(57)【要約】装置はチャンバ、電気機械駆動部、窓およびメカニカル・カンチレバーを含む。チャンバは、メカニカル・カンチレバーが配置された内部を有する。メカニカル・カンチレバーは、電気機械駆動部に結合された第１の端部と、自由な第２の端部とを有する。駆動部は、メカニカル・カンチレバーを駆動して振動運動を行わせるように構成される。窓は、外光がチャンバ内に入り、メカニカル・カンチレバーの一部分を照光するようにチャンバの壁に沿って配置される。メカニカル・カンチレバーは、窓を通ってチャンバに入る外光によって照光されると機械的に応答するように構成される。
2009533680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を有するチャンバと、
電気機械駆動部と、
前記内部に配置されたメカニカル・カンチレバーであって、前記電気機械駆動部に結合された第１の端部と、自由な第２の端部とを有し、前記駆動部が、前記メカニカル・カンチレバーを駆動して振動運動を行わせるように構成される、メカニカル・カンチレバーと、
外光が前記チャンバに入り、前記メカニカル・カンチレバーの一部を照光できるように前記チャンバの壁に沿って配置された窓とを含む装置であって、前記メカニカル・カンチレバーが、前記窓を通って前記チャンバに入る光によって照光されると機械的に応答するように構成される、装置。
【請求項２】
前記メカニカル・カンチレバーの位置を追跡するように構成された動き検出器をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記動き検出器が、光を前記カンチレバーの表面に向けるように構成された光源と、光ビームの反射された部分の測定に応じて前記メカニカル・カンチレバーの位置を表すデータ信号を出力するように構成された検出器とを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記光検出器によって出力された前記データ信号から前記外光の強度を決定するように構成されたプロセッサをさらに含む、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記チャンバが実質的に真空にされる、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
ある周波数の範囲にわたってメカニカル・カンチレバーを駆動しながら、前記メカニカル・カンチレバーの１つの面を入射光で露光するステップと、
前記駆動を実行しながら、前記メカニカル・カンチレバーの運動の測定値から前記メカニカル・カンチレバーの１つまたは複数の動的な機械的特性を決定するステップと、
前記決定された１つまた複数の動的な機械的特性から前記入射光の強度を決定するステップとを含む、方法。
【請求項７】
前記露光するステップがさらに、前記メカニカル・カンチレバーの周囲で実質的な真空を維持するステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記決定される１つまたは複数の動的な機械的特性の１つが前記メカニカル・カンチレバーの機械的共振特性を表す、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
電気機械駆動部と、
各カンチレバーが、前記電気機械駆動部に物理的に結合された第１の端部と、前記電気機械駆動部によって駆動される前記第１の端部に応答する振動運動を自由に行う第２の端部とを有する、メカニカル・カンチレバーのアレイと、
各動き検出器が、前記メカニカル・カンチレバーのうちの対応する１つのある位置を追跡するように構成される、動き検出器のアレイとを含む装置であって、
各メカニカル・カンチレバーが、そこに入射する光の強度に機械的に応答する、装置。
【請求項１０】
実質的に真空にされたチャンバと、前記チャンバ内に配置されたメカニカル・カンチレバーの前記アレイと、
光が前記チャンバに入り、前記メカニカル・カンチレバーを照光できるように配置された窓とをさらに含む、請求項９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出器および光検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この項では、本発明を容易によりよく理解する助けになりうる態様を提示する。したがって、この項の記述は、この観点で読まれるべきものである。この項の記述は、何が従来技術にあるか、または何が従来技術にはないかを承認するものとして理解されるべきものではない。
【０００３】
光検出器では、光強度を測定するために様々な物理的方法を使用してきた。物理的方法の例としては、光誘起化学反応、光誘起加熱、および光誘起電荷担体移動が含まれる。このような物理的方法のそれぞれには、入射光強度を測定するその能力に限界がある。測定能力の限界には、物理的方法の速度、および／または物理的方法の波長選択性に起因するものもある。
【非特許文献１】Ｔ．Ｄ．Ｓｔｏｗｅ他、「Ａｔｔｏｎｅｗｔｏｎ  ｆｏｒｃｅ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｕｌｔｒａｔｈｉｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｎｏ．７１（１９９７）、２８８〜２９０頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
メカニカル・カンチレバーを用いた光検出器および光検出方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の態様では、装置はチャンバ、電気機械駆動部、窓およびメカニカル・カンチレバーを含む。チャンバは、メカニカル・カンチレバーが配置された内部を有する。メカニカル・カンチレバーは、電気機械駆動部に結合された第１の端部と、自由な第２の端部とを有する。駆動部は、メカニカル・カンチレバーを駆動して振動運動を行わせるように構成される。窓は、外光がチャンバ内に入り、メカニカル・カンチレバーの一部分を照光するようにチャンバの壁に沿って配置される。メカニカル・カンチレバーは、窓を通ってチャンバに入る外光によって照光されると機械的に応答するように構成される。
【０００６】
いくつかの実施形態では、装置は、メカニカル・カンチレバーの位置を追跡するように構成された動き検出器を含む。動き検出器は、光ビームをカンチレバーの表面に向けるように構成された光源と、メカニカル・カンチレバーから反射された光ビームの一部の測定に応じてメカニカル・カンチレバーの位置を表すデータ信号を出力するように構成された光検出器とを含むことができる。装置はまた、光検出器によって出力されたデータ信号から外光の強度を決定するように構成されたプロセッサを含むこともできる。
【０００７】
いくつかの実施形態では、チャンバは実質的に真空にすることができる。
【０００８】
第２の態様では、１つの方法は、ある周波数の範囲にわたってメカニカル・カンチレバーを駆動しながら、メカニカル・カンチレバーの１つの面を入射光で露光するステップを含む。この方法は、駆動を実行しながら、カンチレバーの運動の測定値からメカニカル・カンチレバーの１つまたは複数の動的な機械的特性を決定することを含む。この方法はまた、決定された１つまた複数の動的な特性から入射光の強度を決定することも含む。
【０００９】
この方法のいくつかの実施形態では、露光するステップは、メカニカル・カンチレバーの周囲で実質的な真空を維持することを含むことができる。
【００１０】
この方法のいくつかの実施形態では、決定される１つまたは複数の動的な機械的特性の１つは、メカニカル・カンチレバーの機械的共振特性である。決定される１つまたは複数の動的な機械的特性の１つは、機械的共振周波数、機械的共振振幅、または駆動されるメカニカル・カンチレバーの位相遅れを示すことができる。
【００１１】
この方法のいくつかの実施形態では、強度を決定するステップはさらに、決定された１つまた複数の動的な機械的特性を、同じ１つまた複数の動的な機械的特性の基準値と比較することを含むことができる。
【００１２】
第３の態様では、装置は、電気機械駆動部、メカニカル・カンチレバーのアレイ、および動き検出器のアレイを含む。各カンチレバーは、電気機械駆動部に物理的に結合された第１の端部と、電気機械駆動部によって駆動される第１の端部に応答する振動運動を自由に行う第２の端部とを有する。各動き検出器は、メカニカル・カンチレバーのうちの対応する１つのある位置を追跡するように構成される。各メカニカル・カンチレバーは、そこに入射する光の強度に機械的に応答する。
【００１３】
いくつかの実施形態では、装置はさらに、実質的に真空にされたチャンバ、およびチャンバに光が入れるようにする窓も含む。メカニカル・カンチレバーのアレイは、チャンバ内に配置することができる。窓は、光がメカニカル・カンチレバーを照光できるように配置される。いくつかの実施形態では、窓は、可視光を阻止するように構成することができる。
【００１４】
いくつかの実施形態では、装置はまた、動き検出器からデータ信号を受け取るように接続されたプロセッサを含むこともできる。プロセッサは、受け取ったデータ信号に基づき、メカニカル・カンチレバーに入射する光によって形成された強度パターンを表す画像データを生成するように構成される。プロセッサは、メカニカル・カンチレバーの１つに入射する光の強度を、その１つのメカニカル・カンチレバーの機械的共振特性の値に基づいて決定するように構成することができる。この値は、受け取られたデータ信号から決定される。
【００１５】
図および明細書では、同じ参照数字が、同様な機能を有する要素を示す。
【００１６】
いくつかの図では、示されている１つまたは複数の構造をよりはっきりと見せるために、一部のフィーチャの相対的大きさが誇張されていることがある。
【００１７】
本明細書では、様々な実施形態をより完全に各図および「発明を実施するための最良の形態」で説明する。とはいえ、本発明は様々な形態で実施することができ、各図および「発明を実施するための最良の形態」で説明する実施形態に限定されない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
光検出器の様々な実施形態では、入射光を検出し、かつ／またはその強度を測定するために、機械的反応を利用する。具体的には、この機械的反応は、入射光に対するメカニカル・カンチレバーの動的な機械的反応である。メカニカル・カンチレバーの中には、入射光に対して迅速で動的な機械的応答性を有するものもある。そのため、そのようなメカニカル・カンチレバーを組み込んだ光検出器は、迅速な応答時間を有することができる。メカニカル・カンチレバーには、高感度で高速の光検出に関して他の物理的方法では利用可能性が低い波長範囲の光に対し、十分な動的機械的応答性を有することができるものもある。そのため、そのようなメカニカル・カンチレバーを組み込んだ光検出器は、そうした波長範囲の光を検出し、かつ／または光強度を測定するのに有利である。
【００１９】
図１は光検出器１０を示し、この検出器は、メカニカル・カンチレバー１２、電気機械駆動部１４、密閉チャンバ１６、窓１８、および動き検出器２０を含む。
【００２０】
光検出器１０では、メカニカル・カンチレバー１２は、第１の自由な端部２４と、電気機械駆動部１４に物理的に結合された第２の端部とがあるアーム２２を有する。固定支持物２６は、任意選択で、メカニカル・カンチレバー１２の第２の端部と電気機械駆動部１４の間の物理的結合を行うことができる。その形状および／または物理的結合により、メカニカル・カンチレバー１２の自由端部２４は振動運動を行うことができる。特に、アーム２２と電気機械駆動部１４の物理的結合を柔軟にすることができ、かつ／またはメカニカル・カンチレバーのアーム２２自体を柔軟にすることができる。第２の端部の結合および／またはアーム２２自体に付随する柔軟性により、メカニカル・カンチレバー１２の自由端部２４が比較的高い周波数で振動運動を行うことが可能になる。
【００２１】
メカニカル・カンチレバー１２は、例えば、標準的なマイクロエレクトロニクス製造プロセスによって積層半導体および／または誘電体構造から製造することができるマイクロメカニカル・デバイスとすることができる。このようなメカニカル・カンチレバー１２の末端部分の例示的な形状が図２に示されている。例示的なカンチレバー１２は、シリコン・アーム２２を有することができ、このアームは、例えば、厚さを１μｍ以下、幅を１０〜１００μｍ、長さを１００〜１０００μｍとすることができる。図示のように、メカニカル・カンチレバー１２の自由端部２４は、メカニカル・カンチレバー１２が十分な柔軟性を有する一方で入射光と相互作用するための広い面積を有するように、アーム２２の残りの部分よりも幅広くすることができる。
【００２２】
光検出器１０では、電気機械駆動部１４は、機械的な駆動信号をメカニカル・カンチレバー１２の結合端に、例えば固定支持物２６を介して加える。電気機械駆動部１４は、平面圧電構造体２８と、圧電構造体２８の両端間に接続される交流（ＡＣ）源（図示せず）とを含むことができる。平面圧電構造体から電気機械駆動部を製造することは、当業者には周知である。ＡＣ源は、圧電構造体２８の両端に交流電圧を生成するように接続される。交流電圧により、圧電構造体２８と、メカニカル・カンチレバー１２の物理的に結合された端部とが、ＡＣ駆動周波数で振動することになる。ＡＣ源は、メカニカル・カンチレバー１２の機械的共振周波数を囲む駆動周波数の範囲で電圧を生成するように構成することができる。
【００２３】
光検出器１０では、チャンバ１６は気密密閉され、実質的に真空にされた内部を有する。実質的に真空にされた内部は、約０．０１気圧未満のガス圧を有することがあり、例えば約０．００１気圧未満、さらには約０．０００１気圧未満のガス圧を有することもある。チャンバ１６の内部には、メカニカル・カンチレバー１２全体が収容される。チャンバ１６の内部が実質的な真空であると、入射光に対するメカニカル・カンチレバー１２の動的な機械的応答への雰囲気ガスによる干渉が低減する。
【００２４】
光検出器１０では、窓１８が、チャンバ１６内の実質的な真空を消失させずに外光２９がチャンバ１６内に入ることができようにする。窓１８は、このような外光２９をメカニカル・カンチレバー１２の一部分に、例えば自由端部２４上に集束できるように構成され、かつ／または配置される。
【００２５】
窓１８は、選択された波長範囲内の外光２９が実質的に透過する。いくつかの実施形態では、窓１８はまた、選択された波長範囲外の波長を有する光を実質的に阻止することもできる。このような実施形態では、窓１８は、選択された波長範囲内の外光２９にだけ光検出器１０を感応させる帯域通過フィルタとして機能する。例えば、いくつかの実施形態では、この窓は可視光を阻止する一方で、選択された赤外線の波長範囲内の光がチャンバ１６に入ることを可能にすることができる。その場合、光検出器１０は、赤外光を選択的に検出する検出器として機能することができる。
【００２６】
光検出器１０では、動き検出器２０は、メカニカル・カンチレバー１２の末端部分の振動運動を監視するように構成される。監視に基づいて、動き検出器２０は、メカニカル・カンチレバー１２の末端部分の動きの振幅、周波数、および／または位相遅れを決定できる１つまたは複数のデータ信号を出力する。
【００２７】
動き検出器２０は、例えば微弱な光源である光源３０、および光検出器３２を含む。光源３０は、メカニカル・カンチレバー１２の反射裏面の一部分の自由端部２４付近に向けて平行光ビーム３４を伝達するように構成される。具体的には、光源は、メカニカル・カンチレバー１２が平行光ビーム３４の一部分３６を光検出器３２に向けて反射するように構成される。光検出器３２は、空間的にセグメント化された位置感知型光検出器である。このような光検出器３２の例としては、４要素型光検出器、電荷結合検出器（ＣＣＤ）、および差分検出を行うように互いに接続された隣接フォトダイオードが含まれる。光検出器３２の個々の光検出セグメント３８、３９は、その上の相対的な光強度が、メカニカル・カンチレバー１２の運動時の自由端部２４の位置を示すように方向が定められる。具体的には、セグメント３８、３９によって検出されたときの相対的光強度の発生を使用して、例えば差分検出手法によって、メカニカル・カンチレバー１２の振動運動時の最大変位を特定することができる。そのため、動き検出器２０により、メカニカル・カンチレバー１２の振動運動時の機械的共振振幅、機械的共振周波数、および／または位相を決定するのに十分なだけのデータ信号が得られる。
【００２８】
様々な実施形態では、動き検出器２０の光源３０および光検出器３２は、光検出器１０によって検出される波長範囲とは異なる波長範囲の測定光を使用することができる。例えば、光検出器１０では、窓１８は赤外光だけが透過するのに対して、光検出器３２は可視光に応答する。例えば、光検出器３２は、可視光に感応し、赤外光には感応しないＣＣＤとすることができる。したがって、光検出器１０は、メカニカル・カンチレバー１２の動きを監視するために使用される光検出器３２の波長範囲外の光を検出することができる。このような実施形態では、メカニカル・カンチレバー１２の感光性に依存する光検出器１０は、そのようなＣＣＤが良好な光検出器にならない波長まで検出感度を拡張することもできる。
【００２９】
他の実施形態では、動き検出器２０は、図１の実施形態のような光学的測定ではなく電気的測定または磁気的測定によって、メカニカル・カンチレバー１２の振動運動を追跡することができる。このような測定を可能にするために、電気回路または磁粉をメカニカル・カンチレバー１２の自由端部２４付近に取り付けることができる。その場合には、電気的測定または磁気的測定により、メカニカル・カンチレバー１２の振動運動時の機械的共振振幅、機械的共振周波数、および／または駆動部に遅れる位相遅れを決定するのに必要なデータ信号が得られる。
【００３０】
光検出器１０は、任意選択で、凸形屈折レンズまたは他の種類の集束レンズ・システム３８を含むことができる。レンズまたはレンズ・システム３８は、外光２９を透過窓１８に通してメカニカル・カンチレバー１２の自由端部２４の一部分上に集束する。このように集束すると、メカニカル・カンチレバー１２上への光束を増大させることができ、したがって、外光２９に対する光検出器１０の総合感度を高めることができる。
【００３１】
図１の光検出器１０は、メカニカル・カンチレバー１２の１つまたは複数の機械的特性を測定するが、これらの特性は、メカニカル・カンチレバーからの入射光子の反射および／または吸収に対するメカニカル・カンチレバーの運動学的応答性によって影響を受ける
【００３２】
図３は、メカニカル・カンチレバー１２の上面の一部分からの運動量Ｐの光子の反射に関連する運動学を示す。光子は、上面と直角をなすベクトルＮに対して角度θで上面に入射する。反射した光子は、同じ角度θを直角ベクトルＮとでつくる。光子の反射により、メカニカル・カンチレバー１２は、直角ベクトルＮと反対方向に衝撃運動量移転を受ける。θ≒０の高入射角度では、移転運動量は、入射光子の運動量の２倍にほぼ等しく、すなわち約２Ｐである。したがって、θ→０のとき、総移転運動量は２ｈ／λに近づく。ここで「ｈ」はプランク定数、λは光の波長である。
【００３３】
光子の反射および吸収による運動量移転により、メカニカル・カンチレバー１２をその長手方向に、かつ／またはその物理的に結合された端部付近で機械的に曲げることができ、かつ／またはメカニカル・カンチレバー１２の運動を抑えることができる。電気機械駆動部１４の駆動周波数が、入射光強度の実質的な変動の速度よりもずっと高い場合には、光は実際上、振動するメカニカル・カンチレバー１２の動的な機械的特性のほぼ一定した変化を誘起する。そのため、入射光の強度は、メカニカル・カンチレバー１２の動的な機械的特性の変化によって測定することができる。実際、このような入射光の光束は、例えば、メカニカル・カンチレバー１２の機械的共振周波数、メカニカル・カンチレバー１２による共振運動の振幅、および／または電気機械駆動部１４に遅れるメカニカル・カンチレバー１２の位相遅れを変化させることができる。様々な実施形態で、これらの機械的共振特性のいずれかをメカニカル・カンチレバー１２の上面に入射する光の強度の指標として用いることができる。
【００３４】
図４は、光検出器を動作させる方法４０を示し、この光検出器は、メカニカル・カンチレバーの動的な機械的反応を使用して、例えば図１のメカニカル・カンチレバー１２の機械的共振応答を使用して、そこに入射する光の強度を測定する。
【００３５】
方法４０は、メカニカル・カンチレバーの機械的共振周波数に近い周波数の範囲にわたってメカニカル・カンチレバーを駆動することを含む（ステップ４２）。駆動するステップは、メカニカル・カンチレバー１２の機械的共振周波数のまわりで掃引する周波数でメカニカル・カンチレバー１２を駆動するために、電気機械駆動部１４を使用することを含むことができる。
【００３６】
方法４０は、ステップ４２の駆動を実行しながら、メカニカル・カンチレバーの１つの面を入射光で露光することを含む（ステップ４４）。入射光は、例えばメカニカル・カンチレバーの曲がりを引き起こし、この曲がりはゼロでない時間平均を有する。具体的には、光は、メカニカル・カンチレバーの機械的共振運動の周期よりも時間的に遅くメカニカル・カンチレバーが変動するようにそれを曲げることが多い。
【００３７】
方法４０は、ステップ４２の駆動を実行しながら、駆動されるメカニカル・カンチレバーの１つまたは複数の機械的特性を測定することを含む（ステップ４６）。測定される機械的特性は、機械的駆動周波数の関数としてのメカニカル・カンチレバーの振動振幅、および／または機械的駆動周波数の関数としての、機械駆動部に遅れるメカニカル・カンチレバーの運動の位相遅れとすることができる。メカニカル・カンチレバー１２については、動き検出器２０、およびコンピュータ（図１には図示せず）がその機械的特性を測定することができる。コンピュータは、動き検出器２０からの動き／変位測定値のデータ信号を受け取り、前記動き／変位測定値のデータ信号に基づいてメカニカル・カンチレバーの機械的特性を決定する。
【００３８】
方法４０は、ステップ４６で測定された１つまたは複数の動的な機械的特性の１つまたは複数の値から、メカニカル・カンチレバーの１つまたは複数の動的な機械的特性を決定することを含む（ステップ４８）。決定される１つまたは複数の動的な機械的特性は、メカニカル・カンチレバーの機械的共振周波数、および／またはメカニカル・カンチレバーの機械的共振時の振動運動のピーク振幅を含むことができる。メカニカル・カンチレバーの動的な機械的特性は、入射光の強度によって決まり、これは例えば、そのような光により誘起される慣性回転モーメントの変化による。
【００３９】
方法４０は、決定された１つまたは複数の動的な機械的特性の１つまたは複数の値を同じ特性の基準値と比較することによって、駆動ステップ４２の間中にメカニカル・カンチレバーに入射する光強度を決定することを含む（ステップ５０）。光強度を決定することは、例えば、ステップ４６および４８を実行することによって決定された１つまたは複数の動的な機械的特性を、基準光強度に対する同じ１つまたは複数の動的な機械的特性の記憶値と比較することを含むことができる。
【００４０】
いくつかの実施形態では、方法４０は、較正段階を含むことができる。較正段階では、メカニカル・カンチレバーは、例えば一連の基準光強度にさらされ、ステップ４２、４４、４６および４８が実行されて、それぞれの基準光強度に対し、選択された１つまたは複数の動的な機械的特性の１つまたは複数の値が求められる。次に、基準光強度と、動的な機械的特性の１つまたは複数の対応する値とのリストが作成される。ステップ５０で未知の光強度を決定することは、ステップ４２、４４、４６および４８を実行することによって未知の光強度に対し決定された１つまたは複数の動的な機械的特性の値をリスト中の同じ特性の値と比較することを含む。未知の光強度は、１つまたは複数の動的な機械的特性の同じ値に対応する基準光強度になる。
【００４１】
マイクロエレクトロニクス分野で既知の結晶シリコンおよび誘電体からなる非常に小さなメカニカル・カンチレバーを製作するのに、従来の方法が利用可能である。例えば、そのような方法のいくつかが、例えば、Ｔ．Ｄ．Ｓｔｏｗｅ他の「Ａｔｔｏｎｅｗｔｏｎ  ｆｏｒｃｅ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｕｌｔｒａｔｈｉｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｎｏ．７１（１９９７）、２８８〜２９０頁の論文に記載されている。この文献の内容を参照によりその全体で本明細書に組み込む。
【００４２】
図５を参照すると、上記で論じた論文の方法、および／または類似の製造方法で、図１の光検出器１０に使用可能なマイクロメカニカル・カンチレバーの構造体５２を製造することができる。構造体５２は、アームの厚さが１マイクロメートル（μｍ）未満、アーム幅が約１〜５０μｍ、長さが１０〜２００μｍのメカニカル・カンチレバーを含むことができる。このような結晶シリコンのマイクロメカニカル・カンチレバーは、少ない光束に対して高い機械的感度をもたらす高い可撓性を有することができる。
【００４３】
上記で論じた製造方法および／または類似の製造方法は、諸ステップのシーケンスを実施することを含むことができる。このシーケンスは、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）シリコン・ウェハの前面上のシリコン層５４内に、例えばマスク制御エッチングによって、マイクロメカニカル・カンチレバーをエッチングすることを含むことができる。このエッチングは、ＳＦ６をベースとする化学物質を用いた従来のプラズマ・エッチングとすることができる。このシーケンスは、エッチングされたマイクロメカニカル・カンチレバーを保護するために、例えば低温酸化物層、およびこの酸化物層を覆う低応力窒化シリコン層の保護層を前面上に堆積させることを含むことができる。このシーケンスは、ＳＯＩウェハ５６のシリコン部分の、従来の深い裏面エッチングを実施することを含むことができる。このエッチングは、ＳＯＩシリコン・ウェハの絶縁体層５８で止まるように選択される。深い裏面エッチングは、前にエッチングされたマイクロメカニカル・カンチレバーの下にある半導体を除去するようにマスク制御される。このシーケンスは、保護窒化物層を除去するために、例えばＳＦ６をベースとする化学物質を用いた前面プラズマ・エッチングを実施することを含むことができる。このシーケンスは、マイクロメカニカル・カンチレバーのまわりの酸化物層を除去するために、従来のバッファード（ｂｕｆｆｅｒｅｄ）・ウェット・エッチングを実施することを含むことができる。ウェット・エッチングの後で、このシーケンスは、危険な表面張力をマイクロメカニカル・カンチレバーにかけることなく構造体を洗浄し乾燥させることを含む。具体的には、ウェット・エッチング液をまず水で置き換え、次にそれをメタノールで置き換えることができる。メタノールは、表面張力が非常に低いかまたは存在しない臨界二酸化炭素中で乾燥させることによって除去することができる。
【００４４】
撮像装置は、図１の複数の光検出器１０を含むことができ、かつ／または図４の方法４０に従って動作させることができる。このような撮像装置は、空間的に測定された光強度に基づく画像を作成し、例えば赤外線カメラとして機能することができる。
【００４５】
図６および図７は、２次元（２Ｄ）画像を作成するように構成されている撮像装置６０を示す。装置６０は、メカニカル・カンチレバーの２Ｄアレイを有し、このメカニカル・カンチレバーは、直交するｉとｊの方向に沿って感光画素の規則的なアレイを画定する。これらの感光画素は、装置６０が２Ｄ画像を生成するカメラとして機能できるようにする。
【００４６】
図６を参照すると、装置６０は、チャンバ１６、窓１８、画素化感光領域６２、デジタル・プロセッサ６４、データ記憶媒体６６を含み、また任意選択で撮像レンズ・システム３８を含む。チャンバ１６は気密密閉され、または画素化感光領域６２の周囲で例えば０．０１気圧未満の圧力、さらには約０．０００１気圧以下の圧力の実質的な真空を維持するように排気される。窓１８は、外光２９がチャンバ１６内に入ることができるようにする。いくつかの実施形態では、窓１８または他の光学フィルタ（図示せず）を配置して、チャンバ１６に入る外光２９を光学的に帯域通過フィルタリングすることができる。このようなフィルタリングにより、光学フィルタの帯域通過範囲内の光の波長で選択的に画像を形成するように装置６０を構成する。画素化感光領域６２は、個別デバイスの２Ｄアレイを含み、この個別デバイスは、感光画素として入射光に機械的に応答する。このような各デバイスは、そこに入射する光の強度を示すデータ信号を発生する。実質的な真空により、個々のデバイスは、雰囲気ガスに起因する大きな干渉を受けることがない動的な機械的応答性を有する。任意選択の撮像レンズ・システム３８は、外光２９の少なくとも一部を画素化感光領域６２上に向けて、例えば焦点が合った画像をその上に形成する。デジタル・プロセッサ６４は、画素化感光デバイス６２の個々のデバイスによって生成したデータ信号を受け取るように接続される。前記受け取られたデータ信号から、デジタル・プロセッサ６４は、画素化感光領域６２上で外光２９によって形成された対応する画像を表す、２Ｄデジタル画像を生成するための標準デジタル・データを生成するように構成される。データ記憶媒体６６は、デジタル・プロセッサ６４によって生成された前記画像の標準デジタル・データを受け取り保存するように構成される。データ記憶媒体６６は、ハード・ドライブ、能動メモリ、磁気記憶媒体、または光学記憶媒体を含むことができる。保存された標準デジタル画像データは、デジタル・プロセッサ６４または従来のデータ処理システム（図示せず）によってデータ記憶媒体６６から取り出して、画素化感光領域６２によって測定されたデジタル形式の元の光画像を表示することができる。
【００４７】
図７を参照すると、画素化感光領域６２は、感光画素領域の２Ｄアレイを有し、この領域は、直交するｉとｊの方向に沿って規則的に分布している。画素化感光領域６２は、Ｍ個の実質的に同一で平行な列要素６８１、．．．、６８Ｍからなる規則的なアレイを含む。Ｍ個の列要素６８１〜６８Ｍの規則的なアレイはｊ方向に沿って延びる。各列要素６８１〜６８Ｍは、Ｎ個の感光画素領域からなる線形空間アレイを含む。
【００４８】
このアレイ内で、各列要素６８１〜６８Ｍは、例えばマイクロメカニカル・カンチレバーであるＮ個のメカニカル・カンチレバー１２１、．．．、１２（Ｎ−１）、１２Ｎからなる線形空間アレイ７０と、電気機械駆動部１４と、動き検出器２０１、．．．、２０Ｎ−１、２０Ｎからなる線形空間アレイ７２とを含む。各メカニカル・カンチレバー１２１〜１２Ｎは、画素化感光領域６２の１つの個別画素領域の感光要素である。各電気機械駆動部１４は、同じ列要素６８１〜６８Ｍのメカニカル・カンチレバー１２１〜１２Ｎのアレイ全体を機械的に駆動するように物理的に構成される。つまり、Ｎ個のメカニカル・カンチレバー１２１〜１２Ｎのそれぞれの一端が、単一の機械駆動部１４に物理的に結合される。電気機械駆動部１４は、例えば圧電構造体ＰＳと、１対の電極Ｅの両端につながる交流電圧源Ｖとを含む。電極Ｅの各対は、１つの圧電構造体ＰＳの両側に配置される。各アレイ７２内で、個々の動き検出器２０ｊは、例えばＬＥＤである光源３０ｊ、および空間的にセグメント化された対応する光検出器３２ｊを含む。各光源３０ｊは、その同じ列要素６８１〜６８Ｍのメカニカル・カンチレバー１２ｊのうちの対応する１つの裏面に光ビームを向ける。各光検出器３２ｊは、対応するメカニカル・カンチレバー１２ｊによって後方に反射される、対応する光源３０ｊの光ビームの位置を検出し測定する。これらの光測定により、例えば図１の動き検出器２０に関して説明したように、各動き検出器２０ｊが、対応するメカニカル・カンチレバー１２ｊの振動運動を追跡できるようになる。
【００４９】
いくつかの実施形態では、光源３０１〜３０Ｎ、および空間的にセグメント化された光検出器３２１〜３２Ｎは、装置６０によって撮像される波長範囲外の光の波長を使用する。例えば、各列要素６８１〜６８Ｍの光検出器３２１〜３２Ｎは、セグメント化された電荷結合検出器（ＣＣＤ）の画素の線形アレイまたは差動構成の形で接続されたフォトダイオードの列隣接対、あるいは４要素型光検出器の列とすることができる。ＣＣＤは、可視光に対しては高感度で、赤外光に対してはずっと感度が低いことが多い。それにもかかわらず、メカニカル・カンチレバー１２１〜１２Ｎを赤外光に対して高感度になるよう構成可能にできるので、たとえ光検出器３２１〜３２ＮがＣＣＤであっても、装置６０は、赤外光を撮像するように構成可能にすることができる。したがって、メカニカル・カンチレバー１２１〜１２Ｎの動的な機械的反応を使用すると、一般のＣＣＤの感応範囲外の光で、２Ｄ撮像装置の製品が画像を形成できるようになる。
【００５０】
図８は、画素化感光領域６２に入射する光によって形成された画像に対応する２Ｄ画像を生成するための図６〜７の装置６０を動作させる方法８０を示す。方法８０は、例えば方法４０のステップ４２のように、機械駆動周波数の範囲にわたって、単一の列要素６８ｊのメカニカル・カンチレバー１２１〜１２Ｎそれぞれを機械的に駆動することを含む（ステップ８２）。ここで、単一の電気機械駆動部１４は、同じ列要素６８ｊのメカニカル・カンチレバー１２１〜１２Ｎそれぞれを一緒に駆動する。方法８０は、例えば方法４０のステップ４４のように、駆動するステップを実行しながら、同じ列要素６８ｊのメカニカル・カンチレバー１２１〜１２Ｎそれぞれを入射光で露光することを含む（ステップ８４）。方法８０は、例えば方法４０のステップ４６のように、駆動するステップを実行しながら、同じ列要素６８ｊのメカニカル・カンチレバー１２１〜１２Ｎそれぞれの１つまたは複数の機械的特性を測定することを含む（ステップ８６）。測定するステップ８６は、同じ列要素６８ｊの動き検出器２０１〜２０Ｎを用いてメカニカル・カンチレバー１２１〜１２Ｎの位置または動きを測定することを含む。方法８０は、例えば方法４０のステップ４８のように、同じメカニカル・カンチレバー１２１〜１２Ｎの測定された１つまたは複数の機械的特性から、同じ列要素６８ｊのメカニカル・カンチレバー１２１〜１２Ｎの１つまたは複数の動的な機械的特性、例えば機械的共振振幅または機械的共振周波数を決定することを含む（ステップ８８）。方法８０は、例えば方法４０のステップ５０のように、決定された１つまたは複数の動的な機械的特性を同じメカニカル・カンチレバー１２１〜１２Ｎの同じ特性の基準値と比較することによって、同じ列要素６８ｊのメカニカル・カンチレバー１２１〜１２Ｎそれぞれにおける光強度を決定することを含む（ステップ９０）。決定するステップ８６およびステップ８８は、例えばプロセッサ６４で実行することができる。方法８０は、画像のデジタル・データをデータ記憶媒体６６内に保存することを含む（ステップ９２）。画像の保存されたデジタル・データは、前記画像の各画素における光強度が、同じまたは相当する空間位置に画像の画素として配置されたメカニカル・カンチレバー１２１〜１２Ｎにおける光の決定された強度になるようなものである。
【００５１】
この開示、図面および特許請求の範囲から、本発明の他の実施形態が当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】光検出器の一実施形態を示す側面図である。
【図２】図１の光検出器用の例示的なメカニカル・カンチレバーの末端部分の上面図である。
【図３】図１のメカニカル・カンチレバーの末端部分の、その上面から光子を反射することに関連する運動学を示す側面図である。
【図４】光検出器、例えば図１の光検出器を動作させる方法の一実施形態を示す流れ図である。
【図５】図１の光検出器に使用できるマイクロメカニカル・カンチレバーの例示的な一実施形態を示す側面図である。
【図６】２次元（２Ｄ）画像を作成する装置を示す斜め上面図である。
【図７】図６の装置内の感光画素化領域を示す斜め上面図である。
【図８】２Ｄ画像を作成する図６〜７の装置を動作させる方法を示す流れ図である。
【図１】
2009533680.tif 000003
【図２】
2009533680.tif 000004
【図３】
2009533680.tif 000005
【図４】
2009533680.tif 000006
【図５】
2009533680.tif 000007
【図６】
2009533680.tif 000008
【図７】
2009533680.tif 000009
【図８】
2009533680.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成20年12月11日(2008.12.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を有するチャンバと、
電気機械駆動部と、
前記内部に配置されたメカニカル・カンチレバーであって、前記電気機械駆動部に結合された第１の端部と、自由な第２の端部とを有し、前記駆動部が、前記メカニカル・カンチレバーを駆動して振動運動を行わせるように構成される、メカニカル・カンチレバーと、
外光が前記チャンバに入り、前記メカニカル・カンチレバーの一部を照光できるように前記チャンバの壁に沿って配置された窓とを含む装置であって、前記メカニカル・カンチレバーが、前記窓を通って前記チャンバに入る光によって照光されると機械的に応答するように構成され、前記装置がさらに、
前記メカニカル・カンチレバーにおける前記光の反射および吸収による前記メカニカル・カンチレバーの機械的反応を測定するように構成された動き検出器を含む、装置。
【請求項２】
前記動き検出器が前記メカニカル・カンチレバーの位置を追跡するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記動き検出器が、光を前記カンチレバーの表面に向けるように構成された光源と、光ビームの反射された部分の測定に応じて前記メカニカル・カンチレバーの位置を表すデータ信号を出力するように構成された検出器とを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記光検出器によって出力された前記データ信号から前記外光の強度を決定するように構成されたプロセッサをさらに含む、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記チャンバが実質的に真空にされる、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
ある周波数の範囲にわたってメカニカル・カンチレバーを駆動しながら、前記メカニカル・カンチレバーの１つの面を入射光で露光するステップと、
前記駆動を実行しながら、前記メカニカル・カンチレバーの運動の測定値から前記メカニカル・カンチレバーの１つまたは複数の動的な機械的特性を決定し、さらに前記メカニカル・カンチレバーにおける前記入射光の反射および吸収による前記メカニカル・カンチレバーの機械的反応を測定するステップと、
前記決定された１つまた複数の動的な特性から前記入射光の強度を決定するステップとを含む、方法。
【請求項７】
前記露光するステップがさらに、前記メカニカル・カンチレバーの周囲で実質的な真空を維持するステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記決定される１つまたは複数の動的な機械的特性の１つが前記メカニカル・カンチレバーの機械的共振特性を表す、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
電気機械駆動部と、
各カンチレバーが、前記電気機械駆動部に物理的に結合された第１の端部と、前記電気機械駆動部によって駆動される前記第１の端部に応答する振動運動を自由に行う第２の端部とを有する、メカニカル・カンチレバーのアレイと、
各動き検出器が、対応する１つの前記メカニカル・カンチレバーのある位置を追跡するように構成される、動き検出器のアレイと、
動き検出器とを含む装置であって、
各メカニカル・カンチレバーが、そこに入射する光の強度に機械的に応答し、前記動き検出器が、前記メカニカル・カンチレバーにおける前記光の反射および吸収による前記メカニカル・カンチレバーの機械的反応に基づいて前記光の強度を測定する、装置。
【請求項１０】
実質的に真空にされたチャンバと、前記チャンバ内に配置されたメカニカル・カンチレバーの前記アレイと、
光が前記チャンバに入り、前記メカニカル・カンチレバーを照光できるように配置された窓とをさらに含む、請求項９に記載の装置。
【国際調査報告】
2009533680.tif 000011
2009533680.tif 000012
2009533680.tif 000013