TW201703243A - 影像感測器及其製造方法 - Google Patents

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Koichi Kumai
Yasutake Akeno
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Abstract

本發明可兼顧顯微透鏡之表面的平滑性、保持與相鄰之顯微透鏡間的間隙，且可提升顯微透鏡的聚光效率。其為一種在形成於半導體基板的光電轉換元件上，依序積層分色濾光片與顯微透鏡的影像感測器。顯微透鏡係沿著上述積層方向，形成為分色濾光片側的顯微透鏡下層、與形成於該顯微透鏡下層上的顯微透鏡上層之2層構造。顯微透鏡下層為柱狀或者錐台狀之形狀，顯微透鏡上層為半球狀之形狀。顯微透鏡上層係較佳具有與顯微透鏡下層之折射率相同或者比顯微透鏡下層之折射率更高的折射率。

Description

影像感測器及其製造方法
本發明為有關於影像感測器之技術，係對形成於C-MOS或CCD等的光電轉換元件上之顯微透鏡具有特徵的技術。
近來，以相機模組的小型‧薄型化為目的，有人提出可在晶圓製程中製作的模組構造(參照專利文獻1~5)。對於形成有影像感測器的半導體基板(矽晶圓)，係在其上面的光電轉換元件面上，對各畫素詳細製作分色用的分色濾光片(彩色濾光片)或聚光用的顯微透鏡。
以光電轉換元件獲得之影像資訊的電訊號係藉由填充於形成在半導體基板之貫通孔內或者被覆其內壁的導電物質傳導至半導體基板的背面，藉由經圖案化之絕緣層與導電層，能以例如採球形陣列(BGA)方式的連接端子與外部電路基板連接。
就相機模組而言，係藉由組合直徑為20~30cm之半導體基板的加工程序與直徑同為20~30cm之玻璃板的加工程序在晶圓製程中製作，而後進行對位並積層後，最終在切割步驟中予以個別裁切而作成1個相機模組。
若為一般安裝於行動電話的相機時，由於相機模組中的半導體基板的大小為0.3mm見方左右，而能夠由直徑20cm的一片晶圓形成3,500~4,300個左右。
就顯微透鏡而言，為提升對光電轉換元件的聚光效率，則需使透鏡間間隙接近0。另外，藉由使顯微透鏡的表面呈平滑，可提升聚光效率。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1 日本特開2006-5211號公報
專利文獻2 日本特開昭60-53073號公報
專利文獻3 日本特開平6-112459號公報
專利文獻4 日本特開2003-229550號公報
專利文獻5 日本特開2000-269474號公報
藉由蝕刻轉印法形成顯微透鏡時，透鏡表面會變得粗糙不均，而有聚光效率容易降低的問題。另一方面，藉由光刻法形成顯微透鏡時，顯微透鏡表面雖呈平滑，但相鄰之顯微透鏡間的間隙會被填埋，而有聚光效率容易降低的問題。
本發明係以提供一種可兼顧顯微透鏡之表面的平滑性、保持與相鄰之顯微透鏡間的間隙的影像感測器為目的。
為解決課題，本發明一形態之影像感測器係一種在形成於半導體基板的光電轉換元件上，依序積層分色濾光片與顯微透鏡的影像感測器，其特徵為：上述顯微透鏡係沿著上述積層方向，形成為分色濾光片側的顯微透鏡下層、與形成於該顯微透鏡下層上的顯微透鏡上層之2層構造，上述顯微透鏡下層為柱狀或者錐台狀之形狀，上述顯微透鏡上層為半球狀之形狀。
又，本發明一形態之影像感測器的製造方法係一種在形成於半導體基板的光電轉換元件上，依序積層分色濾光片與顯微透鏡的影像感測器的製造方法，其特徵為：上述顯微透鏡係沿著上述積層方向以上下2層形成，以蝕刻轉印法形成作為上述顯微透鏡之下層的顯微透鏡下層後，藉由光刻法形成作為上述顯微透鏡之上層的顯微透鏡上層。
根據本發明之形態的影像感測器，就顯微透鏡而言，在透鏡間，於透鏡下部形成谷部，同時於透鏡上部容易形成平滑曲面。例如，以蝕刻轉印法形成透鏡下部的谷部，以光刻法形成透鏡上部的平滑曲面。
其結果，根據本發明一形態，可提供一種可兼顧顯微透鏡之表面的平滑性、保持與相鄰之顯微透鏡間的間隙的影像感測器。
因此，根據本發明之形態，縱為高精細的顯微透鏡，也可有效地進行聚光效率的提升。
1‧‧‧顯微透鏡
1a‧‧‧顯微透鏡上層
1b‧‧‧顯微透鏡下層
2‧‧‧分色濾光片
3‧‧‧半導體基板
4‧‧‧貫通孔電極
5‧‧‧連接凸塊
11‧‧‧透明樹脂層
11a‧‧‧顯微透鏡下層
12‧‧‧感光性樹脂層
12a‧‧‧透鏡母模
13‧‧‧感光性樹脂層
13a‧‧‧顯微透鏡上層
21‧‧‧半導體基板
22‧‧‧平坦化層
23‧‧‧分色濾光片
24‧‧‧透明樹脂層
25‧‧‧透鏡母模
26‧‧‧顯微透鏡下層
27‧‧‧凹部
28‧‧‧阻劑圖案
28A‧‧‧透鏡形狀層(顯微透鏡上層)
38‧‧‧顯微透鏡
第1圖為示意性地說明本發明實施形態之影像感測器的構造的剖視圖。
第2圖(a)~(d)為示意性地說明本發明實施形態之影像感測器的製造步驟之剖視步驟圖的一部分。
第3圖(a)~(e)為示意性地說明本發明實施形態之影像感測器的製造步驟之剖視步驟圖的一部分。
第4圖(a)~(d)為示意性地說明本發明實施形態之影像感測器的製造步驟之剖視步驟圖的一部分。
第5圖(A)~(F)為按步驟順序表示本發明第2實施形態之顯微透鏡的製造方法的示意性剖面圖。又第5圖為第6圖之a-a線的剖面圖。
第6圖為本發明第2實施形態之顯微透鏡的俯視圖。
[實施發明之形態]
以下，就本發明之實施形態參照圖式加以說明。
於此，圖式為示意性者，厚度與平面尺寸的關係、各層之厚度的比率等係與實際不同。
又，以下所示實施形態係僅例示供體現本發明技術思想之構成，就本發明技術思想，其中構成零件的材質、形狀、構造等並非特定於下述者。本發明之技術思想，在申請專利範圍記載之請求項所規定的技術範圍內，可加以種種變更。
本實施形態之影像感測器係如第1圖之示意圖所示，在半導體基板3上配置有複數個光電轉換元件(未圖示)，同時按每個作為單元的光電轉換元件形成有屬色分解用之彩色濾光片的分色濾光片2及聚光用顯微透鏡1。
於此，在本說明書中，係將含半導體基板3、光電轉換元件、分色濾光片2、顯微透鏡1範圍者稱為「影像感測器」。
以影像感測器之光電轉換元件獲得之影像資訊的電訊號係經由電極(未圖示)，藉由填充於貫通孔內或者被覆內壁而形成貫通孔電極4的導電物質傳導至半導體基板3的背面，並藉由經圖案化之絕緣層與導電層，以採BGA方式的連接凸塊5與外部電路連接。
此外，亦可對透鏡模組的側壁實施防閃光(flare)用且具遮光性的無電解鍍敷層。就其材質，除選自鎳、鉻、鈷、鐵、銅、金等的金屬之單一鍍敷層外，尚可舉出選自鎳-鐵、鈷-鐵、銅-鐵等組合之合金的無電解鍍敷層。除此之外，亦可無電解鍍敷銅等金屬，其後，對其表面實施化學處理或氧化處理形成金屬化合物，而作成表面之光反射率較低的金屬遮光層。
本實施形態之各顯微透鏡1係如第1圖所示，沿著上述積層方向，形成為分色濾光片側的顯微透鏡下層1b、與形成於該顯微透鏡下層1b上的顯微透鏡上層1a之2層構造。較佳的是，顯微透鏡下層1b之形狀為圓柱、角柱或其以外的柱狀或者圓錐台、角錐台或 其以外的錐台狀之形狀，顯微透鏡上層1a之形狀為半球狀之形狀。半球狀的剖面輪廓係包含例如圓或橢圓等的一部分。
顯微透鏡上層1a，較佳為其與顯微透鏡下層1b之折射率相同或者比顯微透鏡下層1b之折射率更高的折射率。又，顯微透鏡上層1a的折射率較佳為1.5以上1.7以下。構成該顯微透鏡上層1a的樹脂其質量平均分子量較佳為1,000以上20,000以下。
又，構成顯微透鏡下層1b的樹脂為例如丙烯酸樹脂。
本實施形態之顯微透鏡1，例如其顯微透鏡下層1b係以蝕刻轉印法形成，顯微透鏡上層1a則以光刻(photolithography)法形成。
其次，就其製造方法加以說明。
<第1實施形態>
本實施形態之影像感測器的製造係至少具備以下a~h之步驟：
a：在半導體基板上形成光電轉換元件的步驟
b：在光電轉換元件上形成分色濾光片的步驟
c：在分色濾光片上整面塗布顯微透鏡材料的步驟
d：在顯微透鏡材料上塗布犧牲層的步驟
e：將犧牲層藉由光刻法進行圖案化的步驟
f：對犧牲層與顯微透鏡材料進行蝕刻，而形成顯微透鏡下層1b的蝕刻轉印步驟
g：在顯微透鏡下層1b上塗布感光性透鏡材料的步驟
h：將感光性透鏡材料藉由照相(photography)法進行圖案化而形成顯微透鏡上層1a的步驟
於此，顯微透鏡上層1a較佳藉由使用灰階光罩(gray tone mask)的光刻法形成。
又，在形成顯微透鏡上層1a的步驟之後，亦可具有藉由熱流動(thermal flow)使顯微透鏡上層流動而被覆顯微透鏡下層1b之表面的步驟。
影像感測器的製造步驟的概略內容係如上述，惟本實施形態之特徵係有關於形成於光電轉換元件的上部之分色濾光片2與顯微透鏡1的製造方法。從而，以下針對此點，以後述之第1實施例中的實施例1及實施例2詳細加以說明。
(第1實施形態之效果)
第1實施形態可發揮以下效果。
(1)各顯微透鏡1係以上下2層形成，以蝕刻轉印法形成顯微透鏡1的下層1b後，藉由光刻法形成顯微透鏡1的上層1a。
藉此，例如可將顯微透鏡下層1a作成柱狀或者錐台狀之形狀，將顯微透鏡上層1a作成半球狀之形狀。
據此構成，可在蝕刻轉印步驟中形成透鏡下部的谷部，並在使用灰階光罩的光刻步驟中形成透鏡上部的平滑曲面。其結果，可提供一種可兼顧顯微透鏡之表面的平滑性、保持與相鄰之顯微透鏡間的間隙的影像感測器。
尤其是，縱為透鏡間距1.1微米以下的高精細顯微透鏡，對於聚光效率提升亦屬有效。
(2)顯微透鏡上層係藉由使用灰階光罩的光刻法形成。
據此構成，能以曝光法控制透鏡的凸形狀而以高精確度形成之。
(3)在形成顯微透鏡上層1a的步驟之後，亦可具有藉由熱流動使顯微透鏡上層1a流動而被覆顯微透鏡下層1b之表面的步驟。
據此構成，由於係藉由熱流動使顯微透鏡上層1a流動化，而被覆以蝕刻轉印法形成之顯微透鏡下層1b之粗糙的表面，因而有使顯微透鏡表面整體呈平滑的曲面之效果。
(4)顯微透鏡上層1a，較佳為其與顯微透鏡下層1b之折射率相同或者比顯微透鏡下層1b之折射率更高的折射率。
據此構成，可進一步提升顯微透鏡1的聚光效率。
<第2實施形態>
就第2實施形態參照圖式加以說明。
於此，第2實施形態中的影像感測器的基本構造係呈現與第1實施形態同樣的構造。
其次，就第2實施形態之影像感測器中的顯微透鏡的製造方法一面參照第5圖一面加以說明。
首先，如第5圖(A)所示，在半導體基板21上形成平坦化層22。藉此，可減少半導體基板21表面的凹凸而改善平滑性。
其次，使用彩色阻劑(color resist)，藉由多次的光刻程序，在基於拜耳(Bayer)排列之預先設定的規定位置將分色濾光片23形成於平坦化層22上。分色濾光片23可採用包含綠色(G)、紅色(R)、藍色(B)的原色系濾光片、或者包含黃色、靛青色(cyan)、洋紅色(magenta)的補色系濾光片。分色濾光片23其俯視下的縱橫尺寸係處於例如1μm以上10μm以下的範圍內，典型上係處於1.5μm以上2.5μm以下的範圍內。第2圖示出分色濾光片23的排列方式之實例。
其次，如第5圖(B)所示，在分色濾光片23上形成作為顯微透鏡之母材的透明樹脂層24。該透明樹脂層24，於本例中係以旋轉塗布法塗布丙烯酸系樹脂，並於加熱板上使其熱硬化而形成。於此，在本實施形態中係藉由轉印法形成顯微透鏡。因此，可將透明樹脂層24塗得較厚而形成之。由此，透明樹脂層24可吸收分色濾光片23之表面的凹凸，其表面係實質上平坦地形成。
於此，作為透明樹脂層24之形成所能採用的透明樹脂，係有丙烯酸樹脂、氟系丙烯酸樹脂、環氧樹脂、聚酯樹脂、胺基甲酸酯樹脂、三聚氰胺樹脂、尿素樹脂、苯乙烯樹脂、酚樹脂或者此等之共聚物等。其中，尤以耐熱性高的丙烯酸樹脂為更佳。一般為上述之 丙烯酸樹脂、苯乙烯樹脂等，其折射率約為1.5~1.6的範圍。又，上述之透明樹脂可單獨使用，或者混合複數種使用。
接著，如第5圖(C)所示，在透明樹脂層24上，以對應各畫素的狀態形成透鏡母模25。亦即，在透明樹脂層24上，使用不具有熱流動性的感光性樹脂以光刻法進行圖案化，在對應各畫素的位置形成剖面梯形，亦即為錐台狀的透鏡母模25。
其次，對各透鏡母模25實施加熱處理而使其硬化。透鏡母模25由於不具有熱流動性，呈現維持圖案化後之形狀的形狀，而成為蝕刻遮罩層。透明樹脂層24係使用不具有熱流動性的感光性樹脂。如此一來，可避免感光性樹脂圖案熔融，致體積膨脹而使相鄰之透鏡彼此接觸的情形。其結果，可防止在相鄰之透鏡彼此的邊界部分發生形狀崩塌的情形。
於此，作為透鏡母模25之形成所能採用的不會產生熱流動的感光性樹脂，較理想的是玻璃轉移溫度高，在藉由100~220℃之條件的熱處理使其硬化前形狀不會崩塌的熱塑性樹脂材料。就此種不會產生熱流動的感光性樹脂而言，較佳含有質量平均分子量(Mw：根據凝膠滲透層析術(GPC)之採苯乙烯換算所得的測定值)為10,000以上30,000以下的基底樹脂。更佳的是質量平均分子量為20,000以上30,000以下。透過基底樹脂的質量平均分子量為10,000以上，可提升耐熱性、耐熱流動性。又，透過使基底樹脂的質量平均分子量為30,000以 下，由於顯像時的溶解性不會降低，而能夠抑制殘渣的產生。
其次，如第5圖(D)所示，藉由乾蝕刻裝置，實施轉印處理將透鏡母模25的透鏡形狀轉印於透明樹脂層24，而在對應各畫素的位置形成顯微透鏡下層26。如此一來，便可在維持上述透鏡母模的圖案形狀下予以轉印於上述透明樹脂層24。藉由控制此轉印處理，相鄰之顯微透鏡下層26，其透鏡端相接觸，成為在顯微透鏡間的邊界不存在有非透鏡區域的狀態，而且在顯微透鏡間形成具備V字形的凹部27。
用於轉印的乾蝕刻，可適宜選擇使用ECR、平行平板磁控管、DRM、ICP、或者雙頻式RIE等的乾蝕刻之手法、裝置。
乾蝕刻所使用的氣體，只要是具有氧化性或蝕刻性的氣體則無需特別限制。作為其一例，可使用其構成中有氟、氯、溴等鹵素元素的氣體、同樣地其構成中有氧或硫之元素的氣體等，但不限定於此等。然，基於無可燃性及對人體的影響之觀點，實用上較佳使用低毒性的氟氯碳化物系氣體。
其次，如第5圖(E)所示，在顯微透鏡下層26上形成阻劑圖案28。該阻劑圖案28所使用的感光性樹脂係具有與顯微透鏡下層26之折射率相比為相同或者更高的折射率而且具有熱流動性者。
其次，第5圖(F)所示，對阻劑圖案28在高於其熱軟化點的溫度下進行加熱處理，形成半球面的透 鏡形狀層28A。該透鏡形狀層28A係作為顯微透鏡上層。藉由形成該顯微透鏡上層，可獲得透鏡的表面粗糙度(Ra；算術平均粗糙度)為50nm以下之平滑的顯微透鏡表面。
藉此，於本實施形態中，即藉由顯微透鏡下層26、與包含透鏡形狀層28A的顯微透鏡上層構成顯微透鏡38。
於此，就本實施形態之阻劑圖案28之形成所能採用的感光性樹脂材料加以說明。
適用的感光性樹脂材料，首先，係具有與顯微透鏡下層26的折射率相比為相同或者更高的折射率。感光性樹脂材料的折射率較佳為1.5以上1.7以下。更佳為1.5以上1.6以下。
感光性樹脂材料，只要具備與顯微透鏡下層26相比為相同或者更高的折射率，則可形成折射率不同的顯微透鏡。因此，不僅可使入射的光更大地折射而朝受光元件入射，還可進一步增強顯微透鏡的聚光效果，甚而可謀求靈敏度的提升。諸如前述，就上述顯微透鏡下層26所使用的透明樹脂，其折射率一般為1.5以上1.6以下。從而，若折射率小於1.5，則無法使入射的光折射，而無法提高聚光效果。又，由於目前尚未發現感光性樹脂的折射率超過1.7的材料，因此該折射率成為上限。
又，實施形態中的阻劑圖案28之形成所能採用的感光性樹脂材料為具熱流動性的感光性樹脂。
所稱「具熱流動性的感光性樹脂」，係一種可藉由加熱而熔融，憑藉自身的表面張力形成曲面的熱塑性樹脂材料。作為此類熱流動樹脂材料，可舉出丙烯酸樹脂或酚樹脂、聚苯乙烯樹脂等。尤以具有感光性，且可藉由鹼性顯像進行圖案形成的樹脂為佳。又，較佳含有質量平均分子量為1,000以上20,000以下，較佳為1,500以上15,000以下，更佳為2,000以上10,000以下的基底樹脂。透過質量平均分子量採用1,000以上，可容易地形成為膜狀，並且可使圖案形狀更良好。透過採用20,000值以下，可獲得適度的鹼溶解性，因而較佳。
具有與上述顯微透鏡下層26相比為相同、或者更高的折射率及熱流動性的感光性樹脂中，亦可視需求以不損及本發明之目標特性的程度含有其他的添加劑。作為其他的添加劑，可舉出供提升與基板之密接性的密接助劑、供提升塗布性用的界面活性劑、平整劑、分散劑。
如以上所述，在第2實施形態中，首先係以不具有熱流動性的感光性樹脂作為透鏡母模，藉由乾蝕刻法形成顯微透鏡下層，由此，相鄰之各透鏡面不會彼此融合而以透鏡間間隙較小的狀態配置。
進而，在顯微透鏡下層26上使用具有與顯微透鏡下層26相同或者更高的折射率而且具有熱流動性的感光性材料，以熱回流法形成顯微透鏡上層28A，由此可抑制顯微透鏡表面粗糙，而能夠得到透鏡表面的光散射較少、聚光效率獲提升的顯微透鏡。
其結果，根據本實施形態，縱為例如2μm以下的畫素之高精細者也可抑制表面粗糙，而且不會發生顯微透鏡彼此的融合，可提供相鄰透鏡間間隙較小的顯微透鏡。
[實施例] <第1實施例>
就第1實施例加以說明。
茲參照第2圖~第4圖說明實施例1及2。此外，第3圖(e)之處理係僅實施例2有的處理步驟。
(實施例1)
實施例1中，組成顯微透鏡下層1b的透明樹脂為熱硬化型樹脂。另一方面，組成顯微透鏡上層1a的透明樹脂為感光性樹脂，係使用正型之感光性樹脂的實例。
於本實施例中，為了以曝光法控制透鏡1的凸形狀，而使用稱為灰階光罩之特殊的曝光用遮罩。
在半導體基板3上形成光電轉換元件及遮光膜、鈍化膜，並於最上層，使用熱硬化型丙烯酸樹脂塗布液以旋轉塗布形成平坦化層。半導體基板3的尺寸係取厚度0.75mm、直徑20cm。
其次，在平坦化膜上，按綠、藍、紅三色，以3次的光刻手法分別形成分色濾光片2(茲參照第2圖(a)；惟，光電轉換膜與平坦化層係未圖示)。
綠色阻劑係使用C.I.顏料黃139、C.I.顏料綠36、C.I.顏料藍15：6作為色材，並且使用添加有環己酮、PGMEA 等的有機溶劑、聚合物清漆、單體、起始劑之構成的彩色阻劑。
藍色阻劑係使用C.I.顏料藍15：6、C.I.顏料紫23作為色材，並且使用添加有環己酮、PGMA等的有機溶劑、聚合物清漆、單體、起始劑之構成的彩色阻劑。
紅色阻劑的色材係採用C.I.顏料紅117、C.I.顏料紅48：1、C.I.顏料黃139。色材以外的組成係設為與綠色阻劑相同。
著色畫素的排列係採用每隔一畫素設置G(綠)濾光片，並於G濾光片之間每隔一列設置R(紅)濾光片與B(藍)濾光片之所謂的拜耳排列。
接著，在各分色濾光片2上塗布將苯環導入於樹脂骨架而成之丙烯酸樹脂的塗布液，形成1μm之膜厚的透明樹脂層11，在180℃下進行3分鐘加熱，而進行硬膜化處理(第2圖(b))。
進而，塗布具有鹼可溶性、感光性、熱回流性的苯乙烯樹脂而形成感光性樹脂層12(第2圖(c))。
其後，對感光性樹脂層12，藉由使用灰階光罩50之規定的光刻程序進行圖案形成。
其後，在200℃下實施熱處理進行熱回流，以單側0.1μm之約略適確的流量形成透鏡母模12a(第2圖(d))。透鏡母模12a為透鏡母模12a間之間隙為0.3μm的平滑的圓柱狀。
其次，使用屬氟氯碳化物系氣體之CF4與C3F8的混合系氣體實施乾蝕刻，將透鏡母模12a的圖案轉印於包含丙烯酸樹脂的透明樹脂層11上，而形成透鏡間間隙0.035μm的顯微透鏡下層11a(第3圖(a))。該顯微透鏡下層11a的高度係低於透鏡母模12a的高度，為約0.25μm。此外，乾蝕刻時間係設為5分鐘。
接著，在顯微透鏡下層11a上塗布具有鹼可溶性、感光性、熱回流性的苯乙烯樹脂而形成感光性樹脂層13(第3圖(b))。
其後，將感光性樹脂層13藉由使用灰階光罩51之規定的光刻程序進行圖案化而形成顯微透鏡上層13a(第3圖(c)(d))。此外，顯微透鏡上層13a為透鏡高度0.3μm之平滑的半球狀透鏡。
灰階光罩51係將遮光膜形成於石英基板上者，其中該遮光膜係針對對應欲作成之透鏡要素的薄膜之部分的部分提高透光率。其可稱為對遮光膜附加濃淡漸層(灰階：graduation)的遮罩。該灰階的濃淡可藉由曝光所使用的光中無法解析之小直徑的點的每單位面積之個數(粗密)的部分的差來達成。
如此即在半導體基板3上完成經實施多層表面安裝(multiple surface mounting)的影像感測器(第3圖(d))。
其次，對上述之半導體基板3的背面塗布光阻，藉由規定的光刻法在應形成貫通孔的部位形成開口部。
接著，以光阻膜為遮罩進行反應性離子蝕刻，將半導體基板3蝕刻至既定的深度而形成貫通孔(第4圖(a))。
其次，為了使半導體基板3與隨後形成的配線層絕緣，而藉由CVD法在貫通孔的內壁、底部及背面整體形成SiO2絕緣膜。於此，絕緣膜係以其膜厚在貫通孔的底部(為包含鋁等導電性較高之金屬的襯墊)上比在半導體基板3的背面上更薄的方式形成。其後，再度進行反應性離子蝕刻，去除貫通孔底部的絕緣膜。接著，藉由濺鍍法形成導電膜，而形成形成有貫通孔的埋設及晶圓背面之貫通孔電極4的配線層(第4圖(a))。
其次，藉由規定的光刻法，使在部分配線層之與外部連接的部分露出。對該露出部位，藉由網版印刷塗布焊膏，而搭載焊料球。實施回焊(reflow)處理，去除殘留的助焊劑，便可得到具有外部連接凸塊5的影像感測器基板。
最終，藉由使用450目(mesh)之樹脂刀的切割裝置，多層表面安裝成矩陣狀的影像感測器的中間部為裁切線，自表面劃出裁切痕(第4圖(b))。其後，予以分割成各個影像感測器(第4圖(c))，而得到成為第4圖(d)之狀態的完成品。
(實施例2)
實施例2中，組成顯微透鏡下層1b的透明樹脂為熱硬化型樹脂。另一方面，組成顯微透鏡上層1a的透明樹脂為感光性樹脂，係使用正型之感光性樹脂的實例。於本實施例中，為了以曝光法控制透鏡的凸形狀，而使用所稱灰階光罩之特殊的曝光用遮罩。
在厚度0.75mm、直徑20cm的半導體基板3上形成光電轉換元件及遮光膜、鈍化膜，並於最上層，使用熱硬化型丙烯酸樹脂塗布液以旋轉塗布形成平坦化層。其次，在平坦化膜上，按綠、藍、紅三色，以3次的光刻手法分別形成分色濾光片2(茲參照第2圖(a)；惟，光電轉換膜與平坦化層係未圖示)。
綠色阻劑係使用C.I.顏料黃139、C.I.顏料綠36、C.I.顏料藍15：6作為色材，並且使用添加有環己酮、PGMEA等的有機溶劑、聚合物清漆、單體、起始劑之構成的彩色阻劑。
藍色阻劑係使用C.I.顏料藍15：6、C.I.顏料紫23作為色材，並且使用添加有環己酮、PGMA等的有機溶劑、聚合物清漆、單體、起始劑之構成的彩色阻劑。
紅色阻劑的色材係採用C.I.顏料紅117、C.I.顏料紅48：1、C.I.顏料黃139。色材以外的組成係設為與綠色阻劑相同。
著色畫素的排列係採用每隔一畫素設置G(綠)濾光片，並於G濾光片之間每隔一列設置R(紅)濾光片與B(藍)濾光片之所謂的拜耳排列。
接著，在各分色濾光片2上塗布將苯環導入於樹脂骨架而成之丙烯酸樹脂的塗布液，形成1μm之膜厚的透明樹脂層11，在180℃下進行3分鐘加熱，而進行硬膜化處理(第2圖(b))。
進而，塗布具有鹼可溶性、感光性、熱回流性的苯乙烯樹脂而形成感光性樹脂層12(第2圖(c))。
其後，將感光性樹脂層12藉由使用灰階光罩50之規定的光刻程序進行圖案化後，在200℃下實施熱處理進行熱回流，以單側0.1μm之約略適確的流量形成透鏡母模12a(第2圖(d))。透鏡母模12a為透鏡母模12a間之間隙為0.3μm的平滑的圓柱狀。
其次，使用屬氟氯碳化物系氣體之CF4與C3F8的混合系氣體實施乾蝕刻，將透鏡母模12a的圖案轉印於包含丙烯酸樹脂的透明樹脂層11上，而形成透鏡間間隙0.035μm的顯微透鏡下層11a(第3圖(a))。該顯微透鏡下層11a的高度係低於透鏡母模12a的高度，為約0.25μm。此外，乾蝕刻時間係設為5分鐘。
接著，在顯微透鏡下層11a上塗布具有鹼可溶性、感光性、熱回流性的苯乙烯樹脂而形成感光性樹脂層13(第3圖(b))。
其後，將感光性樹脂層13藉由使用灰階光罩51之規定的光刻程序進行圖案化後(第3圖(c)(d))，在200℃下實施熱處理進行熱回流(第3圖(e))，以單側0.1μm之約略適確的流量形成顯微透鏡上層13a。此外，顯微透鏡上層13a為透鏡高度0.3μm之平滑的半球狀透鏡。
透過對顯微透鏡上層13a進行熱回流，即可藉由自凝聚對準顯微透鏡上層13a與顯微透鏡下層11a的xy中心位置。
進而，藉由經熱回流的顯微透鏡上層13a被覆顯微透鏡下層11a之表面的一部分，可使顯微透鏡下層11a的表面呈平滑。
灰階光罩51係將遮光膜形成於石英基板上者，其中該遮光膜已針對對應所欲作成之透鏡要素的薄膜之部分的部分提高透光率；其可稱為對遮光膜附加濃淡漸層(灰階)的遮罩。該灰階的濃淡可藉由曝光所使用的光中無法解析之小直徑的點的每單位面積之個數(粗密)的部分的差來達成。
如此即在半導體基板3上完成經實施多層表面安裝的影像感測器。
其次，對上述之半導體基板3的背面塗布光阻，藉由規定的光刻法在應形成貫通孔的部位形成開口部。接著，以光阻膜為遮罩進行反應性離子蝕刻，將半導體基板3蝕刻至既定的深度而形成貫通孔(第4圖(a))。
其次，為了將半導體基板3與隨後形成的配線層絕緣，而藉由CVD法在貫通孔的內壁、底部及背面整體形成SiO2絕緣膜。於此，絕緣膜係以其膜厚在貫通孔的底部(為包含鋁等導電性較高之金屬的襯墊)上比在半導體基板3的背面上更薄的方式形成。其後，再度進行反應性離子蝕刻，去除貫通孔底部的絕緣膜。接著，藉由濺鍍法形成導電膜，而形成形成有貫通孔的埋設及晶圓背面之貫通孔電極4的配線層(第4圖(a))。
其次，藉由規定的光刻法，使在部分配線層之與外部連接的部分露出。對該露出部位，藉由網版印 刷塗布焊膏，而搭載焊料球。實施回焊處理，去除殘留的助焊劑，則可得到具有外部連接凸塊5的影像感測器基板。
最終，藉由使用450目之樹脂刀片的切割裝置，多層表面安裝成矩陣狀的影像感測器的中間部為裁切線，自表面劃出裁切痕(第4圖(b))。其後，予以分割成各個影像感測器(第4圖(c))，而得到成為第4圖(d)之狀態的完成品。
<第2實施例>
以下，茲說明關於本發明之影像感測器中的顯微透鏡的製造方法之第2實施例。
(實施例1)
如第5圖所示，在半導體基板21上形成有平坦化層22、分色濾光片23與透明樹脂層24及顯微透鏡38。第5圖為第6圖之a-a線的剖面圖。
分色濾光片23之R(紅)、G(綠)、B(藍)的形成係分別使用紅色用顏料：C.I.Pigment Red 254(Ciba Specialty Chemicals公司製「Irga Four Red B-CF」)及C.I.Pigment Red 177(Ciba Specialty Chemicals公司製「Cromophtal Red A2B」)、綠色用顏料：C.I.Pigment Green 36(TOYO INK公司製「Lionol Green 6YK」)及C.I.Pigment Yellow 150(BAYER公司製「Fan Chung Fast Yellow Y-5688」)、藍色用顏料：C.I.Pigment Blue 15(TOYO INK公司製「Lionol Blue ES」)C.I.Pigment Violet 23(BASF公司製「PALIOGEN VIOLET 5890」)，及與丙烯酸系樹脂、環己酮溶劑共同調製的丙烯酸系之感光性著色阻劑。色材的添加量，分別以阻劑中的固體含量比計係取約50%。
如第5圖(A)所示，首先，在半導體基板21上藉由旋轉塗布法塗布熱硬化型丙烯酸樹脂溶液，接著在加熱板上實施200℃、5分鐘的熱處理，而形成0.1μm之厚度的平坦化層22。
在平坦化層22上藉由旋轉塗布法塗布丙烯酸系感光性綠色著色阻劑後，在加熱板上進行80℃、1分鐘的預焙處理。
其次，使用i射線步進曝光機台(Nikon公司製i12)進行圖案曝光後，以有機鹼性顯像液(TMAH濃度0.05%)進行1分鐘的顯像處理，進而充分以純水加以沖洗，再進行去水乾燥。其後，進行220℃、6分鐘的後焙，形成G(綠)畫素圖案。對於R(紅)畫素、B(藍)畫素亦與G(綠)畫素同樣地使用光刻法予以形成於基於拜耳排列的規定位置，而得到畫素大小為2.0μm的分色濾光片23。對R(紅)、G(綠)、B(藍)之圖案進行測定，膜厚各為1.0μm。
其次，如第5圖(B)所示，在分色濾光片23的R(紅)、G(綠)、B(藍)上，塗布作為顯微透鏡下層26之母材的丙烯酸系樹脂(折射率：1.50)並使其乾燥，而形成厚度0.7μm的透明樹脂層24。
其次，如第5圖(C)所示，在透明樹脂層24上以旋轉塗布塗布含有質量平均分子量30,000之基底樹脂的正型光阻，進行曝光、顯像，並使用加熱板在160℃下加熱5分鐘後，進而以220℃、5分鐘的條件進行燒成，而形成膜厚1.0μm的透鏡母模25。
其次，如第5圖(D)所示，以乾蝕刻裝置，使用屬氟氯碳化物系氣體之CF4與C3F8的混合氣體，以基板溫度設為常溫、壓力5Pa、RF功率500W、偏壓50W進行蝕刻處理。以透鏡母模25為遮罩進行蝕刻處理，形成畫素大小為2.0μm的顯微透鏡下層26。其後，在230℃下進行20分鐘加熱。處理後之顯微透鏡下層26的高度為0.4μm。
其次，如第5圖(E)所示，在顯微透鏡下層26上以旋轉塗布塗布含有折射率1.67、質量平均分子量2,000之基底樹脂的正型光阻，進行曝光、顯像，並使用曝光裝置以300mJ/cm2的條件進行漂白，其後，形成阻劑圖案28。
其次，如第5圖(F)所示，對阻劑圖案28以加熱板在130℃下進行5分鐘的加熱處理，而藉由表面張力使半球面透鏡形狀層形成。進而，在200℃下使其加熱硬化5分鐘的結果，得到作為顯微透鏡上層的透鏡形狀層28A。透鏡形狀層28A為畫素大小1.5μm。透鏡形狀層28A的高度為0.2μm。
由此，即形成包含顯微透鏡下層26及透鏡形狀層28A的顯微透鏡38。
(實施例2)
除將實施例1中的顯微透鏡上層所使用之正型光阻之基底樹脂的折射率變更為1.55以外，係以與實施例1同樣的方式形成顯微透鏡。
(實施例3)
除將實施例1中的顯微透鏡上層所使用之正型光阻之基底樹脂的質量平均分子量變更為10,000以外，係以與實施例1同樣的方式形成顯微透鏡。
(實施例4)
除將實施例1中的顯微透鏡上層所使用之正型光阻之基底樹脂的質量平均分子量變更為18,000以外，係以與實施例1同樣的方式形成顯微透鏡。
(實施例5)
除將實施例1中的透明樹脂層所使用之材料變更為折射率1.45的氟系丙烯酸樹脂以外，係以與實施例1同樣的方式形成顯微透鏡。
(比較例1)
除將實施例1中的顯微透鏡上層的高度設為0.6μm，並省略形成顯微透鏡下層的步驟(所謂的熱回流法)以外，係以與實施例1同樣的方式形成顯微透鏡。
(比較例2)
除將實施例1中的顯微透鏡下層的高度設為0.6μm，並省略形成顯微透鏡上層的步驟(所謂的轉印法)以外，係以與實施例1同樣的方式形成顯微透鏡。
(比較例3)
除將實施例1中的顯微透鏡上層所使用之正型光阻之基底樹脂的折射率變更為1.40以外，係以與實施例1同樣的方式形成顯微透鏡。
(比較例4)
除將實施例1中的顯微透鏡上層所使用之正型光阻之基底樹脂的質量平均分子量變更為900以外，係以與實施例1同樣的方式形成顯微透鏡。
(比較例5)
除將實施例1中的顯微透鏡上層所使用之正型光阻之基底樹脂的質量平均分子量變更為40,000以外，係以與實施例1同樣的方式形成顯微透鏡。
於此，形成之顯微透鏡的形狀觀察、尺寸測定、及透鏡高度、表面粗糙度的測定方法及靈敏度評價如下。
[形成的顯微透鏡形狀與尺寸測定]
對形成的顯微透鏡形狀以微距量測SEM(KLA-Tencor公司製eCD2-XP)進行觀察評價。將顯微透鏡之形狀呈半球面者評為「○」，將未呈半球面者評為「×」。又，針對相鄰之透鏡間的邊彼此的間隙進行量測。惟，裝置測定界限為0.035μm。
[顯微透鏡高度與表面粗糙度的測定]
顯微透鏡高度與表面粗糙度係以AFM(原子力顯微鏡，TOYO Corporation公司製(i-n ano))測定。顯微透鏡的高度係指定為包含顯微透鏡下層與顯微透鏡上層者。
[靈敏度評價]
測定以上述方法形成之具備顯微透鏡的固態影像感測器的靈敏度。與比較例1所示之採熱回流者進行靈敏度比較。將評價結果示於表1。
由表1可知，就實施例1~5，可獲得相鄰透鏡間間隙較小且表面呈平滑的半球面上之顯微透鏡。其結果，與習知熱回流法相比可提升聚光靈敏度。
就比較例2~3，無法獲得所期望之聚光靈敏度的提升。又，就比較例4，無法形成顯微透鏡形狀；就比較例5，無法獲得半球狀的顯微透鏡形狀。
於此，就實施例1而言，可確認在將具熱回流性之感光性樹脂的折射率設為1.5、及1.7而進行的情況下，仍可得到與實施例1同樣的評價。又，就實施例1而言，可確認在將具熱回流性之感光性樹脂的質量平均分子量設為1,000而進行的情況下，仍可得到與實施例1同樣的評價。
以上，本案主張優先權之日本專利申請案2015-105636號(2015年5月25日申請)及日本專利申請案2015-119290號(2015年6月12日申請)的全內容以參照方式係併入成為本揭示內容的一部分。
於此，已一面參照有限數目的實施形態一面加以說明，惟專利範圍非限定於彼等，對於本領域具有通常知識者應理解，基於上述揭示內容之各實施形態的改變係屬理所當然者。亦即，本發明非可能限定於以上所記載的各實施形態。基於本領域具有通常知識者之知識，可對各實施形態施加設計之變更等，而施加此種變更等之形態亦包含於本發明之範圍。

Claims (15)

  1. 一種影像感測器，其係在形成於半導體基板的光電轉換元件上，依序積層分色濾光片與顯微透鏡的影像感測器，其特徵為：上述顯微透鏡係沿著上述積層方向，形成為分色濾光片側的顯微透鏡下層、與形成於該顯微透鏡下層上的顯微透鏡上層之2層構造，上述顯微透鏡下層為柱狀或者錐台狀之形狀，上述顯微透鏡上層為半球狀之形狀。
  2. 如請求項1之影像感測器，其中上述顯微透鏡上層係具有與上述顯微透鏡下層之折射率相同或者比上述顯微透鏡下層之折射率更高的折射率。
  3. 如請求項2之影像感測器，其中上述顯微透鏡上層的折射率為1.5以上1.7以下。
  4. 如請求項1至3中任一項之影像感測器，其中構成上述顯微透鏡上層的樹脂，其質量平均分子量為1,000以上20,000以下。
  5. 如請求項1至4中任一項之影像感測器，其中構成上述顯微透鏡下層的樹脂為丙烯酸樹脂。
  6. 一種影像感測器的製造方法，其係在形成於半導體基板的光電轉換元件上，依序積層分色濾光片與顯微透鏡的影像感測器的製造方法，其特徵為：上述顯微透鏡係沿著上述積層方向以上下2層形成，以蝕刻轉印法形成作為上述顯微透鏡之下層的顯微透鏡下層後，藉由光刻法形成作為上述顯微透鏡之上層的顯微透鏡上層。
  7. 如請求項6之影像感測器的製造方法，其中上述顯微透鏡上層係具有與上述顯微透鏡下層之折射率相同或者比上述顯微透鏡下層之折射率更高的折射率。
  8. 如請求項6或7之影像感測器的製造方法，其中上述顯微透鏡的形成係具有：在上述分色濾光片上塗布顯微透鏡材料的步驟；在上述顯微透鏡材料上塗布犧牲層的步驟；將上述犧牲層藉由光刻法進行圖案化的步驟；對上述犧牲層與顯微透鏡材料進行蝕刻，而形成上述顯微透鏡下層的蝕刻轉印步驟；在上述顯微透鏡下層上塗布感光性透鏡材料的步驟；及將上述感光性透鏡材料藉由照相法進行圖案化而形成上述顯微透鏡上層的步驟。
  9. 如請求項8之影像感測器的製造方法，其中在形成上述顯微透鏡上層的步驟之後，具有藉由熱流動使上述顯微透鏡上層流動而被覆顯微透鏡下層之表面的步驟。
  10. 如請求項6至9中任一項之影像感測器的製造方法，其中上述顯微透鏡上層係藉由使用灰階光罩的光刻法而形成。
  11. 如請求項7之影像感測器的製造方法，其中上述顯微透鏡的形成係包含：在上述分色濾光片上形成透明樹脂層的步驟； 在上述透明樹脂層上，使用不具有熱回流性的感光性樹脂形成透鏡母模的步驟；藉由對上述透鏡母模實施熱處理，而使上述透鏡母模熱硬化的步驟；將上述經熱硬化的透鏡母模藉由乾蝕刻法轉印於透明樹脂層，而形成顯微透鏡下層的步驟；使用具有與上述顯微透鏡下層之折射率相同或者比上述顯微透鏡下層之折射率更高的折射率而且具有熱流動性的感光性樹脂，在上述顯微透鏡下層上形成阻劑圖案的步驟；及藉由對上述阻劑圖案實施熱回流，使上述阻劑圖案變形而將顯微透鏡上層形成於上述顯微透鏡下層上的步驟。
  12. 如請求項11之影像感測器的製造方法，其中上述具有熱回流性的感光性樹脂的折射率為1.5以上1.7以下。
  13. 如請求項11或12之影像感測器的製造方法，其中上述具有熱回流性的感光性樹脂的質量平均分子量為1,000以上20,000以下。
  14. 如請求項11至13中任一項之影像感測器的製造方法，其中上述透明樹脂層為丙烯酸樹脂。
  15. 一種影像感測器，其係以如請求項6至14中任一項之製造方法製作而成。
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