JP2007094431A - Manufacturing method of semiconductor lens and semiconductor lens - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レンズの製造方法および半導体レンズに関するものである。 The present invention relates to a semiconductor lens manufacturing method and a semiconductor lens.
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。
Conventionally, a method for manufacturing a microlens mold using a conductive substrate and a method for manufacturing a microlens using the microlens mold have been proposed (see Patent Document 1). In
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。
In the method for manufacturing a microlens mold disclosed in
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１０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平凸型の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平凸型の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。
In the method of manufacturing a microlens mold disclosed in
また、従来から、半絶縁性のＧａＡｓ基板のような高抵抗（例えば、抵抗率が１０８Ωｃｍ程度）の半導体基板の一表面側にメサ形状に応じてパターン設計したマスク層を設けることなく陽極酸化技術を利用してメサ形状を形成する方法として、半導体基板の他表面側にメサ形状に応じて形状を設計した陽極（電極）を接触させ、その後、陽極と電解液中において半導体基板の上記一表面に対向配置した陰極との間に通電して酸化膜を形成する陽極酸化工程を行い、続いて、酸化膜をエッチング除去する酸化膜除去工程を行う方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。 Conventionally, an anode without providing a mask layer having a pattern designed in accordance with the mesa shape on one surface side of a semiconductor substrate having a high resistance (for example, a resistivity of about 10 8 Ωcm) such as a semi-insulating GaAs substrate. As a method for forming a mesa shape using an oxidation technique, an anode (electrode) whose shape is designed in accordance with the mesa shape is brought into contact with the other surface side of the semiconductor substrate, and then the above-mentioned semiconductor substrate in the anode and the electrolytic solution. A method has been proposed in which an anodic oxidation process is performed in which an oxide film is formed by energizing a cathode disposed opposite to one surface, followed by an oxide film removal process in which the oxide film is removed by etching (for example, a patent) Reference 2).
上記特許文献２に記載されたメサ形状の形成方法では、陽極酸化工程において陽極の形状や酸化膜の厚さなどによっ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、メサの側面の勾配が緩く、メサの側面と平坦面とが滑らかに連続したメサ形状を形成することができる。 In the mesa shape forming method described in Patent Document 2, the in-plane distribution of the current density of the current flowing through the semiconductor substrate is determined by the shape of the anode and the thickness of the oxide film in the anodizing step. A mesa shape in which the slope is gentle and the side surface and the flat surface of the mesa are smoothly continuous can be formed.
また、近年、周波数が０．３ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの電磁波、より広くは周波数が０．１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚの電磁波であるテラヘルツ波（ただし、後者の周波数帯の電磁波は、ミリ波、遠赤外線、赤外線を含んでいる）を利用する種々のテラヘルツ波応用機器が研究開発されている（例えば、特許文献３，４，５参照）。なお、テラヘルツ波を利用したテラヘルツ波応用機器としては、例えば、半導体、合成樹脂、薬剤などの物性を分析する分光分析装置や、入館検査、非破壊検査、非侵襲医療診断、環境計測などに用いるイメージング装置や、テラヘルツ帯通信、無線通信などに用いる通信装置などがある。
Further, in recent years, terahertz waves that are electromagnetic waves having a frequency of 0.3 THz to 10 THz, more broadly electromagnetic waves having a frequency of 0.1 THz to 100 THz (however, the electromagnetic waves in the latter frequency band include millimeter waves, far infrared rays, and infrared rays). Various terahertz wave applied devices utilizing the above have been researched and developed (see, for example,
ところで、上記特許文献３，４には、テラヘルツ波用の光学レンズとして、シリコン製のレンズを用いることが記載されており、上記特許文献３には、上記光学レンズを形成するにあたって、高抵抗のシリコン基板を研磨して形成することが記載されている。また、上記特許文献５には、テラヘルツ波の吸収および分散の少ない光学素子（例えば、透過型回折格子など）を形成するにあたって、抵抗率が１００Ωｃｍ以上の高抵抗シリコン基板を用いることが記載されている。
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、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平凸型の非球面レンズを形成することはできなかった。また、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、製造可能なマイクロレンズのレンズ径（＝２×ａ２）がｐ形シリコン基板１００の厚みで制限されてしまい、より大きなレンズ径のマイクロレンズを製造するには、厚みがより大きなｐ形シリコン基板１００を用いる必要があり、コストが高くなってしまう。
By the way, in the method for manufacturing a microlens mold disclosed in
また、上記特許文献１に記載されたｐ形シリコン基板１００への凹部１０１の形成方法を利用することで平凹型の半導体レンズを製造することも考えられるが、半導体レンズとして、凹曲面の曲率半径が一様な平凹型の球面レンズやシリンドリカルレンズしか形成することができず、非球面レンズを形成することはできなかった。また、このような半導体レンズの製造方法では、陽極酸化処理時に発生した気泡がマスク層の開孔部を通して脱離することとなるので、開孔部周辺に気泡が集まり、多孔質化の進行速度にばらつきが生じたり、多孔質化が停止したりして、結果的に所望の曲率半径の凹曲面を形成できないことがあった。
In addition, it is conceivable to manufacture a plano-concave semiconductor lens by using the method of forming the
そこで、上記特許文献２に記載の技術を半導体レンズの製造方法に適用することが考えられるが、陽極酸化工程において、形成された酸化膜の厚さの増加に伴って陽極と陰極との間の電位差が上昇し、例えば、半導体基板として厚さが４００μｍで抵抗率が１０８ΩｃｍのＧａＡｓ基板を用いた場合には１ｍＡ／ｃｍ２の定電流で酸化膜を形成した際に酸化膜の厚さが０．６μｍ程度でも上記電位差が４００Ｖもの高い値となってしまうので、陽極酸化工程と酸化膜除去工程とからなる基本工程を繰り返す必要があり、製造プロセスが複雑になるとともに、所望のレンズ形状の半導体レンズを製造するのが難しかった。 Then, although it is possible to apply the technique of the said patent document 2 to the manufacturing method of a semiconductor lens, in an anodic oxidation process, with the increase in the thickness of the formed oxide film, it is between an anode and a cathode. For example, when a GaAs substrate having a thickness of 400 μm and a resistivity of 10 8 Ωcm is used as the semiconductor substrate, the thickness of the oxide film is increased when the oxide film is formed with a constant current of 1 mA / cm 2. Since the potential difference becomes as high as 400 V even if the thickness is about 0.6 μm, it is necessary to repeat the basic process consisting of the anodizing process and the oxide film removing process, which complicates the manufacturing process and provides the desired lens shape. It was difficult to manufacture the semiconductor lens.
また、上記特許文献２に記載の技術では、陽極酸化工程において利用する陽極を高抵抗の半導体基板の上記他表面に押し当てて接触させているだけなので、半導体基板と陽極との接触抵抗が大きく、半導体基板と陽極との接触がショットキ接触となってしまい、電流密度の面内分布の制御性や再現性に問題があった。 Further, in the technique described in Patent Document 2, since the anode used in the anodizing process is merely pressed against and brought into contact with the other surface of the high-resistance semiconductor substrate, the contact resistance between the semiconductor substrate and the anode is large. The contact between the semiconductor substrate and the anode becomes a Schottky contact, and there is a problem in the controllability and reproducibility of the in-plane distribution of the current density.
また、上記特許文献３，４には、上述のようにテラヘルツ波用の光学レンズとしてシリコン製のレンズを用いることが記載されているが、上記特許文献３に開示されているようにシリコン基板を研磨して形成されるレンズは高価であるとともに、半球状のレンズが一般的であり非球面レンズの形成が困難であった。
Further, in
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、請求項１〜１０の主目的は、半導体基板の厚みによらず任意形状の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り、請求項１１〜１３の発明の主目的は、透過対象の電磁波がテラヘルツ波であり低コスト化が可能な所望のレンズ形状の半導体レンズを提供することにある。
The present invention has been made in view of the above reasons, and a main object of
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、半導体基板の一表面側に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備え、陽極形成工程では、陽極と半導体基板との接触がオーミック接触となるように陽極を形成し、陽極酸化工程では、電解液として、半導体基板の構成元素の酸化物をエッチング除去する溶液を用いるようにし、陽極酸化工程にて半導体基板の他表面側に照射する光の光量分布と、陽極形成工程にて形成する陽極と半導体基板との接触パターンとの少なくとも一方を所望のレンズ形状に応じて決定することにより、陽極酸化工程において半導体基板中に誘起されるホールの分布が所望のレンズ形状に応じた分布となるようにすることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、陽極酸化工程にて半導体基板の他表面側に照射する光の光量分布と、陽極形成工程にて形成する陽極と半導体基板との接触パターンとの少なくとも一方を所望のレンズ形状に応じて決定することにより、陽極酸化工程において半導体基板中に誘起されるホールの分布が所望のレンズ形状に応じた分布となるようにすることで、半導体基板の前記他表面側の多孔質部の形成に寄与するホールの供給量の面内分布が決まり、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から、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、しかも、陽極形成工程では、陽極と半導体基板との接触がオーミック接触となるように陽極を形成し、陽極酸化工程では、電解液として、半導体基板の構成元素の酸化物をエッチング除去する溶液を用いるので、所望の厚さ分布の多孔質部を１回の陽極酸化工程で容易に形成することができ、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、半導体基板の厚みによらず任意形状の半導体レンズを容易に形成することが可能になる。 According to the present invention, at least one of the light amount distribution of the light irradiated to the other surface side of the semiconductor substrate in the anodizing step and the contact pattern between the anode and the semiconductor substrate formed in the anode forming step has a desired lens shape. By determining according to the above, the distribution of holes induced in the semiconductor substrate in the anodic oxidation process becomes a distribution according to the desired lens shape, so that the porous portion on the other surface side of the semiconductor substrate Since the in-plane distribution of the supply amount of holes contributing to the formation of the electrode is determined and the in-plane distribution of the current density of the current flowing through the semiconductor substrate in the anodizing process is determined, the thickness of the porous part formed in the anodizing process It is possible to control the internal distribution and form a porous portion having a continuously varying thickness. In addition, in the anode forming step, the contact between the anode and the semiconductor substrate is an ohmic contact. In the anodic oxidation process, a solution for removing oxides of constituent elements of the semiconductor substrate by etching is used as the electrolytic solution in the anodic oxidation process. The semiconductor lens having a desired lens shape can be formed by removing the porous portion in the porous portion removing step, so that the semiconductor lens having an arbitrary shape can be formed regardless of the thickness of the semiconductor substrate. Can be easily formed.
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記陽極酸化工程では、前記通電時に前記半導体基板の前記他表面側に光源から光を照射するようにし、光源と前記半導体基板の前記他表面との間に、前記光量分布を形成するように設計したマスクを配置することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, in the anodic oxidation step, the other surface side of the semiconductor substrate is irradiated with light from the light source during the energization, and the light source and the other surface of the semiconductor substrate A mask designed to form the light quantity distribution is arranged between the two.
この発明によれば、前記陽極酸化工程では、前記半導体基板の前記他表面側の前記光量分布により前記多孔質部の形成に寄与するホールの供給量が決まるから、前記半導体基板の導電形や厚みなどによらず任意形状の半導体レンズを容易に形成することが可能になる。 According to the present invention, in the anodic oxidation step, the supply amount of holes contributing to the formation of the porous portion is determined by the light amount distribution on the other surface side of the semiconductor substrate. It is possible to easily form an arbitrarily shaped semiconductor lens regardless of the above.
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記陰極を前記マスクに兼用することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the cathode is also used as the mask.
この発明によれば、前記陰極と前記マスクとを別々に配置する場合に比べて前記陽極酸化工程を簡略化することができる。 According to the present invention, the anodic oxidation process can be simplified as compared with the case where the cathode and the mask are disposed separately.
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記陽極酸化工程では、前記通電時に前記半導体基板の前記他表面側に光源から光を照射するようにし、前記光量分布に応じて前記光源から前記半導体基板に照射する光を前記半導体基板の前記他表面上で走査し位置ごとに光強度を調節することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, in the anodic oxidation step, light is emitted from a light source to the other surface side of the semiconductor substrate during the energization, and from the light source according to the light quantity distribution The light applied to the semiconductor substrate is scanned on the other surface of the semiconductor substrate, and the light intensity is adjusted for each position.
この発明によれば、前記半導体基板の前記他表面側の位置ごとに光強度に応じて前記多孔質部の形成に寄与するホールの供給量が決まるから、前記半導体基板の導電形や厚みなどによらず任意形状の半導体レンズを容易に形成することが可能になる。また、前記陽極酸化工程において多孔質化を開始した後、多孔質化の終了前に光強度を低下させて前記多孔質部における前記半導体基板との境界付近の多孔度を低下させることにより、前記多孔質部を除去することで前記半導体基板において露出する表面からなるレンズ表面への微細な凹凸の形成を抑制することができ、レンズ表面がより平滑な半導体レンズを形成することが可能となるという利点がある。 According to this invention, since the supply amount of holes contributing to the formation of the porous portion is determined according to light intensity for each position on the other surface side of the semiconductor substrate, the conductivity type and thickness of the semiconductor substrate are determined. However, it is possible to easily form a semiconductor lens having an arbitrary shape. In addition, after the start of the porous formation in the anodizing step, by reducing the light intensity before the end of the porous formation to reduce the porosity near the boundary with the semiconductor substrate in the porous portion, By removing the porous portion, it is possible to suppress the formation of fine irregularities on the lens surface consisting of the exposed surface of the semiconductor substrate, and it becomes possible to form a semiconductor lens with a smoother lens surface. There are advantages.
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記陽極酸化工程では、前記光源としてレーザ光源を用い、前記光量分布に応じてレーザ光を前記半導体基板の前記他表面上で走査し位置ごとに光強度を調節することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention, in the anodic oxidation step, a laser light source is used as the light source, and laser light is scanned on the other surface of the semiconductor substrate according to the light amount distribution. It is characterized by adjusting the light intensity.
この発明によれば、前記光源としてレーザ光源を用いることにより、多孔質化に適した波長の光のみを照射することが可能となり、前記多孔質部における多孔度のばらつきを低減することができ、前記多孔質部除去工程において容易に除去可能な前記多孔質部を形成可能になるという利点がある。 According to this invention, by using a laser light source as the light source, it becomes possible to irradiate only light having a wavelength suitable for making porous, and variation in porosity in the porous portion can be reduced, There is an advantage that the porous part that can be easily removed in the porous part removing step can be formed.
請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記陽極酸化工程では、前記通電時に前記半導体基板の前記他表面側に光源から光を照射するようにし、前記光量分布に応じて前記光源から前記半導体基板に照射する光を前記半導体基板の前記他表面上で走査し位置ごとに光照射時間を調節することを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, in the anodic oxidation step, light is emitted from a light source to the other surface side of the semiconductor substrate during the energization, and from the light source according to the light amount distribution. The light irradiated to the semiconductor substrate is scanned on the other surface of the semiconductor substrate, and the light irradiation time is adjusted for each position.
この発明によれば、前記半導体基板の前記他表面側の位置ごとに光照射時間に応じて前記多孔質部の形成に寄与するホールの供給量が決まるから、前記半導体基板の導電形や厚みなどによらず任意形状の半導体レンズを容易に形成することが可能になる。 According to this invention, since the supply amount of holes contributing to the formation of the porous portion is determined according to the light irradiation time for each position on the other surface side of the semiconductor substrate, the conductivity type, thickness, etc. of the semiconductor substrate are determined. Regardless of this, it is possible to easily form a semiconductor lens having an arbitrary shape.
請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記陽極酸化工程では、前記通電時に前記半導体基板の前記他表面側に光源から光を照射するようにし、当該光源としてレーザ光源を用い、前記光量分布に応じてレーザ光を前記半導体基板の前記他表面上で走査し位置ごとに光照射時間を調節することを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect of the present invention, in the anodic oxidation step, the other surface side of the semiconductor substrate is irradiated with light from the light source during the energization, and a laser light source is used as the light source. Laser light is scanned on the other surface of the semiconductor substrate according to the light amount distribution, and the light irradiation time is adjusted for each position.
この発明によれば、前記光源としてレーザ光源を用いることにより、多孔質化に適した波長の光のみを照射することが可能となり、前記多孔質部における多孔度のばらつきを低減することができ、前記多孔質部除去工程において容易に除去可能な前記多孔質部を形成可能になるという利点がある。 According to this invention, by using a laser light source as the light source, it becomes possible to irradiate only light having a wavelength suitable for making porous, and variation in porosity in the porous portion can be reduced, There is an advantage that the porous part that can be easily removed in the porous part removing step can be formed.
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、前記半導体基板として抵抗率が１００Ωｃｍ以上のものを用いることを特徴とする。
The invention of claim 8 is characterized in that, in the invention of
この発明によれば、テラヘルツ波を透過対象とする任意形状の半導体レンズを形成することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to form a semiconductor lens having an arbitrary shape for transmitting a terahertz wave.
請求項９の発明は、請求項１ないし請求項７の発明において、前記半導体基板として導電形がｎ形のものを用いることを特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, in the first to seventh aspects of the present invention, the semiconductor substrate is of n type conductivity.
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の前記他表面側で光が照射されない領域ではホールが供給されず多孔質化が抑制されるから、多孔質化の不要な領域が多孔質化されるのを防止することができるとともに、前記半導体基板の抵抗率によらず任意形状の半導体レンズを形成することが可能となる。 According to this invention, in the region where light is not irradiated on the other surface side of the semiconductor substrate in the anodic oxidation step, holes are not supplied and porosity is suppressed. Can be prevented, and a semiconductor lens having an arbitrary shape can be formed regardless of the resistivity of the semiconductor substrate.
請求項１０の発明は、請求項１ないし請求項７の発明において、前記半導体基板として導電形がｐ形のものを用いることを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, in the first to seventh aspects of the invention, the semiconductor substrate is of a p-type conductivity type.
この発明によれば、前記半導体基板を多孔質化する際に光源からの光照射なしでホールを誘起させて多孔質化することができるので、前記半導体基板として導電形がｎ形のものを用いる場合に比べて、陽極酸化装置を簡略化することができ、低コスト化を図れる。 According to the present invention, when the semiconductor substrate is made porous, holes can be induced to become porous without light irradiation from a light source, so that the semiconductor substrate having n-type conductivity is used. Compared to the case, the anodizing apparatus can be simplified and the cost can be reduced.
請求項１１の発明は、透過対象の電磁波がテラヘルツ波である半導体レンズであって、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の製造方法により製造したことを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、透過対象の電磁波がテラヘルツ波であり低コスト化が可能な所望のレンズ形状の半導体レンズを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor lens having a desired lens shape that can reduce costs because the electromagnetic wave to be transmitted is a terahertz wave.
請求項１２の発明は、請求項１１の発明において、前記半導体基板としてシリコン基板を用いてなることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、前記半導体基板としてゲルマニウム基板を用いる場合に比べて、前記半導体基板の入手が容易になるとともに前記半導体基板のコストを低減できるので、低コスト化を図れる。 According to the present invention, compared with the case where a germanium substrate is used as the semiconductor substrate, the semiconductor substrate can be easily obtained and the cost of the semiconductor substrate can be reduced, so that the cost can be reduced.
請求項１３の発明は、請求項１２の発明において、前記シリコン基板は、抵抗率が１００Ωｃｍ以上のＦＺ結晶からなることを特徴とする。 According to a thirteenth aspect of the invention, in the twelfth aspect of the invention, the silicon substrate is made of an FZ crystal having a resistivity of 100 Ωcm or more.
この発明によれば、前記シリコン基板としてＣＺ結晶を用いる場合に比べて、透過波長帯域を広くすることができる。 According to the present invention, the transmission wavelength band can be widened as compared with the case where a CZ crystal is used as the silicon substrate.
請求項１の発明では、半導体基板の厚みによらず任意形状の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。 According to the first aspect of the invention, it is possible to easily form a semiconductor lens having an arbitrary shape regardless of the thickness of the semiconductor substrate.
請求項１１の発明では、透過対象の電磁波がテラヘルツ波であり低コスト化が可能な所望のレンズ形状の半導体レンズを提供することができるという効果がある。
According to the invention of
（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、シリコン基板からなる半導体基板１０（図１（ａ）参照）の一部を陽極酸化工程に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１４（図１（ｃ）参照）を除去してシリコンレンズからなる半導体レンズ１（図１（ｄ）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半導体レンズ１は、平凸型の非球面レンズである。なお、本実施形態では、半導体基板１０として導電形がｎ形のものを用いるようにしてあるが、半導体基板１０としては、不純物濃度が１×１０１９ｃｍ−３未満のものを用いるのが好ましい。
(Embodiment 1)
In this embodiment, as a semiconductor lens manufacturing method for manufacturing a semiconductor lens by removing a part of a semiconductor substrate, a part of a semiconductor substrate 10 (see FIG. 1A) made of a silicon substrate is made porous in an anodic oxidation process. Exemplified is a manufacturing method for manufacturing a semiconductor lens 1 (see FIG. 1 (d)) made of a silicon lens by removing the porous portion 14 (see FIG. 1 (c)) made of porous silicon formed by refining. To do. Here, the
以下、上述の半導体レンズ１の製造方法について図１（ａ）〜（ｄ）を参照しながら説明する。
Hereinafter, the manufacturing method of the
まず、図１（ａ）に示す半導体基板（後述のダイシングを行うまではウェハ）１０の一表面側（図１（ａ）における下面側）に後述の陽極酸化工程で利用する所定膜厚（例えば、１μｍ）の導電性層（例えば、Ａｌ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜など）からなる陽極１１を形成する陽極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、陽極形成工程では、例えばスパッタ法によって半導体基板１０の上記一表面上に導電性層を成膜した後、Ｎ２ガスおよびＨ２ガス雰囲気中で導電性層のシンタ（熱処理）を行うことにより半導体基板１０との接触がオーミック接触をなす陽極１１を形成する。なお、導電性層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。また、導電性層の材料もＡｌに限定するものではなく、半導体基板１０とオーミック接触が可能な材料であればよく、例えばＡｌを主成分とするＡｌ−Ｓｉなどを採用してもよい。また、導電性層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。
First, a predetermined film thickness (for example, used in an anodic oxidation process described later) on one surface side (a lower surface side in FIG. 1A) of the semiconductor substrate 10 (wafer until dicing described later is performed) 10 shown in FIG. A structure shown in FIG. 1B is obtained by performing an anode forming step of forming an
陽極形成工程の後、図１（ｃ）に示すように電解液Ｂ中で半導体基板１０の他表面側（図１（ｃ）における上面側）に対向配置される白金電極よりなる陰極２５と陽極１１との間に通電して半導体基板１０の他表面側に除去部位となる多孔質シリコンからなる多孔質部１４を形成する陽極酸化工程（陽極酸化処理）を行う。
After the anode forming step, as shown in FIG. 1 (c), the
ここにおいて、陽極酸化工程では、電解液Ｂとして、半導体基板１０の構成元素であるＳｉの酸化物であるＳｉＯ２をエッチング除去する溶液、例えば、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した混合液を用いているが、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、フッ化水素水溶液と混合する液体もエタノールに限らず、メタノール、プロパノール、イソプロパノール（ＩＰＡ）などのアルコールなど、陽極酸化反応で発生した気泡を除去できる液体であれば、特に限定するものではない。また、陽極酸化工程では、電解液Ｂ中において半導体基板１０の上記他表面に陰極２５を対向配置して、５００Ｗのタングステンランプからなる光源３０により半導体基板１０の上記他表面に光照射を行いながら、電源から陽極１１と陰極２５との間に所定電流密度の電流を所定時間だけ流すことによって、多孔質部１４を形成する。なお、光源３０は、半導体基板１０が光吸収により電子・ホール対を生成できる波長の光を放射するものであればよく、特に限定するものではない。陽極酸化工程において用いる陽極酸化装置については、例えば、電解液Ｂを入れる処理槽と、陰極２５と、陽極１１と陰極２５との間に電圧を印加する電圧源と、電圧源から陽極１１に流れる電流を検出する電流センサと、電流センサの検出電流に基づいて電圧源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とを備えたものを用いればよい。
Here, in the anodic oxidation step, as the electrolytic solution B, a solution for removing SiO 2 that is an oxide of Si that is a constituent element of the
ここで、半導体基板１０の一部を陽極酸化工程において多孔質化する際には、光源３０からの光照射により電子・ホール対が発生するので、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＋→ＳｉＦ２＋２Ｈ＋＋ｎｅ−
ＳｉＦ２＋２ＨＦ→ＳｉＦ４＋Ｈ２
ＳｉＦ４＋２ＨＦ→ＳｉＨ２Ｆ６
すなわち、半導体基板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、陽極酸化工程では、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、半導体基板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。
Here, when a part of the
Si + 2HF + (2-n) h + → SiF 2 + 2H + + ne −
SiF 2 + 2HF → SiF 4 + H 2
SiF 4 + 2HF → SiH 2 F 6
That is, in the anodic oxidation of the
ところで、本実施形態では、陽極酸化工程において図１（ｃ）に示したように半導体基板１０の上記他表面側に対向配置される陰極２５が、半導体基板１０の上記他表面に所望のレンズ形状に応じた光量分布（光強度分布）を形成するように設計されて光源３０と半導体基板１０の上記他表面との間に配置されるマスクを構成するようにパターン設計されている。したがって、言い換えれば、陽極酸化工程においては、光源３０と半導体基板１０の上記他表面との間に、上記他表面に所望のレンズ形状に応じた光量分布を形成するように設計したマスクを兼ねる陰極２５を配置し、光源３０から半導体基板１０の上記他表面側へ光を照射しながら陽極１１と陰極２５との間に通電している。要するに、本実施形態では、陽極酸化工程にて半導体基板１０の上記他表面側に照射する光の光量分布を所望のレンズ形状に応じて決定することにより、陽極酸化工程において半導体基板１０中に誘起されるホールの分布が所望のレンズ形状に応じた分布となるようにしている。なお、図１における陰極２５は、上記レンズ形状に応じてパターン設計された円環状の開孔部が形成されており、図１には光源３０から放射され陰極２５の開孔部を通って半導体基板１０の上記他表面側へ伝搬する光の広がり範囲を一点鎖線で示してある。
By the way, in this embodiment, as shown in FIG. 1C, the
上述の陽極酸化工程の終了後、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、多孔質シリコンからなる多孔質部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、ＴＭＡＨなどの水溶液）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、Ａｌ膜やＡｌ−Ｓｉ膜により形成されている陽極１１もエッチング除去することができ、図１（ｄ）に示す構造の半導体レンズ１を得ることができるので、その後、個々の半導体レンズ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１１を除去する陽極除去工程とを別々に行ってもよい。また、多孔質シリコンからなる多孔質部１４を除去する多孔質部除去工程においてエッチング液としてアルカリ系溶液を用いる場合には、エッチング液を加熱せずに室温でも多孔質部１４をエッチング除去することができる。
After the above-described anodic oxidation step is completed, a porous portion removing step for removing the
以上説明した本実施形態の半導体レンズ１の製造方法によれば、陽極酸化工程において、半導体基板１０の上記他表面側に光源３０から光を照射するにあたって、光源３０と半導体基板１０の上記他表面との間に、上記他表面に所望のレンズ形状に応じた光量分布を形成するように設計したマスクを兼ねる陰極２５を配置するので、半導体基板１０の上記他表面側の光量分布により多孔質部１４の形成に寄与するホールの供給量の面内分布が決まり、半導体基板１０に流れる電流の電流密度の面内分布が決まるから、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半導体レンズ１が形成されるから、半導体基板１０の厚みによらずレンズ径や曲率などを適宜設計した任意形状の半導体レンズ１を容易に形成することが可能になる。例えば、半導体レンズ１として図２（ｂ）に示すような平凹型のレンズを形成する場合には、図２（ａ）に示すようにマスクを兼ねる陰極２５の開孔部を円形状の形状として多孔質部１４を形成してから、当該多孔質部１４および陽極１１を除去すればよく、上記開孔部の内径を適宜設定することにより、所望のレンズ径の平凹型のレンズを形成できる。
According to the manufacturing method of the
また、本実施形態のように、光源３０としてタングステンランプを用いる場合には、陽極酸化工程において多孔質化を開始した後、多孔質化の終了前に例えば光源３０への入力電力を下げたりフィルタを挿入したりすることで光強度を低下させて多孔質部１４における半導体基板１０との境界付近の多孔度を低下させる（ポア径を小さくして緻密な多孔質構造とする）ことにより、多孔質部１４を除去することで半導体基板１０において露出する表面からなるレンズ表面への微細な凹凸の形成を抑制することができ、レンズ表面がより平滑な半導体レンズ１を形成することが可能となり、結果として、半導体レンズ１のレンズ表面の微細な凹凸に起因した光の乱反射を抑制することができ、レンズ性能の向上を図れる。
In the case where a tungsten lamp is used as the
また、上述の製造方法により製造する半導体レンズ１では、図３および図４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り、例えば、図３および図４に示す構成の赤外線センサのパッケージ５０への取り付けが容易になる。以下、図３および図４に示す構成の赤外線センサについて簡単に説明する。
Further, in the
ここで、図３および図４に示す赤外線センサは、熱型赤外線検出素子（例えば、焦電素子、サーモパイルなど）からなる赤外線検出素子６１および赤外線検出素子６１の出力を信号処理する信号処理回路が設けられた回路ブロック６０と、回路ブロック６０を収納するキャンパッケージからなるパッケージ５０とを備えている。
Here, the infrared sensor shown in FIGS. 3 and 4 includes an
パッケージ５０は、回路ブロック６０が絶縁材料からなるスペーサ７１を介して実装される円板状のステム５１と、回路ブロック６０を覆うようにステム５１に固着される金属製のキャップ５２とを備え、回路ブロック６０の適宜部位と電気的に接続される複数本（本実施形態では、３本）の端子ピン５５がステム５１を貫通する形で設けられている。また、キャップ５２は、後面が開放された有底円筒状の形状に形成されており、後面がステム５１により閉塞されている。また、キャップ５２において赤外線検出素子６１の前方に位置する前壁には、矩形状（本実施形態では、正方形状）の透光窓５３が形成されており、赤外線検出素子６１の受光面へ赤外線を集光する光学部材として、上述の半導体レンズ１が透光窓５３を覆うようにキャップ５２の内側から配設されている。
The
ステム５１は、上述の各端子ピン５５それぞれが挿通される複数の端子用孔５１ｂが厚み方向に貫設されており、各端子ピン５５が端子用孔５１ｂに挿通された形で封止部５４により封着されている。
In the
上述のキャップ５２およびステム５１は鋼板により形成されており、ステム５１の周部に形成されたフランジ部５１ｃに対して、キャップ５２の後端縁から外方に延設された外鍔部５２ｃを溶接により封着してある。
The
回路ブロック６０は、上述の信号処理回路の構成要素であるＩＣ６３および電子部品６４が互いに異なる面に実装されたプリント配線板（例えば、コンポジット銅張積層板など）からなる第１の回路基板６２と、第１の回路基板６２における電子部品６４の実装面側に積層された樹脂層６５と、ガラスエポキシなどからなる絶縁性基材の表面に金属材料（例えば、銅など）からなる金属層（以下、シールド層と称す）が形成され樹脂層６５に積層されたシールド板６６と、赤外線検出素子６１が実装されるとともにシールド板６６に積層されたプリント配線板（例えば、コンポジット銅張積層板）からなる第２の回路基板６７とで構成されている。
The
ここにおいて、第２の回路基板６７には、赤外線検出素子６１のセンシングエレメントと第２の回路基板６７とを熱絶縁するための熱絶縁用孔６７ａが厚み方向に貫設されている。なお、回路ブロック６０は、第１の回路基板６２、樹脂層６５、シールド板６６、第２の回路基板６７それぞれに、上述の端子ピン５５が挿通されるスルーホール６２ｂ，６５ｂ，６６ｂ，６７ｂが厚み方向に貫設されており、赤外線検出素子６１と信号処理回路とが端子ピン５５とを介して電気的に接続されている。なお、上述の赤外線センサの３本の端子ピン５５は、１本が給電用の端子ピン５５（５５ａ）、他の１本が信号出力用の端子ピン５５（５５ｂ）、残りの１本がグランド用の端子ピン５５（５５ｃ）であり、シールド板６６におけるシールド層はグランド用の端子ピン５５ｃと電気的に接続されている。ここで、端子ピン５５ａ，５５ｂを封着する封止部５４，５４（５４ａ，５４ｂ）は、絶縁性を有する封着用のガラスにより形成されており、端子ピン５５ｃを封着する封止部５４（５４ｃ）は、金属材料により形成されている。要するに、端子ピン５５ａ，５５ｂはステム５１と電気的に絶縁されているのに対し、グランド用の端子ピン５５ｃはステム５１と同電位となっている。
Here, in the
また、半導体レンズ１は、レンズ部１ａが、平凸型の非球面レンズの形状に形成されており、レンズ部１ａ以外の部位であるベース部１ｂの外周形状が矩形状に形成されている。また、半導体レンズ１は、透光窓５３の内側に位置するレンズ部１ａ以外の部位であるベース部１ｂを通して赤外線検出素子６１の受光面へ入射しようとする赤外線を阻止する赤外線阻止部１ｄが設けられている。ここで、赤外線阻止部１ｄは、金属材料（例えば、Ａｌ，Ａｌ−Ｓｉなど）からなる赤外線反射膜により構成してあるが、当該赤外線反射膜の材料は、ＡｌやＡｌ−Ｓｉなどに限らず、薄膜形成時に光沢があり凹凸を小さくできる材料であればよく、特に、赤外線の反射率が０．９よりも高いＡｕ、Ａｇ、Ａｌなどの金属材料や、これらの金属材料を主成分とする材料を採用することが好ましい。また、赤外線阻止部１ｄを構成する赤外線反射膜としては、誘電体膜や、誘電体多層膜を採用してもよい。なお、赤外線阻止部１ｄは、赤外線を反射する赤外線反射膜に限らず、赤外線を散乱させる機能を有する膜により構成してもよい。
In the
上述の半導体レンズ１を用いた赤外線センサでは、キャップ５２の透光窓５３内にレンズ部１ａを配置した状態でフランジ部１ｂをキャップ５２の前壁の後面における透光窓５３の周部と固着することができるので、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に比べて、パッケージ５０へ容易に取り付けることが可能となる。
In the infrared sensor using the
また、上述の半導体レンズ１を用いた赤外線センサでは、レンズ部１ａ以外の部位であるベース部１ｂを通して赤外線検出素子６１へ入射しようとする赤外線を赤外線阻止部１ｄにより阻止することが可能となり、レンズ部１ａの形状などにより決まる検知エリア以外からの不要な赤外線の赤外線検出素子６１への入射を防止することができ、赤外線検出素子６１の感度を高めることが可能となる。また、上述の赤外線センサでは、半導体レンズ１とキャップ５２とを接合する接合材料として導電性材料（例えば、半田など）を用い、半導体レンズ１とキャップ５２と電気的に接続することで電磁シールドを行うことができ、赤外線検出素子６１への電磁ノイズの影響を防止できる。
Further, in the infrared sensor using the
ところで、上述の赤外線センサでは、キャップ５２の透光窓５３を矩形状に開口してあるが、キャップ５２の透光窓５３を円形状に開口しておき、半導体レンズ１をレンズ部１ａのみにより構成して透光窓５３へ落とし込んでキャップ５２と半導体レンズ１とを接着することも考えられる。しかしながら、このような構成を採用する場合には、透光窓５３へ半導体レンズ１を落とし込む際に半導体レンズ１の光軸に直交する平面がキャップ５２の前壁に対して傾いてしまい、半導体レンズ１と赤外線検出素子６１との平行度が出なくなり、半導体レンズ１の集光点が赤外線検出素子６１からずれてしまう可能性がある。
By the way, in the above-mentioned infrared sensor, the
これに対して、図３及び図４に示した構成の赤外線センサでは、上述のようにキャップ５２において半導体レンズ１のベース部１ｂを落とし込む透光窓５３の開口形状を、各辺がベース部１ｂの各辺よりも短く且つレンズ部１ａのレンズ径よりも大きな正方形状としてあり、半導体レンズ１のベース部１ｂの周部において他の部位よりも薄肉に形成された鍔部１ｃをキャップ５２の前壁の後面に当接させた形でベース部１ｂの周部を上記接合材料からなる接合部５８を介してキャップ５２に固着してある。したがって、半導体レンズ１と赤外線検出素子６１との平行度を高めることができ、半導体レンズ１の集光点が赤外線検出素子６１からずれるのを防止することができる。
On the other hand, in the infrared sensor having the configuration shown in FIGS. 3 and 4, the opening shape of the
ところで、上記特許文献２に記載された技術のように陽極酸化工程において除去部位である酸化膜を形成する技術を利用した場合、数十μｍの高低差を有する曲面を形成するためには陽極酸化工程と酸化膜除去工程とを繰り返す必要があり、所望のレンズ形状を得ることが難しい。これに対して、本実施形態の半導体レンズ１の製造方法では、数百μｍの高低差を有する曲面を１回の陽極酸化工程と１回の多孔質部除去工程とで形成することができるので、一般的にマイクロレンズと呼ばれるレンズ径が数百μｍ以下のレンズに限らず、レンズ径が数ｍｍ程度のレンズでも１回の陽極酸化工程と１回の多孔質部除去工程とを形成することができる。
By the way, when a technique for forming an oxide film as a removal site in the anodizing process as in the technique described in Patent Document 2 is used, anodization is used to form a curved surface having a height difference of several tens of μm. It is necessary to repeat the process and the oxide film removing process, and it is difficult to obtain a desired lens shape. In contrast, in the method for manufacturing the
また、本実施形態の半導体レンズ１の製造方法では、陽極酸化工程において半導体基板１０の上記他表面側で光が照射されない領域ではホールが供給されず多孔質化が抑制されるから、言い換えれば、半導体基板１０の上記他表面側で光が照射される領域が選択的に多孔質化されるから、多孔質化の不要な領域が多孔質化されるのを防止することができ、プロセス時間の短縮を図れ、低コスト化を図れる。また、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陽極１１をパターニングするような工程も必要ないから、より一層の低コスト化を図れる。
Further, in the method of manufacturing the
また、本実施形態では、陰極２５を上記マスクとして兼用しているので、陰極２５と上記マスクとを別々に配置する場合に比べて陽極酸化工程を簡略化することができる。
In the present embodiment, since the
（実施形態２）
本実施形態の半導体レンズの製造方法は実施形態１と略同じであって、実施形態１では陽極酸化工程において、光源３０としてタングステンランプを用いており、マスクを兼ねる陰極２５を利用して半導体基板１０の上記他表面側に光量分布（光強度分布）を形成していたのに対して、図５に示すように光源３０として単色光のレーザ光源を用い、所望のレンズ形状（ここでは、平凹型のレンズ形状）に応じてレーザ光を半導体基板１０の上記他表面上で走査し位置ごとに光強度を調節するようにしている点が相違する。ここで、本実施形態における陽極酸化工程においては、半導体レンズの所望のレンズ形状に応じて個別に設計した陰極２５（図１（ｃ）参照）を用意する必要がなく、半導体レンズの所望のレンズ形状によらず、共通の陰極を利用することができ、低コスト化を図れる。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。
(Embodiment 2)
The manufacturing method of the semiconductor lens of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment. In the first embodiment, a tungsten lamp is used as the
しかして、本実施形態の半導体レンズの製造方法によれば、陽極酸化工程において、半導体基板１０の上記他表面側に光源３０から光を照射するにあたって、光源３０としてレーザ光源を用い、半導体基板１０中に誘起されるホールの分布が所望のレンズ形状に応じた分布となるように決めた半導体基板１０の上記他表面側での光量分布に応じてレーザ光を半導体基板１０の上記他表面上で走査し位置ごとに光強度を調節するので、半導体基板１０の上記他表面側の位置ごとに光強度に応じて多孔質部１４の形成に寄与するホールの供給量が決まるから、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例えば図５のように制御することでき、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半導体レンズが形成されるから、半導体基板１０の厚みや抵抗率などによらずレンズ径や曲率などを適宜設計した任意形状の半導体レンズを容易に形成することが可能になる。
Thus, according to the method of manufacturing a semiconductor lens of the present embodiment, when irradiating light from the
ところで、本実施形態では、光源３０としてレーザ光源を用いているが、光源３０として例えばタングステンランプのような光源を用い、光源３０から半導体基板１０の上記他表面側に照射する光を適宜の光学系を利用して走査するようにしてもよい。ただし、本実施形態のように、光源３０としてレーザ光源を用いることにより、多孔質化に適した単一の波長の光（単色光）のみを光強度を制御しながら照射することが可能となり、光源３０としてタングステンランプのような紫外域から赤外域に亘るブロードな発光スペクトルの光源を用いる場合に比べて、多孔質部１４に形成される多数のポアのポア径を揃えやすくなるとともに多孔度の均一性を高めやすくなり、多孔質部１４における多孔度のばらつきを低減することができ、多孔質部除去工程において容易に除去可能な多孔質部１４を形成可能になるという利点がある。
By the way, in the present embodiment, a laser light source is used as the
また、本実施形態のように、光源３０としてレーザ光源を用いる場合には、陽極酸化工程において多孔質化を開始した後、多孔質化の終了前に光強度を低下させて多孔質部１４における半導体基板１０との境界付近の多孔度を低下させる（ポア径を小さくして緻密な多孔質構造とする）ことにより、多孔質部１４を除去することで半導体基板１０において露出する表面からなるレンズ表面への微細な凹凸の形成をより抑制することができ、レンズ表面がより平滑なシリコンレンズを形成することが可能となり、結果として、半導体レンズのレンズ表面の微細な凹凸に起因した光の乱反射を抑制することができ、レンズ性能の向上を図れる。
Further, in the case where a laser light source is used as the
なお、図５に示した例では、光源３０から放射されたレーザ光を光学部品を介さずに図示しない電解液を通して半導体基板１０の上記他表面側に照射しているが、図６に示すようにレンズ３５を用いてビーム径を制御するようにしてもよい。また、上述の例では光源３０からの光を半導体基板１０の上記他表面上で走査し位置ごとに光強度を調節することで半導体基板１０に照射される光の光量分布を形成しているが、光強度ではなく光照射時間を調整することで半導体基板１０に照射される光の光量分布を形成するようにしてもよく、この場合には、光照射時間に応じて多孔質部１４の形成に寄与するホールの供給量が決まることになり、半導体基板１０の厚みによらず任意形状の半導体レンズを容易に形成することが可能になる。
In the example shown in FIG. 5, the laser beam emitted from the
ところで、上記各実施形態１，２では、半導体基板１０としてシリコン基板を採用しているが、半導体基板１０の材料はＳｉに限らず、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の材料でもよく、導電形もｎ形に限らず、ｐ形でもよい。ここで、陽極酸化工程において用いる電解液であって半導体基板１０の構成元素の酸化物を除去する電解液としては、例えば、下記表１のような電解液を用いればよい。
In each of the first and second embodiments, a silicon substrate is used as the
（実施形態３）
図７に基づいて説明する本実施形態の半導体レンズ１の製造方法は実施形態１と略同じなので、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。なお、本実施形態では、半導体基板１０として導電形がｐ形で抵抗率が８０Ωｃｍのシリコン基板を用いている。
(Embodiment 3)
Since the manufacturing method of the
まず、図７（ａ）に示す半導体基板（後述のダイシングを行うまではウェハ）１０の一表面側（図７（ａ）の下面側）に後述の陽極酸化工程で利用する陽極１１（図７（ｃ）参照）の基礎となる所定膜厚（例えば、１μｍ）の導電性膜（例えば、Ａｌ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜など）からなる導電性層１１ａを形成する導電性層形成工程を行うことによって、図７（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半導体基板１０の上記一表面上に導電性層１１ａを成膜した後、Ｎ２ガスおよびＨ２ガス雰囲気中で導電性層１１ａのシンタ（熱処理）を行うことで、導電性層１１ａと半導体基板１０とのオーミック接触を得ている。なお、導電性層１１ａ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。
First, an anode 11 (FIG. 7) used in an anodic oxidation process described later on one surface side (a lower surface side of FIG. 7A) of the semiconductor substrate (wafer until dicing described later) 10 shown in FIG. Performing a conductive layer forming step of forming a
導電性層形成工程の後、導電性層１１ａに円形状の開孔部１２を設けるように導電性層１１ａ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７（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半導体基板１０の上記一表面側に上記開孔部１２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１１ａ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１２を設けることにより導電性層１１ａの残りの部分からなる陽極１１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１１ａがＡｌ膜やＡｌ−Ｓｉ膜であれば、導電性層１１ａ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１１ａ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、陽極形成工程を構成しており、陽極形成工程にて形成する陽極１１と半導体基板１０との接触パターンを所望のレンズ形状に応じて決定することにより、陽極酸化工程において半導体基板１０中に誘起されるホールの分布が所望のレンズ形状に応じた分布となるようにしている。なお、円形状の開孔部１２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、半導体レンズ１のレンズ径の設計値に基づいて適宜設定すればよい。
After the conductive layer forming step, a patterning step for patterning the
パターニング工程の後、図７（ｄ）に示すように、陽極酸化用の電解液Ｂ中で半導体基板１０の他表面側（図７（ｄ）の上面側）に対向配置される陰極２５と陽極１１との間に電圧源３１から通電して半導体基板１０の上記他表面側に除去部位となる多孔質シリコンからなる多孔質部１４を形成する陽極酸化工程（陽極酸化処理）を行う。ここで、本実施形態のように半導体基板１０としてｐ形のシリコン基板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、半導体基板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、陽極１１と半導体基板１０の上記他表面側において半導体レンズ１の中心に対応する位置（以下、第１の位置と称す）との間の距離が、陽極１１と半導体基板１０の上記他表面側における陽極１１の鉛直上方の位置（以下、第２の位置と称す）との間の距離よりも長くなるので、陽極１１と第１の位置との間の抵抗値Ｒａが、陽極１１と第２の位置との間の抵抗値Ｒｂよりも大きくなる。したがって、半導体基板１０中を流れる電流の電流密度は、陽極１１と第１の位置との間の経路よりも、陽極１１と第２の位置との間の経路の方が大きくなり、半導体基板１０の上記他表面側では、陽極１１の開孔部１２の中心線（半導体基板１０の厚み方向に沿った中心線）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、半導体基板１０の上記他表面側に形成される多孔質部１４は、陽極１１の開孔部１２の中心線に近くなるほど徐々に薄くなっている。なお、上述の電流密度の面内分布は、陽極１１と陰極２５との間に通電しているときに陽極１１と半導体基板１０との接触パターンなどにより決まる半導体基板１０内の電界強度の分布に応じて発生し、電界強度が強いほど電流密度が大きくなり、電界強度が弱いほど電流密度が小さくなる。
After the patterning step, as shown in FIG. 7 (d), the
上述の陽極酸化工程の終了後、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、多孔質シリコンからなる多孔質部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、ＴＭＡＨなどの水溶液）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、Ａｌ膜やＡｌ−Ｓｉ膜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７（ｅ）に示す構造の半導体レンズ１を得ることができるので、その後、個々の半導体レンズ１に分離するダイシング工程を行えばよい。
After the above-described anodic oxidation step is completed, a porous portion removing step for removing the
以上説明した本実施形態の半導体レンズ１の製造方法によれば、陽極形成工程にて形成する陽極１１と半導体基板１０との接触パターンにより陽極酸化工程において半導体基板１０の上記他表面側に誘起されるホールの分布が決まり、半導体基板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半導体レンズ１が形成されるから、半導体基板１０の厚みによらず任意形状の半導体レンズ１を容易に形成することが可能になる。
According to the manufacturing method of the
ここにおいて、本実施形態における陽極形成工程では、半導体基板１０の上記一表面側に陽極１１の基礎となる導電性層１１ａを形成した後、導電性層１１ａに円形状の開孔部１２を設けるように導電性層１１ａをパターニングすることで陽極１１を形成しているので、陽極酸化工程において半導体基板１０の上記他表面側では半導体基板１０に流れる電流の電流密度が、陽極１１（導電性層１１ａ）の開孔部１２の中心線に近づくほど小さくなる面内分布となるから、半導体基板１０の上記他表面側では陽極１１の開孔部１２の中心線に近づくほど多孔質部１４の厚みが薄くなり、半導体レンズ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半導体レンズ１の光軸は半導体基板１０の厚み方向に沿った開孔部１２の中心線（口軸）と一致する。
Here, in the anode forming step in this embodiment, after forming the
ところで、上述の半導体レンズ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、半導体基板１０と陰極２５との間の距離、陰極２５の平面形状（半導体基板１０に対向配置した状態において半導体基板１０に平行な面内での形状）、陽極１１における円形状の開孔部１２の内径などを適宜設定することによっても、レンズ形状を制御することができる。
By the way, in the manufacturing method of the
ここにおいて、半導体基板１０の抵抗率が小さいほど、曲率半径の大きな緩やかな曲面を有する半導体レンズ１を形成することができ、抵抗率が大きいほど、曲率半径が小さく焦点距離が短い半導体レンズ１を形成できる。また、半導体基板１０の厚みが薄いほど曲率半径が小さく焦点距離が短い半導体レンズ１を形成することができ、厚みが厚いほど曲率半径の大きな緩やかな曲面を有する半導体レンズ１を形成することができる。
Here, the
また、その他に、レンズ形状を制御するパラメータとして、陽極酸化工程における陽極酸化の処理時間（上記所定時間）があり、処理時間が長く多孔質部１４の厚みが厚くなるほど、多孔質部１４において厚い部分の厚さと薄い部分の厚さとの差が大きくなって曲率半径の小さな曲面を形成でき、処理時間が短く多孔質部１４の厚みが薄くなるほど、多孔質部１４において厚い部分の厚さと薄い部分の厚さとの差が小さくなって曲率半径の大きな曲面を形成できる。
In addition, as a parameter for controlling the lens shape, there is an anodizing process time (the above-mentioned predetermined time) in the anodizing process. The longer the processing time is, the thicker the
また、上述の陽極酸化工程では、実施形態１にて説明した制御部において電流センサ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半導体基板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を除去した後の半導体レンズ１の表面をより滑らかな表面とすることが可能となる。要するに、上記通電時には除去部位である多孔質部１４における表面側の部分の多孔度よりも半導体基板１０との境界側の部分の多孔度を小さくするように通電条件を変化させるようにすれば、多孔質部１４における半導体基板１０との境界側の部分の多孔度が表面側の部分の多孔度に比べて小さくなって、多孔質部１４を除去する際の曲面への微細な凹凸の形成を抑制することができ、より滑らかな曲面を有する半導体レンズ１を形成することが可能となる。
In the anodizing step described above, the control unit described in the first embodiment controls the output voltage of the
なお、本実施形態では、半導体基板１０としてｐ形のシリコン基板を用いた場合について説明したが、ｎ形のシリコン基板を用いる場合には、陽極酸化工程において、半導体基板１０の上記他表面側の全域に光源からの光を照射することでホールを誘起させて多孔質化を行えばよい。
In this embodiment, the case where a p-type silicon substrate is used as the
（実施形態４）
本実施形態の半導体レンズ１の製造方法は実施形態３と略同じであって、半導体基板１０としてＦＺ結晶（ＦＺ法により製造されたシリコン単結晶）からなる高抵抗率（例えば、抵抗率が１００Ωｃｍ以上、好ましくは、数十ｋΩｃｍ以上）のシリコン基板を用いる点が相違するだけなので、図示および説明を省略する。
(Embodiment 4)
The manufacturing method of the
ところで、実施形態１，２では、半導体基板１０として、ｎ形不純物をドーピングしたｎ形のシリコン基板を用い、実施形態３では、半導体基板１０として、ｐ形不純物をドーピングしたｐ形のシリコン基板を用いているので、人体から放射される赤外線の波長域（８μｍ〜１２μｍ程度）に対しては、透過率の高い半導体レンズ１を製造することができるが、テラヘルツ波の波長域の電磁波に対して透過率の高い半導体レンズ１を製造することができなかった。
In the first and second embodiments, an n-type silicon substrate doped with n-type impurities is used as the
参考資料として、シリコン基板の抵抗率の相違による透過特性の違いについてインターネット上で開示されているデータ例を図８に示す（〔平成１８年７月２７日検索〕、インターネット＜ＵＲＬ：http:www.tydex.ru/materials/materials2/Si.html＞）。ここで、図８中の「イ」は、抵抗率が３０ｋΩｃｍのＦＺ結晶からなるシリコン基板の透過特性を示し、同図中の「ロ」は、抵抗率が１０ΩｃｍのＦＺ結晶からなるｎ形シリコン基板および抵抗率が１０ΩｃｍのＣＺ結晶（ＣＺ方により製造されたシリコン単結晶）からなるｎ形シリコン基板の透過特性を示している。 As a reference material, FIG. 8 shows an example of data disclosed on the Internet regarding a difference in transmission characteristics due to a difference in resistivity of a silicon substrate ([searched on July 27, 2006], Internet <URL: http: www .tydex.ru / materials / materials2 / Si.html>). Here, “A” in FIG. 8 indicates the transmission characteristics of a silicon substrate made of FZ crystal having a resistivity of 30 kΩcm, and “B” in the same drawing indicates n-type silicon made of FZ crystal having a resistivity of 10 Ωcm. The transmission characteristics of an n-type silicon substrate composed of a substrate and a CZ crystal having a resistivity of 10 Ωcm (a silicon single crystal manufactured by the CZ method) are shown.
図８から、抵抗率が低いＦＺ結晶やＣＺ結晶からなるｎ形のシリコン基板では、４００μｍ〜１０００μｍの波長域の電磁波に対する透過率が１０％以下となるのに対して、抵抗率の高いＦＺ結晶からなるシリコン基板では、同じ波長域の電磁波に対する透過率が５３％程度であり、反射防止膜を設けていない場合に媒質での吸収がない理想的な透過率と同等の透過率が得られている。 From FIG. 8, the n-type silicon substrate made of FZ crystal or CZ crystal having low resistivity has a transmittance of 10% or less for electromagnetic waves in the wavelength region of 400 μm to 1000 μm, whereas FZ crystal with high resistivity. The silicon substrate made of the material has a transmittance of about 53% for electromagnetic waves in the same wavelength region, and when the antireflection film is not provided, a transmittance equivalent to an ideal transmittance without absorption in the medium is obtained. Yes.
しかして、本実施形態の半導体レンズ１の製造方法によれば、透過対象の電磁波がテラヘルツ波であり低コスト化が可能な所望のレンズ形状の半導体レンズ１を提供することが可能となる。なお、実施形態１，２にて説明した半導体レンズ１の製造方法においても、半導体基板１０として高抵抗率のシリコン基板を用いることにより、透過対象の電磁波がテラヘルツ波であり低コスト化が可能な所望のレンズ形状の半導体レンズ１を提供することが可能となる。また、本実施形態では、半導体基板１０として、ＦＺ結晶からなる高抵抗率のシリコン基板を用いているので、ＣＺ結晶を用いる場合に比べて、より広い波長帯域に亘って透過率が高く、テラヘルツ波のエネルギ損失が小さな半導体レンズ１を製造することができる。
Therefore, according to the manufacturing method of the
また、本実施形態では、半導体基板１０として抵抗率の高いものを用いているので、曲率半径が小さく焦点距離の短い半導体レンズ１を容易に製造することができるから、隣り合う単レンズが互いに重なりあったマルチレンズを製造する場合には、マルチレンズ全体の小型化を図れる。
In this embodiment, since the
なお、本実施形態や実施形態１〜３では、半導体基板１０としてシリコン基板を用いているので、半導体基板１０としてゲルマニウム基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板などを用いる場合に比べて、半導体基板１０の入手が容易になるとともに半導体基板１０のコストを低減できるので、低コスト化を図れる。
In the present embodiment and
ここで、上述の半導体レンズ１の製造方法により製造した半導体レンズ１を用いたテラヘルツ波応用機器の一例として、図９に示す構成のイメージングシステムについて簡単に説明する。
Here, as an example of a terahertz wave application device using the
図９に示す構成のイメージングシステムは、テラヘルツ波を放射する波長可変のテラヘルツ波発生源（テラヘルツ波光源）８１と、テラヘルツ波発生源８１から放射されたテラヘルツ波を被測定物９０に集光する半導体レンズ１からなる投光レンズ８２と、被測定物９０を保持し被測定物９０を投光レンズ８２の光軸に交差する面内で２次元的に移動させるＸＹステージ８３と、被測定物９０にて反射されたテラヘルツ波を受光するテラヘルツ波検出器（テラヘルツ波受光器）８５と、被測定物９０にて反射されたテラヘルツ波をテラヘルツ波検出器８５へ集光する半導体レンズ１からなる受光レンズ８４と、テラヘルツ波検出器８５の出力に基づいて被測定物９０の物性の面内分布を求めるコンピュータからなる信号処理装置（図示せず）と、信号処理装置にて求めた被測定物９０の物性の面内分布などを表示させるディスプレイからなる表示装置（図示せず）とを備えている。したがって、テラヘルツ波発生源８１から放射されたテラヘルツ波が投光レンズ８２にて集光されて被測定物９０に照射され、被測定物９０にて反射されたテラヘルツ波が受光レンズ８４にて集光されてテラヘルツ波検出器８５にて検出されるが、被測定物９０の物性により反射率の波長依存性が異なるので、テラヘルツ波検出器８５の出力に基づいて被測定物９０の物性の面内分布を検査することが可能となる。
The imaging system having the configuration shown in FIG. 9 condenses the terahertz wave radiated from the terahertz wave generation source 81 (the terahertz wave light source) 81 that radiates the terahertz wave and the terahertz wave emitted from the terahertz
なお、テラヘルツ波発生源８１としては、例えば、非線形光学結晶（例えば、ニオブ酸リチウム結晶など）に励起光を入射してテラヘルツ波を放射させるパラメトリック光源や、テラヘルツ波を出力する半導体レーザなどを採用すればよい。また、テラヘルツ波検出器８５としては、例えば、光伝導アンテナ（ＰＣＡ）型の検出器、電気光学（ＥＯ）結晶を用いた検出器、ボロメータや焦電素子を用いた検出器などを採用すればよい。
As the terahertz
ところで、上記各実施形態１〜４では、平凸型のレンズや平凹型のレンズを製造する方法について説明したが、シリンドリカルレンズを製造することも可能であり、また、多孔質部（第１の多孔質部）１４を除去した後で、半導体基板１０の上記他表面側に第１の多孔質部１４を形成するまでの工程を採用して半導体基板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。また、上記実施形態１〜４では、陽極酸化工程にて半導体基板１０の上記他表面側に照射する光の光量分布と、陽極形成工程にて形成する陽極１１と半導体基板１０との接触パターンとの一方を所望のレンズ形状に応じて決定することにより、陽極酸化工程において半導体基板１０中に誘起されるホールの分布が所望のレンズ形状に応じた分布となるようにするようにしているが、上記光量分布と上記接触パターンとの少なくとも一方を所望のレンズ形状に応じて決定すればよく、両方を所望のレンズ形状に応じて決定してもよい。
By the way, in each said Embodiment 1-4, although the method of manufacturing a plano-convex lens and a plano-concave lens was demonstrated, it is also possible to manufacture a cylindrical lens and a porous part (1st After removing the
また、本発明の技術思想によれば、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、フレネルレンズなどの微細な構造を有するレンズ（光源３０としてレーザ光源などを用いた場合）などの単レンズに限らず、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。 Further, according to the technical idea of the present invention, a lens having a fine structure such as a planoconvex lens, a biconvex lens, a biconcave lens, an uneven lens, a cylindrical lens, or a Fresnel lens is used as a semiconductor lens (a laser light source or the like is used as the light source 30). It is possible to form a multi lens, a so-called array lens in which the above single lenses are arranged in an array, or a lens in which a plurality of types of single lenses are combined.
１ 半導体レンズ
１０ 半導体基板
１１ 陽極
１４ 多孔質部
２５ 陰極
３０ 光源
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