WO2009139316A1 - 分光モジュールの製造方法及び分光モジュール - Google Patents

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柴山 勝己
隆文 能野
笠原 隆
将師 伊藤
杏奈 吉田
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浜松ホトニクス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a spectroscopic module for spectrally detecting light and a spectroscopic module.
  • Patent Document 1 a main body that transmits light, a spectroscopic unit that splits light incident on the main body from a predetermined surface side of the main body and reflects the light to a predetermined surface, and is split and reflected by the spectroscopic unit.
  • a spectroscopic module that includes a photodetection element that detects the emitted light, and in which a light passage hole through which light traveling to the spectroscopic unit passes is formed in the photodetection element. According to such a spectroscopic module, it is possible to prevent the relative positional relationship between the light passage hole and the light detection unit of the light detection element from being shifted.
  • the spectroscopic module as described above, if a resin agent for attaching the photodetecting element to the main body enters the light passage hole of the photodetecting element, the light entering the main body may be refracted or scattered. Therefore, it is extremely important to prevent the occurrence of refraction and scattering and to allow light to enter the main body appropriately.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a spectral module and a spectral module capable of appropriately making light incident on a main body.
  • a method for manufacturing a spectroscopic module includes a main body that transmits light, and splits light incident on the main body from a predetermined surface side of the main body and at the predetermined surface side.
  • a method for manufacturing a spectroscopic module comprising a spectroscopic unit that reflects light and a light detection element that detects light split by the spectroscopic unit, wherein the light detection unit includes a light passage hole through which light traveling to the spectroscopic unit passes.
  • Prepared is a light detection unit composed of an element, a light transmitting member that transmits light traveling to the spectroscopic section through the light passage hole, and light traveling from the spectroscopic section to the light detection section of the light detection element.
  • a step of attaching the light detection unit to the main body by interposing a first optical resin agent between the predetermined surface and the light transmission member.
  • a light detection unit configured by bonding a light detection element and a light transmission member is provided with a first optical resin agent interposed between a predetermined surface of the main body and the light transmission member.
  • a first optical resin agent interposed between a predetermined surface of the main body and the light transmission member.
  • the light detection substrate provided with the light detection unit and the light transmission member are bonded together, and then a light passage hole is formed in the light detection substrate. It is preferable to form. In this case, it is possible to surely prevent the occurrence of refraction or scattering from entering the light passage hole.
  • the light detection substrate and the light transmission member may be bonded together by the second optical resin agent, or the light detection substrate and the light transmission member may be bonded together by direct bonding. According to these, the light detection substrate and the light transmission member can be bonded together easily and reliably.
  • a light passage hole is formed in the light detection substrate and the second optical resin agent facing the light passage hole is removed. It is preferable. In this case, it is possible to more reliably prevent the light incident on the main body from being refracted or scattered.
  • the spectroscopic module includes a main body that transmits light, a spectroscopic unit that splits light incident on the main body from a predetermined surface side of the main body and reflects the light to the predetermined surface, and a spectroscopic unit.
  • a light detection element that detects the split light a light detection element in which a light passage hole through which light traveling to the spectroscopic section passes, light traveling to the spectroscopic section through the light passage hole, and
  • a light transmission member that transmits light traveling from the spectroscopic unit to the light detection unit of the light detection element is bonded to form a light detection unit, and the first optical element is formed between the predetermined surface and the light transmission member.
  • the photodetecting unit is attached to the main body with a resin agent interposed.
  • the light transmitting member prevents the first optical resin agent from entering the light passage hole, so that light can be appropriately incident on the main body.
  • the spectroscopic module in the spectroscopic module, it is possible to prevent the occurrence of refraction, scattering, and the like so that light can be appropriately incident on the main body.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. It is a bottom view of the spectroscopy module of FIG. It is a principal part expanded sectional view of the spectroscopy module of FIG. It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the photon detection unit of the spectroscopy module of FIG. It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the photon detection unit of the spectroscopy module of FIG. It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the photon detection unit of the spectroscopy module of FIG. It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the photon detection unit of the spectroscopy module of FIG. It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the photon detection unit of the spectroscopy module of FIG.
  • FIG. 1 is a plan view of an embodiment of a spectroscopic module according to the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
  • the spectroscopic module 1 includes a substrate (main body portion) 2 that transmits light L1 incident from the front (predetermined surface) 2a side, and a lens that transmits light L1 incident on the substrate 2.
  • a part (main body part) 3 a light splitting part 4 that splits the light L1 incident on the lens part 3 and reflects it to the front surface 2a side, and a light detection element 5 that detects the light L2 split by the light splitting part 4. I have.
  • the spectroscopic module 1 splits the light L1 into the light L2 corresponding to a plurality of wavelengths by the spectroscopic unit 4, and detects the light L2 by the light detection element 5, whereby the wavelength distribution of the light L1, the intensity of the specific wavelength component, etc. It is a micro-spectral module that measures.
  • FIG. 3 is a bottom view of the spectroscopic module of FIG.
  • the substrate 2 has a rectangular plate shape (for example, a total length of 15 to 20 mm, a total width of 11 to 12 mm, and a thickness of 1 to 3 mm), and the lens unit 3 has a hemispherical shape.
  • the shape of the side surface 3b is formed by cutting the lens in two planes substantially orthogonal to the bottom surface 3a and substantially parallel to each other (for example, a radius of 6 to 10 mm, a total length of the bottom surface 3a of 12 to 18 mm, a total width of the bottom surface 3a ( That is, the distance between the side surfaces 3b) is 6 to 10 mm, and the height is 5 to 8 mm.
  • the substrate 2 and the lens unit 3 are integrally formed of BK7, Pyrex (registered trademark), light-transmitting glass such as quartz, plastic or the like in a state where the rear surface 2b of the substrate 2 and the bottom surface 3a of the lens unit 3 coincide with each other. Is formed.
  • the lens shape is not limited to a spherical lens, but may be an aspheric lens.
  • a rectangular plate-like wiring board 51 having an opening 51 a having a rectangular cross section is bonded to the front surface 2 a of the substrate 2 by a resin agent 53.
  • the wiring board 51 is provided with a wiring (second wiring) 52 made of a metal material.
  • the wiring 52 includes a plurality of pad portions 52a disposed around the opening 51a, a plurality of pad portions 52b disposed at both ends in the longitudinal direction of the wiring substrate 51, and a corresponding pad portion 52a and pad portion 52b.
  • a plurality of connection portions 52c to be connected are provided.
  • the spectroscopic unit 4 includes a diffraction layer 6 formed on the outer surface of the lens unit 3, a reflection layer 7 formed on the outer surface of the diffraction layer 6, and the diffraction layer 6 and the reflection layer.
  • the diffractive layer 6 is formed by arranging a plurality of grating grooves 6 a along the longitudinal direction of the substrate 2, and the extending direction of the grating grooves 6 a substantially coincides with the direction substantially orthogonal to the longitudinal direction of the substrate 2. To do.
  • a blazed grating with a sawtooth cross section, a binary grating with a rectangular cross section, a holographic grating with a sinusoidal cross section, etc. are applied, and a photo-curing epoxy resin, acrylic resin, or organic-inorganic hybrid resin, etc.
  • This optical resin for replica is formed by photocuring.
  • the reflective layer 7 has a film shape, and is formed by evaporating Al, Au, or the like on the outer surface of the diffraction layer 6, for example.
  • the optical NA of the spectroscopic module 1 can be adjusted by adjusting the area where the reflective layer 7 is formed.
  • the passivation layer 54 is in the form of a film, and is formed by evaporating MgF 2 , SiO 2 or the like on the outer surfaces of the diffraction layer 6 and the reflection layer 7, for example.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the main part of the spectroscopic module of FIG.
  • the light detection unit 10 configured by bonding the light detection element 5 and the light transmission plate (light transmission member) 56 is disposed.
  • the light transmission plate 56 is bonded to the front surface 2a of the substrate 2 with an optical resin agent 63 that transmits the light L1 and L2 in the opening 51a.
  • the light transmission plate 56 is a rectangular plate (for example, a total length of 5 to 10 mm, a total width of 1.5 to 3 mm, and a thickness of 0.3 to 1) made of light-transmitting glass such as BK7, Pyrex (registered trademark), quartz, or plastic. .8 mm) and transmits light L1 and L2.
  • the light detection element 5 is bonded to the front surface 56a of the light transmission plate 56 by an optical resin agent 55 that transmits the light L1 and L2.
  • the light detection element 5 includes a semiconductor substrate (light detection substrate) 91 having a rectangular plate shape (for example, a total length of 5 to 10 mm, a total width of 1.5 to 3 mm, and a thickness of 10 to 100 ⁇ m).
  • a light detection unit 5a is formed on the surface of the unit 4 side.
  • the light detection unit 5a is a CCD image sensor, a PD array, a CMOS image sensor, or the like, and a direction in which a plurality of channels are substantially orthogonal to the extending direction of the grating grooves 6a of the spectroscopic unit 4 (that is, the parallel arrangement direction of the grating grooves 6a). ).
  • the semiconductor substrate 91 is formed with a light passage hole 50 which is arranged in parallel with the light detection unit 5a in the channel arrangement direction and through which the light L1 traveling to the spectroscopic unit 4 passes.
  • the light passage hole 50 is a slit (for example, a length of 0.5 to 1 mm and a width of 10 to 100 ⁇ m) extending in a direction substantially orthogonal to the longitudinal direction of the substrate 2 and is highly accurate with respect to the light detection unit 5a. It is formed by etching or the like in the positioned state.
  • a plurality of electrodes 58 made of a metal material such as Al are formed on the surface of the semiconductor substrate 91 on the spectroscopic unit 4 side.
  • a plurality of terminal electrodes 61 made of a metal material such as Al are formed on the surface opposite to the spectroscopic portion 4 of the semiconductor substrate 91 so as to correspond to the respective electrodes 58.
  • the electrode 58 is electrically connected to the corresponding electrode 58 through a through electrode 59 made of a metal material.
  • the through electrode 59 and the terminal electrode 61 are formed integrally with the semiconductor substrate 91 via the insulating layer 92, and are covered with a passivation layer 93 so that the electrical connection portion of the terminal electrode 61 is exposed.
  • Examples of the material for the insulating layer 92 and the passivation layer 93 include resin, SiO 2 , SiN, and SiON.
  • Each terminal electrode 61 is connected to the corresponding pad portion 52 a of the wiring substrate 51 by a wire 62 in the electrical connection portion exposed from the passivation layer 93. Thereby, the electrical signal generated in the light detection unit 5 a is extracted to the outside through the electrode 58, the through electrode 59, the terminal electrode 61, the wire 62, and the wiring 52 of the wiring substrate 51.
  • a light shielding layer 94 made of a metal material such as Al is formed on the surface of the semiconductor substrate 91 opposite to the spectroscopic portion 4.
  • the light shielding layer 94 is formed on the semiconductor substrate 91 via the insulating layer 92, and is covered with the passivation layer 93.
  • the light shielding layer 94 covers the light detection unit 5 a when viewed from the thickness direction of the semiconductor substrate 91, and directly enters the light detection unit 5 a or light that is going to travel to the spectroscopic unit 4 without passing through the light passage hole 50. Block out the light you want to try.
  • the wiring board 51 also has a function of shielding light that travels to the spectroscopic unit 4 without passing through the light passage hole 50, similarly to the light shielding layer 94.
  • the light L1 is on the front surface 2a side of the substrate 2 through the light passage hole 50, the optical resin agent 55, the light transmission plate 56, and the optical resin agent 63 of the light detection element 5. Enters the substrate 2, travels through the substrate 2 and the lens unit 3, and reaches the spectroscopic unit 4.
  • the light L1 that has reached the spectroscopic unit 4 is split by the spectroscopic unit 4 into light L2 corresponding to a plurality of wavelengths.
  • the split light L2 is reflected to the front surface 2a side of the substrate 2 by the spectroscopic unit 4, travels in the lens unit 3 and the substrate 2, and passes through the optical resin agent 63, the light transmission plate 56, and the optical resin agent 55. It reaches the light detection section 5a of the light detection element 5.
  • the light L2 that has reached the light detection unit 5a is detected by the light detection element 5.
  • the light detection unit 10 configured by bonding the light detection element 5 in which the light passage hole 50 is formed and the light transmission plate 56 is prepared. Specifically, as shown in FIG. 5A, an electrode 58 is formed on one surface of a semiconductor substrate 91 provided with a light detection portion 5a on one side. Thereafter, as shown in FIG. 5B, the light transmission plate 56 is bonded to one surface of the semiconductor substrate 91 by the optical resin agent 55.
  • the thickness of the optical resin agent 55 is, for example, 10 to 50 ⁇ m.
  • the semiconductor substrate 91 is thinned by polishing the other surface of the semiconductor substrate 91 or the like.
  • the semiconductor substrate 91 is thinned from, for example, a thickness of 0.3 to 1 mm to a thickness of 10 to 100 ⁇ m.
  • a resist is patterned on the other surface of the semiconductor substrate 91, and dry etching is performed using the resist as a mask, thereby forming the light passage hole 50 and the electrode 58. Expose to the other side.
  • an insulating layer 92 is formed on the other surface of the semiconductor substrate 91 except for a part of the light passage hole 50 and each electrode 58.
  • the insulating layer 92 has a thickness of 0.5 to 5 ⁇ m, for example.
  • the through electrode 59, the terminal electrode 61, and the light shielding layer 94 are formed on the semiconductor substrate 91 via the insulating layer 92.
  • a passivation layer 93 is formed so as to cover the terminal electrode 61 and the light shielding layer 94 except for a part of the light passage hole 50 and each terminal electrode 61, and the light detection unit 10 is formed. obtain.
  • the light detection unit 10 may be obtained by dicing a semiconductor wafer including a plurality of semiconductor substrates 91 and a glass wafer including a plurality of light transmission plates 56 bonded together.
  • the substrate 2 and the lens unit 3 are integrally formed with a mold, and then the spectroscopic unit 4 is formed in the lens unit 3. Specifically, a light transmissive master grating in which a grating corresponding to the diffraction layer 6 is engraved is pressed against the replica optical resin dropped near the apex of the lens unit 3. Then, the optical resin for replica is cured by irradiating light in this state, and preferably, the diffraction layer 6 having a plurality of grating grooves 6a is formed by performing heat curing for stabilization.
  • the master grating is released, and the reflective layer 7 is formed on the outer surface of the diffractive layer 6 by mask vapor deposition or vapor deposition of Al or Au, and further on the outer surface of the diffractive layer 6 and the reflective layer 7
  • the passivation layer 54 is formed by depositing MgF 2 , SiO 2 or the like by mask vapor deposition or entire surface vapor deposition.
  • the optical detection unit 10 is bonded to the front surface 2 a of the substrate 2 by the optical resin agent 63. Further, the wiring substrate 51 is bonded to the front surface 2 a of the substrate 2 by the resin agent 53. Finally, the terminal electrode 61 of the corresponding photodetector 5 and the wiring 52 of the wiring board 51 are electrically connected by the wire 62 to obtain the spectroscopic module 1.
  • the light detection unit 10 configured by bonding the light detection element 5 and the light transmission plate 56 is connected to the front surface 2 a of the substrate 2 and the light transmission plate 56.
  • the optical resin agent 63 is interposed therebetween to adhere to the front surface 2a of the substrate 2. Therefore, when the light detection unit 10 is bonded to the substrate 2 by the optical resin agent 63, the light passage hole 50 of the light detection element 5 is covered with the light transmission plate 56, and thus the optical passage 50 is optically inserted. The entrance of the resin agent 63 is prevented. Therefore, in the manufactured spectral module 1, light L1 can be appropriately incident on the substrate 2 while preventing refraction and scattering from occurring.
  • the light passage hole 50 is formed in the semiconductor substrate 91 after the semiconductor substrate 91 provided with the light detection unit 5 a and the light transmission plate 56 are bonded together. What can cause the occurrence of scattering or the like can be reliably prevented from entering the light passage hole 50.
  • the light transmitting plate 56 on which the light detecting element 5 is mounted is bonded to the front surface 2a of the substrate 2 by the optical resin agent 63, damage to the light detecting portion 5a of the light detecting element 5 is prevented during bonding. can do.
  • the light transmission plate 56 can be strongly pressed against the front surface 2a of the substrate 2 at the time of bonding, the thickness of the optical resin agent 63 can be made uniform or bubbles in the optical resin agent 63 can be removed. It becomes possible.
  • the light passage hole 50 of the light detection element 5 is blocked by the light transmission plate 56, vacuum suction by a flat collet or the like can be carried out in a stable state. Further, in the wire bonding to the terminal electrode 61, since the light detecting element 5 is supported by the light transmission plate 56, even when the semiconductor substrate 91 is thin, the damage is prevented and reliable wire bonding is realized. be able to.
  • the volume of the light transmission plate 56 is smaller than the volume of the substrate 2, and the heat capacity of the light transmission plate 56 is smaller than the heat capacity of the substrate 2 (that is, the light transmission plate 56. Is closer to the light detection element 5 in terms of volume and heat capacity than the substrate 2). Therefore, the light transmission plate 56 expands and contracts in a state closer to the light detection element 5 than the substrate 2 when the environmental temperature of the spectral module 1 changes. Therefore, distortion generated in the light detection element 5 due to a change in the environmental temperature of the spectroscopic module 1 can be reduced as compared with the case where the light detection element 5 is mounted on the substrate 2.
  • the light transmission plate 56 has a filter function, secondary light and stray light can be removed. Furthermore, since the optical path lengths of the lights L1 and L2 can be easily changed by changing the thickness of the light transmission plate 56, adjustment of the wavelength range and resolution can be easily realized.
  • the present invention is not limited to the embodiment described above.
  • the semiconductor substrate 91 and the light transmission plate 56 may be bonded together by direct bonding. Also by direct bonding, the semiconductor substrate 91 and the light transmission plate 56 can be easily and reliably bonded together as in the case where the semiconductor substrate 91 and the light transmission plate 56 are bonded together by the optical resin agent 55.
  • a planarization layer 95 is formed on one surface of the semiconductor substrate 91 so as to cover the photodetecting portion 5 a and the electrode 58, and then the planarization layer 95 of the semiconductor substrate 91 in a vacuum. And the light transmission plate 56 are made to face each other, and the surfaces facing each other are sputtered with Ar ions or the like to activate the surfaces. Then, in the vacuum, the semiconductor substrate 91 and the light transmission plate 56 are joined by applying pressure to each other.
  • the planarizing layer 95 is formed to a thickness of 10 to 50 ⁇ m by, for example, SiO 2 , SiN, SiON or the like.
  • a rectangular annular metal pattern 96 is formed on the peripheral edge of one surface of the semiconductor substrate 91, while a rectangular annular metal pattern is formed on the light transmission plate 56 so as to correspond to the metal pattern 96.
  • the metal pattern 96 of the semiconductor substrate 91 and the metal pattern 97 of the light transmission plate 56 are opposed to each other in a vacuum, and the surfaces opposite to each other are sputtered with Ar ions or the like to activate the surface.
  • the semiconductor substrate 91 and the light transmission plate 56 are joined by applying pressure to each other.
  • the metal pattern 96 of the semiconductor substrate 91 and the metal pattern 97 of the light transmission plate 56 may be joined by solder.
  • the light passage hole 50 is formed in the semiconductor substrate 91 and, for example, dry etching is performed after the formation of the insulating layer 92.
  • the optical resin agent 55 facing the light passage hole 50 may be removed. In this case, it is possible to more reliably prevent the light L1 incident on the substrate 2 from being refracted or scattered.
  • the substrate 2 and the lens unit 3 may be formed as separate bodies and bonded by an optical resin agent 73.
  • the optical NA can be adjusted by changing the size of each light passage hole in the light absorption layer.
  • Such a light absorption layer may be formed between the light transmission plate 56 and the light detection element 5.
  • a so-called back-illuminated type element may be applied as the light detecting element 5.
  • the electrode 58 since the electrode 58 is located on the outside together with the light detection portion 5a, the electrode 58 may be connected to the pad portion 52a of the wiring substrate 51 by the wire 62 using the electrode 58 as a terminal electrode.
  • a light shielding film is formed so as to cover the light detection portion 5a of the light detection element 5.
  • the handle substrate 100 is attached to one surface of the semiconductor substrate 91 provided with the light detection portion 5a on one side with a tape or a resin agent that can be easily peeled off. .
  • the semiconductor substrate 91 is handled by using the handle substrate 100 and the semiconductor substrate 91 is thinned by polishing the other surface of the semiconductor substrate 91 as necessary, and then as shown in FIG.
  • the light transmission plate 56 is bonded to the other surface of the semiconductor substrate 91 by the optical resin agent 55.
  • the handle substrate 100 is peeled from one surface of the semiconductor substrate 91. Subsequently, as shown in FIG. 13, a resist is patterned on one surface of the semiconductor substrate 91, and the light passing hole 50 is formed by performing dry etching using the resist as a mask. Further, the optical resin layer 55 exposed in the light passage hole 50 may be removed by plasma etching using O 2 or the like.
  • the handle substrate 100 is attached to one surface of the semiconductor substrate 91 provided with the photodetecting portion 5a on one side with a tape or a resin agent that can be easily peeled off. .
  • the semiconductor substrate 91 is handled by using the handle substrate 100 and the semiconductor substrate 91 is thinned by polishing the other surface of the semiconductor substrate 91 as necessary, and then as shown in FIG. Further, the light transmission plate 56 is bonded to the other surface of the semiconductor substrate 91 by direct bonding.
  • the handle substrate 100 is peeled from one surface of the semiconductor substrate 91. Subsequently, as shown in FIG. 15, a resist is patterned on one surface of the semiconductor substrate 91, and the light passage hole 50 is formed by performing dry etching using the resist as a mask.
  • the lens unit 3 and the diffraction layer 6 may be integrally formed of a light-transmitting low melting point glass for replica molding. Note that the bonding of the light transmission plate 56 to the front surface 2a of the substrate 2 and the bonding of the wiring substrate 51 to the front surface 2a of the substrate 2 may be performed directly or indirectly through some layer. is there.
  • the spectroscopic module in the spectroscopic module, it is possible to prevent the occurrence of refraction, scattering, and the like so that light can be appropriately incident on the main body.

Abstract

 分光モジュール1の製造方法においては、光検出素子5と光透過板56とが貼り合わされて構成された光検出ユニット10を光学樹脂剤63によって基板2の前面2aに接着する。このとき、光検出素子5の光通過孔50が光透過板56によって覆われているため、光通過孔50内への光学樹脂剤63の進入が防止される。しかも、光検出ユニット10を準備するに際しては、光検出部5aが設けられた半導体基板91と光透過板56とを貼り合わせた後に、半導体基板91に光通過孔50を形成するため、屈折や散乱等の発生の原因となり得るものが光通過孔50内に進入するのを確実に防止することができる。

Description

分光モジュールの製造方法及び分光モジュール
 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して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て反射された光を検出する光検出素子と、を備え、光検出素子に、分光部に進行する光が通過する光通過孔が形成された分光モジュールが記載されている。このような分光モジュールによれば、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。
特開2004-354176号公報 特開2000-65642号公報 特開平4-294223号公報
 ところで、上述したような分光モジュールにおいては、光検出素子を本体部に取り付けるための樹脂剤が光検出素子の光通過孔内に進入すると、本体部に入射する光に屈折や散乱等が生じるおそれがあることから、屈折や散乱等の発生を防止して本体部に光を適切に入射させることが極めて重要である。
 本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、本体部に光を適切に入射させることができる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が形成された光検出素子と、光通過孔を介して分光部に進行する光、及び分光部から光検出素子の光検出部に進行する光を透過させる光透過部材とが貼り合わされて構成された光検出ユニットを準備する工程と、所定の面と光透過部材との間に第1の光学樹脂剤を介在させることにより、光検出ユニットを本体部に取り付ける工程と、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、光検出素子と光透過部材とが貼り合わされて構成された光検出ユニットを、本体部の所定の面と光透過部材との間に第1の光学樹脂剤を介在させることにより本体部に取り付ける。従って、第1の光学樹脂剤による本体部への光検出ユニットの取付けに際しては、光検出素子の光通過孔が光透過部材によって覆われることになるため、光通過孔内への第1の光学樹脂剤の進入が防止される。よって、屈折や散乱等の発生を防止して本体部に光を適切に入射させ得る分光モジュールを製造することができる。
 本発明に係る分光モジュールの製造方法においては、光検出ユニットを準備する工程では、光検出部が設けられた光検出基板と光透過部材とを貼り合わせた後に、光検出基板に光通過孔を形成することが好ましい。この場合、屈折や散乱等の発生の原因となり得るものが光通過孔内に進入するのを確実に防止することができる。
 このとき、光検出基板と光透過部材とを第2の光学樹脂剤によって貼り合わせてもよいし、或いは、光検出基板と光透過部材とをダイレクトボンディングによって貼り合わせてもよい。これらによれば、光検出基板と光透過部材とを簡単に且つ確実に貼り合わせることができる。
 そして、光検出基板と光透過部材とを第2の光学樹脂剤によって貼り合わせる場合には、光検出基板に光通過孔を形成すると共に、光通過孔に臨む第2の光学樹脂剤を除去することが好ましい。この場合、本体部に入射する光に屈折や散乱等が生じるのをより確実に防止することができる。
 また、本発明に係る分光モジュールは、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、分光部に進行する光が通過する光通過孔が形成された光検出素子と、光通過孔を介して分光部に進行する光、及び分光部から光検出素子の光検出部に進行する光を透過させる光透過部材とが貼り合わされて、光検出ユニットが構成されており、所定の面と光透過部材との間に第1の光学樹脂剤が介在させられて、光検出ユニットが本体部に取り付けられていることを特徴とする。
 この分光モジュールによれば、上述したように、光透過部材によって光通過孔内への第1の光学樹脂剤の進入が防止されるので、本体部に光を適切に入射させることができる。
 本発明によれば、分光モジュールにおいて、屈折や散乱等の発生を防止して本体部に光を適切に入射させることができる。
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ユニットの製造工程を示す断面図である。 図1の分光モジュールの光検出ユニットの製造工程を示す断面図である。 図1の分光モジュールの光検出ユニットの製造工程を示す断面図である。 図1の分光モジュールの光検出ユニットの製造工程を示す断面図である。 本発明に係る分光モジュールの他の実施形態の光検出ユニットの断面図である。 本発明に係る分光モジュールの他の実施形態の光検出ユニットの断面図である。 本発明に係る分光モジュールの他の実施形態の断面図である。 本発明に係る分光モジュールの他の実施形態の光検出ユニットの製造工程を示す断面図である。 本発明に係る分光モジュールの他の実施形態の光検出ユニットの製造工程を示す断面図である。 本発明に係る分光モジュールの他の実施形態の光検出ユニットの製造工程を示す断面図である。 本発明に係る分光モジュールの他の実施形態の光検出ユニットの製造工程を示す断面図である。
 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。
 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は、長方形板状(例えば、全長15~20mm、全幅11~12mm、厚さ1~3mm)の形状を有しており、レンズ部3は、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)を有している。基板2とレンズ部3とは、基板2の後面2bとレンズ部3の底面3aとが一致した状態で、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一体的に形成されている。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。
 図1,2に示されるように、基板2の前面2aには、断面長方形状の開口部51aを有する長方形板状の配線基板51が樹脂剤53によって接着されている。配線基板51には、金属材料からなる配線(第2の配線)52が設けられている。配線52は、開口部51aの周囲に配置された複数のパッド部52a、配線基板51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52b、及び対応するパッド部52aとパッド部52bとを接続する複数の接続部52cを有している。
 図2,3に示されるように、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の外側表面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。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。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やSiO等を蒸着することで形成される。
 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、配線基板51の開口部51a内には、光検出素子5と光透過板(光透過部材)56とが貼り合わされて構成された光検出ユニット10が配置されている。光透過板56は、開口部51a内において、光L1,L2を透過させる光学樹脂剤63によって基板2の前面2aに接着されている。光透過板56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5~10mm、全幅1.5~3mm、厚さ0.3~1.8mm)に形成されており、光L1,L2を透過させる。
 光透過板56の前面56aには、光L1,L2を透過させる光学樹脂剤55によって光検出素子5が接着されている。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10~100μm)の半導体基板(光検出基板)91を有しており、半導体基板91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。
 また、半導体基板91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。
 半導体基板91の分光部4側の面には、Al等の金属材料からなる電極58が複数形成されている。一方、半導体基板91の分光部4と反対側の面には、各電極58と対応するように、Al等の金属材料からなる端子電極61が複数形成されており、各端子電極61は、Al等の金属材料からなる貫通電極59を介して、対応する電極58と電気的に接続されている。
 貫通電極59と端子電極61とは、半導体基板91に対し絶縁層92を介して一体的に形成され、端子電極61の電気的接続部を露出させるようにパッシベーション層93によって覆われている。絶縁層92及びパッシベーション層93の材料としては、樹脂やSiO、SiN、SiON等が挙げられる。各端子電極61は、パッシベーション層93から露出した電気的接続部において、対応する配線基板51のパッド部52aとワイヤ62によって接続されている。これにより、光検出部5aで発生した電気信号は、電極58、貫通電極59、端子電極61、ワイヤ62及び配線基板51の配線52を介して外部に取り出される。
 更に、半導体基板91の分光部4と反対側の面には、Al等の金属材料からなる遮光層94が形成されている。遮光層94は、半導体基板91に対し絶縁層92を介して形成され、パッシベーション層93によって覆われている。遮光層94は、半導体基板91の厚さ方向から見て光検出部5aを覆っており、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や、光検出部5aに直接入射しようとする光を遮光する。なお、配線基板51も、遮光層94と同様に、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を遮光する機能を有している。
 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、光学樹脂剤55、光透過板56及び光学樹脂剤63を介して基板2の前面2a側から基板2に入射し、基板2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によって基板2の前面2a側に反射され、レンズ部3及び基板2内を進行して、光学樹脂剤63、光透過板56及び光学樹脂剤55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、光通過孔50が形成された光検出素子5と光透過板56とが貼り合わされて構成された光検出ユニット10を準備する。具体的には、図5(a)に示されるように、一方の側に光検出部5aが設けられた半導体基板91の一方の面に、電極58を形成する。その後、図5(b)に示されるように、半導体基板91の一方の面に、光学樹脂剤55によって光透過板56を接着する。光学樹脂剤55の厚さは、例えば、10~50μmである。
 続いて、図6(a)に示されるように、半導体基板91の他方の面を研磨するなどして、半導体基板91を薄型化する。半導体基板91は、例えば、厚さ0.3~1mmから厚さ10~100μmに薄型化される。その後、図6(b)に示されるように、半導体基板91の他方の面にレジストをパターニングし、そのレジストをマスクとしてドライエッチングを施すことにより、光通過孔50を形成すると共に、電極58を他方の側に露出させる。
 続いて、図7(a)に示されるように、光通過孔50及び各電極58の一部を除いて半導体基板91の他方の面に絶縁層92を形成する。絶縁層92の厚さは、例えば、0.5~5μmである。その後、図7(b)に示されるように、半導体基板91に対し絶縁層92を介して貫通電極59、端子電極61及び遮光層94を形成する。最後に、図8に示されるように、光通過孔50及び各端子電極61の一部を除いて端子電極61及び遮光層94を覆うようにパッシベーション層93を形成して、光検出ユニット10を得る。
 なお、光検出ユニット10は、複数の半導体基板91を含む半導体ウェハと、複数の光透過板56を含むガラスウェハとが貼り合わされて構成されたものをダイシングすることにより得てもよい。
 光検出ユニット10を準備する一方で、基板2及びレンズ部3をモールドで一体成形し、その後、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等をマスク蒸着や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やSiO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。
 そして、光学樹脂剤63によって基板2の前面2aに光検出ユニット10を接着する。更に、樹脂剤53によって基板2の前面2aに配線基板51を接着する。最後に、対応する光検出素子5の端子電極61と配線基板51の配線52とをワイヤ62によって電気的に接続し、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の製造方法においては、光検出素子5と光透過板56とが貼り合わされて構成された光検出ユニット10を、基板2の前面2aと光透過板56との間に光学樹脂剤63を介在させることにより基板2の前面2aに接着する。従って、光学樹脂剤63による基板2への光検出ユニット10の接着に際しては、光検出素子5の光通過孔50が光透過板56によって覆われることになるため、光通過孔50内への光学樹脂剤63の進入が防止される。よって、製造された分光モジュール1においては、屈折や散乱等の発生を防止して基板2に光L1を適切に入射させることができる。
 また、光検出ユニット10を準備する工程では、光検出部5aが設けられた半導体基板91と光透過板56とを貼り合わせた後に、半導体基板91に光通過孔50を形成するため、屈折や散乱等の発生の原因となり得るものが光通過孔50内に進入するのを確実に防止することができる。
 また、光検出素子5が実装された光透過板56を、光学樹脂剤63によって基板2の前面2aに接着するので、接着時に光検出素子5の光検出部5aにダメージが与えられるのを防止することができる。しかも、接着時に光透過板56を基板2の前面2aに対して強く押し付けることができるため、光学樹脂剤63の厚さを均一化したり、光学樹脂剤63内の気泡を除去したりすることが可能となる。
 また、光検出素子5の光通過孔50が光透過板56によって塞がれるため、平コレット等による真空吸着を安定した状態で実施することができる。更に、端子電極61に対するワイヤボンディングにおいては、光検出素子5が光透過板56によって支持されるため、半導体基板91が薄い場合であっても、その破損を防止して確実なワイヤボンディングを実現することができる。
 なお、分光モジュール1においては、光透過板56の体積が基板2の体積よりも小さくなっており、光透過板56の熱容量が基板2の熱容量よりも小さくなっている(つまり、光透過板56は、基板2よりも、体積や熱容量の点で光検出素子5に近い)。そのため、光透過板56は、分光モジュール1の環境温度が変化した際に、基板2よりも光検出素子5に近い状態で膨張・収縮することになる。従って、分光モジュール1の環境温度の変化に起因して光検出素子5に生じる歪を、光検出素子5が基板2に実装される場合に比べ、低減することができる。
 また、光透過板56にフィルタ機能を持たせれば、2次光や迷光を除去することができる。更に、光透過板56の厚さを変更することにより、光L1,L2の光路長を簡単に変更することができるため、波長範囲や分解能の調整を容易に実現することができる。
 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、半導体基板91と光透過板56とをダイレクトボンディングによって貼り合わせてもよい。ダイレクトボンディングによっても、半導体基板91と光透過板56とを光学樹脂剤55によって貼り合わせた場合と同様に、半導体基板91と光透過板56とを簡単に且つ確実に貼り合わせることができる。
 ダイレクトボンディングの具体例について説明する。図9に示されるように、半導体基板91の一方の面に、光検出部5a及び電極58を覆うように平坦化層95を形成し、その後、真空中において、半導体基板91の平坦化層95と光透過板56とを対向させ、互いの対向面をArイオン等でスパッタリングして表面活性化させる。そして、その真空中において、互いに加圧することにより半導体基板91と光透過板56とを接合する。なお、平坦化層95は、例えば、SiO、SiN、SiON等により、厚さ10~50μmに形成される。
 ダイレクトボンディングの他の具体例について説明する。図10に示されるように、半導体基板91の一方の面の周縁部に矩形環状のメタルパターン96を形成する一方で、そのメタルパターン96と対応するように光透過板56に矩形環状のメタルパターン97を形成し、その後、真空中において、半導体基板91のメタルパターン96と光透過板56のメタルパターン97とを対向させ、互いの対向面をArイオン等でスパッタリングして表面活性化させる。そして、その真空中において、互いに加圧することにより半導体基板91と光透過板56とを接合する。なお、半導体基板91のメタルパターン96と光透過板56のメタルパターン97とを半田によって接合してもよい。
 また、半導体基板91と光透過板56とを光学樹脂剤55によって貼り合わせる場合には、半導体基板91に光通過孔50を形成すると共に、例えば絶縁層92の形成後にドライエッチングを施すことにより、光通過孔50に臨む光学樹脂剤55を除去してもよい。この場合には、基板2に入射する光L1に屈折や散乱等が生じるのをより確実に防止することが可能となる。
 また、図11に示されるように、基板2とレンズ部3とを別体として形成し、光学樹脂剤73によって接合してもよい。この場合、基板2とレンズ部3との間に、分光部4に進行する光L1が通過する光通過孔、及び光検出素子5の光検出部5aに進行する光L2が通過する光通過孔を有する光吸収層を形成してもよい。この構成によれば、広がりながら進行する光を所望の領域に到達するように制限することができると共に、光検出素子5に迷光が入射するのを効果的に抑制することができる。また、光吸収層において各光通過孔のサイズを異ならせることで、光学NAを調整することができる。このような光吸収層は、光透過板56と光検出素子5との間に形成してもよい。
 また、図11に示されるように、光検出素子5として、いわゆる裏面入射型の素子を適用してもよい。この場合には、電極58が光検出部5aと共に外側に位置することになるので、電極58を端子電極として配線基板51のパッド部52aとワイヤ62で接続すればよい。なお、光検出素子5が裏面入射型である場合には、光検出素子5の光検出部5aを覆うように遮光膜が形成されていることが好ましい。
 光検出素子5が裏面入射型である場合において、半導体基板91と光透過板56とを光学樹脂剤55によって貼り合わせるときの光検出ユニット10の製造方法について説明する。まず、図12(a)に示されるように、一方の側に光検出部5aが設けられた半導体基板91の一方の面に、剥離が容易なテープや樹脂剤等によってハンドル基板100を貼り付ける。そして、ハンドル基板100を用いて半導体基板91をハンドリングし、必要に応じて半導体基板91の他方の面を研磨するなどして半導体基板91を薄型化した後、図12(b)に示されるように、半導体基板91の他方の面に、光学樹脂剤55によって光透過板56を接着する。ここで、半導体基板91の一方の面からハンドル基板100を剥離する。続いて、図13に示されるように、半導体基板91の一方の面にレジストをパターニングし、そのレジストをマスクとしてドライエッチングを施すことにより、光通過孔50を形成する。更に、光通過孔50内に露出した光学樹脂層55を、O等を用いたプラズマエッチングにより除去してもよい。
 次に、光検出素子5が裏面入射型である場合において、半導体基板91と光透過板56とをダイレクトボンディングによって貼り合わせるときの光検出ユニット10の製造方法について説明する。まず、図14(a)に示されるように、一方の側に光検出部5aが設けられた半導体基板91の一方の面に、剥離が容易なテープや樹脂剤等によってハンドル基板100を貼り付ける。そして、ハンドル基板100を用いて半導体基板91をハンドリングし、必要に応じて半導体基板91の他方の面を研磨するなどして半導体基板91を薄型化した後、図14(b)に示されるように、半導体基板91の他方の面に、ダイレクトボンディングによって光透過板56を接着する。ここで、半導体基板91の一方の面からハンドル基板100を剥離する。続いて、図15に示されるように、半導体基板91の一方の面にレジストをパターニングし、そのレジストをマスクとしてドライエッチングを施すことにより、光通過孔50を形成する。
 また、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。なお、基板2の前面2aに対する光透過板56の接着、及び基板2の前面2aに対する配線基板51の接着等は、直接的に行われる場合や、何らかの層を介して間接的に行われる場合がある。
 本発明によれば、分光モジュールにおいて、屈折や散乱等の発生を防止して本体部に光を適切に入射させることができる。
 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、10…光検出ユニット、50…光通過孔、55…光学樹脂剤(第2の光学樹脂剤)、56…光透過板(光透過部材)、63…光学樹脂剤(第1の光学樹脂剤)、91…半導体基板(光検出基板)。

Claims (6)

  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が形成された前記光検出素子と、前記光通過孔を介して前記分光部に進行する光、及び前記分光部から前記光検出素子の光検出部に進行する光を透過させる光透過部材とが貼り合わされて構成された光検出ユニットを準備する工程と、
     前記所定の面と前記光透過部材との間に第1の光学樹脂剤を介在させることにより、前記光検出ユニットを前記本体部に取り付ける工程と、を含むことを特徴とする分光モジュールの製造方法。
  2.  前記光検出ユニットを準備する工程では、前記光検出部が設けられた光検出基板と前記光透過部材とを貼り合わせた後に、前記光検出基板に前記光通過孔を形成す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.  前記光検出基板と前記光透過部材とを第2の光学樹脂剤によって貼り合わせることを特徴とする請求項2記載の分光モジュールの製造方法。
  4.  前記光検出基板に前記光通過孔を形成すると共に、前記光通過孔に臨む前記第2の光学樹脂剤を除去することを特徴とする請求項3記載の分光モジュールの製造方法。
  5.  前記光検出基板と前記光透過部材とをダイレクトボンディングによって貼り合わせることを特徴とする請求項2記載の分光モジュールの製造方法。
  6.  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、
     前記分光部に進行する光が通過する光通過孔が形成された前記光検出素子と、前記光通過孔を介して前記分光部に進行する光、及び前記分光部から前記光検出素子の光検出部に進行する光を透過させる光透過部材とが貼り合わされて、光検出ユニットが構成されており、
     前記所定の面と前記光透過部材との間に第1の光学樹脂剤が介在させられて、前記光検出ユニットが前記本体部に取り付けられていることを特徴とする分光モジュール。
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