JPS6060757A - マイクロレンズを備えた撮像素子及びその製造方法 - 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〕 本発明はマイクロレンズに係り、特に固体撮像素子の光
利用率の向上に好適な集光レンズに関するものである。

〔発明の背景〕

固体撮像素子上に形成した従来のマイクロレンズは、撮
像素子とレンズとを別々に作りこれを貼シ合わせていた
。また、隣り合うレンズは、互いに接していた。このよ
うな構造のレンズでは、（１）貼り合せたことにより、
素子とレンズとの距離が大きくなり、長焦点レンズを作
らねばならない。

（２）素子の画素に対応した位置に正確にレンズを設け
ることが難しい等の欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、素子への位置合せが容易で、集光率の
優れたマイクロレンズを提供することにある。

〔発明の概要〕

素子とレンズとの位置合わせ精度は、素子表面から、レ
ンズまでの距離が大きくなるに従い低下する。この点か
ら、貼り合わせでは不都合である。

したがって、素子上に直接レンズを構成するオンウェハ
レンズが良い。また隣り合うレンズが互いに接している
場合には、位置合わせ精度を高くする必要がある。すな
わち、位置合わせが不充分な場合には、画素によって、
入射光量が異なり、再生画像ではシェーディングとなっ
て悪影響があられれる。しかし、隣り合うレンズ間に、
画素感光部へ入射する光がない領域を作れば位置合せ裕
度は大幅に大きくなる。

我々が採用したレンズの形成方法の概略を述べる。撮像
素子上に、透明なレンズ固定層を形成し、この上に、熱
軟化性樹脂を形成し、パターン化する。このパターン化
は、熱軟化性樹脂を印刷技術（ホトリソグラフィー）を
用いて加工するか、熱軟化性樹脂に光あるいは放射線に
感光機能のある材料を用いることによりパターン化でき
る。これに適当な熱処理をすると、加熱により樹脂は軟
化し、流動し易くなる。この時、樹脂自身の自重が無視
できるよりな微小パターンでは、樹脂の表面自由エネル
ギーが最小となる形状に変形する。すなわち、パターン
断面は、円弧状１球の一部を切り取った形状となる。同
じように、パターンがストライプ状の場合には、カマポ
コ状に変形する。

この樹脂が透明であれば、直接レンズとして利用できる
。可視光に吸収のある樹脂では、レンズ固定層と熱軟化
性樹脂との間にレンズ構成材料を置き、熱軟化したレン
ズ状樹脂をマスクとして、この形状をレンズ構成材料に
転写することによりレンズを作ることができる。

以上のようなレンズの形成方法では素子上に樹脂による
パターンを形成する場合、隣り合うレンズを接した構造
とすると作り難いこと、また形成したパターンを熱軟化
し円弧状レンズとする場合にも、レンズが互いに接した
構造では同じく作り難い。以上の理由から、我々はレン
ズとレンズとの間にギャップを設けることに上９、位置
合わせが容易で、製作上からも簡易なレンズ構造を採用
することとした。さらに、この手法によれば、レンズと
レンズとの間のギャップの大きさは集光力に大きく影響
することが判明した。すなわち、一般的には、レンズと
レンズとの間のギャップが大きくなるとギャップ間に入
射する光は利用されず、レンズを設けた効果は小さくな
るとされるが、パターン形成上からあまシ厚い熱軟化性
樹脂パターンを作ることは困難であり、その膜厚によっ
ては、むしろギャップを大きくした方が、集光能力が良
いことがわかった。すなわち素子の画素ピッチ、感光部
の幅、その他レンズ構成上の形状寸法により、適当なギ
ャップ幅が必要であることがわかった。以下ではその検
討結果について述べる。

第１図に固体撮像素子上にレンズを形成した、１画素の
断面を示した。この図は、固体撮像素子のＳｉ基板１０
上にレンズ２２を形成した状態をあられすものである。

Ｓｉ基板には、感光部１１の他絶縁部、配線部等もある
が、ここではレンズの説明に必要な感光部１１のみ明示
した。この上に保護膜、ちるいは色フィルタ等があるが
、図中では省き、感光部１１の表面から、レンズ２２の
底面までをレンズ固定層２０とする。レンズ２２は、熱
軟化性樹脂２１をパターン化し、これを熱処理により円
弧状に変形することによって得られる。熱軟化性樹脂２
１が可視光を吸収するような材料の場合には、これをマ
スクとして、レンズ固定層２０をイオンミーリング、ス
パッタエツチングあるい＋ｄその他のドライエツチング
技術を用いることにより、レンズ固定層２０に、レンズ
２２とほぼ等しい形状を転写し、レンズとすることがで
きる。なお、ドライエツチングによってレンズ固定層が
一部マイクロレンズ層を構成することになるが、レンズ
固定層の厚さにあらかじめレンズ要分を加えておくこと
で、レンズ固定層の必要厚さを確保する。また、レンズ
固定層上にレンズ構成材を置いても同様にレンズを作る
ことができる。

ここでは、説明を簡易化するため、熱軟化性樹脂２１が
熱処理によりレンズ２２となったものとし説明をする。

この場合の各部の形状寸法記号を以下の通りとする。撮
像素子の水平方向繰り返しピッチすなわち１画素の幅Ｌ
０．１画素中の水平方向感光部の幅をＬルンズ固定層の
高さをＨ１熱軟化性樹脂２１の膜厚をＤ、熱軟化性樹脂
のパターン間隙すなわち、隣シ合うレンズ間のギャップ
幅をＧ、したがって、熱軟化性樹脂のパターン幅はＬＯ
−Ｇとなる。素子表面に垂直な平行光線が入射した場合
、レンズ２２により光は集光され、感光部１１に入射す
る。しかし、レンズの曲率と屈折率から、感光部１１へ
入射する平行光線の幅に限界が生じる。この限界の水平
方向の幅をＸとする。ギャップＧが大きい場合、あるい
は熱軟化性樹脂２１の膜厚りが大きい場合には、レンズ
の曲率は大きくなり、レンズの幅（ＬＯ−Ｇ）全体に入
射する元金てが感光部１１へ入射する。それ、ｌ外側で
は、集光能力はない。すなわち、レンズの集光能力は飽
和状態となる。集光能力を増感度で表わし、レンズのな
い時を１とする。増感度αは、感光部１１へ入射する平
行光線の最大幅Ｘと感光部１１の幅りの比であられせる
。すなわち、α＝Ｘ／Ｌ　・・・・・・・・・（１）と
なる以上の説明から、ギャップＧを設ければ、位置合わ
せ裕度が大きくなること、特に初期パターンは断面が矩
形であり、マスク合わせは容易となる。

およびオンウェハレンズとすることによシ、感光部１１
上へ正確にレンズ２２を製作できることが理解される。

また、各部の形状寸法によっては、光感度の増感度は、
ギャップの大きい方が有利な条件があり得ることもわか
る。すなわち、第１図の状態からギャップが微かに大き
くなったとすると、レンズ２２の曲率は大きくなり、感
光部へ入射する最大平行光線の幅Ｘが大きくなることが
理解できる。以下では、各部の形状寸法について詳しく
検討し、レンズ効果を引き出すだめの最適形状寸法を明
らかにする。先ず、第１図に示した如く、熱軟化性樹脂
２１を熱処理し、レンズ２２を作った場合の、この曲率
は、同図において、熱変形前後の断面積が等しいとすれ
ば以下の関係式が成り立つ。

・・・・・・・・・　（２） （２）式においてＲは曲率半径である。また熱処理によ
って、膜の体積が変化する材料では、Ｄに体積変動率に
見合う係数を掛けることによって（２）式は成り立つ。

また、熱処理によりパターン幅が変形する場合には、パ
ターン幅変動率をＧに掛けた値をＧに加えることにより
同じ＜（２）式は成り立つ。

曲率半径Ｒは、ＬＯ，Ｄ、およびＧによって定まること
がわかる。さらに、感光部１１０幅り、レンズ固定層２
０の高さＨｌおよびレンズ２２の屈折率ｎが定まれば、
感光部１１に入射する最大平行光線の幅Ｘについては以
下の式が成立する。

（２）および（３）式よりＸをめ、（１）式によって増
感度αをめることができる。

増感度αをめた一例を第２図に示した。同図は画素の水
平方向ピッチＬＯを２３μｍ、感光部の幅りを７μｍ、
レンズ固定層の高さＨを４μｍ。

レンズの屈折率ｎを１．５５とし、熱軟化性樹脂のパタ
ーンギャップＧを２〜１４μｍとした場合の熱軟化性樹
脂膜厚りに対する増感度αをめたものである。同図から
ギャップＧが大きい場合には、増感度αが低い点で飽和
することがわかる。これハ、ハターン幅ＬＯ−Ｇが小さ
くなり、感光部の幅りに近づくメこめでちる。飽和餉域
は、レンズ２２に入射する光の全てが感光部１１に入射
することを意味している。また、図示してはいないが膜
）ＸｔＤがさらに大きくなると増感度αが低下する。

この理由は、レンズの焦点がレンズのエッジト反対側に
位置する感光部のエツジとを結ぶ線より上方になるよう
な曲率範囲であり、この場合、レンズに入った光は、感
光部１１上方を通過し感光部１１の外側へ達するためで
ある。しかし同図から。

ある一定の条件下でＶｉ、ギャップの大きい方が増感度
αの冒いことがわかる。この例からもレンズによる増感
効果が良く理解される。しかし、レンズを作るには、工
程が必要でコストは上る。したがって、コスト上昇分に
見合った性能の向上が必要である。我々は、この性能向
上の下限を増感度αが１．３倍の点とした。また、レン
ズとしては、増感度の飽和する領域が、樹脂膜厚等の変
動による増感度αの変動がないことから望ましい。第１
図からレンズ固定層Ｈが大きい場合には、レンズの曲率
が小さい（曲率半径Ｒが大きい）ものであっても集光効
果が得られることがわかる。一方しンズ固矩層Ｈが小で
い場合には、レンズの曲率が犬（Ｒが小）きくなければ
集光効果が得られない。

曲率を大きくするには、樹脂膜厚を厚く、ギャップ幅を
大きくする必要がある。したがってレンズ固定層Ｈが小
さい条件下で熱軟化性樹脂の膜厚の上限が規定される。

その条件下での飽和領域はせまいことから実質的に熱軟
化性樹脂の上限膜厚は、レンズ固定層Ｈの最少値におけ
る、増感度αの飽和点によって制限される。また、飽和
領域の広い条件であっても、゛必要以上に、熱軟化性樹
脂を厚くすることも実際上難しく、実用上から熱軟化性
樹脂の上限膜厚は５μｍ程度である。したがって熱軟化
性樹脂の膜厚が５μｍ以下の範囲で増感度が飽和する領
域が広い場合には、この飽和領域も使用可能となる。以
上の観点から、熱軟化性樹脂の上限膜厚、上限ギャップ
幅は、レンズ固定層Ｈの小さい点での増感度αの飽和点
で規定してさしつかえない。但し、レンズ固定層Ｈが一
定であれば、熱軟化性樹脂の下限膜厚、ギャップの下限
幅は、増感度αが１．３倍以上となる点で規定される。

この様子を第３図に示した。同図では画素ピッチＬＯが
２３μｍ％感光部の幅りが１０μｍ、レンズの屈折率ｎ
が１．５゜５の場合について、レンズ固定層の高さＨが
２μｍ、８μｍおよび２０μｍにおける増感度αが飽和
する点すなわち第２図で示したような、レンズの幅全て
を利用する点と１．３倍となる点それぞれをギャップＧ
と熱軟化性樹脂の膜厚りとについて調べたものである。

なお、感光性樹脂膜をパターン化する場合、膜厚りが厚
くパターン間のギャップＧが狭くなるとパターン化が困
難となる。通常Ｇ／Ｄが０．７以上でパターン化が可能
である。同図中にＧ／Ｄ＝０．７を一点破線で示した。

また同図中実線は、増感度αが１．３倍となる線であｉ
）％破線は増感度αが飽和する線である。したがって、
レンズ固定層Ｈが決まれば、良好な増感度を示す領域は
、実線、破線および一点破線で囲まれた三角形の内側で
あることがわかる。レンズ固定層の高さＨが大きくなる
に従い、この三角形の位置は左下方に、すなわち良好な
増感度が得られる領域は、熱軟化性樹脂の膜厚の薄い、
かつ、ギャップ幅のせまい方に移動する。ここで画素ピ
ッチＬＯを２３μｍに選んだ理由は。

撮像画面サイズが２７３インチ光学系において、解像度
を２５０ＴＶ本程度を得ることを想定した画素ピッチで
ある。なお撮像画面サイズのここでの想定値２７３イン
チは最大値であ−９、解像度の想定値は最小値である。

したがって、画素ピッチＬＯ＝２３μｍは想定最大値で
ある。因みに、撮像画面サイズの最小想定値は８闘サイ
ズであり、この場合にも解像度としては少なくとも２５
０ＴＶ本は必要であることがら画素ピッチＬＯの想定最
小値は１１μｍが考えられる。また、この値は。

撮像素子の感光部、配線部の面積を考慮すると技術的に
も最小値に近い値ｉと言える。レンズ固定層の高さＨを
２〜２０μｍとした理由は、２μｍ以下では、熱軟化性
樹脂膜厚りの最適値が使用可能限界５μｍを越えるため
除くこととした。またレンズ固定層が高くなるに従い、
熱軟化性樹脂の画素への位置合せ精度が低下すること、
厚い塗布膜が作り難いこと等から上限は２０μｍとした
。

屈折率ｎは、一般の透明樹脂の屈折率が１．４５〜１゜
６５程度で、この範囲では特性上大きな差はないことか
ら、ｎは１．５５とした。以上の検討から、第３図にお
いて使用可能な範囲は、レンズ固定層の高さＨが２０μ
ｍにおける増感度が１．３倍となる実線とＧ／Ｄ＝０．
７／１との交点Ｐ１とレンズ固定層の高さＨが２０μｍ
における増感度が１．３倍となる実線と飽和点を示す破
線との交点Ｐ２゜さらに、レンズ固定層の高さＨが２μ
ｍにおける増感度の飽和点を示す破線と１．３倍となる
実線との交点Ｐ３およびこの破線がＧ／Ｄ＝０．７／１
を示す一点破線との交点Ｐ４の各４交点を直線で結ぶ四
角形の内側の領域が使用可能範囲と言える。

また、熱軟化性樹脂の実用的上限膜厚５μｍの制約をも
受ける。同様にして、水平方向の画素ピッチＬＯが１１
μｍ（想定最小値）、感光部の＠Ｌが３．８μｍルンズ
固定Ｉ―の高さＨが１．４および２０μｍにおける場合
の熱軟化性樹脂の膜厚とギャップ幅の最適範囲をめ、第
４図に示した。

同図においても、使用可能範囲はＰＩ、Ｐ２゜Ｐ３およ
びＰ４を直線で結ぶ四角形の内側に使用可能範囲がある
。水平画素ピッチＬＯが最大想定値２３μｍの場合の、
熱軟化性樹脂の膜厚とギャップ幅Ｇの関係を示す一例を
第３図であり、画素ピッチＬＯが最小想定値１１μｍの
場合のその一例が第４図である。両図から、熱軟化性樹
脂の膜厚とギャップ幅の上下限値は以下の傾向を示して
いることがわかる。（１）画素ピッチＬＯが小てくなる
と、最適範囲は同図の左下方へと移動する。すなわち、
熱軟化性樹脂膜厚とギャップ幅の上下限値は５画素ピッ
チＬＯが小さくなると小さくなる。

この傾向は、式（１）、　（２）および（３）を吟味す
れば判るように、画素ピッチＬＯが１１〜２３μｍ％感
光部の幅りが１〜２０μｍ程度の範囲、レンズ固定層の
高さが１〜２０μｍの範囲では熱軟化性樹脂の膜厚とギ
ヤツブ幅各々の最適範囲は、画素ピッチＬＯが１１〜２
３μｍの想定最小、最大値条件における両者の最適範囲
内に存在し、あらゆる画素ピッチＬ　Ｏについて、最適
範囲は特異点を持たないことがわかる。（２）画素ピッ
チＬＯ，感光部の幅Ｌ％レンズ固定層Ｈを固定した場合
の、最適熱軟化性樹脂膜厚範囲、最適ギャップ幅範囲を
示す。

第３．４図の３角形の領域は、レンズ固定層Ｈが大きく
なるに従い、図中左下方へ移動する。すなわち、レンズ
固定層Ｈが大きくなるに従い、熱軟化性樹脂の膜厚とギ
ャップ幅の最適範囲は共に小さな値をとるようになる。

（３）シかも、レンズ固定層Ｈが大きくなるに従い、最
適範囲の領域が狭くなってゆく傾向にある。これはレン
ズ固定層Ｈが大きくなるに従い、熱軟化性樹脂の膜厚が
薄い条件下で、増感度が飽和するためである。第４図で
、Ｈが１μｍより大きい場合には、個々のＨにおける増
感度が１．３倍以上となる良好な領域がそれぞれ存在す
るが、飽和領域も存在することから、何個のＨの飽和点
を示す破線より右上方にも使用可能領域が存在する。こ
のことはＬＯによらず言えることである。しかし、別に
検討した結果Ｈが１μｍ近くでは飽和領域はせまくなる
ことが判明した。したかつ−ＣＨ＝１μｍにおける飽和
点を示す破線が使用可能範囲の最大限界点を与える。こ
こで、感光部１１０幅りが変化した場合の使用可能範囲
を示す点Ｐｉ、Ｐ２．Ｐ３およびＰ４それぞれにつき各
りに対しめ、各々線ＰＩ’　、Ｐ２’　。

Ｐ３’　、Ｐ４’として第５図および第６図に示す。

ここで、Ｐ１′は第３図および第４図におけるレンズ固
定層Ｈが２０μｍの場合の、増感度が１．３倍となる実
線と、Ｇ／Ｄ＝０．７を示す一点破線との交点Ｐ１の、
感光部の幅りを変えた場合の軌跡を示す線である。同じ
くＰ２′は、Ｈ＝２０μｍの場合の増感度が１．３倍を
示す実線と飽和を示す破線との交点Ｐ２の、感光部の幅
りを変えた場合の軌跡を示す線である。またＰ３′は、
Ｈ＝１ないし２μｍの場合の、増感度が１，３を示す実
線と飽和を示す破線との交点Ｐ３の、感光部の幅りを変
えた場合の軌跡であり％Ｐ４’は同じく飽和を示す破線
とＧ／Ｄ＝０．７を示す一点破線との交点Ｐ４の、感光
部の幅りを変えた場合の軌跡である。

ここで、取り得るギャップ幅Ｇの値は、水平画素ピッチ
ＬＯと感光部の幅りとの差ＬＯ−Ｌが大きくなると大き
くできる。ＬＯ−Ｌは、一般にＬＯが大きくなると大き
くなる。したがって、２／３インチ撮像画面サイズ以下
で解像度を２５０ＴＶ本以上を望む場合には、ギャップ
幅Ｇを検討する上での、画素ピッチＬＯの上限は２３μ
ｍ程度である。第６図よりギャップ幅Ｇの上限は、画素
ピッチＬＯが２３μｍの場合のＰ３’の線によって規定
されることがわかる。ＬＯが小さい場合には、第５図、
第６図のととくＰ２′とＰ３’がほぼ等しいギャップ上
限値を示すことがわかる。また、第５図よりギャップの
下限はＰ１′によって規定され、ＬＯにより若干具なっ
た値を示すものの、感光部の幅りによらず一定値を示す
ことがわかる。

したがってギャップの下限はＬＯが１１μｍの場合のＰ
１′によって規定される。但し、個々の画素ピッチＬＯ
により使用可能範囲が異なるのは第３図、第４図に見ら
れた如く当然である。また、感光部の幅りを小さくした
場合には、増感度は１．３倍以上あっても、実質的な感
度が高くなるとは限らない。すなわち、ＬＯに比べＬが
特に小さくギャップＧが画素ピッチＬＯに近づけば、利
用できる入射光の幅はギャップＧによって制限されるか
らである。例えば、画素ピッチＬＯが２３μｍの場合、
レンズを備えていない固体撮像素子では、感度を上げる
だめ感光部の幅りをできる限シ広くしようとしている。

現行技術での、この場合の感光部の幅りの大きさは、７
μｍ程度に壕で広げることは簡単である。したがってレ
ンズを備えた場合、光利用幅Ｘの値が７μｍを下まわる
ような領域では、増感度が１．３倍以上であってもレン
ズ効果を引き出しているとは云えない。すなわち画素ピ
ッチＬＯが２３μｍの場合、ここから７μｍを差し引い
た１６μｍが、ギャップ幅Ｇの上限となる。すなわち第
６図に示したＰ５の点である。同様にして、画素ピッチ
ＬＯが１１μｍの場合には感光部の幅りを３μｍ程度に
できることから、この場合のギャップ幅Ｇの上限は８μ
ｍとなる。この限界点は第６図中９点Ｐ６で示した。し
たがって、画素ピッチＬＯが１１〜２３μｍの範囲では
、ギャップ幅Ｇの上限は第６図に示した画素ピッチＬＯ
が２３μｍの場合のＰ３′の実線と、点Ｐ５とＰ６とを
結ぶ二点破線によって規定されることがわかる。また、
ギャップ幅Ｇの最上限値は点Ｐ５であることがわかる。

ギャップ幅Ｇの最上限値点Ｐ５と下限値を示す線ＰＬ’
各々を、撮像画面寸法が異なる場合についてめ各々線ｐ
　１　／／。

Ｐ５’として第７図に示した。同図から、ギャップ幅Ｇ
の上限を示す実線Ｐ５’と下限を示す破線Ｐ１“は撮像
画面寸法が小さくなるに従い、小さな値を示す傾向にあ
ることがわかる。したがって、ギャップ幅Ｇの最上限値
は、撮像画面寸法の大きな点での実線Ｐ５’によって、
また最下限値は撮像画面寸法の小さな点での破線Ｐ１”
によって決定されることがわかる。すなわち、ギャップ
幅Ｇの限界最大値Ｖ１１６μｍ、限界最小値は０．３５
μｍである。２／３インチ撮像画面寸法で、画素ピッチ
ＬＯが２３μｍの場合には解像度として、２５゜ＴＶ本
程度が得られる。２／３インチ画面寸法以下の画素ピッ
チＬＯは２７３インチ画面寸法を比例縮少した。したが
って、全て解像度としては、２５０ＴＶ本が得られる画
素ピッチとなっている。

ここで、画素ピッチＬＯを小さくシ、画素数を増やし高
解像度化を行なう場合には、撮像画面寸法が変化しなく
とも、第７図上の横軸が左方に移動したのと同等となる
。すなわち、画素ピッチＬＯが単に小さくなるだけであ
る。因に、第７図における画素ピッチＬＯは、２７３イ
ンチでは２３μｍ。

１／２インチでは１４．７μｍ１８ミリでは１１μｍで
ある。例えば、１／２インチ撮像画面で、画素ピッチＬ
Ｏが１４．７μｍ　の場合には、解像度は２５０　’Ｉ
’Ｖ本程度であるが、ここで画素ピッチＬＯを１１μｍ
とすると解像度は３５０ＴＶ本程度“まで向上する。し
たがってこの場合のギャップ幅Ｇは、８ミリ画面寸法と
同等な制約を受けることになる。

以上第１図〜第７図によって説明したマイクロレンズの
特徴を列記すると以下の通シである。

（１）マイクロレンズを固体撮像素子上に直接積み上げ
るオンウェハマイクロレンズとすることにより、マイク
ロレンズと素子との位置合せ精度が向上する。

（２）マイクロレンズ底面と、素子の感光部との距離（
レンズ固定層の高さＨ）は１〜２０μｍの範囲にする必
要がある。

（３）熱軟化性樹脂の初期膜厚は０．２５〜５μｍであ
ること。（第４図点Ｐ２より） （４）　マイクロレンズ間にギャップを設けることで、
素子との位置合せ裕度が犬きくなり、さらに条件によっ
ては、増感度を大きくすることができ、しかもレンズの
製作が容易となる。

（５）画素の水平方向繰り返しピッチが１１〜２３μｍ
、画素内感光部の水平方向の幅が２〜１４μｍの範囲で
は、レンズ間のギャップは０．３５〜１６μｍが良い。

（第７図の最小値と最大値から） 〔発明の実施例〕 実施例１ 以下、本発明の一実施例を先に示した第１図をもとに説
明する。同図は、撮像素子における１画素の中央部の水
平方向断面を示すものである。

Ｓ＋基板１０の表面に、感光部１１がある。その他Ｓｉ
基板１０の表面には、絶縁部、配線部等があるが、ここ
では省いた。この上にレンズ固定層２０例えばＰＧＭＡ
　Ｃポリグリシジルメタアクリレート）を回転塗布によ
シ４μｍの厚さにした。

なおこの塗布により、配線等によってＳｔ基板表面にあ
った凹凸は無くなる。これを２０００６０分の熱処理に
より硬化した。この上に、熱軟化性感光性樹脂（遠紫外
感応樹脂；例えばＲＡＭＣＡＳＴ；　Ｒ，Ｄ−２００Ｏ
Ｎ　、日立化成）を３μｍの厚さで塗布した。これに、
ホトマスクを用いて露光、現像し、熱軟化性樹脂２１の
パターンを得た。ここで素子の画素ピッチＬＯは２３μ
ｍ、ギャップ幅Ｇは１０μｍとした。なお、この素子の
感光部の幅りは７μｍである。次に１７０ｔ：３０分の
熱処理を施し、熱軟化性樹脂によるレンズ２２を得た。

なお、この熱処理直前に再度露光すると良好な円の一部
を有した断面形状になる。この後、信号取り出し部等の
ポンディングパッド部上のレンズ固定層２０．を酸素プ
ラズマアッシイングすることにより除去した。このよう
にしてマイクロレンズを設けた素子と、別のマイクロレ
ンズのない２子とによって、感度の測定比較をした結果
、マイクロレンズを設けた素子の方が、１．６倍に感度
の向上していることがわかった。なお、画素毎に１個の
レンズを作ったものと、撮像素子の水平走査方向の画素
毎にストライプ状レンズ（カマボッ形）を作ったものと
比較したが、増感度は、はぼ同じであった。これは、垂
直方向での隣り合う感光領域が接近していたためであっ
た。

本発明によれば、素子感度が向上し、しかも。

ギャップ幅が１０μｍと大きいため、素子とレンズとの
位置合せが容易となった。なお、同一素子（ＬＯ＝２３
．ｃ＋ｍ、Ｌ＝７μｍ、Ｈ＝４μｍ）において、熱軟化
性樹脂の膜厚を同じく３μｍとしギャップの幅を８μｍ
としたものでの増感度は１．４５倍であった。したがっ
て、この条件下では、ギャップ幅の大きい方が感度向上
効果が優れていることがわかった。

実施例２ 実施例１と同様なＳｉ固体撮像素子の上に、各画素毎に
、光学色フィルタ（例えば赤、青、緑の原色フィルタも
しくは補色フィルタ等）を設けた。

このフィルタ層の厚さは約２μｍである。この上にレン
ズ固定層２０を１０μｍの厚さに塗布した。

この材質には、ＰＧＭＡ（ポリグリシジルメタアクリレ
ート）を用い多層塗りにより１０μｍ厚とした。したが
って、レンズ固定層の表面は特に平滑となった。この上
に、熱軟化性感光性樹脂例えばＡＺ−１３５０Ｊを２．
１　ｐ　ｍの膜厚に塗り、露光現像し、熱軟化性樹脂２
１パターンを得た。パターン２１をさらに露光後％　１
８０ｃ３０分の熱処理を行なって、レンズ状樹脂を得た
。次に酸素を２％含むアルゴンガスの圧力を５　Ｘ　１
０−３（Ｔｏｒｒ）とした、スパッタエツチング装置に
よりレンズ固定層をエツチングした。この場合、熱軟化
性樹脂もエツチングされる。第８図に、熱軟化性樹脂の
エツチング速度が０．４μｍ　／　ｍｒ　、レンズ固定
層のエツチング速度が０．５μｒｒ１　／　ｍｒになる
スパッタＲＦ入カパワーにおける３０秒毎の画素断面形
状変化（破線）を示した。同図からレンズ状熱軟化性樹
脂２２が徐々に少なくなシ約６分のエツチング時間で全
て無くなることがわかる。さらに１分根度のオーバエツ
チングによって、レンズ固定層にレンズを作ることがで
きた。この時レンズ同定層２０の平坦部の残存膜厚は６
．５μｍであった。

これに、色フィルタ層の膜厚２μｍを加えた８、５μｍ
が、レンズ底面から感光部１１までの距離、すなわち、
実効的レンズ固定層である。次に実施例１と同様にポン
ディングパッド部上の樹脂を除去し、撮像素子を組み立
て感度を測定した。このカラー固体撮像素子では、マイ
クロレンズのない素子に比較し、感度は１．４向に向上
した。

実施例３ 第９図により説明する実施例２と全く同様の処理を行な
ったが、熱軟化性感光樹脂の膜厚を３μｍとして製作し
た。スパッタエツチング時間が７分では、この場合熱軟
化性樹脂の一部が残る。しかし、スパッタエッチ後の熱
軟化性樹脂のパターン幅が、感光部の幅りより小さけれ
ば、先の実施例と同様のレンズ効果が得られる。組立て
た撮像素子の感度は、マイクロレンズのないものに比較
し、１．５倍の感度向上が見られた。実施例２より感度
が向上した理由は、熱軟化性樹脂の膜厚が厚くなったた
め、レンズの曲率が大きくなり、集光能力が増したため
である。

実施例４ 実施例１と同様に素子上にレンズ固定層（ＰＧＭＡ）を
２０μｍの厚さに塗布し、熱硬化させた。

この上に熱軟化性遠紫外感応性樹脂例えばＲＡＹＣＡＳ
Ｔ　、　ＲＤ　−２０００Ｎ　（日立化成）を２．５μ
ｍ塗布し、ギャップが３μｍとなるような石英のホトマ
スクにより紫外線を露光し、現像した。これを熱処理（
１６０ｒ’４０分）して、レンズ２２を得た。先の例と
同様に撮像素子を組み立て、感度のれ１１１定を行なっ
た。その結果マイクロレンズのない素子の感度に較べ、
本発明による素子の感層は約２倍になった。

以上説明した如く１本発明によれば、マイクロレンズを
Ｓｉ素子上に直接製作してゆくことから、通常半導体で
用いている。露光装置が使用でき。

素子とレンズとの位置合せ精度は特に向上した。

また、レンズ間にギャップを形成し、熱軟化によりレン
ズを作ることから、ギャップ幅に応じて位置合せ裕度も
太きくなシ、シかも、ギャップを設けたことにより感度
も向上することができた。

以上の説明から、本発明では、オンウェハマイクロレン
ズに関し、隣り合うレンズとレンズとの間にギャップを
設けること、および集光能力を高めるため、レンズ固定
層（レンズ底面から感光部表面までの距離）が必要であ
ること等がポイントであることがわかる。したがって、
レンズ固定層の材質、レンズの材質９表面処理レンズ加
工方法等に関わらず、マイクロレンズと素子との幾何学
的配置が重要であり、これが本発明の主旨でおる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、Ｓｉ素子上にマイクロレンズを直接形
成する１、オンウェハレンズであることから、レンズと
素子の位置合せ精度が向上し、レンズ間にギャップを設
けたことから、位置合せの裕度が大きくなり、製作も容
易となる効果がある。

また、レンズ間にギャップを設けたことによシ比増感度
を向上できる効果がある。

なお、撮像素子の水平画素ピッチは、撮像画面寸法、解
像度によシ異なるが、すでに知られている２／３インチ
撮像素子の場合、約２３μｍピッチである。さらに、１
／２インチ、おるいはＢｔｍサイズとなる場合、または
、高解像度化を行なう場合等においては、画素ピッチは
約１１μｍ程度となる。この場合の感光部の幅としては
、２〜１４μｍ程度となる。この構造範囲内では感光部
表面から、レンズ底面までの距離（レンズ固定層の高さ
）は１〜２０μｍ１熱軟化性樹脂の膜厚は０．２５〜５
μｍ４隣り合うレンズ間のギャップ幅は０．３５〜１６
μｍの範囲に撮像素子の感度を向上するマイクロレンズ
の最適構造が含まれる。この範囲内において適宜条件を
選べば１本発明の効果により撮像素子の比増感度は１．
３倍以上となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は固体撮像素子の１画素に、オンウェハマイクロ
レンズを形成した断面図、第２図は本発明によって得ら
れる効果を示した図、第３図、第４図は本発明の使用可
能領域を示す図、第５図。 第６図は本発明の限界領域を示す図、第７図は本発明の
限界領域を示す図、第８図、第９図は本発明の実施例を
示す断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、感光部を有する画素を複数個備えた撮像素子基板と
   、該基板上にマイクロレンズを備えた撮像素子において
   、少くとも画素の水平走査方向に１画素毎にマイクロレ
   ンズを設け、該マイクロレンズ間に間隙を設けたことを
   特徴とするマイクロレンズを備えた撮像素子。 ２、画素の水平繰返しピッチが１１〜２３μｍ１画素内
   の感光領域の水平方向の幅が２〜１４μｍの範囲にある
   撮像素子で、レンズ固定層の高さが１〜２０μｍ１熱軟
   化性樹脂の初期膜厚が０．２５〜５μｍ、レンズ間の間
   隙が０．３５〜１６μｍであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のマイクロレンズを備えた撮像素子
   。 ３、撮像素子上に色フィルタを形成し、この上に直接レ
   ンズ固定層、及びマイクロレンズを形成したことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載のマイクロレンズを備
   えた撮像素子。 ４、熱軟化性樹脂が、レンズ構造体であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のマイクロレンズを備え
   た撮像素子。 ５、感光部を有する画素を複数個備えた撮像素子基板と
   、該基板上に少くとも水平走査方向の画素毎にマイクロ
   レンズを備えた撮像素子の製造方法において、マイクロ
   レンズ状の形状に変化する前の熱軟化性樹脂パターン間
   に間隙を設けたことを特徴とするマイクロレンズを備え
   た撮像素子の製造方法。 ６、熱軟化性樹脂をマスクとしてレンズ構造体を加工し
   てレンズを形成したことを特徴とする特許請求の範囲第
   ５項記載のマイクロレンズを備えだ撮像素子の製造方法
   。