分光センサー及び角度制限フィルター
【課題】分光センサー及び角度制限フィルターを小型化する。また、角度制限フィルターの通過光量を向上する。
【解決手段】角度制限フィルター１０は、第１の開口部１５を有する第１の遮光層１４ｃと、第１の開口部に位置する第１の光透過膜１１ｃと、第１の開口部に第１の光透過膜１１ｃと重なって位置し、第１の光透過膜より屈折率の小さい第２の光透過膜１２ｃと、を含み、第１の光透過膜１１ｃは、第１の開口部の周縁から第１の開口部の中心に向かって膜厚が大きくなる方向に傾斜した第１の傾斜部を有し、第２の光透過膜１２ｃは、第１の開口部の周縁から第１の開口部の中心に向かって膜厚が小さくなる方向に傾斜した第２の傾斜部を有する。
【解決手段】角度制限フィルター１０は、第１の開口部１５を有する第１の遮光層１４ｃと、第１の開口部に位置する第１の光透過膜１１ｃと、第１の開口部に第１の光透過膜１１ｃと重なって位置し、第１の光透過膜より屈折率の小さい第２の光透過膜１２ｃと、を含み、第１の光透過膜１１ｃは、第１の開口部の周縁から第１の開口部の中心に向かって膜厚が大きくなる方向に傾斜した第１の傾斜部を有し、第２の光透過膜１２ｃは、第１の開口部の周縁から第１の開口部の中心に向かって膜厚が小さくなる方向に傾斜した第２の傾斜部を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光センサー及び角度制限フィルターに関する。
【背景技術】
【０００２】
医療や農業、環境等の分野では、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ている。例えば、医療の分野では、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が用いられる。また、農業の分野では、糖分の光吸収を利用して果実の糖度を測定する糖度計が用いられる。
【０００３】
下記の特許文献１には、干渉フィルターと光電変換素子との間を光学的に接続する光ファイバーによって入射角度を制限することにより、光電変換素子への透過波長帯域を制限する分光イメージングセンサーが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１２９９０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の分光センサーでは、小型化が困難であるという課題がある。そのため、センサーを所望箇所に多数設置したり、常時設置しておいたりすること等が困難となってしまう。
【０００６】
一方、入射角度を制限するための構造を小型化しようとすると、回折現象により光の直進性が低下しやすい。そして、光電変換素子への到達光量が減少し、分光センサーの感度が低下してしまう。
【０００７】
本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものである。本発明の幾つかの態様は、分光センサー及び角度制限フィルターを小型化することに関連している。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の幾つかの態様において、角度制限フィルターは、第１の開口部を有する第１の遮光層と、第１の開口部に位置する第１の光透過膜と、第１の開口部に第１の光透過膜と重なって位置し、第１の光透過膜より屈折率の小さい第２の光透過膜と、を含み、第１の光透過膜は、第１の開口部の周縁から第１の開口部の中心に向かって膜厚が大きくなる方向に傾斜した第１の傾斜部を有し、第２の光透過膜は、第１の開口部の周縁から第１の開口部の中心に向かって膜厚が小さくなる方向に傾斜した第２の傾斜部を有する。
この態様によれば、遮光層によって光路を形成する構成により、微細なパターンの形成が可能であり、小型の角度制限フィルターの製造が可能となる。また、第１の光透過膜によって凸レンズを形成することにより、角度制限フィルターの通過光量を向上することが可能となる。
【０００９】
上述の態様において、第１の開口部と少なくとも一部が重なる第２の開口部を有する、第２の遮光層と、第２の開口部に位置する第３の光透過膜と、第２の開口部に位置し、第３の光透過膜より屈折率の小さい第４の光透過膜と、をさらに含み、第３の光透過膜は、第２の開口部の周縁から第２の開口部の中心に向かって膜厚が大きくなる方向に傾斜した第３の傾斜部を有し、第４の光透過膜は、第２の開口部の周縁から第２の開口部の中心に向かって膜厚が小さくなる方向に傾斜した第４の傾斜部を有することが望ましい。
これによれば、複数の遮光層と光透過膜とを連続的に重ねることにより、角度制限フィルターの光路長を確保し、通過する光の入射角度を制限することができる。
【００１０】
本発明の他の態様において、分光センサーは、上述の角度制限フィルターと、光の波長を制限する波長制限フィルターと、角度制限フィルター及び波長制限フィルターを通過した光を検出する受光素子と、を含み、第１の光透過膜は、第２の光透過膜と受光素子の間に位置する。
この態様によれば、上述の角度制限フィルターを用いるので、小型の分光センサーの製造が可能となる。
【００１１】
本発明の他の態様において、角度制限フィルターの製造方法は、第１の層を形成する工程であって、第１の層の第１の面に第１の領域を囲む第１の溝を有する第１の層を形成する工程（ａ）と、第１の溝を有する第１の面上に、プラズマＣＶＤ法により、第１の光透過膜をエッチングしながら成膜する工程（ｂ）と、第１の光透過膜上に、第１の光透過膜より屈折率の小さい第２の光透過膜を成膜する工程（ｃ）と、第２の光透過膜及び第１の光透過膜の一部に、第１の開口部を有する第１の遮光層を埋め込む工程（ｄ）と、を含む。
この態様によれば、第１の層に有する第１の溝に整合するように第１の光透過膜に傾斜部が形成されるので、第１の光透過膜の傾斜部を所望の箇所に高精度に形成することができる。
【００１２】
上述の態様において、工程（ｄ）において埋め込まれる第１の遮光層の第１の面には、第１の開口部を囲む第２の溝を有し、当該製造方法は、工程（ｄ）の後、第２の溝を有する第１の面上と、第２の光透過膜上とに、プラズマＣＶＤ法により、第３の光透過膜をエッチングしながら成膜する工程（ｅ）と、第３の光透過膜上に、第３の光透過膜より屈折率の小さい第４の光透過膜を成膜する工程（ｆ）と、第４の光透過膜及び第３の光透過膜の一部に、第２の開口部を有する第２の遮光層を埋め込む工程（ｇ）と、をさらに含むことが望ましい。
これによれば、複数の遮光層と光透過膜とを連続的に重ねることにより、角度制限フィルターの光路長を確保し、通過する光の入射角度を制限することができる。
【００１３】
上述の態様において、工程（ｄ）は、第２の光透過膜及び第１の光透過膜の一部に、第１の遮光層を埋め込むための第３の溝を形成し、第３の溝の内部と、第２の光透過膜上とに、第１の遮光層を構成する材料を第３の溝の深さより小さい厚さで堆積させ、第２の光透過膜上に堆積した第１の遮光層を構成する材料を除去することにより、第２の溝を有する第１の遮光層が埋め込まれることが望ましい。
これによれば、第３の溝の内部に第１の遮光層を構成する材料が完全には充填されず、第２の溝が形成されるので、第２の溝を所望の箇所に高精度に形成することができる。
【００１４】
本発明の他の態様において、分光センサーの製造方法は、基板に受光素子を形成する工程と、受光素子の上方に、上述の何れかの方法により、受光素子に向けて通過する光の入射方向を制限する角度制限フィルターを形成する工程と、角度制限フィルターの上方に、角度制限フィルターに向けて光を透過する傾斜構造体を形成する工程と、傾斜構造体の上方に多層膜を形成することにより、角度制限フィルターを通過できる光の波長を制限する分光フィルターを形成する工程と、を含む。
この態様によれば、上述の傾斜構造体を用いることにより、小型で感度の良い分光センサーを製造することができる。
なお、上方とは、基板の表面を基準として裏面に向かう方向とは反対の方向を意味する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に係る角度制限フィルター及び分光センサーを示す図。
【図２】上記実施形態の効果を説明するための図。
【図３】上記実施形態に係る角度制限フィルターの形成工程を示す断面図。
【図４】上記実施形態に係る角度制限フィルターの形成工程を示す断面図。
【図５】上記実施形態に係る角度制限フィルターの形成工程を示す断面図。
【図６】高密度プラズマＣＶＤ法による高屈折率膜の形成の様子を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施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い。また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。また同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００１７】
＜１．構成＞
図１は、本発明の１つの実施形態に係る角度制限フィルター及び分光センサーを示す模式図である。図１（Ａ）は分光センサーの平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
分光センサー１は、角度制限フィルター１０と、波長制限フィルター２０と、受光素子３０とを具備している（図１（Ｂ）参照）。図１（Ａ）においては、波長制限フィルター２０を省略している。
【００１８】
分光センサー１が形成される半導体基板としてのＰ型シリコン基板３には、受光素子３０に所定の逆バイアス電圧を印加したり、受光素子３０において発生した光起電力に基づく電流を検知し、当該電流の大きさに応じたアナログ信号を増幅してデジタル信号に変換したりする電子回路（図示せず）が形成されている。
【００１９】
＜１−１．角度制限フィルター＞
角度制限フィルター１０は、受光素子３０が形成されたＰ型シリコン基板３上に形成されている。本実施形態の角度制限フィルター１０においては、複数の遮光層としてのタングステン（Ｗ）層１４ａ〜１４ｅによって、光路を画成する壁部が形成されている。タングステン層１４ａ〜１４ｅの各々は、少なくとも１つの開口部１５を有している。なお、遮光層は、タングステン層１４ａ〜１４ｅに限らず、受光素子３０によって受光しようとする波長の光の反射率がアルミニウムの反射率より低く、受光素子３０によって受光しようとする波長の光を実質的に透過しない物質、例えば銅、窒化チタン、チタンタングステン、チタン、タンタル、窒化タンタル、クロム、モリブデンによって構成されていても良い。
【００２０】
また、Ｐ型シリコン基板３上には、アルミニウム（Ａｌ）合金層１７ｂ〜１７ｆが、それぞれ透光性を有する高屈折率膜１１ｇと低屈折率膜１２ｇとを介して積層されている。なお、アルミニウム合金層１７ｂ〜１７ｆの代わりに、銅（Ｃｕ）合金層が形成されても良い。
【００２１】
タングステン層１４ａ〜１４ｅは、Ｐ型シリコン基板３上に、例えば格子状の所定パターンで複数層にわたって連続的に形成される。これにより、タングステン層１４ａ〜１４ｅの各々に形成された開口部１５が互いに重なる。
タングステン層１４ａ〜１４ｅの各々に形成された開口部１５によって、タングステン層１４ａ〜１４ｅの積層方向に沿った光路が形成される。
【００２２】
タングステン層１４ａの開口部１５に相当する領域には、透光性を有する酸化シリコン膜１２ａが位置している。タングステン層１４ｂの開口部１５に相当する領域には、透光性を有する高屈折率膜１１ｂ及び低屈折率膜１２ｂが位置している。
タングステン層１４ｃの開口部１５に相当する領域には、透光性を有する高屈折率膜１１ｃ及び低屈折率膜１２ｃが位置している。タングステン層１４ｃの開口部１５と同様に、タングステン層１４ｄ或いは１４ｅの開口部１５に相当する領域には、それぞれ、透光性を有する高屈折率膜１１ｄ及び低屈折率膜１２ｄ、或いは、透光性を有する高屈折率膜１１ｅ及び低屈折率膜１２ｅが位置している。
タングステン層１４ｅの開口部１５に相当する領域上には、透光性を有する高屈折率膜１１ｆ及び低屈折率膜１２ｆが積層されている。
【００２３】
高屈折率膜１１ｂ〜１１ｇは、例えば、高密度プラズマＣＶＤ法によって成膜された酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜である。低屈折率膜１２ｂ〜１２ｇは、例えば、プラズマＣＶＤ法によって成膜された酸化シリコン膜である。高屈折率膜１１ｂ〜１１ｇを成膜するための高密度プラズマＣＶＤ法は、低屈折率膜１２ｂ〜１２ｇを成膜するためのプラズマＣＶＤ法よりも高密度のプラズマ雰囲気中で酸化膜を形成するものである。
【００２４】
高屈折率膜１１ｂ〜１１ｇは、高密度プラズマＣＶＤ法によって成膜された酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜でもよい。また、低屈折率膜１２ｂ〜１２ｇは、ＳＯＧ（spin on glass）を用いて成膜された酸化シリコン膜でもよい。
【００２５】
高屈折率膜１１ｃ〜１１ｆは、タングステン層１４ｃ〜１４ｅの開口部１５における周縁部から中心部に向かって膜厚が大きくなる方向に傾斜した傾斜部１１０を有している。低屈折率膜１２ｃ〜１２ｆは、タングステン層１４ｃ〜１４ｅの開口部１５における周縁部から中心部に向かって膜厚が小さくなる方向に傾斜した傾斜部１２０を有している。
【００２６】
タングステン層１４ａ〜１４ｅによって形成された壁部は、光路内を通過する光の入射角度を制限する。すなわち、光路内に入射した光が、光路の向きに対して傾いている場合には、光がタングステン層１４ａ〜１４ｅの何れかに当たり、その光の一部はタングステン層１４ａ〜１４ｅの何れかに吸収され、残りは反射される。光路を通過するまでの間に反射が繰り返されることによって反射光は弱くなるので、角度制限フィルター１０を通過できる光は、実質的に、光路に対する傾きが所定の制限角度範囲内の光に制限される。
【００２７】
上述の態様においては、Ｐ型シリコン基板３上に、格子状の所定パターンで複数のタングステン層１４ａ〜１４ｅを形成することによって壁部が形成されるので、微細なパターンの形成が可能であり、小型の角度制限フィルター１０の製造が可能となる。また、部材を接着材によって貼り合わせて分光センサーを構成する場合と比べて、製造プロセスを簡素化でき、接着材による透過光の減少も抑制できる。
【００２８】
本実施形態において、角度制限フィルター１０はＰ型シリコン基板３に対して垂直な方向の光路を有しているが、これに限らず、Ｐ型シリコン基板３に対して傾斜した方向の光路を有していても良い。Ｐ型シリコン基板３に対して傾斜した方向の光路を形成するためには、例えば、複数のタングステン層１４ｂ〜１４ｅをそれぞれ面方向に所定量ずつずらして形成する。
【００２９】
＜１−２．波長制限フィルター＞
波長制限フィルター２０は、例えば、角度制限フィルター１０上に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の低屈折率の薄膜２１と、酸化チタン（ＴｉＯ２）等の高屈折率の薄膜２２とを多数積層したものである。
低屈折率の薄膜２１及び高屈折率の薄膜２２は、それぞれ例えばサブミクロンオーダーの所定膜厚とし、これを例えば計６０層程度にわたって積層することにより、全体で例えば６μｍ程度の厚さとする。
【００３０】
低屈折率の薄膜２１及び高屈折率の薄膜２２は、それぞれＰ型シリコン基板３に対して僅かに傾斜していても良い。低屈折率の薄膜２１及び高屈折率の薄膜２２のＰ型シリコン基板３に対する傾斜角度θ１及びθ２は、受光素子３０によって受光しようとする光の設定波長に応じて、例えば０［ｄｅｇ］以上３０［ｄｅｇ］以下に設定する。
【００３１】
低屈折率の薄膜２１及び高屈折率の薄膜２２をＰ型シリコン基板３に対して傾斜させるために、例えば、角度制限フィルター１０上に透光性を有する傾斜構造体２３ａ及び２３ｂを形成し、傾斜構造体２３ａ及び２３ｂの上に低屈折率の薄膜２１及び高屈折率の薄膜２２を成膜する。傾斜構造体２３ａ及び２３ｂは、例えば、角度制限フィルター１０上に形成した酸化シリコンをＣＭＰ（chemical mechanical polishing）法によって加工することにより形成する。
【００３２】
受光素子３０によって受光しようとする光の設定波長に応じた傾斜角度θ１及びθ２をそれぞれ有する傾斜構造体２３ａ及び２３ｂを形成することにより、低屈折率の薄膜２１及び高屈折率の薄膜２２のＰ型シリコン基板３に対する傾斜角度を調整することができる。
【００３３】
波長制限フィルター２０は、以上の構成により、角度制限フィルター１０に所定の制限角度範囲内で入射する光（角度制限フィルター１０を通過できる光）の波長を制限する。
すなわち、波長制限フィルター２０に入射した入射光は、低屈折率の薄膜２１と高屈折率の薄膜２２との境界面において、一部は反射光となり、一部は透過光となる。そして、反射光の一部は、他の低屈折率の薄膜２１と高屈折率の薄膜２２との境界面において再度反射して、上述の透過光と合波する。このとき、反射光の光路長と一致する波長の光は、反射光と透過光の位相が一致して強めあい、反射光の光路長と一致しない波長の光は、反射光と透過光の位相が一致せずに弱めあう（干渉する）。
【００３４】
ここで、反射光の光路長は、入射光の向きに対する低屈折率の薄膜２１及び高屈折率の薄膜２２の傾斜角度によって決まる。従って、上述の干渉作用が、例えば計６０層に及ぶ低屈折率の薄膜２１及び高屈折率の薄膜２２において繰り返されると、入射光の入射角度に応じて、特定の波長の光のみが波長制限フィルター２０を透過し、所定の出射角度（例えば、波長制限フィルター２０への入射角度と同じ角度）で波長制限フィルター２０から出射する。
【００３５】
角度制限フィルター１０は、所定の制限角度範囲内で角度制限フィルター１０に入射した光のみを通過させる。従って、波長制限フィルター２０と角度制限フィルター１０とを通過する光の波長は、低屈折率の薄膜２１及び高屈折率の薄膜２２のＰ型シリコン基板３に対する傾斜角度θ１又はθ２と、角度制限フィルター１０が通過させる入射光の制限角度範囲とによって決まる所定範囲の波長に制限される。
波長制限フィルターは、上記の例に限定されず、特定の範囲の波長の光を透過する材料でもよい。また、特定の範囲の波長の光を分離するプリズムでもよい。
【００３６】
＜１−３．受光素子＞
受光素子３０は、波長制限フィルター２０及び角度制限フィルター１０を通過した光を受光して光起電力に変換する素子である。
【００３７】
受光素子３０は、Ｐ型シリコン基板３にイオン注入等によって形成された各種の半導体領域を含んでいる。Ｐ型シリコン基板３に形成された半導体領域としては、例えば、第１導電型の第１の半導体領域３１と、第１の半導体領域３１上に形成された第２導電型の第２の半導体領域３２と、第２の半導体領域３２上に形成され、第２の半導体領域３２より高濃度の不純物を含む第２導電型の第３の半導体領域３３と、が含まれる。第１導電型は例えばＮ型、第２導電型は例えばＰ型である。
【００３８】
第１の半導体領域３１、第２の半導体領域３２及び第３の半導体領域３３は、第１導電型の第４の半導体領域３４に囲まれている。第１の半導体領域３１は、第４の半導体領域３４を介して上述のタングステン層１４ａ〜１４ｅに電気的に接続され、タングステン層１４ａ〜１４ｅは、図示しない第１の外部電極に接続されている。一方、第２の半導体領域３２は第３の半導体領域３３に接続され、第３の半導体領域３３は、他の図示しない配線層を介して、図示しない第２の外部電極に接続されている。第１の外部電極と第２の外部電極とにより、第１の半導体領域３１と第２の半導体領域３２との間で形成されたＰＮ接合に逆バイアスの電圧を印加できるようになっている。
【００３９】
角度制限フィルター１０を通過してきた光が受光素子３０で受光されると、第１の半導体領域３１と第２の半導体領域３２との間で形成されたＰＮ接合において光起電力が発生することにより、電流が発生する。この電流を、第２の外部電極に接続された電子回路によって検知することにより、受光素子３０で受光した光を検知することができる。
【００４０】
＜１−４．効果＞
図２は、上記実施形態の効果を説明するための模式図である。図２は、上記実施形態に係る分光センサーの図１（Ｂ）に相当する断面を示しているが、透明部分の断面を示すハッチングは省略している。
【００４１】
角度制限フィルター１０の開口部１５の開口幅が、角度制限フィルター１０に入射した光の波長に近いと、角度制限フィルター１０において回折が起こり、光の直進性が悪くなる場合がある。そこで、本実施形態においては、高屈折率膜１１ｃ〜１１ｆが、開口部１５の周縁部から中心部に向かって膜厚が大きくなる方向に傾斜した傾斜部１１０を有することにより、凸レンズを構成する。
【００４２】
これにより、角度制限フィルター１０に入射した光は、図２に一点鎖線で示すように、開口部１５の中心方向に屈折し、受光素子３０に到達する。入射光を開口部１５の中心方向に屈折させないと、開口端に近い入射光は、図２に点線で示すように、タングステン層１４ａ〜１４ｅに向かって曲がってしまう。本実施形態によれば、開口端に近い入射光を開口部１５の中心方向に屈折させることにより、受光素子３０への到達光量を確保し、分光センサーの感度を向上することができる。
【００４３】
＜２．製造方法＞
ここで、第１の実施形態に係る分光センサー１の製造方法について説明する。分光センサー１は、Ｐ型シリコン基板３に受光素子３０を形成し、次に、受光素子３０の上に角度制限フィルター１０を形成し、次に、角度制限フィルター１０の上に波長制限フィルター２０を形成することによって製造する。
【００４４】
＜２−１．受光素子の形成＞
最初に、Ｐ型シリコン基板３に受光素子３０を形成する。例えば、まず、Ｐ型シリコン基板３にイオン注入等を行うことによってＮ型の第１の半導体領域３１を形成する。そして、第１の半導体領域３１にさらにイオン注入等を行うことによって、Ｎ型の第４の半導体領域３４と、Ｐ型の第２の半導体領域３２とを形成する。そして、第２の半導体領域３２にさらにイオン注入等を行うことによって、高濃度のＰ型の第３の半導体領域３３を形成する。この工程は、同一のＰ型シリコン基板３上の半導体素子を含む電子回路の形成と同時に行うことができる。
【００４５】
＜２−２．角度制限フィルターの形成＞
次に、受光素子３０の上に角度制限フィルター１０を形成する。
図３〜図５は、上記実施形態に係る角度制限フィルターの形成工程を示す断面図である。
（１）まず、受光素子３０が形成されたＰ型シリコン基板３の上に酸化シリコン膜１２ａを形成する。次に、酸化シリコン膜１２ａの一部（第４の半導体領域３４の上方の領域）をエッチングすることにより、酸化シリコン膜１２ａに溝を形成する。
次に、酸化シリコン膜１２ａに形成された溝の中にタングステン層１４ａを埋め込む。このタングステン層１４ａは、電子回路のための配線用のアルミニウム合金層と当該電子回路に含まれる半導体素子とを接続する導電プラグ（図示せず）の形成と同時に、形成される。
【００４６】
（２）次に、酸化シリコン膜１２ａの一部の上に、アルミニウム合金層１７ｂを、電子回路のための配線用のアルミニウム合金層（図示せず）の形成と同時に形成する。アルミニウム合金層１７ｂの下面及び上面には、窒化チタン膜等が形成されることが望ましい。
次に、酸化シリコン膜１２ａ、タングステン層１４ａ及びアルミニウム合金層１７ｂの上に、高屈折率膜１１ｂ及び１１ｇとなる酸化シリコン膜を高密度プラズマＣＶＤ法によって形成する。次に、高屈折率膜１１ｂ及び１１ｇとなる酸化シリコン膜の上に、低屈折率膜１２ｂ及び１２ｇとなる酸化シリコン膜を形成する。これらの酸化シリコン膜は、電子回路のための配線用のアルミニウム合金層の上の絶縁膜（図示せず）の形成と同時に形成される。次に、ＣＭＰ法により、低屈折率膜１２ｂ及び１２ｇとなる酸化シリコン膜を平坦化する。
【００４７】
（３）次に、低屈折率膜１２ｂ及び１２ｇとなる酸化シリコン膜と、高屈折率膜１１ｂ及び１１ｇとなる酸化シリコン膜との一部をエッチングすることにより、これらの酸化シリコン膜に溝１３ｂを形成する（図３（Ａ））。
【００４８】
（４）次に、溝１３ｂの中にタングステン層１４ｂを埋め込む。このタングステン層１４ｂは、まず、ＣＶＤ法により、溝１３ｂの中及び低屈折率膜１２ｂ及び１２ｇの上に、溝１３ｂの深さより小さい厚さでタングステンを堆積させ（図３（Ｂ））、その後、ＣＭＰ法により、低屈折率膜１２ｂ及び１２ｇの上に堆積した部分を除去することによって形成される（図３（Ｃ））。図３（Ｃ）に示すように、タングステン層１４ｂは、その上面に第１の溝１６ｂを有している。タングステン層１４ｂは、電子回路のための配線用の複数のアルミニウム合金層を接続する導電プラグ（図示せず）の形成と同時に形成される。
【００４９】
（５）次に、低屈折率膜１２ｇの上に、アルミニウム合金層１７ｃを、電子回路のための配線用のアルミニウム合金層（図示せず）の形成と同時に形成する（図４（Ｄ））。
次に、低屈折率膜１２ｂ、タングステン層１４ｂ及びアルミニウム合金層１７ｃの上に、高屈折率膜１１ｃ及び１１ｇとなる酸化シリコン膜を高密度プラズマＣＶＤ法によって形成する（図４（Ｅ））。図６は、高密度プラズマＣＶＤ法による高屈折率膜１１ｃの形成の様子を示す断面図である。高密度プラズマＣＶＤ法においては、プラズマに含まれるイオンによって、酸化シリコンがエッチングされながら成膜される。図６（Ａ）に示すように、タングステン層１４ｂは、その上面に第１の溝１６ｂを有している。第１の溝１６ｂの周囲において、エッチングされながら堆積しようとする酸化シリコンは、よりエッチングされにくい第１の溝１６ｂの内部に堆積する。このため、図６（Ｂ）に示すように、第１の溝１６ｂの周囲には、高屈折率膜１１ｃの膜厚の小さい部分が形成される。そして、高屈折率膜１１ｃには、タングステン層１４ｂの開口部１５における周縁部から中心部に向かって膜厚が大きくなる方向に傾斜した傾斜部１１０が形成される。
【００５０】
次に、図４を再び参照し、高屈折率膜１１ｃ及び高屈折率膜１１ｇの上に、低屈折率膜１２ｃ及び低屈折率膜１２ｇとなる酸化シリコン膜を形成する。次に、ＣＭＰ法により、低屈折率膜１２ｃ及び１２ｇとなる酸化シリコン膜を平坦化する（図４（Ｆ））。
【００５１】
（６）次に、低屈折率膜１２ｃ及び１２ｇとなる酸化シリコン膜の一部をエッチングすることにより、溝１３ｃを形成する（図５（Ｇ））。
【００５２】
（７）次に、溝１３ｃの中にタングステン層１４ｃを埋め込む。このタングステン層１４ｃは、まず、ＣＶＤ法により、溝１３ｃの中及び低屈折率膜１２ｃ及び１２ｇの上に、溝１３ｃの深さより小さい厚さでタングステンを堆積させ（図５（Ｈ））、その後、ＣＭＰ法により、低屈折率膜１２ｃ及び１２ｇの上に堆積した部分を除去することによって形成される（図５（Ｉ））。図５（Ｉ）に示すように、タングステン層１４ｃは、その上面に第２の溝１６ｃを有している。タングステン層１４ｃの開口部１５には、高屈折率膜１１ｃ及び低屈折率膜１２ｃが位置している。
【００５３】
上述の（５）〜（７）の工程を所定回数繰り返すことにより、角度制限フィルター１０が形成される。
【００５４】
＜２−３．波長制限フィルターの形成＞
次に、角度制限フィルター１０の上に波長制限フィルター２０を形成する（図１参照）。例えば、まず、角度制限フィルター１０の上に酸化シリコン層を形成し、この酸化シリコン層をＣＭＰ法等によって所定角度の傾斜構造体２３ａ及び２３ｂに加工する。次に、低屈折率の薄膜２１と高屈折率の薄膜２２とを交互に多数積層する。
以上の工程によって分光センサー１が製造される。
【００５５】
＜２−４．効果＞
以上の製造方法によれば、マイクロレンズとなる高屈折率膜１１ｃ〜１１ｆの膜厚が、タングステン層１４ｂ〜１４ｅの溝１６ｂ、１６ｃ等の周囲において小さくなる。これにより、タングステン層１４ｂ〜１４ｅの開口部１５の位置に対してマイクロレンズの位置がずれることなく、自己整合的に高精度に形成される。
【００５６】
また、タングステン層１４ｂ〜１４ｅの幅や開口部１５の大きさを調整することにより、高屈折率膜１１ｃ〜１１ｆの傾斜部１１０の傾斜角度を調整することができる。これにより、マイクロレンズの曲率を調整することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１…分光センサー、３…Ｐ型シリコン基板、１０…角度制限フィルター、１１ｂ〜１１ｇ…高屈折率膜、１２ａ…酸化シリコン膜、１２ｂ〜１２ｇ…低屈折率膜、１３ｂ、１３ｃ…溝、１４ａ〜１４ｅ…タングステン層、１５…開口部、１６ｂ、１６ｃ…溝、１７ｂ〜１７ｆ…アルミニウム合金層、２０…波長制限フィルター、２１…低屈折率の薄膜、２２…高屈折率の薄膜、２３ａ、２３ｂ…傾斜構造体、３０…受光素子、３１…第１の半導体領域、３２…第２の半導体領域、３３…第３の半導体領域、３４…第４の半導体領域、１１０…傾斜部、１２０…傾斜部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光センサー及び角度制限フィルターに関する。
【背景技術】
【０００２】
医療や農業、環境等の分野では、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ている。例えば、医療の分野では、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が用いられる。また、農業の分野では、糖分の光吸収を利用して果実の糖度を測定する糖度計が用いられる。
【０００３】
下記の特許文献１には、干渉フィルターと光電変換素子との間を光学的に接続する光ファイバーによって入射角度を制限することにより、光電変換素子への透過波長帯域を制限する分光イメージングセンサーが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１２９９０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の分光センサーでは、小型化が困難であるという課題がある。そのため、センサーを所望箇所に多数設置したり、常時設置しておいたりすること等が困難となってしまう。
【０００６】
一方、入射角度を制限するための構造を小型化しようとすると、回折現象により光の直進性が低下しやすい。そして、光電変換素子への到達光量が減少し、分光センサーの感度が低下してしまう。
【０００７】
本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものである。本発明の幾つかの態様は、分光センサー及び角度制限フィルターを小型化することに関連している。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の幾つかの態様において、角度制限フィルターは、第１の開口部を有する第１の遮光層と、第１の開口部に位置する第１の光透過膜と、第１の開口部に第１の光透過膜と重なって位置し、第１の光透過膜より屈折率の小さい第２の光透過膜と、を含み、第１の光透過膜は、第１の開口部の周縁から第１の開口部の中心に向かって膜厚が大きくなる方向に傾斜した第１の傾斜部を有し、第２の光透過膜は、第１の開口部の周縁から第１の開口部の中心に向かって膜厚が小さくなる方向に傾斜した第２の傾斜部を有する。
この態様によれば、遮光層によって光路を形成する構成により、微細なパターンの形成が可能であり、小型の角度制限フィルターの製造が可能となる。また、第１の光透過膜によって凸レンズを形成することにより、角度制限フィルターの通過光量を向上することが可能となる。
【０００９】
上述の態様において、第１の開口部と少なくとも一部が重なる第２の開口部を有する、第２の遮光層と、第２の開口部に位置する第３の光透過膜と、第２の開口部に位置し、第３の光透過膜より屈折率の小さい第４の光透過膜と、をさらに含み、第３の光透過膜は、第２の開口部の周縁から第２の開口部の中心に向かって膜厚が大きくなる方向に傾斜した第３の傾斜部を有し、第４の光透過膜は、第２の開口部の周縁から第２の開口部の中心に向かって膜厚が小さくなる方向に傾斜した第４の傾斜部を有することが望ましい。
これによれば、複数の遮光層と光透過膜とを連続的に重ねることにより、角度制限フィルターの光路長を確保し、通過する光の入射角度を制限することができる。
【００１０】
本発明の他の態様において、分光センサーは、上述の角度制限フィルターと、光の波長を制限する波長制限フィルターと、角度制限フィルター及び波長制限フィルターを通過した光を検出する受光素子と、を含み、第１の光透過膜は、第２の光透過膜と受光素子の間に位置する。
この態様によれば、上述の角度制限フィルターを用いるので、小型の分光センサーの製造が可能となる。
【００１１】
本発明の他の態様において、角度制限フィルターの製造方法は、第１の層を形成する工程であって、第１の層の第１の面に第１の領域を囲む第１の溝を有する第１の層を形成する工程（ａ）と、第１の溝を有する第１の面上に、プラズマＣＶＤ法により、第１の光透過膜をエッチングしながら成膜する工程（ｂ）と、第１の光透過膜上に、第１の光透過膜より屈折率の小さい第２の光透過膜を成膜する工程（ｃ）と、第２の光透過膜及び第１の光透過膜の一部に、第１の開口部を有する第１の遮光層を埋め込む工程（ｄ）と、を含む。
この態様によれば、第１の層に有する第１の溝に整合するように第１の光透過膜に傾斜部が形成されるので、第１の光透過膜の傾斜部を所望の箇所に高精度に形成することができる。
【００１２】
上述の態様において、工程（ｄ）において埋め込まれる第１の遮光層の第１の面には、第１の開口部を囲む第２の溝を有し、当該製造方法は、工程（ｄ）の後、第２の溝を有する第１の面上と、第２の光透過膜上とに、プラズマＣＶＤ法により、第３の光透過膜をエッチングしながら成膜する工程（ｅ）と、第３の光透過膜上に、第３の光透過膜より屈折率の小さい第４の光透過膜を成膜する工程（ｆ）と、第４の光透過膜及び第３の光透過膜の一部に、第２の開口部を有する第２の遮光層を埋め込む工程（ｇ）と、をさらに含むことが望ましい。
これによれば、複数の遮光層と光透過膜とを連続的に重ねることにより、角度制限フィルターの光路長を確保し、通過する光の入射角度を制限することができる。
【００１３】
上述の態様において、工程（ｄ）は、第２の光透過膜及び第１の光透過膜の一部に、第１の遮光層を埋め込むための第３の溝を形成し、第３の溝の内部と、第２の光透過膜上とに、第１の遮光層を構成する材料を第３の溝の深さより小さい厚さで堆積させ、第２の光透過膜上に堆積した第１の遮光層を構成する材料を除去することにより、第２の溝を有する第１の遮光層が埋め込まれることが望ましい。
これによれば、第３の溝の内部に第１の遮光層を構成する材料が完全には充填されず、第２の溝が形成されるので、第２の溝を所望の箇所に高精度に形成することができる。
【００１４】
本発明の他の態様において、分光センサーの製造方法は、基板に受光素子を形成する工程と、受光素子の上方に、上述の何れかの方法により、受光素子に向けて通過する光の入射方向を制限する角度制限フィルターを形成する工程と、角度制限フィルターの上方に、角度制限フィルターに向けて光を透過する傾斜構造体を形成する工程と、傾斜構造体の上方に多層膜を形成することにより、角度制限フィルターを通過できる光の波長を制限する分光フィルターを形成する工程と、を含む。
この態様によれば、上述の傾斜構造体を用いることにより、小型で感度の良い分光センサーを製造することができる。
なお、上方とは、基板の表面を基準として裏面に向かう方向とは反対の方向を意味する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に係る角度制限フィルター及び分光センサーを示す図。
【図２】上記実施形態の効果を説明するための図。
【図３】上記実施形態に係る角度制限フィルターの形成工程を示す断面図。
【図４】上記実施形態に係る角度制限フィルターの形成工程を示す断面図。
【図５】上記実施形態に係る角度制限フィルターの形成工程を示す断面図。
【図６】高密度プラズマＣＶＤ法による高屈折率膜の形成の様子を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施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い。また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。また同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００１７】
＜１．構成＞
図１は、本発明の１つの実施形態に係る角度制限フィルター及び分光センサーを示す模式図である。図１（Ａ）は分光センサーの平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
分光センサー１は、角度制限フィルター１０と、波長制限フィルター２０と、受光素子３０とを具備している（図１（Ｂ）参照）。図１（Ａ）においては、波長制限フィルター２０を省略している。
【００１８】
分光センサー１が形成される半導体基板としてのＰ型シリコン基板３には、受光素子３０に所定の逆バイアス電圧を印加したり、受光素子３０において発生した光起電力に基づく電流を検知し、当該電流の大きさに応じたアナログ信号を増幅してデジタル信号に変換したりする電子回路（図示せず）が形成されている。
【００１９】
＜１−１．角度制限フィルター＞
角度制限フィルター１０は、受光素子３０が形成されたＰ型シリコン基板３上に形成されている。本実施形態の角度制限フィルター１０においては、複数の遮光層としてのタングステン（Ｗ）層１４ａ〜１４ｅによって、光路を画成する壁部が形成されている。タングステン層１４ａ〜１４ｅの各々は、少なくとも１つの開口部１５を有している。なお、遮光層は、タングステン層１４ａ〜１４ｅに限らず、受光素子３０によって受光しようとする波長の光の反射率がアルミニウムの反射率より低く、受光素子３０によって受光しようとする波長の光を実質的に透過しない物質、例えば銅、窒化チタン、チタンタングステン、チタン、タンタル、窒化タンタル、クロム、モリブデンによって構成されていても良い。
【００２０】
また、Ｐ型シリコン基板３上には、アルミニウム（Ａｌ）合金層１７ｂ〜１７ｆが、それぞれ透光性を有する高屈折率膜１１ｇと低屈折率膜１２ｇとを介して積層されている。なお、アルミニウム合金層１７ｂ〜１７ｆの代わりに、銅（Ｃｕ）合金層が形成されても良い。
【００２１】
タングステン層１４ａ〜１４ｅは、Ｐ型シリコン基板３上に、例えば格子状の所定パターンで複数層にわたって連続的に形成される。これにより、タングステン層１４ａ〜１４ｅの各々に形成された開口部１５が互いに重なる。
タングステン層１４ａ〜１４ｅの各々に形成された開口部１５によって、タングステン層１４ａ〜１４ｅの積層方向に沿った光路が形成される。
【００２２】
タングステン層１４ａの開口部１５に相当する領域には、透光性を有する酸化シリコン膜１２ａが位置している。タングステン層１４ｂの開口部１５に相当する領域には、透光性を有する高屈折率膜１１ｂ及び低屈折率膜１２ｂが位置している。
タングステン層１４ｃの開口部１５に相当する領域には、透光性を有する高屈折率膜１１ｃ及び低屈折率膜１２ｃが位置している。タングステン層１４ｃの開口部１５と同様に、タングステン層１４ｄ或いは１４ｅの開口部１５に相当する領域には、それぞれ、透光性を有する高屈折率膜１１ｄ及び低屈折率膜１２ｄ、或いは、透光性を有する高屈折率膜１１ｅ及び低屈折率膜１２ｅが位置している。
タングステン層１４ｅの開口部１５に相当する領域上には、透光性を有する高屈折率膜１１ｆ及び低屈折率膜１２ｆが積層されている。
【００２３】
高屈折率膜１１ｂ〜１１ｇは、例えば、高密度プラズマＣＶＤ法によって成膜された酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜である。低屈折率膜１２ｂ〜１２ｇは、例えば、プラズマＣＶＤ法によって成膜された酸化シリコン膜である。高屈折率膜１１ｂ〜１１ｇを成膜するための高密度プラズマＣＶＤ法は、低屈折率膜１２ｂ〜１２ｇを成膜するためのプラズマＣＶＤ法よりも高密度のプラズマ雰囲気中で酸化膜を形成するものである。
【００２４】
高屈折率膜１１ｂ〜１１ｇは、高密度プラズマＣＶＤ法によって成膜された酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜でもよい。また、低屈折率膜１２ｂ〜１２ｇは、ＳＯＧ（spin on glass）を用いて成膜された酸化シリコン膜でもよい。
【００２５】
高屈折率膜１１ｃ〜１１ｆは、タングステン層１４ｃ〜１４ｅの開口部１５における周縁部から中心部に向かって膜厚が大きくなる方向に傾斜した傾斜部１１０を有している。低屈折率膜１２ｃ〜１２ｆは、タングステン層１４ｃ〜１４ｅの開口部１５における周縁部から中心部に向かって膜厚が小さくなる方向に傾斜した傾斜部１２０を有している。
【００２６】
タングステン層１４ａ〜１４ｅによって形成された壁部は、光路内を通過する光の入射角度を制限する。すなわち、光路内に入射した光が、光路の向きに対して傾いている場合には、光がタングステン層１４ａ〜１４ｅの何れかに当たり、その光の一部はタングステン層１４ａ〜１４ｅの何れかに吸収され、残りは反射される。光路を通過するまでの間に反射が繰り返されることによって反射光は弱くなるので、角度制限フィルター１０を通過できる光は、実質的に、光路に対する傾きが所定の制限角度範囲内の光に制限される。
【００２７】
上述の態様においては、Ｐ型シリコン基板３上に、格子状の所定パターンで複数のタングステン層１４ａ〜１４ｅを形成することによって壁部が形成されるので、微細なパターンの形成が可能であり、小型の角度制限フィルター１０の製造が可能となる。また、部材を接着材によって貼り合わせて分光センサーを構成する場合と比べて、製造プロセスを簡素化でき、接着材による透過光の減少も抑制できる。
【００２８】
本実施形態において、角度制限フィルター１０はＰ型シリコン基板３に対して垂直な方向の光路を有しているが、これに限らず、Ｐ型シリコン基板３に対して傾斜した方向の光路を有していても良い。Ｐ型シリコン基板３に対して傾斜した方向の光路を形成するためには、例えば、複数のタングステン層１４ｂ〜１４ｅをそれぞれ面方向に所定量ずつずらして形成する。
【００２９】
＜１−２．波長制限フィルター＞
波長制限フィルター２０は、例えば、角度制限フィルター１０上に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の低屈折率の薄膜２１と、酸化チタン（ＴｉＯ２）等の高屈折率の薄膜２２とを多数積層したものである。
低屈折率の薄膜２１及び高屈折率の薄膜２２は、それぞれ例えばサブミクロンオーダーの所定膜厚とし、これを例えば計６０層程度にわたって積層することにより、全体で例えば６μｍ程度の厚さとする。
【００３０】
低屈折率の薄膜２１及び高屈折率の薄膜２２は、それぞれＰ型シリコン基板３に対して僅かに傾斜していても良い。低屈折率の薄膜２１及び高屈折率の薄膜２２のＰ型シリコン基板３に対する傾斜角度θ１及びθ２は、受光素子３０によって受光しようとする光の設定波長に応じて、例えば０［ｄｅｇ］以上３０［ｄｅｇ］以下に設定する。
【００３１】
低屈折率の薄膜２１及び高屈折率の薄膜２２をＰ型シリコン基板３に対して傾斜させるために、例えば、角度制限フィルター１０上に透光性を有する傾斜構造体２３ａ及び２３ｂを形成し、傾斜構造体２３ａ及び２３ｂの上に低屈折率の薄膜２１及び高屈折率の薄膜２２を成膜する。傾斜構造体２３ａ及び２３ｂは、例えば、角度制限フィルター１０上に形成した酸化シリコンをＣＭＰ（chemical mechanical polishing）法によって加工することにより形成する。
【００３２】
受光素子３０によって受光しようとする光の設定波長に応じた傾斜角度θ１及びθ２をそれぞれ有する傾斜構造体２３ａ及び２３ｂを形成することにより、低屈折率の薄膜２１及び高屈折率の薄膜２２のＰ型シリコン基板３に対する傾斜角度を調整することができる。
【００３３】
波長制限フィルター２０は、以上の構成により、角度制限フィルター１０に所定の制限角度範囲内で入射する光（角度制限フィルター１０を通過できる光）の波長を制限する。
すなわち、波長制限フィルター２０に入射した入射光は、低屈折率の薄膜２１と高屈折率の薄膜２２との境界面において、一部は反射光となり、一部は透過光となる。そして、反射光の一部は、他の低屈折率の薄膜２１と高屈折率の薄膜２２との境界面において再度反射して、上述の透過光と合波する。このとき、反射光の光路長と一致する波長の光は、反射光と透過光の位相が一致して強めあい、反射光の光路長と一致しない波長の光は、反射光と透過光の位相が一致せずに弱めあう（干渉する）。
【００３４】
ここで、反射光の光路長は、入射光の向きに対する低屈折率の薄膜２１及び高屈折率の薄膜２２の傾斜角度によって決まる。従って、上述の干渉作用が、例えば計６０層に及ぶ低屈折率の薄膜２１及び高屈折率の薄膜２２において繰り返されると、入射光の入射角度に応じて、特定の波長の光のみが波長制限フィルター２０を透過し、所定の出射角度（例えば、波長制限フィルター２０への入射角度と同じ角度）で波長制限フィルター２０から出射する。
【００３５】
角度制限フィルター１０は、所定の制限角度範囲内で角度制限フィルター１０に入射した光のみを通過させる。従って、波長制限フィルター２０と角度制限フィルター１０とを通過する光の波長は、低屈折率の薄膜２１及び高屈折率の薄膜２２のＰ型シリコン基板３に対する傾斜角度θ１又はθ２と、角度制限フィルター１０が通過させる入射光の制限角度範囲とによって決まる所定範囲の波長に制限される。
波長制限フィルターは、上記の例に限定されず、特定の範囲の波長の光を透過する材料でもよい。また、特定の範囲の波長の光を分離するプリズムでもよい。
【００３６】
＜１−３．受光素子＞
受光素子３０は、波長制限フィルター２０及び角度制限フィルター１０を通過した光を受光して光起電力に変換する素子である。
【００３７】
受光素子３０は、Ｐ型シリコン基板３にイオン注入等によって形成された各種の半導体領域を含んでいる。Ｐ型シリコン基板３に形成された半導体領域としては、例えば、第１導電型の第１の半導体領域３１と、第１の半導体領域３１上に形成された第２導電型の第２の半導体領域３２と、第２の半導体領域３２上に形成され、第２の半導体領域３２より高濃度の不純物を含む第２導電型の第３の半導体領域３３と、が含まれる。第１導電型は例えばＮ型、第２導電型は例えばＰ型である。
【００３８】
第１の半導体領域３１、第２の半導体領域３２及び第３の半導体領域３３は、第１導電型の第４の半導体領域３４に囲まれている。第１の半導体領域３１は、第４の半導体領域３４を介して上述のタングステン層１４ａ〜１４ｅに電気的に接続され、タングステン層１４ａ〜１４ｅは、図示しない第１の外部電極に接続されている。一方、第２の半導体領域３２は第３の半導体領域３３に接続され、第３の半導体領域３３は、他の図示しない配線層を介して、図示しない第２の外部電極に接続されている。第１の外部電極と第２の外部電極とにより、第１の半導体領域３１と第２の半導体領域３２との間で形成されたＰＮ接合に逆バイアスの電圧を印加できるようになっている。
【００３９】
角度制限フィルター１０を通過してきた光が受光素子３０で受光されると、第１の半導体領域３１と第２の半導体領域３２との間で形成されたＰＮ接合において光起電力が発生することにより、電流が発生する。この電流を、第２の外部電極に接続された電子回路によって検知することにより、受光素子３０で受光した光を検知することができる。
【００４０】
＜１−４．効果＞
図２は、上記実施形態の効果を説明するための模式図である。図２は、上記実施形態に係る分光センサーの図１（Ｂ）に相当する断面を示しているが、透明部分の断面を示すハッチングは省略している。
【００４１】
角度制限フィルター１０の開口部１５の開口幅が、角度制限フィルター１０に入射した光の波長に近いと、角度制限フィルター１０において回折が起こり、光の直進性が悪くなる場合がある。そこで、本実施形態においては、高屈折率膜１１ｃ〜１１ｆが、開口部１５の周縁部から中心部に向かって膜厚が大きくなる方向に傾斜した傾斜部１１０を有することにより、凸レンズを構成する。
【００４２】
これにより、角度制限フィルター１０に入射した光は、図２に一点鎖線で示すように、開口部１５の中心方向に屈折し、受光素子３０に到達する。入射光を開口部１５の中心方向に屈折させないと、開口端に近い入射光は、図２に点線で示すように、タングステン層１４ａ〜１４ｅに向かって曲がってしまう。本実施形態によれば、開口端に近い入射光を開口部１５の中心方向に屈折させることにより、受光素子３０への到達光量を確保し、分光センサーの感度を向上することができる。
【００４３】
＜２．製造方法＞
ここで、第１の実施形態に係る分光センサー１の製造方法について説明する。分光センサー１は、Ｐ型シリコン基板３に受光素子３０を形成し、次に、受光素子３０の上に角度制限フィルター１０を形成し、次に、角度制限フィルター１０の上に波長制限フィルター２０を形成することによって製造する。
【００４４】
＜２−１．受光素子の形成＞
最初に、Ｐ型シリコン基板３に受光素子３０を形成する。例えば、まず、Ｐ型シリコン基板３にイオン注入等を行うことによってＮ型の第１の半導体領域３１を形成する。そして、第１の半導体領域３１にさらにイオン注入等を行うことによって、Ｎ型の第４の半導体領域３４と、Ｐ型の第２の半導体領域３２とを形成する。そして、第２の半導体領域３２にさらにイオン注入等を行うことによって、高濃度のＰ型の第３の半導体領域３３を形成する。この工程は、同一のＰ型シリコン基板３上の半導体素子を含む電子回路の形成と同時に行うことができる。
【００４５】
＜２−２．角度制限フィルターの形成＞
次に、受光素子３０の上に角度制限フィルター１０を形成する。
図３〜図５は、上記実施形態に係る角度制限フィルターの形成工程を示す断面図である。
（１）まず、受光素子３０が形成されたＰ型シリコン基板３の上に酸化シリコン膜１２ａを形成する。次に、酸化シリコン膜１２ａの一部（第４の半導体領域３４の上方の領域）をエッチングすることにより、酸化シリコン膜１２ａに溝を形成する。
次に、酸化シリコン膜１２ａに形成された溝の中にタングステン層１４ａを埋め込む。このタングステン層１４ａは、電子回路のための配線用のアルミニウム合金層と当該電子回路に含まれる半導体素子とを接続する導電プラグ（図示せず）の形成と同時に、形成される。
【００４６】
（２）次に、酸化シリコン膜１２ａの一部の上に、アルミニウム合金層１７ｂを、電子回路のための配線用のアルミニウム合金層（図示せず）の形成と同時に形成する。アルミニウム合金層１７ｂの下面及び上面には、窒化チタン膜等が形成されることが望ましい。
次に、酸化シリコン膜１２ａ、タングステン層１４ａ及びアルミニウム合金層１７ｂの上に、高屈折率膜１１ｂ及び１１ｇとなる酸化シリコン膜を高密度プラズマＣＶＤ法によって形成する。次に、高屈折率膜１１ｂ及び１１ｇとなる酸化シリコン膜の上に、低屈折率膜１２ｂ及び１２ｇとなる酸化シリコン膜を形成する。これらの酸化シリコン膜は、電子回路のための配線用のアルミニウム合金層の上の絶縁膜（図示せず）の形成と同時に形成される。次に、ＣＭＰ法により、低屈折率膜１２ｂ及び１２ｇとなる酸化シリコン膜を平坦化する。
【００４７】
（３）次に、低屈折率膜１２ｂ及び１２ｇとなる酸化シリコン膜と、高屈折率膜１１ｂ及び１１ｇとなる酸化シリコン膜との一部をエッチングすることにより、これらの酸化シリコン膜に溝１３ｂを形成する（図３（Ａ））。
【００４８】
（４）次に、溝１３ｂの中にタングステン層１４ｂを埋め込む。このタングステン層１４ｂは、まず、ＣＶＤ法により、溝１３ｂの中及び低屈折率膜１２ｂ及び１２ｇの上に、溝１３ｂの深さより小さい厚さでタングステンを堆積させ（図３（Ｂ））、その後、ＣＭＰ法により、低屈折率膜１２ｂ及び１２ｇの上に堆積した部分を除去することによって形成される（図３（Ｃ））。図３（Ｃ）に示すように、タングステン層１４ｂは、その上面に第１の溝１６ｂを有している。タングステン層１４ｂは、電子回路のための配線用の複数のアルミニウム合金層を接続する導電プラグ（図示せず）の形成と同時に形成される。
【００４９】
（５）次に、低屈折率膜１２ｇの上に、アルミニウム合金層１７ｃを、電子回路のための配線用のアルミニウム合金層（図示せず）の形成と同時に形成する（図４（Ｄ））。
次に、低屈折率膜１２ｂ、タングステン層１４ｂ及びアルミニウム合金層１７ｃの上に、高屈折率膜１１ｃ及び１１ｇとなる酸化シリコン膜を高密度プラズマＣＶＤ法によって形成する（図４（Ｅ））。図６は、高密度プラズマＣＶＤ法による高屈折率膜１１ｃの形成の様子を示す断面図である。高密度プラズマＣＶＤ法においては、プラズマに含まれるイオンによって、酸化シリコンがエッチングされながら成膜される。図６（Ａ）に示すように、タングステン層１４ｂは、その上面に第１の溝１６ｂを有している。第１の溝１６ｂの周囲において、エッチングされながら堆積しようとする酸化シリコンは、よりエッチングされにくい第１の溝１６ｂの内部に堆積する。このため、図６（Ｂ）に示すように、第１の溝１６ｂの周囲には、高屈折率膜１１ｃの膜厚の小さい部分が形成される。そして、高屈折率膜１１ｃには、タングステン層１４ｂの開口部１５における周縁部から中心部に向かって膜厚が大きくなる方向に傾斜した傾斜部１１０が形成される。
【００５０】
次に、図４を再び参照し、高屈折率膜１１ｃ及び高屈折率膜１１ｇの上に、低屈折率膜１２ｃ及び低屈折率膜１２ｇとなる酸化シリコン膜を形成する。次に、ＣＭＰ法により、低屈折率膜１２ｃ及び１２ｇとなる酸化シリコン膜を平坦化する（図４（Ｆ））。
【００５１】
（６）次に、低屈折率膜１２ｃ及び１２ｇとなる酸化シリコン膜の一部をエッチングすることにより、溝１３ｃを形成する（図５（Ｇ））。
【００５２】
（７）次に、溝１３ｃの中にタングステン層１４ｃを埋め込む。このタングステン層１４ｃは、まず、ＣＶＤ法により、溝１３ｃの中及び低屈折率膜１２ｃ及び１２ｇの上に、溝１３ｃの深さより小さい厚さでタングステンを堆積させ（図５（Ｈ））、その後、ＣＭＰ法により、低屈折率膜１２ｃ及び１２ｇの上に堆積した部分を除去することによって形成される（図５（Ｉ））。図５（Ｉ）に示すように、タングステン層１４ｃは、その上面に第２の溝１６ｃを有している。タングステン層１４ｃの開口部１５には、高屈折率膜１１ｃ及び低屈折率膜１２ｃが位置している。
【００５３】
上述の（５）〜（７）の工程を所定回数繰り返すことにより、角度制限フィルター１０が形成される。
【００５４】
＜２−３．波長制限フィルターの形成＞
次に、角度制限フィルター１０の上に波長制限フィルター２０を形成する（図１参照）。例えば、まず、角度制限フィルター１０の上に酸化シリコン層を形成し、この酸化シリコン層をＣＭＰ法等によって所定角度の傾斜構造体２３ａ及び２３ｂに加工する。次に、低屈折率の薄膜２１と高屈折率の薄膜２２とを交互に多数積層する。
以上の工程によって分光センサー１が製造される。
【００５５】
＜２−４．効果＞
以上の製造方法によれば、マイクロレンズとなる高屈折率膜１１ｃ〜１１ｆの膜厚が、タングステン層１４ｂ〜１４ｅの溝１６ｂ、１６ｃ等の周囲において小さくなる。これにより、タングステン層１４ｂ〜１４ｅの開口部１５の位置に対してマイクロレンズの位置がずれることなく、自己整合的に高精度に形成される。
【００５６】
また、タングステン層１４ｂ〜１４ｅの幅や開口部１５の大きさを調整することにより、高屈折率膜１１ｃ〜１１ｆの傾斜部１１０の傾斜角度を調整することができる。これにより、マイクロレンズの曲率を調整することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１…分光センサー、３…Ｐ型シリコン基板、１０…角度制限フィルター、１１ｂ〜１１ｇ…高屈折率膜、１２ａ…酸化シリコン膜、１２ｂ〜１２ｇ…低屈折率膜、１３ｂ、１３ｃ…溝、１４ａ〜１４ｅ…タングステン層、１５…開口部、１６ｂ、１６ｃ…溝、１７ｂ〜１７ｆ…アルミニウム合金層、２０…波長制限フィルター、２１…低屈折率の薄膜、２２…高屈折率の薄膜、２３ａ、２３ｂ…傾斜構造体、３０…受光素子、３１…第１の半導体領域、３２…第２の半導体領域、３３…第３の半導体領域、３４…第４の半導体領域、１１０…傾斜部、１２０…傾斜部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の開口部を有する第１の遮光層と、
前記第１の開口部に位置する第１の光透過膜と、
前記第１の開口部に前記第１の光透過膜と重なって位置し、前記第１の光透過膜より屈折率の小さい第２の光透過膜と、
を含み、
前記第１の光透過膜は、前記第１の開口部の周縁から前記第１の開口部の中心に向かって膜厚が大きくなる方向に傾斜した第１の傾斜部を有し、
前記第２の光透過膜は、前記第１の開口部の周縁から前記第１の開口部の中心に向かって膜厚が小さくなる方向に傾斜した第２の傾斜部を有する、角度制限フィルター。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の開口部と少なくとも一部が重なる第２の開口部を有する、第２の遮光層と、
前記第２の開口部に位置する第３の光透過膜と、
前記第２の開口部に位置し、前記第３の光透過膜より屈折率の小さい第４の光透過膜と、
をさらに含み、
前記第３の光透過膜は、前記第２の開口部の周縁から前記第２の開口部の中心に向かって膜厚が大きくなる方向に傾斜した第３の傾斜部を有し、
前記第４の光透過膜は、前記第２の開口部の周縁から前記第２の開口部の中心に向かって膜厚が小さくなる方向に傾斜した第４の傾斜部を有する、角度制限フィルター。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の角度制限フィルターと、
光の波長を制限する波長制限フィルターと、
前記角度制限フィルター及び前記波長制限フィルターを通過した光を検出する受光素子と、
を含み、
前記第１の光透過膜は、前記第２の光透過膜と前記受光素子の間に位置する分光センサー。
【請求項４】
第１の層を形成する工程であって、前記第１の層の第１の面に第１の領域を囲む第１の溝を有する前記第１の層を形成する工程（ａ）と、
前記第１の溝を有する前記第１の面上に、プラズマＣＶＤ法により、第１の光透過膜をエッチングしながら成膜する工程（ｂ）と、
前記第１の光透過膜上に、前記第１の光透過膜より屈折率の小さい第２の光透過膜を成膜する工程（ｃ）と、
前記第２の光透過膜及び前記第１の光透過膜の一部に、第１の開口部を有する第１の遮光層を埋め込む工程（ｄ）と、
を含む、角度制限フィルターの製造方法。
【請求項５】
請求項４において、
前記工程（ｄ）において埋め込まれる前記第１の遮光層の第１の面には、前記第１の開口部を囲む第２の溝を有し、
前記製造方法は、
前記工程（ｄ）の後、前記第２の溝を有する前記第１の面上と、前記第２の光透過膜上とに、プラズマＣＶＤ法により、第３の光透過膜をエッチングしながら成膜する工程（ｅ）と、
前記第３の光透過膜上に、前記第３の光透過膜より屈折率の小さい第４の光透過膜を成膜する工程（ｆ）と、
前記第４の光透過膜及び前記第３の光透過膜の一部に、第２の開口部を有する第２の遮光層を埋め込む工程（ｇ）と、
をさらに含む、角度制限フィルターの製造方法。
【請求項６】
請求項５において、
前記工程（ｄ）は、
前記第２の光透過膜及び前記第１の光透過膜の一部に、前記第１の遮光層を埋め込むための第３の溝を形成し、
前記第３の溝の内部と、前記第２の光透過膜上とに、前記第１の遮光層を構成する材料を前記第３の溝の深さより小さい厚さで堆積させ、
前記第２の光透過膜上に堆積した前記第１の遮光層を構成する材料を除去することにより、
前記第２の溝を有する前記第１の遮光層が埋め込まれる、角度制限フィルターの製造方法。
【請求項７】
基板に受光素子を形成する工程と、
前記受光素子の上方に、請求項４〜請求項６の何れか一項記載の方法により、前記受光素子に向けて通過する光の入射方向を制限する角度制限フィルターを形成する工程と、
前記角度制限フィルターの上方に、前記角度制限フィルターに向けて光を透過する傾斜構造体を形成する工程と、
前記傾斜構造体の上方に多層膜を形成することにより、前記角度制限フィルターを通過できる光の波長を制限する分光フィルターを形成する工程と、
を含む分光センサーの製造方法。
【請求項１】
第１の開口部を有する第１の遮光層と、
前記第１の開口部に位置する第１の光透過膜と、
前記第１の開口部に前記第１の光透過膜と重なって位置し、前記第１の光透過膜より屈折率の小さい第２の光透過膜と、
を含み、
前記第１の光透過膜は、前記第１の開口部の周縁から前記第１の開口部の中心に向かって膜厚が大きくなる方向に傾斜した第１の傾斜部を有し、
前記第２の光透過膜は、前記第１の開口部の周縁から前記第１の開口部の中心に向かって膜厚が小さくなる方向に傾斜した第２の傾斜部を有する、角度制限フィルター。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の開口部と少なくとも一部が重なる第２の開口部を有する、第２の遮光層と、
前記第２の開口部に位置する第３の光透過膜と、
前記第２の開口部に位置し、前記第３の光透過膜より屈折率の小さい第４の光透過膜と、
をさらに含み、
前記第３の光透過膜は、前記第２の開口部の周縁から前記第２の開口部の中心に向かって膜厚が大きくなる方向に傾斜した第３の傾斜部を有し、
前記第４の光透過膜は、前記第２の開口部の周縁から前記第２の開口部の中心に向かって膜厚が小さくなる方向に傾斜した第４の傾斜部を有する、角度制限フィルター。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の角度制限フィルターと、
光の波長を制限する波長制限フィルターと、
前記角度制限フィルター及び前記波長制限フィルターを通過した光を検出する受光素子と、
を含み、
前記第１の光透過膜は、前記第２の光透過膜と前記受光素子の間に位置する分光センサー。
【請求項４】
第１の層を形成する工程であって、前記第１の層の第１の面に第１の領域を囲む第１の溝を有する前記第１の層を形成する工程（ａ）と、
前記第１の溝を有する前記第１の面上に、プラズマＣＶＤ法により、第１の光透過膜をエッチングしながら成膜する工程（ｂ）と、
前記第１の光透過膜上に、前記第１の光透過膜より屈折率の小さい第２の光透過膜を成膜する工程（ｃ）と、
前記第２の光透過膜及び前記第１の光透過膜の一部に、第１の開口部を有する第１の遮光層を埋め込む工程（ｄ）と、
を含む、角度制限フィルターの製造方法。
【請求項５】
請求項４において、
前記工程（ｄ）において埋め込まれる前記第１の遮光層の第１の面には、前記第１の開口部を囲む第２の溝を有し、
前記製造方法は、
前記工程（ｄ）の後、前記第２の溝を有する前記第１の面上と、前記第２の光透過膜上とに、プラズマＣＶＤ法により、第３の光透過膜をエッチングしながら成膜する工程（ｅ）と、
前記第３の光透過膜上に、前記第３の光透過膜より屈折率の小さい第４の光透過膜を成膜する工程（ｆ）と、
前記第４の光透過膜及び前記第３の光透過膜の一部に、第２の開口部を有する第２の遮光層を埋め込む工程（ｇ）と、
をさらに含む、角度制限フィルターの製造方法。
【請求項６】
請求項５において、
前記工程（ｄ）は、
前記第２の光透過膜及び前記第１の光透過膜の一部に、前記第１の遮光層を埋め込むための第３の溝を形成し、
前記第３の溝の内部と、前記第２の光透過膜上とに、前記第１の遮光層を構成する材料を前記第３の溝の深さより小さい厚さで堆積させ、
前記第２の光透過膜上に堆積した前記第１の遮光層を構成する材料を除去することにより、
前記第２の溝を有する前記第１の遮光層が埋め込まれる、角度制限フィルターの製造方法。
【請求項７】
基板に受光素子を形成する工程と、
前記受光素子の上方に、請求項４〜請求項６の何れか一項記載の方法により、前記受光素子に向けて通過する光の入射方向を制限する角度制限フィルターを形成する工程と、
前記角度制限フィルターの上方に、前記角度制限フィルターに向けて光を透過する傾斜構造体を形成する工程と、
前記傾斜構造体の上方に多層膜を形成することにより、前記角度制限フィルターを通過できる光の波長を制限する分光フィルターを形成する工程と、
を含む分光センサーの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−４１２０８（Ｐ２０１３−４１２０８Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７９６４７（Ｐ２０１１−１７９６４７）
【出願日】平成２３年８月１９日（２０１１．８．１９）
【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２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１９日（２０１１．８．１９）
【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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