JP2009506383A - 楕円形状で間隙の無いイメージャ用マイクロレンズ - Google Patents
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Abstract
楕円形状のマイクロレンズは、不均衡な感光領域上に光をフォーカスし、マイクロレンズの間隙のないレイアウトにおける領域網羅を増加させ、そして、マイクロレンズの対方向のシフト又はその他の個々のシフトが、非対称なピクセル及びピクセルレイアウト構造を引き起こすのを可能にする。このマイクロレンズは、1つの組が他の組とは異なる方向を向くように、組で製造されてもよく、また、例えばチェッカーボードパターン又は放射パターンのように、各種のパターンに配置されてもよい。少なくとも1つの組のマイクロレンズの形状が、実質的に楕円形であってもよい。第1の組のマイクロレンズを製造するには、第1の組のマイクロレンズ材料が支持体上にパターン化され、第1のリフロー条件下でリフローされ、そして硬化される。第2の組のマイクロレンズを製造するには、第2の組のマイクロレンズ材料が支持体上にパターン化され、第1のリフロー条件とは異なってもよい第2のリフロー条件下でリフローされ、そして硬化される。
【選択図】図2
【選択図】図2
Description
<関連出願への相互参照>
本願は、2003年10月9日に(米国)出願の出願番号第10/681308号の一部継続(C.I.P)であり、その開示全体が、その参照をもって本明細書に含まれる。
本願は、2003年10月9日に(米国)出願の出願番号第10/681308号の一部継続(C.I.P)であり、その開示全体が、その参照をもって本明細書に含まれる。
<技術分野>
本発明は、一般にはマイクロレンズを使用した半導体ベースのイメージャデバイスの分野に係り、特にはマイクロレンズのアレイの製造に関する。
本発明は、一般にはマイクロレンズを使用した半導体ベースのイメージャデバイスの分野に係り、特にはマイクロレンズのアレイの製造に関する。
半導体産業は、近年、とりわけ電荷結合デバイス(CCD)、CMOSアクティブピクセルセンサ(APS)、フォトダイオードアレイ、電荷注入デバイス、及び複合型フォーカルプレーンアレイのような、異なるタイプの半導体ベースイメージャを使用しており、これらはマイクロレンズのアレイを用いている。マイクロレンズを用いた半導体ベースのディスプレーも開発されつつある。
マイクロレンズを使用すると、大きな光収集領域からの光を収集して、それをフォトセンサの小さな感光領域上にフォーカスすることにより、イメージングデバイスの光感度が大きく改善される。イメージャアレイ及びピクセルの感光領域のサイズが減少するに従い、入射光をピクセルの感光領域上にフォーカス可能なマイクロレンズを提供することが益々困難になる。この問題は、一部、益々小さくなるイメージャデバイスにとって最適な焦点特性を有するマイクロレンズを構築することが益々困難になったためでもある。製造中におけるマイクロレンズ成形は、マイクロンレンズにおける焦点を最適化するのに重要である。これにより、その下に横たわるピクセルアレイにおける量子効率が向上する。球形状のマイクロレンズを用いることは、入力光を狭い焦点上にフォーカスする上で一層好ましく、フォトセンサのサイズを、望まれるように小さくすることが可能になる。しかし、球形のマイクロレズは、望ましくない間隙の問題(このことは以下で述べる)が生じる。
マイクロレンズは、減法的又は加法的なプロセスのどちらかを介して形成可能である。加法的プロセスにおいては、マイクロレンズ材料が基板上に形成され、その後、マイクロレンズ形状に形成される。
従来の加法的なマイクロレンズ製造においては、中間材料が基板上に堆積され、リフロープロセスを用いてマイクロレンズアレイに形成される。各マイクロレンズは、隣接するマイクロレンズ間に最小の間隔、典型的には0.3ミクロン以上、を持たせて形成される。0.3ミクロンよりも近付くと、2つの隣り合ったマイクロレンズがリフロー中にブリッジしてしまう場合がある。既知のプロセスにおいては、各マイクロレンズは、その周囲に間隙を有する単一の四角形としてパターン化される。このパターン化された四角形のマイクロレンズをリフローしている期間中、ゲル滴が、表面張力と重力の力均衡によって部分的に球形の形状に形成される。このマイクロレンズは、次に、この形状のままで硬化される。2つの隣接するゲル滴間の間隙が狭すぎると、これらの滴は接触及び合体し、すなわちブリッジして、1つの大きな滴になることがある。このようなブリッジが生じると、レンズの形状が変化して、焦点距離が変化してしまうか、より正確には、焦点範囲内のエネルギー分布が変化してしまう、という影響が出る。焦点範囲内のエネルギー分布が変化すると、ピクセルの量子効率が低下し、かつ、ピクセル間のクロストークが増大する。しかし、間隙があると、フォーカスされないフォトンがマイクロレンズアレイ中の空乏スペースを通って入り込むことを許容することになり、すると、量子効率が一層低くなり、か
つ、隣接するピクセルの各フォトセンサ間のクロストークが一層増大する。
つ、隣接するピクセルの各フォトセンサ間のクロストークが一層増大する。
異なる形状を有するマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイを形成することが望まれる。しかし、そのようなマイクロレンズを形成するのに、単一のリフローステップを用いる既知の技術を使用した場合、異なる形状に形成されたマイクロレンズは異なる焦点特性を有することになり、すると、或るフォトセンサではフォーカス機能が落ち、及び/又は、或るフォトセンサではその位置、形状、又は対称性を変更する必要が生じる。
マイクロレンズから受け取ってイメージャのフォトセンサ上にフォーカスされる光の量を増加させることが望まれる。それぞれがその検知する光の色又は波長にとって最適化された焦点距離及び焦点位置を有する、異なるサイズ及び形状のマイクロレンズ、を備えたマイクロレンズアレイを形成することも、望まれる。マイクロレンズ製造のリフロープロセス期間中にブリッジを生じさせずに、マイクロレンズ間の間隙を最小にしたマイクロレンズアレイを形成することも、望まれる。
本発明の実施形態は、改良型のマイクロレンズアレイ及びそれを形成する方法を提供する。光を不均衡な感光領域上にフォーカスし、かつ、マイクロレンズの間隙のないレイアウトにおける領域網羅(area coverage)を増大させるために、楕円形状のマイクロレンズが形成される。この楕円形状のマイクロレンズは、マイクロレンズの対方向(pair-wise)のシフト又はその他の個々のシフトが、共有されたピクセルレイアウト構造の非対称性を引き起こすのを可能にする。このマイクロレンズは、一つの組が他の組とは異なる方向を向くように、複数の組で製造されてもよく、また、例えばチェッカーボードパターン又は放射パターンのように、各種パターンに配置されてもよい。少なくとも1つの組のマイクロレンズの形状が実質的に楕円形であってもよい。
第1の組のマイクロレンズを製造するために、第1の組のマイクロレンズ材料が支持体上にパターン化され、第1のリフロー条件下でリフローされ、そして硬化される。第2の組のマイクロレンズを製造するために、第2の組のマイクロレンズ材料が支持体上にパターン化され、第1のリフロー条件とは異なる第2のリフロー条件下でリフローされ、硬化される。
本発明の各種実施形態のこれらの特徴及びその他の特徴は、添付図面と関連して提供される本発明の以下の詳細な説明から、より容易に理解されるであろう。
以下の詳細な説明においては添付図面を参照するが、これらの図は本開示の一部を成すものであり、本発明が実施され得る特定の実施形態を例示的に示すものである。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施可能な程に十分詳細に記載されている。また、他の実施形態も利用可能であり、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく構造的、論理的、及び電気的変更を加えてもよい、と理解されるべきである。記載された製造ステップの進行は本発明の実施形態の一例であり、ステップの順序は、ここに述べられるものに限定されることはなく、或る順序で必ず生じる必要のあるステップを除き、本技術分野において知られているように変更可能である。
ここで使用される「基板」という用語は、シリコン、シリコン・オン・インシュレータ(SOI)又はシリコン・オン・サファイア(SOS)技術、ドープト及び非ドープト半導体、ベースとなる半導体土台によって支持されたシリコンのエピタキシャル層、及びその他の半導体構造を含むものとして理解されるべきである。更に、以下の説明においては「基板」を参照する場合は、それに先行する製造ステップが、ベースとなる半導体構造又
は土台の中又は上に領域、接合、又は材料層を形成するために利用されていてもよい。加えて、半導体はシリコンベースである必要はなく、シリコン−ゲルマニウム、ゲルマニウム、砒化ガリウム、又はその他の半導体をベースとすることも可能である。
は土台の中又は上に領域、接合、又は材料層を形成するために利用されていてもよい。加えて、半導体はシリコンベースである必要はなく、シリコン−ゲルマニウム、ゲルマニウム、砒化ガリウム、又はその他の半導体をベースとすることも可能である。
ここで使用される「ピクセル」という用語は、フォトセンサと、それに関係付けられた、フォトンを電気信号に変換するためのトランジスタとを含んだ光素子ユニットセルのことである。例示の目的で、単一の代表的な3色ピクセル及びその製造方法が図及び記述中に示されているが、典型的には、複数の同様なピクセルの製造が同時に進行する。従って、以下の詳細な説明は、限定的な意味に解釈されるべきでなく、本発明の範囲は特許請求の範囲の記載によってのみ規定される。
最後に、本発明はCMOSイメージャのような半導体ベースのイメージャを参照して記載されているが、本発明は、最適化された性能のための高品質なマイクロレンズを必要とする何らかのマイクロ電子デバイス又はマイクロ光デバイスに適用可能である、と認識されるべきである。本発明を採用可能な他の例示的マイクロ光デバイスは、ピクセルがフォトエミッタをその他のものと共に採用するCCD及びディスプレイデバイスを含む。
今、図1を参照すると、非対称な形状の感光領域101、102を有するイメージングピクセルのアレイ100が示されている。ピクセルのアレイ100のこの描写においては、マイクロレンズや、イメージセンサデバイスにおける行及び列ドライバ並びにその他の回路と通信するための金属ラインは、まだピクセル上に形成されていない。感光領域101、102が非対称であるので、楕円形状のマイクロレンズでは、領域101、102の或る領域に光を向けることが不可能であり、入射光のほとんどが感光領域101、122の他の領域に導かれる。そのようなフォトンの分布により、量子効率に損失が生じる。
今、図2を参照すると、ピクセルアレイ100上に形成されたマイクロレンズのアレイ110が示されている。このアレイ110は、複数の第1のマイクロレンズ111と、複数の第2のマイクロレンズ112とを含んでおり、そのそれぞれがピクセルアレイ100上に形成されている。第1のマイクロレンズ111は感光領域101(図1)用に形成されており、第2のマイクロレンズ112は感光領域102(図1)用に形成されている。第1のマイクロレンズ111は実質的に楕円形状を有するように示されており、一方、第2のマイクロレンズ112は実質的に四角形状を有するように示されている。第2のマイクロレンズ112のエッジは、第1のマイクロレンズ111のエッジと僅かにオーバラップしている。
第1のマイクロレンズ111のそれぞれは、縦軸115における第1の焦点距離と、横軸116における第2の焦点距離とを有するように形成可能であり、それらは楕円形状の長軸及び短軸を調整することにより変化する。第2のマイクロレンズ112のそれぞれは、第1のマイクロレンズ111の第1の焦点距離又は第1のマイクロレンズ111の第2の焦点距離と同じ距離の焦点距離を有するように形成可能である。或いは、第2のマイクロレンズ112は第3の焦点距離を有するように形成可能である。いずれの場合においても、マイクロレンズ111、112は、それに対応する半導体基板120中の感光領域101、102の形状及び寸法に必要なものを提供するよう、異なる焦点距離を有するように形成可能である。
図3aは、図2の線X−Xを横切る断面である。図2の線X−Xは、第1のマイクロレンズ111の縦軸に沿って引かれている。図3bは、図2の線Y−Yを横切る断面である。図2の線Y−Yは第1のマイクロレンズ111の横軸に沿って引かれている。なお、図3a及び3bは、イメージャを通る実際の断面ではなく、イメージャ内の感光領域に対するマイクロレンズの位置関係を概略的に示したものにすぎない。例えば、半導体基板12
0はイメージャの幾つかの層を示しており、これらの層はパッシベーション層、金属化層、及びカラーフィルタアレイ層を含むが、これらには限定されない。
0はイメージャの幾つかの層を示しており、これらの層はパッシベーション層、金属化層、及びカラーフィルタアレイ層を含むが、これらには限定されない。
図2、3a、及び3bからわかるように、第1のマイクロレンズ111は横方向よりも縦方向に長い。また、第1のマイクロレンズ111は、第1の感光領域101の外の領域から第1の感光領域101へと光をフォーカスするように形成されてもよい。
第2のマイクロレンズ112は、図示のように、第1のマイクロレンズ111とは異なる形状に形成されており、これにより、マイクロレンズによって覆われるスペースの量が最大にされている。マイクロレンズを通過せずに伝達された光は、どの感光領域に対しても正しくフォーカスされず、また、ピクセル間のクロストークの発生を増加させる場合があるので、マイクロレンズによって覆われるスペースの量を最大にすることには大きな利点がある。
第1のマイクロレンズ111は第1のマイクロレンズ材料11から形成される。この第1のマイクロレンズ材料11(図4)は、支持基板120上に堆積されて、パターン化される。基板120は、電磁放射に対して透明な何らかの適当な材料で形成される。第1のマイクロレンズ材料11の各堆積は、長い(長く引き伸ばされた)多角形の形状を有しており、これは他のものとも実質的に同じサイズである。第1のマイクロレンズ材料11は、リフロー時に、次のリフローに耐え得る程に堅固に架橋結合したポリマーに形成される。第1の条件下で導かれたリフロープロセス期間中、第1のマイクロレンズ材料11の長い多角形の形状が第1のマイクロレンズ111に変換され、これは丸いエッジ及び湾曲したトップを有する楕円形の形状を備える。第1のマイクロレンズ111は、電磁放射に対して透明であり、後のリフロープロセスが行われてもその形状を保持する。
第1のマイクロレンズ材料11をパターン化及びリフローして、堅固に架橋結合した第1のポリマーマイクロレンズ111を形成した後、第2のマイクロレンズ材料12が図5に示されるようにパターン化される。この第2のマイクロレンズ材料12は、実質的に四角形の形状にパターン化され、第1のマイクロレンズ111間のスペースの幾つかの中に位置されている。加えて、もし望まれるのであれば、第2のマイクロレンズ材料12の一部分が第1のマイクロレンズ111とオーバラップして形成可能である。
第1のマイクロレンズ材料11のリフローの条件とは異なってもよいリフロー条件下で、第2のマイクロレンズ材料12をリフロー及び硬化することで、図2に示されるように第2のマイクロレンズ112が形成される。この第2のマイクロレンズ112は、第1のマイクロレンズ111と丁度同じように、後のリフローに耐え得るものである。第2のマイクロレンズ112は、第1のマイクロレンズ111とは異なるサイズ及び形状、特にはより小さいサイズであり、それぞれが丸いコーナー及び湾曲したトップを有するやや四角形の形状である。特には、第2のマイクロレンズ112は、第1のマイクロレンズ111と同様な湾曲と、それよりも小さな表面積とを有している。他の実施形態においては、第2のマイクロレンズ112の方が第1のマイクロレンズ111より大きくてもよい、と認識されるべきである。
このようにしてマイクロレンズアレイ110が形成され、これは2つ以上の複数のマイクロレンズ111、112の何らかの組み合わせを含んでいる。第1のマイクロレンズ111を、スペースを空けて、例えばチェッカーボード形態に形成し、このスペース内を、別のプロセスで形成された第2のマイクロレンズ112で満たすことで、マイクロレンズアレイを製造することにより、隣接する第1のマイクロレンズ111間のブリッジ形成と、第1及び第2のマイクロレンズ111、112間のブリッジ形成が、減少する。これは、第1のマイクロレンズ111が既にリフロープロセスを終えており、このリフロープロ
セスが第1のマイクロレンズをその後の何らかのリフロープロセスに耐え得るようにしているからである。従って、その後の、第2のマイクロレンズ材料12を第2のマイクロレンズ112へと変えるリフローは、第1及び第2のマイクロレンズ111、112間、又は一対の第2のマイクロレンズ112間にブリッジ形成を生じさせない。このようにして形成されたマイクロレンズは互いに当接し合っているので、マイクロレンズアレイ110はほとんどスペースが無い。
セスが第1のマイクロレンズをその後の何らかのリフロープロセスに耐え得るようにしているからである。従って、その後の、第2のマイクロレンズ材料12を第2のマイクロレンズ112へと変えるリフローは、第1及び第2のマイクロレンズ111、112間、又は一対の第2のマイクロレンズ112間にブリッジ形成を生じさせない。このようにして形成されたマイクロレンズは互いに当接し合っているので、マイクロレンズアレイ110はほとんどスペースが無い。
別々のリフロープロセスを介してマイクロレンズ111、112を形成することにより、マイクロレンズアレイ110は、典型的には弱い信号強度を示すピクセルにおいても、もっと強い信号強度を提供するように形成され得る。例えば、感光領域101は、その上に設けられる青色フィルターのために、或る特定の光強度において本来的に弱い出力信号を生成する傾向にある場合がある。従って、マイクロレンズアレイ110は、第1のマイクロレンズ111のようなもっと大きなマイクロレンズを作ることによって形成可能であり、このようにすることで、より多くの光が収集され、ピクセルアレイの異なる色のピクセルにおけるピクセル信号強度を均衡させるのに役立つ。色間で信号の均衡がとれていると、他のピクセルがほんの一部分だけ飽和している間に1つの色のピクセルを体系的に飽和させるということが回避されるため、ピクセル中のフォトセンサのダイナミックレンジが広がる。
複数の第2のマイクロレンズの後に、基板上のいずれかのスペース内に他の形状のマイクロレンズが形成されてもよい、と認識されるべきである。例えば、第2のマイクロレンズが形成された後に、必要に応じて、第1のマイクロレンズ間、第1及び第2のマイクロレンズ間、及び/又は、第2のマイクロレンズ間のスペース内に、第3のマイクロレンズ材料が実質的に四角形状、楕円形状、又はその他の形状でパターン化されてもよい。第3のマイクロレンズ材料のリフロー及び硬化が、第1及び第2のマイクロレンズ材料とは異なるリフロー条件下で行なわれる。
複数の第3のマイクロレンズが複数の第2のマイクロレンズと共に単一のリフロープロセスで形成されてもよい、とも認識されるべきである。第3のマイクロレンズ及び第2のマイクロレンズが互いに空間的に離間されており、例えばそれらの間に第1のマイクロレンズがある場合でも、同様にブリッジ形成は生じない。
マイクロレンズ材料として使用可能な例示的な材料には、JSR製のMFR−401が含まれるが、これには限定されない。
本発明の他の例示的実施形態においては、マイクロレンズが全て楕円形状であって、アレイの軸の回りに回転しており、楕円形状の利点を最大にしている。図6を参照すると、ピクセルアレイ100上に形成されたマイクロレンズのアレイ210が示されている。このアレイ210は複数の第1のマイクロレンズ211及び複数の第2のマイクロレンズ212を含んでおり、そのそれぞれがピクセルアレイ100上に形成されている。第1のマイクロレンズ211は第1の感光領域101用に形成され、第2のマイクロレンズ212は第2の感光領域102用に形成されている。第1のマイクロレンズ211は、アレイ210の垂直軸から約+45度回転した楕円形状を有するように示されている。第2のマイクロレンズ212も、アレイ210の垂直軸から約+45度回転した楕円形状を有するように示されている。第2のマイクロレンズ212のエッジが、第1のマイクロレンズ211のエッジに僅かにオーバラップしている。
第1のマイクロレンズ211のそれぞれは、縦軸に第1の焦点距離を有すると共に横軸に第2の焦点距離を有するように形成可能であり、それらは楕円形状の長軸及び短軸を調整することにより変化する。第2のマイクロレンズ212のそれぞれは、第1のマイクロ
レンズ211の第1の焦点距離と同様な距離の第1の焦点距離を有すると共に、第1のマイクロレンズ211の第2の焦点距離と同様な距離の第2の焦点距離を有するように形成可能である。或いは、第2のマイクロレンズ212は、異なる焦点距離を有するように形成可能である。いずれの場合も、マイクロレンズ211、212は、それに対応する基板120中の感光領域101、102の形状及び寸法に必要なものを提供するよう、異なる焦点距離を有するように形成可能である。
レンズ211の第1の焦点距離と同様な距離の第1の焦点距離を有すると共に、第1のマイクロレンズ211の第2の焦点距離と同様な距離の第2の焦点距離を有するように形成可能である。或いは、第2のマイクロレンズ212は、異なる焦点距離を有するように形成可能である。いずれの場合も、マイクロレンズ211、212は、それに対応する基板120中の感光領域101、102の形状及び寸法に必要なものを提供するよう、異なる焦点距離を有するように形成可能である。
他の例示的実施形態においては、楕円形状のマイクロレンズの方向が互いに異なっていてもよい。図7を参照すると、ピクセルアレイ100上に形成されたマイクロレンズのアレイ310が示されている。このアレイ310は複数の第1のマイクロレンズ311及び複数の第2のマイクロレンズ312を含んでおり、そのそれぞれがピクセルアレイ100上に形成されている。第1のマイクロレンズ311は第1の感光領域101用に形成され、第2のマイクロレンズ312は第2の感光領域102用に形成されている。第1のマイクロレンズ311は、マイクロレンズアレイ310の垂直軸から約+45度回転した楕円形状を有するものとして示されている。第2のマイクロレンズ312も、楕円形状を有するものとして示されているが、これはアレイ310の垂直軸から約−45度回転している。第2のマイクロレンズ312のエッジが、第1のマイクロレンズ311のエッジと僅かにオーバラップしている。
第1のマイクロレンズ311のそれぞれは、縦軸に第1の焦点距離を有すると共に横軸に第2の焦点距離を有するように形成可能であり、それらは楕円形状の長軸及び短軸を調整することにより変化する。第2のマイクロレンズ312のそれぞれは、第1のマイクロレンズ311の第1の焦点距離と同様な距離の第1の焦点距離を有すると共に、第1のマイクロレンズ311の第2の焦点距離と同様な距離の第2の焦点距離を有するように形成可能である。或いは、第2のマイクロレンズ312は、異なる焦点距離を有するように形成可能である。いずれの場合も、マイクロレンズ311、312は、それに対応する基板120中の感光領域101、102の形状及び寸法に必要なものを提供するよう、異なる焦点距離を有するように形成可能である。
他の実施形態においては、楕円形状のマイクロレンズの方向が互いに異なっていてもよい。例えば、全ての楕円形状マイクロレンズの縦軸の延長が中心点Cで交差するよう、マイクロレンズアレイが中心点Cの回りに放射形状を有していてもよい。図8を参照すると、マイクロレンズのアレイ410が示されている。このアレイ410は、複数の第1のマイクロレンズ411、複数の第2のマイクロレンズ412、及び複数の第3のマイクロレンズ413を含んでおり、そのそれぞれが、基板420中に形成されたピクセルアレイ上に形成されている。第1のマイクロレンズ411は、マイクロレンズアレイ410の垂直軸から約0度、+45度、−45度、又は90度回転した楕円形状を有するように示されている。第2のマイクロレンズ412も、アレイ410の垂直軸から約0度、+45度、−45度、又は90度回転した楕円形状を有するように示されている。第3のマイクロレンズ413は、球形状、又は、アレイ410の垂直軸から+22.5度、−22.5度、+67.5度、又は−67.5度回転した楕円形状を有するように示されている。第2のマイクロレンズ412のエッジが第1のマイクロレンズ411のエッジと僅かにオーバラップしており、第3のマイクロレンズ413のエッジが第1及び第2のマイクロレンズ411、412のエッジと僅かにオーバラップしている。
第1のマイクロレンズ411のそれぞれは、縦軸に第1の焦点距離を有すると共に横軸に第2の焦点距離を有するように形成可能であり、それらは楕円形状の長軸及び短軸を調整することにより変化する。第2のマイクロレンズ412のそれぞれは、第1のマイクロレンズ411の第1の焦点距離と同様な距離の第1の焦点距離を有すると共に、第1のマイクロレンズ411の第2の焦点距離と同様な距離の第2の焦点距離を有するように形成
可能である。同様に、第3のマイクロレンズ413は、第1のマイクロレンズ411又は第2のマイクロレンズ412と同様な焦点距離を有するように形成可能である。或いは、第1、第2、及び第3のマイクロレンズ411、412、413は、異なる焦点距離を有するように形成可能である。いずれの場合も、マイクロレンズ311、312は、それに対応する基板420中の感光領域の形状及び寸法に必要なものを提供するよう、異なる焦点距離を有するように形成可能である。
可能である。同様に、第3のマイクロレンズ413は、第1のマイクロレンズ411又は第2のマイクロレンズ412と同様な焦点距離を有するように形成可能である。或いは、第1、第2、及び第3のマイクロレンズ411、412、413は、異なる焦点距離を有するように形成可能である。いずれの場合も、マイクロレンズ311、312は、それに対応する基板420中の感光領域の形状及び寸法に必要なものを提供するよう、異なる焦点距離を有するように形成可能である。
マクロレンズ410の形成は、マイクロレンズ110の形成と同様である。マイクロレンズ材料を堆積し、パターン化し、リフローし、かつ硬化して、複数のマイクロレンズ411、412、413のそれぞれを形成することにより、第1のマイクロレンズ411はその後の第2のマイクロレンズ412の形成期間中におけるリフローに耐えることができ、第2のマイクロレンズ412はその後の第3のマイクロレンズ413の形成期間中におけるリフローに耐えることができる。第1のマイクロレンズ411を、スペースを空けて、例えば放射形態に形成し、このスペース内を、別のプロセスで形成された第2のマイクロレンズ412で満たし、また、このスペース内を、また別のプロセスで形成された第3のマイクロレンズ413で満たすことで、マイクロレンズアレイ410を製造することにより、第1、第2、及び第3のマイクロレンズ411、412、413間のブリッジ形成が減少する。これは、第1のマイクロレンズ411が既にリフロープロセスを終えており、このリフロープロセスが第1のマイクロレンズをその後の何らかのリフロープロセスに耐え得るようにしているからである。従って、その後の、第2のマイクロレンズ材料を第2のマイクロレンズ412へと変えるリフローは、第1及び第2のマイクロレンズ111、112間にブリッジ形成を生じさせない。このようにして形成されたマイクロレンズは互いに当接し合っているので、マイクロレンズアレイ410はほとんどスペースが無い。
リフロー条件の一例が次に記載されている。リフロー条件下に曝された後のマイクロレンズの形状は、マイクロレンズを形成するのに使用される材料の厚さ及びタイプ、リフロー温度プロフィール、及びガラス遷移温度Tgを変化させる材料の前処理、を含む幾つかの要因によって規定される。そのような前処理の一例は、紫外光露光や、ガラス遷移温度Tgよりも低い温度への材料の前加熱を含む。第1のリフロー条件の一例は、第1のタイプの材料からなる第1のマイクロレンズ材料を第1の厚さに設けることと、この第1のマイクロレンズ材料を特定の量の紫外光フラッド露光(flood exposure)に曝すことと、第1の温度ランプ速度(temperature ramp rate)でリフローし、その後に硬化することと、を含んでもよい。第2のリフロー条件は、第1のタイプの材料からなる第2のマイクロレンズ材料を第2の厚さに設けることと、この第2のマイクロレンズ材料を第1の温度ランプ速度でリフローし、その後に硬化することと、を含んでもよい。第3のリフロー条件は、第2の材料タイプで第3の厚さの第3のマイクロレンズ材料を設けることと、この第3のマイクロレンズ材料をその遷移ガラス温度Tgよりも低い温度に、或る設定された期間だけ前加熱することと、続いて第2の温度ランプ速度でリフローし、その後に硬化することと、を含んでもよい。
ここで、図9を参照して、マイクロレンズアレイを形成する方法について述べる。ステップ150において、第1のマイクロレンズ材料が基板上にパターン化される。このパターン化は、上述したように、チェッカーボードパターン又は放射パターンであってよく、それは第1のマイクロレンズ材料の部分間にスペースを含んでいる。第1のマイクロレンズ材料パターンのそれぞれを用意するのに、単一のレチクルが使用されてもよい。このパターン化ステップにおいて、第1の厚さのマイクロレンズ材料の薄膜が基板上にコーティングされ、この材料が適当なマスクを用いて露光され、そして、その露光されたマイクロレンズ材料(ポジレジスト)を溶かすか、露光されていないマイクロレンズ材料(ネガレジスト)を溶かすように、現像される。ステップ155において、第1のマイクロレンズ材料が第1の条件でリフローされる。第1のマイクロレンズ材料のリフローにより、この
材料が第1のマイクロレンズに変わる。ステップ160において、第1のマイクロレンズが硬化され、よって、チェッカーボードパターンの、堅固に架橋結合された第1のマイクロレンズが形成される。
材料が第1のマイクロレンズに変わる。ステップ160において、第1のマイクロレンズが硬化され、よって、チェッカーボードパターンの、堅固に架橋結合された第1のマイクロレンズが形成される。
ステップ165において、第2のマイクロレンズ材料が、第1のマイクロレンズ間の幾つかのスペース内における基板上にパターン化される。第2のマイクロレンズ材料の堆積のそれぞれを用意するのに、単一のレチクルが使用されてもよい。第2のマイクロレンズ材料パターンが、(図6を参照して記載されたような)第1のマイクロレンズ材料パターンと同じサイズ及び方向であるならば、第1のマイクロレンズ材料パターンのパターン用に使用されたのと同じレチクルが、第2のマイクロレンズ材料パターンのパターン用に使用されてもよい。第2のマイクロレンズ材料のパターンのために、上記レチクルがステッパ作業中にシフトされる。
ステップ170において、第2のマイクロレンズ材料が第2の条件でリフローされて、第2のマイクロレンズが形成されてもよい。この第2の条件は、例えば露光及び/又は漂白の量を変化させたり、ステップベーキング温度を変化させることにより、第1の条件とは異なってもよい。異なるリフロー条件を使用することにより、同一又は異なる焦点距離を有する第1及び第2のマイクロレンズが形成可能である。ステップ175において、第2の硬化が行なわれる。
複数の第3のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイの形成においては、ステップ180〜190が行なわれ、もしそうでなければプロセスが終了する。ステップ180において、第1及び第2のマイクロレンズ間の残存している空きスペースに第3のマイクロレンズ材料がパターン化される。ステップ185において、第3のマイクロレンズ材料が第3の条件でリフローされて、第3のマイクロレンズが形成されてもよい。この第3の条件は、例えば、露光及び/又は漂白の量やステップベーキング温度を変化させることにより、第1及び第2の条件とは異なってもよい。異なるリフロー条件を用いることにより、第3のマイクロレンズは、その焦点距離が第1及び第2のマイクロレンズの焦点距離と同じか異なるように形成されることも可能である。ステップ190において、第3の硬化が行なわれる。
図10は、本発明に従って構成されたマイクロレンズを有するピクセルを使用可能な例示的なイメージングデバイス200を示している。このイメージングデバイス200は、上述したように構成されたマイクロレンズを有する複数のピクセルを備えたイメージャピクセルアレイ100を有している。行アドレスデコーダ203に応答する行ドライバ202によって、行ラインが選択的にアクティベートされる。列ドライバ204及び列アドレスデコーダ205も、イメージングデバイス200に含まれている。イメージングデバイス200は、アドレスデコーダ203、205を制御するタイミング及び制御回路206によって駆動される。制御回路206は、行及び列ドライバ回路202、204をも制御する。
列ドライバ204に関係付けられたサンプルアンドホールド回路207が、選択されたピクセルにおけるピクセルリセット信号Vrst及びピクセル画像信号Vsigを読み取る。差信号(Vrst−Vsig)が差動増幅器208によって各ピクセル毎に生成され、そしてアナログデジタルコンバータ209(ADC)によってデジタル化される。このアナログデジタルコンバータ209は、そのデジタル化されたピクセル信号を画像プロセッサ213に供給し、そこでデジタル画像が形成されて出力される。
図11はシステム300を示しており、これは本発明のイメージングデバイス200(図10)を含むように構成された典型的なプロセッサシステムである。このプロセッサベ
ースのシステム300は、イメージセンサデバイスを含み得るデジタル回路を有するシステムの一例である。そのようなシステムは、限定はされないが、コンピュータシステム、スチル又はビデオカメラシステム、スキャナ、マシンビジョン、車両ナビゲーション、ビデオフォン、サーベイランスシステム、自動焦点システム、スタートラッカシステム、運動検知システム、画像安定化システム、及びデータ圧縮システムを含むことができる。
ースのシステム300は、イメージセンサデバイスを含み得るデジタル回路を有するシステムの一例である。そのようなシステムは、限定はされないが、コンピュータシステム、スチル又はビデオカメラシステム、スキャナ、マシンビジョン、車両ナビゲーション、ビデオフォン、サーベイランスシステム、自動焦点システム、スタートラッカシステム、運動検知システム、画像安定化システム、及びデータ圧縮システムを含むことができる。
プロセッサベースのシステム300、例えばカメラシステムは、一般に、バス393を介して入力/出力(I/O)デバイスと通信するマイクロプロセッサのような中央処理ユニット(CPU)395を備えている。イメージングデバイス200は、バス393を介してCPU395とも通信する。プロセッサベースのシステム300は、ランダムアクセスメモリ(RAM)392をも含んでおり、また、フラッシュメモリのようなリムーバブルメモリ394を含むことができ、それらもバス393を介してCPU395と通信する。イメージングデバイス200は、単一の集積回路上又はプロセッサとは異なるチップ上にあるメモリ記憶装置と共に、或いはそれらなしで、CPU、デジタル信号プロセッサ、又はマイクロプロセッサのようなプロセッサと組み合わされてもよい。
本発明は、現時点で知られる例示的実施形態と関連させて詳細に述べられてきたが、本発明はそのような開示された実施形態に限定されるものではない、と容易に理解されるべきである。むしろ、本発明は、これまで述べてこなかったような何らかの数の変更、置換、代替、又は同等な構成を含むようになされてもよいが、それらは本発明の精神及び範囲の中にある。例えば、互いに当接しているマイクロレンズを備えたマイクロレンズアレイが示されているが、複数のリフロープロセスが行なわれるので、後に形成されたマイクロレンズが前に形成されたマイクロレンズとオーバラップすることも可能である。更には、マイクロレンズアレイの垂直軸から特定の角度(例えば、0度、+45度、−45度、90度、+22.5度、−22.5度、+67.5度、又は−67.5度)だけ回転した幾つかのマイクロレンズが示されているが、楕円形のマイクロレンズの長軸は何らかの適当な方向に回転していてもよい。更には、3つのリフロープロセスの代わりに、2つのリフロープロセスのみが行なわれてもよく、或いは、3つよりも多いリフロープロセスが行なわれてもよい。従って、本発明は、これまでの記載によって限定されるものと理解されるべきではなく、特許請求の範囲に記載された範囲によってのみ限定される。
Claims (29)
- 複数の第1のマイクロレンズと、
楕円形状の複数の第2のマイクロレンズと、を備え、
前記複数の第1及び第2のマイクロレンズは互いに隣接して配置されている、マイクロレンズアレイ。 - 前記マイクロレンズアレイは実質的に間隙がない請求項1記載のマイクロレンズアレイ。
- 前記第2のマイクロレンズは、前記マイクロレンズアレイの垂直軸から或る角度だけずれた縦軸を有している請求項1記載のマイクロレンズアレイ。
- 前記複数の第1のマイクロレンズのそれぞれは、前記複数の第2のマイクロレンズのそれぞれとは異なる形状を有している請求項1記載のマイクロレンズアレイ。
- 前記複数の第1のマイクロレンズのそれぞれは楕円形状を有している請求項1記載のマイクロレンズアレイ。
- 前記複数の第1のマイクロレンズのそれぞれは、前記複数の第2のマイクロレンズのそれぞれの縦軸と同じ角度だけ前記マイクロレンズアレイの垂直軸からずれた縦軸を有している請求項5記載のマイクロレンズアレイ。
- 前記複数の第1のマイクロレンズのそれぞれは、前記複数の第2のマイクロレンズのそれぞれの縦軸とは異なる角度だけ前記マイクロレンズアレイの垂直軸からずれた縦軸を有している請求項5記載のマイクロレンズアレイ。
- 複数の第3のマイクロレンズを更に備える請求項1記載のマイクロレンズアレイ。
- 前記第3のマイクロレンズは楕円形状である請求項8記載のマイクロレンズアレイ。
- 前記第1、第2、及び第3のマイクロレンズは、中心点に関して放射形に配置されている請求項8記載のマイクロレンズアレイ。
- 基板に形成されたピクセルアレイを備えるイメージャであって、
前記ピクセルアレイは、少なくとも第1及び第2の感光領域のアレイと、前記ピクセルアレイ上の第1の組のマイクロレンズとを有し、該第1の組のマイクロレンズは第1及び第2の焦点距離を有する、イメージャ。 - 前記第1の組のマイクロレンズは楕円形状である請求項11記載のイメージャ。
- 前記楕円形状のマイクロレンズは、前記第1のマイクロレンズアレイの垂直軸から或る角度だけずれた縦軸を有している請求項12記載のイメージャ。
- 第2の組のマイクロレンズを更に備える請求項11記載のイメージャ。
- 前記第2の組のマイクロレンズは実質的に四角形状である請求項14記載のイメージャ。
- 前記第2の組のマイクロレンズの各マイクロレンズは前記第1の組のマイクロレンズの
2つのマイクロレンズ間に位置している請求項14記載のイメージャ。 - 少なくとも前記第1の感光領域は非対称である請求項11記載のイメージャ。
- 前記マイクロレンズアレイはチェッカーボードパターンに配置されている請求項14記載のイメージャ。
- 前記マイクロレンズアレイは放射パターンに配置されている請求項14記載のイメージャ。
- 第3の組のマイクロレンズを更に備え、該第3の組のマイクロレンズの各マイクロレンズは前記第1及び第2の組のマイクロレンズの2つのマイクロレンズ間に位置している請求項14記載のイメージャ。
- イメージングデバイスを形成する方法であって、
少なくとも1つの非対称な感光領域を有するピクセルアレイを設けることと、
前記ピクセルアレイ上に第1の組のマイクロレンズ材料をパターン化することと、
第1のリフロー条件下で前記第1の組のマイクロレンズ材料をリフローすることと、
前記第1の組のマイクロレンズ材料を硬化して第1の組のマイクロレンズを形成することと、
前記ピクセルアレイ上に第2の組のマイクロレンズ材料をパターン化することと、
第2のリフロー条件下で前記第2の組のマイクロレンズ材料をリフローすることと、
前記第2の組のマイクロレンズ材料を硬化して第2の組のマイクロレンズを形成することと、を備え、
前記第1の組のマイクロレンズ材料は、前記第1の組のマイクロレンズ材料が前記第1のリフロー条件下で楕円形状を形成するようにパターン化される、方法。 - 前記第1のリフロー条件は前記第2のリフロー条件とは異なる請求項21記載の方法。
- 前記第1の組のマイクロレンズ材料をパターン化するステップは、前記第1の組のマイクロレンズ材料を、チェッカーボードパターンに配置された第1の複数の部分にパターン化することを備え、該チェッカーボードパターンは前記部分間にスペースを含んでいる請求項21記載の方法。
- 前記第2の組のマイクロレンズ材料をパターン化するステップは、前記第2の組のマイクロレンズ材料を、相補形のチェッカーボードパターンに配置された第2の複数の部分にパターン化することを備え、該相補形のチェッカーボードパターンは前記第1の複数の部分間の前記スペースの少なくとも幾つかを満たしている請求項23記載の方法。
- 前記第1の組のマイクロレンズ材料をパターン化するステップは、前記第1の組のマイクロレンズ材料を、放射パターンに配置された第1の複数の部分にパターン化することを備え、該放射パターンは前記第1の複数の部分間にスペースを有している請求項21記載の方法。
- 前記第2の組のマイクロレンズ材料をパターン化するステップは、前記第2の組のマイクロレンズ材料を第2の複数の部分にパターン化することを備え、該第2の複数の部分は前記第1の複数の部分間の前記スペースの少なくとも幾つかを満たしている請求項25記載の方法。
- 前記ピクセルアレイ上に第3の組のマイクロレンズ材料をパターン化するステップと、
第3のリフロー条件下で前記第3の組のマイクロレンズ材料をリフローするステップと、
前記第3の組のマイクロレンズ材料を硬化して第3の組のマイクロレンズを形成するステップと、
を更に備える請求項21記載の方法。 - 前記第3のリフロー条件は前記第1及び第2のリフロー条件とは異なる請求項27記載の方法。
- 前記第3の組のマイクロレンズ材料は、前記第3の組のマイクロレンズ材料が前記第3のリフロー条件下で楕円形状を形成するようにパターン化される請求項28記載の方法。
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