(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光が透過する少なくともシリコン酸化物からなるブロックを有する光学素子の製造方法において、
シリコン酸化物からなる複数の構造体が、各構造体間に間隙を隔ててシリコン基板の基板面上に並設された状態を作り出す第１工程と、
所定の化合物が溶解された超臨界流体を各構造体間の各間隙に流し込み、各間隙が前記所定の化合物より生じた生成物によって埋め込まれた状態にすることにより前記ブロックを形成する第２工程とを有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２】
光が透過する少なくともシリコン酸化物からなるブロックを有する光学素子の製造方法において、
シリコン酸化物からなる複数の構造体が、各構造体間に間隙を隔ててシリコン基板の内部において並設された状態を作り出す第１工程と、
所定の化合物が溶解された超臨界流体を各構造体間の各間隙に流し込み、各間隙が前記所定の化合物より生じた生成物によって埋め込まれた状態にする第２工程と、
前記生成物によって埋め込まれた状態の前記各構造体からなる部分の周辺部を除去することにより前記ブロックを形成する第３工程とを有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項３】
前記第３工程では、前記各構造体からなる部分の周辺部を除去する処理を前記シリコン基板の基板面から行い、除去された領域の下部が前記各構造体と同等の深さになったときに前記処理を停止することを特徴とする請求項２に記載の光学素子の製造方法。
【請求項４】
前記第３工程は、エッチングにより前記周辺部を除去する工程であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の光学素子の製造方法。
【請求項５】
前記エッチングは異方性エッチングであることを特徴とする請求項４に記載の光学素子の製造方法。
【請求項６】
前記異方性エッチングは、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）水溶液を用いた異方性エッチングであることを特徴とする請求項５に記載の光学素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１工程では、パターニングしたマスクを用いてシリコン基板をエッチングすることにより前記複数の構造体を形成することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法。
【請求項８】
前記第１工程では、深くなるにつれて幅が狭くなる間隙が形成されるように、シリコン酸化物からなる複数の構造体が、各構造体間に間隙を隔てて並設された状態を作り出すことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法。
【請求項９】
前記第１工程では、底部から上部に向かう途中から次第に幅広になり、最上部が最も幅広となる間隙が形成されるように、シリコン酸化物からなる複数の構造体が、各構造体間に間隙を隔てて並設された状態を作り出すことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法。
【請求項１０】
前記第１工程では、前記各構造体を、それぞれ薄肉の板状で、かつ、それぞれ光軸方向に延びる長手方向の側面が前記間隙の壁面となるように形成することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第１工程では、前記間隙がシリコン酸化物で埋まらないように、シリコンからなる複数の構造体を熱酸化することにより前記シリコン酸化物からなる複数の構造体を形成することを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第１工程では、熱酸化により前記間隙がシリコン酸化物で埋まらないように、前記シリコンからなる各構造体の幅および各間隙の幅を設定することを特徴とする請求項１１に記載の光学素子の製造方法。
【請求項１３】
前記生成物は、前記所定の化合物が化学変化することにより生成されることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法。
【請求項１４】
前記生成物は、前記所定の化合物が分解することにより生成されることを特徴とする請求項１３に記載の光学素子の製造方法。
【請求項１５】
前記化合物は、有機化合物であることを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法。
【請求項１６】
前記生成物は、シリコン酸化物であることを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法。
【請求項１７】
前記生成物は、シリコン酸化物により形成された物と同等の屈折率を有する物を形成可能な生成物であることを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法。
【請求項１８】
前記化合物は、ＴＭＯＳ（テトラメトキシシラン）であることを特徴とする請求項１５に記載の光学素子の製造方法。
【請求項１９】
前記生成物は、フッ化カルシウムであることを特徴とする請求項１７に記載の光学素子の製造方法。
【請求項２０】
前記生成物は、フッ化マグネシウムであることを特徴とする請求項１７に記載の光学素子の製造方法。
【請求項２１】
前記生成物は、アルミナであることを特徴とする請求項１７に記載の光学素子の製造方法。
【請求項２２】
前記基板面の面方位が（１１０）であることを特徴とする請求項１ないし請求項２１のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法。
【請求項２３】
前記第１工程では、前記シリコン基板を反応性イオンエッチングすることによりトレンチ状の前記各間隙を形成し、各構造体間に前記間隙が隔てられたシリコン酸化物からなる複数の構造体を形成することを特徴とする請求項１ないし請求項２２のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法。
【請求項２４】
前記超臨界流体の主成分が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１ないし請求項２３のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法。
【請求項２５】
前記ブロックがマイクロレンズであることを特徴とする請求項１ないし請求項２４のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法。
【請求項２６】
前記ブロックが光導波路であることを特徴とする請求項１ないし請求項２４のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法。
【請求項２７】
前記ブロックがプリズムであることを特徴とする請求項１ないし請求項２４のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法。
【請求項２８】
前記ブロックとして、マイクロレンズ、光導波路およびプリズムのうちの１つを複数同時に製造することを特徴とする請求項１ないし請求項２４のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法。
【請求項２９】
前記ブロックとして、マイクロレンズ、光導波路およびプリズムのうち少なくとも２つを同時に製造することを特徴とする請求項１ないし請求項２４のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法。
【請求項３０】
前記ブロックとして、マイクロレンズ、光導波路およびプリズムのうち少なくとも２つをそれぞれ複数ずつ同時に製造することを特徴とする請求項１ないし請求項２４のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は、先の出願においてマイクロレンズなどの光学素子の製造方法を提案した（特許文献１）。この製造方法では、シリコン基板をトレンチエッチングしてトレンチを多数並設し、熱酸化により各トレンチ内をシリコン酸化物で埋めるとともに、各トレンチ間のシリコン層をシリコン酸化物に置き換えることにより、シリコン基板と一体的なマイクロレンズを作る。
【特許文献１】特開２００４−２７１７５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、その後の検討により、次のことが分かった。各トレンチは、レジストマスクに基づいてパターニングしたエッチングマスクを用いてシリコン基板をＤ−ＲＩＥ（ディープ反応性イオンエッチング）で加工して形成するが、レジストマスク作成、エッチングマスク作成およびトレンチ加工においてそれぞれ発生するばらつきに起因して、トレンチの幅がばらつくため、熱酸化によりトレンチ内部をシリコン酸化物で隙間無く埋めることができないおそれのあることが分かった。
例えば、半導体フォトリソグラフィによりレジストマスクを作成するときは、例えば、２μｍの溝幅に対して０．２μｍ程度のばらつきが発生する。また、エッチングマスクを作成するときは、トレンチに対応した溝の幅が、例えば、０．１〜０．２μｍばらつく。さらに、エッチングマスクを用いてトレンチを加工するときに、トレンチの幅が、例えば０．１〜０．２μｍばらつく。
このような加工時のばらつきに起因して、トレンチ内部に隙間が残ると、回折現象が発生し、回折光が本来の集光、屈折方向とは異なる方向に進む、また界面で反射が起きるなどして光が散乱されるため、実質の透過効率が低下するおそれがある。
【０００４】
なお、ｓｏｌ−ｇｅｌ法に代表される液相を使った方法では、液体の粘度が高いために高アスペクト比のトレンチ内に液体を浸入させることが困難である。また、ＣＶＤに代表される気相法では、トレンチの埋め込みは可能であるが、成膜速度を大幅に下げなければならない。さらに、スパッタリングや蒸着に代表される物理成膜法では、トレンチ内の側壁が陰になるため、トレンチを埋め込むことが困難である。
特に、アスペクト比が１０を超えるような高アスペクト比のトレンチに対して上記の各方法を適用すると、先にトレンチの開口部分が狭くなってしまい、トレンチ内に隙間が残るという問題がある。図２７は、トレンチ内に隙間が残った状態を示す模式図である。シリコン基板３０に形成されたトレンチ３１の内壁面にシリコン酸化膜３２が形成されているが、開口部分がシリコン酸化膜３２で狭くなり、トレンチ３１内へのシリコン酸化物の供給が困難となり、トレンチ３１内に隙間３３が残ってしまう。
以上のように、本出願人が先に提案した方法および他の方法では、トレンチ内部に隙間が残るおそれのあることが分かった。
【０００５】
この発明は、上記の問題を解決するため、トレンチ内部に隙間が残らないようにすることができる光学素子の製造方法を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、光が透過する少なくともシリコン酸化物からなるブロック（３）を有する光学素子（２０）の製造方法において、シリコン酸化物からなる複数の構造体（１４）が、各構造体間に間隙（１１）を隔ててシリコン基板（１）の基板面上に並設された状態を作り出す第１工程と、所定の化合物（１５）が溶解された超臨界流体を各構造体間の各間隙に流し込み、各間隙が前記所定の化合物より生じた生成物によって埋め込まれた状態にすることにより前記ブロックを形成する第２工程とを有することを特徴としている。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、光が透過する少なくともシリコン酸化物からなるブロック（３）を有する光学素子（２０）の製造方法において、シリコン酸化物からなる複数の構造体（１４）が、各構造体間に間隙（１１）を隔ててシリコン基板（１）の内部において並設された状態を作り出す第１工程と、所定の化合物（１５）が溶解された超臨界流体を各構造体間の各間隙に流し込み、各間隙が前記所定の化合物より生じた生成物によって埋め込まれた状態にする第２工程と、前記生成物によって埋め込まれた状態の前記各構造体からなる部分の周辺部を除去することにより前記ブロックを形成する第３工程とを有することを特徴としている。
【０００８】
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の光学素子の製造方法において、前記第３工程では、前記各構造体からなる部分の周辺部を除去する処理を前記シリコン基板の基板面から行い、除去された領域の下部が前記各構造体と同等の深さになったときに前記処理を停止することを特徴としている。
【０００９】
請求項４に記載の発明では、請求項２または請求項３に記載の光学素子の製造方法において、前記第３工程は、エッチングにより前記周辺部を除去する工程であることを特徴としている。
【００１０】
請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の光学素子の製造方法において、前記エッチングは異方性エッチングであることを特徴としている。
【００１１】
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の光学素子の製造方法において、前記異方性エッチングは、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）水溶液を用いた異方性エッチングであることを特徴としている。
【００１２】
請求項７に記載の発明では、請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法において、前記第１工程では、パターニングしたマスクを用いてシリコン基板をエッチングすることにより前記複数の構造体を形成することを特徴としている。
【００１３】
請求項８に記載の発明では、請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法において、前記第１工程では、深くなるにつれて幅が狭くなる間隙が形成されるように、シリコン酸化物からなる複数の構造体が、各構造体間に間隙を隔てて並設された状態を作り出すことを特徴としている。
【００１４】
請求項９に記載の発明では、請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法において、前記第１工程では、底部から上部に向かう途中から次第に幅広になり、最上部が最も幅広となる間隙が形成されるように、シリコン酸化物からなる複数の構造体が、各構造体間に間隙を隔てて並設された状態を作り出すことを特徴としている。
【００１５】
請求項１０に記載の発明では、請求項１ないし請求項９のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法において、前記第１工程では、前記各構造体を、それぞれ薄肉の板状で、かつ、それぞれ光軸方向に延びる長手方向の側面が前記間隙の壁面となるように形成することを特徴としている。
【００１６】
請求項１１に記載の発明では、請求項１ないし請求項１０のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法において、前記第１工程では、前記間隙がシリコン酸化物で埋まらないように、シリコンからなる複数の構造体を熱酸化することにより前記シリコン酸化物からなる複数の構造体を形成することを特徴としている。
【００１７】
請求項１２に記載の発明では、請求項１１に記載の光学素子の製造方法において、前記第１工程では、熱酸化により前記間隙がシリコン酸化物で埋まらないように、前記シリコンからなる各構造体の幅および各間隙の幅を設定することを特徴としている。
【００１８】
請求項１３に記載の発明では、請求項１ないし請求項１２のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法において、前記生成物は、前記所定の化合物が化学変化することにより生成されることを特徴としている。
【００１９】
請求項１４に記載の発明では、請求項１３に記載の光学素子の製造方法において、前記生成物は、前記所定の化合物が分解することにより生成されることを特徴としている。
【００２０】
請求項１５に記載の発明では、請求項１ないし請求項１４のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法において、前記化合物は、有機化合物であることを特徴としている。
【００２１】
請求項１６に記載の発明では、請求項１ないし請求項１５のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法において、前記生成物は、シリコン酸化物であることを特徴としている。
【００２２】
請求項１７に記載の発明では、請求項１ないし請求項１５のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法において、前記生成物は、シリコン酸化物により形成された物と同等の屈折率を有する物を形成可能な生成物であることを特徴としている。
【００２３】
請求項１８に記載の発明では、請求項１５に記載の光学素子の製造方法において、前記化合物は、ＴＭＯＳ（テトラメトキシシラン）であることを特徴としている。
【００２４】
請求項１９に記載の発明では、請求項１７に記載の光学素子の製造方法において、前記生成物は、フッ化カルシウムであることを特徴としている。
【００２５】
請求項２０に記載の発明では、請求項１７に記載の光学素子の製造方法において、前記生成物は、フッ化マグネシウムであることを特徴としている。
【００２６】
請求項２１に記載の発明では、請求項１７に記載の光学素子の製造方法において、前記生成物は、アルミナであることを特徴としている。
【００２７】
請求項２２に記載の発明では、請求項１ないし請求項２１のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法において、前記基板面の面方位が（１１０）であることを特徴としている。
【００２８】
請求項２３に記載の発明では、請求項１ないし請求項２２のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法において、前記第１工程では、前記シリコン基板を反応性イオンエッチングすることによりトレンチ状の前記各間隙を形成し、各構造体間に前記間隙が隔てられたシリコン酸化物からなる複数の構造体を形成することを特徴としている。
【００２９】
請求項２４に記載の発明では、請求項１ないし請求項２３のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法において、前記超臨界流体の主成分が二酸化炭素であることを特徴としている。
【００３０】
請求項２５に記載の発明では、請求項１ないし請求項２４のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法において、前記ブロックがマイクロレンズであることを特徴としている。
【００３１】
請求項２６に記載の発明では、請求項１ないし請求項２４のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法において、前記ブロックが光導波路であることを特徴としている。
【００３２】
請求項２７に記載の発明では、請求項１ないし請求項２４のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法において、前記ブロックがプリズムであることを特徴としている。
【００３３】
請求項２８に記載の発明では、請求項１ないし請求項２４のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法において、前記ブロックとして、マイクロレンズ、光導波路およびプリズムのうちの１つを複数同時に製造することを特徴としている。
【００３４】
請求項２９に記載の発明では、請求項１ないし請求項２４のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法において、前記ブロックとして、マイクロレンズ、光導波路およびプリズムのうち少なくとも２つを同時に製造することを特徴としている。
【００３５】
請求項３０に記載の発明では、請求項１ないし請求項２４のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法において、前記ブロックとして、マイクロレンズ、光導波路およびプリズムのうち少なくとも２つをそれぞれ複数ずつ同時に製造することを特徴としている。
【００３６】
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。
【発明の効果】
【００３７】
（請求項１に係る発明の効果）
超臨界流体は、気体の性質（拡散性）と、液体の性質（溶解性）とを有し、かつ、その密度を連続して大幅に変化できる特長を持っている。
したがって、所定の化合物が溶解された超臨界流体を、シリコン基板の基板面上に並設されたシリコン酸化物からなる各構造体間の各間隙に流し込むと、気体の性質を持つ超臨界流体は狭い間隙にも入り込み、各間隙内を上記所定の化合物より生じた生成物で成膜することにより、各間隙がその生成物によって隙間なく埋め込まれた状態のブロックを形成することができる。
つまり、隙間による回折現象が発生して効率が低下するおそれのない光学素子を製造することができる。
また、超臨界流体は、ＣＶＤに代表される気相法に比べて密度が高いため、成膜材料（所定の化合物）を高濃度に溶かし込めるので、大量の成膜材料を短時間で各間隙内に供給することができる。
従って、気相法よりも短い時間で各間隙を上記の生成物で埋め込むことができる。
【００３８】
（請求項２に係る発明の効果）
超臨界流体は、気体の性質（拡散性）と、液体の性質（溶解性）とを有し、かつ、その密度を連続して大幅に変化できる特長を持っている。
したがって、所定の化合物が溶解された超臨界流体を、シリコン基板の内部において並設されたシリコン酸化物からなる各構造体間の各間隙に流し込むと、気体の性質を持つ超臨界流体は狭い間隙にも入り込み、各間隙内を上記所定の化合物より生じた生成物で成膜することにより、各間隙をその生成物によって隙間なく埋めることができる。そして、各構造体からなる部分の周辺部を除去することにより、各間隙が上記生成物によって隙間なく埋め込まれた状態のブロックを形成することができる。
つまり、隙間による回折現象が発生して効率が低下するおそれのない光学素子を製造することができる。
また、超臨界流体は、ＣＶＤに代表される気相法に比べて密度が高いため、成膜材料（所定の化合物）を高濃度に溶かし込めるので、大量の成膜材料を短時間で各間隙内に供給することができる。
従って、気相法よりも短い時間で各間隙を上記の生成物で埋め込むことができる。
【００３９】
また、各間隙は、請求項２３に記載するように、シリコン基板を反応性イオンエッチングすることによりトレンチ状に形成することができる。例えば、エッチング性ガスのプラズマによりシリコン基板をエッチングするエッチングステップと、堆積性ガスのプラズマによりトレンチ内部に側壁保護膜を形成する保護膜形成ステップとを切り替えながら交互に繰り返すことによって高アスペクト比のトレンチを形成することができる。
ＣＶＤによってシリコン酸化物層を堆積する手法では、堆積であるがために、レンズ層の厚さは１０μｍ程度が限界であるが、高アスペクト比のトレンチエッチング法により１００μｍ以上の厚さのレンズ層を形成でき、レンズとして実用的な、より立体的なレンズ、例えばシリンドリカルレンズを形成することができる。
【００４０】
（請求項３ないし請求項７に係る発明の効果）
請求項３に係る発明によれば、第３工程において、各構造体からなる部分の周辺部を除去する処理をシリコン基板の基板面から行い、除去された領域の下部が各構造体と同等の深さになったときに上記処理を停止することにより、各構造体の深さと同等の高さを有するブロックをシリコン基板の基板面上に形成することができる。
特に、請求項４に係る発明によれば、各構造体からなる部分の周辺部をエッチングにより除去することができる。
特に、請求項５に係る発明によれば、各構造体からなる部分の周辺部を異方性エッチングにより除去することができる。つまり、等方性エッチングでは、横方向にも加工が進むため、ブロック以外の周辺部の形状を設計通りに加工できないが、異方性エッチングを使うことで、基板垂直方向にのみエッチングが進むため、ブロックの外周面を正確に目標の形状にすることができる。
例えば、異方性エッチングは、請求項６に記載するように、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）水溶液を用いれば、安価かつ容易に異方性エッチングを行うことができる。
また、請求項７に記載するように、パターニングしたマスクを用いてシリコン基板をエッチングすることにより複数の構造体を形成する手法を用いれば、マスクパターンを変えることにより、各構造体の形状や配置を変えることができるため、形状に関する設計自由度の高い光学素子を実現することができる。例えば、ＮＡの大きいレンズや非球面のレンズ形状を得ることができる。
【００４１】
（請求項８および請求項９に係る発明の効果）
各構造体間の間隙は、請求項８に係る発明のように、深くなるにつれて幅が狭くなるように形成することができる。また、請求項９に係る発明のように、底部から上部に向かう途中から次第に幅広になり、最上部が最も幅広となるように形成することができる。
つまり、間隙の上部を幅広に形成することにより、超臨界流体に溶解された化合物より生じた生成物によって各間隙を埋め込む処理を行う際に、間隙に成膜された生成物によって間隙の上部が狭くなってしまうおそれがないため、間隙内部に埋め残しが発生するおそれがない。
【００４２】
（請求項１０に係る発明の効果）
第１工程では、各構造体を、それぞれ薄肉の板状で、かつ、それぞれ光軸方向に延びる長手方向の側面が間隙の壁面となるように形成するため、光の通過する方向とのなす角が構造体と空気層との間の全反射角以内にすることができ、光の散乱などによる光の透過が低下するのを抑制することができる。
【００４３】
（請求項１１に係る発明の効果）
第１工程では、間隙がシリコン酸化物で埋まらないように、シリコンからなる複数の構造体を熱酸化することによりシリコン酸化物からなる複数の構造体を形成するため、各構造体間に残った間隙に超臨界流体を流し込むことにより、各間隙が少なくとも所定の化合物より生じた生成物を有する物質によって隙間なく埋め込まれた状態のブロックを形成することができる。
【００４４】
（請求項１２に係る発明の効果）
第１工程では、熱酸化により間隙がシリコン酸化物で埋まらないように、シリコンからなる各構造体の幅および各間隙の幅を設定するため、間隙がシリコン酸化物で中途半端に埋まることにより、間隙内に開口部の狭い部分や閉塞部などが形成され、超臨界流体が間隙内に十分流入できなかったり、流入不能となってしまうおそれがない。
【００４５】
（請求項１３に係る発明の効果）
超臨界流体に溶かし込んだ化合物を化学変化により超臨界流体に対して溶解しにくい物質とし、前記間隙内に成膜可能にすることができる。
【００４６】
（請求項１４に係る発明の効果）
化学変化では複数の物質が反応しあって別の物質となる場合と、分解によって別の物質となる場合があるが、分解を用いればひとつの物質でも成膜可能となる。この場合、超臨界流体に溶かし込む化合物の数を減らすことができる。化合物の分解は、加熱等により容易に可能である。
【００４７】
（請求項１５に係る発明の効果）
超臨界流体に溶かし込む化合物に有機化合物を用いれば、溶解性に優れ、また加熱により分解されやすいので、平易な成膜が可能となる。
【００４８】
（請求項１６および請求項１７に係る発明の効果）
シリコン酸化物が溶解された超臨界流体を各構造体間の間隙に流し込むことにより、各間隙がシリコン酸化物で隙間なく埋め込まれたブロックを形成することができる。
したがって、全体がシリコン酸化物で形成されたブロックを得ることができるため、シリコン酸化物と同等の屈折率を有する光学素子を実現することができる。
また、請求項１７に係る発明のように、シリコン酸化物により形成された物と同等の屈折率を有する物を形成可能な化合物を超臨界流体に溶解することにより、その化合物より生じた生成物によって各間隙を隙間なく埋め込むこともできる。
【００４９】
（請求項１８に係る発明の効果）
ＴＭＯＳ（テトラメトキシシラン）であれば、超臨界流体への溶解性に優れ、また分解温度も低いことから、平易な成膜を実現できる。
【００５０】
（請求項１９に係る発明の効果）
シリコン酸化物の屈折率1.45に対し、フッ化カルシウムの屈折率は1.43であり、ほぼ同等の屈折率を得ることができる。
【００５１】
（請求項２０に係る発明の効果）
シリコン酸化物の屈折率1.45に対し、フッ化マグネシウムの屈折率は1.38であり、ほぼ同等の屈折率を得ることができる。
【００５２】
（請求項２１に係る発明の効果）
シリコン酸化物の屈折率1.45に対し、アルミナの屈折率は1.58〜1.60であり、ほぼ同等の屈折率を得ることができる。
【００５３】
（請求項２２に係る発明の効果）
基板面の面方位が（１１０）であるため、その異方性によって、各間隙の壁面（各構造体の側面）を垂直にエッチングされたものにできる。
【００５４】
（請求項２４に係る発明の効果）
二酸化炭素は、例えば水と比較して臨界温度および臨界圧力が低く、臨界状態になり易く、制御し易い性質を有することから、主成分が二酸化炭素の超臨界流体を用いる。
【００５５】
（請求項２５ないし請求項３０に係る発明の効果）
請求項１ないし請求項２４のいずれか１つに記載の光学素子の製造方法を用いれば、各構造体間に隙間が残らず、回折現象により効率が低下することのないマイクロレンズ、または、光導波路、または、プリズムを製造することができる。また、それらのうちの１つを複数同時に製造することができ、それらのうち少なくとも２つを、あるいは、それら少なくとも２つをそれぞれ複数ずつ同時に製造することができる。これらのように、複数の光学素子を同時に形成する場合は、各光学素子の各ブロックの光軸が一致するようにシリコン基板に作り込むことにより、素子形成後の光軸合わせが不要となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
＜第１実施形態＞
この発明の実施形態に係る光学素子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、光学素子としてマイクロレンズを備えた光学素子を代表にして説明する。図１は、この実施形態に係る光学素子の製造方法により製造された光学素子の斜視図である。図２は図１に示す光学素子の説明図であり、（ａ）は図１に示す光学素子の平面図、図２（ｂ）は図１のＡ−Ａ矢視断面図を示す。
【００５７】
［光学素子の主要構造］
この実施形態の光学素子２０は、シリコン基板１に形成された凹部２の内部底面にマイクロレンズ３を配置して構成されている。図２に示すように、この実施形態では、マイクロレンズ３は、平坦な入射面３ａと、凸面よりなる出射面３ｂとを有する平凸型のシリンドリカルレンズである。また、シリコン基板１の基板面の面方位は（１１０）である。
シリコン基板１の凹部２の内部底面から、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）よりなる薄肉で板状の複数の柱構造体４が隣接した状態で立設されており、各柱構造体４の間は、シリコン酸化物による埋め込み層１５によって隙間なく埋め込まれている。柱構造体４および埋め込み層１５は、シリコン基板１と一体的に形成されている。つまり、複数の柱構造体４および複数の埋め込み層１５からなるシリコン酸化物ブロックによりマイクロレンズ３が構成されている。
図２に示すように、各柱構造体４および埋め込み層１５の各下面は、それぞれ下面が下方に膨らんだ円弧面となっている。シリコン酸化物ブロック（マイクロレンズ３）は、シリコン基板１と接着剤を介さずに、微小な凹凸形状の境界面で接続されている。つまり、シリコン酸化物ブロック（マイクロレンズ３）が、シリコン基板１の凹部２の内部底面から、シリコン基板１との境界面である下面が水平方向に連続する凹凸形状を有する状態で立設され、このシリコン基板１と一体的に形成したシリコン酸化物ブロック（マイクロレンズ３）に光を透過させる構造となっている。
【００５８】
また、シリコン酸化物からなる複数の柱構造体４は、図２に示すように、シリコン基板１の凹部２の内部底面において光軸に対し平行に延設されている。これにより、柱構造体４の延設方向が光の通過する方向と平行になり、光の通過する方向とのなす角がシリコン酸化物と空気層との間の全反射角以内にすることができ、光の散乱等による光の透過が低下するのを抑制することができる。シリコン基板１と一体的に形成したシリコン酸化物ブロックであるマイクロレンズ３は、その下に当該シリコン酸化物ブロックと同形状のシリコン基板１からなる連結部（台座部）５を有している。また、凹部２の内部においてシリコン基板１と一体的に形成したマイクロレンズ３（シリコン酸化物ブロック）は、その周囲に空隙６が在る状態で配置されている。これにより、シリコン酸化物ブロックと、その外方のシリコン基板とを完全に分離することができ、製造時に座屈を回避することができる（詳細は後述する）。この実施形態では、図２に示すように、マイクロレンズ３（シリコン酸化物ブロック）は、上下方向の厚さ（高さＨ）が１０μｍ以上、具体的には１００μｍ程度である。また、マイクロレンズ３の水平方向の幅Ｗは５００μｍ程度である。
【００５９】
また、このマイクロレンズ３は、シリコン基板１と接着層を介さずに接続する構造をとるため、放熱特性に優れる。例えば、高出力レーザ７のコリメート用に用いる場合を想定すると、マイクロレンズ３のサイズが小さいため、当該光学素子２０の縦断面図である図１０に示すように、レーザの広がり角を９０°とした場合、高出力レーザ７の発光端とレンズ３の距離Ｌ（図２参照）として１００μｍ程度とする。つまり、高出力レーザ７の発光端にレンズの出射面３ｂを１００μｍ程度まで近づけて設置することになる。この場合、レーザ光の熱を吸収してマイクロレンズ自体の温度が上がる懸念があるが、本マイクロレンズ３の場合、ガラスに比べて熱伝導性が著しく高いシリコン基板１に接続しているため、シリコン基板１側に熱が逃げるので、マイクロレンズの温度が上がり難いというメリットがある。
【００６０】
［光学素子の製造方法］
次に、上記構造の光学素子２０の製造方法を説明する。
図３は、シリコン基板の基板面に酸化膜マスクが配置された状態を示す平面図であり、図４は、図３のＡ−Ａ矢視断面図である。図５は、図３の状態からトレンチが形成された状態を示す平面図であり、図６は、図５のＡ−Ａ矢視断面図である。図７は、図６の状態から酸化膜マスクが除去された状態を示す断面図である。図８は、図７の状態から熱酸化を行った状態を示す断面図である。図９は、トレンチがシリコン酸化物で埋め込まれた状態を示す断面図である。
【００６１】
（トレンチの形成）
まず、図３，４に示すように、シリコン基板１の基板面上に酸化膜マスク１０を用いてマイクロレンズ形状のパターニングを行う。酸化膜マスク１０には、次のエッチング工程において形成されるトレンチの形状に対応した開口部１０ａが複数形成されている。
そして、図５，６に示すように、酸化膜マスク１０の各開口部１０ａからエッチングを行い、トレンチ１１を形成する。つまり、パターニングした酸化膜マスク１０を用いてシリコン基板１を基板面からトレンチエッチングして一定の幅のトレンチ１１を一定の間隔で多数並設する。例えば、エッチングの手法として反応性イオンエッチングを用いる。そして、エッチング性ガスのプラズマによりシリコン基板１をエッチングするエッチングステップと、堆積性ガスのプラズマによりトレンチ内部に側壁保護膜を形成する保護膜形成ステップとを切り替えながら交互に繰り返すことによって高アスペクト比（例えば、アスペクト比６０）のトレンチを形成する。
【００６２】
図５，６に示すトレンチエッチングを行う際に、規定されたトレンチ幅（以下、抜き幅と呼ぶ）に対して、より深いトレンチ１１を形成して立体的なレンズ形状を得るためには、高アスペクト比（深さ/幅）のトレンチを形成する必要がある。
そこで、特開２０００−２９９３１０号公報のエッチング技術を利用して、形成したトレンチ１１の内面（側面と底面）に保護酸化膜を形成し、底面の酸化膜を反応性イオンエッチングにて除去し、この底面から引き続きシリコン基板１のエッチングを行うというように保護酸化膜の形成工程とトレンチ底部のエッチング工程を繰り返し行う。これにより、アスペクト比「６０」程度まで断面プロファイルが極めて垂直なトレンチが得られる。このように、トレンチエッチングは、反応性イオンエッチングにてトレンチ１１を形成し、このトレンチ内壁に保護用酸化膜を形成し、さらに、トレンチ底部の保護用酸化膜をエッチングした後にトレンチ１１の底部から反応性イオンエッチングによりトレンチを更に深くすることにより、アスペクト比の高いトレンチを形成することができる。
【００６３】
図１４（ａ），（ｂ）は、トレンチの変更例を示す説明図である。図１４（ａ）に示すように、深くなるにつれて幅が狭くなる順テーパ形状のトレンチ１１を形成してもよいし、図１４（ｂ）に示すように、底部から上部に向かう途中までは同じ幅で形成され、その途中から次第に幅が広くなる幅広部１１ａを有し、最上部が最も幅広となるトレンチ１１を形成してもよい。例えば、保護用酸化膜を厚く残すように制御することにより、テーパ形状の部分を作ることができる。
なお、図５，６においてはトレンチエッチングより一定の幅のトレンチ１１を一定の間隔で多数並設したが、これに限ることなく、例えば、幅が一定でないトレンチを並設したり、トレンチを一定でない間隔で多数並設してもよい。
【００６４】
また、マイクロレンズ形成領域において複数のトレンチ（多数並設するトレンチ）１１は、同一方向に、かつ、光軸に対し平行に延設する。抜き幅と、トレンチ間の壁となるシリコン層１３の幅（以下、残し幅と呼ぶ）との比率は、次の熱酸化工程において各シリコン層１３が酸化シリコンに置き換えられた際に、各シリコン層間に間隙が残るように、かつ、間隙の上部が開口している状態となるように設定する。つまり、トレンチは、後の超臨界流体を流し込むときに、超臨界流体が流入不可能な隙間が形成されないように設定する。
【００６５】
図５，６において、光透過用ブロックの形状を規定する最外周部、つまり、レンズ形成領域の最外周（輪郭線）は、所定幅のシリコン層１２で連結されるように光透過用ブロックの形成領域の周囲にトレンチ９を形成する。つまり、残し領域（１２）で囲む。この輪郭線（１２）のパターンによって光の入射面、出射面の曲率が規定され、パターン設計次第で任意の曲面が得られる（任意の面が得られる）。
また、輪郭線（１２）となる残し領域の幅は、トレンチ１１間の残し幅と同じか、それよりも細く設定する。つまり、連結したシリコン層１２の幅は、トレンチ１１間のシリコン層の幅以下にする。これは、以下の理由による。
【００６６】
図１１（ａ），（ｂ）は、シリコン層１２，１３の接続部分の拡大説明図である。図１１（ａ）に示すように、レンズ形成領域の残し（１４）と輪郭線（１２）は、ほぼＴ字型に連結されるが、このＴ字部分の酸化膜の進行速度は他の部分よりも遅くなる。そのため、輪郭線（１２）の残し幅Ｗ２がトレンチ１１間の残し幅Ｗ１より大きいと、この部分に未酸化箇所８が出る可能性がある。それゆえ、図１１（ｂ）に示すように、輪郭線（１２）となる残し領域の幅Ｗ２は、トレンチ１１間の残し幅Ｗ１と同じか、それよりも細く設定する。これにより、シリコン層１２，１４が酸化されない領域を少なくすることができる。
【００６７】
また、図５，６において、レンズ形成領域の外側（光透過用ブロックの形成領域の周囲）に形成したトレンチ９は、光透過用ブロック内のトレンチ幅に比べて十分広い幅である。そして、光透過用ブロックの形成領域の周囲に形成するトレンチ９は、図８に示すごとく、熱酸化を行った後においてトレンチ内に空隙が残るようにする。これにより座屈を回避することができる。また、エッチング領域（トレンチ９）は、トレンチエッチング工程におけるマイクロローディング効果によってレンズ内部のトレンチ１１よりも深くエッチングされる。この形状は光の入射、出射に際して光の経路を妨げないという点で重要である。つまり、シリコン基板１と一体的に形成したシリコン酸化物ブロック（３）は、その下に当該シリコン酸化物ブロック（３）と同形状のシリコン基板からなる連結部５を有していると、図１０にＬ１で示す光の入射・出射の際に光の経路を妨げることを回避することができる。
【００６８】
ところで、通常、シリコンとシリコン酸化物（ＳｉＯ２）とでは熱による線膨張率に相違がある（２０℃においてＳｉ:２．６×１０-6／℃、溶融石英：０．４〜０．５５×１０-6／℃、出典：理科年表）。したがって、熱応力による変形を説明するための平面図である図１２に示すように、単純にトレンチエッチングにより板状のシリコンを残した後、熱酸化すると、冷却時に収縮量が違うことにより、板状のシリコン酸化物（ＳｉＯ２）に両側から応力がかかって座屈してしまう。このため、熱応力による変形を説明するための平面図である図１３（ａ）に示すように、一方向に多数のトレンチ１１を並べても上記の理由により、図１３（ｂ）に示すように熱酸化後、個々のシリコン酸化物層（ＳｉＯ２層）が座屈し、設計通りのレンズ形状が形成できない懸念が有る。
【００６９】
そこで、この実施形態では、マイクロレンズを形成するため次の３つのことを行っている。
第１の工夫として、マイクロレンズを形成する領域の周囲をトレンチ（抜き領域）９で囲んでいる。つまり、光透過用ブロックの形成領域の周囲にトレンチ９を形成している。第２の工夫として、マイクロレンズの外周部分を輪郭線となる残し領域（１２）で囲んでいる。第３の工夫として、トレンチ１１の延設方向を光の透過する方向に平行にしている。即ち、多数並設するトレンチ１１を光軸に対し平行に延設している。
【００７０】
第１の工夫により、熱酸化後の降温時にレンズパターンが周囲のシリコンから押されることがなくなり、板状のシリコン酸化物（ＳｉＯ２）が座屈することがなくなる。また、第２の工夫により、マイクロレンズ領域の最外周部分を輪郭となる残し領域（１２）で囲むことによって個々の板状のシリコン酸化物層（ＳｉＯ２層）が力学的に連結され、座屈したり倒れたりするのを防止できる。また、輪郭線となる残し領域（１２）のパターニングによってレンズ面を規定できるので、パターン設計次第によって任意曲率のレンズ面を得ることができる。また、第３の工夫により、個々の板状のシリコン酸化物層（ＳｉＯ２層）が相互に隣接する界面を光の透過方向に対して平行にすることができるため、この部分での光の反射、散乱等によるレンズとしての透過率（光の透過）の低下を最小限に抑えることができる。
なお、上述のトレンチの形成工程が、本出願の請求項１または請求項２に記載の第１工程に対応する。
【００７１】
（アニール処理）
次に、基板全体を水素雰囲気中でアニール処理してトレンチ側壁での表面粗さを小さくする。このエッチング後のトレンチ側壁表面、特にレンズ形成領域の最外周部を規定する側壁表面の平坦性は、この面が光の入射あるいは出射する面となるため重要であり、この後、熱酸化を行うことで平滑な表面を持つレンズ面を得ることができる。この技術に関しては特開２００２−２３１９４５号公報に開示されている。
【００７２】
（酸化膜マスクの除去）
次に、図７に示すように、酸化膜マスク１０をフッ酸溶液への浸漬等により除去する。
【００７３】
（熱酸化）
次に、図８に示すように、各シリコン層１３を熱酸化することにより、シリコン酸化物層１４に置換える。この熱酸化は、各シリコン層間がシリコン酸化物で埋まらず、幅の狭くなったトレンチ１１が残るように行う。また、トレンチ１１の上部に開口部が残るように行う。つまり、次の工程において超臨界流体がトレンチ１１に流入できるようにしておく。
【００７４】
（トレンチの埋め込み）
次に、シリコン酸化物を生成する化合物が溶解された超臨界流体を各トレンチ１１に流し込み、各トレンチ１１の内壁面で上記化合物が分解を含む化学変化することでシリコン酸化物を上記内壁面に成膜し、各トレンチ１１をシリコン酸化物で埋め込む。図９に示すように、シリコン酸化物層１４間のトレンチ１１には、超臨界流体により埋め込まれたシリコン酸化物からなる埋め込み層１５が形成されている。この実施形態では、臨界温度および臨界圧力が低いために臨界状態になり易く、制御し易いという理由から、主成分が二酸化炭素の超臨界流体を用いる。
超臨界流体は、気体の性質（拡散性）と、液体の性質（溶解性）とを有し、かつ、その密度を連続して大幅に変化できる特長を持っている。したがって、気体の性質を持つ超臨界流体は狭い間隙にも入り込み、各トレンチ１１をシリコン酸化物で隙間なく埋め込むことができる。また、トレンチ１１の内部に凹凸があったり、上部開口部が狭くなっているような場合であっても、超臨界流体は、トレンチの隅々まで行き渡るため、トレンチ１１をシリコン酸化物で隙間なく埋め込むことができる。
これにより、シリコン基板１と一体的なマイクロレンズ（光透過用ブロック）３が形成される。
なお、図１４（ａ），（ｂ）に示したように、トレンチの上部を幅広に形成しておけば、トレンチ１１に成膜されたシリコン酸化物によってトレンチ１１の上部が狭くなってしまうおそれがないため、トレンチ１１の内部に埋め残しが発生するおそれがない。
そして、最後に、マイクロレンズ周囲を所定の寸法でダイシングカットする。これにより、図１に示すように、シリンドリカルレンズが得られる。上述のトレンチの埋め込み工程が、本出願の請求項１または請求項２に記載の第２工程に対応する。
なお、透過率向上のために、必要に応じて基板全体に反射防止膜をコーティングしてもよい。
【００７５】
［第１実施形態の効果］
以上のように、上記第１実施形態の光学素子の製造方法によれば、シリコン酸化物を生成する化合物が溶解された超臨界状態の二酸化炭素を、シリコン基板１の基板面上に並設されたシリコン酸化物層１４間の各トレンチ１１に流し込み、各トレンチ１１をシリコン酸化物で成膜することにより、各トレンチ１１がシリコン酸化物によって隙間なく埋め込まれた状態のマイクロレンズ３を形成することができる。
したがって、残存する隙間による回折現象、散乱現象が発生して効率が低下するおそれのないマイクロレンズ３を製造することができる。
また、超臨界流体は、ＣＶＤに代表される気相法に比べて密度が高いため、シリコン酸化物を高濃度に溶かし込めるので、大量の酸化シリコンを短時間で各トレンチ内に供給することができる。
従って、気相法よりも短い時間で各トレンチを酸化シリコンで埋め込むことができる。
【００７６】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について図１５ないし図１８を参照して説明する。この実施形態は、各トレンチの埋め込み後にマイクロレンズ形成領域周辺を除去することを特徴とする。
図１５は、トレンチが形成されたシリコン基板の縦断面図であり、図１６は、図１５に示すシリコン基板が熱酸化された状態を示す縦断面図である。図１７は、図１６に示すシリコン基板の各トレンチがシリコン酸化物により埋め込まれた状態を示す縦断面図であり、図１８は、図１７に示すシリコン酸化物ブロックの周辺が除去された状態を示す縦断面図である。なお、前述の第１実施形態と同じ構成および工程については説明を省略し、同じ構成については同じ符号を用いる。
【００７７】
図１５に示すように、酸化膜マスクが除去されたシリコン基板１には、図６に示した凹部２が形成されていない点で第１実施形態と異なる。第１実施形態と同様の熱処理を行うことにより、図１６に示すように、各シリコン層１３をシリコン酸化物層１４に置換える。次に、第１実施形態と同様にシリコン酸化物を生成する化合物が溶解された超臨界状態の二酸化炭素を各トレンチ１１に流し込み、各トレンチ１１をシリコン酸化物で隙間なく埋め込む。
【００７８】
次に、シリコン酸化物ブロックの上面をエッチングマスクで遮蔽し、マイクロレンズ形成領域周辺をエッチングする。エッチングにより除去された領域の下部が、シリコン酸化物ブロックと同等の深さになったときにエッチングを停止する。これにより、図１８に示すように、シリコン基板１の基板面上にマイクロレンズ３が形成される。
この実施形態では、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）水溶液を用いて異方性エッチングを行う。また、シリコン基板１の面方位は（１１０）であるため、上記の水溶液を用いることにより、基板面に対して垂直にエッチングすることができるので、シリコン酸化物ブロック（マイクロレンズ）の外周面を正確に目標の形状に制御することができ、かつ、欠陥を形成しないようにすることができる。
なお、上述のマイクロレンズ形成領域周辺を除去する工程が、本願の請求項２に記載の第３工程に対応する。
【００７９】
［第２実施形態の効果］
以上のように、第２実施形態の光学素子の製造方法によっても、シリコン酸化物を生成する化合物が溶解された超臨界状態の二酸化炭素を、シリコン基板１の基板面上に並設されたシリコン酸化物層１４間の各トレンチ１１に流し込み、各トレンチ１１をシリコン酸化物で成膜することにより、各トレンチ１１がシリコン酸化物によって隙間なく埋め込まれた状態のマイクロレンズ３を形成することができる。
したがって、残存する隙間による回折現象、散乱現象が発生して効率が低下するおそれのないマイクロレンズ３を製造することができる。
また、超臨界流体は、ＣＶＤに代表される気相法に比べて密度が高いため、シリコン酸化物を生成する化合物を高濃度に溶かし込めるので、大量の酸化シリコンを短時間で各トレンチ内に供給することができる。
従って、気相法よりも短い時間で各トレンチを酸化シリコンで埋め込むことができる。
【００８０】
＜第３実施形態＞
次に、この発明の第３実施形態について図１９ないし図２１を参照して説明する。
図１９（ａ）〜（ｃ）および図２０（ａ），（ｂ）は光学素子の変更例を示す平面図である。図２１（ａ），（ｂ）は複数の光学素子が形成された状態の平面図である。
図１９（ａ）においては、前述の第１および第２実施形態において製造した平凸型のシリンドリカルレンズを図示しているが、輪郭線の設計次第で、図１９（ｂ）のごとく両凸レンズ、図１９（ｃ）のごとく両凹レンズ、図２０（ａ）のごとく平凹レンズ、図２０（ｂ）のごとくメニスカスレンズ等、任意形状のレンズを形成可能である。また、高ＮＡのレンズも形成可能である。
【００８１】
さらに、複数のパターンを用意しておけば一括して作り込めるため、例えば、図２１（ａ）に示すようにレンズアレイや、図２１（ｂ）に示すように、同一の光軸上に並んだ複数種類のレンズ群を形成できる。また、図２１（ｂ）に示すように、レンズのみならず、スリット等も同時に作り込むことができる。さらに、図示しないがプリズムも同時に作り込むこともできる。
【００８２】
このように、複数のレンズ（レンズアレイ）、あるいは、レンズ、プリズム、スリットを一緒にパターニングし、トレンチエッチング、熱酸化工程、超臨界流体によるトレンチの埋め込み工程を経ることで一括してこれら部品を基板に作り込むことができる。この場合、多数のレンズアレイであろうと、光が複数のレンズを通る複雑な光学系であろうと、１枚のマスクから一括して基板にパターニングして形成することができ、特に、後者の場合については、微小な光学系において非常に厄介な問題となる個々の光学部品の光軸合わせという問題を解消することができる。広義には、マスクとして、レンズ、光導波路、プリズムおよびスリットのうちの少なくとも１つを含む複数の光学部品を形成するためのものを用いて、トレンチエッチング、熱酸化工程、超臨界流体によるトレンチの埋め込み工程を経ることにより一括してシリコン基板に作り込むようにすると、光軸の位置合わせは不要となる。つまり、光学素子の構造として、シリコン基板に、レンズと光導波路とスリットのうちの少なくとも一つを含む複数の光学部品を作り込むと、光軸の位置合わせは不要となる。
【００８３】
＜第４実施形態＞
次に、この発明の第４実施形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
図２２は、この実施形態における光学素子の平面図であり、図２３は、図２２のＡ−Ａ矢視断面図である。
この実施形態においては、シリコン基板１には当該シリコン基板１とは別体構造のシリンドリカルレンズ２１が嵌め込まれ、このシリンドリカルレンズ２１とシリンドリカルレンズ２０とを光学的に結合している。シリンドリカルレンズ２０は、入射光に対して水平方向のみコリメートあるいは集光する機能をもつが、これに別体のシリンドリカルレンズ２１を組み合わせている。これにより、垂直方向のコリメートあるいは集光が可能になる。
【００８４】
別体となるシリンドリカルレンズ２１は、あらかじめシリコン基板１側に組み込み用の穴２２をエッチング等であけておいて、そこに嵌め込むことでセットする。この光学系により例えば半導体レーザ２３のコリメートが可能になる。通常、半導体レーザ２３は水平方向と垂直方向とではビームの広がり角度が大きく異なるため、コリメートするにはそれぞれの方向に対応した２個のシリンドリカルレンズを組み合わせる必要がある。その場合、このような構成を用いることになる。つまり、シリコン基板１にシリンドリカルレンズ２０を作り込むとともにシリコン基板１に穴２２を形成し、この穴２２にシリンドリカルレンズ２１を嵌め込み、一対のシリンドリカルレンズ２０，２１により横方向、縦方向に広がる光束を個別に集光する構成とすることができる（上下方向においても集光することが可能となる）。
なお、シリコン基板１に嵌め込むレンズとしてシリンドリカルレンズの例を示したが、円柱状レンズなどを用いてもよい。
【００８５】
＜第５実施形態＞
次に、この発明の第５実施形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。図２４は、この実施形態における光学素子の斜視図である。
この実施形態においてはレンズ３と共に光導波路５５を形成している。光導波路５５は、レンズ３と同じ方法で形成できる。つまり、周期的なトレンチ構造において、トレンチ本数が少なく、かつ長手方向に極端に長いパターンを形成すれば、ライン状のシリコン酸化物ブロック、つまり光導波路５５を形成できる。
例えば、トレンチを挟んだシリコン層が２つ、長手方向に並ぶパターンに対し、Ｄ−ＲＩＥ、熱酸化工程、超臨界流体によるトレンチの埋め込み工程を実施することによって光導波路５５を形成できる。光導波路５５内では、上下方向には屈折率の差があり、最も屈折率が高い中央付近に光は閉じ込められる。横方向には光導波路５５の周囲はオープンスペースであるため、光導波路５５内に光は閉じ込められる。この光導波路５５はパターン次第で任意形状に形成できる。また、レンズ３と同時に形成できるためレンズ３とのカップリングに際しての位置合わせは不要である。
【００８６】
また、光導波路は、パターン次第で１本から複数本に、またその逆も可能であるため、複数のレンズアレイに分配して入射させるような光学系が一括形成できる。具体例を図２５の斜視図に示すとともに、図２６にはその平面図を示す。
図２５，２６において、複数の水平方向用シリンドリカルレンズ６０が形成されるとともに、この各水平方向用シリンドリカルレンズ６０に対し垂直方向用シリンドリカルレンズ６１が対向するように配置されている。さらに、各水平方向用シリンドリカルレンズ６０に対し光導波路６２がそれぞれ光学的に結合され、さらに各光導波路６２は一本に集合している。この集合した光導波路６２の端面には光ファイバ６３の端面が対向して設けられている。垂直方向用シリンドリカルレンズ６１および光ファイバ６３は基板５０に嵌め込まれている。この場合、水平方向用シリンドリカルレンズ６０と光導波路６２については位置合わせが不要となり、また、垂直方向用シリンドリカルレンズ６１と光ファイバ６３も基板５０への嵌め込みにて位置合わせが容易となる。さらに、単純な構造のため光結合効率低下が少ない。また、量産性に優れ、低コスト化することが可能である。
このように、シリコン基板と一体的に形成したシリコン酸化物ブロックは、光導波路であったり、マイクロレンズと光導波路であってもよい。
【００８７】
［その他の実施形態］
シリコン酸化物により形成された物と同等の屈折率を有する物を形成可能な生成物を生じる化合物を超臨界流体に溶解することにより、その化合物より生じた生成物によって各間隙を隙間なく埋め込むこともできる。例えば、上記の生成物として、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウムおよびアルミナの屈折率は、それぞれ1.43、1.38、1.58〜1.60であり、シリコン酸化物の1.2〜8と略等しい。これらの物質で埋め込んでもシリコン酸化物で埋め込んだ場合に近い効果が得られ、回折の効果が抑制され、また界面での反射が抑えられ散乱が低減し、実質の透過効率を大きく下げることがない。
また、超臨界流体に溶かし込む化合物には、有機化合物が適する。これは超臨界流体への溶解が容易で、また１００〜３００℃程度の低温で分解されるためである。低温での成膜が可能になれば、温度上昇・降下の時間が短くなり、効率的な成膜が可能になり、装置的にも平易なもので可能になる。シリコン酸化物を形成する具体的な化合物としてＴＭＯＳ（テトラメトキシシラン）などが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】第１実施形態に係る光学素子の製造方法により製造された光学素子の斜視図である。
【図２】図１に示す光学素子の説明図であり、（ａ）は図１に示す光学素子の平面図、図２（ｂ）は図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】シリコン基板の基板面に酸化膜マスクが配置された状態を示す平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図５】図３の状態からトレンチが形成された状態を示す平面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図７】図６の状態から酸化膜マスクが除去された状態を示す断面図である。
【図８】図７の状態から熱酸化を行った状態を示す断面図である。
【図９】トレンチがシリコン酸化物で埋め込まれた状態を示す断面図である。
【図１０】光学素子２０の縦断面図である。
【図１１】（ａ），（ｂ）は、シリコン層１２，１３の接続部分の拡大説明図である。
【図１２】熱応力による変形を説明するための平面図である。
【図１３】（ａ），（ｂ）は、熱応力による変形を説明するための平面図である。
【図１４】（ａ），（ｂ）は、トレンチの変更例を示す説明図である。
【図１５】第２実施形態においてトレンチが形成されたシリコン基板の縦断面図である。
【図１６】図１５に示すシリコン基板が熱酸化された状態を示す縦断面図である。
【図１７】図１６に示すシリコン基板の各トレンチがシリコン酸化物により埋め込まれた状態を示す縦断面図である。
【図１８】図１７に示すシリコン酸化物ブロックの周辺が除去された状態を示す縦断面図である。
【図１９】（ａ）〜（ｃ）は、第３実施形態における光学素子の変更例を示す平面図である。
【図２０】（ａ），（ｂ）は光学素子の変更例を示す平面図である。
【図２１】（ａ），（ｂ）は複数の光学素子が形成された状態の平面図である。
【図２２】第４実施形態における光学素子の平面図である。
【図２３】図２２のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図２４】第５実施形態における光学素子の斜視図である。
【図２５】第５実施形態における光学素子の斜視図である。
【図２６】第５実施形態における光学素子の平面図である。
【図２７】トレンチ内に隙間が残った状態を示す模式図である。
【符号の説明】
【００８９】
１・・シリコン基板、２・・凹部、３・・マイクロレンズ（ブロック）、
４・・柱構造体（構造体）、５・・連結部、６・・空隙、７・・高出力レーザ、
１０・・酸化膜マスク、１０ａ・・開口部、１１・・トレンチ（間隙）、
１２・・シリコン層、１３・・シリコン層、１４・・シリコン酸化物層、
１５・・埋め込み層、５５・・光導波路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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