DE3837875A1 - Verfahren zur herstellung von gitterstrukturen mit um eine halbe gitterperiode gegeneinander versetzten abschnitten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gitterstrukturen, die mindestens zwei Bereiche aufweisen, in denen das Gitter zwar die gleiche Periode hat, die aber gegeneinander um eine halbe Gitterperiode versetzt sind. Dieses Verfahren eignet sich besonders für Gitterstrukturen in Halbleiterbauelementen, wie z.B. Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser). DFB-Laser zeichnen sich durch geringe Linienbreite, thermisch stabiles Betriebsverhalten und longitudinale Einmodigkeit auch bei hoher Modulationsfrequenz aus. Sie eignen sich daher besonders als Sender in optischen Nachrichtenübertragungs­ strecken 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 begrenzte Anzahl von Lasern erreichbar, bei denen die Symmetrie des Modenspektrums durch zufällig auftretende Phasenverschiebungen gebrochen wird. Eine wesentlich größere Ausbeute an dynamisch einmodigen Lasern wird erreicht, wenn in die Beugungsgitter erster Ordnung dieser Laser die Phasenverschiebung kontrolliert eingebaut wird, wobei der geeignete Wert der Verschiebung ein Viertel der Lichtwellenlänge in der Halbleiterstruktur ist.

Verschiedene Herstellungsmethoden des Phasensprungs um eine Viertel-Wellenlänge im Gitter wurden bereits erprobt, z.B. mittels Elektronenstrahllithographie (K. Sekartedjo et al., Electron. Letters 20 (1984), pp. 80 bis 81) oder mittels holographischer Lithographie. Bei der holographischen Be­ lichtung sind u.a. die Phasenverschiebung im Strahlengang (S. Tsuji et al.: "Quarter Lamda Shifted DFB Lasers by Phase Image Projection Method", 10^th IEEE Intern. Semicon. Laser Conf. ′86, 58.) als auch die Positiv-negativ-Fotolackmethode (K. Utaka et al.: "λ/4-Shifted InGaAsP/InP DFB Lasers by Si­ multaneous Holographic Exposure of Positiv and Negative Photo­ resists", Electron. Lett. 20, 1008 (1984)) bekannt. Bei der Herstellung des Phasensprunges um eine Viertel-Wellenlänge mittels Positiv-negativ-Fotolacktechniken werden Negativ-Foto­ lackstreifen ganzflächig mit einem positiven Lack überdeckt. Durch alternatives Belichten der gegeneinander versetzt auszubildenden Abschnitte des Gitters und unter Ausnutzung der unterschiedlichen Empfindlichkeiten der Lacke gegenüber dem Licht wird der Sprung in dem Gitterabstand zur Ausbildung des Phasensprunges erreicht. Die ersten Versuche mit dieser Methode zeigten Probleme wegen des Durchmischens der einzelnen Lacke untereinander. Dieses Mischen kann verhindert werden durch die Einführung einer durchsichtigen Zwischenschicht aus SiN _x , welche mittels Elektron-Zyklotron-Resonanz (ECR)-CVD aufgebracht wurde (K. Utaka et al.: "λ/4-Shifted InGaAsP/InP DFB Lasers", IEEE J. of Quantum Electronics, Vol. QE-22, 7, 1042 (1986)). Ein weiteres Problem dieser Positiv-negativ-Lack­ methode ist jedoch die gleichzeitige holographische Belichtung beider Lacke, da diese Lacke verschiedene Lichtsensitivitäten aufweisen. Eine alternative Herstellungsmöglichkeit besteht in dem versetzten Schreiben der Maske mit einem gesteuerten Elektronenstrahl. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die lange Bearbeitungszeit wegen der geringen möglichen Schreibgeschwindigkeit. Die Einführung phasenschiebender optischer Elemente in den Strahlengang beim holographischen Belichten einer einfachen Fotolackschicht ermöglicht keine genaue örtliche Festlegung des Phasensprungs auf dem belichteten Wafer.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Gitterstrukturen mit um eine halbe Gitter­ periode gegeneinander versetzten Abschnitten auf der Ober­ fläche von Bauelementen, insbesondere Halbleiterbauelementen wie z.B. DFB-Lasern anzugeben; dieses Verfahren soll tech­ nisch einfach durchzuführen sein und enge Herstellungs­ toleranzen garantieren.

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

Es folgt die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Fig. 1 bis 9.

Auf die Gitterschicht 1, in der die Gitterstruktur herge­ stellt werden soll, wird zunächst eine Lackmaske aufgebracht. Das geschieht, indem eine erste Fotolackschicht 2 aus negati­ vem Fotolack, eine erste Zwischenschicht 3, die z.B. Titan sein kann, und eine zweite Fotolackschicht 4 aus positivem Fotolack aufgebracht werden (Fig. 1). Auf das Aufbringen der ersten Zwi­ schenschicht 3 kann auch verzichtet werden. Durch fotolithogra­ fisches Belichten wird die zweite Fotolackschicht 4 struktu­ riert. Diese Strukturierung entspricht dabei denjenigen Be­ reichen der Gitterschicht 1, in denen die gegeneinander um eine halbe Gitterperiode versetzten Abschnitte der herzustellenden Gitterstruktur zu liegen kommen. Dabei bleibt von der zweiten Fotolackschicht 4 ein erster Restanteil 5 (Fig. 2) übrig. Die zusammenhängenden Anteile dieses ersten Restanteiles 5 bedecken diejenigen Bereiche, in denen bei der fertigen Gitterstruktur kein Phasensprung auftreten soll. An den Grenzen der einzelnen Anteile dieses ersten Restanteiles 5 soll das herzustellende Gitter jeweils eine Versetzung um eine halbe Gitterperiode auf­ weisen, so daß sich hier der Phasensprung um eine Viertel-Wel­ lenlänge ergibt.

Mit dem ersten Restanteil 5 als Maske werden die erste Zwischenschicht 3 (sofern vorhanden) und die erste Fotolack­ schicht 2 geätzt, so daß nach dem Entfernen des ersten Rest­ anteiles 5 und dem Rest der ersten Zwischenschicht 3 ein zwei­ ter Restanteil 6, der dieselbe Strukturierung wie der erste Restanteil 5 aufweist, auf der Gitterschicht 1 verbleibt (Fig. 3).

Auf den zweiten Restanteil 6 und die freie Oberfläche der Git­ terschicht 1 wird ganzflächig eine zweite Zwischenschicht 7 aus lichtundurchlässigem Material aufgebracht. Auf diese zweite Zwischenschicht 7 wird eine dritte Fotolackschicht 8 aus posi­ tivem Fotolack aufgebracht (Fig. 4).

Die dritte Fotolackschicht 8 wird durch holographisches Belich­ ten strukturiert, so daß von dieser dritten Fotolackschicht 8 ein dritter Restanteil 9 übrigbleibt (Fig. 5). Dieser dritte Restanteil 9 besitzt eine Gitterstruktur mit der Gitterkon­ stanten der herzustellenden Gitterstruktur. Dieser dritte Rest­ anteil 9 wird als Ätzmaske verwendet, um die zweite Zwischen­ schicht 7 aus lichtundurchlässigem Material in den von dem dritten Restanteil 9 freigelassenen Bereichen vollständig weg­ zuätzen. Dieses Ätzen geschieht in den von dem zweiten Restan­ teil 6 nicht bedeckten Bereich bis auf die Oberfläche der Git­ terschicht 1 hinab. In den von dem zweiten Restanteil 6 einge­ nommenen Bereichen wird die zweite Zwischenschicht 7 bis auf den zweiten Restanteil 6 hinab geätzt. Der zweite Restanteil 6 kann dabei leicht angeätzt werden, so daß ein vierter Restan­ teil 10 von diesem zweiten Restanteil 6 übrigbleibt. Es muß aber sichergestellt sein, daß der vierte Restanteil 10 in dem gesamten von dem zweiten Restanteil 6 eingenommenen Bereich der Oberfläche der Gitterschicht 1 eine für Maskentechnik ausrei­ chende Dicke aufweist. Die Schichtfolge auf der Gitterschicht 1 nach diesem Ätzschritt ist in Fig. 6 im Querschnitt dargestellt.

Durch Belichten werden die unbedeckten Anteile des vierten Restanteiles 10 ausgehärtet. In Fig. 7 sind die unbelichteten Anteile 12 des vierten Restanteiles und die belichteten Anteile 13 des vierten Restanteiles mit gestrichelten Linien voneinan­ der getrennt.

Der dritte Restanteil 9 der dritten Fotolackschicht und die unbelichteten Anteile 12 des vierten Restanteiles der ersten Fotolackschicht mit dem darauf befindlichen Material werden nun entfernt. Die unbelichteten Anteile 12 des vierten Restanteils können z.B. in Abhebetechnik entfernt werden. Wenn das Belichten zum Aushärten der freien Bereiche des vierten Rest­ anteiles 10 leicht schräg erfolgt, werden dadurch die Angriffs­ flächen für das Abheben der unbelichteten Anteile 13 des vier­ ten Restanteiles vergrößert. Alternativ zur Abhebetechnik ist es möglich, zunächst den dritten Restanteil 9 zu entfernen, die nicht von dem vierten Restanteil 10 bedeckten Bereiche mit einer Oxidschicht abzudecken und dann die unbelichteten Anteile 12 des vierten Restanteiles 10 mit dem darauf befindlichen An­ teil des nach dem Ätzschritt verbliebenen fünften Restanteiles 11 der zweiten Zwischenschicht 7 durch Ätzen zu Entfernen. Danach wird die Oxidschicht ebenfalls entfernt.

Es verbleiben nach diesem Schritt, wie in Fig. 8 dargestellt, auf der Gitterschicht 1 der belichtete Anteil 13 des vierten Restanteils und der unmittelbar auf der Gitterschicht 1 be­ findliche Anteil des nach dem Ätzen der zweiten Zwischen­ schicht 7 von dieser zweiten Zwischenschicht 7 verbleibenden fünften Restanteils 11. Diese Anteile werden als Ätzmaske be­ nutzt, um Gräben 15 in die Gitterschicht 1 zu ätzen. Die Lage dieser Gräben in der damit strukturierten Gitterschicht 14 entsprechen der herzustellenden Gitterstruktur. Der Abstand der Gräben entspricht der vorgegebenen Gitterkonstanten, wobei die einzelnen der Struktur des zweiten Restanteiles 6 entsprechen­ den Abschnitte des fertigen Gitters um eine halbe Gitterperiode gegeneinander versetzt sind.

Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in dem Aufbringen der zweiten Zwischenschicht 7 aus lichtundurchläs­ sigem Material, die ein Durchmischen der verschiedenen Fotolacke unterschiedlichen Vorzeichens miteinander verhindert, zu sehen. Dieses erfindungsgemäße Verfahren läßt sich bei allen Ausgestaltungen und für alle Materialien der Gitterschicht 1 anwenden, bei denen sich die technischen Verfahrensschritte, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anwendung gelangen, einsetzen lassen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Gitterstrukturen mit um eine halbe Gitterperiode gegeneinander versetzten Abschnitten in einer Gitterschicht, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem ersten Schritt auf dieser Gitterschicht (1) eine erste Fotolackschicht (2) aus negativem Fotolack und eine zweite Fotolackschicht (4) aus positivem Fotolack aufgebracht werden,
daß in einem zweiten Schritt diese zweite Fotolackschicht (4) entsprechend den Abschnitten der herzustellenden Gitterstruk­ tur strukturiert wird, so daß ein erster Restanteil (5) dieser zweiten Fotolackschicht (4) übrigbleibt,
daß in einem dritten Schritt mit diesem ersten Restanteil (5) als Maske diese Strukturierung in die erste Fotolackschicht (2) geätzt wird, so daß ein zweiter Restanteil (6) dieser ersten Fotolackschicht (2) übrigbleibt,
daß in einem vierten Schritt der erste Restanteil (5) entfernt wird,
daß in einem fünften Schritt ganzflächig eine für die Wellen­ länge der in einem sechsten Schritt erfolgenden Belichtung lichtundurchlässige zweite Zwischenschicht (7) und eine dritte Fotolackschicht (8) aus positivem Fotolack aufgebracht werden,
daß in einem sechsten Schritt diese dritte Fotolackschicht (8) durch holographische Belichtung und anschließendes Ablösen so strukturiert wird, daß ein dritter Restanteil (9) als Git­ termaske mit der Gitterkonstanten der herzustellenden Gitter­ struktur übrigbleibt,
daß in einem siebenten Schritt mit diesem Restanteil (9) als Maske die zweite Zwischenschicht (7) mindestens bis auf die Oberfläche des zweiten Restanteils (6) und in dem von dem zweiten Restanteil (6) freigelassenen Bereich der Oberfläche der Gitterschicht (1) mindestens bis auf die Oberfläche der Gitterschicht (1) hinabgeätzt wird,
daß in einem achten Schritt eine ganzflächige Belichtung er­ folgt,
daß in einem neunten Schritt der unbelichtete Anteil (12) des nach dem siebenten Schritt verbleibenden vierten Restanteils (10) des zweiten Restanteils (6) und der dritte Restanteil (9) entfernt werden und
daß in einem zehnten Schritt mit dem übriggebliebenen belich­ teten Anteil (13) des vierten Restanteils (10) und dem übrig­ gebliebenen Anteil des nach dem siebenten Schritt übriggeblie­ benen fünften Restanteils (11) der zweiten Zwischenschicht (7) als Maske der herzustellenden Gitterstruktur entsprechende Gräben (15) in die Gitterschicht (1) geätzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten Schritt zwischen der ersten Fotolackschicht (2) und der zweiten Fotolackschicht (4) eine erste Zwischen­ schicht (3) aufgebracht wird und daß in dem vierten Schritt der nach dem dritten Schritt übriggebliebene Anteil dieser ersten Zwischenschicht (3) mit entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zwischenschicht (3) Titan ist und die zweite Zwischenschicht (7) aus der Gruppe Ti, Cr, Au ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernen des unbelichteten Anteils (12) des vierten Restanteils (10) in Abhebetechnik geschieht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der unbelichtete Anteil (12) des vierten Restanteils (10) entfernt wird, indem nach dem Entfernen des dritten Restan­ teils (9) eine Oxidschicht, die den von dem vierten Restan­ teil und dem darauf befindlichen Anteil des fünften Restan­ teils (11) eingenommenen Bereich freiläßt, aufgebracht wird und der auf dem vierten Restanteil (10) befindliche Anteil des fünften Restanteils (11) und der unbelichtete Anteil (12) des vierten Restanteils (10) weggeätzt werden, und daß anschließend die Oxidschicht entfernt wird.