JPS59116602A - チヤ−プトグレ−テイングの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は断面が鋸歯状でかつ配列方向に間隔がるもので
ある。

」二記のような不等周期の溝によって構成される回折格
子、すなわちチャープトゲレーティングは本来の分波機
能に加えて、入射する平行光線あるいは拡散ヅｑ−線を
回折後集束さセる凸レンズ作用を併せ持ち、このため例
えば光ファイバーで伝送されてくる混合光を各波長光に
回折分波させた後、各分波光をそれぞれ別個の光ファイ
バーに集束人’４＝Ｊさせる装置などに使用され光信号
処理装置において極めて有用である。

一方、等間隔の平行溝で構成される回折格子に上記のよ
うな凸レンズ作用を持たせ」、うとすると基板を凹面に
する必要があり、製作は容易でないうえに球面収差を生
じる。

グの方が製作が容易であり球面収差も生しない。

ところで回折格子においては回折効率は溝の断面） １− が最も高い。

ここでブレーズ条件は第７図に示すように、チャープト
ゲレーティング／の溝配列方向にとったｙ軸上のある点
’／ｍ−□を下底とする鋸歯溝２の傾斜側壁３の傾斜角
をθ、ｙｍ−□点と隣接溝の下底’１ｍ点間の間隔（溝
周期）をＷ、溝側壁３に入射する光線ｌの基板面法線夕
に対する傾き角をθｔ（第７図で左側を正とする）とし
て１ 、！ｓｉｎθ―ｃｏｓ　（ｃｍＯｔ）＝ｍλ／Ｗ　　−
＝　（１）で表オつずことができる。

ただしく／）式のｍは回折次数、λは光線の波長である
。またグレーティングの周期Ｗとブレーズ角θとの関係
は、第２図に示すように、グレーティレグ／に対して拡
散しつつ斜めに入射する光Ｍｌの光源点およびグレーテ
ィング／の面で回折された後、集束する光線ｚＢの集光
点がともにグレーテイング面から等しい距離ｌｃに位置
し、且つ回折光＋Ｈの中心軸線がグレーテイング面に垂
直としたとき、両光束の軸線が成す角をψ己として、Ｊ
ｍ／１３ｏ＝　　０２ｍ〔０２ｍ　　（／／、２　ｔａ
ｒＬ（ｐｉ　）　２／）　／Ｃｖ２ｍ　　（／／ｊ’　
ｔｃｍψ’　）２：］　　／／２　ｔａｎψＴ・・・・
・・・・・・（２） トだしυｍ＝　（／＋５ｅｃｃｐｉ）／２＋λＣｍ／２
ｎｌｃ（ｎは媒質の屈折率；ｍ＝山・・・・・−λ、−
／、Ｏ，／。

２°−；　ｙ、　＝　ｏ　）　　で表わすことができる
。

また第７図における入射角θ乙は ／、ｃｍＯｔ　＝　ｔａｎψｔ　＋ｙ／ｌｃ　　−・川
・（３）で決定される。

］二記のようにチャープトゲレーティング／を構成すれ
ば、例えばチャープトゲレーティング／を厚みｌｃ＋屈
折率ルの平行平面をもつガラスあるいはプラスチックの
透明ブロック７の片面に接合、し、この透明ブロック７
の他方の面に光ファイバー≦Ａ、６Ｂ・・・・・・・先
端を接続することにより、光ファイバー乙Ａで伝送され
る混合光をグレーティング／で回折分波した後、他の光
フアイバ−４ＢＫ集束入射させることができる。

従来から等周期回折格子の溝の断面形状をブレーズ条件
を満たす鋸歯状にするため、ルーリングエンジン（回折
格子刻線機）、レーザー光の干渉法あるいは電子線露光
法等により基板上にマスクを等間隔に形成し、この基板
表面の法線に対しである角度をもって入射する平行イオ
ンビームによりエツチングする等の工夫がな才れている
。

ところが不等周期な溝によって構成されるチャーブトゲ
レーティングの場合は溝形状を鋸歯状にして回折格子の
全面でブレーズ条件を満足させるためには、個々の溝に
ついて傾き角θを変化させなければならず、従来のルー
リングエンジンによる機械的刻線法や平行イオンビーム
によるエノヂング法では製作が極めて離しい。

上記以外にも電子線露光法により露光量を変化させ、Ｐ
ＭＭＡ等のレジストが露光量に応じてエツチングされる
現像を利用する方法が提案されている。

しかしこの方法ではＰＭＭＡ等のレジストのエツチング
表面が必らずしも平滑でないため、回折効率が低下し且
つ迷光が大きい等の問題がある。

本発明は上述した従来の間願点を解決し、高精度の不等
周期チャープトゲレーティングを容易に製造することが
できる方法を提供することを主な目的としている。

本発明に従った方法では、基板上に回折格子パターンの
不等周期縞状の開口部を残してマスクを、このとき、マ
スクの開口を横断する垂直仮想面内に前記イオンビーム
中心軸が含まれるように、且つ前記仮想面内で基板面法
線をイオンビーム中心軸に対し傾斜させるか、または基
板面法線とイオンビーム中心軸とが平行になる姿勢で配
置する。

上記の方法によれば、ビームの中心軸に近い基板上の箇
所では大きな溝幅と小さい溝壁傾斜角θでエツチングさ
れ、またイオンビームの外周に近づくに従いより小さい
溝幅とより大な傾斜角θをもつグレーティング溝が形成
される。

二のようにして本発明方法によればイオンビームＯ開き
角または（および）基板面の傾き角を前述した所定のブ
レーズ条件を満たずように幾何学泪算で求めて当初に設
定しておくたＣフて、後は何らの複雑な操作を必要とせ
ずに自動的に不等周期のグレーティング溝を基板面に高
精度で刻設することができる。

以下本発明を図面に示した実施例に基づいて詳細に説明
する。

まず第３図に示すように単結晶シリコン等の基ｉ１０の
表面に、間隔をおいて平行に多数配列したスリット開口
／／を残した状態で７オトレジストなどから成るマスク
／２を１投ける。このスリント開１」／／の幅Ｗ２およ
び隣接間［」間のマスク幅は一方向ｙに向って順次拡大
していくような不等幅の縞状としておく。

スリット開口／ｌを設けるに当っては例えば、単結晶シ
リコンの基板１０の表面全体にグレーティング溝を刻設
する５ｉ０２膜を設け、この面に７オトレジストあるい
は電子線用レジストを塗布し、ｊ←−ザー光干渉法、電
子線露光法等で露光現像し、′不露光部分のレジストを
除去して所定の開ロバタ１゛ エンなもつマスク／２をつくる。

次に」二記のマスク付き基板１０を第４図に示すよりス
させ、集束した後拡散するイオンビーム／３の範囲内に
基板１０を１ａ＜。

このときマスター２のスリント開［１／／・・・・・・
を直角に横断する垂直仮想面（オグ図において紙面）内
にイオンビーム中心軸／乙が含まれるように１且つ］二
記仮想面内て基板面法線／７をイオンビーム中心軸１６
に対し、マスク開口／／の幅が狭い側に一定角度ψて傾
斜させて配置する。

」二記の配置で拡散イオンビーム／３を放射すると第５
図（イ）〜（ハ）に段階的に示すようにしてエツチング
がおこなわれる。

イオンビーム／３はマスク／２およびマスク／ノのスリ
ット開口／／を通して基板７０面を打つが、このときイ
オンビーム／３の拡がりの外周に近い箇所はどビーム／
３と基板面との成す角は小さくなる。

イオンビーム／３によるエツチングが進行するとオ、Ｓ
図（ロ）に示すように次第にマスク／、２のエソ？ｔ ｒｌがイオンビーム／３によって削られて今までマス゛
り７．２の影になっていた基板表面部分も削られるよう
になり、イオンビーム／３に直交する傾斜形成される。

この鋸歯状凸部間にある７字溝−を形成する画側壁−２
Ａ　、−２Ｂのうち、イオンビーム／３に直交する溝側
壁２Ａが基板面／ざに対して成す角θは前述した配置関
仮によってマスク開口幅Ｗ２の小な側（牙４図で左側）
はど大になり、それだけ溝周期Ｗが狭まる。

このようにして基板１０のマスキング面には回折面、２
Ａのブレーズ角θが一方向に次第に減少するような不等
周期のチャープ）・グレーティング／が形成される。

ここで基板１０の配置位置および傾き角について考察す
ると、第５図（／Ｘ）に示すように基板ＩＯ上のグレー
ティング形成部の任、け点に当るイオンビーム／３とヒ
ーム中心軸／乙か成す開き角をφとし、基板法線／７の
ビーム中心軸に対する傾斜角をψとすると、このビーム
投射点に形成される鋸歯状ｔ＋Ｍの傾き角（ブレーズ角
）θは、θ＝ψ＋φ　　・・−・・・　（１ で表わずことがてきる０ したがって造りたいグレーティングのブレーズ角θがθ
、≦θ≦θ２のときは、 θ１≦（φ＋ψ）≦θ２・・・・・−・・・・（５）と
なるような位置および基板傾は角で配置ずれば良し・こ
とになる。

また牙乙図に模式的に示すように基板１０上のグレーテ
ィング形成部の一端側に当るイオンビームの開き角をφ
ｌ、他端側に当るイオンビームの開き角をφ２とし角度
中φの符号をオ乙図で左側を正としたとき、第６図のよ
うにイオンビーム中心軸ｌ乙を挾んで両側に亘り基板を
位置させる場合−性が良くなる。

ψの望ましい値はイオンビームの開き角φに依存する。

たとえば−φ。≦φ≦φ。の間でイオンビーム強度が一
定であればψのとれる最大値は、ψｍＵ＝０１＋φ。　
　　である。

基板に入射する拡散イオンビームの基板に平行な断面は
オフ図に示すように楕円であるがこのイオ爲ビーム投射
範囲１９の長軸の近傍のみを使えば直線と近似するので
良好な結果が得られる。

さらに今までの説明ではイオンビームのみでエツチング
を行なったが、エツチング速度の向上とマスクと基板の
選択比向上のためにはＧＦ４　ｒ　０ＨＦ３な１どのガ
スを使用し反応性イオンビームエツチングとする事が望
ましい。

中心から両側に向けて対称にスリット開口／ｌの幅Ｗ２
およびマスク幅が順次縮小するような左右対称の不等幅
縞状としておく。

そして上記のマスク付き基板ＩＱを第９図に示すように
拡散するイオンビーム／３中に、上記平行スリット開口
／／・・・・・・・・の対称中心を通る基板法線１７を
イオンビーム中心軸／乙に一致させて配置する。

そして前述例と同様にしてビームエツチングを行なうと
オ／／図に示すように側壁、２Ａの傾斜角θが中心から
外側に向けて順次増大する不等周期の平行鋸歯溝が対称
に形成される。

このようにして溝側壁、！Ａを回折面としθをグレーテ
ィング角として中心から両側に向けて対称にグレーティ
ング角が増加するチャープトゲレーティングｌが形成さ
れる。

オｌＯ図に当初のマスク形状の別の例を平面図で示、′
ｌ−０ 本例では基板１００面に間隔をおいて同心円状とした開
口／ｌを残してマスク１２を施し、上記円環状のマスク
開口／／の幅および隣接する開ロ間ンビーム１３中に、
マスク開口／／の同心円中心を通る基板法線／７をイオ
ンビーム中心軸／乙に一致させて配置する。

そしてビームエツチングを行なうとオ／／図に断面で示
すように側壁、２Ａの傾斜角θが外周に向けて順次増大
する不等周期の鋸歯溝が同心円環状に形成される。

これを中心から放射状に一定幅で切り出すことにより多
数のチャーブトゲレーティングを一挙に製作することが
できる。

〔実施例／〕

単結晶８１基板の全面に熱酸化法で０．３３μｍの厚み
５ｉ０２膜を形成したものを用意した。

次にこの基板上にフォトレジストとしてＡＺ／３！；０
を０１５μｍの厚さにスピンナーで塗布し、ＨｅＣｄレ
ーザーの３．２！；　ｎｍの光を使い、三光束干渉法で
第３図のような不等周期の縞状パターンが形成されるよ
うにフォトレジストを露光・現像してマス１ り゛を作った。

吹にこのマスク付き基板を第４／図のように拡散イ１ ４ンヒーム内に基板面法線をマスク開口幅が小さ角φ１
．φ２をφ１＝φ２　＝　３．ｌｓＯに選んだ。

この条件ではイオンビームの放射中心点からビー人中心
軸と基板面交点までの距離は２３．ｑ乙ｍｍ。

この交点からマスク開口幅の大な側の基板エツジまでの
距離は／、４’９　ｍｍ　１反対側エツジまでの距離は
／、３７ｍｍである。

上記準備の後ＯＦ４による反応性イオンビームエツチン
グでマスク面をエツチングした。

使用したイオン源はカホフマン型でエツチング条件は加
速電圧０．５ｋｅｙ、電流密度０．４（ｍＡ１０ｍ２　
＋真空度０．ざＸ１Ｏ−４ＴＯｒｒであった。

約９分間のエツチングによってグレーティング周期Ｗが
３−／、２μｍないし／、３３ｔｔｍでブレーズ角θの
範囲が乱ｑ０ないし／＆０で長さ３ｍｍの不等周期チャ
ーブトゲレーティングが得られた。

エツチングレートは５１０２が３乙ＯＡ　／　ｍｉｎ・
フォトレジストＡＺ　／３！；０が／３０Ａ／ｍｔｎて
あった。

このチャープトゲレーティングの鋸歯？？／ｉの間隔Ｗ
の分布を牙７．２図にグラフで示す。

同図中横軸は基板中央から距離をｍｍで７Ｆ　Ｌ、たて
軸は鋸歯溝幅Ｗをμｍの単位で示す。

〔実施例２〕 ガラス基板を用意し、この上にＡｕ膜をｏ、ｌ１μｍの
厚さに蒸着した。さらにこのＡｕ膜の上に厚さ０．７μ
ｍのＱｒ膜を同様にして形成した。

Ｑｒ脱膜上７オトレジストＡＺ／３３０をＯ，１μｍの
厚さにスピンナーで塗布し、ＨｅＣｄ　レーザーの３．
２３　ｎｍの光による三光束干渉法で実施例／と同しグ
レーティングパターンを形成するため露光。

現像した。

次にリアクティブイオンエツチングによってＡＺ／３５
０の下のＣｒをエツチングしてＡｕ膜をＡｒイオンビー
ムエツチングする際のマスクとした。

ＡｒイＡンビームエノチングにおけるＡｕとＡＺ／３３
０の選択比は１Ｉ−ｊ程度であり、Ａｌｌと（Ｈｒでも
同程度であるが、フォトレジストＡＺ／３汐０のマスク
の場合開口部に臨むマスクエツジが垂直てはなく若干だ
れているので、このフォトレジスト膜の下の（Ｈｒ膜を
リアクティブイオンエツチングする事によってエツジが
矩形のマスクを製作した。

ごのようにして作ったＱｒマスク付Ａｕ膜を拡散Ａｒイ
オンビームでエツチングすることによって不等周期のエ
シェレノト型チャープトゲレーティングを得た。このと
きの拡散イオンビームに対する基板の配置は実施例／と
同しにした。

外だし今回使用したＡｒイオン源はＥＣＲ型　（電子サ
イクロトロン共鳴型）でレンズ系としては、均一な拡散
イオンビームを得るためにコンデンサーレンズと対物レ
ンズを利用したレンズ系を使った。

このレンズ系はイＡン源からのビームをコンデンサーレ
ンズで一度絞り、次に対物レンズ絞りを通して対物レン
ズで集束させ、さらに試料前面のビーム制限絞りを通し
て均一な拡散イオンビームを得るものである。

またこの拡散イオンビームの電流密度は約グ。８１０ｍ
２でＡｕに対するエソチンク速度は約、ｊ□Ａ７’ｍｉ
ｎであった。

〔実施例３〕 単結晶８１基板に熱酸化法で厚さ。、乙μｍ　の５ｉ０
２膜を形成したものを用意した。

次にこの基板上にフォトレジストとしてＡＺ／３３０を
０１５８ｍの厚さになるようにスピンナーテ塗布し、Ｈ
ｅ　−Ｃｉｄレーザーの３２−’；ｎｍの光を使い、三
光束干渉法でオざ図のような所定のパターンが形成され
るように７オトレジストを露光、現像してングの長さを
６ｍｍとして設定した。

上記準備の後ＣＦ　４を用いた反応性イオンビームエノ
チングを行なって５ｉ０２膜をエツチングした。

イオンビームの拡がりは約／／、ｌＩ０になるように電
界レンズを調整した。

使用したイオン源はカホフマン型でエノチンク条ｆ′１
は加速電圧０．、！；　ｋｅｖ　、電流密度０．ｔ１ｍ
Ａ７／ｃｍ２．真空度０．ｇ　Ｘ　１０’−５Ｔｏｒｒ
テあ−）　だ。

エツチングレートは５１０２膜が３乙ＱＡ／ｍｔｎでフ
ォトレジストＡＺ／３．！；Ｏが７３０Ａ／ｍｉｎてあ
り、／６分３０秒のエツチング時間が必要であった。

−１−記のエンチングの結果、片側においてオ／３図に
示すような溝幅周期をもつオ／／図のようなチャープト
ゲレーティングが形成されていた。

オ／３図において横軸は基板中心からの距離なｍｍで示
し、たて軸は溝周期Ｗをμｍの単位で対から拡散放射し
た光線がグレーティング而／て回折された後、中心軸か
ら７ｇ＝、？ｍｍ＠れた上記光源点、２０と対称な点２
／に集束する。

【図面の簡単な説明】

オフ図は不等周期チャープトゲレーティングを示ず側断
面図、牙、２図はオフ図のものの使用例を示す側断面図
、第３図ないしオフ図は本発明の一実施例をボし、牙３
図は基板へのマスキングの方法を示す側断面図、オダ図
は同マスク付き基板を拡散イオンビーム内に配置した状
態を示す側断面図、第５図（イ）ないしくハ）はオグ図
の方法で基板がエツチングされる状態を段階的に示す側
断面図。 オ乙図は第１図における角度関係を模式的に示す側断面
図、オフ図は第４Ｚ図において基板面に平行な面で切断
した平面図、オｇ図および１９図は本よび平面図、１９
図はオざ図のマスク付き基板を拡散イオンビーム内にセ
ットした状態を示す切断したエツチング方法で得られる
チャープトゲレーティングを示す側断面図、オノ、２図
は本発明方法のオ／実施例で製造される不等周期チャー
ブトゲレーティングの溝周期を示すグラフ、オフ３図は
本発明方法の第３実施例で製造されるチャープトゲレー
ティングの溝周期を示すグラフ、オフ１図は本発明め第
２実施例で製造されるチャープトゲレーティングの回折
作用を示す断面図である。 ／・−・・・・・・グレーティング　２・・・・・・・
・鋸歯溝２Ａ・・・・・・・・回折面　ｑ、ダＡ、　９
　Ｂ、・・・・・・・・光線ＪＡ、６Ｂ・・・・・・・
・光ファイ／く−７・・・・・・透明フ゛ロック１０・
・・・・・・・基板／／・・・・・・・・マスク開口１
２・・・・・・・・マスク　　１３・・・・・・・・イ
オンビーム／ｌ・・・・・・・・イオン銃　１５・・・
・・・・・電界レンズ／乙・・・・・・・ビーム中心軸
　／７・・・・・・・・基板法線特許出願人　工業技術
院長 石　　坂　　誠　　− 第１図 ＶＶ 第２因 第４囚 第３図 ２ 第５囚 第６囚 第８図 第１０図 １ 第１１図 第１３図 」す（石［十１ｕ％力〉ッ距″ｉｆＬ　（ｍｍ）　　　
　　　　　　ｘ第１４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 する方法であって、基板上に前記グレーティンクツパタ
   ーンで不等間隔の縞状の開口部を残してマスクを施し、
   次にこのマスク付き基板を拡散するイオンヒーム内に配
   置し、前記拡散イオンビームて＆［のマスキング面をエ
   ツチングすることを特徴トスるチャープトゲレーティン
   グの製造方法。 １１）　　特許請求の範囲第１項において、基板は前記
   マスク開口を横断する垂直仮想面内に前記イオンビーム
   中心軸が含まれるように、且つ前記仮想面内で基板面法
   線をイオンビーム中心軸に対しマスクｍ１ｒＥ幅の小さ
   い側に傾斜させて配置することを特徴とするチャープト
   ゲレーティングの製造方法。