特開 2023-95297 レンズアレイの製造方法、レンズアレイ、および固体撮像素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023095297

(43)【公開日】2023-07-06

(54)【発明の名称】レンズアレイの製造方法、レンズアレイ、および固体撮像素子

(51)【国際特許分類】

   G02B 3/00 20060101AFI20230629BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20230629BHJP

【ＦＩ】

G02B3/00 A

H01L27/146 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021211100

(22)【出願日】2021-12-24

(71)【出願人】

【識別番号】000003193

【氏名又は名称】凸版印刷株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100139686

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 史朗

(74)【代理人】

【識別番号】100169764

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100147267

【弁理士】

【氏名又は名称】大槻 真紀子

(72)【発明者】

【氏名】茂木 涼真

【テーマコード（参考）】

4M118

【Ｆターム（参考）】

4M118AB01

4M118BA14

4M118EA01

4M118EA14

4M118FA06

4M118GC08

4M118GD04

4M118GD07

(57)【要約】

【課題】エッチバックを用いつつ、表面凹凸が軽減されたマイクロレンズを形成できるレンズアレイの製造方法を提供する。
【解決手段】複数のマイクロレンズを有するレンズアレイの製造方法は、レンズアレイとなる母材層１００を形成するステップＡと、母材層上に、母材層よりも厚さが薄い表面改善層１１０を形成するステップＢと、表面改善層上に、複数の転写レンズを有する転写アレイを形成するステップＣと、エッチングにより転写アレイおよび表面改善層を消失させるとともに、転写レンズに対応する形状を母材層に転写するステップＤとを備える。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のマイクロレンズを有するレンズアレイの製造方法であって、
前記レンズアレイとなる母材層を形成するステップＡと、
前記母材層上に、前記母材層よりも厚さが薄い表面改善層を形成するステップＢと、
前記表面改善層上に、複数の転写レンズを有する転写アレイを形成するステップＣと、
エッチングにより前記転写アレイおよび前記表面改善層を消失させるとともに、前記転写レンズに対応する形状を前記母材層に転写するステップＤと、
を備える、
レンズアレイの製造方法。

【請求項2】

前記表面改善層の厚みが２μｍ以下である、
請求項１に記載のレンズアレイの製造方法。

【請求項3】

前記表面改善層の厚みが前記母材層の厚みの５０％以下である、
請求項１または２に記載のレンズアレイの製造方法。

【請求項4】

複数のマイクロレンズを有するレンズアレイであって、
前記マイクロレンズの表面の表面粗さＲａが１１０オングストローム以下である、
レンズアレイ。

【請求項5】

請求項４に記載のレンズアレイを備える、
固体撮像素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レンズアレイの製造方法およびレンズアレイに関する。このレンズアレイを用いた固体撮像素子についても言及する。

【背景技術】

【0002】

持ち運び可能で薄型の携帯電話にも組み込み可能な、固体撮像素子を用いた距離画像センサが知られている。
例えば、特許文献１には、複数の光電変換部と、光電変換部の上に設けられたマイクロレンズアレイを備えた光電変換基板が記載されている。マイクロレンズアレイは、入射した光を各光電変換部に集光する機能を有する。

【0003】

マイクロレンズを形成する方法の一つとしてエッチバック形成法が知られている（例えば、特許文献１参照）。エッチバック形成法は露光・現像や熱フロー等によって母材上に形成した一次レンズに対してフッ素系ガスなどを用いたドライエッチングを施し、母材に一次レンズの形状を転写することにより母材からなるマイクロレンズを形成する方法である。この方法は、ドライエッチングの時間を調節することにより、マイクロレンズ間のギャップを調節できるという利点がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－２００２７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

エッチバック形成法により形成されたマイクロレンズは、その原理上、表面に一定の凹凸が生じることを避けられない。表面凹凸が過度となると、集光性等のレンズアレイの性能に影響を及ぼす可能性がある。
発明者は、これを軽減する方法について種々検討した結果、本発明を完成させた。

【0006】

本発明は、エッチバックを用いつつ、表面凹凸が軽減されたマイクロレンズを形成できるレンズアレイの製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第一の態様は、複数のマイクロレンズを有するレンズアレイの製造方法である。
この製造方法は、レンズアレイとなる母材層を形成するステップＡと、母材層上に、母材層よりも薄い表面改善層を形成するステップＢと、表面改善層上に、複数の転写レンズを有する転写アレイを形成するステップＣと、エッチングにより転写アレイおよび表面改善層を消失させるとともに、転写レンズに対応する形状を母材層に転写するステップＤとを備える。

【0008】

本発明の第二の態様は、複数のマイクロレンズを有するレンズアレイであって、マイクロレンズの表面の表面粗さＲａが１００オングストローム以下であるレンズアレイである。
本発明の第三の態様は、第二の態様に係るレンズアレイを備えた固体撮像素子である。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、エッチバックを用いつつ、表面凹凸が軽減されたマイクロレンズを形成できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係るレンズアレイを備えた固体撮像素子の模式断面図である。

【図2】同レンズアレイの製造時の一過程を示す図である。

【図3】同レンズアレイの製造時の一過程を示す図である。

【図4】同レンズアレイの製造時の一過程を示す図である。

【図5】同レンズアレイの製造時の一過程を示す図である。

【図6】従来のプロセスで形成したマイクロレンズの走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。

【図7】本発明の一実施形態に係るレンズアレイの製造方法で形成したマイクロレンズのＳＥＭ像である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の一実施形態について、図１から図７を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る固体撮像素子の模式断面図である。固体撮像素子１０は、基板２０と、ＣＭＯＳイメージセンサ２４と、カラーフィルタ２８と、レンズアレイ３０とを備える。
レンズアレイ３０は、本発明に係るレンズアレイである。

【0012】

基板２０は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板である。基板２０の材料は、例えばＳｉであるが、ＣＭＯＳイメージセンサ２４等の画素や受光素子を備えてこれらを電気的に機能させることが可能な材料であれば特に限定されない。

【0013】

基板２０は、複数のＣＭＯＳイメージセンサ２４を有する。複数のＣＭＯＳイメージセンサ２４は、固体撮像素子１０の平面視において、二次元マトリクス状に配列されている。
上述した基板２０の構成やイメージセンサの種類、配列等は一例であり、固体撮像素子１０の用途等に応じて適宜設定できる。

【0014】

カラーフィルタ２８は、各々のＣＭＯＳイメージセンサ２４の受光面２５の上に設けられている。本実施形態においてカラーフィルタ２８は光の３原色である赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の何れかの色の波長帯の光を透過させる機能を有する。カラーフィルタ２８が透過する色は、複数のＣＭＯＳイメージセンサ２４の配置等に応じて、複数のＣＭＯＳイメージセンサ２４毎に適宜決められている。
固体撮像素子１０の用途により、カラーフィルタの色の構成が変更されたり、カラーフィルタ自体が省略されたりしてもよい。

【0015】

レンズアレイ３０は、カラーフィルタ２８上に形成されており、カラーフィルタに対応して整列配置された複数のマイクロレンズ３１を有する。

【0016】

マイクロレンズ３１の表面の凹凸が強いと、入射光の屈折に乱れが生じ、結果として集光性が低下する可能性がある。
発明者は、エッチバックによりレンズアレイを形成しつつ表面の凹凸を低減することについて種々検討した結果、後述するようにエッチバックを行うプロセスに変更を加えることにより、表面の凹凸を低減できることを見出した。これにより、マイクロレンズの表面粗さをＲａとして１１０オングストローム（Å）以下とすることに成功した。

【0017】

本実施形態に係るレンズアレイ３０の製造方法について説明する。
まず、図２に示すように、母材層１００を形成する（ステップＡ）。母材層１００の厚さは、形成するマイクロレンズ３１の高さ等を考慮して適宜設定する。母材層の材質は、レンズアレイ３０に求められる透過率、耐光性、耐熱性等を考慮しつつ、公知の各種透明樹脂から選択できる。
レンズアレイ３０を固体撮像素子１０に直接設ける場合は、カラーフィルタ２８上に直接母材層１００を形成すればよい。レンズアレイ３０を別の用途に用いる場合は、下地となる樹脂フィルム等の上に母材層１００を形成してもよい。

【0018】

次に、図３に示すように、母材層１００上に、母材層１００よりも厚さが薄い表面改善層１１０を形成する（ステップＢ）。表面改善層１１０の材質は、エッチングが可能な樹脂であれば特に制限はなく、母材層と同一であってもよい。表面改善層を形成する場合は、母材層のベイクが終了し、完全に硬化してから表面改善層を形成することにより、母材層との間に確実に界面を生じさせるように留意する。母材層と同一の材料で表面改善層を形成する場合は、母材層と一体化しやすいため特に留意する。

【0019】

次に、図４に示すように、転写アレイ１２０を形成する（ステップＣ）。転写アレイ１２０は、二次元マトリクス状に配置された複数の転写レンズ１２１を有する。各転写レンズ１２１は、レンズアレイ３０の各マイクロレンズ３１を設ける位置に対して、概ね真上に配置される。
転写アレイ１２０は、光硬化性の樹脂を用いることにより簡便に形成できる。転写アレイは、グレースケールマスクを用いた露光および現像により形成されてもよいし、フォトリソグラフィによるパターニングと熱フローにより形成されてもよい。

【0020】

続いて、フッ素系ガス等を用いたドライエッチングを行う（ステップＤ）。ステップＤにおいては、転写レンズ１２１のある部位ではまず転写レンズ１２１が削られ、転写レンズ１２１のない部位では表面改善層１１０が削られる。これにより、転写レンズ１２１の形状が徐々に転写アレイ１２０の下の層に転写されていく。

【0021】

ステップＤが終了すると、転写アレイ１２０および表面改善層１１０がエッチングにより消失し、図５に示すように、母材層１００の材料からなり、転写レンズに対応する形状が転写されてマイクロレンズ３１が形成されたレンズアレイ３０が完成する。

【0022】

ドライエッチングは、材料の表面に直接作用するため、原理上表面が荒れることが避けられない。発明者が、これを軽減するために種々検討をしたところ、レンズアレイとなる母材層の上に母材層よりも薄い表面改善層を設けると表面の荒れの程度が小さくなることを見出した。
表面改善層を設けることによる荒れ抑制のメカニズムについては十分明らかになってはいないが、表面改善層のエッチングにより生成される微細小片は、厚い母材層のエッチングにより生成される微細小片に比べて薄いため、これが、エッチングされた母材層の表面に落下して荒れた表面の一部を埋めることによると考えられる。

【0023】

発明者の検討では、プロピレングリコールモノメチルアセテートとアクリル系樹脂の混合物からなる厚さ４．５μｍの母材層にドライエッチングを施して形成したマイクロレンズの表面粗さＲａは３２３Åであった。これに対し、プロピレングリコールモノメチルアセテートとアクリル系樹脂の比率のみ変更した混合物からなる厚さ１．１０μｍの表面改善層を母材層上に設け、同一条件のドライエッチングによりにマイクロレンズを形成したところ、その表面粗さＲａは５２Åとなり、表面改善層がない場合に比して１／６以下に低減できた。図６に表面改善層を設けずに形成したマイクロレンズの走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を、図７に上記表面改善層を設けて形成したマイクロレンズのＳＥＭ像を、それぞれ示す。図６と図７のＳＥＭ像は同一倍率であるが、図７のマイクロレンズの表面の方が滑らかであることがわかる。
さらに、母材層に用いた混合物で厚さ１．１０μｍの表面改善層を設けて２回製造したところ、マイクロレンズの表面粗さＲａは９８Åおよび１０５Åとなり、いずれについても表面粗さを改善できた。これにより、材質に関係なく、母材層よりも薄い表面改善層を設けることによりマイクロレンズの表面性状を改善できることが確認できた。

【0024】

上述した推定メカニズムや、上記検討結果を考慮すると、表面改善層の厚さは、母材層の５０％以下が好ましく、母材層の２５％以下がより好ましい。厚さの具体的数値としては、２μｍ以下が好ましく、１．５μｍ以下がより好ましい。

【0025】

以上説明したように、本実施形態に係るレンズアレイの製造方法によれば、表面改善層を設けるステップＣを備えるため、母材層の材料として、透過率、耐光性、耐熱性等を考慮した最適なものを選択しつつ、従来のプロセスでは実現がかなり困難な表面性状のマイクロレンズを備えたレンズアレイを製造することも可能になり、より高性能な固体撮像素子等の実現に寄与できる。

【0026】

本実施形態において、ステップＤは、少なくとも転写アレイおよび表面改善層が完全に消失するまで行われるが、完全に消失した後に一定時間継続されてもよい。これにより、レンズアレイにおけるマイクロレンズ間のギャップを調節することができ、ゼロギャップとすることも可能になる。

【0027】

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせなども含まれる。以下にいくつか変更を例示するが、これらはすべてではなく、それ以外の変更も可能である。これらの変更が２以上適宜組み合わされてもよい。

【0028】

・ステップＣにおいて、複数種類の表面改善層が設けられてもよい。

【0029】

・上述の実施形態では、本発明に係るレンズアレイの適用例として、基板上に直接カラーフィルタが形成されたオンチップタイプの固体撮像素子を示したが、本発明に係るレンズアレイの適用範囲はこれには限られず、例えば有機ＥＬ（ＯＬＥＤ）上に配置されるレンズシート等にも広く適用できる。

【0030】

・本発明に係るレンズアレイは、マイクロレンズを覆う機能層を有してもよい。機能層としては、低屈折率層、防眩層、防汚層等を例示できる。

【符号の説明】

【0031】

１０ 固体撮像素子
３０ レンズアレイ
３１ マイクロレンズ
１００ 母材層
１１０ 表面改善層
１２０ 転写アレイ
１２１ 転写レンズ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】