JP2007127981A - マイクロレンズアレイおよびその形成方法、固体撮像素子、液晶表示装置、電子情報機器 - Google Patents

Abstract

【課題】必要とする光学仕様・デバイス仕様に対して汎用性の高く、更なる感度向上を図る。
【解決手段】マイクロレンズ１３Ａおよびそのマイクロレンズ下地膜（平坦化膜１２）によって構成される表面に対して、選択的にマイクロレンズ１３Ａの表面にのみ樹脂オーバーコートによる樹脂反応層１４Ａの形成が可能となるため、実効的に樹脂反応層１４Ａの膜厚の２倍分のマイクロレンズエッジギャップの縮小ができる。結果的に、マイクロレンズ１３Ａの半球状周縁部での光をも有効に用いることができるため、マイクロレンズ１３Ａで集光に寄与する光の利用効率が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、集光用の複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイおよびその形成方法、このマイクロレンズアレイを用いた固体撮像素子、このマイクロレンズアレイを用いた液晶表示装置、この固体撮像素子を撮像部に用いるかまたは／およびこの液晶表示装置を用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。

近年、この種のマイクロレンズアレイを用いた固体撮像素子や一部の液晶表示装置では、その応用商品であるデジタルスチルカメラやカメラ付携帯電話装置のカメラ・ディスプレイにおいて、高機能でかつコンパクト化が進んでいる。その中で部品である各種デバイスに対してさらなる微細化が必須のミッションである。

この各種デバイスの微細化に際して、下地の白黒デバイスは元より、各種デバイスの感度向上のモジュールである上部のオンチップマイクロレンズアレイの加工についても、加工最小寸法はほぼ画素サイズと同一であるが、現状で２μｍ角を量産ベースに乗せている。材料自体による解像性は無論であるが、そのマイクロレンズの形成方法の主流であるメルトリフロー法によると、デバイスのチップ内、ウエハ内でのマイクロレンズエッジ間隔(ギャップ)の制御が、パターンの微細化に伴い極めて困難になってきている。

このマイクロレンズエッジ間隔(ギャップ)は、その面積比(対画素セル面積)がそのまま、被写体光のデバイス表面への入射時にロスする光量に比例するパラメータであり、画像入力デバイスの感度に絶対的な影響を与える。このような状況下で、画像入力デバイスとして要求されることは、間隔を極限まで縮小し（ギャップレス）、マイクロレンズの周囲エッジ部を連結させてしまうことが必要となる。

従来のマイクロレンズアレイの形成方法では、専用のポジレジストによる適切な形状へのパターニングの後、熱によるリフローにて丸み(曲率)を帯びたレンズ形状に変形させかつこれと同時に架橋による硬化処理を施している。

この従来のマイクロレンズアレイの形成技術では、製造プロセスの許容度を確保するために、メルトリフロー後のマイクロレンズエッジギャップ(間隔)がゼロという設計にはできない。その理由は、材料の性質上、リフロー時にオーバーラップが生じて隣接マイクロレンズ同士が互いにくっついてしまい、画素部に欠陥が生じるからである。

上記のような画素部の欠陥は、画像に致命的な影響を与える。つまり、高輝度時に点状またはシミ状の黒傷となって現れるなどの画像欠陥になる。このため、特別な施策を付加することなしに、画像入力デバイスの感度向上のためのギャップレスを生産側に導入することができない状況にある。

上記問題の解決策として、マイクロレンズエッジギャップを縮小する方法として、例えば特許文献１に開示されているものがある。これについて、図５を参照して詳細に説明する。

図５は、特許文献１に開示されている従来の固体撮像素子の単位画素セルを示す縦断面図である。

図５において、従来の固体撮像素子は、画素毎に、半導体基板１上に受光部２と電荷転送部３が並んで設けられている。この電荷転送部３上には、ゲート絶縁膜４を介して電荷転送電極５が設けられ、この電荷転送電極５上には絶縁膜６を介して、受光部２上を開口した遮光膜７が設けられている。これらのゲート絶縁膜４および遮光膜７上には、透明層間膜８、透明保護膜９および透明平坦化層１０をこの順に介してカラーフィルタ１１が形成されている。さらに、カラーフィルタ１１上には透明な平坦化層１２が形成され、この平坦化層１２上にマイクロレンズ１３が形成されている。ここでは、マイクロレンズ１３の形成後に生じたギャップを縮小させるために、マイクロレンズ１３上に、ＳｉＯ_２などの透明無機膜からなる合成樹脂部１４を堆積させることにより見かけ上のマイクロレンズエッジギャップを縮小させるという方法がある。

しかしながら、マイクロレンズエッジギャップ（マイクロレンズエッジ間隔）近傍のレンズ勾配が垂直に近い場合は、堆積させる膜厚に対する縮小率は高い(垂直の場合はほぼ膜厚の２倍の縮小量)が、レンズ勾配をθ、dを堆積膜厚とした場合の縮小量の近似値は２d(1-cosθ)/sinθで表されるように４５度では０．８３倍に減少する(図６参照)。この原因は、例えば化学的気相成長法の場合、堆積は表面に対して均一に進行するために、マイクロレンズエッジギャップ領域でも膜成長が進行するためである。

微細化が進む中で、必ずしも勾配が大きいレンズの適用が前提とはならない。現状では下地構造に併せてケースバイケースでその勾配(曲率)に対してバリエーションが発生する。微細化の流れの中で、この特許文献１では多様な要求に応えられない。

さらに、表面にオーバーコートされる膜が無機膜であると、概してオーバーコート後の電極パッド金属表面露出のための最終工程(エッチング)が無機オーバーコート膜／有機膜／パッシベーション膜(主として窒化珪素)の３層構造のエッチングとなる。このような異種膜構成多層エッチングはエッチング装置仕様、ガス種、レジスト膜、剥離条件に負荷が掛かり、プロセスが複雑かつコスト高になる可能性が高い。

一方、特許文献２では、マイクロレンズエッジギャップを縮小するために、透明有機膜をスピンオン工程によって極薄膜塗布で実現するという技術である。この特許文献２では、図７に示すように、マイクロレンズエッジギャップ近傍のマイクロレンズプロファイルが急峻なくさび形に確立できず、合成樹脂部１４の溝部分Ｖの表面が緩やかな凹状の曲面になっている。急峻なくさび型であれば、入射光が効果的に屈折でき、小さな受光部２の開口に入射光を効率よく集光できるが、この緩やかな凹状の曲面は急峻なくさび型とはなっておらず、ここでは屈折させる力が弱く、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズの半球面周縁部（凸状のドーム状部）に入射する光を効果的に集光させることが難しい。

特許文献３では、マイクロレンズ上に、プラズマＣＶＤ法によってＳｉＯ_２膜を反射防止膜として形成する方法が提案されている。これによって、マイクロレンズギャップを縮小させることができる。

特許文献４には、平坦化膜上のマイクロレンズ上に、アクリル系樹脂溶液をスピナーで回転塗布して、充填率改善層を形成することにより、マイクロレンズギャップを縮小させることができる。
特開平１０−２０６６０５号 特開平１１−３１７５１１号 特開平４−２２６０７３号公報 特開２０００−３０４９０６号公報

しかしながら、上記各従来の技術では、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズ上の合成樹脂部１４の周囲エッジ部が互いにつながっており、各マイクロレンズの半球面周縁部に入射する光を効果的に集光させることが難しい。

また、上記各従来の技術では、デバイスの性能向上や特性変更に関わるプロセス変更に対して対応力が低く、感度向上のための汎用性のあるプロセス提供にはなっていない。また、エッチング工程への負荷が大きく、コスト高への要因になっている。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、必要とする光学仕様・デバイス仕様に対して汎用性の高く、サイズの微細化と共に更なる感度向上を図ることができるマイクロレンズアレイおよびその形成方法、このマイクロレンズアレイを用いた固体撮像素子、このマイクロレンズアレイを用いた液晶表示装置、この固体撮像素子および液晶表示装置の少なくともいずれかを用いた電子情報機器を提供することを目的とする。

本発明のマイクロレンズアレイは、周囲に間隔を空けて樹脂により形成された複数のマイクロレンズの樹脂表面上にオーバーコートされた樹脂材料と該マイクロレンズの樹脂表面との間で形成された樹脂反応層が、該複数のマイクロレンズ上に設けられているものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明のマイクロレンズアレイにおける樹脂反応層は、前記マイクロレンズ上と、該マイクロレンズ間のマイクロレンズ下地膜上とのうち、該マイクロレンズ上に設けられ、該マイクロレンズ上の該樹脂反応層間のエッジ間隔が、該マイクロレンズ間のエッジ間隔よりも縮小されている。

さらに、好ましくは、本発明のマイクロレンズアレイにおいて、前記複数のマイクロレンズの下地膜としてまたは、該下地膜の表面上に、無機膜、フッ素系の化合物膜およびフッ素を含有する膜の少なくともいずれかが形成されている。

さらに、好ましくは、本発明のマイクロレンズアレイにおいて、前記オーバーコートされた樹脂材料が透明有機ポリマーである。

さらに、好ましくは、本発明のマイクロレンズアレイにおいて、前記オーバーコートされた樹脂材料が前記マイクロレンズの材料と同一種の材料かまたは、ポジレジストのホール径縮小用材料である。

本発明のマイクロレンズアレイの形成方法は、マイクロレンズ下地膜上に、周囲に間隔を空けて樹脂により複数のマイクロレンズを形成するマイクロレンズ形成ステップと、該複数のマイクロレンズの樹脂表面と、その上にオーバーコートする樹脂材料とにより樹脂反応層を形成する樹脂反応層形成ステップとを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明のマイクロレンズアレイの形成方法における樹脂反応層形成ステップは、前記複数のマイクロレンズ上の隣り合う樹脂反応層間のエッジ間隔が、隣り合うマイクロレンズ間のエッジ間隔よりも該樹脂反応層の２倍の膜厚分だけ縮小するように該樹脂反応層を形成する。

さらに、好ましくは、本発明のマイクロレンズアレイの形成方法におけるマイクロレンズ形成ステップの前に、前記マイクロレンズの下地膜としてまたは、該下地膜の表面上に、ＳｉＯ_２などの無機膜、フッ素系の化合物膜およびフッ素を含有する膜の少なくともいずれかを形成するステップをさらに有する。

さらに、好ましくは、本発明のマイクロレンズアレイの形成方法において、前記マイクロレンズの下地膜の前記樹脂反応層との反応性を抑えるように架橋密度を高める処理を行う。

さらに、好ましくは、本発明のマイクロレンズアレイの形成方法における樹脂反応層形成ステップは、前記マイクロレンズ上に前記オーバーコートする樹脂材料として透明有機ポリマーを塗布する工程と、該マイクロレンズとの樹脂反応層を残して該オーバーコート層を剥離するオーバーコート層剥離工程とを有する。

さらに、好ましくは、本発明のマイクロレンズアレイの形成方法におけるオーバーコートする樹脂材料は、前記マイクロレンズの材料と同一種の材料かまたは、ポジレジストのホール径縮小用材料を用いる。

さらに、好ましくは、本発明のマイクロレンズアレイの形成方法におけるオーバーコート層剥離工程は、前記オーバーコートする樹脂材料が前記マイクロレンズ材料と同一種の材料の場合に、剥離現像液としてＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロキシ）水溶液を用いる。

本発明の固定撮像素子は、本発明の上記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズをそれぞれ各受光部にそれぞれ対向させて配置し、該各マイクロレンズにより被写体光を該各受光部にそれぞれ集光して被写体光を撮像するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の液晶表示装置は、本発明の上記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズをそれぞれ各液晶領域にそれぞれ対向させて配置し、該各液晶領域からの光をそれぞれ該各マイクロレンズをそれぞれ通して所定位置に集光させて表示するようにしたものであり、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子と、本発明の上記液晶表示装置とのうち少なくともいずれかを用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。

上記構成により、以下、その作用について説明する。

本発明のマイクロレンズアレイは、半導体などの受光部（受光素子）上および液晶層領域などの表示素子中に直接または透明な層間膜（下地膜）を介して形成する。このマイクロレンズアレイは、基板上に形成され、各画素上部に精度良く形成することが可能となる。また、本発明のマイクロレンズアレイは、例えば感光性を有するレジスト材料を塗布し、例えば各画素部上にフォトリソグラフィーにて平面視矩形状のパターンを形成し、レジスト材料を熱溶融させることによりリフローさせて各画素部上に、表面が上に凸の半球面状(またはドーム型)に形状変化する。さらに、このレジスト中に含まれる熱架橋因子によりリフローと同時に半球面状(またはドーム型)のまま硬化させ樹脂パターン群として形成する。

また、本発明のマイクロレンズアレイは、その形成の過程(上記リフロー後)で、樹脂マイクロレンズ群（マイクロレンズアレイ）上にオーバーコート材料の透明有機系ポリマーを塗布し、場合によっては熱処理を施し、その後、所望の剥離用溶液(有機溶剤、現像液または純水など)により、マイクロレンズとの樹脂反応層を残してオーバーコート層を剥離する。

このようにして、本発明のマイクロレンズアレイは、上記処理により樹脂マイクロレンズ群表面上に選択的に反応層を残留させ、実効的なマイクロレンズの間隔(マイクロレンズエッジギャップ)を効果的にほぼ残留反応層の２倍の膜厚寸法分だけ縮小することが可能となる。

さらに、本発明のマイクロレンズアレイは、マイクロレンズ上にオーバーコートする樹脂材料として、適用するギャップ縮小用の透明有機ポリマーとの反応性が低く反応層形成に関して選択性が確保できる膜を選択するかまたは、場合によってマイクロレンズ下地膜としての既存の平坦化膜上に別途膜を薄膜形成することにより積極的に選択性を向上させるようにすることも可能である。

以上により、本発明によれば、樹脂反応層は、マイクロレンズ上に形成され、マイクロレンズエッジギャップのマイクロレンズ下地膜上には形成されておらず、マイクロレンズ上の樹脂反応層間ギャップとして、隣り合うマイクロレンズ間のギャップを縮小または間隔０にすることができて、各画素部である各受光部に入射する光の無効分を減少させることができ、飛躍的に光の利用効率を向上させることができる。

また、標準的には、従来のマイクロレンズ形成工程に塗布および剥離工程を追加するだけで、上記理想的なマイクロレンズ形状を確立することができて、コスト増を抑えることができる。

さらに、前述したが、マイクロレンズ表面にオーバーコートされる膜が従来のように無機膜であると、概してオーバーコート後の電極パッド金属表面露出のための最終工程(エッチング)が無機オーバーコート膜／有機膜／パッシベーション膜(主として窒化珪素)の３層構造のエッチングとなる。このような異種膜構成多層エッチングはエッチング装置仕様、ガス種、レジスト膜、剥離条件に負荷が掛かり、プロセスが複雑かつコスト高になる可能性が高い。これに対して、本発明のように、マイクロレンズ表面にオーバーコートされる膜が樹脂反応膜であれば、従来の固体撮像素子にて必要な電極パッド金属の露出工程(ドライエッチング)において、無機／有機／無機のような多種多層構造を回避できるため、工程条件がより容易に設定することができて、必要とする光学仕様・デバイス仕様に対して汎用性の高いものとなる。

以下に、本発明のマイクロレンズアレイおよびその製造方法の実施形態を固体撮像素子に適用した場合について、図面を参照しながら説明する。

本発明では、マイクロレンズとオーバーコート層との反応(インターミキシング)が起きやすいお互いの特性のマッチングが取れた状態、例えばマイクロレンズの表面架橋密度が低い状況もしくは酸等の反応に関与する触媒が存在し、かつギャップ領域を形成する下地の材料がオーバーコート材料との反応が無い状態が最も望ましい。

図１は、本発明の実施形態の固体撮像素子における単位画素セルを示す縦断面図である。

図１において、本実施形態の固体撮像素子２０は、半導体基板１上の所定の撮像領域に複数の画素部が２次元状に配列されており、画素部（単位画素セル）毎に、半導体基板１上に受光部２と電荷転送部３が並んで設けられている。この受光部２と電荷転送部３とは半導体基板１上に交互に形成されている。この電荷転送部３上に、ゲート絶縁膜４を介して電荷転送電極５が設けられ、この電荷転送電極５上に絶縁膜６を介して、受光部２上を開口した遮光膜７が設けられている。これらのゲート絶縁膜４および遮光膜７上には、透明層間膜８、透明保護膜９および透明平坦化層１０がこの順に介してカラーフィルタ１１が形成されている。さらに、カラーフィルタ１１上には透明な平坦化層１２が形成され、この平坦化層１２上にマイクロレンズ１３Ａが互いに接近して形成されている。ここでは、マイクロレンズ１３Ａの形成後に生じたマイクロレンズエッジギャップをさらに縮小または間隔０にするために、マイクロレンズ１３Ａ上に樹脂反応層１４Ａを形成している。これによって、見かけ上の隣接マイクロレンズ間の周囲ギャップ（マイクロレンズエッジギャップ）を更に縮小または間隔０にしている。

透明層間膜８は、ゲート絶縁膜４および遮光膜７上に設けられ、受光部２と電荷転送電極３との段差を一定値以下に押さえるために、光学的に透過率の高いガラス質などで構成された第１透明平坦化膜で、使用可能材料としては、例えばＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ−ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ−ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）やＰＳＧ（ｐｈｏｓｐｈｏ−ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ）などの無機化合物を用いることができる。

透明保護膜９は、透明層間膜８上に設けられ、デバイスの耐湿性を確保するための表面保護層であり、窒化珪素などで形成されている。

透明平坦化層１０は、透明保護膜９上に設けられ、カラーフィルタ１１の形成前の第２透明平坦化膜であり、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、エキポシ樹脂、アルキッド樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂およびガラスレジンなどの高分子膜をスピンオン技術などにより形成している。

カラーフィルタ１１は、例えば三原色の赤、緑および青色の第１カラーフィルタ形成のための着色レジスト塗布層である。本実施形態では着色レジストとして一般的なネガ型のｉ線着色レジストを使用している。

平坦化層１２は、マイクロレンズ下地膜であって第３透明平坦化膜であり、カラーフィルタ１１の形成で発生した段差を抑制するための層である。従来では、透明アクリルモノマーをスピンオンにて塗布し、熱架橋により硬化させて層形成する。マイクロレンズ１３Ａ上への樹脂反応層１４Ａの選択的形成のために、このマイクロレンズ下地膜として第３透明平坦化膜（平坦化層１２）の種類または表面の状態の詳細については図４を参照して更に後述する。

マイクロレンズ１３Ａは、複数レンズによるマイクロレンズアレイであり、各マイクロレンズ１３Ａは受光部２毎に対向配置されており、各マイクロレンズ１３Ａによって各受光部２に入射光を集光する。詳細には図２を参照して更に後述する。

樹脂反応層１４Ａは、樹脂により形成された複数のマイクロレンズ１３Ａのレンズ樹脂表面上にコートされた樹脂材料とこのレンズ樹脂表面とにより反応層として形成される。この樹脂反応層１４Ａは、マイクロレンズ１３Ａ上に形成され、マイクロレンズエッジギャップのマイクロレンズ下地膜（平坦化層１２）上には形成されず、マイクロレンズ１３Ａ上の樹脂反応層１４Ａ間のギャップ（間隔）として、隣り合うマイクロレンズ１３Ａ間のギャップを縮小または間隔０にしている。詳細には図３および図４を参照して更に後述する。

ここで、上記構成の固体撮像素子２０の製造方法のうち、マイクロレンズ形成工程および樹脂反応層１４Ａの形成工程について説明する。

まず、マイクロレンズ形成工程について、図２を参照して説明する。

図２は、図１の固体撮像素子を製造方法において、選択的なマイクロレンズ形成工程を説明するための単位画素セルの縦断面図である。

図２に示すように、マイクロレンズ１３Ａは、樹脂マイクロレンズアレイであり、ポジ型レジスト(ノボラック系または透明度耐熱性が高いポリヒドロキシスチレン系)でかつレジンの溶融点が摂氏約１３０度前後に設定されている材料を使用してフォトリソグラフィーによりパターニング(例えば画素部受光部開口直上に矩形型として)する。材料としては例えば市販されている東京応化工業(株)製のＴＭＲ−Ｐ３などがある。続く露光ブリーチ(ＵＶ光)によりＰＡＣ（感光剤：標準的にはナフトキノンジアジド）の特にg線近傍での光吸収を消滅させる。さらに、パターンを熱処理(１３０℃以上)することにより溶融させ平面視矩形形状をドーム形状化する。その際に、熱溶融と熱架橋のバランスの観点で設計されている、材料内添の熱架橋材の作用により溶融と同時に樹脂の硬化が開始して完了する。これにより、樹脂マイクロレンズ１３Ａ（マイクロレンズアレイ）の形状形成が完了する。

この時点でのマイクロレンズ１３Ａの各マイクロレンズエッジギャップ（各マイクロレンズ間のエッジ間隔）は、一般的には材料、形成条件、画素セルサイズ、レジストパターンの膜厚およびアスペクト比に大きく影響を受け変化する。例えば、３μｍの画素セルサイズのプロセスでは熱リフロー後に０．１０μｍ〜０．２０μｍになる。

本発明では、従来技術の改善を行い、以降の手順によりマイクロレンズエッジギャップのギャップ幅を更に縮小または間隔０にすることができる。なお、前述したが、隣接マイクロレンズ同士が互いにオーバーラップしてくっついてしまうと、その対応画素部に欠陥が生じるので、隣り合う各マイクロレンズにある程度のエッジギャップを持たしている。

次に、樹脂反応層１４Ａの形成工程について、図３を参照して説明する。

図３は、図１の固体撮像素子を製造方法において、マイクロレンズ表面に樹脂反応層を選択的に形成するための第１ステップを示す単位画素セルの縦断面図である。

図３に示すように、樹脂反応層１４Ａの形成のためにマイクロレンズ１３Ａ上に例えばスピンオンにてオーバーコート層として、透明有機ポリマー１４ａを塗布する。材料の候補としてはマイクロレンズ材料との反応性が高く、かつ高透明性および耐熱性に優れていることが必要である。望ましい例として、マイクロレンズ材料と同一種の材料による塗布がある。オーバーコート材料がマイクロレンズ材と同一の場合、使用している用材は主ポリマーに対して極めて溶解性が高く、硬化したマイクロレンズ１３Ａの表面層近傍に浸透して反応層形成の土台を作る。樹脂反応層１４Ａの形成は物理的、化学的、電気的なあらゆる要素にて発生するが、例えば架橋密度が低い場合または、架橋材の量が相対的に標準より少ない場合に、最も高い効果として現れる(表面反応層の膜厚として１００ｎｍ)。また、反応層の形成膜厚はオーバーコート層の剥離前に熱処理を施すことによっても増加する。先の同一種の材料同士の場合、未加温と加温(約１１０度)では形成膜厚に約３０％の差が生じる。

このオーバーコート材料の剥離には材料に応じて現像液、有機溶剤などを使い分ける。剥離性の高い有機溶剤(シンナーなど)は出来上がった樹脂反応層１４Ａを再溶解する場合があるので、種類の選択と条件(時間、温度)設定が重要である。先例の同一材料の場合は、材料がレジストであるため現像液(ＴＭＡＨ水溶液)が最も適当である。ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロキシ；テトラメチルアンモニウムハイドロエキサイト）水溶液の濃度調整などにより最大１００ｎｍの成膜が可能である。

この剥離液により樹脂反応層１４Ａ以外を除去した後で、反応層の固定化処理として、熱処理を再度実施する。固定化処理では先の樹脂反応層１４Ａの形成時の処理温度よりも高い温度にて行う(例えば摂氏１３０〜１７０度)。

図４は、図１の固体撮像素子を製造方法において、オーバーコート材料の剥離後の最終熱処理を完了した単位画素セルの縦断面図である。

前述したが、図４に示すように、樹脂反応層１４Ａはマイクロレンズ１３Ａの表面に選択的に形成されることがギャップ縮小のための必須条件である。そのためには上述してきた樹脂反応層１４Ａの形成がマイクロレンズ１３Ａの表面にて起こり、マイクロレンズエッジギャップとして表面に露出しているマイクロレンズ下地膜(第３透明平坦化膜；平坦化膜１２)では起こりにくいことが重要である。マイクロレンズギャップ（第３透明平坦化膜上）において、樹脂反応層１４Ａが、隣接マイクロレンズ１３Ａ上の間で繋がっていない。つまり、樹脂反応層１４Ａは、マイクロレンズ１３Ａ上に形成されており、マイクロレンズエッジギャップのマイクロレンズ下地膜（平坦化層１２）上には形成されていない。これを満たすための手段としては、第３透明平坦化膜の膜架橋密度を極めて高く設計することが必要である。また、膜の強度確保あるいは応力緩和の必要性からそれが困難な場合は、第３透明平坦化膜として表面の反応性が極めて低いフッ素系の化合物の選択、またはフッ素を含有する構造にすることによりこの目的は達成される。さらには、有機物との反応性を排除するために第３透明平坦化膜の形成直後に、化学気相成長法などにより酸化ケイ素の極薄膜形成処理(膜厚５０〜１００ｎｍ)を施すことによっても同等以上の選択性が確保される。

樹脂反応層１４Ａの形成用のオーバーコート材料の他の候補として、ポジレジストのホール径縮小用材料して市販されているリラックス（商標登録：ＡＺエレクトロニックマテリアルズ（株））がある。これを用いる理由として、この材料はスピンオンプロセスへの直接応用が効き、かつ適当な触媒存在下で主ポリマーが架橋を進める機構となっている。架橋による樹脂反応層１４Ａが表面に均一に形成され、上部の未反応層がその後の水洗処理により除去されることから、上述してきたマイクロレンズ上への選択的な樹脂反応層１４Ａの薄膜形成が可能となる。その一例として、触媒の標準的候補として酸が挙げられるが、前述したマイクロレンズ材料でのオーバーコート層の剥離後においてＰＡＣであるＮＱＤをＵＶ照射によってインデンカルボン酸に光変化させれば、マイクロレンズ１３Ａの表面側に選択的に豊富な酸を存在させることができる。

上記実施形態により、樹脂反応層１４Ａをマイクロレンズ１３Ａ上に選択的に形成すれば、マイクロレンズ１３Ａ間のギャップはその樹脂反応層１４Ａの形成分(膜厚)の２倍近くの縮小が可能である。つまり、マイクロレンズギャップ部分では両側のマイクロレンズ１３Ａの各表面からの樹脂反応層１４Ａの膜厚分だけ縮小することができる。

このように、本発明のマイクロレンズアレイの形成方法によれば、従来困難であったマイクロレンズ１３Ａの間隔(ギャップ)の縮小を、精度良くすることができる。即ち、マイクロレンズ１３Ａおよびそのマイクロレンズ下地膜（平坦化膜１２）によって構成される表面に対して、選択的にマイクロレンズ１３Ａの表面にのみ樹脂オーバーコートによる樹脂反応層１４Ａの形成が可能となるため、実効的に樹脂反応層１４Ａの膜厚の２倍分のマイクロレンズエッジギャップの縮小ができる。結果的に、マイクロレンズ１３Ａの半球状周縁部での光をも有効に用いることができるため、マイクロレンズ１３Ａで集光に寄与する光の利用効率が向上する。このため、入力画像デバイスの感度や、輝度を向上させることができる。

マイクロレンズエッジギャップの縮小について更に説明すると、従来では、マイクロレンズアレイ上での縮小効率がマイクロレンズ形成膜厚に対して１：１（片側）よりも極めて低い（ギャップ近傍でのマイクロレンズ立ち上がり角度θに依存し、そのレンズ勾配をθ、dを堆積膜厚とした場合の縮小量（その縮小寸法）の近似値は２d(1-cosθ)/sinθで表される）。これに対して、本発明では、縮小効率（縮小度）はマイクロレンズ形成膜厚に対して１：１（片側）に極めて近い。このような効果を生む要因は、マイクロレンズ表面上の樹脂反応層１４Ａの形成がギャップ領域下地膜（平坦化膜１２）と高選択比であるという点である。

即ち、下地膜（平坦化膜１２）の架橋密度を高めて表面反応性を抑えるかまたは、下地膜（平坦化膜１２）の表面に例えばＳｉＯ_２膜などの無機膜を形成することにより、事前に反応性に関わる選択性を高めておくことである。マイクロレンズアレイは従来方法により形成しておき、続いて、再度、マイクロレンズ上にマイクロレンズ材料を塗布／ベーク／剥離することにより、マイクロレンズ表面に樹脂反応膜を形成する。この樹脂反応膜は光高透過率化のためにＵＶブリーチ、ベークにより安定化処理を行う。さらに、より効果を上げるためには、上記フローにおいてＵＶブリーチ後にＡＺエレクトロニックマテリアルズ製リラックスの適用（塗布／ベーク／剥離水洗）により被覆膜厚を上げることができる。

なお、上記実施形態では、本発明の固体撮像素子の一般的なマイクロレンズアレイおよびその形成方法について説明したが、その応用範囲はこれに限定されることなく、本発明は表示装置（例えば液晶表示装置）のマイクロレンズアレイの形成方法への応用も可能である。よって、本発明の電子情報機器は、詳細に後述するが、本発明の固体撮像素子と、本発明の表示装置（例えば液晶表示装置）とのうち少なくともいずれかを用いることができる。

例えば固体撮像素子に本発明のマイクロレンズアレイを適用した場合には、前述したように、本発明のマイクロレンズアレイの各マイクロレンズをそれぞれ各受光部にそれぞれ対向させて配置し、各マイクロレンズにより被写体光を各受光部にそれぞれ集光して被写体光を撮像する。これに対して、例えば液晶表示装置に本発明のマイクロレンズアレイを適用した場合には、本発明のマイクロレンズアレイの各マイクロレンズをそれぞれ各液晶領域にそれぞれ対向させて配置し、各液晶領域からの光をそれぞれ各マイクロレンズをそれぞれ通して所定位置（例えば視差光学装置としての右目用スリットまたは左目用スリット）に集光させて表示（立体表示）するようにした構成としてもよい。

また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、上記実施形態の固定撮像素子２０を撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器について説明する。本発明の電子情報機器は、本発明の上記実施形態の固体撮像素子２０を撮像部に用いて得た高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段と、この画像データを印刷（印字）して出力（プリントアウト）する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している。

以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、集光用の複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイおよびその形成方法、このマイクロレンズアレイを用いた固体撮像素子、このマイクロレンズアレイを用いた液晶表示装置、この固体撮像素子を撮像部に用いるかまたは／およびこの液晶表示装置を用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、隣り合うマイクロレンズ間のギャップを縮小することによって、画素部である受光部に入射する光の無効分を減少させることができて、飛躍的に光の利用効率を向上させることができる。

また、標準的には、従来のマイクロレンズ形成工程に塗布および剥離工程の追加をすることにより上記理想的なマイクロレンズ形状を確立することができて、コスト増を抑えることができる。

さらに、従来の撮像素子にて必要な電極パッド金属の露出工程(ドライエッチング)において、無機／有機／無機のような多種多層構造を回避できるため、工程条件がより平易に設定できる。

本発明の実施形態の固体撮像素子における単位画素セルを示す縦断面図である。 図１の固体撮像素子を製造方法において、選択的なマイクロレンズ形成工程を説明するための単位画素セルの縦断面図である。 図１の固体撮像素子を製造方法において、マイクロレンズ表面に樹脂反応層を選択的に形成するための第１ステップを示す単位画素セルの縦断面図である。 図１の固体撮像素子を製造方法において、オーバーコート材料の剥離後の最終熱処理を完了した単位画素セルの縦断面図である。 特許文献１に開示されている従来の固体撮像素子の単位画素セルを示す縦断面図である。 図５のマイクロレンズ間のギャップ部を示す拡大縦断面図である。 特許文献２に開示された従来の固体撮像素子の単位画素セルの縦断面図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ 受光部
３ 電荷転送部
４ ゲート絶縁膜
５ 電荷転送電極
６ 層間膜
７ 遮光膜
８ 第１透明平坦化層
９ 透明保護膜
１０ 第２透明平坦化層
１１ 着色レジスト第１層（カラーフィルタ）
１２ 第３透明平坦化層（マイクロレンズ下地膜）
１３Ａ マイクロレンズ
１４ａ オーバーコート層
１４Ａ 樹脂反応層
２０ 固体撮像素子

Claims (15)

1. 周囲に間隔を空けて樹脂により形成された複数のマイクロレンズの樹脂表面上にオーバーコートされた樹脂材料と該マイクロレンズの樹脂表面との間で形成された樹脂反応層が、該複数のマイクロレンズ上に設けられているマイクロレンズアレイ。
2. 前記樹脂反応層は、前記マイクロレンズ上と、該マイクロレンズ間のマイクロレンズ下地膜上とのうち、該マイクロレンズ上に設けられ、該マイクロレンズ上の該樹脂反応層間のエッジ間隔が、該マイクロレンズ間のエッジ間隔よりも縮小されている請求項１に記載のマイクロレンズアレイ。
3. 前記複数のマイクロレンズの下地膜としてまたは、該下地膜の表面上に、無機膜、フッ素系の化合物膜およびフッ素を含有する膜の少なくともいずれかが形成されている請求項１または２に記載のマイクロレンズアレイ。
4. 前記オーバーコートされた樹脂材料が透明有機ポリマーである請求項１に記載のマイクロレンズアレイ。
5. 前記オーバーコートされた樹脂材料が前記マイクロレンズの材料と同一種の材料かまたは、ポジレジストのホール径縮小用材料である請求項１に記載のマイクロレンズアレイ。
6. マイクロレンズ下地膜上に、周囲に間隔を空けて樹脂により複数のマイクロレンズを形成するマイクロレンズ形成ステップと、
   該複数のマイクロレンズの樹脂表面と、その上にオーバーコートする樹脂材料とにより樹脂反応層を形成する樹脂反応層形成ステップとを有するマイクロレンズアレイの形成方法。
7. 前記樹脂反応層形成ステップは、前記複数のマイクロレンズ上の隣り合う樹脂反応層間のエッジ間隔が、隣り合うマイクロレンズ間のエッジ間隔よりも該樹脂反応層の２倍の膜厚分だけ縮小するように該樹脂反応層を形成する請求項６に記載のマイクロレンズアレイの形成方法。
8. 前記マイクロレンズ形成ステップの前に、前記マイクロレンズの下地膜としてまたは、該下地膜の表面上に、無機膜、フッ素系の化合物膜およびフッ素を含有する膜の少なくともいずれかを形成するステップをさらに有する請求項６または７に記載のマイクロレンズアレイの形成方法。
9. 前記マイクロレンズの下地膜の前記樹脂反応層との反応性を抑えるように架橋密度を高める処理を行う請求項６〜８のいずれかに記載のマイクロレンズアレイの形成方法。
10. 前記樹脂反応層形成ステップは、前記マイクロレンズ上に前記オーバーコートする樹脂材料として透明有機ポリマーを塗布する工程と、該マイクロレンズとの樹脂反応層を残して該オーバーコート層を剥離するオーバーコート層剥離工程とを有する請求項６または７に記載のマイクロレンズアレイの形成方法。
11. 前記オーバーコートする樹脂材料は、前記マイクロレンズの材料と同一種の材料かまたは、ポジレジストのホール径縮小用材料を用いる請求項１０に記載のマイクロレンズアレイの形成方法。
12. 前記オーバーコート層剥離工程は、前記オーバーコートする樹脂材料が前記マイクロレンズ材料と同一種の材料の場合に、剥離現像液としてＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロキシ）水溶液を用いる請求項１０に記載のマイクロレンズアレイの形成方法。
13. 請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロレンズアレイの各マイクロレンズをそれぞれ各受光部にそれぞれ対向させて配置し、該各マイクロレンズにより被写体光を該各受光部にそれぞれ集光して被写体光を撮像する固体撮像素子。
14. 請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロレンズアレイの各マイクロレンズをそれぞれ各液晶領域にそれぞれ対向させて配置し、該各液晶領域からの光をそれぞれ該各マイクロレンズをそれぞれ通して所定位置に集光させて表示するようにした液晶表示装置。
15. 請求項１３に記載の固体撮像素子と、請求項１４に記載の液晶表示装置とのうち少なくともいずれかを用いた電子情報機器。

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