JP2854603B2 - 薄膜を作製する方法 - Google Patents
薄膜を作製する方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は概括的には、エネルギー移送ガスが真空囲障
に導入される際に通る第１の導管の有孔端部の近傍に、
該エネルギー移送ガスの高流量の活性化核種を生成する
ことにより、材料の薄膜を堆積及び除去することに係
る。より特定的には、本発明は離れた位置に配置された
基板の表面に材料の薄膜を堆積又は除去するために所望
の励起核種のみを高密度で生成する方法に係る。従来、
比較的高い堆積速度で比較的低い品質の材料（例えば半
導体材料、誘電材料又はダイアモンド様の材料）を堆積
すること、又は比較的低い堆積速度で比較的高品質の材
料を堆積することは可能であったが、本発明によると、
非常に高い堆積速度で高品質の薄膜材料を堆積すること
が可能になる。また、非常に高流束のイオン核種が活性
化される（イオン流束は25ma/cm2を越える）ので、従来
はバイポーライオンエッチングプロセスでしか得られな
かったような効率で、離れて配置された基板の表面から
材料をエッチングすることが可能である。
に導入される際に通る第１の導管の有孔端部の近傍に、
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ことにより、材料の薄膜を堆積及び除去することに係
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基板の表面に材料の薄膜を堆積又は除去するために所望
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比較的高い堆積速度で比較的低い品質の材料（例えば半
導体材料、誘電材料又はダイアモンド様の材料）を堆積
すること、又は比較的低い堆積速度で比較的高品質の材
料を堆積することは可能であったが、本発明によると、
非常に高い堆積速度で高品質の薄膜材料を堆積すること
が可能になる。また、非常に高流束のイオン核種が活性
化される（イオン流束は25ma/cm2を越える）ので、従来
はバイポーライオンエッチングプロセスでしか得られな
かったような効率で、離れて配置された基板の表面から
材料をエッチングすることが可能である。
尚、本明細書中で使用される「エネルギー移送ガス
（energy transferring gas）」なる用語は、活性化核
種（イオン、遊離基又は別の方法で励起された中性粒
子）を生成し、（１）離れて配置された堆積／エッチン
グガスとの衝突により該活性化核種のエネルギーを移送
するため、又は（２）離れて配置された基板の表面に生
じる化学的反応により該活性化核種のエネルギーを移送
するために、外部エネルギー源により活性化されるよう
に構成された気体前駆物質を意味する。この定義による
と、本発明は最も広義には、活性化領域を流れるエネル
ギー移送ガスの比較的高い割合から活性化核種を生成
し、該活性化核種の高流束を遠隔位置に輸送する能力に
係る。
（energy transferring gas）」なる用語は、活性化核
種（イオン、遊離基又は別の方法で励起された中性粒
子）を生成し、（１）離れて配置された堆積／エッチン
グガスとの衝突により該活性化核種のエネルギーを移送
するため、又は（２）離れて配置された基板の表面に生
じる化学的反応により該活性化核種のエネルギーを移送
するために、外部エネルギー源により活性化されるよう
に構成された気体前駆物質を意味する。この定義による
と、本発明は最も広義には、活性化領域を流れるエネル
ギー移送ガスの比較的高い割合から活性化核種を生成
し、該活性化核種の高流束を遠隔位置に輸送する能力に
係る。
従来技術のプラズマ堆積方法 1.R.F.グロー放電： r.f.グロー放電は半導体合金材料の最高品質の堆積薄
膜を提供する能力をむらなく立証している。堆積半導体
合金材料の薄膜の品質は典型的には、合金材料のエネル
ギーギャップ中に存在する局在欠陥状態の密度として測
定される。もっとも、堆積する半導体膜の電子及び光学
特性は他のパラメーターによっても実質的に悪影響を受
けることがある。r.f.グロー放電で堆積したシリコン合
金材料のエネルギーギャップ中の欠陥密度は比較的低い
が、それでも結晶質シリコンの欠陥密度に比較すると10
の累乗倍である。特に、シリコンゲルマニウム合金から
製造されるエネルギーギャップの狭い半導体合金材料で
は、（最良の1.35〜1.65eVの材料でも）エネルギーギャ
ップ中の局在欠陥状態の密度は1016の中間数倍／cm3/eV
の欠陥数の範囲である。当然のことながら、欠陥密度が
このように比較的高くても高品質材料を得るためには、
グロー放電プラズマ中に相互に異なり且つ相補的な補償
元素を導入する必要がある。更に、これは非常に重要な
ことであるが、使用されるパワーに関係なく堆積速度は
低い（15Å／秒未満）ままである。シリコン合金材料の
エネルギーギャップ中の局在状態をフェルミ準位又はそ
の近傍の状態に減少するには水素のような第１の補償元
素を導入すると有効であり、フッ素のような第２の補償
元素を導入すると、局在状態及び他の状態が更に減少
し、フェルミ準位付近と伝導帯との間の状態になること
は立証されている。使用されるパワーレベルに関係な
く、r.f.電界により分解した前駆物質ガスのプラズマに
加えられるエネルギーは比較的低いので、堆積速度は比
較的遅いままである。このように堆積速度が比較的遅い
と、バンドギャップの狭いシリコンゲルマニウム合金材
料が該基板の表面に堆積していく間に、フッ素及び水素
の補償元素は堆積するホストマトリックスと反応し、該
材料中のダングリング、破壊、圧迫又は歪んだ状態の結
合（dangling,broken,stressed,or strained bonds）を
緩和するために十分な時間を与えられる。
膜を提供する能力をむらなく立証している。堆積半導体
合金材料の薄膜の品質は典型的には、合金材料のエネル
ギーギャップ中に存在する局在欠陥状態の密度として測
定される。もっとも、堆積する半導体膜の電子及び光学
特性は他のパラメーターによっても実質的に悪影響を受
けることがある。r.f.グロー放電で堆積したシリコン合
金材料のエネルギーギャップ中の欠陥密度は比較的低い
が、それでも結晶質シリコンの欠陥密度に比較すると10
の累乗倍である。特に、シリコンゲルマニウム合金から
製造されるエネルギーギャップの狭い半導体合金材料で
は、（最良の1.35〜1.65eVの材料でも）エネルギーギャ
ップ中の局在欠陥状態の密度は1016の中間数倍／cm3/eV
の欠陥数の範囲である。当然のことながら、欠陥密度が
このように比較的高くても高品質材料を得るためには、
グロー放電プラズマ中に相互に異なり且つ相補的な補償
元素を導入する必要がある。更に、これは非常に重要な
ことであるが、使用されるパワーに関係なく堆積速度は
低い（15Å／秒未満）ままである。シリコン合金材料の
エネルギーギャップ中の局在状態をフェルミ準位又はそ
の近傍の状態に減少するには水素のような第１の補償元
素を導入すると有効であり、フッ素のような第２の補償
元素を導入すると、局在状態及び他の状態が更に減少
し、フェルミ準位付近と伝導帯との間の状態になること
は立証されている。使用されるパワーレベルに関係な
く、r.f.電界により分解した前駆物質ガスのプラズマに
加えられるエネルギーは比較的低いので、堆積速度は比
較的遅いままである。このように堆積速度が比較的遅い
と、バンドギャップの狭いシリコンゲルマニウム合金材
料が該基板の表面に堆積していく間に、フッ素及び水素
の補償元素は堆積するホストマトリックスと反応し、該
材料中のダングリング、破壊、圧迫又は歪んだ状態の結
合（dangling,broken,stressed,or strained bonds）を
緩和するために十分な時間を与えられる。
しかしながら、自明のように商業的製造方法で高品質
シリコン合金材料を堆積するには重大な問題がある。狭
いバンドギャップの半導体合金材料を商業的見地から経
済的に堆積するために該材料の堆積速度（及び実際にあ
らゆる半導体又は絶縁材料の堆積速度）を増加すると、
堆積される材料の品質は劣化する。より具体的には、使
用されるr.f.パワーを増加することなどにより半導体合
金材料の堆積速度を（例えば10Å／秒程度から12Å／秒
に）増加しようとする試みが従来行われているが、この
結果としてより強力なプラズマが形成される。このよう
に強力なプラズマが形成されるとプラズマ反応動力学が
変化し、イオン及び遊離基の別の組み合わせが生成され
るか、又は堆積する半導体合金材料のホストマトリック
スと相互作用して歪み、破壊、ダングリング、圧迫又は
他の方法で逸脱した該ホストマトリックスの結合構造を
緩和するために十分な時間を補償元素に割り当てること
ができなくなる。以上の説明では主にバンドギャップの
狭い半導体合金材料の堆積について記載したが、バンド
ギャップの広い半導体合金材料のプラズマ式堆積でもパ
ワーの増加と共に同一の材料品質の劣化（欠陥状態密度
の増加）が起こることは一般に報告されており、実験に
より立証されている。
シリコン合金材料を堆積するには重大な問題がある。狭
いバンドギャップの半導体合金材料を商業的見地から経
済的に堆積するために該材料の堆積速度（及び実際にあ
らゆる半導体又は絶縁材料の堆積速度）を増加すると、
堆積される材料の品質は劣化する。より具体的には、使
用されるr.f.パワーを増加することなどにより半導体合
金材料の堆積速度を（例えば10Å／秒程度から12Å／秒
に）増加しようとする試みが従来行われているが、この
結果としてより強力なプラズマが形成される。このよう
に強力なプラズマが形成されるとプラズマ反応動力学が
変化し、イオン及び遊離基の別の組み合わせが生成され
るか、又は堆積する半導体合金材料のホストマトリック
スと相互作用して歪み、破壊、ダングリング、圧迫又は
他の方法で逸脱した該ホストマトリックスの結合構造を
緩和するために十分な時間を補償元素に割り当てること
ができなくなる。以上の説明では主にバンドギャップの
狭い半導体合金材料の堆積について記載したが、バンド
ギャップの広い半導体合金材料のプラズマ式堆積でもパ
ワーの増加と共に同一の材料品質の劣化（欠陥状態密度
の増加）が起こることは一般に報告されており、実験に
より立証されている。
説明を続ける前に、r.f.又はマイクロ波で点弧される
グロー放電中に生じるプラズマ動力学について簡単に考
察すると有用である。多数の異なる気体化学現象（r.f.
及びマイクロ波エネルギーの両方を使用する）から堆積
される多元素アモルファスシリコン合金膜の電子欠陥密
度の実験観察によると、比較可能な個々の「堆積効率」
を有する前駆物質ガスの組み合わせから堆積される堆積
薄膜は最高品質の電子特性を示すことが明らかである。
この観察に基づき、堆積薄膜材料の特徴を修正すること
が可能になる。しかしながら、著しく強力なプラズマ中
に発生する化学反応の「混在（zoo）」によりもたらさ
れる制御不能な化学現象により、可能な修正の程度は制
限される。より具体的には、プラズマ中で前駆物質のフ
ィードストックガスはプラズマ電子と多重の衝突を生
じ、遊離基及びイオンのホストを生成する。実験による
と遊離基は基板上に堆積されるプラズマ種を表すので、
生成された遊離基に最大の注意を払うことが必要であ
る。
グロー放電中に生じるプラズマ動力学について簡単に考
察すると有用である。多数の異なる気体化学現象（r.f.
及びマイクロ波エネルギーの両方を使用する）から堆積
される多元素アモルファスシリコン合金膜の電子欠陥密
度の実験観察によると、比較可能な個々の「堆積効率」
を有する前駆物質ガスの組み合わせから堆積される堆積
薄膜は最高品質の電子特性を示すことが明らかである。
この観察に基づき、堆積薄膜材料の特徴を修正すること
が可能になる。しかしながら、著しく強力なプラズマ中
に発生する化学反応の「混在（zoo）」によりもたらさ
れる制御不能な化学現象により、可能な修正の程度は制
限される。より具体的には、プラズマ中で前駆物質のフ
ィードストックガスはプラズマ電子と多重の衝突を生
じ、遊離基及びイオンのホストを生成する。実験による
と遊離基は基板上に堆積されるプラズマ種を表すので、
生成された遊離基に最大の注意を払うことが必要であ
る。
遊離基については、電子温度、電子密度及び気体前駆
物質が電磁界に暴露される滞留時間に応じて遊離基の分
布が存在することに留意すべきである。滞留時間依存性
は、先に励起された遊離基とフィードストック分子との
間又は２種以上の遊離基の間で多重の電子衝突があるこ
とに起因する。シランフィードストックプラズマでは、
生成され得る可能な遊離基の最低エネルギー核種はSiH3
＊であり、より高いエネルギー核種にはSiH2＊、SiH＊
及びSi＊が含まれる。
物質が電磁界に暴露される滞留時間に応じて遊離基の分
布が存在することに留意すべきである。滞留時間依存性
は、先に励起された遊離基とフィードストック分子との
間又は２種以上の遊離基の間で多重の電子衝突があるこ
とに起因する。シランフィードストックプラズマでは、
生成され得る可能な遊離基の最低エネルギー核種はSiH3
＊であり、より高いエネルギー核種にはSiH2＊、SiH＊
及びSi＊が含まれる。
プラズマは自立性であるためにはフィードストック分
子と衝突することによりイオンを生成するに十分なエネ
ルギーを有する電子を含まなければならず、また、イオ
ンを生成するために必要なエネルギーは一般に遊離基ス
ペクトルの最低エネルギー部分を生成するに必要なエネ
ルギーよりも高いので（この仮定は本明細書中で磁界が
本発明の堆積方法に及ぼす効果を説明する項でも使用さ
れる）、あらゆるプラズマ中には遊離基の分布が形成さ
れる（分布の幅はプラズマにより吸収されるパワーに依
存する）と仮定することが可能である。
子と衝突することによりイオンを生成するに十分なエネ
ルギーを有する電子を含まなければならず、また、イオ
ンを生成するために必要なエネルギーは一般に遊離基ス
ペクトルの最低エネルギー部分を生成するに必要なエネ
ルギーよりも高いので（この仮定は本明細書中で磁界が
本発明の堆積方法に及ぼす効果を説明する項でも使用さ
れる）、あらゆるプラズマ中には遊離基の分布が形成さ
れる（分布の幅はプラズマにより吸収されるパワーに依
存する）と仮定することが可能である。
交流パワーの増加に比例する堆積薄膜材料の品質劣化
の問題は、r.f.エネルギーにより発生される比較的低い
パワーレベルを使用すると（ある程度まで）制御され得
る。しかしながら、堆積速度を10から12あるいは20Å／
秒まで増加する能力は商業的見地からは重要でない。そ
こで、最近では研究者らは広範な薄膜材料の堆積速度を
10倍以上にするためにマイクロ波周波数（高性能電子サ
イクロトロン共鳴機構を含む）の使用を検討するように
なった。より強力なマイクロ波で点弧されたグロー放電
堆積技術を使用することにより、プラズマを形成する気
体前駆物質の解離の効率が上がるので、より高い堆積速
度を得ることが可能になった。これらの研究者が遭遇し
た問題は、堆積速度の増加によりマイクロ波点弧式堆積
方法の経済面は著しく改良されたものの、これと同時
に、堆積膜の品質も低下してしまったことである。換言
するなら、例えばマイクロ波で堆積した最良の半導体合
金材料はr.f.で堆積した最良の半導体合金材料の欠陥密
度の約10倍の欠陥密度を有しており、即ち品質は量の犠
牲になる。
の問題は、r.f.エネルギーにより発生される比較的低い
パワーレベルを使用すると（ある程度まで）制御され得
る。しかしながら、堆積速度を10から12あるいは20Å／
秒まで増加する能力は商業的見地からは重要でない。そ
こで、最近では研究者らは広範な薄膜材料の堆積速度を
10倍以上にするためにマイクロ波周波数（高性能電子サ
イクロトロン共鳴機構を含む）の使用を検討するように
なった。より強力なマイクロ波で点弧されたグロー放電
堆積技術を使用することにより、プラズマを形成する気
体前駆物質の解離の効率が上がるので、より高い堆積速
度を得ることが可能になった。これらの研究者が遭遇し
た問題は、堆積速度の増加によりマイクロ波点弧式堆積
方法の経済面は著しく改良されたものの、これと同時
に、堆積膜の品質も低下してしまったことである。換言
するなら、例えばマイクロ波で堆積した最良の半導体合
金材料はr.f.で堆積した最良の半導体合金材料の欠陥密
度の約10倍の欠陥密度を有しており、即ち品質は量の犠
牲になる。
2.マイクロ波グロー放電： 本出願人は先に、マイクロ波エネルギーを使用して高
品質膜を堆積することが可能な主要な低圧方法を、米国
特許第4504518、4517223及び4701343号明細書中に記載
した。この低圧マイクロ波堆積方法は、本発明の時点ま
ででは比較的高品質の半導体、絶縁体、誘電体又は硬質
薄膜を堆積できる最も有効且つ費用効果のある方法であ
った。より特定的には、上記特許明細書中に記載されて
いる発明は、ポリマーを形成せずにプラズマが有効に維
持されるようにグロー放電堆積を開始するための低圧条
件の使用に係る。これは、気体前駆物質の所与の組み合
わせを使用して「変形パッシェン曲線」の実質的な最小
値で運転することにより得られる。要約すると、これは
特定の気体前駆物質混合物では所与の体積のプラズマを
維持するパワー、圧力及びアパーチャ直径の最適な組み
合わせが存在することを意味する。これらの明細書に開
示されている発明原理によると、最小のパワーインプッ
トで運転しながら、全プロセスガスが解離し且つ堆積速
度がr.f.プラズマの堆積速度よりも実質的に高いような
極めて強力なプラズマを得ることが可能になる。更に、
この最適化したパワー及び圧力条件で運転すると、気相
重合及び粉末形成を阻止することができる。低圧及び最
小パワーを使用すると、これまでにマイクロ波グロー放
電方法について報告されているうちで最高品質の材料を
堆積することができるが、この方法では依然としてプラ
ズマ内に生成される特定の活性化核種を制御することが
できない。
品質膜を堆積することが可能な主要な低圧方法を、米国
特許第4504518、4517223及び4701343号明細書中に記載
した。この低圧マイクロ波堆積方法は、本発明の時点ま
ででは比較的高品質の半導体、絶縁体、誘電体又は硬質
薄膜を堆積できる最も有効且つ費用効果のある方法であ
った。より特定的には、上記特許明細書中に記載されて
いる発明は、ポリマーを形成せずにプラズマが有効に維
持されるようにグロー放電堆積を開始するための低圧条
件の使用に係る。これは、気体前駆物質の所与の組み合
わせを使用して「変形パッシェン曲線」の実質的な最小
値で運転することにより得られる。要約すると、これは
特定の気体前駆物質混合物では所与の体積のプラズマを
維持するパワー、圧力及びアパーチャ直径の最適な組み
合わせが存在することを意味する。これらの明細書に開
示されている発明原理によると、最小のパワーインプッ
トで運転しながら、全プロセスガスが解離し且つ堆積速
度がr.f.プラズマの堆積速度よりも実質的に高いような
極めて強力なプラズマを得ることが可能になる。更に、
この最適化したパワー及び圧力条件で運転すると、気相
重合及び粉末形成を阻止することができる。低圧及び最
小パワーを使用すると、これまでにマイクロ波グロー放
電方法について報告されているうちで最高品質の材料を
堆積することができるが、この方法では依然としてプラ
ズマ内に生成される特定の活性化核種を制御することが
できない。
上記r.f.プラズマグロー放電堆積方法、又は上記低圧
マイクロ波点弧式グロー放電堆積方法によるr.f.プラズ
マグロー放電堆積方法の改良を検討するにあたって留意
すべき主要な２点は、（１）これらのプラズマ方法のい
ずれにおいても材料品質は堆積速度の増加に比例して劣
化すること、及び（２）グロー放電プラズマ中に生成さ
れる核種だけが、基板の表面に堆積されたときに可能な
最高品質の薄膜材料を作製する核種となるように、気相
化学現象の動力学を制御することができないことであ
る。
マイクロ波点弧式グロー放電堆積方法によるr.f.プラズ
マグロー放電堆積方法の改良を検討するにあたって留意
すべき主要な２点は、（１）これらのプラズマ方法のい
ずれにおいても材料品質は堆積速度の増加に比例して劣
化すること、及び（２）グロー放電プラズマ中に生成さ
れる核種だけが、基板の表面に堆積されたときに可能な
最高品質の薄膜材料を作製する核種となるように、気相
化学現象の動力学を制御することができないことであ
る。
ところで、プラズマ化学現象を制御することが可能で
あったならば、所望の遊離基又はイオン核種のみを生成
することが可能であり、従って、可能な最高品質の薄膜
材料のみを堆積することが可能であると予想される。更
に、所望の遊離基又はイオン核種のみがプラズマ中に生
成されるので、水素及び／又はフッ素のような補償元素
を使用することにより堆積材料のホストマトリックスの
ダングリング、破壊、屈曲、歪み、圧迫、又は他の逸脱
した結合構造は回復できるようにすることはもはや必要
ないので、非常に高い速度で材料を堆積することができ
る。
あったならば、所望の遊離基又はイオン核種のみを生成
することが可能であり、従って、可能な最高品質の薄膜
材料のみを堆積することが可能であると予想される。更
に、所望の遊離基又はイオン核種のみがプラズマ中に生
成されるので、水素及び／又はフッ素のような補償元素
を使用することにより堆積材料のホストマトリックスの
ダングリング、破壊、屈曲、歪み、圧迫、又は他の逸脱
した結合構造は回復できるようにすることはもはや必要
ないので、非常に高い速度で材料を堆積することができ
る。
断っておくが、本発明者らは可能な最高品質の薄膜を
作製することができる特定の準安定遊離基又はイオン核
種のみを堆積する可能性を論じた最初の者であると主張
しているのではなく、気体前駆物質混合物から所望の遊
離基又はイオン核種のみを生成し、非常に高速度、従っ
て商業的見地からみて有意義な堆積速度（即ち同一品質
材料でマイクロ波点弧式グロー放電堆積を使用して得ら
れる速度の10の累乗倍）でこの所望の遊離基又はイオン
核種を堆積することにより、可能な最高品質の薄膜材料
を堆積するために気相プラズマ動力学を使用する方法を
発案した最初の者であると信じる。
作製することができる特定の準安定遊離基又はイオン核
種のみを堆積する可能性を論じた最初の者であると主張
しているのではなく、気体前駆物質混合物から所望の遊
離基又はイオン核種のみを生成し、非常に高速度、従っ
て商業的見地からみて有意義な堆積速度（即ち同一品質
材料でマイクロ波点弧式グロー放電堆積を使用して得ら
れる速度の10の累乗倍）でこの所望の遊離基又はイオン
核種を堆積することにより、可能な最高品質の薄膜材料
を堆積するために気相プラズマ動力学を使用する方法を
発案した最初の者であると信じる。
3.遠隔プラズマ励起： 次に、一般に「遠隔プラズマ励起（remote plasma ex
citation）」として知られる方法により所望の前駆物質
種のみから薄膜材料を堆積する技術の現状について説明
する。本明細書中に使用する「遠隔プラズマ励起」なる
用語は、気体前駆物質混合物を真空チャンバの所定の場
所で所望の核種のプラズマに転化し、次にこの所望の核
種をプラズマ形成点から離れた該チャンバの位置に堆積
するような方法を表す。ここで特に、遠隔プラズマ励起
の分野で最も重要な２人の化学者であるG.Lucovsky及び
I.Shimizu両博士の業績に触れなければなるまい。North
Carolina州に所在のLucovsky博士及び東京大学のShimi
zu博士は、エネルギーギャップ中の局在欠陥状態の密度
が低く、光導電率（明対暗導電率の比）に優れ、且つ長
い電荷キャリア寿命（これらのパラメーターを各々改良
すると、r.f.又はマイクロ波点弧式プラズマから堆積さ
れるシリコン合金材料の薄膜と同等の製品が得られるこ
とに留意されたい）を有するシリコン合金膜を得るため
に、シリコンをベースとするプラズマから特に予め選択
された遊離基核種を堆積するべく研究を進めた。
citation）」として知られる方法により所望の前駆物質
種のみから薄膜材料を堆積する技術の現状について説明
する。本明細書中に使用する「遠隔プラズマ励起」なる
用語は、気体前駆物質混合物を真空チャンバの所定の場
所で所望の核種のプラズマに転化し、次にこの所望の核
種をプラズマ形成点から離れた該チャンバの位置に堆積
するような方法を表す。ここで特に、遠隔プラズマ励起
の分野で最も重要な２人の化学者であるG.Lucovsky及び
I.Shimizu両博士の業績に触れなければなるまい。North
Carolina州に所在のLucovsky博士及び東京大学のShimi
zu博士は、エネルギーギャップ中の局在欠陥状態の密度
が低く、光導電率（明対暗導電率の比）に優れ、且つ長
い電荷キャリア寿命（これらのパラメーターを各々改良
すると、r.f.又はマイクロ波点弧式プラズマから堆積さ
れるシリコン合金材料の薄膜と同等の製品が得られるこ
とに留意されたい）を有するシリコン合金膜を得るため
に、シリコンをベースとするプラズマから特に予め選択
された遊離基核種を堆積するべく研究を進めた。
上記に詳細に説明した現状の商業的堆積技術は、一般
に「直接プラズマ強化化学蒸着（direct plasma enhanc
ed chemical vapor deposition）」方法として特徴付け
ることができる。本明細書中の記載において「直接プラ
ズマ強化化学蒸着」とは、所望の堆積核種を含む気体前
駆物質混合物を励起又は断片化エネルギー源に直接暴露
し、こうして形成された堆積核種を該エネルギー源の近
傍に配置された基板に堆積するような方法を意味する。
このような直接励起方法の最も一般的な例は、シアン及
び水素をr.f.又はマイクロ波で点弧したグロー放電で励
起し、隣接する基板の表面に水素化アモルファスシリコ
ン合金材料の薄膜を堆積する方法である。
に「直接プラズマ強化化学蒸着（direct plasma enhanc
ed chemical vapor deposition）」方法として特徴付け
ることができる。本明細書中の記載において「直接プラ
ズマ強化化学蒸着」とは、所望の堆積核種を含む気体前
駆物質混合物を励起又は断片化エネルギー源に直接暴露
し、こうして形成された堆積核種を該エネルギー源の近
傍に配置された基板に堆積するような方法を意味する。
このような直接励起方法の最も一般的な例は、シアン及
び水素をr.f.又はマイクロ波で点弧したグロー放電で励
起し、隣接する基板の表面に水素化アモルファスシリコ
ン合金材料の薄膜を堆積する方法である。
本明細書中で使用する「活性化核種（activated spec
ies）」なる用語は、内部エネルギーを有する極めて小
さい対象物を表し、原子であるか分子であるかに関係な
く、遊離基、イオン又は励起された中性粒子を意味す
る。この定義はLucovsky博士による用語の使用とは対照
的であり、Lucovsky博士はエネルギー移送ガスが電磁界
に暴露されるときに準安定な励起又は非基底状態のヘリ
ウム（He＊）が生成されると考えている。これとは対照
的に本発明者らは、（薄膜堆積速度の磁界依存性が実験
により観察されていることから）活性化核種は実際にヘ
リウイオンであると考える。しかしながら、この活性化
核種の性質及び特徴は本発明の方法の実施に決定的な要
素ではない。
ies）」なる用語は、内部エネルギーを有する極めて小
さい対象物を表し、原子であるか分子であるかに関係な
く、遊離基、イオン又は励起された中性粒子を意味す
る。この定義はLucovsky博士による用語の使用とは対照
的であり、Lucovsky博士はエネルギー移送ガスが電磁界
に暴露されるときに準安定な励起又は非基底状態のヘリ
ウム（He＊）が生成されると考えている。これとは対照
的に本発明者らは、（薄膜堆積速度の磁界依存性が実験
により観察されていることから）活性化核種は実際にヘ
リウイオンであると考える。しかしながら、この活性化
核種の性質及び特徴は本発明の方法の実施に決定的な要
素ではない。
更に留意しなければならないことであるが、本明細書
中に使用する「活性化領域（activation region）」又
は「活性化核種の雲（plume of activated species）」
なる用語は、電磁界により生成される活性化核種の数が
壁に吸収されたり、衝突等したりして消滅する活性化核
種の数よりも多いような真空囲障の部分を意味する。
中に使用する「活性化領域（activation region）」又
は「活性化核種の雲（plume of activated species）」
なる用語は、電磁界により生成される活性化核種の数が
壁に吸収されたり、衝突等したりして消滅する活性化核
種の数よりも多いような真空囲障の部分を意味する。
Lucovsky他（Journal of Nou−Crystalline Solids,1
2th ICALS,Prague,1987に所収のLucovsky及びTsuの論文
“Differences Between Direct And Remote Plasma Enh
anced CVD"参照）は、r.f.エネルギー（13.56MHz）を使
用して励起されたヘエリウム原子（例えばヘリウム遊離
基、He＊）の構造的に閉じ込められた活性化領域を生成
することにより、アモルファスシリコン：水素材料の薄
膜を堆積する方法を教示しており、該活性化領域は加熱
基板から少なくとも10cmの距離に配置されている。次に
励起されたヘリウム遊離基はプラズマ領域から移動し、
中性シランガス（90％アルゴンで希釈）と相互作用し、
該シランガスは「シャワーヘッド」ガスリングにより加
熱基板の上に導入される。Lucovsky博士の説によると、
He＊原子はSiH4と衝突し、次の反応式： ［He＊］＋SiH4→SiH3＋Ｈ に従ってシランの堆積遊離基種を生成する。換言するな
ら、ヘリウム準安定核種とシラン中性核種との熱力学及
び衝突動力学はSiH3の形成を助長するために適正なエネ
ルギーを有しており、このSiH3遊離基は最高品質のシリ
コン合金材料を提供すると科学者らにより考えられてい
る。反応生成物（SiH3及びＨ）は加熱基板の露出表面で
化学蒸着反応を受ける特定のシランフラグメントであ
る。r.f.プラズマで活性化される準安定核種としてヘリ
ウムの代わりにアルゴンのような貴ガス原子も使用され
ている。しかしながら、アルゴンはシランの別の断片化
を開始し、SiH2及びシランをジシラン、トリシラン等に
プラズマ重合する。この結果、大量のポリシラン粉末が
生成され、シリコン合金膜が堆積される。
2th ICALS,Prague,1987に所収のLucovsky及びTsuの論文
“Differences Between Direct And Remote Plasma Enh
anced CVD"参照）は、r.f.エネルギー（13.56MHz）を使
用して励起されたヘエリウム原子（例えばヘリウム遊離
基、He＊）の構造的に閉じ込められた活性化領域を生成
することにより、アモルファスシリコン：水素材料の薄
膜を堆積する方法を教示しており、該活性化領域は加熱
基板から少なくとも10cmの距離に配置されている。次に
励起されたヘリウム遊離基はプラズマ領域から移動し、
中性シランガス（90％アルゴンで希釈）と相互作用し、
該シランガスは「シャワーヘッド」ガスリングにより加
熱基板の上に導入される。Lucovsky博士の説によると、
He＊原子はSiH4と衝突し、次の反応式： ［He＊］＋SiH4→SiH3＋Ｈ に従ってシランの堆積遊離基種を生成する。換言するな
ら、ヘリウム準安定核種とシラン中性核種との熱力学及
び衝突動力学はSiH3の形成を助長するために適正なエネ
ルギーを有しており、このSiH3遊離基は最高品質のシリ
コン合金材料を提供すると科学者らにより考えられてい
る。反応生成物（SiH3及びＨ）は加熱基板の露出表面で
化学蒸着反応を受ける特定のシランフラグメントであ
る。r.f.プラズマで活性化される準安定核種としてヘリ
ウムの代わりにアルゴンのような貴ガス原子も使用され
ている。しかしながら、アルゴンはシランの別の断片化
を開始し、SiH2及びシランをジシラン、トリシラン等に
プラズマ重合する。この結果、大量のポリシラン粉末が
生成され、シリコン合金膜が堆積される。
これらの遠隔プラズマ励起方法はシリコン酸化物（Si
Ox）及びシリコン窒化物（SiNx）の誘電又は絶縁材料の
薄膜の堆積にも使用されている。堆積された誘電膜にお
いて、活性化核種のプラズマは典型的には、堆積すべき
膜の所望の組成に依存してHe中に約20％のO2又はN2を含
有する。これらの活性化核種は次にr.f.プラズマにより
励起され、励起された（O2,He）＊又は（N2He）＊準安
定核種を生成する。これらの活性化準安定種は次に、次
の左右での示性式： I.（O2He）＊＋SiH4→SiO2 II.（N2He）＊＋SiH4→Si3N4 により表されるようにSiH4（又は他のシリコン含有ガ
ス）と相互作用し、こうして加熱基板の露出表面上にシ
リコン酸化物又はシリコン窒化物材料の薄膜を堆積す
る。
Ox）及びシリコン窒化物（SiNx）の誘電又は絶縁材料の
薄膜の堆積にも使用されている。堆積された誘電膜にお
いて、活性化核種のプラズマは典型的には、堆積すべき
膜の所望の組成に依存してHe中に約20％のO2又はN2を含
有する。これらの活性化核種は次にr.f.プラズマにより
励起され、励起された（O2,He）＊又は（N2He）＊準安
定核種を生成する。これらの活性化準安定種は次に、次
の左右での示性式： I.（O2He）＊＋SiH4→SiO2 II.（N2He）＊＋SiH4→Si3N4 により表されるようにSiH4（又は他のシリコン含有ガ
ス）と相互作用し、こうして加熱基板の露出表面上にシ
リコン酸化物又はシリコン窒化物材料の薄膜を堆積す
る。
上記誘電材料の薄膜及び半導体合金材料の薄膜のいず
れも、実質的に同様の堆積条件下で作製される。より具
体的には、エネルギー移送ガスは約100〜1000SCCMの流
量で囲障に導入され、気体シラン前駆物質は約５〜25SC
CMの流量で囲障に導入され、囲障内の堆積圧力は約300m
torr〜1torrに維持され、加えられるr.f.パワーは約５
〜50ワットに維持され、基板温度は約40〜400℃に維持
される。これらの操作パラメーター、特に第１の導管内
のエネルギー移送ガス及び囲障内の背圧の両方の流量
は、（１）構造的に閉じ込められた活性化領域内へのシ
ランガスの逆拡散が実質的に最小化され、（２）エネル
ギー移送ガスからの活性化核種の許容可能な密度が構造
的に閉じ込められた活性化領域から抽出され、シランガ
ス分散リングに向かって導かれるように選択する必要が
あると考えられる。
れも、実質的に同様の堆積条件下で作製される。より具
体的には、エネルギー移送ガスは約100〜1000SCCMの流
量で囲障に導入され、気体シラン前駆物質は約５〜25SC
CMの流量で囲障に導入され、囲障内の堆積圧力は約300m
torr〜1torrに維持され、加えられるr.f.パワーは約５
〜50ワットに維持され、基板温度は約40〜400℃に維持
される。これらの操作パラメーター、特に第１の導管内
のエネルギー移送ガス及び囲障内の背圧の両方の流量
は、（１）構造的に閉じ込められた活性化領域内へのシ
ランガスの逆拡散が実質的に最小化され、（２）エネル
ギー移送ガスからの活性化核種の許容可能な密度が構造
的に閉じ込められた活性化領域から抽出され、シランガ
ス分散リングに向かって導かれるように選択する必要が
あると考えられる。
特筆すべき点として、上記好適流量及び背圧を選択す
ると、基板を衝突領域（即ち、例えば準安定He核種、準
安定O2核種及びSiH4分子が衝突する領域）から約5cmの
距離に配置しながら、２分子衝突の平均自由行程を1mm
以下に確保することができる。この空間配置は、材料が
加熱基板の表面に堆積される前に上記準安定核種及びシ
ラン分子の間に必ず複数の局在衝突が生じるように選択
された。しかしながら、圧力及び該圧力での平均自由行
程の組み合わせの結果、堆積以前に多重の衝突が生じ、
従って、堆積材料は所望の単一種でなく多数の異なる核
種を含む。更に、多重の衝突の結果として、所望の単一
核種を高密度に基板に堆積することができなくなる。所
望の遊離基核種の堆積速度が依然として非常に低いこと
は驚くにあたらない。
ると、基板を衝突領域（即ち、例えば準安定He核種、準
安定O2核種及びSiH4分子が衝突する領域）から約5cmの
距離に配置しながら、２分子衝突の平均自由行程を1mm
以下に確保することができる。この空間配置は、材料が
加熱基板の表面に堆積される前に上記準安定核種及びシ
ラン分子の間に必ず複数の局在衝突が生じるように選択
された。しかしながら、圧力及び該圧力での平均自由行
程の組み合わせの結果、堆積以前に多重の衝突が生じ、
従って、堆積材料は所望の単一種でなく多数の異なる核
種を含む。更に、多重の衝突の結果として、所望の単一
核種を高密度に基板に堆積することができなくなる。所
望の遊離基核種の堆積速度が依然として非常に低いこと
は驚くにあたらない。
次に、Shimizu博士は、“Materials Research Sympos
ium Proceedings",Volume 95,1987,pp.225−235に所収
のShibata,Fukuda,Ohtoshi,Hanna,Oda及びShimizu著の
論文“Growth Of Amorphous And Crystalline Silicon
By HR−CVD（Hydrogen Radical enhanced CVD）”中に
半直接プラズマ励起の変形方法を記載している。この論
文中でShimizu他は、Siをベースとする合金の新規製造
方法を提案している。重要な点は、Shimizu他の方法が
前駆物質堆積ガスを直接及び遠隔位置の両方で活性化さ
せる「ハイブリッド励起（hybrid excitation）」を使
用しているという事実である。直接励起は電磁界に直接
暴露することにより行われ、遠隔励起は部分的に励起さ
れた堆積核種とエネルギー移送ガスの活性化準安定核種
との相互作用の結果として行われる。この文献に記載さ
れているHR−CVD技術では、前駆物質堆積ガスがエネル
ギー移送ガスの活性化核種と衝突して二次的にSiFnH
m（ｎ＋ｍは３未満である）を形成することが重要であ
る。
ium Proceedings",Volume 95,1987,pp.225−235に所収
のShibata,Fukuda,Ohtoshi,Hanna,Oda及びShimizu著の
論文“Growth Of Amorphous And Crystalline Silicon
By HR−CVD（Hydrogen Radical enhanced CVD）”中に
半直接プラズマ励起の変形方法を記載している。この論
文中でShimizu他は、Siをベースとする合金の新規製造
方法を提案している。重要な点は、Shimizu他の方法が
前駆物質堆積ガスを直接及び遠隔位置の両方で活性化さ
せる「ハイブリッド励起（hybrid excitation）」を使
用しているという事実である。直接励起は電磁界に直接
暴露することにより行われ、遠隔励起は部分的に励起さ
れた堆積核種とエネルギー移送ガスの活性化準安定核種
との相互作用の結果として行われる。この文献に記載さ
れているHR−CVD技術では、前駆物質堆積ガスがエネル
ギー移送ガスの活性化核種と衝突して二次的にSiFnH
m（ｎ＋ｍは３未満である）を形成することが重要であ
る。
Simizu他の装置は同軸状の管を含んでおり、内側の管
を通ってSiF4が輸送され、外側の管を通って水素ガス及
びアルゴンガスが輸送される。水素ガスはマイクロ波エ
ネルギー源に直接暴露されることにより水素原子に転化
される。装置の第２の相互連結部分はステンレス鋼堆積
チャンバであり、このチャンバ内に加熱基板が配置され
る。SiF4はまず内側管内でマイクロ波エネルギーに直接
暴露され、第２に内側管の端部で水素プラズマに暴露さ
れ、堆積核種は生成する。典型的な堆積パラメーターは
45SCCMのSiF4流量、76SCCMのAr流量、10SCCMのH2流量、
2.45GHzで440ワットのパワー、及び300mtorrの背圧であ
る。驚くべきことではないが、Shimizu他の知見による
と、内側管の出口の位置及び基板からこの位置までの距
離は堆積速度及び堆積膜の品質を決定するのに重要な因
子である。更に、Shimizu他は前駆物質堆積ガスのイオ
ン核種の数がごく少数であると報告しており、従って、
前駆物質堆積ガスの遊離基核種が堆積核種を形成すると
結論している。付言するならば、Shimizu他は50Å／秒
以下の堆積速度を得たものの、この比較的高い堆積速度
は前駆物質堆積ガスの直接励起によって得られたもので
ある。この直接励起は堆積速度を著しく改良したが、堆
積種の性質を制御する能力、従って高い電子膜品質を維
持する能力は失われた。
を通ってSiF4が輸送され、外側の管を通って水素ガス及
びアルゴンガスが輸送される。水素ガスはマイクロ波エ
ネルギー源に直接暴露されることにより水素原子に転化
される。装置の第２の相互連結部分はステンレス鋼堆積
チャンバであり、このチャンバ内に加熱基板が配置され
る。SiF4はまず内側管内でマイクロ波エネルギーに直接
暴露され、第２に内側管の端部で水素プラズマに暴露さ
れ、堆積核種は生成する。典型的な堆積パラメーターは
45SCCMのSiF4流量、76SCCMのAr流量、10SCCMのH2流量、
2.45GHzで440ワットのパワー、及び300mtorrの背圧であ
る。驚くべきことではないが、Shimizu他の知見による
と、内側管の出口の位置及び基板からこの位置までの距
離は堆積速度及び堆積膜の品質を決定するのに重要な因
子である。更に、Shimizu他は前駆物質堆積ガスのイオ
ン核種の数がごく少数であると報告しており、従って、
前駆物質堆積ガスの遊離基核種が堆積核種を形成すると
結論している。付言するならば、Shimizu他は50Å／秒
以下の堆積速度を得たものの、この比較的高い堆積速度
は前駆物質堆積ガスの直接励起によって得られたもので
ある。この直接励起は堆積速度を著しく改良したが、堆
積種の性質を制御する能力、従って高い電子膜品質を維
持する能力は失われた。
Lucovsky及びShimizu博士の上記２つのグループによ
り進められた大規模の研究にもかかわらず、比較的高い
堆積速度で高品質の薄膜を堆積する（r.f.堆積品質及び
速度に関する）という目標は達成されていない。実際
に、これまでに開発された真に遠隔配置されたプラズマ
励起方法の堆積能力は、約1016〜1017個／cm-3/eVのオ
ーダーの欠陥状態密度を有する真性アモルファスシリコ
ン合金材料を１Å／秒未満の堆積速度で堆積する程度で
あった。
り進められた大規模の研究にもかかわらず、比較的高い
堆積速度で高品質の薄膜を堆積する（r.f.堆積品質及び
速度に関する）という目標は達成されていない。実際
に、これまでに開発された真に遠隔配置されたプラズマ
励起方法の堆積能力は、約1016〜1017個／cm-3/eVのオ
ーダーの欠陥状態密度を有する真性アモルファスシリコ
ン合金材料を１Å／秒未満の堆積速度で堆積する程度で
あった。
皮肉にも本発明者らは、初期の研究者が臨界的である
と判断したパラメーター（即ち前駆物質堆積ガス（例え
ばSiH4）及びエネルギー移送ガス（例えばHe）の両方の
流量、囲障内の背圧並びに基板と活性化領域（エネルギ
ー移送ガスが活性化される領域）との距離が誤って選択
されているために高品質薄膜材料の迅速な堆積が阻まれ
ていることを知見した。活性化領域を基板から離して配
置すると、シランのような前駆物質堆積核種が活性化核
種のプラズマ中に逆拡散するのを阻止するためには確か
に有効であるが、（１）この「ドリフトゾーン」の長
さ、（２）囲障内に存在する背圧、及び（３）活性化領
域を構造的に（例えば壁で）取り囲む必要により、He＊
核種の密度はプラズマ領域からの距離が増加するに従っ
て迅速に低下する。この距離は、衝突領域に到達する活
性化核種の数が前駆物質堆積ガスの100％を排気（衝
突）するのに不十分な値となる程度まで増加することが
できる。更に、「ドリフトゾーン」の長さ及び活性化領
域の構造的閉じ込めにより、He＊−He＊衝突及びHe＊と
壁との衝突数が過剰になり、このような衝突の結果とし
て堆積前駆物質ガスとの相互作用に有効な準安定Heの数
が減少する。当然のことながら、エネルギー移送ガスの
活性化種と前駆物質堆積ガスとの間の衝突の数が減少す
るに従って、対応して有効な堆積核種の数は減少し、堆
積速度は低下する。
と判断したパラメーター（即ち前駆物質堆積ガス（例え
ばSiH4）及びエネルギー移送ガス（例えばHe）の両方の
流量、囲障内の背圧並びに基板と活性化領域（エネルギ
ー移送ガスが活性化される領域）との距離が誤って選択
されているために高品質薄膜材料の迅速な堆積が阻まれ
ていることを知見した。活性化領域を基板から離して配
置すると、シランのような前駆物質堆積核種が活性化核
種のプラズマ中に逆拡散するのを阻止するためには確か
に有効であるが、（１）この「ドリフトゾーン」の長
さ、（２）囲障内に存在する背圧、及び（３）活性化領
域を構造的に（例えば壁で）取り囲む必要により、He＊
核種の密度はプラズマ領域からの距離が増加するに従っ
て迅速に低下する。この距離は、衝突領域に到達する活
性化核種の数が前駆物質堆積ガスの100％を排気（衝
突）するのに不十分な値となる程度まで増加することが
できる。更に、「ドリフトゾーン」の長さ及び活性化領
域の構造的閉じ込めにより、He＊−He＊衝突及びHe＊と
壁との衝突数が過剰になり、このような衝突の結果とし
て堆積前駆物質ガスとの相互作用に有効な準安定Heの数
が減少する。当然のことながら、エネルギー移送ガスの
活性化種と前駆物質堆積ガスとの間の衝突の数が減少す
るに従って、対応して有効な堆積核種の数は減少し、堆
積速度は低下する。
以上の説明から明らかなように、従来技術の遠隔励起
方法では（１）エネルギー移送ガスの活性化核種を高流
束で生成し、（２）（ａ）活性化核種の相互衝突、
（ｂ）活性化核種と壁との衝突、及び（ｃ）衝突領域と
活性化領域との接近等による活性化核種の不活性化を制
限することにより、多数の活性化核種を活性化領域から
衝突領域に輸送し、（３）前駆物質堆積ガスが衝突領域
から活性化領域（前駆物質堆積ガスの直接励起が生じる
領域）に逆拡散しないようにし、（４）堆積核種と他の
全分子、原子、電子、粒子又は他の核種との間で多重の
衝突が起こらないようにし、所望の堆積核種のみが基板
に堆積されるようにすることが必要であった。しかしな
がら、既知の従来技術の遠隔励起方法のいずれもこれら
の目的を達成することができなかった。上記４つの要件
の１つずつを独立して制御できるようにしない限り、最
適化された堆積速度で所与の組成の高品質フィルムを堆
積することはできない。
方法では（１）エネルギー移送ガスの活性化核種を高流
束で生成し、（２）（ａ）活性化核種の相互衝突、
（ｂ）活性化核種と壁との衝突、及び（ｃ）衝突領域と
活性化領域との接近等による活性化核種の不活性化を制
限することにより、多数の活性化核種を活性化領域から
衝突領域に輸送し、（３）前駆物質堆積ガスが衝突領域
から活性化領域（前駆物質堆積ガスの直接励起が生じる
領域）に逆拡散しないようにし、（４）堆積核種と他の
全分子、原子、電子、粒子又は他の核種との間で多重の
衝突が起こらないようにし、所望の堆積核種のみが基板
に堆積されるようにすることが必要であった。しかしな
がら、既知の従来技術の遠隔励起方法のいずれもこれら
の目的を達成することができなかった。上記４つの要件
の１つずつを独立して制御できるようにしない限り、最
適化された堆積速度で所与の組成の高品質フィルムを堆
積することはできない。
発明の要約 一態様によると、本発明はシランのような前駆物質堆
積ガスから所望の励起堆積核種のみを生成することがで
きるのみならず、該所望の堆積核種の遠隔堆積に臨界的
な４つのパラメーターの各々を独立して制御することが
でき、従って、従来得られなかった商業的に有意義な堆
積速度（即ち従来よりも著しく高い堆積速度）で高品質
の膜を形成することができる。
積ガスから所望の励起堆積核種のみを生成することがで
きるのみならず、該所望の堆積核種の遠隔堆積に臨界的
な４つのパラメーターの各々を独立して制御することが
でき、従って、従来得られなかった商業的に有意義な堆
積速度（即ち従来よりも著しく高い堆積速度）で高品質
の膜を形成することができる。
より特定的には本発明の方法は、（１）強力なマイク
ロ波で点弧されたグロー放電プラズマを使用することに
よりできるだけ多数の活性化核種を生成し、（２）（実
質的な圧力差を使用し且つ活性化領域の構造的な閉じ込
めを排除することにより）壁又は活性化核種との衝突に
よる損失を生じることなく活性化核種を衝突領域に輸送
し、（３）（実質的な圧力差及び第１の導管中を流れる
エネルギー移送ガスの遷音速を使用することにより）前
駆物質堆積ガスが衝突領域から活性化領域に逆拡散する
のを阻止し、（４）（所望の平均自由行程を設定するた
めに最適化された背圧を使用することにより）励起され
た堆積／エッチング核種と他の全粒子との多重の衝突を
阻止する方法である。注目すべきことであるが、上記遷
音速を使用するとエネルギー移送ガスの活性化核種に更
に方向運動量が加わり、こうして活性化核種は100マイ
クロ秒以内、即ち５〜10mtorrの背圧でのエネルギー移
送ガスの活性化イオン核種の寿命内で活性化領域から衝
突領域までの距離を移動することができる。
ロ波で点弧されたグロー放電プラズマを使用することに
よりできるだけ多数の活性化核種を生成し、（２）（実
質的な圧力差を使用し且つ活性化領域の構造的な閉じ込
めを排除することにより）壁又は活性化核種との衝突に
よる損失を生じることなく活性化核種を衝突領域に輸送
し、（３）（実質的な圧力差及び第１の導管中を流れる
エネルギー移送ガスの遷音速を使用することにより）前
駆物質堆積ガスが衝突領域から活性化領域に逆拡散する
のを阻止し、（４）（所望の平均自由行程を設定するた
めに最適化された背圧を使用することにより）励起され
た堆積／エッチング核種と他の全粒子との多重の衝突を
阻止する方法である。注目すべきことであるが、上記遷
音速を使用するとエネルギー移送ガスの活性化核種に更
に方向運動量が加わり、こうして活性化核種は100マイ
クロ秒以内、即ち５〜10mtorrの背圧でのエネルギー移
送ガスの活性化イオン核種の寿命内で活性化領域から衝
突領域までの距離を移動することができる。
本発明は、エネルギー移送ガスから高流量の活性化種
を生成する方法にも係る。該方法は、囲障を準備する段
階と、該囲障の内側を大気圧以下の背圧に維持する段階
と、活性化領域でエネルギー移送ガスの高流量の活性化
核種を活性化するに十分な圧力差を、該第１の導管内の
エネルギー移送ガスの圧力と背圧との間に形成するよう
な圧力で、該第１の導管に形成された少なくとも１個の
アパーチャを通って該囲障の内部にエネルギー移送ガス
を導入する段階と、囲障の内側で活性化領域から離れた
位置に基板を作動的に配置する段階とを含む。
を生成する方法にも係る。該方法は、囲障を準備する段
階と、該囲障の内側を大気圧以下の背圧に維持する段階
と、活性化領域でエネルギー移送ガスの高流量の活性化
核種を活性化するに十分な圧力差を、該第１の導管内の
エネルギー移送ガスの圧力と背圧との間に形成するよう
な圧力で、該第１の導管に形成された少なくとも１個の
アパーチャを通って該囲障の内部にエネルギー移送ガス
を導入する段階と、囲障の内側で活性化領域から離れた
位置に基板を作動的に配置する段階とを含む。
第１の導管を流れるエネルギー移送ガスの流量は、ア
パーチャの近傍におけるエネルギー移送ガスの圧力を、
パッシェン曲線の実質的な最小値に相当するパワー−圧
力−アパーチャ寸法条件でエネルギー移送ガスからプラ
ズマを点弧するために十分な圧力にするように選択され
る。アパーチャの寸法は、該エネルギー移送ガスを高圧
にするためにアパーチャの近傍に絞りを形成するべく、
第１の導管の寸法よりも小さい寸法であり得る。アパー
チャ近傍におけるエネルギー移送ガスの滞留時間は、例
えば磁界により延ばすことができ、従って、アパーチャ
近傍のエネルギー移送ガスの圧力も増加する。第１の導
管に水ジャケットのような冷却メカニズムを設けてもよ
い。グラファイトスリーブのような保護スリーブを設け
ると、アパーチャの近傍における第１の導管の劣化を減
らすことができる。エネルギー移送ガスは水素に限定さ
れず、貴ガス、CH4、CF4及びそれらの組み合わせから構
成される群から選択される。
パーチャの近傍におけるエネルギー移送ガスの圧力を、
パッシェン曲線の実質的な最小値に相当するパワー−圧
力−アパーチャ寸法条件でエネルギー移送ガスからプラ
ズマを点弧するために十分な圧力にするように選択され
る。アパーチャの寸法は、該エネルギー移送ガスを高圧
にするためにアパーチャの近傍に絞りを形成するべく、
第１の導管の寸法よりも小さい寸法であり得る。アパー
チャ近傍におけるエネルギー移送ガスの滞留時間は、例
えば磁界により延ばすことができ、従って、アパーチャ
近傍のエネルギー移送ガスの圧力も増加する。第１の導
管に水ジャケットのような冷却メカニズムを設けてもよ
い。グラファイトスリーブのような保護スリーブを設け
ると、アパーチャの近傍における第１の導管の劣化を減
らすことができる。エネルギー移送ガスは水素に限定さ
れず、貴ガス、CH4、CF4及びそれらの組み合わせから構
成される群から選択される。
一好適具体例によると、エネルギー移送ガスから多数
の活性化核種を形成するその後の段階は、該基板の表面
から材料をエッチングする目的に特定される。第２の好
適具体例によると、高密度の活性化核種を利用して遠隔
配置された基板の表面に材料を堆積する。
の活性化核種を形成するその後の段階は、該基板の表面
から材料をエッチングする目的に特定される。第２の好
適具体例によると、高密度の活性化核種を利用して遠隔
配置された基板の表面に材料を堆積する。
第２の導管を通って囲障の内側に前駆物質堆積ガスを
導入する付加段階を使用してもよく、該第２の導管から
囲障に該前駆物質堆積ガスを導入する導入点は活性化領
域から離して配置される。このように多数の活性化核種
と該前駆物質堆積ガスとが衝突すると、前駆物質堆積ガ
スの高密度の励起堆積核種が生成される衝突領域が規定
される。前駆物質堆積ガスは、該エネルギー移送ガスの
活性化核種が衝突すると、前駆物質堆積ガスの１種以上
の所望の堆積核種が形成されるように選択される。
導入する付加段階を使用してもよく、該第２の導管から
囲障に該前駆物質堆積ガスを導入する導入点は活性化領
域から離して配置される。このように多数の活性化核種
と該前駆物質堆積ガスとが衝突すると、前駆物質堆積ガ
スの高密度の励起堆積核種が生成される衝突領域が規定
される。前駆物質堆積ガスは、該エネルギー移送ガスの
活性化核種が衝突すると、前駆物質堆積ガスの１種以上
の所望の堆積核種が形成されるように選択される。
本発明の上記及び他の目的、利点及び特徴は添付図
面、図面に関する詳細な説明、特許請求の範囲により詳
細に明示される。
面、図面に関する詳細な説明、特許請求の範囲により詳
細に明示される。
具体例 I.反応装置 図面について説明すると、特に第１図は反応装置（全
体として参照番号10で示す）の一部切欠斜視図である。
第１図に示した装置10は、ほぼ長方形の中空の真空化可
能な囲障12を含む。囲障12は囲障の内部から基板を装填
及び除去するためのドア14として機能する回動可能な前
面14を含む。ドア14の内周は１個以上の真空シールリン
グ（図示せず）及び１個以上のラッチ16及び18を備えて
おり、該ラッチは囲障の外側の周囲条件と該囲障の内側
の真空条件との間に密閉を確保べくシールリングを圧縮
するように構成されている。真空化された囲障12は更
に、（１）囲障の中空の内側から消耗した反応生成物を
排出し、（２）該囲障12の内側を適当な大気圧以下の圧
力に維持するために使用される強力真空ポンプ22に連結
されるように構成されたポンプ排出口20を底部壁12cに
含む。以下により詳細に説明するように、背圧力は囲障
の内側で実施される高速度堆積又はエッチングプロセス
を開始及び維持するように注意深く選択される。
体として参照番号10で示す）の一部切欠斜視図である。
第１図に示した装置10は、ほぼ長方形の中空の真空化可
能な囲障12を含む。囲障12は囲障の内部から基板を装填
及び除去するためのドア14として機能する回動可能な前
面14を含む。ドア14の内周は１個以上の真空シールリン
グ（図示せず）及び１個以上のラッチ16及び18を備えて
おり、該ラッチは囲障の外側の周囲条件と該囲障の内側
の真空条件との間に密閉を確保べくシールリングを圧縮
するように構成されている。真空化された囲障12は更
に、（１）囲障の中空の内側から消耗した反応生成物を
排出し、（２）該囲障12の内側を適当な大気圧以下の圧
力に維持するために使用される強力真空ポンプ22に連結
されるように構成されたポンプ排出口20を底部壁12cに
含む。以下により詳細に説明するように、背圧力は囲障
の内側で実施される高速度堆積又はエッチングプロセス
を開始及び維持するように注意深く選択される。
装置10は更に、側壁12aを通って該真空囲障12の内側
に伸延する直径ｄ（ｄは好ましくは約0.5〜3.0cmであ
る）の少なくとも１個の第１の細長形導管24を含む。第
１の中空導管24の少なくとも一部、即ち遠端部24aには
アパーチャ26が形成されている。第１の導管手段24及び
そのアパーチャ部分24aは夫々、エネルギー移送ガスを
ソース（図示せず）から該真空囲障12の内側、好ましく
は該エネルギー移送ガスから活性化核種を供給するよう
に構成された装置のすぐ近傍の点に移送及び導入するよ
うに構成されている。第１図に示した好適具体例による
と、活性化装置は以下により詳細に説明するような輻射
マイクロ波アプリケータ28の形態である。一好適具体例
によると、第１の導管24は主に水素（H2）、メタン（CH
4）、貴ガス及びそれらの組み合わせから成る群から選
択されるエネルギー移送ガスを導入するように構成され
ている。あるいは別の好適具体例によると、上記エネル
ギー移送ガスは非限定的な例としてO2、NH3、N2、NH4、
CH4、PH3、PH5、BF3、BF5、B2H6、BH4及びそれらの組み
合わせを含む１種以上の希釈剤又はドーパントガスを含
み得る。
に伸延する直径ｄ（ｄは好ましくは約0.5〜3.0cmであ
る）の少なくとも１個の第１の細長形導管24を含む。第
１の中空導管24の少なくとも一部、即ち遠端部24aには
アパーチャ26が形成されている。第１の導管手段24及び
そのアパーチャ部分24aは夫々、エネルギー移送ガスを
ソース（図示せず）から該真空囲障12の内側、好ましく
は該エネルギー移送ガスから活性化核種を供給するよう
に構成された装置のすぐ近傍の点に移送及び導入するよ
うに構成されている。第１図に示した好適具体例による
と、活性化装置は以下により詳細に説明するような輻射
マイクロ波アプリケータ28の形態である。一好適具体例
によると、第１の導管24は主に水素（H2）、メタン（CH
4）、貴ガス及びそれらの組み合わせから成る群から選
択されるエネルギー移送ガスを導入するように構成され
ている。あるいは別の好適具体例によると、上記エネル
ギー移送ガスは非限定的な例としてO2、NH3、N2、NH4、
CH4、PH3、PH5、BF3、BF5、B2H6、BH4及びそれらの組み
合わせを含む１種以上の希釈剤又はドーパントガスを含
み得る。
使用されるエネルギー移送ガスの組成に関係なく、第
１の導管24の遠端に形成されたアパーチャ26は、該エネ
ルギー移送ガスを選択された流量（SCCM、即ち標準cm3
／分で表す）で放出することが可能でなければならな
い。流量は、変形パッシェン曲線（パッシェン曲線の詳
細については第４図に関して後述する）の実質的な最小
値であるパワー−圧力−アパーチャ寸法条件で該エネル
ギー移送ガスの活性化を開始するに十分な圧力のエネル
ギー移送ガスを該アパーチャ26の近傍に提供するように
選択される。
１の導管24の遠端に形成されたアパーチャ26は、該エネ
ルギー移送ガスを選択された流量（SCCM、即ち標準cm3
／分で表す）で放出することが可能でなければならな
い。流量は、変形パッシェン曲線（パッシェン曲線の詳
細については第４図に関して後述する）の実質的な最小
値であるパワー−圧力−アパーチャ寸法条件で該エネル
ギー移送ガスの活性化を開始するに十分な圧力のエネル
ギー移送ガスを該アパーチャ26の近傍に提供するように
選択される。
第１の導管24は更に、該アパーチャ26の近傍に該導管
の直径を減少するための手段を含んでもよく、該減少手
段は一具体例によると第２図に示すように単にオーバー
コート230の形態であり得る。エネルギー移送ガスの流
路を著しく狭めることにより、アパーチャ26の近傍の第
１の導管24内に「絞り条件」を形成し、局所的に高圧の
エネルギー移送ガスを提供することが可能である。本明
細書中で使用される「絞り条件」なる用語は、第１の導
管24のアパーチャ26を通るエネルギー移送ガスの速度が
遷音速に達するときに生じる条件を意味する。絞り条件
は一般に、均一寸法の導管を流れるガスの速度が遷音速
に達するときに圧縮性ガス（又は流体）の流れ中に生じ
るような条件である。この条件ではエネルギー移送ガス
の流量が増加すると、速度よりもむしろ圧力が増加す
る。絞りモードを規定するのもこの条件であり、厳密に
はこの効果により、パッシェン曲線の実質的な最小値で
操作できるように圧力を増加することができる。この局
所的な高圧は、独立して制御可能なパワーレベルでプラ
ズマが点弧及び維持され得るように、エネルギー移送ガ
スがアパーチャ部分24aの近傍の第１の導管を流れるの
に十分な圧力ゾーンを形成する。別の具体例によると、
第１の導管24のアパーチャ部分24a内の圧力はその内側
にソレノイドを使用することにより容易に制御され得、
該ソレノイドはこの中を通過するエネルギー移送ガスの
流量、従って該アパーチャ部分24aの近傍に存在する圧
力を調節するように選択的に伸縮され得る。
の直径を減少するための手段を含んでもよく、該減少手
段は一具体例によると第２図に示すように単にオーバー
コート230の形態であり得る。エネルギー移送ガスの流
路を著しく狭めることにより、アパーチャ26の近傍の第
１の導管24内に「絞り条件」を形成し、局所的に高圧の
エネルギー移送ガスを提供することが可能である。本明
細書中で使用される「絞り条件」なる用語は、第１の導
管24のアパーチャ26を通るエネルギー移送ガスの速度が
遷音速に達するときに生じる条件を意味する。絞り条件
は一般に、均一寸法の導管を流れるガスの速度が遷音速
に達するときに圧縮性ガス（又は流体）の流れ中に生じ
るような条件である。この条件ではエネルギー移送ガス
の流量が増加すると、速度よりもむしろ圧力が増加す
る。絞りモードを規定するのもこの条件であり、厳密に
はこの効果により、パッシェン曲線の実質的な最小値で
操作できるように圧力を増加することができる。この局
所的な高圧は、独立して制御可能なパワーレベルでプラ
ズマが点弧及び維持され得るように、エネルギー移送ガ
スがアパーチャ部分24aの近傍の第１の導管を流れるの
に十分な圧力ゾーンを形成する。別の具体例によると、
第１の導管24のアパーチャ部分24a内の圧力はその内側
にソレノイドを使用することにより容易に制御され得、
該ソレノイドはこの中を通過するエネルギー移送ガスの
流量、従って該アパーチャ部分24aの近傍に存在する圧
力を調節するように選択的に伸縮され得る。
第１の導管24は更に、アパーチャ部分24aのすぐ近傍
に印加磁界を生成するように巻き付けられたコイル（第
２図の235）を含み得る。印加磁界は、第１の導管24の
アパーチャ26のすぐ近傍に形成されるプラズマゾーンに
おけるエネルギー移送ガスの活性化核種の滞留時間を増
加するように励起され得る。以下の説明に明示されるよ
うに、コイル235により形成される磁界は、マイクロ波
アプリケータにより形成されるイオン化核種のプラズマ
を第１の導管の遠いアパーチャ部分のすぐ近傍に閉じ込
めるように機能する。こうして印加磁界を変化させるこ
とにより、下流での衝突に割り当てられ得るイオン化核
種の密度を調節することができる。
に印加磁界を生成するように巻き付けられたコイル（第
２図の235）を含み得る。印加磁界は、第１の導管24の
アパーチャ26のすぐ近傍に形成されるプラズマゾーンに
おけるエネルギー移送ガスの活性化核種の滞留時間を増
加するように励起され得る。以下の説明に明示されるよ
うに、コイル235により形成される磁界は、マイクロ波
アプリケータにより形成されるイオン化核種のプラズマ
を第１の導管の遠いアパーチャ部分のすぐ近傍に閉じ込
めるように機能する。こうして印加磁界を変化させるこ
とにより、下流での衝突に割り当てられ得るイオン化核
種の密度を調節することができる。
第２図及び第３図は、第１図について説明した第１の
導管24の２種の変形例を示す。第２図が特に第１の好適
具体例を示し、この具体例によると、第１の導管224は
マイクロ波を透過しない材料、例えばステンレス鋼又は
同様のマイクロ波反射金属から製造されている。第１図
の具体例と同様に、第１の導管224の少なくとも一部、
即ち遠端部224aにはアパーチャ226が形成されている。
非透過性の第１の導管224は更に、該導管を包囲する同
心円状に配置された外側冷却ジャケット228を含んでお
り、該ジャケットは水のような冷却媒体の循環を助長す
るように構成されている。こうして冷却ジャケット228
は、例えばマイクロ波エネルギー又はr.f.電磁界により
該導管の該遠端部に形成された高エネルギーの活性化核
種により発生される強い熱にも拘わらず、該第１の導管
224を均一で比較的低い温度に維持することが可能であ
る。水以外に冷却媒体は主にシリコーン油、フレオン、
窒素、水素、ヘリウム及び当業者に周知の他の冷却媒体
から構成される流体群から選択され得る。
導管24の２種の変形例を示す。第２図が特に第１の好適
具体例を示し、この具体例によると、第１の導管224は
マイクロ波を透過しない材料、例えばステンレス鋼又は
同様のマイクロ波反射金属から製造されている。第１図
の具体例と同様に、第１の導管224の少なくとも一部、
即ち遠端部224aにはアパーチャ226が形成されている。
非透過性の第１の導管224は更に、該導管を包囲する同
心円状に配置された外側冷却ジャケット228を含んでお
り、該ジャケットは水のような冷却媒体の循環を助長す
るように構成されている。こうして冷却ジャケット228
は、例えばマイクロ波エネルギー又はr.f.電磁界により
該導管の該遠端部に形成された高エネルギーの活性化核
種により発生される強い熱にも拘わらず、該第１の導管
224を均一で比較的低い温度に維持することが可能であ
る。水以外に冷却媒体は主にシリコーン油、フレオン、
窒素、水素、ヘリウム及び当業者に周知の他の冷却媒体
から構成される流体群から選択され得る。
より具体的には冷却ジャケット228は、該導管の遠端
部で該アパーチャ226の近傍に点弧及び維持される強い
活性化領域により熱が発生するために必要とされる。第
１の導管224の該アパーチャ226から流出するエネルギー
移送ガスは、輻射マイクロ波アプリケータ232を介して
移送されるマイクロ波エネルギーにより形成される強い
電磁界を受けることに留意すべきである。強い電磁界は
エネルギー移送ガスを解離させる。その後、解離した核
種の次の化学反応により熱が放出され、非常に高い温度
をもたらすと共に、エネルギー移送ガスの活性化核種の
高反応性プラズマが形成される。従って、アパーチャ部
分224a及び第１の導管224は第１の導管の製造材料を溶
融させるに十分な温度に達する。冷却ジャケット228の
存在により高温に達しないとしても、この材料は非常に
高い温度条件のために分解し、真空囲障内の汚染物質源
となる。これらの汚染物質は汚染された材料が基板に堆
積されることによりプラズマ活性化方法の品質を著しく
劣化させる。
部で該アパーチャ226の近傍に点弧及び維持される強い
活性化領域により熱が発生するために必要とされる。第
１の導管224の該アパーチャ226から流出するエネルギー
移送ガスは、輻射マイクロ波アプリケータ232を介して
移送されるマイクロ波エネルギーにより形成される強い
電磁界を受けることに留意すべきである。強い電磁界は
エネルギー移送ガスを解離させる。その後、解離した核
種の次の化学反応により熱が放出され、非常に高い温度
をもたらすと共に、エネルギー移送ガスの活性化核種の
高反応性プラズマが形成される。従って、アパーチャ部
分224a及び第１の導管224は第１の導管の製造材料を溶
融させるに十分な温度に達する。冷却ジャケット228の
存在により高温に達しないとしても、この材料は非常に
高い温度条件のために分解し、真空囲障内の汚染物質源
となる。これらの汚染物質は汚染された材料が基板に堆
積されることによりプラズマ活性化方法の品質を著しく
劣化させる。
第２図に示した第１の導管224は更に、該導管のアパ
ーチャ部分224aに装着された保護オーバーコート230を
有しており、該オーバーコートは高温耐性でスパッタ耐
性の比較的有益な材料から形成される。この保護オーバ
ーコート230は、第１の導管224のアパーチャ部分224aの
製造材料を、エネルギー移送ガスの高温で高エネルギー
の活性化核種によるスパッタリングに起因する劣化から
保護するように構成されている。
ーチャ部分224aに装着された保護オーバーコート230を
有しており、該オーバーコートは高温耐性でスパッタ耐
性の比較的有益な材料から形成される。この保護オーバ
ーコート230は、第１の導管224のアパーチャ部分224aの
製造材料を、エネルギー移送ガスの高温で高エネルギー
の活性化核種によるスパッタリングに起因する劣化から
保護するように構成されている。
以下により詳細に明示するように、エネルギー移送ガ
スの活性化核種は第１の導管224のアパーチャ部分の近
傍に等圧線の雲（全体として231で示す）を形成し、こ
の雲231は活性化核種の活性化領域を規定する。以下に
より詳細に記載するように、活性化核種の雲の境界は第
１の導管の内側を流れるガスと囲障の内側に存在する背
圧との間に存在する圧力差により表される。当然のこと
ながら第１の導管224の表面からスパッタされる材料は
雲231内の活性化核種の品質を劣化させ、更に重大なこ
とには、その後に堆積される薄膜材料の品質も同時に劣
化させる。従って、保護オーバーコート230は好ましく
は高温スパッタリング環境に耐性の材料、あるいは最後
に堆積される膜に配合された場合に比較的有益な材料か
ら製造される。好適具体例によると、保護オーバーコー
ト230の製造材料としてグラファイトが使用される。グ
ラファイトは高温及び高温スパッタリング工程に対して
高い耐性を有するのみならず、半導体合金材料の堆積に
装置10を使用する場合、グラファイトは堆積された半導
体膜の所望の特徴に実質的に電気的に有益である。
スの活性化核種は第１の導管224のアパーチャ部分の近
傍に等圧線の雲（全体として231で示す）を形成し、こ
の雲231は活性化核種の活性化領域を規定する。以下に
より詳細に記載するように、活性化核種の雲の境界は第
１の導管の内側を流れるガスと囲障の内側に存在する背
圧との間に存在する圧力差により表される。当然のこと
ながら第１の導管224の表面からスパッタされる材料は
雲231内の活性化核種の品質を劣化させ、更に重大なこ
とには、その後に堆積される薄膜材料の品質も同時に劣
化させる。従って、保護オーバーコート230は好ましく
は高温スパッタリング環境に耐性の材料、あるいは最後
に堆積される膜に配合された場合に比較的有益な材料か
ら製造される。好適具体例によると、保護オーバーコー
ト230の製造材料としてグラファイトが使用される。グ
ラファイトは高温及び高温スパッタリング工程に対して
高い耐性を有するのみならず、半導体合金材料の堆積に
装置10を使用する場合、グラファイトは堆積された半導
体膜の所望の特徴に実質的に電気的に有益である。
特に第２図に明示するように、第１の導管224は該導
管を流れるエネルギー移送ガスを活性化手段232の中空
の内側に導入するように構成されており、該活性化手段
は該アパーチャ226のすぐ近傍に配置されている。同心
円状に配置された冷却ジャケット228に包囲された第１
の導管224は、該活性化手段232の側壁233に形成された
アパーチャ234に空間的に隣接して配置されている。好
ましくは円形であるアパーチャ234の直径は、エネルギ
ー移送ガスを該活性化手段232の内側に直接流れ易くす
るように冷却ジャケット228の外径よりも約1/4〜１イン
チ大きく、一方、活性化手段232の側壁233と相互に同心
円状に配置された第１の導管及び冷却ジャケットの周囲
との間には適当な絶縁スペースを設け、これらの間にス
パーキング又は他の電気的結合が生じないようにする。
管を流れるエネルギー移送ガスを活性化手段232の中空
の内側に導入するように構成されており、該活性化手段
は該アパーチャ226のすぐ近傍に配置されている。同心
円状に配置された冷却ジャケット228に包囲された第１
の導管224は、該活性化手段232の側壁233に形成された
アパーチャ234に空間的に隣接して配置されている。好
ましくは円形であるアパーチャ234の直径は、エネルギ
ー移送ガスを該活性化手段232の内側に直接流れ易くす
るように冷却ジャケット228の外径よりも約1/4〜１イン
チ大きく、一方、活性化手段232の側壁233と相互に同心
円状に配置された第１の導管及び冷却ジャケットの周囲
との間には適当な絶縁スペースを設け、これらの間にス
パーキング又は他の電気的結合が生じないようにする。
第２図の具体例から容易に予想されるように、第１の
導管224及び冷却ジャケット228は実際に活性化手段232
（該活性化手段は上記のように好ましくは輻射マイクロ
波アプリケータである）の内側に伸延していない。これ
は、第１の導管224を中空の長方形アプリケータの内側
に配置し、第１の導管224及び冷却ジャケット228をマイ
クロ波エネルギーに対して非透過性の材料から製造する
ならば、（１）マイクロ波エネルギーはこの材料により
吸収されるか又は（２）アプリケータにより移送される
マイクロ波エネルギーとプラズマとの間の適正な結合が
激しく劣化するからである。しかしながら、第１の導管
224は輻射マイクロ波アプリケータ232の側壁233の外側
で且つその近傍に配置される（第２図）ので、（１）ア
プリケータの製造材料である非透過性の材料はプラズマ
結合を妨害せず、（２）エネルギー移送ガスの活性化核
種は主に該第１の導管224の遠端部に形成されたアパー
チャ226の外側に生成される。更に、該導管には保護オ
ーバーコート230が装着されているので、該導管の表面
材料の劣化は阻止される。
導管224及び冷却ジャケット228は実際に活性化手段232
（該活性化手段は上記のように好ましくは輻射マイクロ
波アプリケータである）の内側に伸延していない。これ
は、第１の導管224を中空の長方形アプリケータの内側
に配置し、第１の導管224及び冷却ジャケット228をマイ
クロ波エネルギーに対して非透過性の材料から製造する
ならば、（１）マイクロ波エネルギーはこの材料により
吸収されるか又は（２）アプリケータにより移送される
マイクロ波エネルギーとプラズマとの間の適正な結合が
激しく劣化するからである。しかしながら、第１の導管
224は輻射マイクロ波アプリケータ232の側壁233の外側
で且つその近傍に配置される（第２図）ので、（１）ア
プリケータの製造材料である非透過性の材料はプラズマ
結合を妨害せず、（２）エネルギー移送ガスの活性化核
種は主に該第１の導管224の遠端部に形成されたアパー
チャ226の外側に生成される。更に、該導管には保護オ
ーバーコート230が装着されているので、該導管の表面
材料の劣化は阻止される。
次に第３図は、第１の導管（全体を324で示す）の第
２の好適具体例を示しており、該導管の周囲には同様に
冷却ジャケット328が同心円状に配置されている。第２
図の具体例と異なり、第３図は石英のようなマイクロ波
透過性材料から製造された第１の導管324及び冷却ジャ
ケット328を示している。石英から形成された第１の導
管324はその内側に生成される高温に耐える能力がより
制限されているので、冷却ジャケット328は第３図の具
体例では重大な役割を果たすことが予想されよう。
２の好適具体例を示しており、該導管の周囲には同様に
冷却ジャケット328が同心円状に配置されている。第２
図の具体例と異なり、第３図は石英のようなマイクロ波
透過性材料から製造された第１の導管324及び冷却ジャ
ケット328を示している。石英から形成された第１の導
管324はその内側に生成される高温に耐える能力がより
制限されているので、冷却ジャケット328は第３図の具
体例では重大な役割を果たすことが予想されよう。
第１の導管324のアパーチャ326は好ましくは第１の導
管324の残りの部分の直径よりも小さい直径を有する。
即ち、アパーチャ326の直径は典型的には、（導管の直
径の0.5〜3mmに対して）1/2〜１ミリメートルの範囲で
あり、アパーチャ326により規定されるチャネルの長さ
は典型的には1/2〜2mmである。アパーチャ326の直径の
この制限は、第１の導管324を流れるエネルギー移送ガ
スの圧力がアパーチャの近傍で絞りモードに達するよう
にするため、即ちエネルギー移送ガスが第１の導管から
出るに当り実質的に遷音速でアパーチャ内を流れるよう
に確保するのに十分なレベルに達するようにするために
必要である。こうして、アパーチャ326の圧力はパッシ
ェン曲線の実質的な最小値で動作するように制御され得
る。
管324の残りの部分の直径よりも小さい直径を有する。
即ち、アパーチャ326の直径は典型的には、（導管の直
径の0.5〜3mmに対して）1/2〜１ミリメートルの範囲で
あり、アパーチャ326により規定されるチャネルの長さ
は典型的には1/2〜2mmである。アパーチャ326の直径の
この制限は、第１の導管324を流れるエネルギー移送ガ
スの圧力がアパーチャの近傍で絞りモードに達するよう
にするため、即ちエネルギー移送ガスが第１の導管から
出るに当り実質的に遷音速でアパーチャ内を流れるよう
に確保するのに十分なレベルに達するようにするために
必要である。こうして、アパーチャ326の圧力はパッシ
ェン曲線の実質的な最小値で動作するように制御され得
る。
高温プラズマ領域336は導管の主に内側に形成され、
導管上に材料を化学蒸着させる。第３図から明らかなよ
うに、この具体例では第１の導管324及び冷却ジャケッ
ト328は実際に輻射マイクロ波アプリケータ332の中空内
側キャビティ内に伸延している。こうして、エネルギー
移送ガスの活性化核種を第１の導管324の内側に生成す
ることができる。従って、冷却ジャケット328を流れる
冷却媒体は好ましくは、第１の導管324及び冷却ジャケ
ット328の製造材料と同様に、実質的にマイクロ波透過
性であるべきである。あるいは、冷却ジャケットの外径
と第１の導管の外径との差は、循環する冷却媒体が過度
に高い割合のマイクロ波エネルギーを吸収することがで
きないように比較的小さくしなければならない。好適な
マイクロ波透過性冷却媒体には、シリコーン油及びフレ
オンがある。
導管上に材料を化学蒸着させる。第３図から明らかなよ
うに、この具体例では第１の導管324及び冷却ジャケッ
ト328は実際に輻射マイクロ波アプリケータ332の中空内
側キャビティ内に伸延している。こうして、エネルギー
移送ガスの活性化核種を第１の導管324の内側に生成す
ることができる。従って、冷却ジャケット328を流れる
冷却媒体は好ましくは、第１の導管324及び冷却ジャケ
ット328の製造材料と同様に、実質的にマイクロ波透過
性であるべきである。あるいは、冷却ジャケットの外径
と第１の導管の外径との差は、循環する冷却媒体が過度
に高い割合のマイクロ波エネルギーを吸収することがで
きないように比較的小さくしなければならない。好適な
マイクロ波透過性冷却媒体には、シリコーン油及びフレ
オンがある。
活性化核種336の高温プラズマ領域は主に第１の導管3
24のアパーチャ部分324aの内側に形成される（該プラズ
マ領域は輻射マイクロ波アプリケータ332の内側に配置
される）が、注目すべき点として、プラズマの先端部33
6aはアパーチャ326を越えて輻射マイクロ波アプリケー
タ332の内側に伸延しており、プラズマの等圧線は囲障
の内側に伸延している。先端部336aの寸法、並びに該先
端部がアプリケータ及び囲障内に伸延する距離は、エネ
ルギー移送ガスの流量、従って第１の導管内のエネルギ
ー移送ガスの圧力の関数である。先端部336aは活性化核
種の雲331を第１の導管の外側に点弧及び維持する「口
火（pilot light）」として機能することに着目するこ
とが重要である。第３図の具体例ではマイクロ波透過性
（石英）導管を使用しており、従って例えば約２キロワ
ット未満といった比較的小さいマイクロ波エネルギーの
パワーレベルで運転しなければならないので、この口火
が必要である。石英材料の完全性を保護しながらこのパ
ワーレベルを得るには、他の方法では雲331を点弧する
のに不十分である。口火は、活性化核種のプラズマを点
弧及び維持するのに必要なパワーを２分の１にできるよ
うに別のイオン源を提供するように機能する。
24のアパーチャ部分324aの内側に形成される（該プラズ
マ領域は輻射マイクロ波アプリケータ332の内側に配置
される）が、注目すべき点として、プラズマの先端部33
6aはアパーチャ326を越えて輻射マイクロ波アプリケー
タ332の内側に伸延しており、プラズマの等圧線は囲障
の内側に伸延している。先端部336aの寸法、並びに該先
端部がアプリケータ及び囲障内に伸延する距離は、エネ
ルギー移送ガスの流量、従って第１の導管内のエネルギ
ー移送ガスの圧力の関数である。先端部336aは活性化核
種の雲331を第１の導管の外側に点弧及び維持する「口
火（pilot light）」として機能することに着目するこ
とが重要である。第３図の具体例ではマイクロ波透過性
（石英）導管を使用しており、従って例えば約２キロワ
ット未満といった比較的小さいマイクロ波エネルギーの
パワーレベルで運転しなければならないので、この口火
が必要である。石英材料の完全性を保護しながらこのパ
ワーレベルを得るには、他の方法では雲331を点弧する
のに不十分である。口火は、活性化核種のプラズマを点
弧及び維持するのに必要なパワーを２分の１にできるよ
うに別のイオン源を提供するように機能する。
第１の導管324のアパーチャ部分324aがマイクロ波ア
プリケータ332の内側に配置されているので、エネルギ
ー移送ガスの活性化核種は主に該第１の導管324の内側
に生成される。具体的にはマイクロ波アプリケータ332
の内側に位置する第１の導管324のアパーチャ部分324a
に活性化領域336が形成される。活性化領域336内に活性
化核種が生成されることによりもたらされる高強度エネ
ルギーにより、第１の導管324の製造材料（特にアパー
チャ部分326の近傍）はその内径の漸次スパッタリング
により劣化し得る。第１の導管が石英から製造されてい
る場合、スパッタリングされた石英は導管324の構造的
一体性を弱化し且つアパーチャ326の寸法を増すのみな
らず、堆積された薄膜材料の品質を劣化させる。従っ
て、第３図の具体例は使用されるマイクロ波エネルギー
のパワーレベルが例えば２キロワット未満といった比較
的小さい場合にしか使用できないことは明白である。
プリケータ332の内側に配置されているので、エネルギ
ー移送ガスの活性化核種は主に該第１の導管324の内側
に生成される。具体的にはマイクロ波アプリケータ332
の内側に位置する第１の導管324のアパーチャ部分324a
に活性化領域336が形成される。活性化領域336内に活性
化核種が生成されることによりもたらされる高強度エネ
ルギーにより、第１の導管324の製造材料（特にアパー
チャ部分326の近傍）はその内径の漸次スパッタリング
により劣化し得る。第１の導管が石英から製造されてい
る場合、スパッタリングされた石英は導管324の構造的
一体性を弱化し且つアパーチャ326の寸法を増すのみな
らず、堆積された薄膜材料の品質を劣化させる。従っ
て、第３図の具体例は使用されるマイクロ波エネルギー
のパワーレベルが例えば２キロワット未満といった比較
的小さい場合にしか使用できないことは明白である。
第３図に示すように、第１の導管324及び同心円状に
配置された冷却ジャケット328は、第１の導管の遠端部
がマイクロ波アプリケータ332の中空の内部のほぼ中間
に配置され得るように、輻射マイクロ波アプリケータ33
2の側壁333に形成されたアパーチャ334を通って伸延し
ている。この具体例では第１の導管324及び冷却ジャケ
ット328は誘電材料から製造されているので、（第２図
の態様と異なり）アプリケータと冷却ジャケットの外径
の間にギャップを維持する必要がないことに留意された
い。アプリケータ332内に送られるマイクロ波に対して
第１の導管324をこのように作動的に配置することによ
り、該アパーチャ326の内側に活性化領域が有効に形成
される（もっとも「口火」効果はアパーチャの外側で活
性化核種の先端部の点弧を助長する）。
配置された冷却ジャケット328は、第１の導管の遠端部
がマイクロ波アプリケータ332の中空の内部のほぼ中間
に配置され得るように、輻射マイクロ波アプリケータ33
2の側壁333に形成されたアパーチャ334を通って伸延し
ている。この具体例では第１の導管324及び冷却ジャケ
ット328は誘電材料から製造されているので、（第２図
の態様と異なり）アプリケータと冷却ジャケットの外径
の間にギャップを維持する必要がないことに留意された
い。アプリケータ332内に送られるマイクロ波に対して
第１の導管324をこのように作動的に配置することによ
り、該アパーチャ326の内側に活性化領域が有効に形成
される（もっとも「口火」効果はアパーチャの外側で活
性化核種の先端部の点弧を助長する）。
第１図に戻ると、堆積装置10は更に上記マイクロ波ア
プリケータ28を含んでおり、該アプリケータは第１の導
管24を流れるエネルギー移送ガスに2.45GHzの電磁エネ
ルギーを生成するように構成されている。アプリケータ
28は輻射マイクロ波アプリケータとして示したが、該ア
プリケータは主にマイクロ波エネルギー、r.f.エネルギ
ー、低周波交流エネルギー、又は高強度パルス状レーザ
の形態の光エネルギーから成る群から選択されるもので
あればどのような型のエネルギーを生成するように選択
してもよい。しかしながら、前述のように、マイクロ波
エネルギーは活性化核種の高密度で大容量のプラズマを
最も有効に形成することができるので、アプリケータ28
は好ましくはマイクロ波アプリケータ、好ましくは2.45
GHzの周波数で少なくとも1.0キロワットのマイクロ波パ
ワー、好ましくは５キロワット以上のマイクロ波パワー
を移送するように構成された輻射マイクロ波アプリケー
タ（低周波（slow−wave）アプリケータに対比）であ
る。
プリケータ28を含んでおり、該アプリケータは第１の導
管24を流れるエネルギー移送ガスに2.45GHzの電磁エネ
ルギーを生成するように構成されている。アプリケータ
28は輻射マイクロ波アプリケータとして示したが、該ア
プリケータは主にマイクロ波エネルギー、r.f.エネルギ
ー、低周波交流エネルギー、又は高強度パルス状レーザ
の形態の光エネルギーから成る群から選択されるもので
あればどのような型のエネルギーを生成するように選択
してもよい。しかしながら、前述のように、マイクロ波
エネルギーは活性化核種の高密度で大容量のプラズマを
最も有効に形成することができるので、アプリケータ28
は好ましくはマイクロ波アプリケータ、好ましくは2.45
GHzの周波数で少なくとも1.0キロワットのマイクロ波パ
ワー、好ましくは５キロワット以上のマイクロ波パワー
を移送するように構成された輻射マイクロ波アプリケー
タ（低周波（slow−wave）アプリケータに対比）であ
る。
第１図に明示するように、該アプリケータ28は第１の
導管24から囲障内に導入されるエネルギー移送ガスにマ
グネトロン（図示せず）からマイクロ波エネルギーを移
送するように構成された細長形で中空のほぼ長方形の銅
製導波管構造である。該導波管アプリケータ28はマイク
ロ波透過性窓29を通って該囲障12に侵入し、該窓は囲障
の底面12cに真空封着されている。この型の真空封着窓2
9は1988年４月８日付け米国特許出願第179617号に詳細
に記載されており、この文献の開示内容は本明細書の一
部とする。マイクロ波アプリケータ28は該窓29の上部内
側プレート29aの上に配置される。
導管24から囲障内に導入されるエネルギー移送ガスにマ
グネトロン（図示せず）からマイクロ波エネルギーを移
送するように構成された細長形で中空のほぼ長方形の銅
製導波管構造である。該導波管アプリケータ28はマイク
ロ波透過性窓29を通って該囲障12に侵入し、該窓は囲障
の底面12cに真空封着されている。この型の真空封着窓2
9は1988年４月８日付け米国特許出願第179617号に詳細
に記載されており、この文献の開示内容は本明細書の一
部とする。マイクロ波アプリケータ28は該窓29の上部内
側プレート29aの上に配置される。
導入されるマイクロ波エネルギーを導入されるエネル
ギー移送ガスに結合する機能を果たすために、第１の導
管24はエネルギー移送ガスを受容するために導波管28の
側面32に形成されたアパーチャ30を通って伸延してい
る。従って、アパーチャ30の構造及び機能は第２図及び
第３図について説明した通りである。即ち、アパーチャ
30は導管24及び該導管を通って輸送されるエネルギー移
送ガスが第１の導管24のアパーチャ部分24aの近傍に形
成された活性化領域34に導入し易くし、こうして活性化
核種の雲が該アプリケータ28の内側から延びるように構
成される。
ギー移送ガスに結合する機能を果たすために、第１の導
管24はエネルギー移送ガスを受容するために導波管28の
側面32に形成されたアパーチャ30を通って伸延してい
る。従って、アパーチャ30の構造及び機能は第２図及び
第３図について説明した通りである。即ち、アパーチャ
30は導管24及び該導管を通って輸送されるエネルギー移
送ガスが第１の導管24のアパーチャ部分24aの近傍に形
成された活性化領域34に導入し易くし、こうして活性化
核種の雲が該アプリケータ28の内側から延びるように構
成される。
輻射マイクロ波アプリケータ28は更に、アパーチャ30
が形成されている面32と対向する面35に形成された切除
セクション36を含む。切除セクション36は活性化種に過
多のマイクロ波アプリケータ材料を劣化させずに活性化
核種の雲の拡大する等圧線（第２図の231a−ｃ及び第３
図の331a−ｃ）の移動を生じるように、アパーチャ30の
直径よりも大きい直径、好ましくは少なくとも２インチ
の直径を有する。従って、アプリケータの切除セクショ
ン36は該アプリケータ28内からエネルギー移送ガスの活
性化核種の漏洩用手段を提供するように構成されている
と理解すべきである。マイクロ波アプリケータ28は更
に、未使用のマイクロ波エネルギーが真空囲障12の内側
に逃げないようにするために閉止端プレート40を含む。
アプリケータ28の面35の切除セクション36の最大寸法
は、（１）作成される開口が小さければ小さいほどより
大量の材料がエッチされ、且つより多くのマイクロ波エ
ネルギーが閉じ込められ、（２）開口が大きければ大き
いほどエッチされる材料は少なく且つより多くのマイク
ロ波エネルギーが囲障内に漏洩するという事実をバラン
スよく調整することにより決定される。切除セクション
36は更に、マイクロ波エネルギーが囲障に侵入するのを
阻止するように構成されたマイクロ波吸収又は反射スク
リーン又は他の手段を含み得る。これは背圧の第１の導
管内のエネルギー移送ガスの圧力に対する圧力比が減少
して少なくとも５分の１に近付くに従い、特に顕著にな
る。
が形成されている面32と対向する面35に形成された切除
セクション36を含む。切除セクション36は活性化種に過
多のマイクロ波アプリケータ材料を劣化させずに活性化
核種の雲の拡大する等圧線（第２図の231a−ｃ及び第３
図の331a−ｃ）の移動を生じるように、アパーチャ30の
直径よりも大きい直径、好ましくは少なくとも２インチ
の直径を有する。従って、アプリケータの切除セクショ
ン36は該アプリケータ28内からエネルギー移送ガスの活
性化核種の漏洩用手段を提供するように構成されている
と理解すべきである。マイクロ波アプリケータ28は更
に、未使用のマイクロ波エネルギーが真空囲障12の内側
に逃げないようにするために閉止端プレート40を含む。
アプリケータ28の面35の切除セクション36の最大寸法
は、（１）作成される開口が小さければ小さいほどより
大量の材料がエッチされ、且つより多くのマイクロ波エ
ネルギーが閉じ込められ、（２）開口が大きければ大き
いほどエッチされる材料は少なく且つより多くのマイク
ロ波エネルギーが囲障内に漏洩するという事実をバラン
スよく調整することにより決定される。切除セクション
36は更に、マイクロ波エネルギーが囲障に侵入するのを
阻止するように構成されたマイクロ波吸収又は反射スク
リーン又は他の手段を含み得る。これは背圧の第１の導
管内のエネルギー移送ガスの圧力に対する圧力比が減少
して少なくとも５分の１に近付くに従い、特に顕著にな
る。
堆積装置10は更に、少なくとも１個の遠隔配置された
ほぼ平坦な基板50を含んでおり、該基板は、少なくとも
基板上に堆積する薄膜材料堆積が活性化領域34内に存在
する電子に直接暴露されないようにするに十分な距離を
該活性化領域34から離して囲障12の内側に作動的に配置
される。装置10は更に、好ましくは基板50を加熱するか
又は該基板に電気もしくは磁気バイアスを加えるように
構成された手段52を含み得る。もっとも、本発明の実施
にあたって必ずしも熱又はバイアスを使用する必要はな
いと理解されるべきである。好適具体例によると、基板
50は第１の導管24と実質的に整列するように作動的に配
置され、従って、活性化領域34内に生成された活性化核
種の流束は基板上に堆積するように第１の導管から導か
れ得る。
ほぼ平坦な基板50を含んでおり、該基板は、少なくとも
基板上に堆積する薄膜材料堆積が活性化領域34内に存在
する電子に直接暴露されないようにするに十分な距離を
該活性化領域34から離して囲障12の内側に作動的に配置
される。装置10は更に、好ましくは基板50を加熱するか
又は該基板に電気もしくは磁気バイアスを加えるように
構成された手段52を含み得る。もっとも、本発明の実施
にあたって必ずしも熱又はバイアスを使用する必要はな
いと理解されるべきである。好適具体例によると、基板
50は第１の導管24と実質的に整列するように作動的に配
置され、従って、活性化領域34内に生成された活性化核
種の流束は基板上に堆積するように第１の導管から導か
れ得る。
好適具体例によると、堆積装置10は更に遠端部60aに
形成された少なくとも１個のアパーチャ62を有する第２
の細長形中空導管60を備え得る。第２の導管60の有孔端
部60aは、アパーチャ62が該基板50のすぐ近傍に開口す
るように、囲障12の頂部壁12bを貫通して該囲障の内側
に伸延している。第２の導管60は前駆物質堆積ガスの流
れをソース（図示せず）から該基板50の近傍に形成され
る衝突領域65に生成するように構成されている。前駆物
質堆積ガスは典型的にはシリコン含有ガス、ゲルマニウ
ム含有ガス、炭素含有ガス及びそれらの組み合わせから
成る群から選択される。好適前駆物質堆積ガスの非限定
的な具体例を挙げると、SiH4、SiF4、Si2H6、GeH4、Ge2
H6、GeF4、CH4、C2H6及びそれらの組み合わせがある。
あるいは前駆物質堆積ガスはNF3、CF4、フルオロカーボ
ン、クロロカーボン及びそれらの組み合わせのような前
駆物質エッチングガスでもよい。
形成された少なくとも１個のアパーチャ62を有する第２
の細長形中空導管60を備え得る。第２の導管60の有孔端
部60aは、アパーチャ62が該基板50のすぐ近傍に開口す
るように、囲障12の頂部壁12bを貫通して該囲障の内側
に伸延している。第２の導管60は前駆物質堆積ガスの流
れをソース（図示せず）から該基板50の近傍に形成され
る衝突領域65に生成するように構成されている。前駆物
質堆積ガスは典型的にはシリコン含有ガス、ゲルマニウ
ム含有ガス、炭素含有ガス及びそれらの組み合わせから
成る群から選択される。好適前駆物質堆積ガスの非限定
的な具体例を挙げると、SiH4、SiF4、Si2H6、GeH4、Ge2
H6、GeF4、CH4、C2H6及びそれらの組み合わせがある。
あるいは前駆物質堆積ガスはNF3、CF4、フルオロカーボ
ン、クロロカーボン及びそれらの組み合わせのような前
駆物質エッチングガスでもよい。
上述のように、前駆物質堆積（又はエッチング）ガス
は第２の導管60により衝突領域65に導入される。衝突領
域65は、エネルギー移送ガスの活性化核種が該活性化領
域34から基板50に向かって導かれるに従って、該活性化
核種の通路に配置される。このように、活性化領域34か
らの活性化核種は衝突領域65に導かれ、該衝突領域で該
核種は該前駆物質堆積ガスと衝突及び相互作用し、所望
の励起堆積核種を形成する。衝突領域65は、衝突領域65
内に形成される所望の堆積核種が衝突領域に形成される
他の活性化核種又は他の堆積核種と多数回の衝突を生じ
ることなく基板50の全表面にわたって均一に堆積するよ
うに選択された距離を該基板50から離して配置されるべ
きであることに留意すべきである。好適具体例による
と、囲障12が排気される背圧は、遊離基堆積核種の平均
自由行程を約１〜15cmにする。即ち、基板を衝突領域か
ら１〜15cmの距離に配置することにより、その全表面は
材料の均一な薄膜で被覆される。薄膜材料は堆積すべき
基板の寸法が増加するにつれて背圧は小さくし、これに
対応して平均自由行程の長さを増加しなければならな
い。エネルギー移送ガスの活性化核種は、基板と衝突す
ると堆積薄膜に有害であり得るような所定のイオン核種
を含有し得るので、基板を活性化領域に対して所定の角
度に配置し、基板とイオン核種との衝突を実質的に減ら
すことが可能であることに留意されたい。更に、励起堆
積核種の平均自由行程は変わらないので、このような角
度に配置しても堆積速度は低下しないことにも留意すべ
きである。
は第２の導管60により衝突領域65に導入される。衝突領
域65は、エネルギー移送ガスの活性化核種が該活性化領
域34から基板50に向かって導かれるに従って、該活性化
核種の通路に配置される。このように、活性化領域34か
らの活性化核種は衝突領域65に導かれ、該衝突領域で該
核種は該前駆物質堆積ガスと衝突及び相互作用し、所望
の励起堆積核種を形成する。衝突領域65は、衝突領域65
内に形成される所望の堆積核種が衝突領域に形成される
他の活性化核種又は他の堆積核種と多数回の衝突を生じ
ることなく基板50の全表面にわたって均一に堆積するよ
うに選択された距離を該基板50から離して配置されるべ
きであることに留意すべきである。好適具体例による
と、囲障12が排気される背圧は、遊離基堆積核種の平均
自由行程を約１〜15cmにする。即ち、基板を衝突領域か
ら１〜15cmの距離に配置することにより、その全表面は
材料の均一な薄膜で被覆される。薄膜材料は堆積すべき
基板の寸法が増加するにつれて背圧は小さくし、これに
対応して平均自由行程の長さを増加しなければならな
い。エネルギー移送ガスの活性化核種は、基板と衝突す
ると堆積薄膜に有害であり得るような所定のイオン核種
を含有し得るので、基板を活性化領域に対して所定の角
度に配置し、基板とイオン核種との衝突を実質的に減ら
すことが可能であることに留意されたい。更に、励起堆
積核種の平均自由行程は変わらないので、このような角
度に配置しても堆積速度は低下しないことにも留意すべ
きである。
II.高流量の活性化核種の生成方法 上記装置は本発明の原理を実現するのに特に適するよ
うに設計したが、この装置の他の変形例を使用しても同
等の利点が得られ、本発明の真の範囲が特定の装置でな
く本発明の実施により規定される。しかしながら、本発
明の方法の作動原理の実施をより明確に説明するために
は上記の装置を定期的に参照することが必要である。
うに設計したが、この装置の他の変形例を使用しても同
等の利点が得られ、本発明の真の範囲が特定の装置でな
く本発明の実施により規定される。しかしながら、本発
明の方法の作動原理の実施をより明確に説明するために
は上記の装置を定期的に参照することが必要である。
本発明の最も概括的な具体例は、真空囲障の内側に配
置された活性化領域内にエネルギー移送ガスから高流量
及び高密度の活性化核種を生成する新規方法である。エ
ネルギー移送ガスの高流量の活性化核種は次に、衝突領
域内で前駆物質堆積／エッチングガスと激しく相互作用
させられ、所望の励起堆積／エッチング核種のみを高密
度に生成し、該励起核種は活性化領域から離して配置さ
れた基板の露出表面と反応する。あるいは、離して配置
された基板の表面に直接反応するようにエネルギー移送
ガスの高流量の活性化核種を使用してもよい。いずれの
場合も、本発明の新規概念は高流量の活性化核種を生成
する能力にあり、該活性化核種はそのエネルギーを失う
ことなく離れた場所に移動するように構成されている。
置された活性化領域内にエネルギー移送ガスから高流量
及び高密度の活性化核種を生成する新規方法である。エ
ネルギー移送ガスの高流量の活性化核種は次に、衝突領
域内で前駆物質堆積／エッチングガスと激しく相互作用
させられ、所望の励起堆積／エッチング核種のみを高密
度に生成し、該励起核種は活性化領域から離して配置さ
れた基板の露出表面と反応する。あるいは、離して配置
された基板の表面に直接反応するようにエネルギー移送
ガスの高流量の活性化核種を使用してもよい。いずれの
場合も、本発明の新規概念は高流量の活性化核種を生成
する能力にあり、該活性化核種はそのエネルギーを失う
ことなく離れた場所に移動するように構成されている。
本発明の方法を実施できるようにする具体的な臨界的
パラメーターを示す前に、決定的な問題は本発明の（所
謂）「新規」遠隔励起方法が当業者により従来使用され
ている遠隔励起方法とどのような点が相異するのかとい
う点である。その答えは追って詳述するが、本発明者ら
が第１の導管を流れるエネルギー移送ガスと真空囲障内
に存在するバックグラウンド圧力との間の顕著な圧力差
を使用することである。上述のLucovsky及びShimizu両
博士の研究並びに本発明者らに周知の他の全研究者の文
献に開示されている研究と異なるのは、この圧力差であ
る。残念ながら、考慮しなければならない全堆積／エッ
チパラメーターにより、本明細書中に記載する高流量の
活性化核種を生成するために存在すべき圧力差の数値を
与えることは不可能であるが、他の遠隔励起方法と区別
する簡単な方法は２つ存在する。
パラメーターを示す前に、決定的な問題は本発明の（所
謂）「新規」遠隔励起方法が当業者により従来使用され
ている遠隔励起方法とどのような点が相異するのかとい
う点である。その答えは追って詳述するが、本発明者ら
が第１の導管を流れるエネルギー移送ガスと真空囲障内
に存在するバックグラウンド圧力との間の顕著な圧力差
を使用することである。上述のLucovsky及びShimizu両
博士の研究並びに本発明者らに周知の他の全研究者の文
献に開示されている研究と異なるのは、この圧力差であ
る。残念ながら、考慮しなければならない全堆積／エッ
チパラメーターにより、本明細書中に記載する高流量の
活性化核種を生成するために存在すべき圧力差の数値を
与えることは不可能であるが、他の遠隔励起方法と区別
する簡単な方法は２つ存在する。
本発明の励起方法では、圧力差が存在するため、励起
核種の雲により占められる体積は構造的な閉じ込めがな
く、電磁エネルギーが囲障内で作用する体積に限定され
ない。これとは極めて対照的に他の全遠隔又は直接励起
方法ではプラズマ領域及び堆積領域は実質的に等しい圧
力に維持されるので、エネルギー移送ガスの活性化核種
のプラズマにより占められる体積は、電磁エネルギーに
より占められるスペースの体積と実質的に同一空間を占
めるように構造的な壁により制限される。当然のことな
がら、電磁界の体積に対するプラズマ体積のこの差は同
様に、エネルギー移送ガスの流束が電磁界の作用する距
離だけ排出されないようにするに十分な程度まで圧力に
依存する。本発明と従来技術の第２の差異は、エネルギ
ー移送ガスが囲障内に流入する際に通る第１の導管に絞
り条件を維持することである。この絞り条件はエネルギ
ー移送ガスの速度が遷音速となるように決定し、これに
より、活性化核種に方向運動量を与える。
核種の雲により占められる体積は構造的な閉じ込めがな
く、電磁エネルギーが囲障内で作用する体積に限定され
ない。これとは極めて対照的に他の全遠隔又は直接励起
方法ではプラズマ領域及び堆積領域は実質的に等しい圧
力に維持されるので、エネルギー移送ガスの活性化核種
のプラズマにより占められる体積は、電磁エネルギーに
より占められるスペースの体積と実質的に同一空間を占
めるように構造的な壁により制限される。当然のことな
がら、電磁界の体積に対するプラズマ体積のこの差は同
様に、エネルギー移送ガスの流束が電磁界の作用する距
離だけ排出されないようにするに十分な程度まで圧力に
依存する。本発明と従来技術の第２の差異は、エネルギ
ー移送ガスが囲障内に流入する際に通る第１の導管に絞
り条件を維持することである。この絞り条件はエネルギ
ー移送ガスの速度が遷音速となるように決定し、これに
より、活性化核種に方向運動量を与える。
動作中、本発明の方法は第１図について概括的に記載
した型の真空囲障又はチャンバ内で実施される。真空囲
障はまず背圧に排気され、第１の導管の内側のエネルギ
ー移送ガスの実質的に遷音速の流量と相俟ってエネルギ
ー移送ガスの活性化核種のプラズマを点弧及び維持し、
該プラズマはパッシェン曲線の実質的な最小値で生じる
ように注意深く制御されている。従って、高流量のエネ
ルギー移送ガスが定常に導入されるにも拘わらず、囲障
を低い背圧に排気するに十分強力なポンプを選択するこ
とが不可欠になる。一好適具体例によると、ポンプは囲
障を約50torr未満、好ましくは約0.01mtorr〜10mtorrの
背圧に排気及び維持することが可能であるが、背圧を必
ずしも所与の値に限定する必要はない。
した型の真空囲障又はチャンバ内で実施される。真空囲
障はまず背圧に排気され、第１の導管の内側のエネルギ
ー移送ガスの実質的に遷音速の流量と相俟ってエネルギ
ー移送ガスの活性化核種のプラズマを点弧及び維持し、
該プラズマはパッシェン曲線の実質的な最小値で生じる
ように注意深く制御されている。従って、高流量のエネ
ルギー移送ガスが定常に導入されるにも拘わらず、囲障
を低い背圧に排気するに十分強力なポンプを選択するこ
とが不可欠になる。一好適具体例によると、ポンプは囲
障を約50torr未満、好ましくは約0.01mtorr〜10mtorrの
背圧に排気及び維持することが可能であるが、背圧を必
ずしも所与の値に限定する必要はない。
従って、各パラメーター（高流量の活性化核種が得ら
れたら、遠隔位置から導入された前駆物質堆積／エッチ
ングガスの実質的に全部を多数の該活性化核種により励
起させる場合）は独立して制御できることを理解すべき
である。まず第１に、マイクロ波アプリケータパワーは
高流量の活性化核種を生成するように制御され得る。第
２に、構造的閉じ込めが存在せずしかもエネルギー移送
ガスの流束が遷音速であるので、活性化核種が衝突領域
に達する前に壁と衝突することによる活性化核種の損失
は実質的になくなり、該活性化核種はイオン化核種の寿
命内で該衝突領域に移送される。第３に、実質的な圧力
差により前駆物質堆積／エッチングガスの逆拡散はなく
なる。第４に、背圧が低いので平均自由行程が長くな
り、励起された堆積／エッチング核種が基板上に堆積す
る前に該核種と他の全粒子とが多重衝突しないようにで
きる。
れたら、遠隔位置から導入された前駆物質堆積／エッチ
ングガスの実質的に全部を多数の該活性化核種により励
起させる場合）は独立して制御できることを理解すべき
である。まず第１に、マイクロ波アプリケータパワーは
高流量の活性化核種を生成するように制御され得る。第
２に、構造的閉じ込めが存在せずしかもエネルギー移送
ガスの流束が遷音速であるので、活性化核種が衝突領域
に達する前に壁と衝突することによる活性化核種の損失
は実質的になくなり、該活性化核種はイオン化核種の寿
命内で該衝突領域に移送される。第３に、実質的な圧力
差により前駆物質堆積／エッチングガスの逆拡散はなく
なる。第４に、背圧が低いので平均自由行程が長くな
り、励起された堆積／エッチング核種が基板上に堆積す
る前に該核種と他の全粒子とが多重衝突しないようにで
きる。
具体的にいうと、真空囲障の内側には特にエネルギー
移送ガスが導入され、この導入は好ましくは遠端部に形
成された少なくとも１個のアパーチャを有する第１の導
管により得られる。アパーチャは典型的には約0.25〜3.
0cmの直径を有するように寸法決定され、ソレノイドで
操作されるアパーチャ減少構造及び／又は保護オーバー
コートを備え得、これらの２要素についてはいずれも上
記に詳述した。
移送ガスが導入され、この導入は好ましくは遠端部に形
成された少なくとも１個のアパーチャを有する第１の導
管により得られる。アパーチャは典型的には約0.25〜3.
0cmの直径を有するように寸法決定され、ソレノイドで
操作されるアパーチャ減少構造及び／又は保護オーバー
コートを備え得、これらの２要素についてはいずれも上
記に詳述した。
エネルギー移送ガスは典型的には貴ガス、水素、メタ
ン、エッチングガス類、及びそれらの組み合わせから成
る群から選択される。好適具体例によると、エネルギー
移送ガスはヘリウムであり、ヘリウムは適当に励起され
ると、長寿命の励起核種を生成する。更に、エネルギー
移送ガスは多数の希釈剤又はドーパントガスを含み得、
その非限定的な例はO2、NH3、N2、NH4、H2、CH4、PH3、
PH5、BF3、BF5、B2H6、BH4及びそれらの組み合わせであ
る。希釈剤又はドーパントガスの機能は、堆積された膜
に配合されるべき元素源を提供することである。例え
ば、シリコン：ゲルマニウム合金材料の薄膜を遠隔位置
に配置した基板上に堆積しているならば、膜はエネルギ
ー移送ガスの流束に少量のBF3のようなｐ型ドーパント
を加えることにより少しｐ型にされ得る。あるいは、絶
縁SiOx材料の層を堆積する場合、エネルギー移送ガスの
流束に少量の酸素を配合することが必要である。組成に
関係なく、エネルギー移送ガスは該第１の導管を通って
活性化手段のすぐ近傍の点、例えば上記輻射マイクロ波
アプリケータの内側に放出されることが重要である。
ン、エッチングガス類、及びそれらの組み合わせから成
る群から選択される。好適具体例によると、エネルギー
移送ガスはヘリウムであり、ヘリウムは適当に励起され
ると、長寿命の励起核種を生成する。更に、エネルギー
移送ガスは多数の希釈剤又はドーパントガスを含み得、
その非限定的な例はO2、NH3、N2、NH4、H2、CH4、PH3、
PH5、BF3、BF5、B2H6、BH4及びそれらの組み合わせであ
る。希釈剤又はドーパントガスの機能は、堆積された膜
に配合されるべき元素源を提供することである。例え
ば、シリコン：ゲルマニウム合金材料の薄膜を遠隔位置
に配置した基板上に堆積しているならば、膜はエネルギ
ー移送ガスの流束に少量のBF3のようなｐ型ドーパント
を加えることにより少しｐ型にされ得る。あるいは、絶
縁SiOx材料の層を堆積する場合、エネルギー移送ガスの
流束に少量の酸素を配合することが必要である。組成に
関係なく、エネルギー移送ガスは該第１の導管を通って
活性化手段のすぐ近傍の点、例えば上記輻射マイクロ波
アプリケータの内側に放出されることが重要である。
活性化エネルギーはa.c.エネルギー、r.f.エネルギ
ー、マイクロ波エネルギー、光活性化エネルギー及びそ
れらの組み合わせから選択され得るが、好適具体例によ
ると活性化エネルギーはマイクロ波であり、活性化手段
は真空囲障の内側に伸延する上記輻射マイクロ波導波管
のような輻射マイクロ波アプリケータである。輻射マイ
クロ波アプリケータは2.45GHzの周波数で約１〜10キロ
ワットのマイクロ波パワーを供給するように構成され
る。エネルギー移送ガスは第１の導管のアパーチャから
マイクロ波アプリケータの側壁に形成された開口を通
り、該アプリケータの中空内部の内側に少なくとも部分
的に配置された活性化領域に放出される。活性化領域は
エネルギー移送ガスの活性化核種の雲が形成される領域
として明確に規定される。囲障内の背圧に対して第１の
導管から排出される高流量のエネルギー移送ガスは更
に、該エネルギー移送ガスの活性化核種の雲により占め
られる体積を制限するように機能する一連の同心円状等
圧線を規定する。
ー、マイクロ波エネルギー、光活性化エネルギー及びそ
れらの組み合わせから選択され得るが、好適具体例によ
ると活性化エネルギーはマイクロ波であり、活性化手段
は真空囲障の内側に伸延する上記輻射マイクロ波導波管
のような輻射マイクロ波アプリケータである。輻射マイ
クロ波アプリケータは2.45GHzの周波数で約１〜10キロ
ワットのマイクロ波パワーを供給するように構成され
る。エネルギー移送ガスは第１の導管のアパーチャから
マイクロ波アプリケータの側壁に形成された開口を通
り、該アプリケータの中空内部の内側に少なくとも部分
的に配置された活性化領域に放出される。活性化領域は
エネルギー移送ガスの活性化核種の雲が形成される領域
として明確に規定される。囲障内の背圧に対して第１の
導管から排出される高流量のエネルギー移送ガスは更
に、該エネルギー移送ガスの活性化核種の雲により占め
られる体積を制限するように機能する一連の同心円状等
圧線を規定する。
エネルギー移送ガスは好ましくは少なくとも約100SCC
M、より好ましくは約100〜2000SCCMの流量で第１の導管
により放出される。こうして、囲障の内側に存在する背
圧（約50torr未満、好ましくは0.1〜10mtorr）と第１の
導管のアパーチャの近傍のエネルギーの圧力（この圧力
は約10〜30torr程度であり得る）との間に少なくとも約
５分の１の好適圧力比を維持することが可能である。任
意の所与の等圧線内の圧力が第１の導管のアパーチャか
らの距離と共に減少することは明白である。従って、任
意の所与のパワーでは、パッシェン曲線の傾きは活性化
領域の圧力決定境界線を提供する。
M、より好ましくは約100〜2000SCCMの流量で第１の導管
により放出される。こうして、囲障の内側に存在する背
圧（約50torr未満、好ましくは0.1〜10mtorr）と第１の
導管のアパーチャの近傍のエネルギーの圧力（この圧力
は約10〜30torr程度であり得る）との間に少なくとも約
５分の１の好適圧力比を維持することが可能である。任
意の所与の等圧線内の圧力が第１の導管のアパーチャか
らの距離と共に減少することは明白である。従って、任
意の所与のパワーでは、パッシェン曲線の傾きは活性化
領域の圧力決定境界線を提供する。
更に、第４図から明らかなように、所与の体積の雲の
内側のエネルギー移送ガスの活性化核種の圧力は、該核
種からプラズマを形成するために加えなければならない
パワーレベルを決定する。この点に関して、第４図は可
変体積を占めるプラズマを点弧及び維持するための一連
の別々のパッシェン曲線（番号１〜４）を示す。第４図
のグラフの横座標に沿って所与の等圧線内のエネルギー
移送ガスの活性化核種の圧力をmmHg（1mmHg＝1torr）で
プロットし、縦座標に沿って印加電界（V/cm）をプロッ
トした。各パッシェン曲線は所与の体積の雲に固有であ
る。例えば曲線１はほぼ球形の雲に必要な圧力／パワー
条件を表し、雲の体積は直径（Ｌ）を2.54cmとして計算
することができる。最小の効率で運転することが重要で
あるのみならず、パッシェン曲線の最小値で運転すると
曲線から離れたりプラズマを消弧させたりせずに圧力変
化を少なくすることができる。
内側のエネルギー移送ガスの活性化核種の圧力は、該核
種からプラズマを形成するために加えなければならない
パワーレベルを決定する。この点に関して、第４図は可
変体積を占めるプラズマを点弧及び維持するための一連
の別々のパッシェン曲線（番号１〜４）を示す。第４図
のグラフの横座標に沿って所与の等圧線内のエネルギー
移送ガスの活性化核種の圧力をmmHg（1mmHg＝1torr）で
プロットし、縦座標に沿って印加電界（V/cm）をプロッ
トした。各パッシェン曲線は所与の体積の雲に固有であ
る。例えば曲線１はほぼ球形の雲に必要な圧力／パワー
条件を表し、雲の体積は直径（Ｌ）を2.54cmとして計算
することができる。最小の効率で運転することが重要で
あるのみならず、パッシェン曲線の最小値で運転すると
曲線から離れたりプラズマを消弧させたりせずに圧力変
化を少なくすることができる。
例えば、パッシェン曲線１の実質的な最小値（運転の
ための最大効率条件）で運転するためには、約10torrの
圧力及び約40V/cmのパワーレベルが必要である。運転に
適正な圧力−パワー条件の選択にあたり、パッシェン曲
線の別々の連続体から離れた適正な体積の雲及び／又は
アパーチャ寸法を選択することが必要であることに留意
されたい。この体積の選択にあたっては、第２図に明示
するように、活性化核種の雲231は複数の実質的に同心
円状で実質的に球形の等圧線（例えば231a−231c）から
形成される。囲障に導入されるエネルギー移送ガスの圧
力はアパーチャ226の口の導入点から所与の径方向距離
にわたって背圧と実質的に等価にされることを理解すべ
きである。例えば、内側球形等圧線は10torrの圧力降下
を表し、球形等圧線及び外側顆粒等圧線231cとの間に規
定される環状等圧線は同様に10torrの別の圧力降下を表
し、以下、圧力差が等しくなるまで同様である。当然の
ことながら、圧力差が十分小さくなると雲の境界が規定
され、活性化核種の密度は活性化核種のバックグラウン
ド密度に融合する。
ための最大効率条件）で運転するためには、約10torrの
圧力及び約40V/cmのパワーレベルが必要である。運転に
適正な圧力−パワー条件の選択にあたり、パッシェン曲
線の別々の連続体から離れた適正な体積の雲及び／又は
アパーチャ寸法を選択することが必要であることに留意
されたい。この体積の選択にあたっては、第２図に明示
するように、活性化核種の雲231は複数の実質的に同心
円状で実質的に球形の等圧線（例えば231a−231c）から
形成される。囲障に導入されるエネルギー移送ガスの圧
力はアパーチャ226の口の導入点から所与の径方向距離
にわたって背圧と実質的に等価にされることを理解すべ
きである。例えば、内側球形等圧線は10torrの圧力降下
を表し、球形等圧線及び外側顆粒等圧線231cとの間に規
定される環状等圧線は同様に10torrの別の圧力降下を表
し、以下、圧力差が等しくなるまで同様である。当然の
ことながら、圧力差が十分小さくなると雲の境界が規定
され、活性化核種の密度は活性化核種のバックグラウン
ド密度に融合する。
囲障の真空化後、輻射マイクロ波アプリケータにより
マイクロ波エネルギーの電磁界を印加し、十分な流量の
エネルギー移送ガスを導入すると、（囲障内の背圧及び
電磁界のパワーと相俟って）活性化領域内に存在する高
密度のエネルギー移送ガスから活性化核種のプラズマが
点弧され、エネルギー移送ガスの活性化核種は第１図に
示す衝突領域65に向かって移動する。エネルギー移送ガ
スの活性化核種は実際に、第１の導管から排出されるエ
ネルギー移送ガスの高流量により衝突領域に向かって駆
動される。流量がエネルギー移送ガスに割り当てる速度
は少なくとも初速度が遷音速であり、いずれにせよ、少
なくとも該活性化核種の熱速度と同一の大きさでなけれ
ばならない。換言するならば、エネルギー移送ガスに割
り当てられる方向運動量が実質的に熱速度と同一又はそ
れ以上でないならば、方向運動量は囲障内に存在する低
い背圧中で失われる。
マイクロ波エネルギーの電磁界を印加し、十分な流量の
エネルギー移送ガスを導入すると、（囲障内の背圧及び
電磁界のパワーと相俟って）活性化領域内に存在する高
密度のエネルギー移送ガスから活性化核種のプラズマが
点弧され、エネルギー移送ガスの活性化核種は第１図に
示す衝突領域65に向かって移動する。エネルギー移送ガ
スの活性化核種は実際に、第１の導管から排出されるエ
ネルギー移送ガスの高流量により衝突領域に向かって駆
動される。流量がエネルギー移送ガスに割り当てる速度
は少なくとも初速度が遷音速であり、いずれにせよ、少
なくとも該活性化核種の熱速度と同一の大きさでなけれ
ばならない。換言するならば、エネルギー移送ガスに割
り当てられる方向運動量が実質的に熱速度と同一又はそ
れ以上でないならば、方向運動量は囲障内に存在する低
い背圧中で失われる。
衝突領域の位置は遠端部に配置された少なくとも１個
のアパーチャを有する第２の導管により規定され、該導
管の遠端部は真空囲障の内側に伸延し、基板のごく近傍
に到達する。第２の導管の機能は、エネルギー移送ガス
の活性化核種が前駆物質ガスと相互作用して賦活堆積／
エッチング核種を生成するように、前駆物質堆積／エッ
チングガスを衝突領域に供給することである。衝突領域
に供給される好適な前駆物質堆積ガスの非限定的な例
は、シリコン含有ガス、ゲルマニウム含有ガス、炭素含
有ガス及びこれらの組み合わせである。好適なエッチン
グガスにはNF3、CF4、フルオロカーボン、クロロカーボ
ン、及びこれらの組み合わせがある。前駆物質堆積／エ
ッチングガスは典型的には少なくとも約10SCCM、好まし
くは約10〜200SCCMの流量で衝突領域に供給されるが、
好適な流量は約25〜100SCCM、最適な流量は約40SCCMで
ある。
のアパーチャを有する第２の導管により規定され、該導
管の遠端部は真空囲障の内側に伸延し、基板のごく近傍
に到達する。第２の導管の機能は、エネルギー移送ガス
の活性化核種が前駆物質ガスと相互作用して賦活堆積／
エッチング核種を生成するように、前駆物質堆積／エッ
チングガスを衝突領域に供給することである。衝突領域
に供給される好適な前駆物質堆積ガスの非限定的な例
は、シリコン含有ガス、ゲルマニウム含有ガス、炭素含
有ガス及びこれらの組み合わせである。好適なエッチン
グガスにはNF3、CF4、フルオロカーボン、クロロカーボ
ン、及びこれらの組み合わせがある。前駆物質堆積／エ
ッチングガスは典型的には少なくとも約10SCCM、好まし
くは約10〜200SCCMの流量で衝突領域に供給されるが、
好適な流量は約25〜100SCCM、最適な流量は約40SCCMで
ある。
衝突領域において、エネルギー移送ガス（即ちヘリウ
ム）の活性化核種は次のように前駆物質堆積種（即ちシ
ラン）と相互作用する。
ム）の活性化核種は次のように前駆物質堆積種（即ちシ
ラン）と相互作用する。
He＊＋SiH4→SiH3＋Ｈ＋He 生成されたSiH＊及びＨは次に衝突領域から移動し、賦
活堆積種の平均自由行程の長さの範囲内にある衝突領域
から所定の距離に配置された基板の露出表面上に堆積さ
れる。賦活堆積核種の平均自由行程は賦活堆積（又はエ
ッチング）核種が他の決定された堆積核種と衝突せずに
移動し得る距離であり、堆積速度は選択され、エネルギ
ー移送ガスの活性化核種の所与の体積の雲を点弧するの
に決定的な他のパラメーターの各々も同様に決定され
る。上述のように経験によると、第１の導管を流れるエ
ネルギー移送ガスの流量は、約100cm2の表面積を有する
基板に賦活堆積核種を均一に堆積するためにはエネルギ
ー移送ガスと真空囲障の背圧との間に少なくとも約５倍
の圧力差を形成するに十分な流量でなければならない。
こうして、平均自由行程の必要な長さが知見されると、
背圧を選択することができ、この背圧は、背圧と第１の
導管内の流れとの間に顕著な圧力差を維持するためにエ
ネルギー移送ガスを囲障に導入しなければならない流量
の可能な範囲を決定する。これは同様に、エネルギー移
送ガスの該流量で遷音速の流束を供給するアパーチャ寸
法も決定する。
活堆積種の平均自由行程の長さの範囲内にある衝突領域
から所定の距離に配置された基板の露出表面上に堆積さ
れる。賦活堆積核種の平均自由行程は賦活堆積（又はエ
ッチング）核種が他の決定された堆積核種と衝突せずに
移動し得る距離であり、堆積速度は選択され、エネルギ
ー移送ガスの活性化核種の所与の体積の雲を点弧するの
に決定的な他のパラメーターの各々も同様に決定され
る。上述のように経験によると、第１の導管を流れるエ
ネルギー移送ガスの流量は、約100cm2の表面積を有する
基板に賦活堆積核種を均一に堆積するためにはエネルギ
ー移送ガスと真空囲障の背圧との間に少なくとも約５倍
の圧力差を形成するに十分な流量でなければならない。
こうして、平均自由行程の必要な長さが知見されると、
背圧を選択することができ、この背圧は、背圧と第１の
導管内の流れとの間に顕著な圧力差を維持するためにエ
ネルギー移送ガスを囲障に導入しなければならない流量
の可能な範囲を決定する。これは同様に、エネルギー移
送ガスの該流量で遷音速の流束を供給するアパーチャ寸
法も決定する。
所与の背圧でエネルギー移送ガスの流量の使用可能な
範囲を考慮すると、第４図のパッシェン曲線に戻り、所
与の体積の活性化核種で運転するために最適なパワー／
圧力条件を決定することができる。所与のパワー／圧力
／アパーチャ寸法条件では、活性化核種を形成するため
に励起されたエネルギー移送ガスの近似百分率を決定す
ることが可能である（例えばHeがHe＊活性化核種に助長
される典型的な範囲は１〜５％である）。この百分率が
分かると、作業者は衝突領域に流入する前駆物質堆積／
エッチングガスの流量を調節することができ、こうして
賦活堆積核種と前駆物質堆積／エッチングガスの間の多
重の衝突の可能性を避けるためにHe＊と前駆物質ガス分
子の比を最大にすることができる。
範囲を考慮すると、第４図のパッシェン曲線に戻り、所
与の体積の活性化核種で運転するために最適なパワー／
圧力条件を決定することができる。所与のパワー／圧力
／アパーチャ寸法条件では、活性化核種を形成するため
に励起されたエネルギー移送ガスの近似百分率を決定す
ることが可能である（例えばHeがHe＊活性化核種に助長
される典型的な範囲は１〜５％である）。この百分率が
分かると、作業者は衝突領域に流入する前駆物質堆積／
エッチングガスの流量を調節することができ、こうして
賦活堆積核種と前駆物質堆積／エッチングガスの間の多
重の衝突の可能性を避けるためにHe＊と前駆物質ガス分
子の比を最大にすることができる。
真に公平な見方で本発明の重要性を確認するために、
本発明者らは本明細書中に開示した原理を使用して
（１）450Å／秒（r.f.PECVD法の102倍、マイクロ波法
の５倍）程度の高速度で高品質のアモルファスシリコン
合金材料を堆積し、（２）104〜105倍の光導電率を示す
シリコン合金材料を堆積し、約1016個／cm-3/eVの欠陥
数の欠陥状態密度を有するシリコン合金材料を堆積し
た。本発明者らの信じるところでは、材料の品質はスパ
ッタした導波管又はグラファイト材料の量を減らすよう
な改良が実行されるにつれて改善され続けよう。例え
ば、マイクロ波アプリケータの切除部分は堆積膜中の銅
の存在を減らすようにニッケルめっきした。こうすると
改良された膜品質が得られる。
本発明者らは本明細書中に開示した原理を使用して
（１）450Å／秒（r.f.PECVD法の102倍、マイクロ波法
の５倍）程度の高速度で高品質のアモルファスシリコン
合金材料を堆積し、（２）104〜105倍の光導電率を示す
シリコン合金材料を堆積し、約1016個／cm-3/eVの欠陥
数の欠陥状態密度を有するシリコン合金材料を堆積し
た。本発明者らの信じるところでは、材料の品質はスパ
ッタした導波管又はグラファイト材料の量を減らすよう
な改良が実行されるにつれて改善され続けよう。例え
ば、マイクロ波アプリケータの切除部分は堆積膜中の銅
の存在を減らすようにニッケルめっきした。こうすると
改良された膜品質が得られる。
明細書の記載を終えるに当たり、維持しなければなら
ない「臨界的」圧力差及び本発明の方法を使用すること
により可能になる「臨界的」な堆積速度はむしろ任意に
選択できることをもう一度強調しなければならない。圧
力差は背圧、基板の寸法、第１の導管のアパーチャの寸
法、供給されるパワーの量、使用されるガス等のような
パラメーターに依存するので、普遍的な値を計算するこ
とはできない。「約５分の１」という値は実質的に普遍
的な真理を与えるに十分なので、請求の範囲では「約５
分の１」という数値を選択及び使用した。しかしなが
ら、本発明はこのような具体的な数値により限定され
ず、明細書中に支持されるような広い原理によってのみ
限定されることを強調しておく。
ない「臨界的」圧力差及び本発明の方法を使用すること
により可能になる「臨界的」な堆積速度はむしろ任意に
選択できることをもう一度強調しなければならない。圧
力差は背圧、基板の寸法、第１の導管のアパーチャの寸
法、供給されるパワーの量、使用されるガス等のような
パラメーターに依存するので、普遍的な値を計算するこ
とはできない。「約５分の１」という値は実質的に普遍
的な真理を与えるに十分なので、請求の範囲では「約５
分の１」という数値を選択及び使用した。しかしなが
ら、本発明はこのような具体的な数値により限定され
ず、明細書中に支持されるような広い原理によってのみ
限定されることを強調しておく。
以上の記載は単に本発明の原理を説明することを目的
としており、発明の実施を制限する意図はないものと理
解されたい。本発明の真の範囲を規定するものは、特許
請求の範囲とその全等価物である。
としており、発明の実施を制限する意図はないものと理
解されたい。本発明の真の範囲を規定するものは、特許
請求の範囲とその全等価物である。
第１図は、励起堆積核種を生成し、該堆積核種を離して
配置された基板の表面に堆積するために、エネルギー移
送ガスの活性化核種の雲が前駆物質堆積ガスと衝突する
ように導かれる本発明の真空囲障の内側を示す一部切欠
斜視図、第２図はエネルギー移送ガスが囲障に導入され
る際に通る第１の導管の位置をマイクロ波アプリケータ
に対して示す拡大一部切欠横断面図、第３図は第２図に
示した第１の導管及びマイクロ波アプリケータの拡大一
部切欠側面図であり、該第１の導管は該アプリケータの
内側にほぼ半分まで伸延するように変形されている図、
第４図は異なる体積の活性化核種の雲の変形パッシェン
曲線のグラフであり、曲線は横座標に圧力、縦座標にパ
ワーを示しており、パッシェン曲線はPhysical Review,
Vol.75,p.411,（1949）に所収のA.D.MacDonald及びS.C.
Brownの論文から再現した。 12……囲障、Ａ……エネルギー移送ガス、26,226,326…
…アパーチャ、24,224,324……第１の導管、34,231,331
……活性化核種の高密度の雲、36……活性化領域、50…
…基板手段、601……第２の導管、62……導入点、65…
…衝突領域、228,328……冷却手段。
配置された基板の表面に堆積するために、エネルギー移
送ガスの活性化核種の雲が前駆物質堆積ガスと衝突する
ように導かれる本発明の真空囲障の内側を示す一部切欠
斜視図、第２図はエネルギー移送ガスが囲障に導入され
る際に通る第１の導管の位置をマイクロ波アプリケータ
に対して示す拡大一部切欠横断面図、第３図は第２図に
示した第１の導管及びマイクロ波アプリケータの拡大一
部切欠側面図であり、該第１の導管は該アプリケータの
内側にほぼ半分まで伸延するように変形されている図、
第４図は異なる体積の活性化核種の雲の変形パッシェン
曲線のグラフであり、曲線は横座標に圧力、縦座標にパ
ワーを示しており、パッシェン曲線はPhysical Review,
Vol.75,p.411,（1949）に所収のA.D.MacDonald及びS.C.
Brownの論文から再現した。 12……囲障、Ａ……エネルギー移送ガス、26,226,326…
…アパーチャ、24,224,324……第１の導管、34,231,331
……活性化核種の高密度の雲、36……活性化領域、50…
…基板手段、601……第２の導管、62……導入点、65…
…衝突領域、228,328……冷却手段。
フロントページの続き (72)発明者 スタンフオード・オブシンスキー アメリカ合衆国、ミシガン・48013、ブ ルームフイールド・ヒルズ、スキレル・ ロード・2700 (72)発明者 バデイ・ドター・ザ・セカンド アメリカ合衆国、ミシガン・48087、ユ ーテイカ、フリツケンガー・7460 (72)発明者 レスター・ピーデイン アメリカ合衆国、ミシガン・48237、オ ーク・パーク、モーリツツ・24041 (72)発明者 ジエフリー・クリスコ アメリカ合衆国、ミシガン・48031、ハ イランド、トマホーク・トレイル・590 (72)発明者 アネツト・クリスコ アメリカ合衆国、ミシガン・48031、ハ イランド、トマホーク・トレイル・590 (56)参考文献 特開 昭62−158316（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−241326（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−240766（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−240767（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−243767（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C23C 16/00 - 16/56 H01L 21/205
Claims (29)
- 【請求項１】比較的高い堆積速度で高品質の薄膜を作製
する方法であって、囲障を準備する段階と、該囲障の内
側を大気圧以下の背圧に維持する段階と、第１の導管に
形成された少なくとも１個のアパーチャを通って該囲障
の内側にエネルギー移送ガスを導入する段階と、該エネ
ルギー移送ガスを活性化領域で活性化させ、該エネルギ
ー移送ガスから活性化核種の高密度の雲を形成する段階
と、電子の損傷を実質的に阻止するのに十分な距離を該
活性化領域から隔てるように該囲障の内側に基板手段を
作動的に配置する段階とを含んでおり、該第１の導管の
アパーチャの近傍の圧力と該囲障内の背圧との間に実質
的な圧力差が維持されるように、該第１の導管を流れる
エネルギー移送ガスを局所的に高圧にするべく該第１の
導管のアパーチャの近傍に絞り条件を形成することを特
徴とする前記方法。 - 【請求項２】比較的高い堆積速度で高品質の薄膜を作製
する方法であって、囲障を準備する段階と、該囲障の内
側を大気圧以下の背圧に維持する段階と、第１の導管に
形成された少なくとも１個のアパーチャを通って該囲障
の内側にエネルギー移送ガスを導入する段階と、該エネ
ルギー移送ガスを活性化領域で活性化させ、該エネルギ
ー移送ガスから活性化核種の高密度の雲を形成する段階
と、該高密度の活性化核種が前駆物質堆積ガスと衝突
し、該前駆物質堆積ガスの高密度の励起堆積核種が生成
される衝突領域を規定するように、該活性化領域から離
して配置された導入点で、第２の導管を通って該囲障の
内側に該前駆物質堆積ガスを導入する段階と、電子の損
傷を実質的に阻止するのに十分な距離を該活性化領域か
ら隔てるように該囲障の内側に基板手段を作動的に配置
する段階とを含んでおり、該第１の導管のアパーチャの
近傍の圧力と該囲障内の背圧との間に実質的な圧力差が
維持されるように、該第１の導管を流れるエネルギー移
送ガスを局所的に高圧にするべく該第１の導管のアパー
チャの近傍にチョーク条件を形成することを特徴とする
前記方法。 - 【請求項３】該アパーチャの近傍における該エネルギー
移送ガスの圧力を、パッシェン曲線の実質的な最小値に
相当するパワー−圧力−アパーチャ寸法条件で該エネル
ギー移送ガスからプラズマを点弧するために十分な圧力
にするように、該第１の導管を流れるエネルギー移送ガ
スの流量を選択する段階を更に含んでいる請求項２に記
載の方法。 - 【請求項４】該アパーチャの近傍における電子の滞留時
間を延ばし、これに伴って該アパーチャの近傍における
該活性化核種の密度を増加させる段階を更に含んでいる
請求項２に記載の方法。 - 【請求項５】該アパーチャの近傍における該電子の滞留
時間を延ばすために磁界を形成する段階を更に含んでい
る請求項４に記載の方法。 - 【請求項６】該第１の導管を冷却する手段を準備する段
階を更に含んでいる請求項２に記載の方法。 - 【請求項７】主に水素、貴ガス、CH4及びそれらの組み
合わせから構成される群から該エネルギー移送ガスを選
択する段階を更に含んでいる請求項２に記載の方法。 - 【請求項８】主にシリコン含有ガス、炭素含有ガス、ゲ
ルマニウム含有ガス、及びそれらの組み合わせから構成
される群から前駆物質堆積ガスを選択する段階を更に含
んでいる請求項２に記載の方法。 - 【請求項９】該エネルギー移送ガスの活性化核種により
等圧線の雲が形成されるように、該囲障内の背圧を該第
１の導管のアパーチャの近傍の圧力の少なくとも５分の
１に維持する段階を更に含んでいる請求項２に記載の方
法。 - 【請求項１０】背圧と該第１の導管のアパーチャの近傍
の圧力との間の圧力差を調節することにより、該活性化
核種の雲の体積を調節する段階を更に含んでいる請求項
２に記載の方法。 - 【請求項１１】所与のエネルギー移送ガスのパッシェン
曲線の実質的な最小値が現れる圧力の約２分の１の等圧
線を該第１の導管のアパーチャ部分の近傍に維持する段
階を更に含んでいる請求項１に記載の方法。 - 【請求項１２】最初に実質的に遷音速であるような速度
を該活性化核種に与える段階を更に含んでいる請求項２
に記載の方法。 - 【請求項１３】比較的高い堆積速度で高品質の薄膜を作
製する方法であって、囲障を準備する段階と、該囲障の
内側を大気圧以下の背圧に維持する段階と、第１の導管
に形成された少なくとも１個のアパーチャを通って該囲
障の内側にエネルギー移送ガスを導入する段階と、該エ
ネルギー移送ガスを活性化領域内で活性化させ、該エネ
ルギー移送ガスから活性化核種の高密度の雲を形成する
段階と、該高密度の活性化核種が前駆物質堆積ガスと衝
突し、該前駆物質堆積ガスの高密度の励起堆積核種が生
成される衝突領域を規定するように、該活性化領域から
離して配置された導入点で、第２の導管を通って該囲障
の内側に該前駆物質堆積ガスを導入する段階と、電子の
損傷を実質的に阻止するのに十分な距離を該活性化領域
から隔てるように該囲障の内側に基板手段を作動的に配
置する段階とを含んでおり、該エネルギー移送ガスの活
性化核種により等圧線の雲が形成されるように、該囲障
内の背圧を該第１の導管のアパーチャの近傍の圧力の少
なくとも５分の１に維持することを特徴とする前記方
法。 - 【請求項１４】比較的高い堆積速度で高品質の薄膜を作
製する方法であって、囲障を準備する段階と、該囲障の
内側を大気圧以下の背圧に維持する段階と、第１の導管
に形成された少なくとも１個のアパーチャを通って該囲
障の内側にエネルギー移送ガスを導入する段階と、活性
化領域で該エネルギー移送ガスに電磁界を印加し、活性
化核種の雲を形成する段階と、該活性化核種が前駆物質
堆積ガスと衝突し、該前駆物質堆積ガスの高密度の励起
堆積核種が生成される衝突領域を規定するように、活性
化領域から離れた第２の導管を通って該囲障に該前駆物
質堆積ガスを導入する段階と、該励起堆積核種を堆積す
るために該衝突領域の近傍に基板手段を作動的に配置す
る段階とを含んでおり、構造的又は磁気的に閉じ込める
ことなく、該エネルギー移送ガスの活性化核種の該雲に
より占められる体積を限定することを特徴とする前記方
法。 - 【請求項１５】背圧と該第１の導管のアパーチャの近傍
の圧力との圧力差を調節することにより、該活性化核種
の雲により占められる体積を調節する段階を更に含んで
いる請求項14に記載の方法。 - 【請求項１６】エネルギー移送ガスから高流量の活性化
核種を生成する方法であって、囲障を準備する段階と、
該囲障の内側を大気圧以下の背圧に維持する段階と、第
１の導管に形成された少なくとも１個のアパーチャを通
って該囲障の内側にエネルギー移送ガスを導入する段階
と、該エネルギー移送ガスを活性化領域内で活性化さ
せ、該エネルギー移送ガスから活性化核種の流束を形成
する段階と、該囲障の内側で該活性化領域から離れた位
置に基板手段を作動的に配置する段階とを含んでおり、
該第１の導管のアパーチャの近傍の圧力と該囲障内の背
圧との圧力差を少なくとも５倍に設定することを特徴と
する前記方法。 - 【請求項１７】該アパーチャの近傍における該エネルギ
ー移送ガスの圧力を、パッシェン曲線の実質的な最小値
に相当するパワー−圧力−アパーチャ寸法条件で該エネ
ルギー移送ガスからプラズマを点弧するために十分な圧
力にするように、該第１の導管を流れるエネルギー移送
ガスの流量を選択する段階を更に含んでいる請求項16に
記載の方法。 - 【請求項１８】該エネルギー移送ガスを高圧にするため
に該アパーチャの近傍に絞りを形成するべく該アパーチ
ャの寸法を第１の導管の寸法よりも小さくする段階を更
に含んでいる請求項17に記載の方法。 - 【請求項１９】該アパーチャの近傍における電子の滞留
時間を延ばし、これに伴って該アパーチャの近傍におけ
る該活性化核種の密度を増加させる段階を更に含んでい
る請求項18に記載の方法。 - 【請求項２０】主に水素、貴ガス、CH4、CF4及びそれら
の組み合わせから構成される群から該エネルギー移送ガ
スを選択する段階を更に含んでいる請求項16に記載の方
法。 - 【請求項２１】エネルギー移送ガスから活性化核種の流
束を生成する方法であって、囲障を準備する段階と、該
囲障の内側を大気圧以下の背圧に維持する段階と、第１
の導管に形成された少なくとも１個のアパーチャを通っ
て該囲障の内側にエネルギー移送ガスを導入する段階
と、活性化領域で該エネルギー移送ガスを活性化させ、
該エネルギー移送ガスから活性化核種の雲を形成する段
階と、該囲障の内側で該活性化領域から離れた位置に基
板手段を作動的に配置する段階とを含んでおり、構造的
又は磁気的に閉じ込めることなく、該エネルギー移送ガ
スの活性化核種の該雲により占められる体積を限定する
ことを特徴とする前記方法。 - 【請求項２２】該エネルギー移送ガスの高圧の雲を形成
するために該第１の導管の該アパーチャの近傍に絞りを
形成する段階を更に含んでいる請求項21に記載の方法。 - 【請求項２３】背圧と該第１の導管のアパーチャの近傍
の圧力との間の圧力差を調節することにより、活性化核
種の該雲の体積を調節する段階を更に含んでいる請求項
21に記載の方法。 - 【請求項２４】最初に実質的に遷音速であるような速度
を該活性化核種に与える段階を更に含んでいる請求項21
に記載の方法。 - 【請求項２５】エネルギー移送ガスから活性化核種の流
束を生成する方法であって、囲障を準備する段階と、該
囲障の内側を大気圧以下の背圧に維持する段階と、第１
の導管に形成された少なくとも１個のアパーチャを通っ
て該囲障の内側にエネルギー移送ガスを導入する段階
と、活性化領域で該エネルギー移送ガスを活性化させ、
該エネルギー移送ガスから活性化核種の雲を形成する段
階とを含んでおり、該活性化領域を構造的又は磁気的に
閉じ込めずに該活性化領域の実質的に明確な境界を規定
するように、該第１の導管を流れる該エネルギー移送ガ
スの流れを実質的に遷音速に設定することを特徴とする
前記方法。 - 【請求項２６】該エネルギー移送ガスの高密度の雲を形
成するために該アパーチャの近傍に絞りを形成するべく
該アパーチャの寸法を第１の導管の寸法よりも小さくす
る段階を更に含んでいる請求項25に記載の方法。 - 【請求項２７】マイクロ波エネルギーを使用して該エネ
ルギー移送ガスを活性化させる段階を更に含んでいる請
求項25に記載の方法。 - 【請求項２８】該エネルギー移送ガスの活性化核種によ
り等圧線の雲が形成されるように、該囲障内の背圧を該
第１の導管のアパーチャの近傍の圧力の少なくとも５分
の１に維持する段階を更に含んでいる請求項25に記載の
方法。 - 【請求項２９】該囲障の内側に基板手段を作動的に配置
する段階と、該囲障内の背圧に対して該第１の導管を流
れる該エネルギー移送ガスの流量を、該エネルギー移送
ガスの該活性化核種を基板手段の表面と直接又は間接的
に反応させるように該活性化核種に方向運動量を与える
ような流量にする段階とを更に含んでいる請求項25に記
載の方法。
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