JPH09304014A

JPH09304014A - 変位測定装置およびその製造方法

Info

Publication number: JPH09304014A
Application number: JP8121364A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Sawada; 廉士澤田; Eiji Higure; 栄治日暮; Takahiro Ito; 高廣伊藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-05-16
Filing date: 1996-05-16
Publication date: 1997-11-28

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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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
Ｉ_A、Ｉ_Bが得られ、図３に示すように、両者の信号差
（Ｉ_A−Ｉ_B）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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【図４】（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は（ａ）
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。

【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。

【符号の説明】

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３３３１〜３３３４Ｓｉ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６６６６Ｓｉ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９１ＳＰＰレジスト１００Ｓｉ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

【特許請求の範囲】

【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。