JP3918869B2 - 半導体レンズの製造方法 - Google Patents

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、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、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した陽極を半導体基板の一表面側に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対向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るようにし、陽極酸化工程よりも前に、前記レンズ形状に応じてパターン設計した絶縁膜を半導体基板の他表面側に形成する絶縁膜形成工程を設けてなることを特徴とする。

この発明によれば、陽極形成工程にて形成する陽極のパターンおよび絶縁膜形成工程にて形成する絶縁膜のパターンにより陽極酸化工程におい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、陽極酸化工程にて形成する多孔質部の厚みの面内分布の制御が容易になり、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、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、前記半導体基板の材料が、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰの群から選択される材料であり、前記絶縁膜の材料が、Ｓｉ_３Ｎ_４からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記絶縁膜を、ＣＶＤ法などの一般的な薄膜形成法により成膜することができるので、半導体レンズを精度良く且つ容易に形成することができる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記半導体基板の材料が、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰの群から選択される材料であり、前記絶縁膜の材料が、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４の群から選択される材料であることを特徴とする。

この発明によれば、前記絶縁膜を、ＣＶＤ法などの一般的な薄膜形成法により成膜することができるので、半導体レンズを精度良く且つ容易に形成することができる。

請求項１の発明では、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。

（基本例）
本基本例では、後述の実施形態にて説明する半導体レンズの製造方法の基本となる製造方法の一例として、ｐ形のシリコン基板からなる半導体基板１０（図２（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２（ｄ）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２（ｅ）参照）を製造する製造方法を例示する。なお、本基本例では、半導体基板１０の抵抗率を８０Ωｃｍに設定してあるが、この数値は特に限定するものではない。ただし、半導体基板１０の抵抗率は、好ましくは０．１〜１０００Ωｃｍ、より好ましくは数Ωｃｍ〜数１００Ωｃｍである。

まず、図２（ａ）に示すｐ形のシリコン基板からなる半導体基板１０を洗浄する洗浄工程、半導体基板１０の一表面（図２（ａ）における下面）にマークを設けるマーキング工程を行ってから、半導体基板１０の上記一表面側に陽極酸化工程で利用する陽極１２（図２（ｃ）および図３（ａ）参照）の基礎となる所定膜厚（例えば、１μｍ）の金属膜（例えば、Ａｌ膜など）からなる導電性層１１を形成する導電性層形成工程を行うことによって、図２（ｂ）に示す構造を得る。ここにおいて、導電性層形成工程では、例えばスパッタ法によって半導体基板１０の上記一表面上に導電性層１１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１１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導電性層１１を形成する。なお、導電性層１１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１１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。

導電性層形成工程の後、導電性層１１に円形状の開孔部１３を設けるように導電性層１１をパターニングするパターニング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、パターニング工程では、フォトリソグラフィ技術を利用して半導体基板１０の上記一表面側に上記開孔部１３に対応する部位が開孔されたレジスト層（図示せず）を形成した後、レジスト層をマスクとして導電性層１１の不要部分を例えばウェットエッチング技術あるいはドライエッチング技術によってエッチング除去して開孔部１３を設けることにより導電性層１１の残りの部分からなる陽極１２を形成し、その後、上記レジスト層を除去する。なお、導電性層１１がＡｌ膜であれば、導電性層１１の不要部分をウェットエッチング技術によりエッチング除去する場合には、例えば燐酸系エッチャントを用いればよく、導電性層１１の不要部分をドライエッチング技術によりエッチング除去する場合には、例えば反応性イオンエッチング装置などを用いればよい。また、本基本例では、上述の導電性層形成工程とパターニング工程とで、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した陽極１２を半導体基板１０の上記一表面側に形成する陽極形成工程を構成している。なお、円形状の開孔部１３の半径は、半導体レンズ１のレンズ径の設計値に基づいて適宜設定すればよい。

パターニング工程の後、陽極酸化用の電解液Ｂ（図４参照）中で半導体基板１０の他表面側（図２（ｃ）の上面側）に対向配置される陰極２５（図４参照）と陽極１２との間に通電して半導体基板１０の上記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（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。

ここにおいて、陽極酸化工程では、図４に示す構成の陽極酸化装置Ａを用いる。陽極酸化装置Ａは、半導体基板１０の上記一表面側に形成された陽極１２に接触させる平板状の通電用電極２１を有し陽極１２と通電用電極２１とを接触させた形で半導体基板１０を支持する円板状の支持台２２と、中心線を上下方向として支持台２２の上方に配置される円筒状の筒体２３と、筒体２３の下端部に連続一体に形成された内鍔部２３ａと半導体基板１０の周部との間に介装されるＯリングからなるシール部材２４と、筒体２３の下端部に連続一体に形成された外鍔部２３ｂと支持台２２の周部とを結合する複数の結合部材２６とを備えており、半導体基板１０の上記他表面とシール部材２４と筒体２３とで囲まれる空間に陽極酸化用の電解液Ｂが入れられる。

電解液Ｂとしては、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、筒体２３は、電解液Ｂに対して耐性を有する材料、例えば、テフロン（登録商標）などのフッ素系樹脂により形成すればよい。

また、陽極酸化装置Ａは、半導体基板１０の上記他表面に対向配置される白金電極からなる陰極２５と、通電用電極２１を介して陽極１２と陰極２５との間に電圧を印加する電圧源３１と、電圧源３１から通電用電極２１に流れる電流を検出する電流センサ３２と、電流センサ３２の検出電流に基づいて電圧源３１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３３とを備えており、制御部３３が、電圧源３１から通電用電極２１へ所定電流密度（例えば、３０ｍＡ／ｃｍ^２）の電流が所定時間（例えば、１２０分）だけ流れるように電圧源３１を制御するようになっている。なお、陽極酸化工程の処理条件は特に限定するものではなく、上述の所定電流密度および上記所定時間はそれぞれ適宜設定すればよい。

ところで、ｐ形のシリコン基板からなる半導体基板１０の一部を陽極酸化工程において多孔質化する際には、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、シリコン基板からなる半導体基板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、本基本例のように半導体基板１０としてｐ形のシリコン基板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、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。本基本例では、半導体基板１０中を図５の矢印で示すような経路で電流が流れるので、半導体基板１０の上記他表面側（図５における上面側）では、陽極１２の厚み方向に沿った開孔部１３の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、半導体基板１０の上記他表面側に形成される多孔質部１４は、陽極１２の開孔部１３の上記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１２もエッチング除去することができ、図２（ｅ）および図３（ｂ）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１２を除去する陽極除去工程とを別々に行ってもよい。

以上説明した本基本例の半導体レンズ１の製造方法によれば、陽極形成工程にて形成する陽極１２と半導体基板１０との接触パターンにより陽極酸化工程において半導体基板１０に流れる電流の電流密度の面内分布が決まるので、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が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１２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１２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、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。

ここにおいて、本基本例における陽極形成工程では、半導体基板１０の上記一表面側に陽極１２の基礎となる導電性層１１を形成した後、導電性層１１に円形状の開孔部１３を設けるように導電性層１１をパターニングすることで陽極１２を形成しているので、陽極酸化工程において半導体基板１０の上記他表面側では半導体基板１０に流れる電流の電流密度が、陽極１２（導電性層１１）の開孔部１３の上記中心線に近づくほど小さくなる面内分布となるから、半導体基板１０の上記他表面側では陽極１２の開孔部１３の上記中心線に近づくほど多孔質部１４の厚みが薄くなり、半導体レンズ１として平凸型の球面レンズや非球面レンズを形成することができる。なお、このようにして形成された半導体レンズ１の光軸は上述の開孔部１３の上記中心線と一致する。

ところで、上述の半導体レンズ１の製造方法においては、陽極酸化工程において半導体基板１０に流れる電流の電流密度の面内分布によってレンズ形状（本基本例では、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、半導体基板１０の抵抗率や厚み、陽極酸化工程にて用いる電解液Ｂの電気抵抗値や、半導体基板１０と陰極２５との間の距離、陰極２５の平面形状（半導体基板１０に対向配置した状態において半導体基板１０に平行な面内での形状）、陽極１２における円形状の開孔部１３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Ｂ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１２の形状の他に、陽極１２の形状以外の条件（例えば、電解液Ｂの電気抵抗値）を適宜設定することによって、半導体レンズ１の形状をより制御しやすくなる。

また、上述の陽極酸化工程では、制御部３３において電流センサ３２による検出電流の電流密度が所定電流密度となるように電圧源３１の出力電圧を制御し、通電開始から所定時間が経過すると直ちに通電を終了するようにしているが、通電終了前に電流密度を連続的ないし段階的に減少させることで半導体基板１０の多孔質化の速度および多孔度を低下させれば、多孔質部１４を除去した後の半導体レンズ１の表面をより滑らかな表面とすることが可能となる。

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６および図７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６および図７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６および図７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６および図７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（ここでは、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。また、上述の陽極１２を赤外線阻止部１ｄとして残すようにしてもよい。

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６および図７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、本基本例の半導体レンズ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。

なお、上述の製造方法では、陽極形成工程において円形状の開孔部１３が設けられた陽極１２を形成しているが、開孔部１３の形状を円形状ではなくて長方形状の形状とすれば、半導体レンズ１として、シリンドリカルレンズを形成することも可能である。また、陽極１２を円形状の平面形状とすれば、半導体レンズ１として、平凹型の非球面レンズを形成することも可能である。

（実施形態）
以下、本実施形態の半導体レンズ１の製造方法について図１に基づいて説明するが、基本例と同様の工程については説明を適宜省略する。

まず、図１（ａ）に示すｐ形のシリコン基板からなる半導体基板１０に洗浄工程、マーキング工程を行ってから、半導体基板１０の一表面側（図１（ａ）における下面側）に陽極酸化工程で利用する陽極１２（図１（ｃ）参照）の基礎となるＡｌ膜からなる導電性層１１を形成する導電性層形成工程を行うことによって、図１（ｂ）に示す構造を得る。

導電性層形成工程の後、導電性層１１に円形状の開孔部１３を設けるように導電性層１１をパターニングするパターニング工程を行うことで所望のレンズ形状に応じてパターン設計した陽極１２を形成することによって、図１（ｃ）に示す構造を得る。なお、導電性層形成工程とパターニング工程とで陽極形成工程を構成している。

ところで、上述の基本例にて説明した製造方法では、陽極酸化工程においては、陽極１２と半導体基板１０との接触パターンに依存して半導体基板１０中を流れる電流の電流密度の面内分布が決まり、半導体レンズ１の形成領域の中心部に流れる電流の電流密度よりも半導体レンズ１の形成領域の周部に流れる電流の電流密度の方が大きくなるが、多孔質部１４のうち半導体レンズ１の中心部に対応する部位の厚みも比較的厚くなってしまうので、半導体基板１０の厚みがあらかじめ制限されている場合には、凸曲面の曲率半径がより小さな半導体レンズ１の形成が難しくなってしまう。

これに対して、本実施形態の製造方法では、陽極形成工程と陽極酸化工程との間に、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した絶縁膜１５を図１（ｄ）に示すように半導体基板１０の他表面側（図１（ｃ）における上面側）に形成する絶縁膜形成工程を設けてある。ここにおいて、本実施形態における絶縁膜形成工程では、絶縁膜１５の基礎となるＳｉ_３Ｎ_４膜を半導体基板１０の上記他表面側の全面にＣＶＤ法などにより成膜した後、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上記Ｓｉ_３Ｎ_４膜をパターニングすることで上記Ｓｉ_３Ｎ_４膜の一部からなる絶縁膜１５を形成している。なお、本実施形態では、絶縁膜１５の平面形状を上記開孔部１３の内径よりも直径がやや小さな円形状の形状としてあるが、絶縁膜１５のパターンは上記所望のレンズ形状に応じて適宜設定すればよい。

上述の陽極形成工程および絶縁膜形成工程が終了した後、陽極酸化用の電解液Ｂ中で半導体基板１０の上記他表面側に対向配置される陰極２５と陽極１２との間に通電して半導体基板１０の上記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を行うことによって、図１（ｅ）に示す構造を得る。ここにおいて、本実施形態では、半導体基板１０のうち絶縁膜１５が積層されている領域では絶縁膜１５が積層されていない領域に比べて電流が流れにくくなり、陽極酸化工程の前に絶縁膜形成工程を設けていない基本例の製造方法に比べて、半導体基板１０のうち半導体レンズ１の形成領域の中心部の電流密度が零に近づく（言い換えれば、半導体基板１０のうち半導体レンズ１の形成領域の中心部の電流密度と半導体レンズ１の形成領域の周部の電流密度との差を大きくできる）ので、半導体レンズ１の形成領域の周部における多孔質部１４の厚みと半導体レンズ１の形成領域の中心部における多孔質部１４の厚みとの差を大きくすることができ、凸曲面の曲率半径がより小さな半導体レンズ１に対応する多孔質部１４を形成することができる。

陽極酸化工程の終了後、絶縁膜１５をエッチング除去する絶縁膜除去工程を行い、続いて、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１２もエッチング除去することができ、図１（ｆ）に示す構造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、多孔質部除去工程と、陽極１２を除去する陽極除去工程とを別々に行ってもよい。

しかして、本実施形態の製造方法では、陽極形成工程にて形成する陽極１２と半導体基板１０との接触パターンおよび絶縁膜形成工程にて形成する絶縁膜１５のパターンにより陽極酸化工程において半導体基板１０に流れる電流の電流密度の面内分布が決まるので、陽極酸化工程にて形成する多孔質部１４の厚みの面内分布の制御が容易になり、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、上述の基本例の製造方法に比べて、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。

なお、本実施形態では、陽極形成工程と陽極酸化工程との間に絶縁膜形成工程を設けてあるが、絶縁膜形成工程は、必ずしも陽極形成工程と陽極酸化工程との間に設ける必要はなく、陽極酸化工程よりも前に設ければよい。

ところで、上記実施形態では、半導体基板１０としてｐ形のシリコン基板を採用しているが、半導体基板１０の導電形はｐ形に限らずｎ形でもよく、また、半導体基板１０の材料も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い。ここで、半導体基板１０の材料に応じて、陽極酸化処理にて用いる電解液Ｂが決まるので、絶縁膜１５としては、当該電解液Ｂに対して耐性を有する材料を採用すればよい。半導体基板１０の材料に応じて使用する電解液Ｂと絶縁膜１５の材料とを下記表１に示す。

表１から分かるように、半導体基板１０の材料が、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰの群から選択される材料の場合、絶縁膜１５の材料としては例えばＳｉ_３Ｎ_４を採用すれば電解液Ｂに対して耐性を有することとなる。また、半導体基板１０の材料が、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰの群から選択される材料の場合、絶縁膜１５の材料として、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４のうちの少なくとも１つを採用すれば電解液Ｂに対して耐性を有することとなる。ここにおいて、絶縁膜１５の材料としてＳｉＣ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４などを採用した場合には、絶縁膜１５を、ＣＶＤ法などの一般的な薄膜形成法により成膜することができるので、半導体レンズ１を精度良く且つ容易に形成することができる。

なお、上記実施形態では、半導体レンズ１として、平凸型のレンズを製造する方法について説明したが、陽極１２と半導体基板１０との接触パターンおよび絶縁膜１５のパターンそれぞれを適宜設定することにより、シリンドリカルレンズや平凹型のレンズを製造することも可能である。また、多孔質部１４を除去した後で、半導体基板１０の上記他表面側に多孔質部（第１の多孔質部）１４を形成するまでの工程を採用して半導体基板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、上記実施形態では、半導体レンズ１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などの単レンズについて説明したが、本発明の技術思想によれば、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。

実施形態における半導体レンズの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 基本例における半導体レンズの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上の製造方法で用いる陽極酸化装置の概略構成図である。 同上の製造方法の説明図である。 同上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。 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 導電性層
１２ 陽極
１３ 開孔部
１４ 多孔質部
１５ 絶縁膜

Claims (3)

1. 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、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した陽極を半導体基板の一表面側に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対向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るようにし、陽極酸化工程よりも前に、前記レンズ形状に応じてパターン設計した絶縁膜を半導体基板の他表面側に形成する絶縁膜形成工程を設けてなることを特徴とする半導体レンズの製造方法。
2. 前記半導体基板の材料が、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰの群から選択される材料であり、前記絶縁膜の材料が、Ｓｉ_３Ｎ_４からな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。
3. 前記半導体基板の材料が、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰの群から選択される材料であり、前記絶縁膜の材料が、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４の群から選択される材料であ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。

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