JP5010253B2 - Semiconductor lens, infrared detector using the same, and method for manufacturing semiconductor lens - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レンズおよびそれを用いた赤外線検出装置、半導体レンズの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor lens, an infrared detector using the same, and a method for manufacturing a semiconductor lens.
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。
2. Description of the Related Art Conventionally, in the field of light receiving devices and the like, 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
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14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。
By the way, in the method for manufacturing a microlens mold disclosed in
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。
However, 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。
In addition, it is conceivable to manufacture a plano-concave semiconductor lens by using the method for forming the
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。 Further, conventionally, a method of manufacturing a semiconductor lens made of the remaining portion of the semiconductor substrate by removing a part of the semiconductor substrate has been proposed. The infrared detection element and a can package that houses the infrared detection element are proposed. A can package in which a light transmission window is formed in front of the light receiving surface of the infrared detection element, and an optical element that collects infrared rays on the light reception surface of the infrared detection element disposed from the inside of the can package so as to cover the light transmission window. It has been proposed to use a semiconductor lens as an optical member in an infrared detection device including a member (see, for example, Patent Document 2). Here, in the semiconductor lens manufacturing method described above, the lens portion made of the Fresnel lens is formed using the electron beam lithography technology and the etching technology, and the lens portion and the portion other than the lens portion are formed continuously and integrally. Therefore, for example, a plano-convex lens portion and a flange portion that surrounds the lens portion can be formed continuously and integrally, and it is easy to cover the translucent window from the inside of the can package. It becomes possible to arrange.
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3参照)。 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 3).
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。
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。
By the way, in the infrared detection device using the semiconductor lens manufactured by applying the technique described in
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。
In the method for manufacturing a semiconductor lens described in
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
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。
Further, in the technique described in
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およびそれを用いた赤外線検出装置、半導体レンズの製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above reasons, and an object of the present invention is to provide a semiconductor lens capable of preventing infrared rays from being incident on the light receiving surface of an infrared detecting element through a base portion which is a portion other than the lens portion. Another object of the present invention is to provide an infrared detector using the same and a method for manufacturing a semiconductor lens.
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であって、透光窓の内側に位置するレンズ部以外の部位であるベース部に、赤外線を吸収することで赤外線を阻止する赤外線阻止層が設けられてなるものであり、赤外線阻止層は、ベース部内に形成されてなり、レンズ部に比べて高濃度ドーピングされた高濃度不純物ドーピング層からなることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、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へ入射しようとする赤外線を赤外線阻止層により吸収することで阻止することが可能となり、レンズ部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への入射を防止することができ、赤外線検出素子の感度を高めることが可能となる。また、この発明によれば、赤外線阻止層が、金属膜や赤外線吸収薄膜により形成されている場合に比べて、耐熱性が高くなるとともに赤外線吸収特性が安定する。また、この発明によれば、赤外線阻止層の耐熱性が高くて信頼性が高く、また、ベース部に不純物を高濃度ドーピングすることにより赤外線阻止層を形成することができ、また、パッケージが金属製である場合には、赤外線阻止層とパッケージとの電気的なコンタクトが容易になり、赤外線検出素子への電磁ノイズの影響を防止できる。 According to the present invention, it is possible to block the infrared rays that are to be incident on the infrared detection element through the base portion, which is a part other than the lens portion, by absorbing the infrared rays by the infrared ray blocking layer, and the detection area determined by the shape of the lens portion and the like. It is possible to prevent unnecessary infrared rays from being incident on the infrared detection element, and to increase the sensitivity of the infrared detection element . Moreover, according to this invention, compared with the case where the infrared ray blocking layer is formed of a metal film or an infrared ray absorbing thin film, the heat resistance is increased and the infrared ray absorption characteristics are stabilized. Further, according to the present invention, the infrared blocking layer has high heat resistance and high reliability, and the infrared blocking layer can be formed by doping the base portion with a high concentration of impurities, and the package is made of metal. In the case of being manufactured, electrical contact between the infrared blocking layer and the package is facilitated, and the influence of electromagnetic noise on the infrared detection element can be prevented.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記パッケージが金属製であり、前記赤外線阻止層は、前記パッケージに電気的に接続されるアース用電極を兼ねてなることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、前記赤外線検出素子への電磁ノイズの影響を防止できる。 According to this invention, the influence of electromagnetic noise on the infrared detection element can be prevented.
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記レンズ部を複数有してなり、前記赤外線阻止層は、前記レンズ部同士の境界部にも形成されてなることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, a plurality of the lens portions are provided, and the infrared blocking layer is also formed at a boundary portion between the lens portions. And
この発明によれば、複数の前記レンズ部が隣り合う前記レンズ部が互いに重なる形で近接した所謂マルチレンズを構成するようにしても、隣り合う前記レンズ部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。 According to the present invention, even when a so-called multi-lens is formed in which a plurality of adjacent lens portions are adjacent to each other so as to overlap each other, infrared rays are emitted through a boundary portion between the adjacent lens portions. Can be prevented and high sensitivity can be achieved.
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3の発明において、前記レンズ部の少なくとも一面に、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が形成されてなることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the present invention, a multilayer interference filter is formed on at least one surface of the lens portion to transmit infrared light in a desired wavelength region and reflect infrared light in an unnecessary wavelength region. It is characterized by.
この発明によれば、所望の波長域の赤外線を効率良く透過させることができる一方で、不要な波長域の赤外線をカットすることができ、前記赤外線検出素子の高感度化を図れる。 According to the present invention, infrared rays in a desired wavelength region can be transmitted efficiently, while infrared rays in unnecessary wavelength regions can be cut, and high sensitivity of the infrared detection element can be achieved.
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4の発明において、前記レンズ部および前記ベース部は、シリコンにより形成されてなることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects of the invention, the lens portion and the base portion are formed of silicon.
この発明によれば、シリコン基板を用いて半導体レンズを形成することができるので、化合物半導体基板などを用いて半導体レンズを形成する場合に比べて、機械的強度を高めることができるとともに低コスト化を図れる。 According to the present invention, since the semiconductor lens can be formed using the silicon substrate, the mechanical strength can be increased and the cost can be reduced as compared with the case where the semiconductor lens is formed using the compound semiconductor substrate or the like. Can be planned.
請求項6の発明は、赤外線検出素子と、当該赤外線検出素子を収納する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パッケージと、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光学部材とを備え、当該光学部材として請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の半導体レンズを用いてなることを特徴とする。
The invention according to claim 6 is an infrared detection element, a package for housing the infrared detection element, a package having a light transmission window formed in front of a light receiving surface of the infrared detection element, and a package so as to cover the light transmission window And an optical member for condensing infrared rays onto the light receiving surface of the infrared detection element, and using the semiconductor lens according to any one of
この発明によれば、半導体レンズのレンズ部以外の部位であるベース部を通して赤外線が赤外線検出素子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。 According to the present invention, it is possible to prevent infrared rays from entering the light receiving surface of the infrared detection element through the base portion, which is a portion other than the lens portion of the semiconductor lens, and high sensitivity can be achieved.
本願の別の発明は、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であって、透光窓の内側に位置するレンズ部以外の部位であるベース部に、赤外線を吸収することで赤外線を阻止する赤外線阻止層が設けられてなるものであり、赤外線阻止層は、ベース部内に形成されてなり、レンズ部に比べて高濃度ドーピングされた高濃度不純物ドーピング層からなる半導体レンズの製造方法であって、レンズ部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、多孔質部除去工程時もしくは多孔質部除去工程の後で前記陽極を除去するようにし、前記陽極を除去した後で半導体基板の前記一表面側に赤外線阻止層を形成する赤外線阻止層形成工程を有することを特徴とする。 Another invention of the present application is arranged from the inside of the package so as to cover a light-transmitting window formed in front of the light receiving surface of the infrared detecting element in the package containing the infrared detecting element, and infrared light is transmitted to the light receiving surface of the infrared detecting element. A semiconductor lens having a lens portion for condensing light, and an infrared ray blocking layer for blocking infrared rays by absorbing infrared rays is provided on a base portion that is a portion other than the lens portion located inside the translucent window. and become one, the infrared blocking layer is made is formed in the base portion, a highly-doped method of manufacturing a semi-conductor lens made of high-concentration impurity-doped layer in comparison with the lens portion, the shape of the lens portion An anode forming step for forming a pattern-designed anode on one surface side of the semiconductor substrate, and a cathode disposed opposite to the other surface side of the semiconductor substrate in the electrolyte and the anode An anodic oxidation process for forming a porous part to be a removal site on the other surface side of the semiconductor substrate and a porous part removing process for removing the porous part. In the anode forming process, the anode and the semiconductor substrate 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 porous part removing process or in the porous process. The anode is removed after the mass part removing step, and an infrared ray blocking layer forming step for forming an infrared ray blocking layer on the one surface side of the semiconductor substrate after removing the anode is characterized.
この別の発明によれば、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ているので、陽極と半導体基板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、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除去することで所望の形状のレンズ部を形成することができ、また、多孔質部を除去した後で赤外線阻止層を形成するので、赤外線阻止層の材料の選択肢が多くなる。 According to another inventions of this, since the in-plane distribution of current density of the current flowing through the semiconductor substrate in the anodizing process by the pattern of the anode is formed by anodic formation step is determined, porous forming at anodic oxidation process It is easy to control the in-plane distribution of the thickness of the portion, and in the anode formation step, the anode is formed so that the contact between the anode and the semiconductor substrate becomes an ohmic contact. Since no Schottky barrier occurs, the current flowing during energization in the anodic oxidation process is blocked by the Schottky barrier, the desired current value cannot be obtained, or the instability of the Schottky barrier varies due to instability of the contact resistance. It is possible to prevent the occurrence of malfunctions that occur, and in the anodizing process, as the electrolytic solution, a solution that removes oxides of constituent elements of the semiconductor substrate is used. It is possible to easily form a porous part whose thickness has been continuously changed with a desired thickness distribution by one anodic oxidation process, and by removing the porous part in the porous part removing process. A lens portion having a desired shape can be formed, and the infrared blocking layer is formed after removing the porous portion, so that there are many options for the material of the infrared blocking layer.
請求項7の発明は、請求項1記載の半導体レンズの製造方法であって、レンズ部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備え、陽極形成工程では、半導体基板の前記一表面側から半導体基板中へ不純物をドーピングすることで半導体基板内に高濃度不純物ドーピング層からなる陽極を形成するようにし、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、前記高濃度不純物ドーピング層を赤外線阻止層として残すように多孔質部を選択的に除去することを特徴とする。 A seventh aspect of the present invention is a method of manufacturing a semiconductor lens according to the first aspect, wherein an anode forming step of forming an anode with a pattern designed according to the shape of the lens portion on one surface side of the semiconductor substrate; An anodic oxidation step of forming a porous portion to be a removal site on the other surface side of the semiconductor substrate by energizing between the anode and the cathode opposed to the other surface side of the semiconductor substrate, and the porous portion And removing the porous portion to be removed. In the anode forming step, an anode made of a high-concentration impurity-doped layer is formed in the semiconductor substrate by doping impurities into the semiconductor substrate from the one surface side of the semiconductor substrate. In the anodic oxidation process, a solution for removing oxides of the constituent elements of the semiconductor substrate is used as the electrolytic solution. In the porous part removing process, the high-concentration impurity doping layer is used as an infrared ray. Wherein the selectively removing the porous portion to leave as stop layer.
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、陽極形成工程では、半導体基板の前記一表面側から半導体基板中へ不純物をドーピングすることで半導体基板内に高濃度不純物ドーピング層からなる陽極を形成するようにしているので、陽極と半導体基板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、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レンズ部を形成することができるとともに前記高濃度不純物ドーピング層を赤外線阻止層として残すことができるので、赤外線阻止層の位置精度を高めることができる。 According to the present invention, since the in-plane distribution of the current density of the current flowing through the semiconductor substrate in the anodizing process is determined by the anode pattern formed in the anode forming process, the thickness of the porous part formed in the anodizing process is determined. In-plane distribution can be easily controlled, and in the anode forming step, an anode composed of a high-concentration impurity-doped layer is formed in the semiconductor substrate by doping impurities into the semiconductor substrate from the one surface side of the semiconductor substrate. Therefore, no Schottky barrier is formed between the anode and the semiconductor substrate. Therefore, the current flowing during energization in the anodic oxidation process is blocked by the Schottky barrier, a desired current value cannot be obtained, or the Schottky barrier is not broken. It is possible to prevent the occurrence of problems such as in-plane variations in contact resistance due to stability, and in the anodizing process, as an electrolyte, Since a solution that removes the oxides of the constituent elements of the conductor substrate by etching is used, it is possible to easily form a porous part with a desired thickness distribution and continuously changing the thickness in one anodic oxidation process. By selectively removing the porous portion in the porous portion removing step, a lens portion having a desired shape can be formed and the high-concentration impurity-doped layer can be left as an infrared blocking layer. Therefore, the positional accuracy of the infrared blocking layer can be increased.
請求項1の発明では、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できるという効果がある。 According to the first aspect of the present invention, there is an effect that infrared rays can be prevented from entering the light receiving surface of the infrared detecting element through the base portion which is a portion other than the lens portion.
請求項6の発明では、半導体レンズのレンズ部以外の部位であるベース部を通して赤外線が赤外線検出素子の受光面へ入射するのを防止することができ、高感度化を図れるという効果がある。 According to the sixth aspect of the present invention, it is possible to prevent infrared rays from entering the light receiving surface of the infrared detecting element through the base portion, which is a portion other than the lens portion of the semiconductor lens, and there is an effect that high sensitivity can be achieved.
請求項7の発明では、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を提供できるという効果がある。 According to the seventh aspect of the invention, there is an effect that it is possible to provide a semiconductor lens capable of preventing infrared rays from entering the light receiving surface of the infrared detecting element through the base portion which is a portion other than the lens portion.
(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。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the infrared detection device of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
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。
The infrared detection device of the present embodiment includes an
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。
Here, the
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。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
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Si3N4、SiO2、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。
The
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1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。
Incidentally, the infrared detecting
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。
In addition, the
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。
Further, the
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。
Here, the
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吸収することで阻止する赤外線阻止層3cが設けられている。ここで、赤外線阻止層3cは、SiO2層により構成してあるが、当該赤外線阻止層3cの材料は、SiO2に限らず、Si3N4、SiON、セラミック(例えば、Al2O3、AlN、SiCなど)などの非金属(絶縁性材料)や、NiCr、グラファイト、グラファイトライクカーボンなどの反射率の低い金属(導電性材料)や、金属酸化物(例えば、Ti、Mo、Ni、Alなどの金属酸化物)などを採用してもよく、赤外線阻止層3cとして上述の絶縁性材料や金属を採用した場合には、赤外線阻止層3cの耐熱性が高くて信頼性が高い。なお、赤外線阻止層3cの材料として金属酸化物を採用する場合には、例えば、金属酸化物膜をスパッタ法やCVD法などにより成膜するようにしてもよいし、Ti、Mo、Ni、Alなどの金属材料からなる金属膜を成膜した後で当該金属膜の少なくとも一部(例えば、当該金属膜の表面側の部分)を酸化することにより金属酸化物膜を形成するようにしてもよい。
By the way, the
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層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。なお、赤外線阻止層3cの材料として上述のような金属を採用した場合には、半導体レンズ3をキャップ22と電気的なコンタクトがとりやすく半導体レンズ3とキャップ22とを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。
Thus, in the
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。
By the way, in the infrared detection apparatus of this embodiment, although the
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。
On the other hand, in the infrared detection device of the present embodiment, as described above, the opening shape of the
以下、上述の半導体レンズ3の形成方法について図5(a)〜(f)を参照しながら説明する。
Hereinafter, a method for forming the
まず、図5(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のシリコンウェハ30の一表面(図5(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5(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5(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、N2ガスおよびH2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。
First, a cleaning step for cleaning the
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5(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。
After the conductive layer forming step, a patterning step for patterning the
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5(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5(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。
After the patterning step, an electric current is passed between the
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+→SiF2+2H++ne−
SiF2+2HF→SiF4+H2
SiF4+2HF→SiH2F6
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として導電形が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。
By the way, 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, it is known that in the anodic oxidation of the
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によって、図5(e)に示す構造を得る。なお、多孔質部除去工程において多孔質部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、Alにより形成されている陽極32も同時にエッチング除去することができるが、多孔質部除去工程の後で陽極32を除去するようにしてもよい。
After the above-described anodic oxidation step is completed, a porous portion removing step for removing the
上述のように多孔質部除去工程時もしくは多孔質部除去工程の後で陽極32を除去してから、第2の半導体ウェハ30の上記一表面側にSiO2膜からなる赤外線阻止層3cを形成することによって、図5(f)に示す構造の半導体レンズ3を得る。なお、赤外線阻止層3cは、例えば、CVD法、スパッタ法などの薄膜形成技術とフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを利用して形成すればよい。
As described above, after removing the
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除去することで所望の形状のレンズ部3aを形成することができ、また、多孔質部34を除去した後で赤外線阻止層3cを形成するので、赤外線阻止層3cの材料の選択肢が多くなる。なお、赤外線阻止層3cの材料として金属酸化物を採用する場合には、上述の陽極32の材料として当該金属酸化物の構成元素である金属を採用し、陽極32を除去せずに、陽極32を熱酸化や陽極酸化などの酸化方法により酸化する酸化工程を追加することで金属酸化物からなる赤外線阻止層3cを形成するようにしてもよい。
Thus, according to the method of manufacturing the
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。
By the way, in the manufacturing method of the
また、上述の半導体レンズ3としては、図6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6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6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。
Further, as shown in FIG. 6, the above-described
(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7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。
(Embodiment 2)
The basic configuration of the infrared detection apparatus of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment. As shown in FIG. 7, the
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、赤外線阻止層3cの材料として実施形態1にて説明したNiCr,グラファイト、グラファイトライクカーボンなどの金属を採用しており、赤外線阻止層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。なお、赤外線阻止層3cの材料としては、実施形態1にて説明したように、金属に限らず、金属酸化物などを採用してもよい。また、本実施形態の半導体レンズ3においても、図6に示した半導体レンズ3と同様に多層干渉フィルタ3d,3eを形成した構成を採用してもよい。
Thus, in the infrared detection device of the present embodiment, a part of the
ところで、実施形態1,2にて説明した半導体レンズ3では、赤外線阻止層3cがベース部3bに積層されているが、赤外線阻止層3cは、図8に示すように、不純物(例えば、ボロンなど)が1×1019cm−3以上の濃度で高濃度ドーピングされた高濃度不純物ドーピング層により構成してもよく(つまり、赤外線阻止層3cをベース部3b内に形成してもよく)、赤外線阻止層3cを高濃度不純物ドーピング層により構成した場合にも赤外線阻止層3cをアース電極に兼用することができるとともに、耐熱性が高くて信頼性が高い。また、ベース部3bに不純物を高濃度ドーピングすることにより赤外線阻止層3cを形成することができ、レンズ部3aの形成後のレンズ部3aの金属汚染を防止することができる。また、赤外線阻止層3cは、ベース部3bの一部を多孔質化することにより形成した多孔質層(例えば、多孔質シリコン層)により構成してもよい。
By the way, in the
また、半導体レンズ3における赤外線阻止層3cを高濃度不純物ドーピング層により構成する場合には、高濃度不純物ドーピング層を上述の陽極として利用する半導体レンズ3の製造方法が考えられる。以下、この製造方法について図9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。
Further, in the case where the
まず、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の一表面側に陽極32形成用にパターニングされたマスク層36(例えば、レジスト層、シリコン酸化膜など)を形成するマスク層形成工程を行い、その後、第2の半導体ウェハ30の上記一表面側から不純物をドーピングすることにより高濃度不純物ドーピング層からなる陽極32を形成する陽極形成工程を行うことによって、図9(a)に示す構造を得る。なお、陽極形成工程では、例えば、B+をイオン注入して熱拡散させることにより高濃度不純物ドーピング層からなる低抵抗の陽極32を形成すればよいが、イオン注入法に限らず、例えば拡散法により形成してもよい。低抵抗の陽極32を形成する。ここで、陽極32は、レンズ部3aの形状に応じてパターン設計してあり、上記マスク層36の開口パターンは、陽極32のパターン設計に応じて設計してある。
First, after performing a cleaning process and a marking process on the
陽極形成工程の後、上記マスク層36を除去するマスク層除去工程を行うことによって、図9(b)に示す構造を得る(なお、図9(b)では、第2の半導体ウェハ30の上記一表面側が下側となるように図示してある)。
After the anode formation step, the structure shown in FIG. 9B is obtained by performing a mask layer removal step for removing the mask layer 36 (in FIG. 9B, the structure of the
マスク層除去工程の後、第2の半導体ウェハ30の上記一表面側に陽極32と接触する電流導入用電極(図示せず)を配置し、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9(b)の上面側)に対向配置される陰極と陽極32との間に上記電流導入用電極を介して通電して第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を行うことによって、図9(c)に示す構造を得る。
After the mask layer removing step, a current introduction electrode (not shown) in contact with the
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。ここにおいて、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、多孔質部除去工程において、多孔質部34を選択的に除去することができ、上述の高濃度不純物ドーピング層からなる陽極32を赤外線阻止層3cとして備えた図9(d)に示す構造の半導体レンズ3を得ることができる。
After the end of the anodizing process, a porous part removing process for removing the
しかして、この製造方法によれば、陽極形成工程では、半導体基板たる第2の半導体ウェハ30の上記一表面側から第2の半導体ウェハ30中へ不純物をドーピングすることで第2の半導体ウェハ30内に高濃度不純物ドーピング層からなる陽極32を形成するようにしているので、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を形成することができるとともに上記高濃度不純物ドーピング層を赤外線阻止層3cとして残すことができるので、赤外線阻止層3cの位置精度を高めることができる。
Thus, according to this manufacturing method, in the anode formation step, the
(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10および図11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。
(Working-shaped state 3)
The basic configuration of the infrared detection device of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment. As shown in FIGS. 10 and 11, the
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層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。
In the infrared detecting device of the present embodiment, the
なお、本実施形態では、半導体レンズ3における複数のレンズ部3aを有し隣り合うレンズ部3a同士が互いに重なり合う形で形成されているが、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。
In the present embodiment, the
ところで、上述の図10および図11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。
By the way, in the
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12に示すように、赤外線阻止層3cが、各レンズ部3aごとに独立した複数の開孔部3fが形成されていることが望ましい。図12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。また、本実施形態の半導体レンズ3においても、図6に示した半導体レンズ3と同様に多層干渉フィルタ3d,3eを形成した構成を採用してもよいし、赤外線阻止層3cを上述の高濃度不純物ドーピング層や多孔質層により構成してもよい。
Therefore, when a multi-lens that is adjacent to each other so that
(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13(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。
(Embodiment 4)
The basic configuration of the infrared detection device of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, and the
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13(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。
Hereinafter, the manufacturing method of the
まず、図13(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13(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13(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13(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。
First, a cleaning process and a marking process are performed on the
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13(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のシリコンウェハ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。
By performing a first patterning step of patterning the first
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13(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13(d)に示す構造を得る。
After the first patterning step, the
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13(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。
After the first anodic oxidation step is completed, a first porous portion removing step for removing the first
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13(f)に示す構造を得る。
After the first porous portion removal step, the side of the
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13(g)に示す構造を得る。
Thereafter, the second
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い、その後、第2の半導体ウェハ30の上記他表面側に赤外線阻止層3cを形成する赤外線阻止層形成工程を行うことによって、図13(h)に示す構造の半導体レンズ3を得る。
After the completion of the second anodizing step, a second porous portion removing step for removing the second
以上説明した半導体レンズ3の製造方法によれば、両凸レンズの形状のレンズ部3aを有し且つ赤外線阻止層3cを有する半導体レンズ3が形成される。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層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。また、本実施形態の半導体レンズ3においても、図6に示した半導体レンズ3と同様に多層干渉フィルタ3d,3eを形成した構成を採用してもよいし、赤外線阻止層3cを上述の高濃度不純物ドーピング層や多孔質層により構成してもよい。
According to the manufacturing method of the
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。
By the way, in each said embodiment, although the p-type silicon substrate (2nd silicon wafer) is employ | adopted as a semiconductor substrate used as the foundation of the
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。 As the electrolytic solution used in the anodizing step and removing the oxide of the constituent element of the semiconductor substrate, for example, an electrolytic solution as shown in Table 1 below may be used.
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。 Note that a metal substrate (for example, an Al substrate, a Ti substrate, or the like) that can be made porous by anodization can be used instead of the semiconductor substrate.
1 赤外線検出素子
2 パッケージ
3 半導体レンズ
3a レンズ部
3b ベース部
3c 赤外線阻止層
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
DESCRIPTION OF
32 Anode (first anode)
34 Porous part (first porous part)
42
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