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JP2015064378A - Spectroscopic sensor device and electronic apparatus - Google Patents

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JP2015064378A JP2014250710A JP2014250710A JP2015064378A JP 2015064378 A JP2015064378 A JP 2015064378A JP 2014250710 A JP2014250710 A JP 2014250710A JP 2014250710 A JP2014250710 A JP 2014250710A JP 2015064378 A JP2015064378 A JP 2015064378A
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彰 植松
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Yoichi Sato
陽一 佐藤
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Akira Komatsu
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矢野 邦彦
Kunihiko Yano
邦彦 矢野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spectroscopic sensor and electronic apparatus capable of being downsized.SOLUTION: A spectroscopic sensor device includes: a light source part 110 for irradiating an observation object with irradiation light; and a detection unit for detecting the irradiation light coming from the light source part 110 via the observation object. The detection unit includes: a photosensor unit 31 having an impurity region; and an angle restriction filter 41 for restricting the incident angle of the irradiation light arriving at the photosensor unit 31. The angle restriction filter 41 includes a plurality of laminated bodies disposed at a pitch set in response to a restriction angle of the incident angle with respect to the height from the impurity region to the incident end of the irradiation light.

Description

本発明は、分光センサー装置及び電子機器等に関する。   The present invention relates to a spectroscopic sensor device, an electronic apparatus, and the like.

医療や農業、環境等の分野では、対象物の診断や検査をするために分光センサーが用いられている。例えば、医療の分野では、ヘモグロビンの光吸収を利用して血中酸素飽和度を測定するパルスオキシメーターが用いられる。また、農業の分野では、糖分の光吸収を使用して果実の糖度を測定する糖度計が用いられる。   In fields such as medicine, agriculture, and the environment, a spectroscopic sensor is used for diagnosing and inspecting an object. For example, in the medical field, a pulse oximeter that measures blood oxygen saturation using light absorption of hemoglobin is used. In the field of agriculture, a sugar content meter that measures the sugar content of fruits using light absorption of sugar is used.

特開平6−129908号公報JP-A-6-129908 特開2006−351800号公報JP 2006-351800 A

しかしながら、従来の分光センサーでは、小型化が困難であるという課題がある。例えば、連続スペクトルを取得する分光センサーでは、連続スペクトルを生成するためのプリズム等を設けたり、光路長を確保する必要があるため、装置が大型化してしまう。そのため、多数のセンサーを設置したり、センサーを検査対象物に常時設置しておくこと等が困難となってしまう。   However, the conventional spectral sensor has a problem that it is difficult to reduce the size. For example, in a spectroscopic sensor that acquires a continuous spectrum, it is necessary to provide a prism or the like for generating a continuous spectrum or to secure an optical path length, so that the apparatus becomes large. For this reason, it becomes difficult to install a large number of sensors or to always install the sensors on the inspection object.

ここで、特許文献1には、光ファイバーにより入射光の入射角度を制限することでフィルターの透過波長帯域を制限する手法が開示されている。また、特許文献2には、センサー毎に膜厚の異なる多層膜フィルターを用いて複数波長帯域の光をセンシングする手法が開示されている。   Here, Patent Document 1 discloses a technique for limiting the transmission wavelength band of a filter by limiting the incident angle of incident light using an optical fiber. Patent Document 2 discloses a technique for sensing light in a plurality of wavelength bands using multilayer filters having different film thicknesses for each sensor.

本発明の幾つかの態様によれば、小型化可能な分光センサー及び電子機器等を提供できる。   According to some aspects of the present invention, it is possible to provide a spectroscopic sensor, an electronic device, and the like that can be miniaturized.

本発明の一態様は、検出対象となる複数の波長を含む波長帯域の光を照射する光源部と、前記光源部からの光を観察対象に照射することで得られる光が入射される分光センサーと、を含み、前記分光センサーは、透過波長が異なる複数の光バンドパスフィルターと、複数のフォトセンサー部と、を有し、前記複数の光バンドパスフィルターのうちの第1の光バンドパスフィルターは、第1の特定波長を透過する波長特性を有し、前記複数の光バンドパスフィルターのうちの第2の光バンドパスフィルターは、前記第1の特定波長とは異なる第2の特定波長を透過する波長特性を有し、前記複数のフォトセンサーのうちの第1のフォトセンサーは、前記第1の光バンドパスフィルターを透過した前記第1の特定波長の光をセンシングし、前記複数のフォトセンサーのうちの第2のフォトセンサーは、前記第2の光バンドパスフィルターを透過した前記第2の特定波長の光をセンシングする分光センサー装置に関係する。   One embodiment of the present invention is a light source unit that irradiates light in a wavelength band including a plurality of wavelengths to be detected, and a spectral sensor that receives light obtained by irradiating the observation target with light from the light source unit The spectroscopic sensor includes a plurality of optical bandpass filters having different transmission wavelengths and a plurality of photosensor units, and the first optical bandpass filter among the plurality of optical bandpass filters. Has a wavelength characteristic that transmits the first specific wavelength, and the second optical bandpass filter of the plurality of optical bandpass filters has a second specific wavelength different from the first specific wavelength. A first photosensor of the plurality of photosensors that senses light of the first specific wavelength that has passed through the first optical bandpass filter, and transmits the plurality of photosensors. Second photosensor of photosensors is related to the spectroscopic sensor device for sensing the light of the second of the second specific wavelength transmitted through the optical band-pass filter.

本発明の一態様によれば、光源部からの光を観察対象に照射することで得られる光が分光センサーに入射される。そして、第1の光バンドパスフィルターを透過した第1の特定波長の光が第1のフォトセンサーによりセンシングされ、第2の光バンドパスフィルターを透過した第2の特定波長の光が第2のフォトセンサーによりセンシングされる。これにより、分光センサー装置の小型化等が可能になる。   According to one embodiment of the present invention, light obtained by irradiating the observation target with light from the light source unit enters the spectroscopic sensor. Then, the first specific wavelength light transmitted through the first optical bandpass filter is sensed by the first photosensor, and the second specific wavelength light transmitted through the second optical bandpass filter is second. Sensed by photo sensor. As a result, the spectral sensor device can be reduced in size.

また、本発明の一態様では、前記光源部からの光を観察対象に照射することで得られる反射光が前記分光センサーに入射する場合に、前記光源部から前記観察対象を介さずに前記分光センサーに入射する光を遮光する遮光部材を含んでもよい。   In one embodiment of the present invention, when reflected light obtained by irradiating the observation target with light from the light source unit is incident on the spectroscopic sensor, the spectroscopic sensor does not pass through the observation target from the light source unit. A light shielding member that shields light incident on the sensor may be included.

このようにすれば、観察対象を介さずに光源部から分光センサーに入射する光を遮光し、光源部からの光を観察対象に照射することで得られる反射光を分光センサーに入射できる。   If it does in this way, the light which injects into a spectroscopic sensor from a light source part will be shielded without passing through an observation object, and the reflected light obtained by irradiating the observation object with the light from a light source part can enter into a spectroscopic sensor.

また、本発明の一態様では、前記光源部は、前記観察対象に対向する対向面を横切るように光を照射し、前記分光センサーは、前記対向面を横切って入射する光を受光し、前記遮光部材は、前記光源部と前記分光センサーとの間に設けられてもよい。   In one embodiment of the present invention, the light source unit emits light so as to cross a facing surface facing the observation target, and the spectroscopic sensor receives light incident across the facing surface, The light shielding member may be provided between the light source unit and the spectral sensor.

このようにすれば、遮光部材が光源部と分光センサーの間に設けられることで、観察対象を介さずに光源部から分光センサーに入射する光を遮光できる。   In this way, by providing the light blocking member between the light source unit and the spectroscopic sensor, it is possible to block light incident on the spectroscopic sensor from the light source unit without passing through the observation target.

また、本発明の一態様では、前記複数のフォトセンサー部は、前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記光源部の第1の方向側においてアレイ状に配置されてもよい。   In the aspect of the invention, the plurality of photosensor units may be arranged in an array on the first direction side of the light source unit in a plan view with respect to the facing surface facing the observation target.

このように、複数のフォトセンサー部が光源部の第1の方向側においてアレイ状に配置されることで、光源部からの光を観察対象に照射することで得られる反射光を分光センサーに入射できる。   As described above, a plurality of photosensor units are arranged in an array on the first direction side of the light source unit, so that reflected light obtained by irradiating the observation target with light from the light source unit is incident on the spectroscopic sensor. it can.

また、本発明の一態様では、前記複数のフォトセンサー部は、前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記光源部の周囲に配置されてもよい。   In the aspect of the invention, the plurality of photosensor units may be arranged around the light source unit in a plan view with respect to a facing surface facing the observation target.

このように、複数のフォトセンサー部が光源部の周囲に配置されることで、光源部からの光を観察対象に照射することで得られる反射光を分光センサーに入射できる。   As described above, by arranging the plurality of photosensor units around the light source unit, reflected light obtained by irradiating the observation target with the light from the light source unit can be incident on the spectroscopic sensor.

また、本発明の一態様では、前記光源部は、前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記複数のフォトセンサー部の周囲に配置されてもよい。   In the aspect of the invention, the light source unit may be disposed around the plurality of photosensor units in a plan view with respect to the facing surface facing the observation target.

また、本発明の一態様では、複数の光源を含み、前記複数の光源は、前記観察対象に対向する対向面に対する平面視において、前記複数のフォトセンサー部の周囲に配置されてもよい。   In one embodiment of the present invention, a plurality of light sources may be included, and the plurality of light sources may be disposed around the plurality of photosensor units in a plan view with respect to a facing surface facing the observation target.

このように、光源部が複数のフォトセンサー部の周囲に配置されることで、光源部からの光を観察対象に照射することで得られる反射光を分光センサーに入射できる。   As described above, the light source unit is arranged around the plurality of photosensor units, so that the reflected light obtained by irradiating the observation target with the light from the light source unit can be incident on the spectroscopic sensor.

また、本発明の一態様では、前記複数のフォトセンサー部の受光領域に対する入射光の入射角度を制限するための角度制限フィルターを含んでもよい。   In one embodiment of the present invention, an angle limiting filter for limiting an incident angle of incident light with respect to light receiving regions of the plurality of photosensor units may be included.

このようにすれば、複数のフォトセンサー部の受光領域に対する入射光の入射角度が制限されることで、複数の光バンドパスフィルターの透過波長帯域を制限できる。また、観察対象を介さずに光源部から分光センサーに入射する光を遮光できる。   In this way, by limiting the incident angle of the incident light with respect to the light receiving regions of the plurality of photosensor units, it is possible to limit the transmission wavelength bands of the plurality of optical bandpass filters. In addition, light incident on the spectroscopic sensor from the light source unit can be blocked without going through the observation target.

また、本発明の一態様では、前記角度制限フィルターは、前記複数のフォトセンサー部用の不純物領域の上に半導体プロセスによって形成された遮光物質によって形成されてもよい。   In the aspect of the invention, the angle limiting filter may be formed of a light shielding material formed by a semiconductor process on the impurity regions for the plurality of photosensor portions.

このようにすれば、複数のフォトセンサー部用の不純物領域の上に半導体プロセスによって遮光物質を形成できる。   In this way, the light shielding material can be formed by a semiconductor process on the impurity regions for the plurality of photosensor portions.

また、本発明の一態様では、前記角度制限フィルターは、前記半導体基板上に形成される他の回路の配線層形成工程により形成されてもよい。   In the aspect of the invention, the angle limiting filter may be formed by a wiring layer forming step of another circuit formed on the semiconductor substrate.

このようにすれば、半導体基板上に形成される他の回路の配線層形成工程により、角度制限フィルターを形成できる。   In this way, the angle limiting filter can be formed by the wiring layer forming process of another circuit formed on the semiconductor substrate.

また、本発明の一態様では、前記角度制限フィルターは、前記半導体基板の上に積層された絶縁膜に空けられたコンタクトホールの導電性プラグにより形成されてもよい。   In the aspect of the invention, the angle limiting filter may be formed by a conductive plug of a contact hole formed in an insulating film stacked on the semiconductor substrate.

このようにすれば、半導体基板の上に積層された絶縁膜に空けられたコンタクトホールの導電性プラグにより、角度制限フィルターを形成できる。   In this case, the angle limiting filter can be formed by the conductive plug of the contact hole opened in the insulating film laminated on the semiconductor substrate.

また、本発明の一態様では、前記角度制限フィルターを形成する前記遮光物質は、光吸収物質または光反射物質であってもよい。   In the aspect of the invention, the light blocking material forming the angle limiting filter may be a light absorbing material or a light reflecting material.

このようにすれば、角度制限フィルターを形成する遮光物質を、光吸収物質または光反射物質により形成できる。   In this way, the light shielding material forming the angle limiting filter can be formed of a light absorbing material or a light reflecting material.

また、本発明の一態様では、前記角度制限フィルターは、前記複数のフォトセンサー部用の不純物領域が形成される面が前記半導体基板の表面である場合に、前記半導体基板の裏面側から前記複数のフォトセンサー部用の不純物領域に対して受光用の穴を形成することによって残存する前記半導体基板により形成されてもよい。   In the aspect of the invention, the angle limiting filter may include the plurality of angle limiting filters from the back side of the semiconductor substrate when a surface on which the impurity regions for the plurality of photosensor parts are formed is the surface of the semiconductor substrate. The light-receiving hole may be formed in the impurity region for the photosensor portion to form the remaining semiconductor substrate.

このようにすれば、半導体基板の裏面側から複数のフォトセンサー部用の不純物領域に対して受光用の穴を形成することによって残存する半導体基板により、角度制限フィルターを形成できる。   In this case, the angle limiting filter can be formed by the remaining semiconductor substrate by forming the light receiving holes in the impurity regions for the plurality of photosensor parts from the back surface side of the semiconductor substrate.

また、本発明の一態様では、前記複数の光バンドパスフィルターは、前記半導体基板に対して、透過波長に応じた角度で傾斜する多層薄膜により形成されてもよい。   In the aspect of the invention, the plurality of optical bandpass filters may be formed of a multilayer thin film that is inclined with respect to the semiconductor substrate at an angle corresponding to a transmission wavelength.

このようにすれば、半導体基板に対して透過波長に応じた角度で傾斜する多層薄膜により、複数の光バンドパスフィルターを形成できる。   In this way, a plurality of optical bandpass filters can be formed by the multilayer thin film inclined at an angle corresponding to the transmission wavelength with respect to the semiconductor substrate.

また、本発明の一態様では、前記角度制限フィルターの上に設けられた傾斜構造体を含み、前記傾斜構造体は、前記半導体基板に対して、前記複数の光バンドパスフィルターの透過波長に応じた角度で傾斜する傾斜面を有し、前記多層薄膜は、前記傾斜面の上に形成されてもよい。   Further, according to one aspect of the present invention, it includes an inclined structure provided on the angle limiting filter, and the inclined structure corresponds to a transmission wavelength of the plurality of optical bandpass filters with respect to the semiconductor substrate. The multilayer thin film may be formed on the inclined surface.

このようにすれば、傾斜構造体の傾斜面の上に多層薄膜が形成されることで、透過波長に応じた角度で傾斜する多層薄膜を形成できる。   In this way, the multilayer thin film that is inclined at an angle corresponding to the transmission wavelength can be formed by forming the multilayer thin film on the inclined surface of the inclined structure.

また、本発明の一態様では、前記受光用の穴を形成することによって残存する前記半導体基板の裏面と、前記受光用の穴の壁面に、遮光物質が配されてもよい。   In one embodiment of the present invention, a light shielding material may be disposed on the back surface of the semiconductor substrate remaining by forming the light receiving hole and the wall surface of the light receiving hole.

このようにすれば、受光用の穴を形成することによって残存する半導体基板の裏面と、受光用の穴の側面に、遮光物質を配すことができる。   In this way, the light shielding material can be disposed on the back surface of the remaining semiconductor substrate and the side surfaces of the light receiving holes by forming the light receiving holes.

また、本発明の一態様では、前記遮光物質は、光吸収物質または光反射物質であってもよい。   In one embodiment of the present invention, the light blocking material may be a light absorbing material or a light reflecting material.

このようにすれば、遮光物質を、光吸収物質または光反射物質により形成できる。   In this way, the light shielding material can be formed of a light absorbing material or a light reflecting material.

また、本発明の他の態様は、上記のいずれかに記載された分光センサー装置を含む電子機器に関係する。   Another aspect of the invention relates to an electronic apparatus including the spectroscopic sensor device described in any of the above.

図1(A)、図1(B)は、本実施形態の分光センサー装置の構成例。1A and 1B are configuration examples of the spectroscopic sensor device of the present embodiment. 図2(A)、図2(B)は、分光センサー装置の第1の変形例。2A and 2B show a first modification of the spectroscopic sensor device. 分光センサー装置の第2の変形例。The 2nd modification of a spectroscopic sensor apparatus. 分光センサー装置の第3の変形例。A 3rd modification of a spectroscopic sensor apparatus. 分光センサー装置の第4の変形例。The 4th modification of a spectroscopic sensor apparatus. 分光センサーの第1の詳細な構成例。The 1st detailed structural example of a spectroscopic sensor. 分光センサーの第1の詳細な構成例。The 1st detailed structural example of a spectroscopic sensor. 分光センサーの第1の変形例。The 1st modification of a spectroscopic sensor. 分光センサーの第2の変形例。The 2nd modification of a spectroscopic sensor. 分光センサーの第3の変形例。3rd modification of a spectroscopic sensor. 分光センサーの第4の変形例。The 4th modification of a spectroscopic sensor. 図12(A)、図12(B)は、光バンドパスフィルターの透過波長帯域についての説明図。FIGS. 12A and 12B are explanatory diagrams of the transmission wavelength band of the optical bandpass filter. 分光センサーの第1の製造方法例。The 1st example of a manufacturing method of a spectroscopic sensor. 分光センサーの第1の製造方法例。The 1st example of a manufacturing method of a spectroscopic sensor. 分光センサーの第1の製造方法例。The 1st example of a manufacturing method of a spectroscopic sensor. 図16(A)、図16(B)は、分光センサーの第2の詳細な構成例。16A and 16B show a second detailed configuration example of the spectroscopic sensor. 分光センサーの第2の詳細な構成例。The 2nd detailed structural example of a spectroscopic sensor. 分光センサーの第2の製造方法例。The 2nd example of a manufacturing method of a spectroscopic sensor. 分光センサーの第2の製造方法例。The 2nd example of a manufacturing method of a spectroscopic sensor. 分光センサーの第2の製造方法例。The 2nd example of a manufacturing method of a spectroscopic sensor. 電子機器の構成例。Configuration example of electronic equipment.

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. The present embodiment described below does not unduly limit the contents of the present invention described in the claims, and all the configurations described in the present embodiment are indispensable as means for solving the present invention. Not necessarily.

1.構成例
上述のように、医療・健康等の分野では常時装着等が可能な小型の分光センサー装置が求められており、分光センサー装置の小型化が必要であるという課題がある。本実施形態では、光バンドパスフィルターを用いて特定の波長帯域を測定することで、分光センサー装置の小型化を実現する。
1. Configuration Example As described above, there is a demand for a small-sized spectroscopic sensor device that can be always worn in the fields of medical care and health, and there is a problem that the spectroscopic sensor device needs to be miniaturized. In this embodiment, the spectroscopic sensor device is reduced in size by measuring a specific wavelength band using an optical bandpass filter.

図1(A)、図1(B)に、本実施形態の分光センサー装置の構成例を示す。本実施形態の分光センサー装置は、分光センサー100、光源110、遮光部材120、表示パネル130(表示装置)、操作入力部140を含む。なお以下では、簡単のために分光センサー装置の構成を模式的に図示し、図中の寸法や比率は実際のものとは異なる。   FIG. 1A and FIG. 1B show a configuration example of the spectroscopic sensor device of the present embodiment. The spectroscopic sensor device of this embodiment includes a spectroscopic sensor 100, a light source 110, a light shielding member 120, a display panel 130 (display device), and an operation input unit 140. In the following, for the sake of simplicity, the configuration of the spectroscopic sensor device is schematically illustrated, and the dimensions and ratios in the drawing are different from the actual ones.

図1(A)は、観察対象に対向する対向面の平面視図である。図1(A)に示すように、光源110と分光センサー100は、それぞれ遮光部材120により周囲を囲まれている。この遮光部材120は、光源110から分光センサー100への直接光を遮光したり、太陽光や照明光等の外光を遮光する。遮光部材120は、例えばプラスチックや金属により実現され、分光センサー100の測定対象波長を透過しない不透明な素材により形成される。   FIG. 1A is a plan view of a facing surface that faces an observation target. As shown in FIG. 1A, the light source 110 and the spectroscopic sensor 100 are each surrounded by a light shielding member 120. The light blocking member 120 blocks direct light from the light source 110 to the spectroscopic sensor 100, and blocks external light such as sunlight and illumination light. The light shielding member 120 is made of, for example, plastic or metal, and is formed of an opaque material that does not transmit the measurement target wavelength of the spectroscopic sensor 100.

光源110は、例えばLEDにより構成され、広波長帯域の光を観察対象に照射する。広波長帯域の光は、例えば白色光であり、分光センサー100の狭帯域(例えば数十nm)の測定波長を含む広帯域(例えば数百nm)の光である。なお、後述するように、光源110は複数の光源により構成されてもよく、その各光源が異なる測定波長の光を照射してもよい。   The light source 110 is composed of, for example, an LED, and irradiates the observation target with light in a wide wavelength band. The light in the wide wavelength band is, for example, white light, and is light in a wide band (for example, several hundred nm) including a measurement wavelength in a narrow band (for example, several tens of nm) of the spectroscopic sensor 100. As will be described later, the light source 110 may be composed of a plurality of light sources, and each of the light sources may irradiate light having different measurement wavelengths.

分光センサー100は、例えば1チップの半導体基板上に構成され、特定波長帯域の光を分光測定(検出)する。具体的には、分光センサー100は、半導体基板10、回路20、第1〜第4のフォトダイオード31〜34(広義には複数のフォトセンサー部)、第1〜第4の光バンドパスフィルター61〜64(第1〜第4の多層薄膜フィルター)を含む。   The spectroscopic sensor 100 is configured on, for example, a one-chip semiconductor substrate, and spectroscopically measures (detects) light in a specific wavelength band. Specifically, the spectroscopic sensor 100 includes a semiconductor substrate 10, a circuit 20, first to fourth photodiodes 31 to 34 (a plurality of photosensor units in a broad sense), and first to fourth optical bandpass filters 61. To 64 (first to fourth multilayer thin film filters).

フォトダイオード31〜34は、半導体基板10上に形成され、入射光を光電変換する素子である。フォトダイオード31〜34は、それぞれ光バンドパスフィルター61〜64を透過した入射光を受光する。   The photodiodes 31 to 34 are elements that are formed on the semiconductor substrate 10 and photoelectrically convert incident light. The photodiodes 31 to 34 receive the incident light transmitted through the optical bandpass filters 61 to 64, respectively.

光バンドパスフィルター61〜64は、例えばフォトダイオード31〜34上に形成された多層薄膜により実現され、特定波長帯域の光を透過する光学フィルターである。特定波長帯域は、測定対象の複数の帯域であり、各光バンドパスフィルターは、その測定対象の各帯域の光を透過する。例えば、測定対象の各帯域は、測定波長を含む数十nmの帯域である。   The optical bandpass filters 61 to 64 are optical filters that are realized by, for example, a multilayer thin film formed on the photodiodes 31 to 34 and transmit light in a specific wavelength band. The specific wavelength band is a plurality of bands to be measured, and each optical bandpass filter transmits light of each band to be measured. For example, each band to be measured is a band of several tens of nm including the measurement wavelength.

図1(B)は、図1(A)に示す分光センサー装置のAA断面図である。図1(B)に示すように、分光センサー装置の使用時において、遮光部材120の端面(対向面)が観察対象に接する。光源110と分光センサー100は、共に観察対象に対向するように設けられている。そして、光源110からの光が観察対象に照射され、観察対象からの反射光または散乱光が分光センサー100に入射する。   FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA of the spectroscopic sensor device shown in FIG. As shown in FIG. 1B, when the spectroscopic sensor device is used, the end surface (opposing surface) of the light shielding member 120 is in contact with the observation target. Both the light source 110 and the spectroscopic sensor 100 are provided so as to face the observation target. Then, light from the light source 110 is irradiated onto the observation target, and reflected light or scattered light from the observation target enters the spectroscopic sensor 100.

B1に示すように、遮光部材120は、光源110と分光センサー100の間に設けられる部材を含む。この部材は、例えば板状であり、光源と分光センサー100(フォトダイオードの受光面)を結ぶ直線に交差するように設けられる。そして、部材の一辺が使用時において観察対象に接することで、光源110から分光センサー100への直接光を遮光する。   As shown in B <b> 1, the light shielding member 120 includes a member provided between the light source 110 and the spectroscopic sensor 100. This member has, for example, a plate shape, and is provided so as to intersect a straight line connecting the light source and the spectroscopic sensor 100 (light receiving surface of the photodiode). Then, the direct light from the light source 110 to the spectroscopic sensor 100 is shielded by one side of the member being in contact with the observation target in use.

なお、本実施形態の分光センサー装置は図1(A)、図1(B)の構成に限定されず、その構成要素の一部(例えば表示パネル130、入力部140)を省略したり、他の構成要素(例えば入出力インターフェース)を追加したりする等の種々の変形実施が可能である。   Note that the spectroscopic sensor device of the present embodiment is not limited to the configuration shown in FIGS. 1A and 1B, and some of the components (for example, the display panel 130 and the input unit 140) may be omitted or others may be omitted. Various modifications such as adding the above-described components (for example, an input / output interface) are possible.

さて上述のように、分光センサー装置では、装置の小型化が求められているという課題がある。例えば、連続スペクトルを取得する分光センサーでは、プリズム等の設置や光路長の確保により装置が大型化するという課題がある。   As described above, the spectroscopic sensor device has a problem that downsizing of the device is required. For example, in a spectroscopic sensor that acquires a continuous spectrum, there is a problem that the apparatus becomes large due to the installation of a prism or the like and the securing of the optical path length.

この点、本実施形態によれば、分光センサー装置は、検出対象となる複数の波長を含む波長帯域の光を照射する光源部110と、光源部110からの光を観察対象に照射することで得られる光が入射される分光センサー100を含む。分光センサー100は、透過波長が異なる複数の光バンドパスフィルター61〜64と、複数のフォトセンサー部31〜34を有する。例えば、第1の光バンドパスフィルター61は、第1の特定波長を透過する波長特性を有し、第1のフォトセンサー31は、第1の光バンドパスフィルター61を透過した第1の特定波長の光をセンシングする。第2の光バンドパスフィルター62は、第1の特定波長とは異なる第2の特定波長を透過する波長特性を有し、第2のフォトセンサー32は、第2の光バンドパスフィルター62を透過した第2の特定波長の光をセンシングする。   In this regard, according to the present embodiment, the spectroscopic sensor device irradiates the observation target with the light source unit 110 that irradiates light in a wavelength band including a plurality of wavelengths to be detected, and the light from the light source unit 110. The spectroscopic sensor 100 into which the obtained light is incident is included. The spectroscopic sensor 100 includes a plurality of optical bandpass filters 61 to 64 having different transmission wavelengths and a plurality of photosensor units 31 to 34. For example, the first optical bandpass filter 61 has a wavelength characteristic that transmits the first specific wavelength, and the first photosensor 31 transmits the first specific wavelength that has passed through the first optical bandpass filter 61. Sensing light. The second optical bandpass filter 62 has a wavelength characteristic that transmits a second specific wavelength different from the first specific wavelength, and the second photosensor 32 transmits the second optical bandpass filter 62. The second specific wavelength light is sensed.

これにより、分光センサー装置の小型化等が可能になる。すなわち、光バンドパスフィルター61〜64を用いて特定波長だけを分光測定することで、プリズム等の設置や光路長の確保が不要になり、装置の小型化が可能になる。一般に、特定の用途に用いられる分光センサー装置では、測定対象の波長は既知のものであり、分析用途のような連続スペクトルの取得は必須ではない。そのため、上記手法により特定波長だけを測定し、装置を小型化することが可能になる。   As a result, the spectral sensor device can be reduced in size. That is, by spectroscopically measuring only a specific wavelength using the optical bandpass filters 61 to 64, it is not necessary to install a prism or the like and to ensure the optical path length, and the apparatus can be downsized. In general, in a spectroscopic sensor device used for a specific application, a wavelength to be measured is known, and acquisition of a continuous spectrum as in an analysis application is not essential. Therefore, it is possible to measure only a specific wavelength by the above-described method and to reduce the size of the apparatus.

ここで、観察対象とは、分光センサー装置による分光測定の対象物であり、例えば人体の皮膚や皮下組織や血液、海水等の液体、果実等の農産物、土壌等が想定される。   Here, the observation target is an object of spectroscopic measurement by the spectroscopic sensor device, and for example, human skin, subcutaneous tissue, blood, liquid such as seawater, agricultural products such as fruits, soil, and the like are assumed.

なお、光源部110からの光を観察対象に照射することで得られる光は、上述のように観察対象からの反射光や散乱光であってもよく、図5で後述するように、観察対象を透過した透過光であってもよい。   Note that the light obtained by irradiating the observation target with light from the light source unit 110 may be reflected light or scattered light from the observation target as described above. As will be described later with reference to FIG. May be transmitted light that has passed through.

また、本実施形態では、光源部110からの光を観察対象に照射することで得られる反射光が分光センサー100に入射する場合に、光源部110から観察対象を介さずに分光センサー100に入射する光を遮光する遮光部材120を含む。   Further, in this embodiment, when reflected light obtained by irradiating the observation target with light from the light source unit 110 enters the spectroscopic sensor 100, the light source unit 110 enters the spectroscopic sensor 100 without passing through the observation target. A light shielding member 120 that shields light to be transmitted.

より具体的には、光源部110は、観察対象に対向する対向面を横切るように照明光を照射し、分光センサー100は、対向面を横切って入射する観察対象からの反射光または散乱光を受光する。そして、遮光部材120は、光源部110と分光センサー100との間に設けられる。   More specifically, the light source unit 110 emits illumination light so as to cross a facing surface facing the observation target, and the spectroscopic sensor 100 reflects reflected light or scattered light from the observation target incident across the facing surface. Receive light. The light shielding member 120 is provided between the light source unit 110 and the spectroscopic sensor 100.

例えば、図1(B)で上述のように、光源部110と分光センサー100が隣り合って設置され、その光源110から分光センサー100への直接光を遮るように遮光部材(B1に示す部分)が設けられる。あるいは、図2で後述するように、光源部110の周囲に分光センサー100が設置され、その光源110の周囲を囲むように遮光部材121が設けられてもよい。   For example, as described above with reference to FIG. 1B, the light source unit 110 and the spectroscopic sensor 100 are installed next to each other, and a light shielding member (part shown in B <b> 1) so as to block direct light from the light source 110 to the spectroscopic sensor 100. Is provided. Alternatively, as will be described later with reference to FIG. 2, the spectroscopic sensor 100 may be installed around the light source unit 110, and the light shielding member 121 may be provided so as to surround the light source 110.

このようにすれば、光源部110から観察対象を介さずに分光センサー100に入射する光を遮光し、観察対象からの反射光や散乱光のみを分光できる。これにより、直接光によるS/N劣化を抑止できる。   In this way, light incident on the spectroscopic sensor 100 from the light source unit 110 without passing through the observation target can be shielded, and only reflected light or scattered light from the observation target can be split. Thereby, S / N deterioration by direct light can be suppressed.

ここで、上記の対向面とは、分光センサー装置の使用時において観察対象に対向すると想定される面である。例えば、図1(B)に示すように、遮光部材120の端面が観察対象に接するように形成される場合、その端面が含まれる平面が対向面である。   Here, the above-described facing surface is a surface that is assumed to face the observation target when the spectroscopic sensor device is used. For example, as shown in FIG. 1B, when the end face of the light shielding member 120 is formed so as to be in contact with the observation target, the plane including the end face is the facing face.

また、本実施形態では、分光センサー100の複数のフォトセンサー部31〜34は、観察対象に対向する対向面に対する平面視において、光源部110の第1の方向側においてアレイ状に配置される。例えば図1(A)では、第1の方向はD1に示す方向であり、複数のフォトセンサー部31〜34が光源部110の周囲でなく、ある特定の方向D1側に配置される。   In the present embodiment, the plurality of photosensor units 31 to 34 of the spectroscopic sensor 100 are arranged in an array on the first direction side of the light source unit 110 in a plan view with respect to the facing surface facing the observation target. For example, in FIG. 1A, the first direction is the direction indicated by D1, and the plurality of photosensor units 31 to 34 are arranged not on the periphery of the light source unit 110 but on a specific direction D1 side.

また、図2で後述するように、複数のフォトセンサー部31〜34が、観察対象に対向する対向面に対する平面視において、光源部110の周囲に配置されてもよい。   In addition, as will be described later with reference to FIG. 2, the plurality of photosensor units 31 to 34 may be disposed around the light source unit 110 in a plan view with respect to the facing surface facing the observation target.

また、図3、図4で後述するように、光源部110が、観察対象に対向する対向面に対する平面視において、複数のフォトセンサー部31〜34の周囲に配置されてもよい。例えば、図3に示すように、光源部110が複数の光源111〜114を含み、複数の光源111〜114が複数のフォトセンサー部31〜34の周囲に配置されてもよい。あるいは、図4に示すように、光源部110が1つの光源により構成され、その1つの光源が複数のフォトセンサー部31〜34を囲むように配置されてもよい。   Further, as will be described later with reference to FIGS. 3 and 4, the light source unit 110 may be disposed around the plurality of photosensor units 31 to 34 in a plan view with respect to the facing surface facing the observation target. For example, as illustrated in FIG. 3, the light source unit 110 may include a plurality of light sources 111 to 114, and the plurality of light sources 111 to 114 may be disposed around the plurality of photosensor units 31 to 34. Or as shown in FIG. 4, the light source part 110 may be comprised by one light source, and the one light source may be arrange | positioned so that the several photosensor parts 31-34 may be enclosed.

これらの実施形態によれば、光源部110と分光センサー100をコンパクトに配置でき、分光センサー装置の小型化を図ることができる。また、光源部110を複数のフォトセンサー部31〜34の周囲に配置した場合には、分光センサー100を外光からより遠ざけることができるため、外光によるS/N劣化を抑止できる。   According to these embodiments, the light source unit 110 and the spectroscopic sensor 100 can be arranged in a compact manner, and the spectroscopic sensor device can be downsized. Further, when the light source unit 110 is arranged around the plurality of photosensor units 31 to 34, the spectroscopic sensor 100 can be further away from the external light, so that S / N deterioration due to the external light can be suppressed.

2.変形例
上記でも触れたように、本実施形態の分光センサー装置は種々の変形構成が可能である。図2(A)〜図5を用いて、この分光センサー装置の種々の変形例について説明する。
2. Modified Examples As mentioned above, the spectral sensor device of the present embodiment can have various modified configurations. Various modified examples of the spectroscopic sensor device will be described with reference to FIGS.

図2(A)、図2(B)に、光源部の周囲にフォトダイオードが配置される分光センサー装置の第1の変形例を示す。この分光センサー装置は、分光センサー100、光源部110、遮光部材121、122を含む。   2A and 2B show a first modification of the spectroscopic sensor device in which a photodiode is arranged around the light source unit. The spectroscopic sensor device includes a spectroscopic sensor 100, a light source unit 110, and light shielding members 121 and 122.

図2(A)は、観察対象に対向する対向面の平面視図である。図2(A)に示すように、光源部110の周囲を囲むように遮光部材121が設置され、その遮光部材121の外側に複数のフォトダイオード31〜34が配置される。例えば、フォトダイオード31〜34は、光源部110の第1〜第4の方向D1〜D4側に配置される。ここで、対向面に対する平面視において、D2はD1に直交する方向であり、D3はD1の反対方向であり、D4はD2の反対方向である。そして、フォトダイオード31〜34の周囲には、外光を遮光するための遮光部材122が設置される。   FIG. 2A is a plan view of a facing surface facing the observation target. As shown in FIG. 2A, a light shielding member 121 is installed so as to surround the light source unit 110, and a plurality of photodiodes 31 to 34 are arranged outside the light shielding member 121. For example, the photodiodes 31 to 34 are disposed on the first to fourth directions D1 to D4 side of the light source unit 110. Here, in a plan view with respect to the facing surface, D2 is a direction orthogonal to D1, D3 is a direction opposite to D1, and D4 is a direction opposite to D2. A light shielding member 122 for shielding external light is installed around the photodiodes 31 to 34.

図2(B)は、図2(A)に示す分光センサー装置のCC断面図である。図2(B)に示すように、光源部110と遮光部材121は、フォトダイオード31〜34が形成される半導体基板10上に設置(スタック)される。光源部110が設置された半導体基板10上の領域には、例えば光源110用のドライバー回路やフォトダイオード31〜34用の検出回路が形成される。ここで、半導体基板10上とは、半導体基板10の平面に垂直な方向であり、フォトダイオード31〜34や光バンドパスフィルター61〜64等が形成される側の方向である。   FIG. 2B is a CC cross-sectional view of the spectroscopic sensor device shown in FIG. As shown in FIG. 2B, the light source unit 110 and the light shielding member 121 are installed (stacked) on the semiconductor substrate 10 on which the photodiodes 31 to 34 are formed. In the region on the semiconductor substrate 10 where the light source unit 110 is installed, for example, a driver circuit for the light source 110 and a detection circuit for the photodiodes 31 to 34 are formed. Here, “on the semiconductor substrate 10” is a direction perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 10 and is a direction on the side where the photodiodes 31 to 34, the optical bandpass filters 61 to 64, and the like are formed.

図3に、分光センサー100の周囲に複数の光源が配置される分光センサー装置の第2の変形例を示す。この分光センサー装置は、分光センサー100、第1〜第4の光源111〜114(広義には複数の光源)、遮光部材120を含む。   FIG. 3 shows a second modification of the spectroscopic sensor device in which a plurality of light sources are arranged around the spectroscopic sensor 100. The spectroscopic sensor device includes a spectroscopic sensor 100, first to fourth light sources 111 to 114 (a plurality of light sources in a broad sense), and a light shielding member 120.

図3に示すように、分光センサー100の周囲を囲むように遮光部材120が設置され、その遮光部材120の外側に光源111〜114が配置される。例えば、光源111〜114は、分光センサー100の第1〜第4の方向D1〜D4側に配置される。例えば、光バンドパスフィルター61〜64の各透過波長が可視光に含まれる場合、この光源111〜114は白色光を観察対象に対して照射する。あるいは、光源111〜114は、それぞれ光バンドパスフィルター61〜64の透過波長に対応する異なる波長帯域の光を照射してもよい。   As shown in FIG. 3, a light shielding member 120 is installed so as to surround the spectroscopic sensor 100, and light sources 111 to 114 are arranged outside the light shielding member 120. For example, the light sources 111 to 114 are arranged on the first to fourth directions D1 to D4 side of the spectroscopic sensor 100. For example, when the transmission wavelengths of the optical bandpass filters 61 to 64 are included in the visible light, the light sources 111 to 114 irradiate the observation target with white light. Alternatively, the light sources 111 to 114 may irradiate light in different wavelength bands corresponding to the transmission wavelengths of the optical bandpass filters 61 to 64, respectively.

図4に、分光センサー100の周囲を1つの光源が囲む分光センサー装置の第3の変形例を示す。この分光センサー装置は、分光センサー100、光源部110、遮光部材120を含む。   FIG. 4 shows a third modification of the spectroscopic sensor device in which one light source surrounds the spectroscopic sensor 100. The spectroscopic sensor device includes a spectroscopic sensor 100, a light source unit 110, and a light shielding member 120.

図4に示すように、分光センサー100の周囲を囲むように遮光部材120が設置され、その遮光部材120の外側を囲む四角形や円形等の1つながりの光源110が配置される。この光源110は、例えば白色光を照射するEL(Electro-Luminescence)等により実現され、EL用基板150上に形成される。分光センサー100は、例えばこのEL基板上にスタックして配置される。   As shown in FIG. 4, a light shielding member 120 is installed so as to surround the spectroscopic sensor 100, and a continuous light source 110 such as a rectangle or a circle surrounding the outside of the light shielding member 120 is arranged. The light source 110 is realized by, for example, EL (Electro-Luminescence) that emits white light, and is formed on the EL substrate 150. For example, the spectroscopic sensor 100 is stacked on the EL substrate.

図5に、観察対象の透過光を分光測定する分光センサー装置の第4の変形例を示す。この分光センサー装置は、分光センサー100、光源部110、遮光部材120、表示パネル130、操作入力部140を含む。   FIG. 5 shows a fourth modification of the spectroscopic sensor device that spectroscopically measures the transmitted light to be observed. The spectroscopic sensor device includes a spectroscopic sensor 100, a light source unit 110, a light shielding member 120, a display panel 130, and an operation input unit 140.

図5に示すように、光源部110と分光センサー100は、分光センサー装置の使用時において観察対象を挟んで対向して設置される。すなわち、光源部110が観察対象に対して照明光を照射し、観察対象を透過した照明光が分光センサー100に入射し、光バンドパスフィルター61、63が透過光を分光し、フォトダイオード(図示省略)が分光後の透過光をセンシングする。   As shown in FIG. 5, the light source unit 110 and the spectroscopic sensor 100 are installed to face each other with an observation target in between when the spectroscopic sensor device is used. That is, the light source unit 110 irradiates the observation target with illumination light, the illumination light transmitted through the observation target enters the spectroscopic sensor 100, the optical bandpass filters 61 and 63 split the transmitted light, and a photodiode (illustrated). (Omitted) senses the transmitted light after spectroscopy.

3.分光センサーの第1の詳細な構成例
上述のように、連続スペクトルではなく、特定の測定波長のみを測定する分光センサーを用いることで、分光センサー装置の小型化を図ることができる。しかしながら、分光センサー自体の大きさにより分光センサー装置の大きさが制約されるという課題がある。
3. First Detailed Configuration Example of Spectroscopic Sensor As described above, the spectroscopic sensor device can be downsized by using a spectroscopic sensor that measures only a specific measurement wavelength instead of a continuous spectrum. However, there is a problem that the size of the spectroscopic sensor device is limited by the size of the spectroscopic sensor itself.

しかしながら、分光センサーの波長選択性の向上という課題がある。例えば、後述のように、本実施形態の分光センサーには、光バンドパスフィルターの透過波長帯域を制限するための角度制限フィルターが設けられる。このとき、その角度制限フィルターや光バンドパスフィルターを部材で構成すると、部材の接着面で光が拡散減衰するため、波長選択性が低下してしまう。   However, there is a problem of improving the wavelength selectivity of the spectroscopic sensor. For example, as will be described later, the spectral sensor of the present embodiment is provided with an angle limiting filter for limiting the transmission wavelength band of the optical bandpass filter. At this time, if the angle limiting filter or the optical bandpass filter is formed of a member, light is diffused and attenuated on the bonding surface of the member, so that the wavelength selectivity is lowered.

また、例えば、上述の特許文献1には、光ファイバーにより入射光の入射角度を制限することでフィルターの透過波長帯域を制限する手法が開示されている。しかしながら、この手法では、帯域を狭くするために光ファイバーの開口数を小さくすると、入射光の透過率が低下、波長選択性が低下してしまう。   For example, Patent Document 1 described above discloses a technique for limiting the transmission wavelength band of a filter by limiting the incident angle of incident light using an optical fiber. However, in this method, if the numerical aperture of the optical fiber is reduced in order to narrow the band, the transmittance of incident light is lowered and the wavelength selectivity is lowered.

また、分光センサーの製造プロセスの簡素化という課題がある。例えば、特許文献2には、センサー毎に膜厚の異なる多層膜フィルターを用いる手法が開示されている。しかしながら、この手法では、膜厚毎に別個の多層膜形成工程が必要となるため、多層膜の形成工程が煩雑となってしまう。   There is also a problem of simplifying the manufacturing process of the spectroscopic sensor. For example, Patent Document 2 discloses a technique using a multilayer filter having a different film thickness for each sensor. However, this method requires a separate multilayer film forming process for each film thickness, and thus the multilayer film forming process becomes complicated.

そこで、本実施形態では、半導体プロセスにより角度制限フィルターや光バンドパスフィルターを形成することで、簡素な製造プロセスにより分光センサーの小型化を実現する。   Therefore, in this embodiment, the angle limiting filter and the optical bandpass filter are formed by a semiconductor process, so that the spectral sensor can be downsized by a simple manufacturing process.

図6、図7を用いて分光センサーの第1の詳細な構成例について説明する。なお以下では、簡単のために分光センサーの構成を模式的に図示し、図中の寸法や比率は実際のものとは異なる。   A first detailed configuration example of the spectroscopic sensor will be described with reference to FIGS. In the following, for the sake of simplicity, the configuration of the spectroscopic sensor is schematically illustrated, and the dimensions and ratios in the drawing are different from actual ones.

図6には、分光センサーが形成される半導体基板10に対する平面視図を示す。図6は、半導体基板10の平面に垂直な方向から見た平面視において、回路20や角度制限フィルター41等が形成される表面側から見た平面視図である。後述のように角度制限フィルター41、42の上には多層膜フィルターが形成されるが、図6では、簡単のために図示を省略する。   FIG. 6 shows a plan view of the semiconductor substrate 10 on which the spectroscopic sensor is formed. FIG. 6 is a plan view seen from the surface side where the circuit 20 and the angle limiting filter 41 are formed in a plan view seen from a direction perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 10. As will be described later, a multilayer filter is formed on the angle limiting filters 41 and 42, but the illustration is omitted in FIG. 6 for simplicity.

図6に示す分光センサーは、半導体基板10、回路20、第1のフォトダイオード31(広義には、第1のフォトセンサー、第1のフォトダイオード用の不純物領域)、第2のフォトダイオード32(広義には、第2のフォトセンサー、第2のフォトダイオード用の不純物領域)、第1の角度制限フィルター41、第2の角度制限フィルター42を含む。   The spectroscopic sensor shown in FIG. 6 includes a semiconductor substrate 10, a circuit 20, a first photodiode 31 (in a broad sense, a first photosensor, an impurity region for the first photodiode), a second photodiode 32 ( In a broad sense, it includes a second photosensor, an impurity region for the second photodiode, a first angle limiting filter 41, and a second angle limiting filter.

半導体基板10は、例えばP型やN型のシリコン基板(シリコンウエハ)により構成される。この半導体基板10の上には、回路20、フォトダイオード31、32、角度制限フィルター41、42が半導体プロセスにより形成される。ここで、半導体基板10の上とは、半導体基板10の平面に垂直な方向のうち、回路20や角度制限フィルター41等が形成される側の方向を表す。   The semiconductor substrate 10 is composed of, for example, a P-type or N-type silicon substrate (silicon wafer). On the semiconductor substrate 10, a circuit 20, photodiodes 31, 32, and angle limiting filters 41, 42 are formed by a semiconductor process. Here, the top of the semiconductor substrate 10 represents the direction on the side where the circuit 20, the angle limiting filter 41, etc. are formed, among the directions perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 10.

角度制限フィルター41、42は、例えば平面視において格子状に形成され、フォトダイオード31、32に対する入射光の入射角度を制限する。回路20は、例えばフォトダイオード31、32からの出力信号を処理するアンプ、A/D変換回路等により構成される。   The angle limiting filters 41 and 42 are formed, for example, in a lattice shape in a plan view, and limit the incident angle of incident light with respect to the photodiodes 31 and 32. The circuit 20 includes an amplifier that processes output signals from the photodiodes 31 and 32, an A / D conversion circuit, and the like, for example.

なお、本実施形態の分光センサーは図6の構成に限定されず、その構成要素の一部(回路20)を省略したり、他の構成要素を追加したりする等の種々の変形実施が可能である。例えば、フォトダイオードや角度制限フィルターは、上述のように2つであってもよく、1または複数個形成されてもよい。また、角度制限フィルター41、42は、上述のように平面視において格子状であってもよく、他の形状であってもよい。   Note that the spectroscopic sensor of the present embodiment is not limited to the configuration shown in FIG. 6, and various modifications such as omitting some of the components (circuit 20) or adding other components are possible. It is. For example, the number of photodiodes and angle limiting filters may be two as described above, or one or more may be formed. Further, the angle limiting filters 41 and 42 may have a lattice shape in a plan view as described above, or may have another shape.

図7に、分光センサーの断面図を示す。図7は、図6に示すDD断面における断面図である。図7に示す分光センサーは、半導体基板10、フォトダイオード31、32、角度制限フィルター41、42、傾斜構造体50(角度構造体)、第1の光バンドパスフィルター61(第1の多層膜フィルター、第1の誘電体フィルター)、第2の光バンドパスフィルター62(第2の多層膜フィルター、第2の誘電体フィルター)、を含む。   FIG. 7 shows a cross-sectional view of the spectroscopic sensor. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the DD cross section shown in FIG. The spectroscopic sensor shown in FIG. 7 includes a semiconductor substrate 10, photodiodes 31, 32, angle limiting filters 41, 42, an inclined structure 50 (angle structure), a first optical bandpass filter 61 (first multilayer filter). , First dielectric filter) and second optical bandpass filter 62 (second multilayer filter, second dielectric filter).

図7に示すように、半導体基板10にフォトダイオード31、32が形成される。後述するように、このフォトダイオード31、32は、イオン注入等により不純物領域が形成されることで形成される。例えば、フォトダイオード31、32は、P基板上に形成されたN型不純物領域と、P基板との間のPN接合により実現される。あるいは、ディープNウェル(N型不純物領域)上に形成されたP型不純物領域と、ディープNウェルとの間のPN接合により実現される。   As shown in FIG. 7, photodiodes 31 and 32 are formed on the semiconductor substrate 10. As will be described later, the photodiodes 31 and 32 are formed by forming impurity regions by ion implantation or the like. For example, the photodiodes 31 and 32 are realized by a PN junction between an N-type impurity region formed on the P substrate and the P substrate. Alternatively, it is realized by a PN junction between a P-type impurity region formed on a deep N well (N-type impurity region) and the deep N well.

角度制限フィルター41、42は、フォトダイオード31、32により検出される波長に対して遮光性のある遮光物質(光吸収物質または光反射物質)により形成される。具体的には、角度制限フィルター41、42は、半導体プロセスの配線形成工程により形成され、例えばアルミ(光反射物質)配線層等の導電層とタングステン(光吸収物質)プラグ等の導電性プラグにより形成される。角度制限フィルター41、42の底辺の長さ(例えば底面の最長対角線や、長径)と高さのアスペクト比は、光バンドパスフィルター61、62の透過波長帯域(例えば図12(B)で後述するBW1、BW2)に応じて設定される。角度制限フィルター41、42の開口部(中空部)は、フォトダイオード31、32により検出される波長に対して透明な物質により形成され、例えば、SiO(シリコン酸化膜)等の絶縁層により形成(充填)される。 The angle limiting filters 41 and 42 are formed of a light shielding material (light absorbing material or light reflecting material) having a light shielding property with respect to the wavelength detected by the photodiodes 31 and 32. Specifically, the angle limiting filters 41 and 42 are formed by a wiring formation process of a semiconductor process, and include, for example, a conductive layer such as an aluminum (light reflecting material) wiring layer and a conductive plug such as a tungsten (light absorbing material) plug. It is formed. The aspect ratios of the length (for example, the longest diagonal line of the bottom surface and the long diameter) and the height of the angle limiting filters 41 and 42 and the height aspect ratio will be described later with reference to the transmission wavelength band of the optical bandpass filters 61 and 62 (for example, FIG. 12B). BW1, BW2). The openings (hollow portions) of the angle limiting filters 41 and 42 are formed of a material transparent to the wavelength detected by the photodiodes 31 and 32, and are formed of an insulating layer such as SiO 2 (silicon oxide film). (Filled).

傾斜構造体50は、角度制限フィルター41、42の上に形成され、光バンドパスフィルター61、62の透過波長に応じて異なる傾斜角の傾斜面を有する。具体的には、フォトダイオード31の上には、半導体基板10の平面に対する傾斜角θ1の傾斜面が複数形成され、フォトダイオード32の上には、θ1とは異なる傾斜角θ2の傾斜面が複数形成される。後述するように、この傾斜構造体50は、例えばSiO等の絶縁膜をエッチングまたはCMP、グレースケールリソグラフィー技術等により加工することで形成される。 The inclined structure 50 is formed on the angle limiting filters 41 and 42 and has inclined surfaces having different inclination angles depending on the transmission wavelengths of the optical bandpass filters 61 and 62. Specifically, a plurality of inclined surfaces with an inclination angle θ1 with respect to the plane of the semiconductor substrate 10 are formed on the photodiode 31, and a plurality of inclined surfaces with an inclination angle θ2 different from θ1 are formed on the photodiode 32. It is formed. As will be described later, the inclined structure 50 is formed by processing an insulating film such as SiO 2 by etching or CMP, a gray scale lithography technique, or the like.

光バンドパスフィルター61、62は、傾斜構造体50の上に積層された多層薄膜60により形成される。光バンドパスフィルター61、62の透過波長帯域は、傾斜構造体50の傾斜角θ1、θ2と、角度制限フィルター41、42の入射光制限角度(アスペクト比)により決まる。光バンドパスフィルター61、62は、傾斜角度に応じて透過波長が異なる構成のため、透過波長毎に別個の工程で積層するのではなく、同一の多層膜形成工程により積層される。   The optical bandpass filters 61 and 62 are formed by the multilayer thin film 60 laminated on the inclined structure 50. The transmission wavelength bands of the optical bandpass filters 61 and 62 are determined by the inclination angles θ1 and θ2 of the inclined structure 50 and the incident light limiting angle (aspect ratio) of the angle limiting filters 41 and 42. Since the optical bandpass filters 61 and 62 have different transmission wavelengths depending on the tilt angle, they are not laminated in separate processes for each transmission wavelength, but are laminated in the same multilayer film forming process.

さて上述のように、分光センサー装置の小型化のために、分光センサーの小型化を図る必要があるという課題がある。また、分光センサーの波長選択性の向上や、製造プロセスの簡素化という課題がある。   As described above, there is a problem that it is necessary to reduce the size of the spectroscopic sensor in order to reduce the size of the spectroscopic sensor device. Further, there are problems of improving the wavelength selectivity of the spectroscopic sensor and simplifying the manufacturing process.

この点、本実施形態によれば、分光センサーは、フォトダイオードの受光領域(受光面)に対する入射光の入射角度を制限するための角度制限フィルター41、42を含む。そして、角度制限フィルター41、42は、フォトダイオード用の不純物領域31、32の上に半導体プロセスによって形成された遮光物質(例えば、光吸収物質または光反射物質)によって形成される。   In this regard, according to the present embodiment, the spectroscopic sensor includes the angle limiting filters 41 and 42 for limiting the incident angle of the incident light with respect to the light receiving region (light receiving surface) of the photodiode. The angle limiting filters 41 and 42 are formed of a light shielding material (for example, a light absorbing material or a light reflecting material) formed by a semiconductor process on the impurity regions 31 and 32 for the photodiode.

これにより、分光センサーの各構成要素を半導体プロセスにより構成できるため、分光センサーの小型化等が可能になる。すなわち、フォトダイオード31、32や角度制限フィルター41、42を半導体プロセスにより形成することで、容易に微細加工を行い、小型化することができる。また、部材を貼り合わせて構成する場合と比べて、製造プロセスの簡素化を図ることができる。また、角度制限フィルターとして光ファイバーを用いた場合に比べて、制限角度(開口数)の減少による透過光の減少を抑制できる。また、部材の接着による透過光の減少も抑制できる。そのため、光量の確保が容易になり、制限角度を小さくして透過波長帯域をより小さくできる。   Thereby, since each component of the spectroscopic sensor can be configured by a semiconductor process, the spectroscopic sensor can be downsized. That is, by forming the photodiodes 31 and 32 and the angle limiting filters 41 and 42 by a semiconductor process, it is possible to easily perform microfabrication and reduce the size. Further, the manufacturing process can be simplified as compared with the case where the members are bonded to each other. Moreover, compared with the case where an optical fiber is used as the angle limiting filter, it is possible to suppress a decrease in transmitted light due to a decrease in the limiting angle (numerical aperture). In addition, a decrease in transmitted light due to adhesion of members can be suppressed. Therefore, it becomes easy to secure the light amount, and the transmission angle band can be further reduced by reducing the limit angle.

ここで、半導体プロセスとは、半導体基板にトランジスターや、抵抗素子、キャパシター、絶縁層、配線層等を形成するプロセスである。例えば、半導体プロセスは、不純物導入プロセスや、薄膜形成プロセス、フォトリソグラフィープロセス、エッチングプロセス、平坦化プロセス、熱処理プロセスを含むプロセスである。   Here, the semiconductor process is a process for forming a transistor, a resistance element, a capacitor, an insulating layer, a wiring layer, or the like on a semiconductor substrate. For example, the semiconductor process is a process including an impurity introduction process, a thin film formation process, a photolithography process, an etching process, a planarization process, and a heat treatment process.

また、フォトダイオードの受光領域とは、角度制限フィルター41、42を通過した入射光が入射される、フォトダイオード用の不純物領域31、32上の領域である。例えば図6において、格子状の角度制限フィルター41、42の各開口に対応する領域である。あるいは、図7において、角度制限フィルター41、42を形成する遮光物質(例えば、光吸収物質または光反射物質)に囲まれた領域(例えば、領域LRA)である。   The light receiving region of the photodiode is a region on the impurity regions 31 and 32 for the photodiode where the incident light that has passed through the angle limiting filters 41 and 42 is incident. For example, in FIG. 6, it is a region corresponding to each opening of the grid-shaped angle limiting filters 41 and 42. Alternatively, in FIG. 7, a region (for example, region LRA) surrounded by a light shielding material (for example, a light absorbing material or a light reflecting material) forming the angle limiting filters 41 and 42.

また、本実施形態では、角度制限フィルター41、42は、半導体基板10上に形成される他の回路20の配線層形成工程により形成される。具体的には、角度制限フィルター41、42は、回路20の配線層形成と同時に形成され、その配線層形成工程の全部または一部により形成される。例えば、角度制限フィルター41、42は、アルミスパッタリングによるアルミ(広義には光反射物質)配線層形成や、SiOデポジションによる絶縁膜形成、タングステン(広義には光吸収物質)デポジションによるコンタクト形成等により形成される。 In the present embodiment, the angle limiting filters 41 and 42 are formed by a wiring layer forming process of another circuit 20 formed on the semiconductor substrate 10. Specifically, the angle limiting filters 41 and 42 are formed simultaneously with the formation of the wiring layer of the circuit 20, and are formed by all or part of the wiring layer forming process. For example, the angle limiting filters 41 and 42 are formed by forming an aluminum (light reflecting material in a broad sense) wiring layer by aluminum sputtering, forming an insulating film by SiO 2 deposition, or forming a contact by tungsten (light absorbing material in a broad sense) deposition. Etc. are formed.

このようにすれば、角度制限フィルター41、42を、フォトダイオード用の不純物領域31、32の上に半導体プロセスによって形成できる。これにより、角度制限フィルター形成のための別個のプロセスを設ける必要が無く、通常の半導体プロセスを利用して角度制限フィルターを形成できる。   In this way, the angle limiting filters 41 and 42 can be formed on the photodiode impurity regions 31 and 32 by a semiconductor process. Accordingly, it is not necessary to provide a separate process for forming the angle limiting filter, and the angle limiting filter can be formed using a normal semiconductor process.

なお、角度制限フィルター41、42は、アルミ(光反射物質)配線層、タングステン(光吸収物質)コンタクトに限らず、タングステン等の光吸収物質から成る配線層、アルミ等の光反射物質から成るコンタクトにより形成されてもよい。ただし、光吸収物質から成る程遮光性は高まる。   The angle limiting filters 41 and 42 are not limited to an aluminum (light reflecting material) wiring layer and a tungsten (light absorbing material) contact, but are a wiring layer made of a light absorbing material such as tungsten and a contact made of a light reflecting material such as aluminum. May be formed. However, the light shielding property increases as the light absorbing material is formed.

また、角度制限フィルター41、42は、アルミ(光反射物質)配線層、タングステン(光吸収物質)コンタクトに限らず、光吸収物質である窒化チタン(TiN)等の膜付きのアルミ(光反射物質)配線層、タングステン(光吸収物質)コンタクトにより形成されてもよい。アルミ(光反射物質)配線層が光吸収に変わり、タングステンより窒化チタン(TiN)の方が光吸収性が高いためコンタクトの光吸収性も上がるため、遮光性をより高めることができる。   In addition, the angle limiting filters 41 and 42 are not limited to the aluminum (light reflecting material) wiring layer and the tungsten (light absorbing material) contact, but the aluminum (light reflecting material) with a film such as titanium nitride (TiN) which is a light absorbing material. ) A wiring layer or a tungsten (light absorbing material) contact may be formed. The aluminum (light reflecting material) wiring layer is changed to light absorption, and titanium nitride (TiN) has higher light absorption than tungsten, so that the light absorption of the contact also increases, so that the light shielding property can be further improved.

また、本実施形態では、角度制限フィルター41、42は、半導体基板10の上に積層された絶縁膜に空けられたコンタクトホールの導電性プラグにより形成されてもよい。すなわち、アルミ(光反射物質)配線等の金属配線層を用いず、SiO2等の絶縁膜に形成されたタングステン(光吸収物質)プラグ等の導電性プラグのみにより形成されてもよい。なお、角度制限フィルター41、42は、タングステンプラグに限らず、アルミや、ポリシリコン等の他の導電性プラグにより形成されてもよい。   In the present embodiment, the angle limiting filters 41 and 42 may be formed by conductive plugs of contact holes opened in an insulating film stacked on the semiconductor substrate 10. That is, a metal wiring layer such as an aluminum (light reflecting material) wiring may not be used, but only a conductive plug such as a tungsten (light absorbing material) plug formed in an insulating film such as SiO 2. Note that the angle limiting filters 41 and 42 are not limited to tungsten plugs, and may be formed of other conductive plugs such as aluminum and polysilicon.

このようにすれば、角度制限フィルター41、42を導電性プラグにより形成することができる。   In this way, the angle limiting filters 41 and 42 can be formed of conductive plugs.

ここで、上記のコンタクトホールとは、配線層と半導体基板を導通するコンタクトのために空けられるコンタクトホール、または配線層と配線層を導通するビアコンタクトのために空けられるコンタクトホールである。   Here, the contact hole is a contact hole that is opened for a contact that connects the wiring layer and the semiconductor substrate, or a contact hole that is opened for a via contact that connects the wiring layer and the wiring layer.

また、本実施形態では、角度制限フィルター41、42は、半導体プロセスにより形成される導電層または導電性プラグにより形成され、フォトダイオード31、32用の不純物領域からの信号を取得する電極であってもよい。例えば、フォトダイオード31、32用の不純物領域がP型不純物領域である場合、そのP型不純物領域に導通する角度制限フィルター41、42が、フォトダイオード31、32のアノード電極を兼ねてもよい。   In the present embodiment, the angle limiting filters 41 and 42 are electrodes that are formed by a conductive layer or a conductive plug formed by a semiconductor process and obtain signals from the impurity regions for the photodiodes 31 and 32. Also good. For example, when the impurity regions for the photodiodes 31 and 32 are P-type impurity regions, the angle limiting filters 41 and 42 that conduct to the P-type impurity regions may also serve as the anode electrodes of the photodiodes 31 and 32.

このようにすれば、導電層または導電性プラグにより形成される角度制限フィルター41、42を、フォトダイオード31、32の電極として用いることができる。これにより、角度制限フィルター41、42以外に電極を設ける必要が無くなり、電極による入射光量の低下を避けることができる。   In this way, the angle limiting filters 41 and 42 formed by the conductive layer or the conductive plug can be used as the electrodes of the photodiodes 31 and 32. Thereby, it is not necessary to provide an electrode other than the angle limiting filters 41 and 42, and a decrease in the amount of incident light due to the electrode can be avoided.

また、本実施形態では、角度制限フィルター41、42は、半導体基板10に対する平面視において、フォトダイオード31、32の受光領域の外周に沿って形成される。具体的には、フォトダイオード31、32用の不純物領域がそれぞれ1つの受光領域であり、その不純物領域の外周を囲むそれぞれ1つの角度制限フィルターが形成される。あるいは、フォトダイオード31、32用の不純物領域に複数の受光領域が設定され、その複数の受光領域の外周に沿って複数の開口が形成されてもよい。例えば図6に示すように、平面視において正方形の遮光物質が各受光領域を囲み、その正方形が格子状に配列されることで角度制限フィルター41、42が形成される。   In the present embodiment, the angle limiting filters 41 and 42 are formed along the outer periphery of the light receiving region of the photodiodes 31 and 32 in a plan view with respect to the semiconductor substrate 10. Specifically, each of the impurity regions for the photodiodes 31 and 32 is one light receiving region, and one angle limiting filter is formed so as to surround the outer periphery of the impurity region. Alternatively, a plurality of light receiving regions may be set in the impurity regions for the photodiodes 31 and 32, and a plurality of openings may be formed along the outer periphery of the plurality of light receiving regions. For example, as shown in FIG. 6, square light shielding materials surround each light receiving region in plan view, and the angle limiting filters 41 and 42 are formed by arranging the squares in a lattice shape.

なお、角度制限フィルター41、42は、受光領域の外周に沿って閉じている場合に限らず、外周に沿って非連続的な部分があったり、外周に沿って断続的に配置されたりしてもよい。   In addition, the angle limiting filters 41 and 42 are not limited to being closed along the outer periphery of the light receiving region, but may have discontinuous portions along the outer periphery or may be intermittently disposed along the outer periphery. Also good.

このようにすれば、角度制限フィルター41、42が、フォトダイオード31、32の各受光領域の外周に沿って形成されることで、フォトダイオード31、32の各受光領域に対する入射光の入射角度を制限できる。   In this way, the angle limiting filters 41 and 42 are formed along the outer periphery of each light receiving region of the photodiodes 31 and 32, so that the incident angle of the incident light with respect to each light receiving region of the photodiodes 31 and 32 can be reduced. Can be limited.

また、本実施形態では、光バンドパスフィルター61、62は、半導体基板10に対して、透過波長に応じた角度θ1、θ2で傾斜する多層薄膜により形成される。より具体的には、光バンドパスフィルター61、62は、透過波長が異なる複数組の多層薄膜により形成される。そして、その複数組の多層薄膜は、半導体基板10に対する傾斜角度θ1、θ2が透過波長に応じて異なり、同時の薄膜形成工程で形成される。例えば、図7に示すように、傾斜角θ1の複数の多層薄膜が連続して配列されることで1組の多層薄膜が形成される。あるいは、図10で後述するように、異なる傾斜角θ1〜θ3の多層薄膜が隣接して配置され、この傾斜角θ1〜θ3の多層薄膜が繰り返し配置される場合に、同じ傾斜角(例えばθ1)の複数の多層薄膜により1組の多層薄膜が形成されてもよい。   In the present embodiment, the optical bandpass filters 61 and 62 are formed of multilayer thin films that are inclined with respect to the semiconductor substrate 10 at angles θ1 and θ2 according to the transmission wavelength. More specifically, the optical bandpass filters 61 and 62 are formed of a plurality of sets of multilayer thin films having different transmission wavelengths. The plurality of sets of multilayer thin films are formed in the same thin film forming process because the inclination angles θ1 and θ2 with respect to the semiconductor substrate 10 differ according to the transmission wavelength. For example, as shown in FIG. 7, a set of multilayer thin films is formed by continuously arranging a plurality of multilayer thin films having an inclination angle θ1. Alternatively, as will be described later with reference to FIG. 10, when the multilayer thin films having different inclination angles θ1 to θ3 are arranged adjacent to each other, and the multilayer thin films having the inclination angles θ1 to θ3 are repeatedly arranged, the same inclination angle (for example, θ1). A plurality of multilayer thin films may form a set of multilayer thin films.

このようにすれば、透過波長に応じた角度θ1、θ2で傾斜する多層薄膜により光バンドパスフィルター61、62を形成できる。これにより、透過波長に応じた膜厚の多層薄膜を透過波長毎に別個の工程で積層する必要がなくなり、多層薄膜の形成工程を簡素化できる。   In this way, the optical bandpass filters 61 and 62 can be formed by the multilayer thin film inclined at the angles θ1 and θ2 corresponding to the transmission wavelength. This eliminates the need for laminating a multilayer thin film having a film thickness corresponding to the transmission wavelength in a separate process for each transmission wavelength, thereby simplifying the multilayer thin film formation process.

ここで、同時の薄膜形成工程とは、第1組の多層薄膜を形成した後に第2組の多層薄膜を形成するといった同一工程を順次繰り返す工程ではなく、複数組の多層薄膜を同じ(同時、1回の)薄膜形成工程で形成することをいう。   Here, the simultaneous thin film forming process is not a process of sequentially repeating the same process of forming the second set of multilayer thin films after forming the first set of multilayer thin films, but the plurality of sets of multilayer thin films are the same (simultaneously, It means forming in a thin film forming step.

また、本実施形態では、分光センサーは、角度制限フィルター41、42の上に設けられた傾斜構造体50を含む。そして、傾斜構造体50は、半導体基板10に対して、光バンドパスフィルター61、62の透過波長に応じた角度θ1、θ2で傾斜する傾斜面を有し、多層薄膜がその傾斜面の上に形成される。   In the present embodiment, the spectroscopic sensor includes an inclined structure 50 provided on the angle limiting filters 41 and 42. The inclined structure 50 has an inclined surface inclined at angles θ1 and θ2 corresponding to the transmission wavelengths of the optical bandpass filters 61 and 62 with respect to the semiconductor substrate 10, and the multilayer thin film is on the inclined surface. It is formed.

このようにすれば、傾斜構造体50の傾斜面に多層薄膜を形成することで、光バンドパスフィルター61、62の透過波長に応じた角度θ1、θ2で傾斜する多層薄膜を形成できる。   In this way, by forming a multilayer thin film on the inclined surface of the inclined structure 50, it is possible to form a multilayer thin film inclined at angles θ1 and θ2 corresponding to the transmission wavelengths of the optical bandpass filters 61 and 62.

具体的には、本実施形態では、傾斜構造体50は、角度制限フィルター41、42の上に半導体プロセスにより形成される。例えば図14等で後述するように、傾斜構造体50は、半導体プロセスにより積層された透明膜(絶縁膜)に段差または粗密パターンが形成され、その段差または粗密パターンに対して研磨(例えばCMP)及びエッチングの少なくとも一方が行われることで形成される。   Specifically, in the present embodiment, the inclined structure 50 is formed on the angle limiting filters 41 and 42 by a semiconductor process. For example, as will be described later with reference to FIG. 14 and the like, in the inclined structure 50, a step or a dense pattern is formed in a transparent film (insulating film) laminated by a semiconductor process, and the step or the dense pattern is polished (for example, CMP). And at least one of etching is performed.

このようにすれば、傾斜構造体を半導体プロセスにより形成できる。これにより、傾斜構造体の形成工程を簡素化できる。また、傾斜構造体を別部材で構成する場合と比べてコストを削減できる。また、別部材の傾斜構造体との接着面での光量減少を避けることができる。   In this way, the inclined structure can be formed by a semiconductor process. Thereby, the formation process of an inclination structure can be simplified. Moreover, cost can be reduced compared with the case where an inclination structure is comprised by another member. Moreover, the light quantity reduction | decrease in an adhesion surface with the inclination structure of another member can be avoided.

ここで、絶縁膜の段差とは、例えば、半導体基板の断面における半導体基板表面からの絶縁膜表面の高低差である。また、絶縁膜の粗密パターンとは、例えば、半導体基板の断面における半導体基板表面からの絶縁膜表面の高低のパターンであり、高い部分と低い部分の比率により絶縁膜の粗密が形成される。   Here, the level difference of the insulating film is, for example, a difference in height of the surface of the insulating film from the surface of the semiconductor substrate in the cross section of the semiconductor substrate. In addition, the insulating film density pattern is, for example, a height pattern on the surface of the insulating film from the surface of the semiconductor substrate in the cross section of the semiconductor substrate.

なお、傾斜構造体50は、段差または粗密パターンの研磨またはエッチングによる形成に限らず、グレースケールリソグラフィー技術により形成されてもよい。グレースケールリソグラフィー技術では、濃淡を持ったグレースケールマスクを用いてレジストを露光、露光レジストを使ってエッチングし傾斜構造体を形成する。   Note that the inclined structure 50 is not limited to being formed by polishing or etching a step or a dense pattern, but may be formed by a gray scale lithography technique. In the gray scale lithography technique, a resist is exposed using a gray scale mask having light and shade, and etched using the exposed resist to form an inclined structure.

4.分光センサーの変形例
上記実施形態では、傾斜構造体50を半導体プロセスにより形成する構成例について説明したが、本実施形態では、種々の変形実施が可能である。
4). In the above embodiment, the configuration example in which the inclined structure 50 is formed by a semiconductor process has been described. However, in this embodiment, various modifications can be made.

図8には、傾斜構造体50を別部材で形成して貼り合わせる分光センサーの第1の変形例を示す。図8に示す分光センサーは、半導体基板10、フォトダイオード31、32、角度制限フィルター41、42、傾斜構造体50、光バンドパスフィルター61、62、絶縁層70、接着層80を含む。なお以下では、図7等で上述した構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。   FIG. 8 shows a first modification of the spectroscopic sensor in which the inclined structure 50 is formed by another member and bonded. The spectroscopic sensor shown in FIG. 8 includes a semiconductor substrate 10, photodiodes 31 and 32, angle limiting filters 41 and 42, an inclined structure 50, optical bandpass filters 61 and 62, an insulating layer 70, and an adhesive layer 80. In the following, the components described above with reference to FIG.

この第1の変形例では、角度制限フィルター41、42までを上述の構成例と同様に半導体プロセスにより形成する。角度制限フィルター41、42の上には、絶縁層70(またはパッシベーション層)を積層する。この絶縁層70は、必ずしも絶縁膜である必要はなく、センシングする波長を透過する透明膜であればよい。傾斜構造体50は、低融点ガラス等の別部材を金型により加熱プレスすることで形成され、傾斜面と多層薄膜が形成される。傾斜構造体50と絶縁層70は、センシングする波長を透過する透明な接着剤により貼り付けされる。   In the first modification, the angle limiting filters 41 and 42 are formed by a semiconductor process in the same manner as the above-described configuration example. An insulating layer 70 (or a passivation layer) is stacked on the angle limiting filters 41 and 42. The insulating layer 70 is not necessarily an insulating film, and may be a transparent film that transmits a wavelength to be sensed. The inclined structure 50 is formed by heat-pressing another member such as a low-melting glass with a mold, and an inclined surface and a multilayer thin film are formed. The inclined structure 50 and the insulating layer 70 are pasted with a transparent adhesive that transmits the sensing wavelength.

図9には、傾斜構造体50を用いず、半導体基板10に平行な多層薄膜を形成する分光センサーの第2の変形例を示す。図9に示す分光センサーは、半導体基板10、フォトダイオード31、32、角度制限フィルター41、42、光バンドパスフィルター61、62、絶縁層70を含む。   FIG. 9 shows a second modification of the spectroscopic sensor that forms a multilayer thin film parallel to the semiconductor substrate 10 without using the inclined structure 50. The spectroscopic sensor shown in FIG. 9 includes a semiconductor substrate 10, photodiodes 31 and 32, angle limiting filters 41 and 42, optical bandpass filters 61 and 62, and an insulating layer 70.

この第2の変形例では、角度制限フィルター41、42までを上述の構成例と同様に半導体プロセスにより形成し、角度制限フィルター41、42の上に絶縁層70を積層する。そして、絶縁層70の上に光バンドパスフィルター61、62の多層薄膜を形成する。この多層薄膜は、光バンドパスフィルター61、62の透過波長に応じて膜厚が異なり、別々の形成工程により積層される。すなわち、光バンドパスフィルター61、62の一方を形成する際には、他方をフォトレジスト等で覆って多層膜を積層することで、異なる膜厚の多層薄膜を形成する。   In the second modification, the angle limiting filters 41 and 42 are formed by a semiconductor process in the same manner as the above-described configuration example, and the insulating layer 70 is laminated on the angle limiting filters 41 and 42. Then, a multilayer thin film of optical bandpass filters 61 and 62 is formed on the insulating layer 70. The multilayer thin film has a different film thickness depending on the transmission wavelength of the optical bandpass filters 61 and 62, and is laminated by separate forming steps. That is, when one of the optical bandpass filters 61 and 62 is formed, the other is covered with a photoresist or the like, and a multilayer film is laminated to form multilayer thin films having different thicknesses.

図10には、フォトダイオード用の不純物領域をトレンチにより区切る分光センサーの第3の変形例を示す。図10に示す分光センサーは、半導体基板10、フォトダイオード31、32、角度制限フィルター41、42、傾斜構造体50、光バンドパスフィルター61〜63、絶縁層70を含む。なお、フォトダイオード32はフォトダイオード31と同様のため図示及び説明を省略する。   FIG. 10 shows a third modification of the spectroscopic sensor in which the impurity region for the photodiode is divided by a trench. The spectroscopic sensor shown in FIG. 10 includes a semiconductor substrate 10, photodiodes 31 and 32, angle limiting filters 41 and 42, an inclined structure 50, optical bandpass filters 61 to 63, and an insulating layer 70. Since the photodiode 32 is the same as the photodiode 31, illustration and description thereof are omitted.

この第3の変形例では、フォトダイオード31の不純物領域がトレンチ90により区切られ、フォトダイオード31−1〜31−3が形成される。トレンチ90は、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)等の絶縁体トレンチ構造により形成される。傾斜構造体50には傾斜角度θ1〜θ3の傾斜面が形成され、各傾斜面はそれぞれフォトダイオード31−1〜31−3に対応する。そして、各フォトダイオード31−1〜31−3の上に、傾斜角度の異なる光バンドパスフィルター61〜63がそれぞれ形成される。   In the third modification, the impurity region of the photodiode 31 is divided by the trench 90, and the photodiodes 31-1 to 31-3 are formed. The trench 90 is formed by an insulator trench structure such as STI (Shallow Trench Isolation). The inclined structure 50 is formed with inclined surfaces having inclination angles θ1 to θ3, and the inclined surfaces correspond to the photodiodes 31-1 to 31-3, respectively. Then, optical bandpass filters 61 to 63 having different inclination angles are formed on the photodiodes 31-1 to 31-3, respectively.

なお図10では、1つの光バンドパスフィルターが、トレンチ構造で区切られた1つのフォトダイオード(1つの領域)の上に設けられるが、本実施形態では、1つの光バンドパスフィルターが、トレンチ構造で区切られた複数のフォトダイオード(複数の領域)の上に設けられてもよい。   In FIG. 10, one optical bandpass filter is provided on one photodiode (one region) partitioned by a trench structure. However, in this embodiment, one optical bandpass filter has a trench structure. It may be provided on a plurality of photodiodes (a plurality of regions) separated by.

図11には、マイクロレンズアレイ(MLA:Micro-Lens Array)により入射光量を増加させる分光センサーの第4の変形例を示す。図11に示す分光センサーは、半導体基板10、フォトダイオード31、32、角度制限フィルター41、42、傾斜構造体50、光バンドパスフィルター61、62、絶縁層70、マイクロレンズアレイ95を含む。なお、フォトダイオード32はフォトダイオード31と同様のため図示及び説明を省略する。   FIG. 11 shows a fourth modification of the spectroscopic sensor that increases the amount of incident light by a micro-lens array (MLA). The spectroscopic sensor shown in FIG. 11 includes a semiconductor substrate 10, photodiodes 31 and 32, angle limiting filters 41 and 42, an inclined structure 50, optical bandpass filters 61 and 62, an insulating layer 70, and a microlens array 95. Since the photodiode 32 is the same as the photodiode 31, illustration and description thereof are omitted.

この第4の変形例では、角度制限フィルター41の各開口にマイクロレンズを形成し、これらの複数のマイクロレンズによりマイクロレンズアレイ95が構成される。このマイクロレンズアレイ95は、例えば角度制限フィルター41形成後にフォトリソグラフィーによりパターンを形成し、SiO膜をエッチングし、SiOよりも高屈折率の物質をデポジションすることで形成される。 In the fourth modification, a microlens is formed in each opening of the angle limiting filter 41, and a microlens array 95 is configured by the plurality of microlenses. The microlens array 95 is formed, for example, by forming a pattern by photolithography after forming the angle limiting filter 41, etching the SiO 2 film, and depositing a material having a higher refractive index than SiO 2 .

5.光バンドパスフィルターの透過波長帯域
上述のように、光バンドパスフィルターの透過波長帯域は、多層薄膜の傾斜角度と角度制限フィルターの制限角度により設定される。この点について、図12(A)、図12(B)を用いて具体的に説明する。なお、説明を簡単にするために、以下では多層薄膜61、62の膜厚が同じ場合を例に説明するが、本実施形態では、多層薄膜61、62の膜厚が傾斜角θ1、θ2に応じて異なってもよい。例えば、薄膜のデポジションにおいて、半導体基板に対して垂直な方向に薄膜を成長させた場合、多層薄膜61、62の膜厚がcosθ1、cosθ2に比例してもよい。
5. As described above, the transmission wavelength band of the optical bandpass filter is set by the tilt angle of the multilayer thin film and the limiting angle of the angle limiting filter. This point will be specifically described with reference to FIGS. 12A and 12B. In order to simplify the description, a case where the film thicknesses of the multilayer thin films 61 and 62 are the same will be described below as an example. However, in this embodiment, the film thicknesses of the multilayer thin films 61 and 62 are set to the inclination angles θ1 and θ2. It may be different depending on the situation. For example, when the thin film is grown in the direction perpendicular to the semiconductor substrate in the thin film deposition, the film thicknesses of the multilayer thin films 61 and 62 may be proportional to cos θ1 and cos θ2.

図12(A)に示すように、多層薄膜61、62は、厚さd1〜d3(d2<d1、d3<d1)の薄膜により形成される。厚さd1の薄膜の上下に、厚さd2、d3の薄膜が交互に複数層積層される。厚さd2の薄膜は、厚さd1、d3の薄膜とは異なる屈折率の物質により形成される。なお、図12(A)では、簡単のために、厚さd2、d3の薄膜の層数を省略したが、実際には、厚さd1の薄膜の上下に数十層〜数百層の薄膜が積層される。また、図12(A)では、簡単のために厚さd1の薄膜を1層としたが、実際には複数層形成される場合が多い。   As shown in FIG. 12A, the multilayer thin films 61 and 62 are formed of thin films having thicknesses d1 to d3 (d2 <d1, d3 <d1). A plurality of thin films having thicknesses d2 and d3 are alternately stacked above and below the thin film having thickness d1. The thin film having the thickness d2 is formed of a material having a refractive index different from those of the thin films having the thicknesses d1 and d3. In FIG. 12A, the number of thin films having thicknesses d2 and d3 is omitted for the sake of simplicity, but in reality, several tens to several hundreds of thin films are formed above and below the thin film having thickness d1. Are stacked. In FIG. 12A, for the sake of simplicity, the thin film having the thickness d1 is made one layer, but in reality, a plurality of layers are often formed.

多層薄膜61は、フォトダイオード31の受光面に対して傾斜角θ1を有するため、受光面に対して垂直な光線は、多層薄膜61に対してθ1の角度で入射する。そして、角度制限フィルター41の制限角度をΔθとすると、多層薄膜61に対してθ1−Δθ〜θ1+Δθで入射する光線がフォトダイオード31の受光面に到達する。同様に、フォトダイオード32の受光面には、多層薄膜62に対してθ2−Δθ〜θ2+Δθで入射する光線が到達する。   Since the multilayer thin film 61 has an inclination angle θ1 with respect to the light receiving surface of the photodiode 31, light rays perpendicular to the light receiving surface enter the multilayer thin film 61 at an angle θ1. Then, if the limiting angle of the angle limiting filter 41 is Δθ, light rays incident on the multilayer thin film 61 at θ1−Δθ to θ1 + Δθ reach the light receiving surface of the photodiode 31. Similarly, light incident on the multilayer thin film 62 at θ2−Δθ to θ2 + Δθ reaches the light receiving surface of the photodiode 32.

図12(B)に示すように、多層薄膜61の透過波長帯域BW1は、λ1−Δλ〜λ1+Δλである。このとき、入射角度θ1の光線に対する透過波長λ1=2×n×d1×cosθ1である。ここで、nは厚さd1の薄膜の屈折率である。また、λ1−Δλ=2×n×d1×cos(θ1+Δθ)、λ1+Δλ=2×n×d1×cos(θ1−Δθ)である。入射角度θ1の光線に対する透過波長の半値幅HW(例えばHW<BW1)は、多層膜の積層数により決まる。フォトダイオード31の受光量は、受光面に垂直となる入射角θ1で最大であり、制限角度でゼロとなるため、入射光全体での受光量は点線でしめす曲線により表されることとなる。多層薄膜62の透過波長帯域BW2も同様に、λ2−Δλ〜λ2+Δλである。例えばθ2<θ1の場合、λ2=2×n×d1×cosθ2<λ1=2×n×d1×cosθ1である。   As shown in FIG. 12B, the transmission wavelength band BW1 of the multilayer thin film 61 is λ1−Δλ to λ1 + Δλ. At this time, the transmission wavelength λ1 = 2 × n × d1 × cos θ1 with respect to the light beam having the incident angle θ1. Here, n is the refractive index of the thin film having the thickness d1. Further, λ1−Δλ = 2 × n × d1 × cos (θ1 + Δθ) and λ1 + Δλ = 2 × n × d1 × cos (θ1−Δθ). The full width at half maximum HW (for example, HW <BW1) of the transmission wavelength with respect to the light beam having the incident angle θ1 is determined by the number of stacked multilayer films. The amount of light received by the photodiode 31 is maximum at an incident angle θ1 perpendicular to the light receiving surface, and is zero at the limit angle. Therefore, the amount of light received by the entire incident light is represented by a curve indicated by a dotted line. Similarly, the transmission wavelength band BW2 of the multilayer thin film 62 is λ2−Δλ to λ2 + Δλ. For example, if θ2 <θ1, λ2 = 2 × n × d1 × cos θ2 <λ1 = 2 × n × d1 × cos θ1.

上記実施形態によれば、角度制限フィルター41、42は、入射光の入射角度をθ1−Δθ〜θ1+Δθ、θ2−Δθ〜θ2+Δθに制限して、透過波長の変化範囲をλ1−Δλ〜λ1+Δλ、λ2−Δλ〜λ2+Δλに制限する。光バンドパスフィルターは、角度制限フィルター41、42により制限された透過波長の変化範囲λ1−Δλ〜λ1+Δλ、λ2−Δλ〜λ2+Δλにより、透過する特定波長の帯域BW1、BW2が設定される。   According to the above embodiment, the angle limiting filters 41 and 42 limit the incident angle of incident light to θ1−Δθ to θ1 + Δθ and θ2−Δθ to θ2 + Δθ, and change the transmission wavelength change range from λ1−Δλ to λ1 + Δλ, λ2. It is limited to -Δλ to λ2 + Δλ. In the optical band-pass filter, bands BW1 and BW2 of specific wavelengths to be transmitted are set by the transmission wavelength change ranges λ1−Δλ to λ1 + Δλ and λ2−Δλ to λ2 + Δλ limited by the angle limiting filters 41 and 42.

このようにすれば、角度制限フィルター41、42により光バンドパスフィルターの透過波長帯域BW1、BW2を制限し、測定対象の波長帯域の光だけをセンシングすることができる。例えば、角度制限フィルター41、42の制限角度はΔθ≦30°に設定される。望ましくは、角度制限フィルター41、42の制限角度はΔθ≦20°である。   In this way, the transmission wavelength bands BW1 and BW2 of the optical bandpass filter are limited by the angle limiting filters 41 and 42, and only the light in the wavelength band to be measured can be sensed. For example, the limiting angle of the angle limiting filters 41 and 42 is set to Δθ ≦ 30 °. Desirably, the limiting angle of the angle limiting filters 41 and 42 is Δθ ≦ 20 °.

以上では、図1(A)、図1(B)に示すように、光源部110と分光センサー100との間に遮光部材120を設け、光源部110から分光センサー100に観察対象を介さずに入射する光を遮光する場合について述べた。しかしながら、観測対象物が動的な場合、観測対象と遮光部材120との間に間隙が生じ、光源部110からの観察対象を介さない光が僅かに分光センサー100へ入射する場合がある。この場合、観察対象を介さない光の入射角は比較的深い角度となる(例えば、入射角>30°)。   In the above, as shown in FIGS. 1A and 1B, the light shielding member 120 is provided between the light source unit 110 and the spectroscopic sensor 100, and the observation target is not passed from the light source unit 110 to the spectroscopic sensor 100. The case where the incident light is shielded has been described. However, when the observation target is dynamic, a gap is generated between the observation target and the light shielding member 120, and light from the light source unit 110 that does not pass through the observation target may slightly enter the spectroscopic sensor 100. In this case, the incident angle of the light not passing through the observation target is a relatively deep angle (for example, the incident angle> 30 °).

上述のように、角度制限フィルター41、42は分光フィルター100の入射角度を20°〜30°以下に制限するので、観測対象物が動的な場合に光源部110から分光フィルター100に観察対象を介さずに入射する光を排除できる。また、光源部110からの光だけでなく、観測対象物が動的な場合に、観測対象と遮光部材120との間に生じた間隙から入射する他の光(例えば、太陽、蛍光灯等。外光)についても同じ効果を有する。角度センサー41、42には、これらのような付加的効果もある。   As described above, the angle limiting filters 41 and 42 limit the incident angle of the spectral filter 100 to 20 ° to 30 ° or less, so that when the observation target is dynamic, the observation target is moved from the light source unit 110 to the spectral filter 100. Light incident without passing through can be eliminated. Further, not only light from the light source unit 110 but also other light (for example, the sun, a fluorescent lamp, etc.) incident from a gap generated between the observation target and the light shielding member 120 when the observation target is dynamic. The same effect is obtained with respect to external light. The angle sensors 41 and 42 also have such additional effects.

6.分光センサーの第1の製造方法
図13〜図15を用いて、上記第1の詳細な構成例の分光センサーの製造方法例について説明する。
6). First Method for Producing Spectroscopic Sensor An example of a method for producing a spectroscopic sensor having the first detailed configuration example will be described with reference to FIGS.

まず図13のS1に示すように、フォトリソグラフィー、イオン注入、フォトレジスト剥離の工程により、P型基板上にN型拡散層(フォトダイオードの不純物領域)を形成する。S2に示すように、フォトリソグラフィー、イオン注入、フォトレジスト剥離、熱処理の工程により、P型基板上にP型拡散層を形成する。このN型拡散層がフォトダイオードのカソードとなり、P型拡散層(P型基板)がアノードとなる。   First, as shown in S1 of FIG. 13, an N-type diffusion layer (an impurity region of a photodiode) is formed on a P-type substrate by photolithography, ion implantation, and photoresist stripping processes. As shown in S2, a P-type diffusion layer is formed on the P-type substrate by photolithography, ion implantation, photoresist stripping, and heat treatment. This N type diffusion layer becomes the cathode of the photodiode, and the P type diffusion layer (P type substrate) becomes the anode.

次にS3に示すように、コンタクトを形成する。この形成工程では、まずSiOのデポジション、CMPによる平坦化の工程により、絶縁膜を形成する。次にフォトリソグラフィー、SiOの異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、コンタクトホールを形成する。そして、TiNのスパッタリング、W(タングステン)のデポジション、Wのエッチバックの工程により、コンタクトホールの埋め込みを行う。次に、S4に示すように、AL(アルミ)のスパッタリング、TiNのスパッタリング、フォトリソグラフィー、ALとTiNの異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、第1AL配線を形成する。 Next, as shown in S3, a contact is formed. In this formation step, first, an insulating film is formed by a SiO 2 deposition step and a planarization step by CMP. Then photolithography, anisotropic dry etching of SiO 2, by a process of photoresist stripping, contact holes are formed. Then, the contact hole is filled by TiN sputtering, W (tungsten) deposition, and W etchback. Next, as shown in S4, the first AL wiring is formed by the steps of AL (aluminum) sputtering, TiN sputtering, photolithography, AL and TiN anisotropic dry etching, and photoresist stripping.

次にS5に示すように、上記S3、S4と同様の工程によりビアコンタクトと第2AL配線を形成する。そして、このS5の工程を必要回数繰り返す。図13には、第3AL配線まで形成した場合を図示する。次にS6に示すように、SiOのデポジション(点線により図示)、CMPによる平坦化の工程により、絶縁膜を形成する。以上の配線形成工程により、角度制限フィルターを構成するAL配線とタングステンプラグが積層される。 Next, as shown in S5, a via contact and a second AL wiring are formed by the same process as S3 and S4. Then, this step S5 is repeated as many times as necessary. FIG. 13 illustrates a case where the third AL wiring is formed. Next, as shown in S6, an insulating film is formed by SiO 2 deposition (shown by dotted lines) and planarization by CMP. Through the above wiring formation process, the AL wiring and the tungsten plug constituting the angle limiting filter are laminated.

次に図14のS7に示すように、SiOのデポジション、フォトリソグラフィー、SiOの異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、絶縁膜(点線により図示)の段差S7’または粗密パターンS7”を形成する。 Next, as shown in S7 in FIG. 14, deposition of SiO 2, photolithography, anisotropic dry etching of SiO 2, by a process of photoresist stripping, steps S7 'or sparse and dense pattern of the insulating film (shown by a dotted line) S7 "is formed.

次にS8に示すように、CMPによる研磨の工程により、傾斜構造体の傾斜面を形成する。このとき、傾斜構造体の傾斜面は、絶縁膜の段差や粗密パターンの形状に応じた傾斜角度に加工される。   Next, as shown in S8, an inclined surface of the inclined structure is formed by a polishing process using CMP. At this time, the inclined surface of the inclined structure is processed at an inclination angle corresponding to the step of the insulating film and the shape of the dense pattern.

次に図15のS9に示すように、TiO(チタン酸化膜)のスパッタリングとSiOのスパッタリングを交互に行い、傾斜面に多層薄膜を形成する。TiO膜は高屈折率の薄膜であり、SiO膜はTiO膜よりも低屈折率の薄膜である。 Next, as shown in S9 of FIG. 15, sputtering of TiO 2 (titanium oxide film) and sputtering of SiO 2 are performed alternately to form a multilayer thin film on the inclined surface. The TiO 2 film is a thin film having a high refractive index, and the SiO 2 film is a thin film having a lower refractive index than the TiO 2 film.

7.分光センサーの第2の詳細な構成例
上記実施形態では、配線層により角度制限フィルターを形成する場合について説明したが、本実施形態では、シリコントレンチにより半導体基板の裏面に角度制限フィルターを形成してもよい。
7). Second Detailed Configuration Example of Spectroscopic Sensor In the above embodiment, the case where the angle limiting filter is formed by the wiring layer has been described. However, in this embodiment, the angle limiting filter is formed on the back surface of the semiconductor substrate by the silicon trench. Also good.

図16(A)〜図17を用いて、この分光センサーの第2の詳細な構成例について説明する。なお以下では、簡単のために本実施形態の分光センサーの構成を模式的に図示し、図中の寸法や比率は実際のものとは異なる。   A second detailed configuration example of this spectroscopic sensor will be described with reference to FIGS. In the following, for the sake of simplicity, the configuration of the spectroscopic sensor of the present embodiment is schematically illustrated, and the dimensions and ratios in the drawing are different from the actual ones.

図16(A)、図16(B)には、分光センサーが形成される半導体基板10に対する平面視図を示す。図16(A)、図16(B)に示す分光センサーは、半導体基板10、回路20、第1、第2のフォトダイオード31、32、第1、第2の角度制限フィルター41、42を含む。なお後述のように、角度制限フィルター41、42の上には多層膜フィルターが形成されるが、図16(A)、図16(B)では、簡単のために図示を省略する。   16A and 16B are plan views of the semiconductor substrate 10 on which the spectroscopic sensor is formed. The spectroscopic sensor shown in FIGS. 16A and 16B includes a semiconductor substrate 10, a circuit 20, first and second photodiodes 31 and 32, and first and second angle limiting filters 41 and 42. . As will be described later, a multilayer filter is formed on the angle limiting filters 41 and 42, but the illustration is omitted in FIGS. 16A and 16B for simplicity.

図16(A)は、半導体基板10の平面に垂直な方向から見た平面視において、不純物領域や配線層等が形成される表面側から見た平面視図である。半導体基板10の表面側には、フォトダイオード31、32や回路20が半導体プロセスにより形成される。   FIG. 16A is a plan view seen from the surface side where impurity regions, wiring layers, and the like are formed in a plan view seen from a direction perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 10. Photodiodes 31 and 32 and a circuit 20 are formed on the surface side of the semiconductor substrate 10 by a semiconductor process.

図16(B)は、半導体基板10の平面に垂直な方向から見た平面視において、裏面側から見た平面視図である。半導体基板10の裏面には、表面側に形成されたフォトダイオード31、32に向かって、シリコントレンチにより角度制限フィルター41、42が形成される。この角度制限フィルター41、42は、例えば平面視において格子状に形成され、フォトダイオード31、32に対して半導体基板10の裏面側から入射する入射光の入射角度を制限する。   FIG. 16B is a plan view seen from the back side in a plan view seen from a direction perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 10. On the back surface of the semiconductor substrate 10, angle limiting filters 41 and 42 are formed by silicon trenches toward the photodiodes 31 and 32 formed on the front surface side. The angle limiting filters 41 and 42 are formed, for example, in a lattice shape in a plan view, and limit the incident angle of incident light incident on the photodiodes 31 and 32 from the back side of the semiconductor substrate 10.

ここで、シリコントレンチとは、半導体プロセスまたはMEMS(Micro-Electro-Mechanical System)技術により半導体基板10を掘削する手法である。例えば、シリコン基板に対するドライエッチングにより穴や溝、段差等を形成する手法である。   Here, the silicon trench is a technique for excavating the semiconductor substrate 10 by a semiconductor process or MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) technology. For example, a method of forming holes, grooves, steps, etc. by dry etching on a silicon substrate.

なお、本実施形態の分光センサーは図16(A)、図16(B)の構成に限定されず、その構成要素の一部(回路20)を省略したり、他の構成要素を追加したりする等の種々の変形実施が可能である。   Note that the spectroscopic sensor of the present embodiment is not limited to the configuration shown in FIGS. 16A and 16B, and some of the components (circuit 20) may be omitted, or other components may be added. Various modifications such as this are possible.

図17に、図16(B)に示すEE断面における分光センサーの断面図を示す。図17に示す分光センサーは、半導体基板10、配線層15、遮光物質25、フォトダイオード31、32、角度制限フィルター41、42、傾斜構造体50、第1、第2の光バンドパスフィルター61、62、絶縁層70(広義には透明膜)を含む。   FIG. 17 shows a cross-sectional view of the spectroscopic sensor in the EE cross section shown in FIG. The spectroscopic sensor shown in FIG. 17 includes a semiconductor substrate 10, a wiring layer 15, a light shielding material 25, photodiodes 31 and 32, angle limiting filters 41 and 42, an inclined structure 50, first and second optical bandpass filters 61, 62, including an insulating layer 70 (transparent film in a broad sense).

ここで、本実施形態で言う「上」とは、半導体基板10の平面に垂直な方向であり、半導体基板10から離れていく方向である。すなわち、裏面側においても、半導体基板10から離れていく方向を上とする。   Here, “up” in the present embodiment is a direction perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 10 and a direction away from the semiconductor substrate 10. That is, the direction away from the semiconductor substrate 10 is also on the back side.

図17に示すように、半導体基板10の表面側にはフォトダイオード31、32が形成される。このフォトダイオード31、32は、イオン注入等によりP型とN型の不純物領域が形成されることで形成され、その不純物領域のPN接合により実現される。   As shown in FIG. 17, photodiodes 31 and 32 are formed on the surface side of the semiconductor substrate 10. The photodiodes 31 and 32 are formed by forming P-type and N-type impurity regions by ion implantation or the like, and are realized by a PN junction of the impurity regions.

フォトダイオード31、32の上には、配線層15が形成される。この配線層15は、上述の回路20等の形成工程により積層されたものである。フォトダイオード31、32からの出力信号は、この配線層15内の配線によって上述の回路20等に入力され、検出処理される。   A wiring layer 15 is formed on the photodiodes 31 and 32. The wiring layer 15 is laminated by the formation process of the circuit 20 and the like described above. Output signals from the photodiodes 31 and 32 are input to the above-described circuit 20 and the like through the wiring in the wiring layer 15 and subjected to detection processing.

半導体基板10の裏面側には、角度制限フィルター41、42が形成される。この角度制限フィルター41、42は、シリコントレンチにより残った半導体基板10により形成される。シリコントレンチにより掘られた穴の側面(壁面)と、半導体基板10の裏面には、遮光物質(光吸収物質または光反射物質)が配される(形成される、積層される)。一方、フォトダイオードの受光面である穴の底面には、遮光物質が配されない。そして、シリコントレンチにより掘られた穴の壁面が角度制限フィルター41、42の壁面となり、制限角度以上の入射光がフォトダイオード31、32に入射しないように遮光する。角度制限フィルター41、42のアスペクト比は、透過波長帯域(例えば図12(B)で上述のBW1、BW2)に応じて設定される。   Angle limiting filters 41 and 42 are formed on the back side of the semiconductor substrate 10. The angle limiting filters 41 and 42 are formed by the semiconductor substrate 10 left by the silicon trench. A light shielding material (light absorbing material or light reflecting material) is disposed (formed or laminated) on the side surface (wall surface) of the hole dug by the silicon trench and the back surface of the semiconductor substrate 10. On the other hand, no light shielding material is disposed on the bottom surface of the hole which is the light receiving surface of the photodiode. Then, the wall surface of the hole dug by the silicon trench becomes the wall surface of the angle limiting filters 41 and 42, and the incident light having the angle more than the limiting angle is shielded from entering the photodiodes 31 and 32. The aspect ratios of the angle limiting filters 41 and 42 are set according to the transmission wavelength band (for example, BW1 and BW2 described above in FIG. 12B).

角度制限フィルター41、42の上には、角度制限フィルター41、42の開口部(中空部)を充填する絶縁膜70が形成される。例えば、絶縁膜70は、SiO(シリコン酸化膜)等の絶縁膜により形成される。なお、絶縁膜70は、必ずしも絶縁性を有する必要はなく、フォトダイオード31、32により検出される波長に対して透明な物質であればよい。 On the angle limiting filters 41, 42, an insulating film 70 filling the openings (hollow portions) of the angle limiting filters 41, 42 is formed. For example, the insulating film 70 is formed of an insulating film such as SiO 2 (silicon oxide film). The insulating film 70 is not necessarily insulative and may be a material that is transparent to the wavelength detected by the photodiodes 31 and 32.

絶縁膜70の上には、傾斜構造体50が形成される。この傾斜構造体50は、光バンドパスフィルター61、62の透過波長に応じて傾斜角θ1、θ2の傾斜面を有する。傾斜構造体50の上には、光バンドパスフィルター61、62を形成する多層薄膜60が積層される。この光バンドパスフィルター61、62の透過波長帯域は、傾斜構造体50の傾斜角θ1、θ2と、角度制限フィルター41、42の制限角度により決まる。   On the insulating film 70, the inclined structure 50 is formed. The inclined structure 50 has inclined surfaces with inclination angles θ1 and θ2 according to the transmission wavelengths of the optical bandpass filters 61 and 62. On the inclined structure 50, a multilayer thin film 60 that forms the optical bandpass filters 61 and 62 is laminated. The transmission wavelength bands of the optical bandpass filters 61 and 62 are determined by the inclination angles θ1 and θ2 of the inclined structure 50 and the limiting angles of the angle limiting filters 41 and 42.

なお、この第2の詳細な構成例にも上述の第1〜第4の変形例を適用可能である。すなわち、傾斜構造体50を低融点ガラス等で形成して角度制限フィルター41、42の上に貼り付けてもよい。また、半導体基板10に平行な多層薄膜を透過波長毎に形成してもよい。また、フォトダイオード31、32をSTIにより複数のフォトダイオードに区切ってもよい。また、受光量を増加するためのMLAを角度制限フィルター41、42の開口に設けてもよい。   The first to fourth modifications described above can also be applied to this second detailed configuration example. That is, the inclined structure 50 may be formed of low-melting glass or the like and attached on the angle limiting filters 41 and 42. A multilayer thin film parallel to the semiconductor substrate 10 may be formed for each transmission wavelength. The photodiodes 31 and 32 may be divided into a plurality of photodiodes by STI. Further, an MLA for increasing the amount of received light may be provided at the openings of the angle limiting filters 41 and 42.

上記第2の詳細な構成例によれば、角度制限フィルター41、42は、半導体基板10の裏面側からフォトダイオード31、32用の不純物領域に対して、裏面側面及び壁面に遮光物質(光吸収膜または光反射膜または光吸収膜+光反射膜)を配する受光用の穴を形成することにより形成される。   According to the second detailed configuration example, the angle limiting filters 41 and 42 are provided with a light shielding material (light absorption) on the back side surface and the wall surface from the back side of the semiconductor substrate 10 to the impurity regions for the photodiodes 31 and 32. And a light receiving hole in which a film, a light reflecting film, a light absorbing film and a light reflecting film) are provided.

これにより、分光センサーを半導体プロセスやMEMS技術を利用して構成できるため、分光センサーの小型化等が可能になる。すなわち、フォトダイオード31、32を半導体プロセスにより形成し、角度制限フィルター41、42を半導体基板10の裏面掘削により形成することで、容易に微細加工を行い、小型化することができる。   Thereby, since the spectroscopic sensor can be configured using a semiconductor process or MEMS technology, the spectroscopic sensor can be miniaturized. That is, the photodiodes 31 and 32 are formed by a semiconductor process, and the angle limiting filters 41 and 42 are formed by excavating the back surface of the semiconductor substrate 10, so that fine processing can be easily performed and the size can be reduced.

また、本実施形態では、角度制限フィルター41、42は、半導体基板10に対する平面視において、フォトダイオード31、32の受光領域(例えば図17に示す領域LRA)の外周に沿って形成される。具体的には、フォトダイオード31、32用の不純物領域に複数の受光領域が設定され、その複数の受光領域の外周に沿って複数の開口が形成される。例えば図16に示すように、平面視において正方形の遮光物質が各受光領域を囲み、その正方形が格子状に配列されることで角度制限フィルター41、42が形成される。   In the present embodiment, the angle limiting filters 41 and 42 are formed along the outer periphery of the light receiving region (for example, the region LRA shown in FIG. 17) of the photodiodes 31 and 32 in a plan view with respect to the semiconductor substrate 10. Specifically, a plurality of light receiving regions are set in the impurity regions for the photodiodes 31 and 32, and a plurality of openings are formed along the outer periphery of the plurality of light receiving regions. For example, as shown in FIG. 16, a square light shielding material surrounds each light receiving region in plan view, and the angle limiting filters 41 and 42 are formed by arranging the squares in a lattice shape.

このようにすれば、角度制限フィルター41、42がフォトダイオード31、32の各受光領域の外周に沿って形成されることで、フォトダイオード31、32の各受光領域に対する入射光の入射角度を制限できる。   In this way, the angle limiting filters 41 and 42 are formed along the outer periphery of each light receiving region of the photodiodes 31 and 32, thereby limiting the incident angle of incident light with respect to each light receiving region of the photodiodes 31 and 32. it can.

8.分光センサーの第2の製造方法
図18〜図20を用いて、第2の詳細な構成例の分光センサーの製造方法例について説明する。
8). Second Method for Manufacturing Spectroscopic Sensor An example of a method for manufacturing a spectroscopic sensor having a second detailed configuration example will be described with reference to FIGS.

まず図18のS101に示すように、図13のS1〜S6で上述の工程により、基板の表面側にフォトダイオードと配線層を形成する。そして、S102に示すように、ポリイミド塗布、キュアの工程により、絶縁膜の上に保護膜(パシベーション)を形成する。   First, as shown in S101 of FIG. 18, a photodiode and a wiring layer are formed on the surface side of the substrate by the above-described steps in S1 to S6 of FIG. Then, as shown in S102, a protective film (passivation) is formed on the insulating film by a polyimide coating and curing process.

次にS103に示すように、P型シリコン基板の裏面を研削してP型シリコン基板の厚さを調整する。そして、S104に示すように、フォトリソグラフィー、P型シリコン基板の異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、シリコントレンチを形成する。   Next, as shown in S103, the back surface of the P-type silicon substrate is ground to adjust the thickness of the P-type silicon substrate. Then, as shown in S104, a silicon trench is formed by photolithography, anisotropic dry etching of a P-type silicon substrate, and a photoresist peeling process.

次に、S105に示すように、TiN膜のデポジション、TiN膜の異方性ドライエッチングの工程により、シリコントレンチの側面(内壁)と半導体基板の裏面にTiNの光吸収膜(反射防止膜)を形成する。そして、S106に示すように、SiO膜のデポジション(点線により図示)、CMPによるSiO膜の平坦化の工程により、シリコントレンチの埋め込みを行う。このように上記S103〜S106の工程により角度制限フィルターが形成される。 Next, as shown in S105, a TiN light absorption film (antireflection film) is formed on the side surface (inner wall) of the silicon trench and the back surface of the semiconductor substrate by the process of TiN film deposition and TiN film anisotropic dry etching. Form. Then, as shown in S106, (shown by dashed lines) deposition of the SiO 2 film, the step of flattening the SiO 2 film by CMP, to embed the silicon trench. In this way, the angle limiting filter is formed by the steps S103 to S106.

次に図19のS107に示すように、SiO膜のデポジション、フォトリソグラフィー、SiO膜の異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、絶縁膜の段差または粗密パターンを形成する。そして、S108に示すように、CMPによるSiO膜の研磨の工程により、傾斜構造体の傾斜面を形成する。このとき、傾斜構造体の傾斜面は、絶縁膜の段差や粗密パターンの形状に応じた傾斜角度に加工される。 Next, as shown in S107 of FIG. 19, deposition of the SiO 2 film, photolithography, anisotropic dry etching of SiO 2 film, by a process of photoresist stripping, to form a step or sparse and dense pattern of the insulating film. Then, as shown in S108, the inclined surface of the inclined structure is formed by the step of polishing the SiO 2 film by CMP. At this time, the inclined surface of the inclined structure is processed at an inclination angle corresponding to the step of the insulating film and the shape of the dense pattern.

次に図20のS109に示すように、TiO(チタン酸化膜)のスパッタリングとSiOのスパッタリングを交互に行い、傾斜面に多層薄膜を形成する。TiO膜は高屈折率の薄膜であり、SiO膜はTiO膜よりも低屈折率の薄膜である。 Next, as shown in S109 of FIG. 20, sputtering of TiO 2 (titanium oxide film) and sputtering of SiO 2 are performed alternately to form a multilayer thin film on the inclined surface. The TiO 2 film is a thin film having a high refractive index, and the SiO 2 film is a thin film having a lower refractive index than the TiO 2 film.

9.電子機器
図21に、本実施形態の分光センサー装置を含む電子機器の構成例を示す。例えば、電子機器として、脈拍計、パルスオキシメーター、血糖値測定器、果実糖度計などが想定される。
9. Electronic Device FIG. 21 shows a configuration example of an electronic device including the spectroscopic sensor device of the present embodiment. For example, a pulse meter, a pulse oximeter, a blood glucose level measuring device, a fruit sugar meter, and the like are assumed as electronic devices.

図21に示す電子機器は、分光センサー装置900、マイクロコンピューター970(CPU)、記憶装置980、表示装置990を含む。分光センサー装置900は、LED950(光源)、LEDドライバー960、分光センサー910を含む。分光センサー910は、例えば1チップのICに集積され、フォトダイオード920、検出回路930、A/D変換回路940を含む。   The electronic device illustrated in FIG. 21 includes a spectroscopic sensor device 900, a microcomputer 970 (CPU), a storage device 980, and a display device 990. The spectroscopic sensor device 900 includes an LED 950 (light source), an LED driver 960, and a spectroscopic sensor 910. The spectroscopic sensor 910 is integrated in, for example, a one-chip IC, and includes a photodiode 920, a detection circuit 930, and an A / D conversion circuit 940.

LED950は、例えば白色光を観察対象に照射する。分光センサー装置900は、観察対象からの反射光や透過光を分光し、各波長の信号を取得する。マイクロコンピューター970は、LEDドライバー960の制御や、分光センサー910からの信号の取得を行う。マイクロコンピューター970は、取得した信号に基づく表示を表示装置990(例えば液晶表示装置)に表示したり、取得した信号に基づくデータを記憶装置980(例えばメモリーや、磁気ディスク)に記憶する。   The LED 950 irradiates the observation target with, for example, white light. The spectroscopic sensor device 900 separates reflected light and transmitted light from the observation target and acquires signals of each wavelength. The microcomputer 970 controls the LED driver 960 and acquires a signal from the spectroscopic sensor 910. The microcomputer 970 displays a display based on the acquired signal on a display device 990 (for example, a liquid crystal display device), and stores data based on the acquired signal in a storage device 980 (for example, a memory or a magnetic disk).

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語(フォトセンサー、薄膜フィルター、半導体基板等)と共に記載された用語(フォトダイオード、光バンドパスフィルター、シリコン基板等)は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、分光センサー、分光センサー装置、電子機器等の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。   Although the present embodiment has been described in detail as described above, it will be easily understood by those skilled in the art that many modifications can be made without departing from the novel matters and effects of the present invention. Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention. For example, in the specification or drawings, terms (photodiodes, optical bandpass filters, silicon substrates, etc.) described at least once together with different terms (photosensors, thin film filters, semiconductor substrates, etc.) having a broader meaning or the same meaning are used in the specification. The different terms can be used anywhere in the book or drawing. Further, the configuration and operation of the spectroscopic sensor, spectroscopic sensor device, electronic device, and the like are not limited to those described in this embodiment, and various modifications can be made.

10 半導体基板、20 回路、31,32 フォトダイオード、
41,42 角度制限フィルター、50 傾斜構造体、60 多層薄膜、
61,62 光バンドパスフィルター、70 絶縁層、80 接着層、
90 トレンチ、95 マイクロレンズアレイ、
100 分光センサー、110 光源部、111〜114 複数の光源、
120 遮光部材、130 表示パネル、140 操作入力部、150 EL用基板、
900 分光センサー装置、910 分光センサー、920 フォトダイオード、
930 検出回路、940 A/D変換回路、950 LED、
960 LEDドライバー、970 マイクロコンピューター、980 記憶装置、
990 表示装置、
BW1,BW2 透過波長帯域、LRA 受光領域、θ1,θ2 傾斜角度、
λ1,λ2透過波長
10 semiconductor substrate, 20 circuit, 31, 32 photodiode,
41, 42 Angle limiting filter, 50 inclined structure, 60 multilayer thin film,
61, 62 Optical band pass filter, 70 insulating layer, 80 adhesive layer,
90 trench, 95 micro lens array,
100 spectroscopic sensor, 110 light source unit, 111-114 plural light sources,
120 light shielding member, 130 display panel, 140 operation input unit, 150 EL substrate,
900 spectroscopic sensor device, 910 spectroscopic sensor, 920 photodiode,
930 detection circuit, 940 A / D conversion circuit, 950 LED,
960 LED driver, 970 microcomputer, 980 storage device,
990 display device,
BW1, BW2 transmission wavelength band, LRA light receiving region, θ1, θ2 tilt angle,
λ1, λ2 transmission wavelength

Claims (8)

照射光を観察対象へ照射する光源部と、
前記観察対象を経由した前記光源部からの前記照射光を検出する検出部と、を含み、
前記検出部は、不純物領域を有するフォトセンサー部と、
前記フォトセンサー部に到達する前記照射光の入射角度を制限する角度制限フィルターを有し、
前記角度制限フィルターは、前記不純物領域から前記照射光の入射端までの高さに対して前記入射角度の制限角度により設定されるピッチで設けられる複数の積層体を具備することを特徴とする分光センサー装置。
A light source unit that irradiates the observation target with irradiation light;
A detection unit that detects the irradiation light from the light source unit via the observation object,
The detection unit includes a photosensor unit having an impurity region;
An angle limiting filter for limiting an incident angle of the irradiation light reaching the photosensor unit;
The angle limiting filter includes a plurality of stacked bodies provided at a pitch set by a limit angle of the incident angle with respect to a height from the impurity region to the incident end of the irradiation light. Sensor device.
請求項1において、
前記積層体は、前記不純物領域上又は、前記不純物領域上に設けられたシリコン酸化膜上に設けられることを特徴とする分光センサー装置。
In claim 1,
The spectral sensor device according to claim 1, wherein the stacked body is provided on the impurity region or a silicon oxide film provided on the impurity region.
請求項1又は2において、
前記積層体は、窒化チタンで形成された部材を含むことを特徴とする分光センサー装置。
In claim 1 or 2,
The spectral sensor device, wherein the laminate includes a member formed of titanium nitride.
請求項1又は2において、
前記積層体は、タングステンで形成された部材を含むことを特徴とする分光センサー装置。
In claim 1 or 2,
The spectroscopic sensor device, wherein the laminate includes a member made of tungsten.
請求項1又は2において、
前記積層体は、アルミニウムで形成された部材を含むことを特徴とする分光センサー装置。
In claim 1 or 2,
The spectroscopic sensor device, wherein the laminate includes a member formed of aluminum.
請求項1乃至5のいずれかにおいて、
前記フォトセンサー部は、前記半導体プロセスで形成されることを特徴とする分光センサー装置。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
The spectroscopic sensor device, wherein the photosensor unit is formed by the semiconductor process.
請求項1乃至6のいずれかにおいて、
前記ピッチは、前記フォトセンサー部の幅よりも短いことを特徴とする分光センサー装置。
In any one of Claims 1 thru | or 6.
The spectral sensor device according to claim 1, wherein the pitch is shorter than a width of the photosensor portion.
請求項1乃至7のいずれかに記載された分光センサー装置を含むことを特徴とする電子機器。   An electronic apparatus comprising the spectroscopic sensor device according to claim 1.
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