JP2006010778A

JP2006010778A - 回折格子の製造方法

Info

Publication number: JP2006010778A
Application number: JP2004184088A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kanetaka; 健二金高; Junji Nishii; 準治西井
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】工程数が少なく、かつ製造条件の制約も少ない方法により、表面の平滑性に優れた埋込型回折格子を得る。
【解決手段】１．埋込型回折格子の製造方法において、(1)基板表面にレジスト層を形成する工程、(2)レジスト層に回折格子パターン原型を形成する工程、(3)基板表層部に、回折格子パターン原型に対応する溝部を形成する工程、(4)基板表層部に形成された溝部に基板と屈折率が異なる材料の薄膜を埋込む工程、および(5)レジスト層を除去することにより、基板表層部に基板と屈折率が異なる材料の薄膜からなる回折格子パターンを形成する工程を備えた方法。２．埋込型回折格子の製造方法において、前記１．における(1),(2),(3),(4),(5)の各工程に加え、さらに(6)基板表面に回折格子パターン保護層を形成する工程を備えた方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、埋込型回折格子の製造方法に関する。

多くの光学装置において使用されている回折格子は、機械的加工方法、成形方法、エッチング法、リフトオフ法などにより、製造されている。

例えば、特許文献１は、リフトオフ法により、基板表面に凹凸形状の回折格子パターンを作製した後、同表面上に基板と同じ材質の薄膜を堆積させることにより、埋め込み型の回折格子を製造する技術を開示している。この方法においては、蒸着角度などの製膜条件を厳格に制御しつつ、堆積膜厚を厚くすることにより、最終的に平坦な表面を形成させている。しかしながら、蒸着角度などの製膜条件を厳密に制御する場合には、回折格子の製造コスト増大は避けがたい。
特開平３−３２８５号公報

従って、本発明は、工程数が少なく、かつ製造条件の制約が少ない方法により、表面の平滑性に優れた埋込型の回折格子を作製することを主な目的とする。

本発明者は、従来技術の問題点を解決するために、鋭意研究を行った結果、特定の工程を組み合わせてリフトオフ法を実施する場合には、その目的を達成しうることを見出した。

すなわち、本発明は、下記の埋込型回折格子の製造方法を提供する。
１．埋込型回折格子の製造方法において、
1.基板表面にレジスト層を形成する工程、
2.レジスト層に回折格子パターン原型を形成する工程、
3.基板表層部に、回折格子パターン原型に対応する溝部を形成する工程、
4.基板表層部に形成された溝部に、基板と屈折率が異なる材料の薄膜を埋め込む工程、および
5.レジスト層を除去することにより、基板表層部に基板と屈折率が異なる材料の薄膜からなる回折格子パターンを形成する工程
を備えたことを特徴とする方法。
２．埋込型回折格子の製造方法において、
1.基板表面にレジスト層を形成する工程、
2.レジスト層に回折格子パターン原型を形成する工程、
3.基板表層部に、回折格子パターン原型に対応する溝部を形成する工程、
4.基板表層部に形成された溝部に、基板と屈折率が異なる材料の薄膜を埋め込む工程、
5.レジスト層を除去することにより、基板表層部に基板と屈折率が異なる材料の薄膜からなる回折格子パターンを形成する工程、および
6.基板表面に回折格子パターン保護層を形成する工程
を備えたことを特徴とする方法。
３．レジスト層が、フォトレジスト層または電子ビームレジスト層である上記項１または２に記載の方法。
４．電子ビーム照射により、電子ビームレジスト層に対する回折格子パターン原型の形成
を行う上記項３に記載の方法。
５．光照射により、フォトレジスト層に対する回折格子パターン原型の形成を行う上記項３に記載の方法。
６．レジスト層の除去を湿式法により行う上記項１〜５のいずれかに記載の方法。
７．基板が、シリコン、石英またはガラスからなる上記項１〜６のいずれかに記載の方法。
８．基板が、シリコン、石英またはガラスからなり、その表面にガラス薄膜を有する上記項７に記載の方法。
９．基板が、シリコンからなり、その表面にシリコン熱酸化層を有する上記項７に記載の方法。
１０．基板と屈折率が異なる埋込薄膜材料が、SiN、TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、Al₂O₃およびSiO₂からなる群から選ばれた少なくとも１種である上記項１〜９のいずれかに記載の方法。

本発明によれば、少ない工程の組合せにより、表面の平坦性に優れた埋込型の回折格子を簡易に製造することができる。

以下、本発明の実施形態の概略を示す断面図を参照しつつ、本発明をより詳細に説明する。
＊第1の実施態様
図１は、本発明の第１の実施態様による回折格子の作成過程を示す模式な断面図である。

図１に示す実施態様においては、基板材料１の表面に常法に従って薄膜２を形成した基板を用いている。堆積法により薄膜２を形成する場合には、基板１と薄膜２とは、密着性が確保される限り、同一材料である必要はない。例えば、シリコン基板、石英基板、ガラス基板などを使用する場合には、SiO₂、GeO₂、P₂O₅、B₂O₃、TiO₂、Ta₂O₅などの少なくと
も１種を含むガラス薄膜を堆積させることができる。或いは基板材料としてシリコンを使用する場合には、表面を熱酸化させることにより、SiO₂薄膜を形成しても良い。

ガラス基板の材質としては、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸塩ガラス、無アルカリガラスなどが例示される。これらのガラスからなる基板は、耐熱温度が薄膜堆積温度より高い、機械的強度が強い、大量生産が可能で安い、平坦な表面を形成しやすいなどの利点を備えているものの、基板の表面付近に鉄、鉛などの不純物が混入しやすく、回折格子の作製に必要な微細加工（エッチング）が難しいという問題点を有している。しかるに、この様な基板表面に上記組成のガラス薄膜を堆積させる場合には、微細加工（エッチング）が容易となり、かつ不純物の混入が防止されるので、屈折率の調整、組成の制御などが容易となるという効果が達成される。

より具体的には、B₂O₃とSiO₂を主成分とし、さらにAl₂O₃とNa₂Oを含むホウケイ酸ガラ
ス(例えば、“パイレックス（登録商標）ガラス”として市販されている)からなる基板は、ドライエッチングによる微細加工が非常に難しいが、その表面に同じ屈折率を有するGeO₂とSiO₂からなるガラス薄膜を堆積させる場合には、微細加工を容易に行うことができる。

この薄膜２を形成した基板表面には、レジスト層３が形成される。レジストとしては、ゴム-ビスアジド系、エポキシ系、ノボラック系などの公知のポジタイプおよびネガタイ
プを適宜選択して、使用することができる。これらのレジストは、市販品として入手可能であり、より具体的には、ポジタイプとしては、クラリアント（株）製の“AZ1500”、“
AZ6100”；東京応化工業（株）製の“THMR-iP3650”；日本ゼオン（株）製の“ZEP-520”などが例示される。また、ネガタイプとしては、東京応化工業（株）製の“OMR-83”；化薬マイクロケム（株）製の“SU-8”；シプレイ（株）製の“SAL600”などが例示される。

レジスト層の形成も、スピンコート法、ロールコート法、スプレーコート法などの公知の手法により行うことができる。レジスト層の厚さは、特に限定されるものではないが、通常400〜5000nm程度であり、より好ましくは300〜2000nm程度である。

なお、本明細書においては、説明を簡略化するために、光照射により感光するフォトレジスト材料および電子線照射により感光する電子ビームレジスト材料を併せて、「レジスト」と総称する。

次いで、レジスト層に回折格子パターン原型を形成するために、常法に従って、レジスト層に対し、レーザ光、電子ビーム、紫外線ランプ光などを照射した後、レジスト層の現像を行う。これらの照射源の種類、照射条件、照射エネルギー量などは、使用するレジストの種類などを考慮して、最適な結果が得られる様に選択することができる。現像は、レジストの種類などに応じて、公知の湿式法により行うことができる。

次いで、表面のレジスト層３に回折格子パターン原型を形成された基板を公知のドライエッチング処理に供して、基板表層部に回折格子パターン原型と同形の溝部(凹部)４を形成する。ドライエッチングは、公知の手法に従って、CF₄、C₂F₆、C₃F₈、C₄F₈、CHF₃、SF₆などのガスを使用して行えばよい。溝部４の深さは、通常10〜1000nm程度であり、より好ましくは10〜1000nm程度である。

次いで、薄膜２とは、屈折率が異なるSiN、TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、Al₂O₃、SiO₂などの埋込材料（薄膜５）を溝部４内に堆積させることにより、埋込型の回折格子パターンを形成させる。

薄膜２と埋込材料（薄膜５）との屈折率の差は、0.01〜1.0程度であることが好ましく
、0.2〜0.8程度であることがより好ましい。両材料の屈折率の差が小さい場合には、溝部４の深さ(すなわち、薄膜５の厚さ)を大きくすることにより、良好な回折効率を達成することができる。

薄膜５の堆積方法としては、蒸着法、スパッタ法、CVD法などが挙げられる。これらの
方法の中では、薄膜堆積中のレジストへのダメージが小さく、かつ基板温度200℃以下で
薄膜堆積が可能である蒸着法およびスパッタ法がより好ましい。

次いで、レジスト除去剤を用いて、レジスト層３とその表面のSiNなどの埋込材料とを
除去することにより、所定の埋込型の回折格子が得られる。レジスト除去剤としては、アセトン、アルコール類、或いは市販のレジスト組成に対応してメーカーが推奨する専用除去剤などが使用できる。

得られた埋込型の回折格子は、基板中の凹部に、基板との屈折率の差が大きい埋込材料が密着して保持されているので、回折効率が高く、かつ機械的強度に優れている。

本第1の実施態様においては、上記で得られた回折格子表面に保護層６を設けることに
より、さらに、機械的強度を改善する、防汚性を高める、洗浄が可能となるなどの効果を達成することができる。この様な保護層形成材料としては、基板或いは基板表面の薄膜と同一材料を使用しても良く、或いは異なる材料を使用しても良い。

保護層６の屈折率が、薄膜２の屈折率よりも小さい場合には、保護層６は、反射防止機能をも発揮する。
＊第２の実施態様
図２は、本発明の第２の実施態様による回折格子の作成過程を示す模式な断面図である。

図２に示す実施態様においては、石英からなる基板１１の表面にレジスト層１２が形成される(図２−(a))。基板としては、ガラスを用いてもよい。

レジスト層１２に回折格子パターン原型を形成する手法は、第１の実施態様と同様とすればよい(図２−(b))。

レジスト層１２の表層部に回折格子パターン原型に対応する溝部１３を形成する手法も、第１の実施態様と同様とすればよい(図２−(c))。

溝部１３にSiNなどの薄膜１４を埋め込む手法も、第１の実施態様と同様とすればよい(図２−(d))。

さらに、レジスト除去剤を用いて、レジスト層１２とその表面のSiNなどの薄膜とを除
去することにより、所定の埋込型の回折格子を得る手法も、第１の実施態様と同様とすればよい(図２−(d))。

さらにまた、上記の第１の実施態様と同様に、必要に応じて、上記で得られた回折格子表面に保護層１５を設けることもできる。

以下に実施例を示し、本発明の特徴とするところをより一層明らかにする。
［実施例１］
図１に示す手法により、本発明による回折格子を作製した。なお、図１には、下記実施例２で形成するSiO₂薄膜６（保護層）を併せて表示してある。
(1)熱酸化により、シリコン基板１上に厚さ2000nmのSiO₂薄膜２を形成した後、市販の電
子ビームレジスト(日本ゼオン（株）製、“ZEP-520”)を用いて、スピンコート法により
厚さ400nmの電子ビームレジスト層３を塗布した。
(2)次いで、レジスト層３に電子ビームを直接照射した後、市販の現像液(日本ゼオン（株）製、“ZEP-RD”)を用いて、レジスト層の感光部分を除去することにより、周期550nmの回折格子パターン原型を形成した。
(3)回折格子パターン原型を形成した試料を、C₃F₈ガスを用いて、反応性ドライエッチン
グを行うことにより、SiO₂薄膜２に深さ40nmの溝部乃至凹部４を形成した。
(4)次いで、溝部４形成後の試料上に厚さ40nmのSiN薄膜５をスパッタにて堆積した。SiN
薄膜５の堆積は、シリコン製ターゲットをアルゴンガスでスパッタリングし、窒素ガスと反応させる「反応性DCスパッタ法」により、行った。
(5)次いで、レジスト除去剤にて電子ビームレジスト層３とその上のSiN薄膜５とを除去して、実施例１による回折格子を作製した。

得られた回折格子の表面は、極めて平滑であるため、表面での散乱がなく、設計通りの回折効率が得られた。
［実施例２］
実施例１の(a)〜(e)と同様の過程を経て、図１に示す回折格子を作製した後、得られた回折格子の表面に保護膜として、厚さ500nmのSiO₂薄膜６をプラズマCVD法により形成することにより、実施例２による内部埋込型の回折格子を得た。

上記の様にして得られた埋込型回折格子も、表面が平滑性に優れ、表面散乱がなく、設計通りの回折効率が得られた。
［実施例３］
図２に示す手法により、回折格子を作製した。なお、図２には、下記実施例４で形成するSiO₂薄膜１５（保護層）を併せて表示してある。
(1)市販のフォトレジスト(東京応化工業（株）製、“THMR-iP3650”)を用いて、スピンコート法により、石英基板１１の表面に厚さ1000nmのフォトレジスト層１２を塗布した。
(2)He-Cdレーザ光(波長325nm)を用いた干渉露光により、フォトレジスト層１２に周期500nmの回折格子パターンを形成した。
(3)回折格子パターンを形成した試料を実施例１と同様の手法によりドライエッチングし
て、石英基板１１に深さ100nmの溝を形成した。
(4)溝を形成した試料上に、Si₃N₄製ターゲットを用いたRFスパッタ法により、厚さ100nm
のSiN薄膜１４を堆積した。
(5)最後に、アセトンにより、フォトレジスト層１２とその表面上のSiN薄膜１４を除去して、回折格子を作製した。

上記の様にして得られた埋込型回折格子も、表面が平滑性に優れ、表面散乱がなく、設計通りの回折効率が得られた。
［実施例４］
実施例３の(1)〜(5)と同様の過程を経て、図２に示す回折格子を作製した後、実施例１と同様のプラズマCVD法により、回折格子の表面に保護膜として、厚さ5μmのSiO₂薄膜１５
を形成して、内部埋込型の回折格子を得た。

上記の様にして得られた埋込型回折格子は、表面が平滑性に優れ、表面散乱がなく、設計通りの回折効率を発揮した。

本発明による回折格子作成過程の一例を示す模式な断面図である。本発明による回折格子作成過程の他の一例を示す模式な断面図である。

符号の説明

１…基板
２…薄膜
３…レジスト層
４…溝
５…埋込材料(薄膜)
６…保護層(薄膜)
１１…基板
１２…レジスト層
１３…溝
１４…埋込材料(薄膜)
１５…保護層(薄膜)

Claims

埋込型回折格子の製造方法において、
(1)基板表面にレジスト層を形成する工程、
(2)レジスト層に回折格子パターン原型を形成する工程、
(3)基板表層部に、回折格子パターン原型に対応する溝部を形成する工程、
(4)基板表層部に形成された溝部に、基板と屈折率が異なる材料の薄膜を埋め込む工程、
および
(5)レジスト層を除去することにより、基板表層部に基板と屈折率が異なる材料の薄膜か
らなる回折格子パターンを形成する工程
を備えたことを特徴とする方法。
埋込型回折格子の製造方法において、
(1)基板表面にレジスト層を形成する工程、
(2)レジスト層に回折格子パターン原型を形成する工程、
(3)基板表層部に、回折格子パターン原型に対応する溝部を形成する工程、
(4)基板表層部に形成された溝部に、基板と屈折率が異なる材料の薄膜を埋め込む工程、
(5)レジスト層を除去することにより、基板表層部に基板と屈折率が異なる材料の薄膜か
らなる回折格子パターンを形成する工程、および
(6)基板表面に回折格子パターン保護層を形成する工程
を備えたことを特徴とする方法。
レジスト層が、フォトレジスト層または電子ビームレジスト層である請求項１または２に記載の方法。
電子ビーム照射により、電子ビームレジスト層に対する回折格子パターン原型の形成を行う請求項３に記載の方法。
光照射により、フォトレジスト層に対する回折格子パターン原型の形成を行う請求項３に記載の方法。
レジスト層の除去を湿式法により行う請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
基板が、シリコン、石英またはガラスからなる請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
基板が、シリコン、石英またはガラスからなり、その表面にガラス薄膜を有する請求項７に記載の方法。
基板が、シリコンからなり、その表面にシリコン熱酸化層を有する請求項７に記載の方法。
基板と屈折率が異なる埋込薄膜材料が、SiN、TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、Al₂O₃およびSiO₂からなる群から選ばれた少なくとも１種である請求項１〜９のいずれかに記載の方法。