JPH057007A - マイクロレンズおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 集光部に光の無駄なく集光を行う。 【構成】 マトリックス状に配置された集光部における
各列方向の集光部群をそれぞれ覆うストライプ状の樹脂
層を形成し、これら各樹脂層を溶融することによりレン
ズを形成するマイクロレンズの製造方法において、各集
光部間に位置付けられる前記各樹脂層に行方向の溝が形
成された状態で溶融を行い、かつ溶融後に前記溝部で隣
接する樹脂層がつながるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロレンズおよび
その製造方法に係り、特に、マトリックス状に配置され
た集光部における各列方向の集光部群をそれぞれ覆う樹
脂層の溶融により形成されたマイクロレンズおよびその
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、半導体基板の主表面にマトリ
ックス状に複数のフォトダイオードが形成され、光像照
射により各フォトダイオードに蓄積される電荷をＣＣＤ
素子等により順次転送しこれら各電荷を電圧に変換して
出力として取り出す固体撮像素子がある。

【０００３】このような構成からなる固体撮像素子は、
たとえば「映像情報ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ．５月号．１
９８６．産業開発機構ＫＫ発行」等において知られてい
る。

【０００４】そして、近年になって、各フォトダイオー
ドに取り入れる光量の増大を図り、これにより感度を向
上させるようにするために、各フォトダイオードの上面
にそれぞれマイクロレンズを形成する技術が知られるよ
うになってきた（特開昭５４−１７６２０号公報参
照）。

【０００５】このようなマイクロレンズの形成方法の一
例としては、マトリックス状に配置されたフォトダイオ
ードにおける各列方向のフォトダイオード群をそれぞれ
覆うストライプ状の樹脂層を形成し、これら各樹脂層を
溶融することにより、その表面にレンズ面を形成するも
のが知られている。

【０００６】このように列方向のフォトダイオード群毎
に共通のマイクロレンズ（シリンドリカルレンズ）を形
成するのはその製造が容易であることに基づくものであ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような方
法でマイクロレンズを形成した場合、その曲率は幅方向
のみに形成されていることになるため、光の集光個所は
マイクロレンズ長手方向に沿った領域となり、フォトダ
イオードの形成領域以外の領域においても光照射がなさ
れることになる。

【０００８】図８は、このようなマイクロレンズを溶融
によって形成する前段階のストライプ状の樹脂層８０が
その幅方向に規則正しく配列された状態を示した図であ
る。

【０００９】同図において、（ａ）は平面図、（ｂ）は
（ａ）のｂ−ｂ線における断面図、（ｃ）は（ａ）にお
けるｃ−ｃ線における断面図である。

【００１０】同図に示す樹脂層８０を溶融することによ
り、図中点線で示すような形状（シリンドリカル）のマ
イクロレンズ８１が形成されることになり、その幅方向
における集光は、図９のようになる。

【００１１】しかし、この集光は、マイクロレンズの長
手方向においては全く同様で、図８（ａ）に示すフォト
ダイオード８２の形成領域以外の領域においても光照射
がなされることになる。

【００１２】したがって、フォトダイオード８２にでき
るだけ光を集光させ、感度を向上させるマイクロレンズ
の機能からみれば、充分なものでないという問題が残さ
れていた。

【００１３】それ故、本発明は、このような事情に基づ
いてなされたものであり、その目的とするところのもの
は、フォトダイオード等の集光部に無駄なく集光を行う
ことができるマイクロレンズの製造方法を提供するもの
である。

【００１４】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、マトリックス状に配置された集光
部における各列方向の集光部群をそれぞれ覆うストライ
プ状の樹脂層を形成し、これら各樹脂層を溶融すること
によりレンズを形成するマイクロレンズの製造方法にお
いて、各集光部間に位置付けられる前記各樹脂層に行方
向の溝が形成された状態で溶融を行い、かつ溶融後に前
記溝部で隣接する樹脂層がつながるようにしたことを特
徴とするものである。

【００１５】

【作用】このように構成したマイクロレンズの製造方法
は、各集光部間に位置付けられる前記各樹脂層に行方向
の溝が形成された状態で溶融を行なうものであるが、特
に、前記溝の幅は比較的小さく設定し、これにより、溶
融後において隣接する樹脂層が該溝部の個所でつながる
ようにしたものである。

【００１６】このようにすることにより、溶融の際、樹
脂層は前記溝部において溶融だれが生じる結果、凹陥部
が形成されるとともに該凹陥部の側面にレンズ面が形成
されることになる。

【００１７】したがって、集光部間における前記凹陥部
およびその近傍に照射される光は前記レンズ面によって
集光部に屈折されるようになり、無駄なく集光がなされ
るようになる。

【００１８】

【実施例】図２は、本発明によるマイクロレンズの製造
方法を適用させる固体撮像装置の一実施例を示す概略構
成図である。

【００１９】同図は、一チップの半導体基板の主表面に
図示のような配列で各素子が形成されたものとなってい
る。同図において、前記半導体基板の主表面の光像投影
領域に複数のフォトダイオード１がマトリックス状に配
列されて形成されている。

【００２０】また、列方向に配列されたフォトダイオー
ド１の群毎に該列方向に沿って形成された垂直レジスタ
２があり、これら各垂直レジスタ２はＣＣＤ素子から構
成されている。

【００２１】これら垂直レジスタ２は、それぞれ列方向
に配列された各フォトダイオード１にて発生した電荷を
読出すとともに列方向に沿って前記光像投影領域外に転
送させるものとなっている。

【００２２】なお、各フォトダイオード１から垂直レジ
スタ２への電荷読出しは、図示しない電荷読出しゲート
によりなされるようになっている。

【００２３】さらに、各垂直レジスタ２からそれぞれ転
送されてきた電荷は、水平シフトレジスタ４に出力さ
れ、この水平シフトレジスタ４によって水平方向に転送
されるようになっている。この水平シフトレジスタ４
は、前記各垂直シフトレジスタ２と同様にＣＣＤ素子に
より構成されている。

【００２４】水平シフトレジスタ４からの出力は、出力
回路５に入力され、この出力回路５において例えば電圧
に変換され、外部に取り出されるようになっている。

【００２５】そして、このように各素子が形成された半
導体基板の主表面には、各フォトダイオード１が形成さ
れている領域において開口が形成されることにより、各
フォトダイオード１のみを露呈させる遮光膜（図示せ
ず）が形成されている。

【００２６】図３は、図２のIII−III線における断面を
示す構成図である。

【００２７】同図において、まず、Ｎ型半導体基板１１
があり、このＮ型半導体基板１１の表面にはＰ型ウェル
層１２が形成されている。このＰ型ウェル層１２の主表
面側は、光像投影領域となっており、この光像投影領域
側の前記Ｐ型半導体基板面３１には、複数のＮ型拡散層
１３が散在的に（平面的に観た場合、マトリックス状
に）形成されている。

【００２８】これらＮ型拡散層１３は、それぞれ、Ｐ型
ウェル層１２との間にＰＮ接合面を形成し、フォトダイ
オードを構成するようになっている。

【００２９】そして、フォトダイオードを構成する前記
Ｎ型拡散層１３の表面には暗電流発生防止のための濃度
の濃いＰ型拡散層１４が形成されている。

【００３０】また、図中、各フォトダイオードの間の各
領域には、ＣＣＤ素子の電荷転送路となる濃度の小さい
Ｎ型拡散層１５が図中紙面裏から紙面表に沿って形成さ
れている。

【００３１】このＮ型拡散層１５は、また濃度の濃いＰ
型拡散層１６の表面に形成されたものとなっている。Ｐ
型拡散層１６は、電荷吐き出しのためにＮ型半導体基板
１１にパルスを印加した（いわゆる電子シャッタ）際、
Ｎ型拡散層１５内に転送されている電荷がＮ型半導体基
板１１側に移動するのを妨げる層となるものである。

【００３２】さらに、フォトダイオードを構成するＮ型
拡散層１３に対し電荷が転送される側のＮ型拡散層１５
と逆側に位置づけられるＮ型拡散層１５との間には、ア
イソレーション層となる濃度の濃いＰ型拡散層１７が形
成されている。

【００３３】このように各拡散層が形成された表面には
透明な半導体酸化膜１８が形成され、この半導体酸化膜
１８の表面には、たとえばポリシリコン層からなる転送
電極１９（ＣＣＤ素子の）が形成されている。この転送
電極１９は、異なる層に形成された他の転送電極２０と
ともに２相駆動電極構造を構成するようになっている。

【００３４】このうち、転送電極１９は、フォトダイオ
ードを構成するＮ型拡散層１３の領域にまで延在され、
電荷読出電極を兼ねているようになっている。すなわ
ち、転送電極１９に電圧が印加されるとＮ型拡散層１３
とＮ型拡散層１５を接続させるＮチャンネル層が形成さ
れることになり、フォトダイオード側の電荷がＣＣＤ素
子側に読みだされるようになる。

【００３５】そして、転送電極１９、２０が形成された
半導体酸化膜１８面には、前記転送電極１９、２０をも
覆って半導体酸化膜１８Ａが形成され、この半導体酸化
膜１８Ａ面には、フォトダイオードの上方領域を除いて
たとえばアルミニュウムからなる遮光膜２１が形成され
ている。これにより、この遮光膜２１からは前記半導体
酸化膜を通してフォトダイオードが露呈されるようにな
っている。

【００３６】さらに、遮光膜２１が形成された半導体酸
化膜１８Ａ面には、前記遮光膜２１をも覆って有機性透
明保護膜２２Ａが形成され、この有機性透明保護膜２２
Ａ面には、フォトダイオードの上方の領域に色分解用フ
ィルタ膜２３が形成されている。

【００３７】色分解用フィルタ膜２３が形成された有機
性透明保護膜２２Ａ面には、前記色分解用フィルタ膜２
３をも覆って有機性透明保護膜２２Ｂが形成され、この
有機性透明保護膜２２Ｂ面には、フォトダイオードの上
方の領域に、すなわち、前記色分解用フィルタ膜２３に
重畳させてマイクロレンズ２４が形成されている。

【００３８】このマイクロレンズ２４は有機樹脂などを
熱軟化して、図示のように曲率をもたせて形成されたも
のとなっている。

【００３９】図１は、このマイクロレンズ２４を特に示
した構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の
ｂ−ｂ線における断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ線に
おける断面図である。

【００４０】図１（ａ）は、フォトダイオード１０の上
方に位置付けられたマイクロレンズ２４であり、その平
面的形状は図中Ｙ方向に延在したストライプ形状をなし
ている。そして、前記フォトダイオード１０は、マイク
ロレンズ２４の長手方向に沿って等間隔に配置されたも
のとなっている。

【００４１】また、マイクロレンズ２４は、その幅方向
に並設されたものとなっており、このことから、フォト
ダイオード１０は、全体としてマトリックス状に配列さ
れたものとなっている。

【００４２】このマイクロレンズ２４は、全体としてい
わゆるシリンドリカルレンズを構成しているが、各フォ
トダイオード１０の間の領域には、Ｘ方向（行方向）に
沿って凹陥部３０が形成され、この凹陥部３０の側面は
レンズ面となっている。

【００４３】そして、このような構成からなるマイクロ
レンズ２４を形成する溶融前の樹脂層は、図中点線に示
すように形成されている。すなわち、ストライプ状に配
置される樹脂層３５において、各フォトダイオード１０
の間の領域にＸ方向に延在する溝３６が形成されるよう
になっている。この溝３６の幅は比較的小さく、樹脂層
３５の溶融によって、この溝３６の個所で互いに隣接す
る樹脂層３５がつながるようになっている。

【００４４】なお、各樹脂層３５は、熱，紫外線架橋性
を有するポジレジストからなるもので、周知のフォトエ
ッチングにより形成されるものである。

【００４５】このような状態で、各樹脂層３５を溶融す
ることにより、該樹脂層３５は表面に曲率を有する形状
に変化することになるが、この際、前記溝３６を形成し
た個所においても、該溝３６のために溶融だれが生じ、
図１（ｂ）に示すように、この近傍においてレンズ面が
形成されることになる。

【００４６】このようなレンズ面が形成されると、各フ
ォトダイオード１０の間の領域に光照射がなされると、
その光はフォトダイオード１０側へ屈折されてフォトダ
イオード１０へ入射されることになる。このような屈折
の状況を図４に示す。

【００４７】図５は、本実施例によりマイクロレンズを
形成した場合の効果を示した説明図である。同図は、光
線追跡によりシミュレートした集光分布を示した図であ
る。図中、太線枠６５がフォトダイオードであり、この
太線枠６５を囲む太線枠６４がマイクロレンズを示した
ものとなっている。また、図中の数値は、照射面におけ
る光強度に対応する数値である。

【００４８】このことから明らかなように、フォトダイ
オードから外れる近傍領域には、ほとんど光照射が存在
せず、フォトダイオードの中央に集光していることが判
明する。

【００４９】一方、図６は、従来の場合を示したもので
あり、図５と対応づけている。従来にあっては、フォト
ダイオードから外れる近傍領域に光照射されていること
が判る。

【００５０】また、図７は、フォトダイオード内に入射
する光量がレンズのない場合に比べて何倍になるかをシ
ミュレートした結果を示す図で、本実施例により曲率半
径を大きくしていくことにより、従来（図中、×印で示
す）に比べて向上していることが判る。

【００５１】実施例に示したマイクロレンズの製造方法
は、各フォトダイオード１０間に位置付けられる前記各
樹脂層に行方向の溝３６が形成された状態で溶融を行な
うものであるが、特に、前記溝３６の幅は比較的小さく
設定し、これにより、溶融後において隣接する樹脂層が
該溝３６部の個所でつながるようにしたものである。

【００５２】このようにすることにより、溶融の際、樹
脂層は前記溝３６部において溶融だれが生じる結果、凹
陥部３０が形成されるとともに該凹陥部３０の側面にレ
ンズ面３０Ａが形成されることになる。

【００５３】したがって、フォトダイオード１０間にお
ける前記凹陥部３０およびその近傍に照射される光は前
記レンズ３０Ａ面によってフォトダイオード１０側に屈
折されるようになり、無駄なく集光がなされるようにな
る。

【００５４】上述した実施例は、本発明を固体撮像素子
に適用したものである。しかし、近年、液晶表示基板に
おいても、その画素毎にマイクロレンズを形成するとい
う試みがあることから、このような液晶表示基板におい
ても適用できるものである。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明によるマイクロレンズおよびその製造方法によれ
ば、集光部に無駄なく集光を行うことができるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）ないし（ｃ）は、本発明によるマイクロ
レンズの製造方法の一実施例を示す説明図である。

【図２】本発明が適用される固体撮像素子の一実施例を
示す概略平面図である。

【図３】本発明が適用される固体撮像素子の一実施例を
示す断面図である。

【図４】本発明によるマイクロレンズの製造方法により
形成されたマイクロレンズの長手方向における集光状態
を示した説明図である。

【図５】本発明によるマイクロレンズの製造方法により
形成されたマイクロレンズの効果を示す説明図である。

【図６】図５と対応し従来のマイクロレンズの製造方法
により形成されたマイクロレンズの特性を示す説明図で
ある。

【図７】本発明によるマイクロレンズの製造方法により
形成されたマイクロレンズの効果を示す説明図である。

【図８】（ａ）ないし（ｃ）は、従来のマイクロレンズ
の製造方法の一例を示した説明図である。

【図９】従来のマイクロレンズの幅方向における集光状
態を示した説明図である。

【符号の説明】

１０ フォトダイオード ２４ マイクロレンズ ３０ 凹陥部 ３５ 樹脂層 ３６ 溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久慈 卓見 千葉県茂原市早野3300番地 株式会社日立 製作所茂原工場内 (72)発明者 中野 寿夫 千葉県茂原市早野3681番地 日立デバイス エンジニアリング株式会社内 (72)発明者 金坂 和美 千葉県茂原市早野3681番地 日立デバイス エンジニアリング株式会社内 (72)発明者 磯田 高志 千葉県茂原市早野3681番地 日立デバイス エンジニアリング株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マトリックス状に配置された集光部にお
   ける各列方向の集光部群をそれぞれ覆うストライプ状の
   樹脂層を形成し、これら各樹脂層を溶融することにより
   レンズを形成するマイクロレンズの製造方法において、
   各集光部間に位置付けられる前記各樹脂層に行方向の溝
   が形成された状態で溶融を行い、かつ溶融後に前記溝部
   で隣接する樹脂層がつながるようにしたことを特徴とす
   るマイクロレンズの製造方法。
2. 【請求項２】 マトリックス状に配置された集光部にお
   ける各列方向の集光部群をそれぞれ覆う樹脂層の溶融に
   より形成されたマイクロレンズにおいて、各集光部間に
   位置付けられる部分に行方向に延在する凹陥部が形成さ
   れ、この凹陥部の側面はレンズ面を構成していることを
   特徴とするマイクロレンズ。