分光センサー装置及び電子機器
【課題】小型化可能な分光センサー及び電子機器等を提供すること。
【解決手段】分光センサー装置は、光源部１１０と、光源部１１０からの光を観察対象に照射することで得られる光が入射される分光センサー１００を含む。分光センサー１００は、透過波長が異なる複数の光バンドパスフィルター６１〜６４と、複数のフォトセンサー部３１〜３４を有する。第１の光バンドパスフィルター６１は、第１の特定波長を透過する波長特性を有し、第２の光バンドパスフィルター６２は、第１の特定波長とは異なる第２の特定波長を透過する波長特性を有する。第１のフォトセンサー３１は、第１の光バンドパスフィルターを透過した第１の特定波長の光をセンシングし、第２のフォトセンサーは、第２の光バンドパスフィルターを透過した第２の特定波長の光をセンシングする。
【解決手段】分光センサー装置は、光源部１１０と、光源部１１０からの光を観察対象に照射することで得られる光が入射される分光センサー１００を含む。分光センサー１００は、透過波長が異なる複数の光バンドパスフィルター６１〜６４と、複数のフォトセンサー部３１〜３４を有する。第１の光バンドパスフィルター６１は、第１の特定波長を透過する波長特性を有し、第２の光バンドパスフィルター６２は、第１の特定波長とは異なる第２の特定波長を透過する波長特性を有する。第１のフォトセンサー３１は、第１の光バンドパスフィルターを透過した第１の特定波長の光をセンシングし、第２のフォトセンサーは、第２の光バンドパスフィルターを透過した第２の特定波長の光をセンシングする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光センサー装置及び電子機器等に関する。
【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、糖分の光吸収を使用して果実の糖度を測定する糖度計が用いられる。
【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】
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。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。
【０００５】
ここで、特許文献１には、光ファイバーにより入射光の入射角度を制限することでフィルターの透過波長帯域を制限する手法が開示されている。また、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、小型化可能な分光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、検出対象となる複数の波長を含む波長帯域の光を照射する光源部と、前記光源部からの光を観察対象に照射することで得られる光が入射される分光センサーと、を含み、前記分光センサーは、透過波長が異なる複数の光バンドパスフィルターと、複数のフォトセンサー部と、を有し、前記複数の光バンドパスフィルターのうちの第１の光バンドパスフィルターは、第１の特定波長を透過する波長特性を有し、前記複数の光バンドパスフィルターのうちの第２の光バンドパスフィルターは、前記第１の特定波長とは異なる第２の特定波長を透過する波長特性を有し、前記複数のフォトセンサーのうちの第１のフォトセンサーは、前記第１の光バンドパスフィルターを透過した前記第１の特定波長の光をセンシングし、前記複数のフォトセンサーのうちの第２のフォトセンサーは、前記第２の光バンドパスフィルターを透過した前記第２の特定波長の光をセンシングする分光センサー装置に関係する。
【０００８】
本発明の一態様によれば、光源部からの光を観察対象に照射することで得られる光が分光センサーに入射される。そして、第１の光バンドパスフィルターを透過した第１の特定波長の光が第１のフォトセンサーによりセンシングされ、第２の光バンドパスフィルターを透過した第２の特定波長の光が第２のフォトセンサーによりセンシングされる。これにより、分光センサー装置の小型化等が可能になる。
【０００９】
また、本発明の一態様では、前記光源部からの光を観察対象に照射することで得られる反射光が前記分光センサーに入射する場合に、前記光源部から前記観察対象を介さずに前記分光センサーに入射する光を遮光する遮光部材を含んでもよい。
【００１０】
このようにすれば、観察対象を介さずに光源部から分光センサーに入射する光を遮光し、光源部からの光を観察対象に照射することで得られる反射光を分光センサーに入射できる。
【００１１】
また、本発明の一態様では、前記光源部は、前記観察対象に対向する対向面を横切るように光を照射し、前記分光センサーは、前記対向面を横切って入射する光を受光し、前記遮光部材は、前記光源部と前記分光センサーとの間に設けられてもよい。
【００１２】
このようにすれば、遮光部材が光源部と分光センサーの間に設けられることで、観察対象を介さずに光源部から分光センサーに入射する光を遮光できる。
【００１３】
また、本発明の一態様では、前記複数のフォトセンサー部は、前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記光源部の第１の方向側においてアレイ状に配置されてもよい。
【００１４】
このように、複数のフォトセンサー部が光源部の第１の方向側においてアレイ状に配置されることで、光源部からの光を観察対象に照射することで得られる反射光を分光センサーに入射できる。
【００１５】
また、本発明の一態様では、前記複数のフォトセンサー部は、前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記光源部の周囲に配置されてもよい。
【００１６】
このように、複数のフォトセンサー部が光源部の周囲に配置されることで、光源部からの光を観察対象に照射することで得られる反射光を分光センサーに入射できる。
【００１７】
また、本発明の一態様では、前記光源部は、前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記複数のフォトセンサー部の周囲に配置されてもよい。
【００１８】
また、本発明の一態様では、複数の光源を含み、前記複数の光源は、前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記複数のフォトセンサー部の周囲に配置されてもよい。
【００１９】
このように、光源部が複数のフォトセンサー部の周囲に配置されることで、光源部からの光を観察対象に照射することで得られる反射光を分光センサーに入射できる。
【００２０】
また、本発明の一態様では、前記複数のフォトセンサー部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んでもよい。
【００２１】
このようにすれば、複数のフォトセンサー部の受光領域に対する入射光の入射角度が制限されることで、複数の光バンドパスフィルターの透過波長帯域を制限できる。また、観察対象を介さずに光源部から分光センサーに入射する光を遮光できる。
【００２２】
また、本発明の一態様では、前記角度制限フィルターは、前記複数のフォトセンサー部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。
【００２３】
このようにすれば、複数のフォトセンサー部用の不純物領域の上に半導体プロセスによって遮光物質を形成できる。
【００２４】
また、本発明の一態様では、前記角度制限フィルターは、前記半導体基板上に形成される他の回路の配線層形成工程により形成されてもよい。
【００２５】
このようにすれば、半導体基板上に形成される他の回路の配線層形成工程により、角度制限フィルターを形成できる。
【００２６】
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。
【００２７】
このようにすれば、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、角度制限フィルターを形成できる。
【００２８】
また、本発明の一態様では、前記角度制限フィルターを形成する前記遮光物質は、光吸収物質または光反射物質であってもよい。
【００２９】
このようにすれば、角度制限フィルターを形成する遮光物質を、光吸収物質または光反射物質により形成できる。
【００３０】
また、本発明の一態様では、前記角度制限フィルターは、前記複数のフォトセンサー部用の不純物領域が形成される面が前記半導体基板の表面である場合に、前記半導体基板の裏面側から前記複数のフォトセンサー部用の不純物領域に対して受光用の穴を形成することによって残存する前記半導体基板により形成されてもよい。
【００３１】
このようにすれば、半導体基板の裏面側から複数のフォトセンサー部用の不純物領域に対して受光用の穴を形成することによって残存する半導体基板により、角度制限フィルターを形成できる。
【００３２】
また、本発明の一態様では、前記複数の光バンドパスフィルターは、前記半導体基板に対して、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。
【００３３】
このようにすれば、半導体基板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、複数の光バンドパスフィルターを形成できる。
【００３４】
また、本発明の一態様では、前記角度制限フィルターの上に設けられた傾斜構造体を含み、前記傾斜構造体は、前記半導体基板に対して、前記複数の光バンドパスフィルターの透過波長に応じた角度で傾斜する傾斜面を有し、前記多層薄膜は、前記傾斜面の上に形成されてもよい。
【００３５】
このようにすれば、傾斜構造体の傾斜面の上に多層薄膜が形成されることで、透過波長に応じた角度で傾斜する多層薄膜を形成できる。
【００３６】
また、本発明の一態様では、前記受光用の穴を形成することによって残存する前記半導体基板の裏面と、前記受光用の穴の壁面に、遮光物質が配されてもよい。
【００３７】
このようにすれば、受光用の穴を形成することによって残存する半導体基板の裏面と、受光用の穴の側面に、遮光物質を配すことができる。
【００３８】
また、本発明の一態様では、前記遮光物質は、光吸収物質または光反射物質であってもよい。
【００３９】
このようにすれば、遮光物質を、光吸収物質または光反射物質により形成できる。
【００４０】
また、本発明の他の態様は、上記のいずれかに記載された分光センサー装置を含む電子機器に関係する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１（Ａ）、図１（Ｂ）は、本実施形態の分光センサー装置の構成例。
【図２】図２（Ａ）、図２（Ｂ）は、分光センサー装置の第１の変形例。
【図３】分光センサー装置の第２の変形例。
【図４】分光センサー装置の第３の変形例。
【図５】分光センサー装置の第４の変形例。
【図６】分光センサーの第１の詳細な構成例。
【図７】分光センサーの第１の詳細な構成例。
【図８】分光センサーの第１の変形例。
【図９】分光センサーの第２の変形例。
【図１０】分光センサーの第３の変形例。
【図１１】分光センサーの第４の変形例。
【図１２】図１２（Ａ）、図１２（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１３】分光センサーの第１の製造方法例。
【図１４】分光センサーの第１の製造方法例。
【図１５】分光センサーの第１の製造方法例。
【図１６】図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）は、分光センサーの第２の詳細な構成例。
【図１７】分光センサーの第２の詳細な構成例。
【図１８】分光センサーの第２の製造方法例。
【図１９】分光センサーの第２の製造方法例。
【図２０】分光センサーの第２の製造方法例。
【図２１】電子機器の構成例。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
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。
【００４３】
１．構成例
上述のように、医療・健康等の分野では常時装着等が可能な小型の分光センサー装置が求められており、分光センサー装置の小型化が必要であるという課題がある。本実施形態では、光バンドパスフィルターを用いて特定の波長帯域を測定することで、分光センサー装置の小型化を実現する。
【００４４】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）に、本実施形態の分光センサー装置の構成例を示す。本実施形態の分光センサー装置は、分光センサー１００、光源１１０、遮光部材１２０、表示パネル１３０（表示装置）、操作入力部１４０を含む。なお以下では、簡単のために分光センサー装置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。
【００４５】
図１（Ａ）は、観察対象に対向する対向面の平面視図である。図１（Ａ）に示すように、光源１１０と分光センサー１００は、それぞれ遮光部材１２０により周囲を囲まれている。この遮光部材１２０は、光源１１０から分光センサー１００への直接光を遮光したり、太陽光や照明光等の外光を遮光する。遮光部材１２０は、例えばプラスチックや金属により実現され、分光センサー１００の測定対象波長を透過しない不透明な素材により形成される。
【００４６】
光源１１０は、例えばＬＥＤにより構成され、広波長帯域の光を観察対象に照射する。広波長帯域の光は、例えば白色光であり、分光センサー１００の狭帯域（例えば数十ｎｍ）の測定波長を含む広帯域（例えば数百ｎｍ）の光である。なお、後述するように、光源１１０は複数の光源により構成されてもよく、その各光源が異なる測定波長の光を照射してもよい。
【００４７】
分光センサー１００は、例えば１チップの半導体基板上に構成され、特定波長帯域の光を分光測定（検出）する。具体的には、分光センサー１００は、半導体基板１０、回路２０、第１〜第４のフォトダイオード３１〜３４（広義には複数のフォトセンサー部）、第１〜第４の光バンドパスフィルター６１〜６４（第１〜第４の多層薄膜フィルター）を含む。
【００４８】
フォトダイオード３１〜３４は、半導体基板１０上に形成され、入射光を光電変換する素子である。フォトダイオード３１〜３４は、それぞれ光バンドパスフィルター６１〜６４を透過した入射光を受光する。
【００４９】
光バンドパスフィルター６１〜６４は、例えばフォトダイオード３１〜３４上に形成された多層薄膜により実現され、特定波長帯域の光を透過する光学フィルターである。特定波長帯域は、測定対象の複数の帯域であり、各光バンドパスフィルターは、その測定対象の各帯域の光を透過する。例えば、測定対象の各帯域は、測定波長を含む数十ｎｍの帯域である。
【００５０】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す分光センサー装置のＡＡ断面図である。図１（Ｂ）に示すように、分光センサー装置の使用時において、遮光部材１２０の端面（対向面）が観察対象に接する。光源１１０と分光センサー１００は、共に観察対象に対向するように設けられている。そして、光源１１０からの光が観察対象に照射され、観察対象からの反射光または散乱光が分光センサー１００に入射する。
【００５１】
Ｂ１に示すように、遮光部材１２０は、光源１１０と分光センサー１００の間に設けられる部材を含む。この部材は、例えば板状であり、光源と分光センサー１００（フォトダイオードの受光面）を結ぶ直線に交差するように設けられる。そして、部材の一辺が使用時において観察対象に接することで、光源１１０から分光センサー１００への直接光を遮光する。
【００５２】
なお、本実施形態の分光センサー装置は図１（Ａ）、図１（Ｂ）の構成に限定されず、その構成要素の一部（例えば表示パネル１３０、入力部１４０）を省略したり、他の構成要素（例えば入出力インターフェース）を追加したりする等の種々の変形実施が可能である。
【００５３】
さて上述のように、分光センサー装置では、装置の小型化が求められてい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、プリズム等の設置や光路長の確保により装置が大型化するという課題がある。
【００５４】
この点、本実施形態によれば、分光センサー装置は、検出対象となる複数の波長を含む波長帯域の光を照射する光源部１１０と、光源部１１０からの光を観察対象に照射することで得られる光が入射される分光センサー１００を含む。分光センサー１００は、透過波長が異なる複数の光バンドパスフィルター６１〜６４と、複数のフォトセンサー部３１〜３４を有する。例えば、第１の光バンドパスフィルター６１は、第１の特定波長を透過する波長特性を有し、第１のフォトセンサー３１は、第１の光バンドパスフィルター６１を透過した第１の特定波長の光をセンシングする。第２の光バンドパスフィルター６２は、第１の特定波長とは異なる第２の特定波長を透過する波長特性を有し、第２のフォトセンサー３２は、第２の光バンドパスフィルター６２を透過した第２の特定波長の光をセンシングする。
【００５５】
これにより、分光センサー装置の小型化等が可能になる。すなわち、光バンドパスフィルター６１〜６４を用いて特定波長だけを分光測定することで、プリズム等の設置や光路長の確保が不要になり、装置の小型化が可能になる。一般に、特定の用途に用いられる分光センサー装置では、測定対象の波長は既知のものであり、分析用途のような連続スペクトルの取得は必須ではない。そのため、上記手法により特定波長だけを測定し、装置を小型化することが可能になる。
【００５６】
ここで、観察対象とは、分光センサー装置による分光測定の対象物であり、例えば人体の皮膚や皮下組織や血液、海水等の液体、果実等の農産物、土壌等が想定される。
【００５７】
なお、光源部１１０からの光を観察対象に照射することで得られる光は、上述のように観察対象からの反射光や散乱光であってもよく、図５で後述するように、観察対象を透過した透過光であってもよい。
【００５８】
また、本実施形態では、光源部１１０からの光を観察対象に照射することで得られる反射光が分光センサー１００に入射する場合に、光源部１１０から観察対象を介さずに分光センサー１００に入射する光を遮光する遮光部材１２０を含む。
【００５９】
より具体的には、光源部１１０は、観察対象に対向する対向面を横切るように照明光を照射し、分光センサー１００は、対向面を横切って入射する観察対象からの反射光または散乱光を受光する。そして、遮光部材１２０は、光源部１１０と分光センサー１００との間に設けられる。
【００６０】
例えば、図１（Ｂ）で上述のように、光源部１１０と分光センサー１００が隣り合って設置され、その光源１１０から分光センサー１００への直接光を遮るように遮光部材（Ｂ１に示す部分）が設けられる。あるいは、図２で後述するように、光源部１１０の周囲に分光センサー１００が設置され、その光源１１０の周囲を囲むように遮光部材１２１が設けられてもよい。
【００６１】
このようにすれば、光源部１１０から観察対象を介さずに分光センサー１００に入射する光を遮光し、観察対象からの反射光や散乱光のみを分光できる。これにより、直接光によるＳ／Ｎ劣化を抑止できる。
【００６２】
ここで、上記の対向面とは、分光センサー装置の使用時において観察対象に対向すると想定される面である。例えば、図１（Ｂ）に示すように、遮光部材１２０の端面が観察対象に接するように形成される場合、その端面が含まれる平面が対向面である。
【００６３】
また、本実施形態では、分光センサー１００の複数のフォトセンサー部３１〜３４は、観察対象に対向する対向面に対する平面視において、光源部１１０の第１の方向側においてアレイ状に配置される。例えば図１（Ａ）では、第１の方向はＤ１に示す方向であり、複数のフォトセンサー部３１〜３４が光源部１１０の周囲でなく、ある特定の方向Ｄ１側に配置される。
【００６４】
また、図２で後述するように、複数のフォトセンサー部３１〜３４が、観察対象に対向する対向面に対する平面視において、光源部１１０の周囲に配置されてもよい。
【００６５】
また、図３、図４で後述するように、光源部１１０が、観察対象に対向する対向面に対する平面視において、複数のフォトセンサー部３１〜３４の周囲に配置されてもよい。例えば、図３に示すように、光源部１１０が複数の光源１１１〜１１４を含み、複数の光源１１１〜１１４が複数のフォトセンサー部３１〜３４の周囲に配置されてもよい。あるいは、図４に示すように、光源部１１０が１つの光源により構成され、その１つの光源が複数のフォトセンサー部３１〜３４を囲むように配置されてもよい。
【００６６】
これらの実施形態によれば、光源部１１０と分光センサー１００をコンパクトに配置でき、分光センサー装置の小型化を図ることができる。また、光源部１１０を複数のフォトセンサー部３１〜３４の周囲に配置した場合には、分光センサー１００を外光からより遠ざけることができるため、外光によるＳ／Ｎ劣化を抑止できる。
【００６７】
２．変形例
上記でも触れたように、本実施形態の分光センサー装置は種々の変形構成が可能である。図２（Ａ）〜図５を用いて、この分光センサー装置の種々の変形例について説明する。
【００６８】
図２（Ａ）、図２（Ｂ）に、光源部の周囲にフォトダイオードが配置される分光センサー装置の第１の変形例を示す。この分光センサー装置は、分光センサー１００、光源部１１０、遮光部材１２１、１２２を含む。
【００６９】
図２（Ａ）は、観察対象に対向する対向面の平面視図である。図２（Ａ）に示すように、光源部１１０の周囲を囲むように遮光部材１２１が設置され、その遮光部材１２１の外側に複数のフォトダイオード３１〜３４が配置される。例えば、フォトダイオード３１〜３４は、光源部１１０の第１〜第４の方向Ｄ１〜Ｄ４側に配置される。ここで、対向面に対する平面視において、Ｄ２はＤ１に直交する方向であり、Ｄ３はＤ１の反対方向であり、Ｄ４はＤ２の反対方向である。そして、フォトダイオード３１〜３４の周囲には、外光を遮光するための遮光部材１２２が設置される。
【００７０】
図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す分光センサー装置のＣＣ断面図である。図２（Ｂ）に示すように、光源部１１０と遮光部材１２１は、フォトダイオード３１〜３４が形成される半導体基板１０上に設置（スタック）される。光源部１１０が設置された半導体基板１０上の領域には、例えば光源１１０用のドライバー回路やフォトダイオード３１〜３４用の検出回路が形成される。ここで、半導体基板１０上とは、半導体基板１０の平面に垂直な方向であり、フォトダイオード３１〜３４や光バンドパスフィルター６１〜６４等が形成される側の方向である。
【００７１】
図３に、分光センサー１００の周囲に複数の光源が配置される分光センサー装置の第２の変形例を示す。この分光センサー装置は、分光センサー１００、第１〜第４の光源１１１〜１１４（広義には複数の光源）、遮光部材１２０を含む。
【００７２】
図３に示すように、分光センサー１００の周囲を囲むように遮光部材１２０が設置され、その遮光部材１２０の外側に光源１１１〜１１４が配置される。例えば、光源１１１〜１１４は、分光センサー１００の第１〜第４の方向Ｄ１〜Ｄ４側に配置される。例えば、光バンドパスフィルター６１〜６４の各透過波長が可視光に含まれる場合、この光源１１１〜１１４は白色光を観察対象に対して照射する。あるいは、光源１１１〜１１４は、それぞれ光バンドパスフィルター６１〜６４の透過波長に対応する異なる波長帯域の光を照射してもよい。
【００７３】
図４に、分光センサー１００の周囲を１つの光源が囲む分光センサー装置の第３の変形例を示す。この分光センサー装置は、分光センサー１００、光源部１１０、遮光部材１２０を含む。
【００７４】
図４に示すように、分光センサー１００の周囲を囲むように遮光部材１２０が設置され、その遮光部材１２０の外側を囲む四角形や円形等の１つながりの光源１１０が配置される。この光源１１０は、例えば白色光を照射するＥＬ（Electro-Luminescence）等により実現され、ＥＬ用基板１５０上に形成される。分光センサー１００は、例えばこのＥＬ基板上にスタックして配置される。
【００７５】
図５に、観察対象の透過光を分光測定する分光センサー装置の第４の変形例を示す。この分光センサー装置は、分光センサー１００、光源部１１０、遮光部材１２０、表示パネル１３０、操作入力部１４０を含む。
【００７６】
図５に示すように、光源部１１０と分光センサー１００は、分光センサー装置の使用時において観察対象を挟んで対向して設置される。すなわち、光源部１１０が観察対象に対して照明光を照射し、観察対象を透過した照明光が分光センサー１００に入射し、光バンドパスフィルター６１、６３が透過光を分光し、フォトダイオード（図示省略）が分光後の透過光をセンシングする。
【００７７】
３．分光センサーの第１の詳細な構成例
上述のように、連続スペクトルではなく、特定の測定波長のみを測定する分光センサーを用いることで、分光センサー装置の小型化を図ることができる。しかしながら、分光センサー自体の大きさにより分光センサー装置の大きさが制約されるという課題がある。
【００７８】
しかしながら、分光センサーの波長選択性の向上という課題がある。例えば、後述のように、本実施形態の分光センサーには、光バンドパスフィルターの透過波長帯域を制限するための角度制限フィルターが設けられる。このとき、その角度制限フィルターや光バンドパスフィルターを部材で構成すると、部材の接着面で光が拡散減衰するため、波長選択性が低下してしまう。
【００７９】
また、例えば、上述の特許文献１には、光ファイバーにより入射光の入射角度を制限することでフィルターの透過波長帯域を制限する手法が開示されている。しかしながら、この手法では、帯域を狭くするために光ファイバーの開口数を小さくすると、入射光の透過率が低下、波長選択性が低下してしまう。
【００８０】
また、分光センサーの製造プロセスの簡素化という課題がある。例えば、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る手法が開示されている。しかしながら、この手法では、膜厚毎に別個の多層膜形成工程が必要となるため、多層膜の形成工程が煩雑となってしまう。
【００８１】
そこで、本実施形態では、半導体プロセスにより角度制限フィルターや光バンドパスフィルターを形成することで、簡素な製造プロセスにより分光センサーの小型化を実現する。
【００８２】
図６、図７を用いて分光センサーの第１の詳細な構成例について説明する。なお以下では、簡単のために分光センサー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。
【００８３】
図６には、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６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６では、簡単のために図示を省略する。
【００８４】
図６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。
【００８５】
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。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、回路２０や角度制限フィルター４１等が形成される側の方向を表す。
【００８６】
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。
【００８７】
なお、本実施形態の分光センサーは図６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。
【００８８】
図７に、分光センサーの断面図を示す。図７は、図６に示すＤＤ断面における断面図である。図７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。
【００８９】
図７に示すように、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。
【００９０】
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（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、例えばアルミ（光反射物質）配線層等の導電層とタングステン（光吸収物質）プラグ等の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の底辺の長さ（例えば底面の最長対角線や、長径）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１２（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。
【００９１】
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。
【００９２】
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６０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。
【００９３】
さて上述のように、分光センサー装置の小型化のために、分光センサーの小型化を図る必要があるという課題がある。また、分光センサーの波長選択性の向上や、製造プロセスの簡素化という課題がある。
【００９４】
この点、本実施形態によれば、分光センサーは、フォトダイオードの受光領域（受光面）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４１、４２を含む。そして、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（例えば、光吸収物質または光反射物質）によって形成される。
【００９５】
これにより、分光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、分光センサーの小型化等が可能になる。すなわち、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、製造プロセスの簡素化を図ることができる。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できる。また、部材の接着による透過光の減少も抑制できる。そのため、光量の確保が容易になり、制限角度を小さくして透過波長帯域をより小さくできる。
【００９６】
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。
【００９７】
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６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７において、角度制限フィルター４１、４２を形成する遮光物質（例えば、光吸収物質または光反射物質）に囲まれた領域（例えば、領域ＬＲＡ）である。
【００９８】
また、本実施形態では、角度制限フィルター４１、４２は、半導体基板１０上に形成される他の回路２０の配線層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、回路２０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、アルミスパッタリングによるアルミ（広義には光反射物質）配線層形成や、ＳｉＯ２デポジションによる絶縁膜形成、タングステン（広義には光吸収物質）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。
【００９９】
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。
【０１００】
なお、角度制限フィルター４１、４２は、アルミ（光反射物質）配線層、タングステン
（光吸収物質）コンタクトに限らず、タングステン等の光吸収物質から成る配線層、アルミ等の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。
【０１０１】
また、角度制限フィルター４１、４２は、アルミ（光反射物質）配線層、タングステン（光吸収物質）コンタクトに限らず、光吸収物質である窒化チタン（ＴｉＮ）等の膜付きのアルミ（光反射物質）配線層、タングステン（光吸収物質）コンタクトにより形成されてもよい。アルミ（光反射物質）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ため、遮光性をより高めることができる。
【０１０２】
また、本実施形態では、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てもよい。すなわち、アルミ（光反射物質）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(光吸収物質)プラグ等の導電性プラグのみにより形成されてもよい。なお、角度制限フィルター４１、４２は、タングステンプラグに限らず、アルミや、ポリシリコン等の他の導電性プラグにより形成されてもよい。
【０１０３】
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。
【０１０４】
ここで、上記の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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
また、本実施形態では、角度制限フィルター４１、４２は、半導体基板１０に対する平面視において、フォトダイオード３１、３２の受光領域の外周に沿って形成される。具体的には、フォトダイオード３１、３２用の不純物領域がそれぞれ１つの受光領域であり、その不純物領域の外周を囲むそれぞれ１つの角度制限フィルターが形成される。あるいは、フォトダイオード３１、３２用の不純物領域に複数の受光領域が設定され、その複数の受光領域の外周に沿って複数の開口が形成されてもよい。例えば図６に示すように、平面視において正方形の遮光物質が各受光領域を囲み、その正方形が格子状に配列されることで角度制限フィルター４１、４２が形成される。
【０１０８】
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。
【０１０９】
このようにすれば、角度制限フィルター４１、４２が、フォトダイオード３１、３２の各受光領域の外周に沿って形成されることで、フォトダイオード３１、３２の各受光領域に対する入射光の入射角度を制限できる。
【０１１０】
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７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、図１０で後述するように、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（例えばθ１）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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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（同時、１回の）薄膜形成工程で形成することをいう。
【０１１３】
また、本実施形態では、分光センサーは、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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
具体的には、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１４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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
４．分光センサーの変形例
上記実施形態では、傾斜構造体５０を半導体プロセスにより形成する構成例について説明したが、本実施形態では、種々の変形実施が可能である。
【０１２０】
図８には、傾斜構造体５０を別部材で形成して貼り合わせる分光センサーの第１の変形例を示す。図８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、光バンドパスフィルター６１、６２、絶縁層７０、接着層８０を含む。なお以下では、図７等で上述した構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【０１２１】
この第１の変形例では、角度制限フィルター４１、４２までを上述の構成例と同様に半導体プロセスにより形成する。角度制限フィルター４１、４２の上には、絶縁層７０（またはパッシベーション層）を積層する。この絶縁層７０は、必ずしも絶縁膜である必要はなく、センシングする波長を透過する透明膜であればよい。傾斜構造体５０は、低融点ガラス等の別部材を金型により加熱プレスすることで形成され、傾斜面と多層薄膜が形成される。傾斜構造体５０と絶縁層７０は、センシングする波長を透過する透明な接着剤により貼り付けされる。
【０１２２】
図９には、傾斜構造体５０を用いず、半導体基板１０に平行な多層薄膜を形成する分光センサーの第２の変形例を示す。図９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、光バンドパスフィルター６１、６２、絶縁層７０を含む。
【０１２３】
この第２の変形例では、角度制限フィルター４１、４２までを上述の構成例と同様に半導体プロセスにより形成し、角度制限フィルター４１、４２の上に絶縁層７０を積層する。そして、絶縁層７０の上に光バンドパスフィルター６１、６２の多層薄膜を形成する。この多層薄膜は、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長に応じて膜厚が異なり、別々の形成工程により積層される。すなわち、光バンドパスフィルター６１、６２の一方を形成する際には、他方をフォトレジスト等で覆って多層膜を積層することで、異なる膜厚の多層薄膜を形成する。
【０１２４】
図１０には、フォトダイオード用の不純物領域をトレンチにより区切る分光センサーの第３の変形例を示す。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、光バンドパスフィルター６１〜６３、絶縁層７０を含む。なお、フォトダイオード３２はフォトダイオード３１と同様のため図示及び説明を省略する。
【０１２５】
この第３の変形例では、フォトダイオード３１の不純物領域がトレンチ９０により区切られ、フォトダイオード３１−１〜３１−３が形成される。トレンチ９０は、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）等の絶縁体トレンチ構造により形成される。傾斜構造体５０には傾斜角度θ１〜θ３の傾斜面が形成され、各傾斜面はそれぞれフォトダイオード３１−１〜３１−３に対応する。そして、各フォトダイオード３１−１〜３１−３の上に、傾斜角度の異なる光バンドパスフィルター６１〜６３がそれぞれ形成される。
【０１２６】
なお図１０では、１つの光バンドパスフィルターが、トレンチ構造で区切られた１つのフォトダイオード（１つの領域）の上に設けられるが、本実施形態では、１つの光バンドパスフィルターが、トレンチ構造で区切られた複数のフォトダイオード（複数の領域）の上に設けられてもよい。
【０１２７】
図１１には、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ：Micro-Lens Array）により入射光量を増加させる分光センサーの第４の変形例を示す。図１１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、光バンドパスフィルター６１、６２、絶縁層７０、マイクロレンズアレイ９５を含む。なお、フォトダイオード３２はフォトダイオード３１と同様のため図示及び説明を省略する。
【０１２８】
この第４の変形例では、角度制限フィルター４１の各開口にマイクロレンズを形成し、これらの複数のマイクロレンズによりマイクロレンズアレイ９５が構成される。このマイクロレンズアレイ９５は、例えば角度制限フィルター４１形成後にフォトリソグラフィーによりパターンを形成し、ＳｉＯ２膜をエッチングし、ＳｉＯ２よりも高屈折率の物質をデポジションすることで形成される。
【０１２９】
５．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１２（Ａ）、図１２（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、以下では多層薄膜６１、６２の膜厚が同じ場合を例に説明するが、本実施形態では、多層薄膜６１、６２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、多層薄膜６１、６２の膜厚がｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２に比例してもよい。
【０１３０】
図１２（Ａ）に示すように、多層薄膜６１、６２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１２（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１２（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。
【０１３１】
多層薄膜６１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、多層薄膜６１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、多層薄膜６１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、多層薄膜６２に対してθ２−Δθ〜θ２＋Δθで入射する光線が到達する。
【０１３２】
図１２（Ｂ）に示すように、多層薄膜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。多層薄膜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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
以上では、図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、光源部１１０と分光センサー１００との間に遮光部材１２０を設け、光源部１１０から分光センサー１００に観察対象を介さずに入射する光を遮光する場合について述べた。しかしながら、観測対象物が動的な場合、観測対象と遮光部材１２０との間に間隙が生じ、光源部１１０からの観察対象を介さない光が僅かに分光センサー１００へ入射する場合がある。この場合、観察対象を介さない光の入射角は比較的深い角度となる（例えば、入射角＞３０°）。
【０１３６】
上述のように、角度制限フィルター４１、４２は分光フィルター１００の入射角度を２０°〜３０°以下に制限するので、観測対象物が動的な場合に光源部１１０から分光フィルター１００に観察対象を介さずに入射する光を排除できる。また、光源部１１０からの光だけでなく、観測対象物が動的な場合に、観測対象と遮光部材１２０との間に生じた間隙から入射する他の光（例えば、太陽、蛍光灯等。外光）についても同じ効果を有する。角度センサー４１、４２には、これらのような付加的効果もある。
【０１３７】
６．分光センサーの第１の製造方法
図１３〜図１５を用いて、上記第１の詳細な構成例の分光センサーの製造方法例について説明する。
【０１３８】
まず図１３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。
【０１３９】
次にＳ３に示すように、コンタクトを形成する。この形成工程では、まず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。次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。そして、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。次に、Ｓ４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。
【０１４０】
次にＳ５に示すように、上記Ｓ３、Ｓ４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。そして、このＳ５の工程を必要回数繰り返す。図１３には、第３ＡＬ配線まで形成した場合を図示する。次にＳ６に示すように、ＳｉＯ２のデポジション（点線により図示）、ＣＭＰによる平坦化の工程により、絶縁膜を形成する。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配線とタングステンプラグが積層される。
【０１４１】
次に図１４のＳ７に示すように、ＳｉＯ２のデポジション、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、絶縁膜（点線により図示）の段差Ｓ７’または粗密パターンＳ７”を形成する。
【０１４２】
次にＳ８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。
【０１４３】
次に図１５のＳ９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ＴｉＯ２膜よりも低屈折率の薄膜である。
【０１４４】
７．分光センサーの第２の詳細な構成例
上記実施形態では、配線層により角度制限フィルターを形成する場合について説明したが、本実施形態では、シリコントレンチにより半導体基板の裏面に角度制限フィルターを形成してもよい。
【０１４５】
図１６（Ａ）〜図１７を用いて、この分光センサーの第２の詳細な構成例について説明する。なお以下では、簡単のために本実施形態の分光センサー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。
【０１４６】
図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）には、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１６（Ａ）、図１６（Ｂ）に示す分光センサーは、半導体基板１０、回路２０、第１、第２のフォトダイオード３１、３２、第１、第２の角度制限フィルター４１、４２を含む。なお後述のように、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１６（Ａ）、図１６（Ｂ）では、簡単のために図示を省略する。
【０１４７】
図１６（Ａ）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、不純物領域や配線層等が形成される表面側から見た平面視図である。半導体基板１０の表面側には、フォトダイオード３１、３２や回路２０が半導体プロセスにより形成される。
【０１４８】
図１６（Ｂ）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、裏面側から見た平面視図である。半導体基板１０の裏面には、表面側に形成されたフォトダイオード３１、３２に向かって、シリコントレンチにより角度制限フィルター４１、４２が形成される。この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に対して半導体基板１０の裏面側から入射する入射光の入射角度を制限する。
【０１４９】
ここで、シリコントレンチとは、半導体プロセスまたはＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System）技術により半導体基板１０を掘削する手法である。例えば、シリコン基板に対するドライエッチングにより穴や溝、段差等を形成する手法である。
【０１５０】
なお、本実施形態の分光センサーは図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）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。
【０１５１】
図１７に、図１６（Ｂ）に示すＥＥ断面における分光センサーの断面図を示す。図１７に示す分光センサーは、半導体基板１０、配線層１５、遮光物質２５、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、第１、第２の光バンドパスフィルター６１、６２、絶縁層７０（広義には透明膜）を含む。
【０１５２】
ここで、本実施形態で言う「上」とは、半導体基板１０の平面に垂直な方向であり、半導体基板１０から離れていく方向である。すなわち、裏面側においても、半導体基板１０から離れていく方向を上とする。
【０１５３】
図１７に示すように、半導体基板１０の表面側にはフォトダイオード３１、３２が形成される。このフォトダイオード３１、３２は、イオン注入等によりＰ型とＮ型の不純物領域が形成されることで形成され、その不純物領域のＰＮ接合により実現される。
【０１５４】
フォトダイオード３１、３２の上には、配線層１５が形成される。この配線層１５は、上述の回路２０等の形成工程により積層されたものである。フォトダイオード３１、３２からの出力信号は、この配線層１５内の配線によって上述の回路２０等に入力され、検出処理される。
【０１５５】
半導体基板１０の裏面側には、角度制限フィルター４１、４２が形成される。この角度制限フィルター４１、４２は、シリコントレンチにより残った半導体基板１０により形成される。シリコントレンチにより掘られた穴の側面（壁面）と、半導体基板１０の裏面には、遮光物質（光吸収物質または光反射物質）が配される（形成される、積層される）。一方、フォトダイオードの受光面である穴の底面には、遮光物質が配されない。そして、シリコントレンチにより掘られた穴の壁面が角度制限フィルター４１、４２の壁面となり、制限角度以上の入射光がフォトダイオード３１、３２に入射しないように遮光する。角度制限フィルター４１、４２のアスペクト比は、透過波長帯域（例えば図１２（Ｂ）で上述のＢＷ１、ＢＷ２）に応じて設定される。
【０１５６】
角度制限フィルター４１、４２の上には、角度制限フィルター４１、４２の開口部（中空部）を充填する絶縁膜７０が形成される。例えば、絶縁膜７０は、ＳｉＯ２（シリコン酸化膜）等の絶縁膜により形成される。なお、絶縁膜７０は、必ずしも絶縁性を有する必要はなく、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であればよい。
【０１５７】
絶縁膜７０の上には、傾斜構造体５０が形成される。この傾斜構造体５０は、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長に応じて傾斜角θ１、θ２の傾斜面を有する。傾斜構造体５０の上には、光バンドパスフィルター６１、６２を形成する多層薄膜６０が積層される。この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の制限角度により決まる。
【０１５８】
なお、この第２の詳細な構成例にも上述の第１〜第４の変形例を適用可能である。すなわち、傾斜構造体５０を低融点ガラス等で形成して角度制限フィルター４１、４２の上に貼り付けてもよい。また、半導体基板１０に平行な多層薄膜を透過波長毎に形成してもよい。また、フォトダイオード３１、３２をＳＴＩにより複数のフォトダイオードに区切ってもよい。また、受光量を増加するためのＭＬＡを角度制限フィルター４１、４２の開口に設けてもよい。
【０１５９】
上記第２の詳細な構成例によれば、角度制限フィルター４１、４２は、半導体基板１０の裏面側からフォトダイオード３１、３２用の不純物領域に対して、裏面側面及び壁面に遮光物質（光吸収膜または光反射膜または光吸収膜＋光反射膜）を配する受光用の穴を形成することにより形成される。
【０１６０】
これにより、分光センサーを半導体プロセスやＭＥＭＳ技術を利用して構成できるため、分光センサーの小型化等が可能になる。すなわち、フォトダイオード３１、３２を半導体プロセスにより形成し、角度制限フィルター４１、４２を半導体基板１０の裏面掘削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。
【０１６１】
また、本実施形態では、角度制限フィルター４１、４２は、半導体基板１０に対する平面視において、フォトダイオード３１、３２の受光領域（例えば図１７に示す領域ＬＲＡ）の外周に沿って形成される。具体的には、フォトダイオード３１、３２用の不純物領域に複数の受光領域が設定され、その複数の受光領域の外周に沿って複数の開口が形成される。例えば図１６に示すように、平面視において正方形の遮光物質が各受光領域を囲み、その正方形が格子状に配列されることで角度制限フィルター４１、４２が形成される。
【０１６２】
このようにすれば、角度制限フィルター４１、４２がフォトダイオード３１、３２の各受光領域の外周に沿って形成されることで、フォトダイオード３１、３２の各受光領域に対する入射光の入射角度を制限できる。
【０１６３】
８．分光センサーの第２の製造方法
図１８〜図２０を用いて、第２の詳細な構成例の分光センサーの製造方法例について説明する。
【０１６４】
まず図１８のＳ１０１に示すように、図１３のＳ１〜Ｓ６で上述の工程により、基板の表面側にフォトダイオードと配線層を形成する。そして、Ｓ１０２に示すように、ポリイミド塗布、キュアの工程により、絶縁膜の上に保護膜（パシベーション）を形成する。
【０１６５】
次にＳ１０３に示すように、Ｐ型シリコン基板の裏面を研削してＰ型シリコン基板の厚さを調整する。そして、Ｓ１０４に示すように、フォトリソグラフィー、Ｐ型シリコン基板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、シリコントレンチを形成する。
【０１６６】
次に、Ｓ１０５に示すように、ＴｉＮ膜のデポジション、ＴｉＮ膜の異方性ドライエッチングの工程により、シリコントレンチの側面（内壁）と半導体基板の裏面にＴｉＮの光吸収膜（反射防止膜）を形成する。そして、Ｓ１０６に示すように、ＳｉＯ２膜のデポジション（点線により図示）、ＣＭＰによるＳｉＯ２膜の平坦化の工程により、シリコントレンチの埋め込みを行う。このように上記Ｓ１０３〜Ｓ１０６の工程により角度制限フィルターが形成される。
【０１６７】
次に図１９のＳ１０７に示すように、ＳｉＯ２膜のデポジション、フォトリソグラフィー、ＳｉＯ２膜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、絶縁膜の段差または粗密パターンを形成する。そして、Ｓ１０８に示すように、ＣＭＰによるＳｉＯ２膜の研磨の工程により、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。
【０１６８】
次に図２０のＳ１０９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ＴｉＯ２膜よりも低屈折率の薄膜である。
【０１６９】
９．電子機器
図２１に、本実施形態の分光センサー装置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。
【０１７０】
図２１に示す電子機器は、分光センサー装置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。分光センサー装置９００は、ＬＥＤ９５０（光源）、ＬＥＤドライバー９６０、分光センサー９１０を含む。分光センサー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。
【０１７１】
ＬＥＤ９５０は、例えば白色光を観察対象に照射する。分光センサー装置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、分光センサー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。
【０１７２】
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（フォトセンサー、薄膜フィルター、半導体基板等）と共に記載された用語（フォトダイオード、光バンドパスフィルター、シリコン基板等）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、分光センサー、分光センサー装置、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】
【０１７３】
１０ 半導体基板、２０ 回路、３１，３２ フォトダイオード、
４１，４２ 角度制限フィルター、５０ 傾斜構造体、６０ 多層薄膜、
６１，６２ 光バンドパスフィルター、７０ 絶縁層、８０ 接着層、
９０ トレンチ、９５ マイクロレンズアレイ、
１００ 分光センサー、１１０ 光源部、１１１〜１１４ 複数の光源、
１２０ 遮光部材、１３０ 表示パネル、１４０ 操作入力部、１５０ ＥＬ用基板、
９００ 分光センサー装置、９１０ 分光センサー、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、ＬＲＡ 受光領域、θ１，θ２ 傾斜角度、
λ１，λ２透過波長
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光センサー装置及び電子機器等に関する。
【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、糖分の光吸収を使用して果実の糖度を測定する糖度計が用いられる。
【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】
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。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。
【０００５】
ここで、特許文献１には、光ファイバーにより入射光の入射角度を制限することでフィルターの透過波長帯域を制限する手法が開示されている。また、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、小型化可能な分光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、検出対象となる複数の波長を含む波長帯域の光を照射する光源部と、前記光源部からの光を観察対象に照射することで得られる光が入射される分光センサーと、を含み、前記分光センサーは、透過波長が異なる複数の光バンドパスフィルターと、複数のフォトセンサー部と、を有し、前記複数の光バンドパスフィルターのうちの第１の光バンドパスフィルターは、第１の特定波長を透過する波長特性を有し、前記複数の光バンドパスフィルターのうちの第２の光バンドパスフィルターは、前記第１の特定波長とは異なる第２の特定波長を透過する波長特性を有し、前記複数のフォトセンサーのうちの第１のフォトセンサーは、前記第１の光バンドパスフィルターを透過した前記第１の特定波長の光をセンシングし、前記複数のフォトセンサーのうちの第２のフォトセンサーは、前記第２の光バンドパスフィルターを透過した前記第２の特定波長の光をセンシングする分光センサー装置に関係する。
【０００８】
本発明の一態様によれば、光源部からの光を観察対象に照射することで得られる光が分光センサーに入射される。そして、第１の光バンドパスフィルターを透過した第１の特定波長の光が第１のフォトセンサーによりセンシングされ、第２の光バンドパスフィルターを透過した第２の特定波長の光が第２のフォトセンサーによりセンシングされる。これにより、分光センサー装置の小型化等が可能になる。
【０００９】
また、本発明の一態様では、前記光源部からの光を観察対象に照射することで得られる反射光が前記分光センサーに入射する場合に、前記光源部から前記観察対象を介さずに前記分光センサーに入射する光を遮光する遮光部材を含んでもよい。
【００１０】
このようにすれば、観察対象を介さずに光源部から分光センサーに入射する光を遮光し、光源部からの光を観察対象に照射することで得られる反射光を分光センサーに入射できる。
【００１１】
また、本発明の一態様では、前記光源部は、前記観察対象に対向する対向面を横切るように光を照射し、前記分光センサーは、前記対向面を横切って入射する光を受光し、前記遮光部材は、前記光源部と前記分光センサーとの間に設けられてもよい。
【００１２】
このようにすれば、遮光部材が光源部と分光センサーの間に設けられることで、観察対象を介さずに光源部から分光センサーに入射する光を遮光できる。
【００１３】
また、本発明の一態様では、前記複数のフォトセンサー部は、前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記光源部の第１の方向側においてアレイ状に配置されてもよい。
【００１４】
このように、複数のフォトセンサー部が光源部の第１の方向側においてアレイ状に配置されることで、光源部からの光を観察対象に照射することで得られる反射光を分光センサーに入射できる。
【００１５】
また、本発明の一態様では、前記複数のフォトセンサー部は、前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記光源部の周囲に配置されてもよい。
【００１６】
このように、複数のフォトセンサー部が光源部の周囲に配置されることで、光源部からの光を観察対象に照射することで得られる反射光を分光センサーに入射できる。
【００１７】
また、本発明の一態様では、前記光源部は、前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記複数のフォトセンサー部の周囲に配置されてもよい。
【００１８】
また、本発明の一態様では、複数の光源を含み、前記複数の光源は、前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記複数のフォトセンサー部の周囲に配置されてもよい。
【００１９】
このように、光源部が複数のフォトセンサー部の周囲に配置されることで、光源部からの光を観察対象に照射することで得られる反射光を分光センサーに入射できる。
【００２０】
また、本発明の一態様では、前記複数のフォトセンサー部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んでもよい。
【００２１】
このようにすれば、複数のフォトセンサー部の受光領域に対する入射光の入射角度が制限されることで、複数の光バンドパスフィルターの透過波長帯域を制限できる。また、観察対象を介さずに光源部から分光センサーに入射する光を遮光できる。
【００２２】
また、本発明の一態様では、前記角度制限フィルターは、前記複数のフォトセンサー部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。
【００２３】
このようにすれば、複数のフォトセンサー部用の不純物領域の上に半導体プロセスによって遮光物質を形成できる。
【００２４】
また、本発明の一態様では、前記角度制限フィルターは、前記半導体基板上に形成される他の回路の配線層形成工程により形成されてもよい。
【００２５】
このようにすれば、半導体基板上に形成される他の回路の配線層形成工程により、角度制限フィルターを形成できる。
【００２６】
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。
【００２７】
このようにすれば、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、角度制限フィルターを形成できる。
【００２８】
また、本発明の一態様では、前記角度制限フィルターを形成する前記遮光物質は、光吸収物質または光反射物質であってもよい。
【００２９】
このようにすれば、角度制限フィルターを形成する遮光物質を、光吸収物質または光反射物質により形成できる。
【００３０】
また、本発明の一態様では、前記角度制限フィルターは、前記複数のフォトセンサー部用の不純物領域が形成される面が前記半導体基板の表面である場合に、前記半導体基板の裏面側から前記複数のフォトセンサー部用の不純物領域に対して受光用の穴を形成することによって残存する前記半導体基板により形成されてもよい。
【００３１】
このようにすれば、半導体基板の裏面側から複数のフォトセンサー部用の不純物領域に対して受光用の穴を形成することによって残存する半導体基板により、角度制限フィルターを形成できる。
【００３２】
また、本発明の一態様では、前記複数の光バンドパスフィルターは、前記半導体基板に対して、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。
【００３３】
このようにすれば、半導体基板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、複数の光バンドパスフィルターを形成できる。
【００３４】
また、本発明の一態様では、前記角度制限フィルターの上に設けられた傾斜構造体を含み、前記傾斜構造体は、前記半導体基板に対して、前記複数の光バンドパスフィルターの透過波長に応じた角度で傾斜する傾斜面を有し、前記多層薄膜は、前記傾斜面の上に形成されてもよい。
【００３５】
このようにすれば、傾斜構造体の傾斜面の上に多層薄膜が形成されることで、透過波長に応じた角度で傾斜する多層薄膜を形成できる。
【００３６】
また、本発明の一態様では、前記受光用の穴を形成することによって残存する前記半導体基板の裏面と、前記受光用の穴の壁面に、遮光物質が配されてもよい。
【００３７】
このようにすれば、受光用の穴を形成することによって残存する半導体基板の裏面と、受光用の穴の側面に、遮光物質を配すことができる。
【００３８】
また、本発明の一態様では、前記遮光物質は、光吸収物質または光反射物質であってもよい。
【００３９】
このようにすれば、遮光物質を、光吸収物質または光反射物質により形成できる。
【００４０】
また、本発明の他の態様は、上記のいずれかに記載された分光センサー装置を含む電子機器に関係する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１（Ａ）、図１（Ｂ）は、本実施形態の分光センサー装置の構成例。
【図２】図２（Ａ）、図２（Ｂ）は、分光センサー装置の第１の変形例。
【図３】分光センサー装置の第２の変形例。
【図４】分光センサー装置の第３の変形例。
【図５】分光センサー装置の第４の変形例。
【図６】分光センサーの第１の詳細な構成例。
【図７】分光センサーの第１の詳細な構成例。
【図８】分光センサーの第１の変形例。
【図９】分光センサーの第２の変形例。
【図１０】分光センサーの第３の変形例。
【図１１】分光センサーの第４の変形例。
【図１２】図１２（Ａ）、図１２（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１３】分光センサーの第１の製造方法例。
【図１４】分光センサーの第１の製造方法例。
【図１５】分光センサーの第１の製造方法例。
【図１６】図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）は、分光センサーの第２の詳細な構成例。
【図１７】分光センサーの第２の詳細な構成例。
【図１８】分光センサーの第２の製造方法例。
【図１９】分光センサーの第２の製造方法例。
【図２０】分光センサーの第２の製造方法例。
【図２１】電子機器の構成例。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
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。
【００４３】
１．構成例
上述のように、医療・健康等の分野では常時装着等が可能な小型の分光センサー装置が求められており、分光センサー装置の小型化が必要であるという課題がある。本実施形態では、光バンドパスフィルターを用いて特定の波長帯域を測定することで、分光センサー装置の小型化を実現する。
【００４４】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）に、本実施形態の分光センサー装置の構成例を示す。本実施形態の分光センサー装置は、分光センサー１００、光源１１０、遮光部材１２０、表示パネル１３０（表示装置）、操作入力部１４０を含む。なお以下では、簡単のために分光センサー装置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。
【００４５】
図１（Ａ）は、観察対象に対向する対向面の平面視図である。図１（Ａ）に示すように、光源１１０と分光センサー１００は、それぞれ遮光部材１２０により周囲を囲まれている。この遮光部材１２０は、光源１１０から分光センサー１００への直接光を遮光したり、太陽光や照明光等の外光を遮光する。遮光部材１２０は、例えばプラスチックや金属により実現され、分光センサー１００の測定対象波長を透過しない不透明な素材により形成される。
【００４６】
光源１１０は、例えばＬＥＤにより構成され、広波長帯域の光を観察対象に照射する。広波長帯域の光は、例えば白色光であり、分光センサー１００の狭帯域（例えば数十ｎｍ）の測定波長を含む広帯域（例えば数百ｎｍ）の光である。なお、後述するように、光源１１０は複数の光源により構成されてもよく、その各光源が異なる測定波長の光を照射してもよい。
【００４７】
分光センサー１００は、例えば１チップの半導体基板上に構成され、特定波長帯域の光を分光測定（検出）する。具体的には、分光センサー１００は、半導体基板１０、回路２０、第１〜第４のフォトダイオード３１〜３４（広義には複数のフォトセンサー部）、第１〜第４の光バンドパスフィルター６１〜６４（第１〜第４の多層薄膜フィルター）を含む。
【００４８】
フォトダイオード３１〜３４は、半導体基板１０上に形成され、入射光を光電変換する素子である。フォトダイオード３１〜３４は、それぞれ光バンドパスフィルター６１〜６４を透過した入射光を受光する。
【００４９】
光バンドパスフィルター６１〜６４は、例えばフォトダイオード３１〜３４上に形成された多層薄膜により実現され、特定波長帯域の光を透過する光学フィルターである。特定波長帯域は、測定対象の複数の帯域であり、各光バンドパスフィルターは、その測定対象の各帯域の光を透過する。例えば、測定対象の各帯域は、測定波長を含む数十ｎｍの帯域である。
【００５０】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す分光センサー装置のＡＡ断面図である。図１（Ｂ）に示すように、分光センサー装置の使用時において、遮光部材１２０の端面（対向面）が観察対象に接する。光源１１０と分光センサー１００は、共に観察対象に対向するように設けられている。そして、光源１１０からの光が観察対象に照射され、観察対象からの反射光または散乱光が分光センサー１００に入射する。
【００５１】
Ｂ１に示すように、遮光部材１２０は、光源１１０と分光センサー１００の間に設けられる部材を含む。この部材は、例えば板状であり、光源と分光センサー１００（フォトダイオードの受光面）を結ぶ直線に交差するように設けられる。そして、部材の一辺が使用時において観察対象に接することで、光源１１０から分光センサー１００への直接光を遮光する。
【００５２】
なお、本実施形態の分光センサー装置は図１（Ａ）、図１（Ｂ）の構成に限定されず、その構成要素の一部（例えば表示パネル１３０、入力部１４０）を省略したり、他の構成要素（例えば入出力インターフェース）を追加したりする等の種々の変形実施が可能である。
【００５３】
さて上述のように、分光センサー装置では、装置の小型化が求められてい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、プリズム等の設置や光路長の確保により装置が大型化するという課題がある。
【００５４】
この点、本実施形態によれば、分光センサー装置は、検出対象となる複数の波長を含む波長帯域の光を照射する光源部１１０と、光源部１１０からの光を観察対象に照射することで得られる光が入射される分光センサー１００を含む。分光センサー１００は、透過波長が異なる複数の光バンドパスフィルター６１〜６４と、複数のフォトセンサー部３１〜３４を有する。例えば、第１の光バンドパスフィルター６１は、第１の特定波長を透過する波長特性を有し、第１のフォトセンサー３１は、第１の光バンドパスフィルター６１を透過した第１の特定波長の光をセンシングする。第２の光バンドパスフィルター６２は、第１の特定波長とは異なる第２の特定波長を透過する波長特性を有し、第２のフォトセンサー３２は、第２の光バンドパスフィルター６２を透過した第２の特定波長の光をセンシングする。
【００５５】
これにより、分光センサー装置の小型化等が可能になる。すなわち、光バンドパスフィルター６１〜６４を用いて特定波長だけを分光測定することで、プリズム等の設置や光路長の確保が不要になり、装置の小型化が可能になる。一般に、特定の用途に用いられる分光センサー装置では、測定対象の波長は既知のものであり、分析用途のような連続スペクトルの取得は必須ではない。そのため、上記手法により特定波長だけを測定し、装置を小型化することが可能になる。
【００５６】
ここで、観察対象とは、分光センサー装置による分光測定の対象物であり、例えば人体の皮膚や皮下組織や血液、海水等の液体、果実等の農産物、土壌等が想定される。
【００５７】
なお、光源部１１０からの光を観察対象に照射することで得られる光は、上述のように観察対象からの反射光や散乱光であってもよく、図５で後述するように、観察対象を透過した透過光であってもよい。
【００５８】
また、本実施形態では、光源部１１０からの光を観察対象に照射することで得られる反射光が分光センサー１００に入射する場合に、光源部１１０から観察対象を介さずに分光センサー１００に入射する光を遮光する遮光部材１２０を含む。
【００５９】
より具体的には、光源部１１０は、観察対象に対向する対向面を横切るように照明光を照射し、分光センサー１００は、対向面を横切って入射する観察対象からの反射光または散乱光を受光する。そして、遮光部材１２０は、光源部１１０と分光センサー１００との間に設けられる。
【００６０】
例えば、図１（Ｂ）で上述のように、光源部１１０と分光センサー１００が隣り合って設置され、その光源１１０から分光センサー１００への直接光を遮るように遮光部材（Ｂ１に示す部分）が設けられる。あるいは、図２で後述するように、光源部１１０の周囲に分光センサー１００が設置され、その光源１１０の周囲を囲むように遮光部材１２１が設けられてもよい。
【００６１】
このようにすれば、光源部１１０から観察対象を介さずに分光センサー１００に入射する光を遮光し、観察対象からの反射光や散乱光のみを分光できる。これにより、直接光によるＳ／Ｎ劣化を抑止できる。
【００６２】
ここで、上記の対向面とは、分光センサー装置の使用時において観察対象に対向すると想定される面である。例えば、図１（Ｂ）に示すように、遮光部材１２０の端面が観察対象に接するように形成される場合、その端面が含まれる平面が対向面である。
【００６３】
また、本実施形態では、分光センサー１００の複数のフォトセンサー部３１〜３４は、観察対象に対向する対向面に対する平面視において、光源部１１０の第１の方向側においてアレイ状に配置される。例えば図１（Ａ）では、第１の方向はＤ１に示す方向であり、複数のフォトセンサー部３１〜３４が光源部１１０の周囲でなく、ある特定の方向Ｄ１側に配置される。
【００６４】
また、図２で後述するように、複数のフォトセンサー部３１〜３４が、観察対象に対向する対向面に対する平面視において、光源部１１０の周囲に配置されてもよい。
【００６５】
また、図３、図４で後述するように、光源部１１０が、観察対象に対向する対向面に対する平面視において、複数のフォトセンサー部３１〜３４の周囲に配置されてもよい。例えば、図３に示すように、光源部１１０が複数の光源１１１〜１１４を含み、複数の光源１１１〜１１４が複数のフォトセンサー部３１〜３４の周囲に配置されてもよい。あるいは、図４に示すように、光源部１１０が１つの光源により構成され、その１つの光源が複数のフォトセンサー部３１〜３４を囲むように配置されてもよい。
【００６６】
これらの実施形態によれば、光源部１１０と分光センサー１００をコンパクトに配置でき、分光センサー装置の小型化を図ることができる。また、光源部１１０を複数のフォトセンサー部３１〜３４の周囲に配置した場合には、分光センサー１００を外光からより遠ざけることができるため、外光によるＳ／Ｎ劣化を抑止できる。
【００６７】
２．変形例
上記でも触れたように、本実施形態の分光センサー装置は種々の変形構成が可能である。図２（Ａ）〜図５を用いて、この分光センサー装置の種々の変形例について説明する。
【００６８】
図２（Ａ）、図２（Ｂ）に、光源部の周囲にフォトダイオードが配置される分光センサー装置の第１の変形例を示す。この分光センサー装置は、分光センサー１００、光源部１１０、遮光部材１２１、１２２を含む。
【００６９】
図２（Ａ）は、観察対象に対向する対向面の平面視図である。図２（Ａ）に示すように、光源部１１０の周囲を囲むように遮光部材１２１が設置され、その遮光部材１２１の外側に複数のフォトダイオード３１〜３４が配置される。例えば、フォトダイオード３１〜３４は、光源部１１０の第１〜第４の方向Ｄ１〜Ｄ４側に配置される。ここで、対向面に対する平面視において、Ｄ２はＤ１に直交する方向であり、Ｄ３はＤ１の反対方向であり、Ｄ４はＤ２の反対方向である。そして、フォトダイオード３１〜３４の周囲には、外光を遮光するための遮光部材１２２が設置される。
【００７０】
図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す分光センサー装置のＣＣ断面図である。図２（Ｂ）に示すように、光源部１１０と遮光部材１２１は、フォトダイオード３１〜３４が形成される半導体基板１０上に設置（スタック）される。光源部１１０が設置された半導体基板１０上の領域には、例えば光源１１０用のドライバー回路やフォトダイオード３１〜３４用の検出回路が形成される。ここで、半導体基板１０上とは、半導体基板１０の平面に垂直な方向であり、フォトダイオード３１〜３４や光バンドパスフィルター６１〜６４等が形成される側の方向である。
【００７１】
図３に、分光センサー１００の周囲に複数の光源が配置される分光センサー装置の第２の変形例を示す。この分光センサー装置は、分光センサー１００、第１〜第４の光源１１１〜１１４（広義には複数の光源）、遮光部材１２０を含む。
【００７２】
図３に示すように、分光センサー１００の周囲を囲むように遮光部材１２０が設置され、その遮光部材１２０の外側に光源１１１〜１１４が配置される。例えば、光源１１１〜１１４は、分光センサー１００の第１〜第４の方向Ｄ１〜Ｄ４側に配置される。例えば、光バンドパスフィルター６１〜６４の各透過波長が可視光に含まれる場合、この光源１１１〜１１４は白色光を観察対象に対して照射する。あるいは、光源１１１〜１１４は、それぞれ光バンドパスフィルター６１〜６４の透過波長に対応する異なる波長帯域の光を照射してもよい。
【００７３】
図４に、分光センサー１００の周囲を１つの光源が囲む分光センサー装置の第３の変形例を示す。この分光センサー装置は、分光センサー１００、光源部１１０、遮光部材１２０を含む。
【００７４】
図４に示すように、分光センサー１００の周囲を囲むように遮光部材１２０が設置され、その遮光部材１２０の外側を囲む四角形や円形等の１つながりの光源１１０が配置される。この光源１１０は、例えば白色光を照射するＥＬ（Electro-Luminescence）等により実現され、ＥＬ用基板１５０上に形成される。分光センサー１００は、例えばこのＥＬ基板上にスタックして配置される。
【００７５】
図５に、観察対象の透過光を分光測定する分光センサー装置の第４の変形例を示す。この分光センサー装置は、分光センサー１００、光源部１１０、遮光部材１２０、表示パネル１３０、操作入力部１４０を含む。
【００７６】
図５に示すように、光源部１１０と分光センサー１００は、分光センサー装置の使用時において観察対象を挟んで対向して設置される。すなわち、光源部１１０が観察対象に対して照明光を照射し、観察対象を透過した照明光が分光センサー１００に入射し、光バンドパスフィルター６１、６３が透過光を分光し、フォトダイオード（図示省略）が分光後の透過光をセンシングする。
【００７７】
３．分光センサーの第１の詳細な構成例
上述のように、連続スペクトルではなく、特定の測定波長のみを測定する分光センサーを用いることで、分光センサー装置の小型化を図ることができる。しかしながら、分光センサー自体の大きさにより分光センサー装置の大きさが制約されるという課題がある。
【００７８】
しかしながら、分光センサーの波長選択性の向上という課題がある。例えば、後述のように、本実施形態の分光センサーには、光バンドパスフィルターの透過波長帯域を制限するための角度制限フィルターが設けられる。このとき、その角度制限フィルターや光バンドパスフィルターを部材で構成すると、部材の接着面で光が拡散減衰するため、波長選択性が低下してしまう。
【００７９】
また、例えば、上述の特許文献１には、光ファイバーにより入射光の入射角度を制限することでフィルターの透過波長帯域を制限する手法が開示されている。しかしながら、この手法では、帯域を狭くするために光ファイバーの開口数を小さくすると、入射光の透過率が低下、波長選択性が低下してしまう。
【００８０】
また、分光センサーの製造プロセスの簡素化という課題がある。例えば、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る手法が開示されている。しかしながら、この手法では、膜厚毎に別個の多層膜形成工程が必要となるため、多層膜の形成工程が煩雑となってしまう。
【００８１】
そこで、本実施形態では、半導体プロセスにより角度制限フィルターや光バンドパスフィルターを形成することで、簡素な製造プロセスにより分光センサーの小型化を実現する。
【００８２】
図６、図７を用いて分光センサーの第１の詳細な構成例について説明する。なお以下では、簡単のために分光センサー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。
【００８３】
図６には、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６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６では、簡単のために図示を省略する。
【００８４】
図６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。
【００８５】
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。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、回路２０や角度制限フィルター４１等が形成される側の方向を表す。
【００８６】
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。
【００８７】
なお、本実施形態の分光センサーは図６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。
【００８８】
図７に、分光センサーの断面図を示す。図７は、図６に示すＤＤ断面における断面図である。図７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。
【００８９】
図７に示すように、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。
【００９０】
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（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、例えばアルミ（光反射物質）配線層等の導電層とタングステン（光吸収物質）プラグ等の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の底辺の長さ（例えば底面の最長対角線や、長径）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１２（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。
【００９１】
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。
【００９２】
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６０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。
【００９３】
さて上述のように、分光センサー装置の小型化のために、分光センサーの小型化を図る必要があるという課題がある。また、分光センサーの波長選択性の向上や、製造プロセスの簡素化という課題がある。
【００９４】
この点、本実施形態によれば、分光センサーは、フォトダイオードの受光領域（受光面）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４１、４２を含む。そして、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（例えば、光吸収物質または光反射物質）によって形成される。
【００９５】
これにより、分光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、分光センサーの小型化等が可能になる。すなわち、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、製造プロセスの簡素化を図ることができる。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できる。また、部材の接着による透過光の減少も抑制できる。そのため、光量の確保が容易になり、制限角度を小さくして透過波長帯域をより小さくできる。
【００９６】
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。
【００９７】
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６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７において、角度制限フィルター４１、４２を形成する遮光物質（例えば、光吸収物質または光反射物質）に囲まれた領域（例えば、領域ＬＲＡ）である。
【００９８】
また、本実施形態では、角度制限フィルター４１、４２は、半導体基板１０上に形成される他の回路２０の配線層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、回路２０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、アルミスパッタリングによるアルミ（広義には光反射物質）配線層形成や、ＳｉＯ２デポジションによる絶縁膜形成、タングステン（広義には光吸収物質）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。
【００９９】
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。
【０１００】
なお、角度制限フィルター４１、４２は、アルミ（光反射物質）配線層、タングステン
（光吸収物質）コンタクトに限らず、タングステン等の光吸収物質から成る配線層、アルミ等の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。
【０１０１】
また、角度制限フィルター４１、４２は、アルミ（光反射物質）配線層、タングステン（光吸収物質）コンタクトに限らず、光吸収物質である窒化チタン（ＴｉＮ）等の膜付きのアルミ（光反射物質）配線層、タングステン（光吸収物質）コンタクトにより形成されてもよい。アルミ（光反射物質）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ため、遮光性をより高めることができる。
【０１０２】
また、本実施形態では、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てもよい。すなわち、アルミ（光反射物質）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(光吸収物質)プラグ等の導電性プラグのみにより形成されてもよい。なお、角度制限フィルター４１、４２は、タングステンプラグに限らず、アルミや、ポリシリコン等の他の導電性プラグにより形成されてもよい。
【０１０３】
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。
【０１０４】
ここで、上記の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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
また、本実施形態では、角度制限フィルター４１、４２は、半導体基板１０に対する平面視において、フォトダイオード３１、３２の受光領域の外周に沿って形成される。具体的には、フォトダイオード３１、３２用の不純物領域がそれぞれ１つの受光領域であり、その不純物領域の外周を囲むそれぞれ１つの角度制限フィルターが形成される。あるいは、フォトダイオード３１、３２用の不純物領域に複数の受光領域が設定され、その複数の受光領域の外周に沿って複数の開口が形成されてもよい。例えば図６に示すように、平面視において正方形の遮光物質が各受光領域を囲み、その正方形が格子状に配列されることで角度制限フィルター４１、４２が形成される。
【０１０８】
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。
【０１０９】
このようにすれば、角度制限フィルター４１、４２が、フォトダイオード３１、３２の各受光領域の外周に沿って形成されることで、フォトダイオード３１、３２の各受光領域に対する入射光の入射角度を制限できる。
【０１１０】
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７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、図１０で後述するように、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（例えばθ１）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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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（同時、１回の）薄膜形成工程で形成することをいう。
【０１１３】
また、本実施形態では、分光センサーは、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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
具体的には、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１４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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
４．分光センサーの変形例
上記実施形態では、傾斜構造体５０を半導体プロセスにより形成する構成例について説明したが、本実施形態では、種々の変形実施が可能である。
【０１２０】
図８には、傾斜構造体５０を別部材で形成して貼り合わせる分光センサーの第１の変形例を示す。図８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、光バンドパスフィルター６１、６２、絶縁層７０、接着層８０を含む。なお以下では、図７等で上述した構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【０１２１】
この第１の変形例では、角度制限フィルター４１、４２までを上述の構成例と同様に半導体プロセスにより形成する。角度制限フィルター４１、４２の上には、絶縁層７０（またはパッシベーション層）を積層する。この絶縁層７０は、必ずしも絶縁膜である必要はなく、センシングする波長を透過する透明膜であればよい。傾斜構造体５０は、低融点ガラス等の別部材を金型により加熱プレスすることで形成され、傾斜面と多層薄膜が形成される。傾斜構造体５０と絶縁層７０は、センシングする波長を透過する透明な接着剤により貼り付けされる。
【０１２２】
図９には、傾斜構造体５０を用いず、半導体基板１０に平行な多層薄膜を形成する分光センサーの第２の変形例を示す。図９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、光バンドパスフィルター６１、６２、絶縁層７０を含む。
【０１２３】
この第２の変形例では、角度制限フィルター４１、４２までを上述の構成例と同様に半導体プロセスにより形成し、角度制限フィルター４１、４２の上に絶縁層７０を積層する。そして、絶縁層７０の上に光バンドパスフィルター６１、６２の多層薄膜を形成する。この多層薄膜は、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長に応じて膜厚が異なり、別々の形成工程により積層される。すなわち、光バンドパスフィルター６１、６２の一方を形成する際には、他方をフォトレジスト等で覆って多層膜を積層することで、異なる膜厚の多層薄膜を形成する。
【０１２４】
図１０には、フォトダイオード用の不純物領域をトレンチにより区切る分光センサーの第３の変形例を示す。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、光バンドパスフィルター６１〜６３、絶縁層７０を含む。なお、フォトダイオード３２はフォトダイオード３１と同様のため図示及び説明を省略する。
【０１２５】
この第３の変形例では、フォトダイオード３１の不純物領域がトレンチ９０により区切られ、フォトダイオード３１−１〜３１−３が形成される。トレンチ９０は、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）等の絶縁体トレンチ構造により形成される。傾斜構造体５０には傾斜角度θ１〜θ３の傾斜面が形成され、各傾斜面はそれぞれフォトダイオード３１−１〜３１−３に対応する。そして、各フォトダイオード３１−１〜３１−３の上に、傾斜角度の異なる光バンドパスフィルター６１〜６３がそれぞれ形成される。
【０１２６】
なお図１０では、１つの光バンドパスフィルターが、トレンチ構造で区切られた１つのフォトダイオード（１つの領域）の上に設けられるが、本実施形態では、１つの光バンドパスフィルターが、トレンチ構造で区切られた複数のフォトダイオード（複数の領域）の上に設けられてもよい。
【０１２７】
図１１には、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ：Micro-Lens Array）により入射光量を増加させる分光センサーの第４の変形例を示す。図１１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、光バンドパスフィルター６１、６２、絶縁層７０、マイクロレンズアレイ９５を含む。なお、フォトダイオード３２はフォトダイオード３１と同様のため図示及び説明を省略する。
【０１２８】
この第４の変形例では、角度制限フィルター４１の各開口にマイクロレンズを形成し、これらの複数のマイクロレンズによりマイクロレンズアレイ９５が構成される。このマイクロレンズアレイ９５は、例えば角度制限フィルター４１形成後にフォトリソグラフィーによりパターンを形成し、ＳｉＯ２膜をエッチングし、ＳｉＯ２よりも高屈折率の物質をデポジションすることで形成される。
【０１２９】
５．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１２（Ａ）、図１２（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、以下では多層薄膜６１、６２の膜厚が同じ場合を例に説明するが、本実施形態では、多層薄膜６１、６２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、多層薄膜６１、６２の膜厚がｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２に比例してもよい。
【０１３０】
図１２（Ａ）に示すように、多層薄膜６１、６２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１２（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１２（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。
【０１３１】
多層薄膜６１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、多層薄膜６１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、多層薄膜６１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、多層薄膜６２に対してθ２−Δθ〜θ２＋Δθで入射する光線が到達する。
【０１３２】
図１２（Ｂ）に示すように、多層薄膜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。多層薄膜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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
以上では、図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、光源部１１０と分光センサー１００との間に遮光部材１２０を設け、光源部１１０から分光センサー１００に観察対象を介さずに入射する光を遮光する場合について述べた。しかしながら、観測対象物が動的な場合、観測対象と遮光部材１２０との間に間隙が生じ、光源部１１０からの観察対象を介さない光が僅かに分光センサー１００へ入射する場合がある。この場合、観察対象を介さない光の入射角は比較的深い角度となる（例えば、入射角＞３０°）。
【０１３６】
上述のように、角度制限フィルター４１、４２は分光フィルター１００の入射角度を２０°〜３０°以下に制限するので、観測対象物が動的な場合に光源部１１０から分光フィルター１００に観察対象を介さずに入射する光を排除できる。また、光源部１１０からの光だけでなく、観測対象物が動的な場合に、観測対象と遮光部材１２０との間に生じた間隙から入射する他の光（例えば、太陽、蛍光灯等。外光）についても同じ効果を有する。角度センサー４１、４２には、これらのような付加的効果もある。
【０１３７】
６．分光センサーの第１の製造方法
図１３〜図１５を用いて、上記第１の詳細な構成例の分光センサーの製造方法例について説明する。
【０１３８】
まず図１３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。
【０１３９】
次にＳ３に示すように、コンタクトを形成する。この形成工程では、まず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。次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。そして、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。次に、Ｓ４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。
【０１４０】
次にＳ５に示すように、上記Ｓ３、Ｓ４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。そして、このＳ５の工程を必要回数繰り返す。図１３には、第３ＡＬ配線まで形成した場合を図示する。次にＳ６に示すように、ＳｉＯ２のデポジション（点線により図示）、ＣＭＰによる平坦化の工程により、絶縁膜を形成する。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配線とタングステンプラグが積層される。
【０１４１】
次に図１４のＳ７に示すように、ＳｉＯ２のデポジション、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、絶縁膜（点線により図示）の段差Ｓ７’または粗密パターンＳ７”を形成する。
【０１４２】
次にＳ８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。
【０１４３】
次に図１５のＳ９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ＴｉＯ２膜よりも低屈折率の薄膜である。
【０１４４】
７．分光センサーの第２の詳細な構成例
上記実施形態では、配線層により角度制限フィルターを形成する場合について説明したが、本実施形態では、シリコントレンチにより半導体基板の裏面に角度制限フィルターを形成してもよい。
【０１４５】
図１６（Ａ）〜図１７を用いて、この分光センサーの第２の詳細な構成例について説明する。なお以下では、簡単のために本実施形態の分光センサー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。
【０１４６】
図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）には、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１６（Ａ）、図１６（Ｂ）に示す分光センサーは、半導体基板１０、回路２０、第１、第２のフォトダイオード３１、３２、第１、第２の角度制限フィルター４１、４２を含む。なお後述のように、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１６（Ａ）、図１６（Ｂ）では、簡単のために図示を省略する。
【０１４７】
図１６（Ａ）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、不純物領域や配線層等が形成される表面側から見た平面視図である。半導体基板１０の表面側には、フォトダイオード３１、３２や回路２０が半導体プロセスにより形成される。
【０１４８】
図１６（Ｂ）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、裏面側から見た平面視図である。半導体基板１０の裏面には、表面側に形成されたフォトダイオード３１、３２に向かって、シリコントレンチにより角度制限フィルター４１、４２が形成される。この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に対して半導体基板１０の裏面側から入射する入射光の入射角度を制限する。
【０１４９】
ここで、シリコントレンチとは、半導体プロセスまたはＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System）技術により半導体基板１０を掘削する手法である。例えば、シリコン基板に対するドライエッチングにより穴や溝、段差等を形成する手法である。
【０１５０】
なお、本実施形態の分光センサーは図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）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。
【０１５１】
図１７に、図１６（Ｂ）に示すＥＥ断面における分光センサーの断面図を示す。図１７に示す分光センサーは、半導体基板１０、配線層１５、遮光物質２５、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、第１、第２の光バンドパスフィルター６１、６２、絶縁層７０（広義には透明膜）を含む。
【０１５２】
ここで、本実施形態で言う「上」とは、半導体基板１０の平面に垂直な方向であり、半導体基板１０から離れていく方向である。すなわち、裏面側においても、半導体基板１０から離れていく方向を上とする。
【０１５３】
図１７に示すように、半導体基板１０の表面側にはフォトダイオード３１、３２が形成される。このフォトダイオード３１、３２は、イオン注入等によりＰ型とＮ型の不純物領域が形成されることで形成され、その不純物領域のＰＮ接合により実現される。
【０１５４】
フォトダイオード３１、３２の上には、配線層１５が形成される。この配線層１５は、上述の回路２０等の形成工程により積層されたものである。フォトダイオード３１、３２からの出力信号は、この配線層１５内の配線によって上述の回路２０等に入力され、検出処理される。
【０１５５】
半導体基板１０の裏面側には、角度制限フィルター４１、４２が形成される。この角度制限フィルター４１、４２は、シリコントレンチにより残った半導体基板１０により形成される。シリコントレンチにより掘られた穴の側面（壁面）と、半導体基板１０の裏面には、遮光物質（光吸収物質または光反射物質）が配される（形成される、積層される）。一方、フォトダイオードの受光面である穴の底面には、遮光物質が配されない。そして、シリコントレンチにより掘られた穴の壁面が角度制限フィルター４１、４２の壁面となり、制限角度以上の入射光がフォトダイオード３１、３２に入射しないように遮光する。角度制限フィルター４１、４２のアスペクト比は、透過波長帯域（例えば図１２（Ｂ）で上述のＢＷ１、ＢＷ２）に応じて設定される。
【０１５６】
角度制限フィルター４１、４２の上には、角度制限フィルター４１、４２の開口部（中空部）を充填する絶縁膜７０が形成される。例えば、絶縁膜７０は、ＳｉＯ２（シリコン酸化膜）等の絶縁膜により形成される。なお、絶縁膜７０は、必ずしも絶縁性を有する必要はなく、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であればよい。
【０１５７】
絶縁膜７０の上には、傾斜構造体５０が形成される。この傾斜構造体５０は、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長に応じて傾斜角θ１、θ２の傾斜面を有する。傾斜構造体５０の上には、光バンドパスフィルター６１、６２を形成する多層薄膜６０が積層される。この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の制限角度により決まる。
【０１５８】
なお、この第２の詳細な構成例にも上述の第１〜第４の変形例を適用可能である。すなわち、傾斜構造体５０を低融点ガラス等で形成して角度制限フィルター４１、４２の上に貼り付けてもよい。また、半導体基板１０に平行な多層薄膜を透過波長毎に形成してもよい。また、フォトダイオード３１、３２をＳＴＩにより複数のフォトダイオードに区切ってもよい。また、受光量を増加するためのＭＬＡを角度制限フィルター４１、４２の開口に設けてもよい。
【０１５９】
上記第２の詳細な構成例によれば、角度制限フィルター４１、４２は、半導体基板１０の裏面側からフォトダイオード３１、３２用の不純物領域に対して、裏面側面及び壁面に遮光物質（光吸収膜または光反射膜または光吸収膜＋光反射膜）を配する受光用の穴を形成することにより形成される。
【０１６０】
これにより、分光センサーを半導体プロセスやＭＥＭＳ技術を利用して構成できるため、分光センサーの小型化等が可能になる。すなわち、フォトダイオード３１、３２を半導体プロセスにより形成し、角度制限フィルター４１、４２を半導体基板１０の裏面掘削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。
【０１６１】
また、本実施形態では、角度制限フィルター４１、４２は、半導体基板１０に対する平面視において、フォトダイオード３１、３２の受光領域（例えば図１７に示す領域ＬＲＡ）の外周に沿って形成される。具体的には、フォトダイオード３１、３２用の不純物領域に複数の受光領域が設定され、その複数の受光領域の外周に沿って複数の開口が形成される。例えば図１６に示すように、平面視において正方形の遮光物質が各受光領域を囲み、その正方形が格子状に配列されることで角度制限フィルター４１、４２が形成される。
【０１６２】
このようにすれば、角度制限フィルター４１、４２がフォトダイオード３１、３２の各受光領域の外周に沿って形成されることで、フォトダイオード３１、３２の各受光領域に対する入射光の入射角度を制限できる。
【０１６３】
８．分光センサーの第２の製造方法
図１８〜図２０を用いて、第２の詳細な構成例の分光センサーの製造方法例について説明する。
【０１６４】
まず図１８のＳ１０１に示すように、図１３のＳ１〜Ｓ６で上述の工程により、基板の表面側にフォトダイオードと配線層を形成する。そして、Ｓ１０２に示すように、ポリイミド塗布、キュアの工程により、絶縁膜の上に保護膜（パシベーション）を形成する。
【０１６５】
次にＳ１０３に示すように、Ｐ型シリコン基板の裏面を研削してＰ型シリコン基板の厚さを調整する。そして、Ｓ１０４に示すように、フォトリソグラフィー、Ｐ型シリコン基板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、シリコントレンチを形成する。
【０１６６】
次に、Ｓ１０５に示すように、ＴｉＮ膜のデポジション、ＴｉＮ膜の異方性ドライエッチングの工程により、シリコントレンチの側面（内壁）と半導体基板の裏面にＴｉＮの光吸収膜（反射防止膜）を形成する。そして、Ｓ１０６に示すように、ＳｉＯ２膜のデポジション（点線により図示）、ＣＭＰによるＳｉＯ２膜の平坦化の工程により、シリコントレンチの埋め込みを行う。このように上記Ｓ１０３〜Ｓ１０６の工程により角度制限フィルターが形成される。
【０１６７】
次に図１９のＳ１０７に示すように、ＳｉＯ２膜のデポジション、フォトリソグラフィー、ＳｉＯ２膜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、絶縁膜の段差または粗密パターンを形成する。そして、Ｓ１０８に示すように、ＣＭＰによるＳｉＯ２膜の研磨の工程により、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。
【０１６８】
次に図２０のＳ１０９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ＴｉＯ２膜よりも低屈折率の薄膜である。
【０１６９】
９．電子機器
図２１に、本実施形態の分光センサー装置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。
【０１７０】
図２１に示す電子機器は、分光センサー装置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。分光センサー装置９００は、ＬＥＤ９５０（光源）、ＬＥＤドライバー９６０、分光センサー９１０を含む。分光センサー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。
【０１７１】
ＬＥＤ９５０は、例えば白色光を観察対象に照射する。分光センサー装置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、分光センサー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。
【０１７２】
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（フォトセンサー、薄膜フィルター、半導体基板等）と共に記載された用語（フォトダイオード、光バンドパスフィルター、シリコン基板等）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、分光センサー、分光センサー装置、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】
【０１７３】
１０ 半導体基板、２０ 回路、３１，３２ フォトダイオード、
４１，４２ 角度制限フィルター、５０ 傾斜構造体、６０ 多層薄膜、
６１，６２ 光バンドパスフィルター、７０ 絶縁層、８０ 接着層、
９０ トレンチ、９５ マイクロレンズアレイ、
１００ 分光センサー、１１０ 光源部、１１１〜１１４ 複数の光源、
１２０ 遮光部材、１３０ 表示パネル、１４０ 操作入力部、１５０ ＥＬ用基板、
９００ 分光センサー装置、９１０ 分光センサー、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、ＬＲＡ 受光領域、θ１，θ２ 傾斜角度、
λ１，λ２透過波長
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象となる複数の波長を含む波長帯域の光を照射する光源部と、
前記光源部からの光を観察対象に照射することで得られる光が入射される分光センサーと、
を含み、
前記分光センサーは、
透過波長が異なる複数の光バンドパスフィルターと、
複数のフォトセンサー部と、
を有し、
前記複数の光バンドパスフィルターのうちの第１の光バンドパスフィルターは、
第１の特定波長を透過する波長特性を有し、
前記複数の光バンドパスフィルターのうちの第２の光バンドパスフィルターは、
前記第１の特定波長とは異なる第２の特定波長を透過する波長特性を有し、
前記複数のフォトセンサーのうちの第１のフォトセンサーは、
前記第１の光バンドパスフィルターを透過した前記第１の特定波長の光をセンシングし、
前記複数のフォトセンサーのうちの第２のフォトセンサーは、
前記第２の光バンドパスフィルターを透過した前記第２の特定波長の光をセンシングすることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記光源部からの光を観察対象に照射することで得られる反射光が前記分光センサーに入射する場合に、前記光源部から前記観察対象を介さずに前記分光センサーに入射する光を遮光する遮光部材を含むことを特徴とする分光センサー装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記光源部は、
前記観察対象に対向する対向面を横切るように光を照射し、
前記分光センサーは、
前記対向面を横切って入射する光を受光し、
前記遮光部材は、
前記光源部と前記分光センサーとの間に設けられることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記複数のフォトセンサー部は、
前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記光源部の第１の方向側においてアレイ状に配置されることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記複数のフォトセンサー部は、
前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記光源部の周囲に配置されることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記光源部は、
前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記複数のフォトセンサー部の周囲に配置されることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項７】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記光源部は、
複数の光源を含み、
前記複数の光源は、
前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記複数のフォトセンサー部の周囲に配置されることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかにおいて、
前記複数のフォトセンサー部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むことを特徴とする分光センサー装置。
【請求項９】
請求項８において、
前記角度制限フィルターは、
前記複数のフォトセンサー部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分光センサー装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記角度制限フィルターは、
前記半導体基板上に形成される他の回路の配線層形成工程により形成されることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項１１】
請求項９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分光センサー装置。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれかにおいて、
前記角度制限フィルターを形成する前記遮光物質は、
光吸収物質または光反射物質であることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項１３】
請求項８において、
前記角度制限フィルターは、
前記複数のフォトセンサー部用の不純物領域が形成される面が前記半導体基板の表面である場合に、前記半導体基板の裏面側から前記複数のフォトセンサー部用の不純物領域に対して受光用の穴を形成することによって残存する前記半導体基板により形成されることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項１４】
請求項１３において、
前記受光用の穴を形成することによって残存する前記半導体基板の裏面と、前記受光用の穴の側面に、遮光物質が配されることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項１５】
請求項１４において、
前記遮光物質は、
光吸収物質または光反射物質であることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれかにおいて、
前記複数の光バンドパスフィルターは、
前記半導体基板に対して、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分光センサー装置。
【請求項１７】
請求項１６において、
前記角度制限フィルターの上に設けられた傾斜構造体を含み、
前記傾斜構造体は、
前記半導体基板に対して、前記複数の光バンドパスフィルターの透過波長に応じた角度で傾斜する傾斜面を有し、
前記多層薄膜は、
前記傾斜面の上に形成されることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれかに記載された分光センサー装置を含むことを特徴とする電子機器。
【請求項１】
検出対象となる複数の波長を含む波長帯域の光を照射する光源部と、
前記光源部からの光を観察対象に照射することで得られる光が入射される分光センサーと、
を含み、
前記分光センサーは、
透過波長が異なる複数の光バンドパスフィルターと、
複数のフォトセンサー部と、
を有し、
前記複数の光バンドパスフィルターのうちの第１の光バンドパスフィルターは、
第１の特定波長を透過する波長特性を有し、
前記複数の光バンドパスフィルターのうちの第２の光バンドパスフィルターは、
前記第１の特定波長とは異なる第２の特定波長を透過する波長特性を有し、
前記複数のフォトセンサーのうちの第１のフォトセンサーは、
前記第１の光バンドパスフィルターを透過した前記第１の特定波長の光をセンシングし、
前記複数のフォトセンサーのうちの第２のフォトセンサーは、
前記第２の光バンドパスフィルターを透過した前記第２の特定波長の光をセンシングすることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記光源部からの光を観察対象に照射することで得られる反射光が前記分光センサーに入射する場合に、前記光源部から前記観察対象を介さずに前記分光センサーに入射する光を遮光する遮光部材を含むことを特徴とする分光センサー装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記光源部は、
前記観察対象に対向する対向面を横切るように光を照射し、
前記分光センサーは、
前記対向面を横切って入射する光を受光し、
前記遮光部材は、
前記光源部と前記分光センサーとの間に設けられることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記複数のフォトセンサー部は、
前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記光源部の第１の方向側においてアレイ状に配置されることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記複数のフォトセンサー部は、
前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記光源部の周囲に配置されることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記光源部は、
前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記複数のフォトセンサー部の周囲に配置されることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項７】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記光源部は、
複数の光源を含み、
前記複数の光源は、
前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記複数のフォトセンサー部の周囲に配置されることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかにおいて、
前記複数のフォトセンサー部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むことを特徴とする分光センサー装置。
【請求項９】
請求項８において、
前記角度制限フィルターは、
前記複数のフォトセンサー部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分光センサー装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記角度制限フィルターは、
前記半導体基板上に形成される他の回路の配線層形成工程により形成されることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項１１】
請求項９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分光センサー装置。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれかにおいて、
前記角度制限フィルターを形成する前記遮光物質は、
光吸収物質または光反射物質であることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項１３】
請求項８において、
前記角度制限フィルターは、
前記複数のフォトセンサー部用の不純物領域が形成される面が前記半導体基板の表面である場合に、前記半導体基板の裏面側から前記複数のフォトセンサー部用の不純物領域に対して受光用の穴を形成することによって残存する前記半導体基板により形成されることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項１４】
請求項１３において、
前記受光用の穴を形成することによって残存する前記半導体基板の裏面と、前記受光用の穴の側面に、遮光物質が配されることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項１５】
請求項１４において、
前記遮光物質は、
光吸収物質または光反射物質であることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれかにおいて、
前記複数の光バンドパスフィルターは、
前記半導体基板に対して、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分光センサー装置。
【請求項１７】
請求項１６において、
前記角度制限フィルターの上に設けられた傾斜構造体を含み、
前記傾斜構造体は、
前記半導体基板に対して、前記複数の光バンドパスフィルターの透過波長に応じた角度で傾斜する傾斜面を有し、
前記多層薄膜は、
前記傾斜面の上に形成されることを特徴とする分光センサー装置。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれかに記載された分光センサー装置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１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【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１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１１−１８５６３４（Ｐ２０１１−１８５６３４Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４８８４８（Ｐ２０１０−４８８４８）
【出願日】平成２２年３月５日（２０１０．３．５）
【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２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月５日（２０１０．３．５）
【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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