(基本例)
本基本例では、後述の実施形態1〜3にて説明する半導体レンズの製造方法に共通する基本的な製造方法として、p形のシリコン基板からなる半導体基板10(図2(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2(d)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2(e)参照)を製造する製造方法を例示する。なお、本基本例では、半導体基板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。ただし、半導体基板10の抵抗率は、好ましくは0.1〜1000Ωcm、より好ましくは数Ωcm〜数100Ωcmである。
まず、図2(a)に示す半導体基板10を洗浄する洗浄工程、半導体基板10の一表面(図2(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、半導体基板10の上記一表面側に陽極酸化工程で利用する陽極12(図2(c)および図3(a)参照)の基礎となる所定膜厚(例えば、1μm)の金属膜(例えば、Al膜など)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2(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11を成膜した後、N2ガスおよびH2ガス雰囲気中で導電性層11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導電性層11を形成する。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。また、導電性層11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。
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2(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Al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、本基本例では、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、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。
パターニング工程の後、陽極酸化用の電解液B(図4参照)中で半導体基板10の他表面側(図2(a)の上面側)に対向配置される陰極25(図4参照)と陽極12との間に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2(d)に示す構造を得る。
ここにおいて、陽極酸化工程では、図4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、半導体基板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半導体基板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と半導体基板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、半導体基板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。
電解液Bとしては、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、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、半導体基板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/cm2)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形のシリコン基板からなる半導体基板10の一部を陽極酸化工程において多孔質化する際には、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、シリコン基板からなる半導体基板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、本基本例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。本基本例では、半導体基板10中を図5の矢印で示すような経路で電流が流れるので、半導体基板10の上記他表面側(図5における上面側)では、陽極12の厚み方向に沿った開孔部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、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12の開孔部13の上記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、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、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2(e)および図3(b)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。
以上説明した本基本例の半導体レンズ1の製造方法によれば、陽極形成工程にて形成する陽極12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、しかも、陽極形成工程では、陽極12と半導体基板10との接触がオーミック接触となるように陽極12を形成し、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14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、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。
ここにおいて、本基本例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12(導電性層11)の開孔部13の上記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12の開孔部13の上記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として平凸型の球面レンズや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の光軸は上述の開孔部13の上記中心線と一致する。
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(本基本例では、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、半導体レンズ1の形状をより制御しやすくなる。
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。
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6および図7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6および図7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6および図7に示す構成の赤外線センサについて簡単に説明する。
ここで、図6および図7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。
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(ここでは、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。
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。
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。
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。
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。
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。また、上述の陽極12を赤外線阻止部1dとして残すようにしてもよい。
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。
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。
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。
これに対して、図6および図7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。
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、本基本例の半導体レンズ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。
なお、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、半導体レンズ1として、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を円形状の平面形状とすれば、半導体レンズ1として、平凹型の非球面レンズを形成することも可能である。
(実施形態1)
以下、本実施形態の半導体レンズ1の製造方法について図1に基づいて説明するが、基本例と同様の工程については説明を適宜省略する。
まず、図1(a)に示すp形のシリコン基板からなる半導体基板10に洗浄工程、マーキング工程を行ってから、半導体基板10の一表面側(図1(a)における下面側)に陽極酸化工程で利用する陽極12(図1(c)参照)の基礎となるAl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。
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。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を構成している。
ところで、上述の基本例にて説明した製造方法では、陽極酸化工程においては、陽極12と半導体基板10との接触パターンに依存して半導体基板10中を流れる電流の電流密度の面内分布が決まり、半導体レンズ1の形成領域の中心部に流れる電流の電流密度よりも半導体レンズ1の形成領域の周部に流れる電流の電流密度の方が大きくなるが、多孔質部14のうち半導体レンズ1の中心部に対応する部位の厚みも比較的厚くなってしまうので、半導体基板10の厚みがあらかじめ制限されている場合には、凸曲面の曲率がより小さな半導体レンズ1の形成が難しくなってしまう。
これに対して、本実施形態の製造方法では、陽極形成工程と陽極酸化工程との間に、半導体基板10に所望のレンズ形状に応じて設計した抵抗値の面内分布を形成する面内分布形成工程を設けてある。ここにおいて、本実施形態における面内分布形成工程では、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、図1(d)に示すように半導体基板10の厚みを制御することにより抵抗値の面内分布を形成するようにしている(言い換えれば、半導体基板10に所望の抵抗値の面内分布が形成されるように半導体基板10の厚みを調整するようにしている)ので、半導体基板10の抵抗値の面内分布の設計が容易になる。なお、図1(d)では、半導体基板10のうち半導体レンズ1の形成領域の中心部の厚みが半導体レンズ1の形成領域の周部の厚みに比べて厚くなるように半導体基板10の他表面(図1(c)における上面)に凹凸を形成してあり、半導体基板10の厚みが厚い領域では薄い領域に比べて抵抗値が大きくなる。ここにおいて、半導体基板10の厚みを調整するエッチングにあたっては、例えば反応性イオンエッチング装置(RIE装置)や誘導結合プラズマ(IPC)型のエッチング装置を用いてドライエッチングを行っているが、KOHやTMAHなどを用いたウェットエッチングを行うようにしてもよい。
上述のパターニング工程および面内分布形成工程が終了した後、陽極酸化用の電解液B中で半導体基板10の上記他表面側に対向配置される陰極25と陽極12との間に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部14を形成する陽極酸化工程を行うことによって、図1(e)に示す構造を得る。ここにおいて、本実施形態では、半導体基板10の厚みが厚い領域では薄い領域に比べて抵抗値が大きくなって電流が流れにくくなり、陽極酸化工程の前に面内分布形成工程を設けていない基本例の製造方法に比べて、半導体基板10のうち半導体レンズ1の形成領域の中心部の電流密度が小さくなる(言い換えれば、半導体基板10のうち半導体レンズ1の形成領域の中心部の電流密度と半導体レンズ1の形成領域の周部の電流密度との差を大きくできる)ので、半導体レンズ1の形成領域の周部における多孔質部14の厚みを大きくすることができ、凸曲面の曲率半径がより小さな半導体レンズ1に対応する多孔質部14を形成することができる。
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1(f)に示す構造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。
しかして、本実施形態の製造方法では、陽極形成工程にて形成する陽極12と半導体基板10との接触パターンおよび面内分布形成工程にて形成する抵抗値の面内分布により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の厚みの面内分布の制御が容易になり、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、上述の基本例の製造方法に比べて、用いる半導体基板10の厚みを厚くすることなく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。
なお、本実施形態では、陽極形成工程と陽極酸化工程との間に面内分布形成工程を設けてあるが、面内分布形成工程は、必ずしも陽極形成工程と陽極酸化工程との間に設ける必要はなく、陽極酸化工程よりも前に設ければよい。
(実施形態2)
以下、本実施形態の半導体レンズ1の製造方法について図8に基づいて説明するが、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8(a)に示すp形のシリコン基板からなる半導体基板10に洗浄工程、マーキング工程を行ってから、半導体基板10の一表面側(図8(a)における下面側)に陽極酸化工程で利用する陽極12を形成する陽極形成工程を行い、その後、半導体基板10に所望のレンズ形状に応じて設計した抵抗値の面内分布を形成する面内分布形成工程として、半導体基板10の厚みを陽極酸化プロセスおよびエッチングプロセスを利用して調整する工程を行うことにより、図8(c)に示す構造を得る。
ここにおいて、本実施形態における面内分布形成工程では、陽極酸化プロセスおよびエッチングプロセスを利用して、図8(c)に示すように半導体基板10の厚みを制御することにより抵抗値の面内分布を形成するようにしている(言い換えれば、半導体基板10に所望の抵抗値の面内分布が形成されるように半導体基板10の厚みを調整するようにしている)ので、半導体基板10の抵抗値の面内分布の設計が容易になる。ここで、面内分布形成工程では、厚み調整用の電解液中で半導体基板10の他表面側(図8(b)における上面側)に対向配置される陰極25(図4参照)と陽極12との間に通電して半導体基板10の上記他表面側に厚み調整用の多孔質部16を形成する陽極酸化プロセスを行うことによって図8(b)に示す構造を得てから、厚み調整用の多孔質部16をエッチング除去するエッチングプロセスを行うことによって図8(c)に示す構造を得ている。なお、陽極酸化プロセスでは、厚み調整用の電解液として、基本例にて説明した陽極酸化工程において用いる電解液Bと同じ電解液を用いる。すなわち、半導体基板10の構成元素の酸化物であるSiO2をエッチング除去する溶液を用いている。
上述の面内分布形成工程が終了した後、陽極酸化用の電解液B中で半導体基板10の上記他表面側に対向配置される陰極25と陽極12との間に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部14を形成する陽極酸化工程を行うことによって、図8(d)に示す構造を得る。ここにおいて、本実施形態では、半導体基板10の厚みが厚い領域では薄い領域に比べて抵抗値が大きくなって電流が流れにくくなり、陽極酸化工程の前に面内分布形成工程を設けていない基本例の製造方法に比べて、半導体基板10のうち半導体レンズ1の形成領域の中心部の電流密度が小さくなる(言い換えれば、半導体基板10のうち半導体レンズ1の形成領域の中心部の電流密度と半導体レンズ1の形成領域の周部の電流密度との差を大きくできる)ので、半導体レンズ1の形成領域の周部における多孔質部14の厚みを大きくすることができ、凸曲面の曲率半径がより小さく且つ焦点距離が短い半導体レンズ1に対応する多孔質部14を形成することができる。
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とによって、図8(e)に示す構造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、本実施形態では、陽極12を基本例にて説明した赤外線阻止部1dとして残すようにしている。
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、陽極形成工程よりも後の面内分布形成工程において半導体基板10の厚みが陽極酸化プロセスおよびエッチングプロセスを利用して調整されるので、面内分布形成工程において半導体基板10に厚みが連続的に変化した面内分布を形成することが可能となり、実施形態1に比べて、半導体レンズ1の曲率半径や焦点距離などの制御が容易になる。また、面内分布形成工程における陽極酸化プロセスでの電流密度に比べて陽極酸化工程での電流密度を小さくすることにより、多孔質部14の多孔度を小さくすることができ、多孔質部14を除去した後の半導体レンズ1の表面の平滑性を高めることができる。
ところで、上述の製造方法では、陽極形成工程の後で面内分布形成工程を行うようにしているが、陽極形成工程よりも前に面内分布形成工程を行うようにしてもよい。この場合の面内分布形成工程は、半導体基板10の所望の厚みに応じてパターン設計した電極を半導体基板10の上記一表面側に形成する電極形成プロセスと、厚み調整用の電解液中で半導体基板10の上記他表面側に対向配置される陰極と電極との間に通電して半導体基板10の上記他表面側に厚み調整用の多孔質部を形成する陽極酸化プロセスと、厚み調整用の多孔質部をエッチング除去するエッチングプロセスとを備え、電極形成プロセスでは、電極と半導体基板10との接触がオーミック接触となるように電極を形成し、陽極酸化プロセスでは、厚み調整用の電解液として、半導体基板10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。このような製造方法を採用すれば、陽極形成工程よりも前の面内分布形成工程において半導体基板10の厚みが陽極酸化プロセスおよびエッチングプロセスを利用して調整されるので、陽極形成工程よりも前の面内分布形成工程において半導体基板10に厚みが連続的に変化した面内分布を形成することが可能となり、面内分布形成工程よりも後の陽極形成工程で形成する陽極12と半導体基板10との接触パターンおよび半導体基板10の厚み分布による半導体レンズ1の曲率半径や焦点距離などの制御が容易になる。
ただし、上述のように、陽極酸化プロセスにおいて、陽極形成工程にて形成した陽極12を利用する製造方法のほうが、陽極形成工程よりも前に半導体基板10の厚みを陽極酸化プロセスおよびエッチングプロセスを利用して調整する面内分布工程を設ける場合に比べて、面内分布工程の簡略化を図れる。
(実施形態3)
以下、本実施形態の半導体レンズ1の製造方法について図9に基づいて説明するが、基本例と同様の工程については説明を適宜省略する。
まず、図9(a)に示すp形のシリコン基板からなる半導体基板10に洗浄工程、マーキング工程を行ってから、半導体基板10の一表面側(図9(a)における下面側)に陽極酸化工程で利用する陽極12(図9(c)参照)の基礎となるAl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9(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9(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を構成している。
ところで、上述の基本例にて説明した製造方法では、実施形態1にて説明したように、半導体基板10の厚みがあらかじめ制限されている場合には、凸曲面の曲率がより小さな半導体レンズ1の形成が難しくなってしまう。
これに対して、本実施形態の製造方法では、陽極形成工程と陽極酸化工程との間に、半導体基板10に所望のレンズ形状に応じて設計した抵抗値の面内分布を形成する面内分布形成工程を設けてある。ここにおいて、本実施形態における面内分布形成工程では、イオン注入法あるいは拡散法を利用して、図9(d)に示すように半導体基板10の他表面側(図9(c)における上面側)の所定部位にp形不純物を選択的に導入することで低抵抗層15を形成することによって抵抗値の面内分布を形成するようにしている(言い換えれば、半導体基板10の抵抗値の面内分布が所望の面内分布となるように半導体基板10に不純物を選択的に導入する)ので、イオン注入法や拡散法などの一般的な半導体製造プロセスにより半導体基板10へ導入する不純物の濃度および導入部位を制御することによって抵抗値の面内分布を形成することができる。なお、図9(d)では、半導体基板10のうち半導体レンズ1の形成領域の周部の抵抗値が半導体レンズ1の形成領域の中心部の抵抗値に比べて小さくなるように半導体基板10の上記他表面側に低抵抗層15を形成してある。
上述のパターニング工程および面内分布形成工程が終了した後、陽極酸化用の電解液B中で半導体基板10の上記他表面側に対向配置される陰極25と陽極12との間に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部14を形成する陽極酸化工程を行うことによって、図9(e)に示す構造を得る。ここで、本実施形態では、半導体基板10において低抵抗層15が形成されている領域に比べて低抵抗層15が形成されていない領域の抵抗値が大きくなって電流が流れにくくなり、陽極酸化工程の前に面内分布形成工程を設けていない基本例の製造方法に比べて、半導体基板10のうち半導体レンズ1の形成領域の中心部の電流密度が小さくなる(言い換えれば、半導体基板10のうち半導体レンズ1の形成領域の中心部の電流密度と半導体レンズ1の形成領域の周部の電流密度との差を大きくできる)ので、半導体レンズ1の形成領域の周部における多孔質部14の厚みを大きくすることができ、凸曲面の曲率がより小さな半導体レンズ1に対応する多孔質部14を形成することができる。
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9(f)に示す構造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。
しかして、本実施形態の製造方法では、実施形態1と同様に、陽極形成工程にて形成する陽極12と半導体基板10との接触パターンおよび面内分布形成工程にて形成する抵抗値の面内分布により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の厚みの面内分布の制御が容易になり、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、上述の基本例の製造方法に比べて、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。
なお、本実施形態では、陽極形成工程と陽極酸化工程との間に面内分布形成工程を設けてあるが、面内分布形成工程は、必ずしも陽極形成工程と陽極酸化工程との間に設ける必要はなく、陽極酸化工程よりも前に設ければよい。
(実施形態4)
以下、本実施形態の半導体レンズ1の製造方法について図10に基づいて説明するが、基本例と同様の工程については説明を適宜省略する。
まず、図10(a)に示すp形のシリコン基板からなる半導体基板10に洗浄工程、マーキング工程を行ってから、半導体基板10に所望のレンズ形状に応じて設計した抵抗値の面内分布を形成する面内分布形成工程を設けてある。ここにおいて、本実施形態における面内分布形成工程では、イオン注入法あるいは拡散法を利用して、図10(b)に示すように半導体基板10の一表面側(図10(a)における下面側)の所定部位にp形不純物を選択的に導入することで低抵抗層15を形成することによって抵抗値の面内分布を形成するようにしている(つまり、所望の抵抗値の面内分布)で、イオン注入法や拡散法などの一般的な半導体製造プロセスにより半導体基板10へ導入する不純物の濃度および導入部位を制御することによって抵抗値の面内分布を形成することができる。なお、図10(b)では、半導体基板10のうち半導体レンズ1の形成領域の周部の抵抗値が半導体レンズ1の形成領域の中心部の抵抗値に比べて小さくなるように半導体基板10の上記一表面側に低抵抗層15を形成してある。
その後、半導体基板10の上記一表面側に陽極酸化工程で利用する陽極12(図10(d)参照)の基礎となるAl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10(c)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10(d)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を構成している。
上述のパターニング工程の後、陽極酸化用の電解液B中で半導体基板10の上記他表面側に対向配置される陰極25と陽極12との間に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部14を形成する陽極酸化工程を行うことによって、図10(e)に示す構造を得る。ここで、本実施形態では、半導体基板10において低抵抗層15が形成されている領域に比べて低抵抗層15が形成されていない領域の抵抗値が大きくなって電流が流れにくくなり、陽極酸化工程の前に面内分布形成工程を設けていない基本例の製造方法に比べて、半導体基板10のうち半導体レンズ1の形成領域の中心部の電流密度が小さくなる(言い換えれば、半導体基板10のうち半導体レンズ1の形成領域の中心部の電流密度と半導体レンズ1の形成領域の周部の電流密度との差を大きくできる)ので、半導体レンズ1の形成領域の周部における多孔質部14の厚みを大きくすることができ、凸曲面の曲率がより小さな半導体レンズ1に対応する多孔質部14を形成することができる。
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、多孔質部除去工程において、Al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10(f)に示す構造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。
しかして、本実施形態の製造方法では、実施形態3と同様に、陽極形成工程にて形成する陽極12と半導体基板10との接触パターンおよび面内分布形成工程にて形成する抵抗値の面内分布により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の厚みの面内分布の制御が容易になり、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、上述の基本例の製造方法に比べて、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。
なお、上記各実施形態では、半導体レンズ1として、平凸型のレンズを製造する方法について説明したが、陽極12と半導体基板10との接触パターンおよび抵抗値の面内分布を適宜設定することにより、シリンドリカルレンズや平凹型のレンズを製造することも可能である。ここで、平凹型のレンズを製造する場合には、半導体基板10においてレンズの中心部に対応する部分を低抵抗化すれば、平凸型のレンズを製造する場合と同様、用いる半導体基板10の厚みを厚くすることなく、任意形状のレンズを容易に形成することが可能となる。また、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、上記各実施形態では、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p形に限らず、n形でもよい。ただし、半導体基板10の導電形をp形とした場合には、陽極酸化工程にて半導体基板10に光を照射することなく多孔質部を形成することができるので、半導体基板10の導電形をn形とした場合に比べて陽極酸化工程にて用いる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。
陽極酸化工程において用いる電解液B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。
なお、半導体基板10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1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。