JP2006206422A - Apparatus for manufacturing quartz crystal thin film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水晶薄膜を大気圧下にて製造する装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for producing a quartz thin film under atmospheric pressure.
水晶結晶薄膜は、発振子、振動子、あるいは高周波フィルタ用表面弾性波素子などに用いられている。水晶結晶薄膜の製造方法としては、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いる。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(CVD)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。 Quartz crystal thin films are used for oscillators, vibrators, surface acoustic wave elements for high-frequency filters, and the like. As a method for producing a quartz crystal thin film, a method of polishing a quartz single crystal obtained by a hydrothermal synthesis method to make a thin film is conventionally known. Further, as a method for directly producing a quartz crystal thin film, a sol-gel method, a plasma chemical vapor deposition (CVD) 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、石英製の反応容器の内部に導入された珪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る方法である。この文献にはさらに、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(例、水晶薄膜や窒化ガリウム薄膜など)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 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, silicon alkoxide and oxygen introduced into a quartz reaction vessel under atmospheric pressure without using a vacuum apparatus, preferably in the presence of a reaction accelerator such as hydrogen chloride. In this method, a quartz crystal thin film is epitaxially grown on a substrate by reaction. In this document, when a quartz crystal thin film is formed on a substrate by atmospheric pressure vapor phase epitaxy, a buffer layer (eg, a quartz thin film, a gallium nitride thin film, etc.) is provided on the substrate in advance. There is a description that the crystallinity of the deposited quartz crystal thin film is improved.
非特許文献1には、ATカット面が優先的に配向した水晶結晶薄膜は、これを振動子として用いた場合に振動周波数の温度依存性が低いという優れた利点を有しており、このような水晶結晶薄膜を大気圧気相エピタキシャル成長法により製造する方法が開示されている。具体的には、予め基板上に二層の水晶薄膜をバッファ層として設けると、その上に堆積された水晶薄膜をATカット面に優先的に配向させることができるとされている。
上記の大気圧気相エピタキシャル成長法により、結晶性に優れた水晶結晶薄膜を得ることができる。通常、このような大気圧気相エピタキシャル成長法においては、原料の珪素アルコキシドと酸素とを石英ガラス製の反応容器の内部にて反応させる。しかしながら、この方法により基板上に水晶結晶薄膜を形成すると、珪素アルコキシドと酸素との反応により生じた水晶が石英ガラス製の反応容器の内側表面にも薄膜状に付着し易い。反応容器の内側表面に水晶が付着すると、原料の珪素アルコキシドと酸素の供給量に対して基板上に得られる水晶結晶薄膜の量が少なくなる。すなわち基板上に水晶結晶薄膜をある程度以上に高い効率で製造することが難しくなる。 A quartz crystal thin film having excellent crystallinity can be obtained by the atmospheric pressure vapor phase epitaxial growth method. Usually, in such an atmospheric pressure vapor phase epitaxial growth method, a raw material silicon alkoxide and oxygen are reacted inside a reaction vessel made of quartz glass. However, when a quartz crystal thin film is formed on the substrate by this method, the quartz produced by the reaction between the silicon alkoxide and oxygen tends to adhere to the inner surface of the reaction vessel made of quartz glass. When the crystal is attached to the inner surface of the reaction vessel, the amount of the crystal crystal thin film obtained on the substrate is smaller than the supply amount of the silicon alkoxide and oxygen as raw materials. That is, it becomes difficult to produce a quartz crystal thin film on a substrate with a certain degree of efficiency.
また、石英ガラス製の反応容器の内側表面に水晶が付着すると、基板上への水晶結晶薄膜の製造を繰り返すにつれて、反応容器の材料であるガラス状の石英と反応容器の内側表面に付着した水晶とが反応して、石英ガラス中に結晶が析出されて透明度が低下する現象(失透といわれている)を生じ、そして次第に反応容器の機械的強度が低下していき、ついには反応容器に割れを生じる。反応容器の内側表面には水晶薄膜が強固に付着しているためその除去が困難であり、従来の水晶薄膜の製造装置は、反応容器をその使用時間を管理するなどして頻繁に交換する必要があるため必ずしも実用的な装置とは言えない。 In addition, when quartz adheres to the inner surface of the reaction vessel made of quartz glass, as the production of the quartz crystal thin film on the substrate is repeated, the vitreous quartz that is the material of the reaction vessel and the quartz adhered to the inner surface of the reaction vessel. Reacts with each other, causing crystals to be precipitated in quartz glass, resulting in a decrease in transparency (referred to as devitrification), and the mechanical strength of the reaction vessel gradually decreases. Breaks. Since the quartz thin film is firmly attached to the inner surface of the reaction vessel, it is difficult to remove it, and the conventional quartz thin film production equipment needs to be replaced frequently, for example, by managing the usage time of the reaction vessel. Therefore, it is not necessarily a practical device.
本発明の目的は、水晶結晶薄膜、特にATカット面が優先的に配向した水晶結晶薄膜を効率良く製造するために有利に用いることができ、そして反応容器の交換頻度が低い実用的な水晶薄膜製造装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a practical crystal thin film that can be advantageously used for efficiently producing a quartz crystal thin film, particularly a quartz crystal thin film having an AT-cut surface preferentially oriented, and in which the frequency of replacement of reaction vessels is low. It is to provide a manufacturing apparatus.
本発明は、排気口を備える石英ガラス製の反応容器、反応容器内に着脱可能に装着された筒状遮蔽体、筒状遮蔽体の内側に備えられた基板ホルダ、そして基板ホルダに支持される基板の表面もしくは基板表面を含む平面上の基板の周囲の領域に各々間隔を介して先端開口部が向けられて配置された、反応容器の外部から内部に原料の珪素アルコキシドを含有する気体を供給する第一気体供給管と酸素含有気体を供給する第二気体供給管とを含んでなり、上記の筒状遮蔽体の内側表面が、気相状態の珪素酸化物に対して不活性な材料から形成されていることを特徴とする水晶薄膜製造装置にある。 The present invention relates to a reaction vessel made of quartz glass having an exhaust port, a cylindrical shield detachably mounted in the reaction vessel, a substrate holder provided inside the cylindrical shield, and a substrate holder. A gas containing silicon alkoxide as a raw material is supplied from the outside to the inside of the reaction vessel, which is arranged with the tip opening being directed to the surface of the substrate or a region around the substrate on the plane including the substrate surface with a space therebetween. A first gas supply pipe and a second gas supply pipe for supplying an oxygen-containing gas, wherein the inner surface of the cylindrical shield is made of a material that is inert to silicon oxide in a gas phase state. The crystal thin film manufacturing apparatus is characterized by being formed.
本発明の水晶薄膜製造装置の好ましい態様は、下記の通りである。
(1)気相状態の珪素酸化物に対して不活性な材料が、酸化アルミニウム、炭化珪素又は四窒化三珪素である。
(2)反応容器に更に、反応促進剤を含む気体を外部から内部に供給する第三気体供給管が備えられている。
(3)反応促進剤が塩化水素もしくはアンモニアである。
(4)反応容器が、全ての気体供給管を一方の端部に備え、他方の端部に開口部を有する筒状容器と、排気口を有し、前記の筒状容器の開口部に着脱可能に装着されている蓋部とからなり、そして上記の筒状遮蔽体が筒状容器に装着されている。
(5)第二気体供給管の先端開口部が筒状遮蔽体の内側に配置されている。
(6)第二気体供給管の先端開口部と基板との間隔が、第一気体供給管の先端開口部と基板との間隔よりも短い。
Preferred embodiments of the crystal thin film manufacturing apparatus of the present invention are as follows.
(1) The material inert to the silicon oxide in the vapor phase is aluminum oxide, silicon carbide, or trisilicon tetranitride.
(2) The reaction vessel is further provided with a third gas supply pipe for supplying a gas containing a reaction accelerator from the outside to the inside.
(3) The reaction accelerator is hydrogen chloride or ammonia.
(4) The reaction container has all the gas supply pipes at one end, a cylindrical container having an opening at the other end, an exhaust port, and is attached to and detached from the opening of the cylindrical container. The lid portion is detachably mounted, and the cylindrical shield is mounted on the cylindrical container.
(5) The tip opening of the second gas supply pipe is disposed inside the cylindrical shield.
(6) The distance between the tip opening of the second gas supply pipe and the substrate is shorter than the distance between the tip opening of the first gas supply pipe and the substrate.
(7)第二気体供給管が、供給管本体と供給管本体の先端に着脱可能に装着されている先端開口ユニットとからなる。
(8)第二気体供給管の先端開口ユニットが屈曲している。
(9)第一気体供給管が、供給管本体と供給管本体の先端に着脱可能に装着されている先端開口ユニットとからなる。
(7) The second gas supply pipe includes a supply pipe main body and a tip opening unit that is detachably attached to the tip of the supply pipe main body.
(8) The tip opening unit of the second gas supply pipe is bent.
(9) The first gas supply pipe includes a supply pipe main body and a tip opening unit that is detachably attached to the tip of the supply pipe main body.
(10)筒状容器が水平方向に配置され、基板ホルダが筒状遮蔽体の壁面に対して斜め方向に基板を支持するように配置されている。
(11)反応容器の外側に加熱具が配設されている。
(12)加熱具が、反応容器の第一気体供給管から基板ホルダに向かう方向に沿って複数の加熱ユニットに分割されていて、各加熱ユニットの加熱条件が互いに独立に制御される。
(13)第一気体供給管の先端開口部、第二気体供給管の先端開口部及び基板ホルダを挟んで互いに間隔をあけて反応容器の内側に配置されている、各々が気体を流通させる透孔を備えた一対の隔壁が備えられている。
(10) The cylindrical container is disposed in the horizontal direction, and the substrate holder is disposed so as to support the substrate in an oblique direction with respect to the wall surface of the cylindrical shield.
(11) A heating tool is disposed outside the reaction vessel.
(12) The heating tool is divided into a plurality of heating units along the direction from the first gas supply pipe of the reaction vessel toward the substrate holder, and the heating conditions of each heating unit are controlled independently of each other.
(13) A tip opening of the first gas supply pipe, a tip opening of the second gas supply pipe, and the substrate holder are arranged inside the reaction container with a space between each other, and each of the permeates through which the gas flows. A pair of partition walls with holes are provided.
本発明の水晶薄膜製造装置は、反応容器の内部に、内側表面が気相状態の珪素酸化物に対して不活性な材料(例、酸化アルミニウム)から形成された筒状遮蔽体が備えられ、その内側において原料ガスの反応により生成した水晶が筒状遮蔽体の内側表面に付着し難いため、筒状遮蔽体の内側に備えられた基板上に効率良く水晶薄膜を形成することができる。さらに筒状遮蔽体は、石英ガラス製反応容器の内側表面への水晶の付着を抑制する。このため本発明の水晶薄膜製造装置は、水晶薄膜の製造を繰り返しても反応容器に失透を生じ難く、反応容器の交換頻度が低い実用的なものである。 The quartz crystal thin film manufacturing apparatus of the present invention includes a cylindrical shielding body formed of a material (eg, aluminum oxide) whose inner surface is inactive with respect to silicon oxide in a gas phase state inside the reaction vessel, Since the quartz produced by the reaction of the raw material gas hardly adheres to the inner surface of the cylindrical shield, the quartz thin film can be efficiently formed on the substrate provided inside the cylindrical shield. Furthermore, the cylindrical shield suppresses the attachment of crystal to the inner surface of the reaction vessel made of quartz glass. For this reason, the quartz crystal thin film manufacturing apparatus of the present invention is practical in that the reaction vessel is hardly devitrified even if the quartz crystal thin film is repeatedly produced, and the reaction vessel is not frequently replaced.
また、本発明の水晶薄膜製造装置は、例えば、反応容器内部への珪素アルコキシドと酸素の供給量の調節、反応容器内部での珪素アルコキシドと酸素との接触位置(すなわちこれらの原料ガスの反応による水晶の生成位置)の調節、あるいは反応容器の外側に配設された加熱具による反応容器内部の温度の調節によって、得られる水晶薄膜の結晶性を容易に調節することができる。このように水晶薄膜の結晶性を調節して、例えば、上記特許文献1の記載内容に従って基板上に非晶質の水晶薄膜からなるバッファ層を形成すると、このバッファ層の上に結晶性に優れる水晶結晶薄膜を形成することができ、また上記非特許文献1の記載内容に従って基板上に各々水晶薄膜からなる二層のバッファ層(具体的には、上側のバッファ層として用いる水晶薄膜の結晶性は、下側のバッファ層として用いる水晶薄膜の結晶性よりも高くなるように各々のバッファ層の結晶性が調整される)を形成すると、これらのバッファ層の上にATカット面に優先的に配向した水晶結晶薄膜を形成することができる。このように本発明の水晶薄膜製造装置は、水晶結晶薄膜、特にATカット面に優先的に配向した水晶結晶薄膜を製造するために有利に用いることができる。 Moreover, the quartz crystal thin film manufacturing apparatus of the present invention can adjust the supply amount of silicon alkoxide and oxygen to the inside of the reaction vessel, the contact position of silicon alkoxide and oxygen inside the reaction vessel (that is, depending on the reaction of these raw material gases). The crystallinity of the obtained crystal thin film can be easily adjusted by adjusting the crystal generation position) or by adjusting the temperature inside the reaction vessel with a heating tool arranged outside the reaction vessel. Thus, by adjusting the crystallinity of the quartz thin film, for example, when a buffer layer made of an amorphous quartz thin film is formed on the substrate in accordance with the description in Patent Document 1, the crystallinity is excellent on the buffer layer. A quartz crystal thin film can be formed, and two layers of buffer layers (specifically, crystallinity of the quartz thin film used as the upper buffer layer) are formed on the substrate in accordance with the contents described in Non-Patent Document 1 above. The crystallinity of each buffer layer is adjusted to be higher than the crystallinity of the crystal thin film used as the lower buffer layer), the AT cut surface is preferentially formed on these buffer layers. An oriented quartz crystal thin film can be formed. As described above, the crystal thin film manufacturing apparatus of the present invention can be advantageously used for manufacturing a crystal crystal thin film, particularly a crystal crystal thin film preferentially oriented on an AT cut surface.
本発明の水晶薄膜製造装置を、添付の図面を用いて説明する。図1は、本発明の水晶薄膜製造装置の構成例と、この製造装置への原料ガスの供給方法を示す図である。そして図2は、図1に示す水晶薄膜製造装置10の断面図である。
The crystal thin film manufacturing apparatus of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a crystal thin film manufacturing apparatus according to the present invention and a method of supplying a raw material gas to the manufacturing apparatus. 2 is a cross-sectional view of the quartz crystal thin
図1及び図2に示す水晶薄膜製造装置10は、排気口11を備える石英ガラス製の反応容器12、この反応容器内に着脱可能に装着された筒状遮蔽体15、筒状遮蔽体15の内側に備えられた基板ホルダ13、そして基板ホルダ13に支持される基板14の表面に各々間隔を介して先端開口部が向けられて配置された、反応容器の外部から内部に原料の珪素アルコキシドを含有する気体を供給する第一気体供給管21と酸素含有気体を供給する第二気体供給管22などから構成されている。そして、図1及び図2に示す水晶薄膜装置10の筒状遮蔽体15は、気相状態の珪素酸化物に対して不活性な材料、例えば、酸化アルミニウムの粉末を焼結して形成され、その内側表面が酸化アルミニウムから形成されている。
A quartz crystal thin
第一気体供給管21及び第二気体供給管22の各々は、基板ホルダ13に支持される基板14の表面を含む平面上の基板14の周囲の領域に間隔を介して先端開口部が(基板14の表面の側から)向けられて配置されていてもよい。なお、本明細書において「基板表面を含む平面上の基板の周囲の領域」とは、基板表面を含む平面上において、基板表面の縁部から、基板の直径(基板が円形でない場合には、基板に外接する円の直径)の二分の一以内の距離の範囲内にある領域を意味する。
Each of the first
水晶薄膜製造装置10は、第一気体供給管21を通って反応容器12の内部に供給された気化した珪素アルコキシド(珪素アルコキシドの蒸気)と、そして第二気体供給管22を通って反応容器12の内部に供給された酸素とを大気圧下にて接触させて、珪素アルコキシドの酸化により生成する水晶を基板14の上に堆積させ水晶薄膜を形成する装置である。珪素アルコキシドとしては、例えば、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、あるいはこれらの任意の組み合わ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。なお、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)をも意味する。
The crystal thin
水晶薄膜の原料である珪素アルコキシド及び酸素のそれぞれは、例えば、次のようにして反応容器12の内部に供給される。
Each of silicon alkoxide and oxygen, which are raw materials for the crystal thin film, is supplied into the
珪素アルコキシド、例えば、テトラエトキシシラン(図1には「TEOS」と記載してある)は、常温では液体であり気化器19の内部に入れられる。気化器19に入れたテトラエトキシシランは、加熱具36を作動させることにより熱せられて気化し、そして第一気体供給管21を通って反応容器12の内部に供給される。加熱具36としては、例えば、高周波誘導加熱ヒータや抵抗加熱ヒータが用いられる。気化器19に入れたテトラエトキシシランを一定の温度(例えば、70℃)に保つため、加熱具36には制御装置46が備えられている。
Silicon alkoxide, for example, tetraethoxysilane (denoted as “TEOS” in FIG. 1) is liquid at room temperature and is placed inside the
テトラエトキシシランを効率良く且つ正確な流量で反応容器12の内部に供給するため、通常、テトラエトキシシランはキャリアガスとともに反応容器の内部に供給される。キャリアガスの例としては、窒素、アルゴン、およびヘリウムが挙げられる。図1及び図2に示す水晶薄膜製造装置10の反応容器12の内部には、第一気体供給管21を通って、気化したテトラエトキシシラン(TEOS)がキャリアガスである窒素(N2 )とともに供給される。キャリアガスである窒素は、ガスボンベ51cから手動式バルブ52c、空気作動式バルブ54c、そしてマスフローコントローラ55cを通って気化器19に供給され、気化器にて気化したテトラエトキシシランとともに第一気体供給管21を通って反応容器12の内部に供給される。気化器19に供給される窒素の流量は、マスフローコントローラ55cによって制御される。また空気作動式バルブ54cの開閉により、キャリアガスとして用いる窒素の気化器19への供給を開始あるいは停止することができる。圧力センサ53cは、ガスボンベ51cに入れた窒素の残量を確認するために用いられる。
In order to supply tetraethoxysilane to the inside of the
酸素(O2 )は、ガスボンベ51bから手動式バルブ52b、空気作動式バルブ54b、マスフローコントローラ55b、そして第二気体供給管22を通って反応容器12の内部に供給される。酸素の流量は、マスフローコントローラ55bによって制御される。また空気作動式バルブ54bの開閉により、反応容器12への酸素の供給を開始あるいは停止することができる。圧力センサ53bは、ガスボンベ51bに入れた酸素の残量を確認するために用いられる。
Oxygen (O 2 ) is supplied from the gas cylinder 51 b to the inside of the
酸素は通常、上記のテトラエトキシシランを供給する場合と同様に、キャリアガスとして用いる窒素とともに反応容器12の内部に供給される。キャリアガスとして用いる窒素は、ガスボンベ51cから手動式バルブ52c、空気作動式バルブ54d、そしてマスフローコントローラ55eを通ったのちに酸素と混合され、そして酸素とともに第二気体供給管22を通って反応容器12の内部に供給される。酸素のキャリアガスとして用いる窒素の流量は、マスフローコントローラ55eにより制御される。また空気作動式バルブ54dの開閉により、酸素のキャリアガスとして用いる窒素の供給を開始あるいは停止することができる。
In general, oxygen is supplied into the
このようにして反応容器12の内部に供給されたテトラエトキシシランと酸素とを互いに接触させて反応させることにより水晶が生成する。上記のように従来の水晶薄膜製造装置を用いて基板上に水晶結晶薄膜を製造する際には、反応容器の内側表面にも水晶が薄膜状に付着し易い。反応容器の内側表面に水晶薄膜が付着すると、原料の珪素アルコキシドと酸素の供給量に対して基板上に得られる水晶結晶薄膜の量が少なくなる。すなわち基板上に水晶結晶薄膜をある程度以上に高い効率で形成することが難しくなる。
In this way, the tetraethoxysilane and oxygen supplied to the inside of the
図1及び図2に示す水晶薄膜製造装置10の反応容器12の内部には、内側表面が酸化アルミニウムから形成された筒状遮蔽体15が備えられている。通常、結晶性に優れる水晶結晶薄膜を得るために反応容器12は、例えば、550〜600℃に加熱される。筒状遮蔽体15を形成する酸化アルミニウムは、高い分解温度を示し、高温においても化学的に安定な材料(すなわち、気相状態の珪素酸化物に対して不活性な材料)である。このため、原料ガスの反応により生成した(気相状態の)水晶は筒状遮蔽体の内側表面には付着し難い。このため原料ガスの反応により生成した水晶が基板14の表面に堆積し易くなり、基板上に水晶薄膜を効率良く形成することができる。
Inside the
筒状遮蔽体の内側表面を形成する材料としては、気相状態の珪素酸化物に対して不活性な材料、例えば、上記の酸化アルミニウムの他に、炭化珪素あるいは四窒化三珪素などを用いることができる。筒状遮蔽体は、例えば、石英ガラス製の筒体の内側表面に酸化アルミニウム、炭化珪素、あるいは四窒化三珪素の薄膜が形成された構成であってもよい。 As a material for forming the inner surface of the cylindrical shield, a material that is inactive with respect to a silicon oxide in a vapor state, for example, silicon carbide or trisilicon tetranitride is used in addition to the above aluminum oxide. Can do. For example, the cylindrical shield may have a structure in which a thin film of aluminum oxide, silicon carbide, or trisilicon tetranitride is formed on the inner surface of a quartz glass cylinder.
また、上記のように従来の水晶薄膜製造装置は、基板上への水晶結晶薄膜の製造を繰り返すにつれて、反応容器の材料であるガラス状の石英と反応容器の内側表面に付着した水晶とが反応して反応容器に失透を生じ易く、そして失透により次第に反応容器の機械的強度が低下して、ついには反応容器に割れを生じる場合もある。このため反応容器をその使用時間を管理するなどして頻繁に交換する必要がある。 In addition, as described above, in the conventional quartz thin film manufacturing apparatus, as the quartz crystal thin film is repeatedly manufactured on the substrate, the glass-like quartz that is the material of the reaction vessel reacts with the crystal attached to the inner surface of the reaction vessel. Thus, devitrification is likely to occur in the reaction vessel, and the mechanical strength of the reaction vessel gradually decreases due to devitrification, and eventually the reaction vessel may be cracked. For this reason, it is necessary to frequently replace the reaction vessel by managing its use time.
図1及び図2に示す水晶薄膜製造装置10は、筒状遮蔽体15によって石英ガラス製反応容器12の内側表面への水晶の付着が抑制されているため、基板上への水晶薄膜の製造を繰り返しても反応容器に失透を生じ難く、反応容器の交換頻度が低い実用的なものである。
The crystal thin
また本発明の水晶薄膜製造装置においては、第二気体供給管22の先端開口部が筒状遮蔽体15の内側に配置されていることが好ましい。これにより原料ガスの供給量が同一であっても、より多くの量の水晶が基板14の表面に堆積して、基板上に効率良く(すなわち高い成膜速度で)水晶薄膜を形成できるようになる。また石英ガラス製の反応容器12の内側表面への水晶の付着量がさらに低減され、反応容器の交換頻度を更に低くすることができる。
In the crystal thin film manufacturing apparatus of the present invention, it is preferable that the tip opening of the second
図2に示すように第二気体供給管22の先端開口部と基板14との間隔(L2 )は、第一気体供給管21の先端開口部と基板14との間隔(L1 )よりも短いことが好ましい。このように第一気体供給管21と第二気体供給管22とを配置すると、第一気体供給管21の先端開口部から反応容器12の内部に供給される気化したテトラエトキシシラン(テトラエトキシシランの蒸気)を反応容器12の内部にて十分に均一に拡散させたのちに、第二気体供給管22から供給される酸素と接触させて反応させることができるため、基板14の上に均一な厚みの水晶薄膜を形成することができる。
As shown in FIG. 2, the distance (L 2 ) between the tip opening of the second
上記の場合とは逆に、第二気体供給管の先端開口部と基板との間隔が、第一気体供給管の先端開口部と基板との間隔よりも長いと、第一気体供給管の先端開口部から反応容器の内部に供給される気化したテトラエトキシシランが、反応容器の内部にて均一に拡散する前に直ちに第二気体供給管から供給される酸素と接触して反応してしまうため、基板上に不均一な厚みの水晶薄膜が形成され易い。 Contrary to the above case, if the distance between the tip opening of the second gas supply pipe and the substrate is longer than the distance between the tip opening of the first gas supply pipe and the substrate, the tip of the first gas supply pipe The vaporized tetraethoxysilane supplied from the opening to the inside of the reaction vessel immediately contacts and reacts with oxygen supplied from the second gas supply pipe before being uniformly diffused inside the reaction vessel. A crystal thin film having a non-uniform thickness is easily formed on the substrate.
図2に示すように、酸素を供給する第二気体供給管22は、供給管本体22aと供給管本体22aの先端に着脱可能に装着されている先端開口ユニット22bとから構成されていることが好ましい。このような構成により、第二気体供給管22の先端開口部の位置を、供給管本体22aへの先端開口ユニット22bの取り付け位置の調節によって、あるいは先端開口ユニット22bを別の形状のものと交換することによって微調節することが可能になる。そして水晶薄膜製造装置10の反応容器12を実際に加熱したときの容器12の温度分布に応じて、あるいは基板ホルダ13に支持される基板14のサイズに応じて第二気体供給管22の先端開口部の位置、すなわち珪素アルコキシドと酸素とが反応する位置を微調節することにより、基板14の上に形成される水晶薄膜の結晶性、あるいは厚みの均一性を微調整することができる。同様に、第一気体供給管21もまた、供給管本体21aと供給管本体21aの先端に着脱可能に装着されている先端開口ユニット21bとから構成されていることが好ましい。
As shown in FIG. 2, the second
また、第二気体供給管22の先端開口ユニット22bは、第二気体供給管22から供給される酸素と第一気体供給管21から供給される珪素アルコキシドとを、基板14の表面あるいはその近傍の位置にて互いに接触させるために屈曲していることが好ましい。
Further, the
反応容器12には更に、反応促進剤を含む気体を反応容器12の外部から内部に供給する第三気体供給管23が備えられていることが好ましい。反応促進剤としては、塩化水素もしくはアンモニアを用いることが好ましい。水晶薄膜を形成する際に第三気体供給管23から反応促進剤を含む気体を供給することにより、基板14の表面への水晶薄膜の成膜速度を高くすることができる。
It is preferable that the
反応促進剤、例えば、塩化水素は、珪素アルコキシド中の珪素と酸素との結合を切断して、珪素アルコキシドと、第二気体供給管22の先端開口部から反応容器内に供給される酸素との反応(珪素アルコキシドの酸化)を促進させ、水晶薄膜の成膜速度を増加させると理解される。反応促進剤の例としては、上記の塩化水素に代表される酸性ガス、およびアンモニアに代表される塩基性ガスが挙げられる。
The reaction accelerator, for example, hydrogen chloride, breaks the bond between silicon and oxygen in the silicon alkoxide, and the silicon alkoxide and oxygen supplied into the reaction vessel from the tip opening of the second
反応促進剤として用いる塩化水素(HCl)は、例えば、キャリアガスとして用いる窒素に5体積%の割合で塩化水素が混合された混合ガスとして、ガスボンベ51aから手動式バルブ52a、空気作動式バルブ54a、マスフローコントローラ55a、そして第三気体供給管23を通って反応容器12の内部に供給される。混合ガスの流量は、マスフローコントローラ55aによって制御される。また空気作動式バルブ54aの開閉により、反応容器12への混合ガスの供給を開始あるいは停止することができる。圧力センサ53aは、ガスボンベ51aに入れた混合ガスの残量を確認するために用いられる。
Hydrogen chloride (HCl) used as a reaction accelerator is, for example, a mixed valve in which hydrogen chloride is mixed with nitrogen used as a carrier gas at a ratio of 5% by volume from a gas cylinder 51a to a
反応容器12には更に、反応容器12の内部の気体の濃度を調節する希釈ガス(例、窒素)を供給する第四気体供給管24が備えられていることも好ましい。希釈ガスとして用いる窒素は、例えば、ガスボンベ51cから手動式バルブ52c、空気作動式バルブ54d、マスフローコントローラ55d、そして第四気体供給管24を通って反応容器12の内部に供給される。希釈ガスとして用いる窒素の流量は、マスフローコントローラ55dによって制御される。また空気作動式バルブ54dの開閉により、希釈ガスとして用いる窒素の反応容器12への供給を開始あるいは停止することができる。
It is also preferable that the
反応容器12は、図2に示すように全ての気体供給管21、22、23、24を一方の端部に備え、他方の端部に開口部を有する筒状容器12aと、排気口11を有し、筒状容器12aの開口部に着脱可能に装着されている蓋部12bとから構成されていることが好ましい。また、筒状容器12aは水平方向に配置され、基板ホルダ13が筒状容器12aの壁面に対して斜め方向に基板14を支持するように配置されていることが好ましい。このような構成により、反応容器12の内部での原料ガスやキャリアガスの流れが円滑になり、得られる水晶薄膜の品質(例、結晶性や厚みの均一性)が安定する。また反応容器12の外部への原料ガスやキャリアガスの漏れを防止するため、蓋部12bは、例えばOリング18を介して筒状容器12aの開口部に装着される。
As shown in FIG. 2, the
反応容器12には、筒状容器12aと蓋部12bとの隙間に反応ガスが侵入して、筒状容器の蓋部側の端面と、蓋部の筒状容器側の端面とに水晶が付着することを防止するために、環状遮蔽体16が備えられていることが好ましい。環状遮蔽体16は、例えば、フッ素樹脂から形成される。
The reaction gas enters the
また、基板上に形成される水晶薄膜の結晶性を調節するために、反応容器の外側には加熱具が配設されていることが好ましい。加熱具は、反応容器の第一気体供給管から基板ホルダに向かう方向に沿って複数の加熱ユニットに分割されていて、各加熱ユニットの加熱条件が互いに独立に制御されることが好ましい。図1及び図2に示す水晶薄膜製造装置10の加熱具は、反応容器12の第一気体供給管21から基板ホルダ13に向かう方向に沿って五個の加熱ユニット31、32、33、34、35に分割されていて、各加熱ユニットには各々の加熱条件を独立に制御するための制御装置41、42、43、44、45がそれぞれ備えられている。五個の加熱ユニット31、32、33、34、35のそれぞれとしては、例えば、反応容器12の周方向に沿う環状の形状とされた高周波誘導加熱ヒータや抵抗加熱ヒータが用いられる。
Further, in order to adjust the crystallinity of the quartz crystal thin film formed on the substrate, it is preferable that a heating tool is disposed outside the reaction vessel. The heating tool is preferably divided into a plurality of heating units along the direction from the first gas supply pipe of the reaction vessel toward the substrate holder, and the heating conditions of each heating unit are preferably controlled independently of each other. The heating tool of the crystal thin
このように、反応容器の外側に複数の加熱ユニットを配設することにより、反応容器内部の温度分布の調節が可能となり、例えば、第一気体供給管の開口部から反応容器の内部に供給される珪素アルコキシドの温度、第二気体供給管の開口部から反応容器の内部に供給される酸素の温度、そして基板の温度を独立に制御することが可能になり、基板の表面に形成される水晶薄膜の結晶性の調節が容易となる。 Thus, by arranging a plurality of heating units outside the reaction vessel, the temperature distribution inside the reaction vessel can be adjusted. For example, the temperature distribution inside the reaction vessel is supplied from the opening of the first gas supply pipe. It is possible to independently control the temperature of the silicon alkoxide, the temperature of the oxygen supplied into the reaction vessel from the opening of the second gas supply pipe, and the temperature of the substrate, and the crystal formed on the surface of the substrate. The crystallinity of the thin film can be easily adjusted.
図3は、本発明の水晶薄膜製造装置の別の構成例を示す断面図である。図3の水晶薄膜製造装置60は、排気口11を備える石英ガラス製の反応容器62、この反応容器内に着脱可能に装着された筒状遮蔽体15、筒状遮蔽体15の内側に備えられた基板ホルダ63、そして各々先端開口部が、基板ホルダに支持される基板14の表面に間隔を介して向けられて配置された、反応容器62の外部から内部に原料の珪素アルコキシドを含有する気体を供給する第一気体供給管21と酸素含有気体を供給する第二気体供給管22などから構成されている。そして図3に示す水晶薄膜製造装置60の筒状遮蔽体15は、例えば、酸化アルミニウム粉末を焼結して形成され、その内側表面が酸化アルミニウムから形成されている。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another configuration example of the quartz crystal thin film manufacturing apparatus of the present invention. The quartz crystal thin
反応容器62は、全ての気体供給管21、22、23、24を一方の端部に備え、他方の端部に開口部を有する筒状容器62aと、排気口11を有し、前記の筒状容器62aの開口部に着脱可能に装着されている蓋部62bとから構成されている。また、基板ホルダ63は、反応ガスを排気口11の側に流すための透孔を備え、例えば、石英ガラスから形成された環状の基板ホルダ固定具67を用いて反応容器62の内部に装着されている。
The
図3の水晶薄膜製造装置60の構成は、反応容器62の筒状容器62aが垂直方向に配置され、基板ホルダ63が水平方向に基板14を支持するように配置されていること以外は図2の水晶薄膜製造装置10と同様である。このように筒状容器を垂直方向に配置すると、水晶薄膜製造装置を設置するためのスペースが小さくなる。
The crystal thin
図4は、本発明の水晶薄膜製造装置のさらに別の構成例を示す断面図である。図4の水晶薄膜製造装置70の構成は、反応容器12の外側に配設される加熱具が、三個の加熱ユニット31、32、33に分割されていること、反応容器12の内側に隔壁91、92、93が配置されていること以外は図1の水晶薄膜製造装置10と同様である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing still another configuration example of the quartz crystal thin film manufacturing apparatus of the present invention. The crystal thin
通常、反応容器12の端部は、中央の部分よりも温度が低下し易い。このため、反応容器12の各々の端部にて冷却された低温の気体が、反応容器の端部下側から中央下側、中央上側、そして端部上側へと循環して対流を生じ易い。このように、反応容器12の内部で対流が生じると、珪素アルコキシドと酸素との混合比あるいは基板の温度が変動して、安定な品質で水晶薄膜を得ることが難しくなる。
Usually, the temperature of the end portion of the
このような反応容器内での対流の発生を抑制するため、図4の水晶薄膜製造装置70には、第一気体供給管21の先端開口部、第二気体供給管22の先端開口部及び基板ホルダ13を挟んで互いに間隔をあけて反応容器の内側に配置されている、各々が気体を流通させる透孔を備えた一対の隔壁91、92が備えられている。例えば、隔壁92は、反応容器の端部下側から中央下側に向かう気体の流れ、そして中央上側から端部上側に向かう気体の流れを阻害して、反応容器内での対流の発生を抑制する。このような隔壁91、92を付設することにより、珪素アルコキシドと酸素との混合比あるいは基板温度の変動が抑制され、安定な品質で水晶薄膜を製造することができるようになる。
In order to suppress the occurrence of such convection in the reaction vessel, the crystal thin
図4に示すように、反応容器12の内側に更に隔壁93を配置してもよい。反応容器内に配置する隔壁の数が多すぎると水晶薄膜製造装置の組み立てに手間がかかるため、追加する隔壁の数は1〜4枚であることが好ましい。
As shown in FIG. 4, a
図5及び図6は、図4に示す隔壁91及び隔壁92のそれぞれを図の左側から見た図である。図5に示すように、隔壁91には、第一気体供給管21、第二気体供給管22、第三の気体供給管23から反応容器内に供給される反応促進剤を含有する気体、そして第四の気体供給管24から反応容器内に供給される希釈ガスが通る透孔91aが形成されている。そして図6に示すように、隔壁92には、水晶薄膜の形成後に残った珪素アルコキシド含有気体、酸素含有気体、反応促進剤含有気体、および希釈ガスが通る透孔92aが形成されている。同様に、図4に示す隔壁93には、透孔93aが形成されている。隔壁91、92、93のそれぞれは、例えば、石英ガラスから形成される。
5 and 6 are views of the
図4に示す水晶薄膜製造装置70は、例えば、次の手順に従い組み立てることができる。まず気体供給管21、22、23、24を備える筒状容器12aと、蓋部12bとから構成される反応容器12を用意する。次に、隔壁91、そして筒状の支持具102を筒状容器12aの開口部から挿入して、隔壁91を筒状容器内に固定されている支持具101と筒状の支持具102により支持して反応容器12の内部に配置する。支持具101は、反応容器12の内側面に沿った湾曲した形状に設定されている。同様にして、筒状容器12aの内部に、内側に基板ホルダ13を配置した筒状遮蔽体15、隔壁93、筒状の支持具103、隔壁92、そして筒状の支持具104をこの順に挿入する。そして筒状容器12aの開口部にOリング18を介して蓋部12bを装着し、適当な治具(図示は略する)により両者を仮止めすることにより、水晶薄膜製造装置70を組み立てることができる。
The crystal thin
上記の支持具101、102、103、104のそれぞれは、例えば、石英ガラスから形成される。各々の支持具は、筒状遮蔽体15の場合と同様に内側表面が気相状態の珪素酸化物に対して不活性な材料から形成されていてもよい。
Each of the above supports 101, 102, 103, 104 is made of, for example, quartz glass. Each support may be formed of a material that has an inner surface that is inactive with respect to silicon oxide in a gas phase, as in the case of the
本発明の水晶薄膜製造装置を用いて、例えば、上記特許文献1の記載内容に従って基板上に非晶質の水晶薄膜からなるバッファ層を形成すると、このバッファ層の上に結晶性に優れる水晶結晶薄膜を形成することができ、また上記非特許文献1の記載内容に従って基板上に各々水晶薄膜からなる二層のバッファ層(具体的には、上側のバッファ層として用いる水晶薄膜の結晶性は、下側のバッファ層として用いる水晶薄膜の結晶性よりも高くなるように各々のバッファ層の結晶性が調整される)を形成すると、これらのバッファ層の上にATカット面に優先的に配向した水晶結晶薄膜を形成することができる。 For example, when a buffer layer made of an amorphous crystal thin film is formed on a substrate according to the description in Patent Document 1 using the crystal thin film manufacturing apparatus of the present invention, a crystal crystal having excellent crystallinity is formed on the buffer layer. A thin film can be formed, and in accordance with the contents of Non-Patent Document 1, two buffer layers each made of a quartz thin film on the substrate (specifically, the crystallinity of the quartz thin film used as the upper buffer layer is When the crystallinity of each buffer layer is adjusted to be higher than the crystallinity of the crystal thin film used as the lower buffer layer, the AT cut surface is preferentially oriented on these buffer layers. A quartz crystal thin film can be formed.
バッファ層としては、珪素アルコキシドと酸素との反応によって水晶結晶薄膜を形成する際の基板温度に較べて低い(例えば、20〜200℃低い)基板温度にて、例えば、これと同じ珪素アルコキシドと酸素とを反応させて形成した水晶薄膜を用いることができる。なお、二層のバッファ層を形成する際には、下側バッファ層を形成する際の基板温度よりも低い(例えば、10〜100℃低い)基板温度(例えば、40〜530℃の範囲にある基板温度)にて上側のバッファ層を形成することが好ましく、各々のバッファ層の形成後にアニール処理をして結晶性の調整を行なうことが更に好ましい。これらのバッファ層の上に水晶結晶薄膜を形成する際の基板温度は、550〜600℃の範囲にあることが特に好ましい。 As the buffer layer, for example, the same silicon alkoxide and oxygen at a substrate temperature lower (for example, 20 to 200 ° C.) lower than the substrate temperature at the time of forming the quartz crystal thin film by the reaction of silicon alkoxide and oxygen. Can be used. When forming the two buffer layers, the substrate temperature is lower (for example, 10 to 100 ° C. lower) than the substrate temperature when the lower buffer layer is formed (for example, in the range of 40 to 530 ° C.). It is preferable to form the upper buffer layer at the substrate temperature), and it is more preferable to adjust the crystallinity by annealing after the formation of each buffer layer. The substrate temperature when forming the quartz crystal thin film on these buffer layers is particularly preferably in the range of 550 to 600 ° C.
また、水晶結晶薄膜を形成させる基板としてはSi基板、GaAs基板、あるいはサファイヤ基板を用いることが好ましく、(110)A面を持つサファイヤ基板を用いることが特に好ましい。 Further, as the substrate on which the quartz crystal thin film is formed, an Si substrate, a GaAs substrate, or a sapphire substrate is preferably used, and a sapphire substrate having a (110) A plane is particularly preferable.
このように本発明の水晶薄膜製造装置は、水晶結晶薄膜、特にATカット面が優先的に配向した水晶結晶薄膜を効率良く製造するために有利に用いることができ、そして反応容器の交換頻度が低い実用的なものである。 As described above, the quartz crystal thin film manufacturing apparatus of the present invention can be advantageously used for efficiently producing a quartz crystal thin film, particularly a quartz crystal thin film with an AT cut surface preferentially oriented, and the reaction container can be replaced frequently. Low practical.
10 水晶薄膜製造装置
11 排気口
12 反応容器
12a 筒状容器
12b 蓋部
13 基板ホルダ
14 基板
15 筒状遮蔽体
16 環状遮蔽体
17 基板ホルダ固定具
18 Oリング
19 気化器
21 第一気体供給管
21a 供給管本体
21b 先端開口ユニット
22 第二気体供給管
22a 供給管本体
22b 先端開口ユニット
23 第三気体供給管
24 第四気体供給管
31、32、33、34、35 加熱ユニット
36 加熱具
41、42、43、44、45 加熱ユニット制御装置
46 加熱具の制御装置
51a、51b、51c ガスボンベ
52a、52b、52c 手動式バルブ
53a、53b、53c 圧力センサ
54a、54b、54c、54d 空気作動式バルブ
55a、55b、55c、55d、55e マスフローコントローラ
60 水晶薄膜製造装置
62 反応容器
62a 筒状容器
62b 蓋部
63 基板ホルダ
67 基板ホルダ固定具
70 水晶薄膜製造装置
91、92、93 隔壁
91a、92a、93a 透孔
101、102、103、104 支持具
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