JP5205113B2 - グレーティング素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光を回折するグレーティング部を具備するグレーティング素子及びその製造方法に関する。

従来におけるグレーティング素子の製造方法として、所定の方向に延在する複数の凸部を基板の表面に設けるに際し、ナノインプリンティング及びエッチングによって凸部を基板と一体的に形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−３１３２７８号公報

しかしながら、ナノインプリンティング及びエッチングによって凸部を基板と一体的に形成すると、微細なパターンを効率良く形成することはできるものの、凸部の破損や凸部の間へのパーティクルの進入等、グレーティング素子の信頼性が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、信頼性の高いグレーティング素子、及びそのようなグレーティング素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るグレーティング素子は、光を回折するグレーティング部を具備するグレーティング素子であって、第１の基板と、所定の方向に延在し、所定の方向と略直交する方向に沿って並ぶように、第１の基板の表面に設けられた複数の第１の凸部と、所定の方向と交差する方向に延在し、第１の凸部と略同等の高さとなるように、第１の基板の表面に設けられた第２の凸部と、第１及び第２の凸部の頂部とダイレクトボンディングによって接合された表面を有する第２の基板と、を備え、グレーティング部は、第１の凸部、第１及び第２の基板を含んで構成されており、所定の方向と略直交する方向について最外部に位置する一対の第１の凸部は、前記第１及び第２の凸部の頂部と前記第２の基板の表面とが接合された領域の外縁に位置していることを特徴とする。

このグレーティング素子では、所定の方向に延在する複数の第１の凸部、及び所定の方向と交差する方向に延在する第２の凸部が第１の基板の表面に設けられている。これにより、第１の凸部が第２の凸部によって補強されるため、グレーティング部を構成する第１の凸部が破損するのを防止することができる。更に、第１及び第２の凸部の頂部に第２の基板の表面が接合されているため、第１の凸部の間にパーティクルが進入するのを抑止することができる。しかも、第１の凸部の頂部と第２の基板の表面とがダイレクトボンディングによって接合されているため、第１の凸部、第１及び第２の基板を含んで構成されたグレーティング部における光損失を低減することができる。従って、このグレーティング素子によれば、高い信頼性を維持することが可能となる。

本発明に係るグレーティング素子においては、第１の凸部は、第１の基板と一体的に形成されていることが好ましい。この場合、第１の基板に対する第１の凸部の形成を効率良く行うことができるばかりか、グレーティング部における光損失をより一層低減することができる。

本発明に係るグレーティング素子においては、第２の凸部は、所定の方向における第１の凸部の両側にて所定の方向と交差する方向に延在し、第１の凸部のそれぞれの端部と接続されるように、第１の基板の表面に設けられていることが好ましい。この場合、第１の凸部が第２の凸部によってより強固に補強されるため、第１の凸部が破損するのをより確実に防止することができる。

また、本発明に係るグレーティング素子の製造方法は、光を回折するグレーティング部を具備するグレーティング素子の製造方法であって、所定の方向に延在し、所定の方向と略直交する方向に沿って並ぶように、複数の第１の凸部が設けられると共に、所定の方向と交差する方向に延在し、第１の凸部と略同等の高さとなるように、第２の凸部が設けられた表面を有する複数の第１の基板を含む第１のウェハ、及び第１の基板のそれぞれと対応するように配置された複数の第２の基板を含む第２のウェハを準備する工程と、第１のウェハの第１及び第２の凸部の頂部、並びに第２のウェハの第２の基板の表面に活性化処理を施す工程と、活性化処理を施した後に、第１及び第２の凸部の頂部と、第２の基板の表面とをダイレクトボンディングによって接合し、第１の凸部、第１及び第２の基板を含んで構成される複数のグレーティング部を形成する工程と、グレーティング部を形成した後に、対応する第１及び第２の基板毎に第１及び第２のウェハを切断する工程と、を含み、一の第１の基板において、所定の方向と略直交する方向について最外部に位置する一対の第１の凸部は、前記第１及び第２の凸部の頂部と前記第２の基板の表面とが接合された領域の外縁に位置していることを特徴とする。

このグレーティング素子の製造方法では、複数の第１の基板を含む第１のウェハ、及び第１の基板のそれぞれと対応するように配置された複数の第２の基板を含む第２のウェハを用いるため、信頼性の高いグレーティング素子を極めて効率良く製造することができる。

本発明に係るグレーティング素子の製造方法においては、第１及び第２のウェハを準備する工程では、ナノインプリンティング及びエッチングによって第１の凸部を第１の基板と一体的に形成することで、第１の凸部を第１の基板の表面に設けることが好ましい。ナノインプリンティング及びエッチングを採用することにより、微細なパターンの第１の凸部を効率良く形成することができる。

本発明によれば、グレーティング素子の信頼性の向上を図ることができる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係るグレーティング素子の一実施形態の平面図である。図２は、図１のII−II線に沿っての断面図であり、図３は、図１のIII−III線に沿っての断面図である。図１〜３に示されるように、グレーティング素子１は、石英からなる矩形板状の基板（第１の基板）２を備えている。

基板２の表面２ａには、所定の方向に延在し、所定の方向と略直交する方向に沿って並ぶように、複数の凸部（第１の凸部）３が設けられている。所定の方向と略直交する方向に沿っての凸部３の断面は、幅２５０ｎｍ、高さ１０００ｎｍの矩形状であり、各凸部３は、ピッチ５００ｎｍ（すなわち、デューティ比０．５）で基板２と一体的に形成されている。

更に、基板２の表面２ａには、所定の方向における凸部３の両側にて所定の方向と略直交する方向に延在し、凸部３と略同等の高さとなるように、凸部（第２の凸部）４が設けられている。所定の方向に沿っての凸部４の断面は、幅２５０ｎｍ、高さ１０００ｎｍの矩形状であり、各凸部４は、所定の方向における各凸部３の端部と接続されるように基板２と一体的に形成されている。

凸部３，４には、石英からなる矩形板状の基板（第２の基板）５が接合されている。基板５の表面５ａは、凸部３の頂部３ａ及び凸部４の頂部４ａとダイレクトボンディングによって接合されている。グレーティング素子１では、凸部３及び基板２，５によってグレーティング部６が構成されている。グレーティング部６は、光を回折する透過型グレーティングである。

以上のように構成されたグレーティング素子１においては、所定の方向に延在する複数の凸部３、及び所定の方向における凸部３の両側にて所定の方向と略直交する方向に延在し且つ各凸部３の端部と接続された凸部４が基板２の表面２ａに設けられている。これにより、凸部３が凸部４によって強固に補強されるため、グレーティング部６を構成する凸部３が破損するのを防止することができる。更に、凸部３，４の頂部３ａ，４ａに基板５の表面５ａが接合されているため、凸部３の間にパーティクルが進入するのを抑止することができる。しかも、凸部３が基板２と一体的に形成されており、また、凸部３の頂部３ａと基板５の表面５ａとがダイレクトボンディングによって接合されているため、凸部３及び基板２，５を含んで構成されたグレーティング部６における光損失を低減することができる。従って、グレーティング素子１によれば、高い信頼性を維持することが可能となる。

次に、上述したグレーティング素子１の製造方法について説明する。グレーティング素子１は、ナノインプリンティング及びエッチング工程、活性化処理及びダイレクトボンディング工程、並びにダイシング工程を順次経て製造される。
［ナノインプリンティング及びエッチング工程］

図４（ａ）に示されるように、石英からなる直径６インチ、厚さ６２５μｍのウェハ（第１のウェハ）１１をインプリント基板として、その表面に、厚さ０．１〜０．５μｍのＷＳｉ層１２がスパッタによって形成され、更に、ＷＳｉ層１２の表面に、レジスト層として厚さ５０〜２０００ｎｍの密着層１３が塗布によって形成されたものを用意する。そして、密着層１３の表面に、インプリント樹脂１４を塗布する。続いて、図４（ｂ）に示されるように、密着層１３に対してマスタモールド１５を押し当ててインプリント樹脂１４を展開する。

密着層１３に対してマスタモールド１５を押し当てた状態で、図５（ａ）に示されるように、マスタモールド１５を介してインプリント樹脂１４に紫外線を照射し、インプリント樹脂１４をＵＶ硬化させてインプリント樹脂層１６を形成する。続いて、図５（ｂ）に示されるように、インプリント樹脂層１６からマスタモールド１５を離型する。以上のインプリント樹脂１４の塗布、マスタモールド１５の押し当て、インプリント樹脂１４への紫外線の照射、及びマスタモールド１５の離型は、グレーティング素子１の基板２に対応するようにウェハ１１に対してマトリックス状に複数設定された領域毎に行われる。

密着層１３の表面にインプリント樹脂層１６を形成した後、図６に示されるように、インプリント樹脂層１６を覆うようにＳｉ含有樹脂層１７を塗布によって形成する。そして、図７（ａ）に示されるように、ハロゲンガスを用いたドライエッチングによってＳｉ含有樹脂層１７を除去し、Ｓｉ含有樹脂層１７からインプリント樹脂層１６の頂部を露出させる。続いて、図７（ｂ）に示されるように、Ｏ_２ガスを用いたドライエッチングによって、残存しているＳｉ含有樹脂層１７をマスクとしてインプリント樹脂層１６及び密着層１３の露出部分を除去する。

更に、図８（ａ）に示されるように、ＳＦ_６ガスを用いたドライエッチングによって、残存しているＳｉ含有樹脂層１７をマスクとしてＷＳｉ層１２の露出部分を除去する。続いて、図８（ｂ）に示されるように、ＣＨＦ_３ガスを用いたドライエッチングによって、Ｓｉ含有樹脂層１７、インプリント樹脂層１６及び密着層１３、並びにウェハ１１の露出部分の一部を除去する。そして、図９に示されるように、ＷＳｉ層１２を除去する。これにより、図１０に示されるように、グレーティング素子１の基板２に対応するようにウェハ１１に対してマトリックス状に複数設定された領域毎に凸部３，４が形成される。なお、ここでは、ウェハ１１のエッチングマスクとなる層の材料としてＷＳｉを用いているが、石英とのエッチング選択性の高い材料であれば、Ｃｒ等の金属、アモルファスシリコン、セラミック、樹脂等を用いてもよい。

このように、ナノインプリンティング及びエッチングを採用すると、サブミクロン以下の微細なパターンの凸部３を基板２と一体的に効率良く形成することができ、量産化を図ることが可能となる。また、光リソグラフィ技術と比較して、解像度に関するパラメータ（ｋ１，ＮＡ）が関係しないため、より微細なパターンの凸部３の形成が可能となる。
［活性化処理及びダイレクトボンディング工程］

図１１に示されるように、ナノインプリンティング及びエッチング工程を経たウェハ１１と、石英からなるウェハ（第２のウェハ）１８とを真空チャンバ２１内において対向させる。ウェハ１１は、凸部３，４が設けられた表面２ａを有する複数の基板２を含んでいる。また、ウェハ１８は、ウェハ１１に含まれる各基板２と対応するように配置されたグレーティング素子１の基板５を含んでいる。

続いて、図１２に示されるように、Ａｒ等の不活性ガスによるイオンや中性原子のビームを真空中で照射することにより、少なくともウェハ１１の凸部３，４の頂部３ａ，４ａ、及びウェハ１８の基板５の表面５ａに活性化処理を施す。これにより、凸部３，４の頂部３ａ，４ａや基板５の表面５ａに存在していた酸化膜や吸着層が除去されて、石英を構成する原子から結合手が延びた状態となる。

続いて、図１３に示されるように、活性化された凸部３，４の頂部３ａ，４ａと基板５の表面５ａとを接触させ、常温にて圧力を加えて、凸部３，４の頂部３ａ，４ａと基板５の表面５ａとをダイレクトボンディングによって接合する。これにより、図１４に示されるように、グレーティング素子１の基板２，５に対応するようにウェハ１１，１８に対してマトリックス状に複数設定された領域毎に、凸部３及び基板２，５を含んで構成されるグレーティング部６が形成される。

このように、活性化処理及びダイレクトボンディングを採用すると、常温での接合が可能となるため、ウェハ１１，１８が熱的にひずむのを防止することができ、凸部３，４の頂部３ａ，４ａや基板５の表面５ａに必要な良好な平坦度を確保することが可能となる。また、凸部３，４の頂部３ａ，４ａと基板５の表面５ａとの間に接着剤等の異種中間層が含まれないため、グレーティング部６において良好な光学的特性を確保することが可能となる。更に、ウェハ１１，１８が同種の材料からなるため、凸部３，４の頂部３ａ，４ａと基板５の表面５ａとの接合界面での反射を低減することができ、グレーティング部６において良好な回折効率を得ることが可能となる。
［ダイシング工程］

図１４に示されるように、活性化処理及びダイレクトボンディング工程を経たウェハ１１，１８に対して、マトリックス状に配置されたグレーティング部６毎に（すなわち、対応する基板２，５毎に）切断予定ライン２２を設定し、切断予定ライン２２に沿ってブレード等によってウェハ１１，１８を切断する。これにより、複数のグレーティング素子１が得られる。

このとき、所定の方向に延在する凸部３の両端部に、所定の方向と略直交する方向に延在する凸部４が接続されており、凸部４が梁構造となって凸部３を補強するため、ダイシングの際に生じる応力によって凸部３が破損するのを防止することができる。また、凸部３，４が基板２，５によって挟まれているため、凸部３の間にパーティクルが進入するのを抑止することができる。

以上説明したように、グレーティング素子１の製造方法においては、複数の基板２を含むウェハ１１、及び各基板２と対応するように配置された複数の基板５を含むウェハ１８を用いるため、信頼性の高いグレーティング素子１を極めて効率良く製造することができ、量産化を図ることが可能となる。

なお、上述した製造方法において良好なダイレクトボンディングが可能となるのは、凸部３，４の頂部３ａ，４ａを基板５の表面５ａに接合しているからである。すなわち、ダイレクトボンディングは原子レベルでの接合であるため、接合面の平坦性や面精度が必要となる。従って、必要以上に接合面を大きくすると、接合面間に微小なパーティクルが介在して接合不良が発生するおそれがある。更に、必要以上に接合面を大きくすると、平坦性や面精度の確保が困難となり、やはり接合不良が発生するおそれがある。接合不良の発生は、接合面間にボイドを介在させることになり、グレーティング素子１としては不良となってしまう。そこで、グレーティング素子１では、凸部３，４の頂部３ａ，４ａといった必要最低限の部分のみを接合させる構造を採用している。不要な部分をエッチングによって除去することで、接合面間におけるパーティクル介在の回避やボイド発生の回避が可能となる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、凸部４は、図１５（ａ）に示されるように、所定の方向における凸部３の一方の側のみに設けられていても良い。また、凸部４は、図１５（ｂ）に示されるように、所定の方向における凸部３の端部と接続されていなくても良いし、図１５（ｃ）に示されるように、所定の方向における凸部３の端部毎に複数設けられていても良い。更に、凸部４は、図１６（ａ）に示されるように、所定の方向における凸部３の端部と２つ置きで接続されていても良いし、図１６（ｂ）に示されるように、凸部３，４がジグザグ状となるように凸部３の端部と接続されていても良い。なお、凸部４は、凸部３と交差していても良い。ただし、加工の容易性やグレーティング部６の開口率を維持する観点から、凸部４は、凸部３の端部に設けられていることが好ましい。

また、上記実施形態は、凸部３，４及び基板２，５が同種の材料からなる場合であったが、凸部３，４及び基板２，５は異種の材料からなっていても良い。更に、上記実施形態は、基板２，５が一層からなる場合であったが、基板２，５は複数層からなっていても良い。一例として、基板５は、石英からなる本体層と、ＳｉＯ_２等によって表面５ａ側の面、或いは表面５ａ側とその反対側の両面に形成されたＡＲ膜（反射防止膜）とを有していても良い。この場合にも、凸部３，４の頂部３ａ，４ａと基板５の表面５ａとをダイレクトボンディングによって接合することが可能である。

また、上記実施形態は、グレーティング部６が透過型グレーティングの場合であったが、グレーティング部６は、基板５が表面５ａと反対側の表面に反射膜を有する、或いは基板２が表面２ａと反対側の面に反射膜を有する反射型グレーティングであっても良い。

更に、上記実施形態においては、ナノインプリンティング工程として、ＵＶ硬化レジストを用いたＵＶインプリント工程を記載したが、熱により変形するレジストを用いる熱インプリントによる工程を採用することもできる。

本発明に係るグレーティング素子の一実施形態の平面図である。 図１のII−II線に沿っての断面図である。 図１のIII−III線に沿っての断面図である。 図１のグレーティング素子を製造するためのナノインプリンティング及びエッチング工程を示す図である。 図１のグレーティング素子を製造するためのナノインプリンティング及びエッチング工程を示す図である。 図１のグレーティング素子を製造するためのナノインプリンティング及びエッチング工程を示す図である。 図１のグレーティング素子を製造するためのナノインプリンティング及びエッチング工程を示す図である。 図１のグレーティング素子を製造するためのナノインプリンティング及びエッチング工程を示す図である。 図１のグレーティング素子を製造するためのナノインプリンティング及びエッチング工程を示す図である。 図４〜９のナノインプリンティング及びエッチング工程を経たウェハの平面図である。 図１のグレーティング素子を製造するための活性化処理及びダイレクトボンディング工程を示す図である。 図１のグレーティング素子を製造するための活性化処理及びダイレクトボンディング工程を示す図である。 図１のグレーティング素子を製造するための活性化処理及びダイレクトボンディング工程を示す図である。 図１１〜１３の活性化処理及びダイレクトボンディング工程を経たウェハの平面図である。 本発明に係るグレーティング素子の他の実施形態の平面図である。 本発明に係るグレーティング素子の他の実施形態の平面図である。

符号の説明

１…グレーティング素子、２…基板（第１の基板）、２ａ…表面、３…凸部（第１の凸部）、３ａ…頂部、４…凸部（第２の凸部）、５…基板（第２の基板）、５ａ…表面、６…グレーティング部、１１…ウェハ（第１のウェハ）、１８…ウェハ（第２のウェハ）。

Claims (5)

1. 光を回折するグレーティング部を具備するグレーティング素子であって、
   第１の基板と、
   所定の方向に延在し、前記所定の方向と略直交する方向に沿って並ぶように、前記第１の基板の表面に設けられた複数の第１の凸部と、
   前記所定の方向と交差する方向に延在し、前記第１の凸部と略同等の高さとなるように、前記第１の基板の表面に設けられた第２の凸部と、
   前記第１及び前記第２の凸部の頂部とダイレクトボンディングによって接合された表面を有する第２の基板と、を備え、
   前記グレーティング部は、前記第１の凸部、前記第１及び前記第２の基板を含んで構成されており、
   前記所定の方向と略直交する方向について最外部に位置する一対の前記第１の凸部は、前記第１及び第２の凸部の頂部と前記第２の基板の表面とが接合された領域の外縁に位置していることを特徴とするグレーティング素子。
2. 前記第１の凸部は、前記第１の基板と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１記載のグレーティング素子。
3. 前記第２の凸部は、前記所定の方向における前記第１の凸部の両側にて前記所定の方向と交差する方向に延在し、前記第１の凸部のそれぞれの端部と接続されるように、前記第１の基板の表面に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のグレーティング素子。
4. 光を回折するグレーティング部を具備するグレーティング素子の製造方法であって、
   所定の方向に延在し、前記所定の方向と略直交する方向に沿って並ぶように、複数の第１の凸部が設けられると共に、前記所定の方向と交差する方向に延在し、前記第１の凸部と略同等の高さとなるように、第２の凸部が設けられた表面を有する複数の第１の基板を含む第１のウェハ、及び前記第１の基板のそれぞれと対応するように配置された複数の第２の基板を含む第２のウェハを準備する工程と、
   前記第１のウェハの前記第１及び前記第２の凸部の頂部、並びに前記第２のウェハの前記第２の基板の表面に活性化処理を施す工程と、
   前記活性化処理を施した後に、前記第１及び前記第２の凸部の頂部と、前記第２の基板の表面とをダイレクトボンディングによって接合し、前記第１の凸部、前記第１及び前記第２の基板を含んで構成される複数の前記グレーティング部を形成する工程と、
   前記グレーティング部を形成した後に、対応する前記第１及び前記第２の基板毎に前記第１及び前記第２のウェハを切断する工程と、を含み、
   一の前記第１の基板において、前記所定の方向と略直交する方向について最外部に位置する一対の前記第１の凸部は、前記第１及び第２の凸部の頂部と前記第２の基板の表面とが接合された領域の外縁に位置していることを特徴とするグレーティング素子の製造方法。
5. 前記第１及び前記第２のウェハを準備する工程では、ナノインプリンティング及びエッチングによって前記第１の凸部を前記第１の基板と一体的に形成することで、前記第１の凸部を前記第１の基板の表面に設けることを特徴とする請求項４記載のグレーティング素子の製造方法。

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