JPH10338515A

JPH10338515A - シリコン基板の酸化方法

Info

Publication number: JPH10338515A
Application number: JP16519397A
Authority: JP
Inventors: Shinji Makikawa; 新二牧川; Masaki Ejima; 正毅江島; Shigeru Konishi; 繁小西; Yukio Fujimaki; 幸雄藤巻; Kazuo Kamiya; 和雄神屋
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1997-06-06
Publication date: 1998-12-22

Abstract

(57)【要約】【解決手段】シリコン基板を酸化して５μｍ以上の酸
化膜を形成する方法であって、上記シリコン基板の酸化
を酸性雰囲気にて行うことを特徴とするシリコン基板の
酸化方法。【効果】本発明によれば、シリコン基板を酸化する雰
囲気を硝酸性ガスもしくは炭酸性ガスなどの酸性雰囲気
とすることで、酸化速度を速くし、５μｍ以上の酸化膜
を速やかに形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に光通信用の光
導波路デバイスにおけるアンダクラッド石英膜の形成法
として好適なシリコン基板の酸化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来よ
り、光の分岐、スイッチングを行うデバイスとして光導
波路あるいは石英系光導波路が知られている。これは、
シリコン又は石英基板の上に、アンダクラッドとして１
０〜２０μｍの石英膜を堆積もしくは成膜し、このアン
ダクラッド上にコアとして屈折率がそれより大きい石英
膜を堆積し、コアに光を通すパターンをエッチングなど
で作製した後、最後にオーバークラッドとして屈折率が
コアよりも小さい石英膜をコア上に堆積することにより
得ることができる。

【０００３】従来、このような光導波路の作製などに利
用されるシリコン基板上に石英薄膜を形成する方法とし
ては、ＣＶＤ法、蒸着法、火炎堆積法、ゾルゲル法、高
圧酸化法などが知られている。

【０００４】このうち、高圧酸化法は、常圧よりも高い
圧力で酸化雰囲気にてシリコン基板を酸化させる方法で
ある。

【０００５】この方法では、緻密で純粋な石英膜が得ら
れるため、電気的絶縁性に優れ、また基板の両面を酸化
するために、酸化した後の基板が反りにくいという利点
を有している。そのため、光導波路に用いられる石英膜
のうち、高圧酸化法は上記のアンダクラッド石英膜に利
用されている。

【０００６】しかし、この方法は、シリコン基板を酸化
する反応が非常に遅いため、また酸化速度が石英膜の厚
みに対して１／２乗であるため、通常の２０μｍのアン
ダクラッドを作製するには、数百〜千数百時間は必要に
なる。

【０００７】そこで、反応を速くするためには、酸化す
る雰囲気を水蒸気を含む雰囲気にする方法がある（文
献：ＶＬＳＩＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｓｅｃｏｎｄ
ｅｄｉｔｉｏｎｐ．１０６）。また、酸化する雰囲気
の圧力を高くする方法がある（文献：ＶＬＳＩＴｅｃ
ｈｎｏｌｏｇｙｓｅｃｏｎｄｅｄｉｔｉｏｎｐ．
１２１）。

【０００８】しかし、圧力を上げること、特に数百度以
上の高温においてかなりの高圧に保つ技術は危険性を伴
うものである。また、場合によっては水蒸気雰囲気にす
るために水素を使用することがあるので、容易にかなり
の高圧に圧力を上げることはできない。

【０００９】本発明は、上記事情に鑑みなされたもの
で、速い速度でシリコン基板を酸化することができるシ
リコン基板の酸化方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】本
発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結
果、シリコン基板の酸化速度を速くするために、酸化す
る際の雰囲気を硝酸ガスや炭酸ガス等を含む酸性雰囲気
とすることが有効であることを知見した。即ち、シリコ
ン基板を酸化する雰囲気を酸性雰囲気とすることで、シ
リコン基板を少しエッチングしながら酸化することが可
能なため、通常の酸化ガスが固体に浸透拡散するよりも
速く基板を酸化することが可能であり、またこの場合、
その酸性ガス雰囲気に水蒸気が含まれていると更に速く
なることを知見し、本発明をなすに至った。

【００１１】従って、本発明は、下記のシリコン基板の
酸化方法を提供する。請求項１：シリコン基板を酸化して５μｍ以上の酸化膜
を形成する方法であって、上記シリコン基板の酸化を酸
性雰囲気にて行うことを特徴とするシリコン基板の酸化
方法。請求項２：酸性雰囲気が０．１重量％以上の硝酸ガスを
含有する雰囲気である請求項１記載の方法。請求項３：シリコン基板を酸化炉内に挿入し、この酸化
炉内に酸素ガス、水素ガス及び窒素ガスを導入すると共
に、酸化炉内を８００℃以上の温度に維持して、酸化炉
内を水蒸気及び硝酸ガス含有雰囲気としてシリコン基板
の酸化を行うようにした請求項２記載の方法。請求項４：酸性雰囲気が０．１重量％以上の炭酸ガスを
含有する雰囲気である請求項１記載の方法。請求項５：シリコン基板を酸化炉内に挿入し、この酸化
炉内に酸素ガス、水素ガス及び炭酸ガスを導入すると共
に、酸化炉内を８００℃以上の温度に維持して、酸化炉
内を水蒸気及び炭酸ガス含有雰囲気としてシリコン基板
の酸化を行うようにした請求項４記載の方法。請求項６：シリコン基板を酸化する際の圧力が１．１〜
１０気圧である請求項１乃至５のいずれか１項記載の方
法。請求項７：形成される５μｍ以上のシリコン基板酸化膜
が光導波路のアンダクラッド石英膜用である請求項１乃
至６のいずれか１項記載の方法。

【００１２】以下、本発明につき更に詳しく説明する。
本発明のシリコン基板の酸化方法は、特に光導波路の作
製において、アンダクラッド石英膜の形成方法として好
適に用いることができ、かかる方法に採用する場合、シ
リコン基板としては光導波路用として公知のシリコン基
板を使用することができる。

【００１３】本発明においては、このシリコン基板を酸
化するに際し、酸化可能な酸化性雰囲気と同時に酸性雰
囲気として酸化を行うものであり、それ以外の酸化方法
としては公知の方法、特に公知の高圧酸化法を採用し得
る。

【００１４】ここで、酸性雰囲気にできるガスとして、
フッ化水素、塩化水素、窒素酸化物、又は炭酸ガスがあ
る。これらは水蒸気と反応して、フツ酸、塩酸、硝酸、
炭酸などの酸性を示す。この場合、酸性雰囲気としては
塩酸を含む雰囲気が考えられるが、塩酸はかなりの強酸
であるため、炉の構成材料であるステンレス等の金属材
料が腐食されてしまう問題があり、また、フツ酸は、基
板の酸化速度よりも基板へのエッチング速度が速いた
め、基板が荒れてしまう問題がある。

【００１５】ところが、窒素酸化物、炭酸ガスは、フツ
酸や塩化水素ほど強酸ではないため、金属材料を著しく
劣化させる心配はない。従って、シリコン基板を酸化す
る雰囲気を窒素酸化物、炭酸ガスを含む雰囲気にするこ
とが、酸化炉装置を損傷させることなく、酸化速度を速
くできることから望ましい。それら濃度としては、硝酸
ガス及び炭酸ガス濃度として０．１％以上の存在によっ
てｐＨが４以下の酸性になる。しかし、これらの濃度が
１０％を超えると、逆に分解しやすくなるので、特に炭
酸ガスは一酸化炭素に分解すると還元作用を示すので、
望ましくは０．１〜１０％の範囲がよい。

【００１６】酸性ガスを導入する方法として、硝酸性ガ
スの場合は、水素ガスと酸素ガスを８００℃以上に加熱
した石英炉芯管に導入することで燃焼させて水蒸気と
し、その水蒸気によってシリコン基板を酸化させるパイ
ロ酸化方法があるが、この方法にて窒素ガスを水素ガ
ス、酸素ガスとは別のラインから微量導入することで、
水蒸気生成の反応熱によって分解し、酸素と結合して窒
素酸化物とする方法を採用し得る。なおこの場合、窒素
と水素とは同じラインから入れるとアンモニアが生成
し、アルカリ性となるので良くない。

【００１７】硝酸水溶液を加温して酸素ガスなどでバブ
リングする方法は、硝酸の蒸気圧が低いため、加温によ
り次第に硝酸が濃縮されて爆発性を示すので、非常に危
険である。

【００１８】炭酸ガスは、硝酸性ガスと同様に、パイロ
酸化方法に、微量の炭酸ガスを入れてもよいし、バブリ
ング方式の場合は、水溶液を８０〜９０℃に加温して、
炭酸ガスでバブリングする方法がある。しかし、このバ
ブリング方式も、炭酸ガスは水に可溶であるので圧力容
器が必要になり、できればパイロ方式がよい。

【００１９】上記パイロ酸化法を採用する場合、図１に
示すような酸化炉を使用することができる。即ち、図１
は、本発明においてシリコン基板を酸化する酸化炉を示
す構成図であり、図中１はヒーターモジュールであり、
このヒーターモジュールは例えばカンタルヒーター等に
よって形成される。なお、このヒーターモジュールは、
例えば３等分に分割されたヒーターとすることができ、
それぞれのヒーター部分で独立して温度制御することが
できる。２は、上記ヒーターモジュール１内に配設され
た炉心管で、ヒーターモジュール１と同心円上に配置さ
れている。なお、炉心管は例えば石英にて形成すること
ができる。この炉心管２の一端開口部には、それぞれ水
素供給ノズル３、酸素供給ノズル４、酸性化ガス供給ノ
ズル５の先端部が配設され、これらノズル３、４、５か
らそれぞれ水素、酸素、窒素や炭酸ガス等の酸性化ガス
が炉心管２内に導入されるようになっていると共に、炉
心管２の他端開口部は、石英製等のキャップ６が取り付
けられて気密に閉塞されている。また、炉心管２の他端
側下部には、排気管７の一端がヒーターモジュール１を
貫通して連結されていると共に、この排気管７の他端
は、水冷ジャケット８によって冷却可能とされたタンク
９と連結され、上記炉心管２内で生成した水蒸気が上記
排気管７よりタンク９に導入され、水冷ジャケット８に
よって冷却されて水として貯められるようになってい
る。なお、タンク９に捕集できなかった水蒸気は、タン
ク９に連結された放気管１０にて系外に排出されるよう
になっている。

【００２０】そして、上記炉心管２内に酸化されるべき
シリコン基板１１が挿入され、上述したように酸化され
るものである。

【００２１】本発明において、上記のような酸化炉を用
いたパイロ酸化法が採用し得るが、この場合、酸素導入
量は１〜１０Ｌ／ｍｉｎ、特に１〜５Ｌ／ｍｉｎ、水素
導入量は酸素導入量に対し１００〜２００％、特に１５
０〜１９０％とすることが好ましい。なお、窒素や炭酸
ガス等の酸性化ガスの導入量は上述した雰囲気濃度とな
るような量である。また、雰囲気温度は８００〜１２０
０℃、特に９００〜１１００℃であり、雰囲気圧力は
１．１〜１０気圧、特に２〜８気圧とすることが望まし
い。

【００２２】本発明において、シリコン基板の酸化膜を
光導波路のアンダクラッドとする場合、５μｍ以上であ
ることが必要であり、望ましくは１０〜２０μｍ又はそ
れ以上である。

【００２３】２０μｍの酸化膜を得るには、従来の水蒸
気を生成させて酸化するパイロ酸化の場合、酸化温度１
０００℃、水素／酸素流量比１．５とすると、１２５０
時間は必要である。更に、酸化雰囲気の圧力を５気圧と
高圧にした場合は、２５０時間になる。これに対し、上
記の条件に窒素を酸素の１／２０にて入れると、酸化装
置から排出された水蒸気を冷却させて得られた水のｐＨ
を測定すると３．０を示し、陰イオンを分析するとＮＯ
₃ ^-が含まれており、従って酸化炉内の雰囲気は硝酸が
含まれた酸性雰囲気といえるが、この条件で２０μｍの
酸化膜を得るには１０００時間となり、約２０％低減で
きる。更に、圧力を５気圧にした場合で２００時間と短
縮できるものである。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、シリコン基板を酸化す
る雰囲気を硝酸性ガスもしくは炭酸性ガスなどの酸性雰
囲気とすることで、酸化速度を速くし、５μｍ以上の酸
化膜を速やかに形成することができる。

【００２５】

【実施例】以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体
的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるも
のではない。

【００２６】〔実施例１〕図１に示す酸化炉を用いてシ
リコン基板の酸化を行った。この場合、ヒーターモジュ
ールとしては、カンタル製で直径２５０ｍｍ、長さ１５
００ｍｍを有するものを用いた。また、このヒーターモ
ジュールは３等分に分割されたヒーターからなり、それ
ぞれ±１℃以内の範囲で均熱化コントロールし得るもの
とした。一方、炉心管としては、石英製で直径２００ｍ
ｍ、長さ１０００ｍｍのものを使用し、その一端開口部
にそれぞれ直径１０ｍｍ、長さ３００ｍｍの水素供給ノ
ズル、酸素供給ノズル、酸性化ガス供給ノズルの先端を
配置すると共に、炉心管の他端開口部は石英キャップで
気密に閉塞した。

【００２７】そして、上記炉心管内に直径４インチ、厚
み１ｍｍのシリコン基板を上記ノズルから導入されるガ
スに対向するように配置し、５気圧の水素、酸素、窒素
をそれぞれそのノズルから３．６Ｌ／ｍｉｎ、２．０Ｌ
／ｍｉｎ、０．１Ｌ／ｍｉｎの量で導入した。従って、
炉心管内部は５気圧に保たれた。また、炉心管内が１０
００℃になるようにヒーター温度を設定した。

【００２８】この場合、３分割ヒーターのうち炉心管の
一端開口部側（即ち、ガス導入側）に近いヒーターを８
００℃以上に設定することで水素と酸素は着火し、水蒸
気になると共に、その生成熱によって窒素と酸素が反応
し、窒素酸化物が微量生成される。この点を確認するた
め、タンクに捕集された水のｐＨを測定したところ、
２．４であり、陰イオンクロマトグラフィーで分析した
ところ、０．５重量％のＮＯ ₃ ^-が検出された。従っ
て、このことから、炉芯管内の雰囲気は０．５重量％硝
酸性ガス雰囲気であることが認められた。

【００２９】以上の条件で炉心管内のシリコン基板の酸
化を行った場合における酸化時間と酸化膜厚の結果を図
２に示す。この条件では、２０μｍの酸化膜を得るに
は、約２００時間を要した。

【００３０】〔実施例２〕実施例１と同じ酸化炉を用い
て同じシリコン基板の酸化を行った。この場合、それぞ
れ５気圧の水素、酸素、及び一酸化炭素の分解を防ぐた
めに酸素ガスと混合した二酸化炭素ガスをそれぞれ３．
６Ｌ／ｍｉｎ、１．０Ｌ／ｍｉｎ、及び酸素１．０Ｌ／
ｍｉｎと二酸化炭素ガス０．５Ｌ／ｍｉｎの量にて混合
したガスを導入し、炉心管内が１０００℃となるように
ヒーター温度を設定した。この場合も、ガス導入側に近
いヒーターを８００℃以上に設定することにより、水素
と酸素が着火し、水蒸気が生成するが、この水蒸気に二
酸化炭素ガスが溶解し、炭酸が生成する。この点を確認
するため、タンクに捕集された水のｐＨを測定したとこ
ろ、３．５であり、陰イオンクロマトグラフィーで分析
したところ、２．０重量％のＣＯ ₃ ^-が検出された。従
って、炉芯管内の雰囲気は、２．０重量％の炭酸性ガス
雰囲気であることが認められた。

【００３１】以上の条件で炉心管内のシリコン基板の酸
化を行った場合における酸化時間と酸化膜厚の結果を図
３に示す。この条件では、２０μｍの酸化膜を得るに
は、約２１０時間を要した。

【００３２】〔比較例〕実施例１と同じ酸化炉を用いて
同じシリコン基板の酸化を行った。この場合、それぞれ
５気圧の水素、酸素、及び酸素をそれぞれ３．６Ｌ／ｍ
ｉｎ、１．０Ｌ／ｍｉｎ、及び１．０Ｌ／ｍｉｎの量に
て導入し、炉心管内が１０００℃となるようにヒーター
温度を設定した。この場合も、ガス導入側に近いヒータ
ーを８００℃以上に設定することにより、水素と酸素が
着火し、水蒸気が生成する。タンクに捕集された水のｐ
Ｈを測定したところ、６．０であり、陰イオンクロマト
グラフィーで分析したところ、５００ｐｐｍのＣＯ ₃ ^-
が検出された。これは、捕集の際に大気中の二酸化炭素
を吸収したため、わずかに酸性になったものと考えられ
た。

【００３３】以上の条件で炉心管内のシリコン基板の酸
化を行った場合における酸化時間と酸化膜厚の結果を比
較のため図２及び図３に示す。この条件では、２０μｍ
の酸化膜を得るには、約２５０時間を要した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施に用いる酸化炉の一例を示す概略
図である。

【図２】実施例１及び比較例におけるシリコン基板の酸
化時間と酸化膜厚との関係を示すグラフである。

【図３】実施例２及び比較例におけるシリコン基板の酸
化時間と酸化膜厚との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ヒーターモジュール２炉芯管３水素供給ノズル４酸素供給ノズル５酸性化ガス供給ノズル６キャップ７排気管８水冷ジャケット９タンク１０放気管１１シリコン基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤巻幸雄群馬県安中市磯部２丁目13番１号信越化学工業株式会社精密機能材料研究所内 (72)発明者神屋和雄群馬県安中市磯部２丁目13番１号信越化学工業株式会社精密機能材料研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板を酸化して５μｍ以上の酸
化膜を形成する方法であって、上記シリコン基板の酸化
を酸性雰囲気にて行うことを特徴とするシリコン基板の
酸化方法。
【請求項２】酸性雰囲気が０．１重量％以上の硝酸ガ
スを含有する雰囲気である請求項１記載の方法。
【請求項３】シリコン基板を酸化炉内に挿入し、この
酸化炉内に酸素ガス、水素ガス及び窒素ガスを導入する
と共に、酸化炉内を８００℃以上の温度に維持して、酸
化炉内を水蒸気及び硝酸ガス含有雰囲気としてシリコン
基板の酸化を行うようにした請求項２記載の方法。
【請求項４】酸性雰囲気が０．１重量％以上の炭酸ガ
スを含有する雰囲気である請求項１記載の方法。
【請求項５】シリコン基板を酸化炉内に挿入し、この
酸化炉内に酸素ガス、水素ガス及び炭酸ガスを導入する
と共に、酸化炉内を８００℃以上の温度に維持して、酸
化炉内を水蒸気及び炭酸ガス含有雰囲気としてシリコン
基板の酸化を行うようにした請求項４記載の方法。
【請求項６】シリコン基板を酸化する際の圧力が１．
１〜１０気圧である請求項１乃至５のいずれか１項記載
の方法。
【請求項７】形成される５μｍ以上のシリコン基板酸
化膜が光導波路のアンダクラッド石英膜用である請求項
１乃至６のいずれか１項記載の方法。