JP2011007837A - 回折格子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】断面形状が略正弦波形状の回折格子と、この回折格子を形成するに際し、溝の幅や深さが安定しており、断面形状が略正弦波形状の均一な回折格子を形成することができる回折格子の製造方法を提供する。
【解決手段】一方向に延びる複数の直線パターンが平行に配置され、直線パターンの延在方向に直交する方向の断面形状が矩形状のレジストパターンを第１の層上に形成し、レジストパターンをマスクとして第１の層を異方性エッチングして、断面形状がレジストパターンに対応する矩形状の溝を第１の層に形成した後、レジストパターンを除去し、溝が形成された第１の層をスパッタリングして、溝の断面を第１の順テーパーに加工し、第１の層上に第１の層と同組成物の第２の層を堆積し、第２の層をエッチバックして、第２の層の断面を半正弦波形状に形成し、第２の層をスパッタリングして、第２の層の、溝に対応する部分の断面を第１の順テーパーよりも緩やかな第２の順テーパーに加工する。
【選択図】図２

Description

本発明は、略正弦波形状の断面形状を持つ回折格子（グレーティング）およびその製造方法に関するものである。

回折格子は、光の回折現象を利用して特定の波長の光（回折光）を検出するものであり、例えば、平板上に微細な溝を一定の間隔で平行に形成することによって製造される。回折格子として、ブレーズ回折格子（のこぎり歯形形状）、ホログラフィック回折格子（正弦波形状）、ラミナー回折格子（矩形波形状）などの断面形状のものが知られている。これらの回折格子は、その断面形状に応じて以下のような特徴がある。

ブレーズ回折格子は、最も一般的な回折格子であり、ブレーズ角に応じてブレーズ波長（回折光の波長）が決定される。ブレーズ回折格子は、回折効率がよく、主に紫外から可視光域で使用される。

ホログラフィック回折格子は、ブレーズ格子より回折効率は劣るが、広い波長範囲で回折光が得られるため、広い波長範囲の測定や赤外波長での使用に適している。

ラミナー回折格子は、他の２つの回折格子に比べると、２次、４次等の偶数次数の回折効率が劣るが、軟Ｘ線領域での効率がよく、この領域で使用される。回折効率のピーク波長は、溝の本数だけでなく、溝の深さと、溝の幅と溝の間隔のデューティレシオとで決まる。

上記のように、各種断面形状の回折格子があるが、近赤外から赤外にかけて溝周期と波長が同程度になる共鳴領域の回折効率向上や、光学式エンコーダの分解能向上等のため、断面が正弦波形状の回折格子が望まれる。

ここで、本発明に関連性のある先行技術文献として、特許文献１〜３がある。

特許文献１には、光学ガラス基板に設けたフォトレジスト層にレジストパターンをホログラフィック露光法により刻線し、該レジストパターンが完全に消失するまでイオンビームでエッチングすることにより、光学ガラス基板上に回折格子溝を直接刻線してなるホログラフィックグレーティングを作成することが開示されている。

特許文献２には、基板に塗布したフォトレジストにホログラフィック露光を行い、溝断面形状を正弦波状にした後、イオンビーム加工を行い、溝断面形状が正弦半波状の回折格子を作成することが開示されている。

特許文献３には、露光後にベーキングでレジストを正弦波形状に軟化させた後にプラズマエッチングを行うことが開示されている。

特開２００１−２３５６１１号公報 特開２００２−４０２２０号公報 特開２００３−１７２６３９号公報

しかし、例えば、ホログラフィックグレーティングを改善するという特許文献２の場合、ホログラフィック露光したレジスト形状は正弦半波状であり、これをイオンビームエッチングすると、レジストがテーパー化しているほど、また、イオンビームエネルギーが強い領域ほどエッチング形状がテーパー化する（エッチングが浅くなる）ため、均一な回折格子の作製が難しい。

また、特許文献２の場合、レジストのパターニングを低露光量で行うため、形成される溝の幅や深さが不安定になり、続くプラズマエッチングでレジスト残膜が薄い部分が過剰に削り取られるなどして、同様に均一な回折格子を形成することができない。

本発明の目的は、断面形状が略正弦波形状の回折格子と、この回折格子を形成するに際し、溝の幅や深さが安定しており、断面形状が略正弦波形状の均一な回折格子を形成することができる回折格子の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、一方向に延びる複数の溝が平行に形成され、前記溝の延在方向に直交する方向の断面が第１の順テーパーに加工された第１の層と、
前記溝が形成された第１の層上に被覆された、前記第１の層と同組成物の第２の層とを備え、
前記第２の層の、前記溝に対応する部分の断面が、前記第１の順テーパーよりも緩やかな第２の順テーパーに加工されていることを特徴とする回折格子を提供するものである。

また、本発明は、フォトリソグラフィ工程により、一方向に延びる複数の直線パターンが平行に配置され、前記直線パターンの延在方向に直交する方向の断面形状が矩形状のレジストパターンを第１の層上に形成し、
前記レジストパターンをマスクとして前記第１の層を異方性エッチングして、断面形状が前記レジストパターンに対応する矩形状の溝を前記第１の層に形成した後、前記レジストパターンを除去し、
前記溝が形成された第１の層をスパッタリングして、前記溝の断面を第１の順テーパーに加工し、
前記第１の層上に該第１の層と同組成物の第２の層を堆積し、
前記第２の層をエッチバックして、前記第２の層の断面を半正弦波形状に形成し、
前記第２の層をスパッタリングして、該第２の層の、前記溝に対応する部分の断面を前記第１の順テーパーよりも緩やかな第２の順テーパーに加工することを特徴とする回折格子の製造方法を提供する。

本発明によれば、ホログラフィック露光に伴うレジスト形状変動や、それによる回折格子の溝と山の幅のデューティ比や溝深さの不安定性を回避しつつ、断面形状が略正弦波形状の均一な回折格子を作製することができる。

本発明の回折格子の構造を表す一実施形態の断面図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、図１に示す回折格子の製造方法の各工程を表す断面図である。 本発明を適用する製造途中の回折格子の断面形状を表す一実施形態の走査型顕微鏡写真である。 本発明を適用して製造された回折格子の断面形状を表す一実施形態の走査型顕微鏡写真である。

以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の回折格子およびその製造方法を詳細に説明する。

図１は、本発明の回折格子の構造を表す一実施形態の断面図である。同図に示す回折格子１０は、基板１２と、基板１２の上に形成された第１の層１４と、第１の層１４の上に形成された第２の層１６とによって構成されている。

ここで、基板１２は、その上に第１の層１４を成膜するための基台となるものである。基板１２は、その上に第１の層１４を成膜できるものであれば、その材質は限定されず、例えば、シリコン基板等を用いることができる。

第１の層１４には、一方向（図１の場合、紙面に垂直な方向）に延びる複数の溝１８（言い換えると、複数の山２０）が平行に形成されている。また、第１の層１４の、溝１８の延在方向に直交する方向（紙面に水平な方向）の断面は第１の順テーパーに加工されている。第１の層１４は、基板１２の上に成膜できる絶縁膜であれば、その材質は限定されず、例えば、酸化膜や窒化膜等が利用できる。また、複数の膜を堆積して第１の層１４を構成してもよいし、基板１２を第１の層１４として使用してもよい。

第２の層１６は、第１の層１４の上に被覆されている。第２の層には、第１の層の溝１８に対応する位置に、一方向に延びる複数の溝１８ｂが平行に形成されている。また、第２の層１６の、溝１８ｂの延在方向に直交する方向の断面は第１の順テーパーよりも緩やかな第２の順テーパーに加工されている。これにより、第２の層１６の断面形状は、略三角波〜略正弦波の形状に形成されている。第２の層１６は、第１の層１４の上に成膜できる絶縁膜であり、例えば、第１の層１４と同組成物の膜が利用できる。

なお、溝（スペース）１８および山（ライン）２０の幅、山２０と溝１８の比率（ライン／スペース）、溝１８の深さ（山２０の高さ）等は、回折格子１０の用途に応じて適宜決定される。

次に、図２を参照しながら、図１に示す回折格子１０の製造方法を説明する。
ここでは、基板１２の上に、第１の層１４が既に成膜されているものとする。

まず、図２（Ａ）に示すように、第１の層１４の上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ工程により、塗布したレジストをパターニングする。これにより、一方向に延びる複数の直線パターンが一定の間隔を離して平行に配置され、各々の直線パターンの延在方向に直交する方向の断面形状が矩形状のレジストパターン２２を第１の層１４の上に形成する。

続いて、図２（Ｂ）に示すように、レジストパターン２２をマスクとして、第１の層１４を異方性エッチングする。これにより、一方向（つまり、直線パターンの延在方向）に延在し、断面形状がレジストパターン２２に対応する矩形状の溝１８を第１の層１４に形成する。その後、レジストパターン２２を剥離除去する。

続いて、図２（Ｃ）に示すように、第１の層１４の溝１８の側壁部分（特に、その上コーナー部）をスパッタリングして、第１の層１４の溝１８の断面を第１の順テーパー２４に加工する。

続いて、図２（Ｄ）に示すように、第１の層１４の上に、第１の層１４と同組成物の第２の層１６を追加堆積（追加成膜）し、これを全面エッチバックする。これにより、図２（Ｅ）に示すように、第２の層１６の断面形状は、正弦半波状に形成される。

最後に、図２（Ｆ）に示すように、第２の層１６の溝１８ｂの側壁部分をスパッタリングして、第２の層１６の溝１８ｂの断面を、第１の順テーパーよりも緩やかな第２の順テーパー２６に加工する。これにより、第２の層１６の断面形状は、略三角波〜略正弦波の形状に形成される。以上の工程により、断面形状が略正弦波形状の回折格子１０を製造することができる。

上記回折格子１０の製造方法は、従来のように、形状制御が難しい正弦波形状のレジストパターンを基板に転写するのではないため、高精度で耐久性のある回折格子を作製することができる。これにより、ホログラフィック露光に伴うレジスト形状変動や、それによる回折格子の溝と山の幅のデューティ比や溝深さの不安定性を回避しつつ、均一な回折格子を作製することができる。

なお、被エッチング材料に直接グレーティングを形成する方法を示したが、これを母型とすれば、溝が順テーパーであるため離形剤のカバレッジに優れ、基板との接触角が垂直になる正弦半波状より剥離時の破損が生じにくい、などの効果を奏する。また、第１の層および第２の層の堆積、第１の層の異方性エッチング、第１の層および第２の層のスパッタリング、第２の層のエッチバック等を行うための手段および方法は何ら制限されず、同等の作用が得られるものが利用可能である。

まず、プラズマＣＶＤ法により、基板の上に、第１の層となるプラズマ窒化シリコン膜ＳｉＮを５００ｎｍ堆積した。

続いて、スピンコート法により、第１の層の上に約１０００ｎｍのフォトレジストを回転塗布した後、フォトリソグラフィ工程により、ライン／スペース＝６００／３００ｎｍのレジストパターンを形成した。

続いて、マイクロ波プラズマエッチング装置により、ＣＦ_４／Ａｒ＝５０／２５０ｓｃｃｍ、圧力１．８Ｐａ、マイクロ波８００Ｗ、ＲＦバイアス７５Ｗの条件で、レジストパターンをマスクとして第１の層を異方性エッチングし、矩形の溝を形成した。

その後、マイクロ波プラズマアッシャーにより、エッチング済みのレジストパターンを灰化し、剥離除去するとともに、硫酸＋過酸化水素水でウェハを洗浄し、アッシング残渣を除去した。

続いて、平行平板型エッチャーにより、Ａｒ＝１０００ｓｃｃｍ、圧力１３３Ｐａ、ＲＦパワー７５０Ｗの条件で放電を約１８０秒間行って、第１の層の溝の側壁部分（特に、その上コーナー部）をスパッタリングして、第１の層の溝の断面を第１の順テーパーに加工した。

続いて、プラズマＣＶＤ法により、第１の層の上に、第２の層となるプラズマシリコン窒化膜ＳｉＮを５００ｎｍ追加堆積し、平行平板型エッチャーにより、ＣＨＦ₃／Ｏ₂＝７０／３０ｓｃｃｍ、圧力２５Ｐａ、ＲＦパワー３００Ｗの条件で、第２の層をエッチバックした。エッチバック後の基板（第２の層）の断面形状は、図３に示すように、正弦半波状となっていた。

その後、マイクロ波プラズマアッシャーおよび硫酸＋過酸化水素水でエッチング後のウェハ表面を清浄化した。

続いて、平行平板型エッチャーにより、Ａｒ＝１０００ｓｃｃｍ、圧力１３３Ｐａ、ＲＦパワー７５０Ｗの条件で放電を約３０秒間行って、第２の層の溝の側壁部分をスパッタリングして、第２の層の溝の断面を第１の順テーパーよりも緩やかな第２の順テーパーに加工した。テーパー加工後の基板（第２の層）の断面形状は、図４に示すように、略三角波〜略正弦波の形状となっていた。

上記の実施例から、本発明を適用することにより、略三角波〜略正弦波の断面形状を持つ回折格子を製造できることが実証できた。

本発明は、基本的に以上のようなものである。
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

１０ 回折格子
１２ 基板
１４ 第１の層
１６ 第２の層
１８、１８ｂ 溝
２０ 山
２２ レジストパターン
２４ 第１の順テーパー
２６ 第２の順テーパー

Claims (2)

1. 一方向に延びる複数の溝が平行に形成され、前記溝の延在方向に直交する方向の断面が第１の順テーパーに加工された第１の層と、
   前記溝が形成された第１の層上に被覆された、前記第１の層と同組成物の第２の層とを備え、
   前記第２の層の、前記溝に対応する部分の断面が、前記第１の順テーパーよりも緩やかな第２の順テーパーに加工されていることを特徴とする回折格子。
2. フォトリソグラフィ工程により、一方向に延びる複数の直線パターンが平行に配置され、前記直線パターンの延在方向に直交する方向の断面形状が矩形状のレジストパターンを第１の層上に形成し、
   前記レジストパターンをマスクとして前記第１の層を異方性エッチングして、断面形状が前記レジストパターンに対応する矩形状の溝を前記第１の層に形成した後、前記レジストパターンを除去し、
   前記溝が形成された第１の層をスパッタリングして、前記溝の断面を第１の順テーパーに加工し、
   前記第１の層上に該第１の層と同組成物の第２の層を堆積し、
   前記第２の層をエッチバックして、前記第２の層の断面を半正弦波形状に形成し、
   前記第２の層をスパッタリングして、該第２の層の、前記溝に対応する部分の断面を前記第１の順テーパーよりも緩やかな第２の順テーパーに加工することを特徴とする回折格子の製造方法。