JP2019090956A

JP2019090956A - 光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP2019090956A
Application number: JP2017220720A
Authority: JP
Inventors: 立志八木; Tateshi Yagi
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2017-11-16
Publication date: 2019-06-13

Abstract

【課題】基板面内での光学素子の性能のばらつきを小さくできる光学素子の製造方法を提供する。【解決手段】この発明の一態様の光学素子の製造方法は、リソグラフィ技術により基板の面内の複数位置で基板の表面を階段形状に加工する第一工程と、第一工程で得られた階段形状の表面を、基板の元の組成とは異なる組成に変性させて、基板の表面に面内で均一な厚さの変性層４を形成する第二工程と、変性層４を除去する第三工程と、を有する。【選択図】図１０

Description

この発明は、バイナリオプティクスによる光学素子の製造方法に関する。

バイナリオプティクスは、フォトリソグラフィおよびエッチングを繰り返して、曲面形状をマルチ位相レベルに近似した形状の光学素子を得る方法である。
この方法で回折格子を得るためには、ブレーズド回折格子の鋸歯状の断面形状を、パターン幅（遮光部または透光部の幅）が異なるＮ枚のマスクを用いたフォトリソグラフィにより、２^Ｎレベルに近似する（つまり、基板表面を、鋸歯の斜面一つ当たり２^Ｎ個の階段状にする）。この方法には、同じ位置に対する複数回のフォトリソグラフィで生じるマスクの位置ずれにより、設計通りの階段形状が得られず、得られる回折格子の性能が低下するため、製品の歩留まりが悪いという問題点がある。

その対策としては、例えば、特許文献１に記載された方法が挙げられる。
この方法では、先ず、露光装置のアライメント精度（マスクの位置合わせ精度）以上の幅を持つ保護マスクを、最初のフォトリソグラフィで形成するレジスト膜のアライメントエラーが起こりうる箇所に設けて、基板の保護マスクで覆われた部分を意図的に突起状にしている。これにより、最後のフォトリソグラフィおよびエッチングでは、正しい階段形状の各所に保護マスクで覆われた突起が形成された状態となる。この状態で、保護マスクを除去した後、突起を等方性エッチングで除去することにより、基板の表面に正しい階段形状が形成された状態になると記載されている。

特開２００１−４２１１４号公報

上述のように、特許文献１の方法では、露光機のアライメント精度以上の幅の突起を意図的に形成した後、この突起を等方性エッチングで除去している。しかし、バイナリオプティクスは微細加工であることから、等方性エッチングであっても基板面内の各位置で均一なエッチングを施すことは難しい。すなわち、基板面内の位置によって、エッチング量が小さい部分とエッチング量が大きい部分とが生じる場合がある。突起を確実に除去するためには、エッチング量が小さい部分で突起が消失するように基板のエッチング時間を設定する必要があり、これに伴ってエッチング量が大きい部分でのエッチング量が過剰になる。

これについて図１を用いて説明する。基板面内のエッチング量が最も小さい部分では、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、表面エッチング量Ｅ１でエッチングされて突起１４が全て除去される。また、同じ基板面内のエッチング量が最も大きい部分では、図１（ｃ）および図１（ｄ）に示すように、Ｅ１より多い表面エッチング量Ｅ２でエッチングされる。その結果、図１（ｅ）に示すように、エッチング後の階段形状に寸法差が生じる。図１（ｅ）は、図１（ｂ）に図１（ｄ）を一点鎖線で重ねた図である。つまり、基板の面内で得られる回折格子の特性（回折効率など）にばらつきが生じる。

例えば、シリコンの等方性エッチングとして一般的なフッ素ラジカルを利用したドライエッチングを採用した場合、エッチング速度の基板面内のばらつきが数％〜３０％程度と大きく、このばらつきが、基板面内における回折格子の階段形状の寸法のばらつきにそのまま反映される。よって、引用文献１に記載の方法には、基板面内での光学素子の性能のばらつきを小さくするという点で改善の余地がある。
この発明の課題は、基板面内での光学素子の性能のばらつきを小さくできる光学素子の製造方法を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明の一態様の光学素子の製造方法は、以下の第一工程、第二工程、および第三工程を有する。
第一工程は、リソグラフィ技術により、基板の面内の複数位置で前記基板の表面を階段形状に加工する工程である。
第二工程は、第一工程で得られた階段形状の表面を、等方性処理により、基板の元の組成とは異なる組成に変性させて、基板の表面に面内で均一な厚さ（例えば、面内での厚さのばらつきが１％以下である）の変性層を形成する工程である。
第三工程は、変性層を除去する工程である。

この発明の一態様の方法は、リソグラフィ技術により、基板の面内の複数位置で基板の表面を階段形状に加工する工程を含む光学素子の製造方法であり、基板面内での光学素子の性能のばらつきを小さくすることが期待できる方法である。

従来技術の問題点（基板面内での階段形状の寸法のばらつき）を説明する図である。実施形態の方法で製造する光学素子（回折格子）を示す平面図である。図２のＡ−Ａ断面の一部を示す図である。ブレーズド回折格子の鋸歯状断面ラインの一部を示す図である。実施形態の光学素子の製造方法を構成する第一工程の一回目のフォトリソグラフィおよびエッチング過程を説明する断面図である。実施形態の光学素子の製造方法を構成する第一工程の二回目のフォトリソグラフィおよびエッチング過程（二回目のフォトマスクの位置決めがずれた場合）と、第二工程と、第三工程を説明する断面図である。実施形態の光学素子の製造方法を構成する第一工程の二回目のフォトリソグラフィおよびエッチング過程（二回目のフォトマスクの位置決めが正しい場合）と、第二工程と、第三工程を示す断面図である。二回目のフォトマスクの位置ずれ寸法と、位置ずれに伴って生じる突起の幅との関係を説明する図である。熱酸化により基板に形成される酸化膜を説明する図であって、（ａ）は突起のない部分を、（ｂ）は突起の部分をそれぞれ示している。第一工程後と第三工程後とにおける階段形状の幅の変化を説明する図である。

以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明は以下に示す実施形態に限定されない。以下に示す実施形態では、この発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定はこの発明の必須要件ではない。
なお、以下の説明で使用する図において、図示されている各部の寸法関係は、実際の寸法関係と異なる場合がある。

［構成］
この実施形態の方法では、基板の面内に多数の回折格子を形成した後、基板を切断して多数の回折格子を得る。基板の面内の複数位置に、図２及び図３に示すような、Ｎ＝２、２^Ｎ＝４レベルの階段形状を有する回折格子（光学素子）１０を複数個ずつ形成する。図２に示すように、回折格子１０の階段形状は、中心が同じで高さが異なる四つの円環面１１ａ〜１１ｄを単位１１０とし、この単位１１０が直径方向に複数形成されたものである。

図２及び図３に示すように、第一の円環面１１ａの高さは単位１１０内で最も高く、第一の円環面１１ａの直径は単位１１０内で最も小さい。第二の円環面１１ｂの高さは、第一の円環面１１ａよりも高さが低く、第二の円環面１１ｂの直径は第一の円環面１１ａよりも直径が大きい。第三の円環面１１ｃの高さは、第二の円環面１１ｂよりも高さが低く、第三の円環面１１ｃの直径は第二の円環面１１ｂよりも直径が大きい。第四の円環面１１ｄの高さは単位１１０内で最も低く、第四の円環面１１ｄの直径は単位１１０内で最も大きい。
なお、図３に示すように、各単位１１０の幅および四つの円環面１１ａ〜１１ｄの幅は、直径方向の中心に近いほど広くなっている。また、回折格子１０は、図４に示すブレーズド回折格子の鋸歯状断面ラインＬが４レベルに近似された（鋸歯の斜面一つが４個の階段状にされた）形状を有する。

以下においては、図２のＡ−Ａ断面の一部（一つの単位１１０とその隣の単位１１０の円環面１１ａ〜１１ｃ）に対応する図を用いて説明する。
この実施形態の方法は、以下に説明する第一工程、第二工程、および第三工程を有する。
第一工程は、光透過部の幅が異なる二枚のフォトマスクを用いた二回のフォトリソグラフィおよびエッチングで、基板の表面を階段形状に加工する工程である。図５および図６を用いて第一工程を説明する。

先ず、シリコン製の基板１の表面１１にポジ型のフォトレジストを塗布することで、基板１の表面１１にレジスト膜２１を形成する。次に、図５（ｂ）に示すように、幅Ｗ１の光透過部３１ａを有する一回目のフォトマスク３１を用いた露光を、基板１の各位置に行う。これに伴い、レジスト膜２１の光透過部３１ａの真下にある部分に光が照射され、この部分が現像液に対して可溶になる。次に、この部分を現像液で除去する。これにより、図５（ｃ）に示すレジストパターン２１ａが基板１の各位置に形成される。

次に、この状態の基板１をドライエッチング装置に入れて、基板１の表面１１に対してレジストパターン２１ａをマスクとした異方性エッチング（例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ；Reactive Ion Etching））を行う。このエッチングは、レジストパターン２１ａがエッチングされず、シリコン製の基板１のみが所定深さでエッチングされる条件で行う。これに伴い、図５（ｄ）に示すように、基板１の表面１１に、第一パターンに対応する複数の凹部１２が形成される。

次に、レジストパターン２１ａを除去する。その結果、図５（ｅ）に示すように、表面１１に、複数の凹部１２が形成された基板１Ａが得られる。各凹部１２は円環面を底面とする溝である。複数の凹部１２を図５（ｅ）の左側から１２ａ，１２ｂ，１２ｃとする。
次に、図６（ａ）に示すように、基板１Ａの表面１１に、一回目と同じフォトレジストを用いてレジスト膜２１を形成した後、二回目のフォトマスク３２を用いた露光を行う。このフォトマスク３２の光透過部３２ａの幅Ｗ２は、一回目のフォトマスク３１の光透過部３１ａの幅Ｗ１と異なる。

二回目のフォトマスク３２は、フォトマスク３２の光遮蔽部が、凹部１２ａおよびその左側の部分（図２の円の径方向内側で隣接する部分）の上側と、凹部１２ｃおよびその左側の部分の上側に存在し、凹部１２ｂおよびその左側の部分の上側に光透過部３２ａが存在するように、位置決めされて配置される。しかし、この位置決めが例えば図６（ａ）に示すように右側にずれた場合、光遮蔽部３２ａの真下の位置が、図６（ａ）のレジスト膜２１に破線で示すようになる。
この露光も、一回目の基板１に対する露光と同様に基板１の各位置に行う。これに伴い、レジスト膜２１の光透過部３１ａの真下にある部分に光が照射され、この部分が現像液に対して可溶になる。次に、この部分を現像液で除去する。これにより、図６（ｂ）に示すレジストパターン２１ｂが基板１Ａの各位置に形成される。

次に、この状態の基板１Ａをドライエッチング装置に入れて、基板１Ａの表面１１に対してレジストパターン２１ｂをマスクとした異方性エッチングを行う。このエッチングは、レジストパターン２１ｂがエッチングされず、シリコン製の基板１のみが所定深さでエッチングされる条件で行う。
これに伴い、基板１Ａの表面１１に、図６（ｃ）に示す凹部１３ａ〜１３ｃが形成される。これらの凹部のうち、二回目の露光前に凹部１２ｂが形成されていた凹部１３ｂは、凹部１２ｂが形成されていなかった凹部１３ａよりも低くなる。ただし、フォトマスク３２の位置決めが正しい位置からずれたことで、図６（ｃ）に示すように、二回目のエッチング後の基板１Ｂの表面に突起１４や不正な段差１５が生じる。

つまり、図７に示すように、二回目のフォトマスク３２が正しく位置決めされた場合には、第一工程で基板１の表面１１に、図７（ｃ）の左側から右側（図２の円の径方向外側から内側）に向けて、凹部１２ａ、凹部１３ａ、凹部１３ｂ、凹部１２ｃ、および凹部１３ｃが形成されるはずである。しかし、二回目のフォトマスク３２が正しい位置からずれた場合には、図６（ｃ）に示すように、第一工程後の基板１Ｂの表面１１が、階段形状に突起１４や不正な段差１５を含む形状となる。

次に、第二工程として、基板１Ｂの階段形状の表面１１を熱酸化することで、図６（ｄ）に示すように、酸化膜４が形成される。熱酸化により、基板１Ｂの表面は元の組成であるシリコンから酸化シリコンに変化する。つまり、酸化膜４は酸化シリコン膜である。これにより、酸化膜４は、基板１Ｂと比較してエッチング液やラジカル等のエッチャントに対するエッチングレートが高い組成となる。熱酸化は、この基板１Ｂの表面１１に対して、突起１４の全体が熱酸化部４４となる条件で行う。この条件については後述する。

次に、第三工程として、酸化膜４のみを、フッ酸（フッ化水素の水溶液）を用いたウェットエッチングで除去して、基板１Ｂの表面を露出させる。フッ酸を用いたウェットエッチングでは、シリコン製の基板１Ｂが殆どエッチングされず、酸化膜４のみがエッチングされる。このエッチングは、例えば、５％のフッ酸を用い、酸化膜４が完全に除去できる時間だけ行う。
これにより、基板１Ｂの表面に、中心が同じで高さが異なる円環面１１ａ〜１１ｄが形成される。図６（ｅ）はこの状態を示す。つまり、基板１Ｃの各位置で、表面に、中心が同じで高さが異なる四つの円環面１１ａ〜１１ｄからなる単位１１０が、直径方向に複数形成された状態となる。
よって、この基板１Ｃを切断することで多数の回折格子１０が得られる。

［熱酸化条件について］
図８（ａ）は二回目のフォトマスク３２の位置ずれがない場合を、図８（ｂ）は二回目のフォトマスク３２の位置ずれがある場合を示す。図８（ｂ）では、この位置ずれ寸法Δに対応する幅Ｔｔの突起１４が生じる。
また、熱酸化によりシリコン製基板の表面は外側へ膨張する。つまり、図９（ａ）に示すように、熱酸化により形成される酸化膜４は、熱酸化直前の基板１Ｂの表面１１より外側の表面４ａと内側の内面４ｂを有する。

よって、図９（ｂ）に示すように、突起１４の全体が熱酸化部４４となるためには、図９（ａ）の熱酸化直前の基板１Ｂの表面１１を基準とした酸化膜４の形成深さ（酸化膜４の厚さＴｓの半分の厚さ）の最小値が、二回目のフォトマスク３２の位置ずれ寸法Δの想定される最大値（統計的に出された値など）の半分以上となる条件で、熱酸化を行えばよい。
すなわち、図９（ａ）の酸化膜４の厚さＴｓの最小値が、二回目のフォトマスク３２の位置ずれ寸法Δの想定される最大値（統計的に出された値など）以上となる条件で、熱酸化を行えばよい。これにより、第三工程のウェットエッチングで熱酸化部４４が除去される。つまり、突起１４であった部分が全て除去された状態となる。

また、図１０に示すように、第一工程後と第三工程後では階段形状の幅が変化する。図１０（ａ）は第一工程後の状態を、図１０（ｂ）は第二工程後の、図１０（ｃ）は第三工程後の状態を示す。図１０（ｂ）では、突起１４の全体が第二工程で熱酸化部４４となっているために、熱酸化部４４の厚さが酸化膜４の厚さＴｓの二倍と表示されている。
図１０（ａ）および図１０（ｃ）に示すように、第一工程後と第三工程後で凸形状の幅はＨ１１からＨ１２に狭くなり、凹形状の幅はＨ２１からＨ２２に広くなる。そのため、第三工程後に正しい幅となるように、第一工程で使用するフォトマスク３１，３２の幅Ｗ１，Ｗ２を設計する必要がある。

［作用、効果］
特許文献１の方法では、基板表面を階段形状に加工する際に、露光機のアライメント精度以上の幅の突起を意図的に形成した後、この突起を等方性エッチングで除去している。しかしながら、特許文献１の方法では、前述のように、等方性エッチングの基板面内の位置に応じたエッチング量のばらつきに起因して、突起除去後の基板面内における回折格子の階段形状の寸法のばらつきが数％〜３０％程度と大きくなる。
これに対して、実施形態の方法では、基板表面を階段形状に加工した後、突起及び基板表面を変性させ、変性した部分のみをエッチングで除去することで突起を除去している。すなわち、実施形態の方法では、二回目の露光のフォトマスク３２の位置決めが正しい位置からずれたために生じる突起１４を、そのままエッチングで除去するのではなく、熱酸化により基板表面に酸化膜４を形成することで熱酸化部４４とした後に、酸化膜４を等方性エッチングにより除去する工程で除去している。この熱酸化は、例えば、酸素が流量３〜１５ｓｌｍ、水素が流量２〜８ｓｌｍで供給されている雰囲気中で、基板１Ｂを８００〜９００℃に加熱することで行われる。

熱酸化条件は、突起１４の大きさや形状に応じて調整する。酸化時間は、突起１４が全て酸化されるために必要な時間に調整する。例えば、酸化膜４の厚さを、想定される突起１４の幅と同じ１００ｎｍになるよう調整する。このようにして形成された酸化膜４の膜厚の基板面内ばらつきσは、基板面内の膜厚平均値に対して１％以下の割合となる。つまり、膜厚の均一性が非常に高い酸化膜４が形成される。なお、酸化膜４の膜厚の基板面内ばらつきσは、基板面内の５１点で光干渉方式の膜厚測定を行い、その結果から算出された標準偏差を平均値で割った値である。
この酸化膜４のみを、フッ酸を用いたウェットエッチングで除去するため、１％以下という小さいばらつきが、回折格子の階段形状の寸法のばらつきにそのまま反映される。

以上のことから、実施形態の方法によれば、形成される階段形状の寸法の基板面内でのばらつきを、引用文献１の方法より小さくできることが分かる。
また、実施形態の方法では、第一工程で位置ずれが生じているかいないかに関わらず、第二工程として基板全面に熱酸化を行い、生じた酸化膜４を除去する。また、生じる突起１４の幅は位置ずれ量に応じて異なるが、想定される位置ずれ寸法の最大値以上となる条件で熱酸化を行うことで、突起１４が全て除去される。その結果、基板面内での回折格子１０の性能のばらつきが小さくできる。

［備考］
上記実施形態の方法では、第一工程でポジ型のフォトレジストを用いてフォトリソグラフィを行っているため、二回のフォトリソグラフィで光透過部の幅Ｗ１，Ｗ２が異なるフォトマスク３１，３２を用いている。しかし、第一工程でネガ型のフォトレジストを用いてフォトリソグラフィを行ってもよい。その場合は、二回のフォトリソグラフィで遮光部の幅が異なるフォトマスクを用いて行う。
上記実施形態では、シリコン基板を用いた例を説明しているが、ゲルマニウムには熱酸化層を形成することができるため、ゲルマニウム基板を用いた場合でも、上記実施形態の方法と同様の方法で回折格子などの光学素子を得ることができる。ただし、ゲルマニウムは熱に弱いため、熱酸化以外の酸化方法を採用することが好ましい。熱酸化以外の酸化方法としては、リモートプラズマ酸化、化学溶液酸化、紫外線酸化が挙げられる。

また、ゲルマニウム基板の場合は、酸化ゲルマニウムが水に溶けるため、フッ酸に代えて水を用いたエッチングでも酸化膜を除去することができる。
なお、基板材料としては、光学素子の種類に応じ、ＧａＡｓ、石英、蛍石などを用いても良い。その場合には、酸化膜以外の変性層を形成する。

１基板
１Ａ一回目のエッチング後の基板
１Ｂ二回目のエッチング後の基板
１Ｃ酸化膜除去後の基板
１０回折格子（光学素子）
１１０階段形状の単位
１１ａ〜１１ｄ階段形状の単位を構成する円環面
１１基板の表面
１４突起
２１レジスト膜
２１ａ一回目のレジストパターン
２１ｂ二回目のレジストパターン
３１一回目のフォトマスク
３１ａ一回目のフォトマスクの光透過部
３２二回目のフォトマスク
３２ａ二回目のフォトマスクの光透過部
４酸化膜（変性層）
４４突起の熱酸化部
Ｌブレーズド回折格子の鋸歯状断面ライン
Ｗ１一回目のフォトマスクの光透過部の幅
Ｗ２二回目のフォトマスクの光透過部の幅

Claims

リソグラフィ技術により、基板の面内の複数位置で前記基板の表面を階段形状に加工する第一工程と、
前記第一工程で得られた階段形状の表面を、前記基板の元の組成とは異なる組成に変性させて、前記基板の表面に面内で均一な厚さの変性層を形成する第二工程と、
前記変性層を除去する第三工程と、
を有する光学素子の製造方法。
前記第一工程では、複数のマスクを用いた複数回のフォトリソグラフィおよびエッチングを繰り返すことで、前記表面を階段形状に加工し、
前記第二工程では、前記第一工程における前記基板の表面を基準とした前記変性層の形成深さの最小値が、前記複数回のフォトリソグラフィで生じる前記マスクの位置ずれ寸法の想定される最大値の半分以上となる条件で前記基板の表面を変性させて、前記基板の表面に前記基板に対してエッチングレートが高い組成である前記変性層を形成する請求項１記載の光学素子の製造方法。
前記基板として、シリコン基板、ＧａＡｓ基板、ゲルマニウム基板、石英基板、および蛍石基板のいずれかを用いる請求項１または２記載の光学素子の製造方法。
前記基板として、シリコン基板およびゲルマニウム基板のいずれかを用い、
前記第二工程は、前記表面に前記変性層として酸化層を形成する工程である請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法。
前記第三工程は、フッ酸を用いたウェットエッチングにより行う請求項４記載の光学素子の製造方法。
前記階段形状は、回折格子として機能する形状である請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法。
前記階段形状は、ブレーズド回折格子の鋸歯状断面ラインを量子化した形状である請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法。