DE102011017542A1

DE102011017542A1 - Lichtwellenleitersensor und Herstellungsverfahren für denselben

Info

Publication number: DE102011017542A1
Application number: DE102011017542A
Authority: DE
Inventors: Shuichi Yamashita; Yukihiro Takeuchi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2011-11-03
Also published as: US8542957B2; JP5187344B2; JP2011232574A; US20110268385A1

Abstract

Ein Lichtwellenleitersensor (10) beinhaltet ein Substrat (11) und einen Lichtwellenleiter. Der Lichtwellenleiter beinhaltet einen Kern (13) und eine seitliche Ummantelung (14). Der Kern (13) erstreckt sich spiralförmig oberhalb einer Oberfläche des Substrats (11). Die seitliche Ummantelung (14) befindet sich in einer selben Schicht wie der Kern (13) oberhalb der Oberfläche des Substrats (11) und ist in Kontakt mit beiden Seitenflächen (13a) des Kerns (13). Mindestens ein Teil einer Oberfläche des Kerns (13), der sich gegenüber dem Substrat (11) befindet, ist eine Transmissionsoberfläche, von der Licht leckt und durch ein erfasstes Objekt absorbiert wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Lichtwellenleitersensor unter Verwendung einer evaneszenten Welle, die von einem Kern eines Lichtwellenleiters leckt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenso auf ein Herstellungsverfahren eines Lichtwellenleitersensors.
2. Beschreibung des Stands der Technik
JP-A-2005-61904 offenbart einen Lichtwellenleitersensor unter Verwendung einer evaneszenten Welle, die von einem Kern eines Lichtwellenleiters leckt.
Der Lichtwellenleitersensor ist aus einem Silizium-auf-Isolator-Träger (silicon-on-insulator, SOI) gefertigt. Der Lichtwellenleiter beinhaltet einen Silizium-Dünnleitungskern und eine Ummantelungsschicht. Der Silizium-Dünnleitungskern wird durch Verarbeiten einer Siliziumschicht, die sich auf einer vergrabenen Oxidschicht in dem SOI-Träger befindet, ausgebildet. Die Ummantelung ist aus Siliziumoxid gefertigt und füllt beide Enden des Silizium-Dünnleitungskerns.
Eine Oberseite des Silizium-Dünnleitungskerns ist in einem Erfassungsbereich zu einer Außenseite hin freigelegt. In dem Erfassungsbereich pendelt der Silizium-Dünnleitungskern an vorbestimmten Intervallen, das heißt, der Silizium-Dünnleitungskern ist schlangenförmig angeordnet.
Bei dem vorstehend beschriebenen Lichtwellenleitersensor kann eine Länge des Silizium-Dünnleitungskerns sichergestellt werden, während eine Abmessung durch Anordnen des Silizium-Dünnleitungskerns in der Schlangenform begrenzt wird und dabei eine Erfassungsempfindlichkeit des Lichtwellenleitersensors verbessert ist. In einem Fall, in dem der Silizium-Dünnleitungskern schlangenförmig angeordnet ist, ist es erforderlich, einen Biegeradius an einem Biegeabschnitt, bei dem eine Wellenleiterrichtung geändert wird, zu reduzieren, um einen kleinen und langen Wellenleiter zu fertigen.
Ist der Biegeradius am Biegeabschnitt klein, kann ein Einfallswinkel kleiner sein als ein kritischer Winkel und Licht kann einfach vom Kern aus gesendet werden. Somit wird in dem vorstehend beschriebenen Wellenleitersensor eine Brechungsindexdifferenz zwischen dem Kern, der aus einkristallinem Silizium gefertigt ist, und der Ummantelung, die aus Siliziumoxid gefertigt ist, so erhöht, dass ein Reflexionswinkel reduziert wird und Licht nicht einfach ausgehend vom Kern gesendet werden kann, sogar am Biegeabschnitt.
Wenn jedoch der Reflexionswinkel durch Erhöhen der Brechungsindexdifferenz zwischen dem Kern und der Ummantelung reduziert wird, kann ein Verlust, der an einer Schnittstelle aufgrund von Streuung erzeugt wird, angehoben werden. Somit kann der vorstehend beschriebene Lichtwellenleitersensor eine große Transmissionsdämpfung aufweisen und es kann schwierig sein, einen kleinen und einen langen Lichtwellenleiter zur Verfügung zu stellen.
Wenn die Brechungsindexdifferenz zwischen dem Kern und der Ummantelung in der vorstehend beschriebenen Konfiguration reduziert wird, um den Biegeradius am Biegeabschnitt zu erhöhen, kann die Transmissionsdämpfung reduziert werden. Da jedoch der Silizium-Dünnleitungskern schlangenförmig angeordnet ist, beeinflusst ein Anstieg der Abmessung des Silizium-Dünnleitungskerns an jedem Biegeabschnitt in starkem Ausmaß die Abmessung des Lichtwellenleitersensors, wodurch die Abmessung des Lichtwellenleitersensors erhöht ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf die vorstehenden Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Lichtwellenleitersensor bereitzustellen, der eine hohe Erfassungsempfindlichkeit und eine kleine Abmessung aufweisen kann. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Lichtwellenleitersensors bereitzustellen.
Ein Lichtwellenleitersensor gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Träger (Substrat) und einen Lichtwellenleiter. Der Lichtwellenleiter beinhaltet einen Kern und eine seitliche Ummantelung. Der Kern erstreckt sich spiralförmig oberhalb einer Oberfläche des Substrats. Die seitliche Ummantelung ist in einer gleichen Schicht wie der Kern oberhalb der Oberfläche des Substrats angeordnet und ist in Kontakt mit beiden Seitenflächen des Kerns. Mindestens ein Teil einer Oberfläche des Kerns, der sich gegenüber vom Substrat befindet, ist eine Transmissionsoberfläche, von der Licht leckt und durch ein erfasstes Objekt absorbiert wird.
Da der Lichtwellenleitersensor die Oberfläche des Kerns, die sich gegenüber dem Substrat befindet, als die Transmissionsoberfläche verwendet, kann der Lichtwellenleitersensor eine Transmissionsdämpfung einschränken und kann eine hohe Erfassungsempfindlichkeit verglichen mit einem Fall aufweisen, in dem die Seitenflächen des Kerns als die Transmissionsoberflächen verwendet werden. Des Weiteren kann, da sich der Kern spiralförmig erstreckt, eine Abmessung des Lichtwellenleiters reduziert werden, sogar wenn ein Biegeradius an einem Biegeabschnitt erhöht wird. Dadurch kann der Lichtwellenleiter eine kleine Abmessung aufweisen.
Ein Herstellungsverfahren gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet Ausbilden eines Kerns oberhalb eines Substrats und Ausbilden einer seitlichen Ummantelung, die in Kontakt mit beiden Seitenflächen des Kerns ist, in einer gleichen Schicht wie der Kern oberhalb des Substrats durch Abscheiden. Wenn die seitliche Ummantelung ausgebildet wird, wird eine Zusammensetzung von Material zum Ausbilden der seitlichen Ummantelung kontinuierlich oder schrittweise so geändert, dass ein Brechungsindex der seitlichen Ummantelung sich kontinuierlich oder schrittweise gemäß einem Abstand zum Kern in einem vorbestimmten Gebiet ausgehend von einer Grenze zum Kern ändert.
Ein Lichtwellenleitersensor, der durch das vorstehend erläuterte Verfahren hergestellt wird, kann Streuen von Licht an einer Schnittstelle zwischen dem Kern und der seitlichen Ummantelung einschränken, da der Brechungsindex der seitlichen Ummantelung kontinuierlich oder schrittweise gemäß dem Abstand zur Grenze mit dem Kern geändert wird. Somit kann durch vorstehend erläutertes Verfahren ein Lichtwellenleitersensor mit einer hohen Erfassungsempfindlichkeit hergestellt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Zusammenschau mit den Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
1 eine Draufsicht eines Lichtwellenleitersensors gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine Querschnittsansicht, die den Lichtwellenleitersensor entlang einer Linie II-II in 1 darstellt;
3A bis 3C Querschnittsansichten, die ein Herstellungsverfahren des Lichtwellenleitersensors gemäß der ersten Ausführungsform darstellen;
4 eine Querschnittsansicht, die einen Lichtwellenleitersensor gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt;
5 einen Graph, der eine Beziehung zwischen einem Brechungsindex n_s einer Tragschicht und einem Verhältnis einer optischen Länge einer Tragschicht zu einer Wellenlänge λ darstellt;
6 eine Querschnittsansicht, die einen Lichtwellenleitersensor gemäß einer ersten Modifikation der zweiten Ausführungsform darstellt;
7 eine Querschnittsansicht, die einen Lichtwellenleitersensor gemäß einer zweiten Modifikation der zweiten Ausführungsform darstellt;
8 eine Querschnittsansicht, die einen Lichtwellenleitersensor gemäß einer dritten Modifikation der zweiten Ausführungsform darstellt;
9 einen Graph, der eine Beziehung zwischen einer Brechungsindexdifferenz Δn zwischen einem Kern und einer seitlichen Ummantelung und einer normalisierten Durchlässigkeit in einem Lichtwellenleitersensor gemäß einer dritten Ausführungsform darstellt;
10 einen Graph, der eine Beziehung zwischen einem Brechungsindex n₁ des Kerns und der Brechungsindexdifferenz Δn zwischen dem Kern und der seitlichen Ummantelung in einem Fall darstellt, in dem die normalisierte Durchlässigkeit 0,5 ist;
11 einen Graph, der eine Beziehung zwischen einer Dicke des Kerns und einem Verhältnis einer evaneszenten Welle zur Gesamtmenge von Licht darstellt;
12 einen Graph, der eine Beziehung zwischen dem Brechungsindex n₁ des Kerns und dem Verhältnis der evaneszenten Welle zur Gesamtmenge von Licht darstellt;
13A ein Diagramm, das eine Lichtintensitätsverteilung des Lichtwellenleitersensors gemäß der dritten Ausführungsform darstellt, und 13B eine erläuternde Ansicht des in 13A dargestellten Diagramms;
14A ein Diagramm, das eine Lichtintensitätsverteilung eines Lichtwellenleitersensors gemäß einem ersten Vergleichsbeispiel darstellt, und 14B eine erläuternde Ansicht des in 14A dargestellten Diagramms;
15A ein Diagramm, das eine Lichtintensitätsverteilung eines Lichtwellenleitersensors gemäß einem zweiten Vergleichsbeispiel darstellt, und 15B eine erläuternde Ansicht des in 15A dargestellten Diagramms;
16A einen Graph, der Transmissionsdämpfungen des Lichtwellenleitersensors gemäß der dritten Ausführungsform (EM3), des Lichtwellenleitersensors gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel (CE1) und des Lichtwellenleitersensors gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel (CE2) darstellt;
17 einen Graph, der Verhältnisse einer evaneszenten Welle zur Gesamtmenge von Licht in dem Lichtwellenleitersensor gemäß der dritten Ausführungsform (EM3), dem Lichtwellenleitersensor gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel (CE1) und dem Lichtwellenleitersensor gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel (CE2) darstellt;
18 ein Diagramm, das einen Brechungsindex an jeder Komponente in einem Lichtwellenleitersensor gemäß einer vierten Ausführungsform darstellt; und
19A bis 19E Querschnittsansichten, die ein Herstellungsverfahren des Lichtwellenleitersensors gemäß der vierten Ausführungsform darstellen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
(Erste Ausführungsform)
Ein Lichtwellenleitersensor 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 1 und 2 erläutert.
Der Lichtwellenleitersensor 10 beinhaltet ein Substrat 11 und einen Lichtwellenleiter, der oberhalb des Substrats 11 ausgebildet ist. Der Lichtwellenleiter beinhaltet einen Kern 13 und eine seitliche Ummantelung 14. Der Kern 13 erstreckt sich spiralförmig oberhalb einer Oberfläche des Substrats 11. Der Kern 13 und die seitliche Ummantelung 14 befinden sich in derselben Schicht oberhalb der Oberfläche des Substrats 11. Die seitliche Ummantelung 14 ist in Kontakt mit beiden Seitenflächen 13a des Kerns 13, und der Kern 13 befindet sich zwischen der seitlichen Ummantelung 14. Der Kern 13 hat eine Oberseite 13b auf einer dem Substrat 11 gegenüberliegenden Seite. Ein Teil der Oberseite 13b stellt eine Transmissionsoberfläche zur Verfügung, von der eine evaneszente Welle (evaneszentes Licht) leckt und durch ein erfasstes Objekt absorbiert wird. In der nachfolgenden Beschreibung wird eine Dickenrichtung des Substrats 11, d. h. eine Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats 11, oberhalb dessen der Kern 13 und die seitliche Ummantelung 14 angeordnet sind, einfach „Dickenrichtung” genannt.
Das Substrat 11 wird aus einkristallinem Silizium gefertigt. Auf der Oberfläche des Substrats 11 ist eine untere Ummantelungsschicht 12 so angeordnet, dass sie den gesamten Bereich der Oberfläche bedeckt. Auf einer Oberfläche der unteren Ummantelungsschicht 12, die sich gegenüber dem Substrat 11 befindet, sind der Kern 13 und die seitliche Ummantelung 14 angeordnet.
Der Kern 13 ist aus einem Material gefertigt, das einen höheren Brechungsindex als die untere Ummantelungsschicht 12 und die seitliche Ummantelung 14 aufweist. Beispielsweise ist der Kern 13 aus Siliziumnitrid gefertigt. Wie in 1 dargestellt, ist der Kern 13 spiralförmig angeordnet. In anderen Worten weist der Kern 13 ein inneres Ende 13d, das sich an der innersten Position befindet, und ein äußeres Ende 13e, das sich an der äußersten Position befindet, auf, und eine optische Länge des Kerns 13 steigt von einem inneren Kreis zu einem äußeren Kreis an.
Das innere Ende 13d bzw. das äußere Ende 13e des Kerns 13 ist ein Eingangsende des Lichtwellenleiters, und das andere Ende ist ein Ausgangsende des Lichtwellenleiters. In der vorliegenden Ausführungsform ist das innere Ende 13d das Eingangsende, und das äußere Ende 13e ist das Ausgangsende. Der Lichtwellenleitersensor 10 beinhaltet des Weiteren einen Koppler 15, der Licht von einer Lichtquelle zum Eingangsende des Lichtwellenleiters führt. Der Koppler 15 reflektiert Licht von einer Lichtquelle, die sich beispielsweise rechts oberhalb des Substrats 11 befindet, und führt das reflektierte Licht zum Kern 13. In 1 sind die Lichtquelle und ein Lichtdetektor zum Erfassen (Detektieren) von Licht, das vom Ausgangsende des Lichtwellenleiters ausgegeben wird, nicht dargestellt.
Die seitliche Ummantelung 14 ist mit dem gesamten Bereich der Seitenflächen 13a des Kerns 13 entlang einer Erstreckungsrichtung des Kerns 13 so in Kontakt, dass Licht nicht von den Seitenflächen 13a leckt. In der vorliegenden Ausführungsform weisen die seitliche Ummantelung 14 und der Kern 13 die gleiche Dicke auf. Eine Oberfläche der seitlichen Ummantelung 14 auf einer der unteren Ummantelungsschicht 12 gegenüberliegenden Seite ist auf derselben Ebene wie die Oberseite 13b des Kerns 13. Die seitliche Ummantelung 14 ist beispielsweise aus Siliziumoxynitrid (SiON) gefertigt.
Im Lichtwellenleitersensor 10 konfigurieren der Kern 13, die seitliche Ummantelung 14, die in Kontakt mit den Seitenflächen 13a des Kerns 13 ist, und die untere Ummantelungsschicht 12, die in Kontakt mit der Unterseite 13c des Kerns 13 ist, den Lichtwellenleiter. Die Oberseite 13b des Kerns 13 ist zur Außenseite hin freigelegt, und die freigelegte Oberseite 13b funktioniert als die Transmissionsoberfläche, von der die evaneszente Welle leckt.
Somit, wenn Licht von der Lichtquelle ausgegeben und zum Lichtwellenleiter geführt wird, leckt die evaneszente Welle als ein Teil des Lichts von der Oberseite 13b des Kerns 13 und wird durch Gas oder Flüssigkeit als ein erfasstes Objekt, das in Kontakt mit der Oberseite 13b ist, absorbiert. Eine Intensität von Licht, das durch den Lichtwellenleiter geführt wird, wird gemäß der Menge von durch das erfasste Objekt absorbiertem Licht reduziert. Somit kann das erfasste Objekt durch Messen der Intensität des Lichts, das durch den Lichtwellenleiter geführt wird, für eine vorbestimmte Wellenlängenbandregion abhängig von einer Absorptionseigenschaft des erfassten Objekts analysiert werden.
Ein Herstellungsverfahren des Lichtwellenleitersensors 10 wird mit Bezug auf 3A bis 3C erläutert. Während einer Verarbeitung, die in 3A dargestellt ist, wird das Substrat 11, das aus einkristallinem Silizium gefertigt ist, vorbereitet. Auf der Oberfläche des Substrats 11 wird die untere Ummantelungsschicht 12, die aus Siliziumoxid gefertigt ist, ausgebildet, beispielsweise durch thermische Oxidation oder chemische Dampfabscheidung (chemical vapor deposition, CVD). Als Nächstes wird eine Siliziumnitridschicht 23 auf der unteren Ummantelungsschicht 12 beispielsweise durch CVD ausgebildet.
Während einer Verarbeitung, die in 3B dargestellt ist, wird der Kern 13, der spiralförmig ist, durch Ätzen der Siliziumnitridschicht 23 ausgebildet Im vorliegenden Zustand ist die Unterseite 13c des Kerns 13 in Kontakt mit der unteren Ummantelungsschicht 12, und die Seitenflächen 13a und die Oberseite 13b des Kerns 13 sind zur Außenseite hin freigelegt.
Während einer Verarbeitung, die in 3C dargestellt ist, wird eine Siliziumoxynitridschicht 24 auf der oberen Ummantelungsschicht 12 beispielsweise durch CVD ausgebildet, um den Kern 13 zu bedecken. In der vorliegenden Ausführungsform ist, wenn die Siliziumoxynitridschicht 24 ausgebildet wird, ein Volumenverhältnis von Sauerstoff zum Gesamtgas in einer Kammer konstant.
Die Siliziumoxynitridschicht 24 wird so geätzt, dass die Oberseite 13b des Kerns 13 zur Außenseite hin freigelegt ist, wodurch der Lichtwellenleitersensor 10 hergestellt werden kann.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Oberseite 13b des Kerns 13 als die Transmissionsoberfläche verwendet, während die Seitenflächen 13a nicht als eine Transmissionsoberfläche verwendet werden.
Die Seitenflächen 13a des Kerns 13 sind zu einer Zeit, wenn der Kern 13 durch Strukturierung (patterning) ausgebildet wird, verarbeitete Oberflächen. Somit sind die Seitenflächen 13a verglichen zur Oberseite 13b rau. Somit kann, wenn die Seitenflächen 13a als Transmissionsoberflächen verwendet werden, Streuung an einer Schnittstelle der Seitenflächen 13a und einem erfassten Objekt, das in Kontakt mit den Seitenflächen 13a ist, auftreten, und eine Transmissionsdämpfung kann ansteigen.
In dem Lichtwellenleitersensor 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Oberseite 13b des Kerns 13 als die Transmissionsoberfläche verwendet. Somit kann der Lichtwellenleitersensor 10 das Streuen und die Transmissionsdämpfung verglichen mit der Konfiguration, die die Seitenflächen 13a des Kerns 13 als die Transmissionsoberfläche verwendet, einschränken. Demzufolge kann das Verhältnis der evaneszenten Welle zur Gesamtmenge von Licht erhöht werden, und die Erfassungsgenauigkeit kann verbessert werden.
Des Weiteren erstreckt sich der Kern 13 spiralförmig. Somit kann, sogar wenn der Biegeradius so erhöht wird, dass der Kern 13 nicht einfach Licht überträgt, die Abmessung des Kerns 13 verglichen mit einem Fall, in dem der Kern 13 sich schlangenförmig erstreckt, reduziert werden. In anderen Worten kann die Erfassungsgenauigkeit verbessert werden, da eine Wellenleiterlänge bei gleichbleibender Abmessung erhöht werden kann.
Als ein Beispiel wird eine Wellenleiterlänge des Kerns 13, der in ein Quadrat mit 5 mm Seitenlänge eingepasst wird, mit einem Fall, in dem der Kern 13 sich schlangenförmig erstreckt, und einem Fall, in dem der Kern 13 sich spiralförmig erstreckt, verglichen. Ein Biegeradius jedes Biegeabschnitts wird auf 400 μm festgelegt, und eine Breite des Lichtwellenleiters, d. h. ein Abstand von Mitte zu Mitte der seitlichen Ummantelung 14, die sich auf gegenüberliegenden Seiten des Kerns 13 befindet (das Abstandsmaß P1 in 2), wird auf 100 μm festgelegt. Demzufolge ist die Wellenleiterlänge 36 mm in dem Fall, in dem sich der Kern 13 schlangenförmig erstreckt, und die Wellenleiterlänge ist 242 mm in dem Fall, in dem sich der Kern spiralförmig erstreckt.
Des Weiteren kann, da der Biegeradius erhöht werden kann, die Brechungsindexdifferenz zwischen dem Kern 13 und der seitlichen Ummantelung 14 reduziert werden. Auf gleiche Weise kann die Brechungsindexdifferenz zwischen dem Kern 13 und der unteren Ummantelungsschicht 12 reduziert werden. Somit kann die Transmissionsdämpfung aufgrund von Streuung an den Schnittstellen eingeschränkt werden, und die Erfassungsempfindlichkeit kann verbessert werden.
Wie vorstehend beschrieben, kann der Lichtwellenleitersensor 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Abmessung reduzieren, während er die Erfassungsempfindlichkeit verbessert.
Des Weiteren kann, da die Oberseite 13b des Kerns 13 zur Außenseite der seitlichen Ummantelung 14 freigelegt ist, die evaneszente Welle, die von der Oberseite 13b als der Transmissionsoberfläche leckt, effizient durch ein erfasstes Objekt absorbiert werden. Somit kann die Erfassungsempfindlichkeit verbessert werden.
(Zweite Ausführungsform)
Ein Lichtwellenleitersensor 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 4 erläutert. In dem Lichtwellenleitersensor 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform funktionieren die Oberseite 13b und die Unterseite 13c des Kerns 13 als Transmissionsoberflächen. Des Weiteren beinhaltet der Lichtwellenleitersensor 10 eine Tragschicht 16, die ein Ausbeulen (buckling) einer Membran MEM einschränkt.
Der Lichtwellenleitersensor 10, der in 4 dargestellt ist, beinhaltet ein Substrat 11, das eine Oberseite 11a aufweist, oberhalb der ein Kern 13 und eine seitliche Ummantelung 14 angeordnet sind. Das Substrat 11 weist eine entfernte Sektion 17 auf, die sich auf der Oberseite 11a öffnet. Somit bilden Abschnitte des Kerns 13 und der seitlichen Ummantelung 14, die die entfernte Sektion 17 überbrücken, die Membran MEM aus. Nicht nur die Oberseite 13b, sondern auch die Unterseite 13c des Kerns 13 in der Membran MEM kann als die Transmissionsoberfläche funktionieren.
In dem Beispiel, das in 4 dargestellt ist, öffnet sich die entfernte Sektion 17 ebenso auf einer Unterseite 11b, die ausgehend von der Oberseite 11a eine gegenüberliegende Seite des Substrats 11 ist. Somit stellt die entfernte Sektion 17 ein Durchgangsloch, welches das Substrat 11 durchdringt, bereit. Ein größter Teil des Kerns 13 außer einer vorbestimmten Region vom äußeren Ende 13e befindet sich in einer Region der Membran MEM.
Die entfernte Sektion 17 kann, nachdem der Kern 13 und die seitliche Ummantelung 14 ausgebildet sind, durch Ätzen des Substrats 11 ausgehend von der Unterseite 11b unter Verwendung der Tragschicht 16 als Stopper bereitgestellt werden.
Die Tragschicht 16 ist anstatt der unteren Ummantelungsschicht 12 vorgesehen. Die Tragschicht 16 befindet sich zwischen der Oberseite 11a des Substrats 11 und dem Kern 13 und der seitlichen Ummantelung 14, um den gesamten Bereich von Unterseiten des Kerns 13 und der seitlichen Ummantelung 14 zu bedecken. Die Tragschicht 16 kann als eine Bewehrungsschicht dienen, die ein Ausbeulen des Kerns 13 und der seitlichen Ummantelung 14 durch Membranstress aufgrund von Materialien des Kerns 13 und der seitlichen Ummantelung 14 einschränkt. Die Tragschicht 16 weist eine Dicke auf, um die Transmission der evaneszenten Welle, die von der Unterseite 13c des Kerns leckt, nicht zu beeinflussen. Die Tragschicht 16 ist beispielsweise aus Siliziumnitrid gefertigt.
In dem Lichtwellenleitersensor 10, der in 4 dargestellt ist, wird die evaneszente Welle, die von der Oberseite 13b des Kerns 13 leckt, durch ein erfasstes Objekt, das mit der Oberseite 13b in Kontakt ist, absorbiert, und die evaneszente Welle, die von der Unterseite 13c des Kerns 13 leckt, wird durch das erfasste Objekt durch die Tragschicht 16 absorbiert. In einem Fall, in dem die Oberseite 13b und die Unterseite 13c des Kerns 13 als die Transmissionsoberflächen wie vorstehend beschrieben verwendet werden, kann das Verhältnis der evaneszenten Welle, die von den Transmissionsoberflächen leckt, zur Gesamtmenge von Licht zweimal so groß wie in einem Fall sein, in dem nur die Oberseite 13b als die Transmissionsoberfläche verwendet wird. Somit kann die Erfassungsempfindlichkeit verbessert werden.
Die entfernte Sektion 17 des Substrats 11 ist ein Durchgangsloch. Somit kann das erfasste Objekt einfach auf der Unterseite 13c des Kerns 13 angeordnet werden.
Des Weiteren weist die Tragschicht 16 eine Dicke auf, die die Transmission der evaneszenten Welle, die von der Unterseite 13c leckt, nicht beeinflusst. Somit kann der Lichtwellenleitersensor 10 die Erfassungsempfindlichkeit verbessern, während er ein Ausbeulen der Membran MEM einschließlich des Kerns 13 und der seitlichen Ummantelung 14 einschränkt.
Die Dicke, die die Transmission der evaneszenten Welle nicht beeinflusst, kann ebenso als eine Dicke bezeichnet werden, mit der keine Reflexion an einer Schnittstelle zwischen dem Kern 13 und der Tragschicht 16 auftritt. Wenn die Wellenlänge des Lichts, das in dem Lichtwellenleiter geführt wird, λ ist, der Brechungsindex der Tragschicht 16 bei der Wellenlänge λ n_s ist und die Dicke der Tragschicht 16 t_s ist, wird die Dicke t_s so bestimmt wird, dass eine Beziehung von n_s × t_s ≤ λ erfüllt ist.
Wird die Tragschicht 16 so ausgebildet, dass n_s × t_s, das heißt, die Lichtwellenlänge gleich oder kleiner als die Wellenlänge λ ist, kann die evaneszente Welle effizient die Tragschicht 16 durchdringen, sogar wenn die Tragschicht 16 bereitgestellt wird, und die evaneszente Welle kann durch das erfasste Objekt absorbiert werden.
Die Dicke t_s der Tragschicht 16 kann ebenso so bestimmt werden, dass sie eine Beziehung n_s × t_s ≤ 0,3 λ erfüllt. Gemäß einer Simulation durch die Erfinder konvergiert der Wert der optischen Länge (n_s ≤ t_s)/Wellenlänge λ bezüglich des Brechungsindex n_s der Tragschicht 16 bei 0,3, wie in 5 dargestellt. Somit kann, wenn die Dicke t_s bestimmt wird, um die vorstehend erläuterte Beziehung zu erfüllen, die Erfassungsempfindlichkeit ungeachtet der Wellenlänge λ und des Brechungsindex n_s der Tragschicht 16 verbessert werden.
In dem in 4 dargestellten Beispiel befindet sich die Tragschicht 16 auf der Seite der Unterseite des Kerns 13, d. h. zwischen dem Substrat 11 und dem Kern 13 und der seitlichen Ummantelung 14. Als eine erste Modifikation, die in 6 dargestellt ist, kann die Tragschicht 16 sich ebenso auf einer Seite der Oberseite des Kerns 13 befinden, um den Gesamtbereich des Kerns 13 und der seitlichen Ummantelung 14 zu bedecken. Im vorliegenden Fall wird die evaneszente Welle, die von der Oberseite 13b des Kerns 13 leckt, durch das erfasste Objekt durch die Tragschicht 16 absorbiert, und die evaneszente Welle, die von der Unterseite 13c des Kerns 13 leckt, wird durch das erfasste Objekt, das mit der Unterseite 13c in Kontakt ist, absorbiert.
Die entfernte Sektion 17 des Substrats 11 ist nicht auf das in 4 dargestellte Durchgangsloch beschränkt. Beispielsweise kann als eine zweite Modifikation, die in 7 dargestellt ist, das Substrat 11 einen Aussparungsabschnitt aufweisen, der sich nur auf der Oberseite 11a öffnet, und der Aussparungsabschnitt kann die entfernte Sektion 17 bereitstellen. Die entfernte Sektion 17 kann ausgebildet werden, nachdem der Kern 13 und die seitliche Ummantelung 14 ausgebildet sind, beispielsweise durch Ätzen des Substrats 11 ausgehend von der Oberseite 11a durch ein Ätzloch 18. Das Ätzloch 18 durchdringt einen Abschnitt der seitlichen Ummantelung 14, der den Lichtwellenleiter nicht beeinflusst. Das Ätzloch 18 durchdringt ebenso die Tragschicht 16. Das Ätzloch 18 ist an einer Mehrzahl von Abschnitten vorgesehen. In der vorliegenden Konfiguration kann die Tragschicht 16 auf der Seite der Oberseite des Kerns 13 angeordnet werden.
In einem Fall, in dem es keine Möglichkeit des Ausbeulens gibt, kann als eine dritte Modifikation, die in 8 dargestellt ist, die Membran MEM den Kern 13 und die seitliche Ummantelung 14 beinhalten, und die Tragschicht 16 kann weggelassen werden. In der vorliegenden Konfiguration sind sowohl die Oberseite 13b als auch die Unterseite 13c des Kerns 13 freigelegt. Somit kann die Menge einer evaneszenten Welle, die durch das erfasste Objekt absorbiert wird, verglichen mit einer Konfiguration, die die Tragschicht 16 beinhaltet, erhöht werden.
(Dritte Ausführungsform)
Die Erfinder haben eine weiter bevorzugte Konfiguration bezüglich der Konfigurationen, die in der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform beschrieben werden, durch Simulation untersucht. Ein Lichtwellenleiter gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert auf dem Simulationsergebnis. In der folgenden Simulation wird ein Lichtwellenleitersensor 10, in dem sowohl eine Oberseite 13b als auch eine Unterseite 13c eines Kerns 13 wie in 8 dargestellt freigelegte Oberflächen sind, als ein Modell verwendet.
Eine Beziehung zwischen einem Brechungsindex des Kerns 13 und einem Brechungsindex der seitlichen Ummantelung 14 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben. Der Brechungsindex des Kerns 13 wird durch n₁ angegeben, der Brechungsindex der seitlichen Ummantelung 14 durch n₂ (< n₁) angegeben, und eine Brechungsindexdifferenz zwischen dem Kern 13 und der seitlichen Ummantelung 14 wird durch Δn (= n₁ – n₂) angegeben.
In 7 ist eine Beziehung zwischen der Brechungsindexdifferenz und einer normalisierten Durchlässigkeit in einem Fall dargestellt, in dem eine Wellenlänge λ von Licht, das in dem Lichtwellenleiter geführt wird, 4,5 μm ist und der Brechungsindex n₁ des Kerns 13 zwischen drei Stufen geändert wird, d. h. 2,0, 2,5 und 3,0. Die normalisierte Durchlässigkeit ist eine Durchlässigkeit, die durch Festlegen der maximalen Durchlässigkeit für jeden Brechungsindex des Kerns 13 auf 1 normalisiert wird. In einem Fall, in dem der Brechungsindex n₁ des Kerns 13 2,0 ist, wird die maximale Durchlässigkeit (die normalisierte Durchlässigkeit = 1) bereitgestellt, wenn die Brechungsindexdifferenz Δn 0,2 ist. In einem Fall, in dem der Brechungsindex n₁ des Kerns 13 2,5 ist, wird die maximale Durchlässigkeit (die normalisierte Durchlässigkeit = 1) bereitgestellt, wenn die Brechungsindexdifferenz Δn 0,1 ist. In einem Fall, in dem der Brechungsindex n₁ des Kerns 13 3,0 ist, wird die maximale Durchlässigkeit (die normalisierte Durchlässigkeit = 1) bereitgestellt, wenn die Brechungsindexdifferenz Δn 0,05 ist.
Die Brechungsindizes, bei denen die normalisierte Durchlässigkeit 0,5 ist (1/2 der maximalen Durchlässigkeit), werden von dem Graph, der in 9 dargestellt ist, extrahiert und werden als eine quadratische Funktion durch eine Methode der kleinsten Quadrate in 10 genähert. In 9 weisen Daten von jedem Brechungsindex des Kerns 13 zwei Schnittpunkte mit der normalisierten Durchlässigkeit = 0,5 auf, wobei einer der zwei Schnittpunkte bei einer kleinen Brechungsindexdifferenz Δn und der andere bei einer großen Brechungsindexdifferenz Δn ist.
In einem Fall, in dem der Schnittpunkt bei der kleinen Brechungsindexdifferenz Δn von jedem Brechungsindex (2,0, 2,5, 3,0) als eine quadratische Funktion durch eine Methode der kleinsten Quadrate genähert wird, wie in 10 dargestellt ist, gilt Δn = 0,02n₁ ² – 0,17n₁ + 0,36. Der Schnittpunkt des Brechungsindex n₁ = 2,0 ist 0,0044, der Schnittpunkt des Brechungsindex n₁ = 2,5 ist 0,072 und der Schnittpunkt des Brechungsindex n₁ = 3,0 ist 0,11.
In einem Fall, in dem der Schnittpunkt an der großen Brechungsindexdifferenz Δn von jedem Brechungsindex (2,0, 2,5, 3,0) als eine quadratische Funktion durch eine Methode der kleinsten Quadrate genähert wird, wie in 10 dargestellt ist, gilt Δn = 0,51n₁ ² – 3,10n₁ + 4,95. Der Schnittpunkt des Brechungsindex n₁ = 2,0 ist 0,255, der Schnittpunkt des Brechungsindex n₁ = 2,5 ist 0,4 und der Schnittpunkt des Brechungsindex n₁ = 3,0 ist 0,8.
Bei jedem Brechungsindex (2,0, 2,5, 3,0) des Kerns 13 ist ein Bereich zwischen dem Schnittpunkt an der kleinen Brechungsindexdifferenz Δn und dem Schnittpunkt an der großen Brechungsindexdifferenz Δn ein Bereich, in dem die normalisierte Durchlässigkeit gleich oder größer als 0,5 ist. Somit kann durch Ausbilden des Kerns 13 und der seitlichen Ummantelung 14, um Gleichung (1) zu erfüllen, die normalisierte Durchlässigkeit gleich oder größer als 0,5 sein, das heißt, die Durchlässigkeit kann gleich oder großer als ½ der maximalen Durchlässigkeit sein. 0,02n₁ ² – 0,17n₁ + 0,36 ≤ Δn ≤ 0,51n₁ ² – 3,10n₁ + 4,95 (1)
In der vorliegenden Ausführungsform sind der Kern 13 und die seitliche Ummantelung 14 ausgebildet, um die Gleichung (1) zu erfüllen. Somit ist die Durchlässigkeit von Licht, das in dem Lichtwellenleiter geführt wird, hoch, eine Transmissionsdämpfung kann reduziert werden und eine Erfassungsempfindlichkeit kann verbessert werden.
Als Nächstes wird eine Dicke des Kerns 13 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
11 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Dicke des Kerns 13 und einem Verhältnis der evaneszenten Welle, die von Transmissionsoberfläche leckt, zur Gesamtmenge von Licht, d. h. dem Evaneszenzwellenverhältnis, darstellt. In 11 ist ein Beispiel dargestellt, in dem der Brechungsindex n₁ des Kerns 13 3,0 ist, der Brechungsindex n₂ der seitlichen Ummantelung 14 2,8 ist und die Wellenlänge λ von Licht, das in dem Lichtwellenleiter geführt wird, 4,5 μm ist.
Wie in 11 dargestellt ist, ändert sich eine Änderung des Evaneszenzwellenverhältnisses bezüglich der Dicke des Kerns 13 drastisch um die Dicke von 2 μm herum. Konkret ist in einem Fall, in dem die Dicke des Kerns 13 gleich oder kleiner als 2 μm ist, die Änderung des Evaneszenzwellenverhältnisses bezüglich der Dicke des Kerns 13 größer als in einem Fall, in dem die Dicke des Kerns 13 größer als 2 μm ist. Die Änderung des Evaneszenzwellenverhältnisses bezüglich der Dicke des Kerns 13 wird weiter erhöht in einem Fall, in dem die Dicke des Kerns 13 gleich oder kleiner als 1,5 μm ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist basierend auf dem vorstehend beschriebenen Simulationsergebnis die Dicke des Kerns 13 gleich oder kleiner als 2,0 μm. Somit kann das Evaneszenzwellenverhältnis erhöht werden, und die Erfassungsempfindlichkeit kann verbessert werden. Wenn die Dicke des Kerns 13 gleich oder kleiner als 1,5 μm ist, kann die Erfassungsempfindlichkeit weiter erhöht werden.
Als Nächstes wird der Brechungsindex n₁ des Kerns 13 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
12 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen dem Brechungsindex n₁ des Kerns 13 und dem Evaneszenzwellenverhältnis darstellt. In 12 ist ein Beispiel dargestellt, in dem die Brechungsindexdifferenz Δn 0,2 ist und die Wellenlänge λ des Lichts, das in dem Lichtwellenleiter geführt wird, 4,5 ist.
Wie in 12 dargestellt, ändert sich eine Änderung des Evaneszenzwellenverhältnisses bezüglich des Brechungsindex n₁ des Kerns 13 drastisch um den Brechungsindex n₁ von 3 herum. Konkret ist in einem Fall, in dem der Brechungsindex n₁ des Kerns 13 gleich oder kleiner als 3 ist, die Änderung des Evaneszenzwellenverhältnisses bezüglich des Brechungsindex n₁ des Kerns 13 größer als in einem Fall, in dem die Dicke des Kerns 13 größer als 3 ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist basierend auf dem Simulationsergebnis der Brechungsindex n₁ des Kerns 13 gleich oder kleiner als 3. Somit kann das Evaneszenzwellenverhältnis erhöht werden, und die Erfassungsempfindlichkeit kann verbessert werden.
13A ist ein Diagramm, das eine Lichtintensitätsverteilung des Lichtwellenleitersensors gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt, und 13B ist eine erläuternde Ansicht des Diagramms, das in 13A dargestellt ist. Konkret ist der Brechungsindex n₁ des Kerns 13 2,0, der Brechungsindex n₂ der seitlichen Ummantelung 14 ist 1,7, die Brechungsindexdifferenz Δn ist 0,3, die Dicke des Kerns 13 ist 1,0 μm, die Breite des Kerns 13 ist 2,5 μm und die Wellenlänge λ des Lichts, das in dem Lichtwellenleiter geführt wird, ist 3,5 μm.
14A ist ein Diagramm, das eine Lichtintensitätsverteilung eines Lichtwellenleitersensors gemäß einem ersten Vergleichsbeispiel darstellt, und 14B ist eine erläuternde Ansicht des Diagramms, das in 14A dargestellt ist. In dem Lichtwellenleitersensor gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel befindet sich die seitliche Ummantelung 14 an beiden Seitenflächen 13a des Kerns 13, und die Oberseite 13b und die Unterseite 13c werden als Transmissionsoberflächen auf gleiche Weise wie bei der Konfiguration, die in 13A und 13b dargestellt ist, verwendet. Der Brechungsindex n₁ des Kerns 13 ist 3,4, der Brechungsindex n₂ der seitlichen Ummantelung 14 ist 1,4, die Brechungsindexdifferenz Δn ist 2,0, die Dicke des Kerns 13 ist 1,0 μm, die Breite des Kerns 13 ist 2,5 μm und die Wellenlänge λ des Lichts, das in dem Lichtwellenleiter geführt wird, ist 3,5 μm.
15A ist ein Diagramm, das eine Lichtintensitätsverteilung eines Lichtwellenleitersensors gemäß einem zweiten Vergleichsbeispiel darstellt, und 15B ist eine erläuternde Ansicht des Diagramms, das in 15A dargestellt ist. In dem Lichtwellenleitersensor gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel befindet sich der Kern 13 auf der unteren Ummantelungsschicht 12, und die beiden Seitenflächen 13a und die Oberseite 13b des Kerns 13 werden als Transmissionsoberflächen verwendet. Der Brechungsindex n₁ des Kerns 13 ist 3,4, der Brechungsindex n₂ der seitlichen Ummantelung 14 ist 1,4, die Brechungsindexdifferenz Δn ist 2,0, die Dicke des Kerns 13 ist 1,0 μm, die Breite des Kerns 13 ist 2,5 μm und die Wellenlänge λ des Lichts, das in dem Lichtwellenleiter geführt wird, ist 3,5 μm.
Das erste Vergleichsbeispiel und das zweite Vergleichsbeispiel entsprechen herkömmlichen Konfigurationen, die eine große Brechungsindexdifferenz Δn aufweisen. C1 in 13A bis 15B gibt eine Mittenposition des Kerns 13 an, und 13A bis 15B zeigen eine relative Intensitätsverteilung, in der eine Lichtintensität an der Mittenposition C1 auf 1,0 festgelegt wird. Eine strichpunktierte Linie 19 in 13A bis 15B gibt einen Bereich der evaneszenten Welle an, die von den Transmissionsoberflächen des Kerns 13 leckt. In 13A bis 15B nimmt die Lichtintensität mit einem Abstand von der Mittenposition C1 ab. Die Lichtintensität an einer Position außerhalb des Bereichs der evaneszenten Welle, der durch die strichpunktierte Linie 19 umrandet wird, ist null.
16 ist ein Graph, der Transmissionsdämpfungen des Lichtwellenleitersensors gemäß der vorliegenden Ausführungsform (EM3), des Lichtwellenleitersensors gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel (CE1) und des Lichtwellenleitersensors gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel (CE2) darstellt. 7 ist ein Graph, der Verhältnisse der evaneszenten Welle, die von den Transmissionsoberflächen leckt, zur Gesamtmenge von Licht darstellt, d. h. die Evaneszenzwellenverhältnisse des Lichtwellenleitersensors gemäß der vorliegenden Ausführungsform (EM3), des Lichtwellenleitersensors gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel (CE1) und des Lichtwellenleitersensors gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel (CE2).
Wie aus einem Vergleich von 13A bis 15B und dem Ergebnis, das in 16 und 17 dargestellt ist, klar hervorgeht, kann der Lichtwellenleitersensor 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Verhältnis der evaneszenten Welle zur Gesamtmenge von Licht erhöhen. Somit kann der Lichtwellenleitersensor gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Erfassungsempfindlichkeit verglichen mit dem ersten Vergleichsbeispiel und dem zweiten Vergleichsbeispiel verbessern.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der Lichtwellenleitersensor 10, in dem sowohl die Oberseite 13b als auch die Unterseite 13c des Kerns 13 freigelegt sind und als die Transmissionsoberflächen funktionieren, als das Modell als ein Beispiel verwendet. Sogar in einem Fall, in dem nur eine der Oberseite 13b und der Unterseite 13c als eine Transmissionsoberfläche funktioniert, kann die Erfassungsempfindlichkeit verglichen mit dem ersten Vergleichsbeispiel und dem zweiten Vergleichsbeispiel verbessert werden. In dem Fall, in dem nur eine der Oberseite 13b und der Unterseite 13c als die Transmissionsoberfläche funktioniert, wird das Verhältnis der evaneszenten Welle, die von der Transmissionsoberfläche leckt, zur Gesamtmenge von Licht ungefähr die Hälfte der Konfiguration, die in 13A und 13B dargestellt ist, d. h. von 20% bis 30%.
(Vierte Ausführungsform)
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist der Brechungsindex der seitlichen Ummantelung 14, die in Kontakt mit den Seitenflächen 13a des Kerns 13 ist, konstant. In einem Lichtwellenleiter gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 18 dargestellt, beinhaltet die seitliche Ummantelung 14 einen Abschnitt 14a mit einem konstanten Brechungsindex und einen Abschnitt 14b mit einer Brechungsindexsteigung.
Der Abschnitt 14a mit dem konstanten Brechungsindex weist einen vorbestimmten Brechungsindex n₂(< n₁) auf. Der Abschnitt 14b mit der Brechungsindexsteigung befindet sich zwischen dem Abschnitt 14a mit dem konstanten Brechungsindex und dem Kern 13. Der Brechungsindex des Abschnitts 14b mit der Brechungsindexsteigung nimmt kontinuierlich oder stufenweise von dem Brechungsindex n₁ zum Brechungsindex n₂ gemäß einem Abstand von der Seitenfläche 13a des Kerns 13 ab.
Die Transmissionsdämpfung aufgrund von Streuung an den Schnittstellen zwischen dem Kern 13 und der seitlichen Ummantelung 14 nimmt mit steigender Brechungsindexdifferenz Δn des Kerns 13 und der seitlichen Ummantelung 14, die in Kontakt mit der Seitenfläche 13a des Kerns 13 ist, zu. In der vorliegenden Ausführungsform nimmt der Brechungsindex der seitlichen Ummantelung 14 kontinuierlich oder schrittweise ausgehend von Schnittstellen mit dem Kern 13 ab. Somit kann die Streuung eingeschränkt werden, und die Erfassungsempfindlichkeit kann verbessert werden.
Der Lichtwellenleitersensor 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann beispielsweise durch ein Verfahren, das in 19A bis 19B dargestellt ist, hergestellt werden. In 19A bis 19B ist der Einfachheit halber nur ein Kern 13 dargestellt.
Während einer Verarbeitung, die in 19A dargestellt ist, werden die untere Ummantelungsschicht 12 und der Kern 13 auf dem Substrat 11 auf gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform ausgebildet. Nach Ausbilden des Kerns 13 wird eine Siliziumoxynitridschicht durch CVD über der unteren Ummantelungsschicht 12 so abgeschieden, dass sie den Kern 13 bedeckt. Im vorliegenden Fall wird ein Volumenverhältnis von Sauerstoff zum Gesamtgas in einer Kammer erhöht, während die Siliziumoxynitridschicht ausgebildet wird.
Beispielsweise wird während einer Verarbeitung, die in 19B dargestellt ist, in einem Zustand, in dem Gas zum Bereitstellen von Sauerstoff 20% des Gesamtgases in der Kammer ausmacht, eine Siliziumoxynitridschicht 24a auf der unteren Ummantelungsschicht 12 so abgeschieden, dass sie den Kern 13 bedeckt. Dann wird, wie in 19C dargestellt, ein Abschnitt der Siliziumoxynitridschicht 24a, der die untere Ummantelungsschicht 12 bedeckt, durch Ätzen so entfernt, dass ein Abschnitt der Siliziumoxynitridschicht 24a, der den Kern 13 bedeckt, verbleibt.
Als Nächstes wird in einem Zustand, in dem Gas zum Bereitstellen von Sauerstoff 50% des Gesamtgases in der Kammer ausmacht, eine Siliziumoxynitridschicht 24b auf der unteren Ummantelungsschicht 12 so abgeschieden, dass sie die Siliziumoxynitridschicht 24a bedeckt. Die Siliziumoxynitridschicht 24b wird mit einer Strukturierungsverarbeitung (patterning) so behandelt, dass ein Teil der Siliziumoxynitridschicht 24b, der die untere Ummantelungsschicht 12 bedeckt, entfernt wird und nur ein Teil der Siliziumoxynitridschicht 24b, der den Kern 13 bedeckt, verbleibt.
Als Nächstes wird in einem Zustand, in dem Gas zum Bereitstellen von Sauerstoff 80% des Gesamtgases in der Kammer ausmacht, wie in 19D dargestellt, eine Siliziumoxynitridschicht 24c auf der unteren Ummantelungsschicht 12 so abgeschieden, dass sie die Siliziumoxynitridschicht 24b bedeckt. Die Siliziumoxynitridschicht 24c und die Siliziumoxynitridschicht 24b werden so geätzt, dass Seitenflächen 13a des Kerns 13 mit der Siliziumoxynitridschicht 24c bedeckt sind und die Siliziumoxynitridschicht 24b und die Oberseite 13b des Kerns 13 nach außen hin freigelegt sind. Während einer Verarbeitung, die in 19E dargestellt ist, wird ein Ätzen so durchgeführt, dass die Oberseite 13b des Kerns 13 und die seitliche Ummantelung 14 sich auf derselben Ebene befinden.
Auf diese Weise werden durch Ändern der Zusammensetzung von Material zum Ausbilden der seitlichen Ummantelung 14 kontinuierlich oder stufenweise der Abschnitt des konstanten Brechungsindex 14a einschließlich der Siliziumoxynitridschicht 24c und der Abschnitt der Brechungsindexsteigung einschließlich der Siliziumoxynitridschicht 24a, 24b ausgebildet, und dadurch wird der Lichtwellenleitersensor 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet.
In dem vorstehend beschriebenen Beispiel funktioniert nur die Oberseite 13b als die Transmissionsoberfläche. Der Abschnitt 14b der Brechungsindexsteigung kann ebenso auf eine Konfiguration angewandt werden, in der die Oberseite 13b und die Unterseite 13c des Kerns 13 als die Transmissionsoberflächen funktionieren.
Obwohl die vorliegende Erfindung vollständig in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen derselben mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann innerhalb eines Umfangs der vorliegenden Erfindung modifiziert werden.
Zusammengefasst betrifft die Erfindung einen Lichtwellenleitersensor, der ein Substrat und einen Lichtwellenleiter beinhaltet. Der Lichtwellenleiter beinhaltet einen Kern und eine seitliche Ummantelung. Der Kern erstreckt sich spiralförmig oberhalb einer Oberfläche des Substrats. Die seitliche Ummantelung befindet sich in einer selben Schicht wie der Kern oberhalb der Oberfläche des Substrats und ist in Kontakt mit beiden Seitenflächen des Kerns. Mindestens ein Teil einer Oberfläche des Kerns, der sich gegenüber dem Substrat befindet, ist eine Transmissionsoberfläche, von der Licht leckt und durch ein erfasstes Objekt absorbiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005-61904 A [0002]

Claims

Lichtwellenleitersensor (10), aufweisend: ein Substrat (11); und einen Lichtwellenleiter, der einen Kern (13) und eine seitliche Ummantelung (14) beinhaltet, wobei der Kern (13) sich spiralförmig oberhalb einer Oberfläche des Substrats (11) erstreckt, die seitliche Ummantelung (14) sich in einer gleichen Schicht wie der Kern (13) oberhalb der Oberfläche des Substrats (11) befindet und in Kontakt mit beiden Seitenflächen (13a) des Kerns (13) ist, und mindestens ein Teil einer Oberfläche des Kerns (13), der sich gegenüber dem Substrat (11) befindet, eine Transmissionsoberfläche ist, von der Licht leckt und durch ein erfasstes Objekt absorbiert wird.
Lichtwellenleitersensor (10) gemäß Anspruch 1, wobei wenn der Kern (13) einen Brechungsindex n₁ aufweist, die seitliche Ummantelung (14) einen Brechungsindex n₂ aufweist und eine Differenz zwischen dem Brechungsindex n₁ und dem Brechungsindex n₂ durch Δn angegeben ist, der Lichtwellenleiter eine Beziehung 0,02n₁ ² –0,17n₁ + 0,36 ≤ Δn ≤ 0,51n₁ ² – 3,10n₁ + 4,95 erfüllt.
Lichtwellenleitersensor (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Kern (13) eine Dicke von gleich oder kleiner als 2,0 μm aufweist.
Lichtwellenleitersensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1–3, wobei der Brechungsindex n₁ des Kerns (13) kleiner oder gleich 3 ist.
Lichtwellenleitersensor (10) gemäß Anspruch 1, wobei die seitliche Ummantelung (14) einen Brechungsindexneigungsabschnitt (14b) in einem vorbestimmten Gebiet ausgehend von einer Grenze zum Kern (13) aufweist und ein Brechungsindex des Brechungsindexneigungsabschnitts (14b) kontinuierlich oder stufenweise mit einem Abstand zum Kern (13) abnimmt.
Lichtwellenleitersensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1–5, wobei das Substrat (11) eine entfernte Sektion (17) aufweist, die sich auf der Oberfläche des Substrats (11) öffnet, Abschnitte des Kerns (13) und der seitlichen Ummantelung (14), die die entfernte Sektion überbrücken, eine Membran (MEM) ausbilden, und sowohl die Oberfläche des Kerns (13), die sich gegenüber dem Substrat (11) befindet, als auch eine Oberfläche des Kerns (13), die dem Substrat (11) zugewandt ist, die Transmissionsoberflächen sind.
Lichtwellenleitersensor (10) gemäß Anspruch 6, wobei die entfernte Sektion (17) ein Durchgangsloch ist, welches das Substrat (11) ausgehend von der Oberfläche zu einer gegenüberliegenden Oberfläche hin durchdringt.
Lichtwellenleitersensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1–7, wobei die Transmissionsoberfläche freigelegt ist, um in Kontakt mit dem erfassten Objekt zu sein.
Lichtwellenleitersensor (10) gemäß Anspruch 6 oder 7, weiter aufweisend: eine Tragschicht (16), die sich auf mindestens einer der Transmissionsoberflächen des Kerns (13) zum Bewehren der Membran (MEM) befindet, wobei wenn das Licht, das in dem Lichtwellenleiter geführt wird, eine Wellenlänge λ aufweist, die Tragschicht einen Brechungsindex n_s bei der Wellenlänge λ aufweist und die Tragschicht (16) eine Dicke t_s aufweist, die Tragschicht (16) eine Beziehung n_s × t_s ≤ λ erfüllt.
Lichtwellenleitersensor (10) gemäß Anspruch 9, wobei die Tragschicht (16) eine Beziehung n_s × t_s ≤ 0,3 λ erfüllt.
Lichtwellenleitersensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1–5, weiter aufweisend: eine untere Ummantelungsschicht (12), die sich auf der Oberfläche des Substrats (11) befindet, wobei der Kern (13) und die seitliche Ummantelung (14) sich oberhalb der Oberfläche des Substrats (11) auf der unteren Ummantelungsschicht (12) befinden.
Lichtwellenleitersensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1–11, weiter aufweisend: eine Lichtquelle, die Licht in ein Eingangsende (13d) des Lichtwellenleiters eingibt, und einen Lichtdetektor, der das Licht erfasst, das von einem Ausgangsende (13e) des Lichtwellenleiters ausgegeben wird.
Verfahren zum Herstellen eines Lichtwellenleitersensors (10), umfassend: Ausbilden eines Kerns (13) oberhalb eines Substrats (11), und Ausbilden einer seitlichen Ummantelung (14), die in Kontakt mit beiden Seitenflächen (13a) des Kerns (13) ist, in einer gleichen Schicht wie der Kern (13) oberhalb des Substrats (11) durch Abscheiden, wobei das Ausbilden der seitlichen Ummantelung (14) ein Ändern einer Zusammensetzung von Material zum Ausbilden der seitlichen Ummantelung (14) kontinuierlich oder schrittweise so, dass ein Brechungsindex der seitlichen Ummantelung (14) sich kontinuierlich oder schrittweise gemäß einem Abstand zum Kern (13) in einem vorbestimmten Gebiet ausgehend von einer Grenze zum Kern (13) ändert, beinhaltet.