(57)【要約】【課題】表面の凹凸を抑制して同一面内でエッチング深さが異なる形状を容易に加工することができる半導体素子の作製方法すること。【解決手段】開口部幅の異なる複数の開口部を有するマスクを半導体表面上に形成する。開口部幅が同じ開口部毎に、マスク端での水素プラズマ濃度が所定の濃度となる条件でエッチング（メタン／水素プラズマ照射）を行う。表面で凹凸を著しく増加させるようなエッチングとポリマーの生成が同時に起きるような水素プラズマ量の領域を避けるように、プラズマ条件（拡散距離または圧力）とマスク形状（開口部幅）を設定することにより、表面の凹凸を抑制して同一面内でエッチング深さが異なる形状を加工することができる。【選択図】図１３
2011211162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系プラズマと水素プラズマを開口部幅が変化する開口部を有するマスクが形成された半導体表面に照射して、半導体表面を異なる複数の深さにエッチングする半導体素子の作製方法であって、
所定の流量の前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマに対して、前記開口部幅の異なる領域毎に、前記半導体表面のエッチングが進行する第１の状態か、前記半導体表面に一様にポリマーが生成される第２の状態かのどちらか一方のみが発現するように前記開口部幅が設定されたマスクを前記半導体表面に形成する第１の工程と、
前記所定の流量の前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマを、前記マスクを有する半導体表面に照射する第２の工程と
を有することを特徴とする半導体素子の作製方法。
【請求項２】
前記第１の工程において前記半導体表面に堆積した前記ポリマーを、酸素を有するプラズマ照射により除去する第３の工程をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の作製方法。
【請求項３】
前記水素プラズマが開口部内にマスク端から到達する距離を変化させ、前記開口部幅の異なる領域のうち少なくとも１つの領域において発現する前記状態を、前記第１の状態および前記第２の状態のいずれかに変化させるように、前記水素プラズマの前記所定の流量を変化させる第４の工程をさらに有し、
前記第４の工程の後に前記第２の工程をさらに行うことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の作製方法。
【請求項４】
前記マスクが、
前記半導体表面上に形成された第１のパターンを有する第１のマスク部と、
前記第１のマスク部上に形成され、前記第１のマスク部のマスク厚よりも厚く、前記第１のパターンの開口部幅を画定する第２のパターンを有する第２のマスク部と
からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体素子の作製方法に関し、より詳細には、同一面内でエッチング深さが異なる形状を加工する半導体素子の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高性能・高機能デバイスの研究開発において、複雑なデバイスの構造の集積化が重要となり、加工（エッチング）、結晶再成長技術などによるデバイス作製プロセス技術が必要となる。とくに、複数の構造を集積化する場合、通常、複数回数のエッチングプロセスが必要となる。
【０００３】
図１（ａ）〜（ｆ）に、従来法による異なる深さのエッチングを施す場合のエッチング過程を示す。試料（例えばＩｎＰ結晶）１１１０に異なる深さのエッチングを施す場合、初めのエッチングの際にエッチングしない部分をマスク（誘電体など）１１２０で覆った（図１（ａ））後にエッチングする（図１（ｂ））。次に、１回目のエッチング用のマスクを除去した（図１（ｃ））後に、２回目のエッチングのために再度エッチングしない部分をマスクで覆い（図１（ｄ））、さらにエッチングし（図１（ｅ））、マスクを除去する（図１（ｆ））というプロセスを繰り返さなくてはならない。
【０００４】
半導体光素子作製において、深さの異なるエッチングを要する場合には複数回のマスク形成、エッチング、マスクの除去の工程が必須となるため、時間、コスト面での浪費につながるので問題となっていた。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。
【０００５】
そこで、上述の課題を解決するために、異なる深さのエッチングを施す際に、エッチング深さに対応して面積の異なるマスクを用いることにより、１回のエッチングにより深さの異なるエッチングを可能にする方法が発明された（特許文献１参照）。
【０００６】
図２（ａ）〜（ｃ）に、基本的なエッチング過程を示す。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、半導体によるエッチング過程において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。
【０００７】
図３（ａ）〜（ｃ）に、エッチング種と反応しないマスクを用いた場合のエッチング過程を示す。この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、窒化シリコンなどの誘電体など）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。この結果、マスク近傍の半導体表面ではエッチング種５１２の密度が増加する。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。
【０００８】
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量が増加する。従って、この方法によれば、深さが変化する単純な溝構造を容易に作製することができる。
【０００９】
特に、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該ガスにメタンやエタンなどの炭化水素系のガスを用いる場合、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、それぞれイオン化あるいは化学的に活性化（ラジカル化）される。尚、本願明細書では以降、イオン化あるいは化学的に活性化（ラジカル化）された炭化水素基を炭化水素プラズマ、同様の水素原子を水素プラズマと呼ぶこととする。
【００１０】
この炭化水素プラズマと水素プラズマが半導体に接触すると、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。同時に誘電体（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ことから重合物（ポリマー）となって堆積する。
【００１１】
ここで、上述のドライエッチングをマスクのある試料に施した場合について説明する。図４（ａ）、（ｂ）に、メタンプラズマを用いたエッチングを施した場合にマスクのない領域において起きる現象を示し、図５（ａ）〜（ｃ）に、メタンプラズマを用いたエッチングを施した場合にマスクに囲まれた領域において起きる現象を示す。
【００１２】
マスクのない領域ではメタンプラズマに対して水素プラズマは試料表面に均一に分布する（図４（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が不足するので、試料表面にはポリマーが生成され、試料表面を覆うのでエッチングが進行しない（図４（ｂ））。この水素プラズマの不足によるポリマーの堆積は、マスクの開口部幅が広く、マスクから距離が十分にある領域においても起きる。
【００１３】
一方、マスクで囲まれた領域、とくにマスクの開口部幅の狭い領域では、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マスクの上にも開口部の半導体表面にも均一に分布する（図５（ａ））。マスク上ではマスク材料（ＳｉＯ2）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マスク上を拡散して開口部に凝集する。その結果、開口部での水素プラズマの濃度は増加する（５（ｂ））。従って、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。
【００１４】
このようにマスクのない領域またはマスクの開口部幅の広い領域ではポリマーが生成してエッチングが進行せず、開口部幅の狭い領域ではエッチングが進行する。従って、１回のエッチング過程で深さの異なる形状を加工することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００４−２４７７１０号公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】熊谷  他編、「真空の物理と応用」、裳華房、１９７０、ｐ．３３、４４、８９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、マスクのない領域またはマスクの開口部幅の広い領域（ポリマーが生成してエッチングが進行しない領域）と開口部幅の狭い領域（エッチングが進行する領域）との境界領域ではポリマーの生成とエッチングが同時に起きる。この場合、ポリマーが生成されてエッチングされない領域とポリマーが生成されずにエッチングされる領域が混在するため、プラズマ照射後の半導体表面に凹凸が生じるという課題があった。
【００１８】
図６（ａ）、（ｂ）に、プラズマ照射後の半導体表面に凹凸が生じる状態を示す。このとき、表面に部分的にポリマーが生成され、そのポリマーをマスクとしてエッチングが進行するので凹凸が生じる（図６（ａ））。また、ポリマーが表面に点在して残留すると残留したポリマーをマスクとしてエッチングが進行するので針状の突起物が表面に形成され著しく凹凸が生じる場合もある（図６（ｂ））。
【００１９】
図７に、メタンプラズマ量を一定とした時のエッチング速度の水素プラズマ量依存性を示す。水素プラズマ量が０からｈ０までは水素プラズマ量が不足してポリマーが生成されエッチングがされない。ｈ０以上になるとポリマーの生成と同時にエッチングが始まる。ｈ０からｈ１まではポリマーの生成が支配的でありエッチング速度が遅いため表面に生じる凹凸も大きくない。ｈ１以上になるとエッチング速度が増加し始め表面の凹凸も著しくなる。ｈ２以上になるとエッチングが支配的になりポリマーの生成が減少するので凹凸も小さくなる。１以上になると水素のプラズマ量が十分になるのでポリマーの生成がなくなりエッチングが進行し凹凸が生じなくなる。
【００２０】
このように、水素のプラズマ量がｈ１からｈ２までの領域ではポリマーの生成とエッチングが同時に起き、表面の凹凸が著しくなる。
【００２１】
次に、表面にマスクを有する試料にメタン／水素プラズマを照射する場合について説明する。図８に、マスク端からか拡散する水素の分布を示す。縦軸はマスク端での水素濃度Ｃｓにより規格化された水素濃度Ｃｘ／Ｃｓである。マスク端から離れるにつれて水素のプラズマ量は減少して距離Ｌ２でｈ２、Ｌ１でｈ１になる。つまり、マスク端からの距離Ｌ２とＬ１の間では表面の凹凸が著しくなる。
【００２２】
このように表面に凹凸が生じると、この表面上に積層する結晶の品質が劣化するので問題となる。また、この表面上に積層する導波路層に光を導波させるときにも、凹凸部により光が散乱するので問題となる。
【００２３】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、表面の凹凸を抑制して同一面内でエッチング深さが異なる形状を容易に加工することができる半導体素子の作製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、炭化水素系プラズマと水素プラズマを開口部幅が変化する開口部を有するマスクが形成された半導体表面に照射して、半導体表面を異なる複数の深さにエッチングする半導体素子の作製方法であって、所定の流量の前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマに対して、前記開口部幅の異なる領域毎に、前記半導体表面のエッチングが進行する第１の状態か、前記半導体表面に一様にポリマーが生成される第２の状態かのどちらか一方のみが発現するように前記開口部幅が設定されたマスクを前記半導体表面に形成する第１の工程と、前記所定の流量の前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマを、前記マスクを有する半導体表面に照射する第２の工程とを有することを特徴とする。
【００２５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体素子の作製方法において、前記第１の工程において前記半導体表面に堆積した前記ポリマーを、酸素を有するプラズマ照射により除去する第３の工程をさらに有することを特徴とする。
【００２６】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の半導体素子の作製方法において、前記水素プラズマが開口部内にマスク端から到達する距離を変化させ、前記開口部幅の異なる領域のうち少なくとも１つの領域において発現する前記状態を、前記第１の状態および前記第２の状態のいずれかに変化させるように、前記水素プラズマの前記所定の流量を変化させる第４の工程をさらに有し、前記第４の工程の後に前記第２の工程をさらに行うことを特徴とする。
【００２７】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体素子の作製方法において、前記マスクが、前記半導体表面上に形成された第１のパターンを有する第１のマスク部と、前記第１のマスク部上に形成され、前記第１のマスク部のマスク厚よりも厚く、前記第１のパターンの開口部幅を画定する第２のパターンを有する第２のマスク部とからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明は、表面の凹凸を抑制して同一面内でエッチング深さが異なる形状の加工を容易にする効果を奏する。これにより、高速半導体光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】（ａ）〜（ｆ）は、従来法による異なる深さのエッチングを施す場合のエッチング過程を示す図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、基本的なエッチング過程を示す図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、エッチング種と反応しないマスクを用いた場合のエッチング過程を示す図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は、メタンプラズマを用いたエッチングを施した場合にマスクのない領域において起きる現象を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、メタンプラズマを用いたエッチングを施した場合にマスクに囲まれた領域において起きる現象を示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、プラズマ照射後の半導体表面に凹凸が生じる状態を示す図である。
【図７】メタンプラズマ量を一定とした時のエッチング速度の水素プラズマ量依存性を示す図である。
【図８】マスク端からか拡散する水素の分布を示す図である。
【図９】マスク端での水素プラズマの濃度を１００倍まで増加させた場合のマスク端からの距離に対する水素プラズマの分布を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態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層の断面図である。
【図１１】本発明の実施形態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層を作製するために使用するマスクを示す図である。
【図１２】図９の拡大図であり、マスク端での水素プラズマ濃度がＣｓ、５ｘＣｓ、２０ｘＣｓである場合のマスク端からの水素プラズマの分布を示す図である。
【図１３】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施形態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層の作製工程を示す図である。
【図１４】（ａ）は図１３（ｂ）の上面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は図１３（ｂ）の開口部幅の異なる開口部毎の断面を示す。
【図１５】（ａ）は本発明の実施形態２に係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立体図であり、（ｂ）はその断面図を示す図である。
【図１６】本発明の実施形態３に係る回折格子を作製するためのマスクを示す図である。
【図１７】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施形態３に係る回折格子の作製工程を示す図である。
【図１８】本発明の実施形態３に係る回折格子を用いたＤＢＲ半導体レーザの構造を示す図である。
【図１９】（ａ）は実施形態３に係る回折格子における回折格子の一端からの距離と結合係数Κとの関係を示す図であり、（ｂ）実施形態３に係る回折格子を用いた場合と結合係数が８０ｎｍ-1一定の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。
【図２０】図１６のマスク上のエッチング種の挙動を示す図である。
【図２１】（ａ）は膜厚の薄いマスクを用いる場合のエッチング種の挙動を示す図であり、（ｂ）は膜厚の厚いマスクを用いる場合におけるエッチング種の挙動を示す図である。
【図２２】実施形態４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２３】（ａ）〜（ｄ）は、実施形態４における回折格子形成に用いる面内で厚さの異なるマスクの作製工程を示す図である。
【図２４】（ａ）〜（ｅ）は、実施形態４に係る作製方法における回折格子の作製工程を示す図である。
【図２５】本発明に用いることができるマスク形状を示す図である。
【図２６】拡散距離と圧力の関係を示す図である。
【図２７】マスク端での水素プラズマの濃度Ｃｓを２倍から１０倍まで増加させるとともに拡散距離を５μｍから７μｍまで変化させた場合のマスク端からの水素プラズマの分布を示す図である。
【図２８】マスク端での水素プラズマ濃度をＣｓ、３ｘＣｓ、１０ｘＣｓで変化させるとともに拡散距離を４μｍから７μｍまで変化させる場合（圧力を１５Ｐａから５Ｐａまで変化させる場合に相当）のマスク端からの水素プラズマの分布を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。  
図９に、マスク端での水素プラズマの濃度を１００倍まで増加させた場合のマスク端からの距離に対する水素プラズマの分布を示す。この分布は水素プラズマの拡散距離Ｌｄを５μｍと仮定して、マスク端での水素プラズマ濃度は所定の値Ｃｓを仮定して、常の拡散方程式；Ｃ（ｘ）＝Ｃｓ・ｅｒｆｃ（ｘ／Ｌｄ）を用いて計算される。Ｃｓを基準にして１００倍まで変化させている。縦軸はＣｓで規格化された水素濃度Ｃｘ／Ｃｓである。
【００３１】
マスク端での水素プラズマ濃度がＣｓである場合、マスク端からの距離が１．８μｍのときにｈ２、距離が３．７μｍのときにｈ１になる。従って、距離が１．８μｍから３．７μｍの領域で凹凸が著しくなる。一方、マスク端での水素濃度がＣｓの５倍である場合、距離が５．４μｍのときにｈ２、距離が６．７μｍのときにｈ１になる。従って、距離が５．４μｍから６．７μｍの領域で凹凸が著しくなる。このように、水素プラズマのマスク端での濃度を変化させることにより凹凸が著しい領域のマスク端からの距離を変化させることができる。
【００３２】
これにより、同じマスク形状であっても、水素プラズマの流量を変化させることにより、エッチングがなされる領域、凹凸が著しくなる領域をより細かく制御することが可能になる。
【００３３】
さらに、マスク端での水素プラズマの濃度Ｃｓとともにプラズマの拡散距離を変化させることにより水素プラズマの分布を変化させることができる。拡散距離は圧力によって変化させることができる。拡散距離と圧力の関係について説明する。拡散定数Ｄは分子の平均速度を
【００３４】
【数１】
2011211162.tif 000003
【００３５】
、ボルツマン定数をｋ、温度をＴ、分子の半径をｄ、圧力をｐとすると
【００３６】
【数２】
2011211162.tif 000004
【００３７】
である。式（Ｐ−１）は、例えば、非特許文献１における式（２．１２）、（２．４６）、（２．１４０）より導出される。
【００３８】
【数３】
2011211162.tif 000005
【００３９】
（ｔは拡散時間）なので、拡散距離Ｌdは
【００４０】
【数４】
2011211162.tif 000006
【００４１】
に比例する。
【００４２】
図２６に、拡散距離と圧力の関係を示す。ここで縦軸は圧力が１Ｐａの時の拡散距離Ｌd0で規格化した拡散距離Ｌd／Ｌd0である。圧力の増加に伴い拡散距離は減少して圧力を１Ｐａから１０Ｐａに増加させることにより拡散距離は１／３程度に減少する。さらに１００Ｐａに増加させると１Ｐａのときに比べて１／１０程度まで減少する。このように、圧力を変化させることにより拡散距離を変化させることができる。
【００４３】
図２７に、マスク端での水素プラズマの濃度Ｃｓを２倍から１０倍まで増加させるとともに拡散距離を５μｍから７μｍまで変化させた場合のマスク端からの水素プラズマの分布を示す。この分布は水素プラズマの拡散距離Ｌdとマスク端での水素プラズマ濃度は所定の値Ｃｓを仮定して、常の拡散方程式：Ｃ（ｘ）＝Ｃｓ・ｅｒｆｃ（ｘ／Ｌd）を用いて計算される。Ｃｓを基準にして２倍から１０倍まで変化させている。縦軸はＣｓで規格化された水素濃度Ｃｘ／Ｃｓである。
【００４４】
マスク端での水素プラズマ濃度がＣｓの２倍で拡散距離が５μｍである場合、マスク端からの距離がＡのときに水素濃度Ｃｘ／Ｃｓはｈ２、距離がＢのときに水素濃度Ｃｘ／Ｃはｈ１になる。従って、距離がＡからＢの領域で凹凸が著しくなる。
【００４５】
一方、マスク端での水素濃度がＣｓの２倍で拡散距離が７μｍである場合、距離がＢのときに水素濃度Ｃｘ／Ｃｓはｈ２、距離がＣのときに水素濃度Ｃｘ／Ｃｓはｈ１になる。従って、距離がＢからＣの領域で凹凸が著しくなる。このように、マスク端での水素プラズマの濃度Ｃｓとともにプラズマの拡散距離を変化させることにより凹凸が著しい領域を変化させることができる。
【００４６】
（実施形態１）
図１０に、本発明の実施形態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層の断面図である。１８００はｎ型ＩｎＰ、１８０１はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）導波路層、１８０２はＩｎＰクラッド層である。本実施形態の作製方法について以下に説明する。
【００４７】
図１１に、本発明の実施形態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層を作製するために使用するマスクを示す。まず、ｎ型ＩｎＰ基板１８００上に積層したＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）１８０１表面に開口部幅１９００が変化するマスクを形成する。ここで開口部の幅は以下に示すように決定する。開口部外部のマスク幅１９０１は４０μｍで一定である。導波路長１９０２は５００μｍである。
【００４８】
図１２は、図９の拡大図であり、マスク端での水素プラズマ濃度がＣｓ、５ｘＣｓ、２０ｘＣｓである場合のマスク端からの水素プラズマの分布を示す。この図１２において水素プラズマの相対量（縦軸）が０．３〜０．６のときに上述のようにエッチングとポリマーの生成が同時に生じるために表面の凹凸が著しく大きくなると仮定する。
【００４９】
まず、マスク端での水素プラズマ濃度がＣｓである場合、開口部幅が１．８μｍ以下で水素プラズマの相対量が０．６以上になりエッチングが支配的に起きる。一方、３．７μｍ以上で水素プラズマの相対量が０．３以下になりポリマーの生成が支配的に起きる。
【００５０】
次に、マスク端での水素プラズマ濃度が５ｘＣｓである場合、開口部幅が５．４μｍ以下で水素プラズマの相対量が０．６以上になりエッチングが支配的に起きる。一方、６．７μｍ以上で水素プラズマの相対量が０．３以下になりポリマーの生成が支配的に起きる。
【００５１】
次に、マスク端での水素プラズマ濃度が２０ｘＣｓである場合、開口部幅が７．６μｍ以下で水素プラズマの相対量が０．６以上になりエッチングが支配的に起きる。一方、８．７μｍ以上で水素プラズマの相対量が０．３以下になりポリマーの生成が支配的に起きる。そこで、第１の開口部幅を１．８μｍ、第２の開口部幅を３．７μｍ以上５．４μｍ以下の範囲にある４．０μｍ、第３の開口部幅を６．７μｍ以上７．６μｍ以下の範囲にある７．０μｍに決定する。
【００５２】
このような開口部幅を用いて、まず、マスク端での水素プラズマ濃度がＣｓとなる条件でエッチング（メタン／水素プラズマ照射）を行うと、開口部幅が１．８μｍ以下でエッチングが支配的に起きるので、第１の開口部のみがエッチングされる。一方、３．７μｍ以上でポリマーの生成が支配的に起きるので、第２の開口部（幅：４．０μｍ）と第３の開口部（幅：７．０μｍ）の表面ではポリマーが生成され凹凸はほとんど生じない。
【００５３】
次に、マスク端での水素プラズマ濃度が５ｘＣｓとなる条件でエッチング（メタン／水素プラズマ照射）を行うと、開口部幅が５．４μｍ以下でエッチングが支配的に起きるので、第１の開口部と第２の開口部がエッチングされる。一方、６．７μｍ以上でポリマーの生成が支配的に起きるので、第３の開口部（幅：７．０μｍ）の表面はポリマーが生成され凹凸はほとんど生じない。
【００５４】
次に、マスク端での水素プラズマ濃度が２０ｘＣｓとなる条件でエッチング（メタン／水素プラズマ照射）を行うと、開口部幅が７．６μｍ以下でエッチングが支配的に起きるので、第１の開口部と第２の開口部と第３の開口部がエッチングされる。ここで、マスク端での水素プラズマ濃度は水素流量に相当するので、マスク端での水素プラズマ濃度がＣｓ，５ｘＣｓ，２０ｘＣｓとするためにプラズマ条件である水素流量をそれぞれ５ｓｃｃｍ、２５ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍと設定する。
【００５５】
以上のように、表面で凹凸を著しく増加させるようなエッチングとポリマーの生成が同時に起きるような水素プラズマ量の領域を避けるように、プラズマ条件（拡散距離または圧力）とマスク形状（開口部幅）を設定することにより、表面の凹凸を抑制して同一面内でエッチング深さが異なる形状を加工することができる。
【００５６】
仮に、本発明によることなく、第２の開口部幅を３．０μｍと設定した場合、マスク端での水素プラズマ濃度がＣｓとなる条件でエッチングしたとき３μｍの開口部幅における水素プラズマの相対量は０．４程度となるのでエッチング後の表面の凹凸は著しく増加する。このように一度生じた表面の凹凸形状は、その後エッチングを施しても維持されるので、作製される導波路層における第２の開口部に相当する領域に導波路層表面には凹凸が残ることになる。このような凹凸が生じると、この表面上に積層する結晶の品質が劣化するので問題となる。また、導波路層に光を導波させるときに凹凸部により光が散乱するので問題となる。
【００５７】
以上のように、本発明によれば、プラズマ条件（水素流量）とマスク形状（開口部幅）を設定することにより、表面の凹凸を抑制して同一面内でエッチング深さが異なる形状を加工することができるので、導波路層上に積層されるクラッド層の結晶品質を良好に維持することができ、導波路層に凹凸部により光が散乱することなく光損失を抑制して光を導波させることができる。
【００５８】
図１３（ａ）〜（ｅ）に、本発明の実施形態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層の作製工程を示す。１８００はｎ型ＩｎＰ、１８０１はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）導波路層である。表面に上述のＳｉＯ２マスクを形成する（図１３（ａ））。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反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）をメタン流量４０ｓｃｃｍ、圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗ、水素流量が５ｓｃｃｍで施すと、幅が１．８μｍの第１の開口部においてエッチングが進行し、第２の開口部（幅：４．０μｍ）と第３の開口部（幅：７．０μｍ）の表面はポリマーが生成され凹凸はほとんど生じない（図１３（ｂ））。図１４（ａ）〜（ｄ）に、図１３（ｂ）の上面図と開口部幅の異なる開口部毎の断面を示す。第２の開口部と第３の開口部においてほとんどの領域にポリマーが堆積するが、マスクとの境界部分付近ではエッチングが進行する。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１３（ｃ））。
【００５９】
次に、メタン流量、圧力、放電電力を一定にして、水素流量を２５ｓｃｃｍで施すと、幅が５．４μｍ以下の第１、第２の開口部においてエッチングが進行し、第３の開口部（幅：７．０μｍ）の表面はポリマーが生成され凹凸はほとんど生じない（図１３（ｄ））。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。従って、幅が１．８μｍの第１の開口部においては初めの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、第２の開口部の深さよりも深くなる。
【００６０】
次に、メタン流量、圧力、放電電力を一定にして、水素流量を１００ｓｃｃｍで施すと、幅が７．６μｍ以下の第１、第２、第３の開口部においてエッチングが進行する（図１３（ｅ））。この結果、エッチング深さは第１、第２、第３の開口部の順に深くなる。さらに、エッチングされた表面の凹凸はほとんどない。
【００６１】
その後、表面上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）によりＩｎＰ層を積層することにより同一面内で層厚が変化する導波路構造が作製される。
【００６２】
本実施形態１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用いて、その開口部幅に応じた水素流量の条件下でメタン／水素ＲＩＥを施すことにより、より多段で深さが変化するエッチングを行うことができる。
【００６３】
（実施形態２）
図１５（ａ）、（ｂ）に、本発明の実施形態２に係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立体図と断面図を示す。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。
【００６４】
２８００はｎ型ＩｎＰ基板、２８０１はｎ型ＩｎＰバッファ層、２８０２は活性層、２８０３はスポットサイズ変換用ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）ガイド層、２８０４はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層、２８０５はｐ型ＩｎＰ埋込み層、２８０６はｎ型ＩｎＰ埋込み層、２８０７はｐ型ＩｎＰクラッド層、２８０８はｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．６５μｍ）コンタクト層、２８０９はＳｉＯ2層、２８１０はｎ型オーミック電極、２８１１はｐ型オーミック電極である。
【００６５】
活性層２８０２は、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層、６層のＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸（歪量：０．８％）層と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）、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層からなる。
【００６６】
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２８０２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２８０３の表面に実施形態１と同様に開口部幅の異なる複数の開口部を有するＳｉＯ2マスクを形成する。このマスクは、活性層２８０２との境界側の開口部幅が広く出射端側の開口部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。
【００６７】
この試料について実施形態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形態２の半導体レーザ素子の構造が作製される。
【００６８】
このように、本発明を用いれば、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。
【００６９】
（実施形態３）
図１６に、本発明の実施形態３に係る回折格子を作製するためのマスクを示す。マスクの開口部幅（回折格子部分）２０１０は実施形態１と同様に設定する。回折格子外部２０１１の幅は一定である。このマスクを用いて実施形態１と同様に水素流量を変化させながらエッチングを施すことにより、深さが変化する回折格子が作製できる。
【００７０】
図１７（ａ）〜（ｅ）は、に、本発明の実施形態３に係る回折格子の作製工程を示す。図１６に示すマスク上から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５ｓｃｃｍ、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗで施す（図１７（ａ））。すると、幅が１．８μｍの開口部２００１においては、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１．８μｍより広い開口部２００２、２００３においては、ポリマーが堆積してエッチングが進行しない（図１７（ｂ））。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１７（ｃ））。
【００７１】
次に、水素流量を変化させた条件（２５ｓｃｃｍ）でＲＩＥを施すと、幅が５．４μｍ以下の開口部２００１、２００２においては、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７．０μｍの開口部２００３においては、ポリマー２０４１が堆積してエッチングが進行しない（図１７（ｄ））。従って、幅が１．８μｍ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、その深さは第２の開口部２００２の深さよりも深くなる。
【００７２】
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、圧力を変化させてＲＩＥ、酸素プラズマ照射を交互に繰り返すことにより、深さの異なる回折格子を形成することができる（図１７（ｅ））。このとき、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に示す素子構造が作製される。
【００７３】
図１８に、本発明の実施形態３に係る回折格子を用いたＤＢＲ半導体レーザの構造を示す。本実施形態３の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ＳｉＯ2マスク除去後、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。
【００７４】
１５０はｎ型ＩｎＰ基板、１５１はｎ型ＩｎＰバッファ層、１５２は回折格子、１５３はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層、１５４は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（発光波長：１．５５μｍ、活性層長：４００μｍ）、１５５はＤＢＲ回折格子領域ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．４μｍ）ガイド層（回折格子長は活性層の前後それぞれ４００μｍ）、１５８はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）ガイド層、１５７はｐ型ＩｎＰクラッド層、１５８はｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．８５μｍ）コンタクト層、１５９１はｎ型オーミック電極、１５９２はｐ型オーミック電極である。
【００７５】
素子の発振波長は１．５５μｍであり、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。
【００７６】
図１９（ａ）、（ｂ）に、図１８に示すレーザにおいて実施形態３に係る回折格子により得られる反射特性を示す。図１９（ａ）は、この実施形態３に係る回折格子における回折格子の一端からの距離と結合係数Κとの関係を示す。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。
【００７７】
図１９（ｂ）のαにこの回折格子を用いた場合の反射スペクトルを示す。比較のため、図１９（ｂ）のβに結合係数が８０ｎｍ-1一定の回折格子を用いた場合の反射スペクトルを示す。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。
【００７８】
このように、本実施形態を用いれば、簡易に深さ（結合係数）が変化する回折格子の作製することができる。作製された素子は回折格子における表面の凹凸が抑制されるため、光損失が低減され、設計通りにサイドモードが抑制された特性を示す。
【００７９】
本実施形態３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用いて、その開口部幅に応じた水素流量の条件下でメタン／水素ＲＩＥを施すことにより、より多段で深さが変化するエッチングを行うことができる。
【００８０】
（実施形態４）
実施形態４として面内で深さが変化する回折格子の作製方法を示す。本実施形態４では格子状マスクの厚さと開口部の長手方向の開口部幅を決める開口部幅調整マスクの厚さとが異なることを特徴とする。
【００８１】
図２０に、図１６のマスク上のエッチング種の動きを示す。実施形態３で使用したマスクを用いて回折格子を作製する場合、図２０に示すように開口部幅調整マスク８２上に飛来したエッチング種８４だけでなく、格子状マスク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。そのため、回折格子のエッチング形状の制御が困難になる。
【００８２】
次に本実施形態４に係る格子状マスクの厚さと開口部の長手方向の開口部幅を決めるマスクの厚さの異なるマスクを半導体表面上に形成してドライエッチングを行った場合について説明する。図２１（ａ）、（ｂ）に、膜厚の薄いマスクを用いる場合と膜厚の厚いマスクを用いる場合におけるエッチング種の挙動を示す。
【００８３】
膜厚の薄いマスク１０１１を用いた場合（図２１（ａ））には、エッチング種１０１２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。従って、半導体１０１０のエッチング速度は増加しない。
【００８４】
一方、膜厚の厚いマスク１０２１を用いる場合（図２１（ｂ））には、エッチング種１０１２はマスク端が障壁となりマスク端を越え難くなるため、より多くのエッチング種１０１２が開口部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は増加する。従って、マスクがより厚くなると、半導体１０１０のエッチング速度が増加する。
【００８５】
そこで、開口部幅調整マスク８２の厚さを格子状マスク８１の厚さに比べて厚くすれば、マスク厚の厚い開口部幅調整マスク８２上からのエッチング種の寄与が大きく、マスク厚の薄い格子状マスク８１上からのエッチング種の寄与を小さくできる。従って、開口部幅の狭い領域では、膜厚の薄い格子状マスク８１から開口部へのエッチング種の供給はほとんど無いが、膜厚の厚いマスク開口部幅調整８２上から拡散して開口部へ供給されるエッチング種は、開口部中央まで到達してエッチングに寄与するので、開口部中央付近を含めた開口部全体でエッチング速度が速くなる。一方、開口部幅の広い領域では、膜厚の薄い格子状マスク８１から開口部へのエッチング種の供給はほとんど無く、膜厚の厚い開口部幅調整マスク８２上から拡散して開口部へ供給されるエッチング種も開口部中央まで到達しないので、開口部中央付近ではエッチング速度は遅くなる。すなわち、エッチング深さに関しては、開口部幅調整マスク８２が支配的である。
【００８６】
このようなことから、このマスクを用いれば、膜厚の薄い格子状マスク８１から開口部へのエッチング種の供給の影響を抑制して、開口部中央付近でのエッチング深さを開口部幅の狭い領域では深く、開口部幅の広い領域では浅くすることができる。
【００８７】
図２２に、本実施形態４において試料表面に形成するＳｉＮX／ＳｉＯ2マスクを示す。ＳｉＮXで形成される格子状マスク１９１０の厚さが２０ｎｍ、回折格子の長さ１９１２が５００μｍ、格子幅１９１３が変化しており素子中央部から素子両端に向かって１．８、３．７、７．５μｍである。また、ピッチ（周期）１９１４は２４０ｎｍ（ＳｉＯ2部：１２０ｎｍ、窓部：１２０ｎｍ）である。一方、ＳｉＯ2で形成される開口部幅調整マスク１９１１の厚さが１μｍ、幅１９１５は２０μｍで一定である。
【００８８】
図２３（ａ）〜（ｄ）に、本実施形態４における回折格子形成に用いる面内で厚さの異なるマスクの作製工程を示す。初めに、ＩｎＰ基板１３１０上のＩｎＰクラッド層１３１１の表面に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（ＣＦ4、Ｃ2Ｆ6など）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上に回折格子部分作製用のＳｉＯ2マスク１３１１が形成される（図２３（ａ））。
【００８９】
次に、上述の回折格子部分ＳｉＯ2マスクを有するＩｎＰ表面上に１μｍ厚の窒化シリコン（ＳｉＮX）膜１３２１を形成する（図２３（ｂ））。ＳｉＮX膜上にレジストを塗布した後に開口部幅調整マスク用のレジストパターン１３３１を作製する（図２３（ｃ））。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。レジストパターン１３３１をマスクとしてフッ化硫黄系ガス（ＳＦ6など）を用いたＲＩＥによってＳｉＮX膜を加工することにより、レジストパターンをＳｉＮX膜１３４１に転写する（図２３（ｄ））。このとき、回折格子部分ＳｉＯ2マスクはフッ化硫黄系ガス（ＳＦ6など）に耐性を有するのでエッチングされずに残る。この結果、レジストパターン１３３１を除去することにより、ＩｎＰ上に格子状部分と開口部幅調整部分で厚さの異なるマスクが形成される（図２３（ｄ））。
【００９０】
図２４（ａ）〜（ｅ）に、本実施形態４に係る作製方法における回折格子の作製工程を示す。ＩｎＰ２００表面に上述のマスクを形成する（図２４（ａ））。ここで開口部２００１、２００２、２００３の幅はそれぞれ１．８、３．７、７．５μｍとする。以下に説明する一連のエッチング過程において、マスク厚の厚い開口部幅調整マスク上からのメタン・水素プラズマの寄与が大きく、マスク厚の薄い格子状マスク上からのメタン・水素プラズマの寄与は小さい。
【００９１】
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５ｓｃｃｍ、放電電力が１００Ｗ、ガス圧力が１０Ｐａで施すと、幅が１．８μｍの開口部２００１においては、マスク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１．８μｍより広い開口部２００２、２００３においては、マスク上から水素の供給が不足するので、ポリマー２０２１が堆積してエッチングが進行しない（図２４（ｂ））。
【００９２】
次いで、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２４（ｃ））。次に、水素流量を増加させた条件（メタン流量４０ｓｃｃｍ、水素流量２５ｃｃｍ、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗ）でＲＩＥを施すと、幅が３．７μｍ以下の開口部２００１、２００２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。
【００９３】
一方、幅が７．５μｍの開口部２００３においては、マスク上から水素の供給が不足するので、ポリマー２０４１が堆積してエッチングが進行しない（図２４（ｄ））。従って、幅が１．８μｍ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、その深さは幅が開口部２００２の深さよりも深くなる。引き続き、酸素プラズマの照射によるポリマーの除去と、その後の圧力を変化させたＲＩＥ、酸素プラズマ照射とを交互に繰り返すことにより、深さの異なる回折格子を形成することができる（図２４（ｅ））。その後、マスクを除去してメサ構造加工を行い、その後、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に示す素子構造が作製される。
【００９４】
本実施形態４において、３つの開口部幅を用いた深さが３段階に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用いて、その開口部幅に応じた水素流量の条件下でメタン／水素ＲＩＥを施すことにより、より多段で深さが変化するエッチングを行うことができる。このように作製された回折格子は実施形態３と同様の特性を有する。
【００９５】
以上のように、本実施形態４を用いれば、簡易に深さ（結合係数）が変化する回折格子の作製することができる。作製された素子は回折格子における表面の凹凸が抑制されるため、光損失が低減され、設計通りにサイドモードが抑制された特性を示す。
【００９６】
本発明において、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。この流入した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。従って、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、開口部全域に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。
【００９７】
（実施形態５）
本発明の実施形態５として面内で深さが変化する回折格子の作製方法を示す。本実施形態では回折格子部分の格子状マスクの厚さと回折格子外部の開口部幅調整マスクの厚さとが異なるマスクを用いる点で実施形態４と同様であるが、エッチングをする際に水素流量とともに圧力（拡散距離）を変化させる点で異なる。
【００９８】
マスクは形状が図２４（ａ）と開口部幅以外は同じものを使用する。開口部幅はａ（１．８μｍ）、ｂ（３．７μｍ）、ｃ（４．７μｍ）、ｄ（５．９μｍ）、ｅ（７．６μｍ）、ｆ（９．３μｍ）である。本実施形態においては、圧力が５Ｐａ、６Ｐａ、７Ｐａ、１０Ｐａ、１５Ｐａそれぞれについて拡散距離が７μｍ、６．５μｍ、６μｍ、５μｍ、４μｍであるとする。この圧力と拡散距離の関係はエッチング装置に依存するのでエッチング装置によって異なる。ここでは圧力を変化させることによって拡散距離を変化させることが重要である。
【００９９】
図２８に、マスク端での水素プラズマ濃度をＣｓ、３ｘＣｓ、１０ｘＣｓで変化させるとともに拡散距離を４μｍから７μｍまで変化させる場合（圧力を１５Ｐａから５Ｐａまで変化させる場合に相当）のマスク端からの水素プラズマの分布を示す。この図において水素プラズマの相対量（縦軸）が０．３〜０．６のときに上述のようにエッチングとポリマーの生成が同時に生じるために表面の凹凸が著しく大きくなると仮定する。
【０１００】
まず、マスク端での水素プラズマ濃度がＣｓ、拡散距離が５μｍである場合、開口部幅がａ（１．８μｍ）以下で水素プラズマの相対量が０．６以上になりエッチングが支配的に起きる。一方、ｂ（３．７μｍ）以上で水素プラズマの相対量が０．３以下になりポリマーの生成が支配的に起きる。
【０１０１】
次に、マスク端での水素プラズマ濃度が３ｘＣｓ、拡散距離が４μｍである場合、開口部幅がｂ（３．７μｍ）以下で水素プラズマの相対量が０．６以上になりエッチングが支配的に起きる。一方、ｃ（４．７μｍ）以上で水素プラズマの相対量が０．３以下になりポリマーの生成が支配的に起きる。
【０１０２】
次に、マスク端での水素プラズマ濃度が３ｘＣｓ、拡散距離が５μｍである場合、開口部幅がｃ（４．７μｍ）以下で水素プラズマの相対量が０．６以上になりエッチングが支配的に起きる。一方、ｄ（５．９μｍ）以上で水素プラズマの相対量が０．３以下になりポリマーの生成が支配的に起きる。
【０１０３】
次に、マスク端での水素プラズマ濃度が３ｘＣｓ、拡散距離が６．５μｍである場合、開口部幅がｄ（５．９μｍ）以下で水素プラズマの相対量が０．６以上になりエッチングが支配的に起きる。一方、ｅ（７．６μｍ）以上で水素プラズマの相対量が０．３以下になりポリマーの生成が支配的に起きる。
【０１０４】
マスク端での水素プラズマ濃度が１０ｘＣｓ、拡散距離が６−７μｍである場合、開口部幅がｅ（７．６μｍ）以下で水素プラズマの相対量が０．６以上になりエッチングが支配的に起きる。一方、ｆ（９．３μｍ）以上で水素プラズマの相対量が０．３以下になりポリマーの生成が支配的に起きる。
【０１０５】
したがって、このような開口部幅を用いて、まず、マスク端での水素プラズマ濃度がＣｓ、拡散距離が５μｍとなる条件でエッチング（メタン／水素プラズマ照射）を行うと、開口部幅がａ（１．８μｍ）以下でエッチングが支配的に起きるので、開口部ａのみがエッチングされる。一方、ｂ（３．７μｍ）以上でポリマーの生成が支配的に起きるので、開口部ｂ−ｆの表面はポリマーが生成され凹凸はほとんど生じない。
【０１０６】
次に、マスク端での水素プラズマ濃度が３ｘＣｓ、拡散距離が４μｍとなる条件でエッチング（メタン／水素プラズマ照射）を行うと、開口部幅がｂ以下でエッチングが支配的に起きるので、開口部ａ、ｂがエッチングされる。一方、ｃ以上でポリマーの生成が支配的に起きるので、開口部ｃ−ｆの表面はポリマーが生成され凹凸はほとんど生じない。
【０１０７】
次に、マスク端での水素プラズマ濃度が３ｘＣｓ、拡散距離が５μｍとなる条件でエッチング（メタン／水素プラズマ照射）を行うと、開口部幅がｃ以下でエッチングが支配的に起きるので、開口部ａ−ｃがエッチングされる。一方、ｄ以上でポリマーの生成が支配的に起きるので、開口部ｄ−ｆの表面はポリマーが生成され凹凸はほとんど生じない。
【０１０８】
同様に図２８に基づいて水素プラズマ濃度；３ｘＣｓについて拡散距離；６．５μｍ、さらに水素プラズマ濃度；１０ｘＣｓについて拡散距離を６μｍ、７μｍと変化させることにより、エッチングされる開口部幅をｄからｆまで順に変化させることができる。
【０１０９】
ここで、マスク端での水素プラズマ濃度は水素流量に相当するので、マスク端での水素プラズマ濃度がＣｓ，２ｘＣｓ，１０ｘＣｓとするためにプラズマ条件である水素流量をそれぞれ５ｓｃｃｍ、１０ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍと設定する。
【０１１０】
以上のように、表面で凹凸を著しく増加させるようなエッチングとポリマーの生成が同時に起きるような水素プラズマ量の領域を避けるように、プラズマ条件（水素流量、拡散距離または圧力）とマスク形状（開口部幅）を設定することにより、表面の凹凸を抑制して同一面内でエッチング深さが異なる形状を加工することができる。
【０１１１】
仮に、本発明によることなく、第二の開口部幅を３．０μｍと設定した場合、マスク端での水素プラズマ濃度がＣｓ、拡散距離が５μｍとなる条件でエッチングしたとき３μｍの開口部幅における水素プラズマの相対量は０．４程度となるのでエッチング後の表面の凹凸は著しく増加する。このように一度生じた表面の凹凸形状は、その後エッチングを施しても維持されるので、作製される導波路層における第２の開口部に相当する領域に導波路層表面には凹凸が残ることになる。このような凹凸が生じると、この表面上に積層する結晶の品質が劣化するので問題となる。また、導波路層に光を導波させるときに凹凸部により光が散乱するので問題となる。
【０１１２】
以上のように、本発明によれば、プラズマ条件（水素流量）とマスク形状（開口部幅）を設定することにより、表面の凹凸を抑制して同一面内でエッチング深さが異なる形状を加工することができるので、導波路層上に積層されるクラッド層の結晶品質を良好に維持することができ、導波路層に凹凸部により光が散乱することなく光損失を抑制して光を導波させることができる。
【０１１３】
以下に本実施形態による深さの異なる回折格子の作製方法を説明する。尚、開口部が順にエッチングされる過程は図２４（ａ）〜（ｅ）と同様であるため、ここでは図２４（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明する。
【０１１４】
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５ｓｃｃｍ、放電電力が１００Ｗ、ガス圧力が１０Ｐａで施すと、幅が１．８μｍの開口部ａにおいては、マスク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１．８μｍより広い開口部ｂ−ｆにおいては、マスク上から水素の供給が不足するので、ポリマーが堆積してエッチングが進行しない（図２４（ｂ）と同様）。
【０１１５】
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２４（ｃ）と同様）。次に、水素流量とガス圧力を変化させた条件（メタン流量４０ｓｃｃｍ、水素流量１５ｃｃｍ、ガス圧力が１５Ｐａ、放電電力が１００Ｗ）でＲＩＥを施すと、幅が３．７μｍ以下の開口部ａ、ｂ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。
【０１１６】
一方、幅が３．７μｍより広い開口部ｃ−ｆにおいては、マスク上から水素の供給が不足するので、ポリマーが堆積してエッチングが進行しない（図２４（ｄ）と同様）。従って、幅が１．８μｍの開口部ａ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、その深さは幅が開口部ｂの深さよりも深くなる。
【０１１７】
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、水素流量を圧力を変化させたＲＩＥ、酸素プラズマ照射を交互に繰り返すことにより、深さの異なる回折格子を形成することができる。図２８に従えば、水素流量１５ｓｃｃｍについて圧力を１０Ｐａ、６Ｐａ、水素流量５０ｓｃｃｍについて圧力を７Ｐａ、５Ｐａと変化させることにより、開口部ｃからｆを順にエッチングすることができる。したがって、開口部ａ−ｆまで順に深さが変化する（開口部ａが最も深く開口部ｆが最も浅い）回折格子を作製することができる。
【０１１８】
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に示す素子構造が作製される。
【０１１９】
以上のようにエッチングをする際に水素流量とともに圧力（拡散距離）を変化させれば水素流量だけを変化させる場合に比べて詳細にエッチング条件を設定できるので、より微細な深さの変化を有する回折格子を表面の凹凸が抑制して作製することができる。
【０１２０】
以上のように、本実施形態を用いれば、簡易に深さ（結合係数）が変化する回折格子の作製することができる。作製された素子は回折格子における表面の凹凸が抑制されるため、光損失が低減され、設計通りにサイドモードが抑制された特性を示す。
【０１２１】
本実施形態５において、３つの開口部幅を用いて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用いて、その開口部幅に応じた水素流量および圧力（拡散距離）の条件下でメタン／水素ＲＩＥを施すことにより、より他段で深さが変化するエッチングを行うことができる。このように作製された回折格子は実施形態３と同様の特性を有する。
【０１２２】
本発明ではマスクにおける開口部の外部のマスク幅を一定としたが、開口部に拡散する水素プラズマがマスク上を拡散する距離が無視できる程度の長さ（幅）であればマスク幅は一定である必要はない。例えば、図２５に示すような形状でもよい。
【０１２３】
本発明では、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く素子内で回折格子の深さが一定でなく変化していれば同様の効果が得られる。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。
【０１２４】
また、本発明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。また、本発明による回折格子を用いた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など）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。
【０１２５】
また、本発明では、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メタンを用いたが、エタン等の他の炭化水素系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水素ガスと共に窒素やアルゴンを用いても構わない。
【０１２６】
また、ポリマーを除去するために酸素プラズマを照射したが、酸素を含むプラズマでもよい。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。
【０１２７】
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。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。
【符号の説明】
【０１２８】
８１、８２  マスク
８３、８４  エッチング種
１５０  ｎ型ＩｎＰ基板
１５１  ｎ型ＩｎＰバッファ層
１５２  回折格子  
１５３  ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層
１５４  活性層（発光波長：１．５５μｍ、活性層長：４００μｍ）
１５５  ＤＢＲ回折格子領域ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．４μｍ）ガイド層
１５８  ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）ガイド層
１５７  ｐ型ＩｎＰクラッド層
１５８  ｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．８５μｍ）コンタクト層
１５９１  ｎ型オーミック電極
１５９２  ｐ型オーミック電極
４１１、５１１  半導体
４１２、５１２  エッチング種
１０１０  半導体
１０１１、１０２１  マスク
１０１２  エッチング種
１１１０  試料
５１３、１１２０  マスク
１３１０  ＩｎＰ基板
１３１１  ＩｎＰクラッド層
１３２１、１３４１  窒化シリコン（ＳｉＮX）膜
１３３１  レジストパターン
１８００、２８００  ｎ型ＩｎＰ基板
１８０１  ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）導波路層
１８０２  ＩｎＰクラッド層
１９００、１９１３、２０１０  開口部幅
１９０１、１９１５、２０１１  マスク幅
１９０２  導波路長
１９１１  マスク
１９１２  回折格子の長さ
１９１４  ピッチ
２００１、２００２、２００３  開口部
２８０１  ｎ型ＩｎＰバッファ層
２８０２  活性層
２８０３  スポットサイズ変換用ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）ガイド層
２８０４  ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層
２８０５  ｐ型ＩｎＰ埋込み層
２８０６  ｎ型ＩｎＰ埋込み層
２８０７  ｐ型ＩｎＰクラッド層
２８０８  ｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．６５μｍ）コンタクト層
２８０９  ＳｉＯ2層
２８１０  ｎ型オーミック電極
２８１１  ｐ型オーミック電極
【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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