JP5205240B2 - 分光モジュールの製造方法及び分光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光を分光して検出する分光モジュールの製造方法及び分光モジュールに関する。

従来の分光モジュールとして、例えば特許文献１〜３に記載されたものが知られている。特許文献１には、光を透過させる支持体と、支持体に光を入射させる入射スリット部と、支持体に入射した光を分光して反射する凹面回折格子と、凹面回折格子によって分光されて反射された光を検出するダイオードと、を備える分光モジュールが記載されている。
特開平４−２９４２２３号公報 特開２００４−３５４１７６号公報 特開２００３−２４３４４４号公報

しかしながら、特許文献１記載の分光モジュールにあっては、入射スリット部及びダイオードが支持体に取り付けられるに際し、入射スリット部とダイオードとの相対的な位置関係にずれが生じ、分光モジュールの信頼性が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、信頼性の高い分光モジュールの製造方法及び分光モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る分光モジュールの製造方法は、光を透過させる本体部と、本体部の所定の面側から本体部に入射した光を分光すると共に所定の面側に反射する分光部と、分光部によって分光された光を検出する光検出素子と、を備える分光モジュールの製造方法であって、分光部に進行する光が通過する光通過孔、及び光通過孔を包囲し且つ一部が光検出素子の外縁に至るガイド部を有する光検出素子を、所定の面に形成された配線にフェースダウンボンディングによって電気的に接続する工程と、本体部と光検出素子との間に、ガイド部に沿うように第１の樹脂層を形成する工程と、本体部と光検出素子との間における第１の樹脂層の外側に、光検出素子の光検出部に対向するように第２の樹脂層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。

この分光モジュールの製造方法では、分光部に進行する光が通過する光通過孔を有する光検出素子を用いる。そのため、光通過孔と光検出素子の光検出部との相対的な位置関係にずれが生じるのを防止することができる。更に、本体部の所定の面に形成された配線に光検出素子をフェースダウンボンディングによって電気的に接続し、本体部と光検出素子との間に第２の樹脂層を形成する。そのため、本体部と光検出素子との固定強度を向上させて、フェースダウンボンディングによる電気的な接続が断たれるのを防止することができる。しかも、光検出素子の光検出部に対向するように第２の樹脂層を形成する前に、光検出素子の光通過孔を包囲し且つ一部が光検出素子の外縁に至るガイド部に沿うように第１の樹脂層を形成する。これにより、光通過孔への第２の樹脂層の進入が第１の樹脂層によって防止されるため、光通過孔内における第２の樹脂層の光入射側表面の形状に起因して屈折させられたり拡散させられたりすることなく、本体部に光を入射させることができる。従って、この分光モジュールの製造方法によれば、信頼性を向上させることが可能となる。

本発明に係る分光モジュールの製造方法においては、第２の樹脂層は、第１の樹脂層よりも本体部との屈折率整合性が高い材料からなることが好ましい。この場合、本体部と光検出素子の光検出部との間において光が屈折するのを防止することができる。

本発明に係る分光モジュールの製造方法においては、第１の樹脂層は、第２の樹脂層よりも光吸収性が高い材料からなることが好ましい。この場合、光通過孔から本体部に進行する光の一部が漏れ光となって光検出素子の光検出部に入射するのを防止することができる。

本発明に係る分光モジュールの製造方法においては、ガイド部の一部は、光検出素子において対向する外縁のそれぞれに至っていることが好ましい。この場合、第１の樹脂層を確実且つ容易にガイド部に沿わせることができる。

また、本発明に係る分光モジュールは、上述した分光モジュールの製造方法によって製造されたことを特徴とする。この分光モジュールでは、上述した理由から、信頼性の向上が図られる。

本発明によれば、分光モジュールの信頼性を向上させることが可能となる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係る分光モジュールの一実施形態の平面図であり、図２は、図１のII−II線に沿っての断面図である。図１，２に示されるように、分光モジュール１は、前面（所定の面）２ａ側から入射した光Ｌ１を透過させる基板（本体部）２と、基板２に入射した光Ｌ１を透過させるレンズ部（本体部）３と、レンズ部３に入射した光Ｌ１を分光すると共に前面２ａ側に反射する分光部４と、分光部４によって分光された光Ｌ２を検出する光検出素子５と、を備えている。分光モジュール１は、光Ｌ１を分光部４で複数の波長に対応した光Ｌ２に分光し、その光Ｌ２を光検出素子５で検出することにより、光Ｌ１の波長分布や特定波長成分の強度等を測定するマイクロ分光モジュールである。

基板２は、ＢＫ７、パイレックス（登録商標）、石英等の光透過性ガラス、プラスチック等によって、長方形板状（例えば、全長１５〜２０ｍｍ、全幅１１〜１２ｍｍ、厚さ１〜３ｍｍ）に形成されている。基板２の前面２ａには、ＡｌやＡｕ等の単層膜、或いはＴｉ−Ｐｔ−Ａｕ、Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｕ、Ｃｒ−Ａｕ等の積層膜からなる配線９が形成されている。配線９は、基板２の中央部に配置された複数のパッド部９ａ、基板２の長手方向における両端部に配置された複数のパッド部９ｂ、及び対応するパッド部９ａとパッド部９ｂとを接続する複数の接続部９ｃを有している。なお、配線９は、ＣｒＯ等の単層膜、或いはＣｒ−ＣｒＯ等の積層膜からなる光反射防止層を基板２の前面２ａ側に有している。

また、基板２の前面２ａには、配線９のパッド部９ａ，９ｂを露出させ且つ配線９の接続部９ｃを覆うように絶縁層１１が形成されている。絶縁層１１は、光検出素子５の光通過孔５０（後述）を介して分光部４に進行する光Ｌ１、及び光検出素子５の光検出部５ａ（後述）に進行する光Ｌ２が通過する開口部１１ａを有している。更に、基板２の前面２ａには、配線９のパッド部９ａ，９ｂを露出させ且つ絶縁層１１を覆うように光吸収層６７が形成されている。光吸収層６７は、光検出素子５の光通過孔５０（後述）を介して分光部４に進行する光Ｌ１が通過する光通過孔６７ａ、及び光検出素子５の光検出部５ａ（後述）に進行する光Ｌ２が通過する光通過孔６７ｂを有している。光吸収層６７の材料としては、ブラックレジスト、フィラー（カーボンや酸化物等）が入った有色の樹脂（シリコーン、エポキシ、アクリル、ウレタン、ポリイミド、複合樹脂等）、ＣｒやＣｏ等の金属又は酸化金属、或いはその積層膜、ポーラス状のセラミックや金属又は酸化金属が挙げられる。

図３は、図１の分光モジュールの下面図である。図２，３に示されるように、基板２の後面２ｂには、レンズ部３が嵌め合わされる開口部７５を有するレジスト層７６が形成されている。レンズ部３は、基板２と同一の材料、光透過性樹脂、光透過性の無機・有機ハイブリッド材料、或いはレプリカ成形用の光透過性低融点ガラス、プラスチック等によって、半球状のレンズがその底面３ａと略直交し且つ互いに略平行な２つの平面で切り落とされて側面３ｂが形成された形状（例えば曲率半径６〜１０ｍｍ、底面３ａの全長１２〜１８ｍｍ、底面３ａの全幅（すなわち側面３ｂ間距離）６〜１０ｍｍ、高さ５〜８ｍｍ）に形成されている。レンズ部３は、レジスト層７６の開口部７５に嵌め合わされ、光Ｌ１，Ｌ２を透過させる光学樹脂剤７３によって基板２の後面２ｂに接着されている。なお、レンズ形状は、球面レンズに限らず、非球面レンズであってもよい。

分光部４は、レンズ部３の外側表面に形成された回折層６、回折層６の外側表面に形成された反射層７、並びに回折層６及び反射層７を覆うパッシベーション層５４を有する反射型グレーティングである。回折層６は、基板２の長手方向に沿って複数のグレーティング溝６ａが並設されることによって形成され、グレーティング溝６ａの延在方向は、基板２の長手方向と略直交する方向と略一致する。回折層６は、例えば、鋸歯状断面のブレーズドグレーティング、矩形状断面のバイナリグレーティング、正弦波状断面のホログラフィックグレーティング等が適用され、光硬化性のエポキシ樹脂、アクリル樹脂、又は有機無機ハイブリッド樹脂等のレプリカ用光学樹脂を光硬化させることよって形成される。反射層７は、膜状であって、例えば、回折層６の外側表面にＡｌやＡｕ等を蒸着することで形成される。パッシベーション層５４は、膜状であって、例えば、回折層６及び反射層７の外側表面にＭｇＦ_２やＳｉＯ_２等を蒸着することで形成される。なお、反射層７を形成する面積を調整することで、分光モジュール１の光学ＮＡを調整することができる。

なお、レジスト層７６の開口部７５は、基板２に光検出素子５を位置決めするための基準部となる基板２の外縁部に対して所定の位置関係を有するようにフォトエッチングによって形成されている。このとき、分光部４は、レンズ部３に対して高精度に位置決めされているため、レンズ部３を開口部７５に嵌め合わせるだけで、分光部４が基板２に位置決めされる。その一方で、光検出素子５は、基準部である基板２の外縁部によって基板２に位置決めされる。よって、レンズ部３を開口部７５に嵌め合わせるだけで、分光部４と光検出素子５とのアライメントが実現される。

図１，２に示されるように、光検出素子５は、長方形板状（例えば、全長５〜１０ｍｍ、全幅１．５〜３ｍｍ、厚さ０．１〜０．８ｍｍ）に形成されている。光検出素子５の分光部４側の面には、光検出部５ａが形成されている。光検出部５ａは、ＣＣＤイメージセンサ、ＰＤアレイ、或いはＣＭＯＳイメージセンサ等であり、複数のチャンネルが分光部４のグレーティング溝６ａの延在方向と略直交する方向（すなわちグレーティング溝６ａの並設方向）に配列されてなる。

光検出部５ａがＣＣＤイメージセンサの場合、２次元的に配置されている画素に入射された位置における光の強度情報がラインビニングされることにより、１次元の位置における光の強度情報とされて、その１次元の位置における光の強度情報が時系列的に読み出される。つまり、ラインビニングされる画素のラインが１チャンネルとなる。光検出部５ａがＰＤアレイ又はＣＭＯＳイメージセンサの場合、１次元的に配置されている画素に入射された位置における光の強度情報が時系列的に読み出されるため、１画素が１チャンネルとなる。

なお、光検出部５ａがＰＤアレイ又はＣＭＯＳイメージセンサであって、画素が２次元配列されている場合には、分光部４のグレーティング溝６ａの延在方向と平行な１次元配列方向に並ぶ画素のラインが１チャンネルとなる。また、光検出部５ａがＣＣＤイメージセンサの場合、例えば、配列方向におけるチャンネル同士の間隔が１２．５μｍ、チャンネル全長（ラインビニングされる１次元画素列の長さ）が１ｍｍ、配列されるチャンネルの数が２５６のものが光検出素子５に用いられる。

また、光検出素子５には、チャンネルの配列方向において光検出部５ａと並設され、分光部４に進行する光Ｌ１が通過する光通過孔５０が形成されている。光通過孔５０は、基板２の長手方向と略直交する方向に延在するスリット（例えば、長さ０．５〜１ｍｍ、幅１０〜１００μｍ）であり、光検出部５ａに対して高精度に位置決めされた状態でエッチング等によって形成されている。

図４は、図１の分光モジュールの要部拡大断面図である。図４に示されるように、光通過孔５０は、光Ｌ１が入射する光入射開口５０ａを画定する光入射側部５０_１、及び光Ｌ１が出射する光出射開口５０ｂを画定する光出射側部５０_２を有している。光出射側部５０_２は、基板２の長手方向と略直交する方向に延在する直方体状に形成されており、光入射側部５０_１は、光出射側部５０_２からその反対側に向かって末広がりの四角錘台状に形成されている。光検出素子５の分光部４と反対側の面、及び光通過孔５０の光入射側部５０_１の内面には、遮光膜５７が形成されている。遮光膜５７は、光通過孔５０を介することなく分光部４に進行しようとする光Ｌ１や、光検出部５ａに直接入射しようとする光Ｌ１を遮光する。

光検出素子５の分光部４側の面には、複数の電極５８が設けられている。各電極５８は、光通過孔５０が光吸収層６７の光通過孔６７ａと対向し、且つ光検出部５ａが光吸収層６７の光通過孔６７ｂと対向した状態で、バンプ１５を介したフェースダウンボンディングによって、対応するパッド部９ａと電気的に接続されている。これにより、光検出部５ａで発生した電気信号は、電極５８、パッド部９ａ、接続部９ｃ及びパッド部９ｂを介して外部に取り出される。

図５は、図１の分光モジュールの光検出素子の要部拡大下面図である。図５に示されるように、光検出素子５の基板２側の面には、エッチング等により断面長方形状の溝としてガイド部７７が形成されている。ガイド部７７は、光通過孔５０の光出射開口５０ｂを包囲する長方形環状の包囲部７７ａ、及び光検出素子５の外縁に至る引出部７７ｂを有している。なお、光出射開口５０ｂは矩形形状に限られるものではなく、例えば、円形状や楕円形状であってもよい。

図４に示されるように、基板２と光検出素子５との間には、ガイド部７７に沿うように樹脂層（第１の樹脂層）７８が形成されている。樹脂層７８は、ガイド部７７から光吸収層６７上に至り、光通過孔５０と光通過孔６７ａとを連通する空間を画定している。また、基板２と光検出素子５との間における樹脂層７８の外側には、光透過性の樹脂層（第２の樹脂層）７９が形成されている。樹脂層７９は、光検出素子５の光検出部５ａに対向している。

なお、樹脂層７８は、樹脂層７９よりも基板２との光吸収性が高い材料からなる。樹脂層７８の材料としては、エポキシ、アクリル、シリコーン、ウレタン、ポリイミドや複合樹脂等が挙げられ、それらの樹脂にフィラー（カーボンや酸化物等）が含有されていてもよい。また、樹脂層７９は、樹脂層７８よりも屈折率整合性が高い材料からなる。樹脂層７９の材料としては、エポキシ、アクリル、シリコーン、オイル等が挙げられる。

以上のように構成された分光モジュール１においては、光Ｌ１は、光検出素子５の光通過孔５０及び光吸収層６７の光通過孔６７ａを介して基板２の前面２ａ側から基板２に入射し、基板２、光学樹脂剤７３及びレンズ部３内を進行して分光部４に到達する。分光部４に到達した光Ｌ１は、分光部４によって複数の波長に対応した光Ｌ２に分光される。分光された光Ｌ２は、分光部４によって分光されると共に基板２の前面２ａ側に反射され、レンズ部３、光学樹脂剤７３及び基板２内を進行して、光吸収層６７の光通過孔６７ｂ及び樹脂層７９を介して光検出素子５の光検出部５ａに到達する。光検出部５ａに到達した光Ｌ２は、光検出素子５によって検出される。

上述した分光モジュール１の製造方法について説明する。

まず、基板２の前面２ａに、配線９、絶縁層１１及び光吸収層６７を形成し、基板２の後面２ｂに、開口部７５を有するレジスト層７６を形成する。その後、光通過孔５０及びガイド部７７を有する光検出素子５を準備し、バンプ１５を介したフェースダウンボンディングによって、対応する光検出素子５の電極５８と配線９のパッド部９ａとを電気的に接続する。

続いて、基板２と光検出素子５との間に、ガイド部７７に沿うように樹脂層７８を形成する。具体的には、光検出素子５の外縁に至る引出部７７ｂから樹脂を流し込み、光通過孔５０の光出射開口５０ｂを包囲する包囲部７７ａに沿って樹脂を流し渡す。そして、ＵＶキュアや熱キュアを行うことで樹脂を硬化させて、樹脂層７８を形成する。

続いて、基板２と光検出素子５との間における樹脂層７８の外側に、少なくとも光検出素子５の光検出部５ａに対向するように樹脂層７９を形成する。具体的には、基板２と光検出素子５との間における樹脂層７８の外側の領域に対し、光学樹脂のアンダーフィル充填を行い、樹脂を硬化させて、樹脂層７９を形成する。

その一方で、レンズ部３に分光部４を形成する。具体的には、レンズ部３の頂点付近に滴下したレプリカ用光学樹脂に対し、回折層６に対応するグレーティングが刻まれた光透過性のマスターグレーティングを押し当てる。そして、この状態で光を照射することによりレプリカ用光学樹脂を硬化させ、好ましくは、安定化させるために加熱キュアを行うことで、複数のグレーティング溝６ａを有する回折層６を形成する。その後、マスターグレーティングを離型して、回折層６の外側表面にＡｌやＡｕ等をマスク蒸着或いは全面蒸着することで反射層７を形成し、更に、回折層６及び反射層７の外側表面にＭｇＦ_２やＳｉＯ_２等をマスク蒸着や全面蒸着することでパッシベーション層５４を形成する。

続いて、レジスト層７６の開口部７５内に露出する基板２の後面２ｂに光学樹脂剤７３を塗布し、分光部４が形成されたレンズ部３を開口部７５に嵌め合わせて基板２の後面２ｂに押し付ける。そして、光を照射することにより光学樹脂剤７３を硬化させて、分光モジュール１を得る。

以上説明したように、分光モジュール１及びその製造方法においては、分光部４に進行する光が通過する光通過孔５０を有する光検出素子５を用いる。そのため、光通過孔５０と光検出素子５の光検出部５ａとの相対的な位置関係にずれが生じるのを防止することができる。更に、基板２の前面２ａに形成された配線９に光検出素子５をフェースダウンボンディングによって電気的に接続し、基板２と光検出素子５との間にアンダーフィル樹脂として樹脂層７９を形成する。そのため、基板２と光検出素子５との固定強度を向上させて、フェースダウンボンディングによる電気的な接続が断たれるのを防止することができる。しかも、光検出素子５の光検出部５ａに対向するように樹脂層７９を形成する前に、光検出素子５の光通過孔５０を包囲し且つ一部が光検出素子５の外縁に至るガイド部７７に沿うように樹脂層７８を形成する。これにより、光通過孔５０への樹脂層７９の進入が樹脂層７８によって防止されるため、光通過孔５０内における樹脂層７９の光入射側表面の形状に起因して屈折させられたり拡散させられたりすることなく、基板２に光を入射させることができる。従って、分光モジュール１及びその製造方法によれば、信頼性を向上させることが可能となる。

また、樹脂層７９は、樹脂層７８よりも基板２との屈折率整合性が高い材料からなるので、その材料として、光検出素子５の基板２側のパッシベーション膜の材料（例えば、ＳｉＯ_２膜）や基板２の材料（例えば、ＢＫ７）等の屈折率に近いものを用いることで、基板２と光検出素子５の光検出部５ａとの間において光が屈折したり反射したりするのを防止することができる。

また、樹脂層７８は、樹脂層７９よりも光吸収性が高い材料からなるので、光通過孔５０から基板２に進行する光の一部が漏れ光となって光検出素子５の光検出部５ａに入射するのを防止することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、ガイド部７７は、種々の形状を採ることが可能である。図６（ａ）に示されるように、包囲部７７ａから引出部７７ｂの反対側に延在する延在部７７ｃを形成してもよい。また、図６（ｂ）に示されるように、光検出素子５において対向する外縁のそれぞれに各引出部７７ｂを至らせてもよい。この場合、樹脂層７８を確実且つ容易にガイド部７７に沿わせることができる。

また、図７（ａ）〜（ｃ）に示されるように、包囲部７７ａを楕円環状に形成してもよい。この場合、樹脂層７８となる樹脂を包囲部７７ａに沿ってより円滑に流すことができる。また、図７（ｂ），（ｃ）に示されるように、包囲部７７ａを２重以上形成してもよい。また、図７（ｃ）に示されるように、光検出素子５の所定の外縁に至るように引出部７７ｂを複数形成してもよい。

また、図８（ａ）に示されるように、ガイド部７７を断続的に形成したり、図８（ｂ）に示されるように、光検出素子５の基板２側の面方向においてガイド部７７を凹凸状に形成したりしてもよい。これらの場合、ガイド部７７に対して樹脂層７８を馴染み易くすることができる。

また、永久レジスト等によってガイド部７７を凸状に形成してもよい。この場合、樹脂層７８と同一の材料を用いれば、ガイド部７７と樹脂層７８との濡れ性を向上させることができる。なお、ガイド部７７及び樹脂層７８の少なくとも一方にフィラー（カーボンや酸化物等）を含有させても、ガイド部７７と樹脂層７８との濡れ性を向上させることができる。更に、ガイド部７７の断面形状（溝の場合、凸状の場合の双方）は、断面長方形状に限定されず、断面Ｕ字状等、種々の形状を採ることができる。

また、基板２とレンズ部３とをモールドで一体成形してもよいし、レンズ部３と回折層６とをレプリカ成型用の光透過性低融点ガラス等によって一体的に形成してもよい。

本発明に係る分光モジュールの一実施形態の平面図である。 図１のII−II線に沿っての断面図である。 図１の分光モジュールの下面図である。 図１の分光モジュールの要部拡大断面図である。 図１の分光モジュールの光検出素子の要部拡大下面図である。 本発明に係る分光モジュールの他の実施形態の光検出素子の要部拡大下面図である。 本発明に係る分光モジュールの他の実施形態の光検出素子の要部拡大下面図である。 本発明に係る分光モジュールの他の実施形態の光検出素子の要部拡大下面図である。

符号の説明

１…分光モジュール、２…基板（本体部）、２ａ…前面（所定の面）、３…レンズ部（本体部）、４…分光部、５…光検出素子、５ａ…光検出部、９…配線、５０…光通過孔、７７…ガイド部、７７ａ…包囲部、７７ｂ…引出部、７８…樹脂層（第１の樹脂層）、７９…樹脂層（第２の樹脂層）。

Claims (5)

1. 光を透過させる本体部と、前記本体部の所定の面側から前記本体部に入射した光を分光すると共に前記所定の面側に反射する分光部と、前記分光部によって分光された光を検出する光検出素子と、を備える分光モジュールの製造方法であって、
   前記分光部に進行する光が通過する光通過孔、及び前記光通過孔を包囲し且つ一部が前記光検出素子の外縁に至るガイド部を有する前記光検出素子を、前記所定の面に形成された配線にフェースダウンボンディングによって電気的に接続する工程と、
   前記本体部と前記光検出素子との間に、前記ガイド部に沿うように第１の樹脂層を形成する工程と、
   前記本体部と前記光検出素子との間における前記第１の樹脂層の外側に、前記光検出素子の光検出部に対向するように第２の樹脂層を形成する工程と、を含むことを特徴とする分光モジュールの製造方法。
2. 前記第２の樹脂層は、前記第１の樹脂層よりも前記本体部との屈折率整合性が高い材料からなることを特徴とする請求項１記載の分光モジュールの製造方法。
3. 前記第１の樹脂層は、前記第２の樹脂層よりも光吸収性が高い材料からなることを特徴とする請求項１又は２記載の分光モジュールの製造方法。
4. 前記ガイド部の一部は、前記光検出素子において対向する外縁のそれぞれに至っていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の分光モジュールの製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一項記載の分光モジュールの製造方法によって製造されたことを特徴とする分光モジュール。

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