JP6253870B2 - 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、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１，２参照）。
しかしながら、上述したような分光センサにおいては、キャビティ層や、干渉フィルタ部と光透過基板との間に配置されるカップリング層等の材料として樹脂材料が用いられると、使用環境の温度変化や湿度の高さ等に起因して、キャビティ層やカップリング層等が劣化するおそれがある。
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目的とする。
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、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、干渉フィルタ部と光透過基板との間に配置された第１のカップリング層と、を備え、キャビティ層及び第１のカップリング層は、シリコン酸化膜であり、キャビティ層の厚さは、第１のミラー層と第２のミラー層との間において変化しており、第１のカップリング層の厚さは、光透過基板と光検出基板とが互いに平行に配置されるように変化している。
この分光センサでは、キャビティ層がシリコン酸化膜であるため、キャビティ層が樹脂材料からなる場合に比べ、キャビティ層の形状、光透過率、光屈折率等を安定化させることができる。また、第１のカップリング層がシリコン酸化膜であるため、第１のカップリング層が樹脂材料からなる場合に比べ、光透過基板から干渉フィルタ部に進行する光の透過特性を安定化させることができる。更に、キャビティ層及び第１のカップリング層の両方がシリコン酸化膜であるため、使用環境の温度変化や湿度の高さ等に起因する品質の劣化を防止することができる。よって、この分光センサは、信頼性の高いものとなる。
ここで、キャビティ層は、シリコンの熱酸化処理によって形成されたシリコン酸化膜であってもよい。これによれば、低コストで高品質のキャビティ層が安定して得られる。
また、第１のカップリング層は、原料ガスとしてＴＥＯＳを用いた成膜処理によって形成されたシリコン酸化膜であってもよい。これによれば、低温、高速、低ストレスでの第１のカップリング層の形成が可能であるため、キャビティ層並びに第１及び第２のミラー層にダメージが与えられるのが防止されて、高品質のキャビティ層並びに第１及び第２のミラー層が得られる。
また、干渉フィルタ部と光検出基板との間に配置された第２のカップリング層を更に備え、第２のカップリング層は、シリコン酸化膜であってもよい。これによれば、第２のカップリング層が樹脂材料からなる場合に比べ、干渉フィルタ部から光検出基板に進行する光の透過特性を安定化させることができる。更に、キャビティ層及び第１のカップリング層の両方に加え、第２のカップリング層がシリコン酸化膜であるため、使用環境の温度変化や湿度の高さ等に起因する品質の劣化をより確実に防止することができる。
また、第２のカップリング層は、原料ガスとしてＴＥＯＳを用いた成膜処理によって形成されたシリコン酸化膜であってもよい。これによれば、低温、高速、低ストレスでの第２のカップリング層の形成が可能であるため、キャビティ層並びに第１及び第２のミラー層にダメージが与えられるのが防止されて、高品質のキャビティ層並びに第１及び第２のミラー層が得られる。
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、所定の波長範囲の光を透過させる光学フィルタ層を更に備えてもよい。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符号を付し、重複する説明を省略する。
図１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干渉フィルタ部２０と、干渉フィルタ部２０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２０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、一辺の長さが数百μｍ〜数十ｍｍ程度の直方体状のＣＳＰ（Chip Size Package）として構成されている。
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、干渉フィルタ部２０と対向するように光学フィルタ層５が形成されている。光学フィルタ層５は、誘電体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２０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２０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。更に、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。
干渉フィルタ部２０は、キャビティ層２１及びＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層２２，２３を有している。干渉フィルタ部２０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ＤＢＲ層２２，２３は、ＳｉＯ２、ＴＩＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ２等からなる誘電体多層膜であり、厚さ０．１μｍ〜１０μｍ程度の矩形膜状に形成されている。
キャビティ層２１は、シリコンの熱酸化処理によって形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）であり、厚さ１００ｎｍ〜数μｍ程度に形成されている。図１及び図２に示されるように、キャビティ層２１は、一体的に形成されたフィルタ領域２４、包囲領域２５及び接続領域２６を有している。
フィルタ領域２４は、一辺の長さが数ｍｍ程度の矩形膜状に形成されており、ＤＢＲ層２２，２３によって挟まれている。より具体的には、フィルタ領域２４の表面２４ａには、ＤＢＲ層２２が形成されており、フィルタ領域２４の裏面２４ｂには、ＤＢＲ層２３が形成されている。フィルタ領域２４の裏面２４ｂは、光の入射方向（光透過基板３と光検出基板４とが対向する方向）に垂直な面に略平行となっているのに対し、フィルタ領域２４の表面２４ａは、当該面に対して傾斜している。これにより、フィルタ領域２４の厚さは、分光センサ１の長手方向における一方の側に向かって１００ｎｍ〜数μｍ程度の範囲で漸増している。
包囲領域２５は、外側の一辺の長さが数ｍｍ程度の矩形環状に形成されており、光の入射方向から見た場合に、フィルタ領域２４から所定の距離ｄ（例えば数μｍ〜１ｍｍ程度）をとってフィルタ領域２４を包囲している。接続領域２６は、フィルタ領域２４と包囲領域２５との間に配置されるように矩形環状に形成されており、フィルタ領域２４の光検出基板４側の端部２４ｅと包囲領域２５の光検出基板４側の端部２５ｅとを接続している。キャビティ層２１には、フィルタ領域２４、包囲領域２５及び接続領域２６によって、フィルタ領域２４を包囲するように矩形環状に延在する幅ｄの溝Ｇが形成されている。
図１に示されるように、包囲領域２５の表面（光透過基板側の端面）２５ａは、フィルタ領域２４の表面（第１のミラー層の形成面）２４ａのうち光透過基板３に最も近い部分２４ｈと略同じ高さ、又は当該部分２４ｈよりも光透過基板３側に位置している。また、接続領域２６の表面（光透過基板側の端面）２６ａは、フィルタ領域２４の表面２４ａのうち光検出基板４に最も近い部分２４ｌと略同じ高さ、又は当該部分２４ｌよりも光検出基板４側に位置している。一方、フィルタ領域２４の裏面２４ｂ、包囲領域２５の裏面２５ｂ及び接続領域２６の裏面２６ｂは、略面一になっている。なお、包囲領域２５の側面２５ｃは、光透過基板３の側面３ｃ及び光検出基板４の側面４ｃと略面一になっている。ただし、光透過基板３の側面３ｃと光検出基板４の側面４ｃとの間に、例えば０〜１００μｍ程度の範囲で段差が生じる場合もある。
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、カップリング層（第１のカップリング層）１１を介してキャビティ層２１及びＤＢＲ層２２に接合されている。光検出基板４は、キャビティ層２１に対してＤＢＲ層２３側に配置されており、カップリング層（第２のカップリング層）１２を介してキャビティ層２１及びＤＢＲ層２３に接合されている。干渉フィルタ部２０と光透過基板３との間に配置されたカップリング層１１、及び干渉フィルタ部２０と光検出基板４との間に配置されたカップリング層１２は、原料ガスとしてＴＥＯＳ（Tetraethyl Orthosilicate，Tetraethoxysilane）を用いた成膜処理によって形成されたシリコン酸化膜であり、厚さ数百ｎｍ〜１０μｍ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、干渉フィルタ部２０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、干渉フィルタ部２０に入射すると、干渉フィルタ部２０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がシリコン酸化膜であるため、キャビティ層２１が樹脂材料からなる場合に比べ、キャビティ層２１の形状、光透過率、光屈折率等を安定化させることができる。また、カップリング層１１，１２がシリコン酸化膜であるため、カップリング層１１，１２が樹脂材料からなる場合に比べ、光透過基板３から干渉フィルタ部２０に進行する光の透過特性、及び干渉フィルタ部２０から光検出基板４に進行する光の透過特性を安定化させることができる。更に、キャビティ層２１及びカップリング層１１，１２がシリコン酸化膜であるため、使用環境の温度変化や湿度の高さ等に起因する品質の劣化を防止することができる。具体的には、キャビティ層２１及びカップリング層１１，１２が樹脂材料からなる場合に起こり得る水分の吸収を防止することができ、また、それらが樹脂材料からなる場合に比べ、熱膨張及び熱収縮を抑えて熱的に安定化させることができる。よって、分光センサ１は、極めて信頼性の高いものとなる。
また、キャビティ層２１が、シリコンの熱酸化処理によって形成されたシリコン酸化膜となっている。これにより、低コストで高品質のキャビティ層２１が安定して得られている。
また、カップリング層１１，１２が、原料ガスとしてＴＥＯＳを用いた成膜処理によって形成されたシリコン酸化膜となっている。これにより、低温、高速、低ストレスでのカップリング層１１，１２の形成が可能であるため、キャビティ層２１及びＤＢＲ層２２，２３にダメージが与えられるのが防止されて、高品質のキャビティ層２１及びＤＢＲ層２２，２３が得られている。
また、ＤＢＲ層２２と対向するように光透過基板３上に光学フィルタ層５が形成されている。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２０に入射させることができる。
加えて、分光センサ１では、キャビティ層２１において、フィルタ領域２４が所定の距離ｄをとって包囲領域２５によって包囲されており、フィルタ領域２４の端部２４ｅと包囲領域２５の端部２５ｅとが接続領域２６によって接続されている。これにより、光透過基板３と光検出基板４とが対向する方向に垂直な方向に何らかの外力が作用しても、当該外力が包囲領域２５及び接続領域２６によって緩衝されて、フィルタ領域２４にダメージが与えられるのを防止することができる。
また、包囲領域２５の表面２５ａが、フィルタ領域２４の表面２４ａのうち光透過基板３に最も近い部分２４ｈと略同じ高さ、又は当該部分２４ｈよりも光透過基板３側に位置している。これにより、光透過基板３と光検出基板４とが対向する方向に平行な方向に何らかの外力（例えば、後述するカップリング層１１ａ，１１ｂ間やカップリング層１２ａ，１２ｂ間のダイレクトボンディングの際に印加される外力）が作用しても、当該外力が包囲領域２５によって受け止められて、フィルタ領域２４にダメージが与えられるのを防止することができる。
また、接続領域２６の表面２６ａが、フィルタ領域２４の表面２４ａのうち光検出基板４に最も近い部分２４ｌと略同じ高さ、又は当該部分２４ｌよりも光検出基板４側に位置している。これにより、光透過基板３と光検出基板４とが対向する方向に垂直な方向に何らかの外力が作用しても、当該外力が、ＤＢＲ層２２の形成面であるフィルタ領域２４の表面２４ａに直接的に作用するのを防止することができる。
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、シリコン基板５０の一方の主面５０ａ及び他方の主面５０ｂに熱酸化処理を施すことにより、シリコンからなるハンドル基板５１の一方の主面５１ａ及び他方の主面５１ｂにシリコン酸化膜５２を形成し、ハンドル基板５１の一方の主面５１ａ又は他方の主面５１ｂに形成されたシリコン酸化膜５２を表面層５３とする。ここでは、ハンドル基板５１の一方の主面５１ａに形成されたシリコン酸化膜５２を表面層５３とする。表面層５３の厚さは、１０００ｎｍ程度である。
続いて、図４及び図５に示されるように、マトリックス状に配列された複数のキャビティ層２１をエッチングにより形成するためのレジスト層５４を表面層５３上に形成する。そして、レジスト層５４をマスクとして、ハンドル基板５１上に設けられた表面層５３をエッチング（エッチバック）することにより、マトリックス状に配列された複数のキャビティ層２１を形成する（第１の工程）。
続いて、図６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（第２の工程）。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。なお、ここでは、１つの分光センサ１が１つのキャビティ層２１を備えることになるので、ＤＢＲ層２２を形成するに際しては、１つの分光センサ１に対応する部分ごとにパターニングを行わずに、全てのキャビティ層２１を覆うように全面成膜を行ってもよい。続いて、図７に示されるように、原料ガスとしてＴＥＯＳを用いた成膜処理を施すことにより、ＤＢＲ層２２を覆うようにキャビティ層２１上にシリコン酸化膜を形成し、その表面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により平坦化してカップリング層１１ａを形成する。
なお、原料ガスとしてＴＥＯＳを用いた成膜処理は、プラズマＣＶＤ法、ＬＰ−ＣＶＤ法、ＡＰ−ＣＶＤ法等によって、低温（例えば成膜温度２００℃以下）、高速、低ストレスの成膜を可能とする。プラズマＣＶＤ法の場合には、Ｈｅガスによるバブリング法或いはヒータによる加熱等によりＴＥＯＳを供給し、チャンバ内でプラズマアシストによる分解反応を発生させてＯ２ガスと反応させることで、シリコン酸化膜を形成する。
その一方で、図８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を誘電体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。なお、ここでは、１つの分光センサ１が１つの光学フィルタ層５を備えることになるので、光学フィルタ層５を形成するに際しては、１つの分光センサ１に対応する部分ごとにパターニングを行わずに、光透過ウェハ３０の全面を覆うように全面成膜を行ってもよい。続いて、図９に示されるように、原料ガスとしてＴＥＯＳを用いた成膜処理を施すことにより、光学フィルタ層５を覆うように光透過ウェハ３０上にシリコン酸化膜を形成し、その表面をＣＭＰにより平坦化してカップリング層１１ｂを形成する。
続いて、図１０及び図１１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、カップリング層１１ａの表面とカップリング層１１ｂの表面とをダイレクトボンディング（表面活性化接合等）し、ハンドル基板５１と光透過ウェハ３０とを接合する（第３の工程）。つまり、カップリング層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上に光透過基板３を接合する。なお、光透過ウェハ３０上に光学フィルタ層５を形成しない場合には、平坦化層としてのカップリング層１１ｂは不要である。
続いて、図１２に示されるように、ハンドル基板５１の他方の主面５１ｂに形成されたシリコン酸化膜５２、及びハンドル基板５１の他方の主面５１ｂ側の部分を研削して、ハンドル基板５１を薄型化する。そして、図１３に示されるように、ハンドル基板５１に対してウェットエッチング或いはドライエッチングを施すことにより、キャビティ層２１からハンドル基板５１を除去する（第４の工程）。なお、ハンドル基板５１の他方の主面５１ｂに形成されたシリコン酸化膜５２、及びハンドル基板５１を、研削なしで、ウェットエッチング或いはドライエッチングによって除去してもよい。
続いて、図１４に示されるように、ハンドル基板５１が除去されることにより露出したキャビティ層２１上に、ＤＢＲ層２２と同様の方法でＤＢＲ層２３を形成する（第５の工程）。これにより、１つの分光センサ１に対応する部分ごとに、ＤＢＲ層２２とＤＢＲ層２３とがキャビティ層２１を介して対向し、干渉フィルタ部２０が形成される。そして、１つの分光センサ１に対応する部分が分光フィルタ基板９となって、マトリックス状に配列された複数の分光フィルタ基板９を含む分光フィルタウェハ９０が製造される。なお、ここでは、１つの分光センサ１が１つのキャビティ層２１を備えることになるので、ＤＢＲ層２３を形成するに際しては、１つの分光センサ１に対応する部分ごとにパターニングを行わずに、全てのキャビティ層２１を覆うように全面成膜を行ってもよい。
続いて、図１５に示されるように、原料ガスとしてＴＥＯＳを用いた成膜処理を施すことにより、ＤＢＲ層２３を覆うようにキャビティ層２１上にシリコン酸化膜を形成し、その表面をＣＭＰにより平坦化してカップリング層１２ａを形成する。その一方で、図１６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を準備する。そして、原料ガスとしてＴＥＯＳを用いた成膜処理を施すことにより、受光部６を覆うように光検出ウェハ４０上にシリコン酸化膜を形成し、その表面を平坦化してＣＭＰによりカップリング層１２ｂを形成する。
続いて、図１６及び図１７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と受光部６とを対向させて、カップリング層１２ａの表面とカップリング層１２ｂの表面とをダイレクトボンディングし、分光フィルタウェハ９０と光検出ウェハ４０とを接合する（第６の工程）。つまり、カップリング層１２を介してＤＢＲ層２３と受光部６とが対向するように、ＤＢＲ層２３上に光検出基板４を接合する。
続いて、図１８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。更に、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。最後に、互いに接合された分光フィルタウェハ９０及び光検出ウェハ４０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。なお、配線７を構成する表面配線や裏面配線等のパッド部は、光検出ウェハ４０（すなわち、光検出基板４）の表面や裏面に埋設される場合だけでなく、例えばその厚さ分だけ突出するように、光検出ウェハ４０（すなわち、光検出基板４）の表面上や裏面上に設けられる場合もある。
以上説明したように、分光センサ１の製造方法では、ハンドル基板５１上に設けられた表面層５３をエッチングすることによりキャビティ層２１を形成する。このように、ハンドル基板５１を用いてエッチングによりキャビティ層２１を形成することで、高精度のキャビティ層２１を安定して得ることができる。更に、光透過基板３側にキャビティ層２１及びＤＢＲ層２２，２３を形成した後に、光検出基板４を接合する。これにより、キャビティ層２１やＤＢＲ層２２，２３を形成するための各プロセスにおいて光検出基板４にダメージが与えられるのを防止することができる。よって、分光センサ１の製造方法によれば、信頼性の高い分光センサ１を得ることが可能となる。
また、分光フィルタウェハ９０の各分光フィルタ基板９の性能を検査した後に、分光フィルタウェハ９０と光検出ウェハ４０とを接合するので、分光フィルタウェハ９０側の不具合に起因して光検出ウェハ４０が無駄になるのを防止することができる。
また、シリコンからなるハンドル基板５１の一方の主面５１ａに形成されたシリコン酸化膜５２を表面層５３とするため、低コストで高品質のキャビティ層２１を安定して得ることができる。しかも、シリコン基板５０の一方の主面５０ａ及び他方の主面５０ｂに熱酸化処理を施すことにより、シリコンからなるハンドル基板５１の一方の主面５１ａ及び他方の主面５１ｂにシリコン酸化膜５２を形成するため、ハンドル基板５１の反りが抑制される。従って、高精度のキャビティ層２１を安定して得ることができる。
また、光学フィルタ層５を光透過基板３上に形成しておき、ＤＢＲ層２２と光学フィルタ層５とが対向するように、ＤＢＲ層２２上に光透過基板３を接合する。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２０に入射させることができる。
加えて、レジスト層５４をマスクとして、ハンドル基板５１上に設けられた表面層５３をエッチングする際には、レジスト層５４において溝Ｇに対応する部分が先行して除去されて、表面層５３において溝Ｇに対応する部分が最初に露出することになる。表面層５３において溝Ｇに対応する部分が露出すると、ＳｉＯ２からなる表面層５３から酸素が離脱して、レジスト層５４のエッチャントとして働くことになる。ここで、表面層５３において溝Ｇに対応する部分は、表面層５３においてフィルタ領域２４に対応する部分を包囲している。そのため、ハンドル基板５１上では、表面層５３においてフィルタ領域２４に対応する部分の全てに酸素が安定して供給され、その結果、表面層５３においてフィルタ領域２４に対応する部分の全てが安定してエッチングされることになる。
このような酸素の供給がないと、ローディング効果等に起因してエッチャントの密度分布に偏りが生じてしまい（例えば、ハンドル基板５１の周縁部で供給過多となる一方で、ハンドル基板５１の中央部で供給不足となる）、エッチングによって形成されたフィルタ領域２４の形状がハンドル基板５１の場所によって変化してしまうことになる。特に、レジスト層５４が有機材料からなる場合には、エッチャントとしての酸素の供給状態によってエッチングレートが大きく変化するため、上述したような酸素の供給は極めて重要である。
また、互いに接合された分光フィルタウェハ９０及び光検出ウェハ４０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する際には、カップリング層１１ａ，１１ｂ間やカップリング層１２ａ，１２ｂ間のダイレクトボンディングによって、分光フィルタウェハ９０及び光検出ウェハ４０の全体が硬く一体化されているため、チッピング等が生じるのを防止することができる。
次に、レジスト層５４とキャビティ層２１との関係について説明する。図１９に示されるように、エッチング前のキャビティ層２１（すなわち、表面層５３）の平坦な表面（図１９の実線参照）に、レジスト層５４を形成する。レジスト層５４は、形成すべきキャビティ層２１（すなわち、エッチング後のキャビティ層２１）の形状に対応した三次元形状を有している。このようなレジスト層５４の形成は、場所に応じて透過率を調整したホトマスクの利用、場所に応じてドーズ量を調整した光リソグラフィやＥＢリソグラフィの利用、ナノインプリンティングの利用等によって、実現することができる。
そして、レジスト層５４の形状に基づいたエッチバック（全面エッチング）を行うに際しては、エッチング条件によってレジスト層５４及びキャビティ層２１のエッチングレートを調整することができる。これにより、一種類の形状のレジスト層５４から、様々な形状のキャビティ層２１を形成することが可能となる。図１９に示される場合には、レジスト層５４のエッチングレートがキャビティ層２１のエッチングレートよりも２倍程度程速いため、エッチング後のキャビティ層２１の表面（図１９の一点鎖線参照）の傾斜は、レジスト層５４の表面（図１９の破線参照）の傾斜よりも緩やかになっている。
次に、ハンドル基板５１に設けられるモニタパターンについて説明する。図４に示されるように、ハンドル基板５１上には、表面層５３が略一定の厚さで形成されるが、その表面層５３上には、図２０に示されるように、複数のキャビティ層２１をエッチングにより形成するためのレジスト層５４の他に、モニタパターンとしてのレジスト層５５が形成される。これらのレジスト層５４，５５は、上述したようなホトマスクの利用、光リソグラフィやＥＢリソグラフィの利用、ナノインプリンティングの利用等によって、一体的に形成される。
モニタパターンとしてのレジスト層５５は、複数（ここでは９パターン）ずつ纏められて、ハンドル基板５１上の複数箇所（ここでは、周縁部４個所及び中央部１箇所）に配置されている。纏められたレジスト層５５のそれぞれは、１つのレジスト層５４の複数部分のそれぞれに対応する略一定の厚さで形成されている。例えば、纏められたレジスト層５５のそれぞれは、フィルタ領域２４の所定の部分に対応するレジスト層５４の所定の部分の厚さ、包囲領域２５の所定の部分に対応するレジスト層５４の所定の部分の厚さ、及び接続領域２６の所定の部分（すなわち、溝Ｇの底面）に対応するレジスト層５４の所定の部分の厚さを有している。
これにより、表面層５３のエッチングの途中や完了後といった所定のタイミングで、モニタパターンとしてのレジスト層５５が除去された部分の表面層５３の厚さを光学式の膜厚計にて測定することで、対応するキャビティ層２１の所定の部分の厚さを知得することができる。なお、測定のタイミングが表面層５３のエッチングの途中であって、キャビティ層２１の所定の部分にレジスト層５４が残存している場合には、同様の方法により、当該部分に残存するレジスト層５４の厚さを知得することができる。
このようなモニタパターンとしてのレジスト層５５の利用は、個々のキャビティ層２１が小さく、しかも、フィルタ領域２４の表面２４ａが傾斜していて、キャビティ層２１の厚さを光学式の膜厚計にて直接的に測定することが困難であることから、極めて有効である。更に、モニタパターンとしてのレジスト層５５がハンドル基板５１上の複数箇所に配置されているので、ハンドル基板５１上の表面層５３全体でのエッチングの進行度合（進行分布）を評価することができる。
また、次のように、フィルタ領域２４の所定の部分に対応するキャビティ層２１の厚さを知得することもできる。すなわち、表面層５３のエッチングの途中や完了後といった所定のタイミングで、フィルタ領域２４の所定の部分に対応するキャビティ層２１の表面と溝Ｇの底面との段差をＡＦＭ（Atomic Force Microscope，原子間力顕微鏡）や触針式の段差計等にて測定する。その一方で、溝Ｇの底面に対応するモニタパターンとしてのレジスト層５５が除去された部分において、表面層５３の厚さを光学式の膜厚計にて測定する。そして、測定した「キャビティ層２１の表面と溝Ｇの底面との段差」と「表面層５３の厚さ」とを足し合わせることで、フィルタ領域２４の所定の部分に対応するキャビティ層２１の厚さを算出する。なお、測定のタイミングが表面層５３のエッチングの途中であって、フィルタ領域２４の所定の部分に対応する部分にレジスト層５４が残存している場合には、同様の方法により、当該部分に残存するレジスト層５４の厚さを知得することができる。
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、分光センサの各構成部材の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を適用することができる。
また、分光センサは、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干渉フィルタ部を複数備えていてもよい。ここで、複数の干渉フィルタ部を備える分光センサについて説明する。図２１に示されるように、分光センサ１は、複数の干渉フィルタ部２０Ａ，２０Ｂを備えている。干渉フィルタ部２０Ａ，２０Ｂ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。
図２１及び図２２に示されるように、キャビティ層２１においては、干渉フィルタ部２０Ａ，２０Ｂごとに形成されたフィルタ領域２４が並設されており、各フィルタ領域２４は、ＤＢＲ層２２，２３によって挟まれている。包囲領域２５は、光の入射方向から見た場合に、並設されたフィルタ領域２４，２４から所定の距離ｄをとって、並設されたフィルタ領域２４，２４を包囲している。接続領域２６は、並設されたフィルタ領域２４，２４の光検出基板４側の端部と包囲領域２５の光検出基板４側の端部とを接続している。
なお、干渉フィルタ部２０ＡのＤＢＲ層２２と干渉フィルタ部２０ＢのＤＢＲ層２２とは、互いに異なる種類となっており、その境界は、互いに一部が重なっている場合、間隔が０で接触している場合、間隔が例えば５μｍ程度で離間している場合がある。また、干渉フィルタ部２０ＡのＤＢＲ層２３と干渉フィルタ部２０ＢのＤＢＲ層２３とは、互いに異なる種類となっており、その境界は、互いに一部が重なっている場合、間隔が０で接触している場合、間隔が例えば５μｍ程度で離間している場合がある。また、干渉フィルタ部２０Ａの光学フィルタ層５と干渉フィルタ部２０Ｂの光学フィルタ層５とは、互いに異なる種類となっており、その境界は、互いに一部が重なっている場合、間隔が０で接触している場合、間隔が例えば５μｍ程度で離間している場合がある。
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，２０Ｂ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，２０Ｂに入射すると、各干渉フィルタ部２０Ａ，２０Ｂ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。
また、光透過基板３の材料として、所定の波長範囲の光を透過させる色ガラスやフィルタガラスを用いてもよい。また、光学フィルタ層５と共に、或いは光学フィルタ層５に代えて、光透過基板３の表面３ａに別の光学フィルタ層を形成してもよい。また、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。また、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、或いは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、分光センサは、ＣＳＰとして構成されたものに限定されず、ＳＭＤ（Surface Mount Device）として構成されたものであってもよい。
また、カップリング層１１，１２は、シランガスを用いたプラズマＣＶＤ法、塗布式のＳＯＧ（Spin On Glass)法、蒸着法、スパッタ法等によって形成されたシリコン酸化膜であってもよい。また、光検出基板４のカップリング層１２による接合（すなわち、ダイレクトボンディング）に代えて、光学樹脂層による接合や分光センサ１の外縁部における接合を適用してもよい。光学樹脂層による接合においては、光学樹脂層の材料として、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を用いることができる。また、分光センサ１の外縁部における接合においては、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できる。この場合、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。
また、原料ガスとしてＴＥＯＳを用いた成膜処理、シランガスを用いたプラズマＣＶＤ法、塗布式のＳＯＧ法、蒸着法、スパッタ法、ＬＰ−ＣＶＤ法等によって、シリコンからなるハンドル基板の一方の主面にシリコン酸化膜を形成し、当該シリコン酸化膜を表面層としてもよい。また、熱酸化処理に代えて、ＬＰ−ＣＶＤ法によって、シリコンからなるハンドル基板の一方の主面及び他方の主面にシリコン酸化膜を形成し、ハンドル基板の一方の主面又は他方の主面に形成されたシリコン酸化膜を表面層としてもよい。つまり、シリコン酸化膜であるキャビティ層は、シリコンの熱酸化処理によって形成されたものには限定されない。ただし、熱酸化処理によってシリコン酸化膜を形成すれば、上述した他の方法に比べ、キャビティ層について、比較的に緻密な膜になり、膜厚の均一性が向上し、不純物が少なくなり、光透過性や光屈折率等の光学特性が比較的安定するといったメリットがある。
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…カップリング層（第１のカップリング層）、１２…カップリング層（第２のカップリング層）２０，２０Ａ，２０Ｂ…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 (8)
- 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、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、
前記干渉フィルタ部と前記光透過基板との間に配置された第１のカップリング層と、を備え、
前記キャビティ層及び前記第１のカップリング層は、シリコン酸化膜であり、
前記キャビティ層の厚さは、前記第１のミラー層と前記第２のミラー層との間において変化しており、
前記第１のカップリング層の厚さは、前記光透過基板と前記光検出基板とが互いに平行に配置されるように変化しており、
前記干渉フィルタ部と前記光透過基板とは、前記第１のカップリング層を介してダイレクトボンディング接合されている、分光センサ。 - 前記干渉フィルタ部と前記光検出基板との間に配置された第２のカップリング層を更に備え、
前記第２のカップリング層は、シリコン酸化膜であり、
前記干渉フィルタ部と前記光検出基板とは、前記第２のカップリング層を介してダイレクトボンディング接合されている、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、前記所定の波長範囲の光を透過させる光学フィルタ層を更に備える、請求項１又は２記載の分光センサ。
- 請求項１〜３のいずれか一項記載の分光センサの製造方法であって、
シリコン酸化膜からなる前記キャビティ層を形成する工程と、
前記キャビティ層上に前記第１のミラー層を形成する工程と、
前記第１のミラー層上にシリコン酸化膜からなる前記第１のカップリング層を形成する工程と、
前記第１のカップリング層を介して前記第１のミラー層上に前記光透過基板をダイレクトボンディング接合する工程と、を備える、分光センサの製造方法。 - 前記キャビティ層を形成する工程では、シリコンの熱酸化処理によって、シリコン酸化膜からなる前記キャビティ層を形成する、請求項４記載の分光センサの製造方法。
- 前記第１のカップリング層を形成する工程では、原料ガスとしてＴＥＯＳを用いた成膜処理によって、シリコン酸化膜からなる前記第１のカップリング層を形成する、請求項４又は５記載の分光センサの製造方法。
- 前記キャビティ層上に前記第２のミラー層を形成する工程と、
前記第２のミラー層上にシリコン酸化膜からなる第２のカップリング層を形成する工程と、
前記第２のカップリング層を介して前記第２のミラー層上に前記光検出基板をダイレクトボンディング接合する工程と、を更に備える、請求項４〜６のいずれか一項記載の分光センサの製造方法。 - 前記第２のカップリング層を形成する工程では、原料ガスとしてＴＥＯＳを用いた成膜処理によって、シリコン酸化膜からなる前記第２のカップリング層を形成する、請求項７記載の分光センサの製造方法。
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