微細構造素子製造装置及び微細構造素子生産方法
【課題】選択領域の方位、位置合わせの精度、再現性が確保し易く、特性を変えた量子ドットを近接領域に交互に配列させるなどの特異な構造をモノリシックに作ることが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３２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、マスク１０が搭載され、かつ回転規制手段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、を備える微細構造素子製造装置。
【解決手段】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３２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、マスク１０が搭載され、かつ回転規制手段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、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、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、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。
【０００３】
そこで、光の超高速デジタル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と光フリップ・フロップとが提案されている（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、フォトニック結晶導波路(Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｗａｖｅ Ｇｕｉｄｅ：ＰＣ−ＷＧ)と、導波路中に埋め込まれた量子ドット（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ：ＱＤ）を基本構成要素とする。フォトニック結晶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ＱＤ励起用の制御光（Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｕｌｓｅ）を導入する導波路が設けられる。この素子においてＱＤ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ＱＤが励起され、ＱＤ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（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ＱＤ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量子ドットを形成することである。また、この素子を一枚の基板に大量に集積化して作製するためには、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。
【０００９】
関連する従来の技術としては、半導体装置等その他においてマスクにより基板に蒸着物質のパターニングを行う際、温度変化に伴うマスクと基板の相対ずれを防止する基板とマスクの保持構造に関する提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
また、基板上に厚さ並びに種類の異なる層を交互に周期的に積層し、あるいは種類の異なる層を数層積層させることによりヘテロ構造を形成して、マイクロ波素子、あるいは発光・受光素子として使用する単結晶薄膜構造を作製するための分子線エピタキシャル成長方法に関する提案もある（例えば、特許文献２参照）。
【００１１】
さらに、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（非特許文献３等参照）。
【００１２】
また、３次元フォトニック結晶構造及びその製造方法については、別個に製作したウエハを貼り合わせ、選択エッチングによるものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特許公報昭６２−４１４１６号公報
【特許文献２】特開平１−２３５２３３号公報
【特許文献３】特開２００５−３３１８１２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フォトニック・デバイス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】Ｓｈｕｎｓｕｋｅ Ｏｈｋｏｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｉｎ ｓｉｔｕ ｍａｓｋ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ＩｎＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ ｉｎ ｎａｒｒｏｗ ｒｅｇｉｏｎｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｆｏｒ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ ｓｙｓｔｅｍ”ＲＥＶＩＥＷ ＯＦ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴ ＶＯＬ．７８，０７３９０８（２００７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、大河内ら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、以下に述べるような問題点がある。
（１）選択領域の方位、位置合わせの精度、再現性が確保しにくい。
（２）特性を変えた量子ドットを近接領域に交互に配列させるなどの特異な構造をモノリシックに作ることができない。
【００１４】
本発明は、以上のような問題点を解決して、選択領域の方位、位置合わせの精度、再現性が確保し易く、特性を変えた量子ドットを近接領域に交互に配列させるなどの特異な構造をモノリシックに作ることが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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者らは、数百度℃の高温下で使用するマスクと基板の相対的な方位、位置合わせの精度、再現性を確保する構造と、マスクパターンを回転非対称とすることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１６】
（１） 基板が搭載され、回転方向の角度を規定することのできる回転規制手段を有する試料ホルダと、前記基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の開口を有するマスクと、前記マスクが搭載され、かつ前記回転規制手段に接合して回転方向と半径方向との前記試料ホルダとの相対位置が決まる位置固定手段を有するマスクホルダと、を備える微細構造素子製造装置。
【００１７】
（１）の記載による微細構造素子製造装置によれば、回転方向の角度を規定することのできる回転規制手段を有する試料ホルダと、回転規制手段に接合して回転方向と半径方向との試料ホルダとの相対位置が決まる位置固定手段を有するマスクホルダと、を備えるので、選択領域の方位、位置合わせの精度、再現性が確保し易くなる。
【００１８】
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。
【００１９】
回転規制手段は試料ホルダに固定された回転規制ピンによることが望ましく、位置固定手段はマスクホルダに固定された位置固定用突起によることが望ましい。なお、これらを相互に入れ替えて、回転規制手段は試料ホルダに固定された回転規制突起であり、位置固定手段はマスクホルダに固定された位置固定用ピンであってもよい。さらに、回転規制手段と位置固定手段とは回転規制ピンと半円状の接合部を有するバネでもよいし、ピンの代わりに半円柱上のものと突起の組み合わせであってもよい。
【００２０】
（２） 前記基板と前記マスク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前記試料ホルダと前記マスクホルダとが互いに軸方向に離反するように設けられた弾性体をさらに備える（1）に記載の微細構造素子製造装置。
【００２１】
（２）に記載の微細構造素子製造装置は、基板とマスク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前記試料ホルダと前記マスクホルダとが互いに軸方向に離反するように設けられた弾性体をさらに備えるので、摂氏数百度の高温下で選択結晶成長中においても基板とマスクに位置関係が温度変化などによって変動することを抑えることができる。
【００２２】
（３） 前記マスクは、複数の回転非対称な開口部を有し、前記マスクホルダを前記試料ホルダに対し、あらかじめ定められた角度回転し、前記基板上で角度回転前に結晶を成長させた部分と異なる領域に結晶を成長させる（１）又は（２）に記載の微細構造素子製造装置。
【００２３】
（３）の記載による微細構造素子製造装置によれば、マスクのマスクパターンは、複数の開口部を有し、回転非対称である。したがって、製造工程においてマスクパターンをある位置に設定して結晶成長させた後に、当該マスクパターンをあらかじめ定められた角度回転させ、例えば、結晶成長時間を変えたり、素材の蒸発温度を変えることにより、特性を変えた量子ドットを近接領域に交互に配列させるなどの特異な構造をモノリシックに作ることができる。
【００２４】
（４） 異なる素材を蒸発させる複数の蒸発源をさらに備え、前記マスクホルダをあらかじめ定められた角度回転した場合に、異なる素材を蒸発させる（２）に記載の微細構造素子製造装置。
【００２５】
（４）の記載による微細構造素子製造装置によれば、異なる素材を蒸発させる複数の蒸発源をさらに備えるので、製造工程においてマスクパターンをある位置に設定して結晶成長させた後に、当該マスクパターンをあらかじめ定められた角度回転させ、異なる素材を蒸発させることにより、特性を変えた量子ドットを近接領域に交互に配列させるなどの特異な構造をモノリシックに作ることができる。
【００２６】
（５） 基板が、回転方向の角度を規定することのできる回転規制手段を有する試料ホルダに搭載される工程と、少なくとも１つ以上の開口を有するマスクを、前記回転規制手段に接合して回転方向と半径方向との前記試料ホルダとの相対位置が決まる位置固定手段を有する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。
【００２７】
（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選択領域の方位、位置合わせの精度を確保し、再現性の良い微細構造素子生産方法を実現することができる。
【００２８】
（６） 前記マスクは、複数の回転非対称な開口部を有し、前記マスクホルダを前記試料ホルダに対し、あらかじめ定められた角度回転し、前記基板上で角度回転前に結晶を成長させた部分と異なる領域に結晶を成長させる中間結晶成長工程をさらに有する（５）に記載の微細構造素子生産方法。
【００２９】
（７） 異なる素材を蒸発させる複数の蒸発源をさらに備えた微細構造素子製造装置において、前記マスクホルダをあらかじめ定められた角度回転した場合に、異なる素材を蒸着させる（６）に記載の微細構造素子生産方法。
【００３０】
（６）と（７）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、特性を変えた量子ドットを近接領域に交互に配列させるなどの特異な構造をモノリシックに作ることができる。
【００３１】
（８） ３次元的に埋め込んだ微細構造素子を生産するために前記結晶成長工程を複数回繰り返す工程をさらに有する、（６）又は（７）に記載の微細構造素子生産方法。
【００３２】
（９） ３次元的に埋め込んだ微細構造素子を生産するためにさらに前記固定工程を複数回繰り返す工程をさらに有する、（７）に記載の微細構造素子生産方法。
【００３３】
（８）と（９）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、３次元で特性を変えた量子ドットを近接領域に交互に配列させるなどの特異な構造をモノリシックに作ることができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、選択領域の方位、位置合わせの精度、再現性が確保し易く、特性を変えた量子ドットを近接領域に交互に配列させるなどの特異な構造をモノリシックに作ることが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ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
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。
【００３６】
＜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構成を示す図であり、図３は、本発明の微細構造素子製造装置のマスクホルダの詳細を示す図である。図４は、本発明の微細構造素子製造装置のマスクの１例を示す図である。図５は、マスクパターンの使用状態を説明する図であり、図６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。図７は、本発明により、（ａ）は、作製した試料基板からのＰＬ強度を２次元マッピングしたものである。（ｂ）は、（ａ）のＰＬ発光領域からのＰＬスペクトルをしめす図である。以下、これらの図を参照して説明をする。
【００３７】
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、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を示す拡大図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂより見た図であり、位置固定手段２９と回転規制手段４４との位置関係を示す図である。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
微細構造素子製造装置１の相互の関係について、図２と図３を参照して説明をする。試料ホルダ４０には、基板３０を特定の方位で取付けできるように、基板３０のオリエンテーションフラット（オリフラ）面に沿うようなピン２本（オリフラ基準ピン）４２を設けている。これにより、基板３０と試料ホルダ４０の角度相対関係は常に一定に保たれる。基板３０は、図２に示すように試料ホルダ４０の下側から挿入し、試料ホルダ４０の上部の肩と、背面から挿入した固定用Ｃリング４２によって取り付ける（図１参照）。この機構により、試料ホルダ４０最上面と基板３０の表面との距離は常に一定に保たれる。
【００４１】
一方、マスクホルダ２０は、図３に示すように、大きく分けて、メタルマスク１０を保持する本体２２と、マスクホルダ本体２２とバネ２８を介して取り付けられた固定板２４と、マスクホルダ外輪２６により構成される。マスクホルダ外輪２６には、マスクホルダ２０を真空チャンバー内で保持するためのチャッキング用ピン２７（３本）と、試料ホルダ４０との合体に必要な位置固定手段である位置固定用突起２９(４箇所)が設けられている。
【００４２】
マスクホルダ２０と試料ホルダ４０との合体時にこの位置固定用突起２９が試料ホルダ４０に設けられたはめ込み穴を介してはめ込み溝に収まる。さらに、図３に示すように位置固定用突起２９には楔形の切れ込みが設けてあり、はめ込み溝に沿って右回転させると、試料ホルダ４０の回転規制手段である回転規制ピン４４を挟みこんで固定される。この機構により、マスクホルダ２０と試料ホルダ４０との合体時の両者の水平方向の位置ずれを無くし、位置精度１０μｍ以内で、一意の位置関係に固定でき、素子作製において許容される範囲内にある。
【００４３】
また、マスクホルダ２０と弾性体であるバネ２８を介して取り付けられた固定板２４が、試料ホルダ４０を押し付けることにより、マスクホルダ２０を上方向に押し上げ、図１のように、位置固定用突起２９の上面と試料ホルダ４０が接する高さで固定される。この機構により、マスクホルダ２０と試料ホルダ４０との上下方向の位置再現性が確保される。同時に、固定板２４及び位置固定用突起２９と試料ホルダ４０との接触面で摩擦抵抗力を持たせ、マスクホルダ２０の逆方向への回転を防止している。
【００４４】
以上の機構によって、マスクホルダ２０と試料ホルダ４０の合体時に、マスク１０と基板３０の表面との位置及び方位関係が再現性良く一意に決定し、マスクパターンと基板３０との方位関係を含めた位置精度の良い選択成長が可能となる。
【００４５】
また、先述の通り位置固定用突起２９は９０度配向４箇所であり、９０度ずつ回転して取り付けることができる。マスクパターンを回転非対称のパターンにすることで、一枚の基板上に２種以上の組成や厚みをもった微細構造を作製することが可能となる。
【００４６】
具体的なマスクパターンを図４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。詳細は、非特許文献３を参照。
【００４７】
図４に示すように、開口部ブロック１３、１４、１５、１６が設けられている。開口部ブロック１３と１６には長さ４ｍｍで幅０．５ｍｍの長方形の開口部と０．５ｍｍの正方形の開口部が設けられている。そして、マスク１０を１８０度回転したときに中間に丁度２点鎖線の部分が来るように設計されている。また、開口部ブロック１４と１５には長さ４ｍｍで幅０．３ｍｍの長方形の開口部と０．３ｍｍの正方形の開口部が設けられている。そして、マスク１０を１８０度回転したときに中間に丁度２点鎖線の部分が来るように設計されている。
【００４８】
つまり、概念的には図５に示すように、マスクパターンを回転非対称のパターンにすることで、１枚の基板上に２種以上の組成や厚みをもった微細構造を作製することが可能となる。
【００４９】
図６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つ以上の開口を有するマスク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、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）を選択的に結晶成長させる（Ｓ１４０）。
【００５０】
マスクホルダ２０を試料ホルダ４０に対し、あらかじめ定められた角度回転する（Ｓ１５０）。そして、基板３０上で角度回転前に結晶を成長させた部分に異なる素材を蒸着させて別の結晶を成長させる（Ｓ１６０）。
【００５１】
具体的には、発明者らは、上記微細構造素子製造装置１とＭＢＥ装置を用いてＧａＡｓ基板にＩｎとＡｓを選択領域に照射することにより、歪誘起による自己組織化ＩｎＡｓ量子ドットを成長させた。マスク１０を０度配置でＩｎＡｓ量子ドット（ＱＤ１）を成長後、マスク１０を１８０度回転させ、０度配置と同様にＩｎＡｓ量子ドット（ＱＤ２）を選択領域に成長後、歪緩和層としてＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓの薄膜を膜厚約３ｎｍ積層させた。この歪緩和層により、ＱＤ２のバンドギャップを縮小させることが可能となる。この後、メタルマスク１０を外し、基板３０全体にＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓ層を成長させてＱＤを埋め込み、作製試料とした。
【００５２】
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。
【００５３】
図７（ａ）は、作製した試料基板からのＰＬ強度を２次元マッピングしたものであり、マスクパターンに対応した数百μｍ２のＰＬ発光領域が確認された。また、図７（ａ）のＰＬ発光領域からのＰＬスペクトルをそれぞれ図７（ｂ）に示す。ＱＤ１領域からは中心波長１２５０ｎｍ、ＱＤ２領域からは中心波長１３００ｎｍの発光スペクトルが得られた。以上の結果から、２種類の発光波長を持った量子ドット（ＱＤ１とＱＤ２）が、一枚の基板上の選択領域にモノリシックに作製されていることが確認された。
【００５４】
また、図７（ａ）に示すように、形成されたＱＤ１とＱＤ２の位置関係は誤差で設計値の１０%以内であり、実用上問題無い位置関係を保っている事が判明した。
【００５５】
以上のようにして、選択領域の方位、位置合わせの精度、再現性が確保し易く、特性を変えた量子ドットを近接領域に交互に配列させるなどの特異な構造をモノリシックに作ることが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ができる。
【００５６】
＜実施例２＞
実施例２は、本発明の微細構造素子製造装置を応用して、３次元フォトニック結晶構造を生産するものである。図８は、３回繰り返して３次元のフォトニック結晶構造を作成した場合の図であり、図９は、位置決め工程を８回繰り返して３次元で４層積層のフォトニック結晶構造を作成した場合の図である。
【００５７】
図８に示したように、３次元的に埋め込んだ微細構造素子を生産するために前記結晶成長工程を複数回繰り返す。それぞれで組成の異なる斜線部と白の部分の構造物を作り、それを上方向に交互に入れ替わるように成長させると、３次元の周期構造ができる。
【００５８】
斜線部と白の部分の屈折率を変えてやれば、フォトニック結晶のようなものを作ることができる。なお、実施例１のマスクのサイズでは大きいため、マイクロ波やミリ波領域のものになるので、光の波長領域にするには相当する微小サイズの開口を有するマスクを製作する必要がある。そのためには、例えば、集光イオンビーム法によりこの加工を実現することができる。また、３次元的に埋め込んだ微細構造素子を生産するためにさらに前記位置決め工程を複数回繰り返す工程をおりこんでもよい。
【００５９】
図９に示すように、位置決め工程を８回繰り返して３次元で４層積層のフォトニック結晶構造を作成することもできる。３次元的に埋め込んだ微細構造素子を生産するためにさらに位置決め工程を複数回繰り返してもよい。
【００６０】
以上のようにして、３次元のフォトニック結晶構造を作成することができる。別個に製作したウエハを貼り合わせ、選択エッチングによる方法よりも生産性が高い生産方法を提供することができる。
【００６１】
なお、図１０は、回転規制手段と位置固定手段の他の具体例を示したものである。図１０（ａ）に示すように回転規制手段と位置固定手段とは回転規制ピンと半円状の接合部を有するバネとしてもよいし、図１０（ｂ）に示すように、ピンの代わりに半円柱上のものと突起の組み合わせであってもよい。
【００６２】
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、微細構造素子については具体例としてＧａＡｓ基板にＩｎとＡｓを選択領域に照射することにより、歪誘起による自己組織化ＩｎＡｓ量子ドットについて説明をしたが、ＧａＡｓ基板のみならずその他の基板にも同様に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【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構成を示す図である。
【図３】本発明の微細構造素子製造装置のマスクホルダの詳細を示す図である。
【図４】本発明の微細構造素子製造装置のマスクの１例を示す図である。
【図５】マスクパターンの使用状態を説明する図である。
【図６】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。
【図７】本発明により、（ａ）は、作製した試料基板からのＰＬ強度を２次元マッピングしたものである。（ｂ）は、（ａ）のＰＬ発光領域からのＰＬスペクトルを示す図である。
【図８】３回繰り返して３次元のフォトニック結晶構造を作成した場合の図である。
【図９】８回繰り返して３次元で４層積層のフォトニック結晶構造を作成した場合の図である。
【図１０】回転規制手段と位置固定手段の他の具体例。
【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】ＰＣ−ＳＭＺを２個集積した光フリップ・フロップ・光デジタル信号処理素子を説明する図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ 微細構造素子製造装置
１０ マスク
１２ 開口部
１３ 開口部ブロック
１４ 開口部ブロック
１５ 開口部ブロック
１６ 開口部ブロック
２０ マスクホルダ
２２ マスクホルダ本体
２４ 固定板
２６ マスクホルダ外輪
２７ チャッキング用ピン
２８ バネ
２９ 位置固定手段
３０ 基板
３２ 選択結晶成長層
４０ 試料ホルダ
４２ 固定用Ｃリング
４４ 回転規制手段
６０ 蒸発源
【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、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、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。
【０００３】
そこで、光の超高速デジタル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と光フリップ・フロップとが提案されている（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、フォトニック結晶導波路(Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｗａｖｅ Ｇｕｉｄｅ：ＰＣ−ＷＧ)と、導波路中に埋め込まれた量子ドット（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ：ＱＤ）を基本構成要素とする。フォトニック結晶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ＱＤ励起用の制御光（Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｕｌｓｅ）を導入する導波路が設けられる。この素子においてＱＤ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ＱＤが励起され、ＱＤ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（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ＱＤ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量子ドットを形成することである。また、この素子を一枚の基板に大量に集積化して作製するためには、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。
【０００９】
関連する従来の技術としては、半導体装置等その他においてマスクにより基板に蒸着物質のパターニングを行う際、温度変化に伴うマスクと基板の相対ずれを防止する基板とマスクの保持構造に関する提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
また、基板上に厚さ並びに種類の異なる層を交互に周期的に積層し、あるいは種類の異なる層を数層積層させることによりヘテロ構造を形成して、マイクロ波素子、あるいは発光・受光素子として使用する単結晶薄膜構造を作製するための分子線エピタキシャル成長方法に関する提案もある（例えば、特許文献２参照）。
【００１１】
さらに、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（非特許文献３等参照）。
【００１２】
また、３次元フォトニック結晶構造及びその製造方法については、別個に製作したウエハを貼り合わせ、選択エッチングによるものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特許公報昭６２−４１４１６号公報
【特許文献２】特開平１−２３５２３３号公報
【特許文献３】特開２００５−３３１８１２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フォトニック・デバイス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】Ｓｈｕｎｓｕｋｅ Ｏｈｋｏｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｉｎ ｓｉｔｕ ｍａｓｋ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ＩｎＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ ｉｎ ｎａｒｒｏｗ ｒｅｇｉｏｎｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｆｏｒ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ ｓｙｓｔｅｍ”ＲＥＶＩＥＷ ＯＦ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴ ＶＯＬ．７８，０７３９０８（２００７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、大河内ら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、以下に述べるような問題点がある。
（１）選択領域の方位、位置合わせの精度、再現性が確保しにくい。
（２）特性を変えた量子ドットを近接領域に交互に配列させるなどの特異な構造をモノリシックに作ることができない。
【００１４】
本発明は、以上のような問題点を解決して、選択領域の方位、位置合わせの精度、再現性が確保し易く、特性を変えた量子ドットを近接領域に交互に配列させるなどの特異な構造をモノリシックに作ることが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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者らは、数百度℃の高温下で使用するマスクと基板の相対的な方位、位置合わせの精度、再現性を確保する構造と、マスクパターンを回転非対称とすることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１６】
（１） 基板が搭載され、回転方向の角度を規定することのできる回転規制手段を有する試料ホルダと、前記基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の開口を有するマスクと、前記マスクが搭載され、かつ前記回転規制手段に接合して回転方向と半径方向との前記試料ホルダとの相対位置が決まる位置固定手段を有するマスクホルダと、を備える微細構造素子製造装置。
【００１７】
（１）の記載による微細構造素子製造装置によれば、回転方向の角度を規定することのできる回転規制手段を有する試料ホルダと、回転規制手段に接合して回転方向と半径方向との試料ホルダとの相対位置が決まる位置固定手段を有するマスクホルダと、を備えるので、選択領域の方位、位置合わせの精度、再現性が確保し易くなる。
【００１８】
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。
【００１９】
回転規制手段は試料ホルダに固定された回転規制ピンによることが望ましく、位置固定手段はマスクホルダに固定された位置固定用突起によることが望ましい。なお、これらを相互に入れ替えて、回転規制手段は試料ホルダに固定された回転規制突起であり、位置固定手段はマスクホルダに固定された位置固定用ピンであってもよい。さらに、回転規制手段と位置固定手段とは回転規制ピンと半円状の接合部を有するバネでもよいし、ピンの代わりに半円柱上のものと突起の組み合わせであってもよい。
【００２０】
（２） 前記基板と前記マスク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前記試料ホルダと前記マスクホルダとが互いに軸方向に離反するように設けられた弾性体をさらに備える（1）に記載の微細構造素子製造装置。
【００２１】
（２）に記載の微細構造素子製造装置は、基板とマスク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前記試料ホルダと前記マスクホルダとが互いに軸方向に離反するように設けられた弾性体をさらに備えるので、摂氏数百度の高温下で選択結晶成長中においても基板とマスクに位置関係が温度変化などによって変動することを抑えることができる。
【００２２】
（３） 前記マスクは、複数の回転非対称な開口部を有し、前記マスクホルダを前記試料ホルダに対し、あらかじめ定められた角度回転し、前記基板上で角度回転前に結晶を成長させた部分と異なる領域に結晶を成長させる（１）又は（２）に記載の微細構造素子製造装置。
【００２３】
（３）の記載による微細構造素子製造装置によれば、マスクのマスクパターンは、複数の開口部を有し、回転非対称である。したがって、製造工程においてマスクパターンをある位置に設定して結晶成長させた後に、当該マスクパターンをあらかじめ定められた角度回転させ、例えば、結晶成長時間を変えたり、素材の蒸発温度を変えることにより、特性を変えた量子ドットを近接領域に交互に配列させるなどの特異な構造をモノリシックに作ることができる。
【００２４】
（４） 異なる素材を蒸発させる複数の蒸発源をさらに備え、前記マスクホルダをあらかじめ定められた角度回転した場合に、異なる素材を蒸発させる（２）に記載の微細構造素子製造装置。
【００２５】
（４）の記載による微細構造素子製造装置によれば、異なる素材を蒸発させる複数の蒸発源をさらに備えるので、製造工程においてマスクパターンをある位置に設定して結晶成長させた後に、当該マスクパターンをあらかじめ定められた角度回転させ、異なる素材を蒸発させることにより、特性を変えた量子ドットを近接領域に交互に配列させるなどの特異な構造をモノリシックに作ることができる。
【００２６】
（５） 基板が、回転方向の角度を規定することのできる回転規制手段を有する試料ホルダに搭載される工程と、少なくとも１つ以上の開口を有するマスクを、前記回転規制手段に接合して回転方向と半径方向との前記試料ホルダとの相対位置が決まる位置固定手段を有する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。
【００２７】
（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選択領域の方位、位置合わせの精度を確保し、再現性の良い微細構造素子生産方法を実現することができる。
【００２８】
（６） 前記マスクは、複数の回転非対称な開口部を有し、前記マスクホルダを前記試料ホルダに対し、あらかじめ定められた角度回転し、前記基板上で角度回転前に結晶を成長させた部分と異なる領域に結晶を成長させる中間結晶成長工程をさらに有する（５）に記載の微細構造素子生産方法。
【００２９】
（７） 異なる素材を蒸発させる複数の蒸発源をさらに備えた微細構造素子製造装置において、前記マスクホルダをあらかじめ定められた角度回転した場合に、異なる素材を蒸着させる（６）に記載の微細構造素子生産方法。
【００３０】
（６）と（７）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、特性を変えた量子ドットを近接領域に交互に配列させるなどの特異な構造をモノリシックに作ることができる。
【００３１】
（８） ３次元的に埋め込んだ微細構造素子を生産するために前記結晶成長工程を複数回繰り返す工程をさらに有する、（６）又は（７）に記載の微細構造素子生産方法。
【００３２】
（９） ３次元的に埋め込んだ微細構造素子を生産するためにさらに前記固定工程を複数回繰り返す工程をさらに有する、（７）に記載の微細構造素子生産方法。
【００３３】
（８）と（９）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、３次元で特性を変えた量子ドットを近接領域に交互に配列させるなどの特異な構造をモノリシックに作ることができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、選択領域の方位、位置合わせの精度、再現性が確保し易く、特性を変えた量子ドットを近接領域に交互に配列させるなどの特異な構造をモノリシックに作ることが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ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
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。
【００３６】
＜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構成を示す図であり、図３は、本発明の微細構造素子製造装置のマスクホルダの詳細を示す図である。図４は、本発明の微細構造素子製造装置のマスクの１例を示す図である。図５は、マスクパターンの使用状態を説明する図であり、図６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。図７は、本発明により、（ａ）は、作製した試料基板からのＰＬ強度を２次元マッピングしたものである。（ｂ）は、（ａ）のＰＬ発光領域からのＰＬスペクトルをしめす図である。以下、これらの図を参照して説明をする。
【００３７】
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、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を示す拡大図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂより見た図であり、位置固定手段２９と回転規制手段４４との位置関係を示す図である。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
微細構造素子製造装置１の相互の関係について、図２と図３を参照して説明をする。試料ホルダ４０には、基板３０を特定の方位で取付けできるように、基板３０のオリエンテーションフラット（オリフラ）面に沿うようなピン２本（オリフラ基準ピン）４２を設けている。これにより、基板３０と試料ホルダ４０の角度相対関係は常に一定に保たれる。基板３０は、図２に示すように試料ホルダ４０の下側から挿入し、試料ホルダ４０の上部の肩と、背面から挿入した固定用Ｃリング４２によって取り付ける（図１参照）。この機構により、試料ホルダ４０最上面と基板３０の表面との距離は常に一定に保たれる。
【００４１】
一方、マスクホルダ２０は、図３に示すように、大きく分けて、メタルマスク１０を保持する本体２２と、マスクホルダ本体２２とバネ２８を介して取り付けられた固定板２４と、マスクホルダ外輪２６により構成される。マスクホルダ外輪２６には、マスクホルダ２０を真空チャンバー内で保持するためのチャッキング用ピン２７（３本）と、試料ホルダ４０との合体に必要な位置固定手段である位置固定用突起２９(４箇所)が設けられている。
【００４２】
マスクホルダ２０と試料ホルダ４０との合体時にこの位置固定用突起２９が試料ホルダ４０に設けられたはめ込み穴を介してはめ込み溝に収まる。さらに、図３に示すように位置固定用突起２９には楔形の切れ込みが設けてあり、はめ込み溝に沿って右回転させると、試料ホルダ４０の回転規制手段である回転規制ピン４４を挟みこんで固定される。この機構により、マスクホルダ２０と試料ホルダ４０との合体時の両者の水平方向の位置ずれを無くし、位置精度１０μｍ以内で、一意の位置関係に固定でき、素子作製において許容される範囲内にある。
【００４３】
また、マスクホルダ２０と弾性体であるバネ２８を介して取り付けられた固定板２４が、試料ホルダ４０を押し付けることにより、マスクホルダ２０を上方向に押し上げ、図１のように、位置固定用突起２９の上面と試料ホルダ４０が接する高さで固定される。この機構により、マスクホルダ２０と試料ホルダ４０との上下方向の位置再現性が確保される。同時に、固定板２４及び位置固定用突起２９と試料ホルダ４０との接触面で摩擦抵抗力を持たせ、マスクホルダ２０の逆方向への回転を防止している。
【００４４】
以上の機構によって、マスクホルダ２０と試料ホルダ４０の合体時に、マスク１０と基板３０の表面との位置及び方位関係が再現性良く一意に決定し、マスクパターンと基板３０との方位関係を含めた位置精度の良い選択成長が可能となる。
【００４５】
また、先述の通り位置固定用突起２９は９０度配向４箇所であり、９０度ずつ回転して取り付けることができる。マスクパターンを回転非対称のパターンにすることで、一枚の基板上に２種以上の組成や厚みをもった微細構造を作製することが可能となる。
【００４６】
具体的なマスクパターンを図４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。詳細は、非特許文献３を参照。
【００４７】
図４に示すように、開口部ブロック１３、１４、１５、１６が設けられている。開口部ブロック１３と１６には長さ４ｍｍで幅０．５ｍｍの長方形の開口部と０．５ｍｍの正方形の開口部が設けられている。そして、マスク１０を１８０度回転したときに中間に丁度２点鎖線の部分が来るように設計されている。また、開口部ブロック１４と１５には長さ４ｍｍで幅０．３ｍｍの長方形の開口部と０．３ｍｍの正方形の開口部が設けられている。そして、マスク１０を１８０度回転したときに中間に丁度２点鎖線の部分が来るように設計されている。
【００４８】
つまり、概念的には図５に示すように、マスクパターンを回転非対称のパターンにすることで、１枚の基板上に２種以上の組成や厚みをもった微細構造を作製することが可能となる。
【００４９】
図６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つ以上の開口を有するマスク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、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）を選択的に結晶成長させる（Ｓ１４０）。
【００５０】
マスクホルダ２０を試料ホルダ４０に対し、あらかじめ定められた角度回転する（Ｓ１５０）。そして、基板３０上で角度回転前に結晶を成長させた部分に異なる素材を蒸着させて別の結晶を成長させる（Ｓ１６０）。
【００５１】
具体的には、発明者らは、上記微細構造素子製造装置１とＭＢＥ装置を用いてＧａＡｓ基板にＩｎとＡｓを選択領域に照射することにより、歪誘起による自己組織化ＩｎＡｓ量子ドットを成長させた。マスク１０を０度配置でＩｎＡｓ量子ドット（ＱＤ１）を成長後、マスク１０を１８０度回転させ、０度配置と同様にＩｎＡｓ量子ドット（ＱＤ２）を選択領域に成長後、歪緩和層としてＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓの薄膜を膜厚約３ｎｍ積層させた。この歪緩和層により、ＱＤ２のバンドギャップを縮小させることが可能となる。この後、メタルマスク１０を外し、基板３０全体にＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓ層を成長させてＱＤを埋め込み、作製試料とした。
【００５２】
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。
【００５３】
図７（ａ）は、作製した試料基板からのＰＬ強度を２次元マッピングしたものであり、マスクパターンに対応した数百μｍ２のＰＬ発光領域が確認された。また、図７（ａ）のＰＬ発光領域からのＰＬスペクトルをそれぞれ図７（ｂ）に示す。ＱＤ１領域からは中心波長１２５０ｎｍ、ＱＤ２領域からは中心波長１３００ｎｍの発光スペクトルが得られた。以上の結果から、２種類の発光波長を持った量子ドット（ＱＤ１とＱＤ２）が、一枚の基板上の選択領域にモノリシックに作製されていることが確認された。
【００５４】
また、図７（ａ）に示すように、形成されたＱＤ１とＱＤ２の位置関係は誤差で設計値の１０%以内であり、実用上問題無い位置関係を保っている事が判明した。
【００５５】
以上のようにして、選択領域の方位、位置合わせの精度、再現性が確保し易く、特性を変えた量子ドットを近接領域に交互に配列させるなどの特異な構造をモノリシックに作ることが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ができる。
【００５６】
＜実施例２＞
実施例２は、本発明の微細構造素子製造装置を応用して、３次元フォトニック結晶構造を生産するものである。図８は、３回繰り返して３次元のフォトニック結晶構造を作成した場合の図であり、図９は、位置決め工程を８回繰り返して３次元で４層積層のフォトニック結晶構造を作成した場合の図である。
【００５７】
図８に示したように、３次元的に埋め込んだ微細構造素子を生産するために前記結晶成長工程を複数回繰り返す。それぞれで組成の異なる斜線部と白の部分の構造物を作り、それを上方向に交互に入れ替わるように成長させると、３次元の周期構造ができる。
【００５８】
斜線部と白の部分の屈折率を変えてやれば、フォトニック結晶のようなものを作ることができる。なお、実施例１のマスクのサイズでは大きいため、マイクロ波やミリ波領域のものになるので、光の波長領域にするには相当する微小サイズの開口を有するマスクを製作する必要がある。そのためには、例えば、集光イオンビーム法によりこの加工を実現することができる。また、３次元的に埋め込んだ微細構造素子を生産するためにさらに前記位置決め工程を複数回繰り返す工程をおりこんでもよい。
【００５９】
図９に示すように、位置決め工程を８回繰り返して３次元で４層積層のフォトニック結晶構造を作成することもできる。３次元的に埋め込んだ微細構造素子を生産するためにさらに位置決め工程を複数回繰り返してもよい。
【００６０】
以上のようにして、３次元のフォトニック結晶構造を作成することができる。別個に製作したウエハを貼り合わせ、選択エッチングによる方法よりも生産性が高い生産方法を提供することができる。
【００６１】
なお、図１０は、回転規制手段と位置固定手段の他の具体例を示したものである。図１０（ａ）に示すように回転規制手段と位置固定手段とは回転規制ピンと半円状の接合部を有するバネとしてもよいし、図１０（ｂ）に示すように、ピンの代わりに半円柱上のものと突起の組み合わせであってもよい。
【００６２】
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、微細構造素子については具体例としてＧａＡｓ基板にＩｎとＡｓを選択領域に照射することにより、歪誘起による自己組織化ＩｎＡｓ量子ドットについて説明をしたが、ＧａＡｓ基板のみならずその他の基板にも同様に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【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構成を示す図である。
【図３】本発明の微細構造素子製造装置のマスクホルダの詳細を示す図である。
【図４】本発明の微細構造素子製造装置のマスクの１例を示す図である。
【図５】マスクパターンの使用状態を説明する図である。
【図６】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。
【図７】本発明により、（ａ）は、作製した試料基板からのＰＬ強度を２次元マッピングしたものである。（ｂ）は、（ａ）のＰＬ発光領域からのＰＬスペクトルを示す図である。
【図８】３回繰り返して３次元のフォトニック結晶構造を作成した場合の図である。
【図９】８回繰り返して３次元で４層積層のフォトニック結晶構造を作成した場合の図である。
【図１０】回転規制手段と位置固定手段の他の具体例。
【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】ＰＣ−ＳＭＺを２個集積した光フリップ・フロップ・光デジタル信号処理素子を説明する図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ 微細構造素子製造装置
１０ マスク
１２ 開口部
１３ 開口部ブロック
１４ 開口部ブロック
１５ 開口部ブロック
１６ 開口部ブロック
２０ マスクホルダ
２２ マスクホルダ本体
２４ 固定板
２６ マスクホルダ外輪
２７ チャッキング用ピン
２８ バネ
２９ 位置固定手段
３０ 基板
３２ 選択結晶成長層
４０ 試料ホルダ
４２ 固定用Ｃリング
４４ 回転規制手段
６０ 蒸発源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板が搭載され、回転方向の角度を規定することのできる回転規制手段を有する試料ホルダと、
前記基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の開口を有するマスクと、
前記マスクが搭載され、かつ前記回転規制手段に接合して回転方向と半径方向との前記試料ホルダとの相対位置が決まる位置固定手段を有するマスクホルダと、
を備える微細構造素子製造装置。
【請求項２】
前記基板と前記マスク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前記試料ホルダと前記マスクホルダとが互いに軸方向に離反するように設けられた弾性体をさらに備える請求項1に記載の微細構造素子製造装置。
【請求項３】
前記マスクは、複数の回転非対称な開口部を有し、
前記マスクホルダを前記試料ホルダに対し、あらかじめ定められた角度回転し、前記基板上で角度回転前に結晶を成長させた部分と異なる領域に結晶を成長させる請求項１又は２に記載の微細構造素子製造装置。
【請求項４】
異なる素材を蒸発させる複数の蒸発源をさらに備え、
前記マスクホルダをあらかじめ定められた角度回転した場合に、異なる素材を蒸発させる請求項３に記載の微細構造素子製造装置。
【請求項５】
基板が、回転方向の角度を規定することのできる回転規制手段を有する試料ホルダに搭載される工程と、
少なくとも１つ以上の開口を有するマスクを、前記回転規制手段に接合して回転方向と半径方向との前記試料ホルダとの相対位置が決まる位置固定手段を有する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】
前記マスクは、複数の回転非対称な開口部を有し、
前記マスクホルダを前記試料ホルダに対し、あらかじめ定められた角度回転し、前記基板上で角度回転前に結晶を成長させた部分と異なる領域に結晶を成長させる中間結晶成長工程をさらに有する請求項５に記載の微細構造素子生産方法。
【請求項７】
異なる素材を蒸発させる複数の蒸発源をさらに備えた微細構造素子製造装置において、
前記マスクホルダをあらかじめ定められた角度回転した場合に、異なる素材を蒸着させる請求項６に記載の微細構造素子生産方法。
【請求項８】
３次元的に埋め込んだ微細構造素子を生産するために前記結晶成長工程を複数回繰り返す工程をさらに有する、請求項６又は７に記載の微細構造素子生産方法。
【請求項９】
３次元的に埋め込んだ微細構造素子を生産するためにさらに前記位置決め工程を複数回繰り返す工程をさらに有する、請求項８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、回転方向の角度を規定することのできる回転規制手段を有する試料ホルダと、
前記基板に選択的に結晶を成長させるための少なくとも１つ以上の開口を有するマスクと、
前記マスクが搭載され、かつ前記回転規制手段に接合して回転方向と半径方向との前記試料ホルダとの相対位置が決まる位置固定手段を有するマスクホルダと、
を備える微細構造素子製造装置。
【請求項２】
前記基板と前記マスク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前記試料ホルダと前記マスクホルダとが互いに軸方向に離反するように設けられた弾性体をさらに備える請求項1に記載の微細構造素子製造装置。
【請求項３】
前記マスクは、複数の回転非対称な開口部を有し、
前記マスクホルダを前記試料ホルダに対し、あらかじめ定められた角度回転し、前記基板上で角度回転前に結晶を成長させた部分と異なる領域に結晶を成長させる請求項１又は２に記載の微細構造素子製造装置。
【請求項４】
異なる素材を蒸発させる複数の蒸発源をさらに備え、
前記マスクホルダをあらかじめ定められた角度回転した場合に、異なる素材を蒸発させる請求項３に記載の微細構造素子製造装置。
【請求項５】
基板が、回転方向の角度を規定することのできる回転規制手段を有する試料ホルダに搭載される工程と、
少なくとも１つ以上の開口を有するマスクを、前記回転規制手段に接合して回転方向と半径方向との前記試料ホルダとの相対位置が決まる位置固定手段を有する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】
前記マスクは、複数の回転非対称な開口部を有し、
前記マスクホルダを前記試料ホルダに対し、あらかじめ定められた角度回転し、前記基板上で角度回転前に結晶を成長させた部分と異なる領域に結晶を成長させる中間結晶成長工程をさらに有する請求項５に記載の微細構造素子生産方法。
【請求項７】
異なる素材を蒸発させる複数の蒸発源をさらに備えた微細構造素子製造装置において、
前記マスクホルダをあらかじめ定められた角度回転した場合に、異なる素材を蒸着させる請求項６に記載の微細構造素子生産方法。
【請求項８】
３次元的に埋め込んだ微細構造素子を生産するために前記結晶成長工程を複数回繰り返す工程をさらに有する、請求項６又は７に記載の微細構造素子生産方法。
【請求項９】
３次元的に埋め込んだ微細構造素子を生産するためにさらに前記位置決め工程を複数回繰り返す工程をさらに有する、請求項８に記載の微細構造素子生産方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−５９９７３（Ｐ２００９−５９９７３Ａ）
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２７２８１（Ｐ２００７−２２７２８１）
【出願日】平成１９年９月３日（２００７．９．３）
【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）【国等の委託研究の成果に係る記載事項】 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)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月３日（２００７．９．３）
【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）【国等の委託研究の成果に係る記載事項】 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)
【Ｆターム（参考）】
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