JP5375856B2 - 光学装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、シリコン基板やＳＯＩ基板を加工して形成される光学装置およびその製造方法に関する。

従来、この種の光学装置として、例えば流体の圧力を光学式に検出する光学式圧力センサが知られている。図９は、その光学式圧力センサを示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は（ｂ）の一部拡大図、（ｄ）は（ｃ）のＡ−Ａ矢視断面図である。
この光学式圧力センサ５０は、光導波路５１を備えており、光導波路５１の両端には光ファイバ５２，５３が接続されている。光導波路５１の光路の途中には、ブラッググレーティング（Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）５５が形成されている。ブラッググレーティング５５は、凹部（溝）および凸部を交互に形成した周期的構造を有し、一定の波長の光のみを反射または透過させる機能を有する。
光導波路５１は、シリコン基板５６の一方の基板面に接着層５９によって接着されている。シリコン基板５６の他方の基板面には、ガラス基板５４が接着されている。シリコン基板５６およびガラス基板５４からなる部分であって、ブラッググレーティング５５の裏面に対応する部分には、検出対象となる流体が流入する受圧室５７が形成されている。その受圧室５７のうち、ブラッググレーティング５５の裏面に対応する部分には、シリコン基板５６を薄肉にすることにより、ダイヤフラム５８が形成されている。なお、光学式圧力センサ５０を使用する際には、光ファイバ５２には発光素子（図示せず）が接続され、光ファイバ５３には受光素子が接続される。

そして、受圧室５７に流入している流体の圧力が変化すると、ダイヤフラム５８が上下方向に変位し、ブラッググレーティング５５の凹凸の周期性が変化する。すると、発光素子から光導波路５１に出射され、ブラッググレーティング５５にて全反射していた光の一部がブラッググレーティング５５を透過し、受光素子によって受光される。そして、その受光素子により受光された光の強度などに基づいて流体の圧力を検出する。

Technical Digest of 16th International Conference on Optical Fiber Sensors(2003)（p.694-697) 特開２０００−２２１０８５号公報

しかし、上述した従来の光学式圧力センサは、光導波路５１を接着層５９によってシリコン基板５６に接着した構造であるため、ダイヤフラム５８に印加された圧力が接着層５９によって緩衝されてしまうため、圧力の検出精度に劣るという問題がある。
また、ブラッググレーティング５５の複数の凹部（溝）および凸部は、エキシマレーザなどのレーザによって１つずつ加工するため、製造効率が低いという問題もある。
さらに、複数の計測ポイントで流体の圧力を検出するような場合は、発光素子および光学式圧力センサ５０のセットを計測ポイントの数だけ使用しなければならないため、コストがかかるという問題もある。

この発明は、上記の各問題を解決するため、光学式圧力センサなどの光学装置の検出精度および製造効率を高めることを第１の目的とし、計測ポイントが複数存在するような用途における製造コストを低くすることを第２の目的とする。

請求項１に記載の発明では、シリコン基板（２）の一方の基板面をエッチングおよび熱酸化することにより形成された光学装置（７０）であって、酸化シリコンによりレンズ形状に形成されており、かつ、回折格子の機能を有する間隙（７１ａ）が内部に形成されており、自身を透過する光のビーム形状をレンズ効果で変化させつつ、その変化した光を、前記各間隔で規定される方向に複数の分割光として出射するように構成されてなり、
前記一方の基板面における前記各分割光の進行方向には、前記一方の基板面をエッチングおよび熱酸化することにより形成された酸化シリコンからなる光学素子（３）が前記分割光を入射するようにそれぞれ配置されてなり、
前記各光学素子（３）は、前記一方の基板面をエッチングおよび熱酸化することにより形成された光導波路であり、
前記各光導波路（３）は、前記一方の基板面をエッチングおよび熱酸化することにより形成されたブラッググレーティング（４）を光路の途中にそれぞれ有し、かつ、力学量の印加によって変位する変位部であって、前記シリコン基板（２）の他方の基板面のうち、前記ブラッググレーティングの裏面に対応する部分をエッチングすることにより形成された変位部（６）をそれぞれ有することを特徴としている。
ここで、請求項１における「レンズ」とは、両凸レンズ、両凹レンズ、平凸型または凹凸型のシリンドリカルレンズ、円柱レンズ、メニスカスレンズなどの各種のレンズを含み、コリメート、集光、拡散、分光、偏光などのレンズ効果を出すことができるものを意味する。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の光学装置において、前記変位部は、圧力を受けて変位するダイアフラム（６）であることを特徴としている。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の光学装置において、被測定対象となる流体が流入する受圧室（５）が前記他方の基板面に形成されており、その受圧室の底面が前記ダイアフラム（６）に形成されていることを特徴としている。

請求項４に記載の発明では、請求項１に記載の光学装置において、前記変位部（６）は、温度の変化に応じて変位するものであることを特徴としている。
ここで、請求項４における「温度の変化に応じて変位するもの」とは、例えばシリコンや酸化シリコンにより形成されたものを含む意味であり、ブラッググレーティングが形成されている部分の裏面に相当する部分を含むものである。

なお、上記括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

請求項１に記載の発明によれば、自身を透過する光のビーム形状をレンズ効果で変化させつつ、その変化した光を、回折格子として機能する縮小された各間隔で規定される方向に複数の分割光として出射するブロックを製造することができる。
従って、必要な分割光の数に対応する間隙が形成されるようにブロックを製造することにより、レンズ効果で変化されたビーム形状の分割光を必要な数だけ出射する光学装置を製造することができる。

請求項１に記載の発明によれば、一方の基板面をエッチングおよび熱酸化することにより、分割光を入射する光学素子をそれぞれ各分割光の進行方向にそれぞれ形成することができるため、各光学素子を別工程で製造して配置する構成の光学装置よりも製造効率を高めることができ、かつ、製造コストを低くすることができる。

請求項１に記載の発明によれば、ブロックから出射された分割光を入射する各光学素子は、一方の基板面をエッチングおよび熱酸化することにより形成された光導波路であるため、ブロックと同じ製造工程を経て作ることができる。
従って、別の製造工程にて製造した複数の光導波路を一方の基板面上に配置する構成のようにブロックおよび各光導波路の位置決めを行う必要がない。

請求項１に記載の発明によれば、ブラッググレーティングを光路の途中に有する各光導波路は、一方の基板面をエッチングおよび熱酸化することにより形成されたものであるため、ブロックと同じ製造工程を経て一括して作ることができる。
従って、別の製造工程にて製造した複数の光導波路を一方の基板面上に配置する構成のようにブロックおよび各光導波路の位置決めを行う必要がない。
また、別の製造工程にて複数の光導波路を製造し、さらに各光導波路にそれぞれブラッググレーティングをレーザなどで加工する必要がないため、ブラッググレーティングを有する複数の光導波路および回折格子の機能を有するブロックの製造効率を高めることができる。

請求項２に記載の発明によれば、変位部が、圧力を受けて変位するダイアフラムである場合は、各光導波路ごとに形成された各ダイアフラムに印加された各圧力をそれぞれ高精度で検出することができる光学装置を実現することができる。また、その光学装置の製造効率を高めることができる。

請求項３に記載の発明によれば、被測定対象となる流体が流入する受圧室を他方の基板面に形成し、その受圧室の底面をダイアフラムに形成するため、各光導波路ごとに受圧室とは別個にダイアフラムを形成する必要がないので製造効率を高めることができる。

請求項４に記載の発明によれば、変位部は、温度の変化に応じて変位するものであるため、変位部、または変位部近傍の温度を各光導波路ごとに高精度で検出することができる光学装置を実現することができる。また、その光学装置の製造効率を高めることができる。

第１実施形態に係る光学式圧力センサの主要構造を示す説明図であり、（ａ）は光学式圧力センサの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、（ｃ）はブラッググレーティングの拡大図である。 光学式圧力センサ１の製造工程を示す説明図であり、（ａ）は光導波路３を形成するためのエッチングマスクの平面図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大図、（ｃ）は熱酸化後の光導波路３の平面図である。 光学式圧力センサ１の製造工程を示す説明図であり、（ａ）は図２（ｂ）のＡ−Ａ矢視断面図およびＢ−Ｂ矢視断面図、（ｂ）はＤＲＩＥ工程終了後のＡ−Ａ矢視断面図およびＢ−Ｂ矢視断面図、（ｃ）はエッチングマスク除去後のＡ−Ａ矢視断面図およびＢ−Ｂ矢視断面図、（ｄ）は熱酸化後のＡ−Ａ矢視断面図およびＢ−Ｂ矢視断面図を示す。 光学式圧力センサ１の製造工程を示す説明図であり、（ａ）はエッチングマスクを配置した状態の断面図、（ｂ）は受圧室が形成された状態の断面図、（ｃ）はエッチングマスクが除去された状態の断面図である。 第２実施形態に係る光学式圧力センサの斜視図である。 図５の一部を拡大して示す平面図である。 図５に示す光学式圧力センサの製造方法の説明図であり、（ａ）はエッチングマスクの平面図、（ｂ）は熱酸化後の光学式圧力センサの平面図である。 図５に示す光学式圧力センサに備えられた光学素子の製造方法の説明図であり、（ａ）はエッチングマスクが施された光学素子の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、（ｃ）はエッチングされた状態の断面図、（ｄ）はエッチングマスクが除去された状態の断面図、（ｅ）は熱酸化後の断面図である。 従来の光学式圧力センサを示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は（ｂ）の一部拡大図、（ｄ）は（ｃ）のＡ−Ａ矢視断面図である。

＜第１実施形態＞
この発明の実施形態に係る光学装置およびそ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、光学装置として光学式圧力センサについて説明する。図１は、この実施形態に係る光学式圧力センサの主要構造を示す説明図であり、（ａ）は光学式圧力センサの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、（ｃ）は（ｂ）に示すブラッググレーティングの拡大図である。なお、前述した従来の光学式圧力センサと共通の構成および機能については説明を省略する。

［光学式圧力センサの主要構造］
この光学式圧力センサ１は、シリコン基板２の一方の基板面に形成された光導波路３と、他方の基板面に形成された受圧室５と、この受圧室５の底部に形成されたダイアフラム６とを備える。つまり、１つのシリコン基板に光導波路３、受圧室５およびダイアフラム６が一体形成されている。
これにより、受圧室５に流入した流体の圧力により、ダイアフラム６が上下方向などに変位すると、その変位が正確かつ直接的にブラッググレーティング４に伝達される。
従って、流体の圧力を高精度に、かつ、応答性良く検出することができる。
なお、流体とは、水などの液体および空気などの気体の他、ガソリンおよび空気の混合気体、半流動体、超臨界流体、粒状物が集合した流体などを含む意味である。

シリコン基板２の他方の基板面には、ガラス基板９が接合されている。ガラス基板９には、受圧室５と連通する流入口１０が上下方向に貫通形成されている。被検出対象の流体は、流入口１０を通って受圧室５に導入され、その導入された流体の圧力変動に応じてダイアフラム６が上下方向などに変位する。この実施形態では、ガラス基板９の対向する各端部が受圧室５に突出することにより、受圧室５の一部を構成しているが、ガラス基板９の各端部と受圧室５の下面の各開口端とが一致するように構成してもよい。この場合は、受圧室５は、シリコン基板２のみによって構成されることになる。

光導波路３の一端には光ファイバ７が、他端には光ファイバ８がそれぞれ接続されている。図示しないが、光ファイバ７には、光導波路３へ光を出射するレーザダイオードなどの発光素子が配置されており、光ファイバ８には、ブラッググレーティング４を透過した光を受光するフォトダイオードなどの受光素子が配置されている。
光導波路３の製造方法については後で詳述するが、光導波路３は、シリコン基板２の一方の基板面をエッチングおよび熱酸化することにより形成されている。つまり、光導波路３は、熱酸化されることにより透明のガラスに変化するとともに膨張するシリコンの性質を利用して形成されている。

光導波路３は、その光路の途中にブラッググレーティング４を有する。ブラッググレーティング４は、シリコン基板２の一方の基板面をエッチングおよび熱酸化することにより形成されている。ブラッググレーティング４は、光導波路３を形成する製造工程と同じ製造工程において、光導波路３の内部に作り込まれる。つまり、ブラッググレーティング３も、熱酸化されることにより透明のガラスに変化するとともに膨張するシリコンの性質を利用して形成されている。

図１（ｃ）に示すように、ブラッググレーティング４は、空気層４ａおよびガラス層４ｂを光の進行方向と直交するように交互に周期的に配置することにより構成されている。光の進行方向に沿った長さを幅と定義すると、この実施形態では、空気層４ａの幅Ｌ１は、その空気層４ａを透過する光の波長の１／４に設定されており、ガラス層４ｂの幅Ｌ２は、そのガラス層４ｂを過する光の波長の１／４に設定されている。

これにより、各幅Ｌ１，Ｌ２が変化しない状態では、ブラッググレーティング４に入射した光は、所定のガラス層４ｂによって総て入射方向に反射される。
つまり、各幅Ｌ１，Ｌ２が変化し、ブラッググレーティング４の周期が変化すると、その変化した周期に対応した波長の光のみがブラッググレーティング４を透過する。
従って、ブラッググレーティング４を透過し、受光素子によって受光された光の強度などに基づいて、ダイアフラム６を変位させた流体の圧力を検出することができる。

また、上記の数値１／４をそれぞれ１／２に設定すると、ブラッググレーティング４に入射した光は、総てブラッググレーティング４を透過する。
つまり、各幅Ｌ１，Ｌ２が変化し、ブラッググレーティング４の周期が変化すると、その変化した周期に対応した波長の光のみがブラッググレーティング４で反射される。
従って、ブラッググレーティング４を透過し、受光素子によって受光された光の強度などに基づいて、ダイアフラム６を変位させた流体の圧力を検出することができる。

［光学式圧力センサの製造方法］
次に、上記光学式圧力センサ１の製造方法について図２ないし図４を参照して説明する。
図２は、光学式圧力センサ１の製造工程を示す説明図であり、（ａ）は光導波路３を形成するためのエッチングマスクの平面図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大図、（ｃ）は熱酸化後の光導波路３の平面図である。図３は、光学式圧力センサ１の製造工程を示す説明図であり、（ａ）は図２（ｂ）のＡ−Ａ矢視断面図およびＢ−Ｂ矢視断面図、（ｂ）はＤＲＩＥ工程終了後のＡ−Ａ矢視断面図およびＢ−Ｂ矢視断面図、（ｃ）はエッチングマスク除去後のＡ−Ａ矢視断面図およびＢ−Ｂ矢視断面図、（ｄ）は熱酸化後のＡ−Ａ矢視断面図およびＢ−Ｂ矢視断面図を示す。図４は、受圧室の製造工程を示す説明図であり、（ａ）はエッチングマスクを配置した状態の断面図、（ｂ）は受圧室が形成された状態の断面図、（ｃ）はエッチングマスクが除去された状態の断面図である。なお、図２（ｂ）は各工程において共通に使用する。

（マスクパターニング）
最初に、図２（ａ）に示すように、光導波路３およびブラッググレーティング４を形成するためのエッチングマスク１１をシリコン基板２の一方の基板面にパターニングする。エッチングマスク１１には、横長の複数の第１開口部１１ａと、縦長の複数の第２開口部１１ｂとがそれぞれ開口形成されている。各第１開口部１１ａは、後のＤＲＩＥ（ディープ反応性イオンエッチング）工程において第１トレンチ２１を形成するための開口部であり、各第２開口部１１ｂは、第２トレンチ３１を形成するための開口部である。
各第１開口部１１ａは、光導波路３の内部を進行する光の進行方向に沿って形成されており、所定間隔置きに相互に平行に配置されている。各第２開口部１１ｂは、光の進行方向と直交する姿勢で形成されており、所定間隔置きに相互に平行に配置されている。

また、シリコンは熱酸化により膨張する性質を有するため、その膨張率（例えば、２．２）を考慮してエッチングマスク１１をパターニングする。例えば、各第１開口部１１ａの光の進行方向と直交する開口幅と、各第２開口部１１ｂの光の進行方向に沿った開口幅は、目標の幅となるように、膨張率を計算に入れた幅に設定する。

（ＤＲＩＥ）
次に、エッチングマスク１１が配置された一方の基板面からＤＲＩＥを行う。これにより、図３（ｂ）に示すように、各第１開口部１１ａに対応する部分には、第１トレンチ２１がそれぞれ形成され、各第１トレンチ２１の間には、第１構造体２０がそれぞれ形成される。また、各第２開口部１１ｂに対応する部分には、第２トレンチ３１がそれぞれ形成され、各第２トレンチ３１の間には、第２構造体３０がそれぞれ形成される。
各第１構造体２０および各第２構造体３０の縦断面形状は、それぞれアスペクト比の高い（例えば、アスペクト比５０）構造体に形成される。つまり、エッチングされたシリコン基板２の一方の基板面を平面視すると、光の進行方向に沿って複数の深い溝が相互に平行に走っているように見え、各溝が走る方向の途中に、それら各溝と直交する複数の深くて短い溝が相互に平行に配置されているように見える。
なお、ＲＩＥなどの他のエッチング手法でも凹凸形状を形成可能であるが、上記のようにアスペクト比の高い凹凸を形成するためにはＤＲＩＥを用いるのが望ましい。

（エッチングマスク除去）
次に、図３（ｃ）に示すように、エッチングマスク１１を除去する。エッチングマスク１１の除去には、エッチング、フォトリソグラフィなどの手法を用いることができる。

（熱酸化）
次に、各第１構造体２０および各第１トレンチ２１からなる部分と、各第２構造体３０および各第２トレンチ３１からなる部分とを熱酸化し、各構造体を透明ガラス化する。これにより、シリコンにより形成された各第１構造体２０はそれぞれ酸化シリコンに置き換わって透明ガラス化され、各第１トレンチ２１は、熱酸化により膨張した第１構造体２０、つまり酸化シリコンにより形成された第１構造体２０ａによってそれぞれ埋め込まれる。これにより、ガラス製の光導波路３が完成する。

このとき、各第１トレンチ２１は、隣接する第１構造体２０の膨張によってそれぞれ幅方向に縮小され、酸化された第１構造体２０ａ間に空隙として残留する。図３（ｄ）では、その縮小された第１トレンチ２１を破線で示している。
光導波路３を構成するコア層（光閉じ込め領域）およびクラッド層は、縮小された第１トレンチ２１の形状および大きさによって形成領域が変化する。例えば、光の進行方向に沿った上部（図３（ｄ）に示す光導波路３の断面のうち上部）がコア層３ａとして機能し、下部（図３（ｄ）に示す光導波路３の断面のうち下部）がクラッド層３ｂとして機能する。

このように、熱酸化によるシリコンの膨張を利用して各第１トレンチ２１の内部を酸化シリコンで埋め込む方法であるため、その熱膨張を考慮して、第１構造体２０および第１トレンチ２１の各幅、つまりエッチングマスク１１の第１開口部１１ａの開口幅および第１開口部１１ａの配置間隔を設定する。

また、熱酸化により、各第２構造体３０が膨張するため、各第２トレンチ３１の各幅はそれぞれ幅方向に縮小する。酸化シリコンに置き換えられ、透明ガラス化した各第２構造体（ガラス層）４ｂおよび縮小された各第２トレンチ（空気層）４ａによりブラッググレーティング４が構成される。
このように、各第２構造体３０は熱酸化により膨張するため、熱酸化後の第２構造体４ｂおよび第２トレンチ４ａの各幅の目標値は、その熱膨張を考慮して設定する必要がある。このため、第２構造体３０および第２トレンチ３１の各幅、つまりエッチングマスク１１の第２開口部１１ｂの開口幅および第２開口部１１ｂの配置間隔は、上記のような考慮をした上で設定する。

（ダイアフラムの形成）
次に、図４（ａ）に示すように、受圧室５の開口形状に対応した形状に形成されたエッチングマスク１２を、シリコン基板２の他方の基板面であって、ブラッググレーティング４の裏面に対応する部分に配置する。また、シリコン基板２の一方の面に形成された光導波路３の上をレジスト材料などの保護材１３によって覆う。
次に、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）水溶液を用いたウエットエッチング、あるいはプラズマエッチングなどのドライエッチングを施すことにより、受圧室６を形成するとともに、その底部にダイアフラム６を形成する（図４（ｂ））。

次に、エッチングマスク１２および保護材１３を除去する（図４（ｃ））。そして、図１（ｂ）に示したように、受圧室５に連通する流入口１０が上下方向に貫通したガラス基板９をシリコン基板２の他方の基板面に接合する。

［第１実施形態の効果］
（１）以上のように、第１実施形態の光学式圧力センサ１およびその製造方法によれば、ブラッググレーティング４を有する光導波路３をシリコン基板２の一方の基板面に形成し、他方の基板面にダイアフラム６を形成することができる。
つまり、従来のように、光導波路が接着層によって基板面に接着された構造ではなく、同じシリコン基板２の一方の基板面にブラッググレーティング４が形成され、他方の基板面にダイアフラム６が形成された構造であるため、ダイアフラム６に印加された圧力が接着層によって緩衝されてしまうことがない。
従って、ダイアフラム６に印加された圧力を正確にブラッググレーティング４に伝達することができるため、ダイアフラム６に印加された圧力の検出精度を高めることができる。

（２）また、ブラッググレーティング４を有する光導波路３は、一方の基板面からのエッチングおよびエッチングされた部分の熱酸化により形成するため、従来のように、レーザによってブラッググレーティングを構成する凹部（溝）および凸部を１本ずつ形成する方法よりも製造効率を高めることができる。

（３）さらに、酸化シリコンに置き換えられた各第１構造体２０ａおよび縮小された各第１間隙２１ａからなる部分のうち、光の進行方向に沿った部分の一部がコア層として、他の一部がクラッド層としてそれぞれ機能するようにすることにより、光導波路３を正確に製造することができる。

（４）ダイアフラム６は、他方の基板面のうち、ブラッググレーティング４の裏面に対応する部分をエッチングすることにより形成するため、シリコン基板２以外の別部材を加工してダイアフラムを製造する方法よりも製造効率を高めることができ、かつ、製造コストを低くすることができる。

（５）被測定対象となる流体が流入する受圧室５を他方の基板面に形成し、その受圧室５の底面をダイアフラム６に形成するため、受圧室とは別個にダイアフラムを形成する必要がないので製造効率を高めることができる。

（６）シリコン基板２の他方の基板面からエッチングするだけで受圧室５およびダイアフラム６を形成することができるため、製造効率を高めることができる。

（７）ＤＲＩＥにより、シリコン基板２の一方の基板面をエッチングすることにより、光導波路３およびブラッググレーティング４の基となる構造を作り、熱酸化を行うことにより、ブラッググレーティング４を有する光導波路３を作ることができる。
つまり、同じシリコン基板２に対してエッチングおよび熱酸化を行うだけでブラッググレーティング４を有する光導波路３を製造することができるため、光導波路を別工程で製造し、さらにその光導波路をレーザ加工してブラッググレーティングを形成する方法よりも製造効率を高めることができる。

（８）ＤＲＩＥ工程において、各第２構造体３０および各第２トレンチ３１を、それぞれ第１トレンチ２１と垂直に交差するように形成するため、ブラッググレーティング４に入射する光の一部または全部を入射方向へ反射することができる。

（９）ＤＲＩＥ工程において第２構造体３０および第２トレンチ３１を交互に形成するため、第２構造体３０および第２トレンチ３１の各幅と、形成する各数とを変化させることにより、ブラッググレーティング４の周期を変化させることができるので、特定の波長の光のみがブラッググレーティング４を透過またはブラッググレーティング４にて反射するように変えることができる。

（１０）光の進行方向に沿った長さを幅と定義した場合に、酸化シリコンに置き換えられた第２構造体（ガラス層）４ｂの幅Ｌ２が、その第２構造体４ｂ内における透過光の波長の１／４となり、かつ、縮小された第２トレンチ（空気層）４ａの幅Ｌ１が、その第２トレンチ４ａ内における透過光の波長の１／４となるように製造するため、ダイアフラム６が変位していない場合、つまりブラッググレーティング４の周期構造が変化していない場合にブラッググレーティング４に入射した光を全部入射方向へ反射することができる。
従って、ブラッググレーティング４を透過した光の強度などに基づいて、ダイアフラム６に印加された圧力を０から検出することができる。

＜第２実施形態＞
次に、この発明の第２実施形態に係る光学装置およびその製造方法ついて図５ないし図８を参照して説明する。
図５は、この実施形態に係る光学式圧力センサの斜視図であり、図６は、図５の一部を拡大して示す平面図である。図７は、図５に示す光学式圧力センサの製造方法の説明図であり、（ａ）はエッチングマスクの平面図、（ｂ）は熱酸化後の光学式圧力センサの平面図である。図８は、図５に示す光学式圧力センサに備えられた光学素子の製造方法の説明図であり、（ａ）はエッチングマスクが施された光学素子の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、（ｃ）はエッチングされた状態の断面図、（ｄ）はエッチングマスクが除去された状態の断面図、（ｅ）は熱酸化後の断面図である。

［光学式圧力センサの主要構造］
図５に示すように、シリコン基板２の一方の基板面には、レーザダイオード素子（以下、ＬＤ素子と略す）６４が搭載されており、このＬＤ素子６４の出射側には、ＬＤ素子６４から出射されたレーザ光をコリメートする速軸用レンズとしての円柱レンズ６２が搭載されている。ＬＤ素子６４および円柱レンズ６２は、それらを基板面上に位置決めするとともに、保持するための位置決め部材６３によって位置決めされた状態で保持されている。

円柱レンズ６２の出射側の基板面上には、遅軸用レンズとしての光学素子７０が基板面と一体形成されている。光学素子７０は、回折格子およびレンズの両方の機能を有する。図６に示すように、光学素子７０は、回折格子としての第３トレンチ７１ａを内部に所定間隔で配置している。光学素子７０は、各第３トレンチ７１ａにり規定される間隔で入射光を分割して出射する。この実施形態では、光学素子７０は、円柱レンズ６２から出射されたレーザ光（入射光）を０次光、＋１次光および−１次光の３つの光に分割するとともに、それら分割された各分割光をそれぞれレンズ効果としてコリメートして出射する。この実施形態では、光学素子７０は、入射面が平面で出射面が凸面の平凸型のシリンドリカルレンズの機能を有する。なお、図６では、入射光を３つに分割する構成を例示したが、２つ、または、４つ以上に分割することもできる。
光学素子７０から出射された＋１次光および−１次光の進行方向には、分割光を光導波路３の入射端へ反射するミラー６１がそれぞれ基板面と一体形成されている。

各ミラー６１によって反射された反射光の進行方向には、前述の第１実施形態の光導波路３がそれぞれ基板面上と一体形成されている。また、０次光の進行方向にも光導波路３が形成されている。
シリコン基板２の他方の基板面であって、各光導波路３に備えられた各ブラッググレーティング４の裏面に対応する部分には、それぞれ受圧室５が形成されており、各受圧室５の底部にはダイアフラム６がそれぞれ形成されている。また、各ダイアフラム６は、検出対象となる流体の流れに沿うように配置され、流体の複数箇所における圧力などを検出するように構成されている。
つまり、光学式圧力センサ６０は、単一のＬＤ素子６４と、単一の円柱レンズ６２と、単一の光学素子７０と、複数のミラー６１と、複数の光導波路３と、複数の受圧室５と、複数のダイアフラム６とから構成される。

［光学式圧力センサの製造方法］
（マスクパターニング）
最初に、図７（ａ）に示すように、位置決め部材６３を形成するためのエッチングマスク６３ａと、光学素子７０を形成するためのエッチングマスク７３と、ミラー６１を形成するためのエッチングマスク６１ｂと、光導波路３を形成するためのエッチングマスク１１とをシリコン基板２の一方の基板面にパターニングする。
図８（ｂ）に示すように、光学素子７０のエッチングマスク７３は、次のエッチング工程において第３トレンチ７１および第３構造体７２を形成するための形状にパターニングする。

（ＤＲＩＥ）
次に、各エッチングマスクが配置された一方の基板面からＤＲＩＥを行う。これにより、基板面は、各エッチングマスクのパターンに対応した形状に加工される。光学素子７０は、図８（ｃ）に示すように、第３トレンチ７１および第３構造体７２が交互に配置された形状に加工される。各第３トレンチ７１は、それぞれアスペクト比の高い（例えば、アスペクト比５０）溝状に形成され、各第３構造体７２は、それぞれアスペクト比の高い（例えば、アスペクト比５０）柱状に形成される。
また、各光導波路３は、前述の第１実施形態において図３（ｂ）に示した形状にそれぞれ形成される。また、エッチングマスク６３ａに対応する基板面上には、図５に示した位置決め部材６３が形成され、エッチングマスク６１ｂに対応する基板面上には、図５に示したミラー６１が形成される。ミラー６１は、シリコン基板２のエッチングされた面が鏡面となる特性を利用しており、そのエッチング面を反射面６１ａ（図６）として用いる。

（エッチングマスク除去）
次に、各エッチングマスクを除去する。エッチングマスクの除去には、エッチング、フォトリソグラフィなどの手法を用いることができる。

（熱酸化）
次に、位置決め部材６３およびミラー６１など、熱酸化の対象とならない部分に酸化マスクを施した後、エッチングマスク７３，１１に対応する基板面上に形成された各構造体を熱酸化する。これにより、図８（ｅ）に示すように、各第３構造体７２はそれぞれ酸化シリコンに置き換わって透明ガラス化され、各第３トレンチ７１は、酸化シリコンに置き換わった第３構造体７２ａによって幅方向に縮小され、縮小された第３トレンチ７１ａとなる。この縮小された各第３トレンチ７１ａが、回折格子として機能する。また、各エッチングマスク１１に対応する部分には、前述の第１実施形態において図３（ｄ）に示したように、光導波路３がそれぞれ形成される。

（ダイアフラムの形成）
次に、前述の第１実施形態において図４（ａ）に示したように、受圧室５の開口形状に対応した形状に形成されたエッチングマスク１２を、シリコン基板２の他方の基板面であって、各ブラッググレーティング４の裏面に対応する部分にそれぞれ配置する。また、シリコン基板２の一方の面をレジスト材料などの保護材１３によって覆う。
次に、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）水溶液を用いたウエットエッチング、あるいはプラズマエッチングなどのドライエッチングを施すことにより、各受圧室６を形成するとともに、それらの各底部にダイアフラム６をそれぞれ形成する（図４（ｂ））。

（ＬＤ素子および円柱レンズの搭載）
次に、一方の基板面上に形成された位置決め部材６３を利用してＬＤ素子６４および円柱レンズ６２をそれぞれ位置決めして基板面上に取付ける（図５）。

［第２実施形態の効果］
（１）以上のように、第２実施形態の光学式圧力センサ６０およびその製造方法によれば、複数の測定点における流体の圧力を検出する複数の光学式圧力センサを１つのシリコン基板に一括して形成することができるため、個々に製造する方法よりも製造効率を高めることができる。
しかも、各光学式圧力センサは、前述の第１実施形態の光学式圧力センサ１と同じ構造であるため、複数の測定点における圧力を高精度に検出することができる。

（２）また、同じ製造工程により、レンズおよび回折格子の両方の機能を有する光学素子７０と、この光学素子７０から出射される各分割光の進行方向に配置される複数の光導波路３とを同じシリコン基板２に一括して製造することができる。
つまり、同じシリコン基板２の予め位置決めされた部分に光学素子７０および各光導波路３を形成するため、光学素子および各光導波路３を個別に製造して組み合わせるものよりも、位置決め精度を高めることができる。
また、光学素子７０および複数の光導波路３からなる光学式圧力センサ６０の製造効率を高めることができる。

（３）さらに、光学素子７０および各光導波路３と同じ製造工程により、各ミラー６１を同じシリコン基板の基板面に形成することができる。
従って、各ミラー６１を別の製造工程で製造し、シリコン基板２の基板面に配置する製造方法よりも位置決め精度および製造効率を高めることができる。

（４）各ミラー６１は熱酸化しないため、その反射面６１ａが透明ガラス化し、分割光を正確に反射できなくなることがない。

（５）光学素子７０の入射面に対して光を出射する単一の光源（ＬＤ素子６４）を配置するだけで済むため、各光導波路３ごとに光源を配置する製造方法よりも製造効率を高めることができ、かつ、製造コストを低くすることができる。

（６）シリコン基板２のエッチングおよび熱酸化により、レンズおよび回折格子の両方の機能を有する光学素子を製造することができるため、レンズおよび回折格子を別個独立して製造し、それらを組み合わせる必要がない。
従って、レンズおよび回折格子を有する光学装置の製造効率を高めることができ、かつ、その製造コストを低くすることができる。
また、光学素子７０単体でレンズおよび回折格子の機能を有するため、それらを別個独立して製造する場合のようにレンズおよび回折格子の位置決めをする必要がない。

（７）自身を透過する光のビーム形状をレンズ効果で変化させつつ、その変化した光を、回折格子として機能する縮小された各第３トレンチ７１ａの間隔で規定される方向に複数の分割光として出射する光学素子７０を製造することができる。
従って、必要な分割光の数に対応する第３トレンチ７１ａが形成されるように光学素子７０を製造することにより、レンズ効果で変化されたビーム形状の分割光を必要な数だけ出射する光学装置を製造することができる。

（８）ブラッググレーティング４を光路の途中に有する各光導波路３は、一方の基板面をエッチングおよび熱酸化することにより形成されたものであるため、光学素子７０と同じ製造工程を経て一括して作ることができる。
従って、別の製造工程にて製造した複数の光導波路３を一方の基板面上に配置する構成のように光学素子７０および各光導波路３の位置決めを行う必要がない。
また、別の製造工程にて複数の光導波路３を製造し、さらに各光導波路３にそれぞれブラッググレーティング４をレーザなどで加工する必要がないため、ブラッググレーティングを有する複数の光導波路３および光学素子７０の製造効率を高めることができる。

（９）被測定対象となる流体が流入する受圧室５を他方の基板面に形成し、その受圧室５の底面をダイアフラム６に形成するため、各光導波路３ごとに受圧室５とは別個にダイアフラム６を形成する必要がないので製造効率を高めることができる。

［その他の実施形態］
（１）ブラッググレーティング４を形成するための各第２構造体３０および各第２トレンチ３１を、それぞれ第１トレンチ２１と斜めに交差するように製造することもできる。
このように製造することにより、ブラッググレーティング４に入射する光の一部または全部を光導波路３の側方外部へ反射させることが可能となる。

（２）ダイアフラム６に代えて、温度により変位する部分を形成することもできる。例えば、ダイアフラム６をそのまま用いることもできるし、ダイアフラム６の部分を金属により形成してもよい。また、ダイアフラム６の表面に金属膜を形成してもよい。さらに、ダイアフラム６を形成しないで、ブラッググレーティング４の裏面に相当する部分をそのまま変位部として用いることもできる。
これらの構成を適用した場合でも、温度に応じて変位する変位部がブラッググレーティング４の裏面に直接形成されるため、変位部、または変位部近傍の温度を高精度で検出することができる光学装置を実現することができる。また、その光学装置の製造効率を高めることができる。

（３）熱酸化されたミラー６１の反射面６１ａに反射材を形成することもできる。この構成によれば、透明ガラス化された表層部分における分割光の屈折をなくすことができるため、反射光を正確に光導波路３に導くことができる。

（４）光学素子７０を回折格子の機能のみを有するものに形成することもできる。

（５）第２実施形態の光学式圧力センサ６０において、ミラー６１を使用しないで、各分割光の進行方向に沿って各光導波路３をそれぞれ形成することもできる。

（６）第２実施形態の光学式圧力センサ６０において、各光導波路３に代えて、フォトダイオードなどの受光素子を配置することもできる。

（７）各実施形態において、シリコン基板２に代えてＳＯＩ基板を用いることもでき、この場合も前述の各実施形態の効果と同じ効果を奏することができる。

１・・光学式圧力センサ、２・・シリコン基板、３・・光導波路、
４・・ブラッググレーティング、４ａ・・縮小された第２トレンチ、
４ｂ・・縮小された第２構造体、５・・受圧室、６・・ダイアフラム、
７，８・・光ファイバ、９・・ガラス基板、
１１，１２，６１ｂ，６３ａ，７３・・エッチングマスク、２０・・第１構造体、
２０ａ・・酸化された第１構造体、２１・・第１トレンチ、
２１ａ・・縮小された第１トレンチ、３０・・第２構造体、３１・・第２トレンチ、
６０・・光学式圧力センサ、６１・・ミラー、６２・・円柱レンズ、
６３・・位置決め部材、６４・・ＬＤ素子、７０・・光学素子。

Claims (4)

1. シリコン基板の一方の基板面をエッチングおよび熱酸化することにより形成された光学装置であって、酸化シリコンによりレンズ形状に形成されており、かつ、回折格子の機能を有する間隙が内部に形成されており、自身を透過する光のビーム形状をレンズ効果で変化させつつ、その変化した光を、前記各間隔で規定される方向に複数の分割光として出射するように構成されてなり、
   前記一方の基板面における前記各分割光の進行方向には、前記一方の基板面をエッチングおよび熱酸化することにより形成された酸化シリコンからなる光学素子が前記分割光を入射するようにそれぞれ配置されてなり、
   前記各光学素子は、前記一方の基板面をエッチングおよび熱酸化することにより形成された光導波路であり、
   前記各光導波路は、前記一方の基板面をエッチングおよび熱酸化することにより形成されたブラッググレーティングを光路の途中にそれぞれ有し、かつ、力学量の印加によって変位する変位部であって、前記シリコン基板の他方の基板面のうち、前記ブラッググレーティングの裏面に対応する部分をエッチングすることにより形成された変位部をそれぞれ有することを特徴とする光学装置。
2. 前記変位部は、圧力を受けて変位するダイアフラムであることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 被測定対象となる流体が流入する受圧室が前記他方の基板面に形成されており、その受圧室の底面が前記ダイアフラムに形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
4. 前記変位部は、温度の変化に応じて変位するものであることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。

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