JP2007086768A

JP2007086768A - 半導体レンズの製造方法

Info

Publication number: JP2007086768A
Application number: JP2006228278A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Honda; 由明本多; Naoyuki Nishikawa; 尚之西川; Tomohiro Uetsu; 智宏上津
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2006-08-24
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2026-08-24
Also published as: JP3979441B2

Abstract

【課題】半導体基板の厚みによらず任意形状の半導体レンズを容易に形成することが可能な半導体レンズの製造方法を提供する。
【解決手段】ｎ形のシリコン基板からなる半導体基板１０の一表面側に陽極１１を形成する陽極形成工程と、電解液Ｂ中で半導体基板１０の他表面側に配置される陰極２５と陽極１１との間に通電して半導体基板１０の他表面側に除去部位となる多孔質部１４を形成する陽極酸化工程と、多孔質部１４を除去する多孔質部除去工程とを備える。陽極酸化工程において半導体基板１０の上記他表面側に対向配置される陰極２５が、半導体基板１０の上記他表面に所望のレンズ形状に応じた光強度分布を形成するように設計されてタングステンランプからなる光源３０と半導体基板１０の上記他表面との間に配置されるマスクを構成するようにパターン設計されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レンズの製造方法に関するものである。

従来から、導電性基板を用いたマイクロレンズ用金型の製造方法およびそのマイクロレンズ用金型を用いたマイクロレンズの製造方法が提案されている（特許文献１参照）。なお、特許文献１には、マイクロレンズとして合成樹脂レンズが例示されている。

上記特許文献１のマイクロレンズ用金型の製造方法では、例えば、導電性基板たる低抵抗のｐ形シリコン基板の一表面上にシリコン窒化膜を堆積させた後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してシリコン窒化膜の所定部位に円形状の開孔部を形成し、その後、シリコン窒化膜をマスク層としてｐ形シリコン基板の上記一表面側の一部を陽極酸化処理にて多孔質化することにより半球状の多孔質シリコン部を形成する。その後、多孔質シリコン部を全体に亘って酸化することにより二酸化シリコン部を形成し、マスク層を除去してから、二酸化シリコン部を除去することによってｐ形シリコン基板の上記一表面に所望の凸レンズの形状に対応する凹部を形成し、続いて、ｐ形シリコン基板の上記一表面側および他表面側それぞれに熱酸化膜を形成している。なお、上述の陽極酸化処理では、陽極酸化用の電解液中でｐ形シリコン基板の上記一表面側に対向配置される陰極と半導体基板の他表面に接する形で配置される陽極板との間に通電することで多孔質シリコン部を形成している。

ところで、上記特許文献１に開示されたマイクロレンズ用金型の製造方法では、ｐ形シリコン基板として抵抗率が導体の抵抗率に比較的近い低抵抗のものを用いており、陽極酸化処理時にｐ形シリコン基板の多孔質化が等方性エッチングのように等方的に進行するので、上記開孔部の形状を円形状とすることにより、図８に示すようにｐ形シリコン基板１００の上記一表面に形成される凹部１０１の深さ寸法ａ１と凹部１０１の円形状の開口面の半径ａ２とが略等しくなり、結果的に、マイクロレンズとして球面レンズを製造することができる。なお、上記特許文献１には、マイクロレンズ用金型の製造時に上記開孔部の形状を長方形状とすることにより、結果的に、マイクロレンズとしてシリンドリカルレンズを製造することができることも開示されている。

また、従来から、半絶縁性のＧａＡｓ基板のような高抵抗（例えば、抵抗率が１０^８Ωｃｍ程度）の半導体基板の一表面側にメサ形状に応じてパターン設計したマスク層を設けることなく陽極酸化技術を利用してメサ形状を形成する方法として、半導体基板の他表面側にメサ形状に応じて形状を設計した陽極（電極）を接触させ、その後、陽極と電解液中において半導体基板の上記一表面に対向配置した陰極との間に通電して酸化膜を形成する陽極酸化工程を行い、続いて、酸化膜をエッチング除去する酸化膜除去工程を行う方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

上記特許文献２に記載されたメサ形状の形成方法では、陽極酸化工程において陽極の形状や酸化膜の厚さなどによって半導体基板に流れる電流の電流密度の面内分布が決まるので、メサの側面の勾配が緩く、メサの側面と平坦面とが滑らかに連続したメサ形状を形成することができる。
特開２０００−２６３５５６号公報特開昭５５−１３９６０号公報

ところで、上記特許文献１に開示されたマイクロレンズ用金型の製造方法では、凸曲面の曲率半径が一様なマイクロレンズを形成するためのマイクロレンズ用金型しか製造することができず、マイクロレンズとして平凸型の非球面レンズを形成することはできなかった。また、上記特許文献１に開示されたマイクロレンズ用金型の製造方法では、製造可能なマイクロレンズのレンズ径（＝２×ａ２）がｐ形シリコン基板１００の厚みで制限されてしまい、より大きなレンズ径のマイクロレンズを製造するには、厚みがより大きなｐ形シリコン基板１００を用いる必要があり、コストが高くなってしまう。

また、上記特許文献１に記載されたｐ形シリコン基板１００への凹部１０１の形成方法を利用することで平凹型の半導体レンズを製造することも考えられるが、半導体レンズとして、凹曲面の曲率半径が一様な平凹型の球面レンズやシリンドリカルレンズしか形成することができず、非球面レンズを形成することはできなかった。また、このような半導体レンズの製造方法では、陽極酸化処理時に発生した気泡がマスク層の開孔部を通して脱離することとなるので、開孔部周辺に気泡が集まり、多孔質化の進行速度にばらつきが生じたり、多孔質化が停止したりして、結果的に所望の曲率半径の凹曲面を形成できないことがあった。

そこで、上記特許文献２に記載の技術を半導体レンズの製造方法に適用することが考えられるが、陽極酸化工程において、形成された酸化膜の厚さの増加に伴って陽極と陰極との間の電位差が上昇し、例えば、半導体基板として厚さが４００μｍで抵抗率が１０^８ΩｃｍのＧａＡｓ基板を用いた場合には１ｍＡ／ｃｍ^２の定電流で酸化膜を形成した際に酸化膜の厚さが０．６μｍ程度でも上記電位差が４００Ｖもの高い値となってしまうので、陽極酸化工程と酸化膜除去工程とからなる基本工程を繰り返す必要があり、製造プロセスが複雑になるとともに、所望のレンズ形状の半導体レンズを製造するのが難しかった。

また、上記特許文献２に記載の技術では、陽極酸化工程において利用する陽極を高抵抗の半導体基板の上記他表面に押し当てて接触させているだけなので、半導体基板と陽極との接触抵抗が大きく、半導体基板と陽極との接触がショットキ接触となってしまい、電流密度の面内分布の制御性や再現性に問題があった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、半導体基板の厚みによらず任意形状の半導体レンズを容易に形成することが可能な半導体レンズの製造方法を提供することにある。

請求項１の発明は、半導体基板の一部を除去して半導体レンズを製造する半導体レンズの製造方法であって、半導体基板の一表面側に陽極を形成する陽極形成工程と、電解液中で半導体基板の他表面側に配置される陰極と陽極との間に通電して半導体基板の他表面側に除去部位となる多孔質部を形成する陽極酸化工程と、多孔質部を除去する多孔質部除去工程とを備え、陽極形成工程では、陽極と半導体基板との接触がオーミック接触となるように陽極を形成し、陽極酸化工程では、電解液として、半導体基板の構成元素の酸化物をエッチング除去する溶液を用い、前記通電時に半導体基板の前記他表面側に光源から光を照射するようにし、光源と半導体基板の前記他表面との間に、前記他表面に所望のレンズ形状に応じた光強度分布を形成するように設計したマスクを配置することを特徴とする
この発明によれば、陽極酸化工程では、陰極と陽極との間への通電時に、一表面側に陽極を形成した半導体基板の他表面側に光源から光を照射するようにし、光源と半導体基板の前記他表面との間に、前記他表面に所望のレンズ形状に応じた光強度分布を形成するように設計したマスクを配置するので、半導体基板の前記他表面側の光強度分布により多孔質部の形成に寄与するホールの供給量が調整されるから、陽極酸化工程にて形成する多孔質部の厚みの面内分布を制御することができて厚みが連続的に変化した多孔質部を形成することが可能であり、しかも、陽極形成工程では、陽極と半導体基板との接触がオーミック接触となるように陽極を形成し、陽極酸化工程では、電解液として、半導体基板の構成元素の酸化物をエッチング除去する溶液を用いるので、所望の厚さ分布の多孔質部を１回の陽極酸化工程で容易に形成することができ、当該多孔質部を多孔質部除去工程にて除去することで所望のレンズ形状の半導体レンズが形成されるから、半導体基板の厚みによらず任意形状の半導体レンズを容易に形成することが可能になる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記陰極を前記マスクに兼用することを特徴とする。

この発明によれば、前記陰極と前記マスクとを別々に配置する場合に比べて前記陽極酸化工程を簡略化することができる。

請求項３の発明は、半導体基板の一部を除去して半導体レンズを製造する半導体レンズの製造方法であって、半導体基板の一表面側に陽極を形成する陽極形成工程と、電解液中で半導体基板の他表面側に配置される陰極と陽極との間に通電して半導体基板の他表面側に除去部位となる多孔質部を形成する陽極酸化工程と、多孔質部を除去する多孔質部除去工程とを備え、陽極形成工程では、陽極と半導体基板との接触がオーミック接触となるように陽極を形成し、陽極酸化工程では、電解液として、半導体基板の構成元素の酸化物をエッチング除去する溶液を用い、前記通電時に半導体基板の前記他表面側に光源から光を照射するようにし、所望のレンズ形状に応じて光源からの光を半導体基板の前記他表面上で走査し位置ごとに光強度を調節することを特徴とする。

この発明によれば、陽極酸化工程では、陰極と陽極との間への通電時に、一表面側に陽極を形成した半導体基板の他表面側に光源から光を照射するようにし、所望のレンズ形状に応じて光源からの光を半導体基板の前記他表面上で走査し位置ごとに光強度を調節するので、半導体基板の前記他表面側の位置ごとに光強度に応じて多孔質部の形成に寄与するホールの供給量が決まるから、陽極酸化工程にて形成する多孔質部の厚みの面内分布を制御することでき、しかも、陽極形成工程では、陽極と半導体基板との接触がオーミック接触となるように陽極を形成し、陽極酸化工程では、電解液として、半導体基板の構成元素の酸化物をエッチング除去する溶液を用いるので、所望の厚さ分布の多孔質部を１回の陽極酸化工程で容易に形成することができ、当該多孔質部を多孔質部除去工程にて除去することで所望のレンズ形状の半導体レンズが形成されるから、半導体基板の厚みによらず任意形状の半導体レンズを容易に形成することが可能になる。また、陽極酸化工程において多孔質化を開始した後、多孔質化の終了前に光強度を低下させて多孔質部における半導体基板との境界付近の多孔度を低下させることにより、多孔質部を除去することで半導体基板において露出する表面からなるレンズ表面への微細な凹凸の形成を抑制することができ、レンズ表面がより平滑な半導体レンズを形成することが可能となるという利点がある。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記陽極酸化工程では、前記半導体基板の前記他表面側に照射する光を単色光とすることを特徴とする。

この発明によれば、前記陽極酸化工程では、前記半導体基板の前記他表面側に照射する光を単色光とすることにより、多孔質化に適した波長の光のみを照射することが可能となり、多孔質部における多孔度のばらつきを低減することができ、多孔質部除去工程において容易に除去可能な多孔質部を形成可能になるという利点がある。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記光源としてレーザ光源を用いることを特徴とする。

この発明によれば、前記光源としてレーザ光源を用いることにより、前記陽極酸化工程において、前記光源から前記半導体基板の前記他表面側に照射する光を分光素子やバンドパスフィルタなどを用いることなく単色光とすることができ、前記陽極酸化工程に用いる陽極酸化装置の構成の簡略化を図れる。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記半導体基板として導電形がｎ形のものを用いることを特徴とする。

この発明によれば、前記陽極酸化工程において前記半導体基板の前記他表面側で光が照射されない領域ではホールが供給されず多孔質化が抑制されるから、多孔質化の不要な領域が多孔質化されるのを防止することができる。

請求項１，３の発明では、半導体基板の厚みによらず任意形状の半導体レンズを容易に形成することが可能になるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態では、半導体基板の一部を除去して半導体レンズを製造する半導体レンズの製造方法として、シリコン基板からなる半導体基板１０（図１（ａ）参照）の一部を陽極酸化工程において多孔質化することにより形成した多孔質シリコンからなる多孔質部１４（図１（ｃ）参照）を除去してシリコンレンズからなる半導体レンズ１（図１（ｄ）参照）を製造する製造方法を例示する。ここにおいて、本実施形態における半導体レンズ１は、平凸型の非球面レンズである。なお、本実施形態では、半導体基板１０として導電形がｎ形のものを用いるようにしてあるが、半導体基板１０としては、後述のように、不純物濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３未満のものを用いるのが好ましい。

以下、上述の半導体レンズ１の製造方法について図１（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明する。

まず、図１（ａ）に示す半導体基板（後述のダイシングを行うまではウェハ）１０の一表面側（図１（ａ）における下面側）に後述の陽極酸化工程で利用する所定膜厚（例えば、１μｍ）の導電性層（例えば、Ａｌ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜など）からなる陽極１１を形成する陽極形成工程を行うことによって、図１（ｂ）に示す構造を得る。ここにおいて、陽極形成工程では、例えばスパッタ法によってｐ形シリコン基板１０の上記一表面上に導電性層を成膜した後、Ｎ_２ガスおよびＨ_２ガス雰囲気中で導電性層のシンタ（熱処理）を行うことにより半導体基板１０との接触がオーミック接触をなす陽極１１を形成する。なお、導電性層の成膜方法はスパッタ法に限らず、例えば蒸着法などを採用してもよい。また、導電性層の材料もＡｌに限定するものではなく、半導体基板１０とオーミック接触が可能な材料であればよく、例えばＡｌを主成分とするＡｌ−Ｓｉなどを採用してもよい。また、導電性層の成膜方法はスパッタ法に限らず、例えば蒸着法などを採用してもよい。

陽極形成工程の後、図１（ｃ）に示すように電解液Ｂ中で半導体基板１０の他表面側（図１（ｃ）における上面側）に対向配置される白金電極よりなる陰極２５と陽極１１との間に通電して半導体基板１０の他表面側に除去部位となる多孔質シリコンからなる多孔質部１４を形成する陽極酸化工程（陽極酸化処理）を行う。

ここにおいて、陽極酸化工程では、電解液Ｂとして、半導体基板１０の構成元素であるＳｉの酸化物であるＳｉＯ_２をエッチング除去する溶液、例えば、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した混合液を用いているが、フッ化水素水溶液の濃度やフッ化水素水溶液とエタノールとの混合比は特に限定するものではない。また、フッ化水素水溶液と混合する液体もエタノールに限らず、メタノール、プロパノール、イソプロパノール（ＩＰＡ）などのアルコールなど、陽極酸化反応で発生した気泡を除去できる液体であれば、特に限定するものではない。また、陽極酸化工程では、電解液Ｂ中において半導体基板１０の上記他表面に陰極２５を対向配置して、５００Ｗのタングステンランプからなる光源３０により半導体基板１０の上記他表面に光照射を行いながら、電源から陽極１１と陰極２５との間に所定電流密度の電流を所定時間だけ流すことによって、多孔質部１４を形成する。なお、光源３０は、半導体基板１０が光吸収により電子・ホール対を生成できる波長の光を放射するものであればよく、特に限定するものではない。陽極酸化工程において用いる陽極酸化装置については、例えば、電解液Ｂを入れる処理槽と、陰極２５と、陽極１１と陰極２５との間に電圧を印加する電圧源と、電圧源から陽極１１に流れる電流を検出する電流センサと、電流センサの検出電流に基づいて電圧源の出力電圧を制御するマイクロコンピュータなどからなる制御部とを備えたものを用いればよい。

ここで、半導体基板１０の一部を陽極酸化工程において多孔質化する際には、光源３０からの光照射により電子・ホール対が発生するので、ホールをｈ^＋、電子をｅ⁻とすると、以下の反応が起こっていると考えられる。
Ｓｉ＋２ＨＦ＋（２−ｎ）ｈ^＋→ＳｉＦ_２＋２Ｈ^＋＋ｎｅ⁻
ＳｉＦ_２＋２ＨＦ→ＳｉＦ_４＋Ｈ_２
ＳｉＦ_４＋２ＨＦ→ＳｉＨ_２Ｆ_６
すなわち、半導体基板１０の陽極酸化では、Ｆイオンの供給量とホールｈ^＋の供給量との兼ね合いで多孔質化あるいは電解研磨が起こることが知られており、Ｆイオンの供給量の方がホールの供給量よりも多い場合には多孔質化が起こり、ホールｈ^＋の供給量がＦイオンの供給量よりも多い場合には電解研磨が起こる。したがって、陽極酸化工程では、陽極酸化による多孔質化の速度はホールｈ^＋の供給量で決まるから、半導体基板１０中を流れる電流の電流密度で多孔質化の速度が決まり、多孔質部１４の厚みが決まることになる。

ところで、本実施形態では、陽極酸化工程において図１（ｃ）に示したように半導体基板１０の上記他表面側に対向配置される陰極２５が、半導体基板１０の上記他表面に所望のレンズ形状に応じた光量分布（光強度分布）を形成するように設計されて光源３０と半導体基板１０の上記他表面との間に配置されるマスクを構成するようにパターン設計されている。したがって、言い換えれば、陽極酸化工程においては、光源３０と半導体基板１０の上記他表面との間に、上記他表面に所望のレンズ形状に応じた光量分布を形成するように設計したマスクを兼ねる陰極２５を配置し、光源３０から半導体基板１０の上記他表面側へ光を照射しながら陽極１１と陰極２５との間に通電している。要するに、本実施形態では、陽極酸化工程にて半導体基板１０の上記他表面側に照射する光の光量分布を所望のレンズ形状に応じて決定することにより、陽極酸化工程において半導体基板１０中に誘起されるホールの分布が所望のレンズ形状に応じた分布となるようにしている。なお、図１における陰極２５は、上記レンズ形状に応じてパターン設計された円環状の開孔部が形成されており、図１には光源３０から放射され陰極２５の開孔部を通って半導体基板１０の上記他表面側へ伝搬する光の広がり範囲を一点鎖線で示してある。

上述の陽極酸化工程の終了後、多孔質部１４を除去する多孔質部除去工程を行う。ここにおいて、多孔質シリコンからなる多孔質部１４を除去するエッチング液としてアルカリ系溶液（例えば、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＴＭＡＨなどの水溶液）やＨＦ系溶液を用いれば、多孔質部１４を除去する多孔質部除去工程において、Ａｌ膜やＡｌ−Ｓｉ膜により形成されている陽極１１もエッチング除去することができ、図１（ｄ）に示す構造の半導体レンズ１を得ることができるので、その後、個々の半導体レンズ１に分離するダイシング工程を行えばよい。なお、多孔質部１４を除去する多孔質部除去工程と、陽極１１を除去する陽極除去工程とを別々に行ってもよい。また、多孔質シリコンからなる多孔質部１４を除去する多孔質部除去工程においてエッチング液としてアルカリ系溶液を用いる場合には、エッチング液を加熱せずに室温でも多孔質部１４をエッチング除去することができる。

以上説明した本実施形態の半導体レンズ１の製造方法によれば、陽極酸化工程において、半導体基板１０の上記他表面側に光源３０から光を照射するにあたって、光源３０と半導体基板１０の上記他表面との間に、上記他表面に所望のレンズ形状に応じた光量分布を形成するように設計したマスクを兼ねる陰極２５を配置するので、半導体基板１０の上記他表面側の光量分布により多孔質部１４の形成に寄与するホールの供給量の面内分布が決まり、半導体基板１０に流れる電流の電流密度の面内分布が決まるから、陽極酸化工程にて形成する多孔質部１４の厚みの面内分布を制御することできて厚みが連続的に変化した多孔質部１４を形成することが可能であり、しかも、陽極形成工程では、陽極１１と半導体基板１０との接触がオーミック接触となるように陽極１１を形成し、陽極酸化工程では、電解液Ｂとして、半導体基板１０の構成元素の酸化物をエッチング除去する溶液を用いるので、所望の厚さ分布の多孔質部１４を１回の陽極酸化工程で容易に形成することができ、当該多孔質部１４を多孔質部除去工程にて除去することで所望のレンズ形状の半導体レンズ１が形成されるから、半導体基板１０の厚みによらずレンズ径や曲率などを適宜設計した任意形状の半導体レンズ１を容易に形成することが可能になる。例えば、半導体レンズ１として図２（ｂ）に示すような平凹型のレンズを形成する場合には、図２（ａ）に示すようにマスクを兼ねる陰極２５の開孔部を円形状の形状として多孔質部１４を形成してから、当該多孔質部１４および陽極１１を除去すればよく、上記開孔部の内径を適宜設定することにより、所望のレンズ径の平凹型のレンズを形成できる。

なお、半導体基板１０の不純物濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３以上になると半導体基板１０の抵抗率が０．０１Ωｃｍ以下となって、陽極酸化工程にて用いる電解液の抵抗率に比べて半導体基板１０の抵抗率が小さくなりすぎて、光照射により発生するホールの分布を所望のレンズ形状に応じた分布とすることが難しくなり、所望のレンズ形状の形成に影響をきたし、また、半導体基板１０中の不純物濃度が高くなりすぎると、最終的に形成された半導体レンズ１を後述のように赤外線用に用いる場合に、半導体レンズ１中の不純物により赤外線が吸収されてしまい、赤外線の透過率が低下してしまうので、半導体基板１０としては、不純物濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３未満のものを用いるのが好ましく、１×１０^１７ｃｍ^−３以下のものを用いるのがより好ましい。

また、本実施形態のように、光源３０としてタングステンランプを用いる場合には、陽極酸化工程において多孔質化を開始した後、多孔質化の終了前に例えば光源３０への入力電力を下げたりフィルタを挿入したりすることで光強度を低下させて多孔質部１４における半導体基板１０との境界付近の多孔度を低下させる（ポア径を小さくして緻密な多孔質構造とする）ことにより、多孔質部１４を除去することで半導体基板１０において露出する表面からなるレンズ表面への微細な凹凸の形成を抑制することができ、レンズ表面がより平滑な半導体レンズ１を形成することが可能となり、結果として、半導体レンズ１のレンズ表面の微細な凹凸に起因した光の乱反射を抑制することができ、レンズ性能の向上を図れる。

また、上述の製造方法により製造する半導体レンズ１では、図３および図４に示すように、レンズ部１ａとレンズ部１ａを全周に亘って囲むフランジ部１ｂとを連続一体に形成することが可能となり、例えば、図３および図４に示す構成の赤外線センサのパッケージ５０への取り付けが容易になる。以下、図３および図４に示す構成の赤外線センサについて簡単に説明する。

ここで、図３および図４に示す赤外線センサは、熱型赤外線検出素子（例えば、焦電素子、サーモパイルなど）からなる赤外線検出素子６１および赤外線検出素子６１の出力を信号処理する信号処理回路が設けられた回路ブロック６０と、回路ブロック６０を収納するキャンパッケージからなるパッケージ５０とを備えている。

パッケージ５０は、回路ブロック６０が絶縁材料からなるスペーサ７１を介して実装される円板状のステム５１と、回路ブロック６０を覆うようにステム５１に固着される金属製のキャップ５２とを備え、回路ブロック６０の適宜部位と電気的に接続される複数本（本実施形態では、３本）の端子ピン５５がステム５１を貫通する形で設けられている。また、キャップ５２は、後面が開放された有底円筒状の形状に形成されており、後面がステム５１により閉塞されている。また、キャップ５２において赤外線検出素子６１の前方に位置する前壁には、矩形状（本実施形態では、正方形状）の透光窓５３が形成されており、赤外線検出素子６１の受光面へ赤外線を集光する光学部材として、上述の半導体レンズ１が透光窓５３を覆うようにキャップ５２の内側から配設されている。

ステム５１は、上述の各端子ピン５５それぞれが挿通される複数の端子用孔５１ｂが厚み方向に貫設されており、各端子ピン５５が端子用孔５１ｂに挿通された形で封止部５４により封着されている。

上述のキャップ５２およびステム５１は鋼板により形成されており、ステム５１の周部に形成されたフランジ部５１ｃに対して、キャップ５２の後端縁から外方に延設された外鍔部５２ｃを溶接により封着してある。

回路ブロック６０は、上述の信号処理回路の構成要素であるＩＣ６３および電子部品６４が互いに異なる面に実装されたプリント配線板（例えば、コンポジット銅張積層板など）からなる第１の回路基板６２と、第１の回路基板６２における電子部品６４の実装面側に積層された樹脂層６５と、ガラスエポキシなどからなる絶縁性基材の表面に金属材料（例えば、銅など）からなる金属層（以下、シールド層と称す）が形成され樹脂層６５に積層されたシールド板６６と、赤外線検出素子６１が実装されるとともにシールド板６６に積層されたプリント配線板（例えば、コンポジット銅張積層板）からなる第２の回路基板６７とで構成されている。

ここにおいて、第２の回路基板６７には、赤外線検出素子６１のセンシングエレメントと第２の回路基板６７とを熱絶縁するための熱絶縁用孔６７ａが厚み方向に貫設されている。なお、回路ブロック６０は、第１の回路基板６２、樹脂層６５、シールド板６６、第２の回路基板６７それぞれに、上述の端子ピン５５が挿通されるスルーホール６２ｂ，６５ｂ，６６ｂ，６７ｂが厚み方向に貫設されており、赤外線検出素子６１と信号処理回路とが端子ピン５５とを介して電気的に接続されている。なお、上述の赤外線センサの３本の端子ピン５５は、１本が給電用の端子ピン５５（５５ａ）、他の１本が信号出力用の端子ピン５５（５５ｂ）、残りの１本がグランド用の端子ピン５５（５５ｃ）であり、シールド板６６におけるシールド層はグランド用の端子ピン５５ｃと電気的に接続されている。ここで、端子ピン５５ａ，５５ｂを封着する封止部５４，５４（５４ａ，５４ｂ）は、絶縁性を有する封着用のガラスにより形成されており、端子ピン５５ｃを封着する封止部５４（５４ｃ）は、金属材料により形成されている。要するに、端子ピン５５ａ，５５ｂはステム５１と電気的に絶縁されているのに対し、グランド用の端子ピン５５ｃはステム５１と同電位となっている。

また、半導体レンズ１は、レンズ部１ａが、平凸型の非球面レンズの形状に形成されており、レンズ部１ａ以外の部位であるベース部１ｂの外周形状が矩形状に形成されている。また、半導体レンズ１は、透光窓５３の内側に位置するレンズ部１ａ以外の部位であるベース部１ｂを通して赤外線検出素子６１の受光面へ入射しようとする赤外線を阻止する赤外線阻止部１ｄが設けられている。ここで、赤外線阻止部１ｄは、金属材料（例えば、Ａｌ，Ａｌ−Ｓｉなど）からなる赤外線反射膜により構成してあるが、当該赤外線反射膜の材料は、ＡｌやＡｌ−Ｓｉなどに限らず、薄膜形成時に光沢があり凹凸を小さくできる材料であればよく、特に、赤外線の反射率が０．９よりも高いＡｕ、Ａｇ、Ａｌなどの金属材料や、これらの金属材料を主成分とする材料を採用することが好ましい。また、赤外線阻止部１ｄを構成する赤外線反射膜としては、誘電体膜や、誘電体多層膜を採用してもよい。なお、赤外線阻止部１ｄは、赤外線を反射する赤外線反射膜に限らず、赤外線を散乱させる機能を有する膜により構成してもよい。

上述の半導体レンズ１を用いた赤外線センサでは、キャップ５２の透光窓５３内にレンズ部１ａを配置した状態でフランジ部１ｂをキャップ５２の前壁の後面における透光窓５３の周部と固着することができるので、シリコン基板やゲルマニウム基板を研磨することにより形成された従来の赤外線用のレンズに比べて、パッケージ５０へ容易に取り付けることが可能となる。

また、上述の半導体レンズ１を用いた赤外線センサでは、レンズ部１ａ以外の部位であるベース部１ｂを通して赤外線検出素子６１へ入射しようとする赤外線を赤外線阻止部１ｄにより阻止することが可能となり、レンズ部１ａの形状などにより決まる検知エリア以外からの不要な赤外線の赤外線検出素子６１への入射を防止することができ、赤外線検出素子６１の感度を高めることが可能となる。また、上述の赤外線センサでは、半導体レンズ１とキャップ５２とを接合する接合材料として導電性材料（例えば、半田など）を用い、半導体レンズ１とキャップ５２と電気的に接続することで電磁シールドを行うことができ、赤外線検出素子６１への電磁ノイズの影響を防止できる。

ところで、上述の赤外線センサでは、キャップ５２の透光窓５３を矩形状に開口してあるが、キャップ５２の透光窓５３を円形状に開口しておき、半導体レンズ１をレンズ部１ａのみにより構成して透光窓５３へ落とし込んでキャップ５２と半導体レンズ１とを接着することも考えられる。しかしながら、このような構成を採用する場合には、透光窓５３へ半導体レンズ１を落とし込む際に半導体レンズ１の光軸に直交する平面がキャップ５２の前壁に対して傾いてしまい、半導体レンズ１と赤外線検出素子６１との平行度が出なくなり、半導体レンズ１の集光点が赤外線検出素子６１からずれてしまう可能性がある。

これに対して、図３及び図４に示した構成の赤外線センサでは、上述のようにキャップ５２において半導体レンズ１のベース部１ｂを落とし込む透光窓５３の開口形状を、各辺がベース部１ｂの各辺よりも短く且つレンズ部１ａのレンズ径よりも大きな正方形状としてあり、半導体レンズ１のベース部１ｂの周部において他の部位よりも薄肉に形成された鍔部１ｃをキャップ５２の前壁の後面に当接させた形でベース部１ｂの周部を上記接合材料からなる接合部５８を介してキャップ５２に固着してある。したがって、半導体レンズ１と赤外線検出素子６１との平行度を高めることができ、半導体レンズ１の集光点が赤外線検出素子６１からずれるのを防止することができる。

ところで、上記特許文献２に記載された技術のように陽極酸化工程において除去部位である酸化膜を形成する技術を利用した場合、数十μｍの高低差を有する曲面を形成するためには陽極酸化工程と酸化膜除去工程とを繰り返す必要があり、所望のレンズ形状を得ることが難しい。これに対して、本実施形態の半導体レンズ１の製造方法では、数百μｍの高低差を有する曲面を１回の陽極酸化工程と１回の多孔質部除去工程とで形成することができるので、一般的にマイクロレンズと呼ばれるレンズ径が数百μｍ以下のレンズに限らず、レンズ径が数ｍｍ程度のレンズでも１回の陽極酸化工程と１回の多孔質部除去工程とを形成することができる。

また、本実施形態の半導体レンズ１の製造方法では、陽極酸化工程において半導体基板１０の上記他表面側で光が照射されない領域ではホールが供給されず多孔質化が抑制されるから、言い換えれば、半導体基板１０の上記他表面側で光が照射される領域が選択的に多孔質化されるから、多孔質化の不要な領域が多孔質化されるのを防止することができ、プロセス時間の短縮を図れ、低コスト化を図れる。また、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して陽極１１をパターニングするような工程も必要ないから、より一層の低コスト化を図れる。

また、本実施形態では、陰極２５を上記マスクとして兼用しているので、陰極２５と上記マスクとを別々に配置する場合に比べて陽極酸化工程を簡略化することができる。

ところで、図５に示すように半導体基板１０の一表面側（図５における下面側）に形成する陽極１１を所望のレンズ形状に応じてパターン設計して（図５では、所望のレンズ形状に応じた円形状の開孔部１２を形成してある）、半導体基板１０の他表面側（図５における上面側）の全域に光源からの光を照射しながら多孔質化することによって、半導体基板１０に流れる電流の電流密度の分布により厚みが制御された多孔質部１４を形成することもできるが、半導体基板１０の上記他表面側の全域が多孔質化されてしまうので、陽極酸化工程におけるプロセス時間が長くなるとともに、多孔質部除去工程におけるプロセス時間が長くなってしまう。

これに対して、本実施形態の半導体レンズ１の製造方法では、陽極酸化工程においてｎ形のシリコン基板からなる半導体基板１０の上記他表面側で光が照射されない領域ではホールが供給されず多孔質化が抑制されるから、言い換えれば、半導体基板１０の上記他表面側で光が照射される領域が選択的に多孔質化されるから、多孔質化の不要な領域が多孔質化されるのを防止することができ、プロセス時間の短縮を図れ、低コスト化を図れる。また、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して陽極１１をパターニングするような工程も必要ないから、より一層の低コスト化を図れる。

（実施形態２）
本実施形態の半導体レンズの製造方法は実施形態１と略同じであって、実施形態１では陽極酸化工程において、光源３０としてタングステンランプを用いており、マスクを兼ねる陰極２５を利用して半導体基板１０の上記他表面側に光量分布（光強度分布）を形成していたのに対して、図６に示すように光源３０として単色光のレーザ光源を用い、所望のレンズ形状（ここでは、平凹型のレンズ形状）に応じてレーザ光を半導体基板１０の上記他表面上で走査し位置ごとに光強度を調節するようにしている点が相違する。ここで、本実施形態における陽極酸化工程においては、半導体レンズの所望のレンズ形状に応じて個別に設計した陰極２５（図１（ｃ）参照）を用意する必要がなく、半導体レンズの所望のレンズ形状によらず、共通の陰極を利用することができ、低コスト化を図れる。なお、他の工程は実施形態１と同じなので説明を省略する。

しかして、本実施形態の半導体レンズの製造方法によれば、陽極酸化工程において、半導体基板１０の上記他表面側に光源３０から光を照射するにあたって、光源３０として単色光のレーザ光源を用い、半導体基板１０中に誘起されるホールの分布が所望のレンズ形状に応じた分布となるように決めた半導体基板１０の上記他表面側での光量分布に応じてレーザ光を半導体基板１０の上記他表面上で走査し位置ごとに光強度を調節するので、半導体基板１０の上記他表面側の位置ごとに光強度に応じて多孔質部１４の形成に寄与するホールの供給量が決まるから、陽極酸化工程にて形成する多孔質部１４の厚みの面内分布を例えば図６のように制御することでき、しかも、実施形態１と同様に陽極形成工程では、陽極１１と半導体基板１０との接触がオーミック接触となるように陽極１１を形成し、陽極酸化工程では、電解液Ｂとして、半導体基板１０の構成元素の酸化物をエッチング除去する溶液を用いるので、所望の厚さ分布の多孔質部１４を１回の陽極酸化工程で容易に形成することができ、当該多孔質部１４を多孔質部除去工程にて除去することで所望のレンズ形状の半導体レンズが形成されるから、半導体基板１０の厚みや抵抗率などによらずレンズ径や曲率などを適宜設計した任意形状の半導体レンズを容易に形成することが可能になる。

ところで、本実施形態では、光源３０としてレーザ光源を用いているが、光源３０として例えばタングステンランプのような光源を用い、光源３０から半導体基板１０の上記他表面側に照射する光を適宜の光学系を利用して走査するようにしてもよい。ただし、本実施形態のように、光源３０としてレーザ光源を用いることにより、多孔質化に適した単一の波長の光（単色光）のみを光強度を制御しながら照射することが可能となり、光源３０としてタングステンランプのような紫外域から赤外域に亘るブロードな発光スペクトルの光源を用いる場合に比べて、多孔質部１４に形成される多数のポアのポア径を揃えやすくなるとともに多孔度の均一性を高めやすくなり、多孔質部１４における多孔度のばらつきを低減することができ、多孔質部除去工程において容易に除去可能な多孔質部１４を形成可能になるという利点がある。なお、陽極酸化工程において、光源３０としてタングステンランプのようなブロードな発光スペクトルの光源を用い、当該光源３０と適宜の分光素子やバンドパスフィルタなどを組み合わせて得た単色光を半導体基板１０の上記他表面側に照射するようにしてもよい。

また、本実施形態のように、光源３０としてレーザ光源を用いる場合には、陽極酸化工程において多孔質化を開始した後、多孔質化の終了前に光強度を低下させて多孔質部１４における半導体基板１０との境界付近の多孔度を低下させる（ポア径を小さくして緻密な多孔質構造とする）ことにより、多孔質部１４を除去することでｎ形シリコン基板１０において露出する表面からなるレンズ表面への微細な凹凸の形成をより抑制することができ、レンズ表面がより平滑なシリコンレンズを形成することが可能となり、結果として、シリコンレンズのレンズ表面の微細な凹凸に起因した光の乱反射を抑制することができ、レンズ性能の向上を図れる。

なお、図６に示した例では、光源３０から放射されたレーザ光を光学部品を介さずに電解液Ｂを通して半導体基板１０の上記他表面側に照射しているが、図７に示すようにレンズ３５を用いてビーム径を制御するようにしてもよい。また、上述の例では光源３０からの光を半導体基板１０の上記他表面上で走査し位置ごとに光強度を調節することで半導体基板１０に照射される光の光量分布を形成しているが、光強度ではなく光照射時間を調整することで半導体基板１０に照射される光の光量分布を形成するようにしてもよく、この場合には、光照射時間に応じて多孔質部１４の形成に寄与するホールの供給量が決まることになり、半導体基板１０の厚みによらず任意形状の半導体レンズを容易に形成することが可能になる。

ところで、上記各実施形態１，２では、半導体基板１０としてシリコン基板を採用しているが、半導体基板１０の材料はＳｉに限らず、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の材料でもよく、導電形もｎ形に限らず、ｐ形でもよい。ここで、陽極酸化工程において用いる電解液Ｂであって半導体基板１０の構成元素の酸化物を除去する電解液としては、例えば、下記表１のような電解液を用いればよい。

また、上記各実施形態では、平凸型のレンズや平凹型のレンズを製造する方法について説明したが、シリンドリカルレンズを製造することも可能であり、また、多孔質部（第１の多孔質部）１４を除去した後で、ｎ形シリコン基板１０の上記他表面側に第１の多孔質部１４を形成するまでの工程を採用してｎ形シリコン基板１０の上記一表面側に所望のレンズ形状に応じた厚み分布を有する第２の多孔質部を形成してから除去するようにすれば、両凸レンズ、両凹レンズ、凹凸レンズなどを形成することができる。

また、本発明の技術思想によれば、半導体レンズとして、平凸レンズ、両凸レンズ、両凹レンズ、凹凸レンズ、シリンドリカルレンズ、フレネルレンズなどの微細な構造を有するレンズ（光源３０としてレーザ光源などを用いた場合）などの単レンズに限らず、隣り合う単レンズが互いに重なりあった所謂マルチレンズや、上述の単レンズをアレー状に設けた所謂アレーレンズや上述の複数種類の単レンズを複合させたレンズも形成することが可能となる。

実施形態１における半導体レンズの製造方法の説明図である。同上における他の半導体レンズの製造方法の説明図である。同上における半導体レンズを備えた赤外線センサを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。同上の赤外線センサの概略分解斜視図である。同上の比較例の製造方法の説明図である。実施形態２における半導体レンズの製造方法の説明図である。同上の他の製造方法の説明図である。従来のマイクロレンズ用金型の製造方法の説明図である。

符号の説明

１半導体レンズ
１０半導体基板
１１陽極
１４多孔質部
２５陰極
３０光源

Claims

半導体基板の一部を除去して半導体レンズを製造する半導体レンズの製造方法であって、半導体基板の一表面側に陽極を形成する陽極形成工程と、電解液中で半導体基板の他表面側に配置される陰極と陽極との間に通電して半導体基板の他表面側に除去部位となる多孔質部を形成する陽極酸化工程と、多孔質部を除去する多孔質部除去工程とを備え、陽極形成工程では、陽極と半導体基板との接触がオーミック接触となるように陽極を形成し、陽極酸化工程では、電解液として、半導体基板の構成元素の酸化物をエッチング除去する溶液を用い、前記通電時に半導体基板の前記他表面側に光源から光を照射するようにし、光源と半導体基板の前記他表面との間に、前記他表面に所望のレンズ形状に応じた光強度分布を形成するように設計したマスクを配置することを特徴とする半導体レンズの製造方法。
前記陰極を前記マスクに兼用することを特徴とする請求項１記載の半導体レンズの製造方法。
半導体基板の一部を除去して半導体レンズを製造する半導体レンズの製造方法であって、半導体基板の一表面側に陽極を形成する陽極形成工程と、電解液中で半導体基板の他表面側に配置される陰極と陽極との間に通電して半導体基板の他表面側に除去部位となる多孔質部を形成する陽極酸化工程と、多孔質部を除去する多孔質部除去工程とを備え、陽極形成工程では、陽極と半導体基板との接触がオーミック接触となるように陽極を形成し、陽極酸化工程では、電解液として、半導体基板の構成元素の酸化物をエッチング除去する溶液を用い、前記通電時に半導体基板の前記他表面側に光源から光を照射するようにし、所望のレンズ形状に応じて光源からの光を半導体基板の前記他表面上で走査し位置ごとに光強度を調節することを特徴とする半導体レンズの製造方法。
前記陽極酸化工程では、前記半導体基板の前記他表面側に照射する光を単色光とすることを特徴とする請求項３記載の半導体レンズの製造方法。
前記光源としてレーザ光源を用いることを特徴とする請求項４記載の半導体レンズの製造方法。
前記半導体基板として導電形がｎ形のものを用いることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の半導体レンズの製造方法。