TWI484144B - Spectrometer and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本發明係關於將光加以分光而進行檢測之分光計。
作為以往之分光計，已知有如下述之分光計，即該分光計包含雙凸透鏡之塊狀的支撐體，且在支撐體其中一方之凸面上設置有繞射光柵等之分光部，而在支撐體另一方之凸面側上，設置有光電二極體等之光檢測元件(例如參照專利文獻1)。在此種分光計中，係利用分光部對由另一方之凸面側入射之光進行分光，並利用光檢測元件來檢測被分光後之光。
專利文獻1：日本特開平4-294223號公報
然而近年來，係要求讓分光計小型化，且容易地大量生產。惟，如上述之分光計中，由於係使用雙凸透鏡之塊狀的支撐體而作為本體部，故難以小型化及大量生產。
因此，本發明之目的在於提供一種可謀求小型化，且容易地大量生產之分光計。
為達成上述目的，本發明之分光計之特徵在於包含：板狀之本體部，使由一方之面入射之光穿透；分光部，設於本體部另一方之面側，將穿透本體部之光加以分光而向一方之面側反射；及光檢測元件，設於一方之面側，檢測藉
由分光部加以分光而反射之光。
在此分光計中，本體部為板狀，故可藉由本體部之薄型化而謀求小型化。而且，由於本體部為板狀，故例如可利用晶圓製程來製造分光計。亦即，對於作為多數之本體部之晶圓，係可藉由將分光部及光檢測元件設成矩陣狀，並切割該晶圓而製造多數分光計。如此，可容易地大量生產分光計。
又，在本發明之分光計中，宜在一方之面側設有與光檢測元件電性連接之布線。依據此種構成，可不直接連接外部之布線與光檢測元件，而經由設於本體部之布線來電性連接外部之布線與光檢測元件。藉此，在處理分光計之際以及與外部裝置連接時，係可抑制局部之應力施加至光檢測元件，故即使在謀求分光計之小型化之情形下，也可防止光檢測元件之剝離及分光計之破損。又，藉由將光檢測元件直接連接於設於本體部之布線，可縮短本體部與光檢測元件之距離，故可防止藉由分光部加以分光而反射之光之衰減及雜散光之入射。
又，在本發明之分光計中，宜在一方之面與布線之間，設有吸收光之吸光層。依據此種構成，可防止藉由分光部加以分光而反射之光，在布線與本體部之間亂反射而入射於光檢測元件。
又，在本發明之分光計中，吸光層之表面(布線側之面)宜形成為粗糙面。依據此種構成，可進一步防止布線與本體部之間之亂反射光入射於光檢測元件。
又，在本發明之分光計中，宜於一方之面側上設有與布線電性連接之可撓性基板。將可撓性基板直接連接於光檢測元件時，尤其在謀求分光計之小型化時，局部之應力變得容易施加至光檢測元件。惟，依據此種構成，由於係經由設於本體部之布線而電性連接可撓性基板與光檢測元件，故可抑制應力施加至光檢測元件。藉此，即使在謀求分光計之小型化之情形下，也可防止光檢測元件之剝離及分光計之破損。
又，在本發明之分光計中，本體部宜包含積層有至少2片之透光性板。依據此種構成，可藉由將光檢測元件安裝於一方之透光性板之製程、將分光部安裝於另一方之透光性板之製程、及貼合此等透光性板之製程來製造分光計。亦即，例如在晶圓安裝光檢測元件及分光部之製程並非由該晶圓之兩面側進行，而可分為分別僅由單面側來施行之製程。藉此，可使分光計之製程成為最適於晶圓製程者，而可更容易地大量生產。
又，在本發明之分光計中，宜在相鄰之透光性板彼此(積層後之透光性板彼此)之間之特定區域，設有吸收光之吸光膜。依據此種構成，可利用吸光膜而吸收在本體部內行進之雜散光，故可減少入射於光檢測元件之雜散光，可減低雜訊。
依據本發明，可謀求分光計之小型化，且可容易地大量生產分光計。
以下，參照圖式詳細說明有關本發明之分光計之較佳實施型態。又，在各圖中，對於同一或相當之部分，係附以相同的符號而省略重複之說明。
如圖1及圖2所示，分光計1係包含長方形板狀之本體部2、設於本體部2之背面2b之透鏡部(分光部)3、沿著透鏡部3之曲面而形成之繞射層(分光部)4、形成於繞射層4之表面上的反射層(分光部)6、設於本體部2之表面2a側的略中央部上之光檢測元件7、及固定於表面2a之長側方向之端部上的可撓性基板8。此分光計1係在繞射層4使由表面2a側入射之入射光L1繞射而分光成複數之繞射光L2，並在反射層6使繞射光L2向光檢測元件7反射，利用光檢測元件7來檢測繞射光L2，以測定入射光L1之波長分佈及特定波長成分之強度等。
本體部2係利用分別貼合長方形薄板狀之透光性板2c及透光性板2d而形成。在本體部2之表面2a形成吸光層11，在該吸光層11之表面形成布線12。又，在吸光層11之表面，形成進行製造時之定位用之對準標記13、14，而在背面2b，在對應於對準標記13之位置上形成對準標記17(後述)。
透光性板2c,2d係利用BK7、派萊克斯玻璃(註冊商標)玻璃或石英等光穿透性材料而形成，具有使入射光L1與繞射光L2在其內部行進之性質。又，為利用與晶圓製程相同之
布線形成製程而形成吸光層11及布線12，表面2a側之透光性板2c宜將其厚度控制在2mm以下。
在透光性板2c與透光性板2d之間之特定區域，係形成具有吸收光之性質之吸光膜16。吸光膜16係由黑光阻膜、CrO、含CrO之積層膜所形成，具有使入射光L1通過用之狹縫16a、與使繞射光L2通過用之開口部16b。
吸光層11具有吸收光之性質，且由與吸光膜16同樣之材質所形成。此吸光層11之表面(布線12側之面)係形成粗糙面。又，吸光層11具有使來自外部之入射光L1通過用之狹縫11a、與使由透光性板2c,2d向光檢測元件7行進之繞射光L2通過用之開口部11b。
狹縫11a係在本體部2之長側方向與光檢測元件7鄰接之位置，向與長側方向略正交之方向延伸。又，開口部11b係形成在本體部2之略中央部，與光檢測元件7之光檢測面對向。
又，吸光膜16之狹縫16a及開口部16b係分別形成與狹縫11a及開口部11b對向。又，由背面2b側看時，狹縫16a係形成包圍狹縫11a之程度之大小，開口部16b係形成包圍開口部11b之程度之大小。依據狹縫16a，可將入射光L1限制於向繞射層4入射之範圍。又，假使入射光L1行進至不要之處而在不要之處產生反射光(雜散光)之情形，也可藉由開口部16b限制光通過之範圍，故可防止雜散光對光檢測元件7之入射。藉由以上，可提高分光計1之精度。
布線12係由與光檢測元件7電性連接之複數端子部12a、
與可撓性基板8電性連接之複數端子部12b、及電性連接對應之端子部12a與端子部12b之布線部12c所構成。又，端子部12a、端子部12b及布線部12c係由鋁或金等單層膜、或Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au、Cr-Au等之積層膜構成。端子部12a係包圍開口部11b之緣部被配置，端子部12b係沿著表面2a之長側方向之端部被配置。
光檢測元件7係形成長方形板狀，在本體部2之表面2a被配置於與開口部11b對向之位置。光檢測元件7係利用覆晶接合安裝在本體部2之表面2a側，形成於光檢測元件7之表面7a之端子部(未圖示)與端子部12a被電性連接。在表面7a之略中央部形成通過開口部11b之繞射光L2之受光用之光檢測面7b。又，作為光檢測元件7，例如，使用光電二極體陣列及C-MOS影像感測器、CCD影像感測器。而，在光檢測元件7與本體部2之表面2a之間，填充著下填料樹脂5。
可撓性基板8係具有柔軟性之印刷基板，藉由金屬線接合而與端子部12b連接。
透鏡部3係在本體部2之背面2b，被設置於與狹縫11a對向之位置。透鏡部3係接近於半球之形狀之透鏡，其表面形成具有特定曲率之凸曲面3a。透鏡部3係配置成凸曲面3a之透鏡中心與狹縫11a之中央部略重疊。又，凸曲面3a也可為非球面。
繞射層4係沿著透鏡部3之凸曲面3a形成。在此繞射層4，使用例如如圖3(a)所示之剖面鋸齒狀之閃耀光柵、如
(b)所示之剖面矩形狀之雙閃耀光柵、或如(c)所示之剖面正弦波狀之全息光柵等型式之光柵。光檢測元件7之光檢測面向此繞射層4之繞射光L2之分散方向延伸。又，在繞射層4之表面，藉由鋁及金等之蒸鍍，形成反射層6。
說明有關上述之分光計1之製造方法。
首先，在透光性板2c之表面，將吸光層11圖案化，以形成狹縫11a及開口部11b之圖案，同時，在其表面將布線12及對準標記13、14圖案化。此等之圖案化係藉由與晶圓製程同樣之布線形成製程所施行。
在透光性板2c之表面，藉由覆晶接合安裝光檢測元件7。此時，以對準標記14為基準施行定位。如此，由於以與狹縫11a相同之製程所形成之對準標記14為基準，故可將狹縫11a與光檢測元件7之光檢測面7b高精度地定位。
其次，在透光性板2d之背面形成透鏡部3、繞射層4及反射層6。此製程可大量生產，故藉由晶圓製程施行。即，如圖4(a)及(b)所示，在玻璃晶圓設有區分成透光性板2d之大小之切割線。而，如圖5(b)所示，在各區域藉由光蝕刻製程同時形成透鏡安裝部15與對準標記17。
透鏡安裝部15係在透光性板2d設置圓形之凹部所形成。又，對準標記17係在貼合透光性板2c與透光性板2d之情形，設置於與圖5(a)所示之背面2b側之對準標記13朝向厚度方向之位置。
而，在玻璃晶圓之各透鏡安裝部15以光學樹脂等貼附而安裝小型透鏡，藉此形成透鏡部3。更在透鏡部3形成繞射
層4及反射層6後，沿著切割線切割而分割成各個透光性板2d。
在此，參照圖6至圖8，說明在玻璃晶圓安裝透鏡部3等之製程。
如圖6(a)~(c)所示，在玻璃晶圓18之表面形成感光性樹脂圖案19，以設置透鏡安裝部15與對準標記17。又，此時，透鏡安裝部15也可藉由蝕刻加工玻璃晶圓18本身或將金屬膜圖案化而形成。在如此形成之透鏡安裝部15，塗佈貼附透鏡用之光學樹脂21。
其次如圖7(a)及(b)所示，在透鏡安裝部15安裝透鏡22而形成透鏡部3。在安裝之透鏡22之曲面，塗佈形成繞射層部4用之光硬化性樹脂25。
如圖8(a)及(b)所示，使石英等構成之光穿透性模具24抵接於塗佈之光硬化性樹脂25。在該狀態下，由光穿透性模具24之上方對光硬化性樹脂25照射紫外線而施行UV硬化處理，在透鏡22之曲面形成繞射層部4。又，最好在UV硬化處理後施行加熱固化而使繞射層部4穩定化。形成繞射層部4後，於其外面蒸鍍鋁或金而形成反射層6。又，繞射層4可利用感光性之樹脂及玻璃、有機與無機之混合素材、或遇熱變形之樹脂及玻璃、有機與無機之混合素材等形成。
在此，透鏡22之曲面之曲率半徑大於繞射層4之曲率半徑，繞射層4之曲率半徑可反映光穿透性模具24之曲率半徑。又，繞射層4之形成位置反映抵接光穿透性模具24之
位置。
從而，透鏡22係在曲率半徑有公差之情形、及透鏡22對玻璃晶圓18之安裝位置發生誤差之情形，也可使繞射層4之形成位置(XYZ方向)保持一定。
以如上述方式貼合設有各構成構件之透光性板2c與透光性板2d。貼合係藉由將吸光膜16夾入透光性板2c,2d之間，塗佈光學樹脂使其硬化而施行。吸光膜16係藉由光蝕刻等而形成於透光性板2c,2d中之一者之面上。又，貼合時，如圖9所示，係以透光性板2c之對準標記13與透光性板2d之對準標記17為基準而施行。藉此，可高精度地將狹縫11a、繞射層4及光檢測元件7定位。
說明有關上述之分光計1之作用效果。
在此分光計1中，由於本體部2為板狀，故可藉由本體部2之薄型化謀求小型化。而且，由於本體部2為板狀，故例如可利用晶圓製程製造分光計。亦即，對於作為多數之本體部2之玻璃晶圓，係可藉由將透鏡部3、繞射層4、反射層6及光檢測元件7設成矩陣狀，並切割該玻璃晶圓而製造多數分光計1。如此，可容易地大量生產分光計1。
又，在本體部2之表面2a上係形成有布線12，故可不直接連接外部之布線與光檢測元件7，而經由設於本體部2之布線12來電性連接外部之布線與光檢測元件7。藉此，在處理分光計1之際及與外部裝置連接時，可抑制局部之應力施加至光檢測元件7，故即使在謀求分光計1之小型化之情形下，也可防止光檢測元件7之剝離及分光計1之破損。
又，藉由將光檢測元件7直接連接於設於本體部2之布線12，可縮短本體部2與光檢測元件7之光檢測面7b之距離，故可防止繞射光L2之衰減及雜散光之入射。
又，在布線12與本體部2之間係設有吸收光之吸光層11，故可防止由反射層6反射之繞射光L2在布線12與本體部2之間亂反射。
又，吸光層11之表面(布線12側之面)係形成粗糙面，故由本體部2側入射於吸光層11之雜散光即使在穿透吸光層11而被布線12向本體部2側反射之情形，也可吸收雜散光，可進一步防止在布線12與本體部2之間亂反射。
另外，吸光層11之表面(布線12側之面)形成粗糙面時，可防止形成在吸光層11之表面上之布線12之剝離。
又，由於不直接連接可撓性基板8與光檢測元件7，而可經由設於本體部2之布線12電性連接，故可抑制應力施加至光檢測元件7。藉此，即使在謀求分光計1之小型化之情形下，也可防止光檢測元件7之剝離及分光計1之破損。
又，由於本體部2包含有加以積層之透光性板2c及2d，故可藉由將光檢測元件7安裝於透光性板2c之表面之製程、將透鏡部3、繞射層4及反射層6等之分光部安裝於透光性板2d之背面之製程、及貼合此等透光性板2c及2d之製程來製造分光計1。亦即，例如在玻璃晶圓安裝光檢測元件7及分光部之製程並非由該晶圓之兩面側來施行，而可分為分別僅由單面側來施行之製程。藉此，可使分光計1之製程成為最適於晶圓製程之製程，可更容易地大量生
產。
又，可藉由設於透光性板2c及2d之間之吸收光之吸光膜16吸收在本體部2內行進之雜散光，故可減少入射於光檢測元件7之雜散光，可減低雜訊。
第2實施型態之分光計31主要係在以一體型形成透鏡部3與繞射層4之點異於第1實施型態之分光計1。
即，在第2實施型態之分光計31中，如圖10所示，在本體部2之背面2b之與狹縫11a對向之位置設有在透鏡部23b之凸曲面23c上一體具有繞射層部23a之光柵透鏡部23。
其次，參照圖11及圖12說明有關光柵透鏡部23之製造方法。
如圖11(a)~(c)所示，在在玻璃晶圓18之表面形成成光性樹脂圖案29，藉以設置光柵透鏡安裝部26及對準標記17。又，此時，光柵透鏡安裝部26也可藉由蝕刻加工玻璃晶圓18本身或將金屬膜圖案化而形成。在此光柵透鏡安裝部26，塗佈形成光柵透鏡部23用之光硬化性樹脂33。
如圖12(a)，(b)所示，使石英等構成之光穿透性模具34抵接於塗佈之光硬化性樹脂33。在該狀態下，由光穿透性模具34之上方對光硬化性樹脂33照射紫外線而施行UV硬化處理，形成光柵透鏡部23。又，最好在UV硬化處理後施行加熱固化而使光柵透鏡部23穩定化。形成光柵透鏡部23後，於其外面蒸鍍鋁或金而形成反射層6。又，光柵透鏡部23可利用感光性之樹脂及玻璃、有機與無機之混合素
材、或遇熱變形之樹脂及玻璃、有機與無機之混合素材等形成。
此種第2實施型態之分光計31可利用一體型之模具形成透鏡部與繞射層，故可高精度地形成透鏡部與繞射層，並可縮短製造步驟。
第3實施型態之分光計41主要係在透光性板2c與透光性板2d之間未形成吸光膜16之點異於第1實施型態之分光計1。
即，在第3實施型態之分光計41中，如圖13所示，直接利用光學樹脂或直接焊接法接合透光性板2c與透光性板2d。
第4實施型態之分光計51主要係以一片透光性板形成本體部52之點異於第1實施型態之分光計1。
即，在第4實施型態之分光計51中，如圖14所示，本體部52係由透光性板52a、形成於其表面52b之吸光層11及布線12所構成。
第5實施型態之分光計61主要係在布線63上形成吸光層64之點異於第4實施型態。
即，在第5實施型態之分光計61中，如圖15所示，在透光性板65之表面65a形成布線63，由其上形成吸光層64。又，在吸光層64除了狹縫64a與開口部64b以外，形成有使
布線層63之端子部63a與端子部63b由吸光層64露出用之開口部64c。
此種第5實施型態之分光計61因直接在透光性板65形成與透光構件密接性較高之布線63，故可提高布線63之強度。
本發明並不限定於上述之實施型態。例如，在本實施型態中，狹縫雖形成於吸光層，但也可在光檢測元件形成狹縫。藉此，狹縫與光檢測元件利用同一製程所製作，故可提高狹縫與光檢測元件之位置精度。又，對光檢測元件之狹縫可藉由利用鹼液之濕式蝕刻或矽深乾式蝕刻或其複合技術形成。
依據本發明，可謀求分光計之小型化，且可容易地大量生產分光計。
1,31,41,51,61‧‧‧分光計
2,52‧‧‧本體部
2a,52b,65a‧‧‧表面(一方之面)
2b‧‧‧背面(另一方之面)
2c,2d‧‧‧透光性板
3,23b‧‧‧透鏡部(分光部)
4,23a‧‧‧繞射層，繞射層部(分光部)
6‧‧‧反射層(分光部)
7‧‧‧光檢測元件
7b‧‧‧光檢測面
8‧‧‧可撓性基板
11‧‧‧吸光層
12,63‧‧‧布線
16,64‧‧‧吸光膜
23‧‧‧光柵透鏡部(分光部)
圖1係第1實施型態之分光計之平面圖。
圖2係沿著圖1所示之II-II線之剖面圖。
圖3係表示繞射光柵之形狀之圖，(a)表示閃耀光柵之形狀，(b)表示雙閃耀光柵之形狀，(c)表示全息光柵之形狀。
圖4係表示製造透光性板之際使用之玻璃晶圓之圖，(a)表示平面圖，(b)表示側面圖。
圖5係表示形成於透光性板上之對準標記之位置之圖，(a)表示上側之透光性板之對準標記，(b)表示下側之透光
性板之對準標記。
圖6(a)-(c)係在透光性板上形成透鏡部、繞射層與反射層之製程之說明圖。
圖7(a)、(b)係在透光性板上形成透鏡部、繞射層與反射層之製程之說明圖。
圖8(a)、(b)係在透光性上板形成透鏡部、繞射層與反射層之製程之說明圖。
圖9係以對準標記為基準，貼合上側之透光性板與下側之透光性板之製程之圖。
圖10係表示第2實施型態之分光計且對應於圖2之剖面圖。
圖11(a)-(c)係在透光性板上形成光柵透鏡部與反射層之製程之說明圖。
圖12(a)、(b)係在透光性板上形成光柵透鏡部與反射層之製程之說明圖。
圖13係表示第3實施型態之分光計且對應於圖2之剖面圖。
圖14係表示第4實施型態之分光計且對應於圖2之剖面圖。
圖15係表示第5實施型態之分光計且對應於圖2之剖面圖。
1‧‧‧分光計
2‧‧‧本體部
2a‧‧‧表面(一方之面)
2b‧‧‧背面(另一方之面)
2c,2d‧‧‧透光性板
3‧‧‧透鏡部(分光部)
3a‧‧‧凸曲面
4‧‧‧繞射層，繞射層部(分光部)
5‧‧‧下填料樹脂
6‧‧‧反射層(分光部)
7‧‧‧光檢測元件
7a‧‧‧表面
7b‧‧‧光檢測面
8‧‧‧可撓性基板
11‧‧‧吸光層
11a,16a‧‧‧狹縫
11b,16b‧‧‧開口部
12a,12b‧‧‧端子部
16‧‧‧吸光膜
L1‧‧‧入射光
L2‧‧‧繞射光
Claims (11)
- 一種分光計，其特徵在於包含：透光部，其係包含光穿透性材料，且使由一方之面入射之光穿透；分光部，其係設於前述透光部另一方之面上，將穿透前述透光部之光加以分光而向前述一方之面側反射；及光檢測元件，其係設於前述一方之面側，檢測藉由前述分光部加以分光而反射之光；且前述分光部包含：沿著前述透光部之凸曲面而形成之繞射層、及形成於前述繞射層之表面上之反射層；前述繞射層係前述一方之表面與前述透光部相接，且前述另一方之表面與前述反射層相接。
- 如請求項1之分光計，其中在前述一方之面側設有與前述光檢測元件電性連接之布線。
- 如請求項2之分光計，其中於前述一方之面與前述布線之間設置有吸收光之吸光層。
- 如請求項3之分光計，其中前述吸光層之表面係形成為粗糙面。
- 如請求項2至4中任一項之分光計，其中在前述一方之面側設有與前述布線電性連接之可撓性基板。
- 如請求項1之分光計，其中前述透光部具有積層於前述另一方之面與前述一方之面對向之方向上的至少2片之透光性板。
- 如請求項6之分光計，其中在相鄰之前述透光性板彼此 之間之特定區域，設有吸收光之吸光膜。
- 如請求項1之分光計，其中前述透光部包含：第1透光構件，其設置有前述光檢測元件；及第2透光構件，其具有前述凸曲面、且設置有前述分光部。
- 如請求項1之分光計，其中前述透光部之前述凸曲面的曲率半徑大於前述繞射層之曲率半徑。
- 一種分光計之製造方法，該分光計包含：透光部，其係包含光穿透性材料，且使由一方之面入射之光穿透；分光部，其係設於前述透光部另一方之面上，將穿透前述透光部之光加以分光而向前述一方之面側反射；及光檢測元件，其係設於前述一方之面側，檢測藉由前述分光部加以分光而反射之光；該分光計之製造方法之特徵在於具備下述步驟：藉由於前述另一方之面設置用以形成繞射層之材料後，使前述材料抵接模具，並使前述材料硬化，而沿著前述另一方之面形成前述繞射層；及藉由於前述繞射層之表面上形成反射層，而形成前述分光部；前述繞射層係前述一方之表面與前述透光部相接，且前述另一方之表面與前述反射層相接。
- 如請求項10之分光計之製造方法，其中前述材料為光硬化性樹脂。
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