JP2005503592A - モノリシック三次元構造 - Google Patents

Abstract

連続した層にモノリシックな構造を製造する一連の処理ステップにより、基板（１０）の表面上に任意形状の三次元構造が製造される。フォトレジスト材料の第１層（１４）が基板（１０）表面（１８）にスピンで延ばされ、最終的な構造において対応する断面の段における、その最終的な構造の形状に対応する所望のパターンで露光される（２６）。露光の後、層は現像されず、代わりにフォトレジスト材料の第２層が堆積され、また、所望のパターンに露光される（３２）。続く層（４０、５２、６４）が先の層（１４、３０）上にスピンで延ばされ、露光される（４４、５４、６６）。そして、それぞれの層が所望の構造にて対応している段を規定した、連続層が完成すると、全ての層が同時に現像され、三次元構造（２２）が後に残る。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、基板上のモノリシック三次元構造に関し、より具体的には、集積されたレーザ、および、導波路構造のための光学的カプラの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの処理および製造に利用可能な技術の進展により、基板表面に適用(apply)される様々な感光性材料、および、製造される構造を規定する様々な写真平板処理（フォトリソグラフィックプロセス(photolithographic processes)）を用いることで、ウェハ表面上に様々な形状を有する構造を形成することができるようになった。例えば、従来のフォトレジスト材料は、ちょうどフォトリソグラフィックマスクを使用するように、基板表面にスピンで引き伸ばして、それから特定の領域に露光し、フォトレジストの現像の後に、基板上にパターンが形成される。このような技術は、例えば、米国特許第５，１３２，９８３号、および、２００１年８月１日出願の同時係属中の米国特許出願第０９／９１８，５４４号に開示されているような様々なキャビティ構成を備えるリングレーザを含む、集積されたレーザおよび導波路製造に使用可能である。これらの開示は、参照により本明細書の内容に含まれる。これらの技術の発展および広範なレーザおよび導波路構造の製造可能性が発達することで、集積光学デバイスに見込まれる利用用途は拡大し、高い生産性と低いコストという魅力が付加される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
光学的カプラは従来、集積されたレーザおよび導波路デバイスを相互に光学的に接続することに用いられるのだが、これらのデバイスと光ファイバのような外部構成要素とを簡便かつ効率的に接続する技術には利用できない。様々なデザインの光学的カプラが開発されているが、これらのカプラを集積光学デバイス、および、光ファイバのような外部光学的構成要素、と位置合わせすることは非常に困難であって、その結果、歩留まりが悪く、これらデバイスを高価なものとしている。従い、光ファイバのような外部構成要素と接続可能な集積光学構成要素とそのカプラのコスト効率、歩留まりを高くするため、任意の３次元的パターンを有するモノリシックの光学的カプラが切望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明の概要
本発明により、連続した層として製造することでモノリシック構造を形成する、一連の処理ステップによって基板表面上に任意形状３次元構造が製造される。これらの層は導電性高分子、レジスト材料、等、といったリソグラフィ的に定義可能な材料で形成されることが望ましい。簡単のため、以下の説明ではフォトレジスト材料で形成された層について述べるが、上記のような別の材料を使用することができると解されるべきである。よって、例えば、本発明の好適な形態により、フォトレジスト材料からなる第１層が基板表面にスピンで延ばされ、構造の相当する高さの最終構造形状に一致した、所望のパターンに露光される。層状のフィルムは現像せず、その代わりにフォトレジスト材料第２層が第１層の上端に堆積され、この層の高さに応じた、少なくとも第１パターンと部分的には鉛直方向に直線上に並んでいるパターンが露光される。次の層は、前の層の上端面にスピンで延ばされ、直線上にならんださらなるパターンが露光される。必要であれば、混合を防止するために、連続した層の間にバリア層を設けてもよい。構造を規定する、鉛直に直線上に並んだ連続した層が完成すれば、全ての層が同時に現像される。（ポジティブ・フォトレジストの場合、）露光されていない材料を残して露光を受けた材料が除去され、露光されたパターンと一致する段を備えた三次元構造が形成される。ネガティブ・フォトレジスト材料の場合、露光を受けた材料が構造を形成する。
【０００５】
先述の処理では、ポジティブかまたは、ネガティブの、フォトレジスト材料のいずれかを利用するが、処理変形例においては、三次元構造を、ポジティブな感光性材料とネガティブな感光性材料を用いて製造可能である。フォトレジスト材料への露光は好ましくは、広範な形状および構成が可能となるフォトリソグラフィによってなされる。しかし、本明細書に開示の層状化技術と同一の層状化技術を用い、電子線(e-beam)、Ｘ線、または、その他の照射形態を用いて、対応するレジスト、または、別種のリソグラフィによって規定できる層に露光を加えてもよい。
【０００６】
本発明の製造技術は、複数層構造を必要とする集積回路システム等における、光学的カプラ、グレーティング、および光学システムと共に用いる他の任意形状複数層デバイスの生産に用いてよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
前記ならびに追記される、本発明の目的、特徴、および、優位性、は、以下に記載する本発明の好適な実施形態と添付の図面により当業者にとっては明白である。
【０００８】
好適な実施形態の説明
次に本発明のさらに詳細な説明を加える。図１（ａ）ないし図１（ｆ）は、本発明によるモノリシック構造の形成に用いる一連の処理ステップを示す図である。さらに詳細に説明すれば、一連の連続層を製造することで基板表面上に任意形状の固体三次元構造が形成され、それらは厚さを異にしてよく、各層は次々に処理される。これらの層は所望の任意三次元構造における断面の段に一致し、構造全体の厚みは、感光性材料からなる、連続的に露光される層によって構築される。これらの連続する層は図１（ａ）ないし図１（ｅ）に示されており、ここではこれを参照する。本発明の処理により、断面図１２に示される基板１０は、上方平面図１６に示すように、従来型のレジスト材料を有する第１層１４を支持している。例えば、この上端層１４は、基板上端面１８にスピンで延ばされたフォトレジスト層で、所望の厚さを有してよい。この厚さは、例えば図１（ｆ）および図２に示される構造例のような、基板表面上に形成される三次元構造２２の第１段２０に望まれる高さに相当する。投影露光装置のような従来のフォトリソグラフィ用器具を用い、製造されるべき任意形状構造に従ってフォトレジストフィルムを有する層１４に、パターンを通してフィルムの所望の領域を感光させる。図示した実施形態においては、パターンにはレジスト層１４の第１部分２４が含まれており、この部分はマスクされて露光を受けず、層１４の残りの部分２６が適当な光源により、周知の方法で露光される。露光を受けない部分２４は、構造２２の第１段２０の形状および厚さと一致する。
【０００９】
従来のリソグラフィとは異なり、レジスト層１４は露光の後で現像されず、代わりに、従来型のフォトレジスト材料を有してよい第２層が第１層１４の上端面にスピンで延ばされる。第２層３０に用いられるリソグラフィにより規定可能な材料の種類によっては、層１４と３０との間にバリアフィルムを配してこれら２層の混合を防ぐ必要があるかもしれない（以下の例（［実施例］）を参照）。その後、第２層３０はマスクされて３２においては露光を受け、図１（ｆ）および図２に図示されている三次元構造２２の断面の段２６と厚さおよび形状が一致する第２非露光領域３４が残る。
【００１０】
注記するが、露光時間は第２フォトレジスト層３０に浸透するに十分でありまた丁度よい時間だが、第１フォトレジスト層１４に浸透するには不十分な時間が選択される。このことは容易に実現される。なぜなら、多くのフォトレジストは露光を受けていない場合、露光を受けている場合に比べて高い吸収能を有するからである。しかしながら、第１フォトレジスト層１４への僅かな露光は許容可能である。フォトレジスト材料は露光される波長においては吸収を生じ、それによって下方の層に光が到達することを阻止する働きがあり、それに対し、光学的デバイスとして使用される波長においてはもっと透明である。
【００１１】
第２層３０への露光の後、かつ、露光を受けた材料を現像する前に、従来型のフォトレジスト材料を有する第３層４０が第２層３０の上端面に適用される。必要であれば再度バリアフィルムを用いてもよい。第３層の厚さは図１（ｆ）および図２に図示される三次元構造２２の第３段４２について望まれる厚さに応じて選択される。以前と同様、領域４４において第３層は露光を受け、断面図４８および上方平面図５０において図示したように、段４２に対応する非露光領域４６が残される。
【００１２】
例示している実施形態においては、第４層５２が層４０の上端面に適用され、領域５４にて露光を受け、非露光領域５６が残される。再度、フォトレジスト層５２は適当なマスクを通してフォトリソグラフィにより、層５２の感光に対して十分かつ層４０に対しては不十分な時間だけ露光を受ける。断面図５８に示されている層５２の厚さは、図１（ｆ）および図２に示されている段６０の厚さに一致し、上方平面図６２に示されているその長さおよび幅の寸法は所望の形状である。
【００１３】
例示している実施形態においては、最後に第５層６４が層５２の上端面に適用され、断面６８および上方平面７０に示されているように、領域６６において露光を受ける。上端の層６４はマスクされ、選択した領域７２を非露光の状態で残す。この領域は先述のように、構造２２の段７４と一致する。先述のように、領域７２の長さおよび幅は選択した任意形状のものである。上述のように、バリアフィルムを連続する層の間に配置してもよい。
【００１４】
最終ステップとして、フォトレジスト材料の５つの層１４、３０、４０、５２、および、６４の全てが単一のステップにおいて従来の方法で現像され、露光を受けた領域２６、３２、４４、５４、および、６６が除去されて、構造２２が残される。構造２２の様々な段は一般に長方形として示される。当然のことだが、各段は所望の形状およびサイズでよく、また、基板上の所望の位置に配置されてよい。
【００１５】
図２に示した固体三次元構造を製造する代替的処理を図３に示す。これからはこの図を参照する。この処理においては、２つの異なる種類のフォトレジスト材料を用い、ただ２つの層からなるフォトレジスト材料で、連続的な露光ステップによって構造を構築可能である。
【００１６】
図３（ａ）において、基板９０にはネガティブ・フォトレジスト材料を有する第１層９２が配される。ここでの、露光を受けていない部分は現像により除去される。上述した露光ステップの後、フォトレジスト材料の第２層９４が層９２の上端面に適用される。だがこの層は逆の極性、つまり、ポジティブであり、つまりは露光を受けた部分が現像によって除去される。
【００１７】
第１のステップにおいては、基板９０上への層９２の堆積に続き、層９２の第１領域９６が、従来型のフォトリソグラフィを用いて適切なマスクを通して露光される。断面図１００および対応する上方平面図１０２に示されているように、非露光領域９６は図３（ｆ）の断面１０８および上方平面１１０に示した三次元構造１０６の第１段１０４に応じて選択された厚さおよび形状であってよい。露光された領域９６を取り囲む領域１１２はこのネガティブ・フォトレジスト層においては非露光のままである。
【００１８】
ステップ２において、図３（ｂ）の断面１１４および上方平面１１６に図示されているように、層９２はさらに、先ほど露光を受けた領域９６の直下に位置する層９２の露光を受けていない材料がここで層９２の厚みにわたって露光を受ける程度の時間にわたって投影露光装置のような従来的な方法によって露光を受け、露光を受けた領域９６は構造１０６の段１０４に対応する深さまで層９２内を移動する。この、第２露光の間、第２段１２０は、領域９６とは異なるサイズと形状で露光を受けてもよい。この第２露光範囲１２０は、領域９６を層９２のさらに下段の方へ移動させるために、領域９６の端部まで伸び、かつ、少なくとも同じ大きさである。領域１１２’は、この第２露光の間マスクされ、露光を受けないままに残される。
【００１９】
第２露光が完了した後、フォトレジスト層９４が層９２の上端面１２２上に堆積される。この層９４は、先に議論したように、層９２とは逆の感光性を有するタイプのもので、この場合、ポジティブである。図３（ｃ）の断面１３０および上方平面１３２に示すように、上端層９４は、適切なフォトリソグラフィックマスクを通して領域１３４に露光を受け、領域１３６は露光を受けずに残される。露光を受けていない領域１３６は構造１０６の段１３８の厚さおよび形状（つまり、長さと幅の寸法）と一致し、領域１３４への露光の長さが領域１３６の厚さを制御する。
【００２０】
その後、図３（ｄ）の断面１４０および上方平面１４２に図示されているように、層９４は再度露光を受けて当初の露光を受けた領域１３４が層９４のより深部へと伸び、かつ、構造１０６の段１４８に対応する、新しい露光を受けない領域１４６を規定する、新しい露光を受けた領域１４４が作り出される。領域１４６は、領域１３６の境界の内側に位置し、領域１４４の厚さを所望の厚さにするような時間の間、露光される。
【００２１】
第５の露光を、図３（ｅ）の断面１５０および上方平面１５２で図解する。ここで、層９４は、領域１５４をマスクした後、再度露光を受ける。これは構造１０６における段１５６に相当する。露光を受けたレジストからなる新しい段１５８が作られ、冒頭の領域１５８への露光と、先に露光を受けた領域１３４および１４４を通るさらなる露光によって、層９４の段１３６および１４６が形成される。
【００２２】
最終のステップとして、レジスト層９２および９４は現像され、層９２からは露光を受けていない材料が除去され、そして、層９４からは露光を受けた材料が除去されて結果として構造１０６が作られる。なお、段１０４、１２０、１３８、１４８、および、１５６は全て長方形として示されているが、当然のことながら、連続した個々の層が先に露光を受けた領域に対して繰り返し露光することが可能であるような形状および位置である限り、この処理を用いて任意の形状を作ることができる。
【００２３】
図４（ａ）ないし図４（ｄ）は複数層構造を製造することに用いられる処理ステップを示している。ここで、これらの層は連続的に露光を受け、そして、囲まれた開口部またはチャネルを作るように中間層の部分を除去するような現像処理により、全ての層が最終ステップで現像されている。図示している処理は光学的グレーティングの製造を示しているが、当然のことながら、その他の任意形状および構成を製造可能である。図４（ａ）において、感光性材料の層１７０が、断面１７６および上方平面１７８に示すように、基板１７４の表面１７２に加えられる。前記と同様、この層は基板表面にて適当な厚さにスピンで延ばされるフォトレジスト層でよい。この第１層は露光を受けない状態で残され、第１層の上端にフォトレジストの第２層１８０が堆積される。その後、投影露光装置を用い、断面１８４および上方平面１８６に示されているように、間隙を有する直線状領域１８２においてフォトレジスト層１８０を露光する。これらの間隙を有する領域１８２は直線状でありまた狭い間隙を有し、周期性を有する光学的グレーティングまたはそれに類するものを形成することを示しているが、その他の構成もつくることができると解されるべきである。露光時間は、露光を受けた領域が第２層１８０の底面の非常に近いところで終了し、底層１７０には実質的に入り込まないような時間が選択される。
【００２４】
その後、図４（ｃ）の断面１９２および上方平面１９４に示すように、第２層を現像する前に、第３層が露光を受けた層１８０の上端面上に堆積され、第２層に規定された構造が囲まれる。
【００２５】
その後、適当な現像剤を用い、図４（ｂ）の囲まれた領域１８２のような、露光を受けたフォトレジスト材料のあらゆる部分を除去する。これを完遂するには現像剤が第３フォトレジスト層１９０の下を横に向かって移動せねばならない。それによって第２層を貫いて、第２層の露光を受けていない部分の間にチャネル２００が形成される。現像時間は、チャネルまたはキャビティ領域２００により間隙が構成されている、レジスト材料からなる間隙を有する直線状の部分２０２を残して露光を受けたフォトレジストを完全に除去することが確かである時間が選ばれ、よって、覆われた光学的グレーティングが形成される。この処理を用いて、覆われたキャビティまたはチャネルを有するその他の構造も同様に製造される。
【００２６】
上記のグレーティングは一次元的光結晶(a one-dimensional photonic crystal)であるが、上記処理を用いて二次元的および三次元的光結晶も製造可能である。
【００２７】
図５に概略的に示すように、図２の構造２２のような三次元構造を、従来型のデザインを有して以前よりチップ２１０上に製造されていたモノリシックレーザまたは導波路２１２のようなモノリシックな光学的構成要素を保持している、光学的チップ２１０上に製造可能である。これらの光学的構成要素２１２は従来型のものであってよく、また、例えば上記リングレーザのような光学的デバイスへ導く導波路であってもよく、または、レーザであってもよい。３次元構造２２は、光学的構成要素２１２と、光ファイバ２１４のような対応する外部光学的デバイスとを適合させるような形状を有してよい。光学的カプラ２２は上記プロセスによって形成される。その位置は光学的チップ上のモノリシック光学的構成要素２１２に非常に近い場所である。カプラは、光学的構成要素と光学的要素２１４とを接続する上で、非常に高い効率と高い位置の許容性を与えるデザインになっている。
【００２８】
上記三次元構造は図５に示したような方法で光学的カプラとして使用されることが好ましいが、当然のことながら、このようなデバイスが導波路として機能するような形状であっても、また、直線状、および、湾曲した構造および接続部を有してもよい。なぜなら、上記の処理は任意の形状を有する構造を製造することに用いてよいからである。さらに、光学的カプラは、チップの平面内にある外部デバイスとの接続に使用できるのみならず、外部光学的デバイスをチップ上方の半球状容積の内部に配置可能とする三次元光学的カプラも可能であると解されるべきである。透明なチップ基板または基板内の適切な穴により、外部光学的デバイスをチップ下方の半球状容積内に配置することも可能である。さらに、上記の記載は処理を例示する目的でフォトレジストを使用したが、あらゆる感光性材料、または、その他の、リソグラフィによって規定することに適した材料を使用することができる。
【実施例】
【００２９】
例
アーク化学社(Arch Chemicals, Inc.)は、ＯＩＲ８９７−１２Ｉなる、フォトレジストを製造しており、これは４０００ｒｐｍ、３０秒間で基板上、層厚１．２ミクロンである。もし層３０も同一のフォトレジストで形成されるのであれば、層１４および３０の間にバリアフィルムを作る必要がある。さもなくば、フォトレジスト第２層のスピンにより層１４が溶解する。シンエツ マイクロサイ(Shin-Etsu MicroSi)はＣＥＭ３６５ＩＳなる化学物質を製造している。この化学物質を用いることで、うまくバリアフィルムが作られる。以下に、図１を参照してバリア層を有するシンプルな２層構造を形成する処理を記す。
（ａ）３０秒間、４０００ｒｐｍにてＯＩＲ８９７−１２Ｉをスピンさせて層１４を形成する。
（ｂ）層１４の上端にＣＥＭ３６５ＩＳを堆積させる。
（ｃ）サンプルをホットプレート上で９０℃、１．５分間ベークする（これは露光前ベークであるが、バリアフィルムが形成される）。
（ｄ）バリアフィルム上の過剰なＣＥＭ３６５ＩＳを、脱イオン水洗浄で除去する。
（ｅ）所望の領域で層１４を露光する。
（ｆ）ＯＩＲ８９７−１２Ｉを４０００ｒｐｍで３０秒間スピンさせて層３０を形成する。
（ｇ）サンプルをホットプレート上、１．５分間、９０℃でベークする。
（ｈ）所望の領域で層３０を露光する。
（ｉ）単一のステップで層１４および３０を現像する。
当然のことながら、レジスト層の間のバリア層を作るための処理は上記処理において、後続の各層でも適用することができる。
【００３０】
本発明は好適な実施形態によって説明されているが、当然のことながら、画期的な修正例や変形例も、クレームに記載の、本発明の範囲および本来の思想から逸脱することなく実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】（ａ）ないし（ｆ）は、本発明の第１の実施形態によるモノリシック三次元構造形成で用いる処理ステップを示す図である。
【図２】図１に記載のステップにより製造されるモノリシック三次元構造の概略図である。
【図３】（ａ）ないし（ｆ）は、本発明の第２の実施形態によるモノリシック三次元構造形成で用いる処理ステップを示す図である。
【図４】（ａ）ないし（ｆ）は、本発明の第３の実施形態による、本発明の処理ステップを利用したグレーティング製造処理を示す図である。
【図５】光学的要素を光ファイバと接続するための、本発明による三次元構造を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０ 基板 １４ 第１層 １８ 表面 ２０ 第１段
２２ 三次元構造 ２６ 第２段 ３０ 第２層 ４０ 第３層
４２ 第３段 ５２ 第４層 ６０ 第４段 ６４ 第５層
６８ 断面 ７４ 第５段

Claims (11)

1. 三次元構造を製造する方法であって、
   基板上に第１レジスト層を形成するステップ、
   前記第１層上に第１パターンで露光するステップ、
   前記第１層の上端に第２レジスト層を形成するステップ、
   前記第１層上に少なくとも部分的に鉛直方向に前記第１パターンと位置が揃っている第２パターンで露光するステップ、および、
   その後、前記第１および第２層を現像し、前記露光パターンに対応した段を有する構造を作るステップ、を有する方法。
2. さらに、複数の追加的レジスト層を、先行して露光された層上に連続的に形成するステップ、前記追加的レジスト層の各層を個別的に露光するステップ、および、その後、前記レジスト層の全てを現像するステップ、を有する請求項１に記載の方法。
3. さらに、前記第２レジスト層の形成に先立って、前記第１層を、鉛直方向に位置合わせされている複数のパターンで露光するステップ、を有する請求項１に記載の方法。
4. さらに、前記層の現像に先立って、前記第２層を、鉛直方向に位置合わせされている複数のパターンで露光するステップ、を有する請求項３に記載の方法。
5. さらに、前記層の現像に先立って、前記第２層を、鉛直方向に位置合わせされている複数のパターンで露光するステップ、を有する請求項１に記載の方法。
6. 三次元構造を製造する方法であって、
   基板上に第１レジスト層を形成するステップ、
   前記第１レジスト層の上端に第２レジスト層を形成するステップ、
   前記第２レジスト層に第１パターンで露光するステップ、
   前記第２層の上端に第３レジスト層を形成するステップ、および、
   前記第２層に露光されたパターンを現像し、前記第１および第３層の間に延在して囲まれているチャネルを作るステップ、を有する方法。
7. 三次元構造を製造する方法であって、
   基板上に、少なくとも、リソグラフィで規定可能な第１層を形成するステップと、
   前記第１層に関する第１のリソグラフィによる規定を実行するステップと、
   前記第１層上に、少なくとも、リソグラフィで規定可能な第２層を形成するステップと、
   前記第２層に関する第２のリソグラフィによる規定を実行するステップであって、前記第２のリソグラフィによる規定が前記第１のリソグラフィによる規定と少なくともいくつかの領域においてオーバーラップしている、ステップと、
   前記第１および第２層を現像するステップと、を有する方法。
8. さらに、前記第１層に関する前記第１のリソグラフィによる規定を実行するステップの前に、前記第１層上に第１バリア層を形成するステップ、を有する請求項７に記載の方法。
9. 前記のリソグラフィで規定可能な各層上にバリア層を形成するステップ、を有する請求項７に記載の方法。
10. リソグラフィにより規定される第１層と、
    前記第１層の上端にある、リソグラフィにより規定される第２層と、を有し、
    前記第２層が前記第１層によって機械的に支持されている三次元構造。
11. 前記第１および第２層の間の界面に位置するバリアフィルムを有する、請求項１０に記載の三次元構造。

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