JP5592089B2 - 分光モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光を分光して検出する分光モジュール及びその製造方法に関する。

従来の分光モジュールとして、光を透過させる基板と、基板上に形成された回折格子パターンと、回折格子パターン上に形成された反射層と、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−２０４４０１号公報

上述したような分光モジュールにおいて信頼性を向上させるためには、回折格子パターンの形成の安定化が極めて重要である。特に近年、分光モジュールの小型化を図るべく回折格子パターンが微細化・薄型化されており、回折格子パターンの形成の安定化に対する要求は、ますます強くなっている。

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、回折格子パターンの形成を安定化させることができる分光モジュール及びそ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、本発明に係る分光モジュールは、一方の側から入射した光を透過させる本体部と、本体部の他方の側に形成された凸状の曲面上に設けられ、本体部に入射した光を分光すると共に本体部の一方の側に反射する分光部と、本体部の一方の側に配置され、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、分光部は、曲面に沿うように形成された回折層、回折層よりも厚くなるように回折層の周縁に沿って一体的に形成された鍔部、及び回折層の他方の側に形成された反射層を有し、回折層には、本体部の他方の側から見た場合に回折層の中心に対して所定の側に偏るように回折格子パターンが形成されていることを特徴とする。

この分光モジュールでは、回折層よりも厚くなるように回折層の周縁に沿って鍔部が一体的に形成されている。これにより、例えば型を用いて回折層及び鍔部を形成する場合の離型時に、本体部の凸状の曲面に沿うように形成された回折層が型に持っていかれて曲面から剥離するのを防止することができる。更に、回折層の中心に対して所定の側に偏るように回折格子パターンが形成されている。これにより、前述した離型時に、回折層の所定の側に対してその反対側を先行させるように離型を行えば（すなわち、型との密着性が相対的に高くなる回折格子パターンに対する離型を相対的に遅らせれば）、回折層が剥離したり、回折格子パターンが損傷したりするのを防止することができる。よって、この分光モジュールによれば、回折格子パターンの形成を安定化させることが可能となる。

本発明に係る分光モジュールにおいては、反射層は、円形状に形成されていることが好ましい。回折層の他方の側に反射層を形成する際には、分光部が本体部の凸状の曲面上に形成されることもあって、回転方向への位置ずれが生じ易くなるが、反射層が円形状に形成されているので、回転方向への位置ずれが吸収される。従って、分光モジュールの個体差を少なくして、感度のばらつきを抑えることが可能となる。

本発明に係る分光モジュールにおいては、反射層は、回折格子パターンが形成された領域に含まれるように形成されていることが好ましい。この場合、回折層において回折格子パターンが形成されていない領域に反射層が存在しないため、その回折格子パターンが形成されていない領域に到達した光が分光されずに本体部内に反射されて光検出素子で検出されたり、迷光となったりするのを抑制することができる。しかも、回折格子パターンが形成された領域であって且つ反射層が存在しない領域に到達した光は、僅かながら分光されると共に反射されて光検出素子で検出されることになるので、感度の向上を図ることができる。

このとき、回折層の他方の側には、反射層を含み且つ覆うように保護層が形成されていることが好ましい。この場合、回折格子パターンが形成された領域であって且つ反射層が存在しない領域に保護層が接触することになるので、アンカー効果によって、回折層から保護層が剥離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においては、回折格子パターンは、所定の側において鍔部上に達していることが好ましい。この場合、所定の側における鍔部との境界まで、回折層に回折格子パターンを精度良く形成することができる。また、鍔部において回折格子パターンの状態を容易に検査することが可能となる。

また、本発明に係る分光モジュールの製造方法は、上述した分光モジュールの製造方法であって、本体部の他方の側に形成された凸状の曲面上に、樹脂材を載置する工程と、樹脂材に型を押し当て、樹脂材を硬化させることにより、回折格子パターンが形成された回折層、及び鍔部を形成する工程と、所定の側に対してその反対側を先行させるように、樹脂材から型を離す工程と、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、離型時には、回折層よりも厚くなるように回折層の周縁に沿って鍔部が一体的に形成されている。これにより、本体部の凸状の曲面に沿うように形成された回折層が型に持っていかれて曲面から剥離するのを防止することができる。更に、回折層の所定の側に対してその反対側を先行させるように離型が行われるので、型との密着性が相対的に高くなる回折格子パターンに対する離型が相対的に遅らせられることになる。これにより、回折層が剥離したり、回折格子パターンが損傷したりするのを防止することができる。よって、この分光モジュールの製造方法によれば、回折格子パターンの形成を安定化させることが可能となる。

本発明によれば、回折格子パターンの形成を安定化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レンズ部の斜視図である。 図１の分光モジュールの分光部の断面図である。 図１の分光モジュールの分光部の下面図である。 本発明に係る分光モジュールの製造方法の一実施形態を説明するための図である。 本発明に係る分光モジュールの製造方法の一実施形態を説明するための図である。

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１，２に示されるように、分光モジュール１は、光Ｌ１を透過させる基板（本体部）２及びレンズ部（本体部）３と、レンズ部３の曲面３ａ上に設けられた分光部４と、基板の前面２ａ上に配置された光検出素子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ものである。

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や、光透過性モールドガラス、或いは光透過性プラスチック等によって長方形板状に形成されている。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等によって半球状に形成されている。より具体的には、図３に示されるように、レンズ部３は、曲面３ａ及び前面３ｂを有する半球状のレンズが前面３ｂに略垂直で且つ互いに略平行な２つの平面で切り落とされて側面３ｃが形成された形状となっている。曲面３ａ上に設けられた分光部４によって分光された光Ｌ２は、光検出素子５の光検出部５ａに結像される。

図１，２に示されるように、基板２の後面２ｂとレンズ部３の前面３ｂとは、基板２の長手方向とレンズ部３の側面３ｃとが略平行となった状態で、光学樹脂やダイレクトボンディングによって接合されている。これにより、基板２及びレンズ部３は、前側（本体部の一方の側）から入射した光Ｌ１を透過させることになる。また、分光部４は、基板２及びレンズ部３の後側（本体部の他方の側）に形成された凸状の曲面３ａ上に設けられ、光検出素子５は、基板２及びレンズ部３の前側に配置されることになる。

分光部４は、反射型グレーティングとして構成されており、基板２及びレンズ部３に入射した光Ｌ１を分光すると共に、分光された光Ｌ２を前側に反射する。より具体的には、図４，５に示されるように、分光部４は、曲面３ａに沿うように形成された回折層６、回折層６よりも厚くなるように回折層６の周縁６ａに沿って一体的に形成された鍔部７、及び回折層６の外側（後側）の表面に形成された反射層８を有している。

回折層６には、回折格子パターン９が形成されている。回折格子パターン９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であって、基板２の長手方向に沿って複数の溝が並設されることによって構成されている。回折格子パターン９は、回折層６の中心Ｃに対して所定の側（ここでは、基板２の長手方向に沿った一方の側）に偏っている。つまり、回折格子パターン９の中心（重心）は、鍔部７に包囲された回折層６の中心（重心）に対して所定の側にずれている。

回折層６は、後側から見た場合に円形状に形成され、鍔部７は、後側から見た場合に円環状に形成されている。そして、回折格子パターン９が形成された領域Ｇは、後側から見た場合に長方形状となっており、偏った所定の側において鍔部７の後面７ａ上に達している。また、反射層８は、後側から見た場合に円形状に形成されており、回折格子パターン９が形成された領域Ｇに含まれている。更に、回折層６の外側（後側）の表面には、後側から見た場合に反射層８を含み且つ覆うように円形状の保護層１１が形成されている。

なお、各部分の寸法の一例は、次の通りである。まず、回折層６は、外径２ｍｍ〜１０ｍｍ、厚さ１μｍ〜２０μｍであり、鍔部７は、幅０．１ｍｍ〜１ｍｍ、厚さ１０μｍ〜５００μｍである。また、反射層８は、外径１ｍｍ〜７ｍｍ、厚さ１０ｎｍ〜２０００ｎｍである。更に、回折格子パターン９が形成された領域Ｇは、一辺の長さ１．５ｍｍ〜８ｍｍである。

図１，２に示されるように、光検出素子５は、分光部４によって分光された光Ｌ２を検出する光検出部５ａを有している。光検出部５ａは、長尺状のフォトダイオードがその長手方向に略垂直な方向に１次元に配列されて構成されている。光検出素子５は、フォトダイオードの１次元配列方向が基板２の長手方向と略一致し且つ光検出部５ａが基板２の前面２ａ側を向くように配置されている。なお、光検出素子５は、フォトダイオードアレイに限定されず、Ｃ−ＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサ等であってもよい。

光検出素子５には、分光部４に進行する光Ｌ１を基板２及びレンズ部３に入射させる光通過孔１２が設けられている。光通過孔１２は、フォトダイオードの１次元配列方向に沿って光検出部５ａと並設されている。光通過孔１２は、基板２の長手方向に略垂直で且つ基板２の前面２ａに略平行な方向に延在するスリットであり、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。

基板２の前面２ａには、ＡｌやＡｕ等の単層膜、或いはＣｒ−Ｐｔ−Ａｕ、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ、Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｕ、Ｃｒ−Ａｕ等の積層膜からなる配線１３が形成されている。配線１３は、複数のパッド部１３ａ、複数のパッド部１３ｂ、及び対応するパッド部１３ａとパッド部１３ｂとを接続する複数の接続部１３ｃを有している。配線１３に対して基板２の前面２ａ側には、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１４が形成されている。

更に、基板２の前面２ａには、ＣｒＯ等の単層膜、ＣｒＯ等を含む積層膜、或いはブラックレジスト等からなる光吸収層１５が形成されている。光吸収層１５は、配線１３のパッド部１３ａ，１３ｂを露出させる一方で、配線１３の接続部１３ｃを覆っている。光吸収層１５には、分光部４に進行する光Ｌ１を通過させるスリット１５ｂ、及び光検出素子５の光検出部５ａに進行する光Ｌ２を通過させる開口１５ａが設けられている。スリット１５ｂは、光検出素子５の光通過孔１２と対向しており、開口１５ａは、光検出部５ａと対向している。

光吸収層１５から露出するパッド部１３ａには、バンプ１６を介したフェースダウンボンディングによって光検出素子５の外部端子が電気的に接続されている。そして、光検出素子５の基板２側（ここでは、光検出素子５と基板２又は光吸収層１５との間）には、少なくとも光Ｌ２を透過させるアンダーフィル材１７が充填されている。なお、図に示された構成においては、光検出素子５と基板２との間の全体にアンダーフィル材１７が充填されているが、アンダーフィル材１７をバンプ１６の周辺のみに充填する構成としてもよい。また、光吸収層１５から露出するパッド部１３ｂは、分光モジュール１の外部端子として機能する。すなわち、光吸収層１５から露出するパッド部１３ｂには、外部配線等が電気的に接続される。

次に、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、レンズ部３に分光部４を形成する。より具体的には、図６（ａ）に示されるように、レンズ部３の曲面３ａの頂部付近に、例えば、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からなる光硬化性のレプリカ用光学樹脂材２１を塗布する。続いて、図６（ｂ）に示されるように、樹脂材２１に、石英等からなる光透過性のマスタモールド（型）２２を押し当てる。マスタモールド２２には、レンズ部３の曲面３ａと略同一の曲率を有する凹状の曲面２２ａが設けられており、曲面２２ａには、回折格子パターン９に対応する複数の溝２２ｂが形成されている。

そして、図６（ｂ）に示されるように、樹脂材２１にマスタモールド２２を押し当てた状態で、マスタモールド２２を介して樹脂材２１に紫外線ＵＶを照射し、樹脂材２１を硬化させることにより、回折格子パターン９が形成された回折層６、及び鍔部７を一体的に形成する。

続いて、図６（ｃ）に示されるように、回折層６において回折格子パターン９が偏った所定の側Ａに対し、その反対側Ｂを先行させるように、樹脂材２１からマスタモールド２２を離す。つまり、マスタモールド２２との密着性が相対的に高くなる回折格子パターン９に対する離型を相対的に遅らせる。なお、離型させた後は、加熱キュア行うことによって樹脂材２１を安定化させることが好ましい。

続いて、図７（ａ）に示されるように、マスク２３の開口２３ａを介して、回折格子パターン９内の所定の領域Ｇに、ＡｌやＡｕ等の金属Ｍを蒸着することにより、反射層８を膜状に形成する。そして、図７（ｂ）に示されるように、反射層８を含み且つ覆うように、パッシベーション膜である保護層１１を形成し、分光部４を得る。

以上のように分光部４を形成する一方で、基板２に光検出素子５を実装する。より具体的には、まず、基板２の前面２ａに、光反射防止層１４と配線１３とをパターニングして形成し、更に、光吸収層１５を全面に形成した後、パターニングしてパッド部１３ａ，１３ｂを露出させると共に、スリット１５ｂ及び開口１５ａを形成する。続いて、基板２の前面２ａに、フェースダウンボンディングによって光検出素子５を実装する。

そして、光検出素子５の光検出部５ａ及び光通過孔１２に対し分光部４を高精度に位置決めした状態で、光検出素子５が実装された基板２の後面２ｂと、分光部４が形成されたレンズ部３の前面３ｂとを光学樹脂やダイレクトボンディングによって接合し、分光モジュール１を完成させる。

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、回折層６よりも厚くなるように回折層６の周縁６ａに沿って鍔部７が一体的に形成されている。これにより、マスタモールド２２を用いて回折層６及び鍔部７を形成する場合の離型時に、レンズ部３の凸状の曲面３ａに沿うように形成された回折層６がマスタモールド２２に持っていかれて曲面３ａから剥離するのを防止することができる。更に、回折層６の中心Ｃに対して所定の側に偏るように回折格子パターン９が形成されている。これにより、回折層６の所定の側に対してその反対側を先行させるように離型を行うことで（すなわち、マスタモールド２２との密着性が相対的に高くなる回折格子パターン９に対する離型を相対的に遅らせることで）、回折層６が剥離したり、回折格子パターン９が損傷したりするのを防止することができる。よって、分光モジュール１及びその製造方法によれば、回折格子パターン９の形成を安定化させることが可能となる。

なお、マスタモールド２２との密着性が相対的に高くなる回折格子パターン９が回折層６の一部のみに形成されていることも、回折格子パターン９が回折層６の全体に形成されている場合に比べ、マスタモールド２２の離型をスムーズにすることに寄与している。

また、回折層６に反射層８を形成する際には、分光部４がレンズ部３の凸状の曲面３ａ上に形成されることもあって、マスク２３の回転方向への位置ずれが生じ易くなる。ここで、光検出素子５の光通過孔１２の断面形状と略相似形となるように（例えば、長方形状となるように）反射層を形成すると、形成された反射層にも回転方向への位置ずれが生じるので、そのように製造された分光モジュールには個体差が生じてしまう。ところが、分光モジュール１では、反射層８が円形状に形成されているので、マスク２３の回転方向への位置ずれが吸収されることになる。従って、分光モジュール１の個体差を少なくして、感度のばらつきを抑えることが可能となる。

また、回折格子パターン９が形成された領域Ｇに含まれるように反射層８が形成されている。この場合、回折層６において回折格子パターン９が形成されていない領域に反射層８が存在しないため、その回折格子パターン９が形成されていない領域に到達した光が分光されずに基板２及びレンズ部３内に反射されて光検出素子５で検出されたり、迷光となったりするのを抑制することができる。しかも、回折格子パターン９が形成された領域Ｇであって且つ反射層８が存在しない領域Ｇｅに到達した光は、僅かながら分光されると共に反射されて光検出素子５で検出されることになるので、感度の向上を図ることができる。

また、回折層６には、反射層８を含み且つ覆うように保護層１１が形成されている。これにより、回折格子パターン９が形成された領域Ｇであって且つ反射層８が存在しない領域Ｇｅに保護層１１が接触することになるので、アンカー効果によって、回折層６から保護層１１が剥離するのを防止することができる。

更に、回折格子パターン９が所定の側において鍔部７の後面７ａ上に達しているので、
所定の側における鍔部７との境界まで、回折層６に回折格子パターン９を精度良く形成することができる。また、鍔部７の後面７ａにおいて回折格子パターン９の状態を容易に検査することが可能となる。

なお、分光部４を凸状の曲面３ａ上に設けることで、厚さ１μｍ〜２０μｍというように、回折層６を極薄く形成することができる。これにより、回折層６での光吸収を抑制して、光の利用効率を向上させることが可能となる。しかも、回折層６を極薄く形成することで、熱や水分に起因した回折層６の変形（伸縮等）を抑制することができ、安定した分光特性、及び高い信頼性を確保することが可能となる。その一方で、分光部４を凸状の曲面３ａ上に設けることにより、回折層６よりも鍔部７を確実且つ容易に厚くすることができ、曲面３ａから回折層６が剥離するのを防止することが可能となる。

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、分光部が設けられる凸状の曲面は、球面以外の曲面であってもよい。また、基板２及びレンズ部３は、一体的に形成されたものであってもよい。更に、光通過孔が設けられていない光検出素子を採用し、例えば、光吸収層１５のスリット１５ｂから光Ｌ１を入射させてもよい。

１…分光モジュール、２…基板（本体部）、３…レンズ部（本体部）、３ａ…曲面、４…分光部、５…光検出素子、６…回折層、６ａ…周縁、７…鍔部、８…反射層、９…回折格子パターン、１１…保護層、２１…樹脂材、２２…マスタモールド。

Claims (6)

1. 一方の側から入射した光を透過させる本体部と、
   前記本体部の他方の側に形成された凸状の曲面上に設けられ、前記本体部に入射した光を分光すると共に前記本体部の一方の側に反射する分光部と、
   前記本体部の一方の側に配置され、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、
   前記分光部は、前記曲面に沿うように形成された回折層、前記回折層よりも厚くなるように前記回折層の周縁に沿って一体的に形成された鍔部、及び前記回折層の他方の側に形成された反射層を有し、
   前記回折層には、前記本体部の他方の側から見た場合に前記回折層の中心に対して所定の側に偏るように回折格子パターンが形成されていることを特徴とする分光モジュール。
2. 前記反射層は、円形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の分光モジュール。
3. 前記反射層は、前記回折格子パターンが形成された領域に含まれるように形成されてい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。
4. 前記回折層の他方の側には、前記反射層を含み且つ覆うように保護層が形成されていることを特徴とする請求項３記載の分光モジュール。
5. 前記回折格子パターンは、前記所定の側において前記鍔部上に達していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の分光モジュール。
6. 請求項１記載の分光モジュールの製造方法であって、
   前記本体部の他方の側に形成された凸状の曲面上に、樹脂材を載置する工程と、
   前記樹脂材に型を押し当て、前記樹脂材を硬化させることにより、前記回折格子パターンが形成された前記回折層、及び前記鍔部を形成する工程と、
   前記所定の側に対してその反対側を先行させるように、前記樹脂材から前記型を離す工程と、を含むことを特徴とする分光モジュールの製造方法。

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