カラー固体撮像素子およびそれに用いるカラーマイクロレンズの製造方法
【課題】改良されたカラーマイクロレンズを用いることにより、レンズ自体の色分解性と集光性の適正化を図るとともに、周囲の画素からの光を遮断して、全体として色再現性の良好なカラー固体撮像素子を簡単な製造工程で提供すること。
【解決手段】半導体基板２上に複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面４に、光電変換素子の各々に対応して複数のマイクロレンズ６を設けた固体撮像素子１において、マイクロレンズが所定の分光透過率特性を有する複数色の内の１色の着色透明樹脂からなるカラーマイクロレンズを他の色の着色透明樹脂からなるカラーマイクロレンズと連ねて規則的に繰り返し配列してなり、隣接する異なる色のカラーマイクロレンズが、カラーマイクロレンズの高さより低い遮光性のブラックマトリクスのパターン７により隔てられる。
【解決手段】半導体基板２上に複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面４に、光電変換素子の各々に対応して複数のマイクロレンズ６を設けた固体撮像素子１において、マイクロレンズが所定の分光透過率特性を有する複数色の内の１色の着色透明樹脂からなるカラーマイクロレンズを他の色の着色透明樹脂からなるカラーマイクロレンズと連ねて規則的に繰り返し配列してなり、隣接する異なる色のカラーマイクロレンズが、カラーマイクロレンズの高さより低い遮光性のブラックマトリクスのパターン７により隔てられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラー固体撮像素子に設けるカラーマイクロレンズの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、撮像装置は画像の記録、通信、放送の内容の拡大に伴って広く用いられるようになっている。撮像装置として種々の形式のものが提案されているが、小型、軽量で高性能のものが安定して製造されるようになった固体撮像素子を組み込んだ撮像装置が、デジタルカメラやデジタルビデオとして普及してきている。
【０００３】
固体撮像素子は、撮影対象物からの光学像を受け、入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換素子を有する。光電変換素子の種類はＣＣＤ（電荷結合素子）タイプとＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）タイプとに大別される。また、光電変換素子の配列形態から、光電変換素子を1列に配置したリニアセンサー（ラインセンサー）と、光電変換素子を縦横に２次元的に配列させたエリアセンサー（面センサー）との２種類に大別される。いずれのセンサにおいても光電変換素子の数（画素数）が多いほど撮影された画像は精密になるので、近年は特に、大画素数の固体撮像素子を安価に製造する方法が検討されている。
【０００４】
また、光電変換素子に入射する光の経路に特定の波長の光を透過する各種のカラーフィルタを設けることで、対象物の色情報を得ることを可能とした単板式のカラーセンサーとしてのカラー固体撮像素子も普及している。カラー固体撮像素子は、１個の光電変換素子に対応して特定の色の１画素を設けて、色分解した画像情報を集めることができる。カラーフィルタの色としては、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３色からなる３原色系、あるいは、シアン色（Ｃ）、マゼンタ色（Ｍ）、イエロー色（Ｙ）からなる補色系が一般的であり、特に３原色系が多く使われている。
【０００５】
カラーフィルタは、フォトリソグラフィー法を用いて形成することが主流となっている。すなわち、基板上に所定の色の感光性着色透明樹脂を塗布した後、所定のパターンを有する露光用フォトマスクを介して感光性着色透明樹脂にパターン露光、現像を行い、所定の部位に着色透明樹脂からなるカラーフィルタを形成する。また、基板上への感光性着色透明樹脂の塗布としては、回転塗布法を用いることが多い。すなわち、基板上に感光性着色透明樹脂を滴下した後、基板を回転することで滴下した感光性着色透明樹脂を基板上に均一に塗り広げる方法である。
【０００６】
固体撮像素子に要求される性能で重要な課題の一つに、入射する光への感度を向上させることが挙げられる。小型化した固体撮像素子で撮影した画像の情報量を多くするためには受光部となる光電変換素子を微細化して高集積化する必要がある。しかし、光電変換素子を微細化した場合、各光電変換素子の面積が小さくなり、受光部として利用できる面積割合も減るので、光を取り込む面積が小さくなるため、光電変換素子の受光部に取り込める光の量が少なくなり、実効的な感度は低下する。
【０００７】
このような、微細化した固体撮像素子の感度の低下を防止するための手段として、光電変換素子の受光部に効率良く光を取り込むために、対象物から入射される光を集光して光電変換素子の受光部に導くマイクロレンズを光電変換素子上に形成する技術が提案されている。マイクロレンズで光を集光して光電変換素子の受光部に導くことで、受光部の見かけ上の開口率を大きくすることが可能になり、固体撮像素子の感度の向上が可能になる。図３は、着色透明樹脂パターンからなるカラーフィルタ画素上に１画素毎に１個の無色透
明なマイクロレンズを設けて集光し、色分解した光を光電変換素子の受光部に導く従来のカラー固体撮像素子の構造を説明するための模式断面図である。
カラー固体撮像素子１は、半導体基板２上に規則的に設けた複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面４に、透明平坦化層５を介して、複数色を繰り返し配列する着色透明画素パターン８を光電変換素子３に対応させて複数設け、さらに第二の透明平坦化層５１により着色透明画素パターン８を配列した平面上の平坦化を行った後に、上記のマイクロレンズ６０を設けてなる。
【０００８】
また、マイクロレンズの集光機能を有するとともに、着色透明樹脂からなるカラーフィルタとしての機能も併せて有するカラーマイクロレンズを採用することにより、簡単な製造工程で、マイクロレンズとカラーフィルタとの２層構造あるいは前記第二の透明平坦化層５１も含めた３層構造から、単層構造にして層膜厚を薄くして集光率の向上を図るカラー固体撮像素子も提案されている（特許文献１参照）。図４は、このようなカラーマイクロレンズを用いたカラー固体撮像素子の構造を説明するための模式断面図である。半導体基板２上に規則的に設けた複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面４に、透明平坦化層５を介して、光電変換素子の各々に対応した位置に複数の異なる色のカラーマイクロレンズ６を規則的に繰り返し配列したカラー固体撮像素子１を示す。カラーマイクロレンズ６は、一般に色分解性と集光性とを両立させることに難点があり、図の折線矢印で示すレンズの縁の膜厚の薄い部分を通過する光９に対しては色分解性が不充分となり、全体の膜厚を厚くして色分解性を向上すると曲率の制御が難しくなって適正な集光性が得られない。
【０００９】
一方、カラー固体撮像素子の画素数が増えて画素サイズが微細化していくと、入射光の一部が僅かに斜め入射する影響が無視できなくなり、着色透明層の各色画素パターンと対応する光電変換素子以外の隣接する他の光電変換素子に入射して混色が発生する。その結果、カラー固体撮像素子の色再現性が著しく劣化する。
上述の混色を防止して、色再現性の良好なカラー固体撮像素子を提供するために、従来の無色透明なマイクロレンズを別に設けるタイプのカラーフィルタ着色透明層の各色の画素パターン間にブラックマトリクスからなる遮光パターンを安定して形成することが提案されている（特許文献２参照）。しかし、マイクロレンズとカラーフィルタとの２層構造あるいは前記第二の透明平坦化層５１も含めた３層構造を別に設ける構造であるため、製造工程が長くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−３３２４０７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１３４３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、前記の問題点に鑑みて提案するものであり、本発明が解決しようとする課題は、改良されたカラーマイクロレンズを用いることにより、レンズ自体の色分解性と集光性の適正化を図るとともに、周囲の画素からの光を遮断して、全体として色再現性の良好なカラー固体撮像素子を簡単な製造工程で提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、半導体基板上に複数の光電変換素子を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面に、光電変換素子の各々に対応して複数のマイクロレンズを設けた固体撮像素子において、マイクロレンズが所定の分光透過率特性を有する複数色の内の１色の着色透明樹脂からなるカラーマイクロ
レンズを他の色の着色透明樹脂からなるカラーマイクロレンズと連ねて規則的に繰り返し配列してなり、隣接する異なる色のカラーマイクロレンズが、カラーマイクロレンズの高さより低い遮光性のブラックマトリクスのパターンにより隔てられることを特徴とするカラー固体撮像素子である。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のカラー固体撮像素子におけるカラーマイクロレンズの製造方法であって、各色の画素となる位置の周囲にブラックマトリクスを形成した後に、アルカリ可溶性の感光性樹脂を含むカラーマイクロレンズ材料を固体撮像素子の受光面側にブラックマトリクスの厚さより厚く塗布し、露光、現像によるフォトリソグラフィー法により、所定の画素領域に対応するカラーマイクロレンズ層を選択的に残し、ブラックマトリクスのパターンに制限された画素内での樹脂の熱フロー挙動を利用して熱処理によりカラーマイクロレンズの曲面形状を形成することを特徴とするカラーマイクロレンズの製造方法である。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、ブラックマトリクスのパターンの高さが、０．３〜２μｍであることを特徴とする請求項２に記載のカラーマイクロレンズの製造方法である。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、カラーマイクロレンズのブラックマトリクスを超える高さとブラックマトリクスに囲まれて設けたカラーマイクロレンズの平面サイズとのアスペクト比が、０．２〜７であることを特徴とする請求項２または３に記載のカラーマイクロレンズの製造方法である。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載のカラー固体撮像素子におけるカラーマイクロレンズの製造方法であって、各色の画素となる位置の周囲にブラックマトリクスを形成した後に、カラーマイクロレンズ材料を固体撮像素子の受光面側に塗布、乾燥後、アルカリ可溶性の感光性樹脂を含むエッチングレジスト材料を積層してブラックマトリクスの厚さより厚くなるように塗布し、所定の画素領域に対応するレジストパターンをカラーマイクロレンズ層の上層にフォトリソグラフィー法で選択的に残し、ブラックマトリクスのパターンに制限された画素内でのエッチングレジストパターンの熱フロー挙動を利用して熱処理により所望の曲面形状を形成した後に、ドライエッチング法で所望の曲面形状を下層のカラーマイクロレンズ層に転写してカラーマイクロレンズの曲面形状を形成することを特徴とするカラーマイクロレンズの製造方法である。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明は、カラーマイクロレンズを構成する複数色が、３色以上であることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載のカラーマイクロレンズの製造方法である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、カラー固体撮像素子を構成するカラーフィルタとマイクロレンズの機能をカラーマイクロレンズに薄型化して集約し、レンズ曲面の適正な曲率が確保できるので、高い集光率を有し、しかも隣接する異なる色のカラーマイクロレンズを有する画素間に遮光パターンを設けて干渉を防ぐとともに、画素内の着色膜厚を確保して充分な色分解性が得られるので、色再現性の良好なカラー固体撮像素子を、簡単な製造工程で高精度に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のカラー固体撮像素子の構造を説明するための模式断面図である。
【図２】本発明のカラーマイクロレンズの製造方法の一例を工程順に説明するための模式断面図であって、（ａ）はブラックマトリクス形成段階、（ｂ１）〜（ｂ３）は１色目のカラーマイクロレンズ形成工程、（ｃ１）〜（ｃ３）は２色目のカラーマイクロレンズ形成工程、を示す。
【図３】従来のマイクロレンズを用いたカラー固体撮像素子の構造を説明するための模式断面図である。
【図４】従来のカラーマイクロレンズを用いたカラー固体撮像素子の構造を説明するための模式断面図である。
【図５】本発明のカラーマイクロレンズの製造方法の他の一例を工程順に説明するための模式断面図であって、（ａ）はブラックマトリクス形成段階、（ｂ１）〜（ｂ４）は１色目のカラーマイクロレンズ形成工程、（ｃ１）〜（ｃ４）は２色目のカラーマイクロレンズ形成工程、を示す。
【図６】本発明のカラーマイクロレンズの形状を代表するアスペクト比を定義するための模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に従って、本発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本発明のカラー固体撮像素子の構造を説明するための模式断面図である。
【００２１】
本発明は、半導体基板２上に複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面４に、透明平坦化層５を介して、光電変換素子３の各々に対応して複数のカラーマイクロレンズ６を設けたカラー固体撮像素子１であって、カラーマイクロレンズ６は、所定の分光透過率特性を有する複数色の内の１色の着色透明樹脂からなり、他の色の着色透明樹脂からなるカラーマイクロレンズと連ねて規則的に繰り返し配列してなり、隣接する異なる色のカラーマイクロレンズとの間が、カラーマイクロレンズの高さより低い遮光性のブラックマトリクス７のパターンにより隔てられることを特徴とする。
上記の特徴を有する本発明は、カラー固体撮像素子を構成するカラーフィルタとマイクロレンズの機能をカラーマイクロレンズに薄型化して集約するので、全体の製造工程が短縮されるとともに、パターン間の位置合わせ回数が減り、高精度の製品を得ることができる。また、カラーマイクロレンズ間にブラックマトリクス遮光パターンの仕切りを設けることにより、色再現性の向上が実現できるとともに、ブラックマトリクスに対するカラーマイクロレンズの位置と形状の制御に関しても、後述の製造方法の説明に述べるとおり、有利となる。
【００２２】
図２は、本発明のカラーマイクロレンズの製造方法の一例を工程順に説明するための模式断面図であって、（ａ）はブラックマトリクス形成段階、（ｂ１）〜（ｂ３）は１色目のカラーマイクロレンズ形成工程、（ｃ１）〜（ｃ３）は２色目のカラーマイクロレンズ形成工程、を示す。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、ブラックマトリクス７は、光電変換素子３と１対１で対応する各色の画素となる位置６０の周囲に遮光性の材料で形成されるが、ブラックマトリクス形成に先立って、平坦で均一な下地を提供する透明平坦化層５を、例えば、無色透明なアクリル樹脂溶液を０．１μｍ程度の厚さで塗布し、熱処理して形成する。
次に、ブラックマトリクス７の形成は、黒色材料に感光性を付与した遮光性材料を塗布、乾燥後、選択的露光、現像し、熱処理により硬化するという一般的なフォトリソグラフィー法のプロセスを実施することにより、直接的にパターン形成することができる。
また、微細パターンの形成に有利なドライエッチング法を用いる方法も可能である。すなわち、予め形成した感光性を必要とはしない遮光性材料の上層に、別にエッチングレジストとなるパターンを、上記と類似のフォトリソグラフィー法で形成し、遮光性材料のパターン形成をドライエッチングにより形成することができる。後者の方法では、フォトリソグラフィー適性とドライエッチング適性とをレジスト材料と遮光性材料とに分担して最適化できるので、微細化パターンの形成に特に適している。ドライエッチング耐性を特に補強する目的で、レジスト材料の下層に無機膜を形成しておき、遮光性材料のドライエッチングをさらに良好な形状に完了させることも可能である。また、遮光性材料として無機膜を真空成膜し、上層にエッチングレジストパターン形成後に、下層の無機遮光膜をドライエッチングまたはウェットエッチングによりパターン化することも可能である。
【００２４】
ブラックマトリクス７の厚さは、後述するように、カラーマイクロレンズを画素内に堰き止めて着色膜厚を確保して充分な色分解性が得られるようにするため、少なくとも０．３μｍ以上とすることが望ましい。一方、上限値としては、厚過ぎるとブラックマトリクスのパターン形成時に欠陥を生じ易く、製造工程での生産性や材料の利用効率上も好ましくないので、２μｍ以下とすることが望ましい。
【００２５】
次に、１色目のカラーマイクロレンズ形成工程について説明する。
図２（ｂ１）に示すように、図２（ａ）で準備したブラックマトリクスを形成した固体撮像素子画素部の受光面側の基板上に、カラーマイクロレンズ材料６１ｍをブラックマトリクス７の厚さより厚く塗布する。カラーマイクロレンズ材料は、所定の分光透過率特性を有する特定の色の色素とアルカリ可溶性樹脂を含む感光性材料を含んで構成し、例えば、光照射された領域の樹脂が分解してアルカリ可溶性を呈するアクリル系のポジタイプの感光性樹脂を用いることができる。基板上への感光性着色透明樹脂の塗布としては、回転塗布法を用いることができる。
【００２６】
上記塗布し、乾燥させたカラーマイクロレンズ材料６１ｍに露光、現像のプロセスを行って、図２（ｂ２）に示すように、フォトリソグラフィー法により選択されたカラーマイクロレンズ層６１ｐを所定の画素領域に対応して残す。露光工程には、露光用マスクの拡大したパターンを縮小投影露光して繰り返しステップ送りできるステッパーを使用できる。本工程において、ブラックマトリクスに対するカラーマイクロレンズの位置と形状の制御に関して、精密なアライメント機構を用いて位置精度を保証することは当然であるが、次に述べる露光用マスクの工夫で、形状を改良できる。また、次の熱フローの工程での挙動も、本例でのカラーマイクロレンズの位置と形状の制御に有効である。
【００２７】
露光用マスクとして、透過率階調を与えた中間濃度の領域を有するグレーマスクと呼ばれるフォトマスクを用いることにより、現像後、熱フロー前のカラーマイクロレンズ層６１ｐの断面形状を、図示するよりもなだらかな形状にして、後述の熱処理によるフロー成形を助けることができる。現像工程は、アルカリ現像液、例えば、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）のような有機アルカリ現像水溶液を使用して行う。
【００２８】
なお、前記露光用マスクとして使用できるグレーマスクは、グレートーンマスクまたはハーフトーンマスクが利用できる。グレートーンマスクは、ドット（網点）配列やライン・アンド・スペースのような遮光膜の微細パターンの集合により、微細パターン領域全体の平均として、半透光部を形成するタイプであり、ハーフトーンマスクは、半透過性の膜の直接成膜とパターニング手段で半透光部を形成するタイプである。真空成膜を、遮光膜材料と半透過性膜材料の少なくとも２種類に分けて実施する必要のある後者より、遮光膜１種類のみの真空成膜を行えば良い前者のグレートーンマスクのタイプの方が、製造工程上は簡便である。但し、パターン周縁部での光の回折干渉効果によりグレートーンマスクのタイプでは光の強度のバラツキが大きく、特に膜厚の大きな部分の形状品質を良好に保つことが困難な場合があるので、形成したいスロープの形状に応じて、適宜露光用マスクのタイプを選択する必要がある。
【００２９】
フォトリソグラフィー法により選択されたカラーマイクロレンズ層６１ｐを、図２（ｂ３）に示すように、熱処理することにより、フロー成形されたカラーマイクロレンズ６１ｓが良好な曲面形状を保持して得られる。熱処理の条件は、カラーマイクロレンズに使用する着色透明樹脂材料の熱特性に依存するが、通常は、１００℃〜３００℃の加熱温度に
よりフローさせる。熱フローに際して、カラーマイクロレンズを画素内に堰き止めて着色膜厚を確保して充分な色分解性が得られるようにするため、ブラックマトリクス７を単に遮光材料としてだけではなく、壁材料として機能させることができる。
【００３０】
カラーマイクロレンズ材料の熱フローの動きが、ブラックマトリクス７の壁によって制限されるため、前の露光工程で僅かに位置ズレを生じたカラーマイクロレンズ層６１ｐであっても、本工程の熱フローで一定の位置補正が可能である。また、ブラックマトリクスの壁に囲まれるカラーマイクロレンズの高さを、ブラックマトリクスの壁より高くすることで、熱処理によりフロー成形されたカラーマイクロレンズ６１ｓの頂上部の曲面形状を最適化できる。曲面形状の最適化は、表面張力に起因するものと推察できる。
【００３１】
次に、２色目のカラーマイクロレンズ形成工程について、図２（ｃ１）〜（ｃ３）により説明する。１色目の熱フローして硬化したカラーマイクロレンズ６１ｓが形成された基板上に、２色目のカラーマイクロレンズ材料６２ｍを塗布する。カラーマイクロレンズ材料６２ｍは、１色目とは異なる所定の分光透過率特性を有する特定の色の色素と、１色目と同様のアルカリ可溶性樹脂を含む感光性材料であり、例えば、光照射された領域の樹脂が分解してアルカリ可溶性を呈するアクリル系のポジタイプの感光性樹脂を用いることができる。基板上への感光性着色透明樹脂の塗布は、１色目と同様の方法と厚さで行うことができる。
【００３２】
以下、露光、現像工程（図２（ｃ２）参照）、熱フロー工程（図２（ｃ３）参照）を順次、１色目と同様に実施して、２色目のカラーマイクロレンズを形成することができる。工程実施に伴いカラーマイクロレンズが形成されるメカニズムも同様であって、３色目以降を形成する場合も、１、２色目と同様に可能である。本発明では、カラーマイクロレンズを構成する複数色が、３色以上であることにも容易に対応でき、多種のカラー固体撮像素子に、上記と同様の効果を保って適用できる。
【００３３】
熱処理によりフロー成形されたカラーマイクロレンズ６１ｓの形状を代表する指標として、アスペクト比を定義すると、熱フローを生じさせる熱処理温度に相当するフロー温度の可能条件を調査することによって、適正なアスペクト比の範囲を定めることができる。実際に採用するアスペクト比は、カラー固体撮像素子内に組み込むべきカラーマイクロレンズの寸法例から規制されることは言うまでも無いが、本発明による方法で作製可能なアスペクト比の最大範囲を知ることができる。
【００３４】
図６は、本発明のカラーマイクロレンズの形状を代表するアスペクト比を定義するための模式断面図である。光電変換素子３に対応して、透明平坦化層５を介して設けたカラーマイクロレンズ６の形状は、ブラックマトリクス７に周囲を制限されて、図の両方向矢印ａ（レンズ径）とｂ（レンズ部の高さ）とで代表的に表すことができる。この時、ｂ／ａで表される値をアスペクト比と定義する。類似の材料を使用する範囲で、アスペクト比が同じであれば、カラーマイクロレンズ頂上部の曲率は同程度とみなすことができる。
【００３５】
上記のように定義したアスペクト比を種々に変えて、本発明の製造方法でカラーマイクロレンズを作ろうとした場合に、適正なフロー温度条件がアスペクト比に応じてどのように定まるかを調べた結果を、カラーマイクロレンズの形成条件として（表１）に示す。表中の○印は、適正に形状が製造できた条件を示し、表中の×印は、適正に形状が製造できなかった条件を示す。１２０℃で全てのアスペクト比において×であることは、熱フローが不充分であるために、現像後の形状からレンズ形状に移行しきれないことを表し、２２０℃で全てのアスペクト比において×であることは、熱フローが過剰であるために、レンズ形状が崩れていることを表す。また、アスペクト比が低い形状を実現しようとする場合は、高温側で処理すると平坦化が過剰に進んでレンズ効果が小さくなるので、比較的低温側で時間をかけて熱フローさせた方が良好な形状が得られ、アスペクト比が高い形状を実現しようとする場合は、高温側で処理してできるだけ短時間にフローさせ、その後冷却して固める方が良好な形状が得られることを示している。
【００３６】
【表１】
【００３７】
図５は、本発明のカラーマイクロレンズの製造方法の他の一例を工程順に説明するための模式断面図であって、（ａ）はブラックマトリクス形成段階、（ｂ１）〜（ｂ４）は１色目のカラーマイクロレンズ形成工程、（ｃ１）〜（ｃ４）は２色目のカラーマイクロレンズ形成工程、を示す。
【００３８】
図５（ａ）に示すように、ブラックマトリクス７は、光電変換素子３と１対１で対応する各色の画素となる位置６０の周囲に遮光性の材料で形成されるが、ブラックマトリクス形成に先立って、平坦で均一な下地を提供する透明平坦化層５を、例えば、無色透明なアクリル樹脂溶液を０．１μｍ程度の厚さで塗布し、熱処理して形成する。
次に、ブラックマトリクス７の形成は、黒色材料に感光性を付与した遮光性材料を塗布、乾燥後、選択的露光、現像し、熱処理により硬化するという一般的なフォトリソグラフィー法のプロセスを実施することにより、直接的にパターン形成することができる。
また、微細パターンの形成に有利なドライエッチング法を用いる方法も可能である。すなわち、予め形成した感光性を必要とはしない遮光性材料の上層に、別にエッチングレジストとなるパターンを、上記と類似のフォトリソグラフィー法で形成し、遮光性材料のパターン形成をドライエッチングにより形成することができる。後者の方法では、フォトリソグラフィー適性とドライエッチング適性とをレジスト材料と遮光性材料とに分担して最適化できるので、微細化パターンの形成に特に適している。ドライエッチング耐性を特に補強する目的で、レジスト材料の下層に無機膜を形成しておき、遮光性材料のドライエッチングをさらに良好な形状に完了させることも可能である。また、遮光性材料として無機膜を真空成膜し、上層にエッチングレジストパターン形成後に、下層の無機遮光膜をドライエッチングまたはウェットエッチングによりパターン化することも可能である。
【００３９】
次に、１色目のカラーマイクロレンズ形成工程について説明する。
図５（ｂ１）に示すように、図５（ａ）で準備したブラックマトリクスを形成した固体撮像素子画素部の受光面側の基板上に、カラーマイクロレンズ材料６１ｍを塗布して乾燥する。カラーマイクロレンズ材料は、所定の分光透過率特性を有する特定の色の色素を含んで、後工程でのドライエッチングが容易にされる材料により構成する。その後、引き続いて、例えば、光照射された領域の樹脂が分解してアルカリ可溶性を呈するアクリル系のポジタイプの感光性樹脂を含むエッチングレジスト材料８１ｍを積層してブラックマトリクス７の厚さより厚くなるように塗布する。基板上への樹脂の塗布としては、回転塗布法を用いることができる。
【００４０】
上記塗布し、乾燥させたエッチングレジスト材料８１ｍに露光、現像のプロセスを行って、図５（ｂ２）に示すように、フォトリソグラフィー法により選択されたエッチングレジスト層８１ｐを所定の画素領域に対応して残す。露光工程には、露光用マスクの拡大したパターンを縮小投影露光して繰り返しステップ送りできるステッパーを使用できる。本工程において、ブラックマトリクスに対するエッチングレジスト層の位置と形状の制御に関して、精密なアライメント機構を用いて位置精度を保証することは当然であるが、前述の本発明のカラーマイクロレンズの製造方法の第一の例で述べた露光用マスクと同様の工夫で、形状を改良できる。また、次の熱フローの工程での挙動も、本例でのカラーマイクロレンズの位置と形状の制御に有効である。
【００４１】
露光用マスクとして、透過率階調を与えた中間濃度の領域を有するグレーマスクと呼ば
れるフォトマスクを用いることにより、現像後、熱フロー前のエッチングレジスト層８１ｐの断面形状を、図示するよりもなだらかな形状にして、後述の熱処理によるフロー成形を助けることができる。現像工程は、アルカリ現像液、例えば、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）のような有機アルカリ現像水溶液を使用して行う。
【００４２】
フォトリソグラフィー法により選択されたエッチングレジスト層８１ｐを、図５（ｂ３）に示すように、熱処理することにより、フロー成形されたエッチングレジスト８１ｓが良好な曲面形状を保持して得られる。熱処理の条件は、エッチングレジストに使用する透明樹脂材料の熱特性に依存するが、通常は、１００℃〜３００℃の加熱温度によりフローさせる。熱フローに際して、エッチングレジストを画素内に収めて、次のドライエッチングのマスクとしての良好な形状を得るために、図示されていないが、ブラックマトリクス７付近のカラーマイクロレンズ材料の盛り上がりが役立つ。すなわち、エッチングレジスト材料の熱フローの動きが、ブラックマトリクス７の壁の間接的な影響である盛り上がりによって制限されるため、前の露光工程で僅かに位置ズレを生じたエッチングレジスト層８１ｐであっても、本工程の熱フローで一定の位置補正が可能である。
【００４３】
フロー成形されたエッチングレジスト８１ｓが作る良好な曲面形状を、図５（ｂ４）に示すように、下層に塗布されているカラーマイクロレンズ材料６１ｍを、ドライエッチング法により加工して形状転写し、転写成形されたカラーマイクロレンズ６１ｄとすることができる。ドライエッチングは、ＣＦ４ 、Ｃ４Ｆ８等のガスを主として、膜厚方向のエッチングレートを重視した条件で行い、エッチングレジストの曲面形状と類似する曲面形状を有するカラーマイクロレンズを形成することができる。また、カラーマイクロレンズ形成後、適宜、硬化処理等の処理を行い、耐性向上を図ることができる。
【００４４】
次に、２色目のカラーマイクロレンズ形成工程について、図５（ｃ１）〜（ｃ４）により説明する。１色目のカラーマイクロレンズ６１ｄが形成された基板上に、２色目のカラーマイクロレンズ材料６２ｍを塗布して乾燥する。カラーマイクロレンズ材料６２ｍは、１色目とは異なる所定の分光透過率特性を有する特定の色の色素を含んで、後工程でのドライエッチングが容易にされる材料により構成する。その後、引き続いて、例えば、光照射された領域の樹脂が分解してアルカリ可溶性を呈するアクリル系のポジタイプの感光性樹脂を含むエッチングレジスト材料８２ｍを積層して塗布する（図５（ｃ１）参照）。基板上への樹脂の塗布としては、１色目と同様の方法と厚さで行うことができる。
【００４５】
以下、露光、現像工程（図５（ｃ２）参照）、熱フロー工程（図５（ｃ３）参照）、ドライエッチング転写工程（図５（ｃ４）参照）、を順次、１色目と同様に実施して、２色目のカラーマイクロレンズ６２ｄを形成することができる。工程実施に伴いカラーマイクロレンズが形成されるメカニズムも同様であって、３色目以降を形成する場合も、１、２色目と同様に可能である。本発明では、カラーマイクロレンズを構成する複数色が、３色以上であることにも容易に対応でき、多種のカラー固体撮像素子に、上記と同様の効果を保って適用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１・・・カラー固体撮像素子
２・・・半導体基板
３・・・光電変換素子
４・・・固体撮像素子画素部の受光面側表面
５、５１・・・透明平坦化層
６・・・カラーマイクロレンズ
７・・・ブラックマトリクス
８・・・着色透明画素パターン
９・・・レンズの縁の膜厚の薄い部分を通過する光
６０・・・各色の画素となる位置
６１ｍ、６２ｍ・・・塗布されたカラーマイクロレンズ材料
６１ｐ、６２ｐ・・・フォトリソグラフィー法により選択されたカラーマイクロレンズ層６１ｓ、６２ｓ・・・熱処理によりフロー成形されたカラーマイクロレンズ
６１ｄ、６２ｄ・・・ドライエッチング法により転写成形されたカラーマイクロレンズ
８１ｍ、８２ｍ・・・塗布されたエッチングレジスト材料
８１ｐ、８２ｐ・・・フォトリソグラフィー法により選択されたエッチングレジスト層
８１ｓ、８２ｓ・・・熱処理によりフロー成形されたエッチングレジスト
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラー固体撮像素子に設けるカラーマイクロレンズの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、撮像装置は画像の記録、通信、放送の内容の拡大に伴って広く用いられるようになっている。撮像装置として種々の形式のものが提案されているが、小型、軽量で高性能のものが安定して製造されるようになった固体撮像素子を組み込んだ撮像装置が、デジタルカメラやデジタルビデオとして普及してきている。
【０００３】
固体撮像素子は、撮影対象物からの光学像を受け、入射した光を電気信号に変換する複数の光電変換素子を有する。光電変換素子の種類はＣＣＤ（電荷結合素子）タイプとＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）タイプとに大別される。また、光電変換素子の配列形態から、光電変換素子を1列に配置したリニアセンサー（ラインセンサー）と、光電変換素子を縦横に２次元的に配列させたエリアセンサー（面センサー）との２種類に大別される。いずれのセンサにおいても光電変換素子の数（画素数）が多いほど撮影された画像は精密になるので、近年は特に、大画素数の固体撮像素子を安価に製造する方法が検討されている。
【０００４】
また、光電変換素子に入射する光の経路に特定の波長の光を透過する各種のカラーフィルタを設けることで、対象物の色情報を得ることを可能とした単板式のカラーセンサーとしてのカラー固体撮像素子も普及している。カラー固体撮像素子は、１個の光電変換素子に対応して特定の色の１画素を設けて、色分解した画像情報を集めることができる。カラーフィルタの色としては、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３色からなる３原色系、あるいは、シアン色（Ｃ）、マゼンタ色（Ｍ）、イエロー色（Ｙ）からなる補色系が一般的であり、特に３原色系が多く使われている。
【０００５】
カラーフィルタは、フォトリソグラフィー法を用いて形成することが主流となっている。すなわち、基板上に所定の色の感光性着色透明樹脂を塗布した後、所定のパターンを有する露光用フォトマスクを介して感光性着色透明樹脂にパターン露光、現像を行い、所定の部位に着色透明樹脂からなるカラーフィルタを形成する。また、基板上への感光性着色透明樹脂の塗布としては、回転塗布法を用いることが多い。すなわち、基板上に感光性着色透明樹脂を滴下した後、基板を回転することで滴下した感光性着色透明樹脂を基板上に均一に塗り広げる方法である。
【０００６】
固体撮像素子に要求される性能で重要な課題の一つに、入射する光への感度を向上させることが挙げられる。小型化した固体撮像素子で撮影した画像の情報量を多くするためには受光部となる光電変換素子を微細化して高集積化する必要がある。しかし、光電変換素子を微細化した場合、各光電変換素子の面積が小さくなり、受光部として利用できる面積割合も減るので、光を取り込む面積が小さくなるため、光電変換素子の受光部に取り込める光の量が少なくなり、実効的な感度は低下する。
【０００７】
このような、微細化した固体撮像素子の感度の低下を防止するための手段として、光電変換素子の受光部に効率良く光を取り込むために、対象物から入射される光を集光して光電変換素子の受光部に導くマイクロレンズを光電変換素子上に形成する技術が提案されている。マイクロレンズで光を集光して光電変換素子の受光部に導くことで、受光部の見かけ上の開口率を大きくすることが可能になり、固体撮像素子の感度の向上が可能になる。図３は、着色透明樹脂パターンからなるカラーフィルタ画素上に１画素毎に１個の無色透
明なマイクロレンズを設けて集光し、色分解した光を光電変換素子の受光部に導く従来のカラー固体撮像素子の構造を説明するための模式断面図である。
カラー固体撮像素子１は、半導体基板２上に規則的に設けた複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面４に、透明平坦化層５を介して、複数色を繰り返し配列する着色透明画素パターン８を光電変換素子３に対応させて複数設け、さらに第二の透明平坦化層５１により着色透明画素パターン８を配列した平面上の平坦化を行った後に、上記のマイクロレンズ６０を設けてなる。
【０００８】
また、マイクロレンズの集光機能を有するとともに、着色透明樹脂からなるカラーフィルタとしての機能も併せて有するカラーマイクロレンズを採用することにより、簡単な製造工程で、マイクロレンズとカラーフィルタとの２層構造あるいは前記第二の透明平坦化層５１も含めた３層構造から、単層構造にして層膜厚を薄くして集光率の向上を図るカラー固体撮像素子も提案されている（特許文献１参照）。図４は、このようなカラーマイクロレンズを用いたカラー固体撮像素子の構造を説明するための模式断面図である。半導体基板２上に規則的に設けた複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面４に、透明平坦化層５を介して、光電変換素子の各々に対応した位置に複数の異なる色のカラーマイクロレンズ６を規則的に繰り返し配列したカラー固体撮像素子１を示す。カラーマイクロレンズ６は、一般に色分解性と集光性とを両立させることに難点があり、図の折線矢印で示すレンズの縁の膜厚の薄い部分を通過する光９に対しては色分解性が不充分となり、全体の膜厚を厚くして色分解性を向上すると曲率の制御が難しくなって適正な集光性が得られない。
【０００９】
一方、カラー固体撮像素子の画素数が増えて画素サイズが微細化していくと、入射光の一部が僅かに斜め入射する影響が無視できなくなり、着色透明層の各色画素パターンと対応する光電変換素子以外の隣接する他の光電変換素子に入射して混色が発生する。その結果、カラー固体撮像素子の色再現性が著しく劣化する。
上述の混色を防止して、色再現性の良好なカラー固体撮像素子を提供するために、従来の無色透明なマイクロレンズを別に設けるタイプのカラーフィルタ着色透明層の各色の画素パターン間にブラックマトリクスからなる遮光パターンを安定して形成することが提案されている（特許文献２参照）。しかし、マイクロレンズとカラーフィルタとの２層構造あるいは前記第二の透明平坦化層５１も含めた３層構造を別に設ける構造であるため、製造工程が長くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−３３２４０７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１３４３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、前記の問題点に鑑みて提案するものであり、本発明が解決しようとする課題は、改良されたカラーマイクロレンズを用いることにより、レンズ自体の色分解性と集光性の適正化を図るとともに、周囲の画素からの光を遮断して、全体として色再現性の良好なカラー固体撮像素子を簡単な製造工程で提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、半導体基板上に複数の光電変換素子を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面に、光電変換素子の各々に対応して複数のマイクロレンズを設けた固体撮像素子において、マイクロレンズが所定の分光透過率特性を有する複数色の内の１色の着色透明樹脂からなるカラーマイクロ
レンズを他の色の着色透明樹脂からなるカラーマイクロレンズと連ねて規則的に繰り返し配列してなり、隣接する異なる色のカラーマイクロレンズが、カラーマイクロレンズの高さより低い遮光性のブラックマトリクスのパターンにより隔てられることを特徴とするカラー固体撮像素子である。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のカラー固体撮像素子におけるカラーマイクロレンズの製造方法であって、各色の画素となる位置の周囲にブラックマトリクスを形成した後に、アルカリ可溶性の感光性樹脂を含むカラーマイクロレンズ材料を固体撮像素子の受光面側にブラックマトリクスの厚さより厚く塗布し、露光、現像によるフォトリソグラフィー法により、所定の画素領域に対応するカラーマイクロレンズ層を選択的に残し、ブラックマトリクスのパターンに制限された画素内での樹脂の熱フロー挙動を利用して熱処理によりカラーマイクロレンズの曲面形状を形成することを特徴とするカラーマイクロレンズの製造方法である。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、ブラックマトリクスのパターンの高さが、０．３〜２μｍであることを特徴とする請求項２に記載のカラーマイクロレンズの製造方法である。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、カラーマイクロレンズのブラックマトリクスを超える高さとブラックマトリクスに囲まれて設けたカラーマイクロレンズの平面サイズとのアスペクト比が、０．２〜７であることを特徴とする請求項２または３に記載のカラーマイクロレンズの製造方法である。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載のカラー固体撮像素子におけるカラーマイクロレンズの製造方法であって、各色の画素となる位置の周囲にブラックマトリクスを形成した後に、カラーマイクロレンズ材料を固体撮像素子の受光面側に塗布、乾燥後、アルカリ可溶性の感光性樹脂を含むエッチングレジスト材料を積層してブラックマトリクスの厚さより厚くなるように塗布し、所定の画素領域に対応するレジストパターンをカラーマイクロレンズ層の上層にフォトリソグラフィー法で選択的に残し、ブラックマトリクスのパターンに制限された画素内でのエッチングレジストパターンの熱フロー挙動を利用して熱処理により所望の曲面形状を形成した後に、ドライエッチング法で所望の曲面形状を下層のカラーマイクロレンズ層に転写してカラーマイクロレンズの曲面形状を形成することを特徴とするカラーマイクロレンズの製造方法である。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明は、カラーマイクロレンズを構成する複数色が、３色以上であることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載のカラーマイクロレンズの製造方法である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、カラー固体撮像素子を構成するカラーフィルタとマイクロレンズの機能をカラーマイクロレンズに薄型化して集約し、レンズ曲面の適正な曲率が確保できるので、高い集光率を有し、しかも隣接する異なる色のカラーマイクロレンズを有する画素間に遮光パターンを設けて干渉を防ぐとともに、画素内の着色膜厚を確保して充分な色分解性が得られるので、色再現性の良好なカラー固体撮像素子を、簡単な製造工程で高精度に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のカラー固体撮像素子の構造を説明するための模式断面図である。
【図２】本発明のカラーマイクロレンズの製造方法の一例を工程順に説明するための模式断面図であって、（ａ）はブラックマトリクス形成段階、（ｂ１）〜（ｂ３）は１色目のカラーマイクロレンズ形成工程、（ｃ１）〜（ｃ３）は２色目のカラーマイクロレンズ形成工程、を示す。
【図３】従来のマイクロレンズを用いたカラー固体撮像素子の構造を説明するための模式断面図である。
【図４】従来のカラーマイクロレンズを用いたカラー固体撮像素子の構造を説明するための模式断面図である。
【図５】本発明のカラーマイクロレンズの製造方法の他の一例を工程順に説明するための模式断面図であって、（ａ）はブラックマトリクス形成段階、（ｂ１）〜（ｂ４）は１色目のカラーマイクロレンズ形成工程、（ｃ１）〜（ｃ４）は２色目のカラーマイクロレンズ形成工程、を示す。
【図６】本発明のカラーマイクロレンズの形状を代表するアスペクト比を定義するための模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に従って、本発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本発明のカラー固体撮像素子の構造を説明するための模式断面図である。
【００２１】
本発明は、半導体基板２上に複数の光電変換素子３を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面４に、透明平坦化層５を介して、光電変換素子３の各々に対応して複数のカラーマイクロレンズ６を設けたカラー固体撮像素子１であって、カラーマイクロレンズ６は、所定の分光透過率特性を有する複数色の内の１色の着色透明樹脂からなり、他の色の着色透明樹脂からなるカラーマイクロレンズと連ねて規則的に繰り返し配列してなり、隣接する異なる色のカラーマイクロレンズとの間が、カラーマイクロレンズの高さより低い遮光性のブラックマトリクス７のパターンにより隔てられることを特徴とする。
上記の特徴を有する本発明は、カラー固体撮像素子を構成するカラーフィルタとマイクロレンズの機能をカラーマイクロレンズに薄型化して集約するので、全体の製造工程が短縮されるとともに、パターン間の位置合わせ回数が減り、高精度の製品を得ることができる。また、カラーマイクロレンズ間にブラックマトリクス遮光パターンの仕切りを設けることにより、色再現性の向上が実現できるとともに、ブラックマトリクスに対するカラーマイクロレンズの位置と形状の制御に関しても、後述の製造方法の説明に述べるとおり、有利となる。
【００２２】
図２は、本発明のカラーマイクロレンズの製造方法の一例を工程順に説明するための模式断面図であって、（ａ）はブラックマトリクス形成段階、（ｂ１）〜（ｂ３）は１色目のカラーマイクロレンズ形成工程、（ｃ１）〜（ｃ３）は２色目のカラーマイクロレンズ形成工程、を示す。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、ブラックマトリクス７は、光電変換素子３と１対１で対応する各色の画素となる位置６０の周囲に遮光性の材料で形成されるが、ブラックマトリクス形成に先立って、平坦で均一な下地を提供する透明平坦化層５を、例えば、無色透明なアクリル樹脂溶液を０．１μｍ程度の厚さで塗布し、熱処理して形成する。
次に、ブラックマトリクス７の形成は、黒色材料に感光性を付与した遮光性材料を塗布、乾燥後、選択的露光、現像し、熱処理により硬化するという一般的なフォトリソグラフィー法のプロセスを実施することにより、直接的にパターン形成することができる。
また、微細パターンの形成に有利なドライエッチング法を用いる方法も可能である。すなわち、予め形成した感光性を必要とはしない遮光性材料の上層に、別にエッチングレジストとなるパターンを、上記と類似のフォトリソグラフィー法で形成し、遮光性材料のパターン形成をドライエッチングにより形成することができる。後者の方法では、フォトリソグラフィー適性とドライエッチング適性とをレジスト材料と遮光性材料とに分担して最適化できるので、微細化パターンの形成に特に適している。ドライエッチング耐性を特に補強する目的で、レジスト材料の下層に無機膜を形成しておき、遮光性材料のドライエッチングをさらに良好な形状に完了させることも可能である。また、遮光性材料として無機膜を真空成膜し、上層にエッチングレジストパターン形成後に、下層の無機遮光膜をドライエッチングまたはウェットエッチングによりパターン化することも可能である。
【００２４】
ブラックマトリクス７の厚さは、後述するように、カラーマイクロレンズを画素内に堰き止めて着色膜厚を確保して充分な色分解性が得られるようにするため、少なくとも０．３μｍ以上とすることが望ましい。一方、上限値としては、厚過ぎるとブラックマトリクスのパターン形成時に欠陥を生じ易く、製造工程での生産性や材料の利用効率上も好ましくないので、２μｍ以下とすることが望ましい。
【００２５】
次に、１色目のカラーマイクロレンズ形成工程について説明する。
図２（ｂ１）に示すように、図２（ａ）で準備したブラックマトリクスを形成した固体撮像素子画素部の受光面側の基板上に、カラーマイクロレンズ材料６１ｍをブラックマトリクス７の厚さより厚く塗布する。カラーマイクロレンズ材料は、所定の分光透過率特性を有する特定の色の色素とアルカリ可溶性樹脂を含む感光性材料を含んで構成し、例えば、光照射された領域の樹脂が分解してアルカリ可溶性を呈するアクリル系のポジタイプの感光性樹脂を用いることができる。基板上への感光性着色透明樹脂の塗布としては、回転塗布法を用いることができる。
【００２６】
上記塗布し、乾燥させたカラーマイクロレンズ材料６１ｍに露光、現像のプロセスを行って、図２（ｂ２）に示すように、フォトリソグラフィー法により選択されたカラーマイクロレンズ層６１ｐを所定の画素領域に対応して残す。露光工程には、露光用マスクの拡大したパターンを縮小投影露光して繰り返しステップ送りできるステッパーを使用できる。本工程において、ブラックマトリクスに対するカラーマイクロレンズの位置と形状の制御に関して、精密なアライメント機構を用いて位置精度を保証することは当然であるが、次に述べる露光用マスクの工夫で、形状を改良できる。また、次の熱フローの工程での挙動も、本例でのカラーマイクロレンズの位置と形状の制御に有効である。
【００２７】
露光用マスクとして、透過率階調を与えた中間濃度の領域を有するグレーマスクと呼ばれるフォトマスクを用いることにより、現像後、熱フロー前のカラーマイクロレンズ層６１ｐの断面形状を、図示するよりもなだらかな形状にして、後述の熱処理によるフロー成形を助けることができる。現像工程は、アルカリ現像液、例えば、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）のような有機アルカリ現像水溶液を使用して行う。
【００２８】
なお、前記露光用マスクとして使用できるグレーマスクは、グレートーンマスクまたはハーフトーンマスクが利用できる。グレートーンマスクは、ドット（網点）配列やライン・アンド・スペースのような遮光膜の微細パターンの集合により、微細パターン領域全体の平均として、半透光部を形成するタイプであり、ハーフトーンマスクは、半透過性の膜の直接成膜とパターニング手段で半透光部を形成するタイプである。真空成膜を、遮光膜材料と半透過性膜材料の少なくとも２種類に分けて実施する必要のある後者より、遮光膜１種類のみの真空成膜を行えば良い前者のグレートーンマスクのタイプの方が、製造工程上は簡便である。但し、パターン周縁部での光の回折干渉効果によりグレートーンマスクのタイプでは光の強度のバラツキが大きく、特に膜厚の大きな部分の形状品質を良好に保つことが困難な場合があるので、形成したいスロープの形状に応じて、適宜露光用マスクのタイプを選択する必要がある。
【００２９】
フォトリソグラフィー法により選択されたカラーマイクロレンズ層６１ｐを、図２（ｂ３）に示すように、熱処理することにより、フロー成形されたカラーマイクロレンズ６１ｓが良好な曲面形状を保持して得られる。熱処理の条件は、カラーマイクロレンズに使用する着色透明樹脂材料の熱特性に依存するが、通常は、１００℃〜３００℃の加熱温度に
よりフローさせる。熱フローに際して、カラーマイクロレンズを画素内に堰き止めて着色膜厚を確保して充分な色分解性が得られるようにするため、ブラックマトリクス７を単に遮光材料としてだけではなく、壁材料として機能させることができる。
【００３０】
カラーマイクロレンズ材料の熱フローの動きが、ブラックマトリクス７の壁によって制限されるため、前の露光工程で僅かに位置ズレを生じたカラーマイクロレンズ層６１ｐであっても、本工程の熱フローで一定の位置補正が可能である。また、ブラックマトリクスの壁に囲まれるカラーマイクロレンズの高さを、ブラックマトリクスの壁より高くすることで、熱処理によりフロー成形されたカラーマイクロレンズ６１ｓの頂上部の曲面形状を最適化できる。曲面形状の最適化は、表面張力に起因するものと推察できる。
【００３１】
次に、２色目のカラーマイクロレンズ形成工程について、図２（ｃ１）〜（ｃ３）により説明する。１色目の熱フローして硬化したカラーマイクロレンズ６１ｓが形成された基板上に、２色目のカラーマイクロレンズ材料６２ｍを塗布する。カラーマイクロレンズ材料６２ｍは、１色目とは異なる所定の分光透過率特性を有する特定の色の色素と、１色目と同様のアルカリ可溶性樹脂を含む感光性材料であり、例えば、光照射された領域の樹脂が分解してアルカリ可溶性を呈するアクリル系のポジタイプの感光性樹脂を用いることができる。基板上への感光性着色透明樹脂の塗布は、１色目と同様の方法と厚さで行うことができる。
【００３２】
以下、露光、現像工程（図２（ｃ２）参照）、熱フロー工程（図２（ｃ３）参照）を順次、１色目と同様に実施して、２色目のカラーマイクロレンズを形成することができる。工程実施に伴いカラーマイクロレンズが形成されるメカニズムも同様であって、３色目以降を形成する場合も、１、２色目と同様に可能である。本発明では、カラーマイクロレンズを構成する複数色が、３色以上であることにも容易に対応でき、多種のカラー固体撮像素子に、上記と同様の効果を保って適用できる。
【００３３】
熱処理によりフロー成形されたカラーマイクロレンズ６１ｓの形状を代表する指標として、アスペクト比を定義すると、熱フローを生じさせる熱処理温度に相当するフロー温度の可能条件を調査することによって、適正なアスペクト比の範囲を定めることができる。実際に採用するアスペクト比は、カラー固体撮像素子内に組み込むべきカラーマイクロレンズの寸法例から規制されることは言うまでも無いが、本発明による方法で作製可能なアスペクト比の最大範囲を知ることができる。
【００３４】
図６は、本発明のカラーマイクロレンズの形状を代表するアスペクト比を定義するための模式断面図である。光電変換素子３に対応して、透明平坦化層５を介して設けたカラーマイクロレンズ６の形状は、ブラックマトリクス７に周囲を制限されて、図の両方向矢印ａ（レンズ径）とｂ（レンズ部の高さ）とで代表的に表すことができる。この時、ｂ／ａで表される値をアスペクト比と定義する。類似の材料を使用する範囲で、アスペクト比が同じであれば、カラーマイクロレンズ頂上部の曲率は同程度とみなすことができる。
【００３５】
上記のように定義したアスペクト比を種々に変えて、本発明の製造方法でカラーマイクロレンズを作ろうとした場合に、適正なフロー温度条件がアスペクト比に応じてどのように定まるかを調べた結果を、カラーマイクロレンズの形成条件として（表１）に示す。表中の○印は、適正に形状が製造できた条件を示し、表中の×印は、適正に形状が製造できなかった条件を示す。１２０℃で全てのアスペクト比において×であることは、熱フローが不充分であるために、現像後の形状からレンズ形状に移行しきれないことを表し、２２０℃で全てのアスペクト比において×であることは、熱フローが過剰であるために、レンズ形状が崩れていることを表す。また、アスペクト比が低い形状を実現しようとする場合は、高温側で処理すると平坦化が過剰に進んでレンズ効果が小さくなるので、比較的低温側で時間をかけて熱フローさせた方が良好な形状が得られ、アスペクト比が高い形状を実現しようとする場合は、高温側で処理してできるだけ短時間にフローさせ、その後冷却して固める方が良好な形状が得られることを示している。
【００３６】
【表１】
【００３７】
図５は、本発明のカラーマイクロレンズの製造方法の他の一例を工程順に説明するための模式断面図であって、（ａ）はブラックマトリクス形成段階、（ｂ１）〜（ｂ４）は１色目のカラーマイクロレンズ形成工程、（ｃ１）〜（ｃ４）は２色目のカラーマイクロレンズ形成工程、を示す。
【００３８】
図５（ａ）に示すように、ブラックマトリクス７は、光電変換素子３と１対１で対応する各色の画素となる位置６０の周囲に遮光性の材料で形成されるが、ブラックマトリクス形成に先立って、平坦で均一な下地を提供する透明平坦化層５を、例えば、無色透明なアクリル樹脂溶液を０．１μｍ程度の厚さで塗布し、熱処理して形成する。
次に、ブラックマトリクス７の形成は、黒色材料に感光性を付与した遮光性材料を塗布、乾燥後、選択的露光、現像し、熱処理により硬化するという一般的なフォトリソグラフィー法のプロセスを実施することにより、直接的にパターン形成することができる。
また、微細パターンの形成に有利なドライエッチング法を用いる方法も可能である。すなわち、予め形成した感光性を必要とはしない遮光性材料の上層に、別にエッチングレジストとなるパターンを、上記と類似のフォトリソグラフィー法で形成し、遮光性材料のパターン形成をドライエッチングにより形成することができる。後者の方法では、フォトリソグラフィー適性とドライエッチング適性とをレジスト材料と遮光性材料とに分担して最適化できるので、微細化パターンの形成に特に適している。ドライエッチング耐性を特に補強する目的で、レジスト材料の下層に無機膜を形成しておき、遮光性材料のドライエッチングをさらに良好な形状に完了させることも可能である。また、遮光性材料として無機膜を真空成膜し、上層にエッチングレジストパターン形成後に、下層の無機遮光膜をドライエッチングまたはウェットエッチングによりパターン化することも可能である。
【００３９】
次に、１色目のカラーマイクロレンズ形成工程について説明する。
図５（ｂ１）に示すように、図５（ａ）で準備したブラックマトリクスを形成した固体撮像素子画素部の受光面側の基板上に、カラーマイクロレンズ材料６１ｍを塗布して乾燥する。カラーマイクロレンズ材料は、所定の分光透過率特性を有する特定の色の色素を含んで、後工程でのドライエッチングが容易にされる材料により構成する。その後、引き続いて、例えば、光照射された領域の樹脂が分解してアルカリ可溶性を呈するアクリル系のポジタイプの感光性樹脂を含むエッチングレジスト材料８１ｍを積層してブラックマトリクス７の厚さより厚くなるように塗布する。基板上への樹脂の塗布としては、回転塗布法を用いることができる。
【００４０】
上記塗布し、乾燥させたエッチングレジスト材料８１ｍに露光、現像のプロセスを行って、図５（ｂ２）に示すように、フォトリソグラフィー法により選択されたエッチングレジスト層８１ｐを所定の画素領域に対応して残す。露光工程には、露光用マスクの拡大したパターンを縮小投影露光して繰り返しステップ送りできるステッパーを使用できる。本工程において、ブラックマトリクスに対するエッチングレジスト層の位置と形状の制御に関して、精密なアライメント機構を用いて位置精度を保証することは当然であるが、前述の本発明のカラーマイクロレンズの製造方法の第一の例で述べた露光用マスクと同様の工夫で、形状を改良できる。また、次の熱フローの工程での挙動も、本例でのカラーマイクロレンズの位置と形状の制御に有効である。
【００４１】
露光用マスクとして、透過率階調を与えた中間濃度の領域を有するグレーマスクと呼ば
れるフォトマスクを用いることにより、現像後、熱フロー前のエッチングレジスト層８１ｐの断面形状を、図示するよりもなだらかな形状にして、後述の熱処理によるフロー成形を助けることができる。現像工程は、アルカリ現像液、例えば、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）のような有機アルカリ現像水溶液を使用して行う。
【００４２】
フォトリソグラフィー法により選択されたエッチングレジスト層８１ｐを、図５（ｂ３）に示すように、熱処理することにより、フロー成形されたエッチングレジスト８１ｓが良好な曲面形状を保持して得られる。熱処理の条件は、エッチングレジストに使用する透明樹脂材料の熱特性に依存するが、通常は、１００℃〜３００℃の加熱温度によりフローさせる。熱フローに際して、エッチングレジストを画素内に収めて、次のドライエッチングのマスクとしての良好な形状を得るために、図示されていないが、ブラックマトリクス７付近のカラーマイクロレンズ材料の盛り上がりが役立つ。すなわち、エッチングレジスト材料の熱フローの動きが、ブラックマトリクス７の壁の間接的な影響である盛り上がりによって制限されるため、前の露光工程で僅かに位置ズレを生じたエッチングレジスト層８１ｐであっても、本工程の熱フローで一定の位置補正が可能である。
【００４３】
フロー成形されたエッチングレジスト８１ｓが作る良好な曲面形状を、図５（ｂ４）に示すように、下層に塗布されているカラーマイクロレンズ材料６１ｍを、ドライエッチング法により加工して形状転写し、転写成形されたカラーマイクロレンズ６１ｄとすることができる。ドライエッチングは、ＣＦ４ 、Ｃ４Ｆ８等のガスを主として、膜厚方向のエッチングレートを重視した条件で行い、エッチングレジストの曲面形状と類似する曲面形状を有するカラーマイクロレンズを形成することができる。また、カラーマイクロレンズ形成後、適宜、硬化処理等の処理を行い、耐性向上を図ることができる。
【００４４】
次に、２色目のカラーマイクロレンズ形成工程について、図５（ｃ１）〜（ｃ４）により説明する。１色目のカラーマイクロレンズ６１ｄが形成された基板上に、２色目のカラーマイクロレンズ材料６２ｍを塗布して乾燥する。カラーマイクロレンズ材料６２ｍは、１色目とは異なる所定の分光透過率特性を有する特定の色の色素を含んで、後工程でのドライエッチングが容易にされる材料により構成する。その後、引き続いて、例えば、光照射された領域の樹脂が分解してアルカリ可溶性を呈するアクリル系のポジタイプの感光性樹脂を含むエッチングレジスト材料８２ｍを積層して塗布する（図５（ｃ１）参照）。基板上への樹脂の塗布としては、１色目と同様の方法と厚さで行うことができる。
【００４５】
以下、露光、現像工程（図５（ｃ２）参照）、熱フロー工程（図５（ｃ３）参照）、ドライエッチング転写工程（図５（ｃ４）参照）、を順次、１色目と同様に実施して、２色目のカラーマイクロレンズ６２ｄを形成することができる。工程実施に伴いカラーマイクロレンズが形成されるメカニズムも同様であって、３色目以降を形成する場合も、１、２色目と同様に可能である。本発明では、カラーマイクロレンズを構成する複数色が、３色以上であることにも容易に対応でき、多種のカラー固体撮像素子に、上記と同様の効果を保って適用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１・・・カラー固体撮像素子
２・・・半導体基板
３・・・光電変換素子
４・・・固体撮像素子画素部の受光面側表面
５、５１・・・透明平坦化層
６・・・カラーマイクロレンズ
７・・・ブラックマトリクス
８・・・着色透明画素パターン
９・・・レンズの縁の膜厚の薄い部分を通過する光
６０・・・各色の画素となる位置
６１ｍ、６２ｍ・・・塗布されたカラーマイクロレンズ材料
６１ｐ、６２ｐ・・・フォトリソグラフィー法により選択されたカラーマイクロレンズ層６１ｓ、６２ｓ・・・熱処理によりフロー成形されたカラーマイクロレンズ
６１ｄ、６２ｄ・・・ドライエッチング法により転写成形されたカラーマイクロレンズ
８１ｍ、８２ｍ・・・塗布されたエッチングレジスト材料
８１ｐ、８２ｐ・・・フォトリソグラフィー法により選択されたエッチングレジスト層
８１ｓ、８２ｓ・・・熱処理によりフロー成形されたエッチングレジスト
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に複数の光電変換素子を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面に、光電変換素子の各々に対応して複数のマイクロレンズを設けた固体撮像素子において、マイクロレンズが所定の分光透過率特性を有する複数色の内の１色の着色透明樹脂からなるカラーマイクロレンズを他の色の着色透明樹脂からなるカラーマイクロレンズと連ねて規則的に繰り返し配列してなり、隣接する異なる色のカラーマイクロレンズが、カラーマイクロレンズの高さより低い遮光性のブラックマトリクスのパターンにより隔てられることを特徴とするカラー固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載のカラー固体撮像素子におけるカラーマイクロレンズの製造方法であって、各色の画素となる位置の周囲にブラックマトリクスを形成した後に、アルカリ可溶性の感光性樹脂を含むカラーマイクロレンズ材料を固体撮像素子の受光面側にブラックマトリクスの厚さより厚く塗布し、露光、現像によるフォトリソグラフィー法により、所定の画素領域に対応するカラーマイクロレンズ層を選択的に残し、ブラックマトリクスのパターンに制限された画素内での樹脂の熱フロー挙動を利用して熱処理によりカラーマイクロレンズの曲面形状を形成することを特徴とするカラーマイクロレンズの製造方法。
【請求項３】
ブラックマトリクスのパターンの高さが、０．３〜２μｍであることを特徴とする請求項２に記載のカラーマイクロレンズの製造方法。
【請求項４】
カラーマイクロレンズのブラックマトリクスを超える高さとブラックマトリクスに囲まれて設けたカラーマイクロレンズの平面サイズとのアスペクト比が、０．２〜７であることを特徴とする請求項２または３に記載のカラーマイクロレンズの製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載のカラー固体撮像素子におけるカラーマイクロレンズの製造方法であって、各色の画素となる位置の周囲にブラックマトリクスを形成した後に、カラーマイクロレンズ材料を固体撮像素子の受光面側に塗布、乾燥後、アルカリ可溶性の感光性樹脂を含むエッチングレジスト材料を積層してブラックマトリクスの厚さより厚くなるように塗布し、所定の画素領域に対応するレジストパターンをカラーマイクロレンズ層の上層にフォトリソグラフィー法で選択的に残し、ブラックマトリクスのパターンに制限された画素内でのエッチングレジストパターンの熱フロー挙動を利用して熱処理により所望の曲面形状を形成した後に、ドライエッチング法で所望の曲面形状を下層のカラーマイクロレンズ層に転写してカラーマイクロレンズの曲面形状を形成することを特徴とするカラーマイクロレンズの製造方法。
【請求項６】
カラーマイクロレンズを構成する複数色が、３色以上であることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載のカラーマイクロレンズの製造方法。
【請求項１】
半導体基板上に複数の光電変換素子を平面配置した固体撮像素子画素部の受光面側表面に、光電変換素子の各々に対応して複数のマイクロレンズを設けた固体撮像素子において、マイクロレンズが所定の分光透過率特性を有する複数色の内の１色の着色透明樹脂からなるカラーマイクロレンズを他の色の着色透明樹脂からなるカラーマイクロレンズと連ねて規則的に繰り返し配列してなり、隣接する異なる色のカラーマイクロレンズが、カラーマイクロレンズの高さより低い遮光性のブラックマトリクスのパターンにより隔てられることを特徴とするカラー固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載のカラー固体撮像素子におけるカラーマイクロレンズの製造方法であって、各色の画素となる位置の周囲にブラックマトリクスを形成した後に、アルカリ可溶性の感光性樹脂を含むカラーマイクロレンズ材料を固体撮像素子の受光面側にブラックマトリクスの厚さより厚く塗布し、露光、現像によるフォトリソグラフィー法により、所定の画素領域に対応するカラーマイクロレンズ層を選択的に残し、ブラックマトリクスのパターンに制限された画素内での樹脂の熱フロー挙動を利用して熱処理によりカラーマイクロレンズの曲面形状を形成することを特徴とするカラーマイクロレンズの製造方法。
【請求項３】
ブラックマトリクスのパターンの高さが、０．３〜２μｍであることを特徴とする請求項２に記載のカラーマイクロレンズの製造方法。
【請求項４】
カラーマイクロレンズのブラックマトリクスを超える高さとブラックマトリクスに囲まれて設けたカラーマイクロレンズの平面サイズとのアスペクト比が、０．２〜７であることを特徴とする請求項２または３に記載のカラーマイクロレンズの製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載のカラー固体撮像素子におけるカラーマイクロレンズの製造方法であって、各色の画素となる位置の周囲にブラックマトリクスを形成した後に、カラーマイクロレンズ材料を固体撮像素子の受光面側に塗布、乾燥後、アルカリ可溶性の感光性樹脂を含むエッチングレジスト材料を積層してブラックマトリクスの厚さより厚くなるように塗布し、所定の画素領域に対応するレジストパターンをカラーマイクロレンズ層の上層にフォトリソグラフィー法で選択的に残し、ブラックマトリクスのパターンに制限された画素内でのエッチングレジストパターンの熱フロー挙動を利用して熱処理により所望の曲面形状を形成した後に、ドライエッチング法で所望の曲面形状を下層のカラーマイクロレンズ層に転写してカラーマイクロレンズの曲面形状を形成することを特徴とするカラーマイクロレンズの製造方法。
【請求項６】
カラーマイクロレンズを構成する複数色が、３色以上であることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載のカラーマイクロレンズの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２５６７８２（Ｐ２０１２−２５６７８２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２９９３３（Ｐ２０１１−１２９９３３）
【出願日】平成２３年６月１０日（２０１１．６．１０）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１０日（２０１１．６．１０）
【出願人】（０００００３１９３）凸版印刷株式会社 (10,630)
【Ｆターム（参考）】
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