JP2007227676A

JP2007227676A - 赤外線デバイス集積装置

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Publication number: JP2007227676A
Application number: JP2006047417A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Honda; 由明本多
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2006-02-23
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2026-02-23
Also published as: JP4950513B2

Abstract

【課題】製造が容易で低コスト化が可能な赤外線デバイス集積装置を提供する。
【解決手段】第１の半導体ウェハを用いて形成され赤外線放射素子と赤外線検出素子とのいずれか一方からなる赤外線デバイス１３が一表面側においてアレイ状に配列されたベース基板１と、第２の半導体ウェハを用いて形成されベース基板１の上記一表面側において各赤外線デバイス１３を囲む形でベース基板１の上記一表面側に接合されたカバー基板２とを備える。カバー基板２には、各赤外線デバイス１３それぞれに対向する各部位に第２の半導体ウェハの一部からなるレンズ部２３が形成され、ベース基板１とカバー基板２との外形サイズを同じとしてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線放射素子と赤外線検出素子とのいずれか一方からなる赤外線デバイスを複数備え、各赤外線デバイスそれぞれに対向する複数のレンズ部を備えた赤外線デバイス集積装置に関するものである。

従来から、この種の赤外線デバイス集積装置として、例えば、図５に示すように、第１のシリコンウェハを用いて形成され赤外線検出素子１１３が一表面側において２次元アレイ状に配列されたベース基板１０１と、第２のシリコンウェハを用いて形成されベース基板１０１側に各赤外線検出素子１１３を収納する凹所１２３が形成され凹所１２３の周部がベース基板１の上記一表面側に接合されたカバー基板１０２とを備え、ベース基板１０１とカバー基板１０２とでパッケージを構成し、当該パッケージの内部空間を真空とした熱型赤外線イメージセンサが提案されている（特許文献１参照）。

ところで、上記特許文献１に開示された熱型赤外線イメージセンサは、カバー基板１０２において各赤外線検出素子１１３に対向する各部位それぞれに、赤外線検出素子１１３に赤外線を収束させる平凸型のレンズ部１２１が形成されている。

上記特許文献１に開示された熱型赤外線イメージセンサにおけるカバー基板１０２は、第２のシリコンウェハの一表面上に所定形状にパターニングされたレジスト層を形成し、その後、レジスト層をマスクとして第２のシリコンウェハの上記一表面側の一部をＨＦとＨＮＯ_３との混合液を用いた等方性エッチングにより除去することによって各レンズ部１２１それぞれの凸曲面１２１ａを形成している。

また、従来から、図６に示すように、ＳＯＩ基板からなる支持基板２０１と、支持基板２０１の一表面側に配置されたレーザダイオードからなる発光素子２１２と、支持基板２０１の上記一表面側において発光素子２１２に並んで配置された光ファイバ２１３と、石英基板を用いて形成され支持基板２０１の上記一表面側に配置されて発光素子２１２と光ファイバ２１３とを光結合させる光学基板２０２とを備えた光通信用モジュールが提案されている（特許文献２参照）。
上述の光学基板２０２は、当該光学基板２０２の厚み方向を発光素子２１２および光ファイバ２１３の光軸方向に一致させる形で支持基板２０１の上記一表面側に配置され（つまり、支持基板２０１の上記一表面側に立設され）、上記厚み方向の一表面側において発光素子２１２に対向する部位にレンズ部２２２が形成されるとともに、光ファイバ２１３に対向する部位にレンズ部２２３が形成され、他表面側にレンズ部２２２からの光をレンズ部２２３側へ反射するミラー２２４が形成されている。ここにおいて、支持基板２０１の上記一表面側には、光ファイバ２１３を位置決めする位置決め溝２１５や光学基板２０２を位置決めする位置決め凹部２１６などが形成されている。なお、図６に示した構成では、光通信用デバイスとして、発光素子２１２と光ファイバ２１３とを備えているが、上記特許文献２には、光通信用デバイスとして、発光素子２１２および光ファイバ２１３の他にフォトダイオードからなる受光素子を備えた光通信用モジュールも開示されている。
特開平１０−２０９４１４号公報特開２００２−１０７５８０号公報

ところで、上述の光通信用モジュールの構造を上述の熱型赤外線イメージセンサなどの赤外線デバイス集積装置に適用することが考えられるが、その場合、光学基板２０２を支持基板２０１の上記一表面側に立設する必要があり、個々の赤外線通信用モジュールごとに支持基板２０１と光学基板２０２とを位置合わせ精度良く組み立てる必要があるので、組立工程の工程管理に手間がかかるとともに、製造コストが高くなるという不具合があった。また、上述の光学基板２０２は、石英基板を用いて形成されているので、コストが高くなっていた。

一方、図５に示した構成の熱型赤外線イメージセンサでは、石英基板に比べて安価なシリコンウェハを用いてレンズ部１２１を形成することができるので、低コスト化を図ることができるが、ベース基板１０１とカバー基板１０２との外形サイズが異なるので、個々の熱型赤外線イメージセンサごとに各レンズ部１２１の光軸が各赤外線検出素子１１３それぞれの光軸に合わせるようにベース基板１０１とカバー基板１０２とを接合する必要があり、接合工程の工程管理に手間がかかるとともに、製造コストが高くなるという不具合があった。

また、上記特許文献１に開示されたレンズ部１２１の形成にあたっては、レンズ形状がレジスト層と第２のシリコンウェハとの密着性に依存するので、赤外線デバイスである赤外線検出素子１１３の形状に応じた任意形状のレンズ部１２１の形成が難しかった。

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、製造が容易で低コスト化が可能な赤外線デバイス集積装置を提供することにある。

請求項１の発明は、第１の半導体ウェハを用いて形成され赤外線放射素子と赤外線検出素子とのいずれか一方からなる赤外線デバイスが一表面側においてアレイ状に配列されたベース基板と、第２の半導体ウェハを用いて形成されベース基板の前記一表面側において各赤外線デバイスを囲む形でベース基板の前記一表面側に接合されたカバー基板とを備え、カバー基板には、各赤外線デバイスそれぞれに対向する各部位に第２の半導体ウェハの一部からなるレンズ部が形成され、ベース基板とカバー基板との外形サイズが同じであることを特徴とする。

この発明によれば、ベース基板とカバー基板との外形サイズが同じであり、カバー基板において各赤外線デバイスそれぞれに対向する各部位に第２の半導体ウェハの一部からなるレンズ部が形成されているので、ベース基板とカバー基板とをウェハレベルで接合してから個々の赤外線デバイス集積装置に分割する製造プロセスを採用することが可能で、製造が容易になるとともに低コスト化が可能になる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記各レンズ部の表面に、所望の波長域の赤外線を透過する多層干渉フィルタが形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、不要光が前記各レンズ部を透過するのを抑制することができる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記カバー基板は、前記各レンズ部が形成されていない部位に赤外線を反射する赤外線反射膜が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記カバー基板における前記各レンズ部の周辺部を通して赤外線が透過するのを抑制することができる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記カバー基板は、前記各レンズ部それぞれにおける前記ベース基板側とは反対側の表面が凸曲面状に形成され、前記ベース基板側とは反対側に前記各レンズ部を囲み前記各レンズ部の頂部よりも突出した保護壁部が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ベース基板側とは反対側に前記各レンズ部を囲み前記各レンズ部の頂部よりも突出した保護壁部が形成されているので、保護壁部の先端面を含む平面よりも前記各レンズ部の頂部が前記ベース基板側に位置しているから、前記各レンズ部に傷がつきにくくなり、製造歩留まりや信頼性の向上を図れる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記各赤外線デバイスは、前記ベース基板に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ベース基板と前記カバー基板とをウェハレベルで接合してから個々の赤外線デバイス集積装置に分割する製造プロセスを採用することにより、前記ベース基板と前記カバー基板とをウェハレベルで接合することで前記各赤外線デバイスと前記各レンズ部との光軸合わせを行うことができる。

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、前記第１の半導体ウェハおよび前記第２の半導体ウェハがシリコンウェハからなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ベース基板と前記カバー基板との線膨張率が同じになるので、前記ベース基板と前記カバー基板との線膨張率差に起因して前記各赤外線デバイスそれぞれと前記各レンズ部との光軸がずれるのを防止することができ、耐環境性を高めることができる。また、前記赤外線デバイスと協働する電子回路部を前記ベース基板にシリコンプロセスを利用して容易に集積化することができ、低コスト化を図れる。

請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記各レンズ部は、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した陽極を前記第２の半導体ウェハの一表面側に形成し、電解液中において前記第２の半導体ウェハの他表面側に対向配置した陰極との間に通電して前記第２の半導体ウェハの前記他表面側を多孔質化することで除去部位となる多孔質部を形成し、当該多孔質部を除去することにより形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、陽極と陰極との間への通電時に陽極のパターンにより前記第２の半導体ウェハに流れる電流の電流密度の面内分布が決まるので、多孔質部の厚みの面内分布を制御することができて任意形状のレンズ部を低コストで容易に形成することができ、赤外線デバイス集積装置の高性能化を図れる。

請求項８の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記各レンズ部は、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した絶縁層を前記第２の半導体ウェハの一表面側に形成し、前記第２の半導体ウェハの前記一表面側において絶縁層および前記一表面の露出部位を覆う導電性層からなる陽極を形成した後、電解液中において前記第２の半導体ウェハの他表面側に対向配置した陰極との間に通電して前記第２の半導体ウェハの前記他表面側を多孔質化することで除去部位となる多孔質部を形成し、当該多孔質部を除去することにより形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、陽極と陰極との間への通電時に絶縁層のパターンにより前記第２の半導体ウェハに流れる電流の電流密度の面内分布が決まるので、多孔質部の厚みの面内分布を制御することができて任意形状のレンズ部を低コストで容易に形成することができ、赤外線デバイス集積装置の高性能化を図れる。また、上述のように絶縁層のパターンにより第２の半導体ウェハに流れる電流の電流密度の面内分布が決まるので、前記第２の半導体ウェハとして低抵抗のものを用いることが可能となる。

請求項９の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記各レンズ部は、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した絶縁層を前記第２の半導体ウェハの一表面側に形成し、第２の半導体ウェハの前記一表面および絶縁層の表面に接する通電用の電解液中に配置した通電用電極と前記第２の半導体ウェハの他表面側で陽極酸化用の電解液中に配置した陰極との間に通電して前記第２の半導体ウェハの前記他表面側を多孔質化することで除去部位となる多孔質部を形成し、当該多孔質部を除去することにより形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、通電用電極と陰極との間への通電時に絶縁層のパターンにより前記第２の半導体ウェハに流れる電流の電流密度の面内分布が決まるので、任意形状のレンズ部を低コストで容易に形成することができ、赤外線デバイス集積装置の高性能化を図れる。また、通電用の電解液を通して前記第２の半導体ウェハに電流を流すので、陽極の形成工程が不要で、しかも、第２の半導体ウェハに流れる電流がレンズ部ごとにばらつくのを防止することができる。

請求項１の発明では、製造が容易で低コスト化が可能であるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の赤外線デバイス集積装置は、図１に示すように、第１の半導体ウェハを用いて形成され一表面側において複数の赤外線デバイス１３がアレイ状（本実施形態では、２次元アレイ状）に配列されたベース基板１と、第２の半導体ウェハを用いて形成されベース基板１の上記一表面側において各赤外線デバイス１３を囲む形でベース基板１の上記一表面側に接合されたカバー基板２とを備えている。なお、本実施形態では、第１の半導体ウェハおよび第２の半導体ウェハとして、ウェハサイズが同じシリコンウェハを用いている。また、本実施形態では、ベース基板１とカバー基板２とでパッケージを構成している。

本実施形態では、赤外線デバイス１３がサーモパイル型の赤外線検出素子により構成されているが、サーモパイル型の赤外線検出素子に限らず、サーミスタ型の赤外線検出素子、抵抗ボロメータ型の赤外線検出素子、焦電型の赤外線検出素子などにより構成してもよく、これらの赤外線検出素子はマイクロマシニング技術を利用して第１の半導体ウェハに直接形成することができる。

なお、本実施形態では、各赤外線デバイス１３を赤外線検出素子により構成しているが、各赤外線デバイス１３を赤外線放射素子により構成してもよい（つまり、赤外線放射素子をアレイ状に配列してもよい）。ここにおいて、赤外線デバイス１３を赤外線放射素子により構成する場合には、例えば、通電に伴って発熱する発熱体直下に断熱層として多孔質半導体層（本実施形態では、多孔質シリコン層）を有する赤外線放射素子や、マイクロブリッジ構造もしくはダイヤフラム構造を利用して発熱体を周囲と熱絶縁した熱型赤外線放射素子や、量子カスケード構造を利用した赤外線放射素子（例えば、量子カスケードレーザ）などを採用してもよい。

また、本実施形態では、第１の半導体ウェハとしてシリコンウェハを用いているが、第１の半導体ウェハとして、化合物半導体ウェハを用いてよく、この場合には、赤外線デバイス１３を構成する赤外線検出素子として、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＨｇＣｄＴｅ、ＩｎＧａＡｓなどの化合物半導体材料により形成された量子型赤外線検出素子を第１の半導体ウェハに形成するようにしてもよい。また、赤外線デバイス１３を赤外線放射素子により構成する場合には、ＩｎＧａＡｓＰ系のＬＥＤやレーザダイオードのように近赤外（１〜２μｍ程度）の赤外線を放射する発光デバイスや、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅなどの化合物半導体材料により形成されて中〜遠赤外域の赤外線を放射する発光デバイスを第１の半導体ウェハに形成するようにしてもよい。いずれにしても、各赤外線デバイス１３をＩｎＧａＡｓＰ系の化合物半導体材料により形成すれば、一般的な１．３μｍ帯や１．５μｍ帯の光通信に利用することができる。なお、赤外線デバイス１３をＬＥＤやレーザダイオードなどの赤外線放射素子により構成する場合には、面発光型の構造を採用することが望ましいが、面発光型に限らず、端面発光型の構造としてミラーなどにより後述のレンズ部２３と光結合させるようにしてもよい。

ベース基板１の上記一表面側には、赤外線デバイス１３と協働する電子回路部（図示せず）が形成されている。本実施形態では、上述のように各赤外線デバイス１３が赤外線検出素子により構成されているので、上記電子回路部は、各赤外線デバイス１３の出力信号を信号処理する信号処理回路などが集積化されている。ここで、ベース基板１は、上記一表面側に上記電子回路部を覆うＳｉＯ_２膜からなる保護膜１１が形成されており、各赤外線デバイス１３と上記電子回路部とは配線により適宜接続されている。また、ベース基板１には、上記電子回路部に電気的に接続された貫通孔配線（図示せず）が形成されているが、ベース基板１に上記電子回路部を形成しない場合には、各赤外線デバイス１３それぞれに電気的に接続された貫通孔配線を形成すればよい。なお、各赤外線デバイス１３を赤外線放射素子により構成する場合には、上記電子回路部は、各赤外線放射素子を駆動する駆動回路部などを集積化すればよい。また、本実施形態では、ベース基板１の上記一表面側をカバー基板２で気密封止する構成を採用しており、ベース基板１に貫通孔配線が形成されているが、カバー基板２は必ずしも気密封止する必要はなく、上記電子回路部などに電気的に接続される配線も必ずしも貫通孔配線に限らず、ベース基板１の上記一表面側で引き回すようにしてもよく、この場合には、当該配線に接続されたパッドをパッケージの外に露出させるための切欠部をカバー基板２に設けておけばよい。

また、カバー基板２には、各赤外線デバイス１３それぞれに対向する各部位にレンズ部２３が一体に形成されるとともに、ベース基板１側の一表面に凹所２４が形成されている。カバー基板２は、各レンズ部２３それぞれの焦点に赤外線デバイス１３が位置するように、凹所２４の深さ寸法が設定されている。なお、赤外線デバイス１３として赤外線検出素子に代えて赤外線放射素子を採用して赤外線通信モジュールを構成する場合には、例えば、パッケージの外に各レンズ部２３それぞれと光軸が一致する形で赤外線用の光ファイバを配置して使用すればよく、このような場合には、赤外線デバイス１３とパッケージの外の光ファイバとがレンズ部２３を介して光結合されが、光ファイバは必ずしも利用する必要はなく、必要に応じて適宜利用すればよい。

ところで、ベース基板１およびカバー基板２の外形は矩形状であり、ベース基板１とカバー基板２との外形サイズを同じに設定してある。ここにおいて、カバー基板２には、上述のように第２の半導体ウェハの一部からなる複数のレンズ部２３がアレイ状（本実施形態では、２次元アレイ状）に配列されているが、各レンズ部２３は、平凸型の非球面レンズを構成しており、ベース基板１側の表面が平面状、ベース基板１側とは反対側の表面が凸曲面状に形成されている。

また、カバー基板２は、ベース基板１側とは反対側に各レンズ部２３を囲み各レンズ部２３の頂部よりも突出した保護壁部２５が形成されており、保護壁部２５の先端面（図１における上面）を含む平面よりも各レンズ部２３の頂部がベース基板１側に位置しているから、各レンズ部２３に傷がつきにくくなり、製造歩留まりや信頼性の向上を図れる。

また、カバー基板２の上記一表面側において各レンズ部２３に対応する部位の周辺部位には、金属膜（例えば、アルミニウム膜）からなる赤外線反射膜２７が形成されている。要するに、カバー基板２には、各レンズ部２３が形成されていない部位に赤外線を反射する赤外線反射膜２７が形成されており、カバー基板２における各レンズ部２３の周辺部を通して赤外線が透過するのを抑制することができる。なお、カバー基板２の上記一表面における凹所２４の周部と赤外線反射膜２７との間にはＳｉＯ_２膜からなる絶縁膜２６が形成されている。

さらに、カバー基板２は、上記一表面側において各レンズ部２３および赤外線反射膜２７を覆い所望の波長域の赤外線を透過し不要な波長域の赤外線を反射する光学多層膜（屈折率の異なる２種類の誘電体膜を交互に積層した光学多層膜）からなる多層干渉フィルタ２８が形成されるとともに、他表面側において各レンズ部２３を覆い所望の波長域の赤外線を透過し不要な波長域の赤外線を反射する光学多層膜からなる多層干渉フィルタ２９が形成されており、不要光が各レンズ部２３を透過して、赤外線デバイス１３へ入射するのを抑制することができる。

また、本実施形態の赤外線デバイス集積装置では、カバー基板２における凹所２４の周部とベース基板１の上記一表面側の周部とが全周に亘って接合されており、カバー基板２とベース基板１とで囲まれた空間が真空雰囲気となっているが、真空雰囲気に限らず、不活性ガス雰囲気としてもよい。カバー基板２とベース基板１との接合方法としては、常温接合法を採用してもよいし、半田などを用いた接合方法を採用してもよい。なお、本実施形態では、多層干渉フィルタ２８の最表層の誘電体膜がＳｉＯ_２膜となっており、カバー基板２とベース基板１とがＳｉＯ_２−ＳｉＯ_２の組み合わせで常温接合法により直接接合してある。

以下、上述のカバー基板２の形成方法について図２（ａ）〜（ｆ）を参照しながら説明する。

まず、上述の第２の半導体ウェハ２０の上記一表面側の全面に上述の絶縁膜２６の基礎となるＳｉＯ_２膜をＬＰＣＶＤ法などによって形成してから、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当該ＳｉＯ_２膜をパターニングすることで上述の絶縁膜２６を形成することにより、図２（ａ）に示す構造を得る。

その後、絶縁膜２６をマスクとして、第２の半導体ウェハ２０の上記一表面側に凹所２４をエッチング技術によって形成することにより、図２（ｂ）に示す構造を得る。なお、凹所２４を形成する凹所形成工程では、例えば、垂直深堀が可能な誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型のドライエッチング装置を用いたドライエッチングによって凹所２４を形成してもよいし、アルカリ系溶液（例えば、ＫＯＨ溶液やＴＭＡＨ溶液など）を用いた異方性エッチングによって凹所２４を形成してもよい。

続いて、第２の半導体ウェハ２０の上記一表面側に、上述の赤外線反射膜２７を形成する反射膜形成工程を行うことによって、図２（ｃ）に示す構造を得る。ここにおいて、赤外線反射膜２７は、各レンズ部２３それぞれに対応する部位に各レンズ部２３それぞれのレンズ径よりも内径がやや小さな円形状の開孔部２７ａが形成されている。赤外線反射膜２７の形成にあたっては、第２の半導体ウェハ２０の上記一表面側の全面に赤外線反射膜２７の基礎となる金属膜をスパッタ法や蒸着法などによって形成してから、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パターニングする。なお、本実施形態では、赤外線反射膜２７が所望のレンズ形状に応じてパターン設計した陽極を兼ねており、反射膜形成工程が、陽極を形成する陽極形成工程を兼ねている。

陽極形成工程を兼ねる反射膜形成工程の後、赤外線反射膜２７を陽極として陽極酸化用の電解液中で第２の半導体ウェハ２０の他表面側に対向配置される陰極と上記陽極との間に通電して第２の半導体ウェハ２０の上記他表面側に除去部位となる多孔質部３４を形成する陽極酸化工程（陽極酸化処理）を行うことによって、図２（ｄ）に示す構造を得る。なお、本実施形態では、第２の半導体ウェハ２０として、導電形がｐ形のものを用いているので、陽極酸化工程において第２の半導体ウェハ２０の上記他表面側に光を照射する必要はないが、第２の半導体ウェハ２０として導電形がｎ形のものを用いる場合には光を照射する必要がある。また、電解液としては、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合した混合溶液を用いているが、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。

ところで、本実施形態では、上述のように第２の半導体ウェハ２０としてシリコンウェハを用いているので、第２の半導体ウェハ２０の一部を陽極酸化工程において多孔質化する際には、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、第２の半導体ウェハ２０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、本実施形態のように第２の半導体ウェハ２０として導電形がｐ形のものを用いている場合には、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、第２の半導体ウェハ２０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３４の厚みが決まることになる。ここで、第２の半導体ウェハ２０の上記他表面側では、陽極を兼ねる赤外線反射膜２７の各開孔部２７ａそれぞれの開口面に直交する中心線から離れるほど電流密度が徐々に大きくなるような電流密度の面内分布を有することとなり、第２の半導体ウェハ２０の上記他表面側に形成される多孔質部３４は、赤外線反射膜２７の各開孔部２７ａそれぞれの中心線に近くなるほど徐々に薄くなっている。

上述の陽極酸化工程の終了後、多孔質部３４を選択的にエッチング除去する多孔質部除去工程を行うことで各レンズ部２３および保護壁部２５を形成することによって、図２（ｅ）に示す構造を得る。

その後、第２の半導体ウェハ２０の上記一表面側および上記他表面側それぞれに蒸着法やスパッタ法などにより多層干渉フィルタ２８，２９を形成することによって、図２（ｆ）に示す構造を得る。

続いて、複数のベース基板１を形成した第１の半導体ウェハと複数のカバー基板２を形成した第２の半導体ウェハ２０とをウェハレベルで接合することで複数の赤外線デバイス集積装置を備えたウェハレベルパッケージ構造体を形成し、ダイシング工程においてウェハレベルパッケージ構造体から個々の赤外線デバイス集積装置に分割すればよい。

以上説明したカバー基板２の形成方法によれば、陽極形成工程にて形成する陽極のパターン（赤外線反射膜２７のパターン）により陽極酸化工程において第２の半導体ウェハ２０に流れる電流の電流密度の面内分布が決まるので、陽極酸化工程にて形成する多孔質部３４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３４を形成することが可能であり、当該多孔質部３４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各レンズ部２３が形成されるから、任意形状の各レンズ部２３を容易に形成することが可能になる。なお、上述のカバー基板２の形成方法においては、陽極酸化工程において第２の半導体ウェハ２０に流れる電流の電流密度の面内分布によって各レンズ部２３のレンズ形状（本実施形態では、平凸型の非球面レンズにおける非球面の曲率半径やレンズ径）が決まるので、第２の半導体ウェハ２０の抵抗率や厚み、陽極酸化工程にて用いる電解液の電気抵抗値や、第２の半導体ウェハ２０と陰極との間の距離、陰極の平面形状（第２の半導体ウェハ２０に対向配置した状態において第２の半導体ウェハ２０に平行な面内での形状）、陽極を兼ねる赤外線反射膜２７における円形状の各開孔部２７ａの内径などを適宜設定することにより、レンズ形状を制御することができる。ここにおいて、電解液の電気抵抗値は、例えば、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などを変えることにより調整することができるので、陽極の形状の他に、陽極の形状以外の条件（例えば、電解液の電気抵抗値）を適宜設定することによって、各レンズ部２３の形状をより制御しやすくなる。

以上説明した本実施形態の赤外線デバイス集積装置では、ベース基板１とカバー基板２との外形サイズが同じであり、カバー基板２において各赤外線デバイス１３それぞれに対向する各部位に第２の半導体ウェハ２０の一部からなるレンズ部２３が形成されているので、上述のようにベース基板１とカバー基板２とをウェハレベルで接合してから個々の赤外線デバイス集積装置に分割する製造プロセスを採用することが可能で、個々の赤外線デバイス集積装置ごとにベース基板１とカバー基板２とを接合する場合に比べて、製造が容易になるとともに低コスト化が可能になる。また、本実施形態の赤外線デバイス集積装置では、各赤外線デバイス１３がベース基板１に形成されているので、ベース基板１とカバー基板２とをウェハレベルで接合することにより、各赤外線デバイス１３それぞれと対向する各レンズ部２３との光軸合わせを行うことができる。

また、本実施形態では、第１の半導体ウェハおよび第２の半導体ウェハ２０それぞれにシリコンウェハを用いているので、ベース基板１とカバー基板２との線膨張率が同じになるから、ベース基板１とカバー基板２との線膨張率差に起因して各赤外線デバイス１３それぞれと各レンズ部２３との光軸がずれるのを防止することができ、耐環境性を高めることができる。また、赤外線デバイス１３と協働する上記電子回路部をベース基板１にシリコンプロセスを利用して容易に集積化することができ、低コスト化を図れる。

ところで、上述の各レンズ部２３は、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した陽極を第２の半導体ウェハ２０の上記一表面側に形成し、電解液中において第２の半導体ウェハ２０の上記他表面側に対向配置した陰極との間に通電して第２の半導体ウェハ２０の上記他表面側を多孔質化することで除去部位となる多孔質部３４を形成し、当該多孔質部３４を除去することにより形成されており、陽極と陰極との間への通電時に陽極のパターンにより第２の半導体ウェハ２０に流れる電流の電流密度の面内分布が決まるので、多孔質部３４の厚みの面内分布を制御することができて任意形状の各レンズ部２３を低コストで容易に形成することができ、赤外線デバイス集積装置の高性能化を図れる。

ここで、各レンズ部２３は、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した絶縁層（円形状にパターン設計した絶縁層）を第２の半導体ウェハ２０の上記一表面側に形成し、第２の半導体ウェハ２０の上記一表面側において絶縁層および上記一表面の露出部位を覆う導電性層からなる陽極を形成した後、電解液中において第２の半導体ウェハ２０の上記他表面側に対向配置した陰極との間に通電して第２の半導体ウェハ２０の上記他表面側を多孔質化することで除去部位となる多孔質部３４を形成し、当該多孔質部３４を除去することにより形成されたものでもよい。この場合には、陽極と陰極との間への通電時に絶縁層のパターンにより第２の半導体ウェハ２０に流れる電流の電流密度の面内分布が決まるので、多孔質部３４の厚みの面内分布を制御することができて任意形状の各レンズ部２３を低コストで容易に形成することができ、赤外線デバイス集積装置の高性能化を図れる。また、上述のように絶縁層のパターンにより第２の半導体ウェハ２０に流れる電流の電流密度の面内分布が決まるので、第２の半導体ウェハ２０として低抵抗のものを用いることが可能となる。

また、各レンズ部２３は、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した絶縁層（円形状にパターン設計した絶縁層）を第２の半導体ウェハ２０の上記一表面側に形成し、第２の半導体ウェハ２０の上記一表面および絶縁層の表面に接する通電用の電解液中に配置した通電用電極と第２の半導体ウェハ２０の上記他表面側で陽極酸化用の電解液中に配置した陰極との間に通電して第２の半導体ウェハ２０の上記他表面側を多孔質化することで除去部位となる多孔質部３４を形成し、当該多孔質部３４を除去することにより形成されたものでもよい。この場合には、通電用電極と陰極との間への通電時に絶縁層のパターンにより第２の半導体ウェハ２０に流れる電流の電流密度の面内分布が決まるので、任意形状の各レンズ部２３を低コストで容易に形成することができ、赤外線デバイス集積装置の高性能化を図れる。また、通電用の電解液を通して第２の半導体ウェハ２０に電流を流すので、陽極の形成工程が不要で、しかも、第２の半導体ウェハ２０に流れる電流が各レンズ部２３ごとにばらつくのを防止することができる。

（実施形態２）
本実施形態の赤外線デバイス集積装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、図３に示すように、カバー基板２の形状が相違する。すなわち、実施形態１における各レンズ部２３は、ベース基板１側の表面が平面状で且つベース基板１側とは反対側の表面が凸曲面状の平凸レンズとなっているが、本実施形態では、ベース基板１側の表面が凸曲面状で且つベース基板１側とは反対側の表面が平面状の平凸レンズとなっている。また、実施形態１ではカバー基板２の形成時に陽極を兼ねる赤外線反射膜２７がカバー基板２におけるベース基板１側に形成されていたのに対して、赤外線反射膜２７がカバー基板２におけるベース基板１側とは反対側の表面に形成されている点などが相違する。また、本実施形態では、製造時に、実施形態１にて説明した絶縁膜２６を第２の半導体ウェハ２０の上記一表面側に凹所２４を形成した後に絶縁膜２６を除去しており、凹所２４の周部には多層干渉フィルタ２８も形成しないようにしており、カバー基板２とベース基板１とをＳｉ−ＳｉＯ_２の組み合わせで接合している点などが相違する。他の構成は実施形態１と同じなので説明を省略する。

ところで、上述の各実施形態では、ベース基板１とカバー基板２とを別部材を介在させることなく接合してあるが、ベース基板１とカバー基板２との間に第３の半導体ウェハを用いて形成される枠状（矩形枠状）のスペーサを介在させるようにすれば、各レンズ部２３それぞれの焦点距離の設計自由度が広くなる、言い換えれば、各レンズ部２３のレンズ形状の設計の自由度が広くなるという利点がある。また、上述の各実施形態では、各レンズ部２３が平凸レンズとなっているが、図４に示すように、各レンズ部２３を両凸レンズとしてもよい。また、上述の各実施形態では、カバー基板２に赤外線反射膜２７を形成してあるが、赤外線反射膜２７に代えて、赤外線を吸収する赤外線吸収膜を形成するようにしてもよい。また、凹所２４の内底面において隣り合うレンズ部２３間に赤外線を遮蔽する遮蔽壁部を形成するようにしてもよい。また、上述の各実施形態では、第２の半導体ウェハ２０としてシリコンウェハを用いているが、第２の半導体ウェハ２０の材料はＳｉに限らず、例えば、ＧｅやＩｎＰ系の化合物半導体でもよい。

実施形態１の赤外線デバイス集積装置の概略断面図である。同上におけるカバー基板の形成方法の説明図である。実施形態２の赤外線デバイス集積装置の概略断面図である。同上の赤外線デバイス集積装置の他の構成例の概略断面図である。従来の熱型赤外線イメージセンサを示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は一部破断した概略平面図である。従来の光通信用モジュールを示す概略斜視図である。

符号の説明

１ベース基板
２カバー基板
１３赤外線デバイス
２３レンズ部
２４凹所
２５保護壁部
２７赤外線反射膜
２８多層干渉フィルタ
２９多層干渉フィルタ

Claims

第１の半導体ウェハを用いて形成され赤外線放射素子と赤外線検出素子とのいずれか一方からなる赤外線デバイスが一表面側においてアレイ状に配列されたベース基板と、第２の半導体ウェハを用いて形成されベース基板の前記一表面側において各赤外線デバイスを囲む形でベース基板の前記一表面側に接合されたカバー基板とを備え、カバー基板には、各赤外線デバイスそれぞれに対向する各部位に第２の半導体ウェハの一部からなるレンズ部が形成され、ベース基板とカバー基板との外形サイズが同じであることを特徴とする赤外線デバイス集積装置。
前記各レンズ部の表面に、所望の波長域の赤外線を透過する多層干渉フィルタが形成されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線デバイス集積装置。
前記カバー基板は、前記各レンズ部が形成されていない部位に赤外線を反射する赤外線反射膜が形成されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の赤外線デバイス集積装置。
前記カバー基板は、前記各レンズ部それぞれにおける前記ベース基板側とは反対側の表面が凸曲面状に形成され、前記ベース基板側とは反対側に前記各レンズ部を囲み前記各レンズ部の頂部よりも突出した保護壁部が形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の赤外線デバイス集積装置。
前記各赤外線デバイスは、前記ベース基板に形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の赤外線デバイス集積装置。
前記第１の半導体ウェハおよび前記第２の半導体ウェハがシリコンウェハからなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の赤外線デバイス集積装置。
前記各レンズ部は、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した陽極を前記第２の半導体ウェハの一表面側に形成し、電解液中において前記第２の半導体ウェハの他表面側に対向配置した陰極との間に通電して前記第２の半導体ウェハの前記他表面側を多孔質化することで除去部位となる多孔質部を形成し、当該多孔質部を除去することにより形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の赤外線デバイス集積装置。
前記各レンズ部は、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した絶縁層を前記第２の半導体ウェハの一表面側に形成し、前記第２の半導体ウェハの前記一表面側において絶縁層および前記一表面の露出部位を覆う導電性層からなる陽極を形成した後、電解液中において前記第２の半導体ウェハの他表面側に対向配置した陰極との間に通電して前記第２の半導体ウェハの前記他表面側を多孔質化することで除去部位となる多孔質部を形成し、当該多孔質部を除去することにより形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の赤外線デバイス集積装置。
前記各レンズ部は、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した絶縁層を前記第２の半導体ウェハの一表面側に形成し、第２の半導体ウェハの前記一表面および絶縁層の表面に接する通電用の電解液中に配置した通電用電極と前記第２の半導体ウェハの他表面側で陽極酸化用の電解液中に配置した陰極との間に通電して前記第２の半導体ウェハの前記他表面側を多孔質化することで除去部位となる多孔質部を形成し、当該多孔質部を除去することにより形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の赤外線デバイス集積装置。