(57)【要約】  【課題】  In化合物などのIII-V属又はII-VI属化合物半導体を容易にエッチングすることができ、それにより２次元フォトニック結晶等を容易に製造することができる方法を提供する。  【解決手段】  ヨウ化水素ガスとXeガスの混合ガスをプラズマ化して、そのプラズマにより半導体をエッチングする。この方法によれば、例えばGaInAsPから成るスラブ４１に、プラズマエッチングにより周期的に空孔４５を高精度で容易に形成することができ、これによりGaInAsPから成る２次元フォトニック結晶を容易に製造することができる。【選択図】  図３
2006073552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヨウ化水素(HI)ガスと希ガスの混合ガスをプラズマ化し、該プラズマにより半導体をエッチングすることを特徴とするプラズマによる半導体加工方法。
【請求項２】
前記希ガスがキセノン(Xe)ガスであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマによる半導体加工方法。
【請求項３】
前記半導体がインジウム(In)を含む化合物であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマによる半導体加工方法。
【請求項４】
前記半導体を冷却しながらエッチングを行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマによる半導体加工方法。
【請求項５】
前記半導体の温度を、110℃以下であって、その半導体がエッチングされることにより生成されるヨウ化物の沸点よりも高い温度に保ちながら前記エッチングを行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマによる半導体加工方法。
【請求項６】
前記半導体の温度を、90℃以下であって、その半導体がエッチングされることにより生成されるヨウ化物の沸点よりも高い温度に保ちながら前記エッチングを行うことを特徴とする請求項５に記載のプラズマによる半導体加工方法。
【請求項７】
前記半導体基板に負のバイアス電圧を印加することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマによる半導体加工方法。
【請求項８】
前記半導体をアルミナ製のトレイに載置して前記エッチングを行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマによる半導体加工方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載のプラズマによる半導体加工方法の実行中に加工室内に付着したヨウ化物を酸素プラズマにより除去することを特徴とするプラズマによる半導体加工方法。
【請求項１０】
ヨウ化水素(HI)を含むガスをプラズマ化し、該プラズマにより半導体をエッチングして加工する方法において、
前記半導体をアルミナ製のトレイに載置して前記エッチングを行うことを特徴とするプラズマによる半導体加工方法。
【請求項１１】
ヨウ化水素(HI)を含むガスをプラズマ化し、該プラズマにより半導体をエッチングして加工する方法において、
前記加工室内に付着したヨウ化物を酸素プラズマにより除去することを特徴とするプラズマによる半導体加工方法。
【請求項１２】
前記半導体が板状のスラブであって、該スラブの表面にレジストを塗布し、該レジストに周期的に孔を設け、該レジストの孔を通して請求項１〜１１に記載の方法によりスラブをエッチングすることを特徴とする２次元フォトニック結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを用いて半導体の表面をエッチングすることにより該半導体を加工する方法に関する。この方法は、例えば光合分波器等に用いられる２次元フォトニック結晶の製造方法に好適に適用することができる。
【背景技術】
【０００２】
近年、新しい光デバイスとして、フォトニック結晶が注目されている。フォトニック結晶は、誘電体に周期構造を人工的に形成したものである。周期構造は一般に、誘電体本体とは屈折率が異なる領域（異屈折率領域）を本体内に周期的に設けることにより形成される。その周期構造により、結晶中に光のエネルギーに関してバンド構造が形成され、光の伝播が不可能となるエネルギー領域が形成される。このようなエネルギー領域を「フォトニックバンドギャップ」(Photonic Band Gap:PBG)と呼ぶ。このフォトニック結晶中に適切な欠陥を導入することにより、PBG中にエネルギー準位(欠陥準位)が形成され、その欠陥準位に対応する波長の光のみがその欠陥の近傍に存在できるようになる。このような欠陥を有するフォトニック結晶はその波長の光の光共振器として使用することができ、更に、この欠陥を線状に設けることにより導波路として使用することができる。そして、このような導波路の近傍に上記のような光共振器を形成することにより、このフォトニック結晶は波長分合波器となる。この波長分合波器では、導波路内を伝播する様々な波長の光のうち共振器の共振波長に一致する波長の光を外部へ取り出す（分波器）ことができると共に、外部から導波路に導入する（合波器）ことができる。
【０００３】
このようなフォトニック結晶にはいくつかの種類のものがあるが、ここでは、２次元フォトニック結晶の一例を図１に示す。この図に示した２次元フォトニック結晶は、誘電体から成るスラブ１１に、異屈折率領域となる空孔１２を周期的に設けたものである。この空孔１２が上記の周期構造を構成する。そして、空孔１２の欠陥（空孔１２を設けないことにより形成）を線状に形成することにより導波路１３を、導波路１３の近傍に空孔１２の欠陥を点状に形成することにより共振器１４を、それぞれ設ける。導波路１３を導波する光や共振器１４において共振する光の周波数（波長）は、空孔１２の周期により定まる。例えば、図１の構成において、光分割多重通信において用いられる1.5μmの波長帯の光（赤外線）を分波・合波するためには、空孔１２の径や周期をサブミクロン(1μm未満)の大きさで形成する必要があり、その作製の精度はナノメートルのオーダーが必要となる。このように、２次元フォトニック結晶の製造には誘電体を微細に加工する技術が求められる。
【０００４】
誘電体あるいは半導体を微細に加工することは、フォトニック結晶の他にも、光導波路・回折光学素子・レーザ・LED等の光デバイス、トランジスタ・LSI・ディスプレイパネル等の電子デバイス、あるいはマイクロマシンやバイオチップ、といった様々なデバイスや装置の製造においても必要とされる。
【０００５】
この半導体の微細加工の最も一般的な方法は、半導体にレジストを塗布し、光や電子ビーム等によりレジストにパターンを形成し、そのパターン化されたレジストをマスクとして半導体をエッチングするというものである。図１のような２次元フォトニック結晶の製造に関して、特許文献１に、スラブ１１の表面にレジストを塗布し、形成しようとする空孔１２の配置に対応したレジストのパターニングを行い、このレジストをマスクとしてスラブ１１をエッチングすることにより空孔１２、導波路１３、共振器１４を形成することが記載されている。
【０００６】
このエッチングの方法には、化学薬品を用いる化学エッチング、プラズマを用いるプラズマエッチング等がある。化学エッチングにおいては、エッチング形状に半導体の結晶の方位の影響が現れやすいため、所望の形状にエッチングすることが難しい。それに対してプラズマエッチングでは、結晶の方位に影響されることなく任意の形状にエッチングを行うことができることが知られている。そのため、半導体の微細加工にはプラズマエッチングが主に用いられる。
【０００７】
プラズマエッチングにおいては、(i)プラズマ化したイオンが被加工物に衝突することによる行われる物理的エッチング（スパッタリング）、(ii)中性活性種（ラジカル）による化学的エッチング、(iii)プラズマイオンと負に帯電した被加工物との反応（イオンアシスト作用）によるエッチング、の３つの作用により被加工物がエッチングされる。特に、反応性ガスを用いたプラズマエッチングでは(iii)の作用が顕著に現れ、高速且つ加工形状の自由度の高いエッチングができることから、半導体加工方法の主流となっている。
【０００８】
現在、LSI等では被加工材である半導体としてはシリコンが主流を占めている。しかし、発光・光利得・非線形効果・電子移動度等の光学的・電子的特性を考えた場合、III-V属化合物半導体(InP,GaAs,InAs,GaInAs,GaInAsP,AlGaAs,AlGaInP,AlInAs,GaInP,GaN,GaInN,GaInNAs, InN, InNP, InNAsP, BN, GaAsSb等)やII-VI属化合物半導体(ZnSe, CdSe, CdS, ZnSCdSe, PbSnTe, HgCdTe等)の方に優れた特性を有するものが多く、光能動素子や電子能動素子には、これらの材料を用いる方が有利であると言われている。
【０００９】
これらの化合物半導体のうち、特にインジウム(In)を含む化合物半導体は、表面再結合速度が小さいという利点を有する。表面再結合速度は、半導体がデバイスとして動作する際に、半導体の表面で電子が半導体外部の物質の正孔と再結合することにより電子の損失が生じる頻度を表すが、半導体の加工精度を微細にするほど体積に対する表面積の割合が大きくなるため、半導体の光学的・電子的特性は表面再結合による悪影響を受けやすくなる。インジウム化合物は他の半導体よりも表面再結合速度が小さいため、フォトニック結晶等の、微細加工の必要な半導体デバイスには好適な材料と考えられている。
【００１０】
しかし、上記III-V属及びII-VI属化合物半導体は、多元素から成るため、シリコン等と比較すると加工が難しいという欠点を有する。それに対し、シリコン素材（基板）は単元素から成るため、プラズマエッチングによる加工が容易である。そこで、III-V属及びII-VI属化合物半導体の加工をより容易にするために、プラズマエッチング方法の改良が種々試みられている。
【００１１】
非特許文献１には、炭化水素系のガスをプラズマ化してインジウム化合物半導体をエッチングすることが記載されている。しかし、この方法では、炭素に由来する重合物がエッチング面に堆積するため、形状の制御が難しく、また、エッチング速度が遅くなる。
【００１２】
非特許文献２には、塩素系のガスをプラズマ化してインジウム化合物半導体をエッチングすることが記載されている。しかし、この方法では、エッチングされた半導体を除去するために、インジウム塩化物が蒸発する温度（約200℃）以上に半導体を加熱する必要がある。このため、取り扱いの容易な有機レジストは使用することができず、耐熱性のある金属又は誘電体をエッチングマスクとして用いる必要が生じる。しかし、これらを使用する場合、一旦レジスト材料に形成したパターンを転写する工程が必要であるため、生産効率が低下する。また、有機レジストを用いる場合よりも加工精度が低下する。
【００１３】
非特許文献３には、ヨウ化水素(HI)と塩素の混合ガスをプラズマ化してインジウム化合物半導体をエッチングすることが記載されている。この方法では、エッチングされたインジウム化合物半導体がインジウムヨウ化物となり、これが比較的低温（100℃以下）で蒸発して半導体表面から除去されるため、有機レジストを劣化させることなくエッチングすることが可能である。しかし、この方法により生成されるプラズマは化学的活性が高すぎるため、エッチングのコントロールが困難である。また、化学的活性が高いと反応容器内の汚染が速く進行するため、連続してエッチング処理のできる時間が短くなり、これにより生産性が低下する。更に、非特許文献３には、インジウム化合物半導体に直径１μm程度の円柱を形成しているが、フォトニック結晶等の製造に必要なサブミクロンオーダーの構造を形成した、という記載はない。
【００１４】
【特許文献１】特開2001-272555号公報([0037]〜[0044]、図9〜20)
【非特許文献１】T.R. Hayes 他，ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロジー  Ｂ，(米国)，アメリカン・インスティテュート・オブ・フィジックス，1989年，第７巻，1130-1139頁（T.R. Hayes et al., Journal of vacuum science & technology B, vol. 7, pp. 1130-1139, (1989)）
【非特許文献２】L. A. Coldren 及び J. A. Rentschler，ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロジー，(米国)，アメリカン・インスティテュート・オブ・フィジックス，1981年，第19巻，225-229頁（L. A. Coldren and J. A. Rentschler, J. Vac. Sci. Technol., vol. 19, pp. 225-229, (1981)）
【非特許文献３】松谷晃宏 他２名，「HI/Cl2 ICPによるInPの低温ドライエッチング」，第64回応用物理学会学術講演会 講演予稿集 第３分冊，応用物理学会，2003年8月30日，1278頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明が解決しようとする課題は、インジウム化合物半導体等のIII-V属又はII-VI属化合物半導体に対して高精度且つ高速な微細加工を行うことができる方法を提供することである。また、サブミクロンオーダーの空孔等を形成することが必要な２次元フォトニック結晶の好適な製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために成された本発明に係るプラズマによる半導体加工方法は、ヨウ化水素(HI)ガスと希ガスの混合ガスをプラズマ化し、そのプラズマにより半導体被加工物をエッチングすることを特徴とするものである。
【００１７】
前記希ガスはキセノン(Xe)ガスであることが望ましい。
【００１８】
また、本発明に係る２次元フォトニック結晶の製造方法は、前記加工方法における半導体被加工物が板状のスラブであって、該スラブの表面にレジストを塗布し、該レジストに周期的に孔を設け、該レジストの孔を通して前記プラズマによりスラブをエッチングすることを特徴とする。
【発明の実施の形態及び効果】
【００１９】
本発明に係るプラズマによる半導体加工方法においては、HIガスと希ガスの混合ガスをプラズマ化し、そのプラズマにより半導体をエッチングする。混合ガスをプラズマ化する方法には、誘導結合型プラズマ（Inductively Coupled Plasma: ICP）法、容量結合型（Capacitively Coupled Plasma : CCP）法、電子サイクロトロン共鳴プラズマ（Electron Cyclotron Resonance Plasma : ECR）法、ヘリコン波プラズマ（Helicon Wave Plasma : HWP）法、表面波プラズマ（Surface Wave Plasma : SWP）法など、既知の方法をそのまま用いることができる。
【００２０】
前記非特許文献３に記載の方法ではHIガスにClガスを混合するのに対して、本発明ではHIガスに希ガスを混合するという点で両者は相違する。非特許文献３の方法では、HIガスとClガスの双方がエッチングに寄与すると考えられるが、前記のようにHIガスの化学的活性度が高いことに加え、Clガスの化学的活性も高いことから、化学的エッチングの効果が非常に大きくなり、エッチング形状のコントロールが困難になったり反応容器内が汚染されるという悪影響が生じる。それに対して本発明では、希ガスを混合することによりHIガスによる化学的エッチング作用を適宜抑制する一方、希ガスの物理的エッチング促進作用を利用して、(i)物理的エッチング、(ii)化学的エッチング、(iii)イオンアシスト作用によるエッチングの３つの作用をバランスよく働かせる。
【００２１】
本発明において、イオンアシスト作用によるエッチングを更に促進させるために、半導体被加工物側に負のバイアス電圧を印加することが望ましい。これにより、負に帯電した半導体に、プラズマ化した正イオンが入射することが促進される。
【００２２】
HIガスに混合する希ガスには、HIガスの分子量に近い分子量を有し、物理的エッチングに効果的に寄与するXeガスを用いることが望ましい。
【００２３】
物理的エッチングやイオンアシスト作用によるエッチングは、エッチング速度増大には効果的であるが、それらの作用が化学的エッチングと比較して大きくなりすぎると、エッチング面が変形する原因となる。そこで、上記(i)〜(iii)の３つの作用のバランスをとり、エッチング面の変形を防止しつつ最大のエッチング速度を得るために、HIガスと希ガスの混合比やプラズマに印加する電圧などを、エッチング対象である半導体材料に応じて適宜設定することが望ましい。具体的には、混合ガス中のHIガスの比率を小さくすると化学的エッチングに寄与が小さくなり、プラズマに印加する電圧を大きくするとイオンアシスト作用が大きくなるため、これらのパラメータを適宜変化させてエッチング条件を決定する。
【００２４】
本発明の半導体加工方法は、種々のIII-V属又はII-VI属化合物半導体のエッチングに好適に用いることができる。それらの中でも特にInを含むIII-V属化合物半導体のエッチングに好適に用いることができる。これは、In化合物半導体をエッチングした際に生じる"削り滓"が、本発明の方法では100℃以下で蒸発するインジウムヨウ化物となることから、100℃以下の低温でのエッチングが可能になるためである。このような低温エッチングが可能になることにより、取り扱いが容易な有機レジストを用いることができるようになる。
【００２５】
これらのことを考慮して、エッチングの際の半導体被加工物の温度は以下のように設定することが望ましい。まず、最低温度は、"削り滓"が蒸発する温度（沸点）とする。この沸点は半導体材料により異なるため、材料毎に適宜定める。最高温度は、使用するレジストが変形又は変質しない温度の上限値とする。よく用いられる有機レジストでは、110℃以下ではほとんど、90℃以下では全く変形・変質しない。
【００２６】
小さな被加工物をプラズマ加工する際、プラズマ処理室内において被加工物をトレイに載置することがある。多くの場合、トレイはシリコン製のものが用いられるが、本発明の半導体加工方法ではHIガスを用いるため、被加工物だけではなくシリコン製のトレイもエッチングされてしまう。エッチングされたシリコンは被加工物の表面に付着してそのエッチングを妨げる。そこで、本発明の半導体加工方法においては、被加工物を載置するトレイにはアルミナ製のものを用いることが望ましい。アルミナはHIガスによってエッチングされることがないため、プラズマ処理室内の汚染を防ぎプロセスを安定化することができるうえ、エッチングされたアルミナにより半導体被加工物のエッチングが妨げられることがなくエッチングを高速化することができる。
【００２７】
本発明のエッチング方法により被加工物の半導体とヨウ素から生成されるヨウ化物は、容器の内壁等、エッチング加工室の内部に付着する。このヨウ化物は酸素プラズマにより分解することができ、それによりクリーニングを行うことができる。このような酸素プラズマによるクリーニングは、従来より、炭素を含む物質が反応容器の内壁に付着した際に行われていたが、本願発明者の実験により、ヨウ化物の除去にも有効であることが確認された。
【００２８】
ここで述べた、エッチングの際にアルミナトレイを用いること、及び酸素プラズマクリーニングを行うことは、本発明のHIガスと希ガスの混合ガスを用いたプラズマエッチングに限らず、例えば上記HIガスとClガスの混合ガスを用いた場合のように、HIガスを含むガスを用いたプラズマエッチング一般に適用することができるものである。
【００２９】
本発明の半導体加工方法は、２次元フォトニック結晶の製造に好適に適用することができる。２次元フォトニック結晶の製造においては、２次元フォトニック結晶の本体となるスラブの表面にレジストを塗布し、このレジストに周期的に孔を設ける。レジストの孔は、露光や電子ビーム線描画等の既知の方法を用いて形成することができる。そして、上記のように、HIガスと希ガスの混合ガスからプラズマを生成する。レジストの孔を設けた部分においてプラズマがスラブの表面に達し、スラブがエッチングされる。こうして、レジストに設けた孔に対応した周期的な空孔が形成されたスラブが得られ、これが空孔の周期により定まる特定の波長帯の光を通さない２次元フォトニック結晶となる。
【００３０】
レジストに形成する孔の欠陥を線状又は点状に設けることにより、導波路や共振器を形成することができる。
【００３１】
本発明の２次元フォトニック結晶の製造方法により、In化合物等の化合物半導体から成るスラブにサブミクロンオーダーの大きさ及び周期を有する空孔が、変形することなくナノメートルの精度で正確に形成され、それにより、高精度に加工された２次元フォトニック結晶を得ることができる。また、製造速度を高めることができるようになる。
【実施例】
【００３２】
(1)半導体加工装置
本発明の半導体加工方法を実施するための装置の一例を図２に示す。この装置は、コイルにより生成される電磁波で原料ガスをプラズマ化、被処理物（基板）をエッチングする誘導結合型プラズマ生成装置である。被処理基板２１はアルミナ製のトレイ２２上に載置され、プロセスチャンバ２３内のステージ２４上に静電気力により固定される。プロセスチャンバ２３内はターボ分子ポンプ２５により1×10-4Pa以下の高真空状態に保たれる。被処理基板２１は導入装置２６により、プロセスチャンバ２３内が大気にさらされることなくステージ２４上に設置することができる。
【００３３】
HeガスとXeガスを所望の流量及び比率で混合するマスフローコントローラ２７を設け、この混合ガス（原料ガス）をプロセスチャンバ２３内に導入するためのガス導入部２８を設ける。また、プロセスチャンバ２３の外壁の近傍にコイル２９設け、そのコイル２９に高周波電源３０を接続する。また、ステージ２４には、被処理基板２１にバイアス電圧を印加するためのバイアス電源３１を接続する。
【００３４】
被処理基板２１をエッチングする間、被処理基板２１を循環式恒温槽３３により冷却すると共に、トレイ２２の背面に冷却用Heガスを流すことにより被処理基板２１の温度が均一になるようにする。冷却用Heガスがトレイ２２とステージ２４の間から漏れ出すことを極力防止するため、予め、トレイ２２の裏側をアルコールにより、ステージ２４の表面を酸素プラズマにより、それぞれ洗浄しておく。Heガスのプロセスチャンバ２３内への漏出量が圧力比にして原料ガスの10%以上となると、原料ガス分圧が低下し、温度コントロールが攪乱されるため、エッチング速度の低下や被エッチング物の変形等の問題が生ずる。
【００３５】
本装置では、次のような手順でエッチングが行われる。まず、プロセスチャンバ２３内に基板を装入し、プロセスチャンバ２３内をターボ分子ポンプ２５により1×10-4Pa以下の高真空状態にする。その後、HIガスとXeガスをマスフローコントローラ２７により所定の量及び比率で混合した原料ガスをプロセスチャンバ２３内に導入する。そして、コイル２９により電磁波をプロセスチャンバ２３内に導入し、原料ガスをプラズマ化する。それと共にバイアス電源３１により被処理基板２１にバイアス電圧を印加する。これにより、プラズマ化したHIイオンは、バイアス電圧により被処理基板２１に引きつけられる。このHIイオンは、化学的エッチング、物理的エッチング及びイオンアシスト作用により被処理基板２１をエッチングする。また、Xeガスも被処理基板２１を物理的にエッチングする。
【００３６】
なお、エッチングを長時間行うとプロセスチャンバ２３内がヨウ化物により汚染される。その場合には、プロセスチャンバ２３内に、酸素ガス供給源３４から酸素ガスを供給し、コイル２９から電磁波を導入することにより酸素プラズマを生成する。これによりプロセスチャンバ２３内のヨウ化物を除去することができる。
【００３７】
(2)２次元フォトニック結晶の製造方法
本発明に係るプラズマによる半導体加工方法を用いた２次元フォトニック結晶の製造方法の一実施例を、図３を用いて説明する。基板４０上に形成された半導体層（スラブ）４１の表面にレジスト４２を塗布する(a)。次に、レジスト４２に所定周期パターンの孔４３を形成する(b)。この孔パターンの形成には、露光や電子ビーム線描画等、既知の方法を用いることができる。次に、図２の装置を用いて、HIガスとXeガスを所定の比（例えば流量比で1:1）で混合した原料ガスから生成されるプラズマ４４を照射することによりスラブ４１をエッチングする(c)。これにより、スラブ４１に所定周期パターンの空孔４５が形成される。その後、レジスト４２を有機溶媒で洗い流し、更に、基板４０のみを溶解する溶液を用い、空孔４５を通して、基板４０のうち２次元フォトニック結晶の直下の部分を除去する(d)。これにより、基板４０上にブリッジ状に形成された２次元フォトニック結晶が得られる。
【００３８】
このような方法で、GaInAsPから成るスラブ５１に、直径が240nmである空孔５２を周期420nmで三角格子状に配置した２次元フォトニック結晶を作製した。なお、エッチングの際のHIガスとXeガスの比は流量比で2:1とした。得られた２次元フォトニック結晶の電子顕微鏡写真を図４に示す。(a)は斜め上方から、(b)は上から、作製された２次元フォトニック結晶を撮影したものである。形成された空孔の直径の誤差は±1%以下であった。(a)には、作製された２次元フォトニック結晶を切断することにより空孔５２の側壁５３を示した。走査型電子顕微鏡を用いて側壁５３の表面を観察したところ、表面粗さは10nm以下であった。
【００３９】
このように、本発明に係るプラズマエッチング方法により、GaInAsPに対して、空孔の径についてはサブミクロンオーダー、表面粗さについては10nm以下という高い精度で加工を行うことができた。
【００４０】
(3)表面粗さに関する実験−ヨウ化物による側壁保護効果
上記のような小さい表面粗さを実現できる理由を明らかにするために、以下の実験を行った。InPから成る半導体基板にレジストを塗布し、レジストの一部に孔を形成した後、HIガスとXeガスの混合ガス（流量比で2:1）から生成されるプラズマによりInPをエッチングした。エッチングされた箇所を斜め上方から撮影した電子顕微鏡写真を図５に示す。レジスト５６の下に、エッチングされたInPの側壁５７が見られる。この側壁５７の部分では10nm以下という小さい表面粗さが実現している。側壁５７よりも下側（レジストから遠い側）の基板底面には表面の荒れた領域５８が見られる。
【００４１】
レジスト５６、側壁５７及び領域５８の表面に存在する元素を分散型電子線励起X線分光装置により測定した結果を図６に示す。側壁５７については、有機洗浄によりレジスト５６を除去する前及び後の２つの測定結果を示す。レジスト５６上では、レジストの主成分である炭素(C)と、エッチングされたIn及びPが見られる。領域５８では半導体基板の材料であるIn及びPが見られる。それに対して、側壁５７では、有機洗浄によりレジスト５６が除去される前には半導体基板の材料であるIn及びPの他に、レジストの主成分であるC、及びプラズマの成分であるヨウ素(I)が見られる。この結果から、エッチング中には側壁５７にヨウ素とレジストから成る保護膜が形成され、この保護膜により10nm以下という小さい表面粗さが実現するものと考えられる。有機洗浄によりレジスト５６を除去した後には、側壁５７の表面にC及びIは見られない。従って、保護膜は有機洗浄により側壁５７の表面から除去することができると考えられる。
【００４２】
(4)Xeガスの添加量について
図７に、HIガスとXeガスの混合比が異なる複数（HIガス:Xeガス=1:0, 2:1, 1:5の３種類）の条件において、プラズマを連続発生することが可能な時間を測定した結果を示す。この結果から、HIガスに対するXeガスの割合が大きくなるにつれて、ヨウ化物によるプロセスチャンバ（加工室）内の汚染が抑制され、プラズマを連続発生することができる時間が長くなることがわかる。
【００４３】
図８に、HIガスとXeガスの混合比が異なる上記３種類の条件下において、それぞれGaInAsP及びInPをプラズマエッチングした時の、加工された断面の形状を電子顕微鏡写真及び模式図で示す。図の左側の電子顕微鏡写真は加工された断面全体を表し、中央の電子顕微鏡写真はGaInAsP層付近を拡大したものを表す。(a)は本発明との比較のためにHIガス:Xeガス=1:0、即ちプラズマ原料ガスにXeガスを添加せずにプラズマエッチングしたものである。プラズマは写真及び模式図の上側からGaInAsP層６１及びInP層６２に浸入してこれらの層をエッチングしている。その形状は、レジストの孔の径よりも写真及び模式図の横方向に拡がったものになっている。これは、プラズマイオンの進行方向へのエッチングが生じやすい物理的エッチング及びイオンアシストエッチングよりも、化学的エッチングの作用が強いことによるものと考えられる。(b)はHIガス:Xeガス=2:1の場合であり、GaInAsP層６１及びInP層６２はほぼ層に対して垂直にエッチングされている。これは、HIガスにXeガスを混合することにより物理的エッチング、化学的エッチング及びイオンアシストエッチングがバランスよく成されることによるものと考えられる。(c)はHIガス:Xeガス=1:5の場合であり、エッチングの形状は深さ方向に向かって徐々に狭くなるテーパ状となっている。これは、ヨウ化水素の分圧が低下して化学的エッチングの作用が小さくなり、Xeによる物理的スパッタが支配的になることによるものと考えられる。
【００４４】
HIガスとXeガスの混合比は、エッチングの速度を優先するかエッチングの形状を優先するかにより適宜定めることができるが、エッチングの形状を最適にするための両ガスの混合比は、エッチングしようとする被処理物の材料により変化する。上記の例ではHIガスとXeガスの比を2:1とすることが望ましいと考えられる。
【００４５】
(5)バイアス電圧について
本実施例のプラズマエッチングにおける、被処理物に印加するバイアス電圧の効果を調べるための実験を行った。図９に、GaInAsP層及びInP層から成る被処理物を本実施例の方法（HIガスとXeガスの比を2:1とした原料ガスによるプラズマを用いる）によりエッチングした際のバイアス電圧とエッチング速度の関係を表すグラフ、及び各バイアス電圧におけるエッチングされた孔の断面の形状を表す電子顕微鏡写真を示す。図の白丸はGaInAsP層及びInP層のエッチング速度であり、黒丸はレジストのエッチング速度である。比較例として、塩素ガスから生成されるプラズマによりエッチングした場合のエッチング速度を白三角印（GaInAsP層及びInP層）及び黒三角印（レジスト）で示す。併せて、本実施例及び比較例におけるエッチングの形状を表す電子顕微鏡写真を示す。
【００４６】
この結果より、バイアス電圧が増加するに従いエッチング速度が増加することがわかる。しかし、電子顕微鏡写真に示されるように、バイアス電圧が500V以上の場合にはエッチングされた孔が曲がっている。これは、孔に入射するイオンの強度が強くなりすぎ、イオンの多重散乱が生じるためであると考えられる。また、バイアス電圧が350V以下の場合には、イオンアシストによるエッチングが不十分になり断面がテーパ状となる。バイアス電圧が350〜500Vの時には、GaInAsP層及びInP層に対して垂直にエッチングすることができる。従って、本実施例の構成ではバイアス電圧を350〜500Vにすることが望ましいといえる。このように、バイアス電圧の最適値は加工装置の構成や原料ガスの濃度などにより異なるが、上記のような簡単な予備実験により求めることができる。
【００４７】
また、図９に見られる通り、レジストもエッチングされているが、その速度は100nm/分未満であり、一方、GaInAsP層及びInP層のエッチング速度はレジストのエッチング速度の5倍以上であるため、問題となることはない。また、上記のように、わずかにエッチングされたレジストとヨウ素によりエッチング面に保護膜が形成され、この保護膜がエッチング面の表面粗さを小さくすることに寄与する。また、この保護膜により、加工の際に生じる表面再結合を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】２次元フォトニック結晶の一例を示す斜視図。
【図２】本発明に係る半導体加工方法を実施するための装置の一例を示す概略構成図。
【図３】本発明に係る２次元フォトニック結晶の製造方法の一実施例を示す断面図。
【図４】本実施例により製造された２次元フォトニック結晶の電子顕微鏡写真。
【図５】表面粗さに関する実験を行った試料の電子顕微鏡写真。
【図６】表面粗さに関する実験を行った試料の分散型電子線励起X線分光装置による測定結果を示す図。
【図７】キセノンガスの添加量による連続運転可能時間の変化を示すグラフ。
【図８】キセノンガスの添加量による加工断面形状の変化を示す電子顕微鏡写真及び模式図。
【図９】バイアス電力とエッチング速度の関係を表すグラフ及びバイアス電力による加工断面形状の変化を示す電子顕微鏡写真。
【符号の説明】
【００４９】
１１、４１、５１…スラブ
１２、４５、５２…空孔
１３…導波路
１４…共振器
２１…被処理基板
２２…トレイ
２３…プロセスチャンバ
２４…ステージ
２５…ターボ分子ポンプ
２６…導入装置
２７…マスフローコントローラ
２８…ガス導入部
２９…コイル
３０…高周波電源
３１…バイアス電源
３３…循環式恒温槽
３４…酸素ガス供給源
４０…基板
４２、５６…レジスト
４３…レジストの孔
４４…プラズマ
６１…GaInAsP層
６２…InP層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図７】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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