズ下層１ｂと、そのマイクロレンズ下層１ｂの上に形成されたマイクロレンズ上層１ａの２層構造となっている。マイクロレンズ下層１ｂの形状は、円柱、角柱その他の柱状若しくは円錐台、角錐台その他の錐台状の形状であり、マイクロレンズ上層１ａの形状は、半球状の形状であることが好ましい。半球状の断面プロフィールは、例えば円や楕円などの一部からなる。
マイクロレンズ上層１ａは、マイクロレンズ下層１ｂの屈折率と同じもしくはマイクロレンズ下層１ｂの屈折率よりも高い屈折率が高いことが好ましい。また、マイクロレンズ上層１ａの屈折率が１．５以上１．７以下であることが好ましい。そのマイクロレンズ上層１ａを構成する樹脂は、質量平均分子量が１，０００以上２０，０００以下であることが好ましい。
またマイクロレンズ下層１ｂを構成する樹脂は、例えば、アクリル樹脂である。
マイクロレンズ上層１ａは、マイクロレンズ下層１ｂの屈折率と同じもしくはマイクロレンズ下層１ｂの屈折率よりも高い屈折率が高いことが好ましい。また、マイクロレンズ上層１ａの屈折率が１．５以上１．７以下であることが好ましい。そのマイクロレンズ上層１ａを構成する樹脂は、質量平均分子量が１，０００以上２０，０００以下であることが好ましい。
またマイクロレンズ下層１ｂを構成する樹脂は、例えば、アクリル樹脂である。
本実施形態のマイクロレンズ１は、例えばマイクロレンズ下層１ｂがエッチング転写法で形成され、マイクロレンズ上層１ａがフォトリソグラフィ法で形成されている。
次に、その製造方法について説明する。
次に、その製造方法について説明する。
＜第１の実施形態＞
本実施形態のイメージセンサの製造は、少なくとも次のａ〜ｈの工程を備える。
ａ：半導体基板上に光電変換素子を形成する工程
ｂ：光電変換素子の上に色分解フィルタを形成する工程
ｃ：色分解フィルタ上にマイクロレンズ材料を全面塗布する工程
ｄ：マイクロレンズ材料上に犠牲層を塗布する工程
ｅ：犠牲層をフォトリソグラフィ法によりパターニングする工程
ｆ：犠牲層とマイクロレンズ材料をエッチングして、マイクロレンズ下層１ｂを形成するエッチング転写工程
ｇ：マイクロレンズ下層１ｂ上に感光性レンズ材料を塗布する工程
ｈ：感光性レンズ材料をフォトグラフィー法によりパターニングしてマイクロレンズ上層１ａを形成する工程
ここで、マイクロレンズ上層１ａは、グレイトーンマスクを使用したフォトリソグラフィ法により形成することが好ましい。
本実施形態のイメージセンサの製造は、少なくとも次のａ〜ｈの工程を備える。
ａ：半導体基板上に光電変換素子を形成する工程
ｂ：光電変換素子の上に色分解フィルタを形成する工程
ｃ：色分解フィルタ上にマイクロレンズ材料を全面塗布する工程
ｄ：マイクロレンズ材料上に犠牲層を塗布する工程
ｅ：犠牲層をフォトリソグラフィ法によりパターニングする工程
ｆ：犠牲層とマイクロレンズ材料をエッチングして、マイクロレンズ下層１ｂを形成するエッチング転写工程
ｇ：マイクロレンズ下層１ｂ上に感光性レンズ材料を塗布する工程
ｈ：感光性レンズ材料をフォトグラフィー法によりパターニングしてマイクロレンズ上層１ａを形成する工程
ここで、マイクロレンズ上層１ａは、グレイトーンマスクを使用したフォトリソグラフィ法により形成することが好ましい。
また、マイクロレンズ上層１ａを形成する工程の後に、熱フローによりマイクロレンズ上層を流動させてマイクロレンズ下層１ｂの表面を覆う工程を有していても良い。
イメージセンサの製造工程の概略は以上であるが、本実施形態の特徴は、光電変換素子の上部に形成される色分解フィルタ２とマイクロレンズ１の製造方法に関する。したがって、以下この点について、後述の第１の実施例における、実施例１及び実施例２にて詳しく説明する。
イメージセンサの製造工程の概略は以上であるが、本実施形態の特徴は、光電変換素子の上部に形成される色分解フィルタ２とマイクロレンズ１の製造方法に関する。したがって、以下この点について、後述の第１の実施例における、実施例１及び実施例２にて詳しく説明する。
（第１の実施形態の効果）
第１の実施形態では、次の効果を奏する。
（１）各マイクロレンズ１は上下２層で形成され、マイクロレンズ１の下層１ｂをエッチング転写法で形成した後に、マイクロレンズ１の上層１ａをフォトリソグラフィ法により形成する。
これによって、例えば、マイクロレンズ下層１ａを柱状若しくは錐台状の形状とし、マイクロレンズ上層１ａを半球状の形状とすることができる。
この構成によれば、エッチング転写工程でレンズ下部の谷間を形成し、グレイトーンマスクを使用したフォトリソ工程でレンズ上部の平滑曲面を形成できる。この結果、マイクロレンズの表面の平滑性と、隣り合うマイクロレンズ間の隙間保持を両立したイメージセンサを提供することが出来る。
特に、レンズピッチ１．１ミクロン以下の高精細なマイクロレンズであっても集光効率向上に効果的である。
第１の実施形態では、次の効果を奏する。
（１）各マイクロレンズ１は上下２層で形成され、マイクロレンズ１の下層１ｂをエッチング転写法で形成した後に、マイクロレンズ１の上層１ａをフォトリソグラフィ法により形成する。
これによって、例えば、マイクロレンズ下層１ａを柱状若しくは錐台状の形状とし、マイクロレンズ上層１ａを半球状の形状とすることができる。
この構成によれば、エッチング転写工程でレンズ下部の谷間を形成し、グレイトーンマスクを使用したフォトリソ工程でレンズ上部の平滑曲面を形成できる。この結果、マイクロレンズの表面の平滑性と、隣り合うマイクロレンズ間の隙間保持を両立したイメージセンサを提供することが出来る。
特に、レンズピッチ１．１ミクロン以下の高精細なマイクロレンズであっても集光効率向上に効果的である。
（２）マイクロレンズ上層は、グレイトーンマスクを使用したフォトリソグラフィ法により形成する。
この構成によれば、レンズの凸形状を露光法で制御して高精度で形成可能となる。
（３）マイクロレンズ上層１ａを形成する工程の後に、熱フローによりマイクロレンズ上層１ａを流動させてマイクロレンズ下層１ｂの表面を覆う工程を有しても良い。
この構成によれば、熱フローによりマイクロレンズ上層１ａが流動化し、エッチング転写法で形成されたマイクロレンズ下層１ｂの荒れた表面を覆うため、マイクロレンズ表面全体が平滑な曲面となる効果がある。
（４）マイクロレンズ上層１ａは、マイクロレンズ下層１ｂの屈折率と同じもしくはマイクロレンズ下層１ｂの屈折率よりも高い屈折率が高いことが好ましい。
この構成によれば、マイクロレンズ１の集光効率を更に向上させることが可能となる。
この構成によれば、レンズの凸形状を露光法で制御して高精度で形成可能となる。
（３）マイクロレンズ上層１ａを形成する工程の後に、熱フローによりマイクロレンズ上層１ａを流動させてマイクロレンズ下層１ｂの表面を覆う工程を有しても良い。
この構成によれば、熱フローによりマイクロレンズ上層１ａが流動化し、エッチング転写法で形成されたマイクロレンズ下層１ｂの荒れた表面を覆うため、マイクロレンズ表面全体が平滑な曲面となる効果がある。
（４）マイクロレンズ上層１ａは、マイクロレンズ下層１ｂの屈折率と同じもしくはマイクロレンズ下層１ｂの屈折率よりも高い屈折率が高いことが好ましい。
この構成によれば、マイクロレンズ１の集光効率を更に向上させることが可能となる。
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態について図面を参照して説明する。
ここで、第２の実施形態におけるイメージセンサの基本構造は、第１の実施形態と同様な構造となっている。
次に、第２の実施形態のイメージセンサにおける、マイクロレンズの製造方法について図５を参照しつつ説明する。
先ず、図５（Ａ）に示すように、半導体基板２１上に平坦化層２２を形成する。これによって、半導体基板２１表面の凸凹を低減し平滑性を改善する。
第２の実施形態について図面を参照して説明する。
ここで、第２の実施形態におけるイメージセンサの基本構造は、第１の実施形態と同様な構造となっている。
次に、第２の実施形態のイメージセンサにおける、マイクロレンズの製造方法について図５を参照しつつ説明する。
先ず、図５（Ａ）に示すように、半導体基板２１上に平坦化層２２を形成する。これによって、半導体基板２１表面の凸凹を低減し平滑性を改善する。
次に、カラーレジストを用い、複数回のフォトリソグラフィプロセスによって、ベイヤー配列に基づく予め設定した所定の位置に色分解フィルタ２３を平坦化層２２の上に形成する。色分解フィルタ２３は、緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）からなる原色系フィルタ、或いは黄色、シアン色、マゼンタ色からなる補色系フィルタとすることができる。色分解フィルタ２３の平面視での縦横の寸法は、例えば１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内にあり、典型的には１．５μｍ以上２．５μｍ以下の範囲内にある。図２に色分解フィルタ２３の配列の例を示す。
次に、図５（Ｂ）に示すように、色分解フィルタ２３上にマイクロレンズの母材となる透明樹脂層２４を形成する。この透明樹脂層２４は、本例ではアクリル系樹脂をスピンコート法にて塗布し、ホットプレート上で熱硬化して形成する。ここで、本実施形態では転写法によりマイクロレンズを形成する。そのため、透明樹脂層２４を厚く塗布して形成することができる。そのことから、透明樹脂層２４は、色分解フィルタ２３の表面の凹凸を吸収して表面が実質的に平坦に形成される。
ここで、透明樹脂層２４の形成に採用可能な透明樹脂としては、アクリル樹脂、フッ素系アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、スチレン樹脂、フェノール樹脂あるいはこれらの共重合体などがある。その中でも特に、耐熱性の高いアクリル樹脂がより好ましい。上記したアクリル樹脂、スチレン樹脂などが一般的であり、その屈折率は、おおよそ１．５〜１．６の範囲である。また、上記の透明樹脂は、単独で用いても、或いは複数種類を混合して用いてもよい。
次に、図５（Ｃ）に示すように、透明樹脂層２４上に、各画素に対応した状態で、レンズ母型２５を形成する。すなわち、透明樹脂層２４上に、熱フロー性を有しない感光性樹脂を用いてフォトリソグラフィ法にてパターニングして、各画素に対応した位置に断面台形状、つまり錐台状のレンズ母型２５を形成する。
次に各レンズ母型２５を加熱処理することで硬化させる。レンズ母型２５は、熱フロー性を有しないため、パターニング後の形状を維持したままの形状となり、エッチングマスク層となる。透明樹脂層２４には熱フロー性を有しない感光性樹脂を用いる。そのようにすることで、感光性樹脂パターンが溶融し、体積が膨張し隣接するレンズ同士が接触することを回避できる。その結果、隣り合うレンズ同士の境界部分で形状崩れの発生を防ぐことが可能となる。
次に各レンズ母型２５を加熱処理することで硬化させる。レンズ母型２５は、熱フロー性を有しないため、パターニング後の形状を維持したままの形状となり、エッチングマスク層となる。透明樹脂層２４には熱フロー性を有しない感光性樹脂を用いる。そのようにすることで、感光性樹脂パターンが溶融し、体積が膨張し隣接するレンズ同士が接触することを回避できる。その結果、隣り合うレンズ同士の境界部分で形状崩れの発生を防ぐことが可能となる。
ここで、レンズ母型２５の形成に採用可能な熱フローしない感光性樹脂としては、ガラス転移温度が高く、１００〜２２０℃の条件の熱処理によって硬化前に形状が崩れることがない熱可塑性の樹脂材料が好適である。このような熱フローしない感光性樹脂としては、質量平均分子量（Ｍｗ：ゲルパーミエーションクロマトグラフィ（ＧＰＣ）のスチレン換算による測定値）が１０，０００以上３０，０００以下のベース樹脂を含有していることが好ましい。より好ましくは、質量平均分子量が２０，０００以上３０，０００以下である。ベース樹脂の質量平均分子量が、１０，０００以上であることにより耐熱性、熱フロー耐性が向上する。また、ベース樹脂の質量平均分子量が、３０，０００以下にすることにより、現像時の溶解性が低下しないため、残渣の発生を抑えることができる。
次に、図５（Ｄ）に示すように、ドライエッチング装置により、転写処理を施しレンズ母型２５のレンズ形状を透明樹脂層２４に転写して、各画素に対応した位置にマイクロレンズ下層２６を形成する。このようにすることで、上記レンズ母型のパターン形状を維持したまま上記透明樹脂層２４に転写することができる。この転写処理を制御することで、隣り合うマイクロレンズ下層２６は、そのレンズ端が接触し、マイクロレンズ間の境界に非レンズ領域が存在しない状態となり、且つマイクロレンズ間でＶ字形状を備えた凹部２７が形成される。
転写のためのドライエッチングには、ＥＣＲ、平行平板マグネトロン、ＤＲＭ、ＩＣＰ、あるいは２周波タイプのＲＩＥなどのドライエッチングの手法、装置を適宜選択して使用することが出来る。
ドライエッチングに用いるガスは、酸化性又はエッチング性を有するガスであれば、特に制限する必要はない。一例として、フッ素、塩素、臭素などのハロゲン元素をその構成に有するガス、同様に酸素やイオウの元素をその構成に有するガスなどを用いることが出来るが、これらに限定されない。しかしながら、可燃性がなく、人体への影響の観点から、毒性の低いフロン系ガスを使用することが実用的に好ましい。
次に、図５（Ｅ）に示すように、マイクロレンズ下層２６上にレジストパターン２８を形成する。このレジストパターン２８に用いる感光性樹脂は、マイクロレンズ下層２６の屈折率と比べて、同じもしくは高い屈折率を有すると共に熱フロー性を有するものである。
ドライエッチングに用いるガスは、酸化性又はエッチング性を有するガスであれば、特に制限する必要はない。一例として、フッ素、塩素、臭素などのハロゲン元素をその構成に有するガス、同様に酸素やイオウの元素をその構成に有するガスなどを用いることが出来るが、これらに限定されない。しかしながら、可燃性がなく、人体への影響の観点から、毒性の低いフロン系ガスを使用することが実用的に好ましい。
次に、図５（Ｅ）に示すように、マイクロレンズ下層２６上にレジストパターン２８を形成する。このレジストパターン２８に用いる感光性樹脂は、マイクロレンズ下層２６の屈折率と比べて、同じもしくは高い屈折率を有すると共に熱フロー性を有するものである。
次に、図５（Ｆ）に示すように、レジストパターン２８をその熱軟化点より高い温度で加熱処理を行い、半球面のレンズ形状層２８Ａを形成する。このレンズ形状層２８Ａは、マイクロレンズ上層となる。このマイクロレンズ上層を形成することで、レンズの表面粗さ（Ｒａ；算術平均粗さ）が５０ｎｍ以下の滑らかなマイクロレンズ表面を得ることが可能となる。
これによって、本実施形態では、マイクロレンズ下層２６と、レンズ形状層２８Ａからなるマイクロレンズ上層とによって、マイクロレンズ３８が構成されることになる。
ここで、本実施形態のレジストパターン２８の形成に採用可能な感光性樹脂材料について説明する。
これによって、本実施形態では、マイクロレンズ下層２６と、レンズ形状層２８Ａからなるマイクロレンズ上層とによって、マイクロレンズ３８が構成されることになる。
ここで、本実施形態のレジストパターン２８の形成に採用可能な感光性樹脂材料について説明する。
適用する感光性樹脂材料は、まず、マイクロレンズ下層２６の屈折率と比べて、同じもしくは高い屈折率を有する。感光性樹脂材料の屈折率は１．５以上１．７以下であることが好ましい。さらに好ましくは１．５以上１．６以下である。
感光性樹脂材料は、マイクロレンズ下層２６と比べて、同じもしくは高い屈折率を備えていれば、屈折率が異なるマイクロレンズの形成が可能となる。そのため、入射した光をより大きく屈折させて、受光素子に入射するようにすることができるだけでなく、マイクロレンズの集光効果をより強め、延いては感度の向上を図ることができる。前述のように、上記マイクロレンズ下層２６に用いる透明樹脂において、屈折率は１．５以上１．６以下が一般的である。よって屈折率が１．５未満であれば、入射した光を屈折させることができず、集光効果を高めることが出来ない。また、感光性樹脂の屈折率が１．７を超える材料は見つかっていないため、この屈折率が上限となる。
感光性樹脂材料は、マイクロレンズ下層２６と比べて、同じもしくは高い屈折率を備えていれば、屈折率が異なるマイクロレンズの形成が可能となる。そのため、入射した光をより大きく屈折させて、受光素子に入射するようにすることができるだけでなく、マイクロレンズの集光効果をより強め、延いては感度の向上を図ることができる。前述のように、上記マイクロレンズ下層２６に用いる透明樹脂において、屈折率は１．５以上１．６以下が一般的である。よって屈折率が１．５未満であれば、入射した光を屈折させることができず、集光効果を高めることが出来ない。また、感光性樹脂の屈折率が１．７を超える材料は見つかっていないため、この屈折率が上限となる。
また、実施形態におけるレジストパターン２８の形成に採用可能な感光性樹脂材料は熱フロー性を有する感光性樹脂である。
熱フロー性を有する感光性樹脂とは、加熱によって溶融し自身の表面張力によって曲面を形成することの出来る熱可塑性の樹脂材料である。このような熱フロー樹脂材料としては、アクリル樹脂やフェノール樹脂、ポリスチレン樹脂などを挙げることができる。特に、感光性を有し、アルカリ現像によってパターン形成を行うことの出来る樹脂が好ましい。また、質量平均分子量が１，０００以上２０，０００以下、好ましくは１，５００以上１５，０００以下、より好ましくは２，０００以上１０，０００以下であるベース樹脂を含有していることが好ましい。質量平均分子量が１，０００以上とすることによって容易に膜状に形成することができるとともに、パターン形状を良好にすることができる。２０，０００値以下にすることによって、適度なアルカリ溶解性が得られるので好ましい。
熱フロー性を有する感光性樹脂とは、加熱によって溶融し自身の表面張力によって曲面を形成することの出来る熱可塑性の樹脂材料である。このような熱フロー樹脂材料としては、アクリル樹脂やフェノール樹脂、ポリスチレン樹脂などを挙げることができる。特に、感光性を有し、アルカリ現像によってパターン形成を行うことの出来る樹脂が好ましい。また、質量平均分子量が１，０００以上２０，０００以下、好ましくは１，５００以上１５，０００以下、より好ましくは２，０００以上１０，０００以下であるベース樹脂を含有していることが好ましい。質量平均分子量が１，０００以上とすることによって容易に膜状に形成することができるとともに、パターン形状を良好にすることができる。２０，０００値以下にすることによって、適度なアルカリ溶解性が得られるので好ましい。
上記マイクロレンズ下層２６と比べて、同じ、若しくは高い屈折率と熱フロー性を有する感光性樹脂には、必要に応じて他の添加剤を本発明が目的とする特性を損なわない程度に含有させてもよい。他の添加剤としては、基板との密着性向上のための密着助剤、塗布性向上のための界面活性剤、レベリング剤、分散剤が挙げられる。
以上のように、第２の実施形態においては、まず熱フロー性を有しない感光性樹脂をレンズ母型としてドライエッチング法によってマイクロレンズ下層を形成することにより、隣接する各レンズ面が互いに融着することなくレンズ間ギャップが小さい状態で配置される。
さらに、マイクロレンズ下層２６上にマイクロレンズ下層２６と同じもしくは高い屈折率を有すると共に熱フロー性を有する感光性材料を用いて、熱リフロー法にてマイクロレンズ上層２８Ａを形成することによって、マイクロレンズ表面荒れを抑制し、レンズ表面の光散乱が少なく、集光効率が向上したマイクロレンズを得ることが出来る。
以上のように、第２の実施形態においては、まず熱フロー性を有しない感光性樹脂をレンズ母型としてドライエッチング法によってマイクロレンズ下層を形成することにより、隣接する各レンズ面が互いに融着することなくレンズ間ギャップが小さい状態で配置される。
さらに、マイクロレンズ下層２６上にマイクロレンズ下層２６と同じもしくは高い屈折率を有すると共に熱フロー性を有する感光性材料を用いて、熱リフロー法にてマイクロレンズ上層２８Ａを形成することによって、マイクロレンズ表面荒れを抑制し、レンズ表面の光散乱が少なく、集光効率が向上したマイクロレンズを得ることが出来る。
この結果、本実施形態によれば、例えば２μｍ以下の画素の高精細であっても表面荒れが抑制され、又マイクロレンズ同士の融着が起こることがなく、隣接レンズ間ギャップが小さいマイクロレンズを提供可能となる。
＜第１の実施例＞
第１の実施例について説明する。
実施例１及び２を図２〜図４を参照して説明する。なお、図３（ｅ）の処理は実施例２のみの処理工程である。
（実施例１）
実施例１では、マイクロレンズ下層１ｂを組成する透明樹脂は熱硬化型樹脂である。一方でマイクロレンズ上層１ａを組成する透明樹脂は感光性樹脂であり、ポジ型の感光性樹脂を用いた例である。
第１の実施例について説明する。
実施例１及び２を図２〜図４を参照して説明する。なお、図３（ｅ）の処理は実施例２のみの処理工程である。
（実施例１）
実施例１では、マイクロレンズ下層１ｂを組成する透明樹脂は熱硬化型樹脂である。一方でマイクロレンズ上層１ａを組成する透明樹脂は感光性樹脂であり、ポジ型の感光性樹脂を用いた例である。
本実施例では、レンズ１の凸形状を露光法で制御するため、グレイトーンマスクという特殊な露光用マスクを用いた。
半導体基板３に、光電変換素子や遮光膜、パッシベーション膜を形成し、最上層に、熱硬化タイプのアクリル樹脂塗布液を用いてスピンコートにて平坦化層を形成した。半導体基板３の寸法は、厚さ０．７５ｍｍ、直径２０ｃｍとした。
半導体基板３に、光電変換素子や遮光膜、パッシベーション膜を形成し、最上層に、熱硬化タイプのアクリル樹脂塗布液を用いてスピンコートにて平坦化層を形成した。半導体基板３の寸法は、厚さ０．７５ｍｍ、直径２０ｃｍとした。
次いで、平坦化膜の上に、色分解フィルタ２を、グリーン、ブルー、レッドの３色にて３回のフォトリソグラフィの手法で、それぞれ形成した（図２（ａ）を参照のこと。但し、光電変換膜と平坦化層は図示せず）。
グリーンレジストは、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９、Ｃ．Ｉ．ピグメントグリーン３６、Ｃ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６を用い、さらにシクロヘキサノン、ＰＧＭＥＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤を添加した構成のカラーレジストを用いた。
グリーンレジストは、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９、Ｃ．Ｉ．ピグメントグリーン３６、Ｃ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６を用い、さらにシクロヘキサノン、ＰＧＭＥＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤を添加した構成のカラーレジストを用いた。
ブルーレジストは、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６、Ｃ．Ｉ．ピグメントバイオレット２３を用い、さらにシクロヘキサノン、ＰＧＭＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤を添加した構成のカラーレジストを用いた。
レッドレジストの色材は、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１１７、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド４８：１、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９とした。色材以外の組成は、グリーンレジストと同様とした。
レッドレジストの色材は、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１１７、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド４８：１、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９とした。色材以外の組成は、グリーンレジストと同様とした。
着色画素の配列は、一画素おきにＧ（緑）フィルタが設けられ、Ｇフィルタの間に一行おきにＲ（赤）フィルタとＢ（青）フィルタが設けられた、いわゆるベイヤー配列とした。
つぎに、各色分解フィルタ２上に、ベンゼン環を樹脂骨格に導入したアクリル樹脂の塗布液を塗布して、１μｍの膜厚の透明樹脂層１１を形成し、１８０℃で３分間加熱して、硬膜化処理を行った（図２（ｂ））。
つぎに、各色分解フィルタ２上に、ベンゼン環を樹脂骨格に導入したアクリル樹脂の塗布液を塗布して、１μｍの膜厚の透明樹脂層１１を形成し、１８０℃で３分間加熱して、硬膜化処理を行った（図２（ｂ））。
更に、アルカリ可溶性、感光性、熱リフロー性を有するスチレン樹脂を塗布して感光性樹脂層１２を形成した（図２（ｃ））。
その後、感光性樹脂層１２を、グレイトーンマスク５０を使用する定法のフォトリソグラフィのプロセスによりパターン形成する。
その後、２００℃で熱処理して熱リフローし、片側０．１μｍのほぼ適正なフロー量で、レンズ母型１２ａを形成した（図２（ｄ））。レンズ母型１２ａは、レンズ母型１２ａ間のギャップ０．３μｍのスムースな円柱状であった。
その後、感光性樹脂層１２を、グレイトーンマスク５０を使用する定法のフォトリソグラフィのプロセスによりパターン形成する。
その後、２００℃で熱処理して熱リフローし、片側０．１μｍのほぼ適正なフロー量で、レンズ母型１２ａを形成した（図２（ｄ））。レンズ母型１２ａは、レンズ母型１２ａ間のギャップ０．３μｍのスムースな円柱状であった。
次に、フロン系ガスであるＣＦ４とＣ３Ｆ８の混合系ガスを用いてドライエッチングを施し、レンズ母型１２ａのパターンをアクリル樹脂からなる透明樹脂層１１に転写し、レンズ間ギャップ０．０３５μｍのマイクロレンズ下層１１ａを形成した（図３（ａ））。このマイクロレンズ下層１１ａの高さは、レンズ母型１２ａの高さより低く、約０．２５μｍであった。なお、ドライエッチング時間は５分とした。
続いて、マイクロレンズ下層１１ａの上に、アルカリ可溶性、感光性、熱リフロー性を有するスチレン樹脂を塗布して感光性樹脂層１３を形成した（図３（ｂ））。
その後、感光性樹脂層１３を、グレイトーンマスク５１を使用する定法のフォトリソグラフィのプロセスによりパターン化しマイクロレンズ上層１３ａを形成した（図３（ｃ）（ｄ））。なお、マイクロレンズ上層１３ａは、レンズ高さ０．３μｍのスムースな半球状レンズであった。
その後、感光性樹脂層１３を、グレイトーンマスク５１を使用する定法のフォトリソグラフィのプロセスによりパターン化しマイクロレンズ上層１３ａを形成した（図３（ｃ）（ｄ））。なお、マイクロレンズ上層１３ａは、レンズ高さ０．３μｍのスムースな半球状レンズであった。
グレイトーンマスク５１は、作成したいレンズ要素の薄膜の部分に対応する部分については光透過率を高くした遮光膜を、石英基板上に形成したものである。遮光膜に濃淡のグラデュエーション（階調）が付いたマスクということができる。この階調の濃淡は、露光に用いる光では解像しない小さな径のドットの単位面積当たりの個数（粗密）の部分的な差によって達成される。
このようにして半導体基板３上に多面付けされたイメージセンサが完成した（図３（ｄ））。
次に、上記の半導体基板３の裏面にフォトレジストを塗布し、定法のフォトリソグラフィ法により貫通孔が形成されるべき部位に開口部を形成した。
このようにして半導体基板３上に多面付けされたイメージセンサが完成した（図３（ｄ））。
次に、上記の半導体基板３の裏面にフォトレジストを塗布し、定法のフォトリソグラフィ法により貫通孔が形成されるべき部位に開口部を形成した。
次いで、フォトレジスト膜をマスクとして反応性イオンエッチングを行い、半導体基板３を所定の深さまでエッチングして貫通孔を形成した（図４（ａ））。
次に、半導体基板３と後に形成する配線層とを絶縁するために、ＣＶＤ法により貫通孔の内壁、底部及び裏面全体にＳｉＯ２絶縁膜を形成した。ここで、絶縁膜は、その膜厚が貫通孔の底部（アルミニウムなど導電性の高い金属からなるパッドである）上の方が半導体基板３の裏面上より薄くなるように形成した。こうした上で、反応性イオンエッチングを再度行い、貫通孔底部の絶縁膜を除去した。引き続き、スパッタ法により、導電膜を形成し、貫通孔の埋設及びウェハ裏面の貫通孔電極４を形成する配線層を形成した（図４（ａ））。
次に、半導体基板３と後に形成する配線層とを絶縁するために、ＣＶＤ法により貫通孔の内壁、底部及び裏面全体にＳｉＯ２絶縁膜を形成した。ここで、絶縁膜は、その膜厚が貫通孔の底部（アルミニウムなど導電性の高い金属からなるパッドである）上の方が半導体基板３の裏面上より薄くなるように形成した。こうした上で、反応性イオンエッチングを再度行い、貫通孔底部の絶縁膜を除去した。引き続き、スパッタ法により、導電膜を形成し、貫通孔の埋設及びウェハ裏面の貫通孔電極４を形成する配線層を形成した（図４（ａ））。
次に、定法のフォトリソグラフィ法により、配線層の一部で外部と接続させる部分を露出させた。当該露出部位に、スクリーン印刷によりはんだペーストを塗布し、はんだボールを搭載した。リフロー処理を施し、残留フラックスを除去すると、外部接続バンプ５を有するイメージセンサ基板が得られた。
最後に、４５０メッシュのレジンブレードを用いたダイシング装置により、マトリックス状に多面付けされたイメージセンサの中間部を断裁線として、表面より断裁溝を入れた（図４（ｂ））。その後、個々のイメージセンサに分離し（図４（ｃ））、図４（ｄ）の状態とした完成品を得た。
最後に、４５０メッシュのレジンブレードを用いたダイシング装置により、マトリックス状に多面付けされたイメージセンサの中間部を断裁線として、表面より断裁溝を入れた（図４（ｂ））。その後、個々のイメージセンサに分離し（図４（ｃ））、図４（ｄ）の状態とした完成品を得た。
（実施例２）
実施例２は、マイクロレンズ下層１ｂを組成する透明樹脂は熱硬化型樹脂である。一方でマイクロレンズ上層１ａを組成する透明樹脂は感光性樹脂であり、ポジ型の感光性樹脂を用いた例である。本実施例では、レンズの凸形状を露光法で制御するため、グレイトーンマスクという特殊な露光用マスクを使用する。
実施例２は、マイクロレンズ下層１ｂを組成する透明樹脂は熱硬化型樹脂である。一方でマイクロレンズ上層１ａを組成する透明樹脂は感光性樹脂であり、ポジ型の感光性樹脂を用いた例である。本実施例では、レンズの凸形状を露光法で制御するため、グレイトーンマスクという特殊な露光用マスクを使用する。
厚さ０．７５ｍｍ、直径２０ｃｍの半導体基板３に、光電変換素子や遮光膜、パッシベーション膜を形成し、最上層に、熱硬化タイプのアクリル樹脂塗布液を用いてスピンコートにて平坦化層を形成した。次いで、平坦化膜の上に、色分解フィルタ２を、グリーン、ブルー、レッドの３色にて３回のフォトリソグラフィの手法で、それぞれ形成した（図２（ａ）を参照のこと。但し、光電変換膜と平坦化層は図示せず。）。
グリーンレジストは、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９、Ｃ．Ｉ．ピグメントグリーン３６、Ｃ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６を用い、さらにシクロヘキサノン、ＰＧＭＥＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤を添加した構成のカラーレジストを用いた。
グリーンレジストは、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９、Ｃ．Ｉ．ピグメントグリーン３６、Ｃ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６を用い、さらにシクロヘキサノン、ＰＧＭＥＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤を添加した構成のカラーレジストを用いた。
ブルーレジストは、色材としてＣ．Ｉ．ピグメントブルー１５：６、Ｃ．Ｉ．ピグメントバイオレット２３を用い、さらにシクロヘキサノン、ＰＧＭＡなどの有機溶剤、ポリマーワニス、モノマー、開始剤を添加した構成のカラーレジストを用いた。
レッドレジストの色材は、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１１７、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド４８：１、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９とした。色材以外の組成は、グリーンレジストと同様とした。
レッドレジストの色材は、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１１７、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド４８：１、Ｃ．Ｉ．ピグメントイエロー１３９とした。色材以外の組成は、グリーンレジストと同様とした。
着色画素の配列は、一画素おきにＧ（緑）フィルタが設けられ、Ｇフィルタの間に一行おきにＲ（赤）フィルタとＢ（青）フィルタが設けられた、いわゆるベイヤー配列とした。
つぎに、各色分解フィルタ２上に、ベンゼン環を樹脂骨格に導入したアクリル樹脂の塗布液を塗布して、１μｍの膜厚の透明樹脂層１１を形成し、１８０℃で３分間加熱して、硬膜化処理を行った（図２（ｂ））。
つぎに、各色分解フィルタ２上に、ベンゼン環を樹脂骨格に導入したアクリル樹脂の塗布液を塗布して、１μｍの膜厚の透明樹脂層１１を形成し、１８０℃で３分間加熱して、硬膜化処理を行った（図２（ｂ））。
更に、アルカリ可溶性、感光性、熱リフロー性を有するスチレン樹脂を塗布して感光性樹脂層１２を形成した（図２（ｃ））。
その後、感光性樹脂層１２を、グレイトーンマスク５０を使用する定法のフォトリソグラフィのプロセスによりパターン化した後、２００℃で熱処理して熱リフローし、片側０．１μｍのほぼ適正なフロー量で、レンズ母型１２ａを形成した（図２（ｄ））。レンズ母型１２ａは、レンズ母型１２ａ間のギャップ０．３μｍの平滑な円柱状であった。
その後、感光性樹脂層１２を、グレイトーンマスク５０を使用する定法のフォトリソグラフィのプロセスによりパターン化した後、２００℃で熱処理して熱リフローし、片側０．１μｍのほぼ適正なフロー量で、レンズ母型１２ａを形成した（図２（ｄ））。レンズ母型１２ａは、レンズ母型１２ａ間のギャップ０．３μｍの平滑な円柱状であった。
次に、フロン系ガスであるＣＦ４とＣ３Ｆ８の混合系ガスを用いてドライエッチングを施し、レンズ母型１２ａのパターンをアクリル樹脂からなる透明樹脂層１１に転写し、レンズ間ギャップ０．０３５μｍのマイクロレンズ下層１１ａを形成した（図３（ａ））。このマイクロレンズ下層１１ａの高さは、レンズ母型１２ａの高さより低く、約０．２５μｍであった。なお、ドライエッチング時間は５分とした。
続いて、マイクロレンズ下層１１ａの上に、アルカリ可溶性、感光性、熱リフロー性を有するスチレン樹脂を塗布して感光性樹脂層１３を形成した（図３（ｂ））。
その後、感光性樹脂層１３を、グレイトーンマスク５１を使用する定法のフォトリソグラフィのプロセスによりパターン化した後（図３（ｃ）（ｄ））、２００℃で熱処理して熱リフローし（図３（ｅ））、片側０．１μｍのほぼ適正なフロー量で、マイクロレンズ上層１３ａを形成した。なお、マイクロレンズ上層１３ａは、レンズ高さ０．３μｍのスムースな半球状レンズであった。
その後、感光性樹脂層１３を、グレイトーンマスク５１を使用する定法のフォトリソグラフィのプロセスによりパターン化した後（図３（ｃ）（ｄ））、２００℃で熱処理して熱リフローし（図３（ｅ））、片側０．１μｍのほぼ適正なフロー量で、マイクロレンズ上層１３ａを形成した。なお、マイクロレンズ上層１３ａは、レンズ高さ０．３μｍのスムースな半球状レンズであった。
マイクロレンズ上層１３ａを熱リフローすることで、自己凝集により、マイクロレンズ上層１３ａとマイクロレンズ下層１１ａのｘｙ中心位置を合わせることができた。
さらに、熱リフローされたマイクロレンズ上層１３ａがマイクロレンズ下層１１ａの表面の一部を覆うことで、マイクロレンズ下層１１ａの表面を平滑にすることができた。
グレイトーンマスク５１は、作成したいレンズ要素の薄膜の部分に対応する部分については光透過率を高くした遮光膜を、石英基板上に形成したものである。遮光膜に濃淡のグラデェーション（階調）が付いたマスクということができる。この階調の濃淡は、露光に用いる光では解像しない小さな径のドットの単位面積当たりの個数（粗密）の部分的な差によって達成される。
さらに、熱リフローされたマイクロレンズ上層１３ａがマイクロレンズ下層１１ａの表面の一部を覆うことで、マイクロレンズ下層１１ａの表面を平滑にすることができた。
グレイトーンマスク５１は、作成したいレンズ要素の薄膜の部分に対応する部分については光透過率を高くした遮光膜を、石英基板上に形成したものである。遮光膜に濃淡のグラデェーション（階調）が付いたマスクということができる。この階調の濃淡は、露光に用いる光では解像しない小さな径のドットの単位面積当たりの個数（粗密）の部分的な差によって達成される。
このようにして半導体基板３上に多面付けされたイメージセンサが完成した。
次に、上記の半導体基板３の裏面にフォトレジストを塗布し、定法のフォトリソグラフィ法により貫通孔が形成されるべき部位に開口部を形成した。次いで、フォトレジスト膜をマスクとして反応性イオンエッチングを行い、半導体基板３を所定の深さまでエッチングして貫通孔を形成した（図４（ａ））。
次に、上記の半導体基板３の裏面にフォトレジストを塗布し、定法のフォトリソグラフィ法により貫通孔が形成されるべき部位に開口部を形成した。次いで、フォトレジスト膜をマスクとして反応性イオンエッチングを行い、半導体基板３を所定の深さまでエッチングして貫通孔を形成した（図４（ａ））。
次に、半導体基板３と後に形成する配線層とを絶縁するために、ＣＶＤ法により貫通孔の内壁、底部及び裏面全体にＳｉＯ２絶縁膜を形成した。ここで、絶縁膜は、その膜厚が貫通孔の底部（アルミニウムなど導電性の高い金属からなるパッドである）上の方が半導体基板３の裏面上より薄くなるように形成した。こうした上で、反応性イオンエッチングを再度行い貫通孔底部の絶縁膜を除去した。引き続き、スパッタ法により、導電膜を形成し、貫通孔の埋設及びウェハ裏面の貫通孔電極４を形成する配線層を形成した（図４（ａ））。
次に、定法のフォトリソグラフィ法により、配線層の一部で外部と接続させる部分を露出させた。当該露出部位に、スクリーン印刷によりはんだペーストを塗布し、はんだボールを搭載した。リフロー処理を施し、残留フラックスを除去すると、外部接続バンプ５を有するイメージセンサ基板が得られた。
最後に、４５０メッシュのレジンブレードを用いたダイシング装置により、マトリックス状に多面付けされたイメージセンサの中間部を断裁線として、表面より断裁溝を入れた（図４（ｂ））。その後、個々のイメージセンサに分離し（図４（ｃ））、図４（ｄ）の状態とした完成品を得た。
最後に、４５０メッシュのレジンブレードを用いたダイシング装置により、マトリックス状に多面付けされたイメージセンサの中間部を断裁線として、表面より断裁溝を入れた（図４（ｂ））。その後、個々のイメージセンサに分離し（図４（ｃ））、図４（ｄ）の状態とした完成品を得た。
＜第２の実施例＞
以下に、本発明によるイメージセンサにおけるマイクロレンズの製造方法についての第２の実施例を説明する。
（実施例１）
図５に示すように、半導体基板２１上に平坦化層２２、色分解フィルタ２３と透明樹脂層２４およびマイクロレンズ３８が形成されたものである。図５は、図６におけるａ−ａ線での断面図である。
以下に、本発明によるイメージセンサにおけるマイクロレンズの製造方法についての第２の実施例を説明する。
（実施例１）
図５に示すように、半導体基板２１上に平坦化層２２、色分解フィルタ２３と透明樹脂層２４およびマイクロレンズ３８が形成されたものである。図５は、図６におけるａ−ａ線での断面図である。
色分解フィルタ２３のＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の形成には、それぞれ赤色用顔料：Ｃ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｒｅｄ ２５４（チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製「イルガーフォーレッド Ｂ−ＣＦ」）およびＣ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｒｅｄ １７７（チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製「クロモフタールレッド Ａ２Ｂ」）、緑色用顔料：Ｃ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｇｒｅｅｎ ３６（東洋インキ社製「リオノールグリーン ６ＹＫ」）およびＣ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｙｅｌｌｏｗ １５０（バイエル社製「ファンチョンファーストイエロー Ｙ−５６８８」）、青色用顔料：Ｃ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｂｌｕｅ １５（東洋インキ社製「リオノールブルーＥＳ」）Ｃ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｖｉｏｌｅｔ ２３（ＢＡＳＦ社製「パリオゲンバイオレット ５８９０」）を、アクリル系樹脂、シクロヘキサノン溶剤とともに調製したアクリル系の感光性着色レジストを用いた。色材の添加量は、それぞれレジスト中の固形分比にて約５０％とした。
図５（Ａ）に示すように、まず、半導体基板２１上にスピンコート法によって熱硬化型のアクリル樹脂溶液を塗布し、次いでホットプレート上で２００℃、５分の熱処理を施し、０．１μｍの厚さの平坦化層２２を形成した。
平坦化層２２上にスピンコート法により、アクリル系の感光性緑色着色レジストを塗布した後、ホットプート上で８０℃、１分のプリベーク処理を行った。
平坦化層２２上にスピンコート法により、アクリル系の感光性緑色着色レジストを塗布した後、ホットプート上で８０℃、１分のプリベーク処理を行った。
次に、ｉ線ステッパー（ニコン社製 ｉ１２）を使用してパターン露光した後、有機アルカリ現像液（ＴＭＡＨ濃度０．０５％）で１分間の現像処理を行い、さらに十分に純水でリンスし、水切り乾燥を行った。その後、２２０℃、６分間のポストベークを行い、Ｇ（緑）画素パターンを形成した。Ｒ（赤）画素、Ｂ（青）画素についてもＧ（緑）画素と同様にフォトリソグラフィ法を用いてベイヤー配列にもとづく所定の位置に形成し、画素サイズが２．０μｍの色分解フィルタ２３を得た。Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のパターンを測定したところ、膜厚は各々１．０μｍであった。
次に、図５（Ｂ）に示すように、色分解フィルタ２３のＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の上に、マイクロレンズ下層２６の母材となるアクリル系樹脂（屈折率：１．５０）を塗布乾燥し、厚さ０．７μｍの透明樹脂層２４を形成した。
次に、図５（Ｃ）に示すように、透明樹脂層２４上に質量平均分子量３０，０００のベース樹脂を含有するポジ型フォトレジストをスピンコートにて塗布、露光、現像し、ホットプレートを用いて１６０℃、５分間加熱した後、さらに２２０℃、５分間の条件で焼成し、膜厚１．０μｍのレンズ母型２５を形成した。
次に、図５（Ｃ）に示すように、透明樹脂層２４上に質量平均分子量３０，０００のベース樹脂を含有するポジ型フォトレジストをスピンコートにて塗布、露光、現像し、ホットプレートを用いて１６０℃、５分間加熱した後、さらに２２０℃、５分間の条件で焼成し、膜厚１．０μｍのレンズ母型２５を形成した。
次に、図５（Ｄ）に示すように、ドライエッチング装置にて、フロン系ガスであるＣＦ４とＣ３Ｆ８の混合ガスを用い、基板温度を常温、圧力５Ｐａ、ＲＦパワー５００Ｗ、バイアス５０Ｗにてエッチング処理を行った。レンズ母型２５をマスクとしてエッチング処理し、画素サイズが２．０μｍのマイクロレンズ下層２６を形成した。その後、２３０℃で２０分加熱を処理した。処理後のマイクロレンズ下層２６の高さは、０．４μｍであった。
次に、図５（Ｅ）に示すように、マイクロレンズ下層２６上に屈折率１．６７、質量平均分子量２，０００のベース樹脂を含有するポジ型フォトレジストをスピンコートにて塗布、露光、現像し、露光装置を用いて３００ｍＪ／ｃｍ２の条件でブリーチングを行い、その後、レジストパターン２８を形成した。
次に、図１Ｆに示すように、レジストパターン２８をホットプレートにて１３０℃で５分間の加熱処理を行い、表面張力により半球面レンズ形状層を形成させた。さらに、２００℃で５分間加熱硬化させた結果、マイクロレンズ上層となるレンズ形状層２８Ａが得られた。レンズ形状層２８Ａは、画素サイズ１．５μｍであった。レンズ形状層２８Ａの高さは、０．２μｍであった。
これによって、マイクロレンズ下層２６及びレンズ形状層２８Ａからなるマイクロレンズ３８を形成した。
次に、図１Ｆに示すように、レジストパターン２８をホットプレートにて１３０℃で５分間の加熱処理を行い、表面張力により半球面レンズ形状層を形成させた。さらに、２００℃で５分間加熱硬化させた結果、マイクロレンズ上層となるレンズ形状層２８Ａが得られた。レンズ形状層２８Ａは、画素サイズ１．５μｍであった。レンズ形状層２８Ａの高さは、０．２μｍであった。
これによって、マイクロレンズ下層２６及びレンズ形状層２８Ａからなるマイクロレンズ３８を形成した。
（実施例２）
実施例１におけるマイクロレンズ上層に用いたポジ型フォトレジストのベース樹脂の屈折率を１．５５に変更した点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。
（実施例３）
実施例１におけるマイクロレンズ上層に用いたポジ型フォトレジストのベース樹脂の質量平均分子量を１０，０００に変更した点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。
実施例１におけるマイクロレンズ上層に用いたポジ型フォトレジストのベース樹脂の屈折率を１．５５に変更した点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。
（実施例３）
実施例１におけるマイクロレンズ上層に用いたポジ型フォトレジストのベース樹脂の質量平均分子量を１０，０００に変更した点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。
（実施例４）
実施例１におけるマイクロレンズ上層に用いたポジ型フォトレジストのベース樹脂の質量平均分子量が１８，０００に変更した点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。
（実施例５）
実施例１における透明樹脂層に用いた材料が屈折率１．４５であるフッ素系アクリル樹脂に変更した点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。
実施例１におけるマイクロレンズ上層に用いたポジ型フォトレジストのベース樹脂の質量平均分子量が１８，０００に変更した点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。
（実施例５）
実施例１における透明樹脂層に用いた材料が屈折率１．４５であるフッ素系アクリル樹脂に変更した点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。
（比較例１）
実施例１におけるマイクロレンズ上層の高さを０．６μｍとし、マイクロレンズ下層を形成する工程（いわゆる熱リフロー法）を省略した点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。
（比較例２）
実施例１におけるマイクロレンズ下層の高さを０．６μｍとし、マイクロレンズ上層を形成する工程（いわゆる転写法）を省略した点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。
実施例１におけるマイクロレンズ上層の高さを０．６μｍとし、マイクロレンズ下層を形成する工程（いわゆる熱リフロー法）を省略した点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。
（比較例２）
実施例１におけるマイクロレンズ下層の高さを０．６μｍとし、マイクロレンズ上層を形成する工程（いわゆる転写法）を省略した点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。
（比較例３）
実施例１におけるマイクロレンズ上層に用いたポジ型フォトレジストのベース樹脂の屈折率が１．４０に変更した点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。
（比較例４）
実施例１におけるマイクロレンズ上層に用いたポジ型フォトレジストのベース樹脂の質量平均分子量が９００に変更した点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。
実施例１におけるマイクロレンズ上層に用いたポジ型フォトレジストのベース樹脂の屈折率が１．４０に変更した点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。
（比較例４）
実施例１におけるマイクロレンズ上層に用いたポジ型フォトレジストのベース樹脂の質量平均分子量が９００に変更した点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。
（比較例５）
実施例１におけるマイクロレンズ上層に用いたポジ型フォトレジストのベース樹脂の質量平均分子量が４０，０００に変更した点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。
ここで、形成されたマイクロレンズの形状観察、寸法測定、及びレンズ高さ、表面粗さの測定方法および感度評価は、以下の通りである。
実施例１におけるマイクロレンズ上層に用いたポジ型フォトレジストのベース樹脂の質量平均分子量が４０，０００に変更した点以外は、実施例１と同様にしてマイクロレンズを形成した。
ここで、形成されたマイクロレンズの形状観察、寸法測定、及びレンズ高さ、表面粗さの測定方法および感度評価は、以下の通りである。
〔形成されたマイクロレンズ形状と寸法測定〕
形成されたマイクロレンズ形状については測長ＳＥＭ（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製ｅＣＤ２−ＸＰ）で観察評価した。マイクロレンズの形状が半球面となったものを「○」、半球面とならなかったものを「×」として評価した。また隣接するレンズ間の辺同士のギャップについて測定した。ただし、装置測定限界は０．０３５μｍであった。
形成されたマイクロレンズ形状については測長ＳＥＭ（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製ｅＣＤ２−ＸＰ）で観察評価した。マイクロレンズの形状が半球面となったものを「○」、半球面とならなかったものを「×」として評価した。また隣接するレンズ間の辺同士のギャップについて測定した。ただし、装置測定限界は０．０３５μｍであった。
〔マイクロレンズ高さと表面粗さの測定〕
マイクロレンズ高さと表面粗さはＡＦＭ（原子間力顕微鏡、東陽テクニカ社製（ｉ-ｎ ａｎｏ））にて測定した。マイクロレンズの高さはマイクロレンズ下層とマイクロレンズ上層を含めたものとした。
マイクロレンズ高さと表面粗さはＡＦＭ（原子間力顕微鏡、東陽テクニカ社製（ｉ-ｎ ａｎｏ））にて測定した。マイクロレンズの高さはマイクロレンズ下層とマイクロレンズ上層を含めたものとした。
〔感度評価〕
上記の方法で形成したマイクロレンズを備えた固体撮像素子の感度を測定した。比較例１に示された熱リフローによるものと感度比較を行った。評価結果を表１に示す。
上記の方法で形成したマイクロレンズを備えた固体撮像素子の感度を測定した。比較例１に示された熱リフローによるものと感度比較を行った。評価結果を表１に示す。
表１から明らかなように、実施例１〜５では、隣接レンズ間ギャップが小さく、表面が滑らかな半球面上のマイクロレンズが得られた。結果、従来の熱リフロー法と比較して集光感度の向上が可能となった。
比較例２〜３においては、所望の集光感度の向上が得られなかった。また比較例４においては、マイクロレンズ形状が形成出来ず、比較例５においては半球状のマイクロレンズ形状が得られなかった。
比較例２〜３においては、所望の集光感度の向上が得られなかった。また比較例４においては、マイクロレンズ形状が形成出来ず、比較例５においては半球状のマイクロレンズ形状が得られなかった。
ここで、実施例１において、熱リフロー性を有する感光性樹脂の屈折率を１．５、及び１．７として行った場合も、実施例１と同様な評価を得ることが出来たことを確認している。また、実施例１において、熱リフロー性を有する感光性樹脂の質量平均分子量を１，０００として行った場合も実施例１と同様な評価を得ることが出来たことを確認している。
以上、本願が優先権を主張する、日本国特許出願２０１５−１０５６３６号（２０１５年５月２５日出願）および日本国特許出願２０１５−１１９２９０号（２０１５年６月１２日出願）の全内容は、参照により本開示の一部をなす。
ここでは、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく各実施形態の改変は当業者にとって自明なことである。すなわち、本発明は、以上に記載した各実施形態に限定されうるものではない。当業者の知識に基づいて各実施形態に設計の変更等を加えることが可能であり、そのような変更等を加えた態様も本発明の範囲に含まれる。
ここでは、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく各実施形態の改変は当業者にとって自明なことである。すなわち、本発明は、以上に記載した各実施形態に限定されうるものではない。当業者の知識に基づいて各実施形態に設計の変更等を加えることが可能であり、そのような変更等を加えた態様も本発明の範囲に含まれる。
１ マイクロレンズ
１ａ マイクロレンズ上層
１ｂ マイクロレンズ下層
２ 色分解フィルタ
３ 半導体基板
４ 貫通孔電極
５ 接続バンプ
１１ 透明樹脂層
１１ａ マイクロレンズ下層
１２ 感光性樹脂層
１２ａ レンズ母型
１３ 感光性樹脂層
１３ａ マイクロレンズ上層
２１ 半導体基板
２２ 平坦化層
２３ 色分解フィルタ
２４ 透明樹脂層
２５ レンズ母型
２６ マイクロレンズ下層
２７ 凹部
２８ レジストパターン
２８Ａ レンズ形状層（マイクロレンズ上層）
３８ マイクロレンズ
１ａ マイクロレンズ上層
１ｂ マイクロレンズ下層
２ 色分解フィルタ
３ 半導体基板
４ 貫通孔電極
５ 接続バンプ
１１ 透明樹脂層
１１ａ マイクロレンズ下層
１２ 感光性樹脂層
１２ａ レンズ母型
１３ 感光性樹脂層
１３ａ マイクロレンズ上層
２１ 半導体基板
２２ 平坦化層
２３ 色分解フィルタ
２４ 透明樹脂層
２５ レンズ母型
２６ マイクロレンズ下層
２７ 凹部
２８ レジストパターン
２８Ａ レンズ形状層（マイクロレンズ上層）
３８ マイクロレンズ
Claims (12)
- 半導体基板に形成された光電変換素子上に、色分解フィルタとマイクロレンズとをこの順に積層したイメージセンサであって、
上記マイクロレンズは、上記積層方向に沿って、色分解フィルタ側のマイクロレンズ下層と、そのマイクロレンズ下層の上に形成されたマイクロレンズ上層の２層構造となっており、
上記マイクロレンズ下層は、柱状若しくは錐台状の形状であり、上記マイクロレンズ上層は、半球状の形状であり、
上記マイクロレンズ上層を構成する樹脂は、熱リフロー性を有する感光性樹脂であり、
上記マイクロレンズ下層を構成する樹脂は、フッ素系アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、スチレン樹脂、フェノール樹脂あるいはこれらの共重合体であり、且つ、熱リフロー性を有しない感光性樹脂であり、
隣り合う上記マイクロレンズ下層間に位置する凹部の形状は、Ｖ字形状であり、
上記マイクロレンズ上層は、上記マイクロレンズ下層の屈折率と同じもしくは上記マイクロレンズ下層の屈折率よりも高い屈折率を有し、
上記マイクロレンズ上層の屈折率は、１．５以上１．７以下であることを特徴とするイメージセンサ。 - 上記マイクロレンズ上層を構成する樹脂は、質量平均分子量が１，０００以上２０，０００以下であることを特徴とする請求項１に記載したイメージセンサ。
- 上記マイクロレンズ上層を構成する樹脂は、アクリル樹脂、フェノール樹脂あるいはポリスチレン樹脂であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載したイメージセンサ。
- 半導体基板に形成された光電変換素子上に、色分解フィルタとマイクロレンズとをこの順に積層したイメージセンサの製造方法であって、
上記マイクロレンズは、上記積層方向に沿って上下２層で形成され、上記マイクロレンズの下層であるマイクロレンズ下層をエッチング転写法で形成した後に、上記マイクロレンズの上層であるマイクロレンズ上層をフォトリソグラフィ法により形成し、
上記マイクロレンズ下層を構成する樹脂は、フッ素系アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、スチレン樹脂、フェノール樹脂あるいはこれらの共重合体であり、且つ、熱リフロー性を有しない感光性樹脂であり、
隣り合う上記マイクロレンズ下層間に位置する凹部の形状は、Ｖ字形状であり、
上記マイクロレンズ上層は、上記マイクロレンズ下層の屈折率と同じもしくは上記マイクロレンズ下層の屈折率よりも高い屈折率を有し、
上記マイクロレンズ上層の屈折率は、１．５以上１．７以下であることを特徴とするイメージセンサの製造方法。 - 上記マイクロレンズの形成は、
上記色分解フィルタ上にマイクロレンズ材料を塗布する工程と、
上記マイクロレンズ材料上に犠牲層を塗布する工程と、
上記犠牲層をフォトリソグラフィ法によりパターニングする工程と、
上記犠牲層とマイクロレンズ材料をエッチングして、上記マイクロレンズ下層を形成するエッチング転写工程と、
上記マイクロレンズ下層上に感光性レンズ材料を塗布する工程と、
上記感光性レンズ材料をフォトグラフィー法によりパターニングして上記マイクロレンズ上層を形成する工程と、
を有することを特徴とする請求項４に記載したイメージセンサの製造方法。 - 上記マイクロレンズ上層を形成する工程の後に、熱フローにより上記マイクロレンズ上層を流動させてマイクロレンズ下層の表面を覆う工程を有することを特徴とする請求項５に記載したイメージセンサの製造方法。
- 上記感光性レンズ材料をフォトグラフィー法によりパターニングして上記マイクロレンズ上層を形成する工程では、上記マイクロレンズ下層の上面の一部が露出するように、上記感光性レンズ材料をパターニングすることを特徴とする請求項６に記載したイメージセンサの製造方法。
- 上記マイクロレンズ上層は、グレイトーンマスクを使用したフォトリソグラフィ法により形成することを特徴とする請求項４〜請求項７のいずれか１項に記載のイメージセンサの製造方法。
- 上記マイクロレンズの形成は、
上記色分解フィルタ上に透明樹脂層を形成する工程と、
上記透明樹脂層上に、熱リフロー性を有しない感光性樹脂を用いてレンズ母型を形成する工程と、
上記レンズ母型に熱処理を施すことにより、上記レンズ母型を熱硬化させる工程と、
上記熱硬化させたレンズ母型をドライエッチング法により透明樹脂層に転写して、マイクロレンズ下層を形成する工程と、
上記マイクロレンズ下層の屈折率と同じもしくは上記マイクロレンズ下層の屈折率よりも高い屈折率を有すると共に熱リフロー性を有する感光性樹脂を用いて、上記マイクロレンズ下層上にレジストパターンを形成する工程と、
上記レジストパターンに熱リフローを施すことにより、上記レジストパターンを変形させてマイクロレンズ上層を上記マイクロレンズ下層上に形成する工程と、
を含むことを特徴とする請求項４に記載したイメージセンサの製造方法。 - 上記マイクロレンズ下層上にレジストパターンを形成する工程では、上記マイクロレンズ下層の上面の一部が露出するように、上記レジストパターンを形成することを特徴とする請求項９に記載したイメージセンサの製造方法。
- 上記熱リフロー性を有する感光性樹脂の質量平均分子量が１，０００以上２０，０００以下であることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載したイメージセンサの製造方法。
- 上記マイクロレンズ上層を構成する樹脂は、アクリル樹脂、フェノール樹脂あるいはポリスチレン樹脂であることを特徴とする請求項４〜請求項１１のいずれか１項に記載したイメージセンサの製造方法。
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