JPS62262004A - 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・開発が活発に行なわれている
。その中で分布帰環形（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生目を集めている。

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、光を取り出すために一端はへきかい面を用い、もう
一端は７アブ１ルペローモードを抑制するために、端面
反対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、一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位置において、回
折格子がどのような位相で終わるかにより著しく変化す
る。従って、従来のＤＦＢレーザでは主モードと次のモ
ードとの間の反射鏡損失差が小さい場合も多く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レーザの内部に回折格
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。これ
に関する文献の例として宇高他著の１９８４年１１月２
２日発行のエレクトロニクスレターズ誌（Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）第２０巻４号１００８〜
１０１０頁記載の論文をあげることができる。

このような構造のＤＦＢレーザをＶ４シフト型ＤＦＢレ
ーザと呼んでいる。

、Ｖ４シフト型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Δは発振波長λと次のような関係にある。

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、λｇ Ａ＝− で与えられる。このことから１次の回折格子を使ったＶ
４シフト型の回折格子は、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わかる。１次
のＶ４４シフト型折格子を使った、Ｖ４４シフト型折格
子の製法としては、代表的なものとして以下の４方法が
あげられる。

第１の方法としては、ノボラック系ポジ型フォトレジス
トと環化ゴム系ネガ型フォトレジストを重ね塗りして干
渉露光を行ない、ポジ型フォトレジストとネガ型フォト
レジストとの逆感光性を利用した方法がある。この方法
の文献としては、宇高他著の１９８４年１１月２２日発
行のエレクトロニクス・レターズ誌（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）第２０巻４号１００８〜１０
１０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、位相シフトに相当する断差を有す
る石英板をフォトレジストを塗布した基板に密着させて
干渉露光を行なう方法があり、この方法の文献としては
白崎他著の電信通信学会技術報告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
る石英板を光学系の中に組み込んで、干渉露光を行なう
方法があり、この方法の文献としては、辻他著の昭和６
０年秋季第４６回応用物理学会学術講演会予稿集２０２
頁記載の２ａ−Ｎ−１０ｒ位相面投影型干渉露光法によ
る。シフト回折格子の作製ｊをあげることができる。

第４の方法としては、ノボラック系のネガ型フォトレジ
ストとノボラック系のポジ型フォトレジストとの間に中
間層をはさんで干渉露光を行なう方法があり、この方法
の文献としては昭和６０年秋琲第４６回応用物理学会学
術講演会予稿集２０２頁記載の２ａ−Ｎ−９ｒノボラッ
ク系ネガ・ポジレジストによる）Ｊ４シフト回折格子］
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。

第１の方法では、環化ゴム系ネガ型フォトレジストの解
像度が悪く、またプロセスの工数が多いため再現性に乏
しいという欠点がある。第２の方法では、遷移領域が〜
１０ｐｍと大きいという欠点がある。第３の方法では、
収差のために回折格子形成面積が非常に小さくなる（〜
７ｍｍ２）という欠点がある。第４の方法では、ノボラ
ック系のネガ型フォトレジストを用いているために第１
の方法とは異なり解像度はよいが、現像条件の制御が大
変難しく、歩留りが悪いという欠点があった。

本発明の目的は、第４の方法を改善して）Ｊ４シフト型
ＤＦＢレーザに用いるための回折格子の製造方法として
、不整がなく、形状が良好な回折格子を歩留りよく製造
する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、基板上の第１の領
域に第１のフォトレジストを形成する第１の工程と、前
記第１の工程の後に第２の膜を前記基板の前記第１の領
域上の前記第１のフォトレジストおよび前記基板の前記
第１の領域以外の第２の領域の露出面を覆うように形成
する第２の工程と、前記第２の工程の後に前記第１のフ
ォトレジストとは逆感光性の第３のフォトレジストを前
記第２の膜を覆うように形成する第３の工程と、前記第
３の工程の後に前記第１および前記第３のフォトレジス
トを縞状に露光した後前記第３のフォトレジストを現像
して前記第３のフォトレジストをマスクとして前記第２
の膜をエツチングする第４の工程と、前記第４の工程の
後に前記基板の前記第２の領域を前記第２の膜をマスク
としてエツチングした後前記第３のフォトレジストを除
去し、その後前記第２の膜を除去する第５の工程と、前
記第５の工程の後に第４のフォトレジストを前記基板の
前記第２の領域のみを覆い、前記基板の前記第１の領域
は覆わないように選択的に形成する第６の工程と、前記
第６の工程の後に前記第１のフォトレジストを現像した
後、前記基板を前記第１のフォトレジストおよび前記第
４のフォトレジストをマスクとしてエツチングする第７
の工程とを含んで構成される。

（作用） 本発明の詳細な説明する。本発明の方法では解像度のよ
いフォトレジストを用いているので、前記第１の方法と
は異なり形状の良好な回折格子を得ることができる。ま
た、前記第２の方法では位相シフト板の段差が〜２ｐｍ
であるため、フレネル回折により遷移領域が〜１０ｐｍ
と大きくなってしまうが、本発明の方法ではフォトレジ
ストの重ね塗りの際の段差は５００人程度であり、遷移
領域は〜ｌＮ１ｍである。

前記第３の方法では、光学系の中に位相シフト板を組込
んでいるために収差の影響で回折格子形成面積が７ｍｍ
２と極めて小さくなってしまうが、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
ムエクスパンダ−だけから構成されているので収差の影
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。以下では、図を用いて本発明の方法と第４の
方法を対比させて本発明の原理を述べる。第２図（ａ）
〜Ｃｇ）はノボラック系ネガ・ポジ型フォトレジストを
用いてＭ４シフト回折格子を製作する場合の従来の工程
をその工程順に示す図である。以下その工程を工程順に
簡単に説明する。第２図（ａ）の工程では、ＩｎＰ基板
１の上に選択的にポジ型フォトレジスト膜２を形成する
。第２図（ｂ）に示す工程では、ＩｎＰ基板１の露出面
とポジ型フォトレジスト膜２を覆うように窒化シリコン
膜３を形成する。第２図（ｅ）に示す工程では窒化シリ
コン膜３を覆うようにネガ型フォトレジスト膜４を形成
した後、波長３２５０人の２本のＨｅ−Ｃｄレーザ光を
用いて干渉露光する。第２図（ｄ）に示す工程では、窒
化シリコン膜３の下にポジ型フォトレジスト膜２が存在
しない領域の上のネガ型フォトレジスト膜４のみを周期
状にパターニングし、残りの領域の上のネガ型フォトレ
ジスト膜４は完全に除去するように現像する。第２図（
ｅ）に示す工程では窒化シリコン膜３をネガ型フォトレ
ジスト膜４が残っている領域では周期状のパターンにな
るように、そしてネガ型フォトレジスト膜４が残ってい
ない領域では窒化シリコン膜３が完全になくなるように
、ネガ型フォトレジスト膜４をエツチングマスクとして
エツチングする。第２図（ｇ）に示す工程では周期状に
パターニングされた窒化シリコン膜３とポジ型のフォト
レジスト膜２をエツチングマスクとしてＩｎＰ基板１を
臭化水素系のエッチャントでエツチングする。

以上が、従来の方法である。以下では従来の方法で歩留
りが悪かった原因について述べる。

従来の方法では、第２図（ｇ）の工程に示すようにＩｎ
Ｐ基板１を１回だけエツチングすることによってＩｎＰ
基板１全面に回折格子８を形成することができるように
するために、第２図（ｄ）に示す工程のような現像方法
を用いていた。すなわち、窒化シリコン膜３の下にはポ
ジ型フォトレジスト膜２がない領域（これを第２の領域
と名付ける）とポジ型フォトレジスト膜２が存在する領
域（これを第１の領域と名付ける）があるが、第２の領
域の上のネガ型フォトレジスト膜４のみを周期状にパタ
ーニングし、第１の領域の上のネガ型フォトレジスト膜
４は完全に除去してしまうような現像条件を設定しなけ
ればならなかった。しかしながら、この現像条件は大変
厳しく、実際に現像を行なうと第１、第２の領域の上の
ネガ型フォトレジスト膜４がともにパターニングされて
残るか、または第１、第２の領域の上のネが型フォトレ
ジスト膜４がともに除去されてしまうことが多かった。

第１、第２の領域の上のネガ型フォトレジスト膜４がと
もにパターニングされて残っていると第１の領域の下の
ＩｎＰ基板１に回折格子を形成することができなくなる
。また、第１、第２の領域の上のネガ型フォトレジスト
がともに除去されていると第２の領域の下のＩｎＰ基板
１に回折格子を形成することができなくなる。このため
、従来の方法では歩留りが悪かったわけである。

本発明で用いる方法では、第１図（ｄ）に示すように１
度第１、第２の領域の上のネガ型のフォトレジスト膜４
がともにパターニングされるように現像する（この現像
条件は従来の方法に比べてゆるい）。そして、ネガ型フ
ォトレジスト膜４をエツチングマスクとして窒化シリコ
ン膜３を周期状のパターンになるようにエツチングした
後、第２の領域の下の基板１にこのパターンを転写する
。この時ポジ型フォトレジスト膜２はまだ現像されてい
ないので、第１の領域の基板部分はエツチングされない
。その後ネガ型フォトレジスト膜４を完全に除去した後
、窒化シリコン膜３を除去してがら、回折格子５のでき
た基板部分だけ、すなわち第２の領域のみを膜６で覆う
。この膜６は、ポジ型フォトレジスト膜２を現像した後
基板１をエツチングする際に既に形成されている回折格
子５が削られないように保護するためのものであり、保
護膜６を名づける。そして、ポジ型フォトレジスト膜２
を現像した後ポジ形フォトレジスト膜２と膜６をエツチ
ングマスクとして基板１をエツチングするものである。

本発明の方法は、不整がなく形状が良好な回折格子を歩
留りよく製作できるという点で有効である。

（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）〜（ｉ）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
ノボラック系ポジ形フォトレジストであるＡ２１３５０
Ｂ−８Ｆ膜２（ヘキスト社製）を膜厚５００人、周期３
００ｐｍテ選択的に形成する。第１図（ｂ）に示す工程
ではＩｎＰ基　−板１とＡ２１３５０Ｂ−８Ｆ膜２を覆
うように窒化シリコン膜３を膜厚が８０人となるように
形成する。第１図（ｃ）に示す工程では窒化シリコン膜
３を覆うようにＡ２１３５０Ｂ。

８Ｆ膜２とは逆感光性のノボラック系ネガ型フォトレジ
ストであるＲＶ−１１００Ｎ膜４（日立化成社製）を膜
厚が１０００人となるように形成した後、波長３２５０
人の２本のＨｅ−Ｃｄレーザ光を用いて、水平面に対す
る入射角４３．２°で干渉露光を行なう。第１図（ｄ）
に示す工程ではＲＶ−１１００Ｎ膜４をＲＶ−１１００
Ｎ膜専用デヘロツパ（日立化成社製）で現像する。第１
図（ｅ）に示す工程では、周期状に形成されたＲＶ−１
１００Ｎ膜４をエツチングマスクとして窒化シリコン膜
３をバッフアート・フッ酸（Ｂ、Ｈ，Ｆ、）でエツチン
グする。第１図（Ｏに示す工程では周期状に形成された
窒化シリコン膜３及びＡＺ１３５０Ｂ、ＳＦ膜２をエツ
チングマスクとしてＩｎＰ半導体基板１をＨＢｒ：Ｈ２
Ｏ２：Ｈ２Ｏ（１０：０．１：１００）の混合液でエツ
チングし、回折格子５を得ることができる。第１図（ｇ
）ニ示す工程テｌｉ、ＲＶ−１１００膜４をＲＶ−１１
００Ｎ膜専用デベロツパで除去した後、Ｂ、ＨｏＦ、で
窒化シリコン膜３を除去し、その後環化ゴム系のネガ型
フォトレジストであるＮＮＲ膜６（ナガヤ社製）を膜厚
が５０００人となるように回折格子５の上のみを覆うよ
うに形成する。第１図（ｈ）に示す工程ではＡＺ１３５
０　Ｂ・ＳＦ膜２をＡＺデベロッパー（ヘキスト社製）
で現像する。第１図（ｉ）に示す工程では、ＮＮＲ膜６
及び周期状に形成されたＡＺ１３５０　Ｂ−８Ｆ膜２を
エツチングマスクとして、ＩｎＰ半導体基板工をＨＢｒ
：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ（１０：０．１：１００）の混合液
でエツチングし、回折格子７を得ることができる。

（発明の効果） 本発明の回折格子の製造方法は、溝の深い、Ｖ４４シフ
ト折格子を歩留りよく得ることができる効果がある。歩
留りはＶ４シフトのない通常の回折格子を製造する場合
と同等（８０％以上）である。

本発明により、周期２０００〜２５００人、深さ〜１０
００人の良好な形状（のこぎり状）の回折格子を半導体
基板全面に形成することができた。尚、遷移領域は１μ
ｍ以下であった。この回折格子を用いて半導体レーザを
製作したところ、）Ｊ４シフトのない均一な回折格子を
用いた半導体レーザに比べてしきい値電流が数社低下し
、また単一モード発振の歩留りが９８％と向上し、本発
明の方向が有効であることが判った。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｉ）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ＩｎＰ基板、２はノボラック
系のポジ型フォトレジスト、３は窒化シリコン、４はノ
ボラック系のネガ型フォトレジスト、５はネガ型のフォ
トレジスト４および窒化シリコン３をマスクとして形成
された回折格子、６は環化ゴム系のネガ型フォトレジス
ト、７はノボラック系のポジ型フォトレジスト２をマス
クとして形成された回折格子である。 第２図（ａ）〜（ｇ）は従来の方法の工程図である。第
２図において１はＩｎＰ基板、２はノボラック系ポジ型
フォトレジスト、３は中間層、４はノボラック系のネガ
型フォトレジスト、８は中間層３とノボラック系のポジ
型フォトレジスト２をマスクとして形成さ第２の領域　
第１の領域 ＜ｅ＞ 第２図 第２の領域第１の領域 （ａ） （ｄ） （ｅ） （ｆ） （ｇ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板上の第１の領域に第１のフォトレジストを形成する
   第１の工程と、前記第１の工程の後に第２の膜を前記基
   板の前記第１の領域上の前記第１のフォトレジストおよ
   び前記基板の前記第１の領域以外の第２の領域の露出面
   を覆うように形成する第２の工程と、前記第２の工程の
   後に前記第１のフォトレジストとは逆感光性の第３のフ
   ォトレジストを前記第２の膜を覆うように形成する第３
   の工程と、前記第３の工程の後に前記第１および前記第
   ３のフォトレジストを縞状に露光した後前記第３のフォ
   トレジストを現像して前記第３のフォトレジストをマス
   クとして前記第２の膜をエッチングする第４の工程と、
   前記第４の工程の後に前記基板の前記第２の領域を前記
   第２の膜をマスクとしてエッチングした後前記第３のフ
   ォトレジストを除去し、その後前記第２の膜を除去する
   第５の工程と、前記第５の工程の後に第４の膜を前記基
   板の前記第２の領域のみを覆い、前記基板の前記第１の
   領域は覆わないように選択的に形成する第６の工程と、
   前記第６の工程の後に前記第１のフォトレジストを現像
   した後、前記基板を前記第１のフォトレジストおよび前
   記第４の膜をマスクとしてエッチングする第７の工程と
   を含むことを特徴とする回折格子の製造方法。