JPS5946363B2 - 平面回折格子の製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は平らな主面を有する基体にその主面側より断面
逆Ξ角形の溝条の多数が予定の方向に所定のピッチを以
つて順次連接して互に平行に形成されてなる構成の平面
回折格子の製法の改良に関する。

斯種平面回折格子は光多重伝送方式に於ける光分波手段
として利用し得るものであるが、斯種平面回折格子を得
るにつき従来は、その多数を再現性良く容易に裏山し得
るということで、平面回折格子の溝条に対応する突条の
形成された鋳型（マスタ）を予め用意し、而してこれを
用いてレプリカを得、これを平面回折格子として得るを
普通としていた。

然し乍ら斯る製法による場合、鋳型（マスタ）を得るに
高価な加工用機械及び高度の技術を要し、この為平面回
折格子を廉価に提供し得ないものであつた。

又多種類の平面回折格子を得んとすれば、これに応じて
突条のピッチ、突条の断面形状の互に異なる複数種の鋳
型（マスタ）を用意しなければならなかつた等の欠点を
有していた。叙上に鑑み、本発明者等は、シリコン単結
晶が、所定のエッチング液を用いてエッチングされる場
合のエッチング速度の結晶面に対する異方性を有するの
で、シリコン単結晶の主面士に、得んとする平面回折格
子のピッチに比し十分小なる幅を有する条状のマスク層
の多数が予定の方向に配列されてなるエッチング用マス
クを附し、而して上述せるエッチング速度の結晶面に対
する異方性を利・ 用してシリコン単結晶に対するエッ
チング処理をなせば、シリコン単結晶を基体とせる前述
せる平面回折格子を裏山し得るのではないかということ
を想記するに到り、種々の実，験の結果、確かにシリコ
ン単結晶の主面土に、得んとする平面回折格子のピツチ
に比し十分小なる幅を有する条状のマスク層の多数が予
定の方向に配列されてなるエツチング用マスクを附し、
而してシリコン単結晶に対し、その主面側より、エツチ
ング用マスクをマスクとしてシリコン単結晶に対する所
定のエツチング液を用いてエツチングをなした場合はそ
のエツチング速度の結晶面に対する異方性を利用したエ
ツチング処理をなし、然る后シリコン単結晶上よりエツ
チング用マスクを除去すれば、シリコン単結晶を基体と
せる目的の平面回折格子を得ることが出来、しかもこの
様にして目的とせる平面回折格子を製出すれば、前述せ
る平面回折格子がシリコン単結晶に対するエツチング処
理をなす丈けで直ちに得られることにより、前述せる従
来の製法の欠点を伴うことなしに目的とする平面回折格
子を得ることが出来ることを確認するに到つたものであ
る。

然し乍ら斯くシリコン単結晶の主面土に、得んとする平
面回折格子のピツチに比し十分小なる幅を有する条状の
マスク層の多数が予定の方向に配列されてなるエツチン
グ用マスクを附し、而してシリコン単結晶に対し、その
主面側より、エツチング用マスクをマスクとしてシリコ
ン単結晶に対する所定のエツチング液を用いてエツチン
グをなした場合のそのエツチング速度の結晶面に対する
異方性を利用したエツチング処理をなし、然る后シリコ
ン単結晶上よりエツチング用マスクを除去してシリコン
単結晶を基体とせる目的の平面回折格子を得るという製
法の場合、そのエツチング処理を長時間なさない限りシ
リコン単結晶のエツチング用マスク下の領域が側方より
深くエツチングされるということとはならず、従つてエ
ツチング処理を長時間なさない限り得られる平面回折格
子がその一の断面逆三角形の溝条とそれと隣る断面逆三
角形の溝条との間にシリコン単結晶の主面による条状の
平らな面の残され且断面逆三角形の溝条をして予定の深
さを有さざるものとして得られ、依つて目的とせる平面
回折格子が高い回折効率を有するものとして得られてな
いという欠点を有していた。

又この為土述せるエツチング処理を長時間なすとすれば
、得られる平面回折格子がその一の断面逆三角形の溝条
と隣る断面逆三角形の溝条との間にシリコン単結晶の主
面による条状の平らな面の残され且断面逆三角形の溝条
をして予定の深さを有ささるものとして得られるという
ことはなく、従つて目的とせる平面回折格子が高い回折
効率を有するものとして得られると考えられるものであ
るＯ然し乍ら斯くエツチング処理を長時間なせばシリコ
ン単結晶上に附されているエツチング用マスクを構成せ
るマスタ層に剥離を生ずる濯れを有し、そして斯る剥離
が生ずれば、得られる平面回折格子が断面逆三角形の溝
条の多数をして予定の方向に所定のピツチを以つて順次
連接して互に平行に形成されて存るという構成で得られ
なくなるという欠点を有していた。

一方、本発明者等は、土述せる如くして目的とせる平面
回折格子を得る様になすのではあるが、その上述せるエ
ツチング処理（これを第１のエツチング処理と称す）后
、土述せるシリコン単結晶上よりエツチング用マスクを
除去する前に於いて、シリコン単結晶に対し、そのシリ
コン単結晶に対する上述せる第１のエツチング処理に用
いるエツチング液とは異なる所定の他のエツチング液を
用いてエツチングした場合のそのエツチング速度の結晶
面に対する等方性を利用した他のエツチング処理（これ
を第２のエツチング処理と称す）をなせば、上述せる第
１のエツチング処理をシリコン単結晶のエツチング用マ
スク下の領域を側方より深くエツチングされるべく長時
間なさなくても、短時間の第２のエツチング処理により
シリコン単結晶のエツチング用マスク下の領域を側方よ
り深くエツチングせる効果を得ることが出来、従つて第
１及び第２のエツチング処理を通してみたエツチング処
理を、土述せる第２のエツチング処理をなさないで目的
とせる平面回折格子を得るという上述の方法の場合に比
し短時間で目的とせる平面回折格子を得ることが出来、
そしてそこに土述せる欠点を伴うことがないということ
を確認するに到つた。

依つて此処に本発明を提案するに到つたもので、以下本
発明の実施例を詳述する所より明らかとなるであろう。

今第１図Ａに示す如き、平らな主面１とこれと垂直な平
らな側面２とを有し、主面１が（１００）面、側面２が
（１１０）面でなる結晶面でなるシリコン単結晶３を考
えるに、そのシリコン単結晶３の主面１土に、第１図Ｂ
に示す如く、その主面１上の側面２と垂直方向に幅ａを
以つて延長せる領域『以外の領域をマスクせるマスク層
４を附し、而してそのシリコン単結晶３に対するマスク
層４をマスクとせるエツチング処理を、ＡＰＷ（Ａｍｉ
ｎｅＰｙｒＯｃａｔｅｃｈＯｌＷａｔｅｒ，ＮＨ２（Ｃ
Ｈ２）２ＮＨ２＋Ｃ６Ｈ４（０Ｈ）２＋Ｈ２Ｏ）の如き
エツチング液、例えばＫＯＨの如きアルカリ系のエツチ
ング液等のエツチング液を用いてなせば、シリコン単結
晶３の（１００）面及び（１１０）面でなる結晶面が、
他の（１１１）面でなる結晶面に比し大なる速度でエツ
チングされることによりシリコン単結晶３がその領域１
″の位置に於て、内側面を（１１１）面の結晶面とせる
、断面でみて領域１１の幅ａを底辺の長さとせる逆台形
の溝条が時間と共に深さが徐々に大なるものとして形成
される解程をとる如くエツチングされ、遂に第１図Ｃに
示す如く内側面５Ｌ及び５Ｒを（１１１）面の結晶面と
せる、断面でみて領域『の幅ａを底辺の長さとせる逆二
等辺三角形の溝条６が形成される如くエツチングされ、
爾后は殆んどエツチングされないこととなるものである
。

従つて斯る断面逆二等辺三角形の溝条６が形成されて后
、シリコン単結晶３に対する上述せるエツチング液を用
いたエツチング処理を終了せしめ、そしてマスク層４を
シリコン単結晶３上より除去すれば、第１図Ｄに示す如
く内側面５Ｌ及び５Ｒを（１１１）面の結晶面とし、内
側面５Ｌ及び５Ｒのなす角βが７０，５３）であるとい
う、断面二等辺三角形の溝条６の形成されたシリコン単
結晶３が得られるものである。一方平らな主面を有する
基体にその主面側より断面逆三角形の溝条の多数が予定
の方向に所定のピツチを以つて順次連接して互に平行に
形成されてなる構成の平面回折格子に於ては、その溝条
の多数が予定の方向に所定のピツチを以つて順次連接し
て形成されてなるというそのピツチをＰ（μｍ）とし、
又各溝条の２つの平らな内面の一方と平らな主面とのな
す角をθ（）とし、又フレーズ波長をλＢ、フレーズ回
折次数をＭＢとすれば、ピツチＰ及び角θがθ＝Ｓｌｎ
−１ＭＢλＢ・・・・皿（１）２Ｐ で表わされみ閃係を有し、従つて今フレーズ波長λＢを
８５００λとした場合、ピツチＰ及び角θが１次及び２
次のフレーズ回折次数をパラメータとして第２図の曲線
１及びに示されている関係を有するものである。

以上に基き本発明の実施例に於ては、第３図Ａに示す如
き、平らな主面１１とこれと垂直な平らな側面１２とを
有し、主面１１を（１１０）面と垂直な方向よりみて（
１１１）面に対して土述せる（１）式で表わされる角θ
丈け傾斜せる結晶面、側面１２を（１１０）面の結晶面
とせるシリコン単結晶１３を予め用意し、而してその主
面１１上に第３図Ｂに示す如く側面１２と垂直な方向に
得んとする平面回折格子のピツチＰに比し十分小なる微
小幅Ｄを以つて延長せる条状のマスク層１４の多数がそ
のマスク層１４の延長方向と垂直な方向にピツチＰを以
つて順次平行に配列されてなるエツチング用マスクＭを
附し、次にシリコン単結晶１３に対し、その主面１１側
より、エツチング用マスクＭをマスクとせる第１のエツ
チング処理を、前述せるエツチング液を用いてなすもの
である。

尚この場合の角θは、例えばフレーズ波長λＢを８５０
０λとし、フレーズ回折次数ＭＢを「２」とすれば、例
えばピツチＰを１００μｍとするとき４．８７６え、又
フレーズ波長λＢを８５００λ、フレーズ回折次数ＭＢ
を「１」とすれば例えばピツチＰを４μｍとするとき６
．１勿あるものである。然るときは第１図にて土述せる
所よりして明らかな如くシリコン単結晶１３がそのエツ
チング用マスクＭの各相隣るマスク層１４間位置に於て
エツチングされて第３図Ｃに示す如く内側面１５Ｌ及び
１５Ｒを（１１１）面の結晶面とせる、断面でみてエツ
チング用マスクＭの各相隣るマスク層１４の内側間間隔
と略々等しい長さを底辺の長さとせる逆三角形の溝条１
６の多数が形成され、爾后シリコン単結晶１３は殆んど
エツチングされず、相隣る溝条１６間に於けるエツチン
グ用マスクＭのマスク層１４下にシリコン単結晶１３の
主面１１による条状の面１７が残されることとなるもの
である。

従つて斯る断面逆三角形の溝条１６の多数が形成されて
后、シリコン単結晶１３に対する第１のエツチング処理
を終了せしめるものであるＯ次に斯く得られた断面逆三
角形の溝条１６の多数が形成され且シリコン単結晶１３
の主面１１による条状の面１７が残されてなるシリコン
単結晶１３に対し、そのシリコン単結晶に対して等方性
を以つてのエツチングをなす例えば弗酸系エツチング液
、硝弗酸系エツチング液等のエツチング液を用いた第２
のエツチング処理を、エツチング用マスクＭの存在の下
でなすものである。

然るときは、シリコン単結晶１３がそのエツチング用マ
スクＭの各相隣るマスク層１４間位置に形成された断面
逆三角形の溝条１６につきその内側面１５Ｌ及び１５Ｒ
がそれ等内側面１５Ｌ及び１５Ｒと垂直方向にエツチン
グされる態様を以つてシリコン単結晶１３がそのエツチ
ング用マスクＭの各マスク層１４下の位置迄エツチング
されて、第３図Ｄに示す如く内側面１５１１及び１５Ｗ
を（１１１）面の結晶面とせる、断面でみてエツチング
用マスクＭのマスク層１４の配列ピツチＰと略略等しい
長さを底辺の長さとせる逆三角形の溝条１６′の多数が
形成され、又シリコン単結晶１３の主面１１による条状
の面１７が実質的になくなるものである。

従つて斯る断面逆三角形の溝条１６！の多数が形成され
て后、シリコン単結晶１３に対する第２のエツチング処
理を終了せしめるものである。次に斯く得られた断面逆
三角形の溝条１６／の多数が形成されてなるシリコン単
結晶１３上よりエツチング用マスクＭを除去し、第３図
Ｅに示す如き平らな主面１１を有するシリコン単結晶１
３にその主面１１側より断面逆三角形の溝条１６′の多
数がその溝条１６／の延長方向にピツチＰを以つて順次
連接して互に平行に形成されてなる構成を得、これをシ
リコン単結晶１３を基体とせる目的とする平面回折格子
として得る。

以上が本発明による平面回折格子の製法の実施例である
が、斯る製法によれば、それが、主面１１を（１１０）
面と垂直な方向よりみて（１１１）面に対して土述せる
（１）式のθ丈け傾斜せる結晶面、側面１２を（１１０
）面の結晶面とせるシリコン単結晶１３を用い、而して
その主面１１上に得んとする平面回折格子のピツチＰに
比し十分小なる幅を有する条状のマスク層１４の多数が
例面１２と垂直な予定の方向に配列されてなるエツチン
グ用マスクＭを附し、次にシリコン単結晶１３に対し、
その主面１１側よりエツチング用マスクＭをマスクとし
て前述せるエツチング液を用いた第１のエツチング処理
をなし、続いてシリコン単結晶１３に対しエツチング用
マスクＭの存在の下で前述せるエツチング液を用いた第
２のエツチング処理をなし、これにより単結晶１３に（
１１１）面でなる２つの平らな内側面１５Ｃ及び１５Ｒ
″を有する溝条１６′を形成し、然る后エツチング用マ
スクＭをシリコン単結晶１３土より除去することにより
目的とする平面回折格子を得るという製法であるので、
その製法によつて得られる平面回折格子が、第３図Ｅに
示す如く、その各溝条１６″の２つの平らな内側面１５
ｙ及び１５Ｒｂ一方１５Ｒ７をしてシリコン単結晶１３
の（１１０）面と垂直な方向よりみて主面１１に対して
上述せる角θ丈け傾斜せる面として得らへ且内側面１５
ｙ及び１５Ｒ′のなす角βをして７０，５？で得られ、
従つて角θが小なる範囲に於ては各溝条１６″をして断
面でみて内側面１５ｙに沿う辺の長さが内側面１５Ｒ１
こ沿う長さに比し小であるという逆二等辺三角形ではな
い逆三角形で得られるので、この場合平面回折格子が所
謂エシエレツト型で得られるものであるが、斯る本発明
の製法は土述せる所より明らかな如く、シリコン単結晶
に対する所定の第１のエツチング液を用いてエツチング
をなした場合のそのエツチング速度の結晶面に対する異
方性を利用した第１のエツチング処理をなし、続いてシ
リコン単結晶に対する所定の第２のエツチング液を用い
てエツチングをなした場合のそのエツチング速度の結晶
面に対する等方性を利用した第２のエツチング処理をな
して、シリコン単結晶を基体とせる平面回折格子を得る
というものであるので、冒頭にて前述せる従来の平面折
格子の製法の欠点を伴うことなしに、目的とする平面回
折格子を容易に得ることが出来るものである。

又本発明の製法によれば、前述せる第１のエツチング処
理及び第２のエツチング処理を順次なしてシリコン単結
晶を基体とせる平面回折格子を得るというものであるの
で、得られた平面回折格子がその一の断面逆三角形の溝
条とそれと隣る断面逆三角形の溝条との間にシリコン単
結晶の主面による条状の平らな面の実質的に残されてい
ない且断面逆三角形の溝条をして予定の深さを有するも
のとして得られ、この為得られる平面回折格子が高い回
折効率を有するものとして得られるものである。

因みに本発明の製法によつて断面逆三角形の溝条１６１
の多数のピツチＰが４μｍ１θが６．１１である平面回
折格子を得た場合、それに対する光の波長λに対する回
折効率ηが第４図にて実線図示の如く点線図示の理論特
性曲線Ｈに近い特性曲線１を以つて得られた。又本発明
の製法によれば、平面回折格子を得るにつき採られるエ
ツチング処理が第１のエツチング処理と第２のエツチン
グ処理との２度のエツチング処理を順次採るとしても、
第１のエツチング処理のみを採つて土述せる本発明の製
法によつて得られる平面回折格子と同様の平面回折格子
を得るものとした場合に比し短時間で済むものである。

更に本発明の製法によれば、今述べた如く上述せる本発
明の製法によつて得られる平面回折格子が、短時間のエ
ツチング処理で得られることにより、そのエツチング処
理時に於てシリコン単結晶上に附されているエツチング
用マスクを構成せるマスク層に剥離を生ずるという惺れ
が実質的に生ぜず、又仮え第１のエツチング処理によつ
て第３図Ｃと対応せる第５図Ａに示す如くに丁度断面逆
三角形の溝条１６の多数が形成された時点又はその時点
近傍若しくはその時点より第１のエツチング処理を終了
せしめる前迄の時点に於て鎖線にて表わされている如く
マスク層１４の剥離が生じたとしても、第３図Ｄに対応
せる第５図Ｂに示す如く第２のエツチング処理によつて
シリコン単結晶１３のマスク層の剥離された領域１７が
深くエツチングされることはなく、従つて第３図Ｅｆこ
対応せる第５図Ｃに示す如く断面逆三角形の溝条１６′
の多数が予定の方向に所定のピツチを以つて順次連接し
て互に平行に形成されてなるという構成を保つて得られ
（従つてこの場合に得られる第５図Ｃに示す平面回折格
子をも利用し得る平面回折格子とし得ることが出来るの
で歩留り良く平面回折格子を得ることが出来るものであ
る。因みに第１のエツチング処理のみを採ることにより
本発明の製法によつて得られる平面回折格子と同様の平
面回折格子を得るものとすれば、第５図Ａ，Ｂ及びＣに
対応せる第６図Ａ，Ｂ及びＣに示す如く第１のエツチン
グ処理によつてシリコン単結晶１３のマスク層１４の剥
離された領域１７も深くエツチングされ、従つて断面逆
三角形の溝条１６７の多数が予定の方向に所定のピツチ
を以つて順次連接して互に平行に形成されてなるという
構成とは云い得ない構成を以つて得られるものである。
尚土述に於ては本発明の一例を示したに留まり、例えば
第３図Ａ−Ｅの工程をとつて後、そのシリコン単結晶１
３の主面１１側上に溝条１６の内面を含めて例えば蒸着
、スパッタリング等により、金、アルミニウム等でなる
反射用薄膜を附し、より効率の高い平面回折格子を得る
ことも出来、その他本発明の精神を脱することなしに種
々の変型変更をなし得るであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の説明に供するシリコン単結晶に対する
所定のエツチング液を用いてエツチングした場合のその
エツチング速度の結晶面に対する異方性を示す路線的斜
視図、第２図は本発明の説明に供する平面回折格子の相
離る溝条間のピツチＰと、平面回折格子の主面と各溝条
の２つの平らな内面の一方とのなす角θとの関係を示す
曲線図、第３図は本発明による平面回折格子の製法の一
例を示す順次の工程に於ける路線的断面図、第４図は本
発明の製法によつて得られる平面回折格子の回折効率を
示す曲線図、第５図は本発明の製法に於てマスク層に剥
離が生じた場合を示す順次の工程に於ける路線的断面図
、第６図は本発明の製法によらない製法に於てマスク層
に剥離が生じた場合を示す順次の工程に於ける路線的断
面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 平らな主面を有する基体にその主面側より断面逆三
   角形の溝条の多数が予定の方向に所定のピッチを以つて
   順次連接して互に平行に形成されてなる構成の平面回折
   格子を得るにつき、上記基体としてシリコン単結晶を用
   い、該シリコン単結晶の主面上に、上記ピッチに比し十
   分小なる幅を有する条状のマスク層の多数が予定の方向
   に配列されてなるエッチング用マスクを附し、次に上記
   シルコン単結晶に対し、その主面側より、上記エッチン
   グ用マスクをマスクとして、当該シリコン単結晶に対す
   る所定の第１のエッチング液を用いてエッチングをなし
   た場合のそのエッチング速度の結晶面に対する異方性を
   利用した第１のエッチング処理をなし、続いて上記シリ
   コン単結晶に対し、当該シリコン単結晶に対する所定の
   第２のエッチング液を用いてエッチングをなした場合の
   そのエッチング速度の結晶面に対する等方性を利用した
   第２のエッチング処理をなし、次に上記シリコン単結晶
   上より上記エッチング用マスクを除去して、上記シリコ
   ン単結晶を基体とせる上記平面回折格子を得れ様にした
   事を特徴とする平面回折格子の製法。