(57)【要約】【課題】光源から供給する光の波長条件を緩和させた近接場光ＣＶＤを実現する。【解決手段】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、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、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。これにより、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。【選択図】　図１
2004107744.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、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。
【請求項２】
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。
【発明の詳細な説明】
【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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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