JPS62245204A - 回折格子の製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、回折格子の製造方法に関し、特に半導体基板
上に回折格子を製造するための回折格子の製造方法に関
する。

（従来の技術） 近年長距離大容量光伝送システムの光源として単一軸モ
ード半導体レーザの研究・開発が盛んに行なわれている
。その中で分布帰還形（ＤＦＢ）半導体レーザは、その
単一軸モードの制御性および温度範囲の広さなどの安定
性の面と、他の単一軸モード半導体レーザに比べて製作
し易いという面から注目を集めている。

ＤＦＢレーザは素子内に均一な回折格子を有する構造を
とっており、この回折格子の周期で定まるブラッグ波長
近傍で単一波長で発振する。しかしながら、従来の均一
な回折格子を有するＤＦＢレーザでは、ブラッグ波長に
対して対称な２本の近接した発振可能なモードが存在す
る。このことは２軸モ一ド動作を意味し、単一軸モード
レーザとしては好ましくない。通常ＤＦＢレーザでは、
一端はへきかい面を用い、もう一端はファプリ・ペロー
モードを抑制するために、端面反射を抑えた無反射コー
ティングを施した構造がとられる。このように端面反射
率が非対称である構造のＤＦＢレーザの反射鏡損失特性
は、ブラッグ波長に対して非対称になり、１つの縦モー
ドが選択される傾向にある。

ところが、反射鏡損失特性は端面反射鏡の回折格子上の
位置によって著しく変化するので、従来のＤＦＢレーザ
では２本のモードで発振する素子も多数あった。そこで
、このような不安定性を除去するためにＤＦＢレーザの
内部で回折格子の周期をλｇ／４（λｇは素子内を伝播
する光の波長）だけずらした構造のＤＦＢレーザが試作
された。このような構造のＤＦＢレーザは）Ｊ４シフト
形ＤＦＢレーザと呼ばれている。

１／４シフト形ＤＦＢレーザは、ブラッグ波長に完全に
一致した１本の軸モードで発振することを特徴としてい
る。このため、従来の素子で見られた２軸モードで発振
するような素子は極めて少なくなり、歩留り向上の点で
大変有望である。ところで、ＤＦＢレーザの回折格子の
周期Ａは発振波長λと次のような関係にある。

ｎｅ２ ここで、ｎｅは素子内の等側屈折率、ｍは回折格子の次
数、λｇは素子内を伝播する光の波長である。

従って、１次の回折格子（ｍ＝１）の周期はで与えられ
る。このことから、１次の回折格子を使った。Ｖ４シフ
ト形回折格子は、シフト領域を境にして左右の回折格子
の凹凸を反転させればよいことが判る。従来、このよう
な回折格子を得るための回折格子の製造方法として以下
の４つの方法が提案されている。

第１の製造方法としては、ノボラック系のポジ形フォト
レジストと環化ゴム系のネガ形フォトレジストを重ね塗
りして、両フォトレジストの逆感光性を利用してＡ／４
シフト形回折格子を実現した方法があげられる。この方
法の文献としては、宇高他者の１９８４年１１月２２日
発行のエレクトロニクス・レターズ誌（Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）第２０巻４号１００８〜１
０１０頁記載の論文をあげることができる。

第２の方法としては、ノボラック系のポジ形フォトレジ
ストとポジ形フォトレジストとは逆感光性のネガ形フォ
トレジストの間に中間層をはさんで、ポジ形フォトレジ
ストとネガ形フォトレジストが混ざり合わないようにし
て干渉露光を行ない、）Ｊ４シフト形回折格子を実現し
た方法があげられる。この方法の文献としては、宇高他
者の昭和６０年秋季第４６回応用物理学関係連合講演会
講演予稿集２ａ−Ｎ−９，２０２頁記載の論文をあげる
ことができる。

第３の方法としては、位相シフトに相当する断差を有す
る石英のコンタクトマスクをフォトレジストを塗布した
半導体基板に密着させて干渉露光を行なう方法があげら
れる。この方法の文献としては、０崎他者の電子通信学
会技術報告０ＱＥ８５−６０巻、５７〜６４頁記載の論
文をあげることができる。

第４の方法としては、位相シフトに相当する段差を有す
る石英のコンタクトマスクを光学系の中に組み入れた方
法があげられる。この方法の文献としては、辻他著の昭
和６０年第４６回秋季応用物理学関係連合講演会講演予
稿集２ａ−Ｎ−１０，２０２頁記載の論文をあげること
ができる。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した従来の回折格子の製造方法には次のような欠点
が存在する。すなわち、第１の方法では、ネガ形フォト
レジストとして環化ゴム系のフォトレジストを用いてい
るために解像度が悪く、再現性よく形状が良好な回折格
子を製作することができないという欠点が存在する。

第２の方法では、ネガ形フォトレジストとしてノボラッ
ク系のフォトレジストを用いているので解像度はよいが
、現像工程２回、エツチング工程２回と工数が多く、な
おかつ製作条件が大変厳しく歩留りが悪いという欠点が
存在する。第３の方法では、コンタクトマスクと半導体
基板との密着性に問題があり、半導体基板全面に回折格
子を形成することが難しい。第４の方法では、収差のた
めに回折格子形成面積が約７ｍｍ２（半径１．５ｍｍの
円）と極端に小さくなり、量産性に欠けるいう欠点が存
在した。

本発明の目的は、）Ｌ／４シフト形ＤＦＢレーザに用い
るための回折格子として形状が良好で、かつ溝の深い、
すなわち結合定数の大きな回折格子を半導体基板全面に
歩留りよく得ることのできる回折格子の製造方法を提供
することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明による回折格子の製造方法は、基板の全面に塗布
したフォトレジストの上部に選択的に薄膜を形成した後
、前記基板の法線に対し傾いた方向を中心軸として対称
な角度から２本のレーザ光を照射して干渉露光を行なう
回折格子の製造方法において、前記フォトレジストと前
記薄膜との混合あるいは反応を防止する役目を有する中
間層を前記フォトレジストと前記薄膜との間に形成する
工程を有することに特徴がある。

また、発明に用いる前記薄膜として前記フォトレジスト
あるいは前記フォトレジストとは組成の異なる第２のフ
ォトレジストを用いると工程の簡便さからも効果が大き
い。

（作用） 本発明の詳細な説明する。本発明の目的は、先にも述べ
たように形状が良好で溝の深い回折格子を歩留りよく半
導体基板全面に形成することにある。では、形状が良好
で溝の深い回折格子を形成するにはどうしたらよいだろ
うか。そのためには、解像度がよいフォトレジストを用
いればよい。本発明の方法では、解像度のよいフォトレ
ジストを１種類だけ用いることにより前記第１の方法の
欠点を除去することに成功した。

次に歩留りよく回折格子を製作するにはどうしたらよい
であろうか。そのためには、現像、エツチング工程を各
１回と少なくし、なおかつ現像、エツチング条件に余裕
があることが望ましい。本発明の方法では、１種類のフ
ォトレジストを用いているために現像、エツチング工程
は各１回であり、また２種類のフォトレジストを用いた
第２の方法に比べて、現像、エツチング条件の許容度が
大きいという利点があり、第２の方法における問題点は
解決される。

最後に基板全面に回折格子を形成するという点について
は、本発明の方法でば、膜をフォトレジストの上に形成
するので、前記第３の方法で問題となった密着性は大変
良く、これで前記第３の欠点は克服される。また、本発
明の方法では光学系はミラー、レンズ、ビームスプリッ
タ−、ビームエクスパングーのみから形成されており、
収差の影響で回折格子の形成面積が制限されるといった
ようなことはない。

すなわち、前記第４の方法において存在した欠点は本発
明の方法には存在しない。

では、以下に本発明の原理を数式を用いて説明する。１
種類のフォトレジストを用いてＭ４シフト形回折格子を
製作するためには、露光に用いる２本のレーザ光の干渉
によって生ずる干渉縞の明暗が２つの領域間で反転した
状歯が得られなければならない。このような状態は、１
つの領域に入射する２本のレーザ光の光路差Δ１１と、
もう１つの領域に入射する２本のレーザ光の光路差Δ１
２との差ΔｌがΔ、＝ＩΔ１１−Δ１２　＝−ヤー という関係を満足する時に実現される。但し、ここで八
〇はレーザ光の波長である。この具体的な方法を第２図
に示す。半導体基板１の上にフォトレジスト２を塗布し
た後、フォトレジスト２を覆うように屈折率ｎ２、厚さ
ｄ２の薄膜３（中間層）を形成する。

膜３の上に部分的に屈折率ｎ１、厚さｄｌの薄膜４（以
下誘電体膜と記す）を形成する。このようにすれば、コ
ンタクトマスクを用いた場合と違って密着性は充分よく
、半導体基板全面に回折格子を形成することができる。

半導体基板１を角度ψだけ傾け、上方から水平面に対し
て入射角θの２本のレーザ光を照射して干渉露光する。

第２図において、破線は誘電体膜４が存在しないときの
２本のレーザ光の光路を示したものであり、実線は誘電
体膜４が存在する場合の２本のレーザ光の光路を示した
ものである。

今、誘電体膜４が存在するとき、２本のレーザ光が交わ
る点Ｃで左右の光路長が等しく、光が強め合う（Δ１ｌ
＝ｏ）と仮定すると ＦＧ＋ｎＩＧＢ＋ｎ２ＢＣ＝ｎ２ＣＤ＋ｎＩＤＨ−（１
）ただし、ここでは、計算を簡単にするために点Ｆにお
ける光の位相が点Ｈにおける光の位相と等しくなるよう
に点Ｆを決定した。すなわち、式（１）からＦＧ＝ｎｘ
（ＤＨ−ＧＢ）　＋ｎ２（ＣＤ−ＢＣ）　　　　　　＝
（２）となるように点Ｆを決定した。ここで、第２図か
られかるように である。式（３）においてθ１．θ２は左からレーザ光
がそれぞれ膜３、フォトレジスト２に入射する際の水平
面に対する入射角であり、θ４．θ３は右からレーザ光
がそれぞれ膜３、フォトレジスト２に入射する際の水平
面に対する入射角である。式（２）に式（３）を代入す
ると、 となる。次に誘電体膜４が存在しない時、２本のレーザ
光の光路長の差がλｅ／２であると仮定する（Δ１２＝
λｅ／２）。このようにすれば、Δ１＝〜Δ１１−Δ１
２−＝λｅ／２ が満たされ、誘電体膜４が存在する領域と誘電体膜４が
存在しない領域とでは、干渉縞の明暗が反転した状態を
得ることができる。上の仮定を式で表わすと、 一一一　　−λｅ ＡＢ＋ｎ２Ｂｃ−（ｎ２ｃＤ＋ＤＥ）＝−（５）となる
。但し、ここで、 ＡＢ　＝　ＦＧ　＋　ＧＢ　ｃｏｓ（θ−θｔ）　　　
　　　　　（６−ａ）ＤＥ＝ＤＨｃｏｄ（θ−０４）　
　　　　　　　　　　（６−ｂ）である。式（５）に式
（３）、（４）、（６）を代入して整理するととなり、
式（７）によって誘電体膜４の膜厚ｄ１が決定される。

また、スネルの法則から ５ｉｎ（θ−Ｗ）＝ｎ１ｓｉｎ（θ１−ＩＰ）＝ｎ２Ｓ
ｉｎ（（３２−Ｗ）　　　　（８）ｓｉｎ（θ＋Ｗ）＝
ｎｌｓｉｎ（θ４＋Ｗ）＝ｎ２ｓｉｎ（θａ　＋　ｖ）
　　　　（９）であり、式（８）、（９）から 、　−１５ｉｎ（θ−ψ） θｘ＝ｓｘｎ　　［−１＋Ｗ（１０） 、−１　５ｉｎ（θ＋ψ） θ４＝ｓｔｎ　　［−］−ｙ　　　　　　　（１１）と
なる。式（７）、（１０）、（１１）とから屈折率ｎ１
、レーザ光の水平面に対する入射角θ、基板１の傾き角
ψ、レーザ光の波長λｅを決定すると、誘電体膜４の膜
厚ｄ１を決定することができる。また、この場合回折格
子の周期Ａは Ａ＝□ ５ｉｎ（θ−ｙ）　＋　５ｉｎ（θ十ψ）λｅ となる。第３図、第４図はそれぞれΔ：２０００人。

２４００人のＡ／４シフト形回折格子を波長３２５０人
のＨｅ−Ｃｄレーザ光を用いて製作するための基板１の
傾き角ψと誘電体膜４の膜厚ｄ１、左右のレーザ光の入
射角θの関係を表した図である。ただし、ここで屈折率
ｎ１　＝　１．５５とおいた。誘電体膜４の厚みを２ｐ
ｍとした時、図からＡ＝２０００人のときはθ＝５４．
６°、甲＝５．０’。

Ａ：２４００人のときはｆ３＝４３．０°、ｙ＝７．０
とすればよイコとがわかる。

（実施例） 以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図（ａ）〜（０は本発明の一実施例である回折格子
の製造方法をその工程順に説明する図である。第１図（
ａ）に示す工程では、ＩｎＰ半導体基板１上にノボラッ
ク系ネガ形フォトレジストである０ＤＵＲ−１２０膜２
（東京応化社製）を膜厚５００人となるように塗布する
。第１図（ｂ）に示す工程では、０ＤＵＲ−１２０膜２
を覆うように窒化シリコン膜３をＥＣＲデポジション装
置（日型アネルバ製）を使って形成する。第１図（ｅ）
に示す工程では、窒化シリコン膜３上に環化ゴム系ネガ
形フォトレジストであるＮＮＲ膜４（ナガ七社製）を膜
厚が２ｐｍとなるように塗布した後、３００ｐｍパター
ンのＣｒマスクで覆い水銀露光する。

水銀露光後ＮＮＲ専用現像液（ナガ七社製）でＮＮＲ膜
を現像した後、波長３２５０人の２本のレーザ光を用い
て水平面に対する入射角５４．６°、基板の傾き角５．
０°で干渉露光する。これはＡ＝２０００人のＭ４シフ
ト回折格子に対応している。Ａ　＝　２４０ＯＡのＡ／
４シフト回折格子を製作するときは波長３２５０人の２
本のレーザ光を用いて水平面に対する入射角４３．０°
、ｔＰ　ニア、０°で干渉露光する。第１図（ｄ）に示
す工程では、ＮＮＲ膜４（ナガ七社製）をＨ２Ｏ：Ｈ２
ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２＝　１：５：１（３０°Ｃ）の混合液
を用いて除去した後、窒化シリコン膜３をＨＦ７％のバ
ッファラード・フッ酸で除去する。第１図（ｅ）に示す
工程では、０ＤＵＬ１２０膜２（東京応化社製）を０Ｄ
ＵＲ専用現像液（東京応化社製）を用゛いて現像した後
、０ＤＵＲ専用リンス液（東京応化社製）を用いてリン
スする。第１図（Ｏに示す工程では、周期状に形成され
た０ＤＵＲ−１２０膜２をエツチングマスクとしてＩｎ
Ｐ半導体基板１をＨＢｒ：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ＝　１０：
０．１：１００の混合液でエツチングし、回折格子５を
得ることができた。

なお、ここではフォトレジスト膜２と誘電体膜４との混
合あるいは反応を抑えることのできる膜３として窒化シ
リコン膜３を用いているが、これ以外に例えばフォトレ
ジスト膜、５ｉ０２膜、アモルファスシリコン膜などで
あってもよい。また、ここでは誘電体膜４として環化ゴ
ム系のネガ形フォトレジストであるＮＮＲ膜４を用いた
が、これ以外のフォトレジスト膜５ｉ０２膜、アモルフ
ァスシリコン膜など誘電体膜であれば何でもよい。

（発明の効果） 本発明の回折格子の製造方法では、１種類のフォトレジ
スト２を縞状に露光して用いているので、遷移領域の両
側で形状が等しく、なおかつ形状が良好な回折格子５を
半導体基板全面に得ることができる。また、誘電体膜４
とフォトレジスト２との間に薄膜３を入れたことにより
、フォトレジスト２に悪影響を与えることなく、誘電体
膜４を形成または除去することができる。

コンタクト・マスクを用いた回折格子の製造方法では、
フォトレジストとコンタクト・マスクの密着性が問題と
なるが、本発明の回折格子の製造方法ではそのような密
着性を気にする必要もない。以上本発明には３つの効果
がある。

本発明により、周期２０００人、深さ１０００人ののこ
ぎり状の回折格子と周期２４００人、深さ１２００のの
こぎり状の回折格子を不整や架橋もなく得ることができ
た。この回折格子を用いて半導体レーザを製作したとこ
ろ、従来の方法で形成されたの回折格子に比べてしきい
値電流が数ｍＡ低下し、また歩留りが９８％と向上し本
発明の回折格子の製造方法が有効であることが判った。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（０は、本発明の一実施例の工程図であ
る。第１図において、１は半導体基板、２はフォトレジ
スト、３は窒化シリコシ膜、４は誘電体膜、５は回折格
子である。第２図は本発明による回折格子の製造方法の
原理を説明する図である。図中の数字は第１図中の数字
に対応している。第３図、第４図はそれぞれ周期２００
０人、周期２４００人の）、／４シフト形回折格子を得
るための基板の傾き角ψと誘電体膜の厚さｄｌ、水平面
に対するレーザ光の入射角θとの関係を第１図 ワ （ａ） （ｄ） （ｅ） （ｆ） 第２図 第３図 基板の傾き角ψ（度） 第４図 基板の傾き角す（度）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基板の全面に塗布したフォトレジストの上部に選択
   的に薄膜を形成した後、前記基板の法線に対し傾いた方
   向を中心軸として対称な角度から２本のレーザ光を照射
   して干渉露光を行なう回折格子の製造方法において、前
   記フォトレジストと前記薄膜との混合あるいは反応を防
   止する役目を有する中間層を前記フォトレジストと前記
   薄膜との間に形成する工程を有することを特徴とする回
   折格子の製造方法。 ２）前記薄膜として前記フォトレジストあるいは前記フ
   ォトレジストとは組成の異なる第２のフォトレジストを
   用いることを特徴とする特許請求範囲第１項記載の回折
   格子製造方法。