JP4398126B2 - 二酸化シリコン膜の生成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板の表面全体に少なくとも１０数μｍ以上の厚さを有する二酸化シリコンの厚膜を生成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光情報通信・処理技術を主な対象とするソフト・フォトニクス、人間や環境にとって使いやすい光表示・入出力などへの光の利用をめざすアメニテイ・フォトニクス、新たな光源の極限性実現や先端的な光計測利用技術の開発を行うハード・フォトニクスなどの分野に使用される光デバイスには、シリコン基板上に厚膜の二酸化シリコン膜を形成した材料が使用される。
【０００３】
例えば光集積デバイスにおける光導波路は、シリコン基板上の二酸化シリコン膜の中に光導波路回路パターンを備えたコア層が埋め込まれ形成される。この場合の二酸化シリコン膜の厚さは、コア層の厚さを例えば接続される光ファイバと略同じ寸法にするために、少なくとも１０数μｍ以上が必要である。
【０００４】
二酸化シリコン膜をシリコン基板上に生成する典型的な方法としては周知の直接熱酸化法がある。直接熱酸化法は、シリコン基板の表面を直接熱酸化して二酸化シリコン膜を生成するもので、生成される膜厚は、薄膜の場合には酸化時間に比例するが、この酸化反応は生成された酸化膜を通して行われるので、厚膜の場合の膜厚は酸化時間の１／２乗に比例し生成に時間がかかる。したがって、１０数μｍ以上の厚膜の形成が難しい。そこで、酸化速度を高めるために１０数〜２５気圧といった酸化雰囲気による高圧酸化法が実施されるが、高圧に関する法規制や高額な設備費などの障害もある。したがって、１０数μｍ〜１００μｍの厚膜な二酸化シリコン層を形成するのは実質上困難である。
【０００５】
本出願人は上述の問題を解決するために、ポリシリコン堆積による二酸化シリコン膜の生成方法を開発した（特願２０００−３４２８９３「二酸化シリコン膜生成方法及び光導波路生成方法」）。この方法は、シリコン基板上にポリシリコンを堆積し、これを熱酸化処理して二酸化シリコン膜を生成し、生成された二酸化シリコン膜上に新たにポリシリコンを堆積し熱酸化処理して二酸化シリコン膜を生成し、この繰り返すことにより所望の厚膜の二酸化シリコン層を形成するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述のポリシリコン堆積による二酸化シリコン膜の生成には次のとおりの改善すべき課題がある。
【０００７】
（１）二酸化シリコン膜の表面粗さ：
ポリシリコン堆積により生成される二酸化シリコン膜の表面粗さは比較的粗くなる。そして、例えばこの表面に光導波路コア層用の二酸化シリコン膜を堆積生成した場合、境界面に粗い面が存在し光の散乱要因になり光損失が大きくなる可能性がある。そのため必要な場合には、表面粗さを改善するためにコア層生成前に二酸化シリコン膜の表面の平面加工が行われる。
【０００８】
（２）生産性：
ポリシリコン堆積による厚膜の生成は、大量のウエーハに二酸化シリコン膜を形成するのに好都合である。しかしながら、例えば１０数μｍの膜を形成するのに、直接熱酸化による方法よりは速いが、それでも数日の日数を要する。そして、典型的なシリコン膜堆積方法である減圧気相堆積法を採用する場合、減圧程度の大きい生産設備が必要になる。したがって、顧客からの二酸化シリコン膜形成に対する種々の要求、納期、生産量の大小などに適宜に対応することができる生産体制の用意が望まれている。
【０００９】
本発明は上記事実に鑑みてなされたもので、その技術的課題は、光デバイス用材料を形成するために、シリコン基板の表面全体に少なくとも１０数μｍ以上の厚さを有する二酸化シリコン膜を、表面粗さを充分小さくして且つ充分高速で生成することができる、新規且つ改良された二酸化シリコン膜の生成方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決する二酸化シリコン膜の生成方法として、本発明によれば、光デバイス用材料を形成するためにシリコン基板の表面全体に少なくとも１０数μｍ以上の厚さを有する二酸化シリコン膜を生成する方法において、
該シリコン基板の表面全体を電気炉内で水蒸気によるウエット酸化法によって熱酸化処理して該シリコン基板の表面全体に二酸化シリコン膜を生成し、
しかる後に、酸化シリコン膜の表面全体に減圧気相堆積法によって厚さが５μｍ以下であるエピタキシャルシリコンを堆積する堆積工程と、該エピタキシャルシリコンを電気炉内で水蒸気によるウエット酸化法によって熱酸化処理して二酸化シリコン膜にせしめる熱酸化工程とを、複数回繰り返し遂行する、
ことを特徴とする二酸化シリコン膜の生成方法が提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る二酸化シリコン膜の生成方法について、膜厚１５μｍの二酸化シリコン膜の生成を例に、順を追ってさらに詳細に説明する。
【００１２】
（１）シリコン基板の熱酸化：
図１（ａ）に示すシリコン基板２を電気炉において熱酸化し、図１（ｂ）に示すごとくシリコン基板２の表面全体に二酸化シリコン膜４を生成する。この熱酸化には、水蒸気によるウエット酸化方法が用いられる。ウエット酸化は、シリコン基板２の融点１４１０℃よりも十分に低い温度１０８０℃の温度で、また高圧の処理を必要としないで行うことができる。この熱酸化工程において、例えば２μｍの膜厚の二酸化シリコン膜を形成する。
【００１３】
（２）堆積工程：
上述の二酸化シリコン膜４上に、図１（ｃ）に示すごとく、化学的気相堆積法（ＣＶＤ）の一種である減圧気相堆積法によって、エピタキシャルシリコン６を堆積せしめる。この堆積工程において堆積されるエピタキシャルシリコン６の厚さは、次の熱酸化工程において酸化速度を充分大きくすることができるようになすために、５μｍ以下であることが重要であり、例えば１μｍでよい。
【００１４】
（３）熱酸化工程：
上述の「（１）シリコン基板の熱酸化」と同様に、電気炉においてエピタキシャルシリコン６を熱酸化処理し、図１（ｄ）に示すように、最初の二酸化シリコン膜４の上に同質の二酸化シリコン膜８を生成する。上述の厚さが１μｍのエピタキシャルシリコン６は、熱酸化による体積膨張によって３μｍの膜厚の二酸化シリコン膜８を形成する。
【００１５】
（４）堆積工程及び熱酸化工程の繰り返し：
図１（ｅ）及び（ｆ）に示すように、上述の「堆積工程」と「熱酸化工程」とを１０数μ以上である所要膜厚Ｔを有する二酸化シリコン膜が生成されるまで繰り返す。例えば１５μｍの膜厚Ｔは、堆積工程と熱酸化工程とを５回繰り返し遂行することにより形成される。すなわち、
基板の熱酸化２μｍ＋（３μｍ×４回）＋（１μｍ×１回）＝１５μｍ
最後の１μｍの膜厚は、０．３μｍのシリコン膜を熱酸化することにより生成される。
【００１６】
（５）減圧気相堆積法によるシリコン堆積：
減圧気相堆積法によるポリシリコン、エピタキシャルシリコン、アモルファスシリコンの堆積について、本発明者による実験結果の一例を示す表１を参照して説明する。
【００１７】
【表１】
【００１８】
（５−１）ポリシリコン堆積：
ポリシリコン堆積によれば、多結晶のシリコン膜を次のごとく生成することができる。
モノシランガス（ＳｉＨ４）１００％、８０ｃｃ／ｍｉｎ、５７０℃、１００Ｐａ（０．７５Ｔｏｒｒ）の条件で、
膜成長速度０．００２０μｍ／ｍｉｎが得られ、熱酸化処理後の表面粗さＲＭＳは２０．５ｎｍであった。
【００１９】
（５−２）エピタキシャルシリコン堆積：
エピタキシャルシリコン堆積によれば、シリコンエピタキシャル成長によるシリコン単結晶の膜を次のごとく生成することができる。
モノシランガス（ＳｉＨ４）２０％、１２００ｃｃ／ｍｉｎ、１０００℃、５３２０Ｐａ（４０Ｔｏｒｒ）の条件で、
膜成長速度１．０６μｍ／ｍｉｎが得られ、熱酸化処理後の表面粗さＲＭＳは０．１５ｎｍであった。
【００２０】
（５−３）アモルファスシリコン堆積：
アモルファスシリコン堆積によれば、アモルファス（非晶質）化による膜を次のごとく生成することができる。
モノシランガス（ＳｉＨ４）１００％、８０ｃｃ／ｍｉｎ、５２０℃、１００Ｐａ（０．７５Ｔｏｒｒ）の条件で、
膜成長速度０．００１３μｍ／ｍｉｎが得られ、熱酸化処理後の表面粗さＲＭＳは、０．４〜０．７ｎｍであった。また、比較的大面積の形成が可能である。
【００２１】
上記のとおりであるので、所定の厚さＴ（１５μｍ）の二酸化シリコン膜を生成するに際して、二酸化シリコン膜の表面粗さに関してはシリコン膜の堆積にエピタキシャルシリコン（表面粗さ０．１５ｎｍ）あるいはアモルファスシリコン（表面粗さ０．４〜０．７ｎｍ）が好適であり、シリコン膜の成長速度に関してはエピタキシャルシリコン（１．０６μｍ／ｍｉｎ）が好適であり、したがってエピタキシャルシリコンを堆積すると良好な表面粗さを有する二酸化シリコン膜を高速で生成することが可能になる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明に従って構成された二酸化シリコン膜の生成方法によれば、光デバイス用材料を形成するためにシリコン基板の表面全体に少なくとも１０数μｍ以上の厚さを有する二酸化シリコン膜を、表面粗さを充分小さくして且つ充分高速で生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る二酸化シリコン膜の生成方法の工程を示した説明図。
【符号の説明】
２：シリコン基板
４：二酸化シリコン膜
６：エピタキシャルシリコン膜
８：二酸化シリコン膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板の表面全体に少なくとも１０数μｍ以上の厚さを有する二酸化シリコンの厚膜を生成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光情報通信・処理技術を主な対象とするソフト・フォトニクス、人間や環境にとって使いやすい光表示・入出力などへの光の利用をめざすアメニテイ・フォトニクス、新たな光源の極限性実現や先端的な光計測利用技術の開発を行うハード・フォトニクスなどの分野に使用される光デバイスには、シリコン基板上に厚膜の二酸化シリコン膜を形成した材料が使用される。
【０００３】
例えば光集積デバイスにおける光導波路は、シリコン基板上の二酸化シリコン膜の中に光導波路回路パターンを備えたコア層が埋め込まれ形成される。この場合の二酸化シリコン膜の厚さは、コア層の厚さを例えば接続される光ファイバと略同じ寸法にするために、少なくとも１０数μｍ以上が必要である。
【０００４】
二酸化シリコン膜をシリコン基板上に生成する典型的な方法としては周知の直接熱酸化法がある。直接熱酸化法は、シリコン基板の表面を直接熱酸化して二酸化シリコン膜を生成するもので、生成される膜厚は、薄膜の場合には酸化時間に比例するが、この酸化反応は生成された酸化膜を通して行われるので、厚膜の場合の膜厚は酸化時間の１／２乗に比例し生成に時間がかかる。したがって、１０数μｍ以上の厚膜の形成が難しい。そこで、酸化速度を高めるために１０数〜２５気圧といった酸化雰囲気による高圧酸化法が実施されるが、高圧に関する法規制や高額な設備費などの障害もある。したがって、１０数μｍ〜１００μｍの厚膜な二酸化シリコン層を形成するのは実質上困難である。
【０００５】
本出願人は上述の問題を解決するために、ポリシリコン堆積による二酸化シリコン膜の生成方法を開発した（特願２０００−３４２８９３「二酸化シリコン膜生成方法及び光導波路生成方法」）。この方法は、シリコン基板上にポリシリコンを堆積し、これを熱酸化処理して二酸化シリコン膜を生成し、生成された二酸化シリコン膜上に新たにポリシリコンを堆積し熱酸化処理して二酸化シリコン膜を生成し、この繰り返すことにより所望の厚膜の二酸化シリコン層を形成するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述のポリシリコン堆積による二酸化シリコン膜の生成には次のとおりの改善すべき課題がある。
【０００７】
（１）二酸化シリコン膜の表面粗さ：
ポリシリコン堆積により生成される二酸化シリコン膜の表面粗さは比較的粗くなる。そして、例えばこの表面に光導波路コア層用の二酸化シリコン膜を堆積生成した場合、境界面に粗い面が存在し光の散乱要因になり光損失が大きくなる可能性がある。そのため必要な場合には、表面粗さを改善するためにコア層生成前に二酸化シリコン膜の表面の平面加工が行われる。
【０００８】
（２）生産性：
ポリシリコン堆積による厚膜の生成は、大量のウエーハに二酸化シリコン膜を形成するのに好都合である。しかしながら、例えば１０数μｍの膜を形成するのに、直接熱酸化による方法よりは速いが、それでも数日の日数を要する。そして、典型的なシリコン膜堆積方法である減圧気相堆積法を採用する場合、減圧程度の大きい生産設備が必要になる。したがって、顧客からの二酸化シリコン膜形成に対する種々の要求、納期、生産量の大小などに適宜に対応することができる生産体制の用意が望まれている。
【０００９】
本発明は上記事実に鑑みてなされたもので、その技術的課題は、光デバイス用材料を形成するために、シリコン基板の表面全体に少なくとも１０数μｍ以上の厚さを有する二酸化シリコン膜を、表面粗さを充分小さくして且つ充分高速で生成することができる、新規且つ改良された二酸化シリコン膜の生成方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決する二酸化シリコン膜の生成方法として、本発明によれば、光デバイス用材料を形成するためにシリコン基板の表面全体に少なくとも１０数μｍ以上の厚さを有する二酸化シリコン膜を生成する方法において、
該シリコン基板の表面全体を電気炉内で水蒸気によるウエット酸化法によって熱酸化処理して該シリコン基板の表面全体に二酸化シリコン膜を生成し、
しかる後に、酸化シリコン膜の表面全体に減圧気相堆積法によって厚さが５μｍ以下であるエピタキシャルシリコンを堆積する堆積工程と、該エピタキシャルシリコンを電気炉内で水蒸気によるウエット酸化法によって熱酸化処理して二酸化シリコン膜にせしめる熱酸化工程とを、複数回繰り返し遂行する、
ことを特徴とする二酸化シリコン膜の生成方法が提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る二酸化シリコン膜の生成方法について、膜厚１５μｍの二酸化シリコン膜の生成を例に、順を追ってさらに詳細に説明する。
【００１２】
（１）シリコン基板の熱酸化：
図１（ａ）に示すシリコン基板２を電気炉において熱酸化し、図１（ｂ）に示すごとくシリコン基板２の表面全体に二酸化シリコン膜４を生成する。この熱酸化には、水蒸気によるウエット酸化方法が用いられる。ウエット酸化は、シリコン基板２の融点１４１０℃よりも十分に低い温度１０８０℃の温度で、また高圧の処理を必要としないで行うことができる。この熱酸化工程において、例えば２μｍの膜厚の二酸化シリコン膜を形成する。
【００１３】
（２）堆積工程：
上述の二酸化シリコン膜４上に、図１（ｃ）に示すごとく、化学的気相堆積法（ＣＶＤ）の一種である減圧気相堆積法によって、エピタキシャルシリコン６を堆積せしめる。この堆積工程において堆積されるエピタキシャルシリコン６の厚さは、次の熱酸化工程において酸化速度を充分大きくすることができるようになすために、５μｍ以下であることが重要であり、例えば１μｍでよい。
【００１４】
（３）熱酸化工程：
上述の「（１）シリコン基板の熱酸化」と同様に、電気炉においてエピタキシャルシリコン６を熱酸化処理し、図１（ｄ）に示すように、最初の二酸化シリコン膜４の上に同質の二酸化シリコン膜８を生成する。上述の厚さが１μｍのエピタキシャルシリコン６は、熱酸化による体積膨張によって３μｍの膜厚の二酸化シリコン膜８を形成する。
【００１５】
（４）堆積工程及び熱酸化工程の繰り返し：
図１（ｅ）及び（ｆ）に示すように、上述の「堆積工程」と「熱酸化工程」とを１０数μ以上である所要膜厚Ｔを有する二酸化シリコン膜が生成されるまで繰り返す。例えば１５μｍの膜厚Ｔは、堆積工程と熱酸化工程とを５回繰り返し遂行することにより形成される。すなわち、
基板の熱酸化２μｍ＋（３μｍ×４回）＋（１μｍ×１回）＝１５μｍ
最後の１μｍの膜厚は、０．３μｍのシリコン膜を熱酸化することにより生成される。
【００１６】
（５）減圧気相堆積法によるシリコン堆積：
減圧気相堆積法によるポリシリコン、エピタキシャルシリコン、アモルファスシリコンの堆積について、本発明者による実験結果の一例を示す表１を参照して説明する。
【００１７】
【表１】
（５−１）ポリシリコン堆積：
ポリシリコン堆積によれば、多結晶のシリコン膜を次のごとく生成することができる。
モノシランガス（ＳｉＨ４）１００％、８０ｃｃ／ｍｉｎ、５７０℃、１００Ｐａ（０．７５Ｔｏｒｒ）の条件で、
膜成長速度０．００２０μｍ／ｍｉｎが得られ、熱酸化処理後の表面粗さＲＭＳは２０．５ｎｍであった。
【００１９】
（５−２）エピタキシャルシリコン堆積：
エピタキシャルシリコン堆積によれば、シリコンエピタキシャル成長によるシリコン単結晶の膜を次のごとく生成することができる。
モノシランガス（ＳｉＨ４）２０％、１２００ｃｃ／ｍｉｎ、１０００℃、５３２０Ｐａ（４０Ｔｏｒｒ）の条件で、
膜成長速度１．０６μｍ／ｍｉｎが得られ、熱酸化処理後の表面粗さＲＭＳは０．１５ｎｍであった。
【００２０】
（５−３）アモルファスシリコン堆積：
アモルファスシリコン堆積によれば、アモルファス（非晶質）化による膜を次のごとく生成することができる。
モノシランガス（ＳｉＨ４）１００％、８０ｃｃ／ｍｉｎ、５２０℃、１００Ｐａ（０．７５Ｔｏｒｒ）の条件で、
膜成長速度０．００１３μｍ／ｍｉｎが得られ、熱酸化処理後の表面粗さＲＭＳは、０．４〜０．７ｎｍであった。また、比較的大面積の形成が可能である。
【００２１】
上記のとおりであるので、所定の厚さＴ（１５μｍ）の二酸化シリコン膜を生成するに際して、二酸化シリコン膜の表面粗さに関してはシリコン膜の堆積にエピタキシャルシリコン（表面粗さ０．１５ｎｍ）あるいはアモルファスシリコン（表面粗さ０．４〜０．７ｎｍ）が好適であり、シリコン膜の成長速度に関してはエピタキシャルシリコン（１．０６μｍ／ｍｉｎ）が好適であり、したがってエピタキシャルシリコンを堆積すると良好な表面粗さを有する二酸化シリコン膜を高速で生成することが可能になる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明に従って構成された二酸化シリコン膜の生成方法によれば、光デバイス用材料を形成するためにシリコン基板の表面全体に少なくとも１０数μｍ以上の厚さを有する二酸化シリコン膜を、表面粗さを充分小さくして且つ充分高速で生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る二酸化シリコン膜の生成方法の工程を示した説明図。
【符号の説明】
２：シリコン基板
４：二酸化シリコン膜
６：エピタキシャルシリコン膜
８：二酸化シリコン膜
Claims (1)
- 光デバイス用材料を形成するためにシリコン基板の表面全体に少なくとも１０数μｍ以上の厚さを有する二酸化シリコン膜を生成する方法において、
該シリコン基板の表面全体を電気炉内で水蒸気によるウエット酸化法によって熱酸化処理して該シリコン基板の表面全体に二酸化シリコン膜を生成し、
しかる後に、二酸化シリコン膜の表面全体に減圧気相堆積法によって厚さが５μｍ以下であるエピタキシャルシリコンを堆積する堆積工程と、該エピタキシャルシリコンを電気炉内で水蒸気によるウエット酸化法によって熱酸化処理して二酸化シリコン膜にせしめる熱酸化工程とを、複数回繰り返し遂行する、
ことを特徴とする二酸化シリコン膜の生成方法。
Priority Applications (11)
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| JP2001372474A JP4398126B2 (ja) | 2001-12-06 | 2001-12-06 | 二酸化シリコン膜の生成方法 |
| EP02804354A EP1437328B1 (en) | 2001-12-06 | 2002-11-25 | Method for creating silicon dioxide film |
| US10/470,060 US20040058080A1 (en) | 2001-12-06 | 2002-11-25 | Method for creating silicon dioxide film |
| DE60217701T DE60217701T2 (de) | 2001-12-06 | 2002-11-25 | Verfahren zum bliden eines siliziumdioxidfilms |
| CA002436001A CA2436001C (en) | 2001-12-06 | 2002-11-25 | Method of forming a silicon dioxide film |
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| KR1020037010507A KR100588081B1 (ko) | 2001-12-06 | 2002-11-25 | 이산화실리콘 막의 생성방법 |
| AU2002365849A AU2002365849A1 (en) | 2001-12-06 | 2002-11-25 | Method for creating silicon dioxide film |
| PCT/JP2002/012272 WO2003048041A1 (fr) | 2001-12-06 | 2002-11-25 | Procede permettant de former une couche de dioxyde de silicium |
| TW091134826A TWI282116B (en) | 2001-12-06 | 2002-11-29 | Method for creating silicon dioxide film |
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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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ID=19181362
Family Applications (1)
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