DE2657090C3

DE2657090C3 - Verfahren zur Herstellung von Echelettgittern

Info

Publication number: DE2657090C3
Application number: DE2657090A
Authority: DE
Inventors: Yoshinobu Kamifukuoka Saitama Aoyagi; Susumu Tokio Namba
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1975-12-19
Filing date: 1976-12-16
Publication date: 1979-04-19
Also published as: DE2657090B2; DE2657090A1; US4131506A; JPS5275341A; JPS5540846B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Echelettgittern, bei dein auf einem Substrat ein erhabenes Maskierungsgitter hergestellt wird und auf das maskierte Substrat ein Strahlenbündel von geladenen Teilchen geworfen wird, beispielsweise durch Kathodenzerstäubung (sputtering). Ein Echelettgitter ist bekanntlich ein Beugungsgitter mit parallelen Sägezahnprofil-Furchen auf der Oberfläche eines ebenen Substrats.

In der Entwicklung -;on ph toelektronischen integrierten Schaltungen für die Verarbeitung von Lichtsignalen sind in letzter Zeit Fortschritte gemacht worden. Daher ist das Bedürfnis nach Echelettgittern hoher Präzision entsprechend stärker geworden. Zur Herstellung von Echelettgittern hat man holographische Verfahren verwendet Gegenüber dem Eingravieren von Sägezahnprofil-Furchen in ein Substrat mit einem Messer hat die Holographie den Vorteil, daß man mit ihrer Hilfe mit geringeren Kosten auf der Oberfläche eines Substrats eine größere Anzahl von Sägezahnprofil-Furchen mit hoher Präzision ausbilden kann. Derartige Echelettgitter sind in den Veröffentlichungen von (1) N. K. Sheriden, in »Applied Physics, Letters«, Band 12, 1968, Seite 316 und (2) H. Nagata und M. Kishi, in »Japanese journal, Applied Physics, Supplement No. 14«, 1975, Seite 181 als holographisch erodierte Gitter (blazed holographic gratings) bezeichnet worden.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus Appi. Phys. Letters. V 25, N 7,1974, S. 415 - 418 oder aus Appl. Optics. V 13, N 7, S. 1695-1702 bekannt. Bei einer derartigen Herstellungsweisc: haben die Bestrahlung, Entwicklung und andere phcitographische Behandlungen einen ungünstigen Einfluß auf die Ausbildung des Sägezahnprofils der Furchen des Echelettgitters. Insbeüondere ist es auf Grund dieser Einflüsse schwierig, bei der Herstellung von Echelettgittern den Beugungswinkel mit der erforderlichen hohen Genauigkeit Vorherzubestimmen. Bei industriellem Einsatz von Echelettgittern als Beugungsgitter ist jedoch eine hohe Genauigkeit bei der Herstellung von ausschlaggebender Bedeutung,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Echelettgittern der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß man mit hoher Präzision einwandfrei ausgebildete Sägezahnprofi!· Furchen und einen genau vorher bestimmbaren Beugungswinkel erzielen und sicherstellen kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren zur Herstellung von Echelettgittern der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Strahlenbündel so auf die Substratoberfläche einfällt, daß eine teilweise Abschattung der zwischen den Gitterelementen des Maskierungsgitters liegenden Substratbereiche durch die Gitterelemente des Maskierungsgitters erfolgt

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Substratoberfläche somit unter Zwischenschaltung des Maskierungsgitters mit Strahlen von geladenen Teil-

!5 chen beschossen, wodurch das Substrat entsprechend erodiert wird. Durch die beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgende teilweise Abschattung der entsprechenden Substratbereiche erhält man einen genau begrenzten, zu erodierenden Oberflächenbereich des Substrats. Durch die entsprechende Wahl des Einfallwinkels des Strahlenbündels auf die Substratoberfläche läßt sich der Beugungswinkel des herzustellenden Echelettgitters auf einfache Art und Weise und sehr präzise vorherbestimmen. Die Erfindung ermöglicht demzufolge eine äußerst präzise Herstellung eines Echelettgitters, das zur großindustriellen Verwendung geeignet ist

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Form und der Beugungswinkel des Echelettgitters dadurch bestimmt, daß das Substrat unter einem gewählten Neigungswinkel zu dem Strahlenbündel von geladenen Teilchen angeordnet wird.

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 und 3 .viedergegeben.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert Darin zeigt

F i g. 1 das Prinzip der holographischen Herstellung eines Echelettgitters auf einer ebenen Oberfläche und

Ί° F i g. 2 in größerem Maßstab im Schnitt das nach dem Verfahren gemäß Fi g. 1 hergestellte Echelettgitter;

F i g. 3 erläutert ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 ist eine Darstellung einer Argonionen-Erosionsvorrichtung zum Herstellen des Echelettgitters;

F i g. 5 zeigt mit Hilfe eines Raster-Elektronenmikroskops bestimmte Profile von Echelettgittern und erläutert die Abhängigkeit des Verhältnisses des

^r·⁰ Intensitätsmaximums + 1. Ordnung zu dem Intensitätsmaximum -1. (I\lI-\) von dem Strahleneinfallswinkel Q:

Fig.6 erläutert die Beziehung zwischen dem Beugungswinkel ό und dem Strahleinfallwinkel;

Fig. 7 erläutert die Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Ionenerosion von dem Strahleinfallwinkel;

Fig.8 erläutert die Abhängigkeit des Helligkeitsgewinns von der Wellenlänge bei verschiedenen Strahleinfallwinkeln;

Fig.9 erläutert die Abhängigkeit der Erosionstiefe von der Beschleunigungsspannung für verschiedene Substratwerkstoffe und für ein photoelektronisches Überzugsmaterial (AZ-1350).

Gemäß der Fig. 1 gibt ein Laser 1 ein kohärentes Lichtstrahlenbündel ab, das nach dem Durchtritt durch Linsen 2 Und 3 auf die eine Fläche eines durchsichtigen Substrats 5 fällt Und nach dem Durchtritt durch dieses Substrat Von einem Spiegel 4 auf die entgegengesetzte

Fläche des Substrats 5 reflektiert wird. Eine dieser beiden entgegengesetzten Rächen des Substrats ist mit einem lichtempfindlichen Material überzogen. Infolge der interferenz der unterschiedlichen kohärenten Lichtstrahlen, die auf die entgegengesetzten Flächen des Substrats fallen, erscheinen Interferenzstreifen auf der mit dem lichtempfindlichen Material überzogenen Fläche. Nach dieser Bftlichtung wird das Substrat entwickelt, so daß auf dem Substrat ein Gitter in Form der Interferenzstreifen erhalten wird.

Gemäß F i g. 2 ist in der Dicke des lichtempfindlichen Oberzuges 7 ein Sägezahnprofil-Gitter erhalten worden, dessen Anstiegsflanken in je einer Knotenebene A der Beugungsstreifen -liegen. Bei der holographischen Herstellung haben aber die Bestrahlung, Entwicklung und andere photographische Behandlungen einen ungünstigen Einfluß auf die Ausbildung des Sägezahnprofils des Gitters. Daher ist es schwierig bei der Herstellung von Echelettgittern den Beugungswinkel <5 mit der erforderlichen Genauigkeit vorherzubestimmen. Diese Tatsache hat bisher die industrielle Verwendung von Echelettgittern als Beugungsgitter verhindert

Bei sp ie! I

Zunächst wurde in der üblichen Weise holographisch ein Maskierungsgitter hergestellt Ein im wesentlichen aus einem GaAs-Einkristali oder aus Polymethylmethacrylat bestehendes Substrat wurde in einer Dicke von 1 μπι mit einem lichtempfindlichen Harz (AZ-1350) überzogen. Mit Hilfe eines Argonionen-Lasers (4579 A) wurden zwei verschiedene Strahlenbündel von kohärentem Licht auf das Substrat geworfen. Dabji bildete das kohärente Licht auf der mit dem Überzug versehenen Substratoberfläche Interferenzstreifen. Nach dieser Belichtung wurde das Substrat mit Hilfe eines handelsüblichen Entwicklers AZ-303 entwickelt, wobei der Überzug selektiv entfernt wurde und auf dem Substrat das in Fig.3a schematisch dargestellte Maskierungsgitter verblieb, das etwa 1000 Streifen 9 aus lichtempfindlichem Harz pro mm besaß.

Das maskierte Substrat wurde dann mit einem lonenstrahlenbündel 10 bestrahlt, das gemäß F i g. 3b unter einem Neigungswinkel auf der Substratoberfläche einfiel und eine selektive Erosion des Substrats bewirkte. Auf diese Weise erhielt man das in F i g. 3c gezeigte Beugungsgitter mit Sägezahnprofil-Furchen 11.

In Fig.4 ist gezeigt, daß das auf dem Tisch 12 der Vorrichtung angeordnete Substrat 13 wassergekühlt wird, um seine Schädigung durch die Hitze zu verhindern. Der Tisch 12 wurde in der Pfeilrichtung gedreht Die Vorrichtung besitzt eine Glühkathode 14, eine Anode 15. einen Magneten 16, eine Kaltkathode 17, einen Neutralisator 18. Mit 19 ist ein Argonionen-Strahlenbündel bezeichnet Es wurde mit einer Beschleunigungsspannung von 750 V und einem lonenstrom von etwa 1 mA gearbeitet. Mit Hilfe von Ionenstrahlenbündeln mit verschiedenen Strahleinfallwinkeln θ wurden verschiedene Echeletlgitter hergestellt. Jedes Substrat wurde etwa 20 Minuten lang der Erosionsbehandlung unterworfen.

Die in F i g, 5 dargestellten Ergebnisse werden erzielt, wenn das einfallende Licht eine Wellenlänge von 3250 A hatte. Gemäß Fig,5 bildet bei einem Strahleinfallswinkel θ von null Grad jede Gitlerfurche die Form eines Trapezes und haben bei einem Strahleinfallswinkel von 60 bis 80 Grad die Furchen ein Sägezahnprofil. Aus der F i g. 5 geht hervor, daß das Verhältnis zwischen dem Intensitätsmaximum +1. Ordnung zu dem Intensitäismaximum — I. Ordnung bis zu einem Maximum ansteigt, das bei einem Strahleinfallswinkel von 80 Grad erhalten wird. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Wellenlänge des einfallenden Lichts annähernd ebenso groß

war wie die Wellenlänge des gebeugten Lichts (3400 A), so daß das gebeugte Licht vorwiegend am Intensitäts,-maximum + 1. Ordnung konzentriert wurde.

Die Abhängigkeit des Beugungswinkels & von dem

ίο Strahleinfallswinkel geht aus der Fig.6 hervor. Man erkennt, daß sich der Beugungswinkel ϋ- in Abhängigkeit von dem Strahleinfallswinkel im Bereich von 7 bis 26 Grad bewegt Dieser Beugungswinkelbereich entspricht Wellenlängen des gebeugten Lichts im Bereich

von 2400 bis 7900 A. Man erkennt aus dem Diagramm, daß der Beugungswinkel des Echelettgitters gemäß der Erfindung in einem weiten Bereich gewählt werden kann.

Aus der F i g. 7 erkennt man, daß die Gescnwindigkeit der Ioiienerosion im Bereich von 0 Grad und 90 Grad relativ niedrig ist, d. h, daß währci.rl der Erosion der zu der EinfaJlsrichtung des lonenstrahienbündels rechtwinklige oder parallele Teil des Substrats weniger stark erodiert wird als die übrigen Teile des Substrats. Auf diese Weise werden auf dem Substrat die Sägezahnprof.i-Furchen ausgebildet

Gemäß F i g. 8 beträgt das Verhältnis der Intensitätsmaximen bei 85, 80 oder 60 Grad 64% und bei 70 Grad 50%. Diese Werte sind viel höher als der Wert von 41 %, der bei dem Beugungsgitter erhalten wird, das in der üblichen Weise holographisch hergestellt wurde. Aus der F i g. 8 geht ferner hervor, daß bei abnehmendem Strahleinfallswinkel θ die Maxima der Kurven auf der Abszissenachse zu höheren Wellenlängen hin verschoben werden. Die Kurv; »ohne Erosion« betrifft ein Substrat, das vor der Erosion mit einem Maskierungsgitter versehen worden war.

Man erkennt, daß nach dem Erosionsverfahren gemäß der Erfindung ein Echelettgitter hergestellt werden kann, das einen definierten Beugungswinkel besitzt und zu einem höheren Helligkeitsgewinn führt als das in üblicher Weise holographisch hergestellte Beugungsgitter.

Beispiel 2

Unter denselben Bedingungen wie im Beispiel 1 wurden Echelettgitter auf Substraten aus CdS, Quarz und Glas hergestellt. Bei Verwendung von CdS-Substraten wurden ähnliche Echelettgitter erhalten wie im Beispiel 1. Die auf Substraten aus Quarz oder Glas erhaltenen Echelcttgitter waren von geringerer Qualität als die auf einem CdS-Substrat erhaltenen.

Aus den in F i g. 9 gezeigten Kurven geht hervor, daß da., Teilchenzerstäubungsverhältnis bei GaAs, PMMA und CdS höher und bei Quarz oder Glas niedriger ist als bei dem Überzugsmaterial, so daß Quarz- oder Glassubstrate langsamer erodiert werden als das Maskierungsmaterial und dieses daher verformt wird, ehe das SubsKat unter Erzielung eines definierten Beugungswinkels erodiert wird. Man erhält in diesem Fall ein Echelettgitter gefingerer Qualität Vorzugsweise verwendet man daher ein Subs'rai aus einem Werkstoff, der ein höheres Teilchenzerstäubungsverhältnis hat als das Überzugsmaterial.

In den vorstehend beschriebenen Beispielen wurde ein lonenstrahlenbündel verwendet, doch kann man ebensogut auch ein Elektronenstrahlenbündel verwenden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Echelettgittern, bei dem auf einem Substrat ein erhabenes Maskierungsgitter hergestellt wird und auf das maskierte Substrat ein Strahlenbündel von geladenen Teilchen geworfen wird, beispielsweise durch Kathodenzerstäubung (sputtering), dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlenbündel so awf die Substratoberfläche einfällt, daß eine teilweise Abschattung der zwischen den Gitterelementen des Maskierungsgitters liegenden Substratbereiche durch die Gitterelemente des Maskierungsgitters erfolgt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein höheres Teilchenzerstäubungsverhältnis als das Maskierungsgitter hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus GaAs, Polymethylmethacrylat oder CdS besteht.