JP4479491B2 - 回折格子形成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、第１部材の主面上の第１領域と第２領域との間で位相が互いに反転している回折格子を形成する方法に関するものである。
分布帰還型（ＤＦＢ: Distributed Feedback）の半導体レーザ素子は、半導体層間に回折格子が形成されており、この回折格子の周期に応じた波長の光をレーザ発振することができる。また、この半導体レーザ素子は、上記の回折格子において第１領域と第２領域との間で位相が互いに反転していることにより、単一モードで発振することができる。特許文献１には、上記のような位相反転部を有する回折格子を形成する方法が開示されている。
この特許文献１に開示された回折格子形成方法では、以下のようにして回折格子を形成する。先ず、元々平坦な第１部材の主面上の第１領域にマスクを形成してエッチングをすることで、第１部材の第１領域と第２領域との間に段差を形成する。続いて、第１部材の第１領域および第２領域にレジストを塗布し、このレジストに対して露光および現像の処理をすることで一定周期のマスクを形成し、このマスクを用いてエッチングすることで、これらの領域に一定周期の凹凸を形成する。さらに続いて、第１部材の第１領域および第２領域に、第１部材よりエッチングレートが小さい第２部材を形成し、その後にエッチングをする。このエッチングにより、第１領域において、前のエッチング工程で形成された凹凸が反転された凹凸を形成する。このようにして、第１領域と第２領域との間で位相が互いに反転した回折格子を形成することができる。
特開平５−１４２４０６号公報
上記特許文献１に開示された回折格子形成方法は、第１部材の第１領域と第２領域との間に段差を形成した後にレジストを塗布し、このレジストに対して露光および現像の処理をすることで一定周期のマスクを形成する。このことから、第１部材の第１領域と第２領域とでは、塗布したレジストの厚みが相違したり、露光条件が相違したりして、各々の領域に形成される回折格子の寸法や形状が相違し易い。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、第１領域と第２領域との間で位相が互いに反転している回折格子を高精度に形成することができる方法を提供することを目的とする。
第１の発明に係る回折格子形成方法は、第１部材の主面上の第１領域と第２領域との間で位相が互いに反転している回折格子を形成する方法であって、(1) 第１部材の第１領域および第２領域に一定周期で第１マスクを形成する第１マスク形成工程と、(2) 第１マスク形成工程で形成された第１マスクを用いてエッチングをすることで第１部材の第１領域および第２領域に一定周期の凹凸を形成する第１エッチング工程と、(3) 第１エッチング工程の後に第１領域および第２領域にある第１マスクを除去する第１マスク除去工程と、(4) 第１マスク除去工程の後に第１部材の第１領域および第２領域に第１部材よりエッチングレートが小さい第２部材を形成する第２部材形成工程と、(5) 第２部材形成工程の後に第１領域の第２部材上に第２マスクを形成する第２マスク形成工程と、(6) 第２マスク形成工程で形成された第２マスクを用いてエッチングをすることで第１部材の第２領域に第１エッチング工程で形成された凹凸が反転された凹凸を形成する第２エッチング工程と、(7) 第２エッチング工程の後に第１領域にある第２マスクを除去する第２マスク除去工程と、(8) 第２マスク除去工程の後に第１領域にある第２部材を除去する第２部材除去工程と、を備えることを特徴とする。
第２の発明に係る回折格子形成方法は、第１部材の主面上の第１領域と第２領域との間で位相が互いに反転している回折格子を形成する方法であって、(1) 上記と同様の第１マスク形成工程と、(2) 上記と同様の第１エッチング工程と、(3) 上記と同様の第１マスク除去工程と、(4) 上記と同様の第２部材形成工程と、(5) 上記と同様の第２マスク形成工程と、(6) 第２マスク形成工程の後に第２領域にある第２部材を除去する第２部材除去工程と、(7) ２部材除去工程の後に第１領域にある第２マスクを除去する第２マスク除去工程と、(8) 第２マスク除去工程の後にエッチングをすることで第１部材の第１領域に第１エッチング工程で形成された凹凸が反転された凹凸を形成する第２エッチング工程と、を備えることを特徴とする。
ここで、第１部材および第２部材それぞれは、ＩｎＰにほぼ格子整合するIII-Ｖ族化合物半導体であるのが好適であって、第１部材のエッチングレートが第２部材のエッチングレートより大きい。例えば、第１部材はＩｎＰであり、このとき、第２部材は、ＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-y（0<x<1，0<y<1）、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ（0<x<1，0<y<1，x+y<1） または ＡｌＩｎＡｓ である。或いは、例えば、第１部材はＩｎx1Ｇａ1-x1Ａｓy1Ｐ1-y1（0<x1<1，0<y1<1，x1>x2）であり、このとき、第２部材は、Ｉｎx2Ｇａ1-x2Ａｓy2Ｐ1-y2（0<x2<1，0<y2<1，x1>x2）、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ（0<x<1，0<y<1，x+y<1） または ＡｌＩｎＡｓ である。或いは、例えば、第１部材はＩｎＧａＡｓであり、このとき、第２部材は、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ（0<x<1，0<y<1，x+y<1） または ＡｌＩｎＡｓ である。或いは、例えば、第１部材はＡｌx1Ｇａy1Ｉｎ1-x1-y1Ａｓ（0<x1<1，0<y1<1，x1+y1<1，x1<x2）であり、このとき、第２部材は、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ1-x2-y2Ａｓ（0<x2<1，0<y2<1，x2+y2<1，x1<x2） または ＡｌＩｎＡｓ である。
本発明に係る回折格子形成方法によれば、第１領域と第２領域との間で位相が互いに反転している回折格子を高精度に形成することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良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実施形態）
先ず、本発明に係る回折格子形成方法の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る回折格子形成方法のフローチャートである。図２および図３は、第１実施形態に係る回折格子形成方法の工程を説明する断面図である。
この回折格子形成方法により形成されるべき回折格子は、図３（ｄ）に示されるように、第１部材１１の一主面上に形成されたものであって、その主面上の第１領域Ａと第２領域Ｂとの間で位相が互いに反転しているものである。第１部材１１は、例えば半導体材料からなるものであり、また、例えば半導体レーザ素子に含まれる何れかの半導体層である。第１部材１１の主面上の第１領域Ａと第２領域Ｂとは直線状の境界で互いに接しており、当該直線に対して平行に回折格子の各格子が延びている。
このような回折格子を形成する為に、先ず第１マスク形成工程Ｓ１において、一主面が平坦な第１部材１１を用意し、その第１部材１１の該主面上の第１領域Ａおよび第２領域Ｂに一定周期で第１マスク１２を形成する（図２（ａ））。この第１マスク１２は、第１領域Ａと第２領域Ｂとの境界線に対して平行な一定幅の帯状のレジストが一定間隔で配置されたものである。このような第１マスク１２は、第１部材１１の主面上にレジストを一様に塗布し、このレジストに対して二光束干渉露光および現像の処理をすることで、形成することができる。第１マスク１２の周期は例えば２００ｎｍ程度である。
第１マスク形成工程Ｓ１に続く第１エッチング工程Ｓ２において、第１マスク形成工程Ｓ１で形成された第１マスク１２を用いてエッチングをすることで、第１部材１１の第１領域Ａおよび第２領域Ｂに一定周期の凹凸を形成する。このとき、ウェットエッチングおよびドライエッチングの何れでもよい。エッチャントとして、例えば、ウェットエッチングの場合にはＨＢｒ系のエッチング液を用い、ドライエッチングの場合にはＣＨ４系ガスを用いる。エッチングにより形成される凹凸の深さは例えば２０ｎｍ程度である。そして、第１エッチング工程Ｓ２に続く第１マスク除去工程Ｓ３において、第１領域Ａおよび第２領域Ｂにある第１マスク１２を除去する（図２（ｂ））。
第１マスク除去工程Ｓ３に続く第２部材形成工程Ｓ４において、第１部材１１の第１領域Ａおよび第２領域Ｂに、後の第２エッチング工程Ｓ１６の際のエッチングレートが第１部材１１より小さい第２部材２１を形成する（図２（ｃ））。第２部材２１は、例えば有機金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ: Organo-Metallic Vapor Phase Epitaxy）に拠り形成することができる。第２部材２１の厚みは、第１部材１１の主面上の凹凸を埋めて平坦にすることができる程度であるのが好ましく、例えば５０ｎｍ以上であるのが好ましい。
第２部材形成工程Ｓ４に続く第２マスク形成工程Ｓ５において、第１領域Ａの第２部材２１上に第２マスク２２を形成する（図２（ｄ））。この第２マスク２２は、例えば窒化珪素（ＳｉＮ）膜からなり、レジストを用いてフォトリソグラフィにより形成することができる。
第２マスク形成工程Ｓ５に続く第２エッチング工程Ｓ１６において、第２マスク形成工程Ｓ５で形成された第２マスク２２を用いてエッチングをする（図３（ａ）〜（ｃ））。これにより、第１部材１１の第２領域Ｂに、第１エッチング工程Ｓ２で形成された凹凸が反転された凹凸を形成する（図３（ｃ））。
この第２エッチング工程Ｓ１６では、第２領域Ｂにおいて、当初は第２部材２１が一様にエッチングされていき、第１部材１１と第２部材２１とが交互に表面に現れる平面となる（図３（ａ））。さらにエッチングを進めると、第２領域Ｂにおいて、第２部材２１より第１部材１１が早くエッチングされていき（図３（ｂ））、やがて、第２部材２１が無くなって、第１部材１１に凹凸が形成される（図３（ｃ））。この第２エッチング工程Ｓ１６で第１部材１１の第２領域Ｂに形成された凹凸は、前の第１エッチング工程Ｓ２で第１部材１１の第２領域Ｂに形成された凹凸が反転されたものとなる。
第２エッチング工程Ｓ１６に続く第２マスク除去工程Ｓ１７において、第１領域Ａにある第２マスク２２を除去する。そして、第２マスク除去工程Ｓ１７に続く第２部材除去工程Ｓ１８において、第１領域Ａにある第２部材２１を除去する（図３（ｄ））。これら第１領域Ａにおける第２マスク２２および第２部材２１それぞれの除去は、選択エッチングにより行う。
第１部材１１および第２部材２１それぞれの好適例は以下のとおりである。例えば、第１部材１１がＩｎＰからなり、第２部材２１がＧａＩｎＡｓからなり、第２エッチング工程Ｓ１６においてＣＨ４系ガスをエッチャントとして用いてドライエッチングをするのが好適である。この場合には、第１部材１１のエッチングレートが５０ｎｍ／分であり、第２部材２１のエッチングレートが２５ｎｍ／分であって、選択比が２:１であるので、第２エッチング工程Ｓ１６の際に第２領域Ｂにおいて凹凸の深さを変えることなく凹凸を反転することができる。
また、例えば、第１部材１１がＩｎＰからなり、第２部材２１がＡｌＩｎＡｓからなり、第２エッチング工程Ｓ１６においてＣＨ４系ガスをエッチャントとして用いてドライエッチングをするのが好適である。この場合には、第１部材１１のエッチングレートが５０ｎｍ／分であり、第２部材２１のエッチングレートが８ｎｍ／分であって、選択比が６:１であるので、第２エッチング工程Ｓ１６の際に第２領域Ｂにおいて凹凸を反転するとともに凹凸の深さを５倍にすることができる。
また、第１部材１１および第２部材２１それぞれの組成ならびにエッチャントに応じて、第２エッチング工程Ｓ１６の際の選択比(ｎ:１)を適切に設定することができ、第２エッチング工程Ｓ１６の際に第２領域Ｂにおいて凹凸を反転するとともに凹凸の深さを(ｎ−１)倍にすることができる。例えば、第１部材１１がＩｎＰである場合、第２部材２１がＧａＩｎＡｓＰであれば上記ｎ値は１〜２であり、第２部材２１がＡｌＧａＩｎＡｓであれば上記ｎ値は２〜６であり、第２部材の組成に応じてｎ値は異なる。
以上のように、本実施形態に係る回折格子形成方法は、第１部材１１の第１領域Ａと第２領域Ｂとの間に段差を形成することなく、第１マスク形成工程Ｓ１において第１部材１１の平坦な主面上にレジストを塗布して第１マスク１２を形成することができ（図２（ａ））、また、第２マスク形成工程Ｓ５において第２部材２１の平坦な面上に第２マスク２２を形成することができる（図２（ｄ））。このことから、第１部材１１の第１領域Ａと第２領域Ｂとでは、塗布したレジストの厚みが同程度となり、露光条件も同程度となって、各々の領域に形成される回折格子の寸法や形状を容易に所望のものとすることができる。したがって、本実施形態に係る回折格子形成方法は、第１領域Ａと第２領域Ｂとの間で位相が互いに反転している回折格子を、高精度に形成することができる。また、第２部材２１としては、第２エッチング工程Ｓ１６の際のエッチングレートが第１部材１１より小さいものであればよく、半導体だけでなく、金属、絶縁体、誘電体等であってもよい。
また、第２エッチング工程Ｓ１６の際に、第２領域Ｂにおいて、当初は第２部材２１のみがエッチングされていき（図３（ａ））、さらにエッチングを進めると第２部材２１および第１部材１１の双方がエッチングされていき（図３（ｂ））、やがて第１部材１１のみがエッチングされる（図３（ｃ））。したがって、プラズマモニタからの信号に基づいて、第２部材２１が無くなったこと（すなわち、第２エッチング工程Ｓ１６を終了してもよいこと）を容易に検知することができる。また、第２部材２１が無くなった後も更にエッチングを進めたとしても、第２領域Ｂにおいて第１部材１１に形成された凹凸の深さは変わらないので、この点でも、本実施形態に係る回折格子形成方法は、第１領域Ａと第２領域Ｂとの間で位相が互いに反転している回折格子を、高精度に形成することができる。
この回折格子形成方法は、埋込型のＤＦＢ半導体レーザ素子を製造する際に用いられるのが好適である。すなわち、特許文献１にも記載されているように、埋込型のＤＦＢ半導体レーザ素子は、例えば、ｎ型ＩｎＰ基板の上に順に、ｎ型ＩｎＰクラッド層、ｎ型ＳＣＨ層、活性層、ｐ型ＳＣＨ層、ｐ型ＩｎＰクラッド層およびｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層が積層され、これらの各層がストライプ状にパターニングされていて、当該ストライブの両側にｐ型ＩｎＰ埋め込み層およびｎ型ＩｎＰ埋め込み層が形成されている。このような構造の半導体レーザ素子において、ｐ型ＳＣＨ層とｐ型ＩｎＰクラッド層との界面に形成される回折格子は、本実施形態に係る回折格子形成方法により形成されるのが好適である。本実施形態に係る回折格子形成方法によりｐ型ＳＣＨ層上に形成される回折格子は、第１領域Ａと第２領域Ｂとの間で位相が互いに反転していて高精度に形成されるので、この半導体レーザ素子は、単一モード性が優れ、閾値電流の低下が可能となる。
（第２実施形態）
次に、本発明に係る回折格子形成方法の第２実施形態について説明する。図４は、第２実施形態に係る回折格子形成方法のフローチャートである。図２および図５は、第２実施形態に係る回折格子形成方法の工程を説明する断面図である。
第２実施形態に係る回折格子形成方法のフローチャート（図４）中における第１マスク形成工程Ｓ１，第１エッチング工程Ｓ２，第１マスク除去工程Ｓ３，第２部材形成工程Ｓ４および第２マスク形成工程Ｓ５それぞれは、第１実施形態の場合と同じである。したがって、図２は、第１実施形態と第２実施形態とで共通である。
この回折格子形成方法により形成されるべき回折格子は、図５（ｄ）に示されるように、第１部材１１の一主面上に形成されたものであって、その主面上の第１領域Ａと第２領域Ｂとの間で位相が互いに反転しているものである。第１部材１１は、例えば半導体材料からなるものであり、また、例えば半導体レーザ素子に含まれる何れかの半導体層である。第１部材１１の主面上の第１領域Ａと第２領域Ｂとは直線状の境界で互いに接しており、当該直線に対して平行に回折格子の各格子が延びている。
このような回折格子を形成する為に、第１実施形態の場合と同様に、第１マスク形成工程Ｓ１（図２（ａ）），第１エッチング工程Ｓ２，第１マスク除去工程Ｓ３（図２（ｂ）），第２部材形成工程Ｓ４（図２（ｃ））および第２マスク形成工程Ｓ５（図２（ｄ））が順に行われる。
第２マスク形成工程Ｓ５に続く第２部材除去工程Ｓ２６において、第２領域Ｂにある第２部材２１を除去し、さらに、これに続く第２マスク除去工程Ｓ２７において、第１領域Ａにある第２マスク２２を除去する（図５（ａ））。これら第２領域Ｂの第２部材２１および第１領域Ａの第２マスク２２それぞれの除去は、選択エッチングにより行う。
第２マスク除去工程Ｓ２７に続く第２エッチング工程Ｓ２８において、第１領域Ａおよび第２領域Ｂの双方に対してエッチングをする（図５（ｂ）〜（ｄ））。これにより、第１部材１１の第１領域Ａに、第１エッチング工程Ｓ２で形成された凹凸が反転された凹凸を形成する（図５（ｄ））。
この第２エッチング工程Ｓ２８では、第２領域Ｂにおいては、第１部材１１の凹凸の深さは変わらない。一方、第１領域Ａにおいては、当初は第２部材２１が一様にエッチングされていき、第１部材１１と第２部材２１とが交互に表面に現れる平面となる（図５（ｂ））。さらにエッチングを進めると、第１領域Ａにおいて、第２部材２１より第１部材１１が早くエッチングされていき（図５（ｃ））、やがて、第２部材２１が無くなって、第１部材１１に凹凸が形成される（図５（ｄ））。この第２エッチング工程Ｓ２８で第１部材１１の第１領域Ａに形成された凹凸は、前の第１エッチング工程Ｓ２で第１部材１１の第１領域Ａに形成された凹凸が反転されたものとなる。
本実施形態においても、第１部材１１がＩｎＰからなり、第２部材２１がＧａＩｎＡｓからなり、第２エッチング工程Ｓ２８においてＣＨ４系ガスをエッチャントとして用いてドライエッチングをするのが好適である。また、第１部材１１がＩｎＰからなり、第２部材２１がＡｌＩｎＡｓからなり、第２エッチング工程Ｓ２８においてＣＨ４系ガスをエッチャントとして用いてドライエッチングをするのが好適である。また、第１部材１１および第２部材２１それぞれの組成ならびにエッチャントに応じて、第２エッチング工程Ｓ２８の際の選択比(ｎ:１)を適切に設定することができ、第２エッチング工程Ｓ２８の際に第１領域Ａにおいて凹凸を反転するとともに凹凸の深さを(ｎ−１)倍にすることができる。
本実施形態に係る回折格子形成方法も、第１実施形態に係る回折格子形成方法が奏する効果と同様の効果を奏することができる。また、この回折格子形成方法も、埋込型のＤＦＢ半導体レーザ素子を製造する際に用いられるのが好適である。
第１実施形態に係る回折格子形成方法のフローチャートである。 第１および第２の実施形態に係る回折格子形成方法の工程を説明する断面図である。 第１実施形態に係る回折格子形成方法の工程を説明する断面図である。 第２実施形態に係る回折格子形成方法のフローチャートである。 第２実施形態に係る回折格子形成方法の工程を説明する断面図である。
符号の説明
１１…第１部材、１２…第１マスク、２１…第２部材、２２…第２マスク、Ａ…第１部材１１の主面上の第１領域、Ｂ…第１部材１１の主面上の第２領域。

Claims (3)

  1. 第１部材の主面上の第１領域と第２領域との間で位相が互いに反転している回折格子を形成する方法であって、
    前記第１部材の前記第１領域および前記第２領域に一定周期で第１マスクを形成する第１マスク形成工程と、
    前記第１マスク形成工程で形成された前記第１マスクを用いてエッチングをすることで前記第１部材の前記第１領域および前記第２領域に一定周期の凹凸を形成する第１エッチング工程と、
    前記第１エッチング工程の後に前記第１領域および前記第２領域にある前記第１マスクを除去する第１マスク除去工程と、
    前記第１マスク除去工程の後に前記第１部材の前記第１領域および前記第２領域に前記第１部材よりエッチングレートが小さい第２部材を形成する第２部材形成工程と、
    前記第２部材形成工程の後に前記第１領域の前記第２部材上に第２マスクを形成する第２マスク形成工程と、
    前記第２マスク形成工程で形成された前記第２マスクを用いてエッチングをすることで前記第１部材の前記第２領域に前記第１エッチング工程で形成された凹凸が反転された凹凸を形成する第２エッチング工程と、
    前記第２エッチング工程の後に前記第１領域にある前記第２マスクを除去する第２マスク除去工程と、
    前記第２マスク除去工程の後に前記第１領域にある前記第２部材を除去する第２部材除去工程と、
    を備えることを特徴とする回折格子形成方法。
  2. 第１部材の主面上の第１領域と第２領域との間で位相が互いに反転している回折格子を形成する方法であって、
    前記第１部材の前記第１領域および前記第２領域に一定周期で第１マスクを形成する第１マスク形成工程と、
    前記第１マスク形成工程で形成された前記第１マスクを用いてエッチングをすることで前記第１部材の前記第１領域および前記第２領域に一定周期の凹凸を形成する第１エッチング工程と、
    前記第１エッチング工程の後に前記第１領域および前記第２領域にある前記第１マスクを除去する第１マスク除去工程と、
    前記第１マスク除去工程の後に前記第１部材の前記第１領域および前記第２領域に前記第１部材よりエッチングレートが小さい第２部材を形成する第２部材形成工程と、
    前記第２部材形成工程の後に前記第１領域の前記第２部材上に第２マスクを形成する第２マスク形成工程と、
    前記第２マスク形成工程の後に前記第２領域にある前記第２部材を除去する第２部材除去工程と、
    前記第２部材除去工程の後に前記第１領域にある前記第２マスクを除去する第２マスク除去工程と、
    前記第２マスク除去工程の後にエッチングをすることで前記第１部材の前記第１領域に前記第１エッチング工程で形成された凹凸が反転された凹凸を形成する第２エッチング工程と、
    を備えることを特徴とする回折格子形成方法。
  3. 前記第１部材および前記第２部材それぞれはＩｎＰにほぼ格子整合するIII-Ｖ族化合物半導体であり、前記第１部材のエッチングレートが前記第２部材のエッチングレートより大きく、前記第２エッチング工程においてドライエッチングをする、ことを特徴とする請求項１または２に記載の回折格子形成方法。
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