(57)【要約】      （修正有）【課題】ハンドリングの容易な単結晶薄膜からなるAT‐cut水晶振動子用や高機能弾性表面波（SAW）素子用基板の実現とその光ＣＶＤ製造装置を提供する。【解決手段】シリコン（０１１）基板１０１上にβ‐SiC（０１１）緩衝層（低温成長緩衝層である水晶薄膜）１０２、成長層として水晶（０１１）１０３をヘテロエピタキシャルに結晶成長させた後、前記シリコン基板の裏面に形成されたSiO2膜をマスクとして異方性エッチングで不要なシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出して存在する領域１０４を形成し、ダイアフラム構造とする。【選択図】図１
2007169123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に緩衝層としてβ‐SiCまたは低温成長緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜において、前記シリコン基板の裏面に形成されたSiO2膜をマスクとして異方性エッチングで不要なシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出して存在する領域を形成してなることを特徴とする水晶エピタキシャル薄膜
【請求項２】
シリコン基板上に緩衝層としてβ‐SiC、成長層としてα‐Al2O3、低温成長緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜において、前記シリコン基板の裏面に形成されたSiO2膜をマスクとして異方性エッチングで不要なシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出されて存在する領域を形成してなることを特徴とする水晶エピタキシャル薄膜
【請求項３】
シリコン基板上に緩衝層としてβ‐SiCまたは低温成長緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなるシリコン基板の裏面にSiO2膜が形成されてなることを特徴とする水晶エピタキシャル薄膜
【請求項４】
シリコン基板上に緩衝層としてβ‐SiC、成長層としてα‐Al2O3、低温成長緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなるシリコン基板の裏面にSiO2膜が形成されてなることを特徴とする水晶エピタキシャル薄膜
【請求項５】
光ＣＶＤによりシランガスからSiを分離する機構と酸素とを熱反応させてSiO2膜を反応炉内に設置したシリコン基板上にエピタキシャルに結晶成長させる機構からなるシステムにおいて、前記システムは真空封止された紫外線点灯電極が収納されかつ外部から収納容器に２．４５GHzのマイクロ波を重畳する手段を具備し、前記容器内にH2-HeガスまたはH2-Arガスを外部から供給して波長１２０nmの紫外線を発生させシランガスまたは有機シランガスに照射することで、前記シランガスからSiを分離させて真空排気手段により反応炉内に流入させ、同時に反応炉内に供給された酸素と基板上で反応生成させて水晶エピタキシャル薄膜を形成する手段を有し、前記基板は４００℃以下に加熱された低温成長緩衝層を有するサファイア基板または低温成長緩衝層を有するシリコン基板または低温成長緩衝層を有するＧａＡs基板を使用するシステムであることを特徴とする水晶エピタキシャル薄膜およびその製造方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振子、振動子、高周波フィルタ用弾性表面波素子、光導波路、半導体基板等に用いられる水晶エピタキシャル薄膜およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶薄膜は発振子、振動子、高周波フィルタ用弾性表面波素子、光導波路、半導体基板等に用いられ、産業上非常に重要な材料である。それらの作製方法としては、水熱合成法で得られる水晶を研磨して薄板化する方法、あるいは大気圧気相エピタキシャル成長法、ゾルゲル法、ＣＶＤ（プラズマ化学的気相堆積）法、スパッタ法、レーザアブレーション法により直接水晶エピタキシャル薄膜を作製する方法がある。
【０００３】
近年、単結晶水晶の薄膜化技術として、特開2002-80265号、特開平8-157297号、特開平8-225398号、特開平8-268718号、特開平8-91977号、特開平8-268718号、特開平8-91977号および特開平9-315897号等の多くの報告がなされている。
【０００４】
これらの研究において、単結晶水晶薄膜化は、Siのアルコキシドを原材料とするゾルゲル法やプラズマＣＶＤ法やスパッタ法などにより作製されている。ゾルゲル法では、原料溶液へのアルコール、水、アミンの添加、還流、基板へのコーティング、乾燥、熱処理等の多くの複雑な工程が必要である。プラズマＣＶＤ法、スパッタ法、レーザアブレーション法は高減圧や超真空環境が必要である。また、基板上に形成された水晶薄膜の成長速度も０．２５μｍ／ｈと、かなり小さいものである。一方、ＡＰ−ＶＰＥ（大気圧気相ピタキシャル成長）法は、デバイス作成技術としては、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法やＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法にその地位を譲ったピタキシャル成長法であるが、通常のＡＰ−ＶＰＥ法では、成長速度は遅い。特開2002-80265号で提案されているＡＰ−ＶＰＥ法は、大気圧中でSiのアルコキシド原料と酸素との反応により、基板上にピタキシャル成長させる。水晶薄膜の成長速度は３μｍ／hであるが、触媒として塩化水素を用いている。大気圧中でSiのアルコキシド原料と酸素との反応の際にシリコン酸化膜上に核が発生して水晶薄膜のピタキシャル成長が阻害されることから、成長中にHClガスを混入することによって、核形成を抑制することができることから、成長速度を早めることができただけである。成長とHClガスによるエッチングのバランスが崩れると制御が困難であることと、基板加熱温度も水晶のキューリ温度に近い温度５７０℃で育成する必要があり、作製上極めて不安定でコントロールが容易でない。
【０００５】
【非特許文献１】“High-Intensity Vacuum Ultraviolet LightSource in Windowless Photochemical Vapor Deposition Reactor and Its Applicationto a-Si:H Deposition”, Jpn.J.Appl.Phys.Vol.31(1992)
【非特許文献２】“光MOVPE法によるZnO／サファイアの気相成長“,山梨大学工学部研究報告  第43号  １９９２年１２月
【非特許文献３】“Chemical Vapor Deposition of Single Crystallineβ‐SiC Films on Silicon Substrate with SputteredSiC Intermediate Layer”,J.Electrochem.Soc.,Vol.127,No.12(1980)
【非特許文献４】“サファイア基板上へのCdTeのVPE成長“山梨大学工学部研究報告  第40号  １９８９年１２月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は二つある。
１．従来の単結晶水晶薄膜化の特許は、ハンドリングを無視したもので、ハンドリングの容易な単結晶薄膜から水晶振動子を実現するための手段は何ら提供されていない。
２．ゾルゲル法は、作製工程が多く複雑であり、工業的な生産には不向きである。レーザアブレーション法は、真空装置などの高価な装置と、ターゲットとして高純度の二酸化シリコンなどの高価な原料を必要とし、また、結晶育成速度が遅いなどの問題点がある。本願発明は、ＡＰ−ＶＰＥ法以上の結晶育成速度をもち、基板加熱温度も水晶のキューリ温度よりはるかに低い４００℃以下の温度で水晶エピタキシャル薄膜をサファイア基板またはシリコン基板またはＧａＡｓ基板面上に形成する。このためには、非特許文献１に掲載された光ＣＶＤ法を改良した装置を提供する。１９９２年に発表されたこの技術は、波長１２０nmがSiのアルコキシド原料の分解に適した波長であることが、報告されている。しかしながら、これまで単結晶水晶薄膜のエピタキシャル成長に利用されることはなかった。従来の光ＣＶＤでは、シランガスの分解と酸素との反応生成を行っていたが、非特許文献２にもあるように、条件によっては、エピタキシャル成長がうまくいかない場合がある。シリコン上に格子定数差の大きいヘテロエピタキシャル成長をさせるには、基板と成長層の間に挿入される低温成長緩衝層（緩衝層）が必須である。ヘテロエピタキシャル成長で使われる緩衝層としてはサファイア上のZnO、サファイア上のシリコン、そして、非特許文献３のシリコン基板上のSiCである。シリコン（１１１）基板上の緩衝層β‐SiC（１１１）のＸ線回折角は、数１である。シリコン（１００）基板上の緩衝層β‐SiC（１００）は、Ｘ線回折角は、数２である。工業的価値を考えると、これまで報告されているサファイア上に低温成長緩衝層を介して水晶エピタキシャル成長（特開2002-80265号）しているA面サファイアは、シリコン基板に比較し高価で、ウェハサイズも小さく、水晶振動子としてとしての研磨加工は困難が伴う。非特許文献４は、サファイア基板にエピタキシャル成長するCdTeには一定の成長方向にある傾き角で成長していくことが記載されている。特にA面α‐Al2O3は傾き角が大きいことが報告されている。この技術は、AT‐cut水晶エピタキシャル薄膜やST‐cut水晶エピタキシャル薄膜をシリコン基板上に水晶エピタキシャル膜を成長させるのに適用できる。
【０００７】
【数１】
2007169123.tif 000003
【０００８】
【数２】
2007169123.tif 000004
【０００９】
【数３】
2007169123.tif 000005
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の課題については二つの解決策があり、以下の通りである。
この問題を解決する方法としては、完全結晶であるシリコンをヘテロエピタキシャル成長用の基板として使うのが、長い間に渡り技術蓄積され完成域にあるシリコン半導体技術がそのまま流用でき、そのメリッとは計り知れない。図５は、シリコンの結晶方位を立方体上で本願発明で使うシリコン（０１１）面５０１、シリコン（１１０）面５０２を表している。このシリコン（０１１）基板５０１上に緩衝層としてβ‐SiC（０１１）または低温成長緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜において、シリコン基板の裏面に形成されたSiO2膜のマスクで不要なシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出されて存在する領域が形成されてなる水晶エピタキシャル薄膜である。他の一つは、シリコン（１１０）基板５０２上に緩衝層としてβ‐SiC（１１０）、A面α‐Al2O3（数３）、低温成長緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜において、このシリコン基板を裏面からSiO2膜をマスクとして異方性エッチングで不要なシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出されて存在する領域が形成されてなる水晶エピタキシャル薄膜である。
第２の課題についての解決策は、以下の通りである。
光ＣＶＤによりシランガスからSiを分離する機構と酸素とを熱反応させてSiO2膜を反応炉内に設置したシリコン基板上にエピタキシャルに結晶成長させる機構からなるシステムにおいて、このシステムは真空封止された紫外線点灯電極が収納されかつ外部から収納容器に２．４５GHzのマイクロ波を重畳する手段を具備し、容器内にH2-HeガスまたはH2-Arガスを外部から供給して波長１２０nmの紫外線を発生させてシランガスまたは有機シランガスに照射することでこれらシランガスからSiを分離させ真空排気手段で反応炉内に流入させ、同時に反応炉内に供給された酸素と基板上で反応生成させて水晶エピタキシャル薄膜を形成する手段とし、かつ基板は４００℃以下に加熱された緩衝層を有するサファイア基板または緩衝層を有するシリコン基板または緩衝層を有するＧａＡｓ基板を使用するシステムであり、本願発明の光ＣＶＤ装置は水晶エピタキシャル薄膜の製造に使われる。
【００１１】
本発明は、シリコン（０１１）基板上に緩衝層としてβ‐SiC（０１１）または低温成長緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜において、シリコン基板の裏面の除去すべきシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出されて存在する領域が形成されてなる水晶エピタキシャル薄膜である。
【００１２】
本発明は、シリコン（１１０）基板上に緩衝層としてβ‐SiC（１１０）バッファ層を介してヘテロエピタキシャル成長させたα‐Al2O3（数３）、低温成長緩衝層として水晶薄膜、水晶（０１１）水晶エピタキシャル薄膜において、シリコン基板を裏面からＫＯＨ液またはＴＭＡＨ液による異方性ウェットエッチングでシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出して存在する領域が形成されたダイアフラム構造の水晶エピタキシャル薄膜である。本願発明は、シリコン（１１０）単結晶基板上に２段階の緩衝層を介して水晶薄膜をヘテロエピタキシャル成長させてAT‐cut水晶エピタキシャル薄膜を得ている。
【００１３】
弾性表面波素子用の水晶ヘテロエピタキシャル基板は、バルク波の水晶振動子は、振動部分に機械的拘束があるとＱの低下を起し水晶振動子としては致命的となるが、弾性表面波（レーリイ波）では、ヘテロエピタキシャル成長された水晶の表面を伝播する弾性表面波のため、たとえ母材であるシリコン基板に機械的拘束があっても、何ら問題ない。しかしながら、弾性表面波励振用のパターンをフォトリソグラフィ技術でシリコン基板上にヘテロエピタキシャル水晶が結晶育成されたシリコン基板では、ヘテロエピタキシャル成長された水晶層とシリコン基板との膨張係数の違いにより、バイメタル効果で基板が反り、パターン形成が困難となる。このバイメタル効果を回避するには、シリコン基板の裏面にヘテロエピタキシャル水晶層と同じ膨張係数をもつSiO2膜を形成することは、必須の条件である。もちろんSiO2膜は表面に形成されたヘテロエピタキシャルα−水晶と同じものであってもかまわないが、それにこだわる必要はない。シリコン基板の裏面に形成するSiO2膜は、ヘテロエピタキシャル水晶層と同じ膨張係数をもつものであれば良い。図３に示すような本願発明の弾性表面波素子用水晶ヘテロエピタキシャルシリコン基板は、従来の発明の基板の反りの問題を解決している。
【００１４】
本発明のヘテロエピタキシャル成長の製造装置は、以下の特長がある。
光ＣＶＤによりシランガスからSiを分離する機構と酸素とを熱反応させてSiO2膜を反応炉内に設置したシリコン基板上にエピタキシャルに結晶成長させる機構からなるシステムにおいて、このシステムは真空封止された紫外線点灯電極が収納されかつ外部から収納容器に２．４５GHzのマイクロ波を重畳する手段を具備し、容器内にH2-HeガスまたはH2-Arガスを外部から供給して波長１２０nmの紫外線を発生させシランガスまたは有機シランガスに照射することでこれらシランガスからSiを分離させ真空排気手段により反応炉内に流入させ、同時に反応炉内に供給された酸素と基板上で反応生成させて水晶エピタキシャル薄膜を形成する手段とし、かつ基板は４００℃以下に加熱された緩衝層を有するサファイア基板または緩衝層を有するシリコン基板または緩衝層を有するＧａＡs基板を使用するシステムであり、本発明のヘテロエピタキシャル成長の製造装置は、水晶エピタキシャル薄膜およびその製造方法を提供できる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のとおり、本発明の水晶エピタキシャル薄膜およびその製造方法は、従来の発明では実現できなかったデバイス構造で発振子、振動子、高周波フィルタ用弾性表面波素子、光導波路、半導体基板等と幅広い分野において適用できるものであり、特に大口径シリコン基板が使用できるため量産化が容易でかつ低コスト化が可能である。さらに本発明では、水晶エピタキシャル薄膜を作製する際に光ＣＶＤ製造装置を提供できることであり、本願発明の水晶エピタキシャル薄膜は、当業者が容易になしうるものではない。その工業的価値は極めて高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を実施するための最良の形態としては、シリコン（１００）単結晶基板上に緩衝層としてβ‐SiCまたは低温成長緩衝層として水晶薄膜、成長層である水晶をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜からなる水晶エピタキシャル薄膜またはシリコン基板上に緩衝層としてβ‐SiC、α‐Al2O3、低温成長緩衝層としての水晶薄膜、成長層である水晶をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜において、前記シリコン基板に形成されたSiO2マスクパターンで裏面から異方性エッチングでシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出されて存在する領域を形成してなることを特徴とする水晶エピタキシャル薄膜において、Ｑの高いダイアフラム構造の水晶振動子として、シリコン基板を裏面から異方性エッチングでシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出して存在する領域が形成された水晶エピタキシャル薄膜であることから、大口径シリコンを使用することで、バッチ処理でウェハ上に多数のパターンを形成後、ダイシングで個々のチップに分割することで、一括処理が可能であり、ハンドリングに優れた水晶振動子が提供できることにある。また、弾性表面波素子としてシリコン基板上に緩衝層としてβ‐SiC、成長層としてα‐Al2O3、低温成長緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなるシリコン基板の裏面にはSiO2膜が形成され歪のない水晶エピタキシャル薄膜とすることができる。したがって、あらゆる周波数帯において、基板の残留応力が回避されていることから、長期経時特性に優れた弾性表面波素子を本願発明は提供できる。
【００１７】
本願発明の水晶エピタキシャル薄膜を作製する製造装置は、ＭＢＥやＭＯＣＶＤにない特長がある。本発明の水晶エピタキシャル薄膜を作製する製造装置は、光ＣＶＤによりシランガスからSiを分離する機構と酸素とを反応炉内に設置したシリコン基板上で熱反応させてSiO2をエピタキシャルに結晶成長させる機構からなるシステムにおいて、このシステムは真空封止された紫外線点灯電極が収納されかつ外部から収納容器に２．４５GHzのマイクロ波を重畳する手段を具備し、この容器内にH2-HeガスまたH2-Arガスを外部から供給して波長１２０nmの紫外線を発生させシランガスまたは有機シランガスに照射してSiを分離し真空排気手段により反応炉内に導入するとともに、同時に反応炉内に供給された酸素と基板上で反応生成させて水晶エピタキシャル薄膜を形成する手段を有し、この基板は４００℃以下に加熱された緩衝層を有するサファイア基板または緩衝層を有するシリコン基板または緩衝層を有するＧａＡｓ基板が使用でき、従来の光ＣＶＤ装置ではシランガスの分解と酸素との反応生成は、条件によって、エピタキシャル成長がうまくいかない場合がある根源的な問題を本願発明の光ＣＶＤ装置は解決している。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の一実例である水晶エピタキシャル薄膜の断面図である。
本発明は、シリコン（０１１）単結晶基板１０１上に緩衝層１０２としてβ‐SiC（０１１）または低温成長緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）１０３をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる。β‐SiCは、非引用文献３では、SiCターゲットを１３．５MHzの高周波スパッタリングで基板加熱温度８００℃‐１０００℃で作製、または熱ＣＶＤでH２キャリアガスを流しながらSiH4−C3H8−H2を熱分解し基板加熱温度１０００℃‐１３６０℃で反応生成されている。本願発明の装置である光ＣＶＤ装置では、まずSiH4ガスからSiを分離しArガスで反応炉に流入させ、H2を供給しながらC3H8と基板加熱温度２００℃で、反応炉でβ‐SiCをシリコン基板上に結晶成長させる。低温成長緩衝層としての水晶薄膜の場合は、シランガスからSiを分離し、N2を供給しながら酸素と基板加熱温度が２００℃で反応炉内で水晶薄膜をシリコン基板上に結晶成長させる。緩衝層（低温成長緩衝層）１０２であるβ‐SiC（０１１）膜または水晶薄膜の膜厚は、１０〜５０nmである。次に、シランガスからSiを分離し、N2を供給しながら酸素と基板加熱温度４００℃で、反応炉で水晶（０１１）１０３をシリコン基板１０１上にエピタキシャル結晶成長させる。これら一連のヘテロエピタキシャル膜の作製はMBEを使用することもできることは、言及するまでもない。バルク波の水晶振動子やモノリシックフィルタとして動作させるために、水晶エピタキシャル薄膜がシリコン基板から独立して存在するようダイアフラム構造を形成する。シリコン基板の表面に、この水晶エピタキシャル薄膜が形成されたシリコン基板１０１の裏面からSiO2膜１０５，１０６のマスクパターンによりＫＯＨ液またはＴＭＡＨ液で異方性エッチングでシリコン１０１の不要な部分を除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出されて存在する領域１０４を形成する。シリコン（０１１）１０１の異方性エッチングでのエッチング後の形状は、図１のように、垂直な角度のダイアフラム構造が得られる。エッチングのエンドポイントは、シリコンが無くなって、１０３のβ‐SiCが露出した時点となる。
【実施例２】
【００１９】
図２は、本発明の一実例であるダブルヘテロ構造の水晶エピタキシャル薄膜の断面図である。２０１はシリコン（１１０）単結晶基板である。２０１のシリコン（１１０）のSi原子間隔はa=５．４２Åである。シリコン（１１０）２０１上に緩衝層２０２としてβ‐SiC膜（１１０）を介してA面のα‐Al2O3であるα‐Al2O3（数３）２０３をエピタキシャル結晶成長させる。Al原子間隔a=４．７５Åのα‐Al2O3（数３）２０４を結晶育成する。緩衝層の膜厚は数十nmで、シリコンとα‐Al2O3の格子不整合状態を緩和する目的でβ‐SiC膜の緩和層２０２を介してエピタキシャル配向させている。光ＣＶＤでα‐Al2O3を生成する、反応ガスとしては、Al(CH3) 3/N2O、O2、ArF、KrFである。基板加熱温度４００℃でエピタキシャル成長させる。α‐Al2O3（数１）の上には低温成長緩衝層としての水晶薄膜２０４を介して成長層である水晶（０１１）２０５をヘテロエピタキシャル成長させる。低温成長緩衝層２０３の膜厚は１０nmであり、２００℃の低い温度で水晶薄膜を形成する。さらにその上の最上層にシリコン基板温度を４００℃の温度に保ち水晶（０１１）２０５を所望の膜厚までヘテロエピタキシャル成長させる。α‐Al2O3（数３）上にバッファ層を介して形成された三方晶系水晶エピタキシャル薄膜は、図６の水晶の結晶軸６０１に表示されている水晶の面方位（１１０）６０２から３°傾いたAT‐cut水晶６０３が実現できる。６０４は弾性表面波で使用されているST‐cutである。ヘテロエピタキシャル結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜において、ダイアフラム構造の水晶振動子として、シリコン基板の裏面にSiO2膜を形成し、次にＣｒマスクパターンを形成し、ドライエッチング方法として例えば、ＲＩＥ（リアクティブイオンビームエッチング）で異方性エッチングをおこなって不要なシリコンを除去し、水晶エピタキシャル薄膜が露出して存在する領域を形成する。シリコン（１１０）の異方性エッチングでは、エッチング後の形状は、図２のように、垂直にシリコン（１１０）に溝が形成されたダイアフラム構造が得られる。エッチングのエンドポイントは、シリコンが無くなって、２０２のβ‐SiCが露出した時点となる。ＲＩＥエッチング後、マスクとして用いたＣｒ膜は除去する。本願発明の水晶エピタキシャル薄膜はシリコン基板に結晶育成されていることから、大口径シリコンを使用することができ、バッチ処理で多量にパターン形成後、ダイシングで個々のチップに分割することで、一括処理が可能であり、ハンドリングに優れた水晶振動子が得られる。
【実施例３】
【００２０】
図３は、本発明の一実例である弾性表面波素子用の水晶ヘテロエピタキシャル基板の断面図である。本発明は、シリコン（０１１）単結晶基板３０１上に緩衝層３０２としてβ‐SiC（０１１）または低温成長緩衝層としての水晶薄膜、成長層として水晶（１１０）３０３をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる。本願発明の光ＣＶＤ装置で、まずSiH4ガスからSiを分離しArガスで反応炉に流入させ、H2を供給しながらC3H8と基板加熱温度２００℃で、反応炉でβ‐SiCをシリコン基板上に結晶成長させる。低温成長緩衝層としての水晶薄膜の場合は、シランガスからSiを分離し、N2を供給しながら酸素と基板加熱温度２００℃で反応炉内で生成させた水晶薄膜をシリコン基板上に結晶成長させる。緩衝層（低温成長緩衝層）３０２である（β‐SiC）または水晶薄膜の膜厚は、１０〜５０nmである。次に、シランガスからSiを分離し、N2を供給しながら酸素と基板加熱温度４００℃で、反応炉で水晶（１１０）３０３をシリコン基板上にエピタキシャル成長させる。バイメタル効果を回避するに、シリコン基板の裏面には、ヘテロエピタキシャル水晶と同じ膨張係数をもつSiO2膜３０４を形成する。シリコン基板の裏面に形成するSiO2膜３０４は、ヘテロエピタキシャル水晶と同じ膨張係数をもつものでなくてはならない。本願発明の弾性表面波素子用水晶ヘテロエピタキシャル膜が形成されたシリコン基板は、従来発明の問題点である基板の反りの問題を解決している。このヘテロエピタキシャル水晶（１１０）の角度は、３８°１２′４２″であるが、本来のST‐cut（４２°４５′）よりは、切断角度が浅いが、弾性表面波では交差指状電極がヘテロエピタキシャル水晶（１１０）に形成されるときは、アルミニューム膜厚の影響を補正するため、結晶角度を浅くするため、実用上問題はない。さらに、緩衝層の膜厚を適正に選ぶことで、結晶角度の補正は可能である。
【実施例４】
【００２１】
図４は、本発明の一実例である光ＣＶＤによる水晶エピタキシャル薄膜の作製装置である。
光ＣＶＤによりシランガスからSiを分離する機構と酸素とを熱反応させてSiO2膜を反応炉内に設置したシリコン基板上にエピタキシャルに結晶成長させる機構からなるシステムである。このシステムは真空封止容器４０１内に収納された紫外線点灯電極４０２，４０３が収納されかつ外部から収納容器の石英ガラス管４１０に２．４５GHzのマイクロ波４１１を重畳する手段を具備し、容器４０１内にH2-Heガス（H2-Arガス）を外部から供給口４０４、紫外線点灯室への流入口４０５である紫外線点灯電極４０２，４０３を点灯させる。H2-Heガス（H2-Arガス）の放電で波長120nmの紫外線を発生させ、供給口４０８から容器４０１内に流入したシランガス（有機シランガス）に照射する。図７に、波長１２０nmの紫外線でシランガス（SiH4：７０１、Si2H6：７０２、Si3H8：７０３）がSiに分解されるときの吸収係数が示されている。光反応部４０９でこれらのシランガスからSi４１２を分離させ真空排気手段で反応炉内に流入させる。同時に反応炉内に供給された酸素４１６とN2ガス４１７とを基板ホルダー４１４上の基板４１３に反応生成させて、排出ガスを排気４１８するシステムである。水晶エピタキシャル薄膜を形成する手段とし、かつ基板は加熱炉４１５で４００℃以下に加熱され、低温成長緩衝層を有するサファイア基板または低温成長緩衝層を有するシリコン基板または低温成長緩衝層を有するＧａＡs基板に所望の水晶エピタキシャル薄膜を作製する装置である。従来の光ＣＶＤ装置では、シランガスの分解と酸素との反応生成を行っていたが、条件によってエピタキシャル成長がうまくいかない問題を本願発明の光ＣＶＤ装置は解決している。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実例である水晶エピタキシャル薄膜の断面図である。
【図２】本発明の一実例である水晶エピタキシャル薄膜の断面図である。
【図３】本発明の一実例で得られる弾性表面波素子用水晶エピタキシャル薄膜の断面図である。
【図４】本発明の一実例である光ＣＶＤによる水晶エピタキシャル薄膜の作製装置である。
【図５】シリコンの各結晶方位を示したものである。
【図６】水晶の切断角と結晶方位を示したものである。
【図７】波長120nmの紫外線でシランガス（SiH4、Si2H6、Si3H8）がSiに分解されるときの吸収係数である。
【符号の説明】
【００２３】
１０１      シリコン基板
１０２      β‐SiCまたは水晶薄膜
１０３      エピタキシャル水晶
１０４      シリコン除去部
１０５      ダイアフラム（水晶エピタキシャル薄膜）
１０６      SiO2膜
１０７      SiO2膜
２０１      シリコン基板
２０２      β‐SiC
２０３      α‐Al2O3
２０４      低温成長緩衝層（水晶薄膜）
２０５      エピタキシャル水晶
２０６      シリコン除去部
２０７      ダイアフラム（水晶エピタキシャル薄膜）
２０８      SiO2膜
２０９      SiO2膜
３０１      シリコン基板
３０２      β‐SiCまたは水晶薄膜
３０３      エピタキシャル水晶
３０４      SiO2膜
４０１      真空封止容器
４０２      紫外線点灯電極
４０３      紫外線点灯電極
４０４      H2-Heガス（H2-Arガス）供給口
４０５      紫外線点灯室への流入口
４０６      シールド
４０７      シールド
４０８      反応ガス（シランガス）
４０９      光反応部
４１０      石英ガラス管
４１１      マイクロ波（２．４５GHz）
４１２      光分解ガス（Si）
４１３      基板
４１４      基板ホルダー
４１５      加熱炉
４１６      反応ガス（O2）
４１７      キャリアガス（N2）
４１８      排気
５０１      シリコン（０１１）面
５０２      シリコン（１１０）面
６０１      水晶
６０２      面方位（０１１）：（３８°１２′４２″）
６０３      AT‐cut（３５°１５′）
６０４      ST‐cut（４２°４５′）
７０１      反応ガス（SiH4）
７０２      反応ガス（Si2H6）
７０３      反応ガス（Si3H8）
【図１】
2007169123.tif 000006
【図２】
2007169123.tif 000007
【図３】
2007169123.tif 000008
【図４】
2007169123.tif 000009
【図５】
2007169123.tif 000010
【図６】
2007169123.tif 000011
【図７】
2007169123.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成18年3月23日(2006.3.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン（０１１）基板上に２００℃以上４００℃未満で作製される緩衝層としてβ―ＳｉＣ（０１１）又は水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶ヘテロエピタキシャル薄膜において、前記シリコン基板の裏面に形成されたＳｉＯ２膜をマスクとして異方性エッチングで不要なシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出して存在する領域を形成してなることを特徴とする水晶エピタキシャル薄膜
【請求項２】
シリコン（１１０）基板上に２００℃以上４００℃未満で作製される緩衝層としてβ―ＳｉＣ（１１０）、成長層としてα―Ａｌ２Ｏ３（数３）、２００℃以上４００℃未満で作製される緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶ヘテロエピタキシャル薄膜において、前記シリコン基板の裏面に形成されたＳｉＯ２膜をマスクとして異方性エッチングで不要なシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出して存在する領域を形成してなることを特徴とする水晶エピタキシャル薄膜
【請求項３】
シリコン（０１１）基板上に２００℃以上４００℃未満で作製される緩衝層としてβ―ＳｉＣ（０１１）又は水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなるシリコン基板の裏面に形成されたＳｉＯ２膜からなることを特徴とする水晶エピタキシャル薄膜
【請求項４】
シリコン（１１０）基板上に２００℃以上４００℃未満で作製される緩衝層としてβ―ＳｉＣ（１１０）、成長層としてα―Ａｌ２Ｏ３（数３）、２００℃以上４００℃未満で作製される緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなるシリコン基板の裏面に形成されたＳｉＯ２膜からなることを特徴とする水晶エピタキシャル薄膜
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振子、振動子、高周波フィルタ用弾性表面波素子、光導波路、半導体基板等に用いられる水晶エピタキシャル薄膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶薄膜は発振子、振動子、高周波フィルタ用弾性表面波素子、光導波路、半導体基板等に用いられ、産業上非常に重要な材料である。それらの作製方法としては、水熱合成法で得られる水晶を研磨して薄板化する方法、あるいは大気圧気相エピタキシャル成長法、ゾルゲル法、ＣＶＤ（プラズマ化学的気相堆積）法、スパッタ法、レーザアブレーション法により直接水晶エピタキシャル薄膜を作製する方法がある。
【０００３】
近年、単結晶水晶の薄膜化技術として、特開２００２−８０２９６号、特開平８−１５７２９７号、特開平８−２２５３９８号、特開平８−２６８７１８号、特開平８−９１９７７号および特開平９−３１５８９７号等の多くの報告がなされている。
【０００４】
これらの研究において、単結晶水晶薄膜化は、Ｓｉのアルコキシドを原材料とするゾルゲル法やプラズマＣＶＤ法やスパッタ法などにより作製されている。ゾルゲル法では、原料溶液へのアルコール、水、アミンの添加、還流、基板へのコーティング、乾燥、熱処理等の多くの複雑な工程が必要である。プラズマＣＶＤ法、スパッタ法、レーザアブレーション法は、高減圧や超真空環境が必要である。また、基板上に形成された水晶薄膜の成長速度も０．２５μｍ／ｈと、かなり小さいものである。一方、ＡＰ−ＶＰＥ（大気圧気相エピタキシャル成長）法は、デバイス作製技術としては、ＭＢＥ（分子線エピキタシー）法やＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法にその地位を譲ったエピタキシャル成長法であるが、通常のＡＰ−ＶＰＥ法では、成長速度は遅い。特開２００２−８０２９６号で提案されているＡＰ−ＶＰＥ法では、大気圧中でＳｉのアルコキシド原料と酸素との反応により、基板上にエピタキシャル成長させる。水晶薄膜の成長速度は３μｍ／ｈであるが、触媒として塩化水素を用いている。大気圧中でＳｉのアルコキシド原料と酸素との反応の際にシリコン酸化膜上に核が発生して水晶薄膜のエピタキシャル成長が阻害されることから、成長中にＨＣｌガスを混入することによって、核形成を抑制することができることから、成長速度をはやめることができただけである。成長とＨＣｌガスによるエッチングのバランスが崩れると制御が困難であることと、基板加熱温度も水晶の転位温度に近い温度５７０℃で育成する必要があり、作成上極めて不安定でコントロールが容易でない。
【０００５】
【非特許文献１】”Ｈｉｇｈ−Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅ  ｉｎ  Ｗｉｎｄｏｗｌｅｓｓ  Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｒｅａｃｔｏｒ  ａｎｄ  Ｉｔｓ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  ａ−Ｓｉ  H  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ“，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．３１(１９９２)
【非特許文献２】“光ＭＯＶＰＥ法によるＺｎＯ／サファイアの気相成長”、山梨大学工学部研究報告  第４３号  １９９２年１２月
【非特許文献３】”Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  β−ＳｉＣ  Ｆｉｌｍｓ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｗｉｔｈＳｐｕｔｔｅｒｅｄ  ＳｉＣ  Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ  Ｌａｙｅｒ”，Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏ  ｃｈｅｍ.Ｓｏｃ．，Ｖｏｌ．１２７，Ｎｏ．１２（１９８０）
【非特許文献４】“サファイア基板上へのＣｄＴｅのＶＰＥ成長”山梨大学工学部研究報告  第４０号  １９８９年１２月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとしている課題は以下の通りである。
従来の単結晶水晶薄膜化の特許は、ハンドリングを無視したもので、ハンドリングの容易な単結晶薄膜から水晶振動子を実現するための手段は何ら提供されていない。水晶薄膜の製造方法には、いくつかの方法がある。ゾルゲル法は、作製工程が多く複雑であり、工業的な生産には不向きである。レーザアブレーション法は、真空装置などの高価な装置と、ターゲットとして高純度の二酸化シリコンなどの高価な原料を必要とし、また、結晶育成速度が遅いなどの問題点がある。本発明の水晶薄膜は、ＡＰ−ＶＰＥ法以上の結晶育成速度をもち、基板加熱温度も水晶の転位温度よりはるかに低い４００℃以下の温度で水晶エピタキシャル薄膜をシリコン基板上に形成されたものである。本発明の水晶薄膜の作製は、基本的には非特許文献１の光ＣＶＤ法を採用する。１９９２年に発表されたこの技術は、波長１２０ｎｍがＳｉのアルコキシド原料の分解に適した波長であることが、報告されている。しかしながら、これまで単結晶水晶薄膜のエピタキシャル成長に利用されることはなかった。従来の光ＣＶＤでは、シランガスの分解と酸素との反応生成を行っていたが、非特許文献２にもあるように、条件によっては、エピタキシャル成長がうまくいかない場合がある。シリコン上に格子定数差の大きいヘテロエピタキシャル成長をさせるには、基板と成長層の間に挿入される低温成長緩衝層（緩衝層）が必須である。ヘテロエピタキシャル成長で使われる緩衝層としてはサファイア上のＺｎＯ、サファイア上のシリコン、そして、非特許文献３のシリコン基板上のＳｉＣである。シリコン（１１１）基板上の緩衝層β―ＳｉＣ（１１１）のX線回折角は、数１である。シリコン（１００）基板上の緩衝層β―ＳｉＣ（１００）は、Ｘ線回折角は、数２である。工業的価値を考えると、これまで報告されているサファイア上に低温成長緩衝層を介して水晶エピタキシャル成長（特開２００２−８０２６５号）しているＡ面サファイアは、シリコン基板に比較し高価で、ウェハサイズも小さく、水晶振動子としての研磨加工は困難が伴う。非特許文献４は、サファイア基板にエピタキシャル成長するＣｄＴｅには一定の成長方向にある傾き角で成長していくことが記載されている。特にＡ面α―Ａｌ2Ｏ３（数３）は傾き角が大きいことが報告されている。この技術は、ＡＴ−ｃｕｔ水晶エピタキシャル薄膜やＳＴ−ｃｕｔ水晶エピタキシャル薄膜をシリコン基板上に水晶エピタキシャル膜を成長させるのに適用できる。
【０００７】
【数１】
2007169123.tif 000013
【０００８】
【数２】
2007169123.tif 000014
【０００９】
【数３】
2007169123.tif 000015
【課題を解決するための手段】
【００１０】
課題の解決策は、以下の通りである。
この問題を解決する方法としては、完全結晶であるシリコンをヘテロエピタキシャル成長用の基板として使うのが、長い間に渡り技術蓄積され完成域にあるシリコン半導体技術がそのまま流用でき、そのメリットは計り知れない。図４は、シリコン（０１１）面４０１、（１１０）面４０２を表している。このシリコン（０１１）基板４０１上に緩衝層としてβ‐ＳｉＣ（０１１）または２００℃以上４００℃未満で作製の低温緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜において、シリコン基板の裏面に形成されたＳｉＯ２膜のマスクで不要なシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出されて存在する領域が形成されてなる水晶エピタキシャル薄膜である。他の一つは、シリコン（１１０）基板４０２上に緩衝層としてβ‐ＳｉＣ、Ａ面α‐Ａｌ２Ｏ３（数３）、２００℃以上４００℃未満で作製の低温緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜において、このシリコン基板を裏面からＳｉＯ２膜をマスクとして異方性エッチングで不要なシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出されて存在する領域が形成されてなる水晶エピタキシャル薄膜である。
【００１１】
本発明は、シリコン基板（０１１）上に緩衝層としてβ−ＳｉＣ（０１１）または２００℃以上４００℃未満で作製の低温緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜において、シリコン基板の裏面の除去すべきシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出されて存在する領域が形成されてなる水晶エピタキシャル薄膜である。
【００１２】
本発明は、シリコン（１１０）基板上に緩衝層としてβ−ＳｉＣ（１１０）バッファ層を介してヘテロエピタキシャル成長させたα‐Ａｌ２Ｏ３（数３）、２００℃以上４００℃未満で作製の低温緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜において、シリコン基板を裏面からＫＯＨ液またはＴＭＡＨ液による異方性ウェットエッチングでシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出して存在する領域が形成されたダイアフラム構造の水晶エピタキシャル薄膜である。本願発明は、シリコン単結晶基板上にα‐Ａｌ２Ｏ３（数３）エピタキシャル層を挟んだ緩衝層を介して水晶薄膜をヘテロエピタキシャル成長させてＡＴ−ｃｕｔ水晶エピタキシャル薄膜を得ている。
【００１３】
弾性表面波素子用の水晶へテロエピタキシャル基板は、バルク波の水晶振動子は、振動部分に機械的拘束があるとＱの低下を起し水晶振動子としては致命的となるが、弾性表面波（レーリイ波）では、ヘテロエピタキシャル成長された水晶の表面を伝播する弾性表面波のため、たとえ母材であるシリコン基板に機械的拘束があっても、何ら問題ない。しかしながら、弾性表面波励振用のパターンをフォトリソグラフィ技術でシリコン基板上にヘテロエピタキシャル水晶が結晶育成されたシリコン基板では、ヘテロエピタキシャル成長された水晶層とシリコン基板との膨張係数の違いにより、バイメタル効果で基板が反り、パターン形成が困難となる。このバイメタル効果を回避するには、シリコン基板の裏面にヘテロエピタキシャル水晶層と同じ膨張係数をもつＳｉＯ２膜を形成することは、必須の条件である。もちろんＳｉＯ２膜は表面に形成されたヘテロエピタキシャルα―水晶と同じものであってもかまわないが、それにこだわる必要はない。シリコン基板の裏面に形成するＳｉＯ２膜は、ヘテロエピタキシャル水晶層と同じ膨張係数をもつものであれば良い。図3に示すような本願発明の弾性表面波素子用水晶ヘテロエピタキシャルシリコン基板は、従来の発明の基板の反りの問題を解決している。
【発明の効果】
【００１４】
以上のとおり、本発明の水晶エピタキシャル薄膜は、従来の発明では実現できなかったデバイス構造で発振子、振動子、高周波フィルタ用弾性表面波素子、光導波路、半導体基板等と幅広い分野において適用できるものであり、特に大口径シリコン基板が使用できるため量産化が容易でかつ低コスト化が可能で、本願発明の水晶エピタキシャル薄膜は、当業者が容易になしうるものではない。その工業的価値は極めて高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を実施するための最良の形態としては、シリコン（０１１）単結晶基板上に緩衝層としてβ‐ＳｉＣ（０１１）または２００℃以上４００℃未満で作製の低温緩衝層として水晶薄膜、成長層である水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜からなる水晶エピタキシャル薄膜である。又はシリコン（１１０）基板上に緩衝層としてβ‐ＳｉＣ（１１０）、α‐Ａｌ２Ｏ３（数３）、２００℃以上４００℃未満で作製の低温緩衝層としての水晶薄膜、成長層である水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜である。Ｑの高いダイアフラム構造の水晶振動子として、シリコン基板を裏面から異方性エッチングでシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出して存在する領域が形成された水晶エピタキシャル薄膜である。大口径シリコンを使用することで、バッチ処理でウェハ上に多数のパターンを形成後、ダイシングで個々のチップに分割することで、一括処理が可能であり、ハンドリングに優れた水晶振動子が提供できることにある。また、弾性表面波素子としてシリコン（１１０）基板上に緩衝層としてβ‐ＳｉＣ（１１０）、成長層としてα‐Ａｌ２Ｏ３（数３）、２００℃以上４００℃未満で作製の低温緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなるシリコン基板の裏面にはＳｉＯ２膜が形成され歪のない水晶エピタキシャル薄膜とすることができる。したがって、あらゆる周波数帯において、基板の残留応力が回避されていることから、長期経時特性に優れた弾性表面波素子を本願発明は提供できる。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の一実例である水晶エピタキシャル薄膜の断面図である。
本発明は、シリコン（０１１）単結晶基板１０１上に緩衝層１０２としてβ‐ＳｉＣ（０１１）または２００℃以上４００℃未満で作製の低温緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）１０３をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる。β‐ＳｉＣは、非引用文献３では、ＳｉＣターゲットを１３．５MHzの高周波スパッタリングで基板加熱温度８００℃‐１０００℃で作製、または熱ＣＶＤでＨ２キャリアガスを流しながらＳｉＨ４−Ｃ３Ｈ８−Ｈ２を熱分解し基板加熱温度１０００℃‐１３６０℃反応生成されている。光ＣＶＤでＳｉＨ４ガスからＳｉを分離しＡｒガスで反応炉内に流入させ、Ｈ２を供給しながらＣ３Ｈ８と基板加熱温度２００℃で、反応炉でβ‐ＳｉＣをシリコン（０１１）基板上に結晶成長させる。低温成長緩衝層としての水晶薄膜の場合は、シランガスからＳｉを分離し、Ｎ２を供給しながら酸素と基板加熱温度が２００℃で反応炉内で水晶薄膜をシリコン基板上に成長結晶させる。緩衝層１０２であるβ‐ＳｉＣ膜または水晶薄膜の膜厚は、１０〜５０ｎｍである。次に、シランガスからＳｉを分離し、Ｎ２を供給しながら酸素と基板加熱温度４００℃で、反応炉で水晶（０１１）１０３をシリコン基板（０１１）１０１上にエピタキシャル結晶成長させる。これら一連のヘテロエピタキシャル膜の作製はＭＢＥを使用することもできることは、言及するまでもない。バルク波の水晶振動子やモノリシックフィルタとして動作させるために、水晶エピタキシャル薄膜がシリコン基板から独立して存在するようダイアフラム構造を形成する。シリコン基板の表面に、この水晶エピタキシャル薄膜が形成されたシリコン（０１１）基板１０１の裏面からＳｉＯ２膜１０５、１０６のマスクパターンによりＫＯＨ液またはＴＭＡＨ液で異方性エッチングでシリコン１０１の不要な部分を除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出されて存在する領域１０４を形成する。シリコン１０１の異方性エッチングでのエッチング後の形状は、図１のように、垂直な角度のダイアフラム構造が得られる。エッチングのエンドポイントは、シリコンがなくなって、１０３のβ‐ＳｉＣが露出した時点となる。
【実施例２】
【００１７】
図２は、本発明の一例であるダブルヘテロ構造の水晶エピタキシャル薄膜の断面図である。２０１はシリコン（１１０）単結晶基板である。２０１のシリコン（１１０）のＳｉ原子間隔はａ=５．４２Åである。シリコン（１１０）２０１上に緩衝層２０２としてβ‐ＳｉＣ（１１０）膜を介してＡ面のα‐Ａｌ２Ｏ３であるα‐Ａｌ２Ｏ３（数３）２０３をエピタキシャル結晶成長させる。Ａｌ原子間隔ａ=４．７５Åのα‐Ａｌ２Ｏ３（数３）２０４を結晶育成する。緩衝層の薄膜は数十ｎｍでシリコンとα‐Ａｌ２Ｏ３の格子不整合状態を緩和する目的でβ‐ＳｉＣ膜の緩和層２０２を介してエピタキシャル配向させている。光ＣＶＤでα‐Ａｌ２Ｏ３を生成する、反応ガスとしては、Ａｌ（ＣＨ３）３／Ｎ２Ｏ、Ｏ２、ＡｒＦ、ＫｒＦである。基板加熱温度４００℃でエピタキシャル成長させる。α‐Ａｌ２Ｏ３（数３）の上には２００℃以上４００℃未満で作製の低温緩衝層としての水晶薄膜２０４を介して成長層である水晶（０１１）２０５をヘテロエピタキシャル成長させる。２００℃以上４００℃未満で作製の緩衝層２０３の薄膜は１０ｎｍであり、２００℃の低い温度で水晶薄膜を形成する。さらにその上の最上層にシリコン基板温度を４００℃の温度に保ち水晶（０１１）２０５を所望の膜厚までヘテロエピタキシャル成長させる。α‐Ａｌ２Ｏ３（数３）上にバッファ層を介して形成された三方晶系水晶エピタキシャル薄膜は、図５の水晶の結晶軸５０１に表示されている水晶の面方位（０１１）５０２から３°傾いたＡＴ−ｃｕｔが実現できる。５０４は弾性表面波で使用されているやＳＴ−ｃｕｔである。ヘテロエピタキシャル結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜において、ダイアフラム構造の水晶振動子として、シリコン基板の裏面にＳｉＯ２膜を形成し、次にＣｒマスクパターンを形成し、ドライエッチング方法として例えば、ＲＩＥ（リアクティブイオンビームエッチング）で異方性エッチングをおこなって不要なシリコンを除去し、水晶エピタキシャル薄膜が露出して存在する領域を形成する。シリコン（１１０）の異方性エッチングでは、エッチング後の形状は、図2のように、垂直にシリコン（１１０）に溝が形成されたダイアグラム構造が得られる。エッチングのエンドポイントは、シリコンが無くなって、２０２のβ‐ＳｉＣが露出した時点となる。ＲＩＥエッチング後、マスクとして用いたＣｒ膜は除去する。本願発明の水晶エピタキシャル薄膜はシリコン基板に結晶育成されていることから、大口径シリコンを使用することができ、バッチ処理で多量にパターン形成後、ダイシングで個々のチップに分割することで、一括処理が可能であり、ハンドリングに優れた水晶振動子が得られる。
【実施例３】
【００１８】
図3は、本発明の一例である弾性表面波素子用の水晶ヘテロエピタキシャル基板の断面図である。本発明は、シリコン（０１１）単結晶基板３０１に緩衝層３０２としてβ‐ＳｉＣ（０１１）または２００℃以上４００℃未満で作製の低温緩衝層としての水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）３０３をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる。光ＣＶＤで、まずＳｉＨ４ガスからＳｉを分離しＡｒガスで反応路に流入させ、H２を供給しながらＣ３Ｈ８と基板加熱温度２００℃で、反応炉でβ‐ＳｉＣをシリコン（０１１）基板上に結晶成長させる。２００℃以上４００℃未満で作製の低温緩衝層としての水晶薄膜の場合は、シランガスからＳｉを分離し、Ｎ２を供給しながら酸素と基板加熱温度２００℃で反応炉内で生成させた水晶薄膜をシリコン（０１１）基板上に結晶成長させる。２００℃以上４００℃未満で作製の低温緩衝層３０２であるβ‐ＳｉＣまたは水晶薄膜の膜厚は、１０〜５０ｎｍである。次に、シランガスからＳｉを分離し、Ｎ２を供給しながら酸素とシリコン（０１１）基板加熱温度４００℃で、反応炉で水晶３０３をシリコン（０１１）基板上にエピタキシャル成長させる。バイメタル効果を回避するに、シリコン基板の裏面には、ヘテロエピタキシャル水晶と同じ膨張係数をもつＳｉＯ２膜３０４を形成する。シリコン（０１１）基板の裏面に形成するＳｉＯ２膜３０４は、ヘテロエピタキシャル水晶と同じ膨張係数をもつものでなくてはならない。本願発明の弾性表面波素子用水晶ヘテロエピタキシャル膜が形成されたシリコン基板は、従来発明の問題点である基板の反りの問題を解決している。このヘテロエピタキシャル水晶（０１１）の角度は、３８°１２′４２″であるが、本来のＳＴ−ｃｕｔ（４２°４５′）よりは、切断角度が浅いが、弾性表面波では交差指状電極がヘテロエピタキシャル水晶（０１１）に形成されるときは、アルミニューム膜厚の影響を補正するため、結晶角度を浅くするため、実用上問題は無い。さらに、緩衝層の膜厚を適正に選ぶことで、結晶角度の補正は可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一例である水晶エピタキシャル薄膜の断面図である。
【図２】本発明の一例である水晶エピタキシャル薄膜の断面図である。
【図３】本発明の一例で得られる弾性表面波素子用水晶エピタキシャル薄膜の断面図である。
【図４】シリコンの各結晶方位を示したものである。
【図５】水晶の切断角と結晶方位を示したものである。
【符号の説明】
【００２０】
１０１        シリコン基板
１０２        β‐ＳｉＣまたは水晶薄膜
１０３        エピタキシャル水晶
１０４        シリコン除去部
１０５        ダイアフラム（水晶エピタキシャル薄膜）
１０６        ＳｉＯ２膜
１０７        ＳｉＯ２膜
２０１        シリコン基板
２０２        β‐ＳｉＣ
２０３        α‐Ａｌ２Ｏ３
２０４        低温成長緩衝層（水晶薄膜）
２０５        エピタキシャル水晶
２０６        シリコン除去部
２０７        ダイアフラム（水晶エピタキシャル薄膜）
２０８        ＳｉＯ２膜
２０９        ＳｉＯ２膜
３０１        シリコン基板
３０２        β‐ＳｉＣまたは水晶薄膜
３０３        エピタキシャル水晶
３０４        ＳｉＯ２膜
４０１        シリコン（０１１）面
４０２        シリコン（１１０）面
５０１        水晶
５０２        面方位（１１０）：（３８°１２′４２″）
５０３        ＡＴ−ｃｕｔ（３５°１５′）
５０４        ＳＴ−ｃｕｔ（４２°４５′）
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2007169123.tif 000016
【図２】
2007169123.tif 000017
【図３】
2007169123.tif 000018
【図４】
2007169123.tif 000019
【図５】
2007169123.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成18年6月1日(2006.6.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン（０１１）基板上に２００℃で作製される緩衝層としてβ―ＳｉＣ（０１１）又は水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶ヘテロエピタキシャル薄膜において、前記シリコン基板の裏面に形成されたＳｉＯ２膜をマスクとして異方性エッチングで不要なシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出して存在する領域を形成してなることを特徴とする水晶エピタキシャル薄膜
【請求項２】
シリコン（１１０）基板上に２００℃で作製される緩衝層としてβ―ＳｉＣ（１１０）、成長層としてα―Ａｌ２Ｏ３（数３）、２００℃で作製される緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶ヘテロエピタキシャル薄膜において、前記シリコン基板の裏面に形成されたＳｉＯ２膜をマスクとして異方性エッチングで不要なシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出して存在する領域を形成してなることを特徴とする水晶エピタキシャル薄膜
【請求項３】
シリコン（０１１）基板上に２００℃で作製される緩衝層としてβ―ＳｉＣ（０１１）又は水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなるシリコン基板の裏面に形成されたＳｉＯ２膜からなることを特徴とする水晶エピタキシャル薄膜
【請求項４】
シリコン（１１０）基板上に２００℃で作製される緩衝層としてβ―ＳｉＣ（１１０）、成長層としてα―Ａｌ２Ｏ３（数３）、２００℃で作製される緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなるシリコン基板の裏面に形成されたＳｉＯ２膜からなることを特徴とする水晶エピタキシャル薄膜
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
課題の解決策は、以下の通りである。
この問題を解決する方法としては、完全結晶であるシリコンをヘテロエピタキシャル成長用の基板として使うのが、長い間に渡り技術蓄積され完成域にあるシリコン半導体技術がそのまま流用でき、そのメリットは計り知れない。図４は、シリコン（０１１）面４０１、（１１０）面４０２を表している。このシリコン（０１１）基板４０１上に緩衝層としてβ‐ＳｉＣ（０１１）または２００℃で作製の低温緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜において、シリコン基板の裏面に形成されたＳｉＯ２膜のマスクで不要なシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出されて存在する領域が形成されてなる水晶エピタキシャル薄膜である。他の一つは、シリコン（１１０）基板４０２上に緩衝層としてβ‐ＳｉＣ、Ａ面α‐Ａｌ２Ｏ３（数３）、２００℃で作製の低温緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜において、このシリコン基板を裏面からＳｉＯ２膜をマスクとして異方性エッチングで不要なシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出されて存在する領域が形成されてなる水晶エピタキシャル薄膜である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明は、シリコン基板上に緩衝層としてβ−ＳｉＣバッファ層を介してヘテロエピタキシャル成長させたα‐Ａｌ２Ｏ３、２００℃で作製の低温緩衝層として水晶薄膜、水晶エピタキシャル薄膜において、シリコン基板を裏面からＫＯＨ液またはＴＭＡＨ液による異方性ウェットエッチングでシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出して存在する領域が形成されたダイアフラム構造の水晶エピタキシャル薄膜である。本願発明は、シリコン単結晶基板上に２段階の緩衝層を介して水晶薄膜をヘテロエピタキシャル成長させてＡＴ−ｃｕｔ水晶エピタキシャル薄膜を得ている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明は、シリコン（１１０）基板上に緩衝層としてβ−ＳｉＣ（１１０）バッファ層を介してヘテロエピタキシャル成長させたα‐Ａｌ２Ｏ３（数３）、２００℃で作製の低温緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜において、シリコン基板を裏面からＫＯＨ液またはＴＭＡＨ液による異方性ウェットエッチングでシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出して存在する領域が形成されたダイアフラム構造の水晶エピタキシャル薄膜である。本願発明は、シリコン単結晶基板上にα‐Ａｌ２Ｏ３（数３）エピタキシャル層を挟んだ緩衝層を介して水晶薄膜をヘテロエピタキシャル成長させてＡＴ−ｃｕｔ水晶エピタキシャル薄膜を得ている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
本発明を実施するための最良の形態としては、シリコン（０１１）単結晶基板上に緩衝層としてβ‐ＳｉＣ（０１１）または２００℃で作製の低温緩衝層として水晶薄膜、成長層である水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜からなる水晶エピタキシャル薄膜である。又はシリコン（１１０）基板上に緩衝層としてβ‐ＳｉＣ（１１０）、α‐Ａｌ２Ｏ３（数３）、２００℃で作製の低温緩衝層としての水晶薄膜、成長層である水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜である。Ｑの高いダイアフラム構造の水晶振動子として、シリコン基板を裏面から異方性エッチングでシリコンを除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出して存在する領域が形成された水晶エピタキシャル薄膜である。大口径シリコンを使用することで、バッチ処理でウェハ上に多数のパターンを形成後、ダイシングで個々のチップに分割することで、一括処理が可能であり、ハンドリングに優れた水晶振動子が提供できることにある。また、弾性表面波素子としてシリコン（１１０）基板上に緩衝層としてβ‐ＳｉＣ（１１０）、成長層としてα‐Ａｌ２Ｏ３（数３）、２００℃で作製の低温緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなるシリコン基板の裏面にはＳｉＯ２膜が形成され歪のない水晶エピタキシャル薄膜とすることができる。したがって、あらゆる周波数帯において、基板の残留応力が回避されていることから、長期経時特性に優れた弾性表面波素子を本願発明は提供できる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
図１は、本発明の一実例である水晶エピタキシャル薄膜の断面図である。
本発明は、シリコン（０１１）単結晶基板１０１上に緩衝層１０２としてβ‐ＳｉＣ（０１１）または２００℃で作製の低温緩衝層として水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）１０３をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる。β‐ＳｉＣは、非引用文献３では、ＳｉＣターゲットを１３．５MHzの高周波スパッタリングで基板加熱温度８００℃‐１０００℃で作製、または熱ＣＶＤでＨ２キャリアガスを流しながらＳｉＨ４−Ｃ３Ｈ８−Ｈ２を熱分解し基板加熱温度１０００℃‐１３６０℃反応生成されている。光ＣＶＤでＳｉＨ４ガスからＳｉを分離しＡｒガスで反応炉内に流入させ、Ｈ２を供給しながらＣ３Ｈ８と基板加熱温度２００℃で、反応炉でβ‐ＳｉＣをシリコン（０１１）基板上に結晶成長させる。低温成長緩衝層としての水晶薄膜の場合は、シランガスからＳｉを分離し、Ｎ２を供給しながら酸素と基板加熱温度が２００℃で反応炉内で水晶薄膜をシリコン基板上に成長結晶させる。緩衝層１０２であるβ‐ＳｉＣ膜または水晶薄膜の膜厚は、１０〜５０ｎｍである。次に、シランガスからＳｉを分離し、Ｎ２を供給しながら酸素と基板加熱温度４００℃で、反応炉で水晶（０１１）１０３をシリコン基板（０１１）１０１上にエピタキシャル結晶成長させる。これら一連のヘテロエピタキシャル膜の作製はＭＢＥを使用することもできることは、言及するまでもない。バルク波の水晶振動子やモノリシックフィルタとして動作させるために、水晶エピタキシャル薄膜がシリコン基板から独立して存在するようダイアフラム構造を形成する。シリコン基板の表面に、この水晶エピタキシャル薄膜が形成されたシリコン（０１１）基板１０１の裏面からＳｉＯ２膜１０５、１０６のマスクパターンによりＫＯＨ液またはＴＭＡＨ液で異方性エッチングでシリコン１０１の不要な部分を除去して水晶エピタキシャル薄膜が露出されて存在する領域１０４を形成する。シリコン１０１の異方性エッチングでのエッチング後の形状は、図１のように、垂直な角度のダイアフラム構造が得られる。エッチングのエンドポイントは、シリコンがなくなって、１０３のβ‐ＳｉＣが露出した時点となる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
図２は、本発明の一例であるダブルヘテロ構造の水晶エピタキシャル薄膜の断面図である。２０１はシリコン（１１０）単結晶基板である。２０１のシリコン（１１０）のＳｉ原子間隔はａ=５．４２Åである。シリコン（１１０）２０１上に緩衝層２０２としてβ‐ＳｉＣ（１１０）膜を介してＡ面のα‐Ａｌ２Ｏ３であるα‐Ａｌ２Ｏ３（数３）２０３をエピタキシャル結晶成長させる。Ａｌ原子間隔ａ=４．７５Åのα‐Ａｌ２Ｏ３（数３）２０４を結晶育成する。緩衝層の薄膜は数十ｎｍでシリコンとα‐Ａｌ２Ｏ３の格子不整合状態を緩和する目的でβ‐ＳｉＣ膜の緩和層２０２を介してエピタキシャル配向させている。光ＣＶＤでα‐Ａｌ２Ｏ３を生成する、反応ガスとしては、Ａｌ（ＣＨ３）３／Ｎ２Ｏ、Ｏ２、ＡｒＦ、ＫｒＦである。基板加熱温度４００℃でエピタキシャル成長させる。α‐Ａｌ２Ｏ３（数３）の上には２００℃で作製の低温緩衝層としての水晶薄膜２０４を介して成長層である水晶（０１１）２０５をヘテロエピタキシャル成長させる。２００℃で作製の緩衝層２０３の薄膜は１０ｎｍであり、２００℃の低い温度で水晶薄膜を形成する。さらにその上の最上層にシリコン基板温度を４００℃の温度に保ち水晶（０１１）２０５を所望の膜厚までヘテロエピタキシャル成長させる。α‐Ａｌ２Ｏ３（数３）上にバッファ層を介して形成された三方晶系水晶エピタキシャル薄膜は、図５の水晶の結晶軸５０１に表示されている水晶の面方位（０１１）５０２から３°傾いたＡＴ−ｃｕｔが実現できる。５０４は弾性表面波で使用されているやＳＴ−ｃｕｔである。ヘテロエピタキシャル結晶成長させてなる水晶エピタキシャル薄膜において、ダイアフラム構造の水晶振動子として、シリコン基板の裏面にＳｉＯ２膜を形成し、次にＣｒマスクパターンを形成し、ドライエッチング方法として例えば、ＲＩＥ（リアクティブイオンビームエッチング）で異方性エッチングをおこなって不要なシリコンを除去し、水晶エピタキシャル薄膜が露出して存在する領域を形成する。シリコン（１１０）の異方性エッチングでは、エッチング後の形状は、図２のように、垂直にシリコン（１１０）に溝が形成されたダイアグラム構造が得られる。エッチングのエンドポイントは、シリコンが無くなって、２０２のβ‐ＳｉＣが露出した時点となる。ＲＩＥエッチング後、マスクとして用いたＣｒ膜は除去する。本願発明の水晶エピタキシャル薄膜はシリコン基板に結晶育成されていることから、大口径シリコンを使用することができ、バッチ処理で多量にパターン形成後、ダイシングで個々のチップに分割することで、一括処理が可能であり、ハンドリングに優れた水晶振動子が得られる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
図３は、本発明の一例である弾性表面波素子用の水晶ヘテロエピタキシャル基板の断面図である。本発明は、シリコン（０１１）単結晶基板３０１に緩衝層３０２としてβ‐ＳｉＣ（０１１）または２００℃で作製の低温緩衝層としての水晶薄膜、成長層として水晶（０１１）３０３をヘテロエピタキシャルに結晶成長させてなる。光ＣＶＤで、まずＳｉＨ４ガスからＳｉを分離しＡｒガスで反応路に流入させ、H２を供給しながらＣ３Ｈ８と基板加熱温度２００℃で、反応炉でβ‐ＳｉＣをシリコン（０１１）基板上に結晶成長させる。２００℃で作製の低温緩衝層としての水晶薄膜の場合は、シランガスからＳｉを分離し、Ｎ２を供給しながら酸素と基板加熱温度２００℃で反応炉内で生成させた水晶薄膜をシリコン（０１１）基板上に結晶成長させる。２００℃で作製の低温緩衝層３０２であるβ‐ＳｉＣまたは水晶薄膜の膜厚は、１０〜５０ｎｍである。次に、シランガスからＳｉを分離し、Ｎ２を供給しながら酸素とシリコン（０１１）基板加熱温度４００℃で、反応炉で水晶３０３をシリコン（０１１）基板上にエピタキシャル成長させる。バイメタル効果を回避するに、シリコン基板の裏面には、ヘテロエピタキシャル水晶と同じ膨張係数をもつＳｉＯ２膜３０４を形成する。シリコン（０１１）基板の裏面に形成するＳｉＯ２膜３０４は、ヘテロエピタキシャル水晶と同じ膨張係数をもつものでなくてはならない。本願発明の弾性表面波素子用水晶ヘテロエピタキシャル膜が形成されたシリコン基板は、従来発明の問題点である基板の反りの問題を解決している。このヘテロエピタキシャル水晶（０１１）の角度は、３８°１２′４２″であるが、本来のＳＴ−ｃｕｔ（４２°４５′）よりは、切断角度が浅いが、弾性表面波では交差指状電極がヘテロエピタキシャル水晶（０１１）に形成されるときは、アルミニューム膜厚の影響を補正するため、結晶角度を浅くするため、実用上問題は無い。さらに、緩衝層の膜厚を適正に選ぶことで、結晶角度の補正は可能である。