JPWO2013133225A1 - マイクロレンズアレイおよび撮像素子パッケージ - Google Patents

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Abstract

マイクロレンズアレイ１０は、ガラス基板１と、ガラス基板１の少なくとも一方の面に設けられ、アレイ状に並ぶ複数のマイクロレンズ１１とを備え、複数のマイクロレンズ１１は各々、当該マイクロレンズ１１に入射した光を撮像素子の複数の画素に受光させるよう構成されており、ガラス基板１の線膨張率が、画素アレイが形成されている撮像素子基板４または該撮像素子基板４と接合されるパッケージ６の部材が有する線膨張率との差が８?１０−６（／Ｋ）以内であることを特徴とする。当該マイクロレンズアレイによれば、マイクロレンズアレイと撮像素子の画素アレイとを組み合わせて用いる撮像装置において、撮像素子の画素ピッチとレンズピッチの位置ずれが防止される。

Description

本発明は、マイクロレンズアレイおよび該マイクロレンズアレイと撮像素子基板とを一体化させた撮像素子パッケージに関する。
所定の画素ピッチに対応して受光素子群が設けられている撮像素子基板の入射面側の上方にマイクロレンズアレイを置き、マイクロレンズアレイを介して受光素子に光を入射させて、所望の受光信号を得る撮像装置がある。このようなマイクロレンズアレイと撮像素子基板上の受光素子アレイ（以下、撮像素子の画素アレイという。）とを組み合わせて用いる撮像装置の場合、各マイクロレンズと各受光素子との間で位置ずれが発生すると、正しい画像イメージや画像情報が得られないといった問題が生じる。このため、そのような位置ずれを防止するために、画素アレイが形成されている撮像素子基板またはそのパッケージと、マイクロレンズアレイが形成されているマイクロレンズアレイ基板とを接着剤を介して直接貼り合わせることが行われている。
しかしながら、マイクロレンズアレイ基板と、その貼り合わせ先である撮像素子基板または撮像素子基板と接合されたパッケージとの熱膨張率差が大きいと、使用温度や発熱による撮像素子の画素ピッチとレンズピッチの位置ずれが生じるという問題があった。
このように組み合わせて用いる基板間または基板とパッケージ間の熱膨張率差に起因する位置ずれを防止するための技術として、例えば、特許文献１には、ＤＭＤ等の空間光変調素子とマイクロレンズアレイとを組み合わせて用いる画像露光装置において、マイクロレンズアレイとそれを用いる装置の保持部材との間に、それら両者の中間の線膨張係数を有する材料の中間部材を介在させることが記載されている。
また、特許文献２には、撮像装置を搭載するカメラの小型化および高画質化に対応するために、固体撮像素子パッケージ用窓材に収差補正機能を付与する構成において、窓材をパッケージに貼り付けて使用する際に割れや歪みが生じないようにパッケージの熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有するものを窓材の材料に用いることが記載されている。
日本国特開２００６−２５８８５２号公報 日本国特開２０１１−４９２７５号公報
ところで、近年、ライトフィールドカメラと呼ばれる撮像装置が開発されている。ライトフィールドカメラは、ひとつのマイクロレンズが受けた光を複数の画素に受光させるとともに、各マイクロレンズが受光先の画素領域を一部重複させて、マイクロレンズアレイ全体で撮像素子の画素全体をカバーするように設計されたマイクロレンズアレイを撮像素子基板の上面に配し、そのようなマイクロレンズアレイを通して光を撮像素子の画素アレイに入射させることで、奥行き情報を複数の画素に分散させて記録できる装置である。奥行き情報を複数の画素に分散させて記憶させることで、例えば、その情報を基に焦点イメージを再構築して、各焦点画像、三次元距離画像など多様な画像を得ることができる。
ライトフィールドカメラのような、複数の画素に被写体の奥行き情報を記録するためにマイクロレンズアレイを用いる撮像装置の場合、上述した位置ずれによる問題が特に顕著になる。
しかし、特許文献１に記載されている方法では、マイクロレンズアレイとそれを用いる装置の保持部材との間に中間部材を介在させた場合、ライトフィールドカメラに求められるマイクロレンズアレイと画素の位置精度を充分に得ることが難しい。また、上記位置精度を充分に得ようとすると取り付け構造が複雑になり、マイクロレンズアレイと画素アレイとの位置合わせが難しくなるという問題がある。
なお、特許文献２に記載されている方法は、パッケージの窓材に収差補正機能を付与する構成において、その窓材の材料をパッケージの熱膨張係数と同程度にすることは記載されているが、マイクロレンズアレイ基板と組み合わせることについては何ら開示されていない。このため、例えば、上記位置精度を充分に得るためにはパッケージの窓材の材料でマイクロレンズアレイ基板を構成できるのか、またどの程度熱膨張係数を合わせればよいのかといったことがわからず、そのまま適用することはできない。
また、撮像装置の小型化の要請により近年検討されている、チップ・サイズ・パッケージによる製造プロセスを用いる場合には、撮像素子基板とカバーガラスとを、スペーサを介して直接貼り合わせるためにパッケージ自体が存在しないため、特許文献２に記載されている方法は適用できない。
そこで、本発明は、マイクロレンズアレイと撮像素子の画素アレイとを組み合わせて用いる撮像装置において、撮像素子の画素ピッチとレンズピッチの位置ずれを防止できるマイクロレンズアレイおよび該マイクロレンズアレイと撮像素子基板とを一体化させた撮像素子パッケージの提供を目的とする。
さらに、本発明は、マイクロレンズアレイと受光素子アレイとの位置ずれを防止できることに加えて、マイクロレンズアレイが形成されている基板から放出されるα線を起因とする受光素子でのノイズ発生を防止できるマイクロレンズアレイおよび該マイクロレンズアレイと撮像素子基板とを一体化させた撮像素子パッケージの提供を目的とする。
本発明によるマイクロレンズアレイは、撮像素子の画素アレイと組み合わせて用いられるマイクロレンズアレイであって、ガラス基板と、ガラス基板の少なくとも一方の面に設けられ、アレイ状に並ぶ複数のマイクロレンズとを備え、複数のマイクロレンズは各々、当該マイクロレンズに入射した光が撮像素子の複数の画素に受光されるよう構成されており、ガラス基板の線膨張率と、画素アレイが形成されている撮像素子基板または撮像素子基板と接合されるパッケージの部材が有する線膨張率との差が８×１０−６（／Ｋ）以内であることを特徴とする。
ここで、「ガラス基板の線膨張率と、画素アレイが形成されている撮像素子基板または撮像素子基板と接合されるパッケージの部材が有する線膨張率との差が８×１０−６（／Ｋ）以内である」とは、ガラス基板の線膨張率と、画素アレイが形成されている撮像素子基板または撮像素子基板と接合されるパッケージの部材が有する線膨張率との差の絶対値が８×１０−６（／Ｋ）以下であることを意味する。また、線膨張率は温度の上昇に対応して長さが変化する割合をいう。線膨張率をα、物体の長さをL、温度をTとすると、α＝１/Ｌ・（ｄＬ/ｄＴ）となる。
また、本発明のマイクロレンズアレイは、ガラス基板のα線放出量が、０．０１ｃ／ｃｍ２・ｈｒ以下であってもよい。
また、本発明のマイクロレンズアレイは、ガラス基板に積層される樹脂層をさらに備え、複数のマイクロレンズが、樹脂層に形成されていてもよい。
また、本発明のマイクロレンズアレイは、少なくともマイクロレンズが形成されている領域を覆うカバー層をさらに備えていてもよい。
また、本発明のマイクロレンズアレイは、撮像素子基板であるシリコン基板と貼り合わされるマイクロレンズアレイであって、ガラス基板の線膨張率は、０．３×１０−６（／Ｋ）〜１１×１０−６（／Ｋ）の範囲内であってもよい。
また、本発明のマイクロレンズアレイは、撮像素子基板であるゲルマニウム基板と貼り合わされるマイクロレンズアレイであって、ガラス基板の線膨張率は、０．３×１０−６（／Ｋ）〜１４×１０−６（／Ｋ）の範囲内であってもよい。
また、本発明のマイクロレンズアレイは、撮像素子基板のパッケージであるセラミックスパッケージと貼り合わされるマイクロレンズアレイであって、ガラス基板の線膨張率は、０．３×１０−６（／Ｋ）〜１５×１０−６（／Ｋ）の範囲内であってもよい。
また、本発明による撮像素子パッケージは、所定の画素ピッチに対応して受光素子が形成されている撮像素子基板と、ガラス基板の少なくとも一方の面に複数のマイクロレンズがアレイ状に配されたマイクロレンズアレイとを備え、マイクロレンズアレイを構成する複数のマイクロレンズは各々、当該マイクロレンズに入射した光を前記撮像素子基板上の複数の画素に対応する受光素子に受光させ、マイクロレンズアレイのガラス基板が有する線膨張率と、撮像素子基板または撮像素子基板と接合されるパッケージの部材が有する線膨張率との差が８×１０−６（／Ｋ）以内であり、マイクロレンズアレイのガラス基板と、撮像素子基板または撮像素子基板と接合されるパッケージとが、樹脂系材料を介して貼り合わされていることを特徴とする。
本発明によれば、撮像素子の画素アレイと、複数のマイクロレンズを所定の間隔でアレイ状に配すとともに各々のマイクロレンズが当該マイクロレンズに入射した光を撮像素子の複数の画素に受光させるよう構成されたマイクロレンズアレイとを組み合わせて用いる撮像装置において、撮像素子の画素ピッチとレンズピッチの位置ずれを防止できる。
本発明のマイクロレンズアレイの例を示す構成図である。 本発明のマイクロレンズアレイの製造方法の一例を示す説明図である。 本発明のマイクロレンズアレイの製造方法の他の例を示す説明図である。 本発明のマイクロレンズアレイの他の例を示す構成図である。 本発明のマイクロレンズアレイの他の例を示す構成図である。 本発明のマイクロレンズアレイの他の例を示す構成図である。 本発明のマイクロレンズアレイの他の例を示す構成図である。 撮像素子基板または撮像素子パッケージとの貼り合わせ例を示す説明図である。 撮像素子基板との貼り合わせ例を示す説明図である。 撮像素子基板との貼り合わせ例を示す説明図である。 撮像素子基板との貼り合わせ例を示す説明図である。 撮像素子パッケージとの貼り合わせ例を示す説明図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明のマイクロレンズアレイの例を示す構成図である。図１に示すマイクロレンズアレイ１０は、ガラス基板１の一方の透光面にマイクロレンズアレイ構造１２が設けられてなる。なお、本発明では「マイクロレンズアレイ」といった場合には、基板上にマイクロレンズアレイ構造１２が設けられているものの全体を指すものとする。また、本発明では、マイクロレンズアレイ構造１２が設けられている基板を「マイクロレンズアレイ基板」という。
ここで、マイクロレンズアレイ構造１２とは、複数のマイクロレンズ１１がアレイ状に配されることによって形成される構造体をいう。なお、図１では、マイクロレンズアレイ基板を構成するガラス基板１に直接マイクロレンズアレイ構造１２を形成する例を示している。
ガラス基板１は、貼り合わせ先となる撮像素子基板または撮像素子パッケージ（以下、単に被貼着部という。）と同じまたはそれと近い線膨張率を有する材料を用いる。
例えば、被貼着部の材質がシリコンであれば、線膨張率が０．３×１０−６〜１１×１０−６／Ｋ近傍の材料がガラス基板１の材料として好適であり、好ましくは線膨張率が０．３×１０−６〜６×１０−６／Ｋ近傍の材料がガラス基板１の材料としてより好適であり、さらに好ましくは線膨張率が２×１０−６〜４×１０−６／Ｋ近傍の材料がガラス基板１の材料としてさらに好適である。
具体例としては、石英、アルミノシリケートガラス、ホウケイ酸ガラス、ショット社製の「ＡＦ３３」、「ＡＦ３２」、「ＢＯＲＯＦＬＯＡＴ３３」、「Ｄ２６３Ｔ」、「Ｄ２６３Ｔｅｃｏ」、「Ｄ２６３ＬＡ」、「Ｂ２７０」、旭硝子社製の「ＳＷ−３」、「ＳＷ−Ｙ」、「ＳＷ−ＹＹ」、「ＡＮ１００」、「ＥＮ−Ａ１」、「パイレックス」、「ＦＰ１」、「ＦＰ１０」、「ＦＰ０１ｅｃｏ」、「ＦＬ」、「ＪＦＬ」、コーニング社製の「Ｅａｇｌｅ２０００」、「ＥａｇｌｅＸＧ」、日本電気硝子社製の「ＡＢＣ」、「ＢＤＡ」（以上、商品名、登録商標を含む。）等のガラスが挙げられ、特に、石英、ショット社製の「ＡＦ３３」、「ＡＦ３２」、「ＢＯＲＯＦＬＯＡＴ３３」、旭硝子社製の「ＳＷ−３」、「ＳＷ−Ｙ」、「ＳＷ−ＹＹ」、「ＡＮ１００」、「ＥＮ−Ａ１」、「パイレックス」」、コーニング社製の「Ｅａｇｌｅ２０００」、「ＥａｇｌｅＸＧ」、日本電気硝子社製の「ＡＢＣ」（以上、商品名、登録商標を含む。）等のガラスがシリコンと近い線膨張率であり、より好ましい。
また、例えば、被貼着部の材質がゲルマニウムであれば、線膨張率が０．３×１０−６〜１４×１０−６／Ｋ近傍の材料がガラス基板１の材料として好適であり、好ましくは線膨張率が３×１０−６〜９×１０−６／Ｋ近傍の材料がガラス基板１の材料としてより好適であり、さらに好ましくは線膨張率が５×１０−６〜７×１０−６／Ｋ近傍の材料がガラス基板１の材料としてさらに好適である。
具体例としては、石英、アルミノシリケートガラス、ホウケイ酸ガラス、リン酸ガラス、フツリン酸ガラス、ショット社製の「ＡＦ３３」、「ＡＦ３２」、「ＢＯＲＯＦＬＯＡＴ３３」、「Ｄ２６３Ｔ」、「Ｄ２６３Ｔｅｃｏ」、「Ｄ２６３ＬＡ」、「Ｂ２７０」、旭硝子社製の「ＳＷ−３」、「ＳＷ−Ｙ」、「ＳＷ−ＹＹ」、「ＡＮ１００」、「ＥＮ−Ａ１」、「パイレックス」、「ＦＰ１」、「ＦＰ１０」、「ＦＰ０１ｅｃｏ」、「ＦＬ」、「ＪＦＬ」、「ＮＦ５０」、コーニング社製の「Ｅａｇｌｅ２０００」、「ＥａｇｌｅＸＧ」、日本電気硝子社製の「ＡＢＣ」、「ＢＤＡ」（以上、商品名、登録商標を含む。）等のガラスが挙げられ、特に、ショット社製の「ＡＦ３３」、「ＡＦ３２」、「ＢＯＲＯＦＬＯＡＴ３３」、「Ｄ２６３Ｔ」、「Ｄ２６３Ｔｅｃｏ」、「Ｄ２６３ＬＡ」、「Ｂ２７０」、旭硝子社製の「ＳＷ−３」、「ＳＷ−Ｙ」、「ＳＷ−ＹＹ」、「ＡＮ１００」、「ＥＮ−Ａ１」、「パイレックス」、「ＦＰ１」、「ＦＰ１０」、「ＦＰ０１ｅｃｏ」、「ＦＬ」、「ＪＦＬ」、コーニング社製の「Ｅａｇｌｅ２０００」、「ＥａｇｌｅＸＧ」、日本電気硝子社製の「ＡＢＣ」、「ＢＤＡ」等のガラスがゲルマニウムと近い線膨張率であり、ガラス基板１の材料としてより好適である。
また、例えば、被貼着部の材質がアルミナ等のセラミックスであれば、線膨張率が０．３×１０−６〜１５×１０−６／Ｋ近傍の材料がガラス基板１の材料として好適であり、好ましくは線膨張率が４×１０−６〜１０×１０−６／Ｋ近傍の材料がガラス基板１の材料としてより好適であり、さらに好ましくは線膨張率が６×１０−６〜８×１０−６／Ｋ近傍の材料がガラス基板１の材料としてさらに好適である。
具体例としては、石英、アルミノシリケートガラス、ホウケイ酸ガラス、リン酸ガラス、フツリン酸ガラス、ショット社製の「ＡＦ３３」、「ＡＦ３２」、「ＢＯＲＯＦＬＯＡＴ３３」、「Ｄ２６３Ｔ」、「Ｄ２６３Ｔｅｃｏ」、「Ｄ２６３ＬＡ」、「Ｂ２７０」、旭硝子社製の「ＳＷ−３」、「ＳＷ−Ｙ」、「ＳＷ−ＹＹ」、「ＡＮ１００」、「ＥＮ−Ａ１」、「パイレックス」、「ＦＰ１」、「ＦＰ１０」、「ＦＰ０１ｅｃｏ」、「ＦＬ」、「ＪＦＬ」、「ＮＦ５０」、コーニング社製の「Ｅａｇｌｅ２０００」、「ＥａｇｌｅＸＧ」、日本電気硝子社製の「ＡＢＣ」、「ＢＤＡ」（以上、商品名、登録商標を含む。）等のガラスが挙げられ、特に、ショット社製の「Ｄ２６３Ｔ」、「Ｄ２６３Ｔｅｃｏ」、「Ｄ２６３ＬＡ」、「Ｂ２７０」、日本電気硝子社製の「ＢＤＡ」、旭硝子社製の「ＦＰ１」、「ＦＰ１０」、「ＦＰ０１ｅｃｏ」、「ＦＬ」、「ＪＦＬ」等のガラスがアルミナ等のセラミックスと近い線膨張率であり、ガラス基板１の材料としてより好適である。
参考までに、シリコン基板の撮像素子は可視の波長帯域の光を用いる光学装置によく用いられるが、その材料となるシリコンの線膨張率は約３×１０−６／Ｋである。また、ゲルマニウム基板の撮像素子は赤外の波長帯域の光を用いる光学装置によく用いられるが、その材料となるゲルマニウムの線膨張率は約６×１０−６／Ｋである。また、撮像素子をパッケージ化する際に外枠材料としてアルミナセラミックスが用いられることがあるが、アルミナセラミックスの線膨張率は約６×１０−６〜８×１０−６／Ｋである。
また、上述したガラス材料の線膨張率は、例えば「ＡＮ１００」であれば約３８×１０−７／Ｋである。また、「ＳＷ」であれば約３３×１０−７／Ｋである。また、例えば「ＡＦ３３」であれば約３３×１０−７／Ｋである。また、例えば「パイレックス」であれば約３３×１０−７／Ｋである。また、例えば「ＡＦ３２」であれば約３２×１０−７／Ｋである。また、例えば「ＢＯＲＯＦＬＯＡＴ３３」であれば約３３×１０−７／Ｋである。また、例えば「Ｅａｇｌｅ２０００」であれば約３２×１０−７／Ｋである。また、例えば「ＡＢＣ」であれば約３８×１０−７／Ｋである。また、例えば「ＦＰ−１」であれば約５２×１０−７／Ｋである。また、例えば「ＢＤＡ」であれば約６６×１０−７／Ｋである。また、例えば「Ｄ２６３」であれば約７２×１０−７／Ｋである。また、例えばフツリン酸ガラスであれば１２０〜１５０×１０−７／Ｋである。また、例えばリン酸ガラスであれば７０〜１２０×１０−７／Ｋである。
また、ガラス基板１の材料は、α線放出量が少ないものの方がα線に起因する撮像素子のノイズ発生、撮像素子のダメージを抑制できるため好ましい。ガラス基板１の材料のα線放出量は、例えば、０．０１ｃ／ｃｍ２・ｈｒ以下であることが好ましく、０．００５ｃ／ｃｍ２・ｈｒ以下であることがより好ましい。
次に、本実施形態のマイクロレンズアレイ１０の製造方法について説明する。図２は、本実施形態のマイクロレンズアレイ１０の製造方法の一例を示す説明図である。なお、図２では、ガラス基板１上に形成される複数のマイクロレンズ１１のうち１つのマイクロレンズ１１に着目してそれがガラス基板上に形成されるまでの工程を示しているが、実際の製造工程では複数のマイクロレンズ１１を同時に形成することにより、結果としてマイクロレンズアレイ構造１２が形成される。
図２に示す例では、まずガラス基板１のマイクロレンズアレイ構造１２を形成する面にレジスト２０１を塗布する（図２（ａ）レジスト塗布工程）。レジスト２０１は、例えば、アクリル系ポジ型のレジストであってもよい。そして、ガラス基板１上の個々のマイクロレンズ１１を形成したい位置に対応したマスク２０２を用いてレジスト２０１を露光した後、現像してガラス基板１上のマイクロレンズ１２を形成したい位置に断面形状が矩形のレジスト２０１が残された状態にする（図２（ｂ）露光工程、図２（ｃ）現像工程）。
次に、サーマルリフローにより、図２（ｃ）の現像工程で残されたレジスト２０１を球面形状に形成する（図２（ｄ）サーマルリフロー工程）。ガラス基板１上に球面形状のレジスト２０１が形成されると、そのレジスト２０１をマスクとして利用して、ガラス基板１のドライエッチングを行い、マイクロレンズ１１を形成する（図２（ｅ）ドライエッチング工程，図２（ｆ）完成図）。
なお、図２（ｂ）の露光工程から図２（ｄ）のサーマルリフロー工程までの工程に代わって、グレースケールマスクを用いたフォトリソを行い、レジスト２０１に球面形状を付与する工程を行うことも可能である。
また、図３は、本実施形態のマイクロレンズアレイ１０の製造方法の他の例を示す説明図である。なお、図３でも、ガラス基板１上に形成される複数のマイクロレンズ１１のうち１つのマイクロレンズ１１に着目してそれがガラス基板上に形成されるまでの工程を示しているが、実際の製造工程では複数のマイクロレンズ１１を同時に形成することにより、結果としてマイクロレンズアレイ構造１２が形成される。
図３に示す例では、まず形成したいマイクロレンズアレイ構造１２の形状に対応したモールド（金型）３０１を用意し、被転写成型材との剥離性を高めるために、モールド３０１にポリマー系のＳＡＭ（自己組織単分子モノマー）膜やＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を塗布する（図３（ａ）離型処理工程）。そして、ガラス基板１上のマイクロレンズを形成したい位置にインプリント材料３０２を選択的に塗布し、その後図３（ａ）の離型処理が施されたモールドをインプリント材料３０２に押し付けて、インプリント材料３０２を伸ばし広げてモールド３０１の形状すなわちアレイ状に並ぶ球面形状の構造体に成形する（図３（ｂ）感光性モノマー成形工程）。インプリント材料３０２には、例えば、感光性アクリルモノマーを用いればよい。
そして、モールド３０１を介して成形されたインプリント材料３０２に光照射を行い、インプリント材料３０２を光硬化させ、硬化したインプリント材料３０２からなる球面形状の構造体を形成する（図３（ｃ）露光工程）。その後、モールド３０１を離型する（図３（ｄ）離型工程）。
ガラス基板１上に硬化したインプリント材料３０２からなる球面形状の構造体が形成されると、そのパターンをマスクとして利用して、ガラス基板１のドライエッチングを行い、マイクロレンズ１１を形成する（図３（ｅ）ドライエッチング工程，図３（ｆ）完成図）。
なお、図３（ｂ）の感光性モノマー成形工程から図３（ｃ）の露光工程までの工程に代わって、インプリント材料３０２として熱可塑性樹脂膜を塗布し、モールド３０１を介して加熱加圧して成形する工程を行うことも可能である。
なお、図１では、ガラス基板１の片方の面にマイクロレンズアレイ構造１２を形成する例を示したが、例えば、図４に示すようにマイクロレンズアレイ２０のように、マイクロレンズアレイ構造１２をガラス基板１の両方の面に形成することも可能である。なお、図４は、本発明のマイクロレンズアレイの他の例を示す構成図である。
なお、図４に示すマイクロレンズアレイ２０の製造方法は、図１に示すマイクロレンズアレイ１０の製造方法と同様の工程を、ガラス基板１の両面に対して行えばよい。
また、図５は、本発明のマイクロレンズアレイの他の例を示す構成図である。図５に示すマイクロレンズアレイ３０は、ガラス基板１の一方の透光面に、樹脂層２によるマイクロレンズアレイ構造２２が設けられてなる。より具体的には、ガラス基板１の一方の透光面に、アレイ状に配されたマイクロレンズ２１からなるマイクロレンズアレイ構造２２が形成された樹脂層２が積層されてなる。
樹脂層２は、例えば、図２に示した製造工程において使用されるレジスト２０１を利用して形成してもよい。この場合、図２に示した製造工程において生成される、球面形状に形成されたレジスト２０１がそのままマイクロレンズ１１として用いられることになる。
また、樹脂層２は、例えば、図３に示した製造工程において使用されるインプリント材料３０２を利用して形成することも可能である。この場合、図３に示した製造工程において生成される、球面形状に成形されたインプリント材料３０２がそのままマイクロレンズアレイ１１として用いられることになる。
本例における樹脂材料としては、例えば、東京応化工業社製の「ＴＭＲ−Ｐ１５」などのアクリル系ポジ型レジスト材料が挙げられる。また、例えば、旭硝子社製の「ＮＩＦ−Ａ−７ｇ」や「ＮＩＦ−Ａ−１」といった感光性アクリルモノマーのインプリント材料が挙げられる。
なお、本例においても、マイクロレンズアレイ基板を構成するガラス基板１の材料は、貼り合わせ先の撮像素子の被貼着部の材質が有する線膨張率と近い線膨張率を有する材料とする。なお、樹脂層２の材料についても、貼り合わせ先の撮像素子の被貼着部の材質が有する線膨張率と近い線膨張率を有することが好ましいが、そうでなくてもよい。すなわち、樹脂層２がガラス基板１と接着されていることから、樹脂層２の材料である樹脂の接着性によって位置ずれを抑制できるからである。
なお、本例のマイクロレンズアレイ３０の製造方法は、図１に示すマイクロレンズアレイ１０の製造方法におけるドライエッチング工程を除けばよい。
また、図６は、本発明のマイクロレンズアレイの他の例を示す構成図である。図６に示すマイクロレンズアレイ４０は、図５に示したマイクロレンズアレイ３０の樹脂層２に対して、さらにカバー層３を設けている。なお、カバー層３を設ける対象は、樹脂層によって形成されるマイクロレンズアレイに限らず、例えば、図１に示したマイクロレンズアレイ１０のようなガラス製のマイクロレンズアレイに対しても設けることが可能である。その場合、カバー層３は、少なくともマイクロレンズが形成されている領域を覆う範囲に形成されていればよい。
カバー層３は、例えば、樹脂を用いて形成してもよい。カバー層３を設けることによって、マイクロレンズアレイ構造１２、２２を保護できる。また、カバー層３を設けることによって、レンズ層だけの時よりも焦点距離の制御範囲を広げることができる。曲率半径を大きくできないが焦点距離を大きくしたい場合などにカバー層３を設けるといった用法も挙げられる。
また、図５および図６では、ガラス基板１の片方の面にマイクロレンズアレイ構造２２が形成された樹脂層２を接着させたマイクロレンズアレイの例を示したが、図４に示した例と同じように、マイクロレンズアレイ構造２２が形成された樹脂層２をガラス基板１の両方の面に設けることも可能である。図７は、樹脂製のマイクロレンズアレイ構造２２を両面に設けた場合のマイクロレンズアレイの例を示す構成図である。なお、図示省略しているが、さらにそれぞれのマイクロレンズアレイ構造１２，２２に対してカバー層３を設けることも可能である。
次に、撮像素子基板または撮像素子パッケージとの貼り合わせ例を示す。図８〜図１２は、本発明によるマイクロレンズアレイと撮像素子基板または撮像素子パッケージとの貼り合わせ例を示す説明図である。
例えば、図８に示すように、所定の画素ピッチに対応した受光素子アレイ４１が形成されている撮像素子基板４とマイクロレンズアレイ基板１とをギャップスペーサ５１が含有された接着剤５を用いて直接貼り合わせてもよい。
この方法におけるマイクロレンズアレイ基板の貼り合わせ対象は、撮像素子基板４である。したがって、撮像素子基板４がシリコン基板であれば、マイクロレンズアレイ基板を構成するガラス基板１の材料には、シリコンの線膨張率に近い線膨張率を有するガラスを用いればよい。また、撮像素子基板４がゲルマニウム基板であれば、マイクロレンズアレイ基板を構成するガラス基板１の材料には、ゲルマニウムの線膨張率に近い線膨張率を有するガラスを用いればよい。
また、接着剤５は、例えば、エポキシ系の熱硬化型または光硬化型の樹脂を用いる。その他にも、アクリル系、シリコン系の熱硬化型または光硬化型の樹脂を用いてもよい。
なお、図８では、レンズ面が表（入射する側）となるように貼り合わせる例を示したが、図９に示すように、レンズ面を裏にして撮像素子基板４と貼り合わせることも可能である。また、収差を抑制できる点で、両面にマイクロレンズアレイ構造１２が設けられている方が好ましい。
また、図１０に示す例は、ギャップスペーサ５１の代わりに、フォトリソしたレジスト６を用いて所望の高さを作り、そのレジスト６を介して撮像素子基板４と接着剤５により貼り合わせる例である。
この方法におけるマイクロレンズアレイ基板の貼り合わせ対象は、樹脂系レジストや樹脂系接着剤等の樹脂系材料を除けば実質的に撮像素子基板４とみなすことができる。したがって、撮像素子基板４がシリコン基板であれば、マイクロレンズアレイ基板を構成するガラス基板１の材料には、シリコンの線膨張率に近い線膨張率を有するガラスを用いればよい。また、撮像素子基板４がゲルマニウム基板であれば、マイクロレンズアレイ基板を構成するガラス基板１の材料には、ゲルマニウムの線膨張率に近い線膨張率を有するガラスを用いればよい。
また、図１１に示すように、マイクロレンズアレイ基板１のマイクロレンズアレイ構造１２が設けられていない側の面の外縁部分を残して掘り下げ、その残った外縁部分の高さをスペーサの代わりにして、撮像素子基板４と接着剤５により貼り合わせることも可能である。
この方法におけるマイクロレンズアレイ基板の貼り合わせ対象は、撮像素子基板４である。したがって、撮像素子基板４がシリコン基板であれば、マイクロレンズアレイ基板を構成するガラス基板１の材料には、シリコンの線膨張率に近い線膨張率を有するガラスを用いればよい。また、撮像素子基板４がゲルマニウム基板であれば、マイクロレンズアレイ基板を構成するガラス基板１の材料には、ゲルマニウムの線膨張率に近い線膨張率を有するガラスを用いればよい。
なお、図８〜図１１に示す貼り合わせ方法によれば、複数個の撮像素子基板４を構成するウェハ（例えば、シリコンウェハやゲルマニウムウェハ）と、複数個のマイクロレンズアレイ基板１を構成するガラスウェハを貼り合わせた後で、切断、個片化することも可能である。
また、図１２に示すように、撮像素子基板４がセラミックス製のパッケージ内に納められている構成の場合には、そのパッケージ開口部にマイクロレンズアレイ基板１を接着剤により接着して一つの光学部品としてもよい。
この方法におけるマイクロレンズアレイ基板の貼り合わせ対象は、セラミックスパッケージ６である。したがって、マイクロレンズアレイ基板を構成するガラス基板１の材料には、セラミックスパッケージ６の材料であるセラミックスの線膨張率に近い線膨張率を有するガラスを用いればよい。
なお、図示省略しているが、マイクロレンズアレイと撮像素子の画素アレイとを組み合わせる用途がライトフィールドカメラ用途である場合には、１つのマイクロレンズを通った光が複数の撮像素子に分散して入射されるように、各々のマイクロレンズおよび各々の撮像素子の位置や大きさや、マイクロレンズの焦点距離を定めればよい。
以上のように、本実施形態によれば、マイクロレンズアレイと撮像素子の画素アレイとを組み合わせて用いる光学装置において、マイクロレンズアレイ基板とその貼着先である撮像素子基板または撮像素子パッケージとの間で線膨張率の違いによる昇温時のマイクロレンズアレイと撮像素子の画素アレイの位置ずれによる集光スポットのずれを防止できる。
さらに、マイクロレンズアレイ基板の材料にα線放出量が低いガラスを用いれば、撮像素子でα線によるノイズが発生することや、撮像素子のダメージを防止できる。
以下、具体的な例を用いて本発明によるマイクロレンズアレイおよび該マイクロレンズアレイを一体型のパッケージとして備える撮像素子パッケージを説明する。第１の実施例は、旭硝子社製の「ＳＷ−ＹＹ」ガラスをマイクロレンズアレイ基板１に用いる例である。本例のマイクロレンズアレイは、まず「ＳＷ−ＹＹ」ガラスを用いて製造されたガラス基板１（以下、ＳＷガラスという。）の一方の面に、ポジ型フォトレジスト材料を１３００ｒｐｍにてスピン塗布し、１００℃で加熱して膜厚１．７μmのレジスト膜を形成する。なお、レジスト材料としては、ＴＨＭＲ−ｉＰ３１００（東京応化工業株式会社製）を用いる。
次いで、得られたレジスト膜に対してフォトマスクを介在させた状態で露光を行い、その後、現像液で感光部分のフォトレジストを除去し、直径３１μm、高さ１．７μｍの円柱が、３２μmピッチで配列したレジストパターンが形成されたＳＷガラスを作製する。
次いで、得られた円柱のレジストパターンを２００℃で加熱し、レジストを溶融させ曲率半径４４．４μmの凸球面状のレジストにする。
そして、ＣＦ４（四フッ化メタン）ガスとＢＣｌ３（三塩化ホウ素）ガスを含む混合ガスを使い反応性イオンエッチング法にてレジストとＳＷガラスをエッチングし、レンズ形状をＳＷガラスに転写し、曲率半径６２．４μｍのマイクロレンズ１１が３２μmピッチで配列されているマイクロレンズアレイ構造１２を有するマイクロレンズアレイ１０を作製する。なお、ガラスウェハを用いて一度に複数のマイクロレンズアレイ１０を作製する場合は、ここで、ダイシングによりガラスウェハを切断し、マイクロレンズアレイ１０を個片化してもよい。この場合、撮像素子との貼り合わせは個片にて実施する。
また、このようにして作製したマイクロレンズアレイ１０と撮像素子が形成された半導体基板とを、レンズと撮像素子との距離を制御するため１２０μｍのスペーサを内添させた接着剤を受光領域を取り囲むように塗布して光硬化させる。なお、接着剤はエポキシ接着剤を用いる。
本例の場合、ＳＷ−ＹＹガラス基板の線膨張率は３３×１０−７（／Ｋ）であり、その貼り合わせ先である半導体基板の線膨張率は、３３×１０−７（／Ｋ）であるので、両者の線膨張率差は１×１０−７（／Ｋ）以下となる。したがって、線膨張率の違いから使用温度や発熱による撮像素子の画素ピッチとレンズピッチの位置ずれを防止できる。また、プリント配線基板にリフロー実装する際に基板同士の剥れが生じることも防止できる。
また、ＳＷガラス基板のα線放出量は、０．０１ｃ／ｃｍ２・ｈｒ以下であることから、撮像素子でα線によるノイズが発生することを防止できる。
第２の実施例は、旭硝子社製の「ＡＮ１００」ガラスをマイクロレンズアレイ基板１に用いる例である。本例のマイクロレンズアレイは、まず「ＡＮ１００」ガラスを用いて製造されたガラス基板１（以下、ＡＮガラスという。）の一方の面に、ポジ型フォトレジスト材料を２５００ｒｐｍにてスピン塗布し、１００℃で加熱して膜厚１．３μmのレジスト膜を形成する。なお、レジスト材料としては、ＴＨＭＲ−ｉＰ３１００（東京応化工業株式会社製）を用いる。
次いで、得られたレジスト膜に対してフォトマスクを介在させた状態で露光を行い、その後、現像液で感光部分のフォトレジストを除去し、直径３１μm、高さ１．３μｍの円柱が、３２μmピッチで配列したレジストパターンが形成されたＡＮガラスを作製する。
次いで、得られた円柱のレジストパターンを２００℃で加熱し、レジストを溶融させ曲率半径５６．４μｍの凸球面状のレジストにする。
そして、ＣＦ４（四フッ化メタン）ガスとＢＣｌ３（三塩化ホウ素）ガスを含む混合ガスを使い反応性イオンエッチング法にてレジストとＡＮガラスをエッチングし、レンズ形状をＡＮガラスに転写し、曲率半径６２．４μｍのマイクロレンズ１１が３２μmピッチで配列されているマイクロレンズアレイ構造１２を有するマイクロレンズアレイを作製する。なお、本例では、ここでダイシングによりガラスウェハを切断し、マイクロレンズアレイを個片化する。
また、このようにして作製したマイクロレンズアレイと撮像素子が形成された半導体基板とを貼り合わせて、ライトフィールドカメラ用の撮像素子パッケージを作製する。なお、マイクロレンズアレイと半導体基板との貼り合わせ方法および貼り合わせ先の半導体基板は第１の実施例と同様である。
本例の場合、ＡＮガラス基板の線膨張率は３８×１０−７（／Ｋ）であり、その貼り合わせ先である半導体基板の線膨張率は、３３×１０−７（／Ｋ）であるので、両者の線膨張率差は１×１０−６（／Ｋ）以下となる。したがって、線膨張率の違いから使用温度や発熱による撮像素子の画素ピッチとレンズピッチの位置ずれを防止できる。また、プリント配線基板にリフロー実装する際に基板同士の剥れが生じることも防止できる。
第３の実施例は、石英ガラスをマイクロレンズアレイ基板１に用いる例である。本例のマイクロレンズアレイは、まず石英ガラス基板の一方の面に、ポジ型フォトレジスト材料を２９００ｒｐｍにてスピン塗布し、１００℃で加熱して膜厚１．２μmのレジスト膜を形成する。なお、レジスト材料としては、ＴＨＭＲ−ｉＰ３１００（東京応化工業株式会社製）を用いる。
次いで、得られたレジスト膜に対してフォトマスクを介在させた状態で露光を行い、その後、現像液で感光部分のフォトレジストを除去し、直径３１μm、高さ１．２μｍの円柱が、３２μmピッチで配列したレジストパターンが形成された石英ガラスを作製する。
次いで、得られた円柱のレジストパターンを２００℃で加熱し、レジストを溶融させ曲率半径６０．５μmの凸球面状のレジストにする。
そして、ＣＦ４（四フッ化メタン）ガスとＣＨＦ３ガスを含む混合ガスを使い反応性イオンエッチング法にてレジストと石英ガラスをエッチングし、レンズ形状を石英ガラスに転写し、曲率半径５５．２μｍのマイクロレンズが３２μmピッチで配列されているマイクロレンズアレイ構造を有するマイクロレンズアレイを作製する。なお、本例では、ここでダイシングによりガラスウェハを切断し、マイクロレンズアレイを個片化する。
また、このようにして作製したマイクロレンズアレイと撮像素子が形成された半導体基板とを貼り合わせて、ライトフィールドカメラ用の撮像素子パッケージを作製する。なお、マイクロレンズアレイと半導体基板との貼り合わせ方法および半導体基板の材料は第１の実施例と同様である。
本例の場合、石英ガラス基板の線膨張率は６×１０−７（／Ｋ）であり、その貼り合わせ先である半導体基板の線膨張率は、３３×１０−７（／Ｋ）であり、両者の線膨張率差は３×１０−６（／Ｋ）以下となる。したがって、線膨張率の違いから使用温度や発熱による撮像素子の画素ピッチとレンズピッチの位置ずれを防止できる。また、プリント配線基板にリフロー実装する際に基板同士の剥れが生じることも防止できる。
比較例１．
以下、比較例として、樹脂基板を用いて作製されるマイクロレンズアレイおよび該マイクロレンズアレイを一体型のパッケージとして備える撮像素子パッケージを説明する。
本比較例のマイクロレンズアレイは、まず準備段階として、石英ガラス基板の一方の面に、ポジ型フォトレジスト材料を２９００ｒｐｍにてスピン塗布し、１００℃で加熱して膜厚１．２μmのレジスト膜を形成する。なお、レジスト材料としては、ＴＨＭＲ−ｉＰ３１００（東京応化工業株式会社製）を用いる。
次いで、得られたレジスト膜に対してフォトマスクを介在させた状態で露光を行い、その後、現像液で感光部分のフォトレジストを除去し、直径３１μｍ、高さ１．２μｍの円柱が、３２μmピッチで配列したレジストパターンが形成された石英ガラスを作製する。
次いで、得られた円柱のレジストパターンを２００℃で加熱し、レジストを溶融させ曲率半径６０．５μmの凸球面状のレジストにする。
次いで、凸球面状のレジストが付与されたガラス基板表面にスパッタ法にてＮｉ膜を製膜し、さらに電気メッキ法で１mm厚のＮｉメッキを施した後、Ｎｉを母型から剥がし、凹球面状のＮｉ製金型を作製する。以上で準備段階を終了する。
金型が作製されると、作製したＮｉ製金型に、離型剤をスピン塗布し、１００℃で焼成してフッ素処理を行う。
次いで、フッ素処理したＮｉ製金型と、本例のマイクロレンズアレイ基板となるポリカーボネート基板との間にアクリル系光硬化樹脂を滴下して重ね合せ、全面を均等に加圧しながら金型とポリカーボネート基板の間に樹脂を充填させる。
次いで、金型とポリカーボネート基板の間に充填させた状態で、金型とポリカーボネート基板の平行度合わせと位置合わせを行い、ポリカーボネート基板越しにＵＶ露光を行う。ＵＶ露光後、８５℃で焼成し、樹脂を十分硬化させた後、基板から金型を離型して曲率半径６０．２μmのマイクロレンズが３２μmピッチで配列されているマイクロレンズアレイ構造を有する、マイクロレンズアレイ基板が樹脂基板であるマイクロレンズアレイを作製する。
また、このようにして作製したマイクロレンズアレイと撮像素子が形成された半導体基板とを貼り合わせて、ライトフィールドカメラ用の撮像素子パッケージを作製する。なお、マイクロレンズアレイと半導体基板との貼り合わせ方法および貼り合わせ先の半導体基板は第１の比較例と同様である。
本例の場合、ポリカーボネート基板の線膨張率は６９０×１０−７（／Ｋ）であり、その貼り合わせ先である半導体基板の線膨張率は、３３×１０−７（／Ｋ）であり、両者の線膨張率差は６５７×１０−７（／Ｋ）となり大きい。このため、プリント配線基板にリフロー実装する際、基板同士の剥れが生じることが懸念される。また、線膨張率の違いから使用温度や発熱による撮像素子の画素ピッチとレンズピッチの位置ずれが生じることが懸念される。なお、実験により、温度６５℃の環境で本例の撮像素子パッケージを動作させたところ、位置ずれが確認される。
以上、本発明を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、本発明は、さらに別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加えうるものである。
本出願は、２０１２年３月７日付けで出願された日本特許出願（特願２０１２−０５０６４１）に基づいており、その全体が引用により援用される。
本発明は、ライトフィールドカメラ用途に限らず、マイクロレンズアレイと撮像素子の画素アレイとを組み合わせて用いる光学装置において、マイクロレンズアレイと撮像素子の画素アレイの位置決めに高い精度を要するものであれば、好適に適用可能である。
１０，２０，３０，４０，５０ マイクロレンズアレイ
１ マイクロレンズアレイ基板
１１ （ガラス製）マイクロレンズ
１２ （ガラス製）マイクロレンズアレイ構造
２ 樹脂層
２１ （樹脂製）マイクロレンズ
２２ （樹脂製）マイクロレンズアレイ構造
３ カバー層
４ 撮像素子基板
４１ 受光素子アレイ（画素アレイ）
５ 接着剤
６ パッケージ
２０１ レジスト
２０２ マスク
３０１ モールド
３０２ インプリント材料

Claims (8)

  1. 撮像素子の画素アレイと組み合わせて用いられるマイクロレンズアレイであって、
    ガラス基板と、
    前記ガラス基板の少なくとも一方の面に設けられ、アレイ状に並ぶ複数のマイクロレンズとを備え、
    前記複数のマイクロレンズは各々、当該マイクロレンズに入射した光が前記撮像素子の複数の画素に受光されるよう構成されており、
    前記ガラス基板の線膨張率と、前記画素アレイが形成されている撮像素子基板または前記撮像素子基板と接合されるパッケージの部材が有する線膨張率との差が８×１０−６（／Ｋ）以内である
    ことを特徴とするマイクロレンズアレイ。
  2. 前記ガラス基板のα線放出量が、０．０１ｃ／ｃｍ２・ｈｒ以下である
    請求項１に記載のマイクロレンズアレイ。
  3. ガラス基板に積層される樹脂層をさらに備え、
    前記複数のマイクロレンズが、前記樹脂層に形成されている
    請求項１または請求項２に記載のマイクロレンズアレイ。
  4. 少なくともマイクロレンズが形成されている領域を覆うカバー層をさらに備える
    請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイ。
  5. 撮像素子基板であるシリコン基板と貼り合わされるマイクロレンズアレイであって、
    前記ガラス基板の線膨張率は、０．３×１０−６（／Ｋ）〜１１×１０−６（／Ｋ）の範囲内である
    請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイ。
  6. 撮像素子基板であるゲルマニウム基板と貼り合わされるマイクロレンズアレイであって、
    前記ガラス基板の線膨張率は、０．３×１０−６（／Ｋ）〜１４×１０−６（／Ｋ）の範囲内である。
    請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイ。
  7. 撮像素子基板のパッケージであるセラミックスパッケージと貼り合わされるマイクロレンズアレイであって、
    前記ガラス基板の線膨張率は、０．３×１０−６（／Ｋ）〜１５×１０−６（／Ｋ）の範囲内である
    請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載のマイクロレンズアレイ。
  8. 所定の画素ピッチに対応して受光素子が形成されている撮像素子基板と、
    ガラス基板の少なくとも一方の面に複数のマイクロレンズがアレイ状に配されたマイクロレンズアレイとを備え、
    前記マイクロレンズアレイを構成する前記複数のマイクロレンズは各々、当該マイクロレンズに入射した光を前記撮像素子基板上の複数の画素に対応する受光素子に受光させ、
    前記マイクロレンズアレイのガラス基板が有する線膨張率と、前記撮像素子基板または前記撮像素子基板と接合されるパッケージの部材が有する線膨張率との差が８×１０−６（／Ｋ）以内であり、
    前記マイクロレンズアレイのガラス基板と、前記撮像素子基板または前記撮像素子基板と接合されるパッケージとが、樹脂系材料を介して貼り合わされている
    ことを特徴とする撮像素子パッケージ。
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