JPS6060756A - マイクロレンズ付固体撮像素子の製造方法 - Google Patents

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は固体撮像素子の光利用率の改善に関する。固体
撮像素子は受光エリアと受光エリアを駆動し画ｈａ　＝
号をと）出すだめの垂直ならびに水平の走査回路から大
略なシ立っている。また受光エリアには微細な多数の画
素なる構成要素からなっておシこの画素は更に光を受け
る部分と、この画素から峨気信号をとシ出したシする配
線など信号処理部分からなっている。したがって信号処
理部分に入射する光は利用されず、光の利用率が低い欠
点がある。本発明はこの欠点を改善するためのものであ
る。

〔発明の背魚〕

固体撮像素子に画素毎に果光のだめのマイクロる。受光
素子や発光電子にレンズ状のキャップを設ける方法は従
来から周知のことであシ、半導体光デバイスには多くみ
られ、前記マイクロレンズの応用ばこの線にそった提案
といえる。しかし前記提案はその実施面でその方法を欠
くきらいがあり、実施が大変困難である。クリえば、特
開昭５７−１２４４８５　では金型のような型に加熱し
つつ挿し付けて固体撮像素子上の有機樹脂層にレンズ状
の凹凸を設ける方法が示されている。この方法の場合固
体撮慮電子のような剛体の上に塗布された比較的薄い有
機樹脂層に金型を気泡をまき込むことなく均一に挿し付
ける高度な技術が要求される。

更に有機樹脂が金型にステッキングのような現１ぽがお
きないようにする技術も安来される。また圧着によって
ゴミ等の異物の混入の頻度が高くなるきらいがあり、歩
ｖＩＩ＃）上も問題がある。特開昭５５−１２４３６６
　ではガラス板の表面にイオンエツチングでＶ字型の溝
を形成し、プリズム状の屈折光学素子とし固体ｊ最像素
子上に配置することが記載されている。この場合は、固
体ｊ敢像素子上に上記屈折光学素子を配置する方法に特
に問題がある。屈折光学素子の狭面が有効に機能する尚
さになるように配置させる必要があるが本発明では配置
の方法についてはふれられていない。この方法では、例
えば、ガラス板の裏面を光学研摩して薄くして屈折光学
素子のパターンを固体撮像素子の画素パターン配列に精
度よく合せつつ接着するなどの゛方法が配置のだめの方
法として考えられるが、屈折光学素子の板厚を均一に精
度よく一定に研摩する技術が要求され、更に接着する時
にも接庸層の厚さを一定に均一にすることが要求される
。また固ｔ＃−撮像素子ではボンディングなどを行って
外部端子へ素子を接続する必要があるが、このような貼
シ合せの場合にははシ合せたガラス板や接着剤がボンデ
ィングパット部を覆わないようにする必要があり、極め
て困難な方法であるといえる。

〔発明の目的〕

本発明は、半導本素子の製造に広く用いられているホト
リソグラフィの方法を用いて微小レンズアレイ（マイク
ロレンズアレイ）を直接に固体撮像素子上に形成しよう
とするものでるる。

〔発明の概要〕

本発明は、固体の矩形パターンを液化するとパターンの
底の幅がほとんど変化せずに表面自由エネルギーが最小
の形状に変形し、元の矩形パターンの高さよりも高くほ
ぼ完全な円弧状パターンとなること、並びにこれが固体
撮像素子のパターンサイズの領域でも起き得ること、お
よびこの現象がレンズとしての集光上十分なＫＩＡ力を
持っていることの発見に基づいている。すなわち本発明
はほぼ矩形の固形パターンを固体撮像素子の各画素上に
設は融点近傍以上にカ■熱し、液滴化し変形した後冷却
すると微細な固形の凸レンズが各画素毎に形成され、こ
の形成された凸レンズが集光能力が十分大きいという発
見にもとづいている。また更に前記微小レンズの効果を
大きくするには前記微小レンズを固体撮像素子の表面か
ら浮かせて配置はせること（浮かせるために有機樹脂層
なるものを介在させる。このノーをレンズ固定＋１！、
！：いう。）が重要であることが分った。

以下、光利用率の改善効果については原理モデルに庇っ
て計算によって示し、更に形成方法について説明する。

固体の矩形パターンを液化して液滴状にすると水玉のよ
うにレンズ状に変形する。このような変形を引き起こす
もとの矩形パターンの大きさは大略３０μｍ以下である
ことが分った。例えば２０μｍ幅のストライプ状の矩形
パターンを熱変形するとストライプの長手方向の先端も
部分的に円弧状になるがストライプの大部分はカマボコ
のような形状になる。長方形のパターンの場合には同様
に円弧状になるが対角線に沿って陵が生じる。液滴状と
は表面自由エネルギーが最小の状態をほぼ意味し、液滴
の自重が大き過ぎると完全な円弧にならなくなるが、矩
形パターンのノＩさが５μｍ位では自重の影響はパター
ン幅の拡大をもたらすことはめってもほぼ完全な円弧状
となるのでその影響は表面形状に対してはほとんど無視
することができる。液化による粘度低下が大きすぎると
パターン幅の拡大が大きくなるが、幅の拡大がほぼ無視
できる範囲で円弧状に一変形できることは試作によって
確認した。

固体撮像素子の画素サイズは２５０〜２８０ＴＶ本のカ
ラーのもので２／３インチ撮像素子で水平走査方向に約
２３μｍで、高解像素子ではこの画素サイズは更に小さ
くなる。また１／２インチ素子でも画素サイズは同様な
解像式にするには小さくする必要がある。画素の配列は
基盤目状に配列されたタイプと芝の植付けで菌を配列す
る仕方の一種いわゆる目地はりタイプなどの配列方式が
ある。基盤目タイプでは、ストライプ状のレンズを設け
ても光の利用率が大幅に改善される。また目地ばｐタイ
プでもストライプ状にレンズを設けることは可能である
。また画素毎に分割したレンズを設けてもよい。原理モ
デルから光利用率の改善の効果を説明するには単純な形
状の例が良いので、ここではストライプ状のレンズを基
盤目状に配列した画素に設けるものとする。画素を駆動
する配線は水平方向と垂直方向に設けた基盤ＯＳ！が太
ったような形状をしている１、特に垂直方向の配線（水
平走査回路に、債線されている）が太い。

したがって垂直方向の配線に入射する光を上記ストライ
プ状のレンズによって屈折させ、画素内の受光部分に導
くようにする。

第１図（４）は、画素ピッチＬｏ＝２３μｍ、有効受光
部４の幅Ｌ＝１０μｍ（水平方向の光利用率約４３チ）
の２／３インチ撮１＃素子に本発明を実施した状態を示
している。撮像素子３の入面は極めて複雑な構造をして
いるが本発明の説明ではそれらの構造は本質的な問題で
はないので省略した。

本図では撮像素子３の上にガラスパシベーション膜約１
μｍやカラーフィルタ層約２．５μｍなどを含めたレン
ズ固定層（厚さＨ＝１０μｍ）２を設け、その上に熱可
塑性又は熱流動性の樹脂パター７１　ｆ　ハｐ−ン幅２
０μｍ％ターンギャップ３μｍ膜厚Ｄ＝３μｍになる′
ように形成した。ついで、第１図（口のようにパターン
＋ｉ＠がほぼ拡大せずかつ初期パターンの膜厚よシもパ
ターン中心部が制くなるようなＩＩｔＡ度で加熱変形す
る。この時の加熱温度は樹脂の液化に必要な曖低温度に
近い。このような加熱下では樹脂の粘度は相当高くパタ
ーン幅の拡大はほぼ無視できる。また表面の形状はほぼ
完全な円弧状パターン１′になる。本実例の光利用率の
改善効果を下記に示す。

熱処理によって組形）くターン１が円弧状ノくターン１
′になるが、ガス放出や熱架橋性のない樹脂を用いる又
はこれらが無視できる樹脂を用いるので、熱変形でその
断面積に変化がなく矩形ノくターン１と円弧状パターン
１′の断面積をＳｏ　、Ｓと各々Ｉｆｔ＜と、（１）式
が成立する。

Ｓｏ”Ｓ　・・・・・・・・・（１） Ｓｏ＝ＤＸＷ＝１）（Ｌｏ　Ｇ）　””””・（２）た
だし、Ｒは熱変形によって作った樹脂膜の曲がめられる
。

（４）式から初期パターンの膜厚りを与えｎば、微小レ
ンズの曲率半径Ｒがめられる。そこで、本実例ではＤ＝
３μｍでＬｏ　＝２３　μｍ＋Ｇ＝３　μｍであるため
、ＦＬ＝１３．７μｍがめられる。このような微小なレ
ンズを撮像素子３の上に受光′８３０面からＨ＝１０μ
ｍはなして設けた時の光利用率をめる。光利用率をめる
場合相対的な改善効果を考えればよい。そこで計算を簡
単にするために撮像面に垂直に光が入射する場合の実効
的な開口率をめる。第１図に示したように、垂直な光が
Ｐ（ｘ、ｙ）点に角θで入射し微小レンズ（屈折率ｎ　
＝　１．５５　）表面で角βで屈折して有効受光部の端
Ｔ（−ａ、Ｌ／２）に入射し受光されるものとすると、
Ｘ方向の又は水平方向の実効的な開口幅はＬ／２からＸ
まで拡大したことを意味する。したがって光利用率の改
善率ＱはＱ＝口　・・・・・・・・・（５） で与えられる。

上記の状態では（６）式が成立する。したがって■。

と女り、屈折の法則にしたがって であるから ■ 又は ■ （１０）式にｙをＸで茨わし、ａの値をめて、上記（１
０式をＸとＬの式に変換する。Ｐ（ｘ、ｙ）は０（０，
０）を中心とする半径Ｒ上の点であるのｙ］全５）　・
・・・・・・・七 であシ、ａの値は、 で与えられるので、すなわち（１０）式は（１３）式に
変換される。

Ｘ、−＋Ｘ ・ｔａｎ（ｓｉｎ−’（−）−ｓｉｎ（））　・”・・
・−αＪＲ吐 （１層５式に既知のり、ＦＬ、Ｌｏ　、Ｇ、Ｈ，ｎを各
々与えればＰ点のＸの値がめられる。本実例ではポリグ
リシジルメタクリレートのｎ＝１．５５を与えた。有機
樹脂のｎは大略１．４５〜１．６５である。

Ｒは（４）式からめた１３．７μｍを与える。Ｐ点のＸ
値はｘ　＝　７．７８　ｔｔ　ｍ とめられる。

（５）式から光利用率の改善効果ＱをめるとＱ＝１．５
５５ がめられる。本実例では光利用率が約１，５６倍になる
ことを意味する。

第１図面で、レンズ固定層２の厚さＨが薄くなると、２
点入射の光は有効受光部４の端に入射できなくなり、光
利用率の改善効果は小さく女ることは簡単に理解しうる
。またＨが厚くなった場合にはＰ点よシ外側に入射した
光も有効受光部４の端に受光でき改善効果が大きくなる
ことは同様に明瞭である。すなわち微小レンズの効果を
上手に引きだすためにはレンズ固定層２を上手に利用す
ることが肝便である。

次に本発明を微小レンズの形成面から見た特長を述べる
。まず固体ｆＩ＆像素子３の凹凸を平坦化すると同時に
微小レンズを浮かせるだめのレンズ固定層２として樹脂
層を１層あるいは数層重ね塗シして形成する。該表面に
は１〜１．５μｍはどの凹凸があるが樹脂層を形成する
ことで比較的平坦になる。特に前記のように樹脂層の厚
さを１０μｍとした時にはほぼ完全な平坦面とすること
ができる。レンズ固定層２ｆ：樹脂層とするのは表面が
平坦にしやすいこと並びに塗布のような簡単で低コスト
な方法で被覆を形成できること、更に被覆のＤロエが容
易であることなどによる。この樹脂は微小レンズパター
ンを熱流動によって形成する時に液化してはならない。

すなわち、微小レンズの母材の液化温度よりもレンズ固
定層の樹脂の液化温度が高くなるように設定することが
重安である。

一般に液化温度とガラス転移点Ｔ、はほぼ比例する関係
があるので、微小レンズの母材のＴｒｉとレンズ固定層
２の樹脂のＴヨ２とが Ｔｒｉ　＜Ｔ、ｘ の関係になるようにレンズ固定１＠２の樹脂を選択する
心安がある。

レンズ固定層２の樹脂が加工しやすいと述べた。

固＃−撮像素子の製造工程は１枚のＢｉウエノ・上に多
数の撮像素子チップを形成し、素子毎に切シ出してパッ
ケージに貼シつけたのち素子チップとパッケージとの間
をボンディングで連結する等の工程から成っている。微
小レンズを形成する工程はホトリソグラフィ技術である
のでＳｉウェハの上で実施する方がペターで１素子のボ
ンディングを考慮するとレンズ固定層２を加工してポン
ディングパッド部を露出させる心安がある。樹脂層はへ
プラズマなどによって容易にドライ加工することができ
る。マスクとしてはレンズ固定層２よ）耐久性のある樹
脂パターンを用いることもできるが、スピンオンガラス
膜（ＳＯＧ）やシロキサン樹脂パターンあるいは金属蒸
着パターンなどが用いることができる。コスト上ではＳ
ＯＧ膜やシロキサン樹脂膜が被覆形成の点で容易で有利
である。

商脂パターンを熱変形させる際に樹脂が収縮することが
ある。また熱変形の際にパターンの底の寸法が若干伸び
ることがあるが、それらの変動髪因についてはあらかじ
め考慮した設計を行えば期待通シの微小レンズを形成す
ることができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例をもって説明する。

実施例１ 固体撮像素子３（画面サイズ２／３インチ、画素サイズ
２３μｍ１有効受光部幅１０μｍで、画素配列は基盤状
で有効受光部は画素の中心に左右対称に配置された撮像
素子）の上にレンズ固定層２としてポリグリシジルメタ
クリレート層を１０μｍの厚さに重ね塗りして形成した
。該ポリグリシジルメタクリレート層には架橋剤として
２．２’。

４．４′−テトラヒドロキシベンゾフェノンをポリグリ
シジルメタクリレート樹脂量に対して１６ｗｔチ添加し
た。重ね塗布の過程で加熱して架橋させ熱流動性の々い
被膜にした。なお加熱は２０００２０分である。この上
にシプレー社製のＭＰ−１３５０Ｊホトレジストを塗布
して露光現１絞して有効受光部分４の真上にパターン幅
２０μｒｌ’Ｉ　Ｎ　キャップ幅３μｍかつ膜厚３．３
６μｍ＃のパターン１を形成した。このパターンを紫外
光線で照射したｆｆ１１６０ｃで２０分熱処理してレン
ズ状パターン１１に変形した。なおレンズ固定層２は１
０００人のＳＯＧ膜パターンをマスクとして０２ガスで
ドライエツチングし加工した。本実施例ではＭＰ−１３
５０Ｊは、加熱によって１２チ収縮するので、３μｍの
膜厚のパターンが初期にあったものとしてよく、これに
よる光利用率の改善効果は１．５倍であった。また本実
施例ではＭＰ−１３５０Ｊには吸収があり赤色あるいは
近赤外光用の微小レンズとして有効であった。

実施例２ 実施例１と同じくレンズ固定層２を１０μｍ４を塗布し
ベークして形成する。次にこの上にポリグリシジルメタ
クリレート層を３μｍの厚さに塗布する２００Ｃで６０
分ベークし遠紫外疎によって露光しメチルエチルケトン
５容とエタノール２容の現像液で処理し露光部分のポリ
グリシジルメタクリレート層を除去しポリグリシジルメ
タクリノートの矩形パターン１を形成した。この工程で
はレンズ固定層２は十分架橋し遠紫外線に対してほぼ感
度がなくなっているためほぼ感光しないように露光量が
設定できる。勿論若干感光しても特性上障害となること
はない。次に該パターンを１６０Ｃで２０分ベークし熱
変形した。なおレンズ固定１−２は実施例１と同様にシ
ロキサン樹脂膜パターンをマスクとして０２ガスでドラ
イエッチし加工した。

なお該微小レンズの耐熱性を向上するために熱変形ｖｋ
２，２／　、４．４’−テトラヒドロキシベンゾフェノ
ン等の架橋を含浸し熱処理をほどこすことで変形をとも
なうことなく安定化させることができる。上記架橋剤の
他に有ギ酸や無ギ酸の処理やアミン系によっても安定化
させることができる。

実施例３ ポＩＪ（１）−ビニルフェノール）樹脂（平均分子量４
２００　）に遠紫外線に対してネガ型感光性を示す３，
３′−ジアジドジフェニルスルホンヲ樹脂量に対してｉ
ｏｗｔｓ添加した遠紫外光感光性のホトレジスト液を実
施例１で示したレンズ固定層２の上に３．３μｍの厚さ
に塗布し露光後アルカリメタルフリーの現像液ＭＦ−３
１２水溶液（シブレー社製）にて処理して矩形パターン
１を形成した。この矩形パターン１を熱流動させ微小レ
ンズ１′とした。熱変形は１４０Ｃ’以上の温度で行っ
た。この樹脂には接着性改善のためにシラン系のカップ
リング剤等が冷加されることがあるが本プロセスでは障
害になることはない。実施例２，３は可視部に吸収がな
いため可視光を対象とする撮１駅累子に有用である。レ
ンズ固定層２には熱流動性をおさえるために架橋剤を加
えたが、Ｊ　２’　＋４．４′テトラヒドロキシベ／シ
フエノンばかシでなく池の一般架橋剤が使用し得る。た
とえば無水有機酸あるいは有機酸あるいはアミン類や水
酸基を有する有ギ化合物などの架鳴剤も使用することが
できる。また素材としてポリグリシジルメタクリレート
樹脂を用いたが、無色透明で耐熱性のある樹脂であれば
本発明のレンズ固定層２の素材として用いることができ
る。例えば池のエポキシ樹脂やポリエステル樹脂など色
々な熱硬化性樹脂が適用可能でめる。固体撮像素子３の
画素サイズが小さくなると屈折して粟光する能力の小さ
いレンズで相対的な意味において大きな光利用の改善効
果が得られるので、レンズの曲率を緩めたシあるいはレ
ンズ固定層２の厚さを薄くすることができる。

〔発明の効果〕

本発明によるとホトリソグラフィ法によって、微小レン
ズアレイを固体撮像素子の上に形成できる。通常８１半
導体の製造工程は多数の半纏体回路素子を大きなＳｉウ
エノ・上に一括処理によって形成する方式（マルチチッ
プ方式）がとられている。本発明の方法は上記マルチチ
ップ方式で実施できるので一般半導体の工程と同等の歩
留と低コストを実現することができる。

また本発明は画素サイズが小さくなるほど実施しやすく
なる。すなわち固体撮像素子の高解像度化に有用な発明
と言える。また画面サイズが小さいほど固体撮像素子の
チップ歩留は極端に改善されるが、本発明の実施で画素
サイズの縮小引いては画面サイズの縮小が感度低下をま
ねくことなく実現することができ、撮像素子の低価格化
が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（４）は、不発明の熱処理前の断面図、第１図■
は本発明の熱処理後の断面図でるる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一体撮像素子の上に、レンズ固定層を設け、該レン
   ズ固定ノーの上に熱変形性樹脂パターンからなる凸レン
   ズを設けたことを特徴とするマイクロレンズ付固体撮像
   素子。 ２、固体（：Ｉ像素子の上にレンズ固定層を設、け、咳
   レンズ固定層の上に熱変形性樹目旨パターンを形成し、
   該熱変形性樹脂パターンを加熱変形する際に該パターン
   の膜厚よりも変形後に作られる凸レンズの中心部の高さ
   が高くなるような加熱ｒ高置で加熱処理することを特徴
   とするマイクロレンズ付固体道像素子の製造方法。 ３、　上記レンズ固定層が、樹脂ノーで構成され、該樹
   脂層が熱変形性樹脂パターンの樹脂の加熱変形時に熱変
   形しないものであることを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項記載のマイクロレンズ付固体撮像素子の製造方法。