JP2020515870A - 密封シール・カバー・キャップ付き移植可能光学センサ - Google Patents

Abstract

基板２および基板２とともに集積される光学微細構造３を包含するフォトニック集積回路を包含する移植可能な光学センサ。光学微細構造は、基板２の表面５の一部の上に露出された光学的相互作用エリア４を形成するべく位置決めされる。カバー・キャップ６が光学的相互作用エリア４に隣接する基板２の一部の上に、ウェファ対ウェファ接合テクノロジまたは別のウェファ・レベルの密封パッケージング・テクニックによってシールされる。少なくとも１つの能動構成要素８が、表面５とカバー・キャップ６の間に形成されるシールされたキャビティ９内に位置決めされる。基板２は、シールされたキャビティ９から光学的相互作用エリア４まで延びる埋め込み型導波路である少なくとも１つの光フィードスルー１０を包含する。

Description

本発明は、光学アッセンブリ、たとえば、基板および基板に集積された光学微細構造を包含し、当該光学微細構造が、基板の表面の一部の上に光学的相互作用エリアを形成するべく位置決めされる移植可能な光学センサに関する。さらなる態様において、本発明は、光学アッセンブリを製造する方法に関し、当該方法は、光学的相互作用エリアを形成する集積光学微細構造を基板に提供することを包含する。

特許文献１は、生きている動物内の媒質中の分析物を測定するためのセンサおよび方法を開示している。このセンサは、誘導素子、電荷蓄積デバイス、およびメモリを含む。このセンサは、外部デバイスによって起動され、当該外部デバイスから受け取る電力を使用して分析物測定を実行し、誘導素子を使用して外部デバイスに分析物測定を伝える。センサは、ガラス・カプセル内に完全にシールされる。

特許文献２は、光学デバイスのマイクロ密封パッケージングのための方法を開示している。この方法は、マイクロ密封キャビティを基板上に形成すること、基板上に伝送用光導波路を提供すること、および光学デバイスをマイクロ密封キャビティ内にシールすることを包含する。第１の基板とは別のリッドがシール処理のために採用されるか、またはマイクロ密封キャビティがリッド上に提供されて第１の表面上にシールされる。光学デバイスは、光導波路を用いる光学出力伝送のためにキャビティ内に位置決め可能である。

特許文献３は、ベア・チップの局所的な密封保護を必要とするレーザ源、光検出器ダイオード、ＬＥＤ等の光電子構成要素のための搭載場所を画定する部分を有するハイブリッド電気光学デバイスを開示している。基板上に形成された平面光波回路（ＰＬＣ）導波構造がその搭載場所まで延び、このデバイスのための光信号フィードスルーを画定する。少なくとも１つの電極が平面光波回路導波構造と関連付けされ、前記搭載場所を延長してこのデバイスのための電気信号フィードスルーを画定する。リング状の構造が前記搭載場所を連続的に取り囲み、その上に連続的なカバー部材がはんだ付けされて搭載場所をカバーし、かつ密封シールする。このリング状の構造が金属リムである結果として、このデバイスは、ウェファ・スケールの製造に適さない。

この分野における光学アッセンブリの保護に使用される周知のアプローチは、たとえば、チタン・ボックスの使用による。しかしながら、このアプローチは、ウェファ・スケールの処理ではなく、各デバイスが別々に処理される必要があり、それによってこのアプローチをコスト高にするという欠点を有している。光学アッセンブリ内において光学測定を実行する必要がある場合には、フィードスルーが見通される必要があるが、これは標準ではない。さらなるアプローチは、パリレンｃコーティングを使用するが、密封パッケージングの成功についてデバイスをテストすることが可能でない。たとえば、テレコミュニケーションおよびデータ通信応用において使用されている別のアプローチは、フィードスルーがウェファ・スケールのキャップを通じて作られるウェファ・スケール・キャッピングの使用による。これらのフィードスルーは、特に、望ましい長寿命に関して考えたときの弱点である。

国際公開第２０１６／１３７４４４号 米国特許第６，９８１，８０６号 米国特許出願公開第２００４／０２４５４２５号

本発明は、過酷な環境を伴った光学的相互作用に特に適している光学アッセンブリ、たとえば移植可能な光学センサを提供することを求める。より詳細に述べれば、本発明は、信頼性があり、かつ安全に働く光学アッセンブリを有するために、体液等の流体への曝露を提供する光学的相互作用エリアをはじめ、流体からシールされる、関連付けされたさらなる能動構成要素を有する光学アッセンブリを提供することを求める。さらに本発明は、ウェファ・スケールの処理によって製造することが可能な光学アッセンブリを提供することを求める。

本発明によれば、上で定義した光学アッセンブリが提供され、さらに、光学的相互作用エリアに隣接する基板の一部にカバー・キャップを包含する。少なくとも１つの能動構成要素が、表面とカバー・キャップの間に形成されるシールされたキャビティ内に位置決めされる。基板は、そのシールされたキャビティから光学的相互作用エリアまで延びる少なくとも１つの光フィードスルーを包含する。その結果、シールされたキャビティ内の電子構成要素との通信またはインターフェースの理由のためにカバー・キャップを突き出すことが必要でなくなる。これは、光学アッセンブリの光学的特性および測定ケイパビリティに影響を与えることなく、使用の間にわたって電子構成要素、より具体的には光学アッセンブリの電気構成要素を流体との接触から効果的に遮蔽する。さらにまた、シールされたキャビティ内の能動構成要素（１つまたは複数）から光学微細構造（基板上に存在する）への、およびその逆の光通信が可能になる。

カバー・キャップは、ウェファ対ウェファ接合テクノロジまたは別のウェファ・レベルの密封パッケージング・テクニックによって前記基板の一部に密封シールされる。結果として得られるデバイスは、米国特許出願公開第２００４／０２４５４２５号の中に記述されているような金属リムまたはリング状の構造を伴うことなく、カバー・キャップと基板の間にはんだ付け材料を伴うことなく、カバー・キャップをシールするための基板が用意されること、言い換えると、キャップのボトム・エッジが、基板の表面と直接接触することができることによって特徴記述することができる。さらにまた、結果として得られるデバイスは、カバー・キャップのボトム・エッジにフランジがないこと、すなわち基板上にキャップをシールするために使用されるテクニックがその種のフランジを必要としないことによって特徴記述することができる。

本発明のさらなる態様は、上で定義した光学アッセンブリを製造する方法に関し、それにおいて当該方法は、さらに、光学的相互作用エリアに隣接する表面上に少なくとも１つの能動構成要素を提供すること、および基板の一部の上にカバー・キャップを提供し、少なくとも１つの能動構成要素が位置決めされるシールされたキャビティを形成することを包含する。さらにまた、この方法は、ウェファ対ウェファ接合テクノロジまたは別のウェファ・レベルの密封パッケージング・テクニックによってカバー・キャップを基板にシールすること、およびそのシールされたキャビティから光学的相互作用エリアまで延びる（すなわち、キャップを突き出すことなく）少なくとも１つの光フィードスルーを提供することを包含する。この方法が、光学アッセンブリのそのほかの要素のための製造ステップと互換性のあるテクニックを使用することから、この方法は、効率的かつコスト効果的な製造方法として実装することが可能である。

以下、次に挙げる添付図面を参照して本発明をより詳細に論じる。

本発明の第１の実施態様に従った光学アッセンブリの略図的な断面図である。 本発明の第２の実施態様に従った光学アッセンブリの略図的な断面図である。 本発明のさらなる実施態様に従った光学アッセンブリの略図的な断面図である。 本発明のさらに別の実施態様に従った光学アッセンブリの略図的な上面図である。 本発明のさらに別の実施態様に従った光学アッセンブリの略図的な断面図である。

移植可能（または（部分的に）浸漬される）光学センサとして意図された用途を有する光学アッセンブリの多くは、電子および／または光電子構成要素の形式のかさばる構成要素を有する。これらは、動作のための電力供給を必要とする電子回路を包含することがあり、この回路は、あらゆる湿分から完全にシールされ、かつ保護されなければならない。動作の間に回路が光学アッセンブリの環境に曝露されると、液体または蒸気の形式の水の存在によって、それらの機能に深刻な影響が及ぶ可能性がある。金属ワイヤ接合が損なわれることがあり、金属ラインが腐食して損傷することがあり、流体との相互作用が構成要素の機能を停止させることになる。本発明の実施態様に従った光学アッセンブリの応用のいくつかは、限定ではないが、血液または間質液等の体液、および発酵タンクまたは石油化学製品タンク等の化学処理中の流体の検知を含む。その種の光学アッセンブリは、しばしば、検知表面の、直接および／または長期にわたる好ましくない環境（たとえば、腐食性環境）との相互作用を有する。好ましくない環境との長期の相互作用、または短期の相互作用でさえ、光学アッセンブリ内の電子および光電子構成要素のパフォーマンスおよび機能を実質的に劣化させる可能性がある。したがって、光学アッセンブリの一部をなす電子および光電子構成要素は、この望ましくない環境への直接曝露を排除するべく適切にパッケージされる必要がある。本発明の実施態様は、これらの問題を、非常に一般的な意味において、かさばるＤＣ給電光電子構成要素を有する光学アッセンブリに密封光（および、必要な場合には電気）フィードスルーを提供することによって解決する。主要な問題は、（腐食性の）流体に曝露され、かつ直接接触する光学的相互作用エリアと、密封シールされる光電子構成要素の実装としての、たとえばリードアウトＩＣの間における光（および、電気）フィードスルーを有する光学アッセンブリを提供することによって解決される。アクティブ化のために電力を必要とする本発明の光学アッセンブリ実施態様のすべてのエレクトロニクスおよびフォトニクス構成要素は、信頼性があり、安全に働くデバイスを達成するために、密封カバー・キャップの下に位置決めされる。

図１は、本発明に従った光学アッセンブリ１の第１の実施態様の略図的な断面図を示している。光学アッセンブリ１は、基板２および基板２に集積された光学微細構造３を包含する。光学微細構造３は、光学的相互作用エリア４を形成するべく位置決めされる（すなわち、基板２内に完全にまたは部分的に埋め込まれるか、集積されるか、またはパターン化されることが可能である）。光学微細構造３は、たとえば集積型導波路、格子、フォトニック結晶、キャビティ、マイクロリング共振器、カプラ、スプリッタ、フィルタ、およびそのほかの光学（可調）要素といった複数の集積型光学構成要素のうちの１つまたは複数を包含することが可能である。光学微細構造３は、能動または受動のいずれとすることも可能である。図１に示されている実施態様においては、光学微細構造３が、基板２内に埋め込まれた導波路である。この実施態様にあるとおり、光学アッセンブリ１は、さらに、光学的相互作用エリア４に隣接する基板２の一部の上にカバー・キャップ６を包含し、カバー・キャップ６と基板２の表面５の間は、シールされる。さらにまた、基板２に（たとえば、基板２の表面５に能動構成要素が固定されるか、または接合されることによって）接続される少なくとも１つの能動構成要素８が存在する。能動構成要素８は、たとえば、電子構成要素、光電子構成要素または光学構成要素、たとえば、信号プロセッサ、光検出器、光源、バッテリ等である。能動構成要素８は、表面５とカバー・キャップ６の間に形成されたシールされたキャビティ９内に位置決めされている。代替実施態様は、カバー・キャップ６のための適切な材料を使用し、その後それを表面５に対して直接加熱シールすることができる。基板２は、さらに、シールされたキャビティ９から光学的相互作用エリア４まで延びる少なくとも１つの光フィードスルー１０を包含する。

光学微細構造３は、たとえば、導波路１４および／またはカプラ１３とする光フィードスルー１０と光学的に接続することができ、それにおいてカプラ１３は、たとえば、能動構成要素８に対する放射線の結合および分離のために使用される。カプラ１３の１つの例として、オンチップ垂直格子カプラ１３（ＶＧＣ）を挙げてもよい。図１に示されている実施態様に従った光学アッセンブリ１は、光フィードスルー１０を包含し、それが、密封シールされたキャビティ９の内側から露出された光学的相互作用エリア４への、およびその逆向きの光通信を可能にする。光フィードスルー１０は、外部的に光学アッセンブリ１から、たとえば、基板２のトップ表面から、または基板２のボトム表面から光学的にアクセス可能となるべく配することができる。１つの実施態様においては、光学微細構造３を光フィードスルー１０に接続される集積型導波路とすることが可能であり、後者も、たとえば、さらなる埋め込み型導波路である。この実施態様においては、光学微細構造３が、集積型導波路として、局所的にエッチングされて開かれ、光学的相互作用エリア４を形成する光フィードスルー１０の一部となることが可能である。

さらなる実施態様においては、少なくとも１つの能動構成要素８が、基板２のシールされたキャビティ９内の表面５（の一部）に、たとえば、この実施形態に示されているとおり、アンダー・バンプ金属化１２を使用して取り付けられる。少なくとも１つの能動構成要素８が、代替アレンジメントにおいて、たとえば、そのほかのタイプのハイブリッド集積テクニックを使用して表面５に取り付けられ得ることは明らかであろう。

光学微細構造３においては、殆どの光が導波層（たとえば、導波路として実装される）内に閉じ込められるが、エバネッセント場と呼ばれるわずかな部分が外に出て外部媒体（たとえば、基板２の材料および／または光学的相互作用エリア４）内に達する。このエバネッセント場は、導波表面からの距離の増加に従って指数関数的に減衰する。エバネッセント場は、たとえば、光学的なトラッピング、検知、励起のための環境との相互作用に使用される。本発明の実施態様のうちの１つにおいては、光学微細構造３が、それの上側のクラッディングとして（周囲を取り囲む）空気を有し、光学的相互作用エリア４内に広がるエバネッセント場が検知目的で利用される。さらなる実施態様においては、光学的相互作用エリア３が検知エリアになる。光学微細構造３は、光学センサとして、たとえば、エバネッセント場光学センサとして使用することが可能である。さらに別の実施態様においては、光学微細構造３を、それに代えて、たとえば、光干渉断層撮影（ＯＣＴ）、またはレーザ・ドプラ速度計測（ＬＤＶ）応用に使用することが可能である。

さらなる実施態様においては、光学アッセンブリ１がフォトニック集積回路（ＰＩＣ）であり、これは、フォトニック回路を作るために使用される多様な形式および材料系のことを言う。この実施態様においては、光フィードスルー１０を埋め込み型導波路とすることができる。これには、たとえば、低屈折率コントラスト導波路プラットフォーム（たとえば、ポリマ導波路、ガラス／シリカ導波路、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ導波路、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡＳ_yＰ_1-y導波路）、高屈折率コントラスト導波路（たとえば、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）、半導体膜）、プラズモン導波路（たとえば、金属層または金属ナノ粒子を伴う）等が含まれる。光学微細構造３は、シリコン（Ｓｉ）、シリコン酸化物（ＳｉＯ_x）、窒化シリコン（ＳｉＮ、シリコン・リッチまたはストイキ・シリコン）、またはＩＩＩ−Ｖ群もしくはＩＩ−ＶＩ群からの材料等の材料とすることが可能である。例示的な実施態様においては、本発明が、シリコン・フォトニクス系とも呼ばれる光学アッセンブリ１がＳｉＮまたはＳＯＩ材料の実装となる実施態様に関係する。シリコン・フォトニクスは、それの高屈折率コントラストおよびＣＭＯＳ製造テクニックとの互換性から、ほかの材料系を大幅に上回るＰＩＣ作成のための利点を有する。ＣＭＯＳ産業に起因して、シリコン・フォトニクス・テクノロジは、パフォーマンス、再現性、およびスループットの見地から、ほかのあらゆる平面チップ製造テクニックを数桁の規模で凌ぐ成熟レベルに到達している。シリコン・フォトニクスＩＣは、再現可能かつ良好にコントロールされるウェファ・スケールの処理を用いて製造することが可能であり、これは、ウェファ（通常、直径２００ｍｍまたは３００ｍｍ）が、多数のフォトニック集積回路を含むことが可能なことを意味する。比較的控えめなコストにおける大型ウェファの商的な入手可能性と組み合わせると、これは、光学アッセンブリ１当たりの価格が非常に低くなり得ることを意味する。光学微細構造３は、基板内にパターン化されるかまたは埋め込まれた半導体導波路として成形することが可能である。例示的な実施態様においては、光学微細構造３が、コンパクトな波長選択デバイスのマイクロリング共振器（ＭＲＲ）になる。ＭＲＲの共振波長は、たとえば、生物学的および化学的応用のための強力な光学センサとしての使用のために利用される、周囲を取り囲む媒体の屈折率における変化によって大きく影響される。この出願における光学微細構造３に対してなされる参照は、それの導波層内にパターン化された構造（たとえば、ＳＯＩ光導波路の場合におけるパターン化されたデバイス層（Ｓｉ））を言う。

光学微細構造３は、基板２内に埋め込まれるか、集積されるか、またはパターン化された集積型光学キャビティ、集積型光学共振器、集積型光学干渉計、集積型光カプラ、光導波路、テーパー、可調フィルタ、位相シフタ、格子、フォトニック結晶、変調器、検出器、ソース、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、またはこれらの組み合わせといった集積型光学構成要素とすることが可能である。光学微細構造３の製造は、電子ビーム・テクノロジの使用、フォトリソグラフィック処理の使用、ＣＭＯＳテクノロジの使用、またはこれらの組み合わせ等の多様なテクニックを使用して実行することが可能である。これは、この分野の当業者に周知のとおり、半導体エッチング・ステップおよび、フリップ・チップ法、接合、金属化等のバックエンド処理ステップを含むことが可能である。

追加の実施態様においては、光学アッセンブリ１が、さらに、少なくとも１つの、シールされたキャビティ９からシールされたキャビティ９の外側の基板２のエリアまで延びる電気フィードスルー２０を包含する。電気フィードスルー２０は、シールされたキャビティ９内に集積された電気または光電子構成要素からシールされたキャビティ９の外部のエリアまでの電力の伝送を可能にする。図２は、本発明のこの追加の実施態様に従った光学アッセンブリ１の略図的な断面図を示す。この実施態様において、少なくとも１つの能動構成要素８（たとえば、光学的処理チップ）に隣接して、追加の電子または光電子構成要素１６、１７が、密封シールされたキャビティ９内の表面５に接続されている。追加の電子デバイス１６、１７は、たとえば、電源ユニット１６またはインターフェース回路１７を包含する。電気フィードスルー２０は、たとえば、腐食性流体との接触によって実際上影響されない仕上げ（または、めっき）金属で作られている。これらの金属層は、いかなる流体による劣化もない、たとえば、金、プラチナ、またはパラジウムの層である。

図２に示されている例示的な実施態様においては、電気フィードスルー２０が、密封シールされたキャビティ９の外側に位置決めされたアンテナ１５に接続される。より一般的に言えば、さらなる実施態様においては、光学アッセンブリ１がアンテナ１５を包含する。特定の実施態様におけるアンテナ１５は、能動構成要素８に、図２の例示的な実施態様に示されているとおり、たとえば電気フィードスルー２０を介して接続される。さらなる代替実施態様においては、アンテナ１５をカバー・キャップ６の上に配置することが可能である。シールされたキャビティ９の内側においては、電気フィードスルー２０が、追加の電子構成要素１６、１７と接合ワイヤ１８によって（エレクトロニクス・パッケージング・テクニックから周知のとおり）接続される。適切な選択および実装によって、アンテナ１５は、たとえば、シールされたキャビティ９内における（光）電子構成要素８、１６、１７との電力およびデータのインターフェースのために使用することが可能である。アンテナ１５は、意図された機能、および使用される動作周波数および変調タイプに応じて、マルチループ・アンテナまたは異なるタイプのアンテナとすることができる。

代替または追加の実施態様においては、電気フィードスルー２０をシールされたキャビティ９から、カバー・キャップ６の反対側の基板２の表面まで延ばすことが可能である。電気フィードスルー２０に類似のその種のバイアは、シールされたキャビティ９内から外側、たとえば接続端子までの電気接続を提供する。電気フィードスルー２０は、光学検知アッセンブリ１の表面５まで埋め込まれるか、パターン化されるか、または集積されるかのいずれかで可能である。この電気フィードスルー２０の製造方法の例は、金属、たとえば銅のシリコン貫通バイア（ＴＳＶ）と呼ばれる方法による。ＴＳＶは、エッチング、絶縁体の堆積、バリアおよびシード層の堆積、および電気化学めっき等のステップを包含する製造方法である。応用に応じて、ＴＳＶ構造は、サイズ、アスペクト比、密度、材料、およびテクノロジにおいて異なる。ＴＳＶは、ＲＩＥ処理の拡張である深掘り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）、すなわちストレート・エッチ・プロファイル、急斜トレンチ、または孔を基板内に生成するために使用される、たとえば、高異方性エッチング処理によって広く製造されている。ＴＳＶは、流体、たとえば水に対する密封が実証済みである。

図３は、本発明の追加の実施態様に従った光学アッセンブリ１の略図的な断面図を示す。ＴＳＶ法によって製造される電気フィードスルー２０が、シールされたキャビティ９から、この実施態様においてはカバー・キャップ６が取り付けられる表面５の反対側の基板２の表面に配置されるアンテナ１５へ、電気接続をなすために使用される。

環境内の電磁界からの電磁干渉（ＥＭＩ）は、シールされたキャビティ９内の電子および光電子構成要素８、１６、１７の機能に影響を及ぼす可能性がある。これは、図２の実施態様に示されているとおり、電磁遮蔽層１９を備えることによって回避可能である。本発明のさらなる実施態様においては、カバー・キャップ６が電磁遮蔽層１９を包含し、ファラデー・ケージ・タイプの遮蔽と類似に作用する。金属層は、完全な金属シートまたはメッシュ層として、この分野において、効果的な電磁遮蔽層として知られている材料の１つである。図２の実施態様は、シールされたキャビティ９が、カバー・キャップ６の内側を完全にカバーする保護層１９によって外部干渉から遮蔽される光学アッセンブリ１の断面図を示す。このほかの保護層１９のための代替材料には、たとえば、導電性ポリマ複合剤または導電性ポリマ・ナノ複合剤がある。

いくつかの応用は、光学アッセンブリ１の光学的相互作用エリア４が流体環境に曝露されることを必要とする。カバー・キャップ６は、流体環境からシールされたキャビティ９内の電子および光電子構成要素８、１６、１７を密封遮蔽する。したがって、さらなる実施態様においては、カバー・キャップ６が流体シール材料から作られる。カバー・キャップ６は、露出された光学的相互作用エリア４の検知特性に影響を及ぼさない態様で働く。この流体シール材料は、ガラス、金属、シリコン、ポリマ等とすることが可能である。金属は、たとえば、チタンまたは金とすることが可能である。流体遮蔽カバー・キャップ６は、ウェファ対ウェファ・テクノロジまたはダイ対ウェファ・テクノロジまたはダイ対ダイ・テクノロジを用いて、たとえば、図１を参照して説明したとおり、はんだ付け層１１を使用して表面５に接合できる。

図４は、マルチループ・アンテナ１５が表面５の周囲エリアに配置され、すなわち、光学的相互作用エリア４およびカバー・キャップ６の外側に周縁を有する図２に示した光学アッセンブリ１の上面図の略図表現を示している。この実施態様においては、アンテナ１５が、基板２の周縁に位置決めされる。これは、（可能性として、マルチループ）アンテナ１５の表面積を最大化し、データおよび電力交換ケイパビリティを増強することを可能にする。マルチループ・アンテナ１５は、基板２の上側（図２の実施態様参照）または底側（図３の実施態様参照）に配することが可能である。アンテナ１５は、収集したセンサ・データを外部に伝送するため、および／または電力を伝送するために使用できる。アンテナ１５は、適切な方法、たとえば、基板２上への導電層（１つまたは複数）の堆積を使用して提供することができる。

図５は、本発明の光学アッセンブリ１のさらに別の実施態様の断面図を示す。この実施態様においては、光学アッセンブリ１が、植物または動物または人間等の生き物の体の中に導入可能な能動デバイスである能動移植可能医用デバイス（ＡＩＭＤ）になる。その種の応用においては、ＡＩＭＤが、血液、間質液、唾液、房水、羊水等の体液との直接接触を有するべく配される。いくつかの実施態様においては、光学アッセンブリ１が、グルコースを検知するため、またはそれに代えて／それに加えて、そのほかの、尿素、乳汁、クレアチニン、中性脂肪、タンパク質、コレステロール、エタノール、ケトン、およびホルモン等の物質のための光学センサとして配される。生き物の体内に使用されるインプラントは、内部損傷を生じさせる可能性があることから鋭いエッジまたは角を有してはならない。このさらなる実施態様においては、光学アッセンブリ１が、光学アッセンブリ１の周りに（すなわち、それを取り囲む）保護層２５を包含する。オプションとして、光学的相互作用エリア４のための開口が提供される。保護層２５は、たとえば、微細構造化表面または滑らかで丸みのある外側表面を有することが可能である。保護層２５は、たとえば、光学アッセンブリ１の密封シール後のコーティングが可能なポリマ層とすることが可能である。保護層２５は、光学的相互作用エリア４が検知環境に対する直接曝露を有するべく開かれた状態を維持するような方法で効率的に設計され、適用されることが可能である。オプションとして、光学的相互作用エリア４に、検知に影響を及ぼさないようなあらかじめ決定済みの厚さを伴った、たとえば、シリコン・カーバイド（ＳｉＣ）、ダイヤモンド状炭素膜（ＤＬＣ）、ＴｉＯ₂、またはＡｌ₂Ｏ₃からなるグループからの１つまたは複数の材料の薄い防食性トップ層を提供することが可能である。

この実施態様の利点は、光学アッセンブリ１の小型化を可能にすることである。小型化は、体液の自然な流れ、または物質の自然な拡散を許し、たとえば、生き物の中における存在が物質の検知および連続監視のための可能性を与えるコンパクトな光学アッセンブリ１を可能にする。検知は、試薬またはそのほかの補助剤を必要としない、たとえば光学的特徴記述テクニックを使用して実行することが可能である。これらの利点は、結果として信頼性があり、ユーザの有意の干渉の必要性を伴うことなく長期にわたって使用可能な光学アッセンブリ１をもたらす。

代替または追加の実施態様においては、光学マイクロシステム・アッセンブリ１が、さらに、密封シールされたキャビティ９内に位置決めされるエネルギ供給デバイス１６を包含する。エネルギ供給デバイスは、上述した多様な実施態様を参照して論じたとおりの光学アッセンブリ１のすべての（光）電子構成要素８、１６、１７のために必要とされるエネルギを供給するために使用される。エネルギ供給デバイス１６は、１つの具体的な実施態様においては、エネルギ・ストレージ、たとえばマイクロ・バッテリであり、さらなる具体的な実施態様においては、環境発電デバイスである。マイクロ・バッテリは、マイクロ・バッテリのサイズ、および（光）電子構成要素８、１６、１７のエネルギ需要に応じて限られた寿命の中で固定されたエネルギ密度を供給する。さらなる具体的な実施態様においては、光学アッセンブリ１のそれぞれの電力需要構成要素８、１６、１７が、より長い寿命を有し、かつ従来的なデバイスと比較してより高い快適性および安全性を提供することが可能な環境発電デバイスを使用する。環境発電デバイスは、直接エネルギ変換を通じて周囲から、たとえば、赤外線放射体エネルギ、熱エネルギ（太陽熱、地熱温度勾配、燃焼）、運動エネルギ（風、重力、振動）、無線伝送エネルギおよびＲＦ放射線エネルギ（誘導性および容量性結合、たとえば、図２、３、および４に示されている実施態様を参照して上述したアンテナ１５の使用）から電気エネルギを生成する。本発明の実施態様においては、それに代えて、またはそれに加えて、光フィードスルー１０を、シールされたキャビティ９の外側からそれの内側の光電子構成要素に光エネルギを提供するため使用することができる。人間または環境ソースからの環境発電は、たとえば、身体の動きからの運動エネルギを使用し、移植されたアッセンブリ１の場合における効果的な代替手段を提供する。

注意を要するが、図１−５を参照して上述した実施態様においては、能動構成要素８を、たとえば、放射線が物質を検知するために使用される放射源とすることができる。光源は、１つまたは複数の広帯域ソース（ＬＥＤ、ＳＬＥＤ）、単一の狭帯域ソース（たとえば、ＶＣＳＥＬ、ＤＦＢレーザ、ＤＢＲレーザ等のレーザ）、または狭帯域ソースの集合とすることができる。この説明の中での光または放射線に対してなされた参照は、電磁放射線を言う。企図されている光は、特定の物質の検知のために適切な波長または波長の範囲を有する放射線である。いくつかの実施態様においては、使用される光が、赤外線放射線、たとえば可視光放射線、近ＩＲ放射線、または中ＩＲ放射線になる。シリコン・フォトニクスのための製造および集積テクノロジは、テレコミュニケーション波長（１３１０ｎｍ、１５５０ｎｍ）において良好に開発され、それを、本発明の光学アッセンブリ１の容易かつ信頼性があり、コスト効果的な製造をともなって、関心波長範囲への拡張のために利用することが可能である。

それに加えて、光検出器を、密封シールされるカバー・キャップ６によって提供されるシールされたキャビティ９内の表面５上に集積することができる。この光検出器は、光信号を電気信号に変換するために使用される。光検出器は、フォトダイオードまたは光導電体、またはこれらの要素の集合とすることができる。密封シール内に集積された、モニタ・フォトダイオード、無線モジュール等の追加の電子構成要素１６、１７が存在すること、または増幅器が存在することさえある。

上述したとおり、しばしばかさばるものとなる電子および光電子構成要素８、１６、１７が、基板２に集積され、表面５上の金属接合パッドと電気的に接続される。構成要素８、１６、１７の集積は、たとえば、モノリシック、不均一、またはハイブリッド法によって可能である。モノリシック集積は、単一の処理フローを使用して、可能性としては異なる材料を使用する多様な構成要素、たとえば、シリコン・フォトニックＩＣ内に集積されるゲルマニウム検出器を処理する集積テクノロジである。不均一集積は、構成要素が別々の処理フロー内で処理され、その後、ダイまたはウェファ・レベルにおいて、たとえば、ＢＣＢ接合、ウェファ接合、またはそのほかの接合スキーム、３Ｄ集積で集積される集積テクノロジである。ハイブリッド集積は、処理済みのフォトニック集積プラットフォーム上における構成要素または材料の集積であり、たとえば、検出器のフリップ・チップ、バンピング、接着、ワイヤ接合、共パッケージング等である。

さらなる態様における本発明は、光学アッセンブリ、たとえば、ここで説明した実施態様のうちのいずれかに従った光学アッセンブリ１を製造するための方法に関する。この方法は、基板２に、光学的相互作用エリア４を形成する集積された光学微細構造３を提供すること、および光学的相互作用エリア４に隣接して表面５上に少なくとも１つの能動構成要素８を提供することを包含する。方法は、さらに、基板２の一部の上に、少なくとも１つの能動構成要素８が位置決めされるシールされたキャビティ９を形成するカバー・キャップ６を提供することを包含する。上で論じたとおり、光学アッセンブリ１を製造する方法は、さらに、シールされたキャビティ９から露出される光学的相互作用エリア４まで延びる少なくとも１つの光フィードスルー１０を提供することを包含できる。さらなる実施態様においては、光学マイクロシステム・アッセンブリ１を製造する方法が、さらに、シールされたキャビティ９の内側から基板２内のシールされたキャビティ９の外側のエリアまで延びる少なくとも１つの電気フィードスルー２０を提供することを包含する。図５に示されている実施態様を参照して上で論じたとおり、光学マイクロシステム・アッセンブリ１を製造する方法は、さらに、光学アッセンブリ１の周りに、可能性としては光学的相互作用エリア４のための開口を伴う保護層２５を提供することを包含できる。

ここで説明した光学アッセンブリ１の実施態様の密封シールは、ダイまたはウェファ・レベルにおいて実行することができる。ダイ・レベルのシールは、各ダイおよび光学アッセンブリ１のための個別の処理を必要とし、パッケージングのコストおよび労働時間が増加し、処理の歩留まりおよび信頼性が減少する。これに対し、ウェファ・レベルの密封シールは、薄膜封止またはウェファ対ウェファ接合等の低コスト・パッケージング解決策を提供する周知のテクニックを使用することによって、上記の態様のすべてにおいてより良好な解決策を提供する。したがって、ウェファ対ウェファ接合による密封シールは、シーリング目的のための別々のキャップ・ウェファを採用し、それが、センサの保護のための完全な機械的堅牢性を提供する。代替または追加の実施態様においては、光学マイクロシステム・アッセンブリ１を製造する方法が、さらに、ウェファ・レベルのパッケージング・テクノロジ（ＷＬＰ）により基板２に対してカバー・キャップ６をシールすることを包含する。

以上、図面に示されているとおり、例示的な実施態様のうちのいくつかを参照して本発明を説明してきた。いくつかの部品または要素の修正および代替実装は可能であるが、それらは、付随する特許請求の範囲内に定義されるとおりの保護の範囲内に含まれる。

１ 光学アッセンブリ、光学マイクロシステム・アッセンブリ
２ 基板
３ 光学微細構造
４ 光学的相互作用エリア
５ 表面
６ カバー・キャップ
８ 能動構成要素
９ シールされたキャビティ
１０ 光フィードスルー
１２ アンダー・バンプ金属化
１３ カプラ
１４ 導波路
１５ アンテナ、マルチループ・アンテナ
１６ 電源ユニット、エネルギ供給デバイス
１７ インターフェース回路
１８ 接合ワイヤ
１９ 保護層、電磁遮蔽層
２０ 電気フィードスルー
２５ 保護層

Claims (17)

1. 基板（２）および前記基板（２）とともに集積される光学微細構造（３）を包含するフォトニック集積回路（１）を包含する移植可能な光学センサであって、
   前記光学微細構造（３）が、前記基板（２）の表面（５）の一部の上に露出された光学的相互作用エリア（４）を形成するべく位置決めされ、
   前記フォトニック集積回路（１）が、さらに、前記光学的相互作用エリア（４）に隣接する前記基板（２）の一部の上にカバー・キャップ（６）を包含し、前記カバー・キャップが、ウェファ対ウェファ接合テクノロジまたは別のウェファ・レベルの密封パッケージング・テクニックによって前記基板に密封シールされ、前記表面（５）と前記カバー・キャップ（６）の間に形成されるシールされたキャビティ（９）内に少なくとも１つの能動構成要素（８）が位置決めされ、
   それにおいて、前記基板（２）が、前記シールされたキャビティ（９）から前記光学的相互作用エリア（４）まで延びる少なくとも１つの光フィードスルー（１０）を包含し、前記光フィードスルーが、前記基板内に埋め込まれた導波路である、
   移植可能な光学センサ。
2. さらに、前記シールされたキャビティ（９）から前記シールされたキャビティ（９）の外側の前記基板（２）のエリアまで延びる少なくとも１つの電気フィードスルー（２０）を包含する、請求項１に記載の移植可能な光学センサ。
3. 少なくとも１つの電気フィードスルー（２０）が、前記シールされたキャビティ（９）から前記カバー・キャップ（６）とは反対側の前記基板（２）の表面まで延びる、請求項１または２に記載の移植可能な光学センサ。
4. 前記カバー・キャップ（６）が、流体シール材料、たとえば、ガラス、金属、シリコン、ポリマ、またはこれらの組み合わせから作られる、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
5. 前記カバー・キャップ（６）が、電磁遮蔽層（１９）を包含する、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
6. さらに、前記光学アッセンブリの周りに内部損傷を防止する保護層（２５）を包含する、請求項１乃至５のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
7. 前記保護層（２５）が、前記露出される光学的相互作用エリアのための開口を有する、請求項６に記載の移植可能な光学センサ。
8. さらに、前記シールされたキャビティ９内に位置決めされたエネルギ供給デバイス（１６）を包含する、請求項１乃至７のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
9. 前記少なくとも１つの能動構成要素（８）が、前記シールされたキャビティ９内の前記表面（５）に取り付けられる、請求項１乃至８のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
10. さらに、アンテナ（１５）を包含する、請求項１乃至９のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
11. 前記光学的相互作用エリア（４）が、検知エリアである、請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
12. 前記カバー・キャップ（６）の、前記カバー・キャップが前記基板に密封シールされるボトム・エッジがフランジなしであり、かつ前記基板（２）の前記表面（５）と直接接触する、請求項１乃至１１のいずれか１つに記載の移植可能な光学センサ。
13. 移植可能な光学センサ、たとえば、請求項１乃至１２のいずれか１つに記載のセンサを製造する方法であって、
    − 露出される光学的相互作用エリア（４）を形成するべく位置決めされた集積光学微細構造（３）および少なくとも１つの光フィードスルー（１０）を伴う基板（２）を包含し、前記光フィードスルーが、前記光学的相互作用エリア（４）から前記光学的相互作用エリア（４）に隣接する前記基板の一部まで延び、前記光フィードスルーが、前記基板内に埋め込まれた導波路であるフォトニック集積回路を提供することと、
    − 前記光学的相互作用エリア（４）に隣接する前記一部の前記表面（５）上に少なくとも１つの能動構成要素（８）を提供することと、
    − 前記基板（２）の前記一部の上に、前記少なくとも１つの能動構成要素（８）が位置決めされるシールされたキャビティ（９）を形成するべくカバー・キャップ（６）を提供することと、
    − 前記カバー・キャップ（６）を前記基板（２）にシールすることであって、前記カバー・キャップが、ウェファ対ウェファ接合テクノロジまたは別のウェファ・レベルの密封パッケージング・テクニックによって前記基板に密封シールされることと、
    を包含する方法。
14. さらに、前記シールされたキャビティ（９）から前記シールされたキャビティ（９）の外側の前記基板（２）のエリアまで延びる少なくとも１つの電気フィードスルー（２０）を提供することを包含する、請求項１３に記載の方法。
15. さらに、前記光学アッセンブリ（１）の周りに、前記光学的相互作用エリア（４）のための開口を残した保護層（２５）を提供することを包含する、請求項１３または１４に記載の方法。
16. 前記カバー・キャップが前記基板に、レーザ接合または陽極接合によって密封シールされる、請求項１３乃至１５のいずれか１つに記載の方法。
17. 前記カバー・キャップ（６）の、前記カバー・キャップが前記基板に密封シールされるボトム・エッジがフランジなしであり、かつそれにおいて、前記シールに先行して、前記ボトム・エッジと前記基板（２）の前記表面（５）の直接接触がもたらされる、請求項１３乃至１５のいずれか１つに記載の方法。

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