JP3257807B2 - Method for forming periodic microstructure on solid surface - Google Patents
Method for forming periodic microstructure on solid surfaceInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、DFBレーザー、グレ
ーティング型光結合器、量子細線構造の製造等に適した
微細な周期を持つ周期的リップル構造、あるいは、量子
ドット構造の製造等に適した微細な周期を持つ周期的ド
ット構造等の固体表面の周期的微細構造を形成する方法
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a periodic ripple structure having a fine period suitable for manufacturing a DFB laser, a grating type optical coupler, a quantum wire structure, or a quantum dot structure. The present invention relates to a method for forming a periodic fine structure on a solid surface such as a periodic dot structure having a fine period.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来から、例えば、 1μm以下のような
微細な周期を持つ周期的なリップル構造あるいは周期的
なドット構造を形成する方法として、レジストを用いる
電子ビーム露光法、マスク転写法、ホログラフィー露光
法、およびレジストを用いないホログラフィー直接エッ
チング法等が知られている。2. Description of the Related Art Conventionally, as a method of forming a periodic ripple structure or a periodic dot structure having a fine period of, for example, 1 μm or less, electron beam exposure using a resist, mask transfer, holography An exposure method, a holographic direct etching method without using a resist, and the like are known.
【0003】これらの方法のうち、レジストを用いる電
子光露光法には、複数の工程が必要であること、および
レジストの解像度によって周期が制限されるという問題
がある。[0003] Among these methods, the electron light exposure method using a resist has a problem that a plurality of steps are required and a cycle is limited by the resolution of the resist.
【0004】また、レジストを用いないホログラフィー
直接エッチング法には、使用する食刻液がレーザー波長
において不透明であったり、光が照射されない部分にお
いても食刻が進行する暗反応があり溝の深さと幅の比
(アスペクト比)が低下するという問題があり、しかも
ピッチ幅が入射角により変化するためピッチ幅を変える
ために入射角に大幅な自由度をもたせる必要があるとい
う問題もあった。Further, in the holographic direct etching method without using a resist, the etching solution used is opaque at the laser wavelength, and there is a dark reaction in which the etching proceeds even in a portion not irradiated with light, so that the depth of the groove is reduced. There is a problem that the width ratio (aspect ratio) is reduced, and furthermore, since the pitch width changes depending on the incident angle, there is also a problem that it is necessary to give the incident angle a large degree of freedom in order to change the pitch width.
【0005】さらに、表面電磁波(主として表面プラズ
マ波と考えられる)による周期的リップルの形成も報告
されており、本発明者等はこれを検証するため、試料と
してGaAsを用い、短波長光源としてQスイッチNd:YAGレ
ーザー4次高調波を用いてホログラフィ露光を行い、CH
3 Br(臭化メタン)ガスによるレーザーエッチングの結
果、ホログラフィックグレーティングとともにホログラ
フィックグレーティングにほぼ平行な微細なリップルが
形成されることを観測し、この成因に関し表面電磁波と
の関連を考察した[レーザー研究,Vol.18,No.7(199
0)]。Further, formation of periodic ripples due to surface electromagnetic waves (mainly considered to be surface plasma waves) has been reported. The present inventors have used GaAs as a sample and Q as a short-wavelength light source to verify this. Perform holographic exposure using the switch Nd: YAG laser 4th harmonic, CH
As a result of laser etching with 3 Br (methane bromide) gas, it was observed that fine ripples almost parallel to the holographic grating were formed together with the holographic grating, and the relationship between this formation and surface electromagnetic waves was considered [Laser Research, Vol. 18, No. 7 (199
0)].
【0006】しかしながら、この方法で得られた周期的
リップル構造は、波状の不規則な構造を有し、実用性に
欠けるという問題があった。However, the periodic ripple structure obtained by this method has a problem that it has a wavy irregular structure and is not practical.
【0007】また、上述したいずれの方法であっても、
周期的ドット構造を一工程で製造することのできるもの
はない。[0007] In any of the above methods,
Nothing can produce a periodic dot structure in one step.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】上述したように、レジ
ストを用いる電子ビーム露光法には、複数の工程が必要
であること、およびレジストの解像度によって周期が制
限されるという問題があり、レジストを用いないホログ
ラフィー直接エッチング法には、使用する食刻液がレー
ザー波長において不透明であったり、光が照射されない
部分においても食刻が進行する暗反応があるため溝の深
さと幅の比(アスペクト比)が低下する上に、ピッチ幅
が入射角により変化するためピッチ幅を変えるために入
射角に大幅な自由度をもたせる必要があるという問題が
あり、さらに、表面プラズマ波による形成法には、得ら
れた周期的リップル構造が波状の不規則な構造を有し、
実用性に欠けるという問題があった。As described above, the electron beam exposure method using a resist has problems that a plurality of steps are required and that the period is limited by the resolution of the resist. In the holographic direct etching method that does not use, the etching liquid used is opaque at the laser wavelength, or there is a dark reaction in which the etching proceeds even in a portion not irradiated with light, so that the ratio of the depth to the width of the groove (aspect ratio) ) Is reduced, and since the pitch width changes with the incident angle, there is a problem that it is necessary to have a large degree of freedom in the incident angle in order to change the pitch width. The obtained periodic ripple structure has a wavy irregular structure,
There was a problem of lack of practicality.
【0009】本発明は、かかる従来の難点を解消すべく
なされたもので、一工程で任意のピッチの精度の高い周
期的リップル構造あるいは周期的ドット構造が得られ、
しかも暗反応がないため高いアスペクト比が得られる固
体表面の周期的微細構造の形成方法を提供することを目
的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such a conventional difficulty, and a highly accurate periodic ripple structure or periodic dot structure having an arbitrary pitch can be obtained in one step.
In addition, it is an object of the present invention to provide a method for forming a periodic fine structure on a solid surface that can obtain a high aspect ratio because there is no dark reaction.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】すなわち、請求項1記載
の本発明の固体表面の周期的微細構造の形成方法は、反
応ガスが満たされた照射容器内にセットした固体試料の
表面に、複数のレーザー光を所定の入射角で照射し、前
記レーザー光の干渉により生じるホログラフィックグレ
ーティング、ならびに前記レーザー光と前記レーザー光
の照射により前記固体表面に励起される表面電磁波の干
渉により生じる干渉格子の干渉強度に応じて前記反応ガ
スを励起し、分解によって生じる反応ガスの食刻作用に
よって、前記固体試料表面に周期的微細構造を形成させ
る方法において、前記ホログラフィックグレーティング
の間隔を、前記干渉格子の間隔の整数倍として、周期的
リップル構造を形成することを特徴とする。That is, according to the first aspect of the present invention, there is provided a method for forming a periodic fine structure on a solid surface, the method comprising: Irradiating the laser light at a predetermined incident angle, a holographic grating generated by the interference of the laser light, and an interference grating generated by the interference of surface electromagnetic waves excited on the solid surface by the laser light and the laser light irradiation In the method of exciting the reaction gas according to the interference intensity and forming a periodic fine structure on the surface of the solid sample by the etching action of the reaction gas generated by decomposition, the interval between the holographic gratings is set to A periodic ripple structure is formed as an integral multiple of the interval.
【0011】また、請求項3記載の本発明の固体表面の
周期的微細構造の形成方法は、反応ガスが満たされた照
射容器内にセットした固体試料の表面に、複数のレーザ
ー光を所定の入射角で照射し、前記レーザー光の干渉に
より生じるホログラフィックグレーティング、ならびに
前記レーザー光と前記レーザー光の照射により前記固体
表面に励起される表面電磁波の干渉により生じる干渉格
子の干渉強度に応じて前記反応ガスを励起し、分解によ
って生じる反応ガスの食刻作用によって、前記固体試料
表面に周期的微細構造を形成させる方法において、前記
レーザー光の偏光角を変えることによって、前記ホログ
ラフィックグレーティングと、前記干渉格子との交差角
度を変え、周期的ドット構造を形成することを特徴とす
る。According to a third aspect of the present invention, in the method for forming a periodic fine structure on a solid surface, a plurality of laser beams are applied to a surface of a solid sample set in an irradiation container filled with a reaction gas. Irradiation at an incident angle, the holographic grating generated by the interference of the laser light, and the laser light and the interference intensity of the interference grating generated by the interference of the surface electromagnetic waves excited on the solid surface by the irradiation of the laser light, In a method of exciting the reaction gas and forming a periodic fine structure on the surface of the solid sample by an etching action of the reaction gas generated by decomposition, by changing a polarization angle of the laser light, the holographic grating and It is characterized in that a periodic dot structure is formed by changing the crossing angle with the interference grating.
【0012】なお、レーザー光としては、Nd:YAGレーザ
ーの基本波(1064nm)及び高調波(266nm 、355nm 、53
2nm )、波長351nm のXeF レーザー、波長308nm のXeCl
レーザー、波長248nm のKrF レーザー、波長193nm のAr
F レーザー、波長157nm のF2 レーザー等が使用可能で
ある。The laser beam includes a fundamental wave (1064 nm) and harmonics (266 nm, 355 nm, 53 nm) of an Nd: YAG laser.
2nm), XeF laser with 351nm wavelength, XeCl with 308nm wavelength
Laser, KrF laser with 248 nm wavelength, Ar with 193 nm wavelength
An F laser, an F 2 laser having a wavelength of 157 nm, or the like can be used.
【0013】また、上記反応ガスは、反応性が低いもの
であると周期的微細構造の形成に長時間を要し、逆に反
応性が高すぎると微細なピッチの周期的構造の形成が困
難となる。このような見地から本発明に使用する反応性
ガスとしては臭化メタンが好適である。On the other hand, if the reactivity of the reaction gas is low, it takes a long time to form a periodic fine structure, and if the reactivity is too high, it is difficult to form a periodic structure having a fine pitch. Becomes From such a viewpoint, methane bromide is preferable as the reactive gas used in the present invention.
【0014】[0014]
【作用】本発明の固体表面の周期的微細構造の形成方法
においては、使用する反応ガス、例えば臭化メタンは、
レーザー光の照射による光分解によってメチルラジカル
と臭素原子を放出し、これが固体試料、例えばGaAs基板
の構成原子と化合して気中に離脱してエッチングが行わ
れる。この反応は複数の入射レーザー光相互の干渉およ
び入射レーザー光とレーザー光の照射によって生ずる表
面電磁波との干渉による光強波の高いところでより強く
起こるので、固体表面にこれらのホログラフィックグレ
ーティングおよび干渉格子に対応した周期的微細構造が
生じる。In the method for forming a periodic fine structure on a solid surface according to the present invention, the reaction gas used, for example, methane bromide is
Methyl radicals and bromine atoms are released by photodecomposition by laser light irradiation, and these are combined with constituent atoms of a solid sample, for example, a GaAs substrate, and are released into the air to perform etching. Since this reaction occurs more strongly at high light waves due to interference between a plurality of incident laser beams and interference between the incident laser beam and the surface electromagnetic wave generated by the irradiation of the laser beam, these holographic gratings and interference gratings are formed on the solid surface. A periodic fine structure corresponding to the above is generated.
【0015】次に、まず、請求項1記載の本発明の固体
表面の周期的微細構造の形成方法によって、周期的リッ
プル構造を形成する場合について説明する。Next, a case where a periodic ripple structure is formed by the method for forming a periodic fine structure on a solid surface according to the present invention will be described.
【0016】入射レーザー光相互の干渉、すなわちホロ
グラフィーによるレーザーエッチング速度は時間の経過
と無関係に一定速度で行われるが、入射レーザー光と表
面電磁波との干渉によるレーザーエッチングは照射直後
は反応速度が非常に遅く時間の経過とともに幾何級数的
に反応速度が増加しある時間経過するとこの反応が全体
のエッチング速度を支配するようになる。これは、入射
したレーザー光により表面電磁波が励起されると、この
表面電磁波と入射したレーザー光が干渉して干渉波の強
弱による光エッチングが生じ、これによって生じた溝に
より入射光の散乱が多くなって電磁波励起がより強く起
こるようになり、この正帰還ループによりエッチング速
度が急速に大きくなるためである。The interference between the incident laser beams, that is, the laser etching speed by holography is performed at a constant speed irrespective of the elapse of time, but the reaction speed of the laser etching by the interference between the incident laser beam and the surface electromagnetic wave is very short immediately after irradiation. The reaction rate increases exponentially with the lapse of time, and the reaction becomes dominant over the entire etching rate after a certain time. This is because, when the surface electromagnetic wave is excited by the incident laser light, the surface electromagnetic wave and the incident laser light interfere with each other, causing optical etching due to the intensity of the interference wave, and the resulting groove causes a large amount of scattering of the incident light. This is because electromagnetic wave excitation occurs more strongly, and this positive feedback loop rapidly increases the etching rate.
【0017】また本発明により得られる周期的リップル
構造は、非常に規則性に優れており、同一ピッチの平行
パターンが形成されるが、その原因はエッチング介し初
期に生ずる複数のレーザー光の干渉格子によるエッチン
グパターンの部分において、表面電磁波の励起が強く起
こり、これがレーザー光と表面電磁波との干渉によるレ
ーザーエッチングパターンの基準になるためと考えられ
る。つまり、表面に偶発的に存在する表面の凹凸ではな
く、ホログラフィー露光による直接エッチングの溝を利
用して、表面電磁波を制御性良く生じさせることにな
る。The periodic ripple structure obtained by the present invention has a very high regularity, and a parallel pattern having the same pitch is formed. This is caused by a plurality of interference gratings of laser light which are initially generated through etching. It is considered that the surface electromagnetic wave is strongly excited in the portion of the etching pattern caused by the laser beam, and this becomes the basis of the laser etching pattern due to the interference between the laser light and the surface electromagnetic wave. In other words, a surface electromagnetic wave is generated with good controllability by utilizing grooves of direct etching by holographic exposure, instead of surface irregularities that are accidentally present on the surface.
【0018】すなわち、まず固体表面に複数のレーザー
光によるホログラフィのレーザーエッチングによって規
則性の優れた溝(第2図A)が形成され、ついでこの溝
を基準として入射レーザー光と表面電磁波の干渉格子の
溝(第2図B)が形成され、しかもこの溝間隔(第2図
a)を等間隔に仕切る周期的リップル構造(第2図b)
となる。That is, first, a groove (FIG. 2A) having excellent regularity is formed on a solid surface by holographic laser etching using a plurality of laser beams, and then the interference grating between the incident laser beam and the surface electromagnetic wave is formed based on the groove. (FIG. 2B), and a periodic ripple structure (FIG. 2B) that partitions the groove intervals (FIG. 2A) at equal intervals.
Becomes
【0019】この周期的リップル構造のピッチ幅は、次
のように決定される。The pitch width of the periodic ripple structure is determined as follows.
【0020】ホログラフィックグレーティングの周期、
すなわち、ホログラフィー溝の周期(D)は、次式で与
えられる。Holographic grating period,
That is, the period (D) of the holographic groove is given by the following equation.
【0021】 D=(レーザー光波長)/2sinθ (1) ここで、θは入射面内で両方向から対称に入射する 2個
のビームの入射角である。D = (laser light wavelength) / 2 sin θ (1) Here, θ is the angle of incidence of two beams that are symmetrically incident from both directions in the incident plane.
【0022】一方、レーザー光と、レーザー光の照射に
より固体表面に励起される表面電磁波との干渉により生
じる干渉格子の周期は次のようにして決定される。On the other hand, the period of the interference grating generated by the interference between the laser light and the surface electromagnetic wave excited on the solid surface by the irradiation of the laser light is determined as follows.
【0023】すなわち、固体試料と反応ガス(反応ガス
の誘電率εD はεD =1 と仮定できる)の界面を伝搬す
る表面電磁波はTHモードであり、その分散関係は次式
で与えられる。That is, the surface electromagnetic wave propagating at the interface between the solid sample and the reaction gas (the dielectric constant ε D of the reaction gas can be assumed to be ε D = 1) is in the TH mode, and its dispersion relation is given by the following equation.
【0024】 −εm /δ=εD /β (2) ここで、εm は周波数に依存する固体試料の複素誘電率
である。また、δ、βは、それぞれ δ=[k‖ 2 −(ω2 /c2 )εm ]1/2 (3) β=[k‖ 2 −(ω2 /c2 )εD ]1/2 (4) である。ここで、k‖は複素伝搬ベクトルの界面に平行
な成分、ωは表面電磁波の周波数、cは光速である。固
体試料に対する複素誘電率を用いて(2)式の分散関係
を解くと、k‖(=k1 +jk2 )を得る。レーザー光
の電界成分が角度φだけ偏光されている場合、干渉格子
の空間周波数は、 k1 +k0 sinθ abs( cosφ) に一致する。したがって、表面電磁波による周期的構造
の理論的な周期dは、 d=(2 π)/[k1 +k0 sinθ abs( cosφ)] (5) で表される。ただし、k1 は表面電磁波の波数、k0 は
レーザー光の波数すなわち(2π)/(レーザー光波長)
である。−ε m / δ = ε D / β (2) where ε m is the complex permittivity of the solid sample depending on the frequency. Furthermore, [delta], beta, respectively [delta] = [k ‖ 2 - (ω 2 / c 2 ) ε m] 1/2 (3) β = [k ‖ 2 - (ω 2 / c 2 ) ε D] 1 / 2 (4). Here, k ‖ is a component parallel to the interface of the complex propagation vector, ω is the frequency of the surface electromagnetic wave, and c is the speed of light. By solving the dispersion relation of the equation (2) using the complex permittivity for the solid sample, k‖ (= k 1 + jk 2 ) is obtained. When the electric field component of the laser light is polarized by the angle φ, the spatial frequency of the interference grating matches k 1 + k 0 sin θ abs (cos φ). Therefore, the theoretical period d of the periodic structure due to the surface electromagnetic wave is represented by d = (2π) / [k 1 + k 0 sin θ abs (cos φ)] (5) Here, k 1 is the wave number of the surface electromagnetic wave, and k 0 is the wave number of the laser light, that is, (2π) / (laser light wavelength)
It is.
【0025】ここで、レーザー光の電界成分の偏光角度
φが零の場合、(5)式は、 d=(2π)/(k1 +k0 sinθ) (6) となる。これは、ホログラフィックグレーティングの方
向と、表面電磁波と入射レーザー光との干渉による干渉
格子の方向が平行な場合である。ここで、D=m・d
(mは整数),とおくと、 sin θ=(k1 /k0 )/(2m-1) (7) を得る。上記(k1 /k0 )の値として、GaAsの 266n
mの波長に対する値を用いると、 sin θ= 1.169・(2m-1) (8) となり、m= 2に対して22.9度、m= 3に対して13.5
度、m= 4に対して 9.6度となる。Here, when the polarization angle φ of the electric field component of the laser beam is zero, the expression (5) is as follows: d = (2π) / (k 1 + k 0 sin θ) (6) This is the case where the direction of the holographic grating is parallel to the direction of the interference grating due to the interference between the surface electromagnetic wave and the incident laser light. Here, D = m · d
(M is an integer), then sin θ = (k 1 / k 0 ) / (2m −1) (7) The value of (k 1 / k 0 ) is 266 n of GaAs.
Using the value for the wavelength of m, sin θ = 1.169 · (2m−1) (8), 22.9 degrees for m = 2 and 13.5 for m = 3
Degrees, 9.6 degrees for m = 4.
【0026】これら、特定の入射角に応じて、周期
(d)の周期的リップル構造が形成される。例えば、m
= 2に対してはd= 171nmの微細なリップルが形成され
る。A periodic ripple structure having a period (d) is formed according to the specific incident angle. For example, m
= 2, a fine ripple of d = 171 nm is formed.
【0027】また、レーザー光の波長を変えると上記k
0 およびk1 が変わるから、(6)式によって、周期的
リップルのピッチ(d)が変わる。したがって、レーザ
ー光の波長を変えることにより自由なピッチ幅の微細な
リップル構造を得ることができる。また、k1 とk0 の
比は、ほぼ一定であるから照射光学系には大きな自由度
を持たせる必要がない。When the wavelength of the laser beam is changed,
Since 0 and k 1 is changed, (6) the formula, periodic ripple pitch (d) is changed. Therefore, a fine ripple structure having a free pitch width can be obtained by changing the wavelength of the laser beam. Further, since the ratio between k 1 and k 0 is almost constant, it is not necessary to give the irradiation optical system a large degree of freedom.
【0028】また、請求項3記載の本発明の固体表面の
周期的微細構造の形成方法では、上記(5)式のレーザ
ー光の電界成分の偏光角度φを変えることにより、図7
に示すように、ホログラフィックグレーティングG
1 と、干渉格子G2 との交差角度φを変え、所望形状の
周期的ドット構造を形成する。In the method for forming a periodic fine structure on a solid surface according to the third aspect of the present invention, by changing the polarization angle φ of the electric field component of the laser light of the above equation (5),
As shown in the figure, the holographic grating G
1, changing the intersection angle φ between the interference grating G 2, to form a periodic dot structure of the desired shape.
【0029】したがって、一工程で所望形状の周期的ド
ット構造を形成することができる。また、(1)式に示
したように、ホログラフィックグレーティングG1 の周
期Dは、照射するレーザー光の波長と入射角度を変える
ことによって変更することができ、干渉格子G2 の周期
dは、(5)式に示したように、照射するレーザー光の
波長と入射角度と偏光角とを変えることによって変更す
ることができる。Therefore, a periodic dot structure having a desired shape can be formed in one step. Further, as shown in the equation (1), the period D of the holographic grating G 1 can be changed by changing the wavelength and the incident angle of the laser light to be irradiated, and the period d of the interference grating G 2 is As shown in the equation (5), it can be changed by changing the wavelength, incident angle, and polarization angle of the laser light to be irradiated.
【0030】[0030]
【実施例】次に本発明の実施例について説明する。Next, an embodiment of the present invention will be described.
【0031】図1は、本発明の第1の実施例に用いた装
置を概略的に示す図である。FIG. 1 is a view schematically showing an apparatus used in the first embodiment of the present invention.
【0032】この照射装置は、レーザー発生装置(Qス
イッチNd:YAGレーザー発生装置(Quantel社 YG681型))
1、スペーシャルフィルタ2、ミラー光学系3a、3
b、等からなり、照射セルは石英窓を有するステンレス
製の容器からなる照射容器4、ガス導入系5、排気系
(油回転ポンプ)6等から構成されている。This irradiation device is a laser generator (Q-switched Nd: YAG laser generator (Quantel YG681)).
1, spatial filter 2, mirror optical system 3a, 3
b, etc., and the irradiation cell is composed of an irradiation container 4 made of a stainless steel container having a quartz window, a gas introduction system 5, an exhaust system (oil rotary pump) 6, and the like.
【0033】この実施例では、まず、照射容器4内にGa
As基板をセットし、容器の一端より臭化メタン(1%,ヘリ
ウム希釈)を導入し、容器4の圧力が 1気圧になるよう
に他端より油回転ポンプ6で排気した。In this embodiment, first, Ga
The As substrate was set, methane bromide (1%, helium diluted) was introduced from one end of the container, and the oil was evacuated from the other end by an oil rotary pump 6 so that the pressure in the container 4 became 1 atm.
【0034】次に、レーザー発生装置1からの4次高調
波の光を石英プリズムを通して2次高調波成分を除去し
た後、ピンホール2aで整形し、半透過鏡3aで 2ビー
ムに分け、全反射鏡3bで両ビームを照射容器4内のGa
As(100) 基板上に(011) 方向に平行に干渉格子が形成さ
れるように(P偏光)入射した。使用したレーザー光の
波長は266nm 、パルス幅は約5ns 、繰り返し速度10Hz、
出力エネルギは150-350mJ である。Next, after removing the second harmonic component from the fourth harmonic light from the laser generator 1 through a quartz prism, the light is shaped by a pinhole 2a and divided into two beams by a semi-transmissive mirror 3a. Both beams are irradiated by the reflecting mirror 3b into the Ga inside the irradiation container 4.
The light was incident on the As (100) substrate so that an interference grating was formed parallel to the (011) direction (P-polarized light). The wavelength of the laser light used is 266 nm, the pulse width is about 5 ns, the repetition rate is 10 Hz,
The output energy is 150-350mJ.
【0035】レーザー照射した後、GaAs基板表面を走査
型電子顕微鏡(SEM) により観察した。 図2は、図1の
装置を用いて(4) 式のm=2 のとき得られる角度θ=22.9
°でホログラフィー露光を行なったときのn 型GaAs(10
0) 表面の周期的リップルの断面図である。この周期的
リップルの深い溝Aの周期aは355nm であった。(1) 式
によって与えられる理論的な周期は341nm であり、よく
一致していることがわかる。一方、図2の浅い溝Bは表
面電磁波によって生じたエッチング溝である。この表面
電磁波によって生じたエッチング溝の周期bは169nm で
あり、理論値171nm とよい一致を示した。After the laser irradiation, the surface of the GaAs substrate was observed with a scanning electron microscope (SEM). FIG. 2 shows an angle θ = 22.9 obtained when m = 2 in equation (4) using the apparatus of FIG.
N-type GaAs (10
0) is a sectional view of a periodic ripple on the surface. The period “a” of the groove A having a deep periodic ripple was 355 nm. The theoretical period given by equation (1) is 341 nm, which indicates a good agreement. On the other hand, the shallow groove B in FIG. 2 is an etching groove generated by a surface electromagnetic wave. The period b of the etching groove generated by this surface electromagnetic wave was 169 nm, which was in good agreement with the theoretical value of 171 nm.
【0036】図3はホログラフィー露光による直接エッ
チングで得られた溝の深さをレーザー照射時間の関数と
して表わした図である。このエッチングはレーザー照射
時間に対して線形である。エッチングレートは1.13nm/m
inであった。FIG. 3 is a diagram showing the depth of a groove obtained by direct etching by holographic exposure as a function of laser irradiation time. This etching is linear with respect to the laser irradiation time. Etching rate is 1.13nm / m
was in.
【0037】一方、表面電磁波によって生じたエッチン
グ溝の深さのレーザー照射時間依存性を調べた図が図4
である。エッチング溝はレーザー照射時間に対して指数
関数的に成長し、表面電磁波を利用したエッチングが誘
導散乱的な効果によっていることを示している。50分間
ホログラフィ露光したとき、直接エッチングによって得
られた溝の深さが57nmであるのに対して、表面電磁波を
利用したエッチング溝の深さが48nmとほぼ同程度であっ
た。On the other hand, FIG. 4 shows the dependence of the depth of the etching groove generated by the surface electromagnetic wave on the laser irradiation time.
It is. The etching groove grows exponentially with respect to the laser irradiation time, indicating that the etching using the surface electromagnetic wave is based on the stimulated scattering effect. When holographic exposure was performed for 50 minutes, the depth of the groove obtained by direct etching was 57 nm, whereas the depth of the etching groove using surface electromagnetic waves was almost the same as 48 nm.
【0038】次に、本発明の第2の実施例について説明
する。図5は本発明の第2の実施例に用いた装置を概略
的に示す図であり、図1の前述した実施例に係る装置と
同一部分には同一符号が付してある。同図に示すよう
に、本実施例では、照射装置に偏光手段としてのλ/2
波長板10が設けられている。Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a diagram schematically showing an apparatus used in the second embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to the same portions as those in the above-described embodiment of FIG. As shown in the figure, in the present embodiment, the irradiation device is provided with λ / 2 as a polarizing means.
A wave plate 10 is provided.
【0039】そして、レーザー発生装置1から第3高調
波(波長355nm )を発生させ、ピンホール2aで整形し
た後、λ/2波長板10により、光学台に平行な偏波
(試料入射面に対してp偏光となる)をs偏光に変換
し、さらに、半透過鏡3aで 2ビームに分け、全反射鏡
3bで両ビームを照射容器4内のn-GaAs(100) 基板上
に、(011) 方向に平行に干渉格子が形成されるように入
射させた。なお、ピンホール2aで整形された後のレー
ザー出力パワーは、10Hzのとき約100mW であり、パルス
幅は5ns であり、レーザー光の入射角は19.1°とした。
また、エッチングガスは、前述した実施例と同様の条件
とし、10分間レーザー光の照射を行った。Then, a third harmonic (wavelength: 355 nm) is generated from the laser generator 1 and shaped by the pinhole 2a, and then polarized by the λ / 2 wavelength plate 10 (parallel to the sample entrance surface). Is converted into s-polarized light, and is further divided into two beams by a semi-transmissive mirror 3a, and both beams are reflected by an all-reflective mirror 3b on an n-GaAs (100) substrate in the irradiation container 4, [0111] The light was incident so that an interference grating was formed parallel to the direction. The laser output power after shaping by the pinhole 2a was about 100 mW at 10 Hz, the pulse width was 5 ns, and the incident angle of the laser beam was 19.1 °.
The etching gas was set under the same conditions as in the above-described embodiment, and laser light irradiation was performed for 10 minutes.
【0040】このようにして、エッチングを行ったGaAs
基板表面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した。こ
の結果、図6に示すように、縦方向に周期的に平行に形
成されたエッチング溝E群と、これらのエッチング溝E
と直行するように横方向に周期的に平行に形成されたエ
ッチング溝F群とによって、ドット状にセパレートされ
た周期的微細構造が観察された。また、これらのエッチ
ング溝Eの周期eは、544.8nm であり、エッチング溝F
の周期fは、369.7nm であった。The GaAs thus etched is
The substrate surface was observed with a scanning electron microscope (SEM). As a result, as shown in FIG. 6, a group of etching grooves E formed periodically and parallel in the vertical direction, and these etching grooves E
And a group of etching grooves F formed periodically and parallel in the horizontal direction so as to be perpendicular to the above, a periodic fine structure separated into dots was observed. The period e of these etching grooves E is 544.8 nm, and the etching grooves F
Was 369.7 nm.
【0041】ここで、前述した(1)式に、波長λ=35
5nm 、入射角θ=19.1°を代入して得られるホログラフ
ィックグレーティングの理論的な周期Dは541.2nm であ
る。したがって、エッチング溝Eは、レーザー光とレー
ザー光との干渉によるホログラフィックグレーティング
に拠るものであることが分かる。Here, the above equation (1) shows that the wavelength λ = 35
The theoretical period D of the holographic grating obtained by substituting 5 nm and the incident angle θ = 19.1 ° is 541.2 nm. Therefore, it is understood that the etching groove E is based on the holographic grating due to the interference between the laser beams.
【0042】また、エッチング溝Fは、表面電磁波とレ
ーザー光との干渉による干渉格子に拠るものと考えられ
る。ここで、前述した(2)、(3)、(4)式におい
て、GaAsの波長355nm における複素誘電率εm =ε1 +
jε2 =8.08+j13.57 として分散関係を解くと、k1
=1.74×105 cm-1、k2 =1.48×104 cm-1なるk‖(=
k1 +jk2 )を得る。表面電磁波がk1 なる伝搬定数
で伝搬するとき、入射レーザー光が表面電磁波と同一方
向の電界成分を持つならば、干渉効果として表面の光強
度分布はx方向に、 I(x)=sin [(k1 +k0 sinθ)x] なる分布を持つ。本実施例では、レーザー光の入射面は
試料面にほぼ垂直であるから、s偏光に対しては、k0
sinθの項は0 となり、k1 と干渉格子の縞の空間周波
数は一致する。したがって、前述した(5)式におい
て、s偏光での表面電磁波による周期的構造の理論的な
周期dは、 d=(2 π)/k1 となり、その値は361.1nm となる。したがって、上述し
たエッチング溝Fの周期f=369.7nm は、この理論値と
よく一致していることが分かる。The etching groove F is considered to be based on an interference grating caused by interference between the surface electromagnetic wave and the laser beam. Here, in the above equations (2), (3) and (4), the complex permittivity ε m = ε 1 + of GaAs at a wavelength of 355 nm.
Solving the dispersion relation as jε 2 = 8.08 + j13.57 gives k 1
= 1.74 × 10 5 cm -1, k 2 = 1.48 × 10 4 cm -1 becomes k ‖ (=
k 1 + jk 2 ). When a surface electromagnetic wave propagates with a propagation constant of k 1 and the incident laser light has an electric field component in the same direction as the surface electromagnetic wave, the light intensity distribution on the surface is in the x direction as an interference effect, and I (x) = sin [ (K 1 + k 0 sin θ) x]. In this embodiment, since the incident surface of the laser beam is substantially perpendicular to the sample surface, k 0 for s-polarized light.
The term of sin θ is 0, and the spatial frequency of k 1 and the fringe of the interference grating match. Accordingly, in the above-mentioned (5), the theoretical period d of the periodic structure by the surface electromagnetic wave at the s-polarized light, d = (2 π) / k 1 , and the value becomes 361.1Nm. Therefore, it can be seen that the above-described period f = 369.7 nm of the etching groove F is in good agreement with this theoretical value.
【0043】[0043]
【発明の効果】以上の実施例からも明らかなように、本
発明によれば、一工程で任意のピッチの精度の高い周期
的リップル構造あるいは周期的ドット構造が得られ、し
かも暗反応がないため高いアスペクト比が得られる。As is clear from the above embodiments, according to the present invention, a high-precision periodic ripple structure or periodic dot structure with an arbitrary pitch can be obtained in one step, and there is no dark reaction. Therefore, a high aspect ratio can be obtained.
【図1】本発明の第1の実施例に用いた装置を概略的に
示す図。FIG. 1 is a diagram schematically showing an apparatus used in a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明により得られた固体表面の周期的リップ
ル構造を示す断面図。FIG. 2 is a sectional view showing a periodic ripple structure on a solid surface obtained according to the present invention.
【図3】ホログラフィー露光による直接エッチングで得
られた溝の深さをレーザー照射時間の関数として表わし
た図。FIG. 3 is a diagram showing the depth of a groove obtained by direct etching by holographic exposure as a function of laser irradiation time.
【図4】表面電磁波によって生じたエッチング溝の深さ
のレーザー照射時間依存性を示した図。FIG. 4 is a view showing the laser irradiation time dependency of the depth of an etching groove generated by a surface electromagnetic wave.
【図5】本発明の第2の実施例に用いた装置を概略的に
示す図。FIG. 5 is a diagram schematically showing an apparatus used in a second embodiment of the present invention.
【図6】本発明により得られた固体表面の周期的ドット
構造を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a periodic dot structure on a solid surface obtained according to the present invention.
【図7】周期的ドット構造の形成方法を説明するための
図。FIG. 7 is a diagram for explaining a method of forming a periodic dot structure.
1………レーザー発生装置 2……スペーシャルフィルタ 3………ミラー光学系 4………照射容器 5………ガス導入系 6………排気系(油回転ポンプ) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laser generator 2 ... Spatial filter 3 ... Mirror optical system 4 ... Irradiation container 5 ... Gas introduction system 6 ... Exhaust system (oil rotary pump)
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−196425(JP,A) 特開 平3−76289(JP,A) 特開 平3−67101(JP,A) 特開 昭62−18035(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/3065 C23F 4/02 H01L 21/00 H01L 29/00 Continuation of front page (56) References JP-A-2-196425 (JP, A) JP-A-3-76289 (JP, A) JP-A-3-67101 (JP, A) JP-A-62-18035 (JP) , A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/3065 C23F 4/02 H01L 21/00 H01L 29/00
Claims (5)
トした固体試料の表面に、複数のレーザー光を所定の入
射角で照射し、前記レーザー光の干渉により生じるホロ
グラフィックグレーティング、ならびに前記レーザー光
と前記レーザー光の照射により前記固体表面に励起され
る表面電磁波の干渉により生じる干渉格子の干渉強度に
応じて前記反応ガスを励起し、分解によって生じる反応
ガスの食刻作用によって、前記固体試料表面に周期的微
細構造を形成させる方法において、 前記ホログラフィックグレーティングの間隔を、前記干
渉格子の間隔の整数倍として、周期的リップル構造を形
成することを特徴とする固体表面の周期的微細構造の形
成方法。1. A holographic grating generated by irradiating a plurality of laser beams at a predetermined incident angle onto a surface of a solid sample set in an irradiation container filled with a reaction gas, the holographic grating being generated by interference of the laser beams, and the laser beam The solid sample is excited by exciting the reaction gas in accordance with the interference intensity of the interference grating generated by interference of light and the surface electromagnetic wave excited on the solid surface by the irradiation of the laser light, and etching the reaction gas caused by decomposition. In a method of forming a periodic fine structure on a surface, the interval between the holographic gratings is set to an integral multiple of the interval between the interference gratings, and the periodic fine structure on the solid surface is characterized by forming a periodic ripple structure. Forming method.
とによって、周期的リップル構造の周期を変えることを
特徴とする請求項1記載の固体表面の微細構造の形成方
法。2. The method for forming a fine structure on a solid surface according to claim 1, wherein the period of the periodic ripple structure is changed by changing the wavelength of the laser light to be irradiated.
トした固体試料の表面に、複数のレーザー光を所定の入
射角で照射し、前記レーザー光の干渉により生じるホロ
グラフィックグレーティング、ならびに前記レーザー光
と前記レーザー光の照射により前記固体表面に励起され
る表面電磁波の干渉により生じる干渉格子の干渉強度に
応じて前記反応ガスを励起し、分解によって生じる反応
ガスの食刻作用によって、前記固体試料表面に周期的微
細構造を形成させる方法において、 前記レーザー光の偏光角を変えることによって、前記ホ
ログラフィックグレーティングと、前記干渉格子との交
差角度を変え、周期的ドット構造を形成することを特徴
とする固体表面の周期的微細構造の形成方法。3. A holographic grating generated by the irradiation of a plurality of laser beams at a predetermined incident angle onto a surface of a solid sample set in an irradiation container filled with a reaction gas, the laser beam being interfered with the laser beam. The solid sample is excited by exciting the reaction gas in accordance with the interference intensity of the interference grating generated by interference of light and the surface electromagnetic wave excited on the solid surface by the irradiation of the laser light, and etching the reaction gas caused by decomposition. In a method of forming a periodic fine structure on a surface, by changing a polarization angle of the laser beam, changing a crossing angle between the holographic grating and the interference grating to form a periodic dot structure. For forming a periodic microstructure on a solid surface.
周期を、照射する前記レーザー光の波長と入射角度を変
えることによって変更し、前記干渉格子の周期を、照射
する前記レーザー光の波長と入射角度と偏光角とを変え
ることによって変更することを特徴とする請求項2記載
の固体表面の微細構造の形成方法。4. The period of the holographic grating is changed by changing the wavelength and the incident angle of the laser light to be irradiated, and the period of the interference grating is changed by changing the wavelength, the incident angle and the polarization angle of the laser light to be irradiated. 3. The method for forming a fine structure on a solid surface according to claim 2, wherein the method is changed by changing the following.
を特徴とする請求項1乃至4記載の固体表面の微細構造
の形成方法。5. The method for forming a fine structure on a solid surface according to claim 1, wherein the reaction gas is methane bromide.
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