JPH06252372A - レンズ形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 例えばＣＣＤ固体撮像素子において、レンズ
間隔が零となるオンチップマイクロレンズを安定して形
成できるようにする。 【構成】 平坦化膜であるレンズ材料層上において膨張
する物質（ゼラチン又はカゼイン）をレンズ形状に加工
する工程と、膨張する物質をレンズ形状を保持したまま
膨張させる工程と、膨張した物質をエッチバックしてレ
ンズ材料層に膨張したレンズ形状を転写する工程とを有
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばＣＣＤ固体撮像
素子におけるオンチップマイクロレンズ等の形成に好適
なレンズ形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来のＣＣＤ固体撮像素子の表
面に平坦化膜を形成した後のオンチップマイクロレンズ
の形成方法を示す。同図において、１はＣＣＤ固体撮像
素子を示し、２はそのマトリックス状に形成された画素
となる複数の受光部（フォトダイオード）、３は各受光
部列の１側に設けられたＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ
を示す。垂直転送レジスタ３では絶縁膜を介して転送電
極４が形成される。さらに垂直転送レジスタ３上には層
間絶縁膜１０を介してＡｌ膜等による遮光膜５が被着形
成される。

【０００３】そして、先ず、図５Ａに示すように、ＣＣ
Ｄ固体撮像素子１の表面に平坦化膜６を形成した後、こ
の平坦化膜６上の受光部２に対応する位置にオンチップ
マイクロレンズとなりうるパターニングしたフォトレジ
スト層７を形成する。

【０００４】次いで、図５Ｂに示すように、フォトレジ
スト層７に対してリフロー処理を施し、即ち、百数十
℃、数分間の熱処理を行い、フォトレジストの粘着を増
してその表面張力により形状が丸まることを利用して、
凸レンズ形状のマイクロレンズ８を形成する。この構成
において、撮像領域に入射した光Ｌは、オンチップマイ
クロレンズ８を通して各対応する受光部２に集光され
る。

【０００５】更に、図５Ｃに示すように、フォトレジス
トを熱処理リフローで更にだれさす等して横方向に滑ら
せて、隣り合うマイクロレンズ８間の無効領域９を零に
近づけるように形成する方法も知られている。

【０００６】また、図６及び図７は従来のオンチップマ
イクロレンズの形成方法の他の例（特開平３−２４８４
６３号公報参照）である。このレンズ形成方法は、先ず
図６Ａに示すように、ＣＣＤ固体撮像素子１上にカラー
フィルタ層１１を形成して表面を平坦化した後、その上
にカラーフィルター形成材料と同じ被染色材料層１２
（例えばゼラチン、カゼインなど）を形成する。次に、
図６Ｂに示すように、被染色材料層１２上に画素パター
ンに対応したマスクパターンを用いて受光部２を取り囲
むように選択的にフォトレジストパターン１３を形成す
る。

【０００７】次に、図７Ｃに示すように、この状態で被
染色材料層１２を赤外線用染料溶液中に浸漬し、体積膨
張させ、凸レンズ状体即ちオンチップマイクロレンズ１
４とする。しかる後、フォトレジストパターン１３を除
去して、図７Ｄに示すようにＣＣＤ固体撮像素子上にオ
ンチップマイクロレンズ１４を得る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の図５
Ａ及びＢの方法で形成したオンチップマイクロレンズ８
は、レンズ８とレンズ８間を通る光Ｌは受光部２に届か
ず、感度的には無効な領域９となってしまう。またこの
無効領域９を通った光は、遮光膜５の表面で反射するた
め、撮像素子表面のチップのフレア問題を発生させてい
る。

【０００９】レンズ間隔を狭くする方法として、従来は
リソグラフィーの解像度の向上に頼った方法で、図５Ａ
の工程で最小間隔で抜くか、または図５Ｃに示す熱処理
リフローでフォトレジストを更にだれさして間隔を狭く
している。

【００１０】しかし、図５Ａ及びＢの方法ではリソグラ
フィーの解像度で決まる最小間隔以上に狭くすることが
できない。また、図５Ｃの方法では、レンズ８の相互間
の間隔を零にするまでフォトレジスト７同士を近づける
と、本来フォトレジスト７の表面張力を使用した凸形状
形成法であるため、フォトレジストと隣りのフォトレジ
ストが接触した途端、互に癒着しあう。このため、形状
は同図示のように間隔が潰れ、しかも非常にわずかの温
度差、時間差でその癒着が始まり、変化も数秒以内と急
なため、制御不可能となり、場所により形状が大きくな
る。

【００１１】また、図６の方法では受光部２を囲うよう
にフォトレジストパターン１３を残してマイクロレンズ
１４が形成されるので隣り合うマイクロレンズ１４間の
間隔を無くすことができない。

【００１２】この様に、従来方法では、安定したオンチ
ップマイクロレンズ形状を得ようとすると、マイクロレ
ンズ間に間隔を形成させるをえない。

【００１３】本発明は、上述の点に鑑み、レンズの間隔
を零又は出来るだけ零に近づけることができ、且つ安定
してレンズ形成ができるレンズ形成方法を提供するもの
である。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係るレンズ形成
方法は、平坦化膜２１上において膨張する物質２２を隣
り合う間隔をあけた状態でレンズ形状に加工する工程
と、レンズ形状の膨張する物質２２を隣り合う間隔が小
又は零となるように膨張させる工程を有するものであ
る。

【００１５】又、本発明に係るレンズ形成方法は、レン
ズ材料層２１上において膨張する物質２２をレンズ形状
に加工する工程と、膨張する物質２２をレンズ形状を保
持したまま膨張させる工程と、膨張した物質２２をエッ
チバックしてレンズ材料層２１に膨張したレンズ形状を
転写する工程を有するものである。

【００１６】膨張する物質２２としてはカゼイン又はゼ
ラチンを用いることができる。

【００１７】また、上述の工程において、膨張する物質
２２上にフォトレジスト２３をパターン形成し、リフロ
ーした後、エッチバックして膨張する物質２２をレンズ
形状に加工する工程を有することができる。

【００１８】

【作用】第１の発明においては、カゼイン又はゼラチン
等による膨張する物質２２を隣り合う間隔をあけた状態
でレンズ形状に加工した後、この膨張する物質２２を染
色材により体積膨張させることにより、レンズ形状を保
持した状態で隣り合うレンズ間の間隔を小又は零とする
ことができる。

【００１９】第２の発明においては、レンズ材料層２１
上において膨張する物質２２をレンズ形状に加工し、こ
の膨張する物質２２をレンズ形状を保持したまま膨張さ
せたのち、膨張した物質２２をエッチバックして下層の
レンズ材料層２１に膨張したレンズ形状を転写すること
により、レンズ材料層２１には隣り合うレンズ間の間隔
を小又は零としたレンズ群を安定して形成することがで
きる。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【００２１】図１及び図２は、本発明によるレンズ形成
方法をＣＣＤ固体撮像素子のオンチップマイクロレンズ
形成に適用した場合の一例を示す。同図において、１は
例えばインターライン転送方式、或はフレームインター
ライン転送方式のＣＣＤ固体撮像素子（特にその撮像領
域）を示し、２はそのマトリックス状に形成された画素
となる複数の受光部（フォトダイオード）、３は各受光
部列の１側に設けられたＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ
を示す。垂直転送レジスタ３では絶縁膜を介して転送電
極４が形成される。さらに、垂直転送レジスタ３上には
層間絶縁膜１０を介してＡｌ膜等による遮光膜５が被着
形成される。

【００２２】本例においては、図１Ａに示すように、Ｃ
ＣＤ固体撮像素子１の表面にレンズ材料層となる粘度の
小さい有機膜２１を塗布形成する。有機膜２１は、平坦
化膜であり、また後述のカゼイン又はゼラチンの如き膨
潤する物質層と同じエッチングレートを有するを可とす
る。この有機膜２１上に例えばカゼインやゼラチンのよ
うな溶液に浸すと膨潤する物質層２２を被着形成する。
そして、この体積膨張する物質層２２上の受光部２に対
応する位置に、通常のリソグラフィー技術を用いてパタ
ーニングされたフォトレジスト層２３を形成する。この
フォトレジスト層２３の形成時、パターンの抜き幅は、
必ずしもステッパ能力とレジストで決まる最小抜き幅間
隔である必要はなく、多少余裕のある抜き間隔でもよ
い。

【００２３】次に、図１Ｂに示すように、フォトレジス
ト層２３を１５０℃前後の温度でリフローさせ、凸レン
ズのような形状にする。ここで、熱処理の多少により、
レンズ形状のフォトレジスト層２３間の間隔Ｄを狭くす
ることは、半導体ウエハ内の温度分布や、フォトレジス
ト層２３の下地との滑り量の制御が難しく、リソグラフ
ィーの最小抜き幅より狭くすることは不安定で出来な
い。

【００２４】次に、図１Ｃに示すように、酸素系ガスの
ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により、レンズ形状
のフォトレジスト層２３をエッチバックして下地のカゼ
イン又はゼラチンによる膨張する物質層２２に、そのレ
ンズ形状を１対１で転写する。ここで、ゼラチンやカゼ
インはネガタイプのフォトレジストとして使用される場
合が多く、そのため、１００℃以上でも粘性を持たない
ため、そのままではリフローできず、レンズ形状ができ
ない。従って、上記のようにポジタイプのフォトレジス
ト層２３を熱処理でレンズ形状にリフローし、エッチバ
ックする必要がある。なお、カゼインやゼラチンが熱処
理等により、リフローされる特性を持つことができれ
ば、ポジタイプのフォトレジスト層２３を形成してリフ
ローし、エッチバックする必要はない。

【００２５】次に、凸レンズ形状になったカゼイン、ゼ
ラチン等による膨張する物質層２２を、酸性のアニオン
系の染色材入りの水溶液中に浸す（染色する）。酸性ア
ニオン系の染色材としては、染料本体が例えばＳＯ₃ Ｎ
ａの構造のものであり、一例としてシアン系染色である
Ｃｕフタロシアニン（ＳＯ₃ Ｎａ）を用いることができ
る。染色条件としては、上記染色材の濃度０．５％の水
溶液を６０℃にし、その水溶液中に１０分程度浸漬して
行う。これにより、カゼインやゼラチンに染料が分子レ
ベルで染み込み、安定な結合を作り膨張する物質層２２
は、図２Ｄに示すように、レンズ形状を保持した状態で
体積膨張する。

【００２６】ここで、膨張する量は、水溶液中の染料の
濃度や、染色時間を制御することで体積１．５倍程度ま
で精度良くコントロールできる。

【００２７】また、隣り同士のカゼイン、ゼラチンは膨
張により接触しても従来のフォトレジストと異なり、表
面張力によるフォトレジストのリフローではなく、原理
的に体積膨張であるため、互にくっついても形状が著し
く癒着変形することは無い。

【００２８】従って、図２Ｄに示すように隣り合うレン
ズ２４とレンズ２４が丁度接触するぐらいに膨潤させる
ことは、充分制御性良く実現できる。また、ここで膨潤
は、染色材料のような溶剤で染色する要領で、分子レベ
ルで安定に溶け込ませ、体積膨張をさせる。この方法に
よれば、固溶度まで溶け込ませれば、体積膨張は常に一
定で安定した形状を再現性よく得ることができる。

【００２９】この様にして、隣り合うレンズ間の間隔を
零にしたカゼイン、ゼラチン等の膨張する物質によるオ
ンチップマイクロレンズレンズ２４が形成される。この
状態でオンチップマイクロレンズの形成を完了してもよ
い。

【００３０】但し、図２Ｄの状態の物質層２２によるオ
ンチップマイクロレンズ２４は、染色されている。従っ
て、さらに、図２Ｅに示すように異方性プラズマエッチ
ングにてレンズ形状の膨張した物質層２２をエッチバッ
クして下地の有機膜２１にそのレンズ形状を１対１で転
写し、有機膜２１によるオンチップマイクロレンズ２５
を形成する。これにより、無色のオンチップマイクロレ
ンズ２５がレンズ間隔零で形成できる。

【００３１】この図２Ｅの工程でオンチップマイクロレ
ンズレンズの形成を完了するときには、図２Ｄで完了す
る場合に比して図２Ｅでのエッチング量を見込んで有機
膜２１は厚く形成して置く。

【００３２】上述の実施例によれば、パターニングした
フォトレジスト層２３をリフローさせてレンズ形状とし
た後、エッチバックして下地のカゼイン、ゼラチン等の
膨張する物質層２２にレンズ形状を転写し、次いで、染
料溶液でレンズ形状を保持した状態で物質層２２を体積
膨張させてオンチップマイクロレンズ２４とすることに
より、更には、この体積膨張した物質層２２をエッチバ
ックして下地の有機膜２１にレンズ形状を転写させてオ
ンチップマイクロレンズ２５とすることにより、隣り合
うレンズ間の間隔が零又は零に近い極めて小となされた
オンチップマイクロレンズを安定して形成することがで
きる。

【００３３】また有機膜２１によりオンチップマイクロ
レンズ２５を形成するときは、有機膜２１自体弾力性が
あるので、このＣＣＤ固体撮像素子をカメラに埋込むと
きに仮りにレンズ２５がぶつかってもレンズ形状を回復
することができ、信頼性が高い。

【００３４】従って、このオンチップマイクロレンズ２
４又は２５に入射した光の全ては無駄なく受光部２に集
められ、ＣＣＤ固体撮像素子１としての感度が向上す
る。また、レンズ間隔が零であるために、遮光膜５に入
射し、反射して外部に出てくる光がなくなり、撮像素子
からの反射による画素部フレアの問題（固体撮像素子本
体のカメラシステム系での写り込みの問題）がなくな
る。

【００３５】尚、上述の図１Ｃの工程の後に、膨張する
物質層２２に対し、選択的に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青
（Ｂ）の染料で染色して体積膨張させ、マイクロレンズ
２４に色フィルタ機能を同時に有せしめるように形成す
ることも可能である。

【００３６】図３及び図４は本発明の他の実施例であ
る。なお、同図において、図１及び図２と対応する部分
には同一符号を付して重複説明を省略する。

【００３７】本例においては、図３Ａに示すようにＣＣ
Ｄ固体撮像素子１の表面に有機膜２１を形成し、さらに
その上にカゼイン、ゼラチン等の膨張する物質層２２を
形成し、フォトレジストを介して受光部２に対応する部
分が残るように物質層２２をパターニングする。

【００３８】次に、図３Ｂに示すように、膨張する物質
層２２の除去された部分にフォトレジストパターン３１
を形成する。

【００３９】次に、図４Ｃに示すように、前述の実施例
と同様に染色材入りの水溶液中に浸して膨張する物質層
２２を第１回目の体積膨張させて凸レンズ形状にする。
この状態では、フォトレジストパターン３１によって隣
り合うレンズ形状の物質層２２同士は離れている。

【００４０】次に、図４Ｄに示すように、フォトレジス
トパターン３１を除去した後、レンズ形状の物質層２２
に対して再度染色材入りの水溶液中に浸して第２回目の
体積膨張を行いレンズ間隔が極めて小さい或は零となる
オンチップマイクロレンズ３２を形成する。

【００４１】この図４Ｄの工程でレンズ形成を完了して
もよい。或は、図４Ｄの工程後、物質層２２をエッチバ
ックしてレンズ形状を下地の有機膜２１に転写し、この
有機膜２１によってオンチップマイクロレンズを形成す
ることもできる。

【００４２】この実施例においても、前述と同様に、レ
ンズの間隔が零のオンチップマイクロレンズを安定して
形成することができる。

【００４３】尚、上例では、本発明方法をＣＣＤ固体撮
像素子のオンチップマイクロレンズの形成に適用した
が、その他、例えば液晶パネルの表面に視野角を広げる
ために画素毎のレンズ群を形成する場合、或は液晶パネ
ルのバックライトの集光性を上げるためのレンズ群を形
成する場合等にも適用できる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、隣り合うレンズ間隔を
極めて小さい或は零にしたレンズ群を安定して形成する
ことができる。従って、例えばＣＣＤ固体撮像素子のオ
ンチップマイクロレンズ、或は液晶パネルに設ける視野
角拡大用レンズ群、バックライト集光用レンズ群、その
他のレンズ群の形成等に適用して好適ならしめるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレンズ形成方法の一例を示す工程
図（その１）である。

【図２】本発明によるレンズ形成方法の一例を示す工程
図（その２）である。

【図３】本発明によるレンズ形成方法の他の例を示す工
程図（その１）である。

【図４】本発明によるレンズ形成方法の他の例を示す工
程図（その２）である。

【図５】従来のレンズ形成方法の一例を示す工程図であ
る。

【図６】従来のレンズ形成方法の他の例を示す工程図
（その１）である。

【図７】従来のレンズ形成方法の他の例を示す工程図
（その２）である。

【符号の説明】

１ ＣＣＤ固体撮像素子 ２ 受光部 ３ 垂直転送レジスタ ４ 転送電極 ５ 遮光膜 ６ 平坦化膜 １０ 層間絶縁膜 ２１ 有機膜 ２２ 膨張する物質層（ゼラチン、カゼイン等） ７，２３ フォトレジスト ８，２４，２５ オンチップマイクロレンズ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平坦化膜上において膨張する物質を隣り
   合う間隔をあけた状態でレンズ形状に加工する工程と、 前記レンズ形状の膨張する物質を前記隣り合う間隔が小
   又は零となるように膨張させる工程を有することを特徴
   とするレンズ形成方法。
2. 【請求項２】 レンズ材料層上において膨張する物質を
   レンズ形状に加工する工程と、前記膨張する物質をレン
   ズ形状を保持したまま膨張させる工程と、前記膨張した
   物質をエッチバックして前記レンズ材料層に前記膨張し
   たレンズ形状を転写する工程を有することを特徴とする
   レンズ形成方法。
3. 【請求項３】 膨張する物質がカゼイン又はゼラチンで
   あることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレン
   ズ形成方法。
4. 【請求項４】 膨張する物質上にフォトレジストをパタ
   ーン形成し、リフローした後、エッチバックして前記膨
   張する物質をレンズ形状に加工する工程を含むことを特
   徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載のレンズ
   形成方法。