JP2005208180A - 光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 微細なピッチで所定のパターンを有するフォトニック結晶などの光学素子を製造する方法を提供する。
【解決手段】 基板４の上にレジスト５を塗布し、ｉ線ステッパを用いてレチクル６に形成されたパターンの像をレジスト５上に投影露光する。（ａ）。次に、この状態から、基板４をパターンの周期より短いピッチ（この場合はパターン周期の１／２）だけ、パターンの周期方向に移動させ、再び、露光を行う。（ｂ）。続いて、レジスト５を現像し、露光された部分のレジストを除去する（ｃ）。そして、残ったレジストをマスクとして、基板４のエッチングを行い、貫通孔４ａを形成する。最後に残ったレジスト５を除去する（ｄ）。このようにして、１回の露光で形成できるピッチより細かいピッチで配列されたパターン（貫通孔４ａ）を有する基板４からなる光学素子が形成される。
【選択図】 図３

Description

本発明は光学素子の製造方法に関するものであり、特に、フォトニック結晶等、周期構造を有する光学素子の製造方法に関するものである。

光回路などにおいては、微小かつ高性能な光学素子が必要とされる場合が多い。近年、このような微小光学素子にフォトニック結晶を用いる技術が広く研究されている。フォトニック結晶はフォトニックバンドギャップによる、入射方向に関わらない光の完全反射、異常分散による光の速度や方向の変化など極端な性質を持ち、光を制御するために都合の良い性質を数多く持つことが知られている。このようなフォトニック結晶及びその応用については、「フォトニック結晶研究の現状と将来展望、財団法人光産業技術振興会、2000年３月」（非特許文献１）に記載されている。

多層膜は１次元のフォトニック結晶と呼ぶことができ、ＤＯＥ（Diffractive Optical Effect）素子などの回折光学素子も２次元（1.5次元）のフォトニック結晶と言うことができる。

現在、様々な構造のフォトニック結晶が提案されているが、２次元フォトニック結晶では円孔配列のフォトニック結晶が盛んに研究されている。３次元フォトニック結晶については、オパール法による３次元フォトニック結晶、ウエハー融着法による３次元フォトニック結晶が研究されている。

「フォトニック結晶研究の現状と将来展望、財団法人光産業技術振興会、2000年３月」

これらのフォトニック結晶のうち、２次元のフォトニック結晶の製造方法としては、レジストを塗布した基板に対して電子線描画装置により直接パターンを描画し、その後、レジストを現像して、残ったレジストをマスクとして基板をエッチングし、所定のパターンを基板に形成する方法が多く採用されてきた。

しかしながら、パターンのピッチや線幅が狭くなるにつれて、電子線描画装置の露光条件を制御することが困難であると共に、特にレジストの厚さが厚くなった場合には、電子線描画装置により、狭いピッチで所定形状のパターン（主として円形）を製造することが困難になってきている。又、電子線描画装置による描画は、長い描画時間を要するので、大面積の露光を行うことが困難であるという問題があった。

これとは別の方法として、半導体デバイスの製造に使用される露光転写装置（ステッパ）を用いて、レジストを塗布した基板に、所定のパターンを一括露光する方法も開発されている。この方法を用いれば、短時間のうちに基板の広い面積を露光することが容易である。又、現在多用されている露光転写装置のうちで最も微細なパターンを露光できるものはｉ線ステッパ（露光波長３６５nm）であるが、これを使用すると、レジスト厚さが厚い（１〜２μｍ）場合であっても、きれいに露光することが可能である。

しかし、ｉ線ステッパを用いた場合には、ほぼ0.8μｍのピッチのパターンの製造が限界である。これ以上の微細なピッチのパターンの製造を行う場合には、現在実用化が開始されているエキシマレーザを使用したステッパを用いる必要がある。しかしながら、エキシマレーザステッパは、装置が効果であり、又、レジスト厚さが厚くなると、きれいに露光ができないという制約がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ｉ線ステッパ等の紫外領域の波長を使用したステッパを使用した場合でも、微細なピッチで所定のパターンを有するフォトニック結晶などの光学素子を製造することができる方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、基板に、所定の凹凸パターン（孔を含む）が形成された光学素子の製造方法であって、所定のピッチで前記所定の凹凸パターンが繰り返し形成されるようなパターンを有するレチクルを用いて、表面にレジストを塗布した前記基板に、露光転写装置を用いて、前記レチクルのパターンを露光転写し、続いて、前記基板を、移動量の前記ピッチ方向成分が前記所定のピッチより短い距離だけ移動させて、前記レチクルのパターンを前記基板に露光転写することを、必要回数だけ繰り返し、その後、前記レジストを現像し、残ったレジストをマスクとして、前記基板をエッチングする工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法（請求項１）である。

従来は、露光転写装置を用いてこのような光学素子を製造する場合には、凹凸パターンの周期に対応したパターンを基板上に形成するようなレチクルを使用して、このレチクルのパターンを、レジストが塗布された基板に露光転写し、その後レジストを現像して、残ったレジストをマスクにして基板をエッチングする方法がとられていた。しかし、この方法では、前述のように、露光転写装置の分解能によって製造できる周期（パターンピッチ）に限界があった。

本手段においては、所定のピッチで前記所定の凹凸パターンが繰り返し形成されるようなパターンを有するレチクルを用いて、表面にレジストを塗布した前記基板に、露光転写装置を用いて、前記レチクルのパターンを露光転写し、続いて、前記基板を前記所定のピッチより短い距離だけ移動させて、前記レチクルのパターンを前記基板に露光転写することを、必要回数だけ繰り返すことにより必要な露光を行うようにしている。このようにすることにより、前記１回の露光で露光する所定のピッチを露光装置で露光可能なピッチより大きくするようにしておけば、露光転写装置で露光可能なピッチより狭いピッチを有する凹凸パターンを基板に形成することができる。

その理由は必ずしも明らかではないが、ボケによりパターンの周囲の部分に蓄積されるエネルギーが、隣り合うパターンを同時に露光する場合よりも、分割して逐次露光するようにした場合の方が小さくなるためであると考えられる。

なお、凹凸パターンの種類としては、基板に円、四角、三角、市松模様等、任意の形状の凸部、又は凹部（孔を含む）が形成されたものをいい、凹部と凸部の形状が同じであるもののみを意味するものではない。又、各回の露光量を変えることにより、各回の露光により形成されるパターンの大きさを変えることができる。

前記課題を解決するための第２の手段は、基板に、所定の凹凸パターン（孔を含む）が形成された光学素子の製造方法であって、所定のピッチで前記所定の凹凸パターンが繰り返し形成されるようなパターンを有するレチクルを用いて、表面にレジストを塗布した前記基板に、露光転写装置を用いて、前記レチクルのパターンを露光転写し、前記レジストを現像し、残ったレジストをマスクとして前記基板をエッチングし、その後、前記古いレジストを除去して、基板に新しいレジストを塗布し、続いて、前記基板を、移動量の前記ピッチ方向成分が前記所定のピッチより短い距離だけ前回の露光位置より移動させて、前記レチクルのパターンを前記基板に露光転写し、前記レジストを現像し、残ったレジストをマスクとして前記基板をエッチングする工程を必要回数だけ繰り返す工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法（請求項２）である。

前記第１の手段においては、基板を所定のピッチより短い距離だけずらして順次露光を行ってから、レジストの現像、基板のエッチングを行っていたが、本手段においては、１回露光を行うたびに、レジストの露光と基板のエッチングを行い、エッチング後に古いレジストを除去して、新しいレジストを塗布した後で、基板位置をずらして露光を行っている。よって、前回の露光によりレジストに蓄積されたエネルギーが残らないので、さらに確実に、露光転写装置で露光可能なピッチより狭い周期を有する凹凸パターンを基板に形成することができる。

又、各回の露光量を異ならせることにより、各回の露光で形成されるパターンの大きさを変えることができ、各回の基板のエッチング量を異ならせることにより、各回の露光によって形成されるパターンの凸部の高さ、凹部の深さを異ならせることができ、より複雑なパターンを形成できる。パターンの形状を任意に選べることは、前記第１の手段と同じである。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段である光学素子の製造方法の工程中、毎回の露光に同じレチクルを用いる代わりに、少なくとも１回の露光において、パターン形状、パターンピッチのうち少なくとも一方が異なるパターンを有するレチクルを使用することを特徴とする光学素子の製造方法（請求項３）である。

本手段によれば、さらに複雑なパターン分布を有する光学素子を製造することができる。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、前記光学素子が、フォトニック結晶であることを特徴とするもの（請求項４）である。

前記第１の方法から第３の方法により製造される光学素子としては、２次元フォトニック結晶が最も適当なものである。

以上説明したように、本発明によれば、ｉ線ステッパ等の紫外領域の波長を使用したステッパを使用した場合でも、微細なピッチで所定のパターンを有するフォトニック結晶などの光学素子を製造する方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態である光学素子の製造方法によって製造された基板のパターンの例を示す図であり、基板の一部を表面側から見た図である。露光時に基板を移動させる方向をＸ方向、Ｙ方向にとっている。

円形パターン１（実線）は、第１回目の露光により形成されたパターンであり、円形パターン２（破線）は、第２回目の露光によって形成されたパターンである。円形パターン１の直径はａ１、Ｘ方向、Ｙ方向のピッチはｐ１であり、円形パターン２の直径はａ２、Ｘ方向、Ｙ方向のピッチはｐ２である。１回目の露光と２回目の露光で、基板はＸ方向、Ｙ方向にそれぞれ移動量ｂだけ移動させられて露光が行われている。

典型的な例としては、第１回目の露光と第２回目の露光で同じレチクルを使用し、ｂ＝ｐ１／２とする。このようにすると、ピッチｐ１で、直径がａ１の円形パターンがＸ方向、Ｙ方向に配列されたパターンを基板上に投影するレチクルを使用して、ｐ１／２のピッチで直径がａ１の円形パターンが配列された基板を形成することができる。

１回目と２回目の露光で別のレチクルを使用する場合は、ｐ１≠ｐ２、ａ１≠ａ２とすることができるので、複雑なパターン配列の基板を製造することができる。又、基板の移動量をＸ方向とＹ方向で変えても良く、パターンのピッチをＸ方向とＹ方向で変えても良い。さらに、１回目の露光と２回目の露光で同じレチクルを使用する場合であっても、露光量を変えることにより、ａ１≠ａ２とすることができる。

図２は、本発明の実施の形態である光学素子の製造方法によって製造された基板のパターンの他の例を示す図であり、基板の一部を表面側から見た図である。露光時に基板を移動させる方向をＸ方向、Ｙ方向にとっている。

円形パターン１（実線）は、第１回目の露光により形成されたパターンであり、正方形パターン３（破線）は、第２回目の露光によって形成されたパターンである。この場合は、各露光におけるパターンの形状が異なるので、各露光においては異なったレチクルを用いて露光転写を行っている。

円形パターン１の直径はａ１、Ｘ方向、Ｙ方向のピッチはｐ１であり、正方形パターン３の辺の長さはａ３、Ｘ方向、Ｙ方向のピッチはｐ３である。１回目の露光と２回目の露光で、基板はＸ方向、Ｙ方向にそれぞれ移動量ｂだけ移動させられて露光が行われている。通常は、ｐ１＝ｐ２、ｂ＝ｐ１／２として、Ｘ方向、Ｙ方向にピッチｐ１／２でパターンが形成された基板を製造する。各パラメータを変えることにより、複雑なパターンが製造可能であることは、図１の説明において説明したのと同じである。

なお、以上の例は、１回の露光で形成されるパターンピッチの約１／２の量だけ基板をＸ方向、Ｙ方向に移動させて２回目の露光を行っているが、露光をｎ（ｎ≧３）回に分けて行い、１回の露光で形成されるパターンピッチの約１／ｎの量だけ基板をＸ方向、Ｙ方向に移動させて順次露光を行うようにしてもよい。

図３は、本発明の実施の形態の第１の例である光学素子の製造方法の概要を示す図である。Si、ＳＯＩ(Si/SiＯ_２/Si)、SiＯ_２等からなる基板４の上にレジスト５を塗布し、ｉ線ステッパを用いてレチクル６に形成されたパターンの像をレジスト５上に投影露光する。通常、この投影露光には１／５の縮小露光が用いられるが、説明を簡単にするために等倍の露光が行われるように図示している。５ａがこの第１回目の露光により露光される部分である（ａ）。

次に、この状態から、基板４をパターンの周期より短いピッチ（この場合はパターン周期の１／２）だけ、パターンの周期方向に移動させ、再び、露光を行う。新たに露光される部分が５ｂで示される部分である（ｂ）。

続いて、レジスト５を現像し、露光された部分のレジストを除去する（ｃ）。そして、残ったレジストをマスクとして、基板４のエッチングを行い、貫通孔４ａを形成する。最後に残ったレジスト５を除去する（ｄ）。このようにして、１回の露光で形成できるピッチより細かいピッチで配列されたパターン（貫通孔４ａ）を有する基板４からなる光学素子が形成される。

なお、（ａ）の露光に用いるレチクルと（ｂ）の露光に用いるレチクルを異なったものとしてもよい。又、図では説明を簡単にするために、パターンは１次元方向に繰り返し配列されているものとし、そのパターンが繰り返し配列されている方向に基板を移動させているが、パターンの繰り返し配列されている方向と異なる方向に基板を移動させてもよい。その場合には、移動量の、パターンの繰り返し配列されている方向成分が、１回の露光で露光するパターンの繰り返しピッチより短くなるようにし、かつ、形成されるパターン同士が重ならないような移動量にする。

又、図１、図２に示すように、パターンが２次元方向に繰り返し配列されているような場合には、移動量の、各繰り返し配列されている方向の成分が、１回の露光で露光するパターンのそれぞれの方向の繰り返しのピッチより短くなるようにし、かつ、形成されるパターン同士が重ならないような移動量にする。

図４は、本発明の実施の形態の第２の例である光学素子の製造方法の概要を示す図である。Si、ＳＯＩ(Si/SiＯ_２/Si)、SiＯ_２等からなる基板４の上にレジスト５を塗布し、ｉ線ステッパを用いてレチクル６に形成されたパターンの像をレジスト５上に投影露光する。５ａがこの第１回目の露光により露光される部分である（ａ）。

次に、レジスト５を現像し、露光された部分のレジストを除去する（ｂ）。そして、残ったレジストをマスクとして、基板４のエッチングを行い、貫通孔４ｂを形成する。そして、残ったレジスト５を除去する（ｃ）
このような基板４の上に、さらに新しいレジスト７を塗布する（ｄ）。次に、基板４をパターンの周期より短いピッチ（この場合はパターン周期の１／２）だけ、第１回目の露光位置から、パターンの周期方向に移動させ、再び、露光を行う。新たに露光される部分が７ａで示される部分である（ｅ）。

続いて、レジスト７を現像し、露光された部分のレジストを除去する（ｆ）。そして、残ったレジストをマスクとして、基板４のエッチングを行い、貫通孔４ｃを形成する。最後に残ったレジスト５を除去する（ｇ）。このようにして、１回の露光で形成できるピッチより細かいピッチで配列されたパターン（貫通孔４ｂ、４ｃ）を有する基板４からなる光学素子が形成される。

この方法によれば、第１回目の露光と第２回目の露光の後、基板４エッチングを別々に行っているので、エッチングの量を制御することにより、各々のエッチングで形成される孔の深さを変えることができる。例えば、貫通孔４ｂ、４ｃのうちいずれかを貫通しない孔とすることができる。その他の詳細については、図３に示した実施の形態と同じである。

（実施例１）
シリコンからなる厚さ725μmの基板の上にレジストを１μｍ塗布し、ｉ線ステッパを用いて、レチクルに形成された円形のパターンを露光転写した。投影露光には１／５の縮小転写光学系を用いた。パターンのピッチはＸ，Ｙ２次元方向にそれぞれ、基板上で１μｍ、0.8μｍ（レチクル上で５μｍ、４μｍ）の２種類として、円形のパターンの直径を変化させて試験を行った。まず第１回目の露光を行い、次に基板の露光位置をＸ方向、Ｙ方向共に、基板上でのパターンピッチの半分（0.5μｍ、0.4μｍ）だけ、Ｘ方向、Ｙ方向とも最初の露光位置よりずらして、再露光を行った。その後レジストを現像を行い、残されたレジストをマスクとしてエッチングを行って、残ったレジストを除去し、ホール形状とピラー形状の構造を持つ光学素子（フォトニック結晶として使用）を作製した。

その結果、円の直径が290nm以上の円形ホール形状とピラー形状のパターンが、ピッチ0.5μｍ、0.4μｍでＸ方向、Ｙ方向に配列された光学素子を製造することができた。第１回目と第２回目の露光時間を変えることにより、孔の直径が異なるパターンを形成することもできた。

（実施例２）
シリコンからなる厚さ725μmの基板の上にレジストを１μｍ塗布し、ｉ線ステッパを用いて、レチクルに形成された円形のパターンを露光転写した。投影露光には１／５の縮小転写光学系を用いた。パターンのピッチはＸ，Ｙ２次元方向にそれぞれ、基板上で１μｍ、0.8μｍ（レチクル上で５μｍ、４μｍ）の２種類として、円形のパターンの直径を変化させて試験を行った。まず第１回目の露光を行い、その後レジストを現像を行い、残されたレジストをマスクとしてエッチングを行って、残ったレジストを除去し、ホール形状とピラー形状の構造を持つ基板を製造した。

続いて、この基板に、新たにレジストを１μｍ塗布し、第２回目の露光を行い、第１回目の露光に用いたレチクルに形成された円形のパターンを露光転写した。その際、基板の露光位置をＸ方向、Ｙ方向共に、基板上でのパターンピッチの半分（0.5μｍ、0.4μｍ）だけ、Ｘ方向、Ｙ方向とも最初の露光位置よりずらして露光を行った。その後レジストを現像を行い、残されたレジストをマスクとしてエッチングを行って、残ったレジストを除去し、ホール形状とピラー形状の構造を持つ光学素子（フォトニック結晶として使用）を作製した。

その結果、円の直径が290nm以上の円形ホール形状とピラー形状のパターンが、ピッチ0.5μｍ、0.4μｍでＸ方向、Ｙ方向に配列された光学素子を製造することができた。第１回目のエッチングと第２回目のエッチング時間を変えることにより、孔の深さの異なったパターンを形成することもできた。

本発明の実施の形態である光学素子の製造方法によって製造された基板のパターンの例を示す図である。 本発明の実施の形態である光学素子の製造方法によって製造された基板のパターンの他の例を示す図である。 本発明の実施の形態の第１の例である光学素子の製造方法の概要を示す図である。 本発明の実施の形態の第２の例である光学素子の製造方法の概要を示す図である。

符号の説明

１…円形パターン、２…円形パターン、３…正方形パターン、４…基板、４ａ，４ｂ，４ｃ…貫通孔、４ｂ５…レジスト、５ａ，５ｂ…露光部分、６…レチクル、７…レジスト、７ａ…露光部分

Claims (4)

1. 基板に、所定の凹凸パターン（孔を含む）が形成された光学素子の製造方法であって、所定のピッチで前記所定の凹凸パターンが繰り返し形成されるようなパターンを有するレチクルを用いて、表面にレジストを塗布した前記基板に、露光転写装置を用いて、前記レチクルのパターンを露光転写し、続いて、前記基板を、移動量の前記ピッチ方向成分が前記所定のピッチより短い距離だけ移動させて、前記レチクルのパターンを前記基板に露光転写することを、必要回数だけ繰り返し、その後、前記レジストを現像し、残ったレジストをマスクとして、前記基板をエッチングする工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 基板に、所定の凹凸パターン（孔を含む）が形成された光学素子の製造方法であって、所定のピッチで前記所定の凹凸パターンが繰り返し形成されるようなパターンを有するレチクルを用いて、表面にレジストを塗布した前記基板に、露光転写装置を用いて、前記レチクルのパターンを露光転写し、前記レジストを現像し、残ったレジストをマスクとして前記基板をエッチングし、その後、前記古いレジストを除去して、基板に新しいレジストを塗布し、続いて、前記基板を、移動量の前記ピッチ方向成分が前記所定のピッチより短い距離だけ前回の露光位置より移動させて、前記レチクルのパターンを前記基板に露光転写し、前記レジストを現像し、残ったレジストをマスクとして前記基板をエッチングする工程を必要回数だけ繰り返す工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光学素子の製造方法の工程中、毎回の露光に同じレチクルを用いる代わりに、少なくとも１回の露光において、パターン形状、パターンピッチのうち少なくとも一方が異なるパターンを有するレチクルを使用することを特徴とする光学素子の製造方法。
4. 前記光学素子が、フォトニック結晶であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
   

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