JP5707107B2 - 分光センサ - Google Patents
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Description
本発明は、分光センサに関する。
従来の分光センサとして、光の入射位置に応じて所定の波長の光を透過させる複数の干渉フィルタ部と、干渉フィルタ部に入射する光を透過させる光透過基板と、干渉フィルタ部を透過した光を検出する光検出基板と、を備えるものが知られている。ここで、各干渉フィルタ部は、キャビティ層を介して一対のミラー層が対向させられることによりファブリペロー型に構成されている場合がある（例えば特許文献１参照）。
しかしながら、上述したような分光センサにあっては、使用時における温度サイクルに起因して、干渉フィルタ部が劣化したり、破損したりするおそれがある。特に、キャビティ層は、例えば樹脂からなる数百ｎｍ以下の層であって、極めてデリケートな層であるため、干渉フィルタ部を構成する各部材の膨張・収縮によってミラー層から剥がれ易い。
そこで、本発明は、信頼性の高い分光センサを提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明の分光センサは、キャビティ層並びにキャビティ層を介して対向する第１及び第２のミラー層を有し、入射位置に応じて決定された波長の光を透過させる複数の干渉フィルタ部と、第１のミラー層側に配置され、干渉フィルタ部に入射する光を透過させる光透過基板と、第２のミラー層側に配置され、干渉フィルタ部を透過した光を検出する光検出基板と、を備え、第１のミラー層は、干渉フィルタ部ごとに分離されており、第２のミラー層は、干渉フィルタ部ごとに分離されており、キャビティ層は、干渉フィルタ部のそれぞれに渡って一体的に形成され、隣り合う第２のミラー層間の領域には、キャビティ層の一部が入り込んでおり、キャビティ層の厚さは、対向する第１及び第２のミラー層間において変化しており、キャビティ層において第１のミラー層が形成された面には、隣り合う第１のミラー層間の領域に位置する段差が生じていることを特徴とする。
この分光センサでは、キャビティ層が干渉フィルタ部のそれぞれに渡って一体的に形成されており、キャビティ層の一部が隣り合う第２のミラー層間の領域に入り込んでいる。これにより、分光センサの使用時における温度サイクルに起因して、干渉フィルタ部を構成する各部材が膨張・収縮しても、第２のミラー層からキャビティ層が剥がれることが防止される。よって、信頼性の高い分光センサを提供することができる。
ここで、隣り合う第１のミラー層間の領域には、第１のミラー層上に光透過基板を接合するための光学樹脂層が入り込んでいることが好ましい。これによれば、光透過基板の接合強度を向上させることができ、また、分光センサ全体としての機械的強度を向上させることができる。
また、第１のミラー層と対向するように光透過基板上に形成され、干渉フィルタ部に入射させるための所定の波長範囲の光を透過させる光学フィルタ層をさらに備えることが好ましい。これによれば、所定の波長範囲の光を効率良く干渉フィルタ部に入射させることができる。
本発明によれば、信頼性の高い分光センサを提供することができる。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１及び図２に示されるように、分光センサ１は、所定の波長範囲の光を入射位置に応じて選択的に透過させる複数の干渉フィルタ部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃと、干渉フィルタ部２０Ａ〜２０Ｃに入射する光を透過させる光透過基板３と、干渉フィルタ部２０Ａ〜２０Ｃを透過した光を検出する光検出基板４と、を備えている。分光センサ１は、直方体状のＣＳＰ（Chip Size Package）として構成されており、干渉フィルタ部２０Ａ〜２０Ｃは、光透過基板３と光検出基板４との間において分光センサ１の長手方向に沿って配列されている。
光透過基板３は、ガラス等からなり、厚さ０．２ｍｍ〜２ｍｍ程度の矩形板状に形成されている。光透過基板３の裏面３ｂには、各干渉フィルタ部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃと対向するように光学フィルタ層５が形成されている。各光学フィルタ層５は、誘電多層膜や有機カラーフィルタ（カラーレジスト）であり、厚さ０．１μｍ〜１０μｍ程度の矩形膜状に形成されている。光学フィルタ層５は、対向する干渉フィルタ部２０Ａ〜２０Ｃに入射させるべき所定の波長範囲の光を透過させるバンドパスフィルタとして機能する。
光検出基板４は、フォトダイオードアレイであり、厚さ１０μｍ〜１５０μｍ程度の矩形板状に形成されている。光検出基板４の表面４ａには、干渉フィルタ部２０Ａ〜２０Ｃを透過した光を受光する受光部６が形成されている。受光部６は、光検出基板４の長手方向に略垂直な方向に沿って延在する長尺状のフォトダイオードが光検出基板４の長手方向に沿って一次元に配列されて構成されている。さらに、光検出基板４には、受光部６で光電変換された電気信号を外部に取り出すための配線７（表面配線、裏面配線、貫通配線等）が形成されている。光検出基板４の裏面４ｂには、配線７と電気的に接続された表面実装用のバンプ８が設けられている。なお、光検出基板４は、フォトダイオードアレイに限定されず、他の半導体光検出素子（Ｃ−ＭＯＳイメージセンサ、ＣＣＤイメージセンサ等）であってもよい。
各干渉フィルタ部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、キャビティ層２１及びＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層２２，２３を有している。各干渉フィルタ部２０Ａ〜２０Ｃにおいて、ＤＢＲ層（第１のミラー層）２２とＤＢＲ層（第２のミラー層）２３とは、キャビティ層２１を介して対向している。つまり、キャビティ層２１は、対向するＤＢＲ層２２，２３間の距離を保持している（各干渉フィルタ部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃにおけるキャビティ層２１の膜厚はそれぞれ異なっている）。各ＤＢＲ層２２，２３は、誘電多層膜であり、厚さ０．１μｍ〜１０μｍ程度の矩形膜状に形成されている。なお、各干渉フィルタ部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃにおいて、ＤＢＲ層２２の厚さは互いに異なっており、同様に、各干渉フィルタ部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃにおいて、ＤＢＲ層２３の厚さは互いに異なっている。ただし、ＤＢＲ層２３のキャビティ層２１側の表面２３ａは、スペーサ１３によって略同一平面上に位置させられている。
ＤＢＲ層２２は、キャビティ層２１に対して光透過基板３側に位置しており、干渉フィルタ部２０Ａ〜２０Ｃごとに分離されている。ＤＢＲ層２３は、キャビティ層２１に対して光検出基板４側に位置しており、干渉フィルタ部２０Ａ〜２０Ｃごとに分離されている。隣り合うＤＢＲ層２２，２２間の領域Ｒ１の幅、及び隣り合うＤＢＲ層２３，２３間の領域Ｒ２の幅は、それぞれ０．５μｍ〜１０μｍ程度である。
キャビティ層２１は、光透過性材料（光学樹脂、ガラス、半導体、誘電体等）からなり、干渉フィルタ部２０Ａ〜２０Ｃのそれぞれに渡って一体的に形成されている。キャビティ層２１の一部は、隣り合うＤＢＲ層２３，２３間の領域Ｒ２に入り込んでいる。キャビティ層２１の外縁部は、分光センサ１の側面（すなわち、光透過基板３の側面及び光検出基板４の側面）に到達しており、それらの側面は、略面一となっている。各干渉フィルタ部２０Ａ〜２０Ｃにおいて、キャビティ層２１の厚さは、分光センサ１の長手方向に沿った一方の側に向かって１００ｎｍ〜数百ｎｍ程度の範囲で漸増している。これにより、光検出基板４の受光部６の各チャネルに入射する光の波長は、各チャネルに対向する部分でのＤＢＲ層２２，２３の種類と厚さ及びキャビティ層２１の厚さによって一意に決定される。
光透過基板３は、キャビティ層２１に対してＤＢＲ層２２側に配置されており、光学樹脂層１１を介してＤＢＲ層２２に接合されている。これにより、各光学フィルタ層５は、光学樹脂層１１を介して各干渉フィルタ部２０Ａ〜２０ＣのＤＢＲ層２２と対向することになる。光学樹脂層１１は、隣り合うＤＢＲ層２２，２２間の領域Ｒ１や、隣り合う光学フィルタ層５，５間の領域に入り込んでいる。光検出基板４は、キャビティ層２１に対してＤＢＲ層２３側に配置され、キャビティ層２１及びＤＢＲ層２３に接合されている。なお、各光学樹脂層１１は、エポキシ系、アクリル系、シリコーン系の有機材料、或いは有機無機からなるハイブリッド材料等の光学樹脂からなり、厚さ５μｍ〜１００μｍ程度に形成されている。
以上のように構成された分光センサ１では、光透過基板３の表面３ａから光透過基板３に入射した光が、光透過基板３を透過して光透過基板３の裏面３ｂに到達すると、各干渉フィルタ部２０Ａ〜２０Ｃに入射させるべき所定の波長範囲の光のみが、光学フィルタ層５によって透過させられる。そして、光学フィルタ層５を透過した光が、各干渉フィルタ部２０Ａ〜２０Ｃに入射すると、各干渉フィルタ部２０Ａ〜２０Ｃにおいては、所定の波長範囲の光が、入射位置に応じて選択的に透過させられる。つまり、入射位置でのＤＢＲ層２２，２３の種類と厚さ及びキャビティ層２１の厚さによって、光検出基板４の受光部６の各チャネルに入射する光の波長が一意に決定される。これにより、光検出基板４では、受光部６のチャネルごとに異なる波長の光が検出される。
以上説明したように、分光センサ１では、キャビティ層２１が干渉フィルタ部２０Ａ〜２０Ｃのそれぞれに渡って一体的に形成されており、キャビティ層２１の一部が隣り合うＤＢＲ層２３，２３間の領域Ｒ２に入り込んでいる。これにより、分光センサ１の使用時における温度サイクルに起因して、各干渉フィルタ部２０Ａ〜２０Ｃを構成する各部材が膨張・収縮しても、ＤＢＲ層２３からキャビティ層２１が剥がれることが防止される。よって、信頼性の高い分光センサ１を提供することができる。
また、ＤＢＲ層２２上に光透過基板３を接合するための光学樹脂層１１が、隣り合うＤＢＲ層２２，２２間の領域Ｒ１や、隣り合う光学フィルタ層５，５間の領域に入り込んでいる。これにより、光透過基板３の接合強度を向上させることができ、また、分光センサ１全体としての機械的強度を向上させることができる。
また、干渉フィルタ部２０Ａ〜２０ＣごとにＤＢＲ層２２と対向するように光学フィルタ層５が光透過基板３上に形成されている。これにより、所定の波長範囲の光を効率良く干渉フィルタ部２０Ａ〜２０Ｃに入射させることができる。
次に、上述した分光センサ１の製造方法について説明する。まず、図３に示されるように、マトリックス状に配列された複数の光検出基板４を含む光検出ウェハ４０を準備し、１つの分光センサ１に対応する部分ごとにＤＢＲ層２３を形成する。ＤＢＲ層２３を形成するに際しては、イオンプレーティング法、蒸着法、スパッタ法等による成膜、並びに、ホトエッチ及びリフトオフ、或いはエッチングによるパターニングを行う。ＤＢＲ層２３は、誘電多層膜であって、ＳｉＯ２、ＴＩＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ２等からなる積層膜である。
このとき、光検出基板４の表面４ａとＤＢＲ層２３との間にスペーサ１３を形成することによって、ＤＢＲ層２３の表面２３ａを略同一平面上に位置させる。スペーサ１３は、ＤＢＲ層２３の一部を構成する層と同じ材料で、かつＤＢＲ層２３と同じプロセスで形成することができる。従って、スペーサ１３とＤＢＲ層２３との位置合わせや、ＤＢＲ層２３の表面２３ａの高さ合わせを容易に行うことができる。
続いて、図４に示されるように、１つの分光センサ１に対応する部分ごとに、ＤＢＲ層２３の表面２３ａにキャビティ層２１をナノインプリント法によって一体的に形成する。このとき、隣り合うＤＢＲ層２３，２３間の領域にキャビティ層２１の一部を入り込ませる。また、キャビティ層２１の外縁部が光検出ウェハ４０の側面に到達し、それらの側面が略面一となるようにする。ナノインプリント法を実施するに際しては、ＤＢＲ層２３を覆うように、キャビティ層２１の素材を光検出ウェハ４０の表面の全面に略均一に塗布した後、加熱、加圧、ＵＶ照射等を行いつつモールド金型にて当該素材を所望のキャビティ形状に成型する。ナノインプリント法による成型は、チップ（１つの分光センサ１に対応する部分）単位、或いは複数のチップを含むブロック単位でステップアンドリピート方式により実施してもよいし、全面一括で実施してもよい。ここでは、ＤＢＲ層２３の表面２３ａがスペーサ１３によって略同一平面上に位置させられているので、高精度のキャビティ層２１を安定して得ることができる。
続いて、図５に示されるように、１つの分光センサ１に対応する部分ごとに、キャビティ層２１上にＤＢＲ層２２を形成する。ＤＢＲ層２２を形成するに際しては、イオンプレーティング法、蒸着法、スパッタ法等による成膜、並びに、ホトエッチ及びリフトオフ、或いはエッチングによるパターニングを行う。ＤＢＲ層２２は、誘電多層膜であって、ＳｉＯ２、ＴＩＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ２等からなる積層膜である。
その一方で、図６に示されるように、マトリックス状に配列された複数の光透過基板３を含む光透過ウェハ３０を準備し、光透過基板３に対応する部分ごとに光透過ウェハ３０上に（すなわち、光透過基板３上に）、光学フィルタ層５を形成する。光学フィルタ層５を誘電多層膜で形成する場合には、イオンプレーティング法、蒸着法、スパッタ法等による成膜、並びに、ホトエッチ及びリフトオフ、或いはエッチングによるパターニングを行う。また、光学フィルタ層５を有機カラーフィルタで形成する場合には、ホトレジストのように露光・現像等でパターニングする。
続いて、図７に示されるように、１つの分光センサ１に対応する部分ごとにＤＢＲ層２２と光学フィルタ層５とを対向させて、光検出ウェハ４０と光透過ウェハ３０とを光学樹脂層１１によって接合する。つまり、光学樹脂層１１を介してＤＢＲ層２２と光学フィルタ層５とが対向するように、ＤＢＲ層２２上に光学樹脂層１１を介して光透過基板３を接合する。この接合に際しては、光検出ウェハ４０及び光透過ウェハ３０の少なくとも一方の全面に光学樹脂層１１を塗布した後、光検出ウェハ４０と光透過ウェハ３０とをアライメントし、加熱、加圧、ＵＶ照射等を行って光検出ウェハ４０と光透過ウェハ３０とを接合する。このとき、真空中で接合した後に大気中に戻せば、光学樹脂層１１にボイドが発生するのを抑制することができる。
続いて、図８に示されるように、光検出ウェハ４０の裏面に対して研削、研磨、エッチング等を施すことにより、光検出ウェハ４０を厚さ１０μｍ〜１５０μｍ程度に薄型化する。そして、表面配線に対応する部分にエッチングで貫通孔を形成して、貫通配線、裏面配線等を形成することにより、１つの分光センサ１に対応する部分ごとに配線７を形成する。さらに、光検出ウェハ４０の裏面に、１つの分光センサ１に対応する部分ごとにバンプ８を形成する。続いて、図９に示されるように、互いに接合された光検出ウェハ４０及び光透過ウェハ３０を、１つの分光センサ１に対応する部分ごとにダイシングし、複数の分光センサ１を得る。
以上説明したように、分光センサ１の製造方法では、ＤＢＲ層２３の表面２３ａにキャビティ層２１を形成するに際し、キャビティ層２１を一体的に形成して、隣り合うＤＢＲ層２３，２３間の領域にキャビティ層２１の一部を入り込ませる。これにより、キャビティ層２１上にＤＢＲ層２２を形成するためにホトエッチ工程やリフトオフ工程等が実施されても、キャビティ層２１がＤＢＲ層２３から剥離するような事態を回避することができる。
ここで、ＤＢＲ層２２を形成するためのホトエッチ工程において、キャビティ層２１がＤＢＲ層２３から剥離し易い理由について説明する。まず、ホトエッチ工程は、（ａ）液状のホトレジストを基板（光検出ウェハ４０）上に回転塗布する工程、（ｂ）プリベーク工程、（ｃ）ホトマスクと基板とをアライメントし、露光する工程、（ｄ）露光後ベーク工程（当該工程は省略される場合もある）、（ｅ）現像工程、（ｆ）ポストベーク工程、からなる。
（ａ）の工程では、レジストを回転塗布する際に、レジストが基板の表面で均一化されると共に遠心力が働く。このとき、キャビティ層２１には段差が生じているために、その回転塗布の際にキャビティ層２１を剥離しようとする外力が働くことになる。また、上述の工程のように多くのベークステップ（熱処理）が実施され、基板は８０℃〜１２０℃程度に加熱される。このように、複数回の熱処理が実施されることで、レジストと、キャビティ層２１及びＤＢＲ層２３を含む基板との熱膨張差により応力が生じ、キャビティ層２１の剥離が促される。特に、リフトオフ工程におけるホトレジストは、厚さ２μｍ〜数十μｍ程度のレジストを適用するために、この剥離の促進は顕著となる。さらに、現像工程は、ディップ方式、スピン現像或いはシャワー現像というように、やはり外力が加えられながらレジストが現像されるので、キャビティ層２１がＤＢＲ層２３から剥がそうとする力が働く。
次に、ＤＢＲ層２２を形成するためのリフトオフ工程において、キャビティ層２１がＤＢＲ層２３から剥離し易い理由について説明する。リフトオフ工程は、予めホトレジストをパターニングし、所定の部分においてレジストを開口させる。その後、蒸着等により全面に膜を成膜する。そして、レジストを溶解させる溶液（例えばアセトンやレジスト剥離液等）に、その基板を浸漬しながら、超音波或いはよう動等の力を印加し、レジストを溶解させ、溶解するレジスト上にある膜を剥離する。これにより、レジストの開口部の部分のみに選択的に膜が形成される。このような工程において、キャビティ層２１が島状であると、ＤＢＲ層２２を形成しようとしたときに、リフトオフの際のレジストの溶解や剥離による力、或いは超音波やよう動等の外力により、キャビティ層２１がＤＢＲ層２３から剥離してしまう。
以上により、キャビティ層２１を一体的に形成して、隣り合うＤＢＲ層２３，２３間の領域にキャビティ層２１の一部を入り込ませておくことは、キャビティ層２１上にＤＢＲ層２２を形成する際にキャビティ層２１がＤＢＲ層２３から剥離するような事態を回避する上で、極めて有効である。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、光検出基板４は、一次元センサに限定されず、二次元センサであってもよい。そして、キャビティ層２１の厚さは、二次元的に変化していてもよいし、また、ステップ状に変化していてもよい。また、ＤＢＲ層２２，２３に代えて、ミラー層として、ＡＬ、Ａｕ、Ａｇ等の単層の金属反射膜を適用してもよい。また、光学樹脂層１１による接合に代えて、分光センサ１の外縁部における接合を適用してもよい。その場合には、スペーサによってギャップを保持しつつ、低融点ガラスや半田等によって接合することが可能である。なお、接合部に包囲された領域はエアギャップとしてもよいし、或いは当該領域に光学樹脂を充填してもよい。
１…分光センサ、３…光透過基板、４…光検出基板、５…光学フィルタ層、１１…光学樹脂層、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…干渉フィルタ部、２１…キャビティ層、２２…ＤＢＲ層（第１のミラー層）、２３…ＤＢＲ層（第２のミラー層）。
Claims (4)
- キャビティ層並びに前記キャビティ層を介して対向する第１及び第２のミラー層を有し、入射位置に応じて決定された波長の光を透過させる複数の干渉フィルタ部と、
前記第１のミラー層側に配置され、前記干渉フィルタ部に入射する光を透過させる光透過基板と、
前記第２のミラー層側に配置され、前記干渉フィルタ部を透過した光を検出する光検出基板と、を備え、
前記第１のミラー層は、前記干渉フィルタ部ごとに分離されており、
前記第２のミラー層は、前記干渉フィルタ部ごとに分離されており、
前記キャビティ層は、前記干渉フィルタ部のそれぞれに渡って一体的に形成され、隣り合う前記第２のミラー層間の領域には、前記キャビティ層の一部が入り込んでおり、
前記キャビティ層の厚さは、対向する前記第１及び前記第２のミラー層間において変化しており、前記キャビティ層において前記第１のミラー層が形成された面には、隣り合う前記第１のミラー層間の領域に位置する段差が生じていることを特徴とする分光センサ。 - 隣り合う前記第１のミラー層間の領域には、前記第１のミラー層上に前記光透過基板を接合するための光学樹脂層が入り込んでいることを特徴とする請求項１記載の分光センサ。
- 前記第１のミラー層と対向するように前記光透過基板上に形成され、前記干渉フィルタ部に入射させるための所定の波長範囲の光を透過させる光学フィルタ層をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２記載の分光センサ。
- 前記段差は、前記キャビティ層の一部が入り込んでいる前記第２のミラー層間の領域と対向していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の分光センサ。
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