JP5739224B2 - 光学部品の製造方法及び光学部品 - 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、すなわち側面12a〜12dに沿っ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の内側面の一部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(内側面および底面)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。
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。
反射防止膜は、例えば窒化シリコン膜を、CVD等を用いて光透過面上に製膜することによって作製される。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側面上に反射防止膜や半透過反射膜を製膜することとなる。側面が基板面に対して大きく傾斜している場合や垂直に近い場合には、該側面に対して酸化シリコン膜をCVD等により均一に形成することは困難である。
となり、極めて低い値となる。
となり、上述した比較例と較べて光利用効率が大幅に改善される。また、被測定光の波長が1.2〜1.3μm(すなわち、図20及び図21において透過率及び反射率が高い波長範囲)である場合には、干渉光L4の振幅は、
となり、光利用効率は更に改善される。したがって、用途に応じて被測定光の波長範囲を狭めることが可能な場合には、光利用効率をより高めることができる。
上記実施形態では、光透過性光学部品12の側面12a〜12dを一つの部材に形成しているが、光透過性光学部品の半透過反射面および光透過面は、別個の部品に形成されてもよい。図22は、上記実施形態の一変形例として、光透過性光学部品12に代わる二つの光透過性光学部品51及び52を備える干渉光学系を示す平面図である。この干渉光学系では、一方の光透過性光学部品51が、半透過反射面としての側面51aと、光透過面としての側面51bとを有する。また、他方の光透過性光学部品52は、光透過面としての側面52a及び52bを有する。
図25は、上記実施形態の第2変形例として、干渉光学系の構成を示す平面図である。本変形例に係る干渉光学系は、第1変形例と同様に、二つの光透過性光学部品53及び54を備えている。この干渉光学系の外部から入射した被測定光L1は、光透過性光学部品53の側面53a(半透過反射面)に達する。被測定光L1のうち一部の被測定光L2は、側面53aにおいて反射して側面54aに入射し、光透過性光学部品54の内部を透過して側面54bから出射する。被測定光L2は、固定反射鏡22において全反射したのち、側面53aに戻る。一方、被測定光L1のうち被測定光L2を除く残りの被測定光L3は、側面53aから光透過性光学部品53に入射する。この被測定光L3は、光透過性光学部品53の内部を透過して側面53bから出射し、可動反射鏡23において全反射したのち、側面53aに戻る。固定反射鏡22から側面53aに戻った被測定光L2と、可動反射鏡23から側面53aに戻った被測定光L3とは、側面53aにおいて互いに合波し、干渉光像L4となる。干渉光像L4は、光透過性光学部品53の内部を透過して側面53bから干渉光学系の外部へ出射する。
上述した実施形態および各変形例では、光透過性光学部品の側面(半透過反射面および光透過面)が、板状部材の厚さ方向に沿って(換言すれば、部品形成面に対して垂直に)形成されているが、光透過性光学部品の半透過反射面などの側面は、板状部材の厚さ方向に対して傾斜した方向に沿って形成されてもよい。図26は、そのような側面を有する光透過性光学部品の一例を示す図である。図26(a)は、本変形例に係る光透過性光学部品60の平面図であり、図26(b)は、図26(a)のB−B線に沿った側断面図である。
上記実施形態では、光透過性光学部品12を有する第1の板状部材10と、固定反射鏡22や可動反射鏡23といった光反射性光学部品を有する第2の板状部材20とが互いに張り合わされることにより、干渉光学系が構成されている。そして、第1の板状部材10と第2の板状部材20とを接合する際に、第1の板状部材10のアライメントマーク17と、第2の板状部材20のアライメントマーク27とを用いて位置合わせしている。本変形例では、上記実施形態より更にアライメントの精度を高くすることが可能な方法について説明する。
Claims (6)
- シリコン領域を含む板状部材の前記シリコン領域をエッチングして凹部を形成する第1のエッチング工程と、
前記凹部の内側面を熱酸化させて酸化シリコン膜を形成する熱酸化工程と、
前記酸化シリコン膜の不要な部分を除去する不要部分除去工程と、
前記酸化シリコン膜を覆う窒化シリコン膜を形成する窒化膜形成工程とを含むことを特徴とする、光学部品の製造方法。 - 前記第1のエッチング工程の前に、前記内側面の一部に沿ったパターンを有する第1のマスクを前記シリコン領域上に形成し、更に、前記凹部の平面形状に応じた開口を有する第2及び第3のマスクを前記シリコン領域上及び前記第1のマスク上に順次形成するマスク形成工程を更に含み、
前記第1のエッチング工程において、前記第3のマスクを用いて前記シリコン領域に対しドライエッチングを行った後、前記第3のマスクを除去し、
前記熱酸化工程において、前記第2のマスクを用いて前記凹部の前記内側面を熱酸化させた後、前記第2のマスクを除去し、
前記熱酸化工程ののち、前記不要部分除去工程の前に、前記第1のマスクを用いて前記シリコン領域をエッチングすることを特徴とする、請求項1に記載の光学部品の製造方法。 - 前記第1のエッチング工程の前に、前記内側面の一部に沿ったパターンを有する第1のマスクを前記シリコン領域上に形成し、更に、前記凹部の平面形状に応じた開口を有する第2のマスクを前記シリコン領域上及び前記第1のマスク上に順次形成するマスク形成工程を更に含み、
前記第1のエッチング工程において、前記第2のマスクを用いて前記シリコン領域に対しウェットエッチングを行い、
前記熱酸化工程において、前記第2のマスクを用いて前記凹部の内壁面を熱酸化させた後、前記第2のマスクを除去し、
前記熱酸化工程ののち、前記不要部分除去工程の前に、前記第1のマスクを用いて前記シリコン領域をエッチングすることを特徴とする、請求項1に記載の光学部品の製造方法。 - 前記窒化膜形成工程において、減圧化学気相成長法を用いて前記窒化シリコン膜を形成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学部品の製造方法。
- 前記第1のエッチング工程において、前記凹部の前記内側面を、前記板状部材の厚さ方向に沿って形成することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の光学部品の製造方法。
- 前記第1のエッチング工程において、前記シリコン領域に対してウェットエッチングを行うことにより、前記凹部の前記内側面を、前記板状部材の厚さ方向に対し傾斜した方向に沿って形成することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の光学部品の製造方法。
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