KR101617473B1 - 분광모듈 및 분광모듈의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 신뢰성이 높은 분광(分光)모듈을 제공한다. 본 발명에 관한 분광모듈(1)에서는 분광부(4)로 진행하는 광(L1)이 광통과구멍(50)을 통과할 때, 기판(2) 측을 향하여 끝이 가늘어지는 광입사측부(51)를 빠져나가, 광입사측부(51)의 바닥면(51b)과 대향하도록 형성된 광출사측부(52)에 입사한 광만이 광출사개구(52a)로부터 출사된다. 이 때문에, 광입사측부(51)의 측면(51c)이나 바닥면(51b)에 입사한 미광(M)은 광출사측부(52)와 반대 측으로 반사되므로, 광출사측부(52)에 미광이 입사하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 분광모듈(1)의 신뢰성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
Description
본 발명은 광을 분광(分光)하여 검출하는 분광모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래의 분광모듈로서, 예를 들면 특허문헌 1 ~ 3에 기재된 것이 알려져 있다. 특허문헌 1에는 광을 투과시키는 지지체와, 지지체에 광을 입사시키는 입사(入射)슬릿부와, 지지체에 입사한 광을 분광하여 반사하는 오목면회절격자와, 오목면회절격자에 의해서 분광되어 반사된 광을 검출하는 다이오드를 구비하는 분광모듈이 기재되어 있다.
그렇지만, 특허문헌 1 기재의 분광모듈에서는 입사슬릿부로부터 입사한 광이 지지체 내에서 산란하는 미광(迷光, stray light)이 되어, 분광모듈의 신뢰성이 저하할 우려가 있다.
그래서, 본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 신뢰성이 높은 분광모듈 및 그 분광모듈의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 관한 분광모듈은, 광을 투과시키는 본체부와, 본체부의 소정의 면 측으로부터 본체부에 입사한 광을 분광하고, 아울러, 소정의 면 측으로 반사하는 분광부와, 소정의 면 위에 배치되어 분광부에 의해서 분광된 광을 검출하는 광검출소자를 구비하고, 광검출소자는 분광부로 진행하는 광이 통과하는 광통과구멍이 형성된 기판부를 가지며, 광통과구멍은 광입사개구를 획정(劃定)하는 광입사측부 및 광출사개구를 획정하는 광출사측부를 포함하고, 광입사측부는 소정의 면과 대략 평행한 바닥면을 가지며 또한 소정의 면을 향하여 끝이 가늘어 지도록 형성되고, 광출사측부는 소정의 면과 대략 수직인 측면을 가지며 또한 바닥면과 대향하도록 형성된 것을 특징으로 한다.
이 분광모듈에서는 분광부로 진행하는 광이 광통과구멍을 통과할 때, 본체부의 소정의 면 측을 향하여 끝이 가늘어지는 광입사측부의 바닥면과 대향하도록 형성된 광출사측부에 입사한 광만이 광출사개구로부터 출사된다. 이 때, 광입사측부의 측면이나 바닥면에 입사한 광은, 광출사측부의 반대 측에 반사되므로, 광출사측부에 미광이 입사하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 분광모듈의 신뢰성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
본 발명에 관한 분광모듈에서는, 광검출소자와 소정의 면과의 사이에는 광을 흡수하는 광흡수층이 형성되어 있고, 광흡수층은 광통과구멍을 통하여 분광부로 진행하는 광이 통과하는 광통과슬릿을 가지며, 광통과슬릿의 폭은 분광부에 형성된 그레이팅(grating)홈의 연재(延在)방향과 대략 직교하는 방향에서 광출사측부의 최소 폭보다도 작게 되어 있는 것이 바람직하다.
분광모듈의 분해능은 그레이팅홈의 연재방향과 대략 직교하는 방향에서의 슬릿의 최소 폭에 크게 영향을 받는다. 이 때문에, 그레이팅홈의 연재방향과 대략 직교하는 방향에서 광검출소자의 광통과구멍의 최소 폭보다 광흡수층의 광통과슬릿의 폭을 작게 함으로써, 분광모듈의 분해능을 향상시킬 수 있다. 이것은 분광모듈의 신뢰성의 향상에 유리하다.
본 발명에 관한 분광모듈에서는, 기판부는 결정(結晶)재료로 이루어지고, 광입사측부의 측면은 (111)결정면을 따라서 형성되어 있는 것이 바람직하다. Si 등의 결정재료로 이루어진 기판부에 대해서, 웨트(wet) 에칭 등에 의해 재료의 (111)결정면을 따라서 측면을 형성함으로써, 정밀도 좋게 광입사측부를 형성할 수 있으므로, 고정밀의 광통과구멍의 형성이 가능하게 되어, 분광모듈의 신뢰성의 향상을 도모할 수 있다.
본 발명에 관한 분광모듈의 제조방법은 광을 투과시키는 본체부와, 본체부의 소정의 면 측으로부터 본체부에 입사한 광을 분광하고, 아울러, 소정의 면 측으로 반사하는 분광부와, 분광부에 의해서 분광된 광을 검출하는 광검출소자를 구비하는 분광모듈의 제조방법으로서, 광통과구멍이 형성된 기판부를 가지는 광검출소자를 준비하는 광검출소자 준비공정과, 광검출소자 준비공정에서 준비한 광검출소자와 분광부를 본체부상에 배치하는 배치공정을 구비하고, 광검출소자 준비공정은 기판부의 한쪽의 주면(主面) 측으로부터 웨트 에칭을 시행함으로써, 한쪽의 주면과 대략 평행한 바닥면을 가지며 또한 다른 쪽의 주면을 향하여 끝이 가늘어 지도록 광통과구멍의 광입사개구를 획정하는 광입사측부를 형성하는 광입사측부 형성공정과, 광입사측부 형성공정의 후에 기판부의 다른 쪽의 주면 측으로부터 드라이 에칭을 시행함으로써, 한쪽의 주면과 대략 수직인 측면을 가지며 또한 바닥면과 대향하도록 광통과구멍의 광출사개구를 획정하는 광출사측부를 형성하는 광출사측부 형성공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 분광모듈의 제조방법에 의하면, 기판부에 광통과구멍을 형성할 때, 기판부의 한쪽의 주면 측으로부터 웨트 에칭을 시행함으로써, 광입사개구를 획정하는 광입사측부를 형성한 후, 기판부의 다른 쪽의 주면 측으로부터 드라이 에칭을 시행함으로써, 광출사개구를 획정하는 광출사측부를 형성한다. 이와 같이, 웨트 에칭을 시행함으로써 광입사측부를 형성하는 것으로, 광검출소자 준비공정의 단시간화 및 저비용화를 도모할 수 있다. 또, 드라이 에칭을 시행함으로써 광출사측부를 정밀도 좋게 형성하는 것으로, 안정된 광통과특성을 가지는 광통과구멍의 형성이 가능하게 되어, 분광모듈의 신뢰성의 향상을 도모하는 것이 가능하게 된다.
본 발명에 의하면, 신뢰성이 높은 분광모듈을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 분광모듈의 평면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 II-II선에 따른 단면도이다.
도 3은 분광모듈의 하면도이다.
도 4는 광통과구멍을 나타내는 주요부 확대단면도이다.
도 5는 광통과구멍을 나타내는 주요부 확대평면도이다.
도 6은 광입사측부를 형성하는 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 광출사측부를 형성하는 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 광통과구멍의 변형예를 나타내며, 도 5에 대응하는 주요부 확대평면도이다.
도 9는 광통과구멍의 변형예를 나타내며, 도 5에 대응하는 주요부 확대평면도이다.
도 10은 광통과구멍의 변형예를 나타내며, 도 5에 대응하는 주요부 확대평면도이다.
도 11은 제2 실시형태에 관한 분광모듈을 나타내며, 도 2에 대응하는 단면도이다.
도 12는 제2 실시형태에 관한 광통과구멍을 나타내며, 도 3에 대응하는 주요부 확대단면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 II-II선에 따른 단면도이다.
도 3은 분광모듈의 하면도이다.
도 4는 광통과구멍을 나타내는 주요부 확대단면도이다.
도 5는 광통과구멍을 나타내는 주요부 확대평면도이다.
도 6은 광입사측부를 형성하는 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 광출사측부를 형성하는 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 광통과구멍의 변형예를 나타내며, 도 5에 대응하는 주요부 확대평면도이다.
도 9는 광통과구멍의 변형예를 나타내며, 도 5에 대응하는 주요부 확대평면도이다.
도 10은 광통과구멍의 변형예를 나타내며, 도 5에 대응하는 주요부 확대평면도이다.
도 11은 제2 실시형태에 관한 분광모듈을 나타내며, 도 2에 대응하는 단면도이다.
도 12는 제2 실시형태에 관한 광통과구멍을 나타내며, 도 3에 대응하는 주요부 확대단면도이다.
이하, 본 발명에 관한 분광모듈의 바람직한 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면에서 동일 또는 상당 부분에는 동일한 부호를 부여하여 중복하는 설명을 생략한다.
[제1 실시형태]
도 1, 2에 나타내는 바와 같이, 분광모듈(1)은 전면(前面)(소정의 면)(2a)으로부터 입사한 광(L1)을 투과시키는 기판(본체부)(2)과, 기판(2)을 투과하여 입사면(3a)으로부터 입사한 광(L1)을 투과시키는 렌즈부(본체부)(3)와, 렌즈부(3)에 입사한 광(L1)을 분광하고, 아울러, 반사하는 분광부(4)와, 분광부(4)에 의해서 분광된 광(L2)을 검출하는 광검출소자(5)를 구비하고 있다. 분광모듈(1)은 광(L1)을 분광부(4)에서 복수의 파장에 대응한 광(L2)으로 분광하여, 그 광(L2)을 광검출소자(5)로 검출함으로써, 광(L1)의 파장분포나 특정파장성분의 강도 등을 측정하는 마이크로 분광모듈이다.
기판(2)은 BK7, 파이렉스(Pyrex)(등록상표), 석영 등의 광투과성 유리, 플라스틱 등에 의해서, 장방형(長方形) 판상(板狀)(예를 들면, 전체 길이 15 ~ 20㎜, 전체 폭 11 ~ 12㎜, 두께 1 ~ 3㎜)으로 형성되어 있다. 기판(2)의 전면(2a)에는 Al나 Au 등의 단층막 혹은 Cr-Pt-Au, Ti-Pt-Au, Ti-Ni-Au, Cr-Au 등의 적층막으로 이루어진 배선(11)이 형성되어 있다. 배선(11)은 기판(2)의 중앙부에 배치된 복수의 패드부(11a), 기판(2)의 길이방향에서의 일단부에 배치된 복수의 패드부(11b) 및 대응하는 패드부(11a)와 패드부(11b)를 접속하는 복수의 접속부(11c)를 가지고 있다. 또, 배선(11)은 CrO 등의 단층막 혹은 Cr-CrO 등의 적층막으로 이루어지는 광반사방지층을 기판(2)의 전면(2a) 측에 가지고 있다.
또한, 기판(2)의 전면(2a)에 형성된 광흡수층(13)은 광검출소자(5)의 광통과구멍(50)(후술)을 통하여 분광부(4)로 진행하는 광(L1)이 통과하는 슬릿(광통과슬릿)(13a) 및 광검출소자(5)의 광검출부(5b)(후술)로 진행하는 광(L2)이 통과하는 개구부(13b)를 가지고 있다. 광흡수층(13)의 재료로서는 블랙 레지스터, 필러(카본이나 산화물 등)가 들어간 유색의 수지(실리콘, 엑폭시, 아크릴, 우레탄, 폴리이미드, 복합수지 등), Cr나 Co 등의 금속 또는 산화금속 혹은 그 적층막, 포러스(porous) 모양의 세라믹이나 금속 또는 산화금속을 들 수 있다.
도 2, 3에 나타내는 바와 같이, 렌즈부(3)는 기판(2)과 동일한 재료, 광투과성 수지, 광투과성의 무기·유기 하이브리드 재료 혹은 레플리카(replica) 성형용의 광투과성 저융점유리, 플라스틱 등에 의해서, 반구모양의 렌즈가 그 입사면(저면)(3a)과 대략 직교하고 또한 서로 대략 평행한 2개의 평면으로 잘라내어 측면(3b)이 형성된 형상(예를 들면 곡률반경 6 ~ 10㎜, 입사면(3a)의 전체 길이 12 ~ 18㎜, 입사면(3a)의 전체 폭(측면(3b)의 사이의 거리) 6 ~ 10㎜, 높이 5 ~ 8㎜)으로 형성되어 있으며, 분광부(4)에 의해서 분광된 광(L2)을 광검출소자(5)의 광검출부(5b)에 결상하는 렌즈로서 기능한다. 또한, 렌즈형상은 구면렌즈에 한정하지 않고, 비구면렌즈라도 된다.
분광부(4)는 렌즈부(3)의 외측 표면에 형성된 회절층(6), 회절층(6)의 외측 표면에 형성된 반사층(7), 그리고 회절층(6) 및 반사층(7)을 덮는 패시베이션(passivation)층(8)을 가지는 반사형 그레이팅이다. 회절층(6)은, 기판(2)의 길이방향을 따라서 복수의 그레이팅홈(6a)이 병설됨으로써 형성되고, 그레이팅홈(6a)의 연재방향은 기판(2)의 길이방향과 대략 직교하는 방향과 대략 일치한다. 회절층(6)은, 예를 들면, 톱니모양 단면의 블레이즈드 그레이팅(blazed grating), 직사각형 모양 단면의 바이너리 그레이팅(binary grating), 정현파(正弦波) 모양 단면의 홀로그래픽 그레이팅(holographic grating) 등이 적용되어 광경화성의 에폭시수지, 아크릴수지 또는 유기 무기 하이브리드 수지 등의 레플리카용 광학수지를 광경화시킴으로써 형성된다. 반사층(7)은, 막 모양으로서 예를 들면, 회절층(6)의 외측 표면에 Al나 Au 등을 증착하는 것으로 형성된다. 또 반사층(7)을 형성하는 면적을 조정함으로써 분광모듈(1)의 고아학 NA를 조절할 수 있다. 또, 렌즈부(3)와 분광부(4)를 구성하는 회절층(6)을 상기의 재료에 의해 일체로 형성하는 것도 가능하다. 패시베이션층(8)은 막 모양으로서 예를 들면, 회절층(6) 및 반사층(7)의 외측 표면에 MgF2나 SiO2 등을 증착하는 것으로 형성된다.
도 1, 2 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 광검출소자(5)는 기판(2)의 전면(2a)상에 배치되고, 장방형 모양(예를 들면, 전체 길이 5 ~ 10㎜, 전체 폭 1.5 ~ 3㎜, 두께 0.1 ~ 0.8㎜)의 반도체기판(5a)(기판부)를 가지고 있다. 반도체기판(5a)은 Si, GaAs, InGaAs, Ge, SiGe 등의 결정재료로 이루어진다.
반도체기판(5a)의 분광부(4) 측의 면에는 광검출부(5b)가 형성되어 있다. 광검출부(5b)는 CCD 이미지센서, PD 어레이 혹은 CMOS 이미지센서 등이며, 복수의 채널이 분광부(4)의 그레이팅홈(6a)의 연재방향과 대략 직교하는 방향(그레이팅홈(6a)의 병설방향)으로 배열되어 이루어진다. 또, 반도체기판(5a)의 분광부(4)와 반대 측의 면에는 Al나 Au 등으로 구성되는 차광층(12)이 증착에 의해서 형성되어 있다.
광검출부(5a)가 CCD 이미지센서인 경우, 2차원적으로 배치되어 있는 화소에 입사된 위치에서의 광의 강도정보가 라인 비닝(line binning)됨으로써, 1차원의 위치에서의 광의 강도정보로 되어, 그 1차원의 위치에서의 광의 강도정보가 시계열(時系列)적으로 읽어 내진다. 즉, 라인 비닝되는 화소의 라인이 1채널이 된다. 광검출부(5a)가 PD 어레이 또는 CMOS 이미지센서인 경우, 1차원적으로 배치되어 있는 화소에 입사된 위치에서의 광의 강도정보가 시계열적으로 읽어 내지기 때문에, 1화소가 1채널이 된다.
또한, 광검출부(5a)가 PD 어레이 또는 CMOS 이미지센서로서, 화소가 2차원 배열되어 있는 경우에는 분광부(4)의 그레이팅홈(6a)의 연재방향과 평행한 1차원 배열방향으로 늘어선 화소의 라인이 1채널이 된다. 또, 광검출부(5a)가 CCD 이미지센서인 경우, 예를 들면, 배열방향에서의 채널끼리의 간격이 12.5㎛, 채널 전체 길이(라인 비닝되는 1차원 화소열의 길이)가 1㎜, 배열되는 채널의 수가 256인 것이 광검출소자(5)에 이용된다.
도 2, 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 반도체기판(5a)에는 채널의 배열방향에서 광검출부(5b)와 병설되고, 분광부(4)로 진행하는 광(L1)이 통과하는 광통과구멍(50)이 형성되어 있다. 광통과구멍(50)은 기판(2)의 전면(2a)과 대략 직교하는 방향으로 연재하며, 광검출부(5b)에 대해서 고정밀도로 위치결정된 상태에서 에칭에 의해서 형성되어 있다.
광통과구멍(50)은 광(L1)이 입사하는 광입사개구(51a)를 획정하는 광입사측부(51) 및 광(L1)이 출사하는 광출사개구(52a)를 획정하는 광출사측부(52)로 구성되어 있다. 광입사측부(51)는 기판(2)의 전면(2a)을 향하여 끝이 가늘어 지도록 대략 사각뿔 사다리꼴 형상으로 형성되고, 기판(2)의 전면(2a)과 대략 평행한 바닥면(51b)을 가지고 있다.
광출사측부(52)는 반도체기판(5a)의 분광부(4) 측의 면으로부터 광입사측부(51)의 바닥면(51b)과 대향하고, 또한 연결하도록 대략 사각기둥 형상으로 형성되어 있으며, 기판(2)의 전면(2a)과 대략 수직인 측면(52b)을 가지고 있다. 광출사측부(52)는 광검출부(5b)의 채널 배열방향(그레이팅홈(6a)의 연재방향과 대략 직교하는 방향)에서 그 폭(H1)(최소 폭)이 광흡수층(13)의 슬릿(13a)의 폭(H2)보다 크게 되도록 형성되어 있다.
또, 반도체기판(5a)과 기판(2) 또는 광흡수층(13)과의 사이에는 적어도 광(L2)을 투과시키는 언더필(underfill)재(15)가 충전되어 있다. 반도체기판(5a)의 기판(2) 측의 면에는 광출사개구(52a)의 주위를 둘러싸도록 직사각형 환상(環狀)의 볼록부(53)가 형성되어 있고, 충전된 언더필재(15)는 광출사개구(52a)에 도달하기 전에 볼록부(53)에 의해 막힌다. 이것에 의해, 광통과구멍(50)으로의 언더필재(15)의 진입이 방지되기 때문에, 언더필재(15)에 의해서 굴절되거나 확산 되거나 하지 않고, 본체부(2)에 광을 입사시킬 수 있다. 또, 광흡수층(13)으로부터 노출한 패드부(11a)에는 광검출소자(5)의 외부단자가 범프(bump)(14)를 통한 페이스다운 본딩(facedown bonding)에 의해서 전기적으로 접속되어 있다. 패드부(11b)는 외부의 전기소자(미도시)와 전기적으로 접속된다.
상술한 분광모듈(1)의 제조방법에 대해 설명한다.
우선, 광검출소자(5)를 준비한다. 예를 들면 Si로 구성되는 반도체기판(5a)에서 KOH(수산화칼륨)나 TMAH(테트라 메틸 암모늄 하이드록사이드(Tetramethylammonium hydroxide)) 등을 이용한 알칼리 에칭 등을 시행함으로써 예정되는 광출사개구(52a)를 둘러싸도록 직사각형 환상의 볼록부(53)를 형성한다. 그 후, 다른 쪽의 주면(B) 측에 광검출부(5b)나 배선이나 전극패드를 준비한다.
이어서, 검출부(5b)를 기준으로 하여 양면 얼라이먼트를 이용한 포토리소그래피로 소정의 위치에 마스크를 개구하고, 알칼리 에칭을 시행함으로써 대략 사각뿔 사다리꼴 형상의 광입사측부(51)를 형성한다(도 6 참조). 이 때, 예를 들면 Si로 구성되는 반도체기판(5a)에서는 알칼리 에칭을 시행함으로써 (100)결정면에 대해서 약 55° 경사진 (111)결정면을 따라서 광입사측부(51)의 측면(51c)이 형성된다. 그리고, 광검출부(5b)를 기준으로 한 포토그래피로 반도체기판(5a)의 다른 쪽의 주면(B)에 대해서, 소정의 위치에 플라스마 방전을 이용한 실리콘 딥 드라이 에칭을 시행함으로써 광입사측부(51)의 바닥면(51b)에 대향하는 대략 사각기둥 형상의 광출사측부(52)를 형성한다(도 7 참조). 이와 같이 하여, 반도체기판(5a)의 한쪽의 주면(A)과 대략 직교하는 방향으로 연재하는 광통과구멍(50)이 형성된다. 그 후, 한쪽의 주면(A) 및 광입사측부(51)의 측면(51c) 및 바닥면(51b)상에 Al나 Au 등을 증착시킴으로써 차광층(12)를 형성하고, 검출부(5b)를 기준으로 하여 웨이퍼를 다이싱함으로써 광검출소자(5)를 준비한다.
다음으로, 렌즈부(3)에 분광부(4)를 형성한다. 구체적으로는, 렌즈부(3)의 정점(頂点) 부근에 떨어진 레플리카용 광학수지에 대해서, 회절층(6)에 대응하는 그레이팅이 새겨진 광투과성의 마스터 그레이팅을 눌러 맞닿게 한다. 그리고, 이 상태에서 광을 조사함으로써 레플리카용 광학수지를 경화시키고, 바람직하게는, 안정화시키기 위해서 가열큐어(cure)를 행함으로써, 복수의 그레이팅홈(6a)을 가지는 회절층(6)을 형성한다. 그 후, 마스터 그레이팅을 이형(離型)하여 회절층(6)의 외측 표면에 Al나 Au 등을 마스크 증착이나 전면 증착함으로써 반사층(7)을 형성하고,또한, 회절층(6) 및 반사층(7)의 외측 표면에 MgF2나 SiO2 등을 마스크 증착이나 전면 증착함으로써 패시베이션층(8)을 형성한다.
그 한편으로, 기판(2)을 준비하고, 슬릿(13a) 및 개구부(13b)를 가지는 광흡수층(13)을 기판(2)의 전면(2a)에 형성한다. 또한, 슬릿(13a) 및 개구부(13b)는 기판(2)에 분광부(4)를 위치결정하기 위한 기준부가 되는 기판(2)의 외연부에 대해서 소정의 위치관계를 가지도록 형성된다.
광흡수층(13)상에는 광검출소자(5)가 페이스다운 본딩에 의해서 실장(實裝)된다. 이어서, 광검출소자(5)와 기판(2)의 전면(2a)과의 사이에 언더필재(15)가 충전된다. 그 후, 분광부(4)가 형성된 렌즈부(3)를 기판(2)의 외연부를 기준부로 하여 광학수지제(18)에 의해서 기판(2)의 후면(2b)에 접착함으로써, 분광모듈(1)을 얻는다. 또한, 이 때, 광검출소자(5)와 기판(2)은 범프(14)를 통하여 전기적으로 접속되어 있다.
상술한 분광모듈(1)의 작용효과에 대해서 설명한다.
이 분광모듈(1)에서는, 분광부(4)로 진행하는 광(L1)이 광통과구멍(50)을 통과할 때, 기판(2) 측을 향하여 끝이 가늘어지는 광입사측부(51)의 바닥면(51b)과 대향하도록 형성된 광출사측부(52)에 입사한 광만이 광출사개구(52a)로부터 출사된다. 이 때, 광입사측부(51)의 바닥면(51b)나 측면(51c)에 입사한 미광(M)은 광입사개구(51a) 측으로 반사되므로, 광출사측부(52)에 미광이 입사하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 분광모듈(1)의 신뢰성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
또, 이 분광모듈(1)에서는 웨이퍼 상태의 반도체기판(5a)에 대해서, 알칼리 에칭을 시행하는 것에 의해 광입사측부(51)를 일괄하여 형성함으로써, 광검출소자(5)의 준비공정에서의 단시간화 및 저비용화를 도모할 수 있다.
또, 반도체기판(5a)의 다른 쪽의 주면(B)으로부터 실리콘 딥 드라이 에칭을 시행함으로써 광출사측부(52)를 정밀도 좋게 형성할 수 있으므로, 안정된 광통과특성을 가지는 광통과구멍(50)의 형성이 가능하게 되고, 분광모듈(1)의 신뢰성의 향상을 도모할 수 있다. 구체적으로는, 분광모듈(1)에서는 광검출부(5b)가 배치되는 다른 쪽의 주면(B) 측으로부터 광출사측부(52)를 형성하기 때문에, 동일면상의 광검출부(5b)에 대한 광출사측부(52)의 위치정밀도를 높게 하는 것이 가능하게 된다. 이 광통과구멍(50)의 광출사측부(52)를 통과하는 광이 분광부(4)의 그레이팅홈(6a)에서 회절됨과 아울러 반사되고, 광검출부(5b)에서 검출되기 때문에, 광출사측부(52)와 광검출부(5b)와의 위치정밀도를 향상시킴으로써, 분광모듈(1)의 신뢰성의 향상을 도모하는 것이 가능하게 된다. 또한, 이 광출사측부(52)의 개구 단면의 형상(즉 광출사개구(52a)의 형상)이 광검출부(5b)에서 광학적으로 결상되고, 반도체기판(5a)의 길이방향에서의 광출사측부(52)의 최소 폭에 대응하여 광검출부(5b)의 채널이 배열되어 있다. 이 때문에, 분광모듈(1)의 분해능은 채널의 배열방향에서의 광출사측부(52)의 최소 폭에 크게 영향을 받는다. 따라서, 실리콘 딥 드라이 에칭을 시행하는 것에 의해 광출사측부(52)를 정밀도 좋게 형성함으로써, 제품마다 분해능에 편차가 생기는 것을 억제하여, 분광모듈(1)의 신뢰성의 향상을 도모하는 것이 가능하게 된다.
또, 이 분광모듈(1)에서는 반도체기판(5a)이 Si 등의 결정재료로 구성되어 있고, 알칼리 에칭을 시행함으로써 재료의 (111)결정면을 따라서 측면을 형성함으로써, 정밀도 좋게 광입사측부(51)를 형성할 수 있으므로, 고정밀의 광통과구멍(50)의 형성이 가능하게 된다. 따라서, 분광모듈(1)의 신뢰성의 향상을 도모하는 것이 가능하게 된다.
또, 분광모듈(1)의 분해능은 그레이팅홈(6a)의 연재방향과 대략 직교하는 방향에서 광이 통과하는 슬릿의 최소 폭에 크게 영향을 받는다. 이 때문에, 그레이팅홈(6a)의 연재방향과 대략 직교하는 방향에서 광검출소자(5)에서의 광통과구멍(50)의 최소 폭(H1)보다 광흡수층(13)의 슬릿(13a)의 폭(H2)을 작게 함으로써, 분광모듈(1)의 분해능을 향상시킬 수 있다. 이것은 분광모듈(1)의 신뢰성의 향상에 유리하다.
또한, 도 8에 나타내는 바와 같이, 광검출소자(5)에 형성되는 광통과구멍(60)은 광입사측부(61)의 바닥면(61b)과 대략 수직인 측면(62b)을 가지는 광출사측부(62)가 단면 타원형상으로 형성되어 있어도 좋다. 또, 도 9에 나타내는 바와 같이, 도 5와 비교해서, 반도체기판(5a)의 길이방향과 대략 직교하는 방향(그레이팅홈(6a)의 연재방향)으로 광출사측부(72)가 연장되고, 광입사측부(71)의 바닥면(71b)의 폭과 광출사측부(72)의 개구 단면의 폭이 동일하게 되도록, 즉 광출사측부(72)의 측면(72b)과 광입사측부(71)의 측면(71c)이 직접 연결하도록 형성되어 있어도 된다. 혹은, 도 10에 나타내는 바와 같이, 도 9와 비교해서, 광출사측부(82)가 더 연장되고, 반도체기판(5a)의 길이방향과 대략 직교하는 방향에서의 광입사측부(81)의 바닥면(81b)의 폭보다 광출사측부(82)의 개구 단면의 폭이 길어지도록 형성되어 있어도 된다.
[제2 실시형태]
제2 실시형태에 관한 분광모듈(21)은 광검출소자의 구성과 기판의 전면에 배선기판이 배치되어 있는 점이 제1 실시형태에 관한 분광모듈(1)과 상이하다.
도 11, 12에 나타내는 바와 같이, 분광모듈(21)에서는 광검출소자(22)의 분광부(4)와 반대 측의 면에 단자전극(23)이 복수 형성되어 있다. 각 단자전극(23)은 대응하는 배선기판(24)의 패드부(24a)와 와이어(26)에 의해서 접속되어 있다. 이것에 의해, 단자전극(23)과 배선기판(24)이 전기적으로 접속되어, 광검출부(22b)에서 발생한 전기신호는 단자전극(23), 배선기판(24)의 패드부(24a) 및 패드부(24b)를 통하여 외부로 취출된다.
반도체기판(22a)에 형성된 광통과구멍(90)은 광입사개구(91a)를 획정하는 광입사측부(91) 및 광출사개구(92a)를 획정하는 광출사측부(92)로 구성되어 있다. 광입사측부(91)는 기판(2)의 전면(2a)과 대략 수직인 측면(91b)을 가지고 있다. 광출사측부(92)는 기판(2)의 전면(2a)을 향하여 끝이 넓어지는 모양이 되도록 대략 사각뿔 사다리꼴 형상으로 형성되고, 기판(2)의 전면(2a)과 대략 평행한 상면(92b)을 가지고 있다. 광입사측부(91)는 광출사측부(92)의 상면(92b)에 대향하여 대략 사각기둥 형상으로 형성되며, 그 측면(91b)은 광출사측부(92)의 상면(92b)에 연결되어 있다. 또, 기판(2)의 전면(2a)에 형성된 광흡수층(27)은 분광부(4)의 그레이팅홈(6a)의 연재방향과 대략 직교하는 방향에서 광입사측부(91)의 최소 폭보다 폭의 작은 슬릿(광통과슬릿)(27a)을 가지고 있다.
상술한 분광모듈(21)의 제조방법의 제조방법에 대해 설명한다.
우선, 광검출소자(22)를 준비한다. 예를 들면 Si로 구성되는 웨이퍼 상태의 반도체기판(22a)에서, 다른 쪽의 주면(B) 측에 광검출부(22b)나 배선이나 전극패드를 준비한다. 그 후, 다른 쪽의 주면(B)의 SiO2 등의 절연막상에 Al나 Au 등을 증착 시킴으로써 차광층(29)를 형성하고, 광검출소자(22)를 준비한다.
이어서, KOH(수산화 칼륨)나 TMAH(테트라 메틸 안모늄 하이드록사이드) 등을 이용한 알칼리 에칭이나 드라이 에칭 등을 시행함으로써 예정되는 광출사개구(92a)를 둘러싸도록 직사각형 환상의 볼록부(93)를 형성한다. 그 후, 광검출부(22b)를 기준으로 하여 반도체기판(22a)의 한쪽의 주면(A)에 대해서 양면 얼라이먼트를 이용한 포토리소그래피로 소정의 위치에 마스크를 개구하고, KOH(수산화 칼륨)나 TMAH(테트라 메틸 안모늄 하이드록사이드)를 이용한 알칼리 에칭을 시행함으로써 대략 사각뿔 사다리꼴 형상의 광출사측부(92)를 형성한다. 그리고, 검출부(22b)를 기준으로 한 포토그래피로 반도체기판(22a)의 다른 쪽의 주면(B)에 대해서, 소정의 위치에 플라스마 방전을 이용한 실리콘 딥 드라이 에칭을 시행함으로써 광출사측부(92)의 바닥면(92b)에 연결하는 대략 사각기둥 형상의 광입사측부(91)를 형성한다. 이와 같이 하고, 반도체기판(22a)의 한쪽의 주면(A)과 대략 직교하는 방향으로 연재하는 광통과구멍(90)이 형성된다. 그 후, 한쪽의 주면(A) 및 광입사측부(91)의 측면(91c) 및 바닥면(91b)상에 Al나 Au 등을 증착시킴으로써 차광층(29)를 형성하고, 검출부(22b)를 기준으로 하여 웨이퍼를 다이싱함으로써 광검출소자(22)를 준비한다.
그리고, 광검출소자(22)와 기판(2)의 외연부 혹은 얼라이먼트 마크를 기준부로 하여, 광검출소자(22)의 다른 쪽의 주면(B) 측과 광학수지재(17)에 의해서 기판(2)의 전면(2a)에 접착한다. 그 후, 대응하는 광검출소자(22)의 단자전극(23)과 기판(2)의 패드부(24a)를 와이어(26)에 의해서 접속한다. 패드부(24a)는 배선층(19)을 통하여 단자 패드부(24b)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 기판(2)에서 블랙 레지스터 등으로 이루어지는 광흡수층이 광검출소자(22)의 외주부에 배치되어 있기 때문에, 외란(外亂)광이나 분광부(4)로부터의 신호로서 불필요한 반사광을 흡수하여, 신뢰성을 확보할 수 있다.
그리고, 분광부(4)가 형성된 렌즈부(3)를 기판(2)의 외연부를 기준부로 하여 광학수지제(18)에 의해서 기판(2)의 후면(2b)에 접착함으로써, 분광모듈(21)을 얻는다.
상술한 제2 실시형태에 관한 분광모듈(21)에 의하면, 웨이퍼 상태의 반도체기판(22a)에 대해, 알칼리 에칭을 시행함으로써 광출사측부(92)를 일괄하여 형성하는 것으로, 광검출소자(22)의 준비공정에서의 단시간화 및 저비용화를 도모할 수 있다. 또, 반도체기판(5a)의 다른 쪽의 주면(B)으로부터 실리콘 딥 드라이 에칭을 시행함으로써 광출사측부(52)를 정밀도 좋게 형성할 수 있으므로, 안정된 광통과특성을 가지는 광통과구멍(50)의 형성이 가능하게 되어, 분광모듈(1)의 신뢰성의 향상을 도모할 수 있다.
본 발명은, 상술한 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 제1 실시형태에서의 광입사측부 및 제2 실시형태에서의 광출사측부의 형상은 대략 사각뿔 사다리꼴 형상에 한정되지 않고, 기판(2)의 전면(2a)과 대략 평행한 바닥면(상면)을 가지고, 또한 전면(2a)을 향하여 끝이 가늘어지는 형상이면 된다. 마찬가지로, 제1 실시형태에서의 광출사측부 및 제2 실시형태에서의 광입사측부의 형상은 대략 사각기둥 형상에 한정되지 않고, 기판(2)의 전면(2a)과 대략 수직인 측면을 가지며, 또한, 쌍을 이루는 광입사측부(광출사측부)의 바닥면(상면)에 대향하도록 형성되어 있으면 된다.
또, 광통과구멍은 광입사측부와 광출사측부가 직접 연결하는 태양에 한정되지 않고, 그 사이를 연결하는 중간부(예를 들면, 측면의 경사각도나 개구 단면의 형상이 다른 부위)가 마련되어 있어도 된다.
또, 제1 실시형태에서의 광입사측부 및 제2 실시형태에서의 광출사측부는 알칼리 에칭에 의해서 형성되는 경우에 한정되지 않고, 여러 가지의 웨트 에칭이나 드라이 에칭에 의해서 형성되는 태양이면 된다. 마찬가지로, 제1 실시형태에서의 광출사측부 및 제2 실시형태에서의 광입사측부는 실리콘 딥 드라이 에칭에 의해서 형성하는 경우에 한정되지 않고, 여러 가지의 드라이 에칭에 의해서 형성되는 태양이면 된다.
또, 상술한 제1 실시형태에서 제2 실시형태에서의 광통과구멍의 구성을 채용해도 되고, 제2 실시형태에서 제1 실시형태에서의 광통과구멍의 구성을 채용해도 된다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명에 의하면, 신뢰성이 높은 분광모듈을 제공할 수 있다.
1, 21 … 분광모듈, 2 … 기판(본체부), 2a … 전면(소정의 면), 3 … 렌즈부(본체부), 4 … 분광부, 5, 22 … 광검출소자, 5a, 22a … 반도체기판, 5b, 22b … 광검출부, 6 … 회절층, 6a … 그레이팅홈, 13, 27 … 광흡수층, 50, 60, 70, 80, 90 … 광통과구멍, 51, 61, 71, 81, 91 … 광입사측부, 52, 62, 72, 82, 92 … 광출사측부, 51a, 61a, 71a, 81a, 91a … 광입사개구, 51b, 61b, 71b, 81b … 바닥면, 51c, 61c, 71c, 81c, 92c … 측면, 52a, 62a, 72a, 82a, 92a … 광출사개구, 92b … 상면(바닥면), 52b, 62b, 72b, 82b, 91b … 측면, A … 한쪽의 주면, B … 다른 쪽의 주면.
Claims (6)
- 광을 투과시키는 본체부와,
상기 본체부의 소정의 면 측으로부터 상기 본체부에 입사한 광을 분광(分光)하고, 아울러, 상기 소정의 면 측으로 반사하는 분광부와,
상기 소정의 면 위에 배치되어 상기 분광부에 의해서 분광된 광을 검출하는 광검출소자를 구비하고,
상기 광검출소자는 상기 분광부로 진행하는 광이 통과하는 광통과구멍이 형성된 반도체기판을 가지며,
상기 광통과구멍은 광입사개구를 획정(劃定)하는 광입사측부 및 광출사개구를 획정하는 광출사측부를 포함하고,
상기 반도체기판의 한쪽의 면에 광검출부 및 광통과구멍의 광출사측부가 모두 형성되어 있으며,
상기 광입사측부는 상기 소정의 면과 평행한 바닥면을 가지며 또한 상기 소정의 면을 향하여 끝이 가늘어 지도록 형성되고,
상기 광출사측부는 상기 소정의 면과 수직인 측면을 가지며 또한 상기 바닥면과 대향하도록 형성된 것을 특징으로 하는 분광모듈. - 청구항 1에 있어서,
상기 광검출소자와 상기 소정의 면과의 사이에는 광을 흡수하는 광흡수층이 형성되어 있고,
상기 광흡수층은 상기 광통과구멍을 통하여 상기 분광부로 진행하는 광이 통과하는 광통과슬릿을 가지며,
상기 광통과슬릿의 폭은 상기 분광부에 형성된 그레이팅홈의 연재(延在)방향과 직교하는 방향에서 상기 광출사측부의 최소 폭보다도 작게 되어 있는 것을 특징으로 하는 분광모듈. - 청구항 1에 있어서,
상기 반도체기판은 결정재료로 이루어지고,
상기 광입사측부의 측면은 (111) 결정면을 따라서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 분광모듈. - 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광입사측부의 측면에는 차광층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 분광모듈. - 광을 투과시키는 본체부와, 상기 본체부의 소정의 면 측으로부터 상기 본체부에 입사한 광을 분광하고, 아울러, 상기 소정의 면 측으로 반사하는 분광부와, 상기 분광부에 의해서 분광된 광을 검출하는 광검출소자를 구비하는 분광모듈의 제조방법으로서,
광통과구멍이 형성된 반도체기판을 가지는 상기 광검출소자를 준비하는 광검출소자 준비공정과,
상기 광검출소자 준비공정에서 준비한 상기 광검출소자와 상기 분광부를 상기 본체부 상에 배치하는 배치공정을 구비하고,
상기 광검출소자 준비공정은 상기 반도체기판의 한쪽의 주면 측으로부터 웨트(wet) 에칭을 시행함으로써, 상기 한쪽의 주면과 평행한 바닥면을 가지며 또한 다른 쪽의 주면을 향하여 끝이 가늘어 지도록 상기 광통과구멍의 광입사개구를 획정하는 광입사측부를 형성하는 광입사측부 형성공정과,
상기 광입사측부 형성공정의 후에, 상기 반도체기판의 다른 쪽의 주면 측으로부터 드라이 에칭을 시행함으로써, 상기 한쪽의 주면과 수직인 측면을 가지며 또한 상기 바닥면과 대향하도록 상기 광통과구멍의 광출사개구를 획정하는 광출사측부를 형성하는 광출사측부 형성공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 분광모듈의 제조방법. - 입사한 광을 분광하고, 아울러, 반사하는 분광부와,
상기 분광부에 의해서 분광된 광을 검출하는 광검출소자를 구비하고,
상기 광검출소자는 상기 분광부로 진행하는 광이 통과하는 광통과구멍이 형성된 반도체기판을 가지며,
상기 광통과구멍은 상기 반도체기판의 한쪽의 주면에 광입사개구를 획정(劃定)하는 광입사측부, 및 상기 반도체기판의 다른 쪽의 주면에 광출사개구를 획정하는 광출사측부를 포함하고,
상기 반도체기판의 상기 한쪽의 주면에 상기 광검출소자의 광검출부 및 상기 광출사측부가 모두 형성되어 있으며,
상기 광입사측부는 상기 한쪽의 주면과 평행한 바닥면을 가지며 또한 상기 다른 쪽의 주면을 향하여 끝이 가늘어 지도록 형성되고,
상기 광출사측부는 상기 다른 쪽의 주면과 수직인 측면을 가지며 또한 상기 바닥면과 대향하도록 형성된 것을 특징으로 하는 분광모듈.
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