JP5715481B2 - 光モジュール及びその製造方法 - Google Patents
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Description
まず、図8に示されるように、シリコン領域11を含む板状部材を準備する。このような板状部材としては、シリコン基板や、支持基板上に絶縁層およびシリコン層が積層されたSOI基板等が好適である。そして、シリコン領域11上に、酸化シリコン膜18を形成する。この酸化シリコン膜18は、本実施形態における第1のマスクであって、側面12a〜12dを有する光透過性光学部品12の平面形状に応じたパターンを有する。このような酸化シリコン膜18は、後述する熱酸化工程において高温に曝されることを考慮し、例えば熱酸化や熱CVDによってシリコン領域11上の全面に酸化シリコン膜を形成したのち、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて好適に形成される。
続いて、レジストマスク42をエッチングマスクとして用い、シリコン領域11に対してドライエッチングを行う。これにより、シリコン領域11に凹部11aが形成され、同時に、凹部11aの側面として光透過性光学部品12の側面12aが形成される。なお、シリコン領域11を含む板状部材としてSOI基板を使用した場合には、絶縁層がエッチング停止層として機能するので、エッチング深さをより高精度に制御することができる。また、この工程では、ドライエッチングの方法として、例えばボッシュプロセスを用いた深堀りRIE(反応性イオンエッチング)法などを用いるとよい。この工程ののち、レジストマスク42を除去する。
続いて、図11に示されるように、凹部11aの内面(側面および底面)を熱酸化させることにより、酸化シリコン膜14を形成する。このとき、凹部11aの内面を除くシリコン領域11の表面は窒化シリコン膜41によって覆われているので、凹部11aの内面のみ熱酸化される。また、本工程では、熱酸化により形成される酸化シリコン膜14の膜厚を、完成後の光モジュールにおける酸化シリコン膜14の膜厚の2倍程度(例えば0.48μm)にしておくとよい。この工程ののち、例えば150℃〜170℃に加熱した熱リン酸液を用いて窒化シリコン膜41を除去する(図12)。熱リン酸液を用いることによって、酸化シリコン膜14及び18を残したまま窒化シリコン膜41のみを好適に除去できる。
続いて、図13に示されるように、酸化シリコン膜18をエッチングマスクとして用い、シリコン領域11を再びエッチングすることにより、側面12aとは別の側面12b〜12dをシリコン領域11に形成する。これにより、光透過性光学部品12が形成される。なお、本工程でのエッチング方法としては、ドライエッチングおよびアルカリウェットエッチングの何れでもよい。
続いて、酸化シリコン膜14のうち不要な部分14a(図13を参照)を除去するため、例えば希フッ酸を用いたエッチングを行う。このとき、酸化シリコン膜14のうちシリコン領域11に沿っていない部分14aは、希フッ酸によって内外面の双方からエッチングされるので、シリコン領域11に沿った他の部分と比較して約2倍の速さでエッチングされる。したがって、該部分14aが完全に除去されたタイミングにおいて、他の部分(特に側面12a上の部分)は膜厚の半分程度しかエッチングされない。このような工程により、図14に示されるように、酸化シリコン膜14の不要な部分14aが除去され、酸化シリコン膜14の他の部分は残存することとなる。熱酸化により形成された直後の酸化シリコン膜14の厚さが0.48μmである場合、本工程後における酸化シリコン膜14の厚さは0.24μmである。この厚さによって半透過反射膜13の反射率が変化するので、本工程における酸化シリコン膜14の減厚分を考慮して上述した熱酸化工程を行うことが望ましい。
続いて、図15に示されるように、シリコン領域11上の全面に、窒化シリコン膜16を形成する。この工程では、側面12a上の酸化シリコン膜14、および他の側面12b〜12dを少なくとも覆うように窒化シリコン膜16を形成する。これにより、反射防止膜としての窒化シリコン膜16が側面12b〜12dに形成され、同時に、半透過反射膜13の一部を構成する窒化シリコン膜16が酸化シリコン膜14上に形成される。なお、この工程では、酸化シリコン膜14上および側面12b〜12d上に窒化シリコン膜16を均一に形成する為に、高温処理の減圧化学気相成長法(LP−CVD)を用いて窒化シリコン膜16を形成することが好ましい。
(1)ビームスプリッタといった光透過性光学部品における光利用効率が低い。
(2)反射鏡を形成するためにシャドウマスクによる金属膜の形成を行う場合、他の光学部品に金属が付着することを避ける為に他の光学部品を反射鏡から離して配置する必要があるので、これらの距離(すなわち光路長)が長くなってしまう。
(3)ビームスプリッタといった光透過性の光学部品と、静電アクチュエータといった導電性部品とが光モジュール内に混在している場合、導電性部品の電気伝導性を高めるためにシリコンの不純物濃度を大きくすると、光透過性の光学部品の光吸収が大きくなってしまい、光利用効率が低下する。逆に、光透過性の光学部品の光吸収を抑えるためにシリコンの不純物濃度を小さくすると、導電性部品の電気伝導性が小さくなって良好な動作を確保できない。このように、光透過性の光学部品と導電性部品との相反する要求を満足することができない。
以下、これらの課題(1)〜(3)について、詳細に説明する。
図18は、光透過性光学部品の一例として、干渉光学系等に用いられるビームスプリッタ100を模式的に示す平面図である。このビームスプリッタ100は、半透過反射面101、光反射面103、及び光透過面104を有する。ここで、例えば波長1μm帯でのシリコンの屈折率は約3.5なので、シリコン表面におけるフレネル反射の反射率は約30%となる。すなわち、半透過反射面101に到達した光La1の30%は、半透過反射面101において反射する。なお、この反射した光La2は、図示しない可動反射鏡によって反射されて半透過反射面101へ戻り、そのうち70%が半透過反射面101を透過して光透過面104に到達する。また、光La1のうち残りの70%(La3)は、半透過反射面101からビームスプリッタ100に入射し、光反射面103で反射したのち、半透過反射面101に戻る。半透過反射面101に戻った光La3の30%が半透過反射面101において再び反射し、光透過面104に到達する。そして、光透過面104に到達した光La2及びLa3の各70%が、光透過面104からビームスプリッタ100の外部へ出射する。
この数式(1)によれば、rが0.5(すなわち反射率50%)であるときに振幅Aが最大値(0.5)となる。これに対し、rが0.3(すなわち反射率30%)であるときには、Aは0.41となり、光利用効率が20%程度小さくなる。更に、ビームスプリッタ100から光La2及びLa3が出射する際にも30%の損失が生じるので、最終的な光利用効率は、41%×70%=28.7%にまで小さくなる。なお、この計算では光反射面103における反射率を100%としているが、光反射面103に金属膜を製膜できない場合には、光利用効率は更に低くなる。
となってしまう。
このような反射防止膜は、例えば窒化シリコン膜といった誘電体膜を、CVD等を用いて光透過面上に製膜することによって好適に作製される。また、半透過反射膜は、例えば酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とを、CVD等を用いて光分岐面上に積層することによって作製される。しかしながら、MEMS技術によってこのような干渉光学系を作製する場合、シリコン基板やSOI基板をエッチングして形成された光透過性光学部品に反射防止膜や半透過反射膜を製膜することとなる。MEMS技術では、他に金属膜を蒸着する工程など種々の工程が混在するので、従来のように一枚の基板から干渉光学系を作製すると、様々な工程上の制約が生じ、また工程が複雑になってしまう。
図20は、或る干渉光学系においてシャドウマスクを用いて金属膜を製膜する様子を示す断面図である。図20には、製膜対象の光反射面であるシリコン領域140の側面140aと、製膜対象ではない光透過面(或いは半透過反射面)であるシリコン領域140の側面140bとが示されている。側面140aに金属膜142を製膜する際、シリコン領域140上にはシャドウマスク144が配置される。このシャドウマスク144には開口144aが形成されており、ターゲット146から発した金属材料は、この開口144aを介して限定的にシリコン領域140上へ飛散する。
静電アクチュエータのような導電性部品を効率良く駆動するためには、導電性部品を構成するシリコンの電気抵抗が小さいほど好ましい。静電アクチュエータは、各電極に印加される電圧による静電気力によって動作するので、基本的に直流電流は流れない。しかし、交流電流は流れるので、各電極を構成するシリコンの電気抵抗が大きい場合、電力が熱に変換されて失われる。また、電気抵抗値が大きいと、静電アクチュエータの応答特性の時定数が大きくなり、動作速度が遅くなってしまう。これらのことから、静電アクチュエータを構成するシリコンの電気抵抗は低いほど良い。換言すれば、静電アクチュエータを構成するシリコンの不純物濃度は高いほど良い。
半透過反射面12aの角度ずれ:tan−1(0.02/5)=0.23°
出射鏡24における被測定光L2の位置ずれ:4.5mm×tan(0.23°)=18μm
出射鏡24における被測定光L3の位置ずれ:1.5mm×tan(0.23°)=6μm
被測定光L2及びL3を合わせた位置ずれ:24μm
このように位置ずれを小さくすることができるので、出射鏡24などの横幅を広げること等によって容易に対応可能となる。
図22は、上記実施形態の第1変形例について説明するための図である。上記実施形態では、アライメントマーク17,27を板状部材10,20の周縁部10c,20cに形成しているが、図22(a)に示されるように、複数の板状部材10,20を作製するために使用されるウエハ50,60の周縁部のそれぞれに、アライメントマーク57,67を形成してもよい。なお、図22(a)に示されるウエハ50は、本変形例における第1のウエハであって、シリコン領域をエッチングすることにより形成された光透過性光学部品12をそれぞれ有する複数の領域を含んでいる。また、ウエハ60は、本変形例における第2のウエハであって、光反射性光学部品(入射鏡21、固定反射鏡22、可動反射鏡23、及び出射鏡24)を主面60a側に有する複数の領域61を含んでいる。
図23は、上記実施形態の第2変形例について説明するための図である。上記実施形態では、アライメントマーク17,27を用いて第1及び第2の板状部材10,20を位置合わせしているが、第1及び第2の板状部材10,20の位置合わせの方法はこれに限られるものではない。例えば、本変形例では、第1の板状部材10の周縁部10cに突起10dを形成し、第2の板状部材20の周縁部20cに凹部20dを形成し、突起10dを凹部20dに挿入することによって第1及び第2の板状部材10,20の位置合わせを行う。
上記実施形態では、静電アクチュエータ30を備える干渉光学系を例示したが、本変形例では、静電アクチュエータ30といった導電性部材を備えない光モジュールの例について説明する。本変形例に係る光モジュールは、未知の距離にある測定対象面からの反射光の干渉光を生成する。この干渉光は、測定対象面までの距離を算出する為に利用される。
Claims (10)
- シリコン領域をエッチングすることにより形成された光透過性光学部品を有する第1の板状部材と、
前記光透過性光学部品を透過した光を反射する為の光反射性光学部品を主面上に有する第2の板状部材と
を備え、
前記第1の板状部材の前記光透過性光学部品が形成された部品形成面と、前記第2の板状部材の前記主面とが対向するように、前記第1及び第2の板状部材が互いに接合されており、
前記光透過性光学部品を透過する光の光路が、前記第1の板状部材の部品形成面及び前記第2の板状部材の前記主面に沿っている
ことを特徴とする、光モジュール。 - 前記光反射性光学部品が、半導体領域をエッチングすることにより形成された面と、該面上に設けられた金属膜とを有することを特徴とする、請求項1に記載の光モジュール。
- 前記光反射性光学部品が、半導体領域をエッチングすることにより形成された面を有し、該半導体領域がシリコンから成ることを特徴とする、請求項1に記載の光モジュール。
- 前記光反射性光学部品が、前記主面から分離されて該主面に沿った方向に移動可能となっており、
前記第2の板状部材が、静電気力によって前記光反射性光学部品を駆動するアクチュエータ構造を更に有する
ことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光モジュール。 - 光反射性光学部品が、前記光透過性光学部品を透過した光を前記第1の板状部材へ向けて反射し、前記第1の板状部材が該光を透過することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光モジュール。
- 前記第1の板状部材の比抵抗が、前記第2の板状部材の比抵抗より大きいことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の光モジュール。
- 前記第1の板状部材の周縁部と、前記第2の板状部材の周縁部とが互いに接合されており、
前記第1及び第2の板状部材の各周縁部には、前記第1及び第2の板状部材の位置合わせの為の複数のアライメントマークが形成されている
ことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の光モジュール。 - 前記光透過性光学部品が、シリコン領域をエッチングすることにより形成された複数の面を有し、
前記複数の面のうち少なくとも一つの面には反射防止膜が設けられ、
前記複数の面のうち他の少なくとも一つの面には半透過反射膜が設けられている
ことを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載の光モジュール。 - シリコン領域をエッチングすることにより形成された光透過性光学部品を有する第1の板状部材の周縁部、及び、前記光透過性光学部品を透過した光を反射する為の光反射性光学部品を主面上に有する第2の板状部材の周縁部のそれぞれに、前記第1及び第2の板状部材の位置合わせの為の複数のアライメントマークを形成し、該複数のアライメントマークを用いて、前記第1の板状部材の前記光透過性光学部品が形成された部品形成面と前記第2の板状部材の前記主面とが対向するように前記第1及び第2の板状部材の周縁部を互いに接合することを特徴とする、光モジュールの製造方法。
- シリコン領域をエッチングすることにより形成された光透過性光学部品をそれぞれ有する複数の領域を含む第1のウエハの周縁部、及び、前記光透過性光学部品を透過した光を反射する為の光反射性光学部品を主面上に有する複数の領域を含む第2のウエハの周縁部のそれぞれに、前記第1及び第2のウエハの位置合わせの為の複数のアライメントマークを形成し、該複数のアライメントマークを用いて、前記第1のウエハの前記光透過性光学部品が形成された部品形成面と前記第2のウエハの前記主面とが対向するように前記第1及び第2のウエハを互いに接合することを特徴とする、光モジュールの製造方法。
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