JP2013142759A - レンズ一体型基板及び光センサ - Google Patents

Abstract

【課題】気密性の高い封止が可能なレンズ一体型基板を提供すること。
【解決手段】本レンズ一体型基板は、基板の光線入射側の面に形成された凸部と、前記基板の光線出射側の面に形成された凹部と、前記光線入射側の面において、少なくとも前記凸部の表面を含む領域に成膜された第１の反射防止膜と、を有し、前記光線出射側の面において、前記凹部の表面の少なくとも一部を含む第１の領域には第２の反射防止膜が成膜されており、前記第１の領域を除く第２の領域には前記基板を構成する材料が露出しており、前記第２の領域の少なくとも一部は、他の部材と接合される接合面となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板をレンズ形状に加工したレンズ一体型基板、及びレンズ一体型基板を用いた光センサに関する。

近年、火災報知機やトイレの自動洗浄機等に用いられている赤外線センサは、防犯や省エネルギ等の分野で注目されており、小型化や低コスト化のニーズが高まっている。小型化を進めるにあたり、赤外線検出素子を封止する基板の一部をレンズ形状にすることで新たに光学系を必要としないレンズ一体型基板を用いた赤外線センサが既に知られている。

このような赤外線センサにおいて、レンズ一体型基板の材料がシリコンである場合、高い反射率のため透過率が低下し、センサの感度が低下する問題がある。この問題を回避するため、プラズマＣＶＤ法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等を用いて、レンズ一体型基板に反射防止膜を成膜する必要がある。

しかしながら、反射防止膜をプラズマＣＶＤ法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等を用いて成膜すると、レンズ一体型基板の全面に反射防止膜が成膜されることになる。レンズ一体型基板の全面に反射防止膜が成膜されると、レンズ一体型基板は反射防止膜を介して赤外線検出素子を搭載した素子基板と接合されることになる。

この場合、反射防止膜が接合面に存在することによって、レンズ一体型基板と素子基板との間に介在する接合材との密着性の悪化や、反射防止膜の凹凸によって接合の気密性が劣化する問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、気密性の高い封止が可能なレンズ一体型基板を提供することを課題とする。

本レンズ一体型基板は、基板の光線入射側の面に形成された凸部と、前記基板の光線出射側の面に形成された凹部と、前記光線入射側の面において、少なくとも前記凸部の表面を含む領域に成膜された第１の反射防止膜と、を有し、前記光線出射側の面において、前記凹部の表面の少なくとも一部を含む第１の領域には第２の反射防止膜が成膜されており、前記第１の領域を除く第２の領域には前記基板を構成する材料が露出しており、前記第２の領域の少なくとも一部は、他の部材と接合される接合面となることを要件とする。

開示の技術によれば、気密性の高い封止が可能なレンズ一体型基板を提供できる。

第１の実施の形態に係るレンズ一体型基板を例示する断面図である。 第１の実施の形態に係るレンズ一体型基板を用いた赤外線センサを例示する断面図である。 第１の実施の形態に係るレンズ一体型基板の製造工程を例示する図（その１）である。 第１の実施の形態に係るレンズ一体型基板の製造工程を例示する図（その２）である。 第２の実施の形態に係るレンズ一体型基板を例示する断面図である。 第３の実施の形態に係るレンズ一体型基板を例示する断面図である。 第４の実施の形態に係るレンズ一体型基板を例示する断面図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。なお、以下の各実施の形態では、本発明に係るレンズ一体型基板の一例として、赤外線用のレンズ一体型基板を例示して説明するが、これに限定されることはない。

〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係るレンズ一体型基板を例示する断面図である。図１を参照するに、レンズ一体型基板１０は、基板２０と、反射防止膜２８及び２９とを有する。レンズ一体型基板１０は、８〜１２μｍの波長領域の赤外線を検出対象としているため、基板２０の材料としては、例えば、８〜１２μｍの波長領域の赤外線に対して透明であるシリコン（Ｓｉ）を用いることができる。但し、８〜１２μｍの波長領域の赤外線に対して透明であれば、シリコン（Ｓｉ）以外の材料を用いても構わない。このような材料としては、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）等を挙げることができる。

基板２０の光線入射側の面２０ａ（以降、単に面２０ａとする）の略中央部には凸部２１が形成されており、光線出射側の面２０ｂ（以降、単に面２０ｂとする）の略中央部には凹部２２が形成されている。凸部２１の少なくとも一部分は凸レンズとして機能し、凹部２２の少なくとも一部分は凹レンズとして機能する。このように、面２０ａに凸部２１を形成し、面２０ｂに凹部２２を形成することにより、凸部２１で集光した赤外線に対して、凹部２２で入射角度を大きくすることが可能となるため、全反射を防ぐことができる。

凸部２１及び凹部２２は球面形状であってもシリンドリカル形状であっても構わない。後述の赤外線検出素子４３としてラインセンサを用いる場合には、凸部２１及び凹部２２をシリンドリカル形状とし、凸部２１及び凹部２２の長手方向をラインセンサの長手方向と一致させることにより、一方向に面積を大きくとることが可能となり、赤外線の検出効率を向上できる。

又、凸部２１及び凹部２２をシリンドリカル形状とした場合、長手方向に直交する方向（短手方向）は短くてよいため、凸部２１及び凹部２２のサイズを小さくできる。

凸部２１及び凹部２２の曲面は非球面であっても、フレネルレンズのような凹凸が連続する形状、又は曲面を２つ以上有する形状であっても構わない。曲面を非球面にすることによって収差を補正することができ、フレネルレンズにおいてはレンズサグ量を低くすることができる。又、レンズ曲面を複数個持たせると、少ないセンサ画素でも熱源による赤外線を広い範囲で検出できる。

反射防止膜２８は、基板２０の面２０ａにおいて、少なくとも凸部２１の表面を含む領域に成膜されている。反射防止膜２８は、基板２０の面２０ａの全面に成膜してもよい。反射防止膜２９は、基板２０の面２０ｂにおいて、凹部２２の表面の少なくとも一部を含む第１の領域２０ｂ_１のみに成膜されており、第１の領域２０ｂ_１を除く第２の領域２０ｂ_２には形成されていない。つまり、第２の領域２０ｂ_２には、基板２０を構成する材料が露出している。

反射防止膜２８及び２９を形成することにより、レンズ一体型基板１０に入射する光の透過率を向上できる。基板２０の面２０ｂにおいて、第２の領域２０ｂ_２の少なくとも一部は平坦面とされており、この平坦面は、他の部材（例えば、後述の赤外線検出素子４３を搭載した素子基板４１）と接合される接合面となる。以降、第２の領域２０ｂ_２に含まれる平坦面を接合面２０ｂ_２と称する場合がある。

前述のように、接合面２０ｂ_２には反射防止膜２９を成膜してなく、基板２０を構成する材料である例えばシリコンが露出している。シリコンは平坦性が高いため、反射防止膜２９を面２０ｂの全面に成膜した場合に生じる接合材５０（後述）との密着性の悪さや、反射防止膜２９の凹凸によって接合の気密性が劣化してしまう問題を回避できる。

反射防止膜２８及び２９としては、例えば、フッ化セリウム（ＣｅＦ）等の金属フッ化物、酸化チタン（ＴｉＯ_２）等の金属酸化物、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等、又はそれらを組み合わせた多層膜等を用いることができる。反射防止膜２８及び２９の厚さは、それぞれ、例えば、１μｍ程度とすることができる。反射防止膜２８及び２９の透過率は、９０％以上であることが好ましい。

以上の構造により、多くの光量を集光でき、かつ、他の部材と接合される際に気密性の高い封止が可能なレンズ一体型基板１０を実現できる。

図２は、第１の実施の形態に係るレンズ一体型基板を用いた赤外線センサを例示する断面図である。図２を参照するに、赤外線センサ３０は、レンズ一体型基板１０と、赤外線検出部４０とを有する小型の赤外線センサである。

赤外線検出部４０は、素子基板４１と、支持部４２と、赤外線検出素子４３とを有し、接合材５０を介して、レンズ一体型基板１０と接合されている。素子基板４１の一方の面（レンズ一体型基板１０側の面）の略中央部には、断熱構造として空洞部４１ｘが形成されている。素子基板４１の材料としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）等を用いることができる。

素子基板４１の一方の面には、空洞部４１ｘを封止するように支持部４２が形成されており、更に、支持部４２上には赤外線検出素子４３が設置されている。支持部４２の材料としては、例えば、酸化シリコンを用いることができる。赤外線検出素子４３は、レンズ一体型基板１０の凸部２１及び凹部２２を介して赤外線が集光される位置に設置されている。

素子基板４１の一方の面に形成された支持部４２の外縁部は、接合材５０を介して、レンズ一体型基板１０の接合面２０ｂ_２と接合されている。接合材５０としては、例えば、樹脂等の接着剤を用いることができる。レンズ一体型基板１０の基板２０がシリコンである場合には、金（Ａｕ）等の金属を用いて共晶接合を行ってもよい。

又、基板２０及び素子基板４１が何れもシリコンの場合には、接合材５０を用いずに、常温接合法により直接接合してもよい。赤外線検出部４０とレンズ一体型基板１０との接合は、真空中で行うことが好ましい。赤外線検出部４０とレンズ一体型基板１０との接合（封止）を真空中で行うことにより、赤外線検出部４０の素子基板４１とレンズ一体型基板１０の基板２０とに囲まれる内部空間が真空雰囲気となるため、空気の対流による雑音発生を防止できる。

以上のようにして、第１の実施の形態に係るレンズ一体型基板１０の接合面２０ｂ_２を、赤外線検出素子４３を封止するように、素子基板４１の一方の面と接合することにより、赤外線センサ３０を実現できる。この際、接合面２０ｂ_２には反射防止膜２９が形成されていないため、支持部４２等との密着性を向上することが可能となり、気密性の高い封止ができる。

図３及び図４は、第１の実施の形態に係るレンズ一体型基板の製造工程を例示する図である。ここでは、グレースケールマスクを用いたフォトリソグラフィとドライエッチングの工程を適用してレンズ形状を作製する例を示す。

まず、図３（ａ）に示す工程では、最終的に基板２０となる部材を準備する。ここでは、一例として、最終的に基板２０となる部材としてシリコン基板１００を準備する。そして、準備したシリコン基板１００の一方の面にポジ型レジスト２００を塗布する。次に、図３（ｂ）に示す工程では、グレースケールマスク２１０を介して、矢印方向からポジ型レジスト２００を露光する。グレースケールマスク２１０は、パターンに濃淡を持たせたマスクであり、中央部の透過率が最も高く、周辺に行くに従って徐々に透過率が低くなり、外縁部（レンズ形状を形成しない部分）では透過率が略０％になるように形成する。

次に、図３（ｃ）に示す工程では、露光されたポジ型レジスト２００に現像を行い、グレースケールマスク２１０の透過率に応じた形状の立体的なレジストパターン２００Ａを形成する。次に、図３（ｄ）に示す工程では、図３（ｃ）に示すレジストパターン２００Ａをマスクとしてドライエッチングを行い、レジストパターン２００Ａの形状をシリコン基板１００に転写する。これにより、シリコン基板１００の一方の面に凹部２２が作製される。

次に、図４（ｅ）に示す工程では、シリコン基板１００の他方の面にポジ型レジスト２２０を塗布する。次に、図４（ｆ）に示す工程では、グレースケールマスク２３０を介して、矢印方向からポジ型レジスト２２０を露光する。グレースケールマスク２３０は、パターンに濃淡を持たせたマスクであり、中央部の透過率が最も低く、周辺に行くに従って徐々に透過率が高くなり、外縁部（レンズ形状を形成しない部分）では透過率が略１００％になるように形成する。

次に、図４（ｇ）に示す工程では、露光されたポジ型レジスト２２０に現像を行い、グレースケールマスク２３０の透過率に応じた形状の立体的なレジストパターン２２０Ａを形成する。次に、図４（ｈ）に示す工程では、図４（ｇ）に示すレジストパターン２２０Ａをマスクとしてドライエッチングを行い、レジストパターン２２０Ａの形状をシリコン基板１００に転写する。これにより、シリコン基板１００の他方の面に凸部２１が作製される。つまり、面２０ａの略中央部に凸部２１が形成されており、面２０ｂの略中央部に凹部２２が形成されている基板２０が完成する。

図４（ｈ）に示す工程の後（図示せず）、基板２０の面２０ａにおいて、少なくとも凸部２１の表面を含む領域に反射防止膜２８を成膜する（反射防止膜２８は基板２０の面２０ａの全面に成膜してもよい）。又、基板２０の面２０ｂにおいて、凹部２２の表面の少なくとも一部を含む第１の領域２０ｂ_１のみに反射防止膜２９を成膜する。これにより、図１に示すレンズ一体型基板１０が完成する。

このように、第１の実施の形態によれば、レンズ一体型基板１０において、基板２０の面２０ａに反射防止膜２８を、面２０ｂの第１の領域２０ｂ_１に反射防止膜２９を形成している。そのため、入射光の不要な反射を防止することが可能となり、高い透過率を有するレンズ一体型基板を実現できる。

又、レンズ一体型基板１０において、接合面２０ｂ_２には反射防止膜２９が形成されていない。そのため、レンズ一体型基板１０を赤外線検出部４０と接合する際に、レンズ一体型基板１０と赤外線検出部４０との密着性を向上することが可能となり、気密性の高い状態で封止された赤外線センサを実現できる。

なお、第１の実施の形態に係る赤外線センサ３０は、例えば、住宅、オフィス、車内等における人体等の熱源からの赤外線を検出するセンサとして利用できる。

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、第１の実施の形態とは形状の異なるレンズ一体型基板の例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。

図５は、第２の実施の形態に係るレンズ一体型基板を例示する断面図である。図５を参照するに、レンズ一体型基板１０Ａは、凹部２２が凹部２３に置換された点がレンズ一体型基板１０（図１参照）と相違する。

凹部２３は、凹部２２よりも面積が大きくなるように形成されている。つまり、凹部２３は、凸部２１に入射した光線が到達する領域（凹レンズとして機能されたい部分）よりも広い領域に形成されている。又、反射防止膜２９は、凹部２３のうち、実際に必要な部分（凹レンズとして機能されたい部分）である第１の領域２０ｂ_１のみに成膜されている。

反射防止膜２８及び２９は、一般的にプラズマＣＶＤ法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等を用いて成膜する。レンズ一体型基板１０Ａのように、接合面２０ｂ_２に反射防止膜２９が成膜されていない状態にするためには、成膜時にマスクを用いてパターン成膜を行うか、又は全面に成膜を行った後に接合面２０ｂ_２の反射防止膜２９のみを除去する必要がある。

マスクを用いてパターン成膜を行う場合、例えばサブｍｍ程度のレンズ径を設定していると、非常に高いアライメント精度が要求される。又、成膜時にボケが発生すると、マスクパターンよりも大きくパターンが転写され、凹部から反射防止膜がはみ出してしまう。従って、レンズ一体型基板１０（図１参照）の形状では、マスクによるパターン成膜によって接合面２０ｂ_２に基板２０の材料であるシリコン等を露出させることが難しい場合がある。

これに対して、レンズ一体型基板１０Ａ（図５参照）では、凹部２３は実際に必要な部分（凹レンズとして機能されたい部分）である第１の領域２０ｂ_１よりも大きく形成されている。そのため、反射防止膜２９は、図５に示す第１の領域２０ｂ_１よりはみ出しても構わない。つまり、反射防止膜２９が接合面２０ｂ_２（第２の領域２０ｂ_２中の平坦面を指す）に達しなければよい。

従って、マスクパターンを大きめに設定することが可能となり、要求されるアライメント精度を低くできる。又、反射防止膜２９は、凹部２３の表面のうち第１の領域２０ｂ_１のみに形成すればよいため、成膜時にボケが発生しても反射防止膜２９が接合面２０ｂ_２に達する虞を低減できる。以上のことから、マスクを用いて凹部２３の一部である第１の領域２０ｂ_１のみに反射防止膜２９を成膜できるため、接合面２０ｂ_２に基板２０の材料であるシリコン等を露出させることが容易になる。

〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、第１の実施の形態とは形状の異なるレンズ一体型基板の他の例を示す。なお、第３の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。

図６は、第３の実施の形態に係るレンズ一体型基板を例示する断面図である。図６を参照するに、レンズ一体型基板１０Ｂは、凹部２２が凹部２４に置換された点がレンズ一体型基板１０（図１参照）と相違する。

基板２０の面２０ｂには面２０ａ側に窪んだ段差部２０ｃが形成されており、凹部２４は凹部２２（図１参照）よりも基板２０の厚さ方向の内側に形成されている。つまり、凹部２４は段差部２０ｃよりも更に面２０ａ側に形成されている。又、反射防止膜２９は凹部２４に対応する第１の領域２０ｂ_１のみに成膜されており、接合面２０ｂ_２及び段差部２０ｃには形成されていない。

反射防止膜２８及び２９は、一般的にプラズマＣＶＤ法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等を用いて成膜する。これらの方法で基板２０の面２０ｂ全面に成膜を行った後に接合面２０ｂ_２の反射防止膜２９のみを除去する場合、リフトオフ法によって反射防止膜２９を除去する方法等が考えられる。

第１の実施の形態では、反射防止膜２９を面２０ｂ全面に成膜した場合、接合面２０ｂ_２と凹部２２上の反射防止膜２９は連続的に成膜される。そのため、例えば接合面２０ｂ_２の反射防止膜２９をリフトオフ法で剥離させた場合、凹部２２上の反射防止膜２９も同時に剥離されてしまう場合が生じる。

仮に、接合面２０ｂ_２上の反射防止膜２９のみを剥離できた場合でも剥離端部にバリが生じ、接合面２０ｂ_２に反射防止膜２９が残存する虞がある。特に、本実施の形態のように１０μｍ周辺の波長帯を目的とした反射防止膜２９は膜厚が１μｍ以上と厚くなるため、このような問題が生じやすい。以上のように、第１の実施の形態では、接合面２０ｂ_２から凹部２２にかけて反射防止膜２９が連続的に成膜されるため、接合面２０ｂ_２のみの反射防止膜２９を除去することが困難な場合があった。

本実施の形態では、基板２０には段差部２０ｃが形成されているため、反射防止膜２９を面２０ｂ全面に成膜した場合、接合面２０ｂ_２と凹部２４に成膜された反射防止膜２９が連続的につながることがない。このことから、リフトオフを行った場合、接合面２０ｂ_２の反射防止膜２９と同時に凹部２４上の反射防止膜２９も剥離されてしまうことがなく、又、接合面２０ｂ_２端部から溶剤が浸透できるので容易にリフトオフができ、バリが生じるのを防止できる。以上のように本実施の形態に係るレンズ一体型基板１０Ｂの構造を用いることにより、接合面２０ｂ_２上の反射防止膜２９を除去することが容易になる。

〈第４の実施の形態〉
第４の実施の形態では、第３の実施の形態とは形状の異なるレンズ一体型基板の例を示す。なお、第４の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。

図７は、第４の実施の形態に係るレンズ一体型基板を例示する断面図である。図７を参照するに、レンズ一体型基板１０Ｃは、段差部２０ｃが段差部２０ｄに置換された点がレンズ一体型基板１０Ｂ（図６参照）と相違する。段差部２０ｄは、面２０ｂから面２０ａ側に向かって末広がりとなる逆テーパ形状とされている。

基板２０の面２０ｂには面２０ａ側に窪んだ段差部２０ｄが形成されており、凹部２４は凹部２２（図１参照）よりも基板２０の厚さ方向の内側に形成されている。つまり、凹部２４は段差部２０ｄよりも更に面２０ａ側に形成されている。又、反射防止膜２９は凹部２４に対応する第１の領域２０ｂ_１のみに成膜されており、接合面２０ｂ_２及び段差部２０ｄには形成されていない。

第３の実施の形態において、段差部２０ｃ（図６参照）の内側面に反射防止膜２９が成膜されてしまった場合、反射防止膜２９が連続的に成膜される虞がある。本実施の形態のように、内側面が逆テーパ形状の段差部２０ｄを設けることで、反射防止膜２９が連続的につながることを防ぐ効果をより一層向上できる。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ レンズ一体型基板
２０ 基板
２０ａ 基板の光線入射側の面
２０ｂ 基板の光線出射側の面
２０ｂ_１ 第１の領域
２０ｂ_２ 第２の領域（接合面）
２１ 凸部
２２、２３、２４ 凹部
２８、２９ 反射防止膜
３０ 赤外線センサ
４０ 赤外線検出部
４１ 素子基板
４１ｘ 空洞部
４２ 支持部
４３ 赤外線検出素子
５０ 接合材
１００ シリコン基板
２００、２２０ ポジ型レジスト
２００Ａ、２２０Ａ レジストパターン
２１０、２３０ グレースケールマスク

特開平８−３２７４４９号公報

Claims (5)

1. 基板の光線入射側の面に形成された凸部と、
   前記基板の光線出射側の面に形成された凹部と、
   前記光線入射側の面において、少なくとも前記凸部の表面を含む領域に成膜された第１の反射防止膜と、を有し、
   前記光線出射側の面において、前記凹部の表面の少なくとも一部を含む第１の領域には第２の反射防止膜が成膜されており、前記第１の領域を除く第２の領域には前記基板を構成する材料が露出しており、
   前記第２の領域の少なくとも一部は、他の部材と接合される接合面となるレンズ一体型基板。
2. 前記凹部は、前記凸部に入射した光線が到達する領域よりも広い領域に形成されている請求項１記載のレンズ一体型基板。
3. 前記光線出射側の面には、前記光線入射側の面側に窪んだ段差部が形成されており、
   前記凹部は、前記段差部よりも更に前記光線入射側に形成されている請求項１又は２記載のレンズ一体型基板。
4. 前記段差部は、前記光線出射側の面から前記光線入射側の面に向かって末広がりとなる逆テーパ形状である請求項３記載のレンズ一体型基板。
5. 素子基板、及び前記素子基板の一方の面に設置された光検出素子、を有する光検出部と、
   請求項１乃至４の何れか一項記載のレンズ一体型基板とを有し、
   前記レンズ一体型基板の前記接合面は、前記光検出素子を封止するように、前記素子基板の一方の面と接合されている光センサ。

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