JP2002511946A

JP2002511946A - 小型光音響分光計

Info

Publication number: JP2002511946A
Application number: JP51863599A
Authority: JP
Inventors: ジュールダン，アン; ビース，クロード; ボノ，ヒューバート; コンスタンティン，オリヴィエ
Original assignee: コミツサリアタレネルジーアトミーク
Priority date: 1997-09-19
Filing date: 1998-09-18
Publication date: 2002-04-16
Also published as: FR2768813A1; EP0939893A1; US6344647B1; WO1999015879A1; FR2768813B1

Abstract

(57)【要約】本発明の１つの目標は、第１の半導体基板（４）に組み込まれた赤外線源（４，１８）と第２の半導体基板（６）の助けを借りて組み込まれたフィルターと第３の半導体基板に形成されたマイクロトラフ（１２）と前記第３の半導体基板および第４の半導体基板（１０）の助けを借りて組み込まれたマイクロフォン（１４，３４，３８）と、を有する光音響分光計である。

Description

【発明の詳細な説明】小型光音響分光計技術分野と先行技術本発明は、例えば気体分析用に使用される光音響分光計装置に関するものであり、特には、小型光音響分光計に関するものである。この装置は、マイクロエレクトロニクスで使用されるタイプの基板エッチング、金属蒸着、および基板アセンブリ技術により組み込むことが可能な基礎コンポーネントのスタックにより組み込まれるものである。気体分析用の音響分光法の原理は、“The Bruel Kjaer Photoacoustic Transd ucer System and its Physical Properties.”のタイトルでJ.Christensenによって雑誌で議論された。この中で記述された装置は、赤外線高温源と、この線源の強度を変調する機械的チョッパーと、干渉光学フィルターと、円筒形トラフと、２つの整合したマイクロフォンと、を備え、これらのマイクロフォンから発生した信号を集めることにより光音響信号を二倍にしかつ外部振動体によるノイズをゼロを除去することが可能である。この装置においては、線源は気体の熱を避けるためにトラフから離れて配置されている。そのため、線源に結合された楕円ミラーを使用することにより光ビームの適切なコリメーションを得ることが可能になる。国際特許出願公開第96/24831号公報は、測定される気体を収容するチャンバーと、このチャンバーを通過することができる赤外線ビームと、赤外線ビームにより誘起されたチャンバー内の圧力変動の測定することができる圧力センサーとを有する光音響検出器が示されている。チャンバーは、ブレナ技術により組み込まれる２つの半導体部材、例えばシリコンあるいは石英部材のようなもののアセンブリにより形成される。圧力の変動は膜により検出される。全部材（照射源、フィルター、トラフ、マイクロフォン）を小型に集積した縮小サイズの光音響分光計の完成は知られていない。発明の開示本発明の目的は、電気的に変調することが可能な赤外線源と干渉フィルターとマイクロフォンとマイクロ−トラフとを備えた光音響分光計であり、これらの部材は全て、例えばシリコンから成る１つの半導体基板上に、あるいは少なくとも１つの半導体基板上に、あるいは少なくともに１つの半導体基板の助けを借りて集積される。故に本発明の目的は、半導体基板上に集積された４つの部材、すなわち電気的に変調可能な赤外線源と干渉光学ファイバーとマイクロトラフとマイクロフォンとを組立ることあるいは密閉することによって得られる光音響分光計である。本発明による分光計を成す個々の部材は、１つあるいは２つの半導体基板上に集積されうる、あるいはその助けを借りて実現されうる。第一の実施形態によれば、本発明の対象は、第１の半導体基板に組み込まれた赤外線源と、第２の半導体基板の助けを借りて組み込まれたフィルターと、第３の半導体基板に形成されたマイクロトラフと、第３の半導体基板および第４の半導体基板の助けを借りて組み込まれたマイクロフォンと、を備えた光音響分光計である。第二の実施形態によれば、本発明の対象は、第１の半導体基板に組み込まれた赤外線源と、第２の半導体基板および第３の半導体基板の助けを借りて形成されたファブリ −ペロー干渉フィルターと、第３の半導体基板および第４の半導体基板のそれぞれに部分的に組み込まれたマイクロトラフと、第４の半導体基板および第５の半導体基板の助けを借りて組み込まれたマイクロフォンと、を備えた光音響分光計である。第三の特別な実施形態によれば、本発明の対象は、第１の半導体基板に組み込まれた赤外線源と、第１の半導体基板および第２の半導体基板の助けを借りて形成されたファブリ −ペロー干渉フィルターと、第２の半導体基板に組み込まれたマイクロトラフと、第３の半導体基板の表面に組み込まれたマイクロフォンと、を備えた光音響分光計である。第四の特別な実施形態によれば、本発明の対象は、第１の半導体基板に組み込まれた赤外線源と、第１の半導体基板および第２の半導体基板の助けを借りて組み込まれたファブリ−ペロー干渉フィルターと、第２の半導体基板に組み込まれたマイクロトラフおよびマイクロフォンと、を備えた光音響分光計である。本発明による装置においては、ビームの機械的チョッピングを赤外線源における注入電流の直接の電気的変調に置き換えることができる。赤外線源は半導体基板にエッチングされたキャビティ上の膜により支持された金属グリッドあるいは金属フィラメントを有していてもよい。このグリッドあるいはフィラメントは、例えば窒化シリコン、あるいは白金、あるいはタンタル、あるいはチタン、あるいはタングステン、あるいはモリブデン、あるいはクロム、あるいはニッケル、あるいはこれらの合金、あるいは窒化チタンから成るものである。好ましくは、赤外線源はキャビティ内に配置される。このキャビティを真空下に置くことによりさらに、小型化装置において決定的になりうるガス媒体による加熱の問題を回避することが可能になる。干渉フィルターは、フィルター基板となりうる。これはまた、ファブリ−ペロー同調フィルターにもなりうる。これは、第１の固定ミラーと第２の可動ミラーとこれら第１及び第２のミラーとそれぞれ関連する第１及び第２の制御電極とを有し、それらのミラーは静止位置で長さｄの共鳴キャビティの範囲を決めるものであり、前記制御電極間に電圧を印加することにより固定ミラーに対して可動ミラーを変位させ、それにより共鳴キャビティの長さｄを変更するものである。他の実施形態では、ファブリ−ペロー同調式フィルターは、浮動電極に関連する第１のミラーと、第１および第２の制御電極に関わる第２のミラーと、前記第１および第２のミラーにより区切られた長さｄの共鳴キャビティとを有し、前記第１および第２のミラーのうちの一方は固定のもであり他方は可動のものであり、前記の２つの制御電極間に電圧を印加することにより固定ミラーに対して可動ミラーを変位させ、それにより共鳴キャビティの長さｄを変更するものである。この実施形態では、２つのミラーのうちの一方は浮動電極であり、このミラー側にはコンタクト接続が組み込まれていない。故に、このシステムでは、制御電極じ相当するコンタクトによるただひとつのレベルだけがある。ミラーの両レベルでのコンタクト接続は困難でありかつ高ドープ層の局所的なスタックを要するので、装置の組み込みはより容易である。固定及び可動ミラーは、半導体基板の表面のγ/4の位置には多層のスタッキングにより組み込まれうる。可動ミラーは、半導体基板に組み込まれたキャビティ上に位置する膜により組み込まれうる。浮動電極および関連するするミラーは半導体基板の一方の表面に組み込まれうる。制御電極および関連するミラーは半導体基板の他方の表面に組み込まれうる。例えば、可動ミラーは第２の半導体基板にエッチングされた膜から成りうる。制御電極は、それに関連するミラーの反射領域のいずれの側にも形成されうる。言い換えると、このミラーは反射中心領域と制御電極が形成される側面領域を有する。この反射中心領域は、円形形状を有していてもよい。静電引力は、絞りフィルター出力を有することを可能にするこの領域の周辺においてのみ生じるので、制御電極により形成された円形形状は、関連するミラーが可動ならば、可動反射領域の完全に面変位を可能にするものである。制御電極は金属堆積物上に組み込まれてもよい。さらに、電気的なコンタクトは制御電極が形成される基板表面上の制御電極上に直接なされてもよい。好ましくは、制御電極はマイクロトラフの入力絞りをも形成することである。他の態様では、マイクロトラフの壁の一方は、マイクロフォンの膜により形成されている。さらに他の態様は、マイクロフォンが膜とこの膜に関連するあるいはこの膜上に形成された第１の電極と第２の電極とを有していてもよく、マイクロトラフの過剰の圧力は第１と第２の電極とにより形成された空気ギャップのキャパシタンスの変動により検出されることである。さらに他の態様は、マイクロフォンが一方の半導体基板に組み込まれた膜とこの膜に関連した第１の電極と他の半導体基板に組み込まれた第２の電極とを有することである。マイクロトラフの壁の一方がマイクロフォンの膜により形成されると、前記膜はドープされた半導体材料に組み込むことができ、マイクロフォンは対向電極も有する。後者は、ドープされた半導体材料の膜と対向電極とにより形成されたキャパシタンスの変動を計測することにより膜の振動を検出することを可能にする。マイクロフォンの膜は、膜の下にエッチングされた基板の表面に位置してもよい。可変フィルターが膜を有するときは、後者はフィルター膜とマイクロフォン膜の両者として使うことができる。この場合では、フィルターの制御と圧力変動の検出が１つの同じシステムの助けを借りて実施される。フィルターを制御するのと同じ電極は、マイクロトラフに形成された過度の圧力を測定するために使用することができる。すなわち、フィルターとマイクロフォンはまるで結合されようであり、ひとつの共通の膜に押し込まれている。この場合、測定されるガスの吸収あるいは同時に存在する他のガスの吸収によりキャビティ内に寄生光音響信号が発生しないように、キャビティは好ましくは不活性な雰囲気例えばアルゴンガス雰囲気下にあることが望ましい。原理的には、トラフ内に発生した過剰の圧力は十分小さいので、波長が消失しないようにフィルターを調整することができる。しかしながら、さらに、いかなる離調を制限するためにも、膜の自動位置制御の手段を備えることができる。図面の簡単な説明いかなる場合にも、本発明の特徴と利点は、以下の記載に照らしてより明瞭に現れるだろう。この記載は、説明のためのもので限定のないものである実施形態の例に関わるものであり、次のような図面が参照される。図１は、本発明による光音響分光計の第一の実施形態を示している。図２は、本発明による光音響分光計の第二の実施形態を示している。図３は、本発明による光音響分光計の第三の実施形態を示している。図４は、本発明による光音響分光計の第四の実施形態を示している。図５Ａから５Ｋは、本発明による装置の組み込みのステップを示している。図６Ａから６Ｊは、本発明による他の装置の組み込みのステップを示している。本発明の実施形態の詳細な説明第一の実施形態によると、本発明による装置１は真空下にある赤外線源（半導体材料のウェーハあるいは基板２，４）と、標準光学フィルター（半導体材料のウェーハあるいは基板６）と、マイクロトラフ１２（半導体材料のウェーハあるいは基板８）と、容量性マイクロフォン１４（半導体材料のウェーハあるいは基板８，１０）とを備え、それらはトータルで５個の基板内にあり、そのうちの４個は機械加工されたものである。ウェハ２および４（例えば、標準シリコンから成る）は真空下のキャビティ１６，２０に囲繞された赤外線源を形成する。これは、例えば、小さな孔を有し、シリカで被覆された窒化チタンの完全シートであり、窒化シリコン１８により支持される。その膜は、犠牲層（sacrificial layer：樹脂あるいはタングステン（Ｗ））のエッチングによりウェハ４の前面に束縛されず、基板にキャビティ２０を残していく。ウェハ２により形成されたカバーはキャビティ１６がエッチングされたものであるが、そのカバーはシーリング２２が施されたときに、真空下に赤外線源を置くことを可能にする。キャビティ１６の底の金属堆積物２４は、反射手段を形成し、かつ、線源により発せられたほとんど全ての光を回復する事を可能にする。そのカバーの両端における２つの小さなキャビティ２６，２８は、切り込みとともに接触接合領域３０，３２との接触接合を容易にする。線源は例えば２０Ｈｚ近傍に変調されている。シーリング２２は、例えば、真空下の樹脂シーリングである。ウェハ６はフィルターを構成する。最終シーリングが施されたとき、それはシステムに挿入される。トラフ１２は、マイクロフォンの膜３４をエッチングするときに、ウェハ８（これは例えばSOIウェハであり、厚さ0.7μmの二酸化シリコン層と厚さ0.3μmのドープされたシリコンとを備えたものである。標準SOIを使用してもよく、例えば、0.4μmの二酸化シリコン層と厚さ0.2μmのドープされたシリコンとを備えたものである。）に機械加工される。シリカパッド３６の列により、ウェハ８と１０との間の空気ギャップ１４の厚さを制御することが可能になる。最後に２つの対向する面上の金属堆積物は２つの測定電極を構成し、浮動電極は膜３４により形成される。シーリング４０，４２，４４は樹脂シーリングでもよく、外圧と内圧を等しくするための通気口を少なくとも１つ備えている。通気口の直径は、低いカットオフ周波数、典型的には１Ｈｚを有するように計算される。各要素の大きさとしては、線源の膜１８は2ｘ2mm²の表面領域を、そしてマイクロフォンの膜３４は同じサイズを、トラフは2mm程度の幅を、通気口は10μm程度の直径を有するものにすることができる。図２のスタックは、整調可能なフィルターを集積する図１のスタックを繰り返している。図１と同一な数字の参照は、同一あるいは相当する要素を示している。スタックは、６個の半導体基板２，８，１０，５０，５２，５４により得られ、そのうちの３個は真空気密である。ウェハ２（カバーとして働く）と５０は線源を形成し、その線源の膜１８はウェハ５０の後面に束縛されない。ウェハ２および５０は例えば標準シリコン基板である。ウェハ５２は例えばSOIウェハ（例えば、厚さ0.7μmの二酸化シリコン層と厚さ0.3μmのシリコン層）である。それは、整調可能なファブリ−ペローの膜５６に束縛されない後面に対する他のものの間で使用される。厚さγ/2（γは作用波長である）のシリカパッド５８の列により、共鳴キャビティ６０（ファブリ−ペローキャビティ）の幅を制御することが可能である。ウェハ５４の前面の環状金属堆積物６２はフィルターの制御電極を形成し、また、マイクロトラフ６７の入力における絞り関数を提供する。基板５２，５４の面５６，４７は（γ/4に）誘電多層膜の堆積により反射するように形成される。このスタックは、線源とフィルターとの間の光学的経路を自由にする利点を有する。樹脂シーリング２２および６４は好ましくは大気中で組み込まれる。シーリング６６は真空下で線源／ファブリ−ペローアセンブリを配置することを可能にする。真空下でフィルターを配置することは膜５６に良い機械的挙動を与える。ボリューム６７は、ウェハ５４（SOI型（例えば厚さ0.7μmの二酸化シリコン層と厚さ0.3μmのシリコン層）の後面にエッチングされたものであり、例えば、基板の半分以上の深さであり、その口径は無駄なボリュームを最小にするためにフィルターの絞り出力の口径と同一である。マイクロフォン１４はウェハ８と１０に組み込まれる。ボリューム１２のウェハ８の後面へのエッチング（例えば厚さ0.7μmの二酸化シリコン層と厚さ0.3μm のシリコン層）は、ドープされたシリコンの検出膜３４での出入りを自由にし、これによりトラフは基板１つ半程度の深さ（ボリューム６７＋ボリューム１２）を有する。対向するウェハ１０（標準半導体あるいは標準基板）の前面の金属堆積物３８は、マイクロフォンの対向電極を構成し、浮動電極は膜３４により形成されている。空気ギャップ１４の厚さは、フィルター５８に対して使用されるシリカパッド３６と同じ原理で制御される。ウェハ５４，８，１０の樹脂シーリング６８，４４により、内圧と外圧とを等しくするための通気口を提供することができる。ウェハ２，５２，８の側面キャビティ２６，２８により、コンタクトを自由にするための切り込み経路を形成することができる。単純化されたスタックが図３に示されている。図１あるいは図２の数字の符号と同一の符号は同一あるいは相当する要素を示している。ウェハ２と４は、ウェハ４の前面に支持されない窒化シリコン膜１８により支持された真空下での線源を形成する。シーリング２２は真空下での樹脂シーリングである。ウェハ４と７０（SOI型：例えば、厚さ0.7μmの二酸化シリコン層と厚さ0.3μ mのシリコン層）は、同時にフィルターとトラフ７２を形成する。シリカパッド７４は、２つの誘電ミラー７６と７８との間の空気キャビティを形成する。膜７６上の金属堆積物８０は制御電極を形成し、絞り関数を備えることもできる。浮動電極はミラー７８の表面でのドープされたシリコン層により形成されている。キャビティ２６，２８は、切り込み時におけるコンタクト３０，３２，８０，８１，８４，８６をクリアにするためにウェハ２，４，７０の後面にエッチングされたものである。マイクロフォンは、ウェハ７２（SOI型：例えば、標準SOIでは厚さ0.4μmの二酸化シリコン層と厚さ0.2μmのシリコン層；あるいはより厚いものも使用できる）にドープされたシリコン膜８２を自由に出入りする前面により組み込まれている。測定キャパシタンスは膜８２と対向電極（対向電極は二酸化シリコン層をエッチングした後クリアにされた基板７２の表面８５により形成されている）とからコンタクト８４，８６により形成されている。エッチングされた後ろボリューム８８は膜の偏向時の液体圧縮問題を除去する。ウェハ４と７０の樹脂シーリング９０，９２はマイクロフォン上のマイクロトラフを閉塞する。内圧と外圧を等しくする通気口を備えることもできる。最後に、図４に示されたより簡単な解決はフィルターとマイクロフォンとを共通にするものを含んでいる。これは、共通膜７６とトラフ７２とを備えたフィルターとマイクロフォンとを同時に形成するウェハ４と７０（SOI型：例えば、厚さ0.7μmの二酸化シリコン層と厚さ0.3μmのシリコン層）を除いて、前のもの（図３）に類似したスタックである。膜７６上の金属堆積物８０が制御電極と測定電極との両方として、可能ならば絞りとしても使用される。シーリング９０が不活性な雰囲気（例えばアルゴン）の下で組み込まれる。ウェハ７０と１００の最後の樹脂シーリング９２はマイクロトラフを閉塞し、内圧と外圧を等しくするための通気口を備えてもよい。上記のいろいろな実施形態において、孔を有し、シリカで被覆された完全シート状窒化チタン層に参照して、線源が記載されている。本発明による装置の説明文の範囲内で、他の型の線源が組み込まれてもよい。特に、線源は、金属グリッドあるいはフィラメントから成り、膜に支持され、半導体基板にエッチングされたキャビティ上に形成されてとよい。グリッドあるいはフィラメントは、例えば窒化シリコン、あるいは白金、あるいはタンタル、あるいはチタン、あるいはタングステン、あるいはモリブデン、あるいはクロム、あるいはニッケル、あるいはこれらの合金から成るものでもよい。線源は例えば、仏国特許文献ＦＲ-96 11866（1996年9月30日）に記載の小型赤外線源であってもよい。このような線源は、金属材料で成り、電流の作用で赤外線を発する少なくとも１つの自己支持されたマイクロフィラメントを有している。このマイクロフィラメントは、低熱慣性を有し、赤外線の放射周期と同程度であるように十分に薄い厚さの膜の形状を有していてもよい。このマイクロフィラメントは、少なくとも赤外スペクトルの一部をスペクトルに有し、マイクロフィラメントの放射率を改善する材料の少なくとも１つの薄い層で被覆された金属ストリップでできていてもよい。金属材料は、上記の材料のリストから選択することができる。マイクロフィラメントの放射率を改善する材料は、好ましくは、窒化物（例えば、S1₃N₄）、シリサイド（例えば、SiC,SiMo）、酸化物（例えば、SiO₂,Al₂O₃）あるいは臭化物から選択される。全ての場合において、放射線源は干渉フィルターを通過してトラフに到達する（そこでは吸収も生じる）赤外線を発する。マイクロフォンは、トラフでの圧力変動を検出するために配置される。図３および図４に関連した上記実施形態において、使用されたフィルターは静電的に制御された同調式ファブリ−ペロー干渉フィルターである。この構造は、浮動電極に関わる第１の固定ミラー７８を有する。後者は、基板４のドープされた層の形成により構成することができ、ミラーの一体化された一部を形成する：これは誘電ミラーの外側の層である。固定ミラー７９に面して、分光計のＸＸ’に沿って可動な第２のミラー７６がある。この第２のミラーとともに、符号８０で示された２つの関連した制御電極がある。前記電極は、例えば、第２のミラー７６を形成する反射膜の一部の金属化により組み込まれる。２つのミラーは、互いに他方に対して距離ｄで隔てられている。この距離は、ミラー７６，７８により区切られた共鳴キャビティの長さである。２つのミラーは、パッド７４の助けを借りて、図３及び図４の距離ｄで隔てられている。これはブレースあるいはクロスピースによっても達成されうる。図に示されていない手段の助けを借りて、制御電極８０間の電圧の印加により、固定ミラーに対して軸ＸＸ’に沿った可動ミラーの変位を生じさせ、それにより共鳴キャビティの長さを変える。ファブリ−ペローのキャビティの長さｄは次の関係を満足する。２ｎｄ＝ｍλ （１）ここで、ｄは反射面を隔てる長さであり、ｍは整数であり、ｎは２つのミラーの間に位置する媒体の屈折率であり、λは波長である。故にｄにおけるいかなる変動も、干渉計の通過帯域の中心波長における変動を生じる。こうして、形成されたキャビティは、電気的な観点から、制御電極８０と浮動電極７９との間のキャパシタンスＣ₁を形成する。実際、制御電極間の電圧の印加により、空気ギャップのキャパシタンスＣ₁を介して浮動電極７９のポテンシャルを変え、可動ミラー７６は固定ミラーの方向に引かれる。浮動電極は基板７０に組み込むみ（可動ミラー７６と一つにまとめたり、あるいはその上に組み込んだりして）、制御電極は固定ミラーと一つにまとめることができる。各ミラー（固定および可動）に関わる制御電極は、組み込むことも可能である。しかしながら、システムを浮動電極とともに組み込むことは、装置および組み込みの方法を簡略化する接触接合の１つのレベルを避けることを可能にする。図２において、表面で浮動電極（ドープされたシリコン層）を支持するのは膜５６である。図２に関連してすでに上記の型の装置を組み込む方法が、図５Ａから図５Ｋに関連して記載される。第１段階（図５Ａ）は、半導体基板２（好ましくはシリコン製）がエッチングされ、金属堆積物１７はエッチングにより得られた一方のチャンバーの底に組み込まれる。次（図５Ｂ）に、Si₃N₄-SiO₂-TiN堆積物１９が半導体基板５０の第１面に組み込まれる。この堆積物１９はエッチングされる（図５Ｃ）。それから、膜の出入り口が基板の後面に、膜をエッチングすることにより形成される（図５Ｄ）。次（図５Ｅ）に、SiO₂堆積物が“SOI”型ウェハ５２の後面に組み込まれ、パッド５８，６０がこの層にエッチングされる。膜５６を組み込むために、この基板５２が次にエッチングされる。他の“SOI”型基板５４において、制御電極６２を得るためにエッチングされる前面に金属堆積物が組み込まれる（図５Ｇ）。次に基板５４が、マイクロトラフ６６をクリアにするためにエッチングされる（図５Ｈ）。 “SOI”型の第４のウェハ８が、前面の膜３４を組み込むためにエッチングされる（図５１）。金属堆積物３５が、基板８の前面に組み込まれる（図５Ｊ）。 “SOI”型の基板１０では、金属堆積物、例えば金の堆積物が組み込まれ、次にマイクロフォン３８を組み込むためにエッチングされる（図５Ｋ）。次にシリカパッドにより異なるウェハを他に関して調整することが可能になる。樹脂シーリング２２，６４，６６，６８，４４は、図２に示されたスタックを得ることを可能にする。図３及び図４に関連して上記した装置の組み込み方法が、図６Ａから図６Ｊに関連して記載される。最初に、第１段階（図６Ａ）では、キャビティをクリアにするために、半導体材料（望ましくはシリコン）の第１のウェハ２がエッチングされる。１つのキャビティの底では、金属堆積物１７が組み込まれる。それから（図６Ｂ）、Si₃N₄-SiO₂-TiN堆積物１９が“SOI”型基板４の第１後面に組み込まれる。次にこの堆積物に孔がエッチングされる（図６Ｃ）。それから（図６Ｄ）、SiO₂堆積物が、コンタクト支持部を開口するために組み込まれ、かつエッチングされる：これらのコンタクト支持部上の金堆積物によりコンタクト３２の組み込みが可能になる（図６Ｄ）。 SiO₂堆積物が次に、パッド２２をクリアにするために、前面に組み込まれ、次いでエッチングされる（図６Ｅ）。層１８がエッチングされた孔の下の領域がエッチングされることにより、膜１８が開放される（図６Ｆ）。側面のキャビティは反対の基板上に形成されたコンタクトを促進するためにクリアにされうる。次に（図６Ｇ）、SOI”型のウェハ７０の前面に、金属堆積物が組み込まれ、次いでエッチングされる。膜７６をクリアにし、マイクロトラフ７２を形成するために次に、このウェハは後面でエッチングされる（図６Ｈ）。図４の装置は、上記の要素と半導体材料の４番目のウェハ１００とを組み合わせることによって組み込むことができる。この組み込みは、上記と同様な方法（パッドの使用と樹脂シールによるシーリング）により組み込まれる。図３の実施形態では、方法は図６Ｉと６Ｊに示されたステップのように続く。 SOI”型のウェハ７２は、マイクロフォンの背後になる後部ボリューム８８をクリアにするためにエッチングされる。それから（図６Ｊ）、膜を出入りするための孔８９がエッチングされ、膜は基板７２の前面で出入りされる。側面エッチングと金属堆積物とがコンタクト８４，８６の組み込みを可能にする（図３を見よ）。前記基板を有するこの基板のアセンブリは、上記の方法で組み込まれる。図１に関連して上記のような装置を組み込む方法は、図３の装置のウェハ２，４を組み込みかつ機械加工する（ただし、ミラー７８と電極７９とを組み込むことなく）ステップと、図２の装置のウェハ８，１０の組み込み（マイクロトラフとマイクロフオンの組み込み）のためのステップとを含む。故に、図５Ａから５Ｋと図６Ａから６Ｊに関連して上記の方法ステップから必要な方法ステップを選択するにはそれで十分である。上記の全実施形態で、選択された基板は好ましくはシリコン基板である。それから、機械加工されたウェハは、数百ミクロン（100μmから1mmの間、例えば、4 50あるいは500μm）のオーダーの膜厚を有する。本発明に関連して、機械加工されたウェハ４，５，６の重ね合わせは、トータル厚さ500μmから2〜3mmを有する装置につながるものである。マイクロトラフ１２（図１，２）、７２（図３，４）は、典型的には2mmｘ2mmの部分を有する。一方、膜３４（図１，２）、７６（図３，４）は、典型的には0.1μmと数μmの間の厚さを有する（最大10μm、例えば5μm）。さらには、基板の結合技術は上記の通りであり；パッドが２つの基板間の空気厚さを制御するために使用される。一方、シーリングは高温（200℃）で樹脂により行われる。マイクロエレクトロニクスに由来する他の基板のアセンブリ技術も使用可能である。例えば、いわゆる“陽極結合（Anodic Bonding）”法（ガラス上で400℃の電界の下でのシリコンのシーリング）により、本発明による装置を組み込む。いわゆるSDB(“Silicon Direct Bonding”）法（高温（＞800℃）で酸化物上の酸化物のシーリング）あるいは“Sensers and Actuators”A45,p227-236に記載されている共晶はんだ付け法を使用することもできる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ボノ，ヒューバートフランス国 38560 オートジャリーシュマンデュボンルポ 188 (72)発明者コンスタンティン，オリヴィエフランス国 38100 グレノーブルリュレオラグランジ９

Claims

【特許請求の範囲】１．第１の半導体基板（４）に組み込まれた赤外線源（４，１８）と、第２の半導体基板（６）の助けを借りて組み込まれたフィルターと、第３の半導体基板に形成されたマイクロトラフ（１２）と、第３の半導体基板および第４の半導体基板（１０）の助けを借りて組み込まれたマイクロフォン（１４，３４，３８）と、を有する光音響分光計。２．第１の半導体基板に組み込まれた赤外線源（５０，１８）と、第２および第３の半導体基板（５２，５４）の助けを借りて形成されたファブリ−ペロー干渉フィルター（５６，５７，６０）と、前記第３の半導体基板および第４の半導体基板（８）のそれぞれに部分的に組み込まれたマイクロトラフ（６７）と、前記第４の半導体基板および第５の半導体基板（８，１０）の助けを借りて組み込まれたマイクロフォン（１４，３４，３８）と、を有する光音響分光計。３．第１の半導体基板（４）に組み込まれた赤外線源（４，１８）と、前記第１および第２の半導体基板（４，７０）の助けを借りて形成されたファブリ−ペロー干渉フィルター（７６，７８）と、前記第２の半導体基板（７０）に組み込まれたマイクロトラフ（７２）と、第３の半導体基板の表面に組み込まれたマイクロフォン（８２，８４，８６）と、を有する光音響分光計。４．第１の半導体基板（４）に組み込まれた赤外線源（４，１８）と、前記第１および第２の半導体基板（４，７０）の助けを借りて組み込まれたファブリ−ペロー干渉フィルター（７６，７８）と、前記第２の半導体基板（７０)に組み込まれたマイクロトラフおよびマイクロフォンと、を有する光音響分光計。５．請求項１から４のいずれかに記載の分光計において、前記赤外線源が電気的に変調されうることを特徴とする光音響分光計。６．請求項１から５のいずれかに記載の分光計において、前記赤外線源が第１の半導体基板（４，５０）にエッチングされたキャビティトの膜により支持された金属グリッドあるいはフィラメント（１８）を有することを特徴とする光音響分光計。７．請求項６に記載の分光計において、前記金属グリッドまたはフィラメントは、窒化シリコン、あるいは白金、あるいはタンタル、あるいはチタン、あるいはタングステン、あるいはモリブデン、あるいはクロム、あるいはニッケル、あるいはこれらの合金から成ることを特徴とする光音響分光計。８．請求項１から７のいずれかに記載の分光計において、前記赤外線源が真空下のキャビティ内に配置されていることを特徴とする光音響分光計。９．請求項１から８のいずれかに記載の分光計において、前記赤外線源の近傍にエッチングされた基板（２）を有し、この基板にエッチングされたキャビティ内に配置された反射要素（２４）を有することを特徴とする光音響分光計。１０．請求項１に記載の分光計において、前記干渉フィルターがフィルタリング基板（６）であることを特徴とする光音響分光計。１１．請求項２から４、または請求項２から４のいずれかに協同した請求項５から１０のいずれかに記載の分光計において、前記干渉フィルターがファブリ−ペロー同調式フィルター（５６，５７，６０；７６，７８）であることを特徴とする光音響分光計。１２．請求項１１に記載の分光計において、前記干渉フィルターが、第１の固定ミラー（５７）と第２の可動ミラー（５６）と前記第１および第２のミラーにそれぞれ関連する第１および第２の制御電極とを有し、それらのミラーは静止位置で長さｄの共鳴キャビティを形成し、前記の２つの制御電極間に電圧を印加することにより、固定ミラーに対して可動ミラーを変位させ、それにより共鳴キャビティの長さｄを変更するものであることを特徴とする光音響分光計。１３．請求項１１に記載の分光計において、前記ファブリ−ペロー同調式フィルターが、浮動電極に関連する第１のミラーと、第１および第２の制御電極に関わる第２のミラーと、前記第１および第２のミラーにより区切られた長さｄの共鳴ミラーとを有し、前記第１および第２のミラーのうちの一方は固定のもであり、他方は可動のものであり、前記の２つの制御電極間に電圧を印加することにより、固定ミラーに対して可動ミラーを変位させ、それにより共鳴キャビティの長さｄを変更するものであることを特徴とする光音響分光計。１４．請求項１２または１３に記載の分光計において、前記可動ミラーが前記第２の半導体基板に組み込まれたキャビティ上に位置する膜により組み込まれていることを特徴とする光音響分光計。１５．請求項１２または１３に記載の分光計において、前記可動ミラーが前記第２の半導体基板にエッチングされた膜から成ることを特徴とする光音響分光計。１６．請求項１２から１５のいずれかに記載の分光計において、前記フィルターのミラーが、前記第１および第２の半導体基板の表面あるいは前記第２および第３の半導体基板の表面のλ/4の位置に多層のスタッキングにより組み込まれていることを特徴とする光音響分光計。１７．請求項１３に記載の分光計において、前記制御電極が前記第２のミラーの可動反射領域の一方の側面に形成されていることを特徴とする光音響分光計。１８．請求項１７に記載の分光計において、前記可動反射領域が環状形状を有することを特徴とする光音響分光計。１９．請求項１２から１８のいずれかに記載の分光計において、前記制御電極が前記マイクロトラフの入力絞りを形成することを特徴とする光音響分光計。２０．請求項１から１９のいずれかに記載の分光計において、前記マイクロトラフ（１２，７２）の一方の壁が、マイクロフォンの膜により形成されていることを特徴とする光音響分光計。２１．請求項１から２０のいずれかに記載の分光計において、前記マイクロフォンが、膜（３４，８２，７６）とこの膜に関連した第１の電極（３９）と第２の電極（３８）とを有し、前記マイクロトラフの過剰の圧力が第１と第２の電極との間の空気ギャップ（１４）のキャパシタンスの変動により検出されることを特徴とする光音響分光計。２２．請求項１または２に記載の分光計、または請求項１あるいは２あるいはに協同した請求項５から９あるいは２０あるいは２１のいずれかに記載の分光計、または請求項２に協同した請求項１１から１９のいずれかに記載の分光計おいて、前記マイクロフォンが、膜とこの膜に関連した第１の電極（３９）と第２の電極（３８）とを有し、前記膜と前記第１の電極とが共に前記第３あるいは第４の半導体基板に組み込まれ、前記第２の電極が前記第４あるいは前記第５の半導体基板に組み込まれていることを特徴とする光音響分光計。２３．請求項３あるいは４に記載の分光計、または請求項３あるいは４に協同した請求項３から請求項２０のいずれかに記載の分光計において、前記マイクロフォン膜が、ドープされた半導体材料に組み込まれ、前記マイクロフォンが対向電極（８４）を有していることを特徴とする光音響分光計。２４．請求項２３に記載の分光計において、前記マイクロフォン膜が、前記第３または前記第４の基板の表面に配置され、後者は前記膜の下にエッチングされていることを特徴とする光音響分光計。２５請求項１２から１９のいずれか、または請求項２１から２３のいずれかに記載の分光計において、前記同調式フィルターの膜は前記同調式フィルターの可動ミラーも構成することを特徴とする光音響分光計。２６．請求項１に記載の光音響分光計、または請求項１に協同した請求項５から１０あるいは請求項２０から２５のいずれかに記載の光音響分光計を組み込む方法において、第１の半導体基板（４）への赤外線源の組み込みと、第２の半導体基板（６）の助けを借りての干渉フィルター（６０）の組み込みと、第３の半導体基板（８）へのマイクロトラフの組み込みと、前記第３の半導体基板（８）および第４の半導体基板（１０）の助けを借りたマイクロフォンの組み込みと、基板のアセンブリによる前記赤外線源と前記フィルターと前記マイクロトラフと前記マイクロフォンとのアセンブリと、を含む光音響分光計を組み込む方法。２７．請求項２に記載の光音響分光計、または請求項２に協同した請求項５から２５のいずれかに記載の光音響分光計を組み込む方法において、第１の半導体基板（５０）への赤外線源の組み込みと、第２および第３の半導体基板の助けを借りた同調式干渉フィルター（５６，５７，６０）の組み込みと、前記第３の半導体基板および第４の半導体基板（８）の双方へのマイクロトラフ（６７）の一部づつの組み込みと、前記第４の半導体基板および第５の半導体基板（８，１０）の助けを借りたマイクロフォン（１４，３４，３８）の組み込みと、を含む光音響分光計を組み込む方法。２８．請求項３に記載の光音響分光計、または請求項３に協同した請求項５から２５のいずれかに記載の光音響分光計を組み込む方法において、第１の半導体基板（４）への赤外線源の組み込みと、前記第１（４）および第２（７０）の半導体基板の助けを借りたフィルターの組み込みと、前記第２の半導体基板（７０）へのマイクロトラフ（７２）の組み込みと、第３の半導体基板の表面へのマイクロフォンの組み込みと、基板のアセンブリによる前記赤外線源と前記フィルターと前記マイクロトラフと前記マイクロフォンとのアセンブリと、を含む光音響分光計を組み込む方法。２９．請求項４に記載の光音響分光計を組み込む方法において、第１の半導体基板（４）への赤外線源（４，１８）の組み込みと、前記第１（４）および第２の半導体基板（７０）の助けを借りた干渉フィルターとマイクロフォンとの組み込みと、前記第２の半導体基板（７０）へのマイクロトラフ（７２）の組み込みと、前記第１および前記第２の基板のアセンブリによる前記赤外線源と前記フィルターと前記マイクロトラフと前記マイクロフォンとのアセンブリと、を含む光音響分光計を組み込む方法。３０．請求項２６から２９のいずれかに記載の方法において、前記アセンブリが“陽極結合”あるいは基板のシーリングによって組み込まれる光音響分光計を組み込む方法。３１．請求項３０に記載の方法において、前記アセンブリが樹脂シーリングによって組み込まれている光音響分光計を組み込む方法。３２．請求項２７から３１のいずれかに記載の方法において、前記フィルターがファブリ−ペロー干渉フィルターであるとともに、その組み込みが第１のミラーおよび第１の関連した制御電極の組み込みと、第２のミラーおよび第２の関連した制御電極の組み込みとを含み、前記第１および前記第２のミラーのうちの一方は固定され、他方は可動である光音響分光計を組み込む方法。３３請求項２７から３１のいずれかに記載の方法において、前記フィルターがファブリーペロー干渉フィルターであるとともに、その組み込みが第１のミラーおよび浮動電極の組み込みと、第２のミラーおよび関連した制御電極の組み込みとを含み、前記第１および前記第２のミラーのうちの一方は固定され、他方は可動である光音響分光計を組み込む方法。３４．請求項２６から３３のいずれかに記載の方法において、前記マイクロトラフが、膜が得られるまで少なくとも１つの半導体基板でエッチングにより組み込まれ、次に前記マイクロフォンが前記膜上の電極の形成および他の基板上の電極の形成によって組み込まれる方法。３５．請求項３２あるいは３３に記載の方法において、前記可動ミラーが前記基板の一方のエッチングにより組み込まれ、エッチングされたボリュームがマイクロトラフを形成する方法。３６．請求項２８に記載の方法において、前記マイクロフォンが導電性膜をクリアにするために前記第３の基板（７０）をエッチング、対向電極（８４）を形成することによって組み込まれる方法。