JPH09113352A

JPH09113352A - マイクロレンズ付赤外線検出素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH09113352A
Application number: JP29471495A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Morita; 信一森田; Masaki Hirota; 正樹廣田; Yasukazu Iwasaki; 靖和岩崎
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1995-10-18
Filing date: 1995-10-18
Publication date: 1997-05-02

Abstract

(57)【要約】【課題】マイクロレンズ付赤外線検出素子の赤外線の
集束率の向上を図る。【解決手段】赤外線感知部１０２が形成された第１の
半導体基板１０１に、赤外線感知部１０２に赤外線を収
束するマイクロレンズ１０５が形成された第２の半導体
基板１０４を、レンズ部１０５ａが赤外線感知部１０２
に凸状に向き、レンズ部１０５ａと赤外線感知部１０２
の間に空洞１０６が形成されるように接合する。これに
より、レンズ部１０５ａを通過した赤外線は赤外線感知
部１０２に直接入射され、赤外線の透過率が向上され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線を集束する
ためのマイクロレンズを、赤外線検出素子に取り付けた
マイクロレンズ付赤外線検出素子およびその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近来、赤外線検出素子においては、素子
の微細化に伴ない、素子全体に対する赤外線感知部の占
める割合、すなわち開口率が小さくなってきている。こ
の開口率を小さくする要素として、赤外線感知部の構造
自体または赤外線感知部以外の周辺に配置されている信
号処理回路や配線などがある。ところが、赤外線検出素
子は微弱な赤外線エネルギーを扱っていて、開口率が出
力信号に大きな影響を与えるため、赤外線を受光部に効
率よく集束させることが必要である。以下、素子が占め
る面積に入射する赤外線エネルギーに対する集束手段に
より受光部に集束される赤外線エネルギーの割合を赤外
線エネルギー集束率と称し、以下集束率という。

【０００３】赤外線を赤外線感知部に効率よく集束する
主な手段の一つとして、微小レンズすなわちマイクロレ
ンズを使用して集束する方法がある。そこで、マイクロ
レンズを赤外線感知部の前面に取り付けたマイクロレン
ズ付赤外線検出素子が提案されている。このマイクロレ
ンズ付赤外線検出素子は、赤外線エネルギーの集束率が
向上されるため、実質的に出力信号を増大できる。ここ
で、マイクロレンズは、赤外線透過性の優れた材料をレ
ンズ形状に加工して形成されている。

【０００４】従来のマイクロレンズ付赤外線検出素子お
よびその製造方法が特開平３ー２６３００１号公報に開
示されている。これを、図１１を参照して説明する。図
１１の（ａ）はレンズ基板５００の平面図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）はマイクロレンズ付赤外
線検出素子の断面図である。図１１の（ａ）、（ｂ）に
示すように、シリコンウエーハよりなるレンズ基板５０
０の裏面に、センサ素子を収容する凹部５０１がフォト
リソグラフィ技術により形成され、表面に凸状のレンズ
５０２がエッチング技術により形成されている。ここ
で、レンズ５０２は、レンズ以外の部分５０３をエッチ
ングすることにより形成されている。そして、図１１の
（ｃ）に示すように、レンズ５０２は、センサ素子５０
４を設けた基板５０５と接合されている。

【０００５】ところが、上記従来のものは、レンズ５０
２を製造するにあたり、（１）レンズ以外の部分５０３をエッチング除去して
レンズ５０２を形成しているため、レンズの曲率半径お
よび表面状態の加工精度を向上させることが難しい。（２）レンズ基板としてシリコン基板を使用する場
合、シリコンだけでは全体的に透過率が悪くなる。特
に、１０μｍの赤外線波長付近で、赤外線透過率が低下
する。（３）半導体基板に凸レンズを形成するため、レンズ
下面に半導体基板の一部が残されるため、赤外線透過率
が低下する。という問題があった。また、レンズ５０２
が、（４）センサ素子５０４と反対方向に凸状に形成され
ているため、レンズ５０２を形成した後に、例えば赤外
線反射防止層や赤外線反射層などの形成、加工が困難で
ある。という問題があった。

【０００６】そこで、上記従来の問題を解決するため、
本出願人は先に特願平６ー１１２４８７号において、マ
イクロレンズ付赤外線検出素子およびその製造方法を提
案した。これを、図１２のマイクロレンズの製造工程を
示す図を参照して説明する。まず、（ａ）に示すよう
に、半導体基板６００の表面の保護膜６０１にエッチン
グ穴６０２がフォトグラフィ技術により開口され、
（ｂ）に示すように、レンズ成型用凹部６０３がエッチ
ングにより形成される。次に、（ｃ）に示すように、レ
ンズ成型用凹部６０３を含む表面にレンズ保護膜６０４
が形成された後、レンズ成型用凹部６０３に赤外線透過
材料６０５が充填され、（ｄ）に示すように、マイクロ
レンズ６０６が成型される。

【０００７】次に、（ｅ）に示すように、マイクロレン
ズ６０６が成型された状態で、半導体基板６００が他の
半導体基板６０７に被せられる。次に、（ｆ）に示すよ
うに、マイクロレンズ６０６が半導体基板６０７を移設
されるとともに、半導体基板６０７の裏面に保護膜６０
９が形成された後、マイクロレンズ６０６の取付け部分
を残して凹部６０８がエッチングされる。次いで、
（ｇ）に示すように、表裏両面にそれぞれ形成された保
護膜６０４、６０９が剥離される。これにより、マイク
ロレンズ６０６が基板６０７上に形成される。その後、
マイクロレンズ６０６が形成された基板６０７は、図に
省略した赤外線感知部が形成された半導体基板に接合さ
れる。ここで、赤外線はマイクロレンズ６０６およびそ
の取付け部分を通過して赤外線感知部に入射する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特願平
６ー１１２４８７号のものは、上記特開平３ー２６３０
０１号公報における（１）の問題は解決できるが、
（２）〜（４）の問題に加えて、マイクロレンズ形成用
の半導体基板が２枚必要であるという問題があった。

【０００９】本発明は、上記の問題を解決するために提
案されたもので、赤外線透過率が向上できて、赤外線の
集束率の向上を図ることができるマイクロレンズ付赤外
線検出素子、および２枚の半導体基板を必要としない
で、マイクロレンズの赤外線透過率、曲率半径およびそ
の表面状態の加工精度を向上させることができるマイク
ロレンズ付赤外線検出素子の製造方法を提供することを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係るマイクロレンズ付赤外線検出素子
は、赤外線感知部が形成された第１の半導体基板と、赤
外線感知部に赤外線を収束するマイクロレンズが赤外線
感知部に向いて凸状に形成された第２の半導体基板と
を、マイクロレンズと赤外線感知部の間に空洞を形成し
て接合したものである。

【００１１】前記赤外線感知部は、熱型赤外線感知部で
あり、前記空洞は、真空または不活性ガス雰囲気に形成
することもできる。

【００１２】また、マイクロレンズには、赤外線反射防
止層を形成することが好ましい。

【００１３】また、マイクロレンズには、レンズ領域以
外の面に赤外線反射層を形成することが好ましい。

【００１４】また、本発明に係るマイクロレンズ付赤外
線検出素子の製造方法は、第２の半導体基板の一側面に
マイクロレンズ成型用凹部をエッチングにより形成し、
該マイクロレンズ成型用凹部にマイクロレンズ用材料を
充填してマイクロレンズを形成し、他側面にレンズ部が
露出するように開口部を設け、第２の半導体基板と赤外
線感知部が形成された第１の半導体基板とを、レンズ部
が赤外線感知部に凸状に向き、レンズ部と赤外線感知部
との間に空洞が形成されるように接合するものである。

【００１５】また、開口部を形成するにあたり、予めマ
イクロレンズの表面に保護膜を形成し、開口部を形成し
た後に、保護膜をエッチングにより除去することもでき
る。

【００１６】

【作用】本発明に係るマイクロレンズ付赤外線検出素子
は、赤外線感知部が形成された第１の半導体基板と、赤
外線感知部に赤外線を収束するマイクロレンズが赤外線
感知部に向いて凸状に形成された第２の半導体基板と
が、マイクロレンズと赤外線感知部の間に空洞を形成し
て接合されているので、マイクロレンズを通過した赤外
線は赤外線感知部に直接入射される。

【００１７】赤外線感知部が熱型赤外線感知部であっ
て、空洞が、真空または不活性ガス雰囲気に形成されて
いると、その感度が向上される。

【００１８】また、マイクロレンズが赤外線反射防止層
を備えていると、レンズ面での赤外線の反射が防止され
る。

【００１９】また、マイクロレンズが、レンズ部以外の
面に赤外線反射層を具備していると、レンズ部以外から
の赤外線の入射が防止される。

【００２０】本発明に係るマイクロレンズ付赤外線検出
素子の製造方法は、マイクロレンズを、半導体基板にエ
ッチングにより形成した凹部に充填して形成するので、
マイクロレンズの曲率半径、表面状態の加工精度が向上
されるとともに、第２の半導体基板の開口部からレンズ
部が露出するので、マイクロレンズ材料として赤外線透
過率の優れた材料を使用することにより、赤外線の透過
率が向上される。

【００２１】開口部を形成するにあたり、予めマイクロ
レンズの表面に保護膜を形成し、開口部を形成した後
に、保護膜をエッチングにより除去すると、マイクロレ
ンズに対するエッチングが防止される。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を参
照して詳細に説明する。図１は第１の実施例の断面図で
あり、マイクロレンズ付赤外線検出素子１００は、赤外
線感知部１０２が形成された第１の半導体基板１０１
と、赤外線感知部１０２に赤外線を収束するマイクロレ
ンズ１０５が形成された第２の半導体基板１０４とを接
合することにより形成されている。

【００２３】赤外線感知部１０２は、複数の赤外線受光
部１０３を備え、半導体基板１０１の一側面に形成され
ている。赤外線感知部１０２には信号取り出し用のボン
ディングパッド１０７が、配線部１０７ａ、および通電
用の高濃度不純物層１０７ｂを介して接続されている。
なお、赤外線感知部１０２は、熱型または量子型の何れ
であっても使用可能であり、熱型赤外線感知部の場合は
焦電型、サーモパイル型あるいはボロメータ型の何れで
もよい。

【００２４】マイクロレンズ１０５は、材料として赤外
線透過率のよい有機材または無機材が使用され、第２の
半導体基板１０４の開口部１０８から、レンズ部１０５
ａが赤外線感知部１０２に向かって凸状に露出し、レン
ズ部以外の部分１０５ｂが第２の半導体基板１０４の上
面に接着した状態で形成されている。また、赤外線受光
部１０３に対応した数のレンズ部１０５ａが形成され、
赤外線感知部１０２とレンズ部１０５ａとの間には空洞
１０６が形成されている。ここで、赤外線感知部１０２
は熱型赤外線感知部であり、空洞１０６内は真空または
不活性ガス雰囲気に形成されている。

【００２５】上記の構成において、レンズ部１０５ａが
空洞１０６内に露出しているので、各レンズ部１０５ａ
を通過した赤外線は、そのレンズ部１０５ａに対応した
赤外線受光部１０３に直接入射される。赤外線受光部１
０３で変換された信号は、必要に応じ信号処理され、配
線部１０７ａおよび高濃度不純物層１０７ｂを介してボ
ンディングパッド１０７から取り出される。

【００２６】次に、第２の半導体基板１０４に対するマ
イクロレンズ１０５の製造方法について、図２を参照し
て説明する。なお、第１の半導体基板１０１に赤外線感
知部１０２を形成する方法は、従来の方法と同じである
から、説明は省略する。

【００２７】第１工程；（ａ）に示すように、半導体
基板１０４の両面に、半導体エッチング液に耐性のある
膜１１１、１１２（以下、半導体保護膜という。）をそ
れぞれ形成する。ここで、例えば半導体基板１０４の材
質がシリコンの場合、半導体保護膜１１１、１１２とし
て、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を形成する。

【００２８】第２工程；（ｂ）に示すように、半導体
基板１０４の一側面の半導体保護膜１１１に、エッチン
グ穴１１３（以下、開口穴という。）を設ける。マイク
ロレンズ１０５を形成する側面の半導体保護膜１１１
に、フォトリソグラフィ技術で開口穴１１３を設ける。
開口穴１１３の寸法や形状は、対象となる素子、感知部
のサイズ、マイクロレンズの曲率半径ｒおよびマイクロ
レンズ材料の屈折率ｎなどにより異なるが、マイクロレ
ンズの焦点距離ｆや赤外線エネルギーの集束率により決
定される。マイクロレンズの曲率半径ｒと焦点距離ｆと
の関係を以下に示す。ｆ＝ｒ／（ｎ−１）例えば、マイクロレンズ１０５の材料がゲルマニウムの
場合、屈折率ｎ＝４．０であって、焦点距離ｆを半導体
基板の厚さ０．６ｍｍとすると、曲率半径ｒ＝１．８ｍ
ｍとなり、かなり曲率半径の大きなマイクロレンズとな
る。しかし、有機材を使用すると、屈折率ｎは１．５前
後のため、曲率半径ｒは０．３ｍｍとなる。

【００２９】次に、開口穴の形状寸法とマイクロレンズ
の焦点距離、集束率との関係を説明する。開口穴の形状
が円形で、寸法が小さい場合、マイクロレンズの焦点距
離は短く、集束率は約８０％である。開口穴の形状が円
形で、寸法が大きい場合は、焦点距離が長く、集束率は
約８０％である。また、開口穴の形状が四角形で、寸法
が大きい場合は、焦点距離が長く、集束率は８０％より
大きいものである。

【００３０】第３工程；（ｃ）に示すように、半導体
基板１０４に、保護膜１１１をマスクとしてエッチング
液により、マイクロレンズ１０５のレンズ部１０５ａを
成型する凹部１１４を形成する。エッチング用の開口穴
１１３とマイクロレンズ成型用の凹部１１４との関係に
ついて、図３のエッチング穴の形状、寸法と等方性エッ
チングにより形成されたマイクロレンズ成型用凹部との
関係を示す図を参照して説明する。図３の（ａ）は平面
図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ断面図であ
る。ここで、（ａ）に示すように、半導体保護膜１１１
ａに、開口穴として大きい丸穴１１３ａ、および大きい
角穴１１３ｂが設けられた場合、（ｂ）に示すように、
半導体基板１０４ａに略同じ深さの凹部１１４ａ、１１
４ｂがそれぞれエッチングされる。開口穴として小さい
丸穴１１３ｃ、および小さい角穴１１３ｄが設けられた
場合は、（ｃ）に示すように、半導体基板１０４ａに略
同じ半球状の凹部１１４ｃ、１１４ｄがそれぞれエッチ
ングされる。

【００３１】すなわち、焦点距離が短いマイクロレンズ
を製造する場合は、屈折率の大きなマイクロレンズ材料
を使用するとともに、開口穴を小さくして半球状の凹部
を形成する。半導体基板の厚さに応じて、開口穴の寸法
を設定することにより、所望の焦点距離を有するマイク
ロレンズを設計することができる。

【００３２】また、例えば半導体基板１０４としてシリ
コン基板を使用して等方性エッチング除去する場合に
は、ＨＦ−ＨＮＯ₃系のエッチング液を使用する。この
エッチング液のエッチング速度は十数μｍ／分以上のも
のもある。半導体基板としてＧａＡｓを使用する場合に
は、等方性エッチング液としてＨｃｌ：Ｈ₂０₂：Ｈ₂
０＝４０：４：１を使用する。この場合、エッチング速
度は５μｍ／分以上が期待できる。半導体基板は化合物
半導体基板でもよいが、エッッチング液は目的に応じて
適切なものを選択する。

【００３３】次に、図２に戻って第４工程を説明する。第４工程；（ｄ）に示すように、半導体保護膜１１１
をエッチングにより除去する。例えば、上下面の半導体
保護膜１１１、１１２の材料を異種のものにすると、反
対側面の保護膜１１２がエッチングされることはない。

【００３４】第５工程；（ｅ）に示すように、半導体
基板１０４に形成した凹部１１４にマイクロレンズ用材
料を充填し、マイクロレンズ１０５を形成する。赤外線
透過特性が優れているマイクロレンズ用材料として、有
機材、例えば高密度ポリエチレンまたはメチルペンテン
樹脂系のＴＰＸなどの材料を使用する場合、予め、半導
体基板１０４と同サイズで略同厚のシートに形成する。
そのマイクロレンズ用材料としてのシートを、凹部１１
４を形成した半導体基板１０４上に被せる。別の半導体
基板または同寸法の平坦性の優れたガラス板などを当て
板として使用し、凹部１１４を形成した半導体基板１０
４との間にシートを挟んでサンドイッチ構造に形成す
る。このサンドイッチ構造状態で、半導体基板１０４、
シートおよび当て板を加熱器上で加圧しながら加熱す
る。この加熱により、シートを軟化させて凹部１１４に
充填する。ここで、マイクロレンズ用材料が、例えば高
密度ポリエチレンの場合、熱変形温度は圧縮応力４．６
ｋｇｆ／ｃｍ²が作用した状態で７０℃前後である。

【００３５】その加熱後、当て板と半導体基板１０４と
の間隔を調整し、当て板が当接するマイクロレンズ用材
料の表面を平坦化させた後、除冷することによりマイク
ロレンズ用材料を凹部１１４に倣って固化させ、レンズ
部１０５ａおよびレンズ部１０５ａ以外の部分１０５ｂ
を備えたマイクロレンズ１０５が形成される。ただし、
固化後に、マイクロレンズ用材料の表面を平坦化しても
よい。

【００３６】赤外線透過特性が優れているマイクロレン
ズ用材料としての無機材は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＩｎＰ、Ｚｎ
Ｓｅ、ＣｄＳｅなどがある。この無機材の融点が半導体
基板より比較的低い場合、有機材と同様の方法により、
窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中でマイクロレンズ用
材料を加熱し、軟化させて凹部１１４に充填する。この
場合において、マイクロレンズ用材料と半導体基板が加
熱により化学反応を起こすときは、図４に示すように、
例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜または金属膜な
どの反応防止層１３０を半導体基板１０４上に形成した
後、マイクロレンズ材料を凹部１１４に充填し、マイク
ロレンズ１０５を形成する。

【００３７】反対に、無機材の融点が半導体基板の融点
より高い場合は、マイクロレンズ用材料としての無機材
を成膜技術の気相成長法などで凹部に堆積させた後、そ
の表面を機械研磨またはＣＭＰ法などで平坦化させる。

【００３８】再度、図２に戻って第６工程を説明する。第６工程；（ｆ）に示すように、半導体基板１０４裏
面の半導体保護膜１１２に、空洞形成用の開口穴１１６
を形成する。開口穴１１６は、赤外線感知部１０２前面
の空洞１０６を形成するため、フォトリソグラフィ技術
により半導体保護膜１１２に、マイクロレンズ１０５の
レンズ部１０５ａに対応する位置に形成される。

【００３９】第７工程；（ｇ）に示すように、マイク
ロレンズ１０５のレンズ部１０５ａ前面の半導体基板１
０４をエッチング除去して開口部１１７を形成する。半
導体基板１０４の裏面に形成された半導体保護膜１１２
をマスクとして、レンズ部１０５ａが露出するように、
エッチングにより開口部１１７を形成する。この開口部
１１７は、第１の半導体基板１０１と第２の半導体基板
１０４とを接合したときに空洞部１０６となるものであ
る。図には異方性エッチングにより半導体基板１０４を
除去する例が示されているが、等方性エッチングにより
除去することも可能である。ここで、マイクロレンズ用
材料としてシリコン基板を使用し、異方性エッチングで
除去する場合に、ヒドラジンまたはＫＯＨなどのアルカ
リ系エッチング液が使用される。

【００４０】また、マイクロレンズ用材料として、例え
ばシリコンなどを使用したとき、マイクロレンズ１０５
がエッチングされる場合がある。その場合、マイクロレ
ンズ１０５を保護するため、図４に示すように、その表
面をシリコン樹脂などで表面を被覆する。そして、反応
防止層１３０を形成したときは、半導体基板１０４をエ
ッチング除去した後、反応防止層１３０をエッチング除
去する。これにより、反応防止層１３０による赤外線透
過率の低下を防ぐことができる。以上により、第２の半
導体基板１０４にマイクロレンズ１０５を形成すること
ができる。

【００４１】次に、図１に示すように、第１の半導体基
板１０１と第２の半導体基板１０４とを接合する。Ａｕ
−Ｓｎの合金シートや低融点ガラスなどの接着材料を、
第１の半導体基板１０１と第２の半導体基板１０４の接
合部１０９に挿入する。そして、接着材料を加熱して軟
化させた後、除冷して接合することにより、第１の半導
体基板１０１と第２の半導体基板１０４とが一体化され
る。ここで、第１の半導体基板に複数の赤外線感知部を
形成するとともに、第２の半導体基板にマイクロレンズ
を赤外線感知部に対応するように形成し、第１の半導体
基板と第２の半導体基板とを接合してダイシングする
と、マイクロレンズ付赤外線検出素子が製造でき、容易
に量産できる。

【００４２】第１の半導体基板１０１と第２の半導体基
板１０４との接合にあたり、両面アライナーを使用する
と、マイクロレンズ１０５が赤外線感知部１０２に対し
て高精度に位置合わせされ、素子単位でのバッチ処理が
可能となって量産に有利となる。ただし、陽極接合法に
より接合することもできる。また、第１の半導体基板１
０１と第２の半導体基板１０４との接合を、真空中また
は例えばキセノンガスなどの不活性ガス雰囲気中で行な
うと、マイクロレンズ１０５と赤外線感知部１０２間の
空隙１０６を真空またはキセノンガスなどの不活性ガス
雰囲気に形成できる。これにより、赤外線感知部１０２
として熱型赤外線感知部を使用した場合、その感度が向
上される。

【００４３】マイクロレンズ付赤外線検出素子１００の
空洞１０６を気密封止する場合、接合面を平坦化する必
要がある。平坦化の障害となるものに赤外線感知部１０
２からの信号取り出し配線がある。これは、接合部１０
９に対応する第１の半導体基板１０１内部に電気抵抗の
非常に低い高濃度不純物層１０７ｂを形成し、この高濃
度不純物層１０７ｂで接合部１０９の内外を電気的に接
続することにより、解決することができる。また、接合
部１０９領域に溝を掘り、溝に金属や高濃度不純物をド
ープしたポリシリコンなどで配線した後、接合部１０９
を平坦加工することもできる。

【００４４】次に、図１の空洞１０６が真空状態である
場合の赤外線感知部１０２の感度について、一例を図５
により説明する。図５は、赤外線感知部１０２としての
熱型サーモパイルの拡大断面図である。半導体基板１４
１に異方性エッチングにより空洞１４２が形成され、空
洞１４２の上部に熱絶縁用のダイアフラム１４３が設け
られている。空洞１４２は、ダイアフラム１４３の上方
の空洞１０６と連通している。

【００４５】ダイアフラム１４３上には、ｐ型半導体１
４４とｎ型半導体１４５とからなる熱電対の複数対を金
属電極１４６で直列接続したサーモパイル素子１４７が
形成されている。図示左方には、ｐ型半導体１４４が示
されているが、ｐ型半導体１４４とｎ型半導体１４５と
は、紙面垂直方向に交互に配置されている。図示右方も
同様である。すなわち、サーモパイル素子１４７は、赤
外線受光部１０３を中心にしてｐ型半導体１４４とｎ型
半導体１４５と放射状に配置して形成されている。そし
て、熱吸収効率を高めるため、層間絶縁膜１４８を介し
てその上方に赤外線受光部１０３が設けられている。赤
外線受光部１０３が赤外線を受光すると、周辺部と温度
差が生じて、感知部中央付近と周辺との温度差に比例し
て信号が出力される。

【００４６】ここで、空洞１４２の上端が一辺約１２０
μｍの四角形状に形成され、０．１Ｔｏｒｒ位の真空状
態においては、１気圧の空気が充填されているときに比
べて、出力信号は約２倍となる。そして、空洞１４２の
上端のサイズが大きくなると、さらに出力は増大する。

【００４７】空気の代わりに、空洞１４２にキセノンガ
スを１気圧充填した場合、出力信号は約１．８倍に増大
される。また、アルゴンガスより分子量の大きい不活性
ガスを充填すると、空気を充填した場合より出力は増大
される。さらに、キセノンガスより分子量の大きいガス
を充填すると、キセノンガスのときより増大される。空
洞１４２に何れの不活性ガスを充填しても、出力信号は
真空のときより小さい。しかし、長年に亘って空洞内を
真空状態に維持する難しさを考慮すると、空洞内に不活
性ガスを充填して気密封止することが好ましい。

【００４８】次に、第２の実施例を説明する。第２の実
施例は、図６に示すように、マイクロレンズ１０５の外
側全面に赤外線反射防止層１５１が形成されたものであ
る。赤外線反射防止層１５１は、第１の実施例における
図２の（ｅ）に示す凹部１１４にマイクロレンズ用材料
を充填し、マイクロレンズ１０５を形成する工程の後
に、マイクロレンズ１０５の外側全面に成膜技術により
形成されている。他の構成および製造方法は第１の実施
例と同じである。これにより、マイクロレンズ１０５か
らの赤外線の反射が防止され、透過率が向上される。

【００４９】次に、第３の実施例を説明する。第３の実
施例は、図７に示すように、マイクロレンズ１０５外面
のレンズ部以外の部分１０５ｂに赤外線反射層１５３が
形成されたものである。赤外線反射層１５３は、アルミ
ニュームや金などの赤外線反射の優れた材料が使用さ
れ、第１の実施例における図２の（ｅ）に示す凹部１１
４にマイクロレンズ用材料を充填し、マイクロレンズ１
０５を形成する工程の後に、その外面に形成される。他
の構成および製造方法は第１の実施例と同じである。こ
れにより、マイクロレンズ１０５のレンズ部以外の部分
１０５ｂからの赤外線の侵入が防止される。特に、熱型
赤外線感知部を使用する場合には、冷接点への赤外線入
射が防止され、その感度が向上される。

【００５０】次に、第４の実施例を説明する。第４の実
施例は、図８に示すように、マイクロレンズ１６０のレ
ンズ部以外の部分１６１と半導体基板１０４との間に赤
外線反射層１６２が形成されたものである。赤外線反射
層１６２は、第１の実施例における図２の（ｄ）に示す
マイクロレンズ成型用の凹部１１４を形成する工程の後
に、凹部１１４を除く第２の半導体基板１０４の上面に
形成される。その後に、マイクロレンズ用材料が凹部１
１４に充填され、マイクロレンズ１６０が形成されてい
る。他の構成および製造方法は第１の実施例と同じであ
る。これにより、赤外線のレンズ部以外の部分１６１か
らの侵入が防止され、特に、熱型赤外線感知部にあって
はその感度が向上される。

【００５１】次に、第５の実施例を図９を参照し説明す
る。第５の実施例は、第４の実施例における図８の構成
に加えて、マイクロレンズ１６０のレンズ部以外の部分
１６１の外面に赤外線反射層１５３が形成されたもので
ある。赤外線反射層１５３は、第４の実施例において、
マイクロレンズ１６０形成された後に、レンズ部以外の
部分１６１の外面に形成されている。他の構成および製
造方法は第１の実施例と同じである。これにより、赤外
線のレンズ部以外の部分１６１からの侵入が確実に防止
され、特に、熱型赤外線感知部にあってはその感度がさ
らに向上される。

【００５２】次に、第６の実施例を図１０を参照し説明
する。第６の実施例は、第２の実施例における図６の構
成に加えて、マイクロレンズ１０５のレンズ部以外の部
分１０５ｂにおいて、赤外線反射防止層１５１の外面に
赤外線反射層１５３が形成されたものである。赤外線反
射層１５３は、第２の実施例において、赤外線反射防止
層１５１が形成された後に、レンズ領域以外の部分１０
５ｂに形成されている。他の構成および製造方法は第１
の実施例と同じである。これにより、マイクロレンズ１
０５からの赤外線の反射が防止されて透過率の向上が図
れるとともに、レンズ領域以外の部分１０５ｂからの赤
外線の侵入が防止されて赤外線感知部の感度が向上され
る。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るマイ
クロレンズ付赤外線検出素子によれば、赤外線感知部が
形成された第１の半導体基板と、赤外線感知部に赤外線
を収束するマイクロレンズが赤外線感知部に向いて凸状
に形成された第２の半導体基板とが、マイクロレンズと
赤外線感知部の間に空洞を形成して接合されているの
で、マイクロレンズを通過した赤外線は赤外線感知部に
直接入射される。これにより、赤外線の透過率が向上
し、赤外線検出素子としての集束率を向上することがで
きる。

【００５４】また、赤外線感知部が熱型赤外線感知部で
あり、空洞が真空または不活性ガス雰囲気に形成されて
いると、入射する赤外線に対応した出力信号が増大され
るため、赤外線感知部の感度および信頼性を向上させる
ことができる。

【００５５】また、マイクロレンズが赤外線反射防止層
を備えていると、レンズ面での赤外線の反射が防止され
るため、赤外線の入射エネルギーのロスを低減できて、
透過率が向上し、赤外線検出素子としての集束率を向上
することができる。

【００５６】また、マイクロレンズがレンズ部以外の面
に赤外線反射層を備えていると、赤外線の不必要な入射
が防止されるため、例えば、サーモパイルのように温度
差により赤外線の量を検出する赤外線感知部にあって
は、冷接点への赤外線の入射が防止され、その感度の向
上を図ることができる。また、マイクロレンズの外面に
赤外線反射防止層を形成し、レンズ部以外の部分外面に
赤外線反射層を備えていると、レンズ部での赤外線の反
射が防止され、さらに、レンズ部以外での赤外線の不必
要な入射が防止されるため、赤外線の入射エネルギーの
ロスを低減できて、透過率が向上し、赤外線検出素子と
しての集束率を一層向上することができる。

【００５７】本発明に係るマイクロレンズ付赤外線検出
素子の製造方法によれば、第２の半導体基板にエッチン
グにより形成した凹部にマイクロレンズ用材料を充填し
てマイクロレンズを形成するので、マイクロレンズの曲
率半径、表面状態の加工精度が向上される。また、第２
の半導体基板の開口部からレンズ部を露出するように形
成するので、２枚の半導体基板が必要なく、マイクロレ
ンズ材料として赤外線透過率の優れた材料を使用するこ
とにより、赤外線の透過率が向上される。これにより、
赤外線検出素子の集束率の向上を図ることができる

【００５８】また、開口部を形成するにあたり、予めマ
イクロレンズの表面に保護膜を形成し、開口部を形成し
た後に、保護膜をエッチングにより除去すると、マイク
ロレンズに対するエッチングが防止されるため、マイク
ロレンズの精度が低下されることがなくて、マイクロレ
ンズ付赤外線検出素子の感度を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の断面図である。

【図２】第１の実施例における第２の半導体基板の製造
工程を示す図である。

【図３】エッチング穴とエッチングにより形成されたマ
イクロレンズ成型用凹部との関係を示す図である。

【図４】第２の半導体基板の他の製造方法を示す断面図
である。

【図５】赤外線感知部としての熱型サーモパイルの拡大
断面図である。

【図６】第２の実施例における第２の半導体基板を示す
断面図である。

【図７】第３の実施例における第２の半導体基板を示す
断面図である。

【図８】第４の実施例における第２の半導体基板を示す
断面図である。

【図９】第５の実施例における第２の半導体基板を示す
断面図である。

【図１０】第６の実施例における第２の半導体基板を示
す断面図である。

【図１１】従来のマイクロレンズを示す図である。

【図１２】従来の製造工程を示す図である。

【符号の説明】

１００マイクロレンズ付赤外線検
出素子１０１第１の半導体基板１０２赤外線感知部１０４第２の半導体基板１０５、１６０マイクロレンズ１０５ａレンズ部１０５ｂ、１６１レンズ部以外の部分１０６空洞１０８、１１７開口部１０９接合部１１１、１１２、１３０保護膜１１４凹部１５１赤外線反射防止層１５３、１６２赤外線反射層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】赤外線感知部が形成された第１の半導体
基板と、前記赤外線感知部に赤外線を収束するマイクロ
レンズが形成された第２の半導体基板とを接合して成る
マイクロレンズ付赤外線検出素子において、前記マイク
ロレンズのレンズ部が前記赤外線感知部に向いて凸状に
配置され、前記レンズ部と前記赤外線感知部の間に空洞
が形成されていることを特徴とするマイクロレンズ付赤
外線検出素子。
【請求項２】前記赤外線感知部は、熱型赤外線感知部
であり、前記空洞は、真空または不活性ガス雰囲気に形
成されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロ
レンズ付赤外線検出素子。
【請求項３】前記マイクロレンズは、赤外線反射防止
層を具備していることを特徴とする請求項１または２記
載のマイクロレンズ付赤外線検出素子。
【請求項４】前記マイクロレンズは、レンズ部以外の
面に赤外線反射層を具備していることを特徴とする請求
項１、２または３記載のマイクロレンズ付赤外線検出素
子
【請求項５】第１の半導体基板に赤外線感知部を形成
する工程と、第２の半導体基板の両面に保護膜を形成する工程と、前記第２の半導体基板の一方の側面に、保護膜をマスク
として、マイクロレンズのレンズ部を成型する凹部をエ
ッチングにより形成する工程と、該凹部にマイクロレンズ用材料を充填してマイクロレン
ズを形成する工程と、第２の半導体基板の他方の側面に、保護膜をマスクとし
てレンズ部が露出するように開口部をエッチングにより
形成する工程と、前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板とを、前
記レンズ部が前記赤外線感知部に凸状に向き、前記レン
ズ部と前記赤外線感知部との間に空洞が形成されるよう
に接合する工程と、からなることを特徴とするマイクロ
レンズ付赤外線検出素子の製造方法。
【請求項６】前記開口部を形成するにあたり、予めマ
イクロレンズの表面に保護膜を形成する工程と、前記開
口部を形成した後に、前記保護膜をエッチングにより除
去する工程とを設けたことを特徴とする請求項５記載の
マイクロレンズ付赤外線検出素子の製造方法。