JP4758069B2

JP4758069B2 - フォトカプラーとフォトカプラーアレイとフォトカプラー内蔵型半導体集積回路

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Description

本発明は、入出力間の電気的絶縁が必要となる信号伝達系で使用されるフォトカプラーに関する。

フォトカプラーは、電気回路や入出力装置同士を電気的に分離する目的で様々な用途に使用されている。従来のフォトカプラーの一例として、特開平５−１６０４３２号公報に記載されている素子について説明する。

従来のフォトカプラーは、図１５に示されるように、発光素子１１と、受光素子１２と、ボンディングワイヤー１３とリードフレーム１４と、透明樹脂１５と、モールド樹脂１６から構成される。発光素子１１と受光素子１２は、ボンディングワイヤー１３によって、リードフレーム１４に電気的に接続されている。また、発光素子１１と受光素子１２は、透明樹脂１５とモールド樹脂１６によって互いに絶縁されている。

次に、従来のフォトカプラーの作用について説明する。リードフレーム１４やボンディングワイヤー１３を通して発光素子１１に通電すると、発光素子１１から光が放射され、その光が透明樹脂１５を通して受光素子１２に入射する。受光素子１２に入射した光は受光素子の端子間に光電流を発生させる。従って、発光素子に接続されるリードフレームを入力端子とし、受光素子に接続されるリードフレームを出力端子とすると、入力端子へ入力される電気信号が、発光素子１１によって光信号に変換された後、受光素子１２によって再び電気信号に変換され、出力端子から出力される。

このようにフォトカプラーは、入力される信号をそのまま出力端子に送るが、フォトカプラーの入力端子と出力端子間は透明樹脂１５やモールド樹脂１６によって電気的に絶縁されているため、フォトカプラーを挟むことによって、入力側と出力側を電気的に完全に分離することが可能となる。従って、二つの回路や装置をフォトカプラーを介して接続することによって、入力側の装置と出力側の装置を独立に設計して接続することが可能となる他、各々の装置が発するノイズを相互に遮断する機能も有する。
特開平５−１６０４３２号公報

従来のフォトカプラーは、単体あるいは数個の素子がパッケージ内に実装された状態で供給されるため、多数のフォトカプラーを実装する場合、多くの面積が必要である。

フォトカプラー自体を半導体集積回路チップ内部にモノリシックに形成できれば、実装面積の大幅な縮小が可能となるが、図１５に示すような従来の構造の場合、フォトカプラーを半導体集積回路チップ内部に形成することは困難である。

これは以下の理由による。図１５のフォトカプラーでは、光源である発光素子１１は一般に化合物半導体基板から製造される。一方、受光素子１２は一般にシリコン基板から製造される。シリコン基板の一部に発光素子を形成することは現状では技術的に困難である。一方、化合物半導体基板上に発光素子、受光素子、電気回路などを集積化することは、コストなどの点で現実的ではない。

本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その主な目的は、半導体集積回路チップ内に集積可能な新しいフォトカプラーを提供することである。

本発明は、ひとつには、フォトカプラーに向けられている。本発明のフォトカプラーは、基板と、基板に設けられた受光素子と、基板の上に設けられた光変調素子と、受光素子と光変調素子とを囲むように基板の上に設けられたスペーサーと、スペーサーの上に配置された透明基板と、透明基板の下面（基板に向き合う面）に設けられ、光変調素子からの光を受光素子に反射させる反射膜と、透明基板の上に設けられた光源とを備え、反射膜は開口部を有し、光源と光変調素子は反射膜の開口部を通して対向しており、光変調素子は、入力印加電圧により角度を変えて、光源からの光を反射膜に反射するように構成されている。

本発明は、ひとつには、フォトカプラーアレイに向けられている。本発明のフォトカプラーアレイは、基板と、基板に設けられた複数の受光素子と、受光素子に対応して基板の上に設けられた複数の光変調素子と、基板の上に設けられたスペーサーと、スペーサーの上に配置された透明基板と、透明基板の下面（基板に向き合う面）に設けられ、複数の光変調素子からの光を対応した複数の受光素子に反射させる反射膜と、透明基板の上に設けられた光源とを備え、スペーサーは受光素子と光変調素子のそれぞれの組を囲んでおり、反射膜は受光素子と光変調素子の組に対応した複数の開口部を有し、光源とそれぞれの光変調素子とは反射膜のそれぞれの開口部を通して対向しており、それぞれの光変調素子は、入力印加電圧により角度を変えて、光源からの光を対応するそれぞれの反射膜に反射するように構成されている。

本発明は、ひとつには、フォトカプラー内蔵型半導体集積回路に向けられている。本発明のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路は、集積回路が形成された半導体基板と、半導体基板に設けられた少なくとも一つの受光素子と、受光素子に対応して半導体基板の上に設けられた少なくとも一つの光変調素子と、半導体基板の上に設けられたスペーサーと、スペーサーの上に配置された透明基板と、透明基板の下面（半導体基板に向き合う面）に設けられ、光調素子からの光を受光素子に反射させる反射膜と、透明基板の上に設けられた光源とを備え、受光素子と光変調素子のそれぞれの組は互いに空間的に分離されており、反射膜は受光素子と光変調素子の組に対応した複数の開口部を有し、光源とそれぞれの光変調素子とは反射膜のそれぞれの開口部を通して対向しており、それぞれの光変調素子は、入力印加電圧により角度を変えて、光源からの光を対応するそれぞれの反射膜に反射するように構成されている。

本発明によれば、半導体集積回路チップ内に集積可能な新しいフォトカプラーが提供される。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

＜第一実施形態＞
本発明の第一実施形態について説明する。まず、本発明の第一実施形態による単体のフォトカプラーについて説明する。図１は本発明の第一実施形態による単体のフォトカプラー断面を示している。

図１示されるように、フォトカプラー１００は、基板としてのシリコン基板１０１と、シリコン基板１０１に設けられた受光素子としてのフォトダイオード１０７と、フォトダイオード１０７と電気的に接続されている導電膜１１７と、シリコン基板１０１の上に設けられた酸化シリコン膜１０２と、酸化シリコン膜１０２の上に設けられたポリイミド膜１０３と、ポリイミド膜１０３の上に設けられた導電膜１１６と、ポリイミド膜１０３と導電膜１１６の上に設けられたポリイミド膜１１５と、ポリイミド膜１１５の上に配置された透明基板１１１と、透明基板１１１の上に設けられた光源としての面光源１１２とを備えている。

導電膜１１７は、出力パッド１０８と、出力パッド１０８とフォトダイオード１０７とを接続する配線を構成している。

導電膜１１６は、入力パッド１０６と、可動ミラー１０４と、可動ミラー１０４を支持するヒンジ１０５を構成している。可動ミラー１０４は、ヒンジ１０５によってシリコン基板１０１から離れて支持されている。可動ミラー１０４はシリコン基板１０１と共働して光変調素子の一形態である偏向ミラー素子を構成している。

ポリイミド膜１０３とポリイミド膜１１５は、スペーサーを構成し、可動ミラー１０４とフォトダイオード１０７とを囲んでいる。

面光源１１２は、例えば、ＥＬ（Electroluminescence）素子で構成される。また、透明基板１１１は、例えば、石英またはガラスで構成される。

フォトカプラー１００は、さらに、透明基板１１１の下面（基板に向き合う面）に設けられた反射膜１０９を備え、反射膜１０９は開口部１１０を有し、面光源１１２と可動ミラー１０４は反射膜１０９の開口部１１０を通して対向している。フォトカプラー１００は、さらに、反射膜１０９の開口部１１０内に、透明基板１１１に設けられたマイクロレンズ１１４を備えている。開口部１１０とマイクロレンズ１１４は、可動ミラー１０４に対向する位置に形成されている。

次に、フォトカプラー１００の動作について説明する。

まず、シリコン基板１０１を接地し、面光源１１２に通電して、面光源１１２を発光させる。この状態では、図２に示されるように、面光源１１２から射出された光１２０は、開口部１１０を通り、可動ミラー１０４によって反射され、再び開口部１１０を通り、面光源１１２に戻されるだけであり、フォトダイオード１０７には入射しない。その結果、出力パッド１０８には電位は生じない。

次に、図３に示されるように、入力パッド１０６に所望の電圧を印加すると、この入力パッド１０６に接続されている可動ミラー１０４に、ヒンジ１０５を通して電圧が印加される。シリコン基板１０１は接地されているため、シリコン基板１０１と可動ミラー１０４の間に電位差が発生し、可動ミラー１０４が静電引力によってシリコン基板１０１の方向に引き寄せられる。つまり、可動ミラー１０４がシリコン基板１０１の側に変位する。

この状態では、面光源１１２から射出された光１２１は、開口部１１０を通り、可動ミラー１０４によって反射膜１０９の方向に反射され、さらに反射膜１０９によってシリコン基板１０１の方向に反射され、フォトダイオード１０７に入射する。フォトダイオード１０７に入射した光は、フォトダイオード１０７によって光電変換されて、出力パッド１０８に電位を発生する。

このように、入力パッド１０６へ電気信号を入力すると、この電気信号が面光源１１２と可動ミラー１０４によって光信号に変換され、この光信号がフォトダイオード１０７によって再び電気信号に変換されて出力パッド１０８に出力される。すなわち、面光源１１２と可動ミラー１０４とフォトダイオード１０７によってフォトカプラーが構成される。

本実施形態のフォトカプラー１００は、従来のフォトカプラーと同様に、デジタル信号だけでなく、アナログ信号も伝達することができる。すなわち、図４に示されるように、可動ミラー１０４と反射膜１０９によって反射された光は、フォトダイオード１０７の表面に明領域１８１を形成する。この明領域１８１のうちフォトダイオード１０７上に位置する部分１８２がフォトダイオード１０７からの出力に寄与する。

入力パッド１０６に印加する電圧を変化させると、これに対応して可動ミラー１０４の変位角が変化する。その結果、部分１８２の面積すなわち出力パッド１０８に発生する電位の値が、入力電圧に応じて変化する。従って、本実施形態のフォトカプラー１００は、入力パッドに入力される電気信号のＯＮ／ＯＦＦ状態だけでなく、波形そのものを出力パッド１０８に伝える。

面光源１１２からの光はマイクロレンズ１１４や開口部１１０を通して可動ミラー１０４に入射する。マイクロレンズ１１４は、面光源１１２からの光を可動ミラー１０４に集光する機能を有し、光の利用効率向上や迷光の防止の効果がある。ただし、マイクロレンズ１１４は必ずしも必要ではない。

透明基板１１１とポリイミド膜１０３と１１５とシリコン基板１０１とで囲まれた空間は外部に対して密閉されている。この密閉された空間は、望ましくは、不活性ガスが充填された雰囲気または真空の雰囲気または減圧された雰囲気であるとよい。その場合、可動ミラー１０４とヒンジ１０５とフォトダイオード１０７の経時劣化が良好に防止される。

さらに、入力パッド１０６と出力パッド１０８はポリイミド膜１０３と酸化シリコン膜１０２によって電気的に分離されているため、パッド間で電気的な干渉は生じない。従って、従来のフォトカプラーと同様に一方の回路や装置を入力パッド１０６に接続し、他方の回路や装置を出力パッド１０８に接続することによって、入力側の装置や回路と出力側の装置や回路を独立に設計して接続することが可能となるほか、それぞれの装置や回路が発するノイズが相互に遮断される。

このようなフォトカプラー１００によれば、光源となる発光素子をシリコン基板上に形成する必要がなく、また光源と他の構成要素間の精密な位置決めも不要なため、シリコン基板上にフォトカプラーをモノリシックかつ容易に形成することが可能となる。

次に、上記フォトカプラーをアレイ状に配置したフォトカプラーアレイについて説明する。図５は本発明の第一実施形態によるフォトカプラーアレイの斜視図であり、図６は、本発明の第一実施形態によるフォトカプラーアレイの分解斜視図である。

図５と図６に示されるように、フォトカプラーアレイ１５０は、基板としてのシリコン基板１５１と、シリコン基板１５１に設けられた複数の受光素子としてのフォトダイオード１５７と、フォトダイオード１５７に対応してシリコン基板１５１の上に設けられた複数の可動ミラー１５４と、シリコン基板１５１の上に設けられたスペーサーとしてのポリイミド膜１５３と、ポリイミド膜１５３の上に配置された透明基板１６１と、透明基板１６１の下面（シリコン基板１５１に向き合う面）に設けられた反射膜１５９と、透明基板１６１の上に設けられた光源としての面光源１６２とを備えている。

フォトダイオード１５７と可動ミラー１５４は同数であり、それぞれ一対一で対応している。ポリイミド膜１５３は、フォトダイオード１５７と可動ミラー１５４のそれぞれの組を囲んでおり、それぞれの組同士の間を空間的に分離している。反射膜１５９は、フォトダイオード１５７と可動ミラー１５４の組に対応した複数の開口部１６０を有している。つまり、開口部１６０はフォトダイオード１５７と可動ミラー１５４の組と同数であり、それぞれの組と一対一で対応している。面光源１６２とそれぞれの可動ミラー１５４とは反射膜１５９のそれぞれの開口部１６０を通して対向している。

フォトダイオード１５７と可動ミラー１５４と開口部１６０は、フォトカプラーを構成する主要な要素であり、一次元に配列されている。従って、フォトカプラーアレイ１５０は、一次元に配列された複数のフォトカプラーを含んでいる。

このようなフォトカプラーアレイ１５０において、各フォトカプラーの動作は前述した動作と同様であり、入力パッド１５６に入力された電気信号が、面光源１６２と可動ミラー１５４によって光信号に変換され、フォトダイオード１５７によって再び電気信号に変換されて出力パッド１５８に出力される。

隣接するフォトカプラーの間には、ポリイミド膜１５３によって隔壁が形成されており、隣接するフォトカプラー間のクロストークを防止している。面光源１６２は、複数個の可動ミラー１５４に対して一個実装すればよい。言い換えれば、複数のフォトカプラーが一個の面光源１６２を共有している。また、面光源１６２と他の構成要素間の高精度な位置決めは不要である。

このようなフォトカプラーアレイによれば、多数のフォトカプラーを一つのパッケージ内に高密度に実装することが可能になるため、装置の小型化が容易になる。また、本発明によるフォトカプラーとフォトカプラーアレイでは、面光源を除いたフォトカプラーの構成要素はシリコンＭＥＭＳの製造技術を用いて製造可能であるため、後述の第二実施形態で示されるように、多くのフォトカプラーを半導体集積回路チップ上にモノリシックに形成することが可能となる。

次に、本実施形態によるフォトカプラーの製造方法について図７〜図１１を参照しながら簡単に説明する。

まず、図７に示されるように、シリコン基板１３１に不純物を拡散することによってフォトダイオード１３３を形成した後、基板表面に酸化シリコン膜１３２、フォトダイオード上へのコンタクトホール１３４、一層目の導電膜パターン１３５、パッド開口部１３６を形成する。フォトダイオード１３３はコンタクトホール１３４を介して導電膜パターン１３５と接続される。導電膜パターン１３５はアルミニウムなどで構成され、配線と出力パッドとなる。

次に、図８に示されるように、シリコン基板１３１の表面全面に一層目のポリイミド膜１３７を成膜した後、二層目の導電膜パターン１３８を形成する。この二層目の導電膜パターン１３８は可動ミラーとヒンジと入力パッドとなる。導電膜パターン１３８は、導電膜パターン１３５と同様にアルミニウムでも構成されてもよいが、ミラーやヒンジを構成するため、光源の発する光の波長に対して反射率が高く、塑性変形し難い材料で構成されることが望ましく、例えば、白金やチタン、モリブデン、タングステン、ニッケルなどで構成されるとよい。

次に、図９に示されるように、一層目のポリイミド膜１３７の表面に二層目のポリイミド膜１３９を成膜した後、入力パッド部分のポリイミド膜を除去する。さらに、ポリイミド膜１３９の表面にポリイミド膜のエッチングマスク１４０を形成する。このエッチングマスク１４０は、ＰＣＶＤ（Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition）法によって形成した酸化シリコン膜などをパターニングすることによって形成する。

次に、図１０に示されるように、一層目のポリイミド膜１３７と二層目のポリイミド膜１３９をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によってエッチングする。ここで、エッチングに使用する酸素ガスの圧力を高めに設定することによって、ポリイミド膜の深さ方向だけでなく横方向にもエッチングを進行させることができる。このようなエッチング条件を採用することによって、二層目の導電膜パターン１３８の一部について、その下層にあるポリイミド膜も同時に除去され、可動ミラーとヒンジがリリースされる。

次に、図１１に示されるように、エッチングマスク１４０を除去した後、シリコン基板１３１をダイシングしてチップに分離する。続いて、ポリイミド膜１３９の表面にガラスなどの透明基板１４３を接着する。この透明基板１４３にはマイクロレンズ１４４と反射膜１４１と開口部１４２をあらかじめ形成しておく。ここで、透明基板１４３の接着は、不活性雰囲気中あるいは減圧雰囲気中で行なうことが望ましい。

最後に、透明基板１４３の表面に透明接着剤を用いて面光源を接着することによって、フォトカプラーが完成する。

以上のようなフォトカプラーの製造方法によれば、可動ミラーやフォトダイオードなど、微細な加工が必要な構成要素をＭＥＭＳ製造技術によって形成することが可能である。このため、本実施形態のフォトカプラーアレイを低コストかつ大量に生産することが可能となる。

上述した本発明の第一実施形態は、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、様々な変形がなされてもよい。例えば、可動ミラーや透明基板の支持にポリイミド膜を使用する例を示したが、絶縁性材料であれば、シリコーン樹脂などの他の樹脂材料や、酸化シリコン膜などの無機材料を使用してもよい。また、面光源としてＥＬ素子以外に蛍光パネルや発光ダイオード、半導体レーザーなど、他の光源を使用してもよい。また、透明基板にはガラス板のほか、光源の発する光を透過する他の材料を使用してもよく、例えば光源に赤外光源を使用する場合は、ガラス板の代わりにシリコン基板を使用してもよい。またフォトダイオードの代わりにフォトトランジスターなどの他の素子を使用してもよい。また光源からの光をフォトダイオードに向けるために片持ち式の可動ミラーを使用する例を示したが、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）素子や櫛型アクチュエーターなどの他のアクチュエーターを使用した素子、またはシリコン基板を加工することによって形成するいわゆるバルクマイクロマシン製造技術によって形成される素子など、他の光偏向素子を使用してもよく、また光偏向素子以外に光バルブ素子などを使用してもよい。また、一次元状の可動ミラーアレイと一次元状のフォトダイオードアレイを用いた構成例を示したが、これには限定されず、二次元状のアレイを用いてもよい。また、シリコン基板にフォトダイオードを形成して受光素子を構成する例を示したが、ガラス基板にシリコン膜を形成して、このシリコン膜にフォトダイオードを形成してもよい。その場合、大型の基板が使用できるほか、液晶パネルなどにフォトカプラーをモノリシックに形成することが可能となる。

＜第二実施形態＞
本実施形態は、第一実施形態のフォトカプラーアレイの応用例であるフォトカプラー内蔵型半導体集積回路に向けられている。より詳しくは、第一実施形態のフォトカプラーアレイを用いて１チップで様々な装置のシーケンス制御を行なうことが可能なシーケンサチップに向けられている。図１２は、本発明の第二実施形態によるシーケンサチップの斜視図であり、図１３は、本発明の第二実施形態によるシーケンサチップの分解斜視図である。

図１２と図１３に示されるように、シーケンサチップ２００は、入出力パッド２０９と集積回路２０２が形成された半導体基板としてのシリコン基板２０１と、シリコン基板２０１の上に設けられたフォトカプラーアレイ下部基板２１０と２１１と、シリコン基板２０１の上に設けられたスペーサーとしてのポリイミド膜２１６と、ポリイミド膜２１６の上に配置されたガラス基板などの透明基板２０５と、透明基板２０５の下面（シリコン基板２０１に向き合う面）に設けられた反射膜２０６と、透明基板２０５の上に設けられた光源としてのＥＬ素子などの面光源２０８とを備えている。

フォトカプラーアレイ下部基板２１０と２１１は、第一実施形態と同様に、フォトカプラーの主要な要素である、可動ミラーとヒンジとフォトダイオードとを備えている。可動ミラーとヒンジとフォトダイオードのそれぞれの組はアレイ状に配列されており、それぞの組はポリイミド膜によって互いに空間的に分離されている。

反射膜２０６は、可動ミラーとフォトダイオードの組に対応した開口部であるスリット２０７を有し、面光源２０８とそれぞれの可動ミラーとは反射膜２０６のスリット２０７を通して対向している。

集積回路２０２は、一般的なシーケンサに含まれる、入出力インターフェース回路、メモリー、ＣＰＵコア、タイマー、カウンターなどの回路から構成される。

フォトカプラーの構成と動作は、第一実施形態と同様であるため、その説明はここでは省略する。

次に、本実施形態によるシーケンサチップの動作を説明する。図１４は、本発明の第二実施形態によるシーケンサチップのブロック図である。

図１４に示されるように、シーケンサチップは、複数の入力端子２８２と、入力端子２８２に接続された第一フォトカプラーアレイ２９１と、第一フォトカプラーアレイ２９１に接続された集積回路２９３と、集積回路２９３に接続された第二フォトカプラーアレイ２９２と、第二フォトカプラーアレイ２９２に接続された複数の出力端子２８３とを備えている。

第一フォトカプラーアレイ２９１は一次元状に配列された複数のフォトカプラー２８０を含み、第一フォトカプラーアレイ２９１はそれぞれ入力端子２８２と接続されている。第二フォトカプラーアレイ２９２は一次元状に配列された複数のフォトカプラー２８１を含み、フォトカプラー２８１はそれぞれ出力端子２８３と接続されている。

集積回路２９３は、第一フォトカプラーアレイ２９１と接続された入力インターフェース回路２８４と、入力インターフェース回路２８４と接続された制御回路２８５と、制御回路２８５と接続されたメモリー２８６と、制御回路２８５と接続された出力インターフェース回路２８７とを含んでいる。

フォトカプラー２８０と２８１は、図１３に示された、可動ミラーとヒンジとフォトダイオードが形成されたフォトカプラーアレイ下部基板２１０と２１１と、面光源２０８と、スリット２０７を有する反射膜２０６が下面に設けられた透明基板２０５とから構成される。入力端子２８２と出力端子２８３は、図１３に示された入出力パッド２０９に対応している。集積回路２９３は、図１３に示された集積回路２０２対応している。

このようなシーケンサチップにおいては、各々の入力端子２８２のＯＮ/ＯＦＦ状態は、対応するフォトカプラー２８０を介して入力インターフェース回路２８４内のメモリー（図示せず）に記憶される。制御回路２８５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とタイマーとカウンターなどから構成され、メモリー２８６にあらかじめ格納されたプログラムに従い、入力インターフェース回路２８４に記憶された入力端子のＯＮ/ＯＦＦ状態に対して、各々の出力端子２８３のＯＮ/ＯＦＦ状態の設定を行なう。制御回路２８５によって設定された出力端子の状態は、出力インターフェース回路２８７によって、対応するフォトカプラー２８１を介して出力端子２８３に出力される。

ここで、本シーケンサチップの製造方法は、シリコン基板に集積回路を形成した後、第一実施形態と同様に、フォトカプラーアレイ部を形成することによって完成する。ここで、集積回路は通常の半導体技術を用いて容易にシリコン基板に形成することができる。

以上、説明したように、本実施形態によれば、一個の半導体集積回路チップ内部にシーケンサの構成要素をすべて集積することができる。このため、小型ロボットなど、部品の実装スペースの小さい機器にシーケンサを組み込むことが可能となる。また、すべての構成要素をＭＥＭＳ製造技術によって形成・実装することが可能であるため、大量のチップを安価に生産することが可能である。

上述した本発明の第二実施形態は、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、様々な変形がなされてもよい。例えば、光源からの光をフォトダイオードに向けるために片持ち式の可動ミラーを使用する例を示したが、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）素子や櫛型アクチュエーターなどの他のアクチュエーターを使用した素子、またはシリコン基板を加工することによって形成するいわゆるバルクマイクロマシン製造技術によって形成される素子など、他の光偏向素子を使用してもよく、また光偏向素子以外に光バルブ素子などを使用してもよい。また、可動ミラーや透明基板の支持にシリコーン樹脂などの他の樹脂材料や、酸化シリコン膜などの他の無機材料を使用してもよい。また、透明基板にはガラス板のほかに、光源の発する光に対して透明な他の材料を使用してもよい。また、受光素子にフォトダイオードを使用する例を示したが、フォトトランジスターなど他の素子を使用してもよい。また、シーケンサへの応用例について示したが、これ以外にもシリコン基板に形成されるあらゆる集積回路に応用することが可能である。この場合には、集積回路と入出力パッド間をフォトカプラーを介して接続するほかに、集積回路を構成する回路同士をフォトカプラーを介して接続してもよい。これにより、回路間の相互干渉を防止することが可能になる。また光源としてＥＬ素子を使用する例を示したが、蛍光パネルや発光ダイオード、半導体レーザーなど、他の光源を使用してもよい。また、一次元状の可動ミラーアレイと一次元状のフォトダイオードアレイを用いた構成例を示したが、これには限定されず、二次元状のアレイを用いてもよい。さらに、基板にシリコン基板を使用する例を示したが、ガラス基板にシリコン膜を形成して、このシリコン膜にフォトダイオードや集積回路を形成してもよい。

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。

本発明は、ひとつには、フォトカプラーに向けられており、以下に記す各項のフォトカプラーを含んでいる。

１．本発明のフォトカプラーは、基板と、基板に設けられた受光素子と、基板の上に設けられた光変調素子と、受光素子と光変調素子とを囲むように基板の上に設けられたスペーサーと、スペーサーの上に配置された透明基板と、透明基板の下面（基板に向き合う面）に設けられた反射膜と、透明基板の上に設けられた光源とを備え、反射膜は開口部を有し、光源と光変調素子は反射膜の開口部を通して対向している。

このフォトカプラーは第一実施形態と第二実施形態に対応している。このフォトカプラーでは、光変調素子への入力信号を、発光素子と光変調素子によって光信号に変換したのち、受光素子によって再び電気信号に変換する。すなわち、発光素子と光変調素子と受光素子とによって、フォトカプラーの機能を実現する。

２．本発明の別のフォトカプラーは、第１項に記載のフォトカプラーにおいて、基板がシリコン基板である。

このフォトカプラーは第一実施形態と第二実施形態に対応している。このフォトカプラーでは、光変調素子や受光素子を、ＭＥＭＳ（Micro Electromechanical System）技術によって形成することが可能であるため、低いコストで量産することが可能となる。

３．本発明の別のフォトカプラーは、第２項に記載のフォトカプラーにおいて、受光素子がフォトダイオードである。

このフォトカプラーは第一実施形態と第二実施形態に対応している。このフォトカプラーでは、受光素子がＭＥＭＳ技術によってシリコン基板に形成可能なフォトダイオードで構成される。

４．本発明の別のフォトカプラーは、第２項に記載のフォトカプラーにおいて、受光素子がフォトトランジスターである。

このフォトカプラーは第一実施形態と第二実施形態に対応している。このフォトカプラーでは、受光素子がＭＥＭＳ技術によってシリコン基板に形成可能なフォトトランジスターで構成される。

５．本発明の別のフォトカプラーは、第２項に記載のフォトカプラーにおいて、変調素子が偏向ミラー素子である。

このフォトカプラーは第一実施形態と第二実施形態に対応している。このフォトカプラーでは、変調素子がＭＥＭＳ技術によってシリコン基板の上に形成可能な偏向ミラー素子で構成される。

６．本発明の別のフォトカプラーは、第２項に記載のフォトカプラーにおいて、変調素子が光バルブ素子である。

このフォトカプラーは第一実施形態と第二実施形態に対応している。このフォトカプラーでは、変調素子がＭＥＭＳ技術によってシリコン基板の上に形成可能な光バルブ素子で構成される。

７．本発明の別のフォトカプラーは、第１項に記載のフォトカプラーにおいて、光源が面光源である。

このフォトカプラーは第一実施形態と第二実施形態に対応している。このフォトカプラーでは、光変調素子の形成範囲と同等の大きさの光源を使用することによって、ビームスプリッターやレンズなどの光学部品を使用することなく、光源からの光を、フォトカプラーを構成するすべての光変調素子に直接入射させることができる。従って、部品点数や実装寸法の縮小が可能となる。

８．本発明の別のフォトカプラーは、第１項に記載のフォトカプラーにおいて、基板とスペーサーと透明基板とで囲まれた空間が真空の雰囲気である。

このフォトカプラーは第一実施形態と第二実施形態に対応している。このフォトカプラーでは、フォトカプラーや半導体集積回路の寿命や耐環境性能が向上する。

９．本発明の別のフォトカプラーは、第１項に記載のフォトカプラーにおいて、基板とスペーサーと透明基板とで囲まれた空間が減圧された雰囲気である。

１０．本発明の別のフォトカプラーは、第１項に記載のフォトカプラーにおいて、基板とスペーサーと透明基板とで囲まれた空間が不活性ガスが充填された雰囲気である。

本発明は、ひとつには、少なくとも一次元に配列された複数のフォトカプラーを含むフォトカプラーアレイに向けられており、以下に記す各項のフォトカプラーアレイを含んでいる。

１１．本発明のフォトカプラーアレイは、基板と、基板に設けられた複数の受光素子と、受光素子に対応して基板の上に設けられた複数の光変調素子と、基板の上に設けられたスペーサーと、スペーサーの上に配置された透明基板と、透明基板の下面（基板に向き合う面）に設けられた反射膜と、透明基板の上に設けられた光源とを備え、スペーサーは受光素子と光変調素子のそれぞれの組を囲んでおり、反射膜は受光素子と光変調素子の組に対応した複数の開口部を有し、光源とそれぞれの光変調素子とは反射膜のそれぞれの開口部を通して対向している。

このフォトカプラーアレイは第一実施形態と第二実施形態に対応している。このフォトカプラーアレイは、基本的に、複数個の光変調素子と複数個の受光素子と一個の光源とから構成されている。光源の集積化は一般には困難であるが、このフォトカプラーアレイでは、複数のフォトカプラーが一個の光源を共有するため、多数のフォトカプラーをコンパクトに集積化することが可能である。

１２．本発明の別のフォトカプラーアレイは、第１１項に記載のフォトカプラーアレイにおいて、基板がシリコン基板である。

このフォトカプラーアレイは第一実施形態と第二実施形態に対応している。このフォトカプラーアレイでは、光変調素子や受光素子を、ＭＥＭＳ（Micro Electromechanical System）技術によって形成することが可能であるため、低いコストで量産することが可能となる。

１３．本発明の別のフォトカプラーアレイは、第１２項に記載のフォトカプラーアレイにおいて、受光素子がフォトダイオードである。

このフォトカプラーアレイは第一実施形態と第二実施形態に対応している。このフォトカプラーアレイでは、受光素子がＭＥＭＳ技術によってシリコン基板に形成可能なフォトダイオードで構成される。

１４．本発明の別のフォトカプラーアレイは、第１２項に記載のフォトカプラーアレイにおいて、受光素子がフォトトランジスターである。

このフォトカプラーアレイは第一実施形態と第二実施形態に対応している。このフォトカプラーアレイでは、受光素子がＭＥＭＳ技術によってシリコン基板に形成可能なフォトトランジスターで構成される。

１５．本発明の別のフォトカプラーアレイは、第１２項に記載のフォトカプラーアレイにおいて、変調素子が偏向ミラー素子である。

このフォトカプラーアレイは第一実施形態と第二実施形態に対応している。このフォトカプラーアレイでは、変調素子がＭＥＭＳ技術によってシリコン基板の上に形成可能な偏向ミラー素子で構成される。

１６．本発明の別のフォトカプラーアレイは、第１２項に記載のフォトカプラーアレイにおいて、変調素子が光バルブ素子である。

このフォトカプラーアレイは第一実施形態と第二実施形態に対応している。このフォトカプラーアレイでは、変調素子がＭＥＭＳ技術によってシリコン基板の上に形成可能な光バルブ素子で構成される。

１７．本発明の別のフォトカプラーアレイは、第１１項に記載のフォトカプラーアレイにおいて、光源が面光源である。

このフォトカプラーアレイは第一実施形態と第二実施形態に対応している。このフォトカプラーアレイでは、光変調素子の形成範囲と同等の大きさの光源を使用することによって、ビームスプリッターやレンズなどの光学部品を使用することなく、光源からの光を、フォトカプラーアレイを構成するすべての光変調素子に直接入射させることができる。従って、部品点数や実装寸法の縮小が可能となる。

１８．本発明の別のフォトカプラーアレイは、第１１項に記載のフォトカプラーアレイにおいて、基板とスペーサーと透明基板とで囲まれた空間が真空の雰囲気である。

このフォトカプラーアレイは第一実施形態と第二実施形態に対応している。このフォトカプラーアレイでは、個々のフォトカプラーや半導体集積回路の寿命や耐環境性能が向上する。

１９．本発明の別のフォトカプラーアレイは、第１１項に記載のフォトカプラーアレイにおいて、基板とスペーサーと透明基板とで囲まれた空間が減圧された雰囲気である。

２０．本発明の別のフォトカプラーアレイは、第１１項に記載のフォトカプラーアレイにおいて、基板とスペーサーと透明基板とで囲まれた空間が不活性ガスが充填された雰囲気である。

本発明は、ひとつには、少なくとも一つのフォトカプラーを含むフォトカプラー内蔵型半導体集積回路に向けられており、以下に記す各項のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路を含んでいる。

２１．本発明のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路は、集積回路が形成された半導体基板と、半導体基板に設けられた少なくとも一つの受光素子と、受光素子に対応して半導体基板の上に設けられた少なくとも一つの光変調素子と、半導体基板の上に設けられたスペーサーと、スペーサーの上に配置された透明基板と、透明基板の下面（半導体基板に向き合う面）に設けられた反射膜と、透明基板の上に設けられた光源とを備え、受光素子と光変調素子のそれぞれの組は互いに空間的に分離されており、反射膜は受光素子と光変調素子の組に対応した複数の開口部を有し、光源とそれぞれの光変調素子とは反射膜のそれぞれの開口部を通して対向している。

このフォトカプラー内蔵型半導体集積回路は第二実施形態に対応している。このフォトカプラー内蔵型半導体集積回路では、外部接続用端子や集積回路をフォトカプラーを使用して相互に接続することによって、外部端子と半導体集積回路間および半導体集積回路間を互いに電気的に分離した状態で信号の受け渡しを行なう。

このフォトカプラー内蔵型半導体集積回路では、フォトカプラーを半導体集積回路チップ内部に形成することによって、複数個のフォトカプラーを含むシステムをチップ内部に集積化することが可能である。

２２．本発明の別のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路は、第２１項に記載のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路において、半導体基板がシリコン基板である。

このフォトカプラー内蔵型半導体集積回路は第二実施形態に対応している。このフォトカプラー内蔵型半導体集積回路では、光変調素子や受光素子を、ＭＥＭＳ（Micro Electromechanical System）技術によって形成することが可能であるため、低いコストで量産することが可能となる。

２３．本発明の別のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路は、第２２項に記載のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路において、受光素子がフォトダイオードである。

このフォトカプラー内蔵型半導体集積回路は第二実施形態に対応している。このフォトカプラー内蔵型半導体集積回路では、受光素子がＭＥＭＳ技術によってシリコン基板に形成可能なフォトダイオードで構成される。

２４．本発明の別のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路は、第２２項に記載のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路において、受光素子がフォトトランジスターである。

このフォトカプラー内蔵型半導体集積回路は第二実施形態に対応している。このフォトカプラー内蔵型半導体集積回路では、受光素子がＭＥＭＳ技術によってシリコン基板に形成可能なフォトトランジスターで構成される。

２５．本発明の別のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路は、第２２項に記載のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路において、変調素子が偏向ミラー素子である。

このフォトカプラー内蔵型半導体集積回路は第二実施形態に対応している。このフォトカプラー内蔵型半導体集積回路では、変調素子がＭＥＭＳ技術によってシリコン基板の上に形成可能な偏向ミラー素子で構成される。

２６．本発明の別のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路は、第２２項に記載のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路において、変調素子が光バルブ素子である。

このフォトカプラー内蔵型半導体集積回路は第二実施形態に対応している。このフォトカプラー内蔵型半導体集積回路では、変調素子がＭＥＭＳ技術によってシリコン基板の上に形成可能な光バルブ素子で構成される。

２７．本発明の別のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路は、第２１項に記載のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路において、光源が面光源である。

このフォトカプラー内蔵型半導体集積回路は第二実施形態に対応している。このフォトカプラー内蔵型半導体集積回路では、光変調素子の形成範囲と同等の大きさの光源を使用することによって、ビームスプリッターやレンズなどの光学部品を使用することなく、光源からの光を、フォトカプラーを構成するすべての光変調素子に直接入射させることができる。従って、部品点数や実装寸法の縮小が可能となる。

２８．本発明の別のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路は、第２１項に記載のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路において、半導体基板とスペーサーと透明基板とで囲まれた空間が真空の雰囲気である。

このフォトカプラー内蔵型半導体集積回路は第二実施形態に対応している。このフォトカプラー内蔵型半導体集積回路では、フォトカプラーや半導体集積回路の寿命や耐環境性能が向上する。

２９．本発明の別のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路は、第２１項に記載のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路において、半導体基板とスペーサーと透明基板とで囲まれた空間が減圧された雰囲気である。

３０．本発明の別のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路は、第２１項に記載のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路において、半導体基板とスペーサーと透明基板とで囲まれた空間が不活性ガスが充填された雰囲気である。

本発明の第一実施形態による単体のフォトカプラーの断面を示している。ＯＦＦ状態にある図１のフォトカプラーを示している。ＯＮ状態にある図１のフォトカプラーを示している。図１のフォトカプラーにおいて可動ミラーからの反射光によって形成される明領域とフォトダイオードとの位置関係を示している。本発明の第一実施形態によるフォトカプラーアレイの斜視図である。本発明の第一実施形態によるフォトカプラーアレイの分解斜視図である。図１に示したフォトカプラーの製造方法の最初の工程を示している。図１に示したフォトカプラーの製造方法の図７に続く工程を示している。図１に示したフォトカプラーの製造方法の図８に続く工程を示している。図１に示したフォトカプラーの製造方法の図９に続く工程を示している。図１に示したフォトカプラーの製造方法の図１０に続く工程を示している。本発明の第二実施形態によるシーケンサチップの斜視図である。本発明の第二実施形態によるシーケンサチップの分解斜視図である。本発明の第二実施形態によるシーケンサチップのブロック図である。従来のフォトカプラーの断面を示している。

符号の説明

１００…フォトカプラー、１０１…シリコン基板、１０２…酸化シリコン膜、１０３…ポリイミド膜、１０４…可動ミラー、１０５…ヒンジ、１０６…入力パッド、１０７…フォトダイオード、１０８…出力パッド、１０９…反射膜、１１０…開口部、１１１…透明基板、１１２…面光源、１１４…マイクロレンズ、１１５…ポリイミド膜、１１６…導電膜、１１７…導電膜、１３１…シリコン基板、１３２…酸化シリコン膜、１３３…フォトダイオード、１３４…コンタクトホール、１３５…導電膜パターン、１３６…パッド開口部、１３７…ポリイミド膜、１３８…導電膜パターン、１３９…ポリイミド膜、１４０…エッチングマスク、１４１…反射膜、１４２…開口部、１４３…透明基板、１４４…マイクロレンズ、１５０…フォトカプラーアレイ、１５１…シリコン基板、１５３…ポリイミド膜、１５４…可動ミラー、１５６…入力パッド、１５７…フォトダイオード、１５８…出力パッド、１５９…反射膜、１６０…開口部、１６１…透明基板、１６２…面光源、１８１…明領域、１８２…部分、２００…シーケンサチップ、２０１…シリコン基板、２０２…集積回路、２０５…透明基板、２０６…反射膜、２０７…スリット、２０８…面光源、２０９…入出力パッド、２１０…フォトカプラーアレイ下部基板、２１１…フォトカプラーアレイ下部基板、２１６…ポリイミド膜、２８０…フォトカプラー、２８１…フォトカプラー、２８２…入力端子、２８３…出力端子、２８４…入力インターフェース回路、２８５…制御回路、２８６…メモリー、２８７…出力インターフェース回路、２９１…第一フォトカプラーアレイ、２９２…第二フォトカプラーアレイ、２９３…集積回路。

Claims

基板と、
基板に設けられた受光素子と、
基板の上に設けられた光変調素子と、
受光素子と光変調素子とを囲むように基板の上に設けられたスペーサーと、
スペーサーの上に配置された透明基板と、
透明基板の下面（基板に向き合う面）に設けられ、光変調素子からの光を受光素子に反射させる反射膜と、
透明基板の上に設けられた光源とを備え、
反射膜は開口部を有し、光源と光変調素子は反射膜の開口部を通して対向しており、
光変調素子は、入力印加電圧により角度を変えて、光源からの光を反射膜に反射するように構成されていることを特徴とするフォトカプラー。
変調素子は、偏向ミラー素子であることを特徴とする請求項１記載のフォトカプラー。
偏向ミラー素子は、片持ち式の可動ミラーであることを特徴とする請求項２記載のフォトカプラー。
反射膜の開口部内に、マイクロレンズが形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載のフォトカプラー。
基板と、
基板に設けられた複数の受光素子と、
受光素子に対応して基板の上に設けられた複数の光変調素子と、
基板の上に設けられたスペーサーと、
スペーサーの上に配置された透明基板と、
透明基板の下面（基板に向き合う面）に設けられ、複数の光変調素子からの光を対応した複数の受光素子に反射させる反射膜と、
透明基板の上に設けられた光源とを備え、
スペーサーは受光素子と光変調素子のそれぞれの組を囲んでおり、
反射膜は受光素子と光変調素子の組に対応した複数の開口部を有し、光源とそれぞれの光変調素子とは反射膜のそれぞれの開口部を通して対向しており、
それぞれの光変調素子は、入力印加電圧により角度を変えて、光源からの光を対応するそれぞれの反射膜に反射するように構成されていることを特徴とするフォトカプラーアレイ。
変調素子は、偏向ミラー素子であることを特徴とする請求項５記載のフォトカプラーアレイ。
偏向ミラー素子は、片持ち式の可動ミラーであることを特徴とする請求項６記載のフォトカプラーアレイ。
反射膜の開口部内に、マイクロレンズが形成されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか記載のフォトカプラーアレイ。
集積回路が形成された半導体基板と、
半導体基板に設けられた少なくとも一つの受光素子と、
受光素子に対応して半導体基板の上に設けられた少なくとも一つの光変調素子と、
半導体基板の上に設けられたスペーサーと、
スペーサーの上に配置された透明基板と、
透明基板の下面（半導体基板に向き合う面）に設けられ、光変調素子からの光を受光素子に反射させる反射膜と、
透明基板の上に設けられた光源とを備え、
受光素子と光変調素子のそれぞれの組は互いに空間的に分離されており、
反射膜は受光素子と光変調素子の組に対応した複数の開口部を有し、光源とそれぞれの光変調素子とは反射膜のそれぞれの開口部を通して対向しており、
それぞれの光変調素子は、入力印加電圧により角度を変えて、光源からの光を対応するそれぞれの反射膜に反射するように構成されていることを特徴とするフォトカプラー内蔵型半導体集積回路。
変調素子は、偏向ミラー素子であることを特徴とする請求項９記載のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路。
偏向ミラー素子は、片持ち式の可動ミラーであることを特徴とする請求項１０記載のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路。
反射膜の開口部内に、マイクロレンズが形成されていることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか記載のフォトカプラー内蔵型半導体集積回路。