JPH0882704A - 位相シフト回折格子の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】比較的簡便に精密な回折格子形状が作製できる
位相シフト回折格子の作製技術を提供することにある。 【構成】基板１上にレジスト２などで高さの高い領域を
作る。その上に作製した均一な回折格子パターンをマス
クとしてエッチングし、基板１上に高い回折格子パター
ンの領域と低い回折格子パターンの領域を作る。これ
を、基板１に斜め方向から異方性エッチングして基板１
に転写する。斜め方向からエッチングすることで、高い
回折格子パターン部分は、基板表面がエッチングビーム
に対して陰になり基板１への転写が行われず、低いパタ
ーン部分だけが転写される。基板１全面に誘電体４′な
どを成膜し、リフトオフして高いパターン領域の凹凸を
反転させる。再びエッチングで基板１に転写して、基板
１上に凹凸の位相が異なる位相シフト回折格子を作製す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光記録、光情報処理、
光計測、光通信などの分野において用いられる光素子に
必要な回折格子の作製技術に関するものであり、特に分
布帰還型半導体レーザなどの開発に不可欠な位相シフト
回折格子の作製技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、回折格子は、例えば、分布帰還型
半導体レーザ（以下ＤＦＢレーザ）に用いられている。
ＤＦＢレーザは単一軸モードの光を発するので光通信な
どに多く用いられている。ところが、ＤＦＢレーザで
は、ブラッグ波長を中心とする２つの異なる軸モードの
損失及び利得が等しく、端面での回折格子の位相の非対
称性、共振器方向での成長膜厚のゆらぎなど、いくつか
の不確定な要素により、１つの軸モードが選択されてい
るにすぎない。

【０００３】この問題を回避する手段として、たとえば
１次回折格子を用いた場合においては、回折格子の中央
近傍で回折格子の凹凸の位相を反転させたλ／４位相シ
フト回折格子の採用が提案されている。これまで、様々
な位相シフト回折格子の製造方法が考案された。初期に
は、基板上に塗布されたレジスト膜に電子ビームで直接
描画する方法が採用されたが、これは余りにも描画に時
間がかかり一般的ではなかった。

【０００４】通常、比較的大きな面積に一括して回折格
子を形成する方法としては、２光束干渉露光という方法
が使われている。この方法は、Ｈｅ−Ｃｄレーザのよう
な波長の短いコヒーレントな光をハーフミラーで２つに
分けて再びミラーで合成し、その干渉による周期的パタ
ーンを基板上のレジストに照射して露光するものであ
る。

【０００５】この２光束干渉露光法を応用して、ネガ／
ポジレジストを併用したλ／４位相シフト回折格子の作
製方法が考案されている。図３にこの製法を示す。図３
において、記号３１は基板、３２はポジレジスト、３３
はネガレジストを示す。図４の各工程を説明する。 （１）まず、ネガレジスト３３のストライプを基板３１
上に形成する（図３（ａ））。 （２）次にポジレジスト３２を塗布する（図３
（ｂ））。 （３）ここに一括で２光束干渉露光し、まずポジレジス
ト部分３２を現像する（図３（ｃ））。 （４）エッチングしてポジレジスト３２のパターンを基
板３１に転写する（図３（ｄ））。 （５）次にネガレジスト部分３３を現像する（図３
（ｅ））。 （６）エッチングしてネガレジスト３３のパターンを基
板３１に転写する（図３（ｆ））。 （７）レジストを除去する。ネガレジストとポジレジス
トでは感光特性が逆なのでパターン反転するため、ネガ
レジスト／ポジレジスト境界部で凹凸の位相が反転した
位相シフト回折格子が得られる（図３（ｇ））。

【０００６】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、こ
の方法には以下に示すような欠点がある。

【０００７】第１に、ポジレジスト部分の基板はネガレ
ジスト部分の基板のエッチング時もエッチングされるの
で、ポジレジスト部分の基板のエッチング量が多くな
り、位相シフトの境界部に段差を生じてしまう。また、
このことにより位相シフト量が設計値からずれる。

【０００８】第２に、ネガレジストの解像度が悪く、ネ
ガレジスト部分の回折格子形状が悪い為、回折格子の形
状が領域間で異なってしまう。

【０００９】第３に、レジストの種類によってはネガレ
ジストとポジレジストが反応してしまう。この対策とし
て、ネガレジストとポジレジストの間に反応防止を目的
として中間層を設けた方法も考案されているが、これで
は工程が多くなってしまう。

【００１０】よって、本発明の目的は、上記の課題に鑑
み、比較的簡便に精密な回折格子形状が作製できる位相
シフト回折格子の作製技術を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の問題は２種類のレ
ジストを使用する為に発生する。本発明では、回折格子
パターンの形成には１種類のレジストのみを使用してい
る。本発明の位相シフト回折格子の作製技術では、基板
上にレジストや誘電体などで高さの高い領域を作り、そ
の上に２光束干渉露光で作製した均一な周期を有する回
折格子パターンをマスクとしてエッチングして、基板上
に高さの高い回折格子パターンのある領域と高さの低い
回折格子パターンのある領域を作り、これをまず基板に
対して斜め方向から反応性イオンビームエッチングなど
の異方性エッチング手段で基板に転写する。斜め方向か
らエッチングすることで、高さの高い回折格子パターン
部分は、基板表面がエッチングビームに対して陰になり
基板への転写が行われず、高さの低いパターン部分だけ
が転写される。続いて、基板上の全面に誘電体或は金属
膜などを成膜し、リフトオフして高さの高いパターン領
域の凹凸を反転させ、再度エッチングで基板に転写する
ことにより基板上に凹凸の位相が異なる位相シフト回折
格子を作製する。

【００１２】即ち、本発明の位相シフト回折格子の作製
方法は、基板上に第１の領域として第１の材料による凸
部を設ける工程と；該基板上に均一な周期を有する回折
格子を作製する工程と；該回折格子をマスクとして該第
１の材料をエッチングして、該第１の領域には該第１の
材料による回折格子の凹凸の周期に対する高さの比が大
きい回折格子パターンを作製し、該第１の領域以外の第
２の領域には回折格子の凹凸の周期に対する高さの比が
小さい回折格子パターンを作製する工程と；該２つの回
折格子パターンをマスクとして該基板面に対して或る角
度をもって異方性エッチングを行い、該第２の領域の回
折格子パターンを該基板に転写する工程と；その後、該
基板上の全面に第２の材料による薄膜を形成した後、該
第１の材料をエッチングして、該第１の材料のあった第
１の領域に該第２の材料によって、それまでと逆の凹凸
パターンを形成し、該凹凸パターンをマスクとして基板
をエッチングする工程とからなることを特徴とする。

【００１３】具体的には、前記第１の領域に作られた第
１の材料による回折格子パターンの高さは、前記異方性
エッチングのエッチングビームが基板面となす角度の正
接に回折格子の凹凸の周期の半分を乗じた値より大き
い。また、前記第１の材料としてフォトレジストを、前
記第２の材料として誘電体を使用したり、前記第１の材
料としてフォトレジストを、前記第２の材料として金属
を使用したり、前記第１の材料としてポリイミドを、前
記第２の材料として誘電体を使用したり、前記第１の材
料としてポリイミドを、前記第２の材料として金属を使
用する。

【００１４】

【実施例１】レジスト＋窒化シリコンの例である本発明
の第１実施例を説明する。図１は本実施例である凹凸の
位相が部分的に異なる回折格子の作製工程を示す図であ
る。図１における図中記号は、１が基板、２および２′
がポジレジスト及びポジレジストによって作ったパター
ン、４および４′が窒化シリコン及び窒化シリコンによ
って作ったパターンを表す。

【００１５】図１（ａ）において、まず基板１上にポジ
レジスト２によるストライプパターンを形成した。この
レジストストライプパターンの幅は位相シフト領域の幅
になる。本実施例ではポジレジスト２として一般的なＡ
Ｚ１３７０レジストを用いた。適当な解像度と膜厚が得
られるものであれば、他のレジストを使用してもよい。
またネガタイプ、ポジタイプも問わない。このポジレジ
スト２で覆われた部分を領域１と呼ぶ。領域１以外の部
分を領域２と呼ぶ。

【００１６】次に、この上に窒化シリコン４を被覆した
（図１（ｂ））。そして、この上にポジレジスト２′に
よる薄いレジスト膜をのせ（図１（ｃ））、２光束干渉
露光法により全体に均一な位相の回折格子パターンを作
った（図１（ｄ））。

【００１７】本実施例では、ポジレジスト２′はポジレ
ジスト２として使用したＡＺ１３７０レジストを指定の
シンナーで希釈したものを使用した。このポジレジスト
２′の回折格子パターンをマスクとして下の窒化シリコ
ン４をエッチングして、窒化シリコンの回折格子パター
ンを作った（図１（ｅ））。この窒化シリコン４のエッ
チングには、ＣＦ₄ガスによる反応性イオンエッチング
を用いた。こうして、窒化シリコンだけを選択的にエッ
チングすることが出来た。

【００１８】次に、窒化シリコンの回折格子パターンを
マスクにして、最初に作製したポジレジストストライプ
パターン２をエッチングした（図１（ｆ））。このエッ
チングには酸素ガスによる反応性イオンエッチングを用
いた。

【００１９】反応性イオンエッチングのため異方性があ
り、かつレジストだけを選択的にエッチング出来るの
で、領域１にはポジレジスト／窒化シリコンの２層から
成る高さの高い回折格子パターンが出来、領域２には窒
化シリコン単層の回折格子パターンがそのまま残った。
こうして、基板１上には２種類の高さの回折格子パター
ンができた。

【００２０】次に、これらをマスクとして基板１の表面
に対して斜め方向から異方性エッチングを行ない基板１
に転写した。この異方性エッチングには、塩素ガスによ
る反応性イオンビームエッチングを用いた。基板１の表
面に対し斜めからエッチングすることにより、マスク高
さが低い窒化シリコン膜単層の部分（領域２）は基板１
に転写されたが、マスク高さが高いレジスト／窒化シリ
コン２層の部分（領域１）はイオンビームに対して基板
１の表面が陰になり基板１の表面がエッチングされず、
転写が行なわれなかった（図１（ｇ））。すなわち、適
当なマスク高さの違いとエッチングビーム角度を選ぶこ
とにより、基板１上に領域を選択して回折格子の転写が
行える。

【００２１】本実施例では回折格子の凹凸の周期（或る
凸部から次の凹部までの距離）を２５０ｎｍにした。凹
部の幅は平均１２５ｎｍである。基板１上の領域２への
転写時に基板面に対して６０度の角度からエッチングビ
ームを照射するとして、領域１の凹部をエッチングビー
ムに対して陰にする為に必要なポジレジスト２とその上
の窒化シリコン４の合計膜厚は、 １２５×ｔａｎ６０°＝１２５√３≒２１６．５ｎｍ である。本実施例の場合、作製寸法の誤差や後のリフト
オフ工程の容易さを考慮して、ポジレジスト２の膜厚を
３００ｎｍ、窒化シリコン４の膜厚を１００ｎｍと設定
した。

【００２２】次に、その表面に窒化シリコン４′を１０
０ｎｍの膜厚に成膜した（図１（ｈ））。この窒化シリ
コン４′は電子サイクロトロン共鳴によるプラズマ中に
シランガスと窒化ガスを導入して成膜された。最初の窒
化シリコン４と区別する為、便宜的にＥＣＲ窒化シリコ
ン４′と記述する。ＥＣＲ窒化シリコン４′は低温で成
膜できるので基板１の表面温度が上昇せず、基板表面に
あるレジストの変質が最小限に抑えられる。したがっ
て、その後のリフトオフ工程が容易になる。

【００２３】成膜後、基板１をアセトン中に浸し、超音
波洗浄してリフトオフした。リフトオフ後は、最初のマ
スク高さが低かった部分（領域２）はＥＣＲ窒化シリコ
ン４′が全体を覆い、マスク高さが高かった部分（領域
１）はマスクがなかった当初の凹部分にＥＣＲ窒化シリ
コン４′がつき、マスクのあった部分はレジストがなく
なって基板１の表面が露出する（図１（ｉ））。

【００２４】次に、全体を再び反応性イオンビームエッ
チングし、パターンを基板１に転写した（図１
（ｊ））。最後に基板以外の材料を除去した。２回のエ
ッチングでできた基板１の表面の回折格子凹凸の位相は
領域１と領域２で反転している（図１（ｋ））。

【００２５】以上の工程で位相シフト回折格子を得るこ
とが出来た。本実施例に特有の効果としては、回折格子
の凹凸を反転する工程が、アセトンなどの溶剤によるリ
フトオフによって簡単に出来ることにある。

【００２６】

【実施例２】ポリイミド＋金属膜の例である本発明の第
２実施例を説明する。図２は本実施例の特徴をもっとも
良く表わし、凹凸の位相が部分的に異なる回折格子の作
製工程を示したものである。図２において、１は基板、
２はポジレジスト、４は窒化シリコン、５はポリイミ
ド、６は金属を表わす。

【００２７】図２（ａ）において、まず基板１上にポリ
イミド５によるストライプパターンを形成した。このポ
リイミドストライプパターンの幅は位相シフト領域の幅
になる。このポリイミドで覆われた部分を領域１と呼
ぶ。領域１以外の部分を領域２と呼ぶ。

【００２８】次に、この上に窒化シリコン４を被覆した
（図２（ｂ））。そして、この上にポジレジスト２によ
る薄いレジスト膜をのせ（図２（ｃ））、２光束干渉露
光法により全体に均一な位相の回折格子パターンを作っ
た（図２（ｄ））。本実施例では、ポジレジスト２は一
般的なＡＺ１３７０レジストを指定のシンナーで希釈し
たものを使用した。このレジスト２の回折格子パターン
をマスクとして下の窒化シリコン４をエッチングして、
窒化シリコン４の回折格子パターンを作った（図２
（ｅ））。この窒化シリコン膜４のエッチングにはＣＦ
₄ガスによる反応性イオンエッチングを用いた。こうし
て、窒化シリコン４だけを選択的にエッチングすること
ができた。

【００２９】次に、窒化シリコン膜４の回折格子パター
ンをマスクにして、最初に作ったポリイミドストライプ
パターン５をエッチングした（図２（ｆ））。このエッ
チングには酸素ガスによる反応性イオンエッチングを用
いた。反応性イオンエッチングのため異方性があり、か
つレジスト５だけを選択的にエッチングできるので、領
域１にはポリイミド５／窒化シリコン４の２層から成る
高い回折格子パターンができ、領域２には窒化シリコン
単層４の回折格子パターンがそのまま残った。こうし
て、基板１上には２種類の高さの回折格子パターンがで
きた。

【００３０】次に、これをマスクとして基板面に対して
斜め方向から異方性エッチングを行ない、基板１に転写
した。この異方性エッチングには、塩素ガスによる反応
性イオンビームエッチングを用いた。基板面に対し斜め
からエッチングすることにより、マスク高さが低い窒化
シリコン単層４の部分（領域２）は基板１に転写された
が、マスク高さが高いポリイミド５／窒化シリコン４の
２層の部分（領域１）はイオンビームに対して基板表面
が陰になり基板表面がエッチングされず、転写が行なわ
れなかった（図２（ｇ））。すなわち、適当なマスク高
さの違いとエッチングビーム角度を選ぶことにより、基
板１上に、領域を選択して回折格子の転写が行なえる。

【００３１】本実施例では回折格子の凹凸の周期（或る
凸部から次の凸部までの距離）を２５０ｎｍにした。凹
部の幅は平均１２５ｎｍである。基板１上の領域２への
転写時に基板面に対して６０度の角度からエッチングビ
ームを照射するとして、領域１の凹部をエッチングビー
ムに対して陰にする為に必要なポリイミド５とそのうえ
の窒化シリコン４の合計膜厚は、 １２５×ｔａｎ６０°＝１２５√３≒２１６．５ｎｍ である。本実施例の場合、作製寸法の誤差や後のリフト
オフ工程の容易さを考慮して、ポリイミド５の膜厚を３
００ｎｍ、窒化シリコン４の膜厚を１００ｎｍと設定し
た。

【００３２】次に、その表面に金属６を１００ｎｍの膜
厚に成膜した（図２（ｈ））。この金属膜６は後に酸素
ガス及び塩素ガスエッチングのマスクとなるので、これ
らのガスのプラズマに対して耐性がなければならない。
この金属６はチタンを使用した。クロムやモリブデンな
ど、ほかの金属も使用出来る。成膜後、基板１全面を酸
素ガスによる反応性イオンエッチングでエッチングし
た。このときエッチング圧力は、先に窒化シリコン４を
マスクにしてポリイミド５をエッチングしたときよりも
高くしてある。やや長い時間、酸素ガスでエッチングす
ると、ポリイミド５がサイドエッチングによってなくな
り、ポリイミド／窒化シリコン２層膜の上に乗っていた
金属（チタン）はリフトオフされる。リフトオフ後は、
最初のマスク高さが低かった部分（領域２）は、金属
（チタン）６が全体を覆い、マスク高さが高かった部分
（領域１）は、マスクがなかった当初の凹部分に金属
（チタン）６がつき、マスクのあった部分はポリイミド
５がなくなって基板１表面が露出している（図２
（ｉ））。

【００３３】次に、全体を再び反応性イオンビームエッ
チングでエッチングし、パターンを基板１に転写した
（図２（ｊ））。最後に基板１以外の材料を除去した。
２回のエッチングでできた基板表面の回折格子の凹凸の
位相は、領域１と領域２で反転している（図２
（ｋ））。

【００３４】以上の工程で位相シフト回折格子を得るこ
とが出来た。以上の工程で金属の代わりに窒化シリコン
を使用することも出来る。

【００３５】本実施例に特有の効果として、構成する材
料の多くが耐熱性に優れていることにより、高温プロセ
スが可能だと言うことがあげられる。２光束干渉露光で
使用するＡＺ１３５０Ｊレジストは耐熱性が劣り１２０
°Ｃ付近が限界であるが、ＡＺ１３５０Ｊによる回折格
子パターンを下層の窒化シリコンに転写すれば、それ以
降のプロセスで使用する材料は耐熱性に優れる。よっ
て、一番耐熱温度の低いポリイミドで温度の上限が決ま
るが、４００°Ｃ程度までプロセス可能である。したが
って、本実施例に示されている方法を用いれば、熱処理
やエッチング時に基板を高温に過熱するなどの処理が可
能になる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明により、簡便
で精度の高い位相シフト回折格子作製方法を得ることが
出来た。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の位相シフト回折格子の作製工程を
示す図。

【図２】第２実施例の位相シフト回折格子の作製工程を
示す図。

【図３】従来例の位相シフト回折格子の作製工程を示す
図。

【符号の説明】

１ 基板 ２、２′ ポジレジスト及びポジレジストで作製した
パターン ４、４′ 窒化シリコン及び窒化シリコンで作製した
パターン ５ ポリイミド及びポリイミドで作製したパター
ン ６ 金属及び金属で作製したパターン

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に第１の領域として第１の材料によ
   る凸部を設ける工程と；該基板上に均一な周期を有する
   回折格子を作製する工程と；該回折格子をマスクとして
   該第１の材料をエッチングして、該第１の領域には該第
   １の材料による回折格子の凹凸の周期に対する高さの比
   が大きい回折格子パターンを作製し、該第１の領域以外
   の第２の領域には回折格子の凹凸の周期に対する高さの
   比が小さい回折格子パターンを作製する工程と；該２つ
   の回折格子パターンをマスクとして該基板面に対して或
   る角度をもって異方性エッチングを行い、該第２の領域
   の回折格子パターンを該基板に転写する工程と；その
   後、該基板上の全面に第２の材料による薄膜を形成した
   後、該第１の材料をエッチングして、該第１の材料のあ
   った第１の領域に該第２の材料によって、それまでと逆
   の凹凸パターンを形成し、該凹凸パターンをマスクとし
   て基板をエッチングする工程とからなることを特徴とす
   る位相シフト回折格子の作製方法。
2. 【請求項２】前記第１の領域に作られた第１の材料によ
   る回折格子パターンの高さは、前記異方性エッチングの
   エッチングビームが基板面となす角度の正接に回折格子
   の凹凸の周期の半分を乗じた値より大きいことを特徴と
   する請求項１記載の位相シフト回折格子の作製方法。
3. 【請求項３】前記第１の材料としてフォトレジストを、
   前記第２の材料として誘電体を使用することを特徴とす
   る請求項１記載の位相シフト回折格子の作製方法。
4. 【請求項４】前記第１の材料としてフォトレジストを、
   前記第２の材料として金属を使用することを特徴とする
   請求項１記載の位相シフト回折格子の作製方法。
5. 【請求項５】前記第１の材料としてポリイミドを、前記
   第２の材料として誘電体を使用することを特徴とする請
   求項１記載の位相シフト回折格子の作製方法。
6. 【請求項６】前記第１の材料としてポリイミドを、前記
   第２の材料として金属を使用することを特徴とする請求
   項１記載の位相シフト回折格子の作製方法。