JP2004107744A - Photochemical vapor deposition system and method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、近接場ナノ光デバイス作製時に用いられる光化学気相堆積装置及び方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年進んでいる光情報通信の大容量化のため光素子の高集積化、微細化が必要とされ研究が盛んに行われている。しかし光の波動性に基づく既存の技術では、回折限界のため、上述した微細化において限界がある。このため、複数の量子ドットにより構成され、回折限界以下の寸法でも動作する近接場ナノ光デバイスが提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。
【0003】
この近接場ナノ光デバイスを構成する量子ドットは、励起子に三次元的な量子閉じ込めを与えるほど微細なポテンシャルの箱を形成したものである。この励起子の閉じ込め系を利用した近接場相互作用により、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度がデルタ関数的に尖鋭化する。この量子ドットにおける尖鋭化した状態間における光の吸収を利用して単一電子メモリ等を作製することも可能となる。
【0004】
このような近接場ナノ光デバイスは、近接場光を利用した近接場光CVD(Chemical Vapor Deposition)を利用して精度よく作製することができる(例えば、非特許文献2参照。)。
【0005】
図7は、近接場光CVDを利用した光CVD装置7の構成図である。この光CVD装置7は、チャンバ71内に近接場光プローブ72と、基板73と、上記基板73を載置するためのステージ74とを配設して構成され、また光源75から供給される光を反射してチャンバ71の方向へ導くための反射部材76と、反射部材76を介して供給される光を光CVDプローブ72内を伝搬する光に変換する変換部77とを備え、さらに、チャンバ71内へ雰囲気を注入するためのガス供給部78を備えている。
【0006】
近接場光プローブ72は、図8に示すように光導波部81と、突出部82とを備えている。光導波部81は、コア83の周囲にクラッド84が設けられた光ファイバより構成される。突出部82は、光導波部81の一端においてクラッド84から突出させたコア83を先鋭化させることにより構成されている。この突出部82は、先端部に至るまで徐々に先細になるような円錐形状として構成される。ちなみにこの突出部82は、根元径がコア83の径より短くなるように形成されている。
【0007】
このような光CVD装置7において、ステージ74上に基板72を載置してチャンバ71内にガスを充填させ、光源75から反射部材76、変換部77を介して近接場光プローブ72へ光を供給することにより、近接場光プローブ72の突出部82から近接場光を発生させることができる。この近接場光のエネルギーによって基板73付近に存在するガスを分解することができ、当該ガスの分解生成物を基板73上に堆積させることができる。
【0008】
すなわち、かかる従来の近接場光CVDは、図9に示すように、チャンバ71内へ注入されたガス分子に対して、基底準位と励起準位とのエネルギー差Eaに相当する帯域の光(以下、この光を共鳴光という。)を照射することにより、励起準位へ励起させる。励起準位は、解離エネルギーEbを越えているため、矢印で示される方向へガス分子を解離させることによりラジカル化させて基板73へ堆積させることができる。
【0009】
このような近接場光CVDを用いることにより量子ドットをナノスケールで生成させることができるため、上述した近接場ナノ光デバイスを精度よく作製することが可能となる。
【非特許文献1】
M.Ohtsu,K.Kobayashi,T.Kawazoe,S.Sangu,T.Yatsui,IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.,to be published
【非特許文献2】
Y.Yamamoto,M.Kourogi,M.Ohtsu,V.Polonski,and G.H.Lee,Appl.Phys.Lett.,76,2173(1999)
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の近接場光CVDでは、常に共鳴光を照射しなければ量子ドットを作製することができないため、光源71から供給する波長の条件において大きな制約がかかるという問題点がある。また近年において、共鳴光よりも長波長である非共鳴光を用いる近接場光CVDにより、上述した量子ドットにつき最適な作製条件を模索し、近接場ナノ光デバイスの量産化の要請に対応する必要もあり、特に解離エネルギーEbに相当する光の波長以上の非共鳴光につきかかる要請は強い。
【0011】
そこで本発明は上述した問題点に鑑みて提案されたものであり、その目的とするところは、解離エネルギーEbに相当する光の波長以上の非共鳴光を用いた光化学気相堆積装置及び方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述した課題を解決するために、ガスの解離エネルギーに相当する光の波長以上である光を光ファイバを先鋭化させた先鋭部を介して出力して近接場光を発生させ、当該近接場光を照射することにより基板付近に存在するガスを分解させて基板上に堆積させる光化学気相堆積装置及び方法を発明した。
【0013】
すなわち、本発明に係る光化学気相堆積装置は、近接場光を照射することにより基板付近に存在するガスを分解させて当該基板上へ堆積させる光化学気相堆積装置において、光源と、光ファイバを先鋭化させた先鋭部が設けられ、光源から供給される光を先鋭部を介して出力して近接場光を発生させる近接場光プローブとを備え、光源から供給される光の波長は、ガスの解離エネルギーに相当する光の波長以上であることを特徴とする。
【0014】
また、本発明に係る光化学気相堆積方法は、近接場光を照射することにより基板付近に存在するガスを分解させて当該基板上へ堆積させる光化学気相堆積方法において、供給される光を、光ファイバを先鋭化させた先鋭部を介して出力して近接場光を発生させ、供給される光の波長は、ガスの解離エネルギーに相当する光の波長以上であることを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態として、本発明に係る光化学気相堆積装置及び方法を、図1に示した光CVD(Chemical Vapor Deposition)装置1に適用した例を挙げて説明する。
【0016】
光CVD装置1は、チャンバ11内に近接場光プローブ12と、基板13と、上記基板13を載置するためのステージ14とを配設して構成され、また光源15から供給される光を反射してチャンバ11の方向へ導くための反射部材16と、反射部材16を介して供給される光を光CVDプローブ12内を伝搬する光に変換する変換部17とを備え、さらに、チャンバ11内へ、例えばジエチル亜鉛(DEZn)雰囲気を注入するためのガス供給部18を備えて構成されている。
【0017】
チャンバ11は、充填するガスの濃度等を均一化するために設けられたものである。なお、チャンバ11内のガスの濃度を均一化させることにより、ガス分子と光の波長との関係において基板13への吸着状態を制御すべく、チャンバ11には、ガスの濃度を制御するための図示しない調整弁が付設されている。またこのチャンバ11には、内部の圧力を制御するための図示しない圧力弁が付設され、減圧下で成膜する光CVDプロセスに鑑みてチャンバ11内の圧力は、例えばDEZn雰囲気において100mTorrとなるように制御される。このチャンバ11には、変換部17と対向する面において窓11aがさらに配設されており、窓11aを介して変換部17から光を入射させることができる。
【0018】
近接場光プローブ12は、図2に示すように光導波部21と、突出部22とを備えている。光導波部21は、純粋石英からなるコア23の周囲にクラッド24が設けられた光ファイバより構成される。突出部22は、光導波部21の一端においてクラッド24から突出させたコア23を先鋭化させることにより構成されている。この突出部22は、先端部に至るまで徐々に先細になるような円錐形状として構成される。ちなみにこの突出部22は、根元径がコア23の径より短くなるように形成されている。
【0019】
このような近接場光プローブ11の突出部22は、光導波部21に対して、選択化学エッチングを施すことにより作製される。この選択化学エッチングは、例えばNH4F、HF、H20からなる緩衝ふっ酸溶液中にファイバを約1時間浸し、クラッド24端部を除去することによりコア23を選択的に先鋭化する。また本発明では、例えば特開平10−82791に提案されている手法を用いることにより、エッチング液の組成と、光ファイバーを構成する材料により溶解速度を制御して、コア23の先端を例えば先端曲率半径10nmまで先鋭化させてもよい。最後にこの先鋭化させたコア23に対して、先端部を除く側面に例えばAu等の金属層をコーティングして仕上げる。
【0020】
基板13は、半導体量子ドットを堆積させるべく、例えばNaCl、KCl又はCaF2等の導電性材料により構成される。ステージ14は、基板13を載置するための図示しない載置部や、基板13を加熱するための図示しない加熱機構が設けられており、光CVDによりラジカル化させたガス分子の成膜状況をコントロールすることができる。
【0021】
光源15は、例えばガスレーザ光源、半導体レーザ光源或いは固体レーザ光源等により構成され、所定の波長からなる光を反射部材16へ出射する。この光源15から出射される光の波長の詳細については後述する。反射部材16は、例えばビームスプリッタ等により構成され、光源15から出射される光を90°反射させて変換部17へ出射させる。
【0022】
このような光CVD装置1において、ステージ14上に基板12を載置して、ガス供給部18からチャンバ11内へガスを充填させる。そして光源15から反射部材16、変換部17を介して近接場光プローブ12へ光を供給することにより、近接場光プローブ12の突出部22から近接場光を発生させることができる。この近接場光のエネルギーによって基板13付近に存在するガスを分解することができ、当該ガスの分解生成物を基板13上に堆積させることができる。ちなみに、ガス雰囲気としてDEZnを用いる場合には、光CVD装置1により、近接場光を照射することによりDEZnを分解して得られる分解生成物Znを基板12上に堆積させることができる。
【0023】
次に、本発明を適用した光CVD装置1の光源15から出射される光について説明をする。
【0024】
図3は、チャンバ内に充填されたガスにおける原子間距離に対するポテンシャルエネルギーの関係を示している。通常の光CVDでは、チャンバ71内へ注入されたガス分子に対して、基底準位と励起準位とのエネルギー差Eaに相当する帯域の光(以下、この光を共鳴光という。)を照射することにより、励起準位へ励起させる。この励起準位は、解離エネルギーEbを越えているため、矢印で示される方向へガス分子を解離させることによりラジカル化させて基板13へ堆積させることができる。本発明を適用した光CVD装置1では、かかる共鳴光を照射する共鳴光照射モードに加えて、共鳴光よりも長波長である非共鳴光をガス分子へ照射する非共鳴光照射モードを有する。
【0025】
この非共鳴光照射モードでは、ガス分子の解離エネルギーEbに相当する光の波長以下の非共鳴光を照射するS1モードと、ガス分子の解離エネルギーEbに相当する光の波長以上の非共鳴光を照射するS2モードと有する。
【0026】
このような非共鳴光照射モードにおけるガス分子は、複数回の光吸収による励起(多段階遷移過程)を経て解離させることができる。例えば図4に示すようなS2モードにおいて、ガス分子は、Ebに相当する光の波長以上の非共鳴光を受光して分子軌道準位へ一度励起し、次にこの分子軌道準位より高準位の分子軌道準位へ励起して、3回目の光吸収による励起により励起準位へ、若しくは分子解離軌道準位へ励起させることができる。
【0027】
このように、ガス分子振動を励起させることができる理由は、ガス分子に近接場光が照射されることにより、ボルン・オッペンハイマー近似が破れ、分子の振動レベルへの直接的な励起が生じているためである。
【0028】
図5は、ガス分子とプローブ先端部との距離に対する光強度の関係を示している。通常の伝搬光は、光強度が一様である。このため、通常の伝搬光をガス分子に照射しても、核間軸に沿って対称的に伸縮振動させることができず、分子間距離を変化させることができないため、分子の振動レベルへの直接的な励起を生じさせることができない。一方、近接場光では、ガス分子とプローブ先端部との距離が短く、光の空間変位が激しい。このため、近接場光をガス分子に照射すると核間軸に沿って対称的に伸縮振動させることができ、分子間距離を変化させることができるため、分子の振動レベルへの直接的な励起を生じさせることができる。
【0029】
図6は、各非共鳴光照射モード(S1、S2モード)の光強度に対する堆積レートの関係を示している。この図6において四角形はS1モードにおける測定データであり、円形はS2モードにおける測定データであり、実線でかかる測定結果をそれぞれフィットさせている。ちなみに、290nm以下の波長で共鳴するDEZnにおいて、S1モードで用いた光の波長は488nmであり、S2モードで用いた光の波長は684nmである。また、照射する近接場光の光強度はそれぞれ120μWから10mWの間で変化させている。
【0030】
この図6において示されるように、非共鳴光照射モードにおいても、基板13上に堆積される分解生成物の量は、光強度に依存する傾向が示されていることから、非共鳴光の近接場光を照射することにより、基板13上へ分解生成物を成膜させられることが分かる。また、ガス分子の解離エネルギーEbに相当する光の波長以上の非共鳴光を照射するS2モードにおいても、分解生成物を成膜させることができる。
【0031】
すなわち、本発明を適用した光CVD装置1は、ガスの解離エネルギーに相当する光の波長以上の非共鳴光を、光ファイバを先鋭化することで形成された先鋭部を介して出力して近接場光を発生させることにより、多段階遷移過程を経て解離させて得た分解生成物を基板上に堆積させることができ、光源15から供給する光の波長条件を緩和させることが可能となる。
【0032】
またこの近接場光を用いた光CVD装置1は、先端部を約10nmのスケールまで先鋭化させた近接場光プローブ12を用いることができるため、ナノスケールの量子ドットからなる近接場ナノ光デバイスを光源の波長の如何を問わず高精度に作製することが可能となる。
【0033】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る光化学気相堆積装置及び方法は、ガスの解離エネルギーに相当する光の波長以上の非共鳴光を、光ファイバを先鋭化することで形成された先鋭部を介して出力して近接場光を発生させることにより、多段階遷移過程を経て解離させて得た分解生成物を基板上に堆積させることができ、光源から供給する光の波長条件を緩和させることが可能となる。
【0034】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した光CVD装置の構成を示す図である。
【図2】近接場光プローブの詳細について説明するための図である。
【図3】共鳴光照射モード並びに非共鳴光照射モードについて説明するための図である。
【図4】多段階遷移過程について説明するための図である。
【図5】ガス分子とプローブ先端部との距離に対する光強度の関係を示す図である。
【図6】各非共鳴光照射モード(S1、S2モード)の光強度に対する堆積レートの関係を示す図である。
【図7】光CVD装置の典型的な構成を示す図である。
【図8】近接場光プローブの典型的な構成を示す図である。
【図9】ガス原子間の距離に対するポテンシャルエネルギーの関係を示す図である。
【符号の説明】
1 光CVD装置、11 チャンバ、12 近接場光プローブ、13 基板、14 ステージ、15 光源、16 反射部材、17 変換部、18 ガス供給部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a photochemical vapor deposition apparatus and a method used for fabricating a near-field nano-optical device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there has been a need for higher integration and miniaturization of optical elements for increasing the capacity of optical information communication, which has been advanced in recent years, and research has been actively conducted. However, the existing technology based on the wave nature of light has a limit in miniaturization described above due to a diffraction limit. For this reason, a near-field nano-optical device has been proposed which is constituted by a plurality of quantum dots and operates even at dimensions smaller than the diffraction limit (for example, see Non-Patent Document 1).
[0003]
The quantum dots that make up this near-field nano-optical device form a box with a potential that is so fine as to give three-dimensional quantum confinement to excitons. Due to the near-field interaction using this exciton confinement system, the energy levels of the carriers in the quantum dots become discrete, and the density of states becomes sharper as a delta function. It is also possible to manufacture a single-electron memory or the like by utilizing the absorption of light between the sharpened states of the quantum dots.
[0004]
Such a near-field nano-optical device can be accurately manufactured by using near-field optical CVD (Chemical Vapor Deposition) using near-field light (for example, see Non-Patent Document 2).
[0005]
FIG. 7 is a configuration diagram of an optical CVD device 7 using near-field optical CVD. The optical CVD apparatus 7 includes a near-field
[0006]
The near-field
[0007]
In such an optical CVD apparatus 7, the
[0008]
That is, in the conventional near-field optical CVD, as shown in FIG. 9, light (in the band corresponding to the energy difference Ea between the ground level and the excited level) is applied to the gas molecules injected into the
[0009]
Since quantum dots can be generated on a nano-scale by using such near-field optical CVD, the above-described near-field nano-optical device can be accurately manufactured.
[Non-patent document 1]
M. Ohtsu, K .; Kobayashi, T .; Kawazoe, S.M. Sangu, T .; Yatsui, IEEE J .; Sel. Top. Quant. Electron. , To be published
[Non-patent document 2]
Y. Yamamoto, M .; Kourogi, M .; Ohtsu, V .; Polonski, and G.W. H. Lee, Appl. Phys. Lett. , 76, 2173 (1999)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional near-field optical CVD, quantum dots cannot be manufactured without always irradiating the resonance light, so that there is a problem that a condition of a wavelength supplied from the
[0011]
Accordingly, the present invention has been proposed in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a photochemical vapor deposition apparatus and method using non-resonant light having a wavelength equal to or longer than the wavelength of light corresponding to the dissociation energy Eb. To provide.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, the present inventor generates near-field light by outputting light having a wavelength equal to or more than the wavelength of light corresponding to the dissociation energy of gas through a sharpened portion obtained by sharpening an optical fiber. Invented a photochemical vapor deposition apparatus and method for irradiating the near-field light to decompose gas existing near the substrate and depositing the gas on the substrate.
[0013]
That is, a photochemical vapor deposition apparatus according to the present invention is a photochemical vapor deposition apparatus that decomposes a gas existing near a substrate by irradiating near-field light and deposits the gas on the substrate. A near-field light probe for generating near-field light by outputting light supplied from the light source through the sharp portion, wherein the wavelength of the light supplied from the light source is gas. Is not less than the wavelength of light corresponding to the dissociation energy of
[0014]
Further, the photochemical vapor deposition method according to the present invention, in the photochemical vapor deposition method of decomposing a gas present near the substrate by irradiating near-field light and depositing the gas on the substrate, The optical fiber is output through a sharpened point to generate near-field light, and the wavelength of the supplied light is equal to or longer than the wavelength of light corresponding to the dissociation energy of gas.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As an embodiment of the present invention, a photochemical vapor deposition apparatus and a method according to the present invention will be described with reference to an example in which the apparatus and method are applied to a photochemical vapor deposition (CVD)
[0016]
The
[0017]
The
[0018]
The near-field
[0019]
The protruding
[0020]
The
[0021]
The
[0022]
In such an
[0023]
Next, light emitted from the
[0024]
FIG. 3 shows the relationship between the potential energy and the interatomic distance in the gas filled in the chamber. In normal optical CVD, gas molecules injected into the
[0025]
In the non-resonant light irradiation mode, an S1 mode in which non-resonant light having a wavelength equal to or less than the wavelength of light corresponding to the dissociation energy Eb of the gas molecule is irradiated, and a non-resonant light having a wavelength equal to or more than the light corresponding to the dissociation energy Eb of the gas molecule are used. S2 mode for irradiation.
[0026]
Gas molecules in such a non-resonant light irradiation mode can be dissociated through excitation (multi-step transition process) by light absorption a plurality of times. For example, in the S2 mode as shown in FIG. 4, gas molecules receive non-resonant light having a wavelength equal to or greater than the wavelength of Eb and are once excited to a molecular orbital level. , And can be excited to an excited level or a molecular dissociated orbital level by excitation by the third light absorption.
[0027]
Thus, the reason that gas molecule vibration can be excited is that the irradiation of near-field light on gas molecules breaks the Born-Oppenheimer approximation and causes direct excitation of the molecule to the vibration level. Because it is.
[0028]
FIG. 5 shows the relationship between the light intensity and the distance between the gas molecules and the probe tip. Normal propagating light has a uniform light intensity. For this reason, even if normal propagating light is applied to gas molecules, it cannot be symmetrically stretched and vibrated along the internuclear axis, and the intermolecular distance cannot be changed. No direct excitation can occur. On the other hand, in the near-field light, the distance between the gas molecule and the tip of the probe is short, and the spatial displacement of the light is severe. For this reason, when near-field light is applied to gas molecules, the gas molecules can be symmetrically stretched and vibrated along the internuclear axis, and the intermolecular distance can be changed. Can be caused.
[0029]
FIG. 6 shows the relationship between the light intensity in each non-resonant light irradiation mode (S1, S2 mode) and the deposition rate. In FIG. 6, the squares are the measurement data in the S1 mode, and the circles are the measurement data in the S2 mode, and the measurement results are fitted by solid lines. Incidentally, in DEZn that resonates at a wavelength of 290 nm or less, the wavelength of light used in the S1 mode is 488 nm, and the wavelength of light used in the S2 mode is 684 nm. The light intensity of the near-field light to be irradiated is changed between 120 μW and 10 mW.
[0030]
As shown in FIG. 6, even in the non-resonant light irradiation mode, the amount of the decomposition products deposited on the
[0031]
That is, the
[0032]
In addition, the
[0033]
【The invention's effect】
As described above in detail, the photochemical vapor deposition apparatus and method according to the present invention provide a non-resonant light having a wavelength equal to or longer than the wavelength of light corresponding to the dissociation energy of a gas, by using a sharpened optical fiber. Output through the section to generate near-field light, the decomposition products obtained by dissociation through a multi-step transition process can be deposited on the substrate, and the wavelength conditions of the light supplied from the light source are relaxed. It is possible to do.
[0034]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a photo-CVD apparatus to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram for explaining details of a near-field optical probe.
FIG. 3 is a diagram for explaining a resonance light irradiation mode and a non-resonance light irradiation mode.
FIG. 4 is a diagram for explaining a multi-stage transition process.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a light intensity and a distance between a gas molecule and a probe tip.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the light intensity in each non-resonant light irradiation mode (S1, S2 mode) and the deposition rate.
FIG. 7 is a diagram showing a typical configuration of an optical CVD apparatus.
FIG. 8 is a diagram showing a typical configuration of a near-field optical probe.
FIG. 9 is a diagram showing a relationship between potential energy and distance between gas atoms.
[Explanation of symbols]
Claims (2)
光源と、
光ファイバを先鋭化させた先鋭部が設けられ、上記光源から供給される光を上記先鋭部を介して出力して上記近接場光を発生させる近接場光プローブとを備え、
上記光源から供給される光の波長は、上記ガスの解離エネルギーに相当する光の波長以上であること
を特徴とする光化学気相堆積装置。In a photochemical vapor deposition apparatus that decomposes a gas present near the substrate by irradiating near-field light and deposits the gas on the substrate,
A light source,
A near-field light probe which is provided with a sharpened portion obtained by sharpening an optical fiber and outputs the light supplied from the light source through the sharpened portion to generate the near-field light,
The wavelength of light supplied from the light source is equal to or longer than the wavelength of light corresponding to the dissociation energy of the gas.
供給される光を光ファイバを先鋭化させた先鋭部を介して出力して上記近接場光を発生させ、
上記供給される光の波長は、上記ガスの解離エネルギーに相当する光の波長以上であること
を特徴とする光化学気相堆積方法。In a photochemical vapor deposition method of decomposing a gas present near the substrate by irradiating near-field light and depositing the gas on the substrate,
The near-field light is generated by outputting the supplied light through a sharpened portion where the optical fiber is sharpened,
The wavelength of the supplied light is equal to or longer than the wavelength of light corresponding to the dissociation energy of the gas.
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