DE3626715A1

DE3626715A1 - Verfahren zum justieren einer apparatur zur erzeugung von beugungsgittern

Info

Publication number: DE3626715A1
Application number: DE19863626715
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dr Rer Nat Mozer; Klaus Dr Rer Nat Wuenstel
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1986-08-07
Filing date: 1986-08-07
Publication date: 1988-02-11

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Justieren einer Apparatur zur Erzeugung von Beugungsgittern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist aus der DE-OS 28 22 571 ein Verfahren zum Erzeugen von Beugungsgittern in einem mit einer Photolack-Schicht versehenen Wellenleitersubstrat bekannt, bei dem zwei kohärente Strahlenbündel zueinander orientiert werden, daß sie in einem Gebiet einer vorbestimmten räumlichen Ebene ein Interferenzmuster erzeugen, in welcher die Oberfläche des Wellenleitersubstrats angeordnet ist.

Die Schwierigkeit bei der Herstellung von Beugungsgittern liegt in der Justierung der Strahlenbündel und des Wellenleitersubstrats. Die Strahlenbündel werden dabei mittels dafür vorgesehener Spiegel ausgerichtet. Die Lage des Wellenleitersubstrats wird mittels bekannter geometrischer Funktionen ermittelt und ebenfalls justiert. Die Justierung erfolgt mit Hilfe mechanischer Meßmethoden, deren Meßgenauigkeit ohne direkte optische Kontrolle des erzeugten Interferenzbildes auf den Bereich einiger Mikrometer beschränkt ist. Eine derartige Justierung ist daher nur zur Vorjustierung brauchbar. Das heißt, nach der Vorjustierung wird das Wellenleiter substrat zuerst mit Photolack beschichtet, belichtet, entwickelt und kann erst danach unter dem Mikroskop oder durch Beugungserscheinungen an dem erzeugten Liniengitter betrachtet werden. Nach der Auswertung dieser Betrachtung kann die Justierung der Apparatur verbessert werden. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die Apparatur justiert ist.

Der Nachteil dieses Verfahrens liegt insbesondere darin, daß zur Kontrolle jedes Justierschritts eine Wellen leiterschicht belichtet, entwickelt und unter dem Mikroskop untersucht werden muß. Dies führt in der Praxis zu einem Zeitaufwand von Tagen bis Wochen, bis die Apparatur zur Herstellung eines Beugungsgitters mit einer bestimmten Gitterkonstanten justiert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das den Aufwand zur Justierung einer Apparatur zum Herstellen von Beugungsgittern verkürzt. Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß die Apparatur zusätzlich geeicht wird, so daß mit der geeichten Apparatur Beugungsgitter unterschiedlicher Gitterkonstanten hergestellt werden können, ohne zeitaufwendige Justierungen durchzuführen.

Die zur Durchführung der Justierung einer Apparatur zur Erzeugung von Beugungsbildern, die dazu notwendigen Eichgitter und das erfindungsgemäße Verfahren werden im folgenden anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Apparatur zur Erzeugung von Beugungsgittern,

Fig. 2 die Gitterform eines ersten Eichgitters,

Fig. 3 die Gitterform eines zweiten Eichgitters, und

Fig. 4 ein drittes, mit einer Photodiode integriert ausgebildetes Eichgitter.

Fig. 1 zeigt die Apparatur 1 zur Erzeugung von Beugungs gittern in einer Photolack-Schicht. Sie weist einen Helium-Cadmium-Gaslaser 2 mit einer Emissionswellenlänge l _o=441,6 µm, einen Umlenkspiegel 3, ein Linsensystem 4, einen Strahlteiler 5, zwei Justierspiegel 6, 7, eine Wobbeleinrichtung 8 mit einem darauf befindlichen Eichgitter 9 und einen Photodetektor 10 auf. An den einzelnen Elementen 3 bis 8 sind geeignete Mittel, wie Winkelmesser und Maßstäbe zur Bestimmung und Eintellung des Ortes und der Orientierung dieser Elemente angebracht.

Der Gaslaser 2 strahlt ein kohärentes Strahlenbündel aus, das über den Umlenkspiegel 3 in das Linsensystem 4 einfällt und dort aufgefächert wird. Das aufgefächerte Strahlenbündel wird in dem Strahlteiler 5 in ein reflektiertes und ein transmittiertes Strahlenbündel aufgeteilt. Beide Strahlenbündel weisen die gleiche Intensität auf. Die beiden Strahlenbündel werden über die Justierspiegel 6, 7 auf das Eichgitter 9 gelenkt. Der Strahlteiler 5 ist in einer Mittelebene 11 angeordnet, die in der geometrischen Mitte zwischen den beiden Justierspiegeln 6, 7 liegt. Senkrecht und symmetrisch zur Mittelebene 11 ist das Eichgitter 9 angeordnet. Der Abstand 2 y zwischen den beiden Justierspiegeln 6, 7 und die Lage des Strahlteilers 5 und des Eichgitters 9 sind so gewählt, daß die beiden, sich überlagernde Strahlen bündel ein mit der Periode des Eichgitters 9 überein stimmendes Interferenzmuster erzeugen. Die Abstände x, y und die Winkel b, b′ ergeben sich aus folgenden strahlengeometrischen Beziehungen,

sin b = l₀/(2n _Luft · d) (Gl. 1)

dabei ist l₀ die Wellenlänge der kohärenten Strahlenbündel, b der Einfallswinkel auf das Eichgitter, n _Luft der Brechungsindex Luft, d die Gitterkostante des zu erzeugenden Beugungsgitters und des Eichgitters, y der Abstand zwischen jeweils einem der Justierspiegel 6, 7 und der Mittelebene 11 und x der auf die Mittelebene 11 projezierte Abstand zwischen dem Kontaktpunkt des Strahlenbündels auf dem Justierspiegel 6, 7 und dem Eichgitter 9. Die Abstände x und y liegen je nach Gitterperiode im Bereich von 20 cm bis 60 cm. Die zu erzeugende Gitterkonstante beträgt z.B. zur Herstellung eines Beugungsgitters aus einer bestimmten Wellenleiter schicht für einen sogenannten Distributed Feedback Laser (DFB-Laser) mit der Emissionswellenlänge l _L=1300 nm, d=200 nm für ein Gitter erster Ordnung und d=400 nm für ein Gitter zweiter Ordnung.

In den Fig. 2 und 3 sind die Gitterformen zweier unterschiedlicher Eichgitter 12 und 18 in der Seitenansicht abgebildet. Das Eichgitter 12 stellt ein Transmissionsgitter dar und weist von oben gesehen im Bereich einer Gitterkonstanten zwei gleichgroße, schmale, rechteckige Flächen, eine Reflexionsfläche 13 und eine Transmissionsfläche 14 auf. Die Breiten der beiden Flächen 13, 14 betragen jeweils d/2. Die Reflexionsfläche 13 ist parallel zur Gitteroberfläche ausgebildet. Die Transmissionsfläche 14 stellt die Eintrittsfläche des Lichtes durch die Gitteroberfläche in eine Nut 15 mit trapezähnlichem Querschnitt (Fig. 2) dar. Dabei liegt die "kurze Parallele" 16 der Nut mit trapezähnlichem Querschnitt in der Eintrittsfläche, und die "lange Parallele" 17 ist im Innern des Eichgitters als gewölbte Fläche ausgebildet.

Das Eichgitter 18 stellt ein Reflexionsgitter dar und weist von oben gesehen im Bereich einer Gitterkonstanten zwei gleichgroße, schmale, rechteckige Reflexionsflächen 19, 20 auf. Die Breiten der Reflexionsflächen betragen jeweils d/2. Die eine Reflexionsfläche 19 ist parallel zur Gitteroberfläche angeordnet. Die andere Reflexions fläche 20 ist die Eintrittsfläche des Lichts an der Oberfläche des Eichgitters 18 in eine V-förmige Nut, die symmetrisch ausgebildet ist. Die zwei Schenkelflächen 21, 22 der V-förmigen Nut bilden die reflektierenden Bereiche. Die beiden Schenkelflächen reflektieren das unter dem Einfallswinkel b auf das Eichgitter einfallende Licht senkrecht zur Oberfläche des Eichgitters. Aus elementaren, geometrischen Überlegungen ergibt sich hieraus ein Öffnungswinkel c zwischen den beiden Schenkelflächen 21, 22 von

c = 180° - b (Gl. 3)

Das Eichgitter 18 ermöglicht gegenüber dem Eichgitter 12 unter Verwendung entsprechend angeordneter Detektoren eine feinere Justierung.

Bei der Verwendung eines Transmissionsgitters als Eichgitter 12 gemäß Fig. 2 kann entweder der transmittierte oder der reflektierte Lichtanteil detektiert werden. In Fig. 1 ist der Detektor 10 zum Nachweis des reflektierten Lichtanteils angeordnet.

Beim Nachweis des transmittierten Lichtanteils ist eine erfindungsgemäße Weiterbildung des in Fig. 2 abgebildeten Eichgitters mit einer in ein Eichgitter 30 integrierte Photodiode 31 (Fig. 4) von Vorteil, da mit einem derartigen Eichgitter 30 nahezu das gesamte eindringende Licht nachgewiesen wird. Das Eichgitter 30 weist ein n-InP-Substrat 32, eine InGaAsP-Schicht 33 als Absorptionszone und eine p-InP-Schicht 34 auf. Die Bandlücken des n-InP-Substrats 32 und der p-InP-Schicht 34 sind so groß, daß das Licht der nachzuweisenden Strahlenbündel nicht absorbiert wird, und die Bandlücke der Absorptionszone ist so klein, daß das Licht der nachzuweisenden Strahlenbündel absorbiert wird. Die p-InP-Schicht 34 ist dabei gitterförmig ausgebildet und weist Nuten 36 und Stege 37 auf. Die Stege 37 sind mit Goldschichten 38 bedeckt, die am Rande des Eichgitters miteinander verbunden sind, wodurch sich eine zusammen hängende Goldschicht mit einer kammförmigen Struktur ergibt. Die zusammenhängende Goldschicht stellt den p-seitigen elektrischen Kontakt der Photodiode 31 und die reflektierende Fläche des Gitters 30 dar. Auf der Unterseite 39 des n-InP-Substrats 32 ist der n-seitige Metallkontakt 40 angeordnet. Die p-InP-Schicht 34 und die InGaAsP-Schicht 33 weisen je eine Schichtdicke von 2 bis 3 Mikrometer und das n-InP-Substrat 32 eine Schichtdicke von 150 Mikrometer auf. Die Tiefe der Nuten 36 entspricht fast der Schichtdicke der p-InP-Schicht 34. Das nachzu weisende Licht wird durch die Messung des Photostromes zwischen den Metallkontakten 38 und 40 ermittelt.

Es ist nicht notwendig, daß die Photodiode 31 aus Halbleiterelementen der dritten und der fünften Hauptgruppe des Periodensystems aufgebaut ist. Es ist vorteilhaft, die Photodiode 31 derart auszugestalten, daß ihre optische Empfindlichkeit selektiv im Frequenz spektrum der nachzuweisenden kohärenten Strahlenbündel liegt.

Zur Justierung der Apparatur werden zunächst für ein Eichgitter 9 mit der Gitterkonstanten d ₁ unter Verwendung der Gleichungen 1 und 2 und unter Vorgabe eines der Parameter x oder y die Parameter x, y und b zueinander in Beziehung gebracht. Danach wird das Eichgitter 9 auf die Wobbeleinrichtung 8 aufgebracht. Anschließend werden die Justierspiegel 6, 7 und das Eichgitter 9 somit auch die Wobbelvorrichtung gemäß den Parametern x, y und b mit dem Ziel eingestellt, das erzeugte Interferenzbild mit der Periode des Eichgitters in Übereinstimmung zu bringen.

Ist die Apparatur auf das Eichgitter mit der Gitter konstanten d ₁ justiert, stellt dies noch nicht zwangsläufig die Eichung der Apparatur dar. Es ist durchaus möglich, daß zwar das gewünschte Interferenzbild erzeugt wird, ohne daß die Justierspiegel 6, 7, der Strahlteiler 5 und das Eichgitter 9 exakt symmetrisch zur Mittelebene ausrichtet sind. Die exakte Ausrichtung ist aber Bedingung für eine geeichte Apparatur. Zur Eichung wird das erste Eichgitter mit den Gitterkonstanten d ₁ durch ein zweites Eichgitter mit der Gitterkonstanten d ₂ ersetzt. Die beiden Gitterkonstanten unterscheiden sich günstigerweise um einen möglichst großen Faktor, der den Wert 2 haben kann. Für das zweite Eichgitter wird gemäß den Gleichungen 1 und 2 unter Berücksichtigung von d ₂ der Winkel b ₂ und der Abstand x ₂ berechnet und die Elemente 3 bis 8 mit Hilfe der an den einzelnen Elementen 3 bis 8 angebrachten Mitteln zur Bestimmung und Einstellung des Ortes und der Orientierung ausgerichtet. War die Apparatur nach dem ersten Justieren schon exakt ausgerichtet, erscheint auf Anhieb das gewünschte, mit der Periode des Eichgitters übereinstimmende Interferenz bild. War die Apparatur nach dem ersten Justieren nicht exakt ausgerichtet, muß sie nachjustiert werden. Die beiden Eichgitter werden solange gewechselt, die Parameter x, y, b, und b′ entsprechend der Gitter konstanten angepaßt und die Apparatur nachjustiert, bis das Interferenzbild nach einem Wechsel des Eichgitters mit entsprechend eingestellen Parametern x, y, b und b′ auf Anhieb mit der Periode des Eichgitters übereinstimmt. übereinstimmen heißt in diesem Fall, das auf dem Eichgitter abgebildete Interferenzbild weist die gleiche Gitterkonstante wie das Eichgitter selbst auf.

Die Übereinstimmung wird mittels Wobbeln des Eichgitters und durch die Detektion des transmittierten oder des reflektierten Lichtes ermittelt. Während des Wobbelns werden die Parameter x, y, b und b′ verändert und das Meßsignal ständig überprüft. Dabei bewegt die Wobbel einrichtung 8 das Eichgitter 9 senkrecht zur Mittelebene 11 hin und her, so daß die Wellenberge des Interferenz musters z.B. bei der Verwendung von Eichgittern gemäß Fig. 2 wechselweise auf den reflektierenden Teil und auf den nicht reflektierenden Teil des Eichgitters fallen. Auf diese Weise wird abwechselnd viel oder wenig Licht in den Detektor fallen. Dieses Differenzsignal ist um so größer, je besser die Gitterkonstante des Interferenz muster mit der des Eichgitters übereinstimmt. Die Justierung ist beendet, wenn ein maximales Differenz signal ermittelt wird. Wird das maximale Differenzsignal auf Anhieb nach dem Wechsel eines Eichgitters und der entsprechenden Einstellung der Parameter x, y, b und b′ erreicht, ist die Apparatur geeicht. Nun kann unter Berücksichtigung der Gleichungen 1 und 2 durch Verändern der Parameter x, y, b und b′ ein Interferenzbild beliebiger Gitterkonstanten eingestellt werden.

Claims

1. Verfahren zum Justieren einer Apparatur zur Erzeugung von Beugungsgittern auf einer Fläche, wobei zwei kohärente Strahlenbündel gegenseitig so orientiert sind, daß sie auf der Fläche ein Interferenzmuster erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Apparatur (1) unter Verwendung wenigstens eines Eichgitters (9) geeicht wird, und daß das Interferenz muster auf dem Eichgitter (9) erzeugt wird, wobei die Einfallswinkel (b, b′) der beiden kohärenten Strahlen bündel variiert werden, bis das mit den beiden kohärenten Strahlenbündel erzeugte Interferenzmuster mit der Periode des Eichgitters übereinstimmt und die Einfallswinkel (b, b′) und der Ort (x, y) des Eichgitters (9) mit dafür vorgesehenen Mitteln gemessen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Eichgitter mit der Gitterkonstanten d ₁ durch ein zweites Eichgitter mit der Gitterkonstanten d ₂ ersetzt wird, daß die Lage des zweiten Eichgitters und die der Einfallswinkel durch die Beziehungen sin b = l₀/(2n _Luft · d) (Gl. 1)und mit b als Einfallswinkel, l₀ als Wellenlänge der kohärenten Strahlenbündel, n _Luft als Brechungsindex von Luft und d als jeweilige Gitterkonstante ermittelt und mit Hilfe der dafür vorgesehenen Mittel eingestellt werden, daß das so erzeugte Interferenzmuster mit dem zweiten Eichgitter verglichen wird, daß bei Nicht übereinstimmung durch Verändern des Ortes (x, y) und durch Verändern der Einfallswinkel (b, b′) Über einstimmung erzielt wird, daß das zweite Eichgitter durch das erste Eichgitter ersetzt, der Ort (x, y) des ersten Eichgitters und die Einfallswinkel (b, b′) mittels Gl. 1 und Gl. 2 ermittelt und eingestellt werden, daß das so erzeugte Interferenzmuster auf dem ersten Eichgitter abgebildet und verglichen wird, daß der Wechsel der beiden Eichgitter und das anschließende Einstellen der Parameter x, y, b, und b′ so lange wiederholt wird, bis nach dem Einstellen der berechneten Parameter Über einstimmung zwischen der Periode des Eichgitters und dem darauf abgebildeten Interferenzmuster herrscht und daß während des Einstellens des Ortes (x, y) eines Eich gitters und der Einfallswinkel (b, b′) das Eichgitter gewobbelt wird.

3. Eichgitter zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem Photodetektor integriert ausgebildet ist.

4. Eichgitter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Halbleitersubstrat eines Leitungstypes, eine schicht als Absorptionszone, eine für das nachzuweisende Licht transparente Halbleiterschicht des anderen Leitungstyps aufweist, daß die Schichten in genannter Reihenfolge aufeinander angebracht sind und daß auf der obersten Halbleiterschicht eine gitterförmig ausge bildete, elektrisch zusammenhängende Metallschicht angeordnet ist.

5. Eichgitter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die oberste Halbleiterschicht ein aus Nuten und Stegen ausgebildetes Gitter aufweist und daß auf den Stegen eine Goldschicht mit zusammenhängender, kammförmiger Struktur aufgebracht ist.