JP5426812B2

JP5426812B2 - 半導体レンズの製造方法

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Publication number: JP5426812B2
Application number: JP2006334974A
Authority: JP
Inventors: 由明本多; 尚之西川; 智宏上津
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2026-11-27
Also published as: JP2007292722A

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、受光装置などの分野において、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１３に示すようにｐ形シリコン基板９０の上記一表面に形成される凹部９１の深さ寸法ａ１と凹部９１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凸レンズからなる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や凹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９０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９０を用いる必要があり、コストが高くなってしまう。

また、上記特許文献１に記載されたｐ形シリコン基板９０への凹部９１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。

また、従来から、半導体基板の一部を除去して当該半導体基板の残りの部分からなる半導体レンズを製造する方法が提案されており、赤外線検出素子と、当該赤外線検出素子を収納するキャンパッケージであって赤外線検出素子の受光面の前方に透光窓が形成されたキャンパッケージと、透光窓を覆うようにキャンパッケージの内側から配設され赤外線検出素子の受光面へ赤外線を集光する光学部材とを備えた赤外線検出装置（例えば、特許文献２参照）における光学部材として半導体レンズを用いることが提案されている。ここにおいて、上述の半導体レンズの製造方法では、電子ビームリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してフレネルレンズからなるレンズ部を形成しており、レンズ部とレンズ部以外の部位とを連続一体に形成することができるので、例えば、平凸型のレンズ部とレンズ部を全周に亘って囲むフランジ部とを連続一体に形成することができ、キャンパッケージの内側から透光窓を覆う形で容易に配設することが可能となる。

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１０^８Ωｃｍ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３参照）。

上記特許文献３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。
特開２０００−２６３５５６号公報特開平５−１３３８０３号公報特開昭５５−１３９６０号公報

ところで、上述の赤外線検出装置の光学部材として上記特許文献２や上記特許文献３に記載の技術を適用して製造した半導体レンズを用いた赤外線検出装置では、レンズ部や透光窓の形状によっては、半導体レンズのうち透光窓の内側に位置するレンズ部以外の部位を透過した赤外線が赤外線検出素子へ入射してしまい、赤外線検出素子の感度が低下してしまうことがあった。

また、上記特許文献２に記載された半導体レンズの製造方法では、電子ビームリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して半導体基板をエッチングすることでレンズ部を形成しているので、曲率半径が大きな非球面レンズを形成することが難しかった。

そこで、上記特許文献３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１０^８ΩｃｍのＧａＡｓ基板を用いた場合には１ｍＡ／ｃｍ^２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。

また、上記特許文献３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。

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、レンズ部以外の部位であるベース部を通して赤外線検出素子の受光面へ赤外線が入射するのを防止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、赤外線検出素子を収納するパッケージにおいて赤外線検出素子の受光面の前方に形成された透光窓を覆うようにパッケージの内側から配設され、赤外線検出素子の受光面へ赤外線を集光するレンズ部を有する半導体レンズの製造方法であって、平凸型の非球面レンズのレンズ部の凸曲面の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前記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厚みが連続的に変化した多孔質部を形成する陽極酸化工程と、当該多孔質部を除去する多孔質部除去工程とを有し、陽極形成工程では、前記陽極の材料として赤外線を反射する金属材料を採用して前記陽極を形成し、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、多孔質部除去工程では、前記陽極を前記赤外線阻止部として残存させるように多孔質部を選択的に除去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の制御が容易になり、しかも、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ているので、所望の厚さ分布で厚みが連続的に変化した多孔質部を１回の陽極酸化工程で容易に形成することが可能であり、当該多孔質部を多孔質部除去工程にて選択的に除去することで所望の形状の平凸型の非球面レンズのレンズ部および前記赤外線阻止部を有する半導体レンズが形成されるから、前記赤外線阻止部を形成するために別途の工程を必要とせず、製造プロセスの簡略化を図れるとともに、前記赤外線阻止部の位置精度を高めることができる。

請求項２の発明は、赤外線検出素子を収納するパッケージにおいて赤外線検出素子の受光面の前方に形成された透光窓を覆うようにパッケージの内側から配設され、赤外線検出素子の受光面へ赤外線を集光するレンズ部を有する半導体レンズの製造方法であって、両凸型の非球面レンズ状のレンズ部の形状に応じてパターン設計した第１の陽極を半導体基板の一表面側に形成する第１の陽極形成工程と、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前記第１の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第１の多孔質部を形成する第１の陽極酸化工程と、当該第１の多孔質部を除去する第１の多孔質部除去工程とを備え、第１の多孔質部除去工程時もしくは第１の多孔質部除去工程後に第１の陽極を除去し、その後、前記レンズ部の形状に応じてパターン設計した第２の陽極を前記半導体基板の前記他表面側に形成する第２の陽極形成工程と、電解液中で前記半導体基板の前記一表面側に対向配置される陰極と前記第２の陽極との間に通電して前記半導体基板の前記一表面側に除去部位となる厚みが連続的に変化した第２の多孔質部を形成する第２の陽極酸化工程と、当該第２の多孔質部を除去する第２の多孔質部除去工程とを備え、前記第１の陽極酸化工程では、電解液として、前記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、前記第２の陽極形成工程では、前記第２の陽極の材料として赤外線を反射する金属材料を採用して前記第２の陽極を形成し、前記第２の陽極酸化工程では、電解液として、前記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、前記第２の多孔質部除去工程では、前記第２の陽極を前記赤外線阻止部として残存させるように前記第２の多孔質部を選択的に除去することを特徴とする。

この発明によれば、各陽極形成工程にて形成する各陽極のパターンにより各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、各陽極酸化工程にて形成する各多孔質部の厚みの面内分布の制御が容易になり、しかも、各陽極酸化工程では、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ているので、所望の厚さ分布で厚みが連続的に変化した各多孔質部を１回の陽極酸化工程で容易に形成することが可能であり、前記第２の多孔質部除去工程までの工程を行うことにより、レンズ部として両凸型の非球面レンズ状のレンズ部を有し且つ前記赤外線阻止部を有する半導体レンズが形成されるから、前記赤外線阻止部を形成するために別途の工程を必要とせず、製造プロセスの簡略化を図れるとともに、前記赤外線阻止部の位置精度を高めることができる。

請求項１，２の発明では、赤外線阻止部を形成するために別途の工程を必要とせず、製造プロセスの簡略化を図れるとともに、赤外線阻止部の位置精度を高めることができるという効果がある。

（実施形態１）
以下、本実施形態の赤外線検出装置について図１〜図４を参照しながら説明する。

本実施形態の赤外線検出装置は、赤外線検出素子１と、当該赤外線検出素子１を収納するキャンパッケージからなるパッケージ２とを備えている。

ここにおいて、パッケージ２は、赤外線検出素子１が実装される円板状のステム２１と、赤外線検出素子１を覆うようにステム２１に固着される金属製のキャップ２２とを備え、赤外線検出素子１の各パッド１５ａ，１５ｃ（図３および図４参照）それぞれに一端部が結線されたボンディングワイヤ２４，２４の他端部が結線される２つのリード端子２５，２５がステム２１に貫通する形で設けられている。また、キャップ２２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２１により閉塞されている。また、キャップ２において赤外線検出素子１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２３が形成されており、赤外線検出素子１の受光面へ赤外線を集光する光学部材としての半導体レンズ３が透光窓２３を覆うようにキャップ２２の内側から配設されている。

赤外線検出素子１は、図３および図４に示すように、第１のシリコンウェハからなる第１の半導体ウェハを用いて形成され一表面側において周囲と熱絶縁された赤外線検出部１３が形成されている。なお、赤外線検出素子１の外形は矩形状となっている。

赤外線検出部１３は、温度に応じて電気抵抗値が変化するサーミスタ型のセンシングエレメントであり、クロム膜からなる下部電極１３ａと、下部電極１３ａ上に形成されたアモルファスシリコン膜からなる抵抗体層１３ｂと、抵抗体層１３ｂ上に形成されたクロム膜からなる上部電極１３ｃとで構成されている。また、本実施形態における赤外線検出素子１では、赤外線検出部１３に赤外線吸収層１７が積層されており、赤外線吸収層１７の表面が受光面を構成している。ここにおいて、赤外線検出素子１は、検出対象の赤外線として人体から放射される８μｍ〜１３μｍの波長帯の赤外線を想定しており、赤外線吸収層１７の材料としてＳｉＯＮを採用しているが、赤外線吸収層１７の材料はＳｉＯＮに限らず、例えばＳｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、金黒などを採用してもよい。なお、赤外線検出部１３は、サーミスタ型のセンシングエレメントに限らず、例えば、サーモパイル型のセンシングエレメント、抵抗ボロメータ型のセンシングエレメント、焦電型のセンシングエレメントなどのように、温度変化を電気信号変化に変換できるものであればよい。また、本実施形態では、上述の説明から明らかなように赤外線検出素子１が熱型の赤外線検出素子により構成されているが、赤外線検出素子１は、熱型の赤外線検出素子に限らず、例えば、ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＳｂ，ＩｎＡｓ，ＨｇＣｄＴｅ，ＰｂＳ，ＰｂＳｅなどの材料を利用した量子型の赤外線検出素子により構成してもよいし、ｐ形Ｇｅのフォトンドラッグ効果を利用した赤外線検出素子により構成してもよい。また、赤外線検出素子１は、１つのセンシングエレメントにより構成されたものに限らず、複数のセンシングエレメントがアレイ状に配置されたアレイタイプのものでもよい。また、赤外線検出装置は、センシングエレメントの種類の異なる複数の赤外線検出素子１を備えた複合タイプでもよい。

ところで、図３および図４に示した赤外線検出素子１は、上述のように第１の半導体ウェハを用いて形成された支持基板１０の一表面（図３における上面）に形成された凹所１０ａの周部の内側に配置された薄膜状のベース部１１ａ上に赤外線検出部１３が形成されている。ベース部１１ａは外周形状が矩形状に形成されており、当該ベース部１１ａの四隅それぞれからベース部１１ａの対角線の方向に沿って連続一体に延長された４つの梁部１１ｂを介して支持基板１０における凹所１０ａの周部に支持されている。ここにおいて、支持基板１０は、一表面上に絶縁層１１が形成されており、上述の各梁部１１ｂは、支持基板１０の絶縁層１１に連続一体に形成されている。要するに、各梁部１１ｂは、支持基板１０における凹所１０ａの周部の内側に配置され且つ一端部がベース部１１ａに連続一体に連結され他端部が凹所１０ａの周部に連続一体に連結されている。なお、絶縁層１１は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜により構成してあるが、当該積層膜に限らず、例えば、いわゆる低応力窒化ケイ素などにより形成してもよい。

また、赤外線検出素子１の赤外線検出部１３は、下部電極１３ａおよび上部電極１３ｃそれぞれが互いに異なる梁部１１ｂ，１１ｂに沿って延長された金属配線１４ａ，１４ｃを介して支持基板１０の上記一表面側に形成された上述のパッド１５ａ，１５ｃと電気的に接続されている。なお、本実施形態では、上述のマイクロブリッジ構造を利用して赤外線検出部１３を周囲と熱絶縁してあるが、赤外線検出部１３を周囲と熱絶縁するための構造はマイクロブリッジ構造に限らず、ダイヤフラム状の膜で形成された断熱構造を利用してもよい。

また、半導体レンズ３は、上述のように赤外線検出素子１を収納するパッケージ２において赤外線検出素子１の受光面の前方に形成された透光窓２３を覆うようにパッケージ２の内側から配設されており、赤外線検出素子１の受光面へ赤外線を集光するレンズ部３ａを有している。

ここにおいて、半導体レンズ３は、シリコンレンズであり、図１および図２に示すように、レンズ部３ａ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３ａ以外の部位であるベース部３ｂの外周形状が矩形状に形成されている。

ところで、半導体レンズ３は、透光窓２３の内側に位置するレンズ部３ａ以外の部位であるベース部３ｂを通して赤外線検出素子１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３ｃが設けられている。ここで、赤外線阻止部３ｃは、金属材料（例えば、Ａｌ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いが、特に、赤外線の反射率が０．８よりも高いＡｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｔ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｔａ、黄銅、Ｎｂ、Ｃｏ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。ここにおいて、本実施形態では、赤外線阻止部３ｃを構成する赤外線反射膜として用いるＡｌ膜の膜厚を１μｍに設定してあるが、当該Ａｌ膜が赤外線反射膜として機能することを確認するために、膜厚が１μｍのＡｌ膜を積層したシリコン基板、Ａｌ膜を積層していないシリコン基板、それぞれについて、赤外線の透過率特性を測定したところ、図５に示す結果が得られた。図５は、横軸が波数、縦軸が透過率であり、同図中の「ロ」がＡｌ膜を積層していないシリコン基板の赤外線透過特性、「イ」がＡｌ膜を積層したシリコン基板の赤外線透過特性を示しており、図５から、膜厚が１μｍのＡｌ膜が赤外線反射膜として機能していることが確認された。なお、赤外線阻止部３ｃの膜厚は１μｍに限定するものではない。また、赤外線阻止部３ｃ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３ｃ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。

しかして、本実施形態における半導体レンズ３では、レンズ部３ａ以外の部位であるベース部３ｂを通して赤外線検出素子１へ入射しようとする赤外線を赤外線阻止部３ｃにより阻止することが可能となり、レンズ部３ａ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１への入射を防止することができ、赤外線検出素子１の感度を高めることが可能となり、本実施形態における赤外線検出装置では、半導体レンズ３のレンズ部３ａ以外の部位であるベース部３ｂを通して赤外線が赤外線検出素子１の受光面へ入射するのを防止することができ、高感度化を図れる。また、本実施形態の赤外線検出装置では、半導体レンズ３をキャップ２２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１への電磁ノイズの影響を防止できる。

ところで、本実施形態の赤外線検出装置では、キャップ２２の透光窓２３を矩形状に開口してあるが、キャップ２２の透光窓２３を円形状に開口しておき、半導体レンズ３をレンズ部３ａのみにより構成して透光窓２３へ落とし込んでキャップ２２と半導体レンズ３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２３へ半導体レンズ３を落とし込む際に半導体レンズ３の光軸に直交する平面がキャップ２２の前壁に対して傾いてしまい、半導体レンズ３と赤外線検出素子１との平行度が出なくなり、半導体レンズ３の集光点が赤外線検出素子１からずれてしまう可能性がある。

これに対して、本実施形態の赤外線検出装置では、上述のようにキャップ２２において半導体レンズ３のレンズ部３ａを落とし込む透光窓２３の開口形状を、１辺がレンズ部３ａのレンズ径よりもやや大きな正方形状としてあり、半導体レンズ３のベース部３ｂをキャップ２２の前壁の後面に当接させた形でベース部３ｂの周部を接着剤からなる接合部４を介してキャップ２２に固着してある。したがって、半導体レンズ３と赤外線検出素子１との平行度を高めることができ、半導体レンズ３の集光点が赤外線検出素子１からずれるのを防止することができる。

以下、上述の半導体レンズ３の形成方法について図６（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明する。

まず、図６（ａ）に示す第２のシリコンウェハからなる第２の半導体ウェハ３０を洗浄する洗浄工程、第２の半導体ウェハ３０の一表面（図６（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、第２の半導体ウェハ３０の上記一表面側に陽極酸化工程で利用する陽極３２（図６（ｃ）参照）の基礎となる所定膜厚（例えば、１μｍ）の金属膜（本実施形態では、Ａｌ膜）からなる導電性層３１を形成する導電性層形成工程を行うことによって、図６（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第２の半導体ウェハ３０の上記一表面上に導電性層３１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３１のシンタ（熱処理）を行うことにより第２の半導体ウェハ３０との接触がオーミック接触をなす導電性層３１を形成する。なお、導電性層３１の成膜方法はスパッタ法に限らず、例えば蒸着法などの他の周知の薄膜形成方法を採用してもよい。また、導電性層３１の材料もＡｌに限定するものではなく、第２の半導体ウェハ３０との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、本実施形態では、第２の半導体ウェハ３０が半導体基板を構成している。

導電性層形成工程の後、導電性層３１に円形状の開孔部３３を設けるように導電性層３１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６（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第２の半導体ウェハ３０の上記一表面側に上記開孔部３３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３１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３３を設けることにより導電性層３１の残りの部分からなる陽極３２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３１がＡｌ膜であれば、導電性層３１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３１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３２を上記半導体基板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。

パターニング工程の後、陽極酸化用の電解液中で第２の半導体ウェハ３０の他表面側（図６（ａ）の上面側）に対向配置される陰極と上記陽極３２との間に通電して第２の半導体ウェハ３０の上記他表面側に除去部位となる多孔質部３４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６（ｄ）に示す構造を得る。なお、本実施形態では、第２の半導体ウェハ３０として、導電形がｐ形のものを用いているので、陽極酸化工程において第２の半導体ウェハ３０の上記他表面側に光を照射する必要はないが、第２の半導体ウェハ３０として導電形がｎ形のものを用いる場合には光を照射する必要がある。また、電解液としては、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、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。

ところで、ｐ形の第２のシリコンウェハからなる第２の半導体ウェハ３０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、第２のシリコンウェハからなる第２の半導体ウェハ３０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第２の半導体ウェハ３０としてｐ形のシリコンウェハ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、第２の半導体ウェハ３０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３４の厚みが決まることになる。ここで、第２の半導体ウェハ３０の上記他表面側では、陽極３２の厚み方向に沿った開孔部３３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、第２の半導体ウェハ３０の上記他表面側に形成される多孔質部３４は、陽極３２の開孔部３３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３４を除去する多孔質部除去工程を行うことで図６（ｅ）に示す構造の半導体レンズ３を形成する。

ところで、上述の半導体レンズ３の製造方法において、陽極形成工程では、陽極３２の材料として赤外線を反射する金属材料（例えば、Ａｌ）を採用し、多孔質部除去工程では、陽極３２を赤外線阻止部３ｃとして残存させるように多孔質部３４を選択的に除去するようにしている。

しかして、本実施形態における半導体レンズ３の製造方法によれば、陽極形成工程にて形成する陽極３２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第２の半導体ウェハ３０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３４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３４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３２と第２の半導体ウェハ３０との接触がオーミック接触となるように陽極３２を形成しているので、陽極３２と第２の半導体ウェハ３０との間にショットキ障壁が生じないから、陽極酸化工程での通電時に流れる電流がショットキ障壁により遮られたり所望の電流値が得られなかったりショットキ障壁の不安定さに起因して接触抵抗の面内ばらつきが起こるような不具合の発生を防止でき、さらに、陽極酸化工程では、電解液として、第２の半導体ウェハ３０の構成元素の酸化物をエッチング除去する溶液を用いているので、所望の厚さ分布で厚みが連続的に変化した多孔質部３４を１回の陽極酸化工程で容易に形成することが可能であり、当該多孔質部３４を多孔質部除去工程にて選択的に除去することで所望の形状のレンズ部３ａおよび赤外線阻止部３ｃを有する半導体レンズ３が形成されるから、赤外線阻止部３ｃを形成するために別途の工程を必要とせず、製造プロセスの簡略化を図れるとともに、赤外線阻止部３ｃの位置精度を高めることができる。

ところで、上述の半導体レンズ３の製造方法においては、陽極酸化工程において第２の半導体ウェハ３０に流れる電流の電流密度の面内分布によってレンズ部３ａの形状（本実施形態では、平凸型の非球面レンズ状のレンズ部３ａにおける非球面の曲率半径やレンズ径）が決まるので、第２の半導体ウェハ３０の抵抗率や厚み、陽極酸化工程にて用いる電解液の電気抵抗値や、第２の半導体ウェハ３０と陰極との間の距離、陰極の平面形状（第２の半導体ウェハ３０に対向配置した状態において第２の半導体ウェハ３０に平行な面内での形状）、陽極３２における円形状の開孔部３３の内径などを適宜設定することにより、レンズ部３ａの形状を制御することができる。ここにおいて、電解液の電気抵抗値は、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３２の形状の他に、陽極３２の形状以外の条件（例えば、電解液の電気抵抗値）を適宜設定することによって、半導体レンズ３のレンズ部３ａの形状をより制御しやすくなる。なお、上述の半導体レンズ３の製造方法では、陽極形成工程において円形状の開孔部３３が設けられた陽極３２を形成しているが、開孔部３３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３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３２を円形状の平面形状とすれば、半導体レンズ３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。

また、上述の半導体レンズ３としては、図７に示すように、レンズ部３ａの両面に、所望の波長域（例えば、８μｍ〜１３μｍ）の赤外線を透過し不要な波長域（例えば、５μｍ以下）の赤外線を反射する多層干渉フィルタ３ｄ，３ｅを形成した構成を採用してもよい。図７に示した構成の半導体レンズ３では、レンズ部３ａの両面に、所望の波長域の赤外線を透過し不要な波長域の赤外線を反射する多層干渉フィルタ３ｄ，３ｅが形成されているので、不要な波長域の赤外線をカットすることができ（太陽光によるノイズを除去することができ）、高感度化を図れる。なお、図７に示した例では、レンズ部３ａの両面に多層干渉フィルタ３ｄ，３ｅを形成してあるが、少なくとも一面に形成してあればよい。

（実施形態２）
本実施形態の赤外線検出装置の基本構成は実施形態１と略同じであり、図８に示すように、半導体レンズ３のレンズ部３ａの凸曲面を赤外線検出素子１に向けた形で半導体レンズ３をキャップ２に取り付けてある点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

しかして、本実施形態の赤外線検出装置では、半導体レンズ３のレンズ部３ａの一部がキャップ２２の透光窓２３を通してキャップ２２の前面を含む平面よりも突出することがなく、レンズ部３ａに傷が付きにくくなり、信頼性を高めることができる。また、本実施形態では、金属材料からなる赤外線阻止部３ｃが、キャップ２２に電気的に接続されるアース用電極を兼ねており、赤外線検出素子１への電磁ノイズの影響をより確実に防止できる。

（実施形態３）
本実施形態の赤外線検出装置の基本構成は実施形態１と略同じであり、図９および図１０に示すように、半導体レンズ３が複数（４つ）のレンズ部３ａを有し互いに重なり合うような形で近接した所謂マルチレンズからなる点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

ここにおいて、本実施形態における半導体レンズ３の製造にあたっては、実施形態１と同様に、陽極形成工程では、陽極３２の材料として赤外線を反射する金属材料（例えば、Ａｌ）を採用し、多孔質部除去工程では、陽極３２を赤外線阻止部３ｃとして残存させるように多孔質部３４を選択的に除去するようにしている。

しかして、本実施形態の赤外線検出装置では、半導体レンズ３におけるベース部３ｂのうち複数のレンズ部３ａにより囲まれた部分および複数のレンズ部３ａを囲んだ部分それぞれに赤外線阻止部３ｃが形成されており、半導体レンズ３の形状が複雑であるにもかかわらず、半導体レンズ３のレンズ部３ａ以外の部位であるベース部３ｂを赤外線が透過して赤外線検出素子１へ入射するのを防止することができる。

なお、本実施形態では、半導体レンズ３が複数のレンズ部３ａを有し隣り合うレンズ部３ａが互いに重なり合う形で近接して形成されているが、複数のレンズ部３ａは離間していてもよく、この場合にも各レンズ部３ａ以外の部位（隣り合うレンズ部３ａ間の部位を含む）であるベース部３ｂを赤外線が透過して赤外線検出素子１へ入射するのを防止することができる。また、１つの半導体レンズ３におけるレンズ部３ａの数は特に限定するものではない。

ところで、上述の図９および図１０における半導体レンズ３では、隣り合うレンズ部３ａが互いに重なるような形で近接して形成されているので、隣り合うレンズ部３ａの境界部へ入射した赤外線の進行方向を制御できない。

そこで、隣り合うレンズ部３ａが互いに重なるような形で近接したマルチレンズを構成する場合には、図１１に示すように、赤外線阻止部３ｃを構成する陽極が、各レンズ部３ａごとに独立した複数の開孔部３３が形成されていることが望ましい。図１１に示した構成の半導体レンズ３では、複数のレンズ部３ａが隣り合うレンズ部３ａが互いに重なる形で近接したマルチレンズを構成するようにしても、隣り合うレンズ部３ａの境界部を通して赤外線が出射されるのを防止することができ、高感度化を図れる。

（実施形態４）
本実施形態の赤外線検出装置の基本構成は実施形態１と略同じであり、半導体レンズ３として図１２（ｈ）に示すような両凸型の非球面レンズ状のレンズ部３ａを有する半導体レンズ３を用いる点が相違するだけである。

以下、本実施形態における半導体レンズ３の製造方法について図１２（ａ）〜（ｈ）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１２（ａ）に示す第２の半導体ウェハ３０に洗浄工程、マーキング工程を行ってから、第２の半導体ウェハ３０の一表面側（図１２（ａ）における下面側）に第１の陽極酸化工程で利用する第１の陽極３２（図１２（ｃ）参照）の基礎となる所定膜厚（例えば、１μｍ）の金属膜（本実施形態では、Ａｌ膜）からなる第１の導電性層３１を形成する第１の導電性層形成工程を行うことによって、図１２（ｂ）に示す構造を得る。なお、第１の導電性層３１は第２の半導体ウェハ３０との接触がオーミック接触となるように形成する。

第１の導電性層形成工程の後、第１の導電性層３１に円形状の開孔部３３を設けるように第１の導電性層３１をパターニングする第１のパターニング工程を行うことによって、図１２（ｃ）に示す構造を得る。なお、第１の導電性層形成工程と第１のパターニング工程とで、レンズ部の形状に応じてパターン設計した第１の陽極３２を半導体基板たる第２の半導体ウェハ３０の上記一表面側に形成する第１の陽極形成工程を構成している。

第１のパターニング工程の後、陽極酸化用の電解液中で第２の半導体ウェハ３０の他表面側（図１２（ａ）の上面側）に対向配置される陰極と第１の陽極３２との間に通電して第２の半導体ウェハ３０の上記他表面側に除去部位となる第１の多孔質部３４を形成する第１の陽極酸化工程を行うことによって、図１２（ｄ）に示す構造を得る。

第１の陽極酸化工程の終了後、第１の多孔質部３４を除去する第１の多孔質部除去工程を行う。ここにおいて、第１の多孔質部３４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水溶液、ＴＭＡＨ水溶液、ＮａＯＨ水溶液など）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、Ａｌにより形成されている第１の陽極３２もエッチング除去することができ、図１２（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３２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。

第１の多孔質部除去工程の後に、第２の半導体ウェハ３０において第１の多孔質部３４の除去により曲面が形成されている側（つまり、第２の半導体ウェハ３０の上記他表面側）とは反対側（つまり、第２の半導体ウェハ３０の上記一表面側）に、第１の陽極形成工程と同様にして所望のレンズ部３ａの形状に応じてパターン設計した第２の陽極４２（ここでは、第２の陽極４２は第１の陽極３２の円形状の開孔部３３と第２の陽極４２の厚み方向に沿った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１２（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第２の半導体ウェハ３０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４４を形成する第２の陽極酸化工程を行うことによって、図１２（ｇ）に示す構造を得る。

第２の陽極酸化工程の終了後、第２の多孔質部４４を除去する第２の多孔質部除去工程を行うことで図１２（ｈ）に示す構造の半導体レンズ３を形成する。

ところで、上述の半導体レンズ３の製造方法において、第２の陽極形成工程では、第２の陽極４２の材料として赤外線を反射する金属材料（例えば、Ａｌ）を採用し、第２の多孔質部除去工程では、第２の陽極４２を赤外線阻止部３ｃとして残存させるように第２の多孔質部４４を選択的に除去するようにしている。

以上説明した半導体レンズ３の製造方法によれば、第２の多孔質部除去工程までの工程を行うことにより、両凸レンズの形状のレンズ部３ａを有し且つ赤外線阻止部３ｃを有する半導体レンズ３が形成されるから、赤外線阻止部３ｃを形成するために別途の工程を必要とせず、製造プロセスの簡略化を図れるとともに、赤外線阻止部３ｃの位置精度を高めることができる。なお、上述の第１の陽極３２、第２の陽極４２のパターン設計を適宜変更することにより、凹凸レンズなどの形状のレンズ部３ａを有し且つ赤外線阻止部３ｃを有する半導体レンズ３を製造することも可能となる。

ところで、上記各実施形態では、半導体レンズ３の基礎となる半導体基板としてｐ形のシリコン基板（第２のシリコンウェハ）を採用しているが、半導体基板の材料は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であって半導体基板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。

実施形態１における赤外線検出装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。同上の赤外線検出装置における半導体レンズを示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略下面図である。同上の赤外線検出装置における赤外線検出素子の概略断面図である。同上の赤外線検出装置における赤外線検出素子の概略平面図である。同上における赤外線透過特性の説明図である。同上の赤外線検出装置における半導体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。同上の赤外線検出装置における半導体レンズの他の構成例を示す概略断面図である。実施形態２における赤外線検出装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。実施形態３における赤外線検出装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。同上の赤外線検出装置における半導体レンズを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略下面図である。同上の赤外線検出装置における半導体レンズの他の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略下面図である。他の半導体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。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赤外線検出素子
２パッケージ
３半導体レンズ（光学部材）
３ａレンズ部
３ｂベース部
３ｃ赤外線阻止部
２３透光窓
３０第２の半導体ウェハ（半導体基板）
３２陽極（第１の陽極）
３４多孔質部（第１の多孔質部）
４２第２の陽極
４４第２の多孔質部

Claims

赤外線検出素子を収納するパッケージにおいて赤外線検出素子の受光面の前方に形成された透光窓を覆うようにパッケージの内側から配設され、赤外線検出素子の受光面へ赤外線を集光するレンズ部を有する半導体レンズの製造方法であって、平凸型の非球面レンズのレンズ部の凸曲面の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前記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厚みが連続的に変化した多孔質部を形成する陽極酸化工程と、当該多孔質部を除去する多孔質部除去工程とを有し、陽極形成工程では、前記陽極の材料として赤外線を反射する金属材料を採用して前記陽極を形成し、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、多孔質部除去工程では、前記陽極を前記赤外線阻止部として残存させるように多孔質部を選択的に除去することを特徴とする半導体レンズの製造方法。
赤外線検出素子を収納するパッケージにおいて赤外線検出素子の受光面の前方に形成された透光窓を覆うようにパッケージの内側から配設され、赤外線検出素子の受光面へ赤外線を集光するレンズ部を有する半導体レンズの製造方法であって、両凸型の非球面レンズ状のレンズ部の形状に応じてパターン設計した第１の陽極を半導体基板の一表面側に形成する第１の陽極形成工程と、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前記第１の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第１の多孔質部を形成する第１の陽極酸化工程と、当該第１の多孔質部を除去する第１の多孔質部除去工程とを備え、第１の多孔質部除去工程時もしくは第１の多孔質部除去工程後に第１の陽極を除去し、その後、前記レンズ部の形状に応じてパターン設計した第２の陽極を前記半導体基板の前記他表面側に形成する第２の陽極形成工程と、電解液中で前記半導体基板の前記一表面側に対向配置される陰極と前記第２の陽極との間に通電して前記半導体基板の前記一表面側に除去部位となる厚みが連続的に変化した第２の多孔質部を形成する第２の陽極酸化工程と、当該第２の多孔質部を除去する第２の多孔質部除去工程とを備え、前記第１の陽極酸化工程では、電解液として、前記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、前記第２の陽極形成工程では、前記第２の陽極の材料として赤外線を反射する金属材料を採用して前記第２の陽極を形成し、前記第２の陽極酸化工程では、電解液として、前記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、前記第２の多孔質部除去工程では、前記第２の陽極を前記赤外線阻止部として残存させるように前記第２の多孔質部を選択的に除去することを特徴とする半導体レンズの製造方法。