JPH02196202A - 位相シフト型回折格子の形成方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、分布帰還型半導体レーザ（以下ＤＦＢ−ＬＤ
と言う、）における位相シフト型回折格子の形成方法に
関する。

（従来の技術） ＤＦＢ−ＬＤは、素子内に組み込まれた回折格子による
強い波長選択性により、１０’ビット／秒程度までの単
一軸モード発振を高速変調時においても実現するもので
、この単一軸モード発振は発振波長の温度変動も約１人
／℃と、ファブリ・ペロー型半導体レーザの約５人／℃
に比較して、きわめて安定している事が報告されている
（ＩＥＥＥ　ＪＯＵＲ−ＮＡＬ　ＯＦ　ＱＵＡＮＴＵＭ
　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ、ＶＯＬ、ＱＥ−１８，ＮＯ
，８゜ＡＵＧＵＳ↑１９８２　）　。

しかしながら、均一な回折格子を有するＤＦＢ−ＬＤは
、素子内の活性ブラッグ導波路中を進行する光波と後退
する光波が、回折格子のブラッグ波長に一致する場合、
光電磁波の位相不整合が起り進行。

波が大きく減衰するため、レーザ発振が生じない。

そして活性導波路の光学的構造が対称的な場合、ブラッ
グ波長を挟みストップバンドと呼ばれる間隔を置いて長
波長側と短波長側が同一の発振閾値となる二つつの軸モ
ードでレーザ発振が生ずる。

また、導波路対称性が崩れている場合においても、両モ
ード間の闇値差が充分大きくないため、素子の駆動条件
によっては、一方のモードから他方のモードへ発振波長
が変化する事が理論及び実験を通して解明されている。

、半導体レーザを光通信に使用するという目的に対して
、このような特性は不適当である事は明らかである。

そこで、このブラッグ導波路の光透過波長とブラッグ波
長を一致させる有力なひとつの方法として、ＤＦＢ−Ｌ
Ｄにおける導波路の中央部に回折格子の位相をλ／４（
λ−λ。／ｎ、ここで、λ。は、真空において測定され
るレーザの発振波長、ｎはブラッグ導波路の等価的屈折
率）だけシフトさせた構造（λ／４位相シフト型ＤＦＲ
−ＬＤ）を採用する事があげられる。

すなわち、ブラッグ波長に一致する光波は、回折格子で
の反射により位相がｘ　／２　（−λ／４）変化するが
、回折格子の位相シフト部を光が通過すると、その位相
変化量が吸収され、進行及び後退光波間の位相整合が取
れるようになる。加えてこの波長は１１回折格子による
回折効率が最も高いため、半導体レーザとしての、発振
閾電流値が小さく、かつ、主、副モード間の閾利得差が
大きく取れるため、主モードの単一発振を安定的に実現
できる。

そして、Ｄ　Ｆ　Ｂ　−Ｌ　Ｄに組み込まれる回折格子
の形成において一般的な手法は、第５図に模式的に示す
ような、例えばｌｌ５−Ｃｄレーザ等を光源とする三光
束干渉光学系を用いて、ホログラフィックパターンを基
板１上に塗布したレジストに転写し、引続き化学的食刻
（以下エツチングと言う、）を行なうと、そのパターン
に従って基板上に微細な凹凸が残り回折格子が形成され
るというものである。

この二光束干渉露光法を用いて、位相シフト型回折格子
を形成する原理は、■ネガ／ポジレジスト法、■位相面
投影法、■段差シフト法、■位相マスク接触法に大別さ
れる。

これらの原理を用いた従来手法について簡単に述べる。

■　第６図に示すネガ／ポジレジスト法は、両レジスト
が相互干渉するためにパターンの解像度が劣化し、再現
性が低下する。

そこで、ポジレジスト形成前に、誘電体膜を気相法によ
り堆積し、先の相互干渉が生じないようにする方法が考
えられるが、ポジレジストの、熱変質を防ぐには１００
″Ｃ以下で堆積せねばならないため、緻密な誘電体膜が
得難くなり、誘電体膜及び基板のエツチング工程を経る
間に各々の横方向エツチングの不均一が生じ、均一な回
折格子が再現性良く得られないという問題があった。

■　第７図に示す位相面投影法で用いられる石英板は、
材質の良好な均質性、ならびに、表面の凹凸加工を高精
度（誤差約２００ｎｍ以下）で達成しなければならず、
光位相変調マスクの製作が大変能しかった。

その上、光位相変調マスクの凹凸の境で生じる光散乱に
より、回折格子の位相シフト部を中心に回折パターンの
乱れが数１０μｍ以上にも広がり、ＤＦＢ−ＬＤとした
場合、この部分での散乱損失が無視出来なくなるという
問題があった。

■　第８図に示す段差シフト法は、非平滑基板上の回折
格子上にＩｎＰ及びＧｎｌｎＡｓＰを再成長した場合、
結晶層が途切れたり、またＮ厚が不均一になる事がしば
しば生じ、活性導波路中の進行及び後退光波の結合性の
劣化のみならず導波損失を著しく増し、ＤＦＢ−ＬＤと
して良好な特性を再現良く得る事が困難であるという問
題があった。

■　第９図に示す位相マスク接触法は、位相マスクの均
質性及び加工に高い精度が必要であり、かつ、基板と凹
凸を有する例えば石英の位相マスクが接触するため、基
板を損傷するという難点があった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、以上の点に鑑み、平滑な基板面上に位相シフ
ト部近傍での格子の乱れが少なく、かつ再現性の優れた
位相シフト型回折格子の形成方法を提供する事を目的と
する。

（課題を解決するための手段） 本発明は、二光束干渉露光法の場合、段差領域を設けた
基板（以下基体と言う、）上に二つの光束を、基板上に
レジストを塗布した基体の法線に対し非対称な角度で入
射し、また等間隔に走査する電子線露光法の場合、基体
の法線とは、一致しない方向から入射する事により、前
記基板上に回折格子を形成する方法において、 基板とは異なる物質で、かつ、露光用光線としての光束
又は粒子ビームに対し非透過性の物質で、基板の上方に
段差を形成する。

（作用） 平滑な基板上に段差物質として基板とは異なる物質を、
真空蒸着法等で層厚を精密に制御しながら形成できる。

そのため、選択エツチングにより段差物質のみを除去す
ることにより、所望の高さの段差を再現良く得る事が可
能である。また回折格子に対応する干渉パターンを、レ
ジスト上に露光させるための光束若しくは回折格子のパ
ターンを直接描画する電子線等の粒子ビームに対し、段
差物質が非透過性であるため、段差物質と基板の境界よ
り反射して来る光束若しくは粒子ビームによって、段差
物質上のレジストに形成される回折格子のパターンが乱
される事がなくなる。

（実施例） 第１図は本発明の実施例を示すもので、基板１上に段差
物質２ａ、２ｂとしてそれぞれＳｉＮｘを２００ｎｓ＋
及びＡｆｆｉを５０ｎｍ、各々化学気相堆積法及び真空
蒸着法により被着する（第１図−Ａ）。

次に、レジストをスピンコード法で塗布し、通常のフォ
トリソグラフィにより　３００μ指周期のストライブと
スペースを形成する（第１図−Ｂ）。

次に、シンナー希釈したレジスト３を再びスピンコード
法により約５０ｎｍ厚に塗布し、非対称光束入射による
三光束干渉露光及び現像を行う（第１図−〇）。

次に、Ａ！及びＳｉＮｘをレジスト３のパターンに従っ
て夫々リン酸系及びフッ酸系のエツチング液で順次選択
エツチングする（第１図−Ｄ）。

次に、基板ｌを飽和臭素水系のエツチング液で選択的に
エツチングする（第１図−Ｅ）。

最後に、レジスト３、及びＡＩｌそしてＳｉＮｘを各々
、アセトン、リン酸系及びフッ酸系のエツチング液によ
り順次除去する事により、平滑な基板上に周期的に位相
がλ／４位相シフトした部分４を有するλ／４位相シフ
ト型回折格子が形成される（第１図−Ｆ）。

また、この実施例中における段差物質２ａを他の誘電体
や半導体及びＡｆｆｉ等の金属に置換える事も、また段
差物質２ａと２ｂを重ねた構成のものを露光光及び電子
線等の粒子ビームに対し非透過性の誘電体により置換え
ても何ら問題がない事は明らかである。

加えて、本実施例では、発振波長が１．５５μ園帯λ／
４位相シフト型ＤＦＢ−ＬＤ用の回折格子の形成につい
て述べたが、段差高（ｈ）、干渉光強度ピーク進路入射
角（θ）、入射光束半角（ψ／２）をそれぞれ、適宜選
択する事により、実施例で示した波長帯以外のＤＦＢ−
ＬＤに対しても、本発明を適用する事により、任意な位
相シフト型回折格子を形成出来得る事は言うまでもない
。

第２図は、第５図に示した三光束干渉露光系を用いて基
体の法線５に対し、非対称な角度、各々φ寥、ψ意を持
って、二つの光束６．７を各々入射させたとき、段差８
が存在する事により、段差物Ｍ２ａの上面と基板１の表
面において、光束６と７が干渉するために生ずる干渉光
強度ピーク進路９が投影される位置が移動する事により
位相シフト１０が出来る原理を模式的に示している。

この原理を用いた本発明による効果として次の４点があ
げられる。

１）段差物質上での干渉縞の乱れが少ない。

２）平滑な基板面に回折格子が形成される。

３）段差により干渉縞が乱れる遷移領域が極めて小さい
。

４）　位相シフト量の誤差が極めて小さい。

以下にこれら４点の説明を順次行なう。

１）の件については、第２図に示した露光法により、基
体全面に塗布されたレジスト３に干渉縞が転写されると
き、段差物質２ａに発振波長が約１．１μ鰯より長波長
であるＤＦＢ−ＬＤの回折格子周期と同一の干渉縞を生
じせしめ得る波長の光源として、例えば、波長が３２５
ｒ＋＋ｓであるＨｅ−Ｃｄレーザ光を選択するや例えば
、ＳｉＯ、Ｔｉ０１、ＺｒＯ□等の紫外線吸収の強い誘
電体や半導体、またはＡ！、Ｔｉ等の金属若しくは前記
誘電体を含むスパッタ法及び化学気相堆積法により堆積
可能な誘電体（又は半導体）上に誘電体との密着性も考
慮してＡ１、Ｔｉ等の金属を堆積したものを、段差物質
として選択しておけばＨｅ−Ｃｃｌレーザ光を透過しな
いため、段差物質表面１１と基板表面１２の間で生ずる
多重反射により起きる段差物質上での干渉縞の乱れが抑
えられ、良好な干渉縞がレジスト３に転写される。

なお光源はＨｅ−Ｃｄレーザ光に限定されるものではな
い。

２）の件については、干渉露光によって、形成された１
／ジス［・のパターンにしたがい、段差物質２ａ及び１
／シスト３をマスクとして、基板ｌを順次選択的にエツ
チングする。その後、段差物質を再度選択的にエツチン
グし除去する事により平滑な基板表面１２」二に一定な
深さの位相シフト型回折格子が得られる。

３）の件については、例えば、位相シフト量として、λ
／４を採用した場合、第２図に示すように干渉光強度ピ
ーク進路９と基板表面１２若しくは段差物質表面１１と
成ず角度をθとし、また干渉光強度ピーク進路９と光束
６及び７と成す角度（入射光束半角）をψ／２とすると
、例えば光源がＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系において、例
えば１．５５μ−のレーザ発振波長に対するλ７４位相
シフト型回折格子を形成するための条件を、段差高（ｈ
　）の関数として、θ及びψ／２を計算したものを第３
図に示す。

また、第４図は、第２図に示す遷移領域１３に対応する
段差８により、入射光束が回折されてレジスト上に届く
ため干渉縞が歪んでいる遷移領域１３の遷移領域長を（
ｄ）としたとき、７７４位相シフトを形成する条件下で
遷移領域長（ｄ）を段差高（１１）の関数として計算し
たものである。

第３図及び第４図より、段差高（ｈ）として２５０ｎｍ
以上、ψ／２及びθを夫々的５０°及び約６４°程度に
選ぶとすると、遷移領域長（ｄ）は１μ島程度となり、
この中に含まれる格子数はこの場合４７程度となるのに
対し、−殻内な共振器長約３００ＩＪｍの半導体レーザ
共振器に含まれる格子数は、この例では１２００個程度
７あるため、遷移領域１３における散乱損失は相対的に
極めて小さいものであるのでλ７４位相シフト型ＤＦＢ
−ＬＤの特性に与える影響は明らかに無視できるものと
なる。

４）の件については、例えば真空Ｎ着法により段差物質
を膜厚計でモニターしながら基板上に堆積を行えば現在
は段差高（ｈ）の誤差として±１０ｒｉｍ以下が得られ
る。例えば１，５５μｍで発振するＤ　Ｆ　Ｂ　−１，
、Ｄの場合、　この値を干渉光強度ピーク進路入射角（
θ）を勘案すると位相シフト量の誤差は士数ｎａとなる
。この位相シフト量の誤差は発振波長１．５５μ園の場
合、λ／４が約１２５ｎｍとなる事より充分無視し得る
ものとなる。

また、段差物質の厚さが設定値に対し変位してしまった
としても、第３図からも分るとおり角度θ及びφ／２を
適宜調整する事により、λ／４位相シフトを容易に形成
することが可能である事は明らかである。

また、電子線等の粒子ビームを用いた露光法においては
、第２図の干渉光強度ピーク進路９に一致する方向より
、回折格子周期の５ｉｎ（θ）倍の間隔で走査すれば、
光束を基体法線に対し非対称に入射する二光束干渉露光
法の場合と全く同一の結果を得る事は言うまでもない。

また、光源を１．５５７７−波長帯Ｇａ１ｎＡｓＰ／　
Ｉｎｐ系の半導体レーザについて説明を行って来たが、
発明の構成からも半導体レーザの波長帯、及び用いられ
る基板は本実施例に限定されるものでない事は明らかで
ある。

（発明の効果） 本発明は以上説明したように、位相シフト型回折格子を
干渉縞等の転写パターンに従って基板上に形成した後、
段差を形成していた物質を除去する。よって、この位相
シフト型回折格子は、平滑な基板上に形成する事ができ
、かつ、段差物質としてエツチングに対し異方性の少な
いＳｉＮｘ、　５ｉＯ１等の誘電体及びＡＪ！、Ｔｉ等
の金属を選択しであるので、段差形状が階段型に近くな
る。

また、段差部でレジスト層厚の変化している区間が小さ
くなり、遷移領域が第４図に示した計算値にほぼ等しく
、かつ、再現性の良い位相シフト型回折格子を形成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示した図、第２図は本発
明の構成を模式的に示した図、第３図は、入射光束半角
（ψ／２）及び干渉光強度ピーク進路入射角　（θ）を
段差高（ｈ）の関数として表した図、 第４図は、遷移領域長（ｄ）を段差高（ｈ）の関数とし
て表した図、 第５図は、二光束干渉露光法に用いられる光学系の構成
を模式的に表した図、 第６図は、ネガ／ポジレジスト法の原理を模式的に示し
た図、 第７図は、位相面投影法の原理を模式的に示した図、 第８図は、段差シフト法の原理を模式的に示した図、 第９図は、位相マスク接触法の原理を模式的に示した図
である。 図中の各番号との対応は以下のとおりである。 １は基板、２ａと２ｂは段差物質、３はレジスト、４は
周期的に位相が１７４位相シフトした部分、５は基体の
法線、６と７は光束、８は段差、９は干渉光強度ピーク
進路、１０はレジスト上に形成された位相シフト、１１
は段差物質表面、１２は基板表面、１３は遷移領域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　段差を設けた基板上に、二光束干渉露光法を用い、前
   記基板の法線方向に対し二つの光束を非対称な角度で入
   射し、または、粒子ビーム露光描画法を用いて前記基板
   の法線方向と異なる方向から前記粒子ビームを走査しな
   がら入射し、微細な縞状パターンを前記基板の表面に形
   成する位相シフト型回折格子の形成方法において、 前記基板とは異なる物質よりなり、かつ前記光束又は前
   記粒子ビームに対して非透過性の物質で前記基板の上方
   に段差を設けたことを特徴とする位相シフト型回折格子
   の形成方法。