JP3809410B2 - 光化学気相堆積装置及び方法 - Google Patents
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Description
【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、ガスがチャンバ内に充填されており、近接場光を照射することにより基板付近に存在する上記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、上記ガス分子を多段階遷移過程を経て解離させるために、単色の非共鳴光を照射するための光源と、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。
【0014】
また、本発明に係る光化学気相堆積装置の光化学気相堆積方法は、ガスがチャンバ内に充填されており、近接場光を照射することにより基板付近に存在する上記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の光化学気相堆積方法において、上記ガス分子を多段階遷移過程を経て解離させるために、単色の非共鳴光を照射するための光源から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。
【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、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
Claims (2)
- ガスがチャンバ内に充填されており、近接場光を照射することにより基板付近に存在する上記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、
上記ガス分子を多段階遷移過程を経て解離させるために、単色の非共鳴光を照射するための光源と、
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。 - ガスがチャンバ内に充填されており、近接場光を照射することにより基板付近に存在する上記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の光化学気相堆積方法において、
上記ガス分子を多段階遷移過程を経て解離させるために、単色の非共鳴光を照射するための光源から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装置の光化学気相堆積方法。
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