JP2019046861A - 光学センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 ノイズの発生を防止し、検体からの蛍光を高感度に検出することが可能な光学センサを提供する。【解決手段】 第１基板２１は、側方から照射された光ＥＬにより蛍光材料から発生された蛍光を検出する光検出領域１１を有する。第１絶縁膜２２は、第１基板上に設けられている。遮光膜２９は、少なくとも光ＥＬが入射される第１基板２１の側面、第１絶縁膜２２の側面、及び第１絶縁膜２２の光検出領域１１と対応する領域以外の領域の上方に設けられ、光ＥＬを遮る。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、例えば検体液に含まれる蛍光材料としての例えば細胞から発生される蛍光を検出する光学センサに関する。

細胞生物学等の分野において、検体液に例えばレーザ光のような励起光を照射すると、検体液に含まれる蛍光染色された特定の細胞から蛍光が発生される。この蛍光は、従来蛍光顕微鏡により観測されていたが、半導体を用いた光学センサによっても細胞から発生される蛍光を検出することが可能となった。

国際公開第２０１１／０８６９９０号

光学センサにより検体液中の細胞から発生する蛍光を検出する場合、励起光が直接光学センサに入射されたり、励起光が光学センサ内の配線に反射されて、光学センサに入射されたりした場合、これらの光は、ノイズとして検出される。このため、ノイズにより検体からの蛍光を高感度に検出することが困難であった。

本実施形態は、ノイズの発生を防止し、検体からの蛍光を高感度に検出することが可能な光学センサを提供するものである。

本実施形態の光学センサは、側方から照射された光により蛍光材料から発生された蛍光を検出する光検出領域を有する第１基板と、前記第１基板上に設けられた第１絶縁膜と、少なくとも前記光が入射される前記第１基板の側面、前記第１絶縁膜の側面、及び前記第１絶縁膜の前記光検出領域と対応する領域以外の領域の上方に設けられ、前記光を遮る遮光膜と、を具備する。

第１の実施形態に係る光学センサを概略的に示す平面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。 第１の実施形態に係る遮光膜を示す平面図。 図４（ａ）は、検体としての細胞と励起光の入射角との関係を示す図であり、図４（ｂ）は、励起光ＥＬの入射角と励起光の除去比の関係を示す図。 カラーフィルタの吸収波長と励起光の除去比との関係を示す図。 第２の実施形態に係る光学センサを概略的に示す断面図。 第３の実施形態を示す平面図。 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面図。 図７のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図。 第４の実施形態に係る光学センサを概略的に示す平面図。 図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿った断面図。 図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った断面図。 第５の実施形態に係る光学センサを概略的に示す平面図。 図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿った断面図。 図１３のＸＶ−ＸＶ線に沿った断面図。 図１５の製造工程を示す断面図。 第６の実施形態に係る光学センサを概略的に示す平面図。 図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線に沿った断面図。 図１７のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿った断面図。 図１７のＸＸ−ＸＸ線に沿った断面図。 第７の実施形態に係る光学センサを概略的に示す断面図。 第８の実施形態に係る光学センサを概略的に示す断面図。 図２２のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ線に沿った断面図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一符号を付している。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る光学センサ１０のチップ（ＣＰ）を概略的に示している。光学センサ１０は、例えばＣＭＯＳ光学センサであるが、例えばＣＣＤ光学センサを適用することも可能である。以下の説明は、ＣＭＯＳ光学センサである場合について説明する。光学センサ１０は、例えば光検出領域としての画素領域１１、周辺回路部１２及び複数のボンディングパッド群１６、１７を具備している。

画素領域１１は、光学センサ１０のほぼ中央部に配置され、例えば複数の画素ＰＣが行方向（図示矢印Ｘ方向）及び列方向（図示矢印Ｙ方向）に配置されている。各画素ＰＣは、光電変換素子としての例えば図示せぬフォトダイオード、及びフォトダイオードを選択し、駆動する複数のＭＯＳトランジスタを含んでいる。さらに、各画素ＰＣに対応して、例えば後述するカラーフィルタが設けられている。各画素ＰＣは、カラーフィルタを通して、例えば検体液に含まれる特定の細胞から光により励起された蛍光を検出する。尚、光検出部は、複数のフォトダイオードがアレイ状に配置された場合に限らず、１つのフォトダイオードにより構成されていてもよい。

また、画素領域１１は、光が遮断され、黒レベル信号を生成する黒画素領域１１ａを含んでいる。黒画素領域１１ａに含まれる画素の構成は、画素領域１１に含まれる画素ＰＣと同様である。

周辺回路部１２は、例えば画素領域１１の周囲に配置されている。周辺回路部１２は、例えば各行に配置された画素ＰＣを選択する行選択回路、画素ＰＣからの信号を読み出す列並列Ａ／Ｄ変換回路、ならびにそれらを制御し信号を入出力するロジック回路を含んでいる。周辺回路部１２の個別の機能や配置は、これに限定されるものではなく、変形可能である。

ボンディングパッド群１６、１７は、それぞれ複数のボンディングパッドＢＰを含んでいる。ボンディングパッド群１６は、例えば周辺回路部１２の第１の辺に沿って配置され、ボンディングパッド群１７は、例えば周辺回路部１２の第１の辺と平行する第２の辺に沿って配置されている。

画素領域１１、周辺回路部１２の構成、及びボンディングパッド群１６、１７の配置は、上記に限定されるものではなく、変形可能である。

本光学センサ１０は、例えば検体液に含まれる蛍光材料としての特定の細胞から励起光ＥＬにより励起された蛍光を検出する。励起光ＥＬとして、例えばレーザ光が用いられる。励起光ＥＬは、例えば紫外から可視光の範囲の波長を有する半導体レーザを適用することが可能であり、検出する蛍光の波長に応じてレーザ光の波長が選択される。

励起光ＥＬは、光学センサ１０（チップＣＰ）の側方からボンディングパッド群１６、１７に沿って照射される。すなわち、励起光ＥＬは、検体液に含まれる細胞の横方向から画素領域１１の表面にほぼ平行に照射される。このため、画素領域１１は、励起光ＥＬを殆んど検出することなく、細胞からの蛍光を検出することが可能である。

励起光ＥＬは、チップＣＰ（画素領域１１）の表面に対して平行に照射されることが最も好ましい。すなわち、励起光ＥＬをノイズとして検出しないためには、励起光ＥＬは、画素領域１１の表面に対して平行に照射されることが望ましい。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示している。

光学センサ１０は、例えば基板２１を具備している。基板２１としては、例えばシリコン基板が適用される。基板２１内に、画素領域１１や、周辺回路部１２が設けられている。図２において、周辺回路部１２は省略されている。画素領域１１は、前述した複数のフォトダイオードＰＤや図示せぬ複数のＭＯＳトランジスタを含んでいる。

基板２１上に絶縁膜２２が設けられている。絶縁膜２２は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）のような透光性を有する絶縁膜により構成される。絶縁膜２２内には、画素領域１１や、周辺回路部１２に接続された複数の配線２３や図示せぬコンタクトプラグなどが設けられている。配線２３及びコンタクトプラグは、例えば金属材料により構成されている。

絶縁膜２２の上には、絶縁膜２４が設けられ、絶縁膜２４の上に例えばカラーフィルタ層２５が設けられる。カラーフィルタ層２５は、例えば赤（Ｒ）と青（Ｂ）のフィルタを含み、赤（Ｒ）と青（Ｂ）のフィルタがフォトダイオードＰＤに対応して配置される。赤（Ｒ）と青（Ｂ）のフィルタは、ストライプ状に配置されてもよいし、格子状に配置されてもよい。カラーフィルタ層２５は、赤（Ｒ）と青（Ｂ）に限らず、緑（Ｇ）を含んでもよい。さらに、カラーフィルタ層２５は、赤、青、又は緑などの単色であってもよい。

絶縁膜２４は、透光性の絶縁膜であり、例えばアクリル系の樹脂材を適用することが可能である。絶縁膜２４を設けることにより、絶縁膜２２とカラーフィルタ層２５との密着性を向上させることができる。絶縁膜２２とカラーフィルタ層２５とを密着することが可能であれば、絶縁膜２４は、省略することが可能である。

カラーフィルタ層２５及び絶縁膜２４上に保護膜としての絶縁膜２６が設けられる。絶縁膜２６は、カラーフィルタ層２５の上面及び側面を覆うように設けられる。絶縁膜２６も絶縁膜２４と同様に、例えばアクリル系の樹脂材を適用することが可能である。

カラーフィルタ層２５の表面は、図２のＡ部に示すように、平坦ではない。絶縁膜２６としてアクリル系の樹脂材をカラーフィルタ層２５の上面に、例えばスピンコートすることにより、カラーフィルタ層２５の上に、平坦な表面を有する絶縁膜２６を設けることができる。このため、絶縁膜２６により光の散乱を防止することが可能である。

基板２１及び絶縁膜２２内には、例えばウェハの状態において、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やダイシングによるハーフカットによって段部２８が形成され、基板２１及び絶縁膜２２の側面が露出される。段部２８が形成される部分は、例えばチップＣＰの励起光ＥＬが照射される側である。

段部２８の深さ（絶縁膜２２の上面から基板２１内の底部までの距離）Ｄ１は、画素領域１１内のフォトダイオードＰＤが形成される深さ（絶縁膜２２の上面から基板２１内のフォトダイオードＰＤまでの距離）Ｄ２より深くされる。

絶縁膜２６、絶縁膜２２の全面及び段部２８の側面及び底面に、透光性の絶縁膜、例えば無機絶縁膜２７が設けられる。絶縁膜２７は、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）などを適用することが可能である。絶縁膜２７は、例えば２００℃以下の低温により製膜することが可能な化学気相成長（ＣＶＤ）を用いて、形成することが好ましい。

図２及び図３に示すように、画素領域１１及びボンディングパッドＢＰが形成される領域を除く、絶縁膜２７上及び段部２８の少なくとも側面には、遮光膜２９が設けられる。すなわち、遮光膜２９は、画素領域１１に対応した開口部２９ａを有し、画素領域１１及びボンディングパッドＢＰが形成される領域以外のチップＣＰの上面、及び励起光ＥＬが照射されるチップＣＰの側面を覆っている。

遮光膜２９は、例えばアルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）などの金属材料、又は、可視光全域を吸収することが可能な有機材料、例えば黒色のフィルタ材料を適用することが可能である。遮光膜２９が金属材料により構成される場合、絶縁膜２７は、遮光膜２９と基板２１とを絶縁する。

遮光膜２９は、チップＣＰの側方から照射される励起光ＥＬを遮光することができれば、配線２３などからのノイズの発生を防止することができる。このため、遮光膜２９は、少なくともチップＣＰの側面に設けられていればよく、チップＣＰの上面には、必ずしも形成する必要はない。

上記構成において、図３に示すように、遮光膜２９の開口部２９ａ内に、例えば細胞ＣＬを含む検体液ＳＳが滴下され、検体液ＳＳに励起光ＥＬが側方より照射されると、検体液ＳＳ内の特定の細胞ＣＬが励起光ＥＬにより励起され、蛍光を発生する。この蛍光は、カラーフィルタ層２５を介して画素領域１１内の画素ＰＣにより検出される。

検体液ＳＳは、画素領域１１の一部に滴下してもよい。或いは、後述するように、画素領域１１の周囲に透光性の厚膜材料を設け、この厚膜材料により画素領域１１の上方に、ペトリ皿（シャーレ）のような収容部を設け、収容部内の画素領域１１全面に検体液ＳＳを滴下してもよい。さらに、画素領域１１の上方に流路を形成し、流路内に検体液を流してもよい。
（第１の実施形態の効果）
第１の実施形態によれば、画素領域１１を除く絶縁膜２７上及び段部２８の側面に遮光膜２９を設け、励起光ＥＬをチップＣＰの段部２８が設けられている側面側から画素領域１１に対してほぼ平行に照射している。このため、チップＣＰの側方より照射される励起光ＥＬがチップＣＰ内に進入することを防止でき、画素領域１１は、細胞から発生された蛍光を高感度に検出することが可能である。

しかも、遮光膜２９は、段部２８の側面に形成され、段部２８の深さＤ１は、画素領域１１のフォトダイオードＰＤが形成される深さＤ２より深い。このため、遮光膜２９は、基板２１及び絶縁膜２２の側方からフォトダイオードＰＤに向う光を遮断することができるため、絶縁膜２２内の複数の配線２３からノイズとしての散乱光が発生することを防止できる。

図４（ａ）は、検体として細胞ＣＬと励起光ＥＬの入射角θとの関係を示している。

図４（ａ）に示すように、直径Ｌ１の球体としての細胞ＣＬを仮定し、チップＣＰ上の細胞ＣＬに対して、入射角θで照射された場合、チップＣＰの表面に長さＬ２を有する細胞ＣＬの影が形成される。入射角θは、チップＣＰの表面に対して垂直な線ＰＬに対する励起光ＥＬの照射角度である。この場合、細胞ＣＬによる励起光ＥＬの除去比は、１／Ｌ１／Ｌ２＝１／ｓｉｎ（９０−θ）で求められる。

図４（ｂ）は、励起光ＥＬの入射角θと細胞ＣＬによる励起光ＥＬの除去比との関係を示している。

図４（ｂ）において、特性Ｅ１は、励起光ＥＬの密度のみを考慮した特性であり、特性Ｅ２は、励起光ＥＬの密度と細胞ＣＬとチップＣＰ表面の反射率（チップＣＰの上面の屈折率が１．４５の場合）の角度依存性を光量した特性である。

特性Ｅ１及び特性Ｅ２から明らかなように、励起光ＥＬの除去比は、線ＰＬに対する入射角θが大きくなるに従って大きくなる。換言すると、励起光ＥＬの除去比は、チップＣＰの表面に対して入射角が平行に近付くに従って大きくなる。このため、励起光ＥＬの入射角θが、例えば５°程度までが好ましい。

さらに好ましくは、検体液中の細胞ＣＬに励起光ＥＬを側方から十分に照射することができることを条件として、入射角θが９０°（チップＣＰの表面に対して０°）であってもよい。この場合、除去比を百万分の１程度に向上できるため、ノイズとしての励起光ＥＬをさらに良好に除去することができる。

尚、入射角θが９０°以上（チップＣＰの表面に対して０°以下のマイナス）の角度である場合、チップＣＰ上の細胞ＣＬに励起光ＥＬを照射することが困難となるため、好ましくない。

図５は、カラーフィルタ（ＣＦ）層２５の吸収波長に対する励起光ＥＬの除去比を示している。

カラーフィルタ層２５の膜厚Ｔ１、画素サイズＷ１、カラーフィルタ層２５内の光路の角度θが例えば３０°である場合、赤（Ｒ）と青（Ｂ）のフィルタ層を通過することにより、可視光領域の光を除去することができる。カラーフィルタ層２５内の光路の角度θが例えば３０°であるとは、チップＣＰの表面に対して励起光ＥＬが、例えば１°乃至５°の入射角で入射された場合に相当する。膜厚Ｔ１と画素サイズＷ１の関係から、１°乃至５°で入射された励起光ＥＬは、図５に示すように、複数のカラーフィルタを通過する。このため、励起光ＥＬの波長によらず、励起光ＥＬをカットすることが可能である。したがって、チップＣＰの表面に対して励起光ＥＬの入射角が、例えば１°乃至５°で入射された場合、可視光領域の光を除去することができ、細胞ＣＬから発生された蛍光を高感度に検出することが可能である。
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係る光学センサ１０を示している。第１の実施形態において、遮光膜２９の一部は、チップＣＰに形成された段部２８に設けられている。すなわち、遮光膜２９の一部は、ダイシングによるハーフカット又はエッチングにより露出されたチップＣＰの側面に設けられている。しかし、遮光膜２９の一部は、チップＣＰの内部に形成されていてもよい。

図６に示すように、第２の実施形態において、遮光膜２９の一部は、チップＣＰの内部に形成されている。すなわち、チップＣＰは、少なくとも励起光ＥＬが照射される側に、溝３０を有している。溝３０は、絶縁膜２２及び基板２１を例えばＲＩＥによりエッチングすることにより形成され、溝３０内に絶縁膜２７及び遮光膜２９が形成される。溝３０は、段部２８と同様に画素領域１１内のフォトダイオードＰＤが形成される深さＤ２より深い深さＤ１を有している。

溝３０は、チップＣＰの励起光ＥＬが照射される側だけではなく、配線２３やボンディングパッドＢＰに影響を与えなければ、ボンディングパッドＢＰの外側に形成してもよい。

溝３０や絶縁膜２７及び遮光膜２９は、配線２３を形成する工程において形成しても良いし、カラーフィルタ層２５を形成した後の工程において、形成してもよい。
（第２の実施形態の効果）
上記のように、遮光膜２９の一部をチップＣＰの内部に形成することによっても、第１の実施形態と同様に、チップＣＰの側方から照射される励起光ＥＬや、配線２３等から発生されるノイズとしての散乱光が、画素領域１１により検出されることを防止できる。したがって、検体液に含まれ、励起光ＥＬにより励起された細胞から発生される蛍光を高感度に検出することが可能である。
（第３の実施形態）
図７、図８、図９は、第３の実施形態に係る光学センサ１０を示している。

第３の実施形態は、図９に示すように、例えば第１の実施形態に示すチップＣＰの遮光膜２９上に透光性を有する厚膜材料３１を設け、厚膜材料３１により、画素領域１１の上方に収容部３１ａを設けている。すなわち、厚膜材料３１は、図７に示すように、画素領域１１に対応する領域、及びボンディングパッドＢＰが形成される領域以外の遮光膜２９上に形成される。このため、厚膜材料３１は、画素領域１１に対応して検体液を収容するためのペトリ皿のような収容部３１ａを有している。

厚膜材料３１は、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）により構成されるが、これに限定されるものではなく、例えば透光性を有し、光の散乱が少なく、蛍光を発生せず、検体液中の細胞に対して毒性のない材料であれば適用することが可能である。

ＰＤＭＳを用いる場合、例えばスピンコートにより、ウェハ前面にＰＤＭＳが塗布された後、ＲＩＥ等を用いて、画素領域１１に対応する領域、及びボンディングパッドＢＰが形成される領域からＰＤＭＳが除去される。或いは、リソグラフィ技術を用いてＰＤＭＳを、画素領域１１に対応する領域、及びボンディングパッドＢＰが形成される領域以外の領域に形成してもよい。

上記構成において、収容部３１ａ内に検体液を収容した状態において、チップＣＰの側方より励起光ＥＬを照射すると、厚膜材料３１を透過した励起光ＥＬにより検体液内の特定細胞が励起され、細胞から発生された蛍光がカラーフィルタ層２５を通して画素領域１１内のフォトダイオードＰＤにより検出される。

第３の実施形態は、第１の実施形態に係る構成に厚膜材料３１により収容部３１ａを設けたが、これに限らず、第２の実施形態に係る構成に厚膜材料３１により収容部３１ａを設けてもよい。以下の実施形態においても、第１の実施形態に係る構成を変形しているが、第２の実施形態に係る構成を変形してもよい。
（第３の実施形態の効果）
上記第３の実施形態によれば、遮光膜２９上に透光性を有する厚膜材料３１によって、画素領域１１に対応する収容部３１ａ設けている。このため、検体液を収容部３１ａに収容した状態において、チップＣＰの側方より励起光ＥＬを照射することができる。しかも、厚膜材料３１は、光の散乱が少なく、蛍光を発生しないため、検体液内の細胞から発生された蛍光を高感度に検出することが可能である。
（第４の実施形態）
図１０、図１１、図１２は、第４の実施形態に係る光学センサ１０を示している。

第４の実施形態は、第３の実施形態に係る構成に、さらに、遮光性を有する基板（以下、遮光基板と称す）４１を具備している。遮光基板４１は、例えばシリコン基板であり、厚膜材料３１の上に設けられ、収容部３１ａを覆っている。遮光基板４１は、厚膜材料３１に例えば表面活性化接合される。このため、接合の前に、遮光基板４１の表面及び厚膜材料３１の表面は、例えば酸素プラズマにより処理され、活性化される。遮光基板４１と厚膜材料３１との接合手段は、これに限定されるものではなく、別の手段で接合してもよい。

収容部３１ａは、遮光基板４１により覆われているため、収容部３１ａの上方から入射される意図せぬ光としての迷光は、遮光基板４１により遮断される。

遮光基板４１と遮光膜２９との間に設けられた厚膜材料３１は、光路として機能する。このため、図１２に示すように、チップＣＰの側方から照射された励起光ＥＬは、光路としての厚膜材料３１を通って収容部３１ａ内の検体液に照射される。収容部３１ａは、遮光基板４１により覆われているため、迷光が遮断されている。したがって、画素領域１１のフォトダイオードＰＤは、励起光ＥＬにより励起された細胞から発生される蛍光を高感度に検出することが可能である。

尚、遮光基板４１は、一部に開口部４１ａ、４１ｂを有していてもよい。これにより、開口部４１ａから収容部３１ａ内に検体液を流入したり、開口部４１ｂから収容部３１ａ内の検体液を排出させたりすることができ、収容部３１ａを流路として用いることが可能である。

開口部４１ａ、４１ｂの数は、２個に限定されるものではなく、用途に応じて変形可能である。したがって、開口部の数は１個でもよいし、３個以上であってもよい。

また、遮光基板４１は、ボンディングパッドＢＰが配置された領域を除いた領域に設けられている。このため、ボンディングパッドＢＰは、遮光基板４１によって覆われておらず露出されているため、ワイヤボンディングを行うことが可能である。
（第４の実施形態の効果）
上記第４の実施形態によれば、収容部３１ａは、遮光基板４１により覆われているため、収容部３１ａへの迷光の入射が遮断されている。このため、画素領域１１のフォトダイオードＰＤは、ノイズとしての迷光を検出することなく、特定の細胞から発生された蛍光を高感度に検出することが可能である。
（第５の実施形態）
図１３、図１４、図１５、図１６は、第５の実施形態に係る光学センサ１０を示している。

第５の実施形態は、第４の実施形態の変形例を示すものである。第４の実施形態において、遮光基板４１は、遮光膜２９上に設けられた厚膜材料３１の上に接合された。すなわち、遮光基板４１は、遮光膜２９上に厚膜材料３１を形成した後、厚膜材料３１の上に設けられる。

これに対して、第５の実施形態は、第４の実施形態と構成及び製造工程が相違する。

図１５に示すように、第５の実施形態において、遮光膜２９上に絶縁膜として例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）５１が形成され、シリコン酸化膜５１上に厚膜材料３１が形成された遮光基板４１が接合される。

具体的には、図１６に示すように、遮光膜２９上にシリコン酸化膜５１が形成され、シリコン酸化膜５１の表面は、例えば酸素プラズマにより処理され、活性化される。

一方、厚膜材料３１は、別の製造工程により、遮光基板４１上に形成される。すなわち、厚膜材料３１は、例えばリソグラフィ技術により、遮光基板４１上にパターニングされる。次いで、厚膜材料３１の表面は、例えば酸素プラズマにより処理され、活性化される。

この後、厚膜材料３１が形成された遮光基板４１は、厚膜材料３１がシリコン酸化膜５１に接触するように、チップＣＰに接合される。この状態において、厚膜材料３１とシリコン酸化膜５１は、表面活性化接合され、図１５に示すように形成される。
（第５の実施形態の効果）
上記第５の実施形態によっても第４の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。

しかも、第５の実施形態によれば、厚膜材料３１が形成された遮光基板４１をシリコン酸化膜５１に接触するようにチップＣＰに接合すればよいため、製造が容易である。
（第６の実施形態）
図１７、図１８、図１９、図２０は、第６の実施形態に係る光学センサ１０を示している。

第６の実施形態は、第５の実施形態の変形例を示すものである。

図１８、図１９、図２０に示すように、遮光基板４１の表面上には、例えば黒色の光吸収フィルタ６１が設けられ、光吸収フィルタ６１上に厚膜材料３１が形成される。

光吸収フィルタ６１は、励起光ＥＬ、及び検体液中の細胞から発生される蛍光の波長を含む光を吸収する材料により構成される。

光吸収フィルタ６１を設ける場合、遮光基板４１は、シリコン基板に限定されるものではなく、例えばガラスなどの透光性を有する基板であってもよい。

厚膜材料３１としてのＰＤＭＳと光吸収フィルタ６１との密着性を改善するため、光吸収フィルタ６１の表面に、例えば酸化膜を形成してもよい。

第６の実施形態は、第５の実施形態に適用した場合を示したが、これに限らず、第４の実施形態に適用することも可能である。
（第６の実施形態の効果）
第６の実施形態によれば、遮光基板４１の表面上には、光吸収フィルタ６１が設けられ、光吸収フィルタ６１は、画素領域１１の周囲に配置された厚膜材料３１に接触されている。このため、光吸収フィルタ６１により、チップＣＰの側方から入射される励起光ＥＬやチップＣＰのボンディングパッドＢＰ側から入る迷光、及び遮光基板４１側から入る迷光を確実に吸収することができる。したがって、画素領域１１のフォトダイオードＰＤは、細胞から発生される蛍光のみを高感度に検出することが可能である。
（第７の実施形態）
図２１は、第７の実施形態に係る光学センサ７０を示している。第１の実施形態乃至第６の実施形態は、表面照射型の光学センサ１０について説明した。

これに対して、第７の実施形態は、裏面照射型の光学センサ７０に第１の実施形態を適用する場合について説明する。

図２１に示すように、画素領域１１を含む基板２１、及び複数の配線２３を含む絶縁層２２の構成は、第１の実施形態乃至第６の実施形態と同様である。

基板（第１基板）２１に設けられた絶縁膜２２の上面が支持基板（第２基板）７１に接合される。すなわち、支持基板７１の表面には、絶縁膜２２及び基板２１が、この順に積層される。

基板２１の裏面上には、絶縁膜２４が設けられ、絶縁膜２４の上に例えばカラーフィルタ層２５が設けられる。カラーフィルタ層２５及び絶縁膜２４上に保護膜としての絶縁膜２６が設けられる。

基板２１の裏面側から絶縁層２２を通して、支持基板７１内に段部７２が形成され、基板２１及び絶縁膜２２、支持基板７１の側面が露出される。段部７２は、例えばウェハの状態において、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やダイシングによるハーフカットにより形成される。段部２８の深さＤ３は、基板２１と絶縁層２２の厚さの合計としての深さＤ４より深い。

絶縁膜２６を含む基板２１の裏面及び段部７２の側面及び底面に、透光性の絶縁膜、例えば無機絶縁膜２７が設けられる。

画素領域１１を除く絶縁膜２７上及び段部７２の少なくとも側面には、遮光膜２９が設けられる。
（第７の実施形態の効果）
第７の実施形態によれば、裏面照射型の光学センサ７０において、画素領域１１を除く絶縁膜２７上及び段部７２の側面に遮光膜２９を設け、励起光ＥＬをチップＣＰの段部７２が設けられている側面側から画素領域１１に対してほぼ平行に照射している。このため、チップＣＰの側方より照射される励起光ＥＬがチップＣＰ内に進入することを防止でき、画素領域１１は、細胞から発生された蛍光を高感度に検出することが可能である。

しかも、遮光膜２９は、段部７２の側面に形成され、段部７２の深さＤ３は、フォトダイオードＰＤが形成された画素領域１１及び複数の配線２３が形成された絶縁膜２２の厚さとしての深さＤ４より深い。このため、遮光膜２９は、基板２１及び絶縁膜２２の側方からフォトダイオードＰＤに向う光を遮断することができるため、絶縁膜２２内の複数の配線２３からノイズとしての散乱光が発生することを防止できる。

第７の実施形態は、裏面照射型の光学センサに第１の実施形態を適用した場合について説明したが、これに限らず、第７の実施形態に係る裏面照射型の光学センサに、第２の実施形態乃至第６の実施形態を組み込むことも可能であり、裏面照射型の光学センサにおいて、第２の実施形態乃至第６の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
（第８の実施形態）
図２２、図２３は、第８の実施形態に係る光学センサ１０を示している。第１の実施形態乃至第７の実施形態は、１つのチップＣＰ内に１つの画素領域１１が設けられた単一チップの光学センサについて説明した。

これに対して、第８の実施形態では、１つのチップ内に複数の画素領域１１が設けられたマルチチップの光学センサについて説明する。具体的には、ウェハの状態から複数のチップを１つとしてダイシング加工することにより、マルチチップの光学センサが形成される。

図２２、図２３に示す光学センサ１０は、第１のチップＣＰ１と第２のチップＣＰ２の２つのチップを含む場合を示している。しかし、これに限らず、３つ以上のチップを含んでいてもよい。例えば３つのチップの場合、３つのチップを一列に配置し、例えば４つのチップの場合、４つのチップを２行、２列に配置してもよい。

図２２、図２３に示す光学センサの構成は、第６の実施形態に対応しているが、第１の実施形態乃至第５の実施形態、或いは第７の実施形態に対応していてもよい。

図２３に示すように、励起光ＥＬの照射方向に沿って、第１のチップＣＰ１と第２のチップＣＰ２が配置されている。第１のチップＣＰ１が含まれる基板２１の側面には例えば段部２８が形成され、第２のチップＣＰ２が含まれる基板２１内には、例えば溝３０が形成される。

具体的には、第１のチップＣＰ１が含まれる基板２１及び第２のチップＣＰ２が含まれる基板２１には、例えばエッチングにより溝３０がそれぞれ形成され、絶縁膜２７の上面から溝３０内に亘って遮光膜２９が形成される。この後、ダイシング加工されることにより、第１のチップＣＰ１が含まれる基板２１の側面に、遮光膜２９が形成された段部２８形成される。

溝３０は、第１のチップＣＰ１及び第２のチップＣＰ２の両方に設けたが、第１のチップＣＰ１の溝３０内に設けた遮光膜２９により十分な遮光ができれば、第２のチップＣＰ２内の溝３０は省略することが可能である。

図２２、図２３に示すように、励起光ＥＬは、第１のチップＣＰ１の側方から照射される。この励起光ＥＬは、第１のチップＣＰ１の厚膜材料３１−１を通って、第１のチップＣＰ１の収容部３１ａ−１内に照射され、第１のチップＣＰ１と第２のチップＣＰ２の境界に位置する第１のチップＣＰ１の厚膜材料３１−１と第２のチップＣＰ２の厚膜材料３１−２を通って、第２のチップＣＰ２の収容部３１ａ−２内に照射される。このため、第１のチップＣＰ１と第２のチップＣＰ２の境界に位置する第１のチップＣＰ１の厚膜材料３１−１と第２のチップＣＰ２の厚膜材料３１−２は、一体的に形成されることが好ましい。

３つのチップを１列に配置する場合、図２２、図２３と同様の構成により、３つのチップを配置すれば、一つの励起光ＥＬにより、３つのチップで細胞からの蛍光を同時に検出することが可能である。

４つのチップを２行、２列に配置する場合、図２２、図２３に示す２つのチップを２列に配置し、各列のチップにそれぞれ励起光を照射すればよい。この場合、４つのチップより細胞からの蛍光を同時に検出することが可能である。
（第８の実施形態）
上記第８の実施形態によれば、１つの光学センサが第１のチップＣＰ１及び第２のチップＣＰ２を含み、第１のチップＣＰ１が画素領域１１−１を含み、第２のチップＣＰ２が画素領域１１−２を含んでいる。第１のチップＣＰ１の厚膜材料３１−１と第２のチップＣＰ２の厚膜材料３１−２は、透光性の材料であるため、第１のチップＣＰ１の側方から照射された１つの励起光ＥＬにより、第１のチップＣＰ１の収容部３１ａ−１及び第２のチップＣＰ２の収容部３１ａ−２に収容された検体液に含まれる細胞から発生された蛍光を検出することができる。したがって、複数のチップを用いて、それぞれのチップにより同時に細胞からの蛍光を検出することができるため、検出効率を向上させることが可能である。

その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０…光学センサ、１１…画素領域、２１…基板、２２…絶縁膜、２３…配線、２４…絶縁膜、２５…カラーフィルタ層、２６…絶縁膜、２７…絶縁膜、２８…段部、２９…遮光膜、２９ａ…開口部、３０…溝、３１…厚膜材料、３１ａ…収容部、４１…遮光基板、４１ａ、４１ｂ…開口部、５１…シリコン酸化膜、６１…光吸収フィルタ、７０…裏面照射型の光学センサ、７１…支持基板、７２…段部、ＣＰ…チップ、ＣＰ１…第１のチップ、ＣＰ２…第２のチップ、ＢＰ…ボンディングパッド、ＥＬ…励起光、ＳＳ…検体液、ＣＬ…細胞、ＰＣ…画素、ＰＤ…フォトダイオード。

Claims (11)

1. 側方から照射された光により蛍光材料から発生された蛍光を検出する光検出領域を有する第１基板と、
   前記第１基板上に設けられた第１絶縁膜と、
   少なくとも前記光が入射される前記第１基板の側面、前記第１絶縁膜の側面、及び前記第１絶縁膜の前記光検出領域と対応する領域以外の領域の上方に設けられ、前記光を遮る遮光膜と、
   を具備することを特徴とする光学センサ。
2. 前記第１絶縁膜の上方に設けられたカラーフィルタをさらに具備し、
   前記遮光膜は、前記カラーフィルタの側面に入射される前記光を遮ることを特徴とする請求項１記載の光学センサ。
3. 前記光検出領域は、光電変換素子を含み、前記第１基板及び前記第１絶縁膜は、前記光の入射方向と交差する方向に設けられ、前記遮光膜が設けられる凹部を有し、前記凹部の深さは、前記光電変換素子が形成される層の位置より深いことを特徴とする請求項１記載の光学センサ。
4. 前記遮光膜は、金属材料と絶縁材料のうちの一方であり、前記遮光膜が前記金属材料である場合、前記第１基板と前記遮光膜との間に第２絶縁膜をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の光学センサ。
5. 前記光検出領域の周囲の前記遮光膜上に設けられ、前記光を透過する透過膜をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の光学センサ。
6. 前記透過膜上に設けられ、前記光検出領域を覆う遮光性の第２基板をさらに具備することを特徴とする請求項５記載の光学センサ。
7. 前記遮光膜と前記透過膜との間に設けられた第３絶縁膜をさらに具備することを特徴とする請求項６記載の光学センサ。
8. 前記第２基板は、前記第２基板からの前記光を吸収するフィルタを具備することを特徴とする請求項７記載の光学センサ。
9. 前記第１絶縁膜は、ボンディングパッドを含み、前記ボンディングパッドは、前記第２基板から露出されていることを特徴とする請求項８記載の光学センサ。
10. 側方から照射された光により蛍光材料から発生された蛍光を検出する光検出領域を有する第１基板と、
    前記第１基板上に設けられた第１絶縁膜と、
    前記第１絶縁膜を支持する第２基板と、
    前記第１基板の側面、前記第１絶縁膜の側面、前記第２基板の側面、及び前記第１基板の裏面で前記光検出領域と対応する領域以外の領域に設けられ、前記光を遮断する遮光膜と、
    を具備することを特徴とする光学センサ。
11. 光の照射方向に沿って配置され、蛍光材料から前記光により励起された蛍光を検出する第１光検出領域及び第２光検出領域を有する第１基板と、
    前記第１光検出領域上に設けられた第１絶縁膜と、
    前記第２光検出領域上に設けられた第２絶縁膜と、
    少なくとも前記光が入射される前記第１基板の側面、前記第１絶縁膜の側面、及び前記第１絶縁膜の前記第１光検出領域と対応する領域以外の領域に設けられ、前記光を遮る遮光膜と、
    を具備することを特徴とする光学センサ。

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