KR102626696B1 - 고체 촬상 소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

고체 촬상 소자를 보다 저비용으로 형성하는 것을 가능하게 한 고체 촬상 소자 및 고체 촬상 소자의 제조 방법을 제공한다. 본 실시 형태에 따른, 기판(2)과, 기판(2)의 한쪽 면측에 형성된 복수의 마이크로렌즈(6)와, 복수의 마이크로렌즈(6) 중의, 인접하는 마이크로렌즈(6)끼리의 경계부에 형성되고, 기판(2)의 한쪽 면측으로 오목한 오목 렌즈(7)를 구비하는 고체 촬상 소자(1a)의 제조 방법은, 마이크로렌즈(6) 및 오목 렌즈(7)를 그레이톤 마스크(50)를 사용하는 포토리소그래피법에 의해 일괄 형성하는 렌즈 형성 공정을 구비하고 있다.

Description

고체 촬상 소자 및 그의 제조 방법
본 발명은 고체 촬상 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
고체 촬상 소자 및 그의 제조 방법에 관한 종래 기술로서는, 예를 들어 특허문헌 1 내지 3에 기재된 것이 있다.
일본 특허 공개 제2000-260969호 공보 일본 특허 공개 제2000-260970호 공보 일본 특허 공개 제2006-165162호 공보
종래 기술에 관한 고체 촬상 소자의 제조 방법에서는, 고체 촬상 소자에 구비되는 복수의 마이크로렌즈를 형성할 때, 마이크로렌즈를 구성하는 재료를 복수회에 걸쳐 패터닝할 필요가 있었다. 이로 인해, 패턴 형성용 마스크 등의 공정 지그를 복수매 준비할 필요가 있어, 제조 비용이 높아진다는 과제가 있다.
그래서 본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 고체 촬상 소자를 보다 저비용으로 형성하는 것을 가능하게 한 고체 촬상 소자 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 형태에 관한 고체 촬상 소자는 기판과, 상기 기판의 한쪽 면측에 형성된 복수의 마이크로렌즈와, 상기 복수의 마이크로렌즈 중의, 인접하는 마이크로렌즈끼리의 경계부에 형성되고, 상기 기판의 한쪽 면측으로 오목한 오목 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 형태에 관한 고체 촬상 소자의 제조 방법은 기판과, 상기 기판의 한쪽 면측에 형성된 복수의 마이크로렌즈와, 상기 복수의 마이크로렌즈 중의, 인접하는 마이크로렌즈끼리의 경계부에 형성되고, 상기 기판의 한쪽 면측으로 오목한 오목 렌즈를 구비하는 고체 촬상 소자의 제조 방법이며, 상기 마이크로렌즈 및 상기 오목 렌즈를, 그레이톤 마스크를 사용하는 포토리소그래피법에 의해 일괄 형성하는 렌즈 형성 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 형태에 의하면, 고체 촬상 소자를 보다 저비용으로 형성하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 구성예를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1-1에 관한 고체 촬상 소자의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1-1에 관한 고체 촬상 소자의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1-1에 관한 마이크로렌즈의 X 방향 단면 및 XY 방향 대각 단면의 AFM 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1-2에 관한 고체 촬상 소자의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2-1에 관한 고체 촬상 소자의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 구성예를 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자에 있어서의 컬러 필터 및 광전 변환 소자의 배치를 나타내는 평면도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 구성예를 나타내는 단면도이다.
도 10은 도 9의 부분 확대 단면도이다.
도 11은 골부(valley)의 곡률 반경이 큰 경우에 있어서의, 마이크로렌즈간의 입사광의 광로를 나타내는 설명도이다.
도 12는 골부의 곡률 반경이 작은 경우에 있어서의, 마이크로렌즈간의 입사광의 광로를 나타내는 설명도이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태(이하, 실시 형태)에 대해, 도면을 사용하여 설명한다. 단, 이하에 설명하는 각 도면에 있어서 서로 대응하는 부분에는 동일 부호를 부여하고, 중복 부분에서는 후술에서의 설명을 적절히 생략한다. 또한, 본 발명의 각 실시 형태는, 본 발명의 기술적 사상을 구체화하기 위한 구성을 예시하는 것으로서, 각 부의 재질, 형상, 구조, 배치, 치수 등을 하기의 것에 특정하는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상은, 특허 청구 범위에 기재된 청구항이 규정하는 기술적 범위 내에 있어서, 다양한 변경을 가할 수 있다.
[제1 실시 형태]
<구성>
이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 주된 구성부에 대해 설명한다. 또한, 고체 촬상 소자의 상세한 구성에 대해서는, 후술하는 본 발명의 제2 실시 형태에서 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 구성예를 나타내는 단면도이다. 상세하게는, 도 1의 (a)는 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자 전체의 구성예를 나타내는 단면도이며, 도 1의 (b)는 제1 실시 형태에 따른 마이크로렌즈의 구성예를 확대해 나타내는 단면도이다.
도 1의 (a)에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자(1(1a))는 반도체 기판(기판)(2)과, 반도체 기판(2)의 한쪽 면(도 1의 (a)에서는, 상면)측에 형성된 렌즈 모듈(8)을 구비한다. 도 1의 (a) 및 (b)에 나타내는 바와 같이, 렌즈 모듈(8)은, 평면으로 볼 때 세로 방향 및 가로 방향으로 각각 일정한 간격으로 배치된 복수의 마이크로렌즈(6)와, 복수의 오목 렌즈(7)를 갖는다. 복수의 마이크로렌즈(6)의 각각은, 렌즈 모듈(8)의 표면(도 1의 (a) 및 (b)에서는, 상면)으로부터 돌출된 볼록 형상으로 되어 있다(즉, 볼록 렌즈이다). 또한, 복수의 오목 렌즈(7)의 각각은, 렌즈 모듈(8)의 표면으로부터 반도체 기판(2)의 한쪽 면측으로 오목한 오목 형상으로 되어 있다. 복수의 오목 렌즈(7)의 각각은, 복수의 마이크로렌즈(6) 중의, 인접하는 마이크로렌즈(6)끼리의 경계부에 각각 위치한다.
도시되지 않지만, 반도체 기판(2)의 한쪽 면측에는, 다수의 광전 변환 소자가 형성되어 있다. 광전 변환 소자로서, 포토다이오드가 예시된다. 또한, 광전 변환된 전하의 전송 방식으로서, CMOS 또는 CCD가 예시된다. 또한, 반도체 기판(2)의 한쪽 면 상에는, 색 분해용 컬러 필터(이하, 간단히 「컬러 필터」라고도 칭함)(5)와 집광용 마이크로렌즈(6)가 형성되어 있다. 다수의 광전 변환 소자는, 컬러 필터(5)와 집광용 마이크로렌즈(6)에 의해 덮여 있다. 예를 들어, 1개의 광전 변환 소자의 상방에 컬러 필터(5) 중 일착색층(녹색(G), 청색(B), 적색(R)의 3색 중 1색으로 착색된 층)이 배치되고, 그 상방에 1개의 마이크로렌즈(6)가 배치되어 있고, 이 조합으로 하나의 화소를 구성하고 있다.
또한, 도 1의 (a)에서는 컬러 필터(5)를 나타내며, 그 하부의 광전 변환 소자를 생략하고 있지만, 본 명세서에서는, 반도체 기판(2), 복수개의 광전 변환 소자, 컬러 필터(5), 렌즈 모듈(8)을 포함하여, 고체 촬상 소자(1a)라고 칭한다.
도 1의 (a)에 나타내는 바와 같이, 반도체 기판(2)에는, 그 한쪽 면으로부터 다른 쪽의 면(도 1의 (a)에서는, 하면)에 이르는 관통 구멍이 형성되어 있다. 그리고, 이 관통 구멍에 도전 물질이 충전 또는 내벽을 피복함으로써, 관통 구멍 전극(9)이 형성되어 있다. 또한, 반도체 기판(2)의 다른 쪽의 면에는, BGA 방식에 의한 접속 범프(10)가 형성되어 있다.
접속 범프(10)는, 외부 접속 패드라고도 칭한다. 1개의 관통 구멍 전극(9)은, 1개의 접속 범프(10)와 전기적으로 접속하고 있다.
고체 촬상 소자(1a)에서 얻어지는 화상 정보의 전기 신호는 반도체 기판(2)의 한쪽 면측에 형성된 전극(도시되지 않음)과 관통 구멍 전극(9)을 경유하여, 반도체 기판(2)의 이면으로 유도되어 접속 범프(10)를 통하여, 외부 회로 등에 출력된다.
본 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자(1a)에서는, 기타, 렌즈 모듈(8)의 측벽에 플레어 방지용으로 차광성이 있는 무전해 도금층이 실시되어 있어도 된다. 그 재질은, 예를 들어 니켈, 크롬, 코발트, 철, 구리, 금 등으로부터 선택되는 금속의 단일 도금층 이외, 니켈-철, 코발트-철, 구리-철 등의 조합으로부터 선택되는 합금의 무전해 도금층을 들 수 있다. 그것 이외에도, 구리 등의 금속을 무전해 도금하고, 그런 뒤, 그 표면을 화학 처리나 산화 처리하여 금속 화합물로 하고, 표면의 광 반사율이 낮은 금속 차광층으로 하는 것도 가능하다.
<제조 방법>
본 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자(1a)의 제조 방법에서는, 복수의 마이크로렌즈(6)와, 복수의 오목 렌즈(7)를, 후술하는 그레이톤 마스크(50)를 사용하는 포토리소그래피법에 의해 일괄 형성한다. 본 명세서에서는, 이 점에 대해, 실시예로서 상세하게 설명한다.
<실시예 1-1>
도 2의 (a) 내지 도 3의 (d)는 본 발명의 실시예 1-1에 관한 고체 촬상 소자(1a)의 제조 방법을 공정 순으로 나타내는 단면도이다. 도 2의 (a)에서는, 두께 0.75㎜, 직경 20cm의 실리콘 웨이퍼(2')를 준비한다. 실리콘 웨이퍼(2')는, 분리 전의 실리콘 기판이다. 이 실리콘 웨이퍼(2')의 한쪽 면(도 2 및 도 3에서는, 상면)에, 광전 변환 소자나 차광막, 패시베이션막을 형성하고, 최상층에 열경화 타입의 아크릴 수지 도포액을 사용하여 스핀 코팅에 의해 평탄화층을 형성하였다. 이어서, 평탄화층 상에 컬러 필터(5)를, G, B, R의 3색으로 3회의 포토리소그래피의 방법으로 각각 형성하였다. 또한, 도 2의 (a)에서는, 광전 변환 소자와 평탄화층의 도시는 생략하였다.
그린 레지스트는, 색재로서, 예를 들어 C.I.피그먼트 옐로우 139, C.I.피그먼트 그린 36, C.I.피그먼트 블루 15:6을 사용하고, 또한 시클로헥사논, PGMEA 등의 유기 용제, 중합체 바니시, 단량체, 개시제를 첨가한 구성의 컬러 레지스트를 사용하였다.
블루 레지스트는, 색재로서, 예를 들어 C.I.피그먼트 블루 15:6, C.I.피그먼트 바이올렛 23을 사용하고, 또한 시클로헥사논, PGMEA 등의 유기 용제, 중합체 바니시, 단량체, 개시제를 첨가한 구성의 컬러 레지스트를 사용하였다.
레드 레지스트의 색재는, C.I.피그먼트 레드 117, C.I.피그먼트 레드 48:1, C.I.피그먼트 옐로우 139로 하였다. 색재 이외의 조성은, 그린 레지스트와 동일하게 하였다.
착색 화소의 배열은, 일 화소 간격으로 G(녹) 필터가 설치되고, G 필터의 사이에 일 행 간격으로 R(적) 필터와 B(청) 필터가 설치된, 소위 베이어 배열로 하였다.
다음에, 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이, 컬러 필터(5)를 덮도록 실리콘 웨이퍼(2')의 한쪽 면 상에 감광성 마이크로렌즈재(11)를 형성하였다. 여기에서는, 컬러 필터(5) 상에 1㎛의 막 두께의 알칼리 가용성·감광성·열 리플로우성을 갖는 스티렌 수지를 도포하고, 감광성 마이크로렌즈재(11)를 형성하였다. 실시예 1-1은, 도 1의 (a) 및 (b)에 나타낸 렌즈 모듈(8)을, 감광성 마이크로렌즈재(11)로 구성한 예이다. 감광성 마이크로렌즈재(11)는 감광성 투명 수지이며, 포지티브형의 감광성 수지를 사용하였다.
다음에, 도 2의 (c)에 나타내는 바와 같이, 감광성 마이크로렌즈재(11)에 노광 처리를 실시한다. 여기에서는, 마이크로렌즈(6)의 볼록 형상과 오목 렌즈(7)의 오목 형상을 노광법으로 제어하기 위하여, 그레이톤 마스크(50)라는 특수한 노광용 마스크를 사용하였다. 구체적으로는, 감광성 마이크로렌즈재(11)를, 그레이톤 마스크(50)를 사용하는 자외선(i선)에 의한 포토리소그래피의 프로세스에 의해 패턴화 한 후, 250℃에서 열처리하여, 마이크로렌즈(6)를 형성하였다. 마이크로렌즈(6)는 두께 약 0.6㎛의 완만한 반포물 형상이었다. 또한, 인접하는 마이크로렌즈(6) 사이의 오목 렌즈(7)에 대해, 그 오목 형상의 곡률 직경 d(도 1의 (b) 참조)는 0.3㎛였다.
그레이톤 마스크(50)는, 제작하고자 하는 렌즈 요소의 박막 부분에 대응하는 부분에 대해서는 광 투과율을 높게 한 차광막을, 석영 기판 상에 형성한 것이다. 차광막에 농담의 그라데이션(계조)이 부여된 마스크라고 할 수 있다. 이 계조의 농담은, 노광에 사용되는 광에서는 해상하지 않는 작은 직경의 도트의 단위 면적당 개수의 부분적인 차(조밀)에 의해 달성된다.
이와 같이 하여, 도 2의 (d)에 나타내는 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(2') 상에 다면화된 고체 촬상 소자(1a)를 얻었다.
다음에, 상기 실리콘 웨이퍼(2')의 이면에 포토레지스트를 도포하고, 정법의 포토리소그래피법에 의해 관통 구멍 전극(9)이 형성되어야 할 부위에 개구부를 형성하였다. 이어서, 포토레지스트막을 마스크로 하여 반응성 이온 에칭을 행하고, 실리콘 웨이퍼(2')를 소정의 깊이까지 에칭하여 관통 구멍을 형성하였다.
다음에, 실리콘 웨이퍼(2')와 이후에 형성하는 배선층을 절연하기 위하여, CVD법에 의해 관통 구멍의 내벽, 저부 및 이면 전체에 SiO2 절연막을 형성하였다. 여기서, 절연막은, 그 막 두께가 관통 구멍의 저부(실리콘 웨이퍼(2')의 표면측이며, 알루미늄 등 도전성이 높은 금속을 포함하는 패드가 형성되는 부분)의 쪽이, 실리콘 웨이퍼(2')의 이면측보다 얇아지도록 형성하였다. 이렇게 한 후에, 반응성 이온 에칭을 다시 행하고, 관통 구멍의 저부의 절연막을 제거하였다. 계속해서, 스퍼터법에 의해, 도전막을 형성하고, 관통 구멍의 매설 및 실리콘 웨이퍼(2') 이면의 배선층을 형성하였다. 즉, 도 3의 (a)에 나타내는 바와 같이, 관통 구멍 전극(9)을 형성하였다.
다음에, 정법의 포토리소그래피법에 의해, 배선층의 일부에서 외부와 접속시키는 부분을 노출시켰다. 당해 노출 부위에, 스크린 인쇄에 의해 땜납 페이스트를 도포하고, 땜납 볼을 탑재하였다. 리플로우 처리를 실시하고, 잔류 플럭스를 제거하면, 도 3의 (b)에 나타내는 바와 같이, 접속 범프(10)를 갖는 고체 촬상 소자 기판이 얻어졌다.
다음에, 450 메시의 레진 블레이드를 사용한 다이싱 장치에 의해, 도 3의 (c)에 나타내는 바와 같이, 매트릭스 상에 다면화된 고체 촬상 소자(1a)의 중간부를 재단선으로 하여, 표면으로부터 재단 홈을 넣었다. 그런 뒤, 각각의 고체 촬상 소자(1a)에서 분리하고, 도 3의 (d)의 상태로 한 완성품을 얻었다.
또한, 필요에 따라 블리칭 등의 공정을 실시하고, 마이크로렌즈(6)의 형상과 광 투과성을 제어하는 것도 가능하다.
실시예 1-1에 의해 얻어진 마이크로렌즈(6)의 X 방향에 있어서의 단면의 AFM(원자간력 현미경) 프로파일과, 종래의 마이크로렌즈 X 방향에 있어서의 단면의 AFM 프로파일을 겹쳐서 도 4의 (a)에 나타내었다. 또한, 실시예 1-1에 의해 얻어진 마이크로렌즈(6)의 XY 방향에 있어서의 대각 단면의 AFM 프로파일과, 종래의 마이크로렌즈 XY 방향에 있어서의 대각 단면의 AFM 프로파일을 겹쳐서 도 4의 (b)에 나타내었다. 또한, X 방향과 XY 방향의 평면으로 볼 때에 의한 관계를 도 4의 (c)에 나타내었다. 종래의 마이크로렌즈에서는, 인접하는 마이크로렌즈(6) 사이에 실선으로 나타낸 V 형상(7a, 7c)의 골부가 형성되어 있다. 이에 대해, 실시예 1-1에서는, 인접하는 마이크로렌즈(6) 사이에 파선으로 나타낸 오목 형상(7b, 7d)이 형성되어 있다.
<실시예 1-2>
도 5의 (a) 내지 도 6의 (e)는 본 발명의 실시예 1-2에 관한 고체 촬상 소자(1a)의 제조 방법을 공정 순으로 나타내는 단면도이다. 도 5의 (a)에서는, 두께 0.75㎜, 직경 20cm의 실리콘 웨이퍼(2')를 준비한다. 이 실리콘 웨이퍼(2')는, 실시예 1-1에서 설명한 실리콘 웨이퍼(2')와 동일하기 때문에, 여기서는 설명을 생략한다.
다음에, 도 5의 (b)에 나타내는 바와 같이, 컬러 필터(5)를 덮도록 실리콘 웨이퍼(2')의 한쪽 면 상에 벤젠환을 수지 골격에 도입한 아크릴 수지의 도포액을 도포하고, 1㎛의 막 두께의 투명 수지층(12)을 형성하여, 180℃에서 3분간 가열하여, 경막화 처리를 행하였다.
또한, 도 5의 (c)에 나타내는 바와 같이, 경막화 처리가 실시된 투명 수지층(12) 상에 알칼리 가용성·감광성·열 리플로우성을 갖는 스티렌 수지를 도포하여 감광성 희생층(13)을 형성하였다.
그 후, 감광성 희생층(13)을, 그레이톤 마스크(50)를 사용하는 KrF 레이저에 의한 포토리소그래피의 프로세스에 의해 패턴화 한 후, 250℃에서 열처리하고, 편측 0.1㎛의 열 플로우에 의한 렌즈 피치로, 렌즈 모형(13a)을 형성하였다. 렌즈 모형(13a)은 두께 약 0.7㎛의 완만한 반포물 형상이었다. 또한, 인접하는 렌즈 모형(13a)간의 오목 렌즈(7)에 대해, 그 오목 형상의 곡률 직경 d는 0.2㎛였다.
다음에, 도 5의 (d)에 나타내는 바와 같이, 프레온계 가스인 CF4와 C3F8의 혼합계 가스를 사용하여 감광성 희생층(13)에 건식 에칭을 실시하고, 렌즈 모형(13a)의 패턴을 아크릴 수지를 포함하는 투명 수지층(12)에 전사하고, 마이크로렌즈(6)를 형성하였다. 이 마이크로렌즈(6)의 높이는 렌즈 모형(13a)의 높이 보다 낮고, 약 0.6㎛였다. 또한, 건식 에칭 시간은 5분으로 하였다. 또한, 마이크로렌즈(6)는, 두께 약 0.6㎛의 완만한 반포물 형상이었다. 또한, 인접하는 마이크로렌즈(6) 사이의 오목 렌즈(7)에 대해, 그 오목 형상의 곡률 직경 d(도 1의 (b) 참조)는 0.2㎛였다.
그레이톤 마스크(50)를 사용한 포토리소그래피법에 있어서, KrF 레이저를 사용하면, KrF 레이저의 파장 한계 분해능에 의해, 오목 렌즈(7)(도 1 참조)에 있어서의 오목 형상의 곡률 직경 d를 120nm로부터 248nm의 범위 내로 제어하는 것이 가능해진다.
이와 같이 하여, 도 6의 (a)에 나타내는 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(2') 상에 다면화된 고체 촬상 소자(1a)를 제작하였다.
다음에, 실시예 1-1과 동일하게 하여, 관통 구멍을 형성하였다.
다음에, 실시예 1-1과 동일하게 하여, 배선층을 형성하였다. 이와 같이 해서, 도 6의 (b)에 나타내는 관통 구멍 전극(9)을 형성하였다.
다음에, 실시예 1-1과 동일하게 하여, 땜납 볼을 탑재하고, 잔류 플럭스를 제거하였다. 이와 같이 해서, 도 6의 (c)에 나타내는 접속 범프(10)를 갖는 고체 촬상 소자 기판을 얻었다.
다음에, 실시예 1-1과 동일하게 하여, 도 6의 (d)에 나타내는 재단선으로 다이싱하였다. 이와 같이 해서, 각각의 고체 촬상 소자(1a)로 분리하고, 실시예 1-1과 동일하게 하여, 도 6의 (e)에 나타내는 완성품을 얻었다.
또한, 필요에 따라 블리칭 등의 공정을 실시하고, 마이크로렌즈(6)의 형상과 광 투과성을 제어하는 것도 가능하다.
<본 실시 형태의 효과>
(1) 이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 마이크로렌즈(6) 및 오목 렌즈(7)를, 그레이톤 마스크(50)를 사용하는 포토리소그래피법에 의해 일괄 형성한다. 이에 의해, 마이크로렌즈 재료(예를 들어, 감광성 마이크로렌즈재(11), 투명 수지층(12))가 열플로우성을 가질 필요가 없고, 내열성이 높은 마이크로렌즈 재료를 사용할 필요가 없으므로, 재료비의 저감이 가능하다. 또한, 마이크로렌즈 재료에 복수회에 걸쳐 패턴을 형성할 필요도 없기 때문에, 공정수의 삭감이 가능하다. 따라서, 고체 촬상 소자를 보다 저비용으로 형성하는 것이 가능하다.
(2) 또한, 그레이톤 마스크(50)를 사용하는 포토리소그래피법에서, 마이크로렌즈(6) 및 오목 렌즈(7)를 일괄 형성함으로써, 마이크로렌즈(6)의 융착을 발생시키지 않고, 인접하는 마이크로렌즈(6) 사이의 경계부(갭 영역)에 입사된 광을 유효 활용할 수 있고, 보다 고감도인 고체 촬상 소자(1a)를 제조할 수 있다. 특히, 렌즈 피치 6 마이크로미터 이하의 고정밀 마이크로렌즈의 집광 효율 향상에 효과적이다.
(3) 또한, 자외광인 i선의 한계 분해능에 의해, 인접하는 마이크로렌즈(6) 사이에, 오목 형상의 곡률 직경 d가 180nm 이상 365nm 이하인 오목 렌즈(7)를 용이하게 형성할 수 있는 효과가 있다. 또한 KrF 레이저의 한계 분해능에 의해, 인접하는 마이크로렌즈(6) 사이에, 오목 형상의 곡률 직경 d가 120nm 이상 248nm 이하인 오목 렌즈(7)를 용이하게 형성할 수 있는 효과가 있다.
(참고예)
상술한 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자(1a) 및 그의 제조 방법이 구비하는 기술적 특징을 구비하지 않는 고체 촬상 소자 및 그의 제조 방법에 대해, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자(1a) 및 그의 제조 방법의 참고예로서 이하, 간단하게 설명한다.
요즘에는, 카메라 모듈의 소형·박형화를 목적으로, 웨이퍼 프로세스에서 제작할 수 있는 모듈 구조가 제안되어 있다(특허문헌 1 내지 3 참조). 고체 촬상 소자가 형성된 실리콘 웨이퍼에는, 그 상면의 광전 변환 소자면에, 색 분해용 컬러 필터나 집광용 마이크로렌즈를 각 화소로 만들고 있다.
고체 촬상 소자에 의해 얻어지는 화상 정보의 전기 신호는, 실리콘 웨이퍼에 형성되는 관통 구멍 내에 충전 또는 그 내벽을 피복하는 도전 물질에 의해 실리콘 웨이퍼의 이면으로 유도된다. 그리고, 상기 전기 신호는 볼 그리드 어레이(BGA) 방식에 의한 접속 단자에 의해 외부 회로 기판 등에 출력 가능하게 되고 있다.
카메라 모듈은, 실리콘 웨이퍼의 가공 프로세스에 의해 제작된 직경 20 내지 30cm의 실리콘 웨이퍼와, 유리판의 가공 프로세스에 의해 제작된 동일하게 직경 20 내지 30cm의 유리판이 준비되고, 이들을 위치 정렬을 하여 적층한 후, 최종적으로 다이싱 공정으로 개별적으로 재단함으로써, 하나의 카메라 모듈이 된다.
일반적으로 휴대 전화에 장착되는 카메라인 경우, 카메라 모듈에 있어서의 실리콘 웨이퍼의 크기는, 한 변이 3㎜인 정사각형 정도이기 때문에, 직경 20cm의 1매의 웨이퍼로부터 3500 내지 4300개 정도 형성하는 것이 가능하다.
마이크로렌즈는, 고체 촬상 소자로의 집광 효율을 향상시키기 위하여, 인접하는 렌즈간의 갭(이하, 렌즈간 갭)을 0으로 접근시킬 필요가 있다. 그러나, 렌즈간 갭을 0으로 한 경우, 인접하는 마이크로렌즈가 접합되어 버려 일반적으로, 마이크로렌즈간의 형상을 ㎚ 단위의 정밀도로 제어하기는 어렵다.
또한, 렌즈간 갭을 형성한 경우, 렌즈간 갭으로부터 입사광이 들어가고, 인접하는 화소간의 크로스 토크가 발생하여, 마이크로렌즈의 집광 효율이 열화되는 경우가 있다.
이러한 과제를 해결하기 위하여, 인접하는 렌즈간에 오목 렌즈를 형성하여, 렌즈간에서도 입사광을 집광하는 것이 제안되어 있다(특허문헌 1 내지 3).
상술한 특허문헌 1 내지 3에는, 열플로우 방식 또는 에칭 방식에 의해, 마이크로렌즈를 형성하면서, 렌즈간에 오목 렌즈를 형성하는 것이 기재되어 있다. 그러나 이러한 제조 방법에서는, 마이크로렌즈를 구성하는 재료(이하, 마이크로렌즈 재료)가 열플로우성을 가질 필요가 있기 때문에, 내열성이 높은 마이크로렌즈 재료를 사용할 수 없는 경우가 있다. 또한, 열플로우 전의 마이크로렌즈 모재에 복수회에 걸쳐 패턴을 형성할 필요가 있기 때문에, 패턴 형성용 마스크 등의 공정 지그를 복수매 준비할 필요가 있어, 제조 비용이 높아지는 경우가 있다.
[제2 실시 형태]
<구성>
본 발명의 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자(1(1b))의 구성은, 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자(1a)의 구성과 거의 동일하지만, 고체 촬상 소자(1b)에 구비되는 오목 렌즈(7)의 곡률 반경 r을 100nm 이하로 한 점이 고체 촬상 소자(1a)와 상이하다. 이하, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자(1b)의 구성에 대해, 상세하게 설명한다.
도 7 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자(1b)는, 반도체 기판(2)과, 복수의 광전 변환 소자(3)와, 평탄화층(4)과, 복수의 컬러 필터(5)와, 복수의 마이크로렌즈(6)를 구비한다. 또한, 도 7은, 도 8에 있어서의 I-I선 화살표 방향에서 본 도면이다. 또한, 도 8에서는, 복수의 광전 변환 소자(3)(3a 내지 3i) 및 복수의 컬러 필터(5)(5a 내지 5i)의 배치를 이해하기 쉽게 하기 위하여, 고체 촬상 소자(1b)에 있어서의 다른 구성에 대해서는 생략하였다. 고체 촬상 소자(1b)는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 반도체 기판(2)의 상에 복수의 광전 변환 소자(3), 평탄화층(4), 복수의 컬러 필터(5)를 포함하는 컬러 필터층 및 복수의 마이크로렌즈(6)를 포함하는 마이크로렌즈층이 이 순서대로 적층되어 형성되어 있다. 또한, 이 구성은, 상술한 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자(1a)의 구성과 동일하다.
반도체 기판(2)은, 광전 변환 소자(3)를 실장하기 위한 기판이다.
복수의 광전 변환 소자(3)는, 마이크로렌즈(6)를 경유하여 입사된 광을 전하로 변환한다. 복수의 광전 변환 소자(3)는 도 8에 나타내는 바와 같이, 도 8의 상하 방향 및 좌우 방향으로 평행하게 배열된 이차원 정방격자 형상으로 배열된다. 도 8에 나타내는 예는, 고체 촬상 소자(1b)의 일부를 나타내는 것이며, 도 8에 나타내는 예에 있어서 9개의 광전 변환 소자(3a 내지 3i)가 정방격자 형상으로 배치된다.
평탄화층(4)은 마이크로렌즈(6)의 실장면인 반도체 기판(2)의 상면(도 7의 상방향의 면)을 평탄화한다.
복수의 컬러 필터(5)는 평탄화층(4)을 통하여, 복수의 광전 변환 소자(3) 상에 각각 형성된다. 복수의 컬러 필터(5)는 광전 변환 소자(3)에 입사하는 광의 경로에 있어서, 특정한 파장의 광을 투과하는 역할이 있다. 복수의 컬러 필터(5)는, 이차원 정방격자 형상으로 배열되는 복수의 광전 변환 소자(3)에 1:1로 대응하여 형성되기 때문에, 반도체 기판(2) 상에 이차원 정방격자 형상으로 배열된다. 본 실시 형태에서는, 복수의 컬러 필터(5)는, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 3색 중 어느 하나의 색을 투과시키는 것이며, 3색이 베이어 배열된 것이다. 예를 들어, 도 8에 나타낸 예에서는, 9개의 광전 변환 소자(3a 내지 3i)에 대응하여, 이 컬러 필터(5a 내지 5i)가 각각 설치된다. 이 중, 컬러 필터(5a 내지 5c, 5g, 5h)는 녹색의 광을 투과시키고, 컬러 필터(5d, 5e)는 적색의 광을 투과시키고, 컬러 필터(5f, 5i)는 청색의 광을 투과시킨다.
복수의 마이크로렌즈(6)는 복수의 컬러 필터(5) 상에 각각 형성된다. 복수의 마이크로렌즈(6)는, 투명 수지로 구성되어 있고, 그 재료는, 통상 아크릴 수지 등의 수지이며, 투명이 바람직하다. 복수의 마이크로렌즈(6)는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 반도체 기판(2)의 두께 방향으로 평행인 단면에 있어서의 표면 형상이 포물선 형상인데, 원호 형상이나 정현파 형상이어도 된다. 복수의 마이크로렌즈(6)는, 이차원 정방격자 형상으로 배열되는 복수의 컬러 필터(5)에 1:1로 대응하여 형성되기 때문에, 반도체 기판(2) 상에 이차원 정방격자 형상으로 배열된다. 또한, 복수의 마이크로렌즈(6)는, 인접하는 마이크로렌즈(6)끼리의 하방측은 연접되어 있다. 또한, 횡단면 및 45도 단면에 있어서, 복수의 마이크로렌즈(6) 사이의 골부의 곡률 반경은 100㎚ 이하가 된다. 여기서, 횡단면이란, 이차원 정방격자 형상으로 배열되는 복수의 마이크로렌즈(6)의 배열 방향(도 8의 상하 방향 또는 좌우 방향)에 평행이거나, 또한 반도체 기판(2)의 두께 방향(도 8의 지면에 대한 전후 방향)에 평행한 평면에 있어서의 단면이며, 예를 들어 도 7에 나타내는 단면이다. 한편, 45도 단면이란, 복수의 마이크로렌즈(6)의 배열 방향에 대해 반도체 기판(2) 상에서 45도 기운 방향에 평행이며, 또한 반도체 기판(2)의 두께 방향으로 평행인 평면에 있어서의 단면이며, 예를 들어 도 8의 II-II선 화살표 방향에서 본 도면인 도 9에 나타내는 단면이다. 복수의 마이크로렌즈(6) 사이의 골부의 곡률 반경이란, 인접하는 마이크로렌즈(6) 사이의 골부의 가장 깊게 패인 점인 최하점에 있어서의 곡률 반경이다. 예를 들어, 도 9에 나타내는 45도 단면에 있어서는, 도 10의 확대도로 나타내는 바와 같이, 마이크로렌즈(6d)와 마이크로렌즈(6b) 사이의 골부에 있어서, 최하점은 부호(61)로 나타내며, 최하점(61)에 있어서의 곡률 반경은 부호 r로 나타낸다. 또한, 곡률 반경 r은, 하기 (1) 식으로 표시된다. (1) 식에 있어서, f(a)는 마이크로렌즈(6) 사이의 골부의 형상 곡선, a는 마이크로렌즈(6) 사이의 골부의 최하점을 각각 나타낸다.
인접하는 마이크로렌즈(6) 사이의 골부의 곡률 반경 r이 100nm 이상으로 큰 경우, 예를 들어 도 8의 III-III선 화살표 방향에서 본 도면인 도 11에 도시된 바와 같이, 착색 투명 화소의 청색(컬러 필터(5f)) 상의 인접 부근의 마이크로렌즈(6)에 입사되는 광은 크로스 토크의 영향에 의해 컬러 필터층 내에서 청색보다 굴절률이 큰 녹색(컬러 필터(5b))의 착색 투명 화소로 광로 변경된다. 한편, 인접하는 마이크로렌즈(6) 사이의 골부의 곡률 반경 r이 100nm 이하로 작은 경우, 예를 들어 도 8의 III-III선 화살표 방향에서 본 도면인 도 12에 나타내는 바와 같이, 착색 투명 화소의 청색(컬러 필터(5f)) 상의 인접 부근의 마이크로렌즈에 입사하는 광은, 크로스 토크의 영향이 경감하고 있기 때문에, 많은 광이 광로 변경되지 않고 컬러 필터(5f), 및 평탄화층(4)을 통하여 광전 변환 소자(3)에 들어간다.
<제조 방법>
다음에, 도 13을 참조하여, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자(1b)의 제조 방법에 대해 설명한다.
우선, 복수의 광전 변환 소자(3)가 표면에 형성된 반도체 기판(2)(도 13에서는 도시되지 않음) 상에 평탄화층(4)(도 13에서는 도시되지 않음), 및 복수의 컬러 필터(5)를 포함하는 컬러 필터층을 순차 적층한다(필터 형성 공정). 필터 형성 공정에서는, 복수의 광전 변환 소자(3) 상에 RGB의 어느 것에 대응한 3종류의 컬러 필터(5)가 예를 들어 도 8에 도시된 바와 같은 소정의 패턴이 되도록 배치되어 적층된다.
필터 형성 공정 후, 복수의 컬러 필터(5) 상에 복수의 마이크로렌즈(6)를 형성한다(렌즈 형성 공정). 렌즈 형성 공정에서는, 먼저, 도 13의 (a)에 나타내는 바와 같이, 복수의 컬러 필터(5) 상에 감광성이 있는 투명 수지를 소정의 두께로 도포하여 투명 수지층(62)을 형성한다. 이어서, 도 13의 (b) 및 도 13의 (c)에 나타내는 바와 같이, 투명 수지층(62)의 표면측이 되는 상방측에 대해 그레이톤 마스크(도 13에서는 도시되지 않음)를 사용한 포토리소그래피법에 기초하여, 노광, 현상, 및 베이크를 행하고, 마이크로렌즈(6)의 모형(63)을 형성한다. 이때, 소망하는 마이크로렌즈 형상에 맞게, 임의로 마스크 투과율 계조를 가변할 수 있는 그레이톤 마스크를 사용함으로써, 마이크로렌즈(6)의 모형(63)의 형상을 제어하는 것이 용이해진다. 또한, 도 13의 (d) 및 도 13의 (e)에 나타내는 바와 같이, 건식 에칭 전사법에서, 투명 수지층(62)의 상층에서 형성된 마이크로렌즈(6)의 모형(63)을, 동일한 투명 수지층(62)에 전사한다. 이때, 마이크로렌즈층을 단층으로 하기 위하여, 동일한 에칭 레이트로 투명 수지층(62)의 하층에 전사할 수 있기 때문에, 상층에서 형성된 모형(63)을 충실하게 전사하는 것이 가능해진다. 또한, 에칭 조건, 특히 가스종, 가스압, 챔버 압력, 인가 전압을 조정함으로써, 인접하는 마이크로렌즈(6) 사이의 골부가 협소화된 마이크로렌즈(6)를 형성할 수 있다.
<본 실시 형태의 효과>
(1) 본 발명의 일 형태에 관한 고체 촬상 소자(1b)는, 반도체 기판(2) 상에 이차원 정방격자 형상으로 배열하여 형성된 복수의 광전 변환 소자(3)와, 복수의 광전 변환 소자(3) 상에 각각 형성되는 복수의 컬러 필터(5)와, 복수의 컬러 필터(5) 상에 각각 형성되는 복수의 마이크로렌즈(6)를 구비하고, 복수의 마이크로렌즈(6)의 배열 방향으로 평행하고 또한 반도체 기판의 두께 방향으로 평행인 횡단면 및 복수의 마이크로렌즈(6)의 배열 방향에 대해 반도체 기판(2) 상에서 45도 기운 방향으로 평행하고 또한 반도체 기판(2)의 두께 방향으로 평행인 45도 단면에 있어서, 복수의 마이크로렌즈(6) 사이의 골부(오목 렌즈)의 곡률 반경 r은, 100㎚ 이하이다.
이와 같은 구성이면, 횡단면과 45도 단면에 있어서의 마이크로렌즈(6) 사이의 골부의 곡률 반경 r을 100nm 이하로 함으로써, 횡단면과 45도 단면에서의 마이크로렌즈 형상의 곡률 차이로 발생하는 수차를 경감시킬 수 있고, 집광 효율을 높일 수 있다. 또한, 마이크로렌즈(6) 사이의 골부에 있어서의 크로스 토크의 영향을 경감할 수 있고, 집광 효율을 높일 수 있다.
(2) 또한, 본 발명의 일 형태에 관한 고체 촬상 소자(1b)에 포함되는 복수의 마이크로렌즈(6)는, 반도체 기판(2)의 두께 방향으로 평행인 단면에 있어서의 표면 형상이 원호 형상, 포물선 형상, 정현파 형상 중 어느 하나의 형상이어도 된다.
(3) 또한, 본 발명의 일 형태에 관한 고체 촬상 소자(1b)의 제조 방법은, 반도체 기판(2) 상에서 이차원 정방격자 형상으로 배열하여 형성된 복수의 광전 변환 소자(3) 상에 복수의 컬러 필터(5)를 각각 형성하는 필터 형성 공정과, 필터 형성 공정 후, 복수의 컬러 필터(5) 상에 복수의 마이크로렌즈(6)를 각각 형성하는 렌즈 형성 공정을 구비하고, 렌즈 형성 공정에서는, 복수의 컬러 필터(5) 상에 투명 수지를 도포하여 투명 수지층(62)을 형성하고, 그레이톤 마스크를 사용한 포토리소그래피법에 의해, 투명 수지층(62)의 표면측이 되는 상층측에 복수의 마이크로렌즈(6)의 모형(63)을 형성하고, 건식 에칭 전사법으로 복수의 마이크로렌즈(6)의 모형(63)을 투명 수지층(62)의 하층측에 전사함으로써 복수의 마이크로렌즈(6)를 형성한다.
이와 같은 구성이면, 마이크로렌즈(6)의 상층에 대해 그레이톤 마스크를 사용한 포토리소그래피법에 의해 마이크로렌즈(6)의 모형(63)을 형성함으로써, 열 리플로우에서의 마이크로렌즈 형상의 형성보다 마이크로렌즈 형상의 제어가 용이해진다. 이로 인해, 각 고체 촬상 소자마다 최적의 마이크로렌즈 형상을 선택해 형성하는 것이 가능하게 됨으로써, 광전 변환 소자(3)로의 집광 효율이 높아지는 효과가 있다.
또한, 건식 에칭 전사법으로 마이크로렌즈(6)의 모형(63)을 마이크로렌즈(6)의 하층에까지 전사함으로써 인접하는 마이크로렌즈(6) 사이의 골부를 협소화하는 것이 가능하게 되므로, 광전 변환 소자(3)로의 집광 효율을 높이는 효과가 있다.
또한, 이와 같은 구성이면, 마이크로렌즈(6)를 그레이톤 마스크를 사용하는 포토리소그래피법에 의해 일괄 형성한다. 이에 의해, 마이크로렌즈 재료(예를 들어, 투명 수지층(62))가 열플로우성을 가질 필요는 없고, 내열성이 높은 마이크로렌즈 재료를 사용할 필요가 없으므로, 재료비의 저감이 가능하다. 또한, 마이크로렌즈 재료에 복수회에 걸쳐 패턴을 형성할 필요도 없기 때문에, 공정수의 삭감이 가능하다. 따라서, 고체 촬상 소자를 보다 저비용으로 형성하는 것이 가능하다.
(4) 또한, 본 발명의 일 형태에 관한 고체 촬상 소자(1b)의 제조 방법에 포함되는 렌즈 형성 공정에서는, 포토리소그래피법에 의해 복수의 마이크로렌즈(6)의 모형(63)을 형성함으로써, 복수의 마이크로렌즈(6)의 모형(63)의 형상을 제어해도 된다.
(5) 또한, 본 발명의 일 형태에 관한 고체 촬상 소자(1b)의 제조 방법에 포함되는 렌즈 형성 공정에서는, 복수의 마이크로렌즈(6)의 모형(63)을 하층측에 전사할 때에 복수의 마이크로렌즈(6)의 배열 방향으로 평행하고 또한 반도체 기판(2)의 두께 방향으로 평행인 횡단면 및 복수의 마이크로렌즈(6)의 배열 방향에 대해 반도체 기판(2) 상에서 45도 기운 방향으로 평행하고 또한 반도체 기판(2)의 두께 방향으로 평행인 45도 단면에 있어서, 복수의 마이크로렌즈(6) 사이의 골부의 곡률 반경 r이 100nm 이하로 되도록 제어해도 된다.
(6) 또한, 본 발명의 일 형태에 관한 고체 촬상 소자(1b)의 제조 방법에 포함되는 렌즈 형성 공정에서는, 포토리소그래피법에 의해 복수의 마이크로렌즈(6)의 상층측을 형성하고, 건식 에칭 전사법으로 복수의 마이크로렌즈(6)의 하층측을 형성해도 된다.
[실시예 2-1]
이하, 실시예 2-1을 설명한다.
실시예 2-1에서는, 반도체 기판(2)으로서, 두께 0.75㎜, 직경 20cm의 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 이 실리콘 웨이퍼의 표면 상부에 광전 변환 소자(3)를 형성하고, 그 최상층에 열경화 타입의 아크릴 수지 도포액을 사용하여 스핀 코팅에 의해 평탄화층(4)을 형성하였다.
이어서, 평탄화층(4) 상에 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 3색의 컬러 레지스트를 사용하고, 포토리소그래피법에 의해, 순차 3색의 컬러 필터(5)를 포함하는 컬러 필터층을 형성하였다. 각각의 컬러 필터층의 막 두께는 0.5㎛ 내지 0.8㎛로 하였다. 컬러 필터층의 화소의 배열은 일 화소 간격으로 녹색(G) 필터가 설치되고, 녹색(G) 필터 사이에 일 행 간격으로 적(R) 필터와 청(B) 필터가 설치된, 소위 베이어 배열로 하였다.
또한, 컬러 필터층 상에 알칼리 가용성·감광성을 갖는 아크릴계 투명 수지를 막 두께 1.4㎛로 도포하고, 180℃에서 3분간 가열하여 경막화 처리를 행하였다. 이와 같이 해서, 아크릴계 투명 수지층(62)을 형성하였다.
그 후, 아크릴계 투명 수지층(62)에 대해 그레이톤 마스크를 사용한 포토리소그래피법으로 마이크로렌즈(6)의 모형(63)을 형성하였다. 그레이톤 마스크는 제작하고자 하는 마이크로렌즈 요소의 박막 부분에 대응하는 부분에 대해서는 광 투과율을 높게 한 차광막을, 석영 기판 상에 형성한 것이고, 차광막에 농담의 계조가 부여된 포토마스크이다. 이 계조의 농담은, 노광에 사용되는 광에서는 해상되지 않는 작은 직경의 도트의 단위 면적당의 조밀한 부분적인 차에 의해 달성된다. 실시예 2-1의 그레이톤 마스크는 마이크로렌즈(6)의 모형(63)이 포물선 형상으로 되도록 포토마스크 설계된 것을 사용하였다. 그 때문에, 마이크로렌즈(6)의 모형(63)은 높이 0.6㎛의 포물선 형상으로 되었다.
다음에, 건식 에칭 전사법에서, 포물선 형상의 마이크로렌즈(6)의 모형(63)을 하층의 아크릴계 투명 수지층(62)에 전사하였다. 그 때, 마이크로렌즈(6)의 높이가 0.45㎛가 될 때까지 건식 에칭을 실시하였다. 이때의 건식 에칭은 프레온계 가스인 CF4와 C3F8의 혼합계 가스, 희가스인 Ar을 사용하여, 2분간 건식 에칭 처리하였다.
주사형 프로브 현미경에서, 실시예 2-1에서 형성된 마이크로렌즈(6)를 형상 측정한 바, 실시예 2-1에서 형성된 마이크로렌즈(6)는 포물선 형상으로 형성되어 있고, 인접하는 마이크로렌즈(6) 사이의 골부의 곡률 반경 r은, 횡단면 방향은 50nm, 45도 단면 방향은 24nm로 되어 있는 것을 확인하였다.
또한, 실시예 2-1에서 형성된 고체 촬상 소자(1b)와 종래품의 수광 효율을 계측한 바, 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 2-1에서 형성된 고체 촬상 소자(1b)의 쪽이 약 5.1％ 정도 양호한 결과인 것을 확인하였다. 또한, 실시예 2-1과 비교한 비교예 2-1은, 그레이톤 마스크를 사용한 포토리소그래피법에 의해 마이크로렌즈(6)를 형성한 것이며, 마이크로렌즈(6)의 형상은 포물선 형상이고, 마이크로렌즈(6) 사이의 골부의 곡률 반경 r은, 횡단면 방향이 124nm, 45도 단면 방향이 74nm이다.
또한, 표 1에 나타낸 「감도」는, 종래품(비교예 2-1)의 감도를 「100％」로 한 경우의 수치이다. 즉, 종래품의 감도를 개선시킨 실시예 2-1에서 형성된 고체 촬상 소자(1b)의 감도는, 종래품의 감도와 비교하여 「105.1％」였다.
Figure 112018044170953-pct00002
[실시예 2-2]
이하, 실시예 2-2를 설명한다.
실시예 2-2에서는, 실시예 2-1과 동일하게 하여, 실리콘 웨이퍼의 표면 상부에 광전 변환 소자(3)를 형성하고, 그 최상층에 평탄화층(4)을 형성하였다.
다음에, 실시예 2-1과 동일하게 하여, 평탄화층(4) 상에 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 3색의 컬러 필터(5)를 포함하는 컬러 필터층을 형성하였다.
또한, 실시예 2-1과 동일하게 하여, 컬러 필터층 상에 아크릴계 투명 수지를 도포하고, 경막화 처리를 행하였다. 이와 같이 해서, 아크릴계 투명 수지층(62)을 형성하였다.
그 후, 아크릴계 투명 수지층(62)에 대해 그레이톤 마스크를 사용한 포토리소그래피법으로 마이크로렌즈(6)의 모형(63)을 형성하였다. 실시예 2-2의 그레이톤 마스크는, 마이크로렌즈(6)의 모형(63)이 원호 형상으로 되도록 포토마스크 설계된 것을 사용하였다. 그 때문에, 마이크로렌즈(6)의 모형(63)은, 높이 0.6㎛의 원호 형상으로 되었다.
다음에, 실시예 2-1과 동일하게 하여, 건식 에칭 전사법에서, 원호 형상의 마이크로렌즈(6)의 모형(63)을 하층의 아크릴계 투명 수지층(62)에 전사하였다.
주사형 프로브 현미경에서, 실시예 2-2에서 형성된 마이크로렌즈(6)를 형상 측정한 바, 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 2-2에서 형성된 마이크로렌즈(6)는 원호 형상으로 형성되어 있고, 인접하는 마이크로렌즈(6) 사이의 골부의 곡률 반경 r은, 횡단면 방향은 67nm, 45도 단면 방향은 35nm로 되어 있는 것을 확인하였다.
또한, 실시예 2-2에서 형성된 고체 촬상 소자(1b)와 종래품의 수광 효율을 계측한 바, 실시예 2-2에서 형성한 고체 촬상 소자(1b)의 쪽이 약 4.7％ 정도 양호한 결과인 것을 확인하였다. 또한, 실시예 2-2와 비교한 비교예 2-2는, 그레이톤 마스크를 사용한 포토리소그래피법에 의해 마이크로렌즈(6)를 형성한 것이며, 마이크로렌즈(6)의 형상은 원호 형상이고, 마이크로렌즈(6) 사이의 골부의 곡률 반경 r은, 횡단면 방향이 158nm, 45도 단면 방향이 87nm이다.
또한, 표 2에 나타낸 「감도」는, 종래품(비교예 2-2)의 감도를 「100％」로 한 경우의 수치이다. 즉, 종래품의 감도를 개선시킨 실시예 2-2에서 형성된 고체 촬상 소자(1b)의 감도는, 종래품의 감도와 비교하여 「104.7％」였다.
Figure 112018044170953-pct00003
[실시예 2-3]
이하, 실시예 2-3을 설명한다.
실시예 2-3에서는, 실시예 2-1과 동일하게 하여, 실리콘 웨이퍼의 표면 상부에 광전 변환 소자(3)를 형성하고, 그 최상층에 평탄화층(4)을 형성하였다.
이어서, 실시예 2-1과 동일하게 하여, 평탄화층(4) 상에 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 3색의 컬러 필터(5)를 포함하는 컬러 필터층을 형성하였다.
또한, 실시예 2-1과 동일하게 하여, 컬러 필터층 상에 아크릴계 투명 수지를 도포하고, 경막화 처리를 행하였다. 이와 같이 해서, 아크릴계 투명 수지층(62)을 형성하였다.
그 후, 아크릴계 투명 수지층(62)에 대해 그레이톤 마스크를 사용한 포토리소그래피법으로 마이크로렌즈(6)의 모형(63)을 형성하였다. 실시예 2-3의 그레이톤 마스크는 마이크로렌즈(6)의 모형(63)이 정현파 형상으로 되도록 포토마스크 설계된 것을 사용하였다. 그 때문에, 마이크로렌즈(6)의 모형(63)은 높이 0.6㎛의 정현파 형상으로 되었다.
다음에, 실시예 2-1과 동일하게 하여, 건식 에칭 전사법에 의해 정현파 형상의 마이크로렌즈(6)의 모형(63)을 하층의 아크릴계 투명 수지층(62)에 전사하였다.
주사형 프로브 현미경으로, 실시예 2-3에서 형성된 마이크로렌즈(6)를 형상 측정한 바, 표 3에 나타낸 바와 같이, 정현파 형상으로 형성되어 있고, 인접하는 마이크로렌즈(6) 사이의 골부의 곡률 반경 r은, 횡단면 방향은 89nm, 45도 단면 방향은 56nm로 되어 있는 것을 확인하였다.
또한, 실시예 2-3에서 형성된 고체 촬상 소자(1b)와 종래품의 수광 효율을 계측한 바, 실시예 2-3에서 형성된 고체 촬상 소자(1b)의 쪽이 약 3.9％ 정도 양호한 결과인 것을 확인하였다. 또한, 실시예 2-3과 비교한 비교예 2-3은, 그레이톤 마스크를 사용한 포토리소그래피법에 의해 마이크로렌즈(6)를 형성한 것이며, 마이크로렌즈(6)의 형상은 정현파 형상이고, 마이크로렌즈(6) 사이의 골부의 곡률 반경 r은, 횡단면 방향이 177nm, 45도 단면 방향이 99nm이다.
또한, 표 3에 나타낸 「감도」는, 종래품(비교예 2-3)의 감도를 「100％」로 한 경우의 수치이다. 즉, 종래품의 감도를 개선시킨 실시예 2-3에서 형성된 고체 촬상 소자(1b)의 감도는 종래품의 감도와 비교하여 「103.9％」였다.
Figure 112018044170953-pct00004
(참고예)
상술한 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자(1b) 및 그의 제조 방법이 구비하는 기술적 특징을 구비하지 않는 고체 촬상 소자 및 그의 제조 방법에 대해, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자(1b) 및 그의 제조 방법의 참고예로서 이하, 간단하게 설명한다.
근년, 촬상 장치는 화상의 기록, 통신, 방송의 내용의 확대에 따라 널리 사용되어 오고 있다. 촬상 장치로서 다양한 형식의 것이 제안되고 있지만, 소형, 경량으로 고성능인 것이 안정적으로 제조되도록 된 고체 촬상 소자를 내장한 촬상 장치가 디지털 카메라나 디지털 비디오로서 보급되어 오고 있다.
고체 촬상 소자는 촬영 대상물로부터의 광학 상(像)을 받아, 입사된 광을 전기 신호로 변환하는 복수의 광전 변환 소자를 갖는다. 광전 변환 소자의 종류는 CCD(전하 결합 소자) 타입과 CMOS(상보형 금속 산화물 반도체) 타입으로 크게 구별된다. 또한, 광전 변환 소자의 배열 형태로부터, 광전 변환 소자를 1열로 배치시킨 리니어 센서(라인 센서)와, 광전 변환 소자를 종횡으로 2차원적으로 배열시킨 에어리어 센서(면 센서)의 2종류로 크게 구별된다. 어느 센서에서도 광전 변환 소자의 수(화소수)가 많을수록 촬영된 화상은 정밀해지므로, 최근에는 특히, 대화소수의 고체 촬상 소자를 저렴하게 제조하는 방법이 검토되고 있다.
또한, 광전 변환 소자에 입사하는 광의 경로에 특정한 파장의 광을 투과하는 컬러 필터 기능을 설치함으로써, 대상물의 색 정보를 얻는 것을 가능하게 한 단판식의 컬러 센서로서의 컬러 고체 촬상 소자도 보급되어 있다. 컬러 고체 촬상 소자는 하나의 광전 변환 소자에 대응하여 특정한 착색 투명 화소에 의한 하나의 화소가 패턴 형성되고, 규칙적으로 다수 배열됨으로써, 색 분해된 화상 정보를 모을 수 있다. 착색 투명 화소의 색으로는 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 3색을 포함하는 3원색계, 또는 시안색(C), 마젠타색(M), 옐로우색(Y)을 포함하는 보색계가 일반적이고, 특히 3원색계가 많이 사용되고 있다.
고체 촬상 소자에 요구되는 성능에서 중요한 과제의 하나로, 입사하는 광에 대한 감도를 향상시키는 것을 들 수 있다. 소형화한 고체 촬상 소자로 촬영한 화상의 정보량을 많게 하기 위해서는, 수광부가 되는 광전 변환 소자를 미세화하여 고집적화할 필요가 있다. 그러나, 광전 변환 소자를 고집적화한 경우, 각 광전 변환 소자의 면적이 작아지고, 수광부로서 이용할 수 있는 면적 비율도 줄어들게 되므로, 광전 변환 소자의 수광부에 도입할 수 있는 광의 양이 작아져, 실효적인 감도는 저하된다.
이러한 미세화된 고체 촬상 소자의 감도 저하를 방지하기 위한 수단으로서, 광전 변환 소자의 수광부에 효율적으로 광을 도입하기 위하여, 대상물로부터 입사되는 광을 1 화소마다 집광하여 광전 변환 소자의 수광부로 유도하는 마이크로렌즈를 광전 변환 소자 상에 균일한 형상으로 형성하는 기술이 제안되어 있다. 마이크로렌즈로 광을 집광하여 광전 변환 소자의 수광부로 유도함으로써 수광부의 외관 상 개구율을 크게 하는 것이 가능해지고, 고체 촬상 소자의 감도 향상이 가능해진다.
여기서, 마이크로렌즈의 형성 방법으로는, 플로우 렌즈 타입이나 건식 에칭 전사 타입이 있다. 플로우 렌즈 타입의 형성 방법에서는, 마이크로렌즈의 소재가 되는 투명한 아크릴계 감광성 수지를 포토리소그래피법에 의해 선택적으로 패턴 형성한 후에, 재료의 열 리플로우성을 이용하여 렌즈 형상을 만든다. 건식 에칭 전사 타입의 형성 방법에서는, 마이크로렌즈의 소재가 되는 아크릴계 투명 수지의 평탄화층 상에 알칼리 가용성과 감광성과 열플로우성을 갖는 레지스트 재료를 사용하여 포토리소그래피법과 열 리플로우에 의해 렌즈 모형을 형성한다. 그리고, 건식 에칭법에 의해 렌즈 모형의 형상을 아크릴계 투명 수지층에 전사하여 렌즈 형상을 형성한다(예를 들어, 일본 특허 공개 제2014-174456호 공보).
근년의 고체 촬상 소자는 다화소화가 진행되고, 수백만 화소를 초과하는 고정밀의 고체 촬상 소자가 요구되도록 되어, 이 고정밀의 고체 촬상 소자에 부수되는 마이크로렌즈의 감도 저하, 및 플레어 등의 노이즈 증가에 의해 화질이 저하되는 경우가 있다.
마이크로렌즈로부터 광전 변환 소자의 수광부에 도입할 수 있는 광의 양은, 마이크로렌즈보다도 하층에 배치되는 층의 종류나 두께에 따라 변동하기 때문에, 단일의 마이크로렌즈 형상을 사용하여 고체 촬상 소자의 구성과 감도 저하를 야기하는 경우가 있다.
또한, 인접하는 마이크로렌즈간의 횡단면, 및 45도 단면의 골부의 곡률 반경이 크면, 그 마이크로렌즈간의 골부로부터 인접의 컬러 필터층에 광의 양이 누설되는 크로스 토크와 같은 현상의 영향이 크게 발생해 버리는 경우가 있다. 여기서, 크로스 토크라 함은, 본래, 어떤 색에 입사할 광이 각 색의 안료 굴절률 차의 영향에 의해, 인접한 색에 입사되는 현상을 의미한다. 크로스 토크의 영향에 의해, 굴절률이 낮은 색은 이웃의 굴절률이 높은 색에 광을 상실하기 때문에, 수광부로의 광량이 줄어들기 때문에 감도 저하를 일으켜 버리는 경우가 있다.
또한, 인접하는 마이크로렌즈간의 횡단면, 45도 단면의 골부의 곡률 반경이 크면, 평면으로 볼 때 대략 직사각 형상의 화소 횡단면과 45도 단면에서 마이크로렌즈 형상의 곡률이 다르기 때문에, 수차가 생기고, 집광 효율이 저하되는 경우가 있다.
이들 과제를 해결하기 위해서는, 각 고체 촬상 소자에 따른 최적의 마이크로렌즈 형상, 또한 마이크로렌즈간의 골부의 곡률 반경이 협소한 마이크로렌즈를 구할 수 있으면, 그것에 의하여, 크로스 토크의 영향을 경감할 수 있고 고체 촬상 소자의 감도 향상으로 연결된다.
그러나, 상술한 2개의 마이크로렌즈 형성 방법은, 열 리플로우에 의한 것이기 때문에, 마이크로렌즈간의 골부의 곡률 반경의 협소화는 가능하지만, 최적의 마이크로렌즈 형상으로 임의로 형상을 조정하는 형상 제어는 어렵다.
<본 발명의 기술적 사상>
본 발명의 기술적 사상은, 이상에서 기재한 각 실시 형태나 각 실시예에 특정되는 것은 아니다. 당업자의 지식에 기초하여 각 실시 형태나 각 실시예에 설계의 변경 등을 가해도 되고, 또한, 각 실시 형태나 각 실시예를 임의로 조합해도 되고, 그러한 변경이 가해진 양태도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
1, 1a 내지 1b: 고체 촬상 소자
2: 반도체 기판(실리콘 기판)
2': 실리콘 웨이퍼
3, 3a 내지 3e: 광전 변환 소자
4: 평탄화층
5, 5a 내지 5i: (색 분해용) 컬러 필터
6, 6a 내지 6f: 마이크로렌즈
7: 오목 렌즈
7a, 7c: V 형상
7b, 7d: 오목 형상
8: 렌즈 모듈
9: 관통 구멍 전극
10: 접속 범프
11: 감광성 마이크로렌즈재
12: 투명 수지층
13: 감광성 희생층
13a: 렌즈 모형
50: 그레이톤 마스크
61: 최하점
62: 투명 수지층
63: 모형
d: 곡률 직경
r: 곡률 반경

Claims (13)

  1. 기판과, 상기 기판의 한쪽 면측에 형성된 복수의 마이크로렌즈와, 상기 복수의 마이크로렌즈 중 인접하는 마이크로렌즈 사이의 경계부에 형성되고, 상기 기판의 한쪽 면측으로 오목한 오목 렌즈를 구비한 것을 특징으로 하는, 고체 촬상 소자로서,
    상기 오목 렌즈는, 이차원 정방격자 형상으로 배열되어 있고,
    상기 오목 렌즈의 배열 방향으로 평행하고 또한 상기 기판의 두께 방향으로 평행인 횡단면 및 상기 오목 렌즈의 배열 방향에 대해 상기 기판 상에서 45도 기운 방향으로 평행하고 또한 상기 기판의 두께 방향으로 평행인 45도 단면에 있어서, 상기 오목 렌즈의 곡률 반경은 100nm 이하이고,
    상기 오목 렌즈의 배열 방향으로 평행하고 또한 상기 기판의 두께 방향으로 평행인 횡단면에서의 오목 렌즈의 곡률 반경은, 상기 오목 렌즈의 배열 방향에 대해 상기 기판 상에서 45도 기운 방향으로 평행하고 또한 상기 기판의 두께 방향으로 평행인 45도 단면에서의 오목 렌즈의 곡률 반경보다 큰 것을 특징으로 하는, 고체 촬상 소자.
  2. 삭제
  3. 기판 상에, 이차원 정방격자 형상으로 배열하여 형성된 복수의 광전 변환 소자와,
    해당 복수의 광전 변환 소자 상에 각각 형성되는 복수의 컬러 필터와,
    해당 복수의 컬러 필터 상에 각각 형성되는 복수의 마이크로렌즈,
    를 구비하고,
    해당 복수의 마이크로렌즈의 배열 방향으로 평행하고 또한 상기 기판의 두께 방향으로 평행인 횡단면 및 상기 복수의 마이크로렌즈의 배열 방향에 대해 상기 기판 상에서 45도 기운 방향으로 평행하고 또한 상기 기판의 두께 방향으로 평행인 45도 단면에 있어서, 상기 복수의 마이크로렌즈간의 골부(valley)의 곡률 반경은 100㎚ 이하이고,
    상기 복수의 마이크로렌즈의 배열 방향으로 평행하고 또한 상기 기판의 두께 방향으로 평행인 횡단면에서의 복수의 마이크로렌즈간의 골부의 곡률 반경은, 상기 복수의 마이크로렌즈의 배열 방향에 대해 상기 기판 상에서 45도 기운 방향으로 평행하고 또한 상기 기판의 두께 방향으로 평행인 45도 단면에서의 복수의 마이크로렌즈간의 골부의 곡률 반경보다 큰 것을 특징으로 하는, 고체 촬상 소자.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로렌즈는, 상기 기판의 두께 방향으로 평행인 단면에 있어서의 표면 형상이 원호 형상, 포물선 형상, 정현파 형상 중 어느 하나의 형상인 것을 특징으로 하는, 고체 촬상 소자.
  5. 제1항에 따른 고체 촬상 소자의 제조 방법으로서,
    상기 마이크로렌즈 및 상기 오목 렌즈를, 그레이톤 마스크를 사용하는 포토리소그래피법에 의해 일괄 형성하는 렌즈 형성 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는, 고체 촬상 소자의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 렌즈 형성 공정 전에, 상기 기판의 한쪽 면측에 광전 변환 소자를 형성하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는, 고체 촬상 소자의 제조 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 렌즈 형성 공정은,
    상기 기판의 한쪽 면측에 감광성 마이크로렌즈재를 설치하는 공정과,
    상기 감광성 마이크로렌즈재를 상기 그레이톤 마스크를 사용하는 포토리소그래피법에 의해 패터닝하여 상기 마이크로렌즈 및 상기 오목 렌즈를 일괄 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고체 촬상 소자의 제조 방법.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 렌즈 형성 공정은,
    상기 기판의 한쪽 면 상에 투명 수지층을 형성하는 공정과,
    상기 투명 수지층 상에 감광성 희생층을 형성하는 공정과,
    상기 감광성 희생층을 상기 그레이톤 마스크를 사용하는 포토리소그래피법에 의해 패터닝하여 상기 마이크로렌즈의 모형을 형성하는 공정과,
    상기 마이크로렌즈의 모형 상으로부터 해당 마이크로렌즈의 모형과 상기 투명 수지층을 에칭하여, 상기 투명 수지층에 상기 마이크로렌즈와 상기 오목 렌즈를 일괄 전사하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고체 촬상 소자의 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 광전 변환 소자를 형성하는 공정 후이며, 상기 렌즈 형성 공정 전에, 복수의 상기 광전 변환 소자 상에, 복수의 컬러 필터를 각각 형성하는 필터 형성 공정을 더 구비하고,
    상기 광전 변환 소자를 형성하는 공정에서는, 상기 기판 상에 상기 복수의 광전 변환 소자를 이차원 정방격자 형상으로 배열하고,
    상기 렌즈 형성 공정에서는, 상기 복수의 컬러 필터 상에 투명 수지층을 형성하고, 그레이톤 마스크를 사용한 포토리소그래피법에 의해, 상기 투명 수지층의 표면측이 되는 상층측에 상기 복수의 마이크로렌즈의 모형을 형성하고, 건식 에칭 전사법으로 상기 복수의 마이크로렌즈의 모형을 상기 투명 수지층의 하층측에 전사함으로써 상기 복수의 컬러 필터 상에 상기 복수의 마이크로렌즈를 형성하는 것을 특징으로 하는, 고체 촬상 소자의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 렌즈 형성 공정에서는, 상기 포토리소그래피법에 의해 상기 복수의 마이크로렌즈의 모형을 형성함으로써, 해당 복수의 마이크로렌즈의 모형의 형상을 제어하는 것을 특징으로 하는, 고체 촬상 소자의 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 렌즈 형성 공정에서는, 상기 복수의 마이크로렌즈의 모형을 하층측에 전사할 때에 해당 복수의 마이크로렌즈의 배열 방향으로 평행하고 또한 상기 기판의 두께 방향으로 평행인 횡단면 및 상기 복수의 마이크로렌즈의 배열 방향에 대해 상기 기판 상에서 45도 기운 방향으로 평행하고 또한 상기 기판의 두께 방향으로 평행인 45도 단면에 있어서, 상기 복수의 마이크로렌즈간의 골부의 곡률 반경이 100nm 이하로 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 고체 촬상 소자의 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 렌즈 형성 공정에서는, 상기 포토리소그래피법에 의해 상기 복수의 마이크로렌즈의 상층측을 형성하고, 건식 에칭 전사법으로 상기 복수의 마이크로렌즈의 하층측을 형성하는 것을 특징으로 하는, 고체 촬상 소자의 제조 방법.
  13. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 포토리소그래피법에 자외광인 i선 또는 KrF 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는, 고체 촬상 소자의 제조 방법.
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