JP5050922B2 - ファブリペロー干渉計 - Google Patents

Description

本発明は、屈折材料で形成された下側ミラーと上側ミラーとの間に空気のギャップを介してなる光学多層膜ミラーを備えたファブリペロー干渉計に関する。

従来より、ガス濃度測定の装置として、光学多層膜を用いて高反射ミラーを構成したファブリペロー干渉計を用いたものが知られており、光学多層膜を用いて高反射ミラーを構成したファブリペロー干渉計が特許文献１で提案されている。

具体的に、特許文献１では、下側ミラーと上側ミラーとを有し、これら下側ミラーと上側ミラーが例えばエアギャップを介して対向配置された構造を基板の表面に形成し、さらに、下側のミラーを基板の上にシリコン酸化膜と多結晶シリコン層を交番的に積層することにより形成すると共に、上側のミラーをシリコン層と酸化物層を交番的に積層することにより形成することで、光学多層膜を用いた高反射ミラーを備えたファブリペロー干渉計が提案されている。

このようなファブリペロー干渉計には干渉計構造と一体的に金属層が形成されており、この金属層にアパーチャと呼ばれる、光学的活性中央領域の外側での放射線透過（光透過）を阻止する孔が設けられている。アパーチャを実現するものとしては、金属、ドーピングしたシリコン等がある。すなわち、上側および下側ミラーで多重反射した光は、このアパーチャを通過してディテクタにて検出される。

また、基板の裏面にカットオフフィルターエレメントを形成する層が設けられているが、この層と基板との界面で光が反射することを防止するために、つまり光を効率的に透過させるために、反射防止膜と呼ばれる膜が基板の裏面に設けられている。例えば、付加する反射防止膜の屈折率をｎとし、透過する波長をλとした場合、ｎλ≒１／４とされている。

しかしながら、上記従来の技術では、光学多層膜を用いて高反射ミラーを構成する場合、光学多層膜は反射率の波長依存性が大きいため、ミラーの高反射な帯域が狭くなる。そして、ファブリペロー干渉計の分光帯域はミラーの高反射領域に対応しているため、高反射帯域が狭いミラーで形成するファブリペロー干渉計では分光帯域が狭くなるという問題があった。例えば、ミラーの高反射帯域の波長が３〜９μｍとなる場合では、その帯域ΔＷは６μｍ以上となり、ｎ比は約３．３以上が必要になる。

そこで、出願人は特願２００６−３１９７７９において、半導体工程で使える材料で、尚且つ３〜９μｍの波長に対して透明なＧｅ（屈折率＝４）やＳｉ（屈折率＝３．４５）などの高屈折率材料と、空気（屈折率＝１）や真空などの低屈折率材料とを組み合わせることにより、高ｎ比（例えば、ｎ比３．４以上）を得ることが可能な高反射帯域が広い光学多層膜ミラーを提案した。この光学多層膜ミラーを有するファブリペロー干渉計を図９に示す。

図９では、例えばシリコン基板からなる半導体基板１上に下側ミラーＭ１が配置されると共に、該下側ミラーＭ１と対応する位置において、該下側ミラーＭ１から空気のギャップＡｇを介して配置された上側ミラーＭ２とを有してなる光学多層膜ミラーが示されている。

図９に示すように、例えばシリコン基板からなる半導体基板１の表面全面に、シリコン酸化膜等で構成された絶縁膜２が形成されている。この絶縁膜２を介して、半導体基板１上の全面に多結晶シリコン等で構成された第１屈折率の第１高屈折率膜３が形成されている。

第１高屈折率膜３のうち、光学積層膜ミラーとなる領域には、例えば空気層で構成された第１屈折率よりも低い第２屈折率の第１低屈折率層４が形成されている。そして、この第１低屈折率層４の上を含めて第１高屈折率膜３の表面には、例えば多結晶シリコン等で構成された第１屈折率の第２高屈折率膜５が積層されている。すなわち、第１低屈折率層４は、第１高屈折率膜３と第２高屈折率膜５の間に挟まれた構成とされている。

第１低屈折率層４は、第２高屈折率膜５によって上面が覆われると共に側面が囲まれた構造となっている。第２高屈折率膜５のうち、第１低屈折率層４の側面を囲む部分５ａは第１低屈折率層４の補強部として機能するものであり、機械的な強度が不足する第１低屈折率層４の変形を抑制する。具体的には、第１低屈折率層４は複数個に細分化されるように分割されており、分割されたそれぞれの上面形状が六角形状を為し、複数の第１低屈折率層４がハニカム（蜂の巣）状に配置されている。すなわち、第２高屈折率膜５のうち第１低屈折率層４の上面および側面を囲む部分５ａと第１高屈折率膜３とにより六角錐台状の空間が形成され、この空間内が第１低屈折率層４とされている。そして、第２高屈折率膜５のうち六角錐台の側面に位置する部分５ａが第１低屈折率層４の補強部となる。

このような第１、第２高屈折率膜３、５および第１低屈折率層４により、下側ミラーＭ１が構成されており、第２高屈折率膜５のうち第１低屈折率層４の上面に位置する部分において光を透過させると共に、第２高屈折率膜５のうち第１低屈折率層４の側面に位置する部分５ａにおいて光を透過させない（あまり透過させない）ようになっている。

なお、第２高屈折率膜５や第１高屈折率膜３には、図示しないが不純物がドーピングされた拡散層による配線層が備えられており、下側ミラーＭ１用の電極（以下、下部電極という）１１への電圧がこの配線層を通じて印加されることで、第２高屈折率膜５および第１高屈折率膜３の電位を調整できるようになっている。

さらに、第２高屈折率膜５の上面には、下側ミラーＭ１およびその周辺を避けるように、例えばシリコン酸化膜で構成された絶縁膜６が形成されている。そして、この絶縁膜６の表面および下側ミラーＭ１やその周辺と対向する位置までほぼ全域に渡って、第１屈折率の第３高屈折率膜７および第４高屈折率膜９が形成されていると共に、その中央位置において第２屈折率の第２低屈折率層８が形成されている。これらのうち、絶縁膜６の表面ではない領域、すなわち下側ミラーＭ１やその周辺と対向する位置がメンブレンＭｅｎとなる。なお、メンブレンＭｅｎは、実際には図１に示す断面図よりも広い範囲とされ、下側ミラーＭ１および上側ミラーＭ２にて構成される光学多層膜ミラーは、メンブレンＭｅｎの一部の領域にのみ形成されているが、図９では便宜上、縮尺を変えた図としてある。

具体的には、第３高屈折率膜７のうち、光学積層膜ミラーとなる領域には、例えば空気層で構成された第２低屈折率層８が形成されている。そして、この第２低屈折率層８の上を含めて第３高屈折率膜７の表面には、例えば多結晶シリコン等で構成された第４高屈折率膜９が積層されている。すなわち、第２低屈折率層８は、第３高屈折率膜７と第４高屈折率膜９の間に挟まれた構成とされている。

第２低屈折率層８は、第４高屈折率膜９によって上面が覆われると共に側面が囲まれた構造となっている。第４高屈折率膜９のうち、第２低屈折率層８の側面を囲む部分９ａは第２低屈折率層８の補強部として機能するものであり、機械的な強度が不足する第２低屈折率層８の変形を抑制する。具体的には、本実施形態の場合、第２低屈折率層８は複数個に細分化されるように分割されており、分割されたそれぞれの上面形状が六角形状を為し、複数の第２低屈折率層８がハニカム（蜂の巣）状に配置されている。すなわち、第４高屈折率膜９のうち第２低屈折率層８の上面および側面を囲む部分９ａと第３高屈折率膜７とにより六角錐台状の空間が形成され、この空間内が第２低屈折率層８とされている。そして、第４高屈折率膜９のうち六角錐台の側面に位置する部分９ａが第２低屈折率層８の補強部となる。

このような第３、第４高屈折率膜７、９および第２低屈折率層８により、上側ミラーＭ２が構成されており、第４高屈折率膜９のうち第２低屈折率層８の上面に位置する部分において光を透過させると共に、第４高屈折率膜９のうち第２低屈折率層８の側面に位置する部分９ａにおいて光を透過させない（あまり透過させない）ようになっている。

このように構成される上側ミラーＭ２は、下側ミラーＭ１と上面レイアウトが一致させられている。
すなわち、第２低屈折率層８および第４高屈折率膜９のハニカム状の上面レイアウトは、第１低屈折率層４および第２高屈折率膜５のハニカム状の上面レイアウトと同様となっている。これにより、上側ミラーＭ２のミラーとして働く部分を透過した光が下側ミラーＭ１のミラーとして働く部分に効率的に入射されるようにできる。

なお、第４高屈折率膜９や第３高屈折率膜７には、図示しないが不純物がドーピングされた拡散層による配線層が備えられており、上側ミラーＭ２用の電極（以下、上部電極という）１２への電圧がこの配線層を通じて印加されることで、第４高屈折率膜９および第３高屈折率膜７の電位を調整できるようになっている。

さらに、絶縁膜６および第３、第４高屈折率膜７、９のうち、メンブレンＭｅｎよりも外周の位置には、第２高屈折率膜５に達する開口部１０が形成されている。この開口部１０にはＡｕ／Ｃｒ等により構成された下部電極１１が形成されており、第２高屈折率膜５に形成された不純物の拡散層よりなる図示しない配線部とオーミック接触させられている。同様に、第４高屈折率膜９の表面のうち、メンブレンＭｅｎよりも外周の位置にも、Ａｕ／Ｃｒ等により構成された上部電極１２が形成されており、第４高屈折率膜９に形成された不純物の拡散層よりなる図示しない配線部とオーミック接触させられている。なお、これら第２高屈折率膜５や第４高屈折率膜９に形成された配線部は、下側ミラーＭ１や上側ミラーＭ２の外周部や下側ミラーＭ１や上側ミラーＭ２のうち補強部となる部分など高反射ミラーとして機能しない部分などに不純物がドーピングされることで構成されるようにすると好ましい。これは、不純物がドーピングされると光が吸収されるためであり、ミラーとして働く部分には不純物が導入されない方が好ましい。

そして、メンブレンＭｅｎの内部において、第３、第４高屈折率膜７、９を貫通し、エアギャップＡｇと外部とを連通させる孔１３が形成され、かつ図示していないが下側ミラーＭ１の第１低屈折率層４上の高屈折率膜５の一部と、上側ミラーＭ２の第２低屈折率層４上の高屈折率膜の一部には孔が形成された構造とされている。

これによると、例えば、Ｇｅ／Ａｉｒ／ＧｅやＳｉ／Ａｉｒ／Ｓｉといった高屈折率材料と低屈折率材料との組み合わせにより、従来と比較して高反射帯域が広い光学多層膜ミラーを備えたファブリペロー干渉計とすることが可能となる。

上記のような光学多層膜ミラーを用いた広帯域（ｎ比３．３以上、△Ｗ６μｍ以上）に分光できるファブリペロー干渉計においてもまた、基板の裏面には、光を透過させるための反射防止膜が必要である。このため、上述のように、波長に併せるような厚さの反射防止膜を基板の裏面に設けることとなる。
特許第３４５７３７３号公報

しかしながら、反射防止膜は、△Ｗが数μｍという狭い波長域では反射防止膜として機能するが、優位なガス濃度計測に必要なセンサとして機能させる広帯域な波長帯域（△Ｗで例えば６μｍ以上）を計測させようとした場合、反射防止膜の設計波長から離れた波長で透過効率が大幅に低下してしまい、反射防止膜として機能しなくなってしまうという問題がある。

図１０は、反射防止膜として厚さが４４０ｎｍであり屈折率ｎが２であるシリコン窒化膜の反射特性を示した図である。この図に示されるように、波長λが４〜５μｍであって波長帯域が１μｍの範囲では、窒化膜の反射率は低くなっており、透過効率が高い反射防止膜として機能している。一方、波長λが４〜５μｍより小さくなったり、逆に大きくなったりすると、これに伴って反射率も増加してしまい、透過効率が低下してしまっている。この場合、低い反射率を得るために窒化膜の厚さを波長に応じて薄くしたり厚くしたりしなければならないが、反射防止膜として機能する波長帯域は１μｍ程度であるから、狙った波長以外では反射防止膜の透過効率は低下してしまう。

本発明は、上記点に鑑み、広帯域な波長帯域の光であっても、効率良く光を透過させることができるファブリペロー干渉計を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、基板（１）の一方の面（１ａ）に高屈折材料と低屈折材料とを用いた高屈折率材料／低屈折率材料／高屈折率材料の３層構造で形成され、低屈折率材料が複数に分割された下側ミラー（Ｍ１）と、該下側ミラー（Ｍ１）と対応する位置において、該下側ミラー（Ｍ１）から空気のギャップ（Ａｇ）を介して配置され高屈折材料と低屈折材料とを用いた高屈折率材料／低屈折率材料／高屈折率材料の３層構造で形成され、低屈折率材料が複数に分割された上側ミラー（Ｍ２）とを有してなる光学多層膜ミラーを備えたファブリペロー干渉計において、高屈折率材料はシリコンもしくはゲルマニウムであり、低屈折率材料は空気であり、基板（１）には、前記一方の面（１ａ）に垂直な方向において光学多層膜ミラーを基板（１）に投影したとき、光学多層膜ミラーに対応する部分では光を通過させると共に、光学多層膜ミラーを除いた部分では光の通過を妨げるアパーチャ（１４）が設けられており、基板（１）の他方の面（１ｂ）には、他方の面（１ｂ）に垂直な方向においてアパーチャ（１４）のうち光を透過させる部分を他方の面（１ｂ）に投影したとき、当該光を透過させる部分の面積が前記光学多層膜ミラーに対応する部分の面積よりも小さくされ、かつ、当該光を透過させる部分に、表面側の方が内部よりも細い、尖った形状を有する複数の凹凸（１ｃ）が設けられていることを特徴とする。

このような凹凸（１ｃ）を利用することで、通常では基板（１）と空気との屈折率の違いで生じる界面での反射を、基板（１）の他方の面（１ｂ）と空気との界面において屈折率をなだらかに連続的に変化させることができる。したがって、広帯域な波長帯域の光であっても、基板（１）と空気との界面で光が反射されないようにすることができ、極めて広帯域の波長で反射防止機能を持たせることができる。

請求項２に記載の発明では、複数の凹凸（１ｃ）はそれぞれ四角錐であり、四角錐の底面が他方の面（１ｂ）に配置されており、四角錐の底面の対角線の長さが光の波長よりも短くなっていることを特徴とする。

このように、凹凸（１ｃ）が四角錐になっていることで、四角錐の側面によって基板（１）と空気との屈折率をなだらかに変化させることができる。また、四角錐の底面の対角線の長さを規定することで、凹凸（１ｃ）によって光が散乱されてしまうことを防止することができる。

請求項３に記載の発明では、基板（１）は、シリコンもしくはゲルマニウム基板であり、基板面は（１００）面であり、複数の凹凸（１ｃ）の側面は（１１１）面になっていることを特徴とする。このような基板を用いることで、中赤外光を透過させることができ、かつ容易に四角錐を形成することができる。

請求項４に記載の発明では、アパーチャ（１４）は、基板（１）の他方の面（１ｂ）に設けられ、光を吸収する金属膜で形成されたものであることを特徴とする。

これにより、光学多層膜ミラーで多重反射した光のみをアパーチャ（１４）のうち光が通過する部分から外部に取り出すことができる。すなわち、基板（１）内のノイズ光がアパーチャ（１４）から外部に取り出されないようにすることができる。

請求項５に記載の発明のように、光学多層膜ミラーのうち光の反射面を六角形に細分化し、この細分化した光学多層膜ミラーをハニカム状に配置し、基板（１）の他方の面（１ｂ）のうち、他方の面（１ｂ）に垂直な方向においてハニカム状に配置された六角形の光学多層膜ミラーが投影された領域であって、当該領域よりも小さい面積で凹凸（１ｃ）を設けることができる。

この場合、請求項６に記載の発明のように、基板（１）の他方の面（１ｂ）に形成された複数の凹凸（１ｃ）は六角形とされていると共に細分化され、当該細分化された六角形の複数の凹凸（１ｃ）は、ハニカム状に配置された六角形の光学多層膜ミラーが投影された各領域に配置されていると共に、当該細分化された六角形の複数の凹凸（１ｃ）の一つの面積は、細分化された光学多層膜ミラーの一つの六角形の面積よりも小さくなっていることが好ましい。これにより、ノイズ光が基板（１）に僅かに斜めに入射したとしても進入することを抑制することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。以下では、図９に示す構成要素と同一のものには、同一符号を記してある。本実施形態で示されるファブリペロー干渉計は、例えばガス濃度を測定する装置に用いられる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るファブリペロー干渉計の平面図であり、（ａ）は表面側すなわち干渉計に光が入射する面を示しており、（ｂ）は裏面側すなわち干渉計から光が射出する面を示している。また、図２は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。以下、図１および図２を参照してファブリペロー干渉計について説明する。

図２に示されるように、ファブリペロー干渉計は、例えばシリコン基板からなる半導体基板１と、当該半導体基板１の一方の面１ａに設けられた光学多層膜ミラーと、半導体基板１の他方の面１ｂに設けられたアパーチャ１４および被覆層１５とを備えている。

光学多層膜ミラーは、図９に示されるものと同じ構造である。ここで、各ミラーＭ１、Ｍ２を構成する高屈折率材料として、シリコンもしくはゲルマニウムによって形成されたものが採用される。また、半導体基板１の結晶面は（１００）面となっている。

また、図１（ａ）に示されるように、メンブレンＭｅｎの領域うち、上側ミラーＭ２が設けられた透過領域に光が入射するようになっている。

アパーチャ１４は、半導体基板１の一方の面１ａに垂直な方向において光学多層膜ミラーを半導体基板１に投影したとき、光学多層膜ミラーに対応する部分では光を通過させ、光学多層膜ミラーを除いた部分では光の通過を妨げるものである。つまり、光を通過させる貫通孔を有するものである。

したがって、アパーチャ１４のうち光を通過させる部分は開口しており、半導体基板１の他方の面１ｂが露出している。一方、アパーチャ１４のうち光を通過させない部分は半導体基板１の他方の面１ｂを覆っている。これによると、光学多層膜ミラーで多重反射した光のみをアパーチャ１４のうち光が通過する部分から外部に取り出すことが可能となり、半導体基板１内のノイズ光がアパーチャ１４から外部に取り出されないようになる。

図１（ｂ）に示されるように、本実施形態では、アパーチャ１４において光を通過させる貫通孔は１つである。このようなアパーチャ１４は、光を吸収する金属膜で形成されたものである。この金属膜として、例えばＴｉＷ等の材料が採用される。

被覆層１５は、アパーチャ１４の上に形成され、このアパーチャ１４を保護するものである。このような被覆層１５として、例えばＳｉＮ膜が採用される。

また、図１（ｂ）および図２に示されるように、半導体基板１の他方の面１ｂには、他方の面１ｂに垂直な方向においてアパーチャ１４のうち光を透過させる部分を他方の面１ｂに投影したとき、当該光を透過させる部分、すなわち光の透過領域の全域に複数の微小な凹凸１ｃが設けられている。

本実施形態では、アパーチャ１４が半導体基板１の他方の面１ｂに設けられているので、アパーチャ１４の開口部分から露出する半導体基板１の他方の面１ｂ全体が凹凸１ｃの形状になっている。

複数の凹凸１ｃはそれぞれ四角錐になっており、四角錐の底面が他方の面１ｂに配置されている。このような半導体基板１の他方の面１ｂのパターンは、半導体基板１の結晶面として（１００）面を用い、かつシリコンの異方性エッチングを利用することで、透過領域に形成される複数の凹凸１ｃはそれぞれ四角錐形状となる。半導体基板１の他方の面１ｂは（１００）面であるので、四角錐の側面は（１１１）面になっている。

この微小な凹凸１ｃは、透過させる光の波長よりも短い距離間隔で配置され、かつ表面側の方が内部よりも細い、尖った形状であるため、半導体基板１内を通過した光が半導体基板１と空気との界面での屈折率をなだらかに連続的に変化させる役割を果たすものである。これにより、半導体基板１と空気との界面の屈折率がなだらかに変化することで、半導体基板１内を通過した光が半導体基板１の他方の面１ｂと空気との界面での屈折率差で反射されずに、当該他方の面１ｂから空気に射出されるようになっている。特に、微小な凹凸の距離間隔よりも長い波長では、屈折率はなだらかに変化するように働くため、広帯域な光に対して反射防止として機能するものである。

「微小な凹凸１ｃ」とは、四角錐の底面の対角線の長さが光の波長よりも短くなっていることを意味しており、波長の半分よりも短い方が望ましい。だたし、当該対角線の長さの寸法が短すぎると四角錐の高さが低くなるため、屈折率の変化が緩やかにならず、凹凸１ｃを通過する光の透過率、すなわち反射防止性能は悪化する。

そこで、本実施形態では、具体的には、帯域３〜９μｍ（△Ｗ６μｍ）を分光させるために、微小な凹凸と長さを面内方向の寸法（四角錐の底面の対角線）を最低波長である３μｍ以下の２μｍとした。その際、高さは四角錐の形状で決まり、対角線の長さの半分として形成される。

一方、半導体基板１として、近赤外光〜中赤外域まで透過特性を持つシリコンもしくはゲルマニウムによって形成されたものが採用される。その際、半導体基板１はゲルマニウム基板が長波長まで透過特性を持ち好適である一方、半導体基板１に含まれる不純物によって赤外光が吸収され易いため、極力不純物の無い高抵抗な基板（低効率＞１０００Ωｃｍ）が好適である。

次に、図１および図２に示されるファブリペロー干渉計の製造方法について、図３および図４に示すファブリペロー干渉計の製造工程図を参照して説明する。

〔図３（ａ）に示す工程〕
まず、シリコン基板などで構成される半導体基板１を用意する。このとき、（１００）基板を用いると、後の微小な凹凸１ｃを形成するのに有利である。そして、この半導体基板１の表面全面に、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜２と多結晶シリコン等で構成された第１高屈折率膜３をデポジションすると共に、第１高屈折率膜３の表面全面に例えばシリコン酸化膜など、第１、第２高屈折率膜３、５とエッチング選択比の高い材料で構成された犠牲膜２０をデポジションする。このとき、犠牲膜２０の膜厚は、上述した第１低屈折率層４の厚み相当とする。その後、犠牲膜２０の表面にレジスト２１を配置したのち、レジスト２１のうち第１低屈折率層４の形成予定位置と対応する部分のみを残るように開口部２１ａを形成し、この状態でエッチング（等方性エッチングなど）を行うことで、犠牲膜２０を六角錐台形状とする。その後、レジスト２１を除去する。

〔図３（ｂ）に示す工程〕
犠牲膜２０および第１高屈折率膜３のうち犠牲膜２０で覆われていない部分の表面全面に多結晶シリコン等で構成された第２高屈折率膜５をデポジションする。このとき、犠牲膜２０が六角錐台形状を為しているため、第２高屈折率膜５のうち犠牲膜２０の上に配置された部分に関しては、その形状が受け継がれ、六角錐台形状となる。

続いて、第２高屈折率膜５の表面にレジスト２２を配置したのち、図３（ｂ）とは別断面において、レジスト２２のうち下側ミラーＭ１の孔Ｍ１ｂと対応する部分に開口部２２ａを設ける。そして、レジスト２２をマスクとしたドライエッチング（異方性エッチング）を行うことにより、孔Ｍ１ｂを開口させる。このとき、第２高屈折率膜５の形状が六角錐台形状を受け継いだものとなっているため、孔Ｍ１ｂを形成したときに、第１高屈折率膜３と犠牲膜２０との境界部近傍に残渣が発生し難くなる。

その後、レジスト２２を除去したのち、配線部形成領域が開口するマスク（図示せず）を用いて不純物をイオン注入する。

〔図３（ｃ）に示す工程〕
第２高屈折率膜５の表面全面に、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜６をデポジションする。このとき、絶縁膜６の膜厚は、エアギャップＡｇの大きさ、つまり下側ミラーＭ１と上側ミラーＭ２との間の間隔分の厚さとされる。なお、この絶縁膜６の材質は特に限定されないが、犠牲膜２０の材質と同じであるのが好ましい。また、絶縁膜６の厚さによっては、絶縁膜６の表面に第２高屈折率膜５の凹凸形状が残った状態になるが、残っていても構わない。

〔図３（ｄ）に示す工程〕
絶縁膜６の表面全面に、例えば多結晶シリコンからなる第３高屈折率膜７をデポジションすると共に、第２高屈折率膜７の表面全面に例えばシリコン酸化膜など、第３、第４高屈折率膜７、９とエッチング選択比の高い材料で構成された犠牲膜２３をデポジションする。このとき、犠牲膜２３の膜厚は、上述した第２低屈折率層８の厚み相当とする。その後、犠牲膜２３の表面にレジスト２４を配置したのち、レジスト２４のうち第２低屈折率層８の形成予定位置と対応する部分のみを残るように開口部２４ａを形成し、この状態でエッチング（等方性エッチングなど）を行うことで、犠牲膜２３を六角錐台形状とする。その後、レジスト２４を除去する。

〔図３（ｅ）に示す工程〕
犠牲膜２３および第３高屈折率膜７のうち犠牲膜２３で覆われていない部分の表面全面に多結晶シリコン等で構成された第４高屈折率膜９をデポジションする。このとき、犠牲膜２３が六角錐台形状を為しているため、第４高屈折率膜９のうち犠牲膜２３の上に配置された部分に関しては、その形状が受け継がれ、六角錐台形状となる。

続いて、配線部形成領域が開口するマスク（図示せず）を用いて不純物をイオン注入したのち、そのマスクを除去する。

さらに、第４高屈折率膜９の表面にレジスト２５を配置したのち、レジスト２５のうち上側ミラーＭ２の孔Ｍ２ｂと対応する部分に開口部２５ａ（図３（ｅ）とは別断面）および開口部１０や孔１３と対応する部分に開口部２５ｂを設ける。そして、レジスト２５をマスクとしたドライエッチング（異方性エッチング）を行うことにより、孔Ｍ２ｂおよび孔１３を開口させると共に、開口部１０の一部を形成する。

〔図４（ａ）に示す工程〕
続いて、レジスト２５を除去したのち、第４高屈折率膜９をマスクとし、ＨＦによるウェットなどによりエッチングを行う。これにより、絶縁膜６が部分的に除去されて開口部１０が形成される。このとき、第４高屈折率膜９のうち、メンブレンＭｅｎの位置する部分にマスクを配置した状態でエッチングを行うことで、孔Ｍ２ｂや孔１３を通じて絶縁膜６が除去されないようにしても構わないが、除去しておくと、メンブレンＭｅｎを構成するためにメンブレンＭｅｎの下方の絶縁膜６を除去する際に除去し易くなる。

その後、開口部１０を覆うために用いたマスクを除去した後、メタルマスク等を用いてＡｕ／Ｃｒを蒸着し、開口部１０内に下部電極１１を形成すると共に、メンブレンＭｅｎの外周部に上部電極１２を形成し、必要に応じてこれらを研削、研磨する。

〔図４（ｂ）に示す工程〕
続いて、裏面にアパーチャ１４となる金属ＴｉＷを成膜し、透過領域部以外の領域に残るように、パターニングし、エッチングする。

その後、透過領域に微小な凹凸１ｃを形成するために、プラズマＣＶＤ法によるＳｉＮ膜（窒化シリコン）を形成し、パターニングする。これにより、アパーチャ１４の上に被覆層１５を形成する。

〔図４（ｃ）に示す工程〕
次に、専用の治具を用いて、被覆層１５となるＳｉＮ膜をマスクとし、裏面のみ（半導体基板１の他方の面１ｂ）に強アルカリ液（ＫＯＨ、ＴＭＡＨ）などを晒し、シリコンの異方性エッチングを行うことで、透過領域に四角錐形状の凹凸１ｃを複数形成する。強アルカリ液に晒さているシリコンの全ての面が（１１１）面で止まるようにパターニングされており、安定して構造を形成できる。

この際、透過領域部分のマスクとして用いたＳｉＮ膜は、凹凸１ｃが形成された際に、自然に剥離する。

なお、凹凸１ｃを形成する方法として、本実施形態では、強アルカリ液を用いた異方性シリコンエッチングを用いたが、これに限定するものでは無く、透過させる光の波長よりも短い距離間隔で配置でき、かつ表面側の方が内部よりも細い、尖った形状を形成できる方法であれば何でも良い。

〔図４（ｄ）に示す工程〕
次に、さらに、上側ミラーＭ２の孔Ｍ２ｂおよびその外周に位置する孔１３を通じて、さらには下側ミラーＭ１の孔１ｂを通じて、絶縁膜６や第１、第２低屈折率層４、８が配置される空間に存在する犠牲膜２０、２３をエッチングする。このとき、必要に応じて図示しないマスクにより開口部１０を覆うことで、開口部１０において露出している絶縁膜６が除去されないようにしても良い。このエッチングにより、絶縁膜６のうちメンブレンＭｅｎの下部に位置する部分が除去されることでエアギャップＡｇが形成されると共に、第１、第２低屈折率層４、８が構成される。

このような製造方法により、図１および図２に示した本実施形態の光学多層膜ミラーを有するファブリペロー干渉計が完成する。

上記のようにして製造されたファブリペロー干渉計を用いたガス濃度検出は、以下のように行われる。まず、光源、ガス導入セル、バンドパスフィルタ、ファブリペロー干渉計、そしてディテクタという順で各々が一直線状に配置される。ファブリペロー干渉計においては、光学多層膜ミラー側がバンドパスフィルタ側に向けられ、微小な凹凸１ｃ側がディテクタ側に向けられる。ファブリペロー干渉計の光学多層膜ミラーには光が垂直に入射するように配置される。

そして、ガス導入セルにガスが充満し、光源から光が発せられると、光はガス、バンドパスフィルタを通過してファブリペロー干渉計の光学多層膜ミラーに入射する。光学多層膜ミラーに入射した光は、上側ミラーＭ２と下側ミラーＭ１との間を多重反射して半導体基板１に進入し、アパーチャ１４のうち開口した部分、すなわち微小な凹凸１ｃを介してファブリペロー干渉計から射出され、ディテクタにて受光される。

ここで、ファブリペロー干渉計の上部電極１２および下部電極１１に印加する電圧を変化させて上側ミラーＭ２と下側ミラーＭ１との間隔を調節することにより、光学多層膜ミラーに入射した光を分光することができる。したがって、光学多層膜ミラーに入射した光を例えば３〜９μｍに分光して、ガス導入セル内のガスの吸収スペクトルを測定することにより、ガスに含まれる気体の成分を調べることができる。

図５は、半導体基板１の他方の面１ｂに凹凸１ｃが形成されたものと、図１０に示されるものとの、反射防止能力の比較を示した図である。この図に示されるように、本実施形態に係るファブリペロー干渉計では、波長が２〜１０μｍの広帯域な波長帯域であっても、反射率が波長に依存してほとんど変化していない。すなわち、広帯域な波長帯域であっても、低い反射率を維持できており、効率良く光を透過させることができていると言える。

これは、光学多層膜ミラーから半導体基板１に進入した光がアパーチャ１４を介して空気中に射出される際に、半導体基板１と空気との屈折率がなだらかに連続的に変化するため、屈折率差で生じる反射が無いからである。

以上説明したように、本実施形態では、半導体基板１の他方の面１ｂに、他方の面１ｂに垂直な方向においてアパーチャ１４のうち光を透過させる部分を他方の面１ｂに投影したとき、当該光を透過させる部分の全域に複数の凹凸１ｃを設けたことが特徴となっている。

この微小な凹凸１ｃは、透過させる光の波長よりも短い距離間隔で配置され、かつ表面側の方が内部よりも細い、尖った形状であるため、半導体基板１内を通過した光が半導体基板１と空気との界面での屈折率をなだらかに連続的に変化させる役割を果たすものである。

これにより、広帯域な波長帯域の光であっても、半導体基板１と空気との界面で効率良く光を透過させることができる。

また、凹凸１ｃを四角錐とすることで半導体基板１と空気との屈折率をなだらかに容易に変化させることができる。さらに、四角錐の底面の対角線の長さを光の波長よりも短くすることで、凹凸１ｃによって光が散乱されてしまうことを防止し、光の透過率が低下してしまうことを防止できる。

そして、光を吸収する金属膜でアパーチャ１４を形成することにより、光学多層膜ミラーから半導体基板１に進入したノイズ光を吸収することができる。これにより、ファブリペロー干渉計から精度の良い光を取り出すことができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。上記第１実施形態では、アパーチャ１４には光が通過する貫通孔が一つしか設けられていないが、本実施形態では、細分化された光学多層膜ミラーの六角形それぞれに対応した貫通孔をアパーチャ１４に設けたことが特徴となっている。

図６（ａ）は、本実施形態に係るファブリペロー干渉計において半導体基板１の他方の面１ｂの平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ部拡大図である。また、図７は、本実施形態に係るファブリペロー干渉計の断面図であり、図１（ａ）のＡ−Ａ断面に相当する断面図である。

図７に示されるように、光学多層膜ミラーのうち光の反射面が六角形に細分化され、この細分化された光学多層膜ミラーがハニカム状に配置されている。さらに、半導体基板１の他方の面１ｂのうち、他方の面１ｂに垂直な方向においてハニカム状に配置された六角形の光学多層膜ミラーが投影された領域に開口部を有するアパーチャ１４が設けられている。すなわち、図６（ａ）に示されるように、アパーチャ１４には六角形の集合体が設けられている。

具体的には、図６（ｂ）に示されるように、光学多層膜ミラーの六角形を光の進行方向にアパーチャ１４に投影したとき、アパーチャ１４には当該六角形が投影された場所に開口部が設けられている。そして、半導体基板１の他方の面１ｂのうちアパーチャ１４の開口部それぞれに凹凸１ｃが設けられている。この凹凸１ｃは、各開口部全域にそれぞれ設けられている。

このようにアパーチャ１４に六角形の開口部をハニカム状に形成することで、ハニカムミラー（細分化された光学多層膜ミラー）のエッジで、特性が若干悪化する部分の光を遮断することができる。

また、半導体基板１の他方の面１ｂに投影された一つの六角形の面積は、細分化された光学多層膜ミラーの一つの六角形の面積よりも小さくなっている。これは、半導体基板１の上部からほぼ垂直に光を入射させたとしても、若干光の拡がりがあり、光線は角度を持つこととなる。そのため、ハニカムミラーエッジ（六角形と他の部分との境界）で若干特性が悪化する光もまた、裏面（半導体基板１の他方の面１ｂ）に来たときに角度を持ち、微小凹凸１ｃ内に光線が入るため、ノイズが大きくなるからである。

具体的には、アパーチャ１４にハニカムミラーの面積の８０％の大きさに縮小した六角形の領域に微小凹凸１ｃを形成した結果、ほとんどノイズとなる光は観察されなかった。以上説明したように、アパーチャ１４の開口部を光学多層膜ミラーの六角形に合わせることで、ファブリペロー干渉計を通過する光のノイズを小さくすることが可能となる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。第１、第２実施形態では、微小な凹凸１ｃを形成する方法として、半導体基板の（１００）面を用いて（１１１）面を持つ四角錐を形成したが、このような基板の結晶面を用いなくても、以下のような方法でも凹凸１ｃを形成することができる。

図８は、本実施形態において、凹凸１ｃの製造工程を示した図である。この図に示されるように、半導体基板１の他方の面１ｂのうち透過領域に四角や丸等の微細なマスクパターン３０を形成し、等方性に近いエッチング条件によるドライエッチングを行う。これにより、他方の面１ｂにテーパ状の傾斜面が形成される。

この場合、凹凸１ｃの一つの凸部分において、半導体基板１の他方の面１ｂの面方向の長さを波長よりも短くできる一方、半導体基板１の深さ方向（光の進行方向）を長くすることができるので、屈折率をさらに緩やかに変化でき、好適である。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、アパーチャ１４は半導体基板１の他方の面１ｂに設けられているが、これは一例を示すものであって、他の場所にアパーチャ１４が設けられていても良い。

本発明の第１実施形態に係るファブリペロー干渉計の平面図であり、（ａ）は干渉計の表面側の平面図であり、（ｂ）は干渉計の裏面側の平面図である。 図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図１および図２に示すファブリペロー干渉計の製造工程図である。 図３に続くファブリペロー干渉計の製造工程図である。 波長と反射率との相関関係を示した図である。 （ａ）は、本発明の第２実施形態に係るファブリペロー干渉計において半導体基板の他方の面の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ部拡大図である。 第２実施形態に係るファブリペロー干渉計の断面図である。 本発明の第３実施形態において、凹凸の製造工程を示した図である。 光学多層膜ミラーを有するファブリペロー干渉計の断面図である。 反射防止膜として厚さが４４０ｎｍであり屈折率ｎが２である窒化膜の反射特性を示した図である。

符号の説明

１ 半導体基板
１ａ 半導体基板の一方の面
１ｂ 半導体基板の他方の面
１ｃ 凹凸
１４ アパーチャ
Ｍ１ 下側ミラー
Ｍ２ 上側ミラー
Ａｇ ギャップ

Claims (6)

1. 基板（１）の一方の面（１ａ）に高屈折材料と低屈折材料とを用いた高屈折率材料／低屈折率材料／高屈折率材料の３層構造で形成され、前記低屈折率材料が複数に分割された下側ミラー（Ｍ１）と、該下側ミラー（Ｍ１）と対応する位置において、該下側ミラー（Ｍ１）から空気のギャップ（Ａｇ）を介して配置され高屈折材料と低屈折材料とを用いた高屈折率材料／低屈折率材料／高屈折率材料の３層構造で形成され、前記低屈折率材料が複数に分割された上側ミラー（Ｍ２）とを有してなる光学多層膜ミラーを備えたファブリペロー干渉計において、
   高屈折率材料はシリコンもしくはゲルマニウムであり、低屈折率材料は空気であり、
   前記基板（１）には、前記一方の面（１ａ）に垂直な方向において前記光学多層膜ミラーを前記基板（１）に投影したとき、前記光学多層膜ミラーに対応する部分では光を通過させると共に、前記光学多層膜ミラーを除いた部分では光の通過を妨げるアパーチャ（１４）が設けられており、
   前記基板（１）の他方の面（１ｂ）には、前記他方の面（１ｂ）に垂直な方向において前記アパーチャ（１４）のうち光を透過させる部分を前記他方の面（１ｂ）に投影したとき、当該光を透過させる部分の面積が前記光学多層膜ミラーに対応する部分の面積よりも小さくされ、かつ、当該光を透過させる部分に、表面側の方が内部よりも細い、尖った形状を有する複数の凹凸（１ｃ）が設けられていることを特徴とするファブリペロー干渉計。
2. 前記複数の凹凸（１ｃ）はそれぞれ四角錐であり、前記四角錐の底面が前記他方の面（１ｂ）に配置されており、
   前記四角錐の底面の対角線の長さが前記光の波長よりも短くなっていることを特徴とする請求項１に記載のファブリペロー干渉計。
3. 前記基板（１）は、シリコンもしくはゲルマニウム基板であり、基板面は（１００）面であり、前記複数の凹凸（１ｃ）の側面は（１１１）面になっていることを特徴とする請求項２に記載のファブリペロー干渉計。
4. 前記アパーチャ（１４）は、前記基板（１）の他方の面（１ｂ）に設けられ、光を吸収する金属膜で形成されたものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のファブリペロー干渉計。
5. 前記光学多層膜ミラーのうち前記光の反射面が六角形に細分化され、この細分化された前記光学多層膜ミラーがハニカム状に配置されており、
   前記基板（１）の他方の面（１ｂ）のうち、前記他方の面（１ｂ）に垂直な方向において前記ハニカム状に配置された六角形の光学多層膜ミラーが投影された領域であって、当該領域よりも小さい面積で前記凹凸（１ｃ）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のファブリペロー干渉計。
6. 前記基板（１）の他方の面（１ｂ）に形成された前記複数の凹凸（１ｃ）は六角形とされていると共に細分化され、当該細分化された六角形の前記複数の凹凸（１ｃ）は、前記ハニカム状に配置された六角形の光学多層膜ミラーが投影された各領域に配置されていると共に、当該細分化された六角形の前記複数の凹凸（１ｃ）の一つの面積は、前記細分化された光学多層膜ミラーの一つの六角形の面積よりも小さくなっていることを特徴とする請求項５に記載のファブリペロー干渉計。

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