JP2016012122A - フォトマスク、光学素子アレイの製造方法、光学素子アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 所望の形状の光学素子を得る。【解決手段】 第１光学素子と、第１方向に第１光学素子に隣接して配された第２光学素子と、を含む光学素子アレイ用のフォトマスクであって、フォトマスクの光透過率分布は、第１光学素子を形成するための第１領域と、第２光学素子を形成するための第２領域と、第１領域と第２領域との間の第３領域と、を有し、第１領域の端部における第１光透過率と、端部と反対側で、第１領域と第３領域との境界である別の端部における、第１光透過率よりも高い光透過率を有する第２光透過率と、第２領域と第３領域との境界である端部における第３光透過率と、端部と反対側の第２領域の別の端部における、第３光透過率よりも高い光透過率を有する第４光透過率と、を有し、第１方向に沿ったフォトマスクの光透過率分布は、第３領域において、第２光透過率と第３光透過率とを結ぶ線分よりも、高い光透過率を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、フォトマスクの作製に関するものであり、特に、光学素子を形成するためのフォトマスクの作製に関する。

撮像装置用の光学素子として、マイクロレンズが知られている。撮像装置において、光電変換素子が配列する撮像領域では、中心部に比べて周辺部に入射する光の入射角度が大きくなるため、周辺部に位置するマイクロレンズの集光特性が中心部のそれと比べて低下する場合があった。特許文献１には、撮像領域の中心部にある半球状のマイクロレンズに対して、周辺部にはティアドロップ型のマイクロレンズを設けることにより、周辺部におけるマイクロレンズの集光特性の損失を低減する構成が開示されている。

また、特許文献２には、面積階調によるフォトマスクを使用することで任意の形状のマイクロレンズを形成する方法が開示されている。

特開２００７−３３５７２３号公報 特開２００５−２５８３４９号公報

特許文献１に記載のティアドロップ型のような、半球ではない形状のマイクロレンズアレイ（光学素子アレイ）を形成するにあたり、特許文献２に記載の方法を用いることが考えられる。しかし、本発明者らは、特許文献２に記載の方法では、半球ではない形状の光学素子が隣接する部分において、所望の光学素子の形状が得られないことを見出した。

そこで、本発明においては、所望の形状の光学素子が得られるフォトマスク、光学素子アレイの製造方法等を提供することを目的とする。

本発明のフォトマスクは、第１方向と前記第１方向に交差する第２方向を含む第１面に底面が配された第１光学素子と、前記第１面に底面が配され、前記第１方向に沿って前記第１光学素子と隣接して配された第２光学素子と、を含む光学素子アレイ用のフォトマスクであって、前記第１方向に沿った前記フォトマスクの光透過率分布は、前記第１光学素子を形成するための第１領域と、前記第２光学素子を形成するための第２領域と、前記第１領域と前記第２領域との間の第３領域と、を有し、前記第１方向に沿った前記フォトマスクの光透過率分布は、前記第１領域の端部における第１光透過率と、前記端部と反対側で、前記第１領域と前記第３領域との境界である別の端部における、前記第１光透過率よりも高い光透過率を有する第２光透過率と、前記第２領域と前記第３領域との境界である端部における第３光透過率と、前記端部と反対側の前記第２領域の別の端部における、前記第３光透過率よりも高い光透過率を有する第４光透過率と、を有し、前記第１方向に沿った前記フォトマスクの光透過率分布は、前記第３領域において、前記第２光透過率と前記第３光透過率とを結ぶ線分よりも、高い光透過率を有することを特徴とするフォトマスク。

本発明によれば、所望の形状の光学素子が得られるフォトマスク、光学素子アレイの製造方法等を提供することができる。

第１実施形態の光学素子を説明するための平面、および断面模式図である。 第１実施形態のフォトマスクを説明するための平面模式図である。 第１実施形態の光学素子を説明するための平面、および断面模式図である。 第１実施形態を説明するための図である。 第２実施形態の光学素子を説明するための平面、および断面模式図である。 第３実施形態の光学素子を説明するための平面、および断面模式図である。 第４実施形態の光学素子を説明するための平面、および断面模式図である。 第５実施形態の光学素子を説明するための断面模式図である。 第６実施形態の光学素子を説明するための断面模式図である。 第１実施形態の光学素子を用いた光電変換装置の製造方法を説明するための図である。 本願発明に係る光学素子を説明するための図である。

本開示の光学素子アレイ用のフォトマスクについて、複数の実施形態を用いて説明を行う。各実施形態は、適宜変更可能であり、組み合わせ可能である。本開示の光学素子アレイ用のフォトマスクにて形成された光学素子アレイは、光電変換装置や表示装置、それらを用いた撮像システムや表示システムに適用可能である。

以下の説明において、光学素子アレイの中心Ｏを通るＸ軸方向（第１方向）とＹ軸方向（第２方向）とＺ軸方向（第３方向）を基準として用いる。しかし、第１方向は、例えば、Ｘ軸方向から角度θ１（θ１＞０）だけ傾いた方向でもよい。つまり、光学素子が配置された領域（アレイ領域）の中央から外周へ放射する任意の方向を第１方向とし、それに交差する方向を第２方向としてもよい。但し、以下の説明において、第１方向と第２方向を含む面に沿って、光学素子アレイが設けられているものとする。また、以下の説明において、対応する図面は適宜説明を省略する。

（第１実施形態）
第１実施形態として、図１〜図４を用いて、光学素子アレイとして複数のマイクロレンズを１次元に配置した例を用いて説明する。図１は、光学素子アレイ１００に関する形状と分布を示した図面である。図１では、光学素子アレイ１００のうち、３つの光学素子１１と、光学素子１２と、光学素子１３がＹ軸方向に沿って配されている部分を示している。図１（ａ）は、光学素子アレイ１００の正射影像を示した平面模式図である。正射影像は、Ｘ軸とＹ軸を含む面への光学素子アレイ１００の投影した図である。

図１（ｂ１）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ’線における光学素子アレイの設計形状１１０を示す図である。ここで、設計形状とは設計時の理想的な形状を示す。図１（ｂ２）は、図１（ｂ１）の設計に基づくフォトマスクの光透過率分布１２０を示す図である。図１（ｂ３）は、図１（ｂ２）の光透過率分布を有するフォトマスクを用いた時の被露光部材における光強度分布１３０を示す図である。図１（ｂ４）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ’線で示す位置における光学素子アレイの形状１４０を示す図（断面模式図）である。

図１（ｃ１）は、図１（ａ）のＣ−Ｃ’線における光学素子アレイの設計形状１１１０を示す図である。図１（ｃ２）は、図１（ｃ１）の設計に基づくフォトマスクの光透過率分布１１２０を示す図である。図１（ｃ３）は、図１（ｃ２）の光透過率分布を有するフォトマスクを用いた時の露光面における光強度分布１１３０を示す図である。図１（ｃ４）は、図１（ａ）のＣ−Ｃ’線で示す位置における光学素子アレイの形状１１４０を示す図（断面模式図）である。以降の説明において、点は、Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向の位置と、設計形状の高さ、光透過率、光強度、および形状の高さとを示すものである。

ここで、本実施形態のフォトマスクについて説明する。本実施形態のフォトマスクは、連続的な階調変化を持つフォトマスクであればよい。例えば、本実施形態のフォトマスクとして、グレートーンマスク、ハーフトーンマスク、面積階調マスク等を用いることができる。面積階調マスクは、露光装置の解像度以下の遮光膜からなるドットの密度分布、あるいは面積を変化させることで、連続的な階調変化を持つ光照射を可能とするフォトマスクである。また、本実施形態においては、フォトレジストはポジ型の場合を例に説明を行うが、ネガ型であってもよい。

まず、光学素子の形状について、光学素子アレイの２つの光学素子に着目して、説明する。図１（ａ）に示すように、例えば光学素子１１の正射影像は、Ｂ−Ｂ’線を基準に線対称の形状を有する。しかし、例えば光学素子１１の正射影像は、Ｃ−Ｃ’線を含む、Ｙ軸方向に平行な線分においては、線対称とはならない。このような光学素子１１のＢ−Ｂ’線における断面の形状は、図１（ｂ４）の形状１４０になる。図１（ｂ４）は縦軸が高さ（Ｚ軸方向の大きさ）を示している。図１（ｂ４）において、形状１４０は、点１４１から点１４２までの間で高さが高くなる。また、形状１４０は、点１４２から点１４３までの間で、高さが一度高くなった後、低くなる。ここで、点１４１から点１４３は、光学素子１１（第１光学素子）に対応する。そして、形状１４０は、点１４３から点１４４までの間で高さが高くなり、点１４４から点１４５までの間で、高さが一度高くなった後、低くなる。ここで、点１４３から点１４５は、光学素子１２（第２光学素子）に対応する。また、形状１４０は、光学素子１３に対応する部分で、点１４１から点１４３の間と、点１４３から点１４５の間と同様の形状を有する。光学素子１１〜１３は、それぞれが頂点１４８を有する。

図１（ｂ１）には、図１（ｂ４）の設計形状１１０を示している。図１（ｂ１）の縦軸は、図１（ｂ４）と同様に高さである。設計形状１１０は、図１（ｂ４）に示す形状１４０と対応しており、理想的には、一致している。設計形状１１０は、図１（ｂ４）の形状１４０の点１４１〜点１４５と頂点１４８と対応する、点１１１〜１１５と頂点１１８を有する。

図１（ｂ２）は、フォトマスクの透過率分布１２０を示し、その縦軸は透過率を示している。透過率分布１２０は、図１（ｂ１）に示す設計形状１１０を再現するために、使用する感光部材の感度を考慮して取得することができる。ここで、光透過率分布１２０は、図１（ｂ１）に示す設計形状１１０が有する点１１１〜１１７と頂点１１８に対応する、点１２１〜１２７と頂点１２８と有する。ここで、光透過率分布１２０は、点１２１から点１２２まで一定の光透過率を有し、点１２３で点１２１、点１２２よりも低い光透過率を有する。光透過率分布１２０は、点１２３から点１２４の間で、一度、点１２３における光透過率よりも低い光透過率を示した後、点１２４で、点１２３よりも高い光透過率を有する。ここで、点１２１から点１２４は、光学素子１１（第１光学素子）に対応する。光透過率分布１２０は、点１２４から点１２７までの間で、点１２１から点１２４と同様の分布を取る。光透過率分布１２０の点１２４から点１２７の間の部分は光学素子１２に対応する。光透過率分布１２０は、光学素子１３に対応する部分も、点１２１から点１２４の間と、点１２４から点１２７の間と同様の形状を有する。光透過率分布１２０は、各光学素子に対応した部分で、図１（ｂ１）の設計形状１１０の頂点１１８と対応する点１２８を有する。

図１（ｂ２）に示すように、光透過率分布１２０は、光学素子１１を形成するための第１領域１０１と、光学素子１２を形成するための第２領域１０２と、第１領域１０１と第２領域１０２の間の第３領域１０３を有する。第１領域１０１は、第１領域１０１の端部である点１２３から、点１２３とは反対側の第３領域との境界である別の端部である点１２４の間の領域である。第１領域１０１の光透過率分布１２０は、点１２３にて第１光透過率を有し、点１２４にて第１光透過率よりも高い第２光透過率を有する。第１領域１０１の光透過率分布１２０は、第１光透過率から第２光透過率に向かって、光透過率が高くなっている。本実施形態では、光透過率分布１２０は、第１光透過率から頂点１１８に対応する点１２８まで光透過率が低くなった後に、第２光透過率まで高くなるが、第１光透過率から第２光透過率まで一定の比率で高くなってもよい。第２領域１０２は、第３領域１０３との境界の端部である点１２５および点１２６と、端部である点１２５および点１２６とは反対側の別の端部である点１２７の間の領域である。第２領域１０２の光透過率分布１２０は、点１２６にて第３光透過率を有し、点１２７にて第３光透過率よりも高い第４光透過率を有する。第２領域１０２の光透過率分布１２０は、第３光透過率から第４光透過率に向かって光透過率が高くなっている。本実施形態では、光透過率分布１２０は、第３光透過率から頂点１１８に対応する点まで光透過率が低くなった後に、第４光透過率まで高くなるが、第３光透過率から第４光透過率まで一定の比率で高くなってもよい。第３領域１０３は、第１領域１０１との境界の端部である点１２４（第１領域側の端部）と、第２領域１０２との境界の別の端部である点１２５および点１２６（第２領域側の端部）との間である。第３領域１０３は、第１領域１０１に比べてＸ軸方向の長さが短く、第２領域１０２に比べてＸ軸方向の長さが短い。第３領域１０３の光透過率分布１２０は、端部である点１２４と、別の端部である点１２６の光透過率である第２光透過率と第３光透過率とを結ぶ線分１２９を設けた場合に、線分と等しいかそれ以上の高い光透過率を有する。本実施形態では、第３領域１０３において光透過率分布１２０は、例えば、点１２５のように、点１２４における光透過率（第２光透過率）と同じ値を有する。ここで、第１領域１０１や第２領域１０２における光透過率の変化率（比率）に対して、第３領域１０３の光透過率の変化率の絶対値が大きい場合に適用することができる。なお、第３領域１０３の光透過率は、線分以上の値を有して入ればよく、連続的に変化していても、不連続に変化していても、一定でもいずれの場合でもよい。

このような光透過率分布１２０を有するフォトマスクを用いて露光をすることによって、被露光部材において図１（ｂ３）に示す光強度分布１３０が得られる。光強度分布１３０は、点１３１〜１３５と頂点１３８を有する。光強度分布１３０の点１３１〜１３５は、図１（ｂ２）における光透過率分布１２０の点１２１〜１２７と対応している。ここで、光強度分布１３０は、光透過率分布１２０の第１領域１０１と第３領域１０３の境界に対応する部分である点１３３において、最も高い光強度を有している。このようなフォトマスクによって、光学素子１１と光学素子１２との間の形状を制御よく形成することが可能となる。

図３は、図１と対応した図面である。図３（ａ）は図１（ａ）と対応した光学素子アレイ３００の平面模式図である。図３（ａ）では、図１（ａ）の光学素子１１〜１３に対応する光学素子３１〜３３を示している。図３（ｂ１）〜図３（ｂ４）は、図１（ｂ１）〜図１（ｂ４）に対応した図面である。

図３（ｂ１）において、設計形状３１０は、点３１１から点３１２に向かって高さが高くなっている。そして、設計形状３１０は、点３１３に向かって、点３１８を経由して高さが低くなっている。点３１３〜点３１５までもその設計形状３１０は点３１１〜点３１３までと同様の形状を有する。ここで、図３（ｂ２）において、設計形状３１０を形成するためのフォトマスクの光透過率分布３２０は、設計形状３１０と同じ形を有するように設計される。しかし、図３（ｂ４）の形状３４０が、設計時の形状を示す図３（ｂ１）の設計形状３１０と異なっていることが分かる。例えば、図３（ｂ１）の設計形状３１０において、点３１２から点３１３の間の部分は、点３１３から点３１４の間の部分よりもその形状の変化率が小さい。このような変化率の異なる部分が接する領域に対応する領域において、図３（ｂ４）の形状３４０にて再現率が低下してしまう。形状３４０の点３４２から点３４３の間の部分は、設計形状３１０の対応する部分に比べてより小さな傾斜を有するようになり、形状３４０の点３４３から点３４４の間の部分は、設計形状３１０の対応する部分に比べて小さな傾斜を有する。更に、図３（ｂ１）における設計形状３１０は、点３１３から点３１４の高さＨ３１９を有していたが、図３（ｂ４）における形状３４０は、点３４３から点３４４の高さＨ３４９は、高さＨ３１９よりも低くなってしまう。これは、図３（ｂ３）の光強度分布３３０が、図３（ｂ２）の光透過率分布３２０と異なる分布を示していることによる。

この原理について、図４を用いて説明する。図４（ａ）はフォトマスクの設計時の光透過率分布４２０を示しており、図４（ｂ）は図４（ａ）のフォトマスク４５０を用いた時の露光の様子を模式的に示した断面図である。図４（ｃ）は図４（ｂ）の時の被露光部材（感光性部材、例えばフォトレジスト）における光強度分布４３０を示しており、図４（ｄ）は露光後に現像されたフォトレジストの形状４４０を示している。図４（ａ）において、光透過率分布４２０は、点４２３から点４２４までは高い光透過率を有し、点４２５から点４２６までは光透過率が零となっている。図４（ｂ）において、光透過率分布４２０に対応するフォトマスク４５０は、開口部４５１と遮光部４５２を有する。開口部４５１と遮光部４５２の境界は、図４（ａ）の光透過率分布４２０の点４２４（点４２５）に対応した位置となる。ここで、光（矢印）が入射した際には、開口部４５１と遮光部４５２の境界、遮光部４５２の端部において、光が回折を生じてしまう。この回折によって、図４（ｃ）に示す光強度分布４３０において、点４３１と点４３２の間で光強度の低下が生じ、点４３２と点４３３の間の光強度の増加が生じてしまう。このような光強度の変化によって、図４（ｄ）に示すフォトレジストの形状４４０において、点４４１から点４４２の間で形状変化が生じてしまう。回折が生じたとしても、図１（ｂ２）の光透過率分布を有するフォトマスクを用いることで、回折の影響を低減することができ、光学素子１１と光学素子１２との間の形状を制御よく形成することが可能となる。

再び、図１について説明する。図１（ｃ１）〜図１（ｃ４）は、図１（ａ）の線分Ｃ−Ｃ’線における光学素子１２の断面の形状等を示したものである。図１（ｃ１）〜図１（ｃ４）は、図１（ｂ１）〜図１（ｂ４）と同様に形状と分布を示した図であり、図１（ｃ１）〜図１（ｃ４）の縦軸は図１（ｂ１）〜図１（ｂ４）と同様の値を示している。図１（ｃ１）の設計形状１１１０が示すように、光学素子１２は半球状の形状を示している。点１１１１は頂点であり、光学素子１２のＣ−Ｃ’線における断面は、頂点を通る線分１１１２に線対称の形状を有している。線分１１１２は光学素子１２の底面１１１３に垂直である。図１（ｃ２）〜図１（ｃ４）においては、設計形状１１１０を維持した光透過率分布１１２０と、光強度分布１１３０と、形状１１４０が示されている。

図２に、図１に示した光透過率分布に基づく、フォトマスクの設計データ２００を示す。設計データ２００は、平面的な遮光体の配置を示したものであり、図１（ａ）の１つの光学素子１２に対応し、図１（ｂ２）の領域１０３、領域１０２、および図１（ｃ２）に対応する。図２において、１つの領域に対応する部分を複数のセルに区切っている。このセルは、露光に用いる波長の光の解像限界よりも小さい大きさに設定されている。黒色のセルは遮光体が設けられており、白色のセルは遮光体のない開口領域である。この遮光体の面積によって、フォトマスクの光透過率を調整することができる。フォトマスクの設計データにおいて、図１（ｂ２）の領域１０３に対応した領域に遮光体が設けられていない。

このような設計データ２００に基づくフォトマスクによって露光・現像されることで光学素子および光学素子アレイ１００が形成される。光学素子および光学素子アレイ１００は、例えば、図１（ｄ）に示すような、光電変換装置に適用することができる。図１（ｄ）において、光電変換素子２１２を有する半導体基板２０の上に、中間層２１を間にはさんで、光学素子アレイ１００が設けられている。半導体基板２０は、光電変換素子２１２の他にトランジスタ等の素子を有する。中間層２１は、複数の配線層２３と、それらを絶縁する複数の絶縁層２４と、色分離をするカラーフィルタ層２５等を含む。中間層２１は、更に、層内レンズ層や遮光層を含んでもよい。光電変換装置において、撮像領域には、いわゆる画素１５０と呼ばれる同一の回路が繰り返し設けられる領域がある。光学素子アレイ１００の光学素子は、画素１５０と対応して設けられうる。ここで、図１（ｄ）の断面図において、画素１５０の中心１５１と、光学素子の中心１５２とがオフセットし、光学素子の中心は画素１５０の中心よりも光学素子アレイ１００の中心の近くに位置している。図１（ｄ）では、このような光電変換装置において、光１５３が入射する場合を示している。図１（ｂ４）において、点１４３から点１４４に対応する部分に入射する光は、点１４４から点１４５に対応する部分に入射する光よりも大きく屈折し、光電変換素子２２から外れた領域に入射するため、光電変換装置への集光に寄与しない。一方、点１４４から点１４５に対応する部分に入射する光は光電変換素子２２に向かって集光される。つまり、点１４４から点１４５に対応する部分の形状は特に制御良く形成することが望まれており、図２に示すフォトマスク２００によれば、点１４４から点１４５に対応する部分の形状を、設計形状に対して再現性高く形成することが可能となる。

ここで、再度、図３（ｂ４）の形状と比較する。光学素子アレイの形状を示す図３（ｂ４）における点３４３は、光学アレイの設計形状である図３（ｂ１）における点３１３の位置よりも左側にずれている。また、図３（ｂ１）におけるＨ３１９よりも、図３（ｂ４）におけるＨ３４９の方が小さい。すなわち、高さ方向の位置も上方にずれている。これに対し、図１（ｂ４）では点１４３の位置が、図１（ｂ１）の設計形状における点１１３の位置とほぼ一致しており、点１４２から点１４３の領域が設計形状に対してより再現性高く形成されていることがわかる。さらに、図１を用いて実施例について詳しく説明する。本実施形態のフォトマスクによって光学素子アレイを形成する場合、光学素子アレイであるマイクロレンズの材料としては一般的にポジ型のフォトレジストを使用する。

マイクロレンズの形成では、面積階調マスクを用いてレジストを露光するため、レジストのコントラストは、一般的なフォトレジストと比較して低い。図１（ｂ４）において、点１４３から点１４４に対応する部分は集光に寄与しないため、できるだけ切り立った急峻な形状としてその幅を小さくする必要がある。この幅を小さくすることにより、集光に寄与する点１４４から点１４５に対応する部分の形状を、図１（ｂ１）の点１１４から点１１５に対応する形状により近づけることができる。

コントラストの低いマイクロレンズ用フォトレジストを用いた場合でも、この方法を用いることによって、設計形状と同等の良好な形状を形成することが可能となった。この非対称マイクロレンズについて、図１１を用いて説明する。

図１１は、図１（ｂ４）に対応する図であるが、図１１以外で用いた表現と異なる表現で光学素子の説明を行う場合もある。ここで、符号２１００は、第１光学素子が形成されている領域、符号２２００は、第２光学素子が形成されている領域、符号２３００は、第３光学素子が形成されている領域である。これらの光学素子はＸ軸方向（第１方向）に沿って配され、Ｘ軸方向に底面を有する。また、第２光学素子は第１光学素子と隣接して配置されている。また、第３光学素子は、第２光学素子が設けられた側とは反対側において、第１光学素子と隣接して配置されている。

図１１は第１方向に沿った断面図であり、このように形態を把握することを「第１方向に沿った断面視において」と表現することもある。

第１方向に沿った断面視において、第１光学素子は、第１光学素子の表面形状の変化が急峻な第１領域２１１０と、相対的に第１光学素子の表面形状の変化が緩慢な第２領域２１２０を有する。ここで、第１領域２１１０と第２領域２１２０との境界は点１４４である。また、第１光学素子が形成されている領域２１００と第２光学領域が形成されている領域２２００との境界は点１４３である。第１方向について、これらの境界間の距離、すなわち、点１４３から点１４４までの距離をＷとする。距離Ｗは第１光学素子としてのマイクロレンズの表面形状が急峻な領域の幅となる。

また、第１光学素子の頂点１４８から底面までの第１方向に直交する方向（Ｙ軸方向）の距離をＨとする。距離Ｈは第１光学素子としてのマイクロレンズの高さとなる。

さらに、第１光学素子が形成されている領域２１００の第１方向の距離をＰとする。距離Ｐは複数の光学素子が形成されているピッチとなる。

加えて、点１４３と点１４４とを結ぶ直線と底面とがなす角度はθとなる。

ここで、作製されたマイクロレンズの距離Ｗ（マイクロレンズの表面形状が急峻な領域の幅）と距離Ｈ（マイクロレンズの高さ）は、０．３Ｈ＜Ｗ＜０．５Ｈの関係を満たしている。さらに、角度θは２＜ｔａｎ^−１θ＜３．５の関係を満たしている。

一例を挙げると、作製されたマイクロレンズは、角度θが７０°、高さＨが１μｍ、急峻な領域の幅Ｗが０．４μｍであった。

また、斜め入射光に対して効率的に集光させるためには、ピッチＰと距離Ｗとが、Ｗ＜１／３・Ｐの関係を満すようにすればよい。

また、図１（ｂ１）に示す第３領域１０３を適切に設計することで、光学素子と、隣接する別の光学素子との間を狭める、いわゆるギャップレスな構造を得ることが可能となる。この時の領域１０３の幅は、図１（ｂ１）に示す第３領域１０３の寸法は、露光に使用する光の波長の１／１０倍以上１倍以下の間であって、特に、１／２倍以上１倍以下であることが望ましい。

（第２実施形態）
第１実施形態では、１次元に複数の光学素子が配置された光学素子アレイ１００の場合を示したが、本実施形態では、複数の光学素子が２次元に配置されている場合について説明する。図５（ａ）は、図１（ａ）に対応する平面模式図であり、本実施形態では、複数の光学素子１１〜１９が２次元に配置されている。図５（ｂ２）および図５（ｂ４）は、図５（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面の光透過率と形状を示しており、図１（ｂ２）および図１（ｂ４）と等しい。図５（ｃ１）〜図５（ｃ４）は、図５（ａ）のＣ−Ｃ’線における断面の設計形状１５１０、光透過率分布１５２０、光強度分布１５３０、形状１５４０をそれぞれ示している。

図５（ｃ１）に示すように、光学素子１２、１４、１５の設計形状１５１０は、隣接する光学素子と同じ高さで接している。このような場合には、図５（ｃ２）で示す光透過率分布１５２０において、図５（ｂ２）の領域１０３のような部分を設けなくてもよい。図５（ｃ２）では、隣接する光学素子の接点において、光透過率分布１５２０が接点を含み線対象的な形状を示している。一方、図５（ｂ２）に示すように、隣接する光学素子の接点において、光透過率分布１２０が接点を含み線対象でない形状を示す場合には領域１０３を設ける。このような構成によって、設計時における形状に対する再現性の高い光学素子を提供することができる。

（第３実施形態）
本実施形態は、第１実施形態とは、複数の光学素子が２次元に配置されている点と、ある光学素子とＸ軸方向に隣接する別の光学素子の間にギャップを有する点である点が異なる。また、本実施形態は、第２実施形態とは、ある光学素子とＸ軸方向に隣接する別の光学素子の間にギャップを有する点である点が異なる。図６（ａ）〜図６（ｃ４）は、図１（ａ）〜図１（ｃ４）と対応し、図５（ａ）〜図５（ｃ４）と対応している。図６（ａ）は、９個の光学素子６１〜６９を示した平面模式図である。隣接する光学素子同士の間のギャップ６０５は、例えば、光学素子６１と光学素子６２の間に示されたハッチングの部分である。このような構成においても、第１、第２実施形態と同様のフォトマスクの設計を行うことができる。光学素子６１と光学素子６２に着目して光学素子の形状とフォトマスクの光透過率について説明する。

図６（ｂ１）に示す設計形状６１０は、点６１１と点６１２の間は高さが一定であり、点６１２から点６１３にかけて高さが高くなる。そして、設計形状６１０は、点６１３から点６１４にかけて高さが低くなり、点６１４と点６１５の間で、再び、高さが一定となる。設計形状６１０は、点６１５から点６１６の間で高さが高くなり、点６１６から点６１７にかけて高さが低くなり、点６１７から点６１８の間で、再び、高さが一定となる。ここで、点６１１と点６１２の間、点６１４と点６１５の間、および点６１７と点６１８の間はギャップとなる部分である。点６１９は、最も高さが高い部分であり、この断面における頂点である。

図６（ｂ２）に示す光透過率分布６２０は、設計形状６１０に対応し、図１（ｂ２）と同様に、第１領域６０１、第２領域６０２、および第３領域６０３を有する。光透過率分布６２０は、点６２１と点６２２の間は高さが一定であり、点６２２から点６２３に示すように、点６２２において高さが高くなる（光透過率分布６２０の傾きが０）。そして、光透過率分布６２０は、点６２３から点６２４にかけて高さが低くなり、点６２４と点６２５の間で、再び、高さが一定となる。光透過率分布６２０は、点６２５から点６２６に示すように高さが高くなり（光透過率分布６２０の傾きが０）、点６２６から点６２７にかけて高さが低くなり、点６２７から点６２８の間で、再び、高さが一定となる。ここで、点６２１と点６２２の間、点６２４と点６２５の間、および点６２７と点６２８の間はギャップとなる部分である。点６２９は、最も光透過率が低い部分であり、図６（ｂ１）の点６１９に対応する。

ここで、光透過率分布６２０は、点６２３から点６２４の間の第１領域６０１と、点６２６から点６２７の間の第２領域６０２と、点６２４から点６２５で示される第３領域６０３を有する。第１実施形態と同様に、第３領域６０３の光透過率は、点６２４と点６２６との間の線分よりも高い透過率を有する。ここで、本実施形態では、第３領域６０３の幅が、第１実施形態の第３領域１０３の幅よりも広く設計されている。このような光透過率分布を有するフォトマスクを形成することで、図６（ｂ３）に示すような点６３１〜点６３９を有する光強度分布６３０が得られ、図６（ｂ４）に示すような点６４１〜点６４９を有する形状６４０が得られる。このようなフォトマスクによって、図６（ｂ１）の設計形状６１０に対して高い再現性を有する形状６４０を有する光学素子を得ることができる。

図６（ｃ１）〜図６（ｃ４）に示す設計形状１６１０、光透過率分布１６２０、光強度分布１６３０、形状１６４０は、図５（ｃ１）〜図５（ｃ４）と同様の形状、および分布を有するため説明を省略する。本実施形態では、複数の光学素子を２次元に配置しているが、１次元に配置してもよい。

（第４実施形態）
本実施形態は、第１実施形態とは、光学素子の平面形状が異なる。図７（ａ）〜図７（ｃ４）は、図１（ａ）〜図１（ｃ４）と対応している。図７（ａ）は、３個の光学素子７１〜７３示した平面模式図である。本実施形態の光学素子の平面形状において、光学素子７１に着目して説明する。

図７（ａ）に示すように、光学素子７１は、平面的に見て、Ｘ方向に沿って、光学素子アレイの中心に近い点５０１と、中心から点５０１よりも離れて位置する点５０２を有する。光学素子７１は、点５０１と点５０２を結ぶ線分に対して、線対称な形状を有し、点５０１と点５０２を結ぶ線分に、頂点が位置する点５０５を有する。また、Ｙ方向に沿って、光学素子７１は、その外縁に点５０３と点５０４を有する。点５０３と点５０４を結ぶ線分は、光学素子７１においてＹ方向に沿った幅の中で最も広い。ここで、光学素子７１は、点５０２から点５０１と、点５０３から点５０１にかけて曲率を有する平面形状を有する。

このような構成においても、他の実施形態と同様のフォトマスクの設計が可能である。

図７（ａ）のＢ−Ｂ’線とＣ−Ｃ’線での断面形状は、図１（ａ）のＢ−Ｂ’線とＣ−Ｃ’線での断面形状と等しいため、図７（ｂ１）〜図７（ｃ４）は、図１（ｂ１）〜図１（ｃ４）と等しくなる。よって、図７（ｂ１）〜図７（ｃ４）の詳細な説明は省略する。なお、図７（ｂ１）の点１１１、１１３、１１８は、図７（ａ）の点５０１、５０２、５０５と対応する点である。

（第５実施形態）
第５実施形態は、第１〜第４実施形態とは、光学素子がプリズム構造である点が異なる。本実施形態では、プリズム構造を持つ光学素子を１次元に配置した場合について説明する。図８（ａ）は、図１（ｂ１）に示すような光学素子アレイの断面の設計形状６１０を示している。図８（ｂ）は、図１（ｂ２）に示すような光透過率分布８２０を示す。

図８（ａ）に示す設計形状６１０は、３つの光学素子の一断面を示している。以下、２つの光学素子に着目して設計形状６１０について説明を行う。設計形状６１０は、点８１１から点８１２にかけて、直線的に高さが高くなり、点８１２から点８１３にかけて直線的に高さが低くなる。そして、点８１３から点８１４にかけて、再び、直線的に高さが高くなる。そして、設計形状６１０は、点８１４から点８１５にかけて高さが直線的に低くなる。点８１２、８１４は、最も高さが高い部分であり、この断面における頂点である。また、点８１１から点８１２と、点８１３から点８１４の変化率に対して、点８１２から点８１３と、点８１４から点８１５の変化率は小さい。

図８（ｂ）に示す光透過率分布８２０は、設計形状６１０に対応し、図１（ｂ２）と同様に、第１領域８０１、第２領域８０２、および第３領域８０３を有する。光透過率分布８２０は、点８２１と点８２２の間は高さが一定であり、点８２２から点８２３に示すように、点８２２において高さが高くなる。そして、光透過率分布８２０は、点８２３から点８２４にかけて直線的に高さが低くなり、点８２４と点８２５の間で、再び、高さが一定となる。光透過率分布８２０は、点８２５から点８２６に示すように、点８２５において高さが高くなり、点８２６から点８２７にかけて高さが低くなる。点８２３、８０６は、最も光透過率が低い部分となる。ここで、点８０２から点８０３の間と、点８０５から点８０６の間は、点８０３から点８０４の間と、点８０６から点８０７の間よりも変化率が大きい。

ここで、光透過率分布８２０は、点８２３から点８２４の間の第１領域８０１と、点８２６から点８２７の間の第２領域８０２と、点８２４から点８２５で示される第３領域８０３を有する。第１実施形態と同様に、第３領域８０３の光透過率は、点８２４と点８２６とを結ぶ線分よりも高い透過率を有する。このような光透過率分布を有するフォトマスクを形成することで、図８（ａ）に示すような設計形状６１０に対して高い再現性の形状が得られる。

（第６実施形態）
第６実施形態は、第５実施形態の形状に対して、光学素子と、光学素子と隣接する別の光学素子との間にギャップを有する点が異なる。図９（ａ）は、図８（ａ）に対応した光学素子アレイの断面の設計形状９１０を示している。図９（ｂ）は、図８（ｂ）に対応する、光透過率分布９２０を示す。

図９（ａ）に示す設計形状９１０は、図８（ａ）と同様に、３つの光学素子の一断面を示している。以下、２つの光学素子に着目して設計形状９１０について説明を行う。設計形状９１０は、点９１１から点９１２にかけて高さが一定であり、点９１２から点９１３にかけて、直線的に高さが高くなり、点９１３から点８１４にかけて直線的に高さが低くなる。そして、設計形状９１０は、点９１４から点９１５にかけて高さが一定であり、点９１５から点９１６にかけて、直線的に高さが高くなり、点９１６から点８１７にかけて直線的に高さが低くなる。点９１３、９１６は、最も高さが高い部分であり、この断面における頂点である。また、点９１２から点９１３と、点９１５から点９１６の変化率に対して、点９１３から点９１４と、点９１６から点９１７の形状の変化率は小さい。

図９（ｂ）に示す光透過率分布９２０は、設計形状９１０に対応し、図８（ｂ）と同様に、第１領域９０１、第２領域９０２、および第３領域９０３を有する。また、光透過率分布９２０は点９２１〜点９２７にかけて、図８（ｂ）の点８２１〜点８２７と同様の分布を有する。よって、光透過率分布９２０は、他の実施形態と同様に、点９２３から点９２４の間の第１領域９０１と、点９２６から点９２７の間の第２領域９０２と、点９２４から点９２５で示される第３領域９０３を有する。他の実施形態と同様に、第３領域９０３の光透過率は、点９２４と点９２６とを結ぶ線分よりも高い透過率を有する。そして、本実施形態では、光透過率分布９２０は、図８（ｂ）の光透過率分布８２０に比べて、第３領域９０３の幅が広い。このような光透過率分布を有するフォトマスクを形成することで、図９（ａ）に示すような設計形状９１０に対して高い再現性の形状が得られる。

（光電変換装置の形成方法）
第１〜第６実施形態に基づいて形成されるフォトマスクの形成方法と、それを使用した光学素子の製造方法を、図１０を用いて説明する。ここでは、第１実施形態の図１（ｄ）のような光電変換装置において光学素子を製造する方法を例に説明を行う。図１０は、任意の製造工程における光電変換装置の断面を模式的に示した図である。

まず、フォトマスクを、フォトマスク作製システムを用いて作成する。フォトマスク作製システムは、情報処理装置と、描画装置と、検査装置と、欠陥修正装置を備える。情報処理装置は、取得した各種データに基づいてフォトマスクパターンデータを生成する。さらに、情報処理装置は、生成したフォトマスクパターンデータを描画装置に対応した描画データに変換する。描画装置は、情報処理装置で作成された描画データに基づいて、縮小転写方式又は直接描画方式によりフォトマスクを作製する。検査装置は、フォトマスクの欠陥を検査し、ドットパターンが設計通りに形成されたかどうかを調べる。検査方法としては種々の方法があり、特定の検査方法に限定されないが、例えばフォトマスクパターンデータとフォトマスクの光学像の電気信号とを比較して検査を行う方法を用いることができる。欠陥修正装置は、検査装置によって検出された欠陥を修正する。修正方法としては種々の方法があり、特定の限定に限定されないが、例えばレーザビーム法やイオンビーム法を用いることができる。ここで、フォトマスクパターンデータとは、描画装置でフォトマスクパターンを描画するための設計データをいう。また、描画データとは、フォトマスクパターンを描画装置に対応するデータ形式に変換したデータをいう。

まず、情報処理装置において、第１〜第６実施形態に示されるような光学素子の形状を決定し、公知の手法を用いて、光透過率分布データを取得する。ここでは、隣接する２つの光学素子のそれぞれに対応する第１部分と第２部分を有する光透過率分布データを作成する。本実施形態では、作成した光透過率分布データにおいて、第１部分と第２部分の一部の光透過率を、他の実施形態に記載したような光透過率に置き換える処理を行う。例えば、第１部分と第２部分の境界を含む部分と、第１部分の境界側の一部と、第２部分の境界側の一部を含む第３部分の光透過率を置き換える。この時、第１部分の残りの一部が他の実施形態における第１領域に対応し、第２部分の残りの一部が他の実施形態における第２領域に対応し、第３部分が他の実施形態における第３領域に対応する。このような第１〜第３領域を有する光透過率分布のデータに対して、２値化処理を行い、遮光体の配置パターンを決定し、フォトマスクパターンデータを生成する。このフォトマスクパターンデータに基づき、描画データを作成した後、描画装置でクロム等の遮光体を基板に形成することでフォトマスクを形成する。

図１０（ａ）に示す工程では、光電変換素子２２やトランジスタ等の素子が形成された半導体基板２０を準備する。半導体基板２０の上に、中間層２１を形成する。中間層２１は、複数の絶縁層２４や複数の配線層２３を含み、複数の絶縁層２４の上に形成されたカラーフィルタ層２５を含む。これらの製造方法は、一般の半導体技術によって形成可能であるため、説明を省略する。次に、カラーフィルタ層２５の上に、後に光学素子となるフォトレジスト層１０７を形成する。フォトレジスト層１０７は、例えば、ポジ型のフォトレジストであり、スピンコート法によって形成可能である。このフォトレジスト層１０７が、被露光部材となる。

次いで、図１（ｂ２）、および図１（ｃ２）に示す光透過率分布を有するフォトマスクを用意し、フォトマスクを介してフォトレジスト層１０７を露光する。ここでは、図１（ｄ）に示したように、光学素子の中心１５２と画素１５０の中心１５１とがオフセットするように、フォトマスクの位置を調整する。

露光の後に、フォトレジスト層１０７に対して現像処理と、安定化のための熱処理を行うことで、図１０（ｃ）の光学素子アレイ１００が形成される。

なお、半球形状ではない光学素子を形成する場合には、熱処理の際における熱変形は極力抑える必要がある。熱変形を抑制するため、熱処理として、熱変形の発生しない温度範囲で１回目の熱処理を行い、１回目の熱処理の温度よりも高い温度で２回目の熱処理を行うとよい。このような熱処理によって、フォトレジスト材の耐熱性が向上し、熱変形が抑制されうる。このような変形を抑えるための熱処理は、この方法の他にＵＶキュア処理などを用いることができた。

１１〜１３ 光学素子
１０１ 第１領域
１０２ 第２領域
１０３ 第３領域
１１０ 光学素子の設計形状
１２０ 光透過率分布

Claims (12)

1. 第１方向と前記第１方向に交差する第２方向を含む第１面に底面が配された第１光学素子と、前記第１面に底面が配され、前記第１方向に沿って前記第１光学素子と隣接して配された第２光学素子と、を含む光学素子アレイ用のフォトマスクであって、
   前記第１方向に沿った前記フォトマスクの光透過率分布は、前記第１光学素子を形成するための第１領域と、前記第２光学素子を形成するための第２領域と、前記第１領域と前記第２領域との間の第３領域と、を有し、
   前記第１方向に沿った前記フォトマスクの光透過率分布は、前記第１領域の端部における第１光透過率と、前記端部と反対側で、前記第１領域と前記第３領域との境界である別の端部における、前記第１光透過率よりも高い光透過率を有する第２光透過率と、前記第２領域と前記第３領域との境界である端部における第３光透過率と、前記端部と反対側の前記第２領域の別の端部における、前記第３光透過率よりも高い光透過率を有する第４光透過率と、を有し、
   前記第１方向に沿った前記フォトマスクの光透過率分布は、前記第３領域において、前記第２光透過率と前記第３光透過率とを結ぶ線分よりも、高い光透過率を有することを特徴とするフォトマスク。
2. 前記第１方向に沿った前記フォトマスクの光透過率分布は、前記第１方向に沿って前記第３領域にて一定の値を有する部分を含むことを特徴とする請求項１に記載のフォトマスク。
3. 前記第１方向に沿った前記フォトマスクの光透過率分布は、前記第３領域において前記第１領域側の端部から前記第２領域側の端部の間で、前記第３光透過率から前記第４光透過率まで一定の比率で前記光透過率が増加していることを特徴とする請求項１または２に記載のフォトマスクの設計方法。
4. 前記第１方向に沿った前記フォトマスクの光透過率分布は、前記第１領域の端部から前記第１領域の別の端部の間で、前記第１光透過率から前記第２光透過率まで一定の比率で前記光透過率が増加し、前記第２領域の別の端部から前記第２領域の端部の間で、前記第３光透過率から前記第４光透過率まで一定の比率で前記光透過率が増加することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフォトマスク。
5. 前記第１方向において、前記第３領域は、前記第１領域と前記第２領域よりも短いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のフォトマスク。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のフォトマスクを用いて露光することにより、前記光学素子アレイを形成することを特徴とする光学素子アレイの製造方法。
7. 複数の光電変換素子を有する基板を準備する工程と、
   前記基板の上に、感光性部材を形成する工程と、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載のフォトマスクを用いて前記感光性部材を露光することにより、前記基板の上に前記光学素子アレイを形成することを特徴とする光電変換装置の製造方法。
8. 第１方向と前記第１方向に交差する第２方向を含む第１面に底面が配された第１光学素子と、前記第１面に底面が配され、前記第１方向に沿って前記第１光学素子と隣接して配された第２光学素子と、を含む光学素子アレイ用のフォトマスクパターンデータの設計方法であって、
   前記第１の光学素子と前記第２の光学素子の設計形状を取得する工程と、
   前記第１の光学素子と前記第２の光学素子の設計形状から、前記第１の光学素子に対応する第１部分と前記第２の光学素子に対応する第２部分を有する前記フォトマスクのマスクパターンデータの光透過率分布を取得する工程と、
   前記光透過率分布のうち、前記第１部分と前記第２部分との境界と、前記第１部分の前記境界側の一部と、前記第２部分の前記境界側の一部を、第３部分に差し替える工程と、前記第３部分に差し替えた後、前記光透過率分布に基づき、前記マスクパターンデータを形成する工程と、を有し、
   前記第３部分は、前記第１部分との境界における第１光透過率と、前記第２部分との境界における第２光透過率を有し、
   前記第３部分における前記光透過率分布は、前記第１部分との境界における光透過率と、前記第２部分との境界における光透過率を結ぶ線分よりも高い光透過率を有することを特徴とするフォトマスクパターンデータの設計方法。
9. 請求項８に記載のフォトマスクパターンデータの設計方法を用いて、フォトマスクパターンデータを形成する工程と、
   前記フォトマスクパターンデータを用いて、フォトマスクを作成する工程と、を有することを特徴とするフォトマスクの製造方法。
10. 複数の光学素子を有する光学素子アレイであって、
    第１方向に沿って配され、前記第１方向に底面を有する第１光学素子と、
    前記第１方向に沿って配され、前記第１方向に底面を有し、前記第１光学素子と隣接して配置されている第２光学素子と、
    前記第１方向に沿って配され、前記第１方向に底面を有し、前記第２光学素子が配されている位置とは反対側において前記第１光学素子と隣接して配置されている第３光学素子と、を有し
    前記第１光学素子は、前記第１方向に沿った断面視において、
    前記第１光学素子の頂点を含まず、前記第１光学素子の表面形状の変化が急峻な第１領域と、
    前記第１光学素子の頂点を含み、前記第１光学素子の表面形状の変化が緩慢な第２領域と、を備え、
    前記第１領域と前記第２領域との境界と、前記第１光学素子が形成されている領域と前記第２光学素子が形成されている領域との境界との前記第１方向の距離Ｗと、前記第１光学素子の頂点と底面との前記第１方向と直交する方向の距離Ｈは、０．３Ｈ＜Ｗ＜０．５Ｈの関係を満たすことを特徴とする光学素子アレイ。
11. 前記第１領域と第２領域との境界と、前記第１光学素子が形成されている領域と前記第２光学素子が形成されている領域との境界とを結ぶ直線と、前記底面とのなす角度θは２＜ｔａｎ^−１θ＜３．５の関係を有することを特徴とする請求項１０に記載の光学素子アレイ。
12. 前記複数の光学素子が形成されているピッチＰと前記距離Ｗとが、Ｗ＜１／３・Ｐの関係を満たすことを特徴とする請求項１０に記載の光学素子アレイ。

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