DE3837874A1 - Verfahren zur herstellung von gitterstrukturen mit um eine halbe gitterperiode gegeneinander versetzten abschnitten - Google Patents

Verfahren zur herstellung von gitterstrukturen mit um eine halbe gitterperiode gegeneinander versetzten abschnitten

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    • G—PHYSICS
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gitterstrukturen, die mindestens zwei Bereiche aufweisen, in denen das Gitter zwar die gleiche Periode hat, die aber gegeneinander um eine halbe Gitterperiode versetzt sind. Dieses Verfahren eignet sich besonders für Gitterstruk­ turen in Halbleiterbauelementen, wie z.B. Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser). DFB-Laser zeichnen sich durch geringe Linienbreite, thermisch stabiles Betriebsverhal­ ten und longitudinale Einmodigkeit auch bei hoher Modulationsfrequenz aus. Sie eignen sich daher besonders als Sender in optischen Nachrichtenübertragungsstrecken großer Reichweite. Bei idealen DFB-Lasern, bei denen die Rückkopplung ausschließlich durch die vom DFB-Gitter erzeugte periodische Variation des Realteils des effektiven Brechungsindexes bewirkt wird, besitzen jedoch zwei Moden, die symmetrisch zur Bragg-Wellenlänge liegen, die gleiche Schwellenverstärkung. Dadurch ist ein einmodiger Betrieb eigentlich unmöglich und in der Praxis nur für eine begrenzte Anzahl von Lasern erreichbar, bei denen die Symmetrie des Modenspektrums durch zufällig auftretende Phasenverschiebungen gebrochen wird. Eine wesentlich größere Ausbeute an dynamisch einmodigen Lasern wird erreicht, wenn in die Beugungsgitter erster Ordnung dieser Laser die Phasenverschiebung kontrolliert eingebaut wird, wobei der geeignete Wert der Verschiebung ein Viertel der Lichtwellenlänge in der Halbleiterstruktur ist.
Verschiedene Herstellungsmethoden des Phasensprungs um eine Viertel-Wellenlänge im Gitter wurden bereits erprobt, z.B. mittels Elektronenstrahllithographie (K. Sekartedjo et al., Electron. Letters 20 (1984), pp. 80 bis 81) oder mittels holographischer Lithographie. Bei der holographischen Be­ lichtung sind u.a. die Phasenverschiebung im Strahlengang (S. Tsuji et al.: "Quarter Lamda Shifted DFB Lasers by Phase Image Projection Method", 10th IEEE Intern. Semicon. Laser Conf. ′86, 58.) als auch die Positiv-negativ-Fotolackmethode (K. Utaka et al.: "λ/4-Shifted InGaAsP/InP DFB Lasers by Si­ multaneous Holographic Exposure of Positiv and Negative Photo­ resists", Electron. Lett. 20, 1008 (1984)) bekannt. Bei der Herstellung des Phasensprunges um eine Viertel-Wellenlänge mittels Positiv-negativ-Fotolacktechniken werden Negativ-Foto­ lackstreifen ganzflächig mit einem positiven Lack überdeckt. Durch alternatives Belichten der gegeneinander versetzt auszubildenden Abschnitte des Gitters und unter Ausnutzung der unterschiedlichen Empfindlichkeiten der Lacke gegenüber dem Licht wird der Sprung in dem Gitterabstand zur Ausbildung des Phasensprunges erreicht. Die ersten Versuche mit dieser Methode zeigten Probleme wegen des Durchmischens der einzelnen Lacke untereinander. Dieses Mischen kann verhindert werden durch die Einführung einer durchsichtigen Zwischenschicht aus SiN x , welche mittels Elektron-Zyklotron-Resonanz (ECR)-CVD aufgebracht wurde (K. Utaka et al.: "λ/4-Shifted InGaAsP/InP DFB Lasers", IEEE J. of Quantum Electronics, Vol. QE-22, 7, 1042 (1986)). Ein weiteres Problem dieser Positiv-negativ-Lack­ methode ist jedoch die gleichzeitige holographische Belichtung beider Lacke, da diese Lacke verschiedene Lichtsensitivitäten aufweisen. Eine alternative Herstellungsmöglichkeit besteht in dem versetzten Schreiben der Maske mit einem gesteuerten Elektronenstrahl. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die lange Bearbeitungszeit wegen der geringen möglichen Schreibgeschwindigkeit. Die Einführung phasenschiebender optischer Elemente in den Strahlengang beim holographischen Belichten einer einfachen Fotolackschicht ermöglicht keine genaue örtliche Festlegung des Phasensprungs auf dem belichteten Wafer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Gitterstrukturen mit um eine halbe Gitter­ periode gegeneinander versetzten Abschnitten auf der Ober­ fläche von Bauelementen, insbesondere Halbleiterbauelementen wie z.B. DFB-Lasern anzugeben; dieses Verfahren soll tech­ nisch einfach durchzuführen sein und enge Herstellungs­ toleranzen garantieren.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Es folgt eine Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Fig. 1 bis 6.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Gitterherstellung mit Phasensprung wird die an sich bekannte Methode der selektiven Epitaxie auf einer teilweise maskierten Halbleiteroberfläche genutzt. Ausgangspunkt des Verfahrens ist eine periodische Gittermaske 1, die z.B. mittels holographischer Fotolithogra­ phie auf der Gitterschicht 2, die für die Ausbildung des Git­ ters vorgesehen ist, erzeugt wird. Diese Gittermaske 1 kann z.B. aus Titan bestehen.
Fig. 1 zeigt die Gitterschicht 2 mit der darauf aufgebrachten Gittermaske 1 im Querschnitt.
Mit Hilfe eines Epitaxieverfahrens (z.B. MOVPE, VPE, Massen­ transport) wird auf die mit der Gittermaske 1 versehene Oberfläche der Gitterschicht 2 eine Füllschicht 3 bevorzugt aus Halbleitermaterial aufgebracht. Die Zusammensetzung dieser Füllschicht 3 wird so gewählt, daß sich diese Füllschicht 3 relativ zur Gitterschicht 2 selektiv ätzen läßt. Aufgrund der gegenüber der Gitterschicht 2 verschiedenen Materialeigenschaf­ ten dieser Füllschicht 3 (Titan bzw. Halbleitermaterial) wächst diese Füllschicht 3 nur auf dem Material der Gitterschicht 2 und nicht auf der Gittermaske 1 auf und füllt so die Zwischen­ räume zwischen den Streifen der Gittermaske 1.
Die Gitterschicht 2 mit den darauf aufgebrachten einander abwechselnden Streifen der Gittermaske 1 und der Füllschicht 3 sind im Querschnitt in der Fig. 2 dargestellt.
In einem nächsten Schritt wird eine erste Fotolackschicht 4 aufgebracht. Diese erste Fotolackschicht 4 wird so strukturiert, daß von zwei aneinander angrenzenden jeweils um eine halbe Gitterperiode gegeneinander versetzten Abschnitten der herzustellenden Gitterstruktur jeweils der eine von der ersten Fotolackschicht 4 bedeckt wird und der andere jeweils frei bleibt. Die Begrenzungen der einzelnen Anteile dieser ersten Fotolackschicht 4 verlaufen also an den Grenzen der um eine halbe Gitterperiode gegeneinander versetzten Abschnitten der herzustellenden Gitterstruktur.
In Fig. 3 ist die Gitterschicht 2 mit der aufgebrachten Gittermaske 1 und der Füllschicht 3 sowie der ersten Fotolack­ schicht 4 im Querschnitt gezeigt.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird in den nicht von der ersten Fotolackschicht 4 bedeckten Bereichen der Oberfläche der Gitterschicht 2 der dort vorhandene Anteil der Gittermaske 1 durch selektives Ätzen entfernt, wobei die betreffenden Streifen der Füllschicht 3 nicht entfernt werden.
Das Ergebnis dieses Verfahrensschrittes ist in Fig. 4 dargestellt.
Im Anschluß daran wird die erste Fotolackschicht 4 entfernt und eine zweite Fotolackschicht 5, die die von der ersten Fotolackschicht 4 freigelassenen Bereiche abdeckt, aufgebracht. Durch einen weiteren selektiven Ätzschritt wird in den Bereichen, die von dieser zweiten Fotolackschicht 5 freigelassen werden, die Streifen der Füllschicht 3 entfernt.
Es ergibt sich, wie in Fig. 5 dargestellt, die fertige Gitterstruktur aus dem Rest der Gittermaske 1 und dem Rest der Füllschicht 3. In Fig. 5 ist noch die zweite Fotolackschicht 5 mit eingezeichnet.
Die jeweiligen Anteile der Gittermaske 1 und der Füllschicht 3, die übriggeblieben sind, bilden die um eine halbe Gitterperiode gegeneinander versetzten Abschnitte des auszubildenden Gitters.
Nachfolgend wird die zweite Fotolackschicht 5 entfernt und die Gitterstruktur in das Halbleitermaterial der Gitterschicht 2 hineingeätzt.
Fig. 6 zeigt das fertige Gitter in der Gitterschicht 2 mit den darauf befindlichen Resten der Gittermaske 1 und der Füllschicht 3 im Querschnitt.
Gegebenenfalls können die Reste der Gittermaske 1 und der Füllschicht 3 von der Gitterschicht 2 entfernt werden und die mit der Gitterstruktur versehene Gitterschicht 2 mit weiteren Schichten überwachsen werden.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung von Gitterstrukturen mit um eine halbe Gitterperiode gegeneinander versetzten Abschnitten, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem ersten Schritt auf einer für die Gitterstruktur vorgesehenen Gitterschicht (2) eine Gittermaske (1) aufgebracht wird,
daß in einem zweiten Schritt mittels Epitaxie auf die freien Anteile der Oberfläche der Gitterschicht (2) eine Füllschicht (3) aufgebracht wird,
daß diese Füllschicht (3) eine Zusammensetzung hat, die von der Zusammensetzung der Gitterschicht (2) derart verschieden ist,
daß bezüglich der Gitterschicht (2) und der Füllschicht (3) selektives Ätzen möglich ist,
daß in einem dritten Schritt ein Bereich der Gittermaske (1) und der Füllschicht (3), dessen Grenzen mit Grenzen von um eine halbe Gitterperiode gegeneinander versetzten Abschnitten der herzustellenden Gitterstruktur zusammenfallen, mit einer ersten Fotolackschicht (4) abgedeckt wird,
daß in einem vierten Schritt der in dem von der ersten Foto­ lackschicht (4) freigelassenen Bereich der Gittermaske (1) und der Füllschicht (3) befindliche Anteil der Gittermaske (1) ent­ fernt wird,
daß in einem fünften Schritt die erste Fotolackschicht (4) ent­ fernt wird,
daß in einem sechsten Schritt der zu dem Bereich, der von der ersten Fotolackschicht (4) bedeckt worden war, komplementäre Bereich der Gittermaske (1) und der Füllschicht (3) mit einer zweiten Fotolackschicht (5) abgedeckt wird,
daß in einem siebenten Schritt der in dem von der zweiten Foto­ lackschicht (5) freigelassenen Bereich der Gittermaske (1) und der Füllschicht (3) befindliche Anteil der Füllschicht (3) ent­ fernt wird,
daß in einem achten Schritt die zweite Fotolackschicht (5) ent­ fernt wird und
daß in einem neunten Schritt unter Verwendung der übriggeblie­ benen Anteile der Gittermaske (1) und der Füllschicht (3) als Maske die Gitterstruktur durch Ätzen in die Gitterschicht (2) übertragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gittermaske (1) Titan ist und daß die Gitterschicht (2) und die Füllschicht (3) Halbleitermaterial sind.
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