JP5810565B2 - 光学センサー及び電子機器 - Google Patents
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Description
図1に本実施形態の分光センサーの構成例を示す。なお以下では、簡単のために本実施形態の構成を模式的に図示し、図中の寸法や比率は実際のものとは異なる。
角度制限フィルター40への入射光は、例えば青色LED300(広義には光源)の光を測定対象物に照射し、その測定対象物により反射又は散乱された光である。図2に、青色LED300のスペクトル(波長特性)例を示す。図2のF1にはプロセスバラツキのミニマムケース、F2にはティピカルケース、F3にはマックスケースを示す。図2に示すように、角度制限フィルター40に入射する可能性のある最短波長はλmin=410nmである。この場合、すき間の間隔は下式(2)に設定される。
光バンドパスフィルター60は、角度制限フィルター40の上に積層された多層薄膜により形成される。後述するように、角度制限フィルター40により入射角度が制限されることで光バンドパスフィルター60の透過波長帯域が制限され、所望の波長分解能の分光特性を得ることができる。
この工程の簡素化について比較例を用いて詳細に説明する。間隔b≦λ/2の条件で漏光が無いことについては後述する。
上述のように、すき間間隔がb≦λ/2を満たす場合には角度制限フィルターの側壁から漏光しないため、すき間領域が無い場合と同様の制限角度を得ることができる。この点について、図6〜図8を用いて説明する。
E−=sin(−kxcosβ+kxsinβ−ωt) (4)
ここで、βは、壁面に垂直な方向と光の進行方向との成す角度である。k=2π/λは光の波数である。x軸は、壁面に垂直な方向に沿った座標軸であり、Z軸は、x軸に垂直で壁面に平行な方向に沿った座標軸である。ωは光の各周波数である。tは時間である。
=2sin(kxcosβ)cos(kxsinβ−ωt) (5)
導体の壁面では境界条件E=0を満たす必要がある。壁面をx=0、bとすると、x=0ではE=0となり境界条件を満たす。x=bでは、sin(kxcosβ)=0の場合に境界条件を満たすため、下式(6)の角度βのみが許される。ここでnは自然数である。
b=λ/2とすると下式(7)となり、β=0°のみが許される。図8(B)に示すようにβ=0°では光が空間内を伝搬できないため、b≦λ/2では側壁のすき間から漏光しない。
=πcosβ
=nπ (7)
以上の実施形態によれば、すき間の間隔b≦λ/2では所望の制限角度が得られる。そして上述のように、このようなすき間を設けることでプロセスの簡素化を実現できる。
さて本実施形態では、角度制限フィルターの開口幅と高さを適切に設定することで、角度制御性や光到達率を高めることができる。この点について詳細に説明する。
また、制限角度θが下式(9)に示す条件を満たすように角度制限フィルター40が形成される。これは、角度制限フィルター40が無い場合であっても、入射光の入射角度が60°になるとフォトダイオード30に到達する光量が入射光量に対して1/2になるためである。即ち、到達光量が1/2になる入射角度を制限角度とする場合、角度制限フィルター40の角度制限を有効にするためにはθ<60°が必要である。
次に、上式(8)について、d2/(λ×R)<2の角度制限フィルターを比較例として説明する。図9(A)〜図9(C)に比較例の角度特性の測定値を示す。図9(A)〜図9(C)には、波長λ=0.5μm、高さR=5μmにおける測定値を示す。
d2/(λ×R)=3.642/(0.5×10)=2.65≧2 (11)
以上の実施形態によれば、角度制限フィルターの高さをRとし、角度制限フィルターの開口の幅をdとする場合に、d2/λR≧2を満たす。
上述した本実施形態の分光センサーの詳細な構成例について説明する。
される。後述するように、この傾斜構造体50は、例えばSiO2等の絶縁膜をエッチングまたはCMP、グレースケールリソグラフィー技術等により加工することで形成される。
上述のように、光バンドパスフィルターの透過波長帯域は、多層薄膜の傾斜角度と角度制限フィルターの制限角度により設定される。この点について、図13(A)、図13(B)を用いて具体的に説明する。なお、説明を簡単にするために、以下では光バンドパスフィルター61、62の多層薄膜の膜厚が同じ場合を例に説明するが、本実施形態では、光バンドパスフィルター61、62の多層薄膜の膜厚が傾斜角度θ1、θ2に応じて異なってもよい。例えば、薄膜のデポジションにおいて、半導体基板に対して垂直な方向に薄膜を成長させた場合、光バンドパスフィルター61、62の多層薄膜の膜厚がcosθ1、cosθ2に比例してもよい。
図14〜図16を用いて、傾斜構造体を半導体プロセスにより形成する場合の本実施形態の分光センサーの製造方法の例について説明する。
iO2の異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、絶縁膜の段差(S9’)または粗密パターン(S9”)を形成する。
図17を用いて、傾斜構造体を別部材で形成する第1の変形例の製造方法の例について説明する。
図18に、本実施形態の光学センサーを含む電子機器の構成例を示す。例えば、電子機器として、脈拍計、パルスオキシメーター、血糖値測定器、果実糖度計などが想定される。なお本実施形態は図18の構成に限定されず、例えばLED950を省略して仰角測定装置や照度計等に用いてもよい。
40,41,42 角度制限フィルター、50 傾斜構造体、
60,61,62 光バンドパスフィルター、70 多層薄膜、
200 周辺回路、210 トランジスター、220 MIM型キャパシター、
221 上部電極、222 下部電極、230 配線、300 青色LED、
900 光学センサー装置、910 光学センサー、920 フォトダイオード、
930 検出回路、940 A/D変換回路、950 LED、
960 LEDドライバー、970 マイクロコンピューター、
980 記憶装置、990 表示装置、
ALA〜ALE,ALZ アルミ層、BW1,BW2 透過波長帯域、
HLA〜HLD,HLZ タングステンプラグ、HW 半値幅、
SLA〜SLD,SLZ 絶縁層、b 間隔、d 開口幅、α 入射角度、
θ,Δθ 制限角度、θ1,θ2 傾斜角度、λ 波長、λ1,λ2 透過波長
Claims (13)
- 半導体基板上に形成された、フォトダイオード用の不純物領域と、
前記フォトダイオードの受光領域に対する入射光の入射角度を制限する角度制限フィルターと、
を含み、
前記角度制限フィルターは、
前記受光領域の上に設けられ、平面視において格子状に配置された遮光物質を有し、
前記遮光物質は、
少なくとも、第1の絶縁層に対応する導電性の第1のプラグと、前記第1の絶縁層よりも上層の第2の絶縁層に対応する導電性の第2のプラグを具備し、
前記入射光の波長をλとする場合に、前記第1のプラグと前記第2のプラグの間には、すき間間隔がλ/2以下のすき間領域があることを特徴とする光学センサー。 - 請求項1において、
前記第1の絶縁層は、
第1の金属層と、前記第1の金属層よりも上層の第2の金属層の間に設けられる絶縁層であり、
前記第2の絶縁層は、
前記第2の金属層と、前記第2の金属層よりも上層の第3の金属層の間に設けられる絶縁層であり、
前記第2の金属層は、
前記第1の金属層の厚さよりも厚い金属層であることを特徴とする光学センサー。 - 請求項2において、
前記フォトダイオードの出力信号を処理する回路であって、少なくとも前記第1〜第3の金属層と前記第1、第2のプラグにより配線が形成される処理回路を含み、
前記第1のプラグ及び前記第2のプラグは、前記処理回路の配線層形成工程により形成されることを特徴とする光学センサー。 - 請求項3において、
前記処理回路は、
MIM(Metal Insulator Metal)構造のキャパシターを有することを特徴とする光学センサー。 - 請求項4において、
前記MIM構造のキャパシターは、
前記第2の金属層を下部電極とし、前記第2の金属層と前記第3の金属層の間に設けられる金属層を上部電極としたキャパシターであることを特徴とする光学センサー。 - 請求項1乃至5のいずれかにおいて、
前記角度制限フィルターの高さをRとし、前記角度制限フィルターの開口の幅をdとする場合に、
d2/λR≧2
を満たすことを特徴とする光学センサー。 - 請求項1乃至6のいずれかにおいて、
前記入射光のうちの特定波長の光を透過する光バンドパスフィルターを含むことを特徴とする光学センサー。 - 請求項7において、
前記光バンドパスフィルターは、
前記フォトダイオードの受光面に対して、透過波長に応じた角度で傾斜する多層薄膜を具備することを特徴とする光学センサー。 - 請求項8において、
前記光バンドパスフィルターは、
透過波長が異なる複数組の多層薄膜を具備し、
前記複数組の多層薄膜は、
前記受光面に対する傾斜角度が透過波長に応じて異なることを特徴とする光学センサー。 - 請求項1乃至9のいずれかにおいて、
前記入射光を分光するための分光センサーであることを特徴とする光学センサー。 - 請求項1乃至9のいずれかにおいて、
前記入射光の照度を測定するための照度センサーであることを特徴とする光学センサー。 - 請求項1乃至9のいずれかにおいて、
光源の仰角を測定するための仰角センサーであることを特徴とする光学センサー。 - 請求項1乃至12のいずれかに記載の光学センサーを含むことを特徴とする電子機器。
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