(57)【要約】【課題】力学量センサの製造効率を高める。【解決手段】  シリコン基板１を基板面からエッチングすることにより、支持部２、梁部３、可動部４およびマイクロレンズ５を形成するための基となる形成体２ａ、３ａ、４ａ、５ａを形成する。続いて熱酸化を行い、光学素子形成体５ａの各構造体間の間隙をシリコン酸化物で隙間なく埋め込み、マイクロレンズ５を形成する。続いてエッチングを行い、可動部形成体４ａおよび梁部形成体３ａと基板面とが接する部分を削除する。支持部形成体２ａおよび光学素子形成体５ａの各幅は、可動部形成体４ａおよび梁部形成体３ａの各幅よりもそれぞれ広く形成されているため、周囲のみが削除され、中央部は基部２ｂ、５ｆとして残る。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
力学量の印加に応じて所定方向に変位可能な可動部と、この可動部を支持する支持部と、光を出射する光出射手段から出射された光を入射して前記可動部へ照射する光学素子とを備えており、前記光学素子により前記可動部に照射され、前記可動部にて反射した反射光の変化を検出することにより、前記可動部に印加された力学量を検出する力学量センサの製造方法であって、
シリコン基板の基板面をエッチングし、前記可動部を形成するための基となる可動部形成体と、前記支持部を形成するための基となる支持部形成体と、前記光学素子を形成するための基となる形成物であって複数の構造体が各構造体間に間隙を隔てて前記基板面上に並設されてなる光学素子形成体とを前記基板面上に形成する第１工程と、
少なくとも前記光学素子形成体を酸化することにより、前記光学素子形成体を、酸化された各構造体間の間隙がシリコン酸化物により埋まった状態にする第２工程と、
前記可動部形成体と前記基板面とが接する部分を削除することにより、前記可動部形成体が可動状態で前記支持部形成体に支持されたようにする第３工程と、
を有することを特徴とする力学量センサの製造方法。
【請求項２】
力学量の印加に応じて所定方向に変位可能な可動部と、この可動部を支持する支持部と、光を出射する光出射手段から出射された光を入射して前記可動部へ照射する光学素子とを備えており、前記光学素子により前記可動部に照射され、前記可動部にて反射した反射光の変化を検出することにより、前記可動部に印加された力学量を検出する力学量センサの製造方法であって、
ＳＯＩ基板の基板面をエッチングし、前記可動部を形成するための基となる可動部形成体と、前記支持部を形成するための基となる支持部形成体と、前記光学素子を形成するための基となる形成物であって複数の構造体が各構造体間に間隙を隔てて前記基板面上に並設されてなる光学素子形成体とを前記基板面上に形成する第１工程と、
少なくとも前記光学素子形成体を酸化することにより、前記光学素子形成体を、酸化された各構造体間の間隙がシリコン酸化物により埋まった状態にする第２工程と、
前記可動部形成体と前記基板面とが接する部分を削除することにより、前記可動部形成体が可動状態で前記支持部形成体に支持されたようにする第３工程と、
を有することを特徴とする力学量センサの製造方法。
【請求項３】
前記可動部は、自身を前記支持部に可動状態で支持するための梁部を備えており、
前記第１工程では、前記可動部形成体、支持部形成体および光学素子形成体と、前記梁部を形成する基となる梁部形成体とを前記基板面上に形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の力学量センサの製造方法。
【請求項４】
前記第１工程では、前記支持部形成体および光学素子形成体の前記基板面と接する部分の各幅が、前記可動部形成体の前記基板面と接する幅よりもそれぞれ広くなるように、前記可動部形成体、支持部形成体および光学素子形成体を前記基板面上に形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の力学量センサの製造方法。
【請求項５】
前記第１工程では、前記支持部形成体および光学素子形成体の前記基板面と接する部分の各幅が、前記可動部形成体および梁部形成体の前記基板面と接する各幅よりもそれぞれ広くなるように、前記可動部形成体、支持部形成体、光学素子形成体および梁部形成体を前記基板面上に形成することを特徴とする請求項３に記載の力学量センサの製造方法。
【請求項６】
前記第３工程では、前記支持部形成体および光学素子形成体それぞれが前記基板面と一体化されている部分を残すように、前記可動部形成体と前記基板面とが接する部分を削除することを特徴とする請求項１、請求項２および請求項４のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法。
【請求項７】
前記第３工程では、前記支持部形成体および光学素子形成体それぞれが前記基板面と一体化されている部分を残すように、前記可動部形成体および梁部形成体と前記基板面とが接する部分を削除することを特徴とする請求項３または請求項５に記載の力学量センサの製造方法。
【請求項８】
前記第２工程では、熱酸化により、前記光学素子形成体を、酸化された各構造体間の間隙がシリコン酸化物により埋まった状態にするとともに、他の形成体および前記基板面の表面にシリコン酸化膜を形成し、
前記第３工程では、少なくとも前記基板面に形成されたシリコン酸化膜をエッチングにより除去し、その後、前記可動部形成体と前記基板面とが接する部分を削除することにより、前記可動部形成体が可動状態で前記支持部形成体に支持されたようにすることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項４および請求項６のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法。
【請求項９】
前記第２工程では、熱酸化により、前記光学素子形成体を、酸化された各構造体間の間隙がシリコン酸化物により埋まった状態にするとともに、他の形成体および前記基板面の表面にシリコン酸化膜を形成し、
前記第３工程では、少なくとも前記基板面に形成されたシリコン酸化膜をエッチングにより除去し、その後、前記可動部形成体および梁部形成体と前記基板面とが接する部分を削除することにより、前記可動部形成体が可動状態で前記支持部形成体に支持されたようにすることを特徴とする請求項３、請求項５および請求項７のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法。
【請求項１０】
前記第３工程では、反応ガスとしてＸｅＦ２を用いて、前記可動部形成体と前記基板面とが接する部分をエッチングして削除することを特徴とする請求項１、請求項２、請求項４、請求項６および請求項８のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法。
【請求項１１】
前記第３工程では、反応ガスとしてＸｅＦ２を用いて、前記可動部形成体および梁部形成体と前記基板面とが接する部分をエッチングして削除することを特徴とする請求項３、請求項５、請求項７および請求項９のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法。
【請求項１２】
前記第２工程では、少なくとも前記光学素子形成体を酸化することにより、酸化された各構造体間に間隙が残るように前記酸化された各構造体間の間隙にシリコン酸化膜を成膜し、次に、前記酸化された各構造体間に残った各間隙にシリコン酸化膜を成膜することにより、前記残った各間隙をシリコン酸化物で埋めることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法。
【請求項１３】
シリコン酸化物が溶解された超臨界流体を前記酸化された各構造体間に残った各間隙に流し込むことにより、前記残った各間隙をシリコン酸化物で埋めることを特徴とする請求項１２に記載の力学量センサの製造方法。
【請求項１４】
前記超臨界流体は、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化合物が溶解されたものであることを特徴とする請求項１３に記載の力学量センサの製造方法。
【請求項１５】
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１３または請求項１４に記載の力学量センサの製造方法。
【請求項１６】
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１５のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法。
【請求項１７】
前記第１工程では、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）を用いて前記基板面をエッチングすることにより、前記各形成体を前記基板面上に形成することを特徴とする請求項１ないし請求項１６のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法。
【請求項１８】
前記光学素子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１７のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法。
【請求項１９】
前記光学素子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１７のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法。
【請求項２０】
前記光学素子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１７のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法。
【請求項２１】
前記光学素子として、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１７のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法。
【請求項２２】
前記光学素子として、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１７のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法。
【請求項２３】
前記光学素子として、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１７のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、加速度、角速度などの力学量を検出する力学量センサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の力学量センサとして、シリコン基板上に形成された固定電極と、力学量の印加により変位する可動部と、この可動部に設けられており、固定電極と対向して配置された可動電極とを備え、固定電極および可動電極間の静電容量の変化に基づいて可動部に印加された力学量を検出するものが知られている（特許文献１）。
しかし、可動部などで発生した静電気が電気ノイズとなってシリコン基板を通じて検出側に伝わってしまうことがあり、検出精度が低下するおそれがある。この点、可動部に光を照射し、可動部からの反射光の変化に基づいて力学量を検出する手法によれば、電気ノイズに関係なく高精度な検出が可能になる。
【特許文献１】特開２００１−３３０６２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前述の光学式の力学量センサは、ＭＥＭＳ（Micro Electrical Mechanical System）技術を用いれば、シリコン基板上に可動部や光学部品（レンズ、プリズム、光導波路など）などを集積することができ、小型、低コストを実現することができる。
しかし、可動部や光学部品を別々に製造する必要があるため、製造効率が低いという問題がある。
【０００４】
この発明は、上記の問題を解決するため、製造効率を高くすることができる力学量センサ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】
【０００５】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、力学量の印加に応じて所定方向に変位可能な可動部（３，４）と、この可動部を支持する支持部（２）と、光を出射する出射手段（６）から出射された光を入射して前記可動部へ照射する光学素子（５）とを備えており、前記光学素子により前記可動部に照射され、前記可動部にて反射した反射光の変化を検出することにより、前記可動部に印加された力学量を検出する力学量センサの製造方法であって、シリコン基板（１）の基板面をエッチングし、前記可動部を形成するための基となる可動部形成体（４ａ）と、前記支持部を形成するための基となる支持部形成体（２ａ）と、前記光学素子（５）を形成するための基となる形成物であって複数の構造体（５ｃ）が各構造体（５ｃ）間に間隙（５ｂ）を隔てて前記基板面上に並設されてなる光学素子形成体（５ａ）とを前記基板面上に形成する第１工程と、少なくとも前記光学素子形成体を酸化することにより、前記光学素子形成体を、酸化された各構造体（５ｄ）間の間隙（５ｂ）がシリコン酸化物（５ｅ）により埋まった状態にする第２工程と、前記可動部形成体と前記基板面とが接する部分を削除することにより、前記可動部形成体が可動状態で前記支持部形成体に支持されたようにする第３工程と、を有することを特徴としている。
【０００６】
請求項２に記載の発明では、力学量の印加に応じて所定方向に変位可能な可動部（３，４）と、この可動部を支持する支持部（２）と、光を出射する出射手段（６）から出射された光を入射して前記可動部へ照射する光学素子（５）とを備えており、前記光学素子により前記可動部に照射され、前記可動部にて反射した反射光の変化を検出することにより、前記可動部に印加された力学量を検出する力学量センサの製造方法であって、ＳＯＩ基板（９）の基板面をエッチングし、前記可動部を形成するための基となる可動部形成体（４ａ）と、前記支持部を形成するための基となる支持部形成体（２ａ）と、前記光学素子を形成するための基となる形成物であって複数の構造体（５ｃ）が各構造体（５ｃ）間に間隙（５ｂ）を隔てて前記基板面上に並設されてなる光学素子形成体（５ａ）とを前記基板面上に形成する第１工程と、少なくとも前記光学素子形成体を酸化することにより、前記光学素子形成体を、酸化された各構造体（５ｃ）間の間隙（５ｂ）がシリコン酸化物（５ｅ）により埋まった状態にする第２工程と、前記可動部形成体と前記基板面とが接する部分を削除することにより、前記可動部形成体が可動状態で前記支持部形成体に支持されたようにする第３工程と、を有することを特徴としている。
【０００７】
請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の力学量センサの製造方法において、前記可動部は、自身を前記支持部に可動状態で支持するための梁部（３）を備えており、前記第１工程では、前記可動部形成体、支持部形成体および光学素子形成体と、前記梁部を形成する基となる梁部形成体（３ａ）とを前記基板面上に形成することを特徴としている。
【０００８】
請求項４に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の力学量センサの製造方法において、前記第１工程では、前記支持部形成体および光学素子形成体の前記基板面と接する部分の各幅（Ｌ１，Ｌ４）が、前記可動部形成体の前記基板面と接する幅（Ｌ３）よりもそれぞれ広くなるように、前記可動部形成体、支持部形成体および光学素子形成体を前記基板面上に形成することを特徴としている。
【０００９】
請求項５に記載の発明では、請求項３に記載の力学量センサの製造方法において、前記第１工程では、前記支持部形成体および光学素子形成体の前記基板面と接する部分の各幅が、前記可動部形成体および梁部形成体の前記基板面と接する各幅（Ｌ３，Ｌ２）よりもそれぞれ広くなるように、前記可動部形成体、支持部形成体、光学素子形成体および梁部形成体を前記基板面上に形成することを特徴としている。
【００１０】
請求項６に記載の発明では、請求項１、請求項２および請求項４のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法において、前記第３工程では、前記支持部形成体および光学素子形成体それぞれが前記基板面と一体化されている部分を残すように、前記可動部形成体と前記基板面とが接する部分を削除することを特徴としている。
【００１１】
請求項７に記載の発明では、請求項３または請求項５に記載の力学量センサの製造方法において、前記第３工程では、前記支持部形成体および光学素子形成体それぞれが前記基板面と一体化されている部分を残すように、前記可動部形成体および梁部形成体と前記基板面とが接する部分を削除することを特徴としている。
【００１２】
請求項８に記載の発明では、請求項１、請求項２、請求項４および請求項６のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法において、前記第２工程では、熱酸化により、前記光学素子形成体を、酸化された各構造体間の間隙がシリコン酸化物により埋まった状態にするとともに、他の形成体および前記基板面の表面にシリコン酸化膜（８）を形成し、前記第３工程では、少なくとも前記基板面に形成されたシリコン酸化膜をエッチングにより除去し、その後、前記可動部形成体と前記基板面とが接する部分を削除することにより、前記可動部形成体が可動状態で前記支持部形成体に支持されたようにすることを特徴としている。
【００１３】
請求項９に記載の発明では、請求項３、請求項５および請求項７のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法において、前記第２工程では、熱酸化により、前記光学素子形成体を、酸化された各構造体間の間隙がシリコン酸化物により埋まった状態にするとともに、他の形成体および前記基板面の表面にシリコン酸化膜を形成し、前記第３工程では、少なくとも前記基板面に形成されたシリコン酸化膜をエッチングにより除去し、その後、前記可動部形成体および梁部形成体と前記基板面とが接する部分を削除することにより、前記可動部形成体が可動状態で前記支持部形成体に支持されたようにすることを特徴としている。
【００１４】
請求項１０に記載の発明では、請求項１、請求項２、請求項４、請求項６および請求項８のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法において、前記第３工程では、反応ガスとしてＸｅＦ２を用いて、前記可動部形成体と前記基板面とが接する部分をエッチングして削除することを特徴としている。
【００１５】
請求項１１に記載の発明では、請求項３、請求項５、請求項７および請求項９のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法において、前記第３工程では、反応ガスとしてＸｅＦ２を用いて、前記可動部形成体および梁部形成体と前記基板面とが接する部分をエッチングして削除することを特徴としている。
【００１６】
請求項１２に記載の発明では、請求項１ないし請求項１１のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法において、前記第２工程では、少なくとも前記光学素子形成体を酸化することにより、酸化された各構造体（５ｃ）間に間隙が残るように前記酸化された各構造体間の間隙（５ｂ）にシリコン酸化膜を成膜し、次に、前記酸化された各構造体間に残った各間隙にシリコン酸化膜を成膜することにより、前記残った各間隙をシリコン酸化物（５ｅ）で埋めることを特徴とている。
【００１７】
請求項１３に記載の発明では、請求項１２に記載の力学量センサの製造方法において、シリコン酸化物が溶解された超臨界流体を前記酸化された各構造体間に残った各間隙に流し込むことにより、前記残った各間隙をシリコン酸化物で埋めることを特徴としている。
【００１８】
請求項１４に記載の発明では、請求項１３に記載の力学量センサの製造方法において、前記超臨界流体は、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化合物が溶解されたものであることを特徴としている。
【００１９】
請求項１５に記載の発明では、請求項１３または請求項１４に記載の力学量センサ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。
【００２０】
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。
【００２１】
請求項１７に記載の発明では、請求項１ないし請求項１６のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法において、前記第１工程では、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）を用いて前記基板面をエッチングすることにより、前記各形成体を前記基板面上に形成することを特徴としている。
【００２２】
請求項１８に記載の発明では、請求項１ないし請求項１７のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法におて、前記光学素子がマイクロレンズであることを特徴としている。
【００２３】
請求項１９に記載の発明では、請求項１ないし請求項１７のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法において、前記光学素子が光導波路であることを特徴としている。
【００２４】
請求項２０に記載の発明では、請求項１ないし請求項１７のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法において、前記光学素子がプリズムであることを特徴としている。
【００２５】
請求項２１に記載の発明では、請求項１ないし請求項１７のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法において、前記光学素子として、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。
【００２６】
請求項２２に記載の発明では、請求項１ないし請求項１７のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法において、前記光学素子として、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。
【００２７】
請求項２３に記載の発明では、請求項１ないし請求項１７のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法において、前記光学素子として、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。
【００２８】
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】
【００２９】
請求項１または請求項２に係る発明によれば、可動部、支持部および光学素子を同じシリコン基板、または、ＳＯＩの基板面上に同じ製造工程により形成することができるため、製造効率を高くすることができる。
ところで、通常、エッチングには、基板内でバラツキがあり、さらにＩＣＰに代表されるドライエッチングでは、エッチングを行う部位の開口のサイズが大きい方がエッチング速度が速いので、エッチング深さにバラツキがでる。これにより、光学素子および可動部の各高さがばらつく。ここで、ＳＯＩ基板をエッチングした場合、エッチング面が埋め込み酸化シリコン層に到達した場合、そこでエッチングが止まる。なぜなら、ＩＣＰエッチャーを例にとると、酸化シリコン層は、シリコンに比べてエッチング速度が１００倍以上遅いためである。そこでＳＯＩ基板において、埋め込み酸化シリコン層上のシリコンの厚さを所望の厚さとしておき、エッチング速度の遅い部分が埋め込み酸化シリコン層に到達した後にエッチングを停止すれば、基板内のバラツキ、開口のサイズによらず、光学素子および可動部の各高さを一定に揃えることができる。
なお、第２工程では、光学素子形成体を構成する各構造体間の間隙がシリコン酸化物により埋まった状態にすることができるため、光が透過する光学素子を形成することができる。
また、第３工程では、可動部形成体と基板面とが接する部分を削除し、可動部形成体が可動状態で支持部形成体に支持されたようにすることができるため、力学量の印加に応じて所定方向に変位可能な可動部を製造することができる。
【００３０】
また、請求項３に係る発明によれば、可動部が、自身を支持部に可動状態で支持するための梁部を備えている構造の場合であっても、その梁部を形成するための基となる梁部形成体をも他の形成体と同時に基板面上に形成することができるため、梁部を個別に製造する場合のように製造効率が低下することもない。
【００３１】
特に、請求項４に係る発明によれば、第１工程において第２および光学素子形成体の基板面と接する部分の各幅が、可動部形成体の基板面と接する幅よりもそれぞれ広くなるように、可動部形成体、支持部形成体および光学素子形成体を基板面上に形成するため、請求項８に係る発明のようにエッチングを行ったときに、可動部形成体の基板面と接する部分が削除された時点でエッチングを中止すれば、支持部形成体および光学素子形成体の基板面と接する部分は全部削除されることなく、その一部を残すことができる。
つまり、可動部のみを基板面から切り離して可動状態とし、支持部および光学素子は基板面と一体化された状態とすることができる。
【００３２】
また、請求項６に係る発明のように、第３工程において支持部形成体および光学素子形成体それぞれが基板面と一体化されている部分を残すように、可動部形成体と基板面とが接する部分を削除することにより、可動部のみを基板面から切り離して可動状態とし、支持部および光学素子は基板面と一体化された状態とすることができる。
【００３３】
また、可動部が梁部を備える構造の場合は、請求項５に係る発明のように、支持部形成体および光学素子形成体の基板面と接する部分の各幅が、可動部形成体および梁部形成体の基板面と接する各幅よりもそれぞれ広くなるように、可動部形成体、支持部形成体、光学素子形成体および梁部形成体を基板面上に形成することにより、可動部および梁部のみを基板面から切り離して可動状態とし、支持部および光学素子は基板面と一体化された状態とすることができる。
【００３４】
また、請求項７に係る発明のように、第３工程において支持部形成体および光学素子形成体それぞれが基板面と一体化されている部分を残すように、可動部形成体および梁部形成体と基板面とが接する部分を削除することにより、可動部および梁部のみを基板面から切り離して可動状態とし、支持部および光学素子は基板面と一体化された状態とすることができる。
【００３５】
可動部形成体、あるいは、可動部形成体および梁部形成体を基板面から切り離すために行うエッチングにおいて、請求項１０または請求項１１に係る発明のように、反応ガスとしてＸｅＦ２を用いることにより、基板面の面方向にもエッチングを進行させることができるため、基板面からの切り離しを比較的容易に行うことができる。
【００３６】
また、請求項１７に係る発明のように、第１工程においてＩＣＰ（誘導結合プラズマ）を用いて基板面をエッチングすれば、エッチング速度が速いという特性を活かして第１工程の工程時間を短くすることができる。
【００３７】
酸化された各構造体間に残った各間隙は、請求項１２に係る発明のように、各間隙にシリコン酸化膜を成膜することにより、シリコン酸化物で埋めることができる。
従って、光学素子の内部に残った間隙により、回折現象が発生し、効率が低下するおそれがない。
【００３８】
特に、請求項１３に係る発明によれば、シリコン酸化物が溶解された超臨界流体を酸化された各構造体間に残った各間隙に流し込むことにより、残った各間隙をシリコン酸化物で埋めることができる。
超臨界流体は、気体の性質（拡散性）と、成分を溶かし出す液体の性質（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、シリコン酸化物が溶解された超臨界流体を各構造体間に残った各間隙に流し込むことにより、各間隙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光学素子形成体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。
【００３９】
また、請求項１４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（例えば、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、アルミナなど）を超臨界流体に溶解することにより、その化合物によって各間隙を隙間なく埋め込んで光学素子形成体を形成することもできる。
【００４０】
特に、請求項１５に係る発明のように、二酸化炭素を主成分とした超臨界流体を用いることが望ましい。それは、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からである。
【００４１】
請求項１６に係る発明によれば、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。
【００４２】
請求項１ないし請求項１７のいずれか１つに記載の力学量センサの製造方法を用いれば、マイクロレンズ、または、光導波路、または、プリズムを用いた力学量センサの製造方法の製造効率を高めることができる。また、それらのうちの１つを複数備えた力学量センサを同時に効率良く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備えた力学量センサを同時に効率良く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基板面上に形成する場合は、各光学素子の光軸が一致するように基板に作り込むことにより、光学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】
【００４３】
この発明の実施形態に係る力学量センサ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力学量センサを代表にして説明する。なお、図１において紙面上方を前方、紙面下方を後方とし、紙面を貫通する方向を上下方向とする。
【００４４】
［力学量センサの主要構造］
この実施形態に係る力学量センサの主要構造について図１および図２を参照して説明する。図１は、力学量センサの平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
力学量センサは、シリコン基板１の基板面上に形成された支持部２を備えており、その支持部２には、梁部３，３を介して可動部４が可動状態で支持されている。また、可動部４の近傍の基板面上には、マイクロレンズ５が形成されている。つまり、力学量センサは、支持部２、梁部３，３、可動部４およびマイクロレンズ５から構成されている。
この実施形態では、マイクロレンズ５は、入射面が平面で出射面が凸面となった平凸型のシリンドリカルレンズである（図５参照）。
【００４５】
光出射手段としての発光素子６から出射された光は、マイクロレンズ５によってコリメートされ、そのコリメート光は、可動部４の反射面４ｂにて反射し、その反射光は、受光素子７によって受光される。受光素子７には、受光素子７により受光された光の位相の変化、または、光の強度を検出するための検出装置（図示せず）が接続されている。
発光素子６としては、レーザダイオード、発光ダイオードなどを用いることができ、受光素子７としては、フォトダイオード、フォトトランジスタ、Ｃｄｓセル、ＣｄＳｅセル、ＣＣＤ（電荷結合ディバイス）などを用いることができる。また、マイクロレンズ５に代えて、平凹レンズ、両凹レンズ、メニスカスレンズ、光導波路、プリズムなどを用いることもできる。
【００４６】
図２に示すように、支持部２は基部２ｂを介して基板面に一体形成されており、マイクロレンズ５は基部５ｆを介して基板面に一体形成されている。梁部３，３および可動部４は、基板面から浮いた状態になっている。
支持部２、梁部３，３、可動部４およびマイクロレンズ５は、シリコン基板１をエッチングすることにより形成されている。梁部３，３は、可動部４を可動状態で支持部２に支持する役割をするものであり、バネ性を有する。梁部３と一体形成された可動部４は、慣性力の印加方向により前後または上下または左右に変位する。
【００４７】
支持部２の前面には、錘部２ｃが一体形成されており、その錘部２ｃの左右両側面からは、梁部３が横方向にそれぞれ突出形成されている。この実施形態では、梁部３は、櫛歯状に形成されている。左右に対称に突出した各梁部３，３の一方の梁部３から錘部２ｃを通って他方の梁部３にかけて、長孔が上下に貫通形成されている。
可動部４は、板状に形成されており、その後部板面が錘部２ｃの前端に一体形成されている。可動部４の前面に形成された反射面４ｂは、基板面に対して鉛直となる姿勢で前方を向いている。なお、梁部３は、印加された力学量に応じて可動部４が変位することができれば、どのような形状でもよい。また、可動部４も印加された力学量に応じて変位し、反射面４ｂにて反射した反射光が変化すれば、どのような形状でもよい。
【００４８】
［力学量センサの製造方法］
次に、力学量センサの製造方法について図３ないし図８を参照して説明する。
図３は製造工程を示す説明図であり、（ａ）はエッチング工程１を示し、（ｂ）は熱酸化工程を示す。図４は製造工程を示す説明図であり、（ａ）、（ｂ）はエッチング工程２を示す。図５はマイクロレンズ５の斜視図である。図６はエッチングにより形成された光学素子形成体の縦断面図である。図７は熱酸化された光学素子形成体の縦断面図である。図８はエッチングされた光学素子形成体の縦断面図である。
なお、以下の説明では、シリコン基板上に形成されるものとして、可動部４を形成するための基となるものを可動部形成体、支持部２を形成するための基となるものを支持部形成体、光学素子５を形成するための基となるものを光学素子形成体、梁部３を形成するための基となるものを梁部形成体という。
【００４９】
（エッチング工程１）
各形成体の外形をパターニングしたエッチングマスクをシリコン基板１の基板面に配置し、シリコン基板１を基板面からエッチングし、可動部形成体４ａ、支持部形成体２ａ、光学素子形成体５ａおよび梁部形成体３ｂを基板面上に形成する（図３（ａ））。光学素子形成体５ａは、図６に示すように、基板面上に複数の構造体５ｃが、各構造体５ｃ間に間隙５ｂを挟んで並設された構造になっている。この実施形態では、各間隙５ｂは、アスペクト比の高いトレンチ状に形成されている。また、各構造体５ｃは、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５ｂの壁面となるように形成されている。このため、光の通過する方向とのなす角が構造体５ｃ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。
また、各間隙５ｂの幅は、後の熱酸化工程において、各構造体５ｃの両側面に形成される酸化シリコンによって隙間なく埋め尽くされる長さに設定されている。
なお、この実施形態では、エッチング速度が速いという理由から、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）を用いて基板面をエッチングする。これにより、エッチング工程１の工程時間を短くすることができる
【００５０】
（熱酸化工程）
次に、シリコン基板１を熱酸化し、各形成体の全面および基板面を酸化シリコン層８に置換える。図７に示すように、熱酸化により、光学素子形成体５ａの各構造体５ｃは、酸化シリコンにより形成された構造体５ｄに置き換わり、熱酸化前に形成されていた各間隙５ｂは、酸化前の各構造体５ｃの両側面に形成された酸化シリコン層によって隙間なく埋め込まれている。
従って、マイクロレンズ５の内部に残った間隙により、回折現象が発生し、効率が低下するおそれがない。
【００５１】
（エッチング工程２）
次に、エッチングにより、基板面の酸化シリコン層８を除去する（図４（ａ））。そして、さらにエッチングを進行させ、可動部形成体４ａおよび梁部形成体３ａと基板面とが接している部分が削除された時点でエッチングを中止する（図４（ｂ））。このとき、支持部形成体２ａおよび光学素子形成体５ａと基板面とが接している部分の周囲は削除されるが、中央部分が残り、その残った部分が、それぞれ支持部２の基部２ｂ、マイクロレンズ５の基部５ｆとなる。
つまり、図３（ａ）に示すように、支持部形成体２ａおよび光学素子形成体５ａの基板面と接する部分の各幅Ｌ１，Ｌ４が、可動部形成体４ａおよび梁部形成体３ａの基板面と接する部分の各幅Ｌ３，Ｌ２よりもそれぞれ広いため、可動部形成体４ａおよび梁部形成体３ａと基板面とが接している部分のみを削除し、支持部形成体２ａおよび光学素子形成体５ａと基板面とが接している部分は、その周囲のみが削除されるようにすることができる。
【００５２】
このように、可動部形成体４ａおよび梁部形成体３ａと基板面とが接している部分を削除することにより、可動部形成体４ａおよび梁部形成体３ａが基板面から切り離され、可動部形成体４ａが梁部形成体３ａを介して可動状態で支持部形成体２ａに支持された状態ができあがる。
つまり、図４（ｂ）に示すように、可動部４が梁部３，３を介して可動状態で支持部２に支持された状態ができあがる。このエッチング工程２では、基板面の面方向へのエッチングをすることができるという理由で、例えば反応ガスとしてＸｅＦ２を用いたエッチングを行う。
【００５３】
［実施形態の効果］
（１）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、可動部４、梁部３、支持部２およびマイクロレンズ５を同じシリコン基板１の基板面上に同じ製造工程により形成することができるため、製造効率を高くすることができる。
（２）また、エッチング工程２により、可動部４および梁部３と基板面とが接する部分のみを削除し、支持部２およびマイクロレンズ５と基板面とが接する部分を残すことができるため、基板面全体をエッチングすればよく、可動部４および梁部３と基板面とが接する部分のみを狙ってエッチングする必要がないので、エッチング処理を容易に行うことができる。
【００５４】
＜他の実施形態＞
（１）前述の実施形態では、シリコン基板を用いたがＳＯＩ基板を用いることもできる。図９は製造工程を示す説明図であり、（ａ）はエッチング工程１を示し、（ｂ）は熱酸化工程を示す。図１０は製造工程を示す説明図であり、（ａ）、（ｂ）はエッチング工程２を示す。前述の実施形態と同じ部分は省略する。
最初に、各形成体の外形をパターニングしたエッチングマスクをＳＯＩ基板９の基板面に配置し、ＳＯＩ基板９を基板面からエッチングし、可動部形成体４ａ、梁部形成体３ａ、支持部形成体２ａおよび光学素子形成体５ａを基板面上に形成する（図９（ａ））。このとき、各形成体は、ＳＯＩ基板９を構成する埋め込み酸化シリコン層９ａ上に形成される。
【００５５】
次に、熱酸化を行い（図９（ｂ））、エッチングを行い（図１０）、可動部形成体４ａおよび梁部形成体３ａと基板面とが接している部分を削除する。そして、可動部形成体４ａおよび梁部形成体３ａが基板面から切り離され、可動部形成体４ａが梁部形成体３ａを介して可動状態で支持部形成体２ａに支持された状態ができあがる。
このようにＳＯＩ基板を用いて力学量センサを製造することもでき、この方法を適用した場合も前述の実施形態の効果と同じ効果を奏することができる。
ところで、通常、エッチングには、基板内でバラツキがあり、さらにＩＣＰに代表されるドライエッチングでは、エッチングを行う部位の開口のサイズが大きい方がエッチング速度が速いので、エッチング深さにバラツキがでる。これにより、マイクロレンズ５、梁部３および可動部４の各高さがばらつく。ここで、ＳＯＩ基板９をエッチングした場合、エッチング面が埋め込み酸化シリコン層９ａに到達した場合、そこでエッチングが止まる。なぜなら、ＩＣＰエッチャーを例にとると、酸化シリコン層は、シリコンに比べてエッチング速度が１００倍以上遅いためである。そこでＳＯＩ基板９において、埋め込み酸化シリコン層９ａ上のシリコンの厚さを所望の厚さとしておき、エッチング速度の遅い部分が埋め込み酸化シリコン層９ａに到達した後にエッチングを停止すれば、基板内のバラツキ、開口のサイズによらず、マイクロレンズ５、梁部３および可動部４の各高さを一定に揃えることができる。
【００５６】
（２）マイクロレンズ５の形成に超臨界流体を利用することもできる。図１１は熱酸化された光学素子形成体５ａの縦断面図であり、図１２は各間隙５ｂがシリコン酸化物で埋め込まれた状態の縦断面図であり、図１３はマイクロレンズ５の縦断面図である。
図１１に示すように、熱酸化工程において、両側面がシリコン酸化物で置き換えられた各構造体５ｄ間に間隙５ｂが残るようにする。つまり、各間隙５ｂの幅を前述の実施形態における幅よりも広くする。または、熱酸化時間を短くし、各構造体５ｃ（図６）の両側面に形成される酸化シリコンの膜厚を薄くする。また、各間隙５ｂの上部に開口部が残るように行う。
【００５７】
そして、シリコン酸化物が溶解された超臨界流体を各間隙５ｂに流し込み、各間隙５ｂの内壁面をシリコン酸化物で成膜し、各間隙５ｂをシリコン酸化物で隙間なく埋め込む。図１２に示すように、各構造体５ｄ間には、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５ｅ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。
【００５８】
超臨界流体は、気体の性質（拡散性）と、成分を溶かし出す液体の性質（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ため、各間隙５ｂ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、各間隙５ｂ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、間隙５ｂの隅々まで行き渡るため、間隙５ｂをシリコン酸化物で隙間なく埋め込むことができる。
次に、前述したエッチング工程２を実行することにより、マイクロレンズ５ができあがる（図１３）。
【００５９】
なお、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、その化合物によって各間隙５ｂを隙間なく埋め込むこともできる。例えば、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０．１３〜８、０．２１〜１０、０．２３〜２であり、シリコン酸化物の１．２〜８と略等しい。
【００６０】
（３）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、あるいは、それら少なくとも２つをそれぞれ複数ずつ備えた力学量センサを製造することもできる。
このように複数の光学素子を用いた力学量センサも、前述の実施形態の製造方法と同じ工程にて製造することができるため、複数の光学素子をそれぞれ個別に製造していた従来の製造方法よりも製造効率を格段に高めることができる。
また、複数の光学素子を同時に基板面上に形成する場合は、各光学素子の光軸が一致するように基板に作り込むことにより、光学素子形成後の光軸合わせが不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】力学量センサの平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】製造工程を示す説明図であり、（ａ）はエッチング工程１を示し、（ｂ）は熱酸化工程を示す。
【図４】製造工程を示す説明図であり、（ａ）、（ｂ）はエッチング工程２を示す。
【図５】マイクロレンズ５の斜視図である。
【図６】エッチングにより形成された光学素子形成体の縦断面図である。
【図７】熱酸化された光学素子形成体の縦断面図である。
【図８】エッチングされた光学素子形成体の縦断面図である。
【図９】他の実施形態の製造工程を示す説明図であり、（ａ）はエッチング工程１を示し、（ｂ）は熱酸化工程を示す。
【図１０】製造工程を示す説明図であり、（ａ）、（ｂ）はエッチング工程２を示す。間隙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１１】他の実施形態において熱酸化された光学素子形成体５ａの縦断面図である。
【図１２】各間隙５ｂがシリコン酸化物で埋め込まれた状態の縦断面図である。
【図１３】マイクロレンズ５の縦断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１・・シリコン基板、２・・支持部、２ａ・・支持部形成体、３・・梁部、
３ａ・・梁部形成体、４・・可動部、４ａ・・可動部形成体、
５・・マイクロレンズ（光学素子）、５ａ・・光学素子形成体、
６・・発光素子（光出射手段）、７・・受光素子。
【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】
2007071805.tif 000009
【図８】
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【図９】
2007071805.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2007071805.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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