JP2013242179A - 分光センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 フィルタ特性の向上を図ることができる分光センサを提供する。
【解決手段】 分光センサ１Ａは、干渉フィルタ部２０Ａと、光検出基板３０Ａと、セパレータ１５と、を備えている。干渉フィルタ部２０Ａ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第１のミラー層２２側から第２のミラー層２３側に入射位置に応じて選択的に透過させる。光検出基板３０Ａは、干渉フィルタ部２０Ａを透過した光が入射する受光面３２ａを有し、受光面３２ａに入射した光を検出する。セパレータ１５は、キャビティ層２１から第１及び第２のミラー層２２，２３の少なくとも一方に至っており、受光面３２ａと交差する所定の方向から見た場合に干渉フィルタ部２０Ａを光学的に分離している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、分光センサに関する。

従来の分光センサとして、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光学フィルタ部と、光学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。例えば、特許文献１に記載された分光センサにおいては、光学フィルタ部と光検出基板との間、或いは光学フィルタ部に対する光の入射側に、ＦＯＰ（Fiber Optic Plate）が配置されている。また、特許文献２に記載された分光センサにおいては、光学フィルタ部と光検出基板との間に、光の入射角を制限する角度制限フィルタが設けられている。

特開平６−１２９９０８号公報 特開２０１１−２０３２４７号公報

特許文献１に記載された分光センサのうち、光学フィルタ部と光検出基板との間にＦＯＰが配置された分光センサや、特許文献２に記載された分光センサでは、光学フィルタ部と光検出基板との間の領域における光のクロストークの抑制が図られている。また、特許文献１に記載された分光センサのうち、光学フィルタ部に対する光の入射側にＦＯＰが配置された分光センサでは、光学フィルタ部に入射する光の入射角を制限することで、光学フィルタ部における光のクロストークの抑制が図られている。しかしながら、これらの分光センサにあっては、光学フィルタ部における光のクロストークの抑制が十分ではなく、その結果、光検出基板の受光面の所定の位置で検出される光の波長範囲が広くなったり迷光成分が多くなったりするなど、フィルタ特性が劣化する場合があった。

そこで、本発明は、フィルタ特性の向上を図ることができる分光センサを提供することを目的とする。

本発明の分光センサは、キャビティ層並びにキャビティ層を介して対向する第１及び第２のミラー層を有し、所定の波長範囲の光を第１のミラー層側から第２のミラー層側に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、干渉フィルタ部を透過した光が入射する受光面を有し、受光面に入射した光を検出する光検出基板と、キャビティ層から第１及び第２のミラー層の少なくとも一方に至っており、受光面と交差する所定の方向から見た場合に干渉フィルタ部を光学的に分離するセパレータと、を備える。

この分光センサでは、受光面と交差する所定の方向から見た場合に干渉フィルタ部がセパレータによって光学的に分離されており、そのセパレータがキャビティ層から第１及び第２のミラー層の少なくとも一方に至っている。これにより、例えば、干渉フィルタ部に入射する光の入射角を制限するための構成をセパレータとは別に採用しなくても、キャビティ層において、受光面に平行な方向への光の伝播が抑制されるので、干渉フィルタ部における光のクロストークの抑制を十分に図ることができる。しかも、セパレータによって、光検出基板の受光面に入射する光の入射角が制限されるので、干渉フィルタ部の入射位置に対応する受光面の所定の位置に光を精度良く入射させることができる。よって、この分光センサによれば、フィルタ特性の向上を図ることが可能となる。

ここで、セパレータは、キャビティ層から少なくとも第２のミラー層に至っていてもよい。この構成によれば、第２のミラー層と光検出基板の受光面との間での光の多重反射及び干渉に起因する迷光の発生を抑制することができ、フィルタ特性の更なる向上を図ることが可能となる。

更に、セパレータは、キャビティ層から第１及び第２のミラー層の両方に至っていてもよい。この構成によれば、第２のミラー層と光検出基板の受光面との間での光の多重反射及び干渉に起因する迷光の発生を抑制することができることに加え、キャビティ層がセパレータによって確実に分離されることになるので、干渉フィルタ部における光のクロストークの抑制をより十分に図ることができる。

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、干渉フィルタ部から光検出基板に進行する光を透過させる第１のカップリング層を更に備え、セパレータは、第２のミラー層を介して第１のカップリング層に至っていてもよい。この構成によれば、第２のミラー層と光検出基板の受光面との間での光の多重反射及び干渉に起因する迷光の発生を抑制することができることに加え、セパレータによって、光検出基板の受光面に入射する光の入射角がより一層制限されることになるので、干渉フィルタ部の入射位置に対応する受光面の所定の位置に光をより精度良く入射させることができる。

また、分光センサは、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、光透過基板と干渉フィルタ部との間に配置され、光透過基板から干渉フィルタ部に進行する光を透過させる第２のカップリング層と、を更に備え、セパレータは、第１のミラー層を介して第２のカップリング層に至っていてもよい。この構成によれば、セパレータによって、干渉フィルタ部に入射する光の入射角が制限されることになるので、干渉フィルタ部における光のクロストークの抑制をより十分に図ることができる。

このとき、キャビティ層と第２のカップリング層とは、同一の材料からなってもよい。この構成によれば、キャビティ層と第２のカップリング層との積層工程を容易に実現することができる。また、セパレータを例えばドライエッチングにより設ける場合には、エッチングガス等の条件を同一にすることができるため、形状精度の高いセパレータを実現することができる。また、屈折率が同一であることから安定したフィルタ特性を得ることも可能となる。更に、光の入射角を制限するためのセパレータのコリメート特性の均一化を図ることができる。なお、同一とは、完全に同一の場合だけでなく、製造誤差等の範囲内で略同一の場合を含む意味である。

また、第１のミラー層と第２のミラー層との間の所定の方向における距離は、変化しており、セパレータの受光面側の端部と受光面との間の所定の方向における距離は、一定となっており、セパレータの受光面と反対側の端部と受光面との間の所定の方向における距離は、一定となっていてもよい。この構成によれば、光の入射角を制限するためのセパレータのコリメート特性の均一化を図ることができる。なお、一定とは、完全に一定の場合だけでなく、製造誤差等の範囲内で略一定の場合を含む意味である。

また、セパレータは、所定の方向から見た場合に受光面を横切るように延在していてもよい。この構成によれば、受光面の全領域において、適切に分光された光（すなわち、波長範囲が狭く且つ迷光成分が少ない光）を検出することができる。

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、受光面に入射する光の反射を防止する反射防止膜を更に備えてもよい。或いは、光検出基板の干渉フィルタ部側の表面には、受光面に入射する光の反射を防止する反射防止処理が施されていてもよい。これらの構成によれば、第２のミラー層と光検出基板の受光面との間での光の多重反射及び干渉に起因する迷光の発生を抑制することができ、フィルタ特性の更なる向上を図ることが可能となる。

また、所定の方向は、受光面に垂直な方向であってもよい。この構成によれば、分光センサの構造を単純化することができる。

本発明によれば、フィルタ特性の向上を図ることができる分光センサを提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態の分光センサの縦断面図である。 図１のII−II線に沿っての一部断面図である。 図１の分光センサのパッド部の周辺部分の拡大縦断面図である。 図１の分光センサの干渉フィルタ部の中央部分の拡大縦断面図である。 図１の分光センサにおける受光部の画素とセパレータとの関係を示す図である。 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の分光センサの変形例の縦断面図である。 図１の分光センサの変形例の縦断面図である。 本発明の第２の実施形態の分光センサの縦断面図である。 図１４の分光センサの変形例の縦断面図である。 分光センサに８２０ｎｍ、８６０ｎｍ、９００ｎｍ、９４０ｎｍ、９８０ｎｍの輝線を照射した際の光の波長と分光センサから出力される信号強度との関係を示すグラフである。

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。
［第１の実施形態］

図１に示されるように、第１の実施形態の分光センサ１Ａは、干渉フィルタ部２０Ａと、光検出基板３０Ａと、干渉フィルタ部２０Ａ及び光検出基板３０Ａを収容するパッケージ２と、を備えている。パッケージ２は、樹脂等により直方体箱状に形成されており、高さ方向における一方の側（干渉フィルタ部２０Ａ及び光検出基板３０Ａに対する光の入射側）に開口している。なお、以下の説明では、パッケージ２の長さ方向をＸ軸方向とし、パッケージ２の幅方向をＹ軸方向とし、パッケージ２の高さ方向をＺ軸方向とする。

光検出基板３０Ａは、パッケージ２内において底壁２ａ上に固定されている。干渉フィルタ部２０Ａは、第１のカップリング層３を介して光検出基板３０Ａ上に接合されている。第１のカップリング層３は、干渉フィルタ部２０Ａと光検出基板３０Ａとの間において、干渉フィルタ部２０Ａから光検出基板３０Ａに進行する光を透過させる。干渉フィルタ部２０Ａ上には、保護膜５が形成されている。一例として、第１のカップリング層３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、その厚さは数十ｎｍ〜数十μｍ程度である。また、保護膜５はＳｉＯ_２等からなり、その厚さは数十ｎｍ〜数十μｍ程度である。

光検出基板３０Ａは、Ｘ軸方向を長手方向とし且つＺ軸方向を厚さ方向とする矩形板状の半導体基板３１を有する半導体受光素子である。半導体基板３１において一方の側の表面３１ａを含む部分には、受光部３２が形成されている。受光部３２は、Ｙ軸方向に延在するライン状のフォトダイオードがＸ軸方向に沿って一次元に配列されたフォトダイオードアレイである。受光部３２は、干渉フィルタ部２０Ａを透過した光が入射する受光面３２ａを有しており、光検出基板３０Ａは、受光面３２ａに入射した光を検出するように構成されている。一例として、半導体基板３１の厚さは数十μｍ〜数百μｍ程度である。また、受光部３２のＸ軸方向の長さは百μｍ〜数十ｍｍ程度であり、受光部３２のＹ軸方向の幅は数μｍ〜数十ｍｍ程度である。なお、光検出基板３０Ａは、他の半導体受光素子（Ｃ−ＭＯＳイメージセンサ、ＣＣＤイメージセンサ、赤外線イメージセンサ等）であってもよい。

半導体基板３１の表面３１ａには、受光部３２に対して電気信号を入出力するための配線３３のパッド部３３ａが形成されている。更に、半導体基板３１の表面３１ａには、受光部３２及び配線３３を覆うように反射防止膜３４が形成されており、反射防止膜３４上には、干渉フィルタ部２０Ａ側の表面がＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により平坦化された平坦化層３５が形成されている。反射防止膜３４は、干渉フィルタ部２０Ａと光検出基板３０Ａとの間において、受光面３２ａに入射する光の反射を防止する。一例として、反射防止膜３４は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＭｇＦ_２等からなる単層膜或いは積層膜であり、その厚さは数十ｎｍ〜数十μｍ程度である。また、平坦化層３５はＳｉＯ_２等からなり、その厚さは数十ｎｍ〜数十μｍ程度である。

干渉フィルタ部２０Ａ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を有している。干渉フィルタ部２０Ａは、所定の波長範囲の光を第１のミラー層２２側から第２のミラー層２３側に入射位置に応じて選択的に透過させるＬＶＦ（Linear Variable Filter）である。一例として、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（ＳｉＯ_２膜）であり、その厚さは数十ｎｍ〜数十μｍ程度である。また、各ミラー層２２，２３は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２等の誘電体多層膜からなるＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層であり、その厚さは数十ｎｍ〜数十μｍ程度である。

図１及び図２に示されるように、干渉フィルタ部２０Ａは、第１のフィルタ領域２４及び第２のフィルタ領域２５を有している。第１のフィルタ領域２４は、Ｚ軸方向（受光面３２ａに垂直な方向）から見た場合に、光検出基板３０Ａの受光面３２ａに対応している。つまり、第１のフィルタ領域２４及び受光面３２ａは、Ｚ軸方向から見た場合にそれらの一方が他方を含む（Ｘ軸方向の長さ及びＹ軸方向の幅の少なくとも一方が互いに等しい場合を含む）ように形成されている。第２のフィルタ領域２５は、Ｚ軸方向から見た場合に、第１のフィルタ領域２４を環状（ここでは、矩形環状）に包囲している。

図１に示されるように、第１のフィルタ領域２４におけるキャビティ層２１の表面２１ａは、ＸＹ平面に平行となっている。一方、第１のフィルタ領域２４におけるキャビティ層２１の裏面２１ｂは、Ｘ軸方向における裏面２１ｂの一端２１ｃがＸ軸方向における裏面２１ｂの他端２１ｄよりも受光面３２ａを含む平面（例えば、半導体基板３１の表面３１ａ）に近付くように、ＸＹ平面に対して傾斜している。一例として、第１のフィルタ領域２４におけるキャビティ層２１の厚さは、Ｘ軸方向における一方の側に向かって数十ｎｍ〜数μｍ程度の範囲で漸増している。

第２のフィルタ領域２５におけるキャビティ層２１の表面２１ａ及び裏面２１ｂは、ＸＹ平面に平行となっている。受光面３２ａを含む平面から第２のフィルタ領域２５におけるキャビティ層２１の表面２１ａまでのＺ軸方向における距離（以下、単に「距離」といった場合には「Ｚ軸方向における距離」を意味する）は、受光面３２ａを含む平面から第１のフィルタ領域２４におけるキャビティ層２１の表面２１ａまでの距離と等しくなっている。一方、受光面３２ａを含む平面から第２のフィルタ領域２５におけるキャビティ層２１の裏面２１ｂまでの距離は、受光面３２ａを含む平面から第１のフィルタ領域２４におけるキャビティ層２１の裏面２１ｂの他端２１ｄまでの距離と等しくなっている。

以上のように、キャビティ層２１は、第１のフィルタ領域２４及び第２のフィルタ領域２５に渡って、連続して形成されている。そして、第１のフィルタ領域２４及び第２のフィルタ領域２５におけるキャビティ層２１の表面２１ａは、面一となっている。一方、第１のフィルタ領域２４におけるキャビティ層２１の裏面２１ｂと、第２のフィルタ領域２５におけるキャビティ層２１の裏面２１ｂとの間には、一端２１ｃで最大となり且つ他端２１ｄで最小（ここでは、０）となる高さを有する段差が形成されている。なお、他端２１ｄでのキャビティ層２１の厚さは５００ｎｍ程度である。

また、第１のミラー層２２は、第１のフィルタ領域２４及び第２のフィルタ領域２５に渡って、キャビティ層２１の表面２１ａに連続して形成されている。一方、第２のミラー層２３は、第１のフィルタ領域２４及び第２のフィルタ領域２５に渡って、キャビティ層２１の裏面２１ｂ及び段差の縦面（蹴上げ面）に連続して形成されている。そして、第１のフィルタ領域２４においては、第１のミラー層２２と第２のミラー層２３との間の距離が変化している。また、第２のフィルタ領域２５においては、第１のミラー層２２と第２のミラー層２３との間の距離が一定となっている。

図１及び図２に示されるように、光検出基板３０Ａが有する配線３３のパッド部３３ａは、Ｚ軸方向から見た場合に第２のフィルタ領域２５に含まれるように、半導体基板３１の表面３１ａに複数形成れている。より具体的には、パッド部３３ａは、Ｘ軸方向における表面３１ａの両端領域のそれぞれにおいて、Ｙ軸方向に沿って複数並設されている。図１及び図３に示されるように、第２のフィルタ領域２５には、パッド部３３ａを外部に露出させるための貫通孔６がパッド部３３ａごとに複数形成されている。各貫通孔６は、反射防止膜３４、平坦化層３５、第１のカップリング層３、第２のフィルタ領域２５（すなわち、キャビティ層２１並びに第１及び第２のミラー層２２，２３）及び保護膜５をＺ軸方向に沿って貫通し、パッド部３３ａの一部（全部であってもよい）を外部に露出させている。なお、図１と図３とでは縦横比が異なっているが、これは、図１において各層の厚さを強調しているためであり、図１よりも図３のほうが実際の縦横比に近いものとなっている。

各パッド部３３ａには、貫通孔６を介してワイヤ７が接続されている。一例として、ワイヤ７は、Ａｕからなり、その一端のボール部７ａが超音波振動を与えられながらパッド部３３ａの表面に熱圧着されたものである。貫通孔６の内面とボール部７ａとの間には、ボール部７ａの接触によって第２のフィルタ領域２５等にダメージが与えられるのを防止するために、隙間が設けられている。ワイヤ７の他端は、パッケージ２の底壁２ａを介して、底壁２ａの外面に設けられた実装用のパッド部８に接続されている。

図１及び図４に示されるように、干渉フィルタ部２０Ａには、Ｙ軸方向に延在するセパレータ１５がＸ軸方向に沿って一次元に配列されている。セパレータ１５は、光吸収性、光反射性或いは遮光性を有しており、Ｚ軸方向から見た場合に干渉フィルタ部２０Ａの第１のフィルタ領域２４を光学的に分離している。一例として、セパレータ１５は、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉ、光吸収性樹脂等からなる。また、各セパレータ１５のＸ軸方向における幅は数μｍ〜数十μｍ程度であり、各セパレータ１５のＺ軸方向における高さは１μｍ〜数百μｍ程度であり、各セパレータ１５の断面（ＺＸ平面に平行な断面）のアスペクト比は１〜数百程度である。

各セパレータ１５は、Ｚ軸方向から見た場合に光検出基板３０Ａの受光面３２ａを横切るように延在している。このように受光面３２ａを横切るように延在していれば、各セパレータ１５は、分光センサ１Ａの側面に至っていてもよいし、分光センサ１Ａの側面に至っていなくてもよい。各セパレータ１５は、キャビティ層２１から第１のミラー層２２を介して保護膜５の表面５ａに至っている。その一方で、各セパレータ１５は、キャビティ層２１から第２のミラー層２３及び第１のカップリング層３を介して平坦化層３５の途中に至っている。そして、各セパレータ１５の受光面３２ａと反対側の端部１５ａと受光面３２ａとの間の距離は一定となっている。同様に、各セパレータ１５の受光面３２ａ側の端部１５ｂと受光面３２ａとの間の距離は一定となっている。なお、各セパレータ１５の端部１５ｂは、反射防止膜３４の裏面３４ｂと受光面３２ａとの界面に位置していてもよい。

以上のように構成された分光センサ１Ａでは、パッケージ２の開口を介してパッケージ２内に光が入射すると、当該光は、保護膜５を透過して干渉フィルタ部２０Ａの第１のフィルタ領域２４に入射し、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。そして、第１のフィルタ領域２４を透過した光は、第１のカップリング層３、平坦化層３５及び反射防止膜３４を透過して、光検出基板３０Ａの受光面３２ａに入射する。このとき、光検出基板３０Ａの受光部３２の各チャネルに入射する光の波長は、入射位置でのキャビティ層２１の厚さ、並びに第１及び第２のミラー層２２，２３の材料及び厚さによって、一意に決定される。これにより、光検出基板３０Ａでは、受光部３２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１Ａでは、Ｚ軸方向から見た場合に干渉フィルタ部２０Ａの第１フィルタ領域２４がセパレータ１５によって光学的に分離されており、セパレータ１５がキャビティ層２１から第１及び第２のミラー層２２，２３の両方に至っている。これにより、例えば、干渉フィルタ部２０Ａに入射する光の入射角を制限するための構成をセパレータ１５とは別に採用しなくても、キャビティ層２１においてＸ軸方向への光の伝播が抑制されるので、干渉フィルタ部２０Ａにおける光のクロストークの抑制を十分に図ることができる。更に、セパレータ１５が第２のミラー層２３に至っているので、第２のミラー層２３と光検出基板３０Ａの受光面３２ａとの間での光の多重反射及び干渉に起因する迷光の発生を抑制することができる。しかも、セパレータ１５によって、光検出基板３０Ａの受光面３２ａに入射する光の入射角が制限されるので、干渉フィルタ部２０Ａの入射位置に対応する受光面３２ａの所定の位置に光を精度良く入射させることができる。よって、分光センサ１Ａによれば、フィルタ特性の向上を図ることが可能となる。

また、分光センサ１Ａでは、例えば、干渉フィルタ部２０Ａに入射する光の入射角を制限するための構成をセパレータ１５とは別に採用した場合以上に、キャビティ層２１においてＸ軸方向への光の伝播が抑制される。従って、干渉フィルタ部２０Ａに入射する光の入射角を制限するための構成をセパレータ１５とは別に採用することが不要となり、分光センサ１Ａの薄型化及び低コスト化を図ることができる。

また、セパレータ１５は、第２のミラー層２３を介して第１のカップリング層３に至っている（分光センサ１Ａでは、光検出基板３０Ａの受光面３２ａ上に至っている）。これにより、第２のミラー層２３と受光面３２ａとの間での光の多重反射及び干渉に起因する迷光の発生を抑制することができることに加え、セパレータ１５によって、受光面３２ａに入射する光の入射角がより一層制限されることになるので、干渉フィルタ部２０Ａの入射位置に対応する受光面３２ａの所定の位置に光をより精度良く入射させることができる。

また、第１のミラー層２２と第２のミラー層２３との間の距離が変化しているのに対し、セパレータ１５の端部１５ａと光検出基板３０Ａの受光面３２ａとの間の距離、及びセパレータ１５の端部１５ｂと光検出基板３０Ａの受光面３２ａとの間の距離のそれぞれは、一定となっている。これにより、光の入射角を制限するためのセパレータ１５のコリメート特性の均一化を図ることができる。

また、セパレータ１５は、Ｚ軸方向から見た場合に光検出基板３０Ａの受光面３２ａを横切るように延在している。これにより、受光面３２ａの全領域において、適切に分光された光（すなわち、波長範囲が狭く且つ迷光成分が少ない光）を検出することができる。

また、干渉フィルタ部２０Ａと光検出基板３０Ａとの間には、光検出基板３０Ａの受光面３２ａに入射する光の反射を防止する反射防止膜３４が配置されている。この構成も、第２のミラー層２３と受光面３２ａとの間での光の多重反射及び干渉に起因する迷光の発生の抑制、延いてはフィルタ特性の向上に寄与している。

ここで、セパレータ１５による光の入射角の制限について説明する。図４に示されるように、隣り合うセパレータ１５，１５間の距離をｄとし、セパレータ１５の高さをｈとすると、隣り合うセパレータ１５，１５間を通過し得る光の入射角θ（ＺＸ平面内での入射角）の最大値は、下記式（１）で表される。これにより、許容し得る入射角θの最大値に応じて、セパレータ１５のアスペクト比等を設定することができる。
θ＝９０°−tan^−１（ｈ／ｄ）＝tan^−１（ｄ／ｈ）・・・（１）

なお、セパレータ１５は、図５の（ａ）に示されるように、光検出基板３０Ａの受光部３２において隣り合う画素３７，３７間の領域に対応するように形成されていてもよいし、図５の（ｂ）に示されるように、当該領域に加え、各画素３７に少なくとも一つが対応するように形成されていてもよい。図５の（ａ）の場合には、受光部３２での受光感度が低下するのを抑制することができる。一方、図５の（ｂ）の場合には、隣り合うセパレータ１５，１５間の距離が小さくなるため、セパレータ１５の高さを小さくしても、隣り合うセパレータ１５，１５間を通過し得る光の入射角の最大値が大きくなるのを抑制することができる（上記式（１）参照）。

次に、上述した分光センサ１Ａの製造方法について説明する。なお、以下の各工程は、分光センサ１Ａに対応する部材が複数形成されたウェハを用いて実施してもよく、その場合には、最後に分光センサ１Ａごとにウェハをダイシングし、干渉フィルタ部２０Ａが接合された光検出基板３０Ａに個片化する。

まず、図６の（ａ）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。

続いて、図６の（ｂ）に示されるように、表面層５３上にレジスト層５４を塗布し、図７の（ａ）に示されるように、キャビティ層２１をエッチングにより形成するためにレジスト層５４をパターニングする。続いて、図７の（ｂ）に示されるように、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、キャビティ層２１を形成する。

続いて、図８の（ａ）に示されるように、キャビティ層２１上に第２のミラー層２３を形成する。第２のミラー層２３を形成するに際しては、イオンプレーティング法、蒸着法、スパッタ法等により成膜する。また、必要に応じて、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。続いて、図８の（ｂ）に示されるように、第２のミラー層２３を覆うようにシリコン酸化膜を形成し、その表面をＣＭＰにより平坦化して第１のカップリング層３を形成する。

続いて、図９の（ａ）に示されるように、光検出基板３０Ａの平坦化層３５の表面に第１のカップリング層３の表面をダイレクトボンディング（表面活性化接合等）する。続いて、図９の（ｂ）に示されるように、研削、研磨、エッチング等を施すことにより、シリコン酸化膜５２及びハンドル基板５１を除去する。

続いて、図１０の（ａ）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、第２のミラー層２３と同様の方法で第１のミラー層２２を形成する。これにより、第１のミラー層２２と第２のミラー層２３とがキャビティ層２１を介して対向し、干渉フィルタ部２０Ａが形成される。続いて、図１０の（ｂ）に示されるように、第１のミラー層２２上に保護膜５を形成する。

続いて、図１１の（ａ）に示されるように、光検出基板３０Ａのパッド部３３ａに対応する部分及びセパレータ１５を形成すべき部分にエッチングを施すことにより、貫通孔６及びスリット１６を形成する。このとき、保護膜５の表面もエッチングされるが、それを想定して保護膜５の厚さを設定することで、第１のミラー層２２等がエッチングによりダメージを受けるのを防止することができる。

続いて、図１１の（ｂ）に示されるように、光吸収性、光反射性或いは遮光性の材料をスリット１６内に充填してセパレータ１５を形成し、必要に応じて保護膜５の表面及びセパレータ１５の端部をＣＭＰにより平坦化する。なお、光吸収性、光反射性或いは遮光性の材料をスリット１６の内面にコートすることにより、セパレータ１５を形成してもよい。

続いて、図１に示されるように、干渉フィルタ部２０Ａが接合された光検出基板３０Ａをパッケージ２の底壁に２ａに固定する。続いて、貫通孔６を介してワイヤ７の一端をパッド部３３ａに接続すると共に、パッケージ２の底壁２ａを介してワイヤ７の他端をパッド部８に接続し、分光センサ１Ａを得る。

なお、第１の実施形態の分光センサ１Ａにおいて、図１２に示されるように、パッケージ２の開口に光透過基板１１が取り付けられていてもよい。一例として、光透過基板１１はガラス等からなり、その厚さは数百μｍ〜数ｍｍ程度である。また、光透過基板１１の表面１１ａ又は裏面１１ｂの少なくとも一方に光学フィルタ層４が形成されていてもよい。一例として、光学フィルタ層４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、その厚さは数十ｎｍ〜数十μｍ程度である。更に、光透過基板１１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が用いられてもよい。

また、図１３に示されるように、光学フィルタ層４が形成された光透過基板１１が、光学樹脂材１７によって保護膜５上に接合されていてもよい。更に、光検出基板３０Ａ及び干渉フィルタ部２０Ａとパッケージ２の側壁の内面との間に、光吸収性の樹脂材１２が充填されていてもよい。この構成によれば、第１のフィルタ領域２４内にノイズ光が進入するのをより確実に防止することができる。また、分光センサ１Ａの全ての形態において、保護膜５は形成されていなくてもよい。

なお、パッケージ２は、側壁を備えないものであってもよく、例えばＰＣ基板等の上に光検出基板３０Ａを実装し、光透過樹脂等を用いてトランスファーモールドにより封止したＳＭＤ（Surface Mount Device）パッケージの形態であってもよい。
［第２の実施形態］

図１４に示されるように、第２の実施形態の分光センサ１Ｂは、ＣＳＰ（Chip Size Package）として構成されている点で、ＳＭＤとして構成された第１の実施形態の分光センサ１Ａと主に相違している。以下、第１の実施形態の分光センサ１Ａとの相違点を中心に、第２の実施形態の分光センサ１Ｂについて説明する。

分光センサ１Ｂにおいて、光検出基板３０Ｂの受光部３２は、半導体基板３１において表面３１ａを含む部分に形成されている。半導体基板３１には、受光部３２に対して電気信号を入出力するための配線３３として、表面配線３３ｂ、貫通配線３３ｃ及び裏面配線３３ｄが形成されており、裏面配線３３ｄには、表面実装用のバンプ電極３６が設けられている。

分光センサ１Ｂにおいて、干渉フィルタ部２０Ｂは、第１のカップリング層３を介して、光検出基板３０Ｂの反射防止膜３４上に形成されている。干渉フィルタ部２０Ｂ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の第１のミラー層２２，２３を有している。干渉フィルタ部２０Ｂは、所定の波長範囲の光を第１のミラー層２２側から第２のミラー層２３側に入射位置に応じて選択的に透過させるＬＶＦである。

干渉フィルタ部２０Ｂは、第１のフィルタ領域２４及び第２のフィルタ領域２５を有している。第１のフィルタ領域２４は、Ｚ軸方向から見た場合に、光検出基板３０Ｂの受光面３２ａに対応している。第２のフィルタ領域２５は、Ｚ軸方向から見た場合に、第１のフィルタ領域２４を環状に包囲している。

第１のフィルタ領域２４におけるキャビティ層２１の表面２１ａは、Ｘ軸方向における表面２１ａの一端２１ｅがＸ軸方向における表面２１ａの他端２１ｆよりも受光面３２ａを含む平面から離れるように、ＸＹ平面に対して傾斜している。一方、第１のフィルタ領域２４におけるキャビティ層２１の裏面２１ｂは、ＸＹ平面に平行となっている。

第２のフィルタ領域２５におけるキャビティ層２１の表面２１ａ及び裏面２１ｂは、ＸＹ平面に平行となっている。受光面３２ａを含む平面から第２のフィルタ領域２５におけるキャビティ層２１の表面２１ａまでの距離は、受光面３２ａを含む平面から第１のフィルタ領域２４におけるキャビティ層２１の表面２１ａの他端２１ｆまでの距離と等しくなっている。一方、受光面３２ａを含む平面から第２のフィルタ領域２５におけるキャビティ層２１の裏面２１ｂまでの距離は、受光面３２ａを含む平面から第１のフィルタ領域２４におけるキャビティ層２１の裏面２１ｂまでの距離と等しくなっている。

以上のように、キャビティ層２１は、第１のフィルタ領域２４及び第２のフィルタ領域２５に渡って、連続して形成されている。そして、第１のフィルタ領域２４におけるキャビティ層２１の表面２１ａと、第２のフィルタ領域２５におけるキャビティ層２１の表面２１ａとの間には、一端２１ｅで最大となり且つ他端２１ｆで最小（ここでは、０）となる高さを有する段差が形成されている。一方、第１のフィルタ領域２４及び第２のフィルタ領域２５におけるキャビティ層２１の裏面２１ｂは、面一となっている。

また、第１のミラー層２２は、第１のフィルタ領域２４及び第２のフィルタ領域２５に渡って、キャビティ層２１の表面２１ａ及び段差の縦面に連続して形成されている。一方、第２のミラー層２３は、第１のフィルタ領域２４及び第２のフィルタ領域２５に渡って、キャビティ層２１の裏面２１ｂに連続して形成されている。そして、第１のフィルタ領域２４においては、第１のミラー層２２と第２のミラー層２３との間の距離が変化している。また、第２のフィルタ領域２５においては、第１のミラー層２２と第２のミラー層２３との間の距離が一定となっている。

分光センサ１Ｂにおいて、干渉フィルタ部２０Ｂ上には、裏面１１ｂに光学フィルタ層４が形成された光透過基板１１が、第２のカップリング層９を介して接合されている。光透過基板１１は、干渉フィルタ部２０Ｂに入射する光を透過させる。第２のカップリング層９は、光透過基板１１と干渉フィルタ部２０Ｂとの間において、光透過基板１１から干渉フィルタ部２０Ｂに進行する光を透過させる。第２のカップリング層９は、キャビティ層２１と同一の材料からなる。一例として、第２のカップリング層９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り、その厚さは数十ｎｍ〜数十μｍ程度である。

分光センサ１Ｂにおいて、各セパレータ１５は、キャビティ層２１から第１のミラー層２２を介して第２のカップリング層９内に至っている。その一方で、各セパレータ１５は、キャビティ層２１から第２のミラー層２３を介して第１のカップリング層３の裏面（受光面３２ａ側の表面）（すなわち、反射防止膜３４上）に至っている。そして、各セパレータ１５の端部１５ａと受光面３２ａとの間の距離は一定となっている。同様に、各セパレータ１５の端部１５ｂと受光面３２ａとの間の距離は一定となっている。

以上のように構成された分光センサ１Ｂでは、光透過基板１１に光が入射すると、光透過基板１１を透過した光のうち干渉フィルタ部２０Ｂの第１のフィルタ領域２４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４によって透過させられる。光学フィルタ層４を透過した光は、第２のカップリング層９を透過して第１のフィルタ領域２４に入射し、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。そして、第１のフィルタ領域２４を透過した光は、第１のカップリング層３及び反射防止膜３４を透過して、光検出基板３０Ｂの受光面３２ａに入射する。このとき、光検出基板３０Ｂの受光部３２の各チャネルに入射する光の波長は、入射位置でのキャビティ層２１の厚さ、並びに第１及び第２のミラー層２２，２３の材料及び厚さによって、一意に決定される。これにより、光検出基板３０Ｂでは、受光部３２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１Ｂでは、Ｚ軸方向から見た場合に干渉フィルタ部２０Ｂの第１フィルタ領域２４がセパレータ１５によって光学的に分離されており、セパレータ１５がキャビティ層２１から第１及び第２のミラー層２２，２３の両方に至っている。よって、分光センサ１Ｂによれば、上述した分光センサ１Ａと同様に、フィルタ特性の向上を図ることが可能となる。

また、分光センサ１Ｂでは、光透過基板１１と干渉フィルタ部２０Ｂとの間に配置された第２のカップリング層９に、セパレータ１５が第１のミラー層２２を介して至っている。これにより、セパレータ１５によって、干渉フィルタ部２０Ｂに入射する光の入射角が制限されることになるので、干渉フィルタ部２０Ｂにおける光のクロストークの抑制をより十分に図ることができる。また、干渉フィルタ部２０Ｂに入射する光の入射角が制限されると、干渉フィルタ部２０Ｂを通過する光がコリメート光に近づくため、干渉フィルタ部２０Ｂの透過特性をよりシャープにすることが可能となる。

また、分光センサ１Ｂでは、キャビティ層２１と第２のカップリング層９とが同一の材料からなっている。これにより、キャビティ層２１と第２のカップリング層９との積層工程を容易に実現することができる。また、セパレータ１５を例えばドライエッチングにより設ける場合には、エッチングガス等の条件を同一にとすることができるため、形状精度の高いセパレータ１５を実現することができる。また、屈折率が同一であることから安定したフィルタ特性を得ることも可能となる。更に、光の入射角を制限するためのセパレータ１５のコリメート特性の均一化を図ることができる。

なお、第２の実施形態の分光センサ１Ｂにおいて、図１５に示されるように、裏面入射型の光検出基板３０Ｃを用いてもよい。裏面入射型の光検出基板３０Ｃでは、受光部３２は、半導体基板３１において裏面３１ｂを含む部分に形成されており、受光部３２における受光面３２ａと反対側の表面は、遮光されている。受光部３２に対して電気信号を入出力するための配線３３としては、裏面配線３３ｅが形成されており、裏面配線３３ｅには、表面実装用のバンプ電極３６が設けられている。このように、裏面入射型の光検出基板３０Ｃを用いれば、貫通電極等が不要となるので、分光センサ１Ｂの低コスト化を図ることができる。

最後に、第１及び第２の実施形態の分光センサ１Ａ，１Ｂの効果について、図１６を参照して説明する。図１６は、分光センサに８２０ｎｍ、８６０ｎｍ、９００ｎｍ、９４０ｎｍ、９８０ｎｍの輝線を照射した際の光の波長と分光センサから出力される信号強度との関係を示すグラフであり、（ａ）は、第１及び第２の実施形態の分光センサ１Ａ，１Ｂのもの、（ｂ）は、第１及び第２の実施形態の分光センサ１Ａ，１Ｂからセパレータ１５を除いた分光センサ（以下、「セパレータなしの分光センサ」という）のものである。図１６の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、第１及び第２の実施形態の分光センサ１Ａ，１Ｂでは、セパレータなしの分光センサに比べ、分光された光の波長範囲が狭くなっている。これは、セパレータ１５によって干渉フィルタ部２０Ａ，２０Ｂにおける光のクロストークが抑制されて、狭帯域のフィルタ透過特性が実現されているためである。また、第１及び第２の実施形態の分光センサ１Ａ，１Ｂでは、セパレータなしの分光センサに比べ、迷光成分が少なくなっている。これは、セパレータ１５によって干渉フィルタ部２０Ａ，２０Ｂにおける光のクロストークが抑制されていることに加え、第２のミラー層２３と光検出基板３０Ａ，３０Ｂの受光面３２ａとの間での光の多重反射及び干渉に起因する迷光の発生が抑制されているためである。

以上、本発明の第１及び第２の実施形態について説明したが、本発明は、上述した第１及び第２の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。その一例として、キャビティ層の材料は、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｌ_２Ｏ_３、光透過性樹脂からなる材料等であってもよい。第１及び第２のミラー層の材料は、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ等からなる厚さ数ｎｍ〜数μｍの金属膜であってもよい。第１及び第２のカップリング層の材料は、光透過性樹脂等であってもよい。また、分光センサの各構成部材の寸法も一例である。また、本発明及び本実施形態において、「一定」とは、完全に一定の場合だけでなく、製造誤差等の範囲内で略一定の場合を含む意味である。「同一」、「平行」、「垂直」、「等しい」、「面一」等についても同様である。

また、干渉フィルタ部の第１のフィルタ領域において、キャビティ層の厚さは、二次元的に変化（Ｘ軸方向だけでなくＹ軸方向においても変化）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、光検出基板は、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、セパレータによる干渉フィルタ部の光学的な分離は、Ｚ軸方向から見た場合に二次元的なものであってもよい。例えば、セパレータがＹ軸方向だけでなくＸ軸方向にも延在し、セパレータが全体として格子状になっていてもよい。

また、セパレータは、光検出基板の受光面と交差する所定の方向から見た場合に干渉フィルタ部を光学的に分離していればよい。ただし、受光面に垂直な方向から見た場合に干渉フィルタ部を光学的に分離するセパレータを採用すれば、分光センサの構造を単純化することができる。また、セパレータは、キャビティ層から第１及び第２のミラー層の両方に至るものに限定されない。すなわち、セパレータは、キャビティ層から第１及び第２のミラー層の少なくとも一方に至っていればよい。この場合にも、干渉フィルタ部における光のクロストークの抑制を十分に図ることができると共に、干渉フィルタ部の入射位置に対応する光検出基板の受光面の所定の位置に光を精度良く入射させることができ、フィルタ特性の向上を図ることが可能となる。ただし、セパレータがキャビティ層から少なくとも第２のミラー層に至っていれば、第２のミラー層と光検出基板の受光面との間での光の多重反射及び干渉に起因する迷光の発生を抑制することができ、フィルタ特性の更なる向上を図ることが可能となる。

なお、セパレータは、受光面に垂直な方向において、キャビティ層の少なくとも一部を分離していればよい。また、第１のミラー層に至るセパレータは、受光面に垂直な方向において、第１のミラー層の少なくとも一部を分離していればよい。同様に、第２のミラー層に至るセパレータは、受光面に垂直な方向において、第２のミラー層の少なくとも一部を分離していればよい。

また、反射防止膜に代えて、光検出基板の干渉フィルタ部側の表面に、受光面に入射する光の反射を防止する反射防止処理が施されていてもよい。反射防止処理の一例としては、ブラックシリコン加工等の粗面化処理やナノピラー構造がある。この場合にも、第２のミラー層と光検出基板の受光面との間での光の多重反射及び干渉に起因する迷光の発生を抑制することができ、フィルタ特性の更なる向上を図ることが可能となる。

また、干渉フィルタ部は、第１のフィルタ領域を複数有していてもよい。この場合、第２のフィルタ領域は、一つの第１のフィルタ領域ごとに当該一つの第１のフィルタ領域を包囲するように形成されていてもよいし、或いは複数の第１のフィルタ領域ごとに当該複数の第１のフィルタ領域を包囲するように形成されていてもよい。

また、光検出基板と干渉フィルタ部との接合に、光学樹脂材による接合や分光センサの外縁部における接合を適用してもよい。光学樹脂材による接合においては、光学樹脂材の材料として、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材を充填してもよい。

１Ａ，１Ｂ…分光センサ、３…第１のカップリング層、９…第２のカップリング層、１１…光透過基板、１５…セパレータ、１５ａ，１５ｂ…端部、２０Ａ，２０Ｂ…干渉フィルタ部、２１…キャビティ層、２２…第１のミラー層、２３…第２のミラー層、３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ…光検出基板、３２ａ…受光面、３４…反射防止膜。

Claims (11)

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前記第１のミラー層側から前記第２のミラー層側に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、
   前記干渉フィルタ部を透過した光が入射する受光面を有し、前記受光面に入射した光を検出する光検出基板と、
   前記キャビティ層から前記第１及び前記第２のミラー層の少なくとも一方に至っており、前記受光面と交差する所定の方向から見た場合に前記干渉フィルタ部を光学的に分離するセパレータと、を備える、分光センサ。
2. 前記セパレータは、前記キャビティ層から少なくとも前記第２のミラー層に至っている、請求項１記載の分光センサ。
3. 前記セパレータは、前記キャビティ層から前記第１及び前記第２のミラー層の両方に至っている、請求項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、前記干渉フィルタ部から前記光検出基板に進行する光を透過させる第１のカップリング層を更に備え、
   前記セパレータは、前記第２のミラー層を介して前記第１のカップリング層に至っている、請求項１〜３のいずれか一項記載の分光センサ。
5. 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、
   前記光透過基板と前記干渉フィルタ部との間に配置され、前記光透過基板から前記干渉フィルタ部に進行する光を透過させる第２のカップリング層と、を更に備え、
   前記セパレータは、前記第１のミラー層を介して前記第２のカップリング層に至っている、請求項１〜４のいずれか一項記載の分光センサ。
6. 前記キャビティ層と前記第２のカップリング層とは、同一の材料からなる、請求項５記載の分光センサ。
7. 前記第１のミラー層と前記第２のミラー層との間の前記所定の方向における距離は、変化しており、
   前記セパレータの前記受光面側の端部と前記受光面との間の前記所定の方向における距離は、一定となっており、
   前記セパレータの前記受光面と反対側の端部と前記受光面との間の前記所定の方向における距離は、一定となっている、請求項１〜６のいずれか一項記載の分光センサ。
8. 前記セパレータは、前記所定の方向から見た場合に前記受光面を横切るように延在している、請求項１〜７のいずれか一項記載の分光センサ。
9. 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、前記受光面に入射する光の反射を防止する反射防止膜を更に備える、請求項１〜８のいずれか一項記載の分光センサ。
10. 前記光検出基板の前記干渉フィルタ部側の表面には、前記受光面に入射する光の反射を防止する反射防止処理が施されている、請求項１〜８のいずれか一項記載の分光センサ。
11. 前記所定の方向は、前記受光面に垂直な方向である、請求項１〜１０のいずれか一項記載の分光センサ。

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