DE102007050609B4

DE102007050609B4 - Optische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102007050609B4
Application number: DE102007050609.2A
Authority: DE
Inventors: Junji Oohara; Yukihiro Takeuchi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-11-06
Filing date: 2007-10-23
Publication date: 2017-04-27
Anticipated expiration: 2027-10-24
Also published as: US20080130139A1; DE102007050609A1; JP4735513B2; US7612944B2; JP2008116755A

Abstract

Optische Vorrichtung mit: – einem Siliziumsubstrat (1); und – mehreren säulenförmigen Elementen (5), die einteilig mit dem Siliziumsubstrat (1) ausgebildet sind und auf einer oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats (1) stehen; wobei – die mehreren säulenförmigen Elemente (5) aus Siliziumoxid gebildet sind; – Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge λ in einer ersten Richtung in die mehreren säulenförmigen Elemente (5) eintritt und sich in einer zweiten Richtung durch die mehreren säulenförmigen Elemente (5) ausbreitet; – sich die mehreren säulenförmigen Elemente (5) in einer dritten Richtung erstrecken; – ein Winkel zwischen der ersten und der dritten Richtung größer als ein kritischer Winkel und gleich groß wie oder kleiner als 90 Grad ist; – die mehreren säulenförmigen Elemente (5) mit einem Spalt (4) in der zweiten Richtung angeordnet sind; – die zweite Richtung senkrecht zu der dritten Richtung ist; – das Siliziumoxid einen ersten Brechungsindex N1 bei der Wellenlänge λ besitzt; – der Spalt (4) mit einem Material mit einem zweiten Brechungsindex N2 bei der Wellenlänge λ gefüllt ist, wobei – der zweite Brechungsindex N2 kleiner als der erste Brechungsindex N1 ist; – jedes säulenförmige Element (5) eine Breite W in der zweiten Richtung besitzt; – der Spalt (4) eine Breite T in der zweiten Richtung besitzt; – λ ist; – A eine positive, ungerade Zahl ist; – λ ist; und – B eine positive, ganze Zahl ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung.
In der US 7,129,176 B2 zum Beispiel, die der JP-A-2004-271756 entspricht, ist eine Technik zur Herstellung optischer Vorrichtungen wie etwa Mikrolinsen, Prismen oder Lichtwellenleiter auf einem Siliziumsubstrat offenbart. Entsprechend dieser Technik wird zuerst ein Siliziumsubstrat unter Verwendung einer Maske geätzt, um eine Anzahl von Gräben zu bilden. Als Folge davon sind mehrere säulenförmige Elemente durch die Gräben getrennt angeordnet. Jedes säulenförmige Element erstreckt sich parallel zu einer Lichtausbreitungsrichtung (Lichtachse), so dass die Lichtdurchlässigkeit verbessert werden kann. Anschließend werden die säulenförmigen Elemente thermisch oxidiert und zu Siliziumoxid umgewandelt. Dadurch dehnen sich die säulenförmigen Elemente thermisch aus, und die Gräben werden entsprechend aufgefüllt. Somit wird ein vorbestimmter Bereich des Siliziumsubstrats zu einem Blockelement. Das Blockelement besitzt eine optische Funktion, die von seiner äußeren Form abhängt, und wirkt als optische Vorrichtung.
Wenn ein nicht oxidierter Abschnitt (d. h. Silizium) in den säulenförmigen Elementen verbleibt, wird die Lichtdurchlässigkeit des Blockelements herabgesetzt, da Silizium opak ist. Daher ist es wichtig, dass die Gräben zwischen den säulenförmigen Elementen existieren, um den säulenförmigen Elementen solange Sauerstoff zuzuführen, bis sie vollständig oxidiert sind. Es wurde empirisch festgestellt, dass eine thermisch oxidierte Schicht außerhalb und innerhalb bezüglich einer Oberfläche des Siliziumsubstrats in einem Verhältnis von 0,55:0,45 wächst.
Der nicht oxidierte Abschnitt, der nach der thermischen Oxidation in den säulenförmigen Elementen verbleibt, kann durch Verbreiterung der Gräben verhindert werden. In diesem Fall können jedoch die Gräben nach der Ausdehnung der säulenförmigen Elemente aufgrund der thermischen Oxidation nicht perfekt aufgefüllt werden. Dadurch verbleiben nach der thermischen Oxidation Spalte von den Gräben zwischen den säulenförmigen Elementen. Da die Spalte regelmäßig angeordnet sind, wirken sie als Beugungsgitter. Daher wird das Licht, das durch das Blockelement hindurchtritt, in Lichtstrahlen unterschiedlicher Beugungsordnungen aufgespaltet bzw. aufgeteilt, die sich in unterschiedliche Richtungen ausbreiten. Die optische Vorrichtung verwendet nur eine dieser Beugungsordnungen. Zum Beispiel wird, wenn das optische Element als Linse wirkt, nur die 0-te Beugungsordnung verwendet. Dadurch ist der Transmissionsgrad der optischen Vorrichtung stark reduziert.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei weiterhin auf die DE 10 2004 010 907 A1 und die US 5,628,917 A verwiesen. Die DE 10 2004 010 907 A1 offenbart eine „optische Vorrichtung mit Mikrolinsen-Anordnung, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung” mit einem Halbleitersubstrat und ein optischen Teil, das eine Mehrzahl von säulenförmigen Teilen umfasst, die auf dem Halbleitersubstrat aufrecht stehend angeordnet und aneinander geheftet sind, wobei das optische Teil einstückig mit dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist. Die US 5,628,917 A offenbart einen Maskierungsprozess zur Herstellung von mikro-opto-elektromechanischen Strukturen („Masking Process for Fabricating Ultra-high Aspect Ratio, Wafer-Free Micro-Opto-Electromechanical Structures”). Der darin beschriebene Maskierungsprozess resultiert aus einer modifizierten Version eines SCREAM-(Single Crystal Silicon Reactive Etch and Metal)Prozesses und dient der Herstellung von Strukturen mit hoher vertikaler Tiefe und schmaler Linienbreite.
Angesichts des oben beschriebenen Problems ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Vorrichtung bereitzustellen, die unabhängig von Spalten eine hohe Lichtdurchlässigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 11 bzw. 12 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 1) umfasst eine optische Vorrichtung ein Siliziumsubstrat und mehrere säulenförmige Elemente, die einteilig mit dem Siliziumsubstrat ausgebildet sind und auf einer oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats stehen, wobei die mehreren säulenförmigen Elemente aus Siliziumoxid gebildet sind, Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge λ in einer ersten Richtung in die mehreren säulenförmigen Elemente eintritt und sich in einer zweiten Richtung durch die mehreren säulenförmigen Elemente ausbreitet, sich die mehreren säulenförmigen Elemente in einer dritten Richtung erstrecken, ein Winkel zwischen der ersten und der dritten Richtung größer als ein kritischer Winkel und gleich groß wie oder kleiner als 90 Grad ist, die mehreren säulenförmigen Elemente mit einem Spalt in der zweiten Richtung angeordnet sind, die zweite Richtung senkrecht zu der dritten Richtung ist, das Siliziumoxid einen ersten Brechungsindex N1 bei der Wellenlänge λ besitzt, der Spalt mit einem Material mit einem zweiten Brechungsindex N2 bei der Wellenlänge λ gefüllt ist, wobei der zweite Brechungsindex N2 kleiner als der erste Brechungsindex N1 ist, jedes säulenförmige Element eine Breite W in der zweiten Richtung besitzt, der Spalt eine Breite T in der zweiten Richtung besitzt, W = A / 4·N1λ ist, A eine positive, ungerade Zahl ist, T = B / 2·N2λ ist, und B eine positive, ganze Zahl ist.
Der Spalt, der in den säulenförmigen Elementen verbleibt, zeigt, dass die säulenförmigen Elemente vollständig oxidiert worden sind. Daher sind alle säulenförmigen Elemente aus Siliziumoxid gebildet, so dass eine hohe Lichtdurchlässigkeit erreicht wird. Die säulenförmigen Elemente sind so angeordnet, dass keine Beugung durch den Spalt auftritt. Daher kann unabhängig von dem Spalt eine hohe Lichtdurchlässigkeit gewährleistet werden.
Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, deutlicher ersichtlich. In den Zeichnungen sind:
1 eine perspektivische Ansicht einer optischen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Draufsicht der optische Vorrichtung von 1;
3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III von 2;
4 eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV von 2;
5A eine Draufsicht, die einen Herstellungsprozess der optischen Vorrichtung von 1 zeigt, und 5B eine Schnittansicht entlang der Linie VB-VB von 5A;
6 eine Schnittansicht, die eine optische Vorrichtung gemäß einer Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt;
7 eine Draufsicht, die eine optische Vorrichtung gemäß einer weiteren Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt;
8 eine Draufsicht, die eine optische Vorrichtung gemäß einer weiteren Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt;
9A eine perspektivische Ansicht einer optischen Vorrichtung gemäß einer weiteren Modifikation der ersten Ausführungsform, und 9B eine Draufsicht der optischen Vorrichtung von 9A;
10A eine perspektivische Ansicht einer optischen Vorrichtung gemäß einer weiteren Modifikation der ersten Ausführungsform, und 10B eine Draufsicht der optischen Vorrichtung von 10A;
11A eine vergrößerte Teilansicht von 5A, und 11B eine vergrößerte Teilansicht von 11A;
12 eine Draufsicht einer optischen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13 eine Draufsicht der optischen Vorrichtung gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform;
14A eine vergrößerte Teilansicht von 13, die eine Lichtaustrittsoberflächenabschnitt nahe dem Siliziumsubstrat zeigt, und 14B eine vergrößerte Teilansicht von 13, die den Lichtaustrittsoberflächenabschnitt beabstandet zu dem Siliziumsubstrat zeigt;
15 eine Draufsicht einer optischen Vorrichtung gemäß einer weiteren Modifikation der zweiten Ausführungsform;
16 eine Draufsicht einer optischen Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
17 eine vergrößerte Teilansicht von 16.
Gemäß den 1–4 umfasst eine optische Vorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Siliziumsubstrat 1, eine Mikrolinse 2, die auf einer oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 angeordnet ist, und ein zweites Verstärkungselement 3, das einteilig mit beiden Enden der Mikrolinse 2 ausgebildet ist.
Die Mikrolinse 2 umfasst mehrere säulenförmige Elemente 5, die aus Siliziumoxid gebildet sind. Die säulenförmigen Elemente 5 sind in einer Anordnungsrichtung senkrecht zu einer Längsrichtung davon mit einem Spalt 4 zwischen jeweils zwei der säulenförmigen Elemente 5 angeordnet. Die Mikrolinse 2 umfasst ferner vorzugsweise ein erstes Verstärkungselement 6, das aus Siliziumoxid gebildet ist. Das erste Verstärkungselement 6 definiert eine äußere Form der Mikrolinse 2.
In der vorliegenden Ausführungsform sind das zweite Verstärkungselement 3, die säulenförmigen Elemente 5 und das erste Verstärkungselement 6 einteilig mit dem Siliziumsubstrat 1 ausgebildet. Jedes Ende in der Längsrichtung der säulenförmigen Elemente 5 ist durch das erste und zweite Verstärkungselement 6 bzw. 3 verbunden. Wie es in 2 gezeigt ist, umfasst das zweite Verstärkungselement 3 einen nicht oxidierten Abschnitt 3a und einen oxidierten Abschnitt innerhalb des nicht oxidierten Abschnitts 3a in der Längsrichtung. Die Mikrolinse 2 ist aus nicht oxidierten Abschnitten der säulenförmigen Elemente 5, dem ersten Verstärkungselement 6 und dem zweiten Verstärkungselement 3 aufgebaut. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Mikrolinse 2 eine plankonvexe Zylinderlinse. Insbesondere weist die Mikrolinse 2 eine ebene Eintrittsoberfläche 2a und eine konvexe Austrittsoberfläche 2b auf. Das erste Verstärkungselement 6 verbindet die säulenförmigen Elemente 5, die einen konvexen Abschnitt der Mikrolinse 2 bilden, miteinander, um die konvexe Austrittsoberfläche 2b zu bilden.
Wie es in den 3 und 4 gezeigt ist, besitzt jedes säulenförmige Element 5 eine bogenförmige Bodenoberfläche, wo die Mikrolinse 2 mit dem Siliziumsubstrat 1 ohne Klebeverbindung verbunden ist. Eine Grenzfläche zwischen dem Siliziumsubstrat 1 und der Mikrolinse 2 hat konkave und konvexe Abschnitte, die in der Anordnungsrichtung abwechselnd angeordnet sind, und Licht tritt in der Anordnungsrichtung durch die Mikrolinse 2. Da die Mikrolinse 2 ohne Klebeverbindung mit dem Siliziumsubstrat 1 verbunden ist, kann Wärme wirksam abgeführt werden.
Wie es in 2 gezeigt ist, ist ein Winkel α zwischen der Längsrichtung jedes säulenförmigen Elements 5 und einer Einfallsrichtung des Lichts größer als ein kritischer Winkel und gleich groß wie oder kleiner als 90 Grad eingestellt. Mit anderen Worten, ein Winkel β zwischen einer Normalen zu der Längsrichtung des säulenförmigen Elements und der Einfallsrichtung des Lichts ist gleich groß wie oder größer als 0 Grad und gleich groß wie oder kleiner als der kritische Winkel eingestellt.
Wenn der Winkel α gleich groß wie oder kleiner als der kritische Winkel ist, wird das Licht vollständig an einer Schnittfläche zwischen dem säulenförmigen Element 5 und dem Spalt 4 reflektiert. Dadurch kann sich das Licht nicht in der Anordnungsrichtung durch die Mikrolinse 2 ausbreiten. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind sechs säulenförmige Elemente 5 parallel angeordnet, so dass der Winkel α gleich groß wie oder größer als der kritische Winkel ist. Somit kann sich das Licht in der Anordnungsrichtung durch die Mikrolinse 2 ausbreiten. Obwohl die Mikrolinse 2 die mehreren Spalte 4 aufweist, tritt keine Beugung auf, so dass eine hohe Lichtdurchlässigkeit erreicht werden kann.
Alle säulenförmigen Element 5 haben eine einheitliche Breite W in der Anordnungsrichtung, und alle Spalte 4 haben eine einheitliche Breite T in der Anordnungsrichtung. In der vorliegenden Ausführungsform ist das säulenförmige Element 5 aus Siliziumoxid mit einem Brechungsindex N1 bei einer Wellenlänge λ des Lichts, das sich durch die säulenförmigen Elemente 5 ausbreitet, gebildet, und jeder Spalt 4 ist mit einem Material mit einem Brechungsindex N2 bei der Wellenlänge λ gefüllt. Beispielsweise sind die Spalte 4 mit Luft mit einem Brechungsindex N2 von 1 gefüllt. Die Breite W und die Breite T sind so eingestellt, dass die folgenden Gleichungen erfüllt sind: W = A / 4·N1λ (1) T = B / 2·N2λ (2)
In den Gleichungen (1) und (2) bedeuten λ die Wellenlänge des Lichts, A eine positive, ungerade Zahl und B eine positive, ganze Zahl. Wenn die Breite W der Gleichung (1) genügt, ist ein an einer vorderen Oberfläche des säulenförmigen Elements 5 reflektiertes Reflexionslicht um ein ungerades Vielfaches von λ/2 gegenüber einem an einer hinteren Oberfläche des säulenförmigen Elements 5 reflektierten Reflexionslicht phasenverschoben. Wenn die Breite T der Gleichung (2) genügt, ist ein an einer Schnittfläche zwischen einem Spalt 4 und einem säulenförmigen Element 5 reflektiertes Reflexionslicht um ein ganzzahliges Vielfaches von λ/2 gegenüber einem an einer Schnittfläche zwischen der Spalt 4 und dem benachbarten säulenförmigen Element 5 phasenverschoben.
Somit wirkt der Spalt 4 als eine nicht ansprechende Schicht. Ebenso wie eine nicht reflektierende Beschichtung (d. h. eine Antireflexionsbeschichtung) löschen die Reflexionslichter an den Schnittflächen zwischen dem Spalt und den Oberflächen des säulenförmigen Elements 5 einander aus. Die Lichtdurchlässigkeit ist daher verbessert. Ferner tritt, wie es oben beschrieben ist, kein Beugungseffekt auf. Daher kann die optische Vorrichtung 100 (d. h. die Mikrolinse 2) gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Lichtdurchlässigkeit von nahezu 100% haben.
Wie es oben beschrieben ist, ist das erste Verstärkungselement 6 aus Siliziumoxid gebildet. Das erste Verstärkungselement 6 ist säulenförmig und steht auf dem Siliziumsubstrat 1. Das erste Verstärkungselement 6 verbindet die säulenförmigen Elemente 5 miteinander, so dass die mechanische Festigkeit der Mikrolinse 2 verbessert ist. In der vorliegenden Ausführungsform sind alle Ende in Längsrichtung der benachbarten säulenförmigen Elemente 5 durch das erste Verstärkungselement 6 verbunden. Insbesondere verbindet das erste Verstärkungselement 6 die säulenförmigen Elemente 5, die den konvexen Abschnitt der Mikrolinse 2 bilden, miteinander, um so die konvexe Austrittsoberfläche 2b zu bilden. Das Licht tritt durch das erste Verstärkungselement 6 in die säulenförmigen Elemente 5 ein und/oder daraus aus. Die Mikrolinse 2 kann verschiedene Formen aufweisen, indem die Form des ersten Verstärkungselements 6 geändert wird.
Vorzugsweise ist die Breite des ersten Verstärkungselements 6 in der Anordnungsrichtung gleich groß wie oder geringfügig kleiner als die Breite des säulenförmigen Elements 5 eingestellt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Breite des ersten Verstärkungselements 6 geringfügig kleiner als die Breite W des säulenförmigen Elements 5 eingestellt.
Das zweite Verstärkungselement 3 ist säulenförmig und steht auf dem Siliziumsubstrat 1. Das zweite Verstärkungselement 3 ist an wenigstens einem Endabschnitt der säulenförmigen Elemente 5 vorgesehen, um die Endabschnitte miteinander zu verbinden. Eine erste Breite des zweiten Verstärkungselements 3 in der Anordnungsrichtung des säulenförmigen Elements 5 ist größer als die Breite W des säulenförmigen Elements 5. Ferner ist eine zweite Breite des zweiten Verstärkungselements 3 in der Längsrichtung des säulenförmigen Elements 5 größer als die Breite W des säulenförmigen Elements 5.
Obwohl das zweite Verstärkungselement 3 aus Siliziumoxid gebildet ist, hat das zweite Verstärkungselement 3 den nicht oxidierten Abschnitt 3a. Das zweite Verstärkungselement 3 verbindet die säulenförmigen Elemente 5 miteinander, so dass die mechanische Festigkeit der Mikrolinse 2 verbessert ist. Da der nicht oxidierte Abschnitt 3a außerhalb der Endabschnitte der säulenförmigen Elemente 5 angeordnet ist, wird das Licht durch den nicht oxidierten Abschnitt 3a nicht blockiert. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist das zweite Verstärkungselement 3 an beiden Endabschnitten der säulenförmigen Elemente 5 vorgesehen, um die säulenförmigen Elemente 5 miteinander zu verbinden.
Die Mikrolinse 2 ist, durch ein Basiselement 7 getrennt, auf dem Siliziumsubstrat 1 angeordnet. Das Basiselement 7 ist einteilig mit dem Siliziumsubstrat 1 ausgebildet und hat die gleiche Form wie die Mikrolinse 2. Die Mikrolinse 2 und das zweite Verstärkungselement 3 sind getrennt voneinander ausgebildet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Höhe der Mikrolinse 2 gleich groß wie oder größer als 10 Mikrometer (μm) eingestellt. Zum Beispiel ist die Höhe der Mikrolinse 2 auf etwa 100 μm eingestellt. Die Gesamtlänge der Mikrolinse 2 und des zweiten Verstärkungselements 3 ist auf etwa 500 μm eingestellt.
Nachstehend ist ein Verfahren zur Herstellung der optischen Vorrichtung 100 mit Bezug auf die 2–5 beschrieben.
Zuerst wird auf dem Siliziumsubstrat 1 unter Verwendung einer Maske 8 ein Musterungsprozess der Mikrolinse 2 ausgeführt. Anschließend, wie es in den 5A und 5B gezeigt ist, werden innere und äußere Gräben 9 bzw. 10 gebildet, indem durch eine Öffnung der Maske 8 das Siliziumsubstrat 1 geätzt wird. Der innere Graben 9 trennt die säulenförmigen Elemente 5 voneinander und entspricht dem Spalt 4. Der äußere Graben 10 definiert die Formen der Mikrolinse 2 und des zweiten Verstärkungselements 3.
In den oben beschriebenen Grabenätzprozessen wird der innere Graben 9 so ausgebildet, dass der Winkel α zwischen der Längsrichtung des säulenförmigen Elements 5 und der Einfallsrichtung des Lichts größer als der kritische Winkel und gleich groß wie oder kleiner als 90 Grad eingestellt ist. Ferner ist die Breite W des säulenförmigen Elements 5 auf W0 eingestellt, so dass die Breite W der Gleichung (1) genügen kann, nachdem die thermische Oxidation beendet ist. Ebenso ist die Breite T des Spalts 4 auf T0 eingestellt, so dass die Breite T der Gleichung (2) genügt, nachdem die thermische Oxidation beendet ist. Wenn zum Beispiel die Wellenlänge λ des Lichts (in Luft) 0,88 mm beträgt und der Brechungsindex N1 von Siliziumoxid (d. h. die säulenförmigen Elemente 5, das erste Verstärkungselements 6 und der oxidierte Abschnitt des zweiten Verstärkungselements 3) bei der Wellenlänge λ 1,45 ist, wird das Grabenätzen so ausgeführt, dass W0 1,98 μm und T0 2,86 μm ist.
In dem Grabenätzprozess wird der äußere Graben 10 derart ausgebildet, dass die säulenförmigen Elemente 5, die den konvexen Abschnitt der Mikrolinse 2 bilden, durch das erste Verstärkungselement 6, das eine vorbestimmte Breite aufweist, verbunden werden. Die Krümmung der Eintrittsoberfläche und der Austrittsoberfläche des Lichts ist durch die Form des ersten Verstärkungselements 6 definiert. Daher kann die Krümmung durch Ändern der Form des ersten Verstärkungselements 6 eingestellt werden.
Die Oxidationszeit wird an Verbindungsabschnitten zwischen dem ersten Verstärkungselement 6 und dem säulenförmigen Element 5 und dem zweiten Verstärkungselement 3 länger als an weiteren Abschnitten. Daher wird, wie es oben beschrieben ist, gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Breite des ersten Verstärkungselements 6 geringfügig kleiner als die Breite W des säulenförmigen Elements 5 eingestellt. Dadurch kann das Silizium bei der thermischen Oxidation gleichmäßig oxidiert werden.
Ferner ist die Breite des äußeren Grabens 10 viel größer als die des inneren Grabens 9, so dass nach der thermischen Oxidation ein Spalt in dem äußeren Graben 10 existiert. Bei einem solchen Ansatz kann ein Verkrümmung bzw. Verwölben aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Siliziumoxid und dem Silizium vermieden werden. Der äußere Graben 10 wird aufgrund eines Mikroloading-Effekts tiefer als der innere Graben 9 geätzt. Daher wird die Mikrolinse 2 über die Basis 7, die in einer Ebene parallel zu der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 die gleiche Form wie die Mikrolinse 2 besitzt, also mit dieser deckungsgleich ist, mit dem Siliziumsubstrat 1 verbunden.
Um zu erreichen, dass die Mikrolinse 2 eine dreidimensionale Form hat, muss der innere Graben 9 ein Tiefen-Breiten-Verhältnis besitzen. Ferner muss, um die optischen Eigenschaften zu verbessern, eine Vertikalität im Schnittprofil des inneren Grabens 9 gewährleistet sein. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der innere Graben 9 durch Ätztechniken (d. h. DRIE-Verfahren) gebildet, die in der US 6,277,756 B1 offenbart sind, welche der JP-A-2000-299310 entspricht. Insbesondere wird ein Schutzoxidationsfilm auf inneren Oberflächen (d. h. Seiten- und Bodenoberflächen) des inneren Grabens 9 ausgebildet, und anschließend wird der Schutzoxidationsfilm durch reaktives Ionenätzen (RIE) von der Bodenoberfläche entfernt. Danach wird das Siliziumsubstrat 1 durch die Bodenoberfläche geätzt. Der Schutzoxidationsfilm-Bildungsprozess und der Bodenoberfläche-Ätzprozess werden abwechselnd wiederholt. Somit kann der innere Graben 9 ein Tiefen-Breiten-Verhältnis von etwa 60 haben, und das Schnittprofil des inneren Grabens 9 ist in etwa vertikal.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das Siliziumsubstrat 1 in einer Wasserstoffatmosphäre wärmebehandelt. Obwohl der Wärmebehandlungsprozess optional ist, können die Seitenoberflächen der Gräben 9 und 10 durch diesen Prozess geebnet werden. Daher werden die Eintritts- und Austrittsoberflächen 2a bzw. 2b nach der thermischen Oxidation glatt. Diese Technik ist in der US 6,630,389 B2 offenbart, die der JP-A-2002-231945 entspricht.
Nach Beenden des Wärmebehandlungsprozesses wird die Maske 8 entfernt, zum Beispiel durch eine Behandlung mit Flusssäure. Anschließend wird die thermische Oxidation ausgeführt, bis alle säulenförmigen Elemente 5 und das erste Verstärkungselement 6 von Silizium in Siliziumoxid umgewandelt sind. Da gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Breite des ersten Verstärkungselements 6 geringfügig kleiner als die Breite W des säulenförmigen Elements 5 eingestellt ist, ist die Oxidation des säulenförmigen Elements 5 und des ersten Verstärkungselements 6 in etwa zur selben Zeit beendet.
Bei der thermischen Oxidation wird den säulenförmigen Elementen 5 und dem Verstärkungselement 6 durch die inneren und äußeren Gräben 9 bzw. 10 genügend Sauerstoff zum Oxidieren der säulenförmigen Elemente 5 und des ersten Verstärkungselements 6 zugeführt. Als Folge davon werden, wie es in den 2–4 gezeigt ist, die säulenförmigen Elemente 5 und das erste Verstärkungselement 6 in Siliziumoxid umgewandelt. Ein Abschnitt des inneren Grabens 9 wird aufgrund der Volumenausdehnung der säulenförmigen Elemente 5 und des ersten Verstärkungselements 6 gefüllt. Dadurch wird der innere Graben 9 zu dem Spalt 4 geändert, und die säulenförmigen Elemente 5 werden durch den Spalt 4 voneinander getrennt.
Wie es oben beschrieben ist, wird in dem Grabenätzprozess die Breite W des säulenförmigen Elements 5 auf W0 eingestellt, und die Breite T des Spalts 4 wird auf T0 eingestellt. Daher genügen die Breiten W und T den Gleichungen (1) bzw. (2), nachdem die thermische Oxidation beendet ist. Ein Oberflächenabschnitt des zweiten Verstärkungselements 3 wird bei der thermischen Oxidation zu Siliziumoxid umgewandelt, und der nicht oxidierte Abschnitt 3a verbleibt in dem zweiten Verstärkungselement 3.
Es ist bekannt, dass außen und innen bezüglich der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 mit einem Verhältnis von 0,55:0,45 eine thermische Oxidationsschicht wächst. Daher dehnt sich nach der thermischen Oxidation die Breite W des säulenförmigen Elements 5 von 1,98 μm (W0) auf 4,4 μm aus. Demzufolge nimmt die Breite T des Spalts 4 von 2,86 μm (T0) auf 0,44 μm ab. Wenn die Wellenlänge λ des Lichts in Luft 0,88 mm beträgt, nimmt die Wellenlänge λ in dem Siliziumoxid mit dem Brechungsindex N1 von 1,45 einen Wert λ1 von 0,607 μm an. Daher beträgt die Breite W des säulenförmigen Elements 5 nach der thermischen Oxidation das 7,25-fache der Wellenlänge λ1. Kurz, in Gleichung (1) ist A = 29. Ebenso beträgt nach der thermischen Oxidation die Breite T des Spalts 4 das 0,5-fache der Wellenlänge λ. Kurz, in Gleichung (2) ist B = 1.
Anschließend wird ein Stanz- bzw. Ausschneidvorgang entlang des äußeren Grabens 10 ausgeführt. Auf diese Weise wird die optische Vorrichtung 100 mit der Mikrolinse 2 hergestellt.
Wie es oben beschrieben ist, werden gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Grabenätzen und die thermische Oxidation auf das Siliziumsubstrat 1 angewendet, so dass der Spalt 4 zwischen den säulenförmigen Elementen 5 ausgebildet wird, die einteilig mit dem Siliziumsubstrat 1 ausgebildet sind. Bei einem solchen Vorgehen werden alle säulenförmigen Elemente 5 vollständig oxidiert, so dass eine hohe Lichtdurchlässigkeit erreicht wird.
Die säulenförmigen Elemente 5 und der Spalt 4 werden abwechselnd angeordnet. Der Winkel α zwischen der Längsrichtung des säulenförmigen Elements 5 und der Einfallsrichtung des Lichts ist größer als der kritische Winkel und gleich groß wie oder kleiner als 90 Grad eingestellt. Bei einem solchen Ansatz breitet sich das Licht durch die säulenförmigen Elemente 5 in der Anordnungsrichtung aus. Obwohl die Mikrolinse 2 die mehreren Spalte 4 besitzt, treten keine Beugungseffekte auf. Demzufolge ist die Lichtdurchlässigkeit verbessert.
Die Breiten W und T des säulenförmigen Elements 5 bzw. des Spalts 4 sind so eingestellt, dass die Reflexionslichter an den Schnittflächen zwischen dem Spalt und den Oberflächen des säulenförmigen Elements 5 einander auslöschen. Bei einem solchen Ansatz kann die Lichtdurchlässigkeit weiter verbessert werden.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Spalt 4 mit Luft gefüllt, das einen Brechungsindex N2 besitzt, der kleiner als der Brechungsindex N1 von Siliziumoxid ist, das die säulenförmigen Elemente 5 bildet. Durch Verwenden von Luft kann die Struktur der optischen Vorrichtung 100 vereinfacht werden, und die Herstellungsprozesse der optischen Vorrichtung 100 können demzufolge ebenso vereinfacht werden. Alternativ kann, wie es in 6 gezeigt ist, der Spalt 4 mit einem anderen Material 11 als Luft gefüllt werden. Das Material 11 hat einen Brechungsindex, der niedriger als der des Siliziumoxids ist, und ist lichtdurchlässig.
Alternativ kann das Material 11 einen Brechungsindex N3 besitzen, der größer als der Brechungsindex N1 von Siliziumoxid ist. In diesem Fall sind die Breiten W und T des säulenförmigen Elements 5 bzw. des Spalts 4 so eingestellt, dass sie die folgenden Gleichungen erfüllen: W = C / 2·N1λ (3) T = D / 4·N3λ (4)
In den Gleichungen (3) und (4) bedeuten λ die Wellenlänge des Lichts, C eine ganze Zahl und D eine ungerade Zahl. Somit löschen die Reflexionslichter an den Schnittflächen zwischen dem Spalt 4 und den Oberflächen des säulenförmigen Elements 5 einander aus. Die mechanische Festigkeit des säulenförmigen Elements 5 kann verbessert werden, indem in den Spalt 4 das Material 11 mit dem Brechungsindex N3 größer als der von Luft eingefüllt wird. Das Material 11 ist zum Beispiel Si₃N₄ (Siliziumnitrid), SiO_XN_Y, Ta₂O₅. Der Brechungsindex von SiO_XN_Y kann durch Verändern der Zusammensetzung, d. h. der Werte X und Y, eingestellt werden. Der Brechungsindex von Siliziumoxid kann durch Dotieren von Verunreinigungen eingestellt werden.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die säulenförmigen Elemente 5, die den konvexen Abschnitt der Mikrolinse 2 bilden, durch das erste Verstärkungselement 6 miteinander verbunden, und weitere säulenförmigen Elemente 5 sind durch das zweite Verstärkungselement 3 miteinander verbunden. Alternativ, wie es in 7 gezeigt ist, kann ein erstes Verstärkungselement 12 statt dem zweiten Verstärkungselement 3 verwendet werden. In diesem Fall sind die Endabschnitte der säulenförmigen Elemente 5 durch die ersten Verstärkungselemente 6 und 12 umgeben und miteinander verbunden. Bei einem solchen Ansatz kann die mechanische Festigkeit der säulenförmigen Elemente 5 ohne das zweite Verstärkungselement 3 verbessert werden. Alternativ, wie es in 8 gezeigt ist, können mittlere Abschnitte der säulenförmigen Elemente 5 in der Längsrichtung durch ein erstes Verstärkungselement 13 miteinander verbunden werden. Bei einem solchen Ansatz kann die mechanische Festigkeit der säulenförmigen Elemente 5 weiter verbessert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die säulenförmigen Elemente 5 und die Spalte 4 abwechselnd angeordnet, um so die Mikrolinse 2 zu bilden. Alternativ können, wie es in den 9A und 9B gezeigt ist, die säulenförmigen Elemente 5 und die Spalte 4 eine Mikroprisma 14 bilden. Alternativ, wie es in den 10A und 10B gezeigt ist, können die säulenförmigen Elemente 5 und die Spalte 4 einen Lichtwellenleiter 15 bilden.
Eine optische Vorrichtung 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist nachstehend mit Bezug auf die 11A–12 beschrieben. Die Unterschiede zwischen den optischen Vorrichtungen 100 und 200 sind folgende:
Gemäß der ersten Ausführungsform verbindet das erste Verstärkungselement 6 die säulenförmigen Elemente 5, die den konvexen Abschnitt der Mikrolinse 2 bilden, miteinander, um die konvexe Austrittsoberfläche 2b zu bilden. Bei einer solchen Struktur, wie sie in den 11A und 11B gezeigt ist, ist es schwierig, den inneren Graben 9 genau entlang einer Solllinie (z. B. der Maske 8) zu bilden. Insbesondere ist es möglich, da das säulenförmige Element 5 und das erste Verstärkungselement 6 einen spitzen Winkel bilden, dass der Ätzvorgang an dem Abschnitt mit dem spitzen Winkel nicht perfekt ausgeführt wird. Als Folge davon ist der Abschnitt mit dem spitzen Winkel abgerundet, so dass die Breite W des säulenförmigen Elements 5 größer als ein gewünschter Wert ist. Daher kann der nicht oxidierte Abschnitt selbst nach der thermischen Oxidation verbleiben. Um dies zu vermeiden, ist es erforderlich, dass die Zeit der thermischen Oxidation verlängert wird.
Demgegenüber ist gemäß der vorliegenden (zweiten) Ausführungsform, wie es in 12 gezeigt ist, eine Fresnel-Linse 16 an wenigstens entweder der Eintrittsoberfläche 2a oder der Austrittsoberfläche 2b der Mikrolinse 2 ausgebildet bzw. angeformt. Bei einem solchen Ansatz wird das erste Verstärkungselement 6 unnötig, und ein „spitzer Abschnitt” ist nicht vorhanden. Daher kann der Ätzvorgang perfekt ausgeführt werden, so dass der nicht oxidierte Abschnitt vermieden werden kann. Ferner kann die Größe der optischen Vorrichtung 200 in einer Oberflächenrichtung des Siliziumsubstrats 1 kleiner sein als die der optischen Vorrichtung 100 dadurch, dass das erste Verstärkungselement 6 entfernt ist. Die optische Vorrichtung 200 kann auf ähnliche Weise hergestellt werden wie die der ersten Ausführungsform.
Obwohl 12 den Fall zeigt, in dem die Fresnel-Linse 16 nur an der Austrittsoberfläche 2b gebildet ist, kann die Fresnel-Linse 16 auch nur an der Eintrittsoberfläche 2a gebildet sein, oder an sowohl der Eintritts- als auch der Austrittsoberfläche 2a bzw. 2b.
Eine dünne Linse, die nicht die Fresnel-Linse 16 ist, kann verwendet werden. Beispielsweise kann eine Zerstreuungslinse oder ein Blazegitter 17 statt der Fresnel-Linse 16 verwendet werden. Ferner können unterschiedliche Linsen an die Eintritts- und Austrittsoberfläche 2a bzw. 2b angeformt sein. Die Beugungslinse hat ein Sägezahnmuster, das beugungstheoretisch berechnet ist. Das Blazegitter 17 weist ein Sägezahnmuster auf, das auf der Grundlage der Beugungstheorie berechnet ist und Licht nur in einer Richtung durchlässt.
14A zeigt das Sägezahnmuster des Blazegitters 17, das in einem Abstand zur Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 angeordnet ist. 14B zeigt das Sägezahnmuster des Blazegitters 17, das in der Nähe der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 angeordnet ist. Wie es durch Vergleich der 14A und 14B zu erkennen ist, nimmt die Schärfe des Sägezahnmusters (die „Spitzheit der Zacken”) des Blazegitters 17 mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 zu, wenn das Blazegitter 17 an wenigstens entweder der Eintritts- oder der Austrittsoberfläche 2a bzw. 2b gebildet ist. Dies kann dadurch verursacht sein, dass, wenn die Gräben 9 und 10 durch reaktives Ionenätzen (RIE) gebildet werden, der Weg des Ionenstrahls im Plasma aufgrund von Asymmetrien zwischen den Gräben 9 und 10 instabil ist.
Daher kann, wie es in 15 gezeigt ist, das Blazegitter 17 an anderen Oberflächen als der Eintritts- und Austrittsoberfläche 2a bzw. 2b gebildet sein. Bei einem solchen Ansatz kann die Schärfe des Sägezahnmusters des Blazegitters 17 unabhängig von dem Abstand zur Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 gewährleistet werden. Kurz, das Sägezahnmuster des Blazegitters 17 wird in der vertikalen Richtung gleichmäßig, so dass die Lichtdurchlässigkeit verbessert werden kann.
Eine optische Vorrichtung 200 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist im Folgenden mit Bezug auf die 16–17 beschrieben. Die Unterschiede zwischen den optischen Vorrichtungen 100 und 300 sind die folgenden:
Gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen sind die säulenförmigen Elemente 5 in der Anordnungsrichtung angeordnet, und das Licht breitet sich in der Anordnungsrichtung durch die säulenförmigen Elemente 5 aus. Demgegenüber breitet sich das Licht gemäß der dritten Ausführungsform in der Längsrichtung der säulenförmigen Elemente 5 durch die säulenförmigen Elemente 5 aus.
Wie es in 16 gezeigt ist, umfasst die optische Vorrichtung 300 ein Siliziumsubstrat 1, eine Mikrolinse 2, die auf einer oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 angeordnet ist, und ein zweites Verstärkungselement 3, das einteilig mit beiden Enden der Mikrolinse 2 ausgebildet ist.
Die Mikrolinse 2 umfasst mehrere säulenförmige Elemente 5, die aus Siliziumoxid gebildet sind. Die säulenförmigen Elemente 5 sind parallel zu einem Spalt 4 in einer zu einer Längsrichtung davon senkrechten Anordnungsrichtung angeordnet. Vorzugsweise umfasst die Mikrolinse 2 außerdem ein erstes Verstärkungselement 6, das aus Siliziumoxid gebildet ist. Das erste Verstärkungselement 6 definiert eine äußere Form der Mikrolinse 2.
Wie es in 16 gezeigt ist, hat jedes säulenförmige Element 5 eine Länge L in der Längsrichtung. Licht einer einzigen Wellenlänge breitet sich parallel zu einer optischen Achse der Mikrolinse 2 durch die säulenförmigen Elemente 5 aus. Die optische Achse ist durch eine strichpunktierte Linie angedeutet. Eine Breite W in der Anordnungsrichtung des säulenförmigen Elements 5 ist so eingestellt, das die nachfolgende Gleichung erfüllt ist:
In Gleichung (5) bedeuten λ die Wellenlänge des Lichts und N1 den Brechungsindex von Siliziumoxid, das die säulenförmigen Elemente 5 bildet. Wenn Licht mit einer einzigen Wellenlänge in der Längsrichtung des säulenförmigen Elements 5 in die Mikrolinse 2 eintritt, ist ein Winkel zwischen der Einfallsrichtung des Lichts und einer Schnittfläche zwischen dem säulenförmigen Element 5 und dem Spalt 4 gleich groß wie oder kleiner als ein kritischer Winkel (z. B. 43,6 Grad). Dadurch wird das Licht an der Schnittfläche ideal reflektiert.
Daher wird angenommen, dass die Mikrolinse 2 aus mehreren Lichtwellenleitern aufgebaut ist. Wie es in 17 gezeigt ist, tritt, wenn das Licht in ein säulenförmiges Element 5 eintritt, das zwischen den Spalten 4 angeordnet ist, Beugung (oder Streuung) des Lichts an Endabschnitten in der Längsrichtung des säulenförmigen Elements 5 auf. Da das säulenförmige Element 5 ein abgeschlossenes System ist, tritt in dem säulenförmigen Element 5 Interferenz des Lichts auf.
Gleichung (5) wird wie folgt bestimmt: Die Länge L und die Breite W des säulenförmigen Elements 5 werden so eingestellt, dass ein erstes Beugungslicht FL, das an einem ersten Endabschnitt FE (Seite der Eintrittsoberfläche 2a) des säulenförmigen Elements 5 auftritt, löscht ein zweites Beugungslicht SL aus, das an einem zweiten Endabschnitt SE (Seite der Austrittsoberfläche 2b) des säulenförmigen Elements 5 auftritt, aus. Wie es durch eine durchgezogene Linie in 17 gezeigt ist, wird das erste Beugungslicht FL nicht an dem ersten Endabschnitt FE gebeugt, sondern wird nur an dem zweiten Endabschnitt SE gebeugt. Im Gegensatz dazu wird, wie es durch eine unterbrochene Linie in 17 gezeigt ist, das zweite Beugungslicht SL an dem ersten Endabschnitt FE und nicht an dem zweiten Endabschnitt SE gebeugt. Wenn die nachfolgende Gleichung erfüllt ist, löschen sich das erste und zweite Beugungslicht FL bzw. SL aus: L2 – L1 = λ / 2·N1 (6)
In Gleichung (6) bedeuten L1 einen Lichtwegunterschied des ersten Beugungslichts FL zwischen dem ersten und zweiten Endabschnitt FE bzw. SE und L2 einen Lichtwegunterschied des zweiten Beugungslichts SL zwischen dem ersten und zweiten Endabschnitt FE bzw. SE. L2 ist durch die folgende Gleichung gegeben: L2 = (L² + W²)^1/2 (7)
Die Gleichung (5) wird gewonnen, indem die Gleichung (7) in die Gleichung (6) eingesetzt wird. Ein Ergebnis einer Simulation, die von dem Erfinder der vorliegenden Erfindung ausgeführt wurde, zeigt, dass das erste und zweite Beugungslicht FL bzw. SL einander auslöschen, wenn die Länge L und die Breite W des säulenförmigen Elements 5 so eingestellt sind, dass die Gleichung (5) erfüllt ist.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind, wie es in 16 gezeigt ist, die Endabschnitte der säulenförmigen Elemente 5 in der Längsrichtung durch das erste Verstärkungselement 6 miteinander verbunden, um die Form der Eintritts- und Austrittsoberfläche 2a bzw. 2b der Mikrolinse 2 zu definieren. Die Mikrolinse 2 ist eine plankonvexe Zylinderlinse. Die Eintrittsoberfläche 2a ist eine flache Oberfläche, und die Austrittsoberfläche 2b ist mit einer Fresnel-Linse 16 ausgestattet. Bei einem solchen Ansatz ist die mechanische Festigkeit der säulenförmigen Elemente 5 durch das erste Verstärkungselement 6 erhöht, und die optische Vorrichtung 300 ist in einer Oberflächenrichtung des Siliziumsubstrats 1 kompakt ausgebildet.
Das zweite Verstärkungselement 3 ist säulenförmig und steht auf der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 1. Das zweite Verstärkungselement 3 ist an Endabschnitten der säulenförmigen Elemente 5 in der Anordnungsrichtung vorgesehen und mit wenigstens entweder dem säulenförmigen Element 5 oder dem ersten Verstärkungselement 6 verbunden.
Eine erste Breite des zweiten Verstärkungselements 3 in der Anordnungsrichtung ist größer als die Breite W des säulenförmigen Elements 5. Ferner ist eine zweite Breite des zweiten Verstärkungselements 3 in der Längsrichtung größer als die Breite W des säulenförmigen Elements 5. Obwohl das zweite Verstärkungselement 3 aus Siliziumoxid gebildet ist, besitzt das zweite Verstärkungselement 3 den nicht oxidierten Abschnitt 3a. Das zweite Verstärkungselement 3 ist mit den säulenförmigen Elementen 5 verbunden, so dass die mechanische Festigkeit der Mikrolinse 2 erhöht ist. Da der nicht oxidierte Abschnitt 3a außerhalb der Endabschnitte der säulenförmigen Elemente 5 angeordnet ist, wird das Licht nicht durch den nicht oxidierten Abschnitt 3a blockiert. Die Mikrolinse 2 ist aufgebaut aus oxidierten Abschnitten der säulenförmigen Elemente 5, dem ersten Verstärkungselement 6 und dem zweiten Verstärkungselement 3. Die optische Vorrichtung 300 kann in ähnlicher Weise wie die der ersten Ausführungsform hergestellt werden.
Wie es oben beschrieben ist, kann gemäß der dritten Ausführungsform der Beugungseffekt in dem Fall verhindert werden, in dem das Licht in der Längsrichtung der säulenförmigen Elemente 5 durch die säulenförmigen Elemente 5 hindurchtritt. Daher kann eine hohe Lichtdurchlässigkeit erreicht werden, obwohl die Mikrolinse 2 die Spalte 4 aufweist.
Es ist vorteilhaft, dass die Länge L und die Breite W des säulenförmigen Elements 5 so eingestellt sind, dass sie der folgenden Gleichung genügen:
In Gleichung (8) bedeutet δW einen Korrekturwert der Breite W. Der Korrekturwert δW ist durch folgende Gleichung gegeben: δW = –1,05 λ² + 3,104 λ – 1,707 (9)
Wenn die Länge L und die Breite W des säulenförmigen Elements 5 so eingestellt sind, dass die Gleichung (5) erfüllt ist, kann ein geringer Beugungseffekt auftreten. Der geringe Beugungseffekt kann durch die Tatsache begründet sein, dass die Breite W des säulenförmigen Elements 5 einige Vielfache größer als die Wellenlänge λ des Lichts ist. Insbesondere kann sich das Licht, da die Breite W des säulenförmigen Elements 5 nur einige Vielfache der Wellenlänge λ des Lichts ist, an der Schnittfläche zwischen dem säulenförmigen Element 5 und dem Spalt 4 in Richtung des Spalts 4 ausbreiten. Um die Abhängigkeit der Breite W von der Wellenlänge λ zu korrigieren, wird der Korrekturwert δW auf der Grundlage eines Ergebnisses einer von dem Erfinder durchgeführten Simulation berechnet. Entsprechend dem Simulationsergebnis wird, wenn die Länge L und die Breite W des säulenförmigen Elements 5 so eingestellt sind, dass die Gleichungen (8) und (9) erfüllt sind, der Beugungseffekt wirksam verhindert, so dass die Lichtdurchlässigkeit 90% überschreiten kann.
Ein Beispiel eines Verfahrens zur Bildung der säulenförmigen Elemente 5, die den Gleichungen (8) und (9) genügen, ist nachstehend beschrieben. Wenn die Wellenlänge λ des Lichts 0,88 μm und der Brechungsindex N1 des säulenförmigen Elements 5 (d. h. das Siliziumsubstrat) bei der Wellenlänge λ 1,445 beträgt, wird das Grabenätzen so ausgeführt, dass die Breite W 1,7 μm beträgt und die Breite des inneren Grabens 9 zwischen benachbarten säulenförmigen Elementen 5 2,3 μm beträgt.
Nach der thermischen Oxidation nimmt die Breite W des säulenförmigen Elements 5 auf 3,77 μm zu, und die Breite des inneren Grabens nimmt entsprechend auf 0,23 μm ab. In diesem Fall wird die Länge L des säulenförmigen Elements 5 aus den Gleichungen (8) und (9) zu 25,87 μm berechnet. Daher wird das Grabenätzen so ausgeführt, dass die Länge L des säulenförmigen Elements 5 ein ganzzahliges Vielfaches von 25,87 μm ist. Beispielsweise nimmt die Länge L des säulenförmigen Elements 5, wenn das Grabenätzen so ausgeführt wird, dass die Länge L des säulenförmigen Elements 5 25,87 μm beträgt, nach der thermischen Oxidation auf etwa 28 μm zu.
Die oben beschriebene dritte Ausführungsform kann auf verschiedene Weise modifiziert werden. Zum Beispiel kann der Spalt 4 mit einem anderen Material als Luft gefüllt sein. Es ist vorteilhaft, dass eine Differenz zwischen den Brechungsindices des Materials und Siliziumoxid (d. h. den säulenförmigen Elementen 5) geringer als eine Differenz zwischen den Brechungsindices von Luft und Siliziumoxid ist. Bei einem solchen Ansatz kann selbst dann, wenn sich das Licht in einer schrägen Richtung bezüglich der Anordnungsrichtung durch die säulenförmigen Elemente 5 ausbreitet, eine Verringerung der Lichtdurchlässigkeit durch Streuung des Lichts begrenzt sein.
Die Fresnel-Linse 16 kann durch die Beugungslinse, das Blazegitter 17 oder dergleichen ersetzt sein. Alternativ können die säulenförmigen Elemente 5 als die Mikrolinse 2, das Mikroprisma 14, der Lichtwellenleiter 15 oder dergleichen ausgebildet sein. Wenigstens entweder das erste Verstärkungselement 6 oder das zweite Verstärkungselement 3 können optional sein.
Obgleich die vorliegende Erfindung bezüglich der bevorzugten Ausführungsformen offenbart worden ist, um ein besseres Verständnis von diesen zu ermöglichen, sollte wahrgenommen werden, dass die Erfindung auf verschiedene Weisen verwirklicht werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Deshalb sollte die Erfindung derart verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsformen und Ausgestaltungen zu den gezeigten Ausführungsformen beinhaltet, die realisiert werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

Optische Vorrichtung mit: – einem Siliziumsubstrat (1); und – mehreren säulenförmigen Elementen (5), die einteilig mit dem Siliziumsubstrat (1) ausgebildet sind und auf einer oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats (1) stehen; wobei – die mehreren säulenförmigen Elemente (5) aus Siliziumoxid gebildet sind; – Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge λ in einer ersten Richtung in die mehreren säulenförmigen Elemente (5) eintritt und sich in einer zweiten Richtung durch die mehreren säulenförmigen Elemente (5) ausbreitet; – sich die mehreren säulenförmigen Elemente (5) in einer dritten Richtung erstrecken; – ein Winkel zwischen der ersten und der dritten Richtung größer als ein kritischer Winkel und gleich groß wie oder kleiner als 90 Grad ist; – die mehreren säulenförmigen Elemente (5) mit einem Spalt (4) in der zweiten Richtung angeordnet sind; – die zweite Richtung senkrecht zu der dritten Richtung ist; – das Siliziumoxid einen ersten Brechungsindex N1 bei der Wellenlänge λ besitzt; – der Spalt (4) mit einem Material mit einem zweiten Brechungsindex N2 bei der Wellenlänge λ gefüllt ist, wobei – der zweite Brechungsindex N2 kleiner als der erste Brechungsindex N1 ist; – jedes säulenförmige Element (5) eine Breite W in der zweiten Richtung besitzt; – der Spalt (4) eine Breite T in der zweiten Richtung besitzt; – W = A / 4·N1λ ist; – A eine positive, ungerade Zahl ist; – T = B / 2·N2λ ist; und – B eine positive, ganze Zahl ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material Luft ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner ein erstes Verstärkungselement (6, 12, 13) umfasst, das einteilig mit dem Siliziumsubstrat (1) gebildet ist und auf der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats (1) steht, wobei das erste Verstärkungselement (6, 12, 13) aus Siliziumoxid gebildet ist und benachbarte säulenförmige Elemente (5) miteinander verbindet.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verstärkungselement (6, 12, 13) mittlere Abschnitte benachbarter säulenförmiger Elemente (5) miteinander verbindet.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verstärkungselement (6, 12, 13) Endabschnitte benachbarter säulenförmiger Elemente (5) miteinander verbindet.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht durch das erste Verstärkungselement (6, 12, 13) in die mehreren säulenförmigen Elemente (5) eintritt und/oder daraus austritt.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der mehreren säulenförmigen Elemente (5) eine Fresnel-Linse (16), eine Beugungslinse oder ein Blazegitter (17) auf einer vorderen Oberfläche, die in die zweite Richtung ausgerichtet ist, besitzt.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht durch die vordere Oberfläche in die mehreren säulenförmigen Elemente (5) eintritt und/oder daraus austritt.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Oberfläche von wenigstens einem der mehreren säulenförmigen Elemente (5) einer hinteren Oberfläche eines benachbarten säulenförmigen Elements (5) gegenüberliegt.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner ein zweites Verstärkungselement (3) umfasst, das einteilig mit dem Siliziumsubstrat (1) ausgebildet ist und auf der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats (1) steht, wobei: – das zweite Verstärkungselement (3) aus Siliziumoxid gebildet ist; – das zweite Verstärkungselement (3) eine erste Breite in der zweiten Richtung und eine zweite Breite in der dritten Richtung hat; – die erste und die zweite Breite jeweils kleiner als die Breite W von jedem der säulenförmigen Elemente (5) ist; und – das zweite Verstärkungselement (3) auf wenigstens einer Seite in der dritten Richtung der mehreren säulenförmigen Elemente (5) angeordnet ist, um Endabschnitte der mehreren säulenförmigen Elemente (5) miteinander zu verbinden.
Optische Vorrichtung mit: – einem Siliziumsubstrat (1); und – mehreren säulenförmigen Elementen (5), die einteilig mit dem Siliziumsubstrat (1) ausgebildet sind und auf einer oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats (1) stehen; wobei – die mehreren säulenförmigen Elemente (5) aus Siliziumoxid gebildet sind; – sich Licht in einer ersten Richtung durch die mehreren säulenförmigen Elemente (5) ausbreitet; – sich die mehreren säulenförmigen Elemente (5) in der ersten Richtung erstrecken; – die mehreren säulenförmigen Elemente (5) mit einem Spalt (4) in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung angeordnet sind; – das Licht eine Wellenlänge λ besitzt; – das Siliziumoxid einen Brechungsindex N besitzt; – jedes säulenförmige Element (5) eine Breite W in der zweiten Richtung hat; – jedes säulenförmige Element (5) eine Länge L in der ersten Richtung hat; und
Optische Vorrichtung mit: – einem Siliziumsubstrat (1); und – mehreren säulenförmigen Elementen (5), die einteilig mit dem Siliziumsubstrat (1) gebildet sind und auf einer oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats (1) stehen; wobei – die mehreren säulenförmigen Elemente (5) aus Siliziumoxid gebildet sind; – sich das Licht in einer ersten Richtung durch die mehreren säulenförmigen Elemente (5) ausbreitet; – sich die mehreren säulenförmigen Elemente (5) in der ersten Richtung erstrecken; – die mehreren säulenförmigen Elemente (5) mit einem Spalt (4) in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung angeordnet sind; – das Licht eine Wellenlänge λ besitzt; – das Siliziumoxid einen Brechungsindex N besitzt; – jedes säulenförmige Element (5) eine Breite W in der zweiten Richtung hat; – jedes säulenförmige Element (5) eine Länge L in der ersten Richtung hat; – ein Korrekturwert der Breite W δW ist;
– δW = –1,05 λ²/nm + 3,104 λ – 1,707 nm.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (4) mit Luft gefüllt ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass: – der Spalt (4) mit einem Material gefüllt ist; – eine Differenz zwischen den Brechungsindices von Siliziumoxid und dem Material ein erster Wert ist; – eine Differenz zwischen den Brechungsindices von Siliziumoxid und Luft ein zweiter Wert ist; und – der erste Wert kleiner als der zweite Wert ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner umfasst: – ein erstes Verstärkungselement (6, 12, 13), das einteilig mit dem Siliziumsubstrat (1) gebildet ist und auf der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats (1) steht; wobei: – das erste Verstärkungselement (6, 12, 13) aus Siliziumoxid gebildet ist und Endabschnitte der mehreren säulenförmigen Elemente (5) wenigstens auf einer Seite in der ersten Richtung miteinander verbindet.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verstärkungselement (6, 12, 13) eine Fresnel-Linse (16), eine Beugungslinse oder ein Blazegitter (17) ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner ein zweites Verstärkungselement (3) umfasst, das einteilig mit dem Siliziumsubstrat (1) gebildet ist und auf der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats (1) steht; wobei – das zweite Verstärkungselement (3) aus Siliziumoxid gebildet ist; – das zweite Verstärkungselement (3) eine erste Breite in der ersten Richtung und eine zweite Breite in der zweiten Richtung besitzt; – die erste und die zweite Breite jeweils kleiner als die Breite W von jedem der säulenförmigen Elemente (5) ist; und – das zweite Verstärkungselement (3) auf wenigstens einer Seite in der zweiten Richtung der mehreren säulenförmigen Elemente (5) angeordnet ist und mit wenigstens entweder mit dem ersten Verstärkungselement (6, 12, 13) oder einem der mehreren säulenförmigen Elemente (5) verbunden ist; – das eine der mehreren säulenförmigen Elemente (5) auf der einen Seite angeordnet ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass: – das Siliziumsubstrat (1) einen Basisabschnitt (7) umfasst, der entsprechend den mehreren säulenförmigen Elemente (5) in einer Richtung senkrecht zu der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats (1) ausgebildet ist; und – das Siliziumsubstrat (1) und die mehreren säulenförmigen Elemente (5) durch den Basisabschnitt (7) miteinander verbunden sind.