JP5205242B2 - 分光器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光を分光して検出する分光器の製造方法に関する。

従来の分光器として、例えば特許文献１〜４に記載されたものが知られている。特許文献１には、パッケージ内に入射した光を分光部で分光して光検出素子により検出する分光器であって、円筒形のパッケージの内壁面に、グレーティング溝が形成された部材を分光部として固定した分光器が記載されている。
米国特許第４６４４６３２号明細書 特開２０００−２９８０６６号公報 特開平８−１４５７９４号公報 特開２００４−３５４１７６号公報

しかしながら、上記のような分光器を製造するに際しては、所定の部材にグレーティング溝を形成した後、その部材をパッケージの内壁面に固定するため、分光器の製造工程が煩雑となるおそれがある。

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、信頼度の高い分光器を容易に製造することができる分光器の製造方法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、本発明に係る分光器の製造方法は、光を分光部により分光して光検出素子によって検出する分光器の製造方法であって、外形が直方体状であると共に、第１の領域と該第１の領域を包囲する第２の領域とが同一の曲面上において連続して設けられた内壁面を有する凹部が形成されたパッケージを用意する工程と、パッケージを用意した後、第１の領域に樹脂層を形成する工程と、樹脂層を形成した後、該樹脂層に型を押し当てることにより所定の方向に沿って配列された複数のグレーティング溝を形成する工程と、グレーティング溝を形成した後、樹脂層に反射膜を形成することによりパッケージに前記分光部を設ける工程と、分光部を設けた後、パッケージに前記光検出素子を収容する工程と、を含む、ことを特徴とする。

この分光器の製造方法においては、パッケージの第１の領域及び第２の領域の周囲部分が比較的肉厚となっており、また、第１の領域と第２の領域とが同一の曲面上において連続している。このため、第１の領域に形成された樹脂層にグレーティング溝を形成するための型を押し当てる際に、パッケージに歪みが生じ難く、また、パッケージに歪みが生じた場合であっても、曲面の領域において分散されるので、グレーティング溝の位置ズレが抑制される。したがって、パッケージに形成された樹脂層に直接型を押し当ててグレーティング溝を形成し、パッケージに分光部を設けることができる。よって、信頼度の高い分光器を容易に製造することができる。

本発明に係る分光器の製造方法においては、樹脂層を形成する工程では、第１の領域に樹脂層として光硬化性の樹脂剤を配置し、グレーティング溝を形成する工程では、樹脂剤に光透過性の型を押し当てると共に、光を照射して樹脂剤を硬化させることによりグレーティング溝を形成する、ことが好ましい。この場合、パッケージにグレーティングを設ける際に、樹脂剤に熱を加える必要がない。したがって、パッケージが樹脂剤により構成されている場合であっても、好適にパッケージにグレーティング溝を設けることができる。

本発明に係る分光器の製造方法においては、パッケージを用意する工程では、所定の方向において分光部の両側に位置し、且つ、所定の方向と直交する方向に沿って延在する一対の溝が形成されるように、樹脂によりパッケージを一体成型する、ことが好ましい。この場合、樹脂成型されたパッケージを用意する際に、このパッケージにひけが生じても、一対の溝により所定の方向におけるひけが緩和される。したがって、パッケージにひけが生じた場合であっても、所定の方向におけるグレーティング溝の位置ズレが抑制されるので、一層信頼度の高い分光器を製造することができる。

本発明によれば、信頼度の高い分光器を容易に製造することができる分光器の製造方法を提供することができる。

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、本発明に係る分光器の製造方法により製造された分光器の一実施形態の断面図である。図１に示されるように、分光器１は、パッケージ２内に入射した光Ｌ１を分光部３により反射されるとともに分光された光Ｌ２を光検出素子４により検出するものである。

パッケージ２は、直方体状の箱体５及び長方形板状の蓋体６を有している。箱体５及び蓋体６は、遮光性又は吸光性を有する樹脂、例えば、液晶性全芳香性ポリエステル樹脂、ポリカーボネート、又は黒エポキシ等からなる。

箱体５には、底面が平面である断面長方形状の凹部７が設けられており、この凹部７の底面には、底面が平面である断面長方形状の凹部８が設けられている。さらに、凹部８の底面には、底面が平面である断面長方形状の凹部９が設けられており、この凹部９の底面には、半球状の凹部１０が設けられている。また、箱体５の底面には一対の溝１１が設けられている。なお、半球状の凹部１０は、球面であっても非球面であってもよい。

凹部１０の内壁面は、底部の領域（第１の領域）１２と、領域１２を包囲する領域（第２の領域）１３とを含んでいる。領域１２と領域１３とは、連続した領域であり、同一の曲面上に存在している。領域１２には、所定の方向に配列された複数のグレーティング溝１４が形成されたグレーティング２９が形成されており、凹部１０の底部には、このグレーティング２９を含む分光部３が設けられている。グレーティングのタイプは、鋸歯型のブレーズドグレーティング、矩形のバイナリーグレーティング、正弦波形状のホログラフィックタイプグレーティングなどであってよい。反射膜１５の大きさを調整することで光学ＮＡを調整することも可能である。反射膜１５は、分光されずに反射のみされる光が生じないようにグレーティング溝１４が形成された領域１２よりも小さい領域に設けられる。図示しないが、この反射型グレーティングの反射膜１５を覆うようにＳｉＯ_２やＭｇＦ_２などのパッシベーション膜を蒸着などにより形成しても良い。この際、パッシベーション膜は反射膜１５を覆ってさえいればよく、グレーティング溝１４の形成された領域１２と比べて大きくても小さくてもよい。

図２は、分光部３の拡大断面図であり、図３は、分光器１の下面図である。図２，３に示されるように、分光部３は、複数のグレーティング溝１４が形成されたグレーティング２９と、このグレーティング２９を覆うようにして設けられた反射膜１５と、によって構成されている。この反射膜１５は、例えば、ＡｌやＡｕ等をグレーティング２９が形成された領域１２を覆うように蒸着することで設けられる。このように、分光部３は、複数のグレーティング溝１４を有するグレーティング２９に反射膜１５を蒸着して構成される反射型グレーティングである。

図１に示されるように、凹部９には、分光部３と対向するように光透過基板１６が嵌め合わされている。光透過基板１６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、長方形板状に形成されており、光Ｌ１，Ｌ２を透過させる。光透過基板１６の上面には、光Ｌ１，Ｌ２が通過する光通過開口１６ｃを有する光吸収層１６ａが形成されている。光吸収層１６ａ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。光吸収層１６ａの上面側、若しくは下面側には、配線（不図示）が設けられている。

図４は、箱体５の平面図である。図４に示されるように、光透過基板１６及び箱体５は、グレーティング溝１４の配列方向における凹部９の側面と光透過基板１６の側面との間の隙間ｂが、グレーティング溝１４の配列方向と直交する方向における凹部９の側面と光透過基板１６の側面との間の隙間ａに比べて狭くなるように構成されている。

図１に示されるように、光透過基板１６上には、光検出素子４が取り付けられている。この光検出素子４は、長方形板状に形成されており、分光部３側の面には、光検出部２１が形成されている。光検出素子４は、バンプ１８によりフェースダウンボンディングされて光透過基板１６に取り付けられている。また、光検出素子４は、バンプ１８を介して、光透過基板１６上に設けられた配線と電気的に接続されている。なお、光透過基板１６と光検出素子４との間において光Ｌ１，Ｌ２の光路を除く領域には、光透過基板１６と光検出素子４との接続強度を向上させるべく、バンプ１８を覆うように樹脂剤２０が塗布されている。

光検出部２１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グレーティング溝１４の配列方向に沿って配列されてなる。光検出部２１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２１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２１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、グレーティング溝１４の配列方向と平行な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２１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４に用いられる。

また、光検出素子４には、チャンネルの配列方向において光検出部２１と並設され、分光部３に進行する光Ｌ１が通過する光通過孔２２が形成されている。光通過孔２２は、チャンネルの配列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２１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。

凹部８には、箱体５に埋設された複数のリード１７の基端部が露出している。このリード１７の先端部は、箱体５の外部に延在している。リード１７の基端部は、ワイヤ１６ｂにより光透過基板１６の配線とワイヤボンディングされ、電気的に接続されている。光検出素子４の光検出部２１が光Ｌ２を受光することにより発生する電気信号は、光検出素子４のバンプ１８、光透過基板１６の配線、ワイヤ１６ｂ及びリード１７を介して分光器１の外部に取り出される。

凹部７には、蓋体６が嵌め合わされている。蓋体６は、光Ｌ１をパッケージ２の内部に入射させるための光入射孔２３を有する。光入射孔２３には、光透過性の窓部材２４が取り付けられている。窓部材２４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形成されている。

図３に示されるように、溝１１は、グレーティング溝１４が配列される方向において分光部３の両側に位置し、且つ、グレーティング溝１４が配列される方向と直交する方向に沿って延在している。この溝１１は、箱体５を形成する際に一体的に形成される。

以上のように構成される分光器１においては、光Ｌ１は、蓋体６の光入射孔２３を通過し窓部材２４を透過してパッケージ１内に入射し、光検出素子４の光通過孔２２を通過して、光透過基板１６を透過し分光部３に到達する。分光部３に到達した光Ｌ１は、分光部３によって分光されると共に、光検出素子４の光検出部２１方向に反射される。分光部３によって分光されると共に反射された光Ｌ２は、光透過基板１６を透過して、光検出素子４の光検出部２１によって検出される。

上述した分光器１の製造方法について説明する。

まず、図５（ａ）に示されるように、外形が直方体状であり、一対の溝１１及び半球状の凹部１０を有するように箱体５を樹脂成型する。ここで、凹部１０の内壁面には、底部の領域１２とこの領域１２を包囲する領域１３とが同一の曲面上において連続して存在する。また、箱体５は、リード１７が埋設されて成型されている。

続いて、図５（ｂ）に示されるように、用意した箱体５の凹部１０の底部の領域１２に、光硬化性の樹脂剤２７を塗布する。

続いて、図６（ａ）に示されるように、塗布された樹脂剤２７に、グレーティング溝１４を形成するための型２８を押し当てると共に、光を照射して樹脂剤２７を硬化させ、複数のグレーティング溝が形成されたグレーティング２９を設ける。このとき、必要に応じて、グレーティング２９に熱処理を加えてこれを強化してもよい。

続いて、図６（ｂ）に示されるように、グレーティング２９を覆うように、ＡｌやＡｕ等を蒸着することにより反射膜１５を設ける。これにより、複数のグレーティング溝１４が形成されたグレーティング２９と、グレーティング２９上に設けられた反射膜１５と、からなる分光部３が形成される。

一方で、上面に配線が設けられた光透過基板１６、及び光通過孔２２が形成された光検出素子４を準備し、光透過基板１６の配線と光検出素子４のバンプ１８とによって、光検出素子４と光透過基板１６とを電気的に接続する。この後、バンプ１８を覆うように樹脂剤２０を側方から塗布して、光透過基板１６と光検出素子４とを接着する。

続いて、上記のように分光部３が形成された箱体５に、光検出素子４が取り付けられた光透過基板１６を収容する。具体的には、図１に示されるように、上面に光検出素子４が取り付けられた光透過基板１６を、箱体５の凹部９に嵌め合わせる。このとき、光透過基板１６と箱体５との間に樹脂剤（不図示）を塗布して、光透過基板１６を箱体５に接着する。

続いて、光透過基板１６の配線とリード１７の基端部とをワイヤ１６ｂによって電気的に接続する。最後に、蓋体６を箱体５の凹部７に嵌め合わせて気密に接合し、光検出素子４がパッケージ２内に収容された分光器１を得る。

以上説明したように、パッケージ２の箱体５は、外形が直方体状であると共に、底面が半球状の曲面である凹部１０を有し、領域１２及びこの領域１２の周囲の領域１３は、凹部の底面に形成されている。このため、パッケージ２の箱体５においては、グレーティング溝１４を形成するための型が押し当てられる領域１２及び領域１３の周囲部分は、比較的肉厚となっており、また、領域１２と領域１３とが同一の曲面上において連続している。これにより、グレーティング溝１４を形成するための型２８を箱体５に押し当てる際に、箱体５に歪みが生じ難い。また、箱体５に歪みが生じた場合であっても、曲面の領域において分散されるので、グレーティング溝の位置ズレが抑制される。したがって、箱体５の凹部１０の領域１２に塗布された樹脂剤２７に直接型２８を押し当ててグレーティング溝１４を形成し、分光部３を設けることができる。よって、容易に信頼度の高い分光器１を製造することができる。

また、分光器１においては、箱体５の底面には、グレーティング溝１４の配列方向において分光部３の両側に位置し、且つ、グレーティング溝１４の配列方向と直交する方向に沿って延在する一対の溝１１が設けられている。このため、例えば、樹脂成型された箱体５を用意する際に、この箱体５にひけが生じる場合があるが、一対の溝１１によりグレーティングの配列方向におけるひけが緩和される。一対の溝１１を形成しない場合には、グレーティング溝１４の配列方向に厚肉部が存在することとなるため、凹部１０の表面におけるひけ（表面の変形）の影響がグレーティング溝１４の配列方向におよぶ可能性が高まる。領域１２がグレーティング溝１４の配列方向に変形すると、光硬化性の樹脂剤２７の最適な滴下量が変化し、グレーティング溝１４を形成する際の安定性が低下し、場合によってはグレーティング溝１４の位置ズレが生じることとなる。一対の溝１１を形成し、厚肉部の厚さを適宜に減らすことで、グレーティング溝１４の配列方向におけるひけの影響が緩和されて、領域１２の変形が低減されるこことなる。したがって、箱体５にひけが生じた場合であっても、グレーティング溝１４の配列方向におけるグレーティング溝１４の位置ズレが抑制されるので、一層信頼度の高い分光器を製造することができる。また、溝１１を形成することで、熱による膨張収縮を最小限に抑えることができるために、グレーティング溝１４の位置ズレが抑制される。グレーティング溝１４に、グレーティング溝１４の配列方向に関する位置ズレが生じた場合、分光する光の波長がシフトしてしまうおそれがある。分光器１においては、上述の理由から、グレーティング溝１４の配列方向、即ち、光の分光方向に関するグレーティング溝１４の位置ズレが抑制されるため、分光特性の低下を抑制することができる。したがって、一層信頼度の高い分光器を製造することができる。

また、分光器１は、分光部３と対向するように、箱体５の凹部９に嵌め合わされる光透過基板１６を有し、光検出素子４は、光透過基板１６上に取り付けられている。このため、分光器１においては、分光部３に対する光検出素子４の位置決めを容易に精度良く行うことができる。

また、分光器１においては、グレーティング溝１４の配列方向における凹部９の側面と光透過基板１６の側面との間の隙間ｂは、グレーティング溝１４の配列方向と直交する方向における凹部９の側面と光透過基板１６の側面との間の隙間ａに比べて狭い。このため、箱体５に光透過基板１６を取り付ける際に、グレーティング溝１４の配列方向において光透過基板１６が精度良く位置決めされ、延いては、この光透過基板１６上に取り付けられる光検出素子４についても、グレーティング溝１４の配列方向において精度良く位置決めされる。光検出素子４に、グレーティング溝１４の配列方向に関する位置ズレが生じると、検出される光の波長がシフトしてしまうおそれがある。分光器１においては、光検出素子４のグレーティング溝１４の配列方向に関しての位置決めを精度良く行うことが可能であるので、光検出特性の低下を抑制することができる。また、分光器１においては、グレーティング溝１４の配列方向と直交する方向における凹部９の側面と光透過基板１６の側面との隙間が比較的広く構成されているので、箱体５の凹部９に光透過基板１６を実装する際に、接着剤としての樹脂剤が容易に押し出される。また、グレーティング溝１４の配列方向と直交する方向における凹部９の側面と光透過基板１６の側面との隙間が比較的ひろく構成されているので、取り扱いが容易である。したがって、分光器１においては、光透過基板１６を箱体５の凹部９に容易に精度よく実装することが可能である。

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、上記実施形態においては、光硬化性の樹脂剤２７を使用し、光を照射してグレーティング２９を形成したが、熱によりグレーティング２９を形成してもよい。この場合、先ず、凹部９の底部の領域１２に、エポキシ樹脂やアクリル樹脂等の有機素材、ガラス等の無機素材、又は有機・無機ハイブリッド素材等の固体又はゲル状の材料を配置する。これら各材料の配置は、蒸着により上記の各材料の層を設けることで行うことも可能であるし、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により上記の各材料の層を設けることで行ってもよい。続いて、あらかじめ加熱した型２８を凹部９の底部の領域１２に配置された上記の各材料に押し当ててグレーティング２９を作成する。ここで、型２８は、ニッケル、シリコン、各種合金、カーボン又は石英等で形成することができる。なお、加熱される型の温度は、箱体５を構成する材料のガラス転移温度以下であることが好ましい。

本発明に係る分光器の製造方法によって製造された分光器の一実施形態の断面図である。 図１の分光器の要部拡大断面図である。 図１の分光器の下面図である。 図１の分光器のパッケージの平面図である。 図１の分光器の製造工程を示す断面図である。 図１の分光器の製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１…分光器、２…パッケージ、３…分光部、４…光検出素子、１０…凹部、１１…溝、１２…領域（第１の領域）、１３…領域（第２の領域）、１４…グレーティング溝、２７…樹脂剤、２８…型、２９…グレーティング。

Claims (3)

1. 光を分光部により分光して光検出素子によって検出する分光器の製造方法であって、
   外形が直方体状であると共に、第１の領域と該第１の領域を包囲する第２の領域とが同一の曲面上において連続して設けられた内壁面を有する凹部が形成されたパッケージを用意する工程と、
   前記パッケージを用意した後、前記第１の領域に樹脂層を形成する工程と、
   前記樹脂層を形成した後、該樹脂層に型を押し当てることにより所定の方向に沿って配列された複数のグレーティング溝を形成する工程と、
   前記グレーティング溝を形成した後、前記樹脂層に反射膜を形成することにより前記パッケージに前記分光部を設ける工程と、
   前記分光部を設けた後、前記パッケージに前記光検出素子を収容する工程と、
   を含む、
   ことを特徴とする分光器の製造方法。
2. 前記樹脂層を形成する工程では、前記第１の領域に前記樹脂層として光硬化性の樹脂剤を配置し、
   前記グレーティング溝を形成する工程では、前記樹脂剤に光透過性の前記型を押し当てると共に、光を照射して前記樹脂剤を硬化させることにより、前記グレーティング溝を形成する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の分光器の製造方法。
3. 前記パッケージを用意する工程では、前記所定の方向において前記分光部の両側に位置し、且つ、前記所定の方向と直交する方向に沿って延在する一対の溝が形成されるように、樹脂により前記パッケージを一体成型する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の分光器の製造方法。

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