JPH1138592A

JPH1138592A - 位相シフト型回折格子転写マスクの製造方法

Info

Publication number: JPH1138592A
Application number: JP19675097A
Authority: JP
Inventors: Masaru Miyazaki; 勝宮▲崎▼; Masahiro Aoki; 雅博青木; Kazunori Shinoda; 和典篠田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-07-23
Filing date: 1997-07-23
Publication date: 1999-02-12

Abstract

(57)【要約】【課題】位相シフト型回折格子転写マスクを容易かつ安
価に製造し、これをもとに安価な半導体レーザ、さらに
は上記半導体レーザを搭載した光応用システムを提供す
る。【解決手段】光の干渉露光法を用いて第１の転写マスク
パターンを全面に形成し、所定の一部にこのパターンを
利用して第２の転写マスクパターンを形成することで位
相シフト型回折格子転写マスクを製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体レーザの作製
に用いる回折格子転写マスクの製造方法およびそれによ
って得られた半導体レーザならびに上記半導体レーザを
用いた光モジュールおよび光応用システムの技術分野に
属する。

【０００２】

【従来の技術】縦単一モードで動作する分布帰還型半導
体レーザは大容量通信に対応する多重光伝送システムを
構築する上でのキーデバイスであり、これを再現性よく
得るためには、共振器の中央で位相が反転した回折格子
を形成することが有効である。従来の位相シフト型回折
格子の形成方法については、ジャーナル・オブ・アプラ
イド・フィジックス，７５巻，１号（１９９４年）第１
頁から第２９頁の解説論文に、系統的にまとめられてい
る。上記文献に記述されているように、位相シフト型回
折格子の形成方法として、二重レジスト法，電子線露光
法，位相変調マスク法，位相変調層法，回折格子転写マ
スク密着法等幾つかの方法が検討されている。この中
で、位相シフト型回折格子転写マスクを試料表面に密着
転写する方法は、簡単な技術のため実用化の検討がなさ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】回折格子転写マスク密
着法の位相シフト型回折格子転写マスクは従来技術では
以下の如き問題点があった。

【０００４】回折格子の加工寸法は精度が高く、この位
相シフト型回折格子転写マスクを製作するには機械的刻
印装置を使用していたために量産性に問題があり、転写
マスクは高価なものであった。多重光伝送システムには
発振波長の異なる半導体レーザが沢山使われるため、回
折格子ピッチの異なる転写マスクも沢山必要で、低コス
ト化の課題に対して問題があった。

【０００５】本発明の第１の目的は、単一モード選択性
に優れた位相シフト型回折格子転写マスクを再現性よ
く、安価に製造する方法を提供することにある。また、
本発明の第２の目的は、本発明で製造した回折格子転写
マスクを用いて単一モード選択性に優れた半導体レーザ
を安価に提供することにある。また、本発明の第３の目
的は、本発明の半導体レーザを搭載した光モジュールを
安価に提供することにある。また、本発明の第４の目的
は、本発明の半導体レーザを搭載した光伝送システムあ
るいは光情報処理システム等の光応用システムを安価に
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】従来技術の課題を解決す
るための手段を以下に記す。通常の分布帰還型半導体レ
ーザには、均一周期の回折格子が使われている。これは
レーザ光を用いた干渉露光法で簡単に得られている。本
発明では位相シフト型回折格子転写マスクの製造方法に
このレーザ光を用いた干渉露光法を用いることを特徴と
している。

【０００７】転写マスクのガラス基板に均一周期の回折
格子を形成した後、任意の領域の回折格子位相を反転す
ることにより、位相シフト型回折格子転写マスクを簡単
なプロセスで製造することができ、これによって低コス
ト化できる。

【０００８】上記の第１の目的は、位相シフト型回折格
子転写マスクの製造方法において、石英ガラス基板に第
１の遮光層を形成する工程と、レーザ光の干渉露光によ
り形成したホトレジストパターンにより第１の遮光層を
加工し第１の回折格子転写マスクパターンを形成する工
程と、該転写マスクパターンをマスクに石英ガラス溝を
形成する工程と、この表面の所定の領域をホトレジスト
パターンで被覆する工程と、被覆されていない領域の第
１の回折格子転写マスクパターンを除去し石英ガラス溝
に第２の遮光層からなる第２の回折格子転写マスクパタ
ーンを形成する工程とを有することを特徴とする回折格
子の製造方法を用いることにより達成される。

【０００９】また上記の本発明の第２の目的は、上記の
製造方法を用いて製造した回折格子を有する半導体レー
ザを製造することにより達成される。また上記の本発明
の第３の目的は、上記の半導体レーザを搭載した光モジ
ュールを製造することにより達成される。また上記の本
発明の第４の目的は、上記の半導体レーザを搭載した光
応用システムを構成することにより達成される。

【００１０】本発明の特徴は、通常のレーザ光の干渉露
光により形成したホトレジストパターンの技術によって
安価に、位相シフト型回折格子転写マスクを提供できる
ことである。特に光伝送用波長多重通信で細分された発
振波長の半導体レーザを制御して供給する要求にはこの
製法による安価な位相シフト型回折格子転写マスクの適
用が有効である。

【００１１】

【発明の実施の形態】

（実施例１）まず第１の実施例を図１により詳細に説明
する。ＴｉとＡｕの積層（厚さそれぞれ、１０ｎｍと３
０ｎｍ）からなる第１の遮光層２を有する石英ガラス基
板１上に、ホトレジストを１００ｎｍの厚さにスピンナ
ー塗布する。次にＡｒイオンレーザ４（波長３６４ｎ
ｍ）を用いて２０２ｎｍ周期の干渉露光を行い、ホトレ
ジストパターン３を得る（図１（ａ））。この周期的な
ホトレジストパターンをマスクとしてＡｒイオンを加速
した、イオンミリングによってＡｕとＴｉと石英ガラス
を順次ドライエッチングし、第１の転写マスクパターン
５を形成する。表面から約５０ｎｍの深さの石英ガラス
溝６はＣＨＦ₃ ガスを主体とした通常のドライエッチン
グで加工してもよい（図１（ｂ））。

【００１２】次に通常のホトレジストパターン７を所定
の領域に形成し、第２の遮光層８であるＣｒとＡｕの積
層（厚さそれぞれ、１０ｎｍと３０ｎｍ）を蒸着によっ
て形成する（図１（ｃ））。この後、稀ＨＦ溶液に浸け
て露出している第１の転写マスクパターン５を石英ガラ
スから剥がし、続いてホトレジストパターン７を剥離
し、第２の転写マスクパターン９と第１の転写マスクパ
ターン５間で位相が反転した関係を持った位相シフト型
回折格子転写マスクを得る（図１（ｄ））。同図は素子
一個に対応した転写マスクの主要部を示し、これが周期
的に配列されて全体を構成している。

【００１３】上記製造工程で、遮光層の表面の金属にＡ
ｕを用いたのは、密着転写する方法において、位相シフ
ト型回折格子転写マスクに試料表面のホトレジスト層が
付着しないよう接着力を弱めるためである。この目的の
ために、遮光層の表面の金属は、酸化しないＰｔ等の金
属であってもよい。また、石英ガラス溝６は第２の遮光
用転写マスクパターン９を形成しやすくするために設け
たものである。さらに、第１と第２の遮光層の下部金属
にそれぞれＴｉとＣｒを用いたのは、前者が稀ＨＦに容
易に溶け、後者は溶けにくく、かつ両者は接着力が強い
ためであり、この主旨が満たされるこのほかの材料も使
用することができる。

【００１４】（実施例２）次に第２の実施例を図２によ
り詳細に説明する。第１の実施例と同様にＴｉとＡｕの
積層（厚さそれぞれ、１０ｎｍと３０ｎｍ）からなる第
１の遮光層２を有する石英ガラス基板２１上に、Ａｒイ
オンレーザ４（波長３６４ｎｍ）を用いて２０４ｎｍ周
期の干渉露光によりホトレジストパターンを得、イオン
ミリングによって第１の転写マスクパターン２２を形成
する（図２（ａ））。次にこの表面に通常のホトレジス
トパターン２６を所定の領域に形成し、約５０ｎｍの深
さの石英ガラス溝２５をＣＨＦ₃ ガスを主体とした通常
のドライエッチングで加工する（図２（ｂ））。

【００１５】続いて、第２の遮光層２７であるＣｒとＡ
ｕの積層（厚さそれぞれ、１０ｎｍと３０ｎｍ）を蒸着
によって形成する（図２（ｃ））。この後、稀ＨＦ溶液
に浸けて露出している第１の転写マスクパターン２２を
石英ガラスから剥がし、続いてホトレジストパターン２
６を剥離し、第２の転写マスクパターン２８と第１の転
写マスクパターン２２間で位相が反転した関係を持った
位相シフト型回折格子転写マスクを得る（図２
（ｄ））。

【００１６】上記製造工程で、第２の転写マスクパター
ン２８を形成する工程を以下のように変更することも可
能である。図２（ｃ）の工程の後、この表面に約５０ｎ
ｍの厚さのホトレジストを塗布し、軽くこれをエッチバ
ックして、露出している金属層を除去する。実施例１と
２で石英ガラス基板に同溝を加工形成する例を述べた
が、これは製造工程を簡略するためであり、別の方法と
して石英ガラス基板上に絶縁膜を成膜し、これに溝を加
工しても良い。

【００１７】（実施例３）次に第３の実施例を図３によ
り詳細に説明する。ＷＳｉの金属層３２（厚さ、１００
ｎｍ）からなる第１の遮光層２を有する石英ガラス基板
３１上に、第１の実施例と同様にＡｒイオンレーザ４
（波長３６４ｎｍ）を用いて２０６ｎｍ周期の干渉露光
によりホトレジストパターン３３を得る（図３
（ａ））。次にＳＦ₆ガスを主体とした異方性ドライエ
ッチングでＷＳｉの金属層３２を加工し、上記ホトレジ
ストパターン３３を残したまま（図３（ｂ））、通常の
ホトレジストパターン３４を所定の領域に形成し、続い
て、第２の遮光層２７であるＣｒとＡｕの積層（厚さそ
れぞれ、１０ｎｍと３０ｎｍ）を蒸着によって形成する
（図３（ｃ））。

【００１８】この後、露出しているＷＳｉの金属層３２
とホトレジストパターン３３をCF₄とＯ₂ の混合ガスを
主体とした等方性ドライエッチングで削り、ホトレジス
トパターン３４を剥離し、第２の転写マスクパターン３
５と第１の転写マスクパターン３２間で位相が反転した
関係を持った位相シフト型回折格子転写マスクを得る
（図３（ｄ））。

【００１９】この方法では第２の転写マスクパターン３
５を作りやすくするためＷＳｉの金属層３２をほかの金
属層と比べて厚く設計し、本実施例で示したようにホト
レジストパターン３３を残さなくても第２の転写マスク
パターン３５は形成できる。

【００２０】この実施例ではＷＳｉの金属層３２を使用
したが、ここに用いる材料はドライエッチで垂直の断面
形状に容易に加工できるＭｏ，Ｗ，Ｓｉなどで良いこと
を付言する。また、ホトレジストとの接着力を低減する
ためにＷＳｉの金属層３２の表面にＡｕを重ねてもよ
い。

【００２１】以上、実施例１から３に述べた位相シフト
型回折格子転写マスクの製造方法は、従来のものと対比
して、簡単，容易に作製できることがわかる。これによ
って該転写マスクは自家生産が可能となり、各発振波長
に対応した他種類のものを任意に取りそろえることがで
き、多重通信用の半導体レーザを低コストで供給できる
ようになる。

【００２２】（実施例４）次に第４の実施例を図４と図
５により詳細に説明する。これはＸ線源により回折格子
を試料表面に密着転写する位相シフト型回折格子転写マ
スクの製造方法に関する。

【００２３】図４は本発明による他の位相シフト型回折
格子転写マスクの製造方法である。石英ガラス基板に代
わってここではＳｉ基板４０上にＳｉＮ膜４１を１５０
ｎｍの厚さに堆積した基板上に第３の実施例と同様の方
法で第１の転写マスクパターン４２と第２の転写マスク
パターン４５を形成する。これらはそれぞれＡｕ／Ｔｉ
とＡｕ／Ｃｒ層の構成である（図４（ａ））。続いて、
第１と第２の転写マスクパターン上にメッキにより厚さ
約２００ｎｍのＡｕ層４６を形成する（図４（ｂ））。

【００２４】転写マスクパターン直下のＳｉ基板４０を
裏面からＫＯＨの化学エッチングで全部削り取り４７，
Ｘ線の透過するＳｉＮ膜４１と遮光のＡｕ層でマスクを
構成する（図４（ｃ））。パターン転写の不要な領域の
Ｓｉ基板４０を残し、マスク補強の枠４８とする。

【００２５】図５は本発明の製造方法で形成した位相シ
フト型回折格子転写マスクを用いて、結晶表面に回折格
子を製造した手順を示す。ＩｎＰ結晶基板５１上にＸ線
レジスト層５２を塗布し、これに位相シフト型回折格子
転写マスク５３を密着し、Ｘ線５９を照射する（図５
（ａ））。現像したＸ線レジストパターン５４をマスク
にＩｎＰ結晶基板５１をＨＢｒ系化学エッチング液で削
り、回折格子５５を形成する（図５（ｂ））。波長の短
いＸ線露光により、形成されたレジストパターンの断面
形状は急峻である。

【００２６】以上述べた他に本発明の主旨により、材料
や手順の異なったＸ線転写用位相シフト型回折格子転写
マスクの製造方法は可能である。例えばＸ線を透過しや
すい薄膜にＢｅやアルミナ等でもよく、Ａｕ，Ｗ等の遮
光層はメッキを使わずにドライエッチ加工で形成しても
よい。支持基板はＳｉ以外でもよい。また、位相シフト
型回折格子のパターン形成は電子線描画法を用いてもよ
い。

【００２７】（実施例５）次に第５の実施例を図６によ
り詳細に説明する。図６は本発明を用いて波長１.３μ
ｍ帯の分布帰還型半導体レーザを作製した例である。
図６（ａ）に示すように、ｎ型（１００）ＩｎＰ基板１
０１上に有機金属気相成長法によりｎ型ＩｎＰバッファ
層１.０μｍ１１５，ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層
(組成波長１.１０μｍ)０.０５μｍ，５周期の多重量子
井戸層（６.０ｎｍ厚の１％圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰ(組成
波長１.３７μｍ）井戸層，１０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓ
Ｐ（組成波長１.１０μｍ）障壁層），ＩｎＧａＡｓＰ
（組成波長１.１０μｍ）上側光ガイド層０.０５μｍ
からなる活性層１１６，第１ｐ型ＩｎＰクラッド層０.
１μｍ１１７，アンドープＩｎＧａＡｓＰ（組成波長
１.１５μｍ）回折格子供給層０.０５μｍ１１８，Ｐ型
ＩｎＰキャップ層０.０１μｍ１１９を順次形成する。
多重量子井戸活性層１１６の発光波長は約１.３１μｍ
である。

【００２８】次に、実施例１の製造法で作成した位相シ
フト型回折格子転写マスクを用いて密着露光により結晶
表面にホトレジストパターンを形成した。これをマスク
にＨＢｒ系化学エッチングにより図６（ｂ）に示すよう
に周期２０２ｎｍで素子の中央で位相の反転した回折格
子１２０を基板全面に形成する。回折格子の深さは約８
０ｎｍとし、回折格子が回折格子供給層１１８を貫通し
第１Ｐ型ＩｎＰクラッド層１１７に達するようにする。
続いて、有機金属気相成長法により第２Ｐ型ＩｎＰクラ
ッド層１.７μｍ１２１，高濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓキャ
ップ層０.２μｍ１２２を順次形成する（図６
（ｃ））。

【００２９】続いて横幅約１.５μｍの埋め込み型レー
ザ構造または横幅約２.２μｍのリッジ導波路型レーザ
構造に加工形成した後、上部電極１２３，下部電極１２
４を形成する。図６（ｄ）に示すように劈開工程により
素子長４００μｍの素子に切り出した後、素子の両端面
には反射率約１％の低反射膜１２５を公知の手法により
形成する。

【００３０】作製した１.３μｍ帯の分布帰還型半導体
レーザ素子は室温，連続条件においてしきい値電流１０
ｍＡ，発振効率０.４５Ｗ／Ａであった。また、８５℃
の高温においてもしきい値電流２５ｍＡ，発振効率０.
３０Ｗ／Ａと良好な発振特性を得た。発振しきい値以
下に順バイアスを印加した場合の、スペクトル形状を図
６（ｅ）に示した。位相シフト型の回折格子を反映して
ストップバンドの中央に発振主モードが現われる典型的
なスペクトルが得られた。本発明による位相シフト回折
格子作製技術の優れた量産性・再現性・単一モード選択
性を反映して、８５℃の高温においても副モード抑圧比
４０ｄＢ以上の安定な単一モード動作を９５％以上の高
い製造歩留まりで実現した。本構造は１.３μｍ帯のみ
ならず１.５μｍ帯や他の波長帯の分布帰還型半導体レ
ーザにも適用可能である。

【００３１】（実施例６）次に第６の実施例を図７によ
り詳細に説明する。図７は実施例４の分布帰還型半導体
レーザ１２６をヒートシンク１２７上に実装した後、光
学レンズ１２８，後端面光出力モニタ用のフォトダイオ
ード１２９と光ファイバ１３０とを一体化した光送信モ
ジュールの構造図である。室温，連続条件においてしき
い値電流１０ｍＡ，発振効率０.２０Ｗ／Ａであった。
また、８５℃の高温においてもしきい値電流２５ｍＡ，
発振効率０.１３Ｗ／Ａと良好な発振特性を得た。ま
た、簡易な作製を反映して、８５℃の高温においても副
モード抑圧比４０ｄＢ以上の安定な単一モード動作を９
５％以上の高い製造歩留まりで実現した。本レーザでは
規格化光結合係数を２.５以上と高く設定できるため、
モジュール実装での最大の課題であるファイバ端からの
戻り光による発振特性の劣化は全く起きなかった。

【００３２】（実施例７）次に第７の実施例を図８によ
り詳細に説明する。図８は、実施例６の送信モジュール
を用いた幹線系光通信システムである。送信装置１３２
は送信モジュール１３１とこのモジュール１３１を駆動
するための駆動系１３３とを有する。モジュール１３１
からの光信号がファイバ１３４を通って受信装置１３５
内の受光部１３６で検出される。本実施例に係る光通信
システムによれば１００ｋｍ以上の無中継光伝送が容易
に実現できる。これはチャーピングが著しく低減される
結果、ファイバ１３４の分散による信号劣化がやはり著
しく低減されることに基づく。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、位相シフト型回折格子
転写マスクが従来技術を用いて安価に製作でき、これを
用いて単一モード選択性に優れた位相シフト分布帰還型
半導体レーザを安価に実現できる。本発明を用いれば、
任意の単一発振波長を持つ素子の生産性が飛躍的に向上
するだけでなく、この素子を搭載した光モジュールおよ
び光応用システムの低コスト化に効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の回折格子転写マスクの製造
工程を説明する断面図。

【図２】本発明の実施例２の回折格子転写マスクの製造
工程を説明する断面図。

【図３】本発明の実施例３の回折格子転写マスクの製造
工程を説明する断面図。

【図４】本発明の実施例４の回折格子製造工程を説明す
る断面図。

【図５】本発明の実施例４の回折格子製造工程を説明す
る断面図。

【図６】本発明の実施例５の半導体レーザ製造工程を説
明する断面図および半導体レーザの発光特性図。

【図７】本発明の実施例６の光送信モジュールの部分断
面斜視図。

【図８】本発明の実施例７の幹線系光通信システムのモ
デル構成を示すブロック図。

【符号の説明】

１，２１，３１…石英ガラス基板、２…第１の遮光層、
３…周期性のホトレジストパターン、４…レーザ光、
５，２２，３２…第１の転写マスクパターン、７，２
６，３４…通常のホトレジストパターン、９，２８，３
５…第２の転写マスクパターン、２７…第２の遮光層、
５３…Ｘ線転写マスク、５９…Ｘ線、１０１…ｎ型Ｉｎ
Ｐ半導体基板、１１５…ｎ型ＩｎＰバッファ層、１１６
…多重量子井戸活性層、１１７…第１ｐ型ＩｎＰクラッ
ド層、１１８…アンドープInGaAsP 回折格子供給層、１
１９…多重量子井戸活性層、１２０…ｐ型ＩｎＰキャッ
プ層、１２１…第２ｐ型ＩｎＰクラッド層、１２２…ｐ
型ＩｎＧａＡｓキャップ層、１２３…上部電極、１２４
…下部電極、１２５…低反射膜、１２６…分布帰還型半
導体レーザ、１２７…ヒートシンク、１２８…光学レン
ズ、１２９…フォトダイオード、１３０…光ファイバ、
１３１…送信モジュール、１３２…送信装置、１３３…
駆動系、１３４…光ファイバ、１３５…受信装置、１３
６…受光部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】石英ガラス基板に第１の遮光層を形成する
工程と、レーザ光の干渉露光により形成したホトレジス
トパターンにより第１の遮光層を加工し第１の回折格子
転写マスクパターンを形成する工程と、該マスクパター
ンをマスクに石英ガラス溝を形成する工程と、この表面
の所定の領域をホトレジストパターンで被覆する工程
と、被覆されていない領域の第１の回折格子転写マスク
パターンを除去し石英ガラス溝に第２の遮光層からなる
第２の回折格子転写マスクパターンを形成する工程とを
有することを特徴とした位相シフト型回折格子転写マス
クの製造方法。
【請求項２】石英ガラス基板に第１の遮光層を形成する
工程と、レーザ光の干渉露光により形成したホトレジス
トパターンにより第１の遮光層を加工し第１の回折格子
転写マスクパターンを形成する工程と、この表面の所定
の領域をホトレジストパターンで被覆する工程と、被覆
されていない領域に石英ガラス溝を形成する工程と、こ
の表面に第２の遮光層を形成する工程と、被覆されてい
ない領域の第１の回折格子転写マスクパターンを除去し
石英ガラス溝に第２の遮光層からなる第２の回折格子転
写マスクパターンを形成する工程とを有することを特徴
とした位相シフト型回折格子転写マスクの製造方法。
【請求項３】石英ガラス基板にＷＳｉからなる第１の遮
光層を形成する工程と、レーザ光の干渉露光により形成
したホトレジストパターンにより第１の遮光層を加工し
第１の回折格子転写マスクパターンを形成する工程と、
この表面の所定の領域をホトレジストパターンで被覆す
る工程と、被覆されていない領域に第２の遮光層を形成
する工程と、被覆されていない領域のＷＳｉからなる第
１の回折格子転写マスクパターンを除去し石英ガラス表
面に第２の遮光層からなる第２の回折格子転写マスクパ
ターンを形成する工程とを有することを特徴とした位相
シフト型回折格子転写マスクの製造方法。
【請求項４】支持基板上にＸ線を透過する薄膜を形成す
る工程と、Ｘ線を遮光するための第１の遮光層を形成す
る工程と、レーザ光の干渉露光により形成したホトレジ
ストパターンにより第１の遮光層を加工し第１の回折格
子転写マスクパターンを形成する工程と、この表面の所
定の領域をホトレジストパターンで被覆する工程と、被
覆されていない領域にＸ線を遮光するための第２の遮光
層を形成する工程と、被覆されていない領域の第１の回
折格子転写マスクパターンを除去して、第２の遮光層か
らなる第２の回折格子転写マスクパターンを形成する工
程とを有することを特徴とした位相シフト型回折格子転
写マスクの製造方法。
【請求項５】第１の回折格子転写マスクパターンと、第
２の回折格子転写マスクパターンの少なくともどちらか
の上面は貴金属であることを特徴とした請求項１乃至４
記載の位相シフト型回折格子転写マスクの製造方法。
【請求項６】請求項１乃至請求項５に記載のいずれかの
製造方法を用いて製造した位相シフト型回折格子転写マ
スクを用いて製造したことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項７】請求項６に記載の半導体レーザを搭載した
ことを特徴とする光モジュール。
【請求項８】請求項６に記載の半導体レーザを搭載した
ことを特徴とする光応用システム。