JPH056987A - マイクロレンズおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 長辺方向の曲率と短辺方向の曲率がほぼ同じ
になるようにその制御ができるようにしてレンズを形成
する。 【構成】 マトリックス状に配置されかつ一方向を短辺
とし該一方向と直交する方向を長辺とする長方形状の樹
脂層を形成し、この樹脂層を溶融することにより表面に
曲率を有するレンズを形成するマイクロレンズの製造方
法において、溶融の際に、各樹脂層の長辺が互いに隣接
する樹脂層の長辺とつながり、各樹脂層の短辺が互いに
隣接する樹脂層の短辺とつながらないように、各樹脂層
を配列させた状態で溶融させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロレンズおよび
その製造方法に係り、特に、マトリックス状に配置され
かつ一方向を短辺とし該一方向と直行する方向を長辺と
する長方形の各樹脂層を溶融して形成されたマイクロレ
ンズおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、半導体基板の主表面にマトリ
ックス状に複数のフォトダイオードが形成され、光像照
射により各フォトダイオードに蓄積される電荷をＣＣＤ
素子等により順次転送しこれら各電荷を電圧に変換して
出力として取り出す固体撮像素子がある。

【０００３】このような構成からなる固体撮像素子は、
たとえば「映像情報ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ．５月号．１
９８６．産業開発機構ＫＫ発行」等において知られてい
る。

【０００４】そして、近年になって、各フォトダイオー
ドに取り入れる光量の増大を図り、これにより感度を向
上させるようにするために、各フォトダイオードの上面
にそれぞれマイクロレンズを形成する技術が知られるよ
うになってきた（特開昭５４−１７６２０号公報参
照）。

【０００５】このようなマイクロレンズの形成方法の一
例としては、半導体基板の主表面に形成された各フォト
ダイオードの上面にそれぞれ熱変形性の樹脂層を形成し
（この結果、各樹脂層はマトリックス状に配置され
る）、その後、これら樹脂層を溶融させて表面に曲率を
有するレンズを形成するようにしたものがある（特開昭
６０−６０７５６号公報参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような方
法でマイクロレンズを形成した固体撮像素子は、そのフ
ォトダイオードの光照射面の形状が映像装置側の画素に
対応させて形成していることから長方形状となっている
ものが多く、また、マイクロレンズ形成のための樹脂層
も、レンズの集光性を向上させるためにフォトダイオー
ドの光照射面を充分に蔽った長方形状となっているもの
が多い。

【０００７】図８は、このような樹脂層８０が規則正し
く配列された状態を示したものである。

【０００８】同図において、（ａ）は平面図、（ｂ）は
（ａ）のｂ−ｂ線における断面図、（ｃ）は（ａ）にお
けるｃ−ｃ線における断面図である。

【０００９】このため、このような形状の樹脂層８０の
溶融により形成された各マイクロレンズ（図中、点線で
示す）８１は、長辺方向に対応するレンズ面の曲率半径
Ｒｙと短辺方向に対応するレンズ面の曲率半径Ｒｘとが
大幅に異なって形成されてしまっていた。

【００１０】図９は、レンズ厚さに対する、長辺方向に
対応するレンズ面の曲率半径Ｒｙと短辺方向に対応する
レンズ面の曲率半径Ｒｘとの関係を示したグラフであ
り、このグラフから明らかなように、それぞれが同様の
値をとることは全くないものとなっている。

【００１１】このように、長辺方向および短辺方向にお
いてそれぞれ曲率が大幅に異なる場合、図１０、図１１
に示すように、長辺方向と短辺方向のそれぞれにおいて
集光個所が異なってくる。

【００１２】また、マイクロレンズを通過した光のうち
一部の光がフォトダイオードの光照射面に照射されない
という現象が生じ、光量増大を目的とするマイクロレン
ズとしては充分なものではなかった。

【００１３】それ故、本発明は、このような事情にもと
づいてなされたものであり、その目的とするところのも
のは、長辺方向の曲率と短辺方向の曲率がほぼ同じにな
るようにその制御ができるようにしてレンズを形成する
ことのできるマイクロレンズの製造方法を提供すること
にある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、基本的には、マトリックス状に配
置されかつ一方向を短辺とし該一方向と直交する方向を
長辺とする長方形状の各樹脂層を形成し、この各樹脂層
を溶融することにより表面に曲率を有するレンズを形成
するマイクロレンズの製造方法において、溶融の際に、
各樹脂層の長辺が互いに隣接する樹脂層の長辺とつなが
り、各樹脂層の短辺が互いに隣接する樹脂層の短辺とつ
ながらないように、各樹脂層を配列させた状態で溶融さ
せることを特徴とするものである。

【００１５】

【作用】このように構成したマイクロレンズの製造方法
は、特に、各樹脂層の隣接する樹脂層との関係におい
て、その短辺側に隣接する樹脂層との離間距離に対し
て、長辺側に隣接する樹脂層との離間距離を小さくする
ことによって、溶融により、各樹脂層の長辺が互いに隣
接する樹脂層の長辺とつながってしまうようにしたもの
である。

【００１６】このようにすることにより、短辺方向の樹
脂は隣接する樹脂層とつながってしまうためその溶融だ
れが緩和されることになり短辺方向における曲率半径は
大きくなる。通常、長辺方向の曲率半径は短辺方向より
も大きく形成されことから、短辺方向の曲率半径を上述
したように大きくできることは、それらの各曲率半径を
同じにする方向に制御できることになる。

【００１７】ここで、短辺方向の曲率をどれだけ長辺方
向の曲率に近づけるかは、長辺側に隣接する樹脂層との
離間距離をどのような値に設定するかに関係してくるこ
とはいうまでもない。

【００１８】したがって、このようなことから、長辺方
向の曲率半径と短辺方向の曲率半径がほぼ同じになるよ
うにその制御ができるようになる。

【００１９】

【実施例】図２は、本発明によるマイクロレンズの製造
方法を適用させる固体撮像装置の一実施例を示す概略構
成図である。

【００２０】同図は、一チップの半導体基板の主表面に
図示のような配列で各素子が形成されたものとなってい
る。同図において、前記半導体基板の主表面の光像投影
領域に複数のフォトダイオード１がマトリックス状に配
列されて形成されている。

【００２１】また、列方向に配列されたフォトダイオー
ド１の群毎に該列方向に沿って形成された垂直レジスタ
２があり、これら各垂直レジスタ２はＣＣＤ素子から構
成されている。

【００２２】これら垂直レジスタ２は、それぞれ列方向
に配列された各フォトダイオード１にて発生した電荷を
読出すとともに列方向に沿って前記光像投影領域外に転
送させるものとなっている。

【００２３】なお、各フォトダイオード１から垂直レジ
スタ２への電荷読出しは、図示しない電荷読出しゲート
によりなされるようになっている。

【００２４】さらに、各垂直レジスタ２からそれぞれ転
送されてきた電荷は、水平シフトレジスタ４に出力さ
れ、この水平シフトレジスタ４によって水平方向に転送
されるようになっている。この水平シフトレジスタ４
は、前記各垂直シフトレジスタ２と同様にＣＣＤ素子に
より構成されている。

【００２５】水平シフトレジスタ４からの出力は、出力
回路５に入力され、この出力回路５において例えば電圧
に変換され、外部に取り出されるようになっている。

【００２６】そして、このように各素子が形成された半
導体基板の主表面には、各フォトダイオード１が形成さ
れている領域において開口が形成されることにより、各
フォトダイオード１のみを露呈させる遮光膜（図示せ
ず）が形成されている。

【００２７】図３は、図２のIII−III線における断面を
示す構成図である。

【００２８】同図において、まず、Ｎ型半導体基板１１
があり、このＮ型半導体基板１１の表面にはＰ型ウェル
層１２が形成されている。このＰ型ウェル層１２の主表
面側は、光像投影領域となっており、この光像投影領域
側の前記Ｐ型半導体基板面３１には、複数のＮ型拡散層
１３が散在的に（平面的に観た場合、マトリックス状
に）形成されている。

【００２９】これらＮ型拡散層１３は、それぞれ、Ｐ型
ウェル層１２との間にＰＮ接合面を形成し、フォトダイ
オードを構成するようになっている。

【００３０】そして、フォトダイオードを構成する前記
Ｎ型拡散層１３の表面には暗電流発生防止のための濃度
の濃いＰ型拡散層１４が形成されている。

【００３１】また、図中、各フォトダイオードの間の各
領域には、ＣＣＤ素子の電荷転送路となる濃度の小さい
Ｎ型拡散層１５が図中紙面裏から紙面表に沿って形成さ
れている。

【００３２】このＮ型拡散層１５は、また濃度の濃いＰ
型拡散層１６の表面に形成されたものとなっている。Ｐ
型拡散層１６は、電荷吐き出しのためにＮ型半導体基板
１１にパルスを印加した（いわゆる電子シャッタ）際、
Ｎ型拡散層１５内に転送されている電荷がＮ型半導体基
板１１側に移動するのを妨げる層となるものである。

【００３３】さらに、フォトダイオードを構成するＮ型
拡散層１３に対し電荷が転送される側のＮ型拡散層１５
と逆側に位置づけられるＮ型拡散層１５との間には、ア
イソレーション層となる濃度の濃いＰ型拡散層１７が形
成されている。

【００３４】このように各拡散層が形成された表面には
透明な半導体酸化膜１８が形成され、この半導体酸化膜
１８の表面には、たとえばポリシリコン層からなる転送
電極１９（ＣＣＤ素子の）が形成されている。この転送
電極１９は、異なる層に形成された他の転送電極２０と
ともに２相駆動電極構造を構成するようになっている。

【００３５】このうち、転送電極１９は、フォトダイオ
ードを構成するＮ型拡散層１３の領域にまで延在され、
電荷読出電極を兼ねているようになっている。すなわ
ち、転送電極１９に電圧が印加されるとＮ型拡散層１３
とＮ型拡散層１５を接続させるＮチャンネル層が形成さ
れることになり、フォトダイオード側の電荷がＣＣＤ素
子側に読みだされるようになる。

【００３６】そして、転送電極１９、２０が形成された
半導体酸化膜１８面には、前記転送電極１９、２０をも
覆って半導体酸化膜１８Ａが形成され、この半導体酸化
膜１８Ａ面には、フォトダイオードの上方領域を除いて
たとえばアルミニュウムからなる遮光膜２１が形成され
ている。これにより、この遮光膜２１からは前記半導体
酸化膜を通してフォトダイオードが露呈されるようにな
っている。

【００３７】さらに、遮光膜２１が形成された半導体酸
化膜１８Ａ面には、前記遮光膜２１をも覆って有機性透
明保護膜２２Ａが形成され、この有機性透明保護膜２２
Ａ面には、フォトダイオードの上方の領域に色分解用フ
ィルタ膜２３が形成されている。

【００３８】色分解用フィルタ膜２３が形成された有機
性透明保護膜２２Ａ面には、前記色分解用フィルタ膜２
３をも覆って有機性透明保護膜２２Ｂが形成され、この
有機性透明保護膜２２Ｂ面には、フォトダイオードの上
方の領域に、すなわち、前記色分解用フィルタ膜２３に
重畳させてマイクロレンズ２４が形成されている。

【００３９】このマイクロレンズ２４は有機樹脂などを
熱軟化して、図示のように曲率をもたせて形成されたも
のとなっている。

【００４０】図３において、本実施例では、特に、前記
マイクロレンズ２４において、図中、左右の各マイクロ
レンズとの接続部２４Ａが存在することにある。

【００４１】図１は、このマイクロレンズ２４を特に示
した構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の
ｂ−ｂ線における断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ線に
おける断面図である。

【００４２】図１（ａ）は、フォトダイオードの上方に
位置付けられたマイクロレンズ２４であり、その平面的
形状は、Ｘ方向に短辺を、Ｙ方向に長辺を有するほぼ長
方形状となっている。

【００４３】そして、溶融前における各樹脂層（図中、
点線１０で示す）の隣接する樹脂層１０との関係は、そ
の短辺側に隣接する樹脂層１０との離間距離Ｇｙに対し
て、長辺側に隣接する樹脂層１０との離間距離Ｇｘが小
さくなるように設定されている。

【００４４】なお、各樹脂層１０は、熱，紫外線架橋性
を有するポジレジストからなるもので、周知のフォトエ
ッチングにより形成されるものである。

【００４５】また、前記離間距離Ｇｙは、溶融による樹
脂の溶融だれによって隣接する樹脂層が互いにつながら
ないような値に設定され、これに対して離間距離Ｇｘ
は、溶融による樹脂の溶融だれによって隣接する樹脂層
が互いにつながるような値に設定されている。

【００４６】このような状態で、各樹脂層１０を溶融す
ることにより、該樹脂層１０は表面に曲率を有する形状
に変化することになるが、この際、短辺側は隣接する樹
脂層につながらない状態で溶融されることから、その溶
融だれが激しいが長辺方向となっていることからその曲
率半径Ｒｙは大きなものとなる。

【００４７】また、長辺側は隣接する樹脂層１０につな
がる状態で溶融されることから、その溶融だれは緩慢で
あり短辺方向となっているにも拘らずその曲率半径Ｒｘ
は大きなものとなる。

【００４８】図４は、特に、Ｘ方向の曲率を示した断面
図を示したものである。この図４と対応する従来の構造
である図１０と比較すると明らかなように、曲率半径は
大幅に大きくなっている。

【００４９】これにより、Ｘ方向、およびＹ方向におい
て、それぞれ長さが異なる長方形状の樹脂層を溶融して
も、各方向においてそれぞれ曲率をほぼ同様に近づける
ことができるようになる。

【００５０】そして、このような制御は、離間距離Ｇｘ
を任意に設定することにより容易に行うことができるよ
うになる。

【００５１】図５は、本実施例により、マイクロレンズ
を形成した場合の効果を示した説明図である。同図は、
光線追跡によりシミュレートした集光分布を示した図で
ある。図中、太線枠６５がフォトダイオードであり、こ
の太線枠６５を囲む太線枠６４がマイクロレンズを示し
たものとなっている。また、図中の数値は、光強度に対
応する数値である。

【００５２】このことから明らかなように、フォトダイ
オードから外れる近傍領域には、ほとんど光照射が存在
せず、フォトダイオードの中央に集光していることが判
明する。

【００５３】一方、図６は、従来の場合を示したもので
あり、図５と対応づけている。従来にあっては、フォト
ダイオードから外れる近傍領域に光照射されていること
が判る。

【００５４】また、図７は、フォトダイオード内に入射
する光量がレンズのない場合に比べて何倍になるかをシ
ミュレートした結果を示す図で、本実施例により曲率半
径を大きくしていくことにより、従来（図中、×印で示
す）に比べて向上していることが判る。

【００５５】実施例に示したマイクロレンズの製造方法
は、特に、各樹脂層１０の隣接する樹脂層１０との関係
において、その短辺側に隣接する樹脂層１０との離間距
離に対して、長辺側に隣接する樹脂層１０との離間距離
を小さくすることによって、溶融により、各樹脂層１０
の長辺が互いに隣接する樹脂層の長辺とつながってしま
うようにしたものである。

【００５６】このようにすることにより、短辺方向の樹
脂は隣接する樹脂層１０とつながってしまうためその溶
融だれが緩和されることになり短辺方向における曲率半
径は大きくなる。通常、長辺方向の曲率半径は短辺方向
よりも大きく形成されことから、短辺方向の曲率半径を
上述したように大きくできることは、それらの各曲率半
径を同じにする方向に制御できることになる。

【００５７】ここで、短辺方向の曲率をどれだけ長辺方
向の曲率に近づけるかは、長辺側に隣接する樹脂層１０
との離間距離をどのような値に設定するかに関係してく
ることはいうまでもない。

【００５８】したがって、このようなことから、長辺方
向の曲率半径と短辺方向の曲率半径がほぼ同じになるよ
うにその制御ができるようになる。

【００５９】上述した実施例は、本発明を固体撮像素子
に適用したものである。しかし、近年、液晶表示基板に
おいても、その画素毎にマイクロレンズを形成するとい
う試みがあることから、このような液晶表示基板におい
ても適用できるものである。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明によるマイクロレンズの製造方法によれば、長辺
方向の曲率と短辺方向の曲率がほぼ同じになるようにそ
の制御ができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）ないし（ｃ）は、本発明によるマイクロ
レンズの製造方法の一実施例を示す説明図である。

【図２】本発明が適用される固体撮像素子の一実施例を
示す概略平面図である。

【図３】本発明が適用される固体撮像素子の一実施例を
示す断面図である。

【図４】本発明によるマイクロレンズの製造方法により
形成されたマイクロレンズの特に短辺方向における集光
状態を示した説明図である。

【図５】本発明によるマイクロレンズの製造方法により
形成されたマイクロレンズの効果を示す説明図である。

【図６】図５と対応し従来のマイクロレンズの製造方法
により形成されたマイクロレンズの特性を示す説明図で
ある。

【図７】本発明によるマイクロレンズの製造方法により
形成されたマイクロレンズの効果を示す説明図である。

【図８】（ａ）ないし（ｃ）は、従来のマイクロレンズ
の製造方法の一例を示した説明図である。

【図９】従来のマイクロレンズの問題点を示した説明図
である。

【図１０】従来のマイクロレンズの短辺方向の集光状態
を示した説明図である。

【図１１】従来のマイクロレンズの長辺方向の集光状態
を示した説明図である。

【符号の説明】

１０ 樹脂層 ２４ マイクロレンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久慈 卓見 千葉県茂原市早野3300番地 株式会社日立 製作所茂原工場内 (72)発明者 中野 寿夫 千葉県茂原市早野3681番地 日立デバイス エンジニアリング株式会社内 (72)発明者 磯田 高志 千葉県茂原市早野3681番地 日立デバイス エンジニアリング株式会社内 (72)発明者 金坂 和美 千葉県茂原市早野3681番地 日立デバイス エンジニアリング株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マトリックス状に配置されかつ一方向を
   短辺とし該一方向と直交する方向を長辺とする長方形状
   の各樹脂層を形成し、この各樹脂層を溶融することによ
   り表面に曲率を有するレンズを形成するマイクロレンズ
   の製造方法において、溶融の際に、各樹脂層の長辺が互
   いに隣接する樹脂層の長辺とつながり、各樹脂層の短辺
   が互いに隣接する樹脂層の短辺とつながらないように、
   各樹脂層を配列させた状態で溶融させることを特徴とす
   るマイクロレンズの製造方法。
2. 【請求項２】 マトリックス状に配置されかつ一方向を
   短辺とし該一方向と直行する方向を長辺とする長方形の
   各樹脂層を溶融して形成されたマイクロレンズにおい
   て、各レンズの長辺が互いに隣接するレンズの長辺とつ
   ながり、各レンズの短辺が互いに隣接するレンズの短辺
   とつながってないように構成されていることを特徴とす
   るマイクロレンズ。