光学センサー及び電子機器
【課題】入射光の入射制限角度を高精度に制御可能な光学センサー及び電子機器等を提供すること。
【解決手段】光学センサーは、受光素子（例えばフォトダイオード３０）と、受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限する角度制限フィルター４０と、を含む。入射光の波長をλとし、角度制限フィルターの高さをＲとし、角度制限フィルターの開口の幅をｄとする場合に、ｄ２／λＲ≧２を満たす。
【解決手段】光学センサーは、受光素子（例えばフォトダイオード３０）と、受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限する角度制限フィルター４０と、を含む。入射光の波長をλとし、角度制限フィルターの高さをＲとし、角度制限フィルターの開口の幅をｄとする場合に、ｄ２／λＲ≧２を満たす。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学センサー及び電子機器等に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の分野において光学センサーによる測定が応用されている。例えば、対象物の診断や検査をするために分光センサーが用いられる。分光センサーには、ヘモグロビンの光吸収を利用して血中酸素飽和度を測定するパルスオキシメーターや、糖分の光吸収を使用して果実の糖度を測定する糖度計がある。また、照度を測定するための照度センサー等が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１２９９０８号公報
【特許文献２】特開２００６−３５１８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような光学センサーには、角度制限フィルターを用いて入射光の入射角度を制限するものがある（例えば特許文献１）。しかしながら、角度制限フィルターの開口幅や高さの条件によっては、入射角度の制御性が劣化するという課題がある。例えば分光センサーでは、角度制御性が劣化すると所望の波長分解能が得られなくなってしまう。
【０００５】
なお特許文献２には、センサー毎に膜厚の異なる多層膜フィルターを用いて複数波長帯域の光をセンシングする手法が開示されている。
【０００６】
本発明の幾つかの態様によれば、入射光の入射制限角度を高精度に制御可能な光学センサー及び電子機器等を提供できる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、受光素子と、前記受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限する角度制限フィルターと、を含み、前記入射光の波長をλとし、前記角度制限フィルターの高さをＲとし、前記角度制限フィルターの開口の幅をｄとする場合に、ｄ２／λＲ≧２を満たす光学センサーに関係する。
【０００８】
本発明の一態様によれば、角度制限フィルターがｄ２／λＲ≧２の条件を満たすサイズで形成され、その角度制限フィルターにより受光領域に対する入射光の入射角度が制限される。これにより、入射光の入射制限角度を高精度に制御することが可能になる。
【０００９】
また本発明の一態様では、前記角度制限フィルターは、ｔａｎ−１（ｄ／Ｒ）＜６０°を満たしてもよい。
【００１０】
角度制限フィルターが無い場合であっても６０°の制限角度が得られるため、制限角度がｔａｎ−１（ｄ／Ｒ）＜６０°を満たすことで角度制限フィルターの角度制限を有効にできる。
【００１１】
また本発明の一態様では、前記受光素子は、半導体基板上に形成された、フォトダイオード用の不純物領域により形成されてもよい。
【００１２】
また本発明の一態様では、前記角度制限フィルターは、前記フォトダイオード用の不純物領域の上に半導体プロセスによって形成された遮光物質によって形成されてもよい。
【００１３】
このようにすれば、光学センサーの各構成要素を半導体プロセスにより形成できるため、光学センサーを小型化できる。
【００１４】
また本発明の一態様では、前記角度制限フィルターは、前記半導体基板の上に積層された絶縁膜に空けられたコンタクトホールの導電性プラグにより形成されてもよい。
【００１５】
このようにすれば、角度制限フィルターを導電性プラグにより形成できる。例えば導電性プラグがタングステンプラグである場合、タングステンは光を吸収する性質であるため遮光性を向上できる。
【００１６】
また本発明の一態様では、前記受光素子の出力信号を処理する処理回路を含み、前記角度制限フィルターは、前記処理回路の配線を形成する配線形成工程により形成されてもよい。
【００１７】
このようにすれば、角度制限フィルターを配線形成工程によって形成できるため、通常の半導体プロセスを利用して角度制限フィルターを形成できる。また、フォトダイオードと処理回路を集積できるため、光学センサーを小型化できる。
【００１８】
また本発明の一態様では、前記入射光のうちの特定波長の光を透過する光バンドパスフィルターを含んでもよい。
【００１９】
このようにすれば、入射光のうちの特定波長の光を角度制限フィルター及びフォトダイオードの受光領域に入射させることができる。
【００２０】
また本発明の一態様では、前記光バンドパスフィルターは、前記受光素子の受光面に対して、透過波長に応じた角度で傾斜する多層薄膜により形成されてもよい。
【００２１】
また本発明の一態様では、前記光バンドパスフィルターは、透過波長が異なる複数組の多層薄膜により形成され、前記複数組の多層薄膜は、前記受光面に対する傾斜角度が透過波長に応じて異なり、同時の薄膜形成工程で形成されてもよい。
【００２２】
このようにすれば、光バンドパスフィルターを多層薄膜により形成し、その多層薄膜の傾斜角度により透過波長を設定できる。また、透過波長が異なる複数の多層薄膜を同時に形成できる。
【００２３】
また本発明の一態様では、前記角度制限フィルターを通って前記受光領域に到達する前記入射光の到達率特性は、前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが第１の傾きである第１の特性領域と、前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが前記第１の傾きよりも小さい第２の傾きである第２の特性領域と、を有する場合に、前記開口の幅は、前記到達率特性が前記第１の傾きから前記第２の傾きに変化する変化点における開口の幅以上に形成されてもよい。
【００２４】
このようにすれば、開口の幅に対する光到達率特性に基づいて角度制限フィルターの開口幅や高さを設定でき、角度制御性や光到達率を向上できる。
【００２５】
また、本発明の一態様では、光学センサーは、入射光を分光するための分光センサーであってもよい。
【００２６】
また、本発明の一態様では、光学センサーは、入射光の照度を測定するための照度センサーであってもよい。
【００２７】
また、本発明の一態様では、光学センサーは、光源の仰角を測定するための仰角センサーであってもよい。
【００２８】
また、本発明の他の態様は、受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限するための角度制限フィルターを含み、前記入射光の波長をλとし、前記角度制限フィルターの高さをＲとし、前記角度制限フィルターの開口の幅をｄとする場合に、ｄ２／λＲ≧２を満たす光学センサーに関係する。
【００２９】
また、本発明の他の態様は、受光素子と、前記受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限する角度制限フィルターと、を含み、前記角度制限フィルターを通って前記受光領域に到達する前記入射光の到達率特性は、前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが第１の傾きである第１の特性領域と、前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが前記第１の傾きよりも小さい第２の傾きである第２の特性領域と、を有する場合に、前記開口の幅は、前記到達率特性が前記第１の傾きから前記第２の傾きに変化する変化点における開口の幅以上に形成される光学センサーに関係する。
【００３０】
また、本発明の他の態様は、上記のいずれかに記載された光学センサーを含む電子機器に関係する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１（Ａ）、図１（Ｂ）は、本実施形態の光学センサーの構成例。
【図２】図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、比較例における光到達率の角度特性例。
【図３】図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、本実施形態における光到達率の角度特性例。
【図４】図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、本実施形態における光到達率の開口幅特性例。
【図５】ｄ２／（λ×Ｒ）≧２の条件式についての原理的な説明図。
【図６】図６（Ａ）〜図６（Ｅ）は、ｄ２／（λ×Ｒ）≧２の条件式についての原理的な説明図。
【図７】ｄ２／（λ×Ｒ）≧２の条件式についての原理的な説明図。
【図８】制限角度の上限についての説明図。
【図９】分光センサーの構成例の平面視図。
【図１０】分光センサーの構成例の断面図。
【図１１】図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）は、光バンドパスフィルターの透過波長帯域についての説明図。
【図１２】光学センサーの製造方法例。
【図１３】光学センサーの製造方法例。
【図１４】光学センサーの製造方法例。
【図１５】光学センサーの製造方法の変形例。
【図１６】電子機器の構成例。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。なお以下では光学センサーが分光センサーである場合を例にとり説明するが、後述するように本実施形態の光学センサーは分光センサーには限定されない。
【００３３】
１．構成
図１（Ａ）、図１（Ｂ）に本実施形態の分光センサー（広義には光学センサー）の構成例を示す。なお以下では、簡単のために本実施形態の構成を模式的に図示し、図中の寸法や比率は実際のものとは異なる。
【００３４】
図１（Ａ）には、半導体基板１０の平面に垂直な方向から見た平面視における角度制限フィルター４０の平面視図を示す。図１（Ｂ）には、角度制限フィルター４０を含む分光センサーの断面図を示す。この分光センサーは、半導体基板１０、フォトダイオード３０（広義にはフォトセンサー、フォトダイオード用の不純物領域）、角度制限フィルター４０、光バンドパスフィルター６０（多層膜フィルター、誘電体フィルター）を含む。
【００３５】
フォトダイオード３０と角度制限フィルター４０は、後述するように半導体プロセスにより半導体基板１０の上に形成される。ここで、半導体基板１０の上とは、半導体基板１０の平面に垂直な方向のうち、角度制限フィルター４０等が形成される側の方向を表す。
【００３６】
角度制限フィルター４０は、例えば平面視において格子状に形成され、フォトダイオード３０に対する入射光の入射角度を制限する。具体的には、角度制限フィルター４０は、フォトダイオード３０により検出される波長に対して遮光性のある物質（例えばタングステンプラグ）により形成され、入射角度が制限角度θ［°］より大きい光がフォトダイオード３０に入射しないように遮光する。
【００３７】
角度制限フィルター４０は、下式（１）を満たすように形成される。下式（１）に示す条件式の詳細については後述する。ここで、ｄ［μｍ］は角度制限フィルター４０の開口幅であり、Ｒ［μｍ］は角度制限フィルター４０の高さであり、λ［μｍ］は入射光の波長である。
【００３８】
ｄ２／（λ×Ｒ）≧２，
６０°＞θ＝ｔａｎ−１（ｄ／Ｒ） （１）
光バンドパスフィルター６０は、角度制限フィルター４０の上に積層された多層薄膜により形成される。後述するように、角度制限フィルター４０により入射角度が制限されることで光バンドパスフィルター６０の透過波長帯域が制限され、所望の波長分解能の分光特性を得ることができる。
【００３９】
以上の本実施形態によれば、半導体プロセスにより角度制限フィルターを形成することで光学センサーを小型化できる。しかしながら、小型化により角度制限フィルターの開口が小さくなり、開口幅ｄや高さＲの条件によっては入射角度の制御性が劣化するという課題がある。この点について、ｄ２／（λ×Ｒ）＜２の角度制限フィルターを比較例として説明する。
【００４０】
図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に比較例の角度特性の測定値を示す。図２（Ａ）〜図２（Ｃ）には、波長λ＝０．５μｍ、高さＲ＝５μｍにおける測定値を示す。なお以下では制限角度θを、光到達率が、入射角度０°における光到達率の１／２になる場合の入射角度とする。なお本実施形態ではこれに限定されず、光到達率が他の比になる場合の入射角度によりθを定義してもよい。
【００４１】
図２（Ａ）には、角度制限フィルターが無い場合における入射角度０°の光到達率を１とした光到達率特性を示す。光到達率とは、角度制限フィルターの開口に入射する光量と、フォトダイオードに到達する光量との比率である。
【００４２】
図２（Ａ）のＡ１に示すように、角度制限フィルターが無い場合には、入射角度が増加するに従って光到達率が緩やかに減衰する。Ａ２に示すように、制限角度θ＝１５°、開口幅ｄ＝１．３４μｍの場合には、光到達率の最大値は０．２３である。Ａ３に示すように、制限角度θ＝２０°、開口幅ｄ＝１．８２μｍの場合には、光到達率の最大値は０．４５である。このように、比較例の角度制限フィルターでは光到達率が５０％を切っており、入射光が暗いときにはセンサー感度が不足する可能性がある。
【００４３】
図２（Ｂ）には、図２（Ａ）の光到達率特性を、入射角度０°において１に正規化したものを示す。図２（Ｂ）のＢ１に角度制限フィルターが無い場合の測定値を示し、Ｂ２にθ＝１５°の場合の測定値を示し、Ｂ３にはθ＝２０°の場合の測定値を示す。Ｂ２、Ｂ３に示すように、実際に測定された制限角度はいずれも２２°程度であり、所望の角度制御性が得られていない。
【００４４】
図２（Ｃ）は、上記の測定値をまとめたものである。図２（Ｃ）に示すように、θ＝１５°、２０°いずれの場合もｄ２／（λ×Ｒ）＜２であり、この範囲では角度制御性や光到達率が十分に得られないことがわかる。
【００４５】
この点本実施形態によれば、上式（１）に示すようにｄ２／（λ×Ｒ）≧２を満たすように角度制限フィルターを形成することで、角度制御性や光到達率を向上できる。図３（Ａ）〜図３（Ｃ）を用いて詳細に説明する。図３（Ａ）〜図３（Ｃ）には、波長λ＝０．５μｍ、高さＲ＝５μｍにおける測定値を示す。
【００４６】
図３（Ａ）には、角度制限フィルターが無い場合における入射角度０°の光到達率を１とした光到達率特性を示す。図３（Ａ）のＣ１に示すように、角度制限フィルターが無い場合の特性は比較例と変わりがない。Ｃ２に示すように、制限角度θ＝２５°、開口幅ｄ＝２．３３μｍの場合には、光到達率の最大値は０．５４である。Ｃ３に示すように、制限角度θ＝３０°、開口幅ｄ＝２．８９μｍの場合には、光到達率の最大値は０．６４である。このように、本実施形態では光到達率が５０％よりも大きい。
【００４７】
図３（Ｂ）には、図３（Ａ）の光到達率特性を、入射角度０°において１に正規化したものを示す。図３（Ｂ）のＤ１に角度制限フィルターが無い場合の測定値を示し、Ｄ２にθ＝２５°の場合の測定値を示し、Ｄ３にはθ＝３０°の場合の測定値を示す。Ｄ２、Ｄ３に示すように、実際に測定された制限角度はそれぞれ２４°〜２５°、２８°〜２９°であり、所望の角度制御性が得られている。
【００４８】
図３（Ｃ）は、上記の測定値をまとめたものである。図３（Ｃ）に示すように、θ＝２５°、３０°いずれの場合もｄ２／（λ×Ｒ）≧２の条件を満たしており、この範囲では角度制御性や光到達率が十分に得られていることが分かる。このように、角度制御性が向上することで、例えば分光センサーでは所望の波長分解能が実現できる。また比較例に比べて光到達率が大きくなることで、光量が少なくても高感度にセンシング可能になる。
【００４９】
例えば、上述した比較例のθ＝１５°の角度制限フィルターをｄ２／（λ×Ｒ）≧２の範囲で設計すれば、下式（２）に示すようにｄ＝４．０２μｍ、Ｒ＝１５μｍとすればよい。またθ＝２０°の角度制限フィルターは、下式（３）に示すようにｄ＝３．６４μｍ、Ｒ＝１０μｍとすればよい。
【００５０】
ｄ２／（λ×Ｒ）＝４．０２２／（０．５×１５）＝２．１５≧２ （２）
ｄ２／（λ×Ｒ）＝３．６４２／（０．５×１０）＝２．６５≧２ （３）
２．光到達率の開口幅特性
図４（Ａ）に、開口幅ｄに対する光到達率特性を示す。図４（Ａ）のＥ１には、λ＝０．５μｍ、高さＲ＝５μｍにおける測定値を示す。Ｅ２には、λ＝０．９μｍ、高さＲ＝５μｍにおける測定値を示す。
【００５１】
Ｅ１に示す特性では、ｄ＝２．３μｍ近傍において接線の傾きが急激に変化する。以下ではこの点を境界点と呼ぶ。境界点までのｄ≦２．３μｍの範囲を第１の特性領域Ｒ１とすると、第１の特性領域Ｒ１では一定（ほぼ一定）の第１の傾きで光到達率が上昇する。境界点以降の２．３μｍ≦ｄ≦８μｍの範囲を第２の特性領域Ｒ２とすると、第２の特性領域Ｒ２では第１の傾きよりも小さい一定（ほぼ一定）の第２の傾きで光到達率が変化する。
【００５２】
Ｅ２に示す特性では、境界点はｄ＝３μｍであり、第１の特性領域はｄ≦３μｍであり、第２の特性領域は３μｍ≦ｄ≦８μｍである。
【００５３】
図４（Ｂ）に示すように、上記の境界点は、ｄ２／（λ×Ｒ）＝２とした場合のｄの値に一致（ほぼ一致）する。即ち、境界点よりも開口幅ｄが大きくなるように角度制限フィルターを形成することでｄ２／（λ×Ｒ）≧２の条件を満たし、角度制御性や光到達率を向上できることがわかる。このように、本実施形態では開口幅ｄに対する光到達率特性からも角度制限フィルターのサイズを決定することができる。
【００５４】
なお本実施形態では、境界点であるｄ２／（λ×Ｒ）＝２の近傍となるように角度制限フィルターを構成することが望ましい。境界点では角度制限フィルターの高さＲを最小限にして光学センサーを小型化できる。即ち、制限角度θ＝ｔａｎ−１（ｄ／Ｒ）であるためθが決まればアスペクト比ｄ／Ｒは固定される。従って、ｄ２／（λ×Ｒ）≧２を満たす範囲でｄが最小となる境界点ではＲも最小にすることができる。
【００５５】
以上の実施形態によれば、図１（Ｂ）に示すように光学センサーは受光素子と、角度制限フィルター４０を含む。角度制限フィルター４０は、受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限する。上式（１）に示すように、入射光の波長をλとし、角度制限フィルターの高さをＲとし、角度制限フィルターの開口の幅をｄとする場合に、ｄ２／λＲ≧２を満たす。
【００５６】
これにより、入射光の入射制限角度θを高精度に制御することが可能になる。また、光到達率を向上することが可能になる。即ち、図２（Ｃ）に示すｄ２／λＲ＜２での測定値に比べて、図３（Ｃ）に示すｄ２／λＲ≧２での測定値では所望の制限角度が実現され、光到達率が高くなっている。これは、図５で説明したように角度制限フィルター４０内での光の伝搬特性によると考えられる。
【００５７】
ここで、受光素子は図１（Ｂ）のフォトダイオード３０（フォトダイオード用の不純物領域）に対応するが、本実施形態ではこれに限定されない。例えば、受光素子は光電変換素子であればよい。
【００５８】
ここで、制限角度θとは、角度制限フィルター４０に対して入射光が入射角度０°で入射する場合に受光面に到達する光量と、角度制限フィルター４０に対して入射光が入射角度θで入射する場合に受光面に到達する光量との比が、所定の減衰率となる場合の角度θである。例えば所定の減衰率は１／２である。
【００５９】
また、角度制限フィルター４０の高さＲとは、半導体基板１０の平面に垂直な方向における高さであり、例えば角度制限フィルター４０を形成する遮光物質の下端から上端までの高さである。
【００６０】
また、角度制限フィルター４０の開口とは、入射光が入射する側の面において遮光物質が存在しない領域であり、角度制限フィルター４０に対して入射光が入射する領域である。なお開口の外周は必ずしも遮光物質で閉じている必要はなく、開口の外周に沿って断続的に遮光物質が配されてもよい。
【００６１】
また、開口の開口幅ｄとは、制限角度θ（開口幅ｄと高さＲのアスペクト比）を規定する長さであり、例えば正方形の開口の場合にはその正方形の一辺の長さである。あるいは、長方形の開口の場合にはその長方形の最長辺の長さであり、円の開口の場合にはその円の直径であり、楕円の開口の場合にはその楕円の長径である。
【００６２】
また本実施形態では、上式（１）に示すように角度制限フィルター４０はｔａｎ−１（ｄ／Ｒ）＜６０°を満たす。
【００６３】
図８で後述するように、角度制限フィルター４０が無くても入射角度６０°で光到達率が１／２になる。そのため、制限角度θ＝ｔａｎ−１（ｄ／Ｒ）＜６０°に設定することで角度制限フィルター４０の角度制限が有効になる。
【００６４】
また本実施形態では、図４（Ａ）に示すように、角度制限フィルター４０を通って受光領域に到達する入射光の到達率特性は、第１の特性領域Ｒ１と第２の特性領域Ｒ２を有する。第１の特性領域Ｒ１では、開口の幅ｄに対する到達率特性の傾きが第１の傾きである。第２の特性領域Ｒ２では、開口の幅ｄに対する到達率特性の傾きが第１の傾きよりも小さい第２の傾きである。この場合に、開口の幅ｄは、到達率特性が第１の傾きから第２の傾きに変化する変化点（境界点）における開口の幅以上に形成される。
【００６５】
このようにすれば、開口幅ｄに対する光到達率特性に基づいて、角度制御性や光到達率が高い角度制限フィルターの開口幅ｄや高さＲを決定できる。また上述のように、変化点近傍となるように角度制限フィルターを構成することで、高さＲを最小限にして光学センサーを小型化できる。
【００６６】
以上では、本実施形態の光学センサーが分光センサーである場合について説明したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、光バンドパスフィルター６０を省略し、本実施形態の光学センサーを照度センサーや、仰角センサーに適用してもよい。
【００６７】
ここで、照度センサーとは、自然光や照明光の照度（ルクス、またはルーメン／平方メートル）を測定する光学センサーである。本実施形態では、角度制限フィルターにより入射角度が制限されるため、測定対象以外からの不要な光の入射を制限できる。例えば、自動車の前照灯を進行方向の明るさに応じて自動的に点灯するシステムに本実施形態を適用することが考えられる。例えばトンネル進入時に、不要な光に反応しなくなるため、適切な自動点灯が可能になる。
【００６８】
また、仰角センサーとは、太陽や照明光源の方向と基準面との間の成す角度である仰角を測定する光学センサーである。基準面は、例えば水平面である。本実施形態では、角度制限フィルターにより入射角度が制限されるため、仰角の測定ができる。例えば、太陽光発電システムに本実施形態を適用することが考えられる。この場合、太陽の方向を高精度に測定し、その方向に太陽電池パネルを向けることで高効率な発電が可能になる。
【００６９】
３．光強度分布と角度制御性の関係
図５を用いて、ｄ２／（λ×Ｒ）≧２の条件式について原理的に説明する。図５に示すように、半導体基板に向かう垂直方向をＺ軸とし、開口の一辺に平行でＺ軸に垂直な方向をｘ軸とし、角度制限フィルター内の任意の面内でｘ軸に平行な方向をｘ１軸とする。なお以下では簡単のため、２次元での計算を行い、角度制限フィルター側壁の影響は無いものと仮定する。また入射光は、Ｚ軸に平行に伝搬する波数ｋの平面波であるものとする。
【００７０】
ｘ１軸における光強度Ｉ（ｘ１）を求める。ｘ１軸上の点Ｐにおける光Ｕｐ（ｘ１）は、開口を通る光の重ね合わせであり、下式（４）で表される。ここで、ｉは虚数を表し、ｋ（ｋ＝２π／λ）は入射光の波数を表し、ｒはｘ軸上の点から点Ｐまでの距離を表す。
【００７１】
【数１】
【００７２】
距離ｒが開口幅ｄよりも十分大きい場合、上式（４）の分母のｒをＲとして積分の外に出すことができ、下式（５）となる。
【００７３】
【数２】
【００７４】
図５に示す角度φが十分小さく、ｃｏｓφ≒１を仮定できる場合、下式（６）が成り立つ。下式（６）を上式（５）に代入すると下式（７）となる。
【００７５】
【数３】
【００７６】
【数４】
【００７７】
上式（７）を積分すると下式（８）となる。光強度Ｉ（ｘ１）は光Ｕｐ（ｘ１）の大きさの二乗であるため、ｋ＝２π／λを用いて下式（９）となる。
【００７８】
【数５】
【００７９】
【数６】
【００８０】
図６（Ａ）〜図６（Ｅ）に上式（９）の光強度Ｉ（ｘ１）の特性例を示す。図６（Ａ）〜図６（Ｅ）は、波長λ＝０．５μｍ、高さＲ＝５μｍにおける計算値であり、それぞれ開口幅ｄ＝１μｍ、１．５μｍ、２μｍ、２．５μｍ、３μｍにおける計算値である。
【００８１】
図６（Ａ）〜図６（Ｃ）に示すように、ｄ＜２．２５μｍの範囲ではｄが小さいほど開口内での光強度分布が平坦であり、角度制限フィルターの側壁面で光強度がゼロではない。実際には側壁面で光強度がゼロになるという境界条件があるため、このような光強度分布は実現しないと考えられる。この場合、図７に示すように側壁面に対して斜めに反射して境界条件を満たしながら光が進むと予想される。入射角度が０°であっても光が側壁面に反射しながら進むため、側壁面で光が吸収されてしまい光到達率は低いと考えられる。また、入射角度が０°でも角度が付いても同じように光が側壁面に反射しながら進むため、光到達率の角度依存性が低下して角度制御性が劣化すると考えられる。
【００８２】
一方、図６（Ｄ）、図６（Ｅ）に示すように、ｄ≧２．２５μｍの範囲では側壁面で光強度がゼロ（ほぼゼロ）であり、光が側壁面に触れずに中央付近を進む。そのため、入射角度が０°の場合には側壁面で光が吸収されず、光到達率が高いと予想される。また、入射角度が大きくなるに従って光が側壁面に当たって吸収されるようになるため、光到達率の角度依存性が高くなり角度制御性が向上すると考えられる。
【００８３】
なおｄ＝２．２５μｍは、上式（９）において側壁面での光強度がゼロとなる条件Ｉ（ｘ１＝ｄ／２）＝０におけるｄの値である。即ち、πｘ１ｄ／λＲ＝πであり、ｘ１＝ｄ／２を代入して変形するとｄ＝√（２λＲ）＝√（２×０．５×５）≒２．２５μｍである。
【００８４】
４．制限角度の上限
上式（１）に示す制限角度の上限θ＜６０°について、図８を用いて詳細に説明する。図８に示すように、角度制限フィルターが無く、強度Ｌｉの入射光が入射角度αでフォトダイオードに入射したとする。この場合、フォトダイオードの受光面における光強度Ｌｐは下式（１０）で表される。
【００８５】
Ｌｐ＝Ｌｉ×ｃｏｓα （１０）
上式（１０）より、α＝６０°においてＬｐ／Ｌｉ＝１／２であり、制限角度が６０°であることに等しい。即ち、光到達率が１／２となる入射角度を制限角度θと定義する場合には、角度制限フィルターがなくても制限角度θ＝６０°となるため、角度制限フィルターの角度制御性を発揮させるためにはθ＜６０°に設定する必要がある。
【００８６】
５．分光センサー
上述した本実施形態の分光センサーの詳細な構成例について説明する。
【００８７】
図９に、分光センサーが形成される半導体基板１０に対する平面視図を示す。図９は、半導体基板１０の平面に垂直な方向から見た平面視において、回路２０や角度制限フィルター４１等が形成される表面側から見た平面視図である。後述のように角度制限フィルター４１、４２の上には多層膜フィルターが形成されるが、図９では、簡単のために図示を省略する。
【００８８】
図９に示す分光センサーは、半導体基板１０、回路２０、第１のフォトダイオード３１（広義には、第１のフォトセンサー、第１のフォトダイオード用の不純物領域）、第２のフォトダイオード３２（広義には、第２のフォトセンサー、第２のフォトダイオード用の不純物領域）、第１の角度制限フィルター４１、第２の角度制限フィルター４２を含む。
【００８９】
半導体基板１０は、例えばＰ型やＮ型のシリコン基板（シリコンウエハ）により構成される。この半導体基板１０の上には、回路２０、フォトダイオード３１、３２、角度制限フィルター４１、４２が半導体プロセスにより形成される。
【００９０】
角度制限フィルター４１、４２は、例えば平面視において格子状に形成され、フォトダイオード３１、３２に対する入射光の入射角度を制限する。回路２０は、例えばフォトダイオード３１、３２からの出力信号を処理するアンプ、Ａ／Ｄ変換回路等により構成される。
【００９１】
なお、本実施形態の分光センサーは図９の構成に限定されず、その構成要素の一部（回路２０）を省略したり、他の構成要素を追加したりする等の種々の変形実施が可能である。例えば、フォトダイオードや角度制限フィルターは、上述のように２つであってもよく、１または複数個形成されてもよい。また、角度制限フィルター４１、４２は、上述のように平面視において格子状であってもよく、他の形状であってもよい。
【００９２】
図１０に、分光センサーの断面図を示す。図１０は、図９に示すＡＡ断面における断面図である。図１０に示す分光センサーは、半導体基板１０、フォトダイオード３１、３２、角度制限フィルター４１、４２、傾斜構造体５０（角度構造体）、第１の光バンドパスフィルター６１（第１の多層膜フィルター、第１の誘電体フィルター）、第２の光バンドパスフィルター６２（第２の多層膜フィルター、第２の誘電体フィルター）、を含む。
【００９３】
半導体基板１０にフォトダイオード３１、３２が形成される。後述するように、このフォトダイオード３１、３２は、イオン注入等により不純物領域が形成されることで形成される。例えば、フォトダイオード３１、３２は、Ｐ基板上に形成されたＮ型不純物領域と、Ｐ基板との間のＰＮ接合により実現される。あるいは、ディープＮウェル（Ｎ型不純物領域）上に形成されたＰ型不純物領域と、ディープＮウェルとの間のＰＮ接合により実現される。
【００９４】
角度制限フィルター４１、４２は、フォトダイオード３１、３２により検出される波長に対して遮光性のある遮光物質（例えば、光吸収物質または光反射物質）により形成される。具体的には、角度制限フィルター４１、４２は、半導体プロセスの配線形成工程により形成され、例えばタングステン（広義には光吸収物質）プラグ等の導電性プラグにより形成される。また、角度制限フィルター４１、４２は、アルミ（広義には光反射物質）配線層等の導電層を含んで形成されてもよい。
【００９５】
角度制限フィルター４１、４２の底辺の開口幅と高さのアスペクト比は、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長帯域（例えば図１１（Ｂ）で後述するＢＷ１、ＢＷ２）に応じて設定される。角度制限フィルター４１、４２の開口部（中空部）は、フォトダイオード３１、３２により検出される波長に対して透明な物質により形成され、例えば、ＳｉＯ２（シリコン酸化膜）等の絶縁層により形成（充填）される。
【００９６】
傾斜構造体５０は、角度制限フィルター４１、４２の上に形成され、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長に応じて異なる傾斜角の傾斜面を有する。具体的には、フォトダイオード３１の上には、半導体基板１０の平面に対する傾斜角θ１の傾斜面が複数形成され、フォトダイオード３２の上には、θ１とは異なる傾斜角θ２の傾斜面が複数形成
される。後述するように、この傾斜構造体５０は、例えばＳｉＯ２等の絶縁膜をエッチングまたはＣＭＰ、グレースケールリソグラフィー技術等により加工することで形成される。
【００９７】
光バンドパスフィルター６１、６２は、傾斜構造体５０の上に積層された多層薄膜７０により形成される。光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長帯域は、傾斜構造体５０の傾斜角θ１、θ２と、角度制限フィルター４１、４２の入射光制限角度（アスペクト比）により決まる。光バンドパスフィルター６１、６２は、傾斜角度に応じて透過波長が異なる構成のため、透過波長毎に別個の工程で積層するのではなく、同一の多層膜形成工程により積層される。
【００９８】
さて従来の光学センサーでは、小型化が困難であるという課題がある。例えば、連続スペクトルを取得する分光センサーでは、連続スペクトルを生成するためのプリズム等を設けたり、光路長を確保する必要があるため、装置が大型化してしまう。そのため、多数のセンサーを設置したり、センサーを検査対象物に常時設置しておくこと等が困難となってしまう。
【００９９】
この点本実施形態によれば、受光素子は、半導体基板１０上に形成された、フォトダイオード用の不純物領域３１、３２により形成される。
【０１００】
また本実施形態では、角度制限フィルター４１、４２は、フォトダイオード用の不純物領域３１、３２の上に半導体プロセスによって形成された遮光物質によって形成される。
【０１０１】
このようにすれば、光学センサーの各構成要素を半導体プロセスにより構成できるため、光学センサーの小型化等が可能になる。即ち、フォトダイオード３１、３２や角度制限フィルター４１、４２を半導体プロセスにより形成することで、容易に微細加工を行い、小型化することができる。また、部材を貼り合わせて構成する場合と比べて、透過波長選択性を向上できる。また、角度制限フィルターとして光ファイバーを用いた場合に比べて、制限角度（開口数）の減少による透過光の減少を抑制し、波長選択性を向上できる。
【０１０２】
ここで、半導体プロセスとは、半導体基板にトランジスターや、抵抗素子、キャパシター、絶縁層、配線層等を形成するプロセスである。例えば、半導体プロセスは、不純物導入プロセスや、薄膜形成プロセス、フォトリソグラフィープロセス、エッチングプロセス、平坦化プロセス、熱処理プロセスを含むプロセスである。
【０１０３】
また、フォトダイオードの受光領域とは、角度制限フィルター４１、４２を通過した入射光が入射される、フォトダイオード用の不純物領域３１、３２上の領域である。例えば図９において、格子状の角度制限フィルター４１、４２の各開口に対応する領域である。あるいは、図１０において、角度制限フィルター４１、４２を形成する遮光物質に囲まれた領域（例えば、領域ＬＲＡ）である。
【０１０４】
また、遮光物質とは、光吸収物質または光反射物質である。光吸収物質は例えばタングステンであり、光反射物質は例えばアルミである。
【０１０５】
なお、角度制限フィルター４１、４２は、受光領域の外周に沿って閉じている場合に限らず、外周に沿って非連続的な部分があったり、外周に沿って断続的に配置されたりしてもよい。
【０１０６】
また本実施形態では、後述する図１２に示すように、角度制限フィルター４１、４２は、半導体基板１０の上に積層された絶縁膜に空けられたコンタクトホールの導電性プラグにより形成される。即ち、アルミ配線等の金属配線層を用いず、ＳｉＯ２等の絶縁膜に形成されたタングステンプラグ等の導電性プラグのみにより形成される。
【０１０７】
このようにすれば、角度制限フィルター４１、４２を導電性プラグにより形成することができる。具体的には、光吸収物質であるタングステンプラグにより形成できるため、遮光性を向上できる。
【０１０８】
ここで、コンタクトホールとは、配線層と半導体基板を導通するコンタクトのために空けられるコンタクトホール、または配線層と配線層を導通するビアコンタクトのために空けられるコンタクトホールである。
【０１０９】
また本実施形態の光学センサーは、受光素子の出力信号を処理する処理回路（図９の回路２０）を含む。角度制限フィルター４１、４２は、処理回路の配線を形成する配線形成工程により形成される。具体的には、角度制限フィルター４１、４２は、処理回路の配線層形成と同時に形成され、その配線層形成工程の全部または一部により形成される。例えば、角度制限フィルター４１、４２は、ＳｉＯ２デポジションによる絶縁膜形成、タングステンデポジションによるコンタクト形成等により形成される。
【０１１０】
このようにすれば、角度制限フィルター４１、４２を、フォトダイオード用の不純物領域３１、３２の上に半導体プロセスによって形成できる。これにより、角度制限フィルター形成のための別個のプロセスを設ける必要が無く、通常の半導体プロセスを利用して角
度制限フィルターを形成できる。
【０１１１】
また、フォトダイオード３１、３２と同じチップ上に、フォトダイオード３１、３２の出力信号を処理する処理回路を集積できる。これにより、分光センサーのより一層の小型化を図ることができる。
【０１１２】
なお、角度制限フィルター４１、４２は、光反射物質のアルミ配線層や、光吸収物質のタングステンコンタクトに限らず、光吸収物質から成る配線層や、光反射物質から成るコンタクトにより形成されてもよい。ただし、光吸収物質から成る程遮光性は高まる。
【０１１３】
また、角度制限フィルター４１、４２は、光吸収物質である窒化チタン（ＴｉＮ）等の膜付きのアルミ配線層や、タングステンコンタクトにより形成されてもよい。アルミ配線層が光吸収に変わり、タングステンより窒化チタン（ＴｉＮ）の方が光吸収性が高いためコンタクトの光吸収性も上がる。これにより遮光性をより高めることができる。
【０１１４】
また本実施形態では、角度制限フィルター４１、４２は、半導体プロセスにより形成される導電層または導電性プラグにより形成され、フォトダイオード３１、３２用の不純物領域からの信号を取得する電極であってもよい。例えば、フォトダイオード３１、３２用の不純物領域がＰ型不純物領域である場合、そのＰ型不純物領域に導通する角度制限フィルター４１、４２が、フォトダイオード３１、３２のアノード電極を兼ねてもよい。
【０１１５】
このようにすれば、導電層または導電性プラグにより形成される角度制限フィルター４１、４２を、フォトダイオード３１、３２の電極として用いることができる。これにより、角度制限フィルター４１、４２以外に電極を設ける必要が無くなり、電極による入射光量の低下を避けることができる。
【０１１６】
また本実施形態の光学センサーは、入射光のうちの特定波長の光を透過する光バンドパスフィルター６１、６２を含む。例えば本実施形態では、半導体基板１０、角度制限フィルター４１、４２、光バンドパスフィルター６１、６２の順に半導体プロセスにより順次積層される。
【０１１７】
このようにすれば、入射光のうちの特定波長の光を角度制限フィルター４１、４２やフォトダイオード３１、３２用の不純物領域に入射できる。図１１（Ａ）等で後述のように、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長は入射角度によって変化するが、角度制限フィルター４１、４２により透過波長帯域を制限することができる。
【０１１８】
また本実施形態では、光バンドパスフィルター６１、６２は、半導体基板１０に対して、透過波長に応じた角度θ１、θ２で傾斜する多層薄膜により形成される。より具体的には、光バンドパスフィルター６１、６２は、透過波長が異なる複数組の多層薄膜により形成される。そして、その複数組の多層薄膜は、半導体基板１０に対する傾斜角度θ１、θ２が透過波長に応じて異なり、同時の薄膜形成工程で形成される。例えば、図１０に示すように、傾斜角θ１の複数の多層薄膜が連続して配列されることで１組の多層薄膜が形成される。あるいは、異なる傾斜角θ１〜θ３の多層薄膜が隣接して配置され、この傾斜角θ１〜θ３の多層薄膜が繰り返し配置される場合に、同じ傾斜角の複数の多層薄膜により１組の多層薄膜が形成されてもよい。
【０１１９】
このようにすれば、透過波長に応じた角度θ１、θ２で傾斜する多層薄膜により光バンドパスフィルター６１、６２を形成できる。これにより、透過波長に応じた膜厚の多層薄膜を透過波長毎に別個の工程で積層する必要がなくなり、多層薄膜の形成工程を簡素化できる。
【０１２０】
ここで、同時の薄膜形成工程とは、第１組の多層薄膜を形成した後に第２組の多層薄膜を形成するといった同一工程を順次繰り返す工程ではなく、複数組の多層薄膜を同じ（１回の）薄膜形成工程で形成することをいう。
【０１２１】
また本実施形態では、角度制限フィルター４１、４２の上に設けられた傾斜構造体５０を含む。そして、傾斜構造体５０は、半導体基板１０に対して、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長に応じた角度θ１、θ２で傾斜する傾斜面を有し、多層薄膜がその傾斜面の上に形成される。
【０１２２】
このようにすれば、傾斜構造体５０の傾斜面に多層薄膜を形成することで、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長に応じた角度θ１、θ２で傾斜する多層薄膜を形成できる。
【０１２３】
また本実施形態では、傾斜構造体５０は、角度制限フィルター４１、４２の上に半導体プロセスにより形成される。例えば図１３等で後述するように、傾斜構造体５０は、半導体プロセスにより積層された透明膜（絶縁膜）に段差または粗密パターンが形成され、その段差または粗密パターンに対して研磨（例えばＣＭＰ）及びエッチングの少なくとも一方が行われることで形成される。
【０１２４】
このようにすれば、傾斜構造体を半導体プロセスにより形成できる。これにより、傾斜構造体の形成工程を簡素化できる。また、傾斜構造体を別部材で構成する場合と比べてコストを削減できる。また、別部材の傾斜構造体との接着面での光量減少を避けることができる。
【０１２５】
ここで、絶縁膜の段差とは、例えば、半導体基板の断面における半導体基板表面からの絶縁膜表面の高低差である。また、絶縁膜の粗密パターンとは、例えば、半導体基板の断面における半導体基板表面からの絶縁膜表面の高低のパターンであり、高い部分と低い部分の比率により絶縁膜の粗密が形成される。
【０１２６】
なお、傾斜構造体５０は、段差または粗密パターンの研磨またはエッチングによる形成に限らず、グレースケールリソグラフィー技術により形成されてもよい。グレースケールリソグラフィー技術では、濃淡を持ったグレースケールマスクを用いてレジストを露光、露光レジストを使ってエッチングし傾斜構造体を形成する。
【０１２７】
６．光バンドパスフィルターの透過波長帯域
上述のように、光バンドパスフィルターの透過波長帯域は、多層薄膜の傾斜角度と角度制限フィルターの制限角度により設定される。この点について、図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）を用いて具体的に説明する。なお、説明を簡単にするために、以下では光バンドパスフィルター６１、６２の多層薄膜の膜厚が同じ場合を例に説明するが、本実施形態では、光バンドパスフィルター６１、６２の多層薄膜の膜厚が傾斜角θ１、θ２に応じて異なってもよい。例えば、薄膜のデポジションにおいて、半導体基板に対して垂直な方向に薄膜を成長させた場合、光バンドパスフィルター６１、６２の多層薄膜の膜厚がｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２に比例してもよい。
【０１２８】
図１１（Ａ）に示すように、光バンドパスフィルター６１、６２の多層薄膜は、厚さｄ１〜ｄ３（ｄ２＜ｄ１、ｄ３＜ｄ１）の薄膜により形成される。厚さｄ１の薄膜の上下に、厚さｄ２、ｄ３の薄膜が交互に複数層積層される。厚さｄ２の薄膜は、厚さｄ１、ｄ３の薄膜とは異なる屈折率の物質により形成される。なお、図１１（Ａ）では、簡単のために、厚さｄ２、ｄ３の薄膜の層数を省略したが、実際には、厚さｄ１の薄膜の上下に数十層〜数百層の薄膜が積層される。また、図１１（Ａ）では、簡単のために厚さｄ１の薄膜を１層としたが、実際には複数層形成される場合が多い。
【０１２９】
光バンドパスフィルター６１の多層薄膜は、フォトダイオード３１の受光面に対して傾斜角θ１を有するため、受光面に対して垂直な光線は、光バンドパスフィルター６１の多層薄膜に対してθ１の角度で入射する。そして、角度制限フィルター４１の制限角度をΔθとすると、光バンドパスフィルター６１の多層薄膜に対してθ１−Δθ〜θ１＋Δθで入射する光線がフォトダイオード３１の受光面に到達する。同様に、フォトダイオード３２の受光面には、光バンドパスフィルター６２の多層薄膜に対してθ２−Δθ〜θ２＋Δθで入射する光線が到達する。
【０１３０】
図１１（Ｂ）に示すように、光バンドパスフィルター６１の透過波長帯域ＢＷ１は、λ１−Δλ〜λ１＋Δλである。このとき、入射角度θ１の光線に対する透過波長λ１＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓθ１である。ここで、ｎは厚さｄ１の薄膜の屈折率である。また、λ１−Δλ＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓ（θ１＋Δθ）、λ１＋Δλ＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓ（θ１−Δθ）である。入射角度θ１の光線に対する透過波長の半値幅ＨＷ（例えばＨＷ＜ＢＷ１）は、多層膜の積層数により決まる。フォトダイオード３１の受光量は、受光面に垂直となる入射角θ１で最大であり、制限角度でゼロとなるため、入射光全体での受光量は点線でしめす曲線により表されることとなる。光バンドパスフィルター６２の透過波長帯域ＢＷ２も同様に、λ２−Δλ〜λ２＋Δλである。例えばθ２＞θ１の場合、λ２＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓθ２＜λ１＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓθ１である。
【０１３１】
上記実施形態によれば、角度制限フィルター４１、４２は、入射光の入射角度をθ１−Δθ〜θ１＋Δθ、θ２−Δθ〜θ２＋Δθに制限して、透過波長の変化範囲をλ１−Δλ〜λ１＋Δλ、λ２−Δλ〜λ２＋Δλに制限する。光バンドパスフィルターは、角度制限フィルター４１、４２により制限された透過波長の変化範囲λ１−Δλ〜λ１＋Δλ、λ２−Δλ〜λ２＋Δλにより、透過する特定波長の帯域ＢＷ１、ＢＷ２が設定される。
【０１３２】
このようにすれば、角度制限フィルター４１、４２により光バンドパスフィルターの透過波長帯域ＢＷ１、ＢＷ２を制限し、測定対象の波長帯域の光だけをセンシングすることができる。例えば、角度制限フィルター４１、４２の制限角度はΔθ≦３０°に設定される。望ましくは、角度制限フィルター４１、４２の制限角度はΔθ≦２０°である。
【０１３３】
７．製造方法
図１２〜図１４を用いて、傾斜構造体を半導体プロセスにより形成する場合の本実施形態の分光センサーの製造方法の例について説明する。
【０１３４】
まず図１２のＳ１に示すように、フォトリソグラフィー、イオン注入、フォトレジスト剥離の工程により、Ｐ型基板上にＮ型拡散層（フォトダイオードの不純物領域）を形成する。Ｓ２に示すように、フォトリソグラフィー、イオン注入、フォトレジスト剥離、熱処理の工程により、Ｐ型基板上にＰ型拡散層を形成する。このＮ型拡散層がフォトダイオードのカソードとなり、Ｐ型拡散層（Ｐ型基板）がアノードとなる。
【０１３５】
次にＳ３に示すように、ＳｉＯ２のデポジション、ＣＭＰによる平坦化の工程により、絶縁膜を形成する。Ｓ４に示すように、フォトリソグラフィー、ＳｉＯ２の異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、コンタクトホールを形成する。Ｓ５に示すように、ＴｉＮのスパッタリング、Ｗ（タングステン）のデポジション、Ｗのエッチバックの工程により、コンタクトホールの埋め込みを行う。Ｓ６に示すように、ＡＬ（アルミ）のスパッタリング、ＴｉＮのスパッタリング、フォトリソグラフィー、ＡＬとＴｉＮの異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、第１ＡＬ配線を形成する。
【０１３６】
次にＳ７に示すように、上記Ｓ３〜Ｓ６と同様の工程によりビアコンタクトと第２ＡＬ配線を形成する。Ｓ７の工程を必要回数繰り返す。図１２には、第３ＡＬ配線まで形成した場合を図示する。Ｓ８に示すように、ＳｉＯ２のデポジションを行い、絶縁膜を形成する。Ｓ８’に示すように、ＣＭＰによる平坦化の工程を行う。以上の配線形成工程により、角度制限フィルターを構成するＡＬ配線やタングステンプラグが積層される。
【０１３７】
次に図１３のＳ９に示すように、ＳｉＯ２のデポジション、フォトリソグラフィー、Ｓ
ｉＯ２の異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、絶縁膜の段差（Ｓ９’）または粗密パターン（Ｓ９”）を形成する。
【０１３８】
次に図１４のＳ１０に示すように、ＣＭＰによる研磨の工程により、傾斜構造体の傾斜面を形成する。このとき、傾斜構造体の傾斜面は、絶縁膜の段差や粗密パターンの形状に応じた傾斜角度に加工される。
【０１３９】
次にＳ１１に示すように、ＴｉＯ２（チタン酸化膜）のスパッタリングとＳｉＯ２のスパッタリングを交互に行い、傾斜面に多層薄膜を形成する。ＴｉＯ２膜は高屈折率の薄膜であり、ＳｉＯ２膜は低屈折率の薄膜である。
【０１４０】
８．製造方法の変形例
図１５を用いて、傾斜構造体を別部材で形成する第１の変形例の製造方法の例について説明する。
【０１４１】
まず図１５のＳ１０１に示すように、加熱して溶融した低融点ガラスを金型に注入し、傾斜面のついた金型で低融点ガラスをプレス成形することで傾斜構造体を形成する。
【０１４２】
次にＳ１０２に示すように、ＴｉＯ２のスパッタリングとＳｉＯ２のスパッタリングを交互に行い、低融点ガラスの傾斜構造体に多層薄膜を形成する。
【０１４３】
次にＳ１０３に示すように、多層薄膜が形成された傾斜構造体を、角度制限フィルターの絶縁層に接着剤（分光対象波長に対して透明な接着剤）で接着する。なお、フォトダイオードや角度制限フィルターは、図１２で上述したＳ１〜Ｓ８の工程により形成される。
【０１４４】
９．電子機器
図１６に、本実施形態の光学センサーを含む電子機器の構成例を示す。例えば、電子機器として、脈拍計、パルスオキシメーター、血糖値測定器、果実糖度計などが想定される。なお本実施形態は図１６の構成に限定されず、例えばＬＥＤ９５０を省略して仰角測定装置や照度計等に用いてもよい。
【０１４５】
図１６に示す電子機器は、光学センサー装置９００、マイクロコンピューター９７０（ＣＰＵ）、記憶装置９８０、表示装置９９０を含む。光学センサー装置９００は、ＬＥＤ９５０（光源）、ＬＥＤドライバー９６０、光学センサー９１０を含む。光学センサー９１０は、例えば１チップのＩＣに集積され、フォトダイオード９２０、検出回路９３０、Ａ／Ｄ変換回路９４０を含む。
【０１４６】
ＬＥＤ９５０は、例えば白色光を観察対象に照射する。光学センサー装置９００は、観察対象からの反射光や透過光を分光し、各波長の信号を取得する。マイクロコンピューター９７０は、ＬＥＤドライバー９６０の制御や、光学センサー９１０からの信号の取得を行う。マイクロコンピューター９７０は、取得した信号に基づく表示を表示装置９９０（例えば液晶表示装置）に表示したり、取得した信号に基づくデータを記憶装置９８０（例えばメモリーや、磁気ディスク）に記憶する。
【０１４７】
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また光学センサー、電子機器等の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【０１４８】
１０ 半導体基板、２０ 回路、３０，３１，３２ フォトダイオード、
４０，４１，４２ 角度制限フィルター、５０ 傾斜構造体、
６０，６１，６２ 光バンドパスフィルター、７０ 多層薄膜、
９００ 光学センサー装置、９１０ 光学センサー、９２０ フォトダイオード、
９３０ 検出回路、９４０ Ａ／Ｄ変換回路、９５０ ＬＥＤ、
９６０ ＬＥＤドライバー、９７０ マイクロコンピューター、９８０ 記憶装置、
９９０ 表示装置、
ＢＷ１，ＢＷ２ 透過波長帯域、ｄ 開口幅、ＨＷ 半値幅、ｋ 波数、
Ｌｉ 入射光強度、Ｌｐ 受光面光強度、ｒ 距離、Ｒ１ 第１の領域、
Ｒ２ 第２の領域、α 入射角度、θ，Δθ 制限角度、θ１，θ２ 傾斜角度、
λ 入射光波長、λ１，λ２ 透過波長
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学センサー及び電子機器等に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の分野において光学センサーによる測定が応用されている。例えば、対象物の診断や検査をするために分光センサーが用いられる。分光センサーには、ヘモグロビンの光吸収を利用して血中酸素飽和度を測定するパルスオキシメーターや、糖分の光吸収を使用して果実の糖度を測定する糖度計がある。また、照度を測定するための照度センサー等が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１２９９０８号公報
【特許文献２】特開２００６−３５１８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような光学センサーには、角度制限フィルターを用いて入射光の入射角度を制限するものがある（例えば特許文献１）。しかしながら、角度制限フィルターの開口幅や高さの条件によっては、入射角度の制御性が劣化するという課題がある。例えば分光センサーでは、角度制御性が劣化すると所望の波長分解能が得られなくなってしまう。
【０００５】
なお特許文献２には、センサー毎に膜厚の異なる多層膜フィルターを用いて複数波長帯域の光をセンシングする手法が開示されている。
【０００６】
本発明の幾つかの態様によれば、入射光の入射制限角度を高精度に制御可能な光学センサー及び電子機器等を提供できる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、受光素子と、前記受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限する角度制限フィルターと、を含み、前記入射光の波長をλとし、前記角度制限フィルターの高さをＲとし、前記角度制限フィルターの開口の幅をｄとする場合に、ｄ２／λＲ≧２を満たす光学センサーに関係する。
【０００８】
本発明の一態様によれば、角度制限フィルターがｄ２／λＲ≧２の条件を満たすサイズで形成され、その角度制限フィルターにより受光領域に対する入射光の入射角度が制限される。これにより、入射光の入射制限角度を高精度に制御することが可能になる。
【０００９】
また本発明の一態様では、前記角度制限フィルターは、ｔａｎ−１（ｄ／Ｒ）＜６０°を満たしてもよい。
【００１０】
角度制限フィルターが無い場合であっても６０°の制限角度が得られるため、制限角度がｔａｎ−１（ｄ／Ｒ）＜６０°を満たすことで角度制限フィルターの角度制限を有効にできる。
【００１１】
また本発明の一態様では、前記受光素子は、半導体基板上に形成された、フォトダイオード用の不純物領域により形成されてもよい。
【００１２】
また本発明の一態様では、前記角度制限フィルターは、前記フォトダイオード用の不純物領域の上に半導体プロセスによって形成された遮光物質によって形成されてもよい。
【００１３】
このようにすれば、光学センサーの各構成要素を半導体プロセスにより形成できるため、光学センサーを小型化できる。
【００１４】
また本発明の一態様では、前記角度制限フィルターは、前記半導体基板の上に積層された絶縁膜に空けられたコンタクトホールの導電性プラグにより形成されてもよい。
【００１５】
このようにすれば、角度制限フィルターを導電性プラグにより形成できる。例えば導電性プラグがタングステンプラグである場合、タングステンは光を吸収する性質であるため遮光性を向上できる。
【００１６】
また本発明の一態様では、前記受光素子の出力信号を処理する処理回路を含み、前記角度制限フィルターは、前記処理回路の配線を形成する配線形成工程により形成されてもよい。
【００１７】
このようにすれば、角度制限フィルターを配線形成工程によって形成できるため、通常の半導体プロセスを利用して角度制限フィルターを形成できる。また、フォトダイオードと処理回路を集積できるため、光学センサーを小型化できる。
【００１８】
また本発明の一態様では、前記入射光のうちの特定波長の光を透過する光バンドパスフィルターを含んでもよい。
【００１９】
このようにすれば、入射光のうちの特定波長の光を角度制限フィルター及びフォトダイオードの受光領域に入射させることができる。
【００２０】
また本発明の一態様では、前記光バンドパスフィルターは、前記受光素子の受光面に対して、透過波長に応じた角度で傾斜する多層薄膜により形成されてもよい。
【００２１】
また本発明の一態様では、前記光バンドパスフィルターは、透過波長が異なる複数組の多層薄膜により形成され、前記複数組の多層薄膜は、前記受光面に対する傾斜角度が透過波長に応じて異なり、同時の薄膜形成工程で形成されてもよい。
【００２２】
このようにすれば、光バンドパスフィルターを多層薄膜により形成し、その多層薄膜の傾斜角度により透過波長を設定できる。また、透過波長が異なる複数の多層薄膜を同時に形成できる。
【００２３】
また本発明の一態様では、前記角度制限フィルターを通って前記受光領域に到達する前記入射光の到達率特性は、前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが第１の傾きである第１の特性領域と、前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが前記第１の傾きよりも小さい第２の傾きである第２の特性領域と、を有する場合に、前記開口の幅は、前記到達率特性が前記第１の傾きから前記第２の傾きに変化する変化点における開口の幅以上に形成されてもよい。
【００２４】
このようにすれば、開口の幅に対する光到達率特性に基づいて角度制限フィルターの開口幅や高さを設定でき、角度制御性や光到達率を向上できる。
【００２５】
また、本発明の一態様では、光学センサーは、入射光を分光するための分光センサーであってもよい。
【００２６】
また、本発明の一態様では、光学センサーは、入射光の照度を測定するための照度センサーであってもよい。
【００２７】
また、本発明の一態様では、光学センサーは、光源の仰角を測定するための仰角センサーであってもよい。
【００２８】
また、本発明の他の態様は、受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限するための角度制限フィルターを含み、前記入射光の波長をλとし、前記角度制限フィルターの高さをＲとし、前記角度制限フィルターの開口の幅をｄとする場合に、ｄ２／λＲ≧２を満たす光学センサーに関係する。
【００２９】
また、本発明の他の態様は、受光素子と、前記受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限する角度制限フィルターと、を含み、前記角度制限フィルターを通って前記受光領域に到達する前記入射光の到達率特性は、前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが第１の傾きである第１の特性領域と、前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが前記第１の傾きよりも小さい第２の傾きである第２の特性領域と、を有する場合に、前記開口の幅は、前記到達率特性が前記第１の傾きから前記第２の傾きに変化する変化点における開口の幅以上に形成される光学センサーに関係する。
【００３０】
また、本発明の他の態様は、上記のいずれかに記載された光学センサーを含む電子機器に関係する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１（Ａ）、図１（Ｂ）は、本実施形態の光学センサーの構成例。
【図２】図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、比較例における光到達率の角度特性例。
【図３】図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、本実施形態における光到達率の角度特性例。
【図４】図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、本実施形態における光到達率の開口幅特性例。
【図５】ｄ２／（λ×Ｒ）≧２の条件式についての原理的な説明図。
【図６】図６（Ａ）〜図６（Ｅ）は、ｄ２／（λ×Ｒ）≧２の条件式についての原理的な説明図。
【図７】ｄ２／（λ×Ｒ）≧２の条件式についての原理的な説明図。
【図８】制限角度の上限についての説明図。
【図９】分光センサーの構成例の平面視図。
【図１０】分光センサーの構成例の断面図。
【図１１】図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）は、光バンドパスフィルターの透過波長帯域についての説明図。
【図１２】光学センサーの製造方法例。
【図１３】光学センサーの製造方法例。
【図１４】光学センサーの製造方法例。
【図１５】光学センサーの製造方法の変形例。
【図１６】電子機器の構成例。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。なお以下では光学センサーが分光センサーである場合を例にとり説明するが、後述するように本実施形態の光学センサーは分光センサーには限定されない。
【００３３】
１．構成
図１（Ａ）、図１（Ｂ）に本実施形態の分光センサー（広義には光学センサー）の構成例を示す。なお以下では、簡単のために本実施形態の構成を模式的に図示し、図中の寸法や比率は実際のものとは異なる。
【００３４】
図１（Ａ）には、半導体基板１０の平面に垂直な方向から見た平面視における角度制限フィルター４０の平面視図を示す。図１（Ｂ）には、角度制限フィルター４０を含む分光センサーの断面図を示す。この分光センサーは、半導体基板１０、フォトダイオード３０（広義にはフォトセンサー、フォトダイオード用の不純物領域）、角度制限フィルター４０、光バンドパスフィルター６０（多層膜フィルター、誘電体フィルター）を含む。
【００３５】
フォトダイオード３０と角度制限フィルター４０は、後述するように半導体プロセスにより半導体基板１０の上に形成される。ここで、半導体基板１０の上とは、半導体基板１０の平面に垂直な方向のうち、角度制限フィルター４０等が形成される側の方向を表す。
【００３６】
角度制限フィルター４０は、例えば平面視において格子状に形成され、フォトダイオード３０に対する入射光の入射角度を制限する。具体的には、角度制限フィルター４０は、フォトダイオード３０により検出される波長に対して遮光性のある物質（例えばタングステンプラグ）により形成され、入射角度が制限角度θ［°］より大きい光がフォトダイオード３０に入射しないように遮光する。
【００３７】
角度制限フィルター４０は、下式（１）を満たすように形成される。下式（１）に示す条件式の詳細については後述する。ここで、ｄ［μｍ］は角度制限フィルター４０の開口幅であり、Ｒ［μｍ］は角度制限フィルター４０の高さであり、λ［μｍ］は入射光の波長である。
【００３８】
ｄ２／（λ×Ｒ）≧２，
６０°＞θ＝ｔａｎ−１（ｄ／Ｒ） （１）
光バンドパスフィルター６０は、角度制限フィルター４０の上に積層された多層薄膜により形成される。後述するように、角度制限フィルター４０により入射角度が制限されることで光バンドパスフィルター６０の透過波長帯域が制限され、所望の波長分解能の分光特性を得ることができる。
【００３９】
以上の本実施形態によれば、半導体プロセスにより角度制限フィルターを形成することで光学センサーを小型化できる。しかしながら、小型化により角度制限フィルターの開口が小さくなり、開口幅ｄや高さＲの条件によっては入射角度の制御性が劣化するという課題がある。この点について、ｄ２／（λ×Ｒ）＜２の角度制限フィルターを比較例として説明する。
【００４０】
図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に比較例の角度特性の測定値を示す。図２（Ａ）〜図２（Ｃ）には、波長λ＝０．５μｍ、高さＲ＝５μｍにおける測定値を示す。なお以下では制限角度θを、光到達率が、入射角度０°における光到達率の１／２になる場合の入射角度とする。なお本実施形態ではこれに限定されず、光到達率が他の比になる場合の入射角度によりθを定義してもよい。
【００４１】
図２（Ａ）には、角度制限フィルターが無い場合における入射角度０°の光到達率を１とした光到達率特性を示す。光到達率とは、角度制限フィルターの開口に入射する光量と、フォトダイオードに到達する光量との比率である。
【００４２】
図２（Ａ）のＡ１に示すように、角度制限フィルターが無い場合には、入射角度が増加するに従って光到達率が緩やかに減衰する。Ａ２に示すように、制限角度θ＝１５°、開口幅ｄ＝１．３４μｍの場合には、光到達率の最大値は０．２３である。Ａ３に示すように、制限角度θ＝２０°、開口幅ｄ＝１．８２μｍの場合には、光到達率の最大値は０．４５である。このように、比較例の角度制限フィルターでは光到達率が５０％を切っており、入射光が暗いときにはセンサー感度が不足する可能性がある。
【００４３】
図２（Ｂ）には、図２（Ａ）の光到達率特性を、入射角度０°において１に正規化したものを示す。図２（Ｂ）のＢ１に角度制限フィルターが無い場合の測定値を示し、Ｂ２にθ＝１５°の場合の測定値を示し、Ｂ３にはθ＝２０°の場合の測定値を示す。Ｂ２、Ｂ３に示すように、実際に測定された制限角度はいずれも２２°程度であり、所望の角度制御性が得られていない。
【００４４】
図２（Ｃ）は、上記の測定値をまとめたものである。図２（Ｃ）に示すように、θ＝１５°、２０°いずれの場合もｄ２／（λ×Ｒ）＜２であり、この範囲では角度制御性や光到達率が十分に得られないことがわかる。
【００４５】
この点本実施形態によれば、上式（１）に示すようにｄ２／（λ×Ｒ）≧２を満たすように角度制限フィルターを形成することで、角度制御性や光到達率を向上できる。図３（Ａ）〜図３（Ｃ）を用いて詳細に説明する。図３（Ａ）〜図３（Ｃ）には、波長λ＝０．５μｍ、高さＲ＝５μｍにおける測定値を示す。
【００４６】
図３（Ａ）には、角度制限フィルターが無い場合における入射角度０°の光到達率を１とした光到達率特性を示す。図３（Ａ）のＣ１に示すように、角度制限フィルターが無い場合の特性は比較例と変わりがない。Ｃ２に示すように、制限角度θ＝２５°、開口幅ｄ＝２．３３μｍの場合には、光到達率の最大値は０．５４である。Ｃ３に示すように、制限角度θ＝３０°、開口幅ｄ＝２．８９μｍの場合には、光到達率の最大値は０．６４である。このように、本実施形態では光到達率が５０％よりも大きい。
【００４７】
図３（Ｂ）には、図３（Ａ）の光到達率特性を、入射角度０°において１に正規化したものを示す。図３（Ｂ）のＤ１に角度制限フィルターが無い場合の測定値を示し、Ｄ２にθ＝２５°の場合の測定値を示し、Ｄ３にはθ＝３０°の場合の測定値を示す。Ｄ２、Ｄ３に示すように、実際に測定された制限角度はそれぞれ２４°〜２５°、２８°〜２９°であり、所望の角度制御性が得られている。
【００４８】
図３（Ｃ）は、上記の測定値をまとめたものである。図３（Ｃ）に示すように、θ＝２５°、３０°いずれの場合もｄ２／（λ×Ｒ）≧２の条件を満たしており、この範囲では角度制御性や光到達率が十分に得られていることが分かる。このように、角度制御性が向上することで、例えば分光センサーでは所望の波長分解能が実現できる。また比較例に比べて光到達率が大きくなることで、光量が少なくても高感度にセンシング可能になる。
【００４９】
例えば、上述した比較例のθ＝１５°の角度制限フィルターをｄ２／（λ×Ｒ）≧２の範囲で設計すれば、下式（２）に示すようにｄ＝４．０２μｍ、Ｒ＝１５μｍとすればよい。またθ＝２０°の角度制限フィルターは、下式（３）に示すようにｄ＝３．６４μｍ、Ｒ＝１０μｍとすればよい。
【００５０】
ｄ２／（λ×Ｒ）＝４．０２２／（０．５×１５）＝２．１５≧２ （２）
ｄ２／（λ×Ｒ）＝３．６４２／（０．５×１０）＝２．６５≧２ （３）
２．光到達率の開口幅特性
図４（Ａ）に、開口幅ｄに対する光到達率特性を示す。図４（Ａ）のＥ１には、λ＝０．５μｍ、高さＲ＝５μｍにおける測定値を示す。Ｅ２には、λ＝０．９μｍ、高さＲ＝５μｍにおける測定値を示す。
【００５１】
Ｅ１に示す特性では、ｄ＝２．３μｍ近傍において接線の傾きが急激に変化する。以下ではこの点を境界点と呼ぶ。境界点までのｄ≦２．３μｍの範囲を第１の特性領域Ｒ１とすると、第１の特性領域Ｒ１では一定（ほぼ一定）の第１の傾きで光到達率が上昇する。境界点以降の２．３μｍ≦ｄ≦８μｍの範囲を第２の特性領域Ｒ２とすると、第２の特性領域Ｒ２では第１の傾きよりも小さい一定（ほぼ一定）の第２の傾きで光到達率が変化する。
【００５２】
Ｅ２に示す特性では、境界点はｄ＝３μｍであり、第１の特性領域はｄ≦３μｍであり、第２の特性領域は３μｍ≦ｄ≦８μｍである。
【００５３】
図４（Ｂ）に示すように、上記の境界点は、ｄ２／（λ×Ｒ）＝２とした場合のｄの値に一致（ほぼ一致）する。即ち、境界点よりも開口幅ｄが大きくなるように角度制限フィルターを形成することでｄ２／（λ×Ｒ）≧２の条件を満たし、角度制御性や光到達率を向上できることがわかる。このように、本実施形態では開口幅ｄに対する光到達率特性からも角度制限フィルターのサイズを決定することができる。
【００５４】
なお本実施形態では、境界点であるｄ２／（λ×Ｒ）＝２の近傍となるように角度制限フィルターを構成することが望ましい。境界点では角度制限フィルターの高さＲを最小限にして光学センサーを小型化できる。即ち、制限角度θ＝ｔａｎ−１（ｄ／Ｒ）であるためθが決まればアスペクト比ｄ／Ｒは固定される。従って、ｄ２／（λ×Ｒ）≧２を満たす範囲でｄが最小となる境界点ではＲも最小にすることができる。
【００５５】
以上の実施形態によれば、図１（Ｂ）に示すように光学センサーは受光素子と、角度制限フィルター４０を含む。角度制限フィルター４０は、受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限する。上式（１）に示すように、入射光の波長をλとし、角度制限フィルターの高さをＲとし、角度制限フィルターの開口の幅をｄとする場合に、ｄ２／λＲ≧２を満たす。
【００５６】
これにより、入射光の入射制限角度θを高精度に制御することが可能になる。また、光到達率を向上することが可能になる。即ち、図２（Ｃ）に示すｄ２／λＲ＜２での測定値に比べて、図３（Ｃ）に示すｄ２／λＲ≧２での測定値では所望の制限角度が実現され、光到達率が高くなっている。これは、図５で説明したように角度制限フィルター４０内での光の伝搬特性によると考えられる。
【００５７】
ここで、受光素子は図１（Ｂ）のフォトダイオード３０（フォトダイオード用の不純物領域）に対応するが、本実施形態ではこれに限定されない。例えば、受光素子は光電変換素子であればよい。
【００５８】
ここで、制限角度θとは、角度制限フィルター４０に対して入射光が入射角度０°で入射する場合に受光面に到達する光量と、角度制限フィルター４０に対して入射光が入射角度θで入射する場合に受光面に到達する光量との比が、所定の減衰率となる場合の角度θである。例えば所定の減衰率は１／２である。
【００５９】
また、角度制限フィルター４０の高さＲとは、半導体基板１０の平面に垂直な方向における高さであり、例えば角度制限フィルター４０を形成する遮光物質の下端から上端までの高さである。
【００６０】
また、角度制限フィルター４０の開口とは、入射光が入射する側の面において遮光物質が存在しない領域であり、角度制限フィルター４０に対して入射光が入射する領域である。なお開口の外周は必ずしも遮光物質で閉じている必要はなく、開口の外周に沿って断続的に遮光物質が配されてもよい。
【００６１】
また、開口の開口幅ｄとは、制限角度θ（開口幅ｄと高さＲのアスペクト比）を規定する長さであり、例えば正方形の開口の場合にはその正方形の一辺の長さである。あるいは、長方形の開口の場合にはその長方形の最長辺の長さであり、円の開口の場合にはその円の直径であり、楕円の開口の場合にはその楕円の長径である。
【００６２】
また本実施形態では、上式（１）に示すように角度制限フィルター４０はｔａｎ−１（ｄ／Ｒ）＜６０°を満たす。
【００６３】
図８で後述するように、角度制限フィルター４０が無くても入射角度６０°で光到達率が１／２になる。そのため、制限角度θ＝ｔａｎ−１（ｄ／Ｒ）＜６０°に設定することで角度制限フィルター４０の角度制限が有効になる。
【００６４】
また本実施形態では、図４（Ａ）に示すように、角度制限フィルター４０を通って受光領域に到達する入射光の到達率特性は、第１の特性領域Ｒ１と第２の特性領域Ｒ２を有する。第１の特性領域Ｒ１では、開口の幅ｄに対する到達率特性の傾きが第１の傾きである。第２の特性領域Ｒ２では、開口の幅ｄに対する到達率特性の傾きが第１の傾きよりも小さい第２の傾きである。この場合に、開口の幅ｄは、到達率特性が第１の傾きから第２の傾きに変化する変化点（境界点）における開口の幅以上に形成される。
【００６５】
このようにすれば、開口幅ｄに対する光到達率特性に基づいて、角度制御性や光到達率が高い角度制限フィルターの開口幅ｄや高さＲを決定できる。また上述のように、変化点近傍となるように角度制限フィルターを構成することで、高さＲを最小限にして光学センサーを小型化できる。
【００６６】
以上では、本実施形態の光学センサーが分光センサーである場合について説明したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、光バンドパスフィルター６０を省略し、本実施形態の光学センサーを照度センサーや、仰角センサーに適用してもよい。
【００６７】
ここで、照度センサーとは、自然光や照明光の照度（ルクス、またはルーメン／平方メートル）を測定する光学センサーである。本実施形態では、角度制限フィルターにより入射角度が制限されるため、測定対象以外からの不要な光の入射を制限できる。例えば、自動車の前照灯を進行方向の明るさに応じて自動的に点灯するシステムに本実施形態を適用することが考えられる。例えばトンネル進入時に、不要な光に反応しなくなるため、適切な自動点灯が可能になる。
【００６８】
また、仰角センサーとは、太陽や照明光源の方向と基準面との間の成す角度である仰角を測定する光学センサーである。基準面は、例えば水平面である。本実施形態では、角度制限フィルターにより入射角度が制限されるため、仰角の測定ができる。例えば、太陽光発電システムに本実施形態を適用することが考えられる。この場合、太陽の方向を高精度に測定し、その方向に太陽電池パネルを向けることで高効率な発電が可能になる。
【００６９】
３．光強度分布と角度制御性の関係
図５を用いて、ｄ２／（λ×Ｒ）≧２の条件式について原理的に説明する。図５に示すように、半導体基板に向かう垂直方向をＺ軸とし、開口の一辺に平行でＺ軸に垂直な方向をｘ軸とし、角度制限フィルター内の任意の面内でｘ軸に平行な方向をｘ１軸とする。なお以下では簡単のため、２次元での計算を行い、角度制限フィルター側壁の影響は無いものと仮定する。また入射光は、Ｚ軸に平行に伝搬する波数ｋの平面波であるものとする。
【００７０】
ｘ１軸における光強度Ｉ（ｘ１）を求める。ｘ１軸上の点Ｐにおける光Ｕｐ（ｘ１）は、開口を通る光の重ね合わせであり、下式（４）で表される。ここで、ｉは虚数を表し、ｋ（ｋ＝２π／λ）は入射光の波数を表し、ｒはｘ軸上の点から点Ｐまでの距離を表す。
【００７１】
【数１】
【００７２】
距離ｒが開口幅ｄよりも十分大きい場合、上式（４）の分母のｒをＲとして積分の外に出すことができ、下式（５）となる。
【００７３】
【数２】
【００７４】
図５に示す角度φが十分小さく、ｃｏｓφ≒１を仮定できる場合、下式（６）が成り立つ。下式（６）を上式（５）に代入すると下式（７）となる。
【００７５】
【数３】
【００７６】
【数４】
【００７７】
上式（７）を積分すると下式（８）となる。光強度Ｉ（ｘ１）は光Ｕｐ（ｘ１）の大きさの二乗であるため、ｋ＝２π／λを用いて下式（９）となる。
【００７８】
【数５】
【００７９】
【数６】
【００８０】
図６（Ａ）〜図６（Ｅ）に上式（９）の光強度Ｉ（ｘ１）の特性例を示す。図６（Ａ）〜図６（Ｅ）は、波長λ＝０．５μｍ、高さＲ＝５μｍにおける計算値であり、それぞれ開口幅ｄ＝１μｍ、１．５μｍ、２μｍ、２．５μｍ、３μｍにおける計算値である。
【００８１】
図６（Ａ）〜図６（Ｃ）に示すように、ｄ＜２．２５μｍの範囲ではｄが小さいほど開口内での光強度分布が平坦であり、角度制限フィルターの側壁面で光強度がゼロではない。実際には側壁面で光強度がゼロになるという境界条件があるため、このような光強度分布は実現しないと考えられる。この場合、図７に示すように側壁面に対して斜めに反射して境界条件を満たしながら光が進むと予想される。入射角度が０°であっても光が側壁面に反射しながら進むため、側壁面で光が吸収されてしまい光到達率は低いと考えられる。また、入射角度が０°でも角度が付いても同じように光が側壁面に反射しながら進むため、光到達率の角度依存性が低下して角度制御性が劣化すると考えられる。
【００８２】
一方、図６（Ｄ）、図６（Ｅ）に示すように、ｄ≧２．２５μｍの範囲では側壁面で光強度がゼロ（ほぼゼロ）であり、光が側壁面に触れずに中央付近を進む。そのため、入射角度が０°の場合には側壁面で光が吸収されず、光到達率が高いと予想される。また、入射角度が大きくなるに従って光が側壁面に当たって吸収されるようになるため、光到達率の角度依存性が高くなり角度制御性が向上すると考えられる。
【００８３】
なおｄ＝２．２５μｍは、上式（９）において側壁面での光強度がゼロとなる条件Ｉ（ｘ１＝ｄ／２）＝０におけるｄの値である。即ち、πｘ１ｄ／λＲ＝πであり、ｘ１＝ｄ／２を代入して変形するとｄ＝√（２λＲ）＝√（２×０．５×５）≒２．２５μｍである。
【００８４】
４．制限角度の上限
上式（１）に示す制限角度の上限θ＜６０°について、図８を用いて詳細に説明する。図８に示すように、角度制限フィルターが無く、強度Ｌｉの入射光が入射角度αでフォトダイオードに入射したとする。この場合、フォトダイオードの受光面における光強度Ｌｐは下式（１０）で表される。
【００８５】
Ｌｐ＝Ｌｉ×ｃｏｓα （１０）
上式（１０）より、α＝６０°においてＬｐ／Ｌｉ＝１／２であり、制限角度が６０°であることに等しい。即ち、光到達率が１／２となる入射角度を制限角度θと定義する場合には、角度制限フィルターがなくても制限角度θ＝６０°となるため、角度制限フィルターの角度制御性を発揮させるためにはθ＜６０°に設定する必要がある。
【００８６】
５．分光センサー
上述した本実施形態の分光センサーの詳細な構成例について説明する。
【００８７】
図９に、分光センサーが形成される半導体基板１０に対する平面視図を示す。図９は、半導体基板１０の平面に垂直な方向から見た平面視において、回路２０や角度制限フィルター４１等が形成される表面側から見た平面視図である。後述のように角度制限フィルター４１、４２の上には多層膜フィルターが形成されるが、図９では、簡単のために図示を省略する。
【００８８】
図９に示す分光センサーは、半導体基板１０、回路２０、第１のフォトダイオード３１（広義には、第１のフォトセンサー、第１のフォトダイオード用の不純物領域）、第２のフォトダイオード３２（広義には、第２のフォトセンサー、第２のフォトダイオード用の不純物領域）、第１の角度制限フィルター４１、第２の角度制限フィルター４２を含む。
【００８９】
半導体基板１０は、例えばＰ型やＮ型のシリコン基板（シリコンウエハ）により構成される。この半導体基板１０の上には、回路２０、フォトダイオード３１、３２、角度制限フィルター４１、４２が半導体プロセスにより形成される。
【００９０】
角度制限フィルター４１、４２は、例えば平面視において格子状に形成され、フォトダイオード３１、３２に対する入射光の入射角度を制限する。回路２０は、例えばフォトダイオード３１、３２からの出力信号を処理するアンプ、Ａ／Ｄ変換回路等により構成される。
【００９１】
なお、本実施形態の分光センサーは図９の構成に限定されず、その構成要素の一部（回路２０）を省略したり、他の構成要素を追加したりする等の種々の変形実施が可能である。例えば、フォトダイオードや角度制限フィルターは、上述のように２つであってもよく、１または複数個形成されてもよい。また、角度制限フィルター４１、４２は、上述のように平面視において格子状であってもよく、他の形状であってもよい。
【００９２】
図１０に、分光センサーの断面図を示す。図１０は、図９に示すＡＡ断面における断面図である。図１０に示す分光センサーは、半導体基板１０、フォトダイオード３１、３２、角度制限フィルター４１、４２、傾斜構造体５０（角度構造体）、第１の光バンドパスフィルター６１（第１の多層膜フィルター、第１の誘電体フィルター）、第２の光バンドパスフィルター６２（第２の多層膜フィルター、第２の誘電体フィルター）、を含む。
【００９３】
半導体基板１０にフォトダイオード３１、３２が形成される。後述するように、このフォトダイオード３１、３２は、イオン注入等により不純物領域が形成されることで形成される。例えば、フォトダイオード３１、３２は、Ｐ基板上に形成されたＮ型不純物領域と、Ｐ基板との間のＰＮ接合により実現される。あるいは、ディープＮウェル（Ｎ型不純物領域）上に形成されたＰ型不純物領域と、ディープＮウェルとの間のＰＮ接合により実現される。
【００９４】
角度制限フィルター４１、４２は、フォトダイオード３１、３２により検出される波長に対して遮光性のある遮光物質（例えば、光吸収物質または光反射物質）により形成される。具体的には、角度制限フィルター４１、４２は、半導体プロセスの配線形成工程により形成され、例えばタングステン（広義には光吸収物質）プラグ等の導電性プラグにより形成される。また、角度制限フィルター４１、４２は、アルミ（広義には光反射物質）配線層等の導電層を含んで形成されてもよい。
【００９５】
角度制限フィルター４１、４２の底辺の開口幅と高さのアスペクト比は、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長帯域（例えば図１１（Ｂ）で後述するＢＷ１、ＢＷ２）に応じて設定される。角度制限フィルター４１、４２の開口部（中空部）は、フォトダイオード３１、３２により検出される波長に対して透明な物質により形成され、例えば、ＳｉＯ２（シリコン酸化膜）等の絶縁層により形成（充填）される。
【００９６】
傾斜構造体５０は、角度制限フィルター４１、４２の上に形成され、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長に応じて異なる傾斜角の傾斜面を有する。具体的には、フォトダイオード３１の上には、半導体基板１０の平面に対する傾斜角θ１の傾斜面が複数形成され、フォトダイオード３２の上には、θ１とは異なる傾斜角θ２の傾斜面が複数形成
される。後述するように、この傾斜構造体５０は、例えばＳｉＯ２等の絶縁膜をエッチングまたはＣＭＰ、グレースケールリソグラフィー技術等により加工することで形成される。
【００９７】
光バンドパスフィルター６１、６２は、傾斜構造体５０の上に積層された多層薄膜７０により形成される。光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長帯域は、傾斜構造体５０の傾斜角θ１、θ２と、角度制限フィルター４１、４２の入射光制限角度（アスペクト比）により決まる。光バンドパスフィルター６１、６２は、傾斜角度に応じて透過波長が異なる構成のため、透過波長毎に別個の工程で積層するのではなく、同一の多層膜形成工程により積層される。
【００９８】
さて従来の光学センサーでは、小型化が困難であるという課題がある。例えば、連続スペクトルを取得する分光センサーでは、連続スペクトルを生成するためのプリズム等を設けたり、光路長を確保する必要があるため、装置が大型化してしまう。そのため、多数のセンサーを設置したり、センサーを検査対象物に常時設置しておくこと等が困難となってしまう。
【００９９】
この点本実施形態によれば、受光素子は、半導体基板１０上に形成された、フォトダイオード用の不純物領域３１、３２により形成される。
【０１００】
また本実施形態では、角度制限フィルター４１、４２は、フォトダイオード用の不純物領域３１、３２の上に半導体プロセスによって形成された遮光物質によって形成される。
【０１０１】
このようにすれば、光学センサーの各構成要素を半導体プロセスにより構成できるため、光学センサーの小型化等が可能になる。即ち、フォトダイオード３１、３２や角度制限フィルター４１、４２を半導体プロセスにより形成することで、容易に微細加工を行い、小型化することができる。また、部材を貼り合わせて構成する場合と比べて、透過波長選択性を向上できる。また、角度制限フィルターとして光ファイバーを用いた場合に比べて、制限角度（開口数）の減少による透過光の減少を抑制し、波長選択性を向上できる。
【０１０２】
ここで、半導体プロセスとは、半導体基板にトランジスターや、抵抗素子、キャパシター、絶縁層、配線層等を形成するプロセスである。例えば、半導体プロセスは、不純物導入プロセスや、薄膜形成プロセス、フォトリソグラフィープロセス、エッチングプロセス、平坦化プロセス、熱処理プロセスを含むプロセスである。
【０１０３】
また、フォトダイオードの受光領域とは、角度制限フィルター４１、４２を通過した入射光が入射される、フォトダイオード用の不純物領域３１、３２上の領域である。例えば図９において、格子状の角度制限フィルター４１、４２の各開口に対応する領域である。あるいは、図１０において、角度制限フィルター４１、４２を形成する遮光物質に囲まれた領域（例えば、領域ＬＲＡ）である。
【０１０４】
また、遮光物質とは、光吸収物質または光反射物質である。光吸収物質は例えばタングステンであり、光反射物質は例えばアルミである。
【０１０５】
なお、角度制限フィルター４１、４２は、受光領域の外周に沿って閉じている場合に限らず、外周に沿って非連続的な部分があったり、外周に沿って断続的に配置されたりしてもよい。
【０１０６】
また本実施形態では、後述する図１２に示すように、角度制限フィルター４１、４２は、半導体基板１０の上に積層された絶縁膜に空けられたコンタクトホールの導電性プラグにより形成される。即ち、アルミ配線等の金属配線層を用いず、ＳｉＯ２等の絶縁膜に形成されたタングステンプラグ等の導電性プラグのみにより形成される。
【０１０７】
このようにすれば、角度制限フィルター４１、４２を導電性プラグにより形成することができる。具体的には、光吸収物質であるタングステンプラグにより形成できるため、遮光性を向上できる。
【０１０８】
ここで、コンタクトホールとは、配線層と半導体基板を導通するコンタクトのために空けられるコンタクトホール、または配線層と配線層を導通するビアコンタクトのために空けられるコンタクトホールである。
【０１０９】
また本実施形態の光学センサーは、受光素子の出力信号を処理する処理回路（図９の回路２０）を含む。角度制限フィルター４１、４２は、処理回路の配線を形成する配線形成工程により形成される。具体的には、角度制限フィルター４１、４２は、処理回路の配線層形成と同時に形成され、その配線層形成工程の全部または一部により形成される。例えば、角度制限フィルター４１、４２は、ＳｉＯ２デポジションによる絶縁膜形成、タングステンデポジションによるコンタクト形成等により形成される。
【０１１０】
このようにすれば、角度制限フィルター４１、４２を、フォトダイオード用の不純物領域３１、３２の上に半導体プロセスによって形成できる。これにより、角度制限フィルター形成のための別個のプロセスを設ける必要が無く、通常の半導体プロセスを利用して角
度制限フィルターを形成できる。
【０１１１】
また、フォトダイオード３１、３２と同じチップ上に、フォトダイオード３１、３２の出力信号を処理する処理回路を集積できる。これにより、分光センサーのより一層の小型化を図ることができる。
【０１１２】
なお、角度制限フィルター４１、４２は、光反射物質のアルミ配線層や、光吸収物質のタングステンコンタクトに限らず、光吸収物質から成る配線層や、光反射物質から成るコンタクトにより形成されてもよい。ただし、光吸収物質から成る程遮光性は高まる。
【０１１３】
また、角度制限フィルター４１、４２は、光吸収物質である窒化チタン（ＴｉＮ）等の膜付きのアルミ配線層や、タングステンコンタクトにより形成されてもよい。アルミ配線層が光吸収に変わり、タングステンより窒化チタン（ＴｉＮ）の方が光吸収性が高いためコンタクトの光吸収性も上がる。これにより遮光性をより高めることができる。
【０１１４】
また本実施形態では、角度制限フィルター４１、４２は、半導体プロセスにより形成される導電層または導電性プラグにより形成され、フォトダイオード３１、３２用の不純物領域からの信号を取得する電極であってもよい。例えば、フォトダイオード３１、３２用の不純物領域がＰ型不純物領域である場合、そのＰ型不純物領域に導通する角度制限フィルター４１、４２が、フォトダイオード３１、３２のアノード電極を兼ねてもよい。
【０１１５】
このようにすれば、導電層または導電性プラグにより形成される角度制限フィルター４１、４２を、フォトダイオード３１、３２の電極として用いることができる。これにより、角度制限フィルター４１、４２以外に電極を設ける必要が無くなり、電極による入射光量の低下を避けることができる。
【０１１６】
また本実施形態の光学センサーは、入射光のうちの特定波長の光を透過する光バンドパスフィルター６１、６２を含む。例えば本実施形態では、半導体基板１０、角度制限フィルター４１、４２、光バンドパスフィルター６１、６２の順に半導体プロセスにより順次積層される。
【０１１７】
このようにすれば、入射光のうちの特定波長の光を角度制限フィルター４１、４２やフォトダイオード３１、３２用の不純物領域に入射できる。図１１（Ａ）等で後述のように、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長は入射角度によって変化するが、角度制限フィルター４１、４２により透過波長帯域を制限することができる。
【０１１８】
また本実施形態では、光バンドパスフィルター６１、６２は、半導体基板１０に対して、透過波長に応じた角度θ１、θ２で傾斜する多層薄膜により形成される。より具体的には、光バンドパスフィルター６１、６２は、透過波長が異なる複数組の多層薄膜により形成される。そして、その複数組の多層薄膜は、半導体基板１０に対する傾斜角度θ１、θ２が透過波長に応じて異なり、同時の薄膜形成工程で形成される。例えば、図１０に示すように、傾斜角θ１の複数の多層薄膜が連続して配列されることで１組の多層薄膜が形成される。あるいは、異なる傾斜角θ１〜θ３の多層薄膜が隣接して配置され、この傾斜角θ１〜θ３の多層薄膜が繰り返し配置される場合に、同じ傾斜角の複数の多層薄膜により１組の多層薄膜が形成されてもよい。
【０１１９】
このようにすれば、透過波長に応じた角度θ１、θ２で傾斜する多層薄膜により光バンドパスフィルター６１、６２を形成できる。これにより、透過波長に応じた膜厚の多層薄膜を透過波長毎に別個の工程で積層する必要がなくなり、多層薄膜の形成工程を簡素化できる。
【０１２０】
ここで、同時の薄膜形成工程とは、第１組の多層薄膜を形成した後に第２組の多層薄膜を形成するといった同一工程を順次繰り返す工程ではなく、複数組の多層薄膜を同じ（１回の）薄膜形成工程で形成することをいう。
【０１２１】
また本実施形態では、角度制限フィルター４１、４２の上に設けられた傾斜構造体５０を含む。そして、傾斜構造体５０は、半導体基板１０に対して、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長に応じた角度θ１、θ２で傾斜する傾斜面を有し、多層薄膜がその傾斜面の上に形成される。
【０１２２】
このようにすれば、傾斜構造体５０の傾斜面に多層薄膜を形成することで、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長に応じた角度θ１、θ２で傾斜する多層薄膜を形成できる。
【０１２３】
また本実施形態では、傾斜構造体５０は、角度制限フィルター４１、４２の上に半導体プロセスにより形成される。例えば図１３等で後述するように、傾斜構造体５０は、半導体プロセスにより積層された透明膜（絶縁膜）に段差または粗密パターンが形成され、その段差または粗密パターンに対して研磨（例えばＣＭＰ）及びエッチングの少なくとも一方が行われることで形成される。
【０１２４】
このようにすれば、傾斜構造体を半導体プロセスにより形成できる。これにより、傾斜構造体の形成工程を簡素化できる。また、傾斜構造体を別部材で構成する場合と比べてコストを削減できる。また、別部材の傾斜構造体との接着面での光量減少を避けることができる。
【０１２５】
ここで、絶縁膜の段差とは、例えば、半導体基板の断面における半導体基板表面からの絶縁膜表面の高低差である。また、絶縁膜の粗密パターンとは、例えば、半導体基板の断面における半導体基板表面からの絶縁膜表面の高低のパターンであり、高い部分と低い部分の比率により絶縁膜の粗密が形成される。
【０１２６】
なお、傾斜構造体５０は、段差または粗密パターンの研磨またはエッチングによる形成に限らず、グレースケールリソグラフィー技術により形成されてもよい。グレースケールリソグラフィー技術では、濃淡を持ったグレースケールマスクを用いてレジストを露光、露光レジストを使ってエッチングし傾斜構造体を形成する。
【０１２７】
６．光バンドパスフィルターの透過波長帯域
上述のように、光バンドパスフィルターの透過波長帯域は、多層薄膜の傾斜角度と角度制限フィルターの制限角度により設定される。この点について、図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）を用いて具体的に説明する。なお、説明を簡単にするために、以下では光バンドパスフィルター６１、６２の多層薄膜の膜厚が同じ場合を例に説明するが、本実施形態では、光バンドパスフィルター６１、６２の多層薄膜の膜厚が傾斜角θ１、θ２に応じて異なってもよい。例えば、薄膜のデポジションにおいて、半導体基板に対して垂直な方向に薄膜を成長させた場合、光バンドパスフィルター６１、６２の多層薄膜の膜厚がｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２に比例してもよい。
【０１２８】
図１１（Ａ）に示すように、光バンドパスフィルター６１、６２の多層薄膜は、厚さｄ１〜ｄ３（ｄ２＜ｄ１、ｄ３＜ｄ１）の薄膜により形成される。厚さｄ１の薄膜の上下に、厚さｄ２、ｄ３の薄膜が交互に複数層積層される。厚さｄ２の薄膜は、厚さｄ１、ｄ３の薄膜とは異なる屈折率の物質により形成される。なお、図１１（Ａ）では、簡単のために、厚さｄ２、ｄ３の薄膜の層数を省略したが、実際には、厚さｄ１の薄膜の上下に数十層〜数百層の薄膜が積層される。また、図１１（Ａ）では、簡単のために厚さｄ１の薄膜を１層としたが、実際には複数層形成される場合が多い。
【０１２９】
光バンドパスフィルター６１の多層薄膜は、フォトダイオード３１の受光面に対して傾斜角θ１を有するため、受光面に対して垂直な光線は、光バンドパスフィルター６１の多層薄膜に対してθ１の角度で入射する。そして、角度制限フィルター４１の制限角度をΔθとすると、光バンドパスフィルター６１の多層薄膜に対してθ１−Δθ〜θ１＋Δθで入射する光線がフォトダイオード３１の受光面に到達する。同様に、フォトダイオード３２の受光面には、光バンドパスフィルター６２の多層薄膜に対してθ２−Δθ〜θ２＋Δθで入射する光線が到達する。
【０１３０】
図１１（Ｂ）に示すように、光バンドパスフィルター６１の透過波長帯域ＢＷ１は、λ１−Δλ〜λ１＋Δλである。このとき、入射角度θ１の光線に対する透過波長λ１＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓθ１である。ここで、ｎは厚さｄ１の薄膜の屈折率である。また、λ１−Δλ＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓ（θ１＋Δθ）、λ１＋Δλ＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓ（θ１−Δθ）である。入射角度θ１の光線に対する透過波長の半値幅ＨＷ（例えばＨＷ＜ＢＷ１）は、多層膜の積層数により決まる。フォトダイオード３１の受光量は、受光面に垂直となる入射角θ１で最大であり、制限角度でゼロとなるため、入射光全体での受光量は点線でしめす曲線により表されることとなる。光バンドパスフィルター６２の透過波長帯域ＢＷ２も同様に、λ２−Δλ〜λ２＋Δλである。例えばθ２＞θ１の場合、λ２＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓθ２＜λ１＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓθ１である。
【０１３１】
上記実施形態によれば、角度制限フィルター４１、４２は、入射光の入射角度をθ１−Δθ〜θ１＋Δθ、θ２−Δθ〜θ２＋Δθに制限して、透過波長の変化範囲をλ１−Δλ〜λ１＋Δλ、λ２−Δλ〜λ２＋Δλに制限する。光バンドパスフィルターは、角度制限フィルター４１、４２により制限された透過波長の変化範囲λ１−Δλ〜λ１＋Δλ、λ２−Δλ〜λ２＋Δλにより、透過する特定波長の帯域ＢＷ１、ＢＷ２が設定される。
【０１３２】
このようにすれば、角度制限フィルター４１、４２により光バンドパスフィルターの透過波長帯域ＢＷ１、ＢＷ２を制限し、測定対象の波長帯域の光だけをセンシングすることができる。例えば、角度制限フィルター４１、４２の制限角度はΔθ≦３０°に設定される。望ましくは、角度制限フィルター４１、４２の制限角度はΔθ≦２０°である。
【０１３３】
７．製造方法
図１２〜図１４を用いて、傾斜構造体を半導体プロセスにより形成する場合の本実施形態の分光センサーの製造方法の例について説明する。
【０１３４】
まず図１２のＳ１に示すように、フォトリソグラフィー、イオン注入、フォトレジスト剥離の工程により、Ｐ型基板上にＮ型拡散層（フォトダイオードの不純物領域）を形成する。Ｓ２に示すように、フォトリソグラフィー、イオン注入、フォトレジスト剥離、熱処理の工程により、Ｐ型基板上にＰ型拡散層を形成する。このＮ型拡散層がフォトダイオードのカソードとなり、Ｐ型拡散層（Ｐ型基板）がアノードとなる。
【０１３５】
次にＳ３に示すように、ＳｉＯ２のデポジション、ＣＭＰによる平坦化の工程により、絶縁膜を形成する。Ｓ４に示すように、フォトリソグラフィー、ＳｉＯ２の異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、コンタクトホールを形成する。Ｓ５に示すように、ＴｉＮのスパッタリング、Ｗ（タングステン）のデポジション、Ｗのエッチバックの工程により、コンタクトホールの埋め込みを行う。Ｓ６に示すように、ＡＬ（アルミ）のスパッタリング、ＴｉＮのスパッタリング、フォトリソグラフィー、ＡＬとＴｉＮの異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、第１ＡＬ配線を形成する。
【０１３６】
次にＳ７に示すように、上記Ｓ３〜Ｓ６と同様の工程によりビアコンタクトと第２ＡＬ配線を形成する。Ｓ７の工程を必要回数繰り返す。図１２には、第３ＡＬ配線まで形成した場合を図示する。Ｓ８に示すように、ＳｉＯ２のデポジションを行い、絶縁膜を形成する。Ｓ８’に示すように、ＣＭＰによる平坦化の工程を行う。以上の配線形成工程により、角度制限フィルターを構成するＡＬ配線やタングステンプラグが積層される。
【０１３７】
次に図１３のＳ９に示すように、ＳｉＯ２のデポジション、フォトリソグラフィー、Ｓ
ｉＯ２の異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、絶縁膜の段差（Ｓ９’）または粗密パターン（Ｓ９”）を形成する。
【０１３８】
次に図１４のＳ１０に示すように、ＣＭＰによる研磨の工程により、傾斜構造体の傾斜面を形成する。このとき、傾斜構造体の傾斜面は、絶縁膜の段差や粗密パターンの形状に応じた傾斜角度に加工される。
【０１３９】
次にＳ１１に示すように、ＴｉＯ２（チタン酸化膜）のスパッタリングとＳｉＯ２のスパッタリングを交互に行い、傾斜面に多層薄膜を形成する。ＴｉＯ２膜は高屈折率の薄膜であり、ＳｉＯ２膜は低屈折率の薄膜である。
【０１４０】
８．製造方法の変形例
図１５を用いて、傾斜構造体を別部材で形成する第１の変形例の製造方法の例について説明する。
【０１４１】
まず図１５のＳ１０１に示すように、加熱して溶融した低融点ガラスを金型に注入し、傾斜面のついた金型で低融点ガラスをプレス成形することで傾斜構造体を形成する。
【０１４２】
次にＳ１０２に示すように、ＴｉＯ２のスパッタリングとＳｉＯ２のスパッタリングを交互に行い、低融点ガラスの傾斜構造体に多層薄膜を形成する。
【０１４３】
次にＳ１０３に示すように、多層薄膜が形成された傾斜構造体を、角度制限フィルターの絶縁層に接着剤（分光対象波長に対して透明な接着剤）で接着する。なお、フォトダイオードや角度制限フィルターは、図１２で上述したＳ１〜Ｓ８の工程により形成される。
【０１４４】
９．電子機器
図１６に、本実施形態の光学センサーを含む電子機器の構成例を示す。例えば、電子機器として、脈拍計、パルスオキシメーター、血糖値測定器、果実糖度計などが想定される。なお本実施形態は図１６の構成に限定されず、例えばＬＥＤ９５０を省略して仰角測定装置や照度計等に用いてもよい。
【０１４５】
図１６に示す電子機器は、光学センサー装置９００、マイクロコンピューター９７０（ＣＰＵ）、記憶装置９８０、表示装置９９０を含む。光学センサー装置９００は、ＬＥＤ９５０（光源）、ＬＥＤドライバー９６０、光学センサー９１０を含む。光学センサー９１０は、例えば１チップのＩＣに集積され、フォトダイオード９２０、検出回路９３０、Ａ／Ｄ変換回路９４０を含む。
【０１４６】
ＬＥＤ９５０は、例えば白色光を観察対象に照射する。光学センサー装置９００は、観察対象からの反射光や透過光を分光し、各波長の信号を取得する。マイクロコンピューター９７０は、ＬＥＤドライバー９６０の制御や、光学センサー９１０からの信号の取得を行う。マイクロコンピューター９７０は、取得した信号に基づく表示を表示装置９９０（例えば液晶表示装置）に表示したり、取得した信号に基づくデータを記憶装置９８０（例えばメモリーや、磁気ディスク）に記憶する。
【０１４７】
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また光学センサー、電子機器等の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【０１４８】
１０ 半導体基板、２０ 回路、３０，３１，３２ フォトダイオード、
４０，４１，４２ 角度制限フィルター、５０ 傾斜構造体、
６０，６１，６２ 光バンドパスフィルター、７０ 多層薄膜、
９００ 光学センサー装置、９１０ 光学センサー、９２０ フォトダイオード、
９３０ 検出回路、９４０ Ａ／Ｄ変換回路、９５０ ＬＥＤ、
９６０ ＬＥＤドライバー、９７０ マイクロコンピューター、９８０ 記憶装置、
９９０ 表示装置、
ＢＷ１，ＢＷ２ 透過波長帯域、ｄ 開口幅、ＨＷ 半値幅、ｋ 波数、
Ｌｉ 入射光強度、Ｌｐ 受光面光強度、ｒ 距離、Ｒ１ 第１の領域、
Ｒ２ 第２の領域、α 入射角度、θ，Δθ 制限角度、θ１，θ２ 傾斜角度、
λ 入射光波長、λ１，λ２ 透過波長
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光素子と、
前記受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限する角度制限フィルターと、
を含み、
前記入射光の波長をλとし、前記角度制限フィルターの高さをＲとし、前記角度制限フィルターの開口の幅をｄとする場合に、
ｄ２／λＲ≧２
を満たすことを特徴とする光学センサー。
【請求項２】
請求項１において、
前記角度制限フィルターは、
ｔａｎ−１（ｄ／Ｒ）＜６０°
を満たすことを特徴とする光学センサー。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記受光素子は、
半導体基板上に形成された、フォトダイオード用の不純物領域により形成されることを特徴とする光学センサー。
【請求項４】
請求項３において、
前記角度制限フィルターは、
前記フォトダイオード用の不純物領域の上に半導体プロセスによって形成された遮光物質によって形成されることを特徴とする光学センサー。
【請求項５】
請求項３又は４において、
前記角度制限フィルターは、
前記半導体基板の上に積層された絶縁膜に空けられたコンタクトホールの導電性プラグにより形成されることを特徴とする光学センサー。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記受光素子の出力信号を処理する処理回路を含み、
前記角度制限フィルターは、
前記処理回路の配線を形成する配線形成工程により形成されることを特徴とする光学センサー。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかにおいて、
前記入射光のうちの特定波長の光を透過する光バンドパスフィルターを含むことを特徴とする光学センサー。
【請求項８】
請求項７において、
前記光バンドパスフィルターは、
前記受光素子の受光面に対して、透過波長に応じた角度で傾斜する多層薄膜により形成されることを特徴とする光学センサー。
【請求項９】
請求項８において、
前記光バンドパスフィルターは、
透過波長が異なる複数組の多層薄膜により形成され、
前記複数組の多層薄膜は、
前記受光面に対する傾斜角度が透過波長に応じて異なり、同時の薄膜形成工程で形成されることを特徴とする光学センサー。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかにおいて、
前記角度制限フィルターを通って前記受光領域に到達する前記入射光の到達率特性は、
前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが第１の傾きである第１の特性領域と、
前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが前記第１の傾きよりも小さい第２の傾きである第２の特性領域と、
を有する場合に、
前記開口の幅は、
前記到達率特性が前記第１の傾きから前記第２の傾きに変化する変化点における開口の幅以上に形成されることを特徴とする光学センサー。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかにおいて、
前記入射光を分光するための分光センサーであることを特徴とする光学センサー。
【請求項１２】
請求項１乃至１０のいずれかにおいて、
前記入射光の照度を測定するための照度センサーであることを特徴とする光学センサー。
【請求項１３】
請求項１乃至１０のいずれかにおいて、
光源の仰角を測定するための仰角センサーであることを特徴とする光学センサー。
【請求項１４】
受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限する角度制限フィルターを含み、
前記入射光の波長をλとし、前記角度制限フィルターの高さをＲとし、前記角度制限フィルターの開口の幅をｄとする場合に、
ｄ２／λＲ≧２
を満たすことを特徴とする光学センサー。
【請求項１５】
受光素子と、
前記受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限する角度制限フィルターと、
を含み、
前記角度制限フィルターを通って前記受光領域に到達する前記入射光の到達率特性は、
前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが第１の傾きである第１の特性領域と、
前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが前記第１の傾きよりも小さい第２の傾きである第２の特性領域と、
を有する場合に、
前記開口の幅は、
前記到達率特性が前記第１の傾きから前記第２の傾きに変化する変化点における開口の幅以上に形成されることを特徴とする光学センサー。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれかに記載の光学センサーを含むことを特徴とする電子機器。
【請求項１】
受光素子と、
前記受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限する角度制限フィルターと、
を含み、
前記入射光の波長をλとし、前記角度制限フィルターの高さをＲとし、前記角度制限フィルターの開口の幅をｄとする場合に、
ｄ２／λＲ≧２
を満たすことを特徴とする光学センサー。
【請求項２】
請求項１において、
前記角度制限フィルターは、
ｔａｎ−１（ｄ／Ｒ）＜６０°
を満たすことを特徴とする光学センサー。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記受光素子は、
半導体基板上に形成された、フォトダイオード用の不純物領域により形成されることを特徴とする光学センサー。
【請求項４】
請求項３において、
前記角度制限フィルターは、
前記フォトダイオード用の不純物領域の上に半導体プロセスによって形成された遮光物質によって形成されることを特徴とする光学センサー。
【請求項５】
請求項３又は４において、
前記角度制限フィルターは、
前記半導体基板の上に積層された絶縁膜に空けられたコンタクトホールの導電性プラグにより形成されることを特徴とする光学センサー。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記受光素子の出力信号を処理する処理回路を含み、
前記角度制限フィルターは、
前記処理回路の配線を形成する配線形成工程により形成されることを特徴とする光学センサー。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかにおいて、
前記入射光のうちの特定波長の光を透過する光バンドパスフィルターを含むことを特徴とする光学センサー。
【請求項８】
請求項７において、
前記光バンドパスフィルターは、
前記受光素子の受光面に対して、透過波長に応じた角度で傾斜する多層薄膜により形成されることを特徴とする光学センサー。
【請求項９】
請求項８において、
前記光バンドパスフィルターは、
透過波長が異なる複数組の多層薄膜により形成され、
前記複数組の多層薄膜は、
前記受光面に対する傾斜角度が透過波長に応じて異なり、同時の薄膜形成工程で形成されることを特徴とする光学センサー。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかにおいて、
前記角度制限フィルターを通って前記受光領域に到達する前記入射光の到達率特性は、
前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが第１の傾きである第１の特性領域と、
前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが前記第１の傾きよりも小さい第２の傾きである第２の特性領域と、
を有する場合に、
前記開口の幅は、
前記到達率特性が前記第１の傾きから前記第２の傾きに変化する変化点における開口の幅以上に形成されることを特徴とする光学センサー。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかにおいて、
前記入射光を分光するための分光センサーであることを特徴とする光学センサー。
【請求項１２】
請求項１乃至１０のいずれかにおいて、
前記入射光の照度を測定するための照度センサーであることを特徴とする光学センサー。
【請求項１３】
請求項１乃至１０のいずれかにおいて、
光源の仰角を測定するための仰角センサーであることを特徴とする光学センサー。
【請求項１４】
受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限する角度制限フィルターを含み、
前記入射光の波長をλとし、前記角度制限フィルターの高さをＲとし、前記角度制限フィルターの開口の幅をｄとする場合に、
ｄ２／λＲ≧２
を満たすことを特徴とする光学センサー。
【請求項１５】
受光素子と、
前記受光素子の受光領域に対する入射光の入射角度を制限する角度制限フィルターと、
を含み、
前記角度制限フィルターを通って前記受光領域に到達する前記入射光の到達率特性は、
前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが第１の傾きである第１の特性領域と、
前記開口の幅に対する前記到達率特性の傾きが前記第１の傾きよりも小さい第２の傾きである第２の特性領域と、
を有する場合に、
前記開口の幅は、
前記到達率特性が前記第１の傾きから前記第２の傾きに変化する変化点における開口の幅以上に形成されることを特徴とする光学センサー。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれかに記載の光学センサーを含むことを特徴とする電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−１９４０５４（Ｐ２０１２−１９４０５４Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５８１８１（Ｐ２０１１−５８１８１）
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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