(57)【要約】【課題】所望のパターンを有する第１のマスクと所望のパターンの開口部に拡散されるエッチング種の量を制御するための第２のマスクとを用いて、深さが変化する所望のパターンを半導体表面に作製するための方法において、エッチングに寄与するエッチング種を増大させること。【解決手段】エッチングガスに塩素を用いてＲＩＢＥを行うと、図１７（ｂ）の構造が得られる。このエッチングにおいて、マスク厚の厚いＳｉＮxマスク１４１１からの塩素プラズマの寄与が大きく、マスク厚の薄いＳｉＯ2マスク１４１０からの塩素プラズマの寄与は小さい。したがって、マスク幅の広い回折格子中央部ではマスク上で反応しない塩素プラズマが多量に開口部に拡散することにより開口部での塩素プラズマは高濃度になりエッチング速度が増加する。ここで用いるマスクは２段構造を有しており、１段構造に比べてより多くのエッチング種をエッチングに関与させる。【選択図】図１７
2011018870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
深さが変化する所望のパターンを半導体表面に作製するための方法であって、
開口部に拡散されるエッチング種の量を制御するためのパターンを有するマスクを形成するステップと、
前記マスクが形成された半導体表面に、前記エッチング種を供給して前記半導体表面をエッチングするステップと
を有し、
前記マスクは、第１の開口部を有する上層部と、前記第１の開口部よりも狭い第２の開口部を有する下層部とを備え、
前記所望のパターンの開口部の近傍における前記第２の開口部の面積とマスク部の面積との比が変化していることを特徴とする方法。
【請求項２】
深さが変化する所望のパターンを半導体表面に作製するための方法であって、
前記半導体表面に、前記所望のパターンを有する第１のマスクと前記所望のパターンの複数の開口部に拡散されるエッチング種の量を制御するための第２のマスクとを形成するステップと、
前記第１及び第２のマスクが形成された前記半導体表面にエッチング種を供給して、前記半導体表面をエッチングするステップと
を含み、
前記第２のマスクは、第１の開口部を有する上層部と、前記第１の開口部よりも狭い第２の開口部を有し、前記第１のマスクと接する下層部とを備え、マスク厚が前記第１のマスクよりも厚く、
前記所望のパターンの各開口部の近傍における前記第２の開口部の面積と前記第２のマスクのマスク部の面積との比が、前記所望のパターンの前記複数の開口部の配列方向に沿って変化していることを特徴とする方法。
【請求項３】
前記エッチングは、プラズマ状態のガスを用いるドライエッチングであることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記ドライエッチングに用いる前記ガスは、炭化水素系ガス及び水素ガスであることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記エッチングするステップは、
前記炭化水素系ガス及び前記水素ガスを、前記炭化水素系ガス及び前記水素ガスから得られる炭化水素プラズマ及び水素プラズマが前記半導体表面上に第１のポリマーを生成する第１のプラズマ条件で供給して、前記第１のポリマーが生成されていない前記半導体表面をエッチングするステップと、
酸素を含むプラズマを供給して、前記第１のポリマーを除去するステップと、
前記炭化水素系ガス及び前記水素ガスを、前記第１のプラズマ条件と異なる第２のプラズマ条件で供給して、前記半導体表面をエッチングするステップと
を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第２のプラズマ条件は、前記炭化水素系ガス及び前記水素ガスから得られる炭化水素プラズマ及び水素プラズマが前記半導体表面上にポリマーを生成しない条件であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第２のプラズマ条件は、前記第１のプラズマ条件よりも前記半導体表面上にポリマーが生成される領域が狭くなる条件であり、
前記第２のプラズマ条件によるエッチングは、前記第２のプラズマ条件によりポリマーが生成されていない前記半導体表面をエッチングすることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記所望のパターンは、回折格子パターンであることを特徴とする請求項２〜７のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体表面に所望のパターンを作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高性能・高機能デバイスの研究開発において、複雑なデバイス構造の集積化が重要となっている。そのためには、加工技術（エッチング等）、結晶再成長技術等のデバイス作製プロセス技術が必要であり、特に複数の構造を集積化する場合には、通常、複数回数のエッチングプロセスが必要となるが、複数回のマスク形成およびエッチングは、時間面およびコスト面での浪費につながり、問題となっていた。また、このような問題を考慮すると、深さが異なる微細かつ複雑な構造をエッチングにより形成することは実質的に困難であった。
【０００３】
図１を参照して従来のエッチングプロセスを説明する。ＩｎＰ結晶等の試料１１１０に異なる深さのエッチングを施す場合には、まず、１回目のエッチングの際にエッチングしない部分を（誘電体等の）第１のマスク１１２０で覆い（図１（ａ））、その後にエッチングを行う（図１（ｂ））。ついで、第１のマスク１１２０を除去した後（図１（ｃ））、２回目のエッチングの際にエッチングしない部分を第２のマスク１１４０で覆う（図１（ｄ））。そして、エッチングを行い（図１（ｅ））、第２のマスク１１４０を除去する（図１（ｆ））。このように、複数の構造、この場合では深さの異なる溝を集積化するためには、マスク形成プロセスとエッチングプロセスを繰り返さなくてはならない。
【０００４】
上述の問題を解決するために、エッチング深さに対応して開口部の面積が異なるマスクを用いることにより、１回のエッチングで深さの異なる溝の形成を可能にする方法が発明された（特許文献１参照）。半導体のエッチングにプラズマ状態のガスを用いるドライエッチングの場合、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、半導体表面で半導体４１１とエッチング種（エッチングガス）４１２が反応することによりエッチングが進行する。そこで、ドライエッチングをする際に半導体表面をエッチング種５１２と反応しない物質（例えば酸化シリコン、窒化シリコン等の誘電体等）をマスク５１３に用いて覆った場合、マスク上のエッチング種５１２は拡散してマスクで覆われていない半導体表面に到達する（図３（ｂ））。この結果、マスク近傍の半導体表面ではエッチング種５１２の密度が増加し、このエッチング種５１２の増加は半導体のエッチング速度を増加させる。このように、マスク上に飛来したエッチング種が半導体表面に拡散して半導体のエッチングを促進するので、マスク面積の増加にともない半導体のエッチングが増加する。したがって、この方法によれば、深さが変化する単純な溝構造をマスクの設計に応じて容易に作製することができる。
【０００５】
しかしながら、この方法を深さが変化する回折格子の作製の用いる場合には、依然として問題が残る。半導体表面に深さが変化する回折格子を作製するためには、まず、回折格子パターンを有する第１のマスク８１を形成する。そして回折格子の深さを変化させるため、第１のマスク８１の上に、回折格子パターンの開口部に拡散されるエッチング種の量を制御するための第２のマスク８２を形成する。図２及び３を参照して上述したことから分かるように、回折格子パターンの各開口部の近傍における第２のマスク８２の開口部とマスク部との面積比を変えることにより、深さの異なるエッチングが可能となる。問題となるのは、第２のマスク８２上に飛来したエッチング種８４だけでなく、第１のマスク８１上に飛来したエッチング種８３もエッチングに影響を与えるため、回折格子のエッチング形状の制御が困難になる点である。
【０００６】
この問題を解決するために、上述の回折格子パターンを有する第１のマスク８１よりも、第１のマスク８１の上に設けられる第２のマスク８２のマスク厚を厚くすることにより、深さが変化する回折格子の作製を１回のエッチングで可能にする方法が発明された（特許文献２参照）。図５は、マスクの膜厚がエッチングに与える影響を説明するための図である。膜厚の薄いマスクを用いる場合（図５（ａ））、エッチング種は半導体表面からマスク端を越えてマスク上に拡散できるので半導体表面上のエッチング種密度は高くならない。したがって、半導体のエッチング速度は増加しない。一方、膜厚の厚いマスクを用いる場合（図５（ｂ））、エッチング種はマスク端が障壁となりマスク端を越えられないため、エッチング種が半導体表面に閉じ込められて半導体表面上におけるエッチング種密度が増加する。その結果、半導体のエッチング速度が増加する。そこで、上述の第２のマスク８２の厚さを、回折格子パターンを有する第１のマスク８１に比べて厚くすれば、マスク厚の厚い第２のマスク８２から拡散するエッチング種の寄与が大きく、マスク厚の薄い第１のマスク８１からのエッチング種の寄与を小さくできる。たとえば、マスク幅の広い領域では、第２のマスク８２上で反応しないエッチング種が多量に回折格子パターンの開口部に拡散することにより、開口部でのエッチング種が高濃度になりエッチング速度が増加する。一方、マスク幅の狭い領域では、第２のマスク８２上で反応せずに開口部に拡散するエッチング種はマスク幅の広い領域に比べて少量となり、エッチング速度は遅くなる。このように、第２のマスク８２のマスク幅の広い領域ではエッチング深さは深く、マスク幅の狭い領域では浅くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２４７７１０号公報
【特許文献２】特開２００６−０３２５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、第２のマスク８２上のエッチング種は全て第１のマスク８１の回折格子パターンの開口部に拡散するわけではない。開口部に到達せずエッチングに寄与することなくマスク上から脱離するエッチング種もある。このようにエッチングに寄与しないエッチング種が存在するため、エッチング量やエッチングされる開口部領域は限られていた。そのため、エッチングにより形成される回折格子の寸法は限定されていた。したがって、エッチング量やエッチングされる開口部領域を拡大して回折格子の設計の自由度を増加させるためには、効率よく大量のエッチング種を第２のマスク８２上から回折格子パターンの開口部に拡散させる必要があった。この問題は、回折格子パターンに関して説明してきたが、パターンが回折格子の場合に限らず、深さが変化する所望のパターンの作製においても同様に問題となっている。
【０００９】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、所望のパターンを有する第１のマスクと、所望のパターンの開口部に拡散されるエッチング種の量を制御するための第２のマスクとを用いて、深さが変化する所望のパターンを半導体表面に作製するための方法において、エッチングに寄与するエッチング種を増大させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、深さが変化する所望のパターンを半導体表面に作製するための方法であって、開口部に拡散されるエッチング種の量を制御するためのパターンを有するマスクを形成するステップと、前記マスクが形成された半導体表面に、前記エッチング種を供給して前記半導体表面をエッチングするステップとを有し、前記マスクは、第１の開口部を有する上層部と、前記第１の開口部よりも狭い第２の開口部を有する下層部とを備え、前記所望のパターンの開口部の近傍における前記第２の開口部の面積とマスク部の面積との比が変化していることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第２の態様は、深さが変化する所望のパターンを半導体表面に作製するための方法であって、前記半導体表面に、前記所望のパターンを有する第１のマスクと前記所望のパターンの複数の開口部に拡散されるエッチング種の量を制御するための第２のマスクとを形成するステップと、前記第１及び第２のマスクが形成された前記半導体表面にエッチング種を供給して、前記半導体表面をエッチングするステップとを含み、前記第２のマスクは、第１の開口部を有する上層部と、前記第１の開口部よりも狭い第２の開口部を有し、前記第１のマスクと接する下層部とを備え、マスク厚が前記第１のマスクよりも厚く、前記所望のパターンの各開口部の近傍における前記第２の開口部の面積と前記第２のマスクのマスク部の面積との比が、前記所望のパターンの前記複数の開口部の配列方向に沿って変化していることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記エッチングは、プラズマ状態のガスを用いるドライエッチングであることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記ドライエッチングに用いる前記ガスは、炭化水素系ガス及び水素ガスであることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記エッチングするステップは、前記炭化水素系ガス及び前記水素ガスを、前記炭化水素系ガス及び前記水素ガスから得られる炭化水素プラズマ及び水素プラズマが前記半導体表面上に第１のポリマーを生成する第１のプラズマ条件で供給して、前記第１のポリマーが生成されていない前記半導体表面をエッチングするステップと、酸素を含むプラズマを供給して、前記第１のポリマーを除去するステップと、前記炭化水素系ガス及び前記水素ガスを、前記第１のプラズマ条件と異なる第２のプラズマ条件で供給して、前記半導体表面をエッチングするステップとを含むことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の第６の態様は、第５の態様において、前記第２のプラズマ条件は、前記炭化水素系ガス及び前記水素ガスから得られる炭化水素プラズマ及び水素プラズマが前記半導体表面上にポリマーを生成しない条件であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の第７の態様は、第５の態様において、前記第２のプラズマ条件は、前記第１のプラズマ条件よりも前記半導体表面上にポリマーが生成される領域が狭くなる条件であり、前記第２のプラズマ条件によるエッチングは、前記第２のプラズマ条件によりポリマーが生成されていない前記半導体表面をエッチングすることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の第８の態様は、第２〜第７のいずれかの態様において、前記所望のパターンは、回折格子パターンであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、第１のマスクが有する所望のパターンの開口部に拡散されるエッチング種の量を制御するための第２のマスクを、第１の開口部を有する上層部と第１の開口部よりも狭い第２の開口部を有する下層部とを備え、当該所望のパターンの各開口部の近傍における第２の開口部の面積と第２のマスクのマスク部の面積との比が、当該所望のパターンの複数の開口部の配列方向に沿って変化するように形成することにより、深さが変化する所望のパターンを半導体表面に作製するための方法において、エッチングに寄与するエッチング種を増大させることができる。
【００１９】
また、本発明によれば、開口部に拡散されるエッチング種の量を制御するためのパターンを有するマスクを、第１の開口部を有する上層部と第１の開口部よりも狭い第２の開口部を有する下層部とを備え、当該所望のパターンの開口部の近傍における第２の開口部の面積とマスク部の面積との比が変化するように形成することにより、深さが変化する所望のパターンを半導体表面に作製するための方法において、エッチングに寄与するエッチング種を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来のエッチングプロセスを説明するための図である。
【図２】プラズマ状態のガスを用いるドライエッチングを説明するための図である。
【図３】プラズマ状態のガスを用いるドライエッチングを説明するための図である。
【図４】従来の深さが変化する回折格子の作製方法を説明するための図である。
【図５】マスクの膜厚がエッチングに与える影響を説明するための図である。
【図６】本発明の作製方法で形成するマスクの形成方法を説明するための図である。
【図７】エッチング種がマスク端から半導体基板の表面に拡散する場合の濃度分布を示す図である。
【図８】エッチング種の拡散と従来のマスクの形状との関係を示す図である。
【図９】エッチング種の拡散と従来のマスクの形状との関係を示す図である。
【図１０】エッチング種の拡散と本発明のマスクの形状との関係を示す図である。
【図１１】マスク端から拡散するエッチング種の総量Ｃｏに対する幅Ｗ１の開口部に供給されるエッチング種Ｃ１の割合を示す図である。
【図１２】幅Ｗ１の開口部に供給されて半導体表面に達するエッチング種の濃度Ｃ２のＷ１依存性を示す図である。
【図１３】エッチングに寄与するエッチング種濃度のマスク開口部幅Ｗ２依存性を示す図である。
【図１４】本発明に係るマスクの形成方法の代替形態を示す図である。
【図１５】本発明の作製方法の第１の実施形態について説明するための図である。
【図１６】図１５（ｂ）の１６−１６線に沿った断面図である。
【図１７】第１の実施形態を図１５（ｂ）の１７−１７線に沿った断面で説明するための図である。
【図１８】第１の実施形態の作製方法により作製した回折格子を備えるＤＢＲ半導体レーザの構造を示す図である。
【図１９】（ａ）は回折格子の有する結合係数を示す図であり、（ｂ）は当該結合係数を有する回折格子を用いた場合の反射スペクトルを、示す図である（白丸）。結合係数が８０ｃｍ-1で一定の場合の反射スペクトルも比較のために示している（黒丸）。
【図２０】第２の実施形態において試料表面に形成するＳｉＮx／ＳｉＯ2マスクを示す図である。
【図２１】ガスに炭化水素系ガスを用いる場合のドライエッチングを説明するための図である。
【図２２】ガスに炭化水素系ガスを用いる場合のドライエッチングを説明するための図である。
【図２３】第２の実施形態における回折格子の作製方法を説明するための図である。
【図２４】第２の実施形態における回折格子の作製方法を説明するための図である。
【図２５】第２の実施形態における回折格子の作製方法を説明するための図である。
【図２６】第２の実施形態における回折格子の作製方法を説明するための図である。
【図２７】第２の実施形態における回折格子の作製方法を説明するための図である。
【図２８】第３の実施形態の実施例１において作製される同一面内で層厚が変化する導波路の断面図である。
【図２９】図２８の導波路の作製方法を説明するための図である。
【図３０】図２８の導波路の作製方法を説明するための図である。
【図３１】図２８の導波路の作製方法を説明するための図である。
【図３２】図２８の導波路の作製方法を説明するための図である。
【図３３】図２８の導波路の作製方法を説明するための図である。
【図３４】第３の実施形態の実施例１の変形例として、図２８より多段で層厚が変化する導波路を示す図である。
【図３５】第３の実施形態の実施例１の変形例として、徐々に層厚が変化する導波路を示す図である。
【図３６】第３の実施形態の実施例２にかかる、層厚が変化する導波路構造をスポットサイズ変換部に用いた半導体レーザ素子の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。まず、本発明の作製方法で形成するマスクに関して説明し、次に、第１及び第２の実施形態に関して説明する。具体的な物質名や数値に言及しつつ説明を行うが、本発明をこれらに限定する意図はないことに留意されたい。
【００２２】
（本発明の作製方法で形成するマスク）
図６（ｈ）に、本発明の作製方法で形成するマスクの構造を示す。回折格子パターン（「所望のパターン」に対応）を有する第１のマスク１３１１の上に、回折格子パターンの開口部に拡散されるエッチング種の量を制御するための第２のマスク１３２１が設けられており、第２のマスク１３２１は、開口部幅Ｗ１の上層部１３２１Ａ及び開口部幅Ｗ２の下層部１３２１Ｂを有する。ここで、開口部幅は、Ｗ２＜Ｗ１の関係を満たす。第１のマスク１３１１及び第２のマスク１３２１を用いて半導体基板１３１０の表面に深さが変化する回折格子パターンが形成される。
【００２３】
このマスクは以下のように形成することができる。まず、ＩｎＰクラッド層を有するＩｎＰ基板１３１０の表面（「半導体表面」に対応）に３０ｎｍ厚の酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜を形成する。ＳｉＯ2膜上にレジストを塗布した後に、電子ビーム露光法により回折格子作製マスク用のレジストパターンを作製する。レジストパターンをマスクとしてフッ化炭素系ガス（ＣＦ4、Ｃ2Ｆ8等）を用いた反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ、ＲＩＥ）によってＳｉＯ2膜を加工することにより、レジストパターンをＳｉＯ2膜に転写する。レジストパターンを除去することにより、ＩｎＰ基板１３１０上に回折格子パターンを有するＳｉＯ2マスク１３１１が形成される（図６（ａ）及び（ｂ））。
【００２４】
次に、ＳｉＯ2マスク１３１１を有するＩｎＰ基板１３１０の表面上に、１μｍ厚の窒化シリコン（ＳｉＮx）膜１３２１を形成する（図６（ｃ））。
【００２５】
ＳｉＮx膜１３２１上にレジストを塗布した後に、第２のマスク用のレジストパターン１３３１を作製する（図６（ｄ））。このレジストパターン１３３１は、電子ビーム露光だけでなく通常のフォトリソグラフィによるレジスト露光により形成できる。
【００２６】
レジストパターン１３３１をマスクとしてフッ化炭素系ガス（ＣＦ4、Ｃ2Ｆ8等）またはフッ化硫黄系ガス（ＳＦ8等）を用いた１回目のＲＩＥによってＳｉＮx膜１３２１を加工することにより、レジストパターン１３３１をＳｉＮx膜１３２１に転写する（図６（ｅ））。このとき、レジストパターン１３３１の開口部１３３１ＡのＳｉＮx膜１３２１は全て除去（エッチング）せずに一部を残す。
【００２７】
次に、ＳｉＮx膜１３２１上にレジストを塗布した後に、第２のマスク用のレジストパターン１３３２を作製する。ここで、レジストパターン１３３２の開口部の幅は、レジストパターン１３３１の開口部の幅よりも広いものとする（図６（ｆ））。このレジストパターンは電子ビーム露光だけでなく通常のフォトリソグラフィによるレジスト露光により形成できる。
【００２８】
レジストパターン１３３１をマスクとしてフッ化硫黄系ガス（ＳＦ8等）を用いた２回目のＲＩＥによってＳｉＮx膜１３２１を加工することにより、レジストパターン１３３１をＳｉＮx膜１３２１に転写する（図６（ｇ））。このときＳｉＯ2マスク１３１１は、フッ化硫黄系ガス（ＳＦ8等）に耐性を有するのでエッチングされずに残る。
【００２９】
最後に、レジストパターン１３３１を除去することにより、ＩｎＰ基板１３１０上に、３０ｎｍ厚のＳｉＯ2マスク１３１１と、ＳｉＯ2マスク１３１１よりも厚く、かつ、２段構造を有する１μｍ厚のＳｉＮxマスク１３２１が得られる（図６（ｈ））。
【００３０】
このようにして得られるマスクがエッチングに与える作用について説明する。まず、図７に、エッチング種が図５に示すようなマスクのマスク端から半導体基板の表面に拡散する場合の濃度分布を示す。縦軸は、マスク端での濃度Ｃｓにより規格化された濃度Ｃｘ＝Ｃ（ｘ）／Ｃｓ、横軸はマスク端からの距離ｘである。この分布は、エッチング種のマスク上での拡散距離Ｌｄを５μｍと仮定し、以下の拡散方程式を用いて計算した。
Ｃｘ＝Ｃ（ｘ）／Ｃｓ＝ｅｒｆｃ（ｘ／Ｌｄ）
【００３１】
このような分布をもって拡散するエッチング種と、マスク形状との関係を図８〜１０に示す。図１１は、マスク端から拡散するエッチング種の総量Ｃｏに対する幅Ｗ１の開口部（マスクが２段構造の場合には上層部の開口部）に供給されるエッチング種Ｃ１の割合（Ｃ１／Ｃｏ）を示す。Ｃｏは、規格化された濃度Ｃｘを距離０から無限大まで積分した値であり規格化された総量である。Ｃ１は、規格化された濃度Ｃｘを距離０から開口部幅Ｗ１まで積分した値であり規格化された濃度である。さらに図１２は、幅Ｗ１の開口部（２段構造の場合には上層部の開口部）に供給されて半導体表面に達するエッチング種の濃度Ｃ２のＷ１依存性を、１段構造と２段構造の場合において示している。Ｃ２は、Ｃ１／Ｗ２であり規格化された濃度である。一点鎖線はマスクが１段構造の場合、実線はマスクが２段構造の場合を示す。マスク２段構造の場合には半導体基板の表面と接する下層部の幅Ｗ２は１μｍとする。この場合、上層部の開口部幅Ｗ１は下層部の開口部幅Ｗ２より広くなるので、１μｍ幅以下の開口部幅についてはプロットされていない。
【００３２】
図８は、マスクの形状が従来のように１段であり開口部幅Ｗ１を１μｍにした場合を示す。マスク端から拡散するエッチング種全体のうち一部分（図８（ａ）の着色部分）のみが当該マスクの開口部に供給され、エッチングに寄与する。図１１に示すように、マスク端から拡散するエッチング種に対する開口部に供給されるエッチング種の割合は０．３２である。
【００３３】
開口部に供給されるエッチング種の割合を増加させるために開口部幅Ｗ１を５μｍに増加させた場合を図９に示す。マスク端から拡散するエッチング種全体のうち多くの部分（図９（ａ）の着色部分）が当該マスクの開口部に供給されエッチングに寄与する。図１１に示すように、マスク端から拡散するエッチング種に対する開口部に供給されるエッチング種の割合は０．９１に増加する。しかし、開口部における半導体基板の表面も増加するので、図１２に一点鎖線で示すように開口部幅を２μｍから５μｍに増加させると半導体基板表面でのエッチング種濃度Ｃ２は減少する。このことはマスク端から供給されるエッチング種がエッチングに与える効果は少ないことを示す。
【００３４】
図１０に、本発明の作製方法で用いるマスクの場合を示す。マスクの構造は２段でありマスク上層部の開口部幅Ｗ１を５μｍ、半導体基板表面と接する下層部の開口部幅Ｗ２を１μｍとする。マスク端から拡散するエッチング種全体のうち多くの部分（図１０（ａ）の着色部分）が開口部に供給され、エッチングに寄与する。図１１に示すようにマスク端から拡散するエッチング種に対する開口部に供給されるエッチング種の割合は０．９１に増加する。さらにマスク上層部の開口部に供給されたエッチング種が脱離せずにすべて半導体基板表面に供給されると仮定すれば、図１２の実線に示すように上層部の開口部幅Ｗ１を２μmから５μｍに増加させると半導体基板表面でのエッチング種濃度Ｃ２は増加する。上層部の開口部幅Ｗ１が５μｍのとき、１段の構造に比べて５倍程度高い濃度になる。このように本マスクにおいては、効率的にエッチング種を開口部に拡散して半導体基板表面に供給することができるのでエッチングを効率的に制御することができる。
【００３５】
ここで、図１１及び１２から読み取れることをいくつか指摘しておく。図１１から分かるように、上層部の開口部幅Ｗ１が２μｍ以上でマスク端から拡散するエッチング種に対する当該マスクの開口部に供給されるエッチング種の割合は０．５０以上に増加し、上層部の開口部幅Ｗ１が５μｍ以上で０．９１以上に増加する。また、図１２から分かるように、上層部の開口部幅Ｗ１が１μｍを超えると、すなわち下層部の開口部幅Ｗ２の値を超えると、２段構造のマスクの方が１段構造のマスクよりも半導体基板表面に供給されるエッチング種濃度Ｃ２が高くなる。上層部の開口部Ｗ１の幅が２μｍ以上になると最大値（０．５６）の半分以上の０．３以上に増加し、５μｍ以上になると０．５以上に増加する。８μｍ以上になるとほぼ最大値(０．５６)に飽和する。
【００３６】
図１３に、エッチングに寄与するエッチング種濃度のマスク開口部幅Ｗ２依存性を示す。縦軸は、上層部の開口部幅Ｗ１を１０μｍとしたときの各Ｗ２におけるＣ２である。Ｗ２が１μｍから１０μｍまで変化するとき、エッチング種は１段構造において０．２程度から０．１程度まで変化するのに対して、２段構造においては、開口部幅Ｗ２の変化により０．６程度から０．１まで変化する。このように本発明の２段構造を用いた場合、１段構造に比べて３倍程度高濃度のエッチング種がエッチングに関与することが分かる。エッチングに寄与するエッチング種が多ければエッチングが進行してエッチング深さが深くなり、エッチングに寄与するエッチング種が少なければエッチングの進行が少なくエッチング深さは浅くなるので、本発明の２段構造を用いた場合、１段構造に比べてエッチング深さを広範囲で変化させることができることを示す。
【００３７】
なお、上述の説明では、第２のマスク１３２１として２段構造を用いたが、３段以上の多段構造でも同様の効果が得られる。
【００３８】
また、第２のマスク１３２１の下層部１３２１Ｂの層厚は０．１μｍ未満になるとエッチング種を十分に閉じ込められなくなるので０．１μｍ以上の層厚が必要である。また、上層部１３２１Ａにおいても同様にエッチング種を閉じ込めるため０．１μｍ以上の層厚が必要である。また、上層部１３２１Ａと下層部１３２１Ｂを合わせた全体の厚さは２μｍより厚くなると、第１のマスク１３１１、第２のマスク１３２１、半導体基板１３１０における歪みが増加して、第１のマスク１３１１、第２のマスク１３２１にクラック（ひび割れ）が生じる、半導体基板１３１０の結晶品質が劣化する等の問題が生じるので、上層部と下層部を合わせた全体の厚さは２μｍ以下にすることが望ましい。
【００３９】
図１４に、上述したマスクの形成方法の代替形態を示す。図６を参照して説明した作製方法と異なるのは、第２のマスク１３２１用のレジストパターン１３３２’である。ここでレジストパターン１３３２’の開口部の幅はレジストパターン１３３１の開口部の幅よりも狭い（図１４（ｆ））。このようにすると、ＳｉＮx膜１３２１の２回目のＲＩＥを過剰に施しても、図６（ｇ）におけるように上段のエッチングが進行して消失してしまうことがない。したがって、ＳｉＮx膜１３２１の２回目のＲＩＥにおけるエッチング深さ（エッチング時間）に高い精度が要求されることがなく、エッチング条件が緩和されるという利点がある。結果として得られる構造（図１４（ｈ））は変わらない。
【００４０】
（第１の実施形態）
本発明の作製方法の第１の実施形態について説明する。本実施形態では、第１のマスクが有する所望のパターンとして回折格子パターンを考え、半導体表面のエッチングに用いるドライエッチング法として反応性イオンビームエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｅｔｃｈｉｎｇ、ＲＩＢＥ）を用いた場合について説明する。
【００４１】
図１５（ａ）及び（ｂ）は、図６又は図１４を参照して説明した方法で作製したＳｉＯ2マスク１４１０及びＳｉＮxマスク１４１１（以下「ＳｉＮx／ＳｉＯ2マスク」とも呼ぶ。）を示している。回折格子パターンを有するＳｉＯ2マスク１４１０のマスク厚が２０ｎｍ、回折格子の長さ１４１２が５００μｍ、幅１４１３が２μｍ、ピッチ（周期）１４１４が２４０ｎｍ（ＳｉＯ2部：１２０ｎｍ、開口部（窓部）：１２０ｎｍ）である。ＳｉＮxマスク１４１１は上層部１４１１Ａの厚さが０．５μｍ、下層部１４１１Ｂの厚さが０．５μｍ、合計のマスク厚が１μｍである。上層部１４１１Ａ、下層部１４１１Ｂは、ともにマスクの幅１４１５Ａ及び１４１５Ｂが素子両端で狭くなっており素子中央部で広くなっている。上層部１４１１Ａのマスク幅１４１５Ａは両端で５μｍ、素子中央部で２０μｍである。下層１４１１Ｂのマスク幅１４１５Ｂは両端で５μｍ、素子中央部で１０μｍである。下層部１４１１Ｂの開口部の幅Ｗ２は、回折格子パターンの幅１４１３と同じで、２μｍである。以下、ＳｉＮxマスク１４１１の開口部とは、下層部１４１１Ｂの幅Ｗ２の開口部を指し、ＳｉＮxマスク１４１１のマスク部とは、上層部１４１１Ａの幅１４１５Ａのマスク部と下層部１４１１Ｂの幅１４１５Ｂのマスク部を合わせた部分を指す。図１６は、図１５（ｂ）の１６−１６線に沿った断面図である。
【００４２】
図１７（ａ）〜（ｃ）は、ＳｉＮx／ＳｉＯ2マスクを用いた、深さが変化する回折格子パターンの作製プロセスを説明するための図である。簡単のため、ＳｉＮxマスク１４１１を省略し、ＳｉＯ2マスク１４１０のみを示してある。エッチングガス（エッチング種）に塩素を用いて、ガス流量を４ｓｃｃｍ、ガス圧力を１０Ｔｏｒｒ、マイクロ波放電電力を３００Ｗ、イオン引出し電圧を５００Ｖ、基板温度を２００℃としてＲＩＢＥを行うと、図１７（ｂ）の構造が得られる。最後に、ＳＦ6を用いたＲＩＥによりＳｉＮx／ＳｉＯ2マスクを除去することにより中央部で深く両端部で浅い回折格子が形成される。
【００４３】
このエッチングにおいて、マスク厚の厚いＳｉＮxマスク１４１１からのエッチング種であるイオン化あるいはラジカル化した塩素原子（塩素プラズマ）の寄与が大きく、マスク厚の薄いＳｉＯ2マスク１４１０からの塩素プラズマの寄与は小さい。したがって、マスク幅の広い回折格子中央部ではマスク上で反応しない塩素プラズマが多量に開口部に拡散することにより開口部での塩素プラズマは高濃度になりエッチング速度が増加する。一方、マスク幅の狭い回折格子両端部ではマスク上で反応せずに開口部に拡散する塩素プラズマはマスク幅の広い領域に比べて少量となりエッチング速度は遅くなる。ここで、エッチング時の生成物は、回折格子パターンが有する複数の開口部の配列方向に沿って拡散するので、その生成物の滞留によりエッチング速度は抑制されない。したがって、回折格子において中央部ではエッチング深さは深く両端部では浅くなる。ＳｉＮxマスクの開口部の幅Ｗ２は本実施形態では一定であるので、回折格子パターンの各開口部の近傍におけるＳｉＮxマスクの開口部の面積とＳｉＮxマスクのマスク部の面積との比を、回折格子パターンの複数の開口部の配列方向に沿って変化させることにより、形成される回折格子の深さを変化させているということができる。開口部に対するマスク部の面積比が大きくなればエッチング速度が増加する。
【００４４】
本実施形態の作製方法で用いるマスクは、２段構造を有しており、図１３を参照して説明したように、１段構造に比べてより多くのエッチング種をエッチングに関与させ、１段構造に比べてエッチング深さを広範囲で変化させることができる。図１３から分かるように、本実施形態では２段構造においてＳｉＮxマスクの開口部の幅Ｗ２を２μｍとしたので、１段構造に比べて２倍程度エッチング深さを変化させることができる。
【００４５】
なお、本実施形態では、２段構造であるＳｉＮxマスクにおいて、上層部/下層部それぞれの厚さが０．５μｍ／０．５μｍとしたが、上層部/下層部それぞれの厚さがエッチング種を閉じ込められる０．１μｍ以上の厚さであれば他の厚さであっても同様の効果が得られる。また、上層部と下層部との合計の厚さを１μｍとしたが、２μｍ以下の厚さであれば他の厚さであっても同様の効果が得られる。
【００４６】
また、本実施形態では、回折格子等の半導体の加工のためのドライエッチングにおいて、エッチングガスとして塩素やメタンを用いたが、エタン等の他の炭化水素系ガスや臭素などのハロゲン系ガスなど他のガスを用いても構わない。また、エッチングガスとして混合ガスを用いる際の希釈ガスには水素ガスだけではなく窒素やアルゴンなどでも構わないし、希釈ガスは用いなくても構わない。また、ドライエッチング法にＲｉＢＥ、ＲＩＥ法を用いたが、イオンビームアシストエッチングなどを用いても加工できる。また、プラズマ状態のガスを用いたドライエッチング以外でも、プラズマ状態でないガスを用いたガスエッチング、酸溶液を用いたウエットエッチングにより加工することも可能である。レジストパターン作製には電子ビーム露光法以外にも干渉露光法を用いることができる。エッチングの際に半導体表面に形成するマスクには酸化シリコン（ＳｉＯ2）を用いたが、窒化シリコン、酸化チタンなどの誘電体や、金やチタンなどの金属を用いることもできる。
【００４７】
実施例 
図１８に、第１の実施形態の作製方法により作製した回折格子を備えるＤＢＲ半導体レーザの構造を示す。第１の実施形態の作製方法により作製された深さの異なる回折格子を有する試料表面のＳｉＮx／ＳｉＯ2マスクの除去後、この回折格子上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により積層することにより、図１８に示す深さの変化する回折格子を用いたＤＢＲ半導体レーザ構造が作製される。
【００４８】
ｎ型ＩｎＰ基板１５０の上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層１５１、回折格子１５２、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層１５３、８層のＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸（歪量：１．０％）層と５層のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）障壁層の多重量子井戸層からなる活性層１５４（発光波長：１．５５μｍ、活性層長：４００μｍ）、ＤＢＲ回折格子領域ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．４μｍ）ガイド層１５５（回折格子長は活性層１５４の前後それぞれ４００μｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）ガイド層１５６、ｐ型ＩｎＰクラッド層１５７、ｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．８５μｍ）コンタクト層１５８が順次形成されている。ｎ型オーミック電極１５９１がｎ型ＩｎＰ基板１５０に、ｐ型オーミック電極１５９２がｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．８５μｍ）コンタクト層１５８に形成されている。素子の発振波長は１．５５μｍである。素子の長さは１５００μｍである。回折格子１５２のピッチ（周期）は２４０ｎｍ（凸部：１２０ｎｍ、凹部：１２０ｎｍ）であり、深さは素子両端面で浅くなっており５ｎｍ、素子中央部で深くなっており３０ｎｍである。
【００４９】
図１９（ａ）に、この回折格子の有する結合係数を示す。回折格子の深さが素子両端部で５ｎｍ、中央部で３０ｎｍとなるように変化させることにより、結合係数κは素子両端部で５ｃｍ-1、中央部で８０ｃｍ-1と変化する。図１９（ｂ）に、この回折格子を用いた場合の反射スペクトルを示す（白丸）。比較のために、結合係数が８０ｃｍ-1で一定の場合の反射スペクトルを示す（黒丸）。回折格子の深さ、すなわち、結合係数を変化させることにより反射スペクトルのサイドモードが抑制されることがわかる。このことは、この回折格子を用いたＤＢＲレーザを動作させたときの発振スペクトルにおけるサイドモードが抑制されることを示唆する。
【００５０】
なお、本実施例では、回折格子の深さを５−３０ｎｍに設定したが、この深さに限られることはない。この際、回折格子の深さが素子長方向に対称である必要もない。この深さに対応して変化する結合係数も５−８０ｃｍ-1に設定したが、この値に限られることはない。
【００５１】
また、本実施例では、素子用半導体結晶として化合物半導体ＩｎＰ結晶を用いたが、ＧａＡｓ、ＳｉＧｅなどの化合物半導体結晶やＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＳｂなどの混晶結晶を用いても可能である。
【００５２】
また、本発明による装置が対応するレーザ光の波長として１．５５μｍを用いたが、ＩｎＧａＡｓＰ結晶の組成などの構造、回折格子のピッチ（周期）を変えることにより波長が１．０μｍから１．７μｍまでの長波長帯にも対応でき、活性層に他の材料（ＩｎＧａＡｌＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＳｂ等）を用いることにより波長が１．０μｍ未満の短波長帯や１．７μｍ以上の長波長帯にも対応できる。また、活性層における多重量子井戸構造には、８層、５ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸層（歪量：１．０％）、５層、１０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ障壁層（組成波長：１．１μｍ）を用いたが、歪量、層数、層厚、結晶組成などの構造因子は変化させてもかまわない。
【００５３】
（第２の実施形態）  
本発明の作製方法の第２の実施形態について説明する。本実施形態は、炭化水素系ガスを用いたドライエッチングにおいて生じるポリマーを利用するものである。また、エッチングに用いるＳｉＮx／ＳｉＯ2マスクにおいてＳｉＮxマスク１９１１の幅１９１５Ａ及び１９１５Ｂは一定であるが、ＳｉＯ2マスク１９１０の幅１９１３が変化する。これは、第１の実施形態では、ＳｉＮxマスク１４１１の幅１４１５Ａ及び１４１５Ｂが変化し、ＳｉＯ2マスク１４１０の幅１４１３が一定であったのと異なる。
【００５４】
図２０に、本実施形態において試料表面に形成するＳｉＯ2マスク１９１０及びＳｉＮxマスク１９１１（以下「ＳｉＮx／ＳｉＯ2マスク」とも呼ぶ。）を示す。回折格子パターンを有するＳｉＯ2マスク１９１０のマスク厚が２０ｎｍ、回折格子の長さ１９１２が５００μｍであり、幅１９１３は、回折格子パターンが有する複数の開口部の配列方向に沿って変化しており、素子両端で広く（幅は３μｍ）素子中央部で狭くなっている（幅は１．５μｍ）。また、ピッチ（周期）１９１４は２４０ｎｍ（ＳｉＯ2部：１２０ｎｍ、開口部（窓部）：１２０ｎｍ）である。一方、ＳｉＮxマスク１９１１の上層部１９１１Ａのマスク厚が０．３μｍ、下層部１９１１Ｂのマスク厚が０．７μｍである。上層１９１１Ａのマスクの幅１９１５Ａは２０μｍ、下層１９１１Ｂのマスクの幅１９１５Ｂは１０μｍで一定である。第１の実施形態と同様に、ＳｉＮxマスク１９１１の開口部とは、下層部１９１１Ｂの幅Ｗ２の開口部を指し、ＳｉＮxマスク１９１１のマスク部とは、上層部１９１１Ａの幅１９１５Ａのマスク部と下層部１９１１Ｂの幅１９１５Ｂのマスク部を合わせた部分を指す。
【００５５】
半導体のエッチングにプラズマ状態のガスを用いるドライエッチングにおいて、このガスにメタンやエタンなどの炭化水素系ガスを用いる場合には、プラズマ状態においてガスが炭化水素基と水素に分解され、それぞれイオン化または化学的に活性化（ラジカル化）される。以下、イオン化またはラジカル化された炭化水素基を「炭化水素プラズマ」、イオン化またはラジカル化された水素原子を「水素プラズマ」と呼ぶ。この炭化水素プラズマと水素プラズマが半導体表面に接触すると、半導体をエッチングする過程と、半導体をエッチングすることなく半導体表面上に重合体（ポリマー）を形成して堆積する過程が起こる。一般に水素プラズマが十分にある場合にはエッチング過程が主となり、水素プラズマが不足するとポリマーが堆積する過程が主となる。誘電体（ＳｉＯ2など）マスク表面においては、炭化水素プラズマと水素プラズマが誘電体と反応しないので重合物（ポリマー）となって堆積する。水素プラズマを増やすために、炭化水素系ガスと共に水素ガスを供給してもよい。
【００５６】
図２１及び２２を参照して、上述のドライエッチングをＳｉＮx／ＳｉＯ2マスクのある試料に施した場合を説明する。ＳｉＮx／ＳｉＯ2マスクのない領域では、プラズマ状態のメタンに対して水素プラズマは試料表面に均一に分布する（図２１（ａ））。この均一に分布した水素プラズマの濃度が低い場合、エッチングするには水素プラズマが不足するので、試料表面にはポリマーが生成して試料表面を覆い、エッチングが進行しない（図２１（ｂ））。一方、ＳｉＮx／ＳｉＯ2マスクのある領域では、まず、メタンプラズマに対して水素プラズマは、試料表面にＳｉＮx／ＳｉＯ2マスクの上にも開口部内にも均一に分布する（図２２（ａ））。ＳｉＮx／ＳｉＯ2マスク上ではマスク材料（ＳｉＯ2等）はエッチングされないので、メタンプラズマはエッチングに寄与することなくポリマーが生成される。マスク上の水素プラズマは、メタンプラズマと反応することなく開口部に拡散する。その結果、開口部での水素プラズマの濃度は増加する（図２２（ｂ））。したがって、開口部では水素プラズマの濃度がエッチングを生じさせるのに十分な濃度に達するのでエッチングが進行する（図２２（ｃ））。このように、マスクのある領域ではポリマーが生成されエッチングが進行せず、マスクのない領域（開口部）ではエッチングが進行する。
【００５７】
図２３〜２７は、本実施形態における回折格子の作製方法を説明するための図である。半導体表面に幅が変化するＳｉＯ2マスク２０１０と幅が一定のＳｉＮxマスク２０１１を形成する（図２３）。ここで、ＳｉＯ2マスク２０１０の回折格子パターンが有する複数の開口部２００１、２００２、２００３、２００４の幅は、それぞれ１．５、２．０、２．５、３．０μｍとする。以下に説明する一連のエッチング過程において、マスク厚の厚いＳｉＮxマスク２０１１からのメタンプラズマ及び水素プラズマの寄与が大きく、マスク厚の薄いＳｉＯ2マスク２０１０からのメタンプラズマ及び水素プラズマの寄与は小さい。
【００５８】
メタンと水素の混合ガスを用いたＲＩＥをメタン流量４０ｓｃｃｍ、水素流量２ｓｃｃｍ、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗで施すと（「第１のプラズマ条件」に対応）、幅が１．５μｍ以下の開口部２００１においては、マスク上から水素プラズマの供給が十分あるのでポリマーが堆積することなくエッチングが進行する。一方、幅が１．５μｍより広い開口部２００２、２００３、２００４においては、マスク上から水素プラズマの供給が不足するので、ポリマー２２０１が堆積してエッチングが進行しない（図２４）。
【００５９】
引き続き、酸素プラズマを酸素流量１０ｓｃｃｍ、ガス圧力１０Ｐａ、放電電力４００Ｗで１分間照射すると、堆積したポリマーが除去される（図２５）。ここで、酸素プラズマ以外に、酸素を含むプラズマを用いてもよい。例えば、酸素と窒素、アルゴン等不活性ガスとの混合ガス、酸素と水素の混合ガス等でもよい。
【００６０】
次に、水素流量を増加させた条件（メタン流量４０ｓｃｃｍ、水素流量５ｓｃｃｍ、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗ）でＲＩＥを施すと（「第２のプラズマ条件」に対応）、幅が２μｍ以下の開口部２００１、２００２においては、水素プラズマの供給が増加するのでポリマーが堆積することなくエッチングが進行する。一方、幅が２μｍより広い開口部２００３、２００４においては、マスク上から水素プラズマの供給がまだ不足するので、ポリマー２０４１が堆積してエッチングが進行しない（図２６）。したがって、幅が１．５μｍ以下の開口部２００１においては、初めのＲＩＥによるエッチングの後にさらに２度目のＲＩＥによるエッチングが進行するので、その深さは、幅が１．５μｍより広く２μｍ以下である開口部２００２の深さよりも深くなる。
【００６１】
引き続き酸素プラズマを照射によるポリマーの除去の後に、ＲＩＥ、酸素プラズマ照射を交互に繰り返す。この際にＲＩＥを施すごとに水素流量を増加させることにより、深さの異なる回折格子を形成することができる（図２７）。このとき、水素流量は１００ｓｃｃｍまで増加させることができる。
【００６２】
その後、マスク除去、メサ構造加工後に、この回折格子上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により積層することにより図１８に示す素子構造等を作製することが可能である。
【００６３】
本実施形態の作製方法で用いるマスクは、２段構造を有しており、図１３を参照して説明したように、１段構造に比べてより多くのエッチング種をエッチングに関与させ、１段構造に比べてエッチング深さを広範囲で変化させることができる。エッチング種として水素プラズマに注目して図１３を見ると、例えば、１段構造において開口部の幅Ｗ２が１μｍのときの水素の規格化濃度は０．１８程度である。２段構造においては、この値を幅Ｗ２が３μｍのときに得ることができる。このことは、１段構造においては幅Ｗ２を１μｍ以下にしないと実現できなかったエッチングを、幅Ｗ２が３μｍでも実現できることを示し、回折格子の設計の自由度が高まっている。
【００６４】
なお、本実施形態では、２段構造であるＳｉＮxマスクにおいて、上層部/下層部それぞれの厚さが０．３μｍ／０．７μｍとしたが、上層部/下層部それぞれの厚さがエッチング種を閉じ込められる０．１μｍ以上の厚さであれば他の厚さであっても同様の効果が得られる。また、上層部と下層部との合計の厚さを１μｍとしたが、２μｍ以下の厚さであれば他の厚さであっても同様の効果が得られる。
【００６５】
また、本実施形態において、回折格子の開口部の両端部にはマスク上で反応に寄与しなかった水素プラズマが流入する。この水素プラズマ分だけメタンが反応してエッチングが進行する。したがって、ポリマーが堆積する開口部においても両端の一部分のみでエッチングが進行する。このように、開口部全域のおいて深さが均一にならないという問題が生じる場合がある。しかしながら、実際のデバイスにおいてはメサ構造が採用されるため、開口部の両端部はメサ形成時に切り落とされるので、実際のデバイス作製上における問題とはならない。
【００６６】
また、本実施形態ではＲＩＥ時に開口部においてエッチングに寄与する水素の量を水素流量により変化させたが、ガス圧（０．０１Ｐａ−５０Ｐａ）によるマスク上から水素の拡散距離の変化または放電電力（５０−５００Ｗ）によるイオン化される水素の量の変化によっても変化させることができ、同様の効果が得られる。
【００６７】
また、本実施形態では、半導体表面上にポリマーが生成される領域が第１のプラズマ条件よりも狭くなるものとして第２のプラズマ条件に言及したが、第２のプラズマ条件として、まったくポリマーが生成されない条件を用いてもよい。この場合でも、第１のプラズマ条件下でのみエッチングされる領域と、第２の条件下でエッチングされる領域とが異なるため、深さの変化する所望のパターンを作製することができる。
【００６８】
（第３の実施形態）
以上では、所望のパターンを有する第１のマスクの上に、当該所望のパターンの開口部に拡散されるエッチング種の量を制御するための第２のマスクが設けられる構成について説明してきたが、所望のパターンによっては、第１のマスクは必ずしも必要ではなく第２のマスクのみでパターン形成を行うことができる。以下、そのような実施例を説明する。
【００６９】
実施例１ 
実施例１として、同一面内で層厚が変化する導波路の作製方法を示す。本実施例は、炭化水素系のガスを用いたドライエッチングにおいて生じるポリマーを利用するものである。
【００７０】
図２８は、本実施例において作製される同一面内で層厚が変化する導波路の断面図である。ｎ型ＩｎＰ２８００の上に、組成波長１．２μｍのＩｎＧａＡｓＰ導波路層２８０１、ＩｎＰクラッド層２８０２が形成されている。
【００７１】
図２９〜３３は、本実施例における導波路の作製方法を説明するための図である。図を簡潔にするため、図２９〜３３の断面図（ｂ）においてはＳｉＮxマスク２９１５を示していない。ｎ型ＩｎＰ２８００上のＩｎＧａＡｓＰ導波路層２８０１の表面に、開口部２９００の幅２９１０Ａが変化するＳｉＮxマスク２９１５を形成する（図２９）。ＳｉＮxマスク２９１５の上層部２９１５Ａの膜厚は０．３μｍ、下層部２９１５Ｂの膜厚は０．７μｍである。上層部２９１５Ａの幅２９２０Ａは２０μｍ、下層部２９１５Ｂの幅２９２０Ｂは１０μｍで一定である。導波路長２９１０Ｂは５００μｍである。メタンやエタンなどの炭化水素系のガスを用いてドライエッチングをマスクのある試料に施した場合のエッチング過程は、第２の実施形態と同様である。
【００７２】
この試料について、初めにメタンと水素の混合ガスを用いたＲＩＥをメタン流量４０ｓｃｃｍ、水素流量２ｓｃｃｍ、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗで施すと、幅が１．５μｍ以下の開口部２９００Ａにおいては、ＳｉＮxマスク２９１５上から水素の供給が十分あるのでポリマーが堆積することなくエッチングが進行する。一方、幅が１．５μｍより広い開口部２９００Ｂ及び２９００Ｃでは、ＳｉＮxマスク２９１５上から水素の供給が不足するので、ポリマー３００１が堆積してエッチングが進行しない（図３０）。開口部２９００のうち、ポリマー３００１で覆われていない部分がエッチングの進行する領域である。開口部２９００Ｂ及び２９００Ｃにおいては、ほとんどの領域にポリマー３００１が堆積するが、ＳｉＮxマスク２９１５との境界部分でのみエッチングが進行する。
【００７３】
引き続き、酸素プラズマを酸素流量１０ｓｃｃｍ、ガス圧力１０Ｐａ、放電電力４００Ｗで１分間照射すると、堆積したポリマーが除去される（図３１）。
【００７４】
次に、水素流量を増加させた条件（メタン流量４０ｓｃｃｍ、水素流量５ｓｃｃｍ、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗ）でＲＩＥを施すと、幅が２μｍ以下の開口部２９００Ａ及び２９００Ｂにおいては、水素の供給が増加するのでポリマーが堆積することなくエッチングが進行する。一方、幅が２μｍより広い開口部２９００Ｃにおいては、ＳｉＮxマスク２９１５上から水素の供給がまだ不足するので、ポリマー３００２が堆積してエッチングが進行しない（図３２）。したがって、幅が１．５μｍ以下の開口部２９００Ａにおいては初めのＲＩＥによるエッチングの後にさらに２度目のＲＩＥによるエッチングが進行するので、その深さは幅が１．５μｍから２μｍまでの開口部２９００Ｂの深さよりも深くなる。
【００７５】
引き続き酸素プラズマを照射によるポリマーの除去の後に、ＲＩＥ、酸素プラズマ照射を交互に繰り返す。この際にＲＩＥを施すごとに水素流量を増加させることにより、深さの異なる回折格子を形成することができる（図３３）。このとき、水素流量は１００ｓｃｃｍまで増加させることができる。その後、マスク除去後に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）によりＩｎＰクラッド層２８０２を積層することにより図２８に示す素子構造が作製される。
【００７６】
ここで、本実施例の効果を図１３を参照して説明する。上層部２９１５Ａの開口部幅Ｗ１は１０μｍとする。下層部２９１５Ｂの開口部幅Ｗ２が１μｍから１０μｍまで変化するとき、水素は１段構造において０．２程度から０．１程度まで変化するのに対して、本実施例の２段構造において開口部幅Ｗ２の変化により０．６程度から０．１まで変化する。このように本実施例の２段構造を用いた場合、１段構造に比べて３倍程度高濃度の水素がエッチングに関与する。このことは本実施例の２段構造を用いた場合１段構造に比べてエッチング深さを広範囲で変化させることができることを示す。例えば、１段構造において開口部幅Ｗ２が１μｍのときの水素の規格化濃度は０．１８程度である。この値を２段構造においては開口部幅Ｗ２が３μｍを得ることができる。このことは、１段構造において開口部幅Ｗ２が１μｍ以下でしか実現できなかったエッチングを開口部幅Ｗ２が３μｍまで実現できることを示す。
【００７７】
本実施例において、３つの開口部幅を用いた深さが３段階変化するエッチングについて説明したが、より多数の開口部幅を有するマスクを用いて、より多段で層厚が変化する導波路層を作製することができる。図３４にその例を示すが、断面図３４（ｂ）においては、クラッド層形成後の構造を示してある。また、開口部幅が徐々に変化するマスクを用いて徐々に層厚が変化する導波路層を作製することができる。図３５にその例を示すが、断面図３５（ｂ）においては、クラッド層形成後の構造を示してある。
【００７８】
また、実施例においては炭化水素系のガスを用いたドライエッチングにおいて生じるポリマーを利用したが、第１の実施形態と同様に塩素ガスを用いたドライエッチングを用いて導波路を作製することができる。
【００７９】
実施例２ 
図３６に、層厚が変化する導波路構造をスポットサイズ変換部に用いた半導体レーザ素子の構造を示す。このレーザ素子は、出射光部分にスポットサイズ変換部を有することを特徴とする。スポットサイズ変換部とは素子からの出射光の光ファイバに入射する効率（結合効率）を向上させるために発光ビーム径を広げるものである。このスポットサイズ変換部では、導波層の厚みを徐々に薄くすることにより光分布をクラッド層に染み出させてスポットサイズを大きくする。１８００はｎ型ＩｎＰ基板、１８０１はｎ型ＩｎＰバッファ層、１８０２は活性層、１８０３はスポットサイズ変換用ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）ガイド層、１８０４はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層、１８０５はｐ型ＩｎＰ埋込み層、１８０６はｎ型ＩｎＰ埋込み層、１８０７はｐ型ＩｎＰクラッド層、１８０８はｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．６５μｍ）コンタクト層、１８０９はＳｉＯ2層、１８１０はｎ型オーミック電極、１８１１はｐ型オーミック電極である。活性層１８０２はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層と、６層のＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸（歪量：０．８％）層および５層のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）障壁層の多重量子井戸層からなる活性層（発光波長：１．３μｍ）と、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層とからなる。
【００８０】
このレーザ構造におけるスポットサイズ変換部の作製方法を説明する。活性層に隣接するスポットサイズ変換用ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）ガイド層１８０３の表面に実施例１と同様のＳｉＮxマスクを形成する。このマスクにおいては、活性層との境界側のマスク幅が広く出射端側のマスク幅が狭い形状を有する。同時に活性層表面は全面マスクで覆われている。この試料について実施例１で示すドライエッチングを施すと、エッチング深さは活性層の境界側で浅く出射端側で深くなる。次に、ＩｎＰクラッド層を積層した後に、メサ形成用ストライプマスクを形成してメサ構造に加工することによりスポットサイズ変換部が形成される。この構造について、ｐｎ構造埋め込み層の成長、クラッド層とコンタクト層の成長後に、電極形成することにより本実施例の半導体レーザ素子の構造が作製される。
【００８１】
このように、本実施例を用いれば、簡易に層厚が変化する導波路層（スポットサイズ変換部）を作製することができる。作製された素子は導波路層（スポットサイズ変換部）での光損失が低減され、室温におけるしきい値電流が６．７ｍＡ、効率が０．４２Ｗ／Ａである良好な特性を示す。
【符号の説明】
【００８２】
１３１０  半導体基板
１３１１  ＳｉＯ2マスク（「第１のマスク」に対応）
１３２１  ＳｉＮxマスク（「第２のマスク」に対応）
１３２１Ａ  上層部
１３２１Ｂ  下層部
１３３１  第２のマスク用のレジストパターン
１３３２  第２のマスク用のレジストパターン
１３３２’  第２のマスク用のレジストパターン
１４１０  ＳｉＯ2マスク（「第１のマスク」に対応）
１４１１  ＳｉＮxマスク（「第２のマスク」に対応）
１４１１Ａ  上層部
１４１１Ｂ  下層部
１４１２  回折格子パターンの長さ
１４１３  回折格子パターンの幅
１４１４  回折格子パターンのピッチ
１４１５Ａ  上層部の幅
１４１５Ｂ  下層部の幅
１９１０  ＳｉＯ2マスク（「第１のマスク」に対応）
１９１１  ＳｉＮxマスク（「第２のマスク」に対応）
１９１１Ａ  上層部
１９１１Ｂ  下層部
１９１２  回折格子パターンの長さ
１９１３  回折格子パターンの幅
１９１４  回折格子パターンのピッチ
１９１５Ａ  上層部の幅
１９１５Ｂ  下層部の幅
２００１、２００２、２００３、２００４  回折格子パターンの開口部
２０１０  ＳｉＯ2マスク（「第１のマスク」に対応）
２０１１  ＳｉＮxマスク（「第２のマスク」に対応）
１９１１Ａ  上層部
１９１１Ｂ  下層部
２８００  ｎ型ＩｎＰ
２８０１  ＩｎＧａＡｓＰ導波路層
２８０２  ＩｎＰクラッド層
２９００、２９００Ａ、２９００Ｂ、２９００Ｃ  開口部
２９１０Ａ  開口部２９００の幅
２９１０Ｂ  導波路長
２９１５  ＳｉＮxマスク
２９１５Ａ  上層部
２９１５Ｂ  下層部
２９２０Ａ  上層部２９１５Ａの幅
２９２０Ｂ  下層部２９１５Ｂの幅
３００１、３００２  ポリマー
Ｗ１  第２のマスクの上層部の開口部の幅
Ｗ２  第２のマスクの下層部の開口部の幅
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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