【０００１】
【発明の属する利用分野】
本発明は、位相マスクの製造方法に関し、特に、光通信用ファイバーを紫外線照射によって加工するために用いられる位相マスクの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
動画や大容量データのやり取りが、身近なものになりつつあり、さらなる大容量光伝送システムの開発が求められている。光ファイバは、光の伝送路として用いられるだけでなく、そのコア中に周期的な屈折率分布を形成することで、ファイバ回折格子と呼ばれる光学素子としても用いることができる。例えば、特開平７−１２８５２４号公報および特開平８−１０１３１０公報では、ファイバ回折格子を用いた分散補償デバイスと可変波長フィルタが報告されている。
【０００３】
波長１．５ミクロン帯用の光ファイバ回折格子では、コア中に約５００ｎｍ間隔の周期構造を形成する必要があり、その形成には、Ｇｅをドープしたコアに位相マスクで周期的な強度分布を形成した紫外線を照射することで屈折率を変化させる方法が主流となっている。
【０００４】
紫外線源をＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、石英の屈折率を１．４４７、周期を１０７８ｎｍ、段差を２７７ｎｍとした２値の位相マスクの場合、段差によって入射光にπラジアンの位相差が作り出されるので、直進する０次光はほぼ消光し、倍周期（５３９ｎｍ）の紫外線の強度分布が形成される。
【０００５】
位相マスクの周期的な段差は、平滑な石英基板上に作製されたパターンを用いた反応性イオンエッチングによって形成され、パターン作製には電子線で描画した小さい領域をステージをステップ移動させて繋ぎ合わせる、ステップ・アンド・リピート方式を用いるのが一般的である。ステップ・アンド・リピート方式では、描画領域を接続時における位置あわせ精度が十分でない場合、光学特性に大きな影響が出るので、特開平１１−７２６３１号公報では、繋ぎエラーを少なくするために、ステージを連続的に送りながら、電子線を送り方向と直交する方向に走査する製造方法が報告されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、中心周期１０７８ｎｍ、周期変化率０．５ｎｍ／ｃｍ、長さ１０ｃｍのファイバー回折格子作製用の位相マスクの場合、マスク両端での周期の差は５ｎｍであり、電子線レジストを塗布した基板を連続的に送る速度が０．０５％変動した場合、周期は０．５ｎｍ変化する。従って、ステージを連続的に送りながら電子線を照射して露光する方法では、ステージの速度安定性に要求される精度は、非常に厳しいものとなる。
【０００７】
ステージの速度安定性は、光干渉計や光学スケールを用いることにより向上するが、真空中での光干渉計を用いた測定は非常に大がかりで時間がかかり、また、ナノメートル以下の領域では光学スケール自体の線形性や測定精度が問題となるので、正確な周期を持つ位相マスクの作製するための露光方法には大きな課題がある。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するのもであり、正確な周期を持つ光ファイバ回折格子作製用の位相マスクを簡便に作製することのできる位相マスクの製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の位相マスクの製造方法は、既知の周期分布を有するステージを一方向へ移動させながら所定の方法で周期を読み取り、前記ステージに微動機構を介して固定した電子線レジストを塗布した基板に対し、前記読み取った周期に同期して、かつ予め測定した前記周期の設計値からのずれ量を基に前記微動機構を変位させて、電子線をステージの移動方向と直交する方向に走査して照射すること特徴とするものであり、基板に対して電子線走査を行う際に、微動機構により既知の周期からのずれを修正するので、基板に正確な周期のパターンを形成することができ、所望の周期の位相マスクを製造することができる。
【００１０】
また、本発明の位相マスクの製造方法は、前記微動機構が、圧電体または電磁気力を用いていることを特徴とするものであり、圧電体または電磁気力により微動機構を高精度に駆動することができる。
【００１１】
また、本発明の位相マスクの製造方法は、前記既知の周期が、段差、電子密度、電気抵抗、磁気抵抗、透磁率、帯磁率、保持力、分極率、２次電子放出確率の違いのいずれかによって形成されており、かつ、周期を読み取る方法が、段差計、走査プローブ顕微鏡、電子顕微鏡のいずれかであることを特徴とするものであり、既知の周期が、段差、電子密度、電気抵抗、磁気抵抗、透磁率、帯磁率、保持力、分極率、２次電子放出確率の違いのいずれかによって形成されていることにより、段差計、走査プローブ顕微鏡、電子顕微鏡のいずれかの方法で既知の周期を容易に読み取ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態における光ファイバ回折格子作製用の位相マスクの製造方法の概略図である。本実施の形態では、周期を１０００ｎｍの回折格子を作製する方法について示す。固定台１１の上に敷設された２本の平行なレール１２上に移動ステージ１３が乗っており、移動ステージ１３の上には、回折格子１４が固定され、さらに微動機構１５を介して試料１６が固定されている。移動ステージ１３および微動機構１５は、Ｘ方向にのみ自由度があり、それぞれ図示されないリニアモータおよび圧電素子によって駆動される。また、固定台１１と回折格子１４との間の高さの変化を検知できるように原子間力顕微鏡のカンチレバー１７が回折格子１４の表面に接触している。
【００１３】
回折格子１４は、設計値における周期１０００ｎｍ、段差２７７ｎｍ、長さ１００ｍｍである２値の位相マスクであり、予め、ヘリウムネオンレーザーを用いた偏向角度の位置依存性、およびファイバ回折格子を作製して群遅延速度の測定を行い、回折格子１４の右端からｘｍｍの位置において周期の設計値からのずれを関数Ｆ（ｘ）として求めた。回折格子１４は、移動ステージ１３の上に固定されるが、電子線１８の走査方向Ｙと回折格子１４の溝が平行となるように調節した。
【００１４】
試料１６は、厚さ１ミクロンのクロムを蒸着した石英基板上に２００ｎｍ厚の電子線レジストＳＡＬ６０１−ＳＲ２（シプレイ社）を塗布されたものであり、まず、表面のゴミを取り除くために、基板を回転させながらイソプロピルアルコールを吹きかけた後、スピンドライを行い、次に、基板全面にＳＡＬ６０１−ＳＲ２を滴下し、４０００ｒｍｐで２０秒回転させて塗布を行い、さらに、９５度のホットプレート上でプリベークを３０分間行った。プリベーク終了後に、試料１６を微動機構１５上に回折格子１４とほぼ平行の位置に取り付けた。
【００１５】
電子線露光は、加速電圧３０ｋＶ、プローブ電流０．４ｎＡ、倍率１００倍で行い、Ｘ方向に直交するＹ方向にのみ電子線を走査できるように設定した。
【００１６】
次に、移動ステージ１３を固定台１１のＸ方向左端に移動させた後、秒速１０ミクロンで右端に向かって一定速度で移動させた。ステージ１３が移動するに従って、原子間力顕微鏡のカンチレバー１７が回折格子１４に接触している位置も移動するため、回折格子１４の凹凸情報が得られる。凹凸の高さは、ほぼ５００ｎｍ移動するごとに変化するので、５０ミリ秒ごとにカンチレバー１７からの高さ情報が変化することとなる。なお、移動ステージ１３は、Ｘ方向に移動する際にＺ方向にも微妙に移動するので、正確な回折格子１４上の高低差を読み取ることができないが、段差の位置を検出が目的であるので、本質的な問題とはならない。
【００１７】
周期１０００ｎｍからのずれの関数Ｆ（ｘ）を参照し、微動機構１５を−Ｆ（ｘ）に変位させ、原子間力顕微鏡のカンチレバー１７が凸の段差を検出したことをトリガーにして、Ｙ方向に電子線走査を行い、試料１６に電子線１８を照射する。このように、微動機構１５をＸ方向に変位させることによって、回折格子１４の周期からのずれを修正して、試料１６には、正確な周期のパターンを形成することができる。
【００１８】
上記の電子線照射条件では、１．２ｍｍの距離を４０ミリ秒かけて一度だけ走査することによって、幅５００ｎｍの領域が露光される。電子線１８の照射量によって、露光される幅が変化するので、露光される部分とされない部分の幅を等しくするために、描画する周期によって電子線１８の走査時間を変化させた。
【００１９】
長さ１００ｍｍの露光が終了した後、試料１６を取り外し、１１５度のホットプレート上で３０ｍｉｎ加熱を行った後、専用の現像液（ＣＤ−２６（シプレイ社製））中で３分間攪拌し、純水で洗浄を行った。試料１６の表面に残ったレジストパターンを用いて、抜けを目視しながらクロムのエッチングを行い、エッチング後には、レジストパターンと同じ領域にクロムの薄膜が残った。エッチング液には、硝酸第２セリウムアンモン：過塩素酸（７０％）：純水＝１６５ｇ：４２ｍｌ：１０００ｍｌの溶液を用いた。
【００２０】
さらに、クロムのパターンを用いて、反応性イオンエッチングで石英を選択的に除去することにより、２７７ｎｍの段差の作製を行った。最後に、凸領域に残っているクロム薄膜を、クロムのエッチング液を用いて除去することにより、目的とする位相マスクが完成した。
【００２１】
このように作製した位相マスクを、ヘリウムネオンレーザーを用いた偏向角度の位置依存性、およびファイバ回折格子を作製して群遅延速度の測定を行った結果、基準として用いた回折格子１４では観察された周期からのずれが非常に小さくなっていることが確認された。
【００２２】
なお、本実施の形態では、試料１６上に周期１０００ｎｍの位相マスクを形成しているが、微動機構１５を電子線走査ごとに一定量変位させることによって、異なる周期の位相マスクも作製することができる。例えば、７８ｎｍの変位を一定量加えることによって、周期１０７８ｎｍの位相マスクを作製することができた。さらに、微動機構１５の電子線走査ごとの変位量を任意に変えることにより、所望の周期分布を有する位相マスクを作製することができる。
【００２３】
また、本実施の形態では、微動機構１５として圧電体を用いているが、電磁気力を用いても同様の結果が得られた。
【００２４】
また、本実施の形態では、既知の周期を有する基板の周期は、段差であったが、電子密度、電気抵抗、磁気抵抗、透磁率、帯磁率、保持力、分極率、２次電子放出確率違いのなどのいずれかによって形成されていても同様の結果が得られた。
【００２５】
また、本発明の形態では、既知の周期を有する基板の周期を読み取る方法に原子間力顕微鏡を用いたが、走査電子顕微鏡、走査プローブ顕微鏡、段差計のいずれかを用いても同様の結果が得られた。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の位相マスクの製造方法は、既知の周期分布を有するステージを一方向へ移動させながら所定の方法で周期を読み取り、ステージに微動機構を介して固定した電子線レジストを塗布した基板に対し、読み取った周期に同期して、かつ予め測定した周期の設計値からのずれ量を基に微動機構を変位させて、電子線をステージの移動方向と直交する方向に走査して照射するようにしたので、基板に対して電子線走査を行う際に、微動機構により既知の周期からのずれを修正することができ、基板に対して正確な周期のパターンを形成することができる。また、既知の周期分布を参照して微動機構を駆動させることにより、電子線露光されるパターンの周期および周期分布を任意に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における位相マスクの製造方法を説明するための装置構成を示す概略斜視図
【符号の説明】
１１ 固定台
１２ レール
１３ 移動ステージ
１４ 回折格子
１５ 微動機構
１６ 試料
１７ カンチレバー
１８ 電子線[0001]
FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a phase mask, and more particularly to a method for manufacturing a phase mask used for processing an optical communication fiber by ultraviolet irradiation.
[0002]
[Prior art]
The exchange of moving images and large-capacity data is becoming familiar, and the development of further large-capacity optical transmission systems is required. The optical fiber can be used not only as an optical transmission line but also as an optical element called a fiber diffraction grating by forming a periodic refractive index distribution in the core. For example, JP-A-7-128524 and JP-A-8-101310 report a dispersion compensation device using a fiber diffraction grating and a variable wavelength filter.
[0003]
In an optical fiber diffraction grating for the 1.5-micron wavelength band, it is necessary to form a periodic structure at intervals of about 500 nm in the core. To form the periodic structure, a periodic intensity distribution is applied to the Ge-doped core using a phase mask. A method of changing the refractive index by irradiating the formed ultraviolet rays is mainly used.
[0004]
In the case of a binary phase mask in which the ultraviolet source is a KrF excimer laser (wavelength: 248 nm), the refractive index of quartz is 1.447, the period is 1078 nm, and the step is 277 nm, the step produces a phase difference of π radian in the incident light. Therefore, the zero-order light traveling straight is almost extinguished, and an intensity distribution of ultraviolet rays having a double period (539 nm) is formed.
[0005]
Periodic steps of the phase mask are formed by reactive ion etching using a pattern made on a smooth quartz substrate. For pattern making, small areas drawn by electron beam are connected by moving the stage stepwise In general, a step-and-repeat method is used. In the step-and-repeat method, if the positioning accuracy at the time of connecting the drawing areas is not sufficient, optical characteristics are greatly affected. Therefore, in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-72631, a stage is set to reduce a connection error. A manufacturing method has been reported in which an electron beam is scanned in a direction orthogonal to the feeding direction while being continuously fed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of a phase mask for fabricating a fiber diffraction grating having a center period of 1078 nm, a period change rate of 0.5 nm / cm, and a length of 10 cm, the period difference between both ends of the mask is 5 nm. If the continuous feeding speed fluctuates by 0.05%, the period changes by 0.5 nm. Therefore, in the method of performing exposure by irradiating an electron beam while continuously moving the stage, the accuracy required for the speed stability of the stage becomes very severe.
[0007]
The speed stability of the stage can be improved by using an optical interferometer or optical scale, but measurement using an optical interferometer in a vacuum is very large and time-consuming, and optical measurement is required in the sub-nanometer range. Since the linearity of the scale itself and the measurement accuracy become problems, there is a great problem in an exposure method for producing a phase mask having an accurate period.
[0008]
An object of the present invention is to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a phase mask manufacturing method capable of easily manufacturing a phase mask for manufacturing an optical fiber diffraction grating having an accurate period. Is what you do.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The manufacturing method of the phase mask of the present invention reads a period by a predetermined method while moving a stage having a known period distribution in one direction, and applies the electron beam resist fixed to the stage via a fine movement mechanism to the substrate. On the other hand, in synchronization with the read cycle, and displacing the fine movement mechanism based on the amount of deviation from the design value of the cycle measured in advance, scanning the electron beam in a direction perpendicular to the direction of movement of the stage. When performing electron beam scanning on the substrate, the deviation from the known period is corrected by the fine movement mechanism, so that a pattern with an accurate period can be formed on the substrate, A phase mask having a desired period can be manufactured.
[0010]
Further, the method of manufacturing a phase mask according to the present invention is characterized in that the fine movement mechanism uses a piezoelectric body or an electromagnetic force, and the fine movement mechanism is driven with high accuracy by the piezoelectric body or the electromagnetic force. Can be.
[0011]
Further, in the method for manufacturing a phase mask according to the present invention, the known period may be any one of a step, an electron density, an electric resistance, a magnetic resistance, a magnetic permeability, a magnetic susceptibility, a coercive force, a polarizability, and a difference in a secondary electron emission probability. And the method of reading the period is characterized by being any of a step meter, a scanning probe microscope, and an electron microscope, and the known period is a step, an electron density, an electric resistance. , Magnetic resistance, magnetic permeability, magnetic susceptibility, coercive force, polarizability, secondary electron emission probability. Can be easily read.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view of a method of manufacturing a phase mask for manufacturing an optical fiber diffraction grating according to an embodiment of the present invention. In this embodiment mode, a method for manufacturing a diffraction grating with a period of 1000 nm will be described. A moving stage 13 is mounted on two parallel rails 12 laid on a fixed base 11, a diffraction grating 14 is fixed on the moving stage 13, and a sample 16 is moved via a fine movement mechanism 15. Has been fixed. The moving stage 13 and the fine movement mechanism 15 have a degree of freedom only in the X direction, and are respectively driven by a linear motor and a piezoelectric element (not shown). Further, the cantilever 17 of the atomic force microscope is in contact with the surface of the diffraction grating 14 so that a change in height between the fixed base 11 and the diffraction grating 14 can be detected.
[0013]
The diffraction grating 14 is a binary phase mask having a period of 1000 nm, a step of 277 nm, and a length of 100 mm in design values. The position dependence of the deflection angle using a helium neon laser and the fiber diffraction grating are prepared in advance. The group delay speed was measured, and the deviation from the design value of the period at a position x mm from the right end of the diffraction grating 14 was obtained as a function F (x). The diffraction grating 14 is fixed on the moving stage 13 and adjusted so that the scanning direction Y of the electron beam 18 and the groove of the diffraction grating 14 are parallel.
[0014]
The sample 16 is a quartz substrate on which chromium having a thickness of 1 micron is vapor-deposited and a 200 nm-thick electron beam resist SAL601-SR2 (Shipley) is applied. First, the substrate is removed to remove dust on the surface. After spraying isopropyl alcohol while rotating, spin dry is performed, then SAL601-SR2 is dripped over the entire surface of the substrate, applied by rotating at 4000 rpm for 20 seconds, and prebaked on a 95 ° hot plate. Performed for 30 minutes. After the completion of the pre-bake, the sample 16 was mounted on the fine movement mechanism 15 at a position substantially parallel to the diffraction grating 14.
[0015]
The electron beam exposure was performed at an acceleration voltage of 30 kV, a probe current of 0.4 nA, and a magnification of 100, and was set so that the electron beam could be scanned only in the Y direction orthogonal to the X direction.
[0016]
Next, after moving the moving stage 13 to the left end in the X direction of the fixed base 11, the moving stage 13 was moved at a constant speed toward the right end at 10 microns per second. As the stage 13 moves, the position where the cantilever 17 of the atomic force microscope is in contact with the diffraction grating 14 also moves, so that the unevenness information of the diffraction grating 14 can be obtained. Since the height of the unevenness changes almost every 500 nm, the height information from the cantilever 17 changes every 50 milliseconds. In addition, since the moving stage 13 also moves delicately in the Z direction when moving in the X direction, the height difference on the diffraction grating 14 cannot be read accurately. However, since the purpose is to detect the position of the step, It is not an essential problem.
[0017]
With reference to the function F (x) of the deviation from the period of 1000 nm, the fine movement mechanism 15 is displaced to −F (x), and the detection of the convex step by the cantilever 17 of the atomic force microscope is used as a trigger in the Y direction. The sample 16 is irradiated with an electron beam 18. As described above, by displacing the fine movement mechanism 15 in the X direction, the deviation from the period of the diffraction grating 14 can be corrected, and a pattern having an accurate period can be formed on the sample 16.
[0018]
Under the above-described electron beam irradiation conditions, a region having a width of 500 nm is exposed by scanning once at a distance of 1.2 mm over a period of 40 msec. Since the width of exposure varies depending on the irradiation amount of the electron beam 18, the scanning time of the electron beam 18 is varied depending on the drawing cycle in order to equalize the width of the portion to be exposed and the portion not to be exposed.
[0019]
After the exposure of 100 mm in length was completed, the sample 16 was removed, heated on a hot plate at 115 ° C. for 30 minutes, and then stirred in a dedicated developer (CD-26 (manufactured by Shipley)) for 3 minutes. Washing was performed with pure water. Using the resist pattern remaining on the surface of the sample 16, chromium etching was performed while visually checking for omission. After the etching, a chromium thin film remained in the same region as the resist pattern. As the etching solution, a solution of ceric ammonium nitrate: perchloric acid (70%): pure water = 165 g: 42 ml: 1000 ml was used.
[0020]
Further, a step of 277 nm was formed by selectively removing quartz by reactive ion etching using a chromium pattern. Finally, the target phase mask was completed by removing the chromium thin film remaining in the convex region using a chromium etchant.
[0021]
The phase mask fabricated in this way was measured for the position dependence of the deflection angle using a helium-neon laser, and the group delay speed was measured by fabricating a fiber diffraction grating. It was confirmed that the deviation from the cycle was very small.
[0022]
In this embodiment, a phase mask having a period of 1000 nm is formed on the sample 16; however, a phase mask having a different period can be manufactured by displacing the fine movement mechanism 15 by a fixed amount for each electron beam scan. it can. For example, a phase mask having a period of 1078 nm can be manufactured by applying a constant amount of a displacement of 78 nm. Further, a phase mask having a desired periodic distribution can be manufactured by arbitrarily changing the amount of displacement of the fine movement mechanism 15 for each electron beam scan.
[0023]
Further, in the present embodiment, a piezoelectric body is used as the fine movement mechanism 15, but similar results were obtained by using an electromagnetic force.
[0024]
In this embodiment, the period of the substrate having the known period is a step, but the electron density, electric resistance, magnetic resistance, magnetic permeability, magnetic susceptibility, coercive force, polarizability, and secondary electron emission probability Similar results were obtained even when formed by any of the differences.
[0025]
In the embodiment of the present invention, an atomic force microscope is used for a method of reading a period of a substrate having a known period. However, a similar result can be obtained by using any of a scanning electron microscope, a scanning probe microscope, and a step meter. Obtained.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, the phase mask manufacturing method of the present invention reads the period by a predetermined method while moving a stage having a known period distribution in one direction, and fixes the electron beam resist fixed to the stage via a fine movement mechanism. The electron beam is scanned in a direction perpendicular to the direction of stage movement by displacing the fine movement mechanism based on the amount of deviation from the design value of the previously measured cycle, in synchronization with the read cycle, on the substrate coated with When performing electron beam scanning on the substrate, it is possible to correct the deviation from the known period by the fine movement mechanism, and to form a pattern with an accurate period on the substrate. Can be. Further, by driving the fine movement mechanism with reference to the known cycle distribution, the cycle and the cycle distribution of the pattern to be exposed by the electron beam can be arbitrarily changed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing an apparatus configuration for explaining a method of manufacturing a phase mask according to an embodiment of the present invention.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Fixed base 12 Rail 13 Moving stage 14 Diffraction grating 15 Fine movement mechanism 16 Sample 17 Cantilever 18 Electron beam
