特許 6150951 集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネントの製造方法、集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネント、及び、集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネントを用いた流体の識別方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6150951

(24)【登録日】2017年6月2日

(45)【発行日】2017年6月21日

(54)【発明の名称】集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネントの製造方法、集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネント、及び、集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネントを用いた流体の識別方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/3504 20140101AFI20170612BHJP

   H01S 5/183 20060101ALI20170612BHJP

   H01L 31/10 20060101ALI20170612BHJP

   G01N 21/359 20140101ALI20170612BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/3504

   H01S5/183

   H01L31/10 A

   G01N21/359

【請求項の数】10

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2016-547092(P2016-547092)

(86)(22)【出願日】2014年11月21日

(65)【公表番号】特表2017-505435(P2017-505435A)

(43)【公表日】2017年2月16日

(86)【国際出願番号】EP2014075242

(87)【国際公開番号】WO2015106861

(87)【国際公開日】20150723

【審査請求日】2016年7月15日

(31)【優先権主張番号】102014200583.3

(32)【優先日】2014年1月15日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】390023711

【氏名又は名称】ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】リヒャート フィクス

(72)【発明者】

【氏名】レネ ハートケ

(72)【発明者】

【氏名】ヨヘン バイントナー

【審査官】 横尾 雅一

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１１−５２７７５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０３０３４８７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０００−２６１０９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０５７４３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−３４２９３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０２２３８８１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０１５７３０１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／６１

Ｈ０１Ｓ ５／００− ５／５０

Ｈ０１Ｌ ３１／００−３１／０２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネントの製造方法であって、
前記方法は、第１の基板（１１０）上に第１のブラッグ鏡（ＤＢＲ１）と発光素子（１１２）とを含む第１のウェーハ（Ｗ１；Ｗ１‐２；Ｗ１‐４）を形成するステップ（Ｓ０１）を含み、前記発光素子（１１２）は、光ビーム（Ｌ）を、該発光素子（１１２）の、前記第１のブラッグ鏡（ＤＢＲ１）とは反対側の表面（１１２‐ｆ）から放出方向（Ｒ）へ放出するように形成され、
前記第１のブラッグ鏡（ＤＢＲ１）及び前記発光素子（１１２）は、前記第１の基板（１１０）の第１の表面（１１０‐ｆ）上に形成され、前記放出方向（Ｒ）は前記第１の表面（１１０‐ｆ）に対して直立しており、前記発光素子（１１２）及び前記第１のブラッグ鏡（ＤＢＲ１）は、放出されて前記放出方向（Ｒ）の反対方向へ進行し前記第１のブラッグ鏡（ＤＢＲ１）へ入射する光ビーム（Ｌ）を、第１のパーセンテージだけ前記放出方向（Ｒ）へ向かって反射できるように構成され、
前記方法は、第２の基板（１２０）上に第２のブラッグ鏡（ＤＢＲ２）とフォトダイオード（１１６）とを含む第２のウェーハ（Ｗ２；Ｗ２‐２；Ｗ２‐３；Ｗ２‐４）を形成するステップ（Ｓ０２）を含み、前記フォトダイオード（１１６）は、前記第２のブラッグ鏡（ＤＢＲ２）の、前記第２の基板（１２０；２２０）に近い側の表面（ＤＢＲ２‐ｂ）上に設けられ、
前記方法は、前記第２のブラッグ鏡（ＤＢＲ２）の、前記フォトダイオード（１１６）とは反対側の表面（ＤＢＲ２‐ｆ）上に、間隔保持装置（１５０；１５２；１５４；１５５；１５６）によって画定され、流体（Ｆ）を導入でき且つ前記光ビーム（Ｌ）が通過可能な中空室（１１４）が形成されるように、前記間隔保持装置（１５０；１５２；１５４；１５５；１５６）を介して前記第１のウェーハ（Ｗ１；Ｗ１‐２；Ｗ１‐４）を前記第２のウェーハ（Ｗ２；Ｗ２‐２；Ｗ２‐３；Ｗ２‐４）にボンディング又は接着するステップ（Ｓ０３）を含み、
前記発光素子（１１２）及び前記第２のブラッグ鏡（ＤＢＲ２）は、放出されて前記放出方向（Ｒ）へ向かって進行し前記第２のブラッグ鏡（ＤＢＲ２）へ入射する光ビーム（Ｌ）を、第２のパーセンテージだけ前記放出方向（Ｒ）の反対方向へ反射でき且つ別のパーセンテージだけ透過できるように構成及び配置され、
前記フォトダイオード（１１６）は、前記光ビーム（Ｌ）が前記中空室（１１４）を通過した後及び前記光ビーム（Ｌ）が前記第２のブラッグ鏡（ＤＢＲ２）を透過した後に、その少なくとも一部を自身へ入射させるように構成及び配置され、
前記方法は、前記第１のウェーハ（Ｗ１；Ｗ１‐２；Ｗ１‐４）の構成要素として、前記発光素子（１１２）の、前記第１のブラッグ鏡（ＤＢＲ１）とは反対側の表面（１１２‐ｆ）に、第３のブラッグ鏡（ＤＢＲ３）を形成するステップ（Ｓ０５）を含み、前記発光素子（１１２）及び前記第３のブラッグ鏡（ＤＢＲ３）は、放出されて前記放出方向（Ｒ）へ向かって進行し前記第３のブラッグ鏡（ＤＢＲ３）へ入射する光ビーム（Ｌ）を、第３のパーセンテージだけ前記放出方向（Ｒ）の反対方向へ反射でき且つ別のパーセンテージだけ透過できるように構成され、
前記方法は、前記第１のウェーハ（Ｗ１；Ｗ１‐２；Ｗ１‐４）及び前記第２のウェーハ（Ｗ２；Ｗ２‐２；Ｗ２‐３；Ｗ２‐４）から流体センサコンポーネントを個別化するステップ（Ｓ０４）を含む、
ことを特徴とする方法。

【請求項2】

前記第１のブラッグ鏡（ＤＢＲ１）を、前記第１の基板（１１０）と前記発光素子（１１２）との間に設ける、
請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１のウェーハ（Ｗ１‐４；Ｗ１‐６）上で、第１のコンタクトパッド（１５５）を処理するステップと、
前記第２のウェーハ（Ｗ２‐４；Ｗ２‐６）上で、第２のコンタクトパッド（１５６）を処理するステップと、
前記第１のコンタクトパッド（１５５）上又は前記第２のコンタクトパッド（１５６）上で、金属柱状部材（１５４）を処理するステップと、
前記第１のウェーハ（Ｗ１‐４；Ｗ１‐６）を前記第２のウェーハ（Ｗ２‐４；Ｗ２‐６）にボンディングする前記ステップ（Ｓ０３）のために、前記金属柱状部材（１５４）を前記第２のコンタクトパッド（１５６）又は前記第１のコンタクトパッド（１５５）にボンディングするステップと、
によって前記間隔保持装置（１５４，１５５，１５６）を形成する、
請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記第１のウェーハ（Ｗ１‐２；Ｗ１‐５）上又は前記第２のウェーハ（Ｗ２‐２；Ｗ２‐５）上に犠牲層及び導電層の少なくとも一方を設けるステップと、
前記犠牲層及び前記導電層の少なくとも一方をパターニングするステップと、
前記第２のウェーハ（Ｗ２‐２；Ｗ２‐５）を前記第１のウェーハ（Ｗ１‐２；Ｗ１‐５）にボンディング又は接着する前記ステップ（Ｓ０３）を前記犠牲層及び前記導電層の少なくとも一方を介して行った後に、前記犠牲層が設けられている場合には当該犠牲層を除去するステップと、
によって前記間隔保持装置（１５２）を形成する、
請求項２に記載の方法。

【請求項5】

前記第２の基板（１２０；２２０）と前記第２のブラッグ鏡（ＤＢＲ２）との間に前記フォトダイオード（１１６）を設ける、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記第２の基板（２２０）は、前記光ビーム（Ｌ）に対して透明な基板（２２０）であり、
前記第２の基板（２２０）を、前記第２のブラッグ鏡（ＤＢＲ２）と前記フォトダイオード（１１６）との間に設ける、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記中空室（１１４）は、前記発光素子（１１２）の、前記第１のブラッグ鏡（ＤＢＲ１）とは反対側の面（１１２‐ｆ）上に形成される、
請求項１に記載の方法。

【請求項8】

集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネントであって、
第１の基板（１１０）上に第１のブラッグ鏡（ＤＢＲ１）と発光素子（１１２）とを含む第１のウェーハ（Ｗ１；Ｗ１‐２；Ｗ１‐４）が設けられており、前記発光素子（１１２）は、光ビーム（Ｌ）を、該発光素子（１１２）の、前記第１のブラッグ鏡（ＤＢＲ１）とは反対側の表面（１１２‐ｆ）から放出方向（Ｒ）へ放出するように形成されており、
前記第１のブラッグ鏡（ＤＢＲ１）及び前記発光素子（１１２）は、前記第１の基板（１１０）の第１の表面（１１０‐ｆ）上に形成されており、前記放出方向（Ｒ）は前記第１の表面（１１０‐ｆ）に対して直立しており、前記発光素子（１１２）及び前記第１のブラッグ鏡（ＤＢＲ１）は、前記放出方向（Ｒ）の反対方向へ進行し前記第１のブラッグ鏡（ＤＢＲ１）へ入射する光ビーム（Ｌ）を第１のパーセンテージだけ前記放出方向（Ｒ）へ向かって反射できるように構成され、
第２の基板（１２０）上に第２のブラッグ鏡（ＤＢＲ２）とフォトダイオード（１１６）とを含む第２のウェーハが設けられており、前記フォトダイオード（１１６）は、前記第２のブラッグ鏡（ＤＢＲ２）の、前記第２の基板（１２０；２２０）に近い側の表面（ＤＢＲ２‐ｂ）上に設けられており、
前記第２のブラッグ鏡（ＤＢＲ２）の、前記フォトダイオード（１１６）とは反対側の表面（ＤＢＲ２‐ｆ）上に、間隔保持装置（１５０；１５２；１５４；１５５；１５６）によって画定され、流体（Ｆ）を導入でき且つ前記光ビーム（Ｌ）が通過可能な中空室（１１４）が形成されるように、前記第１のウェーハ（Ｗ１；Ｗ１‐２；Ｗ１‐４）が前記間隔保持装置（１５０；１５２；１５４；１５５；１５６）を介して前記第２のウェーハ（Ｗ２；Ｗ２‐２；Ｗ２‐３；Ｗ２‐４）にボンディング又は接着されており、
前記発光素子（１１２）及び前記第２のブラッグ鏡（ＤＢＲ２）は、放出されて前記放出方向（Ｒ）へ向かって進行し前記第２のブラッグ鏡（ＤＢＲ２）へ入射する光ビーム（Ｌ）を、第２のパーセンテージだけ前記放出方向（Ｒ）の反対方向へ反射でき且つ別のパーセンテージだけ透過できるように構成及び配置されており、
前記フォトダイオード（１１６）は、前記光ビーム（Ｌ）が前記中空室（１１４）を通過した後及び前記光ビーム（Ｌ）が前記第２のブラッグ鏡（ＤＢＲ２）を透過した後に、その少なくとも一部を自身へ入射させるように構成及び配置されており、
前記第１のウェーハ（Ｗ１；Ｗ１‐２；Ｗ１‐４）の構成要素として、前記発光素子（１１２）の、前記第１のブラッグ鏡（ＤＢＲ１）とは反対側の表面（１１２‐ｆ）に、第３のブラッグ鏡（ＤＢＲ３）が設けられており、前記発光素子（１１２）及び前記第３のブラッグ鏡（ＤＢＲ３）は、放出されて前記放出方向（Ｒ）へ向かって進行し前記第３のブラッグ鏡（ＤＢＲ３）へ入射する光ビーム（Ｌ）を、第３のパーセンテージだけ前記放出方向（Ｒ）の反対方向へ反射でき且つ別のパーセンテージだけ透過できるように構成されている、
ことを特徴とする集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネント。

【請求項9】

前記中空室（１１４）は、前記発光素子（１１２）の、前記第１のブラッグ鏡（ＤＢＲ１）とは反対側の面（１１２‐ｆ）上に形成されている、
請求項８に記載の集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネント。

【請求項10】

請求項８又は９に記載の集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネントを用いた流体の識別方法であって、
流体（Ｆ）が中空室（１１４；１１４’）に存在している期間において、光ビーム（Ｌ）を放出する前記発光素子（１１２）に供給される電流をＩとし、フォトダイオード（１１６）へ入射する光ビーム（Ｌ）に応答して該フォトダイオード（１１６）に生じ、該フォトダイオード（１１６）で読み出される電力をＰとしたＰ−Ｉ特性曲線（Ｋ１）を記録するステップ（Ｓ１１）と、
前記Ｐ−Ｉ特性曲線（Ｋ１）にしたがって電力Ｐが前記フォトダイオード（１１６）で終端値を取るときの電流Ｉの値である閾値電流（Ｉ_ｓ，ｍｇ）を求めるステップ（Ｓ１２）と、
求められた前記閾値電流（Ｉ_ｓ，ｍｇ）を、流体（Ｆ）の識別のために予め定められた基準閾値電流（Ｉ_ｓ，ｏｇ）と比較するステップ（Ｓ１３）と
を含む、
ことを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネントの製造方法、集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネント、及び、集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネントを用いた流体の識別方法に関する。流体は特にはガス又はガス混合物である。識別の際には、特に、流体の分子濃度若しくは流体中の分子濃度又は流体種類を求めることができる。

【0002】

従来技術
流体、例えばガス混合物の成分（分析物）を識別するための分光分析法は、分析物と光子との相互作用を基礎としている。測定のために、通常、発光デバイス、例えばＬＥＤ若しくはレーザダイオードと、検出器、例えばフォトダイオード若しくはサーモパイルと、光学測定区間とから成る構造体が使用される。当該光学測定区間が少なくとも部分的に分析すべき流体を通って延在しているか、又は、分析すべき流体が当該測定区間内に導入される。このことは、例えば、流れを形成することによって能動的に行うこともできるし、又は、対流若しくは発散流を許容することによって受動的に行うこともできる。検出器の信号が読み出され、例えば流体種類又は分子濃度の推定に用いられる。この場合、放出された光が分析すべき流体及び／又は分析物によって部分的に吸収されるという事実が利用される。

【0003】

ＷＯ２００５／０２６７０５Ａ１には、ガス識別方法とガス識別装置とが記載されている。ガス識別装置は、表面発光デバイスＶＣＳＥＬとテストチャンバと光センサとを有する。光センサは、表面発光デバイスから放出され、テストチャンバ内の識別すべきガスを通過した光ビームを検出する。接続されている電子回路により、光センサが形成した信号が評価される。

【0004】

いわゆる共振器内レーザ吸収分光法ＩＣＬＡＳでは、光が光共振器内を多数回通過するという事実が利用される。センサの感度は媒体中の光路長に依存するので、ＩＣＬＡＳ法ではきわめて高い感度を達成できる。

【0005】

発明の開示
本発明は、請求項１の特徴を有する集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネントの製造方法と、請求項９の特徴を有する集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネントと、請求項１０の特徴を有する集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネントを用いた流体中の分子濃度の測定方法とを開示する。

【0006】

したがって、集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネントの製造方法は、次の各ステップを有する：
第１の基板上に第１のブラッグ鏡と発光素子とを含む第１のウェーハを形成するステップが行われ、発光素子は、光ビームを、自身の、第１のブラッグ鏡とは反対側の表面から放出方向へ向かって放出するように形成され、
第１のブラッグ鏡及び発光素子は、第１の基板の第１の表面上に形成され、放出方向は当該第１の基板の第１の表面に対して直立しており、発光素子及び第１のブラッグ鏡は、放出されて放出方向の反対方向へ進行し第１のブラッグ鏡へ入射する光ビームを第１のパーセンテージだけ放出方向へ反射できるように構成され、
第２の基板上に第２のブラッグ鏡とフォトダイオードとを含む第２のウェーハを形成するステップが行われ、フォトダイオードは、第２のブラッグ鏡の、第２の基板に近い側の表面上に設けられ、
発光素子の、第１のブラッグ鏡とは反対側の面上、及び、第２のブラッグ鏡の、フォトダイオードとは反対側の表面上に、流体を導入でき且つ光ビームが通過可能な中空室が形成されるように、第１のウェーハを第２のウェーハにボンディング又は接着するステップが行われ、
発光素子及び第２のブラッグ鏡は、放出されて放出方向へ向かって進行し第２のブラッグ鏡へ入射する光ビームを、第２のパーセンテージだけ放出方向の反対方向へ反射でき且つ別のパーセンテージだけ透過できるように構成及び配置され、
フォトダイオードは、光ビームが中空室を通過した後及び光ビームが第２のブラッグ鏡を透過した後に、その少なくとも一部を自身へ入射させるように構成及び配置され、
第１のウェーハ及び第２のウェーハから流体センサコンポーネントを個別化するステップが行われる。

【0007】

第１の要素が第２の要素の表面「上に」形成されるという場合、これは、第２の要素の表面に直接に接して形成されることを意味してもよいし、斜視的に見てこの表面の上方又は下方に形成されることを意味してもよい。第１の要素が第２の要素の表面「に」形成されるという場合、これは表面に直接に接するように形成されることであると理解されたい。第１の要素が第２の要素に対して所定の方式で設けられるという場合、これは必ずしも第１の要素が形成される時点で第２の要素が既に形成されていなければならないことを意味しない。そうでなく、これは、当業者が本明細書にしたがって製造法を知ることのできる最終状態について云うものである。

【0008】

発光素子は特に、量子井戸（quantum well）又はキャビティを有するか又はこれらから成っていてよい。

【0009】

中空室は、流体センサコンポーネントにおいて発光素子とブラッグ鏡とから形成された光共振器の内部に存在する。流体が中空室内に存在することにより、共振器ＩＣＬＡＳの光学特性が変化する。当該変化は、フォトダイオードの信号、特に、発光素子に既知の電流を供給したときの電力又は電圧などの光強度信号を測定することによって求めることができる。これにより、例えば、識別すべき流体の分子の分子濃度若しくは流体中の分子濃度、又は、流体種類を推定できる。有利には、中空室は、放出方向に対して平行な方向で、２μｍより大きい。これにより、中空室内の流体と環境との交換を改善できる。

【0010】

また、本発明の集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネントによる流体の識別方法が提供される。この方法は、流体が中空室内に存在している期間において、光ビームを放出する発光素子に供給される電流をＩとし、フォトダイオードへ入射する光ビームに応答してこのフォトダイオードに生じ、このフォトダイオードで読み出される電力をＰとしたＰ−Ｉ特性曲線を記録するステップと、当該Ｐ−Ｉ特性曲線にしたがって電力Ｐがフォトダイオードで終端値を取るときの電流Ｉの値である閾値電流を求めるステップと、求められた閾値電流を流体の識別のために予め定められた基準閾値電流と比較するステップとを含む。

【0011】

発明の利点
本発明の基礎となる知見は、きわめてコンパクトな構造を有し且つ技術的に簡単に製造できる流体センサへの需要が存在するということである。

【0012】

本発明の基礎となる着想は、上記の知見を考慮して、ウェーハベースの集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネントの製造方法を提供することである。つまり、ウェーハ全体が処理された後、各流体センサコンポーネントが個別化される。

【0013】

本発明の製造方法により、流体センサコンポーネントの、例えば１０×１０×１０ｍｍ^３未満、特に１×１×１ｍｍ^３未満のきわめてコンパクトな構造を実現できる。流体センサコンポーネントの感度は１０００ｐｐｍより良好であり、特には１ｐｐｍより良好である。ウェーハベースでの生産により、高いスケール効果が達成され、例えば数千個の流体センサコンポーネントを同時に製造できる。この場合、メサとしての流体センサコンポーネントの特にコンパクトな構造が有利に達成される。流体センサコンポーネント及び／又は個々のコンポーネント、例えば発光デバイスは、有利には、ウェーハ上で既に検査可能である。各流体センサコンポーネントが個別化された後のさらなるアライメントも不要である。

【0014】

本発明の装置は、種々の境界条件、例えば小さな温度依存性、高い若しくは低い感度、低い閾値電流、低い電力消費量及び／又は測定速度などに合わせて多様に最適化可能である。

【0015】

モノリシックな集積方式に基づいて、流体センサコンポーネントは、加速度若しくは振動に対して特にローバストである。

【0016】

本発明の流体センサコンポーネントは、特に小さな電力消費量、例えば１０ｍＷ未満、特には１ｍＷ未満の電力消費量を有する。また、小さな電流Ｉしか必要ないので、流体センサコンポーネントは僅かな廃熱しか生じない。

【0017】

本発明の流体センサコンポーネントは、本発明の製造方法により、公知の表面発光デバイス技術（ＶＣＳＥＬ技術）に基づく種々の波長に合わせて調整可能であり、したがって種々の流体、例えばガスに対して利用可能である。例えば、当該センサを、ＣＯ_２の分子濃度を測定するために、２μｍの波長で構成可能である。

【0018】

本発明の流体センサコンポーネントは、例えば、携帯電話機、家電製品、ガス報知器などの消費者用製品においてだけでなく、呼気分析などの医用技術機器において、又は、ラボオンチップ分析のため、及び／又は、燃料分析若しくは体液分析のための流体中での使用に、適用可能である。適用領域の混合、例えば携帯電話機に配設される呼気アルコールテスタとしての使用も可能である。小さな構造のため、例えば、流体センサコンポーネントにマイクロメカニカル半導体制御装置を設けて人体に埋め込むこともできる。

【0019】

有利な実施形態及び改善形態は、従属請求項及び図を参照した説明から得られる。

【0020】

好ましい実施形態によれば、レーザ発光素子が第１のブラッグ鏡と第１の基板との間に設けられる。さらに、第２のウェーハを第１のウェーハにボンディング又は接着するステップが、第２のブラッグ鏡が第１の基板にボンディングされることによって行われ、第１の基板は、この基板に中空室が形成されるようにパターニングされる。これにより、付加的な間隔保持装置を必要とせずに、流体センサコンポーネントの技術コスト及び空間寸法をいっそう低減できる。

【0021】

別の好ましい実施形態によれば、第１のブラッグ鏡は第１の基板と発光素子との間に設けられる。第１のウェーハを第２のウェーハにボンディング又は接着するステップは間隔保持装置によって行われ、中空室は当該間隔保持装置によって定められる。これにより、流体センサコンポーネントを種々の使用領域に多様に適合させることができる。また、技術コストも低減できる。

【0022】

別の好ましい実施形態によれば、間隔保持装置は、第１のウェーハ上で第１のコンタクトパッドを処理するステップと、第２のウェーハ上で第２のコンタクトパッドを処理するステップと、第１のコンタクトパッド上又は第２のコンタクトパッド上で金属柱状部材を処理するステップと、第１のウェーハを第２のウェーハにボンディングするために金属柱状部材を第２のコンタクトパッド又は第１のコンタクトパッドにボンディングするステップとによって形成される。

【0023】

別の好ましい実施形態によれば、間隔保持装置は、第１のウェーハ上又は第２のウェーハ上に犠牲層を設けるステップと、犠牲層をパターニングするステップと、導電層を設けるステップと、導電層をパターニングするステップと、第２のウェーハを第１のウェーハにボンディング又は接着するステップを間隔保持装置によって行った後に、犠牲層を除去するステップとによって形成される。

【0024】

別の好ましい実施形態によれば、第２の基板と第２のブラッグ鏡との間にフォトダイオードが設けられる。

【0025】

別の好ましい実施形態によれば、第２の基板は、光ビームに対して実質的に透明な基板であり、第２のブラッグ鏡とフォトダイオードとの間に設けられる。

【0026】

別の好ましい実施形態によれば、第１のウェーハの構成要素として、発光素子の、第１のブラッグ鏡とは反対側の表面に、第３のブラッグ鏡が形成される。発光素子及び第３のブラッグ鏡は、放出されて放出方向へ向かって進行し第３のブラッグ鏡へ入射する光ビームを、第３のパーセンテージだけ放出方向の反対方向へ反射でき且つ別のパーセンテージだけ透過できるように構成される。第３のブラッグ鏡を使用することにより、表面発光デバイス若しくは光共振器の閾値電流若しくは閾値（スレッショルド）を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

本発明を以下に図面の各概略図に示されている実施形態に即して詳細に説明する。

【図1】本発明の第１の実施形態の流体センサコンポーネントの概略断面図である。

【図2A】本発明の第２の実施形態の流体センサコンポーネントの概略断面図である。

【図2B】本発明の第３の実施形態の流体センサコンポーネントの概略断面部分図である。

【図2C】本発明の第４の実施形態の流体センサコンポーネントの概略断面図である。

【図3A】本発明の第５の実施形態の流体センサコンポーネントの概略断面部分図である。

【図3B】本発明の第６の実施形態の流体センサコンポーネントの概略断面部分図である。

【図4】本発明の流体センサコンポーネントの製造方法を説明するための概略的なフローチャートである。

【図5A】本発明のさらなる特徴である、本発明の集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネントを用いた流体の識別方法を説明するための概略的なフローチャートである。

【図5B】本発明のさらなる特徴である流体の識別方法を説明するための概略的なグラフである。

【0028】

全図中、同じ要素及び装置又は同様の機能を有する要素及び装置には、格別のことわりないかぎり、同じ参照番号を付してある。

【0029】

実施形態の説明
図１には、本発明の第１の実施形態の流体センサコンポーネント１００の概略断面図が示されている。

【0030】

図１に即して、以下に、流体センサコンポーネント１００を製造するための本発明の製造方法を説明する。図１は縮尺どおりに描かれておらず、保護層は示されていない。

【0031】

第１の基板１１０は、第１のウェーハＷ１、例えば平坦なシリコンウェーハの一部として準備される。第１の基板１１０は、金属であってもよく、また、高濃度にドープされたシリコンから形成されてもよいが、導電性を有する。第１の基板１１０は、相互にほぼ平行な第１の表面１１０‐ｆ及び第２の表面１１０‐ｂを有する。第１の実施形態によれば、第１の基板１１０の第１の表面１１０‐ｆにはエピタキシャルに第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１が成長される。ブラッグ鏡は、それぞれ異なる屈折率を有する第１の薄い層及び第２の薄い層ＤＢＲ１‐ｉ，ＤＢＲ１‐（ｉ＋１）を交互に積層した効率的なリフレクタである。図１には、例として、こうした薄い層ＤＢＲ‐ｉの組が複数設けられることが示されている。ただし、図１に点線で示されているように、複数の層ＤＢＲ‐ｉが図示されているより多数又は少数であってもよい。層ＤＢＲ‐ｉの数及び各層の屈折率は、反射すべき光ビームの特性に応じて選定可能である。特に、反射すべき光ビームの波長が各層ＤＢＲ‐ｉの光学作用長の４倍に近い場合、層ＤＢＲ‐ｉで反射される光ビームが構造的に干渉し合うので、ブラッグ鏡は高品質のリフレクタとなりうる。

【0032】

第１の実施形態によれば、第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１は、第１の基板１１０の第１の表面１１０‐ｆから上部（又は内部）へ到来する（入射する）光ビームを第１の基板１１０の方向へ前方反射するように構成されている。第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１は、相互にほぼ平行且つ相互に反対向きの第１の表面ＤＢＲ１‐ｆ及び第２の表面ＤＢＲ１‐ｂを有する。第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１は、その第２の表面ＤＢＲ１‐ｂから、第１の基板１１０の第１の表面１１０‐ｆ上に成長が開始される。

【0033】

有利には、第１の表面１１０‐ｆとは反対側の表面ＤＢＲ１‐ｆ上に、発光素子１１２がエピタキシャルに成長される。発光素子１１２は、第１の実施形態によれば、３つの層１１２‐１，１１２‐２，１１２‐３を有する量子井戸（英語ではquantum well）として形成される。発光素子１１２は、光ビームＬを、自身の、第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１とは反対側の面１１２‐ｆから、放出方向Ｒへ放出するように形成される。発光素子１１２及び第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１は、放出方向Ｒの反対方向へ進行して第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１へ入射する光ビームＬを、第１のパーセンテージだけ放出方向Ｒへ向かって反射できるように構成される。第１のパーセンテージは例えば９９％から１００％であり、有利には９９．８％から１００％であり、特には９９．９％から１００％である。

【0034】

第１の実施形態によれば、第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１とは反対側の表面１１２‐ｆに、電流絞り１１８が構成されている。当該電流絞り１１８はパターニングされた酸化物層から成り、この酸化物層に例えばエッチングによって内部開口Ｈがパターニングされている。特に、開口Ｈは、流体センサコンポーネント１００の光軸ＯＡを中心として対称に設けられている。光軸ＯＡは、放出方向Ｒに対して平行に位置し、且つ、表面１１０‐ｂ，１１０‐ｆ，ＤＢＲ１‐ｂ，ＤＢＲ１‐ｆ，１１２‐ｆに対して垂直に位置する。当該電流絞りは、開口Ｈの周囲の量子井戸の所定の領域にできるかぎり均等に通電できるようにするために用いられる。したがって、この領域では、発光素子１１２の他の領域に比べて大きい、特に均等な電流強度が得られる。よって、発光素子１１２の発光を開口Ｈの領域で増幅することができる。

【0035】

電流絞り１１８の、発光素子１１２とは反対側の表面には、別のブラッグ鏡ＤＢＲ３が形成されており、これを以下では第３のブラッグ鏡ＤＢＲ３と称する。第３のブラッグ鏡ＤＢＲ３及び発光素子１１２は、放出方向Ｒへ向かって進行して第３のブラッグ鏡ＤＢＲ３へ入射する光ビームＬを第３のパーセンテージだけ放出方向Ｒとは反対方向へ反射できるように構成されている。第３のパーセンテージは例えば９５％から１００％、特には９６％から９９％、さらに特には９８％から９９％である。特に、第３のパーセンテージが第２のパーセンテージよりも小さいと有利である。また、光ビームＬは別のパーセンテージだけ第３のブラッグ鏡ＤＢＲ３を通って透過される。当該別のパーセンテージは第３のパーセンテージより格段に小さく、特には数１から第３のパーセンテージを減算した残りであってよい。

【0036】

このように、第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１と発光素子１１２と第３のブラッグ鏡ＤＢＲ３とにより光共振器が形成されている。光ビームＬは第１の基板１１０の表面１１０‐ｆに対して垂直に放出されるので、第１の基板１１０、第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１、レーザ発光素子１１２、電流絞り１１８及び第３のブラッグ鏡ＤＢＲ３の各要素は、表面発光デバイスＶと称される（ＶＣＳＥＬとも。英語では"vertical-cavity surface-emitting laser"）。

【0037】

第１の基板１１０の第２の表面１１０‐ｂには、第１の電気コンタクト１４０をパターニングされた金属層として形成できる。第１の実施形態によればさらに、第３のブラッグ鏡ＤＢＲ３の、発光素子１１２とは反対側の面ＤＢＲ３‐ｆに、第２の電気コンタクト１４２がパターニングされた金属層として形成されている。第２の電気コンタクト１４２は、中空室１１４を有する形態で、光ビームＬが当該中空室１１４において第２の電気コンタクト１４２のパターニングされた金属層を放出方向Ｒに対して平行な方向へ完全に通過できるように形成されている。光軸ＯＡも同様に、第２の電気コンタクトでは、中空室１１４を完全に通って延在している。また、第２のコンタクト１４２は、流体Ｆを流体センサコンポーネント１００の外部から中空室１１４へ導入できるようにパターニングされている。第１の電気コンタクト１４０及び第２の電気コンタクト１４２を介して、表面発光デバイスＶの電気的なポンピングが可能である。このために、出力電子回路を含む制御装置を使用可能である。

【0038】

有利には、第１の基板１１０上に、それぞれ相応の第１の電気コンタクト１４０及び第２の電気コンタクト１４２を含む複数の表面発光デバイスＶを形成可能である。こうして、第１の基板１１０上にメサ状に形成された複数の表面発光デバイスＶを有する第１のウェーハＷ１が得られる。

【0039】

第２のウェーハＷ２を製造するために、第２の基板１２０にフォトダイオード１１６の活性領域を設けることができる。この場合、フォトダイオードの第１の表面１１６‐ｂは、第２の基板１２０の第１の表面１２０‐ｆに接する。第２の基板１２０は好ましくはｎ型ドープされている。成長欠陥を回避するため及び基板を適合化するために、第２の基板１２０とフォトダイオード１１６との間に選択的にバッファ層を設けることができる。フォトダイオード１１６の活性領域は、好ましくは、第２の基板１２０若しくはバッファ層に設けられるｎ型ドープ層１１６‐１と、その上方に設けられるきわめて薄いｐ型ドープ層１１６‐３とから形成される。よって、光ビームＬの大部分がｐ‐ｎ接合部に達する。第１の実施形態によれば、ｐ型ドープ層１１６‐３とｎ型ドープ層１１６‐１との間に付加的な真性層１１６‐２が堆積される。これにより、阻止電圧を高め、及び／又は、阻止層のキャパシタンスを低減することができる。活性領域のその他の材料は、（特に１．１μｍまでの波長領域に対する）Ｓｉ、（特に１．８μｍまでの波長領域に対する）Ｇｅ、及び、ＧｅＡｕ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ又はＣｄＴｅである。

【0040】

第１の実施形態によれば、フォトダイオード１１６の、第２の基板１２０とは反対側の表面１１６‐ｆ、特にｐ型ドープ層１１６‐３の表面に、第２の表面ＤＢＲ‐ｂを有する第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２が形成される。非導電性の第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２の周囲において、フォトダイオードの第２の表面１１６‐ｆ上に、第３の電気コンタクト１４４が構成される。第３の電気コンタクト１４４と、第４の電気コンタクト１４６としての導電性の第２の基板１２０とを介して、特にフォトダイオード１１６へ入射する光ビームＬに基づいてフォトダイオード１１６に生じる電圧Ｕを読み出すことができる。

【0041】

発光素子１１２及び第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２は、フォトダイオード１１６へ向かう方向で第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２へ入射した光ビームＬを第２のパーセンテージだけ反対方向へ反射できるように構成されている。第２のパーセンテージは例えば９９％から１００％であり、有利には９９．８％から１００％、特には９９．９％から１００％であってよい。特に、第２のパーセンテージが第３のパーセンテージよりも大きいと有利である。

【0042】

第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１及び第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２及び第３のブラッグ鏡ＤＢＲ３は、それぞれ異なる厚さを有するそれぞれ異なる誘電層ＤＢＲ１‐ｉ，ＤＢＲ２‐ｉ，ＤＢＲ３‐ｉを有する。各ブラッグ鏡ＤＢＲ１，ＤＢＲ２，ＤＢＲ３を精密に構成することにより、光共振器を光ビームＬの所望の波長へ適合させ、流体センサコンポーネント１００を１つ若しくは複数の求めるべき流体種類（例えばＣＯ_２）に合わせた使用のために構成できる。放出方向Ｒ及び光軸ＯＡに対して平行な方向での第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２の幅Ｂ２は、第１の実施形態によれば、放出方向Ｒ及び光軸ＯＡに対して平行な方向での第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１の幅Ｂ１及び／又は第３のブラッグ鏡ＤＢＲ３の幅Ｂ３よりも小さい。

【0043】

第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２は、第２の基板１２０とは反対側の第１の表面ＤＢＲ２‐ｆで第２の電気コンタクト１４２にボンディングされており、これにより第２の電気コンタクト１４２は自身が接続している第１のウェーハＷ１と第２のウェーハＷ２との間の間隔保持装置１５０として機能する。この場合、中空室１１４は外部からアクセス可能なままである。ボンディングのために、第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２の表面ＤＢＲ２‐ｆには複数のコンタクトパッドを形成可能である（図１には示されていない）。第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２は、光軸ＯＡに沿って進行する光ビームＬを、中空室１１４を通して第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２へ入射させ、そこで第２のパーセンテージだけ発光素子１１２に対して反対に反射するようにボンディングされる。また、光ビームＬは別のパーセンテージだけ第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２を通って透過される。当該別のパーセンテージは第２のパーセンテージより格段に小さく、特には数１から第２のパーセンテージを減算した残りであってよい。中空室１１４の寸法、特に放出方向Ｒに対して平行な中空室１１４の高さｈは、ブラッグ鏡ＤＢＲ１，ＤＢＲ２，ＤＢＲ３とともに光ビームＬの波長に合うように有利に調整されているので、特に高効率の光共振器が得られる。

【0044】

第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２を透過した光ビームＬはフォトダイオード１１６へ入射し、そこで電圧降下を生じさせ、この電圧降下が第３の電気コンタクト１４４及び第４の電気コンタクト１４６としての第２の基板１２０で読み出し可能となる。このために、第２の基板は導電性を有するように構成される。

【0045】

図２Ａには、本発明の第２の実施形態による流体センサコンポーネント２００の概略断面図が示されている。

【0046】

第２の実施形態は、実質的には第１の実施形態のバリエーションである。第１の実施形態と異なり、第２の実施形態では電流絞り１１８が設けられておらず、また、第２の電気コンタクト１４３は間隔保持装置として機能せず、中空室１１４を画定していない。

【0047】

さらに、第３の電気コンタクト１４５が、平面状に、フォトダイオード１１６の第２の表面１１６‐ｆと第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２の第２の表面ＤＢＲ２‐ｂとの間に設けられている。第２の電気コンタクト１４３は、第３のブラッグ鏡ＤＢＲ３の、発光素子１１２とは反対側の表面ＤＢＲ３‐ｆ上に平坦に形成され、特に光軸ＯＡの周囲の領域Ｂ４が露出される。領域Ｂ４内に間隔保持装置１５２が構成され、その上に、第２のウェーハＷ２‐２を第１のウェーハＷ１‐２に接続するために、第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２がボンディングされる。第２の電気コンタクト１４３は第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２から間隔を置いて設けられる。したがって、第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２は、導電性を有していてよい。選択手段として、これが第３の電気コンタクト１４３に置換されてもよい。

【0048】

第２の実施形態によれば、間隔保持装置１５２は、１つ若しくは複数の絶縁性の（例えば酸化物から成る）犠牲層と（例えば金属から成る）複数の線路層とを第３のブラッグ鏡ＤＢＲ３の表面ＤＢＲ３‐ｆ上に交互に形成しパターニングすることにより、製造される。パターニングはＣＭＯＳ処理でのメタライゼーションプロセスと同様に行うことができる。第２の電気コンタクト１４３の形成は、有利には、パターニングされる複数の金属製の線路層のいずれかを設ける際に行うことができる。例えば、第１のウェーハＷ１‐２と第２のウェーハＷ２‐２とのボンディング後に、犠牲層を、例えば酸化物である場合にはＨＦ液相エッチングによって除去できる。有利には、間隔保持装置１５２及び／又は第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２は、第２の実施形態によれば、非導電性となるように形成できる。

【0049】

第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２と第３のブラッグ鏡ＤＢＲ３との間の間隔保持装置１５２及び中空室１１４は、光ビームＬが（間隔保持装置１５２によって阻害されずに）内部に流体Ｆを含む中空室１１４を通り、第３のブラッグ鏡ＤＢＲ３から第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２へ導波可能となるように形成される。

【0050】

図２Ｂには、本発明の第３の実施形態による流体センサコンポーネント３００の概略断面部分図が示されている。

【0051】

第３の実施形態は、第２の実施形態のバリエーションであり、第２のウェーハＷ２‐３の形状及び製造法の点で、第２の実施形態と異なっている。第２のウェーハＷ２‐３は、図２Ｂに別個に示されている。

【0052】

第３の実施形態によれば、第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２は、第２の基板２２０の第１の表面２２０‐ｆに、例えばエピタキシャル成長によって形成される。第２の基板２２０の、第１の表面２２０‐ｆとは反対側の第２の表面２２０‐ｂにはバッファ層１１７が形成される。バッファ層１１７の、第２の基板２２０とは反対側の表面１１７‐ｂにはフォトダイオード１１６が形成され、このフォトダイオード１１６の第１の表面１１６‐ｂはバッファ層１１７に接する。つまり、フォトダイオード１１６は、第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２の、第２の基板２２０に近い側の表面ＤＢＲ２‐ｂの上方に設けられる。フォトダイオード１１６の第２の表面１１６‐ｂには、第４の電気コンタクト１４７が例えば蒸着によって形成される。

【0053】

第３の実施形態によれば、第２の基板２２０は光ビームＬに対して実質的に透明である。当該第２の基板として例えばサファイア又はＳｉＯ_２を使用可能である。

【0054】

図２Ｃには、本発明の第４の実施形態による流体センサコンポーネント３００の概略断面図が示されている。

【0055】

第４の実施形態は、実質的には、図２Ａの第２の実施形態のバリエーションであり、間隔保持装置１５４，１５５，１５６を使用している点で、第２の実施形態と異なっている。第４の実施形態によれば、間隔保持装置１５４，１５５，１５６の形成は、
第１のウェーハＷ１‐４上、特に第３のブラッグ鏡ＤＢＲ３の、発光素子１１２とは反対側の表面ＤＢＲ３‐ｆ上で、第１のコンタクトパッド１５５を処理するステップと、
第２のウェーハＷ２‐４上、特に第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２の、第２の基板１２０とは反対側の表面ＤＢＲ２‐ｆ上で、第２のコンタクトパッド１５６を処理するステップと、
第１のコンタクトパッド１５５上で、金属柱状部材１５４を処理するステップと、
第１のウェーハＷ１‐４を第２のウェーハＷ２‐４にボンディングするために、金属柱状部材１５４を第２のコンタクトパッド１５６にボンディングするステップと
によって行われる。

【0056】

図３Ａには、本発明の第５の実施形態による流体センサコンポーネントの概略断面部分図が示されている。

【0057】

第５の実施形態は、第１の実施形態のバリエーションであり、主として、第５の実施形態では第３のブラッグ鏡ＤＢＲ３が設けられていない点で、第１の実施形態と異なっている。さらに、第５の実施形態では、第２の電気コンタクト１４３は間隔保持装置として機能せず、中空室１１４’を画定しないので、流体センサコンポーネントが技術的に幾らか単純になっている。また、光ビームの波長安定性への影響が変化しており、光共振器内で流体Ｆを通る複数回の進行が可能となることにより、電流閾値が高くなりうる。

【0058】

第１の基板１１０、第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１及び発光素子１１２の構造は、図１に関連して説明した通りである。発光素子１１２の、第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１とは反対側の面１１２‐ｆに直接に、中空室１１４’を画定する間隔保持装置１５２が形成される。この間隔保持装置１５２は、図２Ａの第２の実施形態に関連して説明したものである。

【0059】

すなわち、第５の実施形態によれば、間隔保持装置１５２は、１つ若しくは複数の絶縁性の（例えば酸化物から成る）犠牲層と（例えば金属から成る）複数の線路層とを発光素子１１２の表面１１２‐ｆ上に交互に形成してパターニングすることにより、製造される。パターニングはＣＭＯＳ処理でのメタライゼーションプロセスと同様に行うことができる。

【0060】

発光素子１１２に電力を供給するために用いられる第２の電気コンタクト１４３’の形成は、第５の実施形態によれば、第１のウェーハＷ１‐５の一部としてでなく、第２のウェーハＷ２‐５の一部として、特に第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２の、（図示されていない）第２の基板１２０に近い側の表面ＤＢＲ２‐ｂで、行われる。相応に、第５の実施形態によれば、間隔保持装置１５２及び第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２は、導電性を有するように形成される。第２の電気コンタクト１４３’と第２のウェーハＷ２‐５の（図示されていない）残部、例えば第２の基板１２０及びフォトダイオード１１６との間には、例えば非導電性層を形成でき、その上方に続けて、例えば図２Ａに関連して説明したように、フォトダイオード１１６での電圧の取り出しに用いられる第３の電気コンタクト１４５を設けることができる。相応の措置が当業者に公知である。

【0061】

例えば、第１のウェーハＷ１‐５と第２のウェーハＷ２‐５とをボンディングした後、犠牲層が、酸化物である場合には例えばＨＦ液相エッチングによって、除去される。

【0062】

第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２と発光素子１１２との間の間隔保持装置１５２及び中空室１１４’は、光ビームＬが（間隔保持装置１５２によって阻害されずに）内部に流体Ｆを含む中空室１１４’を通り、発光素子１１２から第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２へ導波可能となるように構成される。

【0063】

図３Ｂには、本発明の第６の実施形態による流体センサコンポーネントの概略断面部分図が示されている。

【0064】

第６の実施形態は、第５の実施形態のバリエーションであり、主として間隔保持装置１５４，１５５，１５６の形状の点で、第５の実施形態と異なっている。第６の実施形態においても第３のブラッグ鏡ＤＢＲ３は設けられていない。間隔保持装置１５４，１５５，１５６の形成は、第４の実施形態と同様に、すなわち、
第１のウェーハＷ１‐６上、特に発光素子１１２の、第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１とは反対側の表面１１２‐ｆ上で、第１のコンタクトパッド１５５を処理するステップと、
第２のウェーハＷ２‐６上、特に第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２の、第２の基板１２０とは反対側の表面ＤＢＲ２‐ｆ上で、第２のコンタクトパッド１５６を処理するステップと、
第１のコンタクトパッド１５５上で、金属柱状部材１５４を処理するステップと、
第１のウェーハＷ１‐６を第２のウェーハＷ２‐６にボンディングするために、金属柱状部材１５４を第２のコンタクトパッド１５６にボンディングするステップと
によって行われる。

【0065】

第６の実施形態によれば、間隔保持装置１５４，１５５，１５６及び第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２は同様に導電性を有する。

【0066】

図４には、本発明の流体センサコンポーネントの製造方法を説明するための概略的なフローチャートが示されている。各方法ステップの番号は特定の順序を定めるものでなく、論理的な区分のために用いている。特には、複数のステップを完全に若しくは部分的に同時に行うことができる。

【0067】

ステップＳ０１では、第１の基板１１０上に第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１と発光素子１１２とを含む第１のウェーハＷ１；Ｗ１‐１；Ｗ１‐２；Ｗ１‐４；Ｗ１‐５；Ｗ１‐６が形成される。発光素子１１２は、第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１の第１の表面ＤＢＲ１‐ｆに形成される。発光素子１１２は、光ビームＬを、自身の、第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１とは反対側の表面１１２‐ｆから放出方向Ｒへ放出するように形成される。第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１及び発光素子１１２は、第１の基板１１０の第１の表面１１０‐ｆ上に形成される。なお、放出方向Ｒは第１の表面１１０‐ｆに対して直立している。発光素子１１２及び第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１は、放出されて放出方向Ｒの反対方向へ進行し第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１へ入射する光ビームＬを第１のパーセンテージだけ放出方向Ｒへ向かって反射できるように構成される。

【0068】

ステップＳ０２では、第２の基板１２０；２２０上に第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２とフォトダイオード１１６とを含む第２のウェーハＷ２；Ｗ２‐１；Ｗ２‐２；Ｗ２‐４；Ｗ２‐５；Ｗ２‐６が形成される。ここで、フォトダイオード１１６は、第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２の、第２の基板１２０；２２０に近い側の表面ＤＢＲ２‐ｂ上に設けられる。

【0069】

ステップＳ０３では、発光素子１１２の、第１のブラッグ鏡ＤＢＲ１とは反対側の面１１２‐ｆ上、及び、第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２の、フォトダイオード１１６とは反対側の表面ＤＢＲ２‐ｆ上に、流体Ｆを導入でき且つ光ビームＬが通過可能な中空室１１４，１１４’が形成されるように、第１のウェーハＷ１；Ｗ１‐１；Ｗ１‐２；Ｗ１‐４；Ｗ１‐５；Ｗ１‐６が第２のウェーハＷ２；Ｗ２‐１；Ｗ２‐２；Ｗ２‐３；Ｗ２‐４；Ｗ２‐５；Ｗ２‐６にボンディングされる。

【0070】

発光素子１１２及び第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２は、放出されて放出方向Ｒへ向かって進行し第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２へ入射する光ビームＬを、第２のパーセンテージだけ放出方向Ｒの反対方向へ反射でき且つ別のパーセンテージだけ透過できるように構成及び配置される。

【0071】

フォトダイオード１１６は、光ビームＬが中空室１１４，１１４’を通過した後及び光ビームＬが第２のブラッグ鏡ＤＢＲ２を透過した後に、その少なくとも一部を自身へ入射させるように構成及び配置される。

【0072】

ステップＳ０４では、第１のウェーハＷ１；Ｗ１‐１；Ｗ１‐２；Ｗ１‐４；Ｗ１‐５；Ｗ１‐６及び第２のウェーハＷ２；Ｗ２‐１；Ｗ２‐２；Ｗ２‐３；Ｗ２‐４；Ｗ２‐５；Ｗ２‐６から流体センサコンポーネントが個別化される。

【0073】

図５Ａには、本発明のさらなる特徴である、本発明の集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネントを用いた流体の識別方法を説明するための概略的なフローチャートが示されている。ここでは図５Ｂも参照する。

【0074】

図５Ｂには、本発明のさらなる特徴である流体の識別方法を説明するための概略的なグラフが示されている。

【0075】

ステップＳ１１では、流体Ｆが中空室１１４に存在している期間中、第１のＰ−Ｉ特性曲線Ｋ１が記録される。この場合、電流Ｉは、光ビームＬを放出する発光素子１１２に例えば第１の電気コンタクト及び第２の電気コンタクト１４０，１４２，１４３，１４３’を介して供給される電流である。第１のＰ−Ｉ特性曲線を記録する際、当該電流は特に電流最小値Ｉ_ｍｉｎと電流最大値Ｉ_ｍａｘとの間で例えばほぼ一定に変化し、特には単調に若しくは厳密に単調に上昇若しくは下降する。ここでの変化は離散的な電流値をともなって非恒常的に行われることもある。なお、電流最小値Ｉ_ｍｉｎは０ｍＡであってもよい。

【0076】

電力Ｐは、フォトダイオード１１６へ入射する光ビームＬに対する応答としてフォトダイオード１１６で生じる電力であり、フォトダイオード１１６で、例えば電圧として、例えば第３の電気コンタクト及び第４の電気コンタクト１４４，１４５，１４６，１４７を介して読み出される。

【0077】

第２のステップＳ１２では、第１の閾値電流Ｉ_ｓ，ｍｇが、電力Ｐがフォトダイオード１１６で第１のＰ−Ｉ特性曲線にしたがって終端値を取る時点での電流Ｉの値として、求められる。

【0078】

ステップＳ１３では、求められた第１の閾値電流Ｉ_ｓ，ｍｇが流体Ｆの識別のために予め定められた基準閾値電流Ｉ_ｓ，ｏｇと比較される。図５Ａに関連して説明した実施形態によれば、予め定められた基準閾値電流Ｉ_ｓ，ｏｇは、第２のＰ−Ｉ特性曲線Ｋ２にしたがった第２の閾値電流である。第２のＰ−Ｉ特性曲線Ｋ２は第１のＰ−Ｉ特性曲線Ｋ１とほぼ同じ方式で記録されるが、流体Ｆが中空室１１４，１１４’に存在しない期間中に記録される点が第１のＰ−Ｉ特性曲線Ｋ１と異なる。例えば、第２のＰ−Ｉ特性曲線Ｋ２は、中空室１１４，１１４’に真空状態が形成されている期間中に記録することができる。

【0079】

ステップＳ１３での比較は、例えば、本発明の流体センサコンポーネントに接続されている電子制御装置によって行うことができる。

【0080】

これに代えて、識別すべき流体に応じて定められた基準流体を中空室１１４，１１４’内に用意してもよい。流体Ｆとして例えばヒトの呼気が識別される場合、特に呼気中のアルコール分子の分子濃度が求められる場合には、基準流体としての平均的なヒトの呼気が中空室１１４，１１４’に存在する期間中に第２のＰ−Ｉ特性曲線Ｋ２を記録することができる。気象台との通信又は調整によって、基準流体に関する付加的に改善された情報を受信することもできる。

【0081】

発光素子１１２が、暫くの間、例えば数マイクロ秒にわたって駆動される場合、本発明の集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネント、特に光共振器において、温度が上昇することがある。これにより、発光素子１１２から放出される光ビームＬの波長が偏移しうる。有利には、発光素子１１２は短パルスモードで駆動される。これに代えて、発光素子１１２を過渡状態において駆動してもよい。なぜなら、光共振器で生じる温度は周囲温度に対して僅かな依存性しか有さないからである。流体センサコンポーネントが他の機器内で使用される場合、周囲温度の作用を低く保つために、既存のヒートシンクを使用することもできる。

【0082】

上述した温度作用に基づく放出光ビームＬの波長の偏移は、当該波長を所望の領域にわたって変化させるために意図的に行うこともできる。これは、特に狭い吸収ピークを有するガスなどを識別すべき場合に有利である。このために、電圧Ｕの読み出しを、流体センサコンポーネントが発光素子１１２の一貫した駆動のためにほぼ一定に加熱される期間中、フォトダイオード１１６によって行うことができる。

【0083】

本発明を好ましい実施形態に即して説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限定されず、種々に修正可能である。特に、本発明の中心的思想から離れることなく、本発明を種々に変更若しくは修正することができる。

【0084】

例えば、間隔保持装置は、少なくとも１つのスペーサを第１のウェーハ若しくは第２のウェーハ上に形成することによって実現することもできる。当該スペーサは、支持構造体、例えば支持体ウェーハを用いて形成して薄膜化したものを配置してもよいし、又は、形成後に薄膜化してもよい。スペーサの材料は、例えば、複数の貫通チャネルを有するフレームの形態にパターニングされたＳｉであってもよいし、又は、こうしたＳｉを含んでもよい。第１のウェーハと第２のウェーハとのボンディングは、例えば、第１のウェーハ及び第２のウェーハの表面にパターニングされて設けられている酸化物層などでの活性化Ｓｉダイレクトボンディングによって行われる。貫通チャネルのパターニングはボンディングの処理後に行うこともできる。

【0085】

間隔保持装置は、第１のウェーハ若しくは第２のウェーハ上にメサとして形成される部材のほか、ピラーを成長させ、その上にそれぞれ他方のウェーハをボンディングすることによっても実現可能である。

【0086】

フォトダイオードの接続は、（例えば第２のブラッグ鏡とフォトダイオードとの間でなく）第２のブラッグ鏡の、第２の基板から遠い側の面で行うこともできる。ここで、第２の基板は導電性を有するように構成される。

【0087】

流体センサコンポーネントに必要な感度がきわめて小さい場合には、外部キャビティ無しの構成も可能である。ウェーハ実装の際には、波の調整のために、中空室のエタロン作用を利用できる。

【0088】

フィルタも導入可能である。この場合、閾値（スレッショルド）の下方でも、表面発光デバイスの広い利得スペクトルを利用でき、フィルタによって該当する波長を取り出すことができる。

【0089】

特に、第２のブラッグ鏡の、中空室に近い側の表面に、有利に別の層を形成できる。例えば、好ましくは流体の分析物又は流体中の分析物が最大の吸収断面積を有する波長に適合された反射防止保護層を形成できる。また、（できるかぎり受動の）吸着保護層を、流体に曝される表面に形成することもできる。不活性の材料によって、所定の分子種類での特に小さな吸着エンタルピーを達成できる。さらに、光学絞りを設けて光ビーム路を空間的に制限することもできる。

【0090】

流体センサコンポーネントの構造、特に個々の層の厚みと、使用される材料、特に半導体材料系とによって、流体センサコンポーネントを、種々の流体、例えばＣＯ_２，ＮＯ_ｘ，Ｏ_３などに対して感応性を有するように調整可能である。

【0091】

ブラッグ鏡は、例えばそれぞれ異なる屈折率を有する複数の層から成る層対の数を変化させることによって、種々の適用分野に対して最適化可能である。この場合、例えば、低い電流閾値、高い感度、安定した波長、又は、技術的に低コストの構造などの点で最適化を行うことができる。

【0092】

幾つかの層又は素子、例えば第２のブラッグ鏡を、例えば流体センサコンポーネントのフットプリントに対応する寸法又はこれを超える寸法で、図に概略的に示されているよりも幅広に形成可能である。

【0093】

フォトダイオード及び／又は第２のウェーハは、第１のウェーハの複数の発光素子及び／又は複数の表面発光デバイスの光ビームの少なくとも一部をフォトダイオードへ入射させるように構成及び配置できる。流体センサコンポーネントは、この場合、複数のメサを有する。これにより、複数の中空室による平均が可能となり、流体を通る光ビーム路をメサ数でスケーリングできるので、測定精度を高めることができる。

【0094】

これに代えて、流体を識別するために、発光素子１１２に制御装置を設け、この制御装置によって、流体Ｆが中空室１１４，１１４’に存在する場合に一定の電流Ｉを供給し、フォトダイオード１１６で生じる電圧Ｕを評価してもよい。

【0095】

別のバリエーションとして、制御装置により、中空室１１４，１１４’内に流体Ｆが存在する場合に、フォトダイオード１１６で予め定められた電圧Ｕを達成するのに必要な電流Ｉを評価することもできる。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5A】

【図5B】