JP4674565B2 - 光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子およびその製造方法に関するものである。

Ｓｉ基板上に、ＳｉＯ２で構成されたマイクロレンズやマイクロプリズムといった光学素子を集積化して作りこむ技術として、特許文献１が知られている。

特許文献１の技術は、図１９に示すような光学素子を生成するために、Ｓｉ基板に対して、光学素子の輪郭を掘るためのマスクと、光学素子の内部をＳｉＯ２化するためのトレンチ８を複数掘るためのマスクの両方を設ける。そして、図２０（ａ）から（ｃ）に示すように、このマスクを設けたＳｉ基板に対してエッチングを行い、光学素子の輪郭と略同一形状の輪郭を備えるとともに、その内部に複数のトレンチ８を設けたＳｉ構造体（柱構造体）を生成する。なお、図２０（ａ）は、エッチングを行った後のＳｉ基板上方からの平面図、図２０（ｂ）は図２０（ａ）のＦ−Ｆ面における断面図、図２０（ｃ）は図２０（ｂ）のＧ−Ｇ面における断面図である。

さらに、図２０（ａ）から（ｃ）の状態において、このＳｉ構造体に対して熱酸化処理を行って、複数のトレンチ８を熱酸化によって膨張したＳｉＯ２により埋めて、図１９の光学素子を生成する。なお、トレンチ８に挟設された柱状のＳｉ構造体の幅とトレンチ８の幅との関係は、トレンチ８が、Ｓｉ構造体が熱酸化によってＳｉＯ２化した際に塞がれるように規定されている。
特開２００４−２７１７５６号公報

図２１（ａ）は、図２０（ｃ）の枠Ｈ内の拡大図である。エッチングでは、角を正確に掘ることができないため、図２１（ａ）のように、トレンチ８のコーナー部は滑らかな形状となる。ここで、二つのトレンチ８に挟まれた柱状のＳｉ構造体において、両トレンチ８まで同じ距離のＳｉ原子が位置する点を点ａとし、輪郭を形成するＳｉ構造体と柱状のＳｉ構造体との交点を点ｂとする。そして、点ａからトレンチ８までの最短距離をＲａ、点ｂからトレンチ８までの最短距離をＲｂとすると、Ｒａ＜Ｒｂとなり、Ｓｉ構造体の場所によってトレンチ８までの最短距離が異なる。トレンチ８までの距離が遠いＳｉ原子ほど、酸化されるまでに時間を要するため、図２１（ｂ）に示すように点ａのＳｉ原子が酸化された時点では、点ｂのＳｉ原子は酸化されていない。このため、点ｂのＳｉ原子を酸化するためには、点ａのＳｉ原子が酸化された時点で、トレンチ８の一部が点ｂのＳｉ原子を酸化する酸素分子が通過するための間隙として若干残っている必要がある。さらに、この間隙は、図２１（ｃ）に示すように点ａのＳｉ原子が酸化された後は埋まることはなく、逆に点ｂのＳｉ原子の酸化によって柱状のＳｉ構造体の連立方向に広がる（例えば、点ａに位置したＳｉ原子は点ａ’の位置に、点ｂに位置したＳｉ原子は点ｂ’の位置に移動する）なお、光学素子として使用する場合、内部に大きな間隙が存在すると、入力された透過光が予期せぬ方向に屈折させられ、十分な透過光が出射されない恐れがある。

本発明は、上記点に鑑み、少なくとも輪郭を形成するＳｉ構造体と柱状のＳｉ構造体との交点付近に位置するＳｉ原子を酸化する際に、柱状のＳｉ構造体の連立方向に間隙が広がることを抑制可能な光学素子の構造および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、パターニングしたマスク（７）を用いてシリコン基板（１）の基板面をエッチングし、光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）を形成するための基となる光学素子形成体であって、複数の構造体が各構造体間にトレンチ（８）を隔てて該基板面上に並設されてなる複数の柱構造体（３）と、該複数の柱構造体（３）に連結するとともに、該複数の柱構造体（３）を内包する輪郭構造体（９）とを該基板面上に形成する第１工程と、前記光学素子形成体を酸化する工程であって、該光学素子形成体が酸化され始めてから、前記柱構造体（３）が酸化されるまでの第２工程と、前記第２工程の後、該第２工程において酸化され残った前記輪郭構造体の一部（１０）が酸化されるまでの第３工程とからなる光が透過可能なシリコン酸化物で構成される光学素子の製造方法であって、前記第２工程が終了した時点において、前記トレンチ（８）が残っており、前記第３工程において、前記輪郭構造体（９）は、少なくとも前記柱構造体（３）の並設方向に対する変形を、前記光学素子形成体における前記柱構造体（３）の並立方向側端面に一体形成されたシリコン基板（１）の一部であるストッパー（４）により抑制されることを特徴とする。

第１工程では、各々がトレンチを隔ててシリコン基板面上に並設された柱構造体と、これらの柱構造体を含む輪郭構造体とからなる光学素子形成体を、シリコン基板をエッチングすることで形成する。

第２工程では、光学素子形成体の酸化を開始し、少なくとも柱構造体を酸化する。この第２工程では、輪郭構造体を完全に酸化することはできず、輪郭構造体の柱構造体との連結点付近に酸化されていない箇所（酸化残り）が残る。本発明では、第２工程が終了した時点において、トレンチ（８）が残っているので、第３工程において、トレンチを通じ酸化残りを酸化することができる。

第３工程では、酸化残りが酸化される際に発生する、輪郭構造体のトレンチの並設方向への膨張を抑制しながら、酸化残りを酸化する。本発明では、ストッパーをシリコン基板の一部とすることで、ストッパー用の部材を別途準備することなく、トレンチがトレンチの並立方向へ広がることを抑制することができる。

これにより、第３工程で、トレンチが第２工程終了時点よりも広がることを抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、前記ストッパー（４）により前記柱構造体（３）の並立方向側への膨張を抑制されたシリコン酸化物は、前記トレンチ（８）に流入することを特徴とする。これによれば、シリコン酸化物の一部がトレンチに流入することにより、第２工程終了時点でトレンチが残っていたとしても、これを埋めることができる。

請求項３に記載の発明は、前記第３工程が終了した時点で、前記トレンチ（８）が完全に埋まらず空隙として残っており、シリコン酸化膜の成膜処理により該空隙を埋めることを特徴とする。これによれば、空隙を埋めることにより、空隙の無い光学素子を生成することができる。

請求項４に記載の発明は、前記ストッパー（４）は、前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）への入射光の入射面および出射面以外の面に接することを特徴とする。

これにより、光学素子へ入射される光を妨げることなく、かつ、光学素子から出射される光を妨げることがない。

請求項５に記載の発明は、前記ストッパー（４）は、前記柱構造体（３）の並立方向に直交する方向に対して凸形状または凹形状を有することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、前記第３工程において、前記ストッパー（４）は、前記酸化され残った輪郭構造体の一部（１０）が酸化されることによる前記柱構造体（３）の並設方向に対する前記輪郭構造体（９）の変形を抑制することを特徴とする。

これにより、酸化残りの酸化に伴って、輪郭構造体が、柱構造体の並設方向に変形したとしても、ストッパーで、この変形を抑制することができる。

請求項７に記載の発明は、前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）へ入射される光は、前記柱構造体（３）の並立方向に直交する側の端面に入射されることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）の前記シリコン基板側端面は、前記シリコン基板（１）の延設方向に対して連続する凹凸形状を有する状態であることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）の前記シリコン基板側端面は、光軸に対して垂直な方向に連続する凹凸形状を有する状態であることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、複数の前記柱構造体（３）は、前記シリコン基板（１）の上面において光軸に対し平行に延設されていることを特徴とする。

シリコン酸化物よりなる複数の柱構造体は、シリコン基板の上面において光軸に対し平行に延設されている光学素子においては、トレンチが完全に埋まらなかった場合であっても、光の散乱等による光の透過が低下するのを抑制することができる。

請求項１１に記載の発明は、前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）の前記シリコン基板側端面は、該光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）と同形状のシリコン基板（１）からなる連結部（５）に連結していることを特徴とする。

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、その下に当該シリコン酸化物ブロックと同形状のシリコン基板からなる連結部を有していると、光の入射・出射の際に光の経路を妨げることを回避することができる。

請求項１２に記載の発明は、前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）は、前記シリコン基板（１）に形成された凹部に存在するとともに、該光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）への入射光側および出射光側の端面と、該凹部の壁面（１６）とは間隔を隔てていることを特徴とする。

シリコン基板に凹部が形成され、その凹部の内部においてシリコン基板と一体的に形成した光学素子の入射光側および出射光側の端面側に周囲溝が在る状態で配置されているならば、柱構造体の延設方向にシリコン基板が存在しないため、柱構造体の座屈を回避することができる。

請求項１３に記載の発明は、前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）の該光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）への入射光側および出射光側の端面以外の端面が、該凹部の壁面（１６）に接しており、前記輪郭構造体（９）の変形は該壁面（１６）により抑制されることを特徴とする。

請求項１４に記載の発明は、前記第３工程が終了した時点で、前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）は、上下方向の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする。

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、上下方向の厚さが１０μｍ以上であるとよい。

請求項１５に記載の発明は、前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）は、不純物が上下方向において濃度分布をもつようにして添加されていることを特徴とする。

シリコン酸化物ブロックは、不純物が上下方向において濃度分布をもつようにして添加されている光学素子においては、上下方向の集光機能を持たせることが可能となる。

請求項１６に記載の発明は、前記不純物はゲルマニウム（Ｇｅ）、リン（Ｐ）、スズ（Ｓｎ）、ホウ素（Ｂ）の少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする。

請求項１７に記載の発明は、前記シリコン基板（１）に、レンズ（２，１１，１２，１３，１４，１５）と光導波路（１８）とスリットのうちの少なくとも一つを含む複数の光学部品を作り込んだことを特徴とする。

請求項１８に記載の発明は、前記第１工程における前記トレンチ（８）の幅および前記柱構造体（３）の幅は、前記第３工程の熱酸化において該トレンチ（８）内がシリコン酸化物で充填されると同時に、前記輪郭構造体（９）がシリコン酸化物となる寸法としたことを特徴とする。

このように輪郭構造体が酸化された後にトレンチをシリコン酸化物で埋める工程、または、トレンチが埋まった後で輪郭構造体を酸化するための工程を省くことができる。

請求項１９に記載の発明は、前記第１工程において多数並設されるトレンチ（８）は、光軸に対し平行に延設されていることを特徴とする。

第１工程において多数並設するトレンチを、光軸に対し平行に延設すると、光の散乱等による光の透過が低下するのを抑制することができる。

請求項２０に記載の発明は、前記第１工程は、反応性イオンエッチングにて前記トレンチ（８）を形成し、該トレンチ内壁に保護用酸化膜を形成し、さらに、該トレンチ底部の保護用酸化膜をエッチングした後に該底部から反応性イオンエッチングにより該トレンチ（８）を更に深くすることにより、１以上のアスペクト比を有するトレンチ（８）を形成するようにしたことを特徴とする。

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、アスペクト比が１以上のトレンチを形成することができる。

請求項２１に記載の発明は、上下方向において不純物濃度を変えたシリコン基板（１）に対し前記トレンチ（８）を形成することにより前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）に含まれる不純物を該光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）の上下方向において濃度分布をもたせたことを特徴とする。

上下方向において不純物濃度を変えたシリコン基板に対しトレンチを形成することにより光学素子での不純物を上下方向において濃度分布をもたせるようにすると、不純物濃度によってシリコン酸化物の屈折率が変わるため、上下方向の集光機能を持たせることが可能となる。

請求項２２に記載の発明は、前記第３工程における酸化は、前記シリコン酸化物をアニール可能な温度で行われ、前記トレンチ（８）を挟んで対向する前記柱構造体（３）同士が融着することを特徴とする。

第３工程で酸化残りが酸化される際、トレンチの連立方向へのシリコン酸化物の膨張がストッパーにより抑制される。この時、アニール可能な温度で酸化が行われていると、シリコン酸化物が流体化し、トレンチを挟んで対向する柱構造体同士が融着し、トレンチ（間隙）が狭くなる、もしくは無くなる。

以下、実施例１から実施例６を用いて、本発明を実施するための最良の形態を述べる。

〔実施例１〕
本実施例は、本発明における光学素子をプリズムに適用させたものであり、図１から図９を用いて説明を行う。

図１は、本実施形態における光学素子の斜視図であり、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ面における断面図であり、図２（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ面における断面図である。

この図１に示すように、光学素子は、シリコン基板１上に立設したプリズム２である。このプリズム２は、シリコン基板１の上面にシリコン酸化物よりなる複数の柱構造体３が隣接することで一体的に構成されている。そして、プリズム２がシリコン酸化物で構成されているため、図１の上方向、すなわち柱構造体３の連立方向に直交しシリコン基板１に水平な方向から入射された光は、プリズム２により偏光される。そして、偏光された光は、プリズム２の図１の下方向の面、すなわち入射面に対向する出射面から出射される。

図２（ａ）に示すように、各柱構造体３はその下面が円弧面となっており、複数の柱構造体３が隣接した状態で立設されることにより構成されるシリコン酸化物ブロック（プリズム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。即ち、シリコン基板１の上面からシリコン酸化物ブロック（プリズム２）がシリコン基板１との境界面である下面がシリコン基板１の表面と平行方向に沿って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（プリズム２）に光を透過させる構造となっている。

そして、このシリコン酸化物ブロック（プリズム２）の両端部には、酸化物ブロックおよびシリコン基板１の両方と一体のストッパー部４が存在する。このストッパー部４は、図６から図９を用いて後述する熱酸化工程において、非酸化部分として残されたシリコン基板１の一部であり、その形状は、シリコン基板１より突出した四角柱形状である。

また、シリコン酸化物よりなる複数の柱構造体３は、図２に示すように、シリコン基板１の上面において光軸に対し平行に延設されている。これにより、柱構造体３の延設方向が光の通過する方向と平行になり、光の通過する方向とのなす角がシリコン酸化物と空気層との間の全反射角以内にすることができ、光の散乱等による光の透過が低下するのを抑制することができる。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（プリズム２）は、その下に当該シリコン酸化物ブロックと同形状のシリコン基板１からなる連結部５（台座部）を有している。また、シリコン基板１と一体的に形成したプリズム２（シリコン酸化物ブロック）はその周囲に周囲溝６が在る状態で配置されている。なお、このプリズム２（シリコン酸化物ブロック）は、上下方向の厚さ（高さＨ）が１０μｍ以上、具体的には１００μｍ程度である。プリズム２の光軸に直交する方向の幅Ｗは２００μｍ程度、光軸方向に平行なプリズム２の側面で、面積が狭い側の幅Ｗ２は５０μｍ程度、広い側の幅Ｗ２は１００μｍ程度である。

次に、図３から図９を用いて、本実施例１のプリズム２の製造方法を説明する。図３（ａ）はシリコン基板１の断面（製造前の図２（ａ）に相当）であり、図３（ｂ）はシリコン基板１の平面図である。この図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、シリコン基板１上に一様に酸化膜マスク７を設ける。

次に、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、酸化膜マスク７の一部を除去して、プリズム２の輪郭形状および複数のトレンチ８のパターニングを行う。この図４（ａ）はシリコン基板１の断面（図３（ａ）と同一視点）であり、図３（ｂ）はシリコン基板１の平面図（図３（ｂ）と同一視点）である。なお、パターニングは、正確に四角形を規定することが望ましいが、一般に除去される酸化膜マスク７のコーナー部は丸くなる。

さらに、この時の酸化膜厚は、（抜き幅＋残し幅）と同じか、それ以上に設定する。通常、熱酸化膜はシリコン表面の内側と外側に０．４５：０．５５の割合で進行する。本実施例１では、この比率に合わせて抜き幅と残し幅を設定しており、トレンチ８の幅およびトレンチ間のシリコン層（後述する柱構造体３）の幅は、熱酸化においてトレンチ内がシリコン酸化物でおおよそ充填された時点で、トレンチ間のシリコン層（柱構造体３）が完全にシリコン酸化物になる寸法となっている。すなわち、柱構造体３が完全に酸化された時点で、若干の間隙が残っているように、トレンチ８の幅を決定する。

一方、パターニングする際には、図４（ｂ）に示すように、トレンチ間のシリコン層（柱構造体３）以外に、プリズム２の輪郭形状（後述の輪郭構造体９）と、後述のストッパー部４も規定する。なお、前述のトレンチ８は、プリズム２の輪郭の環状内部に含まれている。ストッパー部４は、輪郭形状のトレンチ連立方向側の両端に規定される。ストッパー部４のプリズム２の光軸方向に沿う幅Ｗ４は、同方向へのプリズム２の幅Ｗの５％程度である。すなわち、プリズム２幅Ｗが２００μｍ程度であるなら、ストッパー部４の幅Ｗ４は１０μｍ程度となる。

そして、図５に示すように、図４（ａ）に対して酸化膜マスク７の開口部からエッチングを行い、プリズム２の輪郭形状およびプリズム２の輪郭形状内側に複数のトレンチ８を形成する。

つまり、第１工程として、パターニングしたマスクを用いてシリコン基板１をトレンチエッチングして一定の幅のトレンチ８を一定の間隔で多数並設するとともに、ストッパー部４を含むプリズム２の輪郭を規定する。以下では、プリズム２の輪郭形状を構成する枠の部材を輪郭構造体９、輪郭構造体９の内側において同一方向に、かつ、光軸に対し平行に延設された部材を柱構造体３と呼ぶ。トレンチ幅（以下、抜きと呼ぶ）とトレンチ間の壁となるシリコンの幅（以下、残しと呼ぶ）の比率は、０．５５：０．４５となるように酸化膜マスク７の開口部の幅および開口部の間隔を調整する。例えば、抜きが１．１μｍならば、残しは０．９μｍ、抜きが２．２μｍならば、残しは１．８μｍとする。

さらに、シリコン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およびプリズム輪郭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。

図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、酸化膜マスク７をフッ酸溶液への浸漬等により除去する。この図６（ａ）は図２（ａ）と同一視点によるシリコン基板１の断面図であり、図６（ｂ）は図２（ｂ）と同一視点によるシリコン基板１の断面図である。

以下、図７（ａ）、図７（ｂ）、図８、図９（ａ）、図９（ｂ）を用いて、熱酸化によりトレンチ内をシリコン酸化物で埋めるとともに、輪郭構造体９および柱構造体３（トレンチ８間のシリコン層）をシリコンからシリコン酸化物に置き換えてシリコン基板１と一体的なプリズム２（光透過用ブロック）を生成する熱酸化工程について説明する。なお、この熱酸化は、シリコン酸化物が流体となりアニール効果を得ることが可能な１１００℃程度の温度で行われる。

図７（ａ）、図７（ｂ）、図８は、熱酸化によって柱構造体３が完全に酸化した際の断面図である。図７（ａ）は図６（ａ）と同一視点によるシリコン基板１の断面図であり、図７（ｂ）は図６（ｂ）と同一視点によるシリコン基板１の断面図である。そして、図８は、図７（ｂ）のＣ−Ｃ面における断面図である。

図７（ａ）のように柱構造体３が完全に酸化された時点では、図７（ｂ）および図８のように輪郭構造体９の一部（柱構造体３との交点付近）が酸化されていない。以下、輪郭構造体９の柱構造体３との交点付近おける酸化されていないシリコンを、酸化残り１０と呼ぶ。

なお、あらかじめトレンチ８の幅は、柱構造体３が完全に酸化された時点で完全には埋まらず、若干の間隙として残るように規定されているため、柱構造体３が完全に酸化された後も、トレンチ８を通じて酸素が酸化残り１０に届く。

図９（ａ）および図９（ｂ）は、図７（ａ）、図７（ｂ）、図８の状態から、さらに熱酸化を行った状態の断面図である。図９（ａ）は図７（ａ）と同一視点によるシリコン基板１の断面図であり、図９（ｂ）は図７（ｂ）と同一視点によるシリコン基板１の断面図である。

図７から図９に掛けて、酸化残り１０が酸化されることで、輪郭構造体９の内部にはシリコン基板１の平面方向（含、柱構造体３の連立方向）への膨張力が発生する。しかし、柱構造体３の連立方向における膨張は、酸化されずに残っているストッパー部４によって抑制される。

さらに、この熱酸化は１１００℃程度の高温で行われているので、シリコン酸化物が流体化している。このため、ストッパー部４により膨張が抑制されたシリコン酸化物が、図７（ａ）、および図７（ｂ）で若干の間隙として残っていたトレンチ８に流入する。そして、図７（ａ）および図７（ｂ）にて示した柱構造体３との交点付近のシリコンが完全に酸化された時点で、トレンチ８が完全に埋まる。

以上のように、柱構造体３が酸化された時点で若干のトレンチ８を残すことで、酸化残り１０のシリコンを酸化させることが可能である。

また、輪郭を形成する輪郭構造体９と柱構造体３との交点付近に位置する酸化残り１０のシリコンがシリコン酸化物となり体積が膨張する際に、トレンチ８がトレンチ８の連立方向に広がってプリズム２の輪郭が同方向に広がることを、ストッパー部４により抑制できる。

さらに、ストッパー部４の設置に加えて、シリコンを１１００℃程度で熱酸化して、酸化シリコンを流体化する。ストッパー部４は、トレンチ８の連立方向への膨張体積を抑制するため、流体化した酸化シリコンは、酸化残り１０を酸化するために若干残っていたトレンチ８に流入する。これにより、酸化残り１０のシリコンが酸化された後に、若干残っていたトレンチ８を埋める工程を無くす、もしくは埋める量を減らすことができる。なお、酸化残り１０が完全に酸化された後に、トレンチ８が若干残っていた場合は、超臨界流体をこのトレンチ８に流し込むことで、トレンチ８を埋めることが可能である。

〔実施例２〕
図１０および図１１を用いて実施例２について説明する。この実施例２は、光学素子の形態がシリンドリカルレンズ１１であるため、前述の実施例１と異なる。なお、前述の実施例１と同等の構成については、実施例１と同様の符号を付し、本実施例２における説明を省略する。

図１０（ａ）から（ｃ）は、平凸型のシリンドリカルレンズ１１を示しており、図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）はＤ−Ｄ面における断面図、図１０（ｃ）はＥ−Ｅ面における断面図である。この図１０（ｂ）および（ｃ）に示すように、このシリンドリカルレンズ１１は、両端部にストッパー部４を備えている。このためストッパー部４により、実施例１と同様の作用効果を奏しながら、シリンドリカルレンズ１１を生成することができる。

シリンドリカルレンズ１１の他にも、生成したい光学素子の輪郭構造体９の両端部にストッパー部４を設けることで、図１１（ａ）のごとく両凹レンズ１２、図１１（ｂ）のごとく両凸レンズ１３、図１１（ｃ）のごとくメニスカスレンズ１４、図１１（ｄ）のごとく平凹レンズ１５等の任意形状の光学素子を生成可能である。なお、図１１（ａ）から図１１（ｄ）は、光学素子形成後の平面図であり、ストッパー部４は点線で囲んである領域に形成されている。

〔実施例３〕
図１２を用いて実施例３について説明する。この実施例３は、光学素子の形態が、複数の光学素子からなる光学素子群である点で、前述の各実施例と異なる。なお、前述の各実施例と同等の構成については、各実施例と同様の符号を付し、本実施例３における説明を省略する。

図１２は、複数のシリンドリカルレンズ１１からなる光学素子群の平面図である。この光学素子群の両端にはストッパー部４が形成されている。すなわち、ストッパー部間に存在する複数の光学素子の酸化残り１０が酸化された際に発生するの両端方向への膨張を、これら両端のストッパー部４でまとめて抑制する。

このように、複数の光学素子を隣接して生成する場合には、各光学素子の両端ではなく光学素子群の両端にストッパー部４を設けることが可能である。

また、さらに、複数の光学素子を一緒にパターニングし、トレンチエッチング、熱酸化工程を経ることで一括してこれら部品を基板に作り込むことができる。この場合、多数のレンズアレイであろうと、光が複数のレンズを通る複雑な光学系であろうと、１枚のマスクから一括して基板にパターニングして形成することができ、特に、後者の場合については、微小な光学系において非常に厄介な問題となる個々の光学部品の光軸合わせという問題を解消することができる。広義には、マスクとして、レンズと光導波路とスリットのうちの少なくとも一つを含む複数の光学部品を形成するためのものを用いて、トレンチエッチングと熱酸化工程を経ることにより一括してシリコン基板１に作り込むようにすると、光軸の位置合わせは不要となる。即ち、光学素子の構造として、シリコン基板１に、レンズと光導波路とスリットのうちの少なくとも一つを含む複数の光学部品を作り込むと、光軸の位置合わせは不要となる。

〔実施例４〕
図１３および図１４を用いて実施例４について説明する。この実施例４は、ストッパー部４を光学素子周辺の壁面１６で代用している。なお、前述の各実施例と同等の構成については、前述の各実施例と同様の符号を付し、本実施例４における説明を省略する。

図１３には本実施形態における光学素子の斜視図を示す。この光学素子は平凸型のシリンドリカルレンズ１１であって、曲面（出射面）および曲面に対向する面（入射面）以外の端面が、壁面１６に連結している。

そして、図１３のシリコン酸化物ブロック（レンズ）は、不純物が上下方向において濃度分布をもつようにして添加されている。即ち、不純物添加層１７（エピタキシャル層）が形成されている。不純物としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、リン（Ｐ）、スズ（Ｓｎ）、ホウ素（Ｂ）などの１種類以上を添加することができる。

以下、詳しく説明する。

シリコン基板１に、ゲルマニウム（Ｇｅ）もしくはリン（Ｐ）もしくはスズ（Ｓｎ）を不純物としてドープした後に熱酸化膜を形成すると、酸化膜の屈折率が上がることが知られている。また、ホウ素（Ｂ）を不純物としてドープした後に熱酸化すると酸化膜の屈折率が変化することが知られている。

そこで、シリコン基板上にＣＶＤ等により、Ｇｅの不純物濃度を連続的に変えたエピタキシャル膜を形成する。厚さ方向（深さ方向）における濃度分布は所定の深さでピークとなる山形にする。その後、図１４に示すように、マスクを用いて実施例１と同様に、マスクを用いて光学素子の輪郭および複数のトレンチ８を規定し、ＤＲＩＥ、熱酸化工程を経ることでレンズ形状を形成する。なおトレンチ８の開口の長辺は、壁面１６と平行（光の入射方向と同一）である。

このように、シリコン基板１上に、膜厚方向において不純物濃度を変えたエピタキシャル膜１７を成長させた後において、トレンチ８を形成することにより光透過用ブロックでの不純物を上下方向において濃度分布をもたせる。広義には、上下方向において不純物濃度を変えたシリコン基板１に対しトレンチ８を形成することにより光透過用ブロックでの不純物を上下方向において濃度分布をもたせる。これにより、図１３に示す構造を得る。この場合、基板の深さ方向（レンズの高さ方向）に屈折率分布を持つため、レンズの曲面形状による基板面内方向（水平方向）のみでなく、シリコン基板１の表面に垂直方向（上下方向）にも集光機能を付与することができる。

なお、エピタキシャル膜１７の濃度分布（濃度変化）は不連続的であってもよい。このように、シリコン基板上に、シリコンより重い元素、具体的にはＧｅもしくはＰもしくはＳｎを不純物として含み、なおかつ不純物濃度を連続的または非連続的に変えたエピタキシャル膜を形成することで、不純物濃度が深さ方向に連続的または非連続的に変化したエピタキシャル膜（シリコン層）を形成した後、実施例１で説明したように光学素子（レンズ）を形成する。あるいは、シリコン基板上に、シリコンより軽い元素、具体的にはＢを不純物として含み、なおかつ不純物濃度を連続的または非連続的に変えたエピタキシャル膜を形成することで、不純物濃度が深さ方向に連続的または非連続的に変化したエピタキシャル膜（シリコン層）を形成した後、実施例１で説明したように光学素子を形成する。

そして、実施例１と同様に本実施例４においても、熱酸化工程で酸化残り領域が酸化された際に、輪郭が壁面方向に膨張しようとする。しかし、トレンチ８の連立方向の輪郭の一部が壁面１６と接しているため、壁面１６が実施例１のストッパー部４と同様にこの膨張を抑制する。

このように、本実施例４の光学素子は、壁面１６をストッパー部４として代用しながら、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

〔実施例５〕
図１５を用いて実施例５について説明する。この実施例５は、光学素子（シリンドリカルレンズ１１）に加えて光導波路１８を一体に形成する点で、前述の実施例４と異なる。なお、前述の各実施例と同等の構成については、前述の各実施例と同様の符号を付し、本実施例５における説明を省略する。

図１５に本実施例５におけるシリンドリカルレンズ１１および光導波路１８の斜視図を示す。このシリンドリカルレンズ１１は実施例４の図１３において示した平凸型のシリンドリカルレンズ１１と同一形状であり、曲面および曲面に対向する面以外の端面が、壁面１６に連結している。光導波路１８は、両壁面１６と平行に延設され、レンズと同様にシリコン基板上に一体に立設されている。

以下、シリンドリカルレンズ１１および光導波路１８の生成工程について述べる。

この生成工程は、実施例４と同じく、連続的、あるいは不連続的に不純物濃度を変えてエピタキシャル層１７を形成した後、ＤＲＩＥ、熱酸化工程を経て、シリンドリカルレンズ１１を形成するが、本実施例においてはシリンドリカルレンズ１１と共に光導波路１８を形成している。光導波路１８は、シリンドリカルレンズ１１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（ＳｉＯ２）ブロック、つまり光導波路１８を形成できる。例えば抜き幅１．５μｍのトレンチ８を挟んで残し幅１．５μｍのシリコン層を２つ、長手方向に１ｍｍ並ぶパターンに対し、ＤＲＩＥ、熱酸化工程を実施することによって幅６μｍ、長さ１ｍｍの光導波路１８が形成できる。光導波路内では、上下方向には屈折率の差により、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１８の周囲はオープンスペースであるため、光導波路内に光は閉じ込められる。この光導波路１８はパターン次第で任意形状に形成できる。また、シリンドリカルレンズ１１と同時に形成できるためこのシリンドリカルレンズ１１とのカップリングに際しての位置合わせは不要である。

〔実施例６〕
図１６から図１８を用いて実施例６について説明する。この実施例６は、ストッパー部４の形状が、複雑である点で前述の各実施例と異なる。なお、前述の各実施例と同等の構成については、前述の各実施例と同様の符号を付し、本実施例６における説明を省略する。

図１６（ａ）から図１６（ｄ）は、前述の各実施例とは異なるストッパー部４の形状を平面図でそれぞれ示している。図１６（ａ）のように、輪郭構造体９の端面を凹状にエッチングし、これを酸化することで凹状のストッパー部４を生成することができる。これに対して、図１６（ｂ）のように輪郭構造体９の端面を凸状にエッチングし、これを酸化することで凸状のストッパー部４を生成することができる。

一方、図１６（ｃ）では、輪郭構造体９の端面を斜めにエッチングしてある。これを酸化することで、三角柱形状のストッパー部４を生成することができる。

図１６（ｄ）では、輪郭構造体９の端面を台形状にエッチングしている。これを酸化することで、台形柱形状のストッパー部４を生成することができる。

このように、ストッパー部４の形状は、円柱以外の形状を用いることも可能である。図１６（ａ）の凹状ストッパー部４の場合、酸化残り１０が多く、トレンチ８の連立方向への体積膨張が激しい輪郭構造体９付近のストッパー部４を厚くしている。

また、図１６（ｂ）のストッパー部４と図１６（ａ）のストッパー部４とを図１７のように組み合わせることで、光学素子同士を隣立する際の剛性をあげながら、省スペース化を図ることができる。

図１６（ｃ）のようにストッパー部４を三角柱とする場合にも、図１８のように互い違いに三角柱を組み合わせることで、光学素子同士を隣立する際の剛性をあげながら、省スペース化を図ることができる。

このように、ストッパー部４の形状は、光学素子の立設スペースや、酸化残り１０が酸化された際の膨張の度合いなどを鑑みて、実施例１で示したような四角柱以外の形状としても良い。

〔その他の実施例〕
前述の実施例１から実施例６では、熱酸化を行う際の温度を１１００℃程度とした。熱酸化の温度を１１００℃とした理由は、一般的な酸化炉が１２００℃程度の温度にまで耐えられるシリカガラスを用いているためである。しかしながら、１２００℃以上の高温であっても耐えられる酸化炉を用いるならば、シリコン酸化物が融解しない程度の高温で熱酸化を行っても良い。

前述の実施例１から実施例６では、酸化を終了し、光学素子が完成した時点で、ストッパー部４が残っていた。しかし、酸化残り１１が酸化される際に、輪郭構造体９がトレンチ８の連立方向に広がらないように抑制することが、ストッパー部４を設置する目的である。このため、酸化が終了した時点で、ストッパー部４を取り除いても、前述の各実施例と同様の作用効果を奏することができる。さらに、酸化残り１１の酸化が終了した時点で、ストッパー部４が完全に酸化されるように、ストッパー部の幅Ｗ４を決定しても良い。もしくは、酸化残り１１の酸化が終了した後も、ストッパー部が完全に酸化されるまで酸化を行っても良い。

前述の実施例１では、一例としてストッパー部４の幅Ｗ４を１０μｍ程度とした。しかし、酸化対象である輪郭構造体９や柱構造体３の幅や、これらの構造物を構成するシリコン素材によって、この幅Ｗ４は異なる。このため、本発明のストッパー部４は、実施例１の幅Ｗ４に限定されたものではなく、酸化残り１１が酸化された際に輪郭構造体９が広がることを抑制可能であれば良い。参考までに、出願人が行った実験の結果では、ストッパー部４の幅Ｗ４が、光学素子の幅Ｗの５％以上である場合に、輪郭構造体９の膨張を効果的に抑制することができた。

前述の各実施例では、エッチングを行う際に使用するマスクを、酸化膜マスクとしたが、使用するマスクはこれに限定されない。例えば、酸化膜マスクの代わりにレジストマスクを用いても実施可能である。

実施例１を示すシリコン基板１に一体に立設したプリズム２の斜視図である。 実施例１を示す断面図であり、図２（ａ）は図１および図２（ｂ）のＡ−Ａ面の断面図、図２（ｂ）は図１および図２（ａ）のＢ−Ｂ面の断面図である。 実施例１のシリコン基板１に酸化膜マスク７が積層された状態を示す図であり、図３（ａ）は図３（ｂ）のＡ−Ａ面の断面図、図３（ｂ）は平面図である。 実施例１において、図３の酸化膜マスク７の一部を除去した状態を示す図であり、図４（ａ）は図４（ｂ）のＡ−Ａ面の断面図、図４（ｂ）は平面図である。 実施例１において、図４（ａ）をエッチングした状態を示す断面図である。 実施例１において、図５の酸化膜マスク７を除去した状態を示す図であり、図６（ａ）は図６（ｂ）のＡ−Ａ面の断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ面の断面図である。 実施例１において、図６の状態から酸化を行い柱構造体３の酸化が完了した状態を示す図であり、図７（ａ）は図７（ｂ）のＡ−Ａ面の断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＢ−Ｂ面の断面図である。 実施例１を示す図であり、図７のＣ−Ｃ面の断面図である。 実施例１において、図７の状態からさらに酸化を行い酸化残り１０の酸化が完了した状態を示す図であり、図９（ａ）は図９（ｂ）のＡ−Ａ面の断面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＢ−Ｂ面の断面図である。 実施例２を示す図であり、図１０（ａ）はシリンドリカルレンズ１１の平面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＤ−Ｄ面の断面図、図１０（ｃ）は図１０（ｂ）のＥ−Ｅ面の断面図である。 実施例２を示す平面図であり、図１１（ａ）は両凹レンズ１２、図１１（ｂ）は両凸レンズ１３、図１１（ｃ）はメニスカスレンズ１４、図１１（ｄ）は平凹レンズ１５である。 実施例３を示す複数のシリンドリカルレンズ１１が連結した光学素子の平面図である。 実施例４を示す壁面１６をストッパー部４として使用するシリンドリカルレンズ１１の斜視図である。 実施例４を示す図１３のシリンドリカルレンズ１１を生成するために酸化膜マスクが積層された状態を表す斜視図である。 実施例５を示すシリンドリカルレンズ１１と光導波路１８を表す斜視図である。 実施例６の複数種類のストッパー部を表す平面図であり、図１６（ａ）は凹状のストッパー部、図１６（ｂ）は凸状ストッパー部、図１６（ｃ）は三角柱形状のストッパー部、図１６（ｄ）は台形柱形状のストッパー部を示す。 実施例６の凹状のストッパー部と凸状ストッパー部とが連結された状態を表す平面図である。 実施例６の三角柱形状のストッパー部同士が連結された状態を表す平面図である。 一般的なシリンドリカルレンズ１１の斜視図である。 図１９のシリンドリカルレンズ１１の生成段階においてエッチングされたシリコン基板１を示す図であり、図２０（ａ）は平面図、図２０（ｂ）は面Ｆ−Ｆの断面図、図２０（ｃ）は面Ｇ−Ｇの断面図である。 図２０（ｃ）の枠Ｈ内が酸化される様子を示す拡大図であり、図２１（ａ）は酸化が開始された時点の拡大図、図２１（ｂ）は柱構造体３の酸化が完了した時点の拡大図、図２１（ｃ）は酸化残り１０の酸化が完了した時点の拡大図である。

符号の説明

１ シリコン基板
２ プリズム
３ 柱構造体
４ ストッパー部
５ 連結部（台座部）
６ 周囲溝
７ 酸化膜マスク
８ トレンチ
９ 輪郭構造体
１０ 酸化残り
１１ シリンドリカルレンズ
１２ 両凹レンズ
１３ 両凸レンズ
１４ メニスカスレンズ
１５ 平凹レンズ
１６ 壁面
１７ 不純物添加層（エピタキシャル層）
１８ 光導波路

Claims (22)

1. パターニングしたマスク（７）を用いてシリコン基板（１）の基板面をエッチングし、光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）を形成するための基となる光学素子形成体であって、複数の構造体が各構造体間にトレンチ（８）を隔てて該基板面上に並設されてなる複数の柱構造体（３）と、該複数の柱構造体（３）に連結するとともに、該複数の柱構造体（３）を内包する輪郭構造体（９）とを該基板面上に形成する第１工程と、
   前記光学素子形成体を酸化する工程であって、該光学素子形成体が酸化され始めてから、前記柱構造体（３）が酸化されるまでの第２工程と、
   前記第２工程の後、該第２工程において酸化され残った前記輪郭構造体の一部（１０）が酸化されるまでの第３工程とからなる光が透過可能なシリコン酸化物で構成される光学素子の製造方法であって、
   前記第２工程が終了した時点において、前記トレンチ（８）が残っており、
   前記第３工程において、前記輪郭構造体（９）は、少なくとも前記柱構造体（３）の並設方向に対する変形を、前記光学素子形成体における前記柱構造体（３）の並立方向側端面に一体形成されたシリコン基板（１）の一部であるストッパー（４）により抑制されることを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 前記ストッパー（４）により前記柱構造体（３）の並立方向側への膨張を抑制されたシリコン酸化物は、前記トレンチ（８）に流入することを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
3. 前記第３工程が終了した時点で、前記トレンチ（８）が完全に埋まらず空隙として残っており、シリコン酸化膜の成膜処理により該空隙を埋めることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学素子の製造方法。
4. 前記ストッパー（４）は、前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）への入射光の入射面および出射面以外の面に接することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
5. 前記ストッパー（４）は、前記柱構造体（３）の並立方向に直交する方向に対して凸形状または凹形状を有することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
6. 前記第３工程において、前記ストッパー（４）は、前記酸化され残った輪郭構造体の一部（１０）が酸化されることによる前記柱構造体（３）の並設方向に対する前記輪郭構造体（９）の変形を抑制することを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
7. 前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）へ入射される光は、前記柱構造体（３）の並立方向に直交する側の端面に入射されることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
8. 前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）の前記シリコン基板側端面は、前記シリコン基板（１）の延設方向に対して連続する凹凸形状を有する状態であることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
9. 前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）の前記シリコン基板側端面は、光軸に対して垂直な方向に連続する凹凸形状を有する状態であることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
10. 複数の前記柱構造体（３）は、前記シリコン基板（１）の上面において光軸に対し平行に延設されていることを特徴とする請求項１〜９いずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
11. 前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）の前記シリコン基板側端面は、該光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）と同形状のシリコン基板（１）からなる連結部（５）に連結していることを特徴とする請求項１〜１０いずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
12. 前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）は、前記シリコン基板（１）に形成された凹部に存在するとともに、該光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）への入射光側および出射光側の端面と、該凹部の壁面（１６）とは間隔を隔てていることを特徴とする請求項１〜１１いずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
13. 前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）の該光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）への入射光側および出射光側の端面以外の端面が、該凹部の壁面（１６）に接しており、前記輪郭構造体（９）の変形は該壁面（１６）により抑制されることを特徴とする請求項１２に記載の光学素子の製造方法。
14. 前記第３工程が終了した時点で、前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）は、上下方向の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜１３いずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
15. 前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）は、不純物が上下方向において濃度分布をもつようにして添加されていることを特徴とする請求項１〜１４いずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
16. 前記不純物はゲルマニウム（Ｇｅ）、リン（Ｐ）、スズ（Ｓｎ）、ホウ素（Ｂ）の少なくともいずれか１つを含む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。
17. 前記シリコン基板（１）に、レンズ（２，１１，１２，１３，１４，１５）と光導波路（１８）とスリットのうちの少なくとも一つを含む複数の光学部品を作り込んだことを特徴とする請求項１〜１６いずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
18. 前記第１工程における前記トレンチ（８）の幅および前記柱構造体（３）の幅は、前記第３工程の熱酸化において該トレンチ（８）内がシリコン酸化物で充填されると同時に、前記輪郭構造体（９）がシリコン酸化物となる寸法としたことを特徴とする請求項１〜１７いずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
19. 前記第１工程において多数並設されるトレンチ（８）は、光軸に対し平行に延設されていることを特徴とする請求項１〜１８いずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
20. 前記第１工程は、反応性イオンエッチングにて前記トレンチ（８）を形成し、該トレンチ内壁に保護用酸化膜を形成し、さらに、該トレンチ底部の保護用酸化膜をエッチングした後に該底部から反応性イオンエッチングにより該トレンチ（８）を更に深くすることにより、１以上のアスペクト比を有するトレンチ（８）を形成するようにしたことを特徴とする請求項１〜１９いずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
21. 上下方向において不純物濃度を変えたシリコン基板（１）に対し前記トレンチ（８）を形成することにより前記光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）に含まれる不純物を該光学素子（２，１１，１２，１３，１４，１５，１８）の上下方向において濃度分布をもたせたことを特徴とする請求項１〜２０いずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
22. 前記第３工程における酸化は、前記シリコン酸化物をアニール可能な温度で行われ、
    前記トレンチ（８）を挟んで対向する前記柱構造体（３）同士が融着することを特徴とする請求項１〜２１いずれか１項に記載の光学素子の製造方法。

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