JPWO2003081303A1 - Optical element manufacturing method - Google Patents

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Abstract

半導体基板の主表面から深さ方向に、孔幅が変調された複数のエッチング孔を形成する光学素子の製造方法を提供する。かかる製造方法は、主表面を有し、主表面から深さ方向に比抵抗が変調された半導体基板を準備する準備工程と、半導体基板の主表面上に、孔部形成領域を規定する規定工程と、主表面を電解液に浸し、電解液に対して半導体基板を高電位として、孔部形成領域から半導体基板を深さ方向に電気化学エッチングして、エッチング孔を形成するエッチング工程とを含む。Provided is a method of manufacturing an optical element that forms a plurality of etching holes whose hole widths are modulated in a depth direction from a main surface of a semiconductor substrate. Such a manufacturing method includes a preparation step of preparing a semiconductor substrate having a main surface and having a specific resistance modulated in the depth direction from the main surface, and a defining step of defining a hole forming region on the main surface of the semiconductor substrate And an etching step of forming an etching hole by immersing the main surface in the electrolytic solution, electrochemically etching the semiconductor substrate in the depth direction from the hole forming region with the semiconductor substrate at a high potential with respect to the electrolytic solution. .

Description

技術分野
本発明は、光学素子の製造方法に関し、特に、複数の孔部又は溝部を備えた半導体基板からなる光学素子の製造方法に関する。
背景技術
近年、フォトニックバンドギャップを利用した、波長フィルタ素子、偏光分離素子、光導波路等の光学素子が提案されている。フォトニックバンドギャップとは、屈折率が周期的に変動する周期構造中において、周期に依存した所定の波長帯域の光波が存在できない現象である。例えば、多層膜光フィルタにおいて、光学長で表した多層膜周期が入射光の波長の2分の1である時、その波長付近の入射光は透過できずに反射され、多層膜光フィルタは波長フィルタとして作用する。
図12は、特表平11−509644号公報に記載された、全体が500で表される光学素子の上面図である。また、図13は、図12の光学素子500をXII−XII方向に見た場合の断面図である。光学素子500は、n型のシリコン基板1からなり、主表面2に略垂直な方向に形成された複数の孔部3を有する。孔部3の直径は、深さ方向に変調されており、主表面2に近い側から孔部3の直径が大きな領域31、孔部3の直径が小さな領域32、再び、孔部3の直径が大きな領域33となっている。
光学素子500は、このような孔部3が規則的に配列された格子領域4と、格子領域4を分断するように設けられた欠陥領域5とを有する。ここで、欠陥領域5は、格子領域4を構成する孔部3が、列状に形成されていない領域である。
光学素子500では、格子領域4は、2次元的に屈折率が周期的に変動する周期構造であり、主表面2に平行な方向に伝播する光に対してフォトニックバンドギャップを有する。即ち、フォトニックバンドギャップに相当する波長帯の光は、かかる方向には格子領域4をほとんど透過できない。このため、欠陥領域5の内部に励起された光波は、格子構造4に入り込むことができない。
一方、領域32は、その上下に形成された領域31、領域33に比べて、シリコン基板の占める体積が大きく、孔部3を満たす空気の占める体積が小さい。このため領域32は、領域31、領域33に比べて平均屈折率が大きくなる。この平均屈折率の差による全反射により、光は領域31と領域33に挟まれた領域32に閉じ込められる。
このような原理により、線状に設けられた欠陥領域5は、領域32の部分をコアとする光導波路として作用し、図13において、紙面に対して垂直な方向に光を導波する。
光学素子500の製造方法では、まず、n型で比抵抗が1Ω・cmのシリコン基板1を準備する。続いて、シリコン基板1の主表面2に、孔部3を形成する位置に対応した周期的パターンのピットを形成する。このとき、欠陥領域5にはピットを設けない。
次に、シリコン基板1の主表面2を、3wt%のフッ化水素酸の電解液に接触させた状態で、主表面2と逆側から光を入射させ、シリコン基板1に正孔を発生させる。更に、シリコン基板1と電解液との間に3Vの電圧を加える。この結果、主表面2に設けられたピット付近の電界集中部分にシリコン基板1中に発生した正孔が吸引される。この正孔を用いて電気化学エッチングが進行し、ピットを出発点として孔部3が形成され始める。光照射量を変えることにより、電流密度を大、小、大と順次変化させる。エッチングで形成される孔部3の断面積は、電流密度に応じて大、小、大と変化する。この結果、図13に示したような、深さ方向に直径が変調された孔部3が形成される。
しかしながら、かかる製造方法では、電解液の温度や濃度、光照射量等のエッチング条件が経時変化することにより、領域31、32、33の各領域の深さや直径が設計通りにならなかった。この結果、光学素子500を光導波路として用いた場合、フォトニックバンドギャップ波長や光透過特性が所望の値からずれるという問題が発生した。また、かかる問題は、光学素子500を偏光素子や光学フィルタ等として使用する場合にも問題となった。
発明の開示
そこで、本発明は、孔部の直径や溝部の溝幅が深さ方向で異なる光学素子の製造方法において、孔部の深さ、直径等を設計通りの寸法で形成できる光学素子の製造方法の提供を目的とする。
即ち、本発明は、半導体基板の主表面から深さ方向に、孔幅が変調された複数のエッチング孔を形成する光学素子の製造方法であって、主表面を有し、主表面から深さ方向に比抵抗が変調された半導体基板を準備する準備工程と、半導体基板の主表面上に、孔部形成領域を規定する規定工程と、主表面を電解液に浸し、電解液に対して半導体基板を高電位として、孔部形成領域から半導体基板を深さ方向に電気化学エッチングして、エッチング孔を形成するエッチング工程とを含むことを特徴とする光学素子の製造方法である。
かかる製造方法を用いることにより、電解液の温度等の製造条件の変動によらず、設計通りの構造の光学素子を得ることができる。また、製造歩留まりが向上し、光学素子を安価に製造できる。
なお、特開2001−272566号公報に、エッチング特性の異なる媒質を積層してエッチングすることにより、孔部の径が周期的に変調されたフォトニック結晶を製造する方法が記載されている。しかしながら、かかる製造方法は、RIE等により孔部を形成する工程と、孔部の径を拡大する孔部拡大工程とを備えるものであり、本願発明のように、一の電気化学エッチングのみで孔幅が変調されたエッチング孔を形成する方法とは異なっている。
上記準備工程は、半導体基板の主表面から深さ方向に、低比抵抗層、高比抵抗層、低比抵抗層を順に含む半導体基板を準備する工程であっても良い。
また、上記準備工程は、半導体基板の主表面から深さ方向に、比抵抗が正弦波状に変調された半導体基板を準備する工程であっても良い。
上記準備工程は、変調された比抵抗の極小値に対する極大値の比が、略1.01以上で略1000以下である半導体基板を準備する工程である。
比抵抗の極大値が、略1Ω・cm以上で略5000Ω・cm以下であり、比抵抗の極小値が、略0.01Ω・cm以上で100Ω・cm以下であることが好ましい。
上記規定工程は、半導体基板の主表面の所定の位置をエッチングしてピットを形成し、孔部形成領域とする工程であっても良い。
また、上記規定工程は、半導体基板の主表面を略平行なストライプ状にエッチングし、孔部形成領域とする工程であっても良い。
上記エッチング工程は、更に、半導体基板に光を照射する工程を含むものであっても良い。
上記エッチング孔の主表面に平行な断面は、略円形であっても良い。
また、上記エッチング孔の主表面に平行な断面は、略矩形であっても良い。
発明を実施するための最良の形態
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態にかかる、全体が100で表される光学素子の上面図である。また、図2は、図1の光学素子100の、I−I方向に見た場合の断面図である。図1、2中、図12、13と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
図2に示すように、光学素子100は、n型のシリコン基板1を含む。シリコン基板1は、比抵抗の異なる3種類のシリコン層11、12、13を含んでいる。シリコン層11、13は低抵抗層であり、例えば、比抵抗が5Ω・cm、膜厚が5μmである。一方、シリコン層12は高抵抗層であり、例えば、比抵抗が10Ω・cm、膜厚が2μmである。シリコン層11、12、13は、例えば化学気相成長法により形成される。なお、シリコン層13の下部のシリコン基板1は導電性であれば良く、例えば、比抵抗は100Ω・cm程度で良い。
光学素子100は、主表面2に略垂直な方向に形成された複数の孔部3を有する。シリコン層11、12、13のそれぞれに対応した領域が、孔部3の直径が大きな領域31、孔部3の直径が小さな領域32、孔部3の直径が大きな領域33となっている。孔部3の直径は略0.05μm〜略1.95μm程度であり、光学素子100の領域31、33では略0.25μm、領域32では略0.35μmとする。
また、図1に示すように、光学素子100は、このような孔部3が規則的に配列された格子領域4と、格子領域4を分断するように設けられた欠陥領域5とを有する。ここで、格子領域4では、孔部3のピッチは、略0.2μm〜略2.0μm程度であり、光学素子100では、略0.5μmとする。また、欠陥領域5は、格子領域4を構成する孔部3が、列状に形成されない領域である。
光学素子100では、格子領域4は、2次元的に屈折率が周期的に変動する周期構造であり、主表面2に平行な方向に伝播する光に対してフォトニックバンドギャップを有する。即ち、フォトニックバンドギャップに相当する光波長帯の光は、かかる方向には格子領域4をほとんど透過できない。このため、欠陥領域5の内部に励起された光波は、格子構造4に入り込むことができない。
一方、領域32は、その上下に形成された領域31、領域33に比べて、シリコン基板の占める体積が大きく、孔部3を満たす空気の占める体積が小さい。このため領域32は、領域31、領域33に比べて平均屈折率が大きくなる。この平均屈折率の差による全反射により、光は領域31と領域33に挟まれた領域32に閉じ込められる。
この結果、線状に設けられた欠陥領域5は、領域32の部分をコアとする光導波路として作用し、図2において、紙面に対して略垂直な方向に光を導波する。
次に、図3〜5を参照しながら、本実施の形態にかかる光学素子100の製造方法について説明する。製造方法は、以下の工程1〜3を含む。
工程1:図3に示すように、比抵抗が略100Ω・cmのn型のシリコン基板1を準備する。続いて、シリコン基板1の上に、例えば化学気相成長法により、比抵抗の異なる3種類のシリコン層11、12、13を順次形成する。ドーピング濃度を制御することにより、各シリコン層を所定の比抵抗とする。
シリコン層11、13は低抵抗層であり、比抵抗は略0.01Ω・cm〜略100Ω・cmであり、好適には、略0.5Ω・cm〜略50Ω・cmである。ここでは、5Ω・cmとする。比抵抗がかかる値より小さくなると、孔部3のエッチングが等方性となり、隣接する孔部3がつながり、光学素子100の強度が低下する。一方、比抵抗がかかる値より大きくなると、孔部3の形状が不規則となり光学素子100中での光散乱が増大する。また、シリコン層11、13の膜厚は略5μmである。
一方、シリコン層12は高抵抗層であり、比抵抗は略1.01Ω・cm〜略1000Ω・cmであり、好適には、略2Ω・cm〜略100Ω・cmである。ここでは、10Ω・cmとする。また、膜厚は略2μmである。
但し、シリコン層11、13の比抵抗に対して、シリコン層12の比抵抗が、略1.01倍〜略1000倍となるように、各層の比抵抗を選択することが必要である。かかる比抵抗の比が小さくなると、各層の間の屈折率のコントラストが低下して、光導波路や、後述する光フィルタとして、十分なフォトニックバンドギャップの効果が得られない。一方、比抵抗の比が大きくなると、孔部3のエッチングが不規則となり、光学素子100中において光が散乱するようになる。
なお、好適な比抵抗、膜厚は、シリコン層の導電型によらず略同じである。
工程2:図4に示すように、主表面2にピット35を形成する。かかるピット35は、図1に示す孔部3の配置に対応するように、周期的なパターンとして形成される。ピット35は、例えば、主表面2上に形成した酸化シリコン膜や窒化シリコン膜を電子線ビームリソグラフィ技術を用いてパターニングし、開口部を形成した後、水酸化カリウム等のアルカリ溶液に浸漬して、主表面2を異方性エッチングすることにより形成する。
工程3:図5に示すように、シリコン基板1の主表面2を、4wt%のフッ化水素酸の電解液36に接触させる。また、電解液に浸漬した電極37に対して、シリコン基板1が略1V高い電位となるように電圧を印加する。更に、シリコン基板1の裏面(主表面2と反対側)から、光38を照射する。なお、シリコン基板1、シリコン層11、12、13がp型の場合は、シリコン基板1等の中に正孔が多数キャリアとして存在するため、光38の照射をしなくても良い。
図5に示す状態では、シリコン基板1内の正孔はピット35付近に吸引され、この正孔を用いて電気化学エッチングが進行し、ピット35を出発点として孔部3の形成が始まる。
ここで、エッチングは、主に、孔部3の先端付近で行われる。また、エッチング量は、孔部3の先端付近のシリコンの比抵抗により影響を受ける。即ち、低抵抗のシリコン層では孔部3の直径は大きくなり、一方、高抵抗のシリコン層では孔部3の直径は小さくなる。
エッチングが進行して孔部3の深さが深くなると、図5に示すように、孔部3の先端は、低抵抗のシリコン層11から高抵抗のシリコン層12に移り、更には、低抵抗のシリコン層13に移る。かかるエッチング工程では、孔部3の先端付近のシリコン層の比抵抗が、5Ω・cm(シリコン層11)、10Ω・cm(シリコン層12)、5Ω・cm(シリコン層13)と順次変化する。このため、エッチングで形成される孔部3の直径も、大、小、大と変化する。即ち、深さ方向に孔部3の直径が変調され、主表面2に近い側から、孔部3の直径が大きな領域31、孔部3の直径が小さな領域32、孔部3の直径が大きな領域33から構成された孔部3が形成できる。
なお、ピットを形成せずに、酸化シリコン膜等をパターニングして形成したマスクを用いて、孔部3を形成することも可能である。
以上の工程1〜3を行うことにより、図2に示すような、光学素子100が完成する。かかる製造方法では、孔部3の、直径の異なる領域の長さ(領域31、32、33の深さ)は、シリコン層11、12、13の膜厚に対応して決まり、電解液36の温度、濃度の経時変化の影響を受けない。また、孔部3の直径も、シリコン層11、12、13の比抵抗により決まる。このため、設計通りの寸法のフォトニックバンドギャップを備え、例えば、光通信に使用される、波長が略0.6μm〜略2.0μmの光に対して、安定した光伝播特性を有する光学素子100を得ることができる。
また、製造工程における歩留まりも向上し、所望の特性を備えた光学素子100を、安価に製造することができる。
(実施の形態2)
図6は、本実施の形態にかかる、全体が200で表される光学素子の上面図である。また、図7は、図6の光学素子200の、VII−VII方向に見た場合の断面図である。図6、7中、図1、2と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
図6に示すように、光学素子200では、主表面2に略垂直な方向に形成された孔部23が、全面に均等に分布するように設けられている。また、図7に示すように、それぞれの孔部23は、直径が深さ方向に周期的に変調された形状となっている。
かかる構造の光学素子200は、平均的な屈折率を深さ方向(主表面2に垂直な方向)に周期的に変化させた光学素子と同じ効果が得られる。このため、その周期に応じたフォトニックバンドギャップが形成され、例えば光通信に使用される波長帯が略0.6μm〜略2.0μmの光を透過しない光フィルタとして作用する。
次に、本実施の形態にかかる光学素子200の製造方法について、簡単に説明する。製造方法は、以下の工程1〜3を含む。
工程1:n型のシリコン基板1を準備する。図8は、シリコン基板1の、主表面からの深さと比抵抗との関係である。図8から分かるように、シリコン基板1は、比抵抗が、極大値が略6Ω・cm、極小値が略4Ω・cm、周期が略0.5μmの正弦波状に変化するような構造となっている。深さ方向の周期は、略0.2μm〜略2.0μmの範囲の他の値に設定しても構わない。かかる構造は、例えば、供給するドーパントの量を変化させながら、CVD法でシリコン層を堆積することにより形成できる。深さ1.8μm以上のシリコン基板1の比抵抗は、略10Ω・cmで一定とした。なお、極大値、極小値は、比抵抗が正弦波状に変調された領域における比抵抗の最大値、最小値をいう。また、実施の形態1では、高比抵抗層、低比抵抗層の比抵抗をいう。
なお、シリコン基板1の比抵抗の、極小値に対する極大値の比は、実施の形態1と同様に、略1.01倍〜略1000倍となるように選択することが必要である。
工程2:実施の形態1と同様に、シリコン基板1の主表面2に、ピットを形成する。本実施の形態では、ピットは、主表面に均等に分布するように形成する。隣接するピットの距離は、略0.2〜略2.0μmの範囲で設定され、ここでは略0.5μmとする。
工程3:実施の形態1の工程3(図5)と同じ構成を用いて、シリコン基板1の主表面2を2wt%のフッ化水素酸の電解液に接触させる。更に、シリコン基板1の電位が、電解液の電位より約0.8V高くなるように電圧を印加する。また、電気化学エッチングに必要な正孔を供給するため、強度が100mW/cmの光を照射する。なお、シリコン基板1をp型とした場合は、光の照射は不要である。
かかる状態では、主表面2に設けられたピット付近に正孔が吸引され、上述の実施の形態1と同様に、電気化学エッチングが進行する。エッチング工程では、比抵抗が小さい領域ほど孔部3の直径が大きくなり、比抵抗が大きい領域ほど孔部3の直径が小さくなる。この結果、図7に示すような、比抵抗の深さ方向の分布に対応して孔部3の直径が変調された光学素子200が得られる。
かかる製造方法を用いることにより、電解液の温度等の製造条件の変動によらず、設計通りの構造の光学素子200を得ることができる。また、製造歩留まりが向上し、光学素子200を安価に製造できる。
(実施の形態3)
図9は、本実施の形態にかかる、全体が300で表される光学素子の上面図である。また、図10は、図9の光学素子300の、X−X方向に見た場合の断面図である。図9、10中、図1、2と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
図9に示すように、光学素子300では、主表面2に略垂直な方向に形成された複数の溝部6を有する。溝部6のピッチは、略0.2μm〜略2.0μmの範囲から選択される。また、図10に示すように、それぞれの溝部6は、溝幅が、深さ方向に周期的に変調された形状となっている。
かかる構造の光学素子300は、偏光の振動方向により、選択的に偏光を透過する偏光選択素子として作用する。即ち、溝幅が深さ方向に周期的に変調された構造では、平均的な屈折率が深さ方向に周期的に変動するとともに、溝部6に平行な振動方向を有する偏光と、溝部6に垂直な振動方向を有する偏光とでは、平均屈折率が異なる。このため、溝部6に平行な振動方向を有する偏光と、溝部6に垂直な振動方向を有する偏光とでは、異なる波長帯にフォトニックバンドギャップが生ずる。この結果、光を通さない波長帯が、偏光の振動方向によって異なるようになり、ある波長帯においては、一方の振動方向の偏光のみを透過するような偏光選択素子となる。
次に、本実施の形態にかかる光学素子300の製造方法について、簡単に説明する。製造方法は、以下の工程1〜3を含む。
工程1:p型のシリコン基板1を準備する。図11は、シリコン基板1の、主表面からの深さと比抵抗との関係である。図11から分かるように、シリコン基板1は、比抵抗が、極大値が略6Ω・cm、極小値が略4Ω・cm、周期が略0.5μmの正弦波状に変化するような構造となっている。深さ方向の周期は、略0.2μm〜略2.0μmの範囲の他の値に設定しても構わない。かかる構造は、例えば、供給するドーパントの量を変化させながら、CVD法でシリコン層を堆積することにより形成できる。深さ1.8μm以上のシリコン基板1の比抵抗は、徐々に大きくなり、最終的に略10Ω・cmで一定となる。
なお、シリコン基板1の比抵抗の、極小値に対する極大値の比は、実施の形態1と同様に、略1.01倍〜略1000倍となるように選択することが必要である。
工程2:シリコン基板1の主表面2に、図9に示すような、略等間隔に配置された浅い初期溝を形成する。初期溝のピッチは、略0.2μm〜略2.0μmの範囲から選択され、ここでは略0.5μmとする。初期溝は、シリコン基板1の主表面2に酸化シリコン等のマスクを形成した後、水酸化カリウム溶液を用いて主表面2を異方性エッチングして形成する。
工程3:実施の形態1の工程3(図5)と同様の構造を用いて、シリコン基板1の主表面2を5wt%のフッ化水素酸の電解液に接触させる。更に、シリコン基板1の電位が、電解液の電位より約0.8V高くなるように電圧を印加する。なお、シリコン基板1をn型とした場合は、光の照射が必要となる。
上述の実施の形態1、2の孔部3の形成と同様に、溝部6の形成においても、比抵抗の小さい領域では溝幅は大きくなり、比抵抗の大きな領域では溝幅は小さくなる。この結果、図10に示したような、比抵抗の分布に対応して溝幅が変調された構造が得られる。
かかる製造方法を用いることにより、電解液の温度等の製造条件の変動によらず、設計通りの構造の光学素子300を得ることができる。また、製造歩留まりが向上し、光学素子300を安価に製造できる。
なお、実施の形態1〜3では、シリコン基板として、n型又はp型のいずれかを用いる場合について説明したが、いずれの導電型の基板を用いてもかまわない。
産業上の利用の可能性
本発明は、設計通りの構造を有する光学素子の製造方法を提供するものであり、光導波路、光フィルタ等の光学素子の製造に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明の実施の形態1にかかる光学素子の上面図である。
図2は、本発明の実施の形態1にかかる光学素子の断面図である。
図3は、本発明の実施の形態1にかかる光学素子の製造工程の断面図である。
図4は、本発明の実施の形態1にかかる光学素子の製造工程の断面図である。
図5は、本発明の実施の形態1にかかる光学素子の製造工程の断面図である。
図6は、本発明の実施の形態2にかかる光学素子の上面図である。
図7は、本発明の実施の形態2にかかる光学素子の断面図である。
図8は、シリコン基板の主表面からの深さと比抵抗との関係である。
図9は、本発明の実施の形態3にかかる光学素子の上面図である。
図10は、本発明の実施の形態3にかかる光学素子の断面図である。
図11は、シリコン基板の主表面からの深さと比抵抗との関係である。
図12は、従来の光学素子の上面図である。
図13は、従来の光学素子の断面図である。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for manufacturing an optical element, and more particularly to a method for manufacturing an optical element comprising a semiconductor substrate having a plurality of holes or grooves.
BACKGROUND ART In recent years, optical elements such as a wavelength filter element, a polarization separation element, and an optical waveguide using a photonic band gap have been proposed. The photonic band gap is a phenomenon in which a light wave having a predetermined wavelength band depending on the period cannot exist in a periodic structure in which the refractive index varies periodically. For example, in a multilayer optical filter, when the multilayer period represented by the optical length is one-half of the wavelength of the incident light, incident light near that wavelength cannot be transmitted and is reflected, and the multilayer optical filter Acts as a filter.
FIG. 12 is a top view of an optical element denoted as a whole by 500, which is described in JP-T-11-509644. FIG. 13 is a cross-sectional view of the optical element 500 of FIG. 12 when viewed in the XII-XII direction. Optical element 500 is made of n-type silicon substrate 1 and has a plurality of holes 3 formed in a direction substantially perpendicular to main surface 2. The diameter of the hole 3 is modulated in the depth direction. From the side close to the main surface 2, the region 31 where the diameter of the hole 3 is large, the region 32 where the diameter of the hole 3 is small, and the diameter of the hole 3 again. Is a large region 33.
The optical element 500 has a lattice region 4 in which such hole portions 3 are regularly arranged, and a defect region 5 provided so as to divide the lattice region 4. Here, the defect region 5 is a region where the holes 3 constituting the lattice region 4 are not formed in a line.
In the optical element 500, the grating region 4 has a periodic structure in which the refractive index periodically changes two-dimensionally, and has a photonic band gap with respect to light propagating in a direction parallel to the main surface 2. That is, light in the wavelength band corresponding to the photonic band gap hardly transmits the grating region 4 in such a direction. For this reason, the light wave excited inside the defect region 5 cannot enter the lattice structure 4.
On the other hand, in the region 32, the volume occupied by the silicon substrate is large and the volume occupied by the air filling the hole 3 is small compared to the regions 31 and 33 formed above and below the region 32. For this reason, the area 32 has a higher average refractive index than the areas 31 and 33. The light is confined in the region 32 sandwiched between the region 31 and the region 33 by total reflection due to the difference in average refractive index.
Based on such a principle, the defect region 5 provided in a linear shape acts as an optical waveguide having the region 32 as a core, and guides light in a direction perpendicular to the paper surface in FIG.
In the method for manufacturing the optical element 500, first, an n-type silicon substrate 1 having a specific resistance of 1 Ω · cm is prepared. Subsequently, pits having a periodic pattern corresponding to the positions where the holes 3 are formed are formed on the main surface 2 of the silicon substrate 1. At this time, no pit is provided in the defect area 5.
Next, with the main surface 2 of the silicon substrate 1 in contact with the electrolyte solution of 3 wt% hydrofluoric acid, light is incident from the opposite side to the main surface 2 to generate holes in the silicon substrate 1. . Further, a voltage of 3 V is applied between the silicon substrate 1 and the electrolytic solution. As a result, holes generated in the silicon substrate 1 are attracted to the electric field concentration portion near the pit provided on the main surface 2. Electrochemical etching proceeds using these holes, and holes 3 are formed starting from the pits. By changing the light irradiation amount, the current density is sequentially changed from large to small to large. The cross-sectional area of the hole 3 formed by etching varies depending on the current density: large, small, and large. As a result, the hole 3 whose diameter is modulated in the depth direction as shown in FIG. 13 is formed.
However, in such a manufacturing method, the depth and diameter of each of the regions 31, 32, and 33 are not as designed because etching conditions such as the temperature and concentration of the electrolytic solution and the amount of light irradiation change with time. As a result, when the optical element 500 is used as an optical waveguide, there arises a problem that the photonic bandgap wavelength and the light transmission characteristics deviate from desired values. Such a problem also becomes a problem when the optical element 500 is used as a polarizing element or an optical filter.
DISCLOSURE OF THE INVENTION Accordingly, the present invention relates to an optical element manufacturing method in which the hole depth and diameter can be formed with the designed dimensions in a method for manufacturing an optical element in which the hole diameter and groove width are different in the depth direction. The purpose is to provide a manufacturing method.
That is, the present invention is a method of manufacturing an optical element that forms a plurality of etching holes whose hole widths are modulated in the depth direction from the main surface of a semiconductor substrate. A preparation step of preparing a semiconductor substrate whose specific resistance is modulated in the direction; a defining step of defining a hole forming region on the main surface of the semiconductor substrate; And an etching step of forming an etching hole by electrochemically etching the semiconductor substrate in the depth direction from the hole forming region with the substrate at a high potential.
By using this manufacturing method, an optical element having a structure as designed can be obtained regardless of variations in manufacturing conditions such as the temperature of the electrolytic solution. In addition, the manufacturing yield is improved, and the optical element can be manufactured at low cost.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-272566 describes a method of manufacturing a photonic crystal in which the diameter of a hole is periodically modulated by laminating and etching media having different etching characteristics. However, such a manufacturing method includes a step of forming a hole by RIE or the like, and a hole expanding step of expanding the diameter of the hole, and the hole is formed by only one electrochemical etching as in the present invention. This is different from the method of forming an etching hole having a modulated width.
The preparatory step may be a step of preparing a semiconductor substrate including a low specific resistance layer, a high specific resistance layer, and a low specific resistance layer in this order from the main surface of the semiconductor substrate in the depth direction.
Further, the preparation step may be a step of preparing a semiconductor substrate whose specific resistance is modulated in a sine wave shape in the depth direction from the main surface of the semiconductor substrate.
The preparatory step is a step of preparing a semiconductor substrate in which the ratio of the maximum value to the minimum value of the modulated specific resistance is approximately 1.01 or more and approximately 1000 or less.
The maximum value of the specific resistance is preferably about 1 Ω · cm or more and about 5000 Ω · cm or less, and the specific value of the specific resistance is preferably about 0.01 Ω · cm or more and 100 Ω · cm or less.
The defining step may be a step of forming a pit by etching a predetermined position on the main surface of the semiconductor substrate to form a hole forming region.
Further, the defining step may be a step of etching the main surface of the semiconductor substrate into a substantially parallel stripe to form a hole forming region.
The etching step may further include a step of irradiating the semiconductor substrate with light.
The cross section parallel to the main surface of the etching hole may be substantially circular.
The cross section parallel to the main surface of the etching hole may be substantially rectangular.
Best Mode for Carrying Out the Invention (Embodiment 1)
FIG. 1 is a top view of an optical element denoted as a whole by 100 according to the present embodiment. 2 is a cross-sectional view of the optical element 100 of FIG. 1 when viewed in the II direction. In FIG. 1, 2, the same code | symbol as FIG. 12, 13 shows the same or an equivalent location.
As shown in FIG. 2, the optical element 100 includes an n-type silicon substrate 1. The silicon substrate 1 includes three types of silicon layers 11, 12, and 13 having different specific resistances. The silicon layers 11 and 13 are low resistance layers, and have a specific resistance of 5 Ω · cm and a film thickness of 5 μm, for example. On the other hand, the silicon layer 12 is a high resistance layer, and has a specific resistance of 10 Ω · cm and a film thickness of 2 μm, for example. The silicon layers 11, 12, and 13 are formed by, for example, chemical vapor deposition. The silicon substrate 1 below the silicon layer 13 only needs to be conductive. For example, the specific resistance may be about 100 Ω · cm.
The optical element 100 has a plurality of holes 3 formed in a direction substantially perpendicular to the main surface 2. A region corresponding to each of the silicon layers 11, 12, and 13 is a region 31 in which the diameter of the hole 3 is large, a region 32 in which the diameter of the hole 3 is small, and a region 33 in which the diameter of the hole 3 is large. The diameter of the hole 3 is approximately 0.05 μm to approximately 1.95 μm, and is approximately 0.25 μm in the regions 31 and 33 of the optical element 100 and approximately 0.35 μm in the region 32.
As shown in FIG. 1, the optical element 100 includes a lattice region 4 in which such hole portions 3 are regularly arranged and a defect region 5 provided so as to divide the lattice region 4. Here, in the lattice region 4, the pitch of the holes 3 is approximately 0.2 μm to approximately 2.0 μm, and in the optical element 100, the pitch is approximately 0.5 μm. In addition, the defect region 5 is a region where the holes 3 constituting the lattice region 4 are not formed in a row.
In the optical element 100, the grating region 4 has a periodic structure in which the refractive index periodically changes two-dimensionally, and has a photonic band gap with respect to light propagating in a direction parallel to the main surface 2. That is, light in the optical wavelength band corresponding to the photonic band gap can hardly pass through the grating region 4 in this direction. For this reason, the light wave excited inside the defect region 5 cannot enter the lattice structure 4.
On the other hand, in the region 32, the volume occupied by the silicon substrate is large and the volume occupied by the air filling the hole 3 is small compared to the regions 31 and 33 formed above and below the region 32. For this reason, the area 32 has a higher average refractive index than the areas 31 and 33. The light is confined in the region 32 sandwiched between the region 31 and the region 33 by total reflection due to the difference in average refractive index.
As a result, the defect region 5 provided in a line shape acts as an optical waveguide having the region 32 as a core, and guides light in a direction substantially perpendicular to the paper surface in FIG.
Next, a method for manufacturing the optical element 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. The manufacturing method includes the following steps 1 to 3.
Step 1: As shown in FIG. 3, an n-type silicon substrate 1 having a specific resistance of approximately 100 Ω · cm is prepared. Subsequently, three types of silicon layers 11, 12, and 13 having different specific resistances are sequentially formed on the silicon substrate 1 by, for example, chemical vapor deposition. By controlling the doping concentration, each silicon layer has a predetermined specific resistance.
The silicon layers 11 and 13 are low resistance layers and have a specific resistance of about 0.01 Ω · cm to about 100 Ω · cm, and preferably about 0.5 Ω · cm to about 50 Ω · cm. Here, it is set to 5 Ω · cm. When the specific resistance is smaller than this value, the etching of the hole 3 becomes isotropic, the adjacent holes 3 are connected, and the strength of the optical element 100 is reduced. On the other hand, if the specific resistance is larger than this value, the shape of the hole 3 becomes irregular and light scattering in the optical element 100 increases. The film thickness of the silicon layers 11 and 13 is approximately 5 μm.
On the other hand, the silicon layer 12 is a high resistance layer and has a specific resistance of about 1.01 Ω · cm to about 1000 Ω · cm, and preferably about 2 Ω · cm to about 100 Ω · cm. Here, it is set to 10 Ω · cm. The film thickness is approximately 2 μm.
However, it is necessary to select the specific resistance of each layer so that the specific resistance of the silicon layer 12 is approximately 1.01 to 1000 times the specific resistance of the silicon layers 11 and 13. When the ratio of the specific resistance is reduced, the contrast of the refractive index between the respective layers is lowered, and a sufficient photonic band gap effect cannot be obtained as an optical waveguide or an optical filter described later. On the other hand, when the specific resistance ratio increases, the etching of the hole 3 becomes irregular, and light is scattered in the optical element 100.
Note that the preferred specific resistance and film thickness are substantially the same regardless of the conductivity type of the silicon layer.
Step 2: Pits 35 are formed on the main surface 2 as shown in FIG. The pits 35 are formed as a periodic pattern so as to correspond to the arrangement of the holes 3 shown in FIG. For example, the pit 35 is formed by patterning a silicon oxide film or a silicon nitride film formed on the main surface 2 using an electron beam lithography technique to form an opening, and then immersing the pit 35 in an alkaline solution such as potassium hydroxide. The main surface 2 is formed by anisotropic etching.
Step 3: As shown in FIG. 5, the main surface 2 of the silicon substrate 1 is brought into contact with an electrolytic solution 36 of 4 wt% hydrofluoric acid. Further, a voltage is applied to the electrode 37 immersed in the electrolytic solution so that the silicon substrate 1 has a potential approximately 1V higher. Further, light 38 is irradiated from the back surface of the silicon substrate 1 (the side opposite to the main surface 2). In the case where the silicon substrate 1 and the silicon layers 11, 12, and 13 are p-type, holes are present as majority carriers in the silicon substrate 1 and the like, and thus light 38 does not have to be irradiated.
In the state shown in FIG. 5, holes in the silicon substrate 1 are attracted to the vicinity of the pit 35, and electrochemical etching proceeds using the holes, and formation of the hole 3 starts from the pit 35.
Here, the etching is mainly performed near the tip of the hole 3. Further, the etching amount is affected by the specific resistance of silicon near the tip of the hole 3. That is, the diameter of the hole 3 is increased in the low resistance silicon layer, while the diameter of the hole 3 is decreased in the high resistance silicon layer.
When the etching progresses and the depth of the hole 3 becomes deeper, the tip of the hole 3 moves from the low resistance silicon layer 11 to the high resistance silicon layer 12 as shown in FIG. The silicon layer 13 is moved to. In such an etching process, the specific resistance of the silicon layer near the tip of the hole 3 is sequentially changed to 5 Ω · cm (silicon layer 11), 10 Ω · cm (silicon layer 12), and 5 Ω · cm (silicon layer 13). For this reason, the diameter of the hole 3 formed by etching also changes from large to small to large. That is, the diameter of the hole 3 is modulated in the depth direction, and from the side close to the main surface 2, the region 31 in which the diameter of the hole 3 is large, the region 32 in which the diameter of the hole 3 is small, and the diameter of the hole 3 is large. The hole 3 constituted by the region 33 can be formed.
The hole 3 can be formed using a mask formed by patterning a silicon oxide film or the like without forming pits.
The optical element 100 as shown in FIG. 2 is completed by performing the above processes 1-3. In such a manufacturing method, the lengths of the regions having different diameters of the hole 3 (the depths of the regions 31, 32, and 33) are determined according to the film thicknesses of the silicon layers 11, 12, and 13. Unaffected by changes in temperature and concentration over time. The diameter of the hole 3 is also determined by the specific resistance of the silicon layers 11, 12 and 13. Therefore, an optical element having a photonic band gap with dimensions as designed and having stable light propagation characteristics for light having a wavelength of about 0.6 μm to about 2.0 μm, for example, used for optical communication 100 can be obtained.
Further, the yield in the manufacturing process is improved, and the optical element 100 having desired characteristics can be manufactured at low cost.
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a top view of an optical element denoted as a whole by 200 according to the present embodiment. FIG. 7 is a cross-sectional view of the optical element 200 of FIG. 6 when viewed in the VII-VII direction. 6 and 7, the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 indicate the same or corresponding portions.
As shown in FIG. 6, in the optical element 200, the holes 23 formed in a direction substantially perpendicular to the main surface 2 are provided so as to be evenly distributed over the entire surface. Moreover, as shown in FIG. 7, each hole 23 has a shape in which the diameter is periodically modulated in the depth direction.
The optical element 200 having such a structure can obtain the same effect as an optical element in which the average refractive index is periodically changed in the depth direction (direction perpendicular to the main surface 2). For this reason, a photonic band gap corresponding to the period is formed, and for example, it acts as an optical filter that does not transmit light having a wavelength band used for optical communication of approximately 0.6 μm to approximately 2.0 μm.
Next, a method for manufacturing the optical element 200 according to the present embodiment will be briefly described. The manufacturing method includes the following steps 1 to 3.
Step 1: An n-type silicon substrate 1 is prepared. FIG. 8 shows the relationship between the depth from the main surface of the silicon substrate 1 and the specific resistance. As can be seen from FIG. 8, the silicon substrate 1 has a structure in which the specific resistance changes in a sine wave shape having a maximum value of about 6 Ω · cm, a minimum value of about 4 Ω · cm, and a period of about 0.5 μm. Yes. The period in the depth direction may be set to another value in the range of approximately 0.2 μm to approximately 2.0 μm. Such a structure can be formed, for example, by depositing a silicon layer by a CVD method while changing the amount of supplied dopant. The specific resistance of the silicon substrate 1 having a depth of 1.8 μm or more was made constant at about 10 Ω · cm. The maximum value and the minimum value are the maximum value and the minimum value of the specific resistance in the region where the specific resistance is modulated in a sine wave shape. In the first embodiment, the specific resistance of the high specific resistance layer and the low specific resistance layer is referred to.
It should be noted that the ratio of the maximum value to the minimum value of the specific resistance of the silicon substrate 1 needs to be selected so as to be approximately 1.01 to approximately 1000 times, as in the first embodiment.
Step 2: Similar to the first embodiment, pits are formed on the main surface 2 of the silicon substrate 1. In the present embodiment, the pits are formed so as to be evenly distributed on the main surface. The distance between adjacent pits is set in a range of approximately 0.2 to approximately 2.0 μm, and is approximately 0.5 μm here.
Step 3: The main surface 2 of the silicon substrate 1 is brought into contact with an electrolyte solution of 2 wt% hydrofluoric acid using the same configuration as in Step 3 (FIG. 5) of the first embodiment. Further, a voltage is applied so that the potential of the silicon substrate 1 is about 0.8 V higher than the potential of the electrolytic solution. Further, in order to supply holes necessary for electrochemical etching, light having an intensity of 100 mW / cm 2 is irradiated. If the silicon substrate 1 is p-type, light irradiation is not necessary.
In such a state, holes are attracted in the vicinity of the pits provided on the main surface 2 and the electrochemical etching proceeds as in the first embodiment. In the etching process, the diameter of the hole 3 is increased as the specific resistance is decreased, and the diameter of the hole 3 is decreased as the specific resistance is increased. As a result, an optical element 200 in which the diameter of the hole 3 is modulated corresponding to the distribution of the specific resistance in the depth direction as shown in FIG. 7 is obtained.
By using this manufacturing method, the optical element 200 having a structure as designed can be obtained regardless of variations in manufacturing conditions such as the temperature of the electrolytic solution. In addition, the manufacturing yield is improved, and the optical element 200 can be manufactured at low cost.
(Embodiment 3)
FIG. 9 is a top view of an optical element denoted as a whole by 300 according to the present embodiment. FIG. 10 is a cross-sectional view of the optical element 300 of FIG. 9 when viewed in the XX direction. 9 and 10, the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 indicate the same or corresponding portions.
As shown in FIG. 9, the optical element 300 has a plurality of grooves 6 formed in a direction substantially perpendicular to the main surface 2. The pitch of the groove 6 is selected from the range of about 0.2 μm to about 2.0 μm. Moreover, as shown in FIG. 10, each groove part 6 has a shape in which the groove width is periodically modulated in the depth direction.
The optical element 300 having such a structure acts as a polarization selection element that selectively transmits polarized light according to the vibration direction of the polarized light. That is, in the structure in which the groove width is periodically modulated in the depth direction, the average refractive index periodically varies in the depth direction, and polarized light having a vibration direction parallel to the groove portion 6 and the groove portion 6 The average refractive index is different from that of polarized light having a vertical vibration direction. For this reason, a photonic band gap occurs in different wavelength bands between polarized light having a vibration direction parallel to the groove 6 and polarized light having a vibration direction perpendicular to the groove 6. As a result, the wavelength band through which light does not pass varies depending on the vibration direction of polarized light, and in a certain wavelength band, the polarization selection element transmits only polarized light in one vibration direction.
Next, a method for manufacturing the optical element 300 according to the present embodiment will be briefly described. The manufacturing method includes the following steps 1 to 3.
Step 1: A p-type silicon substrate 1 is prepared. FIG. 11 shows the relationship between the depth from the main surface of the silicon substrate 1 and the specific resistance. As can be seen from FIG. 11, the silicon substrate 1 has a structure in which the specific resistance changes in a sine wave shape having a maximum value of about 6 Ω · cm, a minimum value of about 4 Ω · cm, and a period of about 0.5 μm. Yes. The period in the depth direction may be set to another value in the range of approximately 0.2 μm to approximately 2.0 μm. Such a structure can be formed, for example, by depositing a silicon layer by a CVD method while changing the amount of supplied dopant. The specific resistance of the silicon substrate 1 having a depth of 1.8 μm or more gradually increases and finally becomes constant at about 10 Ω · cm.
Note that the ratio of the maximum value to the minimum value of the specific resistance of the silicon substrate 1 needs to be selected so as to be approximately 1.01 times to approximately 1000 times, as in the first embodiment.
Step 2: Shallow initial grooves arranged at substantially equal intervals as shown in FIG. 9 are formed on the main surface 2 of the silicon substrate 1. The pitch of the initial grooves is selected from a range of approximately 0.2 μm to approximately 2.0 μm, and is approximately 0.5 μm here. The initial groove is formed by forming a mask such as silicon oxide on the main surface 2 of the silicon substrate 1 and then anisotropically etching the main surface 2 using a potassium hydroxide solution.
Step 3: The main surface 2 of the silicon substrate 1 is brought into contact with an electrolytic solution of 5 wt% hydrofluoric acid using the same structure as in Step 3 (FIG. 5) of the first embodiment. Further, a voltage is applied so that the potential of the silicon substrate 1 is about 0.8 V higher than the potential of the electrolytic solution. If the silicon substrate 1 is n-type, light irradiation is required.
Similar to the formation of the hole 3 in the first and second embodiments described above, also in the formation of the groove 6, the groove width is increased in a region having a small specific resistance, and the groove width is decreased in a region having a large specific resistance. As a result, a structure in which the groove width is modulated corresponding to the specific resistance distribution as shown in FIG. 10 is obtained.
By using such a manufacturing method, the optical element 300 having a structure as designed can be obtained regardless of variations in manufacturing conditions such as the temperature of the electrolytic solution. Further, the manufacturing yield is improved, and the optical element 300 can be manufactured at low cost.
In the first to third embodiments, the case where either the n-type or the p-type is used as the silicon substrate has been described, but any conductivity type substrate may be used.
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention provides a method for manufacturing an optical element having a structure as designed, and can be applied to the manufacture of optical elements such as optical waveguides and optical filters.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view of the optical element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of the optical element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view of the optical element manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of the manufacturing steps of the optical element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of the manufacturing process of the optical element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a top view of the optical element according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view of an optical element according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 8 shows the relationship between the depth from the main surface of the silicon substrate and the specific resistance.
FIG. 9 is a top view of the optical element according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a sectional view of an optical element according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 11 shows the relationship between the depth from the main surface of the silicon substrate and the specific resistance.
FIG. 12 is a top view of a conventional optical element.
FIG. 13 is a cross-sectional view of a conventional optical element.

Claims (7)

半導体基板の主表面から深さ方向に、孔幅が変調された複数のエッチング孔を形成する光学素子の製造方法であって、
主表面を有し、該主表面から深さ方向に比抵抗が変調された半導体基板を準備する準備工程と、
該半導体基板の該主表面上に、孔部形成領域を規定する規定工程と、
該主表面を電解液に浸し、該電解液に対して該半導体基板を高電位として、該孔部形成領域から該半導体基板を深さ方向に電気化学エッチングして、エッチング孔を形成するエッチング工程とを含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
A method of manufacturing an optical element that forms a plurality of etching holes whose hole widths are modulated in a depth direction from a main surface of a semiconductor substrate,
A preparation step of preparing a semiconductor substrate having a main surface and having a specific resistance modulated in a depth direction from the main surface;
A defining step for defining a hole forming region on the main surface of the semiconductor substrate;
An etching process in which the main surface is immersed in an electrolytic solution, the semiconductor substrate is set to a high potential with respect to the electrolytic solution, and the semiconductor substrate is electrochemically etched in the depth direction from the hole forming region to form an etching hole. The manufacturing method of the optical element characterized by the above-mentioned.
上記準備工程が、該半導体基板の該主表面から深さ方向に、低比抵抗層、高比抵抗層、低比抵抗層を順に含む半導体基板を準備する工程であることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。The step of preparing is a step of preparing a semiconductor substrate including a low specific resistance layer, a high specific resistance layer, and a low specific resistance layer in order from the main surface of the semiconductor substrate in a depth direction. 2. The production method according to 1. 上記準備工程が、該半導体基板の該主表面から深さ方向に、上記比抵抗が正弦波状に変調された半導体基板を準備する工程であることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 1, wherein the preparation step is a step of preparing a semiconductor substrate in which the specific resistance is modulated in a sine wave shape in a depth direction from the main surface of the semiconductor substrate. 上記準備工程が、変調された上記比抵抗の極小値に対する極大値の比が、略1.01以上で略1000以下である半導体基板を準備する工程であることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。2. The step of preparing the semiconductor substrate according to claim 1, wherein the preparing step is a step of preparing a semiconductor substrate having a ratio of a maximum value to a minimum value of the modulated specific resistance being approximately 1.01 or more and approximately 1000 or less. Manufacturing method. 上記比抵抗の極大値が、略1Ω・cm以上で略5000Ω・cm以下であり、該比抵抗の極小値が、略0.01Ω・cm以上で100Ω・cm以下であることを特徴とする請求項4に記載の製造方法。The maximum value of the specific resistance is about 1 Ω · cm or more and about 5000 Ω · cm or less, and the minimum value of the specific resistance is about 0.01 Ω · cm or more and 100 Ω · cm or less. Item 5. The production method according to Item 4. 上記規定工程が、上記半導体基板の上記主表面の所定の位置をエッチングしてピットを形成し、上記孔部形成領域とする工程であることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。2. The manufacturing method according to claim 1, wherein the defining step is a step of forming a pit by etching a predetermined position on the main surface of the semiconductor substrate to form the hole forming region. 上記規定工程が、上記半導体基板の上記主表面を略平行なストライプ状にエッチングし、上記孔部形成領域とする工程であることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 1, wherein the defining step is a step of etching the main surface of the semiconductor substrate into a substantially parallel stripe shape to form the hole forming region.
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