微細構造素子製造装置及び微細構造素子生産方法
【課題】領域選択成長技術を適用して、均一性のある微細構造を生産できる微細構造素子製造装置及び微細構造素子生産方法を提供すること。
【解決手段】基板が搭載される試料ホルダ４０と、基板３０に選択的に結晶を成長させるため基板の温度を所定の範囲に加熱する加熱器５０と、基板３０に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の第１の開口部と、当該１つ以上の第１の開口部の外側に複数の第２の開口部を有するマスク１０と、マスク１０が搭載されるマスクホルダ２０と、を備える微細構造素子製造装置。
【解決手段】基板が搭載される試料ホルダ４０と、基板３０に選択的に結晶を成長させるため基板の温度を所定の範囲に加熱する加熱器５０と、基板３０に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の第１の開口部と、当該１つ以上の第１の開口部の外側に複数の第２の開口部を有するマスク１０と、マスク１０が搭載されるマスクホルダ２０と、を備える微細構造素子製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細構造素子製造装置及び微細構造素子生産方法に関し、さらに詳しくは微細構造の領域選択成長技術を適用した、微細構造素子製造装置及び微細構造素子生産方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日では、光情報通信ネットワークは社会にとってなくてはならない存在である。さらに、通信需要は急速に拡大しており、従来より使用されているデジタル信号処理を担う電気素子では、光信号の処理速度に限界があり、さらに高速化に伴い消費電力が肥大化する等の問題がある。つまり、電気で光信号を制御する方式では、消費電力と処理速度に関して問題が生じる。
【０００３】
そこで、光で光信号を制御する全光スイッチング素子が大変期待されている。これらの全光スイッチング素子の例としては、現時点では、以下に示すような対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチが提案されている（非特許文献１、非特許文献２等参照）。
【０００４】
〔対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチ〕
対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ：ＰＣ−ＳＭＺ）は、図１１に示すように、フォトニック結晶光導波路５１０（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｗａｖｅ Ｇｕｉｄｅ：ＰＣ−ＷＧ）と、光導波路中に埋め込まれた量子ドット５２０（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ：ＱＤ）を基本構成要素とする。フォトニック結晶光導波路を対称マッハ・ツェンダー型に配置し、２本の光非線形アーム内部（斜線部）に量子ドットを埋め込んだ構造を有する。非線形アーム部には、それぞれ量子ドット励起用の制御光（Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｕｌｓｅ）を導入する光導波路が設けられる。この素子において量子ドットは、光非線形媒体として用いられ、信号光（Ｓｉｇｎａｌ Ｐｕｌｓｅ）の位相を変調させる役割を果たす。
【０００５】
具体的なスイッチ動作を図１２に模式的に示す。信号光は、図１２の左側上から２番目のポートから入射され、初めの方向性結合器（ＤＣ１）により二分割される。分割された信号光はＤＣ２において再び出会い、制御光が導入されない状態においては、両者の位相差は０であるから、図右側の下のポートから出射される。次に、スイッチＯＮ用の制御光を図左側最上部のポートから入射すると、非線形アーム（１）内の量子ドットが励起され、量子ドット内の伝導帯準位をキャリアが満たすことにより、準位間での吸収飽和（３次の光非線形現象）を起こす。
【０００６】
これにより、アーム（１）部の実効的な屈折率が変化するため、アーム（１）を伝播する信号光の位相がシフトする。位相シフト量が１８０度の場合、位相シフトしたアーム（１）伝播光と、位相シフトしていないアーム（２）伝播光がＤＣ２で再び干渉すると、出力ポートが上側に切り替わり、スイッチングが起こる。次に、スイッチＯＦＦ用の制御光を図左側最下部のポートから入射すると、非線形アーム（２）内の量子ドットが励起され、同様にアーム（２）伝播光も位相がシフトされるため、両アームの伝播光の位相差が無くなり、再び下側のポートから信号光が出射する。
【０００７】
このようにして全光スイッチ動作が実現されるが、この素子作製にもっとも重要となるのが、非線形アーム部領域にのみ位置選択的に均一な量子ドットを形成することである。また、この素子を１枚の基板に大量に集積化して作製する際は、この選択領域の位置精度を確保することも必要となる。
【０００８】
〔光フリップ・フロップ〕
光フリップ・フロップ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｌｉｐ Ｆｌｏｐ：ＰＣ−ＦＦ）は、光デジタル信号処理素子であり、図１３のように、前述のＰＣ−ＳＭＺを２個集積した構造を有する。詳細な動作原理の説明は割愛するが、本素子は異なる２波長の光（λ１、λ２：図中実線と点線）を用いて動作する。すなわち、ＰＣ−ＳＭＺ１とＰＣ−ＳＭＺ２とはそれぞれ異なる吸収波長のＱＤを非線形アーム部に埋め込んだ構造となっている。そのため、ＰＣ−ＦＦ実現のためには２種類の異なる吸収波長を有するＱＤを、一枚の基板上にモノリシック（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）に形成する必要がある。詳しくは、発明者らが出願した明細書に記載されている（特許文献１等参照）。
【０００９】
これらの全光スイッチング素子に必要な特定の選択領域にのみ半導体薄膜などの微細構造を作製する技術として、通常の蒸着型結晶成長技術法などに加え、金属製などのマスクを試料上に配置する手法は多数報告がある。中でも、ＭＢＥ法による結晶成長時に、試料ホルダ上にメタルマスクホルダを装着し、基板とマスクとの距離を一定に保つよう工夫したマスクを用いて、選択領域にのみ量子ドットを作製する方法を発明者の一人である大河内らが提案している（特許文献２等参照）。
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−４６５４３号公報
【特許文献２】特開２００８−３４４４５号公報
【非特許文献１】Ｋｉｙｏｓｈｉ Ａｓａｋａｗａ，“Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ａｎｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ａｌｌ−ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈ ａｎｄ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ”Ｎｅｗ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．８（２００６）２０８ｐ
【非特許文献２】浅川 潔他「超高速信号処理ナノ光制御素子および光集積技術に関する研究」ＴＡＲＡ ＮＥＷＳ Ｎｏ．３３ ２００６年９月 １０ｐ 筑波大学先端学際領域研究センター発行
【非特許文献３】浅川 潔他「実用化に向けたフォトニック結晶の構造制御」（社）応用物理学会 第７４巻第号（２００５）１８６ｐ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
大河内の方法で選択領域への量子ドット成長は可能であるが、背景技術で述べたＰＣ−ＳＭＺやＰＣ−ＦＦを作製する場合、成長中のメタルマスクからは熱放射が発生しており、特に図１４に示すようなマスクパターンの開口領域が大きい場合、中心部と周辺部でのマスク領域の相対的な被服量が異なるため、成長時の基板の温度分布が不均一になる傾向がある。また、メタルマスク開口領域中心部では、ＭＢＥの分子線が十分に照射されるが、周辺部にいくと不足気味になるため、形成された選択成長領域間でのバラツキが生じる。図１５に従来例により作製されたＱＤの選択成長領域のフォトルミネッセンス発光強度分布マッピングの一例を示す。この結果をみればわかるように、試料中心部では比較的発光強度が強いが、周辺部へ行くと弱くなる傾向があり、全体で不均一な発光強度分布となっている。
【００１２】
本発明は、以上のような問題点を解決し、微細構造の領域選択成長技術を適用した、微細構造素子製造装置及び微細構造素子生産方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、結晶成長時の基板温度分布を均一化することと基板表面での供給原料の均一化を促進することの有用性を見出し、下記の発明を完成するに至った。
【００１４】
（１） 基板が搭載される試料ホルダと、前記基板に選択的に結晶を成長させるため基板の温度を所定の範囲に加熱する加熱器と、前記基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の第１の開口部と、当該１つ以上の第１の開口部の外側に複数の第２の開口部を有するマスクと、前記マスクが搭載されるマスクホルダと、を備える微細構造素子製造装置。
【００１５】
（１）の記載による微細構造素子製造装置によれば、基板が搭載される試料ホルダと、基板に選択的に結晶を成長させるため基板の温度を所定の範囲に加熱する加熱器と、マスクと、マスクが搭載されるマスクホルダと、を備えている。当該マスクは、基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の第１の開口部と、当該１つ以上の第１の開口部の外側に複数の第２の開口部を有するので、量子ドット成長時の温度勾配や供給原料分圧といった成長条件の均一化が可能となり、その結果、選択領域成長量子ドットの構造や光学特性の均一化を図ることができる。
【００１６】
基板は、微細構造素子を作製するための基板である。素材は半導体であってもよいし、金属でもよいし、磁性体または強誘電体であってもよい。
【００１７】
第１の開口部は、基板に選択的に結晶を成長させる場合に、必要な位置に原料を照射するための案内となり、１つの基板より多数の素子を生産するための多数の第１の開口部が設けられる。一方、第２の開口部は、量子ドット成長時の温度勾配や供給原料分圧といった成長条件の均一化を図るために設けられたものである。第２の開口部は、マスクの中心部と第１の開口部の外周に設けることが望ましい。
【００１８】
（２） 前記マスクホルダには、前記基板と前記マスクとの間の空間と当該マスクホルダの外側間で、結晶を成長させるために照射された原料が拡散可能となる複数の拡散孔を設けたことを特徴とする（１）に記載の微細構造素子製造装置。
【００１９】
（２）の記載による微細構造素子製造装置によれば、マスクホルダには、基板とマスクとの間の空間と当該マスクホルダの外側間で、結晶を成長させるために照射された原料が拡散可能となる複数の拡散孔を設けられている。成長時に照射される周期表のＶ族原料は周期表のＩＩＩ族原料に比べて基板表面で拡散する傾向が大きく、開口部へ照射された後、開口周辺へ表面拡散する。素子製作領域は、開口が多いため充分なＶ族原料が存在しているが、周辺部は相対的に開口が少ないため、Ｖ族原料が不足気味になる。そこで、マスクホルダに複数の拡散孔を設けることにより、マスクホルダの内外で、結晶を成長させるために照射された原料が拡散可能となるので、このＶ族原料不足を補うことが可能となる。
【００２０】
（３） 前記加熱器により、前記基板の加熱される部分が時間とともに移動することを特徴とする（１）又は（２）に記載の微細構造素子製造装置。
【００２１】
（３）の記載による微細構造素子製造装置によれば、加熱器により、基板の加熱される部分が時間とともに移動するので、基板の温度が均一化する。また、基板の加熱される部分が時間とともに移動するので、微細構造素子製造装置の中でＶ族原料がより拡散可能となる。
【００２２】
（４） 前記加熱器は、発熱体が電気的に２相以上で構成され、各相に異なる位相の電圧を印加することにより前記基板の加熱される部分が時間とともに移動することを特徴とする（３）に記載の微細構造素子製造装置。
【００２３】
（４）の記載による微細構造素子製造装置によれば、発熱体が電気的に２相以上で構成され、各相に異なる位相の電圧を印加することにより基板の加熱される部分が時間とともに移動する。発熱体が３相で構成され、３相交流を印加することにより、基板の加熱される部分が３相モータのように回転するのが望ましい。なお、単相の電源で、コンデンサ、リアクトルにより位相の異なる電圧を印加することにより、基板の加熱される部分を回転させることもできる。この機構は、基板を回転させることが何らかの理由で難しい場合にも、基板回転による形成層の均一化と同等の効果をもたらすことができる。
【００２４】
（５） 基板が、試料ホルダに搭載される工程と、前記基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の開口と、当該１つ以上の開口の外側に複数の開口部を有するマスクをマスクホルダに搭載する工程と、前記試料ホルダと前記マスクホルダとを弾性体を用いて軸方向に位置決めをする位置決め工程と、前記基板に選択的に結晶を成長させるため基板の温度を所定の範囲に加熱し保持する加熱工程と、前記基板に素材を蒸発させて当該基板上に結晶を成長させる結晶成長工程と、を有する微細構造素子生産方法。
【００２５】
（５）に記載の発明は微細構造素子生産方法に関するものである。（１）に記載の微細構造素子製造装置を用いて均一性のある素子の微細構造素子生産方法を実現することができる。
【００２６】
（６） 前記マスクホルダには、前記基板と前記マスクとの間の空間と当該マスクホルダの外側間で、結晶を成長させるために照射された原料が拡散可能となる複数の拡散孔を設けられ、前記加熱工程では、前記基板の加熱される部分が時間とともに移動することを特徴とする（５）に記載の微細構造素子生産方法。
【００２７】
（６）に記載の発明は微細構造素子生産方法に関するものであり、（３）又は（４）に記載の微細構造素子製造装置を用いて、均一性のある素子の微細構造素子生産方法を実現することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ＰＣ−ＳＭＺやＰＣ−ＦＦを作製する場合、成長中のメタルマスクからは熱放射が発生しており、特にマスクパターンの開口領域が大きい場合、中心部と周辺部でのマスク領域の相対的な被服量が異なるため、成長時の基板の温度分布が不均一になるという問題を解決して、均一性のある素子の生産に適する微細構造素子製造装置及び微細構造素子生産方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、これはあくまでも一例であって、本発明の技術的範囲はこれに限られるものではない。
【００３０】
＜実施例１＞
図１は、本発明の微細構造素子製造装置を用いた結晶成長装置を説明する図であり、図２は、本発明の微細構造素子製造装置のマスクパターンの１例を示す図である。図３は、本発明の微細構造素子生産方法の工程を表したブロック図である。図４は、本発明のマスクパターンにより作製された量子ドット選択成長のＰＬ発光強度分布を示す図である。以下、これらの図を参照して説明をする。
【００３１】
本発明の微細構造素子製造装置１は、図１（ａ）に示すように、基板３０が搭載され、回転方向の角度を規定することのできる回転規制手段４４を有する試料ホルダ４０と、基板３０に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の開口を有するマスク１０と、回転規制手段４４に接合して回転方向と半径方向との試料ホルダ４０との相対位置が決まる位置固定手段２９を有するマスクホルダ２０と、基板３０とマスク１０とをあらかじめ定められた距離に近接して位置決めするために試料ホルダ４０とマスクホルダ２０とが互いに軸方向に離反するように設けられた弾性体であるバネ２８と、結晶を安定して成長させる際に基板３０の温度を所定の範囲に加熱して保持する加熱器５０とがある。また、図１（ｂ）は基板３０とマスク１０と選択結晶成長層３２を示す拡大図である。
【００３２】
結晶成長を行う際、微細構造素子製造装置１は、結晶成長装置の大気と隔離した成長室内に配置される。結晶成長装置には、基板３０に原料を照射するための複数の蒸発源６０（６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ）が設けられている。また、蒸発源６０については全体を成長室内に設けている必要はなく、原料の照射口が成長室内にあればよい。また、蒸発源６０の数は３つの場合に限られない。なお、結晶成長装置には、成長室を減圧するための排気ポンプや排気ポンプと成長室を接続するための配管などがあるが、それらの構成は従来と同様であるので、説明を省略する。より詳細には、中嶋一雄責任編集「エピタキシャル成長のメカニズム」共立出版株式会社出版、２００５年５月２０日、ｐ．７８−７９参照。
【００３３】
対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチの場合は、分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法により、ＧａＡｓ基板上に薄膜やＱＤを結晶成長させる。真空容器中で、当該半導体を構成する各元素を供給源（ソース）から供給し、適当な温度に加熱した基板上で結晶として成長させる。各構成元素は、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｓなどで、これらの構成元素の供給源としては元素単体ないし化合物のソースを用いる。
【００３４】
具体的なマスクパターンを図２に示す。マスク１０は素材がタンタル（Ｔａ）の直径３５ｍｍの円板で、厚さは０．１ｍｍである。中央に設けられた第２の開口部１２は、結晶成長中の基板温度をモニタするために設けられたものである。結晶成長中に基板表面温度を測定するためには、分子線エピタキシー法の場合、赤外線放射温度計を用いる手法や反射高エネルギー電子線回折（ＲＨＥＥＤ：Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｈｉｇｈ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法を用いる手法が一般的である。赤外線放射温度計は、基板表面から放射された赤外線を測定し、基板温度を確定するものである。ＲＨＥＥＤは、電子線を極低角度で基板に照射し、反射した回折電子線を対向した蛍光板上に結像させ、表面の構造を解析することで表面の構造の変移点を測定し、基板温度を確定するものである。
【００３５】
図２に示すように、第１開口部ブロック１３、１４が設けられている。第１開口部ブロック１３と１４には０．５ｍｍの正方形の第１開口部が多数設けられている。第１開口部ブロック１３の外側には、図２に示すように第２開口部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄが設けられている。同様に、第１開口部ブロック１４の外側には、図２に示すように第２開口部１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄが設けられている。
【００３６】
図３は、本発明の微細構造素子生産方法の工程を表した図である。基板３０が、回転方向の角度を規定することのできる回転規制手段４４を有する試料ホルダ４０に搭載される（Ｓ１１０）。そして、少なくとも１つ以上の第１の開口部を有するマスク１０をマスクホルダ２０に搭載する（Ｓ１２０）。さらに、試料ホルダ４０とマスクホルダ２０とを弾性体であるバネ２８を用いて軸方向に位置決めをする（Ｓ１３０）。位置決め後、加熱器５０により基板３０の温度を所定の範囲に加熱して保持する。そして、基板３０に素材を蒸発源６０で蒸発させて基板３０上に選択結晶成長層３２（図１参照）を選択的に結晶を成長させる（Ｓ１５０）。
【００３７】
マスク１０周辺部の遮蔽領域のマスク１０から生じる選択成長領域への熱放射の影響を、新たな複数の第２の開口部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄを設けることにより軽減し、成長時の基板温度分布の均一化を促進する。また、選択成長領域外の周辺部に複数の第２の開口部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄの開口を形成することにより、分子線ビーム照射時の供給原料の基板表面への供給を周辺部からの回り込みによっても行い、基板３０の表面での供給原料の均一化を促進する。
【００３８】
本発明の場合は、図２に示すように周辺部領域に複数の第２の開口部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄを有していることである。これらの付加された第２の開口部は、素子作製領域外に作製されているため、実際の素子作製には用いない。しかしながら、選択成長領域に形成されたＱＤの均一性向上に大きな効果をもたらす。
【００３９】
作製試料の評価法として、Ｈｅ−Ｎｅレーザー（λ＝６３３ｎｍ）励起によるフォトルミネッセンス（ＰＬ）の測定を室温において行った。基板上の任意の位置においてＰＬスペクトルを測定できるよう、試料ステージはステッピングモーターによる高分解能駆動ステージを用いた。また、基板面内での各座標位置においてＰＬ強度をマッピングすることにより、発光位置すなわちＱＤの成長領域を判別した。
【００４０】
図４に、この図２に示すマスクパターンを用いて作製したＱＤ選択成長試料のフォトルミネッセンス発光強度分布図を示す。図１５と比較すると、各選択成長領域のＰＬ発光強度分布が飛躍的に改善されたことがわかる。
【００４１】
これは、第１に基板３０の表面での温度分布が周辺部に第２の開口部を設けることにより改善したことによる効果が大きい。マスク１０は、蒸発源からの原料照射を遮断する役割を持っているとともに、成長時にはマスク１０が基板上方より熱を放射する。それは、マスク１０自体が基板ホルダと一体化して加熱されているからである。また、基板３０に半絶縁性ＧａＡｓ基板を用いた場合は、加熱器から発生する遠赤外線は基板３０を透過して、タンタルから成るマスク１０で遠赤外線が吸収され、この場合は、マスク１０が加熱される。そして、マスク１０は基板３０と近接しており、かつ、周辺領域には開口が少ないため、開口領域が多い素子作製領域より多くの熱が基板に照射される。したがって、周辺部の基板３０の表面温度は上昇し、基板３０上での温度が異なる分布が生じてしまう。
【００４２】
また、成長時に照射される周期表のＶ族原料（例えば、砒素）は周期表のＩＩＩ族原料に比べて基板３０の表面で拡散する傾向が大きく、第１の開口部へ照射された後、第１の開口部周辺へ表面拡散する。素子製作領域は、第１の開口部が多いため充分なＶ族原料が存在しているが、周辺部は開口が少ないため、Ｖ族原料が不足気味になる。そこで、素子作製領域外に第２の開口部を設けることにより、このＶ族原料不足を補うことが可能となる。これらの効果の相乗作用により選択成長領域に形成されたＱＤの均一性が大きく向上する。
【００４３】
＜実施例２＞
実施例２は、結晶を成長させるために照射された原料を拡散し並びに基板の加熱される部分が時間とともに移動することにより基板温度をさらに均一になるよう改良した微細構造素子製造装置及び微細構造素子生産方法を提供することを目的とする。図５は、本発明によるマスクホルダとマスクの一例の斜視図であり、図６は、本発明の微細構造素子製造装置のマスクパターンの他の例を示す図である。図７は、本発明の加熱器のヒータの接続図の一例である。図８は、本発明の加熱器のヒータの接続図の具体的な一例である。図９は、本発明の微細構造素子生産方法の他の一例の工程を表したブロック図である。以下、これらの図を参照して説明をする。
【００４４】
図５に示すように、マスクホルダ２００には、基板３０とマスク１００との間の空間とマスクホルダ２００の外側間で、結晶を成長させるために照射された原料が拡散可能となる複数の拡散孔２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃ、・・・２１０Ｈが設けられている。
【００４５】
マスク１００は、図６に示すように、中心部に直径６ｍｍ以上の第２の開口部１２０を設け、その周辺に第１の開口部ブロック１３０と１４０を設けている。第１の開口部ブロック１３０と１４０は、基板３０に選択的に結晶を成長させるため多数の開口部で構成されている。第１の開口部ブロック１３０と１４０の外側には、第２の開口部１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、１３０Ｄ、１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃ、１４０Ｄが設けられている。
【００４６】
拡散孔２１０Ａ、・・・２１０Ｈと第２の開口部１３０Ａ、・・・１４０Ｄとは、原料が拡散可能となるように、図５に示すような相対位置に取り付けることが望ましい。
【００４７】
加熱器５０のヒータは、基板３０の加熱される部分が時間とともに移動することが望ましい。図７に示すように、ヒータＵ、ヒータＶ、ヒータＷを星型に結線し各端子に３相交流の電圧を印加することにより、交流電動機の回転磁界のように、回転する熱源を提供することができる。
【００４８】
より具体的には、図８に示すように、８極の交流電動機のように各ヒータを円板上に１５度ずつ離れて、図８に示すように配置して接続することにより、基板３０の加熱される部分が時間とともに回転することにより基板３０の温度が均一化される。さらに、基板３０の加熱される部分が時間とともに回転するので、照射された原料がより拡散可能となる。
【００４９】
なお、基板３０の加熱される部分が時間とともに移動することは、加熱器を回転させても良いし、３相交流でなくて単相交流を用いても良い。
【００５０】
一方、実施例２では、中心部の第２の開口部を直径６ｍｍ以上とし、多数の拡散孔２１０Ａ・・・２１０Ｈを利用して、上記で述べた結晶成長中に基板表面温度を測定するために、反射高エネルギー電子線回折（ＲＨＥＥＤ：Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｈｉｇｈ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法を用いる場合に、基板３０の温度を結晶の異なる方向で測定できるという利点がある。
【００５１】
このような微細構造素子生産方法は、図９に示すように、基板３０が、試料ホルダ４０に搭載される（Ｓ２１０）。次に、基板３０に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の開口と、当該１つ以上の開口の外側に複数の開口部を有するマスク１００をマスクホルダ２００に搭載する（Ｓ２２０）。そして、試料ホルダ４０とマスクホルダ２００とを弾性体２８を用いて軸方向に位置決めをする（Ｓ２３０）。その後、基板３０に選択的に結晶を成長させるため基板３０の温度を所定の範囲を時間とともに移動して加熱し保持しながら（Ｓ２４０）。基板３０に素材を蒸発させて当該基板上に結晶を成長させる（Ｓ２５０）。このようにして、より均一性に優れた微細構造素子を生産することができる。
【００５２】
＜実施例３＞
実施例３は、本発明の微細構造素子製造装置のマスクの別の実施例である。図１０に示すように、実施例３のマスク３００は中心部に十字状の開口部３２０が設けられている。
【００５３】
図１０に示すように、基板３０に選択的に結晶を成長させるための第１開口部ブロック３３０、３４０、３５０、３６０が設けられている。第１開口部ブロック３３０、３４０、３５０、３６０には０．５ｍｍの正方形の第１開口部が多数設けられている。第１開口部ブロック３３０、３４０、３５０、３６０の外側には、図１０に示すように第２開口部３３０Ａ、３４０Ａ、３５０Ａ、３６０Ａが設けられている。
【００５４】
図１０に示すような、マスク３００にても、実施例１または実施例２の要素と組み合わせることにより実施例１または実施例２と同様な効果を期待することができる。
【００５５】
以上、本発明の実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更又は改良を加えることができる。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。例えば、近赤外光を透過させるＧａＡｓ基板にＩｎとＡｓを選択領域に照射する自己組織化ＩｎＡｓの光制御素子について主に説明をしたが、ＧａＡｓ基板のみならずその他の基板、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等をもちいて青色波長の光制御素子にも同様に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の微細構造素子製造装置を用いた結晶成長装置を説明する図である。
【図２】本発明の微細構造素子製造装置のマスクパターンの一例を示す図である。
【図３】本発明の微細構造素子生産方法の工程を表したブロック図である。
【図４】本発明のマスクパターンにより作製された量子ドット選択成長のＰＬ発光強度分布を示す図である。
【図５】本発明によるマスクホルダとマスクの一例の斜視図である。
【図６】本発明の微細構造素子製造装置のマスクパターンの他の例を示す図である。
【図７】本発明の加熱器のヒータの接続図の一例である。
【図８】本発明の加熱器のヒータの接続図の具体的な一例である。
【図９】本発明の微細構造素子生産方法の他の一例の工程を表したブロック図である。
【図１０】本発明の微細構造素子製造装置のマスクの別の実施例である。
【図１１】対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチを説明する図である。
【図１２】対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチの動作を説明する図である。
【図１３】本発明の光制御素子を有する光フリップ・フロップ素子を説明する図である。
【図１４】従来のマスクのパターン図である。
【図１５】従来例により作製されたＱＤの選択成長領域のフォトルミネッセンス発光強度分布マッピングの一例を示す。
【符号の説明】
【００５７】
１ 微細構造素子製造装置
１０ マスク
１２ 第２の開口部
１３ 第１の開口部ブロック
１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ 第２の開口部
１４ 第１の開口部ブロック
１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ 第２の開口部
２０ マスクホルダ
２８ バネ
３０ 基板
３２ 選択結晶成長層
４０ 試料ホルダ
４４ 回転規制手段
５０ 加熱器
６０ 蒸発源
１００ マスク
１２０ 第２の開口部
１３０ 第１の開口部ブロック
１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、１３０Ｄ 第２の開口部
１４０ 第１の開口部ブロック
１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃ、１４０Ｄ 第２の開口部
２００ マスクホルダ
２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃ、・・・２１０Ｈ 拡散孔
５１０ ホトニック結晶光導波路
５２０ 量子ドット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細構造素子製造装置及び微細構造素子生産方法に関し、さらに詳しくは微細構造の領域選択成長技術を適用した、微細構造素子製造装置及び微細構造素子生産方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日では、光情報通信ネットワークは社会にとってなくてはならない存在である。さらに、通信需要は急速に拡大しており、従来より使用されているデジタル信号処理を担う電気素子では、光信号の処理速度に限界があり、さらに高速化に伴い消費電力が肥大化する等の問題がある。つまり、電気で光信号を制御する方式では、消費電力と処理速度に関して問題が生じる。
【０００３】
そこで、光で光信号を制御する全光スイッチング素子が大変期待されている。これらの全光スイッチング素子の例としては、現時点では、以下に示すような対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチが提案されている（非特許文献１、非特許文献２等参照）。
【０００４】
〔対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチ〕
対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ：ＰＣ−ＳＭＺ）は、図１１に示すように、フォトニック結晶光導波路５１０（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｗａｖｅ Ｇｕｉｄｅ：ＰＣ−ＷＧ）と、光導波路中に埋め込まれた量子ドット５２０（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ：ＱＤ）を基本構成要素とする。フォトニック結晶光導波路を対称マッハ・ツェンダー型に配置し、２本の光非線形アーム内部（斜線部）に量子ドットを埋め込んだ構造を有する。非線形アーム部には、それぞれ量子ドット励起用の制御光（Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｕｌｓｅ）を導入する光導波路が設けられる。この素子において量子ドットは、光非線形媒体として用いられ、信号光（Ｓｉｇｎａｌ Ｐｕｌｓｅ）の位相を変調させる役割を果たす。
【０００５】
具体的なスイッチ動作を図１２に模式的に示す。信号光は、図１２の左側上から２番目のポートから入射され、初めの方向性結合器（ＤＣ１）により二分割される。分割された信号光はＤＣ２において再び出会い、制御光が導入されない状態においては、両者の位相差は０であるから、図右側の下のポートから出射される。次に、スイッチＯＮ用の制御光を図左側最上部のポートから入射すると、非線形アーム（１）内の量子ドットが励起され、量子ドット内の伝導帯準位をキャリアが満たすことにより、準位間での吸収飽和（３次の光非線形現象）を起こす。
【０００６】
これにより、アーム（１）部の実効的な屈折率が変化するため、アーム（１）を伝播する信号光の位相がシフトする。位相シフト量が１８０度の場合、位相シフトしたアーム（１）伝播光と、位相シフトしていないアーム（２）伝播光がＤＣ２で再び干渉すると、出力ポートが上側に切り替わり、スイッチングが起こる。次に、スイッチＯＦＦ用の制御光を図左側最下部のポートから入射すると、非線形アーム（２）内の量子ドットが励起され、同様にアーム（２）伝播光も位相がシフトされるため、両アームの伝播光の位相差が無くなり、再び下側のポートから信号光が出射する。
【０００７】
このようにして全光スイッチ動作が実現されるが、この素子作製にもっとも重要となるのが、非線形アーム部領域にのみ位置選択的に均一な量子ドットを形成することである。また、この素子を１枚の基板に大量に集積化して作製する際は、この選択領域の位置精度を確保することも必要となる。
【０００８】
〔光フリップ・フロップ〕
光フリップ・フロップ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｌｉｐ Ｆｌｏｐ：ＰＣ−ＦＦ）は、光デジタル信号処理素子であり、図１３のように、前述のＰＣ−ＳＭＺを２個集積した構造を有する。詳細な動作原理の説明は割愛するが、本素子は異なる２波長の光（λ１、λ２：図中実線と点線）を用いて動作する。すなわち、ＰＣ−ＳＭＺ１とＰＣ−ＳＭＺ２とはそれぞれ異なる吸収波長のＱＤを非線形アーム部に埋め込んだ構造となっている。そのため、ＰＣ−ＦＦ実現のためには２種類の異なる吸収波長を有するＱＤを、一枚の基板上にモノリシック（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）に形成する必要がある。詳しくは、発明者らが出願した明細書に記載されている（特許文献１等参照）。
【０００９】
これらの全光スイッチング素子に必要な特定の選択領域にのみ半導体薄膜などの微細構造を作製する技術として、通常の蒸着型結晶成長技術法などに加え、金属製などのマスクを試料上に配置する手法は多数報告がある。中でも、ＭＢＥ法による結晶成長時に、試料ホルダ上にメタルマスクホルダを装着し、基板とマスクとの距離を一定に保つよう工夫したマスクを用いて、選択領域にのみ量子ドットを作製する方法を発明者の一人である大河内らが提案している（特許文献２等参照）。
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−４６５４３号公報
【特許文献２】特開２００８−３４４４５号公報
【非特許文献１】Ｋｉｙｏｓｈｉ Ａｓａｋａｗａ，“Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ａｎｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ａｌｌ−ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈ ａｎｄ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ”Ｎｅｗ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．８（２００６）２０８ｐ
【非特許文献２】浅川 潔他「超高速信号処理ナノ光制御素子および光集積技術に関する研究」ＴＡＲＡ ＮＥＷＳ Ｎｏ．３３ ２００６年９月 １０ｐ 筑波大学先端学際領域研究センター発行
【非特許文献３】浅川 潔他「実用化に向けたフォトニック結晶の構造制御」（社）応用物理学会 第７４巻第号（２００５）１８６ｐ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
大河内の方法で選択領域への量子ドット成長は可能であるが、背景技術で述べたＰＣ−ＳＭＺやＰＣ−ＦＦを作製する場合、成長中のメタルマスクからは熱放射が発生しており、特に図１４に示すようなマスクパターンの開口領域が大きい場合、中心部と周辺部でのマスク領域の相対的な被服量が異なるため、成長時の基板の温度分布が不均一になる傾向がある。また、メタルマスク開口領域中心部では、ＭＢＥの分子線が十分に照射されるが、周辺部にいくと不足気味になるため、形成された選択成長領域間でのバラツキが生じる。図１５に従来例により作製されたＱＤの選択成長領域のフォトルミネッセンス発光強度分布マッピングの一例を示す。この結果をみればわかるように、試料中心部では比較的発光強度が強いが、周辺部へ行くと弱くなる傾向があり、全体で不均一な発光強度分布となっている。
【００１２】
本発明は、以上のような問題点を解決し、微細構造の領域選択成長技術を適用した、微細構造素子製造装置及び微細構造素子生産方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、結晶成長時の基板温度分布を均一化することと基板表面での供給原料の均一化を促進することの有用性を見出し、下記の発明を完成するに至った。
【００１４】
（１） 基板が搭載される試料ホルダと、前記基板に選択的に結晶を成長させるため基板の温度を所定の範囲に加熱する加熱器と、前記基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の第１の開口部と、当該１つ以上の第１の開口部の外側に複数の第２の開口部を有するマスクと、前記マスクが搭載されるマスクホルダと、を備える微細構造素子製造装置。
【００１５】
（１）の記載による微細構造素子製造装置によれば、基板が搭載される試料ホルダと、基板に選択的に結晶を成長させるため基板の温度を所定の範囲に加熱する加熱器と、マスクと、マスクが搭載されるマスクホルダと、を備えている。当該マスクは、基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の第１の開口部と、当該１つ以上の第１の開口部の外側に複数の第２の開口部を有するので、量子ドット成長時の温度勾配や供給原料分圧といった成長条件の均一化が可能となり、その結果、選択領域成長量子ドットの構造や光学特性の均一化を図ることができる。
【００１６】
基板は、微細構造素子を作製するための基板である。素材は半導体であってもよいし、金属でもよいし、磁性体または強誘電体であってもよい。
【００１７】
第１の開口部は、基板に選択的に結晶を成長させる場合に、必要な位置に原料を照射するための案内となり、１つの基板より多数の素子を生産するための多数の第１の開口部が設けられる。一方、第２の開口部は、量子ドット成長時の温度勾配や供給原料分圧といった成長条件の均一化を図るために設けられたものである。第２の開口部は、マスクの中心部と第１の開口部の外周に設けることが望ましい。
【００１８】
（２） 前記マスクホルダには、前記基板と前記マスクとの間の空間と当該マスクホルダの外側間で、結晶を成長させるために照射された原料が拡散可能となる複数の拡散孔を設けたことを特徴とする（１）に記載の微細構造素子製造装置。
【００１９】
（２）の記載による微細構造素子製造装置によれば、マスクホルダには、基板とマスクとの間の空間と当該マスクホルダの外側間で、結晶を成長させるために照射された原料が拡散可能となる複数の拡散孔を設けられている。成長時に照射される周期表のＶ族原料は周期表のＩＩＩ族原料に比べて基板表面で拡散する傾向が大きく、開口部へ照射された後、開口周辺へ表面拡散する。素子製作領域は、開口が多いため充分なＶ族原料が存在しているが、周辺部は相対的に開口が少ないため、Ｖ族原料が不足気味になる。そこで、マスクホルダに複数の拡散孔を設けることにより、マスクホルダの内外で、結晶を成長させるために照射された原料が拡散可能となるので、このＶ族原料不足を補うことが可能となる。
【００２０】
（３） 前記加熱器により、前記基板の加熱される部分が時間とともに移動することを特徴とする（１）又は（２）に記載の微細構造素子製造装置。
【００２１】
（３）の記載による微細構造素子製造装置によれば、加熱器により、基板の加熱される部分が時間とともに移動するので、基板の温度が均一化する。また、基板の加熱される部分が時間とともに移動するので、微細構造素子製造装置の中でＶ族原料がより拡散可能となる。
【００２２】
（４） 前記加熱器は、発熱体が電気的に２相以上で構成され、各相に異なる位相の電圧を印加することにより前記基板の加熱される部分が時間とともに移動することを特徴とする（３）に記載の微細構造素子製造装置。
【００２３】
（４）の記載による微細構造素子製造装置によれば、発熱体が電気的に２相以上で構成され、各相に異なる位相の電圧を印加することにより基板の加熱される部分が時間とともに移動する。発熱体が３相で構成され、３相交流を印加することにより、基板の加熱される部分が３相モータのように回転するのが望ましい。なお、単相の電源で、コンデンサ、リアクトルにより位相の異なる電圧を印加することにより、基板の加熱される部分を回転させることもできる。この機構は、基板を回転させることが何らかの理由で難しい場合にも、基板回転による形成層の均一化と同等の効果をもたらすことができる。
【００２４】
（５） 基板が、試料ホルダに搭載される工程と、前記基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の開口と、当該１つ以上の開口の外側に複数の開口部を有するマスクをマスクホルダに搭載する工程と、前記試料ホルダと前記マスクホルダとを弾性体を用いて軸方向に位置決めをする位置決め工程と、前記基板に選択的に結晶を成長させるため基板の温度を所定の範囲に加熱し保持する加熱工程と、前記基板に素材を蒸発させて当該基板上に結晶を成長させる結晶成長工程と、を有する微細構造素子生産方法。
【００２５】
（５）に記載の発明は微細構造素子生産方法に関するものである。（１）に記載の微細構造素子製造装置を用いて均一性のある素子の微細構造素子生産方法を実現することができる。
【００２６】
（６） 前記マスクホルダには、前記基板と前記マスクとの間の空間と当該マスクホルダの外側間で、結晶を成長させるために照射された原料が拡散可能となる複数の拡散孔を設けられ、前記加熱工程では、前記基板の加熱される部分が時間とともに移動することを特徴とする（５）に記載の微細構造素子生産方法。
【００２７】
（６）に記載の発明は微細構造素子生産方法に関するものであり、（３）又は（４）に記載の微細構造素子製造装置を用いて、均一性のある素子の微細構造素子生産方法を実現することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ＰＣ−ＳＭＺやＰＣ−ＦＦを作製する場合、成長中のメタルマスクからは熱放射が発生しており、特にマスクパターンの開口領域が大きい場合、中心部と周辺部でのマスク領域の相対的な被服量が異なるため、成長時の基板の温度分布が不均一になるという問題を解決して、均一性のある素子の生産に適する微細構造素子製造装置及び微細構造素子生産方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、これはあくまでも一例であって、本発明の技術的範囲はこれに限られるものではない。
【００３０】
＜実施例１＞
図１は、本発明の微細構造素子製造装置を用いた結晶成長装置を説明する図であり、図２は、本発明の微細構造素子製造装置のマスクパターンの１例を示す図である。図３は、本発明の微細構造素子生産方法の工程を表したブロック図である。図４は、本発明のマスクパターンにより作製された量子ドット選択成長のＰＬ発光強度分布を示す図である。以下、これらの図を参照して説明をする。
【００３１】
本発明の微細構造素子製造装置１は、図１（ａ）に示すように、基板３０が搭載され、回転方向の角度を規定することのできる回転規制手段４４を有する試料ホルダ４０と、基板３０に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の開口を有するマスク１０と、回転規制手段４４に接合して回転方向と半径方向との試料ホルダ４０との相対位置が決まる位置固定手段２９を有するマスクホルダ２０と、基板３０とマスク１０とをあらかじめ定められた距離に近接して位置決めするために試料ホルダ４０とマスクホルダ２０とが互いに軸方向に離反するように設けられた弾性体であるバネ２８と、結晶を安定して成長させる際に基板３０の温度を所定の範囲に加熱して保持する加熱器５０とがある。また、図１（ｂ）は基板３０とマスク１０と選択結晶成長層３２を示す拡大図である。
【００３２】
結晶成長を行う際、微細構造素子製造装置１は、結晶成長装置の大気と隔離した成長室内に配置される。結晶成長装置には、基板３０に原料を照射するための複数の蒸発源６０（６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ）が設けられている。また、蒸発源６０については全体を成長室内に設けている必要はなく、原料の照射口が成長室内にあればよい。また、蒸発源６０の数は３つの場合に限られない。なお、結晶成長装置には、成長室を減圧するための排気ポンプや排気ポンプと成長室を接続するための配管などがあるが、それらの構成は従来と同様であるので、説明を省略する。より詳細には、中嶋一雄責任編集「エピタキシャル成長のメカニズム」共立出版株式会社出版、２００５年５月２０日、ｐ．７８−７９参照。
【００３３】
対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチの場合は、分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法により、ＧａＡｓ基板上に薄膜やＱＤを結晶成長させる。真空容器中で、当該半導体を構成する各元素を供給源（ソース）から供給し、適当な温度に加熱した基板上で結晶として成長させる。各構成元素は、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｓなどで、これらの構成元素の供給源としては元素単体ないし化合物のソースを用いる。
【００３４】
具体的なマスクパターンを図２に示す。マスク１０は素材がタンタル（Ｔａ）の直径３５ｍｍの円板で、厚さは０．１ｍｍである。中央に設けられた第２の開口部１２は、結晶成長中の基板温度をモニタするために設けられたものである。結晶成長中に基板表面温度を測定するためには、分子線エピタキシー法の場合、赤外線放射温度計を用いる手法や反射高エネルギー電子線回折（ＲＨＥＥＤ：Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｈｉｇｈ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法を用いる手法が一般的である。赤外線放射温度計は、基板表面から放射された赤外線を測定し、基板温度を確定するものである。ＲＨＥＥＤは、電子線を極低角度で基板に照射し、反射した回折電子線を対向した蛍光板上に結像させ、表面の構造を解析することで表面の構造の変移点を測定し、基板温度を確定するものである。
【００３５】
図２に示すように、第１開口部ブロック１３、１４が設けられている。第１開口部ブロック１３と１４には０．５ｍｍの正方形の第１開口部が多数設けられている。第１開口部ブロック１３の外側には、図２に示すように第２開口部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄが設けられている。同様に、第１開口部ブロック１４の外側には、図２に示すように第２開口部１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄが設けられている。
【００３６】
図３は、本発明の微細構造素子生産方法の工程を表した図である。基板３０が、回転方向の角度を規定することのできる回転規制手段４４を有する試料ホルダ４０に搭載される（Ｓ１１０）。そして、少なくとも１つ以上の第１の開口部を有するマスク１０をマスクホルダ２０に搭載する（Ｓ１２０）。さらに、試料ホルダ４０とマスクホルダ２０とを弾性体であるバネ２８を用いて軸方向に位置決めをする（Ｓ１３０）。位置決め後、加熱器５０により基板３０の温度を所定の範囲に加熱して保持する。そして、基板３０に素材を蒸発源６０で蒸発させて基板３０上に選択結晶成長層３２（図１参照）を選択的に結晶を成長させる（Ｓ１５０）。
【００３７】
マスク１０周辺部の遮蔽領域のマスク１０から生じる選択成長領域への熱放射の影響を、新たな複数の第２の開口部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄを設けることにより軽減し、成長時の基板温度分布の均一化を促進する。また、選択成長領域外の周辺部に複数の第２の開口部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄの開口を形成することにより、分子線ビーム照射時の供給原料の基板表面への供給を周辺部からの回り込みによっても行い、基板３０の表面での供給原料の均一化を促進する。
【００３８】
本発明の場合は、図２に示すように周辺部領域に複数の第２の開口部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄを有していることである。これらの付加された第２の開口部は、素子作製領域外に作製されているため、実際の素子作製には用いない。しかしながら、選択成長領域に形成されたＱＤの均一性向上に大きな効果をもたらす。
【００３９】
作製試料の評価法として、Ｈｅ−Ｎｅレーザー（λ＝６３３ｎｍ）励起によるフォトルミネッセンス（ＰＬ）の測定を室温において行った。基板上の任意の位置においてＰＬスペクトルを測定できるよう、試料ステージはステッピングモーターによる高分解能駆動ステージを用いた。また、基板面内での各座標位置においてＰＬ強度をマッピングすることにより、発光位置すなわちＱＤの成長領域を判別した。
【００４０】
図４に、この図２に示すマスクパターンを用いて作製したＱＤ選択成長試料のフォトルミネッセンス発光強度分布図を示す。図１５と比較すると、各選択成長領域のＰＬ発光強度分布が飛躍的に改善されたことがわかる。
【００４１】
これは、第１に基板３０の表面での温度分布が周辺部に第２の開口部を設けることにより改善したことによる効果が大きい。マスク１０は、蒸発源からの原料照射を遮断する役割を持っているとともに、成長時にはマスク１０が基板上方より熱を放射する。それは、マスク１０自体が基板ホルダと一体化して加熱されているからである。また、基板３０に半絶縁性ＧａＡｓ基板を用いた場合は、加熱器から発生する遠赤外線は基板３０を透過して、タンタルから成るマスク１０で遠赤外線が吸収され、この場合は、マスク１０が加熱される。そして、マスク１０は基板３０と近接しており、かつ、周辺領域には開口が少ないため、開口領域が多い素子作製領域より多くの熱が基板に照射される。したがって、周辺部の基板３０の表面温度は上昇し、基板３０上での温度が異なる分布が生じてしまう。
【００４２】
また、成長時に照射される周期表のＶ族原料（例えば、砒素）は周期表のＩＩＩ族原料に比べて基板３０の表面で拡散する傾向が大きく、第１の開口部へ照射された後、第１の開口部周辺へ表面拡散する。素子製作領域は、第１の開口部が多いため充分なＶ族原料が存在しているが、周辺部は開口が少ないため、Ｖ族原料が不足気味になる。そこで、素子作製領域外に第２の開口部を設けることにより、このＶ族原料不足を補うことが可能となる。これらの効果の相乗作用により選択成長領域に形成されたＱＤの均一性が大きく向上する。
【００４３】
＜実施例２＞
実施例２は、結晶を成長させるために照射された原料を拡散し並びに基板の加熱される部分が時間とともに移動することにより基板温度をさらに均一になるよう改良した微細構造素子製造装置及び微細構造素子生産方法を提供することを目的とする。図５は、本発明によるマスクホルダとマスクの一例の斜視図であり、図６は、本発明の微細構造素子製造装置のマスクパターンの他の例を示す図である。図７は、本発明の加熱器のヒータの接続図の一例である。図８は、本発明の加熱器のヒータの接続図の具体的な一例である。図９は、本発明の微細構造素子生産方法の他の一例の工程を表したブロック図である。以下、これらの図を参照して説明をする。
【００４４】
図５に示すように、マスクホルダ２００には、基板３０とマスク１００との間の空間とマスクホルダ２００の外側間で、結晶を成長させるために照射された原料が拡散可能となる複数の拡散孔２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃ、・・・２１０Ｈが設けられている。
【００４５】
マスク１００は、図６に示すように、中心部に直径６ｍｍ以上の第２の開口部１２０を設け、その周辺に第１の開口部ブロック１３０と１４０を設けている。第１の開口部ブロック１３０と１４０は、基板３０に選択的に結晶を成長させるため多数の開口部で構成されている。第１の開口部ブロック１３０と１４０の外側には、第２の開口部１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、１３０Ｄ、１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃ、１４０Ｄが設けられている。
【００４６】
拡散孔２１０Ａ、・・・２１０Ｈと第２の開口部１３０Ａ、・・・１４０Ｄとは、原料が拡散可能となるように、図５に示すような相対位置に取り付けることが望ましい。
【００４７】
加熱器５０のヒータは、基板３０の加熱される部分が時間とともに移動することが望ましい。図７に示すように、ヒータＵ、ヒータＶ、ヒータＷを星型に結線し各端子に３相交流の電圧を印加することにより、交流電動機の回転磁界のように、回転する熱源を提供することができる。
【００４８】
より具体的には、図８に示すように、８極の交流電動機のように各ヒータを円板上に１５度ずつ離れて、図８に示すように配置して接続することにより、基板３０の加熱される部分が時間とともに回転することにより基板３０の温度が均一化される。さらに、基板３０の加熱される部分が時間とともに回転するので、照射された原料がより拡散可能となる。
【００４９】
なお、基板３０の加熱される部分が時間とともに移動することは、加熱器を回転させても良いし、３相交流でなくて単相交流を用いても良い。
【００５０】
一方、実施例２では、中心部の第２の開口部を直径６ｍｍ以上とし、多数の拡散孔２１０Ａ・・・２１０Ｈを利用して、上記で述べた結晶成長中に基板表面温度を測定するために、反射高エネルギー電子線回折（ＲＨＥＥＤ：Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｈｉｇｈ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法を用いる場合に、基板３０の温度を結晶の異なる方向で測定できるという利点がある。
【００５１】
このような微細構造素子生産方法は、図９に示すように、基板３０が、試料ホルダ４０に搭載される（Ｓ２１０）。次に、基板３０に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の開口と、当該１つ以上の開口の外側に複数の開口部を有するマスク１００をマスクホルダ２００に搭載する（Ｓ２２０）。そして、試料ホルダ４０とマスクホルダ２００とを弾性体２８を用いて軸方向に位置決めをする（Ｓ２３０）。その後、基板３０に選択的に結晶を成長させるため基板３０の温度を所定の範囲を時間とともに移動して加熱し保持しながら（Ｓ２４０）。基板３０に素材を蒸発させて当該基板上に結晶を成長させる（Ｓ２５０）。このようにして、より均一性に優れた微細構造素子を生産することができる。
【００５２】
＜実施例３＞
実施例３は、本発明の微細構造素子製造装置のマスクの別の実施例である。図１０に示すように、実施例３のマスク３００は中心部に十字状の開口部３２０が設けられている。
【００５３】
図１０に示すように、基板３０に選択的に結晶を成長させるための第１開口部ブロック３３０、３４０、３５０、３６０が設けられている。第１開口部ブロック３３０、３４０、３５０、３６０には０．５ｍｍの正方形の第１開口部が多数設けられている。第１開口部ブロック３３０、３４０、３５０、３６０の外側には、図１０に示すように第２開口部３３０Ａ、３４０Ａ、３５０Ａ、３６０Ａが設けられている。
【００５４】
図１０に示すような、マスク３００にても、実施例１または実施例２の要素と組み合わせることにより実施例１または実施例２と同様な効果を期待することができる。
【００５５】
以上、本発明の実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更又は改良を加えることができる。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。例えば、近赤外光を透過させるＧａＡｓ基板にＩｎとＡｓを選択領域に照射する自己組織化ＩｎＡｓの光制御素子について主に説明をしたが、ＧａＡｓ基板のみならずその他の基板、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等をもちいて青色波長の光制御素子にも同様に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の微細構造素子製造装置を用いた結晶成長装置を説明する図である。
【図２】本発明の微細構造素子製造装置のマスクパターンの一例を示す図である。
【図３】本発明の微細構造素子生産方法の工程を表したブロック図である。
【図４】本発明のマスクパターンにより作製された量子ドット選択成長のＰＬ発光強度分布を示す図である。
【図５】本発明によるマスクホルダとマスクの一例の斜視図である。
【図６】本発明の微細構造素子製造装置のマスクパターンの他の例を示す図である。
【図７】本発明の加熱器のヒータの接続図の一例である。
【図８】本発明の加熱器のヒータの接続図の具体的な一例である。
【図９】本発明の微細構造素子生産方法の他の一例の工程を表したブロック図である。
【図１０】本発明の微細構造素子製造装置のマスクの別の実施例である。
【図１１】対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチを説明する図である。
【図１２】対称マッハ・ツェンダー型全光スイッチの動作を説明する図である。
【図１３】本発明の光制御素子を有する光フリップ・フロップ素子を説明する図である。
【図１４】従来のマスクのパターン図である。
【図１５】従来例により作製されたＱＤの選択成長領域のフォトルミネッセンス発光強度分布マッピングの一例を示す。
【符号の説明】
【００５７】
１ 微細構造素子製造装置
１０ マスク
１２ 第２の開口部
１３ 第１の開口部ブロック
１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ 第２の開口部
１４ 第１の開口部ブロック
１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ 第２の開口部
２０ マスクホルダ
２８ バネ
３０ 基板
３２ 選択結晶成長層
４０ 試料ホルダ
４４ 回転規制手段
５０ 加熱器
６０ 蒸発源
１００ マスク
１２０ 第２の開口部
１３０ 第１の開口部ブロック
１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、１３０Ｄ 第２の開口部
１４０ 第１の開口部ブロック
１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃ、１４０Ｄ 第２の開口部
２００ マスクホルダ
２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃ、・・・２１０Ｈ 拡散孔
５１０ ホトニック結晶光導波路
５２０ 量子ドット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板が搭載される試料ホルダと、
前記基板に選択的に結晶を成長させるため基板の温度を所定の範囲に加熱する加熱器と、
前記基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の第１の開口部と、当該１つ以上の第１の開口部の外側に複数の第２の開口部を有するマスクと、
前記マスクが搭載されるマスクホルダと、
を備える微細構造素子製造装置。
【請求項２】
前記マスクホルダには、前記基板と前記マスクとの間の空間と当該マスクホルダの外側間で、結晶を成長させるために照射された原料が拡散可能となる複数の拡散孔を設けたことを特徴とする請求項１に記載の微細構造素子製造装置。
【請求項３】
前記加熱器により、前記基板の加熱される部分が時間とともに移動することを特徴とする請求項１又は２に記載の微細構造素子製造装置。
【請求項４】
前記加熱器は、発熱体が電気的に２相以上で構成され、各相に異なる位相の電圧を印加することにより前記基板の加熱される部分が時間とともに移動することを特徴とする請求項３に記載の微細構造素子製造装置。
【請求項５】
基板が、試料ホルダに搭載される工程と、
前記基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の開口と、当該１つ以上の開口の外側に複数の開口部を有するマスクをマスクホルダに搭載する工程と、
前記試料ホルダと前記マスクホルダとを弾性体を用いて軸方向に位置決めをする位置決め工程と、
前記基板に選択的に結晶を成長させるため基板の温度を所定の範囲に加熱し保持する加熱工程と、
前記基板に素材を蒸発させて当該基板上に結晶を成長させる結晶成長工程と、
を有する微細構造素子生産方法。
【請求項６】
前記マスクホルダには、前記基板と前記マスクとの間の空間と当該マスクホルダの外側間で、結晶を成長させるために照射された原料が拡散可能となる複数の拡散孔を設けられ、
前記加熱工程では、前記基板の加熱される部分が時間とともに移動することを特徴とする請求項５に記載の微細構造素子生産方法。
【請求項１】
基板が搭載される試料ホルダと、
前記基板に選択的に結晶を成長させるため基板の温度を所定の範囲に加熱する加熱器と、
前記基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の第１の開口部と、当該１つ以上の第１の開口部の外側に複数の第２の開口部を有するマスクと、
前記マスクが搭載されるマスクホルダと、
を備える微細構造素子製造装置。
【請求項２】
前記マスクホルダには、前記基板と前記マスクとの間の空間と当該マスクホルダの外側間で、結晶を成長させるために照射された原料が拡散可能となる複数の拡散孔を設けたことを特徴とする請求項１に記載の微細構造素子製造装置。
【請求項３】
前記加熱器により、前記基板の加熱される部分が時間とともに移動することを特徴とする請求項１又は２に記載の微細構造素子製造装置。
【請求項４】
前記加熱器は、発熱体が電気的に２相以上で構成され、各相に異なる位相の電圧を印加することにより前記基板の加熱される部分が時間とともに移動することを特徴とする請求項３に記載の微細構造素子製造装置。
【請求項５】
基板が、試料ホルダに搭載される工程と、
前記基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の開口と、当該１つ以上の開口の外側に複数の開口部を有するマスクをマスクホルダに搭載する工程と、
前記試料ホルダと前記マスクホルダとを弾性体を用いて軸方向に位置決めをする位置決め工程と、
前記基板に選択的に結晶を成長させるため基板の温度を所定の範囲に加熱し保持する加熱工程と、
前記基板に素材を蒸発させて当該基板上に結晶を成長させる結晶成長工程と、
を有する微細構造素子生産方法。
【請求項６】
前記マスクホルダには、前記基板と前記マスクとの間の空間と当該マスクホルダの外側間で、結晶を成長させるために照射された原料が拡散可能となる複数の拡散孔を設けられ、
前記加熱工程では、前記基板の加熱される部分が時間とともに移動することを特徴とする請求項５に記載の微細構造素子生産方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−２２１５３５（Ｐ２００９−２２１５３５Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６７０００（Ｐ２００８−６７０００）
【出願日】平成２０年３月１７日（２００８．３．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、経済産業省、「エネルギー使用合理化技術戦略的開発／エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発／超低エネルギー超高速光蓄積デバイス技術の研究開発」委託事業、産業技術力強化法１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１７日（２００８．３．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、経済産業省、「エネルギー使用合理化技術戦略的開発／エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発／超低エネルギー超高速光蓄積デバイス技術の研究開発」委託事業、産業技術力強化法１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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