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

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

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

非対称な形状の感光領域を有するピクセルのアレイの平面図である。 図１のピクセルのアレイ上に本発明の一例示的実施形態に従って構成されたマイクロレンズのアレイの平面図である。 図２の線Ｘ−Ｘに沿った断面図である。 図２の線Ｙ−Ｙに沿った断面図である。 図２のマイクロレンズアレイを製造する一ステップの平面図である。 図２のマイクロレンズアレイを製造する次のステップの平面図である。 図１のピクセルのアレイ上に本発明の他の例示的実施形態に従って構成されたマイクロレンズのアレイの平面図である。 図１のピクセルのアレイ上に本発明の他の例示的実施形態に従って構成されたマイクロレンズのアレイの平面図である。 本発明の他の例示的実施形態に従って構成されたマイクロレンズのアレイの平面図である。 本発明のマイクロレンズアレイを製造するためのプロセスを示す図である。 本発明の一実施形態に従って構成されたマイクロレンズアレイを有するピクセルを用いたイメージングデバイスの概略図である。 図１０のイメージングデバイスを含む処理システムの概略図である。

Claims (29)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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。
17. 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。
18. 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。
19. 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。
20. 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。
21. 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。
22. 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。
23. 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。
24. 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。
25. 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。
26. 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。
27. 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。
28. 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。
29. 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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