JPH04229803A

JPH04229803A - マイクロレンズおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH04229803A
Application number: JP3097410A
Authority: JP
Inventors: Masanobu Fujita; 藤田　昌信; Saburo Harada; 三郎原田; Tomohisa Honda; 知久本田
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1990-10-30
Filing date: 1991-04-26
Publication date: 1992-08-19
Anticipated expiration: 2017-08-26
Also published as: JP3317506B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像素子または、
表示素子に設けるマイクロレンズに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像カメラもしくはイメージセンサ
ーとして用いられる電荷結合型固体撮像素子については
はこれまでに受光部、電極部や転送方式等について種々
の提案がなされてきたが、最近では一層の小型化、高画
素化の要求と同時に、高感度化、低雑音化が要求されて
いるため、これに関する回路面あるいは撮像デバイス構
造面についての様々な提案がなされている。特に、デバ
イス構造面については受光面の開口率を増加させる試み
が最も多く提案されている。何故なら、固体撮像素子自
体の改善では固有ノイズの低減には限界があるため、入
射光を増加させて入力信号強度を増加させる手法以外の
有効な方法がさしあたって見当たらないからである。

【０００３】固体撮像素子上にマイクロレンズを直接形
成する方法は、構造が簡単であるにもかかわらず、開口
率を増加させる効果的な方法の一つとして推奨されてい
る。その原理的な構造を図４により説明すると、同図に
は、半導体基板４１に設けた受光部４４、４４・・上に
、この受光部４４、４４・・に対し適当な間隔を形成す
るための透明膜４２を具備する固体撮像素子４０が示さ
れ、受光部４４、４４・・に対応する位置の透明膜４２
上にはマイクロレンズ４３、４３・・が設けられ、外部
入射光４５をマイクロレンズ４３が有する光学的屈折作
用により受光部４４、４４・・に集光させるとともに、
図示しない転送部や配線部が位置する非受光部への入射
光をも受光部４４、４４・・に入射せしめ、これにより
開口率を実質的に増加させるようにしている。

【０００４】このマイクロレンズの製造方法は加熱溶融
法（例えば、特開昭５９−１４７５８６号公報参照）及
び製版塗布法（例えば、特公昭６２−５１５０４号公報
参照）の２通りに大別される。

【０００５】加熱溶融法を図５（Ａ）ないし（Ｄ）によ
り説明すると、同図（Ａ）には受光部５６、５６・・を
備えた半導体基板５２上に設けた透明膜５１を有する固
体撮像素子５０が示され、この透明膜５１上に熱可塑性
の透明なポジ型感光性樹脂被膜５３を塗布し（図５（Ｂ
））、この被膜５３が受光部５６、５６・・上の対応位
置に位置するように露光、現像した後（図５（Ｃ））、
現像によって残った被膜５４を加熱、溶融し、流動化さ
せて凸レンズ５５、５５・・を形成する（図５（Ｄ））
。

【０００６】次に、製版塗布法を図６（Ａ）ないし（Ｄ
）により説明すると、受光部６６、６６・・を備えたす
る半導体基板６２上に透明膜６１を設けてなる固体撮像
素子６０が示され（図６（Ａ））、透明膜６１上に透明
な感光性樹脂被膜６３を形成し（図６（Ｂ））、受光部
６６、６６・・上の対応位置に凸状の感光性樹脂被膜の
残留膜６４、６４・・が位置するように露光、現像し（
図６（Ｃ））、この残留膜６４、６４・・に透明な樹脂
被膜６５を塗布し、これを加熱熔融し、流動化させて凸
レンズ６７、６７・・を形成する（図６（Ｄ））。

【０００７】また、固体撮像素子に限らず液晶表示素子
、ブラウン管、投影型スクリーンなどの表示素子におい
ても、その表示画面上にマイクロレンズを設け、視野角
の拡大、コントラストの向上で目的とした提案が行われ
、これらを利用した製品が上市されている。

【０００８】表示素子は、固体撮像素子と異なり画面が
比較的大きく、このため画素も大きくなるので、マイク
ロレンズ用金型を作り、大量複製したり、印刷法により
パターン形成し、加熱溶融法や製版塗布法を応用するこ
とが可能である。

【０００９】以上の様に広範な使用に供せられるマイク
ロレンズを製造するにあたり加熱溶融法と製版塗布法に
よるマイクロレンズではそれぞれ以下の様な問題を有す
る。製版塗布法では、製版によりパターン形成し、液体
樹脂を塗布し、硬化させるので、その性質上、図３（Ａ
）の様にレンズの裾の方は凹型３２になり凸レンズとし
て機能しないため、凸レンズ３１としての有効面積が小
さくなる傾向がある。加熱溶融法では図３（Ｂ）の様に
有効部３４が大きくとれ、無効な部分３３は比較的狭く
集光効率が良い。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】一方、加熱溶融法によ
るマイクロレンズでは、レンズとしての形状が良く、レ
ンズ有効面積を大きく使うことができ、集光性の点で有
効である反面、パターンを加熱溶融させるため、材料が
硬化されておらず、後工程（例えばパッケージング等の
実装時）の加熱による再溶融により、レンズ形状が不良
になったり、溶剤による洗浄等に耐えない等、物性面で
難点があった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明はかかる課題を解
決するために検討の結果、完成に至ったもので、基材上
に少なくとも熱および／または活性エネルギー線架橋樹
脂をパターン形成し、熱溶融した後、熱および／または
活性エネルギー線および／または化成処理により、該熱
および／または活性エネルギー線架橋性樹脂を硬化させ
たマイクロレンズおよびその製造方法である。

【００１２】図面を参照しつつ本発明を説明すると、図
１は、本発明のマイクロレンズの製造過程を示す図であ
るが、基板１１上に透明樹脂を用いて中間層１２を形成
する。中間層はマイクロレンズの形成する基材となると
ともに、マイクロレンズの焦点をセンサー上に効率的に
位置させるためマイクロレンズの焦点距離を保持する機
能と、平滑な表面を形成することによりレンズとセンサ
ー間距離を一定化させる機能を有するが、熱や活性エネ
ルギー線等によって３次元架橋等をさせて硬化させてい
る。

【００１３】本発明の活性エネルギー線とは、赤外線、
可視光線、紫外線、Ｘ線などの電磁波、放射線および、
電子線などの化学物質に作用して架橋反応、重合等の化
学反応を励起するエネルギーを有するものである。

【００１４】また、活性エネルギー線の照射以外にも、
熱あるいは各種の薬剤や触媒を用いて化学的な処理を行
う化成処理によっても架橋等の反応を起こさせることが
できる。

【００１５】次いでレンズ材料１３をパターン形成する
（図１（Ｃ））。パターン形成はマイクロレンズの原料
の樹脂にレリーフ像を形成するためにおこなわれるが、
これには、マイクロレンズの原料の樹脂に感光性樹脂を
用いて光を所定のフォトマスクを介して照射して露光し
た後に現像することによって直接にレリーフ像を得るフ
ォトリソグラフィー法やマイクロレンズの原料の樹脂と
は別にフォトレジストを塗布して光を所定のフォトマス
クを介して照射して露光した後に現像することによりフ
ォトレジストにレリーフ像を形成した後にマイクロレン
ズの原料の樹脂をエッチングによってレリーフ像を形成
したり、あるいは印刷法によってマイクロレンズの原料
樹脂のレリーフ像を直接に形成することが行われる。

【００１６】通常、微細なパターン形成を行う場合はフ
ォトリソグラフィー法で行うが、この場合には、ポジ型
遠紫外光感光性樹脂を用いる。粗なパターンであれば、
印刷法等種々のパターン形成法が可能である。

【００１７】なお、ネガ型感光性樹脂は、光等の活性エ
ネルギー線を樹脂を残すべき部分に照射してパターンを
露光するため、露光によって樹脂が硬化する結果、樹脂
の特性が変化し十分な溶融ができないものになるからで
ある。

【００１８】更にパターン形成された基板を加熱しパタ
ーンを加熱溶融させ凸レンズ１５を形成したのちに、加
熱または活性エネルギー線１４を照射し（図１（Ｄ））
、凸レンズ１５を硬化し、本発明のマイクロレンズ１６
を得る。

【００１９】この様な工程を可能とするマイクロレンズ
材料は、熱溶融性と同時に３次元架橋等の硬化するため
の架橋基あるいは２重結合、３重結合等が存在しなけれ
ばならない。更に微細なパターンを形成するためにはフ
ォトリングラフィーを手法を利用する場合には、マイク
ロレンズ材料自体を感光性の材料とすることにより、フ
ォトレジストを別途用いる必要がない。このような条件
を満たす材料として、下記に化学構造式（１）で示すポ
リグリシジルメタクリレート、および化学構造式（２）
で示すポリエピチオプロピルメタクリレートがある。

【００２０】

【化１】

【００２１】この材料は、ポジ型遠紫外線感光性樹脂で
あるが、同時に反応基を有しており、活性エネルギー線
以外にも熱あるいは化成処理により容易に開環し架橋す
る。熱による架橋反応は、２００℃の温度で１時間以上
加熱すると、エポキシ基が開環し反応が起こる。特にこ
の場合には加熱による樹脂の溶融と架橋反応を同時に進
行させることが可能である。

【００２２】また、化成処理はジアミン類の存在下で進
行させることができる。

【００２３】また、熱によって樹脂の溶融と硬化を同時
に行うことが可能な樹脂としては、化学構造式（３）で
示すノボラック系の感光樹脂を用いることができる。ノ
ボラック系の感光樹脂はｏ−ナフトキノンジアジドスル
ホン酸とノボラック樹脂とがエステル化したものである
。この樹脂は、化学構造式（４）に示すように、ｏ−ナ
フトキノンジアジドスルホニル基がノボラック樹脂の溶
解に対して阻止する機能を果たしていたものが、光の照
射によってケテンとなり、さらに水の存在下で３−イン
デンカルボン酸を生成して溶解阻止能が消失するのみで
はなくアルカリ可溶性を増大する。この結果、露光され
た部分はアルカリによる現像で溶解することができる。そして、形成されたノボラック樹脂層は加熱溶融すると
同時に遠紫外線を照射すると２酸化炭素を放出して不溶
化する。

【００２４】

【化２】

【００２５】図２は、ノボラック樹脂を用いた場合のマ
イクロレンズの製造過程を示す図であるが、レンズ基板
２１上にノボラック樹脂からなるレンズ材料２２を塗布
する。（図２（Ａ））。マイクロレンズのパターンを描
いた所定のフォトマスク２３を介して紫外線２４を照射
して露光する図２（Ｂ）。次いでテトラメチルアンモニ
ウム水酸化物のような有機アルカリあるいは無機のアル
カリによって現像してレリーフ像２５を形成する（図２
（Ｃ））。得られたレリーフ像２５を加熱溶融して凸レ
ンズ２６を形成する（図２（Ｄ））。凸レンズ２６に遠
紫外線２７を照射して、本発明のマイクロレンズ２８を
得る（図２（Ｅ））。

【００２６】もちろん、これらの重合体のみならずアク
リル酸、メタクリル酸あるいはこれらの単量体が数個な
いし数十個結合したオリゴマーとその共重合体、あるい
は混合体あるポリエステルアクリレート、エポキシアク
リレート、ウレタンアクリレート、アルキッド樹脂アク
リレート、スピラン樹脂アクリレート、シリコーン樹脂
アクリレート等を使用することができる。

【００２７】なお、マイクロレンズを半導体等の基板面
に設けた透明な中間層を基材として形成する場合につい
て説明したが、基板面に中間層を設けることなく、基板
面を基材として同様のマイクロレンズが得られることは
言うまでもない。

【００２８】

【作用】本発明よれば、マイクロレンズが３次元架橋等
により硬化されているために、マイクロレンズのパッケ
ージング等の実装等の後工程での加熱によって再溶融す
るために、レンズ形状が不良になったり、溶剤による洗
浄等に耐えない等の物性面で特性を向上させることがで
きる。

【００２９】

【実施例】以下に本発明の実施例を示し、本発明を更に
詳細に説明する。実施例１５インチシリコン基板に面付けされた受光部、転送部、
その周辺回路を有するインタライン型ＣＣＤ（開口率２
０％）上に感光性アクリル樹脂を７μｍの膜厚になる様
に塗布し、９０℃のホットプレート上に１０分間放置す
ることでプリベークし、所望のパターンを介して紫外線
露光した後、現像してボンディングパッドやスクライブ
ライン上のアクリル樹脂を除いた。更に１５０℃のホッ
トプレート上に１０分間放置し、中間層を形成した。

【００３０】次いでポリグリシジルメタクリレート（Ｐ
ＧＭＡ）を２μｍの膜厚になる様に塗布し、１２０℃の
ホットプレート上に１０分間放置した後、所望のパター
ンを介して、正確に目合わせを行ないキセノン封入水銀
灯を用いて遠紫外線露光し、現像することで受光部に対
し正確に配置されたＰＧＭＡのパターン形成を行なった
。更に、１６０℃のホットプレート上で２０分間放置し
、加熱溶融し真空中にて、１μＣ／ｃｍ２　の電子線を
照射し架橋反応させた後に、トリクロロエタンとイソプ
ロピルアルコールを用いて洗浄を行ったが変化は認めら
れず、モールディングして実装した際の最高加熱温度が
１７０℃であったにもかかわらず、マイクロレンズの形
状変化が認められなかった。更にこれを用いて撮影した
ところ感度が２倍になり、良好な画像が得られた。

【００３１】実施例２ポリビニルアルコール中にヨウ素を分散させた偏向板上
に油変性アルキッド樹脂にメタクリロイル基を導入した
アクリル酸とグリシジルメタクリレートの共重合体を主
成分とする透明インキを用いて所望のパターンを有する
シルクスクリーン版で、膜厚約１０μｍのストライプ状
のレリーフ画像を印刷した。

【００３２】次いで、１２０℃のオーブン中で３時間加
熱溶融し、冷却した後５０℃１０％ヒドラジン水溶液に
３０分浸漬し、該共重合体を硬化させた。

【００３３】Ｘ−Ｙ表示から成る透明電極基板に液晶が
挟持された液晶セルにおいて、光源の反対側に上記マイ
クロレンズ付偏光版をマイクロレンズの軸方向と液晶セ
ルのＸ方向が平行になる様に貼り合わせ、一方、光源側
には、マイクロレンズ無しの偏向板を前記偏光板の偏光
面に対して平行に貼り合わせることによりマイクロレン
ズ付液晶表示素子を形成した。得られたマイクロレンズ
付液晶表示素子をメタノールに浸漬し、表面を洗浄した
が、マイクロレンズに変化はなかった。

【００３４】この様にして形成したマイクロレンズ付液
晶表示素子を点灯させたところ、マイクロレンズを設け
なかった場合には視野角が１４０度であったものが、１
６０度に広がった。

【００３５】実施例３５インチシリコン基板に面付けされた受光部、転送部、
その周辺回路を有するインタライン型ＣＣＤ（開口率２
０％）上にｏ−ナフトキノンジアジドスルホン酸とノボ
ラック樹脂を重量比にて３：１０に混合したレンズ形成
用材料を７μｍの膜厚になる様に塗布し、９０℃のホッ
トプレート上に１０分間放置することでプリベークし、
所望のパターンを介して紫外線露光した後、テトラメチ
ルアンモニウム水酸化物水溶液で現像してボンディング
パッドやスクライブライン上のノボラック樹脂を除いた
。

【００３６】次いで、１５０℃のホットプレート上に１
５分間放置したのちに、５００Ｗのキセノン−水銀ラン
プから５００ｍＪの遠紫外線を照射して硬化処理を行っ
た。得られたマイクロレンズをトリクロロエタンとイソ
プロピルアルコールを用いて洗浄を行ったが変化は認め
られず、モールディングして実装した際の最高加熱温度
が１７０℃であったにもかかわらず、マイクロレンズの
形状変化が認められなかった。更にこれを用いて撮影し
たところ感度が２倍になり、良好な画像が得られた。

【００３７】実施例４５インチシリコン基板に面付けされた受光部、転送部、
その周辺回路を有するインタライン型ＣＣＤ（開口率２
０％）上に感光性アクリル樹脂を７μｍの膜厚になる様
に塗布し、９０℃のホットプレート上に１０分間放置す
ることでプリベークし、所望のパターンを介して紫外線
露光した後、現像してボンディングパッドやスクライブ
ライン上のアクリル樹脂を除いた。更に１５０℃のホッ
トプレート上に１０分間放置し、中間層を形成した。

【００３８】次いでポリグリシジルメタクリレート（Ｐ
ＧＭＡ）を２μｍの膜厚になる様に塗布し、１２０℃の
ホットプレート上に１０分間放置した後、所望のパター
ンを介して、正確に目合わせを行ないキセノン封入水銀
灯を用いて遠紫外線露光し、現像することで受光部に対
し正確に配置されたＰＧＭＡのパターン形成を行なった
。更に、２００℃のホットプレート上で２０分間放置し
、加熱溶融と実質的に同時に架橋反応させた後に、トリ
クロロエタンとイソプロピルアルコールを用いて洗浄を
行ったが変化は認められず、モールディングして実装し
た際の最高加熱温度が１７０℃であったにもかかわらず
、マイクロレンズの形状変化が認められなかった。更に
これを用いて撮影したところ感度が２倍になり、良好な
画像が得られた。

【００３９】実施例５ポリビニルアルコール中にヨウ素を分散させた偏向板上
に油変性アルキッド樹脂にメタクリロイル基を導入した
アクリル酸とグリシジルメタクリレートの共重合体を主
成分とする透明インキを用いて所望のパターンを有する
シルクスクリーン版で、膜厚約１０μｍのストライプ状
のレリーフ画像を印刷した。

【００４０】次いで、１７０℃のオーブン中で３時間加
熱溶融すると実質的に同時に該共重合体を硬化させた。

【００４１】Ｘ−Ｙ表示から成る透明電極基板に液晶が
挟持された液晶セルにおいて、光源の反対側に上記マイ
クロレンズ付偏光版をマイクロレンズの軸方向と液晶セ
ルのＸ方向が平行になる様に貼り合わせ、一方、光源側
には、マイクロレンズ無しの偏向板を前記偏光板の偏光
面に対して平行に貼り合わせることによりマイクロレン
ズ付液晶表示素子を形成した。得られたマイクロレンズ
付液晶表示素子をメタノールに浸漬し、表面を洗浄した
が、マイクロレンズに変化はなかった。

【００４２】この様にして形成したマイクロレンズ付液
晶表示素子を点灯させたところ、マイクロレンズを設け
なかった場合には視野角が１４０度であったものが、１
６０度に広がった。

【００４３】実施例６５インチシリコン基板に面付けされた受光部、転送部、
その周辺回路を有するインタライン型ＣＣＤ（開口率２
０％）上に感光性アクリル樹脂を７μｍの膜厚になる様
に塗布し、９０℃のホットプレート上に１０分間放置す
ることでプリベークし、所望のパターンを介して紫外線
露光した後、現像してボンディングパッドやスクライブ
ライン上のアクリル樹脂を除いた。更に１５０℃のホッ
トプレート上に１０分間放置し、中間層を形成した。

【００４４】次いで、ポリグリシジルメタクリレート（
ＰＧＭＡ）を２μｍの膜厚になるように塗布し、１２０
℃のホットプレート上に１０分間放置した後、所望のパ
ターンを介して、正確に目合わせを行いキセノン封入水
銀灯を用いて遠紫外線露光し、現像することで受光部に
対して正確に配置されたＰＧＭＡのパターン形成を行っ
た。更に、２００℃のホットプレート上で６０分間放置
し、加熱溶融と実質的に同時に熱架橋反応をさせた。この後、トリクロロエタンとイソプロピルアルコールを
用いて洗浄を行ったが変化は認められず、モールディン
グして実装した際の最高加熱温度が１７０℃であったに
もかかわらず、マイクロレンズの形状変化が認められな
かった。更にこれを用いて撮影したところ感度が２倍に
なり、良好な画像が得られた。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、形成されたマイクロレ
ンズが３次元架橋されているので、再溶融防止でき、更
に耐薬品性が向上することにより、マイクロレンズ製造
後の工程の各条件のマージン量の増大、長期信頼性の向
上に効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマイクロレンズの製造工程を示す。

【図２】本発明のマイクロレンズの他の製造工程を示す
。

【図３】製版塗布及び加熱溶融法により形成されたマイ
クロレンズの断面図を示す。

【図４】マイクロレンズの集光原理を示す。

【図５】加熱溶融法による従来のマイクロレンズを製造
工程順に示す。

【図６】製版塗布法による従来のマイクロレンズを製造
工程順に示す。

【符号の説明】

１１…基板、１２…中間層、１３…レンズ材料、１４…
活性エネルギー線、１５…凸レンズ、１６…マイクロレ
ンズ、２１…レンズ基板、２２…レンズ材料、２３…フ
ォトマスク、２４…紫外線、２５…レリーフ像、２６…
凸レンズ、２７…遠紫外線、２８…マイクロレンズ、３
１…凸レンズ、３２…凹型、３３…無効な部分、３４…
有効部、４０…固体撮像素子、４１…半導体基板、４２
…透明膜、４３…マイクロレンズ、４４…受光部、４５
…光、５０…固体撮像素子、５１…透明膜、５２…半導
体基板、５３…被膜、５４…残った被膜、５５…凸レン
ズ、５６…受光部、６０…固体撮像素子、６１…透明膜
、６２…半導体基板、６３…感光性樹脂被膜、６４…残
留膜、６５…透明な樹脂被膜、６６…受光部、６７…凸
レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　基材上に熱、活性エネルギー線、化成
処理の少なくとも１種で硬化する樹脂のパターンを形成
し、熱溶融した後、熱、活性エネルギー線、化成処理の
少なくとも１種によって該樹脂を硬化させて成ることを
特徴とするマイクロレンズ。
【請求項２】　　基材上に熱、活性エネルギー線、化成
処理の少なくとも１種で硬化する樹脂のパターンを形成
し、熱溶融と実質的に同時に該樹脂を硬化させて成るこ
とを特徴とするマイクロレンズ。
【請求項３】　　基材が固体撮像素子または透光性材料
であることを特徴とする請求項１また２のいずれかに記
載のマイクロレンズ。
【請求項４】　　活性エネルギー線が、赤外線、可視光
線、紫外線、Ｘ線などの電磁波、放射線、電子線から選
ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１
または２のいずれかに記載のマイクロレンズ。
【請求項５】　　基板上に熱、活性エネルギー線、化成
処理の少なくとも１種で硬化する樹脂のパターンを形成
した後に、熱溶融してレンズの形態を形成した後に、熱
、活性エネルギー線、化成処理の少なくとも１種によっ
て該樹脂を硬化させることを特徴とするマイクロレンズ
の製造方法。
【請求項６】　　基板上に熱、活性エネルギー線、化成
処理の少なくとも１種で硬化する樹脂のパターンを形成
した後、該樹脂のパターンを熱溶融すると実質的に同時
に該樹脂を硬化させることを特徴とするマイクロレンズ
の製造方法。