JP4439326B2

JP4439326B2 - マイクロレンズの形成方法およびマイクロレンズを備える固体撮像素子及び液晶表示装置

Info

Publication number: JP4439326B2
Application number: JP2004133726A
Authority: JP
Inventors: 利夫深井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2024-04-28
Also published as: JP2005317752A

Description

本発明は、マイクロレンズの形成方およびこのマイクロレンズを備えた固体撮像素子及び液晶表示装置に関する。

固体撮像素子、液晶表示装置に使用されるマイクロレンズは、感光性フォトレジストをマイクロレンズ材料として用い、これを基体上に平板状にして所望の線幅の矩形にフォトリソ加工した後、この矩形パターンを熱リフローによって所定の曲率半径を有するレンズ形状に加工するものが知られている。（特許文献１）

図３は特許文献１に開示されている構成を示し、１は半導体基板、２は光電変換領域、３は光電変換領域２で発生した電荷を転送する転送電極、４は電荷転送部、５は層間絶縁膜、６は遮光膜、７は光電変換領域２と転送電極３との段差を一定値以下に抑えるために光学的に透過率の高い樹脂などで形成された透明平坦化膜、９は入射光を光電変換領域２に効率よく集光するためのマイクロレンズを示す。
特許第２９４５４４０号公報

近年の画素の微細化に伴い光電変換領域２の面積は縮小を続けている。より小さい光電変換領域に対しても十分な集光を得るためには、マイクロレンズ９の高屈折率化が必要不可欠である。また、マイクロレンズ９の高屈折率化にはマイクロレンズ材料に金属酸化物を添加することが有効である。

従来のマイクロレンズ９の加工は、フェノールボラック系やポリスチレン系のポジ型感光性樹脂にマスクを介して、矩形にパターニングし、これを熱リフローによってレンズ形状に加工していた。この場合、例えば酸化チタンのような金属酸化物を含有するリフロー性の弱い高屈折率レジスト材料では、熱による十分な溶融が行われずに所望の曲率半径を有するレンズ形状を得ることができなかった。

このようにマイクロレンズが所望の曲率半径を有するレンズ形状にならない場合、固体撮像素子に入射された光は光電変換領域２に十分に集光されずに感度が劣化するという問題点があった。

本発明は、マイクロレンズの高屈折率化を目的とした金属酸化物含有のマイクロレンズ材料に対しても所望の曲率半径を有するレンズ形状をつくり、微細な画素に対して高い集光率が得られ高感度な固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明のマイクロレンズの形成方法は、基体上に平板状にマイクロレンズ材料層を形成する工程と、前記平板状に形成されたマイクロレンズ材料層をデフォーカスで露光する工程と、現像してパターニングを行う工程とからなることを特徴とする。
また本発明のマイクロレンズの形成方法は、前記パターニング工程の後、さらにリフローする工程を備えることを特徴とする。さらに本発明のマイクロレンズの形成方法は、前記マイクロレンズ材料層が高屈折率レンズ材であることを特徴とする。特に前記高屈折率レンズ材が金属酸化物を含むことを特徴とする。金属酸化物としては酸化チタンが好ましい。
そして本発明のマイクロレンズの形成方法は、前記基体が固体撮像素子であることを特徴とする。また本発明のマイクロレンズの形成方法は、前記基体が液晶表示装置であることを特徴とする。

また本発明の固体撮像素子は、上記の方法で形成されたマイクロレンズを、半導体基板に形成された光電変換領域に焦点を結ぶように備えたことを特徴とする。また本発明の液晶表示装置は、上記の方法で形成されたマイクロレンズを、画素領域に焦点を結ぶように備えたことを特徴とする。

本発明におけるマイクロレンズは、基体上に平板状にマイクロレンズ材料層を形成し、これをデフォーカスで露光し、現像してパターニングを行うので、熱可塑性が比較的悪く高屈折率レンズ材を所望の曲率半径を有するマイクロレンズ状に形成することができ、高い集光率を得ることができる。また必要に応じてリフローすることによりレンズ形状を整形することができる。或いは、マイクロレンズ材料層をデフォーカスで露光する工程と、現像する工程と、リフローする工程とを具備するので、マイクロレンズの曲率半径を、デフォーカスによるマイクロレンズの曲率形成と、熱リフローによる溶融性による曲率形成を合わせて、所望の曲率半径を得ることができる。
また本発明の固体撮像素子は、半導体基板に形成された光電変換領域に焦点を結ぶように高屈折率レンズ材よりなるマイクロレンズを配置したので、より微細な光電変換領域の固体撮像素子であっても高い集光率が得られ、高出力が得られる。液晶表示装置は絵素領域に集光することができ、効率が高くなり、輝度を大きくすることができる。

本発明においてレンズ材料は、従来公知の材料も使用できるが、本発明は熱による十分な溶融が行ないにくい高屈折率レジスト材料に適用した場合に有効である。例えば酸化チタンのような金属酸化物を含有するリフロー性の弱い、ポリイミド系などのポリマーを主成分とする、ポジ型レジスト層を使用することができる。また本発明の場合に、露光時の焦点位置をずらすように設定して露光することにより、光の強度分布は中心部が強く、周辺部が弱くなり、円形あるいは楕円形に形成され、また断面が所望の曲率を有するマイクロレンズに形成される

以下、本発明のマクロレンズは固体撮像素子、液晶表示装置に適用できるが、ここでは特にＣＣＤを例にとり、マイクロレンズの構成を詳細に説明する。図1は本発明のマイクロレンズをＣＣＤに形成した場合の断面図、第２図はＣＣＤの上にマイクロレンズを形成する製造工程図である。図１、２はマイクロレンズ及びＣＣＤが２個と半分だけが示されているが、実際には縦横に多数配列され、アレイ状になっている。図1、２において、１は半導体基板、２は光電変換領域、３は光電変換領域２で発生した電荷を転送する転送電極、4は電荷転送部で、光電変換領域2と転送電極3により形成される電荷転送部４とは半導体基板１上に交互に形成されている。５は層間絶縁膜、６は遮光膜、７は光電変換領域２と転送電荷部３との段差を一定値以下に抑えるために光学的に透過率の高い樹脂などで形成された透明平坦化膜で、使用できる材料としては、例えば、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、アルキッド樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂等の透明高分子樹脂やBPSG（Boron Phosphide Silicate Glass）、PSG（Phosphide Silicate Glass）、SiN（Silicon Nitride）等の無機化合物を挙げることができる。

次に、図1および図２を用いて、固体撮像素子の上にマイクロレンズを形成する製造工程を説明する。まず、従来技術と同様に、半導体基板１の表面に光電変換領域２、電荷転送部４を形成し、半導体基板１上部に転送電極３、層間絶縁膜５、遮光膜６および透明平坦化層７を形成する。

次に、透明平坦化膜層７上に、例えば酸化チタンのような金属酸化物を含有し、紫外線などの照射によるブリーチングで可視光波長領域の光吸収を抑えることのできる感光剤を用い、且つ、熱可塑性を有するポリイミド系などのポリマーを主成分とする、ポジ型レジスト層８をスピンコートなどにより形成する（図２（a））。ポジ型レジスト層８としては、酸化チタン以外、金属酸化物以外、ポリイミド系以外に屈折率を大きくすることができるものを使用することができる。また硬化剤などマイクロレンズを形成するために必要なものを含有していても良い。

その後、各光電変換領域２にそれぞれマイクロレンズの焦点を結ぶようにマスク（図示しない）を用いて、フォトリソグラフィー技術により、露光・現像してポジ型レジスト層８をパターニングする。この時、露光機のオートフォーカス機能を用いて所望のフォーカスオフセット値を設定して、露光時の焦点位置をずらすように設定する。露光時の焦点位置をずらせることにより、光の強度分布がマスクの形状に一致せず、通常はマスクされているポジ型レジスト層８の個所にも光が回りこんで露光されるため、現像後のパターンはマスクの形状と同一ではなく、ポジ型レジスト層８のパターン形状の断面が矩形とならず、円形あるいは楕円形に形成され、またマスクパターンの周辺部分は弱く露光されるので、断面が所望の曲率を有するマイクロレンズに形成される（図２（ｂ））。露光時に焦点位置をずらせる距離は、ポジ型レジスト層８の材質、厚さ、光の波長、強度、露光時間、現像液の種類、現像時間、その他により決められ、露光機のベストフォーカスからのオフセット量を、仕上がりのレンズ形状を見て最適の値に設定される。なお、レジストパターンに紫外線などの（例えば350-450nm）の光を、照射するのは、パターニングされたポジ型レジスト層８に含まれる感光剤などの脱色を行い、透過率を増強するためである。ｉ線の外にＫｒＦ線材料を使用して露光してもよく、露光時の光の強さは３００ｍＪ／ｃｍ２程度である。

次に、パターニングされたポジ型レジスト層８を加熱して熱変形させ、擬半球型のマイクロレンズ９を形成する。（図２（ｃ））この際の加熱温度は、ポリマーの熱溶融の臨界値と熱硬化剤の架橋開始温度、マイクロレンズ９の屈折率の温度依存性などのバランスから最適化が測られるが、例えば300℃に設定される。この加熱工程は必ずしも熱変形させる必要はなく、デフォーカスによりマイクロレンズ形状が得られる場合は、レンズ形状を整形するだけでも良い。あるいは、デフォーカスによるレンズ形成と、加熱による変形を合わせてマイクロレンズの所望の曲率半径が得らるように工程ごとの形状確認をして各工程の配分を決定してもよい。最後に、マイクロレンズ９の上に、必要に応じてアクリル樹脂のような透明層１０を形成する。

半導体基板１の表面に光電変換領域２、電荷転送部４を形成し、半導体基板１上部に転送電極３、層間絶縁膜５、遮光膜６および透明平坦化層７を形成する。この上に、酸化チタン、ブリーチング感光剤、熱硬化剤を含有するポリイミド系ポジ型レジスト層８を形成し、レンズ位置にマスクを合わせて、デフォーカスで露光する。このときの露光波長は３６５ｎｍであり，３００ｍＪ／ｃｍ²の強度であった。その後加熱処理してマイクロレンズを得る。

本発明の一実施例の固体撮像素子の断面図である。マイクロレンズ形成までの固体撮像素子の製造工程図である。従来のマイクロレンズが形成された固体撮像素子の工程断面図である。

符号の説明

１半導体基板
２光電変換領域
３転送電極
４電荷転送部
５層間絶縁膜
６遮光膜
７透明平坦化膜
８ポジ型レジスト層
９マイクロレンズ

Claims

基体上に平板状にマイクロレンズ材料層を形成する工程と、
前記平板状に形成されたマイクロレンズ材料層をデフォーカスで露光する工程と、
現像してパターニングを行う工程とからなり、
前記マイクロレンズ材料層は、金属酸化物を含有する熱可塑性を有するポリマーを主成分とするポジ型レジスト層からなることを特徴とするマイクロレンズの形成方法。
前記パターニング工程の後、さらにリフローする工程
を備えることを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズの形成方法。
前記金属酸化物が酸化チタンであることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロレンズの形成方法。
前記基体が固体撮像素子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロレンズの形成方法。
前記基体が液晶表示装置であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロレンズの形成方法。
請求項１乃至３のいずれかのマイクロレンズの形成方法により形成されたマイクロレンズを、半導体基板に形成された光電変換領域に焦点を結ぶように備えたことを特徴とする固体撮像素子。
請求項１乃至３のいずれかのマイクロレンズの形成方法により形成されたマイクロレンズを、画素領域に焦点を結ぶように備えたことを特徴とする液晶表示装置。