JP2009031399A - マイクロレンズ - Google Patents

Abstract

【課題】基板上に感光性レジストを塗布し濃度分布マスクを用いて感光性レジストにパターン露光、現像するフォトリソ工程により、平面視略矩形状の単位のレンズをアレイ状に配置して形成されたマイクロレンズにおいて、矩形状レンズの集光性を向上し、受光素子に効率よく照射するマイクロレンズを提供する。
【解決手段】濃度分布マスクは、隣接する単位のレンズを形成するレンズパターンの間にスリットパターンが形成され、各単位レンズの対角方向の端部近傍は中央部と同等の球面曲率であることを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、受光素子に利用されるマイクロレンズに関する。

ビデオカメラ、ディジタルカメラ、携帯電話に用いられる撮像素子は高画素化が求められている。画素が微細となると、画素を構成するＣＣＤ、ＣＭＯＳ等からなる受光素子も微細となる。微細な受光素子への集光効率を高めるため、広くマイクロレンズが利用されている。これは、画素への入射光を効率よくマイクロレンズにて集光して、受光素子に入射させ、受光感度を向上させるためである。

このようなマイクロレンズは、一般に次のような方法で製造される。まずひとつには、熱リフロー方式で製造される。すなわち、まず、マイクロレンズとなる素材（例えば、透明な感光性樹脂）を基板上に塗布する。次に、所定のパターンを有するパターン露光用マスクを介し感光性樹脂にパターン露光した後、現像を行い、マイクロレンズを形成する部位に透明樹脂層を形成する。次に、基板に加熱処理を行い透明樹脂層の表面を溶かし、溶けた透明樹脂層の表面張力にて、曲面を有するマイクロレンズを形成する。このような熱リフロー方式でマイクロレンズを形成する際、個々のマイクロレンズ同士に隙間がないと、加熱処理時、隣接したマイクロレンズ同士が溶着し、所望する曲面が形成できないことになる。このため、熱リフロー方式では隣接するマイクロレンズ同士の距離をある程度離す必要が生じ、各マイクロレンズ間に隙間を持たせる必要が生じる（以上、例えば特許文献１に記載）。そのため、画像領域を全てマイクロレンズで覆うことが出来ず、集光性の向上には限度がある。

そのため、近年、３次元形状作成用濃度分布マスクを用いた感光性材料へのパターン露光および現像により、基板上に三次元構造の感光性材料パターンを形成する方法、又は、その感光性材料パターンを基板に彫り写すことにより３次元構造の表面形状をもつ物品を製造する方法があり、濃度分布マスク及びその製造方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この濃度分布マスクを用いてマイクロレンズを製造することができる。この方法によれば、隣接するマイクロレンズ同士を接して形成することが可能になるためマイクロレンズで画素領域を覆う割合を大きくでき、集光性向上の上で好ましい。

特許文献２によれば、３次元形状の工程や傾斜面は、露光マスクの濃淡（光透過率１００％から０％の間の任意の濃度）と中間階調の連続的な変化により、露光光の透過率を変化させ感光性材料に露光する光量を変化させることにより実現している。

具体的には、濃度分布マスクの露光に使用される領域は適当な形状および大きさの単位セルにより隙間なく分割されており、その単位セル内に円形の遮光膜（ドット）を、段階的に大きさを変えて形成し、所定の透過量（濃度）を得ている。

円形の遮光膜（ドット）の大きさが段階的に変化するものであっても、単位セルが充分に小さければ、例えば露光装置の解像度又は、使用する感光性材料の解像度よりも単位セルの大きさ、もしくは遮光膜（ドット）の大きさが小さければ、結果として露光〜現像により感光性材料で形成されるパターンの表面形状は連続的に変化する３次元形状となる。

このような、基板上に３次元構造の感光性材料パターンを形成するための写真製版工程（フォトリソ工程）で使用する濃度分布マスクは、以下の工程を含めた方法で製造できる。
（１）前記のような３次元構造を製作するために、その３次元構造を基に露光時の露光量の全体的な光強度分布を計算し、基板上での各ポイントの感光性材料の除去量をシミュレーションで計算し、除去量に見合った光を透過する遮光膜パターンを設計する計算シミュレーション工程。
（２）透明基板上に遮光膜が形成され、さらにその上にマスク用感光性材料層をもつマスクブランクスに電子線またはレーザー光線によって前記の設計された遮光膜パターンに基づいて露光し、現像してマスク用感光性材料パターンを形成するパターン化工程。
（３）形成されたマスク用感光性材料パターンをマスクとして前記遮光膜をドライエッチング又はウエットエッチングし、遮光膜パターンを形成する工程。
（４）次いで必要により、工程（３）で形成された遮光膜パターンを工程（１）で設計された遮光膜パターンと比較し、両者が一致するように前記形成された遮光膜マスクパターンを修正する工程。

上記のような濃度分布マスクを、電子ビーム描画装置にて作画することを想定すると、まず、円形パターンというものは、電子ビーム露光装置では描きにくく、描けないことはないが、描画するのに多量のデータ量が必要になる。さらに言えば、円形の遮光膜パターンを各々の単位セルの中央に描画する必要があるが、その位置すなわちアドレスを指定するデータ量も膨大なものになる。

このようなデータ量の多い描画は、電子ビーム露光装置には負担であり、描画に要する時間が長くなり、スループットが低下し、生産効率が低下するという問題を有している。このような問題を解決するために、円形パターンに代えて多角形や矩形パターンを利用した濃度分布マスクが提案されている（特許文献３）。

以下に公知の文献を記す。
特開２００１−０８５６５７号公報 特開２００２−２４４２７３号公報 特開２００６−０３０５１０号公報

近年、特に撮像装置の受光素子に利用されるマイクロレンズはさらに集光性が求められるようになっている。すなわち、撮像装置の高画素化の要求が進み、単位面積あたりの画素数が増加し、画素自体の面積が、より、縮小しているためである。このような要求から、いままでのレンズでは、高画素化に対応した画素面積では、集光率が劣るものとなっている。

上記した従来の製造方法を用いれば曲面を有するマイクロレンズが容易に得られるが、マイクロレンズの集光性向上がさらに求められる点から、次のような問題がある。

図１は、従来のマイクロレンズの焦点距離と受光素子の光電変換部との位置を示した説明図である。基板１０上に形成された従来のマイクロレンズ１２は、図１（ｄ）に示すように、平面視で矩形状（図では正方形）となっている。なぜならば、受光素子に形成される画素領域は平面視で矩形状のためである。そのため、画素領域に入射する光を効率よく集光させるには、画素領域を出来るだけ覆う必要がある。そこで、マイクロレンズも平面視略矩形状とするのが望ましい。

平面視で略矩形状としたマイクロレンズ１２においては、当然のことながら、レンズ効果をもたせるため、各側面は曲面状となっている。しかし、図１（ｄ）中の水平方向の、Ｘ−Ｘ’線におけるマイクロレンズ１２の断面図である図１（ｂ）および、対角方向の、Ｚ−Ｚ’線におけるマイクロレンズ１２の断面図である図１（ｃ）に示すように、マイクロレンズ１２の対角方向の曲率（Ｒ１）と水平方向の曲率（Ｒ２）とが大きく異なってしまう。

このため、対角方向の焦点距離ｆ１と水平方向の焦点距離ｆ２が異なるものとなり、マイクロレンズ１２で集光した光が一点に集光しない、いわゆる非点収差をもたらすものとなる。

受光素子で受光する光を、平面視略矩形状（図では正方形）のマイクロレンズ１２にて集光する様子を模式的に示す図１（ａ）に示す。マイクロレンズ１２側に照射された光は、マイクロレンズ１２を形成した基板１０（一般に透明）から光電変換部１３の間（この間の構成は図示せず）で、対角方向側の焦点距離ｆ１の位置に集光する焦点Ａが光電変換部１３に位置したとしても、水平方向側の焦点距離ｆ２の位置に集光する焦点Ｂは、光電変換部１３の手前となる。このように、矩形状のマイクロレンズ１２においては焦点箇所が複数存在することになり、かつ、各焦点ではスポット光（一点に集光）とならずスリット光（矩形状に集光）となる。

すなわち、従来の矩形状としたマイクロレンズ１２を有する基板１０においては、光の利用効率を高くすることができず、要求される高い品位の画像表示が出来なくなるという問題が生じるものである。

また、現状の熱リフロー方式や網点マスクによる方法で製造したレンズでは、画素間やコーナー部が大きくだれるため、また、熱リフロー法ではレンズ間に距離をもたせなければならないため画素領域を完全に覆うわけにはいかず、さらに集光が悪い。

本発明は、このような問題点を解決するもので、矩形状レンズの集光性を向上し、受光素子に効率よく照射するマイクロレンズを提供することを課題とする。

本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、請求項１の発明は、基板上に感光性レジストを塗布し濃度分布マスクを用いて感光性レジストにパターン露光、現像するフォトリソ工程により、平面視略矩形状の単位のレンズをアレイ状に配置して形成されたマイクロレンズにおいて、濃度分布マスクは、隣接する単位レンズを形成するレンズパターンの間にスリットパターンが形成され、各単位レンズの対角方向の端部近傍は中央部と同等の球面曲率であることを特徴とするマイクロレンズとしたものである。

本発明の請求項２の発明は、基板上に感光性レジストを塗布し濃度分布マスクを用いて感光性レジストにパターン露光、現像するフォトリソ工程により、平面視略矩形状の単位のレンズをアレイ状に配置して形成されたマイクロレンズにおいて、濃度分布マスクは、単位のレンズを形成するレンズパターンの四隅のパターンは四隅近傍のパターンに比し大きいパターンで形成され、各単位のレンズの対角方向の端部近傍は中央部と同等の球面曲率であることを特徴とするマイクロレンズとしたものである。

本発明の請求項３の発明は、基板上に感光性レジストを塗布し濃度分布マスクを用いて感光性レジストにパターン露光、現像するフォトリソ工程により、平面視略矩形状の単位のレンズをアレイ状に配置して形成されたマイクロレンズにおいて、濃度分布マスクは、単位のレンズを形成するレンズパターン間の部分にスリットパターンが形成され、かつ単
位のレンズパターンの四隅のパターンは四隅近傍のパターンに比し大きいパターンで形成され、各単位のレンズの対角方向の端部近傍は中央部と同等の球面曲率であることを特徴とするマイクロレンズとしたものである。

本発明のマイクロレンズは以上のような構成であって、平面視略矩形状のレンズが、各レンズの対角方向の端部近傍は中央部と同等の曲率であるので、レンズの対角方向の端部でも光を集光してレンズの中心部への集光性が向上し、受光素子に効率よく照射するマイクロレンズとすることができる。

本願発明のマイクロレンズは、基板上に感光性レジストを塗布し濃度分布マスクを用いて感光性レジストにパターン露光、現像するフォトリソ工程により、平面視略矩形状の単位のレンズをアレイ状に配置して形成されたマイクロレンズを前提とする。そして、濃度分布マスクは、隣接する単位レンズを形成するレンズパターンの間にスリットパターンが形成され、各単位レンズの対角方向の端部近傍は中央部と同等の球面曲率で形成される。

また本願発明のマイクロレンズは、基板上に感光性レジストを塗布し濃度分布マスクを用いて感光性レジストにパターン露光、現像するフォトリソ工程により、平面視略矩形状の単位のレンズをアレイ状に配置して形成されたマイクロレンズを前提とする。そして、濃度分布マスクは、単位のレンズを形成するパターンの四隅のパターンは四隅近傍のパターンに比し大きいパターンで形成され、各単位レンズの対角方向の端部近傍は中央部と同等の球面曲率で形成される。

あるいは本願発明のマイクロレンズは、基板上に感光性レジストを塗布し濃度分布マスクを用いて感光性レジストにパターン露光、現像するフォトリソ工程により、平面視略矩形状の単位のレンズをアレイ状に配置して形成されたマイクロレンズを前提とする。そして、濃度分布マスクは、単位レンズを形成するレンズパターン間の部分にスリットパターンが形成され、かつ単位のレンズパターンの四隅のパターンは四隅近傍のパターンに比し大きいパターンで形成され、各単位のレンズの対角方向の端部近傍は中央部と同等の球面曲率で形成される。

図２は、従来のマイクロレンズ形成用濃度分布マスクの一例を平面で模式的に示した部分説明図であって、単位（１個）のレンズを形成する、複数の正方形パターンで構成されたパターン図面である。図３は、図２の部分拡大図であり、辺の長さCの正方形状パターンを、間隔ａのグリッド上に配置している。本例では、濃度分布は、グリッド上に配置された正方形状パターンＺの辺の長さＣをゼロからグリッドの間隔ａの２倍まで変えて互い違いに千鳥状に配置することにより形成される。また、図４は、単位のレンズを形成するためのパターンをアレイ状に配置した濃度分布マスクの例を平面で見た部分説明図である。図４中では４個の単位レンズパターンを配置している。

このような、基板上に感光性材料からなるレンズアレイを形成するために用いる濃度分布マスクは、以下のような従来の工程の例で製造できる。
（１）レンズアレイを製作するために、そのレンズアレイの３次元構造を基に露光時の露光量の全体的な光強度分布を計算し、基板上での各ポイントの感光性材料の除去量をシミュレーションで計算し、除去量に見合った光を透過する遮光膜パターンを設計する。
（２）透明基板上に遮光膜を形成し、さらにその上にマスク用感光性材料層をもつマスクブランクスに電子線またはレーザー光線によって前記の設計された遮光膜パターンに基づいて露光し、現像してマスク用感光性材料パターンを形成する。
（３）形成されたマスク用感光性材料パターンをマスクとして前記遮光膜をドライエッチ
ング又はウエットエッチングし、遮光膜パターンを形成する。
（４）次いで必要に応じ、工程（３）で形成された遮光膜パターンを工程（１）で設計された遮光膜パターンと比較し、両者が一致するように前記形成された遮光膜マスクパターンを修正する。

以上のような従来のマイクロレンズ形成用濃度分布マスクに対し、本願発明にかかる濃度分布マスクは、図５に示すようにレンズパターン間の部分、例えば、隣接するレンズパターン同士の境界線上に両レンズパターンにかかるように、スリットパターンＳが形成されている。なお、パターン露光する感光性材料がポジ型の場合、正方形パターンＺは光透過部とし、スリットパターンＳも光透過部とする。感光性材料がネガ型の場合は、正方形パターンＺは遮光部とし、スリットパターンＳも遮光部とする。図４、図５のマスクを用いて露光した場合の透過率をシミュレーションして模式的に示したのが図７、図８である。図７、図８は、それぞれ図４、図５のマスクを光で照射した場合の透過率を垂直軸で、マスクの平面上の位置を水平軸で表した値の集合図形を、斜視で見た説明図である。ただし、マスクの正方形状パターンおよびスリットパターンが光を透過し、正方形状パターンおよびスリットパターンのない領域は遮光部とした場合を想定している。また、透過率は垂直軸の下方を正方向としている。図４、図５で示したように単位レンズを形成するための各パターンの間にスリットパターンを形成することによって、図７、図８で示すように、単位レンズパターンの中央に比べ、単位レンズパターン端部近傍では透過率の変化を激しくすることができ、急激に透過率が高くなる。このような透過率を有するマスクを用いて製造されたレンズの形状を測定した結果の例を図９、図１０に示す。なお、各単位レンズを形成する正方形状パターンのうち最外周の正方形状パターンはスリットパターンに含まれ、又は、オーバーラップもしくは接していても構わない。

今回、図５のようなマスクを用いてレンズを形成した方法を、例として以下に示す。

受光素子の形成されたシリコンウェハー上に、顔料を分散させたカラーレジスト（着色感光性樹脂）によりフォトリソ法で各受光素子上に各々カラーフィルタを作成する。次いで、マイクロレンズ形成用の感光性レジストをスピンコーターで１０００rpmでコートし、１００℃で３分間プリベークを行う。次いで、作成した図５のような連続型マイクロレンズ用のマスクを用い、２００mＪ／cm²で感光性レジストにパターン露光を行った後、有機アルカリ現像液にて現像を行う。次いで、透過性アップのため、ｉ線により残った感光性レジストにブリーティングを行う。最後にベークする。このようなレンズについて測定した結果が図１０である。また従来のマスクを用いて製造し、測定した結果が図９である。

図９及び図１０で、横軸はレンズの中心（０，０）からの位置を表し、縦軸はレンズを測定した結果の高さを表す。図中の曲線は、対角方向に測定した結果を（ｂ）で、水平方向に測定した結果を（ｃ）で示し、また、参考のために理論上要求される理想的な球面の高さを（ａ）で表す。図９、図１０の測定結果から、本発明のレンズは、従来に比べ、対角方向のレンズ形状が、理想的な球面への追従性が改善されている。

図１１は、このようなレンズを用いた固体撮像素子の集光状態を模式的に示した説明図で、図１１（ａ）が図９のような従来のレンズの集光状態、（ｂ）が図１０のようなレンズの集光状態である。このように、従来の網点マスクレンズでは、照射した光（図のＬ）に対し、画素間やコーナー部が大きくだれる（図のＤ部）ため、集光が悪い。これに対し、本願に係るマスクのように、画素間のスリットを入れたり、パターン上のコーナー部に穴を形成すると、図１１（ｂ）の様にレンズ形状が理想球面に近づくため、中心部への集光性が向上する。

図６は、本発明に係る濃度分布マスクの他の例である。これは、単位のレンズを形成するレンズパターンの四隅に四隅近傍のパターンに比し大きいパターンＺ’が形成された例である。このようなマスクを用いて、上記のようにマイクロレンズを形成した結果、前述した図５のマスクを用いたときと同様に従来に比べ、対角方向のレンズ形状が、理想的な球面への追従性が改善されたレンズが得られる。また図５、図６を合わせたマスク、すなわち、矩形状のレンズのパターン間の部分にスリットパターンＳを、さらにレンズパターンの四隅に四隅近傍のパターンに比し大きいパターンＺ’を、形成したマスクを用いても同様なレンズ形状を得られる。

以上本発明に係る濃度分布マスクの例においては、ポジレジストを用いることを前提とし、正方形状パターン部及びスリットパターンを、光が透過するパターンとした。しかし、レンズアレイを基板上に形成する感光性材料としてネガレジストを利用した場合、感光しないレジストが現像で除去されることから、この場合濃度分布マスクの正方形状パターン部及びスリットパターンを、光が透過しないマスクにすればよい。すなわち、上記例のマスクの白黒を反転したものを形成すればよい。また、濃度分布パターンの形成は大きさの異なった矩形状パターンを互い違いに配置することによったが、特にこれにこだわるものではなく、矩形に代えて多角形や円形などの図形を、種々の配置で形成してよい。また、スリットパターンや、レンズパターンの四隅に形成するバターンの幅は、求められるレンズ端部の曲率に応じ、適宜設定して構わない。

従来のマイクロレンズの焦点距離と受光素子の光電変換部との位置を示した説明図である。 従来のマイクロレンズ形成用濃度分布マスクの一例を平面で模式的に示した部分説明図である。 図２の正方形状パターンの部分拡大図である。 従来の単位のレンズのパターンをアレイ状に配置したマイクロレンズの例を平面で模式的に示した部分説明図である。 本願発明にかかる濃度分布マスクの一例を平面で模式的に示した部分説明図である。 本願発明にかかる濃度分布マスクの他の例を平面で模式的に示した部分説明図である。 図４のマスクを用いて露光した場合の透過率をシミュレーションして模式的に示した説明図である。 図５のマスクを用いて露光した場合の透過率をシミュレーションして模式的に示した説明図である。 図７のような透過率を有するマスクを用いて製造されたレンズの形状を測定した結果の説明図である。 図８のような透過率を有するマスクを用いて製造されたレンズの形状を測定した結果の説明図である。 図９、１０のようなレンズを用いた固体撮像素子の集光状態を模式的に示した説明図である。

符号の説明

１０・・・基板
１２・・・マイクロレンズ
１３・・・光電変換部
１５・・・遮光膜
１６・・・光電変換部
１７・・・従来のレンズ
２７・・・本発明の例のレンズ

Claims (3)

1. 基板上に感光性レジストを塗布し濃度分布マスクを用いて感光性レジストにパターン露光、現像するフォトリソ工程により、平面視略矩形状の単位のレンズをアレイ状に配置して形成されたマイクロレンズにおいて、濃度分布マスクは、隣接する単位レンズを形成するレンズパターンの間にスリットパターンが形成され、各単位レンズの対角方向の端部近傍は中央部と同等の球面曲率であることを特徴とするマイクロレンズ。
2. 基板上に感光性レジストを塗布し濃度分布マスクを用いて感光性レジストにパターン露光、現像するフォトリソ工程により、平面視略矩形状の単位のレンズをアレイ状に配置して形成されたマイクロレンズにおいて、濃度分布マスクは、単位のレンズを形成するレンズパターンの四隅のパターンは四隅近傍のパターンに比し大きいパターンで形成され、各単位のレンズの対角方向の端部近傍は中央部と同等の球面曲率であることを特徴とするマイクロレンズ。
3. 基板上に感光性レジストを塗布し濃度分布マスクを用いて感光性レジストにパターン露光、現像するフォトリソ工程により、平面視略矩形状の単位のレンズをアレイ状に配置して形成されたマイクロレンズにおいて、濃度分布マスクは、単位のレンズを形成するレンズパターン間の部分にスリットパターンが形成され、かつ単位のレンズパターンの四隅のパターンは四隅近傍のパターンに比し大きいパターンで形成され、各単位のレンズの対角方向の端部近傍は中央部と同等の球面曲率であることを特徴とするマイクロレンズ。