JP5254266B2 - Method for producing pattern on semiconductor surface - Google Patents

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Description

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。   The present invention relates to a method for producing a desired pattern on a semiconductor surface.

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。   In the research and development of high-performance and high-function devices, it is important to integrate complex device structures. For that purpose, device manufacturing process technology such as processing technology (etching, etc.), crystal regrowth technology, etc. is necessary. Especially when a plurality of structures are integrated, a plurality of etching processes are usually required. Multiple mask formations and etchings have led to waste in terms of time and cost, which has been a problem. In consideration of such a problem, it has been substantially difficult to form fine and complicated structures having different depths by etching.

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。   A conventional etching process will be described with reference to FIG. In the case where etching of different depths is performed on the sample 1110 such as InP crystal, first, a portion that is not etched in the first etching is covered with a first mask 1120 (such as a dielectric) (FIG. 1A). After that, etching is performed (FIG. 1B). Next, after removing the first mask 1120 (FIG. 1C), a portion that is not etched in the second etching is covered with the second mask 1140 (FIG. 1D). Then, etching is performed (FIG. 1E), and the second mask 1140 is removed (FIG. 1F). Thus, in order to integrate a plurality of structures, in this case, grooves having different depths, the mask formation process and the etching process must be repeated.

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。   In order to solve the above-mentioned problem, a method has been invented that enables the formation of grooves having different depths by a single etching by using a mask having a different opening area corresponding to the etching depth. Patent Document 1). In the case of dry etching using a plasma state gas for etching a semiconductor, as shown in FIGS. 2A to 2C, the etching proceeds by the reaction between the semiconductor 411 and the etching species (etching gas) 412 on the semiconductor surface. To do. Therefore, when the surface of the semiconductor is covered with a material that does not react with the etching species 512 (for example, a dielectric such as silicon oxide or silicon nitride) using the mask 513 during dry etching, the etching species 512 on the mask diffuses. Thus, the semiconductor surface not covered with the mask is reached (FIG. 3B). As a result, the density of the etching species 512 increases on the semiconductor surface near the mask, and the increase in the etching species 512 increases the etching rate of the semiconductor. As described above, the etching species flying on the mask diffuses on the semiconductor surface and promotes the etching of the semiconductor, so that the etching of the semiconductor increases as the mask area increases. Therefore, according to this method, a simple groove structure with a varying depth can be easily produced according to the mask design.

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。   However, problems still remain when using this method to make diffraction gratings of varying depth. In order to manufacture a diffraction grating whose depth changes on the semiconductor surface, first, a first mask 81 having a diffraction grating pattern is formed. Then, in order to change the depth of the diffraction grating, a second mask 82 for controlling the amount of etching species diffused into the opening of the diffraction grating pattern is formed on the first mask 81. As can be seen from the above description with reference to FIGS. 2 and 3, the depth varies by changing the area ratio between the opening and the mask of the second mask 82 in the vicinity of each opening of the diffraction grating pattern. Etching becomes possible. The problem is that not only the etching species 84 flying on the second mask 82 but also the etching species 83 flying on the first mask 81 affects the etching, so that the etching shape of the diffraction grating can be controlled. It is a difficult point.

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。   In order to solve this problem, the depth of the second mask 82 provided on the first mask 81 is made thicker than that of the first mask 81 having the above-described diffraction grating pattern. A method has been invented that enables the production of a changing diffraction grating by a single etching (see Patent Document 2). FIG. 5 is a diagram for explaining the influence of the film thickness of the mask on the etching. When a thin mask is used (FIG. 5A), the etching species can be diffused from the semiconductor surface over the mask edge onto the mask, so that the etching species density on the semiconductor surface does not increase. Therefore, the etching rate of the semiconductor does not increase. On the other hand, when a thick mask is used (FIG. 5B), the etching seeds are confined on the semiconductor surface because the mask edge becomes a barrier and cannot be crossed, and the etching seed density on the semiconductor surface is reduced. Will increase. As a result, the etching rate of the semiconductor increases. Therefore, if the thickness of the second mask 82 described above is made thicker than that of the first mask 81 having the diffraction grating pattern, the contribution of the etching species diffusing from the second mask 82 having a thick mask thickness is large. The contribution of the etching species from the first mask 81 having a thin mask thickness can be reduced. For example, in a wide mask width region, a large amount of etching species that do not react on the second mask 82 diffuse into the opening of the diffraction grating pattern, resulting in a high concentration of etching species at the opening and an increase in the etching rate. To do. On the other hand, in a region with a narrow mask width, the amount of etching species that does not react on the second mask 82 and diffuses into the opening is smaller than that in a region with a large mask width, and the etching rate is slow. Thus, the etching depth is deep in the region where the second mask 82 has a large mask width, and shallow in the region where the mask width is narrow.

特開2004−247710号公報JP 2004-247710 A 特開2006−032573号公報JP 2006-032573 A

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。   However, the etching species on the second mask 82 do not all diffuse into the opening of the diffraction grating pattern of the first mask 81. There are also etching species that do not reach the opening and do not contribute to the etching and desorb from the mask. Since there exist etching species that do not contribute to etching in this way, the etching amount and the opening region to be etched are limited. Therefore, the size of the diffraction grating formed by etching is limited. Therefore, in order to increase the amount of etching and the opening area to be etched and increase the degree of freedom in designing the diffraction grating, a large amount of etching species can be efficiently transferred from the second mask 82 to the opening of the diffraction grating pattern. It was necessary to diffuse. This problem has been described with respect to the diffraction grating pattern. However, the problem is not limited to the case where the pattern is a diffraction grating, but is similarly a problem in the production of a desired pattern whose depth changes.

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。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to control the amount of etching species diffused into a first mask having a desired pattern and an opening of the desired pattern. In the method for producing a desired pattern whose depth changes on the semiconductor surface using the second mask for the purpose, the number of etching species contributing to etching is increased.

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、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、側壁が傾斜しており、幅が前記半導体表面に向かって狭くなっている開口部を有し、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のマスク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。   In order to achieve such an object, a first aspect of the present invention is a method for producing a desired pattern of varying depth on a semiconductor surface, wherein the desired pattern is applied to the semiconductor surface. Forming a first mask having a second mask for controlling an amount of etching species diffused into a plurality of openings of the desired pattern, and forming the first and second masks. And supplying an etching species to the semiconductor surface to etch the semiconductor surface, wherein the second mask has an opening whose side wall is inclined and whose width is narrowed toward the semiconductor surface. And the ratio of the area of the opening of the second mask and the area of the mask of the second mask in the vicinity of each opening of the desired pattern is the plurality of the patterns of the desired pattern. Aperture Characterized in that it changes along the arrangement direction.

また、本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記エッチングが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。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the etching is dry etching using a plasma state gas.

また、本発明の第3の態様は、第2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が、炭化水素系ガス及び水素ガスであることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, the gas used for the dry etching is a hydrocarbon gas and a hydrogen gas.

また、本発明の第4の態様は、第3の態様において、前記エッチングするステップが、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。   According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect, the etching step includes the step of etching the hydrocarbon-based gas and the hydrogen gas, the hydrocarbon-based gas obtained from the hydrocarbon-based gas and the hydrogen gas, and Supplying a hydrogen plasma under a first plasma condition that produces a first polymer on the semiconductor surface, etching the semiconductor surface without producing the first polymer, and supplying a plasma containing oxygen And removing the first polymer, and supplying the hydrocarbon-based gas and the hydrogen gas under a second plasma condition different from the first plasma condition to etch the semiconductor surface. It is characterized by including.

また、本発明の第5の態様は、第4の態様において、前記第2のプラズマ条件が、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。   According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect, the second plasma condition is that a hydrocarbon plasma and a hydrogen plasma obtained from the hydrocarbon-based gas and the hydrogen gas are polymerized on the semiconductor surface. It is the condition that does not generate.

また、本発明の第6の態様は、第4の態様において、前記第2のプラズマ条件が、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。   According to a sixth aspect of the present invention, in the fourth aspect, the second plasma condition is a condition in which a region in which a polymer is generated on the semiconductor surface is narrower than the first plasma condition. The etching under the second plasma condition is characterized by etching the semiconductor surface where no polymer is generated under the second plasma condition.

また、本発明の第7の態様は、第1から第6のいずれかの態様において、前記所望のパターンが回折格子パターンであることを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, in any one of the first to sixth aspects, the desired pattern is a diffraction grating pattern.

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、側壁が傾斜しており、幅が半導体表面に向かって狭くなっている開口部を有し、当該所望のパターンの各開口部の近傍における第2のマスク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。   According to the present invention, the second mask for controlling the amount of the etching species diffused into the opening of the desired pattern of the first mask has the side wall inclined and the width toward the semiconductor surface. And the ratio of the area of the opening of the second mask and the area of the mask of the second mask in the vicinity of each opening of the desired pattern is the desired pattern. By forming the plurality of openings so as to change along the arrangement direction of the plurality of openings, it is possible to increase the number of etching species that contribute to etching in a method for producing a desired pattern whose depth changes on the semiconductor surface. it can.

従来のエッチングプロセスを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the conventional etching process. 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。It is a figure for demonstrating the dry etching using the gas of a plasma state. 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。It is a figure for demonstrating the dry etching using the gas of a plasma state. 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。It is a figure for demonstrating the preparation methods of the diffraction grating from which the conventional depth changes. 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。It is a figure for demonstrating the influence which the film thickness of a mask has on etching. 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。FIG. 10 is a diagram for describing a method for forming a mask formed by the manufacturing method of the present invention. 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。It is a figure which shows density | concentration distribution in case an etching seed | species diffuses from the mask end to the surface of a semiconductor substrate. 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。It is a figure which shows the relationship between the spreading | diffusion of an etching seed | species, and the shape of the conventional mask. 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。It is a figure which shows the relationship between the spreading | diffusion of an etching seed | species, and the shape of the conventional mask. 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。It is a figure which shows the relationship between the spreading | diffusion of an etching seed | species, and the shape of the mask of this invention. 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。It is a figure which shows the ratio of the etching seed | species C1 supplied to the opening part of width W1 with respect to the total amount Co of the etching seed | species diffused from a mask end. 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。It is a figure which shows W1 dependence of the density | concentration C2 of the etching seed | species which is supplied to the opening part of width W1, and reaches the semiconductor surface. 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。It is a figure which shows the mask opening part width W2 dependence of the etching seed | species density | concentration which contributes to an etching. 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。It is a figure for demonstrating 1st Embodiment of the preparation methods of this invention. 図14(b)の15−15線に沿った断面図である。It is sectional drawing which followed the 15-15 line of FIG.14 (b). 第1の実施形態を図14(b)の16−16線に沿った断面で説明するための図である。It is a figure for demonstrating 1st Embodiment in the cross section along line 16-16 of FIG.14 (b). 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。It is a figure which shows the structure of a DBR semiconductor laser provided with the diffraction grating produced with the production method of 1st Embodiment. (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)。(A) is a figure which shows the coupling coefficient which a diffraction grating has, (b) is a figure which shows the reflection spectrum at the time of using the diffraction grating which has the said coupling coefficient (white circle). The reflection spectrum when the coupling coefficient is constant at 80 cm −1 is also shown for comparison (black circle). 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。Is a diagram illustrating a SiN x / SiO 2 mask is formed on the sample surface in the second embodiment. 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。It is a figure for demonstrating the dry etching in the case of using hydrocarbon gas for gas. 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。It is a figure for demonstrating the dry etching in the case of using hydrocarbon gas for gas. 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。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the diffraction grating in 2nd Embodiment. 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。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the diffraction grating in 2nd Embodiment. 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。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the diffraction grating in 2nd Embodiment. 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。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the diffraction grating in 2nd Embodiment. 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。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of the diffraction grating in 2nd Embodiment. 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。It is sectional drawing of the waveguide from which layer thickness changes in the same surface produced in Example 1 of 3rd Embodiment. 図27の導波路の作製方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the preparation methods of the waveguide of FIG. 図27の導波路の作製方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the preparation methods of the waveguide of FIG. 図27の導波路の作製方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the preparation methods of the waveguide of FIG. 図27の導波路の作製方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the preparation methods of the waveguide of FIG. 図27の導波路の作製方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the preparation methods of the waveguide of FIG. 第3の実施形態の実施例1の変形例として、図27より多段で層厚が変化する導波路を示す図である。FIG. 28 is a diagram showing a waveguide whose layer thickness varies in multiple stages from FIG. 27 as a modification of Example 1 of the third embodiment. 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。It is a figure which shows the waveguide from which layer thickness changes gradually as a modification of Example 1 of 3rd Embodiment. 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。It is a figure which shows the structure of the semiconductor laser element using the waveguide structure where layer thickness changes concerning Example 2 of 3rd Embodiment for the spot size conversion part.

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〜第3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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, the mask formed by the manufacturing method of the present invention will be described, and then the first to third embodiments will be described. The description will be made with reference to specific substance names and numerical values, but it should be noted that the present invention is not intended to be limited thereto.

(本発明の作製方法で形成するマスク)
図6(f)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、開口部の側壁が傾斜しており、上面の開口部幅W1が下面の開口部幅W2より大きい。換言すると、開口部の幅が半導体基板1310の表面に向かって狭くなっている。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。
(Mask formed by the manufacturing method of the present invention)
FIG. 6F shows a structure of a mask formed by the manufacturing method of the present invention. On the first mask 1311 having a diffraction grating pattern (corresponding to “desired pattern”), a second mask 1321 for controlling the amount of etching species diffused into the opening of the diffraction grating pattern is provided. In the second mask 1321, the sidewall of the opening is inclined, and the opening width W1 on the upper surface is larger than the opening width W2 on the lower surface. In other words, the width of the opening narrows toward the surface of the semiconductor substrate 1310. Using the first mask 1311 and the second mask 1321, a diffraction grating pattern whose depth changes is formed on the surface of the semiconductor substrate 1310.

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、C26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))。 This mask can be formed as follows. First, a silicon oxide (SiO 2 ) film having a thickness of 30 nm is formed on the surface of the InP substrate 1310 having an InP cladding layer (corresponding to “semiconductor surface”). After applying a resist on the SiO 2 film, a resist pattern for a diffraction grating production mask is produced by an electron beam exposure method. By processing the SiO 2 film by reactive ion etching (RIE) using a fluorocarbon-based gas (CF 4 , C 2 F 6, etc.) using the resist pattern as a mask, the resist pattern is converted into an SiO 2 film. Transcript to. By removing the resist pattern, an SiO 2 mask 1311 having a diffraction grating pattern is formed on the InP substrate 1310 (FIGS. 6A and 6B).

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))。 Next, a 1 μm thick silicon nitride (SiN x ) film 1321 is formed on the surface of the InP substrate 1310 having the SiO 2 mask 1311 (FIG. 6C).

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。 After applying a resist on the SiN x film 1321, a resist pattern 1331 for the second mask is produced (FIG. 6D). This resist pattern 1331 can be formed not only by electron beam exposure but also by resist exposure by ordinary photolithography.

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))。ここでRIE時のガス圧力を通常の圧力(例えば、2Pa)より高い圧力(例えば、20Pa)にするとエッチング特性におけるイオン性が低下する。このとき、エッチングが深さ方向だけでなく横方向にも進行するようになり、サイドエッチング量が増加する。したがって、深さ方向にエッチングが進行する場合、マスクの上方部分はエッチングガス雰囲気に曝される時間が長いので、マスク下方部分に比べてサイドエッチング量が増加する。この結果、マスクの上面の開口部幅はマスクの下面に比べて広くなる。このとき、SiO2マスク1311はフッ化硫黄系ガス(SF8など)に耐性を有するのでエッチングされずに残る。 By processing the SiN x film 1321 by first RIE using sulfur hexafluoride based gas (SF 6 or the like) the resist pattern 1331 as a mask, the resist pattern is transferred to 1331 in the SiN x film 1321 (FIG. 6 (e )). Here, if the gas pressure at the time of RIE is set to a pressure (for example, 20 Pa) higher than a normal pressure (for example, 2 Pa), the ionicity in the etching characteristics decreases. At this time, etching proceeds not only in the depth direction but also in the lateral direction, and the side etching amount increases. Therefore, when the etching proceeds in the depth direction, the upper portion of the mask is exposed to the etching gas atmosphere for a long time, so that the side etching amount is increased as compared with the lower portion of the mask. As a result, the opening width of the upper surface of the mask is wider than that of the lower surface of the mask. At this time, since the SiO 2 mask 1311 is resistant to sulfur fluoride gas (SF 8 or the like), it remains without being etched.

最後に、酸素プラズマ照射を用いてレジストパターン1311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、マスク上方部分の開口部幅がマスク下方部分に比べて広い1μm厚のSiNxマスク1321が得られる(図6(f))。SiNxマスク1321は側壁が傾斜しており、以下「傾斜型マスク」とも呼ぶ。 Finally, by removing the resist pattern 1311 using oxygen plasma irradiation, an SiO 2 mask 1311 having a thickness of 30 nm on the InP substrate 1310 and an opening width of the upper portion of the mask that is thicker than the SiO 2 mask 1311. Thus, a SiN x mask 1321 having a thickness of 1 μm wider than that of the lower portion of the mask can be obtained (FIG. 6F). The SiN x mask 1321 has an inclined side wall, and is hereinafter also referred to as an “inclined mask”.

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から開口部への拡散における拡散距離Ldを5μmと仮定し、以下の拡散方程式を用いて計算した。   The effect of the mask thus obtained on etching will be described. First, FIG. 7 shows a concentration distribution when the etching species diffuses from the mask end of the mask as shown in FIG. 5 to the surface of the semiconductor substrate. The vertical axis represents density Cx = C (x) / Cs normalized by the density Cs at the mask edge, and the horizontal axis represents distance x from the mask edge. This distribution was calculated using the following diffusion equation, assuming that the diffusion distance Ld in the diffusion from the mask of the etching species to the opening is 5 μm.

Cx=C(x)/Cs=erfc(x/Ld)
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(マスクが傾斜型構造の場合には上面の開口部)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(傾斜型構造の場合には上面の開口部)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、マスクの側壁が底面と垂直な垂直型構造と傾斜している傾斜型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垂直型構造の場合、実線はマスクが傾斜型構造の場合を示す。マスクが傾斜型構造の場合には半導体基板の表面と接する下方部分の幅W2は1μmとする。この場合、上方部分の開口部幅W1は下方部分の開口部幅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。
Cx = C (x) / Cs = erfc (x / Ld)
The relationship between the etching species diffusing with such a distribution and the mask shape is shown in FIGS. FIG. 11 shows the ratio (C1 / Co) of the etching species C1 supplied to the opening having the width W1 with respect to the total amount Co of etching species diffusing from the mask edge (or the opening on the upper surface when the mask has an inclined structure). Show. Co is a value obtained by integrating the normalized density Cx from the distance 0 to infinity, and is a standardized total amount. C1 is a value obtained by integrating the normalized density Cx from the distance 0 to the opening width W1, and is a normalized density. Further, FIG. 12 shows the W1 dependence of the concentration C2 of the etching species that is supplied to the opening having the width W1 (the opening on the upper surface in the case of the inclined structure) and reaches the semiconductor surface, and the side wall of the mask is perpendicular to the bottom surface. This is shown in the case of a vertical structure and an inclined structure that is inclined. C2 is C1 / W2 and is a standardized concentration. An alternate long and short dash line indicates a case where the mask has a vertical structure, and a solid line indicates a case where the mask has an inclined structure. When the mask has an inclined structure, the width W2 of the lower part in contact with the surface of the semiconductor substrate is 1 μm. In this case, since the opening width W1 of the upper portion is wider than the opening width W2 of the lower portion, the opening width of 1 μm or less is not plotted.

図8は、マスクの形状が従来のように垂直型であり開口部幅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。   FIG. 8 shows a case where the mask has a vertical shape as in the prior art and the opening width W1 is 1 μm. Only a portion (colored portion in FIG. 8A) of the entire etching species diffusing from the mask edge is supplied to the opening of the mask and contributes to the etching. As shown in FIG. 11, the ratio of the etching species supplied to the opening with respect to the etching species diffusing from the mask edge is 0.32.

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。   FIG. 9 shows a case where the opening width W1 is increased to 5 μm in order to increase the ratio of the etching species supplied to the opening. Many portions (colored portions in FIG. 9A) of the entire etching species diffusing from the mask edge are supplied to the openings of the mask and contribute to the etching. As shown in FIG. 11, the ratio of the etching species supplied to the opening with respect to the etching species diffusing from the mask edge increases to 0.91. However, since the surface of the semiconductor substrate in the opening also increases, the etching species concentration C2 on the surface of the semiconductor substrate decreases when the width of the opening is increased from 2 μm to 5 μm, as shown by a dashed line in FIG. This indicates that the etching species supplied from the mask edge have little effect on the etching.

図10に、本発明の作製方法で用いるマスクの場合を示す。マスクの構造は傾斜型でありマスクの上面の開口部幅W1を5μm、半導体基板表面に近い下方部分の開口部幅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。さらにマスク上方部分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方部分の開口部幅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。上方部分の開口部幅W1が5μmのとき、垂直型構造に比べて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。   FIG. 10 shows a mask used in the manufacturing method of the present invention. The structure of the mask is an inclined type, and the opening width W1 of the upper surface of the mask is 5 μm, and the opening width W2 of the lower portion near the semiconductor substrate surface is 1 μm. Many portions (colored portions in FIG. 10A) of the entire etching species diffusing from the mask edge are supplied to the openings and contribute to etching. As shown in FIG. 11, the ratio of the etching species supplied to the opening with respect to the etching species diffusing from the mask edge increases to 0.91. Further, assuming that the etching species supplied to the opening in the upper part of the mask are all supplied to the surface of the semiconductor substrate without detaching, the opening width W1 in the upper part is set to 2 μm to 5 μm as shown by the solid line in FIG. Increasing the etching species increases the etching species concentration C2 on the surface of the semiconductor substrate. When the opening width W1 of the upper portion is 5 μm, the concentration is about five times higher than that of the vertical structure. As described above, in this mask, the etching species can be efficiently diffused into the opening and supplied to the surface of the semiconductor substrate, so that the etching can be controlled efficiently.

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、上方部分の開口部幅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、上上方部分の開口部幅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、上面の開口部幅W1が1μmを超えると、すなわち下面の開口部幅W2の値を超えると、傾斜型構造のマスクの方が垂直型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。上面の開口部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。   Here, a few points that can be read from FIGS. 11 and 12 are pointed out. As can be seen from FIG. 11, the ratio of the etching species supplied to the opening of the mask with respect to the etching species diffusing from the mask edge when the opening width W1 of the upper portion is 2 μm or more increases to 0.50 or more, The opening width W1 of the portion increases to 0.91 or more at 5 μm or more. Further, as can be seen from FIG. 12, when the opening width W1 on the upper surface exceeds 1 μm, that is, exceeds the value of the opening width W2 on the lower surface, the inclined structure mask is more semiconductor than the vertical structure mask. The etching seed concentration C2 supplied to the substrate surface is increased. When the width of the opening W1 on the upper surface is 2 μm or more, it increases to 0.3 or more, which is half or more of the maximum value (0.56), and when it is 5 μm or more, it increases to 0.5 or more. When it becomes 8 μm or more, it is saturated to the maximum value (0.56).

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、上面の開口部幅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、エッチング種は垂直型構造において0.2程度から0.1程度まで変化するのに対して、傾斜型構造においては、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傾斜型構造を用いた場合、垂直型構造に比べて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、本発明の傾斜型構造を用いた場合、垂直型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。   FIG. 13 shows the dependency of the etching seed concentration that contributes to etching on the mask opening width W2. The vertical axis represents C2 at each W2 when the opening width W1 on the upper surface is 10 μm. When W2 changes from 1 μm to 10 μm, the etching species changes from about 0.2 to about 0.1 in the vertical structure, whereas in the inclined structure, 0.6 changes due to the change in the opening width W2. It varies from about 0.1 to 0.1. Thus, it can be seen that when the inclined structure of the present invention is used, an etching species having a concentration about three times higher than that of the vertical structure is involved in the etching. If the etching species contributing to the etching are large, the etching proceeds and the etching depth becomes deep, and if the etching species contributing to the etching is small, the etching proceeds less and the etching depth becomes shallow. When used, the etching depth can be varied over a wide range compared to the vertical structure.

(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。
(First embodiment)
A first embodiment of the manufacturing method of the present invention will be described. In the present embodiment, a diffraction grating pattern is considered as a desired pattern of the first mask, and a case where reactive ion beam etching (RIBE) is used as a dry etching method used for etching a semiconductor surface will be described. To do.

図14(a)及び(b)は、図6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のマスク厚は1μmである。傾斜型マスク1411には、平坦部分1411Aと傾斜部分1411Bがあり、ともに幅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。平坦部分1411Aのマスク幅1415Aは両端で5μm、素子中央部で20μmである。傾斜部分1411Bのマスク幅1415Bは両端で5μm、素子中央部で10μmである。傾斜部分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、傾斜部分1411Bの幅W2の開口部を指し、SiNxマスク1411のマスク部とは、平坦部分1411Aの幅1415Aのマスク部と傾斜部分1411Bの幅1415Bのマスク部を合わせた部分を指す。図15は、図14(b)の15−15線に沿った断面図である。 FIGS. 14A and 14B show a SiO 2 mask 1410 and a SiN x mask 1411 (hereinafter also referred to as “SiN x / SiO 2 mask”) manufactured by the method described with reference to FIG. . The mask thickness of the SiO 2 mask 1410 having the diffraction grating pattern is 20 nm, the diffraction grating length 1412 is 500 μm, the width 1413 is 2 μm, and the pitch (period) 1414 is 240 nm (SiO 2 part: 120 nm, opening (window part): 120 nm). The mask thickness of the SiN x mask 1411 is 1 μm. The inclined mask 1411 has a flat portion 1411A and an inclined portion 1411B. Both the widths 1415A and 1415B are narrow at both ends of the element and wide at the center of the element. The mask width 1415A of the flat portion 1411A is 5 μm at both ends and 20 μm at the element center. The mask width 1415B of the inclined portion 1411B is 5 μm at both ends and 10 μm at the element center. The width W2 of the opening of the inclined portion 1411B is the same as the width 1413 of the diffraction grating pattern and is 2 μm. Hereinafter, the opening of the SiN x mask 1411, refers to the opening width W2 of the inclined portion 1411B, the mask portion of the SiN x mask 1411, the width of the inclined portion 1411B mask portion width 1415A of the flat portion 1411A 1415B The part which put together the mask part. FIG. 15 is a cross-sectional view taken along line 15-15 in FIG.

図16(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16(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。 FIGS. 16A to 16C are diagrams for explaining a fabrication process of a diffraction grating pattern with a varying depth using a SiN x / SiO 2 mask. For simplicity, the SiN x mask 1411 is omitted, and only the SiO 2 mask 1410 is shown. When RIBE is performed using chlorine as an etching gas (etching species), a gas flow rate of 4 sccm, a gas pressure of 10 Torr, a microwave discharge power of 300 W, an ion extraction voltage of 500 V, and a substrate temperature of 200 ° C., FIG. ) Structure is obtained. Finally, the SiN x / SiO 2 mask is removed by RIE using SF 6 to form a diffraction grating deep at the center and shallow at both ends.

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。 In this etching, the contribution of ionized or radicalized chlorine atoms (chlorine plasma) as an etching species from the SiN x mask 1411 having a large mask thickness is large, and the contribution of chlorine plasma from the SiO 2 mask 1410 having a thin mask thickness is small. . Accordingly, a large amount of chlorine plasma that does not react on the mask diffuses into the opening at the center of the diffraction grating having a wide mask width, so that the chlorine plasma at the opening becomes high in concentration and the etching rate increases. On the other hand, at both ends of the diffraction grating having a narrow mask width, chlorine plasma that does not react on the mask and diffuses into the opening is less than that in the wide mask width region, and the etching rate is slow. Here, since the product at the time of etching diffuses along the arrangement direction of the plurality of openings included in the diffraction grating pattern, the etching rate is not suppressed by the retention of the product. Therefore, in the diffraction grating, the etching depth is deep at the center and shallow at both ends. Since the width W2 of the opening of the SiN x mask is constant in the present embodiment, the ratio of the area of the opening of the SiN x mask and the area of the mask of the SiN x mask in the vicinity of each opening of the diffraction grating pattern is It can be said that the depth of the diffraction grating to be formed is changed by changing along the arrangement direction of the plurality of openings of the diffraction grating pattern. As the area ratio of the mask portion to the opening portion increases, the etching rate increases.

本実施形態の作製方法で用いるマスクは、傾斜型構造を有しており、図13を参照して説明したように、垂直型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、垂直型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、本実施形態では傾斜型構造においてSiNxマスクの開口部の幅W2を2μmとしたので、垂直型構造に比べて2倍程度エッチング深さを変化させることができる。 The mask used in the manufacturing method of this embodiment has an inclined structure, and as described with reference to FIG. 13, more etching species are involved in the etching than the vertical structure, and the vertical type is used. Compared to the structure, the etching depth can be changed in a wide range. As can be seen from FIG. 13, in this embodiment, since the width W2 of the opening of the SiN x mask is set to 2 μm in the inclined structure, the etching depth can be changed about twice as much as that in the vertical structure.

なお、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。 In this embodiment, chlorine or methane is used as an etching gas in dry etching for processing a semiconductor such as a diffraction grating. However, other gases such as other hydrocarbon gases such as ethane and gases such as bromine are used. May be used. In addition, as a dilution gas when a mixed gas is used as an etching gas, not only hydrogen gas but also nitrogen or argon may be used, and the dilution gas may not be used. Further, although RiBE and RIE methods are used for the dry etching method, processing can also be performed using ion beam assist etching or the like. In addition to dry etching using a plasma state gas, it is also possible to perform processing by gas etching using a non-plasma state gas or wet etching using an acid solution. In addition to the electron beam exposure method, an interference exposure method can be used for producing the resist pattern. Although silicon oxide (SiO 2 ) is used as a mask formed on the semiconductor surface during etching, a dielectric such as silicon nitride or titanium oxide, or a metal such as gold or titanium can also be used.

実施例
図17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17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。
EXAMPLE FIG. 17 shows the structure of a DBR semiconductor laser provided with a diffraction grating manufactured by the manufacturing method of the first embodiment. After removing the SiN x / SiO 2 mask on the sample surface having the diffraction grating of different depth produced by the production method of the first embodiment, the sample is laminated on the diffraction grating by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). As a result, the DBR semiconductor laser structure using the diffraction grating whose depth changes as shown in FIG. 17 is manufactured.

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。   On an n-type InP substrate 150, an n-type InP buffer layer 151, a diffraction grating 152, an InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm) guide layer 153, and eight InGaAsP strained quantum well (strain amount: 1.0%) layers And an active layer 154 (light emission wavelength: 1.55 μm, active layer length: 400 μm) consisting of a multi-quantum well layer as a barrier layer and a five-layer InGaAsP (composition wavelength: 1.3 μm), DBR diffraction grating region InGaAsP (composition wavelength: 1 .4 μm) guide layer 155 (diffraction grating length is 400 μm before and after active layer 154), InGaAsP (composition wavelength: 1.3 μm) guide layer 156, p-type InP cladding layer 157, p-type InGaAs (composition wavelength: 1.85 μm) ) A contact layer 158 is sequentially formed. An n-type ohmic electrode 1591 is formed on the n-type InP substrate 150, and a p-type ohmic electrode 1592 is formed on the p-type InGaAs (composition wavelength: 1.85 μm) contact layer 158. The oscillation wavelength of the element is 1.55 μm. The length of the element is 1500 μm. The pitch (period) of the diffraction grating 152 is 240 nm (convex portion: 120 nm, concave portion: 120 nm), and the depth is 5 nm which is shallow at both ends of the element, and 30 nm which is deep at the center of the element.

図18(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18(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。 FIG. 18A shows the coupling coefficient of this diffraction grating. 5nm in depth element end portions of the diffraction grating, by varying such that the 30nm at the center, the coupling coefficient kappa 5 cm -1 at element end portions, changes 80 cm -1 at the central portion. FIG. 18B shows a reflection spectrum when this diffraction grating is used (white circle). For comparison, a reflection spectrum when the coupling coefficient is constant at 80 cm −1 is shown (black circle). It can be seen that the side mode of the reflection spectrum is suppressed by changing the depth of the diffraction grating, that is, the coupling coefficient. This suggests that the side mode in the oscillation spectrum when the DBR laser using this diffraction grating is operated is suppressed.

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。 In this embodiment, the depth of the diffraction grating is set to 5-30 nm, but the depth is not limited to this. At this time, the depth of the diffraction grating does not need to be symmetrical in the element length direction. The coupling coefficient that changes in accordance with this depth is also set to 5-80 cm −1 , but is not limited to this value.

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。   In this embodiment, a compound semiconductor InP crystal is used as the element semiconductor crystal. However, a compound semiconductor crystal such as GaAs or SiGe or a mixed crystal such as InGaAsP, AlGaInAs, InGaN, GaInNAs, or AlGaSb can be used. is there.

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。   Further, although 1.55 μm is used as the wavelength of the laser beam to which the apparatus according to the present invention is applicable, the wavelength is changed from 1.0 μm to 1.7 μm by changing the structure such as the composition of the InGaAsP crystal and the pitch (period) of the diffraction grating. Can be used for long wavelength bands up to 1, and by using other materials (InGaAlN, AlGaInP, AlGaSb, etc.) for the active layer, it is also compatible with short wavelength bands of less than 1.0 μm and long wavelength bands of 1.7 μm or more. it can. The multi-quantum well structure in the active layer includes an 8 layer, 5 nm thick InGaAsP strained quantum well layer (strain amount: 1.0%), a 5 layer, 10 nm thick InGaAsP barrier layer (composition wavelength: 1.1 μm). However, the structural factors such as the amount of strain, the number of layers, the layer thickness, and the crystal composition may be changed.

(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。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the manufacturing method of the present invention will be described. In the present embodiment, a polymer generated in dry etching using a hydrocarbon gas is used. In the SiN x / SiO 2 mask used for etching, the widths 1915A and 1915B of the SiN x mask 1911 are constant, but the width 1913 of the SiO 2 mask 1910 changes. This is different from the case where the widths 1415A and 1415B of the SiN x mask 1411 are changed and the width 1413 of the SiO 2 mask 1410 is constant in the first embodiment.

図19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のマスク厚は1.0μmである。平坦部分1911Aのマスクの幅1915Aは20μm、傾斜部分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、傾斜部分1911Bの幅W2の開口部を指し、SiNxマスク1911のマスク部とは、平坦部分1911Aの幅1915Aのマスク部と傾斜部分1911Bの幅1915Bのマスク部を合わせた部分を指す。 FIG. 19 shows a SiO 2 mask 1910 and a SiN x mask 1911 (hereinafter also referred to as “SiN x / SiO 2 mask”) formed on the sample surface in this embodiment. The mask thickness of the SiO 2 mask 1910 having the diffraction grating pattern is 20 nm, the diffraction grating length 1912 is 500 μm, and the width 1913 changes along the arrangement direction of the plurality of openings of the diffraction grating pattern. It is wide at both ends of the element (width is 3 μm) and narrow at the center of the element (width is 1.5 μm). The pitch (period) 1914 is 240 nm (SiO 2 part: 120 nm, opening (window): 120 nm). On the other hand, the mask thickness of the SiN x mask 1911 is 1.0 μm. The mask width 1915A of the flat portion 1911A is constant at 20 μm, and the mask width 1915B of the inclined portion 1911B is constant at 10 μm. Like the first embodiment, the opening of the SiN x mask 1911, refers to the opening width W2 of the inclined portion 1911B, the mask portion of the SiN x mask 1911, mask portion width 1915A of the flat portion 1911A And a portion obtained by combining the mask portion having the width 1915B of the inclined portion 1911B.

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。 In dry etching using a plasma state gas for semiconductor etching, when a hydrocarbon-based gas such as methane or ethane is used as this gas, the gas is decomposed into hydrocarbon groups and hydrogen in the plasma state, and is ionized or chemically separated. Is activated (radicalized). Hereinafter, the ionized or radicalized hydrocarbon group is referred to as “hydrocarbon plasma”, and the ionized or radicalized hydrogen atom is referred to as “hydrogen plasma”. When the hydrocarbon plasma and the hydrogen plasma come into contact with the semiconductor surface, a process of etching the semiconductor and a process of forming and depositing a polymer on the semiconductor surface without etching the semiconductor occur. In general, when there is sufficient hydrogen plasma, the etching process is the main process, and when hydrogen plasma is insufficient, the process of polymer deposition is the main process. On the surface of the dielectric (such as SiO 2 ) mask, hydrocarbon plasma and hydrogen plasma do not react with the dielectric, and thus deposit as a polymer. In order to increase the hydrogen plasma, hydrogen gas may be supplied together with the hydrocarbon-based gas.

図20及び21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20(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20(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21(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21(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21(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。 A case where the above-described dry etching is performed on a sample having a SiN x / SiO 2 mask will be described with reference to FIGS. In the region without the SiN x / SiO 2 mask, hydrogen plasma is uniformly distributed on the sample surface with respect to methane in the plasma state (FIG. 20A). When the concentration of the uniformly distributed hydrogen plasma is low, the hydrogen plasma is insufficient for etching, so that a polymer is generated on the sample surface to cover the sample surface and the etching does not proceed (FIG. 20B). On the other hand, in a region having a SiN x / SiO 2 mask, first, hydrogen plasma is uniformly distributed on the sample surface both on the SiN x / SiO 2 mask and in the opening (FIG. 21A). )). Since the mask material (such as SiO 2 ) is not etched on the SiN x / SiO 2 mask, the methane plasma does not contribute to the etching and a polymer is generated. The hydrogen plasma on the mask diffuses into the opening without reacting with the methane plasma. As a result, the concentration of hydrogen plasma at the opening increases (FIG. 21B). Therefore, the etching proceeds because the hydrogen plasma concentration at the opening reaches a concentration sufficient to cause etching (FIG. 21C). Thus, the polymer is generated in the region with the mask and the etching does not proceed, and the etching proceeds in the region (opening) without the mask.

図22〜26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22)。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。 22 to 26 are diagrams for explaining a method of manufacturing a diffraction grating in the present embodiment. A SiO 2 mask 2010 having a variable width and a SiN x mask 2011 having a constant width are formed on the semiconductor surface (FIG. 22). Here, the widths of the plurality of openings 2001, 2002, 2003, and 2004 included in the diffraction grating pattern of the SiO 2 mask 2010 are 1.5, 2.0, 2.5, and 3.0 μm, respectively. In a series of etching processes described below, the contribution of methane plasma and hydrogen plasma from the SiN x mask 2011 having a large mask thickness is large, and the contribution of methane plasma and hydrogen plasma from the SiO 2 mask 2010 having a thin mask thickness is small.

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23)。   When RIE using a mixed gas of methane and hydrogen is performed at a methane flow rate of 40 sccm, a hydrogen flow rate of 2 sccm, a gas pressure of 10 Pa, and a discharge power of 100 W (corresponding to the “first plasma condition”), the width is 1.5 μm or less. In the opening 2001, since the hydrogen plasma is sufficiently supplied from above the mask, etching proceeds without polymer deposition. On the other hand, in the openings 2002, 2003, and 2004 having a width larger than 1.5 μm, the supply of hydrogen plasma from the mask is insufficient, so that the polymer 2201 is deposited and the etching does not proceed (FIG. 23).

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)。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。   Subsequently, when the oxygen plasma is irradiated at an oxygen flow rate of 10 sccm, a gas pressure of 10 Pa, and a discharge power of 400 W for 1 minute, the deposited polymer is removed (FIG. 24). Here, in addition to oxygen plasma, oxygen-containing plasma may be used. For example, a mixed gas of oxygen and an inert gas such as nitrogen or argon, a mixed gas of oxygen and hydrogen, or the like may be used.

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25)。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。   Next, when RIE is performed under the conditions of increasing the hydrogen flow rate (methane flow rate 40 sccm, hydrogen flow rate 5 sccm, gas pressure 10 Pa, discharge power 100 W) (corresponding to “second plasma condition”), the width is 2 μm or less. In the openings 2001 and 2002, since the supply of hydrogen plasma increases, etching proceeds without polymer deposition. On the other hand, in the openings 2003 and 2004 having a width larger than 2 μm, since the supply of hydrogen plasma from the mask is still insufficient, the polymer 2041 is deposited and the etching does not proceed (FIG. 25). Accordingly, in the opening 2001 having a width of 1.5 μm or less, the second RIE etching further proceeds after the first RIE etching, so that the depth is wider than 1.5 μm and 2 μm or less. It becomes deeper than the depth of the opening 2002.

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26)。このとき、水素流量は100sccmまで増加させることができる。   Subsequently, after removing the polymer by irradiation with oxygen plasma, RIE and oxygen plasma irradiation are repeated alternately. At this time, by increasing the hydrogen flow rate each time RIE is performed, diffraction gratings having different depths can be formed (FIG. 26). At this time, the hydrogen flow rate can be increased to 100 sccm.

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17に示す素子構造等を作製することが可能である。   Then, after removing the mask and processing the mesa structure, the element structure shown in FIG. 17 and the like can be manufactured by stacking on this diffraction grating by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE).

本実施形態の作製方法で用いるマスクは、傾斜型構造を有しており、図13を参照して説明したように、垂直型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、垂直型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、垂直型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。傾斜型構造においては、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、垂直型構造においては幅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。   The mask used in the manufacturing method of this embodiment has an inclined structure, and as described with reference to FIG. 13, more etching species are involved in the etching than the vertical structure, and the vertical type is used. Compared to the structure, the etching depth can be changed in a wide range. Looking at FIG. 13 with attention paid to hydrogen plasma as an etching species, for example, in a vertical structure, the normalized concentration of hydrogen when the width W2 of the opening is 1 μm is about 0.18. In the inclined structure, this value can be obtained when the width W2 is 3 μm. This indicates that etching that could not be realized unless the width W2 is 1 μm or less in the vertical structure can be realized even when the width W2 is 3 μm, and the degree of freedom in designing the diffraction grating is increasing.

なお、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。   In the present embodiment, hydrogen plasma that has not contributed to the reaction flows on both ends of the opening of the diffraction grating. Etching proceeds with the reaction of methane by this amount of hydrogen plasma. Therefore, even in the opening where the polymer is deposited, the etching proceeds only at a part of both ends. Thus, there may be a problem that the depth is not uniform over the entire opening. However, since a mesa structure is adopted in an actual device, both ends of the opening are cut off when the mesa is formed, and this does not cause a problem in actual device fabrication.

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。   In this embodiment, the amount of hydrogen that contributes to etching in the opening during RIE is changed by the hydrogen flow rate. However, the change in the hydrogen diffusion distance from the mask due to the gas pressure (0.01 Pa-50 Pa) or the discharge power ( 50-500 W) can also be changed by changing the amount of ionized hydrogen, and the same effect can be obtained.

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。   In the present embodiment, the second plasma condition is referred to as a region where the polymer is generated on the semiconductor surface is narrower than the first plasma condition. However, as the second plasma condition, the polymer is completely generated. Conditions that are not used may be used. Even in this case, since the region etched only under the first plasma condition is different from the region etched under the second condition, a desired pattern with a varying depth can be produced.

(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。
(Third embodiment)
In the above description, the configuration in which the second mask for controlling the amount of the etching species diffused into the opening of the desired pattern is provided on the first mask having the desired pattern has been described. Depending on the desired pattern, the first mask is not necessarily required, and the pattern can be formed using only the second mask. Hereinafter, such an embodiment will be described.

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。
Example 1
As Example 1, a method of manufacturing a waveguide whose layer thickness varies within the same plane will be described. In this embodiment, a polymer generated in dry etching using a hydrocarbon-based gas is used.

図27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InP2700の上に、組成波長1.2μmのInGaAsP導波路層2701、InPクラッド層2702が形成されている。   FIG. 27 is a cross-sectional view of a waveguide whose layer thickness varies in the same plane manufactured in this example. On the n-type InP 2700, an InGaAsP waveguide layer 2701 and an InP cladding layer 2702 having a composition wavelength of 1.2 μm are formed.

図28〜32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28〜32の断面図(b)においてはSiNxマスク2815を示していない。n型InP2700上のInGaAsP導波路層2701の表面に、開口部2800の幅2910Aが変化するSiNxマスク2815を形成する(図28)。SiNxマスク2815の膜厚は1.0μmである。平坦部分2815Aの幅2820Aは20μm、傾斜部分2815Bの幅2820Bは10μmで一定である。導波路長2810B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。 28 to 32 are views for explaining a method of manufacturing a waveguide in this example. For the sake of simplicity, the SiN x mask 2815 is not shown in the cross-sectional view (b) of FIGS. On the surface of the InGaAsP waveguide layer 2701 on the n-type InP 2700, a SiN x mask 2815 in which the width 2910A of the opening 2800 changes is formed (FIG. 28). The film thickness of the SiN x mask 2815 is 1.0 μm. The flat portion 2815A has a constant width 2820A of 20 μm, and the inclined portion 2815B has a constant width 2820B of 10 μm. The waveguide length 2810B is 500 μm. The etching process when dry etching is performed on a sample with a mask using a hydrocarbon-based gas such as methane or ethane is the same as in the second embodiment.

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2800Aにおいては、SiNxマスク2815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2800B及び2800Cでは、SiNxマスク2815上から水素の供給が不足するので、ポリマー2901が堆積してエッチングが進行しない(図29)。開口部2800のうち、ポリマー2901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2800B及び2800Cにおいては、ほとんどの領域にポリマー2901が堆積するが、SiNxマスク2815との境界部分でのみエッチングが進行する。 For this sample, when RIE using a mixed gas of methane and hydrogen is first performed at a methane flow rate of 40 sccm, a hydrogen flow rate of 2 sccm, a gas pressure of 10 Pa, and a discharge power of 100 W, the opening 2800A having a width of 1.5 μm or less is obtained. Since the hydrogen is sufficiently supplied from above the SiN x mask 2815, the etching proceeds without polymer deposition. On the other hand, in the openings 2800B and 2800C having a width larger than 1.5 μm, the supply of hydrogen from the SiN x mask 2815 is insufficient, so that the polymer 2901 is deposited and the etching does not proceed (FIG. 29). A portion of the opening 2800 that is not covered with the polymer 2901 is a region where etching proceeds. In the openings 2800B and 2800C, the polymer 2901 is deposited in almost all regions, but the etching proceeds only at the boundary with the SiN x mask 2815.

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30)。   Subsequently, when the oxygen plasma is irradiated at an oxygen flow rate of 10 sccm, a gas pressure of 10 Pa, and a discharge power of 400 W for 1 minute, the deposited polymer is removed (FIG. 30).

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2800A及び2800B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2800Cにおいては、SiNxマスク2815上から水素の供給がまだ不足するので、ポリマー2902が堆積してエッチングが進行しない(図31)。したがって、幅が1.5μm以下の開口部2800A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2800Bの深さよりも深くなる。 Next, when RIE is performed under the conditions in which the hydrogen flow rate is increased (methane flow rate 40 sccm, hydrogen flow rate 5 sccm, gas pressure 10 Pa, discharge power 100 W), in the openings 2800A and 2800B having a width of 2 μm or less, Since the supply increases, the etching proceeds without polymer deposition. On the other hand, in the opening 2800C having a width larger than 2 μm, the supply of hydrogen from the SiN x mask 2815 is still insufficient, so that the polymer 2902 is deposited and the etching does not proceed (FIG. 31). Therefore, in the opening 2800A having a width of 1.5 μm or less, the etching by the second RIE further proceeds after the etching by the first RIE. Therefore, the depth of the opening 2800B having the width from 1.5 μm to 2 μm is increased. Become deeper than the depth.

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、深さの異なる導波路を形成することができる(図32)。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2702を積層することにより図27に示す素子構造が作製される。 Subsequently, after removing the polymer by irradiation with oxygen plasma, RIE and oxygen plasma irradiation are repeated alternately. At this time, by increasing the hydrogen flow rate every time RIE is performed, waveguides having different depths can be formed (FIG. 32). At this time, the hydrogen flow rate can be increased to 100 sccm. Thereafter, after removing the mask, an InP clad layer 2702 is laminated by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE), thereby producing the element structure shown in FIG.

ここで、本実施例の効果を図13を参照して説明する。平坦部分2915Aの開口部幅W1は10μmとする。傾斜部分2915Bの開口部幅W2が1μmから10μmまで変化するとき、水素は垂直型構造において0.2程度から0.1程度まで変化するのに対して、本実施例の傾斜型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傾斜型構造を用いた場合、垂直型構造に比べて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傾斜型構造を用いた場合垂直型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、垂直型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。この値を傾斜型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、垂直型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。   Here, the effect of the present embodiment will be described with reference to FIG. The opening width W1 of the flat portion 2915A is 10 μm. When the opening width W2 of the inclined portion 2915B changes from 1 μm to 10 μm, hydrogen changes from about 0.2 to about 0.1 in the vertical structure, whereas in the inclined structure of this embodiment, the opening It changes from about 0.6 to 0.1 by changing the width W2. As described above, when the tilted structure of this embodiment is used, hydrogen having a concentration about three times higher than that of the vertical structure is involved in etching. This indicates that the etching depth can be changed in a wide range when the inclined structure of this embodiment is used as compared with the vertical structure. For example, in a vertical structure, the normalized concentration of hydrogen when the opening width W2 is 1 μm is about 0.18. With this value, in the inclined structure, the opening width W2 can be 3 μm. This indicates that the etching that can be realized only in the vertical structure when the opening width W2 is 1 μm or less can be realized up to the opening width W2 of 3 μm.

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33にその例を示すが、断面図33(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。   In the present embodiment, the etching using three opening widths and the depth changing in three stages has been described. However, the waveguide layer whose layer thickness is changed in more stages using a mask having a larger number of opening widths. Can be produced. An example is shown in FIG. 33, and the cross-sectional view 33 (b) shows the structure after the cladding layer is formed. In addition, a waveguide layer whose layer thickness gradually changes can be manufactured using a mask whose opening width gradually changes. An example is shown in FIG. 34, and the cross-sectional view 34b shows the structure after the formation of the cladding layer.

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。   In the examples, a polymer generated in dry etching using a hydrocarbon-based gas is used. However, a waveguide can be manufactured using dry etching using chlorine gas as in the first embodiment. .

実施例2
図35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。
Example 2
FIG. 35 shows the structure of a semiconductor laser device using a waveguide structure with a varying layer thickness for the spot size conversion unit. This laser element is characterized by having a spot size converter in the outgoing light portion. The spot size conversion unit is a device that widens the diameter of the emitted light beam in order to improve the efficiency (coupling efficiency) of the light emitted from the element to enter the optical fiber. In this spot size conversion section, the light distribution is oozed out into the cladding layer by gradually reducing the thickness of the waveguide layer to increase the spot size. 1800 is an n-type InP substrate, 1801 is an n-type InP buffer layer, 1802 is an active layer, 1803 is an InGaAsP (composition wavelength: 1.2 μm) guide layer for spot size conversion, and 1804 is an InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm) guide 1805 is a p-type InP buried layer, 1806 is an n-type InP buried layer, 1807 is a p-type InP cladding layer, 1808 is a p-type InGaAs (composition wavelength: 1.65 μm) contact layer, 1809 is an SiO 2 layer, 1810 is An n-type ohmic electrode 1811 is a p-type ohmic electrode. The active layer 1802 includes an InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm) guide layer, six InGaAsP strained quantum well (strain amount: 0.8%) layers, and five InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm) barrier layers. It consists of an active layer composed of a multiple quantum well layer (emission wavelength: 1.3 μm) and an InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm) guide layer.

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。 A method for manufacturing the spot size conversion portion in this laser structure will be described. A SiN x mask similar to that in Example 1 is formed on the surface of the spot size converting InGaAsP (composition wavelength: 1.2 μm) guide layer 1803 adjacent to the active layer. This mask has a shape in which the mask width on the boundary side with the active layer is wide and the mask width on the emission end side is narrow. At the same time, the entire surface of the active layer is covered with a mask. When dry etching shown in Example 1 is performed on this sample, the etching depth is shallow on the boundary side of the active layer and deep on the emission end side. Next, after laminating the InP clad layer, a spot size conversion portion is formed by forming a mesa forming stripe mask and processing it into a mesa structure. With regard to this structure, the structure of the semiconductor laser device of this example is fabricated by forming electrodes after the growth of the pn structure buried layer and the growth of the cladding layer and the contact layer.

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。   As described above, by using this embodiment, a waveguide layer (spot size converting portion) whose layer thickness can be easily changed can be manufactured. The fabricated device exhibits good characteristics such that the optical loss in the waveguide layer (spot size conversion portion) is reduced, the threshold current at room temperature is 6.7 mA, and the efficiency is 0.42 W / A.

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)
1331 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 平坦部分
1411B 傾斜部分
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 平坦部分の幅
1415B 傾斜部分の幅
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 平坦部分
1911B 傾斜部分
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 平坦部分の幅
1915B 傾斜部分の幅
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)
2700 n型InP
2701 InGaAsP導波路層
2702 InPクラッド層
2800、2800A、2800B、2800C 開口部
2810A 開口部2800の幅
2810B 導波路長
2815 SiNxマスク
2815A 平坦部分
2815B 傾斜部分
2820A 平坦部分2815Aの幅
2820B 傾斜部分2815Bの幅
2901、2902 ポリマー
W1 第2のマスクの上面の開口部の幅
W2 第2のマスクの下面の開口部の幅
1310 Semiconductor substrate 1311 SiO 2 mask (corresponding to “first mask”)
1321 SiN x mask (corresponding to “second mask”)
1331 Resist pattern for second mask 1410 SiO 2 mask (corresponding to “first mask”)
1411 SiN x mask (corresponding to “second mask”)
1411A Flat portion 1411B Inclined portion 1412 Length of diffraction grating pattern 1413 Width of diffraction grating pattern 1414 Pitch of diffraction grating pattern 1415A Width of flat portion 1415B Width of inclined portion 1910 SiO 2 mask (corresponding to “first mask”)
1911 SiN x mask (corresponding to "second mask")
1911A Flat portion 1911B Inclined portion 1912 Diffraction grating pattern length 1913 Diffraction grating pattern width 1914 Diffraction grating pattern pitch 1915A Flat portion width 1915B Inclination portion width 2001, 2002, 2003, 2004 Diffraction grating pattern opening 2010 SiO 2 masks (corresponding to “first mask”)
2011 SiN x mask (corresponding to “second mask”)
2700 n-type InP
2701 InGaAsP waveguide layer 2702 InP cladding layer 2800, 2800A, 2800B, 2800C opening 2810A width of opening 2800 2810B waveguide length 2815 SiN x mask 2815A flat portion 2815B inclined portion 2820A width of flat portion 2815A 2820B width of inclined portion 2815B 2901, 2902 Polymer W1 Width of opening on upper surface of second mask W2 Width of opening on lower surface of second mask

Claims (5)

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SiO 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SiN マスクとを形成するステップと、
前記SiO 及びSiN 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、
前記エッチングは、前記エッチング種としてプラズマ状態の塩素ガス、もしくは炭化水素系ガスと水素ガスとの混合ガスを用いるドライエッチングであり、
前記SiN マスクは、側壁が傾斜しており、幅が前記半導体表面に向かって狭くなっている開口部を有し、
前記SiN マスクは、前記SiO マスクに比して厚く、
前記所望のパターンの各開口部の近傍における前記SiN マスクの開口部の面積と前記SiN 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。
A method for producing a desired pattern of varying depth on a semiconductor surface,
Forming a SiO 2 mask having the desired pattern and a SiN X mask for controlling the amount of etching species diffused into a plurality of openings of the desired pattern on the semiconductor surface;
Supplying an etching species to the semiconductor surface on which the SiO 2 and SiN X masks are formed, and etching the semiconductor surface;
The etching is dry etching using chlorine gas in a plasma state or a mixed gas of hydrocarbon gas and hydrogen gas as the etching species,
The SiN X mask has an opening whose side wall is inclined and whose width is narrowed toward the semiconductor surface;
The SiN X mask is thicker than the SiO 2 mask,
The ratio of the area of the opening of the SiN X mask in the vicinity of each opening of the desired pattern and the area of the mask of the SiN X mask is along the arrangement direction of the plurality of openings of the desired pattern. A method characterized by changing.
前記エッチングするステップは、
前記炭化水素系ガス前記水素ガスとから得られる混合ガスを、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ように、炭化水素系ガス流量、水素流量、ガス圧力および放電電力を設定した第1のプラズマ発生条件で供給して、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、
前記第1のプラズマ発生条件と水素流量が異なる第2のプラズマ発生条件により、前記炭化水素系ガス及び前記水素ガスを供給して、前記半導体表面をエッチングするステップと
を含むことを特徴とする請求項に記載の方法。
The etching step includes
The gas mixture obtained from the hydrogen gas and the hydrocarbon gas, such that the hydrocarbon plasma and hydrogen plasma is obtained from hydrocarbon gas and said hydrogen gas to produce a first polymer on the semiconductor surface Supplying a hydrocarbon-based gas flow rate, a hydrogen flow rate, a gas pressure, and discharge power under a first plasma generation condition, and etching the semiconductor surface on which the first polymer is not generated;
Providing a plasma containing oxygen to remove the first polymer;
And supplying the hydrocarbon-based gas and the hydrogen gas according to a second plasma generation condition having a hydrogen flow rate different from that of the first plasma generation condition, and etching the semiconductor surface. Item 2. The method according to Item 1 .
前記第2のプラズマ発生条件は、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に記載の方法。 The second plasma generation conditions, according to claim 2, wherein the hydrocarbon plasma and hydrogen plasma obtained from said hydrocarbon gas and said hydrogen gas is a condition that does not produce polymer on the semiconductor surface the method of. 前記第2のプラズマ発生条件は、前記第1のプラズマ発生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のプラズマ発生条件によるエッチングは、前記第2のプラズマ発生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に記載の方法。
The second plasma generation condition is a condition in which a region where a polymer is generated on the semiconductor surface is narrower than the first plasma generation condition,
The etching by the second plasma generation conditions, the method according to claim 2, wherein the etching the polymer by a second plasma generating conditions are not generated the semiconductor surface.
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1からのいずれかに記載の方法。 The desired pattern, the method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the diffraction grating pattern.
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