JPS63500826A - 赤外光線レンズとその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレンズに関するものである。より詳細にいえば、本発明は赤外光線レン ズのレンズ講造とその製造法に関するものでるる。

熱検出装置や結像装置の窓やレンズ？Ｃ１通常、６種類の光学材料が用いられる 。すなわち、半導体のデルマニ！ｌ＞　ムオ、Ｊ：ヒシリコン、ＭｇＦ２、Ｃａ Ｆ’２、ＭｇＯ、ｚｎｓおよびＺｎＳθのようなＩＩ−ＩＶ族材料、および棟・ セのカルコ・ガン化物ガラス（ハ、いずれも、広い赤外スペクトル領域の中で一 定の使われ万全している（　：Ｊ、Ｍ、　１Ｌｌｏｙｄ著、Ｔｈｅｒｍａｌ工ｍ ａｇｉｎｇ１９ｙｓｔｅｍｓ、Ｐｌｅｎｕｍ　Ｐｒｅｓｓ社、１９７５年、第６ 章参照）。けれども今日ｌで、このかなりの数の材料の中から、精密な赤外光線 レンズの製造に実際に使われているのは、ゲルマニウム（多結晶または単結晶） とセレン化亜鉛（化学蒸気沈着結晶）だけである。これらの材料はめずれも、大 ８を屈折率および厚さが典型的には２４ｍと１０止の間に６って、レンズに要求 される適切な長波長カットオフを有している。屈折率が大きいことは、レンズの 曲率を小さくするために必要であり、したがって、レンズの厚さを薄くするため に必要である。光学材料として使える・ごルマニウムの原価は比較的高く、そし て自然界に比較少量しか存在しない戦略物質であって、その価格は】役近大幅に 値上すしてｂる。このことは、光学設計の経費とレンズ製造の経費が高いことと 一緒になって、ゲルマニウムの赤外光線レンズはかなり高価になることを意味す る。セレン化亜鉛は力学的１・であまり丈夫でなく、ゲルマニウム程には用いら れていないが、非常に広い透Ａ領域が要求され、かつ、吸収係数が小さいことが 必要であり、そして熱放散の問題点（ゲルマニウムのようなバンドギャップの比 較的小さい半導体材料では１つの問題点でるる）のないことが要求される場合に 、使用さ几る。例えば、大出力の二酸化炭素赤外レーデ装置では使用される。

赤外光線の光学装置の原価を下げる方法が最近、注目されるようになってきたが 、全体的（では、原価が安くてかつ光学的特性の満足なものはまだ得られていな い。例えに、ポリエチレンのような重合体材料がゲルマニウムに代るものとして 研究されている。ポリエチレンは、厚さを薄くした時、８μｍ〜１４μｍの赤外 光線領域において、十分に透明である。十分に透明であるなめに、かつ、屈折率 の小さな重合体材料で焦点距離の短いレンズを作成するさいに要求される比較的 大きなレンズ曲率を得るために、フレネル・レンズ構造体が利用される。重合体 材料の原価は非常に安く、かつ、成形技術によって大量生産することにより低原 価のレンズを生産することが出来るが、このような重合体フレネル・レンズの光 学的特注とその熱的安定性および機械的安定性は、全体的にみて、具体的に使用 するにはまだ不十分である。重合体材料の屈折率が小さいので、フレネル・レン ズ構造体では、輪帯の角度を急角夏にし、かつ、輪帯の数を大さくすることが必 要である。すると、レンズの解像度が限定され、セして輪帯端での損失が増大す る。また、重合体材料は非常に大きな熱膨張係敷金もっており、したがって、屈 折率が温度によって大さく変わり、一定の温度範囲Ｖてわたっての光学的性質は 安定しないことになる。

本発明の目的は、赤外光線０ｇ域に応用され、原価が大幅に安く、かつ、有効な レンズ特性を保持する可能性をもった、レンズ構造体と、レンズ材料と、レンズ の製造法とを得ることである。

本発明によジ°、赤外光線に対して透明な元素半導体材料または化合物半導体材 料で作成された、７レネル形レンズ構造体の赤外光線レンズが得られる。

本発明の別の特徴として、７レネル形レンズ構造体である赤外光縁レンズの製造 法かえられる。この製造法は、光で制御されたエツチング技術によって、赤外光 線に対して透明な元素半導体または化合物半導体のウェハの表面に必要なレンズ 構造体を作成する段階を備えている。この好ましい製造法において、光で制御さ れたエツチング法は光電気化学エツチング工程金利用する。

この製造を実施するのに適切であるその他の光制御エツチング法は、反応性がス 雰囲気中で、材料に紫外光線で制御されたまたはエキシマ・レーデで制御さ几た 光化学エツチングまたは「光分解」エツチングを行なう方法である。

本発明を開示する好まし匹実施例において、赤外光線に対して透明な材料として 用いられるのはシリコンで８．る。

本発明の他の実施例では、赤外光線に対して透明な材料としてゲルマニウム、ヒ 素化ガリウム、リン化ガリウム、リン化インジウム、２元化合物または６元化合 物であるｆｌｌ−Ｖ族半導体が使用される。

この赤外光線に対して透明である材料は単結晶でらるこ七が好ましい。材料が多 結晶であると結晶粒界が優先的にエツチングされる問題が、またはエツチングの 異方住に伴う問題点が潜在するが、単結晶材料を使用すると、このような問題点 なしに、エツチング工程によって要求されたフレネル・レンズ構造体を材料の中 に作ることができる。

不純物の種類およびドープ量が十分に制御された高純度単結晶シリコンは、シリ コン集積回路産業の出発物質として、直径が１５０ｍｍ！でで、厚さが典型的に は０．４正ないし０．６鞄のウェハの形で、妥当な原価で容易に入手することが できる。シリコンの光学的性質と熱的性質と力学的性質は、重合体材料のそれら と比べて、はるかに優れている。特に、シリコンの屈折率（ｎ＝３．４２）が大 きいので、フレネル・レンズ構造体に訃いて、輪帯の角度を浅くすることができ 、かつ、輪帯の総数を適度な数にすることができることを意味する。したがって 、レンズの解稼度を増大しうる可能性がらり、かつ、輪帯端効果を小さくするこ とができる。シリコンの吸収係数はゲルマニウムの吸収係数よりも大きいので、 シリコンは赤外光線レンズ材料として全体的には使用されていなかった。けｎど も、もしシリコンがフレネル・レンズ構造体に用いられるならば、材料の厚さを 薄くできるので、適切な赤外光線透過率が確実にえられるであろう。８μｍから １４μｍの領域の吸収係数が約２ｃｍ−’を越えないよってシリコンの純度と抵 抗率が選定されるなら（げ、典型的な厚さをもったシリコン・ウェハの場合、吸 収による損失は１０チ以下であるでろろう。この仕様を越えるシリコン材料を入 手することも可能である。シリコンおよびゲルマニウムのいずｎで作成された光 学部品も、材料の屈折率が大きいために生ずる表面反射（・でよる損失を小さく するために、反射防止／フィルタのための単一層被覆体または多層被覆体を備え ることが必要である。

ゲルマニウムおよびシリコンの基本面な物理的性質と光学的性質が下記の表に示 されている。ただし、赤外光線の吸収特性は表に（は示されていないが、それは ゲルマニウムおよびシリコンの赤外光線吸収特性は、ドーピングの盆と不純物の 種類によって大幅に変わるからでちる。

具体的に云えば、シリコンはゲルマニウムよりも、硬度、弾性定数、融点、比熱 、熱伝導率、光学的バンド・ギャップが太さい。他方、密度、熱膨張係数、誘電 １１屈折率、屈折率と光学路の温度係数はシリコンの方がゲルマニウムよりも小 さい。これらの性質の違いは、シリコンの原子質量が小さいことと、シリコンの 結晶格子の原子間結合力が犬き１ハこととで、おおまかにｕ　ＭＱ明することが できる。シリコンの力学的性質と熱的性質が優れていることと、シリコンの光学 的性質がより安定していることとは、いまの場合、利点であると考えられる。シ リコンの赤外先勝（で対する屈折率６．４２ばなお十分に犬さいので、下記で考 察さ几るよう１：ｃルンズの曲率を小さくすることかでさる。シリコンの質量が 小さいことと原子開音合力が強いこととはまた、赤外透過領域を引き下げること に明白に現われている。長波長カットオフ波長は結晶格子のフォノン周波数νに よって定められ、最も簡単な場合に喀それは次の式によって表される。

ここで、“Ｆは原子間力の力の定数であり、Ｍは東予の質量である。

赤外光線に対して透明である領域に２いて、シリコンおよびゲルマニウムの赤外 光線吸収特注は、自由キャリア吸収によって大きく影響される。ゲルマニウムの 赤外光線吸収特性は詳細に考察されている。（Ｗｏｏｄ他、ＧＥＣＪｏｕｒｎａ ｌ　ｏｆ　５ｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｘ第”４８巻、第 ６号、１９８２年、１４１貞〜１５１頁）常温におけるデルマニウム真性キャリ アａ度ｎ１は、そのバンドギャップ（０，６７θ■）が比較的小さいために、比 較的大きな値２．４　Ｘ　１０１３α〜３である。このことは、抵抗率が約５０ Ω・こであること、および１０μｍに２ける真性赤外光線吸収係数が０．０３ｃ ｒｎ”であることと等価である。この真性吸収係数は温度に対し敏感に変わる。

吸収係数を制御しかつ安定化するために、例えば、ゲルマニウムをｐ形またはｎ 形にドープするのにガリウムまたはアンチモンを添加することが行なわれる。１ ０μｍにおいて、電子の赤外光線吸収特性撰はホールの吸収断面積よりも大幅に 小さい。

このことは、ｎ形ドーピングを慎重に行なうことにより、ホール濃度を抑制しそ して実際に吸収係数を小さくシ、一方間時に、おる温度範囲にわたって、キャリ ア濃度を一定に保つ（したがって、吸収係数を一定に保つ）ことができることを 意味する。吸収が安定化する「出払い領域」と呼（ずれているこの温度領域ｔま 、ドープ剤の量を増すと増大し、そして吸収係数と出払い領域との間の有用な均 衡が約３Ω・儂の抵抗率の、ところでえちれる。この抵抗率の場合、吸収係数は ０．０２０−ユであり、７７°Ｃ（３５［ＩＫ）までの温度にわたって０．１Ｃ ＴＬ−１以下のま貰でるる。

半導体産業において、シリコン・ウエノ・内のドープ量および不純物の種類を監 視するのに赤外光線吸収スペクトルが使われて以来、シリコンの赤外光耐吸収特 性が広く研究されてきた。半導体として市販されている単結晶シリコンはチヨク ラスキ法（ＣＺ法）または浮遊帯域法（ＦＺ法）によって成長されて作成される 。

（Ｔ、　Ｒａｖｉ著、工ｍｐｅｒｆａｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ工ｍｐｕｒｉｔｉｅ ｓ　ｉｎＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　５ｉｌｉｃｏｎ　、Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅ ｙ　＆　５ｏｎｓ社、１９８１年）前者の方法によって作成されたシリコンの抵 抗率は約２５Ω・ｃｍ（キャリア濃度（０，３〜１）Ｘ１０１５α−３）以下で るり、そして不純物として酸素と炭素を含有している。キャリア濃度がｌＸ１０ １５！−’のｎ形ＣＺシリコンの１０μｍ　ｒｃ　２−ける固有自由キャリア吸 収係数は０．１ｃｍ−”より少し小す＜、一方、フォノンによる吸収係数への寄 与は約０．４ｃＩｎ−”である。

ＣＺシリコンで結晶格子間に入った酸素は特に注目される。それ１はこの格子間 酸素は９．１μｍに吸収帯を生ずるからである。この吸収帯の強度は酸素量（て 比例して増加し、シリコンの酸素飽和量（１，８Ｘ　１０１８ｃｍ−３）（Ｃお いてα−４０−１の値に達する。典型的なＣｚインゴットは濃度（６〜８　）　 Ｘ　１０１７ｃｒｆＬ−１の酸素を含有しており、この濃度は吸収係数１−６ｃ ｒｎ−”に等価である。

この値は、ｉい（０−５川）シリコン・フレネル・レンズ（Ｉζ対して許容され うると考えられる限界値α＝２ｄｌ以下である。したがって、８μｍ〜１４μｍ の帯域にわたっての真性フォノン吸収特性と自由キャリア吸収特性との両方を考 慮して、本発明に使用される材料はわずかにドープされたＣＺシリコン材料が適 切であることがわかった。

ゲルマニウムの場合と同じように、シリコンにおいて、電子の赤外光耐吸収特性 積はホールの断面積より小さい。したがって、赤外光線の下で使われる装置には 、ｎ形シリコンの方が好ましい。下記で考察される光電気化学（ＰＥＣ）エツチ ング工程または光分解エツチング工程によって、ｎ形材料のウェハ表面加工が実 行可能であることが必要であるので、このことは幸運なことでめる。実際、キャ リア濃度が小さい場合、ｎ形ＣＺシリコンの自由キャリア吸収係数は、キャリア 濃度が１０１６ｃ１ｒＬ’から１０”　ｃｒａ−”　ヘ減少する１（つれて、１ 、濯−１から０．１ＣＴＬ−１へ減少し、一方、ｐ形ＣＺ材料の吸収係数は、キ ャリア濃度が１０”　ｃｍ−３以下では、１１−１で一定でおることがわかって いる。０．５４ｘｍの厚さにまで２重研磨された４、８Ω・口のｎ形Ｃｚシリコ ン・ウェハの赤外光線透過スペクトルが第Ａ・１図シて示されている。８μｍ〜 １４μｍの帯域にわたっての平均透過レベルは、反射損失を含めて、理論値の約 ９５％である。９．１μｍのところに、浅い吸収ボンドが存在することが図？ζ 示されている。この９．１μＪの酸素による吸収バンドは熱処理によって抑制す ることができる。この熱処理により、５ｉ０２が析出し、したがって格子間に入 っている酸素の量が減少する。ただしこの際、転位ループ欠陥を作ることが付随 して生じ、そ１〜てこのことはＰＥＣエツチング工程に影響を与える。

抵抗率がもつと大＠なシリコン（２００Ωｃ１ｒＬ程度、キャリア濃度的２　Ｘ 　１０１３ｃｍ−３）はＥＦＺ法によって作成することができる。このシリコン の酸素不純物量と炭素不純物量は大幅に小さい。キャリア濃度的１×１０１５ｃ ！ｒＬ−”のｎ形Ｆｚシリコン材料は、オソラく、理想的なシリコン材料に近い ものである。ゲルマニウムの場合と同じように、一定のドープ剤量をドープする ことによって、一定の温度範囲にわたって、安定化したキャリア濃度と、したが って、自由キャリアに伴う安定化した吸収係数金得ることができる。けれども、 シリコンの場合には、バンドギャップ（１，１ｅＶ　）が大幅に大きいので、ゲ ルマニウム（０−６７ｅＶ　）　ノに５合よりも、ずつ°と大きい出払い領域が えられる。したがって、キャリア濃度が１×１０１５ＣＴＬ−３のｎ形ＦＺシリ コン材料は、１０μｍにおいて、自由キャリア吸収係数は約０．１ＣＩＩＬ−１ であり、そして約２５０℃までの温度範囲にわたってＯ−２ｃｍ−’以下に保持 されるはずである。フォノンによる吸収係数への寄与は１０μｍ　ｉＣ＆いて約 ０．４ｃＴＬ−１であり、そして２５９℃では約０．６（ｉ”に増加する。これ はシリコンがゲルマニウム（Ｃ勝る顕著な利点である。シリコンの真性キャリア 濃度は常温において１．４５　Ｘ　１０”　ｃｍ−３でろって、ゲルマニウムの 場合よりも３桁小さいことは注目に値する。このために、ゲルマニウムの低レベ ルｎ形ドーピングに基づく固有吸収係数の初期抑制は、シリコンの場合には見い 出されない。それは、シリコンに２いて実行可能な最低ドーピング・レベルは真 性キャリア濃度を完全に圧倒してしまうからであり、そして実際、低レベル・ド ーピングにおいて、吸収係数へのフォノンによる寄与が優越する。もしドーピン グ・レベルの均一度がシリコンの光学的性質またはＰＥＣエツチング特性にとっ て重要であることがわかったならば、中性子壊夏によってドープさｎた（自動ド ープされた）シリコンが用いられる。

着目するレンズ構造体は７レネル・レンズ構造体でらる。このフレネル・レンズ 構造体では、従来のレン・ズが実効的に一連の薄い輪帯に分割され、そしてそれ らが適当な厚さの保蒔材料の上で、すべての輪帯をずらして１つの平面に再構成 したものである。設計方式の異なるいくつかのフレネル・レンズが可能である。

すなわち、各輪帯の表面が平面である場合、または曲面である（球形横断面曲線 および非球形横断面曲線）場合、および輪帯（Ｄ数を種＆に変える場合でろる。

フレネル輪帯表面は、従来の平凸レンズ、平凹レンズ、凸レンズ、凹レンズおよ び凹凸レンズのフレネル等側体を作成するだめのレンズ材料の片側表面または両 側表面によって定められる。本発明との関連にかいて特に注目すべ＠要点は、こ のようなレンズの厚さが薄いことで６る。

フレネル・レンズのように、材料が効ギよく使用されたレンズ構造体を用いると 、レンズの厚さを薄くすることがでさ、したがって、従来の厚さのレンズの場合 よりも、赤外光線吸収係数のよジ大きな材料を使用することが可能である。した がって、シリコンは、もしその不純物の種類とドーピング量が適切に制御される ならば、８ルー１４μｍの帯域（・ζ２いて、赤外光線吸収係数上２０−１より ・はるかに小さくできるので、薄いレンズ構造体（厚さ約１藺以下）（（使用す れば、吸収による光像の過大損失の問題にならない。高脚度デルマニウムの赤外 光線吸収係数は約０．０３　、ゴｌでるので、通常の厚さのレンズｆでとっては 、ゲルマニウムは重要な材料でろる。したがって、フレネル・レンズ構造体を用 いれば、シリコンのよう（で吸収の大きな材料を使用することも可能になる。シ リコンは、半導体ＩＣ産業の出発物質として、不純物の種類と欠陥ドープ剤の量 とが清酒に制御された適当なウェー・の形で、容易に入手することができる。ま た価格の点でも、シリコンはゲルマニウムよりも大幅に安い。

この作成方針を完結するために（ｄ１要求されたレンズ、構造体をシリコン・ウ ニ・・の表面の甲に成形する方法を確立しなげればならない。光電気化学（ＰＥ Ｃ）エツチングは１つの適切な方法である。この方法では、任意Ｚ・て与えられ た位置番でおいて、このエツチング深ａによって除去される材料の深さが、その 位置に入射する局所可視光線強度または局所Ｕｖ光光強強度よって制御される。

このＰＥＣ法は、Ｓｉ　ＸＧｅ　、ＧａＡｓ　、１０２１６元Ｈ１＝　Ｖ族化合 物半導体および４元■−ｖ族化合物半導体を包含した、ｎ形にドープさｎ７た半 導体に通用することが可能である。半導体、例えばシリコン、が電解液の中に浸 され、そして一定の電圧がバイアスとして加えられる。この場合のエツチング速 度は光の強度に比例する。フォトマスクの像がウェハの表面上に投影さｎて光強 度の空間分布がつくられ、それてより要求さ几た形のエツチングが行なわれる。

このようなマスクは、例えば、非常に細・ハ棒を場所によって間隔を変えて配列 して構成することができる。この律の太さと間隔との比を変えることによって、 種々の明暗を得ることができる。マスク投影のさいの縮小像投影と共に、マスク の棒の寸法の小さいこと（ミクロン以下）と、マスクをウェハ上に投影するさい にわずかに焦点をずらすことと、または白色光源に伴う色収差を意図的に利用す ることとにより、実効的に、ウェハ上で光強度を滑らか例変化させることができ る。

低コストのシリコン・ウェハを使用することと、フレネル・レンズ構造体および レンズ作成のためのＰＥＣエツチング法とを組み合わせることにより、実用的な 特性をもった低コストの赤外光線レンズの製造法がえられる。

いられるレンズは、球面表面および非球面表面を使って、単一素子形式２よび多 素子形式で作成される。約Ｆ／２より大きい口径比が要求さ几る場合、非球面で 多素子のレンズが用いられる傾向がδる。口径比がＦ／２以下の場合、凹凸形式 または平凸形式の単一素子結像レンズが用いられる。原点距離が２５職から２５ ０潴の場合、レンズの直径の一般的な値は１５距から５０日の範囲内にある。す べてのこれら単一素子レンズ形式で、凹凸形、平凸および非球面のフレネル・レ ンズ等何体は、原理上、ＰＥＣエツチング萱たは光分解エツチングによって、光 照射の空間分布を十分に制御すること′によジ、作成可能である。ＰＥＣ工程を 十分に実行することかでさる。平凸レンズに対して簡単に行なわれた実行例によ ると、この原理が十分１″Ｃ成立することが証明された。

例として、レンズの直径が５０正で、焦点距離が合？考える。１０Ω・鑞で２重 研磨された？ＺＺｎＯ直径１５０闘のシリコン・ウェハから、このようなレンズ ５個を得ることができる。

薄レンズ（ｌｃ対する標準公式 を使う。ここで、では焦点距離、ｎは屈折率、ｒｌおよびｒ２はレンズ表面の曲 率半径でるる。

ｎ＝３．４１７７（シリコンで１０Ｒｎのとき）で２５０羽 ｒ２　：　−〇 である。すると、凸表面の半径はｒユ””　１７０−９１ｉＩｌとなる。この平 凸レンズ（最小中央厚さ”＝１−８３ａ＋ｍ）をフレネル・レンズに変換しよう 。それには、第Ｂ・１図に示されているように、レンズ全厚さｔの一連の板に分 割し、そしてこれらの板をある厚さの保持材料の１つ０面上に移動させる。ｔが 小さい場合、レンズの曲率、エツチング深さｔｌおよびｎ番目の輪帯の外側半径 ｘｎは次の簡単な式によって関係づけられる〇種々のエツチング深さに対して、 フレネル・レンズの寸法を計算すると次の表の通りになる。

シリコンのＰＥＣエツチングに関する従来の研究によれば、滑らかで腐食されて いない表面の場合、２０μｍ以上のエツチング深さが可能であることが示されて いる。エツチング深さが２０μｍの時、妥当な数の輪帯、すなわち、輪帯数９１ かえられる。この場合、最も細い輪帯の幅でもなお波長の１０倍よりも大きい。

おのおのの輪帯Ｏ端部に２げる段差（〜２波長）が小さいと輪帯端損失が小さく なジ、そして光軸上にない物体を不鮮明にする効果が小さくなる。ＰＥＣエツチ ングの場合、エツチング深さがレンズの全面にわたって一定である必要はない。

例えば、エツチング深さをレンズの周縁部に回げて大きくすることも可能であり 、この場合には輪帯の総数を減らすことができる。最終的なｐＥｃフレネル・レ ンズの厚さは、機械的な一体性を保持するという要請からだレナで決定される。

したがって、例示されたレンズと、例えば０．６正のウェハの厚さと、もとの平 凸レンズ（厚さＬ８５ｘｔｔｈ）とを比較すると、材料節約率として少なくとも 乙の因子かえられる。

フレネル・レンズ構造体（（屈折率の大きな材料を使用する１つの具体的な利点 は、Ｂ・１式の中の（ｎ−１）という因子からえられる。、この因子はゲルマニ ウムの場合には６であり、シリコンの場合には２．４である。

これに対し、典型的な重合体材料の場合のこの因子は０．５である。フレネル輪 帯の厚さ、すなわち、深さｔが与えられた場合、重合体レンズの輪帯の総数はシ リコン・レンズ゛またはゲルマニウム・レンズの場合に比べて５倍ないし６倍必 要でおる。逆に、輪帯の総数が与えられている場合には、重合体材料では輪帯の 深さを同じ因子だけ大きくする必要がおる。いずれの場合にも、重合体材料では 、輪帯端損失が大幅ｔｖ増Ｅロシ、そして不鮮明さも増加する。

例示されたレンズの焦点距離の公差を±２俤とすると、これはエツチング深さに 対する同じパーセントの公差、すなわち、２０μｍで±０．４μｍに等価で６る 。

フレネル・レンズの横断面の形状の状況をその場で観察するのに、例えば、レー デ干渉計を使っての光干渉法を適用することができる。ＰＥＣ工程は、実効的： ／！−１「非接触光加工」工程であるので、このような装察を、ビーム・スフ０ リツタを用いて、エツチング工程を周期的に適度に中断することによって、実行 することができる。可視光種の波長の半分（すなわち、５０．６μｍ）よりも良 い制御を得ることが可能である。

光強度に単純に比例するＰＥＣエツチングの場合、照射光の空間分布は次の式に 従うべきであることを示すことができる。

ここで、又はＸＨ−１とｘｎとの間の区間内にあり（すなわち、ｎ番目の輪帯の 中にちり）、ｔ％　ｎ％　Ｒは前記で示された量を表し、最大透過強度は１とし てあり、そして最小マスク透過強度は０．１としである。

例示されたレンズの球面収差は大きくないが、口径の大きな平凸レンズを採用す れば、この収差は毫も大きな収差を与える。この収差はレンズの形状と口径（・ でよって主として定まジ、そして材料の光学的性質にはあまり依存しない。Ｒ２ ＝　１．５　Ｒ１である凹凸レンズの場合、Ｆ／２までの口径では、より満足な 球面収差とコマ指数がえられる。他方、色収差は材料の光学的性質によって制御 さｎる。したがって、シリコンで作成されたレンズの色収差はゲルマニウムで作 成されたレンズの色収差よりも３の因子だけ小さい。それは、８μｍ〜１１μ工 の帯域に２いて、シリコンの屈折率が波長に対しよりゆっくり変化するからでる る。

両方の表面が曲面であるレンズをＰＥＣ法で作成することは原理的には可能であ る。この場合には、正面と裏面を整合するｊ１当な技術が必要でらる。可能性の ある適切な１つの整合法は、２つの表面をＰＥＣエツチングする前に、ＫＯＨエ ツチング液、またはエチレン・ジアミン・ピロカテコール・°水（ＥＤＰ　）エ ツチング液（′こよる異方的エツチング工程を使って、シリコン板を貫通する整 合用穴をエツチングであげる方法でらる。これらの選択的エツチング技術、異方 的エツチング技術、および適切なマスキング技術１・ま十分に確立されている。

またこのＰＥＣ法は、マスク技術とエツチング工程とが十分に制御可能でらるな ら（ば、非球面フレネル・レンズ表面の作成にも適切であるはずである。この場 合には、収差を制御するという利点も付随してえもれる。

ｎ形半導体のＰＥＣエツチングの原理の概要を前記で説明した。下記説明は、シ リコンおよびゲルマニウム０ＰＥＣエツチングに関係したいくつかの研究を概観 し、そして関係するその他の文献を挙げるのが目的である。

光照射下でのｎ形シリコンの陽極溶解は５ｈａｒｐｅおよびＬｉ１ｌｅｙによっ て研究された。（Ｊ、　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ。

ｓＯｃ、第１２７巻、第９号、１９８０年１１月、１９１８頁）彼等の研究は、 陽極溶解とその場Ｃ−Ｖ副定とを組み合わせることによって、本質は、エピタキ シャル・シリコン構造体のギヤ９フ１度の空間分布：と測定する方法を開発する ことに関するものである。具体的にＨｌ（１１２０μｍｌｌ上の深さまで制御さ れた空間分布をもって滑らかでかつ平らな溶解を行なうための、（ｉ）意味のあ るＣ−Ｖ測定が行なえるよう・シショットキ１章壁に近い界面°条件をうるため の、電解液と適切な動作送付を確立することである。ｌ／−１１の場合、前者・ Ｄ条件基準に特に関心がある。５ｈａｒｐｅおよびＬｉ１ｌｅｙによって研究さ れた電解液系はＮａＦ　；　Ｈ２ＳＯ４：　Ｈ２Ｏ系であった。

陽ｉｖ−■特性は、ｐ形シリコンとｎ形シリコンの両方に対して、飽和電流を示 した。この飽′ｙＦＯ電流は、ｎ形材前に対して、ＮａＦ濃度が増大すると増加 し、かつ、光照射強度が増大すると増加する。飽和１ノベル以下の電流の場合、 穴状エツチングが行なわれると共に、暗色膜がわずかに生成された。けれども、 飽和領域で工ッチングが行なわれた試料ではかなり滑らかであり、特（で強い光 で照射された場合には滑らかであることがわかった。酸濃度の大きい電解液を用 いた場合には最も滑らかなエツチングかえられ、表面上にエツチングでできる穴 や痕跡はほとんどなかった。また、フン化ナトリウムの量を多く含有する電解液 は、全体としての均一性でいえば、平らなエツチング表面を与えることがわかっ た。ｉ　Ｍ　ＮａＦ　：　Ｑ、Ｑ　５　Ｍ　Ｈ２ＳＯ４の電解液が妥当な組成で あるとして選定さ几た。もしエツチング工程中に電解液がパルス的に加えられる ならば、均一で深い（≧１０μｍ）エツチングが可能であった。

ＰＥＣ工程での溶解深さＷは次の式で与えられる。

ここで、Ｍは半導体Ｏ分子量、Ｄは半導体の密度、Ａは界面の面積、Ｎは溶解原 子価、Ｆｖ′ｉ７アラデイ定数、および工は時間間ｄｔＯ間？て流れる電流であ る。

ＰＥＣ法でエツチングさｎるフレネル・レンズの場合には、ウェハはその厚さ全 体にわたって均一にドープされるから、この式は次のように書き直される。

シリコンの場合の溶解原子価；ま、標準セル条件（セル電位１．０■、０．０５ 　Ｍ　Ｈ２ＳＯ４：　Ｉ　Ｍ　ＮａＦ　）でＵ３．５０±０．３であるとめられ た。適度に強い照射の下で、１ｍＡ／ｃＩｎ２と１０　ｍＡ　／　ａｍ２の間の 電流密度を容易に得ることができ、これは１−３　ｔｔ、ＩＩＦ、／　’ｎｒと １３　ａｍ／ｈｒ　Ｏｆ’ｓｌのシリコン溶解速度に対応する。エピタキシャル 層の評価のＰＥＣプロファイラの場合のよう（ｃ１原理的に、ＰＥＣエツチング 工程は完全に自動化可能でらるがら、これは有用なエツチング速度でおると考え られる。

５ｈａｒｐｅおよびＬｉ１ｌｅｙによる研究は、ｐｇｃ　ｚ　ッチング技術でシ リコンのフレネル・レンズを作成することは可能であること全示す。

同様な研究は、ｎ形ｒルマニウムのＰＥＣエツチングについて行なわれている。

ただし、そこではエツチングされた表面の詳細な形状と構造については報告され ていないｏ（Ａｓｈｏｋ　Ｋ、　Ｖｉｊｈ　、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｎｉｓｔｒ ｙ　ｏｆＭｅｔａｌｓ　ａｎｄ　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ　、Ｍａｒｃｅ ｌ　Ｄｅｋｋｅｒ工ｎｃ。

社、ニューヨーク、１９８３年、第　章、６４頁）使用された材料は３Ωｃ”ｍ のｎ形デルマニウムであり、０．４μ工から０．７μ工の可視光線の照射の下で 、０．１ＮＮａＯＨ電屏液中で陽項溶解された。陽画バイアスを増加させていく と、特性飽和電流が観測された。この電流は照射光強度に比例する。１’　Ｄ　 −ｏＡ　／　ａｍ２という最大電流密度かえられた。ｒルマニウムの溶解原子価 が電解液によって変わり、２と４の間で変動することが報告された。これは、溶 解工程の全体に、電子とホールの両方が関与していることを示す。

半導体０ＰＥＣエツチングに関するいくつかの初期の先駆的研究は、１９７３年 に、Ａｍｂｒｉｄｇｅ　、ＥｌｌｉｏｔおよびＦａｋｔｏｒによって行なわ瓦た 。（Ｊｏｕｒｎａｌ　ＡｐｐｌｉｅｄＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ、　ＩＩｇ　３巻 、１９７６年、１４頁〜１５頁）これらの研究者はｎ形ＧａＡｓの゛電気化学持 回を明らかにすることに関心から９、そして多くの有用な実験データの他に、Ｐ ＥＣ現像のモデルを確立し、そしてこのモデル＋’Ｃよって、充電流密度を、照 射光強度と、空乏層の幅と、少数キャリアの拡散長と、表面ポテンシャル障壁と 、着目している可視光線波長での光吸収係数とに関係づけることに関心が向いて いた。理論と実検とのよい一致と、十分によく一定でらる飽和゛電流が観測され る広い電圧領域と、最終的に得られた最良のエツチング表面と）ま、ドープ剤の 量が最低の時（で得られた。これらの実験結果はシリコンのＰＥＣエツチングに も適、弓されるはずであり、ドープ剤の量が少ないことは赤外光婦に対する吸収 係数が小さいことに対応し、これは本発明でも要求されることであるので、大い に希望の持てる実験結果でら°る。Ａｍｂｒｉｄｇの研究による実験データの１ 列がｇＣ・１図に示されている。第Ｃ・１図は飽和電流が照射光強度に正確に比 例していることを示している。

浄書（内容に変更なし） 液収（ａｍ−υ 浄書（内容に変更なし） 仝電流ｃアンペア） Ｆｔａ、ＣＩ 手続補正書輸発） 昭和６２年ダ月♂日

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．赤外光線に対して透明である元素半導体材料または化合物半導体材料で作成 されたフレネル形レンズ構造体を有する赤外光線レンズ。
2. ２．請求の範囲第１項において、赤外光線に対して透明な材料がシリコンである 、赤外光線レンズ。
3. ３．請求の範囲第１項において、赤外光線に対して透明な材料が元素／化合物の ゲルマニウム、ヒ素化ガリウム、リン化ガリウム、リン化インジウム、３元化合 物ＩＩＩ−Ｖ族半導体または４元化合物ＩＩＩ−Ｖ族半導体の中の１種または複 数種で構成される、赤外光線レンズ。
4. ４．請求の範囲第１項、第２項、または第３項のいずれかにおいて、赤外光線に 対して透明な材料の少なくとも一部分が単結晶である、赤外光線レンズ。
5. ５．請求の範囲第１項〜第４項のいずれかにおいて、光で制御されたエツチング 技術によつて赤外光線に対して透明な元素半導体材料または化合物半導体材料の ウエハの表面の中に要求されたレンズ構造体を作成する、赤外光線レンズの製造 法。
6. ６．請求の範囲第５項において、光で制御されるエツチング技術が光電気化学工 程を包含している、製造法。
7. ７．請求の範囲第５項において、光で制御されるエツチング技術が反応性ガス雰 囲気中で赤外光線に対して透明な材料をｕｖ光で制御されたまたはエキシマ・レ ーザで制御された光化学エツチングまたは「光分解」エツチングを包含している 、製造法。