DE3817326C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gitterstrukturen, die mindestens zwei verschie­ dene periodische Abschnitte aufweisen, die gegeneinander um je­ weils eine halbe Gitterperiode versetzt sind.

Dieses Verfahren eignet sich besonders für Gitterstrukturen in Halbleiterbauelementen, wie z. B. Halbleiterlasern mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser). DFB-Laser zeichnen sich durch geringe Linienbreite, thermisch stabiles Betriebsverhalten und longitu­ dinale Einmodigkeit auch bei hoher Modulationsfrequenz aus. Sie eignen sich daher besonders als Sender in optischen Nachrichtenübertragungsstrecken großer Reichweite. Bei idealen DFB-Lasern, bei denen die Rückkopplung ausschließlich durch die vom DFB-Gitter erzeugte periodische Variation des Realteils des effektiven Brechungsindexes bewirkt wird, besitzen jedoch zwei Moden, die symmetrisch zur Bragg-Wellenlänge liegen, die gleiche Schwellenverstärkung. Dadurch ist ein einmodiger Betrieb eigentlich unmöglich und in der Praxis nur für eine be­ grenzte Anzahl von Lasern erreichbar, bei denen die Symmetrie des Modenspektrums durch zufällig auftretende Phasenverschie­ bungen gebrochen wird. Eine wesentlich größere Ausbeute an dy­ namisch einmodigen Lasern wird erreicht, wenn in die Beugungs­ gitter erster Ordnung dieser Laser die Phasenverschiebung kon­ trolliert eingebaut wird, wobei der geeignete Wert der Ver­ schiebung ein Viertel der Lichtwellenlänge in der Halbleiterstruktur ist.

Ein bekanntes Verfahren der eingangs genannten Art ist aus dem Abstract zur japanischen Offenlegungsschrift 62-85 484 (A) bekannt. Die Herstellung erfolgt unter Verwendung einer dielektrischen Platte mit sägezahnförmiger Oberfläche und einem Interferenzbelichtungsverfahren mit zwei Lasern.

Bei anderen bekannten Verfahren wird eine solche Phasenverschiebung in einem Gitter erster Ordnung entweder durch Belichten einer Kombination von Positiv- und Negativ-Fotolack (K. Utaka e. a. in Electronics Letters 20, 1008-1009 und K. Utaka e. a. in IEEE Journal of Quantum Electronics QE-22, 1042-1051 (1986)) oder durch entsprechend versetztes "Schreiben" der Maske mit einem gesteuerten Elektronenstrahl erzeugt. Im ersten Fall erschweren unterschiedliche Dicken des Fotolackfilms in den Bereichen mit nur einer Foto­ lacksorte und den Bereichen mit beiden Lacken die gleichmäßige Herstellung der Maske. Im zweiten Fall sind die langen Bearbeitungszeiten wegen der geringen möglichen Schreibgeschwindigkeit von Nachteil.

Aus der DE 31 28 629 A1 ist es bekannt, einen durch Ätzen erzeugten Bereich aus einem ersten Material mit einem zweiten Material, das sich vom ersten Material derart unterscheidet, daß jedes der beiden Materialien selektiv ätzbar ist, aufgefüllt wird und in einem späteren Verfahrensschritt das erste Material selektiv entfernt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Gitterstrukturen mit um eine halbe Gitterperio­ de gegeneinander versetzten Abschnitten auf der Oberfläche einer Trägerschicht anzugeben, das technisch einfach durchzuführen ist und die Qualitätsunterschiede der Produkte gering hält.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Der wesentliche Gedanke der Erfindung ist der, zunächst ein vollständig periodisches Gitter herzustellen und danach in ge­ wissen Abschnitten dieses Gitters die Gitterfurchen durch ge­ eignete Maßnahmen zur Maskierung für das Ausätzen um eine halbe Gitterperiode verschobener Gitterfurchen umzufunktionieren. Da die versetzten Gitterfurchen an den Stellen geätzt werden, wo sich zuvor die Stege des ursprünglich gefertigten Gitters be­ fanden, ist ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens, daß die nachträglich zu bearbeitenden Abschnitte der Gitterstruktur ursprünglich etwas erhaben ausgebildet werden können, damit nach der zweiten Bearbeitung ein einheitliches Niveau der Gitterstrukturoberfläche erzielt wird.

Es folgt die Beschreibung verschiedener Ausgestaltungsbeispiele des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens anhand der Figuren.

Fig. 1A und 1B zeigen die Herstellungsschritte bis zur Fertigung des periodischen Gitters.

Fig. 3A bis 3C zeigen die Schritte bis zur Herstellung des perio­ dischen Gitters mit zusätzlicher Strukturierung des Oberflächenniveaus.

Fig. 1C bis 1F zeigen eine mögliche Ausführungsvariante des unten näher beschriebenen erfindungsgemäßen Herstellungs­ verfahrens.

Fig. 2A bis 2E zeigen eine weitere Ausführungsvariante des erfin­ dungsgemäßen Herstellungsverfahrens.

Fig. 3D und 3E zeigen eine weitere Ausführungsvariante des erfin­ dungsgemäßen Herstellungsverfahrens bei Verwendung eines Bauteiles mit strukturiertem Oberflächenni­ veau.

Fig. 4A und 4B zeigen eine weitere Ausführungsvariante des erfin­ dungsgemäßen Herstellungsverfahrens bei Verwendung eines Bauteiles mit strukturiertem Oberflächenniveau.

Fig. 1G und 3F zeigen die fertige Gitterstruktur mit einer zusätz­ lich aufgebrachten Planarisierung.

Es folgt die Beschreibung einer möglichen Ausgestaltung des er­ findungsgemäßen Herstellungsverfahrens anhand der Fig. 1A bis 1G. Fig. 1A zeigt die Trägerschicht 1, auf der bzw. in der die Gitterstruktur hergestellt werden soll, mit darauf befindlicher Gittermaske 2. Diese Gittermaske 2 deckt das darunter befindliche Material der Trägerschicht 1 ab, so daß in einem nachfolgenden Ätzschritt die in Fig. 1B dargestellte periodi­ sche Gitterstruktur aus parallel nebeneinander verlaufenden, durch Gitterfurchen 3 voneinander getrennten Gitterstegen 4 hergestellt werden kann. Die Gittermaske 2 wird von den Gitter­ stegen 4 entfernt. Danach wird ein Teil des durch diese Gitter­ furchen 3 gebildeten Gitters mit einer Abdeckmaske 8 abgedeckt. Die von dieser Abdeckmaske 8 nicht zugedeckten Gitterfurchen 3 werden dann mit Auffüllungen 31 aufgefüllt, wobei ein von dem ersten Material der Trägerschicht 1 verschiedenes zweites Ma­ terial, das für selektives Ätzen geeignet ist, verwendet wird. Die Verfahrensstufen vor und nach dem Auffüllen der Gitterfur­ chen 3 zeigen Fig. 1C bzw. 1D. Durch selektives Ätzen des ersten Materials der Trägerschicht 1 werden relativ zu den ur­ sprünglichen Gitterfurchen 3 um eine halbe Gitterperiode ver­ setzte Gitterfurchen 6 ausgeätzt. Dabei wird das zweite Ma­ terial der Auffüllungen 31 nicht beseitigt. Nach dem Entfer­ nen der Abdeckmaske 8 ergibt sich eine Gitterstruktur mit mindestens einer speziellen Gitterfurche 5, die die doppelte Breite der übrigen Gitterfurchen 3, 6 aufweist und die um eine halbe Gitterperiode gegeneinander versetzte Abschnitte der her­ gestellten Gitterstruktur voneinander trennt (Fig. 1F). Fig. 1G zeigt die fertige Gitterstruktur mit einem dritten Material aufgefüllt und überdeckt.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des Verfahrens müssen das erste Material und das zweite Material dieselben für die Verwendung der Gitterstruktur relevanten phy­ sikalischen Eigenschaften aufweisen. Es muß aber sichergestellt sein, daß der Verfahrensschritt des selektiven Ätzens durch­ führbar ist. Im Falle eines Halbleiterbauelementes sind das erste Material und das zweite Material jeweils Halbleiterma­ terialien, die Abdeckmaske kann z. B. ein Oxid sein, und die Gitterstruktur kann mit einer Wellenleiterschicht 7 ebenfalls aus Halbleitermaterial überwachsen werden.

Eine alternative Verfahrensweise wird anhand der Fig. 2A bis 2E beschrieben. Bei dieser Ausführungsvariante werden die Gitterfurchen 3 des ursprünglich periodisch hergestellten Gitters sämtlich mit Auffüllungen 31 aufgefüllt (Fig. 2A). Erst danach wird die Abdeckmaske 8 auf einen Teil des aufge­ füllten Gitters aufgebracht (Fig. 2B). Für die Wahl des Ma­ terials der Trägerschicht 1 und des zweiten Materials der Auf­ füllung 31 gelten dieselben Bedingungen wie in der zuvor be­ schriebenen ersten Ausführungsform. Durch selektives Ätzen werden gegenüber dem ursprünglichen Gitter um eine halbe Gitterperiode versetzte Gitterfurchen 6 hergestellt (Fig. 2C). Die Abdeckmaske 8 wird entfernt und diejenigen Abschnitte der Gitteroberfläche, die von dieser Abdeckmaske 8 nicht bedeckt waren, werden mit einer weiteren Abdeckmaske 9 abgedeckt. Das Ergebnis dieses Verfahrensschrittes ist in Fig. 2D dargestellt. In den von dieser weiteren Abdeckmaske 9 nicht be­ deckten Abschnitten des Gitters wird das zweite Material der Auffüllungen 31 durch selektives Ätzen entfernt, so daß hier die Gitterfurchen 3 des ursprünglichen Gitters zurückerhalten werden (Fig. 2E). Nach Entfernen der weiteren Abdeckmasken 9 erhält man den in Fig. 1F dargestellten Aufbau.

Um eine Gitterstruktur zu erzeugen, bei der alle Gitterstege aus demselben Material bestehen, ist es zweckmäßig, von einer geeignet strukturierten Trägerschicht 1 auszugehen. Den zuge­ hörigen Verfahrensablauf zeigen die Fig. 3A bis 3F. Die Trägerschicht 1 wird an den Stellen, an denen bei der fertigen Gitterstruktur die Grenzen der gegeneinander um eine halbe Gitterperiode versetzten Abschnitte zu liegen kommen, jeweils mit Stufen 10 versehen. Bei einem Halbleiter­ bauelement mit einer Trägerschicht 1 aus z. B. InP kann dieser Verfahrensschritt in Fotolithografie mit anschließendem Ätzen bestehen. Danach wird auf der Oberfläche der Trägerschicht 1 ein Gitter ausgebildet, indem Gitterfurchen 3 in die Träger­ schicht 1 geätzt werden. Bei einer Trägerschicht 1 aus Halb­ leitermaterial geschieht das z. B. durch holografische Belich­ tung einer Fotolackschicht oder durch laserinduziertes Ätzen einer dünnen Halbleitermaskenschicht. Anschließend wird das Gitter durch einen geeigneten Prozeß, z. B. durch Aufbringen eines Titanfilms und anschließender Abhebetechnik oder durch Ätzen einer zusätzlichen Halbleitermaskenschicht anderer Zu­ sammensetzung als der der Trägerschicht stabilisiert und durch Ätzen in die Trägerschicht übertragen. Das Ätzen der Träger­ schicht 1 erfolgt bevorzugt durch Ionenbeschuß oder naßchemisch mit einer selektiv wirksamen Säure. Die strukturierte Oberfläche der Trägerschicht 1 mit der Gittermaske 2 (z. B. Titan) ist in Fig. 3B dargestellt.

Das nach diesem Schritt hergestellte Gitter mit Gitterfurchen 3 und Gitterstegen 4 in der Trägerschicht 1 nach Entfernen der Gittermaske 2 zeigt Fig. 3C. Es werden nun die Gitterfurchen 3 mit einem zweiten Material aufgefüllt und die Abschnitte tieferen Niveaus mit einer Abdeckmaske 8 aus z. B. Al₂O₃ abge­ deckt (Fig. 3B). Das zweite Material der Auffüllungen 31 ist so zu wählen, daß in einem nachfolgenden Schritt selektives Ätzen des ersten Materials möglich ist. In den von der Abdeck­ maske 8 nicht bedeckten Teilen der Oberfläche der Trägerschicht 1 wird durch selektives Ätzen das erste Material der Träger­ schicht 1 so tief ausgeätzt, daß sich in dieser Trägerschicht 1 gegenüber dem ursprünglichen Gitter versetzte Gitterfurchen 6 auf dem gleichen unteren Niveau wie die verbliebenen Gitterfurchen 3 unter der Abdeckmaske 8 ergeben. Es ist der Aufbau, den die Fig. 3E zeigt, nach diesem Schritt erreicht. Die Abdeckmaske 8 wird entfernt; das zweite Material wird ebenfalls entfernt, falls nicht ein Auffüllen und Planarisieren der Gitterstruktur­ oberfläche mit demselben Material vorgesehen ist. Bei einem Halbleiterbauelement, wie z. B. einen DFB-Laser, kann auf die fertiggestellte Gitterstruktur eine Wellenleiterschicht 7 auf­ gebracht werden. An den Stellen der Oberfläche der Trägerschicht 1, an denen sich Stufen 10 befanden, besitzt die fertige Gitterstruktur spezielle Gitterfurchen 5, die die dop­ pelte Breite der übrigen Gitterfurchen 3, 6 aufweisen und damit eine Versetzung der angrenzenden Gitterabschnitte um eine halbe Gitterperiode bewirken.

Eine alternative Ausgestaltung der in den Fig. 3D und 3E dar­ gestellten Verfahrensschritte ist in den Fig. 4A und 4B dar­ gestellt. Dabei werden die Auffüllungen 31 in den Abschnitten niedrigeren Niveaus der Oberfläche der Trägerschicht 1 gleich­ zeitig als Abdeckmaske 8 aufgebracht. Diese Verfahrensweise ist denkbar bei Materialien und zugehörigen Verarbeitungsprozessen, bei denen es möglich ist, dieses zweite Material auf etwa gleiche Höhe aufzufüllen, so daß in den Abschnitten niedrigeren Niveaus die Gitterstege 4 vollständig mit diesem zweiten Ma­ terial bedeckt sind. Es folgt dann der selektive Ätzschritt zur Erzeugung der versetzten Gitterfurchen 6, wie Fig. 4B zeigt. Das zweite Material wird anschließend entweder entfernt und eine Wellenleiterschicht 7 auf die Gitterstruktur aufgebracht, oder es werden die versetzten Gitterfurchen 6 mit dem zweiten Material aufgefüllt, so daß sich in jedem Fall der in Fig. 3F dargestellte Aufbau ergibt.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung von Gitterstrukturen mit um eine halbe Gitterperiode gegeneinander versetzten periodischen Abschnitten auf einer Trägerschicht aus einem ersten Material unter Verwendung von Ätz- und Maskentechnik, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem ersten Schritt eine Gittermaske (2) auf die Trägerschicht (1) aufgebracht wird,
daß in einem zweiten Schritt Gitterfurchen (3) in die Trägerschicht (1) geätzt werden,
daß in einem dritten Schritt die Gittermaske (2) entfernt wird,
daß in einem vierten Schritt zumindest ein Teil der Gitterfur­ chen (3) mit einem zweiten Material, das sich von dem ersten Material der Trägerschicht (1) derart unterscheidet, daß jedes der beiden Materialien selektiv ätzbar ist, aufgefüllt wird und mindestens ein Abschnitt des durch die Gitterfurchen (3) gebildeten Gitters mit einer Abdeckmaske (8) abgedeckt wird,
daß in einem fünften Schritt in das erste Material der Träger­ schicht (1) in den von der Abdeckmaske (8) freigelassenen Abschnitten des Gitters versetzte Gitterfurchen (6) selektiv geätzt werden,
daß in einem sechsten Schritt die Abdeckmaske (8) entfernt wird
und gegebenenfalls zusätzliche Schritte zum Entfernen von zweitem Material durchgeführt werden, wobei die versetzten Gitterfurchen (6) in dem fünften Schritt so tief geätzt werden, daß nach dem sechsten Schritt eine Gitterstruktur mit um jeweils eine halbe Gitterperiode gegeneinander versetzten periodischen Abschnitten hergestellt worden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vierten Schritt zuerst das Auffüllen der Gitterfur­ chen (3) und dann das Aufbringen der Abdeckmaske (8) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vierten Schritt zuerst das Aufbringen der Abdeckmas­ ke (8) und dann das Auffüllen der von der Abdeckmaske (8) frei­ gelassenen Gitterfurchen (3) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem sechsten Schritt in einem zusätzlichen Schritt das zweite Material vollständig entfernt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem sechsten Schritt folgende, zusätzliche Verfahrens­ schritte durchgeführt werden:

• a) In einem ersten zusätzlichen Schritt werden die Abschnitte des Gitters, die durch die Abdeckmaske (8) freigelassen wor­ den waren, durch eine weitere Abdeckmaske (9) abgedeckt.
• b) In einem zweiten zusätzlichen Schritt wird das zweite Ma­ terial durch selektives Ätzen in den von der weiteren Ab­ deckmaske (9) freigelassenen Abschnitten des Gitters ent­ fernt.
• c) In einem dritten zusätzlichen Schritt wird die weitere Ab­ deckmaske (9) entfernt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß vor dem ersten Schritt mindestens eine Stufe (10) in die Trägerschicht (1) geätzt wird, so daß die Oberfläche der Trägerschicht (1) zwei Niveaus aufweist,
daß diese Stufen (10) an den Stellen angeordnet sind, an denen die herzustellende Gitterstruktur Versetzungen um eine halbe Gitterperiode aufweist und
daß im fünften Schritt mit der Abdeckmaske (8) die Abschnitte niedrigeren Niveaus abgedeckt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstruktur in einem siebenten Schritt mit einem dritten Material aufgefüllt und überdeckt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material und das zweite Material Halbleiterma­ terialien sind.

9. Verfahren nach Anspruch 8, rückbezogen auf Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Material Halbleitermaterial ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material und das dritte Material gleich sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7, 9 oder 10 oder Anspruch 8 in Verbindung mit Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Abdeckmaske (8) aus dem dritten Material ist und
• - daß der sechste Schritt entfällt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 in Verbindung mit Anspruch 6 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Material für die Ausbildung eines Wellenleiters geeignet ist.

13. Verwendung der nach einem der Ansprüche 8-12 in Verbindung mit Anspruch 6 hergestellten Gitterstruktur, um die verteilte Rückkopplung eines DFB-Lasers zu bewirken.