JP4862407B2

JP4862407B2 - 半導体レンズの製造方法

Info

Publication number: JP4862407B2
Application number: JP2006018196A
Authority: JP
Inventors: 由明本多; 尚之西川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2025-05-18
Also published as: JP2006323353A

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１７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。

しかしながら、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非球面レンズを形成することはできなかった。

これに対して、従来から、半導体基板の一部をウェットエッチング若しくはドライエッチングにより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において、化合物半導体材料（例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓなど）からなる半導体基板の一表面上に形成するエッチングマスク層のパターンを適宜設計することで任意形状の半導体レンズ（例えば、球面レンズ、非球面レンズ、シリンドリカルレンズなど）を形成する技術が提案されている（特許文献２参照）。

ここで、上記特許文献２に開示された半導体レンズの製造方法により非球面レンズを製造する際には、エッチングマスク層において半導体基板の厚み方向に直交する面内で同心的に設ける複数の円環状の開孔部の開口幅を上記厚み方向に沿った中心軸から離れるにつれて大きくなるようにパターン設計しておくことで、エッチング時のエッチング深さおよびサイドエッチング量を開孔部ごとに変化させており、エッチング後に、エッチングマスク層を除去してから、さらに、不要な突起を除去するスムージング処理を行っている。
特開２０００−２６３５５６号公報特開平１１−２９８０４６号公報

しかしながら、上記特許文献２に開示された半導体レンズの製造方法では、エッチング後にスムージング処理を行っても、不要な突起だけを選択的に除去することはできないので、表面が滑らかな半導体レンズ（球面レンズ、非球面レンズ、シリンドリカルレンズなど）を形成することは難しかった。

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、任意形状で且つ表面が滑らかな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有す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を形成することが可能であり、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、任意形状で且つ表面が滑らかな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、前記陽極形成工程では、前記半導体基板の前記一表面側に前記陽極の基礎となる導電性層を形成した後、導電性層に円形状の開孔部を設けるように導電性層をパターニングすることで前記陽極を形成することを特徴とする。

この発明によれば、前記陽極酸化工程において前記半導体基板に流れる電流の電流密度が、前記陽極の開孔部の中心線に近づくほど小さくなる面内分布となるので、前記半導体基板の前記他表面側では前記陽極の開孔部の中心線に近づくほど前記多孔質部の厚みが薄くなり、半導体レンズとして表面が滑らかな非球面レンズを形成することができる。

請求項３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絶縁層を半導体基板の一表面側に形成する絶縁層形成工程と、半導体基板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することによって半導体基板の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有することを特徴とする。

この発明によれば、絶縁層形成工程にて形成する絶縁層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を形成することが可能であり、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、任意形状で且つ表面が滑らかな半導体レンズを容易に形成することが可能になる。また、絶縁層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、請求項１の発明のように陽極のパターンにより電流密度の面内分布が決まる場合に比べて、低抵抗率の半導体基板を用いることが可能になる。

請求項４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絶縁層を半導体基板の一表面側に形成する絶縁層形成工程と、半導体基板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おいて半導体基板の前記一表面側に対向配置される通電用電極と陽極酸化用の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の間に通電することによって半導体基板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有することを特徴とする。

この発明によれば、絶縁層形成工程にて形成する絶縁層のパターンにより陽極酸化工程において半導体基板の前記他表面側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を形成することが可能であり、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、任意形状で且つ表面が滑らかな半導体レンズを容易に形成することが可能になる。また、陽極酸化工程では半導体基板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される通電用電極と半導体基板の他表面側で陽極酸化用の電解液中に配置される陰極との間に通電することで多孔質部を形成するので、請求項３の発明における陽極形成工程が不要であり、請求項３の発明に比べて工程数を削減することができるという利点がある。

請求項５の発明は、請求項３または請求項４の発明において、前記絶縁層形成工程では、前記半導体基板の前記一表面側に前記絶縁層の基礎となる絶縁膜を形成した後、絶縁膜を円形状にパターニングすることで前記絶縁層を形成することを特徴とする。

この発明によれば、前記陽極酸化工程において前記半導体基板に流れる電流の電流密度が、前記半導体基板の厚み方向に一致する前記絶縁層の中心線に近づくほど小さくなる面内分布となるので、前記半導体基板では前記絶縁層の中心線に近づくほど前記多孔質部の厚みが薄くなり、半導体レンズとして表面が滑らかな非球面レンズを形成することができる。

請求項６の発明は、請求項３ないし請求項５の発明において、前記絶縁層は、シリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記絶縁層を一般的は半導体製造プロセスにより容易に形成することができ、前記絶縁層の位置精度およびパターン精度を高精度化でき、ひずみの少ない半導体レンズを形成することができる。

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、前記陽極酸化工程では、前記電解液の電気抵抗値を調整することにより、前記多孔質部の形状を制御することを特徴とする。

この発明によれば、前記多孔質部の形状をより制御しやすくなる。

請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７の発明において、前記多孔質部除去工程が前記多孔質部である第１の多孔質部を除去する第１の多孔質部除去工程であり、第１の多孔質部除去工程の後に、前記半導体基板の前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の多孔質部を請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の陽極酸化工程により形成してから、第２の多孔質部を除去することを特徴とする。

この発明によれば、半導体レンズとして、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。

請求項１ないし請求項８の発明では、任意形状で且つ表面が滑らかな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。

（実施形態１）
本実施形態では、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として、半導体基板たるｐ形シリコン基板１０（図１（ａ）参照）の一部を陽極酸化工程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を除去して半導体レンズたるシリコンレンズ１（図１（ｅ）参照）を製造する製造方法を例示する。ここにおいて、本実施形態におけるシリコンレンズ１は、平凸型の非球面レンズである。なお、本実施形態では、ｐ形シリコン基板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。

以下、上述のシリコンレンズ１の製造方法について図１（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明する。

まず、図１（ａ）に示すｐ形シリコン基板１０を洗浄する洗浄工程、ｐ形シリコン基板の一表面（図１（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、ｐ形シリコン基板１０の上記一表面側に陽極酸化工程で利用する陽極１２（図１（ｃ）および図２（ａ）参照）の基礎となる所定膜厚（例えば、１μｍ）のアルミニウム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。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ｐ形シリコン基板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。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。

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１（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ｐ形シリコン基板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がアルミニウム膜であれば、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、本実施形態では、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を半導体基板たるｐ形シリコン基板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１ｍｍに設定してあるが、この数値は特に限定するものではなく、シリコンレンズ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３参照）中でｐ形シリコン基板１０の他表面側（図１（ａ）における上面側）に対向配置される陰極２５（図３参照）と陽極１２との間に通電してｐ形シリコン基板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１（ｄ）に示す構造を得る。

ここにおいて、陽極酸化工程では、図３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、ｐ形シリコン基板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ｐ形シリコン基板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ｐ形シリコン基板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、ｐ形シリコン基板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。なお、電解液Ｂ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。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、ｐ形シリコン基板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形シリコン基板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、ｐ形シリコン基板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、本実施形態のように半導体基板としてｐ形シリコン基板１０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、ｐ形シリコン基板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。本実施形態では、ｐ形シリコン基板１０中を図４の矢印で示すような経路で電流が流れるので、ｐ形シリコン基板１０の上記他表面側（図４における上面側）では、陽極１２の開孔部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、ｐ形シリコン基板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、ｐ形シリコン基板１０を乾燥させてから、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など）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、アルミニウム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（ｅ）および図２（ｂ）に示す構造のシリコンレンズ１を得ることができるので、その後、個々のシリコンレンズ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。

以上説明した本実施形態のシリコンレンズ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のパターンにより陽極酸化工程において半導体基板たるｐ形シリコン基板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、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シリコンレンズ１が形成されるから、任意形状で且つ表面が滑らかなシリコンレンズ１を容易に形成することが可能になる。

ここにおいて、本実施形態における陽極形成工程では、ｐ形シリコン基板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ｐ形シリコン基板１０の上記他表面側ではｐ形シリコン基板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の中心線に近づくほど小さくなる面内分布となるから、ｐ形シリコン基板１０の上記他表面側では陽極１２の開孔部１３の中心線に近づくほど多孔質部１４の厚みが薄くなり、シリコンレンズ１として表面が滑らかな平凸型の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シリコンレンズ１の光軸は上述の開孔部１３の中心線と一致する。

ところで、上述のシリコンレンズ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たるｐ形シリコン基板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、半導体基板たるｐ形シリコン基板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、ｐ形シリコン基板１０と陰極２５との間の距離、陰極２５の平面形状（ｐ形シリコン基板１０に対向配置した状態においてｐ形シリコン基板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、シリコンレンズ１の形状をより制御しやすくなる。また、陰極２５の平面形状としては、例えば、図５（ａ）に示すように、ｐ形シリコン基板１０に対向配置した状態において、陽極１２の開孔部１３（図５（ｃ）参照）と中心線が一致する円形状の開孔部２５ａ（図５（ｂ）参照）を有する平面形状を採用すればよい。ここで、陰極２５の開孔部２５ａの内径は、陰極１２の開孔部１３の内径と必ずしも同じ値に設定する必要はなく、ｐ形シリコン基板１０の厚みや電解液Ｂの電気抵抗値や陰極２５とｐ形シリコン基板１０との間の距離などを考慮して適宜設定すればよい。なお、図５（ａ）における上向きの矢印はｐ形シリコン基板１０中を流れる電流の経路を模式的に示しており、図５（ａ）における下向きの矢印は電解液Ｂ中を移動する電子の経路を模式的に示している。

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ｐ形シリコン基板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を除去した後のシリコンレンズ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、本実施形態の製造方法により形成されるシリコンレンズ１では、図６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る。したがって、例えば、図７に示す赤外線センサのように、赤外線検出素子（例えば、焦電素子、サーモパイルなど）６０を収納したケース５０の前壁５１に形成された窓孔５１ａ内にレンズ部１ａを配置した状態でフランジ部１ｂを前壁５１の後面における窓孔５１ａの周部と固着することができるので、図８に示すように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２００に比べて、ケース５０へ容易に取り付けることが可能となる。なお、図７に示した赤外線センサにおけるケース５０は、後面が開放された有底円筒状のケース本体５０ａと、ケース本体５０ａの後面を閉塞するベース板５０ｂとで構成されている。

ところで、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、シリコンレンズ１として、図９に示すような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を図１０（ａ）に示すような円形状の平面形状とすれば、シリコンレンズ１として、図１０（ｂ）および図１１に示すような平凹型の非球面レンズを形成することも可能である。

また、ｐ形シリコン基板１０として抵抗率が導体の抵抗率に近い低抵抗のｐ形シリコン基板を用い、電解液Ｂの電気抵抗値を高抵抗化すれば、ｐ形シリコン基板１０を流れる電流の電流密度の面内分布は電解液Ｂの抵抗の影響を受けやすくなる。したがって、図１２（ａ）に示すようにｐ形シリコン基板１０の上記一表面（図１２（ａ）における下面）の全面を覆う陽極１２を設け、陽極酸化工程において図１２（ａ），（ｂ）に示すような円形状の開孔部２５ａを有する陰極２５を用いるようにすれば、電解液Ｂ中では図１２（ａ）中に矢印で示した経路で電子が移動することになるので、ｐ形シリコン基板１０の上記他表面側では陰極２５の円形状の開孔部２５ａの中心線に近づくほど電流密度が小さくなって、開孔部２５ａの中心線に近づくほど厚みが薄くなった多孔質部１４を形成することができ、シリコンレンズ１として、平凸型の非球面レンズを形成することができる。なお、上述のように低抵抗のｐ形シリコン基板１０を用いる場合には、陽極１２を設けずに、陽極酸化工程においてｐ形シリコン基板１０の上記一表面を図３に示した陽極酸化装置における通電用電極２１（図３参照）と接するように配置してもよい。

（実施形態２）
本実施形態の半導体レンズたるシリコンレンズ１の製造方法は実施形態１と略同じであって、実施形態１では陽極形成工程において円形状の開孔部１３を有する陽極１２を形成していたのに対して、陽極形成工程の前に、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した円形状の絶縁層１５（図１３参照）を半導体基板たるｐ形シリコン基板１０の上記一表面側（図１３における下面側）に形成する絶縁層形成工程を有し、陽極形成工程では、図１３に示すようにｐ形シリコン基板１０の上記一表面側において絶縁層１５およびｐ形シリコン基板１０における上記一表面の露出部位を覆う導電性層（例えば、アルミニウム膜など）からなる陽極１２をスパッタ法などによって形成している点が相違する。なお、他の工程は実施形態１と同じなので説明を省略する。

上述の絶縁層形成工程では、ｐ形シリコン基板１０の上記一表面側に絶縁層１５の基礎となる絶縁膜（例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜など）を形成した後、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絶縁膜を円形状にパターニングすることで絶縁層１５を形成している。

しかして、本実施形態の製造方法によれば、絶縁層形成工程にて形成する絶縁層１５のパターンにより陽極酸化工程においてｐ形シリコン基板１０に流れる電流の電流密度の面内分布が決まるので、実施形態１と同様に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、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シリコンレンズ１が形成されるから、任意形状で且つ表面が滑らかなシリコンレンズ１を容易に形成することが可能になる。

ここで、本実施形態では、陽極酸化工程においてｐ形シリコン基板１０の他表面側（図１３における上面側）においてｐ形シリコン基板１０に流れる電流の電流密度が、ｐ形シリコン基板１０の厚み方向に一致する絶縁層１５の中心線に近づくほど小さくなる面内分布となるので、ｐ形シリコン基板１０の上記他表面側では絶縁層１５の中心線に近づくほど多孔質部１４の厚みが薄くなり、シリコンレンズ１として表面が滑らかな非球面レンズを形成することができる。このようにして形成されたシリコンレンズ１の光軸は絶縁層１５の中心線と一致する。

また、本実施形態では、絶縁層１５がシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜からなる絶縁膜により構成されているので、絶縁層１５を一般的は半導体製造プロセスにより容易に形成することができ、絶縁層１５の位置精度およびパターン精度を高精度化でき、ひずみの少ないシリコンレンズ１を形成することができる。なお、絶縁膜はシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などのシリコン系の絶縁膜に限らず、レジストなどの有機材料により形成してもよい。

また、本実施形態では、絶縁層１５のパターンにより陽極酸化工程においてｐ形シリコン基板１０に流れる電流の電流密度の面内分布を制御するので、実施形態１のように陽極１２のパターンにより電流密度の面内分布を制御する場合に比べて、ｐ形シリコン基板１０としてより低抵抗率のものを用いることが可能になる。

（実施形態３）
本実施形態の半導体レンズたるシリコンレンズ１の製造方法は実施形態１と略同じであって、実施形態１における陽極形成工程の代わりに、図１４に示すように所望のレンズ形状に応じてパターン設計した平面形状が円形状の絶縁層１６を半導体基板たるｐ形シリコン基板１０の上記一表面側に形成する絶縁層形成工程を採用している点が相違する。また、陽極酸化工程においては、図１５に示すような陽極酸化装置Ｄを用い、ｐ形シリコン基板１０の上記一表面側（図１５における右面側）でｐ形シリコン基板１０の上記一表面および絶縁層１６の表面に接する通電用の電解液Ｃ中においてｐ形シリコン基板１０の上記一表面側に対向配置される白金電極からなる通電用電極２１と、ｐ形シリコン基板１０の他表面側（図１５における左面側）において陽極酸化用の電解液Ｂ中でｐ形シリコン基板１０の上記他表面側に対向配置される白金電極からなる陰極２５との間に電圧源３１から通電することによってｐ形シリコン基板１０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１４を形成するようにしている点が相違する。ここで、各電解液Ｂ，Ｃ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。なお、他の工程は実施形態１と同じなので説明を省略する。

図１５に示した陽極酸化装置Ｄは、上面が開放されるとともに図１５における右側壁に開口窓４１ａが形成されｐ形シリコン基板１０とともに第１の処理槽を構成する第１の処理槽用部材４１と、上面が開放されるとともに図１５における左側壁に開口窓４２ａが形成されｐ形シリコン基板１０とともに第２の処理槽を構成する第２の処理槽用部材４２と、ｐ形シリコン基板１０の上記他表面側の周部と第１の処理槽用部材４１の右側壁における開口窓４１ａの周部との間に介在するＯリングからなるシール部材４３と、ｐ形シリコン基板１０の上記一表面側の周部と第２の処理槽用部材４２の左側壁における開口窓４２ａの周部との間に介在するＯリングからなるシール部材４４とを備えており、第１の処理槽に陽極酸化用の電解液Ｂが入れられ、第２の処理槽に通電用の電解液Ｃが入れられる。なお、各処理槽用部材４１，４２は、それぞれ電解液Ｂ，Ｃ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Ｄは、実施形態１にて説明した陽極酸化装置Ａと同様に、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。

しかして、本実施形態の製造方法によれば、絶縁層形成工程にて形成する絶縁層１６のパターンにより陽極酸化工程においてｐ形シリコン基板１０の上記他表面側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、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シリコンレンズ１が形成されるから、任意形状で且つ表面が滑らかなシリコンレンズ１を容易に形成することが可能になる。また、陽極酸化工程ではｐ形シリコン基板１０の上記一表面側でｐ形シリコン基板１０の上記一表面および絶縁層１６の表面に接する通電用の電解液Ｃ中に配置される通電用電極２１とｐ形シリコン基板１０の上記他表面側で陽極酸化用の電解液Ｂ中に配置される陰極２５との間に通電することで多孔質部１４を形成するので、実施形態２において説明した陽極形成工程が不要であり、実施形態２の製造方法に比べて、工程数を削減することができるという利点がある。

（実施形態４）
本実施形態では、半導体レンズたるシリコンレンズ１の製造方法として、図１６（ｈ）に示すような両凸型の非球面レンズを製造する製造方法について図１６を参照しながら説明するが、実施形態１と同様の工程については説明を適宜省略する。

まず、図１６（ａ）に示すｐ形シリコン基板１０に洗浄工程、マーキング工程を行ってから、ｐ形シリコン基板１０の一表面側（図１６（ａ）における下面側）に陽極酸化工程で利用する陽極１２（図１６（ｃ）参照）の基礎となる所定膜厚（例えば、１μｍ）のアルミニウム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１６（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によって、図１６（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（以下、第１の陽極形成工程と称す）を構成している。

パターニング工程の後、陽極酸化用の電解液中でｐ形シリコン基板１０の他表面側（図１６（ａ）における上面側）に対向配置される陰極と陽極１２（以下、第１の陽極１２と称す）との間に通電してｐ形シリコン基板１０の上記他表面側に除去部位となる多孔質部１４（以下、第１の多孔質部１４と称す）を形成する陽極酸化工程（以下、第１の陽極酸化工程と称す）を行うことによって、図１６（ｄ）に示す構造を得る。

第１の陽極酸化工程の終了後、ｐ形シリコン基板１０を乾燥させてから、第１の多孔質部１４を除去する多孔質部除去工程（以下、第１の多孔質部除去工程と称す）を行う。ここにおいて、第１の多孔質部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など）やＨＦ系溶液を用いれば、第１の多孔質部除去工程において、アルミニウムにより形成されている第１の陽極１２もエッチング除去することができ、図１６（ｅ）に示す構造を得ることができる。なお、第１の多孔質部除去工程と、第１の陽極１２を除去する第１の陽極除去工程とを別々に行ってもよい。

上述の第１の多孔質部除去工程の後に、ｐ形シリコン基板１０において第１の多孔質部１４の除去により曲面が形成されている側（つまり、ｐ形シリコン基板１０の上記他表面側）に、第１の陽極形成工程と同様にして所望のレンズ形状に応じてパターン設計した第２の陽極１７（ここでは、第２の陽極１７は第１の陽極１２の円形状の開孔部１３と中心線が一致する円形状の開孔部が設けられるようにパターン設計してある）を形成することによって、図１６（ｆ）に示す構造を得る。

その後、上述の第１の陽極酸化工程と同様にしてｐ形シリコン基板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１８を形成する第２の陽極酸化工程を行うことによって、図１６（ｇ）に示す構造を得る。

第２の陽極酸化工程の終了後、ｐ形シリコン基板１０を乾燥させてから、第２の多孔質部１８を除去する第２の多孔質部除去工程を行う。ここにおいて、第２の多孔質部１８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など）やＨＦ系溶液を用いれば、第２の多孔質部除去工程において、アルミニウムにより形成されている第２の陽極１７もエッチング除去することができ、図１６（ｈ）に示す構造のシリコンレンズ１を得ることができるので、その後、個々のシリコンレンズ１に分離するダイシング工程を行えばよい。なお、第２の多孔質部１８を除去する第２の多孔質部除去工程と、第２の陽極１７を除去する第２の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、シリコンレンズ１として、表面が滑らかな両凸型の非球面レンズを形成することができる。

なお、本実施形態では、シリコンレンズ１として、両凸レンズ（両凸型の非球面レンズ）を製造する方法について説明したが、各陽極１２，１７のパターン設計を適宜変更することにより、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、実施形態１〜３においても、多孔質部１４を除去した後で、ｐ形シリコン基板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ｐ形シリコン基板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。

ところで、上記各実施形態では、半導体基板としてｐ形シリコン基板１０を採用しているが、半導体基板はｐ形シリコン基板に限らず、例えば、ｎ形シリコン基板、Ｇｅ基板，ＳｉＣ基板などの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体基板でもよい。なお、半導体基板に代えて、陽極酸化処理による多孔質化が可能な金属基板（例えば、Ａｌ基板、Ｔｉ基板など）を用いることも可能である。また、上記各実施形態では、半導体レンズとして、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１におけるシリコンレンズ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。同上におけるシリコンレンズを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。同上におけるシリコンレンズを備えた赤外線センサの概略構成図である。同上におけるシリコンレンズの比較例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。同上の他の製造方法により形成されるシリコンレンズの概略斜視図である。同上のさらに他の製造方法の説明図である。同上のさらに他の製造方法により形成されるシリコンレンズの概略斜視図である。同上の別の製造方法の説明図である。実施形態２におけるシリコン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。実施形態３におけるシリコン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。実施形態４におけるシリコンレンズの製造方法の説明図である。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シリコンレンズ
１０ｐ形シリコン基板
１１導電性層
１２陽極
１３開孔部
１４多孔質部

Claims

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有することを特徴とする半導体レンズの製造方法。
前記陽極形成工程では、前記半導体基板の前記一表面側に前記陽極の基礎となる導電性層を形成した後、導電性層に円形状の開孔部を設けるように導電性層をパターニングすることで前記陽極を形成す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。
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絶縁層を半導体基板の一表面側に形成する絶縁層形成工程と、半導体基板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することによって半導体基板の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有することを特徴とする半導体レンズの製造方法。
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絶縁層を半導体基板の一表面側に形成する絶縁層形成工程と、半導体基板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おいて半導体基板の前記一表面側に対向配置される通電用電極と陽極酸化用の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の間に通電することによって半導体基板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有することを特徴とする半導体レンズの製造方法。
前記絶縁層形成工程では、前記半導体基板の前記一表面側に前記絶縁層の基礎となる絶縁膜を形成した後、絶縁膜を円形状にパターニングすることで前記絶縁層を形成することを特徴とする請求項３または請求項４記載の半導体レンズの製造方法。
前記絶縁層は、シリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜からなることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の半導体レンズの製造方法。
前記陽極酸化工程では、前記電解液の電気抵抗値を調整することにより、前記多孔質部の形状を制御す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半導体レンズの製造方法。
前記多孔質部除去工程が前記多孔質部である第１の多孔質部を除去する第１の多孔質部除去工程であり、第１の多孔質部除去工程の後に、前記半導体基板の前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の多孔質部を請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の陽極酸化工程により形成してから、第２の多孔質部を除去することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の半導体レンズの製造方法。