JPH11242125A - Silicon substrate and its formation - Google Patents
Silicon substrate and its formationInfo
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- JPH11242125A JPH11242125A JP15752598A JP15752598A JPH11242125A JP H11242125 A JPH11242125 A JP H11242125A JP 15752598 A JP15752598 A JP 15752598A JP 15752598 A JP15752598 A JP 15752598A JP H11242125 A JPH11242125 A JP H11242125A
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Abstract
Description
【0001】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon substrate and a method for forming the same, and more particularly, to a method for forming a mask layer on a silicon substrate and selectively anodizing a portion where the mask layer is partially removed. The present invention relates to a silicon substrate having a porous silicon region to be formed and a silicon oxide region obtained by oxidizing the same, and a method for forming the same.
【0002】[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。2. Description of the Related Art Porous silicon is nanometer (n) in crystalline silicon.
m) A substance in which pores of a size are formed innumerably, for example, formed by anodizing crystalline silicon in a solution containing hydrofluoric acid. Such porous silicon has been studied for its basic preparation method and basic physical properties as a material expected to be applied to various products.
【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。[0003] In particular, in the whole-surface formation method in which the entire surface of a silicon substrate is simultaneously formed, the concentration of hydrofluoric acid (HF) and the formation current of the formation solution are uniformly dispersed and supplied over the entire surface of the substrate, and even if the formation proceeds, the porous silicon and the formation surface are formed. Since the area of the interface with the silicon substrate is always constant, the formation conditions do not change significantly with the formation depth. Therefore, the formation conditions (HF of the formation solution)
(Concentration, formation current, formation current density, etc.), and there are many research reports as an optimal method for studying the relationship between the method of preparing porous silicon and its physical properties basically. Among them, (1) R. Herino, G. Bomchil, K. Barl
a, C. Bertrand, and JL Ginoux, et al., J. Electrochem. Soc. 134, 1994 (1987), describe the relationship between the chemical conditions and the physical properties of the porous silicon produced under full-scale chemical formation. Is described in detail.
【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。Further, a porous silicon is selectively formed by forming a mask layer on a silicon substrate and anodizing the opening around the opening of the mask layer.
(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) VP Bondarenko, AMVari
chenko, A, M. Dorofeev, NM Kazyuchits, VA Labunov,
and VFStel'makh, Tech.Phys.Lett.19,463 (1993),
(5) VPBondarenko, AMDorofeev, and NMKazuchit
s, Microelectronic Engineering 28, 447 (1995).
【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。In these documents, anodization is carried out while maintaining a constant formation current during anodization. However,
When a mask layer is formed on a silicon substrate, a part of the mask layer is selectively removed, and a part of the silicon substrate is selectively formed starting from the portion where the mask layer is removed. However, there is a problem that the area of the interface between the porous silicon and the silicon substrate changes with the progress of chemical formation because the mask layer is concentrated in a narrow portion where the mask layer is removed.
【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。[0006] As prior art for temporally changing the formation current during anodization, (6) PCT / M by BERGER et al.
DE 96/00913 is disclosed. Also, a paper (7) Porous silicon multilayer-optical waveguide by the inventor
s, Thin Solid Film 279,143 (1996) describes a method of creating a porous silicon in which the continuous DC current is changed stepwise at once and the porosity changes discontinuously depending on the current value. .
【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。The prior arts (6) and (7) have high porosity (60
% Or more), the porous silicon itself is used as an optical waveguide, and the porous silicon is oxidized by utilizing the fact that the refractive index of the porous silicon depends on the porosity. However, the main purpose is to create an optical waveguide using silicon oxide in a porous state that has not been melted and densified.
【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。In these documents, although the formation current during anodization is changed with time, the formation current is changed in a stepwise manner. The formation current is kept constant at predetermined intervals to perform anodization. Is what you do.
【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。[0009] Further, as a reference on the subject of performing anodization by pulse current, (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), and (9) LVBelyako
v, DNGoryachev, and OMSreseli, Tech.Phys.Lett.22,
97 (1996). Both literatures (8) and (9) compare the effect of a pulse current with that of a continuous constant current in anodizing an entire image of a crystalline silicon substrate. References (8) (9)
In both cases, p-type silicon of about 1 Ωcm was formed under a relatively low current density with a peak current density of about several tens mA / cm 2 , and the characteristics of porous silicon as a light emitting diode were examined.
【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。[0010] Next, the main references relating to the oxidation of porous silicon include (10) JJYon, K. Balra, R. Herino, and
J. Appl.phys. 62, 1042 (1987) by G. Bomchil, and (1
1) J. Appl. Ph by K. Balra, R. Herino, and G. Bomchil
ys. 59, 439 (1986).
【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。What is dealt with in these articles is the oxidation of porous silicon formed on the entire surface of a silicon substrate.
It does not relate to selectively formed porous silicon. In the above papers (10) and (11), the importance of porosity control is emphasized because the contraction and expansion of the volume due to oxidation largely depend on the porosity. However, it is stated that in the entire surface formation, even if the porosity is equal to or less than the critical porosity described below, volume expansion due to oxidation affects the increase in the thickness of the silicon oxide film. On the other hand, the volume expansion due to the oxidation of the porous silicon causes a strong internal stress locally as described later. Conversely, if the porosity is too high, the silicon oxide will have a significant volume shrinkage. When applied to an optical waveguide or the like, this volume contraction makes it difficult to form the shape of the waveguide itself. The present invention makes it possible to minimize such volume expansion and contraction.
【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。Further, none of the above-mentioned prior art documents discloses the idea of making the porosity constant over a certain region of the porous silicon selectively formed. That is, when a mask layer having an opening is formed in crystalline silicon and anodization is performed from this opening, the area of the interface between the porous silicon and the crystalline silicon increases as the formation proceeds, so that the formation current is increased. When anodization is performed while keeping the temperature constant, the interface current density at the interface between porous silicon and crystalline silicon becomes relatively smaller as the formation proceeds, and the pore diameter of the porous portion also becomes smaller as the anodization proceeds. There is a problem.
【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。The present invention has been made in view of such a background, and a first object is to selectively form porous silicon on a silicon substrate and to improve the porosity of the porous silicon region. Another object of the present invention is to provide a silicon substrate having a porous silicon region in which the pore diameter, the distribution width of the pore diameter, and the shape of the porous silicon are controlled, and a method for forming the same.
The first method is to directly form porous silicon having a desired porosity, pore size and pore size distribution. The second method is to form porous silicon having a certain value of porosity, pore size and pore size distribution and then partially oxidize the porous silicon to substantially reduce the pore size, This is a method of forming porous silicon having a desired porosity, pore size, and pore size distribution by a combination of steps of increasing the pore size by removing the membrane.
A second object is to establish a silicon substrate in which the surface of silicon oxide formed by oxidizing a porous silicon region is substantially flush with the surface of the first silicon substrate, and a method for forming the same. .
【0014】[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。According to a first aspect of the present invention, there is provided a silicon substrate in which a porous silicon region is formed in a strip shape on one principal surface side. Was set to 52 to 62%.
【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。Further, in the silicon substrate according to claim 2,
In a silicon substrate in which a silicon oxide region is formed in a band shape on one main surface side, the depth of the silicon oxide region is b, and the difference between the surface of the silicon oxide region and one main surface of the silicon substrate is c + d. When (c + d) / b is ± 6%
To be within the range.
【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。In the method of forming a silicon substrate according to a fourth aspect of the present invention, the silicon substrate is covered with a partially open mask layer, immersed in a chemical conversion solution, a formation current is applied, and the mask layer is removed from the removed portion. In a method for forming a silicon substrate in a band shape in a porous silicon region by anodizing a part of the crystalline silicon substrate, the growth of the porous silicon during the anodizing step may be performed. The formation current is changed in accordance with the degree of growth of the porous silicon so that the current density at the interface between the tip and the silicon substrate is substantially constant.
【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。According to a tenth aspect of the present invention, in the method of forming a silicon substrate, the silicon substrate is covered with a partially open mask layer, immersed in a chemical conversion solution, a formation current is applied, and the mask layer is removed from the removed portion. In the method of forming a silicon substrate in which a porous silicon region is formed in a part of the silicon substrate by anodizing the silicon substrate, an oxide film is formed on a surface of the porous silicon region after the porous silicon region is formed.
【0018】[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。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The basic characteristics of the porous silicon material are determined by the porosity (P), the pore size (R), and the distribution width of the pore size. Here, the porosity (P) is defined as a volume ratio of a void portion in the entire volume of the porous silicon. Further, the diameter of the pore is defined as the pore diameter (R), and the distribution width is defined as the distribution width of the pore diameter.
【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。The porosity, the pore diameter, and the distribution width of the pore diameter of the porous silicon depend on the doping characteristics of the silicon substrate used, the HF concentration of the chemical conversion solution, and the interface current density. When a silicon substrate heavily doped with p-type is used, the porosity, the pore diameter, and the distribution width change as shown in FIG. In FIG. 10, ■ indicates the center value of the pore diameter distribution, and ▲ and ● indicate the half width of the distribution. The upper line of the comment inside the rectangle with rounded corners indicates the HF concentration of the chemical conversion solution, and the lower current value indicates the current density at the interface between porous silicon and crystalline silicon.
【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。FIG. 10 is a graph showing the relationship between the formation conditions and the properties of porous silicon under the entire formation conditions, based on the individual data described in the above-mentioned article (1). It is uniquely configured and indicates the following four important points of porous silicon. First, increasing the interfacial current density increases both porosity and pore size. Second, when the HF concentration of the chemical conversion solution is increased, both the porosity and the pore size decrease. Third, when the HF concentration of the chemical conversion liquid is increased, the distribution width of the pore diameter becomes narrow. In particular, when a high-concentration HF chemical solution is used, the distribution width of the pore diameter becomes very narrow, and the pore diameter becomes very uniform and uniform. Fourth, by selecting the formation conditions of the HF concentration and the interfacial current density of the chemical conversion liquid, it is possible to form porous silicon having any porosity, pore size, and pore size distribution.
【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。The concentration of hydrofluoric acid in the chemical solution used in the present invention is from the usual concentration conventionally used to about 50%, which is the maximum concentration currently supplied industrially, and the higher concentration of hydrofluoric acid. If the acid can be supplied, it is of course contained up to its maximum concentration. Also, the interface current density is tens of amperes /
Includes high current densities of cm 2 .
【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。Further, when such a high-concentration HF solution is used, the smoothness of the interface between the porous silicon and the crystalline silicon is improved as compared with the case where the low-concentration HF is used.
【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。When the porous silicon in the silicon substrate of the present invention is oxidized and used for a single mode optical waveguide, the mask opening width w is desirably 20 μm or less. There is no particular condition to limit the minimum value of the mask opening width w.
Any size may be used as long as it has good industrial reproducibility by ordinary fine processing. If the mask opening width w is larger than 20 μm, it becomes difficult to set conditions for single mode propagation. However, the multimode optical waveguide has no upper limit of the mask opening width w.
【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。Similarly, when used as a single mode optical waveguide, the formation depth r is desirably 50 μm or less. Within this range, the function as an optical waveguide can be sufficiently satisfied. This is because if the formation depth r becomes larger than this, the processing area becomes unnecessarily large. However, the multimode optical waveguide does not have this limitation.
【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。The limits of the mask opening width w and the formation depth r are set based on the necessary and sufficient conditions for the optical waveguide when using porous silicon for the optical waveguide. When applied to other fields, depending on the requirements of the application,
These sizes may be freely determined.
【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(SiNx )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。FIG. 1 is a view showing a method for forming porous silicon according to claim 4. FIG. 1A is a perspective cross-sectional view, FIG. 1B is a diagram showing a method for controlling the current by changing the current over time, and FIG. 1C is a graph showing the porosity and pore diameter of the formed porous silicon. It is a figure which shows the formation depth dependence. The silicon substrate 1 used in the present invention has a hole concentration of 1 × 10 18 cm.
A p-type substrate having a resistivity of about 3 or more, that is, a resistivity of 0.1 Ωcm or less is desirable. However, the condition of the present invention is basically satisfied if the substrate is one in which valence electrons are uniformly supplied to the interface between the porous silicon and the crystalline silicon during the formation. In FIG. 1A, a mask layer 3 made of silicon nitride (SiN x ) or the like is formed on one main surface 2, which is the first surface of a silicon substrate 1, and the mask layer 3 is elongated in a one-dimensional direction. The opening 4 having a width w is formed by etching or the like. When the substrate thus prepared is used as an anode and anodized in an electrolytic solution containing hydrofluoric acid, the formation depth (radius of the porous region) r is substantially isotropic starting from the end of the mask layer 3. As a result, the porous silicon region 5 grows. Therefore, at a certain point in the growth process, the length L on the cross section of the interface between the porous silicon 5 and the crystalline silicon 1 is approximately L = πr + w.
...
(1) is represented. As is clear from FIG. 1A, the interface current density J at the interface between the porous silicon 5 and the crystalline silicon 1 is J = I / L = I / (πr + w) (2). Here, I is a current per unit length that flows intensively in the mask opening width w.
【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。When the formation proceeds with the current I per unit length being constant, the interface current density J between the porous silicon 5 and the crystalline silicon 1 decreases according to the equation (2). In a region where the formation depth r in the initial formation is smaller than the mask opening width w, the interface current density J is large, but under the condition that the formation depth r is larger than the mask opening width w, ie, L >> w As shown in a comparative example described later, the current density J is significantly smaller than in the initial stage of chemical formation.
【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。On the other hand, in order to make the current density at this interface constant, I = J * L (3) so that the formation current is changed to the interface between the porous silicon 5 and the crystalline silicon 1. It is necessary to increase the area in proportion to the area increase and to control the formation current as a function of time so that I = f (t). A control example of the formation current is schematically shown by a solid line 6 in FIG. A dotted line 7 indicating a constant value in FIG. 1B indicates a controlled interface current density which is controlled in this way.
【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。As shown in equation (3), the current density J at the interface between the porous silicon 5 and the crystalline silicon 1 is kept constant, and is proportional to the increase in the area of the interface between the porous silicon 5 and the crystalline silicon 1. Control to increase the formation current I. When the interface current density is controlled to be constant as described above, the formed porous silicon 5 has both a porosity (P) 8 shown by a solid line and a pore diameter (R) 9 shown by a dotted line in FIG. It has a constant value independent of the depth r.
【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。FIG. 2 is a view showing one embodiment of a method for forming porous silicon according to claim 5. As shown in FIG. 2A, a first porous silicon region 10 having a predetermined pore diameter and a second porous silicon region 11 having a different pore diameter from the first porous silicon region 10. To form At that time, the concentrations of hydrofluoric acid in the electrolytic solution (broken lines) 12 and 13, the current values (solid lines) 14 and 15, and the current densities (dotted lines) 16 and 17
Is shown in FIG. 2 (b). To form the first region 10, an electrolytic solution having a first hydrofluoric acid concentration 12 is used, and a first current value 14 is used. After that, a second porous silicon region 11 is formed with a second current value 15 using an electrolytic solution having a second hydrofluoric acid concentration of 13. In this case, the second hydrofluoric acid concentration 13 is set higher than the first hydrofluoric acid concentration 12, and the second current density 17 is higher than the first current density 16 in accordance with the hydrofluoric acid concentration difference. Then, as shown in FIG. 2C, the porosity (solid line) 20 and 21 of the first and second porous silicon are made substantially equal (P1 = P2), and the first porous silicon region 10 is formed. Can be made larger than the pore diameter 23 of the second porous silicon region 11.
【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。When the formation current is controlled as shown in FIGS. 1 and 2, even if the current density J at the interface between the porous silicon and the crystalline silicon is about several tens mA / cm 2 , a mask having a width w is obtained. In the opening 4, a concentrated current of several tens to several hundred times flows as shown in the equation (3). On the other hand, a large amount of gas is generated from the interface between porous silicon and silicon due to the formation current. The path for releasing the large amount of gas is limited to the opening 4 having the width w. Therefore, when the formation current is simply controlled by a continuous DC current, the mask layer 2 is broken by the pressure of a large amount of generated gas, and cracks and peeling occur in the mask. Once the mask layer 2 is damaged or peeled, the intended purpose of selectively forming only a desired portion cannot be achieved. Further, since the supply of the electrolytic solution containing hydrofluoric acid is also restricted to the opening 4 having a small width w, there arises a problem that it is difficult to keep the concentration of the chemical solution constant.
【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。In order to avoid these problems, FIG.
As shown in (a), the effective peak current value I of the unit pulse
p, a pulse current having the same duration tp, and a repetition period T are used. In this case, the effective leading current value Ip of the pulse is calculated by the equation (2), (3), or the current value 14, in FIG.
Control is performed so as to satisfy conditions such as fifteen. Formation is performed by this pulse current, and a high current density at the formation interface can be maintained. On the other hand, the gas generated when the pulse current is applied can be released from the mask opening 4 having the width w even during the pause time of the pulse. In addition, a new electrolytic solution is also supplied to the formation interface with the desorption of gas. In this way, the pulse current value Ip, the duration tp of the unit pulse, and the repetition period T are controlled, and the average current value Ip * tp / T per unit time is set to the mask layer 2.
Is controlled so as not to peel or break. Further, the current value during the pulse pause period (T-tp) does not necessarily need to be controlled to zero, and a negative current may flow.
【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。FIG. 3B shows a pulse current value, an application time width,
The conceptual relationship of the pause time width is schematically shown with respect to the initial, middle and end stages of formation. When the formation current is small, FIG.
The current 14 in (b) is a continuous DC current, and the composite control may be performed such as using a pulse-controlled current as the current 15 when the formation current value becomes large.
【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。The porous silicon prepared as described above is oxidized in, for example, a humid oxygen stream to obtain silicon oxide.
【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。The porosity of the porous silicon is from 52% to 62%.
% Range. The lower limit of 52% is to reduce the volume expansion of non-doped silicon oxide to half or less of the conventional example. The upper limit of 62% is the critical porosity when silicon oxide is doped with about 5 mol% of impurities.
【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。By controlling the porosity as described below, the volume of silicon dioxide can be controlled so that it does not shrink or expand compared to the volume of the initial porous silicon. Therefore, as shown in FIG. 4, the surface 26 of the silicon oxide 25 can be controlled so as to be flush with the surface 2 of the first silicon substrate 1.
【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。As described above, the volume expansion due to the oxidation of silicon fills the volume of the pores of the porous silicon in a complementary manner, whereby the porous silicon region can be changed to the oxide without changing the shape of the initial porous silicon region. . That is, the conditions for this are (a) the volume VSi of 1 mol of silicon is VSi = ZSi / ρSi (5) (b) When this silicon is converted into porous silicon having a constant porosity P, The existing silicon is (1-
P) mole.
【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/mol ZSiO2 =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。(C) When the above (1-P) mole of silicon is oxidized and melted, the volume of the oxide becomes: VSiO 2 = (1-P) * ZSiO 2 / ρSiO 2 (6) (d) If the volumes of (5) and (6) are equalized, that is, if the porosity with zero volume reaction after oxidation is defined as the critical porosity Po, Po = 1− (ρSiO 2 / ρSi) * (ZSi / ZSiO 2 ) = 1−A (7) A = (ρSiO 2 / ρSi) * (ZSi / ZSiO 2 ) (8) Where ρ is the specific gravity, Z is the molar equivalent, and the subscript Si
And SiO 2 represent silicon and a silicon oxide film, respectively. By substituting the values of ZSi = 28.0855 g / mol ZSiO 2 = 60.0843 g / mol ρSi = 2.3291 g / cm 3 ρSiO 2 = 2.24 g / cm 3 as the physical property values of the above formula (8), The critical porosity Po at which the volume change becomes zero is Po = 55.0%.
【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。Further, when the porosity changes from Po to ΔP, the volume change rate after oxidation ΔVSiO 2 is ΔVSiO 2 = − {P * (ZSiO 2 / ZSi) / (ρSi / ρSiO 2 ) = −}. P / A = −2.224 ° P (9), and when the porosity changes by 1%, ΔVSiO
2 = −2.224%.
【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。FIG. 5 shows the relationship between the porosity P of the porous silicon and the volume change rate of SiO 2 after oxidization of the porosity P. FIG. 5A shows a wide range of porosity from 49% to 61%, and FIG. 5B shows a porosity of 53% to 57%.
Particularly narrow ranges up to% are shown enlarged. FIG. 5 (a)
If ΔP is positive as in (b), volume contraction occurs, and ΔP
If is negative, volume expansion occurs. The coefficient is-△ P / A as described above.
【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。Porous silicon was formed in the same manner as in the embodiment shown in FIGS. However, W = 6 μm and r = 27 μm were adopted as examples of practical parameters. FIG. 6A shows the coordinates of the cross-sectional shape including the silicon oxide 30 after oxidizing and melting the porous silicon. From the intersection of the center of the mask opening width w and the first surface of the silicon substrate 1, the silicon substrate 1
Defines the coordinate -y. Further, coordinates x are defined along the substrate surface 2 from the center of the mask opening width w.
【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。SiO after oxidizing the porous silicon region
FIGS. 6B and 6C show the ΔP dependency of the interface between SiO 2 and silicon and the surface shape of SiO 2 . FIG. 6B shows SiO 2
Indicates 2 and silicon interface 31 overall shape, FIG. 6 (c) shows in detail with particular extracts the shape of the SiO 2 surface. FIG.
The notes on the curve in (c) show ΔP in%.
【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。As is apparent from these figures, in particular, ΔP
= 0% (P = Po), as shown in the embodiment in FIG. 4, the SiO 2 surface is the first surface 2 of the silicon substrate.
Is the same plane. FIG. 6 shows an example of the interface shape accompanying volume expansion when ΔP is negative and −1%, −3%, and −5%. Further, an example of the interface shape when ΔP is positive and has + 2%, + 4%, and + 6% and shows volume contraction is also shown. Table 1 shows the y coordinate value of the surface at the center position of the mask opening width w.
【0044】[0044]
【表1】 [Table 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。As shown in Table 1, if ΔP = ± 6% or less, the displacement is about 3.
Only 6 μm. At ΔP = ± 3%, the maximum displacement is about 1.8 μm. These values are much smaller than those of a comparative example described later.
【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。The above numerical calculation can be performed as follows. First, the shape of the interface (31) between the silicon oxide region and silicon can be substantially expressed by the following two equations.
【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。Y = − (r 2 − (x−w / 2) 2 ) 1/2 [x] ≧ w / 2 (10) y = −r [x] ≦ w / 2 (11) Here, x and y are the coordinates on the position in FIG.
r indicates a radius at the time of forming porous silicon, w indicates a mask opening width, and [x] indicates an absolute value of x.
【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。Next, it is assumed that volume fluctuations such as expansion and contraction due to oxidation are avoided by raising and lowering the surface position of silicon oxide which is a free surface. Thus, the surface position y at an arbitrary x coordinate is expressed by the following equation.
【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。Y = − (r 2 − (x−w / 2) 2 ) 1/2 * △ P / A [x] ≧ w / 2 (12) y = −r * △ P / A [x ] ≦ w / 2 (13) The surface shape shown in FIG. 6C is calculated by Expressions (12) and (13).
【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。The pore size 22 of the first porous silicon region 10 formed as described above is larger than the pore size 23 of the second porous silicon region 11 as shown in FIG. Is controlled. By immersing the silicon substrate 1 on which the porous silicon is formed as described above in, for example, a liquid of an organometallic compound containing a metal element, the organometallic compound is selectively doped into the porous silicon region 10 having a large pore diameter. can do. As the organometallic compound containing a metal element, for example, aluminum (A
l), boron (B), barium (Ba), bismuth (B
i), calcium (Ca), cadmium (Cd), cerium (Ce), cesium (Cs), disprosium (D
y), erbium (Er), europium (Eu), gadolinium (Gd), germanium (Ge), hafnium (Hf), holmium (Ho), indium (I
n), lanthanum (La), lutetium (Lu), magnesium (Mg), niobium (Nb), neodymium (N
d), neighbor (P), promethium (Pm), praseodymium (Pr), rubidium (Rb), antimony (S
b), samarium (Sm), tin (Sn), strontium (Sr), tantalum (Ta), terbium (Tb),
Titanium (Ti), thallium (Tl), thulium (T
m), yttrium (Y), ytterbium (Yb),
Tungsten (W), zinc (Zn), zirconium (Z
There are compounds in the group r). Among them, for example, boron (B) has an effect of reducing the refractive index in silicon oxide. Also, zirconium (Zr) and titanium (Ti)
Increases the refractive index. Further, for example, erbium (E
Rare earth elements such as r) are optically active impurities in silicon oxide and have an effect such as optical amplification. As will be described later, when used in an optical waveguide, the element for reducing the refractive index may be doped in both the porous silicon regions 10 and 11 of FIG. On the other hand, the element for increasing the refractive index is selectively doped only in the region 10 of the porous silicon. The optically active element may be selectively doped only in a first partial region (not shown) of the region 10. When the element having a plurality of functions is selectively doped as described above, the size of the organometallic compound molecule of the element having the effect of reducing the refractive index is minimized, and the compound molecule for increasing the refractive index is increased next. Furthermore, if the compound molecule of the optically active element is maximized, selective doping can be performed according to the pore diameter of each region of the porous silicon. Here, it is possible to change the size of the various organometallic compound molecules used for doping by using a conventional technique as a subject of molecular design. Therefore, selective doping of an element having various functions according to the combination of the pore diameter and the molecular size becomes possible.
【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。The substrate is immersed in a liquid of an organometallic compound containing one or more of these compounds, and then the organic liquid on the surface is removed and oxidized in, for example, a wet oxygen stream.
【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。FIG. 7 is a perspective cross-sectional view after immersion in, for example, an organic material of titanium as an organometallic compound, removing the organic material on the surface, oxidizing at 1150 ° C. in a humid oxygen atmosphere, and further removing the mask layer on the surface. (A). A silicon oxide region 32 doped with titanium and a silicon oxide region 33 having a relatively low titanium concentration are formed in the silicon substrate 1. After oxidation, the regions 32 and 33 do not contract or expand in volume, and their surfaces are flush with the surface 2 of the first silicon substrate 1.
【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。The refractive index of the silicon oxide region 32 is higher than that of the region 33 because titanium is doped. Therefore, an optical waveguide having the low-refractive-index region 33 as a lower clad and the high-refractive-index region 32 as a core can be formed. FIG. 7A shows an optical waveguide having such a configuration. FIG. 7B shows an optical waveguide on which an upper cladding layer 34 is formed as necessary. The optical waveguide structure shown in FIG. 7A is formed under the conditions of w = 0.75 to 6 μm and r = 27 μm, a 1.55 μm laser beam is made incident from one end, and the Near Field Pattern is emitted from the other end. (NFP) was measured.
【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。FIG. 8 shows an example of an NFP of an optical waveguide formed at w = 6 μm. FIG. 8A shows a light intensity distribution in a direction parallel to the substrate surface, FIG. 8B shows a light intensity distribution in a vertical direction, and FIG. 8C shows an equal intensity distribution curve. FIG.
(A) shows very good symmetry in a direction parallel to the substrate surface. On the other hand, it shows asymmetry in the direction perpendicular to the substrate surface,
This is due to a sudden change in the refractive index because the used optical waveguide has the configuration shown in FIG. 7A and does not have a lower clad layer deposited thereon. As is clear from FIG. 8, the transmitted light has its intensity concentrated on a single peak and propagates in a single mode. Mask opening width w is 4-6μ
At m, the NFP had a single peak as shown in FIG. 8, and it was confirmed that light propagated in a single mode. However, the spot size of the transmitted light increased as the mask opening width w decreased.
【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。Mask opening width w of spot size of transmitted light
Is shown in FIG. As shown in FIG. 9, when the mask opening width w was 4 μm to 6 μm, the transmitted light was in the single mode. If it is less than 3 μm, the width of the NFP increases sharply with a decrease in the mask opening width w, and the peak of the emitted light is divided into a plurality, indicating that light propagates in a multimode.
【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。Porous silicon itself is an important device material. This material is also important as an intermediate material for forming silicon oxide. The embodiment shown in FIGS. 4 and 5 has described the implementation method in which the volume fluctuation due to the oxidation of the porous silicon is minimized.
【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%、Al2 O3 やGeO2
ではさらに大量の濃度を必要とする。In this embodiment, an embodiment will be described in which porous silicon is doped with an impurity and the volume fluctuation when the silicon is oxidized is minimized. In the optical waveguide shown in FIG. 7, the first silicon oxide region 32 is doped with titanium to increase the refractive index. On the other hand, the second region 33 was used as cladding without being doped. When silicon oxide is used as the optical waveguide in this manner, the refractive index difference between the core and the clad depends on the design conditions of the waveguide, but a waveguide having a high refractive index difference uses a relative refractive index difference of about 2%. . FIG.
(A) shows a known relationship between the concentration and the refractive index when various impurities are added to quartz glass. FIG. 16B shows a similar view when the refractive index of quartz glass is normalized to 1. In order to give a refractive index difference of 2%, ZrO
2 about 5%, TiO 2 about 6%, Al 2 O 3 and GeO 2
Requires even higher concentrations.
【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。In the case where oxidation is performed after doping with impurities, the increase in volume due to the oxide of the added impurity element must be taken into consideration in forming porous silicon.
【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 /ρSiO2 +(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+(A2 /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。The discussion at this time is similar to the embodiment shown in FIGS. 4 and 5 described above. (A) The volume VS of one mole of silicon
i is VSi = ZSi / ρSi (5) (b) When this silicon is converted into porous silicon having a porosity P, the amount of silicon existing in the volume becomes (1-P) mol, (c) When the above (1-P) mole of silicon is oxidized and melted, the volume of the oxide becomes: VSiO 2 = (1-P) * ZSiO 2 / ρSiO 2 (6) (d) Silicon oxide (1-P) The volume of the oxidized impurity added x mole to the mole is Vimp = x / (1-P) * Zimp / ρimp (14) (e) The sum of the volumes of (6) and (14) is (5) to be equal to the volume of, ZSi / ρSi = (1- P) ZSiO 2 / ρSiO 2 + (x / (1-P) * Zimp / ρimp) ··· (15) i.e., an impurity When the critical porosity at which the volume change becomes zero after oxidation and oxidation is Pimp Pimp = 1− (A / 2 + (A 2 / 4−x * B)) 1/2 (16) Where A = (ZSi / ZSiO 2 ) * (ρSiO 2 / ρSi) (8) B = (Zimp / ZSiO 2 ) * (ρSiO 2 / ρimp) x is the mole of the added oxide impurity element to silicon oxide Ratio.
【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。Here, when titanium oxide (TiO 2 ) is used as an example of the added impurity and the density of rutile type crystal is used as the specific gravity ρ, ρimp = ρTiO 2 = 4.23 g / cm 3 Zimp = ZTiO 2 = 79.8788 g / Mol.
【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。FIG. 13 shows the critical porosity in the above equation (16) as a function of x. The abscissa x at the 13 shows the molar ratio of titanium oxide to silicon oxide (SiO 2) (TiO 2) , the vertical axis represents the critical porosity when the impurity of the concentration doped.
【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。FIG. 13A shows the range of 0 to 5% as x, and FIG. 13B shows the range of 0 to 2% in detail. As shown in FIG. 13, the critical porosity also increases from 55% to 58% when TiO 2 is added at about 2 mol%. 5
When mol% is added, it increases to 65%.
【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。An example of selective formation for doping impurities at a high concentration as discussed in the embodiment shown in FIG. 13 will be described. First, as shown in FIG. 14, as in the embodiment shown in FIG. 2, a mask layer 3 was formed on a silicon substrate 1, and an opening 4 was further formed. After that, the first porous silicon 61 was formed under the first chemical condition. However, as shown in FIG. 14B, the current 14 and the current density 1 in FIG.
A current 64 and current density 66 greater than 6 were employed. Second
The same HF concentration, current value and current density as described in the second embodiment were used for the formation of porous silicon. As a result, the porosity was increased by the volume occupied by impurities doped with the porosity 67 of the first porous silicon. In this case, the pore diameter of the first porous silicon also slightly increased.
【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。A series of porous silicon prepared in this way were doped with titanium by 2 to 5% and then oxidized to observe the surface shape. Fig. 11 shows the surface of two types of silicon oxide.
As shown in (a), the substrate could be held substantially in the same plane as the first silicon substrate surface.
【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。FIG. 15 shows the basic concept of this embodiment.
In forming porous silicon for forming a silicon oxide region to be doped with impurities, the porosity is set large in advance, and the critical porosity of each of doped silicon oxide and undoped silicon oxide is used. This is the biggest difference from the discussion of FIG.
【0066】[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。COMPARATIVE EXAMPLE As in FIG. 1A, a mask layer 3 of a silicon nitride film is formed on a silicon substrate 1 having a specific resistance of 0.01 Ωcm and doped with B at a high concentration. The opening 4 of w was formed. Thereafter, a region of porous silicon was formed while keeping the formation current constant. However, the current value and the concentration of the hydrofluoric acid electrolyte were selected so that the average porosity of the entire region of the porous silicon was 55%. Since the formation current was kept constant, the interface current density at the interface between the porous silicon and the crystalline silicon decreased with the formation time as shown in FIG. 11B (w = 2 μm, w in FIG. 11B).
= 6 μm and w = 15 μm, and the initial interface current density is normalized to 1). Therefore, the porosity 53 of the porous silicon region in this case decreased with the formation depth as shown in FIG. In the initial stage of chemical formation, the interface current density at the interface between porous silicon and crystalline silicon is very high, but the current density decreases as the formation proceeds.
At the end of the formation, the interface current density was significantly lower than the initial value (r = 30 in the example of FIG. 11B).
μm, the interface current density was 2
%, 6%, and 14%). As a result, as is implied in FIG. 10, the porosity is high at the early stage of formation and low at the end of formation. This porous silicon was oxidized and melted in a moist oxygen atmosphere.
【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。FIG. 11A shows a typical example of the cross-sectional shape after oxidizing the porous silicon formed as described above.
As shown in FIG. 11A, volume shrinkage was observed in the central portion 55 of the oxidized region, and the vicinity
In No. 6, the volume expansion of the oxide was remarkably observed. This result indicates that compressive stress acts on the oxide near the interface and conversely tensile stress acts locally on the silicon in contact with the interface. When such a cross section is left at room temperature for about one month and observed with a microscope, FIG.
At a high frequency, chipping due to minute chipping was observed at the interface portion 56 between silicon oxide and silicon, which is projected on the surface of (a). In other words, this indicates that the interface between the porous silicon and the silicon locally contains a large stress.
【0068】図11(a)の表面より、SiNx 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。FIG. 12 shows a typical example of the cross-sectional shape after the SiN x mask layer is removed from the surface of FIG. 11A by reactive etching (RIE). Table 2 shows the results of measuring the dimensions b, c, and d on a scanning electron micrograph of each sample.
【0069】[0069]
【表2】 [Table 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。Table 2 shows that the mask opening width w is 6.0 μm.
m, 0.75 μm. The total width a is distributed in a considerably wide range (about 52 to 61 μm). On the other hand, a / b
Is a value slightly higher than 2. Looking further, (a
The value of -w) / b was very close to 2.0, indicating that the formation of porous silicon was isotropic even when experimental errors were taken into account.
【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。On the other hand, the sum of expansion and contraction is (c + d).
Is about 7 μm, and the value of (c + d) / b has an average value of about 27%, indicating that volume contraction and expansion coexist and each of them is extremely large. In comparison,
In the embodiment shown in FIG. 5, the value of the contraction or expansion at ΔP = ± 6% is 3.6 μm, and the formation depth ratio is 13%, which is about の of the value in this comparative example. 4 shows the effectiveness of volume change control after oxidation by porosity control according to the method of the present invention.
【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。Next, another desirable control method of the porosity and pore diameter of the porous silicon region will be described with reference to FIG. FIG. 17 shows the relationship between the ratio of the oxidized porous silicon and the oxidation temperature when the porous silicon is oxidized in a dry oxygen atmosphere for a sufficiently long time (1 hour or more). 300
In the treatment at a temperature of 1000 ° C. (1000 / T = 1.74), almost monomolecular silicon oxide grows on the surface of the microstructure of porous silicon. At this time, the ratio of the oxidized porous silicon is about 15%. In the treatment at 350 ° C. (1000 / T = 1.6), about 30% of silicon is oxidized, and almost two molecular layers of silicon oxide grow. Further, almost all the amount is oxidized by the treatment at 800 ° C. At the intermediate temperature, the oxidation rate is represented by a reciprocal scale of the absolute temperature as shown in the figure. When silicon oxide grows in a monolayer, the substantial pore diameter decreases by about 0.5 nm due to volume expansion due to oxidation. That is, the pore diameter after oxidation can be reduced according to the degree of oxidation.
【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。FIG. 18A schematically shows the fine structure of the porous silicon region. In porous silicon, innumerable pores whose cross-sectional dimensions are substantially the same as those of a silicon column having a nm scale are alternately present. Reference numeral 45 in FIG. 18 indicates this silicon pillar, and the diameter of the pores therebetween is indicated by R1i. When such porous silicon is oxidized at a low temperature in a dry oxygen atmosphere as shown in FIG. 17, the surface of the silicon pillar 45 is oxidized and an oxide film 47 grows as shown in FIG. In the silicon pillar 45, the ratio of the portion consumed as the oxide film 47 and the portion 46 remaining as silicon depends on the oxidation temperature as shown in FIG. When silicon is oxidized, its volume increases about twice as much as before. Therefore,
The sum of the volumes of the remaining silicon pillar 46 and the oxide film 47 increases. As a result, the pore diameter R1o of the partially oxidized porous silicon is substantially reduced. By partially oxidizing the porous silicon in this manner, the pore diameter can be controlled to a value smaller than the initial value.
【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。Further, as shown in FIG. 18B, a portion of silicon oxide may be removed by etching from a partially oxidized porous silicon with a solution containing a small amount of HF. In this case, the remaining portion 46 of the silicon pillar 45 becomes thinner than the initial portion 45. As a result, the substantial pore diameter R2i is equal to the initial pore diameter R2.
1i and the porosity also increases. In this case, the rate of increase in pore diameter and porosity can be controlled by the oxidation rate of partial oxidation.
【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。As described above, by combining the partial oxidation and the removal of the oxide film, it is possible to form porous silicon having a porosity / pore diameter / pore diameter distribution directly formed by chemical formation. In particular, the desired porosity
When forming porous silicon having a pore diameter / pore diameter distribution, a high hydrofluoric acid concentration and a large current density may be required. In such a case, porous silicon is once formed with a high hydrofluoric acid concentration and a small current density, and then a porous silicon having a desired porosity, pore diameter, and pore diameter distribution is obtained by a combination of the above-described partial oxidation and oxide film removal steps. Can be converted to
【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。Although it depends on the treatment method when removing the oxide film with dilute HF, when drying the porous silicon wet with the liquid, reduce the influence of the surface tension of the liquid and take care to prevent the destruction of the porous silicon structure. In this case, the pore size distribution width is particularly small,
If it exceeds 5%, porous silicon having very high porosity and uniform pore diameter can be obtained.
【0077】[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。As described above, according to the silicon substrate of the first aspect, the porosity of the band-shaped porous silicon region on one main surface side is set to 52 to 62%. When an optical waveguide is formed using high quality silicon, the upper surface of the core and the cladding surrounding the core can be positioned substantially in the same plane as the first surface of the silicon substrate. The silicon substrate with the core surface of the optical waveguide on the same plane as the first surface of the silicon substrate is used as an optical module substrate for mounting optical fibers and other optical elements, and for optical modules made by conventional thick film deposition and etching methods. This is extremely advantageous.
【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。Further, according to the silicon substrate of the second aspect, the depth of the silicon oxide region formed in a belt shape on one main surface side is b, and the depth of the silicon oxide region between the surface portion of the silicon oxide region and the one main surface of the silicon substrate is When the difference is c + d, (c + d) / b is ±
Since it is within the range of 6%, it is extremely advantageous for mounting optical fibers and other optical elements as an optical module substrate, as compared with an optical module formed by a conventional thick film deposition and etching method. It can significantly reduce the local stress included in the interface between silicon oxide and crystalline silicon, and can create a device that is stable in reliability and in which silicon oxide and crystalline silicon are in contact, especially an optical waveguide. Become.
【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。Further, according to the method for forming a silicon substrate according to the fourth aspect, the porous silicon is formed such that the current density at the interface between the growth tip of the porous silicon and the silicon substrate during the anodizing step is substantially constant. Since the formation current is increased in accordance with the growth degree of porous silicon, porous silicon with controlled porosity and pore diameter can be selectively formed in the silicon crystal. Further, it is possible to form multiple layers of porous silicon having the same porosity and different pore diameters, so that one of the multiple layers of porous silicon can be selectively doped with impurities. become. Further, it is possible to form a multilayer porous silicon having a preset porosity and pore diameter. According to this technique, porous silicon having a pore diameter and a porosity set according to an impurity substance to be treated and its doping concentration is formed, and one of these porous silicon layers is selectively doped with an impurity. A method is introduced to introduce critical porosity that minimizes volume fluctuation after oxidation of porous silicon. An optical waveguide is created using this method, and the upper surface of the core and the cladding surrounding the core can be positioned flush with the first surface of the silicon substrate. The silicon substrate with the core surface of the optical waveguide on the same plane as the first surface of the silicon substrate is used as an optical module substrate for mounting optical fibers and other optical elements, and for optical modules made by conventional thick film deposition and etching methods. It is advantageous in comparison. In addition, by using the method of the present invention, local stress included in the interface between silicon oxide and crystalline silicon can be significantly reduced, and a device in which silicon oxide and crystalline silicon are stable in terms of reliability, Above all, it is possible to create an optical waveguide.
【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。According to the method of forming a silicon substrate according to the tenth aspect, after forming a porous silicon region in the silicon substrate by anodizing treatment, an oxide film is formed on the surface of the porous silicon region. Can form a porous silicon region further reduced immediately after chemical formation. Further, by etching an oxide film formed on the surface of the porous silicon region, porous silicon having increased porosity and pore diameter can be formed. By the combination of the partial oxidation and the oxide film removing step, it is possible to provide a second method for forming porous silicon having desired porosity, pore diameter, and pore diameter distribution.
【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。1A and 1B are views showing a method of forming a silicon substrate according to claim 4, wherein FIG. 1A is a perspective sectional view, FIG. 1B is a view showing the formation current and the same current density, and FIG. It is a figure which shows the formation depth dependence of a pore diameter.
【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。FIGS. 2A and 2B are diagrams showing a method of forming a silicon substrate according to claim 5, wherein FIG. 2A is a cross-sectional view, FIG. It is a figure which shows the formation depth dependence of a pore diameter.
【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。FIG. 3 is a diagram showing an application form of a pulse current in the method for forming a silicon substrate according to claim 4 or 5;
【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。FIG. 4 is a view showing a cross-sectional shape after oxidizing a porous silicon region formed by the method of forming a silicon substrate according to claim 4;
【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。FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the porosity of porous silicon and the volume fluctuation after porous silicon oxidation.
【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。FIG. 6 is a diagram showing the porosity of porous silicon and the surface shape of silicon oxide.
【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。FIG. 7 is a view showing a basic structure of an optical waveguide formed using the silicon substrate according to claim 2;
【図8】導波路透過光のNFPの例を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating an example of an NFP of light transmitted through a waveguide.
【図9】スポットサイズの開口幅依存性を示す図であ
る。FIG. 9 is a diagram showing an aperture width dependency of a spot size.
【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。FIG. 10 is a view showing a basic concept of a method for forming a silicon substrate according to claims 1 and 2;
【図11】比較例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a comparative example.
【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。FIG. 12 is a view showing a cross-sectional shape after porous silicon oxidation according to a comparative example.
【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。FIG. 13 is a graph showing the dependency of the critical porosity on the concentration of added impurities.
【図14】不純物添加時の化成条件制御形態を示す図で
ある。FIG. 14 is a diagram illustrating a form of controlling chemical conversion conditions at the time of adding an impurity.
【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。FIG. 15 is a diagram showing a relationship between porosity and pore diameter assuming addition of impurities.
【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。16A is a diagram showing the relationship between the type and addition amount of impurities and the refractive index, and FIG. 16B is a diagram showing the relationship between the type and addition amount of impurities and the relative refractive index.
【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。FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the oxidation rate of porous silicon and the oxidation temperature.
【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。FIG. 18 is a diagram schematically showing partial oxidation of porous silicon.
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1: silicon substrate, 2: first surface of silicon substrate,
3: Mask layer, 4: Mask opening, 5: Porous silicon region, 6: One form of current control, 7: Si / porous silicon interface current density, 8: Porosity, 9: Pore diameter, 10: No. 1
Porous silicon region, 11: second porous silicon region, 12: non-acid concentration of the first chemical conversion liquid, 13: hydrofluoric acid concentration of the second chemical liquid, 14: first current control, 15: Second current control
Claims (11)
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。1. A silicon substrate in which a porous silicon region is formed in a strip shape on one main surface side, wherein the porous silicon region has a porosity of 52 to 62%.
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。2. In a silicon substrate in which a silicon oxide region is formed in a strip shape on one main surface side, a depth of the silicon oxide region is b with respect to one main surface of the silicon substrate.
(C + d) / b is within 6%, where c is the distance to the most concave portion of the surface of the silicon oxide region and d is the distance to the most convex portion of the surface of the silicon oxide region. Silicon substrate.
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。3. A silicon substrate having a silicon oxide region formed in a strip shape on one principal surface side, wherein the silicon oxide region has a first region having a predetermined refractive index, and the silicon substrate in the first region has a predetermined refractive index. 3. The silicon substrate according to claim 2, further comprising a second silicon oxide region located outside in the inside and having a lower refractive index than the first region. 4.
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。4. A method in which a silicon substrate is covered with a partially opened mask layer, immersed in a chemical conversion solution, a formation current is applied, and a part of the silicon substrate is anodized from a portion where the mask layer is removed. In the method for forming a silicon substrate in which a porous silicon region is formed in a band shape in the silicon substrate, a current density at an interface between the growth front end of the porous silicon region and the silicon substrate during the anodizing step is substantially constant. Wherein the formation current is changed in accordance with the degree of growth of the porous silicon region.
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。5. The silicon substrate is immersed in a chemical solution having a predetermined hydrofluoric acid concentration to form at a predetermined current density a predetermined region of the porous silicon region, and then the hydrofluoric acid concentration and the current density are changed. 5. The method according to claim 4, wherein the remaining porous silicon region is formed.
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。6. The method according to claim 4, wherein the formation current is a pulse current.
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。7. The method according to claim 4, wherein the formation current is a pulse current, and the application time per unit pulse and / or the repetition time thereof are changed with the growth of the porous silicon region. Item 6. The method for forming a silicon substrate according to Item 5.
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。8. An opening width of the mask layer is 0.1 to 20 μm.
The method for forming a silicon substrate according to claim 4, wherein m is m.
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。9. The formation depth in the silicon substrate is 50 μm.
The distance is within m.
3. The method for forming a silicon substrate according to item 1.
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。10. A silicon substrate, which is covered with a partially open mask layer, immersed in a chemical conversion solution, a formation current is applied, and the silicon substrate is anodized from a portion where the mask layer is removed. In a method of forming a silicon substrate for forming a porous silicon region in a part of the inside,
A method for forming a silicon substrate, comprising: forming an oxide film on a surface of the porous silicon region after forming the porous silicon region.
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。11. The method according to claim 10, further comprising a step of removing the oxide film.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15752598A JPH11242125A (en) | 1997-12-24 | 1998-06-05 | Silicon substrate and its formation |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9-355848 | 1997-12-24 | ||
JP35584897 | 1997-12-24 | ||
JP15752598A JPH11242125A (en) | 1997-12-24 | 1998-06-05 | Silicon substrate and its formation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11242125A true JPH11242125A (en) | 1999-09-07 |
Family
ID=26484942
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP15752598A Pending JPH11242125A (en) | 1997-12-24 | 1998-06-05 | Silicon substrate and its formation |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JPH11242125A (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2002093775A (en) * | 2000-03-10 | 2002-03-29 | Interuniv Micro Electronica Centrum Vzw | Method for formation and lift-off of porous silicon layer |
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WO2006035893A1 (en) * | 2004-09-30 | 2006-04-06 | Hamamatsu Photonics K.K. | Silicon substrate processing method |
JP2020204642A (en) * | 2019-06-14 | 2020-12-24 | 古河電気工業株式会社 | Light source module |
JP2022130562A (en) * | 2019-06-14 | 2022-09-06 | 古河電気工業株式会社 | light source module |
-
1998
- 1998-06-05 JP JP15752598A patent/JPH11242125A/en active Pending
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JPWO2006035893A1 (en) * | 2004-09-30 | 2008-05-15 | 浜松ホトニクス株式会社 | Silicon substrate processing method |
JP4654195B2 (en) * | 2004-09-30 | 2011-03-16 | 清一 永田 | Silicon substrate processing method |
JP2020204642A (en) * | 2019-06-14 | 2020-12-24 | 古河電気工業株式会社 | Light source module |
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