水晶薄膜の製造装置
【課題】 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均一な厚みで製造するために有利に用いることができる水晶薄膜の製造装置を提供すること。
【解決手段】 排気口を備えた反応容器、反応容器内に装着された基板ホルダ、反応容器内に酸素含有気体を供給する、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間隔を介して先端開口部が向けられて配置されている気体供給管、反応容器内に珪素アルコキシドを含有する気体を供給する供給口、反応容器内に反応促進剤を含む気体を供給する供給口、および各気体供給口側の反応容器の端部と上記基板の設置位置との間に設けられ、基板表面に向いた開口部を有する、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体との混合室を含む水晶薄膜製造装置。
【解決手段】 排気口を備えた反応容器、反応容器内に装着された基板ホルダ、反応容器内に酸素含有気体を供給する、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間隔を介して先端開口部が向けられて配置されている気体供給管、反応容器内に珪素アルコキシドを含有する気体を供給する供給口、反応容器内に反応促進剤を含む気体を供給する供給口、および各気体供給口側の反応容器の端部と上記基板の設置位置との間に設けられ、基板表面に向いた開口部を有する、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体との混合室を含む水晶薄膜製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。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、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、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、その上に形成する水晶結晶薄膜の結晶性が向上する旨の記載がある。
【０００４】
非特許文献１には、ＡＴカット面に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、その上に形成する水晶結晶薄膜を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。
【特許文献１】特開２００２−８０２９６号公報
【非特許文献１】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)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の大気圧気相エピタキシャル成長法により、基板上に結晶性に優れた水晶結晶薄膜を形成することができる。このように基板上に形成された水晶結晶薄膜は、例えば、基板から剥離されて複数個に分割されたのち、その各々が振動子として用いられる。このため基板上には水晶結晶薄膜をなるべく均一な厚みで形成することが好ましい。
【０００６】
本発明の目的は、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均一な厚みで製造するために有利に用いることができる水晶薄膜の製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、排気口を備えた反応容器、反応容器内に装着された基板ホルダ、反応容器内に酸素含有気体を供給する、基板ホルダに支持される基板の表面あるいは基板表面を含む平面上の基板の周囲の領域に間隔を介して先端開口部が向けられて配置されている気体供給管、反応容器内に珪素アルコキシドを含有する気体を供給する供給口、反応容器内に反応促進剤を含む気体を供給する供給口、および各気体供給口側の反応容器の端部と上記基板の設置位置との間に設けられ、基板表面に向いた開口部を有する、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体との混合室を含む水晶薄膜製造装置にある。
【０００８】
本発明の水晶薄膜製造装置の好ましい態様は、次の通りである。
（１）反応容器が筒体であって、この筒体の外側に加熱具が配設されている。
（２）加熱具が、筒体の長手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）混合室の開口部、酸素含有気体の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。
（４）酸素含有気体の気体供給管の先端開口部が、基板ホルダに対して混合室の開口部よりも近接した位置に備えられている。
（５）反応容器内に、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る筒状遮蔽体が着脱可能に装着され、この筒状遮蔽体の内側に上記基板ホルダが備えられている。
（６）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。
（７）筒状遮蔽体の内側に酸素含有気体の気体供給管の先端開口部が配置されている。
（８）酸素含有気体の気体供給管が、気体供給管本体と気体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。
（９）珪素アルコキシド含有気体の供給口が、先端が混合室の内部に届く気体供給管として形成されている。
（１０）珪素アルコキシド含有気体の気体供給管が、気体供給管本体と気体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。
（１１）反応促進剤が塩化水素もしくはアンモニアである。
（１２）反応容器が、全ての気体供給口及び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、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る筒体である。
（１３）筒状容器が水平方向に配置され、基板ホルダが筒状容器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。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の水晶薄膜製造装置では、珪素アルコキシドを含有する気体と、水晶薄膜の成長を促進する反応促進剤（塩化水素やアンモニア等）を含有する気体とを反応容器内に設けられた混合室内で予め混合したのちに基板表面に供給するため、珪素アルコキシドに対する反応促進剤の添加量が基板表面近傍にて均一になる。従って、本発明の水晶薄膜製造装置を用いて、上記のようにして反応促進剤と共に基板表面に供給された珪素アルコキシドと、酸素とを均一雰囲気にて接触させて反応させることにより、基板上に均一性の高い厚みの水晶薄膜を形成することができる。
【００１０】
そして、本発明の水晶薄膜製造装置は、例えば、珪素アルコキシド及び酸素の各々の供給量の調節、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均一な厚みで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均一な厚みで形成することができる。
【００１１】
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均一な厚みで製造するために有利に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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、この水晶薄膜製造装置１０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。
【００１３】
図１及び図２に示す水晶薄膜製造装置１０は、排気口１１を備えた反応容器１２、反応容器１２の内部に装着された基板ホルダ１３、反応容器１２の内部に酸素含有気体を供給する、基板ホルダ１３に支持される基板１４の表面に間隔を介して先端開口部が向けられて配置されている気体供給管２２、反応容器１２の内部に珪素アルコキシドを含有する気体を供給する供給口７１、反応容器１２の内部に反応促進剤を含む気体を供給する供給口７３、および各気体供給口側の反応容器１２の端部と上記基板１４の設置位置との間に設けられ、基板１４の表面に向いた開口部８２ａを有する、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体との混合室８０などから構成されている。
【００１４】
酸素含有気体の気体供給管は、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。
【００１５】
混合室８０は、反応容器１２の内部を、壁体８１と、開口部８２ａを有する壁体８２とで区画することにより構成されている。図１及び図２に示す水晶薄膜製造装置１０の場合には、珪素アルコキシド含有気体の供給口７１は、先端が混合室８０の内部に届く気体供給管２１として形成されている。すなわち、供給口７１から反応容器内に供給された珪素アルコキシド含有気体は、気体供給管２１を通って混合室８０の内部に供給される。一方、反応容器１２の供給口７３から供給された反応促進剤を含有する気体は、後に説明する隔壁９１の透孔９１ａ、そして壁体８１が備える透孔８１ａを通って混合室８０の内部に供給される。
【００１６】
図３及び図４は、図２に示す壁体８１及び壁体８２のそれぞれを図の左側から見た図である。図３に示すように、壁体８１には、珪素アルコキシド含有気体の気体供給管２１、酸素含有気体の気体供給管２２、供給口７３から反応容器内に供給される反応促進剤含有気体、そして供給口７４から反応容器内に供給される、反応容器内の気体の濃度を調節するための希釈ガスが通る透孔８１ａが形成されている。そして図４に示すように、壁体８２には、酸素含有気体の気体供給管２２、そして混合室８０の内部で混合された珪素アルコキシド含有気体、反応促進剤含有気体及び希釈ガスが通る開口部８２ａが形成されている。壁体８１、８２のそれぞれは、例えば、石英ガラスから形成される。
【００１７】
水晶薄膜製造装置１０では、供給口７１から反応容器内に供給される珪素アルコキシド（珪素アルコキシドの蒸気）を含有する気体と、供給口７３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とを混合室８０の内部で予め混合したのちに開口部８２ａを通って基板表面に供給されるため、珪素アルコキシドに対する反応促進剤の添加量が基板表面近傍において均一になる。従って、本発明の水晶薄膜製造装置１０を用いて、上記のようにして反応促進剤と共に基板表面に供給された珪素アルコキシドと、酸素とを大気圧下の均一な雰囲気にて接触させて反応させることにより、基板上に均一性の高い厚みの水晶薄膜を形成することができる。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。
【００１８】
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。
【００１９】
反応促進剤としては、例えば、塩化水素が用いられる。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、気体供給管２２の先端開口部から供給される酸素含有ガスとの反応（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。
【００２０】
水晶薄膜製造装置１０においては、珪素アルコキシドと酸素とを接触させて反応させる直前に、反応容器１２の内部に設けられた混合室８０にて珪素アルコキシドと反応促進剤とを混合している。これは反応容器１２の外部にて、予め珪素アルコキシドと反応促進剤とを混合すると、この混合気体を反応容器内に供給する気体供給管の内部に珪素アルコキシドの分解物あるいは酸化物と推測される化合物が付着して、気体供給管が詰まる場合があるからである。
【００２１】
供給口７４から反応容器に供給される希釈ガスの例としては、窒素、およびアルゴンやヘリウムなどの不活性ガスが挙げられる。
【００２２】
珪素アルコキシド、酸素、反応促進剤、および希釈ガスのそれぞれは、例えば、次のようにして反応容器１２の内部に供給される。
【００２３】
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、そして供給口７１を通って反応容器１２の内部に供給される。図２に示すように水晶薄膜製造装置１０の場合には、珪素アルコキシド含有気体の供給口７１は、先端が混合室８０の内部に届く気体供給管２１として形成されおり、供給口７１から反応容器内に供給された珪素アルコキシド含有気体は、気体供給管２１を通って混合室８０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。
【００２４】
テトラエトキシシランは、通常、キャリアガスとして用いる窒素（Ｎ2 ）と共に反応容器１２の内部に供給される。キャリアガスを用いることにより、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の内部に供給できるからである。キャリアガスの例としては、上記の窒素の他に、アルゴンやヘリウムなどの不活性ガスが挙げられる。
【００２５】
テトラエトキシシランの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共に供給口７１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。
【００２６】
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、そして供給口７２を通って反応容器１２の内部に供給される。供給口７２は、反応容器１２の内部にまで伸びる気体供給管２２として形成されており、この気体供給管２２の先端開口部は、基板ホルダ１３に支持される基板１４の表面（あるいは基板１４の表面を含む平面上の基板１４の周囲の領域）に間隔を介して向けられる。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。
【００２７】
酸素は、上記のテトラエトキシシランを供給する場合と同様に、通常、キャリアガスとして用いる窒素と共に反応容器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、そして酸素と共に気体供給管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。
【００２８】
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、そして供給口７３を通って反応容器１２の内部に供給される。反応容器１２の内部に供給された塩化水素と窒素との混合ガスは、後に説明する隔壁９１の透孔９１ａ、そして壁体８１の透孔８１ａを通って混合室８０の内部に供給される。塩化水素と窒素との混合ガスの流量は、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、塩化水素と窒素との混合ガスの反応容器１２への供給を開始あるいは停止することができる。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。
【００２９】
反応容器１２の内部の気体の濃度を調節する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、そして供給口７４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。
【００３０】
このようにして反応容器１２の内部に供給された珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とは、混合室８０の内部にて均一性の高い混合気体となる。
【００３１】
図２に示すように、混合室８０の内部に珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管２１は、気体供給管本体２１ａと気体供給管本体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。図２に示すように、先端開口ユニット２１ｂは屈曲していて、混合室内の気体に図２の紙面において時計回りの流れが生じるために、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とが均一に混合される。この先端開口ユニット２１ｂを別の構成のものと交換することにより、気体供給管２１ａの先端開口部の位置あるいは先端開口部の向きを調節して、混合室８０の内部における珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体との混合状態を調節することができるようになる。
【００３２】
図５は、本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管の別の構成例を説明する図である。図５に示す気体供給管２１の構成は、先端開口ユニット２１ｃの直径が先端開口部の側に向かうにつれて大きく設定されていること以外は図２に示す気体供給管２１と同様である。先端開口ユニット２１ｃを用いることにより、珪素アルコキシド含有気体を反応促進剤含有気体中に拡散させることができるため、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とを、図２に示す先端開口ユニット２１ｂを用いる場合よりも均一に混合することができる。
【００３３】
図６は、本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。図６に示す気体供給管２１の構成は、先端開口ユニット２１ｄの先端開口部が複数の透孔として形成されていること以外は図５に示す気体供給管２１と同様である。先端開口ユニット２１ｄを用いることにより、珪素アルコキシド含有気体を複数の透孔から流れ出る細い気流の状態にて反応促進剤含有気体と接触させることができるため、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とを、図５に示す先端開口ユニット２１ｃを用いる場合よりも短時間で均一に混合することができる。
【００３４】
図７は、本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。図７に示す気体供給管２１の構成は、先端開口ユニット２１ｅの先端開口部が下方に向けられていること以外は図５に示す気体供給管２１と同様である。先端開口ユニット２１ｅを用いることにより、上記の混合室内における時計回りの気体の流れがより円滑になるため、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とを、図５に示す先端開口ユニット２１ｃを用いる場合よりも均一に混合することができる。
【００３５】
図８は、本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。図８に示す気体供給管２１の構成は、先端開口ユニット２１ｆの先端開口部が下方に向けられていること以外は図６に示す気体供給管２１と同様である。先端開口ユニット２１ｆを用いることにより、上記の混合室内における時計回りの気体の流れがより円滑になるため、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とを、図６に示す先端開口ユニット２１ｄを用いる場合よりも均一に混合することができる。
【００３６】
図９は、本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。図９に示す気体供給管２１の構成は、先端開口ユニット２１ｇがＵ字形に湾曲していること以外は図７に示す気体供給管２１と同様である。先端開口ユニット２１ｇを用いることにより、上記の混合室内における時計回りの気体の流れがより円滑になるため、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とを、図７に示す先端開口ユニット２１ｅを用いる場合よりも均一に混合することができる。
【００３７】
図１０は、本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。図１０に示す気体供給管２１の構成は、先端開口ユニット２１ｈがＵ字形に湾曲していること以外は図８に示す気体供給管２１と同様である。先端開口ユニット２１ｈを用いることにより、上記の混合室内における時計回りの気体の流れがより円滑になるため、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とを図８に示す先端開口ユニット２１ｆを用いる場合よりも均一に混合することができる。
【００３８】
図１１は、本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。図１１に示す気体供給管２１は、気体供給管本体２１ａと同軸に配置された直管状の先端開口ユニット２１ｉを備えている。直管状の先端開口ユニットを用いる場合には、図１１に示すように気体供給管本体２１ａの長さを短く設定して、気体供給管２１の先端開口部と混合室８０の開口部８２ａとの間隔を長くすることにより、気体供給管２１の先端開口部から混合室の内部に供給された珪素アルコキシド含有気体を反応促進剤含有気体中に拡散させることができるため、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とを均一に混合することができる。
【００３９】
図１２は、本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。図１２に示す気体供給管２１の構成は、気体供給管本体２１ａが混合室の壁体８１と壁体８２との間のほぼ中央の位置にまで伸び、そして先端開口ユニット２１ｊの側面に複数の透孔が形成されていること以外は図１１に示す気体供給管２１と同様である。先端開口ユニット２１ｊを用いることにより、珪素アルコキシド含有気体を複数の透孔から流れ出る細い気流の状態にて反応促進剤含有気体と接触させることができるため、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とを、図１１に示す先端開口ユニット２１ｉを用いる場合よりも短時間で均一に混合することができる。
【００４０】
図１３は、本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。図１３に示す気体供給管２１の構成は、気体供給管本体２１ａが混合室の壁体８１と壁体８２との間のほぼ中央の位置にまで伸び、先端開口ユニット２１ｋがＵ字形に湾曲していること以外は図１１に示す気体供給管２１と同様である。先端開口ユニット２１ｋを用いることにより、上記の混合室内における時計回りの気体の流れがより円滑になるため、図１１に示す先端開口ユニット２１ｉを用いる場合よりも珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とを均一に混合することができる。
【００４１】
一方、図２に示すように、酸素含有気体の気体供給管２２もまた、気体供給管本体２２ａと気体供給管本体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、気体供給管２２の先端開口部の位置を、気体供給管本体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を加熱した際の反応容器１２の温度分布、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、酸素含有気体の気体供給管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。
【００４２】
また、酸素含有気体の気体供給管２２の先端開口ユニット２２ｂは、気体供給管２２から供給される酸素と、混合室８０の開口部８２ａ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。
【００４３】
この酸素含有気体の気体供給管２２ｂの先端開口部は、図２に示すように基板ホルダ１３に対して混合室８０の開口部８２ａよりも近接した位置に備えられていることが好ましい。すなわち、酸素含有気体の気体供給管２２の先端開口部と基板１４との間隔（Ｌ2 ）を、混合室８０の開口部８２ａと基板との間隔（Ｌ1 ）よりも短い間隔に設定することが好ましい。このように酸素含有気体の気体供給管２２を配置すると、混合室８０の開口部８２ａから流れ出る珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体との混合気体を反応容器１２の内部で十分に均一に拡散させたのちに、酸素含有気体の気体供給管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の上に更に均一な厚みの水晶薄膜を形成することができる。
【００４４】
図１及び図２に示すように、水晶薄膜製造装置１０の反応容器１２は筒体であり、この筒体の外側に加熱具３０が配設されていることが好ましい。加熱具３０を用いて反応容器１２を加熱することにより、基板１４の上に形成される水晶薄膜の結晶性を調節することができる。
【００４５】
筒体（反応容器）の外側に配設される加熱具は、筒体の長手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３０は、筒体の長さ方向に沿って三個の加熱ユニット３１、３２、３３に分割されていて、各々加熱条件を独立に制御するための制御装置４１、４２、４３が備えられている。三個の加熱ユニット３１、３２、３３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。
【００４６】
このように、反応容器の加熱ユニット３１、３２、３３の各々の加熱条件を独立に制御して反応容器内の温度分布を調節することにより、基板上に形成される水晶薄膜の結晶性を微調節することができる。
【００４７】
また、反応容器１２の気体供給口の側あるいは排気口の側の端部は、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。
【００４８】
このような反応容器内での対流の発生を抑制するため、本発明の水晶薄膜製造装置には、混合室８０の開口部８２ａ、酸素含有気体の気体供給管２２の先端開口部及び基板ホルダ１４を挟んで互いに間隔をあけて反応容器１２の内側に配置されている、各々が気体を流通させる透孔９１ａ、９２ａを備えた一対の隔壁９１、９２が備えられていることが好ましい。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。
【００４９】
図２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。
【００５０】
図１４及び図１５は、図２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１４に示すように、隔壁９１には、珪素アルコキシド含有気体の気体供給管２１、酸素含有気体の気体供給管２２、反応容器１２の供給口７３から反応容器内に供給される反応促進剤含有気体、そして供給口７４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１５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２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。
【００５１】
また、反応容器は、図２に示すように、全ての気体供給口７１、７２、７３、７４及び気体供給管２１、２２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とからなる筒体であることが好ましい。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の内部における気体の流れが円滑になり（対流を生じ難くなり）、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の外部への気体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。
【００５２】
反応容器１２は、基板ホルダ１３に対する基板１４の支持位置、あるいは基板１４と珪素アルコキシド含有気体の気体供給管２１もしくは酸素含有気体の気体供給管２２との相対的な位置関係を目視により確認できるようにするため、例えば、石英ガラスなどから形成された透明なものであることが好ましい。基板ホルダ１３は、例えば、石英ガラスから形成された基板ホルダ固定具１７に装着される。基板ホルダ固定具１７は、反応容器１２の内側面に沿って湾曲した形状に設定されている。
【００５３】
また、反応容器１２の内部には、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筒状遮蔽体１５が着脱可能に装着され、筒状遮蔽体１５の内側に上記基板ホルダ１３が備えられていることが好ましい。気相状態の珪素酸化物に対して不活性な材料としては、酸化アルミニウム、炭化珪素又は四窒化三珪素を用いることが好ましい。
【００５４】
上記のように原料の珪素アルコキシドと酸素とを反応させて基板１４の上に水晶薄膜を製造する際には、反応容器１２の内側表面にも水晶が薄膜状に付着し易い。特に反応容器が石英ガラスから形成されている場合には、反応容器の内側表面に水晶薄膜が付着し易い。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薄膜の量が少なくなる。すなわち基板上に水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。
【００５５】
また、反応容器が石英ガラスから形成されている場合にその内側表面に水晶薄膜が付着すると、基板上への水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おりその除去が困難であるため、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。
【００５６】
上記のように反応容器１２の内側に、例えば、気相状態の珪素酸化物に対して不活性な材料である酸化アルミニウム、炭化珪素、あるいは四窒化三珪素から形成された筒状遮蔽体１５を配置すると、反応容器の内側表面への水晶薄膜の付着が防止され、そして筒状遮蔽体の内側表面にも水晶が付着し難いため、基板上への水晶薄膜の成膜速度を増加させることができる。また、反応容器を石英ガラスから形成した場合には、その交換頻度を低くすることができる。
【００５７】
水晶薄膜製造装置１０が筒状遮蔽体１５を備える場合には、筒状遮蔽体１５の内側に、酸素含有気体の気体供給管２２の先端開口部が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（あるいは後に説明する、例えば、石英ガラスから形成される筒状の支持具１０３）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（あるいは支持具１０３）の交換頻度を更に低くすることができる。
【００５８】
図１及び図２に示す水晶薄膜製造装置１０は、例えば、次の手順に従い組み立てることができる。まず珪素アルコキシド含有気体の気体供給管２１及び酸素含有気体の気体供給管２２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、壁体８１、筒状の支持具１０３、壁体８２、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１０４、隔壁９２、そして筒状の支持具１０５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って、水晶薄膜製造装置１０を組み立てることができる。
【００５９】
上記の支持具１０１、１０２、１０３、１０４、１０５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。
【００６０】
さらに、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。
【００６１】
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均一な厚み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均一な厚みで形成することができる。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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均一な厚みで製造するために有利に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の水晶薄膜製造装置の構成例と、この水晶薄膜製造装置１０への原料ガスの供給方法を示す図である。
【図２】図１に示す水晶薄膜製造装置１０の断面図である。
【図３】図２に示す壁体８１を図の左側から見た図である。
【図４】図２に示す壁体８２を図の左側から見た図である。
【図５】本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管の別の構成例を説明する図である。
【図６】本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。
【図７】本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。
【図８】本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。
【図９】本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。
【図１０】本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。
【図１１】本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。
【図１２】本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。
【図１３】本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。
【図１４】図２に示す隔壁９１を図の左側から見た図である。
【図１５】図２に示す隔壁９２を図の左側から見た図である。
【符号の説明】
【００６６】
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 珪素アルコキシド含有気体の気体供給管
２１ａ 供給管本体
２１ｂ 先端開口ユニット
２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ、２１ｇ、２１ｈ、２１ｉ、２１ｊ、２１ｋ 先端開口ユニット
２２ 酸素含有気体の気体供給管
２２ａ 供給管本体
２２ｂ 先端開口ユニット
３０ 加熱具
３１、３２、３３ 加熱ユニット
３６ 加熱具
４１、４２、４３ 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
７１ 珪素アルコキシド含有気体の供給口
７２ 酸素含有気体の供給口
７３ 反応促進剤含有気体の供給口
７４ キャリアガス供給口
８０ 混合室
８１、８２ 壁体
８１ａ 透孔
８２ａ 開口部
９１、９２、９３ 隔壁
９１ａ、９２ａ、９３ａ 透孔
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５ 支持具
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。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、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、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、その上に形成する水晶結晶薄膜の結晶性が向上する旨の記載がある。
【０００４】
非特許文献１には、ＡＴカット面に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、その上に形成する水晶結晶薄膜を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。
【特許文献１】特開２００２−８０２９６号公報
【非特許文献１】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)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の大気圧気相エピタキシャル成長法により、基板上に結晶性に優れた水晶結晶薄膜を形成することができる。このように基板上に形成された水晶結晶薄膜は、例えば、基板から剥離されて複数個に分割されたのち、その各々が振動子として用いられる。このため基板上には水晶結晶薄膜をなるべく均一な厚みで形成することが好ましい。
【０００６】
本発明の目的は、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均一な厚みで製造するために有利に用いることができる水晶薄膜の製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、排気口を備えた反応容器、反応容器内に装着された基板ホルダ、反応容器内に酸素含有気体を供給する、基板ホルダに支持される基板の表面あるいは基板表面を含む平面上の基板の周囲の領域に間隔を介して先端開口部が向けられて配置されている気体供給管、反応容器内に珪素アルコキシドを含有する気体を供給する供給口、反応容器内に反応促進剤を含む気体を供給する供給口、および各気体供給口側の反応容器の端部と上記基板の設置位置との間に設けられ、基板表面に向いた開口部を有する、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体との混合室を含む水晶薄膜製造装置にある。
【０００８】
本発明の水晶薄膜製造装置の好ましい態様は、次の通りである。
（１）反応容器が筒体であって、この筒体の外側に加熱具が配設されている。
（２）加熱具が、筒体の長手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）混合室の開口部、酸素含有気体の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。
（４）酸素含有気体の気体供給管の先端開口部が、基板ホルダに対して混合室の開口部よりも近接した位置に備えられている。
（５）反応容器内に、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る筒状遮蔽体が着脱可能に装着され、この筒状遮蔽体の内側に上記基板ホルダが備えられている。
（６）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。
（７）筒状遮蔽体の内側に酸素含有気体の気体供給管の先端開口部が配置されている。
（８）酸素含有気体の気体供給管が、気体供給管本体と気体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。
（９）珪素アルコキシド含有気体の供給口が、先端が混合室の内部に届く気体供給管として形成されている。
（１０）珪素アルコキシド含有気体の気体供給管が、気体供給管本体と気体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。
（１１）反応促進剤が塩化水素もしくはアンモニアである。
（１２）反応容器が、全ての気体供給口及び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、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る筒体である。
（１３）筒状容器が水平方向に配置され、基板ホルダが筒状容器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。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の水晶薄膜製造装置では、珪素アルコキシドを含有する気体と、水晶薄膜の成長を促進する反応促進剤（塩化水素やアンモニア等）を含有する気体とを反応容器内に設けられた混合室内で予め混合したのちに基板表面に供給するため、珪素アルコキシドに対する反応促進剤の添加量が基板表面近傍にて均一になる。従って、本発明の水晶薄膜製造装置を用いて、上記のようにして反応促進剤と共に基板表面に供給された珪素アルコキシドと、酸素とを均一雰囲気にて接触させて反応させることにより、基板上に均一性の高い厚みの水晶薄膜を形成することができる。
【００１０】
そして、本発明の水晶薄膜製造装置は、例えば、珪素アルコキシド及び酸素の各々の供給量の調節、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均一な厚みで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均一な厚みで形成することができる。
【００１１】
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均一な厚みで製造するために有利に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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、この水晶薄膜製造装置１０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。
【００１３】
図１及び図２に示す水晶薄膜製造装置１０は、排気口１１を備えた反応容器１２、反応容器１２の内部に装着された基板ホルダ１３、反応容器１２の内部に酸素含有気体を供給する、基板ホルダ１３に支持される基板１４の表面に間隔を介して先端開口部が向けられて配置されている気体供給管２２、反応容器１２の内部に珪素アルコキシドを含有する気体を供給する供給口７１、反応容器１２の内部に反応促進剤を含む気体を供給する供給口７３、および各気体供給口側の反応容器１２の端部と上記基板１４の設置位置との間に設けられ、基板１４の表面に向いた開口部８２ａを有する、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体との混合室８０などから構成されている。
【００１４】
酸素含有気体の気体供給管は、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。
【００１５】
混合室８０は、反応容器１２の内部を、壁体８１と、開口部８２ａを有する壁体８２とで区画することにより構成されている。図１及び図２に示す水晶薄膜製造装置１０の場合には、珪素アルコキシド含有気体の供給口７１は、先端が混合室８０の内部に届く気体供給管２１として形成されている。すなわち、供給口７１から反応容器内に供給された珪素アルコキシド含有気体は、気体供給管２１を通って混合室８０の内部に供給される。一方、反応容器１２の供給口７３から供給された反応促進剤を含有する気体は、後に説明する隔壁９１の透孔９１ａ、そして壁体８１が備える透孔８１ａを通って混合室８０の内部に供給される。
【００１６】
図３及び図４は、図２に示す壁体８１及び壁体８２のそれぞれを図の左側から見た図である。図３に示すように、壁体８１には、珪素アルコキシド含有気体の気体供給管２１、酸素含有気体の気体供給管２２、供給口７３から反応容器内に供給される反応促進剤含有気体、そして供給口７４から反応容器内に供給される、反応容器内の気体の濃度を調節するための希釈ガスが通る透孔８１ａが形成されている。そして図４に示すように、壁体８２には、酸素含有気体の気体供給管２２、そして混合室８０の内部で混合された珪素アルコキシド含有気体、反応促進剤含有気体及び希釈ガスが通る開口部８２ａが形成されている。壁体８１、８２のそれぞれは、例えば、石英ガラスから形成される。
【００１７】
水晶薄膜製造装置１０では、供給口７１から反応容器内に供給される珪素アルコキシド（珪素アルコキシドの蒸気）を含有する気体と、供給口７３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とを混合室８０の内部で予め混合したのちに開口部８２ａを通って基板表面に供給されるため、珪素アルコキシドに対する反応促進剤の添加量が基板表面近傍において均一になる。従って、本発明の水晶薄膜製造装置１０を用いて、上記のようにして反応促進剤と共に基板表面に供給された珪素アルコキシドと、酸素とを大気圧下の均一な雰囲気にて接触させて反応させることにより、基板上に均一性の高い厚みの水晶薄膜を形成することができる。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。
【００１８】
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。
【００１９】
反応促進剤としては、例えば、塩化水素が用いられる。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、気体供給管２２の先端開口部から供給される酸素含有ガスとの反応（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。
【００２０】
水晶薄膜製造装置１０においては、珪素アルコキシドと酸素とを接触させて反応させる直前に、反応容器１２の内部に設けられた混合室８０にて珪素アルコキシドと反応促進剤とを混合している。これは反応容器１２の外部にて、予め珪素アルコキシドと反応促進剤とを混合すると、この混合気体を反応容器内に供給する気体供給管の内部に珪素アルコキシドの分解物あるいは酸化物と推測される化合物が付着して、気体供給管が詰まる場合があるからである。
【００２１】
供給口７４から反応容器に供給される希釈ガスの例としては、窒素、およびアルゴンやヘリウムなどの不活性ガスが挙げられる。
【００２２】
珪素アルコキシド、酸素、反応促進剤、および希釈ガスのそれぞれは、例えば、次のようにして反応容器１２の内部に供給される。
【００２３】
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、そして供給口７１を通って反応容器１２の内部に供給される。図２に示すように水晶薄膜製造装置１０の場合には、珪素アルコキシド含有気体の供給口７１は、先端が混合室８０の内部に届く気体供給管２１として形成されおり、供給口７１から反応容器内に供給された珪素アルコキシド含有気体は、気体供給管２１を通って混合室８０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。
【００２４】
テトラエトキシシランは、通常、キャリアガスとして用いる窒素（Ｎ2 ）と共に反応容器１２の内部に供給される。キャリアガスを用いることにより、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の内部に供給できるからである。キャリアガスの例としては、上記の窒素の他に、アルゴンやヘリウムなどの不活性ガスが挙げられる。
【００２５】
テトラエトキシシランの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共に供給口７１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。
【００２６】
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、そして供給口７２を通って反応容器１２の内部に供給される。供給口７２は、反応容器１２の内部にまで伸びる気体供給管２２として形成されており、この気体供給管２２の先端開口部は、基板ホルダ１３に支持される基板１４の表面（あるいは基板１４の表面を含む平面上の基板１４の周囲の領域）に間隔を介して向けられる。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。
【００２７】
酸素は、上記のテトラエトキシシランを供給する場合と同様に、通常、キャリアガスとして用いる窒素と共に反応容器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、そして酸素と共に気体供給管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。
【００２８】
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、そして供給口７３を通って反応容器１２の内部に供給される。反応容器１２の内部に供給された塩化水素と窒素との混合ガスは、後に説明する隔壁９１の透孔９１ａ、そして壁体８１の透孔８１ａを通って混合室８０の内部に供給される。塩化水素と窒素との混合ガスの流量は、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、塩化水素と窒素との混合ガスの反応容器１２への供給を開始あるいは停止することができる。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。
【００２９】
反応容器１２の内部の気体の濃度を調節する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、そして供給口７４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。
【００３０】
このようにして反応容器１２の内部に供給された珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とは、混合室８０の内部にて均一性の高い混合気体となる。
【００３１】
図２に示すように、混合室８０の内部に珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管２１は、気体供給管本体２１ａと気体供給管本体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。図２に示すように、先端開口ユニット２１ｂは屈曲していて、混合室内の気体に図２の紙面において時計回りの流れが生じるために、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とが均一に混合される。この先端開口ユニット２１ｂを別の構成のものと交換することにより、気体供給管２１ａの先端開口部の位置あるいは先端開口部の向きを調節して、混合室８０の内部における珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体との混合状態を調節することができるようになる。
【００３２】
図５は、本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管の別の構成例を説明する図である。図５に示す気体供給管２１の構成は、先端開口ユニット２１ｃの直径が先端開口部の側に向かうにつれて大きく設定されていること以外は図２に示す気体供給管２１と同様である。先端開口ユニット２１ｃを用いることにより、珪素アルコキシド含有気体を反応促進剤含有気体中に拡散させることができるため、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とを、図２に示す先端開口ユニット２１ｂを用いる場合よりも均一に混合することができる。
【００３３】
図６は、本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。図６に示す気体供給管２１の構成は、先端開口ユニット２１ｄの先端開口部が複数の透孔として形成されていること以外は図５に示す気体供給管２１と同様である。先端開口ユニット２１ｄを用いることにより、珪素アルコキシド含有気体を複数の透孔から流れ出る細い気流の状態にて反応促進剤含有気体と接触させることができるため、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とを、図５に示す先端開口ユニット２１ｃを用いる場合よりも短時間で均一に混合することができる。
【００３４】
図７は、本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。図７に示す気体供給管２１の構成は、先端開口ユニット２１ｅの先端開口部が下方に向けられていること以外は図５に示す気体供給管２１と同様である。先端開口ユニット２１ｅを用いることにより、上記の混合室内における時計回りの気体の流れがより円滑になるため、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とを、図５に示す先端開口ユニット２１ｃを用いる場合よりも均一に混合することができる。
【００３５】
図８は、本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。図８に示す気体供給管２１の構成は、先端開口ユニット２１ｆの先端開口部が下方に向けられていること以外は図６に示す気体供給管２１と同様である。先端開口ユニット２１ｆを用いることにより、上記の混合室内における時計回りの気体の流れがより円滑になるため、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とを、図６に示す先端開口ユニット２１ｄを用いる場合よりも均一に混合することができる。
【００３６】
図９は、本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。図９に示す気体供給管２１の構成は、先端開口ユニット２１ｇがＵ字形に湾曲していること以外は図７に示す気体供給管２１と同様である。先端開口ユニット２１ｇを用いることにより、上記の混合室内における時計回りの気体の流れがより円滑になるため、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とを、図７に示す先端開口ユニット２１ｅを用いる場合よりも均一に混合することができる。
【００３７】
図１０は、本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。図１０に示す気体供給管２１の構成は、先端開口ユニット２１ｈがＵ字形に湾曲していること以外は図８に示す気体供給管２１と同様である。先端開口ユニット２１ｈを用いることにより、上記の混合室内における時計回りの気体の流れがより円滑になるため、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とを図８に示す先端開口ユニット２１ｆを用いる場合よりも均一に混合することができる。
【００３８】
図１１は、本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。図１１に示す気体供給管２１は、気体供給管本体２１ａと同軸に配置された直管状の先端開口ユニット２１ｉを備えている。直管状の先端開口ユニットを用いる場合には、図１１に示すように気体供給管本体２１ａの長さを短く設定して、気体供給管２１の先端開口部と混合室８０の開口部８２ａとの間隔を長くすることにより、気体供給管２１の先端開口部から混合室の内部に供給された珪素アルコキシド含有気体を反応促進剤含有気体中に拡散させることができるため、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とを均一に混合することができる。
【００３９】
図１２は、本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。図１２に示す気体供給管２１の構成は、気体供給管本体２１ａが混合室の壁体８１と壁体８２との間のほぼ中央の位置にまで伸び、そして先端開口ユニット２１ｊの側面に複数の透孔が形成されていること以外は図１１に示す気体供給管２１と同様である。先端開口ユニット２１ｊを用いることにより、珪素アルコキシド含有気体を複数の透孔から流れ出る細い気流の状態にて反応促進剤含有気体と接触させることができるため、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とを、図１１に示す先端開口ユニット２１ｉを用いる場合よりも短時間で均一に混合することができる。
【００４０】
図１３は、本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。図１３に示す気体供給管２１の構成は、気体供給管本体２１ａが混合室の壁体８１と壁体８２との間のほぼ中央の位置にまで伸び、先端開口ユニット２１ｋがＵ字形に湾曲していること以外は図１１に示す気体供給管２１と同様である。先端開口ユニット２１ｋを用いることにより、上記の混合室内における時計回りの気体の流れがより円滑になるため、図１１に示す先端開口ユニット２１ｉを用いる場合よりも珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体とを均一に混合することができる。
【００４１】
一方、図２に示すように、酸素含有気体の気体供給管２２もまた、気体供給管本体２２ａと気体供給管本体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、気体供給管２２の先端開口部の位置を、気体供給管本体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を加熱した際の反応容器１２の温度分布、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、酸素含有気体の気体供給管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。
【００４２】
また、酸素含有気体の気体供給管２２の先端開口ユニット２２ｂは、気体供給管２２から供給される酸素と、混合室８０の開口部８２ａ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。
【００４３】
この酸素含有気体の気体供給管２２ｂの先端開口部は、図２に示すように基板ホルダ１３に対して混合室８０の開口部８２ａよりも近接した位置に備えられていることが好ましい。すなわち、酸素含有気体の気体供給管２２の先端開口部と基板１４との間隔（Ｌ2 ）を、混合室８０の開口部８２ａと基板との間隔（Ｌ1 ）よりも短い間隔に設定することが好ましい。このように酸素含有気体の気体供給管２２を配置すると、混合室８０の開口部８２ａから流れ出る珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体との混合気体を反応容器１２の内部で十分に均一に拡散させたのちに、酸素含有気体の気体供給管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の上に更に均一な厚みの水晶薄膜を形成することができる。
【００４４】
図１及び図２に示すように、水晶薄膜製造装置１０の反応容器１２は筒体であり、この筒体の外側に加熱具３０が配設されていることが好ましい。加熱具３０を用いて反応容器１２を加熱することにより、基板１４の上に形成される水晶薄膜の結晶性を調節することができる。
【００４５】
筒体（反応容器）の外側に配設される加熱具は、筒体の長手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３０は、筒体の長さ方向に沿って三個の加熱ユニット３１、３２、３３に分割されていて、各々加熱条件を独立に制御するための制御装置４１、４２、４３が備えられている。三個の加熱ユニット３１、３２、３３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。
【００４６】
このように、反応容器の加熱ユニット３１、３２、３３の各々の加熱条件を独立に制御して反応容器内の温度分布を調節することにより、基板上に形成される水晶薄膜の結晶性を微調節することができる。
【００４７】
また、反応容器１２の気体供給口の側あるいは排気口の側の端部は、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。
【００４８】
このような反応容器内での対流の発生を抑制するため、本発明の水晶薄膜製造装置には、混合室８０の開口部８２ａ、酸素含有気体の気体供給管２２の先端開口部及び基板ホルダ１４を挟んで互いに間隔をあけて反応容器１２の内側に配置されている、各々が気体を流通させる透孔９１ａ、９２ａを備えた一対の隔壁９１、９２が備えられていることが好ましい。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。
【００４９】
図２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。
【００５０】
図１４及び図１５は、図２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１４に示すように、隔壁９１には、珪素アルコキシド含有気体の気体供給管２１、酸素含有気体の気体供給管２２、反応容器１２の供給口７３から反応容器内に供給される反応促進剤含有気体、そして供給口７４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１５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２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。
【００５１】
また、反応容器は、図２に示すように、全ての気体供給口７１、７２、７３、７４及び気体供給管２１、２２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とからなる筒体であることが好ましい。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の内部における気体の流れが円滑になり（対流を生じ難くなり）、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の外部への気体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。
【００５２】
反応容器１２は、基板ホルダ１３に対する基板１４の支持位置、あるいは基板１４と珪素アルコキシド含有気体の気体供給管２１もしくは酸素含有気体の気体供給管２２との相対的な位置関係を目視により確認できるようにするため、例えば、石英ガラスなどから形成された透明なものであることが好ましい。基板ホルダ１３は、例えば、石英ガラスから形成された基板ホルダ固定具１７に装着される。基板ホルダ固定具１７は、反応容器１２の内側面に沿って湾曲した形状に設定されている。
【００５３】
また、反応容器１２の内部には、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筒状遮蔽体１５が着脱可能に装着され、筒状遮蔽体１５の内側に上記基板ホルダ１３が備えられていることが好ましい。気相状態の珪素酸化物に対して不活性な材料としては、酸化アルミニウム、炭化珪素又は四窒化三珪素を用いることが好ましい。
【００５４】
上記のように原料の珪素アルコキシドと酸素とを反応させて基板１４の上に水晶薄膜を製造する際には、反応容器１２の内側表面にも水晶が薄膜状に付着し易い。特に反応容器が石英ガラスから形成されている場合には、反応容器の内側表面に水晶薄膜が付着し易い。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薄膜の量が少なくなる。すなわち基板上に水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。
【００５５】
また、反応容器が石英ガラスから形成されている場合にその内側表面に水晶薄膜が付着すると、基板上への水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おりその除去が困難であるため、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。
【００５６】
上記のように反応容器１２の内側に、例えば、気相状態の珪素酸化物に対して不活性な材料である酸化アルミニウム、炭化珪素、あるいは四窒化三珪素から形成された筒状遮蔽体１５を配置すると、反応容器の内側表面への水晶薄膜の付着が防止され、そして筒状遮蔽体の内側表面にも水晶が付着し難いため、基板上への水晶薄膜の成膜速度を増加させることができる。また、反応容器を石英ガラスから形成した場合には、その交換頻度を低くすることができる。
【００５７】
水晶薄膜製造装置１０が筒状遮蔽体１５を備える場合には、筒状遮蔽体１５の内側に、酸素含有気体の気体供給管２２の先端開口部が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（あるいは後に説明する、例えば、石英ガラスから形成される筒状の支持具１０３）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（あるいは支持具１０３）の交換頻度を更に低くすることができる。
【００５８】
図１及び図２に示す水晶薄膜製造装置１０は、例えば、次の手順に従い組み立てることができる。まず珪素アルコキシド含有気体の気体供給管２１及び酸素含有気体の気体供給管２２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、壁体８１、筒状の支持具１０３、壁体８２、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１０４、隔壁９２、そして筒状の支持具１０５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って、水晶薄膜製造装置１０を組み立てることができる。
【００５９】
上記の支持具１０１、１０２、１０３、１０４、１０５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。
【００６０】
さらに、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。
【００６１】
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均一な厚み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均一な厚みで形成することができる。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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均一な厚みで製造するために有利に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の水晶薄膜製造装置の構成例と、この水晶薄膜製造装置１０への原料ガスの供給方法を示す図である。
【図２】図１に示す水晶薄膜製造装置１０の断面図である。
【図３】図２に示す壁体８１を図の左側から見た図である。
【図４】図２に示す壁体８２を図の左側から見た図である。
【図５】本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管の別の構成例を説明する図である。
【図６】本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。
【図７】本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。
【図８】本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。
【図９】本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。
【図１０】本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。
【図１１】本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。
【図１２】本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。
【図１３】本発明の水晶薄膜製造装置の珪素アルコキシド含有気体を供給する気体供給管のさらに別の構成例を説明する図である。
【図１４】図２に示す隔壁９１を図の左側から見た図である。
【図１５】図２に示す隔壁９２を図の左側から見た図である。
【符号の説明】
【００６６】
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 珪素アルコキシド含有気体の気体供給管
２１ａ 供給管本体
２１ｂ 先端開口ユニット
２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ、２１ｇ、２１ｈ、２１ｉ、２１ｊ、２１ｋ 先端開口ユニット
２２ 酸素含有気体の気体供給管
２２ａ 供給管本体
２２ｂ 先端開口ユニット
３０ 加熱具
３１、３２、３３ 加熱ユニット
３６ 加熱具
４１、４２、４３ 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
７１ 珪素アルコキシド含有気体の供給口
７２ 酸素含有気体の供給口
７３ 反応促進剤含有気体の供給口
７４ キャリアガス供給口
８０ 混合室
８１、８２ 壁体
８１ａ 透孔
８２ａ 開口部
９１、９２、９３ 隔壁
９１ａ、９２ａ、９３ａ 透孔
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５ 支持具
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気口を備えた反応容器、反応容器内に装着された基板ホルダ、反応容器内に酸素含有気体を供給する、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間隔を介して先端開口部が向けられて配置されている気体供給管、反応容器内に珪素アルコキシドを含有する気体を供給する供給口、反応容器内に反応促進剤を含む気体を供給する供給口、および各気体供給口側の反応容器の端部と上記基板の設置位置との間に設けられ、基板表面に向いた開口部を有する、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体との混合室を含む水晶薄膜製造装置。
【請求項２】
反応容器が筒体であって、該筒体の外側に加熱具が配設されている請求項１に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項３】
加熱具が、筒体の長手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。
【請求項４】
混合室の開口部、酸素含有気体の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２に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項５】
酸素含有気体の気体供給管の先端開口部が、基板ホルダに対して混合室の開口部よりも近接した位置に備えられている請求項１に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項６】
反応容器内に、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る筒状遮蔽体が着脱可能に装着され、該筒状遮蔽体の内側に上記基板ホルダが備えられている請求項１に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項７】
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請求項６に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項８】
筒状遮蔽体の内側に、酸素含有気体の気体供給管の先端開口部が配置されている請求項６に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項９】
酸素含有気体の気体供給管が、気体供給管本体と気体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。
【請求項１０】
珪素アルコキシド含有気体の供給口が、先端が混合室の内部に届く気体供給管として形成されている請求項１に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項１１】
珪素アルコキシド含有気体の気体供給管が、気体供給管本体と気体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１０に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項１２】
反応促進剤が塩化水素もしくはアンモニアである請求項１に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項１３】
反応容器が、全ての気体供給口及び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、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る筒体である請求項１に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項１４】
筒状容器が水平方向に配置され、基板ホルダが筒状容器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請求項１３に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項１】
排気口を備えた反応容器、反応容器内に装着された基板ホルダ、反応容器内に酸素含有気体を供給する、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間隔を介して先端開口部が向けられて配置されている気体供給管、反応容器内に珪素アルコキシドを含有する気体を供給する供給口、反応容器内に反応促進剤を含む気体を供給する供給口、および各気体供給口側の反応容器の端部と上記基板の設置位置との間に設けられ、基板表面に向いた開口部を有する、珪素アルコキシド含有気体と反応促進剤含有気体との混合室を含む水晶薄膜製造装置。
【請求項２】
反応容器が筒体であって、該筒体の外側に加熱具が配設されている請求項１に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項３】
加熱具が、筒体の長手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。
【請求項４】
混合室の開口部、酸素含有気体の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２に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項５】
酸素含有気体の気体供給管の先端開口部が、基板ホルダに対して混合室の開口部よりも近接した位置に備えられている請求項１に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項６】
反応容器内に、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る筒状遮蔽体が着脱可能に装着され、該筒状遮蔽体の内側に上記基板ホルダが備えられている請求項１に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項７】
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請求項６に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項８】
筒状遮蔽体の内側に、酸素含有気体の気体供給管の先端開口部が配置されている請求項６に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項９】
酸素含有気体の気体供給管が、気体供給管本体と気体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。
【請求項１０】
珪素アルコキシド含有気体の供給口が、先端が混合室の内部に届く気体供給管として形成されている請求項１に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項１１】
珪素アルコキシド含有気体の気体供給管が、気体供給管本体と気体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１０に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項１２】
反応促進剤が塩化水素もしくはアンモニアである請求項１に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項１３】
反応容器が、全ての気体供給口及び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、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る筒体である請求項１に記載の水晶薄膜製造装置。
【請求項１４】
筒状容器が水平方向に配置され、基板ホルダが筒状容器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請求項１３に記載の水晶薄膜製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００７−８４８６１（Ｐ２００７−８４８６１Ａ）
【公開日】平成１９年４月５日（２００７．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２７２７５８（Ｐ２００５−２７２７５８）
【出願日】平成１７年９月２０日（２００５．９．２０）
【出願人】（５９２０８１１１７）株式会社ヒューモラボラトリー (13)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月５日（２００７．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月２０日（２００５．９．２０）
【出願人】（５９２０８１１１７）株式会社ヒューモラボラトリー (13)
【Ｆターム（参考）】
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