JP6420932B1 - 光学式濃度測定装置および光学式濃度測定装置の製造方法 - Google Patents

光学式濃度測定装置および光学式濃度測定装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、伝搬光のエバネッセント波の染み出し効率および光の取り出し効率の向上を図ることが可能な光導波路、光学式濃度測定装置および光導波路の製造方法を提供することを目的とする。光導波路（１０）に備えられたコア層（１１）は、第一膜厚を有する第一部分（１１ａ）と、第一膜厚とは異なる第二膜厚を有する第二部分（１１ｂ）と、第一部分（１１ａ）と第二部分（１１ｂ）との間を接続する第三部分（１１ｃ）とを有している。第三部分（１１ｃ）は、第一部分（１１ａ）と第二部分（１１ｂ）のうち、膜厚が小さい第二部分（１１ｂ）側から膜厚が大きい第一部分（１１ａ）側へ向けて膜厚を漸次増加させ、最大傾斜角が１０°以上４５°以下となるように形成されている。

Description

本発明は、光学式濃度測定装置および光学式濃度測定装置の製造方法に関する。
結晶などで形成された薄膜などの構造体の中を伝搬する光は、構造体を形成する材料の屈折率が、構造体の外部の材料の屈折率よりも大きい場合、構造体の外部との界面で全反射を繰り返しながら進行していく。構造体を伝搬する光は、この界面で全反射するとき、屈折率の小さい外部側に染み出している。この染み出しは、エバネッセント波（図１３参照）と呼ばれている。エバネッセント波は、光が伝搬していく過程で構造体に隣接している物質により吸収されうる。このため、構造体を伝搬している光の強度変化から、構造体に接している物質の検出や同定などが可能になる。上述したエバネッセント波の原理を利用した分析法は、全反射吸収分光法（ＡＴＲ：Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ Ｔｏｔａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ法）と呼ばれ、物質の化学組成分析などに利用されている。伝搬させる光としては赤外線を用いることが一般的である。物質には特定の波長の赤外線を選択的に吸収する特性があるため、被測定物質の吸収スペクトルに合わせた赤外線を伝搬させることで、物質の分析やセンシングを行うことが出来る。
特許文献１には、ＡＴＲ法をセンサに応用した光導波路型センサが提案されている。この光導波路型センサは、基板の上にコア層を形成して光を通し、エバネッセント波を利用してコア層に接する物質を検出するようになっている。
ＡＴＲ法を利用したセンサでは、エバネッセント波と被測定物質を干渉させる量を多くさせることによりセンサ感度を向上させることができる。エバネッセント波を増やすには、光が伝搬するコア層の膜厚を薄くすることが求められる。
一方、図１３に示したように、ＡＴＲ法を利用したセンサでは、光源（不図示）からの光Ｌを光導波路のコア層５１に導入する箇所と、光導波路のコア層５１から光検出器（不図示）に向けて取り出す箇所が必要になる。そのため、光源と光導波路の間、光検出器と光導波路との間のそれぞれには、光Ｌの光軸を曲げるために回折格子（グレーティング）が設けられることが多い。その際、回折格子での光の損失が少ないほど、光検出器で検出される信号の強度が大きく取れてセンサとしては感度が上がる。
非特許文献１および特許文献２には、回折格子における光の取り出し効率を向上させるための、回折格子の設計方針が開示されている。非特許文献１には、回折格子を構成するコア層の厚さを、コア層を構成する材料中での光の波長の１／２の整数倍にすることによって、回折格子における光の取り出し効率を上げることが開示されている。このようにコア層の膜厚を設計することによって、コア層表面の凹凸によって直接上方に散乱される光の位相と、下方に散乱されてからコア層の裏面で反射されて戻ってくる光の位相とが揃うため、回折格子における光の取り出し効率が向上する。また、特許文献２には、回折格子の溝周期および溝深さについて、最適値があることが開示されている。回折格子の溝周期を光の伝搬波長の０．４倍とし、溝深さを光の伝搬波長の０．０９７倍とすることにより、ＴＥモードおよびＭＴモード共に最も効率良く光の取り出しが行える。
特開２００５−３００２１２号公報 特開２０１１−４３６９９号公報
Ｒ．Ｍ．Ｅｍｍｏｎｓ ａｎｄ Ｄ．Ｇ．Ｈａｌｌ，"Ｂｕｒｉｅｄ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒｅｓ ＩＩ：Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｃｏｕｐｌｅｒｓ"， ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ， Ｖｏｌ．２８， ＮＯ．１， ＪＡＮＵＡＲＹ １９９２， ｐｐ． １６４−１７５．
本発明の目的は、伝搬光のエバネッセント波の染み出し効率および光の取り出し効率の向上を図ることが可能な光学式濃度測定装置および光学式濃度測定装置の製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の一態様による光学式濃度測定装置は、第一膜厚を有する第一部分、前記第一膜厚とは異なる第二膜厚を有する第二部分、および前記第一部分と前記第二部分との間を接続する第三部分を有し、光を伝搬可能なコア層を有する光導波路と、波長が２μｍ以上１０μｍ未満の赤外線を前記コア層に入射可能な光源と、前記コア層を伝搬した赤外線を受光可能な検出部と、を備え、前記第一部分は回折格子部を有し、前記第二部分は光伝搬部を有し、前記第三部分は、前記第一部分と前記第二部分のうち、膜厚が小さい側から大きい側へ向けて膜厚を漸次増加させており、前記光伝搬部の膜厚は、前記波長よりも小さく、前記光伝搬部の少なくとも一部は、被測定気体または被測定液体と接触可能である、または、前記波長よりも薄い膜厚の膜を介して被測定気体または被測定液体と接触可能であることを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、本発明の一態様による光導波路の製造方法は、熱酸化法により、シリコン層の表面に選択的に酸化膜を形成する第一工程と、エッチングにより前記酸化膜を除去することで、第一膜厚を有する第一部分、前記第一膜厚とは異なる第二膜厚を有する第二部分、および前記第一部分と前記第二部分との間を接続する第三部分を前記シリコン層にコア層を形成する第二工程と、波長が２μｍ以上１０μｍ未満の赤外線を出射可能な光源を設置する第三工程と、前記コア層を伝搬した赤外線を受光可能な検出部を配置する第四工程とを備え、前記第二工程において、被測定気体または被測定液体と接触可能、または、前記波長よりも薄い膜厚の膜を介して被測定気体または被測定液体と接触可能であり、前記波長よりも膜厚の小さな光伝搬部を前記第二部分に形成し、回折格子部を前記第一部分に形成することを特徴とする。
さらに、上記目的を達成するために、本発明の他の態様による光導波路の製造方法は、エッチングにより、シリコン層に選択的に溝を形成して第一膜厚を有する第一部分および前記第一膜厚とは異なる第二膜厚を有する第二部分を形成する第一工程と、水素雰囲気中で熱処理することにより、前記第一部分と前記第二部分のうち、膜厚が小さい側から大きい側へ向けて前記シリコン層の膜厚を漸次増加させた傾斜構造を有する第三部分を形成して前記シリコン層にコア層を形成する第二工程と、波長が２μｍ以上１０μｍ未満の赤外線を出射可能な光源を設置する第三工程と、前記コア層を伝搬した赤外線を受光可能な検出部を配置する第四工程とを備え、前記第二工程において、被測定気体または被測定液体と接触可能、または、前記波長よりも薄い膜厚の膜を介して被測定気体または被測定液体と接触可能であり、前記波長よりも膜厚の小さな光伝搬部を前記第二部分に形成し、回折格子部を前記第一部分に形成することを特徴とする。
本発明の各態様によれば、伝搬光のエバネッセント波の染み出し効率および光の取り出し効率の向上を図ることが可能となる。
本発明の一実施形態による光導波路１０並びに光学式濃度測定装置１の概略構成と、光学式測定装置１を利用したＡＴＲ法によるセンシングを示す図である。 本発明の一実施形態による光導波路１０を説明する図であって、異なる膜厚領域を持つコア層１１の接続部において、コア層１１外部への光の漏れを示すシミュレーション結果（その１）である。 本発明の一実施形態による光導波路１０を説明する図であって、異なる膜厚領域を持つコア層１１の接続部において、コア層１１外部への光の漏れを示すシミュレーション結果（その２）である。 本発明の一実施形態による光導波路１０を説明する図であって、異なる膜厚領域を持つコア層１１の接続部において、接続部の傾斜角とコア層外部への光の漏れ量の関係を示すシミュレーション結果である。 本発明の一実施形態による光導波路１０を説明する図であって、異なる膜厚領域を持つコア層１１の接続部において、光がコア層１１の第二部分１１ｂ（薄膜側）からコア層１１の第一部分１１ａ（厚膜側）に導入された時の例を示す図である。 バーズビークを説明するための図である。 本発明の一実施形態による光導波路１０の第一の製造方法を説明するための図（その１）である。 本発明の一実施形態による光導波路１０の第一の製造方法を説明するための図（その２）である。 本発明の一実施形態による光導波路１０の第一の製造方法を説明するための図（その３）である。 本発明の一実施形態による光導波路１０の第二の製造方法を説明するための図（その１）である。 本発明の一実施形態による光導波路１０の第二の製造方法を説明するための図（その２）である。 本発明の一実施形態による光導波路１０の第二の製造方法を説明するための図（その３）である。 光導波路を伝搬する光のエバネッセント波を説明するための図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
＜光導波路＞
本発明の一実施形態に係る光導波路は、光を伝搬可能なコア層を備えている。コア層は第一膜厚を有する第一部分と、第一膜厚とは異なる第二膜厚を有する第二部分と、第一部分と第二部分との間を接続する第三部分とを有している。第三部分は、第一部分と第二部分のうち、膜厚が小さい側から大きい側へ向けて膜厚を漸次増加させ、最大傾斜角が１０°以上４５°以下である。
ここで最大傾斜角は、光導波路を第一部分、第二部分及び第三部分を含む断面で断面視を行い、以下の手順で求める。
まず、第三部分の水平方向の寸法を、第一部分の膜厚と第二部分の膜厚との差の５％〜２５％の値で分割する。
次に、分割された各水平区間内における第三部分の縁の形状を一次関数で近似する。一次関数での近似については、ある水平区間内における第三部分の端点同士を線分で結んだものとする。
ここで、各区間の一次関数のうち、水平方向に対して最も傾斜が大きい一次関数の角度を最大傾斜角と定義する。
なお、上述の最大傾斜角の算出方法については、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた画像解析により算出する事ができる。
例えば、第一部分の膜厚と第二部分の膜厚との差が５００ｎｍの場合、第三部分の水平方向の寸法を２５ｎｍ〜１２５ｎｍ間隔の区間に分割し、分割された各水平区間内における第三部分の縁の形状を一次関数で近似する。そして、各区間の一次関数のうち、水平方向に対して最も傾斜が大きい一次関数の角度を最大傾斜角として算出する。
本発明の実施形態に係る光導波路によれば、最大傾斜角が４５°以下である事により、伝搬光のエバネッセント波の染み出し効率と光の取り出し効率が共に優れた光導波路を提供する事が可能となる。すなわち、本発明の実施形態に係る光導波路によれば、伝搬光のエバネッセント波の染み出し効率および光の取り出し効率の向上を図ることが可能になる。
また、第三部分の平均傾斜角は３０°以下であってもよい。
ここで平均傾斜角は、光導波路を第一部分、第二部分及び第三部分を含む断面で断面視を行い、以下の手順で求める。
まず、第三部分の縁を形成する線分において、第一部分から膜厚が全体（第一部分の膜厚と第二部分の膜厚との差）の５％変化した点を始点とし、第二部分から膜厚が全体の５％変化した点を終点とする。
次に、前述の始点と終点を線分で結び、この線分の水平方向に対する傾斜角を平均傾斜角と定義する。
例えば、第一部分の膜厚と第二部分の膜厚との差が５００ｎｍの場合、第三部分の縁を形成する線分において、第一部分から膜厚が２５ｎｍ変化した点を始点とし、第二部分から膜厚が２５ｎｍ変化した点を終点として、始点と終点を線分で結ぶ。その線分の水平方向に対する角度を平均傾斜角として算出する。
なお、上述の平均傾斜角の算出方法については、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた画像解析により算出する事ができる。
これにより、最大傾斜角が同程度の場合にも、光導波路の光の取り出し効率をさらに向上させる事が可能となる。
以下、光導波路を構成する各構成要件について、具体例を挙げて説明する。
＜コア層＞
コア層は、光が伝搬可能であれば特に制限されない。具体的には、シリコン（Ｓｉ）やガリウムひ素（ＧａＡｓ）等で形成されたコア層が挙げられる。
コア層は、第一膜厚を有する第一部分と、第一膜厚とは異なる第二膜厚を有する第二部分と、第一部分と第二部分との間を接続する第三部分と、を有している。第三部分は、第一部分と第二部分のうち、膜厚が小さい側から大きい側へ向けて膜厚を漸次増加させ、最大傾斜角が１０°以上４５°以下である。第一膜厚および第二膜厚が異なってさえいれば、第一膜厚と第二膜厚の大小関係は問わない。
第三部分の平均傾斜角は３０°以下であってもよい。これにより、最大傾斜角が同程度の場合にも、光導波路の光の取り出し効率をさらに向上させる事が可能となる。
第一部分は回折格子部を有し、第二部分は光伝搬部を有していてもよい。これにより、光が第二部分を伝搬する際のエバネッセント波の染み出し効率と、光を第一部分から取り出す際の取り出し効率とを向上させる事が可能となる。
ここで回折格子部とは、コア層の表面に特定の周期（周期は複数であっても可）で凹凸が形成されている部分を意味する。または、凹部と凸部を含む平面で光導波路を断面視した場合に、凹凸の凹部の溝が深くなり、コア層を切り離す状態であってもよい。その場合は、凸部は不連続で島状に形成されていることになる。
回折格子部は凹部を有している。凹部の深さは、コア層の光伝搬部の膜厚よりも大きくてもよい。その理由は、エバネッセント波を効率的にコア層から染み出させるためには、コア層の光伝搬部は伝搬波長よりも十分に小さいことが好ましいが、回折格子で光を曲げる領域では、波長に近いオーダーの寸法（ここでは溝深さ）で回折格子が形成されていると、効率良く光を回折させることが出来るからである。つまり、回折格子部の凹部の深さをコア層の光伝搬部の膜厚よりも大きくすることは、エバネッセント波を用いたセンサのセンサ感度を向上させることに繋がる。
回折格子部は凹部を有している。凹部の膜厚は、コア層の光伝搬部の膜厚よりも大きくてもよい。その理由は、コア層からエバネッセント波を効率的に染み出させるためには、コア層の光伝搬部は伝搬波長よりも十分に小さいことが好ましいが、回折格子で光を曲げる領域では、波長に近いオーダーの寸法（ここでは凹部膜厚）で回折格子が存在していることで、効率良く光を回折させることが出来るからである。つまり、回折格子部の凹部の膜厚をコア層の光伝搬部の膜厚よりも大きくすることは、エバネッセント波を用いたセンサのセンサ感度を向上させることに繋がる。
回折格子部の平均膜厚は、コア層の光伝搬部の膜厚よりも大きくてもよい。その理由は、コア層からエバネッセント波を効率的に染み出させるためには、コア層の光伝搬部は伝搬波長よりも十分に小さいことが好ましいが、回折格子で光を曲げる領域では、波長に近いオーダーの寸法（ここでは平均膜厚）で回折格子が存在していることで、効率良く光を回折させることが出来るからである。つまり、回折格子部の平均膜厚をコア層の光伝搬部の膜厚よりも大きくすることは、エバネッセント波を用いたセンサのセンサ感度を向上させることに繋がる。
回折格子部は凸部を有している。凸部の膜厚は、コア層の光伝搬部の膜厚よりも大きくてもよい。その理由は、コア層からエバネッセント波を効率的に染み出させるためには、コア層の光伝搬部は伝搬波長よりも十分に小さいことが好ましいが、回折格子で光を曲げる領域では、波長に近いオーダーの寸法（ここでは凸部膜厚）で回折格子が存在していることで、効率良く光を回折させることが出来るからである。つまり、回折格子部の凸部の膜厚を光伝搬部の膜厚よりも大きくすることは、エバネッセント波を用いたセンサのセンサ感度を向上させることに繋がる。
コア層は単結晶で形成されることが好ましい。これによりコア層内の結晶欠陥を低減させ、伝搬光のコア層内部での散乱を抑制し、伝搬損失を小さくできる。
また、コア層の少なくとも一部は、被測定気体または被測定液体と接触可能に設けられていてもよい。また、コア層の少なくとも一部は、コア層を伝搬する光の波長よりも薄い膜厚の膜を介して被測定気体または被測定液体と接触可能に設けられていてもよい。これにより、エバネッセント波と被測定気体または被測定液体を干渉させ、被測定気体または被測定液体の濃度を測定することが可能となる。
コア層を伝搬する光はアナログ信号としての赤外線であってもよい。ここでアナログ信号としての赤外線とは、光のエネルギーの変化を０（低レベル）および１（高レベル）の２値で判定するのではなく、光のエネルギーの変化量を扱う信号であることを意味する。これにより、各実施形態に係る光導波路をセンサや分析装置に適用することができる。またこの場合、赤外線の波長は２μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。この波長帯は環境に代表的に浮遊するガス（ＣＯ２、ＣＯ、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、ＳＯ２、ＣＨ４、Ｈ２Ｏ等）が吸収する波長帯である。これにより各実施形態に係る光導波路をガスセンサとして利用することができる。
＜基板＞
基板は、基板上に支持部及びコア層を形成可能であれば特に制限されない。具体的には、シリコン基板やＧａＡｓ基板等が挙げられる。
＜支持部＞
支持部は、基板の少なくとも一部とコア層の少なくとも一部とを接続する。支持部は、コア層を伝搬する光に対してコア層よりも屈折率が小さい材料であり、基板及びコア層を接合可能であれば特に制限されない。一例として、支持部の形成材料として、ＳｉＯ２等が挙げられる。
支持部の形成方法の一例としては、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の埋め込み酸化膜（ＢＯＸ：Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）層（ＳｉＯ２層）をエッチングすることで、コア層（Ｓｉ層）と基板（Ｓｉ層）をＢＯＸ層で支持する構造を形成することができる。
＜保護膜＞
本発明の一実施形態に係る光導波路は、コア層の表面の少なくとも一部に形成されて膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であり、屈折率が前記コア層を形成する材料よりも小さい保護膜をさらに備えてもよい。保護膜の膜厚が１ｎｍ以上であることで、コア層の表面に自然酸化膜が形成されることを抑制することが可能となる。また、保護膜の膜厚が２０ｎｍ未満であることで、コア層から染み出すエバネッセント波と周囲の気体または液体との干渉量を大幅に低減させることがない。これにより、コア層から染み出すエバネッセント波と周囲の気体または液体との干渉量を大幅に低減させることなく、コア層の表面状態の変化を防止することが可能となる。
膜厚の下限としては、２ｎｍであってよく、膜厚の上限としては、５ｎｍであってよい。
保護膜として、具体的にはシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜等が挙げられる。保護膜は、単層の膜であってもよく、また複数の膜で有する積層膜であってもよい。
例えばコア層がシリコンで形成される場合、保護膜の材料としてはシリコン窒化膜やシリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜であってもよい。窒素を含む膜は酸化を抑制する効果がある。また、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜は、シリコンよりも屈折率が十分に小さいためクラッド層の形成材料としても優れている。さらに、特にシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜は、赤外線の吸収も少ない。これにより、コア層の表面に保護膜を形成した場合に、被測定気体または被測定液体の検出感度の低下を抑えられる。
また、保護膜は窒素を含んでいてもよい。これにより、コア層の酸化をより抑制することが可能となる。窒素を含む膜は、単層膜であってもよいし、窒素を含む膜と窒素を含まない膜との積層膜であってもよい。保護膜の窒素含有率が高い程、酸化抑止効果が高くなる。保護膜は、窒素を含む膜の少なくとも一部の領域において、１％以上の窒素含有率をもつ膜であってもよい。
例えばコア層がシリコンで形成される場合、保護膜の材料としてはシリコン窒化膜やシリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜であってもよい。窒素を含む膜は酸化を抑制する効果がある。また、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜は、シリコンよりも屈折率が十分に小さいためクラッド層の形成材料としても優れている。さらに、特にシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜は、赤外線の吸収も少ない。これにより、コア層の表面に保護膜を形成した場合に、被測定気体または被測定液体の検出感度の低下を抑えられる。
ここで、シリコン等の物質は、空気中に放置した場合、表面にシリコン酸化膜が自然形成されることがある。この自然酸化膜は、膜厚が１ｎｍ未満であり、窒素を含まないため、これらの点で本発明における保護膜とは区別される。
保護膜の形成方法としては、熱化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法による堆積や酸化処理といった方法を用いることが可能である。保護膜は、シリコン窒化膜の場合は熱ＣＶＤ法による堆積処理を用いて形成することができ、シリコン酸窒化膜の場合はＮＯやＮ２Ｏを含む雰囲気下での酸化処理によって形成することができる。
＜光学式濃度測定装置＞
本発明の一実施形態に係る光学式濃度測定装置は、本発明の一実施形態に係る光導波路と、コア層に光を入射可能な光源と、コア層を伝搬した光を受光可能な検出部と、を備える。
以下、光学式濃度測定装置を構成する各構成要件について、具体例を挙げて説明する。
＜光源＞
光源は、コア層に光を入射可能であれば特に制限されない。ガスの測定に赤外線を用いる場合には光源として、白熱電球やセラミックヒータ、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ヒータや赤外線ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などを用いることができる。また、ガスの測定に紫外線を用いる場合には光源として、水銀ランプや紫外線ＬＥＤなどを用いることができる。また、ガスの測定にＸ線を用いる場合には光源として、電子ビームや電子レーザーなどを用いることができる。
光学式濃度測定装置に備えられる光導波路のコア層を伝搬する光は、アナログ信号としての赤外線であってもよい。ここで、アナログ信号としての赤外線とは、光のエネルギーの変化を０（低レベル）および１（高レベル）の２値で判定するのではなく、光のエネルギーの変化量を扱う信号であることを意味する。これにより、光学式濃度測定装置をセンサや分析装置に適用することができる。またこの場合、赤外線の波長は２μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。この波長帯は環境に代表的に浮遊するガス（ＣＯ２、ＣＯ、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、ＳＯ２、ＣＨ４、Ｈ２Ｏ等）が吸収する波長帯である。これにより本実施形態に係る光学式濃度測定装置をガスセンサとして利用することができる。
＜検出部＞
検出部は、光導波路のコア層を伝搬した光を受光可能であれば特に制限されない。ガスの測定に赤外線を用いる場合には検出部として、焦電センサ（Ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｅｎｓｏｒ）、サーモパイル（Ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ）あるいはボロメータ（Ｂｏｌｏｍｅｔｅｒ）等の熱型赤外線センサや、ダイオードあるいはフォトトランジスタ等の量子型赤外線センサ等を用いることができる。また、ガスの測定に紫外線を用いる場合には検出部として、ダイオードやフォトトランジスタ等の量子型紫外線センサ等を用いることができる。また、ガスの測定にＸ線を用いる場合には検出部として、各種半導体センサを用いることができる。
＜光導波路の製造方法＞
本発明の一実施形態に係る光導波路の製造方法は、熱酸化法により、光を伝搬可能なコア層の表面に選択的に酸化膜を形成する第一工程と、エッチングにより酸化膜を除去することで、コア層に膜厚の異なる２つの部分を形成する第二工程とを備える。これにより、簡易なプロセスで、コア層に第一膜厚を有する第一部分と、第一膜厚とは異なる第二膜厚を有する第二部分と、第一部分と第二部分との間を接続する第三部分とを形成する事が可能となる。
また第一工程の前に、コア層の一部をシリコン窒化膜で覆う工程をさらに有していてもよい。シリコン窒化膜に覆われた箇所ではコア層の酸化が妨げられ、覆われていない箇所ではコア層の酸化が進むため、コア層において、酸化膜が形成された箇所と、酸化膜がされていない箇所とでは、コア層の表面に緩やかな傾斜を付けることが出来る。具体的な製造方法については、後述する。
本発明の一実施形態に係る光導波路の第二の製造方法は、エッチングにより、光を伝搬可能なコア層に選択的に溝を形成する第一工程と、水素雰囲気中で熱処理することによりコア層を形成する原子をマイグレーションさせ、溝の底部から溝の頂部（すなわち、溝の谷部から溝の山部）に向かってコア層の膜厚を漸次増加させた傾斜構造を形成する第二工程とを備える。これにより、簡易なプロセスで、コア層に第一膜厚を有する第一部分と、第一膜厚とは異なる第二膜厚を有する第二部分と、第一部分と第二部分との間を接続する第三部分とを形成する事が可能となる。具体的な製造方法については、後述する。
〔実施形態〕
本発明の一実施形態に係る光導波路について、図１から図９を用いて説明する。まず、本実施形態に係る光導波路１０および光導波路１０を備える光学式濃度測定装置１並びにこれらを用いたＡＴＲ法による被測定物質の検出方法について図１から図６を用いて説明する。
図１は、本実施形態による光学式濃度測定装置１の概略構成を示す図であるとともに、本実施形態による光導波路１０を利用したＡＴＲ法の概念図でもある。図１に示すように、光学式濃度測定装置１は、濃度などを検出するガスが存在する外部空間２に設置されて使用される。光学式濃度測定装置１は、本実施形態による光導波路１０と、光導波路１０に備えられたコア層１１に光（本実施形態では赤外線ＩＲ）を入射可能な光源２０と、コア層１１を伝搬した赤外線ＩＲを受光可能な光検出器（検出部の一例）４０とを備えている。
光導波路１０は、基板１５と、赤外線ＩＲ（光の一例）が伝搬可能なコア層１１と、基板１５の少なくとも一部とコア層１１の少なくとも一部を接続し基板１５に対してコア層１１を支持する支持部１７とを備えている。コア層１１および基板１５は例えばシリコン（Ｓｉ）で形成され、支持部１７は例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で形成されている。基板１５および支持部１７は例えば板状を有している。
コア層１１は、第一膜厚を有する第一部分１１ａと、第一膜厚とは異なる第二膜厚を有する第二部分１１ｂと、第一部分１１ａと第二部分１１ｂとの間を接続する第三部分１１ｃとを有している。第一部分１１ａは、コア層１１の両端のそれぞれからコア層１１の長手方向の中心に向かう一定の領域である第一領域に設けられている。第一部分１１ａは、コア層１１の２箇所に設けられている。第二部分１１ｂは、コア層１１の長手方向の中心から両端部に向かう一定の領域である第二領域に設けられている。第二部分１１ｂは、コア層１１の１箇所に設けられている。第三部分１１ｃは、第一領域および第二領域の間の一定の領域である第三領域に設けられている。第三部分１１ｃもコア層１１の２箇所に設けられている。詳細は後述するが、第三部分１１ｃは、第一部分１１ａと第二部分１１ｂのうち、膜厚が小さい側（本実施形態では第二部分１１ｂ側）から大きい側（第一部分１１ａ側）へ向けて膜厚を漸次増加させ、最大傾斜角が１０°以上４５°以下となるように形成されている。また、第三部分１１ｃは、平均傾斜角が３０°以下に形成されている。
光導波路１０は、コア層１１の長手方向の一端部に形成されたグレーティングカプラ（回折格子部の一例）１１８と、コア層１１の長手方向の他端部に形成されたグレーティングカプラ（回折格子部の一例）１１９とを有している。グレーティングカプラ１１８は、光源２０の下方に配置されている。グレーティングカプラ１１８は、光源２０から入射する赤外線ＩＲをコア層１１を伝搬する赤外線ＩＲに結合するようになっている。グレーティングカプラ１１９は、光検出器４０の下方に配置されている。グレーティングカプラ１１９は、コア層１１を伝搬する赤外線ＩＲを取り出して光検出器４０に向けて出射するようになっている。
このように、光源２０側（光入射側）に配置される第一部分１１ａは、グレーティングカプラ１１８を有し、光検出器４０側（光出射側）に配置される第一部分１１ａは、グレーティングカプラ１１９を有している。また、第二部分１１ｂは、グレーティングカプラ１１８から入射してグレーティングカプラ１１９から出射される赤外線ＩＲが伝搬する光伝搬部を有している。コア層１１から染み出すエバネッセント波ＥＷは主に、光伝搬部を有する第二部分１１ｂにおいて外部空間２に存在する被測定物質に吸収される。
ここで、コア層１１についてより詳細に説明する。本実施形態に係る光導波路１０を適用したＡＴＲ法を用いたセンサでは、エバネッセント波を被測定物質と干渉させる領域は、膜厚の薄いコア層を形成して、コア層の周りに染み出すエバネッセント波の量を増やすことが望ましい。一方、光をコア層に導入したり、コア層から取り出したりする場合には、コア層に回折格子を形成する必要があるが、中赤外領域の光を効率良く曲げる場合、回折格子を形成する領域のコア層膜厚や回折格子の溝深さは、ある程度の厚みが必要である。
そこで、図１に示すように、本実施形態に係る光導波路１０では、コア層１１は、エバネッセント波ＥＷを染み出させて外部空間２に存在する被測定物質と干渉させることを目的とした領域（第二領域）には、膜厚が薄く形成された第二部分１１ｂを有している。一方、コア層１１は、光（本実施形態では赤外線ＩＲ）を導入することを目的とした領域（第一領域）、および光を取り出すことを目的とした領域（第一領域）には、第二領域の第二部分１１ｂよりも厚く形成された第一部分１１ａを有している。第一部分１１ａの表面には、回折格子（グレーティングカプラ１１８，１１９）を形成するための溝が掘られている。第二部分１１ｂの膜厚は例えば約２５０ｎｍであり、第一部分１１ａの膜厚は例えば約７５０ｎｍである。また、グレーティングカプラ１１８，１１９の溝深さは、例えば約４００ｎｍである。
コア層１１は、第一領域および第二領域の間の領域である第三領域に、第三部分１１ｃを有している。第三部分１１ｃは、第一部分１１ａと第二部分１１ｂを接続する接続部としての機能を発揮するようになっている。第三部分１１ｃは、第二部分１１ｂが設けられた第二領域から第一部分１１ａが設けられた第一領域に向かって、膜厚が緩やかな傾斜をもって厚くなっていてもよい。また、コア層１１の表面は、グレーティングカプラ１１８，１１９の溝が形成されている箇所を除き、膜厚傾斜がある領域も含めて可能な限りラフネスが小さくてもよい。コア層１１の表面に急峻な膜厚変化がある場合、膜厚の厚い領域から膜厚の薄い領域に光が伝搬する時に、コア層１１から外部に漏れ出ていく光が多くなる。
ここで、膜厚が変化する部分でのコア層から外部に漏れ出る光について図２および図３を用いて説明する。図２および図３は、波長４．２６μｍの赤外線を、膜厚７５０ｎｍのコア層から膜厚２５０ｎｍのコア層に伝搬させた時のシミュレーション結果である。図２中上段および図３中上段には、シミュレーションに用いたコア層の概略形状が図示され、図２中下段及び図３中下段には、コア層を伝搬する赤外線の状態が図示されている。図２中下段および図３中下段に示す図では、図中、右から左に向かって赤外線をコア層に伝搬させた状態が示されている。図２は、膜厚傾斜のある接続部（第三部分１１ｃ）の水平距離を５００ｎｍとし、膜厚２５０ｎｍの第二部分１１ｂから膜厚７５０ｎｍの第一部分１１ａにかけてサイン波で接続した場合の結果を示す図である。第三部分１１ｃの最大傾斜角は、約５８°であり、平均傾斜角は４５°である。図３は、接続部（第三部分１１ｃ）の水平距離を２０００ｎｍとし、膜厚２５０ｎｍの第二部分１１ｂから膜厚７５０ｎｍの第一部分１１ａにかけてサイン波で接続した場合の結果を示す図である。第三部分１１ｃの最大傾斜角は２１°であり、平均傾斜角は１４°である。
図２および図３を比較すると、コア層の外部に漏れ出ていく光の量は、第三部分１１ｃにおいて急峻な膜厚変化が起こり傾斜角の大きい図２に示す状態の方が多いことがわかる。
次に、接続部（第三部分１１ｃ）の形状をサイン波形状から１次関数形状に徐々に変化させることで最大傾斜角と平均傾斜角を変化させ、様々な傾斜角において、コア層外部に漏れ出る光の割合（図４の説明では「漏れ光割合」と称する場合がある）を調査したシミュレーション結果を図４に示す。横軸は接続部の最大傾斜角（°）を示し、縦軸は漏れ光割合（％）を示している。図４中に示す◇印は、接続部の平均傾斜角が４５°での漏れ光割合を表し、図４中に示す□印は、接続部の平均傾斜角が２７°での漏れ光割合を表している。図４中に示す△印は、接続部の平均傾斜角が１８°での漏れ光割合を表し、図４中に示す×印は、接続部の平均傾斜角が１４°での漏れ光割合を表し、図４中に示す＊印は、接続部の平均傾斜角が１１°での漏れ光割合を表している。平均傾斜角のそれぞれにおいて、漏れ光割合の結果が５個表されている。図４では、同じ平均傾斜角同士では、５個の漏れ光割合の結果のうち、右側にあるほどサイン波形状に近く、左側にあるほど１次関数形状に近いものとなっている。なお、１番右側はサイン波形状と等しく、１番左側は１次関数形状と等しい。
図４より分かるように、コア層の外部に漏れ出ていく光の割合は、異なる膜厚間の接続部の最大傾斜角にほぼ依存し、最大傾斜角が４５°以下になる領域から減少していく。また、最大傾斜角は１０°まで小さくすることで、外部に漏れ出る光量が１％以下になり、膜厚傾斜部での漏れの影響をほとんど無くすことが出来る。接続部の傾斜を緩やかにし過ぎると、第一部分１１ａおよび第二部分１１ｂの膜厚差をつけるために必要なスペース（長さ）が多く必要になるため、最大傾斜角が１０°未満の状態は逆に好ましくない。
また、平均傾斜角の影響もある。最大傾斜角が４５°以下の領域において、同程度の最大傾斜角同士の点を比べる平均傾斜角が小さい方が、コア層外部に漏れ出る光の割合が小さくなる。この効果は平均傾斜角が３０°以下の時に見られてくる。
次に、コア層の膜厚の薄い領域から膜厚の厚い領域に光を伝搬させ、その先にグレーティングカプラが形成されている系や、コア層が終端されている系について考える。図５に示すように、グレーティングカプラ１１９では、光（赤外線ＩＲ）を様々な方向に散乱させるため、例えば領域α１において、必ず逆方向に伝搬する反射光ＲＬが存在している。また、コア層１１の終端部（領域α２）でも反射光ＲＬは必ず発生する。このとき、これらの反射光ＲＬは、コア層１１の膜厚の厚い領域（第一部分１１ａ）から膜厚の薄い領域（第二部分１１ｂ）に向かって伝搬することになるため、最大傾斜角が急峻であると、第一部分１１ａから第二部分１１ｂに赤外線ＩＲを伝搬させるときと同様に、外部に漏れ出ていく量が増えてしまう。したがって、膜厚の異なるコア層１１を接続する領域では、最大傾斜角を１０°以上４５°以下としてよく、平均傾斜角を３０°以下としてもよい。
一方、コア層１１の表面のラフネスも非常に重要である。コア層１１の表面にラフネスの大きい領域があると、コア層１１を伝搬する赤外線ＩＲが乱反射してコア層１１の外に漏れ出てしまうためである。詳細は後述するが、本実施形態では、第三部分１１ｃの形成に、図６に示すような、熱酸化時に形成されるいわゆるバーズビークや、後述する図１２に示すような、水素雰囲気中での原子のマイグレーションを利用している。このため、第三部分１１ｃにおいて、非常に緩やかな傾斜を持たせながら、表面ラフネスの小さい表面を実現することが出来る。第三部分１１ｃの最大角度は１０°以上４５°以下であってよく、１０°以上３０°以下であってもよい。また、第三部分１１ｃの平均傾斜角は３０°以下であってもよい。さらに、コア層１１は結晶欠陥の少ない単結晶であってもよい。結晶欠陥の少ない単結晶であることで、コア層１１の内部での伝搬光の散乱が抑えられ、コア層１１の伝搬損失を小さく出来る。
以上説明したように、コア層１１の表面に最大傾斜角が１０°以上４５°以下の傾斜をつけ、第二部分１１ｂに対して第一部分１１ａの膜厚を厚く形成することで、コア層１１の外部に期待せずに漏れ出ていく光を抑制し、ＡＴＲ法によるセンサの性能を向上させることが出来る。
ところで、ＡＴＲ法を用いた従来の光導波路を備える光学式濃度測定装置は、本実施形態による光学式濃度測定装置１と同様に、一方のグレーティングカプラから赤外線を光導波路のコア層に導入し、コア層を伝搬させて、もう一方のグレーティングカプラ側から取り出し、その先にある光検出器で赤外線の量を検出するという構成を有している。ＡＴＲ法を用いたセンサでは中赤外領域の波長を取り扱うことが多く、中赤外領域の赤外線に対しては、エバネッセント波を染み出させることを目的としたコア層と、回折格子により光を取り出すことを目的としたコア層とでは、最適なコア層膜厚が大きく異なる。
具体的には、例えばシリコンをコア層として用いる光導波路では、エバネッセント波を効率的に染み出させるために、コア層の膜厚を２００ｎｍ程度に薄く形成することがある。一方、膜厚２００ｎｍは、中赤外領域の赤外線を効率よく取り出すための回折格子の膜厚としては薄すぎる。例えばシリコンコア層の屈折率が３．４とし、コア層を伝搬させる赤外線の波長が４μｍの場合、非特許文献１に記載の方法で回折格子を設計すると、回折格子を形成する領域のコア層の膜厚は約５９０ｎｍが最適膜厚となる。膜厚５９０ｎｍは、エバネッセント波を効率的に染み出させるコア層膜厚と大きく異なる。すなわち、エバネッセント波を染み出させることを目的とした薄膜のコア層に、そのまま回折格子を形成すると、光の取り出し効率が悪くなってしまう。
また、例えば伝搬させる赤外線の波長が４μｍとし、特許文献２に記載の方法で回折格子の溝深さを設計すると、約３９０ｎｍの溝深さが最適値となる。この値は、上述のとおり、エバネッセント波を効率的に染み出させるためのコア層膜厚である２００ｎｍよりも大きくなる。このため、上述の条件では、エバネッセント波を染み出させることを目的とした薄膜のコア層に、光取り出し効率が最適となる溝深さの回折格子を形成することが出来ない。
上述の２つのいずれの例においても、エバネッセント波を染み出させることを目的とした薄膜のコア層に、光取り出し効率が最適となる回折格子を形成することができないという問題がある。一方、光取り出し効率が最適となる回折格子が形成できるコア層では、エバネッセント波を効率的に染み出させることができないという問題がある。このように、従来の光導波路では、エバネッセント波の染み出し効率と、回折格子の光取り出し効率とはトレードオフの関係にあり、両立させることが困難であるという問題がある。
これに対し、本実施形態による光導波路１０は、赤外線ＩＲの伝搬に適した膜厚を有する第二部分１１ｂと、赤外線ＩＲの取り出しに適した溝深さのグレーティングカプラ１１９が形成可能な膜厚の第一部分１１ａと、第一部分１１ａおよび第二部分１１ｂの間を低損失に光を伝搬可能に調整された第三部分１１ｃとを有するコア層１１を備えている。これにより、光導波路１０は、従来の光導波路の上記問題を解決し、伝搬光のエバネッセント波の染み出し効率および光の取り出し効率の向上を図ることが可能となる。
＜光導波路および光学式濃度測定装置の第一の製造方法＞
次に、本実施形態に係る光導波路および光学式濃度測定装置の第一の製造方法について、図１を参照しつつ、図７から図９を用いて説明する。図７から図９は、光導波路１０の製造工程断面図を示している。光導波路１０は、１枚の支持基板１５０に同時に複数の光導波路主要部を形成した後に個片化して製造される。図７から図９では、形成される複数の光導波路のうちの１つの光導波路のみの製造工程が図示されている。
まず、シリコンで形成され最終的に基板１５となる支持基板１５０と、シリコンで形成されコア層１１が形成される活性基板１１０のいずれか一方、または両方にＳｉＯ２膜を形成し、このＳｉＯ２膜を挟むようにして支持基板１５０および活性基板１１０を貼り合わせて熱処理して結合する。その後、活性基板１１０を所定の厚さまで研削・研磨するなどして活性基板１１０の膜厚を調整する。これにより、図７に示すように、支持基板１５０と、支持基板１５０上に形成されたＢＯＸ層１７０と、ＢＯＸ層１７０上に形成された活性基板１１０とを有し、「シリコン−絶縁層−シリコン」構造を有するＳＯＩ基板１００が形成される。
次に、ＳＯＩ基板１００の表面に酸化膜６０を形成し、酸化膜６０の表面にシリコン窒化膜を形成する。次に、酸化膜６０上に形成されたシリコン窒化膜に対して、リソグラフィ技術、エッチング技術およびアッシング技術を施して、図７に示すように、ハードマスク８０を形成する。ハードマスク８０が形成される領域は、最終的にコア層１１の第一部分１１ａおよび第三部分１１ｃの一部が形成される第一領域および第三領域の一部（図１参照）に相当する。ハードマスク８０を開口させて酸化膜６０が露出している領域は、最終的にコア層１１の第二部分１１ｂおよび第三部分１１ｃの一部が形成される第二領域および第三領域の一部（図１参照）に相当する。
次に、図８に示すように、例えば８００℃以上の水蒸気を含む酸素雰囲気下で、ハードマスク８０が形成されたＳＯＩ基板１００を熱酸化する。このとき、最終的に第一部分１１ａが形成される第一領域と最終的に第二部分１１ｂが形成される第二領域の接続部にあたり最終的に第三部分１１ｃが形成される第三領域（図１参照）にバーズビーク６５が形成される。バーズビーク６５の形状は、ハードマスク８０として用いるシリコン窒化膜の膜厚によってある程度、制御できる。当該シリコン窒化膜の膜厚を薄くすると、バーズビーク６５の底面の傾斜角を緩やかにすることが出来る。
次に、熱リン酸により、ハードマスク８０を除去する。その後、フッ酸などを用いて酸化膜６０を除去する。このようにして、図９に示すように、ＳＯＩ基板１００のＴＯＰシリコン層の表面、すなわち活性基板１１０の表面には、最終的に第一部分１１ａが形成される領域に設けられた第一平坦面１１０ａと、最終的に第二部分１１ｂが形成される領域に設けられた第二平坦面１１０ｂと、最終的に第三部分１１ｃが形成される領域に設けられ第一平坦面１１０ａと第二平坦面１１０ｂの間で緩やかに傾斜する傾斜面１１０ｃとが形成される。
その後、グレーティングカプラ１１８，１１９の凹部となる領域のみを開口させたマスク（不図示）を用いてリソグラフィ、エッチングおよびアッシングを行い、ＳＯＩ基板１００のＴＯＰシリコン層の第一平坦面１１０ａにグレーティングカプラ１１８，１１９の溝を形成する。
次に、活性基板１１０に対してリソグラフィ、エッチングおよびアッシングを実施し、ＢＯＸ層１７０上に個別化されたコア層１１を形成する。
次に、支持基板１５０を所定領域で切断してＳＯＩ基板１００を個片化する。これにより、光導波路１０（図１参照）が完成する。
さらに、図１に示すように、光導波路１０のグレーティングカプラ１１８に赤外線を入射できるように光源２０を設置し、光導波路１０のグレーティングカプラ１１９から出射する赤外線を受光できるように光検出器４０を配置することにより、光学式濃度測定装置１が完成する。
なお、コア層１１のパターンを先に形成した後に、グレーティングカプラ１１８，１１９の溝を形成する製造工程順としても良い。また、ＳＯＩ基板１００の一部を浮かせたいわゆるペデスタル構造のコア層を形成する場合は、コア層１１を形成した後に、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層１７０をエッチングする工程を追加してもよい。さらに、コア層１１の表面に保護膜を形成してもよい。この保護膜は、窒素を含む膜であってよく、膜厚は１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であってもよい。コア層１１の表面に保護膜を形成することで、光導波路１０の測定感度を保ちながら、自然酸化などによるコア層１１の表面の劣化を防止することが出来る。その結果、経年劣化が防止される光導波路１０および光学式濃度測定装置１を製造することができる。
＜光導波路および光学式濃度測定装置の第二の製造方法＞
次に、本実施形態に係る光導波路および光学式濃度測定装置の第二の製造方法について、図１および図９を参照しつつ、図１０から図１２を用いて説明する。なお、上述の光導波路および光学式濃度測定装置の第一の製造方法と共通する箇所の説明は省略する。図１０および図１１は、本実施形態に係る光導波路および光学式濃度測定装置の第二の製造方法における光導波路の製造工程断面図を示している。第二の製造方法においても、光導波路は、１枚の支持基板に同時に複数の光導波路主要部を形成した後に個片化して製造される。図１０および図１１では、形成される複数の光導波路のうちの１つの光導波路のみの製造工程が図示されている。図１２は、製造過程における光導波路主要部の断面形状の変化を示しており、活性基板に形成された溝の底部と頂部の境界近傍を示す断面ＳＥＭ画像である。図１２では、理解を容易にするため、ＳＥＭ画像に写しだされた活性基板の上方の背景の画像の図示が省略されている。
第一の製造方法と同様の方法により形成されたＳＯＩ基板１００に設けられた活性基板１１０の最終的にコア層１１が形成される領域に、リソグラフィ技術、エッチング技術を用いて図１０に示すように、フォトレジストで形成されたレジストマスクＲＭをマスクとして、活性基板１１０に溝１１１を選択的に形成する。溝１１１の頂部１１１ａは最終的にコア層１１の第一部分１１ａおよび第三部分１１ｃの一部が形成される第一領域および第三領域の一部（図１参照）に相当する。溝１１１の底部１１１ｂは、最終的にコア層１１の第二部分１１ｂおよび第三部分１１ｃの一部が形成される第二領域および第三領域の一部（図１参照）に相当する。
次に、アッシング技術によりレジストマスクＲＭを除去した後、図１１に示すように、水素雰囲気中での熱処理を実施し、シリコン原子をマイグレーションさせて、溝１１１の底部１１１ｂから溝１１１の頂部１１１ａに向かって活性基板１１０の最終的にコア層１１が形成される領域の膜厚を漸次増加させた傾斜構造１１１ｃを形成する。すなわち、最終的に第一部分１１ａが形成される第一領域と最終的に第二部分１１ｂが形成される第二領域との接続部にあたり最終的に第三部分１１ｃが形成される第三領域（図１参照）に緩やかな傾斜が形成される。傾斜構造１１１ｃは、溝部１１１の底部１１１ｂと溝部１１１の頂部１１１ａとの間で緩やかに傾斜する形状を有している。
水素雰囲気中での熱処理は、例えば１１００℃の高温で実施する。図１２（ａ）に示すように、水素雰囲気中での熱処理を実施する前では、溝１１１は、底部１１１ｂから頂部１１１ａに向かってシリコン（Ｓｉ）で形成された活性基板１１０の膜厚が急激に増加する階段状を有している。一方、図１２（ｂ）に示すように、水素雰囲気中での熱処理を実施した後では、溝１１１は、底部１１１ｂから頂部１１１ａに向かって活性基板１１０の膜厚が漸次増加する傾斜構造１１１ｃを有する。これにより、溝１１１の底部１１１ｂと頂部１１１ａとの間に、非常に緩やかな傾斜が形成出来ていることがわかる。
なお、第一の製造方法で示したバーズビークを利用した傾斜形成技術（以下、「第一傾斜形成技術」と称する場合がある）と第二の製造方法で示している水素雰囲気中での熱処理による傾斜の形成技術（以下、「第二傾斜形成技術」と称する場合がある）は、活性基板１１０に形成したい傾斜高さで使い分けてもよい。第一傾斜形成技術では、活性基板１１０における傾斜高さが熱酸化法で形成する酸化膜厚に由来する。このため、第一傾斜形成技術は、傾斜高さの均一性を得るのに非常に優れている。その一方で、第一傾斜形成技術は、傾斜高さが高くなるほど形成が難しくなる。例えば活性基板１１０に１μｍの傾斜高さを得るためには、活性基板１１０上に少なくとも膜厚２μｍ以上の酸化膜を熱酸化で形成しなければならない。このため、活性基板１１０上に酸化膜を形成するために、非常に長時間の酸化処理を実施しなければならなくなる。一方、第二傾斜形成技術では、活性基板１１０における傾斜高さは水素雰囲気中での熱処理前の溝１１１の深さで制御することができる。このため、第二傾斜形成技術は、第一傾斜形成技術と比較して、活性基板１１０において高さの高い傾斜を得るのに適している。例えば活性基板１１０に傾斜高さが１μｍの傾斜構造１１１ｃを形成する場合、深さ１μｍの溝１１１を形成するエッチングを実施し、その後、１０分程度の水素雰囲気中での熱処理を実施すればよい。また、第二傾斜形成技術は、第一傾斜形成技術と比較して、傾斜角度も制御しやすく、より緩やかな傾斜を活性基板１１０に形成したければ、熱処理時間を長く実施すればよい。しかしながら、溝１１１を掘るプロセスでのエッチングレートのバラツキにより、傾斜高さの均一性は、第一傾斜形成技術の方が第二傾斜形成技術よりも良くなる。このため、活性基板１１０に傾斜構造１１１ｃを形成する技術は、光導波路および光学式濃度測定装置の用途に合わせて使い分けることが好ましい。
このようにして、ＳＯＩ基板１００のＴＯＰシリコン層の表面、すなわち活性基板１１０の表面には、最終的に第一部分１１ａが形成される領域に設けられた第一平坦面１１０ａと、最終的に第二部分１１ｂが形成される領域に設けられた第二平坦面１１０ｂと、最終的に第三部分１１ｃが形成される領域に設けられ第一平坦面１１０ａと第二平坦面１１０ｂとの間で緩やかに傾斜する傾斜面１１０ｃとが形成される。傾斜面１１０ｃは、傾斜構造１１１ｃの表面である。
その後、グレーティングカプラ１１８，１１９（図１参照）の凹部となる領域のみを開口させたマスク（不図示）を用いてリソグラフィ、エッチングおよびアッシングを行い、図９に示すように、ＳＯＩ基板１００のＴＯＰシリコン層の第一平坦面１１０ａにグレーティングカプラ１１８，１１９の溝を形成する。
以降は第一の製造方法に示した内容と同様の製造方法により光学式濃度測定装置１が完成する。なお、第二の製造方法においても、コア層１１のパターンを先に形成した後に、グレーティングカプラ１１８，１１９の溝を形成する製造工程順としても良い。また、ＳＯＩ基板１００の一部を浮かせたいわゆるペデスタル構造のコア層を形成する場合は、コア層を形成した後に、ＳＯＩ基板１００のＢＯＸ層１７０をエッチングする工程を追加してもよい。さらに、コア層１１の表面に保護膜を形成してもよい。この保護膜は、窒素を含む膜であってよく、膜厚は１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であってもよい。コア層１１の表面に保護膜を形成することで、光導波路１０の測定感度を保ちながら、自然酸化などによるコア層１１の表面の劣化を防止することが出来る。その結果、経年劣化が防止される光導波路１０および光学式濃度測定装置１を製造することができる。
以上説明したように、本実施形態による光導波路の製造方法および光学式濃度測定装置の製造方法によれば、特別な製造技術を用いずに、コア層の光伝搬部の膜厚とグレーティングカプラ１１９を設ける領域の膜厚とを最適化することができる。これにより、本実施形態による光導波路の製造方法および光学式濃度測定装置の製造方法によれば、伝搬光のエバネッセント波の染み出し効率および光の取り出し効率の向上を図ることが可能な光導波路および光学式濃度測定装置を製造することができる。
１ 光学式濃度測定装置
２ 外部空間
１０ 光導波路
１１，５１ コア層
１１ａ 第一部分
１１ｂ 第二部分
１１ｃ 第三部分
１５ 基板
１７ 支持部
２０ 光源
４０ 光検出器
６０ 酸化膜
６５ バーズビーク
８０ ハードマスク
１００ ＳＯＩ基板
１１０ 活性基板
１１０ａ 第一平坦面
１１０ｂ 第二平坦面
１１０ｃ 傾斜面
１１１ 溝
１１１ａ 頂部
１１１ｂ 底部
１１１ｃ 傾斜構造
１１８，１１９ グレーティングカプラ
１５０ 支持基板
ＥＷ エバネッセント波
ＩＲ 赤外線
ＲＬ 反射光
ＲＭ レジストマスク
α１，α２ 領域

Claims (17)

  1. 第一膜厚を有する第一部分、前記第一膜厚とは異なる第二膜厚を有する第二部分、および前記第一部分と前記第二部分との間を接続する第三部分を有し、光を伝搬可能なコア層を有する光導波路と、
    波長が２μｍ以上１０μｍ未満の赤外線を前記コア層に入射可能な光源と、
    前記コア層を伝搬した赤外線を受光可能な検出部と、
    を備え、
    前記第一部分は回折格子部を有し、
    前記第二部分は光伝搬部を有し、
    前記第三部分は、前記第一部分と前記第二部分のうち、膜厚が小さい側から大きい側へ向けて膜厚を漸次増加させており、
    前記光伝搬部の膜厚は、前記波長よりも小さく、
    前記光伝搬部の少なくとも一部は、被測定気体または被測定液体と接触可能である、または、前記波長よりも薄い膜厚の膜を介して被測定気体または被測定液体と接触可能である
    光学式濃度測定装置。
  2. 前記第三部分は、漸次増加させた膜厚傾斜の最大傾斜角が１０°以上４５°以下である
    請求項１に記載の光学式濃度測定装置。
  3. 前記第三部分は、漸次増加させた膜厚傾斜の平均傾斜角が３０°以下である
    請求項１または２に記載の光学式濃度測定装置。
  4. 前記回折格子部は凹部を有し、
    前記凹部の深さは、前記光伝搬部の膜厚よりも大きい
    請求項１から３までの何れか一項に記載の光学式濃度測定装置。
  5. 前記回折格子部は凹部を有し、
    前記凹部の膜厚は、前記光伝搬部の膜厚よりも大きい
    請求項１から３までの何れか一項に記載の光学式濃度測定装置。
  6. 前記回折格子部の平均膜厚は、前記光伝搬部の膜厚よりも大きい
    請求項１から５までの何れか一項に記載の光学式濃度測定装置。
  7. 前記回折格子部は凸部を有し、
    前記凸部の膜厚は、前記光伝搬部の膜厚よりも大きい
    請求項１から６までの何れか一項に記載の光学式濃度測定装置。
  8. 前記コア層は単結晶で形成される
    請求項１から７までのいずれか一項に記載の光学式濃度測定装置。
  9. 前記コア層の表面の少なくとも一部に形成され、膜厚が１ｎｍ以上２０ｎｍ未満であり、前記コア層よりも屈折率が小さい保護膜を備える
    請求項１から８までの何れか一項に記載の光学式濃度測定装置。
  10. 前記保護膜はシリコン窒化膜またはシリコン酸窒化膜である
    請求項９に記載の光学式濃度測定装置。
  11. 前記薄い膜厚の膜は、前記保護膜又は自然酸化膜である
    請求項９又は１０に記載の光学式濃度測定装置。
  12. 前記コア層を伝搬する光はアナログ信号としての赤外線である
    請求項１から請求項１１までの何れか一項に記載の光学式濃度測定装置。
  13. 前記回折格子部は、前記光源と対向する第１の回折格子部を有する
    請求項１から請求項１２までの何れか一項に記載の光学式濃度測定装置。
  14. 前記回折格子部は、前記検出部と対向する第２の回折格子部を有する
    請求項１から請求項１３までの何れか一項に記載の光学式濃度測定装置。
  15. 熱酸化法により、シリコン層の表面に選択的に酸化膜を形成する第一工程と、
    エッチングにより前記酸化膜を除去することで、第一膜厚を有する第一部分、前記第一膜厚とは異なる第二膜厚を有する第二部分、および前記第一部分と前記第二部分との間を接続する第三部分を前記シリコン層にコア層を形成する第二工程と、
    波長が２μｍ以上１０μｍ未満の赤外線を出射可能な光源を設置する第三工程と、
    前記コア層を伝搬した赤外線を受光可能な検出部を配置する第四工程と
    を備え、
    前記第二工程において、被測定気体または被測定液体と接触可能、または、前記波長よりも薄い膜厚の膜を介して被測定気体または被測定液体と接触可能であり、前記波長よりも膜厚の小さな光伝搬部を前記第二部分に形成し、回折格子部を前記第一部分に形成する
    光学式濃度測定装置の製造方法。
  16. 前記第一工程の前に、前記シリコン層の一部をシリコン窒化膜で覆う工程をさらに有する
    請求項１５に記載の光学式濃度測定装置の製造方法。
  17. エッチングにより、シリコン層に選択的に溝を形成して第一膜厚を有する第一部分および前記第一膜厚とは異なる第二膜厚を有する第二部分を形成する第一工程と、
    水素雰囲気中で熱処理することにより、前記第一部分と前記第二部分のうち、膜厚が小さい側から大きい側へ向けて前記シリコン層の膜厚を漸次増加させた傾斜構造を有する第三部分を形成して前記シリコン層にコア層を形成する第二工程と、
    波長が２μｍ以上１０μｍ未満の赤外線を出射可能な光源を設置する第三工程と、
    前記コア層を伝搬した赤外線を受光可能な検出部を配置する第四工程と
    を備え、
    前記第二工程において、被測定気体または被測定液体と接触可能、または、前記波長よりも薄い膜厚の膜を介して被測定気体または被測定液体と接触可能であり、前記波長よりも膜厚の小さな光伝搬部を前記第二部分に形成し、回折格子部を前記第一部分に形成する
    光学式濃度測定装置の製造方法。
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