JP4725502B2 - 半導体光学レンズの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基材から光学レンズを製造するための方法に関するものである。

文献１（日本特許公報2000-263556）は、マイクロ光学レンズ用の型を製造する方法を開示している。この型は、半導体基材を用意し、この半導体基材の上面に絶縁マスクを形成し、この絶縁マスクに一つまたはそれ以上の開口を形成し、この半導体基材を電解溶液に浸し、絶縁マスクで覆われていない部分の基材上面を陽極酸化処理することで、この部分を多孔質領域に改質させることで製造される。その後、多孔質領域を除去することで、凹曲面が基材の上面に残される。この凹曲面に、紫外線硬化型樹脂が充填されて硬化されることで凸レンズを形成する。この先行技術は、多孔質領域を形成することを開示しているものの、この方法は開口部を備えた絶縁マスクを使用しているため多孔質領域が各開口の中心から等方的に発達するものである。従って、その結果得られる凹曲面は実質的に一様の曲率半径を持つものに制限される。この制限により、先行技術の方法は一様でない曲率半径を持つ、即ち、複雑な表面形状を有する光学レンズを製造するのに適していない。

更に、多孔質領域を除去した時に現れる凹曲面には、多孔質領域と半導体基材との間に比較的に凹凸状の界面が残ることにより、微細な突起が現れることが認められる。この凹凸によりレンズの透過性が損なわれるため、優れた透過性を有するレンズを製造するためには、この凹凸を平滑化することが望まれる。
特開２０００−２６３５５６号公報

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、各種の表面形状で且つ透過性に優れた半導体光学レンズを製造する方法を提供する。

本発明に係る方法は、平坦な上面と平坦な下面とを備える半導体基材を使用して、上記半導体基材の下面に陽極を形成し、半導体基材を電解溶液内に収める過程を有する。ここで、陽極は、陽極パターンを有している。次に、陽極と電解溶液内の陰電極との間に電流を流して、半導体基材の上面を場所によって異なる深さとなるように陽極酸化させて、この上面内に多孔質層を形成し、その後、多孔質層を半導体基材から除去することで上面に曲面を残す。この製造方法での特徴は、上記の多孔質層を形成するに工程において、半導体基材の上面の陽極酸化処理のパラメータを時間と共に変化させることにより、上記半導体基材との界面での多孔度をそれ以外の部分よりも小さくすることである。このため、半導体基材と多孔質層との界面に形成される突起を最小化させることで上記の平滑化処理を容易にすることが出来る。すなわち、半導体基材との予定された界面に多孔質層が進む迄は、多孔質層を比較的大きな多孔度で発達させ、界面では多孔度を小さくするように制御することができ、この結果、多孔質層の形成と除去を効率良く行うことが出来ると共に、多孔度を小さくすることによって突起または表面の不規則性を最小とすることができる。また、陽極は半導体基材の部分によって変化する所定の電界強度の分布を与えるように構成されるため、連続して変化する曲率半径の曲面を容易に形成できる。更に、陽極酸化処理は、電解溶液に完全に露出する半導体基材の上面、即ち、陽極酸化処理を制限する材料でマスクされていない面で進行すること、及び、曲面の形状は基本的に半導体基材の下面の陽極パターンに応じた電界強度分布よって制御されることになるため、精密に制御された輪郭や形状の多孔質層を容易に発達させることができて、精密な表面形状のレンズを形成することが出来る。

従って、本発明の製造方法は、精密に計画された形状と優れた透過性を備え持った光学レンズ、特に非球面のレンズを製造することに利用できる。

上のパラメータとしては、陽極と陰電極との間に流す電流の電流密度とすることができ、この電流密度は多孔質層が曲面の平坦化に影響を及ぼす厚みとなる多孔質層の形成の最終段階で減少させる。

また、電流密度の制御と組み合わせるか或いは単独で、電解溶液の濃度を制御して、多孔質層の最終形成時にこの濃度を上昇させることができる。

上述の利点およびその他の利点は、添付図面を参照して説明する以下の詳細によってより明確になる。

図２〜６を参照して、本発明の半導体光学レンズの製造方法に関して、好ましい実施形態に係る平凸レンズの製造方法について説明する。図２〜図４に示すように、レンズLはフランジFが一体となった形状に形成され、このフランジは例えば光学センサ２００のような装置にレンズを装着するために使用される。光学センサ２００は上記レンズの一般的な利用形態であり、図４及び５に示すように、焦電素子２１０のようなセンサ要素とこれに関連する回路モジュール２２０備え、レンズを通して光を受光する。焦電素子２１０は回路モジュール２２０に保持され、回路モジュールは複数の端子ピン２４０を備えたベース２３０に支持され、レンズＬはカバー２５０に支持される。

レンズは、例えばシリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、インジウムリン（ＩｎＰ）のような半導体材料で形成される。本実施形態では、ｐ型Siの半導体基材１０を使用し、半導体基材１０を選択的に陽極酸化することで平凸レンズを製造する。陽極酸化は陽極酸化処理装置１００を使用し、この装置は、図６に示すように、半導体基材１０を電解溶液１４０内に浸すように構成され、陽電極１２０と溶液内に浸された陰電極１１０との間に流す電流を調整する調整器１３０を備える。陽電極１２０は半導体基材１０の下面に接触されるように配置されて、陰電極１１０に対抗する半導体基材の上面内で陽極酸化を異なる深さで進行させる。陽電極１２０及び陰電極１１０は共に白金やその他の金属で形成される。

本実施形態では、半導体基材１０は数Ωｃｍから数百Ωｃｍと入った低い抵抗のものが選択される。例えば、０．５ｍｍ厚で８０Ωｃｍの平坦な半導体基材１０から、図７（Ａ）〜（Ｅ）の過程を経てレンズを形成する。半導体基材１０は、洗浄後に、下面の全体に導電層２０を形成するように処理される（図７（Ｂ））。この導電層２０は例えばアルミニウムであり、スパッタリングやその他の方法によって半導体基材１０上に堆積されて１μｍの均一な厚みをなす。次いで、この導電層２０にフォトリソグラフィー工程によりレジストパターンを形成した後に、ウェットエッチングにより一部を除去することで、導電層２０にレンズの直径に応じた直径２ｍｍの円形開口２２が残された一体構造物を形成し、この一体構造物において導電層２０が半導体基材１０に統合された陽極パターンを持つ陽極を規定する（図７（Ｃ））。エッチングとしてはウェットエッチングに限らず、ドライエッチングを用いてもよい。以後、本発明を説明する上で適切と思われる箇所では、導電層に代えて「陽極」なる語句を使用する。その後、陽極２０を陽電極１２０に接触させる形で、半導体基材１０を陽極酸化処理装置１００の電解溶液１４０に浸積して、陽極２０と陰電極１１０との間に電流を流すことで、半導体基材１０の上面を陽極パターンに応じて選択的に陽極酸化させ、これによって、半導体基材１０の上面に多孔質層３０を発達させる（図７（Ｄ））。電流は、調整器１３０によって所定の電流密度、例えば、３０ｍＡ／ｃｍ^２に調整され、所定の時間、例えば１２０分継続して流される。その後、多孔質層３０及び陽極２０をエッチング除去してレンズを得る（図７（Ｅ））。

使用される電解溶液は、フッ化水素（ＨＦ）とエタノールを適宜の割合で混合した水溶液が使用され。陽極酸化処理において、以下の化学反応が進行する。
Si + 2HF + (2-n) h⁺ (R) SiF₂ + 2H⁺ + n×e^-
SiF₂ + 2HF (R) SiF₄ + H₂
SiF₄ + 2HF (R) SiH₂F₆
ここで、h^＋ はホールを示し、e⁻は電子を示す。
Ｓｉ基材が陽極酸化されると直ぐに、酸化された部分が電解溶液と反応して取り除かれることで、半導体基材１０の上面に多孔質層を形成する。従って、陽極酸化処理は、酸化された部分によって遅延されることなく進行することになり、より深い厚みの多孔質層３０を発達させることができ、厚みが比較的大きなレンズの製造が可能となる。

図８（Ａ）で模式的に示すように、面内電界強度、即ち、電流密度は、陽極パターンに応じて変化するように分布している。この図において、黒色矢印は半導体基材を流れる正の電流の経路を示し、白色矢印は半導体基材を流れる電子の経路を示している。面内電流密度は、開口２２の中心から周辺に行くに従って密になっていることから、得られる多孔質層３０の厚みは開口の中心から周辺に行くに向けて次第に大きくなる。従って、この多孔質層３０を取り除くことにより、平凸レンズが得られる。必要があれば陽極２０も除去する。面内電界強度分布は、主として、陽極パターンによって決定され、副次的には半導体基材１０の抵抗値や厚さ、電解溶液１４０の抵抗値、半導体基材１０と陰電極１１０との距離、及び陰電極の平面構成（基材と平行な面内での陰電極の配置）によって決定される。従って、陽極パターンにこれらのパラメータを適切に組み合わせることで、いろんなレンズ形状を容易にもたらすことが出来る。このような陽極酸化では、半導体基材内に形成される酸化部分によって進行が遅らされることなく、多孔質層を連続的に発達させることができるため、単一の陽極酸化処理によって、厚いレンズを製造することができ、レンズ設計の自由度が向上できる。

電解溶液１４０の抵抗値は、フッ化水素（ＨＦ）水溶液の濃度及びまたはＨＦとエタノールとの混合比によって調整できる。陰電極１１０は、図８（Ａ）に示すように、陽極パターンと一致するパターンに設計されるか、或いは、図８（Ｂ）に示すように、対抗する陰電極要素１１２を、半導体基材１０と平行な面内において、陽極パターンの開口２２の中心側に向けて少しずらすようにしてもよい。このずらし量は電流密度及び半導体基材１０との距離に関連させて調整される。

陽極酸化処理において、調整器１３０は電流密度を基本的に一定に保持するように作用するが、陽極酸化処理の最終段階では電流密度を減少させることで、多孔質層３０の発達速度を減少させることが好ましい。この方法では、陽極酸化の電流密度を下げることで形成される多孔質層の多孔度が小さくなる。これにより多孔質層除去後の曲面表面の凹凸を低減させることが出来て、レンズの表面がより滑らかとなる。このような電流密度の調整は、電流レベルや電圧レベルを検知することで行われる。

多孔質層３０及び陽極２０を除去するには、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）、或いはＨＦ溶液のようなアルカリ溶液が使用される。

図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、陽極酸化処理の最終段階で電流密度を減少させる制御を示すもので、電流密度をＩ１（例えば、３０ｍＡ／ｃｍ^２）からＩ２（例えば、３ｍＡ／ｃｍ^２）まで連続的に徐々に減少させたり、Ｉ１からＩ２へ階段状に減少させる。この結果、陽極酸化の速度が低下して、図１（Ａ）で模式的に示すように、基材との界面部分での多孔度を他の部分に比べて小さくし、これにより、多孔質層３０を除去した後に出現する半導体基材の曲面に、微細な突起を残すだけとなる。ここで、図１（Ａ）は、上の陽極酸化処理を説明するために多孔度の変化を誇張して示しているものであり、孔の大きさや分布は実際のものを反映していない。電流密度を減少させて多孔度を小さくすれば、多孔質層の形成速度が低下することを考慮して、多孔質層３０を形成する最終段階においてのみ、多孔度を小さくすることが望ましい。多孔質層３０のエッチング除去を迅速に行うことと、同時に半導体基材の曲面上に残る突起を最小化することの要求を満足させるために、大きな電流密度Ｉ１での陽極酸化の時間Ｔ１と、小さな電流密度Ｉ２での陽極酸化の時間Ｔ２が適切に選択される。例えば、Ｔ１とＴ２をそれぞれ３０分、１０分とする。

電流密度の制御に組み合わせて、或いはこれに代えて、電解溶液の濃度、例えば、ＨＦ濃度を制御して、図１１（Ａ）（Ｂ）に示すように、陽極酸化処理の最終段階でＭ１からＭ２へ階段状にまたは連続的に上昇させることも可能である。電界溶液の濃度が高くなると、より小さな孔が形成されて多孔度が小さくなり、半導体基材１０の表面により小さな微細突起が残ることになる。この場合も、時間Ｔ１、Ｔ２を適切に選択して、多孔質層３０の形成と除去を容易にすると同時に、多孔質層３０と半導体基材１０との界面に微細な突起を残すだけとするようにする。

図１（Ｂ）に示すように、半導体基材１０上に残る微細な突起１２は平均高さが１μｍで、数μｍの間隔となっている。このような表面凹凸は多孔質層３０を除去した後の平滑化処理によって除去される。本実施形態では、多孔質層３０が除去された半導体基材１０（図１（Ｂ）に示す）を、例えば、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）、或いはＨＦ系溶液のようなドライエッチング溶液に浸積される。この処理において、半導体基材上の微細な突起１２が、図１（Ｃ）の破線で示すように、選択的にエッチング除去され、図１（Ｄ）に示すように、半導体基材１０に滑らかな表面を残す。
実施例
直径が１００mmで、厚さが０．５mm、抵抗値が８０Ωｃｍのｐ型Ｓｉ基材１０に１μｍ厚のアルミニウム導電層２０をスパッタリングで形成した。導電層２０を４２０℃で２０分間焼結した後に、フォトリソグラフィにより直径２ｍｍの複数の窓を有するレジストパターンでマスクした。次いで、導体層２０のマスクされていない部分をウェットエッチングにて除去して、図９に示すように、導電層即ち陽極２０に直径２ｍｍの複数の開口２２を形成した。レジストパターンを除去した後、半導体基材を、フッ化水素（ＨＦ）の５０％水溶液とエタノールとの混合比が１：１の電解溶液を含む図５の陽極酸化処理装置に収めた。この半導体基材１０の陽極酸化処理を３０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で３時間行った。この結果形成された多孔質層３０は導電層２０に対応する部分の厚さが０．３ｍｍで、半導体基材に平行な面内で開口２０の中央に向けて次第に厚さが減少する。多孔質層３０及び導電層２０は、その後、１０％のＫＯＨ溶液でエッチング除去を１５分間行って、複数の平凸レンズを形成した。次いで、半導体基材１０をＨＦ系溶液に1時間浸積して、半導体基材１０の表面に残る微細な突起１２を選択的にエッチング除去した。この後、半導体基材１０を複数のレンズに切り出した。多孔質層３０を除去するエッチング速度は、半導体基材１０上の微細な突起を除去するエッチング速度の１０倍以上であった。このようにして得られたレンズの厚さは０．１９５ｍｍで平均二乗表面粗さ（ＲＭＳ）は５０ｎｍであった。

図１２は平均二乗表面粗さ（ＲＭＳ）と、波長が５μｍの赤外線の透過率（％）との関係を示す。５μｍ〜１０μｍの波長は人間から放射される赤外線波長帯域であり、赤外線センサを人体検出に使用することを考慮して、５μｍについての透過率を検証した。図１２のグラフで、黒点は計測された表面粗さと透過率を示し、曲線は以下の数式で表される理論的な関係を示す。

ここで、σは表面粗さを示す。このグラフから、計測された透過率は、理論的な関係と同様に、表面粗さが増大するに従って、低下している。実際の使用上、表面凹凸での散乱による赤外線透過率の低下は１０％以内に収めることが望ましく、この観点から、レンズには４２％以上の透過率が必要となり、レンズの平均二乗面粗さを２００ｎｍ以下とする。上の実施例において製造されたレンズの平均二乗表面粗さ（ＲＭＳ）は５０ｎｍであり、この要求を十分に満たしており、平均二乗表面粗さ（ＲＭＳ）は２００ｎｍ以下となるように上の方法で製造されたレンズは実際の使用に十分である。

また、レンズ表面を平滑するためには、図１３（Ａ）から図１３（Ｅ）に示すように、別の方法として、半導体基材の表面を熱酸化した後に、これによって形成される酸化層をエッチング除去することができる。最初に、図１３（Ａ）に示すように、多孔質層３０を半導体基材１０の表層部に形成して、多孔質層３０と残りの半導体基材１０との間に、前述したように、陽極２０の開口２２即ち陽極パターンに応じた、曲面の界面を与える。次いで、多孔質層３０をエッチング除去して、半導体基材１０の上面に微細な突起１２が残った図１３（Ｂ）の構造を得る。次いで、半導体基材１０を酸化炉を用いて加熱することにより、図１３（Ｃ）に示すように、半導体基材の上面に酸化膜１４を発達させる。この場合、酸化炉に水蒸気を導入しながら、１０００℃で２００分処理することで、約０．４μｍの酸化膜が形成される。熱酸化においては、図１３（Ｄ）に示すように、基板表面における法線方向に沿って均一にＳｉがＳｉＯ２となる酸化が進むもので、突起がその他の部分に比べて優先的に酸化されて、表面の凹凸を無くして平滑化が達成される。従って、熱酸化を制御して全ての突起１２を含みその他の部分を含まない酸化層１４を形成することができる。その後、酸化層１４をエッチング除去して、図１３（Ｅ）に示すように、半導体基材に平滑な表面を与える。

更に、本発明では、半導体基材１０の上面から微細な突起を除去するために、プラズマエッチングを使用することも可能である。この場合、多孔質層３０を除去した半導体基材１０をプラズマストリームに暴露させて、半導体基材上に残る微細な突起１２を選択的に且つ優先的に除去する。アルゴンガスを使用する場合は、スパッタエッチングが行なわれ、ＣＦ_４ガスやＣＦ_４とＯ_２との混合ガスを使用する場合は、反応性イオンエッチングが行われる。

更に、上記の平滑化処理は、レーザーアブレーションによっても行うことが可能であり、この場合、レーザー光を半導体基材の表面に照射することにより微細な突起を選択的及び優先的に除去する。

尚、電流密度や電解溶液の濃度を変化させる上記の陽極酸化処理は好ましいものであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらのパラメータを制御しない陽極酸化処理も同様に利用できるものである。

更に、本発明はシリコン基材を使用することに限定されるべきものではなく、下記の表に示すように、他の半導体材料を特定の電解溶液に組み合わせて使用できるものである。

上の表では、半導体材料と電解液との組み合わせに利用できるマスクの材料を記している。

（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の好ましい実施形態に係る半導体レンズの製造法の過程を示す断面図。 本発明の好ましい実施形態に基づいて作成された平凸レンズの斜視図。 上記レンズの断面図。 （Ａ）（Ｂ）はそれぞれ上記レンズを使用する装置を示す断面図。 上記装置の分解斜視図。 本発明の製造方法を行うために使用する陽極酸化処理装置の断面図。 （Ａ）〜（Ｅ）は上記レンズの製造過程を示す断面図。 （Ａ）（Ｂ）は上記レンズを形成する過程で現れる電界強度分布を示す概略図。 半導体基材の下面に形成される陽極パターンを示す平面図。 （Ａ）（Ｂ）は多孔質層を発達させるための制御を示すグラフ図。 （Ａ）（Ｂ）は多孔質層を発達させるための別の制御を示すグラフ図。 上記レンズの透過率と表面粗さとの関係を示すグラフ図。 （Ａ）〜（Ｅ）は上記レンズ表面についての別の平滑化処理を示す断面図。

符号の説明

１０ 半導体基材
１２ 突起
１４ 酸化層
２０ 陽極
３０ 多孔質層
１１０ 陰電極
１４０ 電解溶液

Claims (3)

1. 半導体基材の一部を除去して半導体光学レンズを製造する半導体光学レンズの製造方法であって、互いに対向する平坦な上面と平坦な下面とを備える半導体基材を用意し、
   上記半導体基材の下面に、陽極パターンを有する陽極を形成し、
   上記の半導体基材を電解溶液内に収め、
   上記陽極と上記電解溶液内の陰電極との間に電流を流して、上記上面での陽極酸化処理を場所によって異なる深さとなる迄に進めることで、上記上面内に多孔質層を形成し、
   上記半導体基材から上記の多孔質層を除去して上記の上面に曲面を残し、
   上記の陽極は、上記半導体基材の上面及び下面に沿った部所毎に変化する所定の電界強度の分布を形成するように構成され、これにより上記の電界強度の分布に応じて深さが異なる上記の多孔質層を与えるものであり、
   上記の多孔質層を形成するに工程において、半導体基材の上面の陽極酸化処理のパラメータを時間と共に変化させることにより、上記半導体基材との界面での多孔度をそれ以外の部分よりも小さくすることを特徴とする半導体光学レンズの製造方法。
2. 上記パラメータは上記陽極と上記陰電極との間に流す電流の電流密度であり、上記の多孔質層を形成する陽極酸化処理の最終段階で電流密度を減少させることを特徴とする請求項１に記載の半導体光学レンズの製造方法。
3. 上記パラメータは上記電解液の濃度であり、上記の多孔質層を形成する陽極酸化処理の最終段階でこの濃度を上げることを特徴とする請求項１に記載の半導体光学レンズの製造方法。

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