JP2003133244A - Beam irradiation apparatus and beam reflection apparatus - Google Patents

Beam irradiation apparatus and beam reflection apparatus

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JP2003133244A
JP2003133244A JP2002212651A JP2002212651A JP2003133244A JP 2003133244 A JP2003133244 A JP 2003133244A JP 2002212651 A JP2002212651 A JP 2002212651A JP 2002212651 A JP2002212651 A JP 2002212651A JP 2003133244 A JP2003133244 A JP 2003133244A
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thin film
substrate
reflecting
reflector
gas
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Japanese (ja)
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Sumiyoshi Ueyama
須美義 植山
Toshikazu Yoshimizu
敏和 吉水
Akihiro Shindo
晶弘 進藤
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NYUURARU SYSTEMS KK
MegaChips Corp
Original Assignee
NYUURARU SYSTEMS KK
MegaChips Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To widely efficiently form a single crystal thin film. SOLUTION: By reflecting a beam, which is supplied by means of a single beam source, using a reflection unit 160 for generating a plurality of atom flow components that are incident on a substrate 11 with a plurality of prescribed incident angles, an irradiated surface is irradiated with gas in a plurality of prescribed incident directions. The gas beam irradiation from a plurality of prescribed directions different from each other is made possible without requiring a plurality of beam sources, and thus by the irradiation of the gas beam to a large substrate on which surface the thin film of prescribed material is formed or a large substrate on which surface the thin film of prescribed material grows by using this apparatus, the single crystal thin film of the material can be efficiently formed over a large area without scanning the substrate.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、基板の上に単結
晶薄膜または軸配向多結晶薄膜を効率よく形成すること
を可能にするビーム照射装置およびビーム反射装置に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a beam irradiator and a beam reflector capable of efficiently forming a single crystal thin film or an axially oriented polycrystalline thin film on a substrate.

【0002】[0002]

【従来の技術】所定の物質の単結晶薄膜を同一物質でし
かも同一の結晶方位を有する単結晶基板の上に形成する
には、よく知られるエピタキシャル成長法を用いること
ができる。一方、非晶質基板、多結晶基板などの結晶構
造が異なる基板、あるいは物質の異なる基板の上に、単
結晶薄膜を形成するには、基板の上に非晶質薄膜あるい
は多結晶薄膜を一旦形成し、その後これらの薄膜を単結
晶へ転換する方法が用いられる。
2. Description of the Related Art A well-known epitaxial growth method can be used to form a single crystal thin film of a predetermined substance on a single crystal substrate of the same substance and having the same crystal orientation. On the other hand, in order to form a single crystal thin film on a substrate having a different crystal structure, such as an amorphous substrate or a polycrystalline substrate, or a substrate having a different substance, the amorphous thin film or the polycrystalline thin film is once formed on the substrate. A method of forming and then converting these thin films into single crystals is used.

【0003】従来、多結晶半導体薄膜および非晶質であ
るアモルファス半導体薄膜の単結晶化には溶融再結晶化
法と、横方向固相エピタキシー法が使用されて来た。
Conventionally, a melt recrystallization method and a lateral solid phase epitaxy method have been used for single crystallization of a polycrystalline semiconductor thin film and an amorphous amorphous semiconductor thin film.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方法は以下に記述するような問題点を有していた。す
なわち、前者の溶融再結晶化法では、薄膜を構成する物
質が高融点物質の場合、基板に大きい熱歪が発生し、利
用しようとする薄膜の物理的、電気的特性が損なわれる
という問題点があった。また溶融を行うために、電子ビ
ーム、或いはレーザービームが使用される。このため、
これらのビームのスポットを基板の全面にわたって走査
する必要があるので、再結晶化のために多大な時間とコ
ストとを要するという問題点があった。
However, these methods have the following problems. That is, in the former melt recrystallization method, when the material forming the thin film is a high melting point material, a large thermal strain is generated in the substrate, and the physical and electrical characteristics of the thin film to be used are impaired. was there. Further, an electron beam or a laser beam is used for melting. For this reason,
Since it is necessary to scan the spots of these beams over the entire surface of the substrate, there has been a problem that it takes a lot of time and cost for recrystallization.

【0005】後者の横方向固相エピタキシー法では、基
板を構成する物質の結晶方法に影響され易い上に、成長
速度が遅いという問題点があった。例えば、10μm程
度の厚さの単結晶薄膜に成長させるのに、10時間以上
を必要とした。しかも、成長がある程度進行すると、格
子欠陥が発生し単結晶の成長が止まるために、大きい結
晶粒を得ることが困難であるという問題点があった。
In the latter lateral solid phase epitaxy method, there is a problem that the growth rate is slow in addition to being easily influenced by the crystallization method of the substance constituting the substrate. For example, it took 10 hours or more to grow a single crystal thin film having a thickness of about 10 μm. Moreover, when the growth progresses to some extent, a lattice defect occurs and the growth of the single crystal is stopped, which makes it difficult to obtain large crystal grains.

【0006】さらに、いずれの方法においても、種結晶
を多結晶薄膜、或いは非晶質薄膜に接触させる必要があ
るという問題点があった。また、単結晶が成長する方向
が薄膜の主面に沿った方向、すなわち横方向であるた
め、結晶への成長距離が長くなる結果、単結晶が成長す
る中途において各種の障害が入るという問題点があっ
た。例えば、基板がガラスなどの非晶質状の材料で構成
される場合には、基板の格子の位置に規則性が無いの
で、この不規則性が単結晶の成長に影響する結果、結晶
粒の粒径は大きいが多結晶として成長してしまうという
問題点があった。
Further, in any of the methods, there is a problem that it is necessary to bring the seed crystal into contact with the polycrystalline thin film or the amorphous thin film. In addition, since the growth direction of the single crystal is the direction along the main surface of the thin film, that is, the lateral direction, the growth distance to the crystal becomes long, resulting in various obstacles during the growth of the single crystal. was there. For example, when the substrate is made of an amorphous material such as glass, since the lattice positions of the substrate have no regularity, this irregularity influences the growth of the single crystal, and as a result, Although the grain size is large, there is a problem that it grows as a polycrystal.

【0007】一方、これらの方法における上述した問題
点を解決することを意図して、薄膜の縦方向の成長を利
用することによって成長距離を短くし、そのことによっ
て成長時間を短くする試みが行われた。すなわち、多結
晶薄膜、あるいは非晶質薄膜の全面に種結晶を接触さ
せ、薄膜の主面に垂直な方向すなわち縦方向に固相エピ
タキシャル成長を行わせる方法が試みられた。しかしな
がら、その結果は、部分的にしか種結晶と非晶質薄膜等
とが接触せず、この接触部分から横方向エピタキシャル
成長が起こるだけであり、期待された縦方向の固相エピ
タキシャル成長によって単結晶薄膜を形成するには至ら
なかった。加えて、この方法では、種結晶と成長した単
結晶膜とが接着してしまうので、これを分離することが
非常に困難であり、敢えて引き離そうとすると、成長し
た薄膜が基板から剥離し種結晶側に付着してしまうとい
う問題点があった。
On the other hand, in order to solve the above-mentioned problems in these methods, an attempt has been made to shorten the growth distance by utilizing the vertical growth of the thin film and thereby shorten the growth time. I was broken. That is, a method has been attempted in which a seed crystal is brought into contact with the entire surface of a polycrystalline thin film or an amorphous thin film and solid phase epitaxial growth is performed in a direction perpendicular to the main surface of the thin film, that is, in the vertical direction. However, as a result, the seed crystal and the amorphous thin film are only partially contacted with each other, and the lateral epitaxial growth only occurs from this contact portion. Was not formed. In addition, in this method, the seed crystal and the grown single crystal film adhere to each other, which makes it very difficult to separate them. There was a problem that it adhered to the side.

【0008】また、基板自体が単結晶構造を有する場合
には、この基板の結晶方位と異なる結晶方位を有する単
結晶の薄膜を、この基板の上に形成することはいずれの
従来の技術をもってしても不可能であるという問題点が
あった。
Further, when the substrate itself has a single crystal structure, any conventional technique can be used to form a single crystal thin film having a crystal orientation different from that of the substrate. However, there was a problem that it was impossible.

【0009】また、同様のことは、各結晶粒の間で一つ
の結晶軸が同一方向に揃った多結晶薄膜、すなわち軸配
向多結晶薄膜についてもいえる。すなわち、従来の技術
では、任意の基板の上に所望の方向に配向した軸配向多
結晶薄膜を形成することは困難であるという問題点があ
った。
The same applies to a polycrystalline thin film in which one crystal axis is aligned in the same direction between crystal grains, that is, an axially oriented polycrystalline thin film. That is, the conventional technique has a problem that it is difficult to form an axially oriented polycrystalline thin film oriented in a desired direction on an arbitrary substrate.

【0010】この発明は、従来の方法が有する上述の問
題点を解決するためになされたもので、単結晶薄膜を効
率よく形成することを可能にするビーム照射装置および
ビーム反射装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the conventional method, and provides a beam irradiating device and a beam reflecting device capable of efficiently forming a single crystal thin film. With the goal.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】この発明にかかる請求項
1に記載のビーム照射装置は、試料の被照射面に気体の
ビームを照射するビーム照射装置であって、気体のビー
ムを供給する単一のビーム源と、当該ビーム源によって
供給される前記ビームを反射させることによって、前記
気体が複数の所定の入射方向をもって前記被照射面へ照
射されることを可能にする反射手段と、を備え、当該反
射手段が、前記ビーム源から供給される前記ビームの経
路に配設され、当該ビームを複数の方向に反射すること
によって、ビーム断面がビームの進行にともなって二次
元的に拡大する複数の発散ビームを生成する第1の反射
体と、前記複数の発散ビームを、前記被照射面へ複数の
方向から略平行ビームとして入射するように更に反射す
る凹面状の反射面を有する第2の反射体と、を備える。
A beam irradiation apparatus according to a first aspect of the present invention is a beam irradiation apparatus for irradiating a surface of a sample with a beam of gas, which is a unit for supplying a beam of gas. A beam source; and a reflecting means for reflecting the beam supplied by the beam source to allow the gas to irradiate the irradiated surface with a plurality of predetermined incident directions. A plurality of reflecting means arranged in the path of the beam supplied from the beam source and reflecting the beam in a plurality of directions so that the beam cross-section expands two-dimensionally as the beam advances. And a concave reflecting surface that further reflects the plurality of diverging beams so as to make the plurality of diverging beams incident on the surface to be irradiated as a substantially parallel beam from a plurality of directions. Comprising a second reflector having, a.

【0012】この発明にかかる請求項2に記載のビーム
照射装置は、請求項1に記載のビーム照射装置におい
て、前記反射手段が、前記第1の反射体から前記基板ま
での前記ビームの経路に、当該ビームの方向を揃える整
流手段、を更に備える。
A beam irradiating apparatus according to a second aspect of the present invention is the beam irradiating apparatus according to the first aspect, wherein the reflecting means is provided in a path of the beam from the first reflector to the substrate. And a rectifying unit that aligns the directions of the beams.

【0013】この発明にかかる請求項3に記載のビーム
照射装置は、請求項1に記載のビーム照射装置におい
て、前記反射手段が、前記ビーム源と前記第1の反射体
との間における前記ビームの経路に介挿されるとともに
当該経路に垂直な断面上の当該ビームの分布を調節する
ことにより、前記第1の反射体によって複数の方向に反
射される各成分のビーム量を調節するビーム配分調整手
段、を更に備える。
A beam irradiation apparatus according to a third aspect of the present invention is the beam irradiation apparatus according to the first aspect, wherein the reflecting means includes the beam between the beam source and the first reflector. Beam distribution adjustment for adjusting the beam amount of each component reflected in the plurality of directions by the first reflector by adjusting the distribution of the beam on the cross section which is inserted in the path of and is perpendicular to the path. Means are further provided.

【0014】この発明にかかる請求項4に記載のビーム
反射装置は、単一のビーム源から供給される気体のビー
ムを反射することによって、当該気体が複数の所定の入
射方向をもって試料の被照射面へ照射されることを可能
にするビーム反射装置であって、前記ビームを複数の方
向に反射することによって、ビーム断面がビームの進行
にともなって二次元的に拡大する複数の発散ビームを生
成する第1の反射体と、前記複数の発散ビームを、前記
被照射面へ複数の方向から略平行ビームとして入射する
ように更に反射する凹面状の反射面を有する第2の反射
体と、を備える。
The beam reflecting apparatus according to a fourth aspect of the present invention reflects the beam of gas supplied from a single beam source, so that the gas has a plurality of predetermined incident directions to irradiate the sample. A beam reflection device capable of irradiating a surface, wherein the beam is reflected in a plurality of directions to generate a plurality of divergent beams whose beam cross-section expands two-dimensionally as the beam advances. And a second reflector having a concave reflecting surface that further reflects the plurality of divergent beams so as to be incident on the irradiated surface as a substantially parallel beam from a plurality of directions. Prepare

【0015】この発明にかかる請求項5に記載のビーム
照射装置は、試料の被照射面に気体のビームを照射する
ビーム照射装置であって、気体のビームを供給する複数
のビーム源と、当該複数のビーム源によって供給される
前記ビームを反射させることによって、前記気体が複数
の所定の入射方向をもって前記被照射面の共通の領域へ
照射されることを可能にする複数の反射手段と、を備
え、前記各反射手段が、前記各ビーム源から供給される
前記ビームの経路に配設され、当該ビームを反射するこ
とによって、ビーム断面がビームの進行にともなって略
一次元的に拡大する発散ビームを生成する第1の反射体
と、前記発散ビームを、前記被照射面の線状ないし帯状
の前記共通の領域へ略平行ビームとして入射するように
更に反射する凹面状の反射面を有する第2の反射体と、
を備え、前記ビーム照射装置が、線状ないし帯状の前記
共通の領域に交差する方向に前記試料を走査する移動手
段を、さらに備える。
A beam irradiation apparatus according to a fifth aspect of the present invention is a beam irradiation apparatus for irradiating an irradiation surface of a sample with a gas beam, and a plurality of beam sources for supplying the gas beam, A plurality of reflecting means for enabling the gas to be applied to a common region of the illuminated surface with a plurality of predetermined incident directions by reflecting the beams provided by a plurality of beam sources; Each of the reflecting means is arranged in a path of the beam supplied from each of the beam sources, and by reflecting the beam, a divergence in which the beam cross section expands substantially one-dimensionally as the beam advances. A first reflector for generating a beam, and a concave surface for further reflecting the divergent beam so as to be incident on the common area of the irradiation surface as a linear or strip shape as a substantially parallel beam. A second reflector having a reflecting surface,
The beam irradiation device further includes a moving unit configured to scan the sample in a direction intersecting the common region having a linear or strip shape.

【0016】この発明にかかる請求項6に記載のビーム
照射装置は、請求項5に記載のビーム照射装置におい
て、前記各反射手段が、前記第1の反射体から前記基板
までの前記ビームの経路に、当該ビームの方向を揃える
整流手段、を更に備える。
A beam irradiation apparatus according to a sixth aspect of the present invention is the beam irradiation apparatus according to the fifth aspect, wherein each of the reflecting means has a path of the beam from the first reflector to the substrate. Further, a rectifying means for aligning the direction of the beam is further provided.

【0017】この発明にかかる請求項7に記載のビーム
反射装置は、ビーム源から供給される気体のビームを反
射することによって、当該気体が所定の入射方向をもっ
て試料の被照射面へ照射されることを可能にするビーム
反射装置であって、前記ビームを反射することによっ
て、ビーム断面がビームの進行にともなって略一次元的
に拡大する発散ビームを生成する第1の反射体と、前記
発散ビームを、前記被照射面の線状ないし帯状の領域へ
略平行ビームとして入射するように更に反射する凹面状
の反射面を有する第2の反射体と、を備える。
According to the seventh aspect of the present invention, the beam reflecting device reflects the beam of the gas supplied from the beam source to irradiate the surface of the sample irradiated with the gas with a predetermined incident direction. A first reflector for generating a divergent beam whose beam cross-section expands in a substantially one-dimensional manner as the beam travels by reflecting the beam; A second reflector having a concave reflecting surface that further reflects the beam so as to enter the linear or strip-shaped region of the irradiated surface as a substantially parallel beam.

【0018】なお、この発明において「基板」とは、そ
の上に薄膜を形成することのみを目的として供される単
なる土台としての物体に限定されず、例えば所定の機能
を有するデバイスなどをも含めて、その上に薄膜を形成
する対象とされる媒体全般を意味する。
In the present invention, the "substrate" is not limited to an object as a simple base provided only for forming a thin film on it, and includes, for example, a device having a predetermined function. And the medium on which the thin film is formed.

【0019】また、この発明で「気体のビーム」とは、
ビーム状のイオン流、原子流、分子流の何れをも包含す
る概念である。
Further, in the present invention, the "gas beam" means
This is a concept that includes any of a beam-like ion flow, an atomic flow, and a molecular flow.

【0020】[0020]

【作用】<請求項1に記載の装置の作用>この発明の装
置では、単一のビーム源から供給される気体のビームが
反射手段によって反射されることにより、相異なる複数
の所定の方向から試料の被照射面へ入射する。しかも、
ビームが第1の反射体によって複数の方向に二次元的に
発散するように反射され、更に第2の反射体によって略
平行ビームとされるので、ビーム源が供給するビームの
断面よりも広大な被照射面へ一様に照射され得る。
<Operation of the apparatus according to claim 1> In the apparatus of the present invention, the gas beam supplied from the single beam source is reflected by the reflecting means, so that the plurality of predetermined directions are different from each other. It is incident on the irradiated surface of the sample. Moreover,
The beam is reflected by the first reflector so as to diverge two-dimensionally in a plurality of directions, and is made into a substantially parallel beam by the second reflector. Therefore, the beam is wider than the cross section of the beam supplied by the beam source. The surface to be illuminated can be uniformly illuminated.

【0021】<請求項2に記載の装置の作用>この発明
の装置では、第1の反射体から試料までのビームの経路
に、整流手段が設置されるので、ビームの方向が所定の
方向に揃う。
<Operation of the device according to claim 2> In the device of the present invention, since the rectifying means is installed in the path of the beam from the first reflector to the sample, the direction of the beam is in a predetermined direction. Get together.

【0022】<請求項3に記載の装置の作用>この発明
の装置では、ビーム配分調整手段が備わるので、第1の
反射体によって反射される複数成分の各ビーム量が調節
され、そのことによって、複数方向から被照射面へ入射
する複数成分の各ビーム量が調節される。
<Operation of the device according to claim 3> Since the device of the present invention is provided with the beam distribution adjusting means, each beam amount of the plurality of components reflected by the first reflector is adjusted, whereby the beam distribution adjusting means is adjusted. , The amount of each beam of a plurality of components incident on the irradiated surface from a plurality of directions is adjusted.

【0023】<請求項4に記載の装置の作用>この発明
の装置では、単一のビーム源から供給される気体のビー
ムが、第1の反射体によって複数の方向に二次元的に発
散するように反射され、更に第2の反射体によって略平
行ビームとされるので、複数のビーム源を要せずして、
しかもビーム源が供給するビームの断面よりも広大な被
処理面へ、複数方向からビームを照射することが可能で
ある。
<Operation of the device according to claim 4> In the device of the present invention, the beam of gas supplied from a single beam source is two-dimensionally diverged in a plurality of directions by the first reflector. Since it is reflected by the second reflector and made into a substantially parallel beam by the second reflector, it does not require a plurality of beam sources,
Moreover, it is possible to irradiate the beam from a plurality of directions onto the surface to be processed which is wider than the cross section of the beam supplied by the beam source.

【0024】<請求項5に記載の発明の作用>この発明
の装置では、ビームが第1の反射体によって略一次元的
に発散するように反射された後に、更に第2の反射体に
よって略平行ビームとされるので、ビーム源が供給する
ビームよりも幅の広い線状ないし帯状の領域に、所定の
入射方向から平行ビームを照射することができる。しか
も、この線状ないし帯状の領域に交差する方向に試料が
走査されるので、広大な被照射面へ一様にビームが照射
される。また、ビーム源と反射手段がそれぞれ複数個設
けられることによって、広大な被照射面へ一様に、しか
も複数の入射方向からビームが照射される。
<Operation of the Invention According to Claim 5> In the device of the present invention, after the beam is reflected by the first reflector so as to diverge substantially one-dimensionally, the beam is further reflected by the second reflector. Since the beams are parallel beams, it is possible to irradiate a linear or band-shaped region wider than the beam supplied by the beam source with a parallel beam from a predetermined incident direction. Moreover, since the sample is scanned in the direction intersecting with the linear or strip-shaped region, the beam is uniformly irradiated onto the vast irradiation surface. Further, since a plurality of beam sources and a plurality of reflecting means are provided respectively, the beam is irradiated onto the vast irradiation surface uniformly and from a plurality of incident directions.

【0025】<請求項6に記載の発明の作用>この発明
の装置では、第1の反射体から基板までのビームの経路
に、整流手段が設置されるので、ビームの方向が所定の
方向に揃えられる。
<Operation of the Invention According to Claim 6> In the apparatus of the present invention, since the rectifying means is installed in the path of the beam from the first reflector to the substrate, the beam is directed in a predetermined direction. Aligned.

【0026】<請求項7に記載の発明の作用>この発明
の装置では、ビームが第1の反射体によって略一次元的
に発散するように反射された後に、更に第2の反射体に
よって略平行ビームとされるので、ビーム源が供給する
ビームよりも幅の広い線状ないし帯状の領域にビームを
照射することができる。
<Operation of the Invention According to Claim 7> In the device of the present invention, after the beam is reflected by the first reflector so as to diverge substantially one-dimensionally, the beam is further reflected by the second reflector. Since the beams are parallel beams, it is possible to irradiate the beam to a linear or band-shaped region wider than the beam supplied by the beam source.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】以下に、この発明の実施の形態に
係る実施例を説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Examples of the embodiments of the present invention will be described below.

【0028】<1.第1実施例>まず、この発明の第1
実施例の装置について述べる。
<1. First Embodiment> First, the first embodiment of the present invention
The apparatus of the embodiment will be described.

【0029】<1-1.装置の全体構成>図2は、この実
施例の軸配向多結晶薄膜形成装置の全体構成を示す正面
断面図である。この装置102は、基板の上に所定の物
質の薄膜を成長させつつ、同時にこの薄膜を一軸配向性
の多結晶薄膜へと転換することによって、基板の上に軸
配向多結晶薄膜を形成することを目的として構成されて
いる。
<1-1. Overall Configuration of Apparatus> FIG. 2 is a front sectional view showing the overall configuration of the axially oriented polycrystalline thin film forming apparatus of this embodiment. This apparatus 102 forms an axially oriented polycrystalline thin film on a substrate by growing a thin film of a predetermined substance on the substrate and simultaneously converting this thin film into a uniaxially oriented polycrystalline thin film. It is configured for the purpose.

【0030】この装置102では、反応容器1の上部
に、電子サイクロトロン共鳴型(ECR)のイオン発生
器2が組み込まれている。ECRイオン発生器2は、プ
ラズマ室4を内部に規定するプラズマ容器3を備えてい
る。プラズマ容器3の周囲には、プラズマ室4に直流の
高磁場を印加する磁気コイル5が設置されている。プラ
ズマ容器3の上面には、マイクロ波をプラズマ室4へ導
入する導波管6、およびNeなどの不活性ガスを導入す
る不活性ガス導入管7が設けられている。
In this apparatus 102, an electron cyclotron resonance (ECR) ion generator 2 is incorporated in an upper portion of a reaction vessel 1. The ECR ion generator 2 includes a plasma container 3 that defines a plasma chamber 4 therein. A magnetic coil 5 for applying a high DC magnetic field to the plasma chamber 4 is installed around the plasma container 3. A waveguide 6 for introducing microwaves into the plasma chamber 4 and an inert gas introduction pipe 7 for introducing an inert gas such as Ne are provided on the upper surface of the plasma container 3.

【0031】反応容器1は、その内部に反応室8を規定
する。プラズマ容器3の底部はその中央部に、プラズマ
が通過する引出口9を規定する。反応室8とプラズマ室
4とは、この引出口9を介して互いに連通している。反
応室8の内部には、引出口9の直下の位置に試料台10
が設置され、さらに、試料台10の上には基板11が載
置されている。基板11は試料を構成する要素の一つで
あり、多結晶構造、アモルファス構造、または単結晶構
造の何れの物質で構成されてもよい。この基板11の上
に所望の方向に配向した軸配向多結晶薄膜が形成され
る。
The reaction container 1 defines a reaction chamber 8 therein. The bottom of the plasma container 3 defines in its central part an outlet 9 through which the plasma passes. The reaction chamber 8 and the plasma chamber 4 communicate with each other via the outlet 9. Inside the reaction chamber 8, a sample table 10 is provided directly below the outlet 9.
And a substrate 11 is placed on the sample table 10. The substrate 11 is one of the constituent elements of the sample, and may be composed of any material having a polycrystalline structure, an amorphous structure, or a single crystal structure. An axially oriented polycrystalline thin film oriented in a desired direction is formed on the substrate 11.

【0032】反応室8には、反応ガス供給管13が連通
している。この反応ガス供給管13を通して、プラズマ
CVDにより基板11上に所定の物質の薄膜を形成する
ための反応ガスが供給される。図2の例では、3本の反
応ガス供給管13a、13b、および13cが設けられ
ている。反応室8には、更に真空排気管14が連通して
いる。この真空排気管14の一端には、図示しない真空
装置が連結しており、真空排気管14を介して、反応室
8に存在する気体が排気されることにより、反応室8に
おける真空度が所定の高さに保持される。反応室8にお
ける真空度を表示する真空計15が、反応室8に連通し
て設置されている。
A reaction gas supply pipe 13 communicates with the reaction chamber 8. A reaction gas for forming a thin film of a predetermined substance on the substrate 11 by plasma CVD is supplied through the reaction gas supply pipe 13. In the example of FIG. 2, three reaction gas supply pipes 13a, 13b, and 13c are provided. A vacuum exhaust pipe 14 is further communicated with the reaction chamber 8. A vacuum device (not shown) is connected to one end of the vacuum exhaust pipe 14, and the gas existing in the reaction chamber 8 is exhausted through the vacuum exhaust pipe 14 to keep the degree of vacuum in the reaction chamber 8 at a predetermined level. Held at the height of. A vacuum gauge 15 that displays the degree of vacuum in the reaction chamber 8 is installed in communication with the reaction chamber 8.

【0033】<1-2.ECRイオン発生器2の動作>つぎ
に、ECRイオン発生器2の動作について説明する。不
活性ガス導入管7からプラズマ室4へ、Ne、Ar等の
不活性ガスを導入しつつ、同時に導波管6からプラズマ
室4へマイクロ波が導入される。更に同時に、磁気コイ
ル5に直流電流が供給されることにより、プラズマ室4
およびその周囲に直流磁場が形成される。供給された気
体は、マイクロ波と直流磁場の作用でプラズマ状態に保
たれる。このプラズマは、マイクロ波と直流磁場とによ
ってサイクロトロンの原理で螺旋運動する高エネルギー
の電子によって生成される。
<1-2. Operation of ECR Ion Generator 2> Next, the operation of the ECR ion generator 2 will be described. While introducing an inert gas such as Ne or Ar from the inert gas introducing pipe 7 into the plasma chamber 4, microwaves are simultaneously introduced from the waveguide 6 into the plasma chamber 4. Further, at the same time, the DC current is supplied to the magnetic coil 5, so that the plasma chamber 4
And a DC magnetic field is formed around it. The supplied gas is kept in a plasma state by the action of the microwave and the DC magnetic field. This plasma is generated by high-energy electrons that spiral in accordance with the cyclotron principle by the microwave and the DC magnetic field.

【0034】この電子は、反磁性の特性を有するので、
磁場の弱い方に移動し、磁力線に沿った電子流を形成す
る。その結果、電気的中性を維持するために、電子流に
伴われて正イオンも、磁力線に沿ったイオン流を形成す
る。すなわち、引出口9から反応室8へ、下方向に向か
う電子流とイオン流とが形成される。イオン流は、電子
流と並行して流れるので、消イオン時間を経過すると、
互いに再結合することによって中性原子流となる。した
がって、引出口9から下方に所定距離以上離れた位置で
は、殆ど中性の原子流のみが形成されている。
Since this electron has a diamagnetic property,
It moves to the weak magnetic field and forms an electron flow along the magnetic field lines. As a result, in order to maintain the electrical neutrality, the positive ions also form an ion flow along the magnetic field lines along with the electron flow. That is, a downward electron flow and ion flow are formed from the outlet 9 to the reaction chamber 8. Since the ion current flows in parallel with the electron current, when the deionization time elapses,
Recombination with each other results in a neutral atomic flow. Therefore, at a position separated by a predetermined distance or more downward from the outlet 9, almost only a neutral atomic flow is formed.

【0035】図3は、ECRイオン発生器2によって、
10eVのAr+イオンを引出口9より取り出したとき
の、イオン電流密度と引出口9からの距離との関係を実
測した結果を示すグラフである。このグラフによれば、
イオン電流密度は、引出口から4〜5cmの距離から急
激に減少を始め、14cmの位置では1/10〜1/1
2の大きさに減衰することが読み取れる。イオン電流が
減衰した分、中性原子流が増加しており、引出口9から
下方に14cm以上離れた位置では、殆ど中性の原子流
のみが下方向へ向かって流れている。
FIG. 3 shows the ECR ion generator 2
9 is a graph showing the results of actual measurement of the relationship between the ion current density and the distance from the outlet 9 when Ar + ions of 10 eV were taken out from the outlet 9. According to this graph,
The ion current density starts to decrease rapidly at a distance of 4 to 5 cm from the outlet, and is 1/10 to 1/1 at the position of 14 cm.
It can be read that it decays to a magnitude of 2. The neutral atomic flow is increasing by the amount of the ion current being attenuated. At a position 14 cm or more downward from the outlet 9, almost only the neutral atomic flow is flowing downward.

【0036】このように、ECRイオン発生器2は、イ
オンを発生する装置でありながら、イオン流を電子流に
並行して形成するので、ECRイオン発生器2を用いる
ことにより、イオン流を中性化する他の手段を用いるこ
となく、密度の高い中性の原子流を容易に得ることがで
きるという利点がある。また、イオン流が電子流と並行
して形成されるので、進行方向があまり発散することな
く、進行方向の揃った平行流に近いイオン流が得られ
る。また、平行なイオン流が中性の原子流に転換される
ので、原子流も進行方向の揃った平行流に近いものとな
る。
As described above, since the ECR ion generator 2 is an apparatus for generating ions, it forms an ion flow in parallel with the electron flow. Therefore, by using the ECR ion generator 2, the ion flow can be reduced. There is an advantage that a dense neutral atomic flow can be easily obtained without using other means for activating. Further, since the ion stream is formed in parallel with the electron stream, the traveling direction does not diverge so much, and an ion stream close to a parallel stream with a uniform traveling direction can be obtained. Further, since the parallel ion flow is converted into the neutral atomic flow, the atomic flow also becomes close to a parallel flow with uniform traveling directions.

【0037】また、基板11には中性の原子流が照射さ
れるので、基板11が電気絶縁性であっても、イオンの
電荷が基板11に蓄積して基板11への照射が阻害され
るという恐れがない。
Further, since the substrate 11 is irradiated with the neutral atomic flow, even if the substrate 11 is electrically insulating, the charge of ions is accumulated in the substrate 11 and the irradiation of the substrate 11 is hindered. There is no fear of that.

【0038】<1-3.装置102の動作>つぎに図2に戻
って、装置102の動作について説明する。基板11と
して多結晶SiO2(石英)を用い、この石英基板11
の上に単結晶Siの薄膜を形成する例を取り上げる。反
応ガス供給管13a、13b、および13cのそれぞれ
から、単結晶Siの主材料であるSiを供給するSiH
4(シラン)ガス、p型不純物をドープするためのB2
3(ジボラン)ガス、およびn型不純物をドープするた
めのPH3(ホスフィン)ガスが供給される。不活性ガ
ス導入管7から導入される不活性ガスとしては、好まし
くはSi原子よりも原子量の小さいNeガスが選択され
る。
<1-3. Operation of Device 102> Next, returning to FIG. 2, the operation of the device 102 will be described. Polycrystalline SiO 2 (quartz) is used as the substrate 11, and the quartz substrate 11
An example of forming a thin film of single crystal Si on the above will be taken up. SiH for supplying Si, which is the main material of single crystal Si, from each of the reaction gas supply pipes 13a, 13b, and 13c
4 (silane) gas, B 2 H for doping p-type impurities
3 (diborane) gas and PH 3 (phosphine) gas for doping n-type impurities are supplied. As the inert gas introduced from the inert gas introduction pipe 7, a Ne gas having an atomic weight smaller than that of Si atoms is preferably selected.

【0039】ECRイオン発生器2の働きにより、引出
口9から下方に向かってNe+イオン流と電子流が形成
される。引出口9から基板11までの距離は、好ましく
は、Ne+イオン流が殆ど中性Ne原子流に転換される
のに十分なだけの大きさに設定される。反応ガス供給管
13から供給されるシランガスは、これらのNe+イオ
ン流あるいはNe原子流によって、基板11へ向かって
叩きつけられる。その結果、基板11の上面においてプ
ラズマCVD反応が進行し、シランガスが供給するSi
を構成元素とする薄膜、すなわちSi薄膜が成長する。
また、ジボランガスまたはホスフィンガスをその流量を
適正に調整しつつ供給することによって、これらのガス
によるプラズマCVD反応も同時に進行し、B(ボロ
ン)またはP(燐)を所望の濃度で含有するSi薄膜が
形成される。
By the action of the ECR ion generator 2, a Ne + ion flow and an electron flow are formed downward from the outlet 9. The distance from the outlet 9 to the substrate 11 is preferably set large enough to convert the Ne + ion flow into an almost neutral Ne atomic flow. The silane gas supplied from the reactive gas supply pipe 13 is struck toward the substrate 11 by these Ne + ion flow or Ne atom flow. As a result, the plasma CVD reaction proceeds on the upper surface of the substrate 11, and Si supplied by the silane gas is supplied.
A thin film containing Si as a constituent element, that is, a Si thin film grows.
Further, by supplying diborane gas or phosphine gas while appropriately adjusting the flow rate thereof, the plasma CVD reaction by these gases also progresses at the same time, and a Si thin film containing B (boron) or P (phosphorus) at a desired concentration. Is formed.

【0040】基板11は加熱されない。このため、基板
11は、略常温度に保持される。したがって、Si薄膜
は略常温度下で成長する。すなわち、プラズマCVDに
よって結晶化が進行する温度以下の温度でSi薄膜が形
成される。このためSi薄膜は、プラズマCVDによっ
て、まずアモルファスSiとして形成される。
The substrate 11 is not heated. Therefore, the substrate 11 is kept at a substantially normal temperature. Therefore, the Si thin film grows at approximately normal temperature. That is, the Si thin film is formed at a temperature equal to or lower than the temperature at which crystallization proceeds by plasma CVD. Therefore, the Si thin film is first formed as amorphous Si by plasma CVD.

【0041】前述の下方向へ向かうNe原子流は、基板
11の上面へ垂直に入射する。すなわち、基板11の上
面に形成されつつあるSi薄膜には、引出口9から直進
して来たNe原子流が照射される。
The downward Ne atom flow is vertically incident on the upper surface of the substrate 11. That is, the Si thin film that is being formed on the upper surface of the substrate 11 is irradiated with the Ne atomic flow that has proceeded straight from the outlet 9.

【0042】ところで、ECRイオン発生器2によって
形成されるプラズマのエネルギーは、基板11に到達す
るNe原子のエネルギーが、Si薄膜においてスパッタ
リングを引き起こさない大きさになるように、すなわち
Ne原子の照射によるSiのスパッタリングにおけるス
レッショルド・エネルギーとして知られる値(=27e
V)よりも低くなるように設定される。したがって、成
長しつつあるアモルファスSi薄膜に、いわゆるブラベ
ー(Bravais)の法則が作用する。すなわち、アモルフ
ァスSiに照射されるNe原子流の入射方向に垂直な面
が、最稠密結晶面すなわち(111)面となるようにア
モルファスSi内のSi原子が再配列する。
By the way, the energy of the plasma formed by the ECR ion generator 2 is set so that the energy of the Ne atoms reaching the substrate 11 does not cause sputtering in the Si thin film, that is, by the irradiation of the Ne atoms. The value known as the threshold energy in Si sputtering (= 27e
It is set to be lower than V). Therefore, the so-called Bravais law acts on the growing amorphous Si thin film. That is, the Si atoms in the amorphous Si are rearranged so that the plane perpendicular to the incident direction of the Ne atomic flow with which the amorphous Si is irradiated becomes the densest crystal plane, that is, the (111) plane.

【0043】すなわち、プラズマCVDによって成長し
つつあるアモルファスSi薄膜は、一つの最稠密面に垂
直な結晶軸の方向が、基板11の表面に垂直な方向に揃
った多結晶Si薄膜、すなわち一軸配向性の多結晶Si
薄膜へと逐次転換される。その結果、基板11の上には
多結晶Si薄膜が形成され、しかも、この多結晶構造を
構成するいずれの結晶粒においても、その表面には(1
11)面が露出する。また、反応ガス供給管13より、
ジボランガスまたはホスフィンガスを、シランガスと同
時に供給することによって、BまたはPが添加されたp
型またはn型の軸配向多結晶Si薄膜が形成される。
That is, the amorphous Si thin film that is growing by plasma CVD is a polycrystalline Si thin film in which the direction of the crystal axis perpendicular to one densest plane is aligned with the direction perpendicular to the surface of the substrate 11, that is, uniaxial orientation. Polycrystalline Si
Sequential conversion to thin film. As a result, a polycrystalline Si thin film is formed on the substrate 11, and (1) is formed on the surface of any crystal grain forming this polycrystalline structure.
11) The surface is exposed. Further, from the reaction gas supply pipe 13,
By supplying diborane gas or phosphine gas at the same time as silane gas, p containing B or P added
Type or n type axially oriented polycrystalline Si thin film is formed.

【0044】また、前述のようにSi薄膜に照射する原
子流を構成する元素として、Si原子よりも軽いNeを
選択するのが望ましい。これは、Ne原子流がSi薄膜
に照射された際に、比較的重いSi原子が比較的軽いN
e原子を後方へ散乱する確率が高いために、Ne原子が
Si薄膜の中に侵入し残留するということが起こりにく
いからである。更に、照射する原子流を構成する元素に
不活性元素を選択するのは、不活性元素がSi薄膜の中
に残留しても、この残留する不活性元素は、Siおよび
ドープされた不純物等のいずれとも化合物を形成するこ
とがなく、Si薄膜の電子物性には余り影響を及ぼさ
ず、しかも出来上がった単結晶Si薄膜をある程度昇温
することによって、容易に外部へ除去され得るからであ
る。
Further, as described above, it is desirable to select Ne which is lighter than Si atoms as an element constituting the atomic flow for irradiating the Si thin film. This means that when a Si thin film is irradiated with a stream of Ne atoms, relatively heavy Si atoms are relatively light N.
This is because there is a high probability that e atoms will be scattered backward, so that it is unlikely that Ne atoms will penetrate and remain in the Si thin film. Further, an inactive element is selected as an element forming the atomic flow to be irradiated, even if the inactive element remains in the Si thin film, the remaining inactive element may be Si and a doped impurity. This is because neither forms a compound, does not significantly affect the electronic properties of the Si thin film, and can be easily removed to the outside by heating the completed single crystal Si thin film to some extent.

【0045】ところで、装置102において、Ne原子
流あるいは中性化する前のNeイオン流の照射を受ける
可能性のある部分、例えば、反応容器1の内壁、試料台
10の上面などは、照射によってスパッタリングが発生
しない材料で構成される。すなわち、Neイオン流のエ
ネルギーよりもスレッショルド・エネルギーの高い材料
で構成される。そのため、これらの部材においてNe原
子流またはNeイオン流の照射によるスパッタリングが
発生しないので、これらの部材を構成する材料元素によ
る薄膜への汚染が防止される。また、スパッタリングに
よるこれらの部材の損傷も防止される。
By the way, in the apparatus 102, a portion which may be irradiated with the Ne atomic flow or the Ne ion flow before being neutralized, such as the inner wall of the reaction vessel 1 and the upper surface of the sample table 10, is irradiated. It is made of a material that does not generate sputtering. That is, it is composed of a material having a threshold energy higher than the energy of the Ne ion flow. Therefore, since the sputtering due to the irradiation of the Ne atomic flow or the Ne ion flow does not occur in these members, the contamination of the thin film by the material elements forming these members is prevented. Also, damage to these members due to sputtering is prevented.

【0046】表1は、照射される原子またはイオンの種
類と、標的となる物質を構成する元素との、各種の組合
せにおけるスパッタリングのスレッショルド・エネルギ
ーの値を示す。なお、表1に掲げられる値は、特に示さ
れる一部の値を除いて、すべてシミュレーションに基づ
いて得られたものである。
Table 1 shows the values of the sputtering threshold energy in various combinations of the types of atoms or ions to be irradiated and the elements constituting the target substance. The values listed in Table 1 are all obtained based on simulations, except for some values that are particularly shown.

【0047】[0047]

【表1】 [Table 1]

【0048】Neイオン流のエネルギーは、形成すべき
Si薄膜におけるスレッショルド・エネルギー以下に設
定されるので、Ne照射におけるスレッショルド・エネ
ルギーがSi薄膜よりも高い材料、例えば、表1に示さ
れるTa、W、Ptなどを用いて反応容器1、試料台1
0などを構成するとよい。また、それらの部材の表面、
例えば反応容器1の内壁あるいは試料台10の表面など
に、Ta等のスレッショルド・エネルギーが高い材料を
コーティングしても同様の効果が得られる。
Since the energy of the Ne ion flow is set to be equal to or lower than the threshold energy of the Si thin film to be formed, a material having a threshold energy in Ne irradiation higher than that of the Si thin film, for example, Ta and W shown in Table 1. , Pt etc. are used for the reaction container 1 and the sample table
0 or the like may be configured. In addition, the surface of those members,
For example, the same effect can be obtained by coating the inner wall of the reaction container 1 or the surface of the sample table 10 with a material having a high threshold energy such as Ta.

【0049】以上は、Si薄膜の形成を例として装置1
02の構成と動作について説明したが、装置102を用
いて、Si以外の軸配向多結晶薄膜を形成することも可
能である。例えば、GaAs薄膜を形成することも可能
である。この場合には、反応ガス供給管13より供給さ
れる反応ガスは、Ga(CH33等を含むGaAsの形
成に適した反応ガスが選ばれる。また、GaAsは2元
素から成る化合物であるが、照射されるイオン流または
原子流を構成する元素は、これらの2元素の中で原子量
が大きいAs元素よりも軽い元素、例えばNeまたはA
rを選ぶとよい。そして、照射エネルギーについても同
様に、原子量が大きいAs元素に関するスレッショルド
・エネルギー以下になるように設定される。
The above is an example of the apparatus 1 for forming a Si thin film.
Although the configuration and operation of No. 02 have been described, the apparatus 102 can be used to form an axially oriented polycrystalline thin film other than Si. For example, a GaAs thin film can be formed. In this case, as the reaction gas supplied from the reaction gas supply pipe 13, a reaction gas suitable for forming GaAs containing Ga (CH 3 ) 3 or the like is selected. Although GaAs is a compound consisting of two elements, the element forming the ion flow or atomic flow to be irradiated is lighter than the As element having a larger atomic weight among these two elements, such as Ne or A.
Choose r. Similarly, the irradiation energy is set to be equal to or lower than the threshold energy for the As element having a large atomic weight.

【0050】一般に、形成すべき薄膜が複数元素で構成
される場合には、照射されるイオン流または原子流を構
成する元素は、これらの複数元素の中の原子量が最大で
ある元素よりも軽い元素を選ぶとよい。そして、照射エ
ネルギーについても同様に、原子量が最大の元素に関す
るスレッショルド・エネルギー以下になるように設定さ
れる。このとき、装置102において、試料台10など
のイオン流または原子流の照射を受ける部材の表面を、
薄膜の材料よりもスレッショルド・エネルギーの高い材
料で構成するとよい。
In general, when the thin film to be formed is composed of a plurality of elements, the elements constituting the irradiated ion stream or atomic stream are lighter than the element having the largest atomic weight among these plurality of elements. Choose an element. Similarly, the irradiation energy is set so that the atomic weight is less than or equal to the threshold energy of the element having the maximum atomic weight. At this time, in the apparatus 102, the surface of a member such as the sample table 10 that is irradiated with the ion flow or the atomic flow is
It is preferable to use a material having a higher threshold energy than the material of the thin film.

【0051】あるいは、これらの表面を、薄膜と同一材
料で構成してもよい。例えば、装置102を、Siの軸
配向多結晶薄膜を形成するための装置として構成すると
きには、試料台10の表面等をSiでコーティングする
とよい。このように、構成すれば、試料台10等におい
てスパッタリングが発生しても、それが、異種元素によ
るSi薄膜の汚染を引き起こさないという利点が得られ
る。
Alternatively, these surfaces may be made of the same material as the thin film. For example, when the device 102 is configured as a device for forming an axially oriented polycrystalline thin film of Si, the surface of the sample stage 10 or the like may be coated with Si. According to this structure, even if sputtering occurs on the sample table 10 or the like, it does not cause contamination of the Si thin film with a different element.

【0052】さらに、試料台10などのイオン流または
原子流の照射を受ける部材の表面を、照射されるイオン
流または原子流を構成する元素よりも重い元素を含む材
料で構成するとよい。そうすることによって、イオン流
または原子流の照射にともなって、これらのイオン流ま
たは原子流を構成する元素がそれらの部材の中に侵入し
難いという利点が生まれる。このため、異種元素の侵入
によるこれらの部材の劣化が抑制される。
Further, the surface of the member such as the sample table 10 which is irradiated with the ion stream or the atomic stream may be made of a material containing an element heavier than the element constituting the irradiated ion stream or the atomic stream. By doing so, there is an advantage that the elements constituting the ion flow or the atomic flow are less likely to enter the members with the irradiation of the ion flow or the atomic flow. Therefore, deterioration of these members due to invasion of different elements is suppressed.

【0053】なお、装置102では、プラズマCVDに
よりSi薄膜が成長する過程で、同時に一軸配向性の多
結晶への転換が逐次進行する。このため、膜厚の大きい
軸配向多結晶Si薄膜を、しかも低温下で形成すること
が可能である。低温度下で軸配向多結晶薄膜を形成でき
るので、例えば既に所定のデバイスが作り込まれた基板
の上に、このデバイスの特性を変えることなく、一軸配
向結晶薄膜を形成することが可能である。
In the apparatus 102, the conversion into the uniaxially oriented polycrystal simultaneously proceeds successively in the process of growing the Si thin film by plasma CVD. Therefore, it is possible to form an axially oriented polycrystalline Si thin film having a large film thickness at a low temperature. Since an axially oriented polycrystalline thin film can be formed at a low temperature, for example, a uniaxially oriented crystalline thin film can be formed on a substrate on which a predetermined device is already formed without changing the characteristics of this device. .

【0054】また、以上の説明では、基板11は試料台
10の上に水平に載置され、その結果、原子流は基板1
1に垂直に入射した。このため、基板11の上に例えば
Siの軸配向多結晶薄膜を形成するときには、薄膜の表
面が(111)面となった。しかしながら、基板11を
試料台10に傾斜させて載置することによって、薄膜の
表面に対して傾斜した所望の方向に(111)面が一様
に配向したSiの軸配向多結晶薄膜を形成することも可
能である。
Further, in the above description, the substrate 11 is placed horizontally on the sample table 10, and as a result, the atomic flow is generated by the substrate 1.
1 was vertically incident. For this reason, when forming, for example, an axially oriented polycrystalline thin film of Si on the substrate 11, the surface of the thin film became the (111) plane. However, by mounting the substrate 11 on the sample table 10 with an inclination, an axially oriented polycrystalline thin film of Si in which the (111) plane is uniformly oriented in a desired direction inclined with respect to the surface of the thin film is formed. It is also possible.

【0055】なお、試料台10は、回転機構に連結され
るなど、基板11を水平回転可能な構造に構成してもよ
い。また、試料台10は、水平移動機構に連結されるな
ど、基板11を水平移動可能な構造に構成してもよい。
このように構成することによって、基板11の上に均一
に一軸配向薄膜を形成することが可能となる。
The sample stage 10 may be structured such that the substrate 11 can be horizontally rotated, such as being connected to a rotating mechanism. In addition, the sample table 10 may be configured to have a structure capable of horizontally moving the substrate 11, such as being connected to a horizontal moving mechanism.
With this configuration, it is possible to uniformly form the uniaxially oriented thin film on the substrate 11.

【0056】<1-4.実証データ>ここでは、上記の方法
によって軸配向多結晶薄膜が形成されることを実証した
試験について記述する。図4は、上記の方法に基づい
て、多結晶の石英基板11の上に軸配向多結晶Si薄膜
を形成した試料の電子線回折像を示す実験データであ
る。この実証試験では、基板11の表面に垂直にNe原
子流が照射された。
<1-4. Demonstration Data> Here, a test demonstrating that an axially oriented polycrystalline thin film is formed by the above method will be described. FIG. 4 is experimental data showing an electron beam diffraction image of a sample in which an axially oriented polycrystalline Si thin film is formed on a polycrystalline quartz substrate 11 based on the above method. In this verification test, the surface of the substrate 11 was vertically irradiated with the Ne atomic flow.

【0057】図4に示すように、回折スポットは一点に
現れるとともに、そのまわりの円周に沿って連続に分布
する。すなわち、実験の結果は、形成されたSi薄膜の
1つの(111)面が原子流の入射方向に垂直となるよ
うに配向するとともに、入射方向の周りの配向は任意で
あり、一方向に規制されないことを示している。すなわ
ち、この試料は一つの結晶軸のみが揃った多結晶Si、
すなわち軸配向多結晶Siとして形成されていることを
実証している。
As shown in FIG. 4, the diffraction spots appear at one point and are distributed continuously along the circumference of the circle. That is, the experimental result shows that one (111) plane of the formed Si thin film is oriented so as to be perpendicular to the incident direction of the atomic flow, and the orientation around the incident direction is arbitrary, and the orientation is restricted to one direction. Indicates that it will not be done. That is, this sample is polycrystalline Si having only one crystal axis aligned,
That is, it is proved that it is formed as axially oriented polycrystalline Si.

【0058】アモルファス構造よりも原子配列における
規則性の高い多結晶構造を有する石英基板11の上に、
軸配向多結晶Si薄膜を形成し得たことから、アモルフ
ァスSiなどのアモルファス構造を有する基板の上に軸
配向多結晶薄膜を形成することは当然に可能であると判
断し得る。また、多結晶粒の大きさを拡大した構造と等
価な単結晶構造を有する基板の上にも、同様に、軸配向
多結晶薄膜を形成することができるものと判断し得る。
On a quartz substrate 11 having a polycrystalline structure having a higher regularity in atomic arrangement than an amorphous structure,
Since the axially oriented polycrystalline Si thin film could be formed, it can be judged that it is naturally possible to form the axially oriented polycrystalline thin film on the substrate having an amorphous structure such as amorphous Si. Further, it can be judged that an axially oriented polycrystalline thin film can be similarly formed on a substrate having a single crystal structure equivalent to a structure in which the size of polycrystalline grains is enlarged.

【0059】<2.第2実施例>つぎに、この発明の第
2実施例について説明する。
<2. Second Embodiment> Next, a second embodiment of the present invention will be described.

【0060】<2-1.装置の全体構成>図5は、この実施
例の装置の全体構成を示す正面断面図である。なお、以
下の図において、図2に示した装置102と同一部分に
は同一符号を付して、その詳細な説明を略する。この装
置100は、基板の上に所定の物質の薄膜を成長させつ
つ、同時にこの薄膜を単結晶薄膜へと転換することによ
って、基板の上に単結晶薄膜を形成することを目的とし
て構成された単結晶薄膜形成装置である。
<2-1. Overall Configuration of Device> FIG. 5 is a front sectional view showing the overall configuration of the device of this embodiment. In the following figures, the same parts as those of the device 102 shown in FIG. 2 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. This device 100 is configured to form a single crystal thin film on a substrate by growing a thin film of a predetermined substance on the substrate and simultaneously converting this thin film into a single crystal thin film. It is a single crystal thin film forming apparatus.

【0061】図5に示すように、この装置100の構造
は、反射板12が試料台10に設置される点が、装置1
02とは特徴的に異なる。反射板12は、ECRイオン
源2から供給される原子流を反射することによって、原
子流を基板11へ複数方向から照射する目的で設置され
る。このため、反射板12は引出口9の直下に位置し、
しかも基板11の上方に位置するように設置される。
As shown in FIG. 5, the structure of the apparatus 100 is that the reflection plate 12 is installed on the sample table 10.
It is characteristically different from 02. The reflector 12 is installed for the purpose of irradiating the substrate 11 with the atomic flow from a plurality of directions by reflecting the atomic flow supplied from the ECR ion source 2. Therefore, the reflection plate 12 is located immediately below the outlet 9,
Moreover, it is installed so as to be located above the substrate 11.

【0062】<2-2.反射板の構成と機能>図6は、反射
板12の好ましい一例における斜視図である。また図7
は、図6に示した反射板の平面図であり、図8と図9は
分解図である。これらの図を参照しつつ、反射板12の
一例について説明する。
<2-2. Structure and Function of Reflecting Plate> FIG. 6 is a perspective view of a preferable example of the reflecting plate 12. See also FIG.
FIG. 8 is a plan view of the reflector shown in FIG. 6, and FIGS. 8 and 9 are exploded views. An example of the reflector 12 will be described with reference to these drawings.

【0063】この反射板12は、単結晶Siなどの、ダ
イヤモンド構造を有する単結晶を形成するための反射板
の一例である。反射板12は、平板状の遮蔽板51の中
央部に正六角形の開口部を規定する。遮蔽板51の下面
には、開口部を囲むように、3個の反射用ブロック53
が固定的に設置されている。反射用ブロック53は、貫
通孔57を貫通しネジ孔58に螺合するネジによって、
遮蔽板51に締結されている。その結果、遮蔽板51の
開口部の直下には、これらの反射用ブロック53で縁ど
りされた正三角形状の開口部54が形成される。
The reflector 12 is an example of a reflector for forming a single crystal having a diamond structure, such as single crystal Si. The reflector 12 defines a regular hexagonal opening in the center of the flat shield 51. On the lower surface of the shielding plate 51, three reflection blocks 53 are provided so as to surround the opening.
Is fixedly installed. The reflection block 53 is formed by a screw penetrating the through hole 57 and screwed into the screw hole 58.
It is fastened to the shield plate 51. As a result, an equilateral triangular opening 54 bordered by these reflection blocks 53 is formed immediately below the opening of the shielding plate 51.

【0064】上方から降り注ぐ原子流は、遮蔽板51に
よって選択的に遮蔽され、正六角形の開口部のみを通過
する。反射用ブロック53において、開口部54に面す
る斜面55が、気体ビームを反射する反射面として機能
する。図7の平面図に示されるように、3つの斜面55
はそれぞれ遮蔽板51の正六角形の開口部に選択的に露
出する。このため、上方から降り注ぐ原子流は、開口部
54を通過して基板11に垂直方向に直接入射する第1
の成分と、3つの斜面55のそれぞれによって反射され
ることによって基板11へ斜め方向から入射する第2〜
第4の成分の、合計4成分に分解される。
The atomic flow falling from above is selectively shielded by the shield plate 51 and passes only through the regular hexagonal opening. In the reflection block 53, the slope 55 facing the opening 54 functions as a reflection surface that reflects the gas beam. As shown in the plan view of FIG. 7, the three slopes 55
Are selectively exposed in the regular hexagonal openings of the shielding plate 51. Therefore, the atomic flow falling from above passes through the opening 54 and directly enters the substrate 11 in the vertical direction.
And the second to second components that are obliquely incident on the substrate 11 by being reflected by each of the three slopes 55.
The fourth component is decomposed into a total of four components.

【0065】図7に示すように、正三角形の開口部54
の三隅は、上方から見ると正六角形の開口部の1つおき
の隅に一致している。すなわち、上方から見て、正六角
形の開口部の隣合う二辺を等辺とする3つの二等辺三角
形の領域に、3つの斜面55がそれぞれ選択的に露出す
る。このことは、複数の斜面55による二重反射を防止
するとともに、基板11の上に均一に各原子流成分を照
射させることを可能にする。図10および図11を用い
てこのことを説明する。
As shown in FIG. 7, an equilateral triangular opening 54 is formed.
Seen from above, the three corners of are aligned with every other corner of the regular hexagonal opening. That is, when viewed from above, the three slopes 55 are selectively exposed in three isosceles triangular regions whose two sides that are adjacent to each other in the regular hexagonal opening are equal sides. This prevents double reflection due to the plurality of slopes 55, and makes it possible to uniformly irradiate the substrate 11 with each atomic flow component. This will be described with reference to FIGS. 10 and 11.

【0066】図10は、図7と同様に反射板12の平面
図である。また、図10に示されるA−A切断線に沿っ
た断面図を図11に示す。これらの図に示すように、二
等辺三角形の頂点に相当する1つの斜面55上の位置
(図におけるB点)に入射する原子流は、反射された後
に正三角形の開口部54の相対する頂点(図におけるC
点)へ入射する。したがって、開口部54の一辺とA−
A切断線との交点をD点と定義すると、斜面55上のB
−D間に飛来した原子流は、開口部54上のD−C間に
均等に分配される。
FIG. 10 is a plan view of the reflection plate 12 similarly to FIG. 11 is a sectional view taken along the line AA shown in FIG. As shown in these figures, the atomic flow incident on the position (point B in the figure) on one slope 55 corresponding to the apex of the isosceles triangle is reflected, and then the apex of the opening 54 of the equilateral triangle facing the apex. (C in the figure
Point). Therefore, one side of the opening 54 and A-
If the intersection with the A cutting line is defined as D point, B on the slope 55
The atomic flow coming between −D is evenly distributed between D and C on the opening 54.

【0067】A−A切断線を平行にずらして成る任意の
切断線E−E上に飛来する原子流についても同様のこと
がいえる。すなわち、引出口9から飛来する原子流は遮
蔽板51によって斜面55上に選択的に供給される結
果、反射された3成分の原子流が、基板11上の開口部
54の直下に相当する領域に均一に入射する。
The same can be said for an atomic flow flying on an arbitrary cutting line E-E formed by shifting the AA cutting line in parallel. That is, the atomic flow coming from the outlet 9 is selectively supplied onto the slope 55 by the shielding plate 51, and as a result, the reflected atomic flows of the three components correspond to a region directly below the opening 54 on the substrate 11. Incident evenly on.

【0068】また、正六角形の開口部を通過して1つの
斜面55に供給される原子流は、上述のようにすべて開
口部54上に入射し、隣接する他の斜面55へ入射する
ことがない。このため、原子流が複数の斜面55によっ
て多重反射された成分が基板11上に入射するという恐
れがない。
Further, as described above, all of the atomic flow passing through the regular hexagonal opening and supplied to one slope 55 is incident on the opening 54 and is incident on another adjacent slope 55. Absent. Therefore, there is no fear that the component in which the atomic flow is multiply reflected by the plurality of slopes 55 is incident on the substrate 11.

【0069】なお、斜面55の傾斜角は、図11に示し
たように例えば55゜に設定される。
The inclination angle of the slope 55 is set to, for example, 55 ° as shown in FIG.

【0070】このとき、斜面55で反射された原子流
は、開口部54の直下に位置する基板11の上に70゜
の入射角をもって入射する。すなわち、基板11には第
1成分が垂直に入射するとともに、第2〜第4成分が7
0゜の入射角をもって、しかも第1の成分の入射方向の
周りに3回対称な方向に入射する。このとき、これらの
第1〜第4の成分の入射方向は、Si単結晶の最稠密面
である4つの(111)面に垂直な4方向に、それぞれ
対応する。
At this time, the atomic flow reflected by the slope 55 is incident on the substrate 11 located immediately below the opening 54 with an incident angle of 70 °. That is, the first component is vertically incident on the substrate 11, and the second to fourth components are
It has an incident angle of 0 ° and is incident in a three-fold symmetrical direction around the incident direction of the first component. At this time, the incident directions of these first to fourth components correspond to the four directions perpendicular to the four (111) planes, which are the densest planes of the Si single crystal.

【0071】<2-3.装置の動作>図5に戻って、装置1
00の動作について説明する。反射板12として、図6
〜図9に示した反射板12を用い、基板11として多結
晶SiO2(石英)を用い、この石英基板11の上に単
結晶Siの薄膜を形成する例を取り上げる。反射板12
における斜面55の傾斜角は55゜に設定されているも
のとする。
<2-3. Operation of Device> Returning to FIG.
The operation of 00 will be described. As the reflector 12, FIG.
An example of forming a thin film of single crystal Si on the quartz substrate 11 using the reflection plate 12 shown in FIG. 9 and using polycrystalline SiO 2 (quartz) as the substrate 11 will be taken up. Reflector 12
The slope angle of the slope 55 is set to 55 °.

【0072】反応ガス供給管13a、13b、および1
3cのそれぞれから、単結晶Siの主材料であるSiを
供給するSiH4(シラン)ガス、p型不純物をドープ
するためのB23(ジボラン)ガス、およびn型不純物
をドープするためのPH3(ホスフィン)ガスが供給さ
れる。不活性ガス導入管7から導入される不活性ガスと
しては、好ましくはSi原子よりも原子量の小さいNe
ガスが選択される。
Reaction gas supply pipes 13a, 13b, and 1
3c, SiH 4 (silane) gas for supplying Si, which is the main material of single crystal Si, B 2 H 3 (diborane) gas for doping p-type impurities, and n-type impurities for doping PH 3 (phosphine) gas is supplied. The inert gas introduced from the inert gas introducing pipe 7 is preferably Ne whose atomic weight is smaller than that of Si atoms.
Gas is selected.

【0073】ECRイオン発生器2の働きにより、引出
口9から下方に向かってNe+イオン流と電子流が形成
される。引出口9から反射板12までの距離は、好まし
くは、Ne+イオン流が殆ど中性Ne原子流に転換され
るのに十分なだけの大きさに設定される。
By the action of the ECR ion generator 2, a Ne + ion flow and an electron flow are formed downward from the outlet 9. The distance from the outlet 9 to the reflector 12 is preferably set to be large enough to convert the Ne + ion flow into an almost neutral Ne atomic flow.

【0074】このため、図2に示した装置102と同様
に、基板11の上面においてプラズマCVD反応が進行
し、アモルファスSi薄膜が成長する。また、ジボラン
ガスまたはホスフィンガスをその流量を適正に調整しつ
つ供給することによって、これらのガスによるプラズマ
CVD反応も同時に進行し、B(ボロン)またはP
(燐)を所望の濃度で含有するSi薄膜が形成される。
Therefore, similar to the apparatus 102 shown in FIG. 2, the plasma CVD reaction proceeds on the upper surface of the substrate 11 to grow an amorphous Si thin film. Further, by supplying diborane gas or phosphine gas while appropriately adjusting the flow rate thereof, the plasma CVD reaction by these gases also progresses at the same time, and B (boron) or P
A Si thin film containing (phosphorus) in a desired concentration is formed.

【0075】同時に、反射板12の働きによって、基板
11上に形成されつつあるアモルファスSi薄膜には、
Ne原子流の4成分が照射される。そして、これらの4
成分の入射方向は、前述したようにSi単結晶の4つの
(111)面に垂直な方向に対応する。さらに、装置1
02におけると同様に、ECRイオン発生器2によって
形成されるプラズマのエネルギーは、基板11に到達す
るNe原子のエネルギーが、Ne原子の照射によるSi
のスパッタリングにおけるスレッショルド・エネルギー
(=27eV)よりも低くなるように設定される。した
がって、成長しつつあるアモルファスSi薄膜に、ブラ
ベーの法則が作用する。すなわち、アモルファスSiに
照射されるNe原子流の4成分に垂直な面が、最稠密結
晶面となるようにアモルファスSi内のSi原子が再配
列する。
At the same time, the amorphous Si thin film which is being formed on the substrate 11 by the function of the reflection plate 12 is
The four components of the Ne atomic flow are irradiated. And these four
The incident direction of the component corresponds to the direction perpendicular to the four (111) planes of the Si single crystal as described above. Furthermore, the device 1
As in 02, the energy of the plasma formed by the ECR ion generator 2 is the energy of the Ne atoms reaching the substrate 11 is the Si produced by the irradiation of the Ne atoms.
Is set to be lower than the threshold energy (= 27 eV) in the sputtering of. Therefore, Bravais's law acts on the growing amorphous Si thin film. That is, the Si atoms in the amorphous Si are rearranged so that the plane perpendicular to the four components of the Ne atomic flow with which the amorphous Si is irradiated becomes the densest crystal plane.

【0076】すなわち、互いに独立な入射方向を有する
4つの(複数の)Ne原子流の成分によって、(11
1)面の方向が規制されるので、Si原子が再配列する
ことによって、単一の結晶方位を有する単結晶Siが形
成される。すなわち、プラズマCVDによって成長しつ
つあるアモルファスSi薄膜は、結晶方位の揃った単結
晶Si薄膜へ逐次転換される。その結果、最終的に基板
11の上に結晶方位の揃った単結晶Si薄膜が形成され
る。なお、この単結晶Si薄膜は、表面が(111)面
となる。
That is, by the four (plural) Ne atomic flow components having mutually independent incident directions, (11
1) Since the direction of the plane is regulated, rearrangement of Si atoms forms single crystal Si having a single crystal orientation. That is, the amorphous Si thin film growing by plasma CVD is sequentially converted into a single crystal Si thin film having a uniform crystal orientation. As a result, a single crystal Si thin film having a uniform crystal orientation is finally formed on the substrate 11. The surface of this single crystal Si thin film is the (111) plane.

【0077】反応ガス供給管13より、ジボランガスま
たはホスフィンガスを、シランガスと同時に供給するこ
とによって、BまたはPが添加されたp型またはn型の
単結晶Si薄膜が形成される。また、不純物元素を含有
するこれらの反応ガスを、交互に供給することによっ
て、例えばp型単結晶Si層の上に、等軸のn型単結晶
Si層を形成することも可能である。
By supplying diborane gas or phosphine gas from the reaction gas supply pipe 13 at the same time as the silane gas, a p-type or n-type single crystal Si thin film to which B or P is added is formed. Further, it is possible to form an equiaxial n-type single crystal Si layer on, for example, a p-type single crystal Si layer by alternately supplying these reaction gases containing an impurity element.

【0078】このように、装置100では、プラズマC
VDによりSi薄膜が成長する過程で、同時に単結晶へ
の転換が逐次進行する。このため、従来の方法に比べて
はるかに効率よく単結晶薄膜を形成し得る。しかも、外
部から種結晶を付加する必要がないので、工程が簡単で
あるとともに確実に単結晶薄膜を形成することができ
る。さらに、膜厚の大きい単結晶Si薄膜を、しかも低
温下で形成することが可能である。低温度下で単結晶薄
膜を形成できるので、例えば既に所定のデバイスが作り
込まれた基板の上に、このデバイスの特性を変えること
なく、更に新たな単結晶薄膜を形成することが可能であ
る。
As described above, in the apparatus 100, the plasma C
In the process of growing the Si thin film by VD, the conversion to a single crystal simultaneously proceeds sequentially. Therefore, the single crystal thin film can be formed much more efficiently than the conventional method. Moreover, since it is not necessary to add a seed crystal from the outside, the process is simple and the single crystal thin film can be reliably formed. Further, it is possible to form a single crystal Si thin film having a large film thickness at a low temperature. Since a single crystal thin film can be formed at a low temperature, for example, a new single crystal thin film can be formed on a substrate on which a predetermined device is already formed without changing the characteristics of this device. .

【0079】また、この装置100では、1台のECR
イオン源2が供給する1本の原子流を複数の成分に分離
して、それぞれを複数の方向から基板11へ照射するの
で、複数の原子流成分を照射するために、原子流成分と
同数のECRイオン源2を準備する必要がないという利
点がある。
Further, in this apparatus 100, one ECR
Since one atomic flow supplied by the ion source 2 is separated into a plurality of components and each of them is irradiated to the substrate 11 from a plurality of directions, the same number of atomic flow components as the atomic flow components are irradiated to irradiate the plurality of atomic flow components. There is an advantage that it is not necessary to prepare the ECR ion source 2.

【0080】また、反射板12を使用するので、複数の
斜面55による原子流の多重散乱が起こらない。このた
め、基板11へは所定の4方向以外の方向からの原子流
の照射は起こらない。しかも、反射板12は、基板11
への原子流の均一な照射を実現するので、所定の4方向
からの原子流の照射が均一に行われる。このため、基板
11の上に単結晶Si薄膜が均一に形成される。
Further, since the reflector 12 is used, multiple scattering of the atomic flow by the plurality of slopes 55 does not occur. Therefore, the substrate 11 is not irradiated with the atomic flow from directions other than the predetermined four directions. Moreover, the reflector 12 is the substrate 11
Since the uniform irradiation of the atomic flow is realized, the irradiation of the atomic flow from the predetermined four directions is uniformly performed. Therefore, the single crystal Si thin film is uniformly formed on the substrate 11.

【0081】ところで、装置100において、Ne原子
流あるいは中性化する前のNeイオン流の照射を受ける
可能性のある部分、例えば、反射板12、反応容器1の
内壁、試料台10などは、照射によってスパッタリング
が発生しない材料、すなわちNeイオン流のエネルギー
よりもスレッショルド・エネルギーの高い材料で構成さ
れる。例えば、表1に示されるTa、W、Ptなどで構
成される。そのため、これらの部材においてNe原子流
またはNeイオン流の照射によるスパッタリングが発生
しないので、これらの部材を構成する材料元素による薄
膜への汚染が防止される。
By the way, in the apparatus 100, a portion which may be irradiated with the Ne atomic flow or the Ne ion flow before being neutralized, for example, the reflector 12, the inner wall of the reaction container 1, the sample stage 10, etc. It is composed of a material that does not generate sputtering by irradiation, that is, a material having a threshold energy higher than the energy of the Ne ion flow. For example, it is composed of Ta, W, Pt, etc. shown in Table 1. Therefore, since the sputtering due to the irradiation of the Ne atomic flow or the Ne ion flow does not occur in these members, the contamination of the thin film by the material elements forming these members is prevented.

【0082】また、それらの部材においてNe原子流の
照射を受ける表面、例えば遮蔽板51の上面、斜面55
などに、Ta等のスレッショルド・エネルギーが高い材
料をコーティングしても同様の効果が得られる。
Further, the surface of these members which is irradiated with the Ne atomic flow, for example, the upper surface of the shielding plate 51 and the slope 55.
For example, the same effect can be obtained by coating a material having a high threshold energy such as Ta.

【0083】以上は、Si薄膜の形成を例として装置1
00の構成と動作について説明したが、装置100を用
いて、Si以外の軸配向多結晶薄膜を形成することも可
能である。例えば、GaAs薄膜を形成することも可能
である。斜面55の傾斜角、個数等の反射板12の構造
を適宜変更することによって、任意の物質、結晶構造、
および結晶方位を有する単結晶薄膜を形成することがで
きる。反射板12の表面等は、薄膜の材料よりもスレッ
ショルド・エネルギーの高い材料で構成される。
In the above, the apparatus 1 is exemplified by the formation of the Si thin film.
Although the configuration and operation of No. 00 have been described, the apparatus 100 can be used to form an axially oriented polycrystalline thin film other than Si. For example, a GaAs thin film can be formed. By appropriately changing the structure of the reflection plate 12 such as the inclination angle of the slope 55 and the number thereof, an arbitrary substance, crystal structure,
And a single crystal thin film having a crystal orientation can be formed. The surface of the reflection plate 12 is made of a material having a threshold energy higher than that of the material of the thin film.

【0084】反射板12等の表面を薄膜の材料よりもス
レッショルド・エネルギーの高い材料で構成する代わり
に、薄膜と同一材料で構成してもよい。例えば、装置1
00を、Siの単結晶薄膜を形成するための装置として
構成するときには、反射板12の表面等をSiでコーテ
ィングするとよい。このように、構成すれば、反射板1
2等においてスパッタリングが発生しても、それが、異
種元素によるSi薄膜の汚染を引き起こさないという利
点が得られる。
The surface of the reflector 12 or the like may be made of the same material as the thin film, instead of being made of a material having a threshold energy higher than that of the thin film. For example, device 1
When 00 is configured as an apparatus for forming a single crystal thin film of Si, the surface of the reflection plate 12 or the like may be coated with Si. With this configuration, the reflector 1
Even if sputtering occurs in No. 2 etc., it has an advantage that it does not cause contamination of the Si thin film with a different element.

【0085】さらに、反射板12等の表面を、照射され
るイオン流または原子流を構成する元素よりも重い元素
を含む材料で構成するとよい。そうすることによって、
イオン流または原子流の照射にともなって、これらのイ
オン流または原子流を構成する元素がそれらの部材の中
に侵入し難いという利点が生まれる。このため、異種元
素の侵入によるこれらの部材の劣化が抑制される。
Further, the surface of the reflection plate 12 or the like may be made of a material containing an element heavier than the element forming the irradiated ion stream or atomic stream. By doing so,
With the irradiation of the ion stream or the atomic stream, there is an advantage that the elements forming the ion stream or the atomic stream hardly invade into the members. Therefore, deterioration of these members due to invasion of different elements is suppressed.

【0086】<2-4.実証データ>つぎに、上記の方法に
よって単結晶薄膜が形成されることを実証した試験につ
いて記述する。図12は、上記の方法に基づいて、多結
晶石英基板11の上に単結晶Si薄膜を形成した試料の
電子線回折像を示す実験データである。
<2-4. Demonstration Data> Next, a test demonstrating that a single crystal thin film is formed by the above method will be described. FIG. 12 is experimental data showing an electron diffraction image of a sample in which a single crystal Si thin film is formed on a polycrystalline quartz substrate 11 based on the above method.

【0087】実験の結果、図12に示すように、3回回
転対称の回折スポットが得られた。このことは、得られ
た試料が、結晶軸がすべて揃った単結晶Siとして形成
されていることを実証するものである。アモルファス構
造よりも原子配列における規則性の高い多結晶構造を有
する石英基板11の上に、単結晶Si薄膜を形成し得た
ことから、アモルファスSiなどのアモルファス構造を
有する基板の上に単結晶薄膜を形成することは当然に可
能であると判断し得る。また、多結晶粒の大きさを拡大
した構造と等価である単結晶構造を有する基板の上に、
この基板の単結晶の配向方向とは無関係な所望の方向に
配向した単結晶薄膜を形成することができる。
As a result of the experiment, as shown in FIG. 12, a diffraction spot having three-fold rotational symmetry was obtained. This demonstrates that the obtained sample was formed as single crystal Si with all crystal axes aligned. Since the single crystal Si thin film could be formed on the quartz substrate 11 having a polycrystalline structure having a higher atomic order than the amorphous structure, the single crystal thin film is formed on the substrate having an amorphous structure such as amorphous Si. It can be judged that it is naturally possible to form In addition, on a substrate having a single crystal structure that is equivalent to a structure in which the size of polycrystalline grains is enlarged,
A single crystal thin film oriented in a desired direction independent of the orientation direction of the single crystal of the substrate can be formed.

【0088】<3.第3実施例>つぎに、この発明の第
3実施例の装置について述べる。図13は、この実施例
の装置の全体構成を示す正面断面図である。この装置1
01は、基板の上に非晶質構造あるいは多結晶構造を有
する所定の物質の薄膜をあらかじめ形成させておき、そ
の後、この薄膜を単結晶薄膜へと転換することによっ
て、基板の上に単結晶薄膜を形成することを目的として
構成された単結晶薄膜形成装置である。
<3. Third Embodiment> Next, an apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 13 is a front sectional view showing the overall structure of the apparatus of this embodiment. This device 1
01 is a single crystal formed on a substrate by forming a thin film of a predetermined substance having an amorphous structure or a polycrystalline structure on the substrate in advance and then converting this thin film into a single crystal thin film. A single crystal thin film forming apparatus configured for the purpose of forming a thin film.

【0089】図13に示すように、この装置101の構
造は、反応ガス供給管13が設けられない点が、装置1
00とは特徴的に異なる。また、試料台10は、図示し
ないヒータを備えており、このヒータの作用により基板
11を加熱し、適正な高温度に保持することが可能であ
る。
As shown in FIG. 13, the structure of this apparatus 101 is that the reaction gas supply pipe 13 is not provided in the apparatus 1
Characteristically different from 00. Further, the sample table 10 is provided with a heater (not shown), and by the action of this heater, the substrate 11 can be heated and kept at an appropriate high temperature.

【0090】図13を参照しつつ、装置101の基本的
な動作について説明する。反射板12として図6〜図9
に示した反射板12を用い、基板11として多結晶の石
英基板を用い、この石英基板11の上に単結晶Si薄膜
を形成する例を取り上げる。石英基板11の上には、C
VD(化学気相成長法)等の既知の方法を用いて、多結
晶Si薄膜があらかじめ形成されているものとする。
The basic operation of the apparatus 101 will be described with reference to FIG. 6 to 9 as the reflector 12.
An example in which the reflection plate 12 shown in FIG. 2 is used, a polycrystalline quartz substrate is used as the substrate 11, and a single crystal Si thin film is formed on the quartz substrate 11 will be taken up. On the quartz substrate 11, C
It is assumed that the polycrystalline Si thin film is previously formed by using a known method such as VD (chemical vapor deposition method).

【0091】まず、基板11を試料台10と反射板12
の間へ装着する。試料台10が備えるヒータは、基板1
1を550゜Cの温度に保持する。この温度は、シリコ
ンの結晶化温度よりも低い温度であるために、この温度
の下では、一旦形成された単結晶Siが多結晶Siへと
逆戻りすることはない。同時にこの温度は、種結晶が存
在すれば、この種結晶を核として多結晶Siが単結晶S
iへと成長し得るほどには高温度である。
First, the substrate 11 is used as the sample table 10 and the reflection plate 12.
Install between. The heater provided in the sample table 10 is the substrate 1
Hold 1 at a temperature of 550 ° C. Since this temperature is lower than the crystallization temperature of silicon, single crystal Si once formed does not revert to polycrystalline Si under this temperature. At the same time, at this temperature, if a seed crystal is present, polycrystalline Si is a single crystal S with the seed crystal as a nucleus.
The temperature is high enough to grow to i.

【0092】第1実施例で述べたと同じ理由により、基
板11に照射すべき原子流としてNe原子流が選択さ
れ、しかも、ECRイオン源2によって形成されるNe
プラズマのエネルギーは、基板11に到達するNe原子
のエネルギーが、Siのスパッタリングにおけるスレッ
ショルド・エネルギーよりも低くなるように設定され
る。また、反射板12の働きによって、基板11上に形
成されている多結晶Si薄膜には、Ne原子流の4成分
が照射される。そして、これらの4成分の入射方向は、
Si単結晶の4つの(111)面に垂直な方向に対応す
る。
For the same reason as described in the first embodiment, the Ne atomic flow is selected as the atomic flow to be irradiated on the substrate 11, and the Ne formed by the ECR ion source 2 is also selected.
The energy of plasma is set so that the energy of Ne atoms reaching the substrate 11 is lower than the threshold energy in Si sputtering. Further, due to the function of the reflection plate 12, the polycrystalline Si thin film formed on the substrate 11 is irradiated with the four components of the Ne atomic flow. And, the incident directions of these four components are
It corresponds to the direction perpendicular to the four (111) planes of the Si single crystal.

【0093】このため、多結晶Si薄膜の表面近傍にブ
ラベーの法則が作用することによって、多結晶Si薄膜
に照射されるNe原子流の4成分の入射方向に垂直な面
が最稠密面となるように、多結晶Si薄膜の表面近傍に
おけるSi原子が再配列する。すなわち、互いに独立な
入射方向を有する4つの(複数の)Ne原子流の成分に
よって、表面近傍における(111)面の方向が規制さ
れるので、多結晶Si薄膜の表面近傍の層が、結晶方位
の揃った単結晶Si層へと転換される。
Therefore, due to the Bravay's law acting near the surface of the polycrystalline Si thin film, the surface perpendicular to the incident direction of the four components of the Ne atomic flow irradiated on the polycrystalline Si thin film becomes the densest surface. Thus, the Si atoms near the surface of the polycrystalline Si thin film are rearranged. That is, the direction of the (111) plane in the vicinity of the surface is regulated by the components of four (plural) Ne atomic flows having mutually independent incident directions. Is converted into a single-crystal Si layer having a uniform structure.

【0094】多結晶Si薄膜の温度は、前述のように5
50゜Cすなわち種結晶が成長するに適した範囲内の温
度に調整されている。このため、多結晶Si薄膜の表面
に形成された単結晶Si層が種結晶として機能し、単結
晶Si層が多結晶Si薄膜の深部に向かって成長する。
そして、多結晶Si薄膜の全領域が単結晶Si層へ転換
される。このようにして、石英基板11の上に結晶方位
の揃った単結晶Si層が形成される。
The temperature of the polycrystalline Si thin film is 5 as described above.
The temperature is adjusted to 50 ° C., that is, within the range suitable for growing the seed crystal. Therefore, the single crystal Si layer formed on the surface of the polycrystalline Si thin film functions as a seed crystal, and the single crystal Si layer grows toward the deep portion of the polycrystalline Si thin film.
Then, the entire region of the polycrystalline Si thin film is converted into the single crystal Si layer. In this way, a single crystal Si layer having a uniform crystal orientation is formed on the quartz substrate 11.

【0095】照射によって多結晶Si薄膜の表面に形成
され、種結晶として機能する単結晶Si層は、多結晶S
i薄膜から転化して形成されたものであるので、その深
部側に残っている多結晶Siの層とは一体をなしてい
る。すなわち、多結晶Siの層と種結晶との間の接触性
は完全である。このため、縦方向の固相エピタキシャル
成長が良好に進行する。また、種結晶と固相エピタキシ
ャル成長によって形成された単結晶Siとは、ともに同
一結晶方位を有する同一物質の単結晶であるために、単
結晶Si薄膜を形成した後に種結晶を除去する必要がな
い。また、単結晶Si薄膜が、縦方向の固相エピタキシ
ャル成長によって形成されるので、横方向に成長する従
来の技術に比べて、短時間で効率よく所望の単結晶Si
薄膜を得ることができる。
The single crystal Si layer formed on the surface of the polycrystalline Si thin film by irradiation and functioning as a seed crystal is a polycrystalline S layer.
Since it is formed by converting the i thin film, it is integrated with the layer of polycrystalline Si remaining on the deep side thereof. That is, the contact between the layer of polycrystalline Si and the seed crystal is perfect. Therefore, the solid phase epitaxial growth in the vertical direction proceeds well. Further, since the seed crystal and the single crystal Si formed by solid phase epitaxial growth are both single crystals of the same substance having the same crystal orientation, it is not necessary to remove the seed crystal after forming the single crystal Si thin film. . Further, since the single crystal Si thin film is formed by solid phase epitaxial growth in the vertical direction, the desired single crystal Si can be efficiently formed in a short time as compared with the conventional technique of growing in the horizontal direction.
A thin film can be obtained.

【0096】ところで、装置100と同様に、装置10
1においても、Ne原子流あるいは中性化する前のNe
イオン流の照射を受ける可能性のある部分、例えば、反
射板12、反応容器1の内壁、試料台10などにおい
て、少なくともその表面は、照射によってスパッタリン
グが発生しない材料、例えば、表1に示されるTa、
W、Ptなどで構成される。そのため、これらの部材に
おいてNe原子流またはNeイオン流の照射によるスパ
ッタリングが発生しないので、これらの部材を構成する
材料元素による薄膜への汚染が防止される。
By the way, like the device 100, the device 10
In No. 1 as well, Ne atom flow or Ne before neutralization
At least the surface of the portion that may be irradiated with the ion stream, for example, the reflection plate 12, the inner wall of the reaction container 1, the sample table 10, etc., is a material that does not generate sputtering by irradiation, for example, shown in Table 1. Ta,
It is composed of W, Pt, and the like. Therefore, since the sputtering due to the irradiation of the Ne atomic flow or the Ne ion flow does not occur in these members, the contamination of the thin film by the material elements forming these members is prevented.

【0097】以上は、Si薄膜の形成を例として装置1
01の構成と動作について説明したが、装置101を用
いて、Si以外の軸配向多結晶薄膜を形成することも可
能である。例えば、GaAs薄膜を形成することも可能
である。この場合にも、反射板12の表面等は、薄膜の
材料よりもスレッショルド・エネルギーの高い材料で構
成される。また、装置100と同様に、反射板12等の
表面を薄膜の材料よりもスレッショルド・エネルギーの
高い材料で構成する代わりに、薄膜と同一材料で構成し
てもよい。さらに、反射板12等の表面を、照射される
イオン流または原子流を構成する元素よりも重い元素を
含む材料で構成するとよい。
In the above, the apparatus 1 is exemplified by the formation of the Si thin film.
Although the configuration and operation of No. 01 have been described, the apparatus 101 can be used to form an axially oriented polycrystalline thin film other than Si. For example, a GaAs thin film can be formed. Also in this case, the surface of the reflection plate 12 is made of a material having a higher threshold energy than the material of the thin film. Further, as in the device 100, the surface of the reflection plate 12 or the like may be made of the same material as the thin film, instead of being made of a material having a higher threshold energy than the material of the thin film. Furthermore, the surface of the reflector 12 or the like may be made of a material containing an element that is heavier than the elements that make up the irradiated ion or atomic flow.

【0098】<4.第4実施例>つぎに、この発明の第
4実施例の装置について述べる。図14は、この実施例
の装置の全体構成を示す正面断面図である。この装置1
03は、基板の上に非晶質構造あるいは多結晶構造を有
する所定の物質の薄膜をあらかじめ形成させておき、そ
の後、この薄膜を軸配向多結晶薄膜へと転換することに
よって、基板の上に軸配向多結晶薄膜を形成することを
目的として構成された軸配向多結晶薄膜形成装置であ
る。
<4. Fourth Embodiment> Next, an apparatus according to a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 14 is a front sectional view showing the overall structure of the apparatus of this embodiment. This device 1
In No. 03, a thin film of a predetermined substance having an amorphous structure or a polycrystalline structure is formed on a substrate in advance, and then this thin film is converted into an axially oriented polycrystalline thin film, so that the thin film is formed on the substrate. An apparatus for forming an axially oriented polycrystalline thin film, which is configured for the purpose of forming an axially oriented polycrystalline thin film.

【0099】図14に示すように、この装置102は、
装置101(図13)から反射板12を除去した構造を
有する。また装置101と同様に、試料台10は図示し
ないヒータを備えており、このヒータの作用により基板
11を加熱し、適正な高温度に保持することが可能であ
る。
As shown in FIG. 14, the device 102 is
It has a structure in which the reflector 12 is removed from the device 101 (FIG. 13). Further, similarly to the apparatus 101, the sample table 10 is provided with a heater (not shown), and the action of this heater can heat the substrate 11 and maintain it at an appropriate high temperature.

【0100】図14を参照しつつ、装置103の基本的
な動作について説明する。基板11として多結晶の石英
基板を用い、この石英基板11の上に軸配向多結晶Si
薄膜を形成する例を取り上げる。石英基板11の上に
は、CVD(化学気相成長法)等の既知の方法を用い
て、多結晶Si薄膜があらかじめ形成されているものと
する。この多結晶Si薄膜は、各結晶粒が任意の方向に
配向した通常の多結晶構造であってよい。
The basic operation of the apparatus 103 will be described with reference to FIG. A polycrystalline quartz substrate is used as the substrate 11, and an axially oriented polycrystalline Si is formed on the quartz substrate 11.
Take an example of forming a thin film. It is assumed that a polycrystalline Si thin film is previously formed on the quartz substrate 11 by using a known method such as CVD (chemical vapor deposition method). This polycrystalline Si thin film may have a normal polycrystalline structure in which each crystal grain is oriented in an arbitrary direction.

【0101】まず、基板11を試料台10の上に装着す
る。試料台10が備えるヒータは、基板11を550゜
Cの温度に保持する。この温度は、シリコンの結晶化温
度よりも低い温度であるために、この温度の下では、一
旦形成された軸配向多結晶Siが元の通常の多結晶Si
へと逆戻りすることはない。同時にこの温度は、種結晶
が存在すれば、この種結晶を核として通常の多結晶Si
が軸配向多結晶Siへと成長し得るほどには高温度であ
る。
First, the substrate 11 is mounted on the sample table 10. The heater provided in the sample table 10 holds the substrate 11 at a temperature of 550 ° C. Since this temperature is lower than the crystallization temperature of silicon, under this temperature, the axially oriented polycrystalline Si that has been formed once becomes the original ordinary polycrystalline Si.
There is no going back to. At the same time, if a seed crystal is present, this temperature is the same as that of ordinary polycrystalline Si with this seed crystal as a nucleus.
Is high enough to grow into axially oriented polycrystalline Si.

【0102】引出口9を通過したイオン流は原子流とな
って基板11の表面に垂直に入射する。第1実施例で述
べたと同じ理由により、基板11に照射すべき原子流と
してNe原子流が選択され、しかも、ECRイオン源2
によって形成されるNeプラズマのエネルギーは、基板
11に到達するNe原子のエネルギーが、Siのスパッ
タリングにおけるスレッショルド・エネルギーよりも低
くなるように設定される。
The ion flow passing through the outlet 9 becomes an atomic flow and is vertically incident on the surface of the substrate 11. For the same reason as described in the first embodiment, the Ne atomic flow is selected as the atomic flow to be applied to the substrate 11, and the ECR ion source 2 is used.
The energy of Ne plasma formed by is set so that the energy of Ne atoms reaching the substrate 11 is lower than the threshold energy in Si sputtering.

【0103】このため、多結晶Si薄膜の表面近傍にブ
ラベーの法則が作用することによって、多結晶Si薄膜
に照射されるNe原子流の入射方向に垂直な面が最稠密
面となるように、多結晶Si薄膜の表面近傍におけるS
i原子が再配列する。すなわち、(111)面が表面に
沿うように一軸方向が揃った軸配向多結晶Si層へと多
結晶Si薄膜の表面近傍の層が転換される。
For this reason, the Brave's law acts in the vicinity of the surface of the polycrystalline Si thin film so that the surface perpendicular to the incident direction of the Ne atomic flow with which the polycrystalline Si thin film is irradiated becomes the densest surface. S near the surface of the polycrystalline Si thin film
i atoms rearrange. That is, the layer in the vicinity of the surface of the polycrystalline Si thin film is converted into an axially oriented polycrystalline Si layer whose uniaxial direction is aligned so that the (111) plane is along the surface.

【0104】多結晶Si薄膜の温度は、前述のように5
50゜Cすなわち種結晶が成長するに適した範囲内の温
度に調整されている。このため、通常の多結晶Si薄膜
の表面に形成された軸配向多結晶Si層が種結晶として
機能し、軸配向多結晶Si層が通常の多結晶Si薄膜の
深部に向かって成長する。そして、多結晶Si薄膜の全
領域が軸配向多結晶Si層へ転換される。このようにし
て、石英基板11の上に、(111)が表面に沿うよう
に配向した軸配向多結晶Si薄膜が形成される。
The temperature of the polycrystalline Si thin film is 5 as described above.
The temperature is adjusted to 50 ° C., that is, within the range suitable for growing the seed crystal. Therefore, the axially oriented polycrystalline Si layer formed on the surface of the ordinary polycrystalline Si thin film functions as a seed crystal, and the axially oriented polycrystalline Si layer grows toward the deep portion of the ordinary polycrystalline Si thin film. Then, the entire region of the polycrystalline Si thin film is converted into an axially oriented polycrystalline Si layer. In this way, an axially oriented polycrystalline Si thin film in which (111) is oriented along the surface is formed on the quartz substrate 11.

【0105】なお、基板11の上に通常の多結晶Si薄
膜をあらかじめ形成する代わりに、アモルファスSi薄
膜をあらかじめ形成した後に、装置103に供すること
によっても、軸配向多結晶Si薄膜を形成することがで
きる。
Instead of forming a normal polycrystalline Si thin film on the substrate 11 in advance, an amorphous Si thin film may be formed in advance and then provided to the apparatus 103 to form an axially oriented polycrystalline Si thin film. You can

【0106】ところで、装置102と同様に、装置10
3においても、Ne原子流あるいは中性化する前のNe
イオン流の照射を受ける可能性のある部分、例えば、反
応容器1の内壁、試料台10などにおいて、少なくとも
その表面は、照射によってスパッタリングが発生しない
材料、例えば、表1に示されるTa、W、Ptなどで構
成される。そのため、これらの部材においてNe原子流
またはNeイオン流の照射によるスパッタリングが発生
しないので、これらの部材を構成する材料元素による薄
膜への汚染が防止される。
By the way, similar to the device 102, the device 10
3 also, Ne atom flow or Ne before neutralization
At least the surface of the portion that may be irradiated with the ion stream, for example, the inner wall of the reaction vessel 1, the sample stage 10 or the like, is made of a material that does not generate sputtering by irradiation, such as Ta, W, or the like shown in Table 1. It is composed of Pt or the like. Therefore, since the sputtering due to the irradiation of the Ne atomic flow or the Ne ion flow does not occur in these members, the contamination of the thin film by the material elements forming these members is prevented.

【0107】以上は、Si薄膜の形成を例として装置1
03の構成と動作について説明したが、装置103を用
いて、Si以外の軸配向多結晶薄膜を形成することも可
能である。例えば、GaAs薄膜を形成することも可能
である。この場合にも、試料台10の表面等は、薄膜の
材料よりもスレッショルド・エネルギーの高い材料で構
成される。また、装置102と同様に、試料台10等の
表面を薄膜の材料よりもスレッショルド・エネルギーの
高い材料で構成する代わりに、薄膜と同一材料で構成し
てもよい。さらに、試料台10等の表面を、照射される
イオン流または原子流を構成する元素よりも重い元素を
含む材料で構成するとよい。
The above is an example of the apparatus 1 using the formation of the Si thin film as an example.
Although the configuration and operation of No. 03 have been described, the apparatus 103 can be used to form an axially oriented polycrystalline thin film other than Si. For example, a GaAs thin film can be formed. Also in this case, the surface of the sample table 10 is made of a material having a higher threshold energy than the material of the thin film. Further, as in the apparatus 102, the surface of the sample table 10 or the like may be made of the same material as the thin film, instead of being made of a material having a higher threshold energy than the material of the thin film. Further, the surface of the sample table 10 or the like may be made of a material containing an element that is heavier than the elements that make up the irradiated ion stream or atomic stream.

【0108】<5.第5実施例>つぎに、第5実施例に
ついて説明する。この実施例の方法は、基板の上に軸配
向多結晶薄膜を形成した後に、複数方向から原子流を照
射することによって単結晶薄膜に転換し、そのことによ
って基板11の上に単結晶薄膜を形成するものである。
そのためには、例えば、第1実施例の装置102を用い
て基板11の上に軸配向多結晶薄膜を形成した後に、第
3実施例の装置101を用いて、この薄膜を単結晶薄膜
に転換するとよい。
<5. Fifth Embodiment> Next, a fifth embodiment will be described. In the method of this embodiment, after forming an axially oriented polycrystalline thin film on a substrate, it is converted into a single crystalline thin film by irradiating with an atomic flow from a plurality of directions, whereby the single crystalline thin film is formed on the substrate 11. To form.
For that purpose, for example, after forming the axially oriented polycrystalline thin film on the substrate 11 by using the device 102 of the first embodiment, this thin film is converted into a single crystal thin film by using the device 101 of the third embodiment. Good to do.

【0109】あるいは、第2実施例の装置100を用い
て、はじめは反射板12を除いて反応ガスの供給と原子
流の照射とを実行することによって軸配向多結晶薄膜を
形成し、その後、装置100に反射板12を設置して基
板11を加熱しつつ原子流の照射を実行することによっ
て、薄膜を単結晶薄膜に転換し、その結果、基板11の
上に単結晶薄膜を形成してもよい。
Alternatively, using the apparatus 100 of the second embodiment, the reaction gas is first supplied and the atomic flow irradiation is performed except for the reflection plate 12 to form an axially oriented polycrystalline thin film, and thereafter, The thin film is converted into a single crystal thin film by installing the reflection plate 12 in the apparatus 100 and heating the substrate 11 while performing the irradiation of the atomic flow, and as a result, the single crystal thin film is formed on the substrate 11. Good.

【0110】あるいはまた、基板11の上に非晶質ある
いは通常の多結晶構造の薄膜をCVD等によってあらか
じめ形成し、その後、装置103を用いて軸配向多結晶
薄膜に転換し、さらにその後、装置101を用いて単結
晶薄膜に転換し、その結果、基板11の上に単結晶薄膜
を形成してもよい。
Alternatively, a thin film having an amorphous or ordinary polycrystal structure is previously formed on the substrate 11 by CVD or the like, and then the film is converted into an axially oriented polycrystal thin film using the device 103, and then the device is used. The single crystal thin film may be converted to a single crystal thin film using 101, and as a result, the single crystal thin film may be formed on the substrate 11.

【0111】このように、この実施例の方法では、基板
11の上に単結晶薄膜を形成する前に、あらかじめ軸配
向多結晶薄膜を形成する。このため、基板11の上に単
結晶薄膜が形成され難い部位があっても、その部位には
単結晶薄膜に近い特性を備える軸配向多結晶薄膜が形成
されているので、薄膜の機械的および電気的特性が目立
って劣化しないという利点がある。すなわち、単結晶薄
膜を形成する工程を精密に実行しなくても、適度に良好
な特性をもった薄膜を得ることができる。
As described above, in the method of this embodiment, the axially oriented polycrystalline thin film is formed in advance before the single crystal thin film is formed on the substrate 11. Therefore, even if there is a portion where it is difficult to form a single crystal thin film on the substrate 11, an axially oriented polycrystalline thin film having characteristics close to those of the single crystal thin film is formed in that portion, so that the mechanical and mechanical properties of the thin film are reduced. There is an advantage that the electrical characteristics do not noticeably deteriorate. That is, it is possible to obtain a thin film having a reasonably good characteristic without performing the step of forming a single crystal thin film with precision.

【0112】このことは、基板11の形状が平板状でな
く立体形状であったり、あるいは基板11の表面に厚み
を有する遮蔽体が形成されているなどのために、基板1
1の所定の領域に複数方向からの原子流を均一に照射し
難い場合に特に有効である。図15〜図17に、それら
の例を示す。
This is because the substrate 11 has a three-dimensional shape instead of a flat plate, or a shield having a thickness is formed on the surface of the substrate 11.
It is particularly effective when it is difficult to uniformly irradiate a predetermined region of 1 with atomic flows from a plurality of directions. 15 to 17 show these examples.

【0113】図15は、立体形状を有する基板11の上
に軸配向多結晶Si薄膜71があらかじめ形成されてな
る試料70の表面に、2方向からNe原子流が照射され
つつある状態を模式的に図示する断面図である。図14
が示すように、試料70が立体形状を成しており、その
ために、試料70自身が原子流に対する遮蔽体となる。
その結果、軸配向多結晶Si薄膜71の特定の領域にお
いては、Ne原子流の照射は一方向からのみ行われ、2
方向からの照射は実現しない。
FIG. 15 schematically shows a state in which the surface of a sample 70 in which an axially oriented polycrystalline Si thin film 71 is previously formed on a substrate 11 having a three-dimensional shape is being irradiated with a Ne atomic flow from two directions. It is sectional drawing shown in figure. 14
, The sample 70 has a three-dimensional shape, and as a result, the sample 70 itself serves as a shield for the atomic flow.
As a result, in a specific region of the axially oriented polycrystalline Si thin film 71, the Ne atomic flow irradiation is performed only from one direction.
Irradiation from the direction is not realized.

【0114】図16および図17は、薄膜状の半導体集
積回路を製造するプロセスの中で、マスク材72を用い
て基板11の上に単結晶Si薄膜を選択的に形成する工
程を模式的に示す断面図である。基板11の上には、あ
らかじめCVD等によってアモルファスまたは通常の多
結晶のSi薄膜74を形成する。その後、装置103を
用いて、SiO2等で構成されるマスク材72が有する
開口部を通して、Ne原子流をSi薄膜74の上面に垂
直に照射することによってマスク材72の開口部直下
に、軸配向多結晶Si薄膜71を選択的に形成する(図
16)。
16 and 17 schematically show a step of selectively forming a single crystal Si thin film on the substrate 11 using the mask material 72 in the process of manufacturing a thin film semiconductor integrated circuit. It is sectional drawing shown. An amorphous or ordinary polycrystalline Si thin film 74 is previously formed on the substrate 11 by CVD or the like. After that, by using the device 103, the Ne atom flow is vertically irradiated to the upper surface of the Si thin film 74 through the opening of the mask material 72 made of SiO 2 or the like, so that the axis is directly below the opening of the mask material 72. An oriented polycrystalline Si thin film 71 is selectively formed (FIG. 16).

【0115】つぎに、装置101を用いて、マスク材7
2が有する開口部を通して、Si薄膜74の上面にNe
原子流を複数方向から照射することによって、軸配向多
結晶Si薄膜71を単結晶Si薄膜へと転換する(図1
7)。このとき、マスク材72が一定の厚さを有するこ
とから、マスク材72の開口部の端縁付近には、複数方
向からのNe原子流が十分には照射されない。このた
め、マスク材72の開口部の端縁付近には単結晶Si薄
膜が形成され難い。しかしながら、単結晶Si薄膜が形
成されなくとも、少なくとも軸配向多結晶Si薄膜が形
成されているので、キャリア移動度等の電気的特性上の
劣化を最小限に抑えることができる。
Next, using the apparatus 101, the mask material 7
2 through the opening formed on the upper surface of the Si thin film 74.
The axially oriented polycrystalline Si thin film 71 is converted into a single crystal Si thin film by irradiating the atomic flow from a plurality of directions (FIG. 1).
7). At this time, since the mask material 72 has a constant thickness, the vicinity of the edge of the opening of the mask material 72 is not sufficiently irradiated with the Ne atomic flow from a plurality of directions. Therefore, it is difficult to form a single crystal Si thin film near the edge of the opening of the mask material 72. However, even if the single crystal Si thin film is not formed, at least the axially oriented polycrystalline Si thin film is formed, so that deterioration in electrical characteristics such as carrier mobility can be minimized.

【0116】なお、この実施例の方法において、単結晶
薄膜への転換を行うべく照射される原子流の複数の入射
方向の一つは、それに先だって軸配向多結晶薄膜を形成
すべく照射される原子流の入射方向に一致させるのが望
ましい。なぜならば、軸配向多結晶薄膜における共通の
一軸方向を変更することなく、単結晶薄膜への転換が行
われるので、単結晶薄膜への転換の工程が短時間で円滑
に進行するからである。
In the method of this embodiment, one of a plurality of incident directions of the atomic flow irradiated for conversion into a single crystal thin film is irradiated in advance for forming an axially oriented polycrystalline thin film. It is desirable to match the incident direction of the atomic flow. This is because the conversion to the single crystal thin film is performed without changing the common uniaxial direction in the axially oriented polycrystalline thin film, so that the conversion process to the single crystal thin film proceeds smoothly in a short time.

【0117】<6.第6実施例>つぎに、第6実施例に
ついて説明する。
<6. Sixth Embodiment> Next, a sixth embodiment will be described.

【0118】<6-1.装置の構成>図18は、この実施
例の装置の全体構成を示す正面断面図である。この装置
150は、基板11の上にあらかじめ形成された非晶質
薄膜または多結晶薄膜(軸配向多結晶薄膜を含む)を、
単結晶薄膜へ転換することによって基板上に単結晶薄膜
を形成することを目的として構成されている。
<6-1. Structure of Device> FIG. 18 is a front sectional view showing the entire structure of the device of this embodiment. This device 150 includes an amorphous thin film or a polycrystalline thin film (including an axially oriented polycrystalline thin film) previously formed on the substrate 11.
It is configured for the purpose of forming a single crystal thin film on a substrate by converting it into a single crystal thin film.

【0119】この装置150は、反射板12の代わりに
反射ユニット160が設置されている点が装置101と
は特徴的に異なる。反射ユニット160は、複数の所定
の入射角度をもって基板11へ入射する複数の原子流成
分を生成するためのものであり、試料台10の上に設置
されており、しかも、基板11の上方に位置するように
設置されている。試料台10は、基板11を加熱し、適
正な高温度に保持することが可能な図示しないヒータを
備えている。
This device 150 is characteristically different from the device 101 in that a reflecting unit 160 is installed instead of the reflecting plate 12. The reflection unit 160 is for generating a plurality of atomic flow components that are incident on the substrate 11 at a plurality of predetermined incident angles, is installed on the sample stage 10, and is located above the substrate 11. It is installed to do. The sample table 10 includes a heater (not shown) that can heat the substrate 11 and maintain it at an appropriate high temperature.

【0120】<6-2.反射ユニットの構成と動作>ここで
は、反射ユニット160の構成と動作について説明す
る。図1および図19は、それぞれ反射ユニット160
の構成を示す正面断面図および平面断面図である。これ
らの図1および図19に例示される反射ユニット160
は、単結晶Siなどの、ダイヤモンド構造の単結晶を形
成するための反射ユニットである。この反射ユニット1
60は、ECRイオン源2のイオン引出口の直下、すな
わちECRイオン源2によって生成され下方向へ向かう
原子流の下流に配設されている。
<6-2. Structure and Operation of Reflecting Unit> Here, the structure and operation of the reflecting unit 160 will be described. 1 and 19 respectively show a reflection unit 160.
FIG. 3 is a front sectional view and a plan sectional view showing the configuration of FIG. The reflection unit 160 illustrated in these FIG. 1 and FIG.
Is a reflection unit for forming a single crystal having a diamond structure, such as single crystal Si. This reflection unit 1
60 is arranged immediately below the ion extraction outlet of the ECR ion source 2, that is, downstream of the downward atomic flow generated by the ECR ion source 2.

【0121】反射ユニット160の上部には、ECRイ
オン源2から供給される原子流を選択的に遮断可能な遮
蔽板104が水平に設けられている。引出口9からこの
遮蔽板104までの距離が、ECRイオン源2が出力す
るイオン流が中性の原子流に転換されるのに十分な距
離、例えば14cm以上となるように反射ユニット16
0が設置される。すなわち、遮蔽板104には殆ど中性
の原子流が到達する。この遮蔽板104には、ECRイ
オン源2からの原子流の中心軸周りに4回回転対称とな
るように開口部112が設けられている。ECRイオン
源2からの原子流は、これらの開口部112のみを通過
して更に下方へ向かって流れる。
A shield plate 104 capable of selectively blocking the atomic flow supplied from the ECR ion source 2 is horizontally provided above the reflection unit 160. The reflection unit 16 is arranged so that the distance from the outlet 9 to the shielding plate 104 is a distance sufficient to convert the ion flow output from the ECR ion source 2 into a neutral atomic flow, for example, 14 cm or more.
0 is set. That is, almost neutral atomic flow reaches the shield plate 104. The shield plate 104 is provided with an opening 112 so as to be rotationally symmetrical four times around the central axis of the atomic flow from the ECR ion source 2. The atomic flow from the ECR ion source 2 flows only downward through these openings 112.

【0122】この遮蔽板104の直下には、反射ブロッ
ク106が設置されている。この反射ブロック106は
4回回転対称な錐体をなしており、錐体の対称軸は原子
流の中心軸に一致し、4つの開口部112の直下に錐体
の4つの側面がそれぞれ位置している。これらの側面は
必ずしも平面ではなく、一般には曲面である。この4つ
の側面が原子流を反射する反射面として機能する。すな
わち、開口部112を通過した原子流は、反射ブロック
106の4つの側面によって反射され、そのことによっ
て、中心軸から遠ざかる方向へ進行する4成分の原子流
が得られる。
A reflection block 106 is installed immediately below the shielding plate 104. The reflection block 106 has a cone of four-fold rotational symmetry, the symmetry axis of the cone coincides with the central axis of the atomic flow, and the four side surfaces of the cone are located immediately below the four openings 112, respectively. ing. These sides are not necessarily flat, but generally curved. These four side surfaces function as reflecting surfaces that reflect the atomic flow. That is, the atomic flow that has passed through the opening 112 is reflected by the four side surfaces of the reflection block 106, whereby a four-component atomic flow that travels away from the central axis is obtained.

【0123】これらの4成分の原子流は、いずれも、そ
のビーム断面が二次元的(平面的)に拡大する発散ビー
ムである。そして、これらの4成分は、整流部材(整流
手段)108を通過することによって、それぞれの進行
方向が所望の方向に精度よく揃えられた後、4枚の反射
板110へそれぞれ入射する。整流部材108は、反射
ブロック106の側面から反射板110へと向かう放射
状に原子流の方向を整える働きをなす部材であり、従来
周知の技術で構成可能である。
Each of these four-component atomic flows is a divergent beam whose beam cross section expands two-dimensionally (planarly). Then, these four components pass through the rectifying member (rectifying means) 108 so that their traveling directions are accurately aligned in the desired directions, and then enter the four reflecting plates 110, respectively. The rectifying member 108 is a member that functions to adjust the direction of the atomic flow radially from the side surface of the reflection block 106 toward the reflection plate 110, and can be configured by a conventionally known technique.

【0124】これらの4枚の反射板110は、被照射対
象である基板11の周囲に、しかも反射ブロック106
の対称軸の周りに4回回転対称に配置されている(図1
9には1枚の反射板110のみを示して他を代表する。
また図19には1枚の反射板110の上半部分へ入射し
かつ反射する原子流のみを図示し、下半部分への入射お
よび反射原子流については図示を略している。)。反射
板110へ入射した原子流の成分は、その反射面によっ
て再び反射される。反射板110の反射面は適度の凹面
形状を有する。このため、発散する原子流の成分がこの
反射面に反射される結果、適度に集束されることによ
り、平行ビームとなって、しかも基板11の上面全体に
わたって一様に降り注ぐ。しかも、基板11の上面に対
して、例えば55゜の入射角度(図1)をもって、4方
向から基板11の上面へ平行ビームが入射する。
These four reflectors 110 are provided around the substrate 11 to be irradiated and in addition to the reflection block 106.
Are arranged four times in rotational symmetry about the axis of symmetry (Fig. 1
In FIG. 9, only one reflection plate 110 is shown to represent the others.
Further, FIG. 19 shows only the atomic flow that is incident on and reflected by the upper half of one reflection plate 110, and the illustration of the atomic flow that is incident and reflected on the lower half is omitted. ). The component of the atomic flow incident on the reflector 110 is reflected again by the reflecting surface. The reflection surface of the reflection plate 110 has an appropriate concave shape. Therefore, as a result of the diverging component of the atomic flow being reflected by this reflecting surface, it is appropriately focused and becomes a parallel beam, and moreover, it uniformly falls on the entire upper surface of the substrate 11. Moreover, parallel beams are incident on the upper surface of the substrate 11 from four directions at an incident angle of 55 ° (FIG. 1), for example.

【0125】<6-3.装置150の動作>図18を参照し
つつ、装置150の動作について説明する。基板11と
してアモルファスまたは多結晶SiO2(石英)基板を
用い、この石英基板11の上に単結晶Si薄膜を形成す
る例を取り上げる。基板11の上には、例えばCVD
(化学気相成長法)等の方法を用いて、多結晶Si薄膜
(軸配向多結晶Si薄膜を含む)があらかじめ形成され
ている。
<6-3. Operation of Device 150> The operation of the device 150 will be described with reference to FIG. An example in which an amorphous or polycrystalline SiO 2 (quartz) substrate is used as the substrate 11 and a single crystal Si thin film is formed on the quartz substrate 11 will be taken up. On the substrate 11, for example, CVD
A polycrystalline Si thin film (including an axially oriented polycrystalline Si thin film) is previously formed using a method such as (chemical vapor deposition).

【0126】まず、基板11を試料台10と反射ユニッ
ト160の間へ装着する。試料台10が備えるヒータ
は、試料すなわち基板11および多結晶Si薄膜を、5
50゜Cの温度に保持する。装置101と同様に、不活
性ガス導入管7から導入されるガスとしては、好ましく
はSi原子よりも原子量の小さい不活性のNeガスが選
択される。
First, the substrate 11 is mounted between the sample table 10 and the reflection unit 160. The heater provided in the sample table 10 includes a sample, that is, the substrate 11 and the polycrystalline Si thin film,
Hold at a temperature of 50 ° C. Similar to the device 101, as the gas introduced from the inert gas introducing pipe 7, an inert Ne gas having an atomic weight smaller than that of Si atoms is preferably selected.

【0127】ECRイオン源2の働きにより、Ne原子
流が反射ユニット160に供給され、その結果、基板1
1の上面全体に、例えば55゜の入射角度をもって4つ
の方向から入射する。この場合、これら4成分のNe原
子流の入射方向は、形成すべきSi単結晶の4個の独立
な最稠密結晶面、すなわち(111)面に垂直な4方向
に対応する。また、装置101と同様に、ECRイオン
源2によって形成されるプラズマのエネルギーは、基板
11に到達するNe原子のエネルギーが、Ne原子の照
射によるSiのスパッタリングにおけるスレッショルド
・エネルギーよりも低くなるように設定される。
By the action of the ECR ion source 2, the Ne atomic flow is supplied to the reflection unit 160, and as a result, the substrate 1
The light is incident on the entire upper surface of 1 from four directions with an incident angle of 55 °, for example. In this case, the incident directions of these four component Ne atomic flows correspond to the four independent close-packed crystal planes of the Si single crystal to be formed, that is, the four directions perpendicular to the (111) plane. Further, as in the device 101, the energy of the plasma formed by the ECR ion source 2 is set so that the energy of Ne atoms reaching the substrate 11 becomes lower than the threshold energy in the sputtering of Si by the irradiation of Ne atoms. Is set.

【0128】このため、多結晶Si薄膜にブラベの法則
が作用する結果、多結晶Si薄膜に照射されるNe原子
流の入射方向に垂直な面が最稠密結晶面となるように、
多結晶Si薄膜の表面近傍におけるSi原子が再配列す
る。すなわち、多結晶Si薄膜の表面近傍の層が、結晶
方位の揃った単結晶Si層へと転換される。
Therefore, as a result of the Brave's law acting on the polycrystalline Si thin film, the plane perpendicular to the incident direction of the Ne atomic flow with which the polycrystalline Si thin film is irradiated becomes the densest crystal plane.
Si atoms near the surface of the polycrystalline Si thin film are rearranged. That is, the layer near the surface of the polycrystalline Si thin film is converted into a single crystal Si layer having a uniform crystal orientation.

【0129】多結晶Si薄膜の温度は、前述のように5
50゜Cすなわち種結晶が成長するに適した範囲内の温
度に調整されている。このため、多結晶Si薄膜の表面
に形成された単結晶Si層が種結晶として機能し、単結
晶Si層が多結晶Si薄膜の深部に向かって成長する。
そして、一定時間を経た後に、多結晶Si薄膜の全領域
が単結晶Si層へ転換される。このようにして、基板1
1の上に結晶方位の揃った単結晶Si層が形成される。
形成される単結晶Si薄膜の結晶方位は、(100)面
が表面に沿うように配向する。
The temperature of the polycrystalline Si thin film is 5 as described above.
The temperature is adjusted to 50 ° C., that is, within the range suitable for growing the seed crystal. Therefore, the single crystal Si layer formed on the surface of the polycrystalline Si thin film functions as a seed crystal, and the single crystal Si layer grows toward the deep portion of the polycrystalline Si thin film.
Then, after a certain period of time, the entire region of the polycrystalline Si thin film is converted into a single crystal Si layer. In this way, the substrate 1
A single crystal Si layer having a uniform crystal orientation is formed on the surface of 1.
The crystal orientation of the formed single crystal Si thin film is such that the (100) plane is along the surface.

【0130】なお、図1に示した55゜の入射角度はい
うまでもなく一例であって、反射板110の形状、方向
を適宜変更することによって、所望する単結晶薄膜の結
晶構造から決まる任意の入射角度をもって基板11へ平
行ビームを入射することが可能である。また、反射ブロ
ック106によって発散ビームが生成されるので、反射
板110の反射ブロック106の対称軸からの距離を、
基板11の広さに応じて適宜調節することによって、広
大な基板11の上に一様に平行ビームを照射することが
できる。
The incident angle of 55 ° shown in FIG. 1 is, of course, an example, and can be arbitrarily determined from the desired crystal structure of the single crystal thin film by appropriately changing the shape and direction of the reflecting plate 110. It is possible to make a parallel beam incident on the substrate 11 with an incident angle of. Further, since a divergent beam is generated by the reflection block 106, the distance from the symmetry axis of the reflection block 106 of the reflection plate 110 is
By appropriately adjusting according to the size of the substrate 11, it is possible to uniformly irradiate a parallel beam onto the vast substrate 11.

【0131】このように、この装置150によれば、基
板11を走査することなく、ECRイオン源2が供給す
るビームの断面よりもはるかに大面積の基板11の全面
に、所望の入射角度をもって、しかも均一に原子流を照
射することができる。すなわち、大面積の基板11の上
に所望の単結晶薄膜を均一にかつ効率よく形成すること
が可能である。
As described above, according to the apparatus 150, the desired incident angle can be obtained on the entire surface of the substrate 11 having a far larger area than the cross section of the beam supplied from the ECR ion source 2 without scanning the substrate 11. Moreover, the atomic flow can be uniformly irradiated. That is, it is possible to uniformly and efficiently form a desired single crystal thin film on the large-area substrate 11.

【0132】また、遮蔽板104に設けられた4つの開
口部112の開口面積を、個別に調節することによっ
て、これらの開口部112を通過する4成分のビームの
量を個別に調整することが可能である。このため、基板
11の上面に複数方向から照射される4成分の各ビーム
量を最適に設定することができる。例えば、4成分のビ
ーム量を均一に揃えることができる。このため、良質の
単結晶薄膜を効率よく形成することが可能である。
Further, by individually adjusting the opening areas of the four openings 112 provided on the shielding plate 104, the amounts of the four component beams passing through these openings 112 can be individually adjusted. It is possible. Therefore, it is possible to optimally set the amount of each of the four component beams irradiated onto the upper surface of the substrate 11 from a plurality of directions. For example, the beam amounts of the four components can be made uniform. Therefore, it is possible to efficiently form a high quality single crystal thin film.

【0133】また、装置101と同様に、反射ブロック
106、整流部材108、反射板110等の原子流の照
射を受ける反射ユニット160の各部材等の少なくとも
表面を、形成すべき薄膜よりもスパッタリングにおける
スレッショルド・エネルギーの高いTa、W、Ptなど
の材料で構成してもよい。また、装置101と同様に、
反射ユニット160の各部材等の表面を薄膜の材料より
もスレッショルド・エネルギーの高い材料で構成する代
わりに、薄膜と同一材料で構成してもよい。さらに、反
射ユニット160の各部材等の表面を、照射されるイオ
ン流または原子流を構成する元素よりも重い元素を含む
材料で構成してもよい。
As in the case of the apparatus 101, at least the surface of each member of the reflection unit 160, such as the reflection block 106, the rectifying member 108, and the reflection plate 110, which is irradiated with the atomic flow, is formed by sputtering rather than the thin film to be formed. It may be made of a material such as Ta, W, or Pt having a high threshold energy. Also, like the device 101,
The surfaces of the respective members of the reflection unit 160 may be made of the same material as the thin film, instead of being made of a material having a higher threshold energy than the material of the thin film. Furthermore, the surfaces of the respective members of the reflection unit 160 may be made of a material containing an element that is heavier than the elements that make up the irradiated ion stream or atomic stream.

【0134】<7.第7実施例>つぎに、この発明の第
7実施例の装置について述べる。図20は、この実施例
のビーム照射装置の全体構成を示す正面断面図である。
この装置151は、装置100と同様に、基板11の上
に多結晶薄膜を形成しつつ、それと同時に原子流を照射
することによって、成長しつつある多結晶薄膜を単結晶
薄膜へ逐次的に転換することを目的として構成されてい
る。
<7. Seventh Embodiment> Next, an apparatus according to a seventh embodiment of the present invention will be described. FIG. 20 is a front sectional view showing the overall structure of the beam irradiation apparatus of this embodiment.
Like the device 100, this device 151 sequentially forms a growing polycrystalline thin film into a single crystalline thin film by forming a polycrystalline thin film on the substrate 11 and simultaneously irradiating it with an atomic flow. It is configured to do.

【0135】このため、装置151では、装置100と
同様に、反応室8に反応ガス供給管13が連通してい
る。この反応ガス供給管13を通して、プラズマCVD
により基板11上に所定の物質の薄膜を形成するための
反応ガスが供給される。図20の例では、3本の反応ガ
ス供給管13a、13b、および13cが設けられてい
る。その他の構成上の特徴は、装置150と同様であ
る。
Therefore, in the apparatus 151, the reaction gas supply pipe 13 communicates with the reaction chamber 8 as in the apparatus 100. Through this reaction gas supply pipe 13, plasma CVD
By this, a reaction gas for forming a thin film of a predetermined substance on the substrate 11 is supplied. In the example of FIG. 20, three reaction gas supply pipes 13a, 13b, and 13c are provided. Other structural features are similar to the device 150.

【0136】装置151はつぎのように動作する。第6
実施例で取り上げたように、ここでも、基板11として
多結晶SiO2(石英)を用い、この基板11の上に単
結晶Siの薄膜を形成する例を取り上げる。反応ガス供
給管13a、13b、および13cのそれぞれから、単
結晶Siの主材料であるSiを供給するSiH4(シラ
ン)ガス、p型不純物をドープするためのB23(ジボ
ラン)ガス、およびn型不純物をドープするためのPH
3(ホスフィン)ガスが供給される。また、不活性ガス
導入管7からプラズマ室4へ、Neガスが導入される。
The device 151 operates as follows. Sixth
As described in the examples, here also, an example of using polycrystalline SiO 2 (quartz) as the substrate 11 and forming a thin film of single crystal Si on the substrate 11 will be taken up. SiH 4 (silane) gas for supplying Si, which is the main material of single-crystal Si, B 2 H 3 (diborane) gas for doping p-type impurities, from each of the reaction gas supply pipes 13a, 13b, and 13c, And PH for doping n-type impurities
3 (phosphine) gas is supplied. Further, Ne gas is introduced into the plasma chamber 4 from the inert gas introducing pipe 7.

【0137】反応ガス供給管13から供給される反応ガ
スと、ECRイオン源2によって生成されたNe+イオ
ン流あるいはNe原子流によって、基板11の上面にお
いてプラズマCVD反応が進行し、その結果、アモルフ
ァス構造のSi薄膜が成長する。ECRイオン源2から
下方向へと向かうNe原子流は、反射ユニット160の
働きによって、基板11の上面に形成されつつあるSi
薄膜の全面へ、例えば55゜の入射角度をもつ4方向か
ら入射する。ECRイオン源2によって形成されるプラ
ズマのエネルギーは、装置100と同様に、これらの4
成分の入射エネルギーが、Siに対するスレッショルド
・エネルギーよりも低くなるように設定される。したが
って、成長しつつあるアモルファスSi薄膜にブラベの
法則が作用する結果、プラズマCVDによって成長しつ
つあるアモルファスSi薄膜は、結晶方位の揃った単結
晶Si薄膜へ逐次転換される。その結果、基板11の上
に単一の結晶方位を有する単結晶Siが形成される。
The plasma CVD reaction proceeds on the upper surface of the substrate 11 by the reaction gas supplied from the reaction gas supply pipe 13 and the Ne + ion flow or the Ne atomic flow generated by the ECR ion source 2, and as a result, the amorphous plasma A structured Si thin film grows. The Ne atomic flow flowing downward from the ECR ion source 2 is being formed on the upper surface of the substrate 11 by the function of the reflection unit 160.
The light is incident on the entire surface of the thin film from four directions having an incident angle of 55 °, for example. The energy of the plasma formed by the ECR ion source 2 is similar to that of the device 100.
The incident energy of the component is set to be lower than the threshold energy for Si. Therefore, as a result of the Brave's law acting on the growing amorphous Si thin film, the growing amorphous Si thin film is sequentially converted into a single crystal Si thin film having a uniform crystal orientation. As a result, single crystal Si having a single crystal orientation is formed on the substrate 11.

【0138】この装置151においても、反射ユニット
160が用いられるので、基板11を走査することな
く、ECRイオン源2が供給するビームの断面よりもは
るかに大面積の基板11の全面に、所望の入射角度をも
って、しかも均一に原子流を照射することができる。す
なわち、大面積の基板11の上に所望の単結晶薄膜を均
一にかつ効率よく形成することが可能である。
Since the reflection unit 160 is also used in this apparatus 151, a desired area can be formed on the entire surface of the substrate 11 having a far larger area than the cross section of the beam supplied by the ECR ion source 2 without scanning the substrate 11. It is possible to irradiate the atomic flow uniformly with an incident angle. That is, it is possible to uniformly and efficiently form a desired single crystal thin film on the large-area substrate 11.

【0139】<8.第8実施例>つぎに、この発明の第
8実施例の装置について述べる。図21〜図23は、そ
れぞれこの実施例の装置の斜視図、平面図、および正面
図である。これらの図21〜図23を参照しつつ、この
実施例の装置の構成と動作について説明する。
<8. Eighth Embodiment> Next, an apparatus according to an eighth embodiment of the present invention will be described. 21 to 23 are a perspective view, a plan view, and a front view of the apparatus of this embodiment, respectively. The configuration and operation of the apparatus of this embodiment will be described with reference to FIGS. 21 to 23.

【0140】この装置200では、ECRイオン源2は
水平に設置され、水平に載置される基板11の表面と平
行な水平方向に気体のビームを供給する。ECRイオン
源2から供給される気体のビームが基板11の上面へと
到達するまでの経路に、反射ユニット260が介挿され
ている。
In this apparatus 200, the ECR ion source 2 is installed horizontally and supplies a gas beam in the horizontal direction parallel to the surface of the substrate 11 placed horizontally. The reflection unit 260 is inserted in the path through which the gas beam supplied from the ECR ion source 2 reaches the upper surface of the substrate 11.

【0141】反射ユニット260には、気体のビームの
経路に沿って、反射ブロック206、遮蔽板204、整
流部材208、反射板210が順に配設されている。反
射ブロック206は、中心軸が垂直な角柱形状をなして
おり、この中心軸の周りに回転駆動される。引出口9か
らこの反射ブロック206までの距離は、ECRイオン
源2が出力するイオン流が中性の原子流に転換されるの
に十分な距離、例えば14cm以上となるように設定さ
れる。このため、反射ブロック206には殆ど中性の原
子流が到達する。
In the reflection unit 260, a reflection block 206, a shielding plate 204, a rectifying member 208, and a reflection plate 210 are sequentially arranged along the path of the gas beam. The reflection block 206 has a prismatic shape whose central axis is vertical, and is rotationally driven around this central axis. The distance from the outlet 9 to the reflection block 206 is set to be a distance sufficient for converting the ion flow output from the ECR ion source 2 into a neutral atomic flow, for example, 14 cm or more. Therefore, almost neutral atomic flow reaches the reflection block 206.

【0142】図24は、反射ブロック206の動作を説
明するための平面図である。この図24に示すように、
反射ブロック206へ入射する原子流は、反射ブロック
206が回転することによって、水平面内の多方向へと
散乱される。すなわち、反射ブロック206は、ビーム
断面がビームの進行にともなって線状ないし帯状、すな
わち略一次元的に拡大する発散ビームを実質的に生成す
る。
FIG. 24 is a plan view for explaining the operation of the reflection block 206. As shown in FIG. 24,
The atomic flow incident on the reflection block 206 is scattered in multiple directions in the horizontal plane by the rotation of the reflection block 206. That is, the reflection block 206 substantially generates a divergent beam whose beam cross section is linear or band-shaped, that is, substantially one-dimensionally expanded as the beam travels.

【0143】遮蔽板204は、発散する原子流の中の、
特定範囲の散乱角を有する成分のみを選択的に通過させ
る。遮蔽板204を通過した原子流は、整流部材208
を通過することによって、その進行方向が精密に揃えら
れる。整流部材208は、整流部材108と同様に構成
される。反射ブロック206は、図24等に示すよう
に、四角柱形状である代わりに、例えば三角柱、六角柱
など他の角柱形状であってもよい。
The shield plate 204 is a part of the diverging atomic flow.
Only components having a scattering angle in a specific range are selectively passed. The atomic flow that has passed through the shielding plate 204 is rectified by the flow regulating member 208
By passing through, the traveling direction is precisely aligned. The rectifying member 208 is configured similarly to the rectifying member 108. As shown in FIG. 24 and the like, the reflection block 206 may have another prismatic shape such as a triangular prism or a hexagonal prism instead of the square prism shape.

【0144】図21〜図23に戻って、整流部材208
を通過した原子流は、水平方向に帯状の反射板210に
入射する。反射板210の反射面は適度の凹面形状を有
する。このため、発散する原子流の成分がこの反射面に
反射される結果、適度に集束されることにより、平行ビ
ームとなって、基板11の上面に線状ないし帯状に降り
注ぐ。しかも、この平行ビームは、例えば35゜の入射
角度をもって基板11の上面へ入射する。原子流の経路
に沿って配設される反射ブロック206から反射板21
0までの一組の部材が、図22に示すように、2組設置
される。このことによって、基板11の上には、対向す
る2方向からそれぞれ35゜の入射角度をもって原子流
が入射する。
Returning to FIGS. 21 to 23, the flow regulating member 208
The atomic flow that has passed through is incident on the strip-shaped reflector 210 in the horizontal direction. The reflection surface of the reflection plate 210 has an appropriate concave shape. Therefore, as a result of the diverging component of the atomic flow being reflected by this reflecting surface, it is appropriately focused and becomes a parallel beam, which falls on the upper surface of the substrate 11 in a linear or strip shape. Moreover, this parallel beam is incident on the upper surface of the substrate 11 at an incident angle of, for example, 35 °. From the reflection block 206 arranged along the path of the atomic flow to the reflection plate 21.
Two sets of members up to 0 are installed as shown in FIG. As a result, the atomic flow is incident on the substrate 11 from the two opposing directions at an incident angle of 35 °.

【0145】反射ブロック206によって、原子流は略
一次元的に発散するように散乱されるので、反射ブロッ
ク206と反射板210の間の距離を十分に設定するこ
とによって、ECRイオン源2から供給されるビーム径
よりもはるかに幅の広い線状ないし帯状の領域に平行ビ
ームを照射することが可能である。
Since the atomic flow is scattered by the reflection block 206 so as to diverge in a substantially one-dimensional manner, it is supplied from the ECR ion source 2 by setting a sufficient distance between the reflection block 206 and the reflection plate 210. It is possible to irradiate a parallel beam to a linear or band-shaped region having a width much wider than the beam diameter.

【0146】装置200は基板11を載置する図示しな
い試料台を備えており、この試料台は、図示しない水平
移動機構によって水平に移動可能である。この試料台の
水平移動にともなって、基板11は、原子流が入射する
線状ないし帯状領域とは垂直な方向(交差する方向)に
沿って平行に移動する。このように、基板11を走査す
ることによって、基板11の全領域にわたる原子流の照
射が実現する。基板11の走査が行われるので、広大な
基板11に対して均一に原子流の照射を実行することが
可能である。
The apparatus 200 includes a sample table (not shown) on which the substrate 11 is placed, and this sample table can be moved horizontally by a horizontal moving mechanism (not shown). Along with the horizontal movement of the sample table, the substrate 11 moves in parallel along a direction (direction intersecting) perpendicular to the linear or band-shaped region on which the atomic flow enters. Thus, by scanning the substrate 11, the irradiation of the atomic flow over the entire area of the substrate 11 is realized. Since the substrate 11 is scanned, it is possible to uniformly irradiate the vast substrate 11 with the atomic flow.

【0147】なお、この装置200は、装置100と同
様に反応ガス供給管13を備えることによって、基板1
1に所定物質の薄膜を形成しつつ、この薄膜を単結晶に
逐次転換するように構成してもよい。また、装置101
と同様に、試料台にヒータを備えることによって、基板
11の上にあらかじめ堆積された所定物質の薄膜を、単
結晶薄膜に転換するように構成してもよい。2本の原子
流の入射方向が、互いに対向する方向であって、しかも
入射角がいずれも35゜であることから、基板11の上
に形成される単結晶薄膜の結晶方位は、(110)面が
表面に沿うように配向する。
The apparatus 200 is provided with the reaction gas supply pipe 13 similarly to the apparatus 100, so that the substrate 1
It is also possible to form a thin film of a predetermined substance on No. 1 while sequentially converting this thin film into a single crystal. Also, the device 101
Similarly, the sample stage may be provided with a heater so that a thin film of a predetermined substance previously deposited on the substrate 11 is converted into a single crystal thin film. Since the incident directions of the two atomic flows are opposite to each other and the incident angles are both 35 °, the crystal orientation of the single crystal thin film formed on the substrate 11 is (110). The faces are oriented along the surface.

【0148】各反射ユニット260の間の位置関係、お
よび反射板210の角度などを変更することによって、
(110)面以外の他の結晶面が薄膜の表面に沿うよう
に結晶方位が配向した単結晶薄膜を形成することが可能
である。例えば、各反射ユニット260において、反射
ブロック206から反射板210へ向かう原子流の中心
軸同士が90゜または180゜の角度を成すように2組
以上の反射ユニット260を配設し、しかも、各反射ユ
ニット260から基板11へ入射する原子流の入射角度
がいずれも55゜となるように反射板210の形状およ
び向きを設定することによって、(100)面が表面に
沿うように結晶方位が配向した単結晶薄膜を形成するこ
とができる。
By changing the positional relationship between the reflection units 260 and the angle of the reflection plate 210,
It is possible to form a single crystal thin film in which the crystal orientation is oriented so that the crystal planes other than the (110) plane are along the surface of the thin film. For example, in each reflection unit 260, two or more sets of reflection units 260 are arranged so that the central axes of the atomic flows from the reflection block 206 toward the reflection plate 210 form an angle of 90 ° or 180 °, and The crystal orientation is oriented so that the (100) plane is along the surface by setting the shape and orientation of the reflection plate 210 such that the incident angles of the atomic flows entering the substrate 11 from the reflection unit 260 are all 55 °. The single crystal thin film can be formed.

【0149】また、各反射ユニット260において、反
射ブロック206から反射板210へ向かう原子流の中
心軸同士を120゜ずつずらして配置した3組の中の2
組以上の反射ユニット260を配設し、しかも、各反射
ユニット260から基板11へ入射する原子流の入射角
度がいずれも70゜となるように反射板210の形状お
よび向きを設定することによって、(111)面が表面
に沿うように結晶方位が配向した単結晶薄膜を形成する
ことができる。
In each of the reflection units 260, two of the three sets in which the central axes of the atomic flow from the reflection block 206 toward the reflection plate 210 are displaced by 120 ° are arranged.
By disposing more than one set of reflecting units 260 and by setting the shape and orientation of the reflecting plate 210 such that the incident angles of the atomic streams entering the substrate 11 from the respective reflecting units 260 are all 70 °, A single crystal thin film in which the crystal orientation is oriented so that the (111) plane is along the surface can be formed.

【0150】また、装置150と同様に、反射ブロック
206、整流部材208、反射板210等の原子流の照
射を受ける反射ユニット260の各部材等の少なくとも
表面を、形成すべき薄膜よりもスパッタリングにおける
スレッショルド・エネルギーの高いTa、W、Ptなど
の材料で構成してもよい。また、反射ユニット260の
各部材等の表面を、形成すべき単結晶薄膜と同一物質で
構成してもよい。さらに、反射ユニット260の各部材
等の表面を、照射されるイオン流または原子流を構成す
る元素よりも重い元素を含む材料で構成してもよい。
Further, similar to the device 150, at least the surface of each member of the reflection unit such as the reflection block 206, the rectifying member 208, the reflection plate 210, etc. of the reflection unit 260 which receives the irradiation of the atomic flow is formed by sputtering rather than the thin film to be formed. It may be made of a material such as Ta, W, or Pt having a high threshold energy. The surface of each member of the reflection unit 260 may be made of the same material as the single crystal thin film to be formed. Furthermore, the surfaces of the respective members of the reflection unit 260 may be made of a material containing an element that is heavier than the elements that make up the irradiated ion stream or atomic stream.

【0151】<9.第9実施例>つぎに、この発明の第
9実施例の装置について述べる。図25は、この実施例
の装置の構成を示す斜視図である。この図25に示すよ
うに、この装置300は、反射ユニット360を備えて
いる。この反射ユニット360は、反射ブロック206
の代わりに、静電電極306を備える点が、反射ユニッ
ト260とは特徴的に異なる。静電電極306には、中
性の原子流の代わりに、イオン流が入射される。すなわ
ち、引出口9からこの静電電極306までの距離は、E
CRイオン源2が出力するイオン流が中性の原子流に殆
ど転換されずに、イオン流のままで静電電極306へ入
射するように十分に短く設定される。
<9. Ninth Embodiment> Next, an apparatus according to a ninth embodiment of the present invention will be described. FIG. 25 is a perspective view showing the structure of the apparatus of this embodiment. As shown in FIG. 25, the device 300 includes a reflection unit 360. The reflection unit 360 includes a reflection block 206.
The reflection unit 260 is characteristically different in that an electrostatic electrode 306 is provided instead of the reflection unit 260. Instead of the neutral atomic flow, the ion flow is incident on the electrostatic electrode 306. That is, the distance from the outlet 9 to the electrostatic electrode 306 is E
The ion flow output from the CR ion source 2 is set to be sufficiently short so that it is hardly converted into a neutral atomic flow and is incident on the electrostatic electrode 306 as it is.

【0152】静電電極306には、交流電源307が付
随して設けられる。この交流電源307は、一定バイア
ス電圧の上に交流電圧が重畳して成る変動電圧を静電電
極306に供給する。その結果、静電電極306へ入射
したイオン流が、変動する静電場の作用によって水平面
内の多方向へと散乱される。
An AC power supply 307 is attached to the electrostatic electrode 306. The AC power supply 307 supplies a variable voltage, which is formed by superimposing an AC voltage on a constant bias voltage, to the electrostatic electrode 306. As a result, the ion flow incident on the electrostatic electrode 306 is scattered in multiple directions in the horizontal plane by the action of the varying electrostatic field.

【0153】このように、この装置300では、交流電
源307が供給する変動電圧によって、イオン流の散乱
が実現するので、遮蔽板204によって遮蔽される不要
な方向へのイオン流の散乱を容易に抑えることができ
る。すなわち、ECRイオン源2が供給するイオン流を
効率よく基板11への照射に役立てることができるとい
う利点がある。さらに、交流電源307が供給する変動
電圧の波形を、例えば三角波状に設定するなどによっ
て、イオン流を各散乱方向へ、一層高い均一性をもって
散乱することができるという利点も得られる。
As described above, in this apparatus 300, the fluctuating voltage supplied by the AC power source 307 realizes the scattering of the ion flow, so that the scattering of the ion flow in the unnecessary direction shielded by the shielding plate 204 can be facilitated. Can be suppressed. That is, there is an advantage that the ion flow supplied by the ECR ion source 2 can be effectively used for irradiation of the substrate 11. Further, by setting the waveform of the fluctuating voltage supplied from the AC power supply 307 to, for example, a triangular wave, the ion current can be scattered in each scattering direction with higher uniformity.

【0154】<10.変形例> (1) 第6実施例および第7実施例では、反射ブロッ
ク106の形状、および反射板110の配置を4回回転
対称に選んだが、その他の回転対称、例えば2回回転対
称、あるいは3回回転対称に選ぶことも可能である。す
なわち、所望する単結晶薄膜の結晶構造に応じて、異な
る入射角度で入射する原子流の成分の数を任意に選ぶこ
とが可能である。反射ブロック106の形状を、円錐体
などの回転対称に選んでもよい。このときには、基板1
1への入射方向の数によらずに、反射ブロック106は
1つで足りる。このように、この発明の装置では、ダイ
ヤモンド構造以外の結晶構造を有する単結晶薄膜を形成
することも可能であり、また、結晶構造は同一であって
も、様々な結晶方位を有する単結晶薄膜を形成すること
も可能である。また任意の結晶構造に対応できるので、
単結晶薄膜を構成する物質もSiに限定されることがな
く、例えばGaAs、GaNなどの半導体単結晶薄膜の
形成も可能である。
<10. Modifications> (1) In the sixth and seventh embodiments, the shape of the reflection block 106 and the arrangement of the reflection plate 110 are selected to be four-fold rotational symmetry, but other rotational symmetry, for example, two-fold rotational symmetry, or It is also possible to select three-fold rotational symmetry. That is, it is possible to arbitrarily select the number of atomic flow components incident at different incident angles according to the desired crystal structure of the single crystal thin film. The shape of the reflection block 106 may be selected to be rotationally symmetrical such as a cone. At this time, the substrate 1
One reflection block 106 is sufficient regardless of the number of incident directions to 1. As described above, in the device of the present invention, it is possible to form a single crystal thin film having a crystal structure other than the diamond structure, and even if the crystal structures are the same, the single crystal thin films having various crystal orientations are formed. Can also be formed. Also, since it can correspond to any crystal structure,
The material forming the single crystal thin film is not limited to Si, and a semiconductor single crystal thin film such as GaAs or GaN can be formed.

【0155】(2) 第6実施例および第7実施例にお
いて、原子流の方向を整える整流部材108は、反射ブ
ロック106から反射板110へと向かう原子流の経路
に介挿する代わりに、反射板110によって反射され基
板11へと向かう原子流の経路に介挿してもよい。ま
た、これらの双方の経路に介挿してもよい。
(2) In the sixth and seventh embodiments, the rectifying member 108 that adjusts the direction of the atomic flow is reflected by the reflection block 106 instead of being inserted in the path of the atomic flow. It may be inserted in the path of the atomic flow reflected by the plate 110 and directed to the substrate 11. Moreover, you may interpose in both these paths.

【0156】また、整流部材108を備えない装置を構
成してもよい。しかしながら、整流部材108を備える
装置では、反射ブロック106や反射板110の形状お
よび配置などを厳密に設定しなくても、原子流の成分の
基板11への入射方向が精密に定まるという利点があ
る。
Further, an apparatus which does not include the flow regulating member 108 may be constructed. However, the device including the rectifying member 108 has an advantage that the incident direction of the component of the atomic flow to the substrate 11 is precisely determined without strictly setting the shapes and arrangements of the reflection block 106 and the reflection plate 110. .

【0157】なお、以上のことは、第8実施例及び第9
実施例における、整流部材208についても同様であ
る。
The above is the eighth and ninth embodiments.
The same applies to the rectifying member 208 in the embodiment.

【0158】(3) 第1実施例〜第8実施例におい
て、ECRイオン源2の代わりに、中性の原子流または
分子流、あるい中性のラジカル流を発生する他のビーム
源を使用してもよい。このような中性の原子流、ラジカ
ル流を発生するビーム源がすでに市販されている。この
ビーム源を使用すれば、中性の原子またはラジカルのビ
ームが得られるので、ECRイオン源を用いた場合と同
様に、イオン流を中性化する手段を要せずして、絶縁性
の基板11の上に単結晶薄膜を形成することが可能であ
る。
(3) In the first to eighth embodiments, the ECR ion source 2 is replaced by another beam source which produces a neutral atomic or molecular flow or a neutral radical flow. You may. Beam sources that generate such neutral atomic flow and radical flow are already on the market. Since a beam of neutral atoms or radicals can be obtained by using this beam source, as in the case of using an ECR ion source, a means for neutralizing the ion flow is not required, and an insulating It is possible to form a single crystal thin film on the substrate 11.

【0159】(4) 第1実施例〜第9実施例におい
て、ECRイオン源2の代わりに、ケージ型、カウフマ
ン型等の他のイオン源を用いてもよい。ただし、このと
きに生成されるイオン流は、イオン間の静電気による反
発力によって流れが拡散し、指向性が弱まる傾向にある
ので、イオンを中性化する手段、あるいは例えばコリメ
ータなどのイオン流の指向性を高める手段をイオン流の
経路に介挿するのが望ましい。
(4) In the first to ninth embodiments, instead of the ECR ion source 2, another ion source such as a cage type or Kauffman type may be used. However, the ion flow generated at this time tends to be diffused by the repulsive force due to the static electricity between the ions, and the directivity tends to be weakened.Therefore, a means for neutralizing the ions or an ion flow such as a collimator is used. It is desirable to insert a means for enhancing directivity in the path of the ion flow.

【0160】特に、基板11に電気絶縁性の基板を用い
るときには、基板11に電荷が蓄積して照射が進行しな
くなることを防止するために、イオンを中性化する手段
をイオン流の経路に介挿することが望ましい。これに対
し、ECRイオン源を備える実施例の装置では、イオン
流を中性化する手段を用いることなく中性原子流が容易
に得られ、しかも平行流に近い形で得られるという利点
がある。
In particular, when an electrically insulating substrate is used as the substrate 11, in order to prevent the accumulation of charges on the substrate 11 and the cessation of irradiation, a means for neutralizing ions is provided in the ion flow path. Interposition is desirable. On the other hand, the apparatus of the embodiment provided with the ECR ion source has an advantage that the neutral atomic flow can be easily obtained without using a means for neutralizing the ion flow, and can be obtained in a form close to parallel flow. .

【0161】なお、第9実施例の装置にイオンを中性化
する手段を設置する場合には、静電電極306よりも下
流に設置される。
When the means for neutralizing ions is installed in the apparatus of the ninth embodiment, it is installed downstream of the electrostatic electrode 306.

【0162】(5) 以上の実施例で示した各ビーム照
射装置は、単結晶薄膜を形成することを目的とした装置
に限定されるものではなく、他の目的で複数方向から気
体のビームを照射するための装置に実施することも可能
である。特に、第6実施例〜第9実施例に示した装置
は、広大な基板の上に均一に、しかも複数方向から気体
のビームを照射する目的への利用に適している。
(5) Each of the beam irradiation devices shown in the above embodiments is not limited to a device for forming a single crystal thin film, but for other purposes, a beam of gas is emitted from a plurality of directions. It is also possible to implement the device for irradiation. In particular, the devices shown in the sixth to ninth examples are suitable for use for the purpose of irradiating a vast substrate with a gas beam uniformly and from a plurality of directions.

【0163】(6) 第1実施例〜第9実施例におい
て、形成すべき薄膜がGaNなど、常温下で気体である
N(窒素元素)を含む場合には、照射に供される気体と
して窒素ガスを用いてもよい。そうすれば、照射に供さ
れる気体が薄膜中に残留しても不純物として薄膜の特性
劣化をもたらす恐れがない。
(6) In the first to ninth embodiments, when the thin film to be formed contains N (nitrogen element) which is a gas at room temperature, such as GaN, nitrogen is used as the gas to be irradiated. Gas may be used. Then, even if the gas used for irradiation remains in the thin film, there is no possibility that the characteristics of the thin film deteriorate as impurities.

【0164】[0164]

【発明の効果】<請求項1に記載の発明の効果>この発
明の装置では、試料の被照射面へ照射する気体のビーム
を、単一のビーム源と、経路に配設される反射手段とに
よって得るので、複数のビーム源を要せずして、相異な
る複数の所定の方向から気体のビームを照射することが
可能である。しかも、ビームが第1の反射体によって複
数の方向に二次元的に発散するように反射され、更に第
2の反射体によって略平行ビームとされるので、ビーム
源が供給するビームの断面よりも広大な被照射面へ一様
にビームを照射することが可能である。このため、所定
の物質の薄膜が表面に形成された広い基板、あるいは所
定の物質の薄膜が表面に成長しつつある広い基板に、こ
の装置を用いて気体のビームを照射することによって、
基板を走査することなくその物質の単結晶薄膜を広くし
かも効率よく形成することが可能である。
<Effect of the invention according to claim 1> In the apparatus of the present invention, the beam of gas for irradiating the surface to be irradiated of the sample is provided with a single beam source and reflecting means arranged in the path. Therefore, it is possible to irradiate the gas beam from a plurality of different predetermined directions without using a plurality of beam sources. Moreover, since the beam is reflected by the first reflector so as to diverge two-dimensionally in a plurality of directions, and is made into a substantially parallel beam by the second reflector, the beam is more than the cross section of the beam supplied by the beam source. It is possible to uniformly irradiate a vast irradiation surface with a beam. Therefore, by irradiating a wide substrate on which a thin film of a predetermined substance is formed on the surface or a wide substrate on which a thin film of a predetermined substance is growing on the surface with a beam of gas using this device,
A single crystal thin film of the substance can be formed widely and efficiently without scanning the substrate.

【0165】<請求項2に記載の発明の効果>この発明
の装置では、第1の反射体から試料までのビームの経路
に、整流手段が設置されるので、ビームの方向を所定の
方向に揃えることができる。このため、各反射体の形状
および配置に厳しい精度が要求されないので、装置を容
易に構成できるという効果がある。
<Effect of the Invention According to Claim 2> In the apparatus of the present invention, since the rectifying means is installed in the path of the beam from the first reflector to the sample, the beam is directed in a predetermined direction. Can be aligned. Therefore, strict accuracy is not required for the shape and arrangement of the reflectors, so that the device can be easily configured.

【0166】<請求項3に記載の発明の効果>この発明
の装置では、第1の反射体によって反射される複数成分
の各ビーム量をビーム配分調整手段によって調節し、そ
のことによって、複数方向から被照射面へ入射する複数
成分の各ビーム量を調節することができる。このため、
基板上へ入射する各成分のビーム量を、例えば互いに同
一に揃えるなど、最適に設定することができるので、良
質の単結晶薄膜を効率よく形成し得るという効果があ
る。
<Effect of the Invention According to Claim 3> In the apparatus of the present invention, the beam distribution adjusting means adjusts the respective beam amounts of the plurality of components reflected by the first reflector, whereby the plural directions are obtained. It is possible to adjust the amount of each beam of a plurality of components that is incident on the surface to be illuminated. For this reason,
Since the beam amounts of the respective components incident on the substrate can be optimally set, for example, they can be made equal to each other, there is an effect that a good quality single crystal thin film can be efficiently formed.

【0167】<請求項4に記載の発明の効果>この発明
の装置では、単一のビーム源から供給される気体のビー
ムが、第1の反射体によって複数の方向に二次元的に発
散するように反射され、更に第2の反射体によって略平
行ビームとされるので、複数のビーム源を要せずして、
しかもビーム源が供給するビームの断面よりも広大な被
処理面へ、複数方向からビームを照射することが可能で
ある。このため、所定の物質の薄膜が表面に形成された
広い基板、あるいは所定の物質の薄膜が表面に成長しつ
つある広い基板に、この装置を用いて気体のビームを照
射することによって、基板を走査することなくその物質
の単結晶薄膜を広くしかも効率よく形成することが可能
である。
<Effect of the Invention According to Claim 4> In the device of the present invention, the beam of gas supplied from a single beam source is two-dimensionally diverged in a plurality of directions by the first reflector. Since it is reflected by the second reflector and made into a substantially parallel beam by the second reflector, it does not require a plurality of beam sources,
Moreover, it is possible to irradiate the beam from a plurality of directions onto the surface to be processed which is wider than the cross section of the beam supplied by the beam source. Therefore, by irradiating a wide substrate on which a thin film of a predetermined substance is formed or a wide substrate on which a thin film of a predetermined substance is growing on the surface with a beam of gas using this device, A single crystal thin film of the substance can be formed widely and efficiently without scanning.

【0168】<請求項5に記載の発明の効果>この発明
の装置では、ビームが第1の反射体によって略一次元的
に発散するように反射された後に、更に第2の反射体に
よって略平行ビームとされるので、ビーム源が供給する
ビームよりも幅の広い線状ないし帯状の領域にビームを
照射することができる。しかも、この線状ないし帯状の
領域に交差する方向に試料が走査されるので、広大な被
照射面へ一様にビームを照射することが可能である。ま
た、ビーム源と反射手段がそれぞれ複数個設けられるの
で、広大な被照射面へ一様に、しかも複数の入射方向を
もってビームを照射することができる。
<Effect of the Invention According to Claim 5> In the device of the present invention, after the beam is reflected by the first reflector so as to diverge substantially one-dimensionally, the beam is further reflected by the second reflector. Since the beams are parallel beams, it is possible to irradiate the beam to a linear or band-shaped region wider than the beam supplied by the beam source. Moreover, since the sample is scanned in the direction intersecting the linear or strip-shaped region, it is possible to uniformly irradiate the beam on the vast irradiation surface. Further, since a plurality of beam sources and a plurality of reflecting means are respectively provided, it is possible to irradiate the beam uniformly on a vast irradiation surface with a plurality of incident directions.

【0169】<請求項6に記載の発明の効果>この発明
の装置では、第1の反射体から基板までのビームの経路
に、整流手段が設置されるので、ビームの方向を所定の
方向に揃えることができる。このため、各反射体の形状
および配置に厳しい精度が要求されないので、装置を容
易に構成できるという効果がある。
<Effect of the Invention According to Claim 6> In the apparatus of the present invention, since the rectifying means is installed in the path of the beam from the first reflector to the substrate, the beam is directed in a predetermined direction. Can be aligned. Therefore, strict accuracy is not required for the shape and arrangement of the reflectors, so that the device can be easily configured.

【0170】<請求項7に記載の発明の効果>この発明
の装置では、ビームが第1の反射体によって略一次元的
に発散するように反射された後に、更に第2の反射体に
よって略平行ビームとされるので、ビーム源が供給する
ビームよりも幅の広い線状ないし帯状の領域にビームを
照射することができる。
<Effect of the Invention According to Claim 7> In the device of the present invention, after the beam is reflected by the first reflector so as to diverge substantially one-dimensionally, the beam is further reflected by the second reflector. Since the beams are parallel beams, it is possible to irradiate the beam to a linear or band-shaped region wider than the beam supplied by the beam source.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】第6実施例における反射ユニットの正面断面図
である。
FIG. 1 is a front sectional view of a reflection unit according to a sixth embodiment.

【図2】第1実施例における装置の正面断面図である。FIG. 2 is a front sectional view of the device according to the first embodiment.

【図3】第1実施例のECRイオン源の特性を示すグラ
フである。
FIG. 3 is a graph showing characteristics of the ECR ion source of the first embodiment.

【図4】第1実施例における装置の実証試験の結果を示
す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a result of a verification test of the device according to the first embodiment.

【図5】第2実施例における装置の正面断面図である。FIG. 5 is a front sectional view of an apparatus according to a second embodiment.

【図6】第2実施例における反射板の斜視図である。FIG. 6 is a perspective view of a reflection plate according to a second embodiment.

【図7】図6に示した反射板の平面図である。FIG. 7 is a plan view of the reflector shown in FIG.

【図8】図6に示した反射板の分解斜視図である。FIG. 8 is an exploded perspective view of the reflector shown in FIG.

【図9】図6に示した反射板の分解斜視図である。9 is an exploded perspective view of the reflector shown in FIG.

【図10】図6に示した反射板の平面図である。FIG. 10 is a plan view of the reflector shown in FIG.

【図11】図10に示した反射板のA−A切断線に沿っ
た断面図である。
11 is a cross-sectional view taken along the line AA of the reflector shown in FIG.

【図12】第2実施例における装置の実証試験の結果を
示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a result of a verification test of the device according to the second embodiment.

【図13】第3実施例における装置の斜視図である。FIG. 13 is a perspective view of an apparatus according to a third embodiment.

【図14】第4実施例における装置の斜視図である。FIG. 14 is a perspective view of an apparatus according to a fourth embodiment.

【図15】第5実施例における方法を説明する工程図で
ある。
FIG. 15 is a process drawing for explaining the method in the fifth embodiment.

【図16】第5実施例における方法を説明する工程図で
ある。
FIG. 16 is a process drawing for explaining the method in the fifth embodiment.

【図17】第5実施例における方法を説明する工程図で
ある。
FIG. 17 is a process drawing for explaining the method in the fifth embodiment.

【図18】第6実施例における装置の正面断面図であ
る。
FIG. 18 is a front sectional view of an apparatus according to a sixth embodiment.

【図19】第6実施例における反射ユニットの平面図で
ある。
FIG. 19 is a plan view of a reflection unit according to a sixth embodiment.

【図20】第7実施例における装置の正面断面図であ
る。
FIG. 20 is a front sectional view of an apparatus according to a seventh embodiment.

【図21】第8実施例における装置の斜視図である。FIG. 21 is a perspective view of an apparatus according to an eighth embodiment.

【図22】第8実施例における装置の平面図である。FIG. 22 is a plan view of the device according to the eighth embodiment.

【図23】第8実施例における装置の正面図である。FIG. 23 is a front view of the device according to the eighth embodiment.

【図24】第8実施例における装置の平面図である。FIG. 24 is a plan view of the device according to the eighth embodiment.

【図25】第9実施例における装置の斜視図である。FIG. 25 is a perspective view of the device according to the ninth embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

102、103 軸配向多結晶薄膜形成装置(ビーム照
射装置) 100、101、150、151、200、300 単
結晶薄膜形成装置(ビーム照射装置) 1 反応容器(容器) 2 ECRイオン源(ビーム源) 10 試料台(部材) 11 基板 12 反射板(反射手段) 51 遮蔽板(遮蔽体) 53 反射用ブロック(反射体) 55 斜面(反射面) 104 遮蔽板(ビーム配分調整手段) 106、206 反射ブロック(第1の反射体) 306 静電電極(第1の反射体) 108、208 整流部材(整流手段) 110、210 反射板(第2の反射体) 160、260、360 反射ユニット(反射手段、反
射装置)
102, 103 Axis-oriented polycrystalline thin film forming apparatus (beam irradiation apparatus) 100, 101, 150, 151, 200, 300 Single crystal thin film forming apparatus (beam irradiation apparatus) 1 Reaction vessel (container) 2 ECR ion source (beam source) 10 sample table (member) 11 substrate 12 reflection plate (reflecting means) 51 shielding plate (shielding body) 53 reflection block (reflecting body) 55 slope (reflecting surface) 104 shielding plate (beam distribution adjusting means) 106, 206 reflection block (First Reflector) 306 Electrostatic Electrode (First Reflector) 108, 208 Rectifying Member (Rectifying Means) 110, 210 Reflecting Plate (Second Reflecting Body) 160, 260, 360 Reflecting Unit (Reflecting Means, Reflector)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉水 敏和 大阪府吹田市江坂町1丁目12番38号 江坂 ソリトンビル 株式会社メガチップス内 (72)発明者 進藤 晶弘 大阪府吹田市江坂町1丁目12番38号 江坂 ソリトンビル 株式会社メガチップス内 Fターム(参考) 4G077 AA03 BA04 CA03 EG25 EJ03 JA06 JB07 5F045 AA10 AB02 AC01 AC19 AF07 BB16 CA15 DP03 DQ10 EF13   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Toshikazu Yoshimizu             1-12-38 Esaka-cho, Suita-shi, Osaka Esaka             Inside Soliton Building Mega Chips (72) Inventor Akihiro Shindo             1-12-38 Esaka-cho, Suita-shi, Osaka Esaka             Inside Soliton Building Mega Chips F-term (reference) 4G077 AA03 BA04 CA03 EG25 EJ03                       JA06 JB07                 5F045 AA10 AB02 AC01 AC19 AF07                       BB16 CA15 DP03 DQ10 EF13

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料の被照射面に気体のビームを照射す
るビーム照射装置であって、気体のビームを供給する単
一のビーム源と、当該ビーム源によって供給される前記
ビームを反射させることによって、前記気体が複数の所
定の入射方向をもって前記被照射面へ照射されることを
可能にする反射手段と、を備え、 当該反射手段が、前記ビーム源から供給される前記ビー
ムの経路に配設され、当該ビームを複数の方向に反射す
ることによって、ビーム断面がビームの進行にともなっ
て二次元的に拡大する複数の発散ビームを生成する第1
の反射体と、前記複数の発散ビームを、前記被照射面へ
複数の方向から略平行ビームとして入射するように更に
反射する凹面状の反射面を有する第2の反射体と、を備
えるビーム照射装置。
1. A beam irradiation device for irradiating a surface of a sample with a gas beam, wherein a single beam source for supplying the gas beam and reflecting the beam supplied by the beam source. Reflecting means for enabling the gas to be irradiated onto the illuminated surface with a plurality of predetermined incident directions, the reflecting means being arranged in the path of the beam supplied from the beam source. A plurality of divergent beams whose beam cross section expands two-dimensionally as the beam travels by reflecting the beam in a plurality of directions.
And a second reflector having a concave reflecting surface that further reflects the plurality of divergent beams so as to make the plurality of divergent beams incident on the surface to be irradiated as a substantially parallel beam from a plurality of directions. apparatus.
【請求項2】 請求項1に記載のビーム照射装置におい
て、前記反射手段が、前記第1の反射体から前記基板ま
での前記ビームの経路に、当該ビームの方向を揃える整
流手段、を更に備えるビーム照射装置。
2. The beam irradiating device according to claim 1, wherein the reflecting means further comprises a rectifying means for aligning a direction of the beam on a path of the beam from the first reflector to the substrate. Beam irradiation device.
【請求項3】 請求項1に記載のビーム照射装置におい
て、前記反射手段が、前記ビーム源と前記第1の反射体
との間における前記ビームの経路に介挿されるとともに
当該経路に垂直な断面上の当該ビームの分布を調節する
ことにより、前記第1の反射体によって複数の方向に反
射される各成分のビーム量を調節するビーム配分調整手
段、を更に備えるビーム照射装置。
3. The beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein the reflecting means is inserted in a path of the beam between the beam source and the first reflector and is perpendicular to the path. The beam irradiation apparatus further comprising beam distribution adjusting means for adjusting the beam amount of each component reflected in a plurality of directions by the first reflector by adjusting the distribution of the beam.
【請求項4】 単一のビーム源から供給される気体のビ
ームを反射することによって、当該気体が複数の所定の
入射方向をもって試料の被照射面へ照射されることを可
能にするビーム反射装置であって、 前記ビームを複数の方向に反射することによって、ビー
ム断面がビームの進行にともなって二次元的に拡大する
複数の発散ビームを生成する第1の反射体と、前記複数
の発散ビームを、前記被照射面へ複数の方向から略平行
ビームとして入射するように更に反射する凹面状の反射
面を有する第2の反射体と、を備えるビーム反射装置。
4. A beam reflector for reflecting a beam of gas supplied from a single beam source, thereby enabling the gas to be irradiated onto a surface to be irradiated of a sample with a plurality of predetermined incident directions. A first reflector for generating a plurality of divergent beams whose beam cross-section expands two-dimensionally as the beam travels by reflecting the beams in a plurality of directions; and the plurality of divergent beams. And a second reflector having a concave reflecting surface that further reflects the light so as to be incident on the irradiated surface as a substantially parallel beam from a plurality of directions.
【請求項5】 試料の被照射面に気体のビームを照射す
るビーム照射装置であって、気体のビームを供給する複
数のビーム源と、当該複数のビーム源によって供給され
る前記ビームを反射させることによって、前記気体が複
数の所定の入射方向をもって前記被照射面の共通の領域
へ照射されることを可能にする複数の反射手段と、を備
え、 前記各反射手段が、前記各ビーム源から供給される前記
ビームの経路に配設され、当該ビームを反射することに
よって、ビーム断面がビームの進行にともなって略一次
元的に拡大する発散ビームを生成する第1の反射体と、
前記発散ビームを、前記被照射面の線状ないし帯状の前
記共通の領域へ略平行ビームとして入射するように更に
反射する凹面状の反射面を有する第2の反射体と、を備
え、 前記ビーム照射装置が、線状ないし帯状の前記共通の領
域に交差する方向に前記試料を走査する移動手段を、さ
らに備えるビーム照射装置。
5. A beam irradiation device for irradiating an irradiation surface of a sample with a gas beam, comprising: a plurality of beam sources for supplying the gas beam; and a reflection of the beams supplied by the plurality of beam sources. A plurality of reflecting means for allowing the gas to be irradiated to a common region of the irradiated surface with a plurality of predetermined incident directions, each reflecting means from each of the beam sources. A first reflector that is disposed in the path of the beam to be supplied and that reflects the beam to generate a divergent beam whose beam cross-section expands approximately one-dimensionally as the beam advances;
A second reflector having a concave reflecting surface for further reflecting the divergent beam so as to be incident on the common region of the irradiation surface as a linear or strip-shaped substantially parallel beam; The beam irradiation device, wherein the irradiation device further includes moving means for scanning the sample in a direction intersecting with the linear or strip-shaped common region.
【請求項6】 請求項5に記載のビーム照射装置におい
て、前記各反射手段が、前記第1の反射体から前記基板
までの前記ビームの経路に、当該ビームの方向を揃える
整流手段、を更に備えるビーム照射装置。
6. The beam irradiating device according to claim 5, wherein each of the reflecting means further comprises a rectifying means for aligning a direction of the beam with a path of the beam from the first reflector to the substrate. Beam irradiation device.
【請求項7】 ビーム源から供給される気体のビームを
反射することによって、当該気体が所定の入射方向をも
って試料の被照射面へ照射されることを可能にするビー
ム反射装置であって、 前記ビームを反射することによって、ビーム断面がビー
ムの進行にともなって略一次元的に拡大する発散ビーム
を生成する第1の反射体と、前記発散ビームを、前記被
照射面の線状ないし帯状の領域へ略平行ビームとして入
射するように更に反射する凹面状の反射面を有する第2
の反射体と、を備えるビーム反射装置。
7. A beam reflecting device for reflecting a beam of a gas supplied from a beam source to irradiate the surface to be irradiated of a sample with the gas in a predetermined incident direction, comprising: A first reflector that generates a divergent beam whose beam cross-section expands in a substantially one-dimensional manner as the beam advances by reflecting the beam, and the divergent beam in a linear or strip shape on the irradiated surface. A second reflecting surface having a concave surface which is further reflected so as to be incident on the area as a substantially parallel beam;
And a beam reflector.
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