JP5870549B2 - 傾斜構造体及び分光センサーの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、傾斜構造体及び分光センサーの製造方法に関する。

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、糖分の光吸収を利用して果実の糖度を測定する糖度計が用いられる。

下記の特許文献１には、干渉フィルターと光電変換素子との間を光学的に接続する光ファイバーによって入射角度を制限することにより、光電変換素子への透過波長帯域を制限する分光イメージングセンサーが開示されている。しかし、従来の分光センサーにおいては、小型化が難しい。

特開平６−１２９９０８号公報

例えば、小型の分光センサーを作製するには、微小な傾斜構造体を形成することが求められる。しかし、従来の技術においては、微小な傾斜構造体を製造するのは困難であった。

本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものである。本発明の幾つかの態様は、微小な傾斜構造体を製造可能な製造方法を提供することに関連している。

本発明の第１の態様において、傾斜構造体の製造方法は、基板の上方に第１の層を形成する工程（ａ）と、第１の層の上方に第２の層を形成する工程（ｂ）と、第２の層の上方に第３の層を形成する工程（ｃ）と、基板との間で第１〜第３の層を覆い、第３の層の上面の一部が露出するように開口を有するレジスト層を形成する工程（ｄ）と、レジスト層の開口を通して第３の層をエッチングすることにより、基板の上面と交差する方向の端面を第３の層に形成する工程（ｅ）と、レジスト層の開口を通して、第３の層の端面をエッチングすると共に、第３の層の端面のエッチングによって露出した第２の層を順次エッチングし、さらに、第２の層のエッチングによって露出した第１の層を順次エッチングする工程（ｆ）とを備える。
この態様によれば、半導体プロセスと親和性の高い工程によって、微小な傾斜構造体を容易に製造することができる。さらに、第１〜第３の層の側面をレジスト層によって覆うことにより、左右方向からエッチング液が浸入することを防止できる。

上述の態様において、工程（ｅ）が、レジスト層をマスクとして第３の層をエッチングすることにより、端面を第３の層に形成することを含み、工程（ｆ）が、第３の層の上面をレジスト層によって保護しつつ、第３の層の端面をエッチングすると共に、第３の層の端面のエッチングによって露出した第２の層を順次エッチングし、さらに、第２の層のエッチングによって露出した第１の層を順次エッチングすることを含むことが望ましい。
これによれば、第３の層の厚さが薄くても、傾斜構造体を製造することができる。

上述の態様において、工程（ｃ）が、互いに厚さが異なる第１の領域及び第２の領域を有する第３の層を形成することを含み、工程（ｄ）が、第３の層の第１の領域及び第２の領域にレジスト層を形成することを含み、工程（ｅ）が、基板の上面と交差する方向の２つの端面を第３の層の第１の領域及び第２の領域に形成することを含み、工程（ｆ）が、第３の層の第１の領域内の端面と第２の領域内の端面とを同時にエッチングすることを含むことが望ましい。
これによれば、第３の層の厚さによってエッチングレートを調整することにより、複数種類の傾斜角度を有する傾斜構造体を１回のエッチングで形成することができる。

上述の態様において、工程（ｃ）と工程（ｄ）との間に、第３の層の少なくとも一部の領域に不純物のイオンを注入する工程をさらに備えることが望ましい。
これによれば、第３の層の不純物濃度によってエッチングレートを調整することにより、傾斜構造体の傾斜角度を調整することができる。

本発明の第２の態様において、傾斜構造体の製造方法は、基板の上方に第１の層を形成する工程（ａ）と、第１の層の上方に第２の層を形成する工程（ｂ）と、第２の層の上方に第３の層を形成する工程（ｃ）と、第３の層の上面における第１の領域に第１のレジスト層を形成する一方、第２の領域にレジスト層を形成しない工程（ｄ）と、第１のレジスト層をマスクとして第３の層に不純物のイオンを注入する工程（ｅ）と、第３の層の上面から第１のレジスト層を除去する工程（ｆ）と、第３の層の所定の領域に第２のレジスト層を形成する工程（ｇ）と、第２のレジスト層をマスクとして第３の層の一部をエッチングすることにより、基板の上面と交差する方向の２つの端面を第３の層の第１の領域及び第２の領域に形成する工程（ｈ）と、第３の層の上面を第２のレジスト層によって保護しつつ、第３の層の第１の領域内の端面と第２の領域内の端面とを同時にエッチングすると共に、第３の層の端面のエッチングによって露出した第２の層を順次エッチングし、さらに、第２の層のエッチングによって露出した第１の層を順次エッチングする工程（ｉ）と
を備える。
これによれば、第３の層の不純物濃度によってエッチングレートを調整することにより、複数種類の傾斜角度を有する傾斜構造体を１回のエッチングで形成することができる。

上述の態様において、基板の面方向における第３の層のエッチングレートが、第２の層のエッチングレート及び第１の層のエッチングレートよりも大きいことが望ましい。
これによれば、傾斜角度が４５［ｄｅｇ］より緩やかな傾斜構造体を容易に製造することができる。

上述の態様において、基板の面方向における第２の層のエッチングレートが、第１の層のエッチングレートよりも大きいことが望ましい。
これによれば、傾斜角度が４５［ｄｅｇ］より緩やかな傾斜構造体を容易に製造することができる。

本発明の他の態様において、分光センサーの製造方法は、基板に受光素子を形成する工程と、受光素子の上方に、受光素子に向けて通過する光の入射方向を制限する角度制限フィルターを形成する工程と、角度制限フィルターの上方に、上述の方法によって傾斜構造体を形成し、傾斜構造体の上方に多層膜を形成することにより、角度制限フィルターを通過できる光の波長を制限する分光フィルターを形成する工程とを備える。
この態様によれば、半導体プロセスと親和性の高い工程によって、小型の分光センサーを製造することができる。

第１の実施形態に係る傾斜構造体の製造方法を示す断面図。 第１の実施形態に係る傾斜構造体の製造方法を示す断面図。 第１の実施形態に係る傾斜構造体の製造方法を示す断面図。 第１の実施形態でレジスト層を形成した状態を示す平面図及び断面図。 第２の実施形態に係る傾斜構造体の製造方法を示す断面図。 第２の実施形態に係る傾斜構造体の製造方法を示す断面図。 第３の実施形態に係る傾斜構造体の製造方法を示す断面図。 第３の実施形態に係る傾斜構造体の製造方法を示す断面図。 第４の実施形態に係る傾斜構造体の製造方法を示す断面図。 第４の実施形態に係る傾斜構造体の製造方法を示す断面図。 第５の実施形態に係る傾斜構造体の製造方法を示す断面図。 第５の実施形態に係る傾斜構造体の製造方法を示す断面図。 実施形態に係る傾斜構造体を用いた分光センサーの概略構成を示す断面図。

以下、本発明の実施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い。また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。また同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。

＜１．第１の実施形態＞
図１〜図３は、本発明の第１の実施形態に係る傾斜構造体の製造方法を示す断面図である。図４（Ａ）は、第１の実施形態においてレジスト層を形成した状態を示す平面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、図４（Ｃ）は、図４（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。なお、図２（Ｄ）は、図４（Ａ）のＤ−Ｄ線断面を拡大した図に相当する。

＜１−１．積層＞
まず、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、基板１０上に、傾斜構造体を構成する層となる第１の層１１及び第２の層１２を形成する。第１の層１１及び第２の層１２としては、傾斜構造体に求められる性質に応じて、絶縁性材料或いは導電性材料を用いることができる。絶縁性材料としては、ＳｉＯＦ、ＰＳＧ（phospho-silicate glass）、ＢＰＳＧ（boro-phospho-silicate glass）、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、有機膜等が挙げられる。導電性材料としては、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ａｌ−Ｃｕ合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金、Ｓｉ、ＷＳｉ_２、ＴｉＳｉ_２、ＣｏＳｉ_２、ＮｉＳｉ_２、ＣｒＳｉ_２、ＭｏＳｉ_２、ＴａＳｉ_２、ＴａＮ、ＴｉＮ等が挙げられる。第１の層１１と第２の層１２は、後述のエッチング工程においてエッチングレートの相違が求められるため、互いに異なる材料であることが好ましい。第１の層１１及び第２の層１２の各々の厚さは、傾斜構造体に求められる傾斜面の高さに応じて設定される。なお、基板１０上に第１の層１１を直接形成する場合について説明したが、これに限らず、基板１０と第１の層１１との間に他の層が挟まれていても良い。

次に、図１（Ｃ）に示すように、第２の層１２上に、犠牲層となる第３の層１３を形成する。第３の層１３としては、第１の層１１及び第２の層１２と同様に、絶縁性材料或いは導電性材料を用いることができる。但し、第３の層１３は、基板１０の面方向におけるエッチングレート（後述のエッチング工程におけるエッチング液を用いた場合のエッチングレートをいう。以下同じ。）が、第１の層１１のエッチングレート及び第２の層１２のエッチングレートより大きい材料であることが望ましい。本実施形態においては、第１の層１１、第２の層１２、第３の層１３の順でエッチングレートが大きくなるようにする。

例えば、エッチング液として水で１０倍に希釈した弗酸（ＨＦ）を用いる場合、Ｔｈ−ＳｉＯ_２（熱酸化によって形成した酸化シリコン）、Ｐ−ＳｉＯ_２（プラズマ化学気相成長法によって形成した酸化シリコン）、Ｏ_３−ＴＥＯＳ（テトラエトキシシランをオゾンによって酸化させて堆積させた絶縁膜）、ＳＯＧ（Spin on Glass）は、この順でエッチングレートが大きくなる。従って、例えば、第１の層１１としてＰ−ＳｉＯ_２を用い、第２の層１２としてＯ_３−ＴＥＯＳを用い、第３の層１３としてＳＯＧを用いることができる。第１の層１１、第２の層１２、第３の層１３の順でエッチングレートが大きくなるようにすれば、他の組合せを用いても良い。また、エッチング液としては、弗酸水溶液と弗化アンモニウムとの混合液や、弗酸水溶液と弗化アンモニウムと酢酸との混合液を用いてもよい。

第３の層１３の厚さは、第２の層１２と後述のレジスト層１４との間において、第３の層１３の端面にエッチング液が作用する程度の厚さがあれば良い。従って、第３の層１３は、第１の層１１及び第２の層１２より薄いものとすることができる。

次に、図２（Ｄ）に示すように、第３の層１３上の所定領域に、エッチング用マスクとなる所定形状のレジスト層１４を形成する。図４に示すように、レジスト層１４は、第１の層１１、第２の層１２及び第３の層１３のほぼ全体を覆い、且つ第３の層１３の一部が露出するように、開口１４ａを有している。

なお、第１の層１１、第２の層１２及び第３の層１３は基板１０上の全面に形成されていても良いし、図４に示すように所定形状にパターニングされていても良い。図４に示すように、第１の層１１、第２の層１２及び第３の層１３を所定形状にパターニングし、その側面をレジスト層１４等によって覆うことにより、後述のエッチング工程において図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）の左右方向からエッチング液が浸入することを防止できる。
また、第１の層１１、第２の層１２及び第３の層１３が基板１０上の全面に形成されている場合でも、第１の層１１、第２の層１２及び第３の層１３の側面を何らかの層で覆うことにより、エッチング液が侵入することを防止できる。

＜１−２．エッチング＞
次に、図２（Ｅ）〜図２（Ｇ）に示すように、第３の層１３及び第２の層１２のウェットエッチングを行う。このとき、まず図２（Ｅ）に示すように、第３の層１３のレジスト層１４によって上面を保護されていない露出部分からエッチングが始まる。第３の層１３の露出部分がエッチングされると、第２の層１２の上面の一部（第３の層１３のエッチングされた部分の下方部分）と、第３の層１３の端面とが露出する。その後、露出した第２の層１２と、第３の層１３の端面とが同時にエッチングされる。

このとき、基板１０の面方向における第３の層１３のエッチングレートが第２の層１２のエッチングレートより大きいので、図２（Ｆ）及び図２（Ｇ）に示すように、第３の層１３の端面からのエッチングが早く進んでいく。第３の層１３の端面がエッチングされると、第２の層１２の上面が順次露出するので、第２の層１２のエッチングが順次開始される。従って、第３の層１３の端面のエッチングを追いかけるようにして、第２の層１２のエッチングが順次開始される。

ここで、図２（Ｅ）は時刻ｔ＝−ｔ_ｅにおけるエッチングの進行状況を示し、図２（Ｆ）は時刻ｔ＝−ｔ_ｆにおけるエッチングの進行状況を示し、図２（Ｇ）は時刻ｔ＝０におけるエッチングの進行状況を示すものとする。そして、図２（Ｅ）においては第２の層１２と第３の層１３との境界に位置する点ｅまでエッチングが進み、図２（Ｆ）において第２の層１２と第３の層１３との境界に位置する点ｆまでエッチングが進み、図２（Ｇ）において第２の層１２と第３の層１３との境界に位置する点ｇまでエッチングが進んだものとする。

第３の層１３のエッチングレート（エッチングの速さ）をｖ_３とすると、時刻ｔ＝−ｔ_ｅから時刻ｔ＝０までの間に第３の層１３において進むエッチングの距離（点ｅと点ｇとの間の距離）は、（ｖ_３×ｔ_ｅ）であり、時刻ｔ＝−ｔ_ｆから時刻ｔ＝０までの間に第３の層１３において進むエッチングの距離（点ｆと点ｇとの間の距離）は、（ｖ_３×ｔ_ｆ）である。

一方、点ｅにおける第２の層１２のエッチングは、点ｅまで第３の層１３のエッチングが進んだ時にスタートし、点ｆにおける第２の層１２のエッチングは、点ｆまで第３の層１３のエッチングが進んだ時にスタートする。従って、第２の層１２のエッチングレートをｖ_２とすると、時刻ｔ＝−ｔ_ｅから時刻ｔ＝０までの間に進む第２の層１２のエッチング深さは、（ｖ_２×ｔ_ｅ）であり、時刻ｔ＝−ｔ_ｆから時刻ｔ＝０までの間に進む第２の層１２のエッチング深さは、（ｖ_２×ｔ_ｆ）である。

ここで、（ｖ_３×ｔ_ｅ）と（ｖ_３×ｔ_ｆ）との比は、（ｖ_２×ｔ_ｅ）と（ｖ_２×ｔ_ｆ）との比に等しい。このことから、本実施形態によれば、傾斜角度が一定の、曲面ではなく平面状の傾斜面を形成できることがわかる。この傾斜角度は、第３の層１３のエッチングレートｖ_３と第２の層１２のエッチングレートｖ_２との比によって決まる。

第２の層１２のエッチングレートｖ_２に対する第３の層１３のエッチングレートｖ_３の比が十分に大きい場合には、傾斜構造体の傾斜角度は緩やかになり、第２の層１２のエッチングレートｖ_２に対する第３の層１３のエッチングレートｖ_３の比が小さくなるに従って、傾斜構造体の傾斜角度が急になる。これにより、傾斜構造体の傾斜角度を調整することができる。

図２（Ｇ）に示すように、第２の層１２がエッチングされると、第１の層１１が一部露出する。その後、図３（Ｈ）〜図３（Ｊ）に示すように、一部露出した第１の層１１がエッチングされるとともに、引き続き、第２の層１２の傾斜面と、第３の層１３の端面とがエッチングされる。

ここで、図３（Ｈ）は時刻ｔ＝−ｔ_ｈにおけるエッチングの進行状況を示し、図３（Ｉ）は時刻ｔ＝−ｔ_ｉにおけるエッチングの進行状況を示し、図３（Ｊ）は時刻ｔ＝０におけるエッチングの進行状況を示すものとする。そして、図３（Ｈ）においては第２の層１２と第３の層１３との境界に位置する点ｈ、及び第１の層１１と第２の層１２との境界に位置する点Ｈまでエッチングが進み、図３（Ｉ）において第２の層１２と第３の層１３との境界に位置する点ｉ、及び第１の層１１と第２の層１２との境界に位置する点Ｉまでエッチングが進み、図３（Ｊ）において第１の層１１と第２の層１２との境界に位置する点Ｊまでエッチングが進んだものとする。

このとき、上述の通り、第２の層１２の傾斜面の傾斜角度は一定であり、図３（Ｉ）の断面における点Ｈと点Ｉとの距離は、点ｈと点ｉとの距離に等しくなる。すなわち、第２の層１２の斜面がエッチングされて第１の層１１の上面の露出が進む速さは、第３の層１３の端面がエッチングされて第２の層１２の上面の露出が進む速さ（第３の層１３のエッチングレートｖ_３）と等しくなる。

基板１０の面方向における第３の層１３のエッチングレートは、第１の層１１のエッチングレートより大きいので、図３（Ｉ）及び図３（Ｊ）に示すように、第１の層１１の上面の露出が早く進む。従って、第１の層１１の上面の露出を追いかけるようにして、第１の層１１の内部のエッチングが順次開始される。

時刻ｔ＝−ｔ_ｈから時刻ｔ＝０までの間に第１の層１１の上面の露出が進む距離（点Ｈと点Ｊとの間の距離）は、（ｖ_３×ｔ_ｈ）であり、時刻ｔ＝−ｔ_ｉから時刻ｔ＝０までの間に第１の層１１の上面の露出が進む距離（点Ｉと点Ｊとの間の距離）は、（ｖ_３×ｔ_ｉ）である。

一方、点Ｈにおける第１の層１１のエッチングは、点Ｈまで第１の層１１の上面の露出が進んだ時にスタートし、点Ｉにおける第１の層１１のエッチングは、点Ｉまで第１の層１１の上面の露出が進んだ時にスタートする。従って、第１の層１１のエッチングレートをｖ_１とすると、時刻ｔ＝−ｔ_ｈから時刻ｔ＝０までの間に進む第１の層１１のエッチング深さは、（ｖ_１×ｔ_ｈ）であり、時刻ｔ＝−ｔ_ｉから時刻ｔ＝０までの間に進む第１の層１１のエッチング深さは、（ｖ_１×ｔ_ｉ）である。

ここで、（ｖ_３×ｔ_ｈ）と（ｖ_３×ｔ_ｉ）との比は、（ｖ_１×ｔ_ｈ）と（ｖ_１×ｔ_ｉ）との比に等しい。このことから、本実施形態によれば、傾斜角度が一定の、曲面ではなく平面状の傾斜面を形成できることがわかる。この傾斜角度は、第３の層１３のエッチングレートｖ_３と第１の層１１のエッチングレートｖ_１との比によって決まる。従って、第１の層１１のエッチングレートｖ_１が第２の層１２のエッチングレートｖ_２より小さい場合には、第１の層１１の傾斜面の傾斜角度は第２の層１２の傾斜面の傾斜角度より緩やかになる。

以上の工程によって２つの傾斜面が形成されたら、第２の層１２の全体がエッチングされる前に、エッチング液から基板１０を取り出し、エッチングを終了させる。

＜１−３．レジスト層の除去＞
最後に、図３（Ｋ）に示すように、レジスト層１４を除去することにより、本実施形態の傾斜構造体が形成される。

＜１−４．実施形態の効果＞
以上の製造工程によれば、半導体プロセスとの親和性が高い成膜、エッチング等の技術を用いて傾斜構造体を製造できる。従って、１つのチップ上に傾斜構造体と半導体回路とを混載することも容易となる。

そして、２種類の傾斜角度を有する傾斜構造体を製造するために、レジスト層１４のパターニングやエッチング液による処理はそれぞれ１回だけで済ませることができる。３種類以上の傾斜角度を有する傾斜構造体を製造する場合でも、第２の層１２と第３の層１３との間に、第３の層１３よりエッチングレートが小さく、第１の層１１及び第２の層１２とエッチングレートが異なるもう１つの層を形成しておくことにより、同様の工程数で済ませることができる。

また、以上の製造工程によれば、傾斜構造体を製造するために、高価で摩耗しやすい金型を作成する必要がなく、傾斜構造体の形状を変更するために金型を作り直す必要もない。また、金型で作成可能な材料（樹脂等）だけでなく、種々の材料を用いて、微細な傾斜構造体を製造することができる。

また、以上の製造工程によれば、グレースケールマスクのような特殊なマスクを用いる必要もない。また、基板上の限られたスペースにも、必要な箇所に必要な傾斜面を形成することができる。

＜２．第２の実施形態＞
図５及び図６は、本発明の第２の実施形態に係る傾斜構造体の製造方法を示す断面図である。第２の実施形態は、第１の層１１のエッチングレートｖ_１が第２の層１２のエッチングレートｖ_２より大きい点で、第１の実施形態と異なる。エッチング工程の前までの工程は、図１を参照しながら説明した第１の実施形態と同様である。

第２の実施形態においては、例えば、第１の層１１としてＯ_３−ＴＥＯＳを用い、第２の層１２としてＰ−ＳｉＯ_２を用い、第３の層１３としてＳＯＧを用いることができる。第２の層１２、第１の層１１、第３の層１３の順でエッチングレートが大きくなるようにすれば、他の組合せを用いても良い。

図５に示すように、エッチング工程において、まず第３の層１３と第２の層１２とがエッチングされる。第２の層１２のエッチングレートｖ_２に対する第３の層１３のエッチングレートｖ_３の比が十分に大きいので、傾斜構造体の傾斜角度は緩やかになる。

第２の層１２がエッチングされ、第１の層１１が一部露出すると、図６に示すように、一部露出した第１の層１１がエッチングされるとともに、引き続き、第２の層１２の傾斜面と、第３の層１３の端面とがエッチングされる。

第１の層１１の上面の露出が進む速さは、第３の層１３のエッチングレートｖ_３と等しいので、第１の層１１の上面の露出を追いかけるようにして、第１の層１１の内部のエッチングが行われる。但し、第２の実施形態において、第１の層１１のエッチングレートｖ_１は、第２の層１２のエッチングレートｖ_２より大きいので、第１の層１１に形成される傾斜面の傾斜角度は、第２の層１２の傾斜面の傾斜角度より急になる。
他の点については、第１の実施形態と同様である。
以上の工程により、第２の実施形態の傾斜構造体が形成される。

＜３．第３の実施形態＞
図７及び図８は、本発明の第３の実施形態に係る傾斜構造体の製造方法を示す断面図である。第３の実施形態は、第３の層１３の厚さによって傾斜構造体の傾斜角度を調整する点で、第１及び第２の実施形態と異なる。

＜３−１．積層＞
第１及び第２の実施形態と同様に、基板１０上に第１の層１１及び第２の層１２を形成した後、図７（Ｄ）に示すように、第２の層１２上に、犠牲層となる第３の層１３の一部を薄く成膜し、さらに、第３の層１３上の所定領域に、エッチング用マスクとなる所定形状のレジスト層１５を形成する。次に、図７（Ｅ）に示すように、レジスト層１５をマスクとして、第３の層１３の異方性エッチング（ドライエッチング）を行うことにより、第３の層１３を所定形状にパターニングする。そして、図７（Ｆ）に示すように、レジスト層１５を除去し、第３の層１３の残りの一部を成膜する。これにより、図７（Ｄ）においてレジスト層１５を成膜した領域には厚い第３の層１３が形成され、その他の領域には薄い第３の層１３が形成される。

次に、図７（Ｇ）に示すように、第３の層１３（厚い領域及び薄い領域）上の所定領域に、エッチング用マスクとなる所定形状のレジスト層１４を形成する。

＜３−２．エッチング＞
次に、第１及び第２の実施形態と同様に、図８（Ｈ）〜図８（Ｊ）に示すように、第３の層１３、第２の層１２及び第１の層１１のウェットエッチングを行う。このとき、第３の層１３のエッチングレートは、第３の層１３の厚い領域においては高く、第３の層１３の薄い領域においては低い。これは、第３の層１３がある程度の厚さ以下になると、第２の層１２とレジスト層１４との間の第３の層１３の端面にエッチング液が入りにくくなることによるものと考えられる。

これによれば、第３の層１３のエッチングレートを第３の層１３の厚さによって調整することができる。従って、第３の層１３を１種類の材料で形成した場合でも、領域ごとに第３の層１３の厚さを変えることにより、異なる傾斜角度の傾斜面を有する傾斜構造体を同時に形成することができる。そして、第２の層１２及び第１の層１１のエッチングレートが異なるようにすれば、さらに異なる傾斜角度の傾斜面を有する傾斜構造体を形成することができる。

＜３−３．レジスト層の除去＞
最後に、図８（Ｋ）に示すように、レジスト層１４を除去することにより、第３の実施形態の傾斜構造体が形成される。
他の点については、第１及び第２の実施形態と同様である。

＜４．第４の実施形態＞
図９及び図１０は、本発明の第４の実施形態に係る傾斜構造体の製造方法を示す断面図である。第４の実施形態は、第３の層１３に不純物のイオンを注入することによって傾斜構造体の傾斜角度を調整する点で、第１及び第２の実施形態と異なる。

＜４−１．積層＞
第１及び第２の実施形態と同様に、基板１０上に第１の層１１及び第２の層１２を形成した後、図９（Ｄ）に示すように、第２の層１２上に、犠牲層となる第３の層１３を形成し、さらに、第３の層１３上の所定領域に、イオン注入用マスクとなる所定形状のレジスト層１６を形成する。次に、図９（Ｅ）に示すように、レジスト層１６をマスクとして、第３の層１３にリン、ボロン、ヒ素等のイオンを注入する。そして、図９（Ｆ）に示すように、レジスト層１６を除去する。これにより、図９（Ｄ）においてレジスト層１６を成膜した領域には不純物が注入されていない（不純物濃度が低い）第３の層１３が形成され、その他の領域には不純物が注入された（不純物濃度が高い）第３の層１３が形成される。

次に、図９（Ｇ）に示すように、第３の層１３（例えば、不純物濃度が低い領域及び高い領域）上の所定領域に、エッチング用マスクとなる所定形状のレジスト層１４を形成する。

＜４−２．エッチング＞
次に、第１及び第２の実施形態と同様に、図１０（Ｈ）〜図１０（Ｊ）に示すように、第３の層１３、第２の層１２及び第１の層１１のウェットエッチングを行う。このとき、第３の層１３のエッチングレートは、不純物濃度の高い領域においては高く、不純物濃度の低い領域においては低い。これは、第３の層１３の一部への不純物の注入によって、結晶構造が壊れ、エッチングされ易くなることによるものと考えられる。

これによれば、第３の層１３のエッチングレートを不純物の注入の有無又は不純物濃度によって調整することができる。従って、第３の層１３を１種類の材料で形成した場合でも、領域ごとに第３の層１３の不純物濃度を変えることにより、異なる傾斜角度の傾斜面を有する傾斜構造体を同時に形成することができる。そして、第２の層１２及び第１の層１１のエッチングレートが異なるようにすれば、さらに異なる傾斜角度の傾斜面を有する傾斜構造体を形成することができる。

＜４−３．レジスト層の除去＞
最後に、図１０（Ｋ）に示すように、レジスト層１４を除去することにより、第４の実施形態の傾斜構造体が形成される。
他の点については、第１及び第２の実施形態と同様である。

なお、第４の実施形態においては、第３の層１３に、不純物濃度が低い領域と不純物濃度が高い領域とを形成したが、第３の層１３の全体を、不純物濃度が一様に高い領域にしても良い。第３の層１３の不純物濃度を調整することにより、傾斜構造体の傾斜角度を調整することができる。

また、本実施形態においては、不純物を注入する工程の後に、第３の層１３上にレジスト層１４を形成してエッチングしたが、不純物を注入する工程の前又は後に、第３の層１３をパターニングして第３の層１３の端面を形成し、後述の第５の実施形態のように、第３の層１３上にレジスト層１４を形成せずにエッチングしても良い。

＜５．第５の実施形態＞
図１１及び図１２は、本発明の第５の実施形態に係る傾斜構造体の製造方法を示す断面図である。第５の実施形態は、傾斜構造体を形成するために第１の層１１と第２の層１２と第３の層１３とをエッチングするときに、第３の層１３の上面を保護するレジスト層を有しない点で、第１及び第２の実施形態と異なる。

＜５−１．積層＞
第１及び第２の実施形態と同様に、まず、図１１（Ａ）に示すように、基板１０上に、傾斜構造体となる第１の層１１及び第２の層１２を形成する。

次に、図１１（Ｂ）に示すように、第２の層１２上に、犠牲層となる第３の層１３を形成する。ここまでの工程は第１及び第２の実施形態と同様である。但し、第３の層１３の厚さは、第３の層１３の端面をエッチングしつつ第１の層１１及び第２の層１２に所望の傾斜構造体を形成している間に、第３の層１３の厚さが０にならない程度の厚さであることが望ましく、第１の層１１の厚さと第２の層１２の厚さの和より厚いものとすることができる。

次に、図１１（Ｃ）に示すように、第３の層１３上の所定領域に、エッチング用マスクとなる所定形状のレジスト層１５を形成する。
次に、図１１（Ｄ）に示すように、レジスト層１５をマスクとして、第３の層１３の異方性エッチング（ドライエッチング）を行うことにより、第３の層１３を所定形状にパターニングする。これにより、第２の層１２の上面の一部と、第３の層１３の端面とが露出する。
次に、図１２（Ｅ）に示すように、レジスト層１５を除去する。これにより、第３の層１３の上面全体が露出する。

＜５−２．エッチング＞
次に、図１２（Ｆ）及び図１２（Ｇ）に示すように、第３の層１３及び第２の層１２のウェットエッチングを行う。このとき、まず図１２（Ｆ）に示すように、第２の層１２の上面の露出した一部と、第３の層１３の端面と、第３の層１３の上面全体とが同時にエッチングされる。

このとき、基板１０の面方向における第３の層１３のエッチングレートが第２の層１２のエッチングレートより大きいので、図１２（Ｆ）及び図１２（Ｇ）に示すように、第３の層１３の端面のエッチングが早く進んでいき、第２の層１２のエッチングがこれを追いかけるように進んでいく。

図１２（Ｇ）に示すように、第２の層１２がエッチングされると、第１の層１１が一部露出する。その後、図１２（Ｈ）に示すように、一部露出した第１の層１１がエッチングされるとともに、引き続き、第２の層１２の傾斜面と、第３の層１３の端面と、第３の層１３の上面全体がエッチングされる。

第２の層１２の上面がエッチングされることを防ぐため、本実施形態におけるエッチングは、第３の層１３の厚さが０にならないうちに終了することが望ましい。
他の点については、第１及び第２の実施形態と同様である。
以上の工程により、本実施形態の傾斜構造体が形成される。

＜６．分光センサー＞
図１３は、上述の実施形態に係る傾斜構造体を用いた分光センサーの概略構成を示す断面図である。図１３に示す分光センサーは、受光素子を有する光学素子部５０と、角度制限フィルター部６０と、分光フィルター部７０とを含んでいる。

光学素子部５０は、シリコンなどの半導体で形成された基板１０と、基板１０に形成されたフォトダイオード５１、５２、５３を含んでいる。さらに基板１０には、フォトダイオード５１、５２、５３に所定の逆バイアス電圧を印加したり、フォトダイオード５１、５２、５３において発生した光起電力に基づく電流を検知し、当該電流の大きさに応じたアナログ信号を増幅してデジタル信号に変換したりする電子回路（図示せず）が形成されている。

＜６−１．角度制限フィルター部＞
角度制限フィルター部６０は、基板１０の上方に形成されている。角度制限フィルター部６０においては、遮光体６１によって光路壁が形成され、この光路壁に囲まれた酸化シリコン等の透光体６２によって光路が形成されている。遮光体６１は、フォトダイオード５１、５２、５３によって受光しようとする波長の光を実質的に透過しない材料によって構成される。遮光体６１は、基板１０上に、例えば格子状の所定パターンで複数層にわたって連続的に形成されることにより、基板１０の面に垂直な方向に光路を形成する。

角度制限フィルター部６０によって、光路内を通過する光の入射角度が制限される。すなわち、光路内に入射した光が、光路の向きに対して所定の制限角度以上に傾いている場合には、光が遮光体６１に当たり、一部が遮光体６１に吸収され、残りが反射される。光路を通過するまでの間に反射が繰り返されることによって反射光は弱くなる。従って、角度制限フィルター部６０を通過できる光は、実質的に、光路に対する傾きが所定の制限角度未満で入射した光に制限される。

＜６−２．分光フィルター部＞
分光フィルター部７０は、角度制限フィルター部６０上に形成された透光層７１、第１の層７２及び第２の層７３を含む傾斜構造体と、この傾斜構造体上に形成された多層膜７４とを有している。多層膜７４は、酸化シリコン等の低屈折率の薄膜と、酸化チタン等の高屈折率の薄膜とを多数積層したものである。
低屈折率の薄膜及び高屈折率の薄膜は、それぞれ例えばサブミクロンオーダーの所定膜厚とし、これを例えば計６０層程度にわたって積層することにより、多層膜７４全体で例えば６μｍ程度の厚さとする。

多層膜７４の基板１０に対する傾斜角度は、フォトダイオード５１、５２、５３によって受光しようとする光の設定波長に応じて、例えば０［ｄｅｇ］以上、３０［ｄｅｇ］以下に設定する。多層膜７４を基板１０に対して傾斜させるために、角度制限フィルター部６０上に透光層７１、第１の層７２及び第２の層７３を含む傾斜構造体を形成し、その上に多層膜７４を形成する。傾斜構造体としては、上述の製造方法によって製造した傾斜構造体を用いることができる。

以上の構成により、分光フィルター部７０は、角度制限フィルター部６０に所定の制限角度範囲内で入射する光の波長を制限する。
すなわち、分光フィルター部７０に入射した入射光は、低屈折率の薄膜と高屈折率の薄膜との境界面において、一部は反射光となり、一部は透過光となる。そして、反射光の一部は、他の低屈折率の薄膜と高屈折率の薄膜との境界面において再度反射して、上述の透過光と合波する。このとき、反射光の光路長と一致する波長の光は、反射光と透過光の位相が一致して互いに強め合い、反射光の光路長と一致しない波長の光は、反射光と透過光の位相が一致せずに互いに弱め合う（干渉する）。

ここで、反射光の光路長は、入射光の向きに対する多層膜７４の傾斜角度によって決まる。従って、上述の干渉作用が、例えば計６０層に及ぶ多層膜７４において繰り返されると、入射光の入射角度に応じて、特定の波長の光のみが分光フィルター部７０を透過し、所定の出射角度（例えば、分光フィルター部７０への入射角度と同じ角度）で分光フィルター部７０から出射する。

角度制限フィルター部６０は、所定の制限角度範囲内で角度制限フィルター部６０に入射した光のみを通過させる。従って、分光フィルター部７０と角度制限フィルター部６０とを通過する光の波長は、多層膜７４の基板１０に対する傾斜角度と、角度制限フィルター部６０が通過させる入射光の制限角度範囲とによって決まる所定範囲の波長に制限される。

フォトダイオード５１、５２、５３によって受光しようとする光の設定波長に応じて、異なる傾斜角度の傾斜面を有する傾斜構造体を予め形成しておくことにより、多層膜７４は、フォトダイオード５１、５２、５３によって受光しようとする光の設定波長によらず、同一の膜厚で、共通の工程により成膜することができる。

＜６−３．光学素子部＞
光学素子部５０に含まれるフォトダイオード５１、５２、５３は、分光フィルター部７０及び角度制限フィルター部６０を通過した光を受光して光起電力を発生させる。フォトダイオード５１、５２、５３は、半導体によって構成された基板１０に、イオン注入等を行うことによって形成された不純物領域を含んでいる。

分光フィルター部７０及び角度制限フィルター部６０を通過してきた光がフォトダイオード５１、５２、５３において受光され、光起電力が発生することにより、電流が発生する。この電流を、電子回路（図示せず）によって検知することにより、光を検知することができる。フォトダイオード５１には、傾斜面を有しない透光層７１上の多層膜７４を通過した第１の波長を有する光が入射する。フォトダイオード５２には、第１の傾斜角度の傾斜面を有する第１の層７２上の多層膜７４を通過した第２の波長を有する光が入射する。フォトダイオード５３には、第２の傾斜角度の傾斜面を有する第２の層７３上の多層膜７４を通過した第３の波長を有する光が入射する。

＜６−４．分光センサーの製造方法＞
ここで、分光センサーの製造方法について簡単に説明する。分光センサーは、まず基板１０にフォトダイオード５１、５２、５３を形成し、次に、フォトダイオード５１、５２、５３上に角度制限フィルター部６０を形成し、次に、角度制限フィルター部６０の上に分光フィルター部７０を形成することによって製造される。

本実施形態によれば、分光センサーを半導体プロセスによって一貫して製造することができ、所望の傾斜角度を有する傾斜構造体を用いた分光センサーを容易に形成することができる。

なお、ここでは入射光が分光フィルター部７０を透過して光学素子部５０に到達する透過型の分光センサーについて述べたが、入射光が分光フィルター部７０において反射して光学素子部に到達する反射型の分光センサーでも良い。
また、傾斜構造体を用いた素子として、分光センサーについて述べたが、傾斜構造体を他の素子として用いても良い。例えば、光ファイバーの中継デバイスにおいて所定波長の光信号を中継するため、プリズムやミラー等の光学素子として用いても良い。

１０…基板、１１…第１の層、１２…第２の層、１３…第３の層（犠牲層）、１４…レジスト層（ウェットエッチング用マスク）、１４ａ…開口、１５…レジスト層（ドライエッチング用マスク）、１６…レジスト層（イオン注入用マスク）、５０…光学素子部、５１、５２、５３…フォトダイオード、６０…角度制限フィルター部、６１…遮光体、６２…透光体、７０…分光フィルター部、７１…透光層、７２…第１の層、７３…第２の層、７４…多層膜。

Claims (8)

1. 基板の上方に第１の層を形成する工程（ａ）と、
   前記第１の層の上方に第２の層を形成する工程（ｂ）と、
   前記第２の層の上方に第３の層を形成する工程（ｃ）と、
   前記基板との間で前記第１〜第３の層を覆い、前記第３の層の上面の一部が露出するように開口を有するレジスト層を形成する工程（ｄ）と、
   前記レジスト層の開口を通して前記第３の層をエッチングすることにより、前記基板の上面と交差する方向の端面を前記第３の層に形成する工程（ｅ）と、
   前記レジスト層の開口を通して、前記第３の層の端面をエッチングすると共に、前記第３の層の端面のエッチングによって露出した前記第２の層を順次エッチングし、さらに、前記第２の層のエッチングによって露出した前記第１の層を順次エッチングする工程（ｆ）と、
   を備える傾斜構造体の製造方法。
2. 請求項１において、
   工程（ｅ）が、前記レジスト層をマスクとして前記第３の層をエッチングすることにより、前記端面を前記第３の層に形成することを含み、
   工程（ｆ）が、前記第３の層の上面を前記レジスト層によって保護しつつ、前記第３の層の端面をエッチングすると共に、前記第３の層の端面のエッチングによって露出した前記第２の層を順次エッチングし、さらに、前記第２の層のエッチングによって露出した前記第１の層を順次エッチングすることを含む、傾斜構造体の製造方法。
3. 請求項１又は２において、
   工程（ｃ）が、互いに厚さが異なる第１の領域及び第２の領域を有する第３の層を形成することを含み、
   工程（ｄ）が、前記第３の層の前記第１の領域及び前記第２の領域に前記レジスト層を形成することを含み、
   工程（ｅ）が、前記基板の上面と交差する方向の２つの端面を前記第３の層の前記第１の領域及び前記第２の領域に形成することを含み、
   工程（ｆ）が、前記第３の層の前記第１の領域内の端面と前記第２の領域内の端面とを同時にエッチングすることを含む、傾斜構造体の製造方法。
4. 請求項１又は２において、
   工程（ｃ）と工程（ｄ）との間に、前記第３の層の少なくとも一部の領域に不純物のイオンを注入する工程をさらに備える、傾斜構造体の製造方法。
5. 基板の上方に第１の層を形成する工程（ａ）と、
   前記第１の層の上方に第２の層を形成する工程（ｂ）と、
   前記第２の層の上方に第３の層を形成する工程（ｃ）と、
   前記第３の層の上面における第１の領域に第１のレジスト層を形成する一方、第２の領域にレジスト層を形成しない工程（ｄ）と、
   前記第１のレジスト層をマスクとして前記第３の層に不純物のイオンを注入する工程（ｅ）と、
   前記第３の層の上面から前記第１のレジスト層を除去する工程（ｆ）と、
   前記第３の層の所定の領域に第２のレジスト層を形成する工程（ｇ）と、
   前記第２のレジスト層をマスクとして前記第３の層の一部をエッチングすることにより、前記基板の上面と交差する方向の２つの端面を前記第３の層の前記第１の領域及び前記第２の領域に形成する工程（ｈ）と、
   前記第３の層の上面を前記第２のレジスト層によって保護しつつ、前記第３の層の前記第１の領域内の端面と前記第２の領域内の端面とを同時にエッチングすると共に、前記第３の層の端面のエッチングによって露出した前記第２の層を順次エッチングし、さらに、前記第２の層のエッチングによって露出した前記第１の層を順次エッチングする工程（ｉ）と、
   を備える傾斜構造体の製造方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項において、
   前記基板の面方向における前記第３の層のエッチングレートが、前記第２の層のエッチングレート及び前記第１の層のエッチングレートよりも大きい、傾斜構造体の製造方法。
7. 請求項６において、
   前記基板の面方向における前記第２の層のエッチングレートが、前記第１の層のエッチングレートよりも大きい、傾斜構造体の製造方法。
8. 基板に受光素子を形成する工程と、
   前記受光素子の上方に、前記受光素子に向けて通過する光の入射方向を制限する角度制限フィルターを形成する工程と、
   前記角度制限フィルターの上方に、請求項１〜７のいずれか１項記載の方法によって傾斜構造体を形成し、前記傾斜構造体の上方に多層膜を形成することにより、前記角度制限フィルターを通過できる光の波長を制限する分光フィルターを形成する工程と、
   を備える分光センサーの製造方法。

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