JP2011510285A - 集積フィルタを備えた波長分光装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、スペーサ膜ＳＰによって間隔をあけられた２つのミラーＭＩＲ１、ＭＩＲ２から構成されるフィルタモジュールを基板ＳＵＢ上に具備する波長分光装置に関するものである。フィルタモジュールは、複数の干渉フィルタ群ＦＰ１、ＦＰ２、ＦＰ３を含んでおり、前記スペーサ膜ＳＰの厚みは、前記フィルタ群における何れのフィルタにおいても一定であるが、別のフィルタ同士の間では異なる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、波長分光装置に関するものである。

分光分析は、とりわけ、固体、液体、または、気体である媒質を構成する化学成分を見出そうとするものであり、媒質の反射または透過における吸収スペクトルを記録するのに役立つ。媒質と相互作用する光は、特定の波長帯域が吸収される。この選択的吸収は、媒質の成分の一部または全てに関する標識を構成する。測定すべき波長範囲は、スペクトルの紫外部および／または可視部および／または赤外部の放射線によって形成することが可能である。

第１の解決法は、回折格子分光計を利用することである。こうした装置の場合、フィルタとして機能する回折格子が、検出器からかなりの距離をあけて配置される。この距離が増すにつれて分解能が向上する。結果として、許容可能な分解能を保ちたい場合には、この装置を小型化することはできない。さらに、その装置の調整は複雑であり、正確な光学的アライメントが必要とされるので、安定した状態に保つのは困難である。

他の分光計の大半は、ファブリ・ペローフィルタを利用している。

２つのミラーの間に置かれ、平行面を有し（そして通常は空気やシリカ等のような低い屈折率を有する）、スペーサ膜または略して単に「スペーサ」と呼ばれるストリップ状の材料が、こうしたフィルタとして想起される。それは、真空下で薄膜を蒸着させることによって製造されることが多い。従って、λを中心波長とする通過帯域を有するフィルタの場合、第１のミラーは、光学的厚みがλ／４である高屈折率材料Ｈと低屈折率材料Ｂによるｍ個の交互層を含んでいる。スペーサ膜は、λ／４の光学的厚みを有する２層の低屈折率材料Ｒを含んでいる場合が多い。一般に、第２のミラーは、第１のミラーと対称をなす。スペーサ膜の幾何学的厚みを修正することによって、光学的厚みがλ／２の倍数に等しくなるような中心波長にフィルタを同調させることが可能になる。

特定の状況下において、有限数の比較的細かい通過帯域（すなわち、連続したスペクトルに対して離散的なスペクトル）で所望の成分を識別するのに足りる事があり、この場合に上述の第１の解決法は最適とは言えない。

第２の既知の解決法によれば、分析すべき帯域毎に１つのフィルタを具備するフィルタモジュールが提供される。帯域数がｎの場合、ｎ個のフィルタの製造には、ｎ回の真空蒸着を伴う個別製造作業が必要になる。これによって、コストは少量生産の場合に（帯域数ｎにほぼ比例して）極めて高くなり、大量生産の場合に限って真に有利になる。さらに、小型化の可能性は依然として非常に制限され、多数のフィルタを設置しようとする事を困難にしている。

第３の既知の解決法は、ファブリ・ペロータイプのフィルタモジュールを用いることにある。ここでは２つのミラーが、基板に対して垂直な平面において平行ではなく楔形状を呈するような配置とされる、Ｏｘｙで表わされるこの平面において、軸ＯｘおよびＯｙは各々基板に対して平行および垂直であるので、スペーサ膜のＯｙに沿った厚みは、該厚みが測定される位置Ｏｘの関数として線形に変化する。

特許文献１は、こうしたフィルタモジュールを含む波長分光装置を教示している。ここでは同調波長がＯｘ軸に沿って連続して変化する。まず第１に、こうした状況下において「薄膜」法の制御は極めて厄介となる。第２に、共通ウェハ上に複数のフィルタモジュールをまとめて作製すると、フィルタ同士の同一性再現に関して多大の困難をもたらす。第３に、特定の状況下においては利点を示すであろう厚みの連続変化は、極めて正確な波長合わせが必要な検出器には不適当である。検出器のサイズとは、同調により全波長が検出される両端波長間の幅を意味している。やはりまた、低コストの大量生産は極めて非現実的である。

米国特許出願公開明細書 第２００６／０２０９４１３号

よって本発明の目的は、透過または反射スペクトルを測定可能にする波長分光装置であって、限られた数のフィルタから成って相当の簡単な構造を備え、結果としてより低コストとされたものを提供することにある。

本発明によれば、波長分光装置は、スペーサ膜によって離間された２つのミラーから成るフィルタモジュールを基板上に具備しており、更にフィルタモジュールは複数の干渉フィルタ群を備え、前記スペーサ膜の厚みは、前記フィルタ群における何れのフィルタにおいても一定であるが、別のフィルタ同士の間では異なる。

薄膜技術で実施される作業数は、こうしてかなり減少し、共通の支持体に異なるフィルタ群を組み付ける必要がなくなる。

好ましくは、前記フィルタ群の少なくとも１つは帯域通過伝達機能を有している。

さらに、前記フィルタ群の少なくとも幾つかは第１のストリップにおいて整列している。

さらに、前記フィルタ群の少なくとも幾つかは、第１のストリップと平行かつ独立した第２のストリップにおいて整列している。

さらに、前記フィルタ群の隣接する少なくとも２つは、クロストークバリアによって隔離されている。

好ましくは、前記装置は複数の区画群を備える検出器を更に具備し、各能動区画は、前記フィルタ群の１つの専用とされると共にそれと光学的に調心されており、それが放出する放射線を少なくとも１つの検出セルによって検出する。

さらに、前記区画は複数の検出セル群を備えており、前記装置は、前記セル群からの出力信号群を組み合わせることによって信号を生成する手段を備える。

好ましくは、前記検出器はＣＭＯＳ技術を利用して集積化されている。

前記基板は前記検出器に現れる境界面によって構成してもよい。

前記フィルタ群のサイズを前記検出器のサイズに適合させるための結像光学系を前記装置が備えていてもよい。

一次元フィルタモジュールの本質を示す図であり、より詳細には、図１ａはモジュールの平面図であり、図１ｂはモジュールの断面図である。 図２ａ〜２ｃは、第１の実施形態に係るフィルタモジュールの作製における３つのステップを示す図である。 図３ａ〜３ｆは、第２の実施形態に係るフィルタモジュールの作製における６つのステップを示す図である。 二次元フィルタモジュールの本質を示す図である。 図５ａ〜５ｆは、各々エッチング工程中に用いるのに適したマスクを示す図である。 ６４個のフィルタを備え、遮蔽グリッドが設けられたフィルタモジュールを示す図である。 検出器に直接対応付けられたフィルタモジュールを含む分光装置を示す図である。 結像光学系を介して検出器に対応付けられたフィルタモジュールを含む分光装置を示す図である。

本発明の更なる詳細は、例証を通じて示される実施形態の下記説明および添付の図面を参照する事により明らかになる。
複数の図面に現れる要素は、各図において同一の参照番号が付与されている。

図１ａおよび１ｂに示すように、フィルタモジュールは、ストリップを形成するように連続して整列された３つのファブリ・ペロー干渉フィルタＦＰ１、ＦＰ２およびＦＰ３を備えている。

モジュールは、ガラスまたはシリカ製の基板ＳＵＢ上のスタックにより構成され、該スタックは、例えば第１のミラーＭＲ１、スペーサ膜ＳＰおよび第２のミラーＭＲ２を含んでいる。

よって各フィルタの中心波長を決めるスペーサ膜ＳＰは、ある特定のフィルタについては一定であるが、別のフィルタ同士の間では異なる。各フィルタはほぼ矩形の表面を備えているので、その輪郭は階段形状である。

薄膜技術を利用してフィルタモジュールを作製する第１の方法を例示する。

図２ａに示すように、先ず第１のミラーＭＩＲ１を基板ＳＢに成膜し、次いで少なくとも１層の誘電体層ＴＦを成膜してスペーサ膜ＳＰを形成する。

図２ｂに示すように、この誘電体は、
・先ず第２のフィルタＦＰ２におけるスペーサ膜ＳＰの厚みを定めるべく、第２および第３のフィルタの部分を同一面となるようにエッチングされ、
・次いで第３のフィルタＦＰ３の高さに膜厚を定めるようにエッチングされる。

第１のフィルタＦＰ１におけるスペーサ膜ＳＰは、成膜時の厚みを有している。

図２ｃに示すように、３つのフィルタ全てを形成するため、スペーサ膜ＳＰ上に第２のミラーＭＩＲ２を成膜する。

スペーサ膜ＳＰは、誘電体層ＴＦを成膜してから上述の連続エッチング処理を実施することによって得られるが、薄膜を複数回連続して成膜する作業によって得ることも可能である。

例えば、スペーサ膜の光学的厚みを１．４λ_０／２から２．６λ_０／２に修正することによって８００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長を走査することが可能になる（ここでλ_０＝９００ｎｍおよびｎ＝１．４５であり、ｅの値は２１７ｎｍ〜４０３ｎｍの範囲で変動する）。

ここで、探査領域において唯一の透過帯域を得るためにはスペーサ膜の厚みは十分小さい必要がある点に気付くべきである。厚みが増すほどに条件［ｎｅ＝ｋλ／２］を満たす波長の数は増す。

フィルタモジュールを作製する第２の方法を以下説明する。

図３ａに示すように、最初にシリコンの基板ＳＩＬの底面ＯＸ１および上面ＯＸ２に対して熱酸化が施される。

図３ｂに示すように、基板の底面および上面ＯＸ１およびＯＸ２は、各々、感光性樹脂の底層ＰＨＲ１および上層ＰＨＲ２によって被覆される。その後、フォトリソグラフィによって底層ＰＨＲ１に矩形の開口が形成される。

図３ｃに示すように、底層ＰＨＲ１に形成された矩形の開口に合わせて底面ＯＸ１の熱酸化物にエッチングが施される。その後、底層ＰＨＲ１および上層ＰＨＲ２が除去される。

図３ｄに示すように、前記矩形開口、マスクとして振る舞う底面ＯＸ１の熱酸化物およびエッチング上層として振る舞う上面ＯＸ２の熱酸化物と合わせて、基板ＳＩＬに異方性エッチングが施される（例えば結晶配向１−０−０）。水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液またはトリメチルアンモニウムヒドロキシル（ＴＭＡＨ）溶液を用いてウェットエッチングを施すか、プラズマによってドライエッチングを施すことが可能である。この処理によって矩形開口の底部だけが酸化物の膜として残される。

図３ｅに示すように、この酸化物は、
・先ず第２のフィルタＦＰ２および第３のフィルタＦＰ３の部分を、第2のフィルタＦＰ２の部分におけるスペーサ膜ＳＰの厚みを定めるようにエッチングされ、
・次いで第３のフィルタＦＰ３の部分において、前記膜ＳＰの厚みを定めるようにエッチングされる。

図３ｆに示すように、第１のミラーＭ１および第２のミラーＭ２が基板ＳＩＬの底面ＯＸ１および上面ＯＸ２上に成膜される。

第１のフィルタモジュールが、基板ＳＩＬの底面ＯＸ１および上面ＯＸ２の少なくとも一方に保護層（不図示）を成膜して仕上げを行なってもよい。

よって本発明によれば、アライメントのとれたフィルタセットを作製することが可能である。したがってこれらのフィルタは一次元空間における基準とするのに適している。

図４に示すように、本発明によれば、二次元空間においてこうしたフィルタを構成するのも可能である。こうした構成は、しばしばマトリックス構成と称される。

４つの水平同列ストリップの各々が４つの干渉フィルタを備えている。図の上部に示される第１のストリップは、マトリックスの第１行に相当し、フィルタＩＦ１１〜ＩＦ１４を備えている。第２、第３および第４のストリップには、各々、フィルタＩＦ２１〜ＩＦ２４、フィルタＩＦ３１〜ＩＦ３４およびフィルタＩＦ４１〜ＩＦ４４が含まれている。

フィルタＩＦｊｋが、ｊ番目の水平列ストリップに属し、フィルタＩＦ１ｋ、ＩＦ２ｋ、．．．、ＩＦ４ｋを含むｋ番目の垂直列ストリップにも属しているので、この構成はマトリックスといわれている。

このフィルタモジュールを作製する方法は、上述の２つの方法のいずれかより類推可能である。

このようにして第１のミラー及び誘電体がこの順で基板上に成膜される。誘電体は、
・図５ａに示すように、第１の２つの水平列ストリップＩＦ１１〜ＩＦ１４およびＩＦ２１〜ＩＦ２４を隠す第１のマスクＭＡ１を用いてエッチングされ、
・図５ｂに示すように、第１および第３の水平列ストリップＩＦ１１〜ＩＦ１４およびＩＦ３１〜ＩＦ３４を隠す第２のマスクＭＡ２を用いてエッチングされ、
・図５ｃに示すように、第１および第２の垂直ストリップＩＦ１１〜ＩＦ４１およびＩＦ１２〜ＩＦ４２を隠す第３のマスクＭＡ３を用いてエッチングされ、
・図５ｄに示すように、第１および第３の垂直ストリップＩＦ１１〜ＩＦ４１およびＩＦ１３〜ＩＦ４３を隠す第４のマスクＭＡ４を用いてエッチングされる。

その後、４×４マトリックスの１６のフィルタを仕上げるため、こうしてエッチングを施したスペーサ膜上に第２のミラーが成膜される。

様々なマスクの各々について同じ深さまでエッチングを施すことに拘る必要はない。しかしながら、フィルタ厚を規則的に増すようにしたい場合は下記のように処理を進めることが可能である。
・第４のマスクＭＡ４を用いて深さｐまでエッチングし、
・第３のマスクＭＡ３を用いて深さ２ｐまでエッチングし、
・第２のマスクＭＡ２を用いて深さ３ｐまでエッチングし、
・第１のマスクＭＡ１を用いて深さ４ｐまでエッチングする。

図５ｅに示す第５のマスクＭＡ５、および図５ｆに示す第６のマスクＭＡ６を繰り返し用いる処理によって、上述の４×４マトリックスを６４の干渉フィルタを備える８×８マトリックスとすることが可能である。

第５のマスクＭＡ５は、第１および第２のマスクＭＡ１およびＭＡ２と同じ理屈で４つの水平な黒色ストリップと白色ストリップが交互に現れる。

同様に、第６のマスクＭＡ６は、第３および第４のマスクＭＡ３およびＭＡ４と同じ理屈で４つの垂直な黒色ストリップと白色ストリップが交互に現れる。

図６に示すように、フィルタモジュール内の各フィルタは、隣接するフィルタ同士の部分的重なりを回避するため、また潜在的なクロストーク問題を最小限に抑えるため、十分に隔離するのが望ましい。これを行うには、全てのフィルタを画定するためにフィルタモジュール上にグリッド（図では黒色部分）を追加し、クロストークバリアを構成することが可能である。グリッドは、モジュールが反射型において用いられる場合には吸収性であり、透過型において用いられる場合には反射性である。一例として、吸収性グリッドは黒色クロム（クロムに酸化クロムを加えたもの）を成膜してエッチングを施すことによって形成可能であり、一方、反射性グリッドはクロムを成膜してエッチングを施すことによって形成可能である。

１つの目安として、フィルタの寸法は、およそ３００μｍ×３００μｍである。他の寸法をとることも当然可能であるが、過剰な回折現象を回避するのに十分な寸法でなければならない。

フィルタモジュールは、これらのフィルタ群を列状に、マトリクス状に、六角形状などに配列して構成することが可能である。フィルタ群は任意の形状（正方形、矩形、六角形など）としてよい。

フィルタモジュールは、フィルタの全てではないにせよ、その少なくとも幾つかによって生じる光束を測定するのに適した検出器と対応するように設計される。よって検出器は複数の区画から構成され、各能動区画はある特定のフィルタ専用とされる。

本発明のさらなる特徴として、検出器はフィルタに集積化される。使用放射線は３５０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲内にあり、検出器は、相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ）技術を用いて製造するのが望ましい。

図７に示すように、図４のフィルタモジュールＭＦを透過型として用いることができる。フィルタ群と類似した幾何学的配置の区画群を備えた検出器ＤＥＴと光学的にアライメントされている。よって第１、第２および第３の区画ＣＰ１１、ＣＰ１２およびＣＰ１３は、各々、第１、第２および第３のフィルタＩＦ１１、ＩＦ１２およびＩＦ１３によって透過される光束を受光するように設計されている。より一般的には、検出器ＤＥＴの第ｊ行と第ｋ列の一部を形成する区画ＣＰｊｋは、フィルタモジュールＭＦの第ｊ行と第ｋ列の一部を形成するフィルタＩＦｊｋによって透過される放射線を受光する。各区画には複数の独立した検出セルが設けられていると好ましい。これらのセルは一般にほぼ６μｍほどのサイズであるためである。さらに、各々異なるセルが出力する信号を組み合わせることによって、ある区画が受光する光束を推定する信号を生成するための手段が設けられている。こうした構成により、これらの出力信号を平均してその平均から大幅に外れる信号を排除したり、当業者に既知の任意の他の処理を施すことが可能になる。

わずかな光学部品しか用いず、可動部品が存在しないので、組立て作業は極めて単純である。よって測定特性は極めて安定しており、また極めて再現性が高い。

フィルタモジュールを検出器の境界面に直接集積化すれば、組立て作業を省略することも可能になる。この境界面は、パッシベーション層としてもよく、直接に検出器の上面としてもよい。

図８に示すように、分光装置には、フィルタモジュールＭＦと検出器ＤＥＴの間に配置された対物レンズのような結像光学系ＯＰＴが含まれている。こうした光学系の目的は、フィルタモジュールＭＦのサイズを検出器ＤＥＴのサイズに適合させることにある。像の拡大や縮小を伴ってよい。像を縮小させる場合、検出器が受光する光束は、フィルタモジュールの面積対検出器の面積の比率で増大する。

以上、本発明の実施形態を具体的に説明したが、本発明に含まれる可能性のある全ての実施形態を余すところなく列挙することはできない。すなわち、既述の手段のどれもが、本発明の範囲を超えることなく同等の手段によって置き換えることが可能である。

ＣＰ１１〜４４ 区画
ＤＥＴ 検出器
ＦＰ１〜３ 干渉フィルタ
ＩＦ１１〜４４ 干渉フィルタ
ＭＡ１〜６ マスク
ＭＦ フィルタモジュール
ＭＲ１、２ ミラー
ＯＰＴ 結像光学系
ＯＸ１ 基板の底面
ＯＸ２ 基板の上面
ＳＩＬ 基板
ＳＰ スペーサ膜
ＳＵＢ 基板

Claims (10)

1. スペーサ膜（ＳＰ）によって離間された２つのミラー（ＭＩＲ１、ＭＩＲ２；Ｍ１、Ｍ２）から構成されるフィルタモジュールを基板（ＳＵＢ）上に具備する波長分光装置であって、
   前記フィルタモジュールが複数の干渉フィルタ群（ＦＰ１、ＦＰ２、ＦＰ３；ＩＦ１１〜ＩＦ４４）を備え、
   前記スペーサ膜（ＳＰ）の厚みは、前記フィルタ群における何れのフィルタにおいても一定であるが、別のフィルタ同士の間では異なることを特徴とする。
2. 前記フィルタ（ＦＰ１、ＦＰ２、ＦＰ３；ＩＦ１１〜ＩＦ４４）の少なくとも１つが、帯域通過伝達機能を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記フィルタ群（ＦＰ１、ＦＰ２、ＦＰ３；ＩＦ１１〜ＩＦ４４）の少なくとも幾つかが、第１のストリップにおいて整列していることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記フィルタ群（ＩＦ２１〜ＩＦ２４）の少なくとも幾つかが、第１のストリップと平行かつ独立した第２のストリップにおいて整列していることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 前記フィルタ群（ＦＰ１、ＦＰ２、ＦＰ３；ＩＦ１１〜ＩＦ４４）の隣接する少なくとも２つが、クロストークバリアによって隔離されていることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれかに記載の装置。
6. 複数の区画群（ＣＰ１１〜ＣＰ４４）を備える検出器（ＤＥＴ）を更に具備し、
   各能動区画は、前記フィルタ群（ＦＰ１、ＦＰ２、ＦＰ３；ＩＦ１１〜ＩＦ４４）の１つの専用とされると共にそれと光学的に調心されており、それが放出する放射線を少なくとも１つの検出セルによって検出することを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれかに記載の装置。
7. 前記区画（ＣＰ１１〜ＣＰ４４）が複数の検出セル群を備え、
   前記セル群からの出力信号を組み合わせることによって信号を生成する手段を更に具備することを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 前記検出器（ＤＥＴ）が、ＣＭＯＳ技術を用いて集積化されていることを特徴とする、請求項６または７に記載の装置。
9. 前記基板が、前記検出器（ＤＥＴ）上に現れる境界面によって構成されることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 前記フィルタ群（ＦＰ１、ＦＰ２、ＦＰ３；ＩＦ１１〜ＩＦ４４）のサイズを前記検出器（ＤＥＴ）のサイズに適合させるための結像光学系（ＯＰＴ）を具備することを特徴とする、請求項８に記載の装置。

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