(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成された回折格子の周期測定方法において、
回折格子が形成された半導体基板の前記回折格子が形成された面上にフォトレジストを塗布してフォトレジスト膜を形成する工程と、
干渉露光装置により前記フォトレジスト膜に干渉パターンを露光する工程と、
前記フォトレジスト膜を現像処理する工程と、
前記現像処理により現れる、入射光による干渉パターンと回折光による干渉パターンとによるモアレ縞の角度を測定し、その角度により回折格子の周期を求める工程と
を有することを特徴とする回折格子の周期測定方法。
【請求項２】
前記干渉パターンは、前記回折格子に対して１°乃至１０°傾くように露光することを特徴とする請求項１に記載の回折格子の周期測定方法。
【請求項３】
前記半導体基板に形成された回折格子の周期が変調されていることを特徴とする請求項１に記載の回折格子の周期測定方法。
【請求項４】
前記半導体基板に形成された回折格子の周期をΛG、前記回折格子に対する入射光の干渉パターンの傾け角をα、前記モアレ縞の角度をφ、入射光の干渉パターンの周期をΛEとすると、回折格子の周期ΛGは下記数式
ΛG＝ΛE（２ｃｏｓφ）／｛ｃｏｓ（α＋φ）＋ｃｏｓφ｝
により算出することを特徴とする請求項１に記載の回折格子の周期測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に光通信に使用される分布帰還型半導体レーザの回折格子の周期測定方法にする。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高密度で情報を伝達する手段として、波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplex ）光伝送システムが開発されている。波長多重光伝送システムでは、広帯域に波長を可変できる光源が必要であり、この種の光源として共振器内で回折格子が一様にチャーピングしている構造の半導体レーザ（例えば、Hartmut Hilmer,et al.,IEEE J.Lightwave Technol.,vol.13,no.9,pp.1905-1912）や、回折格子が周期的にチャーピングしている構造の半導体レーザ（例えば、Magnus Oberg,et al.,IEEE J.Lightwave Technol.,vol.13,no.10,pp.1892-1898 ）が開発されている。
【０００３】
このような半導体レーザの製造工程では、半導体基板上にフォトレジスト膜を形成した後、光又は電子ビームによりフォトレジスト膜に回折格子を描画する工程が必要である。回折格子の描画には、主に二光束干渉露光法及び電子ビーム直接描画法が用いられる。電子ビーム直接描画法では、電子ビームによりレジスト膜に直接回折格子を描画するので、回折格子の周期を変調して描画することは容易であるが、露光時間が膨大に長く、生産性が悪いという欠点を有している。一方、二光束干渉露光法では、干渉縞により回折格子を描画するので、露光時間を短くできるという利点がある。
【０００４】
ところで、波長多重光伝送システムに使用する半導体レーザでは、回折格子の周期分布がレーザの波長可変特性に大きな影響を与える。このため、半導体基板に回折格子を形成した後に、設計通りの回折格子周期分布が形成されていることを確認することが重要である。
図８は、従来の回折格子の周期測定方法の一例を示す図である。
【０００５】
回折格子を形成した半導体基板２０にレーザ光（入射レーザ光）を照射し、回折格子により回折された光（回折光）の回折角を測定する。この場合、回折格子の周期をΛとし、入射レーザ光の波長をλ、入射角をθ0 、回折角をθ1 とすると、これらの間には下記（１）式に示す関係がある。
【０００６】
【数１】
0003916773.tif 000002
【０００７】
従って、レーザ光の波長λ、入射角θ0 及び回折角θ1 を測定することで回折格子の周期Λを知ることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
近年、微小な範囲内で回折格子の周期を変調する技術が開発されている。しかし、図８に示す方法では、レーザ光のビーム径が１ｍｍ程度となるため、ビーム径よりも小さい範囲内で回折格子の周期が変調されている場合は回折光パターンが広がり、微小領域内での回折格子の周期の変化を厳密に測定することができないという欠点がある。例えば、図９に示すように、微小な範囲での回折格子の周期がΛ1 ，Λ2 ，Λ3 （但し、Λ1 ＜Λ2 ＜Λ3 ）に変調されているとする。この場合、入射レーザ光のビーム径が各周期の回折格子の形成領域よりも大きいと、各周期の回折格子からの回折光１，２，３の回折角θ1 ，θ2 ，θ3 を個別に測定することができないため、各回折格子の周期を正確に測定することができない。
【０００９】
本発明は、微小な領域内で回折格子の周期が変調されている場合であっても回折格子の周期を正確に測定することができる回折格子の周期測定方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、半導体基板に形成された回折格子の周期測定方法において、回折格子が形成された半導体基板の前記回折格子が形成された面上にフォトレジストを塗布してフォトレジスト膜を形成する工程と、干渉露光装置により前記フォトレジスト膜に干渉パターンを露光する工程と、前記フォトレジスト膜を現像処理する工程と、前記現像処理により現れる、入射光による干渉パターンと回折光による干渉パターンとによるモアレ縞の角度を測定し、その角度により回折格子の周期を求める工程とを有することを特徴とする回折格子の周期測定方法により解決する。
【００１１】
以下、作用について説明する。
本発明においては、干渉露光法によりフォトレジスト膜に干渉パターンを描画し、その後現像処理する。この場合、２つの方向から入射した光による干渉パターンと、回折格子により回折された光による干渉パターンとにより、モアレ縞が生じる。このモアレ縞の角度φは、入射光による干渉パターンの周期ΛE と、回折格子に対する入射光による干渉パターンの傾け角αと、回折格子の周期ΛG とに関係する。従って、モアレ縞の角度φ、入射光による干渉パターンの周期ΛE と、回折格子に対し入射光による干渉パターンの傾け角αとがわかれば、回折格子の周期ΛG を演算により求めることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施の形態の回折格子の周期測定方法を示す模式図である。
まず、図１に示すように、測定すべき回折格子が形成された基板１０を用意し、回折格子が形成された面上にフォトレジストを塗布して、厚さが約１００〜２００ｎｍのフォトレジスト膜１０ａを形成する。
【００１３】
その後、二光束干渉露光法により、フォトレジスト膜１０ａを露光する。図２，図３は二光束干渉露光法を示す模式図である。レンズ群１１は半導体レーザ（図示せず）から出力されたレーザビームのビーム径を拡大するためのものであり、レンズ群１１によりビーム径が拡大されたレーザビームはハーフミラー１２により、ハーフミラー１２で反射される光と、ハーフミラー１２を透過する光とに分離される。
【００１４】
ハーフミラー１２で反射されたレーザビームは、更に反射板１３により反射されて、入射角度θ10でフォトレジスト膜１０ａに入射する。以下、入射角度θ10でフォトレジスト膜１０ａに入射するレーザビームを入射光Ｐ10という。一方、ハーフミラー１２を透過したレーザビームは、反射板１４により反射されて、入射角度θ20でフォトレジスト膜１０ａに入射する。以下、入射角度θ20でフォトレジスト膜１０ａに入射するレーザビームを入射光Ｐ20という。
【００１５】
フォトレジスト膜１０ａには、入射光Ｐ10と入射光Ｐ20との干渉による干渉パターン（以下、「入射光による干渉パターン」という）が露光される。また、図３に示すように、入射光Ｐ10，Ｐ20が基板１０の回折格子により回折され、回折光Ｐ11，Ｐ21が発生する。フォトレジスト膜１０ａには、これらの回折光Ｐ11，Ｐ21の干渉による干渉パターン（以下、「回折光による干渉パターン」という）も露光される。
【００１６】
この場合、基板１０に形成された回折格子に対して入射光による干渉パターンが若干傾くようにする。回折光による干渉パターンは基板１０に形成された回折格子と平行に発生するので、仮に、入射光による干渉パターンと基板に形成された回折格子とが平行であるとすると、入射光による干渉パターンと回折光による干渉パターンとが平行になり、モアレ縞が生じない。
【００１７】
しかし、入射光による干渉パターンを基板１０に形成された回折格子に対し１°以上、好ましくは１°〜１０°傾けることにより、図４に示すように、入射光による干渉パターン（周期：ΛE ）と回折光による干渉パターン（周期：ΛF ）との間にビートパターンが生じ、これがモアレ縞となる。このモアレ縞は、入射光による干渉パターン及び回折光による干渉パターンの山と山が重なった部分と、山と谷が重なった部分で露光光量の空間分布に差が生じ、現像後のフォトレジスト膜の厚さに差ができるために発生する。なお、図４において、αは入射光による干渉パターンと回折光による干渉パターンとのなす角度、換言すると入射光による干渉パターンと基板に形成された回折格子とのなす角度であり、φはモアレ縞の角度、Ｌは入射光による干渉パターンの山と回折光による干渉パターンの山とが重なり合う部分の間隔である。
【００１８】
次いで、図４に示すモアレ縞の角度φを測定し、この角度φから所定の演算を行って回折格子の周期を求める。
（測定原理）
以下、モアレ縞の角度φから回折格子の周期を求めることができる原理について説明する。
【００１９】
二光束干渉露光装置によりフォトレジスト膜１０ａに入射する入射光Ｐ10，Ｐ20の入射角をそれぞれθ10，θ20、光源の波長をλとすると、フォトレジスト１０ａに露光される入射光による干渉パターンの周期ΛE は下記（２）式で表わされる。
【００２０】
【数２】
0003916773.tif 000003
【００２１】
図３に示すように、入射光Ｐ10，Ｐ20の入射角をθ10，θ20とし、フォトレジスト膜１０ａの屈折率をｎとすると、スネル（ｓｎｅｌｌ）の法則により二光束のレジスト膜内での入射角θ11，θ21は、下記（３）式に示すようになる。
【００２２】
【数３】
0003916773.tif 000004
【００２３】
また、基板１０に形成された回折格子の周期をΛG とすると、回折条件より下記（４）式が成り立つ。但し、θ12，θ22は回折光Ｐ11，Ｐ21の回折角である。
【００２４】
【数４】
0003916773.tif 000005
【００２５】
これらの式より、下記（５）式が導かれる。
【００２６】
【数５】
0003916773.tif 000006
【００２７】
また、回折光Ｐ11，Ｐ21による干渉パターンの周期をΛF とすると、干渉パターンの周期ΛF は下記（６）式で表わされる。
【００２８】
【数６】
0003916773.tif 000007
【００２９】
これに、ΛE ，ΛG に関する式を代入して、下記（７）式を得る。
【００３０】
【数７】
0003916773.tif 000008
【００３１】
この（７）式を変形すると、下記（８）式が得られる。
【００３２】
【数８】
0003916773.tif 000009
【００３３】
ここで、入射光による干渉パターンと基板に形成された回折格子とが平行な場合、入射光による干渉パターンと回折光による干渉パターンが平行になる。ところが、入射光による干渉パターンを基板に形成された回折格子に対し僅かに傾ける（１°〜１０°程度が好ましい）ことにより、入射光による干渉パターンと回折格子からの回折光による干渉パターンとの間にビートパターンが生じる。これがモアレ縞となってフォトレジスト膜に記録される。
【００３４】
図５は回折格子パターンの空間分布を示す模式図であり、実線は入力光による干渉パターンを示し、破線は回折光による干渉パターンを示す。２つの干渉パターンの山と山とが重なる部分ではフォトレジスト膜が強く露光され、山と谷とが重なる部分ではフォトレジスト膜の露光量が少なくなる。従って、現像処理すると露光量に応じてフォトレジスト膜の厚さに差ができるため、モアレ縞が発生する。
【００３５】
ここで、図４に示すように、基板１０に形成された回折格子に対し入射光による干渉パターンを傾ける角度をαとし、モアレ縞の角度をφ、２つの干渉パターンの山と山とが重なる部分の間隔をＬとすると、Ｌは下記（９）式により求めることができる。
【００３６】
【数９】
0003916773.tif 000010
【００３７】
上記（９）式をΛF について変形すると、下記（１０）式が得られる。
【００３８】
【数１０】
0003916773.tif 000011
【００３９】
よって、前記（８）式に（１０）式を代入すると、下記（１１）式が得られる。
【００４０】
【数１１】
0003916773.tif 000012
【００４１】
従って、露光される回折格子パターン周期ΛE 、傾ける角度α、モアレ縞の角度φがわかれば、基板に形成されている回折格子の周期ΛG を算出することができる。
【００４２】
（回折格子が変調されている場合の回折格子の周期測定）
以下、回折格子の周期が変調されている場合の回折格子の周期測定に本発明を適用した例について説明する。
図１に示すように、半導体基板１０に形成された回折格子の周期がΛ1 ，Λ2 ，Λ3 と変調されているとする。まず、半導体基板１０の回折格子が形成されている面にフォトレジストを塗布してフォトレジスト膜１０ａを形成する。そして、二光束干渉露光法により、フォトレジスト膜に異なる方向から同一波長のレーザ光を照射して、干渉パターンを描画する。このとき、例えば光源として波長が３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用い、入射角θ10，θ20はいずれも４２°３７’とし、回折格子に対する入射光による干渉パターンの傾け角αを５°とする。このとき、入射光による干渉パターンの回折格子周期ΛE は、前記（２）式より計算すると、２４０ｎｍであることがわかる。
【００４３】
このようにしてフォトレジスト膜に干渉パターンを露光した後、フォトレジストを現像すると、例えば図６のように、回折格子の周期Λ1 ，Λ2 ，Λ3 に応じて角度φ1 ，φ2 ，φ3 が変化したモアレ縞が現われる。
このモアレ縞の角度φ1 ，φ2 ，φ3 を測定した結果、それぞれの角度が例えばφ1 ＝−４．５°、φ2 ＝３．５°、φ3 ＝１２．６°であったとする。これらの値を用いて前記（１１）式により回折格子周期Λ1 ，Λ2 ，Λ3 を求めると、それぞれの回折格子周期Λ1 ，Λ2 ，Λ3 は、下記の値となる。
Λ1 ＝２３９．６ｎｍ
Λ2 ＝２４１．１ｎｍ
Λ3 ＝２４２．８ｎｍ
このように、本発明においては、二光束干渉露光法によりフォトレジスト膜を露光した後、現像処理してフォトレジスト膜に現われるモアレ縞の角度から回折格子の周期を求めるので、微小な範囲内で回折格子の周期が変調されている場合であっても、各回折格子の周期を正確に知ることができる。
【００４４】
なお、上述した実施の形態では、回折格子の周期が回折格子に垂直な方向に変調されている場合について説明したが、回折格子の周期が回折格子と平行な方向に変調されている場合や、基板面内で任意に分布している場合にも適用することができる。
また、回折格子の任意の位置に位相シフトが存在したとしてもモアレ縞の角度は位相シフトによっては変化しない。従って、回折格子の任意の位置に位相シフトが存在したとしても、モアレ縞の角度で回折格子周期を知ることができるとともに、モアレ縞のシフト量で位相シフト量を知ることができる。例えば、図７は回折格子と平行な方向に周期が変調されており、かつ回折格子に垂直な方向に位相がシフト（シフト量π）している場合のモアレ縞を示す図である。この図で、ΛF1，ΛF2はそれぞれ回折格子からの回折光による干渉パターンの周期を示し、ΛE は入射光による干渉パターンの周期を示す。この図７に示すように、回折格子が変調されているとともに位相がシフトしている場合も、各回折格子の周期及びシフト量を個別に求めることができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、干渉露光法により半導体基板上に形成したレジスト膜に干渉パターンを露光し、現像により現れる、入射光による干渉パターンと回折光による干渉パターンとによるモアレ縞の角度を測定して回折格子の周期を求めるので、微小な領域で回折格子が変調されている場合であっても、各回折格子の周期を正確に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の回折格子の周期測定方法を示す模式図である。
【図２】二光束干渉露光法を示す模式図である。
【図３】二光束露光法による回折光の干渉を示す模式図である。
【図４】回折光による干渉パターンと入射光による干渉パターンとにより発生するモアレ縞を示す図である。
【図５】回折格子パターンの空間分布を示す模式図である。
【図６】回折格子が変調されているときのモアレ縞を示す図である。
【図７】回折格子が変調されているとともに位相シフトしているときのモアレ縞を示す図である。
【図８】従来の回折格子の周期測定方法の一例を示す図である。
【図９】従来の回折格子の周期測定方法の問題点を示す図である。
【符号の説明】
１０，２０  半導体基板、
１０ａ  フォトレジスト膜、
１１  レンズ群、
１２  ハーフミラー、
１３，１４  反射板。
【図１】
0003916773.tif 000013
【図２】
0003916773.tif 000014
【図３】
0003916773.tif 000015
【図４】
0003916773.tif 000016
【図５】
0003916773.tif 000017
【図６】
0003916773.tif 000018
【図７】
0003916773.tif 000019
【図８】
0003916773.tif 000020
【図９】
0003916773.tif 000021