CN100570409C - 光学透镜及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学透镜及其制造方法，薄硅构成的透镜部分在分离后，能够单独保持。本发明的光学透镜的制造方法特征在于，包括：透镜面形成工序，在SOI层(112)、SiO2层(114)和Si层(116)构成的基板的SOI层(112)表面上形成透镜面(118)；透镜区域形成工序，只保留包括透镜面(118)及其边缘部(120)的透镜区域中的SOI层(112)，将透镜区域以外的区域的SOI层(112)除去，直至露出SiO2层(114)；透镜保持部形成工序，该透镜保持部(122)用于保持透镜区域，从基板的背面除去透镜保持部(122)以外的区域的Si层(116)，直至露出SiO2层(114)。为了保持薄的透镜，形成透镜保持部(122)，由此能够容易安装在模块等上。

Description

光学透镜及其制造方法
技术领域
本发明涉及光学装置中所使用的光学透镜及其制造方法，特别是涉及波长在0.70μm～11μm范围内的红外光区域中能够使用的光学透镜及其制造方法。
背景技术
以往形成透镜元件的方法，如特开2003-139917号公报所示。该文献所公开的方法中，形成透镜元件的光学基板可以使用晶体基板。下面说明透镜元件的制造方法。图9为用于说明以往光学透镜制造工艺的模式剖面图。这里，光学基板如使用SOI[绝缘体基硅]基板。
如图9(a)所示，SOI基板的结构是：上层为SOI层12，下层为Si层16，中间层为SiO2层14。这里，SOI层12由Si构成。SOI基板例如可以使用直径为4英寸的基板。各层的厚度，如SOI层12为100μm，SiO2层14为1～2μm，Si层16为500μm。
首先，如图9(b)所示，以规定的间隔在SOI层12表面形成多个透镜面18。透镜面18的形状有衍射型透镜、折射型透镜等，其形成方法有蚀刻、研磨等。例如，使用半导体技术中的光刻技术，在SOI层12的表面进行蚀刻处理，由此，能够以高精确度同时形成多个具有所期望光学特性的透镜面18。
接着，如图9(c)所示，在各透镜面18周围形成边缘部·操作保持部20。该工序中，与各透镜面18和边缘部·操作保持部20对应的图案，由蚀刻掩模覆盖，然后对从掩模露出来的区域进行蚀刻，直至露出SiO2层14的上面，由此在基板上形成透镜元件24。然后由保持基板来保持形成的多个透镜元件24，在此状态下进行如研磨等处理。接着如图9(d)所示，将各透镜区域所确定的透镜元件24分离，并从保持基板上分离出来。
[专利文献1]特开2003-139917号公报
发明内容
但是，上述以往的制造方法中以硅为基体材料制造的透镜，其厚度为100～600μm，近红外区域的光(波长：750～1100nm)和红外区域中波长在9μm左右的光被硅吸收，不能穿透透镜。为了使上述波长的光穿透透镜，必须使硅透镜的厚度变薄，但上述以往的制造方法中，如果将硅透镜厚度变薄，就无法保持透镜了。
本发明是鉴于以往光学透镜及其制造方法中的上述问题点发明的，本发明的目的是提供一种新的改良光学透镜及其制造方法，由薄的硅形成透镜，使近红外区域的光能够穿透。而且，由于薄的硅中，透镜部分分离后无法单独保持，所以还提供能够保持该透镜的技术。
为了解决上述问题，根据本发明第1观点，提供一种光学透镜的制造方法。本发明光学透镜的制造方法的特征在于，包括：透镜面形成工序，在由第1层、第2层和第3层构成的基板的第1层表面上形成透镜面；以及透镜保持部形成工序，从上述基板的背面除去透镜保持部以外的区域的上述第3层，直至露出上述第2层，以形成保持包括上述透镜面及其边缘部的透镜区域的上述透镜保持部。
为了解决上述问题，根据本发明第2观点，提供一种光学透镜的制造方法。本发明光学透镜的制造方法的特征在于，包括：透镜面形成工序，在由第1层、第2层和第3层构成的基板的第1层表面上形成透镜面；透镜区域形成工序，只保留包括上述透镜面及其边缘部的透镜区域中的上述第1层，将上述透镜区域以外的区域的上述第1层除去，直至露出上述第2层；以及透镜保持部形成工序，从上述基板的背面除去透镜保持部以外的区域的上述第3层，直至露出上述第2层，以形成用于保持上述透镜区域的上述透镜保持部。
根据上述制造方法，能够形成用于保持透镜区域的透镜保持部(支撑壁)。薄的硅中，透镜部分被分离后，无法单独保持，但根据本发明，通过保留透镜周围的厚度，能够保持透镜部分。
上述第2层为耐蚀刻性强的耐蚀刻层；上述透镜区域形成工序中包括将上述第2层作为蚀刻停止层的蚀刻处理工序。将第2层作为蚀刻停止层进行蚀刻处理，能够容易进行透镜区域形成工序。
形成透镜保持部之后，即使将透镜面的厚度变薄，也能够保持透镜部分。透镜面的厚度例如可以小于等于5μm(如1～5μm)。通过使透镜面变薄，近红外区域的光就能够通过。
同样，上述第2层耐蚀刻性强的耐蚀刻层，上述透镜保持部形成工序中包括将上述第2层作为蚀刻停止层的蚀刻处理工序。将第2层作为蚀刻停止层进行蚀刻处理，能够容易进行透镜保持部形成工序。
上述透镜保持部形成工序之后，还可以包括将上述第2层从上述基板背面除去的工序。不需要第2层时，可以除去。反之，也可以保留第2层。通过事先调整第2层的厚度，能够将保留的第2层作为防反射膜来使用。这一点将在后面进行说明。
在上述透镜面形成工序中，在上述基板上形成多个透镜面，在上述透镜保持部形成工序之后，还包括从上述基板中分离出由上述各透镜区域所确定的各光学透镜的分离工序。用1个基板可以制造出多个透镜。而且，在分离工序中所分离出的光学透镜中，可以使1个透镜元件包含1个透镜面，也可以作为1个透镜元件包含多个透镜面的透镜阵列。
上述基板例如可以是SOI基板。SOI基板就是Si基板和表面Si层之间插入了SiO2的基板。因此，适合本发明那样的由第1层、第2层及第3层构成的3层结构。
为了解决上述问题，根据本发明第3观点，提供一种光学透镜的制造方法。本发明的光学透镜制造方法的特征在于，包括：透镜面形成工序，在基板表面上形成透镜面；透镜区域形成工序，只在包括上述透镜面及其边缘部的透镜区域中保留规定厚度，将上述透镜区域以外的区域的上述基板表面除去规定厚度；以及透镜保持部形成工序，从上述基板的背面将透镜保持部以外的区域除去规定厚度，以形成用于保持上述透镜区域的上述透镜保持部。
根据上述制造方法，能够形成用于保持透镜区域的透镜保持部(支撑壁)。薄的硅中，透镜部分被分离后，无法单独保持，但根据本发明，通过保留透镜周围的厚度，能够保持透镜部分。
形成透镜保持部之后，即使将透镜面的厚度变薄，也能够保持透镜部分。透镜面的厚度例如可以小于等于5μm(如1～5μm)。通过使透镜面变薄，就能够使近红外区域的光通过。
上述透镜面形成工序中，在上述基板上形成多个透镜面，上述透镜保持部形成工序之后，还可以包括分离工序，即，从上述基板中分离出上述各透镜区域所确定的各光学透镜。用1个基板上可以制造出多个透镜。而且，分离工序中所分离的光学透镜中，可以使1个透镜元件包含1个透镜面，也可以作成1个透镜元件包含多个透镜面的透镜阵列。
上述基板例如可以是SOI基板。
为了解决上述问题，根据本发明第4观点，提供一种光学透镜。本发明的光学透镜的特征在于，具有：透镜面，形成在基板表面上；透镜保持部，从上述基板的背面来保持包括上述透镜面及其边缘部的透镜区域。
上述结构具有透镜保持部，用于保持薄的透镜，由此，能够形成厚度为1～5μm这样非常薄的硅透镜，可以制成近红外区域的光能够通过的光学透镜。此外，还能保持透镜，能够提供可以安装在模块等上的光学透镜。
如上述，上述透镜面的厚度可以小于等于5μm。
另外，上述基板背面的上述透镜保持部之外的区域上也可以形成防反射膜。
上述基板例如可以是SOI基板。
如上述，根据本发明，通过由薄的硅构成透镜，能够使近红外区域的光通过。另外，薄的硅中，透镜部分被分离后，无法单独保持，但根据本发明，通过保留透镜周围的厚度，能够保持透镜部分。
附图说明
[图1]为表示透镜保持部为く字形的例子(应用例3)的说明图。
[图2]为表示透镜保持部为コ字形的例子(应用例3)的说明图。
[图3]为表示形成透镜阵列的例子(应用例2)的说明图。
[图4]为表示形成光学传感器的例子(应用例1)的说明图。
[图5]为表示第2实施方式的透镜及其制造方法的说明图。
[图6]为表示硅基板厚度与透射率关系的说明图。
[图7]为表示光学透镜的详细说明图。
[图8]为表示背面剥离工序的说明图。
[图9]为表示以往光学透镜及其制造方法的说明图。
[图10]为表示形成透镜阵列的例子(应用例3)的说明图。
[图11]为表示在基板上形成透镜面的平面图。
[图12]为表示第1实施方式的光学透镜制造方法的说明图。
具体实施方式
下面参照附图来详细说明本发明光学透镜及其制造方法的具体实施方式。本说明书及附图中，实质上具有同样功能的结构要素，用同样的符号表示，省去重复说明。
(第1实施方式)
下面说明本发明的第1实施方式。
本实施方式中，将对光学透镜及其制造方法进行说明，该光学透镜，由薄的硅基体材料形成硅透镜，从而使近红外区域的光(波长：750～1100nm)和红外区域中波长在9μm左右的光通过，并且容易装卸。
图12为本实施方式的硅透镜制造方法的概略说明图。
本实施方式中，光学基板如使用直径为4英寸的SOI基板。SOI基板的结构如图12(a)所示，上层(第1层)为SOI层112，下层(第3层)为Si层116，中间层(第2层)为SiO2层114。各层的厚度，例如SOI层112为5μm，SiO2层114为1～2μm，Si层116为100μm。
SOI层112例如使用由单晶硅构成的物质。但本发明并不限定于此，例如SOI层112也可以是非晶硅层。单晶硅吸收端的波长为1100nm，非晶硅吸收端的波长为690～770nm。
首先，如图12(b)所示，以规定间隔在SOI层112表面上形成多个透镜面118。透镜面118的形状有衍射型透镜、折射型透镜等，其形成方法有蚀刻、研磨等。例如，可以使用半导体技术中的光刻技术，在SOI层表面反复进行光刻和蚀刻工序，形成衍射光学元件的透镜。由此能够以高精确度同时形成具有良好聚光性的高品质透镜。
接着，如图12(c)所示，在各透镜面118周围形成边缘部120。该工序中，首先用蚀刻掩模覆盖与各透镜面118和边缘部120形状对应的图案。然后对从掩模露出来的区域进行蚀刻，直至露出SiO2层114的上面。这时SiO2层114的功能是作为蚀刻停止层。由此在基板上形成透镜元件。图11为在SiO2层114上形成透镜面118和边缘部120的平面图。图11的A-A剖面与图12(c)对应。
然后由保持基板来保持如此形成的多个透镜元件，在此状态下用蚀刻掩模来局部覆盖透镜背面Si层上与边缘部形状对应的图案，如图12(d)所示，对从掩模露出来的区域进行蚀刻。而且，本实施方式中，如图12(d)所示，是在单个透镜周围的外围形成边缘部的，但也可以在透镜阵列的外围形成边缘部。对于这一点将在后面进行说明(应用例2)。
参照图8说明图12(c)至图12(d)的背面剥离工序的一个例子。针对图12(c)的状态，由图8所示的工艺进行背面剥离。
首先如图8(a)所示，由蚀刻掩模130覆盖透镜背面的Si层上与边缘部形状对应的图案。接着如图8(b)所示，对从蚀刻掩模130露出来的区域进行蚀刻。然后如图8(c)所示，除去不需要的蚀刻掩模130。接着如图8(d)所示，将SiO2层114上与透镜背面对应的部分除去。最后，如图8(e)所示，由切割锯140进行切割，由此分离出图12(d)所示的单个光学透镜124。
经过上述工序，形成容易装卸的红外用光学透镜124，透镜面厚度为1～5μm，具有100μm的透镜保持部122。图7为图8(e)的光学透镜124的详细说明图，图7(a)为立体图，图7(b)为从图7(a)背面进行观察的图。本实施方式中的光学透镜124，如图7(b)所示，每个透镜周围的透镜保持部122为口字形。
像由5μm这样非常薄的硅形成的透镜中，按照以往的透镜面及其上面的装卸部，无法保持透镜的形状。本实施方式中，在透镜周围区域中形成厚度为100μm级的透镜保持部，从而使透镜的装卸变得容易。
图6为表示透镜厚度与透射率关系的说明图。如图6所示，827nm波长频带中，与5μm和1μm的厚度对应的透射率分别为68％和93％。例如，要求70％左右的透射率时，从光透过的观点看来，可以使用由5μm厚的硅形成的透镜。
(第1实施方式的效果)
如上述说明，根据本实施方式，氧化膜层上的硅膜上具有透镜面，这种结构能够形成厚度为1～5μm的非常薄的硅透镜，可以制造出近红外区域的光能够透过的透镜。另外，为了保持薄透镜，在其周围形成保持部，由此，能够保持透镜，透镜也能够安装在模块等上面。
(第2实施方式)
下面说明本发明的第2实施方式。
本实施方式作为上述第1实施方式的应用例，其特征在于将SOI基板的氧化膜层作为防反射膜使用。
图5为本实施方式的硅透镜制造方法的大概说明图。
本实施方式中，光学基板如使用直径为4英寸的SOI基板。SOI基板的结构如图5(a)所示，上层(第1层)为SOI层212，下层(第3层)为Si层216，中间层(第2层)为SiO2层214。
本实施方式中，SOI基板的氧化膜层的膜厚是事先计算好的厚度，SiO2层214的膜厚是能够作为防反射膜来使用的厚度。例如，SiO2层214的厚度为1μm时，反射率大约能够控制在7％，可以作为防反射膜。因此，本实施方式中，各层的厚度，例如SOI层212为5μm，SiO2层214为1μm，Si层216为100μm。
SOI层212例如使用由单晶硅构成的物质。但本发明并不限定于此，例如SOI层212也可以是非晶硅层。这一点与上述第1实施方式相同。
首先，如图5(b)所示，以规定间隔在SOI层212表面上形成多个透镜面218。透镜面218的形状有衍射型透镜、折射型透镜等，其形成方法有蚀刻、研磨等。例如，可以使用半导体技术中的光刻技术，在SOI层表面反复进行光刻和蚀刻处理，形成衍射光学元件的透镜。由此，能够以高精确度同时形成具有良好聚光性的高品质透镜。该工序实质上与上述第1实施方式相同。
接着，如图5(c)所示，在各透镜面218周围形成边缘部220。该工序中，用蚀刻掩模覆盖与各透镜面218和边缘部220形状对应的图案。然后对从掩模露出来的区域进行蚀刻，直至露出SiO2层214的上面。这时SiO2层214的功能是作为蚀刻停止层。由此在基板上形成透镜元件。该工序实质上也与上述第1实施方式相同。
然后由保持基板来保持如此形成的多个透镜元件，在此状态下用蚀刻掩模来覆盖透镜背面Si层上与边缘部形状对应的图案，如图5(d)所示，对从掩模露出来的区域进行深度蚀刻。这时，本实施方式中，不除去透镜元件背面的SiO2层。由此，形成透镜形状的同时，也形成防反射膜224。
经过以上工序，形成透镜面厚度为1～5μm、具有100μm的透镜保持部222的、容易装卸的红外用透镜124。
(第2实施方式的效果)
如上述说明，根据本实施方式，氧化膜层上的硅膜上具有透镜面，这种结构能够形成厚度为1～5μm的非常薄的硅透镜，可以制造出近红外区域的光能够透过的透镜。另外，为了保持薄透镜，在其周围形成保持部，由此，能够保持透镜，透镜也能够安装在模块等上面。
另外，将用SOI基板制成的硅透镜的氧化膜层作为防反射膜使用，由此能够容易形成透镜厚度非常薄的近红外区域用的硅透镜的反射膜。而且，普通硅透镜中，反射膜是在形成透镜之后贴上去的，这种方法中，如果透镜比较薄，会产生由于翘曲引起的裂开、剥落等，但是直接利用氧化膜层时，能够简化工艺，也能有效改善透镜性能。
(应用例1)
图4为应用例1的说明图，表示使用了上述实施方式的光学透镜的红外传感器。图4(a)表示红外传感器。表示来自透镜元件310的光入射到受光部320的状态。图4(b)表示透镜元件310的B-B剖面。图4(b)相当于图12(d)的透镜元件剖面。
(应用例2)
图3为应用例2的说明图，表示的是在多个透镜的周围形成一体的边缘部，从而形成透镜阵列的情况。图3(a)表示将透镜阵列410安装在安装面上的状态，图3(b)表示图3(a)的C-C剖面。如图3(a)所示，边缘部为コ字形，因此能够取出来自安装面上的布线420。
(应用例3)
在上述实施方式中，是1个透镜周围具有一个透镜保持部(支撑壁)(口字形，图7)，但本发明并不限定于此，例如可以有以下应用。
(1)コ字形的透镜保持部(图2)
如图2(a)所示，在2个透镜周围具有透镜保持部(支撑壁)，如图2(b)所示，从中间切开。
(2)く字形(只有2边有支撑壁)的透镜保持部(图1)
如图1(a)所示，在4个透镜周围形成透镜保持部(支撑壁)，如图1(b)所示，按十字切割。
(3)在多个透镜的周围形成透镜保持部(支撑壁)的阵列的情况(图10)
如图10(a)所示，在16个(4个×4个)透镜周围形成透镜保持部(支撑壁)，如图10(b)所示，按十字切割。透镜保持部的形状有口字形、コ字形、く字形，参照(1)、(2)。而且图10的例子中，切割后的每个透镜元件上，有4个(2个×2个)透镜面，但透镜的个数并不限定于此，例如也可以是9个(3个×3个)。
以上参照附图说明了本发明的光学透镜及其制造方法的具体实施方式，但本发明并不限定于上述例子。只要在权利要求书的技术思想范围内，可以有各种变形例或者修正例，这些都包含在本发明的技术范围内。
例如，在上述第1实施方式中，参照图12(c)、图7(a)等说明了包含透镜面118及其边缘部120的透镜区域的形成工序。即只在包含透镜面118及其边缘部120的透镜区域上保留SOI层112，除去透镜区域之外区域的SOI层112，直至露出SiO2层114。但是，本发明并不限定于此，也可以没有透镜区域形成工序，直接形成最终形状的光学透镜124。即，使用蚀刻掩模，对所期望的图案进行蚀刻处理，不经过图12(c)的状态，直接从图12(b)的形状制成图12(d)的光学透镜124的形状。这一点也适用于第2实施方式[图5(c)]。
[产业上的利用可能性]
本发明可以用于光学装置中的光学透镜及其制造方法，尤其是波长在0.70μm～11μm范围内的红外光区域中所使用的光学透镜及其制造方法。

Claims (14)

1.一种光学透镜的制造方法，其特征在于，包括：
透镜面形成工序，在由第1层、第2层和第3层构成的基板的第1层表面上形成透镜面；以及
透镜保持部形成工序，从上述基板的背面除去上述第3层的与透镜面对应的部分，直至露出上述第2层，以形成保持包括上述透镜面及其边缘部的透镜区域的透镜保持部。
2.一种光学透镜的制造方法，其特征在于，包括：
透镜面形成工序，在由第1层、第2层和第3层构成的基板的第1层表面上形成透镜面；
透镜区域形成工序，只保留包括上述透镜面及其边缘部的透镜区域中的上述第1层，将上述透镜区域以外的区域的上述第1层除去，直至露出上述第2层；以及
透镜保持部形成工序，从上述基板的背面除去上述第3层的与透镜面对应的部分，直至露出上述第2层，以形成用于保持上述透镜区域的透镜保持部。
3.根据权利要求2所述的光学透镜的制造方法，其特征在于，
上述第2层为耐蚀刻性强的耐蚀刻层；
上述透镜区域形成工序中包括将上述第2层作为蚀刻停止层的蚀刻处理工序。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光学透镜的制造方法，其特征在于，上述透镜的厚度小于等于5μm。
5.根据权利要求1所述的光学透镜的制造方法，其特征在于，
上述第2层为耐蚀刻性强的耐蚀刻层，
上述透镜保持部形成工序中包括将上述第2层作为蚀刻停止层的蚀刻处理工序。
6.根据权利要求1所述的光学透镜的制造方法，其特征在于，上述透镜保持部形成工序之后，还包括从上述基板背面将上述第2层的与上述透镜面对应的部分除去的工序。
7.根据权利要求1所述的光学透镜的制造方法，其特征在于，
在上述透镜面形成工序中，在上述基板上形成多个透镜面，
在上述透镜保持部形成工序之后，还包括从上述基板中分离出由上述各透镜区域所确定的各光学透镜的分离工序。
8.根据权利要求1所述的光学透镜的制造方法，其特征在于，上述基板是SOI基板。
9.一种光学透镜的制造方法，其特征在于，包括：
透镜面形成工序，在基板表面上形成透镜面；
透镜区域形成工序，只在包括上述透镜面及其边缘部的透镜区域中保留规定厚度，将上述透镜区域以外的区域的上述基板表面除去规定厚度；以及
透镜保持部形成工序，从上述基板的背面将与透镜面对应的部分除去规定厚度，以形成用于保持上述透镜区域的透镜保持部。
10.根据权利要求9所述的光学透镜的制造方法，其特征在于，上述透镜的厚度小于等于5μm。
11.根据权利要求9或10所述的光学透镜的制造方法，其特征在于，
在上述透镜面形成工序中，在上述基板上形成多个透镜面，
在上述透镜保持部形成工序之后，还包括从上述基板中分离出由上述各透镜区域所确定的各光学透镜的分离工序。
12.根据权利要求9所述的光学透镜的制造方法，其特征在于，上述基板是SOI基板。
13.一种光学透镜，其特征在于，具有：
透镜面，形成在基板表面上；
透镜保持部，从上述基板的背面的与透镜面对应的区域之外的区域来保持包括上述透镜面及其边缘部的透镜区域，
上述透镜的厚度小于等于5μm。
14.根据权利要求13所述的光学透镜，其特征在于，在上述基板背面的上述透镜保持部之外的区域上形成有防反射膜。
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