JP4131998B2

JP4131998B2 - 透明な半導体受光素子およびその製造方法

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Publication number: JP4131998B2
Application number: JP12084898A
Authority: JP
Inventors: 一博羽根; 佐々木　　実
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2018-04-30
Also published as: JPH11312821A; US6404031B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光が透過する半導体受光素子の構造およびその製造方法に関する。レーザ光が透過する半導体受光素子は、精密工作機械や電子顕微鏡のアライメント用センサとして利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
精密工作機械では、数メートルにわたり１μｍの精度で複数の部材のアライメントを行うことが必要である。また、レーザ実験装置では光軸のアライメントのために、同程度のアライメントを行う必要がある。このために、光源として発光ダイオードを用い、この発光ダイオードが発生するレーザ光を受光する光センサとして、フォトダイオードなどの半導体受光素子を用いて、これらを組み合わせて使用する技術が知られている。
【０００３】
図１２にレーザ光の参照ビームによる部材のアライメントの例を示す。ここでは半導体受光素子としてフォトダイオードを用いた例を示す。図１２に示すように、アライメントを必要とする部材５０、５１、５２に沿って、その一端に光源４０を配置し、その光源４０からスポット径の小さいレーザ光を照射し、その部材５０、５１、５２に機械的に取付けられたきわめて小さい受光面積を有するフォトダイオードを備えた半導体装置３０、３１、３２を用いてこのレーザ光を受光するものである。このような半導体装置３０、３１、３２としては、一つの受光面上に複数のフォトダイオードを区分形成しておき、そのいずれにレーザ光が受光されているかを識別することにより、そのアライメント調節を自動的に行う構造のものも知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来技術では、一つの光軸上に受光センサとしての半導体装置３０が１個配置されると、そのレーザ光はその位置で遮断されることになる。すなわち、長い距離に配置された多数の部材５０、５１、５２のアライメントを行う必要がある場合には、光源４０に近い位置から順に半導体装置３０、３１、３２を有効状態として位置調節を行い、位置調節が完了した半導体装置３０、３１、３２は、次の部材のアライメントを行うためにその光軸上から取り除くことが必要である。これはアライメント作業を複雑化するとともに、その作業を繰り返し行うことが必要になり、すべての部材５０〜５２が正しく調節されたことを全体として確認することはできない。
【０００５】
このような問題を解決するためのビームスプリッタを用いたレーザ光の参照ビームによる部材のアライメントの例を図１３に示す。図１３に示す例では、ハーフミラーあるいはプリズムなどによるビームスプリッタ２０、２１、２２を部材５０、５１、５２にそれぞれ取付け、分岐された光軸を半導体装置３０、３１、３２により受光してアライメントを行うものである。図１４はビームスプリッタと半導体装置との関係を示す図である。しかし、図１３の例では、光学系が複雑になるとともに、ビームスプリッタ２０〜２２で光軸がわずかにそれたり、ビーム波面にノイズが生じ、長い距離を伝搬させるとスポット形状やビームの広がりが歪むこともある。
【０００６】
したがって、受光センサとしての半導体装置が透明であって、一つの半導体装置が部材のアライメントに利用したレーザ光がそのまま透過され、他の半導体装置がそのレーザ光を他の部材のアライメントに利用することができれば、前述したような問題点を解決することができる。
【０００７】
本発明は、このような背景に行われたものであって、受光光線の一部のみを吸収し、その大部分をその背面に透過する構造の半導体受光素子を提供することを目的とする。本発明は、光軸上の機械的なアライメント作業を単純化することを目的とする。本発明は、多数の部材のアライメントを行う場合に、その全体のアライメントを確認することができる装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の観点は半導体受光素子であって、半導体バルクの一部にレーザ光が透過可能な程度の薄膜に形成されたことを特徴とする。
【０００９】
これにより、一つの半導体受光素子を透過したレーザ光がさらに他の半導体受光素子に到達することができるため、例えば、複数の部材のアライメントをレーザ光の一つの光軸を共通の参照ビームとして調節することができる。このため、アライメント作業が単純化するとともに、多数の部材のアライメントを行う場合に、その全体のアライメントを確認することができる。
【００１０】
本発明の第二の観点は半導体装置であって、前記半導体受光素子が一つの半導体バルクに複数個きわめて近接して形成され、この各半導体受光素子に個別の電極が設けられたことを特徴とする。
【００１１】
前記複数が２である場合には、例えば、この半導体装置に一つの点となるレーザスポットを照射し、この二つの半導体受光素子が発生する光電流の光電流差を測定することによって、半導体装置上のレーザスポットの照射位置を一次元的に検出することができる。
【００１２】
また、前記複数が４である場合には、前記薄膜上にＸＹ直交軸を想定するとき、その４個の半導体受光素子がこのＸＹ軸で区分される各象限内に配置されるようにすることができる。このように半導体受光素子を配置することにより、例えば、この半導体装置に一つの点となるレーザスポットを照射し、この四つの半導体受光素子が発生する光電流の光電流差を測定することによって、半導体装置上のレーザスポットの照射位置を二次元的に検出することができる。
【００１３】
本発明の第三の観点は透明な半導体受光素子の製造方法であって、一導電型のＳｉ基板をその裏面からレーザ光が透過可能な程度の厚さまでエッチングする工程と、この工程によりエッチングされた部分に表面から反対導電型のドーピングを行う工程と、このドーピングを行った部分に電気的に接続する電極を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明の第四の観点は前記薄膜に形成された半導体受光素子とは異なる半導体受光素子であって、半導体バルクの表面の一部に形成された受光部を含む領域に、半導体バルクの表面から裏面に光の通過可能な格子状構造の通路を設けることによって、等価的に透明な半導体受光素子を形成することができる。
【００１５】
このように形成された半導体受光素子は前記薄膜に形成された半導体受光素子と同様に用いることができる。すなわち、半導体装置に適用し、前記半導体受光素子が一つの半導体バルクに複数個きわめて近接して形成され、この各半導体受光素子に個別の電極が設けられ、かつ光が通過可能な通路が格子状構造に形成された構成とし、前記複数を２または４とすることができる。
【００１６】
また、前記複数が４である場合には、前記薄膜上にＸＹ直交軸を想定するとき、その４個の半導体受光素子がこのＸＹ軸で区分される各象限内に配置されるようにすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を図１、図２、図６、図７、図８、図１０を参照して説明する。図１は本発明第一実施例の薄膜型フォトダイオードを用いた半導体装置の構成図である。図２は本発明第一実施例の２個の薄膜型フォトダイオードを用いた半導体装置の例を示す図である。図６は本発明第一実施例の４個の薄膜型フォトダイオードを用いた半導体装置の例を示す図である。図７は本発明第二実施例の格子型フォトダイオードを用いた半導体装置の構成図である。図８は本発明第二実施例の格子型フォトダイオードを用いた半導体装置の斜視図である。図１０は本発明第二実施例の４個の格子型フォトダイオードを用いた半導体装置の例を示す図である。ここでは、半導体受光素子としてフォトダイオードを用いた例を説明するが、これは本発明の適用範囲をフォトダイオードに限定するものではない。
【００１８】
本発明第一実施例は、図１に示すように、半導体バルクの一部にレーザ光が透過可能な程度の薄膜に形成されたことを特徴とするフォトダイオード１−１および１−２である。フォトダイオード１−１および１−２にはそれぞれ電極２−１および２−２が設けられている。図２に示すように、フォトダイオード１−１および１−２が一つの半導体バルクに２個きわめて近接して形成され、この各フォトダイオード１−１および１−２に個別の電極２−１および２−２が設けられた半導体装置として構成される。図２の破線で囲まれた部分に薄膜領域が形成される。あるいは、図６に示すように、フォトダイオード１−１ないし１−４が一つの半導体バルクに４個きわめて近接して形成され、この各フォトダイオード１−１ないし１−４に個別の電極２−１ないし２−４が設けられた半導体装置として構成される。このとき、前記薄膜上にＸＹ直交軸を想定するとき、その４個のフォトダイオード１−１ないし１−４がこのＸＹ軸で区分される各象限内に配置される。図６の破線で囲まれた部分に薄膜領域が形成される。
【００１９】
また、本発明第二実施例では、図７および図８に示すように、半導体バルクの一部に形成された受光部であるフォトダイオード４−１および４−２を含む領域に、半導体バルクの表面から裏面に光の通過可能な通路が少なくとも１つ以上形成される。この格子状構造のフォトダイオード４−１および４−２には、それぞれ電極２−１および２−２を備える。
【００２０】
本発明第二実施例の格子状構造のフォトダイオードを用いても図１０に示すように、フォトダイオード４−１ないし４−４が一つの半導体バルクに４個きわめて近接して形成され、この各フォトダイオード４−１ないし４−４に個別の電極２−１ないし２−４が設けられ、かつ、図１０に破線で示す格子領域に光が通過可能な通路が格子状構造に形成された半導体装置として構成される。このとき、前記薄膜上にＸＹ直交軸を想定するとき、その４個のフォトダイオード４−１ないし４−４がこのＸＹ軸で区分される各象限内に配置される。
【００２１】
【実施例】
（第一実施例）
本発明第一実施例を説明する。図３は本発明第一実施例の透明なフォトダイオードの製造工程を示す図である。本発明第一実施例では、透明なフォトダイオードを製作するために、フォトダイオードを光が透過する程度の薄膜に形成した例を説明する。図３（ａ）に示すように、シリコン基板（ｎ型（１００）、５〜８Ωｃｍ、厚さ２００μｍ）を用いて裏面より２５％ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）溶液７０°Ｃで異方性エッチングにより薄膜部分を製作する。エッチング時間はフーリエ変換赤外分光法により膜厚推定することで決定する。透過部分のサイズはおおよそ１ｍｍ角で２０ｍｍ角のウェハに多数製作する。ウェハの場所によってエッチング速度がわずかに異なり、各素子の膜厚を測定すると４．４から６．１μｍのばらつきが生じる。次に、図３（ｂ）に示すように、表面酸化膜をパターニングし、ボロン（１００ｋｅＶ、ＢＦ₂ ⁺、２．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ²）を注入し、浅いｐｎ接合（約２００ｎｍ）のフォトダイオードを製作する。最後に、図３（ｃ）に示すように、アルミニウムの電極を形成する。
【００２２】
このようにして製作した薄膜フォトダイオードの透過率は８３４ｎｍで３３％、７８０ｎｍで１２％、６３３ｎｍで８．０％である。シリコンの吸収係数は長い波長ほど小さいので、長い波長で大きな透過率を示した。比較のために同じフォトダイオード製作条件で薄膜化しないバルクのフォトダイオードを製作して特性を比較した。その比較結果を図４を参照して説明する。図４はバイアス電圧−１．０Ｖ、波長７８０ｎｍにおける光電流の入射レーザ光量依存性を示す図であり、横軸に入射パワー（μＷ）をとり、縦軸に光電流（μＡ）をとる。バルク型（実線）の感度が０．３９Ａ／Ｗに対して薄膜型は５μｍ厚さ（破線）で０．２１Ａ／Ｗ、３μｍ厚さ（一点鎖線）で０．１３Ａ／Ｗである。
【００２３】
図５は、図２に示す２分割の薄膜型フォトダイオードを用いた半導体装置において、スポット径３７５μｍのレーザを移動させたときに左右の電極で得られた光電流（破線：左電極、一点鎖線：右電極）とその光電流差（実線）を示す図であり、横軸にレーザスポットの位置（ｍｍ）をとり、縦軸に光電流（μＡ）および光電流差（μＡ）をとる。光電流差において、０ｍｍの近傍の傾きの急な領域は２つのセルをスポットが移動することで生じる。±０．３ｍｍの近傍の領域では、緩やかなスロープとなるのは薄膜部分の低い感度のためである。±０．５ｍｍの急なスロープの領域は基板の厚さが変化するために生じる。±０．８ｍｍの近くの領域は厚い基板の領域となる。
【００２４】
このようにして、レーザスポットの位置を光電流差から検出することができる。この場合には、レーザスポットの位置の検出は一次元的に行われるため、図２の縦方向の位置を特定することはできない。図６に示すように、４分割の薄膜型フォトダイオード１−１〜１−４を用いた半導体装置により、レーザスポットの位置の検出を二次元的に行うことができる。図６の破線で囲まれた部分に薄膜領域が形成される。すなわち、図５に示した光電流または光電流差およびレーザスポットの位置の関係が図６の縦方向にも適用されるため、図６に示す半導体装置上における二次元的なレーザスポットの位置を検出することができる。
【００２５】
（第二実施例）
本発明第二実施例を図７および図８を参照して説明する。本発明第二実施例では、透明なフォトダイオードを実現するために、フォトダイオードを細い格子状に製作し、一部の光を捕らえ、大部分の光は何も影響を与えずに透過させる方法を考えた。このとき、光ビームの径は格子周期より十分大きいとする。図７には格子型フォトダイオードを用いた半導体装置の構造を示す。透過部分は基板を貫通しているので、波面に歪を生じさせない。
【００２６】
製造方法は、まず、異方性エッチングによりシリコンをある程度薄膜化し、フォトダイオードを製作後、ＩＣＰの反応性エッチングにより格子部分を貫通エッチングする。すなわち、図３（ａ）および図３（ｂ）に示したものと同様の工程により、本発明第一実施例の薄膜型フォトダイオードよりは厚いフォトダイオードを形成し、このフォトダイオードをＩＣＰの反応性エッチングにより格子部分を貫通エッチングする。このようにして形成された格子部分に、図３（ｃ）に示したものと同様に、電気的に接続する電極を形成することにより製造する。
【００２７】
レーザ光を入射させたとき、格子部分の面積は狭いのでその影響は少ないが、回折波を発生させる。回折波は格子周期に相当する回折角度で光軸方向から逸れるので、それらの回折光が抜けた後では、光量がわずかに低下する以外は波面に歪を発生させない。このため透過後の光波の伝播に与える影響は非常に小さい。格子は正方形格子で、その周期は１００μｍと５０μｍである。また格子部分の幅は５μｍで厚さは４０μｍである。格子構造のアスペクト比は８である。１００μｍ周期の格子による波長０．５μｍの光の回折角度は０．３°であるので２ｍ離れると１ｃｍ回折される。したがって、この程度の距離においては回折波が抜けるので、波面の乱れはほとんど取り除かれている。製作した格子の幅と周期の比は５％であるので光の透過率を面積比より計算すると９０％となる。光の損失は１０％であり透過率は高い。ｐｎ接合のフォトダイオード部分を格子の左右の領域に製作し、格子型の２分割フォトダイオードを製作した。
【００２８】
図９は格子型フォトダイオードの応答を示す図である。横軸にレーザスポットの位置（ｍｍ）をとり、縦軸に光電流差（μＡ）をとる。レーザ光のスポット径がそれぞれ３４０μｍ（実線）、３６０μｍ（一点鎖線）、４００μｍ（破線）のときの二つのフォトダイオード４−１および４−２の光電流差をとった。図９に示すように、光電流差の信号が単調に増加していることから、スポット位置センサとして動作することを確認した。
【００２９】
このようにして、レーザスポットの位置を光電流差から検出することができる。この場合には、レーザスポットの位置の検出は一次元的に行われるため、図８の縦方向の位置を特定することはできない。図１０に示すように、４分割の格子型フォトダイオード４−１〜４−４を用いた半導体装置により、レーザスポットの位置の検出を二次元的に行うことができる。図１０の破線で囲まれた部分に格子領域が形成される。すなわち、図９に示した光電流差およびレーザスポットの位置の関係が図１０の縦方向にも適用されるため、図１０に示す半導体装置上における二次元的なレーザスポットの位置を検出することができる。
【００３０】
（応用例）
本発明の透明な半導体受光素子を用いた応用例を図１１を参照して説明する。図１１は第一応用例としての複数の部材のアライメント作業を示す図である。本発明の透明なフォトダイオードを用いた半導体装置６０、６１、６２を用いれば、図１１に示すように、第一の半導体装置６０を透過した光軸が第二および第三の半導体装置６１、６２にも到達するので、一つの共通の光軸を用いて複数の部材５０、５１、５２のアライメントを行うことができる。したがって、アライメント作業が単純化するとともに、全体のアライメントを確認することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、受光光線の一部のみを吸収し、その大部分をその背面に透過する構造の半導体受光素子を実現することができる。これにより、光軸上の機械的なアライメント作業を単純化することができる。また、多数の部材のアライメントを行う場合に、その全体のアライメントを確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第一実施例の薄膜型フォトダイオードを用いた半導体装置の構成図。
【図２】本発明第一実施例の２個の薄膜型フォトダイオードを用いた半導体装置の例を示す図。
【図３】本発明第一実施例の透明なフォトダイオードの製造工程を示す図。
【図４】バイアス電圧−１．０Ｖ、波長７８０ｎｍにおける光電流の入射レーザ光量依存性を示す図。
【図５】２分割の薄膜型フォトダイオードにおいてスポット径３７５μｍのレーザを移動させたときに左右の電極で得られた光電流とその差信号を示す図。
【図６】本発明第一実施例の４個の薄膜型フォトダイオードを用いた半導体装置の例を示す図。
【図７】本発明第二実施例の格子型フォトダイオードを用いた半導体装置の構成図。
【図８】本発明第二実施例の格子型フォトダイオードを用いた半導体装置の斜視図。
【図９】格子型フォトダイオードの応答を示す図。
【図１０】本発明第二実施例の４個の格子型フォトダイオードを用いた半導体装置の例を示す図。
【図１１】複数の部材のアライメント作業を示す図。
【図１２】従来のレーザ光の参照ビームによる部材のアライメントの例を示す図。
【図１３】ビームスプリッタを用いたレーザ光の参照ビームによる部材のアライメントの例を示す図。
【図１４】ビームスプリッタとフォトダイオードとの関係を示す図。
【符号の説明】
１−１〜１−４、４−１〜４−４フォトダイオード
２−１、２−２、２−３、２−４電極
２０〜２２ビームスプリッタ
３０〜３２、６０〜６２半導体装置
４０光源
５０〜５２部材

Claims

半導体バルクの表面の一部に形成された受光部を含む領域に、半導体バルクの表面から裏面に光が透過する格子状の通路が少なくとも１以上形成され、
前記格子部分に複数個の受光素子を形成し、各受光素子に個別の電極を設けた
ことを特徴とする半導体装置。