DE19506880A1 - Verfahren zur Herstellung von optischen Übergitterstrukturen mittels Elektronenstrahllithographie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von optischen Übergitterstrukturen mittels Elektronenstrahllithographie, bei dem ein Substrat zunächst mit einer elektronenempfindlichen Lackschicht versehen wird, in diese Lackschicht dann eine Gitterstruktur mittels Elektronenstrahls eingeschrieben, diese entwickelt und in einem anschließenden Ätzprozeß die Gitterstruktur in das Substrat übertragen wird.

Optische Punkt- oder Liniengitter, denen eine weitere Gitterperiode bzw. -struktur überschrieben ist, werden als Übergitter (super structure grating -SSG- oder chirped gratings) bezeichnet. Solche SSG weisen Mehrfachreflexionspeaks auf, die auf die periodische Anordnung einer Superstruktur zurückzuführen sind, und werden in DBR(Distributed Bragg Reflector)-Lasern mit einem großen Durchstimmbereich angewendet.

Die Realisierung von SSG für die Anwendung in DBR-Lasern erfordert lineare Punkt- /Linienabstandsänderungen, die bereits im sub-nm-Bereich liegen. Derartig geringfügige Abstandsänderungen können Elektronenstrahlbelichtungsanlagen nicht mehr adressieren, ohne zwischenzeitlich zu kalibrieren und/oder das Belichtungsfeld neu anzupassen. Dies erfordert jedoch große Kalibrierzeiten und führt aufgrund der hierfür notwendigen Tischbewegung zu inakzeptablen Positionierungenauigkeiten.

Um die Auflösungsgrenzen der Belichtungsanlagen zu unterlaufen, sind vereinfachte SSG realisiert worden. So ist in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 4, No. 4, April 1993, p. 393-395 ein "discretely chirped grating" beschrieben, bei dem eine lineare Steigung durch eine Treppenfunktion angenähert ist und die Breite der Stufen der minimalsten Auflösung der Elektronenstrahlanlage entspricht. Bei einem "sampled grating", über das in Proceedings of InP & Related Materials Conference, pp. 33-36, 1994 berichtet wird, wiederholen sich relativ kurze Bereiche eines regelmäßigen Grundrasters im Abstand und in der Häufigkeit der sogenannten Übergitterperiode (eines Anstiegs der Periodenlänge). Weiterhin sind MPS(Multiple-Phase-Shift)-SSG bekannt, bei denen in einem regelmäßigem Grundraster in bestimmten Abständen Phasendreher angeordnet sind (IEICE Trans. Electron., vol. E76-C, No. 11, November 1993, pp. 22-28). Diese SSG-Struktur kann ganzheitlich auf einmal belichtet werden, da die Grundrasteränderung am Phasendreher größer ist als das Auflösungsvermögen der Elektronenstrahllithographie-Anlage, jedoch ist hier ein mathematischer Umweg zum Erhalt eines doch nur angenäherten Übergitters notwendig.

Das in JEEE Photonics Technology Letters , vol. 4, No. 4, April 1993, p. 393-395 beschriebene "discretely chirped grating", das die Annäherung für ein sich kontinuierlich änderndes Gitter darstellen soll, resultiert aus der diskreten Gittermodulation, die zurückzuführen ist auf die Auflösungsgrenzen der Elektronenstrahllithographie. Dieses discretely chirped grating wird mittels Elektronenstrahls in die Wellenleiterschicht eingeschrieben und anschließend in einem Naßätzprozeß übertragen. Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, ist sowohl dieser Veröffentlichung als auch IEICE Trans. Electron., vol. E76-C, No. 11, November 1993, pp. 1683-1690 und OPTOELECTROMCS-Devices and Technologies, vol. 9, No. 2, pp. 177-192, June, 1994 zu entnehmen. Die dem Stand der Technik nach bekannten und hier beschriebenen Formen eines SSG sind zwar alle in ihrer Form den konkreten Herstellungsbedingungen angepaßt, aber eine beliebige Änderung der Punkte oder Linien der das Übergitter bildenden Grundgitter zueinander ist bisher nicht möglich. Außerdem sind - wie bereits erwähnt - bisher große Kalibrierzeiten notwendig und die bei den Vielfachpositionierungen entstehenden Ungenauigkeiten sehr groß.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art anzugeben, das die Herstellung optischer Übergitterstrukturen ermöglicht, die aus periodisch oder aperiodisch sich wiederholenden Punkt- oder Liniengittern gebildet sind, wobei die Abstandsänderungen der Punkte oder Linien im sub-nm-Bereich liegen und zueinander kontinuierlich oder diskontinuierlich variierbar sind. Außerdem soll die Auflösung der Elektronenbelichtungsanlage keine erkennbare Begrenzung für die zu realisierenden Abstände darstellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für das Einschreiben der Übergitterstruktur in die Lackschicht zunächst ein Grundraster erstellt wird, das aus regelmäßig angeordneten Punkten oder Linien besteht, die in der Distanz und Häufigkeit durch die Periode der einzuschreibenden Übergitterstruktur und die Anzahl der Übergitterperioden bestimmt werden. Das erstellte Grundraster wird dann in der Ausgangsposition in die Lackschicht mittels Elektronenstrahls eingeschrieben. Danach wird ein Versatz für eine folgende Auslenkung des Elektronenstrahls aus der Übergitterperiode und der maximalen und minimalen Bragg-Periode errechnet. Daran anschließend wird der Elektronenstrahl ausgelenkt und das erstellte Grundraster in einer durch die Auslenkung bestimmten Belichtungsposition in die Lackschicht mittels Elektronenstrahls eingeschrieben. Die Verfahrensschritte Errechnen des Versatzes der Auslenkung, Auslenkung des Elektronenstrahls und Einschreiben des unveränderten Grundrasters werden bis zur vollständigen Abbildung des Übergitters wiederholt.

Die Anzahl der zu wiederholenden Verfahrensschritte Errechnen des Versatzes, Auslenken und Einschreiben wird durch die Übergitterperiode und maximale und minimale Bragg-Periodenlänge der sich in der einzuschreibenden Übergitterstruktur wiederholenden Punkt- oder Liniengitter bestimmt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Einzelpunkte bzw. Einzellinien eines Grundgitters im Abstand der Übergitterperiode belichtet. Die minimalen Versätze, bestehend aus vorhergehender Periode und neu berechnetem "chirp" (Periodenänderung), bewirken, daß lediglich der Elektronenstrahl elektronisch über eine Strahlauslenkung in eine neue Position bewegt wird. Der Tisch und damit das Substrat bleibt innerhalb des Einflußbereichs der zusätzlich beaufschlagten Kompensation der Strahlauslenkung unbeweglich. Eine Änderung der Auflösung ist nicht notwendig, da das gleiche Grundraster mehrfach mit jeweils einem elektronisch eingeprägten Versatz belichtet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet erstmals die Herstellung von reinen super structure gratings, d. h. es sind direkt - ohne Umweg über die Herstellung angenäherter Strukturen - beliebige Verläufe von Abstandsänderungen der Punkte oder Linien, die mathematisch beschreibbar sind, realisierbar.

In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, alle von der Struktur des Punkt- oder Liniengitters abhängigen Versätze für die Bestimmung der jeweils folgenden Belichtungsposition bereits vor dem ersten Einschreiben des Grundrasters in die Lackschicht in einer Vorschrift bestimmt und in einem Belichtungssatz abgelegt werden. Damit können nacheinander wiederholt die Verfahrensschritte Auslenken des Elektronenstrahls um die bereits errechneten Versätze und Einschreiben abgearbeitet werden. Die Kalibrier-und Einrichtungszeit, die zurückzuführen ist auf die langsame Kontrollsoftware der Belichtungsanlage, wird dadurch wesentlich reduziert, und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind Belichtungszeiten von regulären SSG möglich, die vergleichbar mit denen konventioneller DBR-Gitter gleicher Größe sind.

Für das Einschreiben einer irregulären Übergitterstruktur mit sich änderndem Anstieg von einem Punkt- oder Liniengitter zum benachbarten Punkt- oder Liniengitter besteht in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung das Grundraster nur aus einem einzelnen Punkt oder einer einzelnen Linie und wird mit den in der Vorschrift bestimmten Versätzen wiederholt in die Lackschicht eingeschrieben. Mit dem Einschreiben nur eines einzelnen Punktes oder einer einzelnen Linie ist die Herstellung solcher irregulären Übergitter möglich, auch wenn sie sehr zeitaufwendig durch die notwendige Vielzahl der Belichtungsschritte ist, um z. B. eine Achromasie des Gitters zu erreichen.

Für das Einschreiben einer zweidimensionalen Übergitterstruktur können in einer anderen Ausgestaltung ein aus einem Punkt oder aus mehreren Punkten bestehendes Grundraster und die die Auslenkung des Elektronenstrahls bewirkenden Versätze zweidimensional in der Vorschrift bestimmt werden. Auch hierfür ist zwar eine höhere Belichtungszeit notwendig, jedoch ist damit eine höhere Flexibilität beim Einschreiben von Gitterstrukturen gewährleistet, die zweidimensionale Abstandsänderungen aufweisen.

Weiterhin ist vorgesehen, daß die mittels Elektronenstrahls in die elektronenempfindliche Lackschicht eingeschriebene Gitterstruktur in einem Trockenätzprozeß in das Substrat übertragen wird. Der Trockenätzprozeß gewährleistet eine abbildungsgetreuere Übertragung der eingeschriebenen Struktur in das Substrat und ist in seiner Anwendung wegen der einfacheren Handhabbarkeit flexibler als das Naßätzen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von optischen Übergitterstrukturen ist sehr flexibel und ermöglicht das Einschreiben von periodisch oder aperiodisch sich wiederholenden Punkt- oder Liniengittern, wobei die Abstandsänderungen der zueinander benachbarten Punkte oder Linien beliebige Verläufe aufweisen und im sub- nm-Bereich liegen können. Das Verfahren ist nicht erkennbar durch die Grenzen der Belichtungsanlage beeinflußt. Es erfordert nur eine einzige Kalibrierung vor der Belichtung, weist eine große Positioniergenauigkeit auf und ist gut reproduzierbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Übergitter, dessen Bragg-Periode sich linear ändert, im Frequenzraum;

Fig. 2 schematisch das gleiche wie in Fig. 1 dargestellte Übergitter in der räumlichen Ausdehnung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der wiederholten Belichtung eines Grundrasters mit Versatz um eine jeweils geringfügig veränderte Periode;

Fig. 4 und 5 die Reflexion in Abhängigkeit der Gitterperiode der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Übergitter;

Fig. 6 schematisch ein irreguläres Übergitter mit Offset im Frequenzraum.

In einem linear veränderten Übergitter, das aus mehreren Grundgittern besteht, ändert sich die Bragg-Periode Λ des Grundgitters von der Anfangsperiode Λ_A zur Endperiode Λ_B über die gesamte Periode des Übergitters Λ_S. Diese Änderung wiederholt sich regelmäßig in einem regulären Übergitter, wie in Fig. 1 im Frequenzraum dargestellt.

Fig. 2 zeigt die entsprechende räumliche Ausdehnung eines Grundgitters des in Fig. 1 dargestellten Übergitters über eine Übergitterperiode.

In Fig. 3 sind, ausgehend von einem Grundraster, das aus einem Streifenraster SR in der Periode des Übergitters Λ_A besteht, der erste bis n-te Belichtungsschritt für ein linear sich änderndes Übergitter dargestellt. In dem Ausschnittbild ist zu erkennen, wie der Versatz von Belichtung zu Belichtung von der Anfangsperiode Λ_A zur Endperiode Λ_B kontinuierlich verändert und somit die Gitterstruktur über den Versatz am Strahlablenkungsfeld, dem Hauptfeld HF, eingeprägt wird. So wird z. B. aus der Anfangsperiode Λ_A = 245 nm und der Endperiode Λ_B = 230 nm sowie der Übergitterperiode Λ_S = 61.600 nm eine Steigung und somit der jeweilige Versatz von einer Belichtungsposition zur folgenden berechnet. Das aus Linien bestehende Streifenraster SR wird zunächst belichtet, dann der Elektronenstrahl um 245 nm ausgelenkt und das Streifenraster SR in dieser Position wieder belichtet, anschließend erfolgt eine weitere Auslenkung des Elektronenstrahls, so daß das Streifenraster dann entsprechend der Steigung mit abnehmendem Abstand wiederholt belichtet wird, bis nach 61.600 nm der Abstand ca. 230 nm beträgt.

In der Darstellung der relativen Intensität I in Abhängigkeit von der Gitterperiode Λ sind die entstehenden Mehrfachreflexionspeaks der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Übergitter in Fig. 4 für A von 230,4 nm bis 245,0 nm und in Fig. 5 für Λ von 245,0 nm bis 275,0 nm zu erkennen. Hierbei wurde gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst das InP-Substrat gereinigt und mit einer Photolackschicht einer Dicke von 110 nm durch Aufschleudern versehen. Vor der ersten Belichtung wurde die Belichtungsanlage und somit der Probenhalter in die Ausgangsposition gefahren, die innerhalb des Wirkungsbereichs der Strahlauslenkungskompensation nicht verändert wurde. In die Photolackschicht wird nun das erstellte Grundraster mittels Elektronenstrahls eingeschrieben, dann der Elektronenstrahl in die zweite Belichtungsposition, die durch den ebenfalls bereits bestimmten ersten Versatz definiert ist, bewegt und das Grundraster in dieser Position ebenfalls eingeschrieben. Die Auslenkung des Elektronenstrahls und die Belichtung der Photolackschicht mit dem errechneten Grundraster wird hier beispielsweise etwa weitere zweihundertfünfzigmal durchgeführt. Da die Vorschrift in die Layout-Befehle für die Strahlauslenkung eingeht, müssen Tisch und Substrat während der Belichtung nicht bewegt werden. Aus dem Vergleich der Fig. 4 und 5 ist ersichtlich, daß die Anzahl der für die Anwendung in DBR-Lasern erwünschten Mehrfachreflexionspeaks mit der Vergrößerung des Bereichs der Gitterperiode zunimmt.

Fig. 6 zeigt eine irreguläre Übergitterstruktur, bei der der negative Anstieg der Abstandsänderungen in einem Punkt- oder Liniengitter zum jeweils benachbarten Punkt- oder Liniengitter, d. h. innerhalb der Übergitterperiode Λ_S, größer wird - hier als Offset OS von 0 bis zum vierfachen Betrag von OS dargestellt. Für das Einschreiben einer solchen Gitterstruktur besteht das Grundraster nur aus einem einzelnen Punkt oder einer einzelnen Linie.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von optischen Übergitterstrukturen mittels Elektronenstrahllithographie, bei dem ein Substrat zunächst mit einer elektronenempfindlichen Lackschicht versehen wird, in diese Lackschicht dann eine Gitterstruktur mittels Elektronenstrahls eingeschrieben, entwickelt und in einem anschließenden Ätzprozeß die Gitterstruktur in das Substrat übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß für das Einschreiben der Übergitterstruktur in die Lackschicht zunächst ein Grundraster erstellt wird, das aus regelmäßig angeordneten Punkten oder Linien besteht, die in der Distanz und Häufigkeit durch die Periode der einzuschreibenden Übergitterstruktur und die Anzahl der Übergitterperioden bestimmt werden, dann das erstellte Grundraster in der Ausgangsposition in die Lackschicht mittels Elektronenstrahls eingeschrieben wird, danach ein Versatz für eine folgende Auslenkung des Elektronenstrahls aus der Übergitterperiode und der maximalen und minimalen Bragg- Periode errechnet wird, daran anschließend der Elektronenstrahl ausgelenkt wird und das erstellte Grundraster in einer durch die Auslenkung bestimmten Belichtungsposition in die Lackschicht mittels Elektronenstrahls eingeschrieben wird, daß die Verfahrensschritte Errechnen des Versatzes der Auslenkung, Auslenkung des Elektronenstrahls und Einschreiben des unveränderten Grundrasters bis zur vollständigen Abbildung des Übergitters wiederholt werden.

2. Verfahren zur Herstellung von optischen Übergitterstrukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle von der Struktur des Punkt- oder Liniengitters abhängigen Versätze für die Bestimmung der jeweils folgenden Belichtungsposition bereits vor dem ersten Einschreiben des Grundrasters in die Lackschicht in einer Vorschrift bestimmt und in einem Belichtungssatz abgelegt werden.

3. Verfahren zur Herstellung von optischen Übergitterstrukturen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für das Einschreiben einer irregulären Übergitterstruktur mit sich änderndem Anstieg von einem Punkt- oder Liniengitter zum benachbarten Punkt- oder Liniengitter das Grundraster nur aus einem Punkt oder einer Linie besteht und dieses wiederholt mit den in der Vorschrift bestimmten Versätzen in die Lackschicht eingeschrieben wird.

4. Verfahren zur Herstellung von optischen Übergitterstrukturen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für das Einschreiben einer zweidimensionalen Übergitterstruktur ein Grundraster aus einem Punkt oder aus mehreren Punkten und die die Auslenkung des Elektronenstrahls bewirkenden Versätze zweidimensional in der Vorschrift bestimmt werden.

5. Verfahren zur Herstellung von optischen Übergitterstrukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittels Elektronenstrahls in die elektronenempfindliche Lackschicht eingeschriebene Gitterstruktur in einem Trockenätzprozeß in das Substrat übertragen wird.