WO2023182202A1 - 固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents

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solid
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峻悟 冨岡
英生 日田
智寛 島▲崎▼
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    • G02B3/0062—Stacked lens arrays, i.e. refractive surfaces arranged in at least two planes, without structurally separate optical elements in-between
    • G02B3/0068—Stacked lens arrays, i.e. refractive surfaces arranged in at least two planes, without structurally separate optical elements in-between arranged in a single integral body or plate, e.g. laminates or hybrid structures with other optical elements

Definitions

  • the present invention relates to a solid-state image sensor. A method of manufacturing this solid-state image sensor will also be mentioned.
  • Distance image sensors using solid-state image sensors are known, which are portable and can be incorporated into thin mobile phones.
  • Patent Document 1 describes a photoelectric conversion board that includes a plurality of photoelectric conversion units and a microlens array provided on the photoelectric conversion units.
  • the microlens array has a function of condensing incident light onto each photoelectric conversion unit.
  • a diffraction grating pattern may be formed on a microlens array.
  • Patent Document 2 discloses a technique of covering a microlens array with a protective film and flattening the microlens array.
  • the diffraction grating pattern is generally made into a permanent film by applying a photosensitive resin layer (resist), exposing it to light, developing it, and then heating (baking) it at a high temperature.
  • a photosensitive resin layer resist
  • the inventors discovered that in such pattern formation, the shape accuracy of the diffraction grating becomes insufficient and the optical characteristics deteriorate, and the present invention was completed by solving this problem.
  • An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device in which a diffraction grating pattern is formed on a lens array with good shape accuracy, and a method for manufacturing the same.
  • a first aspect of the present invention includes a lens array in which a plurality of microlenses are aligned, a flattening layer formed on the lens array, and a thermosetting resin, and a plurality of diffraction gratings.
  • the solid-state imaging device includes a diffraction grating section provided on a flattening layer.
  • a second aspect of the present invention includes a lens array in which a plurality of microlenses are arranged in an aligned manner, a flattening layer formed on the lens array, a base that covers the entire upper surface of the flattening layer, and a base that covers the entire upper surface of the flattening layer.
  • This is a solid-state imaging device including a plurality of diffraction gratings provided protrudingly from the diffraction grating section.
  • a third aspect of the present invention includes a lens array in which a plurality of microlenses are arranged in an aligned manner, a flattening layer formed on the lens array, and a plurality of diffraction gratings provided on the flattening layer.
  • a diffraction grating portion, the diffraction grating having a lower surface on the flattening layer side, a substantially flat upper surface facing the lower surface in the thickness direction, and a side surface connecting the lower surface and the upper surface.
  • the lower surface is a solid-state image sensor longer than the upper surface.
  • a fourth aspect of the present invention is a method for manufacturing a solid-state image sensor.
  • This manufacturing method includes step A of providing a thermosetting resin layer on a flattening layer formed on a lens array in which a plurality of microlenses are arranged in alignment, and forming a resist layer on the thermosetting resin layer.
  • Step B includes forming a sacrificial pattern corresponding to the diffraction grating by exposure and development, and Step C performs dry etching without baking the sacrificial pattern to transfer the shape of the sacrificial pattern to the thermosetting resin layer.
  • the present invention it is possible to provide a solid-state imaging device in which a diffraction grating pattern is formed on a lens array with good shape accuracy, and a method for manufacturing the same.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a solid-state image sensor according to the present embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process of a solid-state image sensor in a comparative example.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the cross-sectional shape of a diffraction grating according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of the pattern shape of a diffraction grating and diffracted light.
  • FIG. 2 is a schematic plan view showing the planar shape of a diffraction grating according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the manufacturing process of the solid-state image sensor according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the manufacturing process of the solid-state image sensor according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the manufacturing process of the solid-state image sensor according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a scanning electron micrograph of a diffraction grating section according to the present example. It is a cross-sectional profile of the diffraction grating according to this example. It is a cross-sectional profile of a diffraction grating according to a comparative example.
  • the present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented with various modifications within the scope of the gist.
  • the notation “ ⁇ ” includes both the lower limit value and the upper limit value (boundary value).
  • the expressions "upper surface,” “upper surface,” “lower surface,” and “lower side” are used in the specification and are defined as follows. That is, the direction in which each functional layer is laminated from the surface of the substrate 20 is “upward”, and the direction opposite to "upward” is “downward”. Further, in each layer, the surface facing the stacking direction is the “top surface”, and the surface opposite thereto is the “bottom surface”. Alternatively, the light-receiving surface is the “top surface” and the surface opposite thereto is the “bottom surface.”
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a solid-state image sensor according to this embodiment.
  • the solid-state image sensor 10 includes a substrate 20, a CMOS image sensor 24, a color filter 28, a lens array 30, a flattening layer 40, and a diffraction grating section 50, and functions as a distance image sensor as a whole.
  • the substrate 20 is, for example, a silicon (Si) substrate.
  • the material of the substrate 20 is, for example, Si, but is not particularly limited as long as it is capable of providing pixels and light receiving elements such as the CMOS image sensor 24 and allowing them to function electrically.
  • the thickness direction of the substrate 20 will be referred to as the Z direction, and the direction from the inside of the substrate 20 toward the surface 20a in the Z direction will be referred to as upward.
  • one direction parallel to the surface 20a and perpendicular to the Z direction is defined as the X direction
  • a direction parallel to the surface 20a and perpendicular to the X and Z directions is defined as the Y direction.
  • the solid-state image sensor 10 can include a plurality of CMOS image sensors 24.
  • the plurality of CMOS image sensors 24 are arranged along each of the X direction and the Y direction.
  • a pixel array of the solid-state image sensor 10 is configured in the direction along the surface 20a of the substrate 20.
  • the number of CMOS image sensors 24 provided in the solid-state image sensor 10 is appropriately set depending on the use of the solid-state image sensor 10, and at least some of them are illustrated in FIG. 1 and the like.
  • Each CMOS image sensor 24 is embedded on the surface 20a side of the substrate 20 in the Z direction.
  • a light receiving surface 25 of the CMOS image sensor 24 is exposed from the substrate 20 and is substantially flush with the surface 20a.
  • illustration of the detailed structure of the CMOS image sensor 24 is omitted in FIG. 1 and the like, it is similar to a known CMOS image sensor.
  • the color filter 28 is provided above the light receiving surface 25 of each CMOS image sensor 24 (that is, above the Z direction).
  • the color filter 28 has a function of transmitting light in a wavelength band of any of the three primary colors of light, red (R), green (G), and blue (B).
  • the colors that the color filter 28 transmits are appropriately determined for each of the plurality of CMOS image sensors 24 depending on the arrangement of the plurality of CMOS image sensors 24 and the like.
  • the lens array 30 is formed on the color filter 28 and has a plurality of microlenses 31 arranged in alignment corresponding to the color filter.
  • the microlens 31 is provided on the surface 28a of the color filter 28 on each CMOS image sensor 24.
  • the microlens 31 is a so-called plano-convex lens having a bottom surface and a lens surface.
  • the material of the microlens 31 has a refractive index higher than at least the refractive index of air and the flattening layer 40 .
  • the material of the microlens 31 may be a high refractive index material having a refractive index of about 1.6, for example. preferable.
  • the curvature and shape of the lens surface are appropriately designed according to the refractive index of the material of the microlens 31 at visible wavelengths. Further, the microlens 31 is formed and arranged so that light incident from above in the Z direction in the opposite direction to the Z direction is focused on the CMOS image sensor 24 through the color filter 28 below (i.e., below the Z direction). ing.
  • the flattening layer 40 is provided to cover the surface of the lens array 30, thereby absorbing the unevenness of the microlenses 31 and forming a substantially flat surface 40a on which the diffraction grating section 50 is provided.
  • the surface 40a of the planarization layer 40 is planarized with respect to the surface of the microlens 31.
  • the maximum thickness of the planarizing layer 40 (that is, the distance in the Z direction between the surface 40a of the planarizing layer 40 and the surface 20a of the substrate 20 (the surface of the CMOS image sensor 24)) It is determined as appropriate depending on the optical path length required for the light incident from the source.
  • the planarization layer 40 has a refractive index lower than at least the refractive index of the microlens 31.
  • the light is well focused on the CMOS image sensor 24 by the microlens 31, and desired optical characteristics can be obtained in the solid-state image sensor 10.
  • the refractive index of the planarization layer 40 can be adjusted as appropriate.
  • the planarization layer 40 contains a hollow filler and a medium.
  • the hollow filler and the medium have transparency at visible wavelengths, for example, have a total light transmittance of 90% or more for light at visible wavelengths.
  • the hollow filler contributes to lowering the refractive index of the planarization layer 40.
  • the medium is interposed between the particles of the hollow filler, binds the hollow fillers together, and stabilizes the flattening layer 40.
  • hollow filler is silicon dioxide (silica, SiO 2 ).
  • Hollow fillers made of silica are inexpensive, have high transparency to visible wavelengths, and physical stability. Since the hollow filler is located in the low refractive index layer, air regions are scattered inside the flattening layer 40, and as a result, the refractive index of the flattening layer 40 decreases, and as the content of the hollow filler increases, the refraction decreases. The rate approaches that of air.
  • the diffraction grating section 50 has a layered base 51 that covers the surface 40a of the flattening layer 40, and a plurality of diffraction gratings 52 that protrude upward in the Z direction from the base 51.
  • the base 51 and the diffraction grating 52 are both made of thermosetting resin and are integrated.
  • the diffraction grating 52 is transparent at visible wavelengths, and has, for example, a total light transmittance of 90% or more for visible wavelength light.
  • the diffraction gratings 52 are periodically provided at predetermined intervals in the X direction and the Y direction.
  • Light that enters the diffraction grating 52 from above to below in the Z direction is diffracted by the diffraction grating 52, and is diffracted at a diffraction angle determined by the wavelength of the light and the pitch of the diffraction grating 52 with respect to the normal along the Z direction. , propagates in different directions for each wavelength.
  • the dimensions, pitch, etc. of the diffraction grating 52 can be set as appropriate depending on the purpose.
  • a diffraction grating is used to convert a 2D image captured by a conventional CMOS image sensor into a 3D image.
  • Distance can be measured from a distance image by image processing the light separated by wavelength by a diffraction grating.
  • the unevenness on the surface of the microlens 31 is flattened to create an optical path.
  • a layer 40 will be formed and a diffraction grating will be formed on the top surface of the planarization layer 40.
  • FIGS. 2(a) to 2(c) are schematic cross-sectional views showing the manufacturing process of a solid-state image sensor in a comparative example. Note that in FIG. 2, the structure below the planarization layer 72 is shown in a simplified manner.
  • the reference numeral 70 shown in FIG. 2 is a semiconductor substrate equipped with a CMOS image sensor, the reference numeral 71 is a microlens, and the reference numeral 72 is a flattening layer.
  • a resist coating layer 73 is formed on the entire upper surface of the flattening layer 72 using a transparent photosensitive positive resist.
  • the resist used can be a resist used for microlens applications.
  • FIG. 2(a) after forming the resist coating layer 73, in FIG. 2(b), exposure and development is performed to form a pattern of a plurality of diffraction gratings 74, and in FIG.
  • the grid 74 is heat flowed (baked).
  • a plurality of diffraction gratings 74 can be patterned on the upper surface of the planarization layer 72.
  • each diffraction grating 74 was deformed into a convex curved shape as a whole, and the rectangularity was deteriorated.
  • Optical characteristics refers to the detection accuracy for measuring the distance to an object. If the optical characteristics decrease, the distance detection accuracy decreases, so it is necessary to improve the rectangularity of the diffraction grating. It is said that
  • the rectangularity of the diffraction grating 52 can be increased compared to the conventional one, making it possible to obtain good sensor characteristics.
  • the shape of the diffraction grating section 50 will be mainly explained in detail.
  • a plurality of diffraction gratings 52 are formed in the diffraction grating section 50 formed on the surface 40a of the planarization layer 40.
  • An enlarged cross-sectional view showing only the diffraction grating 52 is shown in FIG. 3(a).
  • the diffraction grating 52 has a lower surface 52a on the flattening layer 40 side, a side surface 52c rising upward in the Z direction from a skirt 52b of the lower surface 52a, and an inflection point from the upper end of the side surface 52c. It has a flat upper surface 52e that faces the lower surface 52a in the thickness direction (Z direction) via 52d.
  • the lower surface 52a of the diffraction grating 52 is integrated with the base 51, so it is shown by a virtual line (dotted line).
  • the lower surface 52a is the same surface as the surface of the base 51, and in FIG. 3(a), the lower surface 52a is shown as the same surface as the XY plane.
  • FIG. 3(a) the side surface 52c extends parallel to the Z direction in the figure, that is, in the vertical direction, and the upper surface 52e is formed by a surface parallel to the lower surface 52a.
  • FIG. 3A shows the ideal shape of the diffraction grating 52, which is formed in a rectangular shape.
  • the diffraction grating 52 is formed by dry etching using a thermosetting resin, as described later. Thereby, the rectangularity of the diffraction grating 52 can be improved. Therefore, the first embodiment has a configuration in which the diffraction grating section 50 is made of thermosetting resin and has a plurality of diffraction gratings 52.
  • thermosetting resin is not limited, it can be selected from, for example, acrylic resin, epoxy resin, phenol resin, silicone resin, melamine resin, urea resin, etc.
  • the diffraction grating section 50 has a configuration including a base 51 that covers the entire surface 40a of the flattening layer 40, and a plurality of diffraction gratings 52 provided protrudingly on the base 51, compared to the second embodiment. (See Figure 1).
  • a residual film layer can be formed between each diffraction grating 52 by etching the diffraction grating layer formed on the entire surface 40a of the flattening layer 40 to a certain depth by dry etching.
  • This remaining film layer forms a layered base 51 integrally with the lower surface 52a side of each diffraction grating 52.
  • the thickness dimension t1 (see FIG. 1) of the base 51 is about 0.3 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less.
  • the surface 40a of the planarization layer 40 can be appropriately protected. That is, as described above, the planarization layer 40 contains, for example, filler. For this reason, the surface 40a of the planarization layer 40 is not truly flat but is roughened. Therefore, by having the above thickness dimension t1, the entire surface 40a of the planarization layer 40 can be reliably covered.
  • "flattening" of the flattening layer 40 means absorbing irregularities on the surface of the microlens 31 to make it flatter than the surface of the microlens 31, and is limited to true flatness only. isn't it.
  • the diffraction grating 52 shown in FIG. 3(a) has a rectangular shape, and the width W1 of the lower surface 52a and the width W2 of the upper surface 52e are the same length. As shown, the side surface 52c may be inclined, and the width W2 of the upper surface 52e may be smaller than the width W1 of the lower surface 52a.
  • the cross-sectional shape of the diffraction grating 52 is, for example, substantially trapezoidal (third embodiment).
  • the width dimension W2 of the upper surface 52e is preferably 0.50 ⁇ m or more and 1.50 ⁇ m or less, more preferably 0.90 ⁇ m or more and 1.20 ⁇ m or less, and further preferably 0.92 ⁇ m or more and 1.02 ⁇ m or less. preferable.
  • the width dimension W1 of the lower surface 52a is preferably 1.00 ⁇ m or more and 1.70 ⁇ m or less, more preferably 1.10 ⁇ m or more and 1.50 ⁇ m or less, and 1.12 ⁇ m or more and 1.24 ⁇ m or less. is even more preferable.
  • the distance between the upper surface 52e and the lower surface 52a is preferably 0.30 ⁇ m or more and 0.80 ⁇ m or less, more preferably 0.50 ⁇ m or more and 0.70 ⁇ m or less, and 0.30 ⁇ m or more and 0.80 ⁇ m or less, and more preferably 0.50 ⁇ m or more and 0.70 ⁇ m or less. More preferably, the thickness is 58 ⁇ m or more and 0.66 ⁇ m or less. If the upper surface 52e, lower surface 52a, and thickness of the diffraction grating 52 are within the above ranges, light incident on the side surface 52c is also refracted and taken into the interior.
  • the present invention can be diffracted in the same way as the light incident on the upper surface 52e, and the efficiency of light utilization can be improved. Therefore, by applying the present invention to the solid-state imaging device of this embodiment, various sensors with good performance can be constructed, and by applying it to a distance image sensor, for example, distance measurement accuracy etc. can be improved. Note that when the diffraction grating 52 is formed in a planar pattern shown in FIG. 5, which will be described later, the width W1 of the lower surface 52a and the width W2 of the upper surface 52e are the same as those described above in both the longitudinal direction and the short direction.
  • the width W2 of the upper surface 52e is preferably 0.8 or more and 1.0 or less with respect to the width W1 of the lower surface 52a.
  • the dimension ratio is represented by width dimension W2/width dimension W1.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of the pattern shape and diffracted light.
  • FIG. 4A shows Experimental Example 1 in which the diffraction grating 52 has a substantially rectangular shape, and the lower surface 52a and upper surface 52e of the diffraction grating 52 have the same width dimension (that is, the dimension ratio is 1.0).
  • FIG. 4B shows Experimental Example 2 in which the upper surface 52e of the diffraction grating 52 is 0.8 with respect to the lower surface 52a.
  • FIG. 4C shows Experimental Example 3 in which the upper surface 52e of the diffraction grating 52 is 0.6 with respect to the lower surface 52a.
  • the width W2 of the upper surface 52e is preferably set in a range of 0.8 or more and 1.0 or less with respect to the width W1 of the lower surface 52a.
  • the upper surface 52e of the diffraction grating 52 is a flat surface, and the inflection point 52d between the side surface 52c and the upper surface 52e forms a right angle or an obtuse angle, which is an ideal shape.
  • the inflection point 52d is likely to be formed in a rounded shape as shown in FIG. 3(c).
  • the width W1 of the upper surface 52e can be defined except for the inflection point 52d of the R shape.
  • the present embodiment also includes a configuration in which the upper surface 52e of the diffraction grating 52 is not completely flat but has a rough surface.
  • the side surface 52c extends in a substantially vertical direction, and in FIG. 3(e), the side surface 52c is inclined.
  • the cross-sectional profile of the surface of the diffraction grating 52 can be measured using, for example, an atomic force microscope (AFM).
  • AFM atomic force microscope
  • the side surface 52c of the diffraction grating 52 is an etched surface by dry etching.
  • the upper surface 52e is also affected by etching, the upper surface 52e has a higher degree of roughness than the side surface 52c, so the side surface 52c and the upper surface 52e can be defined with high precision based on the cross-sectional profile.
  • the top surface 52e includes not only a completely flat form as shown in FIGS. 3(a) to 3(c), but also a roughened and substantially flat form as shown in FIGS. 3(d) and 3(e).
  • substantially flat can be defined as follows. That is, as shown in FIG. 3(e), the highest position (apex P) of the upper surface 52e is determined from the cross-sectional profile, and the thickness dimension T2 (height from the lower surface 52a to the apex P) of the diffraction grating 52 at this apex P is determined. measure).
  • a range R of 15% or less (preferably a range of 10% or less) of the thickness dimension T2 is defined downward from the vertex P, and if the upper surface 52e falls within this range R, it is "approximately flat". It is stipulated that That is, even if the upper surface 52e is minutely uneven, wavy, or somewhat curved, the upper surface 52e that falls within the range R corresponds to "substantially flat”.
  • one side surface 52c may extend in the vertical direction and the other side surface 52c may be inclined.
  • the width dimension W2 of the upper surface 52e is 0.50 ⁇ m or more and 1.50 ⁇ m or less
  • the width dimension W1 of the lower surface 52a is 1.00 ⁇ m or more and 1.70 ⁇ m or less, or It is preferable that the width W2 of the upper surface 52e is 0.8 or more and 1.0 or less with respect to the width W1 of the lower surface 52a.
  • FIG. 5 is a schematic plan view showing the planar shape of the diffraction grating according to this embodiment.
  • the plurality of diffraction gratings 52 are formed in an elongated shape and are regularly arranged at intervals.
  • the arrangement shown in FIG. 5(a) is an example, and the arrangement is not limited thereto. That is, although the embodiment shown in FIG. 5A includes a diffraction grating 52 that is elongated in the Y direction and a diffraction grating 52 that is elongated in the X direction, the diffraction grating 52 may be composed of only one of them.
  • the diffraction grating 52 may be arranged obliquely with respect to the X direction and the Y direction. Further, the aspect ratios in the X direction and the Y direction are not limited, and can be set as appropriate depending on the required sensor characteristics, application, and the like.
  • FIG. 5(b) is an enlarged plan view of the diffraction grating 52 shown in FIG. 5(a).
  • a cross-sectional view taken along the line AA and viewed from the direction of the arrow so as to pass through the center C of the diffraction grating 52 shown in FIG. 5(b) corresponds to the cross-section of FIG.
  • FIG. 5(b) is an enlarged plan view of the diffraction grating 52 shown in FIG. 5(a).
  • the diffraction grating 52 is cut along the short direction (X direction), but it may also be cut along the long direction (Y direction) so as to pass through the center C, or Even when cutting from a direction oblique to the X and Y directions so as to pass through the center C, the width W2 of the upper surface 52e appearing in the cross section is 0.8 or more 1 with respect to the width W1 of the lower surface 52a. It is suitable that it is .0 or less.
  • width dimension W2/width dimension W1 can also be expressed as an area ratio obtained by dividing the area of the upper surface 52e (ar2 indicated by diagonal lines) by the area of the lower surface 52a (ar1) shown in FIG. 5(b).
  • the area ratio (ar2/ar1) is preferably in a range of 0.8 or more and 1.0 or less. Since the area ratio (ar2/ar1) only needs to be in the range of 0.8 or more and 1.0 or less, even if (width dimension W2/width dimension W1) is less than 0.8 in a certain cross section, this implementation included in the form of
  • the width dimensions (W1, W2) of a cross section that appears when the diffraction grating 52 shown in FIG. 5(b) is cut along the X direction, which is the short direction, are 0.3 ⁇ m or more.
  • the width dimension (W1, W2) of the cross section that appears when cut along the Y direction, which is the longitudinal direction, is about 0.3 ⁇ m or more and the pixel area size or less.
  • ⁇ About the manufacturing method of the solid-state image sensor 10 according to the present embodiment> The inventors fabricated and evaluated a large number of diffraction gratings formed by baking a photosensitive resist into a permanent film, and found that many of them did not perform as designed. A detailed observation of such a diffraction grating revealed that one of the reasons was that the incident light did not behave in accordance with the settings due to insufficient flatness of the upper surface of the diffraction grating. Furthermore, it was discovered that the main cause of insufficient flatness was that the resist was heated to a high temperature during baking and deformed into a convex shape (see FIG. 2). Based on the above findings, the inventors solved this problem by forming a diffraction grating using a method that does not use the photosensitive resist itself as a diffraction grating.
  • a color filter 28 is provided on a substrate 20 on which a CMOS image sensor 24 is formed, and a plurality of microlenses 31 arranged in a two-dimensional array are further formed.
  • a method for forming the microlenses 31 for example, a high refractive index material that will become the microlenses 31 is coated in a layer on at least the surface 28a of the color filter 28, a photoresist layer is provided thereon, and the heat treatment after the photolithography process is applied.
  • One example is a method of etching and transferring a lens pattern by melting to a layer of a high refractive index material below.
  • the solvent is removed by applying heat and curing. As a result, a planarization layer 40 is formed.
  • thermosetting resin layer 50A is formed on the planarization layer 40 (Step A).
  • the thickness of the thermosetting resin layer 50A is greater than or equal to the sum of the base 51 and the diffraction grating 52 (thickness dimension t1+t2 shown in FIG. 1).
  • a sacrificial pattern 60 corresponding to the diffraction grating 52 is formed on the thermosetting resin layer 50A using a transparent photosensitive resist (Step B).
  • the sacrificial pattern 60 is formed, for example, in a planar pattern shown in FIG. 5(a).
  • the sacrificial pattern 60 is formed by applying a layer of resist, exposing it to light using a photomask, and developing it, but it is not used as a permanent film, and in order to keep the sacrificial pattern 60 in a rectangular cross-section, it is formed by baking. No curing.
  • the side surface 60a of the sacrificial pattern 60 is preferably formed along the Z direction, that is, in the vertical direction, but the shape is not limited.
  • the side surface 52c of the diffraction grating 52 is also easily formed to be sloped along the side surface 60a, and the diffraction grating can be formed into a substantially trapezoidal shape with high precision.
  • the inclination of the side surface 52c of the diffraction grating 52 can be adjusted by adjusting the inclination angle of the side surface 60a of the sacrificial pattern 60.
  • the thickness of the sacrificial pattern 60 is not limited, it is preferably about several tens of nanometers or more and several hundred nanometers or less. The thickness dimension is adjusted in consideration of the influence of dry etching of the sacrificial pattern 60.
  • step C dry etching is performed using the sacrificial pattern 60 (step C).
  • step C dry etching is performed using the sacrificial pattern 60
  • the shape of the sacrificial pattern 60 is transferred to the thermosetting resin layer 50A, and the diffraction grating 52 is formed.
  • the dry etching is completed so that the thermosetting resin layer 50A in the area where the sacrificial pattern 60 is not completely removed is left.
  • the depth dimension t2 is adjusted depending on the dry etching conditions.
  • This depth dimension t2 is the thickness dimension of the diffraction grating 52.
  • thermosetting resin layer 50A becomes a diffraction grating section 50 in which a plurality of diffraction gratings 52 protrude on a base 51 that covers the flattening layer 40 without any gaps. Then, the sacrificial pattern 60 shown in FIG. 8 is removed. Through the above steps, the solid-state imaging device 10 including the diffraction grating section 50 is manufactured.
  • the diffraction grating according to this embodiment can diffract incident light as designed, various sensors with good performance can be constructed by applying it to a solid-state image sensor. For example, by applying the solid-state image sensor according to this embodiment to a distance image sensor, distance measurement accuracy and the like can be improved.
  • the flattening layer 40 When configured to have a low refractive index, the flattening layer 40 has a porous configuration with many voids as described above, but in the configuration according to this embodiment, the flattening layer 40 is completely covered by the base 51. Therefore, there is an advantage that the flattening layer 40 is suitably protected, and drop-off of the filler and penetration of liquid are prevented.
  • the present invention is not limited to a specific embodiment, and includes modifications and combinations of configurations within a range that does not depart from the gist of the present invention. Some changes are illustrated below, but these are not all, and other changes are also possible. Two or more of these changes may be combined as appropriate.
  • the diffraction grating section there is no particular restriction on the thickness of the base and the diffraction grating, and there is no restriction on the size relationship between the two. Therefore, the diffraction grating may be thicker or thinner than the base, or may have the same thickness.
  • the base is not essential. Therefore, by adjusting the dry etching process, the base may be removed, resulting in a structure having only the diffraction grating.
  • the term "approximately trapezoidal" means that it has an upper base (upper surface) and a lower base (lower surface), and the upper base and the lower base are generally parallel, and is geometrically It is not a concept that only includes trapezoids.
  • a configuration as shown in FIG. 3(f) in which one side surface 52c extends in the vertical direction and the other side surface 52c is inclined is also included.
  • an on-chip type solid-state image sensor in which a color filter is directly formed on the substrate is shown, but the scope of application of the technical idea according to the present invention is not limited to this, and for example, organic EL (OLED) ) can also be applied to a diffraction grating etc. placed on the top.
  • OLED organic EL
  • FIG. 9 shows a schematic diagram of a scanning electron microscope (SEM) image of the diffraction grating section 50 according to the present embodiment, which was produced by the method described above.
  • FIG. 9(a) is a schematic diagram of an SEM photograph seen from a plane
  • FIG. 9(b) is a schematic diagram of a cross-sectional SEM photograph
  • FIG. 9(c) is a schematic diagram of a SEM photograph seen from diagonally above.
  • FIG. 9(a) and 9(c) it was found that a plurality of diffraction gratings 52 could be regularly arranged.
  • the diffraction grating 52 had a substantially rectangular shape, and that the plurality of diffraction gratings 52 had a shape protruding from the layered base. It was found that the upper surface of the diffraction grating 52 is substantially flat and approximately parallel to the upper surfaces of the base 51 and the flattening layer 40. Further, the side surface 52c in the cross section was a steep slope, and the cross-sectional shape was generally trapezoidal as a whole.
  • FIG. 10 is a cross-sectional profile of a diffraction grating manufactured by the manufacturing method of this example
  • FIG. 11 is a cross-sectional profile of a diffraction grating manufactured by the manufacturing method of the comparative example shown in FIG.
  • FIGS. 10 and 11 were measured using an atomic force microscope. In the example shown in FIG. 10, it was found that the upper surface was rough. From FIG. 10, first, since the hem portions 52b can be clearly seen, the distance between the hem portions 52b was determined, and this was defined as the width dimension W1 of the lower surface 52a.
  • an upper surface 52e extending substantially parallel to the lower surface 52a was confirmed from the upper end of the side surface 52c via the inflection point 52d. Since the inflection point 52d was in the shape of an R, the upper surface 52e was defined by excluding the arc touching this R.
  • the upper surface 52e was a rough surface. This is considered to be due to some roughness occurring when the sacrificial pattern 60 was removed during the manufacturing process.
  • the apex P of the upper surface 52e shown in FIG. 10 was measured, and the thickness between this apex P and the lower surface 52a was approximately 250 nm. Further, the thickness dimension of the upper surface 52e at the lowest position was about 220 nm. Thus, there was a difference of about 30 nm between the vertex P and the lowest position of the upper surface 52e. This difference was about 12% with respect to the thickness dimension at the vertex P. This degree of shape change on the top surface was considered “substantially flat.” Therefore, in this example, if it is within 15%, it is defined as "substantially flat”.
  • the width dimensions of the lower surface 52a and the upper surface 52e shown in FIG. 10 were measured.
  • the width dimension W1 of the lower surface 52a was approximately 1.1 ⁇ m
  • the width dimension W2 of the upper surface 52e was approximately 0.9 ⁇ m. Therefore, the ratio of the width W2 of the upper surface 52e to the width W1 of the lower surface 52a was about 0.82.
  • the size ratio of W2/W1 is within the range of 0.8 or more and 1.0 or less, and as shown in FIG. 4(a), the interference fringes are The shape was able to suppress spread and obtain the desired sensor characteristics.
  • FIG. 11 is a cross-sectional profile of the diffraction grating obtained in the manufacturing process of the comparative example shown in FIG. 2, and as shown in FIG. 11, the entire surface of the diffraction grating was elliptical. Note that the thickness dimension from the top of the diffraction grating to the bottom surface was about 250 nm.
  • the interference fringes are further spread out and blurred than in the shape pattern shown in FIG. 4(c), and the sensor characteristics are significantly degraded. It turned out that it could not be manufactured with high precision. Note that a measurement error in determining the dimensional ratio is allowed within a certain range (for example, about ⁇ several percent).

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Abstract

レンズアレイ上に形状精度よく回折格子パターンが形成された固体撮像素子及びその製造方法を提供する。固体撮像素子（１０）は、複数のマイクロレンズ（３１）が整列配置されたレンズアレイ（３０）と、レンズアレイ上に形成された平坦化層（４０）と、熱硬化性樹脂からなり、複数の回折格子を有して平坦化層上に設けられた回折格子部（５０）とを備える。あるいは、固体撮像素子（１０）は、複数のマイクロレンズ（３１）が整列配置されたレンズアレイ（３０）と、レンズアレイ上に形成された平坦化層（４０）と、平坦化層の上面全体を覆うベース（５１）と、ベース上に突出して設けられた複数の回折格子（５２）とを有する回折格子部（５０）とを備える。

Description

固体撮像素子およびその製造方法
　本発明は、固体撮像素子に関する。この固体撮像素子の製造方法についても言及する。
　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。
　近年、固体撮像素子の用途の拡大や構造の複雑化に伴い、マイクロレンズアレイの上に他の層を形成するケースが出てきている。例えば、固体撮像素子を用いた上述の距離画像センサでは、マイクロレンズアレイ上に回折格子パターンが形成されることがある。回折格子により波長毎に分けられた光を画像処理することで、距離画像から距離を測定することが可能になる。
　マイクロレンズアレイの上面は凹凸を有するため、マイクロレンズアレイ上に直接回折格子パターンを形成することは難しい。これに関連して、特許文献２には、マイクロレンズアレイを保護膜で覆い平坦化する技術が開示されている。
特開２０１９－１９５０５１号公報 特許第５６６８２７６号公報
　回折格子パターンは、感光性樹脂層（レジスト）を塗布し、露光、現像した後、高温で加熱（ベーク）する工程を経て永久膜とされるのが一般的である。発明者らは、このようなパターン形成において、回折格子の形状精度が十分でなくなり、光学特性が低下することを見出し、これを解決して本発明を完成させた。
　本発明は、レンズアレイ上に形状精度よく回折格子パターンが形成された固体撮像素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
　本発明の第一の態様は、複数のマイクロレンズが整列配置されたレンズアレイと、レンズアレイ上に形成された平坦化層と、熱硬化性樹脂からなり、複数の回折格子を有して前記平坦化層上に設けられた回折格子部とを備える固体撮像素子である。
　本発明の第二の態様は、複数のマイクロレンズが整列配置されたレンズアレイと、前記レンズアレイ上に形成された平坦化層と、前記平坦化層の上面全体を覆うベースと、前記ベース上に突出して設けられた複数の回折格子とを有する回折格子部とを備える固体撮像素子である。
　本発明の第三の態様は、複数のマイクロレンズが整列配置されたレンズアレイと、前記レンズアレイ上に形成された平坦化層と、複数の回折格子を有して前記平坦化層上に設けられた回折格子部と、を備え、前記回折格子は、前記平坦化層側の下面と、前記下面と厚み方向で対向する略平坦の上面と、前記下面と前記上面との間をつなぐ側面と、を有し、前記下面は、前記上面より長い固体撮像素子である。
　本発明の第四の態様は、固体撮像素子の製造方法である。
　この製造方法は、複数のマイクロレンズが整列配置されたレンズアレイ上に形成された平坦化層上に熱硬化性樹脂層を設けるステップＡと、熱硬化性樹脂層上にレジスト層を形成し、露光及び現像により回折格子に対応した犠牲パターンを形成するステップＢと、犠牲パターンをベークせずにドライエッチングを行い、犠牲パターンの形状を熱硬化性樹脂層に転写するステップＣとを備える。
　本発明によれば、レンズアレイ上に形状精度よく回折格子パターンが形成された固体撮像素子及びその製造方法を提供できる。
本実施の形態に係る固体撮像素子の模式断面図である。 比較例における固体撮像素子の製造工程を示す模式断面図である。 本実施の形態に係る回折格子の断面形状を示す模式断面図である。 回折格子のパタ－ン形状と回折光の概略図である。 本実施の形態に係る回折格子の平面形状を示す模式平面図である。 本実施の形態に係る固体撮像素子の製造工程を示す模式断面図である。 本実施の形態に係る固体撮像素子の製造工程を示す模式断面図である。 本実施の形態に係る固体撮像素子の製造工程を示す模式断面図である。 本実施例に係る回折格子部の走査電子顕微鏡写真の模式図である。 本実施例に係る回折格子の断面プロファイルである。 比較例に係る回折格子の断面プロファイルである。
　以下、本発明の一実施の形態（以下、「実施の形態」と略記する。）について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。なお、「～」の表記は、下限値及び上限値の双方の数値（境界値）を含む。また、明細書中、「上面」「上方」「下面」「下方」との表現を用いるが、以下のように定義する。すなわち、基板２０の表面から各機能層が積層される方向が、「上方」であり、「上方」に対し反対側の方向が「下方」である。また、各層において、積層方向に向く側の面が「上面」であり、その反対側の面が「下面」である。あるいは、受光面が「上面」であり、その反対側の面が「下面」である。
＜本実施の形態に係る固体撮像素子の概要について＞
　図１は、本実施の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、平坦化層４０と、回折格子部５０とを備え、全体として距離画像センサとして機能する。
　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。以下、基板２０の厚み方向をＺ方向とし、基板２０の内部からＺ方向で表面２０ａに向かう方向を上方とする。また、表面２０ａに平行且つＺ方向に直交する一方向をＸ方向とし、表面２０ａに平行で、且つＸ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。
　固体撮像素子１０は、複数のＣＭＯＳイメージセンサ２４を備えることができる。複数のＣＭＯＳイメージセンサ２４は、Ｘ方向及びＹ方向の各々に沿って配列されている。このように、複数のＣＭＯＳイメージセンサ２４が設けられることによって、基板２０の表面２０ａに沿った方向に固体撮像素子１０の画素アレイが構成されている。固体撮像素子１０に設けられるＣＭＯＳイメージセンサ２４の数は、固体撮像素子１０の用途等に応じて適宜設定され、図１等には少なくとも一部が例示されている。
　各々のＣＭＯＳイメージセンサ２４は、Ｚ方向で基板２０の表面２０ａ側に埋設されている。ＣＭＯＳイメージセンサ２４の受光面２５は、基板２０から露出し、表面２０ａと略面一である。なお、図１等では、ＣＭＯＳイメージセンサ２４の詳細構造の図示は省略されているが、公知のＣＭＯＳイメージセンサと同様である。
　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（即ち、Ｚ方向上方）に設けられている。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。
　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。
　マイクロレンズ３１は、各々のＣＭＯＳイメージセンサ２４上のカラーフィルタ２８の表面２８ａに設けられている。マイクロレンズ３１は、底面とレンズ面とを有する所謂平凸レンズである。マイクロレンズ３１の材料は、少なくとも空気や平坦化層４０の屈折率よりも高い屈折率を有する。特に、平坦化層４０との屈折率差を得てマイクロレンズの集光作用を高めるため、マイクロレンズ３１の材料は、例えば、１．６程度の屈折率を有する高屈折率材料であることが好ましい。レンズ面の曲率や形状は、マイクロレンズ３１の材料の可視波長における屈折率等に応じて適宜設計されている。また、マイクロレンズ３１は、Ｚ方向上方からＺ方向とは逆向きに入射する光を下（即ち、Ｚ方向下方）のカラーフィルタ２８を通して、ＣＭＯＳイメージセンサ２４に集束させるように、形成及び配置されている。
　平坦化層４０は、レンズアレイ３０の表面を覆うように設けられることにより、マイクロレンズ３１の凹凸を吸収し、回折格子部５０を設けるための略平坦な表面４０ａを形成している。平坦化層４０の表面４０ａは、マイクロレンズ３１の表面に対して平坦化されている。平坦化層４０の最大厚み（即ち、平坦化層４０の表面４０ａと、基板２０の表面２０ａ（ＣＭＯＳイメージセンサ２４の表面）との間のＺ方向における距離）は、マイクロレンズ３１にＺ方向上方から入射する光に求められる光路長等に応じて適宜決められる。
　平坦化層４０は、少なくともマイクロレンズ３１の屈折率よりも低い屈折率を有する。平坦化層４０の屈折率が空気の屈折率に近くなるほど、平坦化層４０とマイクロレンズ３１の屈折率差を大きくすることができる。その結果、Ｚ方向上方から下方に向けての回折格子部５０の回折格子に入射する光の屈折を抑え、回折格子に入射する光の進路を所定の方向に向けることができる。このことによって、光がマイクロレンズ３１によってＣＭＯＳイメージセンサ２４に良好に集束し、固体撮像素子１０において所望の光学特性が得られる。平坦化層４０の屈折率は、適宜調整できる。
　平坦化層４０は、一例において、中空のフィラーおよび媒質を含有する。中空フィラーおよび媒質は、可視波長で透明性を有し、例えば、可視波長の光に対して９０％以上の全光透過率を有する。中空フィラーは、平坦化層４０の屈折率を低くすることに寄与する。媒質は、中空フィラーの粒子間に介在し、中空フィラー同士を結合させ、平坦化層４０を安定させる。
　中空フィラーの好適な材質として、二酸化珪素（シリカ、ＳｉＯ２）を例示できる。シリカからなる中空フィラーは安価であり、可視波長に対する高い透明度及び物理的な安定性を有する。中空フィラーが低屈折率層中に位置することによって、平坦化層４０の内部に空気領域が散在する結果、平坦化層４０の屈折率が低下し、中空フィラーの含有率が上昇するにつれてその屈折率が空気の値に近づいていく。
　回折格子部５０は、平坦化層４０の表面４０ａを覆う層状のベース５１と、ベース５１からＺ方向上方に突出する複数の回折格子５２とを有する。ベース５１及び回折格子５２は、いずれも熱硬化性の樹脂からなり一体化している。
　回折格子５２は、可視波長で透明性を有し、例えば、可視波長の光に対して９０％以上の全光透過率を有する。回折格子５２は、Ｘ方向及びＹ方向に所定の間隔をあけて周期的に設けられている。Ｚ方向上方から下方に向けて回折格子５２に入射する光は、回折格子５２によって回折され、Ｚ方向に沿う法線に対して光の波長と回折格子５２のピッチとで決まる回折角で回折し、波長毎に異なる方向に進行する。
　回折格子５２の寸法やピッチ等は、目的等に応じて適宜設定できる。
＜技術背景及び、本実施の形態の固体撮像素子１０に至る経緯＞
　近年、スマートフォンなど顔認証システムに、距離画像センサが用いられており、安価で小型を実現できるＣＭＯＳイメージセンサを用いた３Ｄセンシングデバイスの開発が行われている。
　そこで、従来のＣＭＯＳイメージセンサにより撮像される２Ｄ画像を、３Ｄ画像に変換するために、回折格子を用いる。回折格子により波長毎に分けられた光を画像処理することで、距離画像から距離を測定することができる。
　このような３Ｄデバイス構造にあっては、ＣＭＯＳイメージセンサを備えた半導体基板上にカラーフィルタ２８及びマイクロレンズ３１を形成した後、マイクロレンズ３１の表面の凹凸を平坦化し、光路をかせぐために平坦化層４０を形成し、平坦化層４０の上面に回折格子を形成することになる。
　図２（ａ）～図２（ｃ）は、比較例における固体撮像素子の製造工程を示す模式断面図である。なお図２では、平坦化層７２より下方の構造に関しては簡略して示している。図２に示す符号７０は、ＣＭＯＳイメージセンサを備えた半導体基板、符号７１は、マイクロレンズ、符号７２は平坦化層である。
　図２（ａ）にように、透明な感光性ポジレジストを用いて、平坦化層７２の上面全体にレジスト塗布層７３を形成する。ここで、使用するレジストには、マイクロレンズ用途に用いるレジストを用いることができる。
　図２（ａ）に示すように、レジスト塗布層７３を形成した後、図２（ｂ）では、露光現像を行い、複数の回折格子７４をパターン形成し、図２（ｃ）では、該回折格子７４を、熱フロー（ベーク）する。以上により、平坦化層７２の上面に、複数の回折格子７４をパターン形成できる。
　しかしながら、図２（ｃ）に示すように、熱フロー（ベーク）を行うことで、各回折格子７４の表面７４ａが全体的に凸曲面状に変形してしまい、矩形性が低下した。
　このように、矩形性を損なうと、レンズ効果の影響が強まり、回折格子７４間を通る回折光の干渉縞の間隔が正規の間隔よりも広がってしまい、所望の光学特性（センサ特性）を得られない問題が生じた。なお、干渉縞の課題、及び本実施の形態の効果については、図４を用いて後述する。
　「光学特性（センサ特性）」とは、物体との距離を測定する検知精度であり、光学特性が低下することで、距離の検知精度が低下するため、回折格子の矩形性を高めることが必要とされる。
＜本実施の形態に係る固体撮像素子１０の詳細な説明について＞
　本実施の形態に係る固体撮像素子１０にあっては、回折格子５２の矩形性を従来に比べて高めることができ、良好なセンサ特性を得られることを可能とした。以下では、主として、回折格子部５０の形状について詳述する。
　図１に示すように、平坦化層４０の表面４０ａに形成された回折格子部５０には、複数の回折格子５２が形成されている。回折格子５２の部分だけを拡大して示した拡大断面図を図３（ａ）に示す。
　図３（ａ）に示すように、回折格子５２は、平坦化層４０側の下面５２ａと、下面５２ａの裾部５２ｂからＺ方向上方に立ち上がる側面５２ｃと、側面５２ｃの上端部から変曲点５２ｄを介して、下面５２ａと厚み方向（Ｚ方向）で対向する平坦な上面５２ｅと、を備える。
　なお、回折格子５２の下面５２ａは、ベース５１と一体化しているため、仮想線（点線）で示した。下面５２ａは、ベース５１の表面と同一面であり、図３（ａ）では、下面５２ａを、Ｘ－Ｙ平面と同じ面として示した。
　図３（ａ）では、側面５２ｃが、図示Ｚ方向に平行に、すなわち垂直方向に延出しており、上面５２ｅは、下面５２ａと平行な面で形成される。図３（ａ）は、理想的な回折格子５２の形状であり、矩形状で形成される。
　本実施の形態では、後述するように、熱硬化性樹脂を用いて、ドライエッチングにより、回折格子５２を形成する。これにより、回折格子５２の矩形性を高めることができる。そこで、回折格子部５０が、熱硬化性樹脂からなり、複数の回折格子５２を有している構成を第１の実施の形態とした。
　熱硬化性樹脂の材料を限定するものではないが、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂等から選択できる。
　また、回折格子部５０は、平坦化層４０の表面４０ａ全体を覆うベース５１と、ベース５１上に突出して設けられた複数の回折格子５２と、を有する構成を、第２の実施の形態とした（図１参照）。
　本実施の形態では、平坦化層４０の表面４０ａ全体に形成した回折格子層をドライエッチングで一定深さまで掘り込み、各回折格子５２の間に残膜層を形成できる。この残膜層は、各回折格子５２の下面５２ａ側と一体となって層状のベース５１を構成する。ベース５１を設けることで、平坦化層４０を保護でき、回折光を適切に取り込むことができ、センサ特性の向上に繋がる。
　限定するものではないが、ベース５１の厚さ寸法ｔ１（図１参照）は、０．３μｍ以上１．０μｍ以下程度であることが好ましい。ベース５１の厚さ寸法ｔ１を確保することで、平坦化層４０の表面４０ａを適切に保護できる。すなわち、平坦化層４０は、前述したように、例えばフィラーなどを含有している。このため、平坦化層４０の表面４０ａは、真平坦でなく、粗面化している。このため、上記の厚さ寸法ｔ１を有することで、平坦化層４０の表面４０ａ全体を確実に覆うことができる。なお平坦化層４０の「平坦化」とは、マイクロレンズ３１の表面の凹凸を吸収して、マイクロレンズ３１の表面より平らな形状にすることを意味しており、真平坦のみに限定するものではない。
　回折格子５２の好ましい形状について図３を用いて説明する。上記したように、図３（ａ）に示す回折格子５２は、矩形状であり、下面５２ａの幅寸法Ｗ１と上面５２ｅの幅寸法Ｗ２とが同じ長さであるが、図３（ｂ）に示すように、側面５２ｃが傾き、上面５２ｅの幅寸法Ｗ２が、下面５２ａの幅寸法Ｗ１より小さくなっていてもよい。この場合、回折格子５２の断面形状は、例えば、略台形状となる（第３の実施の形態）。
　回折格子５２の好ましい寸法範囲について説明する。なお、各実施の形態において、下記に説明する寸法範囲に限定されるものではない。
　上面５２ｅの幅寸法Ｗ２は、０．５０μｍ以上１．５０μｍ以下であることが好ましく、０．９０μｍ以上１．２０μｍ以下であることがより好ましく、０．９２μｍ以上１．０２μｍ以下であることがさらに好ましい。また、下面５２ａの幅寸法Ｗ１は、１．００μｍ以上１．７０μｍ以下であることが好ましく、１．１０μｍ以上１．５０μｍ以下であることがより好ましく、１．１２μｍ以上１．２４μｍ以下であることがさらに好ましい。上面５２ｅと下面５２ａとの距離（回折格子５２の厚さ寸法）は、０．３０μｍ以上０．８０μｍ以下であることが好ましく、０．５０μｍ以上０．７０μｍ以下であることがより好ましく、０．５８μｍ以上０．６６μｍ以下であることがさらに好ましい。回折格子５２の上面５２ｅ、下面５２ａ、及び厚さが上記範囲内であれば、側面５２ｃに入射した光も、屈折して内部に取り込まれる。その結果、上面５２ｅに入射した光と同様に回折でき、光の利用効率を向上できる。よって、本実施の形態の固体撮像素子に適用することで、性能の良い各種センサを構成でき、例えば、距離画像センサに適用することで、距離測定精度等を向上できる。なお、回折格子５２が、後述する図５に示す平面パターンで形成されるとき、下面５２ａの幅寸法Ｗ１及び上面５２ｅの幅寸法Ｗ２は、長尺方向及び短尺方向のどちらの断面においても、上記した寸法範囲に含まれ、或いは、長尺方向及び短尺方向のどちらかの断面のみ、上記した寸法範囲に含まれる形態を提案できるが、少なくとも、短尺方向の断面に現れる下面５２ａの幅寸法Ｗ１及び上面５２ｅの幅寸法Ｗ２が、上記寸法範囲に含まれることが好適である。
　本実施の形態では、上面５２ｅの幅寸法Ｗ２が、下面５２ａの幅寸法Ｗ１に対して、０．８以上１．０以下であることが好ましい。寸法比率は、幅寸法Ｗ２／幅寸法Ｗ１で示される。
　図４は、パタ－ン形状と回折光の概略図である。図４（ａ）は、回折格子５２が略矩形状であり、回折格子５２の下面５２ａと上面５２ｅの幅寸法が同じ寸法（すなわち、寸法比率は、１．０）の実験例１である。図４（ｂ）は、回折格子５２の上面５２ｅが下面５２ａに対して０．８の実験例２である。図４（ｃ）は、回折格子５２の上面５２ｅが下面５２ａに対して０．６の実験例３である。
　図４（ａ）～図４（ｃ）に示すように、回折格子５２の下面５２ａに対する上面５２ｅの寸法比率が小さくなるほど、干渉縞が広がって、干渉縞の強度分布がなまり、ばらつきも大きくなる。図４（ａ）及び図４（ｂ）の実験例１、２であると、距離画像センサに適用した際に、距離の測定精度のばらつきを実用上問題とならない程度に抑え込むことができ、良好なセンサ特性が得られることがわかった。そこで、本実施の形態では、上面５２ｅの幅寸法Ｗ２が、下面５２ａの幅寸法Ｗ１に対して、０．８以上１．０以下であることが好ましい範囲に設定した。
　図３（ａ）（ｂ）は、回折格子５２の上面５２ｅが平坦面であり、また、側面５２ｃと上面５２ｅとの変曲点５２ｄが、直角あるいは鈍角を構成しており、理想的な形状といえるが、実際には、本実施の形態のドライエッチング工程を経ることで、変曲点５２ｄは、図３（ｃ）のように、Ｒ形状で形成されやすい。図３（ｃ）では、Ｒ形状の変曲点５２ｄを除き上面５２ｅの幅寸法Ｗ１を規定できる。
　また、図３（ｄ）（ｅ）に示すように、回折格子５２の上面５２ｅが真平坦でなく粗面となっている構成も本実施の形態に含まれる。なお、図３（ｄ）は、側面５２ｃが略垂直方向に延出しており、図３（ｅ）は、側面５２ｃが傾斜している。回折格子５２の表面の断面プロファイルは、例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ　Ｆｏｒｃｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で測定できる。このとき、回折格子５２の側面５２ｃは、ドライエッチングによるエッチング面である。上面５２ｅもエッチングの影響を受けるが、上面５２ｅは、側面５２ｃに比べて、粗面度が大きいため、断面プロファイルに基づいて、側面５２ｃ及び上面５２ｅを精度よく規定することができる。
　本実施の形態では、図３（ａ）～図３（ｃ）に示す上面５２ｅが真平坦の形態のみならず、図３（ｄ）（ｅ）の粗面化した略平坦な形態も含むが、「略平坦」に関しては、次のように定義できる。すなわち、図３（ｅ）に示すように、上面５２ｅの最も高い位置（頂点Ｐ）を、断面プロファイルより求め、この頂点Ｐにおける回折格子５２の厚さ寸法Ｔ２（下面５２ａから頂点Ｐまでの高さ）を測定する。そして、頂点Ｐから下方に、厚さ寸法Ｔ２の１５％以下の範囲Ｒ（好ましくは、１０％以下の範囲）を規定し、この範囲Ｒ内に上面５２ｅが収まっていれば、「略平坦」と規定する。すなわち、上面５２ｅが微細凹凸状であったり、波打っていたり、上面５２ｅが多少曲面状であっても、範囲Ｒ内に収まる上面５２ｅは、「略平坦」に該当する。
　図３（ｆ）に示すように、一方の側面５２ｃが垂直方向に延出し、他方の側面５２ｃが傾斜した形態であってもよい。このとき、上記したように、上面５２ｅの幅寸法Ｗ２が、０．５０μｍ以上１．５０μｍ以下であり、下面５２ａの幅寸法Ｗ１が、１．００μｍ以上１．７０μｍ以下であることが好ましく、或いは、上面５２ｅの幅寸法Ｗ２が、下面５２ａの幅寸法Ｗ１に対して、０．８以上１．０以下であることが好ましい。
　図５は、本実施の形態に係る回折格子の平面形状を示す模式平面図である。図５（ａ）に示すように、複数の回折格子５２は、長尺状で形成され、間隔を空けて、規則的に配列されている。ただし、図５（ａ）に示す配列は一例であり、これに限定されるものではない。すなわち、図５（ａ）に示す実施の形態では、Ｙ方向に長尺状の回折格子５２と、Ｘ方向に長尺状の回折格子５２が含まれるが、一方のみで構成されてもよいし、Ｘ方向及びＹ方向に対して斜めに傾く回折格子５２が配置されていてもよい。また、Ｘ方向及びＹ方向のアスペクト比は、限定されるものでなく、求められるセンサ特性や用途などにより適宜設定できる。
　図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す回折格子５２を拡大した拡大平面図である。図５（ｂ）に示す回折格子５２の中心Ｃを通るように、Ａ－Ａ線に沿って切断し、矢印方向から見た断面図が、図３の断面に該当する。図５（ｂ）では、回折格子５２を短尺方向（Ｘ方向）に沿って切断しているが、中心Ｃを通るように、長尺方向（Ｙ方向）に沿って切断した場合も、或いは、中心Ｃを通るようにＸ方向及びＹ方向に対して斜めの方向から切断した場合でも、その断面に現れる上面５２ｅの幅寸法Ｗ２は、下面５２ａの幅寸法Ｗ１に対して、０．８以上１．０以下であることが好適である。
　また、（幅寸法Ｗ２／幅寸法Ｗ１）は、図５（ｂ）に示す上面５２ｅの面積（斜線で示すａｒ２）を下面５２ａの面積（ａｒ１）で割った面積比率と言い換えることもできるため、本実施の形態では、該面積比率（ａｒ２／ａｒ１）が、０．８以上１．０以下の範囲であることが好適である。面積比率（ａｒ２／ａｒ１）が、０．８以上１．０以下の範囲であればよいため、ある断面において、（幅寸法Ｗ２／幅寸法Ｗ１）が０．８を下回っていても、本実施の形態に含まれる。
　また、限定されるものではないが、図５（ｂ）に示す回折格子５２を短尺方向であるＸ方向に沿って切断し現れる断面の幅寸法（Ｗ１、Ｗ２）は、０．３μｍ以上２．０μｍ以下程度であり、長尺方向であるＹ方向に沿って切断し現れる断面の幅寸法（Ｗ１、Ｗ２）は、０．３μｍ以上画素エリアサイズ以下程度である。
＜本実施の形態に係る固体撮像素子１０の製造方法について＞
　発明者らは、感光性レジストをベークにより永久膜化して形成した回折格子を多数作製して評価したところ、設計通りの性能を発揮しないものが少なくないことを見出した。このような回折格子を微細観察すると、回折格子の上面の平坦性が十分でないことにより、入射した光が設定に沿った挙動を示さないことが一因であると考えられた。さらに、平坦性が十分でない原因の多くが、ベークで高温になったレジストが凸状に変形することであることも突き止めた（図２参照）。
　発明者らは上記知見に基づき、感光性レジスト自体を回折格子としない方法で回折格子を形成することによりこの問題を解決した。
　すなわち、露光及び現像を施した、ベーク前の感光性レジストにおいては、フォトマスクに対応した形状が高精度に再現されており、パターン上面の平坦性も十分に保持されている。したがって、これをベークせずに犠牲パターンとしてその下に設けた樹脂層をエッチングすることで、上面が十分平坦な形状精度の高い回折格子を有する回折格子部を作製することに成功した。
　図面を用いて、上記構成を有する固体撮像素子１０の製造方法の一例について説明する。
　まず、ＣＭＯＳイメージセンサ２４を形成した基板２０に、カラーフィルタ２８を設け、さらに二次元アレイ状に配列された複数のマイクロレンズ３１を形成する。マイクロレンズ３１を形成する方法としては、例えば少なくともカラーフィルタ２８の表面２８ａ上にマイクロレンズ３１となる高屈折率材料を層状に塗布し、その上にフォトレジスト層を設け、フォトリソグラフィ工程後の熱溶融によるレンズパターンを下層の高屈折率材料の層にエッチング転写する方法が挙げられる。
　次に、カラーフィルタ２８及びマイクロレンズ３１の表面及び、これらの間で露出している基板２０の表面２０ａを覆うように、中空フィラーおよび媒質を含有する低屈折率材料が分散された塗工液を塗布し、熱を加えて硬化させることにより溶媒を除去する。これにより、平坦化層４０が形成される。
　次に、図６に示すように、平坦化層４０上に熱硬化性樹脂層５０Ａを形成する（ステップＡ）。熱硬化性樹脂層５０Ａの厚さは、ベース５１と回折格子５２との和（図１に示す厚さ寸法ｔ１＋ｔ２）以上とする。
　さらに、透明な感光性レジストを用いて、図７に示すように、熱硬化性樹脂層５０Ａ上に回折格子５２に対応する犠牲パターン６０を形成する（ステップＢ）。犠牲パターン６０は、例えば、図５（ａ）に示す平面パターンで形成される。
　犠牲パターン６０は、レジストを層状に塗布し、フォトマスクを用いた露光および現像の工程を経て形成するが、永久膜としては使用しないこと、及び犠牲パターン６０を断面矩形状に保つため、ベークによる硬化は行わない。
　図７に示すように、犠牲パターン６０の側面６０ａは、Ｚ方向に沿って、すなわち垂直方向に形成されることが好ましいが、形状を限定するものではない。例えば、側面６０ａを下面から上方に向けて徐々に幅寸法が小さくなるように傾斜させた形態とすることで、側面６０ａに沿って回折格子５２の側面５２ｃも傾斜して形成されやすく、回折格子を、精度よく略台形状で形成できる。犠牲パターン６０の側面６０ａの傾斜角度等により、回折格子５２の側面５２ｃの傾き調整を行うことができる。
　犠牲パターン６０の厚さ寸法を限定するものではないが、数１０ｎｍ以上数１００ｎｍ以下程度であることが好ましい。犠牲パターン６０のドライエッチングによる影響を考慮して厚さ寸法を調整する。
　次に、犠牲パターン６０を用いたドライエッチングを行う（ステップＣ）。これにより、犠牲パターン６０の形状が熱硬化性樹脂層５０Ａに転写され、回折格子５２が形成されていく。犠牲パターン６０のない部位における熱硬化性樹脂層５０Ａを全て除去せず残存するようにドライエッチングを終了する。このとき、ドライエッチング条件により、深さ寸法ｔ２を調整する。この深さ寸法ｔ２は、回折格子５２の厚さ寸法である。これにより、図８に示すように、熱硬化性樹脂層５０Ａは、平坦化層４０を隙間なく覆うベース５１上に複数の回折格子５２が突出する、回折格子部５０となる。そして、図８に示す犠牲パターン６０を除去する。
　以上により、回折格子部５０を備えた固体撮像素子１０が製造される。
　本実施形態に係る回折格子は、入射した光を設計通りに回折させることができるため、固体撮像素子に適用することで、性能の良い各種センサを構成できる。たとえば、本実施の形態に係る固体撮像素子を距離画像センサに適用することで、距離測定精度等を向上できる。
　屈折率が低く構成された場合、平坦化層４０は上述のように空隙の多い多孔質の構成となるが、本実施形態に係る構成では、ベース５１により平坦化層４０が完全に被覆されるため、平坦化層４０が好適に保護され、フィラーの脱落や、液体の染み込みなどが防止されるという利点もある。
　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。
・本発明に係る回折格子部において、ベースおよび回折格子の厚さには特に制限はなく、両者の大小関係にも制限はない。したがって、回折格子は、ベースより厚くても薄くてもいずれでもよく、同一の厚さでもよい。
・第１の実施の形態及び第３の実施の形態に係る回折格子部において、ベースは必須ではない。したがって、ドライエッチングの工程を調節することによりベースが除去され、回折格子のみを有する構成とされてもよい。
・第３の実施の形態において、「略台形状」とは、上底（上面）及び下底（下面）を有し、かつ、上底と下底とが概ね平行であればよく、幾何学的な台形のみを含む概念ではない。例えば、図３（ｆ）に示すような一方の側面５２ｃが垂直方向に延出し、他方の側面５２ｃが傾斜する形態も含まれる。
・上述の実施形態では、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、本発明に係る技術思想の適用範囲はこれには限られず、例えば有機ＥＬ（ＯＬＥＤ）上に配置される回折格子等にも適用できる。
　以下、本発明の効果を明確にするために実施した実施例により、本発明を詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
　図９は、上述した方法により作製した、本実施形態に係る回折格子部５０の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像の模式図を示す。図９（ａ）は、平面から見たＳＥＭ写真の模式図であり、図９（ｂ）は、断面のＳＥＭ写真の模式図であり、図９（ｃ）は、斜め上方から見たＳＥＭ写真の模式図である。図９（ａ）（ｃ）に示すように、複数の回折格子５２を規則的に配列できていることがわかった。
　図９（ｂ）に示すように、回折格子５２は、略矩形状であり、また、複数の回折格子５２は層状のベース上に突出した形状であることがわかった。回折格子５２の上面は、略平坦であり、ベース５１や平坦化層４０の上面と概ね平行であることがわかった。また、断面における側面５２ｃは、急峻な斜面となっており、断面形状は全体として略台形状であった。
　図１０は、本実施例の製造方法により作製した回折格子の断面プロファイルであり、図１１は、図２に示す比較例の製造方法により作製した回折格子の断面プロファイルである。
　図１０及び図１１に示す断面プロファイルを、原子間力顕微鏡を用いて測定した。図１０に示す実施例では、上面が粗面であることがわかった。図１０から、まず裾部５２ｂが明確に確認できるため、該裾部５２ｂの間の距離を求め、これを下面５２ａの幅寸法Ｗ１とした。
　次に、裾部５２ｂから斜めに立ち上がる側面５２ｃを確認できた。側面５２ｃは、上面５２ｅの粗面度より低いことがわかった。
　図１０に示すように、側面５２ｃの上端部から変曲点５２ｄを介して、下面５２ａと略平行に延びる上面５２ｅを確認できた。変曲点５２ｄはＲ形状であったため、このＲに接する円弧を除いて、上面５２ｅを規定した。
　図１０に示すように上面５２ｅは粗面であった。これは、製造工程において、犠牲パターン６０を除去した際などに多少粗くなったものと考えられる。
　図１０に示す上面５２ｅの頂点Ｐを測定し、この頂点Ｐと下面５２ａまでの厚さ寸法を測定したところ、約２５０ｎｍであった。また上面５２ｅの最も低い位置での厚さ寸法は約２２０ｎｍであった。このように、頂点Ｐと最も上面５２ｅの最も低い位置とでは約３０ｎｍの差があった。この差は、頂点Ｐでの厚さ寸法に対して、約１２％であった。上面におけるこの程度の形状変化は「略平坦」とみなした。そこで、本実施例では、１５％以内であれば「略平坦」と定義した。
　そして、図１０に示す下面５２ａ及び上面５２ｅの幅寸法を測定した。下面５２ａの幅寸法Ｗ１は、約１．１μｍであり、上面５２ｅの幅寸法Ｗ２は、約０．９μｍであった。よって、下面５２ａの幅寸法Ｗ１に対する上面５２ｅの幅寸法Ｗ２の寸法比率は、約０．８２であった。
　このように、図１０に示す実施例では、Ｗ２／Ｗ１の寸法比率が、０．８以上１．０以下の範囲内に収められており、図４（ａ）に示すように、干渉縞の広がりを抑制でき、所望のセンサ特性を得られる形状であった。
　これに対し、図１１は、図２に示す比較例の製造工程で得られた回折格子の断面プロファイルであり、図１１に示すように、回折格子の表面全体が楕円形状であった。なお、回折格子の頂点から下面までの厚さ寸法は、約２５０ｎｍであった。
　図１１に示す比較例の形状では、図４（ｃ）に示す形状パターンよりもさらに干渉縞が広がってぼやけてしまい、センサ特性が大幅に低下するため、図２の製造工程では、回折格子を精度よく製造できないことがわかった。
　なお、寸法比率を求める際の測定誤差は一定範囲（例えば、±数％程度）許容される。
　本出願は、２０２２年３月２２日出願の特願２０２２－０４５４０２、及び、２０２２年５月１１日出願の特願２０２２－０７８２００に基づく。この内容は全てここに含めておく。
 

 
 

Claims (10)

  1. 　複数のマイクロレンズが整列配置されたレンズアレイと、
    　前記レンズアレイ上に形成された平坦化層と、
    　熱硬化性樹脂からなり、複数の回折格子を有して前記平坦化層上に設けられた回折格子部と、
    　を備える、
    　固体撮像素子。
  2. 　前記回折格子部は、前記平坦化層の上面全体を覆うベースを有し、前記回折格子が前記ベース上に突出して設けられている、
    　請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 　複数のマイクロレンズが整列配置されたレンズアレイと、
    　前記レンズアレイ上に形成された平坦化層と、
    　前記平坦化層の上面全体を覆うベースと、前記ベース上に突出して設けられた複数の回折格子とを有する回折格子部と、
    　を備える、
    　固体撮像素子。
  4. 　前記平坦化層の屈折率が前記マイクロレンズの屈折率よりも低い、
    　請求項１に記載の固体撮像素子。
  5. 　複数のマイクロレンズが整列配置されたレンズアレイと、
    　前記レンズアレイ上に形成された平坦化層と、
    　複数の回折格子を有して前記平坦化層上に設けられた回折格子部と、
    　を備え、
    　前記回折格子は、前記平坦化層側の下面と、前記下面と厚み方向で対向する略平坦の上面と、前記下面と前記上面との間をつなぐ側面と、を有し、
    　前記下面は、前記上面より長い、
    　固体撮像素子。
  6. 　前記上面の幅寸法は、前記下面の幅寸法の０．８以上１．０以下である、請求項５に記載の固体撮像素子。
  7. 　前記上面は、前記側面より粗面である、請求項５に記載の固体撮像素子。
  8. 　前記上面の幅寸法が、０．９２μｍ以上１．０２μｍ以下であり、
    　前記下面の幅寸法が、１．１２μｍ以上１．２４μｍ以下である、
    　請求項５に記載の固体撮像素子。
  9. 　複数のマイクロレンズが整列配置されたレンズアレイ上に形成された平坦化層上に熱硬化性樹脂層を設けるステップＡと、
    　前記熱硬化性樹脂層上にレジスト層を形成し、露光及び現像により回折格子に対応した犠牲パターンを形成するステップＢと、
    　前記犠牲パターンをベークせずにドライエッチングを行い、前記犠牲パターンの形状を前記熱硬化性樹脂層に転写するステップＣと、
    　を備える、
    　固体撮像素子の製造方法。
  10. 　前記ステップＣでは、前記犠牲パターンの形状を前記熱硬化性樹脂層に転写して、複数の回折格子を形成するとともに、前記回折格子の間に、前記熱硬化性樹脂層の一部を残す、請求項９に記載の固体撮像素子の製造方法。
     
     

     
     
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