(57)【要約】【課題】半導体基板のアレイ状に集積化した受光部にマイクロレンズで光を受光させる際に、入射光の位置ずれに対する結合トレランスを十分確保できる裏面入射型受光素子および裏面入射型受光素子の製造方法を得る。【解決手段】平板状の半導体基板の第１面と接する内部空間に特定方向に長手方向を有する受光素子１１を間隔を置いて配置する。第１面と対向する第２面には、前記した特定方向を軸方向とし所定の曲面を形成した円筒を軸方向に平行な面で切断した部分円筒としてのマイクロレンズ１２を受光素子１１が焦点位置となるように形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の半導体基板の第１面としての表側となる面と接する内部空間に、前記第１面の特定方向に長手方向を有し、この特定方向に一定の間隔を置いてそれぞれ配置された複数の受光素子と、
前記特定方向を軸方向とし所定の曲面を形成した円筒を前記軸方向に平行な面で切断した部分円筒を前記受光素子が焦点位置となるように前記第１面と対向する第２面としての裏側の面上に形成したシリンドリカルな形状のマイクロレンズ
とを具備することを特徴とする裏面入射型受光素子。
【請求項２】
前記マイクロレンズはエッチング加工によって前記半導体基板と一体的に形成していることを特徴とする請求項１記載の裏面入射型受光素子。
【請求項３】
前記複数の受光素子は、前記特定方向に一列に配置されていることを特徴とする請求項１記載の裏面入射型受光素子。
【請求項４】
前記複数の受光素子は、前記特定方向に列をなすと共に、この特定方向と前記第１の面内で直交する方向に複数列配置されていることを特徴とする請求項１記載の裏面入射型受光素子。
【請求項５】
前記受光素子の受光面における前記長手方向の長さが、前記第１面でのこれに直交する短手方向の長さに対して２倍〜４倍となっていることを特徴とする請求項１記載の裏面入射型受光素子。
【請求項６】
平板状の半導体基板の第１面としての表側となる面に接する内部空間に、この第１面の特定方向に長手方向を有し、この特定方向に一定の間隔を置いた複数の受光素子を形成する受光素子形成ステップと、
前記第１面と対向する第２面としての裏側の面における前記複数の受光素子を形成した位置と対向する位置に前記特定方向に沿ってストライプ状の順メサを形成するメサ形成ステップと、
このメサ形成ステップで形成した順メサの角を取るように表面を曲面化し、前記受光素子を焦点位置とするシリンドリカルな形状のマイクロレンズに成形するレンズ成形ステップ
とを具備することを特徴とする裏面入射型受光素子の製造方法。
【請求項７】
レンズ成形ステップは、ウェットエッチング加工によって前記順メサの角を取るように表面を曲面化することを特徴とする請求項６記載の裏面入射型受光素子の製造方法。
【請求項８】
前記メサ形成ステップは、前記複数の受光素子を形成した位置と対向する位置に前記特定方向に沿ってストライプ状のエッチングマスクを形成するマスク形成ステップと、このマスク形成ステップで形成したエッチングマスクの上からエッチング加工を行うエッチング加工ステップとを具備することを特徴とする請求項６記載の裏面入射型受光素子の製造方法。
【請求項９】
前記メサ形成ステップは、１段階以上のメサ型を形成するステップであることを特徴とする請求項６記載の裏面入射型受光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記メサ形成ステップにおけるエッチング液のエッチング速度が、前記レンズ成形ステップにおけるエッチング液のエッチング速度よりも遅くなるように調整されていることを特徴とする請求項６記載の裏面入射型受光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の裏面側から光を入射して受光する裏面入射型受光素子および裏面入射型受光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の関連技術として、マイクロレンズを基板の裏面に集積して、この裏面側から光を入射して受光する裏面入射型受光素子が提案されている（たとえば非特許文献１参照）。この裏面入射型受光素子は、たとえば光通信における光受信器として用いられている。
【０００３】
図１２は、この関連技術を用いた裏面入射型受光素子の一例を示したものである。半導体基板１０１の裏面には、円の中央部が球面の一部を構成し、周辺部が非球面となったマイクロレンズ１０２が形成されており、全体として裏面入射型受光素子１０４を構成している。半導体基板１０１に対して垂直方向に入射する光が、マイクロレンズ１０２を透過した際のその焦点位置には、受光部１０３が形成されている。ここで、受光部１０３は、球面による焦点位置に非球面による焦点位置のずれを考慮した位置となっている。
【０００４】
図１３は、図１２で示したマイクロレンズを半導体基板の裏面に垂直に、かつ受光部を含む位置で、図１２に示したＡ−Ａ方向に切断した様子を表わしたものである。半導体基板１０１の裏面には、受光部１０３の真上の位置が頂点となるように凸形状のマイクロレンズ１０２が形成されている。
【０００５】
このような裏面入射型受光素子１０４では、半導体基板１０１をエッチング加工することで、マイクロレンズ１０２を集積化することができる。これにより、裏面入射型受光素子１０４では、受光部１０３であるｐｎ接合部の面積を小さく保ったままで、入射光との結合トレランスを拡大することができる。したがって、素子容量が小さく応答が高速な受光素子を、歩留まりよく製造することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】発明協会公開技報公技番号９３−６０６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、関連技術では、同一半導体基板１０１上に複数の裏面入射型受光素子１０４をアレイ状に集積する場合に、隣り合うマイクロレンズ１０２の間隔が短くなる。ここで、アレイ状とは，等間隔で物体を配列した状態をいう。このため、関連技術を使用した場合、マイクロレンズ１０２の製造工程で球面の一部をレンズとして形成する際のエッチング形状に歪みが生じてしまう。この結果、正常な球面状のマイクロレンズ面を作製することができず、受光部１０３へ光学像を良好に収束させることができなくなる。これにより、入射光の位置ずれに対する結合トレランスを大きく保てないという問題が発生した。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、半導体基板のアレイ状に集積化した受光部にマイクロレンズで光を受光させる際に、入射光の位置ずれに対する結合トレランスを十分確保できる裏面入射型受光素子および裏面入射型受光素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、（イ）平板状の半導体基板の第１面としての表側となる面と接する内部空間に、前記した第１面の特定方向に長手方向を有し、この特定方向に一定の間隔を置いてそれぞれ配置された複数の受光素子と、（ロ）前記した特定方向を軸方向とし所定の曲面を形成した円筒を前記した軸方向に平行な面で切断した部分円筒を前記した受光素子が焦点位置となるように前記した第１面と対向する第２面としての裏側の面上に形成したシリンドリカルな形状のマイクロレンズとを裏面入射型受光素子が具備する。
【００１０】
また本発明では、（イ）平板状の半導体基板の第１面としての表側となる面に接する内部空間に、この第１面の特定方向に長手方向を有し、この特定方向に一定の間隔を置いた複数の受光素子を形成する受光素子形成ステップと、（ロ）前記した第１面と対向する第２面としての裏側の面における前記した複数の受光素子を形成した位置と対向する位置に前記した特定方向に沿ってストライプ状の順メサを形成するメサ形成ステップと、（ハ）このメサ形成ステップで形成した順メサの角を取るように表面を曲面化し、前記した受光素子を焦点位置とするシリンドリカルな形状のマイクロレンズに成形するレンズ成形ステップとを裏面入射型受光素子の製造方法が具備する。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように本発明によれば、一列に配置される複数の受光素子に共通して１本のシリンドリカルな形状のマイクロレンズを形成する。したがって、通常の円形のマイクロレンズを形成する場合では、受光素子の列方向に個々のマイクロレンズの位置合わせが必要となるが、この手間が不要となり、製造工程が簡略化するだけでなく、歩留りがよくなるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の裏面入射型受光素子のクレーム対応図である。
【図２】本発明の裏面入射型受光素子の製造方法のクレーム対応図である。
【図３】本発明の実施の形態による裏面入射型受光素子の平面構造の要部を表わした要部平面図である。
【図４】図３に示した裏面入射型受光素子のＡ−Ａ方向の断面図である。
【図５】図３に示した裏面入射型受光素子のＢ−Ｂ方向の断面図である。
【図６】本発明の実施例における裏面入射型受光素子の半導体基板側にエッチングマスクを形成した状態を示した要部平面図である。
【図７】図６に示した裏面入射型受光素子のＡ−Ａ方向の断面図である。
【図８】図６に示した裏面入射型受光素子のＢ−Ｂ方向の断面図である。
【図９】本実施例でウェットエッチング後にストライプ状のメサを形成した状態を示した要部平面図である。
【図１０】図９に示した裏面入射型受光素子のＡ−Ａ方向の断面図である。
【図１１】図９に示した裏面入射型受光素子のＢ−Ｂ方向の断面図である。
【図１２】本発明の関連技術を用いた裏面入射型受光素子の要部平面図である。
【図１３】図１２に示した裏面入射型受光素子のＡ−Ａ方向の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明の裏面入射型受光素子のクレーム対応図を示したものである。本発明の裏面入射型受光素子１０は、複数の受光素子１１とマイクロレンズ１２を備えている。ここで、複数の受光素子１１は、平板状の半導体基板の第１面としての表側となる面と接する内部空間に、前記した第１面の特定方向に長手方向を有し、この特定方向に一定の間隔を置いてそれぞれ配置されている。マイクロレンズ１２は、前記した特定方向を軸方向とし所定の曲面を形成した円筒を前記した軸方向に平行な面で切断した部分円筒を受光素子１１が焦点位置となるように前記した第１面と対向する第２面としての裏側の面上に形成したシリンドリカルな形状のレンズである。
【００１４】
図２は、本発明の裏面入射型受光素子の製造方法のクレーム対応図を示したものである。本発明の裏面入射型受光素子の製造方法２０は、受光素子形成ステップ２１と、メサ形成ステップ２２と、レンズ成形ステップ２３を備えている。ここで、受光素子形成ステップ２１では、平板状の半導体基板の第１面としての表側となる面に接する内部空間に、この第１面の特定方向に長手方向を有し、この特定方向に一定の間隔を置いた複数の受光素子を形成する。メサ形成ステップ２２では、前記した第１面と対向する第２面としての裏側の面における前記した複数の受光素子を形成した位置と対向する位置に前記した特定方向に沿ってストライプ状の順メサを形成する。レンズ成形ステップ２３では、メサ形成ステップ２２で形成した順メサの角を取るように表面を曲面化し、前記した受光素子を焦点位置とするシリンドリカルな形状のマイクロレンズに成形する。
【００１５】
＜発明の実施の形態＞
【００１６】
次に本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
図３は、本発明の実施の形態による裏面入射型受光素子の平面構造の要部を表わしたものである。裏面入射型受光素子２００は、半導体基板２０１の裏面に、シリンドリカルレンズ（cylindrical lens）の形状をしたマイクロレンズ２０２を形成している。シリンドリカルレンズは、円柱を軸方向に割ったような形状をしており、軸方向には屈折力を持たないが、これと直交する方向に屈折力を有している。
【００１８】
図３では、マイクロレンズ２０２の肉厚が最も厚い箇所（山の稜線に相当する部分）２０３は、ＢーＢ方向の切断面と一致しており、円柱の軸方向に直線状となっている。また、マイクロレンズ２０２の肉厚が最も薄い箇所で、レンズが基板平面と接する部分は実線２０４で示している。受光部２０５は、半導体基板２０１内部における基板表面側の位置で、マイクロレンズ２０２の肉厚が最も厚い箇所２０３から基板平面に垂線を立てたときに、これと交わる線上に、所定の間隔を置いて配置されている。
【００１９】
図４はこの裏面入射型受光素子を、図３に示したＡ−Ａ方向に切断した断面図を表わしたものであり、図５はこの裏面入射型受光素子を、図３に示したＢ−Ｂ方向に切断した断面図を表わしたものである。
【００２０】
これらの図で示すように、半導体基板２０１の図で上側（裏面側）の面には、マイクロレンズ２０２が凸状に形成されている。受光部２０５は、マイクロレンズ２０２の線上に形成される焦点位置に、所定の間隔を置いて、アレイ状に集積されている。それぞれの受光部２０５は、図３あるいは図５に示したように、アレイ状に集積された方向、すなわち円柱の軸方向の長さが、裏面と平行な面で軸方向と垂直方向の長さよりも長くなっている。
【００２１】
このような本実施の形態の裏面入射型受光素子２００によれば、受光部２０５がアレイ状に集積された方向は、マイクロレンズ２０２の円柱の軸方向であり、この方向ではレンズの肉厚が変化せず屈折力を有しない。したがって、受光部２０５同士の間隔が近接しても、レンズがこの方向に曲面を有する通常の球面からなるマイクロレンズと異なり、この方向でのレンズの歪みが発生しない。
【００２２】
このように本実施の形態のマイクロレンズ２０２は、円柱の軸方向に屈折力を有しない。しかしながら、図３〜図５で示したように受光部２０５の形状は円柱の軸方向に細長くなっている。このため、マイクロレンズ２０２は、円柱の軸方向での入射光の位置ずれに対する結合トレランスを大きく保つことができるという効果がある。
【００２３】
更に本実施の形態のマイクロレンズ２０２は、円柱の軸と垂直方向に対して、通常の球面状のマイクロレンズと同様に屈折力を有する。このため、通常の球面状のマイクロレンズと同様に結合トレランスを拡大する効果があり、受光部２０５のこの方向の幅を狭くして素子容量を小さく保ったまま、入射光との結合トレランスを拡大することができるという効果がある。
【実施例１】
【００２４】
次に、以上説明した本実施の形態の一実施例として、裏面入射型受光素子の製造過程を説明する。
【００２５】
図６は、裏面入射型受光素子の半導体基板側に、ストライプ（stripe）状のエッチング（etching）マスクを形成した状態を示したものである。本実施例では、まず、裏面入射型受光素子２００を構成する半導体基板３０１の裏面に、ＳｉＯ膜からなる所定幅のエッチングマスク３０２を形成する。エッチングマスク３０２を形成した半導体基板３０１内部の表面側には、ストライプの中心線上に、受光部３０３が所定の間隔を置いて形成されている。受光部３０３は、前記した中心線の方向が長手方向となっており、裏面と平行な面で軸方向と直交する方向の長さに対して中心線の方向の長さが２倍〜４倍となっている。もちろん、長さの比はこれよりも小さいものであってもよいし、大きいものであってもよい。
【００２６】
図７は、この製造段階における裏面入射型受光素子の、図６に示したＡ−Ａ方向の断面を表わしている。また、図８は、この製造段階における裏面入射型受光素子の、図６に示したＢ−Ｂ方向の断面を表わしている。半導体基板３０１の図で上側（裏面側）には、ＳｉＯ膜からなるエッチングマスク３０２が所定の厚さで形成されている。エッチングマスク３０２は、半導体基板３０１上にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によりＳｉＯ膜を成膜した後、通常のフォトリソグラフィ（Photolithography）工程によるパターンニングにより形成する。ここで、エッチングマスク３０２を構成するＳｉＯ膜のストライプの長手方向は、受光部３０３がアレイ状に集積されている方向に一致させる。
【００２７】
なお、この裏面入射型受光素子２００で、受光部３０３の製造は、従来の半導体受光素子と同様に行うことができる。したがって、エッチングマスク３０２の形成に先立つ受光部３０３の製造については、その説明を省略する。
【００２８】
図９は、ウェットエッチング後にストライプ状のメサを形成した状態を示したものである。ここで、メサ（Mesa）とは、侵食によって形成されるテーブル状の台地を意味する用語である。図６〜図８に示すように防食用のエッチングマスク３０２が半導体基板３０１上に形成された状態で、図示しないエッチング液でエッチングを行うと、ストライプ状のメサが形成される。この後、エッチングマスク３０２としてのＳｉＯ膜を除去すると、図９に示す状態となる。すなわち、図６でエッチングマスク３０２の存在していた箇所はエッチングが行われずに平坦な面３１１となっており、その両側はこの面３１１と鈍角をなす斜面（順メサ面）３１２、３１２を形成し、全体として順メサを構成している。
【００２９】
図１０は、裏面入射型受光素子の、図９に示したＡ−Ａ方向の断面を表わしている。また、図１１は、この製造段階における裏面入射型受光素子の、図９に示したＢ−Ｂ方向の断面を表わしている。図４に示すようなマイクロレンズの断面形状を得るための第１段階として、平坦な面３１１の両側に広がるような斜面３１２、３１２が形成される。このため、半導体基板３０１をエッチングするエッチング液は、良好な順メサ面が形成されやすいように、比較的低い濃度に調整されている。
【００３０】
図９〜図１１に示した順メサを構成したら、この裏面入射型受光素子の裏面側を再度、エッチングする。このとき、エッチング液は、順メサ面等の平面状に折れ曲がった結晶面が１つの曲面に平滑化されてエッチングされるように、前工程でメサを形成したときのエッチング液と比較して高い濃度に調整する。これにより、断面が台形状の順メサ面の角が取れて、図４に示したようなシリンドリカルな形状のマイクロレンズが形成される。この結果、受光部３０３は、シリンドリカルレンズの焦点位置に配置されることになる。
【００３１】
以上説明したように本実施例の裏面入射型受光素子によれば、図１０に示したように順メサ面をまず形成して、これを基にしてエッチングによりマイクロレンズを製造することにしている。このため、受光部３０３がアレイ状に集積された方向としての円柱の軸方向にレンズの肉厚が変化しない理想的な円筒面形状を良好に得ることができるという効果がある。
【００３２】
＜実施例の変形の可能性＞
【００３３】
以上説明した実施例では、半導体基板３０１上にエッチングマスク３０２を一度形成して順メサを構成し、これを基にしてマイクロレンズを形成した。これ以外に、異なった幅のエッチングマスクを用いて複数回のエッチングを行う方法も有効である。たとえば、幅の比較的広い第１のエッチングマスクを使用して１回目のエッチングを行い、これにより形成された断面が台形状の順メサ面の上面に幅の比較的狭い第２のエッチングマスクを使用して２回目のエッチングを行えばよい。これにより形成された階段状の順メサ面を、比較的高い濃度のエッチング液で平滑化することにより、シリンドリカルな形状のマイクロレンズを製造することができる。
【００３４】
また、平面上の半導体基板上に粘性の比較的低いレジストパターンを、受光部がアレイ状に集積された方向としての円柱の軸方向に、たとえば３列形成し、粘性の比較的高いレジストパターンをそれぞれの列に重畳させて形成した後に、エッチングを行ってもよい。これによるエッチングの初期では、粘性の高いレジストパターンがマスクとして機能する。この結果、サイドエッチングが小さいエッチングが行われる。エッチングが進行して粘性の高いレジストパターンがサイドエッチングにより除去されると、今度は粘性の低いレジストパターンがマスクとして機能する。これにより、サイドエッチングき大きなエッチングが行われて、シリンドリカルな形状のマイクロレンズを製造することができる。
【００３５】
以上説明した実施例および変形例以外にも、各種の手法でシリンドリカルな形状のマイクロレンズを製造することができることは当然である。
【００３６】
また、実施例および変形例ではマイクロレンズを円柱の軸方向に切断した形状のレンズとして説明したが、ここでいう円柱とは、断面が真円である必要はない。レンズとしての曲面を形成していることが理想であるが、エッチングの処理の過程で部分的に曲面が歪んだものであっても、光の収束に寄与する形状であればよい。マイクロレンズの焦点位置についても、関連技術で指摘しているように、焦点として機能する位置であればよい。
【００３７】
また、半導体基板は、入射する光線の波長を透過するものであれば、どのような材料であってもよいことは当然である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
ところで実施例および変形例では、複数の受光素子がアレイ状に一列に集積した場合を説明した。このような裏面入射型受光素子２００は、たとえば比較的狭い一定間隔で複数の光出射端が一列に配置された平面型石英導波路から射出する複数の光線を同時に受光する用途に使用することができる。このような用途では、光学部品との接続時に結合トレランスを大きく保つことができるので、調整を容易に実現することができる。
【００３９】
また、たとえば多層に配置した光ファイバ群から対応するそれぞれの受光素子に光信号を受信するような場合には、複数の受光素子がマトリックス状に配置されている裏面入射型受光素子を使用することも考えられる。このような場合には、実施例および変形例で説明した一列のアレイ状の受光素子の配置を、間隔を置いて複数列に配置した形態の裏面入射型受光素子とすればよい。
【符号の説明】
【００４０】
１０、２００  裏面入射型受光素子
１１  受光素子
１２、２０２  マイクロレンズ
２０  裏面入射型受光素子の製造方法
２１  受光素子形成ステップ
２２  メサ形成ステップ
２３  レンズ成形ステップ
２０１、３０１  半導体基板
２０５、３０３  受光部
３０２  エッチングマスク
３１１  平坦な面
３１２  斜面（順メサ面）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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