JP2006019649A - ダイヤモンドセンサ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ランプと被照射対象物との距離が短い場合でも、安定して紫外線を検知することができるダイヤモンドセンサ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 1対の金属配線２１ａ及び２１ｂが形成された絶縁性基材２０上に、基板３０上に検出層となる絶縁性ダイヤモンド層３１が形成され、この絶縁性ダイヤモンド層３１の表面上に、１対の櫛形電極３２ａ及び３２ｂが形成されているダイヤモンド素子３を搭載し、ダイヤモンド素子３の櫛形電極３２ａ及び３２ｂと、絶縁性基材２０上のる金属配線２１ａ及び２１ｂとを、夫々ワイヤ６ａ及び６ｂにより相互に接続する。
【選択図】 図１
【解決手段】 1対の金属配線２１ａ及び２１ｂが形成された絶縁性基材２０上に、基板３０上に検出層となる絶縁性ダイヤモンド層３１が形成され、この絶縁性ダイヤモンド層３１の表面上に、１対の櫛形電極３２ａ及び３２ｂが形成されているダイヤモンド素子３を搭載し、ダイヤモンド素子３の櫛形電極３２ａ及び３２ｂと、絶縁性基材２０上のる金属配線２１ａ及び２１ｂとを、夫々ワイヤ６ａ及び６ｂにより相互に接続する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、真空紫外光等の短波長光線を測定するダイヤモンドセンサ及びその製造方法に関し、特に大気中で紫外線照射を行う洗浄装置に好適な薄型のダイヤモンドセンサ及びその製造方法に関する。
一般に、紫外線等の可視光よりも短い波長を観測する場合、太陽光等の光は誤動作の原因になるため、不感であることが望ましい。また、紫外線領域の光はエネルギーレベルが高いため、再現性がよく、長期間にわたって安定した観測を行うためには、高い耐久性が求められる。
そこで、近時、ダイヤモンド薄膜を使用した紫外線センサが提案されている（例えば、非特許文献１及び２参照）。ダイヤモンド薄膜は、耐熱性及び耐久性が優れ、バンドギャップが広い半導体として性質を持つため、低コストで、信頼性が高いセンサを実現することができる。このダイヤモンド薄膜を使用した半導体センサは、従来のバンドギャップが狭いシリコン等と波長フィルタとを組み合わせたセンサ素子よりも耐久性が優れており、更に、従来の光電管等を使用したセンサに比べて小型化及び軽量化ができると共に複雑な回路構成が不要になるという利点がある。
従来のダイヤモンドセンサにおいては、検知層として気相合成されたダイヤモンド薄膜が設けられており、このダイヤモンド薄膜の表面には、例えば、１対の電極が設けられている。このような平板型構造のダイヤモンドセンサにおいては、光が照射されるとダイヤモンド薄膜中で電子−正孔対が生成し、１対の電極間にバイアス電圧を印加することにより、この電子−正孔対を各電極で補集して電気信号として検知する。なお、このような構成のダイヤモンドセンサは、一般にフォトコンダクダーと呼ばれており、光が照射されていないときは絶縁性であり、光が照射されると導電性に変化するという特性をもっている。
また、非特許文献１及び２に記載されているように、通常ダイヤモンドセンサは、測定雰囲気中の埃及び有機物がセンサ表面に付着しないように、ＴＯ−５等の工業用のハーメティックシール内にパッケージされる。そして、センサパッケージを密封し、その内部を窒素ガス等の不活性ガスで置換して、周囲の雰囲気の影響を低減している。
また、従来、ガラス基板等の表面の有機物除去及び洗浄の際に、オゾンの発生効率が高い２５４ｎｍの紫外線光、又は１８５ｎｍ及び２５４ｎｍの紫外線光を発生する強力な低圧水銀ランプが使用されている。ダイヤモンドセンサは、このような装置の照射光量を測定する用途に最適であり、品質管理等に利用されている。例えば、ガラス搬送用のベルトコンベアにダイヤモンドセンサを設置し、ダイヤモンドセンサをランプ直下に搬送することにより、紫外線の光量を測定することができる。
Ｍ．Ｄ．Whitfeild、外５名，「Diamond Photodetectors for next generation 157-nm deep-UV photolithography tools」，Diamond and Related Materials，２００１年，第１０巻，ｐ．６９３−６９７
林和志、外２名，「高配向性ダイヤモンド薄膜を用いた紫外線センサの開発」，Ｒ＆Ｄ神戸製鋼技報、第５２巻、第２号，ｐｐ．２３−２６
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。近時、液晶用ガラスに代表されるエレクトロニクス用ガラス基板が大型化しており、この大型ガラス基板に可視光等の紫外線以外の光を同時に発生する低圧水銀ランプを使用すると、ガラス基板に熱的なストレスが加わり、その結果、ひずみ及び／又はそりによる破損が発生し、歩留まりが低下してしまう。そこで、ガラス基板の破損を防止するため、１７２ｎｍに中心波長を持つエキシマランプの使用が検討され始めている。このエキシマランプは紫外線領域にのみ発光スペクトルを持つため、上述のような問題は発生しないが、空気中の酸素によって吸収されるため、大気中においては急速にその強度が減衰する。このため、エキシマランプを使用する際は、ランプハウスと基板との距離を短くしなければならない。
図８は横軸にランプからの距離をとり、縦軸に紫外線の空気中における透過率をとって、波長が１７２ｎｍ及び１８５ｎｍの紫外線の減衰量と照射距離との関係を示したグラフ図である。波長が１７２ｎｍのエキシマランプを使用した場合、ランプハウスとガラス基板との間隔を５ｍｍ以下、より望ましくは２ｍｍにしないと十分な照射強度が得られないが、前述の従来のダイヤモンドセンサは、その厚さからこのような測定に適用することができないという問題点がある。また、照射距離による減衰が極めて高いこのような測定においては、できる限りガラス表面近くの照射量強度を測定する必要があるが、従来のダイヤモンドセンサのように、パッケージ内に密封された構造のセンサ場合、このような位置での測定は困難であるという問題点がある。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ランプと被照射対象物との距離が短い場合でも、安定して紫外線を検知することができるダイヤモンドセンサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
本願第１発明に係るダイヤモンドセンサは、絶縁性基材と、この絶縁性基材上に選択的に形成された少なくとも１対の金属配線と、前記絶縁性基材上に配置され、素子基板、この素子基板上に形成され検知層となるダイヤモンド層及びこのダイヤモンド層上に形成された少なくとも１対の表面電極を備えたダイヤモンド素子と、を有し、前記１対の表面電極と前記１対の金属配線とが夫々相互に接続されていることを特徴とする。
本発明においては、金属配線が形成されたガラス基板等の絶縁性基材上にダイヤモンド素子を搭載し、前記金属配線とダイヤモンド素子の表面電極とを相互に接続しているため、ランプと被照射物との距離が短く、即ち、センサが通過する隙間が狭い場合においても、安定して紫外線等の測定対象光を検知することができる。
前記絶縁性基材は測定対象光を透過する材料により形成され、前記ダイヤモンド素子は前記表面電極が形成されている面が前記絶縁性基材側になるように配置されており、測定対象光が前記絶縁性基材側から照射されてもよい。これにより、ダイヤモンド素子及び金属配線に直接測定光が照射されないため、不用意な接触等による破損を防止することができる。
本願第２発明に係るダイヤモンドセンサは、絶縁性基材と、この絶縁性基材上に選択的に形成された少なくとも１対の金属配線と、前記絶縁性基材上に配置され、検知層となるダイヤモンド層及びこのダイヤモンド層上に形成された少なくとも１対の表面電極を備えたダイヤモンド素子と、を有し、前記１対の表面電極と前記１対の金属配線とが夫々相互に接続されていることを特徴とする。
本発明においては、金属配線が形成されたガラス基板等の絶縁性基材上に薄型のダイヤモンド素子を搭載し、前記金属配線とダイヤモンド素子の表面電極とを相互に接続しているため、従来のダイヤモンドセンサよりも素子基板分の厚さ、例えば、シリコン基板であれば約０．５ｍｍ程度薄型化することができ、従来のダイヤモンド素子では困難であったセンサが通過する隙間が狭い場合においても、安定して紫外線等の測定対象光を検知することができる。
前記絶縁性基材は測定対象光を透過する材料により形成されており、測定対象光を前記絶縁性基材側から照射してもよい。又は、前記ダイヤモンド素子を、前記表面電極が形成されている面が前記絶縁性基材側になるように配置し、前記測定対象光が前記絶縁性基材を透過して前記ダイヤモンドセンサにおける前記表面電極が形成されている面に入射するようにしてもよい。又は、前記ダイヤモンド素子を前記表面電極が形成されている面と反対側の面が前記絶縁性基材側になるように配置し、前記測定対象光が前記絶縁性基材を透過して前記ダイヤモンドセンサにおける前記表面電極が形成されている面と反対側の面に入射するようにしてもよい。これにより、ダイヤモンド素子及び金属配線に直接測定光が照射されないため、不用意な接触等による破損を防止することができ、耐久性が向上する。また、測定対象光を表面電極が形成されている面と反対側の面に入射することにより、表面電極により測定対象光が遮られなくなるため、入射角度特性が向上する。
又は、前記ダイヤモンド素子を前記表面電極が形成されている面が前記絶縁性基材側になるように配置し、前記測定対象光を前記ダイヤモンド素子側から照射してもよい。これにより、表面電極により測定対象光が遮られなくなるため、入射角度特性が向上する。
前記ダイヤモンド層は、例えば気相合成された多結晶ダイヤモンドにより形成することができる。また、前記ダイヤモンド層は、例えば、表面が（１００）結晶面により構成され、結晶粒子が前記基板表面に対して一軸性に配向成長していると共に、結晶面が面内でも配向している高配向性ダイヤモンド層である。なお、高配向性ダイヤモンド層とは、多結晶ダイヤモンドにおける結晶粒子の成長方向及び面内方向が共に基板面に対して一方向に配向しているものである。また、その表面は平坦な（００１）ファセットが並ぶ特徴的な表面形態をとっている。このため、この膜の表面近傍における結晶欠陥密度は、一般的な多結晶膜に比べて小さく、キャリア移動度は１桁以上大きくなるため、従来のダイヤモンドセンサに比べて検知性能が向上する。
このダイヤモンドセンサは、例えば紫外線等を検知することができる。なお、絶縁性基板表面におけるダイヤモンド素子を配置する領域に、予め凹部を形成しておき、この凹部にダイヤモンド素子を配置することにより、ダイヤモンド素子の表面と基板表面とが面一になるため、不用意な接触を防ぐことができる。
本願第３発明に係るダイヤモンドセンサの製造方法は、絶縁性基材上に選択的に少なくとも１対の金属配線を形成する工程と、素子基板上に検知層となるダイヤモンド層を形成し、このダイヤモンド層上に少なくとも１対の表面電極を形成してダイヤモンド素子を得る工程と、前記絶縁性基板上に前記ダイヤモンド素子を配置し、前記１対の表面電極と前記１対の金属配線とを夫々相互に接続する工程と、を有することを特徴とする。
本発明においては、ガラス基板等の絶縁性基材上に金属配線を形成すると共に、この絶縁性基材上にダイヤモンド素子を搭載し、前記金属配線とダイヤモンド素子の表面電極とを相互に接続しているため、センサが通過する隙間が狭い場合にも適用可能なダイヤモンドセンサを、容易に製造することができる。
前記絶縁性基材を測定対象光を透過する材料により形成し、前記ダイヤモンド素子を前記表面電極が形成されている面が前記絶縁性基材側になるように配置してもよい。
また、前記ダイヤモンド素子を前記表面電極が形成されている面が前記絶縁性基材側になるように配置し、前記１対の表面電極と前記１対の金属配線とを夫々相互に接続した後、前記素子基板を溶解除去することもできる。これにより、センサの厚さをより薄型化することができる。また、ダイヤモンド素子を絶縁性基材に搭載した後で、素子基板を除去しているため、検知層であるダイヤモンド層を破損することなく、薄型化することができる。
本願第４発明に係るダイヤモンドセンサの製造方法は、絶縁性基材上に選択的に少なくとも１対の金属配線を形成する工程と、素子基板上に検知層となるダイヤモンド層を形成し、このダイヤモンド層上に少なくとも１対の表面電極を形成した後、前記素子基板を溶解除去してダイヤモンド素子を得る工程と、前記絶縁性基板上に前記ダイヤモンド素子を配置し、前記１対の表面電極と前記１対の金属配線とを夫々相互に接続する工程と、を有することを特徴とする。
本発明においては、素子基板を除去したダイヤモンド素子を絶縁性基材に搭載しているため、センサの厚さをより薄型化することができる。また、絶縁性基材に搭載する前に予め素子基板を除去しているため、絶縁性基材が薬液に接触しない。その結果、絶縁性基材の選択肢が広がる。
前記絶縁性基材は測定対象光を透過する材料により形成されていてもよい。これにより、絶縁性基材側から測定対象光を照射することができるため、耐久性が向上する。また、前記ダイヤモンド素子は、前記表面電極が形成されている面が前記絶縁性基材側になるように配置してもよく、又は、前記表面電極が形成されている面と反対側の面が前記絶縁性基材側になるように配置してもよい。
更に、気相合成法により前記ダイヤモンド層を形成してもよい。これにより、従来のダイヤモンドセンサに比べて検知性能が向上する。なお、前述のダイヤモンドセンサの製造方法においては、前記絶縁性基材表面におけるダイヤモンド素子が搭載される領域に、予めダイヤモンド素子の厚み程度の深さの凹部を形成し、この凹部にダイヤモンド素子を配置することにより、素子表面と基板表面とが面一となり、不用意な接触を防ぐことができる。
本発明によれば、金属電極が形成された絶縁性基材上に、検知層を備えたダイヤモンド素子を配置し、ダイヤモンド素子の表面電極と、絶縁基材上の配線とを相互に接続することにより、従来のセンサでは測定が不可能であった狭い隙間においても安定に紫外線光を検知することができる。
本発明者等は、前述の目的を達成するために鋭意実験研究を行った結果、被処理対象として最も使用されているガラス基板等の絶縁性基材の表面に、選択的に金属配線を形成すると共に、検知層を備えたダイヤモンド素子をこのガラス基板上に接合し、素子の電極と、絶縁基材上の電極とを相互に接続することにより、これまで不可能であった狭い隙間においても安定に紫外線光を検知することが可能であることを見出した。
以下、本発明の実施の形態に係るダイヤモンドセンサについて添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態に係るダイヤモンドセンサについて説明する。図１は本発明の第１の実施形態のダイヤモンドセンサを示す平面図であり、図２はこのダイヤモンドセンサを模式的に示す側面図である。図１及び図２に示すように、本実施形態のダイヤモンドセンサ１０は、板状の絶縁性基材２０の上に、1対の金属配線２１ａ及び２１ｂが選択的に形成されている。また、絶縁性基材２０上には、基板３０上に検出層となる絶縁性ダイヤモンド層３１が形成され、この絶縁性ダイヤモンド層３１の表面上に、１対の櫛形電極３２ａ及び３２ｂが形成されているダイヤモンド素子３が搭載されている。そして、ダイヤモンド素子３の櫛形電極３２ａ及び３２ｂと、絶縁性基材２０上に形成されている金属配線２１ａ及び２１ｂとが夫々ワイヤボンディング等によって電気的に接続されている。なお、櫛形電極３２ａ及び３２ｂと金属配線２１ａ及び２１ｂとを相互に接続するワイヤ６ａ及び６ｂとしては、例えば、金線等を使用することができる。
本実施形態のダイヤモンドセンサ１０における絶縁性基材１０としては、紫外線ランプ等を照射することを考慮し、例えばガラス、サファイア及びプラスティック等からなる板材で、ある程度の強度を保有するものであれば特に制限はない。また、絶縁性ダイヤモンド層３１は、公知の方法により形成することができるが、特に、制御性が優れ、低コストで安定してダイヤモンド膜を製造可能であるプラズマを使用した気相化学蒸着（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法により合成された多結晶ダイヤモンド膜であることが、工業的に好ましい。更に、絶縁性ダイヤモンド層３１は、表面がダイヤモンドの（１００）面により形成され、結晶粒子が一定方向に配向している高配向性ダイヤモンド膜であることがより好ましい。この高配向性ダイヤモンド膜は、広義には多結晶膜に分類されるが、結晶粒子の成長方向及び面内方向が共に一定方向に配向し、表面は平坦な（００１）ファセットが並ぶ特徴的な表面形態をとっているため、通常の多結晶膜に比べて、表面近傍における結晶欠陥密度が小さい。このため、キャリア移動度が１桁程度大きく、良好な検知特性が得られる。
更にまた、金属電極２１ａ及び２１ｂ、並びに櫛形電極３２ａ及び３２ｂは、金、白金又はアルミニウム等の一般的な金属により形成することができる。その形成方法としては、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法及びＣＶＤ法等の公知の方法を利用することができる。絶縁性基材２０上に選択的に金属配線を形成する方法としては、公知の手法が適用可能であるが、フォトリソグラフィを利用した形成方法が適している。この場合、先ず、絶縁性基材２１の全面に金属膜を形成した後、この金属膜上の配線パターンに相当する領域上にフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして金属膜をエッチングする方法、又は、予め絶縁性基材２１上に配線が形成される領域に開口部が形成されたレジストパターンを形成しておき、このレジストパターンをマスクにして金属膜を形成し、その後レジストパターンを溶解除去することによって不必要な金属膜を取り除くリフトオフ法等を適用することができる。
なお、本実施形態のダイヤモンドセンサ１０においては、絶縁性ダイヤモンド層３１の表面上に櫛形電極３２ａ及び３２ｂが形成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、絶縁性ダイヤモンド層３１の表面上に少なくとも１対の電極が形成されていればよい。その形状は任意であるが、相互に対向する部分の長さが長い形状にすると、紫外線検知領域が増加し、高い感度が得られる。特に、紫外線を測定する場合には、例えば、幅が１乃至５０μｍであり、電極間隔が１乃至５０μｍである櫛形構造にすることがより好ましい。
また、基板３０は特に限定されるものではないが、例えば、絶縁性ダイヤモンド層３１を高配向性ダイヤモンド膜により形成する場合は、表面が（００１）面であるシリコン基板を使用することが望ましい。更に、用途に応じて、ダイヤモンド素子の表面に各種コーティングを施してもよい。更にまた、ダイヤモンド素子３と絶縁性基材２０との接合は、例えば銀ペースト又は接着剤による接着、Ａｕ−Ｓｎ等による低温ロウ付け等の他、バンプによる圧着又はＳＯＧ（spin on glass：水ガラス）を極微量塗布し素子を配置後焼結することによっても固定可能である。
次に、上述の如く構成された本実施形態のダイヤモンドセンサ１０の動作について説明する。本実施形態のダイヤモンドセンサ１０においては、絶縁性ダイヤモンド層３１が検知層となり、櫛形電極３２ａと櫛形電極３３ｂとの間にバイアス電圧が印加される。そして、絶縁性ダイヤモンド層３１に、櫛形電極3２ａ、ｂ側の表面からＸ線及び軟Ｘ線等を含むダイヤモンドのバンドギャップよりもエネルギーレベルが高い光が入射すると、絶縁性ダイヤモンド層３１中でキャリア（電子及び正孔）が生成する。このキャリアは、櫛形電極３２ａと櫛形電極３２ｂとの間に印加されたバイアス電圧により生じた電界によって移動し、櫛形電極３２ａ又は櫛形電極３２ｂで補集され金属電極２１ａ及び２１ｂを通じて電気信号として出力される。
本実施形態のダイヤモンドセンサにおいては、配線が形成された絶縁性基材上にダイヤモンド素子を搭載しているため、照射ランプとの距離が近い場合でも、安定して紫外線を検知することができる。これにより、コストが安価な高配向性ダイヤモンド膜及び多結晶ダイヤモンド膜を使用した紫外線センサの実用範囲が広がり、新たな応用分野を開拓できると共に、紫外光、真空紫外光及び深紫外光を利用する産業分野の発展に多大の貢献をなすことができる。
次に、本発明の第２の実施形態に係るダイヤモンドセンサについて説明する。図３は本実施形態のダイヤモンドセンサ４０を模式的に示す側面図であり、図４はこのダイヤモンドセンサを絶縁性基材側から見た平面図である。なお、図３及び図４においては、図１及び図２に示す第１の実施形態のダイヤモンドセンサ１０の構成要素と同じものには同じ番号を付し、詳細な説明は省略する。図３に示すように、本実施形態のダイヤモンドセンサ４０は、測定対象光１を透過する絶縁性基板２００上に１対の金属配線２１ａ及び２１ｂが選択的に形成されている。また、この絶縁性基材２００上には、基板３０上に検出層となる絶縁性ダイヤモンド層３１が形成され、この絶縁性ダイヤモンド層３１の表面上に平面視で台形状である１対の台形電極３３２ａ及び３３２ｂが形成されているダイヤモンド素子が、台形電極３２ａ及び３３２ｂが形成されている面を絶縁性基材２００側にして搭載されている。このダイヤモンドセンサ４０においては、金属配線２１ａ及び２１ｂ上に、台形電極３３２ａ及び３３２ｂが夫々配置されており、例えば、金バンプ７ａ及び７ｂを圧着する等の方法により、相互に接続されている。
本実施形態のダイヤモンドセンサにおける絶縁性基材２００としては、対象とする紫外線を透過する材料からなる板材であればよく、例えば、合成石英ガラス、サファイア、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム等を使用することができる。
本実施形態のダイヤモンドセンサ４０においては、測定対象光１は絶縁性基材２００側から入射される。これにより、ダイヤモンド素子及び金属配線２１ａ及び２１ｂに直接紫外線が当たらないため、埃、オゾン及び不用意な接触等からダイヤモンド素子を守ることができ、耐久性が向上する。なお、本実施形態のダイヤモンドセンサ４０における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態のダイヤモンドセンサ１０と同様である。
次に、本発明の第３の実施形態のダイヤモンドセンサについて説明する。図５は本発明の第３の実施形態のダイヤモンドセンサ５０を模式的に示す側面図である。なお、図５においては、前述の第１の実施形態のダイヤモンドセンサ１０の構成要素と同じものには同じ番号を付し、詳細な説明は省略する。図５に示すように、本実施形態のダイヤモンドセンサ５０は、板状の絶縁性基材２０上に、少なくとも1対の金属配線２１ａ及び２１ｂが選択的に形成されている。また、この絶縁性基材２０上には、検出層となる絶縁性ダイヤモンド層３１が形成され、この絶縁性ダイヤモンド層３１の表面上に１対の櫛形電極３２ａ及び３２ｂが形成されているダイヤモンド素子が搭載されている。そして、ダイヤモンド素子の櫛形電極３２ａ及び３２ｂと、絶縁性基材２０に設けられている金属配線２１ａ及び２１ｂとが夫々ワイヤボンディング等によって電気的に接続されている。
本実施形態のダイヤモンドセンサ５０においては、測定対象光１は櫛形電極３２ａ及び３２ｂ側から照射される。
なお、本実施形態のダイヤモンドセンサ５０に搭載されたダイヤモンド素子は、基板上に絶縁性ダイヤモンド３１を形成し、その後、基板を除去することにより得られる。例えば、ダイヤモンド素子の基板として、シリコン基板を使用する場合には、フッ硝酸を使用することにより、容易に基板を除去することができる。
なお、絶縁性基材２０を、測定対象光１を透過する材料で形成することにより、絶縁性基材側から測定対象光１を入射することも可能である。図６は本実施形態の変形例のダイヤモンドセンサを模式的に示す側面図である。図６に示すように、本変形例のダイヤモンドセンサ５１は、絶縁性基材２０の代わりに、測定対象光１を透過する材料からなる絶縁性基材２００を使用している以外は、前述の第２の実施形態のダイヤモンドセンサ５０と同様である。本変形例のダイヤモンドセンサ５１においては、発生する電子−正孔対が櫛形電極３２ａ及び３２ｂから遠くなるため、感度は低下するが、入射にあたり電極部が陰影を作ることがないため、広い範囲の光を収集することが可能になる。
本発明の第２実施形態のダイヤモンドセンサ５０及びその変形例のダイヤモンドセンサ５１においては、ダイヤモンド素子に基板が設けられていないため、薄型のダイヤモンド素子が得られる。なお、これらダイヤモンドセンサ５０及びダイヤモンドセンサ５１における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態のダイヤモンドセンサ１０と同様である。
次に、本発明の第４の実施形態のダイヤモンドセンサについて説明する。図７は本実施形態のダイヤモンドセンサを模式的に示す側面図である。図７に示すように、本実施形態のダイヤモンドセンサ６０は、に測定対象光１を透過する絶縁性基板２００上に金属配線２１ａ及び２１ｂが選択的に形成されている。また、絶縁性基板２００上には、検出層となる絶縁性ダイヤモンド層３１の表面上に１対の台形電極３３２ａ及び３３２ｂが形成されたダイヤモンド素子が、台形電極３２ａ及び３３２ｂが形成されている面を絶縁性基材２００側にして搭載されている。このダイヤモンドセンサ６０においては、台形電極３３２ａ及び３３ｂと、金属配線２１ａ及び２１ｂとが、金バンプ７ａ及び７ｂ等により交互に接続されている。
本実施形態のダイヤモンドセンサ６０における、絶縁性基材２００を形成する材料としては、例えばサファイア等の薬液に耐えうる材料が好ましい。これにより、シリコン基板上に絶縁性ダイヤモンド層３１が形成された状態のダイヤモンド素子を、絶縁基材２００上に搭載し、その後フッ硝酸等によりシリコン基板を除去することにより、厚さが薄いダイヤモンド層３１を破損することなく、薄型のダイヤモンドセンサを作製することができる。
本実施形態のダイヤモンドセンサ６０においては、絶縁性ダイヤモンド層３１側、絶縁性基材２００側のどちらからでも、測定対象光１を照射することができる。どちら側から測定対象光１を入射するかは、上述の第３の実施形態における記載を鑑みて採用すればよい。なお、絶縁性ダイヤモンド層３１側から測定対象光１を照射する場合には、絶縁性基材が測定対象光１を透過しなくてもよい。なお、本実施形態のダイヤモンドセンサにおける上記以外の構成、動作及び効果は前述の第２及び第３の実施形態のダイヤモンドセンサと同様である。
以下、本発明の実施例の効果について詳細に説明する。先ず、本発明の実施例１として、以下に示す作製手順で、図１及び図２に示す第１の実施形態のダイヤモンドセンサ１０と同様の構造のダイヤモンドセンサを作製した。先ず、基板３０として表面が（００１）面である高抵抗シリコン基板を使用し、この高抵抗シリコン基板をメタンと水素との混合プラズマに曝して、表面を炭化した。引き続きバイアスを印加して基板とエピタキシャルな関係にあるダイヤモンド核を形成した。その後、バイアス印加を止め、メタンと水素との混合ガスを使用して（１００）面が優先的に成長される条件で１５時間ダイヤモンドを成膜した。これにより、基板上３０に、絶縁性ダイヤモンド層３１として、表面が（１００）面であり、結晶粒子が一定方向に配列した高配向性ダイヤモンド膜を約１０μｍ形成した。なお、この高配向性ダイヤモンド膜の（１００）面における粒径は３乃至２０μｍであった。
次に、重クロム酸で洗浄して表面に付着したダイヤモンド以外の炭素成分を除去した後、硫酸でリンスし、更に、純水で洗浄した。そして、フォトリソグラフィにより高配向性ダイヤモンド膜上に櫛形電極の形状をパターニングした後、マグネトロンスパッタリング法により白金をスパッタし、更に、リフトオフすることにより、１対の櫛形電極３２ａ及び３２ｂを形成した。
次に、絶縁性基材２０としてガラス板を使用し、その上に金属配線２１ａ及び２１ｂを形成した。具体的には、ガラス板の全面にマグネトロンスパッタによりアルミニウム膜を全面に形成し、その後、フォトリソグラフィにより、金属配線２１ａ及び２１ｂの形状にレジストパターンを形成した。そして、リン酸に浸漬することによりアルミニウム膜をエッチングした後、レジストを除去して所定のパターンの金属配線２１ａ及び２１ｂを形成した。
次に、シリコン基板をチップ状に切断して素子を切り出し、この切り出された各素子を櫛形電極３２ａ及び３２ｂが形成されている面を上にして、絶縁性基材２０上に固定した。そして、櫛形電極３２ａ及び３２ｂと、金属配線２１ａ及び２１ｂとを、夫々金線によりワイヤボンディングして実施例１のダイヤモンドセンサにした。
次に、上述の方法で作製した実施例１のダイヤモンドセンサを、外部の光が入射しない測定箱の中に入れ、バイアス電圧を印加した際の暗電流をピコアンメータにより測定した。その結果、暗電流は２０ｐＡであり、実用上十分に低いリーク電流が得られた。
次に、実施例１のダイヤモンドセンサの紫外線に対する応答特性を評価した。図７はその評価方法を示すブロック図である。照射用光源１２としては、浜松ホトニクス社製重水素（Ｌ２Ｄ２）ランプ（型式：Ｌ７２９３）を使用し、光源１２用の電源１１には浜松ホトニクス社製Ｍ−４５１８を使用した。測定は、大気中で、各ダイヤモンドセンサ１４の２つの電極間に１５Ｖのバイアス電圧を印加し、光照射時に得られる電流をアンプ１５で増幅した後、電圧値としてデジタルマルチメーター１６により測定し、その値をコンピュータ１７に取り込んだ。評価は、照射光強度を一定に保持した状態で、シャッター１８を開け、ダイヤモンドセンサ１４に紫外線１３を３００分間照射し、その特性の変化を測定した。その結果、照射量に応じた出力電圧が得られ、センサが紫外線に応答していることが確かめられた。
次に、本発明の実施例２として以下に示す作製手順で、図７に示す第４の実施形態のダイヤモンドセンサ６０と同様の構造のダイヤモンドセンサを作製した。先ず、ダイヤモンド素子用の基板として表面が（００１）面であるシリコン基板を使用し、このシリコン基板をメタンと水素との混合プラズマに曝して、表面を炭化した。引き続きバイアスを印加して基板３０とエピタキシャルな関係にあるダイヤモンド核を形成した。その後、バイアス印加を止め、メタンと水素との混合ガスを使用して、（１００）面が優先的に成長される条件で１５時間ダイヤモンドを成膜した。これにより、シリコン基板上に、絶縁性ダイヤモンド層３１として、表面が（１００）面であり、結晶粒子が一定方向に配列した高配向性ダイヤモンド膜を約１０μｍ形成した。なお、この高配向性ダイヤモンド膜の（１００）面における粒径は３乃至１０μｍであった。
次に、重クロム酸で洗浄して表面に付着したダイヤモンド以外の炭素成分を除去した後、硫酸でリンスし、更に、純水で洗浄した。そして、フォトリソグラフィにより高配向性ダイヤモンド膜上に、平面視で台形状の電極３３２ａ及び３３２ｂの形状をパターニングした。その後、マグネトロンスパッタリング法により高配向性ダイヤモンド膜上に白金をスパッタし、更に、リフトオフすることにより、１対の台形電極３３２ａ及び３３２ｂを形成した。
次に、絶縁性基材２００としてサファイア基板を使用し、その上に金属配線２１ａ及び２１ｂを形成した。具体的には、先ず、フォトリソグラフィにより、金属配線２１ａ及び２１ｂの形状以外の部分に選択的にレジストパターンを形成した。そして、マグネトロンスパッタ法により白金膜を形成後、レジストパターンを除去すると共に、不必要なパターンを除去し、所定の形状の金属配線２１ａ及び２１ｂを形成した。
その後、金属配線２１ａ及び２１ｂにおけるダイヤモンド素子が接続される部分に、金バンプを形成した。そして、シリコン基板をチップ状に切断して素子を切り出し、この切り出された各素子を台形電極３３２ａ及び３３２ｂが形成されている面をサファイヤ基板側に向け、更に金バンプ７ａ及び７ｂと台形電極３３２ａ及び３３２ｂとの位置を合わせて、ダイヤモンド素子をサファイヤ基板に向けて押圧することにより、金バンプ７ａ及び７ｂと台形電極３３２ａ及び３３２ｂとを相互に接続した。その後、フッ硝酸によりシリコン基板を溶解除去することにより、実施例２のダイヤモンドセンサにした。
次に、上述の方法で作製した実施例２のダイヤモンドセンサを、外部の光が入射しない測定箱の中に入れ、バイアス電圧を印加した際の暗電流をピコアンメータにより測定した。その結果、暗電流５ｐＡであり、実用上十分に低いリーク電流が得られた。
また、前述の実施例１と同様の方法で、実施例２のダイヤモンドセンサの紫外線に対する応答特性を評価した。紫外線はサファイア基板側から入射して、照射量に応じた出力電圧が得られたことを確認した。実施例２のダイヤモンドセンサは、サファイア基板により発生したオゾン等の影響を遮断することが可能なため、実施例１のダイヤモンドセンサに比べて、長時間にわたってさらに応答特性が安定していた。実施例２のダイヤモンドセンサは、電極長さあたり実施例１のダイヤモンドセンサの１／２程度の感度が得られ、サファイア基板を通じて照射したことによっても実用上十分な感度が得られた。
また、背面からの照射により動作を確認した。この場合、感度は実施例１の１／１０程度になったため、アンプのゲインを調整して十分な出力が得られるようにした。本則定例では、検知領域が金属電極に遮られることがないため広い角度にわたって紫外線の測定が可能となった。
次に、本発明の実施例３として、絶縁性基材２０として合成石英板を使用し、この合成石英板の表面におけるダイヤモンド素子を配置する位置に、予め縦３ｍｍ、横３ｍｍ、深さ１０μｍの凹部を形成しておき、この凹部内に絶縁性ダイヤモンド層を多結晶ダイヤモンドにより形成したダイヤモンド素子を配置した。なお、本実施例の上記以外の構成は前述の第２実施例のダイヤモンドセンサと同様である。このタイヤモンドセンサについて、実施例２と同様の評価を行ったところ、実施例２のダイヤモンドセンサと同様の動作が確認された。本実施例のダイヤモンドセンサにおいては、ダイヤモンド層の表面と絶縁性基材の表面とが、略平坦になるように配置されているため、繰り返し測定を行ってもセンサを痛めることがなく、耐久性が向上した。
１；光
３；ダイヤモンド素子
６ａ、６ｂ；ワイヤ
７ａ、７ｂ；金バンプ
１０、４０、５０、５１、６０；ダイヤモンドセンサ
１１；電源
１２；光源
１３；紫外光
１４；紫外線センサ
１５；アンプ
１６；デジタルマルチメーター
１７；コンピュータ
１８；シャッター
２０、２００；絶縁性基材
２１ａ、２１ｂ；金属配線
３０；基板
３１；絶縁性ダイヤモンド層
３２ａ、３２ｂ；櫛形電極
３３２ａ、３３２ｂ；台形電極
３；ダイヤモンド素子
６ａ、６ｂ；ワイヤ
７ａ、７ｂ；金バンプ
１０、４０、５０、５１、６０；ダイヤモンドセンサ
１１；電源
１２；光源
１３；紫外光
１４；紫外線センサ
１５；アンプ
１６；デジタルマルチメーター
１７；コンピュータ
１８；シャッター
２０、２００；絶縁性基材
２１ａ、２１ｂ；金属配線
３０；基板
３１；絶縁性ダイヤモンド層
３２ａ、３２ｂ；櫛形電極
３３２ａ、３３２ｂ；台形電極
Claims (18)
- 絶縁性基材と、この絶縁性基材上に選択的に形成された少なくとも１対の金属配線と、前記絶縁性基材上に配置され、素子基板、この素子基板上に形成され検知層となるダイヤモンド層及びこのダイヤモンド層上に形成された少なくとも１対の表面電極を備えたダイヤモンド素子と、を有し、前記１対の表面電極と前記１対の金属配線とが夫々相互に接続されていることを特徴とするダイヤモンドセンサ。
- 前記絶縁性基材は測定対象光を透過する材料により形成され、前記ダイヤモンド素子は前記表面電極が形成されている面が前記絶縁性基材側になるように配置されており、測定対象光が前記絶縁性基材側から照射されることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンドセンサ。
- 絶縁性基材と、この絶縁性基材上に選択的に形成された少なくとも１対の金属配線と、前記絶縁性基材上に配置され、検知層となるダイヤモンド層及びこのダイヤモンド層上に形成された少なくとも１対の表面電極を備えたダイヤモンド素子と、を有し、前記１対の表面電極と前記１対の金属配線とが夫々相互に接続されていることを特徴とするダイヤモンドセンサ。
- 前記絶縁性基材は測定対象光を透過する材料により形成されており、測定対象光が前記絶縁性基材側から照射されることを特徴とする請求項３に記載のダイヤモンドセンサ。
- 前記ダイヤモンド素子は、前記表面電極が形成されている面が前記絶縁性基材側になるように配置されており、前記測定対象光は前記絶縁性基材を透過して前記ダイヤモンドセンサにおける前記表面電極が形成されている面に入射することを特徴とする請求項４に記載のダイヤモンドセンサ。
- 前記ダイヤモンド素子は、前記表面電極が形成されている面と反対側の面が前記絶縁性基材側になるように配置されており、前記測定対象光は前記絶縁性基材を透過して前記ダイヤモンドセンサにおける前記表面電極が形成されている面と反対側の面に入射することを特徴とする請求項４に記載のダイヤモンドセンサ。
- 前記ダイヤモンド素子は、前記表面電極が形成されている面が前記絶縁性基材側になるように配置されており、前記測定対象光は前記ダイヤモンド素子側から照射されることを特徴とする請求項３に記載のダイヤモンドセンサ。
- 前記ダイヤモンド層が気相合成された多結晶ダイヤモンドからなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のダイヤモンドセンサ。
- 前記ダイヤモンド層は、表面が（１００）結晶面により構成され、結晶粒子が前記基板表面に対して一軸性に配向成長していると共に、結晶面が面内でも配向している高配向性ダイヤモンド層であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のダイヤモンドセンサ。
- 前記測定対象光が紫外線であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のダイヤモンドセンサ。
- 絶縁性基材上に選択的に少なくとも１対の金属配線を形成する工程と、素子基板上に検知層となるダイヤモンド層を形成し、このダイヤモンド層上に少なくとも１対の表面電極を形成してダイヤモンド素子を得る工程と、前記絶縁性基板上に前記ダイヤモンド素子を配置し、前記１対の表面電極と前記１対の金属配線とを夫々相互に接続する工程と、を有することを特徴とするダイヤモンドセンサの製造方法。
- 前記絶縁性基材は測定対象光を透過する材料により形成されており、前記ダイヤモンド素子を前記表面電極が形成されている面が前記絶縁性基材側になるように配置することを特徴とする請求項１１に記載のダイヤモンドセンサの製造方法。
- 前記ダイヤモンド素子を前記表面電極が形成されている面が前記絶縁性基材側になるように配置し、前記１対の表面電極と前記１対の金属配線とを夫々相互に接続した後、前記素子基板を溶解除去することを特徴とする請求項１１又は１２に記載のダイヤモンドセンサの製造方法。
- 絶縁性基材上に選択的に少なくとも１対の金属配線を形成する工程と、素子基板上に検知層となるダイヤモンド層を形成し、このダイヤモンド層上に少なくとも１対の表面電極を形成した後、前記素子基板を溶解除去してダイヤモンド素子を得る工程と、前記絶縁性基板上に前記ダイヤモンド素子を配置し、前記１対の表面電極と前記１対の金属配線とを夫々相互に接続する工程と、を有することを特徴とするダイヤモンドセンサの製造方法。
- 前記絶縁性基材は測定対象光を透過する材料により形成されていることを特徴とする請求項１４に記載のダイヤモンドセンサの製造方法。
- 前記ダイヤモンド素子を前記表面電極が形成されている面が前記絶縁性基材側になるように配置することを特徴とする請求項１４又は１５に記載のダイヤモンドセンサの製造方法。
- 前記ダイヤモンド素子を前記表面電極が形成されている面と反対側の面が前記絶縁性基材側になるように配置することを特徴とする請求項１４又は１５に記載のダイヤモンドセンサの製造方法。
- 気相合成法により前記ダイヤモンド層を形成することを特徴とする請求項１１乃至１７のいずれか１項に記載のダイヤモンドセンサの製造方法。
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