JP5512019B2 - 微小機械的で整調可能なファブリ・ペロー干渉計配列物、および同一物を製造するための方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、ファブリ・ペロー干渉計配列物、およびファブリ・ペロー干渉計配列物を製造するための方法に関する。より具体的には、本発明は、微小機械（ＭＥＭＳ）技術を用いて製造される整調可能なファブリ・ペロー干渉計に関する。本発明の技術分野は、独立請求項の前文に明示されている。

背景技術
ファブリ・ペロー干渉計は、例えば、光学フィルタとして、かつ分光センサ内で用いられる。ファブリ・ペロー干渉計は２つの鏡に基づいており、それによりファブリ・ペロー空洞が当該鏡間の間隙に形成される。ファブリ・ペロー干渉計の通過帯域波長を、鏡間の距離、すなわち間隙の幅を調節することにより制御することができる。ファブリ・ペロー干渉計を製造するために微小機械技術を用いることはありふれている。そのような解決法は、例えば特許文献ＦＩ９５８３８（フィンランド特許第９５８３８号公報）に記載されている。

微小機械的干渉計は、通常は、基板と、二酸化ケイ素およびケイ素等の、異なる屈折係数を有する２つの材料の層と、を含む。当該干渉計の鏡は、当該２つの材料の交互の層から成る。可動鏡は、２つの鏡の間に最初に形成された犠牲層を除去することにより設けられる。可動鏡の位置は、鏡構造内に含まれる電極に電圧を印加することにより制御される。

微小機械製造技術により、干渉計の連続製造が可能になる。しかしながら、先行技術の干渉計の構成部と関連する不利点がいくつかある。先行技術のファブリ・ペロー干渉計は、変化する条件に起因して当該干渉計の不安定性を引き起こさないように、当該干渉計の実装についての高度な要件を有する。しかしながら、自動車産業等の多くの用途において、構成部の費用を低く保たなければならず、特別な実装を設けることにより製造費用が上昇することになるだろう。干渉計の温度に影響することからの環境の温度変化を回避することもかなり困難である。結果として、温度ドリフトが干渉計の波長応答において起こり、干渉計の安定性は十分に高くない。

発明の概要
本発明の目的は、先行技術の不利点を回避または低減することである。

本発明の目的は、ファブリ・ペロー干渉計配列物が、電気的に整調可能な干渉計および参照干渉計を両方とも同じ基板上に備える解決法を用いて達成される。参照干渉計の応答は、例えば、整調可能な干渉計を用いて行われる各測定に関連して測定される。温度変化の影響は両方の干渉計と同様であり、従って、参照干渉計の応答の測定を、整調可能な干渉計の測定結果の温度補償に用いることができる。さらにより正確な温度補償が必要とされる場合に、参照干渉計での補償に加え、温度測定に基づく補償を用いることが可能である。

参照干渉計は開口の一部を覆い、それにより、干渉計配列物を通じて移動する放射物の一部が参照干渉計を通過する。好ましくは、開口を通じる全ての放射物が検出器により受容される。放射物が放射源から受容されかつ干渉計を用いて走査されるときに、参照干渉計の公称波長で最高点を検出することができる。温度変化に起因して、最高点の波長が偏移され、補償の要件を当該偏移に基づいて導出することができる。参照干渉計は、好ましくは、最高点を検出するために、整調可能な干渉計の正規の動作範囲内にその最高点を有するように設計される。整調可能な干渉計を用いて測定される物質の吸収範囲の外側にあるように、参照干渉計の最大波長を設計することも好ましい。このように、当該物質は参照干渉計の機能に影響しない。

放射物の伝達を可能にする開口を有するファブリ・ペロー干渉計配列物であって、前記配列物は、
−基板と、
−前記基板上にある第１の鏡構造と、
−第２の、可動鏡構造であって、それにより、第１および第２の鏡構造は、実質的に平行である第１および第２の鏡を備える、可動鏡構造と、
−前記第１および第２の鏡の間にあるファブリ・ペロー空洞と、
−前記鏡間の距離の電気的制御のための電極と、
を有する電気的に整調可能なファブリ・ペロー干渉計を備え、
前記配列物は、前記配列物の開口内に参照ファブリ・ペロー干渉計を形成するために、前記基板の反対面に少なくとも１つのさらなる鏡構造を備えることを特徴とする、配列物。

ファブリ・ペロー干渉計配列物を製造するための方法であって、
−基板が設けられ、
−第１の鏡構造が前記基板上に設けられ、
−第２の、可動鏡構造が設けられ、それにより、第１および第２の鏡構造は、実質的に平行である第１および第２の鏡を備え、
−ファブリ・ペロー空洞が前記第１および第２の鏡の間に設けられ、
−前記鏡間の距離の電気的制御のための電極を設ける、方法であり、
−少なくとも１つのさらなる鏡構造が、参照干渉計を設けるために前記基板の反対面に設けられることを特徴とする、方法。

本発明のいくつかの好ましい実施形態が、従属請求項に記載されている。

本発明の１つの実施形態によれば、前記配列物は、２つのさらなる鏡構造、すなわち第３の鏡構造および第４の鏡構造を、第３および第４の鏡構造の間にある定められた間隙と共に前記基板の反対面に備え、それにより、前記間隙は空洞として供し、前記第３および第４の鏡構造は、前記参照ファブリ・ペロー干渉計の鏡として供する。さらなる一実施形態では、第３および第４の鏡の間にある間隙は固体物質を備える。

本発明の別の実施形態によれば、前記参照ファブリ・ペロー干渉計は、前記電気的に整調可能なファブリ・ペロー干渉計の固定鏡構造、空洞としての前記基板、および前記基板の反対面にある１つのさらなる鏡構造を備える。さらなる一実施形態では、前記基板は、前記参照ファブリ・ペロー干渉計の領域に複数の井孔を備え、それにより、前記さらなる鏡構造は、前記井孔の底面に少なくとも部分的に設置される。

１つの実施形態によれば、前記参照ファブリ・ペロー干渉計は、前記配列物の開口の境界領域を覆う。

さらに１つの実施形態によれば、前記配列物は、前記開口を形成するためのパターン化材料層を備え、それにより、前記パターン化材料層は、前記参照ファブリ・ペロー干渉計のさらなる鏡構造上に設置される。

１つの実施形態によれば、前記基板の反対側にある鏡の層は同時に堆積される。本発明の別の実施形態では、前記参照干渉計の鏡層は、整調可能な干渉計の鏡層から分離して堆積される。このように、両方の干渉計について独立して、層の材料、厚さ、および数を選択することが可能である。

従前の既知の解決法と比較して、本発明を用いて著しい利点を達成することができる。温度における変化の影響を大幅に補償することができるため、高温安定性を達成することが可能である。実装の要件を低減し、ひいては実装および全体の構成部／システムの費用を低減することも可能である。さらに、より過酷な条件で干渉計を用いることが可能である。

本発明による干渉計は、様々な波長範囲によく適している。動作波長に対して透明である基板および鏡層用の材料を選ぶことが必要である。光源および干渉計の間にあるいかなる物質も放射物を実質的に吸収しないように、参照干渉計の動作波長を選択することも必要である。

温度補償に加えて、本発明を、例えば、ファブリ・ペロー干渉計に対する機械的振動の影響を補償するために用いることもできる。

本特許出願では、「鏡」という用語は、光を反射する一つの層または一組の層がある構造を意味する。

本特許出願では、「放射物」または「光」という用語は、光学的波長範囲における任意の放射物を意味するのに用いられる。

本特許出願では、「間隙幅」は、該当する位置での鏡間の距離を意味する。間隙が真空であるか、または、例えば、空気または他の気体であり得る物質を含むことが考えられる。参照ファブリ・ペロー干渉計では、間隙は好ましくは固体物質を含む。

本特許出願では、基板の「前面」は、その上に主ファブリ・ペロー干渉計の鏡が設置される面を意味する。参照ファブリ・ペロー干渉計は、反対面つまり「後面」に設置される。

図面の簡潔な記載
以下の箇所では、本発明の好ましい例示的な実施形態が、同封されている図面を参照することによってより詳細に記載されている。

本発明による例示的なファブリ・ペロー干渉計配列物の横断面を例解している。 本発明による例示的なファブリ・ペロー干渉計配列物の正面図を例解している。 本発明による例示的なファブリ・ペロー干渉計配列物の背面図を例解している。 ファブリ・ペロー干渉計配列物を製造するための、本発明による例示的な工程の流れ図を例解している。

実施形態の詳細な記載
図１は、本発明による例示的なファブリ・ペロー干渉計の横断面を例解している。当該干渉計は、例えば単結晶ケイ素材料の基板１００を有し、その上に層１０１〜１０５により提供される固定鏡の反射層があり、そこで、例えば、層１０２および１０４は多結晶ケイ素を有し、層１０１、１０３、および１０５は二酸化ケイ素を有する。当該図は、固定鏡構造上にあり得る電極層を示していない。

干渉計は、反射層１１１〜１１５を有する第２の、可動鏡を有する。例えば、層１１２および１１４は多結晶ケイ素を有し、層１１１、１１３、および１１５は二酸化ケイ素を有する。当該図は、可動鏡構造にあり得る電極層を示していない。

干渉計の空洞は、それから犠牲層が除去されている空間１５０により形成される。犠牲層は、例えば、第２の鏡構造の穴（図示せず）を通じて蒸気ＨＦにより食刻される。そのため、第２の鏡は可動になることになる。犠牲層は、干渉計の光学的領域から除去されているが、犠牲層の縁１５５からは除去されない。

干渉計配列物の後側は参照干渉計の層を有する。図１の配列物では、第３の鏡構造は、電気的に整調可能な干渉計の層１０１〜１０５にそれぞれ対応する反射層１２１〜１２５を有する。第４の鏡構造は、電気的に整調可能な干渉計の層１１１〜１１５にそれぞれ対応する反射層１３１〜１３５を有する。参照干渉計のファブリ・ペロー空洞１６５は、電気的に整調可能な干渉計の犠牲層内で用いられているのと同じ材料を含む。

干渉計配列物の後面には、例えば、材料を湿気から保護し、かつ反射防止層として供することができる保護層があり得る。

放射物用の開口は、例えばアルミニウム、または、干渉計の動作範囲内の放射物を伝達しない何らかの他の材料のパターン化層１４０により形成される。配列物の開口１６０は、参照ファブリ・ペロー干渉計の層の外にある中間領域１６１を有する。参照干渉計は、開口の境界領域１６２にまで延在する。

上記に記載されている構造では、放射物は基板１００を貫通し、従って、基板は干渉計の有効な波長範囲の放射物に対して透明でなければならない。

基板層が参照干渉計の空洞として用いられることも考えられる。この場合では、参照干渉計は、基板の後面における１つの鏡構造と、電気的に整調可能な干渉計の固定鏡構造でもある、基板の前面における１つの鏡構造と、を有する。しかしながら、基板は空洞の使用にしては比較的厚く、それにより、基板の後面に複数の井孔を設けることが好ましい。その後、後面鏡が井孔の底面へ堆積され、基板材料により形成された空洞の厚さはより小さい。

図２ａは、本発明による例示的なファブリ・ペロー干渉計配列物２０の正面図を例解している。上部および下部の鏡の電極用の接点１１０ａおよび１１０ｂは、干渉計の角に位置している。光学的領域２５０は円形であり、上部の、第２の鏡は、犠牲層を除去するために用いられた穴を設けられる。

図２ｂは、本発明による例示的なファブリ・ペロー干渉計配列物２０の背面図を例解している。当該配列物の開口は、参照干渉計の層の外にある中間領域２６１を有し、それにより、境界領域２６２は参照干渉計の層を含む。

図３は、図１および２ａ、２ｂの干渉計配列物等の、本発明のファブリ・ペロー干渉計配列物を製造するための、本発明による例示的な方法の流れ図を例解している。

本製造工程は、段階１１においてウエハー（１３０）を設けることにより開始される。ウエハー材料は、例えば、単結晶ケイ素または融解シリカであり得る。第１の、固定鏡構造の隣の層（１０１〜１０５）が基板上に設けられる。第１の鏡構造を、例えば、多結晶ケイ素およびケイ素の豊富な窒化ケイ素の連続層を基板上に堆積させることにより製造することができる、段階１２。例えば、多結晶ケイ素の３つの層の間には、二酸化ケイ素の２つの層があり得る。参照干渉計の鏡構造の層（１２１〜１２５）を、電気的に整調可能な干渉計の固定鏡構造の層として同時に堆積させることができる。当該層は、基板の反対側に同時に堆積される。

当該層の厚さは、例えば１０ｎｍ〜２μｍであり得る。当該層の実際の厚さは、そこで干渉計が機能的である必要がある波長範囲に依存する。当該層の厚さは、典型的には、該当する層の材料内における放射物の動作波長の四半分または半分である。こうした層を、例えば、ＬＰＣＶＤ工程により基板上に堆積させることができる。第１の、固定鏡の電極層を、被ドープ多結晶ケイ素のパターン化層として堆積させることができる。図３の方法では、この電気伝導層が段階１３で製造される。両方の鏡構造が固定されるので、電極層は参照干渉計内にある必要はない。

段階１４では、パターン化犠牲層（１５５）が電気的に整調可能な干渉計のために設けられる。参照干渉計の空洞を形成する層は、基板の反対面上に同時に堆積される。当該犠牲層は、ファブリ・ペロー空洞を画定することになる。当該犠牲層の厚さは、干渉計の鏡間の必要とされる距離により画定される。

段階１５では、電極および接点のパターン化層を可動鏡構造のために設けることができる。当該層は、第２の、可動鏡の光学層として供することもできる。

段階１７では、第２の、可動鏡用のさらなる層（１１１〜１１５）が形成される。同時に、参照干渉計の鏡用の層（１３１〜１３５）が堆積される。こうしたさらなる層としては、例えば、多結晶ケイ素の層および二酸化ケイ素の層を挙げることができる。当該層の厚さは、例えば１０ｎｍ〜２μｍであり得る。当該層の実際の厚さは、そこで干渉計が機能的である必要がある波長範囲に依存する。当該層の厚さは、典型的には、該当する層の材料内における放射物の動作波長の四半分または半分である。こうした層を、例えば、ＬＰＣＶＤ工程により堆積させることができる。次に、段階１９では、電気接点を電気的に整調可能な干渉計のために形成することができる。

段階２０では、例えば、ケイ素の豊富な窒化ケイ素の保護層をウエハーの面上に堆積させることができ、その面は配列物の後側にある。この保護層は、反射防止層として供することもできる。例えば、アルミニウムのさらなるパターン化層（１４０）が、放射物用の開口を形成するために設けられる。

段階２１では、チップがウエハーから切り取られる。その後、犠牲層が、第２の鏡の穴を通じて段階２２において蒸気ＨＦを用いて食刻される。犠牲層が鏡間の光学的領域から除去されるときに、ファブリ・ペロー空洞（１５０）が電気的に整調可能な干渉計に対して形成され、第２の、可動鏡が解放される。対応する層は、参照干渉計から除去されない。最後に、チップが段階２３においてカプセル化される。電気接点を接着することはできるが、接着を伴わない半田付けのためにファブリ・ペロー干渉計チップの接点を用いることも可能である。

犠牲層を除去することができるいくつかの段階がある：チップがウエハーから切り出される前、またはチップがウエハーから切り取られた後だがチップのカプセル封入の前。

図３の工程では、鏡の層は基板の反対側に対して同時に堆積された。しかしながら、整調可能な干渉計の鏡構造および参照干渉計の鏡構造が異なる特性を有する層を有するように、当該層を独立して堆積させることが可能である。

本発明は、同封されている実施形態を参照して記載されてきた。しかしながら、本発明はそれらにのみ限定されていないが、それは本発明の着想および同封されている特許請求の範囲の中で想像することができる全ての実施形態を含むことは明らかである。

例えば、いくつかの材料、寸法、および形態が、本発明の実施のための例として言及されてきた。しかしながら、寸法、形態、および材料、ならびに構造の細部および製造の段階を、特定の要件に従う各実施のために変更および最適化することができることは明らかである。

本発明の干渉計は、いくつかの好ましい用途を有する。それらを、例えば、特定の気体または液体の内容物を測定するために、様々な機器内で制御可能なフィルタとして用いることができる。

Claims (10)

1. 放射物の伝達を可能にする開口を有するファブリ・ペロー干渉計配列物であって、前記配列物は、
   −１つの基板と、
   −前記基板上にある第１の鏡構造と、
   −可動である第２の鏡構造であって、それにより、前記第１の鏡構造および前記第２の鏡構造は、互いに平行である第１の鏡および第２の鏡を備える、第２の鏡構造と、
   −前記第１の鏡および前記第２の鏡の間にあるファブリ・ペロー空洞と、
   −前記鏡間の距離の電気的制御のための電極と、
   を有する電気的に整調可能なファブリ・ペロー干渉計を備え、
   前記配列物は、前記配列物の開口内に参照ファブリ・ペロー干渉計を形成するために、前記基板の反対面に少なくとも１つのさらなる鏡構造を備えることを特徴とする、配列物。
2. 前記配列物は、２つのさらなる鏡構造、すなわち第３の鏡構造および第４の鏡構造を、前記第３の鏡構造および前記第４の鏡構造の間にある定められた間隙と共に前記基板の反対面に備え、それにより、前記間隙は空洞として供し、前記第３の鏡構造および前記第４の鏡構造は、前記参照ファブリ・ペロー干渉計の鏡として供することを特徴とする、請求項１に記載の配列物。
3. 前記第３の鏡構造および前記第４の鏡構造の間にある間隙は固体物質を備えることを特徴とする、請求項２に記載の配列物。
4. 前記参照ファブリ・ペロー干渉計は、前記電気的に整調可能なファブリ・ペロー干渉計の固定鏡構造、空洞としての前記基板、および前記基板の反対面にある１つのさらなる鏡構造を備えることを特徴とする、請求項１に記載の配列物。
5. 前記基板は、前記参照ファブリ・ペロー干渉計の領域に複数の井孔を備え、それにより、前記さらなる鏡構造は、前記井孔の底面に少なくとも部分的に設置されることを特徴とする、請求項４に記載の配列物。
6. 前記参照ファブリ・ペロー干渉計は、前記配列物の開口の境界領域を覆うことを特徴とする、請求項１乃至５の何れかに記載の配列物。
7. 前記配列物は、前記開口を形成するためのパターン化材料層を備え、それにより、前記パターン化材料層は、前記参照ファブリ・ペロー干渉計のさらなる鏡構造上に設置されることを特徴とする、請求項１乃至６の何れかに記載の配列物。
8. ファブリ・ペロー干渉計配列物を製造するための方法であって、前記方法は、
   −１つの基板を設けることと（１１）、
   −第１の鏡構造を前記基板上に設けることと（１２、１３）、
   −可動である第２の鏡構造を設けることであって（１５〜１７）、それにより、前記第１の鏡構造および前記第２の鏡構造は、互いに平行である第１の鏡および第２の鏡を備えることと、
   −ファブリ・ペロー空洞を前記第１の鏡および前記第２の鏡の間に設けることと、
   −前記鏡間の距離の電気的制御のための電極を設けることと（１３、１５、１９）、を含み、
   −少なくとも１つのさらなる鏡構造が、参照干渉計を設けるために前記基板の反対面に設けられることを特徴とする、方法。
9. 前記参照干渉計の鏡構造のための層は、電気的に整調可能な干渉計の鏡構造のための層と同時に堆積される、請求項８に記載の方法。
10. 前記参照干渉計の鏡構造のための層は、電気的に整調可能な干渉計の鏡構造のための層の堆積物から分離して堆積される、請求項８に記載の方法。
    

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