JP2003142418A - 単結晶薄膜形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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持った薄膜を得る。 【解決手段】 基板１１の上に軸配向多結晶薄膜７１を
あらかじめ形成した後に、複数方向からビームを照射す
ることによって薄膜７１を単結晶薄膜へ転換する。この
ため、例えば基板１１の上に遮蔽体が形成されているな
どのために、複数方向からのビームが基板の上に均一に
照射されなくても、基板１１の上のどの部分にも単結晶
薄膜か軸配向多結晶薄膜７１の少なくとも何れかが形成
されているので、目立った特性上の劣化を引き起こさな
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【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
を可能にする単結晶薄膜形成方法に関する。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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、所望の方向に配
向した軸配向多結晶薄膜、および所望の結晶方位を有す
る単結晶薄膜を形成し得る単結晶薄膜形成方法を提供す
ることを目的とする。

【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に記載の単結晶薄膜形成方法は、基板の上に所定の物
質の単結晶薄膜を形成する単結晶薄膜形成方法であっ
て、前記基板の上に前記所定の物質の結晶化が起こらな
い低温度下で、当該所定の物質を堆積させつつ、当該所
定の物質のスパッタリングを引き起こさない低エネルギ
ーの気体のビームを、堆積しつつある当該所定の物質へ
一方向から照射することによって、当該所定の物質の軸
配向多結晶薄膜を形成する工程と、前記所定の物質の結
晶化温度以下の高温下で、前記単結晶薄膜における方向
の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直な方向から、前記
所定の物質のスパッタリングを引き起こさない低エネル
ギーの気体のビームを前記軸配向多結晶薄膜へ照射する
ことによって、当該軸配向多結晶薄膜を単結晶薄膜へ転
換する工程と、を備えることを特徴とする。

【００１２】この発明にかかる請求項２に記載の単結晶
薄膜形成方法は、基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を
形成する単結晶薄膜形成方法であって、前記基板の上
に、前記所定の物質を堆積させることによって当該物質
の薄膜を形成する工程と、前記工程の後に、前記所定の
物質の結晶化温度以下の高温下で、前記所定の物質のス
パッタリングを引き起こさない低エネルギーの気体のビ
ームを、前記薄膜へ一方向から照射することによって、
当該薄膜を軸配向多結晶薄膜へ転換する工程と、前記所
定の物質の結晶化温度以下の高温下で、前記単結晶薄膜
における方向の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直な方
向から、前記所定の物質のスパッタリングを引き起こさ
ない低エネルギーの気体のビームを前記軸配向多結晶薄
膜へ照射することによって、当該軸配向多結晶薄膜を単
結晶薄膜へ転換する工程と、を備えることを特徴とす
る。

【００１３】この発明にかかる請求項３に記載の単結晶
薄膜形成方法は、請求項１または請求項２に記載の方法
において、前記軸配向多結晶薄膜を形成する際における
前記気体のビームの照射方向と、前記軸配向多結晶薄膜
を単結晶薄膜へ転換する際における前記気体のビームの
複数の照射方向の１つとが、互いに同一であることを特
徴とする。

【００１４】この発明にかかる請求項４に記載の単結晶
薄膜形成方法は、請求項１または請求項２に記載の方法
において、前記気体が不活性ガスであることを特徴とす
る。

【００１５】この発明にかかる請求項５に記載の単結晶
薄膜形成方法は、請求項４に記載の方法において、前記
不活性ガスを構成する元素の原子量が、前記所定の物質
を構成する元素の原子量の中の最大の原子量よりも低い
ことを特徴とする。

【００１６】この発明にかかる請求項６に記載の単結晶
薄膜形成方法は、請求項１または請求項２に記載の方法
において、前記所定の物質が、常温度下で気体である気
体物質を構成する元素を含むとともに、前記気体のビー
ムが、前記気体物質のビームであることを特徴とする。

【００１７】この発明にかかる請求項７に記載の単結晶
薄膜形成方法は、請求項１または請求項２に記載の方法
において、前記気体のビームを電子サイクロトロン共鳴
型のイオン源を用いて生成することを特徴とする。

【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。

【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。

【００２０】

【作用】＜請求項１に記載の発明の作用＞この発明の方
法では、基板の上に軸配向多結晶薄膜をあらかじめ形成
した後に、複数方向からビームを照射することによって
薄膜を単結晶薄膜へ転換する。このため、例えば基板の
上に遮蔽体が形成されているなどのために、複数方向か
らのビームが基板の上に均一に照射されなくても、基板
の上のどの部分にも単結晶薄膜か軸配向多結晶薄膜の少
なくとも何れかが形成されているので、目立った特性上
の劣化を引き起こさない。

【００２１】＜請求項２に記載の発明の作用＞この発明
の方法では、基板の上に軸配向多結晶薄膜をあらかじめ
形成した後に、複数方向からビームを照射することによ
って薄膜を単結晶薄膜へ転換する。このため、例えば基
板の上に遮蔽体が形成されているなどのために、複数方
向からのビームが基板の上に均一に照射されなくても、
基板の上のどの部分にも単結晶薄膜か軸配向多結晶薄膜
の少なくとも何れかが形成されているので、目立った特
性上の劣化を引き起こさない。

【００２２】＜請求項３に記載の発明の作用＞この発明
の方法では、軸配向多結晶薄膜を形成する際における気
体のビームの照射方向と、軸配向多結晶薄膜を単結晶薄
膜へ転換する際における気体のビームの複数の照射方向
の１つとが、互いに同一であるので、単結晶薄膜への転
換が円滑に行われる。

【００２３】＜請求項４に記載の発明の作用＞この発明
の方法では、不活性ガスのビームが照射に供されるの
で、形成される単結晶薄膜に気体が残留しても、薄膜の
電子物性等の特性に目立った影響を及ぼさないのに加え
て、侵入した気体を薄膜から容易に除去することができ
る。

【００２４】＜請求項５に記載の発明の作用＞この発明
の方法では、不活性ガスを構成する元素の原子量が、薄
膜として成長しつつある所定の物質の構成元素の最大の
原子量よりも低いので、照射された不活性ガスの原子ま
たはイオンの大部分が、薄膜の表面ないしその近傍で後
方へ散乱され、薄膜の中に残留し難い。

【００２５】＜請求項６に記載の発明の作用＞この発明
の方法では、照射される気体が薄膜として成長する物質
の構成元素を含んでいる。このため、照射後にこの構成
元素の原子またはイオンが薄膜の中に残留しても、これ
らが不純物として単結晶薄膜へ悪影響を及ぼす恐れがな
い。

【００２６】＜請求項７に記載の発明の作用＞この発明
の方法では、ビーム発生源が電子サイクロトロン共鳴型
のイオン発生源である。このため、イオンビームの指向
性が高いのに加えて、イオン発生源から所定以上の距離
において、イオンを中性化する手段を用いることなく、
強度の中性ビームが得られる。また、電気絶縁性の基板
にイオンの電荷が蓄積しない。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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Ｂ₂Ｈ
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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００４７】

【表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。

【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（ＣＨ₃）₃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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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Ｂ₂Ｈ₃（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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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）。

【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。

【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。

【０１１７】＜６．第６実施例＞つぎに、第６実施例に
ついて説明する。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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Ｂ₂Ｈ₃（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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【０１６４】

【発明の効果】＜請求項１に記載の発明の効果＞この発
明の方法では、基板の上に軸配向多結晶薄膜をあらかじ
め形成した後に、複数方向からビームを照射することに
よって薄膜を単結晶薄膜へ転換する。このため、例えば
基板の上に遮蔽体が形成されているなどのために、複数
方向からのビームが基板の上に均一に照射されなくて
も、基板の上のどの部分にも単結晶薄膜か軸配向多結晶
薄膜の少なくとも何れかが形成されているので、目立っ
た特性上の劣化を引き起こさない。

【０１６５】＜請求項２に記載の発明の効果＞この発明
の方法では、基板の上に軸配向多結晶薄膜をあらかじめ
形成した後に、複数方向からビームを照射することによ
って薄膜を単結晶薄膜へ転換する。このため、例えば基
板の上に遮蔽体が形成されているなどのために、複数方
向からのビームが基板の上に均一に照射されなくても、
基板の上のどの部分にも単結晶薄膜か軸配向多結晶薄膜
の少なくとも何れかが形成されているので、目立った特
性上の劣化を引き起こさない。

【０１６６】＜請求項３に記載の発明の効果＞この発明
の方法では、軸配向多結晶薄膜を形成する際における気
体のビームの照射方向と、軸配向多結晶薄膜を単結晶薄
膜へ転換する際における気体のビームの複数の照射方向
の１つとが、互いに同一であるので、単結晶薄膜への転
換が円滑に行われる。

【０１６７】＜請求項４に記載の発明の効果＞この発明
の方法では、不活性ガスのビームが照射に供されるの
で、形成される単結晶薄膜に気体が残留しても、薄膜の
電子物性等の特性に目立った影響を及ぼさないのに加え
て、侵入した気体を薄膜から容易に除去することができ
る。

【０１６８】＜請求項５に記載の発明の効果＞この発明
の方法では、不活性ガスを構成する元素の原子量が、薄
膜として成長しつつある所定の物質の構成元素の最大の
原子量よりも低いので、照射された不活性ガスの原子ま
たはイオンの大部分が、薄膜の表面ないしその近傍で後
方へ散乱され、薄膜の中に残留し難い。

【０１６９】＜請求項６に記載の発明の効果＞この発明
の方法では、照射される気体が薄膜として成長する物質
の構成元素を含んでいる。このため、照射後にこの構成
元素の原子またはイオンが薄膜の中に残留しても、これ
らが不純物として単結晶薄膜へ悪影響を及ぼす恐れがな
い。

【０１７０】＜請求項７に記載の発明の効果＞この発明
の方法では、ビーム発生源が電子サイクロトロン共鳴型
のイオン発生源である。このため、イオンビームの指向
性が高いのに加えて、イオン発生源から所定以上の距離
において、イオンを中性化する手段を用いることなく、
強度の中性ビームを得ることができる。また、イオンを
中性化する手段を用いることなく、電気絶縁性の基板を
使用することも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【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。

【図２】第１実施例における装置の正面断面図である。

【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。

【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。

【図５】第２実施例における装置の正面断面図である。

【図６】第２実施例における反射板の斜視図である。

【図７】図６に示した反射板の平面図である。

【図８】図６に示した反射板の分解斜視図である。

【図９】図６に示した反射板の分解斜視図である。

【図１０】図６に示した反射板の平面図である。

【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。

【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。

【図１３】第３実施例における装置の斜視図である。

【図１４】第４実施例における装置の斜視図である。

【図１５】第５実施例における方法を説明する工程図で
ある。

【図１６】第５実施例における方法を説明する工程図で
ある。

【図１７】第５実施例における方法を説明する工程図で
ある。

【図１８】第６実施例における装置の正面断面図であ
る。

【図１９】第６実施例における反射ユニットの平面図で
ある。

【図２０】第７実施例における装置の正面断面図であ
る。

【図２１】第８実施例における装置の斜視図である。

【図２２】第８実施例における装置の平面図である。

【図２３】第８実施例における装置の正面図である。

【図２４】第８実施例における装置の平面図である。

【図２５】第９実施例における装置の斜視図である。

【符号の説明】

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）

───────────────────────────────────────────────────── 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 BE46 DB04 DB08 ED06 FE19 FH05 FH09 HA06 TB02 TB05 TK01 5F045 AA10 AB02 AC01 AC19 AF07 BB16 CA15 DP03 DQ10 EF13 HA17 HA18 5F052 AA01 AA03 AA04 AA05 AA18 DA01 DA02 DB01 DB03 FA00

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を形
   成する単結晶薄膜形成方法であって、 前記基板の上に前記所定の物質の結晶化が起こらない低
   温度下で、当該所定の物質を堆積させつつ、当該所定の
   物質のスパッタリングを引き起こさない低エネルギーの
   気体のビームを、堆積しつつある当該所定の物質へ一方
   向から照射することによって、当該所定の物質の軸配向
   多結晶薄膜を形成する工程と、 前記所定の物質の結晶化温度以下の高温下で、前記単結
   晶薄膜における方向の相異なる複数の最稠密結晶面に垂
   直な方向から、前記所定の物質のスパッタリングを引き
   起こさない低エネルギーの気体のビームを前記軸配向多
   結晶薄膜へ照射することによって、当該軸配向多結晶薄
   膜を単結晶薄膜へ転換する工程と、を備えることを特徴
   とする単結晶薄膜形成方法。
2. 【請求項２】 基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を形
   成する単結晶薄膜形成方法であって、 前記基板の上に、前記所定の物質を堆積させることによ
   って当該物質の薄膜を形成する工程と、 前記工程の後に、前記所定の物質の結晶化温度以下の高
   温下で、前記所定の物質のスパッタリングを引き起こさ
   ない低エネルギーの気体のビームを、前記薄膜へ一方向
   から照射することによって、当該薄膜を軸配向多結晶薄
   膜へ転換する工程と、 前記所定の物質の結晶化温度以下の高温下で、前記単結
   晶薄膜における方向の相異なる複数の最稠密結晶面に垂
   直な方向から、前記所定の物質のスパッタリングを引き
   起こさない低エネルギーの気体のビームを前記軸配向多
   結晶薄膜へ照射することによって、当該軸配向多結晶薄
   膜を単結晶薄膜へ転換する工程と、を備えることを特徴
   とする単結晶薄膜形成方法。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の方法に
   おいて、前記軸配向多結晶薄膜を形成する際における前
   記気体のビームの照射方向と、前記軸配向多結晶薄膜を
   単結晶薄膜へ転換する際における前記気体のビームの複
   数の照射方向の１つとが、互いに同一であることを特徴
   とする単結晶薄膜形成方法。
4. 【請求項４】 請求項１または請求項２に記載の方法に
   おいて、前記気体が不活性ガスであることを特徴とする
   単結晶薄膜形成方法。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の方法において、前記不
   活性ガスを構成する元素の原子量が、前記所定の物質を
   構成する元素の原子量の中の最大の原子量よりも低いこ
   とを特徴とする単結晶薄膜形成方法。
6. 【請求項６】 請求項１または請求項２に記載の方法に
   おいて、前記所定の物質が、常温度下で気体である気体
   物質を構成する元素を含むとともに、前記気体のビーム
   が、前記気体物質のビームであることを特徴とする単結
   晶薄膜形成方法。
7. 【請求項７】 請求項１または請求項２に記載の方法に
   おいて、前記気体のビームを電子サイクロトロン共鳴型
   のイオン源を用いて生成することを特徴とする単結晶薄
   膜形成方法。