JPH03215389A - 選択エピタキシャル方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、金属あるいは半導体を適当な基板上に堆積さ
せる選択エピタキシャル装置に関し、特に、望ましくは
サブ・ミクロン・オーダ以下に及ぶ極めて高い分解能を
保ちながら、高速な堆積速度で定められたパターンに従
い、金属や半導体の膜ないし構造物を得られるようにす
るための改良に関する。

［−従来の技術］ 純粋な電子機能のみならず、光機能を営むものも含めた
意味での電子デバイスないし半導体装置の作製には、こ
れまでの所、フォト・リソグラフィが最も多用されてき
た。しかし、この手法では、将来的に益々もって集積回
路の密度向上が迫られている状況には応え難く、すでに
限界が見始めている。事実、数十枚にも及ぶフォト・マ
スクとその倍以上の素工程を経ねばならないことも最早
常識化しており、そのために素子の精度や歩留まりは低
下し、製造期間や製造コストも重大な問題となってきた
。

こうしたことから、従来においても、ある素工程で作製
すべき金属膜や半導体膜、あるいはそれらのかたまりと
しての何等かの構造物を、直接的なパターン描画で形成
できないかとの検討が幾つかなされるに至っている。

そうした中で、比較的実用性が高いと考えられている手
法の一つに、イオン・ビームを用いる方式がある。本発
明も、広くはこうした技術分野に属するので、これまで
に報告されているイオン・ビーム利用型の従来法に関し
、説明する。

もっとも、イオン・ビームは、それの持つエネルギが大
きいことから、通常、半導体層への不純物打ち込みや、
エッチング、ミリング、スパッタリング等々、原子を打
ち込んだり材料を削り採ったりする用途に使われること
が殆どで、逆に基板上に金属膜や半導体膜を堆積させる
ために用いたとする技術研究は趣，タトに少ない。

そこで、そもそもイオン・ビーム発生装置自体について
考えると、原理的には静電気力により適当な範囲内の導
電率を持つ材料をイオン化して引き出すので、こうした
装置は総称して電界電離（　Ｆ　Ｉ　：　ｆｉｅｌｄ　
ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）現象を利用していると言えるが
、イオン化すべき材料が供給される部分、すなわちイオ
ン源自体に着目すると、さらに電界脱離（　Ｆ　Ｄ　：
　ｆｉｅｌｄ　ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ）タイプと電界蒸
発（　Ｆ　Ｅ　Ｖ　：　ｆｉｅｌｄ　ｅｖａｐｏｒａｔ
ｉｏｎ）タイプとに分けることができる。

ＦＤタイプのイオン源は、極めて先端が尖鋭化したチッ
プ（針状電極）をこのチップとは異なる材質ないし組成
の液化した材料で濡らし、これを強い静電場に置いてイ
オン化するものであり、ＦＥＶタイプでは、明らかにチ
ップ材料そのものがイオン化されるものを言う。なお、
気体材料をイオン化する場合のみ、これを特にＦｌとし
てＦＤやＦＥＶと区別することもあるが、本書では上述
のように、ＦＩは包括的な概念とする。

してみるに、ＦＥＶ原埋に従うイオン源では、使用と共
にチップが減フていってしまうので、その寿命が問題と
なる。そこで、従来からも、こうした問題を補う方法と
して、いわゆる液体金属イオン源（　Ｌ　Ｍ　Ｉ　Ｓ　
：　ｌｉｑｕｉｄ　ｍｅｔａｌ　ｔｏｎ　ｓｏｕｒｃｅ
）の使用が提唱された。これにはキャビラリとか二ドル
とか呼ばれる内部中空で注射針に似たパイプ部材を使用
し、この中に液体金属材料や液体金属合金材料を供給す
るものがあり、事実これにより、連続的に当該材料をイ
オン化することができる。

方、引き出され、イオン化された原子の流れ、すなわち
イオン・ビームは、一般に電子レンズ系（コンデンサ・
レンズや対物レンズの組合せであるが、特にこれらに用
いられる電子レンズとしてアインツェル・レンズ等と呼
ばれるものがある）により集束され、偏向される。

したがって、こうした装置は通常、総括的に集束イオン
・ビーム（　Ｆ　Ｉ　Ｂ　：　ｆｏｃｕｓｅｄ　ｉｏｎ
　ｂｅａｍ）装置と略称されるが、まず、従来、このよ
うなＦＩＢ装置によって発生、制御されるイオン・ビー
ムを幇助的に用い、基板上に金属膜や炭素膜をデポジシ
ョンしようとする試みがあった。

これはイオン・ビーム誘起デポジションと呼ばれ、代表
的には、 従来例■：　Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４９　（
２３）　，８　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ．１９８６　ｐｐ．１
５８４　−　１５８６に見ることができる。ここでは、
基板上に有機金属、ＩＶＦ６、炭化水素等を局所的に吹
き付けながら、　Ｇａ”の集束イオン・ビームで当該基
板上を照射すると、そのイオン・ビームの照射部位にの
み、金属や炭素が堆積すると報告され、具体的には０．
５μｍｉｌｌｉのＡｕを（数原子／照射イオン）のデポ
ジション速度で得た場合が挙げられている。

これに対し、二一ドル・タイプの液体金属イオン源（上
述のＬＭＩＳ）として液体Ｇａ用い、基板そのものも電
子レンズの構成要素の一部として利用しながら、当該基
板の直前でイオン・ビームを意図的に減速することによ
り、基板上へのＧａ層の成長を計った従来例もある。

これは、一般に減速ＬＭＩＳ法と呼ばれ、従来例■：　
Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．　８Ｂ（３）．
　Ｍａｙ／Ｊｕｎ１９８８　ｐｐ．９６６　−　９７３ にその代表的な報告がある。

ここでは減速の程度（低い加速エネルギ）と分解能（イ
オン・ビーム径）との関係にも着目し、ビーム電流１ｎ
Ａで加速エネルギが５０ｅＶのとき、イオン・ビーム径
は０．９μｍ１　ビーム電流１０ｐＡ，加速エネルギ５
０ｅＶではビーム径０．１μｍになる等の説明がなされ
ている。

また、減速する理由は、上述したようなＦＩＢでは基板
をスパッタリングする可能性が高いか、注入ざれたイオ
ンが基板中に埋め込まれるため、デポジションを高い分
解能で達成するのは困難である所、ビーム加速エネルギ
を２００ｅＶ以下にまで低下させれば、そのようなスパ
ッタリング等のおそれがなくなるという知見に基づいて
いる。

一方、上記したような従来法では、いずれも、イオン・
ビームを構成しているイオン化した原子の一つ一つを対
象としているのに対し、幾つかの原子が液滴状（ｄｒｏ
ｐｌｅｔ状）に集合してそれらで何等かの大きさの電荷
量を共有するいわゆるクラスタ・イオンを発生させ、こ
れによりデポジションを計ろうとする試みもなされてい
た。これには次のような報告がある。

従来例■：　Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．　
ＢＳ（１）．　Ｊａｎ／Ｆｅｂ１９８８　ｐｐ．２３４
　−　２３８ この従来例■では、ＬＭＩＳとして車体金属としてＩｎ
　，　Ａｕを、また金属合金としてＡｕ／Ｉｎ合金を用
いながら通常のＦＩＢ装置で特定の条件を与えてクラス
タ・イオンを発生させ、集積回路中の導電線路中、途切
れている部分の補修（デボジション）を行なった実験例
を示しており、ＦＩＢ装置を通常の使い方で車体イオン
の発生に用いるときに印加する集束電圧に対し、高エミ
ッション時に−２５０Ｖ程度、低目の設定をすると、分
解能が０．５μｍオーダ、堆積速度がほぼ１μｍ３７ｓ
ｅｃという良好な結果が得られたとされている。

また、このようなクラスタ・イオン自体についての考察
は、 従来例■：　Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．　
Ｂ５（１），　Ｊａｎ／Ｆｅｂ１９８７　ｐｐ．ｌ７８
　−　１８３ 従来例■：　Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．　
８５（１），　Ｊａｎ／Ｆｅｂ１９８７　ｐｐ．１８４
　−　１８９ に見ることができる。

例えは上記従来例■では、ＡｕのＬＭＩＳにおいて１０
２〜１０６個の原子集団から成るクラスタ・イオンもか
なり出ている条件例が示され、一定の総エミッション電
流値に対するピーク電流として、Ａｕ“が１０−’Ａで
あるのに対し、１０’個のイオン化原子集団から成るＡ
ｕ　（１０’）のピーク電流はそれよリ低いとは言え１
０−９Ａ程度は有り、したがって、イオン化したＡｕ原
子が上記電流値で一つづつ輸送されるよりも、１０−９
Ａの電流値で１０４個のＡｕクラスタが一遍に輸送され
る方が、元素の輸送効率としては良好である旨の報告が
なされている。また実際、基板上に０．２μｍから１μ
ｍ程度の付着膜の生成も認められている。

従来例■では、ＬＭＩＳとしてＧａを用い、イオン化し
た単体原子としてのＧａイオンに対し、クラスタ・イオ
ン化したＧａ原子集団の質量数分布を選択している。こ
れによると、Ｇａ＋のブライマリ・ビームに対し、二つ
の原子集団から成るクラスタであるＧａ２＋は５　Ｘ　
１０−３程度、三つの原子集団から成るクラスタである
Ｇａ３’では１０−４程度と測定され、以下順にＧａ３
．”まで考察されているが、質量数の分布曲線は［ｉａ
ｌＯ”付近で一旦、落ちた後、Ｇａ２。。付近で再度の
ピークとなっている。

したがって、単体金属または金属合金を液体イオン源と
した場合にもＦＩＢ装置でのクラスタ・イオンの発生が
可能なことは、一応、これらの従来例■，■．■の報告
にて認めることができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかるに、上記従来例群の中、まず従来例■に代表され
るようなイオン・ビーム話起デポジションは、当該イオ
ン・ビームを幇助的に用いるに過ぎず、基板表面に吸着
させたガス状の原料をイオン・ビームが分解するという
原理によっているため、基板に吹き付けられるガスとの
明確な分離ができず、実際上、この方法では、従来例■
に示されているようなガスとイオン源の場合、数％のカ
ーボンや酸素がデポジション中の金属膜に混入してしま
うという致命的な問題がある。

一方、一般的に言って、通常の集束イオン・ビーム装置
（ＦＩＢ）にて発生させ、イオン化させた単体の金属原
子そのものを直接に基板上のデポジションに用いようと
することは、極めて困難である。一個のイオン化原子が
複数の基板原子をスパッタしてしまう可能性の方が遥か
に高いからである。

そうした中にあって研究されたものが従来例■に代表さ
れる減速ＬＭＩＳ法であり、意図的にイオン・ビームを
減速することで、基板材料をスバッタしない条件は確か
に作ることができる。

しかし、やはり単体のイオン化原子を扱ってレ１るこの
減速ＬＭＩＳ法では、減速度を大きくする程、ビームの
集束性が損われるという二律背反的な要素が大きくなる
。例えば当該従来例■の報告の中でも、加速エネルギ３
０ｋｅＶではビーム径を０．２μｍにまで絞り込めたの
に、デポジションに適当なように加速電圧をたかだか５
０ｅＶ程度にまで落とすとビーム径は０、９μｍと、そ
の分解能が大きく低下してしまうことが示されている。

さらに、このように単体イオン化原子の輸送を計る単な
る減速ＬＭＩＳ法では、これを実際の製造プロセス中に
組み入れることはできない。余りにその堆積速度が遅過
ぎるからである。

例えば、この従来例■に開示されているデータに基づき
試算すると、ビーム電流１ｎ＾の場合、一秒間に０．　
６　Ｘ　１０”個の原子しか輸送できない。と言うこと
は、１　ｃｍ”の範囲に互って厚さがたフた１μｍの層
を堆積させようとした場合でさえ、原子間隔が５人であ
るとすると、この膜の形成に要求される原子の総数は当
該膜の全体積を原子一個の体積で割っておおよそ８　Ｘ
　１０１７個となり、結局、上記のように毎秒０．　６
　Ｘ　１０”個の原子輸送能力では成膜にほぼ１．　３
　ｘ　１０’ｓｅｃ，何と約四年も掛かつてしまう。イ
オン・ビーム利用技術ではないが、通常のエピタキシャ
ル成長技術では、標準的にも１μｍ／時程度の堆積速度
は得られることを考えると、ほとんど問題外の遅さであ
る。

これに対し、既述した従来例■，■，■に肥められるよ
うに、幾つかまとまって何等かの電荷量を共有するクラ
スタ・イオンを利用する技術では、一見、サブ・ミクロ
ン・オーダに及ぶ高い分解能と１μｍ３７ｓｅｃ程度の
速い堆積速度が得られているようであるが、実はこれも
、実際の製造現場に通した研究とはなっていない。

と言うのも、まず、ＬＭＩＳに用いる金属材料には、融
点付近で蒸気圧が低いこと、電極との反応性が小さいこ
と等の条件が必要であるが、こうした要件を満たす金属
材料はＧａ　．　Ｉｎ　，　Ａｕ等に限られ、ＡＩ　，
　Ｓｔ等、融点が高く反応性の大きな単体金属の利用は
困難である。融点を下げるために、Ａｕ／１ｎやＡｕ／
Ｓｔ等、合金化した材料を用いることは可能であるが、
この状態でクラスタ・イオンを発生させても、それは合
金状態でのクラスタ・イオンとなり、やはりＡｌやＳｉ
を単体で得ることはできない。

さらに、これらの従来例■，■，■中では、目的とする
クラスタ・イオンのみならず、むしろ単体としてイオン
化した原子が相当の数、一緒に放出される。そのため、
この単体イオンの影響を逃れ、クラスタ・イオンのみを
利用するには、質量分離装置、いわゆるマス・フィルタ
が必須となってしまい、装置系は大いに複雑化してしま
う。

本発明はこのような従来の実情に鑑みて成されたもので
、基板（適当な下地部材を含む）上に金属膜または半導
体膜を選択的に成長させるに際し、上記した各従来例の
持つ欠点がなく、高い分解能で高速に堆積可能な新たな
る方法を提供せんとするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記目的を達成するため、鋭意研究の結果、
最も基本的な構成として、従来のイオン・ビームを利用
しての選択デポジション法に代え、次のような選択エピ
タキシャル方法を提供するに至った。

すなわち、まず、真空度の調整可能な室内に基板を加熱
状態で保持する．ここで基板とは、その上に本発明方法
により選択的に金属膜または半導体膜が堆積される予定
の構造体を言い、したがって厳密に見ると基板の上にす
でに形成されている何等かの層があり、これを下地層と
してその上に本発明を適用する場合にも、そうした層を
も含めて、本書で言う基板と定義することができる。

基板を加熱状態で保持している室内にはまた、液体イオ
ン源材料を静電気力によりクラスタ・イオン状態で引き
出し、引き出したクラスタ・イオン・ビームを集束系で
集束し、偏向系で偏向可能なクラスタ・イオン源装置を
配し、上記の液体イオン源材料としては、加熱された基
板上で熱分解すると金属膜または半導体膜として堆積す
る液体化合物を選択する。

その上で、こうしたクラスタ・イオン源装置の偏向系に
より、クラスタ・イオン・ビームを所定のパターンに従
って走査することにより、基板上に当該パターンに対応
した平面形状を持つ金属膜または半導体膜を選択的にエ
ピタキシャル成長原理で堆積させる。

したがって、上記した液体化合物として適当なものは、
有機金属化合物、金属塩化物をあげることができる。た
だし、上記において金属膜または半導体膜というのは、
成膜後の状態での一般的な言い習わしに従うもので、イ
オン源として与えられる材料段階では、例えばＳｔ等も
金属元素として取扱って良い。

また、静電気力により引き出されるためには、上記のよ
うな液体化合物材料としてもある程度の範囲内の導電性
を持っていなければならないが、クラスタ・イオン化さ
れるに適当な導電率の範囲は、１０−”ｗｈｏ／　ｃｍ
から１０−’ｍｈｏ／　ｃｍとすることができる。

さらに、上記したクラスタ・イオン源装置は、本発明に
よると、同一の室内に複数本を配置した場合も開示され
、したがって、それぞれに異なる液体化合物材料をイオ
ン化すべき材料として供給する場合も開示される。

［作　　用］ 本発明によると、その上に金属膜または半導体膜を選択
的にエピタキシャル成長させるべき基板は、真空度の調
整可能な室内にて加熱状態で保持されている。

したがって、そのような状態下における基板に対し、既
述の従来例におけるように金属単体や合金材料ではなく
、上記した有機金属化合物や金属塩化物で代表されるよ
うな液体金属化合物を液体金属イオン源として用い、か
つ、クラスタ・モードで使用すれば、そのようなクラス
タ・イオン群は加熱基板上で熱分解することができ、そ
のため、選択エピタキシャル成長原理により、所望の金
属膜ないし半導体膜を得ることができる。

さらに、このための原子輸送が上記のようにクラスタ・
イオンによっているため、極めて高い成膜速度を得るこ
とができ、ＭＢＥ等、公知既存の他のエピタキシャル成
長技術に比し、何等遜色のない成膜速度と高い分解能を
得ることができる。

［実　施　例］ ＄１図には本発明の選択エピタキシャル成長方法に用い
ることのできる装置の一構成例が概略的に示されている
。

本装置は内部の真空度を調整できる室ないしチャンバ１
０（以下、真空室１０）を有し、この真空室１０内には
クラスタ・イオン源装置３０と、後に詳しく説明す゛る
仕方によって当該クラスタ・イオン源装置３０がクラス
タ・イオン・ビームを偏向、走査し得る範囲内で適当な
るホルダ２１上に載置された基板２０が収められ、基板
２０はヒータ２２により必要な基板温度に加熱可能とな
っている。

クラスタ・イオン源装置３０は、クラスタ・イオン源３
１と、クラスタ・イオンの引き出し電極ないしカソード
３２、引き出されたクラスタ・イオン・ビームを集束す
る集束レンズ系３３、集束されたクラスタ・イオン・ビ
ームを偏向、走査する偏向系３４を有して成っているが
、これら各々の構成部分については、以下の説明中で順
に詳しく述べて行く。

まず、クラスタ・イオン源３１は、有機金属化合物また
は金属塩化物の液体化合物原料３５を収納する容器３６
を有し、この容器３６内の液体化合物原料３５は制御弁
３７を開くことにより、下流に備えられている毛細管な
いしキャピラリ３８に流し込まれるが、この経路の途中
には、真空パージ弁３９や、容器３６自体を電気的に接
地しながらキャピラリ３８を例えば正の高電位に置く場
合、これら両者の間を電気的に絶縁するのに必要な絶縁
中継パイプ４０等も設けられる。

キャビラリ３８は、第２図に即して後でも説明するが、
先端に開けらている微細開口から液滴を生じさせるもの
で、これにはまた、通常、直流電源４１からの正電位（
例えば本発明方法の一態様では３〜１０ｋＶ）を印加す
ることができる。

すなわち、この状態で引き出し電極３２に相対的に低電
位（一般的には接地電位）を与え、さらに次に説明する
ような条件を考慮すれば、複数個の原子で特定の電荷を
共有するクラスタ・イオンを液滴状に発生させ、引き出
すことができる。

ただし、後述もするように、場合によってはキャピラリ
３８の方に負の電位を印加することもあり、当然、その
場合には、直流電源４１の極性は図示の場合に対し、逆
転させて用いる。

第２図は、液滴の発生量る様子を順に模式的に示したも
のであるが、最も一般的に言えば、静電型の液体ソース
から微小開口を介して液滴を発生させるには、当該微小
開口部分における液体の表面張力よりも背圧と静電気力
の和を大きくする必要がある。

すなわち、キャピラリ３８の先端微小開口の口径をａ、
表面張力をγ、キャビラリの開口部において液体が膨ら
んでいる部分の接線角度をθ、電界をＥ１背圧をＰ１真
空の訊電率をε。とすると、液体の表面において表面張
力と静電気力の和が表面張力と釣り合うべき条件は、液
体が十分な導電率を有すると仮定した場合、次式で表す
ことができる。

しかるに、第２図（Ａ）はキャピラリ３８を介し、液体
化合物３５（以下、液体ソースと言う）に意図的には電
位が印加されていない状態であって、背圧Ｐと表面張力
γとが釣り合った状態を示しているが、液体ソース３５
に正電位が印加されると、第２図（Ｂ）のように、液体
ソース３５は円錐状に成長し、電位の増加と共に先端が
尖鋭になって行き、ある電位（臨界電位ないしスレッシ
ョルド電位）に至ると、第２図（Ｃ）に示すように、そ
れぞれが複数個の原子の集合で成り、ある電荷量を共有
したクラスタ・イオン４２が液滴状に断続的に引き出さ
れ始める。

しかし、このようなメカニズムを真空中で生起させるこ
とを考えると、用いた液体ソース３５の飽和蒸気圧に相
当する背圧Ｐが常に存在するので、例えば正電位により
微小開口からインク材料を引き出すという点では似てい
るが、印刷技術、特に静電プリンタ技術における公知の
インク・ジェット方式に見られるように、微小開口径が
２００μｍから小さくても５０μＩ程度もあるような場
合には、液体ソースは第２図（Ｃ）に示されたような液
摘４２にはならず、常に連続して流出し、静電気力での
制御は到底、不能である。

そこで、本発明のように、クラスタ・イオン４２を発生
させるだけでなく、その制御も行なえるようにするため
には、キャピラリ３８の先端開口径は十分に小さくする
必要があり、本発明者の知見によれば、本発明に適用可
能な液体化合物材料に適当なこのキャピラリ先端開口径
は、大きくても士数μｍ１望ましくは５〜３μｍ程度に
まで縮小させる必要があった。

逆に、このようにキャピラリ先端間口径を数μ■オーダ
にまで低減させると、放出されるクラスタ・イオンの平
均粒径は最も良好な場合、概ね５０ｎｍ程度にまで小さ
くすることがでぎ、本発明の趣旨に従い、所期の電界放
出によって利用される材料量に対し、自然蒸発によって
失われる量を十分少なくすることができた。

ここで上記のように、発生する液滴ないしクラスタ・イ
オン４２の粒径を１μｍ以下から望ましくは５０ｎｍ程
度にまでし得る理由は、次のように説明できる。

キャピラリ３８の先端の曲率半径をρとすると、対接地
印加電圧をＶとして、当該キャビラリ先端における電界
Ｅは Ｖ／ρ で近似できるから、液体ソース３５の導電率が十分に高
い場合には、面電荷密度は、 （Ｖ／ρ）ε。

となるので、直径ａのキャビラリ先端開口の表面に対応
する電荷Ｑは、 （Ｖ／ρ）ε０・（πａ２／４）　　　　　　　・・・
・・２）となる。

一方、体積Ｘ１電荷Ｑの液体塊が表面エネルギと静電エ
ネルギとの和が極小になるようにそれぞれ複数Ｎ個の微
粒子に分解し、個々に半径ｒ、電荷ｑのクラスタ・イオ
ンとなるとすると、当該各クラスタ・イオンの半径ｒは
、まず、 ｒ＝３（ε。Ｔ　）”　（　ｘ／Ｑ．，）′／１　　　
　　゜゜−゜−　３）で表される。

そこで、液体塊の体積Ｘとして、キャビラリ３Ｂの先端
に盛られた直径ａの半球を考えると、当該体積Ｘは、 πａ３／１２ となるので、電荷Ｑとして既述の２）式を用いることに
より、当該クラスタ・イオンの半径ｒはまた、次式４）
によっても表すことができる。

ｒ＝３（γ／εｏ）Ｉ／３（ａρ／３ｖ）２／３　　　
　・・・・・・４）すなわち、クラスタ・イオン４２の
粒径２ｒは、キャピラリ３８の曲率半径ρや先端開口径
ａの三分の二乗に比例し、印加電圧Ｖの三分の二乗に逆
比例するが、液体ソース３５の導電率が高い場合には、
キャピラリ先端開口に露出するその液体自身の表面形状
によってキャピラリの等価的な曲率半径ρが定まるため
、キャビラリ３８の開口部分における機械加工精度によ
ることなく、安定で小さな等価曲率半径ρを得ることが
できる。

そして、このような望ましい状態を生起するに必要な液
体ソース３５の導電率は、本装置に関する本発明の知見
によれば、１０−６〜１０−”ｆｆｌｈｏ／ｃｍの範囲
内にあった。

しかるに、このようにして、先に述べたように５ｏｎＩ
Ｉ１程度の径のクラスタ・イオン４２を第１図示中のク
ラスタ・イオン源３１により得たとしても、そしてまた
、動作環境を例えばＩＰａ程度の高い真空度に保つこと
により制御性を向上させたとしても、クラスタ・イオン
４２が微細化したがために、それらの断続的な集合とし
てのイオン・ビームとして見ると、放出された粒子（ク
ラスタ・イオン４２）の空間電荷効果による広がりが問
題となる。

そこで、第１図示の装置では、引き出し電極３２を通過
して出てくるクラスタ・イオン・ビームに対し、公知の
アインツェル・レンズ径等であって良い集束レンズ系３
３を設け、各クラスタ・イオンの粒径を５０ｎｍ程度の
微小径に保ったまま、ビームとしても十分な集束を計っ
ている。

また、このようにして集束したクラスタ・イオン・ビー
ムは、これも公知構成で良い偏向系３４にて二次元方向
に任意走査可能とされ、基板２０の表面に指向される。

そこでさらに、本発明方法を適用してのより具体的な一
実施例につき、説明する。

第１．２図示のクラスタ・イオン源装置３０において、
クラスタ・イオン源３ｌに備えるキャビラリ３８として
は第３図（Ａ）に示すようなものを用いた。

第３図にはキャピラリ３８の先端部分しか示していない
が、ここはできるだけ尖鋭であることが望ましいので、
まず図中の角度αを３０６として先細り状にテーバ付け
られており、その上で最先端部分は水平にカットされた
形になっていて、その直径ｂは１０μｍとなっている。

そして、この１０μｍの円形部分の中央に軸方向内部に
貫通する微細孔が穿たれ、この間口径ａは５μｍ程度に
加工されている。微細孔の長さｈは液体のコンダクタン
スにも影響するが、この値はある程度、大きなものが必
要なので、図示のものではｈ＝１５μｍに選んである。

また、微細孔の開口部周辺に鋭角的な部分があると電界
が不均一に集中することもあるので、上記したように１
０ｔ１ｍ径の円径部分の周囲は図中の角度βで示すよう
に、β＝４５”　に面取りしてある。ただし、キャピラ
リ３８の内部の液体溜めとなる部分の孔径（内径）は厳
密である必要はなく、０．２〜０．　７　ａｍであれば
加工し易い。

キャピラリ３８の材質としては、液体ソース３５の導電
率が余り高くない場合には導電性を持つ限り、特に限定
はないが、高電界下で用いるため、材質によってはエレ
クトロ・マイグレーションが起きる場合もある。したが
ってキャピラリ３８に金属材を選ぶ場合には、タングス
テン等の高融点金属や、適当な鋼、合金等を選ぶのが良
い。

先端の微細加工には一般的に放電加工を通用することか
でき、タングステン、鋼等でも比較的簡単に数μＩオー
ダから１０μｍオーダの微細孔を加工することができる
。

シリコンやルビーをキャピラリ材料として選んだ場合に
は、レーザ加工機による微細孔加工も可能である。ただ
し、このようにルビーとか、あるいはまたアルミナ等の
絶縁物を用いる場合には、液体ソース３５の導電率が１
０−’ｗｈｏ／ｃｍ程度にまで高い場合を除き、少なく
ともこれにより作られたキャビラリ３８の表面が導電性
となるように、イオン注入による不純物導入処理等を施
して置く必要がある。

数μｍオーダの微細孔を得る他の方法としては、まずキ
ャビラリ先端に少し太目の下孔を開けた後、蒸着処理や
金属メッキ処理によりその先端開口部をいったん塞ぎ、
表面側から公知既存のＧａ等の集束イオン・ビーム加工
装置によりＧａイオン・ビームを照射し、選択的なエッ
チング処理によって所望径の微細孔を開けるという手法
もある。

また、第３図　（Ｂ）　．　（Ｃ）　に示されるように
、単一に孔を微細化して行くだけでは当該微細孔での詰
まりが考えられるような場合には、先に第３図（Ａ）に
関して述べたような寸法関係に従い、さらに微細孔の半
周部分の壁を先細りに延長し、先端３８゜を針状に尖鋭
化加工したようなキャビラリ３８も有効である。

この構造によると、微細孔の詰まりの問題を回避し得る
のみならず、クラスタ・イオン粒子径の層の微細化を果
たし得ると共に、イオン引き出し位置を安定化すること
ができる。

なお、キャピラリ３８の基部（第１図中、容器３６に近
い端部）には、多孔テフロン膜等、フィルタ手段を設け
ることにより、パーティクルの影響を避けるのが望まし
い。

また、容器３６の側を接地電位に付けながら、キャピラ
リ３８に絶対値で高い正または負の電位を印加するため
に用いられている絶縁中継バイブ４０の材質についても
、任意適当なるものを選択することができるが、本実施
例ではアルミナ絶縁管を採用した。

ただし、一般的に言って容器３６内の液体ソース３５と
キャビラリ３８内のそれとの間には高電圧が印加される
ため、当該液体ソース３５の導電率がトリエチルガリウ
ム等の有機金属化合物におけるように、１０−９ｗｈｏ
／ｃｍ程度と低い場合には何等問題はないが、導電率が
１０−’ｗｈｏ／ｃｍ程度にまで高まってくると、この
ような絶縁中継パイブ４０を用いてもキャピラリ３８と
容器３６との絶縁が保てないことがある。そのような場
合には、容器３６の側もキャピラリ３８と同じ高電位に
保てば良く、このときには特には絶縁中継パイブ４０は
不要となる。

以上のようにして、第３図に即して説明した寸法、形状
関係のキャピラリ３８を用い、液体化合物原料３５とし
てアセトンを選び、第１図示装置中でキャピラリ３８の
先端電位を引き出し電極ないしカソード３２に対して正
方向に印加して言った所、第４図示のような特性が得ら
れた。同図（Ａ）は印加電圧（加速電圧）対イオン電流
であるが、０．　８　ｋＶ程度の印加電圧からクラスタ
・イオン電流の発生が認められ、２ｋＶでは２０ｎＡの
イオン電流が得られた。キャピラリ先端の顕微鏡観察で
もこれに呼応する観測がなされ、印加電圧０．８ｋＶ近
傍から第２図（Ｂ）に示されたような開口部表面におけ
るアセトン溶液の形状変化が生じ始め、やがて第２図（
Ｃ）に示されるように先鋭な円錐形に成形されながら、
その先端から順次、液滴が生じ始めた。

放出されたクラスタ・イオン４２の粒径は、加速電圧の
増加と共にやがて判別し難くなることから、光による散
乱が減少し始める０．１μｍであると予想された。また
、第４図（Ｂ）に示すように、このときのビーム半値幅
は約８″（±４゜）であり、後続の集束レンズ系３３に
より、さらに十分に絞り込め得る良好な範囲内にあった
。

さらに、偏向系に±２０５Ｖ，２０４Ｈｚの交流電圧を
印加し、第１図示装置において基板２０に相当する位置
にファラディカップを設置してイオン電流を選択した所
、第５図に示すように、当該イオン電流は位相ずれを有
する二倍の高調波として観測され、最大で１７５９Ａで
あった。

イオン電流の最大値は、偏向電圧が零交差する位置、す
なわち、偏向電圧の一周期内において０６位相と１８０
”位相の二回、得られるが、上記のように位相ずれが起
きるのは、イオン・ビームの走行時間が関係してくるか
らである。実際、イオン電流の位相角を二次高調波モー
ドのロック・イン・アンプにより測定し、偏向系とファ
ラディカップとの間の距離１を変えながらプロットする
と、第６図に示すように、ほぼ６ｋＶとばぼ５ｋＶの加
速電圧に対し、互いに異なった傾きを持つ直線が得られ
た。

測定周波数（２ｆ＝４０８８２）に対応する周期は２．
　４　５　ｍｓｅｃ　，位相角１＠あたりの時間差はほ
ぼ６．８μｓｅｃに相当するから、例えば加速電圧６ｋ
Ｖで２４ｍｍを走行するのに要する位相角は約１４．８
”遅延時間に換算してほぼ１０１μｓｅｃとなるので、
粒子速度は２　３　８　ｍ／ｓｅｃと計算される。また
、粒子質量をｍ．速度をＶ，電荷をｑ，加速電圧をＶと
すると、当該加速電圧■と運動エネルギとの間には、 （１／２）ｍｖ”　＝ｑＶ　　　　　　　　　　　・・
・・・　５）の関係があるから、走行粒子を一価のイオ
ンと仮定すると、買量ｍはほぼ３．４Ｘ１０−”°Ｋｇ
と求められる。

全く同様に、加速電圧５ｋＶでは粒子の走行速度Ｖは約
１　９　６　ｔａ／ｓｅｃ．買量ｍは約４．　２　ｘ　
１　０　−”Ｋｇと求める．ことができる。

また、この実験で用いているアセトンの比重ρはＯ．フ
９であるから、クラスタ・イオンを球形と仮定すると、
その直径ｄは、 ４ｙｒ　（ｄ／２）’／３＝ｍ／ｑ　　　　　　　・＝
−６）から、加速電圧６ｋＶと５ｋＶに対し、それぞれ
ほぼ４３ｎｍ，４７ｎｍと求められる。

したがってこれは、所期通り、高分解能での選択エピタ
キシャル成長にとフで望ましい０．１μＩφ以下の直径
を持つクラスタ・イオンが真空チャンバ内で制御性良く
偏向、集束可能な荷電粒子として得られたことを証明し
ている。

このような実験を種々の液体化合物原料に従って行なっ
た結果、続いて、実際に基板２０上への選択エピタキシ
ャル成長方法の各実験を行うことができた。

液体化合物３５として、トリイソブチルアルミニウム（
ＴＩＢＡ）を用い、第１図示装置内で基板ホルダ２１に
より支持されている基板２０をヒータ２２により３００
℃に保つと、偏向系３４の偏向走査に従い、当該基板２
０上へのアルミニウムの描画が可能である。このとき、
基板′２０がシリコン基板であると、いわゆるグレイン
・バウンダリのない単結晶アルミニウムを選択エピタキ
シャル成長させることができる。

既存のスパッタ法等によってシリコン基板上にパターン
成形された通常の多結晶アルミニウム配線等に比すと、
本発明方法により作製されたこの単結晶アルミニウム配
線は、エレクトロ・マイグレーションやストレス・マイ
グレーションが起こり難いという利点が認められる。

また、液体化合物３５としてＳｉＣｌ４を用い、シリコ
ン基板２０を１２０℃程度に加熱すると、シリコンの選
択エピタキシャルが可能となる。

さらに、ＩＩＩ族材料として、トリエチルガリウム（Ｔ
ＥＧａ）、トリメチルガリウム（　Ｔ　Ｍ　Ｇａ）や、
トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）、トリメチルアル
ミニウム（ＴＭＡＩ）、あるいはまたトリメチルインジ
ウム（ＴＥＩｎ）等を本発明に従って用いた上で、さら
にＶ族材料としてアルシン（ＡｓＨ，）とかフオスフイ
ン（ＰＨ３）等を用いと、基板２０上に１１１　−　Ｖ
化合物半導体層を積層させることが可能となる。特に、
このような化合物半導体の場合には、構成元素の組成比
を変えることでエネルギ・バンド・ギャップを相当任意
に設計できるので、シリコン系よりも遥かに多様なデバ
イスを構成することができる。

もちろん、上記の各条件下で、基板２０のスパッタリン
グは十分に抑圧されており、さらに、成膜速度も極めて
高速に得られた。すでに述べたように、スパッタリング
を抑圧するためとは言え、従来の減速ＬＭＩＳ法のよう
に、ただ単に加速電圧を低下させるだけで、一つ一つの
イオン化原子を輸送する点では通常のＦＩＢ装置と何等
変わらなイ手法では、基板上にたかだか１μｍ程度の厚
味の膜を１　ｃｍ２に亙り堆積させるのにもおおよそ１
０１６個弱の原子数が必要なため、試算では何と四年程
度も掛かってしまうが、同じ条件でも本発明によると、
０．１μｍ系のクラスタ・イオンはたった一つですら、
ほぼ３　Ｘ　１０”個の原子集団から成っているので、
ビーム電流が僅か１ｎＡの場合でさえ、０．　４　Ｘ　
１０−”秒もあれば良い。

制御性ないしは分解能を高めるため、０、０１μ■径の
クラスタ・イオンとしても３Ｘ１０’個程の原子集団か
ら成るので、同じビーム電流１ｎＡで約４秒で良く、さ
らに細かな０．００１μｍ径のクラスタ・イオンが得ら
れるとした場合にも、これは約３　ｘ　１０’個の原子
集団から成るので、４０００秒もあれば十分である。こ
れは既存のイオン技術の関与しない他の成膜方法、例え
ばＭＢＥに比しても決して遅くはなく、同等からそれ以
上である。

したがってまた、別な見方として、単体イオンを輸送す
る場合に仮に１００μＡ程度のビーム電流が必要であっ
たとすると、同じ輸送量は本発明に従う場合、０．１μ
ｍ径のクラスタで１０ｐＡで良く、０．０１μｍ径のク
ラスタを用いた場合にも１０ｎＡで良いことになり、集
束系の収差の点でも有利である。

しかるに、冒頭にも述べたように、在来のイオン・ビー
ム技術は、むしろ、選択エッチングやミリング用として
開発されてきたので、本発明の方法に通用するに適した
第１図示と同様な装置構成のクラスタ・イオン源装置で
も、本発明方法以外にも適用でき、例えば液体ソースと
して液化塩化水素を選べば選択エッチングが可能であり
、純水を選べば選択酸化も可能である。

さらに、本発明に従って作製された半導体膜に対し、ｎ
型ないしｐ型の導電型を与えることもできる。例えばＧ
ａＡｓ膜の場合、ＳｉやＳｎ等をＬＭＩＳ技術に従って
選択イオン打ち込みすればｎ型半導体が得られるし、Ｔ
ＭＧａやＤＭＺｎ等をクラスタ・イオン・モードで与え
ればｐ型半導体を得ることができる。Ｓｉ膜に対しては
、ＢＣＩｓ、Ｐｃｔ，をそれぞれクラスタ・イオン・モ
ードによりｐ型、ｎ型のドーパントとして用いることが
できる。

そこで、第７図は、本発明に従う選択エピタキシャル方
法と、要すれば上記したような公知既存の方法とを必要
に応じて使い分けることにより、種々の構造物を作製可
能な装置の構成例を示している。

まず、イオン源装置３０と基板２０とを収める真空室１
０は、この実施例の場合、上下二段に分離されている。

上部真空室には符号ＬＬ，を、下部真空室には符号１０
−２を付してこれらを区分した。

上部真空室１０−，内には、それぞれは第１図に示した
と同等の基本構成で良く、したがって各構成要素には第
１図中と同じ符号の付されているイオン源装置３０．・
・・・・・・が、この場合、上から見て周方向に９０゜
の間隔を置くように四つ、収められている。ただし、第
７図は中心線に沿う縦断面図であるので、その内の一つ
、つまり第７図紙面の手前に位置するイオン源装置３０
は図示されていない。

イオン源装置３０．・・・・・の各容器３６に収められ
る後述の各種の液体ソース３５の制御に用いる弁３７．
３９は、デッド・ボリュームを減少させるため、内径１
〜２０１１１１とされている外、この実施例の場合、液
体ソース３５の容器３６共々、高電圧に付けられるので
、外部からのこれらの弁の操作は、絶縁カップリング４
３を介しての回転導入器４４により行なわれる。

各イオン源装置３０，・・・・・は、下部真空室１０−
２内の一点を指向するようにそれぞれ斜めに傾けられて
設けられ、それらイオン源装置の指向する集中点位置に
は、基板ホルダ２１上に載置された基板２０が望んでい
る。当然、本発明の方法が適用可能なように、基板２０
はホルダに付属のヒータ２２により加熱可能となってい
る。

上部真空室ｌＯ−，と下部真空室ｌＯ−２とはそれぞれ
独立に排気可能であり、各イオン源装置はアパーチャ４
５を介してのみ、下部真空室ｌＯ−２に連通している。

そのため、クラスタイオン源から自然蒸発した成分や、
ビーム・プランキングによってアパーチャ４５に付着し
た成分が基板２０に達するのが防がれる。

また、ロードロツタ室４６と下部真空室１０−２との間
はゲート・バルブ４７で仕切られ、基板の導入に真空室
内の真空を破る必要のないようにされている。

この実施例に示されるような装置であれば、四つあるイ
オン源装置３０の中、まずその中の一つには液体有機金
属化合物ソースとして前述したＴＥＧａを、もう一つに
はＴＥＡＩを、そしてまた他の一つにはｐ型ドーピング
剤としてＤＭＺｎまたはＴＭＧａを与えてクラスタ・イ
オンを選択的に発生させるようにし、残り一つのイオン
源装置３ｏにはｎ型ドーピング剤として錫を用い、通常
のＦＩＢとして利用するようにした上で、基板２０の上
方にあってアパーチャ４５よりも下方の位置にリング状
のホルダ４８を設け、この中にＶ族材料としての個体砒
素を収めて公知手法によりＡｓ膜をも成膜可能にして置
けば、原子層オーダで面内各位置の厚みが制御可能なｐ
型、ｎ型のＡＩＧａＡｓ膜やＧａＡｓ膜を任意に得るこ
とができる。

ｒｔ　オ、基板ホルダ２１は接地電位から浮かされ、図
示はされていないがメッシュ状になっているので、複数
のクラス・イオン源からのイオン電流像を予め測定し、
像倍率、回転、位置ずれ、入射角補正量を算出すること
ができ、各クラスタ・イオン源に与えるべき集束レンズ
電圧、偏向電圧等をあらかじめ最適値に設定することが
できる外、コンピュータを用いてのいわゆるＣＡＤ上で
の描画バタンとの対応付けも行なうことができる。

これは換言すれば、コンピュータの指令の下、極めて高
い精度で必要な膜を必要なバタン・必要な厚味に成膜し
得ることを意味する。必要ならば、図示していないが、
本装置にさらに電子銃を設け、走査型顕微鏡モードや、
低角入射電子による顕徹ＲＨＥＥＤモードによる試料像
の観察を行なえるようにすると有効である。

しかるに、本方法によると、既述した従来例の各欠点を
解消し得るのみならず、今迄構築不能であったか極めて
困難であったような三次元形状の構造物をも集積回路中
に作り込むことができる。

すでに述べたように、本発明のクラスタ・イオン・ビー
ムを用いた選択エピタキシャル成長では、原理的にビー
ム電流は極めて制御性の良い範囲内に置くことができ、
しかも、高速の成長速度を得ることができるので、例え
ば何等かの試料表面を一秒間に一回、走査するとしても
、すでに述べた計算例からも明らかなように、毎秒１原
子層の成長は容易なため、原子層間隔を５〜１０人とす
ると、毎時１．８μｍから３．６μｍの成膜速度は簡単
に達成することができる。

この事実と共に、第７図に示されたような複数のクラス
タ・イオン源３０の同時使用を計ると、各クラスタ・イ
オン源３０の走査範囲を適当なる関係にすることで、例
えば第一の種類のエピタキシャル成長膜中に第二の種類
のエピタキシャル成長膜を埋め込んだような構造も得る
ことができる。第８図はそのような構造が得られる理由
の一つを示している。

第８図（Ａ）には、基板２０上に形成された金属または
半導体から成る第一材料製の膜ないしブロΣクＡ中に、
第二の金属または半導体材料製の朱状部分Ｂが埋め込ま
れた構築物が例示されてしる。なお、符号Ａ，Ｂは、各
構造物の符号としズのみならず、それらを構成している
第一、第二本料の呼称としても用い、また、後述するそ
れらｑ二次元平面内でのバタン関係における各パタンｑ
符号としても用いる。

本発明に従い、このような構築物を得るには、第７図示
装置中の二つのイオン源装１１３０　．　３０に１目し
、その中の一本には加熱基板上で熱分解すζと基板２０
上に第一材料Ａを堆積可能な液体化合形を、また、他の
一本には加熱基板上で熱分解すると基板２０上に第二材
料Ｂを堆積可能な液体化合勃を適用する。

その上で、最初のｔ１時間は、第一材料Ａを成長させ得
るクラスタ・イオン源装置３ｏのみを用い、これを所定
の面積の二次元平面内で走査し、これにより、所定の厚
味ｄ（ｔ＋）の第一材料Ａを基板２〔上に堆積させる。

次いで、次の所定時間ｔ２に亙る間は、今度は二つのク
ラスタ・イオン源装置３０　．　３０を二つ共使用し、
中央部分には第二材料Ｂのみを、その周囲には第一材料
Ａのみを、それぞれ所定の厚さｄ（ｔＺ）にまで、堆積
させる。

その後、再度、第一材料Ａを堆積可能なクラスタ・イオ
ン源装置３０のみを用い、所定の時間ｔ，に亙り所定の
二次元平面の全面積を走査すると、厚さｄ　（ｔｓ）の
第一材料部分Ａが形成され、その結果、内部に第二材料
Ｂ製の箱が埋め込まれた構築物が一回の連続形成工程で
簡単に形成される。

特に、コンピュータを利用してのＣＡＤにより各クラス
タ・イオン源装置を制御する場合には、第８図（Ｂ）に
示されるようなパタンを当該ＣＡＤに与え、Ａ部分の所
定面積中に存在するＢ部分の面積を所定のタイミングご
とに変更することで、上記した構築物を自動的に簡単に
作製することが可能となる。もちろん、第８図（Ａ）の
構築物を上記した手順で作製する場合には、最初と最後
の素工程時間ｔｓ　，　ｔｓの間は、第８図（Ｂ）中の
バタン関係における面積Ｂを零とする。

さらに、第９図（Ｂ）に示されるように、所定の矩形面
積を有するバタンＡ中に円形のパタンＢを有するバタン
関係をＣＡＤに与え、その平面内における円の径Ｗを零
から所定の最大径までの間で変更可能とすると、ブロッ
ク状の構造物の内部に例えば球状や柱状の構造物を一連
の製造工程で埋め込み成形することも簡単に行なえる。

このような構造は、従来の種々の手法に従う限り、得る
には至難のものであった。

すなわち、３４９図（Ａ）　に示されているように、金
属または半導体の第一材料Ａ製のブロックＡの中に金属
または半導体の第二材料Ｂ製の球状構造物を埋め込む場
合には、形成する球の直径を２Ｒとし、この球の中心部
から今現在形成している部分の離間距離をｙとして、同
図（Ｂ）中の材料Ｂに関するバタン径Ｗを、 ｗ＝Ｒ石＝７ で与え、微小時間ごとに値ｙを変更して行けば、徐々に
直径Ｗの変化する円形薄膜の多層積層構造として、ほぼ
球に近い形状を得ることができる．もちろん、Ｗを一定
として所定時間、本発明に従って第一、第二材料Ａ，Ｂ
を各パタンに従って走査、形成すれば、簡単に所定の高
さの柱状構造を得ることができるし、逆に中細りのアレ
イ状とかダンベル状の形状等も、ＣＡＤに与える数値関
係の変更だけで、簡単に得ることができる。

さらに、多くの種類の材料から成る組合せ構造も当然、
容易に構築することができ、例えば第７図示装置中の四
本のイオン源装置３０，・・・・・を全て本発明方法の
適用のために使用し、それぞれに異なる液体化合物材料
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを与えれば、第１０図に示されているよ
うに、例えば大きなブロックＡ中に第二材料Ｂ％第三材
料ｃ１第四材料Ｄの適当なる組合せ積層関係からなる構
造物を連続したー工程で埋め込むことができる。

第８図と１Ｊ９図に示されたように、矩形バタンと円形
バタンとが開示されると、この原理に従い、ほとんど全
ての幾何形状を構築可能となり、その応用範囲は極めて
広範なものとなる。

例えば第１１図に示されるようなバイボーラ・トランジ
スタ５０の構築が可能である。

コレクタ５１の形成材料として材料Ａを、ベース５２及
びベース・コンタクト領域５４の形成材料として材料Ｂ
を、そしてエミッタ５３の形成材料として材料Ｃを選ん
だ場合、本発明によると原子層オーダにも及ぶ制御が可
能であるから、第８図、第９図のバタン関係の原理を材
料Ａと材料Ｂ、そして材料Ｂと材料Ｃとの間で通用する
ことにより、エミッタ５１の直下の真性ベース領域５２
のみを極めて薄く形成し、キャリアの走行時間を短縮し
てこのバイボーラ・トランジスタ５０の高速化を計ると
同時に、周辺のベース・コンタクト領域５４の厚みは十
分に厚くして寄生抵抗の低減を計るという構造が、一連
の連続工程で極めて正確かつ容易に構築できる。

同様の効果は、電界効果トランジスタにおいても得るこ
とができ、例えば第１２図にはＡＩＧａＡｓ系のへテロ
接合電界効果トランジスタ５５に本発明を適用した場合
が示されている。

つまり、真性ＧａＡｓである基板２０の上に構築された
べテロ接合電界効果トランジスタ５５として、二次元電
子ガスを発生させるバリア層５９を挟んでゲート電極５
８の直下の領域の両側に位置し、一般にｎ０等の高不純
物濃度に形成されるソース５６、ドレイン５７は、バリ
ア層５９から離れた所では十分低抵抗で良好なオーミッ
ク・コンタクトが採れるように厚くなフている。もちろ
ん、厚味関係を抜き、各層自体の形成だけを考えても、
これらに本発明方法を通用可能なことは言うまでもない
。

いずれにしろ、このような構造を得る場合、従来のＩＩ
Ｉ　−　Ｖ族系へテロ・デバイスの製造方法によると、
イオン打ち込み工程に付随してポスト・アニーリングが
必要となり、これがまた界面の急峻性を損うという欠点
があったが、本発明方法によればそのようなおそれがな
く、各層を直接成長し得る利点は極めて大きなものがあ
る。

このような実施例から推して、本発明方法によると、能
動層や絶縁層、半絶縁層等々、種々の二次元層を任意に
積層することにより、相当多岐に亙る三次元集積回路の
実現が可能である。

また、いわゆる光デバイスへの応用も顕著なるものがあ
り、複雑な形状の構造物も一回の連続成長で形成し得る
ため、各層に生じ得る結晶欠陥等の問題からも逃げるこ
とができる。

例えば従来の手法により、ある膜Ａ中に別な材料の膜Ｂ
を埋め込むというような場合には、まずＡ膜を全面に形
成してから所定面積部分をエッチングし、このエッチン
グした中にＢ膜を成長させるという手法を採らざるを得
ないが、このようにすると当該再成長界面に問題となる
結晶欠陥が発生する。本発明方法に従い複数のクラスタ
・イオン源装置を用いれば、すでに説明したように、こ
のような膜Ａ，Ｂは、それらが金属膜または半導体膜で
ある限り、同時に一工程で直接成長できるので、そのよ
うな問題は発生のしようがなく、また、工程数からして
も大いなる短縮となる。

さらに、従来法では矩形断面の構造物しか一般に得るこ
とはできなかったのに対し、すでに第９図に即して説明
したように、本発明方法に従えば、断面が任意で、かつ
厚味方向に断面積の大きさが異なる形状の構造物も、そ
の周囲の膜ないしブロック共々、同時に作ることができ
るため、光の伝送に最適な断面形状の先導波路等も簡単
に得ることができる。

第１３図はそのような場合の一例として、ペテロ接合半
導体レーザ６０の構築に本発明を応用した場合を示して
いる。

第７図示装置系を利用し、本発明方法に従い、ｎ−，Ｇ
ａＡｓ基板２０上に順に、ｎ　−　ＡＬｘＧａ＋−ｘＡ
ｓクラッド層６１、ｐ　−　ＡＩＸＧａｌ−ｘＡＳブロ
ック層（電流阻止層）６２、ｎ　−　ＡｌｘＧａ＋−ｙ
Ａｓブロック層６３がすでに説明した本発明の方法によ
り形成され、さらにその上に、これも各層ごとに連続し
て本発明の方法に従い、ｐ−＾ＩＸＧａｌ−×Ａｓクラ
ッド層６４、ｐ　−　Ｇａ八ｓキャップ層６５、ｐ型電
極６６が形成されている。

基板２０の裏側にはｎ型電極６７も形成され、上記の各
ＡｌｘＧａ＋−ｘＡｓ層６１　，　８２　，　６３　．
　６４における各組成比Ｘは本出願人の実験例では０．
４に選んだ（図中にはそのように記した）。

しかるに、図示の構造ではさらに特徴的なことに、ｎ型
、ｐ型それぞれのクラツド層６１　．　６４と、同じく
ｎ型、ｐ型それぞれのブロック層６２　．　８３とで囲
まれたレーザ活性層６８が、すでに第８．９図によって
説明した原理に従い、基板と平行な円柱状に形成されて
いて、その径も０．１〜０．５μのとなっている。

レーザ活性層をこのように配したレーザは、般に埋め込
み型レーザと呼ばれるが、これまでのものはいずれも、
埋め込まれるレーザ活性層は矩形断面にしか形成できな
かったが、本発明に従うと、上述のようにレーザ活性層
６８そのものを極めて微細で、かつレーザ出射方向に直
交する半径方向に見て均−な距離範囲で規定できる円柱
状に形成できるので、上下方向にも左右方向にもビーム
広がり角が均一化し、応用上、望ましい。また、レーザ
活性層６８と各ブロック層８２　．　６３が接する部分
の形状も、図示のように望ましいバーズ・ピーク状にす
ることができる。

さらに、第１４図（Ａ）に一対のクラツド層６１．６４
間の主要部分のみを取出して示すように、それぞれ０．
１μｍ径程度のレーザ活性層６８を複数本、例えば０．
５μｍ程度の間隔で並設したレーザも本発明方法によれ
ば比較的簡単に提供することがでぎ、それら隣接するレ
ーザ活性層６８　．　６８間のブロック層６２　．　６
３の断面形状等も、これを精密に制御しながら一連の工
程で作製することが可能である。

なお、電流阻止層としてのブロック層は特に設けなくて
良い場合もあり、したがって第１４図（Ａ）図示の構造
は第１４図（Ｂ）に示されるような構造に変えることも
できる。ただし、ｎ型、ｐ型の各クラッド層８１　．　
６４の屈折率分布等は、必要に応じ、一様な状態から部
位ごとに屈折率の異なる分布にすることができる。

また、受動光導波路にしても、従来はやはり矩形断面の
ものしか得られなかったが、本発明に従い、かつまた第
７図示装置により第８〜１０図に示した原理に従うと、
通常の光ファイバをそのまま適当な絶縁ブロック中に埋
め込んだような構成も容易に提供でき、のみならず、滑
らかで損失の少ない受動型分岐素子等も得ることができ
る。

第１５図はそのような実施例を示しており、基板２０上
には本発明に従って半絶縁性ＧａＡｓブロック７１が形
成されているが、この中には、断面円形の半絶縁性ＡＩ
ＧａＡｓクラッド７２にて囲まれ、同様に円形断面であ
って相対的に高屈折率のＡｌ０，　，ＧａＡｓコア７３
が備えられ、しかも、コア７３とこれを取囲むクラッド
７２は、途中で二つの部分に分岐するように形成されて
いる。

このように、先導波路として通常の性能の良い光ファイ
バと同様の構造を適当なる構築物７１内に埋め込むこと
ができ、しかも、第８〜１０図示の原理に従フて、複数
のクラスタ・イオン源３０，・・・を連続的な一工程の
中でも時系列的に使い分ければ、このような一回路対二
回路変換型の受動光分岐素子７０も一回の連続成長工程
で簡単に作り込むことができる。なお、第１５図中では
説明のため、分岐角度はかなり大きく示してあるが、本
質的にこれは任意である。むしろ、従来の集積回路内蔵
型光分岐素子では、滑らかで低損失の分岐を計ろうとす
る場合、その分岐角度はせいぜい数程度に制限されるこ
とが多かったが、本発明に従ってクラッド付きの光伝送
路を組込めるよになると、この分岐角度は十分大きく採
ることができ、のみならず、必要に応じて任意に蛇行さ
せた形状も得ることができる。

もちろん、この素子は可逆的であり、光合波も可能であ
る。以下においても、特に断りのない限り、この種の分
野で常識的なように、分岐とは合波を含む概念とする。

また、分岐数も実施例中では二つにしているが、明らか
なように、本発明とは拘りのない他の条件に制約されな
い限り、任意の分岐数（ファン・アウト二合波ならばフ
ァン・イン）とすることができる。

このような受動光分岐素子７０に対し、分岐路の選択や
複数の分岐路への光エネルギの分配割り合いを外部電気
信号にて制御可能な能動光分岐素子８０も、本発明方法
を利用することにより、第１６図示のような構造で得る
ことができる。

説明すると、基板２０上には半絶縁性ＧａＡｓブロック
８１が形成され、この中にはまず、先の第１５図示実施
例と同様に、断面円形の半絶縁性ＡＩＧａＡｓクラッド
８２にて囲まれた円形断面で相対的に高屈折率のＡｌｏ
，　，ＧａＡｓコア８３が一本、ブロック８１の前後面
を抜けるように設けられている。

これに加え、ブロック８１の内部途中から後面に抜ける
まで、第二の半絶縁性ＡＩＧａＡｓクラッド８４にて囲
まれ、同様に円形断面で相対的に高屈折率の第二のＡｌ
．，　，ＧａＡｓコア８５が埋め込まれ、それら対の先
導波路は、一定区間、近接して平行に延び、いわゆる光
結合区間を構成した後、互いに離れて行くようになって
いる。

例えば、これだけでの構成でも、受動素子としての光分
岐素子は構築可能であり、一対の光導波路の並設距離（
結合長）や並設問隔を任意に設計することで、結合度を
任意に設計した光分岐（合波）が可能となる。しかしさ
らに、両光導波路が結合している部分に以下のような構
造を作り込むと、これは波長選択性を有する能動光分岐
素子となる。

まず第１６図（Ｂ）は、第１６図（Ａ）中、一本の光導
波路のみが存在する部分で採った１６Ｂ−　１６８線に
沿う断面図で、先に説明した通り、半絶縁性ＧａＡｓブ
ロック８ｌ中にＡＩＧａＡｓクラッド８２で囲まれたＡ
１。，ＧａＡｓコア８３が見られる。

また、第１６図（Ｄ）は、分岐を終えた二つの光導波路
が存在する部分で第１６図（Ａ）中の断面線１６０−　
１８０に沿って採った断面図であり、半絶縁性ＧａＡｓ
ブロック８ｌ中にはそれぞれＡＩＧａＡｓクラッド８２
　．　８４で囲まれたＡｌ０，　．ＧａＡｓコア８３　
．　８５が見られる。

しかるに、第１６図（Ａ）中、両光導波路が近接して平
行に走っている結合部分における断面線１６Ｃ−　１８
Ｃに従った断面図である第１６図（Ｃ）には、次のよう
な構造が表れている。

すなわち、一対の先導波路の各クラッド８２　．　８４
は互いに接し合っているが、それぞれはブロック８１中
にあっても不純物導入の結果、導電型が異ならされた部
分８６　．　８７に囲まれ、同時にここでのクラッド部
分８２とコア部分８３は部分８６と同一のｐ型に、また
クラッド部分８４とコア部分８５は部分８７と同一のｎ
型に転換されている。

また、これらｐ−ＧａＡｓ部分８６とｎ　−ＧａＡｓ部
分８７とが接し合う部分には、電流阻止層として、上下
にそれぞれ一つづつのｎ　−　ＡＩＧａＡｓブロック層
８８，８８とｐ　−　ＡＩＧａＡｓブロック層８９　．
　８９とが互いに接し合うように設けられている。

このようにしてｐｎ接合を形成した上で、それぞれ仮想
線で示すように、適当な制御電極９０　．　９１を設け
ると、ｐｎ接合部分へのキャリア注入量や空乏層の生成
ないしはその空乏層幅を一対の電極９０．９１間に流す
電流に応じて変更、制御することにより、光エネルギ分
配割り合い（結合度）の可変な能動型高機能波長選択性
光分岐素子８ｏを構築することができる。

第１７図は、本発明に従って作製されるコア径を光伝送
方向に沿って変化させた先導波路１００が示されている
。この先導波路１００を作り込む支持部材は任意で良く
、例えば第１５．１６図中に示されたようなＧａＡｓブ
ロック７１　．　８１であって良いので、最早、図示は
省略した。

しかるに、このような径が異なる先導波路は、実は細径
の部分１０１に第１３図で説明したようなレーザ構造等
の能動部分を作り、大径の部分１０２の出射端は例えば
光ファイバとの接続に適当なものとすることができる。

特に受動部分１０２のエネルギ・バンド・ギャップを広
くとると導波路の光損失を低減することができるので、
このような構造は狭スベクトラム用の拡張キャビティ・
レーザや端面での光損傷を軽減した大出カレーザ用とし
ても適している。もちろん、細径部分１０１から大径部
分１０２への移り変わりの部分の径変化は、すでに第１
１図に即して説明した手法により、極めて滑らかに、か
つ精度良く作製することができるし、また、これに合せ
て要すれば屈折率分布の制御等も比較的容易に行なうこ
とができる。

さらに、第１３図に示したようなレーザの活性層部分６
８のみを取出し、これに第１６図に示したようなクラッ
ド層８２を付した状態でさらに改変を施した場合を第１
８図　（Ａ）　，　（Ｂ）　に示しているが、ここでは
活性層６８の壁面の一部に長さ方向に沿い管内波長の局
を基本周期とした凹凸１０３が形成されている。

したがって、この活性層６８を用いたレーザは、いわゆ
る分布帰還型となり、この種のレーザに期待される通り
、特性の良好な出力ビームとなる上に、本発明に従って
活性層やこれに続く光導波路部分を断面円形に作製し得
ることから、ビーム自体の断面形状も均一なものとなる
。

もちろん、活性層６８自体に凹凸１０３を設けず、第１
９図に示されるように、活性層６８に近接してコア６８
とクラッド８２との中間組成のＡＩＧａＡｓ板１０４を
設け、これに凹凸１０３を形成しても同様な分布帰還型
レーザを得ることができる。こうした第１８．１９図示
の構造を採用する場合にも、注入電流はコアに集中する
ことが望ましいので、第１３図や第１４図に示した構造
と合せて構築するのが適当であるし、その上でさらに、
第１６図に示したような構造も組込むことができる。

そしてこのように、極めて多機能、高機能で組成の異な
る金属膜、半導体膜の多数の集合で構成されるような光
素子ではあっても、本発明にお番ナるようなクラスタ・
イオン源を用レ１てのイ乍製方法に従えば、最大原子層
オーダでの高レ）精度でかつ高い堆積速度を保ちながら
、第８〜１０図示のようなＣＡＤを利用しての複雑なノ
＜タン描画力くそのときと籾で一遍に行なえ、一連の連
続工程で作製可能となる。

なお、第１３図に示されたような構造は、これを基板２
０に対して垂直または斜めに立ち上げた、いわゆる面発
光レーザ構造にもほぼそのまま、応用することができる
。本出願人はすでに、特開昭６２−１５２１９２号公報
（特にその第１０図）に示されているように、基板と垂
直に形成された活性領域の周囲を、ｐｎｐｎ・・・・・
・・・・・・・という関係で取囲む構造を示し、これは
あたかも、第１３図示レーザの端面構造を上に向けたよ
うな格好に相当するが、当然、本発明に従えば、このよ
うな構造の作製もやはり、第８〜１０図にその原理が示
されているように、そのときどきの平面バタン関係にの
み、帰結させることができる。

むしろ、このような垂直発振型レーザの具体構造は、活
性層ないし光共振器の幅を実効的にサブ・ミクロン・オ
ーダにまで小型化しようとすると、従来のプロセスでは
その構築は事実上、極めて困難であったが、本発明の選
択エピタキシャル成長方法に従えば、十分実現可能なも
のとなり、超低しきい値の埋め込み垂直発振型レーザを
市場に提供することができる。

以上、本発明の実施例につき詳記したが、本発明方法は
、従来にない新たなる方法として、将来的にはこの種の
分野で“集束クラスタ・イオンビーム・エビタキシイ”
と呼称することができよう。

［効　　果］ 以上、詳記の通り、本発明の選択エピタキシャル成長方
法に従うと、１μｍから小さければ０．１μｍ以下にも
及ぶ極微小径の粒子として得ることのできるクラスタ・
イオンにより、適当なる基板上に当該基板をスパッタリ
ングする恐れもなく、金属膜や半導体膜を選択成長させ
ることができる。

しかも、その厚味は要すれば原子層オーダでも制御でき
、にもかかわらす成膜速度は公知既存の他のデポジショ
ン方法等と比較しても互角からそれ以上の高速性が得ら
れる。

一方、本発明方法を実現するための装置自体は、現実的
な問題としてもキャピラリに開ける微細孔の加工に神経
を使う位で、全体構成として＆よ特殊な配慮を必要とし
ない。

また、複数のクラスタ・イオン源を用いることや、公知
方法に従う集束イオン・ビーム装置のイオン源と併用す
ること等も可能であり、その結果、極めて複雑で高機能
な電子、光素子や三次元集積回路も、一連の連続工程で
高速、高精度に作製可能となる。

特に、ある構造物内に矩形断面形状以外の任意の断面形
状を得るのも、本発明に従えば現実的なものとなる。原
子層オーダでの制御が可能であるのにかかわらず、成膜
速度が速いからである。

これが例えば、従来の集束イオン・ビーム装置のように
、場合によっては例え試算の上とは言え、数年以上も掛
けなければそのような非矩形断面でかなりな容積のある
構造物を作製できないようでは、到底、現実味のある製
造方法とは言えない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法に適用し得る選択エピタキシャル成
長装置の一例の概略構成図， 第２図は本発明方法に関して示されたクラスタ・イオン
の発生メカニズムの説明図，第３図はクラスタ・イオン
源部分のキャピラリの断面構造図， 第４図は第１図示装置の構造に従った実験装置を用いて
の実験により得られたクラスタ・イオン・ビームに関す
る特性図， 第５図は同じく′ｓ１図示装置の構造に従った実験装置
を用いての実験で得られた偏向電圧とイオン電流の関係
特性図， 第６図は第５図示の特性を得た実験に基づくクラスク・
イオン走行距離と位相シフト量（位相ずれ）との一実際
例を示す特性図． 第７図は本発明方法を用いながら種々のデバイスを作製
するに適した装置構造の一例のより具体的な説明図， 第８図は本発明方法を用いながら埋め込み構造を作製す
る場合の説明図． 第９図は非矩形断面の埋め込み構造を作製する場合の説
明図， 第１０図は作製された埋め込み構造の一例の概略構成図
， 第１１図は本発明方法を適用することにより極めて薄膜
化された実効ベース領域を有するバイボーラ・トランジ
スタの概略構成図， 第１２図は本発明方法を適用することによりペテロ接合
電界効果トランジスタのソース．ドレイン領域に部位ご
とに適当な厚味を与えた場合の当該電界効果トランジス
タの概略構成図，第１３図は本発明方法を適用すること
によりレーザ活性層を望ましい円形断面とし、かつ電流
ブロック層の厚味形状にも最適化を施した埋め込み型レ
ーザ構造の概略構成図． 第１４図は本発明方法を適用することにより得られた他
のタイプの埋め込み型レーザ構造の概略構成図， 第１５図は本発明方法を適用することにより構築された
受動型光分岐素子の概略構成図，第１６図は本発明方法
を適用することにより構築された能動型光分岐素子の全
体及び要部断面を示す概略構成図， 第１７図は本発明方法を通用することによりコア径に長
さ方向に沿って変更を及ぼした光導波路の概略構成図， 第１８図は活性先導波路に分布帰還原理を導入するため
に本発明方法を適用して構築された活性導波路の概略構
成図， 第１９図は第１６図示の分布帰還型活性先導波路に代え
て本発明方法により作製し得る他のタイプの活性導波路
の概略構成図， である。 図中、１０　．　１（Ｌ＋　，　１０−２は真空室、２
０は基板、２２は基板加熱用のヒータ、３０は全体とし
てのクラスタ・イオン源装置またはイオン源装置、３ｌ
はクラスタ・イオン源、３２は引き出し電極、３３は集
束レンズ系、３４は偏向系、３５は液体化合物（液体ソ
ース）、３６は容器、３８はキャビラリ、４ｌは直流電
源、４２は発生したクラスタ・イオンないし液滴、５０
はパイポーラ・トランジスタ、５２は薄膜化されたベー
ス、５５は電界効果トランジスタ、５６は膜厚分布が最
適化されたソース、５７は膜厚分布が最適化されたドレ
イン、５８はゲート、６０はへテロ接合埋め込み型半導
体レーザ、６１　．　６４はそのクラッド層、６２　．
　６３は電流阻止層ないしブロック層、６８はレーザ活
性層、７０は受動型光分岐（合波）素子、７２はクラッ
ド、７３はコア、８０は能動型光分岐（合波）素子、８
２　．　８４はクラッド、８３　．　８５はコア、８６
　．　８７　，　８８　．　８９はｐｎ接合構造、１０
０は光導波路、１０１は細径部分、１０２は大径部分、
１０３は凹凸構造、１０４は凹凸構造を有する板部材、
である。 第１図 ビーム＊（／Ｉ） 第１７図 ｌ．事件の表示 特願平２−９５２２号 ２．発明の名称 選択エピタキシャル方法 ３，補正をする者 事件との関係　　特許出願人 東京都千代田区霞が関１丁目３番１号 １１４　　工業技術院長　　杉　浦　　賢４．指定代理
人 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ ６．補正の内容 発明の詳細な説明の欄中、３ｇ５１頁１９行目に記載の
、

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空度の調整可能な室内に基板を加熱状態で保持
   する一方； 該室内にはまた、上記加熱された上記基板上で熱分解す
   ると金属膜または半導体膜として堆積する液体化合物を
   イオン源材料とし、該イオン源材料を静電気力によりク
   ラスタ・イオン状態で引き出し、該引き出したクラスタ
   ・イオン・ビームを集束系で集束し、偏向系で偏向可能
   なクラスタ・イオン源装置を配し； 該クラスタ・イオン源装置の上記偏向系により、上記ク
   ラスタ・イオン・ビームを所定のパターンに従って走査
   することにより、上記基板上に該パターンに対応した平
   面形状を持つ金属膜または半導体膜を選択的に堆積させ
   ること； を特徴とする選択エピタキシャル方法。
2. （２）上記液体化合物は有機金属化合物である請求項１
   に記載の方法。
3. （３）上記液体化合物は金属塩化物である請求項１に記
   載の方法。
4. （４）上記液体化合物の導電率が１０＾−＾１＾０ｍｈ
   ｏ／ｃｍから１０＾−＾６ｍｈｏ／ｃｍまでの間にある
   請求項１、２または３に記載の方法。
5. （５）上記クラスタ・イオン源装置は上記室内に複数個
   あり、それぞれの上記イオン源材料としての上記液体化
   合物は互いに異なったものである請求項１、２、３また
   は４に記載の方法。