(57)【要約】【課題】分光式／光学式測定に対するセンサエレメントであって、該センサエレメントはビーム１０感応測定装置３を備えたセンサチップ２、センサチップに真空密の接続体５において固定されているキャップチップ６、該キャップチップと測定装置との間に形成されていて、接続体によってシールされている自由空間７、入射ビーム１０を測定装置に集束するフレネルゾーンストラクチャ１２を有しているセンサエレメントをコスト面および利便性の点で改良する。【解決手段】レネルゾーンストラクチャはキャップチップ内に形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分光式または光学式測定に対するセンサエレメントであって、該センサエレメントは、
ビーム（１０）に感応する測定装置（３）を備えたセンサチップ（２）と、
該センサチップ（２）に少なくとも１つの真空密の接続体（５）において固定されているキャップチップ（６）と、
該キャップチップ（６）と前記測定装置（３）との間に形成されていて、少なくとも１つの真空密の接続体（５）によってシールされている自由空間（７）と、
入射ビーム（１０）を前記測定装置（３）に集束するためのフレネルゾーンストラクチャ（１２）と
を有している形式のものにおいて、
前記フレネルゾーンストラクチャ（１２）は前記キャップチップ（６）に形成されている
ことを特徴とするセンサエレメント。
【請求項２】
前記キャップチップ（６）の上面（８）はフラットに形成されている
請求項１記載のセンサエレメント。
【請求項３】
前記キャップチップ（６）の下面（９）はフラットに形成されている
請求項１記載のセンサエレメント。
【請求項４】
前記フレネルゾーンストラクチャ（１２）は前記キャップチップ（６）の上面（８）および／または下面（９）に接して形成されている
請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項５】
前記フレネルゾーンストラクチャ（１２）は前記キャップチップ（６）にドーピングされた領域（１４）を有している
請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項６】
前記フレネルゾーンストラクチャ（１２）は異なってドーピングされている領域（１４，１５）から成る交番するリング（Ｒｉ）から形成されている
請求項５記載のセンサエレメント。
【請求項７】
前記上面（８）および／または下面（９）にリング形状のドーピングされた領域（１４）が形成されており、該領域の間に、前記キャップチップ（６）の基板材料の領域（１５）が残っている
請求項６記載のセンサエレメント。
【請求項８】
前記ドーピングされた領域（１４）は高ドーピングされており、有利には前記キャップチップ（６）の基板材料とは反対の導電形でドーピングされている
請求項５から７までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項９】
前記ドーピングされた領域（１４）は実質的に同じ垂直方向の高さ（ｈ）によって形成されている
請求項５から８までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項１０】
前記ドーピングされた領域（１４）の幅（ａｉ）は半径方向において外側に減少している
請求項５から９までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項１１】
前記フレネルゾーンレンズ（１２）は中心測定波長λ０の周辺の波長領域（Δλ）の入射ビーム（１０）を前記測定装置（３）に集束する
請求項１から１０までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項１２】
前記感応する測定装置（３）はＩＲビーム（１０）に対して感応しかつ前記フレネルゾーンレンズ（１２）は入射するＩＲビーム（１０）を集束する
請求項１から１１までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項１３】
センサエレメントは例えば領域８乃至１４μｍの波長に対して、表面温度センサとして形成されている
請求項１から１２までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項１４】
センサエレメントは光学装置およびスペクトルフィルタとしてフレネルゾーンレンズ（１２）だけを有しておりかつ別の、ビーム（１０）を集束しかつ波長選択性の光学装置を有していない
請求項１から１３までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項１５】
請求項１から１４までのいずれか１項記載のセンサエレメントの作製方法において、少なくとも次のステップ：
複数の感応測定装置（３）を有するセンサウェハ（２）を作製し、
キャップウェハ（６）を、
複数の空洞（７）を形成するために該キャップチップ（６）の裏面（９）をエッチングし、
該キャップチップ（６）の上面（８）を、種々異なっている半径（ｒｉ）を有する半径方向の、同心リング（１４）を有するフレネルゾーンレンズ（１２）としてストラクチャ化する、殊にドーピングする
ことによってストラクチャ化し、かつ
それぞれフレネルレンズストラクチャ（１２）が感応測定装置（３）の上方に配置されているように、前記キャップウェハ（６）を前記センサウェハ（２）に載着しかつ真空密の接続体（５）において真空密の接続しかつこうして形成されたウェハスタック体を複数のセンサエレメント（１）に個別化する
を有している方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光式または光学式測定に対するセンサエレメントであって、該センサエレメントは、ビームに感応する測定装置を備えたセンサチップと、該センサチップに少なくとも１つの真空密の接続体において固定されているキャップチップと、該キャップチップと前記測定装置との間に形成されていて、少なくとも１つの真空密の接続体によってシールされている自由空間と、入射ビームを前記測定装置に集束するためのフレネルゾーンストラクチャとを有している形式のものに関する。本発明は更に、この種のセンサエレメントの作製方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Mikro-Elektro-Mechanisches-System）ベースド赤外線センサはとりわけ、ガス濃度を求めるための分光式測定のために使用される。このためにこれらは、殊に真空化された金属ケーシング、殊にＴＯケーシングにおいて使用される。その際チップはケーシングの底部に置かれている。ケーシングはハーメチックシールされたメタルキャップによって封止されており、キャップ内に光学的ウィンドウが集積されている。この場合光学的ウィンドウはビーム集束のためのレンズとしても実現することができる。
【０００３】
この形式の形態は比較的大きくかつコストが高い。従って、センサチップがハーメチックシールされて載着されたキャップチップによってシールされている集積されたセンサが公知である。このようにカバーされたセンサは一般に、付加的な光学エレメントと一緒に、センサと光学エレメントとの間に規定の距離を置いて形成されていて、ビーム集束のための適当な光学素子が実現されるようになっている。
【０００４】
更に、ビーム集束をフレネルレンズによって形成することが公知であり、その際チップの上面に３次元のストラクチャが形成される。連続するシリコンと空気により屈折率の高い急激な変化が実現され、場所に依存した有効屈折率が設定されることになる。こうして集束作用および付加的な回折作用が実現されるので、通過する電磁ビームはスペクトルに分解される。この場合レンズストラクチャは、関連もしくは重要な測定波長のみが測定装置の活性面に投影されかつ、従って付加的なフィルタエレメントは必要ない。
【０００５】
この場合この形式の３次元のストラクチャは関連の波長に応じてμｍより僅かな領域において実現されている。レンズ面に液体が達する場合、レンズ作用およびフィルタ作用はもはや生じていない。この場合このように実現されている３次元のストラクチャによって、レンズ面が洗浄されるもしくはその上の液体を完全に蒸発させることが妨げられる。この形式のようにストラクチャサイズが小さい場合、粘着力に基づいて、著しい露滴形成が発生する可能性がある。この場合殊にオートモービルの領域において水滴および油滴のような種々の物質による汚染が生じる可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、このような従来技術の欠点を克服した、冒頭に述べた形式のセンサエレメントおよびその作製方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、フレネルレンズは３次元のストラクチャとしてチップの上面に実現されているのではなく、キャップチップ内部に実現される。ストラクチャは殊に関連の領域のドーピングによって実現することができる。従って、本発明によれば、キャップのウェハに集積された、フラットな表面を有するフレネルレンズを実現することができる。
【０００８】
本発明は、ドーピングにより非常に高い屈折率差を実現することができるという認識に基づいている。屈折率は誘電率に比例しているので、材料の高いドーピングにより屈折率の大きな急激な変化を実現することができるので、フレネルレンズに対して３次元のストラクチャを回避することができかつキャップウェハもしくはキャップチップ内の実現が可能である。こうして、従来技術において発生した、３次元ストラクチャ化された表面の問題は生じないことになる。本発明によれば、外部から到来する物質の固着が困難でありかつその光学的特性が水および油による汚れのような外部に付着する物質に依存しないまたはほんの僅かしか依存しないフラットな表面を実現することができる。更に、汚染の完全な蒸発による洗浄が可能であり、並びに場合によっては機械的な損傷のおそれなしに簡単な機械的な洗浄も可能である。
【０００９】
本発明による連続する、同心のリングストラクチャとしての種々異なってドーピングされた領域、殊に弱くドーピングされた領域および強くドーピングされた領域により、ストラクチャにわたった場所に依存した有効屈折率が実現される。その結果として、比較的高い有効屈折率を有しているもしくは比較的高くドーピングされた領域が相互に比較的大きな半径方向の距離を有しているラテラル方向に見て外側の領域に入射するビームは、リングストラクチャの中央に入射するビームより強く屈折され、これにより入射ビームを感応する測定装置もしくはその感応ストラクチャに集中させることができる本発明の集束作用、ひいてはフレネルレンズ作用が実現される。
【００１０】
本発明によれば殊に領域のドーピングが設定されているが、ドーピングに対して択一的に、種々異なっている屈折率を有する領域をキャップチップの基板において基本的に例えばＳｉ材料の酸化または窒化のような化学的な変化によって生成することができる。
【００１１】
本発明によれば殊に、赤外線領域、殊にＣＯ２、窒素酸化物などのようなガスの吸収波長の領域における放射に対する設計が重要である。その場合このためにストラクチャを適当なオーダにおいてストラクチャ化することができる。こうして本発明によれば殊に、ＣＯ２のＩＲ放射の吸収性を測定するための分光式センサを使用して、ＣＯ２含有冷媒または自動車の内部空気におけるＣＯ２の蓄積を求めることができる。
【００１２】
従って本発明のセンサエレメントはビームを集束するための付加的な光学手段なしに、すなわち光路における付加的なレンズなしにも実現することができる。
【００１３】
更に本発明のフレネルゾーンストラクチャは有利にも、感応する測定装置における中心波長の周辺の波長領域の入射ビームだけを集束するので、付加的な波長選択フィルタエレメントは必要でない。
【００１４】
本発明によれば、センサウェハおよびキャップウェハが別個にストラクチャ化されておりかつ後に結合することができ、その結果個々のセンサエレメントを個別化により作製することができるウェハレベルでの作製が可能である。
【実施例】
【００１５】
次に本発明を図示の実施亭に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
本発明のセンサエレメント１はＩＲビームに感応する測定装置３を有するセンサチップ２を有している。センサチップ２には、低温で溶融するガラス材料から成る真空密のシールガラス接続体５を介してキャップチップ６が固定されている。キャップチップ６はその下面にＫＯＨエッチングにより形成された空洞７を有している。つまり空洞は測定装置３とキャップチップ６との間に、真空が形成されている自由空間７を形成している。
【００１７】
測定装置３はこのようなものとして公知でありかつ例えばサーモパイルストラクチャを有していることができ、このためにセンサチップ２における熱的なアイソレーションのために空洞４が形成されているようにすることができる。更に測定装置３はホトダイオード、ホト抵抗または関連のビームに対して感応する別のエレメントを有していることができ、その際にこの形式のエレメントに対して空洞４は必要ではない。
【００１８】
本発明によれば、キャップチップ６の上面８はフラットにもしくは平坦に実現されている。下面９も空洞７の上方の領域において有利にはフラットに実現されている。キャップチップ６には、入射ビーム１０を集束するためのフレネルゾーンレンズ１２が形成されている。フレネルゾーンレンズ１２は殊に図３から分かるリング形状のストラクチャによりドーピングされた領域１４とドーピングされていない領域１５とから形成される。これら領域はキャップチップ６の上面８に実現されている。この場合例えばキャップチップ６のｐドーピングされたシリコンにおいて低くｎドーピングされた領域１４が形成されるようにすることができる。有利には、領域１４は高ドーピングされており、すなわちｎ＋ドーピングされており、その結果チップ６の領域１４とその間に位置する領域１５との間にドーピングの高い差異が生じている。誘電率εと屈折率ｎとの比例関係により、高い濃度差に基づいて屈折率の著しい差異が実現される。
【００１９】
図３の正確なリングストラクチャは、リングストラクチャにおいて回折作用を有するフレネルゾーンレンズ１２もしくはフレネルゾーンプレートの原理によって定められている。焦点距離に比べて大きな物体距離、すなわちＩＲ光源の、フレネルゾーンレンズ１２からの非常に大きな距離に基づいて（殊に平行なビーム入射、すなわち物体距離は無限である）、それぞれの半径ｒｉおよび交番する屈折率ｎｉを有するリングＲｉに対して関連の測定波長がλ０でありかつ上面８と測定装置３との垂直方向の距離がＨである場合次式
【数１】
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が成り立ち、その際にｉ＝１，２，３，…である。
【００２０】
従って半径ｒｉを有するリングＲｉは交番する領域１４および領域１５である。従って半径ｒｉ、すなわち領域１４，１５の、光軸Ａ（ただしｉ＝１，２，３，…）に対するラテラル方向の距離は外側に向かって拡大していく。ここのリングＲｉの幅ａｉは外側に向かって減少する。ラテラルな領域１４の垂直方向の高さは有利には一定とすることができる。
【００２１】
ビーム１０は、比較的高い有効屈折率を有しているラテラル方向に外側の領域において、リングストラクチャの中心におけるよりも強く屈折される。フレネルゾーンプレートから公知の収束もしくは集束作用が生じ、その際図２および３に図示の、ドーピングされた領域１４のストラクチャは、測定装置３がまさに関連の測定波長λ０、例えばＣＯ２の吸収波長に対してだけフレネルゾーンレンズ１２の焦点に来るように選択されている。有利にはその他の波長は抑圧され、もしくは測定波長λ０の周辺の波長領域Δλの入射ビームだけが感応する測定装置３に集束され、その結果別の波長固有のフィルタは必要ない。
【００２２】
従って上面８と測定装置３との垂直方向の距離は、測定波長λ０、ドーピングされた領域１４のリングストラクチャの幾何学的な形態ｉを考慮した領域１４，１５の屈折率並びにキャップチップ６の下面８での光屈折に依存して適当に選択されている。
【００２３】
従って図示のセンサエレメント１は付加的なレンズ、ミラーまたはその他の集束作用をする光学手段を有していない。入射するＩＲビーム１０の集束は、関連の測定波長λ０もしくは中心波長としての測定波長λ０周辺の波長領域Δλにおいてフレネルゾーンレンズの原理に従って専ら屈折、回折および干渉によって行われる。
【００２４】
ＩＲビーム１０に代わって、フレネルゾーンレンズ１２は基本的に可視光線に対して設計されていてもよい。
【００２５】
本発明のセンサエレメント１は殊に広帯域の用途に対して、例えば例えば領域８乃至１４μｍの波長に対して関連している表面温度センサとして設計されていてもよい。
【００２６】
作製は本発明によればウェハレベルにおいて行うことができる。センサウェハ２およびキャップウェハ６がストラクチャ化され、その際キャップウェハ６において裏面からＫＯＨエッチングにより空洞７が形成されかつ上面８からドーピングされた領域１４がドーピング法、例えばイオン植え込みまたはその他のドーピング法により、場合により適当なマスク技術により形成される。次いで、キャップウェハがセンサウェハにシールガラス接続体５を用いて固定されかつ個別センサエレメント１がウェハスタック体の個別化もしくは鋸引きにより作製される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のセンサエレメントを回路支持体に取り付けた状態で示す縦断面略図
【図２】本発明のキャップチップの縦断面略図
【図３】キャップチップの平面略図
【符号の説明】
【００２８】
１  センサエレメント、  ２  センサチップ、  ３  測定装置、  ５  接続体、  ６  キャップチップ、  ７  空洞、  ８  上面、  ９  下面、  １０  ビーム、  １２  フレネルゾーンストラクチャもしくはレンズ、  １４  ドーピングされた領域、  １５  ドーピングされていない領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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