JP4514964B2 - 光学用シリコン層を基板上に形成する方法および該方法による光学素材の製造方法 - Google Patents
光学用シリコン層を基板上に形成する方法および該方法による光学素材の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、光学用シリコン層を基板上に形成する方法および当該方法による光学素材の製造方法への種々の適用に関する。
光学用のシリコン層とは光の伝播、反射、伝達および／又は発生に関する光学素材を言う。
本発明は、特にブラッグミラーのような反射鏡および光学エミッタマイクロキャビティセルの製造への適用に関する。
【０００２】
【従来技術】
電子回路の製造においてシリコンは広く使用されている。
しかし、光学の分野においては、シリコンの間接禁止帯域のためにシリコンからの放射は極めて微弱であり、したがってシリコンを発光素材として使用することは不可能である。
現在、市場ではシリコンベースの光照射装置は知られていない。
しかし、シリコン関連の技術は非常に開発が進んでおり、安価に入手できることを考えるとシリコンによる発光装置を使用することには利点があるということができる。
さらに、光学的素材と電子的素材を組み合わせて電子回路に使用することも可能なはずである。
【０００３】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体は主としてマイクロキャビティの製造のための用途が知られているが、他の半導体については他の用途が多く知られている。マイクロキャビティは作用する光の半波長の１ないしは整数倍の層厚を有する層状の活性媒質を、第１と第２のミラーの間に挟んだ構造である。
本明細書の最後に掲載した文献(1)は、エルビウムでドープされたファブリ−ペロー型のアモルファスシリカベースマイクロキャビティの製造方法に関するものである。
マイクロキャビティは２つのブラッグミラーに挟持されている。
このマイクロキャビティの製造において使用されている材料がアモルファスであるために、光の照射特性には大きな限界がある。一方、希土類イオンが使用されているのでこの種のマイクロキャビティを使用することが可能になる。
【０００４】
本明細書の末尾で同様に参照されている文献(2)は、結晶性ブラッグミラーの製造方法を開示するものである。当該方法は、基本的に、基板上でのシリコンの成長、および酸素注入、次にシリコンによる酸化シリコン層の被覆からなるものである。この操作を繰り返すことによって、複数の周期を有するブラッグミラーを得ることができる。
【０００５】
しかし、この方法は基本的にＳＩＭＯＸ（酸化層による分離)と呼ばれる方法によっているが、この方法は電子産業においては使用されていない方法であることは明らかである。
【０００６】
【発明の要旨】
本発明の目的はシリコン層の形成方法、特に光学用の素材、特にマイクロキャビティ光源を製造するためのシリコン結晶の製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、特に光学素材を製造するための同様の方法を廉価に提案することである。
【０００７】
他の目的は、ブラッグミラーおよびマイクロキャビティ光源の製造のために上記の製造方法を適用することを提案することである。
これらの目的を達成するために、本発明の目的は、より具体的に言えば基板上に光学用に所定の層厚を有するシリコン層を形成する方法を提供することである。本発明に従えば、当該方法は以下のステップを記載の順序で有する：
ａ)既に他の層が形成されているかあるいは形成されていない基板に、表面に該表面とほぼ平行な剥離領域によって区画された所定の層厚よりも厚いか薄い表面層を有し、表面が結合工程において基板と接触する酸化シリコン層によって覆われたシリコンブロックを分子結合させ
ｂ)基板に接着された表面から、シリコンブロックを前記剥離領域において剥離させて表層を基板に残し、
ｃ)前記所定の層厚になるまで表面層の板厚を減少（増大)させる。
分子接合とは、接着剤の挿入なしで接触する表面間において分子間接合を伴う接合を言う。
【０００８】
剥離技術の使用は電子技術の分野では広く知られており、例えば、本明細書の最後で参照した文献(3)に記載されている。当該方法はシリコン層、特にシリコンと同じ結晶格子又は結晶構造を有しない基板上にシリコン結晶を製造するために有効な方法である。
【０００９】
本発明に基づく方法は、上述のような限界にもかかわらず、光学分野に剥離を導入した方法である。
【００１０】
本発明の１つの利用方法によれば、ステップａ)における表面層の層厚は所定の層厚より大きい。この場合は、ステップｃ)は機械的、化学的または機械−化学的方法によって層厚を減少させる工程である。
特に、シリコン層は、研磨又は当該層の酸化とエッチングによる酸化層の選択的除去によって厚さを減少させることができる。
【００１１】
第２の可能性によれば、剥離層によって表面に区画が形成されたシリコンブロックは又ステップａ)において表層の層厚が所定の厚さよりも薄いものを使用することも可能である。この場合、表層の厚さはステップｃ)において結晶成長によって増大させることができる。
【００１２】
例えば、結晶成長は気層エピタキシャル法のような方法で行うことができる。結合ステップの前に、シリコンブロックの１つの表面から水素注入を行って当該表面に概略平行な面に容易に崩壊する領域を形成することで剥離層を作っておくことができる。注入時のエネルギーは、どの製造方法を選択するかによって、所定の層厚よりも深いあるいは浅い位置に剥離層を形成するように調節することができる。
【００１３】
この場合、所定の層厚とは、必要な光学特性を得るために必要なシリコン層の厚さである。例えば、当該層厚はλ／４ｎsと同一又はこれに比例する厚さであり、ここでλは発生又は受ける光の波長、ｎsはシリコンの屈折率である。
発明の好ましい１態様によれば、酸化シリコン層をシリコンブロック上、厳密に言えば注入を行う表面に形成する。該表面は、好ましくは注入の前に形成され、次に本発明に基づく分子結合工程で基板と接触する。
【００１４】
本発明の１つの適用例は、基板上に波長λのブラッグミラーを製造する方法への適用である。この方法によれば、光学的な層厚がλ／４ｎ0である酸化シリコン層を少なくとも1つ含む積層構造を形成する、ここにおいてｎ0は光学的な層厚がλ／４ｎsである少なくとも１つの酸化シリコン層の屈折率、ここでｎsはシリコンの屈折率、シリコン層は上記の方法で製造されたものとする。
【００１５】
例えば、酸化シリコン層は上述の方法で注入までにシリコンブロックに形成されたものであっても良い。
ブラッグミラーは複数の周期、換言すれば、酸化シリコン層と交互に積層された複数のシリコン層を有するのが好ましい。
例えば、酸化シリコン層は、プラズマによる化学蒸着（ＰＥＣＶＤ)を用いた化学蒸着法によって形成することができる。
【００１６】
本発明の他の適用は、波長λの光のための光学素材の製造方法であって、
−上述の方法によってブラッグミラーを製造し、
−結晶成長法によってブラッグミラーの上に活性材料層を形成してキャビティを形成し、
−キャビティの上部に第２のミラーを形成する方法である。
活性物質は純粋なシリコン結晶又はエルビウムやネオディミウムからなる不純物を活性エレメントとして含有する物質であっても良い。
【００１７】
活性物質は、また、クアンティックボックス状（quantic box structure)または異なる材料からなる複数の層構造を有する積層構造の薄層状のＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣあるいはＳｉＣ合金であってもよい。
クアンティックボックス状構造とは、第１の材料からなる基材にごく微量の第２の材料を含有する媒質であり、第２の材料の禁止帯域幅は第１の材料の禁止帯域幅よりも狭い。例えば、キャビティ材料は気層成長又は分子ジェット法によって形成することができる。これらの層厚又は少なくともキャビティの層厚は、作用する光の波長の関数である必要な光学層厚と一致するように調整される。
【００１８】
キャビティを覆う第２のミラーは、単純な金属製のミラーでもよいが、好ましくは既に述べた方法によって製造されるブラッグミラーである。
制御された厚さを有するシリコン層を移動させる手法は、光学エミッタのキャビティの製造にも使用することができる。
【００１９】
光学エミッタの製造方法は、
−基板上への第１のブラッグミラーの形成と、
−ブラッグミラー上の酸化シリコン層の前述の方法によって形成したシリコン層による被覆、
−シリコン層上への第２のミラーの形成を含む方法である。
ミラーはシリコン層と直接接触するように形成してもよいし、他の中間層によって分離されていても良い。
【００２０】
酸化シリコン層はシリコン層を移動させる前に第１のブラッグミラー上に形成されても良い。しかし、好ましくは、酸化シリコン層はシリコン層の表面に直接、換言すればシリコンブロック上に直接、形成される。
前述の実施例においては、第２のミラーは従来型のミラー、例えば、金属層で有ってもよいし、前述の方法で形成されたブラッグミラーであっても良い。
本発明の上記以外の特徴と長所は、添付の図面を参照して行う以下の記載によって明らかになる。記述は純粋に理解を助けるためのものであって、いかなる意味においても限定的に用いられるものではない。
【００２１】
【実施例】
説明を簡単にするために、図面において同一、同様又は等価な部分には同じ参照番号を付与することにする。さらに、以下の説明は、λで表される所定の作用波長又は中心波長に対応する部品、装置、素材の製造に関連するものである。
【００２２】
水素イオンＨ+注入を行ったシリコン単結晶２０ａのブロックを図１に示す。注入は図において矢印で表されている。
注入は、ブロック２０ａ内の所定の深さに、剥離領域と称する破砕領域２１を作り出すのに必要十分な密度とエネルギーで行う。
【００２３】
剥離領域はシリコンブロックの中の表面層２２ａを区画する。剥離領域の、注入エネルギーによって決定される深さは、光学的な目的によって決定されるシリコン層の層厚よりも大きな厚さである。
したがって、層厚がλ／４ｎsの層を形成するには、ここでｎsはシリコンの屈折率とする、注入深さおよび表層２２ａの層厚はこの値以上に設定される。
【００２４】
図１にはブロック２０ａの表層２２ａが酸化シリコンの第１の層１２ａによって被覆された様子が示されている。例えば、酸化シリコン層の層厚はλ／４ｎ0、ｎ0は酸化シリコンの屈折率、とすることができる。酸化シリコンの層は化学蒸着又はシリコンブロック２０ａのシリコンの高温酸化によって形成することが可能である。
【００２５】
第１の酸化シリコン層１２ａの層厚は、例えば化学エッチング又は機械−化学エッチングによって調節することができる。
図１に示されている酸化シリコン層１２ａの自由表面１３と基板の自由表面(図示せず)は、次の分子結合を可能にするための前処理を行う。例えば、前処理は化学洗浄である。
基板はプラットフォーム１０によって形成される。この基板は、単一の層からなるか、異なる材料からなる積層構造であっても良い。
【００２６】
図２に示した例の場合、基板はシリコン、ガラス又は水晶のブロックである。
図２に示した分子結合はシリコンブロック２０ａと酸化シリコン層１２ａを基板１０の上に移して、酸化シリコン層１２ａとプラットフォーム１０の表面を接触させる。
図３に示した次の工程は、シリコンブロック２０ａを予め注入によって形成した剥離面から剥離させる工程である。
剥離は熱処理によって補助されても良い。
【００２７】
剥離が終了した後、表層２２がプラットフォーム１０に酸化シリコン層１２ａによって固定されている。
表面からはがされたシリコンブロック２０ａは、別の剥離層を形成するために新たなイオン注入を行っても良い。さらに上述のような工程によって可能である。
【００２８】
図４は、プラットフォーム１０、酸化層１２ａおよび表層２２から構成される複合体を示す。図４に示された複合体は図３のものに比較すると上下が逆転している。矢印２４は表層の厚さ調節のために行われる処理を示している。
図に示した例の場合、表層２２の最初の時点における層厚は必要な層厚よりも大きい。したがって、層厚の調整処理は層厚を薄くする処理である。この処理は研磨又は表層の酸化とエッチングによる酸化層の除去の繰り返しによって行うことができる。
【００２９】
本方法の１変形例によれば、表層は必要な厚さよりも薄い厚さにすることもできる；この場合は、剥離領域はシリコンブロックのλ／４ｎsよりも小さな深さに形成する。
この場合、図４に示した厚さの調整ステップは、層厚を増加させる処理である。この処理は、表層上にシリコンを成長させることによって実施することができる。
特別な光学素材又は装置を製造するためには上述の手法を繰り返し用いることができる。以下に例を示す。
【００３０】
図５は、シリコン単結晶のブロック２０ｂ上に酸化シリコン層１２ｂを形成する様子を示したものである。図１に示したブロック２０ａと同じように、シリコンブロック２０ｂには剥離領域２１が形成されている。剥離領域は水素イオンの注入によって形成される。
さらに、新しい酸化シリコン層１２ｂを形成する方法は、第１の酸化シリコン層１２ａを形成する方法と同じである。
新しい酸化シリコン層の厚さも、λ／４ｎ0に調整される。
【００３１】
図６は、図５に示したシリコンブロックを図４に示した構造体に移転する様子を示す。
シリコンブロック２０ｂを被覆する酸化シリコン表層１２ｂの表面をこの処理の前に既に調整されているシリコン層２２ｂの表面に接触させて、分子結合によって接合する。
この構造体の場合、プラットフォーム１０、酸化シリコンの第１層１２ａ、および第１のシリコン層２２ａからなる複合体を新たにＳｉＯ2／Ｓｉ交互層を形成する際の基板として使用する。
【００３２】
別の剥離層によってブロック２０ｂと接触する酸化シリコン層１２ｂに接触した表層２２ｂとが剥離する。
表層シリコン層２２ｂの厚さ調節によって図７に示したような構造体が得られる。
この構造体は、酸化シリコンと酸化物が交互に積層された複数の層がプラットフォーム１０の上に形成された構造を有する。符号３０で参照するこの積層構造はブラッグミラーを構成する。
必要な反射特性に応じて、ブラッグミラー内のＳｉＯ2／Ｓｉ交互層の数は上述の処理を繰り返すことによって増加させることができることは明らかである。
【００３３】
図８は、図７に示したブラッグミラー３０を有する光学素材の製造方法を示すものである。
図８に示した製造ステップは、シリコン２２ｂの最後の表面上に活性材料からなる光学キャビティ３４の形成を含む。
キャビティ３４は、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣ、ＳｉＣから選択された材料を成長させることによって製造可能である。これらの材料はエルビウムのような活性エレメントを形成するドーピング不純物を含有することもできる。
【００３４】
キャビティは固体状のブロック、１つ以上の薄層、又はクアンティックボックス構造あるいは上述の材料から選択された異なる材料を積層した積層構造の形状であってもよい。厚さ調節は、作用させる光の波長λに応じて材料の成長を調節することによって得ることができる。
例えば、シリコンキャビティは極く薄いシリコンとＳｉＧｅ合金の層を有するものであっても良い。ＳｉＧｅの層は５ｎｍのオーダーの厚さを有し、結晶格子の不整合による変位を生じておらず、クアンティックウエルを形成する。
【００３５】
同様に、シリコン層ときわめて薄いゲルマニウム層の間の格子不整合は、クアンティックボックスを形成するゲルマニウムのアイランドを形成することになる。このアイランドが、キャビティ３４の発光特性を大幅に増大する。
【００３６】
図９に示したように、キャビティ３４に第２のミラー３６を設けることによって光学素材が完成する。
例えば、第２のミラー３６はプラズマ化学蒸着(ＰＥＣＶＤ)によって作成したＳｉＯ2／Ｓｉからなる従来型のブラッグミラーであっても良い。
第２のミラー３６は、前述した第１のブラッグミラー３０の製造方法によって製造したものでも良い。
最後に、第２のミラー３６は、金属層を沈積した従来の金属ミラーであっても良い。この種の沈積は、蒸着によって行うことができる。
【００３７】
図１０ないし１２は、本発明のほかの実施例について示したものである。
図１０は、シリコンプラットフォーム１０にミラー３０を形成する第１のステップを示す。
ミラー３０は図７に示したようなブラッグミラーか図９に示したミラー３６のような別の種類のミラーであっても良い。
【００３８】
図１１に示した第２のステップは、第１のミラー上に酸化シリコン層３１とシリコン層３２とを形成するステップを含む。
シリコン層３２は、表面層が形成されたシリコンブロックからとられたものである。このブロックは、酸化シリコン層によって覆われたものであっても良い。場合によっては酸化シリコン層で覆われたシリコン層は、次に図２および３に示された方法によって移転される。
【００３９】
酸化シリコン層３１は第１のミラー３０上に直接形成した後にシリコン層３２を移転するものであっても良い。
しかし、移転されたシリコン層３２の層厚は選択された波長に対応する光学的な厚さに調整されたものではない。
この場合は、光学キャビティを製造するために活性材料を後に成長させるための基板として使用される。したがって、シリコン層３２の層厚は好ましくは非常に小さいものである。例えば、その厚さは５から２００ｎｍの範囲である。
【００４０】
図１２は、上述の光学キャビティ３４からの活性材料の成長を示すものである。
光学的な厚さを調整する目的のためには、シリコン層３２はキャビティ３４の一部を構成するものと仮定しても良い。
最後に、キャビティを図９に示したミラーと同様の第２のミラーで被覆する。
【００４１】
図１３と１５は光学素材を製造するための本発明の別の実施例を示すものである。
図１３と１４とは同様の製造工程によって得られた図１０と１１に示す構造と凡そ同一の構造を示すものである。したがって、ここではこの構造についてのより詳細な説明は省略する。
しかし、第１のミラー３０に移転され酸化シリコン層３１を被覆したたシリコン層３２が図１１に示された層に比較して格段に厚いことが見て取れる。
シリコンブロックの中の剥離領域の深さに依存するシリコン層３２の厚さは、光学素材に使用するための光学的な厚さよりも厚く選択される。
【００４２】
シリコン層３２の厚さは研磨又はエッチングされて調整されることで、光学キャビティを形成する。
このキャビティは図１５に示す第２のミラー３６によって覆われる。
上述の素材は、基板上で、互いに組み合わされあるいは他の光学又は電子的な素材と組み合わせられる。
【００４３】
同様に、上述の素材用の光学キャビティがライトエミッタとして使用される場合、既知の光学的又は電子的なポンピング手段と共に使用される。
【００４４】
参考文献
明細書において参照した技術的な背景を開示した文献を以下に記載する。
(１) Ushikawa Yukari他、「繰り返し酸素注入による分離によるエピタキシャル成長に適したＳｉ／ＳｉＯ2ブラッグ反射鏡」、応用物理レター、69(25),1996年12月16日
(２)フランス特許公開公報ＦＲ−Ａ−２６８１４７２
(３) E. F. Schubert他、「ＥｒドープされたＳｉ／ＳｉＯ2共鳴キャビティの発光強度の大幅な改良」、応用物理レター、61(12)、1992年9月21日
(4) Richard A. Soref、「シリコン インターサブバンド レーザ」、超格子とマイクロ構造、vol. 23, No. 2、1998年
(5) Richard A. Soref、「新規なＳｉベースの電子光学装置の可能性：ユニポーラおよびp-i-p-iレーザ」、シン ソリッド フィルム、294、ｐｐ325−329、1997年
(6) Tajima Michio他、「紫外線励起によるフォトルミニセンスによるシリコン絶縁ウエハのボンドとエッチバック特性」、応用物理レター、70(2)、1977年1月13日
(7) Michio Tajima他、「絶縁層上のシリコンにおける電子ホールの密集に起因する発光」、応用物理学会誌, Vol 84, No. 4,1998年8月15日
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、剥離領域が形成されたシリコンブロックの断面の模式図である。
【図２】 図２は、図1に示した構造を基板上に移動させた構造体の模式的断面図である。
【図３】 図３は、図2に示した構造体の剥離層を剥離させた後の様子を模式的に示す断面図である。
【図４】 図４は、図3に示した構造体に対して最終処理を施した状態を模式的に示した断面図である。
【図５】 図５は、図４に示した構造体に対して、Ｓｉ／ＳｉＯ2からなる積層体を形成する製造方法を模式的に示す断面図である。
【図６】 図６は、図４に示した構造体に対して、Ｓｉ／ＳｉＯ2からなる積層体を形成する製造方法を模式的に示す断面図である。
【図７】 図７は、図６に示した工程によって得られた積層構造体にマイクロキャビティエミッタモジュールを製造する工程を示した模式的断面図である。
【図８】 図８は、図６に示した工程によって得られた積層構造体にマイクロキャビティエミッタモジュールを製造する工程を示した模式的断面図である。
【図９】 図９は、図６に示した工程によって得られた積層構造体にマイクロキャビティエミッタモジュールを製造する工程を示した模式的断面図である。
【図１０】 図１０は、他のマイクロキャビティエミッタモジュールの製造工程を模式的に示した断面図である。
【図１１】 図１１は、他のマイクロキャビティエミッタモジュールの製造工程を模式的に示した断面図である。
【図１２】 図１２は、他のマイクロキャビティエミッタモジュールの製造工程を模式的に示した断面図である。
【図１３】 図１３は、さらに他のマイクロキャビティエミッタモジュールの製造工程を模式的に示した断面図である。
【図１４】 図１４は、さらに他のマイクロキャビティエミッタモジュールの製造工程を模式的に示した断面図である。
【図１５】 図１５は、さらに他のマイクロキャビティエミッタモジュールの製造工程を模式的に示した断面図である。
【発明が属する技術分野】
本発明は、光学用シリコン層を基板上に形成する方法および当該方法による光学素材の製造方法への種々の適用に関する。
光学用のシリコン層とは光の伝播、反射、伝達および／又は発生に関する光学素材を言う。
本発明は、特にブラッグミラーのような反射鏡および光学エミッタマイクロキャビティセルの製造への適用に関する。
【０００２】
【従来技術】
電子回路の製造においてシリコンは広く使用されている。
しかし、光学の分野においては、シリコンの間接禁止帯域のためにシリコンからの放射は極めて微弱であり、したがってシリコンを発光素材として使用することは不可能である。
現在、市場ではシリコンベースの光照射装置は知られていない。
しかし、シリコン関連の技術は非常に開発が進んでおり、安価に入手できることを考えるとシリコンによる発光装置を使用することには利点があるということができる。
さらに、光学的素材と電子的素材を組み合わせて電子回路に使用することも可能なはずである。
【０００３】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体は主としてマイクロキャビティの製造のための用途が知られているが、他の半導体については他の用途が多く知られている。マイクロキャビティは作用する光の半波長の１ないしは整数倍の層厚を有する層状の活性媒質を、第１と第２のミラーの間に挟んだ構造である。
本明細書の最後に掲載した文献(1)は、エルビウムでドープされたファブリ−ペロー型のアモルファスシリカベースマイクロキャビティの製造方法に関するものである。
マイクロキャビティは２つのブラッグミラーに挟持されている。
このマイクロキャビティの製造において使用されている材料がアモルファスであるために、光の照射特性には大きな限界がある。一方、希土類イオンが使用されているのでこの種のマイクロキャビティを使用することが可能になる。
【０００４】
本明細書の末尾で同様に参照されている文献(2)は、結晶性ブラッグミラーの製造方法を開示するものである。当該方法は、基本的に、基板上でのシリコンの成長、および酸素注入、次にシリコンによる酸化シリコン層の被覆からなるものである。この操作を繰り返すことによって、複数の周期を有するブラッグミラーを得ることができる。
【０００５】
しかし、この方法は基本的にＳＩＭＯＸ（酸化層による分離)と呼ばれる方法によっているが、この方法は電子産業においては使用されていない方法であることは明らかである。
【０００６】
【発明の要旨】
本発明の目的はシリコン層の形成方法、特に光学用の素材、特にマイクロキャビティ光源を製造するためのシリコン結晶の製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、特に光学素材を製造するための同様の方法を廉価に提案することである。
【０００７】
他の目的は、ブラッグミラーおよびマイクロキャビティ光源の製造のために上記の製造方法を適用することを提案することである。
これらの目的を達成するために、本発明の目的は、より具体的に言えば基板上に光学用に所定の層厚を有するシリコン層を形成する方法を提供することである。本発明に従えば、当該方法は以下のステップを記載の順序で有する：
ａ)既に他の層が形成されているかあるいは形成されていない基板に、表面に該表面とほぼ平行な剥離領域によって区画された所定の層厚よりも厚いか薄い表面層を有し、表面が結合工程において基板と接触する酸化シリコン層によって覆われたシリコンブロックを分子結合させ
ｂ)基板に接着された表面から、シリコンブロックを前記剥離領域において剥離させて表層を基板に残し、
ｃ)前記所定の層厚になるまで表面層の板厚を減少（増大)させる。
分子接合とは、接着剤の挿入なしで接触する表面間において分子間接合を伴う接合を言う。
【０００８】
剥離技術の使用は電子技術の分野では広く知られており、例えば、本明細書の最後で参照した文献(3)に記載されている。当該方法はシリコン層、特にシリコンと同じ結晶格子又は結晶構造を有しない基板上にシリコン結晶を製造するために有効な方法である。
【０００９】
本発明に基づく方法は、上述のような限界にもかかわらず、光学分野に剥離を導入した方法である。
【００１０】
本発明の１つの利用方法によれば、ステップａ)における表面層の層厚は所定の層厚より大きい。この場合は、ステップｃ)は機械的、化学的または機械−化学的方法によって層厚を減少させる工程である。
特に、シリコン層は、研磨又は当該層の酸化とエッチングによる酸化層の選択的除去によって厚さを減少させることができる。
【００１１】
第２の可能性によれば、剥離層によって表面に区画が形成されたシリコンブロックは又ステップａ)において表層の層厚が所定の厚さよりも薄いものを使用することも可能である。この場合、表層の厚さはステップｃ)において結晶成長によって増大させることができる。
【００１２】
例えば、結晶成長は気層エピタキシャル法のような方法で行うことができる。結合ステップの前に、シリコンブロックの１つの表面から水素注入を行って当該表面に概略平行な面に容易に崩壊する領域を形成することで剥離層を作っておくことができる。注入時のエネルギーは、どの製造方法を選択するかによって、所定の層厚よりも深いあるいは浅い位置に剥離層を形成するように調節することができる。
【００１３】
この場合、所定の層厚とは、必要な光学特性を得るために必要なシリコン層の厚さである。例えば、当該層厚はλ／４ｎsと同一又はこれに比例する厚さであり、ここでλは発生又は受ける光の波長、ｎsはシリコンの屈折率である。
発明の好ましい１態様によれば、酸化シリコン層をシリコンブロック上、厳密に言えば注入を行う表面に形成する。該表面は、好ましくは注入の前に形成され、次に本発明に基づく分子結合工程で基板と接触する。
【００１４】
本発明の１つの適用例は、基板上に波長λのブラッグミラーを製造する方法への適用である。この方法によれば、光学的な層厚がλ／４ｎ0である酸化シリコン層を少なくとも1つ含む積層構造を形成する、ここにおいてｎ0は光学的な層厚がλ／４ｎsである少なくとも１つの酸化シリコン層の屈折率、ここでｎsはシリコンの屈折率、シリコン層は上記の方法で製造されたものとする。
【００１５】
例えば、酸化シリコン層は上述の方法で注入までにシリコンブロックに形成されたものであっても良い。
ブラッグミラーは複数の周期、換言すれば、酸化シリコン層と交互に積層された複数のシリコン層を有するのが好ましい。
例えば、酸化シリコン層は、プラズマによる化学蒸着（ＰＥＣＶＤ)を用いた化学蒸着法によって形成することができる。
【００１６】
本発明の他の適用は、波長λの光のための光学素材の製造方法であって、
−上述の方法によってブラッグミラーを製造し、
−結晶成長法によってブラッグミラーの上に活性材料層を形成してキャビティを形成し、
−キャビティの上部に第２のミラーを形成する方法である。
活性物質は純粋なシリコン結晶又はエルビウムやネオディミウムからなる不純物を活性エレメントとして含有する物質であっても良い。
【００１７】
活性物質は、また、クアンティックボックス状（quantic box structure)または異なる材料からなる複数の層構造を有する積層構造の薄層状のＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣあるいはＳｉＣ合金であってもよい。
クアンティックボックス状構造とは、第１の材料からなる基材にごく微量の第２の材料を含有する媒質であり、第２の材料の禁止帯域幅は第１の材料の禁止帯域幅よりも狭い。例えば、キャビティ材料は気層成長又は分子ジェット法によって形成することができる。これらの層厚又は少なくともキャビティの層厚は、作用する光の波長の関数である必要な光学層厚と一致するように調整される。
【００１８】
キャビティを覆う第２のミラーは、単純な金属製のミラーでもよいが、好ましくは既に述べた方法によって製造されるブラッグミラーである。
制御された厚さを有するシリコン層を移動させる手法は、光学エミッタのキャビティの製造にも使用することができる。
【００１９】
光学エミッタの製造方法は、
−基板上への第１のブラッグミラーの形成と、
−ブラッグミラー上の酸化シリコン層の前述の方法によって形成したシリコン層による被覆、
−シリコン層上への第２のミラーの形成を含む方法である。
ミラーはシリコン層と直接接触するように形成してもよいし、他の中間層によって分離されていても良い。
【００２０】
酸化シリコン層はシリコン層を移動させる前に第１のブラッグミラー上に形成されても良い。しかし、好ましくは、酸化シリコン層はシリコン層の表面に直接、換言すればシリコンブロック上に直接、形成される。
前述の実施例においては、第２のミラーは従来型のミラー、例えば、金属層で有ってもよいし、前述の方法で形成されたブラッグミラーであっても良い。
本発明の上記以外の特徴と長所は、添付の図面を参照して行う以下の記載によって明らかになる。記述は純粋に理解を助けるためのものであって、いかなる意味においても限定的に用いられるものではない。
【００２１】
【実施例】
説明を簡単にするために、図面において同一、同様又は等価な部分には同じ参照番号を付与することにする。さらに、以下の説明は、λで表される所定の作用波長又は中心波長に対応する部品、装置、素材の製造に関連するものである。
【００２２】
水素イオンＨ+注入を行ったシリコン単結晶２０ａのブロックを図１に示す。注入は図において矢印で表されている。
注入は、ブロック２０ａ内の所定の深さに、剥離領域と称する破砕領域２１を作り出すのに必要十分な密度とエネルギーで行う。
【００２３】
剥離領域はシリコンブロックの中の表面層２２ａを区画する。剥離領域の、注入エネルギーによって決定される深さは、光学的な目的によって決定されるシリコン層の層厚よりも大きな厚さである。
したがって、層厚がλ／４ｎsの層を形成するには、ここでｎsはシリコンの屈折率とする、注入深さおよび表層２２ａの層厚はこの値以上に設定される。
【００２４】
図１にはブロック２０ａの表層２２ａが酸化シリコンの第１の層１２ａによって被覆された様子が示されている。例えば、酸化シリコン層の層厚はλ／４ｎ0、ｎ0は酸化シリコンの屈折率、とすることができる。酸化シリコンの層は化学蒸着又はシリコンブロック２０ａのシリコンの高温酸化によって形成することが可能である。
【００２５】
第１の酸化シリコン層１２ａの層厚は、例えば化学エッチング又は機械−化学エッチングによって調節することができる。
図１に示されている酸化シリコン層１２ａの自由表面１３と基板の自由表面(図示せず)は、次の分子結合を可能にするための前処理を行う。例えば、前処理は化学洗浄である。
基板はプラットフォーム１０によって形成される。この基板は、単一の層からなるか、異なる材料からなる積層構造であっても良い。
【００２６】
図２に示した例の場合、基板はシリコン、ガラス又は水晶のブロックである。
図２に示した分子結合はシリコンブロック２０ａと酸化シリコン層１２ａを基板１０の上に移して、酸化シリコン層１２ａとプラットフォーム１０の表面を接触させる。
図３に示した次の工程は、シリコンブロック２０ａを予め注入によって形成した剥離面から剥離させる工程である。
剥離は熱処理によって補助されても良い。
【００２７】
剥離が終了した後、表層２２がプラットフォーム１０に酸化シリコン層１２ａによって固定されている。
表面からはがされたシリコンブロック２０ａは、別の剥離層を形成するために新たなイオン注入を行っても良い。さらに上述のような工程によって可能である。
【００２８】
図４は、プラットフォーム１０、酸化層１２ａおよび表層２２から構成される複合体を示す。図４に示された複合体は図３のものに比較すると上下が逆転している。矢印２４は表層の厚さ調節のために行われる処理を示している。
図に示した例の場合、表層２２の最初の時点における層厚は必要な層厚よりも大きい。したがって、層厚の調整処理は層厚を薄くする処理である。この処理は研磨又は表層の酸化とエッチングによる酸化層の除去の繰り返しによって行うことができる。
【００２９】
本方法の１変形例によれば、表層は必要な厚さよりも薄い厚さにすることもできる；この場合は、剥離領域はシリコンブロックのλ／４ｎsよりも小さな深さに形成する。
この場合、図４に示した厚さの調整ステップは、層厚を増加させる処理である。この処理は、表層上にシリコンを成長させることによって実施することができる。
特別な光学素材又は装置を製造するためには上述の手法を繰り返し用いることができる。以下に例を示す。
【００３０】
図５は、シリコン単結晶のブロック２０ｂ上に酸化シリコン層１２ｂを形成する様子を示したものである。図１に示したブロック２０ａと同じように、シリコンブロック２０ｂには剥離領域２１が形成されている。剥離領域は水素イオンの注入によって形成される。
さらに、新しい酸化シリコン層１２ｂを形成する方法は、第１の酸化シリコン層１２ａを形成する方法と同じである。
新しい酸化シリコン層の厚さも、λ／４ｎ0に調整される。
【００３１】
図６は、図５に示したシリコンブロックを図４に示した構造体に移転する様子を示す。
シリコンブロック２０ｂを被覆する酸化シリコン表層１２ｂの表面をこの処理の前に既に調整されているシリコン層２２ｂの表面に接触させて、分子結合によって接合する。
この構造体の場合、プラットフォーム１０、酸化シリコンの第１層１２ａ、および第１のシリコン層２２ａからなる複合体を新たにＳｉＯ2／Ｓｉ交互層を形成する際の基板として使用する。
【００３２】
別の剥離層によってブロック２０ｂと接触する酸化シリコン層１２ｂに接触した表層２２ｂとが剥離する。
表層シリコン層２２ｂの厚さ調節によって図７に示したような構造体が得られる。
この構造体は、酸化シリコンと酸化物が交互に積層された複数の層がプラットフォーム１０の上に形成された構造を有する。符号３０で参照するこの積層構造はブラッグミラーを構成する。
必要な反射特性に応じて、ブラッグミラー内のＳｉＯ2／Ｓｉ交互層の数は上述の処理を繰り返すことによって増加させることができることは明らかである。
【００３３】
図８は、図７に示したブラッグミラー３０を有する光学素材の製造方法を示すものである。
図８に示した製造ステップは、シリコン２２ｂの最後の表面上に活性材料からなる光学キャビティ３４の形成を含む。
キャビティ３４は、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣ、ＳｉＣから選択された材料を成長させることによって製造可能である。これらの材料はエルビウムのような活性エレメントを形成するドーピング不純物を含有することもできる。
【００３４】
キャビティは固体状のブロック、１つ以上の薄層、又はクアンティックボックス構造あるいは上述の材料から選択された異なる材料を積層した積層構造の形状であってもよい。厚さ調節は、作用させる光の波長λに応じて材料の成長を調節することによって得ることができる。
例えば、シリコンキャビティは極く薄いシリコンとＳｉＧｅ合金の層を有するものであっても良い。ＳｉＧｅの層は５ｎｍのオーダーの厚さを有し、結晶格子の不整合による変位を生じておらず、クアンティックウエルを形成する。
【００３５】
同様に、シリコン層ときわめて薄いゲルマニウム層の間の格子不整合は、クアンティックボックスを形成するゲルマニウムのアイランドを形成することになる。このアイランドが、キャビティ３４の発光特性を大幅に増大する。
【００３６】
図９に示したように、キャビティ３４に第２のミラー３６を設けることによって光学素材が完成する。
例えば、第２のミラー３６はプラズマ化学蒸着(ＰＥＣＶＤ)によって作成したＳｉＯ2／Ｓｉからなる従来型のブラッグミラーであっても良い。
第２のミラー３６は、前述した第１のブラッグミラー３０の製造方法によって製造したものでも良い。
最後に、第２のミラー３６は、金属層を沈積した従来の金属ミラーであっても良い。この種の沈積は、蒸着によって行うことができる。
【００３７】
図１０ないし１２は、本発明のほかの実施例について示したものである。
図１０は、シリコンプラットフォーム１０にミラー３０を形成する第１のステップを示す。
ミラー３０は図７に示したようなブラッグミラーか図９に示したミラー３６のような別の種類のミラーであっても良い。
【００３８】
図１１に示した第２のステップは、第１のミラー上に酸化シリコン層３１とシリコン層３２とを形成するステップを含む。
シリコン層３２は、表面層が形成されたシリコンブロックからとられたものである。このブロックは、酸化シリコン層によって覆われたものであっても良い。場合によっては酸化シリコン層で覆われたシリコン層は、次に図２および３に示された方法によって移転される。
【００３９】
酸化シリコン層３１は第１のミラー３０上に直接形成した後にシリコン層３２を移転するものであっても良い。
しかし、移転されたシリコン層３２の層厚は選択された波長に対応する光学的な厚さに調整されたものではない。
この場合は、光学キャビティを製造するために活性材料を後に成長させるための基板として使用される。したがって、シリコン層３２の層厚は好ましくは非常に小さいものである。例えば、その厚さは５から２００ｎｍの範囲である。
【００４０】
図１２は、上述の光学キャビティ３４からの活性材料の成長を示すものである。
光学的な厚さを調整する目的のためには、シリコン層３２はキャビティ３４の一部を構成するものと仮定しても良い。
最後に、キャビティを図９に示したミラーと同様の第２のミラーで被覆する。
【００４１】
図１３と１５は光学素材を製造するための本発明の別の実施例を示すものである。
図１３と１４とは同様の製造工程によって得られた図１０と１１に示す構造と凡そ同一の構造を示すものである。したがって、ここではこの構造についてのより詳細な説明は省略する。
しかし、第１のミラー３０に移転され酸化シリコン層３１を被覆したたシリコン層３２が図１１に示された層に比較して格段に厚いことが見て取れる。
シリコンブロックの中の剥離領域の深さに依存するシリコン層３２の厚さは、光学素材に使用するための光学的な厚さよりも厚く選択される。
【００４２】
シリコン層３２の厚さは研磨又はエッチングされて調整されることで、光学キャビティを形成する。
このキャビティは図１５に示す第２のミラー３６によって覆われる。
上述の素材は、基板上で、互いに組み合わされあるいは他の光学又は電子的な素材と組み合わせられる。
【００４３】
同様に、上述の素材用の光学キャビティがライトエミッタとして使用される場合、既知の光学的又は電子的なポンピング手段と共に使用される。
【００４４】
参考文献
明細書において参照した技術的な背景を開示した文献を以下に記載する。
(１) Ushikawa Yukari他、「繰り返し酸素注入による分離によるエピタキシャル成長に適したＳｉ／ＳｉＯ2ブラッグ反射鏡」、応用物理レター、69(25),1996年12月16日
(２)フランス特許公開公報ＦＲ−Ａ−２６８１４７２
(３) E. F. Schubert他、「ＥｒドープされたＳｉ／ＳｉＯ2共鳴キャビティの発光強度の大幅な改良」、応用物理レター、61(12)、1992年9月21日
(4) Richard A. Soref、「シリコン インターサブバンド レーザ」、超格子とマイクロ構造、vol. 23, No. 2、1998年
(5) Richard A. Soref、「新規なＳｉベースの電子光学装置の可能性：ユニポーラおよびp-i-p-iレーザ」、シン ソリッド フィルム、294、ｐｐ325−329、1997年
(6) Tajima Michio他、「紫外線励起によるフォトルミニセンスによるシリコン絶縁ウエハのボンドとエッチバック特性」、応用物理レター、70(2)、1977年1月13日
(7) Michio Tajima他、「絶縁層上のシリコンにおける電子ホールの密集に起因する発光」、応用物理学会誌, Vol 84, No. 4,1998年8月15日
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、剥離領域が形成されたシリコンブロックの断面の模式図である。
【図２】 図２は、図1に示した構造を基板上に移動させた構造体の模式的断面図である。
【図３】 図３は、図2に示した構造体の剥離層を剥離させた後の様子を模式的に示す断面図である。
【図４】 図４は、図3に示した構造体に対して最終処理を施した状態を模式的に示した断面図である。
【図５】 図５は、図４に示した構造体に対して、Ｓｉ／ＳｉＯ2からなる積層体を形成する製造方法を模式的に示す断面図である。
【図６】 図６は、図４に示した構造体に対して、Ｓｉ／ＳｉＯ2からなる積層体を形成する製造方法を模式的に示す断面図である。
【図７】 図７は、図６に示した工程によって得られた積層構造体にマイクロキャビティエミッタモジュールを製造する工程を示した模式的断面図である。
【図８】 図８は、図６に示した工程によって得られた積層構造体にマイクロキャビティエミッタモジュールを製造する工程を示した模式的断面図である。
【図９】 図９は、図６に示した工程によって得られた積層構造体にマイクロキャビティエミッタモジュールを製造する工程を示した模式的断面図である。
【図１０】 図１０は、他のマイクロキャビティエミッタモジュールの製造工程を模式的に示した断面図である。
【図１１】 図１１は、他のマイクロキャビティエミッタモジュールの製造工程を模式的に示した断面図である。
【図１２】 図１２は、他のマイクロキャビティエミッタモジュールの製造工程を模式的に示した断面図である。
【図１３】 図１３は、さらに他のマイクロキャビティエミッタモジュールの製造工程を模式的に示した断面図である。
【図１４】 図１４は、さらに他のマイクロキャビティエミッタモジュールの製造工程を模式的に示した断面図である。
【図１５】 図１５は、さらに他のマイクロキャビティエミッタモジュールの製造工程を模式的に示した断面図である。
Claims (15)
- 光学素子中の基板（１０)上にシリコン層（２２ａ、２２ｂ、３２、３４)を所定の光学的層厚で形成する方法であって：
ａ)既に他の層が形成されているかあるいは形成されていない基板に、表面に該表面とほぼ平行な剥離領域（２１)によって区画された所定の層厚よりも厚い又は個別に薄い表面層（２２ａ、２２ｂ、３２、３４)を有し、表面が結合工程において基板と接触する酸化シリコン層（１２ａ、１２ｂ)によって覆われたシリコンブロックを分子結合させ、当該分子結合が接着剤の挿入なしで接触する表面間における分子結合を含み、
ｂ)基板に接着された表面から、シリコンブロックを前記剥離領域において剥離させて表層を基板に残し、
ｃ)前記所定の層厚になるまで表面層の板厚を減少又は個々に増大させることを特徴とする光の伝播、反射、伝達および／又は発生に関するシリコン層の製造方法。 - ステップａ)における表面層（２２ａ、２２ｂ)の層厚は所定の層厚より大きく、ステップｃ)の層厚減少工程は酸化とエッチングあるいは研磨のうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1に記載のシリコン層の製造方法。
- ステップａ)におけるシリコンブロック（２０ａ、２０ｂ)の表面層（２２ａ、２２ｂ)の層厚は所定の層厚より小さく、ステップｃ)において結晶成長によって表面層の層厚を増大させることを特徴とする請求項1に記載のシリコン層の製造方法。
- ブロック（２０ａ、２０ｂ)内に崩壊する領域(２１)を作るために、ステップａ)の前に、シリコンブロックの1つの表面（２３)から水素注入を行い、当該ブロックの表面に平行な面に概ね沿って前記崩壊領域を伸張して剥離層を形成し、注入時のエネルギーを所定の層厚よりも深い又は個々に浅い位置に剥離層を形成するように調節することを特徴とする請求項1に記載のシリコン層の製造方法。
- 基板上に波長λのブラッグミラーを製造する方法であって、光学的な層厚がλ／４ｎ0 である少なくとも１つの酸化シリコン層（１２ａ、１２ｂ)、ここにおいてｎ0 は酸化シリコン層の屈折率、と光学的な層厚がλ／４ｎs である少なくとも１つのシリコン層（２２ａ、２２ｂ)、ここでｎs はシリコンの屈折率の積層構造を有するブラッグミラーの製造方法であって、シリコン層は請求項１に記載の方法で製造されたものであることを特徴とする方法。
- 酸化シリコン層が化学蒸着法又はシリコンの熱酸化によって形成されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
- 作用波長λの光学素材の製造方法であって、当該方法は、
−請求項５に記載された方法によってブラッグミラー（３０)を製造し、
−結晶成長法によってブラッグミラー上に活性材料層（３４)を形成してキャビティとなし、
−キャビティ上に第２のミラー（３６)を形成するステップを有することを特徴とする方法。 - 活性材料が純粋シリコン、１種の不純物を含有するシリコン、シリコンカーバイド、ＳｉＣ、およびＳｉx xＧｅ1-x , ０＜ｘ＜１から選択されたものであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
- キャビティ上に金属を蒸着することで前記第２のミラーを製造することを特徴とする請求項７に記載の方法。
- 第２のミラーが請求項５に記載された方法で製造されたブラッグミラーであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
- 基板上に請求項５に記載された方法によってブラッグミラーを製造し、続いて少なくとも１つの活性物質を結晶成長させることで光学キャビティを形成する光学素材の製造方法。
- 光学構造体の製造方法であって、
−基板上に第１のブラッグミラー(３０)を形成し、
−請求項１に記載の方法によってブラッグミラー上にシリコン層(３２)を形成し、
−シリコン層上に第２のミラー(３６)を形成するステップを有する方法。 - 第１と第２のブラッグミラーが請求項５の方法で形成されたブラッグミラーであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
- シリコン層（３２)の光学的な層厚がλ／４ｎs 、ここでλは光学構造の作用波長、ｎs はシリコンの屈折率であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
- ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣおよびＳｉＣから選択された活性材料の１つ以上の層（３４)を、第２のミラーの形成前に、光学キャビティ形成のためにシリコン層上に成長させることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
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