JPH04502233A - 検出器アレイの２進光学マイクロレンズの製造方法 - 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】 検出器アレイの２道光学マイクロレンズの製造方法発明の技術分野 この発明は放射線検出器、特に後方から照射される１次元あるいは２次元検出器 アレイの一体部品としての２進光学マイクロレンズアレイの製造方法に関する。

個々のマイクロレンズは、入射を検出器の平面における比較的小さな領域に集束 させるためにアレイの個々の検出器素子に関連して配置されている。

・発明の背景 従来の放射線検出器のアレイでは検出器が、例えば別々に形成された光学素子に 接着されており（あるいは反対に光学素子に別々に形成された検出器が接着され ており）、光学素子は両凸面レンズから構成されていることが知られている。

通常の構成ではモールド、鋳造、エンボスパターン等によるのレンズが使用され 、また曲面レンズも使用される。同じ機能を果たすものとして集積キャビティ、 あるいは円錐も知られている。′フェースプレート”技術ではマイクロレンズが 用いられ、レンズパターンは検出器アレイとは別の構造として処理される。フェ ースプレートの１例では、２進光学マイクロレンズアレイが検出器アレイに近接 して設けられているが、検出器アレイの基板そのものには設けられていない。

検出器アレイの放射線受光面の範囲内で直接２進光学マイクロレンズアレイを形 成するとレンズアレイが別に設けられている場合に比較して多くの利点がある。

例えば検出器アレイの堅牢さは増大し、しかも組み立て及び製造に関連する全体 的なコストは減少する。さらにこのようなレンズ・検出器の構成は後方照明され た検出アレイに大して設けられ、検出器の平面における比較的小さなスポットに 入射の焦点を合わせることができるため、信号の品質を損ねることなく検出器の 活性領域を小さくすることができる。すでに知られているように、接合容量が小 さく、動作速度が速く、またイオン化放射に対する耐性が大きい点で、面積の小 さな光電池が望ましい。しかし本発明によるマイクロレンズと検出器の一体アレ イの製造方法が開示されるまではこのような利点を得ることはできなかった。

発明の概要 前記の問題は、後方から照明された１次元あるいは２次元放射線検出器アレイに 一体部品として形成された２進光学マイクロレンズアレイによって解決すること ができ、また他の利点も実現することができる。本発明の方法によると、放射線 検出器アレイの基板の放射線受光後部表面内に３次元２進光学マイクロレンズが 形成される。このマイクロレンズは検出器の平面における所望の大きさのスポッ トの範囲内に光学放射線を集束させることができるように予め決められた構造を 有しており、それによって検出器の活性領域を小さくすることができる。入射は 平面でも良いし、あるいは外部に設けられた光学によって予め焦点を結んでも良 い。本発明の方法では２進光学マイクロレンズが所望の光学集束を達成するフレ ネルレンズを限定し、さらにアレイの後部表面に少なくとも１つのマスキング層 を形成し、アレイの後部表面の材料を選択的に除去したり添加してマイクロレン ズを構成する。

図面の簡単な説明 第１Ａ図はいくつかの２進光学マイクロレンズの構成を示す放射線検出器アレイ の後部表面の正面図である。

第１Ｂ図は第１Ａ図における２進光学マイクロレンズ素子の実寸ではない断面図 である。

第２Ａ図は３個のフレネル領域プレートを示す通常のフレネルレンズの拡大断面 図である。

第２Ｂ図乃至第２Ｄ図は、第２Ａ図におけるフレネル領域プレートの、１段階マ スク、２段階マスク及び４段階マスク２進光学マイクロレンズのそれぞれの断面 図である。

第３Ａ図及び第３Ｂ図は２道光学マイクロレンズのｆ／１実施例の簡略図である 。

第４Ａ図及び第４Ｂ図は２進光学マイクロレンズのｆ／２実施例の簡略図である 。

第５Ａ図乃至第５Ｄ図は放射線検出器アレイ基板の後部表面上に２進光学マイク ロレンズを形成する本発明の工程を示す図である。

発明の詳細な説明 第１Ａ図及び第１Ｂ図には放射線検出器アレイ１０の後部放射線受光表面が示さ れている。この後部表面は、本発明に従って２進光学マイクロレンズ素子１２か ら成る複数のフレネル型マイクロレンズで満たされている。入射光ＩＲ（Ａ）は 透明な基板１６の反対側の表面】４に設けられた検出器１Ｂ上のレンズ素子１２ によって集束される。

本発明はＩ＋−１’ｌ族光電池の放射線検出器として説明されているが、例えば ｌｌ−Ｈ族、ＩＩＩ−Ｖ族、シリコン、ゲルマニウム及びその他の材料から成る 検出器にも適用できることは理解されなければならない。一般的に基板材料の光 学屈折率が大きくなればなる程、光の集束程度も高くなる。

各マイクロレンズ１２が関連するユニットセル幅（Ｗ）は、本発明の図示されて いる実施例では約５０ミクロンである。

関連する光電池検出器１８の幅（ｗ）は一般的にユニットセル幅よりは小さく、 約１２ミクロン程度である。基板１６の厚さは、例えば５０ミクロン乃至４５０ ミクロンのように実質上広い範囲で変化できる。第１Ａ図及び第１Ｂ図に示され た実施例では、検出器】８がＩＲ放射線に反応し、基板１６はＣＤＴｅあるいは ＣｄＺｎＴｅのような、所望の波長に対して実質的に透過性の材料から構成され 、−刃表面１４はエピタキシャルＨｇＣｄＴｅ放射線吸収層の表面であり、そこ に光電池検出器１８が形成されている。

第２Ａ図では、複数のフレネル領域プレート２０から成る通常のフレネルレンズ の一部の断面が示されている。各々の球状曲面領域プレート２０は、入射放射線 が（２π）の位相シフトを形成する領域の空間範囲を限定している。しかし５０ ミクロンのユニットセルの同心円内にフレネル領域プレート２０の球状曲面を形 成することは、現在の既知の形成技術で達成不可能とは言えないまでも、非常に 困難である。その結果本発明によれば、放射線検出器アレイの後部表面における フレネル領域プレート２０を所望の形状に近づけるために、２進光学レンズ技術 が用いられている。２進光学レンズは、アレイの後部表面から材料を選択的に除 去することによって予め決められた形状に１以上のマスキング層を形成すること によって構成される。この１以上のマスキング層は、フレネル領域プレートの結 果的に形成される２進光学的近似値の位置、形状及び分解能を限定する。

第２Ｂ図には２進光学マイクロレンズの１段階マスクの実施例が示され、第２Ｃ 図には２段階マスクの実施例が示され、第２ｄ図には４段階マスクの実施例から 生じる１つの領域プレートの概観の拡大図が示されている。これらの図かられか るように、２進光学マイクロレンズを形成するマスクの数が大きくなればなる程 、全体の形状断面はフレネル領域プレート２０の球状曲面に近づく。一般的に形 成マスク層の数が増大すればする程、マイクロレンズの効率も大きくなる。

例１ 第３Ａ図及び第３Ｂ図には、ｆ／１マイクロレンズ素子を形成する２進光学マイ クロレンズ２２が示されている。第３Ａ図に示されたマイクロレンズの構成は、 ＣｄＴｅからなる基体（ｎ−２，６７）で、１０ミクロンの入射放射線を予めｆ ／２光学系で焦点を結ばせ、ユニットセルの幅が５０ミクロン、基板の厚さが５ ０ミクロンである。必要な放射線の集束は、検出器２４の表面における６ミクロ ンのスポ・ントの範囲内に約８０％のフラックスが入る必要がある。マイクロレ ンズ２２の全体的な光学利得は約６９である。

マイクロレンズ２２の２段階マスクの実施例では８１％の光学効率が達成されて いる。表１では第１及び第２の形成マスク、すなわちマスク１とマスク２のマイ クロレンズ２２の中心からの半径方向の大きさがミクロンで示されている。一般 的に高段階マスク、この場合はマスク２が用いられて分解能のより高いマイクロ レンズが実質的に平面に与えられるためにまず処理されることが望ましいことが 見出だされた。

表　１　［マスク半径方向寸法（ミクロン）〕例２ 第４Ａ図及び第４Ｂ図には２進光学マイクロレンズ２６の別の例が示されており 、このマイクロレンズ２６ではｆ／２のレンズを波長１０ミクロンでｆ／２で予 め焦点を結ばせた放射線に用い、ユニットセルの幅は５０ミクロンである。Ｃｄ Ｔｅ基板の厚さは１００ミクロンであり、マイクロレンズ２６１；より検出器２ ８の平面における１０ミクロン半径スポツトの範囲内で８０％のフラックス集束 が達成されている。この２段階マスク構成の光学利得は約２５であり、光学効率 は約８１％である。表２には第１及び第２のマスクの半径方向の大きさがミクロ ンで示されている。

表　２　［マスクの半径方向の大きさくミクロン）］３４．０　３４．０ 第２の実施例では３ミクロンのリソグラフ法が用いられ、前記第１の実施例では １．６ミクロンのりソゲラフ法が用いられていることに注目すべきである。

例３ 第３の実施例は図示されていないが、波長４．６ミクロンでｆ／２で予め焦点を 結ばせた放射線のための２進光学マイクロレンズ及び７５ミクロン幅のユニット セルが用いられている。ＣｄＴｅ基板の厚さは４５０ミクロンであり、ｆ／６の マイクロレンズ（４５０／７５）の構成である。このマイクロレンズでは検出器 の平面における約１．９ミクロンのスポットの範囲内に入射フラックスの約８０ ％が集束され、約１５．６の光学利得が得られる。また２つのマスクで８１％の 光学効率が達成される。

表３には両マスクの半径方向の大きさが示され、マスクは１．８ミクロンのリソ グラフ法によって形成される。

表　３　［マスク半径方向の大きさ　（ミクロン）］１８、　９　１８．　９ ２３．１ ２６−　７　２６．　７ ４２、　２　４２．　２ ４４．２ ４６、　２　４６．　２ ４８．１ ４９、　９　４９．　９ ５１．７ 第５Ａ図乃至第５Ｄ図には、本発明による前記例１の２進光学マイクロレンズ２ ２の製造過程が示されている。マイクロレンズ２２の構成及び製造においては、 基板の屈折率及び厚さ、検出器２４の所望活性領域、及び検出器の中心から中心 の間隔が予め知られていることに注意すべきである。さらに入射放射線の波長及 び予め焦点を合わせる程度も、もし入射がある場合は前もって知られている。こ のような情報に基づいて、検出器２４の活性領域の範囲内に必要な量の放射線を 集束させるフレネルレンズが、通常のレンズ設計で達成される。必要なフレネル レンズの設計が得られると、第２Ａ図に示されたような領域プレートの球状曲面 が評価される。この評価によって、フォトリソグラフその他の処理技術の制限範 囲内でフレネル領域プレートの球状曲面に最も近づくような２進光学レンズの構 成が決定される。マスクの数及び各マスクの分解能が決定されるとマスクが形成 され、基板表面には２進光学レンズ素子が形成される。

第５Ａ図に示されているように、基板３０の表面３２は実質的に平面であり、こ こに既知の技術により最高位マスクが設けられてマスキング層３４が形成される 。マスキング層３４はフォトレジストか他の適切な種類の材料によって構成する ことができる。第５Ａ図に示されたマスキング層３４の一部分の半径方向の寸法 は表１に示された寸法に対応する。マスキング層３４が形成されると、その表面 はイオンビームエ・ノチングのようなドライエツチング法でエツチングし、マス キング層３４で被覆されていない基板３０を選択的に除去する。この点て各マス クのエツチングの深さくｄ）”は以下の式に従って決定される： ｄ−（２π）／　［（ｎ−１）＊２Ｎ］ただし、ｎは基板材料の屈折率であり、 Ｎはマスクの数あるいはその段階数である。

第５Ｂ図ではマスキング層３４が取除かれ、基板３０の表面３２には多数の四部 ３４１が形成されている。第５Ｃ図では目の粗いマスク、すなわち例１のマスク １が用いられてマスキング層３６が形成されて、基板３０の表面がもう一度エッ チングされる。第５Ｄ図にはマスキング層３６を除去した後の基板表面が示され ている。この図では２回目のエツチングの後に基板３０のエツチングされていな い部分３２、−回エッチングされている部分３８、及び２回エツチングされてい る残りの部分３４が残り、さらにこの残りの部分３４は１回のエツチング部分よ り深いことが示されている。

本発明の方法によると、放射線検出器アレイの基板の放射線受光後部面の範囲内 に３次元２進光学マイクロレンズが形成される。マイクロレンズは検出器の平面 における所望のスポットサイズの範囲内に放射線が集束されるように予め決定さ れた構造を有するため、活性領域の小さな検出器を構成し動作させることができ る。入射放射線は平面でも良いし、あるいは外部に設けられた光学系によって予 め焦点結ばせることもできる。本発明による方法は所望の光学集束を達成するフ レネルレンズのため２進光学マイクロレンズを決定し、さらにアレイの後部表面 には少なくとも１つのマスキング層を形成し、アレイの後部表面から材料を選択 的に除去してマイクロレンズを構成している。

本発明は特に望ましい実施例に関して説明したが、本発明の技術的範囲を逸脱す ることなく形態および細部の変形変更が可能であることは当該分野の専門家によ って理解されるであろう。例えば、基板表面にマスク３４の反転像により材料を 蒸着させ、それによってエツチング法とは反対の付着法によって２進レンズを構 成することも本発明の技術的範囲内に含まれる。蒸着する材料は基板と同じもの が望ましいが、ゲルマニウムのような光透過性の誘電材料でも良い。さらにエツ チングと付着技術を組み合わせることもできる。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の７第１項）平成３年４月１１日

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. （１）入射放射線を集束させるために放射線検出器のそれぞれと一致してレンズ 素子を形成する放射線検出器の後方照明アレイの製造方法において、 後部表面と複数の放射線検出器位置を保持する反対側の前部表面とを具備する基 板を設け、 それぞれ放射線検出器の位置と一致する複数の２進光学マイクロレンズ素子を限 定するためのパターンを有するマスクを後部表面に設け、 基板の後部表面からマスキングされていない材料を予め決められた深さに選択的 に除去して複数の２進光学マイクロレンズを形成し、 マスクを取外す工程を含むことを特徴とする放射線検出器アレイの製造方法。
2. （２）マスクを設け、選択的に除去しまたマスクを取り除く工程が複数回行われ る請求の範囲第１項記載の方法。
3. （３）選択的に除去する工程がドライエッチングによって行われる請求の範囲第 １項記載の方法。
4. （４）ドライエッチングがイオンエッチングによって行われる請求の範囲第１項 記載の方法。
5. （５）予め決められた深さが以下の式のｄで示される請求の範囲第１項記載の方 法： ｄ＝（２π）／［（ｎ−１）＊２Ｎ］ （ただし、ｎは基板材料の屈折率であり、Ｎはマスクの数あるいはその段階数で ある。）
6. （６）マスクを設ける工程が、 入射を放射線検出器平面における予め決められたスポットの大きさの範囲内に集 束させるように動作する等価なレンズ素子の形状を限定し、この等価なレンズ素 子は各々が球状曲面を保持する複数の領域プレートを含み、この複数の領域プレ ートの球状曲面を所望の精度に近似する２進光学マイクロレンズ素子を製造する ためのマスクの数及び各々のマスクパターンを限定する初期工程を含む請求の範 囲第１項記載の方法。
7. （７）入射放射線を集束するために各放射線検出器のそれぞれと一致して後部表 面と一体のレンズ素子を設けるための小さい面積の放射線検出器の後方照明アレ イの製造方法において、 後部表面と、アレイユニットセル領域の１つの領域に対してそれより減少した面 積の複数の放射線検出器が位置している反対側の前部表面とを有する基板を設け 、放射線検出器の各々を面積の減少していない放射線検出器の所望の割合に照射 するのに必要な光学集束量を決定し、所望の割合に入射放射線を集束するするよ うに動作する後部表面レンズ素子の形状を決定し、等価なレンズ素子には各々が 球状曲面を保持する複数の領域プレートが含まれ、複数の領域プレートの球状曲 面を所望の精度に近似する２進光学マイクロレンズを形成するための多数のマス ク及び各々のマスクのパターンを決定し、 それぞれ各放射線検出器位置の１つに一致する複数の２進光学マイクロレンズ素 子を限定するためのパターンを有するマスクを後部表面に設け、 基板の後部表面からマスキングされていない材料を予め決められた深さに選択的 に除去して複数の２進光学マイクロレンズ素子を形成し、 マスクを取除く工程を含む放射線検出器の後方照明アレイの製造方法。
8. （８）各２進光学レンズ素子の各々が実質的に関連するユニットセル領域を満た すように形成されている請求の範囲第７項記載の方法。
9. （９）マスクを設け、選択的に除去し、およびマスクを取除く工程が各々決めら れた数のマスクに対してそれぞれ１回行われる請求の範囲第７項記載の方法。
10. （１０）選択的に除去する工程がドライエッチングによって行われる請求の範囲 第７項記載の方法。
11. （１１）ドライエッチングがイオンエッチングによって行われる請求の範囲第１ ０項記載の方法。
12. （１２）予め決められた深さが以下の式のｄによって示される請求の範囲第７項 に記載の方法： ｄ＝（２π）／［（ｎ−１）＊２Ｎ］ （ただし、ｎは基板材料の屈折率であり、Ｎはマスクの数あるいはその段階数で ある。）
13. （１３）入射放射線を集束するための放射線検出器の各々に一致してレンズ素子 を形成する放射線検出器の後方照明アレイの製造方法において、 後部表面及び複数の放射線検出器位置を保持する反対側の前部表面を有する基板 を設け、 それぞれ放射線検出器位置の１つに一致する複数の２進光学マイクロレンズ素子 を限定するパターンを具備するマスクを後部表面に設け、 マスクを通して基板の後部表面に予め決められた深さに選択的に材料を付着させ て複数の２進光学マイクロレンズを形成し、 マスクを取除く工程を含むことを特徴とする方法。
14. （１４）マスクを設け、選択的に付着させまた取除く工程が複数回行われる請求 の範囲第１３項記載の方法。
15. （１５）予め決められた深さが以下の式のｄで示される：ｄ＝（２π）／［（ｎ −１）＊２Ｎ］ （ただし、ｎは基板材料の屈折率であり、Ｎはマスクの数あるいはその概数であ る）請求の範囲第１３項に記載の方法。