JP2013149750A - 回折格子の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物の面内におけるエッチングレートのばらつきを低減しつつ、回折光の強度を精度良く検出してエッチング深さを高い精度で制御する。
【解決手段】回折格子のパターンを含むエッチングマスクをウエハ２０の表面２２上に形成する。ウエハ２０の表面２２に対してレーザ光Ｌ１を照射しながらウエハ２０上にエッチング液Ｅを供給しつつエッチング液Ｅをウエハ２０上に保持し、エッチング液Ｅの液面高さが所定高さに到達したことを、表面２２からの回折光Ｌ２の光軸が所定位置に到達したことにより認識したのち、エッチング液Ｅの供給を停止する。表面２２に対してレーザ光Ｌ１を照射しながら回折光Ｌ２の強度を測定し、ウエハ２０のエッチング深さが所定深さに到達したことを回折光Ｌ２の強度が所定強度に達したことにより認識したのち、エッチング液Ｅを除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回折格子の作製方法に関するものである。

特許文献１には、基板表面をエッチングして周期性凹凸パターンを形成するための装置が記載されている。図１３は、この文献に記載された装置の構成を示す図である。同図に示されるように、この装置１００では、凹凸パターンのためのマスクが表面に形成された基板１０１と、この基板１０１をエッチングするためのエッチング液１０２とが容器１０３に収容される。基板１０１の表面には、光源１０４から容器１０３の側壁を透過したレーザ光Ｌ１が照射される。このレーザ光Ｌ１の照射によって基板１０１の表面において生じる回折光Ｌ２は、光検知器１０５によって検出される。また、レーザ光源１０４から出射されたレーザ光Ｌ１の一部は、ハーフミラー１０６によって分光されて光検知器１０７により検出される。そして、光検知器１０７において検出されるレーザ光Ｌ１の強度と、光検知器１０５において検出される回折光Ｌ２の強度との比に基づいて、基板１０１におけるエッチング深さが制御される。

特開昭６２−２９９８０６号公報

図１３に示された装置１００では、容器１０３内に満たされたエッチング液１０２の中に基板１０１を浸漬してエッチングを行う。しかしながら、このようなエッチング方法では、基板１０１の面内においてエッチングレートにばらつきが生じ易いという問題がある。例えば、エッチング液を撹拌することなく基板１０１を浸漬すると、エッチング液１０２に生じる自然対流や、エッチング液１０２の深さ方向における濃度分布の偏りによって、基板１０１の面内でエッチングレートのばらつきが生じてしまう。また、エッチング液を撹拌しながら基板１０１を浸漬すると、基板１０１に対するエッチング液１０２の流れの向きによって、エッチングレートのばらつきが生じてしまう。例えば、エッチング液１０２が基板１０１の右から左へ流れる場合には、基板１０１の右半面のエッチングレートが左半面と比べて速くなってしまう。

また、図１３に示された装置１００では、次のような問題も生じる。すなわち、装置１００では、容器１０３内に満たされたエッチング液１０２の中に基板１０１を浸漬するので、レーザ光Ｌ１はエッチング液１０２中を進行したのちに基板１０１の表面に到達し、また、回折光Ｌ２は該エッチング液１０２中を進行したのちに光検知器１０５に到達する。例えばレーザダイオードに形成される回折格子を例に挙げると、そのエッチング深さは２０ｎｍ程度であり、回折光Ｌ２の強度はレーザ光Ｌ１の強度の０．２％〜１．０％程度である。したがって、例えばレーザ光Ｌ１の強度を８ｍＷとすると、回折光Ｌ２の強度は０．０２ｍＷ〜０．０８ｍＷと極めて小さい。また、レーザ光Ｌ１や回折光Ｌ２がエッチング液の中を進むとき、その距離が長くなるほど減衰量も大きくなる。図１３に示された装置１００では、レーザ光Ｌ１及び回折光Ｌ２がエッチング液中を進む距離が長いため、光検知器１０７での回折光Ｌ２の強度が不足してレーザ光Ｌ１と回折光Ｌ２との強度比を精度良く得ることが困難となるおそれがある。

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、被加工物の面内におけるエッチングレートのばらつきを低減しつつ、回折光の強度を精度良く検出してエッチング深さを高い精度で制御できる回折格子の作製方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明による回折格子の作製方法は、被加工物の表面に回折格子を作製する方法であって、回折格子のパターンを含むエッチングマスクを被加工物の表面上に形成するマスク形成工程と、被加工物の表面に対してレーザ光を入射角α（０°＜α＜９０°）で照射しながら被加工物上にエッチング液を供給しつつ該エッチング液を被加工物上に保持し、エッチング液の液面高さが所定の高さに到達したことを、被加工物の表面からの回折光の光軸が所定位置に到達したことにより認識したのち、エッチング液の供給を停止するエッチング液供給工程と、被加工物の表面に対してレーザ光を照射しながら回折光の強度を測定し、被加工物のエッチング深さが所定深さに到達したことを回折光の強度が所定強度に達したことにより認識したのち、エッチング液を除去するエッチング深さ制御工程とを含むことを特徴とする。

この作製方法では、被加工物上にエッチング液を供給しつつ該エッチング液を被加工物上に保持し、エッチング液の液面高さが所定の高さに到達したのち、エッチング液の供給を停止する。このとき、エッチング液は、例えば表面張力によって、被加工物上から流れ出ることなく保持される。そして、エッチング液の液面高さは、例えば２ｍｍといった極めて小さな値となり、且つ、被加工物の表面全体においてほぼ均一となる。このような方法によれば、被加工物の表面上において生じるエッチング液の対流の大きさのばらつきが抑えられるので、被加工物表面の各位置に曝されるエッチング液の流量を均一に近づけることができる。したがって、上記作製方法によれば、被加工物の面内におけるエッチングレートのばらつきを低減することができる。

また、前述したように、被加工物の表面に対してレーザ光を照射すると、被加工物の表面から回折光が得られる。そして、この回折光はエッチング液の液面において屈折するが、エッチング液の供給によってエッチング液の液面高さが徐々に増すと、被加工物の表面からの屈折点の高さが変化し、これによって回折光の光軸の位置が徐々に変化する。このような現象を利用して、上記作製方法では、エッチング液の液面高さが所定の高さに到達したことを、被加工物の表面からの回折光の光軸が所定位置に達したことにより認識する。このような方法によって、エッチング液の微小な液面高さを精度良く制御することができるので、被加工物の面内におけるエッチングレートのばらつきを効果的に低減することができる。

また、上記作製方法では、被加工物に対するエッチング深さが所定深さに到達したことを、回折光の強度が所定強度に達したことにより認識する。前述したように、上記作製方法では被加工物表面におけるエッチング液の液面高さが極めて低いので、レーザ光源から照射されたレーザ光がエッチング液中を通過する距離、および回折光がエッチング液中を通過する距離は、特許文献１に記載された装置と比較して極めて短い。したがって、レーザ光および回折光の減衰量が小さくなり、回折光の強度を十分な精度で検出することができる。さらに、エッチング液の液面高さを精度よく制御することで、液面高さを一定に保持することで、レーザー光の減衰量を一定とすることが出来る。このため、安定して回折光強度を十分な精度で検出することができる。すなわち、上記作製方法によれば、回折光の強度に基づいてエッチング深さを精度良く、かつ安定して制御することができる。

また、回折格子の作製方法は、エッチング液供給工程の際に、回折光の光軸が所定位置に到達したときの回折光の光軸上に光検出器を配置しておき、該光検出器において回折光が検出されたことをもって回折光の光軸が所定位置に達したことを検知することを特徴としてもよい。このように、回折光の光軸が所定位置に達したことを検知することにより、エッチング液の供給量が規定の値に到達したことを容易に検知することができる。

また、回折格子の作製方法は、エッチング液供給工程の際に、エッチング液の供給量に対する液面高さの変化率がほぼゼロとなるときの液面高さに対応する回折光の光軸の位置を所定位置に設定することを特徴としてもよい。本発明者は、エッチング液の供給量と液面高さとが厳密には比例しておらず、エッチング液を供給しても液面高さが殆ど変化しない瞬間が存在することを研究の末見出した。このような液面高さでもってエッチング液の供給を停止することにより、エッチング液の供給停止のタイミングが多少前後しても液面高さをほぼ一定に制御できるので、エッチング液の微小な液面高さを更に精度良く制御することができる。

また、回折格子の作製方法は、回折格子を構成する凹凸の延在方向とレーザ光の光軸との成す角が所定の角度に近づくように、被加工物の表面と交差する軸周りの被加工物の角度を調整する角度調整工程をエッチング液供給工程の前に更に含むことを特徴としてもよい。このような工程によって、回折格子とレーザ光の光軸との相対角度を好適な角度に調整することにより、被加工物表面において生じる回折光の強度を高め、回折光の強度をより精度良く検出することができる。

また、回折格子の作製方法は、角度調整工程の際に、被加工物の表面にレーザ光を照射し、被加工物の表面からの回折光を所定位置に設置されたスクリーンに投影しながら回折光の像をスクリーン上の目印に近づけることにより被加工物の角度を調整することを特徴としてもよい。このような方法により、回折格子とレーザ光の光軸との相対角度を容易に調整することができる。

また、回折格子の作製方法は、エッチング液供給工程の前に、被加工物の表面に紫外光を照射する工程を更に含むことを特徴としてもよい。これにより、被加工物の表面を改質し、面内の表面張力を均一に近づけることができるので、エッチング液の液面をより平坦にし、被加工物の面内におけるエッチングレートのばらつきを更に効果的に低減することができる。

本発明による回折格子の作製方法によれば、被加工物の面内におけるエッチングレートのばらつきを低減しつつ、回折光の強度を精度良く検出してエッチング深さを高い精度で制御できる。

図１（ａ）は、第１実施形態に係る回折格子の作製方法に用いられるエッチング装置の構成を示す図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示されたウエハの一部分を拡大して示す側面図である。 図２は、第１実施形態に係る回折格子の作製方法を示すフローチャートである。 図３は、第１実施形態に係る作製方法におけるマスク形成工程および表面改質工程でのウエハを示す図である。 図４は、第１実施形態に係る作製方法における角度調整工程でのウエハを示す図である。 図５は、第１実施形態に係る作製方法におけるエッチング液供給工程およびエッチング深さ制御工程でのウエハを示す図である。 図６は、エッチング液の液面の高さと、回折光の光軸の位置との関係を説明するための図である。 図７は、エッチング液の供給量と、液面高さとの関係の一例を示すグラフである。 図８（ａ）〜（ｇ）は、図７の各点ａ〜ｇにおける液面の様子を示す側面図である。 図９は、ウエハ上におけるエッチング液の挙動を模式的に示す図である。 図１０は、回折光の強度とエッチング深さとの関係をプロットしたグラフである。 図１１（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における各工程を示す図であって、半導体レーザ素子の光導波方向に対して直交する方向から見た図である。 図１２（ａ）〜（ｄ）は、第２実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法における各工程を示す図であって、半導体レーザ素子の光導波方向から見た図である。 図１３は、特許文献１に記載された装置の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による回折格子の作製方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る回折格子の作製方法に用いられるエッチング装置１０の構成を示す図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示されたウエハ２０の一部分を拡大して示す側面図である。なお、これらの図には、理解の容易の為にＸＹＺ直交座標系が示されている。

図１（ａ）に示されるように、このエッチング装置１０は、被加工物であるウエハ２０を支持するステージ１１を備えている。ウエハ２０は、例えばＩｎＰ系半導体といった化合物半導体から成る板状の部材であって、ステージ１１のウエハ載置面１１ａ上に載置される。ウエハ載置面１１ａは、鉛直方向（Ｚ軸方向）に対して垂直な平面に沿って延びる水平且つ平坦な面である。図１（ｂ）に示されるように、ウエハ２０の表面２２上には、回折格子のパターンを有するエッチングマスクＭ１が形成されている。

また、エッチング装置１０は、ウエハ２０の表面２２にエッチング液Ｅを供給するエッチング液供給部１３と、ウエハ２０の表面２２に洗浄水を供給する水供給部１４とを更に備えている。エッチング液供給部１３は、エッチング液Ｅを収容するエッチング液タンク１３ａと、エッチング液タンク１３ａから流出するエッチング液Ｅの流量を調節するバルブ１３ｂと、ウエハ２０の表面２２に向けてエッチング液Ｅを放出するノズル１３ｃとを有する。エッチング液Ｅによってウエハ２０の表面がエッチングされることにより、ウエハ２０の表面２２に回折格子２１（図１（ｂ）を参照）が形成される。水供給部１４は、洗浄水を収容する水タンク１４ａと、水タンク１４ａから流出する洗浄水の流量を調節するバルブ１４ｂと、ウエハ２０の表面に向けて洗浄水を放出するノズル１４ｃとを有する。ウエハ２０の表面２２のエッチングが所定の深さに達すると、水供給部１４からウエハ２０の表面に洗浄水が放出されてエッチング液Ｅが洗い流される。

また、エッチング装置１０は、レーザ光源１５及び光検出器１６を更に備えている。レーザ光源１５は、ウエハ２０の表面２２にレーザ光Ｌ１を照射する。ウエハ２０の表面２２にエッチング液Ｅが存在する場合、レーザ光Ｌ１はエッチング液Ｅの表面において屈折したのちウエハ２０の表面２２に到達する。なお、ウエハ２０の表面に対するレーザ光Ｌ１の入射角αは、例えば４７°（回折格子のピッチが２００ｎｍの場合）や６０°（回折格子のピッチが２５０ｎｍの場合）といった値である。

レーザ光Ｌ１は、ウエハ２０の表面２２において周期的に反射し、干渉縞を含む回折光Ｌ２となって取り出される。ウエハ２０の表面２２にエッチング液Ｅが存在する場合、回折光Ｌ２はエッチング液Ｅの表面において屈折する。光検出器１６は、表面２２に対する出射角がβである回折光Ｌ２の強度を検出する。出射角βが次の数式（１）を満足するとき、干渉縞に含まれる強め合った光が光検出器１６において検出される。但し、ｋは１以上の整数、λはレーザ光Ｌ１の波長、ｄは回折格子２１のピッチである。
（１／２）ｋλ＝ｄ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ） ・・・（１）

また、エッチング装置１０は、ステージ回転機構１２及びスクリーン１７を更に備えている。ステージ回転機構１２及びスクリーン１７は、ステージ１１のウエハ載置面１１ａの法線方向（Ｚ軸方向）から見た、ウエハ２０の回折格子２１の向きとレーザ光Ｌ１の光軸との相対角度を調整する際に用いられる。なお、回折格子２１の向きは、例えば回折格子２１を構成する凹凸が延在する方向（図１ではＹ軸方向）によって規定される。ステージ回転機構１２は、ウエハ２０の表面２２と交差する（一実施例では、ウエハ載置面１１ａに垂直な）回転軸Ｒ周りにステージ１１を任意の角度だけ回転させることができる。スクリーン１７は、ウエハ２０の回折格子２１の向きとレーザ光Ｌ１の光軸との相対角度が最適な角度であるときの回折光Ｌ２の光軸上に配置される。最適な角度とは、例えば回折格子２１の凹凸が延在するＹ軸方向と、レーザ光Ｌ１の光軸との成す角が９０°となる角度である。スクリーン１７には、回折光Ｌ２の光軸の最適位置を表す目印が描かれているとよい。

続いて、本発明の一実施形態に係る回折格子の作製方法について説明する。図２は、本実施形態に係る回折格子の作製方法を示すフローチャートである。また、図３〜図５は、この作製方法における各工程でのウエハ２０を示す図である。なお、以下に説明する方法は、例えば上述したエッチング装置１０を用いて好適に実施される。

＜マスク形成工程＞
まず、図３（ａ）に示されるように、ウエハ２０の表面２２上にエッチングマスクＭ１を形成する（図２の工程Ｓ１１）。エッチングマスクＭ１は、回折格子２１の為の周期的なパターンを含む。具体的には、エッチングマスクＭ１は、回折格子２１を構成する凹凸の延在方向（Ｙ軸方向）を長手方向とする複数の開口を有しており、該複数の開口は、上記延在方向と直交する方向（Ｘ軸方向）に並んで配置されている。エッチングマスクＭ１は、例えばフォトリソグラフィ、ナノインプリント或いは電子ビーム露光等によって好適に形成される。なお、複数の開口の周期（すなわち回折格子の周期）は、例えば２００ｎｍ〜４００ｎｍである。また、エッチングマスクＭ１の厚さは例えば１５ｎｍ〜２５ｎｍである。

＜表面改質工程＞
次に、図３（ｂ）に示されるように、ウエハ２０の表面２２に紫外光ＵＶを照射する（図２の工程Ｓ１２）。この工程は、ウエハ２０の表面２２及びエッチングマスクＭ１を改質して濡れ性を一定とし、表面２２の面内におけるエッチング液Ｅの表面張力を均一に近づける為に行われる。紫外光ＵＶの強さは例えば８００ｍＷ／ｃｍ^２であり、照射時間は例えば５秒間である。

＜角度調整工程＞
続いて、図４に示されるように、ウエハ２０の表面２２と交差する軸Ｒ（図１を参照）周りのウエハ２０の角度を調整することにより、回折格子２１の凹凸の延在方向（すなわちＹ軸方向。この段階では、エッチングマスクＭ１が有する複数の開口の長手方向）と、レーザ光Ｌ１の光軸との成す角θを所定の角度に近づける（図２の工程Ｓ１３）。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、ウエハ２０を表面２２の法線方向（Ｚ軸方向）から見た平面図である。図４（ａ）は角度調整前の様子を示しており、図４（ｂ）は角度調整後の様子を示している。ここで、所定の角度とは、例えば９０°である。また、このように角θを所定の角度に近づけておくことにより、後述する工程において、予め所定位置に配置される光検出器１６に回折光Ｌ２を好適に入射させることができる。

具体的には、ウエハ２０をエッチング装置１０のステージ１１上に載置したのち、レーザ光源１５からレーザ光Ｌ１をウエハ２０の表面２２へ照射する。そして、表面２２から得られる回折光Ｌ２をスクリーン１７に投影しながら、回折光Ｌ２の像がスクリーン１７に描かれた目印に近づくようにステージ回転機構１２によってステージ１１を回転させる。こうして、回折格子２１の凹凸の延在方向と、レーザ光Ｌ１の光軸との成す角θを所定の角度に容易に近づけることができる。なお、この工程における回折光Ｌ２の強度は例えば０．０１ｍＷ程度である（エッチングマスクＭ１の厚さが１８ｎｍ、レーザ光Ｌ１の強度が８ｍＷの場合）。

＜エッチング液供給工程＞
続いて、図５に示されるように、ウエハ２０の表面２２上にエッチング液供給部１３（図１（ａ）を参照）からエッチング液Ｅを供給しつつ、エッチング液Ｅの表面張力によってエッチング液Ｅを表面２２上に保持する。同時に、ウエハ２０の表面２２に対してレーザ光Ｌ１を入射角α（０°＜α＜９０°）で照射する（図２の工程Ｓ１４）。なお、ウエハ２０がＩｎＰ系半導体からなる場合、エッチング液Ｅとしては、例えば水、臭化水素酸（密度１．４８ｇ／ｃｍ^３（２０℃））、及び飽和臭素水を４０：１０：１の比率で混合したものを用いることができる。

ここで、図６は、エッチング液Ｅの液面の高さと、回折光Ｌ２の光軸の位置との関係を説明するための図である。図６に示されるように、エッチング液Ｅの液面高さがＨ１である場合、レーザ光源１５からレーザ光Ｌ１が照射されると、レーザ光Ｌ１は液面にて屈折したのち表面２２上の点Ｐ１に到達する。そして、その回折光Ｌ２に含まれる或る強め合った光は、液面にて再び屈折しつつエッチング液Ｅから出射し、光軸Ａ１上を進む。また、エッチング液Ｅの液面高さがＨ１より高いＨ２である場合、レーザ光Ｌ１は液面にて屈折したのち表面２２上の点Ｐ２に到達する。そして、その回折光Ｌ２に含まれる或る強め合った光は、液面にて再び屈折しつつエッチング液Ｅから出射し、光軸Ａ１とは異なる光軸Ａ２上を進む。このように、エッチング液Ｅの液面高さが徐々に増すと、ウエハ２０の表面２２からの屈折点の高さが変化するので、回折光Ｌ２の光軸の位置が徐々に変化する。したがって、回折光Ｌ２の光軸の位置に基づいてエッチング液Ｅの液面高さを精度良く検知することができる。

具体的には、エッチング液Ｅの液面が所定の高さＨ３に達したとき、回折光Ｌ２の光軸は、所定位置の光軸Ａ３に到達する。したがって、本実施形態では、この光軸Ａ３上に光検出器１６を配置しておき、光検出器１６において回折光Ｌ２の強め合った光が検出されたことをもって、回折光Ｌ２の光軸が所定位置（Ａ３）に達したことを検知する。そして、光軸が所定位置（Ａ３）に達したことをもって、エッチング液Ｅの液面高さが所定の高さＨ３に到達したこと、及びエッチング液Ｅの供給量が規定の値に到達したことを認識する。その後、エッチング液供給部１３のバルブ１３ｂを閉じて、エッチング液Ｅの供給を停止する（図２の工程Ｓ１５）。なお、光検出器１６において受光強度が所定の閾値を超えた場合に、エッチング液供給部１３のバルブ１３ｂを自動的に閉じるようにしてもよい。

ここで、図７は、エッチング液Ｅの供給量と、液面高さとの関係の一例を示すグラフである。図７において、横軸はエッチング液Ｅの供給量（単位：ｃｍ^３）を表しており、縦軸は液面高さ（単位：ｍｍ）を表している。また、図８（ａ）〜（ｇ）は、本発明者の観察によって得られた、図７の各点ａ〜ｇにおける液面の様子を示す側面図である。図８において、ｈは各段階における液面高さを示している。

ウエハ２０上へのエッチング液Ｅの供給が開始されると、図８（ａ）に示されるように、まず、ウエハ２０の周縁部上の液面が盛り上がり、その内側の液面が凹んだ状態となる。この状態でエッチング液Ｅの供給を続けると、図８（ｂ）に示されるように、ウエハ２０の周縁部上の液面は殆ど変化せず、その内側の液面高さが次第に高くなる。したがって、図７に示されるように、液面高さｈは次第に増加する。

続いて、エッチング液Ｅの供給を続けると、図８（ｃ）に示されるように、ウエハ２０の周縁部上の液面高さとその内側の液面高さとがほぼ等しくなる。更に、図８（ｄ）に示されるように、エッチング液Ｅの液面は、ウエハ２０の外縁を超えて張り出すような形状となる。図８（ｃ）に示される状態から図８（ｄ）に示される状態までの間、図７に示されるようにエッチング液Ｅの液面高さｈは殆ど変化しない。

続いて、エッチング液Ｅの供給を続けると、図８（ｅ）に示されるように、エッチング液Ｅの液面は、ウエハ２０の外縁を超えて張り出した状態を維持しつつ、高さ方向に増加する。このとき、液面高さｈは更に増加する。その後、図８（ｆ）に示されるように、エッチング液Ｅの液面高さｈが再び増加しなくなり、ウエハ２０の外縁を超えた張り出し量が次第に増加する。最後に、図８（ｇ）に示されるように、エッチング液Ｅの液量が表面張力の限界を超えて、エッチング液Ｅがウエハ２０の周囲に落下する。

このように、本発明者の観察によれば、エッチング液Ｅを一定の流量で供給した場合であっても、ウエハ２０上のエッチング液Ｅの液面高さｈの増加速度は一律ではなく、液面高さｈが殆ど変化しなくなる瞬間が存在する。そこで、本実施形態では、エッチング液Ｅの供給量に対する液面高さｈの変化率がほぼゼロとなるときの液面高さ（図７における高さｈ１又はｈ２）でもってエッチング液Ｅの供給を停止する。この方法により、エッチング液Ｅの供給停止のタイミングが複数のウエハ２０において多少前後しても、ウエハ２０間の液面高さのばらつきを抑え、液面高さをほぼ一定に制御できるので、エッチング液Ｅの微小な液面高さを精度良く制御することができる。

具体的には、これらの液面高さｈ１又はｈ２に対応する回折光Ｌ２の光軸の位置を、所定位置（図６に示された光軸Ａ３の位置）に設定し、この光軸上に光検出器１６を配置する。そして、光検出器１６において回折光Ｌ２が検出されたときにエッチング液Ｅの供給を停止するとよい。

＜エッチング深さ制御工程＞
続いて、図５（ｂ）に示されるように、ウエハ２０に対してエッチング液Ｅによるウェットエッチングを進行させる。この工程では、エッチングマスクＭ１の開口から露出したウエハ２０の表面２２の部分がエッチング液Ｅによってエッチングされ、当該部分に凹部が形成されることにより、回折格子２１が形成される。そして、エッチング深さが所定の深さに達した時点でエッチング液Ｅを洗い流し、エッチングを停止する（図２の工程Ｓ１６）。

ここで、図９は、ウエハ２０上におけるエッチング液Ｅの挙動を模式的に示す図である。エッチング液Ｅの内部では、図９に示されるように小さな対流Ｃが無数に生じ、これらの対流Ｃによってウエハ２０の表面２２に接するエッチング液Ｅが流動し、エッチングが進行する。また、ウエハ２０上において表面張力により保持されたエッチング液Ｅの液面高さは、例えば２ｍｍといった極めて小さな値となる。また、エッチング液Ｅの液面高さは、ウエハ２０の表面２２全体においてほぼ均一となる。したがって、エッチング液Ｅの内部に生じる対流Ｃの大きさのばらつきが抑えられ、ウエハ２０の表面２２の各位置に曝されるエッチング液Ｅの流量を均一に近づけることができる。したがって、ウエハ２０の面内におけるエッチングレートのばらつきを低減することができる。

また、エッチング深さが所定の深さに達したか否かは、次のようにして認識することができる。先に述べたエッチング液供給工程から続けて、レーザ光Ｌ１をウエハ２０の表面２２に対して照射する。同時に、光検出器１６において回折光Ｌ２の強度を測定する。ここで、図１０は、回折光Ｌ２の強度とエッチング深さとの関係をプロットしたグラフである。図１０において、横軸は回折光強度（単位：ｍＷ）を表しており、縦軸はエッチング深さ（単位：ｎｍ）を表している。また、図中の直線Ｇは、近似直線である。なお、この図１０に示されるグラフは、以下の条件に基づいて測定を行った結果である。
レーザ光Ｌ１の波長：３６３．８ｎｍ
レーザ光Ｌ１の強度：８ｍＷ／ｃｍ^２
回折格子のピッチ：２０２．７ｎｍ
レーザ光Ｌ１の入射角α：７１度３７分
回折光Ｌ２の出射角β：２度５４分
図１０から明らかなように、回折光Ｌ２の強度とエッチング深さとは互いに比例している。したがって、回折光Ｌ２の強度に基づいて現在のエッチング深さを知ることができる。例えば、エッチングの所定深さが２０ｎｍとすると、図１０より、回折光Ｌ２の強度が０．１３ｍＷに達した時点でエッチングを停止すれば良いことがわかる。

本実施形態では、ウエハ２０の表面２２に対してレーザ光Ｌ１を照射しながら回折光Ｌ２の強度を測定する。そして、回折光Ｌ２の強度が所定強度に達したことにより、ウエハ２０に対するエッチング深さが所定深さに到達したことを認識する。エッチング深さが所定深さに到達した後、水供給部１４から洗浄水を放出することにより、エッチング液Ｅをウエハ２０上から洗い流す。

なお、ウエハ２０がＩｎＰ系半導体からなり、エッチング液Ｅとして水、臭化水素酸（密度１．４８ｇ／ｃｍ^３（２０℃））、及び飽和臭素水を４０：１０：１の比率で混合したものを用いた場合、所望のエッチング深さが得られるまでの所要時間は、１２０秒〜２４０秒程度である。

以上に説明した、本実施形態による回折格子の作製方法によって得られる効果について説明する。前述したように、本実施形態では、エッチング液Ｅの液面高さが所定の高さに到達したことを、ウエハ２０の表面２２からの回折光Ｌ２の光軸が所定位置に達したことにより認識する。このような方法によって、エッチング液Ｅの微小な液面高さを精度良く制御することができるので、ウエハ２０の面内におけるエッチングレートのばらつきを効果的に低減することができる。

また、本実施形態では、ウエハ２０の表面２２上におけるエッチング液Ｅの液面高さが極めて低いので、レーザ光源１５から照射されたレーザ光Ｌ１がエッチング液Ｅの中を通過する距離、および回折光Ｌ２がエッチング液Ｅの中を通過する距離は、例えば特許文献１に記載された装置（図１３を参照）と比較して極めて短い。したがって、レーザ光Ｌ１および回折光Ｌ２の減衰量が小さくなるので、回折光Ｌ２の強度を十分な精度で検出することができる。さらに、エッチング液Ｅの液面高さを精度よく制御することで、液面高さを一定に保持することで、レーザ光の減衰量を一定とすることが出来る。このため、安定して回折光強度を十分な精度で検出することができる。すなわち、本実施形態の作製方法によれば、回折光Ｌ２の強度に基づいてエッチング深さを精度良く、かつ安定して制御することができる。

（第２の実施の形態）
上述した回折格子の作製方法の一応用例として、分布帰還型半導体レーザ素子の製造方法を説明する。図１１及び図１２は、本実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法における各工程を示す図である。なお、図１１（ａ）〜（ｃ）は、半導体レーザ素子の光導波方向に対して直交する方向から見た図であり、図１２（ａ）〜（ｄ）は、半導体レーザ素子の光導波方向から見た図である。

まず、図１１（ａ）に示されるように、半導体基板５０上にバッファ層（下部クラッド層）５１、活性層５２、上部クラッド層５３、及び回折格子層５４をこの順でエピタキシャル成長させる。半導体基板５０は、例えばｎ型ＩｎＰといったIII−Ｖ族化合物半導体から成る。バッファ層５１は、半導体基板５０と同じ半導体材料（ｎ型ＩｎＰ）から成る。活性層５２は、例えば単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）や多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有している。活性層５２は、例えばＩｎＧａＡｓＰから成る。上部クラッド層５３は、半導体基板５０とは導電型が逆の半導体材料（例えばｐ型ＩｎＰ）から成る。回折格子層５４は、上部クラッド層５３よりも屈折率が高い半導体材料（例えばｐ型ＩｎＧａＡｓＰ）から成る。回折格子層５４は、後の工程において回折格子が形成される層であり、第１実施形態におけるウエハ２０の表面２２に相当する層である。

次に、図１１（ｂ）に示されるように、回折格子層５４に対してエッチングを行うことにより、回折格子５４ａを形成する。回折格子５４ａの形成方法は、前述した第１実施形態と同様である。すなわち、回折格子のパターンを有するエッチングマスクを回折格子層５４上に形成したのち、回折格子層５４上にエッチング液を供給する。更に、エッチング液を供給しながら、回折格子層５４の表面にレーザ光を照射してその回折光を検出する。そして、回折光の光軸が所定の位置に達したことをもって、エッチング液の液面高さが所定高さに達したことを認識し、エッチング液の供給を停止する。その後、レーザ光を照射しつつ回折光の強度を測定し、その強度が所定強度に達したことをもってエッチング深さが所定深さに達したことを認識し、エッチング液を洗い流す。

続いて、図１１（ｃ）に示されるように、回折格子層５４上にカバー層５５をエピタキシャル成長させる。カバー層５５は、前述した上部クラッド層５３と同じ半導体材料（例えばｐ型ＩｎＰ）から成るとよい。

続いて、図１２（ａ）に示されるように、光導波方向に延びるメサ構造７０を形成する。すなわち、光導波方向を長手方向とするストライプ状のエッチングマスクＭ２をカバー層５５上に形成したのち、カバー層５５、回折格子層５４、上部クラッド層５３、活性層５２、及びバッファ層５１に対してウェットエッチングを行う。このとき、エッチング深さは例えば半導体基板５０に達する。

続いて、図１２（ｂ）に示されるように、エッチングマスクＭ２を残した状態で、ｐ型ＩｎＰ層６１、ｎ型ＩｎＰ層６２、及びｐ型ＩｎＰ層６３をこの順で成長させる。これにより、メサ構造７０の両側面に、ｐ型ＩｎＰ層６１、ｎ型ＩｎＰ層６２、及びｐ型ＩｎＰ層６３から成る電流ブロック領域６０が形成される。電流ブロック領域６０は、当該半導体レーザ素子に供給される電流の流路を、メサ構造７０に狭窄する。

続いて、エッチングマスクＭ２を除去したのち、図１２（ｃ）に示されるように、上部クラッド層５６及びコンタクト層５７をこの順でエピタキシャル成長させる。上部クラッド層５６は、前述した上部クラッド層５３と同じ半導体材料（例えばｐ型ＩｎＰ）から成るとよい。また、コンタクト層５７は、後述するアノード電極とオーミック接触を成し、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓから成る。

続いて、図１２（ｄ）に示されるように、メサ構造７０の両脇に一対の溝（トレンチ）８０を形成する。一対の溝８０は、光導波方向に延びる平面形状を有しており、その深さは例えば半導体基板５０に達する。そして、溝８０を形成したのち、コンタクト層５７の表面および溝８０の内面を覆うように絶縁膜８１を成膜する。絶縁膜８１は、例えば絶縁性シリコン化合物（一例ではＳｉＯ_２）から成るとよい。絶縁膜８１を成膜したのち、メサ構造７０上に位置する絶縁膜８１の部分に開口８１ａを形成する。そして、絶縁膜８１の開口８１ａによって露出したコンタクト層５７上にアノード電極８２を形成するとともに、半導体基板５０の裏面上にカソード電極８３を形成する。

以上の工程ののち、光導波方向と交差する方向に沿って半導体基板５０をバー状に劈開し、更にチップ状に切断することにより、半導体レーザ素子が完成する。

前述した第１実施形態に係る回折格子の作製方法は、例えば本実施形態のような半導体レーザ素子の製造に好適に用いられる。これにより、半導体基板５０の面内における回折格子層５４に対するエッチングレートのばらつきを低減しつつ、エッチング深さを高い精度で制御できるので、一枚の半導体基板５０から作製される各半導体レーザ素子の発振特性のばらつきを抑えることができる。なお、本実施形態では活性層５２の上方に回折格子５４ａを形成する方法を例示したが、活性層５２の下方（すなわち活性層５２と半導体基板５０との間）に回折格子５４ａを形成する場合であっても、前述した第１実施形態に係る回折格子の作製方法を適用することができる。

本発明による回折格子の作製方法は、上述した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、上記実施形態では回折格子を形成する前に被加工物の表面に紫外線を照射しており、また、被加工物を回転させて回折格子の向きとレーザ光の光軸との成す角を調整しているが、これらの工程は省略することができる。また、上記実施形態では、回折光の光軸が所定位置に到達したときの該光軸上に光検出器を配置し、この光検出器において回折光が検出されたことをもってエッチング液の液面高さが所定高さに到達したことを認識しているが、予め受光面積が広い光検出器を配置し、該受光面内での回折光の検出位置に基づいて、エッチング液の液面高さが所定高さに到達したことを認識してもよい。

１０…エッチング装置、１１…ステージ、１１ａ…ウエハ載置面、１２…ステージ回転機構、１３…エッチング液供給部、１４…水供給部、１５…レーザ光源、１６…光検出器、１７…スクリーン、２０…ウエハ、２１…回折格子、２２…表面、５０…半導体基板、５１…バッファ層、５２…活性層、５３…上部クラッド層、５４…回折格子層、５４ａ…回折格子、５５…カバー層、５６…上部クラッド層、５７…コンタクト層、６０…電流ブロック領域、６１…ｐ型ＩｎＰ層、６２…ｎ型ＩｎＰ層、６３…ｐ型ＩｎＰ層、７０…メサ構造、８０…溝、８１…絶縁膜、８１ａ…開口、８２…アノード電極、８３…カソード電極、Ｃ…対流、Ｅ…エッチング液、Ｌ１…レーザ光、Ｌ２…回折光、Ｍ１…エッチングマスク、Ｍ２…エッチングマスク、ＵＶ…紫外光。

Claims (6)

1. 被加工物の表面に回折格子を作製する方法であって、
   前記回折格子のパターンを含むエッチングマスクを前記被加工物の表面上に形成するマスク形成工程と、
   前記被加工物の前記表面に対してレーザ光を入射角α（０°＜α＜９０°）で照射しながら前記被加工物上にエッチング液を供給しつつ該エッチング液を前記被加工物上に保持し、前記エッチング液の液面高さが所定の高さに到達したことを、前記被加工物の前記表面からの回折光の光軸が所定位置に到達したことにより認識したのち、前記エッチング液の供給を停止するエッチング液供給工程と、
   前記被加工物の表面に対して前記レーザ光を照射しながら前記回折光の強度を測定し、前記被加工物のエッチング深さが所定深さに到達したことを前記回折光の強度が所定強度に達したことにより認識したのち、前記エッチング液を除去するエッチング深さ制御工程と
   を含むことを特徴とする、回折格子の作製方法。
2. 前記エッチング液供給工程の際に、前記回折光の光軸が前記所定位置に到達したときの前記回折光の光軸上に光検出器を配置しておき、該光検出器において前記回折光が検出されたことをもって前記回折光の光軸が前記所定位置に達したことを検知することを特徴とする、請求項１に記載の回折格子の作製方法。
3. 前記エッチング液供給工程の際に、前記エッチング液の供給量に対する前記液面高さの変化率がほぼゼロとなるときの前記液面高さに対応する前記回折光の光軸の位置を前記所定位置に設定することを特徴とする、請求項１または２に記載の回折格子の作製方法。
4. 前記回折格子を構成する凹凸の延在方向と前記レーザ光の光軸との成す角が所定の角度に近づくように、前記被加工物の前記表面と交差する軸周りの前記被加工物の角度を調整する角度調整工程を前記エッチング液供給工程の前に更に含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回折格子の作製方法。
5. 前記角度調整工程の際に、前記被加工物の前記表面に前記レーザ光を照射し、前記被加工物の前記表面からの回折光を所定位置に設置されたスクリーンに投影しながら前記回折光の像を前記スクリーン上の目印に近づけることにより前記被加工物の角度を調整することを特徴とする、請求項４に記載の回折格子の作製方法。
6. 前記エッチング液供給工程の前に、前記被加工物の前記表面に紫外光を照射する工程を更に含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の回折格子の作製方法。

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