JP4786982B2 - 水晶薄膜の製造装置 - Google Patents

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。

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。

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。

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。
特開２００２−８０２９６号公報 高橋直行（Naoyuki Takahashi）、他５名，「Rapid Growth of Thick Quartz Films by Catalyst-Enhanced Vapor-Phase Epitaxy under Atmospheric Pressure」,Electrochemical and Solid-State Letters,6(5)C77-C78(2003)

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。

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。

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。

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、上記の筒状遮蔽体が装着されている筒状容器と、排気口を有し、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、上記の筒状遮蔽体の内側に第二気体供給管の先端開口部が配置されていて、そして筒状遮蔽体の内側表面が、酸化アルミニウム、炭化珪素又は四窒化三珪素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。

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）反応容器の外側に加熱具が配設されていて、そして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。
（２）上記の加熱具が、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。

（３）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。
（４）上記の第二気体供給管の先端開口ユニットが屈曲している。

（５）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。

本発明の水晶薄膜製造装置は、反応容器の内部に、内側表面が酸化アルミニウム、炭化珪素又は四窒化三珪素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。

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。

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。

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、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

筒状遮蔽体の内側表面を形成する材料としては、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。

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。

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。

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の内側に配置される。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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の場合と同様の材料から形成されていてもよい。

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。

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。

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。

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。

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。 図１に示す水晶薄膜製造装置の断面図である。 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。 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が備える隔壁９１を図の左側から見た図である。 図４の水晶薄膜製造装置が備える隔壁９２を図の左側から見た図である。

符号の説明

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

Claims (6)

1. 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該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、上記の筒状遮蔽体が装着されている筒状容器と、排気口を有し、該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、該筒状遮蔽体の内側に第二気体供給管の先端開口部が配置されていて、そして該筒状遮蔽体の内側表面が、酸化アルミニウム、炭化珪素又は四窒化三珪素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。
2. 反応容器の外側に加熱具が配設されていて、そして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請求項１に記載の水晶薄膜製造装置。
3. 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請求項２に記載の水晶薄膜製造装置。
4. 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請求項１に記載の水晶薄膜製造装置。
5. 先端開口ユニットが屈曲している請求項４に記載の水晶薄膜製造装置。
6. 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請求項１に記載の水晶薄膜製造装置。

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