KR20110101054A

KR20110101054A - 분광 센서 장치 및 전자 기기

Info

Publication number: KR20110101054A
Application number: KR1020110016272A
Authority: KR
Inventors: 아키라 우에마츠; 요이치 사토; 아키라 고마츠; 쿠니히코 야노
Original assignee: 세이코 엡슨 가부시키가이샤
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2011-09-15
Also published as: US20160305868A1; US10241033B2; JP2011185634A; US20140333932A1; JP5663900B2; US20110216315A1; US8848187B2; EP2366985A3; EP2366985A2; US9400213B2

Abstract

(과제) 소형화 가능한 분광 센서 및 전자 기기 등을 제공하는 것이다.
(해결 수단) 분광 센서 장치는 광원부(110)와, 광원부(110)로부터의 빛을 관찰 대상에 조사함으로써 얻어지는 빛이 입사되는 분광 센서(100)를 포함한다. 분광 센서(100)는, 투과 파장이 상이한 복수의 광 밴드패스 필터(61∼64)와, 복수의 포토 센서부(31∼34)를 갖는다. 제1 광 밴드패스 필터(61)는, 제1 특정 파장을 투과하는 파장 특성을 갖고, 제2 광 밴드패스 필터(62)는, 제1 특정 파장과는 상이한 제2 특정 파장을 투과하는 파장 특성을 갖는다. 제1 포토 센서(31)는, 제1 광 밴드패스 필터를 투과한 제1 특정 파장의 빛을 센싱하고, 제2 포토 센서는, 제2 광 밴드패스 필터를 투과한 제2 특정 파장의 빛을 센싱한다.

Description

분광 센서 장치 및 전자 기기{SPECTROSCOPIC SENSOR DEVICE AND ELECTRONIC EQUIPMENT}

본 발명은, 분광 센서 장치 및 전자 기기 등에 관한 것이다.

의료나 농업, 환경 등의 분야에서는, 대상물의 진단이나 검사를 하기 위해 분광 센서가 이용되고 있다. 예를 들면, 의료의 분야에서는, 헤모글로빈의 광흡수를 이용하여 혈중 산소 포화도를 측정하는 펄스 옥시미터(pulse oximeter)가 이용된다. 또한, 농업의 분야에서는, 당분의 광흡수를 사용하여 과실의 당도를 측정하는 당도계(sugar content meter)가 이용된다.

일본공개특허공보 평6-129908호 일본공개특허공보 2006-351800호

그러나, 종래의 분광 센서에서는, 소형화가 곤란하다는 과제가 있다. 예를 들면, 연속 스펙트럼을 취득하는 분광 센서에서는, 연속 스펙트럼을 생성하기 위한 프리즘 등을 설치하거나, 광로길이(optical path length)를 확보할 필요가 있기 때문에, 장치가 대형화되어 버린다. 그 때문에, 다수의 센서를 설치하거나, 센서를 검사 대상물에 상시 설치해 두는 것 등이 곤란해져 버린다.

여기에서, 특허문헌 1에는, 광파이버에 의해 입사광의 입사 각도를 제한함으로써 필터의 투과 파장 대역을 제한하는 수법이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 센서마다 막두께가 상이한 다층막 필터를 이용하여 복수 파장 대역의 빛을 센싱하는 수법이 개시되어 있다.

본 발명의 몇 개의 실시 형태에 의하면, 소형화 가능한 분광 센서 및 전자 기기 등을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태는, 검출 대상이 되는 복수의 파장을 포함하는 파장 대역의 빛을 조사(照射)하는 광원부와, 상기 광원부로부터의 빛을 관찰 대상에 조사함으로써 얻어지는 빛이 입사되는 분광 센서를 포함하고, 상기 분광 센서는, 투과 파장이 상이한 복수의 광 밴드패스 필터(light band-pass filter)와, 복수의 포토 센서부를 갖고, 상기 복수의 광 밴드패스 필터 중 제1 광 밴드패스 필터는, 제1 특정 파장을 투과하는 파장 특성을 갖고, 상기 복수의 광 밴드패스 필터 중 제2 광 밴드패스 필터는, 상기 제1 특정 파장과는 상이한 제2 특정 파장을 투과하는 파장 특성을 갖고, 상기 복수의 포토 센서 중 제1 포토 센서는, 상기 제1 광 밴드패스 필터를 투과한 상기 제1 특정 파장의 빛을 센싱하고, 상기 복수의 포토 센서 중 제2 포토 센서는, 상기 제2 광 밴드패스 필터를 투과한 상기 제2 특정 파장의 빛을 센싱하는 분광 센서 장치에 관계한다.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 광원부로부터의 빛을 관찰 대상에 조사함으로써 얻어지는 빛이 분광 센서에 입사된다. 그리고, 제1 광 밴드패스 필터를 투과한 제1 특정 파장의 빛이 제1 포토 센서에 의해 센싱되고, 제2 광 밴드패스 필터를 투과한 제2 특정 파장의 빛이 제2 포토 센서에 의해 센싱된다. 이에 따라, 분광 센서 장치의 소형화 등이 가능해진다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 광원부로부터의 빛을 관찰 대상에 조사함으로써 얻어지는 반사광이 상기 분광 센서에 입사하는 경우에, 상기 광원부로부터 상기 관찰 대상을 통하지 않고 상기 분광 센서에 입사하는 빛을 차광하는 차광 부재를 포함해도 좋다.

이와 같이 하면, 관찰 대상을 통하지 않고 광원부로부터 분광 센서에 입사하는 빛을 차광하여, 광원부로부터의 빛을 관찰 대상에 조사함으로써 얻어지는 반사광을 분광 센서에 입사할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 광원부는, 상기 관찰 대상에 대향(對向)하는 대향면을 가로지르도록 빛을 조사하고, 상기 분광 센서는, 상기 대향면을 가로질러 입사하는 빛을 수광하고, 상기 차광 부재는, 상기 광원부와 상기 분광 센서와의 사이에 설치되어도 좋다.

이와 같이 하면, 차광 부재가 광원부와 분광 센서의 사이에 설치됨으로써, 관찰 대상을 통하지 않고 광원부로부터 분광 센서에 입사하는 빛을 차광할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 복수의 포토 센서부는, 상기 관찰 대상에 대향하는 대향면에 대한 평면 보기(plan view)에 있어서, 상기 광원부의 제1 방향측에 있어서 어레이 형상으로 배치되어도 좋다.

이와 같이, 복수의 포토 센서부가 광원부의 제1 방향측에 있어서 어레이 형상으로 배치됨으로써, 광원부로부터의 빛을 관찰 대상에 조사함으로써 얻어지는 반사광을 분광 센서에 입사할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 복수의 포토 센서부는, 상기 관찰 대상에 대향하는 대향면에 대한 평면 보기에 있어서, 상기 광원부의 주위에 배치되어도 좋다.

이와 같이, 복수의 포토 센서부가 광원부의 주위에 배치됨으로써, 광원부로부터의 빛을 관찰 대상에 조사함으로써 얻어지는 반사광을 분광 센서에 입사할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 광원부는, 상기 관찰 대상에 대향하는 대향면에 대한 평면 보기에 있어서, 상기 복수의 포토 센서부의 주위에 배치되어도 좋다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 복수의 광원을 포함하고, 상기 복수의 광원은, 상기 관찰 대상에 대향하는 대향면에 대한 평면 보기에 있어서, 상기 복수의 포토 센서부의 주위에 배치되어도 좋다.

이와 같이, 광원부가 복수의 포토 센서부의 주위에 배치됨으로써, 광원부로부터의 빛을 관찰 대상에 조사함으로써 얻어지는 반사광을 분광 센서에 입사할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 복수의 포토 센서부의 수광 영역에 대한 입사광의 입사 각도를 제한하기 위한 각도 제한 필터를 포함해도 좋다.

이와 같이 하면, 복수의 포토 센서부의 수광 영역에 대한 입사광의 입사 각도가 제한됨으로써, 복수의 광 밴드패스 필터의 투과 파장 대역을 제한할 수 있다. 또한, 관찰 대상을 통하지 않고 광원부로부터 분광 센서에 입사하는 빛을 차광할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 각도 제한 필터는, 상기 복수의 포토 센서부용의 불순물 영역의 위에 반도체 프로세스에 의해 형성된 차광 물질에 의해 형성되어도 좋다.

이와 같이 하면, 복수의 포토 센서부용의 불순물 영역의 위에 반도체 프로세스에 의해 차광 물질을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 각도 제한 필터는, 상기 반도체 기판 상에 형성되는 다른 회로의 배선층 형성 공정에 의해 형성되어도 좋다.

이와 같이 하면, 반도체 기판 상에 형성되는 다른 회로의 배선층 형성 공정에 의해, 각도 제한 필터를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 각도 제한 필터는, 상기 반도체 기판의 위에 적층된 절연막에 뚫린 콘택트 홀(contact hole)의 도전성 플러그에 의해 형성되어도 좋다.

이와 같이 하면, 반도체 기판의 위에 적층된 절연막에 뚫린 콘택트 홀의 도전성 플러그에 의해, 각도 제한 필터를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 각도 제한 필터를 형성하는 상기 차광 물질은, 광흡수 물질 또는 광반사 물질이라도 좋다.

이와 같이 하면, 각도 제한 필터를 형성하는 차광 물질을, 광흡수 물질 또는 광반사 물질에 의해 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 각도 제한 필터는, 상기 복수의 포토 센서부용의 불순물 영역이 형성되는 면이 상기 반도체 기판의 표면인 경우에, 상기 반도체 기판의 이면(裏面)측으로부터 상기 복수의 포토 센서부용의 불순물 영역에 대하여 수광용의 구멍을 형성하고 나서 잔존하는 상기 반도체 기판에 의해 형성되어도 좋다.

이와 같이 하면, 반도체 기판의 이면측으로부터 복수의 포토 센서부용의 불순물 영역에 대하여 수광용의 구멍을 형성하고 나서 잔존하는 반도체 기판에 의해, 각도 제한 필터를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 복수의 광 밴드패스 필터는, 상기 반도체 기판에 대하여, 투과 파장에 따른 각도로 경사지는 다층 박막에 의해 형성되어도 좋다.

이와 같이 하면, 반도체 기판에 대하여 투과 파장에 따른 각도로 경사지는 다층 박막에 의해, 복수의 광 밴드패스 필터를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 각도 제한 필터의 위에 설치된 경사 구조체를 포함하고, 상기 경사 구조체는, 상기 반도체 기판에 대하여, 상기 복수의 광 밴드패스 필터의 투과 파장에 따른 각도로 경사지는 경사면을 갖고, 상기 다층 박막은, 상기 경사면의 위에 형성되어도 좋다.

이와 같이 하면, 경사 구조체의 경사면의 위에 다층 박막이 형성됨으로써, 투과 파장에 따른 각도로 경사지는 다층 박막을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 수광용의 구멍을 형성하고 나서 잔존하는 상기 반도체 기판의 이면과, 상기 수광용의 구멍의 벽면에, 차광 물질이 배치되어도 좋다.

이와 같이 하면, 수광용의 구멍을 형성하고 나서 잔존하는 반도체 기판의 이면과, 수광용의 구멍의 측면에, 차광 물질을 배치할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 상기 차광 물질은, 광흡수 물질 또는 광반사 물질이라도 좋다.

이와 같이 하면, 차광 물질을, 광흡수 물질 또는 광반사 물질에 의해 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시 형태는, 상기 중 어느 것에 기재된 분광 센서 장치를 포함하는 전자 기기에 관계된다.

도 1(A), 도 1(B)는, 본 실시 형태의 분광 센서 장치의 구성예이다.
도 2(A), 도 2(B)는, 분광 센서 장치의 제1 변형예이다.
도 3은 분광 센서 장치의 제2 변형예이다.
도 4는 분광 센서 장치의 제3 변형예이다.
도 5는 분광 센서 장치의 제4 변형예이다.
도 6은 분광 센서의 제1 상세한 구성예이다.
도 7은 분광 센서의 제1 상세한 구성예이다.
도 8은 분광 센서의 제1 변형예이다.
도 9는 분광 센서의 제2 변형예이다.
도 10은 분광 센서의 제3 변형예이다.
도 11은 분광 센서의 제4 변형예이다.
도 12(A), 도 12(B)는, 광 밴드패스 필터의 투과 파장 대역에 대한 설명도이다.
도 13은 분광 센서의 제1 제조 방법예이다.
도 14는 분광 센서의 제1 제조 방법예이다.
도 15는 분광 센서의 제1 제조 방법예이다.
도 16(A), 도 16(B)는, 분광 센서의 제2 상세한 구성예이다.
도 17은 분광 센서의 제2 상세한 구성예이다.
도 18은 분광 센서의 제2 제조 방법예이다.
도 19는 분광 센서의 제2 제조 방법예이다.
도 20은 분광 센서의 제2 제조 방법예이다.
도 21은 전자 기기의 구성예이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 본 발명의 매우 적합한 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한 이하에 설명하는 본 실시 형태는 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하는 것이 아니며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 모두가 본 발명의 해결 수단으로서 필수라고는 한정할 수 없다.

1. 구성예

전술한 바와 같이, 의료·건강 등의 분야에서는 상시 장착 등이 가능한 소형의 분광 센서 장치가 요구되고 있어, 분광 센서 장치의 소형화가 필요하다는 과제가 있다. 본 실시 형태에서는, 광 밴드패스 필터를 이용하여 특정한 파장 대역을 측정함으로써, 분광 센서 장치의 소형화를 실현한다.

도 1(A), 도 1(B)에, 본 실시 형태의 분광 센서 장치의 구성예를 나타낸다. 본 실시 형태의 분광 센서 장치는, 분광 센서(100), 광원부(110), 차광 부재(120), 표시 패널(130)(표시 장치), 조작 입력부(140)를 포함한다. 또한 이하에서는, 간단하게 하기 위해 분광 센서 장치의 구성을 모식적으로(schematically) 도시하여, 도면 중의 치수나 비율은 실제의 것과는 상이하다.

도 1(A)는, 관찰 대상에 대향하는 대향면의 평면에서 본 도면이다. 도 1(A)에 나타내는 바와 같이, 광원부(110)와 분광 센서(100)는, 각각 차광 부재(120)에 의해 주위가 둘러싸여 있다. 이 차광 부재(120)는, 광원부(110)로부터 분광 센서(100)로의 직접광을 차광하거나, 태양광이나 조명광 등의 외광을 차광한다. 차광 부재(120)는, 예를 들면 플라스틱이나 금속에 의해 실현되고, 분광 센서(100)의 측정 대상 파장을 투과하지 않는 불투명한 소재에 의해 형성된다.

광원부(110)는, 예를 들면 LED에 의해 구성되어, 광파장 대역(broad wavelength band)의 빛을 관찰 대상에 조사한다. 광파장 대역의 빛은, 예를 들면 백색광으로, 분광 센서(100)의 협대역(예를 들면 수십 ㎚)의 측정 파장을 포함하는 광대역(예를 들면 수백 ㎚)의 빛이다. 또한, 후술하는 바와 같이, 광원부(110)는 복수의 광원에 의해 구성되어도 좋고, 그 각 광원이 상이한 측정 파장의 빛을 조사해도 좋다.

분광 센서(100)는, 예를 들면 1개의 칩의 반도체 기판 상에 구성되어, 특정 파장 대역의 빛을 분광 측정(검출)한다. 구체적으로는, 분광 센서(100)는, 반도체 기판(10), 회로(20), 제1∼제4 포토다이오드(31∼34)(광의로는 복수의 포토 센서부), 제1∼제4 광 밴드패스 필터(61∼64)(제1∼제4 다층 박막 필터)를 포함한다.

포토다이오드(31∼34)는, 반도체 기판(10) 상에 형성되어, 입사광을 광전 변환하는 소자이다. 포토다이오드(31∼34)는, 각각 광 밴드패스 필터(61∼64)를 투과한 입사광을 수광한다.

광 밴드패스 필터(61∼64)는, 예를 들면 포토다이오드(31∼34) 상에 형성된 다층 박막에 의해 실현되어, 특정 파장 대역의 빛을 투과하는 광학 필터이다. 특정 파장 대역은, 측정 대상의 복수의 대역이고, 각 광 밴드패스 필터는, 그 측정 대상의 각 대역의 빛을 투과한다. 예를 들면, 측정 대상의 각 대역은, 측정 파장을 포함하는 수십 ㎚의 대역이다.

도 1(B)는, 도 1(A)에 나타내는 분광 센서 장치의 AA 단면도이다. 도 1(B)에 나타내는 바와 같이, 분광 센서 장치의 사용시에 있어서, 차광 부재(120)의 단면(端面)(대향면)이 관찰 대상에 접한다. 광원부(110)와 분광 센서(100)는, 모두 관찰 대상에 대향하도록 설치되어 있다. 그리고, 광원부(110)로부터의 빛이 관찰 대상에 조사되어, 관찰 대상으로부터의 반사광 또는 산란광이 분광 센서(100)에 입사 한다.

B1으로 표시된 바와 같이, 차광 부재(120)는, 광원부(110)와 분광 센서(100)의 사이에 설치되는 부재를 포함한다. 이 부재는, 예를 들면 판 형상으로, 광원과 분광 센서(100)(포토다이오드의 수광면)를 연결하는 직선에 교차하도록 설치된다. 그리고, 부재의 한 변이 사용시에 있어서 관찰 대상에 접함으로써, 광원부(110)로부터 분광 센서(100)로의 직접광을 차광한다.

또한, 본 실시 형태의 분광 센서 장치는 도 1(A), 도 1(B)의 구성에 한정되지 않고, 그 구성 요소의 일부(예를 들면 표시 패널(130), 입력부(140))를 생략하거나, 다른 구성 요소(예를 들면 입출력 인터페이스)를 추가하거나 하는 등의 여러 가지의 변형 실시가 가능하다.

그러나 전술한 바와 같이, 분광 센서 장치에서는, 장치의 소형화가 요구되고 있다는 과제가 있다. 예를 들면, 연속 스펙트럼을 취득하는 분광 센서에서는, 프리즘 등의 설치나 광로길이의 확보에 의해 장치가 대형화된다는 과제가 있다.

이 점에서, 본 실시 형태에 의하면, 분광 센서 장치는, 검출 대상이 되는 복수의 파장을 포함하는 파장 대역의 빛을 조사하는 광원부(110)와, 광원부(110)로부터의 빛을 관찰 대상에 조사함으로써 얻어지는 빛이 입사되는 분광 센서(100)를 포함한다. 분광 센서(100)는, 투과 파장이 상이한 복수의 광 밴드패스 필터(61∼64)와, 복수의 포토 센서부(31∼34)를 갖는다. 예를 들면, 제1 광 밴드패스 필터(61)는, 제1 특정 파장을 투과하는 파장 특성을 갖고, 제1 포토 센서(31)는, 제1 광 밴드패스 필터(61)를 투과한 제1 특정 파장의 빛을 센싱한다. 제2 광 밴드패스 필터(62)는, 제1 특정 파장과는 상이한 제2 특정 파장을 투과하는 파장 특성을 갖고, 제2 포토 센서(32)는, 제2 광 밴드패스 필터(62)를 투과한 제2 특정 파장의 빛을 센싱한다.

이에 따라, 분광 센서 장치의 소형화 등이 가능해진다. 즉, 광 밴드패스 필터(61∼64)를 이용하여 특정 파장만을 분광 측정함으로써, 프리즘 등의 설치나 광로길이의 확보가 불필요해져, 장치의 소형화가 가능해진다. 일반적으로, 특정한 용도에 이용되는 분광 센서 장치에서는, 측정 대상의 파장이 이미 알려져 있는 것으로서, 분석 용도와 같은, 연속 스펙트럼의 취득은 필수가 아니다. 그 때문에, 상기 수법에 의해 특정 파장만을 측정하여, 장치를 소형화하는 것이 가능해진다.

여기에서, 관찰 대상이란, 분광 센서 장치에 의한 분광 측정의 대상물로, 예를 들면 인체의 피부나 피하 조직이나 혈액, 해수 등의 액체, 과실 등의 농산물, 토양 등이 상정된다.

또한, 광원부(110)로부터의 빛을 관찰 대상에 조사함으로써 얻어지는 빛은, 전술한 바와 같이 관찰 대상으로부터의 반사광이나 산란광이라도 좋고, 도 5에서 후술하는 바와 같이, 관찰 대상을 투과한 투과광이라도 좋다.

또한, 본 실시 형태에서는, 광원부(110)로부터의 빛을 관찰 대상에 조사함으로써 얻어지는 반사광이 분광 센서(100)에 입사하는 경우에, 광원부(110)로부터 관찰 대상을 통하지 않고 분광 센서(100)에 입사하는 빛을 차광하는 차광 부재(120)를 포함한다.

보다 구체적으로는, 광원부(110)는, 관찰 대상에 대향하는 대향면을 가로지르도록 조명광을 조사하고, 분광 센서(100)는, 대향면을 가로질러 입사하는 관찰 대상으로부터의 반사광 또는 산란광을 수광한다. 그리고, 차광 부재(120)는, 광원부(110)와 분광 센서(100)와의 사이에 설치된다.

예를 들면, 도 1(B)에서 전술한 바와 같이, 광원부(110)와 분광 센서(100)가 서로 이웃하여 설치되고, 그 광원부(110)로부터 분광 센서(100)로의 직접광을 차단하도록 차광 부재(B1으로 표시된 부분)가 설치된다. 혹은, 도 2에서 후술하는 바와 같이, 광원부(110)의 주위에 분광 센서(100)가 설치되고, 그 광원부(110)의 주위를 둘러싸도록 차광 부재(121)가 설치되어도 좋다.

이와 같이 하면, 광원부(110)로부터 관찰 대상을 통하지 않고 분광 센서(100)에 입사하는 빛을 차광하여, 관찰 대상으로부터의 반사광이나 산란광만을 분광할 수 있다. 이에 따라, 직접광에 의한 S/N 열화를 억제할 수 있다.

여기에서, 상기의 대향면이란, 분광 센서 장치의 사용시에 있어서 관찰 대상에 대향하는 것으로 상정되는 면이다. 예를 들면, 도 1(B)에 도시된 바와 같이, 차광 부재(120)의 단면이 관찰 대상에 접하도록 형성되는 경우, 그 단면이 포함되는 평면이 대향면이다.

또한, 본 실시 형태에서는, 분광 센서(100)의 복수의 포토 센서부(31∼34)는, 관찰 대상에 대향하는 대향면에 대한 평면 보기에 있어서, 광원부(110)의 제1 방향측에 있어서 어레이 형상으로 배치된다. 예를 들면 도 1(A)에서는, 제1 방향은 D1으로 나타내는 방향으로, 복수의 포토 센서부(31∼34)가 광원부(110)의 주위가 아니라, 어느 특정한 방향(D1)측에 배치된다.

또한, 도 2에서 후술하는 바와 같이, 복수의 포토 센서부(31∼34)가, 관찰 대상에 대향하는 대향면에 대한 평면 보기에 있어서, 광원부(110)의 주위에 배치되어도 좋다.

또한, 도 3, 도 4에서 후술하는 바와 같이, 광원부(110)가, 관찰 대상에 대향하는 대향면에 대한 평면 보기에 있어서, 복수의 포토 센서부(31∼34)의 주위에 배치되어도 좋다. 예를 들면, 도 3에 나타내는 바와 같이, 광원부(110)가 복수의 광원(111∼114)을 포함하고, 복수의 광원(111∼114)이 복수의 포토 센서부(31∼34)의 주위에 배치되어도 좋다. 혹은, 도 4에 나타내는 바와 같이, 광원부(110)가 1개의 광원에 의해 구성되고, 그 1개의 광원이 복수의 포토 센서부(31∼34)를 둘러싸도록 배치되어도 좋다.

이들 실시 형태에 의하면, 광원부(110)와 분광 센서(100)를 콤팩트하게 배치할 수 있어, 분광 센서 장치의 소형화를 도모할 수 있다. 또한, 광원부(110)를 복수의 포토 센서부(31∼34)의 주위에 배치한 경우에는, 분광 센서(100)를 외광으로부터 보다 멀리할 수 있기 때문에, 외광에 의한 S/N 열화를 억제할 수 있다.

2. 변형예

상기에서도 서술한 바와 같이, 본 실시 형태의 분광 센서 장치는 여러 가지의 변형 구성이 가능하다. 도 2(A)∼도 5를 이용하여, 이 분광 센서 장치의 여러 가지의 변형예에 대해서 설명한다.

도 2(A), 도 2(B)에, 광원부의 주위에 포토다이오드가 배치되는 분광 센서 장치의 제1 변형예를 나타낸다. 이 분광 센서 장치는, 분광 센서(100), 광원부(110), 차광 부재(121, 122)를 포함한다.

도 2(A)는, 관찰 대상에 대향하는 대향면의 평면에서 본 도면이다. 도 2(A)에 도시된 바와 같이, 광원부(110)의 주위를 둘러싸도록 차광 부재(121)가 설치되고, 그 차광 부재(121)의 외측에 복수의 포토다이오드(31∼34)가 배치된다. 예를 들면, 포토다이오드(31∼34)는, 광원부(110)의 제1∼제4 방향(D1∼D4)측에 배치된다. 여기에서, 대향면에 대한 평면 보기에 있어서, D2는 D1에 직교하는 방향이고, D3는 D1의 반대 방향이며, D4는 D2의 반대 방향이다. 그리고, 포토다이오드(31∼34)의 주위에는, 외광을 차광하기 위한 차광 부재(122)가 설치된다.

도 2(B)는, 도 2(A)에 도시된 분광 센서 장치의 C-C 단면도이다. 도 2(B)에 도시된 바와 같이, 광원부(110)와 차광 부재(121)는, 포토다이오드(31∼34)가 형성되는 반도체 기판(10) 상에 설치(스택)된다. 광원부(110)가 설치된 반도체 기판(10) 상의 영역에는, 예를 들면 광원부(110)용의 드라이버 회로나 포토다이오드(31∼34)용의 검출 회로가 형성된다. 여기에서, 반도체 기판(10) 상이란, 반도체 기판(10)의 평면에 수직인 방향으로, 포토다이오드(31∼34)나 광 밴드패스 필터(61∼64) 등이 형성되는 측의 방향이다.

도 3에, 분광 센서(100)의 주위에 복수의 광원이 배치되는 분광 센서 장치의 제2 변형예를 나타낸다. 이 분광 센서 장치는, 분광 센서(100), 제1∼제4 광원(111∼114)(광의로는 복수의 광원), 차광 부재(120)를 포함한다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 분광 센서(100)의 주위를 둘러싸도록 차광 부재(120)가 설치되고, 그 차광 부재(120)의 외측에 광원(111∼114)이 배치된다. 예를 들면, 광원(111∼114)은, 분광 센서(100)의 제1∼제4 방향(D1∼D4)측에 배치된다. 예를 들면, 광 밴드패스 필터(61∼64)의 각 투과 파장이 가시광에 포함되는 경우, 이 광원(111∼114)은 백색광을 관찰 대상에 대하여 조사한다. 혹은, 광원(111∼114)은, 각각 광 밴드패스 필터(61∼64)의 투과 파장에 대응하는 상이한 파장 대역의 빛을 조사해도 좋다.

도 4에, 분광 센서(100)의 주위를 1개의 광원이 둘러싸는 분광 센서 장치의 제3 변형예를 나타낸다. 이 분광 센서 장치는, 분광 센서(100), 광원부(110), 차광 부재(120)를 포함한다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 분광 센서(100)의 주위를 둘러싸도록 차광 부재(120)가 설치되고, 그 차광 부재(120)의 외측을 둘러싸는 사각형이나 원형 등의 하나로 연결된 광원부(110)가 배치된다. 이 광원부(110)는, 예를 들면 백색광을 조사하는 EL(Electro-Luminescence) 등에 의해 실현되어 EL용 기판(150) 상에 형성된다. 분광 센서(100)는, 예를 들면 이 EL 기판 상에 스택하여 배치된다.

도 5에, 관찰 대상의 투과광을 분광 측정하는 분광 센서 장치의 제4 변형예를 나타낸다. 이 분광 센서 장치는, 분광 센서(100), 광원부(110), 차광 부재(120), 표시 패널(130), 조작 입력부(140)를 포함한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 광원부(110)와 분광 센서(100)는, 분광 센서 장치의 사용시에 있어서 관찰 대상을 사이에 두고 대향하여 설치된다. 즉, 광원부(110)가 관찰 대상에 대하여 조명광을 조사하고, 관찰 대상을 투과한 조명광이 분광 센서(100)에 입사하고, 광 밴드패스 필터(61, 63)가 투과광을 분광하여, 포토다이오드(도시 생략)가 분광 후의 투과광을 센싱한다.

3. 분광 센서의 제1 상세한 구성예

전술한 바와 같이, 연속 스펙트럼이 아니라, 특정한 측정 파장만을 측정하는 분광 센서를 이용함으로써, 분광 센서 장치의 소형화를 도모할 수 있다. 그러나, 분광 센서 자체의 크기에 따라 분광 센서 장치의 크기가 제약된다는 과제가 있다.

그러나, 분광 센서의 파장 선택성의 향상이라는 과제가 있다. 예를 들면, 후술하는 바와 같이, 본 실시 형태의 분광 센서에는, 광 밴드패스 필터의 투과 파장 대역을 제한하기 위한 각도 제한 필터가 설치된다. 이때, 그 각도 제한 필터나 광 밴드패스 필터를 부재로 구성하면, 부재의 접착면에서 빛이 확산 감쇠되기 때문에, 파장 선택성이 저하되어 버린다.

또한, 예를 들면, 전술한 특허문헌 1에는, 광파이버에 의해 입사광의 입사 각도를 제한함으로써 필터의 투과 파장 대역을 제한하는 수법이 개시되어 있다. 그러나, 이 수법에서는, 대역을 좁게 하기 위해 광파이버의 개구수를 작게 하면, 입사광의 투과율이 저하, 파장 선택성이 저하되어 버린다.

또한, 분광 센서의 제조 프로세스의 간소화라는 과제가 있다. 예를 들면, 특허문헌 2에는, 센서마다 막두께가 상이한 다층막 필터를 이용하는 수법이 개시되어 있다. 그러나, 이 수법에서는, 막두께마다 별개의 다층막 형성 공정이 필요해지기 때문에, 다층막의 형성 공정이 번잡해져 버린다.

그래서, 본 실시 형태에서는, 반도체 프로세스에 의해 각도 제한 필터나 광 밴드패스 필터를 형성함으로써, 간소한 제조 프로세스에 의해 분광 센서의 소형화를 실현한다.

도 6, 도 7을 이용하여 분광 센서의 제1 상세한 구성예에 대해서 설명한다. 또한 이하에서는, 간단하게 하기 위해 분광 센서의 구성을 모식적으로 도시하여, 도면 중의 치수나 비율은 실제의 것과는 상이하다.

도 6에는, 분광 센서가 형성되는 반도체 기판(10)에 대한 평면도를 나타낸다. 도 6은, 반도체 기판(10)의 평면에 수직인 방향으로부터 본 평면 보기에 있어서, 회로(20)나 각도 제한 필터(41) 등이 형성되는 표면측으로부터 본 평면도이다. 후술하는 바와 같이 각도 제한 필터(41, 42)의 위에는 다층막 필터가 형성되지만, 도 6에서는, 간단하게 하기 위해 도시를 생략한다.

도 6에 나타내는 분광 센서는, 반도체 기판(10), 회로(20), 제1 포토다이오드(31)(광의로는, 제1 포토 센서, 제1 포토다이오드용의 불순물 영역), 제2 포토다이오드(32)(광의로는, 제2 포토 센서, 제2 포토다이오드용의 불순물 영역), 제1 각도 제한 필터(41), 제2 각도 제한 필터(42)를 포함한다.

반도체 기판(10)은, 예를 들면 P형이나 N형의 실리콘 기판(실리콘 웨이퍼)에 의해 구성된다. 이 반도체 기판(10)의 위에는, 회로(20), 포토다이오드(31, 32), 각도 제한 필터(41, 42)가 반도체 프로세스에 의해 형성된다. 여기에서, 반도체 기판(10)의 위란, 반도체 기판(10)의 평면에 수직인 방향 중, 회로(20)나 각도 제한 필터(41) 등이 형성되는 측의 방향을 나타낸다.

각도 제한 필터(41, 42)는, 예를 들면 평면 보기에 있어서 격자 형상으로 형성되어, 포토다이오드(31, 32)에 대한 입사광의 입사 각도를 제한한다. 회로(20)는, 예를 들면 포토다이오드(31, 32)로부터의 출력 신호를 처리하는 앰프, A/D 변환 회로 등에 의해 구성된다.

또한, 본 실시 형태의 분광 센서는 도 6의 구성으로 한정되지 않아, 그 구성 요소의 일부(회로(20))를 생략하거나, 다른 구성 요소를 추가하거나 하는 등의 여러 가지의 변형 실시가 가능하다. 예를 들면, 포토다이오드나 각도 제한 필터는, 전술한 바와 같이 2개라도 좋고, 1개 또는 복수개 형성되어도 좋다. 또한, 각도 제한 필터(41, 42)는, 전술한 바와 같이 평면 보기에 있어서 격자 형상이라도 좋고, 다른 형상이라도 좋다.

도 7에, 분광 센서의 단면도를 나타낸다. 도 7은, 도 6에 나타내는 D-D 단면에 있어서의 단면도이다. 도 7에 나타내는 분광 센서는, 반도체 기판(10), 포토다이오드(31, 32), 각도 제한 필터(41, 42), 경사 구조체(50)(각도 구조체), 제1 광 밴드패스 필터(61)(제1 다층막 필터, 제1 유전체 필터), 제2 광 밴드패스 필터(62)(제2 다층막 필터, 제2 유전체 필터)를 포함한다.

도 7에 나타내는 바와 같이, 반도체 기판(10)에 포토다이오드(31, 32)가 형성된다. 후술하는 바와 같이, 이 포토다이오드(31, 32)는, 이온 주입 등에 의해 불순물 영역이 형성됨으로써 형성된다. 예를 들면, 포토다이오드(31, 32)는, P기판 상에 형성된 N형 불순물 영역과, P기판과의 사이의 PN 접합에 의해 실현된다. 혹은, 딥 N웰(deep N-well;N형 불순물 영역) 상에 형성된 P형 불순물 영역과, 딥 N웰과의 사이의 PN 접합에 의해 실현된다.

각도 제한 필터(41, 42)는, 포토다이오드(31, 32)에 의해 검출되는 파장에 대하여 차광성이 있는 차광 물질(광흡수 물질 또는 광반사 물질)에 의해 형성된다. 구체적으로는, 각도 제한 필터(41, 42)는, 반도체 프로세스의 배선 형성 공정에 의해 형성되고, 예를 들면 알루미늄(광반사 물질) 배선층 등의 도전층과 텅스텐(광흡수 물질) 플러그 등의 도전성 플러그에 의해 형성된다. 각도 제한 필터(41, 42)의 저변(bottom side)의 길이(예를 들면 저면(bottom surface)의 최장 대각선이나, 최장직경)와 높이의 애스펙트비(比)는, 광 밴드패스 필터(61, 62)의 투과 파장 대역(예를 들면 도 12(B)에서 후술하는 BW1, BW2)에 따라서 설정된다. 각도 제한 필터(41, 42)의 개구부(중공부(hollow part))는, 포토다이오드(31, 32)에 의해 검출되는 파장에 대하여 투명한 물질로 형성되고, 예를 들면, SiO₂(실리콘 산화막) 등의 절연층에 의해 형성(충전)된다.

경사 구조체(50)는, 각도 제한 필터(41, 42)의 위에 형성되고, 광 밴드패스 필터(61, 62)의 투과 파장에 따라서 상이한 경사각의 경사면을 갖는다. 구체적으로는, 포토다이오드(31)의 위에는, 반도체 기판(10)의 평면에 대한 경사각(θ1)의 경사면이 복수 형성되고, 포토다이오드(32)의 위에는, θ1과는 상이한 경사각(θ2)의 경사면이 복수 형성된다. 후술하는 바와 같이, 이 경사 구조체(50)는, 예를 들면 SiO₂ 등의 절연막을 에칭 또는 CMP, 그레이 스케일 리소그래피 기술(gray scale lithography technology) 등에 의해 가공함으로써 형성된다.

광 밴드패스 필터(61, 62)는, 경사 구조체(50)의 위에 적층된 다층 박막(60)에 의해 형성된다. 광 밴드패스 필터(61, 62)의 투과 파장 대역은, 경사 구조체(50)의 경사각(θ1, θ2)과, 각도 제한 필터(41, 42)의 입사광 제한 각도(애스펙트비)에 의해 정해진다. 광 밴드패스 필터(61, 62)는, 경사 각도에 따라서 투과 파장이 상이한 구성 때문에, 투과 파장마다 별개의 공정에서 적층하는 것이 아니라, 동일한 다층막 형성 공정에 의해 적층된다.

그러나 전술한 바와 같이, 분광 센서 장치의 소형화를 위해, 분광 센서의 소형화를 도모할 필요가 있다는 과제가 있다. 또한, 분광 센서의 파장 선택성의 향상이나, 제조 프로세스의 간소화라는 과제가 있다.

이 점에서, 본 실시 형태에 의하면, 분광 센서는, 포토다이오드의 수광 영역(수광면)에 대한 입사광의 입사 각도를 제한하기 위한 각도 제한 필터(41, 42)를 포함한다. 그리고, 각도 제한 필터(41, 42)는, 포토다이오드용의 불순물 영역(31, 32)의 위에 반도체 프로세스에 의해 형성된 차광 물질(예를 들면, 광흡수 물질 또는 광반사 물질)에 의해 형성된다.

이에 따라, 분광 센서의 각 구성 요소를 반도체 프로세스에 의해 구성할 수 있기 때문에, 분광 센서의 소형화 등이 가능해진다. 즉, 포토다이오드(31, 32)나 각도 제한 필터(41, 42)를 반도체 프로세스에 의해 형성함으로써, 용이하게 미세 가공을 행하여, 소형화할 수 있다. 또한, 부재를 접합하여 구성하는 경우에 비해, 제조 프로세스의 간소화를 도모할 수 있다. 또한, 각도 제한 필터로서 광파이버를 이용한 경우에 비해, 제한 각도(개구수)의 감소에 따른 투과광의 감소를 억제할 수 있다. 또한, 부재의 접착에 따른 투과광의 감소도 억제할 수 있다. 그 때문에, 광량의 확보가 용이해져, 제한 각도를 작게 하여 투과 파장 대역을 보다 작게할 수 있다.

여기에서, 반도체 프로세스란, 반도체 기판에 트랜지스터나, 저항 소자, 커패시터, 절연층, 배선층 등을 형성하는 프로세스이다. 예를 들면, 반도체 프로세스는, 불순물 도입 프로세스나, 박막 형성 프로세스, 포토리소그래피 프로세스, 에칭 프로세스, 평탄화 프로세스, 열처리 프로세스를 포함하는 프로세스이다.

또한, 포토다이오드의 수광 영역이란, 각도 제한 필터(41, 42)를 통과한 입사광이 입사되는, 포토다이오드용의 불순물 영역(31, 32) 상의 영역이다. 예를 들면 도 6에 있어서, 격자 형상의 각도 제한 필터(41, 42)의 각 개구에 대응하는 영역이다. 혹은, 도 7에 있어서, 각도 제한 필터(41, 42)를 형성하는 차광 물질(예를 들면, 광흡수 물질 또는 광반사 물질)로 둘러싸인 영역(예를 들면, 영역(LRA))이다.

또한, 본 실시 형태에서는, 각도 제한 필터(41, 42)는, 반도체 기판(10) 상에 형성되는 다른 회로(20)의 배선층 형성 공정에 의해 형성된다. 구체적으로는, 각도 제한 필터(41, 42)는, 회로(20)의 배선층 형성과 동시에 형성되고, 그 배선층 형성 공정의 전부 또는 일부에 의해 형성된다. 예를 들면, 각도 제한 필터(41, 42)는, 알루미늄 스퍼터링에 의한 알루미늄(광의로는 광반사 물질) 배선층 형성이나, SiO₂ 디포지션(deposition)에 의한 절연막 형성, 텅스텐(광의로는 광흡수 물질) 디포지션에 의한 콘택트 형성 등에 의해 형성된다.

이와 같이 하면, 각도 제한 필터(41, 42)를, 포토다이오드용의 불순물 영역(31, 32)의 위에 반도체 프로세스에 의해 형성할 수 있다. 이에 따라, 각도 제한 필터 형성을 위한 별개의 프로세스를 설치할 필요가 없어, 통상의 반도체 프로세스를 이용하여 각도 제한 필터를 형성할 수 있다.

또한, 각도 제한 필터(41, 42)는, 알루미늄(광반사 물질) 배선층, 텅스텐(광흡수 물질) 콘택트에 한정하지 않고, 텅스텐 등의 광흡수 물질로 이루어지는 배선층, 알루미늄 등의 광반사 물질로 이루어지는 콘택트에 의해 형성되어도 좋다. 단, 광흡수 물질로 이루어지는 만큼 차광성은 높아진다.

또한, 각도 제한 필터(41, 42)는, 알루미늄(광반사 물질) 배선층, 텅스텐(광흡수 물질) 콘택트에 한정하지 않고, 광흡수 물질인 질화 티탄(TiN) 등의 막부착의 알루미늄(광반사 물질) 배선층, 텅스텐(광흡수 물질) 콘택트에 의해 형성되어도 좋다. 알루미늄(광반사 물질) 배선층이 광흡수로 바뀌고, 텅스텐보다 질화 티탄(TiN) 쪽이 광흡수성이 높기 때문에 콘택트의 광흡수성도 높아지기 때문에, 차광성을 보다 높일 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 각도 제한 필터(41, 42)는, 반도체 기판(10)의 위에 적층된 절연막에 뚫린 콘택트 홀의 도전성 플러그에 의해 형성되어도 좋다. 즉, 알루미늄(광반사 물질) 배선층 등의 금속 배선층을 이용하지 않고, SiO₂ 등의 절연막에 형성된 텅스텐(광흡수 물질) 플러그 등의 도전성 플러그만에 의해 형성되어도 좋다. 또한, 각도 제한 필터(41, 42)는, 텅스텐 플러그에 한정하지 않고, 알루미늄이나, 폴리실리콘 등의 다른 도전성 플러그에 의해 형성되어도 좋다.

이와 같이 하면, 각도 제한 필터(41, 42)를 도전성 플러그에 의해 형성할 수 있다.

여기에서, 상기의 콘택트 홀이란, 배선층과 반도체 기판을 도통하는 콘택트를 위해 뚫린 콘택트 홀, 또는 배선층과 배선층을 도통하는 비어 콘택트를 위해 뚫린 콘택트 홀이다.

또한, 본 실시 형태에서는, 각도 제한 필터(41, 42)는, 반도체 프로세스에 의해 형성되는 도전층 또는 도전성 플러그에 의해 형성되고, 포토다이오드(31, 32)용의 불순물 영역으로부터의 신호를 취득하는 전극이라도 좋다. 예를 들면, 포토다이오드(31, 32)용의 불순물 영역이 P형 불순물 영역인 경우, 그 P형 불순물 영역에 도통하는 각도 제한 필터(41, 42)가, 포토다이오드(31, 32)의 애노드 전극을 겸해도 좋다.

이와 같이 하면, 도전층 또는 도전성 플러그에 의해 형성되는 각도 제한 필터(41, 42)를, 포토다이오드(31, 32)의 전극으로서 이용할 수 있다. 이에 따라, 각도 제한 필터(41, 42) 이외에 전극을 설치할 필요가 없어져, 전극에 의한 입사 광량의 저하를 피할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 각도 제한 필터(41, 42)는, 반도체 기판(10)에 대한 평면 보기에 있어서, 포토다이오드(31, 32)의 수광 영역의 외주를 따라서 형성된다. 구체적으로는, 포토다이오드(31, 32)용의 불순물 영역이 각각 1개의 수광 영역으로, 그 불순물 영역의 외주를 둘러싸는 각각 1개의 각도 제한 필터가 형성된다. 혹은, 포토다이오드(31, 32)용의 불순물 영역에 복수의 수광 영역이 설정되어, 그 복수의 수광 영역의 외주를 따라서 복수의 개구가 형성되어도 좋다. 예를 들면 도 6에 나타내는 바와 같이, 평면 보기에 있어서 정방형의 차광 물질이 각 수광 영역을 둘러싸고, 그 정방형이 격자 형상으로 배열됨으로써 각도 제한 필터(41, 42)가 형성된다.

또한, 각도 제한 필터(41, 42)는, 수광 영역의 외주를 따라서 닫혀 있는 경우에 한정하지 않고, 외주를 따라서 비(非)연속적인 부분이 있거나, 외주를 따라서 단속(斷續)적으로 배치되거나 해도 좋다.

이와 같이 하면, 각도 제한 필터(41, 42)가, 포토다이오드(31, 32)의 각 수광 영역의 외주를 따라서 형성됨으로써, 포토다이오드(31, 32)의 각 수광 영역에 대한 입사광의 입사 각도를 제한할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 광 밴드패스 필터(61, 62)는, 반도체 기판(10)에 대하여, 투과 파장에 따른 각도(θ1, θ2)로 경사지는 다층 박막에 의해 형성된다. 보다 구체적으로는, 광 밴드패스 필터(61, 62)는, 투과 파장이 상이한 복수조의 다층 박막에 의해 형성된다. 그리고, 그 복수조의 다층 박막은, 반도체 기판(10)에 대한 경사 각도(θ1, θ2)가 투과 파장을 따라서 상이하고, 동시의 박막 형성 공정에서 형성된다. 예를 들면, 도 7에 도시된 바와 같이, 경사각(θ1)의 복수의 다층 박막이 연속하여 배열됨으로써 1조의 다층 박막이 형성된다. 또는, 도 10에서 후술하는 바와 같이, 상이한 경사각(θ1∼θ3)의 다층 박막이 인접하여 배치되고, 이 경사각(θ1∼θ3)의 다층 박막이 반복하여 배치되는 경우에, 동일한 경사각(예를 들면 θ1)의 복수의 다층 박막에 의해 1조의 다층 박막이 형성되어도 좋다.

이와 같이 하면, 투과 파장에 따른 각도(θ1, θ2)로 경사지는 다층 박막에 의해 광 밴드패스 필터(61, 62)를 형성할 수 있다. 이에 따라, 투과 파장에 따른 막두께의 다층 박막을 투과 파장마다 별개의 공정에서 적층할 필요가 없어져, 다층 박막의 형성 공정을 간소화할 수 있다.

여기에서, 동시의 박막 형성 공정이란, 제1조의 다층 박막을 형성한 후에 제2조의 다층 박막을 형성한다는 동일 공정을 순차 반복하는 공정이 아니라, 복수조의 다층 박막을 동일한(동시, 1회의) 박막 형성 공정에서 형성하는 것을 말한다.

또한, 본 실시 형태에서는, 분광 센서는, 각도 제한 필터(41, 42)의 위에 설치된 경사 구조체(50)를 포함한다. 그리고, 경사 구조체(50)는, 반도체 기판(10)에 대하여, 광 밴드패스 필터(61, 62)의 투과 파장에 따른 각도(θ1, θ2)로 경사지는 경사면을 갖고, 다층 박막이 그 경사면의 위에 형성된다.

이와 같이 하면, 경사 구조체(50)의 경사면에 다층 박막을 형성함으로써, 광 밴드패스 필터(61, 62)의 투과 파장에 따른 각도(θ1, θ2)로 경사지는 다층 박막을 형성할 수 있다.

구체적으로는, 본 실시 형태에서는, 경사 구조체(50)는, 각도 제한 필터(41, 42)의 위에 반도체 프로세스에 의해 형성된다. 예를 들면 도 14 등에서 후술하는 바와 같이, 경사 구조체(50)는, 반도체 프로세스에 의해 적층된 투명막(절연막)에 단차(段差) 또는 조밀(sparse and dense) 패턴이 형성되고, 그 단차 또는 조밀 패턴에 대하여 연마(예를 들면 CMP) 및 에칭 중 적어도 하나가 행해짐으로써 형성된다.

이와 같이 하면, 경사 구조체를 반도체 프로세스에 의해 형성할 수 있다. 이에 따라, 경사 구조체의 형성 공정을 간소화할 수 있다. 또한, 경사 구조체를 별도의 부재로 구성하는 경우에 비해 비용을 삭감할 수 있다. 또한, 별도의 부재의 경사 구조체와의 접착면에서의 광량 감소를 피할 수 있다.

여기에서, 절연막의 단차란, 예를 들면, 반도체 기판의 단면에 있어서의 반도체 기판 표면으로부터의 절연막 표면의 고저차이다. 또한, 절연막의 조밀 패턴이란, 예를 들면, 반도체 기판의 단면에 있어서의 반도체 기판 표면으로부터의 절연막 표면의 고저의 패턴으로, 높은 부분과 낮은 부분의 비율에 따라 절연막의 조밀이 형성된다.

또한, 경사 구조체(50)는, 단차 또는 조밀 패턴의 연마 또는 에칭에 의한 형성에 한정하지 않고, 그레이 스케일 리소그래피 기술에 의해 형성되어도 좋다. 그레이 스케일 리소그래피 기술에서는, 농담(dark and light)을 가진 그레이 스케일 마스크를 이용하여 레지스트를 노광, 노광 레지스트를 사용하여 에칭하여 경사 구조체를 형성한다.

4. 분광 센서의 변형예

상기 실시 형태에서는, 경사 구조체(50)를 반도체 프로세스에 의해 형성하는 구성예에 대해서 설명했지만, 본 실시 형태에서는, 여러 가지의 변형 실시가 가능하다.

도 8에는, 경사 구조체(50)를 별도의 부재로 형성하여 접합시키는 분광 센서의 제1 변형예를 나타낸다. 도 8에 나타내는 분광 센서는, 반도체 기판(10), 포토다이오드(31, 32), 각도 제한 필터(41, 42), 경사 구조체(50), 광 밴드패스 필터(61, 62), 절연층(70), 접착층(80)을 포함한다. 또한 이하에서는, 도 7 등에서 전술한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 적절히 설명을 생략한다.

이 제1 변형예에서는, 각도 제한 필터(41, 42)까지를 전술한 구성예와 동일하게 반도체 프로세스에 의해 형성한다. 각도 제한 필터(41, 42)의 위에는, 절연층(70)(또는 패시베이션층)을 적층한다. 이 절연층(70)은, 반드시 절연막일 필요는 없고, 센싱하는 파장을 투과하는 투명막이면 좋다. 경사 구조체(50)는, 저융점 유리 등의 별도의 부재를 금형에 의해 가열 프레스함으로써 형성되어, 경사면과 다층 박막이 형성된다. 경사 구조체(50)와 절연층(70)은, 센싱하는 파장을 투과하는 투명한 접착제에 의해 붙여진다.

도 9에는, 경사 구조체(50)를 이용하지 않고, 반도체 기판(10)에 평행한 다층 박막을 형성하는 분광 센서의 제2 변형예를 나타낸다. 도 9에 나타내는 분광 센서는, 반도체 기판(10), 포토다이오드(31, 32), 각도 제한 필터(41, 42), 광 밴드패스 필터(61, 62), 절연층(70)을 포함한다.

이 제2 변형예에서는, 각도 제한 필터(41, 42)까지를 전술한 구성예와 동일하게 반도체 프로세스에 의해 형성하고, 각도 제한 필터(41, 42)의 위에 절연층(70)을 적층한다. 그리고, 절연층(70)의 위에 광 밴드패스 필터(61, 62)의 다층 박막을 형성한다. 이 다층 박막은, 광 밴드패스 필터(61, 62)의 투과 파장에 따라서 막두께가 상이해져, 따로 따로의 형성 공정에 의해 적층된다. 즉, 광 밴드패스 필터(61, 62)의 한쪽을 형성할 때에는, 다른 한쪽을 포토레지스트 등으로 덮어 다층막을 적층함으로써, 상이한 막두께의 다층 박막을 형성한다.

도 10에는, 포토다이오드용의 불순물 영역을 트렌치에 의해 구분하는 분광 센서의 제3 변형예를 나타낸다. 도 10에 도시된 분광 센서는, 반도체 기판(10), 포토다이오드(31, 32), 각도 제한 필터(41, 42), 경사 구조체(50), 광 밴드패스 필터(61∼63), 절연층(70)을 포함한다. 또한, 포토다이오드(32)는 포토다이오드(31)와 동일하기 때문에 도시 및 설명을 생략한다.

이 제3 변형예에서는, 포토다이오드(31)의 불순물 영역이 트렌치(90)에 의해 구분되어, 포토다이오드(31-1∼31-3)가 형성된다. 트렌치(90)는, 예를 들면STI(Shallow Trench Isolation) 등의 절연체 트렌치 구조에 의해 형성된다. 경사 구조체(50)에는 경사 각도(θ1∼θ3)의 경사면이 형성되고, 각 경사면은 각각 포토다이오드(31-1∼31-3)에 대응한다. 그리고, 각 포토다이오드(31-1∼31-3)의 위에, 경사 각도가 상이한 광 밴드패스 필터(61∼63)가 각각 형성된다.

또한 도 10에서는, 1개의 광 밴드패스 필터가, 트렌치 구조로 구분된 1개의 포토다이오드(1개의 영역)의 위에 설치되지만, 본 실시 형태에서는, 1개의 광 밴드패스 필터가, 트렌치 구조로 구분된 복수의 포토다이오드(복수의 영역)의 위에 설치되어도 좋다.

도 11에는, 마이크로 렌즈 어레이(MLA： Micro-Lens Array)에 의해 입사 광량을 증가시키는 분광 센서의 제4 변형예를 나타낸다. 도 11에 나타내는 분광 센서는, 반도체 기판(10), 포토다이오드(31, 32), 각도 제한 필터(41, 42), 경사 구조체(50), 광 밴드패스 필터(61, 62), 절연층(70), 마이크로 렌즈 어레이(95)를 포함한다. 또한, 포토다이오드(32)는 포토다이오드(31)와 동일하기 때문에 도시 및 설명을 생략한다.

이 제4 변형예에서는, 각도 제한 필터(41)의 각 개구에 마이크로 렌즈를 형성하고, 이들 복수의 마이크로 렌즈에 의해 마이크로 렌즈 어레이(95)가 구성된다. 이 마이크로 렌즈 어레이(95)는, 예를 들면 각도 제한 필터(41) 형성 후에 포토리소그래피에 의해 패턴을 형성하고, SiO₂막을 에칭하여, SiO₂보다도 고굴절률의 물질을 디포지션함으로써 형성된다.

5. 광 밴드패스 필터의 투과 파장 대역

전술한 바와 같이, 광 밴드패스 필터의 투과 파장 대역은, 다층 박막의 경사 각도와 각도 제한 필터의 제한 각도에 의해 설정된다. 이 점에 대해서, 도 12(A), 도 12(B)를 이용하여 구체적으로 설명한다. 또한, 설명을 간단하게 하기 위해, 이하에서는 다층 박막(61, 62)의 막두께가 동일한 경우를 예로 설명하지만, 본 실시 형태에서는, 다층 박막(61, 62)의 막두께가 경사각(θ1, θ2)에 따라서 상이해도 좋다. 예를 들면, 박막의 디포지션에 있어서, 반도체 기판에 대하여 수직인 방향으로 박막을 성장시킨 경우, 다층 박막(61, 62)의 막두께가 cosθ1, cosθ2에 비례해도 좋다.

도 12(A)에 나타내는 바와 같이, 다층 박막(61, 62)은, 두께(d1∼d3)(d2＜d1, d3＜d1)의 박막에 의해 형성된다. 두께(d1)의 박막의 상하에, 두께(d2, d3)의 박막이 번갈아 복수층 적층된다. 두께(d2)의 박막은, 두께(d1, d3)의 박막과는 상이한 굴절률의 물질에 의해 형성된다. 또한, 도 12(A)에서는, 간단하게 하기 위해, 두께(d2, d3)의 박막의 층수를 생략했지만, 실제로는, 두께(d1)의 박막의 상하에 수 십층∼수백층의 박막이 적층된다. 또한, 도 12(A)에서는, 간단하게 하기 위해 두께(d1)의 박막을 1층으로 했지만, 실제로는 복수층 형성되는 경우가 많다.

다층 박막(61)은, 포토다이오드(31)의 수광면에 대하여 경사각(θ1)을 갖기 때문에, 수광면에 대하여 수직인 광선은, 다층 박막(61)에 대하여 θ1의 각도로 입사한다. 그리고, 각도 제한 필터(41)의 제한 각도를 Δθ로 하면, 다층 박막(61)에 대하여 θ1－Δθ∼θ1＋Δθ로 입사하는 광선이 포토다이오드(31)의 수광면에 도달한다. 마찬가지로, 포토다이오드(32)의 수광면에는, 다층 박막(62)에 대하여 θ2－Δθ∼θ2＋Δθ로 입사하는 광선이 도달한다.

도 12(B)에 나타내는 바와 같이, 다층 박막(61)의 투과 파장 대역(BW1)은, λ1－Δλ∼λ1＋Δλ이다. 이때, 입사 각도(θ1)의 광선에 대한 투과 파장 λ1＝2×n×d1×cosθ1이다. 여기에서, n은 두께(d1)의 박막의 굴절률이다. 또한, λ1－Δλ＝2×n×d1×cos(θ1＋Δθ), λ1＋Δλ＝2×n×d1×cos(θ1－Δθ)이다. 입사 각도(θ1)의 광선에 대한 투과 파장의 반치폭(HW)(예를 들면 HW＜BW1)은, 다층막의 적층수에 의해 정해진다. 포토다이오드(31)의 수광량은, 수광면에 수직이 되는 입사각(θ1)에서 최대이며, 제한 각도에서 제로가 되기 때문에, 입사광 전체에서의 수광량은 점선으로 나타내는 곡선에 의해 나타나게 된다. 다층 박막(62)의 투과 파장 대역(BW2)도 동일하게, λ2－Δλ∼λ2＋Δλ이다. 예를 들면 θ2＜θ1의 경우, λ2＝2×n×d1×cosθ2＜λ1＝2×n×d1×cosθ1이다.

상기 실시 형태에 의하면, 각도 제한 필터(41, 42)는, 입사광의 입사 각도를θ1－Δθ∼θ1＋Δθ, θ2－Δθ∼θ2＋Δθ로 제한하고, 투과 파장의 변화 범위를 λ1－Δλ∼λ1＋Δλ, λ2－Δλ∼λ2＋Δλ로 제한한다. 광 밴드패스 필터는, 각도 제한 필터(41, 42)에 의해 제한된 투과 파장의 변화 범위 λ1－Δλ∼λ1＋Δλ, λ2－Δλ∼λ2＋Δλ에 의해, 투과하는 특정 파장의 대역(BW1, BW2)이 설정된다.

이와 같이 하면, 각도 제한 필터(41, 42)에 의해 광 밴드패스 필터의 투과 파장 대역(BW1, BW2)을 제한하여, 측정 대상의 파장 대역의 빛만을 센싱할 수 있다. 예를 들면, 각도 제한 필터(41, 42)의 제한 각도는 Δθ≤30°로 설정된다. 바람직하게는, 각도 제한 필터(41, 42)의 제한 각도는 Δθ≤20°이다.

이상에서는, 도 1(A), 도 1(B)에 나타내는 바와 같이, 광원부(110)와 분광 센서(100)와의 사이에 차광 부재(120)를 설치하여, 광원부(110)로부터 분광 센서(100)에 관찰 대상을 개재하지 않고 입사하는 빛을 차광하는 경우에 대해서 서술했다. 그러나, 관측 대상물이 동적인 경우, 관측 대상과 차광 부재(120)와의 사이에 간극이 발생하여, 광원부(110)로부터의 관찰 대상을 개재하지 않는 빛이 근소하게 분광 센서(100)에 입사하는 경우가 있다. 이 경우, 관찰 대상을 개재하지 않는 빛의 입사각은 비교적 깊은 각도가 된다(예를 들면, 입사각＞30°).

전술한 바와 같이, 각도 제한 필터(41, 42)는 분광 필터(100)의 입사 각도를 20°∼30°이하로 제한하기 때문에, 관측 대상물이 동적인 경우에 광원부(110)로부터 분광 필터(100)에 관찰 대상을 개재하지 않고 입사하는 빛을 배제할 수 있다. 또한, 광원부(110)로부터의 빛뿐만 아니라, 관측 대상물이 동적인 경우에, 관측 대상과 차광 부재(120)와의 사이에 발생한 간극으로부터 입사하는 다른 빛(예를 들면, 태양, 형광등 등 외광)에 대해서도 같은 효과를 갖는다. 각도 제한 필터(41, 42)에는, 이러한 부가적 효과도 있다.

6. 분광 센서의 제1 제조 방법

도 13∼도 15를 이용하여, 상기 제1 상세한 구성예의 분광 센서의 제조 방법예에 대해서 설명한다.

우선 도 13의 S1에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피, 이온 주입, 포토레지스트 박리의 공정에 의해, P형 기판 상에 N형 확산층(포토다이오드의 불순물 영역)을 형성한다. S2에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피, 이온 주입, 포토레지스트 박리, 열처리의 공정에 의해, P형 기판 상에 P형 확산층을 형성한다. 이 N형 확산층이 포토다이오드의 캐소드가 되고, P형 확산층(P형 기판)이 애노드가 된다.

다음으로 S3에 도시된 바와 같이, 콘택트를 형성한다. 이 형성 공정에서는, 우선 SiO₂의 디포지션, CMP에 의한 평탄화의 공정에 의해, 절연막을 형성한다. 다음으로 포토리소그래피, SiO₂의 이방성 드라이 에칭, 포토레지스트 박리의 공정에 의해, 콘택트 홀을 형성한다. 그리고, TiN의 스퍼터링, W(텅스텐)의 디포지션, W의 에치백(etching back)의 공정에 의해, 콘택트 홀의 매입을 행한다. 다음으로, S4에 도시된 바와 같이, AL(알루미늄)의 스퍼터링, TiN의 스퍼터링, 포토리소그래피, AL과 TiN의 이방성 드라이 에칭, 포토레지스트 박리의 공정에 의해, 제1 AL 배선을 형성한다.

다음으로 S5에 나타내는 바와 같이, 상기 S3, S4와 동일한 공정에 의해 비어 콘택트와 제2 AL 배선을 형성한다. 그리고, 이 S5의 공정을 필요 회수 반복한다. 도 13에는, 제3 AL 배선까지 형성한 경우를 도시한다. 다음으로 S6에 나타내는 바와 같이, SiO₂의 디포지션(점선에 의해 도시), CMP에 의한 평탄화의 공정에 의해, 절연막을 형성한다. 이상의 배선 형성 공정에 의해, 각도 제한 필터를 구성하는 AL 배선과 텅스텐 플러그가 적층된다.

다음으로 도 14의 S7에 도시된 바와 같이, SiO₂의 디포지션, 포토리소그래피, SiO₂의 이방성 드라이 에칭, 포토레지스트 박리의 공정에 의해, 절연막(점선에 의해 도시)의 단차(S7＇) 또는 조밀 패턴(S7＂)을 형성한다.

다음으로 S8에 나타내는 바와 같이, CMP에 의한 연마의 공정에 의해, 경사 구조체의 경사면을 형성한다. 이때, 경사 구조체의 경사면은, 절연막의 단차나 조밀 패턴의 형상에 따른 경사 각도로 가공된다.　

다음으로 도 15의 S9에 나타내는 바와 같이, TiO₂(티탄 산화막)의 스퍼터링과 SiO₂의 스퍼터링을 번갈아 행하여, 경사면에 다층 박막을 형성한다. TiO₂막은 고굴절률의 박막이고, SiO₂막은 TiO₂막보다도 저굴절률의 박막이다.

7. 분광 센서의 제2 상세한 구성예

상기 실시 형태에서는, 배선층에 의해 각도 제한 필터를 형성하는 경우에 대해서 설명했지만, 본 실시 형태에서는, 실리콘 트렌치에 의해 반도체 기판의 이면에 각도 제한 필터를 형성해도 좋다.

도 16(A)∼도 17을 이용하여, 이 분광 센서의 제2 상세한 구성예에 대해서 설명한다. 또한 이하에서는, 간단하게 하기 위해 본 실시 형태의 분광 센서의 구성을 모식적으로 도시하여, 도면 중의 치수나 비율은 실제의 것과는 상이하다.

도 16(A), 도 16(B)에는, 분광 센서가 형성되는 반도체 기판(10)에 대한 평면도를 나타낸다. 도 16(A), 도 16(B)에 나타내는 분광 센서는, 반도체 기판(10), 회로(20), 제1, 제2 포토다이오드(31, 32), 제1, 제2 각도 제한 필터(41, 42)를 포함한다. 또한 후술하는 바와 같이, 각도 제한 필터(41, 42)의 위에는 다층막 필터가 형성되지만, 도 16(A), 도 16(B)에서는, 간단하게 하기 위해 도시를 생략한다.

도 16(A)는, 반도체 기판(10)의 평면에 수직인 방향으로부터 본 평면 보기에 있어서, 불순물 영역이나 배선층 등이 형성되는 표면측으로부터 본 평면에서 본 도면이다. 반도체 기판(10)의 표면측에는, 포토다이오드(31, 32)나 회로(20)가 반도체 프로세스에 의해 형성된다.

도 16(B)는, 반도체 기판(10)의 평면에 수직인 방향으로부터 본 평면 보기에 있어서, 이면측으로부터 본 평면에서 본 도면이다. 반도체 기판(10)의 이면에는, 표면측에 형성된 포토다이오드(31, 32)를 향하여, 실리콘 트렌치에 의해 각도 제한 필터(41, 42)가 형성된다. 이 각도 제한 필터(41, 42)는, 예를 들면 평면 보기에 있어서 격자 형상으로 형성되어, 포토다이오드(31, 32)에 대하여 반도체 기판(10)의 이면측으로부터 입사하는 입사광의 입사 각도를 제한한다.

여기에서, 실리콘 트렌치란, 반도체 프로세스 또는 MEMS(Micro-Electro- Mechanical System) 기술에 의해 반도체 기판(10)을 굴삭하는 수법이다. 예를 들면, 실리콘 기판에 대한 드라이 에칭에 의해 구멍이나 홈, 단차 등을 형성하는 수법이다.

또한, 본 실시 형태의 분광 센서는 도 16(A), 도 16(B)의 구성에 한정되지 않고, 그 구성 요소의 일부(회로(20))를 생략하거나, 다른 구성 요소를 추가하거나 하는 등의 여러 가지의 변형 실시가 가능하다.

도 17에, 도 16(B)에 나타내는 E-E 단면에 있어서의 분광 센서의 단면도를 나타낸다. 도 17에 나타내는 분광 센서는, 반도체 기판(10), 배선층(15), 차광 물질(25), 포토다이오드(31, 32), 각도 제한 필터(41, 42), 경사 구조체(50), 제1, 제2 광 밴드패스 필터(61, 62), 절연층(70)(광의로는 투명막)을 포함한다.

여기에서, 본 실시 형태에서 말하는 「위」란, 반도체 기판(10)의 평면에 수직인 방향으로, 반도체 기판(10)으로부터 멀어져 가는 방향이다. 즉, 이면측에 있어서도, 반도체 기판(10)으로부터 멀어져 가는 방향을 위로 한다.

도 17에 나타내는 바와 같이, 반도체 기판(10)의 표면측에는 포토다이오드(31, 32)가 형성된다. 이 포토다이오드(31, 32)는, 이온 주입 등에 의해 P형과 N형의 불순물 영역이 형성됨으로써 형성되고, 그 불순물 영역의 PN 접합에 의해 실현된다.

포토다이오드(31, 32)의 위에는, 배선층(15)이 형성된다. 이 배선층(15)은, 전술한 회로(20) 등의 형성 공정에 의해 적층된 것이다. 포토다이오드(31, 32)로부터의 출력 신호는, 이 배선층(15) 내의 배선에 의해 전술한 회로(20) 등에 입력되어 검출 처리된다.

반도체 기판(10)의 이면측에는, 각도 제한 필터(41, 42)가 형성된다. 이 각도 제한 필터(41, 42)는, 실리콘 트렌치에 의해 남은 반도체 기판(10)에 의해 형성된다. 실리콘 트렌치에 의해 파여진 구멍의 측면(벽면)과, 반도체 기판(10)의 이면에는, 차광 물질(광흡수 물질 또는 광반사 물질)이 배치된다(형성된다, 적층된다). 한편, 포토다이오드의 수광면인 구멍의 저면에는, 차광 물질이 배치되지 않는다. 그리고, 실리콘 트렌치에 의해 파여진 구멍의 벽면이 각도 제한 필터(41, 42)의 벽면이 되어, 제한 각도 이상의 입사광이 포토다이오드(31, 32)에 입사하지 않도록 차광한다. 각도 제한 필터(41, 42)의 애스펙트비는, 투과 파장 대역(예를 들면 도 12(B)에서 전술한 BW1, BW2)에 따라서 설정된다.

각도 제한 필터(41, 42)의 위에는, 각도 제한 필터(41, 42)의 개구부(중공부)를 충전하는 절연막(70)이 형성된다. 예를 들면, 절연막(70)은, SiO₂(실리콘 산화막) 등의 절연막에 의해 형성된다. 또한, 절연막(70)은, 반드시 절연성을 가질 필요는 없고, 포토다이오드(31, 32)에 의해 검출되는 파장에 대하여 투명한 물질이면 좋다.

절연막(70)의 위에는, 경사 구조체(50)가 형성된다. 이 경사 구조체(50)는, 광 밴드패스 필터(61, 62)의 투과 파장에 따라서 경사각(θ1, θ2)의 경사면을 갖는다. 경사 구조체(50)의 위에는, 광 밴드패스 필터(61, 62)를 형성하는 다층 박막(60)이 적층된다. 이 광 밴드패스 필터(61, 62)의 투과 파장 대역은, 경사 구조체(50)의 경사각(θ1, θ2)과, 각도 제한 필터(41, 42)의 제한 각도에 의해 정해진다.

또한, 이 제2 상세한 구성예에도 전술한 제1∼제4 변형예를 적용 가능하다. 즉, 경사 구조체(50)를 저융점 유리 등으로 형성하여 각도 제한 필터(41, 42)의 위에 붙여도 좋다. 또한, 반도체 기판(10)에 평행한 다층 박막을 투과 파장마다 형성해도 좋다. 또한, 포토다이오드(31, 32)를 STI에 의해 복수의 포토다이오드로 구분해도 좋다. 또한, 수광량을 증가시키기 위한 MLA를 각도 제한 필터(41, 42)의 개구에 설치해도 좋다.

상기 제2 상세한 구성예에 의하면, 각도 제한 필터(41, 42)는, 반도체 기판(10)의 이면측으로부터 포토다이오드(31, 32)용의 불순물 영역에 대하여, 이면 측면 및 벽면에 차광 물질(광흡수막 또는 광반사막 또는 광흡수막＋광반사막)을 배치하는 수광용의 구멍을 형성함으로써 형성된다.

이에 따라, 분광 센서를 반도체 프로세스나 MEMS 기술을 이용하여 구성할 수 있기 때문에, 분광 센서의 소형화 등이 가능해진다. 즉, 포토다이오드(31, 32)를 반도체 프로세스에 의해 형성하고, 각도 제한 필터(41, 42)를 반도체 기판(10)의 이면 굴삭에 의해 형성함으로써, 용이하게 미세 가공을 행하여 소형화할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 각도 제한 필터(41, 42)는, 반도체 기판(10)에 대한 평면 보기에 있어서, 포토다이오드(31, 32)의 수광 영역(예를 들면 도 17에 도시된 영역(LRA))의 외주를 따라서 형성된다. 구체적으로는, 포토다이오드(31, 32)용의 불순물 영역에 복수의 수광 영역이 설정되고, 그 복수의 수광 영역의 외주를 따라서 복수의 개구가 형성된다. 예를 들면 도 16에 나타내는 바와 같이, 평면 보기에 있어서 정방형의 차광 물질이 각 수광 영역을 둘러싸고, 그 정방형이 격자 형상으로 배열됨으로써 각도 제한 필터(41, 42)가 형성된다.

이와 같이 하면, 각도 제한 필터(41, 42)가 포토다이오드(31, 32)의 각 수광 영역의 외주를 따라서 형성됨으로써, 포토다이오드(31, 32)의 각 수광 영역에 대한 입사광의 입사 각도를 제한할 수 있다.

8. 분광 센서의 제2 제조 방법

도 18∼도 20을 이용하여, 제2 상세한 구성예의 분광 센서의 제조 방법예에 대해서 설명한다.

우선 도 18의 S101에 나타내는 바와 같이, 도 13의 S1∼S6에서 전술한 공정에 의해, 기판의 표면측에 포토다이오드와 배선층을 형성한다. 그리고, S102에 나타내는 바와 같이, 폴리이미드 도포, 큐어(curing)의 공정에 의해, 절연막의 위에 보호막(패시베이션)을 형성한다.

다음으로 S103에 나타내는 바와 같이, P형 실리콘 기판의 이면을 연삭하여 P형 실리콘 기판의 두께를 조정한다. 그리고, S104에 나타내는 바와 같이, 포토리소그래피, P형 실리콘 기판의 이방성 드라이 에칭, 포토레지스트 박리의 공정에 의해 실리콘 트렌치를 형성한다.

다음으로, S105에 나타내는 바와 같이, TiN막의 디포지션, TiN막의 이방성 드라이 에칭의 공정에 의해, 실리콘 트렌치의 측면(내벽)과 반도체 기판의 이면에 TiN의 광흡수막(반사 방지막)을 형성한다. 그리고, S106에 나타내는 바와 같이, SiO₂막의 디포지션(점선에 의해 도시), CMP에 의한 SiO₂막의 평탄화의 공정에 의해, 실리콘 트렌치의 매입을 행한다. 이와 같이 상기 S103∼S106의 공정에 의해 각도 제한 필터가 형성된다.

다음으로 도 19의 S107에 나타내는 바와 같이, SiO₂막의 디포지션, 포토리소그래피, SiO₂막의 이방성 드라이 에칭, 포토레지스트 박리의 공정에 의해, 절연막의 단차 또는 조밀 패턴을 형성한다. 그리고, S108에 나타내는 바와 같이, CMP에 의한 SiO₂막의 연마의 공정에 의해, 경사 구조체의 경사면을 형성한다. 이때, 경사 구조체의 경사면은, 절연막의 단차나 조밀 패턴의 형상에 따른 경사 각도로 가공된다.

다음으로 도 20의 S109에 나타내는 바와 같이, TiO₂(티탄 산화막)의 스퍼터링과 SiO₂의 스퍼터링을 번갈아 행하여, 경사면에 다층 박막을 형성한다. TiO₂막은 고굴절률의 박막이고, SiO₂막은 TiO₂막보다도 저굴절률의 박막이다.

9. 전자 기기

도 21에, 본 실시 형태의 분광 센서 장치를 포함하는 전자 기기의 구성예를 나타낸다. 예를 들면, 전자 기기로서, 맥박계, 펄스 옥시미터, 혈당치 측정기, 과실 당도계 등이 상정된다.

도 21에 나타내는 전자 기기는, 분광 센서 장치(900), 마이크로 컴퓨터(970)(CPU), 기억 장치(980), 표시 장치(990)를 포함한다. 분광 센서 장치(900)는, LED(950)(광원), LED 드라이버(960), 분광 센서(910)를 포함한다. 분광 센서(910)는, 예를 들면 1개의 칩의 IC에 집적되고, 포토다이오드(920), 검출 회로(930), A/D 변환 회로(940)를 포함한다.

LED(950)는, 예를 들면 백색광을 관찰 대상에 조사한다. 분광 센서 장치(900)는, 관찰 대상으로부터의 반사광이나 투과광을 분광하여, 각 파장의 신호를 취득한다. 마이크로 컴퓨터(970)는, LED 드라이버(960)의 제어나, 분광 센서(910)로부터의 신호의 취득을 행한다. 마이크로 컴퓨터(970)는, 취득한 신호에 기초하는 표시를 표시 장치(990)(예를 들면 액정 표시 장치)에 표시하거나, 취득한 신호에 기초하는 데이터를 기억 장치(980)(예를 들면 메모리나, 자기 디스크)에 기억한다.

또한, 상기와 같이 본 실시 형태에 대해서 상세하게 설명했지만, 본 발명의 신규 사항 및 효과로부터 실체적으로 일탈하지 않는 많은 변형이 가능한 것은 당업자에게는 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 따라서, 이러한 변형예는 모두 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 한다. 예를 들면, 명세서 또는 도면에 있어서, 적어도 한번, 보다 광의 또는 동일한 의미의 상이한 용어(포토 센서, 박막 필터, 반도체 기판 등)와 함께 기재된 용어(포토다이오드, 광 밴드패스 필터, 실리콘 기판 등)는, 명세서 또는 도면의 어떠한 개소에 있어서도, 그 상이한 용어로 치환할 수 있다. 또한, 분광 센서, 분광 센서 장치, 전자 기기 등의 구성, 동작도 본 실시 형태에서 설명한 것에 한정되지 않고, 여러 가지의 변형 실시가 가능하다.

10 : 반도체 기판
20 : 회로
31, 32 : 포토다이오드
41, 42 : 각도 제한 필터
50 : 경사 구조체
60 : 다층 박막
61, 62 : 광 밴드패스 필터
70 : 절연층
80 : 접착층
90 : 트렌치
95 : 마이크로 렌즈 어레이
100 : 분광 센서
110 : 광원부
111∼114 : 복수의 광원
120 : 차광 부재
130 : 표시 패널
140 : 조작 입력부
150　: EL용 기판
900 : 분광 센서 장치
910 : 분광 센서
920 : 포토다이오드
930 : 검출 회로
940 : A/D 변환 회로
950 : LED
960 : LED 드라이버
970 : 마이크로 컴퓨터
980 : 기억 장치
990 : 표시 장치
BW1, BW2 : 투과 파장 대역
LRA : 수광 영역
θ1, θ2 : 경사 각도
λ1, λ2 : 투과 파장

Claims

검출 대상이 되는 복수의 파장을 포함하는 파장 대역의 빛을 조사(照射)하는 광원부와,
상기 광원부로부터의 빛을 관찰 대상에 조사함으로써 얻어지는 빛이 입사되는 분광 센서를 포함하고,
상기 분광 센서는,
투과 파장이 상이한 복수의 광 밴드패스 필터와,
복수의 포토 센서부를 갖고,
상기 복수의 광 밴드패스 필터 중 제1 광 밴드패스 필터는,
제1 특정 파장을 투과하는 파장 특성을 갖고,
상기 복수의 광 밴드패스 필터 중 제2 광 밴드패스 필터는,
상기 제1 특정 파장과는 상이한 제2 특정 파장을 투과하는 파장 특성을 갖고,
상기 복수의 포토 센서 중 제1 포토 센서는,
상기 제1 광 밴드패스 필터를 투과한 상기 제1 특정 파장의 빛을 센싱하고,
상기 복수의 포토 센서 중 제2 포토 센서는,
상기 제2 광 밴드패스 필터를 투과한 상기 제2 특정 파장의 빛을 센싱하는 것을 특징으로 하는 분광 센서 장치.
제1항에 있어서,　
상기 광원부로부터의 빛을 관찰 대상에 조사함으로써 얻어지는 반사광이 상기 분광 센서에 입사하는 경우에, 상기 광원부로부터 상기 관찰 대상을 통하지 않고 상기 분광 센서에 입사하는 빛을 차광하는 차광 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 센서 장치.
제2항에 있어서,
상기 광원부는,
상기 관찰 대상에 대향하는 대향면을 가로지르도록 빛을 조사하고,
상기 분광 센서는,
상기 대향면을 가로질러 입사하는 빛을 수광하고,
상기 차광 부재는,
상기 광원부와 상기 분광 센서와의 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 분광 센서 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 포토 센서부는,
상기 관찰 대상에 대향하는 대향면에 대한 평면 보기(plan view)에 있어서, 상기 광원부의 제1 방향측에 있어서 어레이 형상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 분광 센서 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 포토 센서부는,
상기 관찰 대상에 대향하는 대향면에 대한 평면 보기에 있어서, 상기 광원부의 주위에 배치되는 것을 특징으로 하는 분광 센서 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광원부는,
상기 관찰 대상에 대향하는 대향면에 대한 평면 보기에 있어서, 상기 복수의 포토 센서부의 주위에 배치되는 것을 특징으로 하는 분광 센서 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광원부는,
복수의 광원을 포함하고,
상기 복수의 광원은,
상기 관찰 대상에 대향하는 대향면에 대한 평면 보기에 있어서, 상기 복수의 포토 센서부의 주위에 배치되는 것을 특징으로 하는 분광 센서 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 포토 센서부의 수광 영역에 대한 입사광의 입사 각도를 제한하기 위한 각도 제한 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 분광 센서 장치.
제8항에 있어서,
상기 각도 제한 필터는,
상기 복수의 포토 센서부용의 불순물 영역의 위에 반도체 프로세스에 의해 형성된 차광 물질에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 분광 센서 장치.
제9항에 있어서,
상기 각도 제한 필터는,
상기 반도체 기판 상에 형성되는 다른 회로의 배선층 형성 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 분광 센서 장치.
제9항에 있어서,
상기 각도 제한 필터는,
상기 반도체 기판의 위에 적층된 절연막에 뚫린 콘택트 홀의 도전성 플러그에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 분광 센서 장치.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각도 제한 필터를 형성하는 상기 차광 물질은,
광흡수 물질 또는 광반사 물질인 것을 특징으로 하는 분광 센서 장치.
제8항에 있어서,
상기 각도 제한 필터는,
상기 복수의 포토 센서부용의 불순물 영역이 형성되는 면이 상기 반도체 기판의 표면인 경우에, 상기 반도체 기판의 이면(裏面)측으로부터 상기 복수의 포토 센서부용의 불순물 영역에 대하여 수광용의 구멍을 형성하고 나서 잔존하는 상기 반도체 기판에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 분광 센서 장치.
제13항에 있어서,
상기 수광용의 구멍을 형성하고 나서 잔존하는 상기 반도체 기판의 이면과, 상기 수광용의 구멍의 측면에, 차광 물질이 배치되는 것을 특징으로 하는 분광 센서 장치.
제14항에 있어서,
상기 차광 물질은,
광흡수 물질 또는 광반사 물질인 것을 특징으로 하는 분광 센서 장치.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 광 밴드패스 필터는,
상기 반도체 기판에 대하여, 투과 파장에 따른 각도로 경사지는 다층 박막에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 분광 센서 장치.
제16항에 있어서,
상기 각도 제한 필터의 위에 설치된 경사 구조체를 포함하고,
상기 경사 구조체는,
상기 반도체 기판에 대하여, 상기 복수의 광 밴드패스 필터의 투과 파장에 따른 각도로 경사지는 경사면을 갖고,
상기 다층 박막은,
상기 경사면의 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 분광 센서 장치.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 기재된 분광 센서 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 기기.