JPH11242125A

JPH11242125A - シリコン基板とその形成方法

Info

Publication number: JPH11242125A
Application number: JP15752598A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Nagata; 清一永田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 1998-06-05
Publication date: 1999-09-07

Abstract

(57)【要約】【課題】基板内に多孔質シリコンを選択的に有するシ
リコン基板とその形成方法に関し、この多孔質シリコン
領域の多孔度、細孔径、細孔径の分布幅、および多孔質
シリコンの形状を制御したシリコン基板とその形成方法
を提供することを目的とする。【解決手段】シリコン基板を一部が開口したマスク層
で被覆して化成液に浸漬して化成電流を印加し、このマ
スク層の除去部分から前記シリコン基板の一部を陽極化
成することによってこのシリコン基板内に多孔質シリコ
ンを帯状に形成するシリコンの形成方法であって、前記
陽極化成の工程中における前記多孔質シリコンの成長先
端部と前記シリコン基板との界面の電流密度がほぼ一定
となるように、前記多孔質シリコンの成長度合いに応じ
て前記化成電流を増加させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はシリコン基板とその
形成方法に関し、さらに詳しくはシリコン基板上にマス
ク層を形成し、このマスク層の一部を除去した部分を中
心に選択的に陽極化成によって作成される多孔質シリコ
ン領域やそれを酸化した酸化シリコン領域を有するシリ
コン基板とその形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】多孔
質シリコンは、結晶質シリコン中にナノメートル（ｎ
ｍ）サイズの細孔が無数に形成された物質であり、例え
ば結晶質シリコンを弗酸を含有する溶液中で陽極化成す
ることにより作成される。このような多孔質シリコン
は、各種製品への応用展開が期待される材料として、そ
の基礎的作成法や基礎物性が検討されてきた。

【０００３】特にシリコン基板全面を同時に化成する全
面化成の方法では、化成液の弗酸（ＨＦ）濃度や化成電
流は基板全面に均等に分散供給され、さらに化成が進行
しても多孔質シリコンとシリコン基板との界面の面積は
常に一定であるため、化成深さと共に化成条件が大幅に
変化することはない。従って、化成条件（化成液のＨＦ
濃度、化成電流、化成電流密度など）を一定に保ちやす
く、基礎的に多孔質シリコンの作成法とその物性との関
係を研究するには最適の方法として、多くの研究報告が
ある。なかでも、(1) R. Herino, G. Bomchil, K. Barl
a, C. Bertrand, and J. L. Ginoux, などが著者である
論文 J. Electrochem. Soc. 134, 1994(1987) には、全
面化成のもとで化成条件と作成された多孔質シリコンの
物性の関係が詳細に述べられている。

【０００４】また、シリコン基板上にマスク層を形成し
て、このマスク層の開口部を中心として陽極化成するこ
とにより選択的に多孔質シリコンを形成するものとして
(2)P.Steiner and W.Lang, Thin Solid Films 255,52(1
995)、(3)K.Imai and H.Unno, IEEE Trans.Electron De
vices ED31,297(1993)、(4)V.P. Bondarenko, A.M.Vari
chenko, A,M.Dorofeev, N.M.Kazyuchits, V.A.Labunov,
and V.F.Stel'makh,Tech.Phys.Lett.19,463 (1993)、
(5) V.P.Bondarenko, A.M.Dorofeev,and N.M.Kazuchit
s, Microelectronic Engineering 28,447(1995)等の文
献がある。

【０００５】これらの文献は、陽極化成中の化成電流を
一定に保持して陽極化成を行うものである。ところが、
シリコン基板上にマスク層を形成し、このマスク層の一
部を選択除去し、マスク層が除去された部分を起点にし
て、シリコン基板の一部を選択的に化成すると、ＨＦ溶
液や化成電流は前記マスク層が除去された狭い部分に集
中し、化成進行と共に多孔質シリコンとシリコン基板と
の界面の面積が変化するという問題がある。

【０００６】陽極化成中の化成電流を時間的に変化させ
る先行技術としては、(6) M.BERGER等の発明によるPCT/
DE96/00913が開示されている。また、同発明者等による
論文(7)Porous silicon multilayer-optical waveguide
s, Thin Solid Film 279,143(1996) には、連続直流電
流を階段状に一気に変化させ、電流値に依存して多孔度
が非連続的に変化した多孔質シリコンを作成する方法が
述べられている。

【０００７】(6) 、(7) の先行技術は高い多孔度（６０
％以上）の複層の多孔質シリコンを形成し、多孔質シリ
コンの屈折率が多孔度に依存することを利用し、多孔質
シリコン自体を光導波路とするもの、およびこの多孔質
シリコンを酸化はするが、溶融・緻密化していない多孔
質状態にある酸化シリコンで光導波路を作成することを
主眼としている。

【０００８】これらの文献では、陽極化成中の化成電流
を時間的に変化させるものの、化成電流を階段状に変化
させるものであり、所定期間毎には化成電流を一定に保
持して陽極化成を行うものである。

【０００９】さらに、陽極化成をパルス電流で行うこと
を主題とした文献として、(8)Xiao-yuan Hou,Hong-lei
Fan,Lei Xu,Fu-long Zhang,Min-quan Li,Ming-ren Yu,A
ppl.Phys.Lett.68,2323(1996) 、および(9)L.V.Belyako
v,D.N.Goryachev,and O.M.Sreseli,Tech.Phys.Lett.22,
97(1996)がある。文献(8)(9)共に結晶質シリコン基板の
全画を陽極化成するに際し、パルス電流の効果を連続一
定電流のそれと比較したものである。また、文献(8)(9)
共に、約１Ωｃｍ程度のｐ型シリコンをピーク電流密度
が数１０ｍＡ／ｃｍ²程度の比較的低い電流密度のもと
で化成し、多孔質シリコンの発光ダイオードとしての特
性を調べたものである。

【００１０】次に、多孔質シリコンの酸化に関する主要
文献としては、(10)J.J.Yon, K.Balra,R.Herino, and
G.BomchilによるJ.Appl.phys.62,1042(1987)、および (1
1) K.Balra,R.Herino, and G.Bomchil によるJ.Appl.Ph
ys.59,439(1986)が挙げられる。

【００１１】これらの論文で取り扱っているのは、シリ
コン基板全面を化成した多孔質シリコンの酸化であり、
選択化成した多孔質シリコンに関するものではない。上
記論文(10)(11)では、酸化による体積の収縮や膨張が多
孔度に大きく依存するため、多孔度制御の重要性は強調
されている。但し、全面化成においては多孔度が後述の
臨界多孔度以下であっても酸化による体積膨張はシリコ
ン酸化膜の膜厚増加に影響するものであると述べられて
いる。一方、多孔質シリコンの酸化による体積膨張は後
述のように局部的に強い内部応力をもたらす。逆に多孔
度が高すぎると酸化シリコンの顕著な体積収縮をもたら
す。光導波路等に応用する場合、この体積収縮は導波路
としての形状を形成すること自体を困難とする。本発明
はこのような体積膨張や収縮を極小化することを可能と
したものである。

【００１２】また、上記のいずれの先行文献にも、選択
化成した多孔質シリコンのある一定の領域にわたって多
孔度を一定にするという思想は開示されていない。即
ち、結晶質シリコンに開口部を有するマスク層を形成し
て、この開口部から陽極化成する場合、化成進行ととも
に多孔質シリコンと結晶質シリコンとの界面の面積が増
大することから、化成電流を一定に保持したままで陽極
化成を行うと、多孔質シリコンと結晶質シリコンとの界
面の界面電流密度は化成進行と共に相対的に小さくな
り、多孔質部分の細孔径も陽極化成の進行とともに小さ
くなるという問題がある。

【００１３】本発明は、このような背景のもとになされ
たものであり、第１の目的は、シリコン基板上に多孔質
シリコンを選択的に形成するに際し、この多孔質シリコ
ン領域の多孔度、細孔径、細孔径の分布幅、および多孔
質シリコンの形状を制御した多孔質シリコン領域を有す
るシリコン基板とその形成方法を提供することである。
その第１の方法は直接に所望の多孔度・細孔径・細孔径
分布を有する多孔質シリコンを形成する方法にある。そ
の第２の方法は一旦ある値の多孔度・細孔径・細孔径分
布を有する多孔質シリコンを形成し、その後この多孔質
シリコンを部分酸化することによる細孔径の実質的減少
効果と、この酸化膜を除去することにより細孔径を増大
させる工程の組合せにより所望の多孔度・細孔径・細孔
径分布を有する多孔質シリコンを形成する方法である。
また、第２の目的は、多孔質シリコン領域を酸化して作
成した酸化シリコンの表面が、最初のシリコン基板面と
実質上同一面にあるようなシリコン基板とその形成方法
を確立することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係るシリコン基板では、一主面側に多孔
質シリコン領域が帯状に形成されたシリコン基板におい
て、前記多孔質シリコン領域の多孔度を５２〜６２％と
した。

【００１５】また、請求項２に係るシリコン基板では、
一主面側に酸化シリコン領域が帯状に形成されたシリコ
ン基板において、前記酸化シリコン領域の深さをｂ、前
記酸化シリコン領域の表面部と前記シリコン基板の一主
面との差をｃ＋ｄとしたとき、（ｃ＋ｄ）／ｂが±６％
の範囲内になるようにした。

【００１６】また、請求項４に係るシリコン基板の形成
方法では、シリコン基板を一部が開口したマスク層で被
覆して化成液に浸漬して化成電流を印加し、このマスク
層の除去部分から前記結晶質シリコン基板の一部を陽極
化成することによってこの結晶質シリコン基板内に多孔
質シリコン領域を帯状に形成するシリコン基板の形成方
法において、前記陽極化成の工程中における前記多孔質
シリコンの成長先端部と前記シリコン基板との界面の電
流密度がほぼ一定となるように、前記多孔質シリコンの
成長度合いに応じて前記化成電流を変化させる。

【００１７】さらに、請求項１０にシリコン基板の形成
方法では、シリコン基板を一部が開口したマスク層で被
覆して化成液に浸漬して化成電流を印加し、このマスク
層の除去部分から前記シリコン基板を陽極化成すること
によってこのシリコン基板内の一部に多孔質シリコン領
域を形成するシリコン基板の形成方法において、前記多
孔質シリコン領域を形成した後、その表面部に酸化膜を
形成する。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面を参照しながら説明する。多孔質シリコン材料の基本
特性は多孔度（Ｐ）、細孔径（Ｒ）、細孔径の分布幅に
より定まる。ここに多孔度（Ｐ）とは、多孔質シリコン
の全体積中の空孔部分の体積率で定義される。また、細
孔の直径を細孔径（Ｒ）と定義し、その分布幅を細孔径
の分布幅と定義する。

【００１９】多孔質シリコンの多孔度、細孔径、および
細孔径の分布幅は、使用するシリコン基板のドーピング
特性、化成液のＨＦ濃度、および界面電流密度に依存す
る。高濃度にｐ型ドープされたシリコン基板を用いた場
合には、多孔度、細孔径、およびその分布幅は図１０の
ように変化する。図１０中の■は細孔径分布の中心値
を、▲と●は分布の半値幅を示す。角を丸くした長方形
の内部に記されたコメントの上行は化成液のＨＦ濃度を
示し、下段の電流値は多孔質シリコンと結晶質シリコン
との界面の電流密度を示す。

【００２０】図１０は全面化成条件下で、化成条件と多
孔質シリコンの性質との関係を基礎的に研究した前記論
文(1) に記載された個々のデータをもとに、本発明者に
より独自に構成されたものであり、多孔質シリコンの重
要な下記４点を指示している。第一に、界面電流密度を
増加すると多孔度、細孔径ともに増加する。第二に化成
液のＨＦ濃度を増加させると多孔度、細孔径ともに減少
する。第三に化成液のＨＦ濃度を増加させると細孔径の
分布幅は狭くなる。特に高濃度ＨＦ化成液を用いると細
孔径の分布幅は非常に狭くなり、細孔径が非常に一様且
つ均質となる。第四に化成液のＨＦ濃度と界面電流密度
の化成条件を選定することにより、任意の多孔度、細孔
径、および細孔径分布を持つ多孔質シリコンを形成する
ことができる。

【００２１】本発明で使用する化成液の弗酸濃度は、従
来から使用される通常の濃度から、現在工業的に供給さ
れる最高濃度である約５０％程度までであり、さらに高
濃度な弗酸が供給可能となればその最高濃度まで含むこ
とは勿論である。また、界面電流密度も数十アンペア／
ｃｍ²の高電流密度まで含まれる。

【００２２】また、このように高濃度のＨＦ液を使用す
ると多孔質シリコンと結晶質シリコンとの界面の平滑性
も低濃度ＨＦを使用した場合に比べて向上する。

【００２３】本発明のシリコン基板中の多孔質シリコン
を酸化後、シングルモード光導波路に使用する場合、マ
スク開口幅ｗとしては２０μｍ以下が望ましい。またマ
スク開口幅ｗの最小値は特に限定すべき条件はないが、
通常の微細加工で工業的に再現性の良い寸法であれば良
い。マスク開口幅ｗが２０μｍより大きくなるとシング
ルモード伝搬の条件を設定しづらくなる。但し、マルチ
モード用光導波路にはマスク開口幅ｗの上限はない。

【００２４】同様にシングルモード光導波路として使用
する場合、化成深さｒは５０μｍ以下が望ましい。この
範囲で光導波路としての機能を充分に満たし得る。これ
以上に化成深さｒが大きくなると不必要に加工領域が大
きくなるためである。但し、マルチモード用光導波路に
はこの制限はない。

【００２５】上記したマスク開口幅ｗ、化成深さｒの制
限は多孔質シリコンを光導波路に使用する場合に、光導
波路としての必要十分条件から設定したものである。そ
の他の分野へ応用する際にはその用途の要求に応じて、
これらの大きさを自由に定めればよい。

【００２６】図１は、請求項４に係る多孔質シリコンの
形成方法を示す図である。図１（ａ）は斜視断面図、図
１（ｂ）は電流を時間的に変化させて制御する方法を示
す図、図１（ｃ）は形成された多孔質シリコンの多孔度
と細孔径の化成深さ依存性を示す図である。本発明に使
用されるシリコン基板１はホール濃度が１×１０¹⁸ｃｍ
³程度以上、即ち比抵抗が０．１Ωｃｍ以下のｐ型基板
が望ましい。しかしながら、化成実行時において、多孔
質シリコンと結晶質シリコンとの界面に均一に荷電子が
供給される基板であれば基本的に本発明の条件は成立す
る。図１（ａ）に於いて、シリコン基板１の最初の表面
である一主面２上に窒化シリコン（ＳｉＮ_x）などから
成るマスク層３を形成し、このマスク層３に１次元方向
に長く、その幅がｗの開口部４をエッチング等で形成す
る。このように準備された基板を陽極とし、弗酸を含有
する電解液中で陽極化成すれば、マスク層３の端部を起
点として化成深さ（多孔質領域の半径）ｒの実質上等方
的に多孔質シリコン領域５が成長する。従って、成長の
過程のある時点で見れば、多孔質シリコン５と結晶質シ
リコン１の界面の断面上の長さＬはほぼＬ＝πｒ＋ｗ
・・・
（１）と表される。図１（ａ）から明らかなように多孔質シリ
コン５と結晶質シリコン１との界面における界面電流密
度ＪはＪ＝Ｉ／Ｌ＝Ｉ／（πｒ＋ｗ）・・・（２）となる。ここにＩはマスク開口幅ｗに集中して流れる単
位長さ当たりの電流である。

【００２７】今、単位長さ当たりの電流Ｉを一定にして
化成が進行すると、多孔質シリコン５と結晶質シリコン
１との界面電流密度Ｊは式（２）に従って減少する。化
成初期の化成深さｒがマスク開口幅ｗに比べて小さい領
域では界面電流密度Ｊは大きいが、化成深さｒがマスク
開口幅ｗに比べて大きくなった条件、即ち、Ｌ>>ｗでは
後述の比較例に示すように電流密度Ｊは化成初期に比べ
て桁違いに小さくなる。

【００２８】他方、この界面での電流密度を一定にする
ためにはＩ＝Ｊ＊Ｌ・・・（３）となるように、化成電流を多孔質シリコン５と結晶質シ
リコン１との界面の面積増大に比例して増加させ、化成
電流を時間の関数として、Ｉ＝ｆ（ｔ）となるように制
御することが必要となる。この化成電流の制御例を模式
的に図１（ｂ）の実線６に示す。図１（ｂ）の一定値を
示す点線７はこのように制御され、一定となった界面電
流密度を示す。

【００２９】式（３）のように多孔質シリコン５と結晶
質シリコン１との界面の電流密度Ｊを一定に保ち、多孔
質シリコン５と結晶質シリコン１との界面の面積の増加
に比例して化成電流Ｉを増大させるように制御する。こ
のように界面電流密度を一定に制御すれば、形成された
多孔質シリコン５は図１（ｃ）の実線で示す多孔度
（Ｐ）８と点線で示す細孔径（Ｒ）９は、ともに化成深
さｒに依存しない一定値を持つ。

【００３０】図２は、請求項５に係る多孔質シリコンの
形成方法の一実施形態を示す図である。図２（ａ）に示
すように、所定の細孔径を有する第１の多孔質シリコン
の領域１０と、第１の多孔質シリコン領域１０とは細孔
径が異なる第２の多孔質シリコンの領域１１を形成す
る。その際の電解液の弗酸濃度（破線）１２、１３、電
流値（実線）１４、１５、電流密度（点線）１６、１７
の関係を図２（ｂ）に示す。第１の領域１０を形成する
には第１の弗酸濃度１２の電解液を使用し、第１の電流
値１４を用いる。その後第２の弗酸濃度１３の電解液を
用い、第２の電流値１５により第２の多孔質シリコンの
領域１１を形成する。この場合、第１の弗酸濃度１２に
比べて第２の弗酸濃度１３を高く設定し、この弗酸濃度
差に合わせて第１の電流密度１６に比べて第２の電流密
度１７を高くすれば、図２（ｃ）に示すように第１およ
び第２の多孔質シリコンの多孔度（実線）２０、２１を
実質上等しく（Ｐ１＝Ｐ２）し、且つ第１の多孔質シリ
コン領域１０の細孔径（点線）２２を第２の多孔質シリ
コン領域１１の細孔径２３に比べて大きくすることがで
きる。

【００３１】図１および図２に示すように化成電流を制
御すると、多孔質シリコンと結晶質シリコンとの界面で
の電流密度Ｊが数１０ｍＡ／ｃｍ²程度であっても、幅
ｗを持つマスク開口部４では式（３）に示すように数十
倍から数百倍の集中電流が流れる。他方、この化成電流
によって多孔質シリコンとシリコンとの界面から大量の
ガスが発生する。この大量のガスの離脱経路は幅ｗの開
口部４に限定される。このため、化成電流を単純に連続
直流電流で制御すると、発生した大量のガスの圧力によ
ってマスク層２が破壊され、このマスクにクラックや剥
離が発生する。一旦マスク層２が破損したり剥離する
と、所望の部分のみを選択的に化成するという所期の目
的を達し得なくなる。さらに、弗酸を含有する電解液の
供給も幅ｗの狭い開口部４に制限されるため、化成液濃
度を一定に保持しがたい問題も発生する。

【００３２】これらの問題を回避するために、図３
（ａ）に示すように、単位パルスの実効尖頭電流値Ｉ
ｐ、同持続時間ｔｐ、繰り返し周期Ｔのパルス電流を用
いる。この場合、パルスの実効先頭電流値Ｉｐが式
（２）（３）、または図２（ｂ）における電流値１４、
１５等の条件を満たすように制御する。化成はこのパル
ス電流により行われ、化成界面での高い電流密度を保持
することができる。一方、パルス電流印加時に発生した
ガスはパルスの休止時間にも幅ｗのマスク開口部４より
離脱できる。また、ガス離脱に伴って新しい電解液も化
成界面に供給される。こうして、パルス電流値Ｉｐと単
位パルスの持続時間ｔｐ、繰り返し周期Ｔを制御し、単
位時間当たりの平均電流値Ｉｐ＊ｔｐ／Ｔをマスク層２
が剥離したり、破損しない範囲に制御する。また、パル
ス休止期間（Ｔ−ｔｐ）における電流値は必ずしもゼロ
に制御する必要はなく負極性の電流が流れても良い。

【００３３】図３（ｂ）はパルス電流値、印加時間幅、
休止時間幅の概念的関係を化成の初期・中期・終期に関
して模式的に示す。化成電流が小さい場合には、図２
（ｂ）の電流１４は連続直流電流で、化成電流値が大き
くなった場合の電流１５にはパルス制御された電流を用
いる等複合制御を行っても良い。

【００３４】上記のように作成された多孔質シリコンを
例えば湿った酸素気流中で酸化して酸化シリコンとす
る。

【００３５】多孔質シリコンの多孔度は５２％から６２
％の範囲とする。下限の５２％はノンドープ酸化シリコ
ンの体積膨張を従来例の１／２以下に縮小するためであ
る。また、上限の６２％は酸化シリコンに５ｍｏｌ％程
度の不純物をドープした際の臨界多孔度である。

【００３６】多孔度を下記のように制御すれば、二酸化
シリコンの体積は初期の多孔質シリコンの体積に比べて
収縮も膨張もないように制御できる。従って、図４に示
すように、酸化シリコン２５の表面２６は最初のシリコ
ン基板１の表面２と同一面にあるように制御できる。

【００３７】このようにシリコンの酸化による体積膨張
が多孔質シリコンの空孔部の体積を丁度補完的に埋める
ことにより、最初の多孔質シリコン領域の形状を変える
ことなく酸化物に変えることができる。即ち、そのため
の条件は（ａ）１モルのシリコンの体積ＶＳｉはＶＳｉ＝ＺＳｉ／ρＳｉ・・・（５）（ｂ）このシリコンを一定多孔度Ｐの多孔質シリコンに
変換すると、上記体積中に存在するシリコンは（１−
Ｐ）モルとなる。

【００３８】（ｃ）上記（１−Ｐ）モルのシリコンを酸
化・溶融すると酸化物の体積は、ＶＳｉＯ₂＝（１−Ｐ）＊ＺＳｉＯ₂／ρＳｉＯ₂ ・・・（６）（ｄ）上記（５）と（６）の体積を等しくする、即ち酸
化後の体積反動がゼロの多孔度を臨界多孔度Ｐｏと定義
するとＰｏ＝１−（ρＳｉＯ₂／ρＳｉ）＊（ＺＳｉ／ＺＳｉＯ₂）＝１−Ａ・・・（７）Ａ＝（ρＳｉＯ₂／ρＳｉ）＊（ＺＳｉ／ＺＳｉＯ₂）・・・（８）となる。ここにρは比重、Ｚはモル等量を、添字のＳｉ
とＳｉＯ₂はそれぞれシリコン、シリコン酸化膜を示
す。上記式（８）の物性値としてＺＳｉ＝２８．０８５５ｇ／ｍｏｌＺＳｉＯ₂＝６０．０８４３ｇ／ｍｏｌ ρＳｉ＝２．３２９１ｇ／ｃｍ³ ρＳｉＯ₂＝２．２４ｇ／ｃｍ³ なる数値を代入すると、酸化後の体積変動がゼロとなる
臨界多孔度ＰｏはＰｏ＝５５．０％となる。

【００３９】また、多孔度がＰｏから△Ｐ変動した場合
の酸化後の体積変動率△ＶＳｉＯ₂は △ＶＳｉＯ₂＝−△Ｐ＊（ＺＳｉＯ₂／ＺＳｉ）／（ρＳｉ／ρＳｉＯ₂）＝−△Ｐ／Ａ＝−２．２２４△Ｐ・・・（９）と表され、多孔度が１％変化した場合には、△ＶＳｉＯ
₂＝−２．２２４％となる。

【００４０】上記した多孔質シリコンの多孔度Ｐとこれ
を酸化した後のＳｉＯ₂の体積変化率の関係を図５に示
す。図５（ａ）には多孔度が４９％から６１％までの広
い範囲を示し、図５（ｂ）には多孔度が５３％から５７
％までの特に狭い範囲を拡大して示す。図５（ａ）
（ｂ）のように△Ｐが正ならば体積収縮が起こり、△Ｐ
が負であれば体積膨張が起こる。その係数は上記のよう
に−△Ｐ／Ａである。

【００４１】図１および図２に示す実施形態と同様にし
て多孔質シリコンを形成した。但し、実施パラメータ例
としてＷ＝６μｍ、ｒ＝２７μｍを採用した。多孔質シ
リコンを酸化・溶融後の酸化シリコン３０を含む断面形
状の座標を図６（ａ）に示す。マスク開口幅ｗの中心と
最初のシリコン基板１表面との交点よりシリコン基板１
内に座標−ｙを定義する。またマスク開口幅ｗの中心か
ら基板表面２に沿って座標ｘを定義する。

【００４２】多孔質シリコン領域を酸化した後のＳｉＯ
₂とシリコンとの界面、ＳｉＯ₂表面形状の前記△Ｐ依
存性を図６（ｂ）、（ｃ）に示す。図６（ｂ）はＳｉＯ
₂とシリコン界面３１全体の形状を示し、図６（ｃ）は
ＳｉＯ₂表面の形状を特に抽出して詳細に示す。図６
（ｃ）の曲線上の注記は△Ｐを％表示で示している。

【００４３】これらの図から明らかなように、特に△Ｐ
＝０％の条件（Ｐ＝Ｐｏ）では図４中の実施形態で示し
たように、ＳｉＯ₂表面は最初のシリコン基板の表面２
と同一面である。△Ｐが負で−１％、−３％、−５％の
時の体積膨張にともなう界面形状の例を図６に示す。ま
た、△Ｐが正で＋２％、＋４％、＋６％をもち、体積収
縮を示すときの界面形状の例も示している。また、マス
ク開口幅ｗの中心位置における表面のｙ座標値を表１に
示す。

【００４４】

【表１】

【００４５】表１が示すように、△Ｐ＝±６％以内であ
れば中心の最大変位位置においても、その変位は約３．
６μｍに過ぎない。△Ｐ＝±３％においては最大変位は
約１．８μｍである。これらの値は後述する比較例に比
べて格段に小さくなっている。

【００４６】上記の数値計算は以下のように行える。第
１に酸化シリコン領域とシリコンの界面（３１）形状は
実質上下記２式で表現できる。

【００４７】ｙ＝−（ｒ2 −（ｘ−ｗ／２）²）^1/2 ［ｘ］≧ｗ／２・・・（１０）ｙ＝−ｒ［ｘ］≦ｗ／２・・・（１１）ここに、ｘ、ｙは図６（ａ）における座標上の位置を、
ｒは多孔質シリコン形成時の半径を、ｗはマスク開口幅
を、また［ｘ］はｘの絶対値を示す。

【００４８】次に、酸化による膨張や収縮等の体積変動
は自由表面である酸化シリコンの表面位置を上下するこ
とにより体積変動の効果を回避すると仮定する。こうす
ると任意のｘ座標における表面位置ｙは、次式で表現さ
れる。

【００４９】ｙ＝−（ｒ2 −（ｘ−ｗ／２）²）^1/2 ＊△Ｐ／Ａ［ｘ］≧ｗ／２・・・（１２）ｙ＝−ｒ＊△Ｐ／Ａ［ｘ］≦ｗ／２・・・（１３）図６（ｃ）に示した表面形状は式（１２）（１３）によ
り計算されている。

【００５０】上記のように作成された第１の多孔質シリ
コン領域１０の細孔径２２は図２（ｃ）に示すように第
２の多孔質シリコン領域１１の細孔径２３に比べて大き
くなるように制御されている。このように多孔質シリコ
ンが作成されたシリコン基板１を例えば金属元素を含有
する有機金属化合物の液に浸漬することにより、細孔径
の大きい多孔質シリコンの領域１０に選択的に有機金属
化合物をドープすることができる。金属元素を含有する
有機金属化合物としては、例えば、アルミニウム（Ａ
ｌ）、ホウ素（Ｂ）、バリウム（Ｂａ）、ビスマス（Ｂ
ｉ）、カルシウム（Ｃａ）、カドミウム（Ｃｄ）、セリ
ウム（Ｃｅ）、セシウム（Ｃｓ）、ジスプロジウム（Ｄ
ｙ）、エルビウム（Ｅｒ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガ
ドリニウム（Ｇｄ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ハフニウ
ム（Ｈｆ）、ホロミウム（Ｈｏ）、インジウム（Ｉ
ｎ）、ランタン（Ｌａ）、ルテチウム（Ｌｕ）、マグネ
シウム（Ｍｇ）、ニオブ（Ｎｂ）、ネオジウム（Ｎ
ｄ）、隣（Ｐ）、プロメチウム（Ｐｍ）、プラセオジウ
ム（Ｐｒ）、ルビジウム（Ｒｂ）、アンチモン（Ｓ
ｂ）、サマリウム（Ｓｍ）、錫（Ｓｎ）、ストロンチウ
ム（Ｓｒ）、タンタル（Ｔａ）、テルビウム（Ｔｂ）、
チタン（Ｔｉ）、タリウム（Ｔｌ）、ツリウム（Ｔ
ｍ）、イットリウム（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、
タングステン（Ｗ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚ
ｒ）の群の化合物がある。これらの内、例えばホウ素
（Ｂ）は酸化シリコン中では屈折率を小さくする効果を
有する。また、ジルコニウム（Ｚｒ）やチタン（Ｔｉ）
は屈折率を増加させる。更に、例えばエルビウム（Ｅ
ｒ）等の希土類元素は酸化シリコン中で光学的に活性な
不純物で光増幅等の効果を有する。後述のように光導波
路に用いる場合屈折率減少元素は図２の多孔質シリコン
の領域１０・１１共にドープしても良い。一方、屈折率
増加元素は多孔質シリコンの領域１０のみに選択ドープ
する。また前記光学的に活性な元素は領域１０の内の第
１の部分領域（図示せず）のみに選択的にドープ要請が
ある場合がある。このように複数種の機能を有する元素
を選択ドープする場合、屈折率減少効果を有する元素の
有機金属化合物分子の大きさを最も小さくし、次ぎに屈
折率増加用化合物分子を大きくする。更に、光学的に活
性な元素の化合物分子を最も大きくすれば、多孔質シリ
コンの領域毎の細孔径に応じて選択ドープが可能とな
る。ここでドーピングに用いる前記各種の有機金属化合
物分子の大きさを変更することは、分子設計の課題とし
て従来技術を用いて可能である。従って、細孔径と分子
の大きさとの組合せで各種機能を有する元素の選択ドー
プが可能となる。

【００５１】これら化合物の一種または複数を含む有機
金属化合物の液に浸漬し、その後表面の有機液を除去し
て例えば湿った酸素気流中で酸化する。

【００５２】有機金属化合物として例えばチタンの有機
物に浸漬した後に表面の有機物を除去し、その後湿った
酸素雰囲気中１１５０℃で酸化し、さらに表面のマスク
層を除去した後の斜視断面図を図７（ａ）に示す。チタ
ンがドープされた酸化シリコンの領域３２とチタン濃度
が相対的に低い酸化シリコンの領域３３がシリコン基板
１中に形成されている。且つ領域３２と領域３３は酸化
後、体積の収縮も膨張もなく、それらの表面は最初のシ
リコン基板１の表面２と同一面にある。

【００５３】酸化シリコンの領域３２はチタンがドープ
されているために屈折率が領域３３に比べて増加してい
る。このため、低屈折率の領域３３を下部クラッドと
し、高屈折率の領域３２をコアとする光導波路を構成で
きる。図７（ａ）はこのような構成の光導波路を示して
いる。図７（ｂ）は必要に応じて上部クラッド層３４を
形成した光導波路を示す。図７（ａ）に示す光導波路構
造を、ｗ＝０．７５〜６μｍ、ｒ＝２７μｍの条件で形
成し、１．５５μｍのレーザー光を一方の端から入射さ
せ、他方の端からNear Field Pattern（ＮＦＰ）を測
定した。

【００５４】図８に、ｗ＝６μｍで形成した光導波路の
ＮＦＰの例を示す。図８（ａ）は基板表面と並行方向の
光強度分布を示し、図８（ｂ）は垂直方向の光強度分布
を示し、また図８（ｃ）は等強度分布曲線を示す。図８
（ａ）の基板面と並行方向には非常によい対象性を示し
ている。他方基板面と垂直方向には非対象性を示すが、
これは用いた光導波路が図７（ａ）の構成のもので下部
クラッド層を堆積していないため、屈折率の急激な変化
によるものである。図８から明らかなように透過光は単
一のピークにその強度を集中してシングルモードで伝搬
していることを示している。マスク開口幅ｗが４〜６μ
ｍではＮＦＰは図８のような単一ピークを持ち、光はシ
ングルモードで伝搬していることが確認された。しか
し、透過光のスポットサイズはマスク開口幅ｗの減少と
ともに増加した。

【００５５】透過光のスポットサイズのマスク開口幅ｗ
への依存性を図９に示す。図９のように、マスク開口幅
ｗが４μｍから６μｍでは透過光はシングルモードであ
った。３μｍ未満ではＮＦＰの幅がマスク開口幅ｗの減
少と共に急激に増大し、さらに出射光のピークは複数に
分かれてマルチモードで光が伝搬していることを示して
いた。

【００５６】多孔質シリコンはその材料それ自体が重要
なデバイス材料である。さらにこの材料は酸化シリコン
を形成する中間材料としても重要である。図４および図
５に示す実施形態では多孔質シリコンの酸化による体積
変動を最少とする実施法を述べた。

【００５７】本実施形態では多孔質シリコンに不純物を
ドープし、これを酸化した際の体積変動を最少とする実
施形態を述べる。図７に示す光導波路では第１の酸化シ
リコンの領域３２にはチタンをドープして屈折率を増加
させた。一方、第２の領域３３には特にドープをせずこ
れをクラッドとして利用した。このように酸化シリコン
を光導波路として用いる場合、コアとクラッドとの屈折
率差は導波路の設計条件にもよるが、高屈折率差を有す
る導波路では２％程度の比屈折率差を用いる。図１６
（ａ）に各種の不純物を石英ガラスに添加した場合の濃
度と屈折率の公知の関係を示す。また石英ガラスの屈折
率を１に規格化した場合の同様の図を図１６（ｂ）に示
す。屈折率差２％を与えるには、添加濃度としてＺｒＯ
₂で約５％、ＴｉＯ₂で約６％、Ａｌ₂Ｏ₃やＧｅＯ₂
ではさらに大量の濃度を必要とする。

【００５８】このように不純物をドープした後に酸化す
る場合には、添加された不純物元素の酸化物による体積
増加を考慮し、多孔質シリコンの作成に反映させなけれ
ばならない。

【００５９】この際の議論は前述の図４および図５に示
す実施形態と同様に（ａ）１モルのシリコンの体積ＶＳ
ｉはＶＳｉ＝ＺＳｉ／ρＳｉ・・・（５）（ｂ）このシリコンを多孔度Ｐの多孔質シリコンに変換
すると、上記体積中に存在するシリコンは（１−Ｐ）モ
ルとなる、（ｃ）上記（１−Ｐ）モルのシリコンを酸化
・溶融すると酸化物の体積は、ＶＳｉＯ₂＝（１−Ｐ）＊ＺＳｉＯ₂／ρＳｉＯ₂ ・・・（６）（ｄ）酸化シリコン（１−Ｐ）モルに対し、ｘモル添加
された酸化不純物の体積はＶｉｍｐ＝ｘ／（１−Ｐ）＊Ｚｉｍｐ／ρｉｍｐ・・・（１４）（ｅ）上記（６）と（１４）の体積の和を上記（５）の
体積と等しくするには、ＺＳｉ／ρＳｉ＝（１−Ｐ）ＺＳｉＯ₂／ρＳｉＯ_２＋（ｘ／（１−Ｐ）＊Ｚｉｍｐ／ρｉｍｐ）・・・（１５）即ち、不純物を添加して酸化した後に体積変化がゼロと
なる臨界多孔度をＰｉｍｐとするとＰｉｍｐ＝１−（Ａ／２＋（Ａ^２／４−ｘ＊Ｂ））^1/2 ・・・（１６）となる。ここにＡ＝（ＺＳｉ／ＺＳｉＯ₂）＊（ρＳｉＯ₂／ρＳｉ）・・・（８）Ｂ＝（Ｚｉｍｐ／ＺＳｉＯ₂）＊（ρＳｉＯ₂／ρｉｍｐ）ｘは添加した酸化不純物元素の酸化シリコンに対するモ
ル比である。

【００６０】ここに、添加不純物の例として酸化チタン
（ＴｉＯ₂）を用い、比重ρとしてルチル型結晶の密度
を用いると ρｉｍｐ＝ρＴｉＯ₂＝４．２３ｇ／ｃｍ³ Ｚｉｍｐ＝ＺＴｉＯ₂＝７９．８７８８ｇ／ｍｏｌとな
る。

【００６１】上式（１６）における臨界多孔度をｘの関
数として図１３に示す。図１３に於いて横軸ｘは酸化シ
リコン（ＳｉＯ₂）に対する酸化チタン（ＴｉＯ₂）の
モル比を示し、縦軸は当該濃度の不純物がドープされた
場合の臨界多孔度を示す。

【００６２】図１３（ａ）はｘとして０〜５％の範囲を
示し、図１３（ｂ）は０〜２％の範囲を特に詳細に示
す。図１３のようにＴｉＯ₂を２モル％程度添加する際
にも臨界多孔度は５５％から５８％以下に増加する。５
モル％添加する場合には同６５％に増加する。

【００６３】図１３に示す実施形態で議論したように高
濃度に不純物をドープする際の選択化成の実施例を述べ
る。先ず、図１４に示すように、図２に示す実施形態と
同様に、シリコン基板１上にマスク層３を形成し、さら
に開口部４を形成した。その後第１の化成条件で第１の
多孔質シリコン６１を形成した。但し、図１４（ｂ）に
示すように、図２（ｂ）における電流１４と電流密度１
６より大きな電流６４と電流密度６６を採用した。第２
の多孔質シリコン形成には第２実施形態で述べたと同一
のＨＦ濃度、電流値、電流密度を用いた。その結果、第
１の多孔質シリコンの多孔度６７をドープした不純物が
占める体積分だけ、多孔度を増加させた。この場合、第
１の多孔質シリコンの細孔径もやや増加した。

【００６４】このように配慮して作成した一連の多孔質
シリコンにチタンを２〜５％ドープした後に酸化して表
面形状を観察した。２種の酸化シリコンの表面を図１１
（ａ）のように最初のシリコン基板面と実質上同一面内
に保持することができた。

【００６５】本実施形態の基本的思想を図１５に示す。
不純物をドープすべき酸化シリコン領域を形成する多孔
質シリコンの化成には予め多孔度を大きく設定し、ドー
プした酸化シリコン、ドープしない酸化シリコンともに
それぞれの臨界多孔度を用いることにある。この点が図
１０の議論との最大の相違点である。

【００６６】

【比較例】図１（ａ）におけると同様に、高濃度にＢが
ドープされた比抵抗０．０１Ωｃｍのシリコン基板１上
にシリコン窒化膜のマスク層３を形成し、このマスク層
３に幅ｗの開口部４を形成した。その後、化成電流を一
定に保ち多孔質シリコンの領域を作成した。但し、多孔
質シリコンの領域全体の平均多孔度を５５％とするよう
電流値と弗酸電解液濃度を選定した。化成電流を一定と
したため、多孔質シリコンと結晶質シリコンとの界面に
おける界面電流密度は、図１１（ｂ）に示すように化成
時間と共に減少した（図１１（ｂ）にはｗ＝２μｍ、ｗ
＝６μｍ、ｗ＝１５μｍの各場合を例示し、初期界面電
流密度を１に規格化して示す）。従って、この場合の多
孔質シリコン領域の多孔度５３は、図１（ｃ）に示すよ
うに化成深さと共に減少した。化成の初期においては多
孔質シリコンと結晶質シリコンとの界面の界面電流密度
は非常に高いが、化成進行と共に電流密度は減少する。
そして化成終期においては界面電流密度は初期値に比べ
て桁違いに低くなった（図１１（ｂ）の例ではｒ＝３０
μｍの時、界面電流密度は初期値に対し、それぞれ２
％、６％、１４％であった）。その結果、図１０が暗示
するように、化成初期では多孔度は高く、化成終期では
多孔度は低くなっている。この多孔質シリコンを湿った
酸素雰囲気中で酸化、溶融した。

【００６７】上記のように作成された多孔質シリコンを
酸化した後の断面形状の典型例を図１１（ａ）に示す。
図１１（ａ）に示すように、酸化領域の中央部５５では
体積収縮が認められ、シリコンとの界面を接する付近５
６では酸化物の体積膨張が顕著に認められた。この結果
は、界面近傍の酸化物には圧縮応力が、逆に界面に接し
ているシリコンには引っ張り応力が局所的に強く作用し
ていることを示している。このような断面を室温状態に
約１ケ月間放置した後に顕微鏡観察すると、図１１
（ａ）の表面で突起状になっている酸化シリコンとシリ
コンとの界面部分５６で微少なチッピングによる欠けが
発生しているのが高頻度で認められた。即ち、多孔質シ
リコンとシリコンとの界面には局所的に大きな応力を内
包していることを示している。

【００６８】図１１（ａ）の表面より、ＳｉＮ_xのマス
ク層をリアクティブエッチング（ＲＩＥ）により除去し
た後の断面形状の典型例を図１２に示し、また同図に矢
印で定義したａ、ｂ、ｃ、ｄの寸法を、各試料の走査型
電子顕微鏡写真上で測定した結果を表２に示す。

【００６９】

【表２】

【００７０】表２にはマスク開口幅ｗとして６．０μ
ｍ、０．７５μｍの例を示す。全横幅ａはかなり広い範
囲（約５２〜６１μｍ）で分布している。他方、ａ／ｂ
は２を少し上回る数値である。さらに詳しく見ると（ａ
−ｗ）／ｂの値は２．０に非常に近く、実験誤差を考慮
しても多孔質シリコンの化成が等方的であったことを示
している。

【００７１】他方、膨張と収縮の合計である（ｃ＋ｄ）
の値は約７μｍ、（ｃ＋ｄ）／ｂの値はその平均値が約
２７％もあり、体積の収縮と膨張が共存し、且つそれら
の各々が極めて大きいことを示している。これに比し、
前記した図５に示す実施例に於ける△Ｐ＝±６％での収
縮または膨張の値である３．６μｍ、化成深さ比として
１３％は本比較例における値の約１／２であり、本発明
の方法による多孔度制御による酸化後の体積変動制御の
有効性を示している。

【００７２】次に、多孔質シリコン領域の多孔度と細孔
径の他の望ましい制御方法を図１７に基づいて説明す
る。図１７は、乾燥酸素雰囲気中で多孔質シリコンを十
分長い時間（１時間以上）酸化した場合の酸化された多
孔質シリコンの割合と酸化温度との関係を示す。３００
℃（１０００／Ｔ＝１．７４）の処理では多孔質シリコ
ンの微細構造の表面にほぼ単分子層の酸化シリコンが成
長する。このとき酸化された多孔質シリコンの割合は約
１５％である。３５０℃（１０００／Ｔ＝１．６）の処
理では約３０％のシリコンが酸化され、ほぼ２分子層の
酸化シリコンが成長する。さらに８００℃の処理ではほ
ぼ全量が酸化される。その中間温度では図のように絶対
温度の逆数目盛りによる酸化割合となる。酸化シリコン
が単分子層成長すると、酸化による体積膨張のため実質
の細孔径は約０．５ｎｍ減少する。すなわち、酸化の程
度に応じて、酸化後の細孔径を減少させることができ
る。

【００７３】図１８（ａ）に、多孔質シリコン領域の微
細構造を模式的に示す。多孔質シリコン中にはその断面
寸法がｎｍスケールのシリコンの柱とほぼ同寸法の細孔
が無数に交互に存在する。図１８の４５はこのシリコン
柱を示し、その間の細孔の径をＲ１ｉで示す。このよう
な多孔質シリコンを図１７のように乾燥酸素雰囲気中で
低温で酸化すると、図１８（ｂ）に示すように、シリコ
ン柱４５の表面が酸化されて酸化膜４７が成長する。シ
リコン柱４５のうち、酸化膜４７として消費された部分
とシリコンとして残存する部分４６の割合は図１７のよ
うに酸化温度に依存する。シリコンが酸化されるとその
体積は酸化前に比べて約２倍に増加する。したがって、
残存シリコン柱４６と酸化膜４７との体積の和は増加す
る。結果として部分酸化された多孔質シリコンの細孔径
Ｒ１ｏは実質的に小さくなる。こうして多孔質シリコン
を部分酸化することにより細孔径を初期値より小さい方
に制御できる。

【００７４】また、図１８（ｂ）のように部分酸化され
た多孔質シリコンから酸化シリコンの部分をＨＦを薄く
含む溶液でエッチング除去してもよい。こうすればシリ
コン柱４５の残存部分４６は初期の部分４５より細くな
る。結果として実質的な細孔径Ｒ２ｉは初期の細孔径Ｒ
１ｉより大きくなり、多孔度も増加する。この場合の細
孔径や多孔度の増加の割合は部分酸化の酸化割合により
制御できる。

【００７５】上記のようにして、部分酸化と酸化膜の除
去を組み合わせることにより、直接に化成から形成する
多孔度・細孔径・細孔径分布とは異なった多孔質シリコ
ンを形成できる。特に化成により直接に所望の多孔度・
細孔径・細孔径分布を有する多孔質シリコンを形成する
場合、高弗酸濃度且つ大電流密度を必要とする場合があ
る。このような場合高弗酸濃度・小電流密度で一旦多孔
質シリコンを形成し、その後前記の部分酸化と酸化膜除
去工程の組合せにより所望の多孔度・細孔径・細孔径分
布を有する多孔質シリコンに変換することができる。

【００７６】酸化膜を稀ＨＦで除去する際の処理方法に
もよるが、液体で濡れた多孔質シリコンの乾燥時に、液
体の表面張力の影響を軽減させ、多孔質シリコン構造の
破壊防止に注意すれば、特に細孔径分布幅が小さく、７
５％を越えると非常に高い多孔度を有し、且つ均一な細
孔径を持つ多孔質シリコンを得ることもできる。

【００７７】

【発明の効果】以上のように、請求項１に係るシリコン
基板によれば、一主面側に帯状に形成された多孔質シリ
コン領域の多孔度を５２〜６２％としたことから、この
多孔質シリコンを用いて光導波路を形成すると、コアと
これを取り巻くクラッドの上面がシリコン基板の最初の
面とほぼ同一面に位置させることができる。光導波路の
コア表面がシリコン基板の最初の面と同一面にあるシリ
コン基板は光モジュール基板として光ファイバーやその
他の光素子実装に対して、従来の厚膜堆積とエッチング
法で作成された光モジュールに比べて極めて有利であ
る。

【００７８】また、請求項２に係るシリコン基板によれ
ば、一主面側に帯状に形成した酸化シリコン領域の深さ
をｂ、この酸化シリコン領域の表面部とシリコン基板の
一主面との差をｃ＋ｄとしたとき、（ｃ＋ｄ）／ｂが±
６％の範囲内になるようにしたことから、光モジュール
基板として光ファイバーやその他の光素子実装に対し
て、従来の厚膜堆積とエッチング法で作成された光モジ
ュールに比べて極めて有利である。酸化シリコンと結晶
質シリコンとの界面に内包する局所ストレスを大幅に緩
和することができ、信頼性上も安定な酸化シリコンと結
晶質シリコンの接するデバイス、なかでも光導波路を作
成することが可能となる。

【００７９】さらに、請求項４に係るシリコン基板の形
成方法によれば、陽極化成の工程中における多孔質シリ
コンの成長先端部とシリコン基板との界面の電流密度が
ほぼ一定となるように、多孔質シリコンの成長度合いに
応じて化成電流を増加させることから、シリコン結晶中
に選択的に多孔度と細孔径の制御された多孔質シリコン
を形成することができる。また、同一多孔度を有し、且
つ異なる細孔径を有する複層の多孔質シリコンを形成す
ることが可能となり、これら複層の多孔質シリコンの一
方に選択的に不純物をドープすることができるようにな
る。さらに、予め設定された多孔度と細孔径をそれぞれ
有する複層の多孔質シリコンを形成することが可能とな
る。この技術により対象とする不純物物質とそのドープ
濃度に応じて細孔径と多孔度を設定した多孔質シリコン
を形成し、これらのうち一方の多孔質シリコンに選択的
に不純物をドープし、さらにこの多孔質シリコンを酸化
後体積変動を最少にする臨界多孔度を導入する方法が拓
かれる。この方法を用いて光導波路が作成され、コアと
これを取り巻くクラッドの上面がシリコン基板の最初の
面と同一面に位置させることができる。光導波路のコア
表面がシリコン基板の最初の面と同一面にあるシリコン
基板は光モジュール基板として光ファイバーやその他の
光素子実装に対して、従来の厚膜堆積とエッチング法で
作成された光モジュールに比べ有利である。また、本発
明の方法を用いることにより、酸化シリコンと結晶質シ
リコンとの界面に内包する局所ストレスを大幅に緩和す
ることができ、信頼性上も安定な酸化シリコンと結晶質
シリコンの接するデバイス、なかでも光導波路を作成す
ることが可能となる。

【００８０】また、請求項１０に係るシリコン基板の形
成方法によれば、陽極化成処理によってシリコン基板内
に多孔質シリコン領域を形成した後、その表面部に酸化
膜を形成することから、細孔径が化成直後よりさらに減
少した多孔質シリコン領域を形成できる。また、多孔質
シリコン領域の表面部に形成した酸化膜をエッチングす
ることで、多孔度と細孔径が増加した多孔質シリコンを
形成できる。この部分酸化と酸化膜除去工程の組合せに
より、所望の多孔度・細孔径・細孔径分布を持った多孔
質シリコンの第２の形成法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項４に係るシリコン基板の形成方法を示す
図であり、（ａ）は斜視断面図、（ｂ）は化成電流と同
電流密度を示す図、（ｃ）は多孔度と細孔径の化成深さ
依存性を示す図である。

【図２】請求項５に係るシリコン基板の形成方法を示す
図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は化成液濃度と電流
制御形態を示す図、（ｃ）は多孔度と細孔径の化成深さ
依存性を示す図である。

【図３】請求項４または請求項５に係るシリコン基板の
形成方法におけるパルス電流の印加形態を示す図であ
る。

【図４】請求項４に係るシリコン基板の形成方法によっ
て形成した多孔質シリコン領域を酸化した後の断面形状
を示す図である。

【図５】多孔質シリコンの多孔度と多孔質シリコン酸化
後の体積変動の関係を示す図である。

【図６】多孔質シリコンの多孔度と酸化シリコンの表面
形状を示す図である。

【図７】請求項２に係るシリコン基板を用いて形成した
光導波路の基本構造を示す図である。

【図８】導波路透過光のＮＦＰの例を示す図である。

【図９】スポットサイズの開口幅依存性を示す図であ
る。

【図１０】請求項１および２に係るシリコン基板の形成
方法の基礎概念を示す図である。

【図１１】比較例を示す図である。

【図１２】比較例による多孔質シリコン酸化後の断面形
状を示す図である。

【図１３】臨界多孔度の添加不純物の濃度依存性を示す
図である。

【図１４】不純物添加時の化成条件制御形態を示す図で
ある。

【図１５】不純物添加を想定した多孔度と細孔径の関係
を示す図である。

【図１６】（ａ）は不純物の種類および添加量と屈折率
との関係を示す図であり、（ｂ）は不純物の種類および
添加量と比屈折率との関係を示す図である。

【図１７】多孔質シリコンの酸化割合と酸化温度の関係
を示す図である。

【図１８】多孔質シリコンの部分酸化を模式的に示す図
である。

【符号の説明】

１：シリコン基板、２：シリコン基板の最初の表面、
３：マスク層、４：マスク開口部、５：多孔質シリコン
領域、６：電流制御の１形態、７：Ｓｉ／多孔質シリコ
ン界面電流密度、８：多孔度、９：細孔径、１０：第１
の多孔質シリコン領域、１１：第２の多孔質シリコン領
域、１２：第１の化成液の非酸濃度、１３：第２の化成
液の弗酸濃度、１４：第１の電流制御、１５：第２の電
流制御

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一主面側に多孔質シリコン領域が帯状に
形成されたシリコン基板において、前記多孔質シリコン
領域の多孔度が５２〜６２％であることを特徴とするシ
リコン基板。
【請求項２】一主面側に酸化シリコン領域が帯状に形
成されたシリコン基板において、前記シリコン基板の一
主面を基準として、前記酸化シリコン領域の深さをｂ、
前記酸化シリコン領域の表面部の最凹部までの距離を
ｃ、前記酸化シリコン領域の表面部の最凸部までの距離
をｄとしたとき、（ｃ＋ｄ）／ｂが６％以内にあること
を特徴とするシリコン基板。
【請求項３】一主面側に酸化シリコン領域が帯状に形
成されたシリコン基板において、前記酸化シリコン領域
が、所定の屈折率を有する第一の領域と、この第一の領
域の前記シリコン基板内における外側に位置し、且つ前
記第一の領域よりも屈折率が小さい第二の酸化シリコン
領域を有することを特徴とする請求項２に記載のシリコ
ン基板。
【請求項４】シリコン基板を一部が開口したマスク層
で被覆して化成液に浸漬して化成電流を印加し、このマ
スク層の除去部分から前記シリコン基板の一部を陽極化
成することによってこのシリコン基板内に多孔質シリコ
ン領域を帯状に形成するシリコン基板の形成方法におい
て、前記陽極化成の工程中における前記多孔質シリコン
領域の成長先端部と前記シリコン基板との界面の電流密
度がほぼ一定となるように、前記多孔質シリコン領域の
成長度合いに応じて前記化成電流を変化させることを特
徴とするシリコン基板の形成方法。
【請求項５】前記シリコン基板を所定の弗酸濃度の化
成液に浸漬して所定の電流密度で前記多孔質シリコン領
域のうちの所定領域まで形成し、次いでこの弗酸濃度と
電流密度を変化させて残余の多孔質シリコン領域を形成
することを特徴とする請求項４に記載のシリコン基板の
形成方法。
【請求項６】前記化成電流がパルス電流であることを
特徴とする請求項４または請求項５に記載のシリコン基
板の形成方法。
【請求項７】前記化成電流がパルス電流であり、且つ
単位パルス当たりの印加時間および／またはその繰り返
し時間を前記多孔質シリコン領域の成長にともなって変
化させることを特徴とする請求項４または請求項５に記
載のシリコン基板の形成方法。
【請求項８】前記マスク層の開口幅が０．１〜２０μ
ｍであることを特徴とする請求項４または請求項５に記
載のシリコン基板の形成方法。
【請求項９】前記シリコン基板内の化成深さが５０μ
ｍ以内であることを特徴とする請求項４または請求項５
に記載のシリコン基板の形成方法。
【請求項１０】シリコン基板を一部が開口したマスク
層で被覆して化成液に浸漬して化成電流を印加し、この
マスク層の除去部分から前記シリコン基板を陽極化成す
ることによってこのシリコン基板内の一部に多孔質シリ
コン領域を形成するシリコン基板の形成方法において、
前記多孔質シリコン領域を形成した後、その表面部に酸
化膜を形成することを特徴とするシリコン基板の形成方
法。
【請求項１１】前記酸化膜を除去する工程を有するこ
とを特徴とする請求項１０に記載のシリコン基板の形成
方法。