JP2007304583A - 放物線状のフォトレジストプロファイルを生成する、マイクロレンズ形成のためのステップオーバーリソグラフィ - Google Patents

Abstract

【課題】各色に対するレンズに適する形式にカスタマイズすることが可能な技術を提供すること。
【解決手段】 光センサにおいて用いられるマイクロレンズの形成方法は、特定の色領域の光を感知する光検出素子配列を準備する工程と、この光検出素子配列上にマイクロレンズ材料を堆積する工程とを包含する。この構成をフォトレジストにより被覆した後、フォトレジストを、色領域の各色に対する個別の露光において、マスクし、かつ露光する。フォトレジストを現像し、マイクロ材料をエッチングすることによってマイクロレンズ配列を形成する。
【選択図】図２

Description

発明の詳細な説明

〔技術分野〕
本発明は、画像検出装置に関するものであり、特に、ＣＣＤおよびＣＭＯＳ画像処理における画像検出のための光収集効率の向上に関するものである。
〔背景技術〕
画像処理装置上に集められた、画像を形成する光は、検出に関して固有の効率を有している。すき間を通り抜ける流動光子はセンサ表面に落ち、デジタル画像の画素の一構成要素として蓄えられる電子信号に変換される。画像の各画素は、典型的には、３つの基本的な色、例えば、赤、緑、青（ＲＧＢ）を有する色領域、またはシアン、マゼンダ、黄（ＣＭＹ）を有する相補的な色領域、に対応する３つの独立した光検出器のいずれかにより作られる。電子信号の強度は、各光検出器において検出される光子の量におおよそ比例している。レンズまたはマイクロレンズは、典型的には、進入する光を各光検出器のアクティブ領域に集めるために用いられる。より多くの量の光子によって、装置からの信号とノイズとのより良い比率が提供される。マイクロレンズは、比較的高い屈折率を有する材料で凸レンズ型を形成する製造工程のいくつかの組合せによって形成され得る。上記材料の屈折率は、光検出器の屈折率よりも高く、例えば１．５よりも高い。

典型的な形成工程は、レジストリフロー、または誘電体材料リフロー技術を組み合わせている。これらの工程は、リフロー温度、持続時間、材料の厚さ等の正確な制御を必要とする。多くの要因が、レンズの基本的な型に対する変形の原因となり得る。レンズ型の再現性、およびひずみに起因する収差は、このような技術を用いる場合に共通する問題である。

積層構造のレンズの他の問題は、ある色に対する最適な構造が、他の色に対しては全く正しくないかもしれないことである。この理由は、典型的なレンズ材料における分散である。図１に示すように、分散は光波長の関数である。図１は、レンズ材料に関する屈折率ｎを示しており、ｎは光波長によって異なる。

酸化チタン（ＴｉＯ_２）は、マイクロレンズに頻繁に組み込まれる材料である。ＴｉＯ_２レンズの屈折率は光波長とともに変化し、青および赤の領域間における屈折率の差は０．１と同等になり得る。一方、ＴｉＯ_２レンズを包むために一般的に用いられる二酸化ケイ素の屈折率は、１．４７であり、青および赤の領域間の屈折率範囲は、０．０１よりも低い。積層レンズの焦点部分の深さは青および赤について異なり、おそらく０．２５ミクロンと同程度異なる。ＴｉＯ_２材料は、高い屈折率を有することが知られている。一方、ＴｉＯ_２材料は、最大の光伝達のために、可視範囲において透過性である。同様の分散値ｎを示す、他の高い屈折率を有する透過材料が存在している。

１９９４年６月２８日に承認された、Ｔｓｕｍｏｒｉによる「マイクロレンズ形成方法」に関する米国特許５，３２４，６２３号には、固体画像処理装置において、熱可塑性樹脂製マイクロレンズの形成方法について記載されている。この方法においては、画像処理装置の表面にパターンを形成し、かつ熱可塑性樹脂で満たした後、熱によって変形させる。

２０００年１２月１９日に承認された、Ｏｋａｚａｋｉらによる、「マイクロレンズ配列およびその形成方法、ならびに固体の画像を選別する装置およびその製造方法」に関する米国特許６，１６３，４０７号には、マイクロレンズ配列のためのパターンおよびマイクロレンズ配列のための材料層について記載されている。これらのパターンおよび材料層は、レジストから材料層に転写される二次元パターンがレジストの二次元パターンよりも大きい状態下で同時にエッチングされる。マイクロレンズ間の空間は、レジストの二次元パターン間の空間よりも狭くし得る。

２００２年７月９日に承認された、Ｈｓｉａｏらによる、「カラーフィルタに適した焦点距離の長いマイクロレンズの作製方法」に関する米国特許６，４１７，０２２号には、カラーフィルタ上にスピンコートされたマイクロレンズ材料層を供給する工程を含む方法が記載されている。このマイクロレンズ材料層は、フォトリソグラフィ法によって、各マイクロレンズの間が予め定められた間隔になるように、いくつかの分離領域にパターン化される。この分離領域は、後のリフロー処理においてマイクロレンズを形成するのに用いられるため、マイクロレンズ材料の量をより少なくすることが可能である。

２００２年１２月１７日に承認された、Ｆａｎらによる、「カラーフィルタ処理における光収集効率を増大させるための半導体画像処理装置に適した、複数のマイクロレンズ構成」に関する米国特許６，４９５，８１３号には、カラーフィルタを完成させるレンズ対からなる要素を含む、複数のマイクロレンズの二次元配列を形成するための、超小型電子技術による製造方法が記載されている。また、ＣＭＯＳの高い生産量との適合が教示されている。
〔発明の開示〕
光センサに用いられるマイクロレンズの製造方法は、特定の色領域の光に対して高感度な光検出素子配列を準備する工程と、光検出素子配列上にマイクロレンズ材料を堆積する工程と、フォトレジストを用いてマイクロレンズ材料を被覆する工程と、色領域における各色に対して個別に露光するために、マスクしてフォトレジストを露光する工程であって、色領域の各色に対して個別にマスクおよび露光を提供する工程を含み、色領域における各色の波長に適したマイクロレンズ材料の屈折率の関数に従って、各マスクが構築および設計される工程と、フォトレジストを現像する工程と、マイクロレンズ配列を形成するためにマイクロレンズ材料をエッチングする工程と、光センサを完成させる工程とを含んでいる。また、色領域における各色に対するマスクは、マイクロレンズ材料の屈折率に構わず構築されてもよい。

本発明の目的は、フォトリソグラフィ技術を用いて、より高い再現性および精度を備えたフォトレジストの改良型をもたらすための方法を提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、各色に対するレンズに適する形式にカスタマイズすることが可能な技術を提供することにある。

本発明のこの概略および目的は、本発明の性質の速やかな理解を可能にするために提供される。本発明のさらなる理解は、以下に示す、図面を参照した本発明の好ましい実施形態の詳細な説明を参照することによって得られるだろう。
〔発明を実施するための最良の形態〕
本発明に係る方法は、ステッパにプログラムし得るパラメーターを含み、フォトリソグラフィ技術を用いた、より高い再現性および精度を備えたフォトレジストの改良型をもたらすために開示されている。この方法はまた、色領域の各色に対するレンズに適する形式にカスタマイズすることが可能である。これにより、例えば青、緑、および赤の光子にする焦点位置をそれぞれ独立して最適化する。

本発明の目的は、アクティブな光検出素子上のフィルム表面上に衝突した光子を集中させる目的で、屈折率の高い材料を用いて凸型レンズを製造することにある。この方法は、より高い再現性および可能な限り簡略化された処理手順の利点を提供する。レンズの大きさは、極めて小さくすることが可能であり、おおよそ１ミクロンの直径に対する適応性を提供する。凸型および凹型の両方をフォトレジストにおいて生成し得、適切に露光されたドライエッチング処理を通して土台となる材料に転写される。

最終的なマイクロレンズ配列を、２、３、４、またはそれ以上の部分に秩序正しく分離し、各部分を分離して露光工程に用いることによって、マイクロレンズの独立した各セットの形状と同様に、マイクロレンズの密度をより良く制御し得る。しかしながら、最終的な露光パターンを構成するために、さらなる露光工程が要求されるという欠点を有している。

いずれかの露光工程によって形成されたマイクロレンズの型は、入ってくる光の３つの基本的な色のそれぞれに合わせることができる。例えば、ＲＧＢ法における、赤、緑、および青色に相当する３つの異なる波長を用いる。それゆえにこの例においては、マイクロレンズ配列の光構成のために、３つの露光工程が要求される。各露光工程は、マイクロレンズ配列中において、赤、緑、青のレンズとして要求されるレンズ型をもたらす。

本発明は、最も近くで隣接するレンズにおいて、近接の影響に支配される回折および他の影響の原因となる、パターン形成の制御に失敗したときの光の回折の問題に直接取り組む。最終的なパターンの分離により、最も近くで隣接するレンズとの距離を広げることによって、有害な回折の影響を大きく低減する。

本明細書中で使用される限り、「ステップオーバーリソグラフィ」とは、リソグラフィ技術における主工程と、主工程内におけるさらなる副工程より構成されるパターン形成方法であって、主工程のルーチン中に副工程が存在した場合、副工程による処理が終了してから次の主工程を処理することが意図される。具体的には、基板となる光検出素子配列上にマイクロレンズ材料を堆積し、このマイクロレンズ材料をフォトレジスト層によって被覆する主工程のルーチンを処理した後、フォトレジスト層をマスクし、露光する主工程における副工程として、各色領域毎に個別にマスクし、露光する工程を処理し、次の主工程であるフォトレジストの現像工程を処理し、主工程の処理ルーチンに戻る。

図２は、本発明の方法を示す符号１０の処理のフローチャートである。最初に、当技術分野における慣用的な技術によって、光検出素子配列を準備する（ステップ１２）。この配列は、製造が完了したとき光センサの一部をなす。また、当技術分野における技術を用いて、配列上にマイクロレンズ材料を堆積し（ステップ１４）、その上に反射制御材料層を堆積する（ステップ１６）。そしてこの構成上に、フォトレジスト層を堆積する（ステップ１８）。慣用的な処理において、フォトレジストにパターンを形成し、露光およびエッチングすることによって、各色のためのマイクロレンズを同時に形成する。本発明の方法において、選択した色領域の各色のために、フォトレジストをマスクし露光する（ステップ２０）ので、３つの分離したマスクおよび露光工程が必要となる。そして現像前に、露光後低温焼成を行い、フォトレジストを通例どおり現像する（ステップ２２）。次に、光検出素子配列上に個々のマイクロレンズを形成するために、マイクロレンズ配列をエッチングする（ステップ２４）。本発明において開示した方法は、慣用的な製造工程に容易に組み込まれる。追加露光工程は、露光手段を用いて次々にすべて自動で行う。そして、当技術分野における技術によって、光センサを完成させる（ステップ２６）。

従来の単一工程の方法においては、フォトレジストは、フォトレジストの直上のパターンによって露光されるだけでなく、隣接するパターンからも露光される。それゆえに結果として得られる、露光された山と谷との間のプロファイルは、図３に示すように、フォトレジスト（ＰＲ）の層を有する。これにより、現像処理後すぐにレンズ材料をエッチングすることができず、望ましくない。

ここで、本発明に係る複数の露光工程を含む、本発明に係る方法におけるレジストプロファイルを示す図４を参照する。図４に示すように、フォトレジストの山間の谷は、容易に、完全に除去される。これは、フォトレジストに影響を与える程度まで、隣接する最も近いパターンに対して光が相互作用する機会が与えられていないことに起因する。これは単に、パターンの直径がおおよそ１倍の従来の場合と比較して、パターンの直径がおおよそ１．７倍に増加したパターンの横方向への変位による。従来の工程を用いると、谷にレジストの層を有しているが、本発明に係る方法の工程を用いれば、山間にレジストの層が存在しない。

ここで図５〜８を参照する。図５はマイクロレンズ配列を示す図であり、図６〜８は、図５の配列を形成するために用いられ得るマスクを示す（アルファベット文字（Ｒ、Ｇ、Ｂ）は単なる例示であり、実際のパターンを含むものではない）。図５は、従来の単一の露光工程を含む方法で、または本発明に係る方法として開示した複数の露光工程を含む方法のいずれかによって作製された、マイクロレンズ配列の上面図を示す。この場合、本発明に係る方法によれば、３回の露光工程によってマイクロレンズ配列が作製される。図５はまた、従来の単一の露光工程を含む方法による、マイクロレンズ配列を作製するためのマスクもまた示している。

図６〜８は、図５に示すマイクロレンズ配列を製造するために、本発明に係る複数の露光工程を含む方法に使用されるマスクを示す。これらの３つの図はそれぞれ、例えば、図に示すように左から右方向に変換された同一のマスクであってもよく、これらの図が区別されたマスクであってもよい。さらに、これらの組合せであってもよい。容易に参照し得るように、図６〜８に示すそれぞれのパターンの密度は、図５に示す密度よりも低い。しかしながらこれらのパターンは、これら自身の間で均一な密度を有している。図６〜８を重ねることによって、図５の合成パターンが生成される。

青、緑および赤色のそれぞれのレジストプロファイルを合わせることも可能である。これは、焦点、およびそれぞれ青、緑、および赤色に対して３回の露光による光子の投入量を制御することによって行う。図９は、それぞれの色について、本発明に係る方法の露光工程の実施形態をカスタマイズした方法を用いた、マイクロレンズ配列の断面におけるレジストプロファイルを示す。

図１０は、本質的には図５と同じであり、図１１〜１３に示すように、追加される赤、緑、および青色のそれぞれの大きさが多様である点において図５と異なる。図１０には、マイクロレンズ配列が描写され、従来の単一の露光工程を含む方法に用いるマスクが描写されている。図１１〜１３は、開示した複数の露光工程を含む方法に用いるマスクが描写されている。このマスクは、赤、緑、および青色レンズの大きさが異なり、材料の屈折率を関数として大きさが決められる。この材料は、各色のスペクトル波長に対するマイクロレンズに対して使用される。

好ましい実施形態において本発明は、例えば石英上のＣｒ／ＣｒＯのようなバイナリレチクルを用いる。他の実施形態においては、光近接効果補正（ＯＰＣ）効果を有する、波形の層が変化するレチクルを用いてもよい。

このように、マイクロレンズの形成に関して、放物線状のフォトレジストプロファイルを生成するためのステップオーバーリソグラフィが開示された。添付の請求項に記載した本発明の範囲内において、それらのさらなる変形および修正を行い得ることが理解されるだろう。

また、本発明に係る方法は、次のように表現することもできる。

（第１の方法）
複数の色領域の光を感知する光検出素子配列上に、該複数の色領域の光を集光するためのマイクロレンズ配列を形成するための方法であって、
前記複数の色領域の種類毎に、マイクロレンズ材料上のフォトレジストをそれぞれマスクおよび露光する露光工程を包含している方法。

（第２の方法）
上記露光工程は、上記複数の色領域の各色に対してそれぞれ異なるマスクを用いて、マイクロレンズ材料上のフォトレジストをそれぞれマスクおよび露光する、第１の方法に係る方法。

上記第１および第２の構成によれば、マイクロレンズ材料上のフォトレジストを各色領域のパターン毎にマスクし、露光するため、各色領域のマイクロレンズ配列パターンを精度よく形成することができる。また、各色領域のパターン毎に異なるマスクを使用し得るため、各色領域に適したマイクロレンズを形成することができる。

図１は、光波長の関数としてのレンズ材料内の屈折率の変動を示す図である。 図２は、本発明に係る方法を示すブロック図である。 図３は、従来技術のレジストプロファイルを示すグラフである。 図４は、本発明に係る方法のレジストプロファイルを示すグラフである。 図５は、本発明に係る方法によって構築されたマイクロレンズ配列を示す図である。 図６は、赤色に対する本発明に係る複数の露光処理において用いられるマスクを示す図である。 図７は、緑色に対する本発明に係る複数の露光処理において用いられるマスクを示す図である。 図８は、青色に対する本発明に係る複数の露光処理において用いられるマスクを示す図である。 図９は、各センサの色に対してカスタマイズされた露光を使用した結果得られたレジストプロファイルを示す図である。 図１０は、本発明に係る方法の他の実施形態によって構築されたマイクロレンズ配列を示す図である。 図１１は、赤色に対する本発明に係る方法の他の実施形態における複数の露光処理において用いられるマスクを示す図である。 図１２は、緑色に対する本発明に係る方法の他の実施形態における複数の露光処理において用いられるマスクを示す図である。 図１３は、青色に対する本発明に係る方法の他の実施形態における複数の露光処理において用いられるマスクを示す図である。

Claims (13)

1. 特定の色領域の光を感知する光検出素子配列を準備する工程と、
   前記光検出素子配列上にマイクロレンズ材料を堆積する工程と、
   フォトレジストを用いて前記マイクロレンズ材料を被覆する工程と、
   前記フォトレジストを、前記色領域における各色に対して個別にマスクし、かつ露光する工程と、
   前記フォトレジストを現像する工程と、
   前記マイクロレンズ材料をエッチングしてマイクロレンズ配列を形成する工程と、
   光センサを完成させる工程と
   を包含する、光センサにおいて用いられるマイクロレンズの形成方法。
2. 前記露光工程は、光検出素子上が隣接するパターンに露光されるのを妨げると同時に、光検出素子上の前記フォトレジストを露光する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
3. 前記露光および現像されたフォトレジストは、関連する光検出素子を覆うフォトレジストの層が残存していないパターンを有している、請求項２に記載の方法。
4. 前記マスクし、かつ露光する工程は、前記色領域の各色に対して個別のマスクおよび露光を提供する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
5. 前記色領域の各色に対して個別のマスクおよび露光を提供する工程を包含する、前記マスクし、かつ露光する工程は、前記色領域の前記色の各波長に対するマイクロレンズ材料の屈折率の関数に従って各マスクを構築および設計する、請求項１に記載の方法。
6. 特定の色領域の光を感知する光検出素子配列を準備する工程と、
   前記光検出素子配列上にマイクロレンズ材料を堆積する工程と、
   フォトレジストを用いて前記マイクロレンズ材料を被覆する工程と、
   前記フォトレジストを、前記色領域における各色に対して個別にマスクし、かつ露光する工程であって、前記色領域の各色に対して個別のマスクおよび露光を提供する工程を包含する工程と、
   前記フォトレジストを現像する工程と、
   前記マイクロレンズ材料をエッチングしてマイクロレンズ配列を形成する工程と、
   光センサを完成させる工程と
   を包含する、光センサにおいて用いられるマイクロレンズの形成方法。
7. 前記露光工程は、光検出素子上が隣接するパターンに露光されるのを妨げると同時に、光検出素子上の前記フォトレジストを露光する工程を包含する、請求項６に記載の方法。
8. 前記露光および現像されたフォトレジストは、関連する光検出素子を覆うフォトレジストの層が残存していないパターンを有している、請求項７に記載の方法。
9. 前記色領域の各色に対して個別のマスクおよび露光を提供する工程を包含する、前記マスクし、かつ露光する工程は、前記色領域の前記色の各波長に対するマイクロレンズ材料の屈折率の関数に従って、各マスクを構築および設計する、請求項６に記載の方法。
10. 特定の色領域の光を感知する光検出素子配列を準備する工程と、
    前記光検出素子配列上にマイクロレンズ材料を堆積する工程と、
    フォトレジストを用いて前記マイクロレンズ材料を被覆する工程と、
    前記色領域における各色に対する個別露光における、フォトレジストをマスクし、かつ露光する工程であって、前記色領域の各色に対して個別のマスクおよび露光を提供する工程を包含し、前記色領域における色の各波長に対するマイクロレンズ材料の屈折率の関数に従って、各マスクを構築および設計する工程と、
    前記フォトレジストを現像する工程と、
    前記マイクロレンズ材料をエッチングしてマイクロレンズ配列を形成する工程と、
    光センサを完成させる工程と
    を包含する、光センサにおいて用いられるマイクロレンズの形成方法。
11. 前記露光工程は、光検出素子上が隣接するパターンに露光されるのを妨げると同時に、光検出素子上の前記フォトレジストを露光する工程を包含する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記露光および現像されたフォトレジストは、関連する光検出素子を覆うフォトレジストの層が残存していないパターンを有している、請求項１１に記載の方法。
13. 複数の色領域の光を感知する光検出素子配列上に、該複数の色領域の光を集光するためのマイクロレンズ配列を形成するための方法であって、
    前記複数の色領域の種類毎に、マイクロレンズ材料上のフォトレジストをそれぞれマスクおよび露光する工程を包含している方法。

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