(57)【要約】【課題】特性ばらつきを抑制しつつ、生産効率の向上が可能な半導体レーザ素子の製造方法及び光方向性結合器の製造方法を提供する。【解決手段】半導体レーザ素子の製造方法は、第１の基板生産物を、真空チャンバ内にて塩素系ガスを用いてドライエッチングすることによって、残存したコンタクト層の一部を露出させると共に、残存したコンタクト層の他部を含む半導体メサを形成する第１工程と、第１工程後、真空チャンバ内を排気し、塩化水素の分圧が所定の範囲になったことを確認してから、真空チャンバ内の真空状態を維持しながら、第１の基板生産物とは別の第２の基板生産物を前記真空チャンバに収容する第２工程と、別の基板生産物を、真空チャンバ内にて塩素系ガスを用いてドライエッチングする第３工程と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、コンタクト層、前記コンタクト層上に位置するｎ型の第１半導体層、前記第１半導体層上に位置する活性層、及び前記活性層上に位置するｐ型の第２半導体層を有する積層体が形成された基板生産物を用いた半導体レーザ素子の製造方法であって、
第１の前記基板生産物を、真空チャンバ内にて塩素系ガスを用いてドライエッチングすることによって、残存した前記コンタクト層の一部を露出させると共に、残存した前記コンタクト層の他部を含む半導体メサを形成する第１工程と、
前記第１工程後、前記真空チャンバ内を排気し、塩化水素の分圧が所定の範囲になったことを確認してから、前記真空チャンバ内の真空状態を維持しながら、第１の前記基板生産物とは別の第２の前記基板生産物を前記真空チャンバに収容する第２工程と、
第２の前記基板生産物を、前記真空チャンバ内にて塩素系ガスを用いてドライエッチングする第３工程と、
を備える半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項２】
前記第２工程では、前記塩化水素の分圧が２×１０−５Ｐａ以上５×１０−５Ｐａ以下になるまで真空引きを行う、請求項１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３】
前記第２工程では、前記真空チャンバ内に酸素プラズマを発生させる、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項４】
前記第２工程において前記真空チャンバ内を排気する際、前記真空チャンバ内を加熱する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項５】
前記基板生産物には、疎水性及び水分非透過性の少なくともいずれかを有するマスクが前記積層体上に形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項６】
前記第２工程では、質量分析計を用いて前記塩化水素の分圧を確認する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項７】
半導体基板上に、第１クラッド層、前記第１クラッド層上に位置するコア層、及び前記コア層上に位置する第２クラッド層を有する積層体が形成された基板生産物を用いた光方向性結合器の製造方法であって、
第１の前記基板生産物を、真空チャンバ内にて塩素系ガスを用いてドライエッチングすることによって、前記第２クラッド層にリッジ部を形成する第１工程と、
前記第１工程後、前記真空チャンバ内を排気し、塩化水素の分圧が所定の範囲になったことを確認してから、前記真空チャンバ内の真空状態を維持しながら、第１の前記基板生産物とは別の第２の前記基板生産物を前記真空チャンバに収容する第２工程と、
第２の前記基板生産物を、前記真空チャンバ内にて塩素系ガスを用いてドライエッチングする第３工程と、
を備える光方向性結合器の製造方法。
【請求項８】
前記第２工程では、前記塩化水素の分圧が２×１０−５Ｐａ以上５×１０−５Ｐａ以下になるまで真空引きを行う、請求項７に記載の光方向性結合器の製造方法。
【請求項９】
前記第２工程では、前記真空チャンバ内に酸素プラズマを発生させる、請求項７または８に記載の光方向性結合器の製造方法。
【請求項１０】
前記第２工程において前記真空チャンバ内を排気する際、前記真空チャンバ内を加熱する、請求項７〜９のいずれか一項に記載の光方向性結合器の製造方法。
【請求項１１】
前記基板生産物には、疎水性及び水分非透過性の少なくともいずれかを有するマスクが前記積層体上に形成されている、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の光方向性結合器の製造方法。
【請求項１２】
前記第２工程では、質量分析計を用いて前記塩化水素の分圧を確認する、請求項７〜１１のいずれか一項に記載の光方向性結合器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子の製造方法及び光方向性結合器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば下記非特許文献１には、半導体レーザ素子である垂直共振器発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が記載されている。非特許文献１では、フォトレジスト及び塩素系ガスを用いて、活性層などの半導体層を含む積層体をエッチングする方法が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】M W DeVre et al.，“Characterization of GaAs/AlGaAs non-selective ICP etch process forVCSELs applications”Plasma-Therm, Technical Papers
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したようなＶＣＳＥＬにおいては、エッチングにて露出した面上に電極が形成される。ＶＣＳＥＬの特性は、積層体の厚さ方向における当該電極の位置によってばらつく傾向にある。ＶＣＳＥＬの特性ばらつきを抑えるためには、エッチング深さの均一性が求められている。しかしながら、塩素系ガスを用いてエッチングを実施すると、たとえ当該エッチングの最適条件を定めたとしても、エッチングレートが大きく変化する傾向にある。これにより、異なるウエハに設けられるＶＣＳＥＬ同士の上記電極位置が不均一になり、ＶＣＳＥＬの特性がばらついてしまう。
【０００５】
また、光方向性結合器においては、エッチングにてリッジが形成される。光方向性結合器の特性は、リッジの高さによってばらつく傾向にある。光方向性結合器の特性ばらつきを抑えるためには、エッチング深さの均一性が求められている。しかしながら、塩素系ガスを用いてエッチングを実施すると、たとえ当該エッチングの最適条件を定めたとしても、エッチングレートが大きく変化する傾向にある。これにより、異なるウエハに設けられる光方向性結合器同士のリッジの高さが不均一になり、光方向性結合器の特性がばらついてしまう。
【０００６】
上記エッチングレートの変化は、塩素系ガスと、積層体に含まれる元素との反応生成物である塩化物に起因するものと考えられる。よって、エッチングレートの均一性を維持するために、エッチングを実施するプロセスチャンバ内のメンテナンスが頻繁に実施される。このメンテナンスでは、一般的に、まずプロセスチャンバ内の清掃が実施される。具体的には、上記塩化物が水溶性であることから、プロセスチャンバを大気開放してその内部を水拭きする。そして、清掃の実施後、プロセスチャンバ内の水分を除去する。このようなメンテナンスには長時間を要するため、ＶＣＳＥＬ及び光方向性結合器の生産効率は低かった。
【０００７】
本発明は、特性ばらつきを抑制しつつ、生産効率の向上が可能な半導体レーザ素子の製造方法及び光方向性結合器の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面に係る半導体レーザ素子の製造方法は、半導体基板上に、コンタクト層、コンタクト層上に位置するｎ型の第１半導体層、第１半導体層上に位置する活性層、及び活性層上に位置するｐ型の第２半導体層を有する積層体が形成された基板生産物を用いた半導体レーザ素子の製造方法であって、第１の基板生産物を、真空チャンバ内にて塩素系ガスを用いてドライエッチングすることによって、残存したコンタクト層の一部を露出させると共に、残存したコンタクト層の他部を含む半導体メサを形成する第１工程と、第１工程後、真空チャンバ内を排気し、塩化水素の分圧が所定の範囲になったことを確認してから、真空チャンバ内の真空状態を維持しながら、第１の基板生産物とは別の第２の基板生産物を真空チャンバに収容する第２工程と、第２の基板生産物を、真空チャンバ内にて塩素系ガスを用いてドライエッチングする第３工程と、を備える。
【０００９】
本発明の一側面に係る光方向性結合器の製造方法は、半導体基板上に、第１クラッド層、第１クラッド層上に位置するコア層、及びコア層上に位置する第２クラッド層を有する積層体が形成された基板生産物を用いた光方向性結合器の製造方法であって、第１の基板生産物を、真空チャンバ内にて塩素系ガスを用いてドライエッチングすることによって、第２クラッド層にリッジ部を形成する第１工程と、第１工程後、真空チャンバ内を排気し、塩化水素の分圧が所定の範囲になったことを確認してから、真空チャンバ内の真空状態を維持しながら、第１の基板生産物とは別の第２の基板生産物を真空チャンバに収容する第２工程と、第２の基板生産物を、真空チャンバ内にて塩素系ガスを用いてドライエッチングする第３工程と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、特性ばらつきを抑制しつつ、生産効率の向上が可能な半導体レーザ素子の製造方法及び光方向性結合器の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の前半を示すフローチャートである。
【図３】図３は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の後半を示すフローチャートである。
【図４】図４（ａ），（ｂ）は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｃ）は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図６】図６（ａ），（ｂ）は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図７】図７は、ドライエッチング装置の概略図である。
【図８】図８は、真空チャンバ及びロードロックチャンバを示す概略図である。
【図９】図９は、第２ステップ後の質量分析計の分析結果を示す図である。
【図１０】図１０は、第３ステップにおける真空チャンバ内の気体の分圧の経時変化を示す図である。
【図１１】図１１は、前回のエッチングから次のエッチングまでの第３ステップの実施時間と、当該次のエッチングにおけるエッチングレートとの関係を示す図である。
【図１２】図１２は、第２実施形態に係る光方向性結合器の平面図である。
【図１３】図１３は、図１２におけるXIII−XIII線に沿った断面図であって、光導波方向に垂直な断面における光導波路部分の構成を示す。
【図１４】図１４は、第２実施形態に係る光方向性結合器の製造方法を示すフローチャートである。
【図１５】図１５（ａ），（ｂ）は、第２実施形態に係る光方向性結合器の製造方法を説明するための断面図である。
【図１６】図１６（ａ），（ｂ）は、第２実施形態に係る光方向性結合器の製造方法を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［本願発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
【００１３】
本発明の一実施形態は、半導体基板上に、コンタクト層、コンタクト層上に位置するｎ型の第１半導体層、第１半導体層上に位置する活性層、及び活性層上に位置するｐ型の第２半導体層を有する積層体が形成された基板生産物を用いた半導体レーザ素子の製造方法であって、第１の基板生産物を、真空チャンバ内にて塩素系ガスを用いてドライエッチングすることによって、残存したコンタクト層の一部を露出させると共に、残存したコンタクト層の他部を含む半導体メサを形成する第１工程と、第１工程後、真空チャンバ内を排気し、塩化水素の分圧が所定の範囲になったことを確認してから、真空チャンバ内の真空状態を維持しながら、第１の基板生産物とは別の第２の基板生産物を真空チャンバに収容する第２工程と、第２の基板生産物を、真空チャンバ内にて塩素系ガスを用いてドライエッチングする第３工程と、を備える半導体レーザ素子の製造方法である。
【００１４】
また、本発明の別の実施形態は、半導体基板上に、第１クラッド層、第１クラッド層上に位置するコア層、及びコア層上に位置する第２クラッド層を有する積層体が形成された基板生産物を用いた光方向性結合器の製造方法であって、第１の基板生産物を、真空チャンバ内にて塩素系ガスを用いてドライエッチングすることによって、第２クラッド層にリッジ部を形成する第１工程と、第１工程後、真空チャンバ内を排気し、塩化水素の分圧が所定の範囲になったことを確認してから、真空チャンバ内の真空状態を維持しながら、第１の基板生産物とは別の第２の基板生産物を真空チャンバに収容する第２工程と、第２の基板生産物を、真空チャンバ内にて塩素系ガスを用いてドライエッチングする第３工程と、を備える、光方向性結合器の製造方法である。
【００１５】
これらの製造方法では、第１工程において、真空チャンバ内にて塩素系ガスを用いて第１の基板生産物の積層体をドライエッチングする。これにより、第１工程にて塩素系ガスと積層体に含まれる元素とが反応し、塩化物が生成される。この塩化物と真空チャンバ内の水分とが反応すると、エッチングガスとして機能する塩化水素が生成される。ここで、上記製造方法は、上記第２工程を備えている。このため、上記第３工程にて実施されるドライエッチングにおける塩化水素の分圧を所定の範囲内に設定することができる。この場合、真空チャンバに収容された第２の基板生産物をエッチングする際、上記塩化水素によるエッチングレートの変化を良好に抑制できる。よって、例えば真空チャンバ内の大気開放及び水拭き等を含むメンテナンスを頻繁に実施しなくとも、積層体のエッチングレートが変化しにくくなり、半導体レーザ素子及び光方向性結合器の特性ばらつきを抑制できる。加えて、上記製造方法を実施することによって上記メンテナンスの回数を低減できるので、半導体レーザ素子及び光方向性結合器の生産効率の向上が可能になる。
【００１６】
第２工程では、塩化水素の分圧が２×１０−５Ｐａ以上５×１０−５Ｐａ以下になるまで真空引きを行ってもよい。この場合、塩化水素に起因した積層体のエッチングレートのばらつきを良好に抑制できる。
【００１７】
第２工程では、真空チャンバ内に酸素プラズマを発生させてもよい。この場合、上記塩化物が酸化する。このため、塩化物と水分との反応生成物である塩化水素が生成されにくくなる。
【００１８】
第２工程において真空チャンバ内を排気する際、真空チャンバ内を加熱してもよい。この場合、真空チャンバ内の水分が除去されやすくなる。このため、塩化物と水分との反応生成物である塩化水素が生成されにくくなる。
【００１９】
基板生産物には、疎水性及び水分非透過性の少なくともいずれかを有するマスクが積層体上に形成されてもよい。この場合、積層体上には水分が付着しにくいマスクが形成される。このため、当該マスクに起因して真空チャンバ内に拡散する水分量を抑制できる。
【００２０】
第２工程では、質量分析計を用いて塩化水素の分圧を確認してもよい。これにより、塩化水素の分圧が所定の範囲になったか否かを正確に確認することができる。
［本願発明の実施形態の詳細］
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２２】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。図１に示されるように、半導体レーザ素子１は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。半導体レーザ素子１は、半導体基板２と、第１積層体３と、活性層４と、電流狭窄層５と、第２積層体６と、絶縁膜７と、電極８，９とを備えている。半導体基板２上には、第１積層体３と、活性層４と、電流狭窄層５と、第２積層体６とが順に積層されている。半導体レーザ素子１においては、第１積層体３の一部と、活性層４と、電流狭窄層５と、第２積層体６とによって半導体メサＭが設けられている。以下では、半導体レーザ素子１を構成する層（例えば活性層４）の厚さ方向を、方向Ｔと定義する。
【００２３】
半導体基板２は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板であり、例えばｉ型又はｎ型のＧａＡｓ基板である。半導体基板２がｎ型である場合、例えばｎ型ドーパントであるＴｅ（テルル）、Ｓｉ（ケイ素）等が含まれている。なお、ＩＩＩ族元素は例えばＡｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）等であり、Ｖ族元素は例えばＡｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）等である。半導体基板２は、回路基板に実装される前に研磨等によって薄型加工されてもよい。この場合、半導体基板２の厚さは、例えば１００μｍ〜２００μｍに設定される。
【００２４】
第１積層体３は、活性層４に対する下部分布ブラッグ反射器（下部ＤＢＲ）として機能する層状物であり、複数の半導体層を備えている。第１積層体３は、半導体基板２の表面２ａ上に設けられており、例えば第１超格子層１１と、コンタクト層１２と、第２超格子層１３とを有する。第１超格子層１１、コンタクト層１２、及び第２超格子層１３は、半導体基板２の表面２ａから方向Ｔに沿って順に積層されている。すなわち、コンタクト層１２は、方向Ｔにおいて第１超格子層１１と第２超格子層１３との間に位置している。
【００２５】
第１超格子層１１は、ｉ型の半導体層である。第１超格子層１１は、複数の異なる半導体層を含む単位構造が積層されてなる超格子構造を有する。この単位構造は、例えばＡｌＧａＡｓ層（Ａｌ組成：０．１２）と、ＡｌＧａＡｓ層（Ａｌ組成：０．９０）とを含む。第１超格子層１１に含まれる単位構造の数は、例えば５０〜１００である。第１超格子層１１の厚さは、例えば４０００ｎｍ〜６０００ｎｍである。
【００２６】
コンタクト層１２は、半導体レーザ素子１において電極９に接する単層のｎ型半導体層である。コンタクト層１２は、例えばＳｉがドープされるＧａＡｓ層である。コンタクト層１２は、互いに厚さが異なり得る第１部分１２ａ及び第２部分１２ｂを有する。第１部分１２ａは、電極９に接する部分であり、平面視にて半導体メサＭの外側に位置する部分（一部）である。第１部分１２ａは、第２部分１２ｂの厚さ以下である部分である。コンタクト抵抗の観点から、第１部分１２ａの厚さは、例えば２５０ｎｍ〜５００ｎｍである。第２部分１２ｂは、半導体メサＭの一部になる部分（他部）である。第２部分１２ｂの厚さは、例えば第１部分１２ａの厚さ以上であって５００ｎｍ以下である。
【００２７】
第２超格子層１３は、ｎ型の半導体層（ｎ型の第１半導体層）であり、コンタクト層１２の第２部分１２ｂ上に設けられている。第２超格子層１３は、第１超格子層１１と同様に、複数の異なる半導体層を含む単位構造が積層されてなる超格子構造を有する。この単位構造は、例えばＡｌＧａＡｓ層（Ａｌ組成：０．１２）と、ＡｌＧａＡｓ層（Ａｌ組成：０．９０）とを含む。第２超格子層１３に含まれる単位構造の数は、例えば１０〜３０である。第２超格子層１３には、例えばＳｉがドープされる。第２超格子層１３の厚さは、例えば１０００ｎｍ〜２０００ｎｍである。
【００２８】
活性層４は、電子と正孔との再結合によって光が発生する半導体層であり、第１積層体３の第２超格子層１３上に設けられている。活性層４は、下部スペーサ層２１と、多重量子井戸構造部２２と、上部スペーサ層２３とを有する。下部スペーサ層２１、多重量子井戸構造部２２、及び上部スペーサ層２３は、第１積層体３上から方向Ｔに沿って順に積層されている。すなわち、多重量子井戸構造部２２は、方向Ｔにおいて下部スペーサ層２１と上部スペーサ層２３との間に位置している。活性層４の厚さは、例えば５０ｎｍ〜３００ｎｍである。
【００２９】
下部スペーサ層２１は、方向Ｔにおいて第２超格子層１３と多重量子井戸構造部２２との間に位置すると共に、ｎ型ドーパントを含む半導体層である。下部スペーサ層２１は、例えばＳｉがドープされたＡｌＧａＡｓ層（Ａｌ組成：０．３０）である。多重量子井戸構造部２２は、例えば井戸層であるＧａＡｓ層と、障壁層であるＡｌＧａＡｓ層とを交互に含む。上部スペーサ層２３は、ノンドープ半導体層と、ｐ型ドーパントを含む半導体層とを有する。ノンドープ半導体層は、例えばＡｌＧａＡｓ層（Ａｌ組成：０．３０）である。ｐ型ドーパントを含む半導体層は、例えばＺｎ（亜鉛）を含むＡｌＧａＡｓ層（Ａｌ組成：０．９０）である。ｐ型ドーパントは、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃ（炭素）、またはＺｎである。
【００３０】
電流狭窄層５は、半導体メサＭ内の活性層４に注入される電流（キャリア）を狭窄するための半導体層である。電流狭窄層５は、例えばＡｌＧａＡｓ層（Ａｌ組成：０．９８）から形成されており、高抵抗部３１及び低抵抗部３２を有する。高抵抗部３１は、方向Ｔから見て低抵抗部３２を囲うように設けられており、アルミニウム酸化物が形成されている部分である。低抵抗部３２は、高抵抗部３１よりも電気抵抗が低い部分であり、アルミニウム酸化物を含まない部分である。電流狭窄層５の厚さは、例えば１０ｎｍ〜５０ｎｍである。電流狭窄層５においては、低抵抗部３２に電流が集中することによって、当該電流を狭窄する。
【００３１】
第２積層体６は、活性層４に対する上部分布ブラッグ反射器（上部ＤＢＲ）として機能する層状物であり、複数の半導体層を備えている。第２積層体６は、電流狭窄層５上に設けられており、例えば超格子層４１と、コンタクト層４２とを有する。超格子層４１及びコンタクト層４２は、電流狭窄層５上から方向Ｔに沿って順に積層されている。
【００３２】
超格子層４１は、ｐ型の半導体超格子層（ｐ型の第２半導体層）である。超格子層４１は、第１超格子層１１等と同様に、単位構造が積層されてなる超格子構造を有する。この単位構造は、例えばＡｌＧａＡｓ層（Ａｌ組成：０．１２）と、ＡｌＧａＡｓ層（Ａｌ組成：０．９０）とを含む。超格子層４１に含まれる単位構造の数は、例えば５０〜１００である。超格子層４１の厚さは、例えば３０００ｎｍ〜５０００ｎｍである。超格子層４１には、例えばＺｎがドープされる。コンタクト層４２は、半導体レーザ素子１において電極８に接する単層のｐ型半導体層である。コンタクト層４２は、例えばＺｎがドープされるＧａＡｓ層である。コンタクト層４２の厚さは、例えば１００ｎｍ〜３００ｎｍである。
【００３３】
絶縁膜７は、半導体レーザ素子１内の半導体層に対する保護膜であり、例えば無機絶縁膜である。無機絶縁膜は、例えば酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜、酸化窒化ケイ素膜等である。絶縁膜７には、半導体メサＭ上に設けられる開口部７ａと、半導体メサＭとは離れて設けられる開口部７ｂとが設けられる。開口部７ａ，７ｂのそれぞれは、方向Ｔにおいて絶縁膜７を貫通するように設けられる。このため、開口部７ａを介してコンタクト層４２が露出し、開口部７ｂを介してコンタクト層１２の第１部分１２ａが露出する。開口部７ａ，７ｂは、それぞれ複数設けられているが、１つだけ設けられてもよい。半導体レーザ素子１が出射する光に対して高い反射率を絶縁膜７に備えさせる観点から、絶縁膜７の厚さは、２００ｎｍ〜５００ｎｍであってもよい。
【００３４】
電極８は、半導体メサＭ上に設けられており、且つ、開口部７ａに埋め込まれる導電層である。電極８は、開口部７ａを介してコンタクト層４２に接している。電極８は、例えばチタン層、白金層、金層を有する積層構造を有している。
【００３５】
電極９は、半導体メサＭとは離れて設けられており、且つ、開口部７ｂに埋め込まれる導電層である。電極９は、開口部７ｂを介してコンタクト層１２の第１部分１２ａに接している。電極９は、例えば金−ゲルマニウム−ニッケル合金層である。
【００３６】
次に、図２、図３、図４（ａ），（ｂ）、図５（ａ）〜（ｃ）、図６（ａ），（ｂ）、図７、及び図８を参照しながら本実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法について説明する。図２は、本実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の前半を示すフローチャートである。図３は、本実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の後半を示すフローチャートである。図４（ａ），（ｂ）、図５（ａ）〜（ｃ）、及び図６（ａ），（ｂ）は、本実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。図７は、ドライエッチング装置の概略図である。図８は、真空チャンバ及びロードロックチャンバを示す概略図である。図８においては、図７に示される真空チャンバ６１の形状をより簡略化している。
【００３７】
以下では、図２、図４（ａ），（ｂ）、図７、及び図８を用いながら半導体レーザ素子１の製造方法の前半を説明する。まず、準備段階として、図２及び図４（ａ）に示されるように、半導体基板２上に積層体Ｓが形成された基板生産物１００（第１の基板生産物）を準備する（第１ステップＳＴ１）。第１ステップＳＴ１では、半導体基板２上に、後に第１積層体３になる半導体層５１、後に活性層４になる半導体層５２、後に電流狭窄層５になる半導体層５３、及び後に第２積層体６になる半導体層５４を有する積層体Ｓを形成する。半導体層５１〜５４のそれぞれは、分子線エピタキシー成長法もしくは有機金属気相成長法によって、順にエピタキシャル成長する。続いて第１ステップＳＴ１では、積層体Ｓ上に図示しないマスクを形成する。このマスクは、疎水性及び水分非透過性の少なくともいずれかを有し、例えば窒化ケイ素膜である。
【００３８】
次に図２及び図４（ｂ）に示されるように、基板生産物１００をドライエッチングして半導体メサＭを形成する（第２ステップＳＴ２、または第１工程）。第２ステップＳＴ２では、まず、図７に示されるドライエッチング装置Ｅの真空チャンバ６１内に基板生産物１００を収容する。続いて、真空チャンバ６１内にエッチングガスを供給し、積層体Ｓをドライエッチングする。これにより、上記マスクに覆われていない半導体層５１〜５４の一部を除去し、残存したコンタクト層１２の第１部分１２ａを露出させると共に、残存したコンタクト層１２の第２部分１２ｂを含む半導体メサＭを形成する。半導体メサＭは、半導体基板２上に複数設けられる。なお、第２ステップＳＴ２の時点においては、後に電流狭窄層５になる半導体層５３ａには高抵抗部３１は設けられていない。
【００３９】
ここで、図７を用いながらドライエッチング装置Ｅの説明をする。ドライエッチング装置Ｅは、誘電結合プラズマ反応性イオンエッチング装置（ＩＣＰ−ＲＩＥ装置）である。このため、第２ステップＳＴ２では、反応性イオンエッチングによって、積層体Ｓにおいてマスクに覆われていない半導体層５１〜５４の一部を除去する。ドライエッチング装置Ｅは、真空チャンバ６１と、真空チャンバ６１につながる誘電体製のドーム６２と、ドーム６２を囲むように配置されるコイル６３と、コイル６３に電気的に接続される整合器６４及びＲＦ電源６５と、真空チャンバ６１内に設けられると共に半導体基板２を載置する下部電極６６と、下部電極６６に電気的に接続される整合器６７及びＲＦ電源６８と、下部電極６６を冷却するためのＨｅを循環供給する冷却器６９と、真空チャンバ６１内に供給されるエッチングガスが流れる供給部７０と、真空チャンバ６１から排気される気体が流れる排気部７１と、真空チャンバ６１内の気体を質量分析する質量分析計７２とを有する。第２ステップＳＴ２においては、ＩＣＰパワーは例えば５０Ｗ〜１０００Ｗに設定され、ＢＩＡＳパワーは例えば５０Ｗ〜５００Ｗに設定される。真空チャンバ６１内では、例えば排気部７１に取り付けられたポンプ等によって真空状態が維持される（すなわち、真空引きがなされている）。真空状態とは、１．０×１０−３Ｐａ以下の状態とする。また、冷却器６９によって、半導体基板２の温度が２５℃以下に維持されてもよい。なお、上記気体には水分が含まれる。
【００４０】
ドライエッチング装置Ｅに供給されるエッチングガスは、塩素系ガスであり、例えばＢＣｌ３ガス、又はＢＣｌ３とＣｌ２との混合ガスである。真空チャンバ６１には、上記塩素系ガスに加えて不活性ガス（例えば、Ａｒガス）も供給される。第２ステップＳＴ２にて真空チャンバ６１内に供給されるガスの合計流量は、例えば１００ｓｃｃｍである。塩素系ガスがＢＣｌ３ガスである場合、例えばＢＣｌ３ガスの流量は３０ｓｃｃｍに設定され、Ａｒガスの流量は７０ｓｃｃｍに設定される。塩素系ガスが上記混合ガスである場合、例えばＢＣｌ３ガスの流量は２０ｓｃｃｍに設定され、Ｃｌ２ガスの流量は１０ｓｃｃｍに設定され、Ａｒガスの流量は７０ｓｃｃｍに設定される。
【００４１】
次に図２に戻って、第２ステップＳＴ２後、真空チャンバ６１内の塩化水素の分圧をモニタしながら、真空チャンバ６１内を排気する（第３ステップＳＴ３、または第２工程）。第３ステップＳＴ３では、真空チャンバ６１内の塩化水素の分圧が所定の範囲になることを質量分析計７２が確認するまで、真空チャンバ６１内を排気する。例えば、真空チャンバ６１内の塩化水素の分圧が２×１０−５Ｐａ以上５×１０−５Ｐａ以下になることが質量分析計７２によって確認されるまで、真空チャンバ６１内を所定の時間真空引きする。これにより、第２ステップＳＴ２にて発生した塩化水素を真空チャンバ６１内から排気する。塩化水素の分圧は、真空チャンバ６１内において塩化水素が示す圧力であり、真空チャンバ６１内の気体における塩化水素の割合の指標である。塩化水素は、塩素系ガスと、積層体Ｓに含まれる元素との反応生成物である塩化物に対して、水分が付着することによって生成する。所定の時間は、例えば、塩化水素による積層体Ｓのエッチングレートの変化を抑制する観点から、少なくとも３０分以上である。また、所定の時間は、例えば、半導体レーザ素子１の生産性向上の観点から、１時間以下である。なお、エッチングレートとは、単位時間あたりに除去される積層体Ｓの厚さとする。
【００４２】
上記塩化物を酸化して塩化水素の発生を抑制する観点から、第３ステップＳＴ３では、真空チャンバ６１内に酸素プラズマを発生させてもよい。また、真空チャンバ６１内の水分の除去を促進する観点から、第３ステップＳＴ３では、真空チャンバ６１内を加熱してもよい。これにより、真空チャンバ６１内に拡散した水分を排出し、真空チャンバ６１内における水分の分圧を例えば１×１０−６Ｐａ以下にしてもよい。
【００４３】
次に、図２及び図８に示されるように、塩化水素の分圧が上記所定の範囲になったことを確認してから、真空チャンバ６１内の真空状態を維持しながら、基板生産物１００とは別の基板生産物１００Ａ（第２の基板生産物）を真空チャンバ６１に収容する（第４ステップＳＴ４、または第２工程）。第４ステップＳＴ４では、まず、真空チャンバ６１につながるロードロックチャンバ７３内に基板生産物１００Ａを収容する。ロードロックチャンバ７３は、開閉可能な扉７４によって真空チャンバ６１と仕切られている。基板生産物１００Ａは、第１ステップＳＴ１〜第３ステップＳＴ３にて示された基板生産物１００とは異なっており、別の半導体基板２Ａ上に半導体層５１〜５４を有する積層体Ｓが設けられている。基板生産物１００Ａが収容されたロードロックチャンバ７３内が真空状態になっていると判断されると、真空チャンバ６１とロードロックチャンバ７３とをつなぐ扉７４が開放される。次に、ロボットアーム（不図示）等によって、基板生産物１００Ａを真空チャンバ６１の下部電極６６上に載置する。このとき、半導体メサＭが設けられた半導体基板２をロードロックチャンバ７３内に収容する。そして扉７４を閉鎖することによって、半導体メサＭが形成された半導体基板２を真空チャンバ６１から取り出すと共に、基板生産物１００Ａを真空チャンバ６１に収容する。
【００４４】
次に、図２に示されるように、第４ステップＳＴ４にて真空チャンバ６１に収容された基板生産物１００Ａを、真空チャンバ６１内にて塩素系ガスを用いてドライエッチングする（第５ステップＳＴ５、または第３工程）。第５ステップＳＴ５は、第２ステップＳＴ２と同様のステップである。このため第５ステップＳＴ５では、基板生産物１００Ａをドライエッチングし、半導体基板２Ａ上に半導体メサＭを形成する。このように第１ステップＳＴ１〜第５ステップＳＴ５を実施することによって、互いに異なる基板生産物１００，１００Ａのドライエッチングを、真空チャンバ６１内の塩化水素の分圧を所定の範囲に調整した状態にて実施できる。また、第５ステップＳＴ５後、第３ステップＳＴ３〜第５ステップＳＴ５と同様のステップを何度も実施することによって、複数の基板生産物のドライエッチングを、真空チャンバ６１内の塩化水素の分圧を所定の範囲に調整した状態にて実施できる。換言すると、第２ステップＳＴ２〜第４ステップＳＴ４を繰り返し実施することによって、複数の基板生産物のドライエッチングを、真空チャンバ６１内の塩化水素の分圧を所定の範囲に調整した状態にて実施できる。
【００４５】
以下では、図３、図４（ａ），（ｂ）、図５（ａ）〜（ｃ）、及び図６（ａ），（ｂ）を参照しながら半導体レーザ素子１の製造方法の後半を説明する。半導体レーザ素子１の製造方法の後半は、第４ステップＳＴ４にて真空チャンバ６１から取り出された半導体メサＭが設けられた半導体基板２を用いて説明する。したがって、半導体レーザ素子１の製造方法の後半は、第４ステップＳＴ４の次に実施される。
【００４６】
まず図３及び図５（ａ）に示されるように、半導体層５３αの一部を酸化し、電流狭窄層５を形成する（第６ステップＳＴ６）。第６ステップＳＴ６では、半導体層５３αの外表面に水蒸気を曝すことによって、当該外表面側から半導体層５３αを酸化させる。これによって、少なくとも外周面に位置する高抵抗部３１、及び高抵抗部３１に囲まれる低抵抗部３２を有する電流狭窄層５を形成する。
【００４７】
次に図３及び図５（ｂ）に示されるように、半導体メサＭを覆う絶縁膜７を形成する（第７ステップＳＴ７）。第７ステップＳＴ７では、例えばプラズマＣＶＤ法によって絶縁膜７を形成する。絶縁膜７の形成後、例えばドライエッチングによって、コンタクト層４２を露出する開口部７ａと、コンタクト層１２の第１部分１２ａを露出する開口部７ｂとを形成する。半導体レーザ素子１の生産性向上の観点から、開口部７ａ，７ｂは同時に形成されてもよい。
【００４８】
次に図３及び図５（ｃ）に示されるように、コンタクト層４２に接する電極８と、コンタクト層１２の第１部分１２ａに接する電極９とを形成する（第８ステップＳＴ８）。第８ステップＳＴ８では、例えば開口部７ａに埋め込まれる電極８を形成した後、開口部７ｂに埋め込まれる電極９を形成する。
【００４９】
次に図３及び図６（ａ）に示されるように、半導体基板２を薄型加工する（第９ステップＳＴ９）。第９ステップＳＴ９では、例えばバックグラインダーもしくはラッピング装置等を用いて、半導体基板２の裏面側を研磨する。半導体基板２を薄型加工した後、例えばダイサー等を用いて半導体基板２を個片化してチップ状の半導体レーザ素子１を形成する。
【００５０】
次に図３及び図６（ｂ）に示されるように、半導体レーザ素子１を回路基板８１上に実装する（第１０ステップＳＴ１０）。第１０ステップＳＴ１０では、接着剤等を用いて半導体レーザ素子１を回路基板８１にダイボンディングする。そして、ワイヤボンディングによって、電極８と回路基板８１上の電極８２とをワイヤＷ１によって電気的に接続させる。同様に、電極９と回路基板８１上の電極８３とをワイヤＷ２によって電気的に接続させる。
【００５１】
以下では、図９〜図１１を参照しながら、半導体のエッチングレートに対する塩化水素の影響について説明する。
【００５２】
図９は、第２ステップＳＴ２後の質量分析計７２の分析結果を示す図である。図９においては、縦軸が分圧を示し、横軸が分子量を示す。上述した半導体レーザ素子１の製造方法のように、塩素系ガスを用いて積層体Ｓをエッチングすると、塩素系ガスと積層体Ｓに含まれる元素とが反応し、塩化ガリウム、塩化アルミニウム、ヒ素塩化物等が生成することが知られている。ここで、第２ステップＳＴ２後の真空チャンバ６１内の気体（ガス）を質量分析すると、図９に示されるように、第２ステップＳＴ２にて真空チャンバ６１内に供給されていない塩素系ガスである塩化水素が生成されていることが見出された。また、第２ステップＳＴ２にて供給されていた塩素系ガス及び不活性ガスは殆ど真空チャンバ６１内に存在していない一方で、水（Ｈ２Ｏ）、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、及び塩化水素（ＨＣｌ）が残存していることも見出された。特に、塩化水素が比較的多く残存しており、図９においては、塩化水素の分圧は約１×１０−４Ｐａであった。
【００５３】
水は、真空チャンバ６１の内壁及び積層体Ｓなどに付着していた残留物であり、酸素及び窒素は、真空チャンバ６１内から排除されていない空気に基づいたものである可能性が高い。一方、塩化水素は、第２ステップＳＴ２にて真空チャンバ６１内に供給されていないものである。このため、塩化水素は、例えば下記化学式１等に基づいて真空チャンバ６１内に発生したものである可能性が高い。下記化学式１を踏まえると、真空チャンバ６１内に塩化物及び水分が存在する限り、塩化水素は随時生成されると考えられる。
化学式１：２ＧａＣｌ３＋６Ｈ２Ｏ→２Ｇａ２Ｏ３＋６ＨＣｌ
【００５４】
図１０は、第３ステップＳＴ３における真空チャンバ６１内の気体の分圧の経時変化を示す図である。図１０においては、縦軸が分圧を示し、横軸が第３ステップＳＴ３開始からの経過時間を示す。図１０に示されるように、第３ステップＳＴ３開始から約１５分経過したとき、水、窒素、酸素、及びエッチングガス（Ｃｌ２，ＢＣｌ３）の分圧は、それぞれほぼ安定した値を示した。これに対して、塩化水素の分圧は、約３０分経過後に５×１０−５Ｐａ以下になり、約６０分経過後に２×１０−５Ｐａ以下になった。また、塩化水素の分圧は、約６０分経過後はほとんど変動しなくなった。ここで従来においては、半導体においてエッチングガスとなる気体は、１分ほどの真空引きによってチャンバから排出できると考えられていた。実際に、第２ステップＳＴ２にて真空チャンバ６１に供給されたエッチングガスである塩素系ガス（Ｃｌ２，ＢＣｌ３）は、第３ステップＳＴ３では殆ど検知されていない。このような結果から、エッチングガスとして機能し得る塩化水素が、真空チャンバ６１から外部へ排出されにくい傾向にあることが見出された。換言すると、塩化水素が他の塩素系ガスよりも外部へ排出されにくいことが見出された。加えて、従来の真空引きに設定される時間がエッチングガスの除去においては十分ではない可能性も見出された。
【００５５】
図１１は、前回のエッチングから次のエッチングまでの第３ステップＳＴ３の実施時間と、当該次のエッチングにおけるエッチングレートとの関係を示す図である。図１１においては、縦軸がエッチングレートを示し、横軸が第３ステップＳＴ３の実施時間を示す。図１１に示されるように、第３ステップＳＴ３の実施時間が約０．５時間（約３０分）以内である場合のエッチングレートの変動は、第３ステップＳＴ３に設定された時間が約０．５時間を超える場合の当該変動よりも極めて大きいことが示された。図１０，１１に示される結果から、真空チャンバ６１内の塩化水素の分圧が５×１０−５Ｐａ以上である場合、エッチングレートの変動が発生しやすい（大きくなりやすい）ことが見出された。また、真空チャンバ６１内の塩化水素の分圧が５×１０−５Ｐａ以下に設定された場合、エッチングレートの変動が生じにくい可能性も見出された。
【００５６】
ここで上記知見の妥当性を確認するため、真空チャンバ内の塩化水素の濃度を所定の範囲に維持した状態にて、６個の基板生産物を連続してドライエッチングした。なお、各基板生産物は、ひとつずつ順にドライエッチングされた。また、各ドライエッチング間には、真空チャンバをメンテナンスしなかった。ここで、メンテナンスとは、真空チャンバ内の塩化物を除去するために、当該真空チャンバ内を清掃することである。まず、真空チャンバを大気開放してその内部を水拭きする。塩化物が水溶性であること、及びドライクリーニングでは塩化物が単に揮発して真空チャンバ内に残留する傾向にあることから、水拭きが一般的に実施される。そして、清掃後、真空チャンバ内の水分を除去するため、ベーキング及び真空引きが実施される。このようなメンテナンスには、例えば、通常４日〜５日必要となる。
【００５７】
上記ドライエッチングにおいて、各基板生産物のコンタクト層の厚さを５００ｎｍとし、コンタクト層より上の半導体層の合計厚さを４８００ｎｍとした。また、上述したように電極に対するコンタクト層のコンタクト抵抗を低減する観点から、露出するコンタクト層の第１部分の厚さが２５０ｎｍ以上になるようにドライエッチングを実施した。このようなドライエッチングを実施するためには、積層体のエッチング深さを４８００ｎｍ〜５０５０ｎｍ以下とする必要があった。よって、各回においてドライエッチングを実施する時間が同一であったと仮定すると、エッチングレートのマージンが５％以内であることが必要であった。なお、１回目のドライエッチングでは塩化水素の分圧を５×１０−５Ｐａ以下に設定し、２回目〜６回目のドライエッチングでは塩化水素の分圧を２×１０−５Ｐａ以上５×１０−５Ｐａ以下に設定した。
【００５８】
下記表１は、各基板生産物におけるエッチング時間と、エッチング深さと、エッチングレートとを示す。下記表２は、得られた各基板生産物に対するエッチングレートを平均化した結果を示す。表１及び表２に示されるエッチングレートは、エッチング深さをエッチング時間で除すことによって得られる。下記表１，２より、上記メンテナンスを実施しなくとも、エッチングレートの変動が１％以下であることが示された。この結果は、２回目〜６回目にて真空チャンバ６１内の塩化水素の分圧を２×１０−５Ｐａ以上５×１０−５Ｐａ以下に設定したから得られたと考えられる。
【表１】
2018190947.tif 000003
【表２】
2018190947.tif 000004
【００５９】
以上に説明した、本実施形態に係る半導体レーザ素子１の製造方法によって得られる効果について説明する。上述したように、本実施形態に係る半導体レーザ素子１の製造方法では、第２ステップＳＴ２において、真空チャンバ６１内にて塩素系ガスを用いて基板生産物１００の積層体Ｓをドライエッチングする。これにより、第２ステップＳＴ２にて塩素系ガスと積層体Ｓに含まれる元素とが反応し、塩化物が生成される。この塩化物と真空チャンバ６１内の水分とが反応すると、エッチングガスとして機能する塩化水素が生成される。ここで、上記製造方法では、真空チャンバ６１内の塩化水素の分圧をモニタし、塩化水素の分圧が所定の範囲になったことを確認してから、真空チャンバ６１内の真空状態を維持しながら、別の基板生産物１００Ａを真空チャンバ６１に収容する。そして、基板生産物１００Ａをドライエッチングする。この場合、塩化水素の分圧を所定の範囲内に設定した後、基板生産物１００Ａをドライエッチングできるので、上記塩化水素によるエッチングレートの変化を良好に抑制できる。よって、例えば真空チャンバ６１内の大気開放及び水拭き等を含むメンテナンスを頻繁に実施しなくとも、積層体Ｓのエッチングレートが変化しにくくなり、半導体レーザ素子１の特性ばらつきを抑制できる。加えて、上記製造方法を実施することによって上記メンテナンスの回数を低減できるので、半導体レーザ素子１の生産効率の向上が可能になる。
【００６０】
なお、上記第３ステップＳＴ３を実施しない場合、従来ではドライエッチング装置Ｅを連続的に使用して１日経過すると、エッチングレートが大きく変動する傾向にあった。このため従来では、ドライエッチング装置Ｅを１日使用した後、４日〜５日間かけてメンテナンスする必要があった。これに対して本実施形態に係る製造方法を適用することによって、例えばドライエッチング装置Ｅを５〜６日間連続して使用することが可能になる。したがって、例えば１週間内に、１台のドライエッチング装置Ｅにて処理できる半導体基板の数を大きく増加させることができるので、半導体レーザ素子１の生産効率の向上が可能になる。
【００６１】
第３ステップＳＴ３では、塩化水素の分圧が２×１０−５Ｐａ以上５×１０−５Ｐａ以下になるまで真空引きを行ってもよい。この場合、塩化水素に起因した積層体Ｓのエッチングレートの変化を良好に抑制できる。
【００６２】
第３ステップＳＴ３では、真空チャンバ６１内に酸素プラズマを発生させてもよい。この場合、上記塩化物が酸化する。例えば、下記化学式２に示される化学反応が真空チャンバ６１内にて発生する。このため、塩化物と水分との反応生成物である塩化水素が生成されにくくなる。加えて、塩素は塩化水素よりも真空チャンバ６１内から排出されやすいため、第３ステップＳＴ３を実施する時間を短縮可能になる。
化学式２：４ＧａＣｌ３＋３Ｏ２→２Ｇａ２Ｏ３＋６Ｃｌ２
【００６３】
第３ステップＳＴ３では、真空チャンバ６１内を加熱してもよい。この場合、真空チャンバ６１内の水分が除去されやすくなる。このため、塩化物と水分との反応生成物である塩化水素が生成されにくくなる。
【００６４】
基板生産物には、疎水性及び水分非透過性の少なくともいずれかを有するマスクが前記積層体上に形成されていてもよい。この場合、積層体Ｓ上には水分が付着しにくいマスクが形成される。このため、当該マスクに起因して真空チャンバ６１内に拡散する水分量を抑制できる。また、例えば第２ステップＳＴ２及び第３ステップＳＴ３における真空チャンバ６１内の水の分圧を１×１０−６Ｐａ以下に設定可能になる。
【００６５】
第３ステップＳＴ３では、質量分析計７２を用いて塩化水素の分圧を確認してもよい。この場合、塩化水素の分圧が所定の範囲になったか否かを正確に確認することができる。
【００６６】
（第２実施形態）
図１２は、本実施形態に係る光方向性結合器１Ａの平面図である。図１２に示されるように、本実施形態の光方向性結合器１Ａは、半導体基板１０２と、半導体基板１０２上に設けられた一対の光導波路１０３及び１０４とを備える。半導体基板１０２は、略長方形状といった平面形状を有しており、その長手方向に互いに対向する一対の端面１０２ａ及び１０２ｂを有する。一対の光導波路１０３及び１０４は、一方の端面１０２ａから他方の端面１０２ｂまで延びている。各光導波路１０３及び１０４は、それぞれ光導波路部分１０３ａ及び１０４ａを含む。光導波路部分１０３ａ及び１０４ａは互いに近接し、且つ互いに平行に延びている。光導波路部分１０３ａ及び１０４ａは、光方向性結合器１Ａにおける光結合部１１０を構成している。
【００６７】
図１３は、図１２におけるXIII−XIII線に沿った断面図であって、光導波方向に垂直な断面における光導波路部分１０３ａ及び１０４ａの構成を示す。図１３に示されるように、光方向性結合器１Ａは、半導体基板１０２上に設けられた下部クラッド層１０５（第１クラッド層）と、下部クラッド層１０５上に設けられたコア層１０６と、コア層１０６上に設けられた上部クラッド層１０７（第２クラッド層）とを備える。下部クラッド層１０５と、コア層１０６と、上部クラッド層１０７とは、下部クラッド層１０５の深さ方向の途中までエッチングされることによりメサ状部分１０８を構成している。また、上部クラッド層１０７は、その上面から深さ方向の途中までエッチングされることにより形成された、一対のリッジ部１０７ａ及び１０７ｂを有する。光導波路部分１０３ａはリッジ部１０７ａを含んで構成され、光導波路部分１０４ａはリッジ部１０７ｂを含んで構成される。すなわち、一対のリッジ部１０７ａ及び１０７ｂによって光導波方向と交差する方向に屈折率分布が形成され、この屈折率分布によって光導波路部分１０３ａ及び１０４ａそれぞれに光が閉じ込められる。
【００６８】
半導体基板１０２は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板であり、例えばＩｎＰ基板である。下部クラッド層１０５及び上部クラッド層１０７は、例えばアンドープＩｎＰ層である。コア層１０６は、下部クラッド層１０５及び上部クラッド層１０７よりも屈折率が大きい半導体材料から成り、例えばＩｎＧａＡｓＰ層である。メサ状部分１０８における下部クラッド層１０５の厚さは、例えば１μｍ〜３μｍであり、一実施例では２μｍである。コア層１０６の厚さは、例えば０．１μｍ〜０．５μｍであり、一実施例では０．３μｍである。リッジ部１０７ａ及び１０７ｂを含めた上部クラッド層１０７の厚さは、例えば１μｍ〜３μｍであり、一実施例では２μｍである。メサ状部分１０８の高さＨ１は例えば３μｍである。リッジ部１０７ａ及び１０７ｂの高さＨ２は、例えば０．５μｍ〜２μｍの範囲内であり、一実施例では１．５μｍである。リッジ部１０７ａ及び１０７ｂの間隔Ｄ１は、例えば０．５μｍ〜１μｍの範囲内であり、一実施例では１．０μｍである。リッジ部１０７ａ及び１０７ｂの幅Ｄ２は、例えば１μｍ〜３μｍの範囲内であり、一実施例では２．５μｍである。
【００６９】
次に、図１４、図１５（ａ），（ｂ）、及び図１６（ａ），（ｂ）を参照しながら本実施形態に係る光方向性結合器１Ａの製造方法について説明する。図１４は、本実施形態に係る光方向性結合器１Ａの製造方法を示すフローチャートである。図１５（ａ），（ｂ）、及び図１６（ａ），（ｂ）は、本実施形態に係る光方向性結合器１Ａの製造方法を説明するための断面図である。
【００７０】
まず、準備段階として、図１５（ａ）に示されるように、半導体基板１０２上に積層体Ｓ１が形成された基板生産物２００（第１の基板生産物）を準備する（ステップＳＴ１１）。ステップＳＴ１１では、半導体基板１０２上に、後に下部クラッド層１０５になる半導体層１５１、後にコア層１０６になる半導体層１５２、後に上部クラッド層１０７になる半導体層１５３を有する積層体Ｓ１を形成する。半導体層１５１〜１５３のそれぞれは、分子線エピタキシー成長法もしくは有機金属気相成長法によって、順にエピタキシャル成長する。次に、図１５（ｂ）に示されるように、ステップＳＴ１２において、積層体Ｓ１上に一対のマスクＭ１を形成する。一対のマスクＭ１は、それぞれリッジ部１０７ａ及び１０７ｂを形成するためのマスクである。一対のマスクＭ１は、疎水性及び水分非透過性の少なくともいずれかを有し、例えば窒化ケイ素膜である。そして、マスクＭ１を覆うように、積層体Ｓ１上にマスクＭ２を更に形成する。マスクＭ２は、例えばレジストといった樹脂膜である。
【００７１】
続くステップＳＴ１３において、図１６（ａ）に示されるように、マスクＭ２から露出した積層体Ｓ１の部分に対してドライエッチングを行う。この工程では、図７に示されたドライエッチング装置Ｅを用いる。また、エッチング深さＤ３を、メサ状部分１０８の高さＨ１からリッジ部１０７ａ，１０７ｂの高さＨ２を差し引いた深さとする。その後、マスクＭ２を積層体Ｓ１上から除去する。このとき、例えばアセトンやＮ−メチルピロリドンなど有機溶剤を用いて、マスクＭ１を残存させつつマスクＭ２を選択的に除去する。
【００７２】
続いて、図１６（ｂ）に示されるように、マスクＭ１から露出した積層体Ｓ１の部分に対してドライエッチングを行う。この工程においても、図７に示されたドライエッチング装置Ｅを用いる。また、エッチング深さＤ４を、リッジ部１０７ａ，１０７ｂの高さＨ２と等しい深さとする。これにより、一対のリッジ部１０７ａ及び１０７ｂを含むメサ状部分１０８が形成される。その後、例えばフッ化水素酸や高純度バッファードフッ酸を用いてマスクＭ１を積層体Ｓ１上から除去する。こうして、本実施形態の光方向性結合器１Ａが作製される。
【００７３】
上述したステップＳＴ１３の詳細は次の通りである。ステップＳＴ１３では、まず、図７に示されるドライエッチング装置Ｅの真空チャンバ６１内に基板生産物２００を収容する。続いて、真空チャンバ６１内にエッチングガスを供給し、積層体Ｓ１をドライエッチングする。ステップＳＴ１５においては、ＩＣＰパワーは例えば１００Ｗ〜４００Ｗに設定され、ＢＩＡＳパワーは例えば１００Ｗ〜３００Ｗに設定される。真空チャンバ６１内では、例えば排気部７１に取り付けられたポンプ等によって真空状態が維持される（すなわち、真空引きがなされている）。また、冷却器６９によって、半導体基板１０２の温度が２５℃以下に維持されてもよい。なお、上記気体には水分が含まれる。
【００７４】
ドライエッチング装置Ｅに供給されるエッチングガスは、塩素系ガスであり、例えばＢＣｌ３ガス、又はＢＣｌ３とＣｌ２との混合ガスである。真空チャンバ６１には、上記塩素系ガスに加えて不活性ガス（例えば、Ａｒガス）も供給される。ステップＳＴ１３にて真空チャンバ６１内に供給されるガスの合計流量は、例えば５０ｓｃｃｍである。塩素系ガスがＢＣｌ３ガスである場合、例えばＢＣｌ３ガスの流量は２０ｓｃｃｍに設定され、Ａｒガスの流量は３０ｓｃｃｍに設定される。塩素系ガスが上記混合ガスである場合、例えばＢＣｌ３ガスの流量は１５ｓｃｃｍに設定され、Ｃｌ２ガスの流量は５ｓｃｃｍに設定され、Ａｒガスの流量は３０ｓｃｃｍに設定される。
【００７５】
次に、真空チャンバ６１内の塩化水素の分圧をモニタしながら、真空チャンバ６１内を排気する（ステップＳＴ１４）。ステップＳＴ１４では、真空チャンバ６１内の塩化水素の分圧が所定の範囲になることを質量分析計７２が確認するまで、真空チャンバ６１内を排気する。例えば、真空チャンバ６１内の塩化水素の分圧が２×１０−５Ｐａ以上５×１０−５Ｐａ以下になることが質量分析計７２によって確認されるまで、真空チャンバ６１内を所定の時間真空引きする。これにより、ステップＳＴ１３にて発生した塩化水素を真空チャンバ６１内から排気する。所定の時間は、例えば、塩化水素による積層体Ｓ１のエッチングレートの変化を抑制する観点から、少なくとも３０分以上である。また、所定の時間は、例えば、光方向性結合器１Ａの生産性向上の観点から、１時間以下である。
【００７６】
上記塩化物を酸化して塩化水素の発生を抑制する観点から、ステップＳＴ１４では、真空チャンバ６１内に酸素プラズマを発生させてもよい。また、真空チャンバ６１内の水分の除去を促進する観点から、ステップＳＴ１４では、真空チャンバ６１内を加熱してもよい。これにより、真空チャンバ６１内に拡散した水分を排出し、真空チャンバ６１内における水分の分圧を例えば１×１０−６Ｐａ以下にしてもよい。
【００７７】
次に、塩化水素の分圧が上記所定の範囲になったことを確認してから、真空チャンバ６１内の真空状態を維持しながら、ステップＳＴ１２にて示された基板生産物２００と同一の構造を有する別の基板生産物２００Ａ（第２の基板生産物、図１５（ａ）を参照）を真空チャンバ６１に収容する（ステップＳＴ１５）。この基板生産物２００Ａの積層体Ｓ１上には、前工程においてマスクＭ１，Ｍ２が既に設けられている（図１５（ｂ）を参照）。ステップＳＴ１５では、まず、真空チャンバ６１につながるロードロックチャンバ７３内に基板生産物２００Ａを収容する。基板生産物２００Ａが収容されたロードロックチャンバ７３内が真空状態になっていると判断されると、真空チャンバ６１とロードロックチャンバ７３とをつなぐ扉７４が開放される。次に、ロボットアーム（不図示）等によって、基板生産物２００Ａを真空チャンバ６１の下部電極６６上に載置する。そして扉７４を閉鎖することによって、先に作製された光方向性結合器１Ａを真空チャンバ６１から取り出すと共に、基板生産物２００Ａを真空チャンバ６１に収容する。
【００７８】
次に、ステップＳＴ１５にて真空チャンバ６１に収容された基板生産物２００Ａを、真空チャンバ６１内にて塩素系ガスを用いてドライエッチングする（ステップＳＴ１６）。ステップＳＴ１６は、ステップＳＴ１３と同様のステップである。すなわち、ステップＳＴ１６では、基板生産物２００Ａをドライエッチングして、リッジ部１０７ａ，１０７ｂを有するメサ状部分１０８を形成する。これにより、基板生産物２００Ａのドライエッチングを、真空チャンバ６１内の塩化水素の分圧を所定の範囲に調整した状態にて実施できる。また、ステップＳＴ１６の後、ステップＳＴ１４〜ＳＴ１６と同様のステップを何度も実施することによって、複数の基板生産物のドライエッチングを、真空チャンバ６１内の塩化水素の分圧を所定の範囲に調整した状態にて実施できる。換言すると、ステップＳＴ１４〜ＳＴ１６を繰り返し実施することによって、複数の基板生産物のドライエッチングを、真空チャンバ６１内の塩化水素の分圧を所定の範囲に調整した状態にて実施できる。
【００７９】
以上に説明した本実施形態による光方向性結合器１Ａの製造方法によって得られる効果について説明する。光導波路部分１０３ａと光導波路部分１０４ａとの結合係数は、光方向性結合器１Ａの主要な特性の一つである。結合係数は、リッジ部１０７ａ及び１０７ｂの間隔、及びリッジ部１０７ａ及び１０７ｂの高さによって決定される。リッジ部１０７ａ及び１０７ｂの間隔、またはリッジ部１０７ａ及び１０７ｂの高さが個体毎にばらつくと、光方向性結合器１Ａの特性ばらつきに繋がる。リッジ部１０７ａ及び１０７ｂの間隔のばらつきは、エッチングマスクの高い位置精度によって容易に抑制され得る。一方、リッジ部１０７ａ及び１０７ｂの高さのばらつきを抑制するためには、エッチング深さを精度良く制御することが要求される。通常の半導体プロセスでは、エッチング深さを精度良く制御する際に、エッチング対象である半導体層よりもエッチングレートが十分に遅いエッチング停止層を設ける。しかしながら、下部クラッド層１０５にこのようなエッチング停止層を設けると、光導波路１０３及び１０４の深さ方向における屈折率分布が変化するとともに、光損失が増大してしまう。従って、エッチング停止層を使用せず、エッチング時間によってエッチング深さを精度良く制御することが求められる。なお、光方向性結合器１Ａにおいて、光導波路部分１０３ａ及び光導波路部分１０４ａの等価屈折率のばらつきの許容値は±５％以下であり、そのためにはエッチング深さのばらつきを±１％以下に抑えることが求められる。
【００８０】
本実施形態では、ステップＳＴ１３において、真空チャンバ６１内にて塩素系ガスを用いて基板生産物２００の積層体Ｓ１をドライエッチングする。これにより、塩素系ガスと積層体Ｓ１に含まれる元素とが反応し、塩化物が生成される。また、マスクＭ２がレジスト等の樹脂からなる場合、マスクＭ２には水分が含まれる。この水分と塩化物とが反応すると、エッチングガスとして機能する塩化水素が生成される。上記製造方法では、前述した第１実施形態と同様に、真空チャンバ６１内の塩化水素の分圧をモニタし、塩化水素の分圧が所定の範囲になったことを確認してから、真空チャンバ６１内の真空状態を維持しながら、別の基板生産物２００Ａを真空チャンバ６１に収容する。そして、基板生産物２００Ａをドライエッチングする。この場合、塩化水素の分圧を所定の範囲内に設定した後、基板生産物２００Ａをドライエッチングできるので、上記塩化水素によるエッチングレートの変化を良好に抑制できる。よって、例えば真空チャンバ６１内の大気開放及び水拭き等を含むメンテナンスを頻繁に実施しなくとも、積層体Ｓ１のエッチングレートが変化しにくくなり、エッチング深さのばらつきを±１％以下に抑え、ステップＳＴ１６を行う毎に例えば１ｎｍ単位でエッチング深さを調整することが可能になる。従って、上記製造方法によれば、光方向性結合器１Ａの特性ばらつきを効果的に抑制できる。加えて、上記製造方法を実施することによって上記メンテナンスの回数を低減できるので、光方向性結合器１Ａの生産効率の向上が可能になる。
【００８１】
第１実施形態と同様に、本実施形態のステップＳＴ１４において、塩化水素の分圧が２×１０−５Ｐａ以上５×１０−５Ｐａ以下になるまで真空引きを行ってもよい。この場合、塩化水素に起因した積層体Ｓ１のエッチングレートの変化を良好に抑制できる。
【００８２】
第１実施形態と同様に、本実施形態のステップＳＴ１４において、真空チャンバ６１内に酸素プラズマを発生させてもよい。この場合、上記塩化物が酸化し、塩化物と水分との反応生成物である塩化水素が生成されにくくなる。加えて、塩素は塩化水素よりも真空チャンバ６１内から排出されやすいため、ステップＳＴ１４を実施する時間を短縮可能になる。
【００８３】
第１実施形態と同様に、本実施形態のステップＳＴ１４において、真空チャンバ６１内を加熱してもよい。この場合、真空チャンバ６１内の水分が除去されやすくなる。このため、塩化物と水分との反応生成物である塩化水素が生成されにくくなる。
【００８４】
第１実施形態と同様に、本実施形態においても、疎水性及び水分非透過性の少なくともいずれかを有するマスクＭ１が積層体Ｓ１上に形成されてもよい。この場合、積層体Ｓ１上には水分が付着しにくいマスクが形成される。このため、当該マスクに起因して真空チャンバ６１内に拡散する水分量を抑制できる。また、例えばステップＳＴ１４における真空チャンバ６１内の水の分圧を１×１０−６Ｐａ以下に設定可能になる。
【００８５】
第１実施形態と同様に、本実施形態のステップＳＴ１４においても、質量分析計７２を用いて塩化水素の分圧を確認してもよい。これにより、塩化水素の分圧が所定の範囲になったか否かを正確に確認することができる。
【００８６】
本発明による半導体レーザ素子の製造方法及び光方向性結合器の製造方法は、上述した各実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、第１実施形態における各層のＡｌ組成は一例であり、これに限られない。また、外部から真空チャンバ６１内に水分が浸入することを抑制するため、真空チャンバ６１の一部に耐熱性を有するメタルガスケットを用いてもよい。
【００８７】
第１実施形態においては、第４ステップＳＴ４にて、半導体メサＭが形成された半導体基板２を真空チャンバ６１から取り出すと共に、基板生産物１００Ａを真空チャンバ６１に収容するが、これに限られない。例えば、半導体メサＭが形成された半導体基板２は、第３ステップＳＴ３中に真空チャンバ６１から取り出されてもよいし、第２ステップＳＴ２直後に取り出されてもよい。すなわち、半導体基板２の真空チャンバ６１からの取り出しと、基板生産物１００Ａの真空チャンバ６１への収容とは、同一のステップにて実施されなくてもよい。
【符号の説明】
【００８８】
１…半導体レーザ素子、１Ａ…光方向性結合器、２，２Ａ，１０２…半導体基板、３…第１積層体、４…活性層、５…電流狭窄層、６…第２積層体、７…絶縁膜、７ａ，７ｂ…開口部、８，９…電極、１１…第１超格子層、１２…コンタクト層、１２ａ…第１部分（一部）、１２ｂ…第２部分（他部）、１３…第２超格子層（第１半導体層）、２１…下部スペーサ層、２２…多重量子井戸構造部、２３…上部スペーサ層、３１…高抵抗部、３２…低抵抗部、４１…超格子層（第２半導体層）、４２…コンタクト層、５１〜５４…半導体層、６１…真空チャンバ、６２…ドーム、６６…下部電極、７０…供給部、７１…排気部、７２…質量分析計、７３…ロードロックチャンバ、７４…扉、１００，１００Ａ，２００，２００Ａ…基板生産物、１０３，１０４…光導波路、１０５…下部クラッド層、１０６…コア層、１０７…上部クラッド層、１０８…メサ状部分、Ｅ…ドライエッチング装置、Ｍ…半導体メサ、Ｓ，Ｓ１…積層体、Ｔ…方向。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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