JP2011512641A - 光モジュールとこれを利用した光センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、光モジュールとこれを利用した光センサ及びその製造方法に関し、複数の光学経路を備える半導体基板と、半導体基板の上部に形成された光学ガラス基板と、光学ガラス基板の上部に形成された試料台と、試料台の上部に形成され、表面プラズモン共鳴で光を感知し、一定角度で反射させるための少なくとも１つのセンサ金属膜と、半導体基板の下面に配置され、複数の光学経路のうちいずれか１つの光学経路に向かって特定波長の光を放出するための光源部と、半導体基板と光源部との間に配置され、光源部から放出された光をＴＭ光に偏光するための偏光板と、半導体基板と光学ガラス基板の間に配置され、偏光された光を特定角度に回折し、センサ金属膜に入射させるための回折格子板と、半導体基板の下面に配置され、複数の光学経路のうち少なくとも１つの光学経路を経てセンサ金属膜から反射した光を検出するための少なくとも１つの受光部とを備えることによって、多様な機能の光素子を製作することができる効果を有する。

Description

本発明は、光モジュールとこれを利用した光センサ及びその製造方法に関し、より詳細には、平板印刷工程を使用するマイクロ光学技術を適用した基板型光モジュールとこれを利用した光センサ及びその製造方法に関する。

一般的に、マイクロ光学技術は、ディスプレイ、光通信素子などの様々な分野において使用されている。

特に、電子素子の製作に使用されてきたマイクロ光学技術がマイクロ光部品の製造に適用される。例えばマイクロ光学技術は、電荷結合素子（ＣＣＤ；Charge-Coupled Device）、投射型ディスプレイやＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ；CMOS Image Sensor）などのマイクロレンズアレイとカラーフィルタの製造に活用される。また、マイクロ光学技術は、多様な技術分野において、光モジュールをさらに小型化し、安価で、且つ改良された性能を有するように製造するために活用されている。この技術分野とは例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ；Liquid Crystal Display）の照明板（ＢＬＵ；Back Light Unit）などのディスプレイ関連光部品と、通信用光送受信モジュール及び平板光回路、また白色又は三色（ＲＧＢ；Red，Green and Blue）発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）光モジュール、光センサ、光信号処理機器、光ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System）などである。

まず、本発明の態様である基板型光モジュールの従来技術について説明する。
今までマイクロ光学素子の基板として、光学ガラス板、光学樹脂板、シリコンなどの多様な材料が使用されており、その基板面は、平板印刷工程、エッチング、モールディングなどの方法で表面を加工して製作される。表面加工による透明基板光モジュールの一例として、ＣＭＯＳイメージセンサや投射型液晶ディスプレイなどに使用されるマイクロレンズアレイと、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に使用される照明板が挙げられる。

イメージセンサ及び投射型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は、画素のセル単位でマイクロレンズアレイを使用して光を集束する。これは、格子状で配置されたトランジスタと電気配線が基板の相当部分を占めるので、光が感応する各画素の一部に光度を増加させるためである。

マイクロレンズ基板に対し垂直な方向に入射する光は、レンズを通過すると共にそれぞれのレンズ焦点に光を集める。ＣＭＯＳイメージセンサの場合は、ゲートに光を集めて、画素の光感度を高め、投射型ディスプレイの場合、液晶セルに入る投光量を増加させて輝度を増加させる。

従来の投射型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の場合、マイクロレンズアレイは以下の工程で製作される。まず、平板印刷工程で数十ミクロン間隔の２次元配列されたフォトレジストセルパターンを作った後、これを加熱することによって、フォトレジストを溶かす。そして、その表面張力で球面状のフォトレジストレンズアレイを作る。最後に、球面状のフォトレジストレンズアレイを光学薄膜又は光学基板にドライエッチングで転写する。

他の方法としては、数百℃程度の低温でも溶解され得るホウリン酸ケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ；Boro-Phospho-Silicate Glass）膜を基板の上に形成した後、前記フォトレジストセルパターンをエッチングマスクにしてホウリン酸ケイ酸ガラスをドライエッチングする。フォトレジストパターンが除去された後に、これを加熱することによって、ホウリン酸ケイ酸ガラスのセルを溶かし、その表面張力で球面状のレンズアレイを製作する（特許文献１，２及び３参照）。

マイクロレンズが形成された基板は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ；Thin Film Transistor）が集積された液晶セル基板と光学経路が互いに整列するように光学樹脂で接合して製造される。投射型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のマイクロレンズ技術に従い、このように２枚の基板は互いに付着して使用される。これは、本発明の趣旨である積層基板型光モジュールの形態であってよい。

また、液晶ディスプレイの照明装置（ＬＣＤ ＢＬＵ）は、透明樹脂からなる導光板にプリズム、拡散板、偏光板などのシートフィルムが付着した構造を利用する。この構造では、導光板の端部に、細い冷陰極蛍光灯（ＣＣＦＬ；Cold Cathode Fluorescent Lamps）を角部と平行に整列し、導光板の内部に光が全反射して進行するように光を入射させ、基板に付着したプリズムシートによって全反射されながら進行する光を、基板の前面で基板に垂直な方向に屈折させて、これをさらに拡散板に分散させることによって、基板に垂直な方向に液晶セルを照射する。

この方法は、本発明の趣旨に従い基板の積層の代わりに各種シートを導光板に付けて使用するが、本発明の別の趣旨に従い光学経路を使用する場合は、光学経路を基板に垂直及び水平方向へ変換する。しかし、これは、ただ光を基板に垂直な方向に均一に分散させる比較的単純な機能であると言える。

基板型光モジュールの例として、上記のような透明基板を使用する方法以外にも、シリコンを基板として使用する場合もある。この場合は、異方性エッチング法（シリコン結晶面のエッチング特性差異を利用したウェットエッチング法）を使用して、基板面に印刷したパターンを利用して数ミクロン乃至数百ミクロンサイズの微細構造物が加工される。このように基板に加工された構造物を利用すれば、発光源や光検出器などの光電子素子又は光ファイバやレンズなどの個別光学素子は、フリップチップボンディングのような個別素子接合法を使用して簡単に整列及び固定され、そして光学的組立が終了する。

この技術は、シリコンオプティカルベンチ（ＳｉＯＢ；Silicon Optical Bench）と呼ばれ、通信用光素子のパッケージングなどに活用されている。この技術によると、発光源、光検出器、光ファイバ、マイクロレンズなどの様々な光学要素が、基板の一面のみに形成され、また基板面を貫通することなく基板面の方向に光学経路が形成される。（非特許文献１参照）。

前述したような基板型マイクロ光モジュールの例示は、透明な光学基板の表面にレンズなどの光学要素を製作することによって、基板に垂直となるように光を通過させながらレンズアレイの機能を得るものであるか、透明な基板に沿って光が進行するようにしながら、基板の表面に加工又は付着させた光学要素によって、基板に垂直な方向に光を分散及び照射する機能を得る方式であるか、又は、シリコン基板を使用してその表面に微細構造物を作って、これを利用して微細な光電子素子を光学的に整列させるために使用される。

次に、本発明の他の態様である基板型光モジュールを利用した光センサ、特に表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ；Surface Plasmon Resonance）光センサについて説明する。今までの基板型光モジュールは、主として前述したようなディスプレイあるいは光通信と関連して応用されて来た。

しかしながら、本発明は、前述した態様の基板型光モジュールをバイオ光センサに適用するものである。もちろん本発明の趣旨は、ディスプレイや光通信素子又はＭＥＭＳなどの様々な分野にも適用されることができる。

このような表面プラズモン共鳴光センサは、有機物質を分子レベルで操作し、蛍光ラベルを付着する必要がないだけでなく、センサ表面で生じる極めて少ない量の反応を分子レベルで検出することができるので、多くの関心を集めている。
表面プラズモン共鳴光センサは、既にプリズムを使用する方法（Biacore社）、回折格子を使用する方法（HTS biosystems）、光ファイバや導波路を使用する方法などの多様な方法が開発されている（非特許文献２参照）。

プリズムや回折格子型表面プラズモン共鳴光センサでは、センサ面に入射される入射光の入射角は、表面プラズモンの共鳴角の近くで反射光の強度変化が最も大きい角度に固定され、表面での分子結合によって誘起される反射光の強さ変化としてセンサの感知信号を測定する（特許文献４参照）。このような方法は、センサの感度が高いため、多く使用される。しかし、光の入射角の調節に回転装置を使用するので、センサが大きくなり、携帯用又はマイクロチップの形状としてセンサを製作しにくいという短所がある。

入射光の回転装置をなくし、センサを小型化した方式がテキサスインストルメント（ＴＩ；Texas Instruments）社によって開発された（特許文献５参照）。この方法は、多角形プリズムの一面であるセンサ表面に入射する光を平行光の代わりに発散光として利用し、センサ表面で発散しながら出る光を検出器アレイに使用することによって、回転装置なしに角度変化による光の強度変化を検出する。しかし、検出器アレイを用いる前記ＴＩ社の方法は、精密度が低いという短所を有し、マイクロ素子形状で製作することは相変らず困難である。

上記方法以外にも、回折格子とマイクロオプティカルベンチを使用する方法がある。この方法によると、センサ体積が大きいため、小型化された基板型光センサモジュールと言い難い。さらに、この方法は固定式回折格子を使用するので、表面プラズモン共鳴角の調節も可能でないという短所がある（特許文献６参照）。

上述の従来技術における、基板型光モジュール技術の３つの例示を説明する。第一に、基板型マイクロレンズアレイ技術は、従来の半導体薄膜技術や平板印刷工程を用いて精巧にレンズセルを製作するだけのものであり、その光学的機能も非常に単純である。

第二に、ＬＣＤのＢＬＵは、導光、反射屈折、拡散、偏光などのより多くの機能を有する。しかし、特定位置間の光学的連結であるというよりは、線発光を面発光に変える光の分配又は拡散過程であり、本当の意味での精密マイクロ光学技術には未だ及んでいない。

第三に、シリコンオプティカルベンチ（ＳｉＯＢ）技術は、特定位置又は素子間の光学的機能を連結するもので、本当の意味でマイクロ光学技術に対応するものである。しかし、シリコンオプティカルベンチ（ＳｉＯＢ）技術は、単一基板での単一面のみを使用するため、その機能や集積度において制限がある。

日本国特開平０６−３２６２８５号 大韓民国特許公開第２００５−００２５２３０号 大韓民国特許公開第２００３−０００４０４５号 米国特許第５，９６５，４５６号 ＥＰ第０７９７０９１号 大韓民国特許公開第２００１−０１１０４２８号 Silica-based optical integrated circuits IEE Proc. Optoelectronics, vol 143, 263-280(1996) Surface plasmon sensors review, Sensors and Actuators B54, 3-15(1999)

本発明は、前述したような問題点を解決するためになされたもので、本発明の目的は、さらに精巧な光学的整列が要求される多数のレーザダイオード、フォトダイオード、レンズ、回折格子、偏光板などの光学要素を連結し、光学的機能をさらに集積する形態で作るように基板型光モジュールの構造を改善することによって、従来の単一基板型光モジュールでは得られない多様な機能性を有すると共に、光センサ、光通信素子、ディスプレイなどの様々な光モジュールの製作にも活用されることができる基板型光モジュールを提供することにある。

本発明の他の目的は、前述した基板型光モジュールでの技術的課題を解決し、これを利用した光センサ、例えば、表面プラズモン共鳴光センサを提供することにある。特に、本発明の表面プラズモン共鳴光センサでは、光学整列、サイズ、構造的問題、精密度などの従来技術での問題点を解決することができるように、シリコンオプティカルベンチ（ＳｉＯＢ）技術を改善し、これを従来の透明光学基板と積層して使用することによって、さらに改善された表面プラズモン共鳴光センサを提供することである。

上記技術的課題を解決し、本発明の第１態様の光モジュールは、少なくとも１つの光学経路を備える基板と、前記光学経路内に挿入固定され、入射される光を屈折させるための少なくとも１つのレンズを含む。

ここで、前記光学経路は、前記基板面に垂直方向に貫通するようなピラミッド形状の孔の形状に形成され、前記基板の上下面が光学的に連結されることが好ましい。

好ましくは、前記レンズは球形状であるとともに、前記光学経路内に挿入されるとき、前記基板面の上部に突出した部位が平坦に研磨される。

好ましくは、光モジュールはさらに、前記光学経路周辺の基板面又は前記平坦に研磨されたレンズ面上に光を発生させるための発光源又は入射される光を検出するための光検出器を含む。

好ましくは、前記発光源はレーザダイオードであり、前記光検出器は、フォトダイオードである。

また、本発明の第２態様の光モジュールは、一定厚さの透明な光学媒質が備えられた少なくとも１つの光学経路を形成する基板と、前記透明な光学媒質上に形成され、光学的機能を果たすための光学要素を含む。

ここで、前記透明な光学媒質は、酸化シリコンガラス薄膜からなることが好ましい。

好ましくは、前記光学経路は、前記基板の一面あるいは両面にピラミッド形状の溝に形成され、前記溝の内周面に前記基板の上下面が光学的に連結され得るように前記一定厚さの透明な光学媒質が形成される。

好ましくは、前記光学要素は、偏光膜、位相膜、反射膜、薄膜フィルタ、光学コーティング膜、透過パターン又は回折パターンのうちいずれか１つからなる。

好ましくは、前記基板は、半導体基板、光学ガラス基板、結晶基板又は光学樹脂基板のうち少なくとも１つ又はこれらの積層結合からなる。

好ましくは、前記半導体基板は、［１００］面からなるシリコン基板である。

また、本発明の第３態様の光センサは、複数の光学経路を有する半導体基板と、前記半導体基板の上部に形成された光学ガラス基板と、前記光学ガラス基板の上部に形成された試料台と、前記試料台の上部に形成され、表面プラズモン共鳴で光を感知し、一定角度で反射させるための少なくとも１つのセンサ金属膜と、前記半導体基板の下面に配置され、前記複数の光学経路のうちいずれか１つの光学経路に向かって特定波長の光を放出するための光源部と、前記半導体基板と光源部との間に配置され、前記光源部から放出された光をＴＭ光に偏光するための偏光板と、前記半導体基板と前記光学ガラス基板との間に配置され、前記偏光された光を特定角度に回折し、前記センサ金属膜に入射させるための回折格子板と、前記半導体基板の下面に配置され、前記複数の光学経路のうち少なくとも１つの光学経路を経て前記センサ金属膜から反射した光を検出するための少なくとも１つの受光部を含む。

ここで、前記光源部は、レーザダイオードからなることが好ましい。

好ましくは、前記回折格子板は、回折角を調節するために前記半導体基板の上部に形成されたガイド溝に沿って移動可能に設置される。

好ましくは、前記回折格子板が前記ガイド溝に沿って移動するとき、円滑な機械的移動を確保するための、潤滑油を兼ねる光学流体をさらに含む。

好ましくは、前記受光部は、フォトダイオードであり、前記センサ金属膜から反射した光は、前記光学経路の内部で反射し、前記フォトダイオードに入射される。

また、本発明の第４態様の光センサは、複数の光学経路を備える半導体基板と、前記半導体基板の上部に形成された光学ガラス基板と、前記光学ガラス基板の上部に形成された試料台と、前記試料台の上部に形成され、表面プラズモン共鳴で光を感知し、一定角度で反射させるための少なくとも１つのセンサ金属膜と、前記半導体基板の下面に配置され、前記複数の光学経路のうちいずれか１つの光学経路に向かって特定波長の光を放出するための光源部と、前記光学経路内に挿入固定され、前記光源部から放出された光を屈折させるための少なくとも１つのレンズと、前記半導体基板と前記光学ガラス基板との間に配置され、前記レンズから屈折された光を特定角度に回折し、前記センサ金属膜に入射させるための回折格子板と、前記半導体基板の下面に配置され、前記複数の光学経路のうち少なくとも１つの光学経路を経て前記センサ金属膜から反射した光を検出するための少なくとも１つの受光部と、前記半導体基板と前記受光部との間に配置され、前記センサ金属膜から反射した光をＴＭ光に偏光するための偏光板を含む。

ここで、前記受光部は、チップ形状のフォトダイオードであり、前記センサ金属膜から反射した光は、前記光学経路の内部に挿入された球形状の受光レンズによって屈折され、前記フォトダイオードに入射されることが好ましい。

また、本発明の第５態様の光センサは、少なくとも１つの光学経路を備える半導体基板と、前記半導体基板の上部に形成された光学ガラス基板と、前記光学ガラス基板の上部に形成された試料台と、前記試料台の上部に形成され、表面プラズモン共鳴で光を感知し、一定角度で反射させるための少なくとも１つのセンサ金属膜と、前記半導体基板の下面に配置され、前記光学経路に向かって特定波長の光を放出するための光源部と、前記光学経路内に挿入固定され、前記光源部から放出された光を屈折させるための少なくとも１つのレンズと、前記半導体基板と前記光学ガラス基板との間に配置され、前記レンズから屈折された光を特定角度に回折し、前記センサ金属膜に入射させるための回折格子板と、前記半導体基板の端部の側面に配置され、前記光学ガラス基板及び前記試料台の全反射によって前記センサ金属膜から反射した光を検出するための少なくとも１つの受光部と、前記半導体基板の端部と前記受光部との間に配置され、前記センサ金属膜から反射した光をＴＭ光に偏光するための偏光板を含む。

ここで、前記半導体基板は、シリコン基板であり、前記光学経路は、前記シリコン基板面に垂直方向に貫通するようなピラミッド形状の孔の形に形成され、前記シリコン基板の上下面が光学的に連結されることが好ましい。

好ましくは、前記試料台は、光学ガラス又は光学樹脂の基板からなる。

好ましくは、前記光源部は、チップ形状のレーザダイオードからなる。

好ましくは、前記レンズは、前記光源部から放出された光を平行光に変換させるために球形状であり、前記光学経路内に挿入されるとき、前記半導体基板面の上部に突出した部位は、平坦に研磨される。

好ましくは、前記回折格子板は、回折角を調節するために前記半導体基板と光学ガラス基板との間で移動可能に設置される。

好ましくは、前記回折格子板の回折格子が光学的に汚染されることを防止するために、回折面に所定厚さの保護ガラスをさらに含む。

好ましくは、前記回折格子板は、０次回折を抑制し、±１次回折を増強した回折格子線断面構造を利用して＋１次と−１次の回折方向では対称に光を回折させ、格子の周期が連続的又は断続的に変化する。

好ましくは、前記回折格子板の対称回折は、対称配置された２つのセンサ金属膜から反射した光を対称配置された２つの受光部でそれぞれ検出する。それらの光のうち一方は、基準光として使用され、他方は、測定光として使用され、前記２つの受光部の信号を差動増幅する。

好ましくは、前記受光部は、チップ形状のフォトダイオードであり、前記センサ金属膜から反射した光は、前記光学ガラス基板及び試料台の内部全反射によって前記フォトダイオードに入射される。

また、本発明の第６態様の光センサは、半導体基板と、前記半導体基板の上部に形成された光学ガラス基板と、前記光学ガラス基板の上部に形成された試料台と、前記試料台の上部に形成され、表面プラズモン共鳴で光を感知し、一定角度で反射させるための少なくとも１つのセンサ金属膜と、前記試料台の上部に配置され、前記半導体基板の上面に向かって特定波長の光を放出するための光源部と、前記半導体基板の上面に形成され、前記光源部から放出された光を特定角度に回折し、前記センサ金属膜に入射させるための複数の回折格子と、前記半導体基板の上面に前記複数の回折格子と一定間隔で離隔するように形成され、前記センサ金属膜から反射した光を検出するための少なくとも１つの受光部を含む。

ここで、前記半導体基板は、［１００］面を有するシリコン基板であり、前記回折格子の溝の２つの面は、［１１１］面を有するように回折格子のパターンを利用してシリコンを異方性エッチングして形成されることが好ましい。

好ましくは、前記回折格子の溝の断面は、二等辺三角形であって、格子面［１１１］と基板面［１００］は、５０度乃至６０度の角度をなす。

好ましくは、前記回折格子の回折は、前記光源部から放出された基板面に垂直な入射光を二度反射してなる＋１次と−１次の対称回折である。

好ましくは、前記受光部は、フォトダイオードであり、前記センサ金属膜から出射された光の反射を減らすために、前記フォトダイオード上の半導体基板に格子パターンがさらに形成される。

好ましくは、前記半導体基板が［１００］面を有するシリコン基板の場合、前記格子パターンは、前記シリコン基板の異方性エッチングを通じて格子面と基板面が５０度乃至６０度の角度をなすように形成される。

また、本発明の第７態様の光モジュールの製造方法は、（ａ）一定厚さの基板を用意する段階と、（ｂ）前記基板上に少なくとも１つの光学経路を形成する段階と、（ｃ）前記光学経路内に入射される光を屈折させるための少なくとも１つのレンズを挿入固定する段階を含む。

ここで、前記基板がシリコン基板である場合、前記光学経路は、前記シリコン基板を特定パターンに異方性エッチングし、前記シリコン基板面に垂直方向に貫通するピラミッド形状の孔で形成されることが好ましい。

好ましくは、前記基板が［１００］面からなるシリコン基板である場合、前記段階（ｂ）は、（ｂ−１）前記シリコン基板の上下面のうち少なくとも一面に窒化シリコン膜又は酸化シリコン膜を形成する段階と、（ｂ−２）前記窒化シリコン膜又は酸化シリコン膜上に平板印刷工程を利用して矩形の感光膜パターンを形成する段階と、（ｂ−３）前記感光膜パターンを転写エッチングし、前記窒化シリコン膜又は酸化シリコン膜に転写する段階と、（ｂ−４）前記転写された窒化シリコン膜又は酸化シリコン膜のパターンをエッチングマスクにして前記シリコン基板を異方性エッチングし、ピラミッド形状の孔からなる光学経路を形成する段階を含む。

好ましくは、前記レンズは球形状であるとともに、前記光学経路内に挿入されるとき、前記基板面の上部に突出した部位が平坦に研磨される。

好ましくは、フリップチップボンディングを介した光を発生させるための発光源又は入射される光を検出するための光検出器が、前記光学経路周辺の基板面又は前記平坦に研磨されたレンズ面上にさらに取り付けられる。

また、本発明の第８態様の光モジュールの製造方法は、（ａ'）一定厚さの基板を用意する段階と、（ｂ'）前記基板上に透明な光学媒質が備えられた少なくとも１つの光学経路を形成する段階と、（ｃ'）前記透明な光学媒質上に多様な光学的機能を行うための光学要素を形成する段階を含む。

ここで、前記基板が［１００］面からなるシリコン基板である場合、前記透明な光学媒質は、前記シリコン基板の一部を酸化させて形成されることが好ましい。

好ましくは、前記基板がシリコン基板である場合、前記段階（ｂ'）は、（ｂ'−１）前記シリコン基板の上下面のうち少なくとも一面に平板印刷工程で光学経路パターンを形成する段階と、（ｂ'−２）前記シリコン基板を異方性エッチングし、一定厚さのシリコン膜を残した後、前記シリコン膜を酸化させて酸化シリコンガラス薄膜からなる透明な光学媒質に変換し、光学経路を形成する段階を含む。

好ましくは、前記段階（ｂ'−２）で、前記酸化シリコンガラス薄膜の表面が、光学的に使用するには粗い場合、ホウリン酸ケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）を化学気相蒸着法（ＣＶＤ）又は火炎加水分解蒸着法（ＦＨＤ）で蒸着し、これを溶融させる。

好ましくは、前記段階（ｃ）は、前記透明な光学媒質上に偏光板又は位相板フィルムを付着する。

好ましくは、前記段階（ｃ）は、前記透明な光学媒質上に反射膜又は多重光学薄膜をコーティングする。

好ましくは、前記段階（ｃ）は、前記透明な光学媒質上に透過パターン又は回折パターンを形成する。

以上説明したような本発明の光モジュールとこれを利用した光センサ及びその製造方法によれば、シリコン基板を貫通する光学経路を、シリコン異方性エッチング法で形成することによって、シリコン基板の前／後面を光学的に連結し、１つの光学系として同時に利用することができるという利点を有する。

また、本発明によれば、光学経路の内部やその上部又は下部基板面に、異方性エッチングで精密に形成された構造物を利用して、基板面に平行方向及び基板面に垂直方向に光学要素を光学的に整列させることができるという利点を有する。

また、本発明によれば、前記シリコン又は透明な光学材料基板を平板印刷工程を用いて製造し、これら基板間に整列及び積層して基板接合することによって、高機能で、多数の光学要素で構成された小型のマイクロ光モジュールが効果的に量産されるとともに、簡単に整列させることができる。

本発明による基板型光モジュールを構成する多様な単位素子の構造を示す図である。 本発明の第１実施例に係る積層型光モジュールを利用した光センサの平面図及び断面図を同時に示す図である。 本発明の第２実施例に係る積層型光モジュールを利用した光センサの平面図及び断面図を同時に示す図である。 本発明の第３実施例に係る積層型光モジュールを利用した光センサの平面図及び断面図を同時に示す図である。 本発明の第４実施例に係る積層型光モジュールを利用した光センサの平面図及び断面図を同時に示す図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。しかし、下記に例示する本発明の実施例は、様々な他の形態に変形可能であり、本発明の範囲は下記に説明する実施例に限定されるものではない。本発明の実施例は、当業界における通常の知識を有する者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものである。

まず、本発明は、平板印刷工程を使用する基板型光モジュール及びこれを利用した光センサモジュールに関する。

本発明による光モジュールの基板としては、シリコン基板に光学ガラスのような光学材料基板を積層して使用し、シリコン基板の内部又はその表面にレンズ、回折格子、薄膜フィルタなどの光学要素を基板と一体になるように製作し、光モジュールを構成する。

このようなシリコン基板は、異方性エッチング法を使用して基板に垂直な方向に基板を貫通する光学経路を作って、これに球状レンズを挿入固定したり、基板面上に突出した球状レンズを研磨し、発光源や光検出器などの半導体光電子素子をフリップチップボンディングで接合することによって、光学経路がレンズ機能と受光又は発光機能を兼ねる光モジュール基板の構造及びその製造方法を開示する。

前述した光モジュール基板は、基板のまま順に積層され、基板の表面又は基板の間には、回折光学板や偏光板などの様々な光学要素を配することができる。必要に応じて、これら光学要素が基板面に沿って物理的に移動可能に光モジュールの構造を構成すれば、多様な機能の光素子を製作することができる。

前述した光モジュール基板の例示として、光モジュールの基板にガイド溝を形成し、回折格子板が基板面でこのガイド溝に沿って移動するように構成することによって、光学経路を通過し、回折格子板を通過する光の回折角を回折格子板の移動によって調節する表面プラズモン光センサモジュールの構造を開示する。

また、このような表面プラズモン共鳴光センサモジュールでは、半導体レーザとフォトダイオードをフリップチップボンディングで基板面に接合することによって、すべての光学系がシリコン基板と光学ガラス基板の積層構造に含まれるようにしてもよい。

図１は、本発明による基板型光モジュールを構成する多様な単位素子の構造を示す図である。図１の（ａ）は、断面図であり、図１の（ｂ）は、平面図である。

図１を参照すれば、本発明の一例による基板型光モジュールは、少なくとも１つの光学経路（１）、（３）を有する基板（Ｓ）と、光学経路（１）、（３）の内部に挿入固定され、入射される光を屈折させるための少なくとも１つのレンズ（１１）、（１２）、（１３）、（１４）とを備える。

ここで、光学経路（１）、（３）は、基板（Ｓ）の上面及び下面が光学的に連結されるように基板面に垂直な方向に貫通するように、例えば、ピラミッド形状の孔（１０）からなる。

基板（Ｓ）は、例えば、シリコンなどの半導体基板、光学ガラス基板、サファイアなどの結晶基板又は光学樹脂基板のうち少なくとも１つ又はこれらの積層結合からなることが好ましい。例えば、基板（Ｓ）は、少なくとも一枚のシリコン基板を含む基板（又は基板の積層）で構成されてもよい。

この時、前記半導体基板は、例えば、シリコン基板であることが好ましい。前記シリコン基板の厚さに制限はないが、使用用途によって通常約０．１ｍｍ乃至５ｍｍ範囲の基板厚さを使用することができ、基板面は、［１００］、［１１０］、［１１１］又は［２１１］などの面を使用することができるが、通常、シリコン基板として最も多く使用される［１００］面のシリコン基板を適用することが好ましい。

また、レンズ（１１）、（１２）、（１３）、（１４）は、例えば、球状レンズであることが好ましい。レンズを光学経路（１）、（３）の内部に挿入するとき、基板面の上部に突出した部位は平坦に研磨され、例えば、光学エポキシなどを利用して空きの余白を満たすこともできる。

さらに、光学経路（１）、（３）の周辺、すなわち出入口の基板面又は光学経路（１）、（３）の出入口の平坦に研磨されたレンズ面上に、光を発生させるための発光源（例えば、レーザダイオード）又は入射される光を検出するための光検出器（例えば、フォトダイオード）などの光電子素子（１５）を付着して構成することができる。

以下、本発明の一例による基板型光モジュールの製造方法について詳細に説明する。

まず、一定厚さ（好ましくは、約０．１ｍｍ乃至５ｍｍ程度）を有する基板（Ｓ）（例えばシリコン基板）を用意する。次に、前記シリコン基板を特定パターンで異方性エッチングし、基板面に垂直な方向に貫通する、例えば、ピラミッド形状の孔を有する光学経路（１）、（３）を形成する。

次に、光学経路（１）、（３）の内部に入射される光を屈折させるための少なくとも１つのレンズ（１１）、（１２）、（１３）、（１４）を挿入固定する。

この時、レンズ（１１）、（１２）、（１３）、（１４）は、例えば、球状レンズで具現することができ、このような球状レンズを光学経路（１）、（３）の内部に挿入する場合、基板面の上部に突出した部位を平坦に研磨し、例えば、光学エポキシなどを利用して空きの余白を満たすこともできる。

さらに、光学経路（１）、（３）の周辺、すなわち出入口の基板面又は光学経路（１）、（３）の出入口の平坦に研磨されたレンズ面上に、例えば、フリップチップボンディングなどのような素子チップの付着法を用いることにより、光を発生させるための発光源（例えば、レーザダイオード）又は入射される光を検出するための光検出器（例えば、フォトダイオード）などの光電子素子（１５）を容易に付着することができる。

この場合、光電子素子（１５）としては、素子表面で発光又は受光する素子を使用するのが適切である。特に、発光源であるレーザダイオードとして、表面放出レーザ（ＳＥＬ；Surface Emitting Laser）を使用すれば、素子チップの表面で発光するので、光学経路（１）、（３）に光を入射させるのに有利である。また、シリコンが基板である場合には、基板自体に直接光検出器、すなわち、受光部（５５ａ）、（５５ｂ）（図４参照）を製作することもできる。

一方、［１００］面からなるシリコン基板を使用して光学経路（１）、（３）の形状を矩形パターンで形成する場合について例示する。

すなわち、［１００］基板面でシリコンの除去による矩形光学経路の形成は、次のとおりである。まず、［１００］面からなるシリコン基板の上面又は下面のうち少なくとも一面に窒化シリコン膜又は酸化シリコン膜を形成する。

その後、平板印刷工程を利用して矩形の感光膜（ＰＲ；Photoresist）パターンをその角部が［１１０］面と平行になるように形成した後、感光膜パターン（ＰＲ）を転写エッチング（pattern-transfer etch）し、これをその下部の窒化シリコン膜又は酸化シリコン膜に転写する。

次に、前記転写された窒化シリコン膜又は酸化シリコン膜のパターンをエッチングマスクとしてその下部のシリコン基板を異方性エッチングし、ピラミッド形状の孔（１０）を有する光学経路（１）、（３）を製作する。

以下では、本発明の他の例による基板型光モジュールの構造及びその製造方法について詳細に説明する。

図１に示されたように、本発明の他の例による基板型光モジュールは、一定厚さの透明な光学媒質（１６）、（１９）が備えられた少なくとも１つの光学経路（５）、（７）を形成する基板（Ｓ）と、透明な光学媒質（１６）、（１９）上に形成され、多様な光学的機能を行うための光学要素（１７）、（１８）とを備えて構成されている。

ここで、透明な光学媒質（１６）、（１９）は、酸化シリコンガラス薄膜を備えてもよい。

光学経路（５）、（７）は、基板（Ｓ）の一面あるいは両面に形成されたピラミッド形状の溝（１０'）と、溝（１０'）の内周面に基板（Ｓ）の上面及び下面が光学的に連結され得るように一定厚さ（好ましくは、約５０μｍ以下）の透明な光学媒質（１６）、（１９）を有する。

また、光学要素（１７）、（１８）は、例えば、偏光膜、位相膜、反射膜、薄膜フィルタ、光学コーティング膜、透過パターン又は回折パターンのうちいずれか１つであってよい。

以下、本発明の他の例による基板型光モジュールの製造方法について詳細に説明する。

まず、一定厚さ（好ましくは、約０．１ｍｍ乃至５ｍｍ程度）の基板（Ｓ）、例えば、シリコン基板を用意した後、基板（Ｓ）上に透明な光学媒質（１６）、（１９）が備えられた少なくとも１つの光学経路（５）、（７）を形成する。

この時、基板（Ｓ）が［１００］面を有するシリコン基板である場合、透明な光学媒質（１６）、（１９）は、前記シリコン基板の一部を酸化させて形成する。

すなわち、前記シリコン基板の上面又は下面のうち少なくとも一面に例えば、平板印刷工程で光学経路パターンを形成した後、前記シリコン基板を異方性エッチングし、一定の厚さのシリコン膜を残した後（通常、約５０μｍ以下）、このシリコン膜を酸化させて酸化シリコンガラス薄膜に変換し、透明な光学媒質（１６）、（１９）を製作する。

このような酸化シリコンガラス薄膜の表面が光学的用途として使用するのに粗い場合には、ホウリン酸ケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ；Boro-Phospho Silicate Glass）を化学気相蒸着法（ＣＶＤ；Chemical Vapor Deposition）又は火炎加水分解蒸着法（ＦＨＤ；Flame Hydrolysis Deposition）などの方法で蒸着し、これを溶融させてその面を光学的用途の面で改善することもできる。

最後に、透明な光学媒質（１６）、（１９）上に多様な光学的機能を果たすための光学要素（１７）、（１８）を形成する。

すなわち、光学経路（５）、（７）で所望の光学的機能を得るために、光学経路（５）、（７）の透明な光学媒質（１６）、（１９）、すなわち酸化シリコンガラス薄膜を利用して光学的機能が付け加えられたことを意味する。

より具体的には、例えば、平板印刷工程により、薄膜の厚さや透過度などがパターンされるか、或いは回折要素などが設けられてもよい。さらに、均一な光学コーティング膜又は平板印刷工程でパターン化された光学コーティング膜が付加されてもよい。

前述のように、本発明の他の例における基板型光モジュールは、シリコン基板光学経路の異方性エッチング過程で、一定厚さのシリコン膜を残した後、これを酸化させる。そして、一定厚さの透明な光学媒質である酸化シリコンガラス薄膜が備えられた光学経路を形成する。

このような酸化シリコンガラス薄膜が含まれている光学経路は、この酸化シリコンガラス薄膜上に、偏光板や位相板フィルムを付着するか、反射膜又は多重光学薄膜（１７）をコーティングするか、透過パターン又は回折パターン（１８）を形成することができる点において有用である。

前述したように、本発明は、光学経路（１）、（３）を通過する光の波長がシリコンバンドギャップの波長より短い場合は、光学経路（１）、（３）で光を吸収するシリコンを除去するか、シリコン基板を異方性エッチングしてシリコンの厚さの一部のみを残した後、これを酸化させて、透明光学媒質（１６）、（１９）に変換することによって、光学経路（５）、（７）が形成される。

一方、光学経路を通過する光波長がシリコンのバンドギャップ波長よりさらに長い波長帯域では、シリコン基板自体が透明な光学媒質なので、本発明のシリコン光学経路（１）、（３）、（５）、（７）は必要とされない。しかし、異方性エッチングで生ずる物理的構造を活用して、光学経路（１）、（３）、（５）、（７）にレンズ（１１）、（１２）、（１３）、（１４）、回折、反射、吸収などの光学的機能が実行されることは、本発明の範囲に含まれる。

次に、本発明の他の態様は、従来の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）光センサの問題点を解決するために、前述した本発明の一態様である光モジュールを使用するシリコン基板のオプティカルベンチと金属センサ膜を有する光学ガラス基板のオプティカルベンチを積層することによって、表面プラズモン共鳴光センサを構成したものである（図２乃至図５参照）。本発明の表面プラズモン共鳴光センサの構成を機能別に列挙すれば、次のとおりである。

１．光源部：レーザダイオードを備える。光学系の構造によって、必要に応じて本発明の一態様に適用された光学要素を備えるシリコン基板の光学経路を有してもよい。

２．基板面光学要素（回折格子板と偏光板）：シリコン基板と光学ガラス基板との間に位置し、前記回折格子板は、光源部から出る光を特定角度でセンサ部位に入射させる役目をする。前記偏光板は、センサ信号のＴＭ（Transverse Magnetic）光のみを感知するように偏光を選択する。

３．プラズモンセンサ：光学ガラス基板に数十ナノメートル厚さの金、銀などの金属膜をコーティングし、その上に感知物質（タンパク質、ＤＮＡ、細胞などの物質）を物理化学的に固定する。

４．受光部：フォトダイオードと集光光学系とを備える。前記集光光学系は、フォトダイオードの位置によって変わり、後述する本発明の実施例で多様な構成を示す。

（第１実施例）
図２は、本発明の第１実施例に係る積層型光モジュールを利用した光センサの平面図及び断面図を同時に示す図であり、図２の（ａ）は、本発明の第１実施例に係る表面プラズモン共鳴光センサの全体断面図であり、図２の（ｂ）は、本発明の第１実施例に係る表面プラズモン共鳴光センサのシリコン基板の平面図である。

図２を参照すれば、本発明の第１実施例に係る積層型光モジュールを利用した光センサは、半導体基板（３７）、光学ガラス基板（３８）、試料台（３９）、センサ金属膜（３６ａ）、（３６ｂ）、光源部（３３）、偏光板（３４）、回折格子板（３１）及び受光部（３５ａ）、（３５ｂ）を備える。

ここで、半導体基板（３７）は、例えば、シリコン基板によって実行されることが好ましく、前述したように、半導体基板（３７）の上面及び下面が光学的に連結するために基板面に垂直な方向に貫通するように、例えば、ピラミッド形状の孔からなる複数の光学経路（１０ａ）、（１０ｂ）、（１０ｃ）が形成されている。

光学ガラス基板（３８）は、半導体基板（３７）の上部に積層形成されており、半導体基板（３７）とセンサ金属膜（３６ａ）、（３６ｂ）を適正距離で離隔することによって、適切な入射角を維持する役目を有する。

試料台（３９）は、光学ガラス基板（３８）の上部に積層形成されており、表面プラズモンが励起されるセンサ物質（例えば、抗体）が塗布されたセンサ金属膜（３６ａ）、（３６ｂ）を支持する機能を有する。さらに、試料台（３９）、センサ金属膜（３６ａ）、（３６ｂ）上でセンサ物質と結合される被検物質（例えば、抗原）を含有する試料流体（例えば、抗原を含有する溶液）の流体経路の一部を構成するよう機能する。

このような機能は、たびたび検査対象によって変更する必要があり、また、たびたび汚染を伴う場合があるので、頻繁に交換される場合が多い。したがって、別途の光学ガラス又は光学樹脂の基板を使用する場合が多い（ここでは、これを半導体基板の上部に積層された光学ガラス基板と区別して「試料台」と呼ぶ）。

センサ金属膜（３６ａ）、（３６ｂ）は、試料台（３９）の上部に少なくとも１つ備えられており、表面プラズモン共鳴で光を感知し、一定角度で反射させる機能を有する。このようなセンサ金属膜（３６ａ）、（３６ｂ）と試料台（３９）を含めて通常プラズモンセンサと呼ぶ。

光源部（３３）は、例えば、レーザダイオードを有し、半導体基板（３７）の下面に配置され、光学経路（１０ａ）に向かって特定波長の光を放出する機能を有する。

偏光板（３４）は、半導体基板（３７）と光源部（３３）との間に配置されており、光源部（３３）から放出された光をＴＭ（Transverse Magnetic）光に偏光する機能を有する。このような偏光板（３４）は、光源部（３３）と受光部（３５ａ）、（３５ｂ）との間にどこでも配置できる。

回折格子板（３１）は、半導体基板（３７）と光学ガラス基板（３８）との間に配置されており、偏光板（３４）によって偏光された光を特定角度に回折し、センサ金属膜（３６ａ）、（３６ｂ）に入射させる機能を有する。

このような回折格子板（３１）は、回折角を調節するために半導体基板（３７）の上部に形成されたガイド溝（Ｇ）に沿って移動可能に設けられることが好ましいが、これに限定されず、半導体基板（３７）に固定されて使用されることができ、光学経路に固定結合されることもできる。

また、回折格子板（３１）がガイド溝（Ｇ）に沿って移動するとき、円滑な機械的移動を確保するために、潤滑油を兼ねる光学流体が使用されることができるので、回折格子板（３１）の回折格子（３２）が光学的に汚染されないように、回折面に薄い保護ガラスを固定して保護する必要がある。

このような保護ガラスとして、約０．１ｍｍ乃至０．２ｍｍ程度の厚さを有する光学ガラスが固定され、回折格子板（３１）の周囲は、例えば光学エポキシなどで密閉固定される。また光学ガラスは加熱され、融着固定される。この融着固定は、ガラスの材質によって異なるが、約１０００℃内外の温度が必要である。

また、回折格子板（３１）は、０次回折を抑制し、±１次回折を増強した回折格子線断面構造を利用して＋１次と−１次の回折では対称的な方向に光を回折させる。回折格子（３２）の周期は、連続的又は断続的に変化するよう構成されることが好ましい。

この時、回折格子板（３１）の対称回折は、センサ感知チャネルを倍加させるのに利用されるか、或いは光センサの感度を向上させるのに使用される。対称配置された２つのセンサ金属膜（３６ａ）、（３６ｂ）から反射した光は、対称配置された２つの受光部（３５ａ）、（３５ｂ）でそれぞれ検出される。それらのうち一方は、基準光として、他方は測定光として使用されることにより、前記２つの受光部（３５ａ）、（３５ｂ）が信号を差動増幅させることもできる。これにより、光センサの感度が向上される。

受光部（３５ａ）、（３５ｂ）は、例えば、フォトダイオードからなるとともに、半導体基板（３７）の下面に光源部（３３）を中心に互いに対称配置されており、光学経路（１０ｂ）、（１０ｃ）を経てセンサ金属膜（３６ａ）、（３６ｂ）から反射した光を検出する機能を果たす。

この時、センサ金属膜（３６ａ）、（３６ｂ）から反射した光は、光学経路（１０ｂ）、（１０ｃ）の内部で反射され、受光部（３５ａ）、（３５ｂ）に入射することが好ましい。

一方、本発明の第１実施例では、光源部（３３）又は光検出器、すなわち受光部（３５ａ）及び（３５ｂ）のような、缶型のモジュールが使用される。このようなモジュールは、通常内部に既にレンズを有し、したがって、光学経路（１０ｂ）、（１０ｃ）にレンズを使用する必要がない。この場合の光学経路（１０ｂ）、（１０ｃ）は、単に半導体基板（３７）を両面で使用することができるようにする光学経路の機能のみをもたらす。

一般的にマイクロレンズによって平行光内に整列させた光は、光センサ金属膜（３６ａ）、（３６ｂ）に照射されるが、光学系の構成にしたがって、収束光又は発散光が使用されてもよい。

以下、本発明の第１実施例に係る積層型光モジュールを利用した光センサの動作について詳細に説明する。

まず、半導体基板（３７）の下面に取り付けられた光源部（３３）から放出された光は、偏光板（３４）及び光学経路（１０ａ）を経て、半導体基板（３７）の上面に配置された回折格子板（３１）によって回折し、電波方向を変えて試料台（３９）の上部に備えられたセンサ金属膜（３６ａ）、（３６ｂ）に向かう。

この時、光の入射角は、センサ金属膜（３６ａ）、（３６ｂ）の表面プラズモン共鳴角の近くで、最も高い感度の入射角に合わせられなければならない。

その後、試料台（３９）で反射された光は、半導体基板（３７）に形成された光学経路（１０ｂ）、（１０ｃ）を通過して、半導体基板（３７）の下面に配置された受光部（３５ａ）、（３５ｂ）によって検出される。試料台（３９）から出る光の進行方向は、光学経路（１０ｂ）、（１０ｃ）の内部で反射され、受光部（３５ａ）、（３５ｂ）に光が入射するようにする。

（第２実施例）
図３は、本発明の第２実施例に係る積層型光モジュールを利用した光センサの平面図及び断面図を同時に示す図である。図３の（ａ）は、本発明の第２実施例の表面プラズモン共鳴光センサの全体断面図であり、図３の（ｂ）は、本発明の第２実施例の表面プラズモン共鳴光センサの半導体基板の平面図である。

図３を参照すれば、本発明の第２実施例では、例えば、レーザダイオードのような光源部（４３）、又は、例えばフォトダイオードのような受光部（４５ａ）、（４５ｂ）を、チップのそのままの形状で、シリコン基板のような半導体基板（４７）上にフリップチップボンディングする。

すなわち、光電子素子をチップ形状で使用することによって、光センサをさらに小型化することができる。したがって、多数のセンサの配列の製造を促進する。しかし、光源部（４３）から出る光の発散角が非常に大きいため、別途のレンズを使用して平行光又は平行光に準じるようにしなければならない。

したがって、本発明の第２実施例では、光学経路（１０ａ）にレンズ（４１ａ）、（４１ｂ）を使用することによって、半導体基板（４７）の下面に配置された光源部（４３）から放出された光の発散角を制御して、光が回折格子板（４２）に送信される構造である。

一方、回折格子板（４２）は、図２に示されたように、半導体基板（４７）と光学ガラス基板（４８）との間で移動可能に回折角を調節することもできるが、角度の調節を必要としない場合は、回折格子板（４２）を移動装置を用いずに、半導体基板（４７）に作り付けの形態で作ることもできる。

また、試料台（３９）から反射した光は、半導体基板（４７）に形成された光学経路（１０ｂ）、（１０ｃ）の内部に挿入固定された受光レンズ（４６ａ）、（４６ｂ）及び偏光板（４４ａ）、（４４ｂ）を経て、受光部（４５ａ）、（４５ｂ）で検出される。

偏光板（４４ａ）、（４４ｂ）は、光源部（４３）から受光部（４５ａ）、（４５ｂ）まで至る光学経路内で、設置に便利な場所を定めて配置される。但し、光源部（４３）から放出された光の強さが大きい場合、偏光板（４４ａ）、（４４ｂ）（特に、ポリマー薄膜の場合）は劣化し得る。したがって、光源部（４３）から放出された光が集束する位置は避けたほうが良い。

一方、本発明の第２実施例に適用された光学要素、すなわちセンサ金属膜（３６ａ）、（３６ｂ）、試料台（３９）、回折格子板（４２）、偏光板（４４ａ）、（４４ｂ）、半導体基板（４７）及び光学ガラス基板（４８）は、本発明の第１実施例に適用された光学要素と同一なので、これらに関する具体的な説明は、本発明の第１実施例を参照することとする。

（第３実施例）
図４は、本発明の第３実施例に係る積層型光モジュールを利用した光センサの平面図及び断面図を同時に示す図である。図４の（ａ）は、本発明の第３実施例に係る表面プラズモン共鳴光センサの全体断面図であり、図４の（ｂ）は、本発明の第３実施例に係る表面プラズモン共鳴光センサのシリコン基板平面図であり、図４の（ｃ）は、図４の（ａ）の回折格子（５２）を拡大した断面図である。

図４を参照すれば、本発明の第３実施例では、例えば、レーザダイオードのような光源部（５３）を、半導体基板（５７）の下面ではなく、試料台（３９）の上部に別に固定し位置させる形態である。したがって、光学経路を使用する必要がなく、回折格子（５２）は、半導体基板（５７）の上部に位置するようになる。

ここで、回折格子用半導体基板としては、［１００］面のシリコン基板を使用し、回折格子（５２）の溝の２つの面は、［１１１］面になるように回折格子（５２）のパターンを用い、シリコンを異方性エッチングして形成する。

すなわち、回折格子（５２）の感光膜パターン線は、［１１０］面と［１００］面とが交差する線と平行するように製作される。回折格子（５２）の感光膜パターンは、ＤＦＢ（Distributed Feed-back）レーザダイオードを製作する時に使用される、周知のホログラム露光法又は電子ビーム露光法によって製作される。

この時、回折格子（５２）の溝の断面は、例えば、二等辺三角形であって、格子面［１１１］と基板面［１００］は、互いに約５０乃至６０度（好ましくは、約５４．７度程度）の角度範囲を成す。格子溝の間は、残余感光膜パターンによって基板面、すなわち［１００］面が多少残るようになるが、多少の等方性エッチング又はアンダーカットによって［１００］の残余面を最小化することが好ましい。シリコンエッチングが終了すれば、その上に金属反射膜を蒸着して、反射型回折格子が完成する。

上記では、格子面と基板面が好ましくは５４．７度の角度範囲を成すと記述したが、この角が５４度であれば、図４の（ｃ）に示したように、基板面に垂直な入射光は、（５２ａ）面と（５２ｂ）面で二度反射して、（５２ａ）面又は（５２ｂ）面と完全に平行する方向に進行する。

これは、一般的な反射型回折格子で頻繁に使用されるブレージング角度（blazing angle）と類似しているが、一般的なブレージング角度による回折は、一度だけ反射して回折されるのに対し、本発明の第３実施例では、反射が二度起きた後に回折されるという点において非常に異なる。

このような構造の長所は、＋１次と−１次の回折角度を約４５度以上にしながらも、＋１次と−１次の回折効率を最大化することができるという長所がある。しかし、一般的なブレージング角度による回折は、＋１次又は−１次の一方向の回折だけ起きるようにすることができるのに対し、シリコンの異方性エッチングによる回折格子の回折は、必ず＋１次と−１次の対称回折のみに起きるよう制限される。

また、本発明の第３実施例では、例えば、シリコン基板のような半導体基板（５７）上に、例えば、フォトダイオードのような受光部（５５ａ）、（５５ｂ）を直接製作する場合を例示している。

試料台（３９）から反射した光の出射角は、約４５度以上であって、半導体基板（５７）の基板面で反射率が大きい。したがって、半導体基板（５７）上に製作された受光部（５５ａ）、（５５ｂ）に吸収される光の吸収率が大きく低下する。

したがって、半導体基板（５７）の上部を異方性エッチングして格子パターン（５５ａ）、（５５ｂ）を形成することによって、光の反射を低減することが必要である。

仮に、シリコン基板面が［１００］面である場合、異方性エッチングした後、基板面とエッチング面の角度は、約５４．７度程度であって、前記回折格子（５２）で記述したように、シリコン基板面に製作した受光部（５５ａ）、（５５ｂ）の表面で、反射が最小化される。

また、本発明の第３実施例は、偏光板を使用する代わりに、光源部（５３）から放出された光の偏光を、ダイオードモジュール又はチップにより制御することを示す例である。これにより、偏光板を使用せずに、金属センサ膜（３６ａ）、（３６ｂ）上にＴＭ（Transverse Magnetic）光だけが入射される。

一方、本発明の第３実施例に適用された光学要素、すなわちセンサ金属膜（３６ａ）、（３６ｂ）、試料台（３９）、光学ガラス基板（４８）及び半導体基板（５７）は、本発明の第１実施例に適用された光学要素と同一なので、これらに関する具体的な説明は、本発明の第１実施例を参照することとする。

（第４実施例）
図５は、本発明の第４実施例に係る積層型光モジュールを利用した光センサの平面図及び断面図を同時に示す図である。図５の（ａ）は、本発明の第４実施例に係る表面プラズモン共鳴光センサの全体断面図であり、図５の（ｂ）は、本発明の第４実施例に係る表面プラズモン共鳴光センサの試料台と光学ガラス基板の平面図である。

図５を参照すれば、表面プラズモンの共鳴入射角は、大部分の光学ガラスの臨界角を超過する。したがって、試料台（３９）又は光学ガラス基板（４８）の内部全反射によって、信号光は試料台（３９）又は光学ガラス基板（４８）の端部の側面に誘導されることができる。

すなわち、本発明の第４実施例では、半導体基板（６７）の下面に光検出器、すなわち受光部（６５ａ）、（６５ｂ）を設けることなく、全反射によって光センサの側面で光を検出する方法である。

チップ形状のレーザダイオードのような光源部（４３）から放出された光は、光学経路（１０）からレンズ（４１ａ）、（４１ｂ）を経て、回折格子板（６２）からセンサ金属膜（３６ａ）、（３６ｂ）に進行する。

この時、回折格子板（６２）は、本発明の第１実施例と同様に断続的に周期が変わる回折格子板を例示している。

次に、センサ金属膜（３６ａ）、（３６ｂ）の表面プラズモン共鳴でセンサ反応が感知した光は、試料台（３９）と光学ガラス基板（４８）の内部で全反射しながら進行してから、センサの端部で偏光板（６４ａ）、（６４ｂ）を経て、フォトダイオードのような受光部（６５ａ）、（６５ｂ）で信号を感知する。

一方、本発明の第２実施例に適用された光学要素、すなわちセンサ金属膜（３６ａ）、（３６ｂ）、試料台（３９）、回折格子板（４２）、光源部（４３）、偏光板（４４ａ）、（４４ｂ）、半導体基板（４７）、光学ガラス基板（４８）及び受光部（６５ａ）、（６５ｂ）は、本発明の第２実施例に適用された光学要素と同一なので、これらに関する具体的な説明は、本発明の第２実施例を参照することとする。

前述した本発明による光モジュールとこれを利用した光センサ及びその製造方法の好ましい実施例について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付の図面の範囲内で様々に変形して実施することが可能である。

Claims (46)

1. 少なくとも１つの光学経路を備える基板と、
   前記光学経路内に挿入固定され、入射光を屈折させるための少なくとも１つのレンズからなる光モジュール。
2. 前記光学経路が前記基板面を垂直方向に貫通するようなピラミッド形状の孔の形に形成されることにより、前記基板の上下面が光学的に連結されることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記レンズが球形状であるとともに、前記光学経路内に挿入されるとき、前記基板面の上部に突出したレンズの一部が平坦に研磨されてなることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
4. 前記光学経路周辺の基板面又は前記平坦に研磨されたレンズ面上に光を発生させるための発光源又は入射光を検出するための光検出器をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の光モジュール。
5. 前記発光源がレーザダイオードであり、前記光検出器がフォトダイオードであることを特徴とする請求項４に記載の光モジュール。
6. 一定厚さの透明な光学媒質が備えられた少なくとも１つの光学経路を形成する基板と、
   前記透明な光学媒質上に形成され、光学的機能を実行するための光学要素を含む光モジュール。
7. 前記透明な光学媒質が酸化シリコンガラス薄膜からなることを特徴とする請求項６に記載の光モジュール。
8. 前記光学経路が、前記基板の片面あるいは両面にピラミッド形状の溝の形に形成され、前記溝の内周面に前記基板の上下面が光学的に連結されるように、前記一定厚さの透明な光学媒質が形成されてなることを特徴とする請求項６に記載の光モジュール。
9. 前記光学要素が、偏光膜、位相膜、反射膜、薄膜フィルタ、光学コーティング膜、透過パターン又は回折パターンのうちいずれか１つからなることを特徴とする請求項６に記載の光モジュール。
10. 前記基板が、半導体基板、光学ガラス基板、結晶基板又は光学樹脂基板のうち少なくとも１つ又はこれら基板の積層結合からなることを特徴とする請求項１又は６に記載の光モジュール。
11. 前記半導体基板が、［１００］面からなるシリコン基板であることを特徴とする請求項１０に記載の光モジュール。
12. 複数の光学経路を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の上部に形成された光学ガラス基板と、
    前記光学ガラス基板の上部に形成された試料台と、
    前記試料台の上部に形成され、表面プラズモン共鳴で光を感知し、一定角度で反射させるための少なくとも１つのセンサ金属膜と、
    前記半導体基板の下面に配置され、前記複数の光学経路のうちいずれか１つの光学経路に向かって特定波長の光を放出するための光源部と、
    前記半導体基板と前記光源部との間に配置され、前記光源部から放出された光をＴＭ光に偏光するための偏光板と、
    前記半導体基板と前記光学ガラス基板との間に配置され、前記偏光された光を特定角度に回折し、前記センサ金属膜に入射させるための回折格子板と、
    前記半導体基板の下面に配置され、前記複数の光学経路のうち少なくとも１つの光学経路を経て前記センサ金属膜から反射した光を検出するための少なくとも１つの受光部からなる光センサ。
13. 前記光源部が、レーザダイオードからなることを特徴とする請求項１２に記載の光センサ。
14. 前記回折格子板が、回折角を調節するために前記半導体基板の上部に形成されたガイド溝に沿って移動可能に設置されることを特徴とする請求項１２に記載の光センサ。
15. 前記回折格子板が前記ガイド溝に沿って移動するとき、円滑な機械的移動を確保するために、潤滑油を兼ねる光学流体をさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の光センサ。
16. 前記受光部が、フォトダイオードであり、前記センサ金属膜から反射した光が、前記光学経路の内部で反射し、前記フォトダイオードに入射されることを特徴とする請求項１２に記載の光センサ。
17. 複数の光学経路を備える半導体基板と、
    前記半導体基板の上部に形成された光学ガラス基板と、
    前記光学ガラス基板の上部に形成された試料台と、
    前記試料台の上部に形成され、表面プラズモン共鳴で光を感知し、一定角度で反射させるための少なくとも１つのセンサ金属膜と、
    前記半導体基板の下面に配置され、前記複数の光学経路のうちいずれか１つの光学経路に向かって特定波長の光を放出するための光源部と、
    前記光学経路内に挿入固定され、前記光源部から放出された光を屈折させるための少なくとも１つのレンズと、
    前記半導体基板と前記光学ガラス基板との間に配置され、前記レンズから屈折された光を特定角度に回折し、前記センサ金属膜に入射させるための回折格子板と、
    前記半導体基板の下面に配置され、前記複数の光学経路のうち少なくとも１つの光学経路を経て前記センサ金属膜から反射した光を検出するための少なくとも１つの受光部と、及び
    前記半導体基板と前記受光部との間に配置され、前記センサ金属膜から反射した光をＴＭ光に偏光するための偏光板を含む光センサ。
18. 前記受光部は、チップ形状のフォトダイオードであり、前記センサ金属膜から反射した光は、前記光学経路の内部に挿入された球形状の受光レンズによって屈折され、前記フォトダイオードに入射されることを特徴とする請求項１７に記載の光センサ。
19. 少なくとも１つの光学経路を備える半導体基板と、
    前記半導体基板の上部に形成された光学ガラス基板と、
    前記光学ガラス基板の上部に形成された試料台と、
    前記試料台の上部に形成され、表面プラズモン共鳴で光を感知し、一定角度で反射させるための少なくとも１つのセンサ金属膜と、
    前記半導体基板の下面に配置され、前記光学経路に向かって特定波長の光を放出するための光源部と、
    前記光学経路内に挿入固定され、前記光源部から放出された光を屈折させるための少なくとも１つのレンズと、
    前記半導体基板と前記光学ガラス基板との間に配置され、前記レンズから屈折された光を特定角度に回折し、前記センサ金属膜に入射させるための回折格子板と、
    前記半導体基板の端部の側面に配置され、前記光学ガラス基板及び前記試料台の全反射によって前記センサ金属膜から反射した光を検出するための少なくとも１つの受光部と、
    前記半導体基板の端部と前記受光部との間に配置され、前記センサ金属膜から反射した光をＴＭ光に偏光するための偏光板からなる光センサ。
20. 前記半導体基板がシリコン基板であって、
    前記光学経路が、前記シリコン基板面に垂直方向に貫通するようなピラミッド形状の孔の形に形成され、前記シリコン基板の上下面が光学的に連結されることを特徴とする請求項１２、１７又は１９に記載の光センサ。
21. 前記試料台が、光学ガラス又は光学樹脂の基板からなることを特徴とする請求項１２、１７又は１９に記載の光センサ。
22. 前記光源部が、チップ形状のレーザダイオードからなることを特徴とする請求項１７又は１９に記載の光センサ。
23. 前記レンズは、前記光源部から放出された光を平行光に変換させるために球形状であり、前記光学経路内に挿入するとき、前記半導体基板面の上部に突出した部位は、平坦に研磨されてなることを特徴とする請求項１７又は１９に記載の光センサ。
24. 前記回折格子板が、回折角を調節するために前記半導体基板と前記光学ガラス基板との間で移動可能に設置されることを特徴とする請求項１７又は１９に記載の光センサ。
25. 前記回折格子板の回折格子が光学的に汚染されることを防止するために、回折面に所定厚さの保護ガラスをさらに含むことを特徴とする請求項１２、１７又は１９に記載の光センサ。
26. 前記回折格子板が、０次回折を抑制し、±１次回折を増強した回折格子線断面構造を利用して＋１次と−１次の回折方向では対称に光を回折させ、格子の周期が連続的又は断続的に変化することを特徴とする請求項１２、１７又は１９に記載の光センサ。
27. 前記回折格子板の対称回折が、
    対称配置された２つのセンサ金属膜から反射した光を対称配置された２つの受光部でそれぞれ検出し、それらのうち一方は、基準光として使用し、他方は、測定光として使用して、前記２つの受光部の信号を差動増幅することを特徴とする請求項２６に記載の光センサ。
28. 前記受光部が、チップ形状のフォトダイオードであり、前記センサ金属膜から反射した光は、前記光学ガラス基板及び試料台の内部全反射によって前記フォトダイオードに入射されることを特徴とする請求項１９に記載の光センサ。
29. 半導体基板と、
    前記半導体基板の上部に形成された光学ガラス基板と、
    前記光学ガラス基板の上部に形成された試料台と、
    前記試料台の上部に形成され、表面プラズモン共鳴で光を感知し、一定角度で反射させるための少なくとも１つのセンサ金属膜と、
    前記試料台の上部に配置され、前記半導体基板の上面に向かって特定波長の光を放出するための光源部と、
    前記半導体基板の上面に形成され、前記光源部から放出された光を特定角度に回折し、前記センサ金属膜に入射させるための複数の回折格子と、
    前記半導体基板の上面に前記複数の回折格子と一定間隔で離隔するように形成され、前記センサ金属膜から反射した光を検出するための少なくとも１つの受光部を含む光センサ。
30. 前記半導体基板が、［１００］面を有するシリコン基板であり、
    前記回折格子の溝の２つの面が、［１１１］面を有するように回折格子のパターンを利用してシリコンを異方性エッチングして形成されることを特徴とする請求項２９に記載の光センサ。
31. 前記回折格子の溝の断面が、二等辺三角形からなり、格子面［１１１］と基板面［１００］は、５０度乃至６０度の角度をなすことを特徴とする請求項３０に記載の光センサ。
32. 前記回折格子の回折が、前記光源部から放出された基板面に垂直な入射光を二度反射してなる＋１次と−１次の対称回折であることを特徴とする請求項２９に記載の光センサ。
33. 前記受光部は、フォトダイオードであり、前記センサ金属膜から出射された光の反射を減らすために、前記フォトダイオード上の半導体基板に格子パターンがさらに形成されることを特徴とする請求項２９に記載の光センサ。
34. 前記半導体基板が［１００］面からなるシリコン基板の場合、前記格子パターンは、前記シリコン基板の異方性エッチングにより格子面と基板面が５０度乃至６０度の角度をなすように形成されることを特徴とする請求項３３に記載の光センサ。
35. （ａ）一定厚さの基板を用意する段階と、
    （ｂ）前記基板上に少なくとも１つの光学経路を形成する段階と、
    （ｃ）前記光学経路内に入射される光を屈折させるための少なくとも１つのレンズを挿入固定する段階を含む光モジュールの製造方法。
36. 前記基板がシリコン基板である場合、
    前記光学経路は、前記シリコン基板を特定パターンを用いて異方性エッチングされることにより、前記シリコン基板面に垂直方向に貫通するピラミッド形状の孔の形に形成されることを特徴とする請求項３５に記載の光モジュールの製造方法。
37. 前記基板が［１００］面からなるシリコン基板である場合、
    前記段階（ｂ）は、
    （ｂ−１）前記シリコン基板の上下面のうち少なくとも一面に窒化シリコン膜又は酸化シリコン膜を形成する段階と、
    （ｂ−２）前記窒化シリコン膜又は酸化シリコン膜上に平板印刷工程を利用して矩形の感光膜パターンを形成する段階と、
    （ｂ−３）前記感光膜パターンを転写エッチングし、前記窒化シリコン膜又は酸化シリコン膜に転写する段階と、
    （ｂ−４）前記転写された窒化シリコン膜又は酸化シリコン膜のパターンをエッチングマスクにして前記シリコン基板を異方性エッチングし、ピラミッド形状の孔からなる光学経路を形成する段階を含むことを特徴とする請求項３５に記載の光モジュールの製造方法。
38. 前記レンズは球形状であるとともに、前記光学経路内に挿入されるとき、前記基板面の上部に突出した部位が平坦に研磨されることを特徴とする請求項３５に記載の光モジュールの製造方法。
39. フリップチップボンディングを介した光を発生させるための発光源又は入射される光を検出するための光検出器が、前記光学経路周辺の基板面又は前記平坦に研磨されたレンズ面上に、さらに取り付けられることを特徴とする請求項３８に記載の光モジュールの製造方法。
40. （ａ'）一定厚さの基板を用意する段階と、
    （ｂ'）前記基板上に透明な光学媒質が備えられた少なくとも１つの光学経路を形成する段階と、
    （ｃ'）前記透明な光学媒質上に多様な光学的機能を行うための光学要素を形成する段階を含む光モジュールの製造方法。
41. 前記基板が［１００］面からなるシリコン基板である場合、
    前記透明な光学媒質は、前記シリコン基板の一部を酸化させて形成されることを特徴とする請求項４０に記載の光モジュールの製造方法。
42. 前記基板がシリコン基板である場合、
    前記段階（ｂ'）は、
    （ｂ'−１）前記シリコン基板の上下面のうち少なくとも一面に平板印刷工程で光学経路パターンを形成する段階と、
    （ｂ'−２）前記シリコン基板を異方性エッチングし、一定厚さのシリコン膜を残した後、前記シリコン膜を酸化させて酸化シリコンガラス薄膜からなる透明な光学媒質に変換し、光学経路を形成する段階を含むことを特徴とする請求項４０に記載の光モジュールの製造方法。
43. 前記段階（ｂ'−２）で、
    前記酸化シリコンガラス薄膜の表面が光学的用途として使用するには粗い場合、
    ホウリン酸ケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）を化学気相蒸着法（ＣＶＤ）又は火炎加水分解蒸着法（ＦＨＤ）で蒸着し、これを溶融させることを特徴とする請求項４２に記載の光モジュールの製造方法。
44. 前記段階（ｃ）が、
    前記透明な光学媒質上に偏光板又は位相板フィルムを付着することを特徴とする請求項４０に記載の光モジュールの製造方法。
45. 前記段階（ｃ）が、
    前記透明な光学媒質上に反射膜又は多重光学薄膜をコーティングすることを特徴とする請求項４０に記載の光モジュールの製造方法。
46. 前記段階（ｃ）が、
    前記透明な光学媒質上に透過パターン又は回折パターンを形成することを特徴とする請求項４０に記載の光モジュールの製造方法。

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