WO2013051374A1 - 分光センサ - Google Patents

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WO2013051374A1
WO2013051374A1 PCT/JP2012/073082 JP2012073082W WO2013051374A1 WO 2013051374 A1 WO2013051374 A1 WO 2013051374A1 JP 2012073082 W JP2012073082 W JP 2012073082W WO 2013051374 A1 WO2013051374 A1 WO 2013051374A1
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light
substrate
interference filter
cavity
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PCT/JP2012/073082
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柴山　勝己
笠原　隆
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浜松ホトニクス株式会社
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a spectroscopic sensor.
  • an interference filter unit that transmits light of a predetermined wavelength according to the incident position of light, a light transmission substrate that transmits light incident on the interference filter unit, and light transmitted through the interference filter unit are detected. And a light detection substrate that is known.
  • the interference filter unit may be configured as a Fabry-Perot type by allowing a pair of mirror layers to face each other via a cavity layer (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
  • the coupling layer disposed between the interference filter unit and the light transmission substrate when a resin material is used as a material for the cavity layer, the coupling layer disposed between the interference filter unit and the light transmission substrate, the temperature change and humidity of the usage environment The cavity layer, the coupling layer, and the like may be deteriorated due to the height of the surface.
  • an object of the present invention is to provide a highly reliable spectroscopic sensor.
  • a spectroscopic sensor includes a cavity layer and first and second mirror layers facing each other via the cavity layer, and selectively transmits light in a predetermined wavelength range according to an incident position.
  • the cavity layer is a silicon oxide film
  • the shape, light transmittance, light refractive index, etc. of the cavity layer can be stabilized as compared with the case where the cavity layer is made of a resin material.
  • the first coupling layer is a silicon oxide film
  • the transmission characteristics of light traveling from the light transmission substrate to the interference filter portion are stabilized as compared with the case where the first coupling layer is made of a resin material. Can do.
  • both the cavity layer and the first coupling layer are silicon oxide films, it is possible to prevent deterioration of quality due to temperature changes in the use environment, high humidity, and the like. Therefore, this spectral sensor is highly reliable.
  • the cavity layer may be a silicon oxide film formed by thermal oxidation of silicon. According to this, a low-cost and high-quality cavity layer can be stably obtained.
  • the first coupling layer may be a silicon oxide film formed by a film forming process using TEOS as a source gas. According to this, since the first coupling layer can be formed at low temperature, high speed, and low stress, it is possible to prevent damage to the cavity layer and the first and second mirror layers. A quality cavity layer and first and second mirror layers are obtained.
  • the spectroscopic sensor may further include a second coupling layer disposed between the interference filter unit and the light detection substrate, and the second coupling layer may be a silicon oxide film.
  • the second coupling layer may be a silicon oxide film.
  • the second coupling layer may be a silicon oxide film formed by a film forming process using TEOS as a source gas. According to this, since the second coupling layer can be formed at low temperature, high speed, and low stress, it is possible to prevent the cavity layer and the first and second mirror layers from being damaged. A quality cavity layer and first and second mirror layers are obtained.
  • the spectroscopic sensor may further include an optical filter layer that is formed on the light transmission substrate so as to face the first mirror layer and transmits light in a predetermined wavelength range. According to this, light in a predetermined wavelength range can be efficiently incident on the interference filter unit.
  • a highly reliable spectroscopic sensor can be provided.
  • the spectroscopic sensor 1 includes an interference filter unit 20 that selectively transmits light in a predetermined wavelength range according to an incident position, and a light transmission substrate that transmits light incident on the interference filter unit 20. 3 and a light detection substrate 4 that detects light transmitted through the interference filter unit 20.
  • the spectroscopic sensor 1 is configured as a rectangular parallelepiped CSP (Chip Size Package) having a side length of several hundred ⁇ m to several tens of mm.
  • the light transmitting substrate 3 is made of glass or the like and is formed in a rectangular plate shape having a thickness of about 0.2 mm to 2 mm.
  • An optical filter layer 5 is formed on the back surface 3 b of the light transmitting substrate 3 so as to face the interference filter unit 20.
  • the optical filter layer 5 is a dielectric multilayer film or an organic color filter (color resist), and is formed in a rectangular film shape with a thickness of about 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the optical filter layer 5 functions as a band-pass filter that transmits light in a predetermined wavelength range to be incident on the opposing interference filter unit 20.
  • the photodetection substrate 4 is a photodiode array, and is formed in a rectangular plate shape having a thickness of about 10 ⁇ m to 150 ⁇ m.
  • a light receiving unit 6 that receives light transmitted through the interference filter unit 20 is formed.
  • the light receiving unit 6 is configured by a one-dimensional array of elongated photodiodes extending along a direction substantially perpendicular to the longitudinal direction of the light detection substrate 4 along the longitudinal direction of the light detection substrate 4.
  • wiring 7 front surface wiring, back surface wiring, through wiring, etc.
  • for taking out the electric signal photoelectrically converted by the light receiving unit 6 is formed on the light detection substrate 4.
  • the light detection substrate 4 is not limited to the photodiode array, but may be other semiconductor light detection elements (C-MOS image sensor, CCD image sensor, etc.).
  • the interference filter unit 20 includes a cavity layer 21 and DBR (Distributed Bragg Reflector) layers 22 and 23.
  • the DBR layer (first mirror layer) 22 and the DBR layer (second mirror layer) 23 are opposed to each other through the cavity layer 21. That is, the cavity layer 21 maintains the distance between the opposing DBR layers 22 and 23.
  • Each DBR layer 22, 23 is a dielectric multilayer film made of SiO 2 , TIO 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , Al 2 O 3 , MgF 2 or the like, and has a thickness of about 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m. It is formed in a rectangular film shape.
  • the cavity layer 21 is a silicon oxide film (SiO 2 film) formed by thermal oxidation of silicon, and has a thickness of about 100 nm to several ⁇ m. As shown in FIGS. 1 and 2, the cavity layer 21 has a filter region 24, a surrounding region 25, and a connection region 26 that are integrally formed.
  • SiO 2 film silicon oxide film
  • the filter region 24 is formed in a rectangular film shape with a side length of about several millimeters, and is sandwiched between the DBR layers 22 and 23. More specifically, the DBR layer 22 is formed on the front surface 24 a of the filter region 24, and the DBR layer 23 is formed on the back surface 24 b of the filter region 24.
  • the back surface 24b of the filter region 24 is substantially parallel to a plane perpendicular to the light incident direction (the direction in which the light transmission substrate 3 and the light detection substrate 4 face each other), whereas the front surface 24a of the filter region 24 is , Inclined with respect to the surface. Thereby, the thickness of the filter region 24 gradually increases in the range of about 100 nm to several ⁇ m toward one side in the longitudinal direction of the spectroscopic sensor 1.
  • the surrounding region 25 is formed in a rectangular ring shape with an outer side length of about several millimeters, and when viewed from the light incident direction, a predetermined distance d (for example, about several ⁇ m to 1 mm) from the filter region 24. And the filter region 24 is surrounded.
  • the connection region 26 is formed in a rectangular ring shape so as to be disposed between the filter region 24 and the surrounding region 25, and the end 24 e on the light detection substrate 4 side of the filter region 24 and the light detection substrate of the surrounding region 25. 4 side end 25e is connected.
  • a groove G having a width d extending in a rectangular ring shape so as to surround the filter region 24 is formed by the filter region 24, the surrounding region 25, and the connection region 26.
  • the surface (end surface on the light transmitting substrate side) 25a of the surrounding region 25 is a portion closest to the light transmitting substrate 3 in the surface (first mirror layer forming surface) 24a of the filter region 24. It is substantially the same height as 24h, or is located closer to the light transmission substrate 3 than the portion 24h. Further, the surface (end surface on the light transmitting substrate side) 26a of the connection region 26 is substantially the same height as the portion 24l closest to the light detection substrate 4 in the surface 24a of the filter region 24, or the light detection substrate is more than the portion 24l. Located on the 4th side.
  • the back surface 24b of the filter region 24, the back surface 25b of the surrounding region 25, and the back surface 26b of the connection region 26 are substantially flush.
  • the side surface 25 c of the surrounding area 25 is substantially flush with the side surface 3 c of the light transmission substrate 3 and the side surface 4 c of the light detection substrate 4.
  • a step may occur between the side surface 3c of the light transmission substrate 3 and the side surface 4c of the light detection substrate 4 in a range of about 0 to 100 ⁇ m, for example.
  • the light transmission substrate 3 is disposed on the DBR layer 22 side with respect to the cavity layer 21 and is joined to the cavity layer 21 and the DBR layer 22 via a coupling layer (first coupling layer) 11.
  • the photodetection substrate 4 is disposed on the DBR layer 23 side with respect to the cavity layer 21, and is bonded to the cavity layer 21 and the DBR layer 23 via a coupling layer (second coupling layer) 12.
  • the coupling layer 11 disposed between the interference filter unit 20 and the light transmission substrate 3 and the coupling layer 12 disposed between the interference filter unit 20 and the light detection substrate 4 are TEOS (Tetraethyl) as a source gas. It is a silicon oxide film formed by a film forming process using Orthosilicate, Tetraethoxysilane), and has a thickness of about several hundred nm to 10 ⁇ m.
  • the spectroscopic sensor 1 configured as described above, when light incident on the light transmission substrate 3 from the surface 3a of the light transmission substrate 3 passes through the light transmission substrate 3 and reaches the back surface 3b of the light transmission substrate 3, interference occurs. Only light in a predetermined wavelength range to be incident on the filter unit 20 is transmitted by the optical filter layer 5. When the light transmitted through the optical filter layer 5 enters the interference filter unit 20, light in a predetermined wavelength range is selectively transmitted through the interference filter unit 20 according to the incident position. That is, the wavelength of light incident on each channel of the light receiving unit 6 of the light detection substrate 4 is uniquely determined by the type and thickness of the DBR layers 22 and 23 at the incident position and the thickness of the cavity layer 21. As a result, the light detection substrate 4 detects light having a different wavelength for each channel of the light receiving unit 6.
  • the cavity layer 21 is a silicon oxide film
  • the shape, light transmittance, light refractive index, etc. of the cavity layer 21 are more stable than when the cavity layer 21 is made of a resin material. It can be made.
  • the coupling layers 11 and 12 are silicon oxide films, the transmission characteristics of light traveling from the light transmission substrate 3 to the interference filter unit 20 and the interference are lower than when the coupling layers 11 and 12 are made of a resin material. The transmission characteristics of light traveling from the filter unit 20 to the light detection substrate 4 can be stabilized.
  • the cavity layer 21 and the coupling layers 11 and 12 are silicon oxide films, it is possible to prevent quality deterioration due to temperature changes in the use environment, high humidity, and the like.
  • the spectroscopic sensor 1 is extremely reliable.
  • the cavity layer 21 is a silicon oxide film formed by thermal oxidation of silicon. Thereby, the low-cost and high quality cavity layer 21 is stably obtained.
  • the coupling layers 11 and 12 are silicon oxide films formed by a film forming process using TEOS as a source gas. As a result, the coupling layers 11 and 12 can be formed at a low temperature, high speed, and low stress, so that the cavity layer 21 and the DBR layers 22 and 23 are prevented from being damaged, and a high quality cavity layer is obtained. 21 and DBR layers 22 and 23 are obtained.
  • the optical filter layer 5 is formed on the light transmission substrate 3 so as to face the DBR layer 22. Thereby, light in a predetermined wavelength range can be efficiently incident on the interference filter unit 20.
  • the filter region 24 is surrounded by the surrounding region 25 at a predetermined distance d in the cavity layer 21, and the end 24 e of the filter region 24 and the end 25 e of the surrounding region 25 are separated. They are connected by a connection area 26.
  • the surface 25a of the surrounding region 25 is located at substantially the same height as the portion 24h closest to the light transmitting substrate 3 in the surface 24a of the filter region 24, or is positioned closer to the light transmitting substrate 3 than the portion 24h.
  • some external force for example, during direct bonding between coupling layers 11a and 11b and coupling layers 12a and 12b described later
  • connection region 26 is substantially the same height as the portion 24l closest to the light detection substrate 4 in the surface 24a of the filter region 24, or is located closer to the light detection substrate 4 than the portion 24l.
  • one main surface 51a and the other main surface 50a of the handle substrate 51 made of silicon are obtained by subjecting one main surface 50a and the other main surface 50b of the silicon substrate 50 to thermal oxidation.
  • a silicon oxide film 52 is formed on the surface 51 b, and the silicon oxide film 52 formed on one main surface 51 a or the other main surface 51 b of the handle substrate 51 is used as a surface layer 53.
  • the silicon oxide film 52 formed on one main surface 51 a of the handle substrate 51 is used as the surface layer 53.
  • the thickness of the surface layer 53 is about 1000 nm.
  • a resist layer 54 for forming a plurality of cavity layers 21 arranged in a matrix by etching is formed on the surface layer 53.
  • the surface layer 53 provided on the handle substrate 51 is etched (etched back) to form a plurality of cavity layers 21 arranged in a matrix (first step). .
  • a DBR layer 22 is formed on the cavity layer 21 for each portion corresponding to one spectroscopic sensor 1 (second step).
  • film formation by ion plating, vapor deposition, sputtering, or the like, and patterning by photoetching, liftoff, or etching are performed.
  • one spectroscopic sensor 1 includes one cavity layer 21, when forming the DBR layer 22, patterning is not performed for each portion corresponding to one spectroscopic sensor 1, but all of them are performed. The entire surface may be formed so as to cover the cavity layer 21.
  • a silicon oxide film is formed on the cavity layer 21 so as to cover the DBR layer 22 by performing a film forming process using TEOS as a source gas, and the surface thereof is subjected to CMP (
  • the coupling layer 11a is formed by planarization by chemical mechanical polishing.
  • the film formation process using TEOS as a source gas can be performed at low temperature (for example, a film formation temperature of 200 ° C. or less), high speed, and low stress by plasma CVD, LP-CVD, AP-CVD, etc.
  • TEOS is supplied by bubbling with He gas or heating with a heater, etc., and a silicon oxide film is formed by causing a plasma-assisted decomposition reaction in the chamber to react with O 2 gas. To do.
  • a light transmissive wafer 30 including a plurality of light transmissive substrates 3 arranged in a matrix is prepared, and each portion corresponding to the light transmissive substrate 3 is provided on the light transmissive wafer 30.
  • the optical filter layer 5 is formed (that is, on the light transmission substrate 3).
  • the optical filter layer 5 is formed of a dielectric multilayer film, film formation by ion plating, vapor deposition, sputtering, or the like, and patterning by photoetching and liftoff, or etching are performed.
  • the optical filter layer 5 is formed of an organic color filter, it is patterned by exposure / development or the like like a photoresist.
  • one spectroscopic sensor 1 includes one optical filter layer 5, when forming the optical filter layer 5, patterning is not performed for each portion corresponding to one spectroscopic sensor 1.
  • the entire film may be formed so as to cover the entire surface of the light transmitting wafer 30.
  • a silicon oxide film is formed on the light transmitting wafer 30 so as to cover the optical filter layer 5 by performing a film forming process using TEOS as a source gas.
  • the coupling layer 11b is formed by planarization by CMP.
  • the DBR layer 22 and the optical filter layer 5 are opposed to each other in a portion corresponding to one spectroscopic sensor 1, and the surface of the coupling layer 11 a and the coupling layer 11 b.
  • the surface of the substrate is directly bonded (surface activated bonding or the like) to bond the handle substrate 51 and the light transmission wafer 30 (third step). That is, the light transmission substrate 3 is bonded onto the DBR layer 22 so that the DBR layer 22 and the optical filter layer 5 face each other with the coupling layer 11 interposed therebetween. Note that when the optical filter layer 5 is not formed on the light transmitting wafer 30, the coupling layer 11b as a planarizing layer is unnecessary.
  • the silicon oxide film 52 formed on the other main surface 51 b of the handle substrate 51 and the portion on the other main surface 51 b side of the handle substrate 51 are ground to handle the handle substrate 51. Reduce the thickness.
  • the handle substrate 51 is removed from the cavity layer 21 by performing wet etching or dry etching on the handle substrate 51 (fourth step).
  • the silicon oxide film 52 and the handle substrate 51 formed on the other main surface 51b of the handle substrate 51 may be removed by wet etching or dry etching without grinding.
  • a DBR layer 23 is formed on the cavity layer 21 exposed by removing the handle substrate 51 by the same method as the DBR layer 22 (fifth step).
  • the DBR layer 22 and the DBR layer 23 face each other via the cavity layer 21 for each portion corresponding to one spectroscopic sensor 1, and the interference filter unit 20 is formed.
  • a portion corresponding to one spectral sensor 1 becomes a spectral filter substrate 9, and a spectral filter wafer 90 including a plurality of spectral filter substrates 9 arranged in a matrix is manufactured.
  • one spectroscopic sensor 1 includes one cavity layer 21, when forming the DBR layer 23, all of the parts corresponding to one spectroscopic sensor 1 are not subjected to patterning. The entire surface may be formed so as to cover the cavity layer 21.
  • a film forming process using TEOS as a source gas is performed to form a silicon oxide film on the cavity layer 21 so as to cover the DBR layer 23, and the surface is formed by CMP.
  • the coupling layer 12a is formed by planarization.
  • a light detection wafer 40 including a plurality of light detection substrates 4 arranged in a matrix is prepared.
  • a silicon oxide film is formed on the light detection wafer 40 so as to cover the light receiving portion 6, and the surface thereof is flattened, and the coupling layer 12b is formed by CMP.
  • the DBR layer 23 and the light receiving unit 6 are opposed to each other corresponding to one spectroscopic sensor 1, and the surface of the coupling layer 12a and the coupling layer 12b The surface is directly bonded, and the spectral filter wafer 90 and the light detection wafer 40 are bonded (sixth step). That is, the light detection substrate 4 is bonded onto the DBR layer 23 so that the DBR layer 23 and the light receiving unit 6 face each other with the coupling layer 12 interposed therebetween.
  • the photodetection wafer 40 is thinned to a thickness of about 10 ⁇ m to 150 ⁇ m by grinding, polishing, etching, or the like on the back surface of the photodetection wafer 40. Then, a through hole is formed by etching in a portion corresponding to the front surface wiring, and a through wiring, a back surface wiring, and the like are formed, thereby forming the wiring 7 for each portion corresponding to one spectroscopic sensor 1. Further, bumps 8 are formed on the back surface of the light detection wafer 40 for each portion corresponding to one spectroscopic sensor 1.
  • the spectral filter wafer 90 and the light detection wafer 40 bonded to each other are diced into portions corresponding to one spectral sensor 1 to obtain a plurality of spectral sensors 1.
  • the pad portions such as the front surface wiring and the back surface wiring constituting the wiring 7 are not only embedded in the front surface and the back surface of the light detection wafer 40 (that is, the light detection substrate 4), but also protrude by the thickness, for example.
  • the light detection wafer 40 (that is, the light detection substrate 4) may be provided on the front surface or the back surface.
  • the cavity layer 21 is formed by etching the surface layer 53 provided on the handle substrate 51.
  • the highly accurate cavity layer 21 can be stably obtained.
  • the light detection substrate 4 is bonded. Thereby, it is possible to prevent the photodetection substrate 4 from being damaged in each process for forming the cavity layer 21 and the DBR layers 22 and 23. Therefore, according to the manufacturing method of the spectroscopic sensor 1, the spectroscopic sensor 1 with high reliability can be obtained.
  • the spectral filter wafer 90 and the light detection wafer 40 are bonded after the performance of each spectral filter substrate 9 of the spectral filter wafer 90 is inspected, the light detection wafer 40 is caused by a defect on the spectral filter wafer 90 side. It can be prevented from being wasted.
  • the silicon oxide film 52 formed on one main surface 51a of the handle substrate 51 made of silicon is used as the surface layer 53, the high-quality cavity layer 21 can be stably obtained at low cost.
  • the silicon oxide film 52 is formed on one main surface 51a and the other main surface 51b of the handle substrate 51 made of silicon. Therefore, warping of the handle substrate 51 is suppressed. Therefore, the highly accurate cavity layer 21 can be obtained stably.
  • the optical filter layer 5 is formed on the light transmission substrate 3, and the light transmission substrate 3 is bonded on the DBR layer 22 so that the DBR layer 22 and the optical filter layer 5 face each other. Thereby, light in a predetermined wavelength range can be efficiently incident on the interference filter unit 20.
  • the portion corresponding to the groove G in the resist layer 54 is removed in advance, and the surface layer 53 A portion corresponding to the groove G is exposed first.
  • oxygen is released from the surface layer 53 made of SiO 2 and serves as an etchant for the resist layer 54.
  • the portion corresponding to the groove G in the surface layer 53 surrounds the portion corresponding to the filter region 24 in the surface layer 53. Therefore, on the handle substrate 51, oxygen is stably supplied to all the portions corresponding to the filter region 24 in the surface layer 53. As a result, all the portions corresponding to the filter region 24 in the surface layer 53 are stabilized. It will be etched.
  • the density distribution of the etchant is biased due to a loading effect or the like (for example, while the supply is excessive at the peripheral portion of the handle substrate 51, the central portion of the handle substrate 51 is In this case, the shape of the filter region 24 formed by etching changes depending on the location of the handle substrate 51.
  • the resist layer 54 is made of an organic material, the etching rate varies greatly depending on the supply state of oxygen as an etchant. Therefore, the supply of oxygen as described above is extremely important.
  • the spectral filter wafer 90 and the light detection wafer 40 bonded to each other are diced for each part corresponding to one spectral sensor 1, between the coupling layers 11a and 11b and between the coupling layers 12a and 12b. Since the entire spectral filter wafer 90 and the light detection wafer 40 are hard and integrated by direct bonding, it is possible to prevent chipping and the like from occurring.
  • a resist layer 54 is formed on the flat surface (see the solid line in FIG. 19) of the cavity layer 21 (that is, the surface layer 53) before etching.
  • the resist layer 54 has a three-dimensional shape corresponding to the shape of the cavity layer 21 to be formed (that is, the etched cavity layer 21). Formation of the resist layer 54 is realized by using a photomask whose transmittance is adjusted according to the location, using optical lithography or EB lithography whose dose is adjusted according to the location, using nanoimprinting, and the like. be able to.
  • the etching rates of the resist layer 54 and the cavity layer 21 can be adjusted according to the etching conditions. Accordingly, the cavity layer 21 having various shapes can be formed from the resist layer 54 having one type of shape. In the case shown in FIG. 19, since the etching rate of the resist layer 54 is about twice as fast as the etching rate of the cavity layer 21, the slope of the surface of the cavity layer 21 after the etching (see the one-dot chain line in FIG. 19) is The slope of the surface of the resist layer 54 (see the broken line in FIG. 19) is gentler.
  • a surface layer 53 is formed with a substantially constant thickness on the handle substrate 51, and a plurality of cavity layers are formed on the surface layer 53 as shown in FIG.
  • a resist layer 55 is formed.
  • These resist layers 54 and 55 are integrally formed by using a photomask as described above, using optical lithography or EB lithography, using nanoimprinting, or the like.
  • a plurality of resist layers 55 (9 patterns here) are gathered as monitor patterns and arranged at a plurality of locations (here, 4 peripheral portions and 1 central portion) on the handle substrate 51.
  • Each of the combined resist layers 55 is formed with a substantially constant thickness corresponding to each of a plurality of portions of one resist layer 54.
  • each of the combined resist layers 55 includes a thickness of a predetermined portion of the resist layer 54 corresponding to a predetermined portion of the filter region 24 and a predetermined portion of the resist layer 54 corresponding to a predetermined portion of the surrounding region 25.
  • a thickness of a predetermined portion of the resist layer 54 corresponding to a predetermined portion of the connection region 26 that is, the bottom surface of the groove G).
  • the thickness of the surface layer 53 in a portion where the resist layer 55 as the monitor pattern is removed is measured with an optical film thickness meter at a predetermined timing such as during or after the etching of the surface layer 53.
  • a predetermined timing such as during or after the etching of the surface layer 53.
  • the thickness of a predetermined portion of the corresponding cavity layer 21 can be obtained.
  • the measurement timing is in the middle of etching of the surface layer 53 and the resist layer 54 remains in a predetermined portion of the cavity layer 21, the resist layer 54 remaining in the portion is subjected to the same method. Can be known.
  • each cavity layer 21 is small, and the surface 24a of the filter region 24 is inclined, so that the thickness of the cavity layer 21 is changed to an optical film thickness meter. Therefore, it is extremely effective because it is difficult to measure directly. Further, since the resist layers 55 as the monitor pattern are arranged at a plurality of locations on the handle substrate 51, the etching progress (progress distribution) on the entire surface layer 53 on the handle substrate 51 can be evaluated.
  • the thickness of the cavity layer 21 corresponding to a predetermined part of the filter region 24 can be obtained as follows. That is, a step between the surface of the cavity layer 21 corresponding to a predetermined portion of the filter region 24 and the bottom surface of the groove G is determined at a predetermined timing such as during or after the etching of the surface layer 53 by an AFM (Atomic Force Microscope, between atoms). Measure with a force microscope) or a stylus-type step gauge. On the other hand, the thickness of the surface layer 53 is measured with an optical film thickness meter at a portion where the resist layer 55 as a monitor pattern corresponding to the bottom surface of the groove G is removed.
  • AFM Anamic Force Microscope
  • the thickness of the cavity layer 21 corresponding to a predetermined portion of the filter region 24 is obtained by adding the measured “step between the surface of the cavity layer 21 and the bottom surface of the groove G” and “the thickness of the surface layer 53”. Is calculated.
  • the measurement timing is in the middle of the etching of the surface layer 53 and the resist layer 54 remains in a portion corresponding to a predetermined portion of the filter region 24, it remains in that portion by the same method.
  • the thickness of the resist layer 54 to be obtained can be known.
  • the materials and shapes of the constituent members of the spectroscopic sensor are not limited to the materials and shapes described above, and various materials and shapes can be applied.
  • the spectroscopic sensor may include a plurality of interference filter units that selectively transmit light in a predetermined wavelength range according to the incident position.
  • a spectroscopic sensor including a plurality of interference filter units will be described.
  • the spectroscopic sensor 1 includes a plurality of interference filter units 20A and 20B.
  • the interference filter units 20A and 20B are arranged along the longitudinal direction of the spectroscopic sensor 1 between the light transmission substrate 3 and the light detection substrate 4.
  • filter regions 24 formed for the interference filter portions 20 ⁇ / b> A and 20 ⁇ / b> B are arranged in parallel, and each filter region 24 is formed by the DBR layers 22 and 23. It is sandwiched.
  • the surrounding region 25 surrounds the juxtaposed filter regions 24 and 24 by taking a predetermined distance d from the juxtaposed filter regions 24 and 24 when viewed from the light incident direction.
  • the connection region 26 connects the end portions of the filter regions 24, 24 arranged side by side on the light detection substrate 4 side and the end portions of the surrounding region 25 on the light detection substrate 4 side.
  • the DBR layer 22 of the interference filter unit 20A and the DBR layer 22 of the interference filter unit 20B are of different types. In some cases, the distance is about 5 ⁇ m, for example.
  • the DBR layer 23 of the interference filter unit 20A and the DBR layer 23 of the interference filter unit 20B are of different types. In some cases, the distance is about 5 ⁇ m, for example.
  • the constituent materials of the films may be different, and even if the films are made of the same material (single layer or multilayer), the film thickness may be different. .
  • the optical filter layer 5 of the interference filter unit 20A and the optical filter layer 5 of the interference filter unit 20B are of different types, and when the boundary partially overlaps with each other, the distance is 0 and the contact is made.
  • the interval may be about 5 ⁇ m, for example.
  • the spectroscopic sensor 1 configured as described above, when light incident on the light transmissive substrate 3 from the surface 3a of the light transmissive substrate 3 passes through the light transmissive substrate 3 and reaches the back surface 3b of the light transmissive substrate 3, Only light in a predetermined wavelength range to be incident on the interference filter units 20A and 20B is transmitted by the optical filter layer 5.
  • the light transmitted through the optical filter layer 5 enters the interference filter units 20A and 20B, light in a predetermined wavelength range is selectively transmitted according to the incident position in each of the interference filter units 20A and 20B. Be made.
  • the wavelength of light incident on each channel of the light receiving unit 6 of the light detection substrate 4 is uniquely determined by the type and thickness of the DBR layers 22 and 23 at the incident position and the thickness of the cavity layer 21.
  • the light detection substrate 4 detects light having a different wavelength for each channel of the light receiving unit 6.
  • the material of the light transmitting substrate 3 color glass or filter glass that transmits light in a predetermined wavelength range may be used.
  • another optical filter layer may be formed on the surface 3 a of the light transmission substrate 3 together with the optical filter layer 5 or instead of the optical filter layer 5.
  • the light detection substrate 4 is not limited to a one-dimensional sensor, and may be a two-dimensional sensor.
  • the thickness of the cavity layer 21 may change two-dimensionally or may change in a step shape.
  • a single-layer metal reflective film such as AL, Au, or Ag may be applied as a mirror layer.
  • the spectroscopic sensor is not limited to one configured as a CSP, and may be configured as an SMD (Surface Mount Device).
  • the coupling layers 11 and 12 may be silicon oxide films formed by a plasma CVD method using silane gas, a coating type SOG (Spin On Glass) method, a vapor deposition method, a sputtering method, or the like.
  • a plasma CVD method using silane gas a coating type SOG (Spin On Glass) method, a vapor deposition method, a sputtering method, or the like.
  • joining by the coupling layer 12 of the light detection substrate 4 that is, direct bonding
  • joining by the optical resin layer or joining at the outer edge portion of the spectroscopic sensor 1 may be applied.
  • an optical resin such as an epoxy resin, an acrylic resin, a silicone organic material, or a hybrid material made of organic / inorganic can be used as the material of the optical resin layer.
  • the region surrounded by the joint may be an air gap, or the region may be filled with an optical resin.
  • One main surface of a handle substrate made of silicon is formed by a film forming process using TEOS as a source gas, a plasma CVD method using a silane gas, a coating type SOG method, a vapor deposition method, a sputtering method, an LP-CVD method, etc.
  • a silicon oxide film may be formed, and the silicon oxide film may be used as a surface layer.
  • a silicon oxide film is formed on one main surface and the other main surface of the handle substrate made of silicon by LP-CVD, and one main surface or the other main surface of the handle substrate is formed. The silicon oxide film formed in the above may be used as the surface layer.
  • the cavity layer that is a silicon oxide film is not limited to that formed by thermal oxidation of silicon.
  • the cavity layer becomes a relatively dense film compared to the other methods described above, the film thickness uniformity is improved, impurities are reduced, and light is emitted.
  • optical characteristics such as transparency and optical refractive index are relatively stable.
  • a highly reliable spectroscopic sensor can be provided.
  • SYMBOLS 1 Spectral sensor, 3 ... Light transmission board

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Abstract

　分光センサ１は、キャビティ層２１並びにキャビティ層２１を介して対向する第１及び第２のミラー層２２，２３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２０と、第１のミラー層２２側に配置され、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、第２のミラー層２３側に配置され、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、干渉フィルタ部２０と光透過基板３との間に配置された第１のカップリング層１１と、を備える。キャビティ層２１及び第１のカップリング層１１は、シリコン酸化膜である。

Description

分光センサ
　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）。
特開２００６－５８３０１号公報 特表平２－５０２４９０号公報
　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。
　本発明の一観点の分光センサは、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、分光センサは、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、分光センサは、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。
本発明の一実施形態の分光センサの縦断面図である。 図１の分光センサのキャビティ層の平面図である。 図１の分光センサの製造方法を説明するための縦断面図である。 図１の分光センサの製造方法を説明するための縦断面図である。 図１の分光センサの製造方法を説明するための縦断面図である。 図１の分光センサの製造方法を説明するための縦断面図である。 図１の分光センサの製造方法を説明するための縦断面図である。 図１の分光センサの製造方法を説明するための縦断面図である。 図１の分光センサの製造方法を説明するための縦断面図である。 図１の分光センサの製造方法を説明するための縦断面図である。 図１の分光センサの製造方法を説明するための縦断面図である。 図１の分光センサの製造方法を説明するための縦断面図である。 図１の分光センサの製造方法を説明するための縦断面図である。 図１の分光センサの製造方法を説明するための縦断面図である。 図１の分光センサの製造方法を説明するための縦断面図である。 図１の分光センサの製造方法を説明するための縦断面図である。 図１の分光センサの製造方法を説明するための縦断面図である。 図１の分光センサの製造方法を説明するための縦断面図である。 レジスト層とキャビティ層との関係を示すプロファイル図である。 レジスト層が形成されたハンドル基板の平面図である。 図１の分光センサの変形例の縦断面図である。 図２０の分光センサのキャビティ層の平面図である。
　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。ここで、２つのＤＢＲ層が互いに異なる種類となっている場合には、膜の構成材料が異なる場合、同一材料からなる膜（単層又は多層）であっても膜厚が異なる場合等がある。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。
　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。
　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 (6)

  1. 　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る、分光センサ。
  2. 　前記キャビティ層は、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る、請求項１記載の分光センサ。
  3. 　前記第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る、請求項１又は２記載の分光センサ。
  4. 　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る、請求項１～３のいずれか一項記載の分光センサ。
  5. 　前記第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る、請求項４記載の分光センサ。
  6. 　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１～５のいずれか一項記載の分光センサ。
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