JP4645557B2 - 光学素子の製造方法 - Google Patents
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Description
例えば、半導体フォトリソグラフィによりレジストマスクを作成するときは、例えば、2μmの溝幅に対して0.2μm程度のばらつきが発生する。また、エッチングマスクを作成するときは、トレンチに対応した溝の幅が、例えば、0.1〜0.2μmばらつく。さらに、エッチングマスクを用いてトレンチを加工するときに、トレンチの幅が、例えば0.1〜0.2μmばらつく。
このような加工時のばらつきに起因して、トレンチ内部に隙間が残ると、回折現象が発生し、回折光が本来の集光、屈折方向とは異なる方向に進む、また界面で反射が起きるなどして光が散乱されるため、実質の透過効率が低下するおそれがある。
特に、アスペクト比が10を超えるような高アスペクト比のトレンチに対して上記の各方法を適用すると、先にトレンチの開口部分が狭くなってしまい、トレンチ内に隙間が残るという問題がある。図27は、トレンチ内に隙間が残った状態を示す模式図である。シリコン基板30に形成されたトレンチ31の内壁面にシリコン酸化膜32が形成されているが、開口部分がシリコン酸化膜32で狭くなり、トレンチ31内へのシリコン酸化物の供給が困難となり、トレンチ31内に隙間33が残ってしまう。
以上のように、本出願人が先に提案した方法および他の方法では、トレンチ内部に隙間が残るおそれのあることが分かった。
超臨界流体は、気体の性質(拡散性)と、液体の性質(溶解性)とを有し、かつ、その密度を連続して大幅に変化できる特長を持っている。
したがって、所定の化合物が溶解された超臨界流体を、シリコン基板の基板面上に並設されたシリコン酸化物からなる各構造体間の各間隙に流し込むと、気体の性質を持つ超臨界流体は狭い間隙にも入り込み、各間隙内を上記所定の化合物より生じた生成物で成膜することにより、各間隙がその生成物によって隙間なく埋め込まれた状態のブロックを形成することができる。
つまり、隙間による回折現象が発生して効率が低下するおそれのない光学素子を製造することができる。
また、超臨界流体は、CVDに代表される気相法に比べて密度が高いため、成膜材料(所定の化合物)を高濃度に溶かし込めるので、大量の成膜材料を短時間で各間隙内に供給することができる。
従って、気相法よりも短い時間で各間隙を上記の生成物で埋め込むことができる。
超臨界流体は、気体の性質(拡散性)と、液体の性質(溶解性)とを有し、かつ、その密度を連続して大幅に変化できる特長を持っている。
したがって、所定の化合物が溶解された超臨界流体を、シリコン基板の内部において並設されたシリコン酸化物からなる各構造体間の各間隙に流し込むと、気体の性質を持つ超臨界流体は狭い間隙にも入り込み、各間隙内を上記所定の化合物より生じた生成物で成膜することにより、各間隙をその生成物によって隙間なく埋めることができる。そして、各構造体からなる部分の周辺部を除去することにより、各間隙が上記生成物によって隙間なく埋め込まれた状態のブロックを形成することができる。
つまり、隙間による回折現象が発生して効率が低下するおそれのない光学素子を製造することができる。
また、超臨界流体は、CVDに代表される気相法に比べて密度が高いため、成膜材料(所定の化合物)を高濃度に溶かし込めるので、大量の成膜材料を短時間で各間隙内に供給することができる。
従って、気相法よりも短い時間で各間隙を上記の生成物で埋め込むことができる。
CVDによってシリコン酸化物層を堆積する手法では、堆積であるがために、レンズ層の厚さは10μm程度が限界であるが、高アスペクト比のトレンチエッチング法により100μm以上の厚さのレンズ層を形成でき、レンズとして実用的な、より立体的なレンズ、例えばシリンドリカルレンズを形成することができる。
請求項3に係る発明によれば、第3工程において、各構造体からなる部分の周辺部を除去する処理をシリコン基板の基板面から行い、除去された領域の下部が各構造体と同等の深さになったときに上記処理を停止することにより、各構造体の深さと同等の高さを有するブロックをシリコン基板の基板面上に形成することができる。
特に、請求項4に係る発明によれば、各構造体からなる部分の周辺部をエッチングにより除去することができる。
特に、請求項5に係る発明によれば、各構造体からなる部分の周辺部を異方性エッチングにより除去することができる。つまり、等方性エッチングでは、横方向にも加工が進むため、ブロック以外の周辺部の形状を設計通りに加工できないが、異方性エッチングを使うことで、基板垂直方向にのみエッチングが進むため、ブロックの外周面を正確に目標の形状にすることができる。
例えば、異方性エッチングは、請求項6に記載するように、水酸化カリウム(KOH)水溶液または水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)水溶液を用いれば、安価かつ容易に異方性エッチングを行うことができる。
また、請求項7に記載するように、パターニングしたマスクを用いてシリコン基板をエッチングすることにより複数の構造体を形成する手法を用いれば、マスクパターンを変えることにより、各構造体の形状や配置を変えることができるため、形状に関する設計自由度の高い光学素子を実現することができる。例えば、NAの大きいレンズや非球面のレンズ形状を得ることができる。
各構造体間の間隙は、請求項8に係る発明のように、深くなるにつれて幅が狭くなるように形成することができる。また、請求項9に係る発明のように、底部から上部に向かう途中から次第に幅広になり、最上部が最も幅広となるように形成することができる。
つまり、間隙の上部を幅広に形成することにより、超臨界流体に溶解された化合物より生じた生成物によって各間隙を埋め込む処理を行う際に、間隙に成膜された生成物によって間隙の上部が狭くなってしまうおそれがないため、間隙内部に埋め残しが発生するおそれがない。
第1工程では、各構造体を、それぞれ薄肉の板状で、かつ、それぞれ光軸方向に延びる長手方向の側面が間隙の壁面となるように形成するため、光の通過する方向とのなす角が構造体と空気層との間の全反射角以内にすることができ、光の散乱などによる光の透過が低下するのを抑制することができる。
第1工程では、間隙がシリコン酸化物で埋まらないように、シリコンからなる複数の構造体を熱酸化することによりシリコン酸化物からなる複数の構造体を形成するため、各構造体間に残った間隙に超臨界流体を流し込むことにより、各間隙が少なくとも所定の化合物より生じた生成物を有する物質によって隙間なく埋め込まれた状態のブロックを形成することができる。
第1工程では、熱酸化により間隙がシリコン酸化物で埋まらないように、シリコンからなる各構造体の幅および各間隙の幅を設定するため、間隙がシリコン酸化物で中途半端に埋まることにより、間隙内に開口部の狭い部分や閉塞部などが形成され、超臨界流体が間隙内に十分流入できなかったり、流入不能となってしまうおそれがない。
超臨界流体に溶かし込んだ化合物を化学変化により超臨界流体に対して溶解しにくい物質とし、前記間隙内に成膜可能にすることができる。
化学変化では複数の物質が反応しあって別の物質となる場合と、分解によって別の物質となる場合があるが、分解を用いればひとつの物質でも成膜可能となる。この場合、超臨界流体に溶かし込む化合物の数を減らすことができる。化合物の分解は、加熱等により容易に可能である。
超臨界流体に溶かし込む化合物に有機化合物を用いれば、溶解性に優れ、また加熱により分解されやすいので、平易な成膜が可能となる。
シリコン酸化物が溶解された超臨界流体を各構造体間の間隙に流し込むことにより、各間隙がシリコン酸化物で隙間なく埋め込まれたブロックを形成することができる。
したがって、全体がシリコン酸化物で形成されたブロックを得ることができるため、シリコン酸化物と同等の屈折率を有する光学素子を実現することができる。
また、請求項17に係る発明のように、シリコン酸化物により形成された物と同等の屈折率を有する物を形成可能な化合物を超臨界流体に溶解することにより、その化合物より生じた生成物によって各間隙を隙間なく埋め込むこともできる。
TMOS(テトラメトキシシラン)であれば、超臨界流体への溶解性に優れ、また分解温度も低いことから、平易な成膜を実現できる。
シリコン酸化物の屈折率1.45に対し、フッ化カルシウムの屈折率は1.43であり、ほぼ同等の屈折率を得ることができる。
シリコン酸化物の屈折率1.45に対し、フッ化マグネシウムの屈折率は1.38であり、ほぼ同等の屈折率を得ることができる。
シリコン酸化物の屈折率1.45に対し、アルミナの屈折率は1.58〜1.60であり、ほぼ同等の屈折率を得ることができる。
基板面の面方位が(110)であるため、その異方性によって、各間隙の壁面(各構造体の側面)を垂直にエッチングされたものにできる。
二酸化炭素は、例えば水と比較して臨界温度および臨界圧力が低く、臨界状態になり易く、制御し易い性質を有することから、主成分が二酸化炭素の超臨界流体を用いる。
請求項1ないし請求項24のいずれか1つに記載の光学素子の製造方法を用いれば、各構造体間に隙間が残らず、回折現象により効率が低下することのないマイクロレンズ、または、光導波路、または、プリズムを製造することができる。また、それらのうちの1つを複数同時に製造することができ、それらのうち少なくとも2つを、あるいは、それら少なくとも2つをそれぞれ複数ずつ同時に製造することができる。これらのように、複数の光学素子を同時に形成する場合は、各光学素子の各ブロックの光軸が一致するようにシリコン基板に作り込むことにより、素子形成後の光軸合わせが不要となる。
この発明の実施形態に係る光学素子の製造方法について図を参照して説明する。この実施形態では、光学素子としてマイクロレンズを備えた光学素子を代表にして説明する。図1は、この実施形態に係る光学素子の製造方法により製造された光学素子の斜視図である。図2は図1に示す光学素子の説明図であり、(a)は図1に示す光学素子の平面図、図2(b)は図1のA−A矢視断面図を示す。
この実施形態の光学素子20は、シリコン基板1に形成された凹部2の内部底面にマイクロレンズ3を配置して構成されている。図2に示すように、この実施形態では、マイクロレンズ3は、平坦な入射面3aと、凸面よりなる出射面3bとを有する平凸型のシリンドリカルレンズである。また、シリコン基板1の基板面の面方位は(110)である。
シリコン基板1の凹部2の内部底面から、シリコン酸化物(SiO2)よりなる薄肉で板状の複数の柱構造体4が隣接した状態で立設されており、各柱構造体4の間は、シリコン酸化物による埋め込み層15によって隙間なく埋め込まれている。柱構造体4および埋め込み層15は、シリコン基板1と一体的に形成されている。つまり、複数の柱構造体4および複数の埋め込み層15からなるシリコン酸化物ブロックによりマイクロレンズ3が構成されている。
図2に示すように、各柱構造体4および埋め込み層15の各下面は、それぞれ下面が下方に膨らんだ円弧面となっている。シリコン酸化物ブロック(マイクロレンズ3)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。つまり、シリコン酸化物ブロック(マイクロレンズ3)が、シリコン基板1の凹部2の内部底面から、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、このシリコン基板1と一体的に形成したシリコン酸化物ブロック(マイクロレンズ3)に光を透過させる構造となっている。
次に、上記構造の光学素子20の製造方法を説明する。
図3は、シリコン基板の基板面に酸化膜マスクが配置された状態を示す平面図であり、図4は、図3のA−A矢視断面図である。図5は、図3の状態からトレンチが形成された状態を示す平面図であり、図6は、図5のA−A矢視断面図である。図7は、図6の状態から酸化膜マスクが除去された状態を示す断面図である。図8は、図7の状態から熱酸化を行った状態を示す断面図である。図9は、トレンチがシリコン酸化物で埋め込まれた状態を示す断面図である。
まず、図3,4に示すように、シリコン基板1の基板面上に酸化膜マスク10を用いてマイクロレンズ形状のパターニングを行う。酸化膜マスク10には、次のエッチング工程において形成されるトレンチの形状に対応した開口部10aが複数形成されている。
そして、図5,6に示すように、酸化膜マスク10の各開口部10aからエッチングを行い、トレンチ11を形成する。つまり、パターニングした酸化膜マスク10を用いてシリコン基板1を基板面からトレンチエッチングして一定の幅のトレンチ11を一定の間隔で多数並設する。例えば、エッチングの手法として反応性イオンエッチングを用いる。そして、エッチング性ガスのプラズマによりシリコン基板1をエッチングするエッチングステップと、堆積性ガスのプラズマによりトレンチ内部に側壁保護膜を形成する保護膜形成ステップとを切り替えながら交互に繰り返すことによって高アスペクト比(例えば、アスペクト比60)のトレンチを形成する。
そこで、特開2000−299310号公報のエッチング技術を利用して、形成したトレンチ11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。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トレンチが得られる。このように、トレンチエッチングは、反応性イオンエッチングにてトレンチ11を形成し、このトレンチ内壁に保護用酸化膜を形成し、さらに、トレンチ底部の保護用酸化膜をエッチングした後にトレンチ11の底部から反応性イオンエッチングによりトレンチを更に深くすることにより、アスペクト比の高いトレンチを形成することができる。
なお、図5,6においてはトレンチエッチングより一定の幅のトレンチ11を一定の間隔で多数並設したが、これに限ることなく、例えば、幅が一定でないトレンチを並設したり、トレンチを一定でない間隔で多数並設してもよい。
また、輪郭線(12)となる残し領域の幅は、トレンチ11間の残し幅と同じか、それよりも細く設定する。つまり、連結したシリコン層12の幅は、トレンチ11間のシリコン層の幅以下にする。これは、以下の理由による。
第1の工夫として、マイクロレンズを形成する領域の周囲をトレンチ(抜き領域)9で囲んでいる。つまり、光透過用ブロックの形成領域の周囲にトレンチ9を形成している。第2の工夫として、マイクロレンズの外周部分を輪郭線となる残し領域(12)で囲んでいる。第3の工夫として、トレンチ11の延設方向を光の透過する方向に平行にしている。即ち、多数並設するトレンチ11を光軸に対し平行に延設している。
なお、上述のトレンチの形成工程が、本出願の請求項1または請求項2に記載の第1工程に対応する。
次に、基板全体を水素雰囲気中でアニール処理してトレンチ側壁での表面粗さを小さくする。このエッチング後のトレンチ側壁表面、特にレンズ形成領域の最外周部を規定する側壁表面の平坦性は、この面が光の入射あるいは出射する面となるため重要であり、この後、熱酸化を行うことで平滑な表面を持つレンズ面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。
次に、図7に示すように、酸化膜マスク10をフッ酸溶液への浸漬等により除去する。
次に、図8に示すように、各シリコン層13を熱酸化することにより、シリコン酸化物層14に置換える。この熱酸化は、各シリコン層間がシリコン酸化物で埋まらず、幅の狭くなったトレンチ11が残るように行う。また、トレンチ11の上部に開口部が残るように行う。つまり、次の工程において超臨界流体がトレンチ11に流入できるようにしておく。
次に、シリコン酸化物を生成する化合物が溶解された超臨界流体を各トレンチ11に流し込み、各トレンチ11の内壁面で上記化合物が分解を含む化学変化することでシリコン酸化物を上記内壁面に成膜し、各トレンチ11をシリコン酸化物で埋め込む。図9に示すように、シリコン酸化物層14間のトレンチ11には、超臨界流体により埋め込まれたシリコン酸化物からなる埋め込み層15が形成されている。この実施形態では、臨界温度および臨界圧力が低いために臨界状態になり易く、制御し易いという理由から、主成分が二酸化炭素の超臨界流体を用いる。
超臨界流体は、気体の性質(拡散性)と、液体の性質(溶解性)とを有し、かつ、その密度を連続して大幅に変化できる特長を持っている。したがって、気体の性質を持つ超臨界流体は狭い間隙にも入り込み、各トレンチ11をシリコン酸化物で隙間なく埋め込むことができる。また、トレンチ11の内部に凹凸があったり、上部開口部が狭くなっているような場合であっても、超臨界流体は、トレンチの隅々まで行き渡るため、トレンチ11をシリコン酸化物で隙間なく埋め込むことができる。
これにより、シリコン基板1と一体的なマイクロレンズ(光透過用ブロック)3が形成される。
なお、図14(a),(b)に示したように、トレンチの上部を幅広に形成しておけば、トレンチ11に成膜されたシリコン酸化物によってトレンチ11の上部が狭くなってしまうおそれがないため、トレンチ11の内部に埋め残しが発生するおそれがない。
そして、最後に、マイクロレンズ周囲を所定の寸法でダイシングカットする。これにより、図1に示すように、シリンドリカルレンズが得られる。上述のトレンチの埋め込み工程が、本出願の請求項1または請求項2に記載の第2工程に対応する。
なお、透過率向上のために、必要に応じて基板全体に反射防止膜をコーティングしてもよい。
以上のように、上記第1実施形態の光学素子の製造方法によれば、シリコン酸化物を生成する化合物が溶解された超臨界状態の二酸化炭素を、シリコン基板1の基板面上に並設されたシリコン酸化物層14間の各トレンチ11に流し込み、各トレンチ11をシリコン酸化物で成膜することにより、各トレンチ11がシリコン酸化物によって隙間なく埋め込まれた状態のマイクロレンズ3を形成することができる。
したがって、残存する隙間による回折現象、散乱現象が発生して効率が低下するおそれのないマイクロレンズ3を製造することができる。
また、超臨界流体は、CVDに代表される気相法に比べて密度が高いため、シリコン酸化物を高濃度に溶かし込めるので、大量の酸化シリコンを短時間で各トレンチ内に供給することができる。
従って、気相法よりも短い時間で各トレンチを酸化シリコンで埋め込むことができる。
次に、第2実施形態について図15ないし図18を参照して説明する。この実施形態は、各トレンチの埋め込み後にマイクロレンズ形成領域周辺を除去することを特徴とする。
図15は、トレンチが形成されたシリコン基板の縦断面図であり、図16は、図15に示すシリコン基板が熱酸化された状態を示す縦断面図である。図17は、図16に示すシリコン基板の各トレンチがシリコン酸化物により埋め込まれた状態を示す縦断面図であり、図18は、図17に示すシリコン酸化物ブロックの周辺が除去された状態を示す縦断面図である。なお、前述の第1実施形態と同じ構成および工程については説明を省略し、同じ構成については同じ符号を用いる。
この実施形態では、水酸化カリウム(KOH)水溶液または水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)水溶液を用いて異方性エッチングを行う。また、シリコン基板1の面方位は(110)であるため、上記の水溶液を用いることにより、基板面に対して垂直にエッチングすることができるので、シリコン酸化物ブロック(マイクロレンズ)の外周面を正確に目標の形状に制御することができ、かつ、欠陥を形成しないようにすることができる。
なお、上述のマイクロレンズ形成領域周辺を除去する工程が、本願の請求項2に記載の第3工程に対応する。
以上のように、第2実施形態の光学素子の製造方法によっても、シリコン酸化物を生成する化合物が溶解された超臨界状態の二酸化炭素を、シリコン基板1の基板面上に並設されたシリコン酸化物層14間の各トレンチ11に流し込み、各トレンチ11をシリコン酸化物で成膜することにより、各トレンチ11がシリコン酸化物によって隙間なく埋め込まれた状態のマイクロレンズ3を形成することができる。
したがって、残存する隙間による回折現象、散乱現象が発生して効率が低下するおそれのないマイクロレンズ3を製造することができる。
また、超臨界流体は、CVDに代表される気相法に比べて密度が高いため、シリコン酸化物を生成する化合物を高濃度に溶かし込めるので、大量の酸化シリコンを短時間で各トレンチ内に供給することができる。
従って、気相法よりも短い時間で各トレンチを酸化シリコンで埋め込むことができる。
次に、この発明の第3実施形態について図19ないし図21を参照して説明する。
図19(a)〜(c)および図20(a),(b)は光学素子の変更例を示す平面図である。図21(a),(b)は複数の光学素子が形成された状態の平面図である。
図19(a)においては、前述の第1および第2実施形態において製造した平凸型のシリンドリカルレンズを図示しているが、輪郭線の設計次第で、図19(b)のごとく両凸レンズ、図19(c)のごとく両凹レンズ、図20(a)のごとく平凹レンズ、図20(b)のごとくメニスカスレンズ等、任意形状のレンズを形成可能である。また、高NAのレンズも形成可能である。
次に、この発明の第4実施形態を、第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。
図22は、この実施形態における光学素子の平面図であり、図23は、図22のA−A矢視断面図である。
この実施形態においては、シリコン基板1には当該シリコン基板1とは別体構造のシリンドリカルレンズ21が嵌め込まれ、このシリンドリカルレンズ21とシリンドリカルレンズ20とを光学的に結合している。シリンドリカルレンズ20は、入射光に対して水平方向のみコリメートあるいは集光する機能をもつが、これに別体のシリンドリカルレンズ21を組み合わせている。これにより、垂直方向のコリメートあるいは集光が可能になる。
なお、シリコン基板1に嵌め込むレンズとしてシリンドリカルレンズの例を示したが、円柱状レンズなどを用いてもよい。
次に、この発明の第5実施形態を、第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。図24は、この実施形態における光学素子の斜視図である。
この実施形態においてはレンズ3と共に光導波路55を形成している。光導波路55は、レンズ3と同じ方法で形成できる。つまり、周期的なトレンチ構造において、トレンチ本数が少なく、かつ長手方向に極端に長いパターンを形成すれば、ライン状のシリコン酸化物ブロック、つまり光導波路55を形成できる。
例えば、トレンチを挟んだシリコン層が2つ、長手方向に並ぶパターンに対し、D−RIE、熱酸化工程、超臨界流体によるトレンチの埋め込み工程を実施することによって光導波路55を形成できる。光導波路55内では、上下方向には屈折率の差があり、最も屈折率が高い中央付近に光は閉じ込められる。横方向には光導波路55の周囲はオープンスペースであるため、光導波路55内に光は閉じ込められる。この光導波路55はパターン次第で任意形状に形成できる。また、レンズ3と同時に形成できるためレンズ3とのカップリングに際しての位置合わせは不要である。
図25,26において、複数の水平方向用シリンドリカルレンズ60が形成されるとともに、この各水平方向用シリンドリカルレンズ60に対し垂直方向用シリンドリカルレンズ61が対向するように配置されている。さらに、各水平方向用シリンドリカルレンズ60に対し光導波路62がそれぞれ光学的に結合され、さらに各光導波路62は一本に集合している。この集合した光導波路62の端面には光ファイバ63の端面が対向して設けられている。垂直方向用シリンドリカルレンズ61および光ファイバ63は基板50に嵌め込まれている。この場合、水平方向用シリンドリカルレンズ60と光導波路62については位置合わせが不要となり、また、垂直方向用シリンドリカルレンズ61と光ファイバ63も基板50への嵌め込みにて位置合わせが容易となる。さらに、単純な構造のため光結合効率低下が少ない。また、量産性に優れ、低コスト化することが可能である。
このように、シリコン基板と一体的に形成したシリコン酸化物ブロックは、光導波路であったり、マイクロレンズと光導波路であってもよい。
シリコン酸化物により形成された物と同等の屈折率を有する物を形成可能な生成物を生じる化合物を超臨界流体に溶解することにより、その化合物より生じた生成物によって各間隙を隙間なく埋め込むこともできる。例えば、上記の生成物として、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウムおよびアルミナの屈折率は、それぞれ1.43、1.38、1.58〜1.60であり、シリコン酸化物の1.2〜8と略等しい。これらの物質で埋め込んでもシリコン酸化物で埋め込んだ場合に近い効果が得られ、回折の効果が抑制され、また界面での反射が抑えられ散乱が低減し、実質の透過効率を大きく下げることがない。
また、超臨界流体に溶かし込む化合物には、有機化合物が適する。これは超臨界流体への溶解が容易で、また100〜300℃程度の低温で分解されるためである。低温での成膜が可能になれば、温度上昇・降下の時間が短くなり、効率的な成膜が可能になり、装置的にも平易なもので可能になる。シリコン酸化物を形成する具体的な化合物としてTMOS(テトラメトキシシラン)などが挙げられる。
4・・柱構造体(構造体)、5・・連結部、6・・空隙、7・・高出力レーザ、
10・・酸化膜マスク、10a・・開口部、11・・トレンチ(間隙)、
12・・シリコン層、13・・シリコン層、14・・シリコン酸化物層、
15・・埋め込み層、55・・光導波路。
Claims (30)
- 光が透過する少なくともシリコン酸化物からなるブロックを有する光学素子の製造方法において、
シリコン酸化物からなる複数の構造体が、各構造体間に間隙を隔ててシリコン基板の基板面上に並設された状態を作り出す第1工程と、
所定の化合物が溶解された超臨界流体を各構造体間の各間隙に流し込み、各間隙が前記所定の化合物より生じた生成物によって埋め込まれた状態にすることにより前記ブロックを形成する第2工程とを有することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 光が透過する少なくともシリコン酸化物からなるブロックを有する光学素子の製造方法において、
シリコン酸化物からなる複数の構造体が、各構造体間に間隙を隔ててシリコン基板の内部において並設された状態を作り出す第1工程と、
所定の化合物が溶解された超臨界流体を各構造体間の各間隙に流し込み、各間隙が前記所定の化合物より生じた生成物によって埋め込まれた状態にする第2工程と、
前記生成物によって埋め込まれた状態の前記各構造体からなる部分の周辺部を除去することにより前記ブロックを形成する第3工程とを有することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 前記第3工程では、前記各構造体からなる部分の周辺部を除去する処理を前記シリコン基板の基板面から行い、除去された領域の下部が前記各構造体と同等の深さになったときに前記処理を停止することを特徴とする請求項2に記載の光学素子の製造方法。
- 前記第3工程は、エッチングにより前記周辺部を除去する工程であることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の光学素子の製造方法。
- 前記エッチングは異方性エッチングであることを特徴とする請求項4に記載の光学素子の製造方法。
- 前記異方性エッチングは、水酸化カリウム(KOH)水溶液または水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)水溶液を用いた異方性エッチングであることを特徴とする請求項5に記載の光学素子の製造方法。
- 前記第1工程では、パターニングしたマスクを用いてシリコン基板をエッチングすることにより前記複数の構造体を形成することを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1つに記載の光学素子の製造方法。
- 前記第1工程では、深くなるにつれて幅が狭くなる間隙が形成されるように、シリコン酸化物からなる複数の構造体が、各構造体間に間隙を隔てて並設された状態を作り出すことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1つに記載の光学素子の製造方法。
- 前記第1工程では、底部から上部に向かう途中から次第に幅広になり、最上部が最も幅広となる間隙が形成されるように、シリコン酸化物からなる複数の構造体が、各構造体間に間隙を隔てて並設された状態を作り出すことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1つに記載の光学素子の製造方法。
- 前記第1工程では、前記各構造体を、それぞれ薄肉の板状で、かつ、それぞれ光軸方向に延びる長手方向の側面が前記間隙の壁面となるように形成することを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか1つに記載の光学素子の製造方法。
- 前記第1工程では、前記間隙がシリコン酸化物で埋まらないように、シリコンからなる複数の構造体を熱酸化することにより前記シリコン酸化物からなる複数の構造体を形成することを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか1つに記載の光学素子の製造方法。
- 前記第1工程では、熱酸化により前記間隙がシリコン酸化物で埋まらないように、前記シリコンからなる各構造体の幅および各間隙の幅を設定することを特徴とする請求項11に記載の光学素子の製造方法。
- 前記生成物は、前記所定の化合物が化学変化することにより生成されることを特徴とする請求項1ないし請求項12のいずれか1つに記載の光学素子の製造方法。
- 前記生成物は、前記所定の化合物が分解することにより生成されることを特徴とする請求項13に記載の光学素子の製造方法。
- 前記化合物は、有機化合物であることを特徴とする請求項1ないし請求項14のいずれか1つに記載の光学素子の製造方法。
- 前記生成物は、シリコン酸化物であることを特徴とする請求項1ないし請求項15のいずれか1つに記載の光学素子の製造方法。
- 前記生成物は、シリコン酸化物により形成された物と同等の屈折率を有する物を形成可能な生成物であることを特徴とする請求項1ないし請求項15のいずれか1つに記載の光学素子の製造方法。
- 前記化合物は、TMOS(テトラメトキシシラン)であることを特徴とする請求項15に記載の光学素子の製造方法。
- 前記生成物は、フッ化カルシウムであることを特徴とする請求項17に記載の光学素子の製造方法。
- 前記生成物は、フッ化マグネシウムであることを特徴とする請求項17に記載の光学素子の製造方法。
- 前記生成物は、アルミナであることを特徴とする請求項17に記載の光学素子の製造方法。
- 前記基板面の面方位が(110)であることを特徴とする請求項1ないし請求項21のいずれか1つに記載の光学素子の製造方法。
- 前記第1工程では、前記シリコン基板を反応性イオンエッチングすることによりトレンチ状の前記各間隙を形成し、各構造体間に前記間隙が隔てられたシリコン酸化物からなる複数の構造体を形成することを特徴とする請求項1ないし請求項22のいずれか1つに記載の光学素子の製造方法。
- 前記超臨界流体の主成分が二酸化炭素であることを特徴とする請求項1ないし請求項23のいずれか1つに記載の光学素子の製造方法。
- 前記ブロックがマイクロレンズであることを特徴とする請求項1ないし請求項24のいずれか1つに記載の光学素子の製造方法。
- 前記ブロックが光導波路であることを特徴とする請求項1ないし請求項24のいずれか1つに記載の光学素子の製造方法。
- 前記ブロックがプリズムであることを特徴とする請求項1ないし請求項24のいずれか1つに記載の光学素子の製造方法。
- 前記ブロックとして、マイクロレンズ、光導波路およびプリズムのうちの1つを複数同時に製造することを特徴とする請求項1ないし請求項24のいずれか1つに記載の光学素子の製造方法。
- 前記ブロックとして、マイクロレンズ、光導波路およびプリズムのうち少なくとも2つを同時に製造することを特徴とする請求項1ないし請求項24のいずれか1つに記載の光学素子の製造方法。
- 前記ブロックとして、マイクロレンズ、光導波路およびプリズムのうち少なくとも2つをそれぞれ複数ずつ同時に製造することを特徴とする請求項1ないし請求項24のいずれか1つに記載の光学素子の製造方法。
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