JP2009092776A - 光学素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】座屈による光学特性の劣化を抑制することのできる光学素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン基板と、シリコン基板と一体的に形成され、シリコン基板の上面に立設されたシリコン酸化物からなる少なくとも１つの柱構造体とを備え、柱構造体に光を透過させるようにした光学素子であって、柱構造体の形状を、柱構造体の長手方向の両端部を結んでなる仮想直線に対して少なくとも一方に凸の連続した曲線形状とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学素子及びその製造方法に関するものである。

本出願人は、先の出願において、シリコン基板上にシリコン酸化物からなるマイクロレンズ、プリズム、光導波路等の光学素子を作りこむ技術を提案している（特許文献１参照）。

特許文献１によれば、先ずパターニングしたマスクを用いてシリコン基板をトレンチエッチングし、並設する多数のトレンチを形成する。これにより、トレンチを隔てて複数の柱構造体が並設された状態となる。なお、透過率を向上するために、柱構造体はその長手方向が光軸（光の伝播方向）と平行に延設される。次いで、柱構造体を熱酸化する。これにより、シリコンがシリコン酸化物に置き換えられ、膨張した柱構造体によってトレンチ内が埋められる。そして、所定領域がシリコン基板と一体的なブロックとなる。このようにして形成されたブロックは、その輪郭形状に応じた光学機能を発揮する。
特開２００４−２７１７５６号公報

ところで、熱酸化が終了した時点で、柱構造体の内部に未酸化領域としてシリコンが残っていると、シリコンは光に対して不透明であるため、光学素子（ブロック）の透過率が低下することとなる。柱構造体の酸化に際しては、柱構造体が完全に酸化されるまで、酸素が柱構造体に供給されるように、柱構造体間にトレンチ乃至トレンチ由来の空隙が存在することが重要である。熱酸化膜はシリコン基板の表面に対して、外側に０．５５、内側に０．４５の比率で成長していくことが経験的に知られているが、未酸化領域が残らないように確実に柱構造体を酸化するために、柱構造体に対してトレンチを理想状態よりも広めに設定することが考えられる。

このように設定すると、熱酸化が終了した時点で、柱構造体を未酸化領域の無い状態とすることができる。しかしながら、膨張した柱構造体によってトレンチが完全に埋まらないため、柱構造体間にトレンチ由来の空隙が残ることとなる。この複数の空隙はトレンチ由来であるため規則的であり、回折格子としての機能を果たす。したがって、光学素子を透過した光は各次数の回折光となって複数の方向に分割されるが、光学素子としてはそのうちの一方向の光（例えばレンズとしては０次光）のみを必要とするため、実質的に光学素子（ブロック）の透過率が低下することとなる。

これに対し、本出願人は、特願２００６−３００７５９号にて、その長手方向が光軸と例えば略垂直となるように複数の柱構造体が並設された光学素子を提案している。これによれば、隙間の長手方向が光軸と略垂直となっているので、上述の回折効果を抑制することができる。

しかしながら、上述の構成及び特許文献１に示される構成のいずれにおいても、柱構造体を熱酸化して、シリコンからシリコン酸化物に置き換える。したがって、柱構造体の幅（短手方向の幅）としては、参加時間を考慮すると数μｍ程度が上限である。これに対し、長手方向の長さは、短手方向の幅に対して十分に長い長さとなっている。また、シリコン酸化物からなる柱構造体は、線膨張係数の異なるシリコン基板の上面に直線形状をもって立設されている。したがって、熱酸化後の冷却過程で、シリコンとシリコン酸化物の線膨張係数差に基づく応力（圧縮応力）が柱構造体に作用すると、柱構造体が座屈しやすい。また、座屈形状も制御が困難である。

本発明は上記問題点に鑑み、座屈による光学特性の劣化を抑制することのできる光学素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、シリコン基板と、シリコン基板と一体的に形成され、シリコン基板の上面に立設されたシリコン酸化物からなる少なくとも１つの柱構造体とを備え、柱構造体に光を透過させるようにした光学素子であって、柱構造体は、その長手方向の両端部を結んでなる仮想直線に対して、少なくとも一方に凸の連続した曲線形状とされていることを特徴とする。

このように本発明では、柱構造体を、例えば弓状（アーチ状）や略Ｓ字状のように、その長手方向の両端部を結んでなる仮想直線に対して、少なくとも一方に凸の連続した曲線形状としている。したがって、柱構造体を熱酸化した後の冷却時において、シリコン基板を構成するシリコンと柱構造体を構成するシリコン酸化物との線膨張係数差に基づく応力（圧縮応力）が柱構造体に作用しても、ダムのようにその構造上の特性から、直線状の柱構造体に比べて、柱構造体の座屈を抑制することができる。なお、この効果については、本発明者によって実際に確認されている。

また、熱酸化後の柱構造体の形状は熱酸化前の形状に倣った形状となり、熱酸化前の状態で、柱構造体は、その長手方向の両端部を結んでなる仮想直線に対して、少なくとも一方に凸の連続した曲線形状となっている。したがって、熱酸化後の冷却時に柱構造体が多少なりとも座屈したとしても、熱酸化前の曲線形状に倣って座屈する。すなわち、光学素子が所望の光学特性を発揮するように、座屈形状を制御することができる。以上により、本発明によれば、座屈による光学特性の劣化を抑制することができる。

請求項１に記載の発明においては、請求項２に記載のように、仮想直線と光軸とのなす角が略垂直となるように柱構造体が形成された構成としても良い。例えば請求項３に記載のように、光軸が互いに一致するように並設された複数の柱構造体を有し、互いに隣接する柱構造体間に空隙が形成された構成とすると、座屈による光学特性の劣化を抑制するとともに、空隙を有しながらも回折効果を抑制することができる。また、複数の柱構造体によって、レンズ効果、プリズム効果を高めることができる。

請求項３に記載の発明においては、請求項４に記載のように、互いに隣接する柱構造体において、一部同士が互いに融着された構成とすると良い。これによれば、柱構造体の力学的強度を高めることができる。したがって、例えば座屈による光学特性の劣化をさらに抑制することができる。また、一部のみを融着させているので、広い範囲が融着された構成と比べて、レンズ効果、プリズム効果を高めることができる。

請求項３又は請求項４に記載の発明においては、請求項５に記載のように、光の透過領域において、光軸に沿う方向における空隙の最大幅が、光の波長よりも狭くされた構成とすると良い。これによれば、複数の柱構造体を光が透過する際に、空隙における内部散乱を低減することができる。

請求項３〜５いずれかに記載の発明においては、請求項６に記載のように、シリコン基板と一体的に形成され、シリコン基板の上面に立設されたシリコン及びシリコン酸化物からなる柱状のアンカー部を備え、アンカー部は、柱構造体の短手方向の幅よりも光軸に沿う方向及び仮想直線に沿う方向に広い幅を有し、柱構造体の少なくとも一方の端部に対して配置されて、複数の柱構造体における同一側の端部間を連結する構成としても良い。これによれば、複数の柱構造体の端部がアンカー部に連結されているので、アンカー部によって光を遮ることなく、柱構造体の力学的強度を高めることができる。したがって、例えば座屈による光学特性の劣化をさらに抑制することができる。

請求項２〜６いずれかに記載の発明においては、請求項７に記載のように、仮想直線に対して一方に凸の弓状とされた弓状構造体を柱構造体として採用しても良い。このように弓状（換言すれば、アーチ状、略Ｃ字状）の柱構造体であれば、その構造上の特性から、柱構造体の座屈を効果的に抑制することができる。

請求項７に記載の発明においては、請求項８に記載のように、弓状構造体として、その短手方向の幅が、端部から中央部に向けて広くされた凸レンズ構造体を採用しても良い。このように、凸レンズ構造体は所謂凸メニスカスレンズとなっており、中央部が周辺部（端部）よりも厚いので、光を集光することができる。

また、請求項９に記載のように、弓状構造体として、その短手方向の幅が、中央部から端部に向けて広くされた凹レンズ構造体を採用しても良い。このように、凹レンズ構造体は所謂凹メニスカスレンズとなっており、中央部が周辺部（端部）よりも薄いので、光を発散させることができる。

また、請求項１０に記載のように、弓状構造体として、凸レンズ構造体と凹レンズ構造体とを有する構成としても良い。これによれば、凸レンズ構造体と凹レンズ構造体を並設することで、球面収差を低減することもできる。

また、請求項１１に記載のように、弓状構造体として、その短手方向の幅が、長手方向における一方の端部から他方の端部に向けて広くされたプリズム構造体を採用しても良い。これによれば、プリズム構造体を透過する光を分散させることができる。

次に、請求項１に記載の発明においては、請求項１２に記載のように、仮想直線が光軸と略平行となるように複数の柱構造体が形成された構成としても良い。これによれば、請求項３に記載の発明に比べて、空隙における内部散乱や各柱構造体の表面での反射を抑制することができる。

また、請求項１に記載の発明においては、請求項１３に記載のように、短手方向の幅が略均一とされた複数の柱構造体を有し、複数の柱構造体が光の伝播方向とは略垂直に並設されて光導波路が形成された構成としても良い。このように、光導波路を構成する柱構造体についても、座屈による光学特性の劣化を抑制することができる。

なお、請求項１２又は請求項１３に記載の発明においては、請求項１４に記載のように、互いに隣接する柱構造体間に空隙が形成され、この空隙が成膜によるシリコン酸化物で埋設された構成とすることが好ましい。これによれば、空隙による回折効果を抑制することができる。

次に、請求項１５に記載の発明は、パターニングしたマスクを用いてシリコン基板をトレンチエッチングし、トレンチを隔てて並設されるように複数の柱構造体を形成する第１工程と、熱酸化によって、柱構造体全体をシリコン酸化物で置き換える第２工程と、を有する光学素子の製造方法であって、第１工程において、柱構造体の長手方向の両端部を結んでなる仮想直線に対して、少なくとも一方に凸の連続した曲線形状となるように、柱構造体を形成することを特徴とする。この発明の作用効果は、請求項１に記載の発明の作用効果と同じであるので、その記載を省略する。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態に示す光学素子及びその製造方法は、基本部分は本出願人による特開２００４−２７１７５６号公報、特開２００７−１０２１９６号公報、特願２００６−３００７５９号などと同じであるので、特に特徴部分について詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光学素子の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１をレンズ側から見た平面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図４、図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。なお、図２においては、便宜上、アンカー部のうち、未酸化領域を破線で示している。

図１及び図２に示すように、光学素子１００は、要部として、シリコン基板１と、シリコン基板１の上面に配置され、光を透過させるレンズ部２と、シリコン基板１の上面に配置され、レンズ部２の端部と連結されたアンカー部３と、を有している。

レンズ部２は、シリコン基板１の上面に立設されたシリコン酸化物からなる５つの柱構造体４によって構成されている。この柱構造体４の下面は、図３及び図４に示すように下方に膨らんだ円弧面となっており、レンズ部２は、シリコン基板１と接着剤を介さずに、微小な凹凸形状の境界面で接続されている。すなわち、レンズ部２は、シリコン基板１の上面から、シリコン基板１との境界面である下面が水平方向に連続する凹凸形状を有する状態で立設されており、シリコン基板１と一体的に形成されている。そして、光学素子１００のうち、レンズ部２に光を透過させるように（光学的な機能を果たさせるように）なっている。また、レンズ部２は、熱伝導性に優れるシリコン基板１と接着層を介さずに直接接しているため、放熱特性に優れている。

図２に示すように、各柱構造体４は互いに同一の形状及び大きさを有しており、短手方向の幅に対して長手方向の長さが十分に長く、長手方向の端部４ａ，４ｂを結んでなる仮想直線５に対して、一方側に１つの凸を有する弓状の構造体（換言すれば、アーチ状構造体、略Ｃ字状構造体）となっている。すなわち、柱構造体４の長手側面４ｃ，４ｄがともに曲面となっている。また、短手方向の幅は、端部４ａ，４ｂから長手の中央部４ｅ（光軸６と交わる部位）に向けて広くされ、柱構造体４が光を集める機能を有する凸レンズ構造体となっている。換言すれば、長手側面４ｃ，４ｄの曲率半径が互いに異なっている。具体的には、柱構造体４の短手方向の幅は、熱酸化による酸化時間を考慮して最も幅の広い中央部４ｅで数μｍ（熱酸化前の状態で１〜３μｍ程度）とされ、力学的強度を考慮して最も幅の狭い端部４ａ，４ｂで０．５〜１μｍ程度となっている。このように、柱構造体４は所謂凸メニスカスレンズとなっている。そして、各柱構造体４における仮想直線５と光軸６とのなす角が略垂直となり、且つ、複数の柱構造体４において光軸６が互いに一致する（重なる）ように、５つの柱構造体４がシリコン基板１の同一面状に並設されている。

また、隣り合う柱構造体４は、その長手方向において、中央部４ｅを含む一部の領域７（図２に示す一点鎖線で囲まれた凸の頂点付近の領域）のみが互いに融着されている。そして、隣り合う柱構造体４における融着されない部位の間に、空隙８が形成されている。この空隙８は、柱構造体４の中央部４ｅ側から端部４ａ，４ｂ側に向けて、それぞれ幅が広くなっている。

このように、レンズ部２では、柱構造体４における仮想直線５に対して垂直方向に光が伝播されるように柱構造体４が弓状に延設されており、長手側面４ｃ，４ｄを隣り合う柱構造体４との接触面及び空隙８との境界面として、複数の柱構造体４が並設（平行に配置）されている。これにより、隣り合う柱構造体４の間に空隙８を有するものの、回折効果が抑制された構造となっている。また、凸メニスカスレンズである５つの柱構造体４が並設されて１つのレンズ部２が構成されている。これにより、１つの柱構造体４によって構成されたレンズ部２よりもレンズ効果を高める（例えば焦点距離を短くする）ようになっている。

アンカー部３は、シリコン基板１の上面に立設された柱状部であり、長手方向における柱構造体４の端部４ａ，４ｂに対してそれぞれ配置されて、同一側における複数の柱構造体４の端部４ａ間、端部４ｂ間をそれぞれ連結している。また、柱構造体４の短手方向の幅よりも光軸６に沿う方向及び柱構造体４の長手方向において広い幅を有しており、シリコン酸化物の内部に未酸化領域３ａとしてのシリコンを含んでいる。このようにアンカー部３を有する構成とすると、複数の柱構造体４が、剛性の高いアンカー部３を介して互いに連結されるので、各柱構造体４の力学的強度を向上することができる。なお、未酸化領域３ａを有するものの、柱構造体４の長手方向において、柱構造体４の端部４ａ，４ｂよりも外側に配置されており、未酸化領域３ａが光を遮らないようになっている。

なお、シリコン基板１におけるレンズ部２の下部領域には、レンズ部２と同形状の台座部９が形成されている。また、シリコン基板１上において、シリコン基板１と一体的に形成されたレンズ部２及びアンカー部３は、その周囲（下面を除く）がオープンスペースとなっている（周囲にシリコン基板１が配置されていない）。また、本実施形態に係るレンズ部２（柱構造体４）は、その高さが１０μｍ以上、具体的には１００μｍ程度となっており、アンカー部３を含めた仮想直線５に沿う方向（光軸６に垂直な方向）の幅は５００μｍ程度となっている。

次に、上述した光学素子１００の製造方法の一例を、図２〜図６を用いて説明する。図５は、第１工程に相当するトレンチエッチング工程を説明するための平面図である。図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。なお、上述したように、基本的な製造方法は本出願人による特開２００４−２７１７５６号公報に記載と同じであるので、詳細については参照されたい。

先ず、シリコン基板１上に、フォトレジスト、シリコン酸化物、シリコン窒化物などからなり、所望のパターニングがされたマスク１０を形成し、このマスク１０を用いて、シリコン基板１にレンズ部２及びアンカー部３のパターニングを行う。具体的には、図５及び図６に示すように、マスク１０の開口部からエッチングを行って、シリコン基板１に内部トレンチ１１及び外部トレンチ１２を形成する。なお、内部トレンチ１１は、複数の柱構造体４を隔てるものであり、熱酸化後において空隙８となる。

このトレンチエッチング工程（マスク１０のパターニング含む）においては、熱酸化後の状態で、柱構造体４が、長手方向の端部４ａ，４ｂを結んでなる仮想直線５に対して、一方側に１つの凸を有する弓状の構造体となり、短手方向の幅が、端部４ａ，４ｂから中央部４ｅ（光軸６と交わる部位）に向けて広くなり、各柱構造体４における仮想直線５と光軸６とのなす角が略垂直となり、且つ、複数の柱構造体４において光軸６が互いに一致するように、内部トレンチ１１及び外部トレンチ１２を形成する。したがって、トレンチエッチングが終了した時点（熱酸化の前の時点）で、柱構造体４は、長手方向の端部４ａ，４ｂを結んでなる仮想直線５に対して、一方側に１つの凸を有する弓状の構造体となっており、短手方向の幅が、端部４ａ，４ｂから中央部４ｅ（光軸６と交わる部位）に向けて広くなっている。また、隣り合う柱構造体４は、熱酸化時の膨張によってその一部同士が互いに融着されるように、トレンチエッチングが終了した時点（熱酸化の前の時点）では、その長手方向全体にわたって内部トレンチ１１が介在されている。

ここで、外部トレンチ１２は、内部トレンチ１１のトレンチ幅に比べて十分広く、熱酸化が終了した時点で、外部トレンチ１２内に空隙が残るように形成される。このようにすると、レンズ部２の側面（並設方向における端部の柱構造体４の長手側面４ａ，４ｂ）がシリコンと接しないので、シリコン酸化物とシリコンとの線膨張係数差による座屈を抑制することができる。また、外部トレンチ１２は、マイクロローディング効果により、内部トレンチ１１よりも深くエッチングされる。したがって、光学素子１００において、レンズ部２は、同形状のシリコンからなる台座部９を介してシリコン基板１に連結されることとなり、これにより、光の入射・出射の際にシリコン基板１が光の経路を妨げることを抑制することができる。

また、立体的なレンズ形状を得るためには、よりアスペクト比（深さ／幅）の高い内部トレンチ１１（及び外部トレンチ１２）を形成する必要がある。また、光学特性を高めるために、内部トレンチ１１の断面プロファイルの垂直性を確保する必要がある。これに対し、本実施形態においては、特開２０００−２９９３１０号公報のエッチング技術（所謂ＤＲＩＥ法）を利用して、形成したトレンチの内面（側面と底面）に保護酸化膜を形成し、底面の酸化膜を反応性イオンエッチングにて除去し、この底面から引き続きシリコン基板１のエッチングを行うというように保護酸化膜の形成工程とトレンチ底部のエッチング工程を繰り返し行うようにしている。これにより、アスペクト比「６０」程度まで断面プロファイルが極めて垂直な内部トレンチ１１を形成することができる。

また、本実施形態においては、第１工程に相当するトレンチエッチング工程終了後、シリコン基板１全体を水素雰囲気中でアニール処理する。このアニール処理は必ずしも必要ではないが、実施によって各トレンチ１１，１２の側壁の表面粗さを小さく（トレンチ側壁表面の平坦性を向上）することができるので、熱酸化を行うことで平滑な表面を持つレンズ面（長手側面４ｃ，４ｄ）を得ることができる。この技術に関しては特開２００２−２３１９４５号公報に開示されている。

アニール処理後、マスク１０をフッ酸溶液への浸漬等により除去する。そして、柱構造体４全体がシリコンからシリコン酸化物に置き換わるまで、第２工程に相当する熱酸化工程を実施する。この熱酸化工程においては、トレンチエッチング工程で予め設定された条件により、柱構造体４に対して、全体が酸化するのに十分な酸素が内部トレンチ１１や外部トレンチ１２を介して供給され、図２〜図４に示すように、シリコンがシリコン酸化物に置き換えられる。また、アンカー部３は、表面から所定範囲が酸化されてシリコン酸化物に置き換えられ、シリコン酸化物の内部にシリコンの未酸化領域３ａを含む構造となる。なお、熱酸化膜はシリコン基板１の表面に対して、外側に０．５５、内側に０．４５の比率で成長していくことが経験的に知られている。したがって、この熱酸化によって、柱構造体４の短手方向の幅は２．２２倍に膨張する。

本実施形態においては、トレンチエッチングにより弓状とされた柱構造体４の体積膨張（シリコン酸化物への置換）により、柱構造体４の全てがシリコン酸化物に置き換えられる前に、隣り合う柱構造体４のうち、中央部４ｅを含む一部同士（一方は長手側面４ｃ、他方は長手側面４ｄ）が互いに接触する。そして、柱構造体４におけるシリコン残りの部分がシリコン酸化物に置き換えられる間に、接触部分が融着する。この条件は、トレンチエッチング工程で予め設定されている。

また、柱構造体４（及び柱構造体４に連結されたアンカー部３）の体積膨張により、柱構造体４間の内部トレンチ１１はその一部がそれぞれ埋められ、残った部分が空隙８となる。ここで、光軸６に沿う方向における空隙８の幅としては、内部散乱などによる透過率の低下を抑制する上で狭いほど好ましい。本実施形態においては、レンズ部２（柱構造体４）における光を透過させる光透過領域１３（図２に示す二点鎖線で囲まれた領域であって、所謂レンズの有効径に相当する領域）において、光軸６に沿う方向における空隙８の最大幅が、光の波長よりも狭くなるようにトレンチエッチング工程で予め設定されている。このような構成とすると、複数の柱構造体４を光が透過する際に、空隙８における内部散乱を低減することができる。

そして、熱酸化工程後の冷却を経て、レンズ部２の周囲における外部トレンチ１２と重なる位置でシリコン基板１をダイシングする。これにより、図１〜４に示したレンズ部２を備える光学素子１００を形成することができる。なお、熱酸化工程後、各柱構造体４の長手側面４ｃ，４ｄにおける光の表面反射を抑制するために、所謂無反射コート（ＡＲコート）を周知の成膜プロセスによって長手側面４ｃ，４ｄに成膜しても良い。これによれば、長手側面４ｃ，４ｄにおける表面反射を抑制し、光の透過率を高めることができる。

次に、本実施形態に示した光学素子１００及びその製造方法の効果について説明する。先ず、本実施形態においては、シリコン酸化物からなる柱構造体４が、その長手方向の両端部４ａ，４ｂを結んでなる仮想直線５に対して、少なくとも一方に凸の連続した曲線形状となっている。具体的には、柱構造体４が、仮想直線５に対して一方に凸の弓状（アーチ状）とされた弓状構造体となっている。このような弓状構造体（曲線形状の柱構造体）では、トンネルやダムなどでも知られているように、外部応力が作用すると断面内に一様な圧縮応力が生じる。また、一方向から受ける外部応力を分散させることができる。これらの効果などにより、弓状構造体は、直線状の構造体よりも曲げが発生しにくいことが知られている。本実施形態においては、図７に示すように、熱酸化工程後の冷却（例えば約１０００℃から室温への冷却）時において、シリコン基板１を構成するシリコンと柱構造体４を構成するシリコン酸化物との線膨張係数差に基づく応力が柱構造体４に作用する。具体的には、線膨張率（２０℃）は、シリコンが２．６×１０^−６／℃、溶融石英（シリコン酸化物）が０．４〜０．５５×１０^−６／℃である。したがって、シリコン基板１の収縮量が柱構造体４よりも大きく、この収縮量の差による応力（圧縮応力）が柱構造体４に作用する。しかしながら、このような応力が作用しても、上述した構造上の特性から、例えば図７に示すように、柱構造体４にはその内部に短手方向において一様な圧縮応力１４が生じる。また、外部から作用する応力が分散される。すなわち、短手方向に柱構造体４が変形しにくい。これに対し、直線状の柱構造体４では、応力（長手方向に沿う圧縮応力）を分散することができず、長さの等しい上述の弓状構造体よりも座屈荷重が低いため、例えば図８に示すように、長手方向の長さが長いものほど短手方向への変形、すなわち座屈が生じ易い。このように、本実施形態によれば、直線状の柱構造体４に比べて、柱構造体４の座屈を抑制することができる。図７は、曲線形状の効果を示す平面図である。図８は、図７に対する比較例を示す平面図である。

また、トレンチエッチング工程後（熱酸化工程前）の状態で、柱構造体４を、その長手方向の両端部４ａ，４ｂを結んでなる仮想直線５に対し、少なくとも一方に凸の連続した曲線形状とする。したがって、熱酸化後の柱構造体４の形状は、熱酸化前の形状に倣い、その長手方向の両端部４ａ，４ｂを結んでなる仮想直線５に対して、少なくとも一方に凸の連続した曲線形状となる。このように、本実施形態においては、熱酸化工程後（冷却前）の状態で、柱構造体４が曲線形状（弓状）となっている。したがって、熱酸化後の冷却時に、収縮量の差による応力によって柱構造体４が仮に座屈したとしても、熱酸化前の曲線形状に倣って座屈する（本実施形態においては、弓状の凸側に崩れる）こととなる。すなわち、光学素子１００（レンズ部２）が所望の光学特性を発揮するように、座屈した後の柱構造体４の形状を制御することができる。

以上により、本実施形態に係る光学素子１００及びその製造方法によれば、座屈による光学特性の劣化を抑制することができる。なお、本発明者は、長手方向の長さが等しい条件で、直線状の柱構造体を複数並設したものと、弓状の柱構造体を複数並設したものを上述した製造方法によってそれぞれ形成し、熱酸化後の冷却を経て、柱構造体がどのように変形するかについて顕微鏡観察を行った。その結果、直線状の柱構造体では座屈が生じたが、弓状の柱構造体では座屈が抑制されていることを確認している。

また、本実施形態においては、隣り合う柱構造体４の間に空隙８が形成される構成でありながら、仮想直線５と光軸６とのなす角が略垂直となり、光軸６が互いに一致するように複数の柱構造体４がシリコン基板１上に並設されている。したがって、空隙８を有しながらも周期的に形成された空隙８による回折効果を抑制し、実質的な光の透過率を高めることができる。特に本実施形態においては、柱構造体４の光透過領域１３において、光軸６に沿う方向における空隙８の最大幅が光の波長よりも狭くなっている。したがって、空隙８による内部散乱を低減し、光の透過率をより高めることができる。

また、本実施形態においては、弓状の柱構造体４を光軸６が互いに一致するように複数並設している。したがって、１つの柱構造体４では、酸化時間及び力学的強度による形状の制約（短手方向の幅の制約）によってレンズ効果が小さいものの、柱構造体４を複数並設しているので、レンズ効果を高める（焦点距離を短くする）ことができる。

また、本実施形態においては、隣り合う柱構造体４の一部（凸頂点付近）が互いに融着されている。したがって、各柱構造体４の力学的強度を高めることができる。したがって、例えば座屈による光学特性の劣化をさらに抑制することができる。また、衝撃などの外部応力に対して柱構造体４を破損しにくくすることができる。また、融着された領域７は１つのレンズとして機能することとなるが、光透過領域１３におけるそれ以外の領域は、各柱構造体４がそれぞれレンズとして機能する。したがって、光透過領域１３において広い範囲が融着された構成や、光透過領域１３のうちの端部側が融着された構成と比べて、レンズ効果を高めることができる。

また、本実施形態においては、複数の柱構造体４の端部４ａ間及び端部４ｂ間が、アンカー部３によってそれぞれ連結されている。したがって、アンカー部３によって光を遮ることなく、柱構造体４の力学的強度を高めることができる。これにより、例えば座屈による光学特性の劣化をさらに抑制することができる。また、衝撃などの外部応力に対して柱構造体４を破損しにくくすることができる。

なお、本実施形態においては、レンズ部２が５つの柱構造体４によって構成される例を示した。しかしながら、柱構造体４の本数は上記例に限定されるものではない。１つの柱構造体４のみによってレンズ部２が構成されても良いし、５本以外の複数本としても良い。

また、レンズ部２における光透過領域１３は、上記例に限定されるものではない。柱構造体４における長手方向全てが、光透過領域１３に含まれる構成としても良い。

また、本実施形態においては、隣り合う柱構造体４の一部同士が互いに融着される例を示した。しかしながら、例えば図９に示すように、隣り合う柱構造体４が互いに融着されず、長手方向全体にわたって空隙８が介在された構成としても良い。図９は変形例を示す平面図である。また、隣り合う柱構造体４の一部同士が互いに融着されないものの、互いに接触される構成としても良い。さらには、複数の柱構造体４のうち、一部の柱構造体４のみが互いに融着される構成としても良い。柱構造体４の力学的強度の点からは、一部が接触されると良く、より好ましくは一部が融着されると良い。

また、本実施形態においては、弓状の柱構造体の例として、その短手方向の幅が、端部から中央部に向けて広くされた柱構造体４（凸レンズ構造体）の例を示した。しかしながら、柱構造体は上記形状に限定されるものではない。例えば、図１０に示すように、柱構造体として、長手方向の端部１５ａ，１５ｂを結んでなる仮想直線１６に対して、一方側に１つの凸を有する弓状の構造体であって、その短手方向の幅が、中央部１５ｃから端部１５ａ，１５ｂに向けて広くされた弓状の柱構造体１５（凹レンズ構造体）を採用しても良い。このような柱構造体１５は、所謂凹メニスカスレンズであり、中央部１５ｃが周辺部（端部１５ａ，１５ｂ）よりも薄いので、光を発散させることができる。特に図１０に示す例では、弓状構造体として、凸レンズ構造体である柱構造体４と凹レンズ構造体である柱構造体１５とを、光軸６が互いに一致するように並設した構成となっている。このような構成とすると、球面収差を低減することができる。図１０は、変形例を示す平面図である。なお、図１０に示す例では、柱構造体４と柱構造体１５によってレンズ部２が構成される例を示したが、柱構造体１５のみによってレンズ部２を構成することもできる。

また、例えば図１１に示すように、柱構造体として、長手側面の少なくとも一方（図１１に示す例では一方の長手側面１７ａ）に、フレネル面が形成された柱構造体１７（フレネルレンズ）を採用することもできる。これによれば、光軸６に沿う方向において、レンズ部２の体格を小型化することができる。このような光学素子１００は、上述した製造方法を用いて形成することができる。図１１は、変形例を示す平面図である。なお、図１１においては、柱構造体４と柱構造体１７によってレンズ部２が構成される例を示したが、柱構造体１７のみによってレンズ部２を構成することもできる。また、回折型レンズとしての柱構造体を採用することによっても、光軸６に沿う方向において、レンズ部２の体格を小型化することができる。

また、本実施形態においては、弓形の柱構造体４が凸側を光軸６に沿う方向の同一側として複数並設される例を示した。しかしながら、例えば図１２に示すように、複数の柱構造体４のうち、一部を光軸６に沿う方向の一方の側に凸とし、一部を逆方向に凸としても良い。図１２は、変形例を示す平面図である。

また、柱構造体４がレンズであり、柱構造体４によってレンズ部２が構成される例を示した。しかしながら、光学素子１００としては、レンズに限定されるものではない。例えば図１３に示すように、弓状の柱構造体として、その短手方向の幅が、長手方向における一方の端部１８ａから他方の端部１８ｂに向けて広くされたプリズム構造体である柱構造体１８を採用し、柱構造体１８によってプリズム部１９を構成しても良い。これによれば、柱構造体１８を透過する光を分散させることができる。図１３は、変形例を示す平面図である。なお、図１３に示す例では、３つの柱構造体１８を光軸が互いに一致するように並設している。このように、複数の柱構造体１８によってプリズム部１９を構成すると、上述したレンズ部２と同様の理由で、プリズム効果（光の偏向角）を高めることができる。また、隣り合う柱構造体１８のうち、短手方向の幅が太い側の一部（図１３に示す二点鎖線２０で囲まれた領域内の部分）同士が、互いに融着されている。したがって、柱構造体１８の力学的強度を高めることができる。また、図１３に示す柱構造体１８に代えて、薄型プリズムであるブレーズドグレーティングを構成しても良い。さらには、レンズ部２とプリズム部１９とを、光軸が互いに一致するように同一のシリコン基板１上に形成した構成としても良い。

また、本実施形態においては、柱構造体の形状として弓状の例を示した。しかしながら、柱構造体の形状は上記例に限定されるものではない。柱構造体の形状としては、その長手方向の両端部を結んでなる仮想直線に対して、少なくとも一方に凸の連続した曲線形状であれば良い。例えば弓状（アーチ状）以外にも、略Ｓ字状のように、その長手方向の両端部を結んでなる仮想直線に対して両側に凸を有する連続した曲線形状の柱構造体を採用することもできる。ただし、レンズやプリズムの機能、及び、光学素子１００（レンズ部２、プリズム部１９）の大きさなどを考慮すると、弓状の柱構造体を採用することが好ましい。

また、本実施形態においては、例えば弓状の柱構造体４に対し、凹側の長手側面４ｃを入射側、凸側の長手側面４ｄを出射側とする例を示した。しかしながら、入射と出射を逆としても良い。

また、本実施形態においては、光学素子１００が、アンカー部３を有する例を示した。しかしながら、アンカー部３を有さない構成とすることもできる。

また、本実施形態においては、並設される複数の柱構造体４が、互いに同一の形状及び大きさを有する例を示した。しかしながら、光軸が互いに一致するように並設されれば、複数の柱構造体４の少なくも１つとして、形状や大きさが異なるものを含んでも良い。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図１４及び図１５に基づいて説明する。図１４は、第２実施形態に係る光学素子の概略構成を示す平面図である。図１５は、図１４のＸＶ−ＸＶ線に沿う断面図である。

第２実施形態に係る光学素子及びその製造方法は、第１実施形態に示した光学素子１００及びその製造方法と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。また、本実施形態において、第１実施形態と同様の機能を有する要素については、同一の符号を付与するものとする。

第１実施形態においては、長手方向の端部４ａ，４ｂを結んでなる仮想直線５が光軸６（換言すれば、光の伝播方向）と略垂直となるように曲線形状の柱構造体４がシリコン基板１上に延設される例を示した。これに対し、図１４及び図１５に示す例では、曲線形状の柱構造体２１が光の伝播方向に対して略垂直に並設されている点を特徴とする。そして、並設された複数の柱構造体２１により、光導波路２２が構成されている点を特徴とする。このような光導波路及びその製造方法については、柱構造体が曲線形状である点を除いては、本出願人による例えば特開２００４−２７１７５６号公報、特開２００５−３４５６３０号公報、特開２００７−７８３９５号公報に記載されているものを適用することができる。したがって、特徴点以外についての本実施形態における詳細な説明は割愛する。

具体的には、シリコン基板１の上面に台座部９が形成され、この台座部９上に光導波路２２が形成されている。光導波路２２は、第１実施形態に示した柱構造体４同様、シリコン基板１をトレンチエッチングし、熱酸化によってシリコンをシリコン酸化物に置き換えてなる柱構造体２１を、光の伝播方向に対して略垂直に並設して構成されている。各柱構造体２１は、その短手方向の幅が略均一となっており、その長手方向の両端部２１ａ，２１ｂを結んでなる仮想直線２３（図１４中の破線）に対して、両側にそれぞれ１つの凸を有する連続した曲線形状（略Ｓ字状）となっている。具体的には、光を光導波路２２内に閉じ込めて伝播が可能な緩やかな曲線形状となっている。本実施形態においては、光導波路２２が３つの柱構造体２１によって構成されており、隣り合う柱構造体２１の間に空隙２４が形成されている。このように、空隙２４を有する構成とすると、熱酸化時において、柱構造体２１を完全に酸化することができる。

ここで、複数の柱構造体２１が光の伝播方向に対して略垂直に並設された構成においては、隣り合う柱構造体２１の間に空隙２４があると、周期的に配置された空隙２４によって回折現象が生じ、実質的な光の透過率が減少することとなる。そこで、本実施形態においては、空隙２４をシリコン酸化物からなる埋め込み層２５によって埋め込んでおり、これによって、光導波路２２が１つのシリコン酸化物ブロックとして構成されている。なお、埋め込み層２５の形成には、例えばＣＶＤによる成膜やシリコン酸化物が溶解した超臨界流体の流し込みによる成膜を採用することができる。このような成膜方法は、本出願人による例えば特開２００４−２７１７５６号公報、特開２００７−１０２１９６号公報に記載されているので参照されたい。

また、本実施形態においては、光を光導波路２２内に閉じ込めるために、光導波路２２に対して、ゲルマニウム、リン、スズ、及びホウ素のいずれかの不純物が上下方向に濃度分布をもつように添加し、これによって光導波路２２の上下方向に屈折率分布をもたせている。なお、シリコンに、ゲルマニウム、リン、及びスズのいずれかをドープした状態で熱酸化を行うとシリコン酸化物の屈折率が上がり、ホウ素をドープした状態で熱酸化を行うとシリコン酸化物の屈折率が下がることが知られている。したがって、光導波路２２の上下方向では、屈折率の差により、屈折率の高い中央付近に光が閉じ込められる。また、横方向では、光導波路２２の周囲がオープンスペースであるため、光導波路２２内に光が閉じ込められる。この点については、本出願人による特開２００４−２７１７５６号公報に記載されているので参照されたい。

このように構成される光学素子１００においては、光導波路２２を構成する柱構造体２１を曲線形状（略Ｓ字状）としている。したがって、第１実施形態に示した弓状の柱構造体４と同様の効果により、直線状の柱構造体に比べて、柱構造体２１の座屈を抑制することができる。また、熱酸化後の冷却時に、シリコン基板１を構成するシリコンと柱構造体２１のシリコン酸化物との収縮量の差による応力によって、柱構造体２１が仮に座屈したとしても、熱酸化前の曲線形状に倣って座屈することとなる。したがって、本実施形態に係る光学素子１００によれば、座屈による光学特性の劣化を抑制することができる。

また、本実施形態においては、柱構造体２１間の空隙２４を、成膜によるシリコン酸化物（埋め込み層２５）によって埋め込んでいる。したがって、空隙２４による回折現象を抑制することができる。

なお、本実施形態においては、３つの柱構造体２１により、光導波路２２が構成される例を示した。しかしながら、光導波路２２を構成する柱構造体２１の本数は上記例に限定されるものではなく、複数であればよい。

また、本実施形態においては、略Ｓ字状の柱構造体２１の例を示した。しかしながら、柱構造体２１の曲線形状としては、上記例に限定されるものではない。例えば、短手方向の幅が略均一の弓状の構造体や凸部を複数有する蛇行状の構造体を採用することもできる。

また、本実施形態においては、複数の柱構造体２１の間に空隙２４が形成され、この空隙２４が埋め込み層２５によって埋め込まれる例を示した。しかしながら、空隙２４が埋め込み層２５によって埋め込まれない構成においても、曲線形状の柱構造体２１を適用することができる。また、複数の柱構造体２１の間に空隙２４が形成されず、理想的に柱構造体２１が熱酸化されて、隣り合う柱構造体２１が、その長手方向全体にわたって少なくとも互いに接する（好ましくは融着される）構成においても、曲線形状を適用することができる。

また、本実施形態においては、曲線形状の柱構造体２１が光の伝播方向に対して略垂直に並設され、並設された複数の柱構造体２１により、光導波路２２が構成される例を示した。しかしながら、光学素子１００の例としては、光導波路２２を備えるものに限定されるものではない。例えば図１６に示す例では、曲線形状の柱構造体２６として、その短手方向の幅が略均一であり、その長手方向の両端部２６ａ，２６ｂを結んでなる仮想直線２７（図１６中の破線）に対して、一方に凸を有する連続した曲線形状（弓状）の構造体を採用している。そして、このような柱構造体２６を、仮想直線２７が光軸６と略平行となるように複数並設することで、レンズ部２が構成されている。この光学素子１００では、隣り合う柱構造体２６の間に空隙２８が形成され、この空隙２８内が成膜によるシリコン酸化物２９によって埋められている。また、シリコン基板１の上面であって柱構造体２６の外周側に、シリコン酸化物からなりレンズ部２の輪郭を形成する輪郭用柱構造体３０が形成されている。そして、この輪郭用柱構造体３０によって、複数の柱構造体２６の端部２６ａ間、端部２６ｂ間がそれぞれ連結されている。また、輪郭用柱構造体３０によって、レンズ部２の入射面２ａ、出射面２ｂが規定されており、レンズ部２が凸型のシリンドリカルレンズとなっている。このように、レンズ部２を構成する柱構造体２６に対しても、曲線形状を適用することができる。図１６は、変形例を示す平面図である。なお、図１６においては、空隙２８をシリコン酸化物２９で埋め込む例を示したが、空隙２８が埋め込まれない構成においても、曲線形状の柱構造体２６を適用することができる。また、複数の柱構造体２６の間に空隙２８が形成されず、理想的に柱構造体２６が熱酸化されて、隣り合う柱構造体２６が、その長手方向全体にわたって少なくとも互いに接する（好ましくは融着される）構成においても、曲線形状を適用することができる。また、図１６では、レンズ部２の例を示したが、それ以外にも、プリズムを構成する柱構造体に対して曲線形状を適用することもできる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

第１実施形態に係る光学素子の概略構成を示す斜視図である。 図１をレンズ側から見た平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 トレンチエッチング工程を説明するための平面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。 曲線形状の効果を示す平面図である。 図７に対する比較例を示す平面図である。 変形例を示す平面図である。 変形例を示す平面図である。 変形例を示す平面図である。 変形例を示す平面図である。 変形例を示す平面図である。 第２実施形態に係る光学素子の概略構成を示す平面図である。 図１４のＸＶ−ＸＶ線に沿う断面図である。 変形例を示す平面図である。

符号の説明

１・・・シリコン基板
２・・・レンズ部
３・・・アンカー部
４・・・柱構造体（凸レンズ構造体）
４ａ，４ｂ・・・端部
４ｅ・・・中央部
５・・・仮想直線
６・・・光軸
８・・・空隙
１００・・・光学素子

Claims (15)

1. シリコン基板と、
   前記シリコン基板と一体的に形成され、前記シリコン基板の上面に立設されたシリコン酸化物からなる少なくとも１つの柱構造体とを備え、
   前記柱構造体に光を透過させるようにした光学素子であって、
   前記柱構造体は、その長手方向の両端部を結んでなる仮想直線に対して、少なくとも一方に凸の連続した曲線形状とされていることを特徴とする光学素子。
2. 前記柱構造体は、前記仮想直線と光軸とのなす角が略垂直となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記光軸が互いに一致するように並設された複数の前記柱構造体を有し、
   互いに隣接する前記柱構造体間に空隙が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
4. 互いに隣接する前記柱構造体は、一部が互いに融着されていることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
5. 前記光の透過領域において、前記光軸に沿う方向における前記空隙の最大幅が、前記光の波長よりも狭くされていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の光学素子。
6. 前記シリコン基板と一体的に形成され、前記シリコン基板の上面に立設されたシリコン及びシリコン酸化物からなる柱状のアンカー部を備え、
   前記アンカー部は、前記柱構造体の短手方向の幅よりも前記光軸に沿う方向及び前記仮想直線に沿う方向に広い幅を有し、前記柱構造体の少なくとも一方の端部に対して配置されて、複数の前記柱構造体における同一側の端部間を連結していることを特徴とする請求項３〜５いずれか１項に記載の光学素子。
7. 前記柱構造体は、前記仮想直線に対し、一方に凸の弓状とされた弓状構造体であることを特徴とする請求項２〜６いずれか１項に記載の光学素子。
8. 前記弓状構造体は、その短手方向の幅が、前記端部から前記中央部に向けて広くされた凸レンズ構造体であることを特徴とする請求項７に記載の光学素子。
9. 前記弓状構造体は、その短手方向の幅が、前記中央部から前記端部に向けて広くされた凹レンズ構造体であることを特徴とする請求項７に記載の光学素子。
10. 前記弓状構造体として、その短手方向の幅が、前記端部から前記中央部に向けて広くされた凸レンズ構造体と、前記中央部から前記端部に向けて広くされた凹レンズ構造体とを有することを特徴とする請求項７に記載の光学素子。
11. 前記弓状構造体は、その短手方向の幅が、前記長手方向における一方の前記端部から他方の前記端部に向けて広くされたプリズム構造体であることを特徴とする７に記載の光学素子。
12. 複数の前記柱構造体は、前記仮想直線が前記光軸と略平行となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
13. 短手方向の幅が略均一とされた複数の前記柱構造体を有し、
    複数の前記柱構造体が前記光の伝播方向とは略垂直に並設されて光導波路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
14. 互いに隣接する前記柱構造体間に空隙が形成され、
    前記空隙が、成膜によるシリコン酸化物で埋設されていることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の光学素子。
15. パターニングしたマスクを用いてシリコン基板をトレンチエッチングし、トレンチを隔てて並設されるように複数の柱構造体を形成する第１工程と、
    熱酸化によって、前記柱構造体全体をシリコン酸化物で置き換える第２工程と、を有する光学素子の製造方法であって、
    前記第１工程において、前記柱構造体の長手方向の両端部を結んでなる仮想直線に対して、少なくとも一方に凸の連続した曲線形状となるように、前記柱構造体を形成することを特徴とする光学素子の製造方法。

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