KR102053561B1 - 광 검출 장치 및 광 검출 장치를 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
광 검출 장치는 제1 및 제2 광 검출기(S1, S2)를 지지하는 기판(S1) 및 기판 상에 배치되고 광 검출기 어레이를 덮는 필터 스택을 포함한다. 필터 스택은 대역 통과 필터(BP), 대역 통과 필터(BP) 상에 배치된 디커플링층(DL) 및 디커플링층(DL) 상에 배치된 하부 유전체 거울(LM)을 포함한다. 필터 스택은 제1 유전체 재료를 포함하고 광 검출기 어레이를 덮는 하부 유전체 거울(LM) 상에 배치된 주 스페이서층(SP)을 갖는 스페이서 스택을 포함한다. 스페이서 스택은 제1 유전체 재료를 포함하는 제1 스페이서층(S1)을 포함하며, 제1 스페이서층(S1)의 제1 세그먼트는 주 스페이서층(SP) 상에 배치되고 제2 광 검출기를 덮으며, 제1 광 검출기(P1)를 덮지 않는다. 필터 스택은 스페이서 스택 상에 배치된 상부 유전체 거울(UM)를 포함한다.
Description
본 발명은 광 검출 장치, 특히 고분광 광 검출 장치 및 그 광 검출 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.
고분광(하이퍼 스펙트럼:hyper-spectral) 광 검출 장치는 예를 들어, 빛의 스펙트럼 구성을 분석하는데 사용될 수 있다. 이를 위해, 검출 장치는 입사광을 검출하고, 하나의 더 큰 스펙트럼 범위 내에서 몇몇의 좁은 스펙트럼 대역에 대응하는 광 강도의 분포에 관한 정보를 생성할 수 있다. 여기서, 더 큰 스펙트럼 범위는 예를 들어 수백 또는 수십 나노 미터 정도의 폭을 가질 수 있지만, 좁은 스펙트럼 대역은 수 나노 미터의 폭을 가질 수 있다.
고분광 광 검출 장치에 대한 기존의 접근법은 예를 들어 제한된 정확도, 이동 부품으로 인한 취약성 및/또는 일예로, 스펙트럼 정보를 펼치기 위한 신호 처리로 인한 높은 복잡성과 같은 단점을 겪을 수 있다.
반도체 기반 고분광 검출 장치를 제조하는 것은 리소그래피를 위한 높은 마스크 횟수, 깊은(deep) UV 성능 및/또는 임계 치수의 엄격한 제어를 필요로 할 수 있다.
(특허문헌 1) US2007058055 A1
(특허문헌 1) US2007058055 A1
따라서, 전술한 단점을 극복할 수 있는 광 검출 장치에 대한 개선된 개념을 제공하는 것이 목적이다.
이 목적은 독립항의 주요 구성에 의해 달성된다. 추가적인 구현예들 및 실시 예들은 종속항의 주요 구성이다.
개선된 개념에 따르면, 고분광 광 검출 장치는 단일 반도체 칩 상에 광 검출기 어레이와 함께 집적된 복수의 유전체 필터 요소를 사용한다. 필터 요소는 광 검출기 어레이의 각각의 광 검출기를 덮도록 배열되어 있다. 각각의 필터 요소는 하부 및 상부 유전체 거울의 대응 섹션과 유전체 거울 사이에 배치된 스페이서 요소를 포함한다. 스페이서 요소들은 리프트-오프 기술에 의해 구조화된 복수의 유전체 스페이서층들에 의해 형성된다. 여기서, 주 스페이서층은 모든 광 검출기들을 덮는다. 제1 스페이서층은 광 검출기의 절반을 덮는 세그먼트를 포함한다. 제2 스페이서층은 각각 광 검출기들 등의 1/4을 덮는 2 개의 세그먼트를 포함한다. 대역통과필터 및 디커플링층은 하부 유전체 거울 아래에 배열되어 개별 필터 요소의 통과 대역의 원하지 않는 부분을 차단한다.
개선된 개념에 따르면, 광 검출 장치, 특히 고분광 광 검출 장치가 제공된다. 광 검출 장치는 적어도 제1 및 제2 광 검출기를 갖는 광 검출기 어레이를 지지하는 반도체 기판과, 기판 상에 배치되고 광 검출기 어레이를 덮는 필터 스택을 포함한다. 필터 스택은 대역 통과 필터, 대역 통과 필터 상에 배치된 디커플링층 및 디커플링층 상에 배치된 하부 유전체 거울을 포함한다. 대역 통과 필터, 디커플링층 및 하부 유전체 거울 각각은 광 검출기 어레이를 덮고, 특히 광 검출기 어레이에 포함된 모든 광 검출기들을 덮는다.
필터 스택은 스페이서 스택을 더 포함한다. 스페이서 스택은 하부 유전체 거울 상에 배열된 주 스페이서층을 포함하고, 제1 유전체 재료를 포함하거나 또는 제1 유전체 재료로 구성되고, 광 검출기 어레이를 덮고, 특히 광 검출기 어레이에 포함된 모든 광 검출기를 덮는다. 스페이서 스택은 제1 유전체 재료를 포함하거나 제1 유전체 재료로 이루어진 제1 스페이서층을 더 포함하며, 제1 스페이서층의 제1 세그먼트는 주 스페이서층 상에 배치되고 제2 광 검출기는 덮으나 제1 광 검출기는 덮지 않는다. 필터 스택은 스페이서 스택 상에 배치된 상부 유전체 거울을 더 포함한다. 상부 유전체 거울은 광 검출기 어레이를 덮고, 특히 광 검출기 어레이에 포함된 모든 광 검출기를 덮는다.
상부 및 하부 유전체 거울은 주 스페이서층 및 제1 스페이서층과 함께 스펙트럼 선택기로도 지칭될 수 있는 적어도 2개의 필터 요소를 형성하며, 및 상기 제1 광검출기를 덮으며, 그 위에 배치되는 제1 필터 요소 및 제2 광 검출기를 덮고 상기 제2 광 검출기 위에 배치되는 제2 필터 요소를 포함한다. 일부 구현예에 따르면, 제1 필터 요소는 제1 광 검출기를 덮는 하부 유전체 거울의 섹션, 제1 스페이서 요소 및 제1 광 검출기를 덮는 상부 유전체의 섹션에 의해 형성된다. 제1 스페이서 요소는 제1 광 검출기를 덮는 주 스페이서층의 섹션을 구성한다. 제2 필터 요소는 제2 광 검출기를 덮는 하부 유전체 거울의 섹션, 제2 스페이서 요소 및 제2 광 검출기를 덮는 상부 유전체 거울의 섹션에 의해 형성된다. 제2 스페이서 요소는 제2 광 검출기를 덮는 주 스페이서층의 섹션과 제2 광 검출기를 덮는 제1 스페이서층의 섹션, 즉 제1 스페이서층의 제1 세그먼트로 구성된다.
일부 구현예에 따르면, 제1 스페이서층의 각 부분, 특히 제1 스페이서층의 제1 부분은 상부 유전체 거울과 직접 접촉한다. 제1 광 검출기를 덮는 제1 스페이서층의 섹션은 상부 유전체 거울과 직접 접촉한다.
일부 구현예에 다르면, 제1 스페이서층의 각 부분, 특히 제1 스페이서층의 제1 세그먼트는 상부 유전체 거울과 직접 접촉한다. 제1 광 검출기를 덮는 주 스페이서층의 섹션은 상부 유전체 거울과 직접 접촉한다.
섹션이라는 용어는 각 층의 다른 부분에 연결되거나 연결되지 않을 수 있는 각각의 층의 일부를 기술한다. 세그먼트라는 용어는 포토 리소그래피 구조화 시퀀스, 예를 들어 리프트 오프 시퀀스에 의해 형성되는 각각의 층의 섹션을 기술하며, 가능하게는 각각의 층의 하나 이상의 다른 섹션으로부터 분리되는 각각의 층의 섹션을 기술한다.
유전체 거울라는 용어는 브래그 반사기(Bragg reflectors), 분포 브래그 거울 또는 반사기 또는 브래그 스택으로도 지칭되는 브래그 거울(Bragg mirrors)를 지칭한다. 이러한 유전체 거울은 각각 정지 대역(stop-bands)을 갖는다. 각각의 거울에 부딪히는 정지 대역 내의 파장을 갖는 광은 차단된다. 그러나 정지 대역은 격리된(isolated) 거울의 정지 대역이다.
광(light)이라는 용어는 일반적으로 적외선, 가시광 및/또는 자외선을 포함하는 전자기 방사선을 지칭할 수 있다.
정지 대역의 폭은 예를 들어 수십 나노 미터 정도이며, 수백 나노 미터 정도이다. 제1 및 제2 필터 요소는 각각 파브리-페롯 에탈론(Fabry-Perot etalon) 또는 간섭계(interferometer)를 나타낸다. 필터 요소를 형성하는 거울들 사이의 2 개의 유전체 거울 및 각각의 스페이서 요소의 배치는 제1 필터 요소의 제1 통과 대역 및 제2 필터 요소의 제2 통과 대역이 전개되는 효과를 갖는다. 제1 통과 대역 내의 파장을 갖는 광은, 광의 파장이 격리된 거울의 정지 대역 내에 존재하더라도 제1 필터 요소를 통과할 수 있다. 유사하게, 제2 통과 대역 내의 파장을 갖는 광은 광의 파장이 격리된 거울의 정지 대역 내에 놓여 있더라도 제2 필터 요소를 통과할 수 있다.
제1 및 제2 통과 대역 각각은 각각 제1 및 제2 통과 파장에서 각각의 투과 피크를 포함한다. 제1 통과 파장의 값은 주 스페이서층의 두께에 의해 주어지는 제1 스페이서 요소의 두께에 의해 결정된다. 제2 통과 파장의 값은 주 스페이서층과 제1 스페이서층의 전체 두께에 의해 주어지는 제2 스페이서 요소의 두께에 의해 결정된다. 제1 및 제2 파장에서의 투과 피크 이외에, 필터 요소를 통한 투과는 하부 및 상부 유전체 거울의 정지 대역에 본질적으로 대응하는 파장 범위 내에서 억제된다.
일부 구현예들에 따르면, 제1 통과 파장 및 제2 통과 파장은 하부 유전체 거울의 정지 대역 내 및 상부 유전체 거울의 정지 대역 내에 있다.
제1 및 제2 피크의 폭은 하부 유전체 거울의 반사율 및 상부 유전체 거울의 반사율에 의해 결정된다. 제1 및 제2 피크의 폭, 예를 들어 반치폭(full widths at half maximum)은 예를 들어 1 또는 수 나노 미터 정도일 수 있다.
제1 필터 요소에 의해 덮인 제1 광 검출기는 제1 통과 대역 내의 파장, 특히 제1 통과 파장 또는 그 근방에 있는 파장을 갖는 광 검출 장치 상에 입사하는 광을 검출하는데 사용될 수 있다. 유사하게, 제2 필터 요소에 의해 덮인 제2 광 검출기는 제2 통과 대역 내의 파장, 특히 제2 통과 파장 또는 그 근방에 있는 파장을 갖는 광 검출 장치에 입사하는 광을 검출하는 데 사용될 수 있다.
하부 및 상부 유전체 거울은 각각의 정지 대역 외부에 있는 파장을 갖는 광에 대해 증가된 투과율을 나타낼 수 있다. 결과적으로, 제1 또는 제2 통과 대역 외측, 특히 정지 대역 외측에 있는 파장을 갖는 광은 각각 제1 및 제2 필터 요소를 통과할 수 있다. 이러한 광이 광 검출기 어레이에 도달하는 것은 바람직하지 않을 수 있다. 특히, 이러한 원하지 않는 광이 광 검출기 어레이에 도달하면, 이는 입사광의 스펙트럼 구성을 결정할 때 증가된 오차를 초래할 수 있고, 결과적으로 광 검출 장치의 정확도가 감소될 수 있다. 그러나, 대역 통과 필터 및 디커플링층으로 인해, 이러한 원하지 않는 광이 광 검출기 어레이에 도달하는 것이 방지될 수 있다.
몇몇 구현에 따르면, 대역 통과 필터는 통과 대역을 가지며, 대역 통과 필터의 통과 대역 외부에 있는 파장을 갖는 광을 차단한다.
일부 구현예에 따르면, 적어도 2개의 필터 요소의 통과 대역의 통과 파장, 특히 제1 통과 파장 및 제2 통과 파장은 대역 통과 필터의 통과 대역 내에 있다.
기판과 하부 유전체 거울 사이에 배치된 대역 통과 필터 및 디커플링층은 광 검출기 어레이에 도달하는 원치않는 광을 차단하도록 구성된다.
대역 통과 필터는 예를 들어, 대역 통과 필터의 통과 대역이 하부 및/또는 상부 유전체 거울의 정지 대역에 대응하는 파장 범위에 걸쳐 연장되도록 적용될 수 있다. 대역 통과 필터는 필터 소자의 통과 대역 중 어느 하나, 특히 제1 및 제2 필터 요소 내에 존재하지 않는 파장을 갖는 광이 대역 통과 필터의 통과 대역 외부에 놓이도록 적용될 수 있으며, 결과적으로 차단된다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 대역 통과 필터는 유전체 필터로서 구현된다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 대역 통과 필터는 제1 유전체 재료를 함유하는 대역 통과층 및 제2 유전체 재료를 함유하는 추가적인 대역 통과층으로 구성되며, 대역 통과층들 및 추가적인 대역 통과층들은 교대로 배열된다.
대역 통과층들은 반드시 모두 동일한 두께를 가질 필요는 없다. 유사하게, 추가적인 대역 통과층들은 모두 동일한 두께를 가질 필요는 없다. 특히, 개별 두께는 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램에 의해 결정될 수 있다. 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램은 예를 들어, 대역 통과 필터의 원하는 통과 대역을 달성하기 위한 최적의 방식으로 대역 통과층들 및 추가적인 대역 통과층들의 두께를 결정하는데 사용될 수 있다.
일반적으로, 서로 부착되는 2 개의 광학 구성 요소는 그들 개별 투과의 곱과 다른 총 투과를 특징으로 할 수 있다.
그러나, 디커플링층은 대역 통과 필터를 필터 요소들로부터 분리시킨다. 따라서, 필터 요소들 및 대역 통과 필터 중 하나의 총 투과율은 대역 통과 필터의 투과율 및 각 필터 요소의 투과율의 곱에 의해 또는 그에 대략적으로 주어진다.
일부 구현예에 따르면, 디커플링층은 제1 유전체 재료, 제2 유전체 재료 및/또는 실리콘 다이옥사이드를 포함한다.
개선된 개념에 따른 광 검출 장치는 하나의 단일 광 검출기 어레이 반도체 칩 또는 다이 내에 적어도 2개의 필터 요소들과 함께 하나의 단일 광 검출기 어레이가 집적될 수 있다. 결과적으로, 광 검출 장치의 장점은 취약성을 유발하거나 가속된 마모를 유발할 수 있는 움직일 수 있는 부품이 없다는 것이다.
주 스페이서층 및 제1 스페이서층은 모두 제1 유전체 재료를 포함한다. 그러나, 이들 층은 개별적으로 증착되는 개별적인 층이고, 적용 가능한 경우, 각각의 포토 리소그래피 구조화 시퀀스에 의해 개별적으로 구조화된다. 예를 들어, 제1 스페이서층은 예를 들어 제1 스페이서층의 제1 세그먼트를 규정하기 위한 각각의 리프트 - 오프 시퀀스에 의해 구조화될 수 있다. 또한, 주 스페이서층은 예를 들어 각각의 리프트 - 오프 시퀀스에 의해 구성될 수 있다.
주 스페이서층 및 제1 스페이서층을 개별적으로 증착하고 예를 들어 리프트 - 오프 시퀀스에 의해 이들을 구조화하는 것은 주 스페이서층 및 제1 스페이서층, 결과적으로 제1 및 제2 스페이서 요소의 두께가 이 방법으로 특히 잘 제어되는 이점을 가진다. 예를 들어, 두께들은 층 증착 동안 간섭계에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 광 검출 장치의 개선된 정확성이 달성될 수 있다. 대조적으로, 공통 스페이서층을 증착하고 개별 스페이서 요소를 생성하기 위해 선택적 에칭을 수행하는 것은 스페이서 요소의 두께를 비교적 엄격하게 제어하지 못할 수 있다.
개선된 개념에 따르면, 하부 및 상부 유전체 거울 및 유전체 스페이서 요소의 섹션들로 구성된 모든 유전체 필터 요소가 이용된다. 주 스페이서층 및 제1 스페이서층의 개별 증착을 위해, 규칙적인 포토 리소그래피가 사용될 수 있다. 특히, 리소그래피 장비의 깊은(deep) UV 성능 및 / 또는 임계 치수의 특히 엄격한 제어가 요구되지 않는다.
여기서, 광 검출기 어레이의 광 검출기들 중 하나를 덮는 대상물은 기판의 주 평면에 수직한 방향에서 볼 때, 주 평면 상으로의 대상물의 투영이, 특히 각각의 광 검출기를 덮으며, 특히 완전히 덮는다. 상기 대상물은 예를 들어 제1 스페이서 요소, 제2 스페이서 요소 또는 추가적인 스페이서 요소와 같은 스페이서 요소일 수 있다. 상기 대상물은 또한 하부 또는 상부 유전체 거울의 섹션일 수 있다. 기판의 주 평면은 예를 들어, 광 검출기 어레이가 배치되는 기판의 표면, 즉 필터 스택에 대면하는 기판의 표면일 수 있다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 주 스페이서층의 두께와 제1 스페이서층의 두께는 서로 다르며, 특히 제1 스페이서층의 두께는 주 스페이서층의 두께보다 작다.
일부 구현예에 따르면, 광 검출 장치는 기판과 대역 통과 필터 사이에 배치되고 광 검출기 어레이를 덮는 추가적인 유전체층을 더 포함한다.
일부 구현예에 따르면, 상기 추가적의 유전체층은 실리콘 다이옥사이드를 포함한다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 광 검출기 어레이는 제3 및 제4 광 검출기를 더 포함한다. 상기 스페이서 스택은 상기 제1 유전체 재료를 포함하는 제2 스페이서층을 더 포함하며, 상기 제2 스페이서층의 제1 세그먼트는 상기 주 스페이서층 상에 배치되고 상기 제3 및 제4 광 검출기를 덮지만 상기 제1 및 제2 광 검출기는 덮지 않는다. 제1 스페이서층의 제2 세그먼트는 제2 스페이서층 상에 배치되고 제4 광 검출기는 덮지만 제1, 제2 및 제3 광 검출기는 덮지 않는다.
제3 필터 요소는 제3 광 검출기, 제3 스페이서 요소 및 제3 광 검출기를 덮는 상부 유전체 거울의 섹션을 덮는 하부 유전체 거울의 섹션에 의해 형성된다. 제3 스페이서 요소는 제3 광 검출기를 덮는 주 스페이서층의 섹션과 제3 광 검출기를 덮는 제2 스페이서층의 섹션, 즉 제3 광 검출기를 덮는 제2 스페이서층의 제1 세그먼트의 섹션으로 구성된다.
제4 필터 요소는 제4 광 검출기를 덮는 하부 유전체 거울의 섹션, 제4 스페이서 요소 및 제4 광 검출기를 덮는 상부 유전체 거울의 섹션에 의해 형성된다. 제4 스페이서 요소는 제4 광 검출기를 덮는 주 스페이서층의 섹션, 제4 광 검출기를 덮는 제2 스페이서층의 섹션, 즉 제4 광 검출기를 덮는 제2 스페이서층의 제1 세그먼트의 섹션과, 제4 광 검출기를 덮는 제1 스페이서층의 섹션, 즉 제1 스페이서층의 제2 세그먼트에 의해 구성된다.
일부 구현예에 따르면, 제1 스페이서층의 제2 세그먼트는 상부 유전체 거울과 직접 접촉한다. 제3 광 검출기를 덮는 제2 스페이서층의 섹션은 상부 유전체 거울과 직접 접촉한다.
제3 및 제4 필터 요소는 각각 제3 및 제4 파장에서의 투과 피크를 가지는 제3 및 제4 통과 대역을 특징으로 한다. 제1 및 제2 통과 대역에 관한 상기 설명은 제3 및 제4 통과 대역과 유사하게 유지된다. 특히, 제3 파장의 값은 주 스페이서층과 제2 스페이서층의 전체 두께에 의해 주어지는 제3 스페이서 요소의 두께에 의해 결정된다. 제4 파장의 값은 주 스페이서층, 제1 스페이서층 및 제2 스페이서층의 전체 두께에 의해 주어지는 제4 스페이서 요소의 두께에 의해 결정된다.
제2 스페이서층은 예를 들어 제2 스페이서층의 제1 세그먼트를 규정하기 위한 각각의 리프트-오프 시퀀스에 의해 구조화될 수 있다. 제1 스페이서층을 규정하기 위한 리프트-오프 시퀀스는 제1 스페이서층의 제1 및 제2 세그먼트를 동시에 규정할 수 있다.
제3 및 제4 필터 요소에 의해 각각 덮인 제3 및 제4 광 검출기는 각각 제3 및 제4 통과 대역 내의 파장을 갖는 광 검출 장치에 입사하는 광을 검출하는데 사용될 수 있다.
결과적으로, 추가적인 스페이서층들을 도입하고 각각의 추가적인 스페이서층을 갖는 광 검출기의 수를 두 배로 함으로써, M 개의 필터 요소 및 광 검출기를 포함하는 광 센서 장치의 다른 구현예가 도출될 수 있으며, 이때, M = 2^N이고 N은 양의 정수이다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 광 검출기 어레이는 제1 및 제2 광 검출기를 포함하는 적어도 M 개의 광 검출기를 포함하며, 여기서 M은 2의 멱수, 즉 M = 2^N이고 N은 양의 정수, 예를 들어, N은 2 이상, 예를 들어 2보다 크다. 주 스페이서층은 적어도 M 개의 광 검출기를 덮는다.
스페이서 스택은 제1 및 제2 스페이서층을 포함하고 주 스페이서층을 포함하지 않는 N개의 스페이서층을 포함한다. N개의 스페이서층 각각은 제1 유전체 재료를 포함한다. N개의 스페이서층은 특히 리프트 오프 기술에 의해 패턴화되고, 제1 및 제2 스페이서 요소를 포함하는 주 스페이서층의 M개의 스페이서 요소와 함께 형성된다. M개의 스페이서 요소의 제1 스페이서 요소는 제1 광 검출기를 덮는 주 스페이서층의 섹션으로 구성된다. 제1 스페이서 요소를 제외하고, M개의 스페이서 요소 각각은 N개의 스페이서층의 상이한 서브 세트의 세그먼트들을 포함하고, 적어도 M개의 광 검출기들 중 하나, 특히 정확히 하나를 덮는다. 특히, M개의 스페이서 요소 각각은 N개의 스페이서층의 각각의 서브 세트의 각 스페이서층의 세그먼트를 포함하며, 각각의 서브 세트는 상이한 스페이서 요소에 대해 상이하다. M개의 스페이서 요소 각각은 적어도 M개의 광 검출기 중 다른 하나를 덮는다.
N이 2 이상, 예를 들어 2보다 큰 구현예에서, N개의 스페이서층은 또한 제3 및 제4 스페이서층을 포함한다.
M개의 스페이서 요소들 각각은 세그먼트, 특히 적어도 M개의 광 검출기를 덮는 세그먼트들로서, N개의 스페이서층들의 상이한 서브 세트 및 주 스페이서의 섹션, 특히 적어도 M개의 광 검출기들 중 하나를 덮는 주 스페이서층의 섹션의 세그먼트로 구성된다.
일반적으로 N개의 요소를 갖는 임의의 세트에 대해, 정확히 M-1 = 2^N-1 개의 상이한 서브 세트가 존재하며, 빈 세트는 서브 세트로 간주되지 않으며, N개의 스페이서층의 정확히 M-1개의 상이한 서브 세트가 존재한다. 결과적으로, N개의 스페이서층의 임의의 가능한 서브 세트에 대해, 제1 스페이서 요소가 아닌 M개의 스페이서 요소 중 하나는 N개의 스페이서층의 각각의 서브 세트의 각 스페이서층의 세그먼트를 포함한다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 하부 유전체 거울은 제1 유전체 재료를 함유하는 거울층 및 제2 유전체 재료를 함유하는 추가적인 거울층으로 구성된다. 제2 유전체 재료는 제1 유전체 재료의 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 갖는다. 하부 유전체 거울의 거울층 및 추가적인 거울층은 교대로 배열된다. 유사하게, 상부 유전체 거울은 제1 유전체 재료를 함유하는 거울층 및 제2 유전체 재료를 함유하는 추가적인 거울층으로 구성되며, 상부 유전체 거울의 제1 층 및 추가적인 거울층은 교대로 배열된다.
각각의 거울의 거울층 및 추가적인 거울층의 두께 및 각각의 거울에 포함된 거울층 및 추가적인 거울층의 총수는 각각의 거울의 정지 대역의 폭, 정지 대역의 중심 파장의 값 및 각 거울에 대하여 정지 대역 내의 파장을 갖는 광에 대한, 특히 중심에 대응하는 파장을 갖는 광에 대한 반사율에 의해 결정된다. 중심 파장은 일 예로 지정될 수 있다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 하부 유전체 거울의 중심 파장은 특히 제조 공차에 따라 다르나, 상부 유전체 거울의 중심 파장과 동일할 수 있다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 하부 유전체 거울의 정지 대역의 폭은 특히 제조 공차에 따라 다르나, 상부 유전체 거울의 정지 대역의 폭과 동일할 수 있다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 스페이서 요소들, 특히 제1 및 제2 스페이서 요소 각각은 하부 유전체 거울의 추가적인 거울층 및 상부 유전체의 추가적인 거울층과 직접 접촉한다.
즉, 스페이서 요소들은 제1 유전체 재료를 포함하고, 하부 및 상부 거울의 층은 스페이서 요소와 접촉하여 제2 유전체 재료를 구성한다. 이러한 방식으로, 파브리-페롯 에탈론(Fabry-Perot etalons)이 형성된다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 제1 굴절률은 제2 굴절률보다 크다. 이러한 구현의 이점은 예를 들어 광 검출 장치에 입사되는 광에 대한 개선된 각도 의존성을 포함할 수 있다. 스페이서 요소의 굴절률이 높기 때문에, 전체 두께는 더 작다. 따라서, 수직한 광 입사로부터의 편차는 개개의 스페이서 요소를 통한 광 전파에 덜 현저한 영향을 미칠 수 있다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 제2 굴절률은 제1 굴절률보다 크다.
이러한 구현에서, 스페이서 요소의 전체 두께는 더 클 수 있다. 따라서, 스페이서 요소, 특히 주 스페이서층, 제1 및 제2 스페이서층을 형성하는 층은 보다 용이하게 또는 개선된 정확도로 제조될 수 있다. 특히 공정 변동은 이 경우에 덜 현저한 영향을 미칠 수 있다.
일반적으로, 제1 및 제2 굴절률은 파장에 의존적일 수 있다. 즉, 제1 굴절률이 제2 굴절률보다 크거나 그 반대인 경우, 동일한 파장에서 제1 굴절률과 제2 굴절률의 비교가 필요하다. 상술한 예들에서, 제1 굴절률은 특정 파장을 갖는 광에 대해, 예를 들어 중심 파장에 대응하는 파장을 갖는 광에 대해 제2 굴절률보다 크거나 또는 그 반대일 수 있다. 선택적으로, 제1 굴절률은 예를 들어 상부 및 하부 유전체 거울 중 하나의 정지 대역과 같은 특정 범위 내의 파장을 갖는 광에 대해 제2 굴절률보다 크거나 그 반대일 수 있다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 적어도 일부의 거울층 및 하부 유전체 거울의 추가적인 거울층 중 적어도 일부는 중심 파장의 1/4에 해당하는 광학 거리에 대응하는 두께를 갖는다. 거울층의 적어도 일부 및 상부 유전체 거울의 적어도 일부의 추가적인 거울층은 중심 파장의 1/4에 해당하는 광학 거리에 대응하는 두께를 갖는다.
광학 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 하부 유전체 거울의 거울층 또는 추가적인 거울층 중 적어도 하나는 중심 파장의 절반과 동일한 광학거리에 대응하는 두께를 가지나, 각각의 제조 공차에 따라 달라질 수 있다.
일부 구현예에 따르면, 상기 하부 유전체 거울의 상기 거울층들 또는 상기 추가적인 거울층들 중 적어도 하나의 거울층 중 하나는 상기 디커플링층에 인접하게 배치된다.
일부 구현예에 따르면, 상기 하부 유전체 거울의 상기 거울층 또는 상기 추가적인 거울층 중 적어도 하나의 거울층 중 하나는 상기 스페이서 스택에 인접하여, 특히 상기 주 스페이서층에 근접하게 배치된다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 상부 유전체 거울의 거울층 또는 추가적인 거울층 중 적어도 하나는 중심 파장의 절반과 동일한 광학 거리에 대응하는 두께를 가지나, 각각의 제조 공차에 따라 달라질 수 있다.
일부 구현예에 따르면, 상기 상부 유전체 거울의 상기 거울층들 또는 상기 추가적인 거울층들 중 적어도 하나의 거울층 중 하나는 상기 상부 유전체 거울의 상기 스페이서 스택에 대향하는 측면 상에 배치된다.
일부 구현예에 따르면, 상기 상부 유전체 거울의 상기 거울층 또는 상기 추가적인 거울층 중 적어도 하나의 거울층 중 하나는 상기 스페이서 스택에 인접하여 배치된다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 하부 및 상부 유전체 거울의 모든 거울층 및 추가적인 거울층은 중심 파장의 1/4과 동일한 광학 거리에 대응하는 두께를 가지나, 각각의 제조 공차에 따라 달라질 수 있다.
이러한 구현예들의 이점은, 이 경우, 중심 파장에서의 유전체 거울의 반사율이 거울층 및 추가적인 거울층의 고정된 총수에 대해 최대라는 것이다. 이것은 차례로 필터 요소들의 통과 대역을 감소시킨다.
상부 및 하부 유전체 거울 중 하나에 의해 포함된 거울층 및 추가적인 거울층의 수는 또한 각각의 거울의 반사율에 영향을 미치고, 결과적으로 필터 요소의 통과 대역의 폭에 영향을 미친다. 특히, 유전체 거울의 거울층 및 추가적인 거울층의 총 수가 적을수록, 거울의 반사율이 작아지고, 필터 요소의 통과 대역의 투과 피크가 넓어지고, 반대의 경우도 마찬가지이다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 하부 유전체 거울의 거울층의 수는 하부 유전체 거울의 추가적인 거울층의 수와 동일하다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 상부 유전체 거울의 거울층의 수는 상부 유전체 거울의 추가적인 거울층의 수와 동일하다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 제1 유전체 재료는 실리콘 다이옥사이드(silicon dioxide)를 포함하고, 제2 유전체 재료는 오산화 니오븀(niobium pentoxide), 이산화 티탄(titanium dioxide), 산화 하프늄(hafnium oxide), 실리콘 질화물(silicon nitride), 비정질 실리콘(amorphous silicon) 중 적어도 하나를 포함한다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 제2 유전체 재료는 실리콘 다이옥사이드를 포함하고 제1 유전체 재료는 오산화 니오븀, 이산화 티탄, 산화 하프늄, 실리콘 질화물, 비정질 실리콘 중 적어도 하나를 포함한다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 광 검출기 어레이는 포토 다이오드의 어레이 또는 전하 결합 장치(charge coupled device), CCD, 요소의 어레이로서 구현된다. 결과적으로, 제1, 제2, 제3 및/또는 제4 광 검출기는 광 다이오드 또는 CCD 소자로서 각각 구현될 수 있다. 특히, 각각의 광 검출기는 하나 이상의 광 검출기를 포함할 수 있거나 하나 이상의 CCD 요소를 포함할 수 있다.
광 검출 장치의 일부 구현예에 따르면, 제1 및 제2 광 검출기는 광 검출 장치에 입사하여 상부 유전체 거울, 스페이서 스택 및 하부 유전체 거울을 통과하는 광을 검출하도록 구성된다. 제1 및 제2 광 검출기는 검출광에 기초하여 제1 채널 신호 및 제2 채널 신호를 각각 생성하도록 추가로 구성된다.
특히, 제1 및 제2 광 검출기는 제1 필터 요소 및 제2 필터 요소를 각각 통과하는 광을 검출하고, 검출광에 따라 제1 및 제2 채널 신호를 생성한다. 유사하게, 제3 및 제4 광 검출기에 대해서도 마찬가지이다.
일부 구현예에 따르면, 광 검출 장치는 제1 및 제2 채널 신호에 따라, 입사광의 스펙트럼 조성을 나타내는 적어도 하나의 스펙트럼 신호를 생성하도록 구성된 판독 회로를 포함한다.
판독 회로는 예를 들어 기판에 실장될 수 있다. 즉, 광 검출기 어레이, 필터 요소 및 판독 회로는 하나의 단일 반도체 다이에 집적될 수 있다.
제1 및 제2 채널 신호는 각각 제1 및 제2 통과 대역에 대응하는 입사광의 분수 강도에 대응한다. 따라서, 제1 및 제2 채널 신호는 스펙트럼 정보를 전개할 필요없이 판독 회로에 의해 처리될 수 있다.
개선된 개념에 따르면, 광 검출 장치, 특히 고분광 광 검출 장치를 제조하는 방법도 제공된다. 상기 방법은 적어도 제1 및 제2 광 검출기를 갖는 광 검출기 어레이를 지지하는 반도체 기판을 반도체 웨이퍼에 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 대역 통과 필터를 증착하는 단계, 상기 대역 통과 필터 상에 디커플링층을 증착하는 단계 및 상기 디커플링층 상에 하부 유전체 거울을 증착하는 단계를 포함한다. 여기서, 대역 통과 필터, 디커플링층 및 하부 유전체 거울 각각은 광 검출기 어레이를 덮는다.
상기 방법은 스페이서 스택을 증착하는 단계를 더 포함하며, 상기 스페이서 스택의 증착은 하부 유전체 거울 상에 제1 유전체 재료를 포함하는 주 스페이서층을 증착하고 광 검출기 어레이를 덮는 단계를 포함한다. 스페이서 스택의 증착은 제1 리프트 오프 시퀀스에 의해 제1 유전체 재료를 포함하는 제1 스페이서층을 증착하고 구조화하는 단계를 더 포함하며, 제1 스페이서층의 제1 세그먼트는 주 스페이서층 상에 배치되고, 제2 스페이서층을 덮으나, 제1 광 검출기를 덮지는 않는다. 상기 방법은 상부 유전체 거울을 상기 스페이서 스택 상에 증착하는 단계를 더 포함한다.
일부 구현예에 따르면, 상기 방법은 기판 상에 추가적인 유전체층을 증착하는 단계를 더 포함한다. 대역 통과 필터는 추가적인 유전체층 상에 증착된다. 추가적인 유전체층은 광 검출기 어레이를 덮는다.
본 방법의 일부 구현예에 따르면, 광 검출기 어레이는 제3 및 제4 광 검출기를 더 포함한다. 스페이서 스택의 증착은 제1 스페이서층을 증착하기 전에, 제2 리프트-오프 시퀀스에 의해 제1 유전체 재료를 포함하는 제2 스페이서층을 증착하고 구성하는 단계를 더 포함한다. 제2 스페이서층의 제1 세그먼트는 주 스페이서층 상에 배치되고 제3 및 제4 광 검출기는 덮으나, 제1 및 제2 광 검출기는 덮지 않는다. 제1 스페이서층의 제2 세그먼트는 제2 스페이서층 상에 배치되고 제4 광 검출기는 덮으나, 제1, 제2 및 제3 광 검출기는 덮지 않는다.
이 방법의 일부 구현예에 따르면, 광 검출기 어레이는 적어도 M 개의 광 검출기를 포함하고, 이때, M이 2의 멱수, 즉 M = 26N이고 N이 양의 정수, 예를 들어 N이 2 이상이거나 2 초과일 수 있다. 주 스페이서층은 적어도 M 개의 광 검출기를 덮는다. 스페이서 스택의 증착은 제1 및 제2 스페이서층을 포함하고 주 스페이서층을 포함하지 않는 N 개의 스페이서층을 N 리프트-오프 시퀀스에 의해 증착 및 구조화하는 단계를 포함한다. N 개의 스페이서층 각각은 제1 유전체 재료를 포함하고, N 개의 스페이서층 각각은 M 개의 광 검출기의 상이한 서브 세트를 덮으며, 각각의 서브 세트는 적어도 M 개의 광 검출기의 M / 2, 특히, 정확하게 M / 2을 포함한다. N이 2 이상인 구현예에서, N개의 스페이서층들은 또한 제3 및 제4 스페이서층을 포함한다.
이 방법의 다른 구현예는 광 검출 장치의 구현으로부터 용이하게 도출되며, 그 반대도 가능하다.
이하에서, 개선된 개념은 도면을 참조하여 예시적인 구현의 도움으로 상세히 설명된다. 기능적으로 동일하거나 동일한 효과를 갖는 구성 요소는 동일한 참조로 표시될 수 있다.
동일한 효과를 갖는 동일한 구성 요소 및/또는 구성 요소는 먼저 발생하는 도면과 관련하여 설명될 수 있으며, 그 설명은 후속하는 도면에서 반드시 반복될 필요는 없다.
도 1a는 개선된 개념에 따른 광 검출 장치의 예시적인 구현예를 도시한다.
도 1b 및 1c는 개선된 개념에 따른 광 검출 장치의 예시적인 구현예의 하부 및 상부 유전체 거울을 각각 도시한다.
도 2a는 파장의 함수로서 격리된 유전체 거울의 투과율을 도시한다.
도 2b 및 2c는 개선된 개념에 따른 광 검출 장치의 예시적인 구현예의 필터 요소의 파장의 함수로서의 투과율을 도시한다.
도 2d는 개선된 개념에 따른 광 검출 장치의 예시적인 구현예의 복수의 필터 요소의 파장의 함수로서의 투과율을 도시한다.
도 2e는 개선된 개념에 따른 광 검출 장치의 예시적인 구현예의 대역 통과 필터의 파장의 함수로서의 투과율을 도시한다.
도 2f 및 2g는 개선된 개념에 따른 광 검출 장치의 예시적인 구현예의 필터 요소와 대역 통과 필터의 조합의 파장의 함수로서의 투과율을 도시한다.
도 3a 내지도 3c는 개선된 개념에 따른 광 검출 장치를 제조하는 방법의 예시적인 구현의 단계들의 결과를 도시한다.
도 1b 및 1c는 개선된 개념에 따른 광 검출 장치의 예시적인 구현예의 하부 및 상부 유전체 거울을 각각 도시한다.
도 2a는 파장의 함수로서 격리된 유전체 거울의 투과율을 도시한다.
도 2b 및 2c는 개선된 개념에 따른 광 검출 장치의 예시적인 구현예의 필터 요소의 파장의 함수로서의 투과율을 도시한다.
도 2d는 개선된 개념에 따른 광 검출 장치의 예시적인 구현예의 복수의 필터 요소의 파장의 함수로서의 투과율을 도시한다.
도 2e는 개선된 개념에 따른 광 검출 장치의 예시적인 구현예의 대역 통과 필터의 파장의 함수로서의 투과율을 도시한다.
도 2f 및 2g는 개선된 개념에 따른 광 검출 장치의 예시적인 구현예의 필터 요소와 대역 통과 필터의 조합의 파장의 함수로서의 투과율을 도시한다.
도 3a 내지도 3c는 개선된 개념에 따른 광 검출 장치를 제조하는 방법의 예시적인 구현의 단계들의 결과를 도시한다.
도 1a는 개선된 개념에 따른 광 검출 장치, 특히 고분광 광 검출 장치의 예시적인 구현예를 도시한다. 광 검출 장치는 예를 들어 반도체 웨이퍼 또는 반도체 웨이퍼의 일부분, 광 센서 다이, 광 센서 다이의 일부 또는 광 센서 다이를 포함하는 광 센서 구성 요소이다.
광 검출 장치는 반도체 기판(S) 및 복수, 예컨대 8개의 광 검출기 (PI, ... P8)를 갖는 광 검출기 어레이를 포함한다. 광 검출기들은 예를 들어 광 다이오드로서 구현되고 기판(S)에 의해 운반된다. 특히, 광 검출기들(P1, ... P8)은 기판의 주 표면(MS) 상에 배열된다. 선택적인 유전체층(FL)은 기판(S)의 주 표면 상에 배치된다. 유전체층(FL)은 예를 들어 실리콘 다이옥사이드(silicon dioxide)를 포함한다.
유전체층(FL)은 예를 들어 프리 메탈 라이즈(pre-metallization) 유전체층 또는 금속 간(inter metal) 유전체층일 수 있다. 유전체층(FL)은 전류 운반 금속층을 절연시키는 역할을 할 수 있다. 유전체층(FL)은 수 ㎛, 예를 들어 8 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
광 검출 장치는 유전체층(FL) 상에 배치된 대역 통과 필터(BP)를 더 포함한다. 광 검출 장치가 선택적인 유전체층(FL)을 포함하지 않는 구현예에서, 대역 통과 필터(BP)는 예를 들어 기판(S)의 주 표면 상에 배치된다. 광 검출 장치는 대역 통과 필터(BP) 및 디커플링층(DL) 상에 배치된 브래그 거울(Bragg mirror, LM)로도 지칭되는 하부 유전체 거울을 포함한다. 유전체층(FL), 대역 통과 필터(BP), 디커플링층(DL) 및 하부 유전체 거울(LM)은 모든 광 검출기(P1, ... P8)를 덮는다.
광 검출 장치는 하부 유전체 거울(LM) 상에 배치된 주 스페이서층(SP)을 포함하고, 모든 광 검출기(P1, ... P8)를 덮는 스페이서층의 스택인 스페이서 스택을 더 포함한다. 스페이서 스택은 제1, 제2 및 제3 스페이서층(S1, S2, S3)을 더 포함한다.
제3 스페이서층(S3)은 주 스페이서층(SP) 상에 배치된다. 제3 스페이서층 (S3)은 특히 제3 리프트-오프 시퀀스에 의해 제3 스페이서층의 세그먼트가 제5, 제6, 제7 및 제8 광 검출기(P5, ..., P8)를 덮도록 구성되지만, 제1, 제2, 제3 및 제4 광 검출기(P1, ..., P4) 중 어느 것도 덮지 않는다.
제2 스페이서층(S2)은, 특히 제2 리프트-오프 시퀀스에 의해 구성된다. 구조화의 결과로서, 제2 스페이서층(S2)의 제1 세그먼트는 주 스페이서층(SP) 상에 배열되고 제3 및 제4 광 검출기(P3, P4)를 덮지만 나머지 광 검출기(P1, P2, P5, ... P8)는 덮지 않는다. 제2 스페이서층(S2)의 제2 세그먼트는 제3 스페이서층(S3) 상에 배치되고 제7 및 제8 광 검출기(P7, P8)를 덮지만 광 검출기 어레이의 나머지 광 검출기(P1, ... P6)를 덮지 않는다.
제1 스페이서층(S1)은, 특히 제1 리프트-오프 시퀀스에 의해 구성된다. 구조화의 결과로서, 제1 스페이서층(S1)의 제1 세그먼트는 주 스페이서층(SP) 상에 배치되고 제2 광 검출기(P2)를 덮지만 광 검출기 어레이의 나머지 광 검출기(P1, P3, ..., P8)를 덮지 않는다. 제1 스페이서층(S1)의 제2 세그먼트는 제2 스페이서층 (S2)의 제1 세그먼트 상에 배치되고 제4 광 검출기(P4)를 덮지만 광 검출기 어레이의 나머지 광 검출기(P1, P2, P3, P5,…P8)를 덮지 않는다. 제1 스페이서층(S1)의 제3 세그먼트는 제3 스페이서층(S3) 상에 배열되고 제6 광 검출기(P6)를 덮지만 광 검출기 어레이의 나머지 광 검출기(P1,.. P5,P7,P8)를 덮지 않는다. 제1 스페이서층(S1)의 제4 세그먼트는 제2 스페이서층(S2)의 제2 세그먼트 상에 배치되고 제8 광 검출기(P8)를 덮지만 광 검출기 어레이의 나머지 광 검출기(P1, ..., P7)를 덮지 않는다.
광 검출 장치는 스페이서 스택 상에 배치되고 모든 광 검출기(P1, ... P8)를 덮는 브래그 거울(Bragg mirror)로도 지칭되는 상부 유전체 거울(UM)를 더 포함한다.
하부 유전체 거울(LM)은 1a에서 단일 블록으로 도시되어 있지만, 도 1b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 예를 들어, 제 1 유전체 재료를 포함하는 거울층 (M1) 및 제 2 유전체 재료를 포함하는 추가적인 거울층(M2)의 교대 적층으로 이루어진다.
도 1b의 예에서, 하부 유전체 거울(LM)은 교대로 배열된 3 개의 거울층(M1) 및 3 개의 추가적인 거울층(M2)을 포함하며, 예를 들어 거울층(M1) 중 하나가 디커플링층 상에 배치되고 결과적으로 주 스페이서층(SP)이 추가적인 거울층(M2) 중 하나에 배치된다.
하부 유전체 거울(LM)의 거울층들(M1)은 예를 들어 모두 동일한 두께를 가질 수 있고, 하부 유전체 거울의 추가적인 거울층들(M2)은 제조 공차에 따라 달라지겠지만, 일예로 모두 동일한 두께를 가질 수 있다. 거울층(M1) 및 추가적인 거울층(M2)의 두께는 예를 들어 특정 중심 파장(10)의 1/4로 주어진 광학 거리에 대응할 수 있다. 특히, 제1 유전체 재료의 제1 굴절률(n1)을 곱한 거울층(M1)의 두께는 중심 파장(10)의 1/4과 동일하거나 대략 동일할 수 있다. 유사하게, 제2 유전체 재료의 제2 굴절률(n2)을 곱한 추가적인 거울층(M2)의 두께는 중심 파장(10)의 1/4과 동일하거나 대략 동일할 수 있다.
중심 파장(10)의 1/4의 선택은 특히 중심 파장(10)에 대응하는 파장을 갖는 광에 대해 하부 유전체 거울의 최대 반사율을 유도한다.
광 검출 장치의 일부 구현예에서, 하나 이상의 거울층(M1) 및/또는 추가적인 거울층(M2)은 제조 공차에 따라 달라질 수 있으나, 중심 파장(10)의 절반과 같은 광학 거리에 대응하는 두께를 가질 수 있다. 이들 층은 예를 들어 하부 거울 (LM)의 경우 디커플링층(DL) 및/또는 스페이서 스택에 인접하게 배열된다. 상부 거울(UM)의 경우에, 이들 층은 예를 들어 상부 유전체 거울(UM)의 스페이서 스택 및/또는 그와 인접한 영역에 대향하는 측에 배치된다. 상기 층들은 최대 반사율을 감소시킬 수 있지만, 각각의 필터 요소의 통과 파장 영역을 확장시킬 수 있다.
제1 유전체 재료의 제1 굴절률(n1)은 예를 들어 제2 유전체 재료의 제2 굴절률(n2)보다 작을 수 있다.
제1 유전체 재료는 예를 들어 실리콘 다이옥사이드를 포함할 수 있다. 실리콘 다이옥사이드의 굴절률, 결과적으로 제1 굴절률(n1)은 약 500 nm의 파장을 갖는 광에 대해 약 1.47일 수 있다.
제2 유전체 재료는 예를 들어 오산화 니오븀, 이산화 티타늄, 산화 하프늄, 질화규소 또는 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 제2 굴절률(n2)는 오산화 니오븀, 이산화 티탄, 산화 하프늄, 질화규소 또는 비정질 실리콘의 굴절률에 상응할 수 있다. 약 500nm의 파장을 갖는 광에 대해, 오산화 니오븀의 굴절률은 약 2.4이고, 이산화 티탄의 굴절률은 약 2.35이고, 산화 하프늄의 굴절률은 약 2.0이고, 질화규소의 굴절률은 약 2.1이며, 비정질 실리콘의 굴절률은 약 4.8이다.
다른 구현예에서, 제2 굴절률(n2)는 제1 굴절률(n1)보다 작다. 제1 유전체 재료는 오산화 니오븀, 이산화 티탄, 산화 하프늄, 질화규소 또는 비정질 실리콘을 포함 할 수 있고, 제2 유전체 재료는 실리콘 다이옥사이드를 포함할 수 있다. 유사하게, 상부 유전체 거울(UM)은 도 1c에 개략적으로 도시된 바와 같이, 제1 유전체 재료를 포함하는 거울층(M1) 및 제2 유전체 재료를 포함하는 추가적인 거울층(M2)의 교차 스택을 구성할 수도 있다. 상부 유전체 거울(UM)는 예를 들어 하부 유전체 거울(LM)과 같이 구성될 수 있지만, 거울층(M1) 및 추가적인 거울층(M2)의 반전된 순서로 구성될 수 있다. 즉, 상부 유전체 거울(UM)의 추가적인 거울층들(M2) 중 하나는 예를 들어 스페이서 스택 상에 배치된다.
도 1c의 예에서, 상부 유전체 거울(UM)는 3 개의 거울층(M1) 및 교번하여 배치된 3개의 추가적인 거울층(M2)을 포함하며, 예를 들어 추가적인 거울층(M2) 중 하나는 스페이서 스택 상에 배치된다.
상부 유전체 거울(UM)에 포함된 거울층(M1) 및 추가적인 거울층(M2)의 수 및 두께는 예를 들어 하부 유전체 거울(LM)에 포함된 거울층(M1) 및 추가적인 거울층(M2)의 수 및 두께와 각각 동일할 수 있다. 다른 구현예에서, 상부 유전체 거울(UM)는 하부 유전체 거울(LM)보다 더 많거나 적은 거울층(M1) 및/또는 더 많은 추가적인 거울층(M2)을 포함할 수 있다.
상부 및 하부 유전체 거울(UM, LM) 내의 거울층(M1) 및 추가적인 거울층(M2)의 배열은 상부 및 하부 유전체 거울(UM, LM), 특히 격리된 상부 및 하부 거울 유전체 거울(UM, LM)의 각각의 정지 대역을 의미한다.
스페이서 스택의 전체 높이는 광 검출 장치를 가로 질러 국부적으로 변하기 때문에, 상부 유전체 거울(UM)의 개별적인 거울층(M1) 및 추가적인 거울층(M2)은 도 1a 및 도 1c에 도시된 바와 같이 계단식 프로파일을 가질 수 있다.
도 1b 및 도 1c에서, 각각 상부 및 하부 유전체 거울(UM, LM)의 거울층(M1) 및 추가적인 거울층(M2)의 수가 각각 3인 것은 일 예이다. 다른 구현 예에서, 거울층(M1) 및 추가적인 거울층(M2)의 수는 이와 다를 수 있다.
다시 도 1a를 참조하면, 스페이서층(SP, SI, S2, S3) 각각은 제1 유전체 재료를 포함한다. 상부 및 하부 유전체 거울(UM, LM) 사이의 스페이서 스택의 배치는 수직 파선으로도 1a에 나타낸 바와 같은 복수의 파브리-페롯 에탈론 또는 필터 요소에 대응한다.
제1, 제2, 제3, 제4, 제 5, 제 6, 제 7 및 제 8 필터 요소는 제1, 제2, 제3, 제4, 제 5, 제 6, 제 7 및 제 8 스페이서 요소 각각과 제1, 제2, 제3, 제4, 제 5, 제 6, 제 7 및 제 8 광 검출기(P1, ... P8)를 각각 덮는 하부 유전체 거울(LM) 및 상부 유전체 거울(UM)의 섹션들에 의해 형성된다.
제1 스페이서 요소는 제1 광 검출기(P1)를 덮는 주 스페이서층(SP)의 섹션에 의해 형성된다. 제2 스페이서 요소는 제1 스페이서층(S1)의 제1 세그먼트와 제2 광 검출기(P2)를 덮는 주 스페이서층(SP)의 섹션에 의해 형성된다. 제3 스페이서 요소는 주 스페이서층(SP) 및 제3 광 검출기(P3)를 덮는 제2 스페이서층(S2)의 제1 세그먼트의 각각의 섹션에 의해 형성된다. 제4 스페이서 요소는 제1 스페이서층(S1)의 제2 세그먼트와 주 스페이서층(SP) 및 제4 광 검출기(P4)를 덮는 제2 스페이서층(S2)의 제1 세그먼트의 각각의 섹션들에 의해 형성된다.
제5 스페이서 요소는 제5 광 검출기(P5)를 덮는 주 스페이서층(SP) 및 제3 스페이서층(S3)의 각 섹션에 의해 형성된다. 제 6 스페이서 요소는 제1 스페이서층(S1)의 제3 세그먼트와 제6 광 검출기(P6)를 덮는 주 스페이서층(SP) 및 제3 스페이서층(S3)의 각 섹션에 의해 형성된다. 제7 스페이서 요소는 주 스페이서층(SP), 제3 스페이서층(S3) 및 제7 광 검출기(P7)를 덮는 제2 스페이서층(S2)의 제2 세그먼트의 각 섹션에 의해 형성된다. 제8 스페이서 요소는 제1 스페이서층 (S1)의 제4 세그먼트와 주 스페이서층(SP), 제3 스페이서층(S3) 및 제8 광 검출기(P8)를 덮는 제2 스페이서층(S2)의 제2 세그먼트의 각 섹션들에 의해 형성된다.
상부 및 하부 유전체 거울들(UM, LM) 및 스페이서 요소들의 배열로 인해, 광 검출 장치에 입사하는 광은 각각의 필터 요소의 통과 대역 내의 파장을 갖는 경우에만 필터 요소들 중 하나를 통과할 수 있다. 필터 요소의 통과 대역은 각각의 스페이서 요소의 두께에 의해 정의된 각각의 통과 파장에서 투과 피크를 특징으로 한다.
스페이서층(SP, S1, S2, S3)의 두께는 예를 들어, 제1 및 제2 거울층(M1, M2)의 두께에 의해 정의되는 중심 파장(10) 주위에 배치된 통과 파장을 도출하도록 적용된다.
스페이서 요소들 중 하나의 두께는 예를 들어 중심 파장(10)의 절반으로 주어진 광학 거리에 대응할 수 있다. 각각의 스페이서 요소는 각각의 이동 계수 (shift factor)를 곱한 중심 파장(10)의 절반만큼 주어진 광학 거리에 대응하는 두께를 가질 수 있다. 이동 계수는 예를 들어 0.1 내지 2, 예를 들어 0.5 내지 1.5일 수 있다.
예시적인 구현에서, 중심 파장(10)은 500nm이다. 제1 유전체 재료는 실리콘 다이옥사이드일 수 있고, 제1 굴절률은 관련 파장 범위에서 1.47과 동일한 것으로 가정된다. 주 두께는 예를 들어 대략 150nm / nl = 102nm일 수 있다. 제1 두께는 예를 들어 대략 25 nm / nl = 17 nm일 수 있다. 제2 두께 및 제3 두께는 각각 34nm 및 68nm로 제1 두께의 2배 및 4배일 수 있다. 스페이서 요소들의 두께는 각각 0.6×10/2, 0.7×10/2, 0.8×10/2, 0.9×10/2, 10/2, 1.1×10/2, 1.2×10/2 및 1.3×10/2에 대응된다.
통과 파장 주변의 투과 피크들과는 별도로, 필터 요소의 통과 대역은 예를 들어 상부 및 하부 유전체 거울(UM, LM)의 정지 대역 바깥의 파장에 대해 증가된 투과율을 나타낼 수 있다. 정지 대역 바깥의 파장을 갖는 광이 필터 요소를 통과하여 광 검출기(P1,...,P8) 각각에 도달하는 것은 바람직하지 않을 수 있다.
대역 통과 필터(BP)는 예를 들어 상부 및 하부 유전체 거울(UM, LM)의 정지 대역에 대응하거나 또는 대응하는 통과 대역을 갖는다. 또한, 대역 통과 필터(BP)와 하부 유전체 거울(LM) 사이에 배치된 디커플링층(DL)은 필터 요소들, 디커플링층(DL) 및 대역 통과 필터(BP) 중 하나를 통한 광의 투과가 대역 통과 필터(BP)를 통한 광의 투과와 곱해진 필터 요소 중 하나를 통한 광의 투과에 상응하거나 대략적으로 상응하는 효과를 가진다. 이러한 방식으로, 원하지 않는 파장을 갖는 광이 광 검출기(P1,...,P8) 중 하나에 도달하는 것이 방지될 수 있다. 디커플링층(DL)은 예를 들어 제1 유전체 재료를 포함한다. 일부 구현예에서, 디커플링층 (DL)은 약 10 / 1.7의 광학 거리에 대응하는 두께를 가질 수 있다.
대역 통과 필터는 예를 들어 제1 유전체 재료를 함유하는 대역 통과층 및 제2 유전체 재료를 함유하는 추가적인 대역 통과층의 교대 적층으로 이루어진다. 여기에서, 대역 통과층 및 추가적인 대역 통과층의 두께는, 예를 들어 대역 통과 필터의 원하는 통과 대역 특성을 달성하기 위한 최적의 두께의 시퀀스를 결정하는데 사용되는 컴퓨터 시뮬레이션에 따라 조정된다. 대역 통과 필터는 예를 들어 수 μm 정도, 예를 들어 6 μm 미만, 예를 들어 1 μm와 6 μm 사이의 전체 두께를 가질 수 있다.
광 검출 장치는 예를 들어 기판(S)에 의해 운반되는 판독 회로(미도시)를 더 포함한다.
빛이 광 검출 장치에 닿으면, 빛의 각 부분은 빛의 파장과 필터 요소의 통과 대역에 따라 하나 이상의 필터 요소와 대역 통과 필터(BP)를 통과할 수 있다. 결과적으로, 빛의 각 부분은 광 검출기(P1, ..., P8) 각각에 도달하여 이에 따라 검출될 수 있다. 광 검출기(P1, ..., P8)는 각각의 광 검출기에 도달하는 빛의 세기에 따라 각각의 채널 신호를 생성할 수 있다. 판독 회로는 예를 들어 입사광의 스펙트럼 성분을 결정하기 위해 채널 신호를 처리할 수 있다.
개선된 개념을 이용하면, 광 검출 장치를 16, 32 또는 고출력의 2개의 필터 요소 및 대응하는 광 검출기를 포함하는 구현으로 확장하는 것이 용이하다. 이를 위해, 제1 유전체 재료를 포함하는 추가적인 스페이서층이 대응하여 배치된다. 일반적으로, 주 스페이서층(SP) 및 N개의 스페이서층(제1, 제2 및 제3 스페이서층을 포함 함)은 전술한 방식으로 M = 2^N 개의 필터 요소를 구성하는데 필요하며, N은 양의 정수이다.
하나 이상의 광 검출기(P1, ... P8)를 덮는 대상물의 표현은 기판(S)의 주 표면(MS)에 수직인 방향으로부터 주 표면(MS) 상으로의 각각의 대상물의 돌출이 덮으며, 특히 각각의 광 검출기(P1, ... P8) 중 하나 이상을 완전히 덮는 것을 의미한다. 상기 대상물은 예를 들어, 필터 요소들 중 하나, 스페이서 요소들 중 하나, 스페이서층들(SP, S1, S2, S3) 중 하나의 섹션, 하부 또는 상부 유전체 거울의 섹션, 디커플링층의 섹션 또는 대역 통과 필터의 섹션을 포함할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c의 치수, 특히 층의 두께가 축척에 맞추어 그려지지 않을 수도 있다. 또한, 도 1a 내지 도 1c, 특히 유전체 거울들(LM, UM), 스페이서층들 (S1, S2, S3) 및 거울층들(ML1, ML2)의 예리한 것처럼 보이는 층들의 에지는 실제 장치에서 라운딩될 수 있다. 특히, 상부 유전체 거울(UM)를 형성하는 거울층(ML1, ML2)의 윤곽 및 에지가 도 1a 및 도 1에 개략적으로 도시되어 있다.
실제 장치에서는 보다 부드러운 외곽선 및 가장자리가 제조 과정에서 발생할 수 있다.
도 2a는 수직 입사에 대한 입사광의 파장의 함수로서 고립된 유전체 필터 상에 입사하는 광에 대한 절연된 유전체 거울의 투과율(%)을 도시한다. 예를 들어 거울는 도 1a 내지 도 1c와 관련하여 기술된 하부 유전체 거울(LM) 또는 상부 유전체 거울(UM)일 수 있다.
유전체 거울의 투과는 대략 420nm에서 620nm까지 연장되는 정지 대역 내로 억제된다. 정지 대역 밖에서는 투과가 일 예로 증가한다.
도 2b는 수직 입사에 대한 입사광의 파장의 함수로서 필터 요소에 입사하는 광에 대한 개선된 개념에 따른 광 검출 장치의 예시적인 구현예의 필터 요소의 투과율을 도시한다. 필터 요소는 예를 들어 도 1a에 도시된 광 검출 장치의 필터 요소 중 하나일 수 있다. 필터 요소의 투과는 약 500nm의 통과 파장 주위에 투과 피크를 나타낸다. 이와 별도로, 필터 요소의 투과는, 예를 들어 격리된 상부 유전체 거울(UM) 및 격리된 하부 유전체 거울(LM)의 정지 대역에 상응하는 약 420nm 내지 약 620nm의 파장 영역으로 억제된다.
약 500nm의 도시된 통과 파장은 예를 들어, 상부 및 하부 유전체 거울(UM, LM)의 거울층(M1) 및 추가적인 거울층(M2)의 두께에 의해 한정된 중심 파장(10)에 대응할 수 있다. 즉, 각각의 거울층(M1)의 두께는 예를 들어 중심 파장(10)의 1/4을 제1 굴절률 (n1)로 나눈 것과 동일하거나 대략 동일할 수 있다. 제1 유전체 재료가 500 nm의 파장에 대해 1.47의 굴절률을 갖는, 예를 들어 실리콘 다이옥사이드인 경우, 각각의 거울층(M1)의 두께는 약 85nm이다. 유사하게, 각각의 추가적인 거울층(M2)의 두께는, 예를 들어, 제2 굴절률(n2)에 의해 중심 파장(10) 장치의 1/4과 동일하거나 대략 동일할 수 있다. 제2 유전체 재료가 예를 들어 500nm의 파장에 대해 2.4의 굴절률을 갖는 오산화 니오븀이면, 추가적인 거울층(M2) 각각의 두께는 약 52nm이다.
전술한 바와 같이, 대안적인 구현예에서, 하나 이상의 거울층(M1) 및/또는 추가적인 거울층(M2)은 중심 파장(10)의 절반과 동일한 광학 거리에 대응하는 두께를 가질 수 있다.
스페이서 요소의 두께는 예를 들어, 제1 굴절률(n1)에 의해 분할된 중심 파장(10)의 절반과 동일하거나 대략 동일할 수 있다. 제1 유전체 재료가 예컨대 실리콘 다이옥사이드인 경우, 스페이서 요소의 두께는 약 171nm이다.
도 2c는 도 2b의 상세도이다. 통과 파장 주위의 통과 대역의 투과 피크는 약 5 내지 10 nm, 예를 들어 약 5 nm의 반치폭을 갖는다는 것을 알 수 있다.
도 2d는 수직 입사에 대한 입사광의 파장의 함수로서 필터 요소에 입사하는 광에 대한 개선된 개념에 따른 광 검출 장치의 예시적인 구현의 복수의 필터 요소의 투과율 곡선을 도시한다.
도 2d는 약 500nm에서 투과 피크를 갖는 도 2b에 또한 도시된 투과 곡선을 도시한다. 또한, 15개의 추가적인 필터 요소의 투과 곡선이 표시된다. 결과적인 16개의 투과 곡선은 예를 들어 개선된 개념에 따른 광 검출 장치의 16개의 필터 요소의 투과 곡선에 대응할 수 있다.
필터 요소는 스페이서 요소의 두께에 따라 다르다. 도 2d의 예에서, 스페이서 요소의 두께는 예를 들어 중심 파장(10)의 절반으로 곱한 각각의 이동 계수에 의해 주어진 광학 거리에 대응한다. 이동 계수는 도시된 예에서는 0.65, 0.70, 0.75, ..., 1.35, 1.40일 수 있다.
도 2e는 수직 입사에 대한 입사광의 파장의 함수로서 대역 통과 필터(BP)에 입사하는 광에 대한 개선된 개념에 따른 광 검출 장치의 예시적인 구현예의 대역 통과 필터(BP)의 투과율을 도시한다.
도시된 투과는 격리된 대역 통과 필터(BP)에 대응할 수 있다. 투과율은 약 430 내지 590nm까지 연장되는 대역 통과 필터(BP)의 통과 대역 내의 광에 대해 특히 80% 내지 90% 사이로 높으며, 상부 및 하부 유전체 거울들(UM, LM)의 정지 대역에 대략적으로 대응한다.
도 2f는 도 2d에 대응하는 필터 요소들, 도 2e의 대역 통과 필터(BP) 및 대역 통과 필터(BP)와 필터 요소들 사이에 배치된 디커플링층(DL)의 조합의 투과를 도 1a에 예를 들어 도시한다. 투과는 수직 입사에 대한 입사광의 파장 함수로 표시된다.
도 2d, 2e 및 2f의 비교로부터 알 수 있는 바와 같이, 필터 요소, 대역 통과 필터(BP) 및 디커플링층(DL)의 투과율은 대략 필터 요소의 투과율과 대역 통과 필터(BP)의 투과율의 곱에 대응한다. 이러한 방식으로, 필터 요소들의 통과 대역의 피크들만이 결과적인 투과 곡선들에 존재 하나 하부 및 상부 유전체 거울(LM, UM)의 정지 대역들 외부의 증가된 투과에는 존재하지 않는다.
도 2g는 도 2f의 상세도이다.
도 2a 내지 도 2g는 컴퓨터 시뮬레이션의 결과를 나타낸 것이다.
개선된 개념에 따른 광 검출 장치를 제조하는 방법의 예시적인 구현이 도 3a 내지 도 3c와 관련하여 설명된다. 도 3a 내지 도 3c에 도시된 광 검출 장치는 상이한 제조 단계에서 또는 그 이후에 도 1a의 광 검출 장치에 대응한다.
도 3a에서, 선택적인 유전체층(FL), 대역 통과 필터(BP), 디커플링층(DL), 하부 유전체 거울(LM) 및 주 스페이서층(SP)이 기판 상에 증착되고 각각은 각각의 광 검출기(PI, ..., P8)를 덮는다.
그 다음, 제3 희생층(L03)이 주 스페이서층(SP) 상에 증착되고 제3 리프트 오프 마스크를 형성하도록 구조화된다. 특히, 제3 희생층(L03)을 구조화 한 후에, 제3 리프트 - 오프 마스크는 제1, 제2, 제3 및 제4 광 검출기(P1, ...P4)를 덮고, 제5, 제6, 제7 및 제8 광 검출기(P5, ..., P8) 중 어느 것도 덮지 않는다. 그 다음, 제3 스페이서층(S3)이 증착된다. 이러한 방식으로, 제3 스페이서층(S3)의 세그먼트는 제3 희생층(L03)에 의해 덮이지 않은 주 스페이서층(SP)의 섹션 상에 배치된다. 또한, 제3 스페이서층(S3)의 재료는 도 3a에 도시되지 않은 제3 희생층(L03) 상에 또한 증착된다.
도 3b에서, 제3 희생층(L03)은 제3 희생층(L03) 상에 증착된 제3 스페이서층(S3)의 재료와 함께 제거된다. 전술한 리프트-오프 시퀀스에 의해, 제5, 제6, 제7 및 제8 광 검출기(P5, ..., P8)를 덮는 제3 스페이서층(S3)의 세그먼트는 주 스페이서층(SP) 상에 남아있게 된다.
그 다음, 제2 희생층(L02)이 증착되고 제2 리프트-오프 마스크를 형성하도록 구조화된다. 특히, 제2 희생층(L02)을 구조화한 후에, 제2 리프트-오프 마스크는 제1, 제2, 제5 및 제6 광 검출기(P1, P2, P5, P6)를 덮지만 제3, 제4, 제7, 제8 광 검출기(P3, P4, P7, P8)를 덮지 않는다. 그 다음, 제2 스페이서층(S2)이 증착된다. 이러한 방식으로, 제2 스페이서층(S2)의 제1 세그먼트는 제2 희생층(L02)도 제3 스페이서층(S3)도 덮지 않은 주 스페이서층(SP)의 섹션 상에 배치된다. 제2 스페이서층(S2)의 제2 세그먼트는 제2 희생층(L02)에 의해 덮이지 않은 제3 스페이서층(S3) 부분 상에 배치된다. 또한, 제2 스페이서층(S2)의 재료는 도 3b에 도시되지 않은 제2 희생층(L02) 상에 또한 증착된다.
도 3c에서, 제2 희생층(L02)은 제2 희생층(L02) 상에 증착된 제2 스페이서층(S2)의 재료와 함께 제거된다. 전술한 리프트-오프 시퀀스에 의해, 제3 및 제4 광 검출기(P3, P4)를 덮는 제2 스페이서층(S2)의 제1 세그먼트는 주 스페이서층(SP) 상에 남아있게 된다. 유사하게, 제7 및 제8 광 검출기(P7, P8)를 덮는 제2 스페이서층(S2)의 제2 세그먼트는 제3 스페이서층(S3) 상에 남아있다.
그 다음, 제1 희생층(LO1)이 증착되어 제1 리프트-오프 마스크를 형성한다. 특히, 제1 희생층(LO1)을 구조화 한 후에, 제1 리프트-오프 마스크는 제1, 제3, 제5 및 제7 광 검출기(P1, P3, P5, P7)를 덮지만 제2, 제4, 제6, 제8 광 검출기(P2, P4, P6, P8)를 덮지 않는다. 그 다음, 제1 스페이서층(S1)이 증착된다. 이러한 방식으로, 제1 스페이서층(S1)의 제1 세그먼트는 제1 희생층(LO1)도 제3 스페이서층(S3)도 제2 스페이서층(S2)도 덮지 않은 주 스페이서층(SP)의 섹션 상에 배치된다. 제1 스페이서층(S1)의 제2 세그먼트는 제1 희생층(LO1)에 의해 덮이지 않은 제2 스페이서층(S2)의 제1 세그먼트의 섹션 상에 배치된다. 제1 스페이서층 (S1)의 제3 세그먼트는 제1 희생층(LO1)도 제2 스페이서층(S2)도 덮지 않은 제3 스페이서층(S3)의 섹션 상에 배치된다. 제1 스페이서층(S1)의 제4 세그먼트는 제1 희생층(LO1)에 의해 덮이지 않은 제2 스페이서층(S2)의 제2 세그먼트의 섹션 상에 배치된다. 또한, 제1 스페이서층(S1)의 재료는 도 3c에 도시되지 않은 제1 희생층 (LO1) 상에 또한 증착된다.
다음 단계(미도시)에서, 제1 희생층(LO1)은 제1 희생층(LO1) 상에 증착된 제1 스페이서층(S1)의 재료와 함께 제거된다. 상술한 리프트-오프 시퀀스에 의해, 제2 광 검출기(P2)를 덮는 제1 스페이서층(S1)의 제1 세그먼트는 주 스페이서층 (SP) 상에 남아 있고 제4 광 검출기(P4)를 덮는 제1 스페이서층(S1)의 제2 세그먼트는 제2 스페이서층(S2)의 제1 세그먼트 상에 남겨진다. 또한, 제6 광 검출기(P6)를 덮는 제1 스페이서층(S1)의 제3 세그먼트는 제3 스페이서층(S3) 상에 남아 있고 제8 광 검출기(P8)를 덮는 제1 스페이서층(S1)의 제4 세그먼트는 제2 스페이서층(S2)의 제2 세그먼트 위에 남겨진다.
거울층들(M1), 추가적인 거울층들(M2), 대역 통과층들, 추가적인 대역 통과층들, 스페이서층들(S1, S2, S3) 및/또는 주 스페이서층(SP)은 예를 들어 화학적 증기 증착, 이온 빔 스퍼터링, 전자 빔 증착 및/또는 반응성 스퍼터링을 포함한다.
개선된 개념에 따른 설명된 방법은 16, 32 또는 높은 출력의 2 개의 필터 요소들 및 대응하는 광 검출기를 포함하는 광 검출 장치를 제조하기 위해 용이하게 확장될 수 있다. 이를 위해, 제1 유전체를 포함하는 추가적인 스페이서층이 대응하여 증착된다. 일반적으로, 주 스페이서층(SP) 및 N 스페이서층(제1, 제2 및 제3 스페이서층을 포함함)은 전술한 방식으로 M = 2^N 개의 필터 요소를 구성하는데 필요하며, N은 양의 정수이다.
특히, N + 1개의 포토 리소그래피 단계 및 대응하는 포토 리소그래피 마스크는 M개의 필터 요소의 M개의 스페이서 요소를 증착시키는데 필요하다. 대조적으로, 각각의 M개의 스페이서 요소가 개별적으로 증착되거나 제조된다면, 적어도 M개의 포토 리소그래피 마스크가 필요할 것이다. 따라서, 개선된 개념에 따른 방법은 특히 다수의 채널들, 필터 요소들 및 광 검출기들을 각각 갖는 고분광 광 검출 장치를 제조하기 위해 마스크 갯수를 상당히 감소시킬 수 있다.
제1, 제2 및 제3 희생층(LO1, LO2, L03)은 예를 들어 구조화를 위한 각각의 리프트-오프 시퀀스를 수행하기 위한 포토 레지스트 또는 다른 적절한 물질을 포함할 수 있다.
광 검출 다이는 또한 도 1a 및 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이 하나 이상의 광 검출 장치를 포함할 수 있다. 추가적인 검출 장치는 도 1a의 구성과 유사하게 구현될 수 있지만, 예를 들어 상이한 중심 파장(10) 및/또는 필터 요소의 상이한 통과 파장을 특징으로 할 수 있다. 이러한 방식으로, 단지 하나의 광 검출 장치로 가능한 것보다 광 스펙트럼의 더 큰 부분이 단일 광 검출 다이로 덮일 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 중심 파장을 갖는 3개의 광 검출 장치를 사용하면, 각각의 장치는 필터 요소의 각각의 통과 파장으로 약 100 nm의 스펙트럼 범위를 덮으며, 약 400 nm 내지 약 700 nm 파장의 전체 가시 광선 스펙트럼은 하나의 고분광 광 검출 다이로 덮여 있을 수 있다.
S 반도체 기판
S1, S2, S3, SP 스페이서층
UM, LM 상부, 하부 유전체 거울
DL 디커플링층
BP 대역 통과 필터
FL 유전체층
MS 주 표면
P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8 광 검출기
M1, M2 거울층
L01, L02, L03 희생층
S1, S2, S3, SP 스페이서층
UM, LM 상부, 하부 유전체 거울
DL 디커플링층
BP 대역 통과 필터
FL 유전체층
MS 주 표면
P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8 광 검출기
M1, M2 거울층
L01, L02, L03 희생층
Claims (19)
- 적어도 제1 및 제2 광 검출기(P1, P2)를 갖는 광 검출기 어레이를 가지는 반도체 기판(S) 및 상기 기판(S) 위에 배치되며 상기 광 검출기 어레이를 덮는 필터 스택을 포함하는 광 검출 장치에 있어서,
상기 필터 스택은
대역 통과 필터(BP),
상기 대역 통과 필터(BP) 상에 배치된 디커플링층(DL),
상기 디커플링층(DL) 상에 배치된 하부 유전체 거울(LM),
제1 유전체 재료를 포함하고 상기 광 검출기 어레이를 덮는 상기 하부 유전체 거울(LM) 상에 배치된 주 스페이서층(SP) 및 상기 제1 유전체 재료를 포함하는 제1 스페이서층(S1)을 포함하는 스페이서 스택; 및
상기 스페이서 스택 상에 배치된 상부 유전체 거울(UM)
을 포함하며,
상기 대역 통과 필터(BP), 상기 디커플링층(DL) 및 상기 하부 유전체 거울(LM) 각각은 상기 광 검출기 어레이를 덮으며,
상기 제1 스페이서층(S1)의 제1 세그먼트가 상기 주 스페이서층(SP) 상에 배치되고, 상기 제1 광 검출기(P1)는 덮지 않고, 상기 제2 광 검출기(P2)를 덮는
광 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 스페이서층의 각각의 부분은 상기 상부 유전체 거울과 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 디커플링층(DL)은 상기 스페이서 스택, 상기 하부 유전체 거울(LM) 및 상기 상부 유전체 거울(UM)의 섹션들에 의해 형성된 필터 요소들로부터 상기 대역 통과 필터(BP)를 디커플링하도록 형성되는 광 검출 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 광 검출기 어레이는 제3 및 제4 광 검출기 (P3, P4)를 더 포함하고, 상기 스페이서 스택은
상기 제1 유전체 재료를 포함하는 제2 스페이서층(S2)으로서, 상기 제2 스페이서층(S2)의 제1 세그먼트가 상기 주 스페이서층(SP) 상에 배치되고 상기 제3 및 제4 광 검출기(P3, P4)를 덮지만 상기 제1 및 제2 광 검출기(P1, P2)를 덮지 않는 제2 스페이서층(S2),
상기 제1 스페이서층(S1)의 제2 세그먼트로서, 상기 제1 스페이서층(S1)의 제2 세그먼트는 상기 제2 스페이서층(S2) 상에 배치되고 상기 제4 광 검출기(P4)를 덮지만 상기 제1, 제2 및 제3 광 검출기(P1, P2, P3)를 덮지 않는 상기 제1 스페이서층(S1)의 제2 세그먼트
를 더 포함하는 광 검출 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 하부 및 상부 유전체 거울(LM, UM) 각각은 상기 제1 유전체 재료를 포함하는 거울층(M1) 및 상기 제1 유전체 재료의 제1 굴절률과 상이한 제2 굴절률을 갖는 제2 유전체 재료를 포함하는 추가적인 거울층(M2)로 구성되며, 상기 거울층(M1) 및 상기 추가적인 거울층(M2)은 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치. - 제5항에 있어서,
상기 거울층(M1) 중 적어도 일부 및 상기 추가적인 거울층(M2) 중 적어도 일부는 특정 중심 파장의 1/4에 해당하는 광학 거리에 대응하는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치. - 제6항에 있어서,
상기 제1 광 검출기(P1)를 덮는 상기 하부 유전체 거울(LM)의 섹션, 상기 제1 광 검출기(P1)를 덮는 상기 주 스페이서층(SP)의 섹션, 및 상기 제1 광 검출기(P1)를 덮는 상기 상부 유전체 거울(UM)의 섹션으로 제1 필터 요소가 형성되고;
상기 제2 광 검출기(P2)를 덮는 하부 유전체 거울(LM)의 섹션, 제 2 광 검출기(P2)를 덮는 상기 주 스페이서층(SP)의 섹션, 상기 제 1 스페이서층(S1)의 제 1 세그먼트 및 상기 제 1 광 검출기(P1)를 덮는 상기 상부 유전체 거울(UM)의 섹션에 의해 제2 필터 요소가 형성되는
것을 특징으로 하는 광 검출 장치. - 제7항에 있어서,
상기 제1 필터 요소의 제1 통과 파장의 값은 상기 주 스페이서층(SP)의 두께에 의해 결정되고, 상기 제2 필터 요소의 제2 통과 파장의 값은 주 스페이서층(SP) 및 제1 스페이서층(S1)의 전체 두께에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치. - 제8항에 있어서,
상기 제1 통과 파장 및 상기 제2 통과 파장은 상기 하부 유전체 거울(LM)의 정지 대역 내에 있고 상기 상부 유전체 거울(UM)의 정지 대역 내에 있는 광 검출 장치. - 제8항에 있어서,
상기 제1 통과 파장 및 상기 제2 통과 파장은 상기 대역 통과 필터(BP)의 통과 대역 내에 있는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치. - 제5항에 있어서,
상기 대역 통과 필터(BP)는 상기 제1 유전체 재료를 포함하는 대역 통과층 및 상기 제2 유전체 재료를 포함하는 추가적인 대역 통과층으로 구성되며, 상기 대역 통과층 및 추가적인 대역 통과층들이 교대로 배열되는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 및 제2 광 검출기(PI, P2)는 상기 광 검출 장치에 입사하여 상기 상부 유전체 거울(UM), 상기 스페이서 스택 및 상기 하부 유전체 거울(LM)을 통과하는 광을 검출하고;
검출된 광에 기초하여 각각 제1 채널 신호 및 제2 채널 신호를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치. - 제12항에 있어서,
상기 제1 및 제2 채널 신호들에 따라, 입사광의 스펙트럼 성분을 나타내는 적어도 하나의 스펙트럼 신호를 생성하도록 구성된 판독 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
- 상기 광 검출기 어레이는 M = 2^N이고 N은 양의 정수인 적어도 M 개의 광 검출기(PI, ..., P8)를 포함하고,
- 상기 주 스페이서층(SP)은 적어도 M 개의 광 검출기(P1, ..., P8)를 덮으며,
- 상기 스페이서 스택은 상기 제1 유전체 재료를 포함하는 N 개의 스페이서층(S1, S2, S3)을 포함하며,
- 상기 N 개의 스페이서층(S1, S2, S3)은 패턴화되어 상기 주 스페이서층(SP)과 함께 M개의 스페이서 요소들을 형성하고;
- M개의 스페이서 요소들의 제1 스페이서 요소는 제1 광 검출기(P1)를 덮는 상기 주 스페이서층(SP)의 섹션으로 구성되고;
- 제1 스페이서 요소를 제외한 각각의 M 개의 스페이서 요소는 N 개의 스페이서층(S1, S2, S2)의 상이한 서브 세트의 세그먼트를 포함하고 적어도 M 개의 광 검출기(PI,..., P8) 중 하나를 덮는
것을 특징으로 하는 광 검출 장치. - 광 검출 장치를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은
적어도 제1 및 제2 광 검출기(PI, P2)를 갖는 광 검출기 어레이를 지지하는 반도체 기판(S)을 반도체 웨이퍼에 제공하는 단계;
대역 통과 필터(BP)를 증착하고, 상기 대역 통과 필터(BP) 상에 디커플링층(DL)을 증착하고, 상기 디커플링층(DL) 상에 하부 유전체 거울(LM)를 증착하는 단계를 포함하되, 상기 대역 통과 필터(BP), 디커플링층(DL) 및 하부 유전체 거울(LM)은 광 검출기 어레이를 덮는 단계;
스페이서 스택을 증착하는 단계로서, 상기 스페이서 스택의 증착은,
-상기 하부 유전체 거울(LM) 상에 제1 유전체 재료를 포함하고 광 검출기 어레이를 덮는 주 스페이서층(SP)을 증착하는 단계, 및
-상기 제1 유전체 재료를 포함하는 제1 스페이서층(S1)을 제1 리프트 오프 시퀀스에 의해 증착 및 구조화하는 단계로서, 상기 제1 스페이서층(S1)의 제1 세그먼트는 상기 주 스페이서층(SP) 상에 배열되며, 상기 제1 광 검출기(P1)는 덮지 않고 상기 제2 광 검출기(P2)를 덮는 단계를 포함하는 스페이서 스택을 증착하는 단계; 및
상기 스페이서 스택 상에 상부 유전체 거울(UM)를 증착하는 단계
를 포함하는 광 검출 장치를 제조하는 방법. - 제15항에 있어서,
상기 제1 스페이서층은 상기 상부 유전체 거울과 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치를 제조하는 방법. - 제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 디커플링층(DL)은 상기 대역 통과 필터(SP)를 상기 스페이서 스택, 상기 하부 유전체 거울(LM) 및 상기 상부 유전체 거울(UM)의 섹션들에 의해 형성된 필터 요소들로부터 디커플링하는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치를 제조하는 방법. - 제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 광 검출기 어레이는 제3 및 제4 광 검출기(P3, P4)를 더 포함하며;
스페이서 스택의 증착은 제1 스페이서층(S1)을 증착하기 전에 제2 리프트-오프 시퀀스에 의해 제1 유전체 재료를 포함하는 제2 스페이서층(S2)을 증착하고 구조화하는 단계를 포함하고, 제2 스페이서층의 제1 세그먼트는 상기 주 스페이서층 (SP) 상에 배치되고, 상기 제1 및 제2 광 검출기(P1, P2) 중 어느 것도 덮지 않고, 상기 제3 및 제4 광 검출기(P3, P4)를 덮으며,
제1 스페이서층(S1)의 제2 세그먼트는 제2 스페이서층(S2) 상에 배치되고 제4 광 검출기(P4)를 덮지만 제1, 제2 및 제3 광 검출기(P1, P2, P3)를 덮지 않는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치를 제조하는 방법. - 제15항 또는 제16항에 있어서,
- 상기 광 검출기 어레이는 M = 2^N이고 N은 양의 정수인 적어도 M 개의 광 검출기들(PI, ..., P8)을 포함하고,
- 상기 주 스페이서층(SP)은 적어도 M 개의 광 검출기(P1, ..., P8)를 덮으며,
- 상기 스페이서 스택의 증착은 N 개의 리프트 오프 시퀀스에 의해 제1 유전체 재료를 포함하는 N 개의 스페이서층(S1, S2, S3)을 증착 및 구조화하는 단계를 포함하며, 상기 N 개의 스페이서층(S1, S2, S3)은 M 개의 광 검출기(P1, ..., P8)의 상이한 서브 세트를 덮고, 각각의 서브 세트는 M 개의 광 검출기(P1,..., P8)의 절반을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치를 제조하는 방법.
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