(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基体表面に陽極化成反応により多孔質層を形成する多孔質シリコン基板の形成方法であって、反応槽内の反応液に、前記シリコン基体の表面を接触させ、前記反応液中に溶解している水素の濃度を前記陽極化成反応中常に飽和溶解度の１／１０以下に保ちながら前記多孔質層を形成することを特徴とする多孔質シリコン基板の形成方法。
【請求項２】
前記反応液を反応槽外で循環させ、循環途中において水素の脱気を行うことを特徴とする請求項１記載の多孔質シリコン基板の形成方法。
【請求項３】
前記水素の濃度を１００ｐｐｂ以下に制御することを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載の多孔質シリコン基板の形成方法。
【請求項４】
反応槽内の反応液を大気から隔離することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の多孔質シリコン基板の形成方法。
【請求項５】
前記反応液中に界面活性剤を加えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の多孔質シリコン基板の形成方法。
【請求項６】
前記界面活性剤は、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールであることを特徴とする請求項５記載の多孔質シリコン基板の形成方法。
【請求項７】
前記多孔質層に形成された孔の径は、２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項記載の多孔質シリコン基板の形成方法。
【請求項８】
前記多孔質層に形成された孔の深さは、２０μｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項記載の多孔質シリコン基板の形成方法。
【請求項９】
前記多孔質層に形成された孔のアスペクト比は、１０００以上であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項記載の多孔質シリコン基板の形成方法。
【請求項１０】
前記水素の脱気は、中空糸ガス透過膜によって構成される脱気モジュールにおいて、該中空糸内をポンプにより減圧状態にすることにより行うことを特徴とする請求項２ないし９のいずれか１項記載の多孔質シリコン基板の形成方法。
【請求項１１】
前記水素の脱気は、中空糸ガス透過膜によって構成される脱気モジュールにおいて、該中空糸内を気体が全く存在しない超純水で満たすことにより行うことを特徴とする請求項２ないし１０のいずれか１項記載の多孔質シリコン基板の形成方法。
【請求項１２】
前記反応液の温度の揺らぎを±０．５℃以内に制御することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項記載の多孔質シリコン基板の形成方法。
【請求項１３】
シリコン基体表面に陽極化成反応により多孔質層を形成する多孔質シリコン基板の形成方法であって、反応槽内の反応液に、前記シリコン基体の表面を接触させて化学反応を行う工程を含み、
前記反応液は、前記反応槽外に設けた循環ラインにより循環させ、
該循環ライン上に設けられ、前記反応液から水素の脱気を行うための脱気装置により該反応液から水素を脱気した反応液であることを特徴とする多孔質シリコン基板の形成方法。
【請求項１４】
シリコン基体表面に陽極化成反応により多孔質層を形成する多孔質シリコン基板の形成方法であって、反応槽内の反応液に、前記シリコン基体の表面を接触させ、前記反応液中に溶解している水素の濃度を水素の脱気装置によって、前記陽極化成反応中常に飽和溶解度未満に保ちながら前記多孔質層を形成することを特徴とする多孔質シリコン基板の形成方法。
【請求項１５】
シリコン基体表面に陽極化成反応により多孔質層を形成する多孔質シリコン基板の形成装置であって、シリコン基体を保持するための保持手段と、反応液を収納し、前記シリコン基体との化学反応を行うための反応槽と、
反応液を反応槽外で循環させるための循環ラインと、
該循環ライン上に設けられ、反応液から水素の脱気を行うための脱気装置と、反応液を循環ライン上を移送させるための移送手段と、を有することを特徴とする多孔質シリコン基板の形成装置。
【請求項１６】
前記反応槽は、密閉式であることを特徴とする請求項１５記載の多孔質シリコン基板の形成装置。
【請求項１７】
前記脱気装置は、中空糸ガス透過膜によって構成される脱気モジュールにおいて、該中空糸内をポンプにより減圧状態にすることにより行うように構成されていることを特徴とする請求項１５または１６のいずれか１項記載の多孔質シリコン基板の形成装置。
【請求項１８】
前記脱気装置は、中空糸ガス透過膜によって構成される脱気モジュールにおいて、該中空糸内を気体が全く存在しない超純水で満たすことにより行うように構成されていることを特徴とする請求項１５ないし１７のいずれか１項記載の多孔質シリコン基板の形成装置。
【請求項１９】
前記循環ライン上に反応液の温度の揺らぎを±０．５℃以内に制御するための手段を設けたことを特徴とする請求項１５ないし１８のいずれか１項記載の多孔質シリコン基板の形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、多孔質シリコン基板の形成方法及び多孔質シリコン基板の形成装置に係り、より詳しくは、化学工業製品及び集積回路あるいは電子デバイスといった半導体製品の製造をも行うことが可能な多孔質シリコン基板の形成方法及び多孔質シリコン基板の形成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
人類は有史以来、天然に存在する多くの物質の恩恵を享受してきたが、文明の進展と科学技術の進歩に伴って、今日ではそれをはるかに上回る数の人工物質を生み出している。
【０００３】
これらの利用なくして人間生活を語ることはできない。特に、分子に基盤を置く物質の科学である「化学」は、“ものづくり”に深くかかわっており、多くの工業化学製品を始め、近年は半導体集積回路にも応用され、人間生活に豊かさを与え続けている。
【０００４】
化学反応の中でも、溶液中での化学反応は、気相化学反応と異なったその特異な性質から数多くの工業製品製造に利用されている。特にその中でも、電気分解反応は電界槽に電気的エネルギーを供給し、電極と電解液との界面において物質変化を生じさせ目的とする化学物質を製造する技術であり、アルミニウム・銅・亜鉛の精錬を始め、金属メッキ、水素・酸素・カセイソーダ・塩素の製造といった数多くの工業製品製造に利用されている。
【０００５】
最近、半導体プロセスにおける溶液中の化学反応を利用した半導体基板製作方法として、ELTRAN(Epitaxial Layer TRANsfer by bond & etch back porous Si)ＳＯＩ基体が提案されている（特願平３−２９２２５８号：「半導体基材の作成方法」、特願平４−１６５１１号：「半導体基板及びその作成方法」、特願平４−１６５２３号：「半導体基板の作成方法」、特願平４−３８４６４号：「半導体基板及びその作成方法」、特願平４−４６３０６号：「半導体素子基体及びその作成方法」、特願平４−４６３０７号：「半導体素子基体とその作成方法」、特願平４−５９１１８号：「多結晶シリコンをエッチングするためのエッチング液、該エッチング液を用いたエッチング方法及び該エッチング液を用いた半導体基材の作成方法」、特願平６−４０９６４号：「ＳＯＩ基板の作成方法」、特願平６−３２７５０３号：「半導体基板及びその作成方法」）。
【０００６】
これらは、陽極化成と呼ばれる溶液中の化学反応を利用したもので、陽極化成法により一部もしくは全部が多孔質されたシリコン単結晶基体の一多孔質表面に単結晶シリコンをエピタキシャル成長し、このエピタキシャル層の表面を一旦任意の支持基体と接着剤で接着し、シリコン単結晶基体の多孔質部分を選択的にエッチング（または非孔質部分を研磨によって除去してから多孔質部分を選択的にエッチング）することを特徴とする半導体基板の作成方法である。
【０００７】
また、陽極化成反応によって形成される多孔質シリコンに関して、それが膨大な表面積を有するとともに、その表面が有機ガスの吸着に対して活性であることから、その性質を利用したガスセンサが種々検討されている(M. B-Chohrin and A. Kurex, "Absorbate effects on photoluminescence and electrical conductivity of porous silicon," Appl. Phys. Lett., vol. 64, pp. 481 - 483, 1994.、  A. Richter, "Design considerations and performance of adsorptive humidity sensor with capacitive readout," The 7th Int. Conf. Solid-State Sensors and Actuators, pp. 310 - 313, 1993.、  R. C. Anderson , R. S. Muller, and C. W. Tobias, "Inverstigations of porous silicon for vapor sensing," Sensors and Actuators, A21 - A23 pp. 835 - 839, 1990.、  本橋章、“陽極化成シリコン／単結晶シリコン試料の水蒸気に対する電気特性変化、”  信学論(Ｃ−ＩＩ), vol. J77-C-II, pp. 213 - 220, 1995.)。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、溶液中の化学反応は、工業化学産業や半導体産業を始め工業製品の製造に幅広く利用されている。ところで、工業製品生産の観点から、化学反応の効率を高めることは、物質生産の経済効率化、あるいは省資源化を高めるために非常に重要である。特に半導体産業においては、経済性の追求の観点から、成膜・エッチングといった化学の反応の高速化と、大口径シリコンウェハ上での化学反応の面内均一性の二点が更に要求される。
【０００９】
しかし、溶液中の化学反応において、化学反応の高効率化・高速化・均一化を阻害する現象として、反応副生成物の発生がある。すなわち、化学反応によって目的とする化学物質以外に、生成される反応生成物が溶液中に溶存していると、化学反応の進行を阻害するのである。水溶液中の電気分解において、一般に負極において水素、正極において酸素が発生する現象がその代表例である。
【００１０】
これらの反応は、目的とする金属の析出や無機及び有機の化学種の放電反応と競合するので電流効率からも重要であるが、反応生成物の種類をも変えることがあるので極めて重要な影響を与える。例えば、陽極化成を利用した半導体基板製作においては、反応副生成物である気体分子が多孔質シリコン形成反応の高速化、均一化を阻害している。
【００１１】
従来の技術においては、特願平５−１０２４４５号：「半導体基材の製作方法」の実施例に記載されているように、発生する気体分子に対しては、溶液中の飽和溶解度以上の気体分子は気泡となってシリコンウェハなどに付着し反応を阻害するため、界面活性剤としてアルコールを加えたり、撹拌器を用いて溶液を撹拌するという処理を行っている。
【００１２】
しかし、この処理方法は一時的な解決方法ではあるが、しかし本質的ではない。通常、半導体基板製作における多孔質シリコン形成においては、穴径が約１０ｎｍ、深さ約２０μｍの穴を、シリコンウェハ面内で孔径に関しては±５％以内に、孔の深さに関しては±１０％以内に揺らぎを抑える必要がある。しかも、この多孔質シリコン層形成プロセスは、現行の半導体ボリューム・プロダクションの標準的な処理時間である１分間で行わなければならない。ウェハサイズを６インチ、孔径を１０ｎｍ、開口率（孔面積／ウェハ面積）を０．３、エッチングレートを２０μｍ／ｍｉｎと仮定した場合、発生する水素量は７８８ｃｃ／ｍｉｎである。この大量の水素は、孔径１０ｎｍ、孔の深さ２０μｍ、すなわち孔のアスペクト比２０００の細長い孔の底で発生する。多孔質シリコン層形成のためには、反応副生成物であるこの大量の水素を完全に除去しつつ、孔のアスペクト比２０００の細長い孔の底に反応液を常に供給し続けなければならない。しかし、界面活性剤の添加や撹拌器を用いる方法では、上記の問題点を解決することは不可能である。すなわち、半導体基板を始め、溶液中の化学反応を利用した工業製品を生産性よく提供できる技術は、未だ達成するに至っていない。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の多孔質シリコン基板の形成方法は、シリコン基体表面に陽極化成反応により多孔質層を形成する多孔質シリコン基板の形成方法であって、反応槽内の反応液に、前記シリコン基体の表面を接触させ、前記反応液中に溶解している水素の濃度を前記陽極化成反応中常に飽和溶解度の１／１０以下に保ちながら前記多孔質層を形成することを特徴とする。
【００１５】
本発明において反応槽中における反応液中に溶解している気体の濃度を反応中常に飽和溶解度の１／１０以下に制御するためには、例えば、反応液を反応槽外で循環させ、循環途中において水素の脱気を行うことが好ましい。
【００１６】
また、水素の脱気に際しては、水素の濃度を、飽和溶解度の１／１０以下の場合は、例えば、基体を反応槽内において保持し、気体の片面を反応液と接触させ、気体の他の面を導電性溶液に接触させ、反応液に負の電圧を与え、導電性溶液に正の電圧を与える陽極化成反応で、基体表面に多孔質層を形成する反応において、反応液の溶存水素量を飽和溶解度の１／１０にすることで、孔径１０ｎｍ、孔の深さ２０μｍ、孔のアスペクト比が２０００といった深い孔を持つ多孔質層を処理時間１分間で６インチウェハ面内で孔の深さのばらつきを±３％以内で形成可能である。
【００１７】
さらに、絶対値としては、水素の濃度を１００ｐｐｂ以下に制御することが特に好ましい。１００ｐｐｂ以下とすると、例えば、基体を反応槽内において保持し、基体の片面を反応液と接触させ、基体の他の面を導電性溶液に接触させ、反応液に負の電圧を与え、導電性溶液に正の電圧を与える陽極化成反応で、基体表面に多孔質層を形成する反応において、孔径１０ｎｍ、孔の深さ２０μｍ、孔のアスペクト比が２０００といった深い孔を持つ多孔質層を処理時間１分間で６インチウェハ面内で孔の深さのばらつきが±３％以内で形成可能である。
【００２１】
しかるに本発明においては、孔の径が１０ｎｍの場合、孔の深さが２０μｍの場合、孔のアスペクト比が２０００の場合であっても均一な孔の形成が処理時間１分間の場合であっても可能となる。
【００２２】
また、本発明においては、反応液を大気から隔離しておくことが好ましい。大気から反応液に気体が混入することを防止するためである。
【００２３】
本発明においては、該溶液中の化学反応の脱気方法に関して、中空糸状ガス透過膜によって構成される脱気モジュールにおいて、該中空糸内を真空ポンプにより減圧状態にすることにより脱気しても構わないし、該中空糸内を気体分子が全く存在しない超純水で満たすことにより脱気しても構わない。
【００２４】
本発明において、該溶液の温度に関し、±０.５℃以内に抑えることは化学反応の制御性を高める意味でなお望ましい。
【００２５】
本発明の多孔質シリコン基板の形成方法は、シリコン基体表面に陽極化成反応により多孔質層を形成する多孔質シリコン基板の形成方法であって、反応槽内の反応液に、前記シリコン基体の表面を接触させて化学反応を行う工程を含み、前記反応液は、前記反応槽外に設けた循環ラインにより循環させ、該循環ライン上に設けられ、前記反応液から水素の脱気を行うための脱気装置により該反応液から水素を脱気した反応液であることを特徴とする。
本発明の多孔質シリコン基板の形成方法は、シリコン基体表面に陽極化成反応により多孔質層を形成する多孔質シリコン基板の形成方法であって、反応槽内の反応液に、前記シリコン基体の表面を接触させ、前記反応液中に溶解している水素の濃度を水素の脱気装置によって、前記陽極化成反応中常に飽和溶解度未満に保ちながら前記多孔質層を形成することを特徴とする。
本発明の多孔質シリコン基板の形成装置は、シリコン基体表面に陽極化成反応により多孔質層を形成する多孔質シリコン基板の形成装置であって、シリコン基体を保持するための保持手段と、反応液を収納し、前記シリコン基体との化学反応を行うための反応槽と、反応液を反応槽外で循環させるための循環ラインと、該循環ライン上に設けられ、反応液から水素の脱気を行うための脱気装置と、反応液を循環ライン上を移送させるための移送手段と、を有することを特徴とする。
【００２６】
かかる化学反応装置としては、例えば陽極化成処理を行うための装置があげられる。その構成例は、基体の片面を反応液と接触させ、基体の他の面を導電性溶液に接触させ、反応液に負の電圧を与えるための電極と、導電性溶液に正の電圧を与えるための電極とを有する。
【００２７】
本発明によれば、溶液中の化学反応において、該溶液中の溶存している気体分子濃度を常に飽和溶解度以下に抑制しているため、例えば陽極化成法によるシリコンウェハの多孔質化反応において、反応副生成物の気体分子が気泡となってシリコンウェハ上、もっと詳しく言うとシリコンウェハの孔の底に付着しないため、化学反応速度の劣化と化学反応不均一化を抑制することが可能となる。
【００２８】
本発明によれば、通常の半導体集積回路の分野で使用されるシリコンウェハを面内均一で、しかも高速に多孔質化することができる。本発明によれば、ＳＯＩ構造を作成するのに応用可能な半導体基板を作成することができる。更に、本発明によれば、安価なシリコン基板を元にして、発光素子やガスセンサーを作り込むことが可能な半導体基板を作成することができる。
【００２９】
以下、本発明の半導体基板の作成方法の実施例を図面を参照しながら詳述する。
【００３０】
【発明の実施の態様】
（実施の態様例１）
図１および図２に本発明の実施の態様例に係る化学反応装置を示す。
【００３１】
基体（例えばシリコンウエハ）２００を保持するための保持手段２０６ａ，２０６ｂを有し、反応液（例えばフッ酸）２０１を収納し、基体２００との化学反応を行うための反応槽３００と、反応液２０１を反応槽３００外で循環させるための循環ライン２１０ａ（往路）、２１０ｂ（復路）と、循環ライン２１０ａ上に設けられ、反応液２０１から気体の脱気を行うための脱気装置３０１と、反応液２０１を循環ライン２１０ａ上を移送させるための移送手段である移送ポンプ３０３とを有している。
【００３２】
この装置をさらに詳細に説明する。
【００３３】
本例は、陽極化成処理用の化学反応装置であり、シリコンウエハ２００の片面を反応液（例えば、フッ酸系反応液）２０１と接触させ、シリコンウエハ２００の他の面を導電性溶液である電解液２０２に接触させ、反応液２０１に負の電圧を与えるための負電極２０３と、導電性溶液２０２に正の電圧を与えるための正電極２０４とを有している。
【００３４】
シリコンウエハ２００は、保持手段２０６ａ，２０６ｂによって垂直に保持されているが、このシリコンウエハ２００自体により反応液２０１と電解液２０２とは分離されているが、分離を完全にするために保持手段とシリコンウエハ２００との間には例えばゴアテックスによるシール２０５によるシールが行われている。
【００３５】
また、本例では、循環ライン２１０ｂ上にＰＩＤ冷却・加熱器あるいは熱交換器３０２が設けられており、循環中の反応液の加熱・冷却を行う。この加熱・冷却は、反応槽３００中の反応液２０１の温度が±０．５℃以内に保持されるように行うことが好ましい。そのためには、反応槽３００内の反応液２０１の温度を探知するセンサー（図示せず）を設け、そこからの信号に基づきＰＩＤ冷却・加熱器あるいは熱交換器３０２における加熱・冷却量を加減できるようにしておけばよい。
【００３６】
なお、３０４はフィルタであり、０．１μｍ以上のパーティクルの除去を行う。
【００３７】
次に脱気装置３０１について説明する。
脱気装置の例を図３および図４に示す。
【００３８】
図３に示す例では、脱気装置３０１は脱気モジュール４０１と真空ポンプ４００とから構成されており、図４に示す例では、脱気モジュール４０１と水分発生器５００とから構成されている。
【００３９】
脱気モジュールの構造例を図８に示す。
【００４０】
脱気モジュール４０１は、例えば図８に示すように中央の多孔給水パイプ８０３周囲に簾上に編んだ中空糸分離膜シート８０４を螺旋に巻き付けた構造をしている。反応液２０１を処理水入口８００から圧送することによって、反応液２０１は中空糸簾の積層部を通り外周へ放射状に流れ、処理水出口８０１から排出するためである。中空糸分離膜シート８０４は、例えばＰＦＡ等のフッ素系樹脂でできているため、反応液２０１がフッ酸系の反応液であっても全く劣化しない。
【００４１】
脱器装置３０１が図３の構成の場合、中空糸口８０２に真空ポンプ４００により、中空糸内を減圧状態に保持する。この時、反応液２０１の中の溶存する気体は、反応液２０１が中空糸簾積層部を通過する間に、効率的に中空糸の外から内へ移動し、真空ポンプ４００を経て系外へ排出される。
【００４２】
また、脱器装置３０１が図４の構成の場合、中空糸口８０２に水分発生器５００で生成した気体分子が全く存在しない超純水を圧送し、別の中空糸口から排出し、中空糸内を気体分子が全く存在しない超純水で満たした状態を保持する。この時、ガス透過膜で構成された中空糸の気体成分に関する内外の分圧差により、溶液中の気体分子を中空糸簾積層部を通過する間に効率的に中空糸の外から内へ移動、そして系外に排出する。
【００４３】
（実施の態様例２）
単結晶シリコン基体を陽極化成して多孔質シリコンまたは多孔質シリコン基体を形成する方法について説明する。基体としてＰ型の単結晶シリコン基体２００を用意する。ｎ型でも不可能ではないが、その場合は低抵抗の基体に限定される。基体２００を図１に示すような反応槽３００にセットする。反応槽３００は、反応液２０１あるいは電解液２０２と外気との接触を避けるために、完全密閉型になっている。すなわち、基体２００の片側がフッ酸系の反応液２０１に接していて、反応液２０１に負の電極２０３がとられている。一方、基体２００の逆側は電解液２０２に接していて、電解液２０２に正の電極２０４がとられている。電解液２０２は、導電性溶液であればなんでも構わないため、フッ酸系の反応液であっても構わない。いずれにせよフッ酸系溶液に接している基体２００の負の電極側から多孔質化が起こる。フッ酸系反応液２０１としては、一般的には濃フッ酸(４９％ＨＦ)を用いる。
【００４４】
また、陽極化成反応による多孔質シリコン形成時、フッ酸系反応液２０１が直径１０ｎｍ程度の基体２００の溶液の中に侵入しやすくする目的から、界面活性剤を加える必要がある。界面活性剤としては、反応液２０１の表面張力を低下させる作用を有し、かつ陽極化成後の洗浄工程で界面活性剤の基体２００への付着が問題にならないアルコールが望ましい。かかるアルコールとしては、例えばメタノール、エタノール、プロパノール、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）等が用いいられる。
【００４５】
負電極２０３あるいは正電極２０４に関しては、フッ酸溶液に対して侵食されないような材料、例えば金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等が用いられる。
【００４６】
また、反応槽３００内の反応液２０１は図２に示すように、脱気装置３０１及び冷却・加熱器３０２を通して循環させている。脱気装置３０１は、ガス透過膜を用いた脱気モジュール４０１を並列接続した構成になっている。
【００４７】
ガス透過膜は孔質もしくは非孔質のものがあるが、循環させる容液が界面活性剤としての役割を果たすアルコールを含んだ反応液であるため、ガス透過膜からの反応液染み出しを考慮して非孔質のものが望ましい。脱気モジュール４０１は、中央の多孔給水パイプ周囲に簾上に編んだ中空糸分離膜シートを螺旋に巻き付けた構造をしており、図３に示すように中空糸内を真空ポンプ４００により減圧状態に保持する。すなわち、中空糸内を真空ポンプ４００により減圧状態保持し、ガス透過膜で構成された中空糸の内外の圧力差により、溶液中の気体分子を中空糸簾積層部を通過する間に効率的に中空糸の外から内へ移動、そして真空ポンプ４００を経て系外に排出する。
【００４８】
冷却・加熱器３０２は、反応槽３００内の反応液２０１の温度の揺らぎを±０.５℃以内に抑制する。
【００４９】
以上により、溶液中の化学反応において、該溶液中の溶存している気体分子濃度を常に飽和溶解度以下に抑制することが可能となるため、シリコンウェハの多孔質化反応において、反応副生成物の気体分子が気泡となってシリコンウェハ上、もっと詳しく言うとシリコンウェハの孔の底に付着しないため、化学反応速度の劣化と化学反応不均一化を抑制することが可能となる。
【００５０】
（実施の態様例３）
単結晶シリコン基体を陽極化成して多孔質シリコンまたは多孔質シリコン基体を形成する方法について説明する。基体としてＰ型の単結晶シリコン基体２００を用意する。ｎ型でも不可能ではないが、その場合は低抵抗の基体が好ましい。
【００５１】
基体２００を図１に示すような反応槽３００にセットする。反応槽３００は、反応液２０１あるいは電解液２０２と外気との接触を避けるために、完全密閉型になっている。すなわち、基体２００の片側がフッ酸系の反応液２０１に接していて、反応液２０１に負の電極２０３がとられている。一方、基体２００の逆側は電解液２０２に接していて、電解液２０２に正の電極２０４がとられている。電解液２０２は、導電性溶液であればなんでも構わないため、フッ酸系の反応液であっても構わない。いずれにせよフッ酸系溶液に接している基体２００の負の電極側から多孔質化が起こる。フッ酸系反応液２０１としては、一般的には濃フッ酸(４９％ＨＦ)を用いる。
【００５２】
また、陽極化成反応による多孔質シリコン基板の形成時、フッ酸系反応液２０１が直径１０ｎｍ程度の基体２００の溶液の中に侵入しやすくする目的から、界面活性剤を加える必要がある。界面活性剤としては、反応液２０１の表面張力を低下させ、かつ陽極化成後の洗浄工程で界面活性剤の基体２００への付着が問題にならないアルコールが望ましい。アルコールとしては、メタノール、エタノール、プロパノール、ＩＰＡ等が用いられる。
【００５３】
負電極２０３あるいは正電極２０４に関しては、フッ酸溶液に対して侵食されないような材料、例えば金(Ａｕ)、白金(Ｐｔ)等が用いられる。
【００５４】
また、反応槽３００内の反応液２０１は図２に示すように、脱気装置３０１及び冷却・加熱器３０２を通して循環させている。脱気装置３０１は、ガス透過膜を用いた脱気モジュール４０１を並列接続した構成になっている。ガス透過膜は孔質もしくは非孔質のものがあるが、循環させる容液が界面活性剤としての役割を果たすアルコールを含んだ反応液であるため、ガス透過膜からの反応液染み出しを考慮して非孔質のものが望ましい。
【００５５】
脱気モジュール４０１は、中央の多孔給水パイプ周囲に簾上に編んだ中空糸分離膜シートを螺旋に巻き付けた構造をしており、図４に示すように水分発生器５００からの気体分子が全く存在しない超純水で満たした状態を保持する。すなわち、中空糸内を気体分子が全く存在しない超純水で満たした状態を保持し、ガス透過膜で構成された中空糸の気体成分に関する内外の分圧差により、溶液中の気体分子を中空糸簾積層部を通過する間に効率的に中空糸の外から内へ移動、そして系外に排出する。
【００５６】
冷却・加熱器３０２は、反応槽３００内の反応液２０１の温度の揺らぎを±０．５℃以内に抑制する。
【００５７】
以上により、溶液中の化学反応において、該溶液中の溶存している気体分子濃度を常に飽和溶解度以下に抑制することが可能となるため、シリコンウェハの多孔質化反応において、反応副生成物の気体分子が気泡となってシリコンウェハ上、もっと詳しく言うとシリコンウェハの孔の底に付着しないため、化学反応速度の劣化と化学反応不均一化を抑制することが可能となる。
【００５８】
【実施例】
以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００５９】
（実施例１）
まず、６２５μｍの厚みを持ち、１〜１０×１０18ｃｍ-3ボロンが添加された６インチｐ+基板（１００）単結晶シリコン基体２００を用意し、これを表面をＨＦ／Ｈ2Ｏ／ＩＰＡ（２０〜３０％ＨＦ，１０〜３０％ＩＰＡ）溶液中で対向電極にｐ+層を用いて陽極化成処理を行った。この時の電流密度は５ｍＡ/cm2であった。図２に示すように、反応槽内３００の反応液２０１は、脱気装置３０１及び冷却・加熱器３０２を通して循環させた。
【００６０】
脱気装置３０１は、非孔質のガス透過膜を用いて作成された脱気モジュール４０１を７台並列接続した構成になっている。脱気装置３０１は真空ポンプ４００を用いて約１０Ｔｏｒｒの減圧状態を保持した。移送ポンプ３０３に関しては、薬液循環ラインを反応液が流量７０l/minで循環できること、すなわち脱気モジュール１台当たり流量１０l/minの反応液が循環可能なものとした。このとき反応槽３００内の反応液２０１の溶存水素量を観察した結果、陽極化成処理中の間は、常に飽和溶解度である１ｐｐｍをはるかに下回る約１００ｐｐｂ以下であった。また、陽極化成処理中、冷却・加熱器３０２を作動させることで、反応槽３００内の反応液２０１の温度変動を常に±０.５℃以内に抑えた。
【００６１】
以上の条件の下で、陽極化成処理を１分間行い、フィールドエミッション型走査電子顕微鏡で６インチウェハ全面を観察したところ、孔径１０ｎｍ、開口率３０％、膜厚２０μmが、面内均一性±３％以内で形成されていることがわかった。また、透過型電子顕微鏡による多孔質層の断面観察の結果、多孔質シリコン層には新たな結晶欠陥が導入されておらず、良好な単結晶性が維持されていることが確認された。
【００６２】
（実施例２）
まず、６２５μｍの厚みを持ち、１〜１０×１０18ｃｍ-3ボロンが添加された６インチｐ+基板（１００）単結晶シリコン基体２００を用意し、これを表面をＨＦ／Ｈ2Ｏ／ＩＰＡ（２０〜３０％ＨＦ，１０〜３０％ＩＰＡ）溶液中で対向電極にｐ+層を用いて陽極化成処理を行った。この時の電流密度は５ｍＡ／ｃｍ2であった。図２に示すように、反応槽内３００の反応液２０１は、脱気装置３０１及び冷却・加熱器３０２を通して循環させた。脱気装置３０１は、非孔質のガス透過膜を用いて作成された脱気モジュール４０１を７台並列接続した構成になっている。脱気装置３０１は水分発生器５００からの気体分子が全く存在しない超純水で満たした状態を保持した。
【００６３】
移送ポンプ３０３に関しては、薬液循環ラインを反応液が流量７０l/minで循環できること、すなわち脱気モジュール１台当たり流量１０l/minの反応液が循環可能なものとした。このとき反応槽３００内の反応液２０１の溶存水素量を観察した結果、陽極化成処理中の間は、常に飽和溶解度である１ｐｐｍをはるかに下回る約１００ｐｐｂ以下であった。また、陽極化成処理中、冷却・加熱器３０２を作動させることで、反応槽３００内の反応液２０１の温度変動を常に±０.５℃以内に抑えた。
【００６４】
以上の条件の下で、陽極化成処理を１分間行い、フィールドエミッション型走査電子顕微鏡で６インチウェハ全面を観察したところ、孔径約１０ｎｍ、開口率３０％、膜厚２０μｍが、面内均一性±３％以内で形成されていることがわかった。
【００６５】
また、透過型電子顕微鏡による多孔質層の断面観察の結果、多孔質シリコン層には新たな結晶欠陥が導入されておらず、良好な単結晶性が維持されていることが確認された。
【００６６】
（実施例３）
本例では、気体の脱気量の影響を調べた。
【００６７】
まず、６２５μｍの厚みを持ち、１〜１０×１０18ｃｍ-3ボロンが添加された６インチｐ+基板（１００）単結晶シリコン基体２００を用意し、これを表面をＨＦ／Ｈ2Ｏ／ＩＰＡ（２０〜３０％ＨＦ，１０〜３０％ＩＰＡ）溶液中で対向電極にｐ+層を用いて陽極化成処理を行った。この時の電流密度は５ｍＡ／ｃｍ2であった。図２に示すように、反応槽内３００の反応液２０１は、脱気装置３０１及び冷却・加熱器３０２を通して循環させた。脱気装置３０１は、非孔質のガス透過膜を用いて作成された脱気モジュール４０１を７台並列接続した構成になっている。脱気装置３０１は水分発生器５００からの気体分子が全く存在しない超純水で満たした状態を保持した。また、陽極化成処理中、冷却・加熱器３０２を作動させることで、反応槽３００内の反応液２０１の温度変動を常に±０.５℃以内に抑えた。
【００６８】
以上の条件の下で、移送ポンプ３０３の流量に関しては、０〜７０l/minとそれぞれ条件を変えて、陽極化成処理を１分間行った。それぞれの流量の条件の下で陽極化成処理を行ったとき、化成槽３００内の反応液２０１の溶存水素量を観察し、処理後、６インチウェハ全面をフィールドエミッション型走査電子顕微鏡で観察した。図５は、それぞれの溶存水素量における孔の深さのばらつきを示している。溶存水素量が多ければ多いほど、孔の深さが浅くなるばかりか、孔の深さのばらつきも大きくなる。反応槽３００内の反応液２０１の溶存水素量が１００ｐｐｂ以下であれば、孔の径１０ｎｍ、開口率３０％の多孔質層が処理時間１分間で、膜厚に関して２０μｍ、膜厚の面内均一性±３％以内で形成されることが分かった。
【００６９】
（実施例４）
本例では、孔の径による影響を調べた。
【００７０】
まず、６２５μｍの厚みを持ち、１〜１０×１０18ｃｍ-3ボロンが添加された６インチｐ+基板（１００）単結晶シリコン基体２００を用意し、これを表面をＨＦ／Ｈ2Ｏ／ＩＰＡ（２０〜３０％ＨＦ，１０〜３０％ＩＰＡ）溶液中で対向電極にｐ+層を用いて陽極化成処理を行った。図２に示すように、反応槽内３００の反応液２０１は、脱気装置３０１及び冷却・加熱器３０２を通して循環させた。脱気装置３０１は、非孔質のガス透過膜を用いて作成された脱気モジュール４０１を７台並列接続した構成になっている。脱気装置３０１は水分発生器５００からの気体分子が全く存在しない超純水で満たした状態を保持した。
【００７１】
移送ポンプ３０３に関しては、薬液循環ラインを反応液が流量３５l/minで循環できること、すなわち脱気モジュール１台当たり流量５l/minの反応液が循環可能なものとした。このとき反応槽３００内の反応液２０１の溶存水素量を観察した結果、陽極化成処理中の間は、約６００ｐｐｂであった。また、陽極化成処理中、冷却・加熱器３０２を作動させることで、反応槽３００内の反応液２０１の温度変動を常に±０.５℃以内に抑えた。
【００７２】
以上の条件の下で、電流密度に関しては、５〜３０ｍＡ／ｃｍ2とそれぞれ条件を変えて陽極化成処理を行い、フィールドエミッション型走査電子顕微鏡で６インチウェハ全面を観察した。
【００７３】
図６は、各電流密度における孔の深さのばらつきを示している。陽極化成反応においてその孔の径は、その電流密度の増加とともに大きくなる。反応槽３００内の反応液２０１の溶存水素量が６００ｐｐｂの時、孔の径２０ｎｍ、孔の深さ２０μｍ、すわわち孔のアスペクト比が１０００の多孔質層形成に関して、膜厚の面内均一性は±３％以内に抑えられることが分かった。しかし、孔の径１０ｎｍ、孔の深さ２０μｍ、すなわち孔のアスペクト比２０００といった、より深い孔の場合、膜厚の面内均一性は±１０％まで劣化することが分かった。
【００７４】
（実施例５）
本例では、孔の深さによる影響を調べた。
【００７５】
まず、６２５μｍの厚みを持ち、１〜１０×１０18ｃｍ-3ボロンが添加された６インチｐ+基板（１００）単結晶シリコン基体２００を用意し、これを表面をＨＦ／Ｈ2Ｏ／ＩＰＡ（２０〜３０％ＨＦ，１０〜３０％ＩＰＡ）溶液中で対向電極にｐ+層を用いて陽極化成処理を行った。この時の電流密度は５ｍＡ／ｃｍ2であった。図２に示すように、反応槽内３００の反応液２０１は、脱気装置３０１及び冷却・加熱器３０２を通して循環させた。脱気装置３０１は、非孔質のガス透過膜を用いて作成された脱気モジュール４０１を７台並列接続した構成になっている。脱気装置３０１は水分発生器５００からの気体分子が全く存在しない超純水で満たした状態を保持した。移送ポンプ３０３に関しては、薬液循環ラインを反応液が流量７０l/minで循環できること、すなわち脱気モジュール１台当たり流量１０l/minの反応液が循環可能なものとした。このとき反応槽３００内の反応液２０１の溶存水素量を観察した結果、陽極化成処理中の間は、常に飽和溶解度以下である１ｐｐｍをはるかに下回る約１００ｐｐｂ以下であった。また、陽極化成処理中、冷却・加熱器３０２を作動させることで、反応槽３００内の反応液２０１の温度変動を常に±０.５℃以内に抑えた。
【００７６】
以上の条件の下で、陽極化成処理時間に関しては、１〜２０分とそれぞれ条件を変えて陽極化成処理を行い、フィールドエミッション型走査電子顕微鏡で６インチウェハ全面を観察した。
【００７７】
図７は、各処理時間における孔の深さのばらつきを示している。陽極化成反応においてその孔の深さは、その処理時間が長くなるとともに深くなる。反応槽３００内の反応液２０１の溶存水素量が１００ｐｐｂ以下であれば、孔の径１０ｎｍ、開口率３０％の多孔質層が処理時間１分間で、膜厚に関して２０μｍ、膜厚の面内均一性±３％以内で形成されることが分かった。しかし、孔の径１０ｎｍ、孔の深さ４０μｍ、すなわち孔のアスペクト比４０００といった、より深い孔の場合、膜厚の面内均一性は±１０％まで劣化することが分かった。
【００７８】
【発明の効果】
本発明により、従来技術では実現し得なかった溶液中の化学反応における反応副生成物である気体分子の効率的な除去が可能となり、その結果、該溶液中の化学反応の高効率化・高速化・均一化を実現可能とすることができる。さらに、ＳＯＩ構造を作成するのに応用可能な半導体基板を作成することができ、安価なシリコン基板を元にして、発光素子やガスセンサーを作り込むことが可能な半導体基板を作成することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による化学反応制御方法の実施様態例１、及び実施様態例２を示す反応槽の模式的断面図である。
【図２】本発明による化学反応制御方法の実施様態例１、及び実施様態例２を示す模式的装置構成図である。
【図３】本発明による化学反応制御方法の実施様態例１を示す脱気モジュールの模式的断面図である。
【図４】本発明による化学反応制御方法の実施様態例２を示す脱気モジュールの模式的断面図である。
【図５】実施例３のそれぞれの溶存水素量における孔の深さのばらつきを示すグラフである。
【図６】実施例４の各電流密度における孔の深さのばらつきを示すグラフである。
【図７】実施例５の各処理時間における孔の深さのばらつきを示すグラフである。
【図８】脱気モジュールの構造例を示す図である。
【符号の説明】
２００  基体（シリコンウエハ）、
２０１  反応液、
２０２  電解液、
２０３  負電極、
２０４  正電極、
２０５  シール、
２０６ａ，２０６ｂ  保持手段、
２０７ａ，２０７ｂ  シール、
２０８  密閉蓋、
２０９  電源、
２１０ａ  循環ライン（往路）、
２１０ｂ  循環ライン（復路）、
３００  反応槽、
３０１  脱気装置、
３０２  冷却・加熱器、
３０３  移送ポンプ、
３０４  フィルター、
４００  真空ポンプ、
４０１  脱気モジュール、
５００  水分発生器、
８００  処理水入口、
８０１  処理水出口、
８０２  中空糸口、
８０３  多孔給水パイプ、
８０４  中空糸分離膜シート。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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