JPS6034082B2 - チヤ−プトグレ−テイングの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は断面が鏡歯状でかつ配列方向に間隔が次第に減
少（あるいは増加）するような多数の平行簿により構成
される回折格子の製造方法に関するものである。

上記のような不等周期の溝によって構成される回折格子
、すなわちチャープトグレーティングは本来の分波機能
に加えて、入射する平行光線あるいは拡散光線を回折後
集東させる凸レンズ作用を併せ持ち、このため例えば光
ファイバーで伝送されてくる混合光を各波長光に回折分
波させた後、各分波光をそれぞれ別個の光ファイバーに
集東入射させる装置などに使用される光信号処理装置に
おいて極めて有用である。

一方、等間隔の平行溝で構成される回折格子に上記のよ
うな凸レンズ作用を持させようとすると基板を凹面にす
る必要があり、制作は容易でないうえに救面収差を生じ
る。

その点凸レンズ作用を有する回折格子としては不等周期
な溝で形成されるチャープトグレーティングの方が製作
が容易であり球面収差も生じない。

ところで回折格子においては回折効率は溝の断面形状に
依存していて断面状がブレーズ条件を満足するような鏡
歯状になっている場合に回折効率が最も高い。ここでブ
レーズ条件は第１図に示すように、チャープトグレーテ
ィング１の溝配列方向にとったｙ軸上ある点ｙｍ‐，を
下底とすると鏡歯溝２の煩斜側壁３の傾斜角を８，ｙｍ
‐，点と隣接溝の下底ｙｍ点間の間隔（溝周期）をＷ、
溝側壁３に入射する光線４の基板面法線５に対する懐き
角をａｉ（第１図で左側を正とする）として、おｌｎｏ
・ｃｏｓ（８一８ｉ）＝ｍ＾／Ｗ．・…・ｍで表わすこ
とができる。

ただし【１１式のｍは回折次数、入は光線の波長である
。

またグレーティングの周期ｗとブレーズ角８との関係は
、第２図に示すように、グレーティング１‘こ対し拡散
しつつ斜めに入射する光線４Ａの光源点およびグレーテ
ィング１の面で回折された後、集東する光線４Ｂの集光
点がともにグレーティング面から等しい距離ｌｃに位置
し、且つ回折光４Ｂの中心軸線がグレーティング面に垂
直としたとき、両光東の軸線が成す角をのｉとして、ｙ
ｍ／ＩＣただししｍ＝（１十ｓｅｃ？ｉ）／２十入ｃｍ
／かｌｃ（ｎは媒質の屈折率；ｍ＝……−２，一１’０
，１，２…・・・；ｙ。

：０）で表わすことができる。また第１図における入射
角ａｉは ねｎ８ｉニｔａｎのｉ＋ｙ／ｌｃ ……｛３１
で決定される。

上記のようにチャーブトグレーティング１を構成すれば
、例えばチャープトグレーティング１を厚みｌｃ、屈折
率ｎの平行面をもつガラスあるいはプラスチックの透明
ブロック７の片面に援合し、この透明ブロック７の他方
の面に光ファイバー６Ａ，６Ｂ…・・・先端を接続する
ことにより、光ファイバー６Ａで伝送される混合光をグ
レーテイングーで回折分波した後、他の光ファイバー６
Ｂに集東入射させることができる。

従来から等周期回折格子の溝の断面形状をブレーズ条件
を満たす鋸歯状にするため、ルーリングェンジン（回折
格子刻線機）、レーザー光の干渉法あるいは電子線露光
法等により基板上にマスクを等間隔に形成し、この基板
表面の法線に対してある角度をもって入射する平行イオ
ンビームによりエッチングする等の工夫がなされている
。

ところが不等周期な溝によって構成されるチャープトグ
レーティングの場合は溝形状を鋸歯状にして回折格子の
全面でブレーズ条件を満足させるたためには、個々の溝
について傾き角８を変化させなければならなず、従来の
ルーリングェンジンによる機械的刻線法や平行イオンビ
ームによるエッチング法では製作が極めて難しい。上記
以外にも電子線露光法により露光量を変化させ、ＰＭＭ
Ａ等のレジストが露光量に応じてエッチングされる現象
を利用する方法が提案されている。

しかしこの方法ではＰＭＭＡ等のレジストのエッチング
表面が必らずしも平滑でないため、回折効率が低下し且
つ迷光が大きい等の問題がある。本発明は上述した従来
の問題点を解決し、高精度の不等周期チャープトグレー
ティングを容易に製造することができる方法を提供する
ことを主な目的としている。

本発明に従った方法では、基板上に回折格子パターンの
不等周期縞状の閉口部を残してマスクを施し、次にこの
マスク付き基板を拡散するイオンビーム内にマスク開□
幅の小さい側をビーム外周側にして配置し、拡散イオン
ビーム基板のマスキング面をエッチングする。

このとき、マスクの開□を横断する垂直仮想面内に上記
イオンビーム中心軸が含まれるように、且つ前記仮想面
内で基板面法線をイオンビーム中心軸に対し傾斜させる
か、または基板面法線とイオンビーム中心軸とが平行に
なる姿勢で配置する。

上記の方法によれば、ビームの中心軸に近い基板上の箇
所では大きな溝幅と小さい溝壁傾斜角８でエッチングさ
れ、またイオンビームの外周に近づくに従い小さい溝幅
とより大な傾斜角０をもつグレーテイング溝が形成され
る。

このようにして本発明方法によればイオンビームの開き
角または（および）基板面の傾き角を前述した所定のブ
レーズ条件を満たすように幾何学計算でめて当初に設定
したおくだけで、後は何らの複雑な操作を必要とせずに
自動的に不等周期のグレ−ティング溝を基板面に高精度
で刻設することができる。

以下本発明を図面に示した実施例に基づいて詳細に説明
する。

まず第３図に示すように単結晶シリコン等の基板１０表
面に、間隔をおいて平行に多数配列したマスク開ロ１１
を残した状態でフオトレジストなどから成るマスク１２
を設ける。

このスリット開口１１の幅Ｗ２および隣接関口間のマス
ク幅は一方同ｙに向って順次拡大したいくような不等幅
の縞状としておく。マスク関口１１を設けるに当っては
例えば、単結晶シリコンの基板１０の表面全体にグレー
ティング溝を刻設するＳｉ０２膜を設け、この面にフオ
トレジストあるいは電子線用レジストを塗布し、レーザ
ー光干渉法、電子線露光法等で露光現象し、未露光部分
のレジストを除去して所定の関口パターンをもつマスク
１２をつくる。

次に上記のマスク付き基板１０を第４図に示すように拡
散イオンビーム１３の範囲内に配置する。

拡散イオンビーム１３は例えばイオン銃１４からの放射
イオンビームを電界レンズ１５等でフオーカスさせ、集
東した後拡散するイオンビーム１３の範囲内に基板１０
を置く。このときマスク１２のスリット閉口１１……を
直角に横断する垂直仮想面（第４図において紙面）内に
イオンビーム中心軸１６が含まれるように、且つ上論仮
想面内で基板面法線１７をイオンビーム中心軸１６に対
し、マスク閉口１１の幅が狭い側に一定角度ので傾斜さ
せて配置する。

上記の配置で拡散イオンビーム１３を放射すると第５図
イ〜ハに段階的に示すようにしてエッチングがおこなわ
れる。イオンビ−ム１３はマスク１２およびマスク１２
のスリット関口１１を通して基板１０面を打つが、この
ときイオンビーム１３の拡がりの外周に近い箇所ほどビ
ーム１３と基板面との成す角は４・さくなる。

イオンビーム１３によるエッチングが進行すると第５図
口に示すように次第にマスク１２のエッジがイオンビー
ム１３によって削られて今までマスク１２の影になって
いた基板表面部分も削られるようになり、イオンビーム
１３に直交する傾斜側壁２Ａイオンビーム１３に平行な
傾斜側壁２Ｂとで断面がＶ字型の溝が形成されていく。

さらにイオンビーム放射を続けると最終的にはマスク１
２が削り取られて鏡歯状の凹凸が基板面に形成される。
この鋸歯状凸部間にあるＶ字溝２を形成する両側壁２Ａ
，２Ｂのうち、イオンビーム１３に直交する溝側壁２Ａ
が基板面１８に対して成す角８‘ま前述した配置関係に
よってマスク閉口幅Ｗ２の小さな側（第４図で左側）ほ
ど大になり、それだけ溝周期Ｗが狭まる。このようにし
て基板１０のマスキング面には回折面２Ａのブレーズ角
８が次第に減少するような不等周期のチャープトグレー
ティングーが形成される。

ここで基板１０の配置位置および傾き角について考察す
ると、第５図ハに示すように基板１０上のグレーティン
グ形成部の任意点に当るイオンビ・ーム１３とビーム中
心観１６が成す開き角を◇とし、基板法線１７のビーム
中心軸に対する頃斜角をｐとすると、このビーム投射点
に形成される鍵歯状溝の懐き角（ブレーズ角）８は、８
ニの十■ ……■で表わすこと
ができる。

したがって造りたいグレーティングのブレーズ角ａが８
，ＳＯＳ８２のときは、８，≦（■＋の）≦８２
……（５）となるような位置および基板傾け角で
配置すれば良いことになる。

また第６図に模式的に示すように基板１０上のグレーテ
ィング形成部の一端側に当るイオンビームの開き角■，
、池端側に当るイオンビームの開き角を０２として角度
中？の符号を第６図で左側を正としたとき、第６図のよ
うにイオンビーム中心軸１６を挟んで両側に亘り基板を
位置させる場合には、！○，ｌ＝■２での＝（８２一８
，）／２となるように選べば拡散イオンビームの中心付
近を使ってエッチングできるための＝０の場合に比べて
一性が良くなる。

のの望ましい値はイオンビームの開き角■に依存する。

たとえば一■。Ｓ■ミ■ｏの間でイオンビーム強度が一
定であればｐのとれる最大値は、のｍａ×＝８・十■。
である。基板に入射する拡散イオンビームの基板
に平行な断面は第７図に示すように楕円であるがこのイ
オンビーム投射範囲１９の長軸の近傍のみを使えば直線
と近似するので良好な結果が得られる。

さらに今までの説明ではイオンビームのみでエッチング
を行なったが、エッチング速度の向上とマスクと基板の
選択比向上のためにはＣＦ４，ＣＨＦ３などのガスを使
用し反応性イオンビームエッチングとする事が望ましい
。第８図および第９図に本発明の他の実施例を示す。

本例では、シリコン単結晶等の基板１０の面にスリット
開□１１を残してフオトレジスト樹脂などからなるマス
ク１２を設けるに当り、基板１０の中心から両側に向け
て対称にスリット関口１１の幅Ｗ２々よびマスク幅が順
次縮小するような左右対称の不等幅縞状としておく。そ
して上記のマスク付き基板１０を第９図に示すように拡
散するイオンビーム１３中に、上記平行スリット関口１
１・・・・・・の対称中心を通る基板法線１７をイオン
ビーム中心軸１６に一致させて配置する。

そして前述例と同様にしてビームエッチングを行なうと
第１１図に示すように側壁２Ａの煩斜角ｏが中心から外
側に向けて順次増大する不等周期の平行鋸歯溝が対称に
形成される。

このようにして溝側壁２Ａを回折面とし８をグレーティ
ング角として中心から両側に向けて対称にグレーティン
グ角が増加するチヤープトグレーティング１が形成され
る。

第１０図に当初のマスク形状の別の例を平面図で示す。

本例では基板１０面に間隔をおいて同Ｄ円状とした開□
１１を残してマスク１２を施し、上記円環状のマスク開
口１１の幅および隣接する開□間にある円環状のマスク
部分の幅を中心から外周に向けて順次縮小するような不
等周期とする。上記のマスク付き基板を第９図のように
拡散イオンビーム１３中に、マスク関口１１の同心円中
心を通る基板法線１７をイオンビーム中心軸１６に一致
させて配置する。そしてビームエッチングを行なうと第
１１図に断面で示すように側壁２Ａの傾斜角８が外周に
向けて順次増大する不等周期の鋸歯溝が同Ｄ円環状に形
成される。

これを中心から放射状に一定幅で切り出すことにより多
数のチャープトグレーティングを一挙に製作することが
できる。

実施例 １ 単結晶Ｓｉ基板の全面に熱酸化法で０．３３仏ｍの厚み
Ｓｉ０２膜を形成したものを用意した。

次にこの基板上にフオトレジストとして ＡＺ１３５０を０．５山ｍの厚さにスピンナーで塗布し
、ＨｅＣｄレーザーの３２５ｎｍの光を使い、二光東干
渉法で第３図のような不等周期の縞築状パターンが形成
されるるようにフオトレジストを露光、現象してマスク
を作った。

次にこのマスク付き基板を第４図のように拡イオンビー
ム内に基板面法線をマスク開□幅が４さし・側に一定角
度で傾斜させて固定した。

ここで基板の傾斜角のを１０．４０、基板の長さ３肌、
イオンビームの放射中心から基板の両端を見込む角，，
■２ を■，＝■２ ＝３．６０に選んだ。この条件で
はイオンビームの放射中心点からビーム中心軸と基板面
交点までの距離は２３．４６肋、この交点からマスク開
□幅の大な側の基板エッジまでの距離は１．４９肋、反
対側エッジまでの距離は１．５１肋である。上記準備後
ＣＦ４による反応性イオンビームエッチングでマスク面
をエッチングした。

使用したイオン源はカホフマン型でエッチング条件は加
速電圧０．弧ｅＶ、電流密度０．４ｍＡ／ｃｍ２、真空
度０．８×１０‐４Ｔｏｎであった。

約９分間のエッチングによってグレーティング周期が３
．１２ｒｍないし１．３３山ｍでブレーズ角０の範囲が
６．９０ないし１４０で長さ３肌の不等周期チャープト
グレーティングが得られた。

エッチングレートはＳｉ０２が３６０Ａ／ｍｉｎ、フオ
トレジストＡＺ１３５０が１３０Ａ／ｍｉｎであった。

このチャープトグレーティングの鏡歯溝の間隔Ｗの分布
を第１２図にグラフで示す。同図中機軸は基板中央から
距離を側で示し、たて軸は鋸歯溝幅Ｗを仏ｍの単位で示
す。

実施例 ２ ガラス基板を用意し、この上にＡｕ膜を０．４山ｍの厚
さに蒸着した。

さらにこのＡｕ膜の上に厚さ０．１ｒｍのＣｒ膜を同機
にして形成した。Ｃｒ膜上にフオトレジストＡＺ１３５
０を０．１仏ｍの厚さにスピンナーで塗布し、ＨｅＣｄ
レーザーの３２５ｎｍの光による二光東干渉法で実施例
１と同じグレーティングパターンを形成するため露光、
現像した。次にリアクティブオンェッチングによってＡ
Ｚ１３５０の下のＣｒをエッチングしてＡｕ膜を〜イオ
ンビームエッチングする際のマスクとした。

ＡＪイオンビームエッチングにおけるＡｕとＡＺ１３５
０の選択比は４〜５程度であり、ＡｕとＣｒでも同程度
であるが、フオトレジストＡＺ１３５０のマスクの場合
閉口部に臨むマスクエッジが垂直ではなく若干だれてい
るので、このフオトレジスト膜の下のＣｒ膜をリアクテ
ィブオンェッチングする事によってエッジが矩形のマス
クを製作した。このようにして作ったＣｒマスク付きＡ
ｕ膜を拡散Ａｒイオンビームでエッチングすることによ
って不等周期のェシェレット型チャープトグレーテイン
グを得た。

このときの拡散イオンビームに対する基板の配置は実施
例１と同じにした。ただし今回使用したＡｒイオン源は
ＥＣＲ型（函子サィクロトロン共鳴型）でレンズ系とし
ては、均一な拡散イオンビームを得るためにコンデンサ
−レンズと対物レンズを利用したレンズ系を使った。

このレンズ系はイオン源からのビームをコンデンサーレ
ンズで一度絞り、次に対物レンズ絞りを通して対物レン
ズで集東させ、さらに試料前面のビーム制限絞りを通し
て均一な拡散イオンビームを得るものである。

またこの拡散イオンビームの電流密度は約４０仏Ａ／ｃ
ｍ２でＡｕに対するエッチング速度は約５０Ａ／ｍｉｎ
であった。

実施例 ３ 単結晶Ｓｉ基板に熱酸化法で厚さ０．６仏ｍのＳｉ０２
膜を形成したものを用意した。

次にこの基板上にフオトレジストとして ＡＺ１３５０を０．６山ｍの厚さになるようにスピンナ
−で塗布し、Ｈｅ・Ｃｄレーザーの３２籾ｍの光を使い
、二光東干渉法で第８図のような所定のパターンが形成
されるようにフオトレジストを露光、現像してマスクを
つくった。

このマスク付き基板を第９図に示したようにその中心を
イオンビーム中心軸と一致させ、イオンビームの放射点
からの距離を３比舷、グレーティングの長さを６側とし
て設定した。

上記準備の後ＣＦ４を用いた反応性イオンビームエッチ
ングを行なってＳｉ０２膜をエッチングした。

ィオンビ−ムの拡がりは約１１．４０になるように電界
レンズを調整した。使用したイオン源はカホフマン型で
エッチング条件は加速電圧０．郎ｅＶ、電流密度０．４
ｍＡ／ｃｍ２真空度０．８×１０‐５Ｔｏｎであった。

エッチングレードはＳｉ０２膜が３６０Ａ／ｍｉｎでフ
オトレジストＡＺ１３５０が１３０Ａ／ｍｉｎであり、
１６分３の砂のエッチング時間が必要であった。

上記のエッチングの結果、片側において第１３図に示す
ような溝幅周期をもつ第１１図のようなチャープトグレ
ーティングが形成されていた。

第１３図において機軸は基板中心からの距離を柳で示し
、たて軸は溝周期Ｗをムｍの単位で対数目盛で示してい
る。グラフからわかるように溝の周期はグレーティング
の両端で最も小さく約６ｒｍであるが、基板の中心に近
づくに従って鏡面反射に近づくので周期が大きくなり中
心から約０．１側以内では溝壁がほぼ平らになる。

以上のようにして得られたチャープトグレーティングは
、第１４図に示すように基板面からの距離１３＝３仇吻
で中心軸から１，＝３側離れた点２０から拡散放射した
光線がグレーティング面１で回折された後、中心軸から
１２二３職離れた上記光源点２０と対称な点２１に集東
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は不等周期チャーブトグレーティングを示す側断
面図、第２図は第１図のものの使用例を示す側断面図、
第３図ないし第７図は本発明の一実施例を示し、第３図
は基板へのマスキングの方法を示す側断面図、第４図は
同マスク付き基板を拡散ィオンビ−ム内に配置した状態
を示す側断面図、第５図イないしハは第４図の方法で基
板がエッチングされる状態を段階的に示す側断面図、第
６図は第４図における角度関係を模式的に示す側断面図
、第７図は第４図において基板面に平行な面で切断した
平面図、第８図および第９図は本発明の他の実施例を示
し、第８図イ，口は基板へのマスキング状態を示すそれ
ぞれ側断面図および平面図、第９図は第８図のマス付き
基板を拡散イオンビーム内にセットした状態を示す側断
面図、第１０図は第９図のエッチング方法を用いた場合
における基板マスキング方法の他の例を示す平面図、第
１１図は第８図ないし第１０図を示したエッチング方法
で得られるチャープトグレーティングを示す側断面図、
第１２図は本発明の方法の第１実施例で製造される不等
周期チャープトグレーティングの溝周期を示すグラフ、
第１３図は本発明方法の第３実施例で製造されるチャー
プトグレーティングの溝周期を示すグラフ、第１４図は
本発明の第２実施例で製造されるチャープトグレーティ
ングの回折作用を示す断面図である。 １・・・・・・グレーティング、２・・・・・・鋸歯溝
、２Ａ・・・・・・回折面、４，４Ａ，４Ｂ・・・・・
・光線、６Ａ，６Ｂ……光ファイバー、７…・・・透明
ブロック、１０…・・・基板、１１…・・・マスク閉口
、１２・…・・マスク、１３……イオンビーム、１４…
…イオン銃、１５・・・・・・電界レンズ、１６・・・
・・・ビーム中心軸、１７・・・・・・基板法線。 第１図 第２図 第３図 第４図 第６図 第７図 第５図 第８図 第９図 第１０図 第１１図 第１２図 第１３図 第１４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 断面がほぼ鋸歯状をした溝を不等周期で基板並列形
   成してなるチヤープトグレーテイングを製造する方法で
   あつて、基板上に前記グレーテイングパターンで不等周
   期の縞状の開口部を残してマスクを施し、次にこのマス
   ク付き基板を拡散するイオンビーム内に配置し、前記拡
   剤イオンビームで基板のマスキングとすることを特徴と
   するチヤープトグレーテイングの製造方法。 ２ 特許請求の範囲第１項において、基板は前記マスク
   開口を横断する垂直仮想面内に前記イオンビームの中心
   軸が含まれるように、且つ前記仮想面内で基板面法線を
   イオンビーム中心軸に対しマスク開口幅の小さい側に傾
   斜させて配置することを特徴とするチヤープトグレーテ
   イングの製造方法。