(57)【要約】【課題】量子細線については高さを揃えて、量子ドットについては直径を一定に形成することができる多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法を提供する。【解決手段】本発明の多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法は、多結晶シリコン層の表面を平坦化する工程と、平坦化された多結晶シリコン層の活性化処理する工程と、多結晶シリコン層に、溶液を用いた陽極酸化をする工程とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶シリコン層の表面を平坦化する工程と、
前記平坦化された多結晶シリコン層の活性化処理する工程と、
前記多結晶シリコン層に、溶液を用いた陽極酸化をする工程とを有することを特徴とする多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法。
【請求項２】
前記陽極酸化をする工程は、陽極酸化反応が生じている前記溶液と前記多結晶シリコン層との界面に単位時間当たり生成されるホールの量と、陽極酸化によるナノ構造体のエッチング反応で消費されるホールの量とが平衡するように、前記陽極酸化反応が生じている前記溶液と前記多結晶シリコン層との界面に一定強度の単色光を照射しながら行う請求項１に記載の多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法。
【請求項３】
前記陽極酸化をする工程は、陽極酸化反応が生じている前記溶液と前記多結晶シリコン層との界面に単位時間当たり生成されるホールの量が陽極酸化によるナノ構造体のエッチング反応で消費されるホールの量よりも大きくなるように、前記陽極酸化反応が生じている前記溶液と前記多結晶シリコン層との界面に一定または変調した強度の単色光を照射しながら行う請求項１に記載の多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法。
【請求項４】
前記多結晶シリコン層の活性化処理する工程は、フッ酸溶液、硝酸溶液および酢酸溶液を混合した混酸溶液、もしくは過酸化水素水とフッ酸溶液との混合溶液を用いたエッチング処理、またはアルゴンイオンによるスパッタエッチング処理を行う請求項１〜３のいずれか１項に記載の多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法に関し、特に、平坦かつ均一な構造のナノ構造体を形成することができる多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、多結晶シリコン層（ポリシリコン層）を、例えば、ＨＦ溶液（フッ化水素水溶液）中に浸して陽極酸化すると、ナノメートルオーダの結晶粒径ができることが知られている。このようなナノメートルオーダの結晶粒径が形成されたポリシリコン層は、例えば、電子線露光装置に用いられる電子源に用いられている（特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１には、電子がドリフトする強電界ドリフト層を有する電界放射型電子源が記載されている。この強電界ドリフト層に、ナノメートルオーダの結晶粒径が形成されたポリシリコン層が用いられており、強電界ドリフト層は、陽極酸化処理により形成されている。
特許文献１の強電界ドリフト層は、柱状の多結晶シリコン（グレイン）と、多結晶シリコンの表面に形成された薄いシリコン酸化膜と、柱状の多結晶シリコン間に介在する微結晶シリコン層と、微結晶シリコン層の表面に形成されたシリコン酸化膜とから構成されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ポリシリコン層をＨＦ溶液中で陽極酸化した場合、ポリシリコン層のグレイン界面（粒界面）は陽極酸化反応に対して活性であるために、選択的にナノシリコン化され、グレイン（結晶粒）内部ではナノシリコン化が進行しにくい。量子力学的な効果が得られるのは、ナノシリコンが形成されるグレイン界面付近に限られるため、グレインのサイズよりも小さい区分での一様性が要求される場合には、十分な量子効果が得られないという問題点がある。
また、特許文献１においても、陽極酸化により、グレイン界面が、選択的にナノシリコン化された構造が形成されるものの、ポリシリコン層の全域で均一に陽極酸化反応が進行しないことから、グレインのサイズよりも小さい区分での一様性が要求される場合には、十分な量子効果が得られないという問題点がある。
【０００６】
さらには、基板の表面に形成されたポリシリコン層の表面には、グレインのサイズ（粒径の大きさ）に依存した凹凸が存在する。このため、ポリシリコン層に形成されるナノシリコンにより構成される構造は、ポリシリコン層を堆積した基板の表面に対して高さが均一ではない、すなわち、厚さ不均一である。厚さ不均一であると、形成されたナノシリコンにより構成される構造の上部に電子回路など、このナノシリコンにより構成される構造を制御するための構造を作製することができない。
また、厚さが不均一であるポリシリコン層に陽極酸化を行うと、陽極酸化反応の電流密度が、電気抵抗の小さいポリシリコン層の薄い部分で進行し、形成されるナノ構造体が不均一になる。
【０００７】
本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、平坦かつ均一な構造のナノシリコン構造を形成することができる多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、多結晶シリコン層の表面を平坦化する工程と、前記平坦化された多結晶シリコン層の活性化処理する工程と、前記多結晶シリコン層に、溶液を用いた陽極酸化をする工程とを有することを特徴とする多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法を提供するものである。
【０００９】
本発明においては、前記陽極酸化をする工程は、陽極酸化反応が生じている前記溶液と前記多結晶シリコン層との界面に単位時間当たり生成されるホールの量と、陽極酸化によるナノ構造体のエッチング反応で消費されるホールの量とが平衡するように、前記陽極酸化反応が生じている前記溶液と前記多結晶シリコン層との界面に一定強度の単色光を照射しながら行うことが好ましい。
本発明においては、前記陽極酸化をする工程は、前記多結晶シリコン層の表面に光照射しながら行うものであり、陽極酸化反応は、前記溶液と前記多結晶シリコン層との界面に光照射によってホールを供給する過程と、そのホールが関与して、溶液によって多結晶シリコン層がエッチングされる過程とからなるが、一定強度の単色光を照射するとき、陽極酸化反応が光照射によって前記溶液と前記多結晶シリコン層との界面に単位時間当たり生成されるホールの量で律速された状態で行うことが好ましい。
このとき、殆どのホールは、多結晶シリコン（ポリシリコン層）の厚さ方向で消費されエッチング（陽極酸化反応）が進行するものの、既にナノ構造体が形成された部分は、量子サイズ効果に基づくバンドギャップ増大のため、ホールが生成せず、多結晶シリコンの厚さ方向と直交する方向において、ナノ構造体を更に小さくするエッチング反応は殆ど停止する。
【００１０】
また、本発明においては、前記陽極酸化をする工程は、陽極酸化反応が生じている前記溶液と前記多結晶シリコン層との界面に単位時間当たり生成されるホールの量が陽極酸化によるナノ構造体のエッチング反応で消費されるホールの量よりも大きくなるように、前記陽極酸化反応が生じている前記溶液と前記多結晶シリコン層との界面に一定または変調した強度の単色光を照射しながら行うことが好ましい。
本発明においては、前記陽極酸化をする工程は、前記多結晶シリコン層の表面に光照射しながら行うものであり、陽極酸化反応は、前記溶液と前記多結晶シリコン層との界面に光照射によってホールを供給する過程と、そのホールが関与して、溶液によって多結晶シリコン層がエッチングされる過程とからなるが、一定強度の単色光を照射するとき、陽極酸化反応が光照射によって溶液と多結晶シリコン層との界面に単位時間当たり生成されるホールの量が、陽極酸化によるナノ構造体のエッチング反応で消費されるホールの量より十分大きく、エッチング反応が律速であることが好ましい。
【００１１】
さらに、本発明においては、前記多結晶シリコン層の活性化処理する工程は、フッ酸溶液、硝酸溶液および酢酸溶液を混合した混酸溶液、もしくは過酸化水素水とフッ酸溶液との混合溶液を用いたエッチング処理、またはアルゴンイオンによるスパッタエッチング処理を行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、多結晶シリコン層の表面を平坦化し、平坦化された多結晶シリコン層の活性化処理した後、多結晶シリコン層をフッ化水素酸溶液を用いて陽極酸化することにより、陽極酸化処理における陽極酸化反応をポリシリコン層表面から優先的にかつ均一に進行させることができる。このため、平坦かつ均一な構造のナノ構造体を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法について、添付の図面に示される好適実施形態を基に詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法を工程順に示すフローチャートである。
【００１４】
図１に示す多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法においては、ポリシリコン層（多結晶シリコン層）を、例えば、ｎ型の単結晶のシリコン基板の表面に形成する（ステップＳ１０）。
ポリシリコン層の形成方法としては、例えば、ＬＰＣＶＤ法、スパッタ法により形成される。また、例えば、プラズマＣＶＤ法によってアモルファスシリコンを成膜した後にアニール処理を行うことにより結晶化させることによりポリシリコン層を形成してもよい。
【００１５】
次に、ポリシリコン層の最表面を、例えば、ＣＭＰ法により研磨して、平坦化処理する（ステップＳ１２）。
このＣＭＰ法においては、研磨液として、例えば、ＮＨ４ＯＨ溶液のアルカリ溶液に、コロイダルシリカを混合し、さらに界面活性剤を添加し、Ｐｈ１０とした溶液を用いる。この溶液をポリウレタン製の研磨パッドにしみ込ませて用いる。
【００１６】
ＣＭＰ法においては、ポリシリコン層を堆積したシリコン基板を研磨機のホルダーに固定し、研磨パッド表面にポリシリコン層が接触するようにホルダーを調整し、このホルダーを遊星運動させ、研磨を行う。ポリシリコン層の最表面にある結晶粒（グレイン）を削り取り、ポリシリコン層の表面の凹凸の最大値を超える厚さ研磨して、ポリシリコン層表面の凹凸が数ｎｍのオーダーとなるように平坦化する。
【００１７】
本実施形態においては、柔軟な研磨パッドに凹凸のあるシリコン基板を押し付けて研磨しており、研磨時に運動するホルダーに抗する摩擦力は時間的に変化する。ポリシリコン層は１μｍ程度と通常薄い。このため、研磨量が大きいと、残存するポリシリコン層の厚さが十分でなくなる。そこで、研磨量を最小限に止めるために、研磨時にポリシリコン層と研磨パッド間に加える圧力を一定とし、かつ研磨時の摩擦力も同時測定し、摩擦力が安定して一定になる時点で研磨を止める。研磨後は、シリコン基板をホルダーより取り外し、速やかに純水を用いた洗浄を、例えば、約２０分間行う。
【００１８】
ポリシリコン層の表面の凹凸は数１０ｎｍであり、研磨屑が凹部分に溜まる傾向がある。この研磨屑が、アルカリ溶液に溶解しないうちに研磨中に研磨液に流入すると、ポリシリコン層の表面に、マイクロメートルオーダーの深さの傷が生じる。しかしながら、研磨液に界面活性剤を混ぜているため、研磨屑が凹部分に吸着することが抑制されて、傷が生じることを防ぐことができる。
【００１９】
次に、平坦化処理後（ＣＭＰ法による研磨後）のポリシリコン層に、活性化処理をする（ステップＳ１４）。
この活性化処理は、例えば、ポリシリコン層の表面を、フッ酸溶液、硝酸溶液、および酢酸溶液を混合した混酸溶液、または過酸化水素水とフッ酸溶液との混合溶液によるエッチングによりなされる。この混酸溶液としては、例えば、５０％フッ酸、６０％硝酸、酢酸の比率が、１：ｒ（＞４）：１とし、シリコン基板を２〜４秒浸す。これにより、ＣＭＰ法による研磨時に、アルカリ溶液で生ずるピット等の表面荒れを緩和し、残存している研磨時の汚染物を除去する。その後、希フッ酸でシリコン基板をリンスする。その後、次工程の陽極酸化処理に移行する。
上記以外にも、活性化処理としては、例えば、アルゴンイオンによるスパッタエッチング処理により、表面を活性化し、かつアルカリ溶液を研磨液として用いたＣＭＰにより生じた表面粗さを緩和してもよい。
【００２０】
なお、活性化処理において、表面活性化のための酸エッチングの時間は、グレイン界面に酸イオンが拡散しない程度に止める。これは、陽極酸化反応を進行させたくないグレイン界面まで活性化してしまうことを防ぐためである。
また、アルゴンイオンによるスパッタエッチングの場合は、後工程の陽極酸化処理をするまでの間に、自然酸化層がポリシリコン層の表面に形成され、これが陽極酸化反応のむらの原因になる。そこで、アルゴンイオンによるスパッタエッチングをした場合には、このスパッタエッチング後、ポリシリコン層の表面を熱酸化して酸化膜を形成し、後述する陽極酸化処理において使用する溶液に浸したときに、この酸化膜が陽極酸化反応溶液で除去され、活性な表面が露出するようにする。
【００２１】
次に、陽極酸化処理をする（ステップＳ１６）。陽極酸化処理後は、シリコン基板１００を、例えば、エタノール中でリンスし、その後、Ｎ２ガスを吹きつけ乾燥させる。
陽極酸化処理には、図２に示す陽極酸化処理装置１０を用いる。
この陽極酸化処置装置１０は、表面１２ａに陽電極板１８が設けられた下部基体１２と、この下部基体１２の表面１２ａに対向して配置された容器体１４とを有する。下部基体１２と容器体１４とは円筒状の部材１６を介して結合されており、下部基体１２と容器体１４との間には、容器体１４の裏面１４ｂにポリシリコン層１０２を向けてシリコン基板１００が陽電極板１８の表面１８ａに載置された状態で配置される。
【００２２】
容器体１４には、表面１４ａから裏面１４ｂを貫通する開口部１５が形成されている。
この容器体１４は、シリコン基板１００とともに反応槽を構成し、開口部１５に陽極酸化用の溶液Ｒを保持する。この開口部１５には、白金電極体２０が配置されている。
陽極酸化処理装置１０において、陽極酸化用の溶液Ｒとしては、例えば、ＨＦ：エタノール＝１：１の溶液が用いられる。このため、容器体１４は、フッ素樹脂樹脂など、耐フッ酸性を有するものにより構成されている。
【００２３】
ポリシリコン層１０２のうち、開口部１５の開口端１５ａに面するポリシリコン層１０３がナノ構造体となる。また、陽電極板１８と白金電極体２０とが電源部２２に接続されている。この電源部２２は、陽電極板１８と白金電極体２０との間に所定の電圧を印加するものであり、これにより、ポリシリコン層１０３にナノ構造体が形成される。
さらに、容器体１４の表面１４ａ側には、開口部１５に対向して光源２４が配置されている。この光源２４は、例えば、雲台に固定された標準ランプであり、この標準ランプとポリシリコン層１０２の表面１０２ａとの間に、光源２４側から第１集光レンズ２５ａ、分光器２５ｂ、ＮＤフィルタ２５ｃおよび第２集光レンズ２５ｄが配置されている。これら第１集光レンズ２５ａ、分光器２５ｂ、ＮＤフィルタ２５ｃ、および第２集光レンズ２５ｄにより、ポリシリコン層１０２の表面１０２ａに対する放射スペクトル光量および照射位置などを変えることができる。
電源部２２および光源２４は、制御部２６に接続されており、この制御部２６により、オン、オフ、電圧、光量などが制御される。また、分光器２５ｂにより、略単一のスペクトルの光（振動数ν）を取り出すことができる。
【００２４】
ポリシリコン層の陽極酸化反応においては、局所的な構造欠陥、点欠陥、または転位等で進行しやすく、グレイン界面においても進行しやすい。また、グレインのサイズに依存したポリシリコン層表面の凹凸は、陽極酸化反応後も残るとともに、局所的な陽極酸化反応の不均一性の原因となる。このため、本実施形態においては、ポリシリコン層を陽極酸化してナノシリコン化し、ナノ構造体を形成するプロセスにおいて、ポリシリコン層の表面を平坦化し、その後、平坦化された表面を活性化処理することにより、ポリシリコン層の表面から陽極酸化が優先的に、かつ均一に進行するため、ポリシリコン層の厚さ方向に、均一にナノシリコンを形成することができる。これにより、厚さ方向に１次元的に結合したナノシリコン量子ドットの集合体、または厚さ方向に伸長した量子細線の集合体が均一な形成され、均一なナノ構造体を得ることができる。
また、ポリシリコン層１０２は、平坦化処理されているため、シリコン基板１００からの高さも揃ったものとなる。すなわち、ポリシリコン層１０２は、厚さが均一なものであり、平坦のナノ構造体となる。
【００２５】
本実施形態の方法により形成されたナノ構造体のうち、例えば、厚さ方向に伸長した量子細線の集合体を有するものは、図３（ａ）に示すように、面放出型電子源３０の電子通過層１０４に利用され、この電子通過層１０４は、厚さ方向Ｄに伸長した量子細線１０６の集合体を有するナノ構造体により構成されている。
図３（ａ）に示す電子源３０は、量子細線１０６のシリコン基板１００と反対側に平面状の表面電極３２が形成されている。シリコン基板１００が、表面電極３２とペアになる電極を兼ねている。表面電極３２とシリコン基板１００とに直流電圧を印加する電源部３４が設けられており、表面電極３２側がプラスの電位である。これにより、表面電極３２の表面３２ａから電子ｅが略垂直に放出される。
また、電子通過層１０４を構成する、本実施形形態の方法で形成された量子細線１０６は、その太さが、ナノメートルオーダであり、具体的には、１ｎｍ〜１００ｎｍであり、量子閉じ込め効果が発現する大きさである。
【００２６】
また、本実施形態の方法により形成されたナノ構造体のうち、例えば、厚さ方向に１次元的に結合したナノシリコン量子ドットの集合体を有するものは、例えば、表面酸化処理がされて、図３（ｂ）に示す面放出型電子源４０の電子通過層１０８に利用され、この電子通過層１０８は、厚さ方向Ｄに、ナノシリコン量子ドット１１２が１次元的に結合した結合体１１０の集合体を有するナノ構造体により構成されている。
【００２７】
図３（ｂ）に示す電子源４０も、図３（ａ）に示す電子源３０と同様に、結合体１１０のシリコン基板１００と反対側に平面状の表面電極３２が形成されている。シリコン基板１００が、表面電極３２とペアになる電極を兼ねている。表面電極３２とシリコン基板１００とに直流電圧を印加する電源部３４が設けられており、表面電極３２側がプラスの電位である。これにより、表面電極３２の表面３２ａから電子ｅが略垂直に放出される。
また、電子通過層１０８を構成する、本実施形形態の方法で形成されたナノシリコン量子ドット１１２は、ナノオーダのシリコン微結晶１１２ａの表面に、このシリコン微結晶１１２ａの結晶粒径よりも小さな膜厚の酸化膜１１２ｂが形成されたものである。
このナノシリコン量子ドット１１２は、その太さ（径）が、ナノメートルオーダであり、具体的には、１ｎｍ〜１００ｎｍであり、量子閉じ込め効果が発現する大きさである。
【００２８】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
本実施形態の多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法は、光照射を伴う陽極酸化処理を用いるものであって、第１の実施形態に比して、陽極酸化処理の工程が異なるだけであり、それ以外の工程は、第１の実施形態と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
本実施形態においては、ｎ型のシリコン単結晶基板の表面に、ポリシリコン層形成を形成する（ステップＳ１０）。
【００２９】
次工程の平坦化処理（ステップＳ１２）においては、第１の実施形態と同様に、ＣＭＰ法により研磨して平坦化処理する。本実施形態も、ＮＨ４ＯＨ溶液のアルカリ溶液に、コロイダルシリカを混合し、さらに界面活性剤を添加し、Ｐｈ１０とした溶液を研磨液として用いた。
平坦化処理においては、ポリシリコン層の最表面にある結晶粒（グレイン）を削り取り、ポリシリコン層の表面の凹凸の最大値を超える厚さ、研磨して、ポリシリコン層表面の凹凸が数ｎｍのオーダーとなるように平坦化する。この場合、研磨量を最小限にするため、研磨時にポリシリコン層と研磨パッド間に加える圧力を一定とし、摩擦力が安定して一定になる時点で研磨を止める。その後、シリコン基板をホルダーより取り外し、速やかに純水を用いた洗浄を約２０分間行う。
【００３０】
ＣＭＰ法により平坦化処理する場合、研磨後、ポリシリコン層の表面には、例えば、アルカリ溶液で生ずるピット等の表面荒れが生じたり、研磨時の汚染物が残存することがある。これらを除去するために、以下のように、表面活性化処理（ステップＳ１４）をする。この場合、例えば、５０％フッ酸、６０％硝酸、酢酸の比率が、１：ｒ（＞４）：１とした混酸溶液に、シリコン基板を２〜４秒浸し、ピット等の表面荒れ、研磨時の汚染物を取り除く。その後、希フッ酸でシリコン基板をリンスし、速やかに陽極酸化反応装置１０（図２参照）に固定し、陽極酸化処理（ステップＳ１８）をする。
上述のように、陽極酸化反応装置１０においては、陽電極板１８の表面１８ａにシリコン基板１００を載置して下基体１２と容器体１４との間に挟みこみ、ポリシリコン層の一部を反応槽に注入される溶液Ｒ（例えば、ＨＦ：エタノール＝１：１の溶液）と接触させる。
【００３１】
本実施形態においては、光源２４に、例えば、１００Ｗの標準ランプを用いる。この標準ランプからの光を、第１集光レンズ２５ａを介して分光器２５ｂによって波長６５０ｎｍの光を取り出し、ＮＤフィルタ２５ｃを経て第２集光レンズ２５ｄで、ポリシリコン層１０２の表面１０２ａに焦点が合うように調整しておく。そして、陽極酸化反応中、ポリシリコン層１０２の表面１０２ａに、光源２４から一定強度の単色光を照射する。
また、本実施形態においては、例えば、陽極酸化電流密度が３５ｍＡ／ｃｍ２となるように、電源部２２から電圧を白金電極体２０と陽電極板１８とに印加して、例えば、１２秒間陽極酸化処理を行う。処理後、シリコン基板１００を取り出し、このシリコン基板１００をエタノール中でリンスし、Ｎ２ガスを吹きつけ乾燥させる。このようにして、例えば、図４に示すようなナノ構造体を得ることができる。図４中、αは量子細線の集合体を示し、βはその表面を示す。
【００３２】
本実施形態の陽極酸化処理（ステップＳ１８）工程においては、陽極酸化反応が生じている溶液Ｒとポリシリコン層１０２との界面に単位時間当たり生成されるホールの量と陽極酸化によるナノ構造体のエッチング反応で消費されるホールの量とが平衡するように、陽極酸化反応が生じている溶液Ｒとポリシリコン層１０２との界面に一定強度の単色光を照射しながら行うことにより、後述する理由により、溶液とポリシリコン層界面へのホール供給が律速となり、径が均一な量子細線構造を形成することができる。以下、径が均一な量子細線構造を形成することができる理由について説明する。
【００３３】
本実施形態の陽極酸化反応において、形成が完了した量子細線には電子−ホール対は生成しないが、形成が進行していない部分のポリシリコン層１０２内には電子−ホール対を生成する範囲（後述するεｇ＜ｈν＜εｇ＋２Ｅ）のエネルギの光子による一定強度の単色光を照射し、かつ溶液Ｒとポリシリコン層Ｒとの界面へのホール供給が律速となるように溶液Ｒとポリシリコン層１０２との界面に単位時間当たり生成されるホールの量と陽極酸化によるナノ構造体のエッチング反応で消費されるホールの量とが平衡するように光強度を調整する場合には、図５（ａ）に示すように、ポリシリコン層１０２の表面１０２ａから下方に向う方向Ａ（以下、単に「ポリシリコン層１０２の下方向Ａ」という）のエッチング反応と、量子細線１２０の径方向Ｂのエッチング反応との速度差は問題にならず、それぞれの反応領域に、同様にホール１０５が供給されるため、陽極酸化反応の進行はポリシリコン層１０２の下方向Ａと量子細線１２０の径方向Ｂとのエッチング反応速度は同様である。側面のエッチングが進行し、量子細線１２０におけるバンドギャップが増大すると、光照射しても量子細線１２０内に陽極酸化反応に必要となるホール１０５が生成できなくなり、径方向Ｂの量子細線１２０側面のエッチングは停止する。
【００３４】
ポリシリコン層１０２の下方向Ａと、量子細線１２０の径方向Ｂとエッチング速度差が小さく、ポリシリコン層１０２において、ポリシリコン層１０２の下方向Ａへのエッチングが進行するとき、方向Ｂの量子細線１２０側面へのエッチングは殆ど停止しているため、径が均一な量子細線構造を形成することができる。
ここで、ホール供給が律速となるようにするには、ＮＤフィルタ２５ｃを用いて、照射光の強度を上げておき、その強度を僅かに変化させたとき、陽極酸化反応の電流、すなわち、陽電極板１８と白金電極体２０とを流れる電流が照射光強度に比例して変化することを、例えば、電流計（図示せず）を用いて確認すればよい。
【００３５】
また、本発明の陽極酸化処理（ステップＳ１８）工程においては、陽極酸化反応が生じている溶液Ｒとポリシリコン層１０２との界面に、単位時間当たり生成されるホールの量が陽極酸化によるナノ構造体のエッチング反応で消費されるホールの量よりも大きくなるように、陽極酸化反応が生じている溶液Ｒとポリシリコン層１０２との界面に一定強度の単色光を照射しながら行うことにより、後述するように、直径がほぼ一定のナノシリコン量子ドットが、厚さ方向に１次元的に結合したものを形成することができる。
【００３６】
本実施形態の陽極酸化反応において、結合量子ドットが形成される前の形態である量子細線構造に、電子−ホール対を生成するのに十分なエネルギを持ち、最終形態となる結合量子ドット内には電子−ホール対を生成しない範囲（後述するεｇ＋２Ｅ＜ｈν＜εｇ＋３Ｅ）のエネルギの光子による一定強度の単色光を照射し、かつ陽極酸化反応（エッチング反応）が律速となるように、溶液Ｒとポリシリコン層１０２との界面に単位時間当たり生成されるホールの量が陽極酸化によるナノ構造体のエッチング反応で消費されるホールの量よりも大きくするように光強度を調節して陽極酸化を行うと、直径がほぼ一定のナノシリコン量子ドットが、厚さ方向に１次元的に結合したものを形成することができる。
【００３７】
これは、エッチング反応が律速となったため、図５（ｂ）に示すように、ポリシリコン層１０２の下方向Ａ、径方向Ｂのそれぞれで起きるエッチング反応は、溶液Ｒに接するポリシリコン層１０２の表面１０２ａに生じる電界が最も大きくなるポリシリコン層１０２の下方向Ａで優先的に反応し、径方向Ｂでのエッチング反応は、ポリシリコン層１０２の下方向Ａでのエッチング反応より遅くなる（溶液Ｒとポリシリコン層１０２界面は金属−半導体接触に類似の状況となる）。このため、形成中の量子細線１２０のエッチングが不十分な内に、ポリシリコン層１０２の下方向Ａへのエッチングが進行するため、ポリシリコン層１０２の下方向Ａへのエッチングと量子細線１２０側面のエッチングが同時に進行する。このとき、側面のいたるところで、エッチング反応が生じることになるが、量子細線１２０の上端部の側面にエッチングが進行して量子ドットが形成されると、先に設定した照射光の光子のエネルギの条件により、量子ドットにホール１０５が供給されなくなり、その部分の反応は停止する。以下、量子細線１２０の下方向に同様にエッチング反応が生じ、同サイズの量子ドットが連続して形成されることによるものである。
【００３８】
ここで、エッチング反応が律速となるようにするには、ＮＤフィルタ２５ｃを用いて、照射光の強度を下げておき、その強度を僅かに変化させたとき、陽極酸化反応の電流、すなわち、陽電極板１８と白金電極体２０とを流れる電流が照射光強度に比例していないことを、例えば、電流計で確認すればよい。
【００３９】
また、上述の方法において、制御部２６により、陽極酸化反応によるポリシリコン層のエッチング量の内、量子細線側面のエッチングの割合が十分小さく、厚さ方向へのエッチングの割合が十分大きくなるように光源２４からの光照射量を低下させるとともに、電界集中が生じる、ポリシリコン層１０２の下方向Ａでのエッチング反応が速くなるように、電源２２からの陽極酸化電圧を増大させ、この状態で経時的に照射光強度を変調すると、光強度を大きくした時に、ポリシリコン層１０２の下方向Ａでのエッチング量が増大して、量子細線側面に細線の径が小さくなる部位ができる。その後、量子細線１２０の側面でもエッチング反応が生じるが、量子細線の径が小さくなる部位は、ポリシリコン層１０２の下方向Ａと同様に電界集中が生じるため、エッチングが速く進行し、厚さ方向で量子ドットの直径が変化する結合量子ドットを形成することができる。
【００４０】
量子細線を形成する場合において、電子−ホール対が生成しないがポリシリコン層には電子−ホール対を生成する範囲のエネルギｈνの光子に関して、照射光の波長を設定するには、量子井戸での束縛状態のエネルギで最も低いエネルギがＥ＝ｈ２／８π２ｍ０ａ２（なお、ｈ：プランク定数。ｍ０：電子の質量、ａ：電子を閉じ込める範囲）であることから、シリコンのバンドキャップのエネルギεｇに対して、εｇ＜ｈν＜εｇ＋２Ｅとする。
【００４１】
また、結合量子ドットを形成する場合において、結合量子ドット内には電子−ホール対を生成しないが量子細線内には電子−ホール対を生成する範囲のエネルギｈνの光子に関して、照射光の波長を設定するには、εｇ＋２Ｅ＜ｈν＜εｇ＋３Ｅとする。
但し、これらの量子細線、量子箱における束縛状態によるエネルギの見積もりは概算であって、最終的には実験により照射元の波長を補正する。
【００４２】
なお、本実施形態において、光照射は、陽極酸化反応に必要なホールをポリシリコン表面に供給することが目的である。例えば、ポリシリコン層が、ｐ型シリコンであれば、ホールが十分に供給される。このように陽極酸化反応に十分なホールを供給できる場合、光照射は必ずしも必要ではない。
【００４３】
本実施形態においても、陽極酸化反応の起こりやすさが、ポリシリコン層の表面の位置ごとに異なるなど、場所により不均一であると、溶液Ｒとポリシリコン層と間の陽極酸化反応時の電位がポリシリコン層の場所により変化するため、第１の実施形態と同様に、ポリシリコン層の表面の平坦化と活性化が必要である。
【００４４】
また、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、図３（ａ）に示す面放出型電子源３０の電子通過層１０４、または、図３（ｂ）に示す面放出型電子源４０の電子通過層１０８に利用することができる。
【００４５】
以上、本発明の多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態に係る多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法を工程順に示すフローチャートである。
【図２】本発明の実施形態に係る多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法に用いられる陽極酸化装置を示す模式図である。
【図３】（ａ）は、本実施形態の多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法により形成されたナノ構造体の一例を電子通過層に用いた面放出型電子源を示す模式図であり、（ｂ）は、本実施形態の多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法により形成されたナノ構造体の他の例を電子通過層に用いた面放出型電子源を示す模式図である。
【図４】本発明の実施形態に係る多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法により形成されたナノ構造体を示す模式図である。
【図５】（ａ）は、本実施形態の多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法における量子細線の形成工程を説明する模式図であり、（ｂ）は、本実施形態の多結晶シリコン層を用いたナノ構造体の形成方法における量子結合ドットの形成工程を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  陽極酸化処理装置
１００  シリコン基板
１０２  ポリシリコン層
α  量子細線の集合体
β  表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図４】
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