JP2005154210A - Method for producing quartz crystal thin film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水晶結晶薄膜とその製造方法に関する。 The present invention relates to a quartz crystal thin film and a manufacturing method thereof.
水晶結晶薄膜は、発振子、振動子、高周波フィルタ用表面弾性波素子、光導波路、半導体基板、あるいはそれらの部品として用いられる。このような有用な水晶結晶薄膜を製造する方法としては、従来より、水熱合成法で得られる水晶単結晶を研磨して薄膜化する方法が知られており、また水晶結晶薄膜を直接的に製造する方法としては、ゾルゲル法、プラズマ化学的気相堆積(DVD)法、スパッタ法、そしてレーザアブレーション法などが知られている。しかしながら、これらの製造方法は、実用的に満足できる水晶結晶薄膜の得率が低い、あるいは大規模な装置と厳しい製造条件の管理が必要である等の問題があり、工業的な水晶結晶薄膜の製造方法としては必ずしも有利なものとは言えない。 The quartz crystal thin film is used as an oscillator, a vibrator, a surface acoustic wave device for a high frequency filter, an optical waveguide, a semiconductor substrate, or a component thereof. As a method for producing such a useful quartz crystal thin film, a method of polishing a quartz single crystal obtained by a hydrothermal synthesis method into a thin film has been conventionally known. As a manufacturing method, a sol-gel method, a plasma chemical vapor deposition (DVD) method, a sputtering method, a laser ablation method, and the like are known. However, these production methods have problems such as low yield of crystal crystal thin films that are practically satisfactory, or the necessity of managing large-scale equipment and strict production conditions. It is not necessarily advantageous as a manufacturing method.
特許文献1には、工業的に有利に利用できる水晶結晶薄膜の製造方法として、大気圧気相エピタキシャル成長法(AP−VPE)が記載されている。この大気圧気相エピタキシャル成長法は、真空装置を用いない大気圧下で、ケイ素アルコキシドと酸素とを、好ましくは塩化水素などの反応促進剤の存在下に、反応させて、基板上に水晶結晶薄膜をエピタキシャル成長させて堆積させる方法である。この特許公開公報にはさらに、大気圧気相エピタキシャル成長法により基板上に水晶結晶薄膜を生成させる際に、予め基板上にバッファ層を設けることによって、その上に堆積する水晶結晶薄膜の結晶性が向上する旨の記載がある。 Patent Document 1 describes an atmospheric pressure vapor phase epitaxial growth method (AP-VPE) as a method for producing a quartz crystal thin film that can be advantageously used industrially. In this atmospheric pressure vapor phase epitaxial growth method, a quartz crystal thin film is formed on a substrate by reacting silicon alkoxide with oxygen, preferably in the presence of a reaction accelerator such as hydrogen chloride, under atmospheric pressure without using a vacuum apparatus. Is deposited by epitaxial growth. This patent publication further describes the crystallinity of the quartz crystal thin film deposited thereon by providing a buffer layer on the substrate in advance when the quartz crystal thin film is formed on the substrate by atmospheric pressure vapor phase epitaxy. There is a statement to improve.
一方、ATカット面が優先的に配向して成長した水晶結晶薄膜は、これを振動子として用いた場合に、特に温度依存性が低いことが知られており、このため、優れた素子とされているが、そのような特性を持つ水晶結晶薄膜を選択的に製造する方法、特に気相法により製造する方法は、これまでに知られていない。
本発明は、優れた結晶特性を示す水晶結晶薄膜を、簡易な気相反応装置を用いて、高い得率で製造することを可能にする水晶結晶薄膜の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は特に、ATカット面が優先的に配向して成長した水晶結晶膜を、簡易な気相反応装置を用いて、高い得率で製造することを可能にする水晶結晶薄膜の製造方法を提供することを目的とする。
本発明はまた、ATカット面が優先的に配向して成長した水晶結晶膜を提供することも、その目的とする。
An object of the present invention is to provide a method for producing a quartz crystal thin film that makes it possible to produce a quartz crystal thin film exhibiting excellent crystal characteristics at a high yield using a simple gas phase reactor. .
In particular, the present invention provides a method for producing a quartz crystal thin film that makes it possible to produce a quartz crystal film having an AT-cut surface oriented and grown with high yield using a simple gas phase reactor. The purpose is to provide.
It is another object of the present invention to provide a quartz crystal film in which an AT cut surface is preferentially grown.
本発明は、水晶結晶の格子定数と異なる格子定数を持つ結晶性基板の表面に、少なくとも二層の水晶層(ただし、いずれの水晶層も、結晶相と非晶質相とからなり、基板に遠い側の水晶層内の結晶相の比率が、基板に近い側の水晶層内の結晶相の比率よりも高くなるように調整する)を形成し、次いで、基板に遠い側の水晶層の表面に、ケイ酸アルコキシドと酸素との反応により、エピタキシャル成長した水晶結晶膜を生成させることからなる水晶結晶膜の製造方法にある。
本発明はまた、上記の製造方法によって製造された水晶結晶膜にもある。
In the present invention, a crystal substrate having a lattice constant different from that of a crystal crystal has at least two crystal layers (however, each crystal layer is composed of a crystal phase and an amorphous phase, The crystal phase ratio in the crystal layer on the far side is adjusted to be higher than the crystal phase ratio in the crystal layer on the side close to the substrate), and then the surface of the crystal layer on the side far from the substrate In addition, there is a method for producing a crystal crystal film comprising producing a crystal crystal film epitaxially grown by a reaction between silicate alkoxide and oxygen.
The present invention also resides in a quartz crystal film manufactured by the above manufacturing method.
本発明は特に、水晶結晶の格子定数と異なる格子定数を持つ結晶性基板の表面に、少なくとも二層の水晶層(ただし、いずれの水晶層も、結晶相と非晶質相とからなり、基板に遠い側の水晶層内の結晶相の比率が、基板に近い側の水晶層内の結晶相の比率よりも高くなるように調整する)を形成し、次いで、基板に遠い側の水晶層の表面に、ケイ酸アルコキシドと酸素との反応により、ATカット面が優先的に配向して成長するように、エピタキシャル成長した水晶結晶膜を生成させることからなる水晶結晶膜の製造方法にある。
本発明はまた、上記の製造方法により製造されたATカット面が優先的に配向して成長した水晶結晶膜にもある。
In particular, the present invention provides at least two crystal layers (however, each crystal layer is composed of a crystal phase and an amorphous phase on the surface of a crystalline substrate having a lattice constant different from that of the crystal crystal. The crystal phase ratio in the crystal layer far from the substrate is adjusted to be higher than the crystal phase ratio in the crystal layer near the substrate), and then There is a method for producing a crystal crystal film, which comprises generating a crystal crystal film epitaxially grown so that an AT cut surface is preferentially oriented and grown on the surface by a reaction between silicate alkoxide and oxygen.
The present invention also resides in a quartz crystal film in which the AT cut surface produced by the above production method is grown with a preferential orientation.
本発明はまた、水晶結晶の格子定数と異なる格子定数を持つ基板の表面に、少なくとも二層の水晶層(ただし、いずれの水晶層も、結晶相と非晶質相とからなり、基板に遠い側の水晶層内の結晶相の比率が、基板に近い側の水晶層内の結晶相の比率よりも高くなるように調整されている)を介して、ATカット面が優先的に配向して成長した水晶結晶膜が積層されている積層体にもある。
本発明はまた、ATカット面が優先的に配向して成長した水晶結晶膜、および該水晶結晶膜の一方の側の表面に結晶相と非晶質相とからかなる水晶層を有する積層体にもある。
本発明はまた、気相成長法により形成したATカット面が優先的に配向して成長した水晶結晶膜にもある。
The present invention also provides at least two quartz layers on the surface of a substrate having a lattice constant different from that of the quartz crystal (however, each quartz layer is composed of a crystalline phase and an amorphous phase and is far from the substrate). The crystal phase ratio in the crystal layer on the side is adjusted to be higher than the crystal phase ratio in the crystal layer on the side close to the substrate). There is also a laminate in which the grown quartz crystal films are laminated.
The present invention also provides a quartz crystal film in which an AT cut surface is preferentially grown and a laminate having a crystal layer composed of a crystal phase and an amorphous phase on the surface of one side of the crystal crystal film. There is also.
The present invention also resides in a quartz crystal film in which an AT cut surface formed by a vapor deposition method is grown with a preferential orientation.
本発明の水晶結晶薄膜の製造方法を利用することにより、優れた結晶特性を示す水晶結晶薄膜、特にATカット面が優先的に配向して成長した水晶結晶薄膜を、簡易な気相反応装置を用いて、高い得率で製造することが可能となる。また、本発明の水晶結晶薄膜は高い結晶性を持つため、優れた物理的特性を示す。 By using the method for producing a quartz crystal thin film of the present invention, a quartz crystal thin film exhibiting excellent crystal characteristics, particularly a quartz crystal thin film grown with a preferential orientation of an AT cut surface, can be converted into a simple vapor phase reactor. It becomes possible to manufacture with high yield. Moreover, since the quartz crystal thin film of the present invention has high crystallinity, it exhibits excellent physical properties.
本発明の水晶結晶膜の製造方法の好ましい実施態様は次の通りである。
(1)基板の表面に接する水晶層が1〜50%の結晶相と99〜50%の非晶質相とから構成され、一方、水晶結晶膜の表面に接する水晶層が5〜95%の結晶相と95〜5%の非晶質相から構成されていて、後者の水晶層内の結晶相の比率が前者の水晶層内の結晶相の比率よりも4%以上高くされている。
(2)水晶層が、基板の表面に接する側の1〜50%の結晶相と99〜50%の非晶質相とから構成される下側水晶層と、水晶結晶膜の表面に接する5〜95%の結晶相と95〜5%の非晶質相から構成される上側水晶層の二層から構成されていて、上側水晶層内の結晶相の比率が下側水晶層内の結晶相の比率よりも4%以上高くされている。
(3)水晶層の形成を、ケイ酸アルコキシドと酸素との反応を利用して行なう。
(4)水晶層の形成と水晶結晶膜の製造をいずれも大気圧中で行なう。
(5)基板が、Si基板、GaAs基板、もしくはサファイア基板である。
(6)基板が、(110)A面を持つサファイア基板である。
A preferred embodiment of the method for producing a quartz crystal film of the present invention is as follows.
(1) The crystal layer in contact with the surface of the substrate is composed of 1 to 50% crystal phase and 99 to 50% amorphous phase, while the crystal layer in contact with the surface of the crystal crystal film is 5 to 95%. The crystal phase is composed of 95 to 5% amorphous phase, and the ratio of the crystal phase in the latter crystal layer is 4% or more higher than the ratio of the crystal phase in the former crystal layer.
(2) The quartz crystal layer is in contact with the surface of the quartz crystal film, and the lower quartz crystal layer composed of 1 to 50% crystal phase on the side in contact with the surface of the substrate and 99 to 50% amorphous phase. The upper crystal layer is composed of two layers of -95% crystal phase and 95-5% amorphous phase, and the ratio of the crystal phase in the upper crystal layer is the crystal phase in the lower crystal layer 4% or more higher than the above ratio.
(3) The crystal layer is formed by utilizing a reaction between silicate alkoxide and oxygen.
(4) Both the formation of the quartz layer and the production of the quartz crystal film are performed at atmospheric pressure.
(5) The substrate is a Si substrate, a GaAs substrate, or a sapphire substrate.
(6) The substrate is a sapphire substrate having a (110) A plane.
次に、本発明の水晶結晶薄膜の製造方法および水晶結晶薄膜について、図面を参照しながら詳しい説明をする。 Next, a method for producing a quartz crystal thin film and a quartz crystal thin film according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明の水晶結晶薄膜の製造方法で得られる水晶結晶薄膜を含む積層体の代表的な層構成を図1に示す。すなわち、積層体10は、基板11の上に、下側水晶層12、上側水晶層13、そして水晶結晶薄膜14がこの順に積層された構成を有する。なお、下側水晶層12と上側水晶層13とは、基板上に水晶結晶薄膜をエピタキシャル成長させる際、特にATカット面が優先的に配向して成長した水晶結晶薄膜をエピタキシャル成長により堆積させる際に、基板の格子定数の影響を維持しながら、その影響を緩和する機能(面配向制御機能)を示すと理解されるため、以下では、それぞれの層を、下側バッファ層と上側バッファ層ということがある。
FIG. 1 shows a typical layer structure of a laminate including a quartz crystal thin film obtained by the method for producing a quartz crystal thin film of the present invention. That is, the laminated
基板としては、水晶結晶の格子定数と異なる格子定数を持つ結晶性基板が選ばれる。ただし、結晶性基板は六方晶の結晶構造を持つか、あるいはその表面に六方晶の原子配列が現われていることが好ましい。そのような結晶性基板の例としては、Si基板、GaAs基板、及びサファイア基板が挙げられ、特に好ましいのは、(110)A面を持つサファイア基板である。
基板は透明であっても、不透明であってもよい。ただし、水晶結晶薄膜を基板から剥離させずに、基板付き水晶結晶薄膜として光学要素部品として用いる場合には、透明な基板を用いることが好ましい。基板の好ましい厚み範囲は、50〜500μmの範囲であり、特に100〜300μmの範囲が好ましい。
As the substrate, a crystalline substrate having a lattice constant different from that of quartz crystal is selected. However, the crystalline substrate preferably has a hexagonal crystal structure, or a hexagonal atomic arrangement appears on the surface thereof. Examples of such a crystalline substrate include a Si substrate, a GaAs substrate, and a sapphire substrate, and a sapphire substrate having a (110) A plane is particularly preferable.
The substrate may be transparent or opaque. However, when the quartz crystal thin film is used as an optical element component as a quartz crystal thin film with a substrate without peeling the quartz crystal thin film from the substrate, it is preferable to use a transparent substrate. A preferable thickness range of the substrate is in the range of 50 to 500 μm, and particularly preferably in the range of 100 to 300 μm.
本発明の水晶結晶薄膜の製造方法においては、基板の上に、水晶結晶薄膜を生成させる前に、少なくとも二層のバッファ層を形成することが特徴である。これらの少なくとも二層のバッファ層は共に、結晶相と非晶質相とからなる薄層である。そして、基板に遠い側の水晶層内の結晶相の比率が、基板に近い側の水晶層内の結晶相の比率よりも高くなるように調整される。その具体例を云えば、基板の表面に接する側のバッファ層12(下側バッファ層)が、1〜50%の結晶相と99〜50%の非晶質相とから構成され、その上のバッファ層13(上側バッファ層)が、5〜95%の結晶相と95〜5%の非晶質相から構成される。ただし、上側バッファ層内の結晶相の比率が下側バッファ層内の結晶相の比率よりも4%以上(好ましくは5%以上、さらに好ましくは10%以上、そして好ましくは、40%以下、さらに好ましくは30%以下)高くされている。本発明の水晶結晶薄膜の製造方法で利用する複数層の上記の要件を満たす複数のバッファ層は、その最上層のバッファ層の上に成長する水晶結晶薄膜の成長の面方位を制御する制御層として作用する。 The method for producing a quartz crystal thin film according to the present invention is characterized in that at least two buffer layers are formed on a substrate before producing the quartz crystal thin film. Both of these at least two buffer layers are thin layers composed of a crystalline phase and an amorphous phase. Then, the ratio of the crystal phase in the crystal layer on the side far from the substrate is adjusted to be higher than the ratio of the crystal phase in the crystal layer on the side close to the substrate. Specifically, the buffer layer 12 (lower buffer layer) on the side in contact with the surface of the substrate is composed of a crystal phase of 1 to 50% and an amorphous phase of 99 to 50%. The buffer layer 13 (upper buffer layer) is composed of a 5-95% crystal phase and a 95-5% amorphous phase. However, the ratio of the crystal phase in the upper buffer layer is 4% or more (preferably 5% or more, more preferably 10% or more, and preferably 40% or less, more than the ratio of the crystal phase in the lower buffer layer. Preferably 30% or less). The plurality of buffer layers satisfying the above-described requirements of the plurality of layers used in the method for manufacturing a crystal crystal thin film according to the present invention are control layers for controlling the plane orientation of the crystal crystal thin film grown on the uppermost buffer layer. Acts as
なお、結晶相と非晶質相とからなる水晶層(バッファ層)は、上記の要件を満たす二層のみで、本発明の目的を達成することができるが、必要により、三層以上設けてもよい。三層以上のバッファ層を設ける場合には、基板に接する最下層が上記の下側バッファ層の要件を満たし、最上層が上記の上側バッファ層の要件を満たせばよい。ただし、その中間にある層も、結晶相と非晶質相とからなる水晶層である必要があり、その中間水晶層内の結晶相の比率は、最下層内の結晶相の比率より高く、最上層内の結晶相の比率より低いことが好ましい。そして、中間に二以上の水晶層(中間バッファ層)が存在する場合には、上側の中間バッファ層内の結晶相の比率が、下側の中間バッファ層内の結晶相の比率よりも高いことが好ましい。 The crystal layer (buffer layer) composed of a crystalline phase and an amorphous phase can achieve the object of the present invention with only two layers satisfying the above requirements. However, if necessary, three or more layers are provided. Also good. When providing three or more buffer layers, the lowermost layer in contact with the substrate may satisfy the requirements of the lower buffer layer, and the uppermost layer may satisfy the requirements of the upper buffer layer. However, the layer in the middle also needs to be a crystal layer composed of a crystal phase and an amorphous phase, and the ratio of the crystal phase in the intermediate crystal layer is higher than the ratio of the crystal phase in the lowest layer, The ratio is preferably lower than the ratio of the crystal phase in the uppermost layer. When two or more crystal layers (intermediate buffer layers) are present in the middle, the ratio of crystal phases in the upper intermediate buffer layer is higher than the ratio of crystal phases in the lower intermediate buffer layer. Is preferred.
バッファ層はいずれも、厚さが10〜1000nmの範囲内にあることが好ましく、10〜300nmの範囲内にあることが更に好ましく、特に好ましいのは、20〜200nmの範囲内にあることである。また、下側のバッファ層が上側のバッファ層よりも厚いことが好ましい。 Each buffer layer preferably has a thickness in the range of 10 to 1000 nm, more preferably in the range of 10 to 300 nm, and particularly preferably in the range of 20 to 200 nm. . Further, it is preferable that the lower buffer layer is thicker than the upper buffer layer.
基板の上の少なくとも二層の水晶層(バッファ層)は、ケイ酸アルコキシドと酸素との反応により生成させることが好ましい。すなわち、本発明の水晶結晶薄膜は、バッファ層の上に、ケイ酸アルコキシドと酸素との反応により、エピタキシャル成長した水晶結晶膜を堆積させる方法で形成されるので、本発明の水晶結晶薄膜の形成に際して、基板の上に、バッファ層と水晶結晶薄膜とを、同一の原料を用いて連続的に形成させることが好ましい。 It is preferable that at least two crystal layers (buffer layers) on the substrate are formed by a reaction between silicate alkoxide and oxygen. That is, the quartz crystal thin film of the present invention is formed by a method of depositing an epitaxially grown quartz crystal film on the buffer layer by the reaction of silicate alkoxide and oxygen. It is preferable that the buffer layer and the quartz crystal thin film are continuously formed on the substrate using the same raw material.
上記のケイ酸アルコキシドと酸素との反応による二層以上の水晶層(バッファ層)の形成と、そのバッファ層上の水晶結晶薄膜の形成は、大気圧気相エピタキシャル成長法により実施することが好ましい。この大気圧気相エピタキシャル成長法は、前述のように、特開2002−80296号公報に詳しく記載されている。従って、本明細書では、大気圧気相エピタキシャル成長法については、簡単な記載に止める。大気圧気相エピタキシャル成長法についての詳しい説明は、上記の特開2002−80296号公報を参照されたい。 The formation of two or more crystal layers (buffer layers) by the reaction of the silicate alkoxide and oxygen and the formation of a crystal crystal thin film on the buffer layers are preferably carried out by atmospheric pressure vapor phase epitaxy. This atmospheric pressure vapor phase epitaxial growth method is described in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-80296 as described above. Therefore, in this specification, the atmospheric pressure vapor phase epitaxial growth method is only described briefly. For a detailed description of the atmospheric pressure vapor phase epitaxial growth method, refer to the above-mentioned JP-A-2002-80296.
大気圧気相エピタキシャル成長法は、容器内に収容した基板に、大気圧(本明細書において、大気圧とは、大気圧のみならず、大気圧に近い圧力(大気圧の二倍以内で、1/2以上の圧力)を意味する)にて、気体化したケイ酸アルコキシドと酸素とを接触させて、ケイ酸アルコキシドの酸化により生成する水晶を基板上に堆積させる方法である。ケイ酸アルコキシドとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、あるいはそれらの任意の組合せの混合物が用いられる。また、酸素は、オゾン、一酸化二窒素、あるいは水などの酸素供給源であってもよい。ケイ酸アルコキシドの酸化は、塩化水素などの反応促進剤を存在させることにより促進されるので、このような反応促進剤の使用も好ましい。 Atmospheric pressure vapor phase epitaxy is performed by applying atmospheric pressure (in this specification, atmospheric pressure means not only atmospheric pressure but also pressure close to atmospheric pressure (within twice the atmospheric pressure, 1 In this case, the gasified silicate alkoxide and oxygen are brought into contact with each other, and quartz produced by oxidation of the silicate alkoxide is deposited on the substrate. As the silicate alkoxide, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, tetrabutoxysilane, or a mixture of any combination thereof is used. The oxygen may be an oxygen supply source such as ozone, dinitrogen monoxide, or water. Since the oxidation of the silicate alkoxide is promoted by the presence of a reaction accelerator such as hydrogen chloride, the use of such a reaction accelerator is also preferred.
ケイ酸アルコキシドと酸素との反応による基板表面へのバッファ層(結晶相と非晶質相とが混在する層)の堆積は、たとえば、同一のケイ酸アルコキシドと酸素との反応によって水晶結晶薄膜を生成堆積させる温度(基板の温度、以下同じ)に比べて低い温度(たとえば、20〜200℃低い温度)で反応を進行させることにより実現することができる。なお、本発明の二層以上のバッファ層の形成に際して、上側バッファ層の形成は、下側のバッファ層の形成の温度よりも低い(例えば、10〜100℃低い)温度(例えば、400〜530℃の範囲の温度)で行なう。また、各バッファ層の形成後に、アニール処理を施すことにより結晶性の調整を行なうことが好ましい。 For example, a buffer layer (a layer in which a crystalline phase and an amorphous phase coexist) is deposited on the substrate surface by a reaction between silicate alkoxide and oxygen. For example, a quartz crystal thin film is formed by a reaction between the same silicate alkoxide and oxygen. This can be realized by allowing the reaction to proceed at a lower temperature (for example, a temperature lower by 20 to 200 ° C.) than the temperature at which the product is deposited (the temperature of the substrate, the same applies hereinafter). In forming the two or more buffer layers of the present invention, the upper buffer layer is formed at a temperature (for example, 400 to 530) lower than the temperature of the lower buffer layer (for example, 10 to 100 ° C.). At a temperature in the range of ° C. Further, it is preferable to adjust the crystallinity by performing an annealing treatment after the formation of each buffer layer.
本発明の水晶結晶薄膜の製造方法において、二以上のバッファ層は、基板の格子定数と水晶結晶薄膜の格子定数との中間の格子定数を持ち、特に下側のバッファ層が基板の格子定数に近い格子定数を持ち、上側のバッファ層が水晶結晶薄膜の格子定数に近い格子定数を持ち、基板の格子定数と水晶結晶薄膜の格子定数との相違を緩和する機能を持つものと考えられる。 In the method for producing a quartz crystal thin film of the present invention, the two or more buffer layers have a lattice constant intermediate between the lattice constant of the substrate and the lattice constant of the quartz crystal thin film, and in particular, the lower buffer layer has a lattice constant of the substrate. It has a close lattice constant, and the upper buffer layer has a lattice constant close to that of the quartz crystal thin film, and has a function of relaxing the difference between the lattice constant of the substrate and the lattice constant of the quartz crystal thin film.
二以上のバッファ層の上には、ケイ酸アルコキシドと酸素との反応により、エピタキシャル成長した水晶結晶薄膜が形成される。この水晶結晶薄膜は、上記のバッファ層の形成と同様に、大気圧気相エピタキシャル成長法で行なうことが好ましい。ただし、バッファ層上に水晶結晶薄膜を堆積形成させる場合には、基板温度を、バッファ層の形成の際の基板温度にくらべて、20〜200℃高い温度に設定することが好ましい。ただし、水晶結晶薄膜の生成に最適な基板温度は、550〜600℃の範囲の温度である。 On the two or more buffer layers, an epitaxially grown quartz crystal thin film is formed by the reaction of silicate alkoxide and oxygen. This quartz crystal thin film is preferably formed by atmospheric pressure vapor phase epitaxy as in the formation of the buffer layer. However, when the quartz crystal thin film is deposited on the buffer layer, the substrate temperature is preferably set to a temperature 20 to 200 ° C. higher than the substrate temperature when the buffer layer is formed. However, the optimal substrate temperature for the production of the quartz crystal thin film is a temperature in the range of 550 to 600 ° C.
本発明の水晶結晶薄膜の製造方法に際して、基板として、Si基板、GaAs基板、もしくはサファイア基板、特に(110)A面を有するサファイア基板を用いると、二層以上のバッファ層の上に、ATカット面が優先的に配向して(すなわち、基板表面、特にサファイア基板の(110)A面に、約3゜傾斜した方向にカット面が優先的に配向して)成長した水晶結晶薄膜が容易に生成する。 In the method of manufacturing a quartz crystal thin film of the present invention, when a Si substrate, a GaAs substrate, or a sapphire substrate, particularly a sapphire substrate having a (110) A plane is used as a substrate, an AT cut is formed on two or more buffer layers. A quartz crystal thin film that has been grown with a plane preferentially oriented (that is, with a cut plane preferentially oriented in a direction inclined by about 3 ° on the substrate surface, particularly the (110) A plane of a sapphire substrate), is easily obtained. Generate.
なお、基板上に二層以上のバッファ層を介して積層された水晶結晶薄膜は、その積層体を加温もしくは冷却することにより、基板、バッファ層、そして水晶結晶薄膜のそれぞれの熱膨張係数の違いによって、基板とバッファ層から剥離させることが可能である。あるいは、同様の温度制御を利用して、一層もしくは二層以上のバッファ層を付けたまま、基板から剥離させることができる。そのように基板から剥離させた水晶結晶薄膜は、その後、所定の加工を行なうことによって、発振子、振動子、高周波フィルタ用表面弾性波素子、光導波路、半導体基板、あるいはそれらの部品として用いることができる。また、基板として透明な基板を用いれば、水晶結晶薄膜は、基板に積層した状態で光学部品として利用することも可能である。 In addition, the quartz crystal thin film laminated on the substrate via two or more buffer layers has a coefficient of thermal expansion of each of the substrate, the buffer layer, and the quartz crystal thin film by heating or cooling the laminate. Depending on the difference, the substrate and the buffer layer can be separated. Alternatively, using the same temperature control, the substrate can be peeled off with one or more buffer layers attached. The quartz crystal thin film thus peeled off from the substrate is then used as a resonator, vibrator, surface acoustic wave element for high frequency filter, optical waveguide, semiconductor substrate, or parts thereof by performing predetermined processing. Can do. If a transparent substrate is used as the substrate, the quartz crystal thin film can be used as an optical component in a state of being laminated on the substrate.
表面を研磨した光学グレードのサファイア基板の表面[(110)A面、10mm×10mm]に、テトラエトキシシラン[Si(OC2H5)4:99.999%]と酸素[99.999%]とから、塩化水素の存在下に、大気圧気相エピタキシャル成長法(APVPE)を利用して、下記の条件により水晶結晶薄膜を生成させた。 Tetraethoxysilane [Si (OC 2 H 5 ) 4 : 99.999%] and oxygen [99.999%] on the surface of the optical grade sapphire substrate [(110) A plane, 10 mm × 10 mm] polished on the surface From the above, a quartz crystal thin film was formed under the following conditions using atmospheric pressure vapor phase epitaxy (APVPE) in the presence of hydrogen chloride.
(1)石英製の縦型の反応器を用意し、この反応器の内部に、サファイア基板を装着し、基板を500℃に加熱した。次に、基板温度を500℃に維持した状態で30分間かけ、反応器に、70℃に加熱したテトラエトキシシラン中を通した窒素ガス(窒素ガス希釈テトラエトキシシランガス)を導入した。また、該反応器に窒素ガス希釈酸素ガスを導入し、同時に窒素ガス希釈した塩化水素ガス(反応促進剤)を該反応器に導入して、テトラエトキシシランガスを分解させ、生成した水晶化合物を基板上に堆積させ、成長させて、下側バッファ層を形成した。なお、これらの気体の反応器内への導入は、互いに異なるガス導入口を用いて行なった。
反応器には、テトラエトキシシランガス、酸素、そして塩化水素ガスの分圧が、それぞれ、3.3×102Pa、3.3×104Pa、そして1.7×102Paとなるように導入した。
形成された下側バッファ層は、厚みが100nmであり、10%の結晶相と90%の非晶質相とからなっていた。
次いで、反応器内への各気体の導入を中断し、基板を15分間、550℃に加熱することにより、下側バッファ層をアニールした。
(1) A quartz vertical reactor was prepared, a sapphire substrate was mounted inside the reactor, and the substrate was heated to 500 ° C. Next, nitrogen gas (nitrogen gas diluted tetraethoxysilane gas) passed through tetraethoxysilane heated to 70 ° C. was introduced into the reactor for 30 minutes while maintaining the substrate temperature at 500 ° C. Further, nitrogen gas diluted oxygen gas is introduced into the reactor, and simultaneously hydrogen chloride gas (reaction accelerator) diluted with nitrogen gas is introduced into the reactor to decompose tetraethoxysilane gas, and the produced crystal compound is formed into a substrate. Deposited and grown on top to form a lower buffer layer. The introduction of these gases into the reactor was performed using different gas inlets.
In the reactor, the partial pressures of tetraethoxysilane gas, oxygen, and hydrogen chloride gas are 3.3 × 10 2 Pa, 3.3 × 10 4 Pa, and 1.7 × 10 2 Pa, respectively. Introduced.
The formed lower buffer layer had a thickness of 100 nm and consisted of 10% crystalline phase and 90% amorphous phase.
Next, the introduction of each gas into the reactor was interrupted, and the lower buffer layer was annealed by heating the substrate to 550 ° C. for 15 minutes.
(2)次に、基板温度を450℃に下げ、各気体の導入を再開し、30分間かけて、テトラエトキシシランガスを分解させ、生成した水晶を基板上の下側バッファ層の上に堆積させ、成長させて、上側バッファ層を形成した。
形成された上側バッファ層は、厚みが50nmであり、25%の結晶相と75%の非晶質相とからなっていた。
次いで、反応器内への各気体の導入を中断し、基板を15分間、570℃に加熱することにより、上側バッファ層をアニールした。
(2) Next, the substrate temperature is lowered to 450 ° C., the introduction of each gas is resumed, the tetraethoxysilane gas is decomposed over 30 minutes, and the generated crystal is deposited on the lower buffer layer on the substrate. And an upper buffer layer was formed.
The formed upper buffer layer had a thickness of 50 nm and consisted of 25% crystal phase and 75% amorphous phase.
Next, the introduction of each gas into the reactor was interrupted, and the upper buffer layer was annealed by heating the substrate to 570 ° C. for 15 minutes.
(3)最後に、基板を570℃に維持したまま、各気体の導入を再開し、60分間かけて、テトラエトキシシランガスを分解させ、生成した水晶を基板上の上側バッファ層の上に堆積させ、エピタキシャル成長させて、水晶結晶薄膜を形成した。形成された水晶結晶薄膜は、厚みが11μmであった。 (3) Finally, the introduction of each gas is resumed while maintaining the substrate at 570 ° C., the tetraethoxysilane gas is decomposed over 60 minutes, and the generated crystal is deposited on the upper buffer layer on the substrate. Then, it was epitaxially grown to form a quartz crystal thin film. The formed quartz crystal thin film had a thickness of 11 μm.
(4)形成された水晶結晶薄膜を温度調節を利用して基板から剥離させ、X線回折とX線ポールフィギュア測定とを行なった結果、図2と図3にそれぞれ示すX線回折図とX線ポールフィギュア図とが得られた。これらの結果から、この水晶結晶薄膜は、(001)面方向から約3゜傾斜した、すなわち、いわゆるATカット面に優先配向していることが確認された。また、このX線回折図の半値幅が狭いことから、この水晶結晶薄膜は高い結晶性を持つことが確認された。 (4) The formed quartz crystal thin film was peeled off from the substrate using temperature control, and X-ray diffraction and X-ray pole figure measurement were performed. Line pole figure figure was obtained. From these results, it was confirmed that this quartz crystal thin film was inclined about 3 ° from the (001) plane direction, that is, preferentially oriented to a so-called AT cut plane. Further, since the half-value width of this X-ray diffraction diagram was narrow, it was confirmed that this quartz crystal thin film had high crystallinity.
さらに、上記の水晶結晶薄膜をネットワークアナライザによる波形計測にかけたところ、図4に示すように、基本波150MHzの発振が確認された。ATカットに正しく配向した水晶結晶薄膜であれば、膜厚と発振周波数とが、下記の関係を満たすことが知られている。 Furthermore, when the above-mentioned quartz crystal thin film was subjected to waveform measurement by a network analyzer, oscillation of a fundamental wave of 150 MHz was confirmed as shown in FIG. It is known that the thickness and the oscillation frequency satisfy the following relationship in the case of a quartz crystal thin film that is correctly oriented to AT cut.
[数1]
発振周波数f(MHz)=1666/膜厚(μm)
[Equation 1]
Oscillation frequency f (MHz) = 1666 / film thickness (μm)
上記の水晶結晶薄膜は、上記関係式を満たしており、この計測からも、上記の水晶結晶薄膜は、ATカット面に優先配向していることが確認された。 The quartz crystal thin film satisfies the above relational expression, and from this measurement, it was confirmed that the quartz crystal thin film was preferentially oriented on the AT cut surface.
10 積層体
11 基板
12 下側水晶層(下側バッファ層)
13 上側水晶層(上側バッファ層)
14 水晶結晶薄膜
10
13 Upper crystal layer (upper buffer layer)
14 Quartz crystal thin film
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A crystal crystal film in which an AT cut surface formed by vapor deposition is preferentially grown.
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