JPH09304014A - 変位測定装置およびその製造方法 - Google Patents
変位測定装置およびその製造方法Info
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- JPH09304014A JPH09304014A JP8121364A JP12136496A JPH09304014A JP H09304014 A JPH09304014 A JP H09304014A JP 8121364 A JP8121364 A JP 8121364A JP 12136496 A JP12136496 A JP 12136496A JP H09304014 A JPH09304014 A JP H09304014A
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- light
- optical waveguide
- substrate
- layer
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Abstract
(57)【要約】
【課題】小型で慣性が小さく、振動の影響も受けにく
く、個別部品の組み立て、調整の工程を削除し、量産を
可能にして低コスト化を実現した変位測定装置およびそ
の製造方法を提供することを目的とする。 【解決手段】半導体基板上に一体化されて形成された次
のような電子素子、すなわち、半導体レーザ1と、少な
くとも一つ以上のフォトダイオード2111等と、下部
クラッド層、コア層、上部クラッド層の3層からなる膜
状の光導波路31、32と、半導体レーザ1から出射し
た光を平行にする光導波路凸状部311、321と、光
導波路31、32内を伝播する光を全反射させるミラー
1031と、部分反射させるハーフミラー51と、外部
の対象物体に向かって光を出射、結像させ、その反射光
を元の光導波路32に戻して平行光にする集光手段とを
設ける。
く、個別部品の組み立て、調整の工程を削除し、量産を
可能にして低コスト化を実現した変位測定装置およびそ
の製造方法を提供することを目的とする。 【解決手段】半導体基板上に一体化されて形成された次
のような電子素子、すなわち、半導体レーザ1と、少な
くとも一つ以上のフォトダイオード2111等と、下部
クラッド層、コア層、上部クラッド層の3層からなる膜
状の光導波路31、32と、半導体レーザ1から出射し
た光を平行にする光導波路凸状部311、321と、光
導波路31、32内を伝播する光を全反射させるミラー
1031と、部分反射させるハーフミラー51と、外部
の対象物体に向かって光を出射、結像させ、その反射光
を元の光導波路32に戻して平行光にする集光手段とを
設ける。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光を利用した変位
測定装置およびその製造方法に関するものである。
測定装置およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図12は、従来の光学系の変位測定装置
を示す図である。図に示すように、半導体レーザ1、光
検出器2、対物レンズ41、1/4波長板42、ハーフミ
ラー51、ビームスプリッタ52、臨界角プリズム5
3、コリメートレンズ54など、種々の個別部品を組み
立て、調整して構成されている。
を示す図である。図に示すように、半導体レーザ1、光
検出器2、対物レンズ41、1/4波長板42、ハーフミ
ラー51、ビームスプリッタ52、臨界角プリズム5
3、コリメートレンズ54など、種々の個別部品を組み
立て、調整して構成されている。
【0003】なお、この種の従来技術について記載され
ている文献としては、例えば論文Appl. Optics, Vol.2
7, No.1(1988)103-108、「High precision optical sur
facesensor(高精度光学式表面形状センサ)」を挙げる
ことができる。
ている文献としては、例えば論文Appl. Optics, Vol.2
7, No.1(1988)103-108、「High precision optical sur
facesensor(高精度光学式表面形状センサ)」を挙げる
ことができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の変位測定装置においては、個々の部品を組み立てて
いるので、装置寸法が大きくなり、装置の慣性も大きく
なるために、動く構造の中や、あるいは小さな装置など
に組み込んだりすることは不可能であった。また、コス
ト的にも問題がある。一例を挙げると重量500g、寸
法30mmの装置となる。
来の変位測定装置においては、個々の部品を組み立てて
いるので、装置寸法が大きくなり、装置の慣性も大きく
なるために、動く構造の中や、あるいは小さな装置など
に組み込んだりすることは不可能であった。また、コス
ト的にも問題がある。一例を挙げると重量500g、寸
法30mmの装置となる。
【0005】本発明は上述の課題を解決するためになさ
れたもので、小型で慣性が小さく、振動の影響も受けに
くく、個別部品の組み立て、調整の工程を削除し、量産
を可能にして低コスト化を実現した変位測定装置および
その製造方法を提供することを目的とする。
れたもので、小型で慣性が小さく、振動の影響も受けに
くく、個別部品の組み立て、調整の工程を削除し、量産
を可能にして低コスト化を実現した変位測定装置および
その製造方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明においては、半導体基板上に形成された次の
ような電子素子、すなわち、発光素子と、少なくとも一
つ以上のフォトダイオードと、下部クラッド層、コア
層、上部クラッド層の3層からなる膜状の光導波路と、
上記発光素子から出射した光を平行にする光導波路凸状
部と、上記光導波路内を伝播する光を臨界角で反射する
全反射ミラーと、部分反射するハーフミラーと、外部の
対象物体に向かって光を出射、結像させ、その反射光を
元の上記光導波路に戻して平行光にする集光手段とを設
ける。
に、本発明においては、半導体基板上に形成された次の
ような電子素子、すなわち、発光素子と、少なくとも一
つ以上のフォトダイオードと、下部クラッド層、コア
層、上部クラッド層の3層からなる膜状の光導波路と、
上記発光素子から出射した光を平行にする光導波路凸状
部と、上記光導波路内を伝播する光を臨界角で反射する
全反射ミラーと、部分反射するハーフミラーと、外部の
対象物体に向かって光を出射、結像させ、その反射光を
元の上記光導波路に戻して平行光にする集光手段とを設
ける。
【0007】また、外部の対象物体に向かって光を出
射、結像させる上記集光手段に対物レンズを実装する。
射、結像させる上記集光手段に対物レンズを実装する。
【0008】また、上記光導波路として、フッ素化ポリ
イミドあるいは石英系導波路を用いる。
イミドあるいは石英系導波路を用いる。
【0009】さらに、製造方法として、熱伝導性の良好
なSi、SiCまたはAlNからなる基板上に、下部ク
ラッド層、コア層、上部クラッド層の3層からなる膜状
の光導波路を有機系あるいは石英系の材料で、感光レジ
ストをマスクとした酸素プラズマによるエッチング工程
を用いて作製し、上記発光素子のチップおよび上記フォ
トダイオードのチップの活性層高さと上記光導波路コア
の中心がほぼ一致するように、上記チップを上記基板上
にボンディングする。
なSi、SiCまたはAlNからなる基板上に、下部ク
ラッド層、コア層、上部クラッド層の3層からなる膜状
の光導波路を有機系あるいは石英系の材料で、感光レジ
ストをマスクとした酸素プラズマによるエッチング工程
を用いて作製し、上記発光素子のチップおよび上記フォ
トダイオードのチップの活性層高さと上記光導波路コア
の中心がほぼ一致するように、上記チップを上記基板上
にボンディングする。
【0010】また、フォトダイオードをSi基板のベー
ス上に形成した後、下部クラッド層、コア層、上部クラ
ッド層の3層からなる膜状の光導波路を上記Si基板上
に有機系材料で、感光レジストをマスクとした酸素プラ
ズマによるエッチング工程を用いて作製し、上記発光素
子のチップの活性層高さと、上記フォトダイオードの活
性層の高さと、上記光導波路コア層の中心とが、ほぼ一
致するように上記チップを上記Si基板上にボンディン
グする。
ス上に形成した後、下部クラッド層、コア層、上部クラ
ッド層の3層からなる膜状の光導波路を上記Si基板上
に有機系材料で、感光レジストをマスクとした酸素プラ
ズマによるエッチング工程を用いて作製し、上記発光素
子のチップの活性層高さと、上記フォトダイオードの活
性層の高さと、上記光導波路コア層の中心とが、ほぼ一
致するように上記チップを上記Si基板上にボンディン
グする。
【0011】また、発光素子およびフォトダイオードを
Si基板上にモノリシックに形成し、さらに、上記基板
上に下部クラッド層、コア層、上部クラッド層の3層か
らなる膜状の光導波路を有機系材料により、感光レジス
トをマスクとした酸素プラズマによるエッチイング工程
を用いて形成し、上記発光素子の活性層が露出した出射
端面および上記フォトダイオードの受光端面を有機系材
料で覆う。
Si基板上にモノリシックに形成し、さらに、上記基板
上に下部クラッド層、コア層、上部クラッド層の3層か
らなる膜状の光導波路を有機系材料により、感光レジス
トをマスクとした酸素プラズマによるエッチイング工程
を用いて形成し、上記発光素子の活性層が露出した出射
端面および上記フォトダイオードの受光端面を有機系材
料で覆う。
【0012】
【発明の実施の形態】図1は本発明に係る変位測定装置
の実施の形態を示す平面図、図2(a)は図1のA−A
断面図、図2(b)は図1のB−B断面図である。図に
示すように、半導体基板5555上に、電子素子すなわ
ち、半導体レーザ1に代表される発光素子と、4つのフ
ォトダイオード(2111〜2212)と、半導体レー
ザ1の片端面11に結合した光導波路31、32とを構
成している。半導体レーザ1および4つのフォトダイオ
ード(2111〜2212)がチップ状の場合は、ボン
ディングにより半導体基板5555上に結合され、ま
た、半導体レーザ1および4つのフォトダイオード(2
111〜2212)は、Si基板100上にモノリシッ
クに形成される場合もある。光導波路31は、下部クラ
ッド3141、コア3142、上部クラッド3143の
3層から構成されている。また、微小な個別の対物レン
ズ41をこの一体形成したチップの導波路出射端近傍に
置く場合もある。光導波路31の凸状部311、321
は、レンズ機能をもたせるために、凸形状にエッチング
して、横(水平)方向に広がった光ビームをほぼ平行光
線するようにした。さらに、光導波路31と結合した光
導波路32には、図2(b)に示すように、上部クラッ
ド3143の一部に光の進行方向と角度をもった溝31
3をエッチングで形成することによりハーフミラー51
を形成した。ハーフミラー51の特性すなわち、透過す
る光量と反射する光量の比率は、溝313の幅によって
制御できる。反射率を上げるときには溝幅を大きくして
いく。
の実施の形態を示す平面図、図2(a)は図1のA−A
断面図、図2(b)は図1のB−B断面図である。図に
示すように、半導体基板5555上に、電子素子すなわ
ち、半導体レーザ1に代表される発光素子と、4つのフ
ォトダイオード(2111〜2212)と、半導体レー
ザ1の片端面11に結合した光導波路31、32とを構
成している。半導体レーザ1および4つのフォトダイオ
ード(2111〜2212)がチップ状の場合は、ボン
ディングにより半導体基板5555上に結合され、ま
た、半導体レーザ1および4つのフォトダイオード(2
111〜2212)は、Si基板100上にモノリシッ
クに形成される場合もある。光導波路31は、下部クラ
ッド3141、コア3142、上部クラッド3143の
3層から構成されている。また、微小な個別の対物レン
ズ41をこの一体形成したチップの導波路出射端近傍に
置く場合もある。光導波路31の凸状部311、321
は、レンズ機能をもたせるために、凸形状にエッチング
して、横(水平)方向に広がった光ビームをほぼ平行光
線するようにした。さらに、光導波路31と結合した光
導波路32には、図2(b)に示すように、上部クラッ
ド3143の一部に光の進行方向と角度をもった溝31
3をエッチングで形成することによりハーフミラー51
を形成した。ハーフミラー51の特性すなわち、透過す
る光量と反射する光量の比率は、溝313の幅によって
制御できる。反射率を上げるときには溝幅を大きくして
いく。
【0013】上記の構成を動作させるには、半導体レー
ザ1の電極パッド81から電流を流し、表面オーミック
電極82から裏面オーミック電極83へ半導体レーザ1
に電流を注入すると半導体レーザ1が発振する。半導体
レーザ1の端面11の活性層4444付近から出射した
光ビーム61は光導波路31を縦方向の束縛を受けなが
ら、水平方向には広がりながら伝播していく。その後、
光導波路凸状部311の凸形状により水平方向の広がり
はほぼ平行に抑えられる。その後、光導波路31を通過
するビーム61はもう一つの光導波路32を伝播し、形
成されたハーフミラー51でさらに2つのビーム611
と612に分割される。ビーム611は光導波路先端の
凸状部321により水平方向のビームが集光され、集光
手段4により、物体7に入射される。物体7で反射した
ビームは、再び導波路32に入射し、その結果光ビーム
611の一部の光はさらにハーフミラー51を透過後、
略臨界角に形成された全反射ミラー1031で反射後、
フォトダイオード2111、2112に向かう。この場
合、フォトダイオード2111、2112は、光の光軸
6をはさむように設けられる。
ザ1の電極パッド81から電流を流し、表面オーミック
電極82から裏面オーミック電極83へ半導体レーザ1
に電流を注入すると半導体レーザ1が発振する。半導体
レーザ1の端面11の活性層4444付近から出射した
光ビーム61は光導波路31を縦方向の束縛を受けなが
ら、水平方向には広がりながら伝播していく。その後、
光導波路凸状部311の凸形状により水平方向の広がり
はほぼ平行に抑えられる。その後、光導波路31を通過
するビーム61はもう一つの光導波路32を伝播し、形
成されたハーフミラー51でさらに2つのビーム611
と612に分割される。ビーム611は光導波路先端の
凸状部321により水平方向のビームが集光され、集光
手段4により、物体7に入射される。物体7で反射した
ビームは、再び導波路32に入射し、その結果光ビーム
611の一部の光はさらにハーフミラー51を透過後、
略臨界角に形成された全反射ミラー1031で反射後、
フォトダイオード2111、2112に向かう。この場
合、フォトダイオード2111、2112は、光の光軸
6をはさむように設けられる。
【0014】外部の物体7の変位(移動)δに伴い、2
つのフォトダイオード2111と2112には信号
IA、IBが得られ、図3に示すように、両者の信号差
(IA−IB)には結像の位置を原点にする直線部分10
3がδの関数として得られる。この直線部分が信号の強
度と変位が一対一に対応しており、測定可能な範囲にな
る。
つのフォトダイオード2111と2112には信号
IA、IBが得られ、図3に示すように、両者の信号差
(IA−IB)には結像の位置を原点にする直線部分10
3がδの関数として得られる。この直線部分が信号の強
度と変位が一対一に対応しており、測定可能な範囲にな
る。
【0015】図4(a)は上述の変位測定装置を作製す
るための説明図、図4(b)は図4(a)の一部拡大図
である。先ず、酸無水物6FDAと有機ジアミンTFD
Bの共重合により得られた6FDA/TFDBと、同様
にして得られたPMDA/TFDBの混合比を変えた2
種類のフッ素化ポリイミド(両者の屈折率、1.533
と1.541の屈折率差Δn=0.008)の重合体を
作製しておく。次に、半導体レーザ1と4つのフォトダ
イオード2111、2112、2211、2212を作
製する。半導体レーザ1およびフォトダイオード211
1、2112、2211、2212は図4(a)に示す
ように、上面にオーミック電極82があり、絶縁膜33
31、パッド電極膜81が形成される。活性層4444
から最終的にはレーザ光が出射される。
るための説明図、図4(b)は図4(a)の一部拡大図
である。先ず、酸無水物6FDAと有機ジアミンTFD
Bの共重合により得られた6FDA/TFDBと、同様
にして得られたPMDA/TFDBの混合比を変えた2
種類のフッ素化ポリイミド(両者の屈折率、1.533
と1.541の屈折率差Δn=0.008)の重合体を
作製しておく。次に、半導体レーザ1と4つのフォトダ
イオード2111、2112、2211、2212を作
製する。半導体レーザ1およびフォトダイオード211
1、2112、2211、2212は図4(a)に示す
ように、上面にオーミック電極82があり、絶縁膜33
31、パッド電極膜81が形成される。活性層4444
から最終的にはレーザ光が出射される。
【0016】半導体レーザ1のエッチドミラー(出射端
面)11、12は活性層4444より下5.5μm、上
2.5μmの計8μmの深さを純塩素の反応性ガスを用
いてエッチングして形成した。次に、図5(a)に示す
ように、光導波路31の下部クラッド層3141を形成
するための屈折率1.533のフッ素化ポリイミドを塗
布した後、ベークをして脱水反応をおこさせる。この厚
さは半導体レーザ1の端面近傍を除いたところでは、目
標4μmに対して3.9μmであった。引き続いて、コ
ア層3142を形成するために、図5(b)に示すよう
に、下部クラッド層3141と屈折率の異なる屈折率
1.541のフッ素化ポリイミド材を用いてコア層31
41を塗布・焼結した。この場合、屈折率差Δnが0.
008と小さく制御できることから、シングルモードが
得られるコア層3142の厚さは3.5μmであるの
で、このときのコア層3142の厚み目標を3μmとし
た。実際も3.0μmとほぼ目標通りであった。この
後、図6(a)に示すように、酸素プラズマにさらされ
た部分がSiO2に変化する感光性レジストであるSP
P(Silicone-based positive photoresist)レジスト
91を用いたホトリソグラフ技術を用い、酸素ガス雰囲
気中で半導体レーザ1の端面近傍の斜面部分101を反
応性エッチングで取り除いた。その時のエッチング深さ
は多少オーバぎみで4μmであった。コア層3141の
端面と半導体レーザ1の端面11との間に10μmの隙
間(ギャップ)102を形成した。この反応性エッチン
グにおいて、下部クラッド3141は半導体レーザ1上
に残された状態になっている。従って、本実施の形態の
ようにコア層3142をオーバエッチングしても半導体
レーザ1の端面11、12がフッ素化ポリイミドで覆わ
れているため、エッチングの際のイオン衝撃を半導体端
面が受けることがないことから、半導体レーザ1の特性
の劣化を引き起こさない。また、コア層3142の中心
はエッチングの底面から5.4μmで活性層4444の
高さ5.5μmとのずれは0.1μmしかないのでコア
層3142が3μmと厚いために十分に半導体レーザ1
から出射したビームがコア層3142内へ伝播してい
く。その後、図6(b)に示すように、再度クラッド層
材を下部クラッド層3141の形成と同様の手順で塗布
・焼結して、上部クラッド層3143を作製すると同時
に、半導体レーザ1とコア層3142との間にあるギャ
ップ102をも埋めることができる。フッ素化ポリイミ
ドは粘度が高いために平坦化にも有効で、塗布・ベーク
後、半導体レーザ端面付近の段差は大幅に減少した。
面)11、12は活性層4444より下5.5μm、上
2.5μmの計8μmの深さを純塩素の反応性ガスを用
いてエッチングして形成した。次に、図5(a)に示す
ように、光導波路31の下部クラッド層3141を形成
するための屈折率1.533のフッ素化ポリイミドを塗
布した後、ベークをして脱水反応をおこさせる。この厚
さは半導体レーザ1の端面近傍を除いたところでは、目
標4μmに対して3.9μmであった。引き続いて、コ
ア層3142を形成するために、図5(b)に示すよう
に、下部クラッド層3141と屈折率の異なる屈折率
1.541のフッ素化ポリイミド材を用いてコア層31
41を塗布・焼結した。この場合、屈折率差Δnが0.
008と小さく制御できることから、シングルモードが
得られるコア層3142の厚さは3.5μmであるの
で、このときのコア層3142の厚み目標を3μmとし
た。実際も3.0μmとほぼ目標通りであった。この
後、図6(a)に示すように、酸素プラズマにさらされ
た部分がSiO2に変化する感光性レジストであるSP
P(Silicone-based positive photoresist)レジスト
91を用いたホトリソグラフ技術を用い、酸素ガス雰囲
気中で半導体レーザ1の端面近傍の斜面部分101を反
応性エッチングで取り除いた。その時のエッチング深さ
は多少オーバぎみで4μmであった。コア層3141の
端面と半導体レーザ1の端面11との間に10μmの隙
間(ギャップ)102を形成した。この反応性エッチン
グにおいて、下部クラッド3141は半導体レーザ1上
に残された状態になっている。従って、本実施の形態の
ようにコア層3142をオーバエッチングしても半導体
レーザ1の端面11、12がフッ素化ポリイミドで覆わ
れているため、エッチングの際のイオン衝撃を半導体端
面が受けることがないことから、半導体レーザ1の特性
の劣化を引き起こさない。また、コア層3142の中心
はエッチングの底面から5.4μmで活性層4444の
高さ5.5μmとのずれは0.1μmしかないのでコア
層3142が3μmと厚いために十分に半導体レーザ1
から出射したビームがコア層3142内へ伝播してい
く。その後、図6(b)に示すように、再度クラッド層
材を下部クラッド層3141の形成と同様の手順で塗布
・焼結して、上部クラッド層3143を作製すると同時
に、半導体レーザ1とコア層3142との間にあるギャ
ップ102をも埋めることができる。フッ素化ポリイミ
ドは粘度が高いために平坦化にも有効で、塗布・ベーク
後、半導体レーザ端面付近の段差は大幅に減少した。
【0017】次に、ハーフミラー51を形成するため
に、10〜30μmの幅で上部クラッド層3143に溝
を光軸に対して75°の角度で入れた。その角度と溝幅
により自由にハーフミラー51の透過量と反射量の比を
可変させることができる。また、図7(a)に示すよう
に、この3層構造のフッ素化ポリイミドをSPPレジス
ト91を用いたホトリソグラフ技術と酸素プラズマによ
る反応性イオンエッチングで加工し、導波路31、32
を形成した。また、この光導波路加工において、臨界角
の全反射ミラー1031を形成する以外に、導波路3
1、32の一部をレンズ形状の凸状部321、311に
する加工を同時に行った。そのレンズ形状は次式で表わ
せる2次曲線のパターン形状にした。
に、10〜30μmの幅で上部クラッド層3143に溝
を光軸に対して75°の角度で入れた。その角度と溝幅
により自由にハーフミラー51の透過量と反射量の比を
可変させることができる。また、図7(a)に示すよう
に、この3層構造のフッ素化ポリイミドをSPPレジス
ト91を用いたホトリソグラフ技術と酸素プラズマによ
る反応性イオンエッチングで加工し、導波路31、32
を形成した。また、この光導波路加工において、臨界角
の全反射ミラー1031を形成する以外に、導波路3
1、32の一部をレンズ形状の凸状部321、311に
する加工を同時に行った。そのレンズ形状は次式で表わ
せる2次曲線のパターン形状にした。
【0018】
【数1】
【0019】ただし座標はレンズ形状先端を原点にし
て、X、Y軸は図1に示したように設定した。ここで、
C、mは凸状のレンズ形状を表わすパラメータである。
さらに、3層のポリイミド層をエッチングすると同時
に、電極パッド81の上にあるポリイミド層も窓開けす
る。酸素プラズマでエッチングすると、Auなどはエッ
チレートが小さいためにストッパとして機能し、窓開け
された電極パッド81が容易に形成される。また、図7
(b)に示すように、裏面を薄片化研磨をして厚さ約1
00μmにし、裏面オーミック電極83を形成後、銅ヘ
ッダにボンディングされたSiのヒートシンクにこのエ
ンコーダチップをAuSnハンダで加熱ボンディングし
た。
て、X、Y軸は図1に示したように設定した。ここで、
C、mは凸状のレンズ形状を表わすパラメータである。
さらに、3層のポリイミド層をエッチングすると同時
に、電極パッド81の上にあるポリイミド層も窓開けす
る。酸素プラズマでエッチングすると、Auなどはエッ
チレートが小さいためにストッパとして機能し、窓開け
された電極パッド81が容易に形成される。また、図7
(b)に示すように、裏面を薄片化研磨をして厚さ約1
00μmにし、裏面オーミック電極83を形成後、銅ヘ
ッダにボンディングされたSiのヒートシンクにこのエ
ンコーダチップをAuSnハンダで加熱ボンディングし
た。
【0020】上述の本発明の実施の形態により、1.5
ミリ以下のチップが単に半導体光素子作製のプレーナ技
術とフッ素化ポリイミド導波路作製技術のみで、2イン
チ基板において、歩留り60%で約250個同時に形成
することができた。従来の数センチの大きさと比べると
1桁小さくなった。また、重量は実装した後でも0.0
5g程度であり従来比1/10000と超小型になっ
た。
ミリ以下のチップが単に半導体光素子作製のプレーナ技
術とフッ素化ポリイミド導波路作製技術のみで、2イン
チ基板において、歩留り60%で約250個同時に形成
することができた。従来の数センチの大きさと比べると
1桁小さくなった。また、重量は実装した後でも0.0
5g程度であり従来比1/10000と超小型になっ
た。
【0021】なお、半導体基板5555としてGaAs
基板を使用したが、InPなどの高波長用の基板でも同
様のことがいえ、本発明は半導体基板5555の種類を
限定するものではない。
基板を使用したが、InPなどの高波長用の基板でも同
様のことがいえ、本発明は半導体基板5555の種類を
限定するものではない。
【0022】図8は本発明に係る変位測定装置のもう一
つの実施の形態を示す平面図、図9、図10、図11は
図8を説明する図である。本発明の変位測定装置を実現
するためには、図に示すように、まず、ヒートシンクと
しても機能するSi基板100に4つのフォトダイオー
ド3331、3332、3333、3334を形成し
て、半導体レーザチップ301をボンディングするため
の電極パターン3337を形成した(図9)。電極パタ
ーン3337としては下地との密着性を高めるために、
Crを数10〜数100オングストローム付けた後Au
を堆積した。図1の場合と同じように、フッ素化ポリイ
ミドの下部クラッド層3141、コア層3142、上部
クラッド層3143の3層を形成した後、SPPをマス
クにして酸素プラズマでドライエッチングにより導波路
31、32を作製した(図10)。図11(b)に示す
ように、コア層3142の中心の高さと、半導体レーザ
チップ301の活性層4444およびフォトダイオード
3331、3332、3333、3334の活性層66
66の中心部の高さとがほぼ一致するように、下部クラ
ッド層3141およびコア層3142の厚さを決定し、
半導体レーザチップ301を数μmの精度でハンダ30
2によりボンディングした。具体的にいうと、下部クラ
ッド層3141の厚さを5μm、コア層の厚さを4μm
にした。半導体レーザチップ301の活性層深さを表面
から4.5μmにして表面の電極厚さを0.5μm、A
uSnハンダ膜を厚さ2μmにEB蒸着により堆積し
た。光導波路31、32の途中を凸面のレンズ形状に
し、光導波路凸状部311、321を形成し、光導波路
32には、全反射鏡1031を設けた。また、ハーフミ
ラー51を上部クラッド層3143に溝313を形成す
ることにより作製した。
つの実施の形態を示す平面図、図9、図10、図11は
図8を説明する図である。本発明の変位測定装置を実現
するためには、図に示すように、まず、ヒートシンクと
しても機能するSi基板100に4つのフォトダイオー
ド3331、3332、3333、3334を形成し
て、半導体レーザチップ301をボンディングするため
の電極パターン3337を形成した(図9)。電極パタ
ーン3337としては下地との密着性を高めるために、
Crを数10〜数100オングストローム付けた後Au
を堆積した。図1の場合と同じように、フッ素化ポリイ
ミドの下部クラッド層3141、コア層3142、上部
クラッド層3143の3層を形成した後、SPPをマス
クにして酸素プラズマでドライエッチングにより導波路
31、32を作製した(図10)。図11(b)に示す
ように、コア層3142の中心の高さと、半導体レーザ
チップ301の活性層4444およびフォトダイオード
3331、3332、3333、3334の活性層66
66の中心部の高さとがほぼ一致するように、下部クラ
ッド層3141およびコア層3142の厚さを決定し、
半導体レーザチップ301を数μmの精度でハンダ30
2によりボンディングした。具体的にいうと、下部クラ
ッド層3141の厚さを5μm、コア層の厚さを4μm
にした。半導体レーザチップ301の活性層深さを表面
から4.5μmにして表面の電極厚さを0.5μm、A
uSnハンダ膜を厚さ2μmにEB蒸着により堆積し
た。光導波路31、32の途中を凸面のレンズ形状に
し、光導波路凸状部311、321を形成し、光導波路
32には、全反射鏡1031を設けた。また、ハーフミ
ラー51を上部クラッド層3143に溝313を形成す
ることにより作製した。
【0023】ハンダ膜を形成した半導体レーザチップ3
01の大きさの精度を決定する劈開精度は10μmの精
度しか得られないので、光導波路31とのギャップ37
を20〜30μm程余裕をみて作製した。活性層の高さ
位置精度はチップの結晶成長の膜厚精度で決まる活性層
の深さ、電極およびハンダ厚さにより左右され、いずれ
もサブμm精度範囲の制御が可能なために、ジャンクシ
ョンダウンで、表面を下に置いて加熱するだけで問題な
くボンディングできる。基板と平行な方向は数μm精度
でボンディングすればよいので問題はない。この構造お
よび方法だと、半導体レーザのボンディング工程は図1
の場合と比べ増えるものの、既にベースにヒートシンク
が使用されているために、さらにチップをヒートシンク
にボンディングする必要がない。また、半導体レーザチ
ップ301の活性層が露出している面をエッチングで形
成する必要がなく、通常の劈開で良いので、エッチング
技術のない場合でも信頼性の高い、長寿命の変異測定装
置を実現できる。また、半導体レーザチップ301に、
1ミクロン以下の波長の光を発光するものを用いると、
シリコンが高い感度を有するために、また、受光面積を
大きくできるために、高いS/N比が得られた。上述の
実施の形態から次のような効果が得られる。
01の大きさの精度を決定する劈開精度は10μmの精
度しか得られないので、光導波路31とのギャップ37
を20〜30μm程余裕をみて作製した。活性層の高さ
位置精度はチップの結晶成長の膜厚精度で決まる活性層
の深さ、電極およびハンダ厚さにより左右され、いずれ
もサブμm精度範囲の制御が可能なために、ジャンクシ
ョンダウンで、表面を下に置いて加熱するだけで問題な
くボンディングできる。基板と平行な方向は数μm精度
でボンディングすればよいので問題はない。この構造お
よび方法だと、半導体レーザのボンディング工程は図1
の場合と比べ増えるものの、既にベースにヒートシンク
が使用されているために、さらにチップをヒートシンク
にボンディングする必要がない。また、半導体レーザチ
ップ301の活性層が露出している面をエッチングで形
成する必要がなく、通常の劈開で良いので、エッチング
技術のない場合でも信頼性の高い、長寿命の変異測定装
置を実現できる。また、半導体レーザチップ301に、
1ミクロン以下の波長の光を発光するものを用いると、
シリコンが高い感度を有するために、また、受光面積を
大きくできるために、高いS/N比が得られた。上述の
実施の形態から次のような効果が得られる。
【0024】これまでのレンズ、ミラー、プリズムな
どの比較的大きな個別部品が削除でき、組み立て調整必
要がないために寸法を小さくでき、従来寸法に比べ部品
数比10分の1、重量比10000分の1の超小型の変
異測定装置が実現できる。
どの比較的大きな個別部品が削除でき、組み立て調整必
要がないために寸法を小さくでき、従来寸法に比べ部品
数比10分の1、重量比10000分の1の超小型の変
異測定装置が実現できる。
【0025】製造方法においては、同一基板上に形成
されるために、光素子は2次元的な位置決めのボンディ
ングでよく、3次元的なアライメントを必要としない。
もちろん、光素子をモノリシックに形成する場合には、
このようなボンディング工程も不要である。
されるために、光素子は2次元的な位置決めのボンディ
ングでよく、3次元的なアライメントを必要としない。
もちろん、光素子をモノリシックに形成する場合には、
このようなボンディング工程も不要である。
【0026】発光素子の種類の制約を取り除くと同時
に、エッチドミラー形成技術を不要とする方法も可能に
なる。
に、エッチドミラー形成技術を不要とする方法も可能に
なる。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る変位
測定装置およびその製造方法においては、半導体レー
ザ、フォトダイオードと光導波路を一体化することによ
り、小型で慣性が少なく、振動の影響も受けにくい変位
測定装置が実現できる。
測定装置およびその製造方法においては、半導体レー
ザ、フォトダイオードと光導波路を一体化することによ
り、小型で慣性が少なく、振動の影響も受けにくい変位
測定装置が実現できる。
【0028】また、対物レンズを実装することにより、
効率的な変位測定が可能となる。
効率的な変位測定が可能となる。
【0029】また、光導波路にフッ素化ポリイミドある
いは石英系導波路を用いることにより、屈折率の制御等
が効果的に行なわれ、高性能の変位測定装置が実現でき
る。
いは石英系導波路を用いることにより、屈折率の制御等
が効果的に行なわれ、高性能の変位測定装置が実現でき
る。
【0030】また、製造法として、光導波路を作製した
後、半導体光素子をボンディングすることも可能である
ため、種々の半導体レーザが使用でき、エッチドミラー
形成技術が不要にもできる。
後、半導体光素子をボンディングすることも可能である
ため、種々の半導体レーザが使用でき、エッチドミラー
形成技術が不要にもできる。
【0031】また、Si基板上に半導体光素子を形成さ
せる後、光導波路を作製することも可能で、良好な変位
測定装置が実現できる。また、ヒートシンクにもなるS
i、AlN基板をベースにすることにより、変位測定器
のヒートシンク実装工程が減少する。
せる後、光導波路を作製することも可能で、良好な変位
測定装置が実現できる。また、ヒートシンクにもなるS
i、AlN基板をベースにすることにより、変位測定器
のヒートシンク実装工程が減少する。
【0032】また、半導体光素子をモノリシックに作製
することにより、超小型の変位測定装置が実現でき、ま
た、1基板から多数個の変位測定装置を作製することが
できるので、大幅なコスト低減が可能となる。
することにより、超小型の変位測定装置が実現でき、ま
た、1基板から多数個の変位測定装置を作製することが
できるので、大幅なコスト低減が可能となる。
【図1】本発明に係る変位測定装置の一つの実施の形態
を示す平面図である。
を示す平面図である。
【図2】(a)は図1のA−A断面図、(b)は図1の
B−B断面図である。
B−B断面図である。
【図3】外部物体の変位(δ)とフォトダイオード出力
との関係図である。
との関係図である。
【図4】(a)は図1のA−A断面図、(b)は(a)
の部分拡大図である。
の部分拡大図である。
【図5】製造方法の説明図である。
【図6】製造方法の説明図である。
【図7】製造方法の説明図である。
【図8】本発明に係る変位測定装置のもう一つの実施の
形態を示す平面図である。
形態を示す平面図である。
【図9】製造方法の説明図である。
【図10】製造方法の説明図である。
【図11】製造方法の説明図である。
【図12】従来の変位測定装置の構成例を示す図であ
る。
る。
1 半導体レーザ 11、12 エッチドミラー(出射端面) 2 光検出器 2111〜2112 フォトダイオード 2211〜2212 フォトダイオード 301 半導体レーザチップ 302 ハンダ 31、32 光導波路 3141 下部クラッド層 3142 コア層 3143 上部クラッド層 311、321 光導波路凸状部 313 溝 3331〜3334 Si基板上に形成したフォトダ
イオード 3337 電極パターン 37 ギャップ 4 集光手段 41 対物レンズ 42 1/4波長板 4444 活性層 51 ハーフミラー 52 ビームスプリッタ 53 臨界角プリズム 54 コリメートレンズ 5555 半導体基板 6 光軸 61、611、612 光ビーム 6666 Si基板上に作製したフォトダイオードの
活性層 7 外部の物体 81 電極パッド 82 表面オーミック電極 83 裏面オーミック電極 91 SPPレジスト 100 Si基板 101 斜面部 102 ギャップ 103 変位と2つのフォトダイオードの信号差の線
形関係領域 1031 全反射ミラー
イオード 3337 電極パターン 37 ギャップ 4 集光手段 41 対物レンズ 42 1/4波長板 4444 活性層 51 ハーフミラー 52 ビームスプリッタ 53 臨界角プリズム 54 コリメートレンズ 5555 半導体基板 6 光軸 61、611、612 光ビーム 6666 Si基板上に作製したフォトダイオードの
活性層 7 外部の物体 81 電極パッド 82 表面オーミック電極 83 裏面オーミック電極 91 SPPレジスト 100 Si基板 101 斜面部 102 ギャップ 103 変位と2つのフォトダイオードの信号差の線
形関係領域 1031 全反射ミラー
Claims (6)
- 【請求項1】半導体基板上に形成された次のような電子
素子、すなわち、発光素子と、少なくとも一つ以上のフ
ォトダイオードと、下部クラッド層、コア層、上部クラ
ッド層の3層からなる膜状の光導波路と、上記発光素子
から出射した光を平行にする光導波路凸状部と、上記光
導波路内を伝播する光を臨界角で反射する全反射ミラー
と、部分反射するハーフミラーと、外部の対象物体に向
かって光を出射、結像させ、その反射光を元の上記光導
波路に戻して平行光にする集光手段とを有することを特
徴とする変位測定装置。 - 【請求項2】外部の対象物体に向かって光を出射、結像
させる上記集光手段に対物レンズを実装することを特徴
とする請求項1に記載の変位測定装置。 - 【請求項3】上記光導波路として、フッ素化ポリイミド
あるいは石英系導波路を用いることを特徴とする請求項
1に記載の変位測定装置。 - 【請求項4】熱伝導性の良好なSi、SiCまたはAl
Nからなる基板上に、下部クラッド層、コア層、上部ク
ラッド層の3層からなる膜状の光導波路を有機系あるい
は石英系の材料で、感光レジストをマスクとした酸素プ
ラズマによるエッチング工程を用いて作製し、上記発光
素子のチップおよび上記フォトダイオードのチップの活
性層高さと上記光導波路コアの中心がほぼ一致するよう
に、上記チップを上記基板上にボンディングすることを
特徴とする変位測定装置の製造方法。 - 【請求項5】フォトダイオードをSi基板のベース上に
形成した後、下部クラッド層、コア層、上部クラッド層
の3層からなる膜状の光導波路を上記Si基板上に有機
系材料で、感光レジストをマスクとした酸素プラズマに
よるエッチング工程を用いて作製し、上記発光素子のチ
ップの活性層高さと、上記フォトダイオードの活性層の
高さと、上記光導波路コア層の中心とが、ほぼ一致する
ように上記チップを上記Si基板上にボンディングする
ことを特徴とする変位測定装置の製造方法。 - 【請求項6】発光素子およびフォトダイオードをSi基
板上にモノリシックに形成し、さらに、上記基板上に下
部クラッド層、コア層、上部クラッド層の3層からなる
膜状の光導波路を有機系材料により、感光レジストをマ
スクとした酸素プラズマによるエッチイング工程を用い
て形成し、上記発光素子の活性層が露出した出射端面お
よび上記フォトダイオードの受光端面を有機系材料で覆
うことを特徴とする変位測定装置の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8121364A JPH09304014A (ja) | 1996-05-16 | 1996-05-16 | 変位測定装置およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8121364A JPH09304014A (ja) | 1996-05-16 | 1996-05-16 | 変位測定装置およびその製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09304014A true JPH09304014A (ja) | 1997-11-28 |
Family
ID=14809426
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8121364A Pending JPH09304014A (ja) | 1996-05-16 | 1996-05-16 | 変位測定装置およびその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH09304014A (ja) |
-
1996
- 1996-05-16 JP JP8121364A patent/JPH09304014A/ja active Pending
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