JPH10270725A - 細線および細線を備えた光電変換素子並びにそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光電変換素子などに利用することができる細
線を提供する。 【解決手段】 この細線１０は、基板１の上にシリコン
細線部１１が形成され、シリコン細線部１１の先端に金
属部１３を介して二酸化珪素細線部１２が形成されてい
る。シリコン細線部１１は光電変換機能を有し、二酸化
珪素細線部１２は光の伝達機能を有する。シリコン基板
１の上に触媒となる金を蒸着したのち、加熱して溶融合
金滴を形成する。次いで、シランガスを供給し、溶融合
金滴の触媒作用により溶融合金滴の下にシリコン細線部
１１を成長させる。続いて、酸素雰囲気中で加熱し、溶
融合金滴の触媒作用によりシリコン細線部１１の先端部
を酸化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光電変換素子など
として利用することができる細線、およびその細線を備
えた光電変換素子、並びにそれらの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、集積回路などの高密度化が進んで
おり、その製造工程などにおいて極めて微細な領域を精
度よく観察する技術が求められている。また、光メモリ
の高密度化も進んでおり、極めて微細な領域について読
み出したり書き込んだりする技術も求められている。

【０００３】従来、微細領域を観察したり読み出し書き
込みをしたりする光電変換素子としては、光ファイバを
光信号の入出力部として用いたものが提案されていた。
この光電変換素子では、光ファイバの先端部が直径１０
０ｎｍ程度までエッチングされており、微細領域の情報
を得ることができるようにまたは微細領域に光を照射す
ることができるようになっている。光ファイバの他端部
は、光検出部や発光部などの適宜な処理部に接続されて
いる。また、光ファイバの側面は、適宜な金属により被
覆されており、先端部以外から光の入出力がないように
なっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来
は、処理部に光入出力部としての光ファイバを接続して
光電変換素子を構成していたので、光ファイバの先端部
を細くする一方で他端部は処理部と接続するために太く
しなければならず、製造が困難であるという問題があっ
た。また、光ファイバの先端部をエッチングにより細く
していたので、精度よく直径を１００ｎｍよりも細くす
ることは難しく、十分に微細化することができないとい
う問題もあった。

【０００５】そこで、新たな光電変換素子の開発が望ま
れるが、その１つの手段として、例えばシリコン（Ｓ
ｉ）細線の利用が考えられる。このシリコン細線は、細
線径が小さくなるに従ってバンドギャップが大きくな
り、バルクにおいては間接遷移型バンドギャップである
のが、数十ｎｍの太さの細線においては直接遷移型バン
ドギャップを有するように変化する。これにより、シリ
コン細線では、励起された電子−正孔の再結合発光効率
が著しく増加し、発光波長も短波長側にシフトして可視
光発光が可能になる。

【０００６】なお、このシリコン細線は、例えば、ＶＬ
Ｓ（Ｖａｐｏｒ−Ｌｉｑｕｉｄ−Ｓｏｌｉｄ）法（E.
I. Givargizov, J.Vac.Sci.Techno.B11(2), p.449参
照）によりシリコン基板の上に成長させることができ
る。このＶＬＳ法とは、シリコン基板に金（Ａｕ）を蒸
着してシリコン基板の表面にシリコンと金との溶融合金
滴を形成したのち、シリコンの原料ガスを供給しつつ加
熱してシリコン細線を成長させる方法である。よって、
このシリコン細線を利用した新たな光電変換素子を得る
ことができれば、微細領域の観察などが可能となる。

【０００７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その第１の目的は、光電変換素子などに利用する
ことができる新たな構造を有する細線およびその製造方
法を提供することにある。

【０００８】また、本発明の第２の目的は、微細領域を
精度良く観察することができる光電変換素子およびその
製造方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る細線は、長
さ方向における一方に形成されたシリコンよりなるシリ
コン細線部と、このシリコン細線部とは長さ方向におけ
る反対側である他方に形成された二酸化珪素よりなる二
酸化珪素細線部とを備えたものである。

【００１０】本発明に係る光電変換素子は、光信号と電
気信号とを相互に変換するものであって、長さ方向にお
ける一方に光入出力部が形成されると共に、この光入出
力部とは長さ方向における反対側である他方に光電変換
部が形成された細線を備えたものである。

【００１１】本発明に係る細線の製造方法は、シリコン
よりなるシリコン細線部と二酸化珪素よりなる二酸化珪
素細線部とを備えた細線を製造する方法であって、基板
の上にシリコン細線部を成長させる際の触媒を蒸着する
蒸着工程と、触媒を蒸着した基板をシリコン原料ガス含
有雰囲気中において加熱し、触媒の作用により基板の表
面に選択的にシリコン細線部を成長させる成長工程と、
成長させたシリコン細線部の先端側の一部を触媒の作用
により選択的に酸化し、二酸化珪素細線部を形成する酸
化工程とを含むものである。

【００１２】本発明に係る光電変換素子の製造方法は、
光入出力部と光電変換部とが形成された細線を備えた光
電変換素子を製造する方法であって、基板の上に触媒を
蒸着したのち、光電変換部を構成する物質の原料ガス含
有雰囲気中において加熱し、触媒の作用により基板の表
面に選択的に細線の光電変換部を成長させる成長工程
と、成長させた細線の先端側の一部を触媒の作用により
選択的に酸化し、光入出力部を形成する酸化工程とを含
むものである。

【００１３】この細線では、長さ方向の一方にシリコン
細線部が形成され、他方に二酸化珪素細線部が形成され
ている。このシリコン細線部は光電変換機能を有してい
る。二酸化珪素細線部は光の伝達機能を有している。

【００１４】この光電変換素子では、光信号が光入出力
部に入力されると、光入出力部の内部を通って光電変換
部へ光信号が誘導される。この光信号は光電変換部によ
り電気信号に変換され、電気信号として取り出される。
また、光電変換部に電圧が加えられると、この電気信号
は光電変換部により光信号に変換され、光入出力部によ
り誘導されて出力する。

【００１５】この細線の製造方法では、基板の上に触媒
を蒸着したのち、シリコン原料ガス含有雰囲気中におい
て加熱する。この時、触媒の作用により基板の表面に選
択的にシリコン細線部が成長する。次いで、このシリコ
ン細線部を酸化する。この時、触媒の作用によりシリコ
ン細線部の先端部が選択的に酸化し、二酸化珪素細線部
が形成される。これにより、シリコン細線部と二酸化珪
素部とを備えた細線が製造される。

【００１６】この光電変換素子の製造方法では、基板の
上に触媒を蒸着したのち、光電変換部を構成する物質の
原料ガス含有雰囲気中において加熱する。この時、触媒
の作用により基板の表面に選択的に細線の光電変換部が
成長する。次いで、この細線を酸化する。この時、触媒
の作用により細線の先端部が選択的に酸化し、光入出力
部が形成される。これにより、光入出力部と光電変換部
とが形成された細線を備えた光電変換素子が製造され
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００１８】図１は本発明の第１の実施の形態に係る細
線１０の構成を表すものである。この細線１０は、長さ
方向における一方に単結晶シリコンよりなるシリコン細
線部１１を、このシリコン細線部１１とは長さ方向にお
ける反対側である他方にアモルファスの二酸化珪素より
なる二酸化珪素細線部１２を備えている。シリコン細線
部１１は光電変換機能を有しており、二酸化珪素細線部
１２は光の伝達機能を有している。また、シリコン細線
部１１と二酸化珪素細線部１２と間には、金（Ａｕ）な
どの適宜の金属よりなる金属部１３を備えている。この
細線１０は、単結晶シリコンよりなる基板１の上にシリ
コン細線部１１を基板１側としてほぼ垂直に形成されて
いる。この細線１０の太さは、５０ｎｍ以下であり、好
ましくは３０ｎｍ以下、更に好ましくは１０ｎｍ以下で
ある。

【００１９】このような構成を有する細線１０は、例え
ば、次のようにして製造することができる。

【００２０】図２はこの細線１０の製造方法における各
製造工程を表すものである。まず、例えば比抵抗が０．
４〜４Ωｃｍの（１１１）単結晶シリコンからなる基板
１を図示しない反応炉内に挿入し、例えば５×１０^-8Ｔ
ｏｒｒの真空において１０００℃で加熱し表面の清浄化
を行う。

【００２１】次いで、図２（ａ）に示したように、反応
炉内を減圧して基板１を適宜に加熱しつつ（例えば７０
０℃）、基板１の表面にシリコン細線部１１を成長させ
る際の触媒となる金属（例えば金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）
やインジウム（Ｉｎ））を蒸着する（蒸着工程）。これ
により、基板１の上に触媒層２が形成される。この際、
基板１の加熱は、例えば基板１の長軸に沿って直流電流
を流して行う。また、金属の蒸着は、例えばタングステ
ン（Ｗ）フィラメントを用いて行う。

【００２２】触媒層２を形成したのち、基板１を図示し
ない反応炉内で適宜に加熱しつつ（例えば７００℃）、
そのまま適宜の時間（例えば３０分間）保持する（加熱
工程）。これにより、基板１の上の触媒層２は、基板１
の表面のシリコンを一部溶解し、凝集して、図２（ｂ）
に示したように、溶融合金滴２ａを形成する。なお、蒸
着工程においても溶融合金滴２ａは形成されるが、この
加熱工程により、それらが互いに凝集して、一定の大き
さとなる。

【００２３】溶融合金滴２ａを形成したのち、基板１を
図示しない反応炉内で適宜に加熱しながら（例えば７０
０℃）、シリコンの原料ガスとして例えばシラン（Ｓｉ
Ｈ₄）ガスを導入する（成長工程）。導入するシランガ
スの量は、例えば反応炉内におけるシランガスの分圧が
０．５Ｔｏｒｒ未満となるように調節する。なお、好ま
しくは、０．１５Ｔｏｒｒ以下となるように調節する。
これにより、シランガスは、溶融合金滴２ａを触媒とし
て式１に示した分解反応により分解しシリコンを生ず
る。

【式１】ＳｉＨ₄ →Ｓｉ＋２Ｈ₂

【００２４】シランガスから分解したシリコンは溶融合
金滴２ａの中に拡散し、溶融合金滴２ａと基板１との界
面にエピタキシャル結合する。これにより、図２（ｃ）
に示したように、溶融合金滴２ａの下において選択的に
溶融合金滴２ａの大きさに応じた太さのシリコン細線部
１１が成長する。

【００２５】シリコン細線部１１を成長させたのち、図
示しない反応炉内に酸素（Ｏ₂ ）ガスを導入し、例えば
５００Ｔｏｒｒの酸素ガス雰囲気中において８００℃で
加熱する（酸化工程）。これにより、シリコン細線部１
１の先端部では溶融合金滴２ａを触媒として選択的に酸
化がおこり、図２（ｄ）に示したように、酸化の進行に
伴って溶融合金滴２ａが基板１側に向かって移動する。
よって、シリコン細線部１１の先端側の一部が酸化さ
れ、二酸化珪素細線部１２が形成される。

【００２６】なお、この酸化工程では、シリコン細線部
１１の側面においても若干ではあるが酸化がおこる。よ
って、図２（ｄ）に示したように、シリコン細線部１１
の側面全体を露出した状態でこの酸化工程を行うと、シ
リコン細線部１１の側面に薄い酸化膜３が形成される。
なお、図示しないが、シリコン細線部１１の側面に酸化
防止膜を形成して酸化工程を行えば、酸化は防止され
る。

【００２７】このようにシリコン細線部１１の先端側の
一部を酸化したのち冷却すると、溶融合金滴２ａは溶解
していたシリコンを析出して固化し、シリコン細線部１
１と二酸化珪素細線部１２の間に金属部１３が形成され
る。これにより、図１に示した細線１０となる。

【００２８】このように本実施の形態に係る細線１０に
よれば、シリコン細線部１１の先端に二酸化珪素細線部
１２を備えているので、二酸化珪素細線部１２により光
を誘導すると共に、シリコン細線部１１により光信号と
電気信号とを相互に変換することができる。よって、微
細領域に対応した光電変換素子などとして利用すること
ができる。

【００２９】また、本実施の形態に係る細線１０の製造
方法によれば、基板１の上にシリコン細線部１１をＶＬ
Ｓ法により成長させたのち、溶融合金滴２ａを触媒とし
てシリコン細線部１１の先端部を酸化するようにしたの
で、本実施の形態に係る細線１０を容易に製造すことが
できる。よって、本実施の形態に係る細線１０を実現す
ることができる。

【００３０】（第２の実施の形態）図３は本発明の第２
の実施の形態に係る光電変換素子２０の構成を表すもの
である。この光電変換素子２０は、第１の実施の形態に
おいて説明した細線１０を利用したものである。よっ
て、ここでは第１の実施の形態と同一の構成要素につい
ては同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【００３１】この光電変換素子２０は、基板１の上にシ
リコン細線部１１と二酸化珪素細線部１２と金属部１３
とを備えた細線１０を有している。この細線１０の形成
位置および太さは、適宜に制御されている。なお、ここ
では、細線１０のうちシリコン細線部１１は光電変換部
として機能し、二酸化珪素細線部１２は光入出力部とし
て機能し、金属部１３は電極部として機能する。

【００３２】基板１の上には、また、二酸化珪素よりな
る補助膜２１が形成されている。この補助膜２１には開
口２１ａが設けられており、細線１０はこの開口２１ａ
を介して基板１の上に形成されている。すなわち、細線
１０は補助膜２１により形成位置および太さが制御され
るようになっている。ちなみに、この補助膜２１は、金
属部１３と基板１との間の絶縁性を確保する絶縁層とし
ての役割も有している。細線１０のうち金属部１３の位
置は補助膜２１の表面の位置とほぼ一致しており、シリ
コン細線部１１は補助膜２１の開口２１ａ内に位置し、
二酸化珪素細線部１２は補助膜２１から突出している。

【００３３】二酸化珪素細線部１２の側面には、金やア
ルミニウム（Ａｌ）などの適宜な金属よりなる被覆膜２
２が形成されており、側面から光が入出力することを防
止して先端部から入出力する光を誘導するようになって
いる。金属部には、金やアルミニウムなどの適宜な金属
よりなる配線２３が接続されている。また、基板１に
は、図示しないが、シリコン細線部１１に接続する配線
が形成されている。この配線２３などを介して、シリコ
ン細線部１１に電圧を加えたり、シリコン細線部１１で
発生した電流を検出することができるようになってい
る。

【００３４】このような構成を有する光電変換素子２０
は、例えば、次のようにして製造することができる。

【００３５】図４ないし図７はこの光電変換素子２０の
第１の製造方法における各製造工程を表すものである。
まず、図４（ａ）に示したように、例えば比抵抗が０．
４〜４Ωｃｍの（１１１）単結晶シリコンからなる基板
１を図示しない反応炉内に挿入して酸化し、基板１の表
面に例えば１μｍ程度の厚さの酸化膜を補助膜２１とし
て形成する。

【００３６】次いで、図４（ｂ）に示したように、補助
膜２１の上にフォトレジスト膜３１を塗布形成したの
ち、これを選択的に露光し、細線１０の形成位置に対応
して適当な大きさ（例えば直径が約１μｍ）の開口３１
ａを形成する。

【００３７】続いて、図５（ａ）に示したように、フォ
トレジスト膜３１をマスクとしてフッ酸（ＨＦ）を含む
エッチング液を用い補助膜２１をエッチングする。これ
により、補助膜２１に細線１０の形成位置に対応して適
当な大きさ（例えば直径が約１μｍ）の開口２１ａが形
成される（以上、補助膜形成工程）。

【００３８】補助膜２１に開口２１ａを形成したのち、
例えばアセトンによってフォトレジスト膜３１を除去す
る。そののち、基板１を例えば７０℃に加熱した硝酸
（ＨＮＯ₃ ）中に浸漬し、更にフッ酸を含むエッチング
液によりエッチングして、補助膜２１の開口２１ａから
露出されている基板１の表面を洗浄する。

【００３９】基板１を洗浄したのち乾燥させてから、基
板１を図示しない反応炉内に挿入し、図５（ｂ）に示し
たように、第１の実施の形態と同様にして基板１の表面
に細線１０の成長において触媒となる金属（例えば金）
を蒸着する（蒸着工程）。これにより、補助膜２１の上
および補助膜２１の開口２１ａから露出された基板１の
上に、例えば厚さ３ｎｍの触媒層２が形成される。

【００４０】触媒層２を形成したのち、基板１を図示し
ない反応炉内で適宜に加熱しつつ（例えば７００℃）、
基板１を若干傾斜させて適宜の時間（例えば３０分間）
保持する（加熱工程）。これにより、補助膜２１の開口
２１ａから露出された基板１の上の触媒層２は、図５
（ｃ）に示したように、基板１の表面のシリコンを一部
溶解し、凝集して、溶融合金滴２ａを形成する。なお、
ここでは基板１を傾斜させているので、液体である溶融
合金滴２ａは引力により開口２１ａにおける最も低い位
置、すなわち開口２１ａの端部近傍に形成される。

【００４１】また、補助膜２１の上においては、補助膜
２１を構成している二酸化珪素が安定であるので、触媒
層２による溶融合金滴は形成されない。すなわち、溶融
合金滴２ａの大きさは、補助膜２１の開口２１ａの大き
さによって制御される。なお、この加熱工程は、溶融合
金滴２ａが開口２１ａにおいて１つになるまで十分に行
う。

【００４２】溶融合金滴２ａを形成したのち、第１の実
施の形態と同様にして例えばシランガスを導入し、図６
（ａ）に示したように、溶融合金滴２ａの下において選
択的に溶融合金的２ａの大きさに応じた太さのシリコン
細線部１１を成長させる。なお、この時、補助膜２１の
上の触媒層２においても、金の触媒作用によってシラン
ガスが分解する。但し、金とシリコンの溶融合金は二酸
化珪素よりなる補助膜２１の表面に対して良好なぬれ性
を有しているので、凝集しにくく、シリコンのエピタキ
シャル成長は起こらない。

【００４３】これによりシリコン細線部１１を補助膜２
１の厚さよりも長く（例えば１μｍよりも長く）成長さ
せたのち、第１の実施の形態と同様にして酸素ガス雰囲
気中で加熱し、図６（ｂ）に示したように、シリコン細
線部１１の先端側の一部を酸化して二酸化珪素細線部１
２を形成する（酸化工程）。この際、二酸化珪素細線部
１２とシリコン細線部１１との長さの比は、酸化工程の
時間によって制御する。ここでは、図６（ｂ）に示した
ように、溶融合金滴２ａが補助膜２１の表面とほぼ同位
置にくるまで酸化を行う。なお、この溶融合金滴２ａ
は、冷却すると溶解していたシリコンを析出して固化
し、金属部１３となる。よって、以下の説明では、金属
部１３として説明する。

【００４４】このようにして二酸化珪素細線部１２を形
成したのち、図６（ｃ）に示したように、基板１の斜め
上方（ここでは開口２１ａに対して細線１０が接近して
いる側の上方）から金やアルミニウムなどの適宜の金属
を蒸着し、蒸着層３２を形成する。この蒸着層３２は、
被覆層２２や配線２３になるものである。蒸着の際の角
度は、基板１の表面に金属が達しないような角度にす
る。このように金属を斜め上方から蒸着するのは、二酸
化珪素細線部１２の側面に大量の金属を蒸着させること
ができ、二酸化珪素細線部１２の側面を確実に被覆する
と共に、確実に金属部１３と電気的に接続させることが
できるからである。

【００４５】次いで、図７（ａ）に示したように、蒸着
層３２をわずかにエッチバックなどすることにより、二
酸化珪素細線部１２の先端部を露出させる。エッチング
液としては、例えば、蒸着層３２が金により構成される
場合は王水（ＨＮＯ₃ ：ＨＣｌ＝１：３）を用い、蒸着
層３２がアルミニウムにより構成される場合は塩酸（Ｈ
Ｃｌ）を用いる。

【００４６】続いて、図７（ｂ）に示したように、先に
金属層３２を蒸着させたのとは反対側の上方から金やア
ルミニウムなどの適宜の金属を蒸着させ、金属層３２と
共に被覆膜２２を形成する（以上、被覆工程）。そのの
ち、蒸着層３２を必要に応じてエッチングし、配線２３
を形成する。これにより、図３に示した光電変換素子２
０となる。

【００４７】また、本実施の形態に係る光電変換素子２
０は、次のようにしても製造することができる。

【００４８】図８ないし図１０はこの光電変換素子２０
の第２の製造方法における各製造工程を表すものであ
る。この製造方法では、第１の製造方法と同様にして、
補助膜２１を形成し（補助膜形成工程；図４，図５
（ａ）参照）、次いで触媒を蒸着し（蒸着工程；図５
（ｂ）参照）、続いて溶融合金滴２ａを形成する（加熱
工程；図５（ｃ）参照）。そののち、第１の製造方法と
同様にして、シリコン細線部１１を成長させ（成長工
程；図６（ａ）参照）、酸化する（酸化工程；図６
（ｂ）参照）。

【００４９】そののち、図８（ａ）に示したように、基
板１の斜め上方の複数の方向から金やアルミニウムなど
の適宜の金属を蒸着し、二酸化珪素細線部１２全体を覆
うように蒸着層３２を形成する。蒸着の際の角度は、基
板１の表面に金属が達しないような角度にする。次い
で、図８（ｂ）に示したように、蒸着層３２および補助
膜２１の上にフォトレジスト膜３３を塗布形成する。

【００５０】続いて、図９（ａ）に示したように、エバ
ネッセント光を利用してフォトレジスト膜３３を露光す
る。すなわち、例えば屈折率の異なる２つのシリカガラ
ス層３４ａ，３４ｂが接合された薄板３４を基板１の上
に接触させ、この薄板３４に対して基板１の反対側から
斜めに光を照射し、２つのシリカガラス層３４ａ，３４
ｂの接合面において全反射させる。これにより、シリカ
ガラス層３４ｂを通ってフォトレジスト膜３３にエバネ
ッセント光が伝わり、エバネッセント光場内に位置する
部分（すなわち二酸化珪素細線部１２の先端部を覆って
いる部分）が露光される。

【００５１】フォトレジスト膜３３を露光したのち、図
９（ｂ）に示したように、現像して露光した部分を除去
する。現像ののち、図１０（ａ）に示したように、この
フォトレジスト膜３３をマスクとして蒸着層３２を選択
的にエッチングし、二酸化珪素細線部１２の先端部を露
出させる。これにより、被覆膜２２が形成される。その
のち、図１０（ｂ）に示したように、例えばアセトンを
用いてフォトレジスト膜３３を除去する。フォトレジス
ト膜３３を除去したのち、蒸着層３２を必要に応じてエ
ッチングし、配線２３を形成する。これにより、図３に
示した光電変換素子２０となる。

【００５２】このようにして製造された光電変換素子２
０は、次のように用いられる。

【００５３】図１１はこの光電変換素子２０を被観察物
Ｍの表面観察に用いる例を表すものである。ここでは、
被観察物Ｍの表面をエバネッセント光を利用して観察す
る場合を説明する。

【００５４】被観察物Ｍの観察に際しては、配線２３と
図示しない基板１側の配線との間に電流計３４を接続
し、二酸化珪素細線部１２の先端を被観察物Ｍに接近さ
せる。被観察物Ｍには光電変換素子２０の反対側から光
を照射する。これにより、二酸化珪素細線部１２には、
被観察物Ｍの光電変換素子２０側にわずかに伝わったエ
バネッセント光が先端から入射される。二酸化珪素細線
部１２に入射された光は内部を伝わって金属部１３に到
達し、その一部は金属部１３を透過してシリコン細線部
１１に伝わる。シリコン細線部１１では、光が伝わると
その光量に応じたキャリアが発生する。これにより、光
信号は電気信号に変換され、この電気信号は電流計３４
により検出される。

【００５５】この際、この光電変換素子２０は光入出力
部である二酸化珪素細線部１２が十分に細いので、微弱
な光であるエバネッセント光であっても精度良く検出す
ることができる。よって、被観察物Ｍの表面を精度良く
観察することができる。

【００５６】なお、ここではエバネッセント光を利用し
て被観察物Ｍの表面を観察する場合について説明した
が、被観察物Ｍの表面に対して光を照射しその反射光を
観察する場合についても同様に用いることができる。こ
の場合も、この光電変換素子２０によれば光入出力部で
ある二酸化珪素細線部１２が十分に細いので、微細領域
の観察が可能であり、精度良い観察をすることができ
る。

【００５７】また、被観察物Ｍの表面観察のみでなく、
光メモリに対する読み出し書き込みにも同様にして用い
ることができる。この場合も、この光電変換素子２０に
よれば光入出力部である二酸化珪素細線部１２が十分に
細いので、微細領域の読み出し書き込みをすることがで
きる。なお、書き込みの場合には、配線２３と図示しな
い基板１側の配線との間に電源が挿入され、読み出しの
場合とは逆に動作する。すなわち、シリコン細線部１１
に電圧が印加されると、キャリアの結合により光が発生
し、金属部１３を透過して二酸化珪素細線部１２の内部
を伝わって先端から出射される。

【００５８】このように本実施の形態に係る光電変換素
子２０によれば、光電変換部としてのシリコン細線部１
１と光入出力部としての二酸化珪素細線部１２を備えた
細線１０を有しているので、光入出力部の太さを細くす
ることができ、微細領域に関する精度を向上させること
ができる。すなわち、微細領域の観察を精度良く行うこ
とができると共に、光メモリに対する読み出し書き込み
も微細化することができる。

【００５９】また、この光電変換素子２０によれば、補
助膜２１により細線１０の太さが制御されているので、
細線１０の太さを十分細くすることができ、微細領域に
関する精度を更に向上させることができる。

【００６０】更に、この光電変換素子２０によれば、基
板１に成長させたシリコン細線部１１の先端に金属部１
３を介して二酸化珪素細線部１２が形成されているの
で、光入出力部と光電変換部とを一体化することができ
ると共に、基板１とも一体化することができる。よっ
て、装置全体の大きさが小さくなり、より実用的な素子
として応用することができる。

【００６１】本実施の形態に係る光電変換素子２０の製
造方法によれば、基板１の上にシリコン細線部１１をＶ
ＬＳ法により成長させたのち、溶融合金滴２ａを触媒と
してシリコン細線部１１の先端部を酸化するようにした
ので、本実施の形態に係る光電変換素子２０を容易に製
造すことができる。よって、本発明に係る光電変換素子
２０を実現することができる。

【００６２】また、この光電変換素子２０の製造方法に
よれば、補助膜２１の開口２１ａを介して基板１の上に
触媒を蒸着するようにしたので、開口２１ａの大きさに
応じて細線１０の太さを制御することができる。よっ
て、細線１０の太さを精度良く細くすることができ、光
電変換素子２０の精度を向上させることができる。

【００６３】（第３の実施の形態）図１２は本発明の第
３の実施の形態に係る光電変換素子４０の構成を表すも
のである。この光電変換素子４０は、絶縁層４１を更に
備えたことを除き、第２の実施の形態の光電変換素子２
０と同一の構成・作用を有している。よって、ここでは
第１の実施の形態および２の実施の形態と同一の構成要
素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略
する。

【００６４】この光電変換素子４０は、補助膜２１とシ
リコン細線部１１との間（すなわち補助膜２１の開口２
１ａの内側）に、その間を充填する絶縁層４１を備えて
いる。この絶縁層４１は、ポリメタクリル酸メチル（Ｐ
ＭＭＡ）やフォトレジストなどの絶縁性を有する適宜な
樹脂などにより構成されている。また、この光電変換素
子４０では、配線２３が被覆膜２２としての役割も有し
ている。

【００６５】このような構成を有する光電変換素子４０
は、次のようにして製造することができる。

【００６６】図１３はこの光電変換素子４０の製造方法
における各製造工程を表すものである。この製造方法で
は、まず、第２の実施の形態と同様にして補助膜２１を
形成する（補助膜形成工程；図４，図５（ａ）参照）。
次いで、開口２１ａにより露出された基板１の表面を異
方性エッチングし、エッチングが深くなるにつれ開口２
１ａの中心部が最も低くなるようにする。これにより、
図１３（ａ）に示したように、開口２１ａの底面（すな
わち開口２１ａにより露出された基板１の表面）が凹状
となる。

【００６７】続いて、第２の実施の形態と同様にして、
触媒を蒸着し（蒸着工程；図５（ｂ）参照）、溶融合金
滴２ａを形成する（加熱工程；図５（ｃ）参照）。但
し、加熱工程では基板１を傾けることなく水平にする。
これにより、本実施の形態では開口２１ａの底面が凹状
となっているので、開口２１ａの中心部に溶融合金滴２
１が凝集する。そののち、第２の実施の形態と同様にし
て、シリコン細線部１１を成長させ（成長工程；図６
（ａ）参照）、酸化する（酸化工程；図６（ｂ）参
照）。

【００６８】酸化したのち、図１３（ｂ）に示したよう
に、全面に例えばＰＭＭＡを塗布し、加熱などにより硬
化させて絶縁層４１を形成する（絶縁工程）。絶縁層４
１を形成したのち、全面に金やアルミニウムなどの適宜
の金属を蒸着し、エッチバックなどにより二酸化珪素細
線部１２の先端部を露出させて被覆膜２２および配線２
３を形成する。これにより、図１２に示した光電変換素
子４０となる。

【００６９】このように本実施の形態に係る光電変換素
子４０によれば、補助膜２１とシリコン細線部１１との
間に絶縁層４１を備えているので、金属部１３と基板１
の間の絶縁性を高めることができ、信頼性を向上させる
ことができる。

【００７０】本実施の形態に係る光電変換素子４０の製
造方法によれば、細線１０を形成したのち、適宜な樹脂
を用いて絶縁層４１を形成しているので、本実施の形態
に係る光電変換素子４０を容易に製造することができ
る。よって、本発明に係る光電変換素子４０を実現する
ことができる。

【００７１】（第４の実施の形態）図１４は本発明の第
４の実施の形態に係る光電変換素子５０の全体構成を表
すものであり、図１５はこの光電変換素子５０の断面構
造を表すものである。この光電変換素子５０は、第２の
実施の形態または第３の実施の形態に係る光電変換素子
２０，３０を基板１の上に複数備えている。よって、こ
こでは第２の実施の形態および第３の実施の形態と同一
の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説
明は省略する。

【００７２】この光電変換素子５０は、基板１の上に複
数の細線１０がマトリクス状に形成されている。基板１
の表面には、各細線１０の列に対応して複数の配線５１
が形成されている。この各配線５１は、適宜の不純物が
注入されたｎ型またはｐ型のシリコンによりそれぞれ構
成されている。また、配線２３は、各細線１０の行に対
応して複数形成されている。これにより、この光電変換
素子５０では、各細線１０が個別に接続されている。な
お、ここでは各細線１０をマトリクス状に形成した場合
について説明したが、線状に形成するようにしてもよ
い。

【００７３】このように本実施の形態に係る光電変換素
子５０によれば、複数の細線１０が基板１の上にマトリ
クス状に形成されているので、広範囲の微細領域におけ
る情報を迅速に得ることができる。

【００７４】以上、各実施の形態を挙げて本発明を説明
したが、本発明は上記各実施の形態に限定されるもので
はなく、種々変形可能である。例えば、上記第２の実施
の形態においては、酸化工程ののち被覆工程を行うよう
にしたが、成長工程ののち酸化工程の前に被覆工程を行
うようにしてもよい。また、上記第３の実施の形態にお
いては、酸化工程ののち絶縁工程を行うようにしたが、
成長工程ののち酸化工程の前に絶縁工程を行うようにし
てもよい。

【００７５】更に、上記第２の実施の形態においては、
補助膜２１を二酸化珪素によって形成するように説明し
たが、例えば、窒化珪素（ＳｉＮ₄ ）や適宜の樹脂など
蒸着工程において蒸着する金属と溶融合金滴を形成しな
いものであれば他の物質によって形成するようにしても
よい。

【００７６】加えて、上記第１の実施の形態において
は、細線成長工程でシリコンの原料ガスとしてシランガ
スを用いるように説明したが、シランガスに代えてジシ
ラン（Ｓｉ₂ Ｈ₆ ）ガスやトリシラン（Ｓｉ₃ Ｈ₈ ）ガ
スやこれらの混合ガス、あるいは塩化珪素（ＳｉＣ
ｌ₄ ）ガスなどを用いるようにしてもよい。

【００７７】加えてまた、上記第２乃至第４の実施の形
態においては、光電変換部をシリコン細線部１１により
構成する場合について説明したが、本発明は、光電変換
部を光電変換機能を有する細線により構成する場合につ
いて広く適用することができる。また、光入出力部を二
酸化珪素細線部１２により構成する場合について説明し
たが、本発明は、光入出力部を光の伝達機能を有する細
線により構成する場合について広く適用することができ
る。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る細線に
よれば、一方に形成されたシリコン細線部と他方に形成
された二酸化珪素細線部とを備えているので、二酸化珪
素細線部により光を誘導すると共に、シリコン細線部に
より光信号と電気信号とを相互に変換することができ
る。よって、微細領域に対応した光電変換素子などとし
て利用することができるという効果を奏する。

【００７９】また、本発明に係る光電変換素子によれ
ば、一方に光電変換部が形成され他方に光入出力部が形
成された細線を備えているので、光入出力部の太さを細
くすることができ、微細領域に関する精度を向上させる
ことができる。すなわち、微細領域の観察を精度良く行
うことができると共に、光メモリに対する読み出し書き
込みも微細化することができるという効果を奏する。

【００８０】更に、本発明に係る細線の製造方法および
光電変換素子の製造方法によれば、触媒の作用により基
板の上にシリコン細線部または光電変換部を成長させた
のち、シリコン細線部または光電変換部の先端側の一部
を触媒の作用により酸化するようにしたので、本発明に
係る細線および光電変換素子を容易に製造すことができ
る。よって、本発明に係る細線および光電変換素子を実
現することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る細線の構成を
表す断面図である。

【図２】図１に示した細線の製造方法における各製造工
程を表す断面図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係る光電変換素子
の構成を表す断面図である。

【図４】図３に示した光電変換素子の第１の製造方法に
おける各製造工程を表す断面図である。

【図５】図４に続く各工程を表す断面図である。

【図６】図５に続く各工程を表す断面図である。

【図７】図６に続く各工程を表す断面図である。

【図８】図３に示した光電変換素子の第２の製造方法に
おける各製造工程を表す断面図である。

【図９】図８に続く各工程を表す断面図である。

【図１０】図９に続く各工程を表す断面図である。

【図１１】図３に示した光電変換素子の作用を説明する
ための断面図である。

【図１２】本発明の第３の実施の形態に係る光電変換素
子の構成を表す断面図である。

【図１３】図１２に示した光電変換素子の製造方法にお
ける各製造工程を表す断面図である。

【図１４】本発明の第４の実施の形態に係る光電変換素
子の構成を表す斜視図である。

【図１５】図１４に示した光電変換素子の構成を表す断
面図である。

【符号の説明】

１…基板、２…触媒層、２ａ…溶融合金滴、１０…細
線、１１…シリコン細線部（光電変換部）、１２…二酸
化珪素細線部（光入出力部）、１３…金属部（電極
部）、２０，４０，５０…光電変換素子、２１…補助
膜、２１ａ…開口、２２…被覆膜、２３，５１…配線、
３１，３３…フォトレジスト膜、３１ａ…開口、３２…
蒸着層、３４…電流計、４１…絶縁層、Ｍ…被観察物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 碓井 節夫 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 玉田 仁志 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 長さ方向における一方に形成されたシリ
   コンよりなるシリコン細線部と、 このシリコン細線部とは長さ方向における反対側である
   他方に形成された二酸化珪素よりなる二酸化珪素細線部
   とを備えたことを特徴とする細線。
2. 【請求項２】 前記シリコン細線部と前記二酸化珪素細
   線部との間に、金属よりなる金属部を備えたことを特徴
   とする請求項１記載の細線。
3. 【請求項３】 太さが５０ｎｍ以下であることを特徴と
   する請求項１記載の細線。
4. 【請求項４】 光信号と電気信号とを相互に変換する光
   電変換素子であって、 長さ方向における一方に光入出力部が形成されかつこの
   光入出力部とは長さ方向における反対側である他方に光
   電変換部が形成された細線を備えたことを特徴とする光
   電変換素子。
5. 【請求項５】 前記細線は、光入出力部が二酸化珪素に
   より構成されると共に、光電変換部がシリコンにより構
   成されたことを特徴とする請求項４記載の光電変換素
   子。
6. 【請求項６】 前記細線は太さが制御されていることを
   特徴とする請求項４記載の細線構造。
7. 【請求項７】 前記細線は、光入出力部と光電変換部と
   の間に電極部を備えたことを特徴とする請求項４記載の
   光電変換素子。
8. 【請求項８】 前記細線の電極部は金属により構成され
   たことを特徴とする請求項７記載の光電変換素子。
9. 【請求項９】 前記細線は、光入出力部の側面のうちの
   少なくとも一部が被覆膜により覆われたことを特徴とす
   る請求項４記載の光電変換素子。
10. 【請求項１０】 前記細線の被覆膜は金属により構成さ
    れたことを特徴とする請求項９記載の光電変換素子。
11. 【請求項１１】 前記細線は、光電変換部の側面のうち
    の少なくとも一部が絶縁層により覆われたことを特徴と
    する請求項４記載の光電変換素子。
12. 【請求項１２】 前記細線を複数備えると共に、前記各
    細線は光電変換部を基板側として基板の上にそれぞれ形
    成されたことを特徴とする請求項４記載の光電変換素
    子。
13. 【請求項１３】 前記各細線は基板に対する形成位置が
    それぞれ制御されていることを特徴とする請求項１２記
    載の細線構造。
14. 【請求項１４】 前記各細線は周期的にそれぞれ位置し
    ていることを特徴とする請求項１２記載の細線を有する
    素子。
15. 【請求項１５】 シリコンよりなるシリコン細線部と二
    酸化珪素よりなる二酸化珪素細線部とを備えた細線を製
    造する方法であって、 基板の上にシリコン細線部を成長させる際の触媒を蒸着
    する蒸着工程と、 触媒を蒸着した基板をシリコン原料ガス含有雰囲気中に
    おいて加熱し、触媒の作用により基板の表面に選択的に
    シリコン細線部を成長させる成長工程と、 成長させたシリコン細線部の先端側の一部を触媒の作用
    により選択的に酸化し、二酸化珪素細線部を形成する酸
    化工程とを含むことを特徴とする細線の製造方法。
16. 【請求項１６】 光入出力部と光電変換部とが形成され
    た細線を備えた光電変換素子を製造する方法であって、 基板の上に触媒を蒸着したのち、光電変換部を構成する
    物質の原料ガス含有雰囲気中において加熱し、触媒の作
    用により基板の表面に選択的に細線の光電変換部を成長
    させる成長工程と、 成長させた細線の先端側の一部を触媒の作用により選択
    的に酸化し、光入出力部を形成する酸化工程とを含むこ
    とを特徴とする光電変換素子の製造方法。
17. 【請求項１７】 更に、前記成長工程に先立ち、基板の
    上に細線の形成位置に対応して孔を開けた補助膜を形成
    する補助膜形成工程を含むことを特徴とする請求項１６
    記載の光電変換素子の製造方法。
18. 【請求項１８】 更に、前記成長工程ののち、光入出力
    部の側面の少なくとも一部を覆う被覆膜を形成する被覆
    工程を含むことを特徴とする請求項１６記載の光電変換
    素子の製造方法。
19. 【請求項１９】 更に、前記成長工程ののち、光電変換
    の側面の少なくとも一部を覆う絶縁膜を形成する絶縁工
    程を含むことを特徴とする請求項１６記載の光電変換素
    子の製造方法。