JPS62169319A - 半導体薄膜を作製する電気流体力学的方法 - 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〕 この発明は、半導体薄膜を作製する電気流体力学的方法
に関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする問題点〕従来
の技術においては、電気流体力学的技術は、電気推進源
の帯電イオンの性質を試験する研究手段として主として
使用されている。薄膜を作ることについての電気流体力
学的技術の十分な可能性は、この技術の潜在的用途が商
業的に有用な意義に応用され得るところまで十分に開発
されてはいない。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕本発明によれ
ば、溶融状態の半導体材料あるいはそれの成分を含有す
るノズルの細長い先端に形成したメニスカスから、その
ノズルの先端近くの抜き出し電極（ｅｘｔｒａｃｔｏｒ
　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）により形成される強い電界の作
用で起きる電気流体力学的抜き出しくｅｌｌｅｃｔｒｏ
ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ　（ＥＩＩＤ）　ｅｘｔｒａ
ｃｔｉｏｎ）によって前記材料又は帯電微小滴を生じさ
せ、ノズルの細長い先端から離れる、このようにして生
じた微小滴を加速して帯電微小滴の二次元リボン状ビー
ムもしくはブランケットを形成させ、そして移動支持体
上に支えられたターゲットの後方端（ｔｒａｉｌｉｎｇ
　ｅｄｇｅ）にその二次元ビームを向かわせて、その移
動ターゲットの後方端に前記微小滴が付着することによ
り支持体上に半導体材料の薄膜を形成することを含む、
半導体材料薄膜を支持体上に作製する方法が提供される
。

単一の手厚体材料源（すなわちビーム又はブランケット
）を使用してよいが、しかし、半導体材料が化合物半導
体である場合、その化合物半導体の異なる成分について
微小滴の別々のブランケットを形成し、その別々のブラ
ンケットはターゲットの前記後方端に衝突するより前に
併合させるかあるいは後方端において合わせるのが好ま
しかろう。

好ましくは、クーゲットは半導体材料の単結晶質の種結
晶であり、半導体材料の薄膜は実質的に単結晶質又は少
くとも多結晶質である。しかしながら、半導体材料の結
晶の成長を促進しないターゲットを使用することによっ
て、及び／又は付着条件を適切に管理することによって
、非晶質フィルムを作ることができよう。

本方法は、半導体のドーピング材料の独立したブランケ
ットを形成し、ドーピング材料のそのブランケットと半
導体材料あるいはそれの成分のブランケットとは、ター
ゲットの後方端に衝突するより前に併合させるか又は後
方端において合わせるかし、それによって、ドーピング
された半導体薄膜を作ることを更に含むことができよう
。

ＥＩＩＤ技術の利点は、熱的蒸着技術及び化学蒸着（Ｃ
ＶＤ）で使用される原子の流れと比べて半導体粒子の移
動速度が大きいところに存する。小滴の小さなものは体
積に対する表面の比が大きく、それらの小滴の電荷は、
付着により生ずる薄膜の成長の状態はもちろん支持体に
向けての流量、方向、及び衝突エネルギーを外部から制
御するのを可能にする。

電気流体力学的技術による液体金属及び他の材料の微小
滴の生成は、公知である（電気流体力学イオン源（Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ　Ｉｏｎ　５ｏｕ
ｒｃｅ）　（マホニ（Ｊ、Ｆ、Ｍａｈｏｎｅｙ）　、ヤ
ヒク（Ａ、Ｙ、Ｙａｈｉｋｕ）、ダリ−（ｔｌ、Ｌ、Ｄ
ａｌｅｙ）　、ムーア（Ｒ，Ｄ、Ｍｏｏｒｃ）　、及び
ペレル（Ｊ、Ｐｅｒｅｌ）　、応用物理字詰（Ｊｏｕｒ
ｎａｌ　ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）（１９
６９）、第４０巻、第１３号））。しかしながら、この
技術は、常にその用途を小滴の単一ビームを供給する円
筒形ノズルに限られており、また主としてイオン推進に
応用されている（ベゼル（Ｊ、Ｐｅｚｅｌ）　、マホニ
ー、ムーア、及びヤヒク、ＡＩＡＡ誌、第７巻、第５０
７頁（１９６９）　）。粒子の二次元ブランケットを発
生することは、当該技術においては新しいことであり、
超小形電子回路又は太陽電池の用途向けの歩留りの高い
半導体薄膜を作製するのに特に適当する。電子（又はイ
オン）光学により帯電粒子を偏向及び集束させることは
、当該技術においては周知であり、現在のところ電子顕
微鏡、電界イオン顕微鏡検査、質量分析器、粒子加速器
等のような装置で利用されている。

移動支持体上で種の後方端から単結晶質薄膜を横方向に
成長させることも、数名の創始者により研究されている
（トーノしマン（Ｒ，Ｌ、Ｔａｌｌｍａｎ）　、チｓ　
　（Ｔ、Ｌ、Ｃｈｕ）　、オバーリー（Ｊ、Ｊ、０ｂｅ
ｒｌｙ）、固体電子工学（Ｓｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）　、第９巻、第３２７号（１９
６６））。しかしながら、この研究はいずれも、単結晶
質の構造の成長を始めるに十分な制御された衝突エネル
ギーを与えるのに種の後方端に集束される液体粒子の二
次元ブランケットを使用してはいない。

次に、例として、添付の図面を参照して本発明の詳細な
説明する。

〔実施例及び発明の効果〕

第１図及び第２図を参照すれば、そこに示された装置は
、半導体材料の微小滴の源１０を含む。

詳しく述べるならば、微小満源１０は、溜め（図示せず
）から毛管作用により溶融原料すなわち半導体材料１２
の供給を受けるタングステン又は他の耐熱材料のノズル
１１を含む。ノズル１１内の半導体材料１２は、高周波
コイル（ＲＦ　ｃｏｉｌ）　　１３からの熱により溶融
状態に保たれる。ノズル１１は、溶融した半導体材料１
２のメニスカス１６を形成させる単一の細長い開口部１
５を、第１図に示すように含んでなる細長の先＠１４を
有する。

微小滴源ｌＯは更に、先端１４を両側で接近して取囲み
且つ開口部１５と垂直方向で符号する開口部１８を有す
る抜き出し電極１７を含む。ノズル１１は、抜き出し電
極１７に比例して非常に高い正の電位、代表的には２〜
２０にＶを維持され、それによって半導体材料１２のメ
ニスカス１６に非常に強い静電界（例えば１０５Ｖ　／
　ｃｍ　）が印加される。その静電界とメニスカス１６
の表面張力との間の相互作用は、半導体表面を破裂させ
、その結果ノズル１１の先端１４の付近に半導体材料の
正に帯電した微小滴の雲状物（ｃｌｏｕｄ）が形成され
る。

ノズル１１で形成された微小滴の雲状物は、イオン光学
レンズ２０．２１．２２　　（対になったレンズシステ
ム２１／２２を取付けるための絶縁体リング２３を含む
）によって加速されてノズルから離れていき、そして集
束されて二次元のリボン状ビームあるいはブランケット
１９になる。

帯電した小滴のブランケットは、その後２つの電極２４
．２５により９０”曲げられて、最終的には、矢印Ａで
示される方向に移動するコンベヤー２７上に支持された
ターゲット２６の後方端に衝突する。ターゲット２６は
、最初は、コンベヤ−２７自体の表面であって差支えの
ない支持体あるいはそのコンベヤー上に支持された独立
した支持体（図示せず）上に支持された半導体材料の単
結晶質の種結晶２８である。前記支持体は、ザファイア
、ガラスリボン、又は片面をエナメル処理した金属箔で
よい。

種結晶２８の後方端への微小滴の付着は、薄膜を、衝突
の行なわれる点からその薄膜の成長速度と同じ速度で支
持体が遠ざかるにつれて形成するに至る、エピタキシャ
ル成長工程を開始させる。

種結晶２８がターゲットを構成する場合、初期を除いて
、成長する薄膜自体が、ビーム又はプランケラ１−１９
がそれの後方端に向かうターゲット２６を構成する。

エピタキシャル成長を促進するため、ターゲット２６の
後方端は、成長中の薄膜２６の後方端の下のコンベヤー
の幅を横切って渡した、共に上向きの電子ビームを供給
するタングステンフィラメント２９と陽極３０とにより
局部的に加熱される。

エレメント２９及び３０により与えられるこの局部加熱
は、微小滴のブランケットの密度及びエネルギーがその
微小滴の運動エネルギーの消失のみによって前記後方端
で必要な加熱を行なうのに十分である場合には、必要な
かろう。

このように、薄膜２６は、その後方端の温度を薄膜のエ
ピタキシャル成長に必要とする温度に維持されながら、
薄膜の後方端にブランケットとして集束される微小滴を
凝集することによって形成されていく。後方端に正確に
付着するのを助けるため、種及び成長薄膜の両者の電位
を、正に帯電した微小滴に比例して適当な負の電位に維
持する。

これは、移動する支持体と電気的に接触させたブラシ又
は液体金属接点（図示せず）を利用して通常の方法で達
成することができる。

帯電したブランケットが集束され、そして、凝集してい
る半導体薄膜の後方端により静電的に引き付けられるの
で、半導体のほんのわずかの散乱イオンが後方端の前方
に凝集することができるだけであり、また、不均質な核
形成の危険が相応して低下する。

第５図に、支持体（図示せず）上で成長している過程の
薄膜２６を示す。この薄膜の凝集固体部分３２は、一般
的に大きな微結晶３３を有する多結晶質構造である。３
４で示した薄膜の領域は、実質的に液体状態であり、こ
の段階で、そこには複数のやや小さ目の生成中の微結晶
３５がある。

３６で示した領域は、半導体の小滴のリボンあるいはブ
ランケット１９である。種と薄膜とは、正に帯電した半
導体の小滴リボンに比例して電位を負に保たれるので、
後者は電流を有効に引出すことができる。小滴のリボン
１９は、事実上、形成中の薄膜２６のインピーダンスパ
スよりも小さいインピーダンスパスを形成するのに十分
な電流を引出すことができる。こうして、形成中の微結
晶を併合することを要求される薄膜を横切って電圧降下
が確立される。形成中の薄膜、特に領域３４においては
、微結晶の内部の導電率は、２つの隣接する微結晶間の
界面における導電率よりもきわめて大きい。従って、隣
接する微結晶間の界面を横切って、特に横方向、第５図
で言えば左側から右側に、電位降下が存在する。微結晶
の境界、特に領域３４におけるそれを横切るこの横方向
の電位降下は、その境界を昇温するのに役立ち、それゆ
えに形成中の微結晶を併合し且つ配向してエピタキシャ
ル構造にするのに好都合である。

このような電位降下は、バイアス下で付着する場合には
全体の薄膜についてのみ有効であるが、イオン小滴ブラ
ンケットの付着は、薄膜構造が形成される間に場の力（
目ｅｌｄ　ｆｏｒｃｅ）を直接作用させ、従って粒子構
造の形成をより効果的に排除する。

電気流体力学的な小滴生成法における制御可能な変数に
は、例えば、加速電圧、エミッターの電界、エミッター
と抜き出し機との配置関係、材料の物理的性質と供給速
度と温度が含まれる。

電気流体力学的に生成された小滴は、半径、電荷／質量
比、及び速度に関して制御される。小滴の軌跡及び衝突
エネルギーは、電界及び磁界によって制御可能である。

一般的に、小滴の大きさは、電界を弱くすること及び／
又は液体を供給する流量を増加することによって増大さ
せることができる。大きさが増すとともに、電荷／質量
比及び小滴速度は減少し、それに応じて微小滴源からコ
レクタまでの飛行時間が増加する。小滴速度は、ｚｆｆ
ｌｖ２に準じて電荷／質量比と加速電圧によって定義す
ることができる。放出された小滴のＥＩＩＤ源の電流は
、下記の式により決定することができる。

−許 −−ＸＭ ｎ 上式中、■は源の電流、 Ｍは流量、 ｌ／ｍは電荷／質量比である。

異なる静電界を使用して、粒子の大きさは、電気流体力
学的に作られた粒子について数ミクロン（毛管エミッタ
ーのオリフィスの寸法まで）から、下はサブミクロン（
イオン）に至るまでの範囲にわたって得ることが可能で
ある。

粒子の大きさに影響を及ぼす他の操作変数は、毛細管エ
ミッターの先端に関する抜き出し又は加速電極の位置、
及び静電界である。狭い粒度分布を得ることができ、粒
子の大きさは約０．０１ミクロンから約１００ミクロン
の範囲に及ぶ。

処理装置における供給材料の温度制御は、供給材料の質
量流量の正確な制御をもたらす。温度はまた、供給材料
の導電率だけでなく熱電導率にも影響を及ぼし、そのた
め温度を制御することは、粒子の大きさ及び粒度分布の
制御も可能にする。

第１図の装置全体は使用に際し減圧室に設置し、その減
圧室は１０−　’〜１０−ｈＴｏｒｒに至るまで排気さ
れる、ということを理解すべきである。

微小満源１０の別の型式を第３図と第４図とに示す。こ
れらの図では、ノズルは、共通の溜め（図示せず）に接
続した耐熱材料の複数の個々の毛細管１ｒを含む。毛細
管１ｒの先端１４’は底部で開放になっており、個々の
０５１０部１５’は一直線の列を形成している。それぞ
れの開口部１５’にメニスカス１６′が形成される。第
１図及び第２図に示した微小満源１０では開口部１５の
幅は１０−’ａｍと８　Ｘｌ０−’Ｃ１１の間であり、
一方策３図及び第４Ｍに示した微小満源では個々の開口
部１５’の幅がこの同じ範囲にある。

高純度材料を付着する必要は、その場で化合物を形成す
ることを要求するであろう。これは、２源式付着の場合
、本技術を採用して後方端に集束させることによって解
決できるが、これについては、第１図と同一の参照番号
を使用している第６図を参照されたい。２源式付着それ
自体は公知ではあるが、この場合のブランケット付着は
新しいものであり、材料管理をより良好に行なうことと
フィルムをより完全なものにすることを組合わせること
ととなる。ホモポーラ半導体及びヘテロポーラ半導体に
使われている通常のフラッシュ蒸発は、粒子のクラスタ
ーを生じて成長が不良になるためどちらかと言えば粗製
的である、ということは公知である。

ＧａＡｓのような化合物の真空蒸着では、より揮発性の
成分の蒸気分圧が化学量論により規定されるものよりも
高い、ということも公知である。イオン化分子の蒸発速
度で表わした分圧が高精度で監視できる、ということも
また公知である。化合物半導体フィルムの異なる成分に
ついて別々の源を使用することによって、蒸気組成を正
確に変えること、且つ、条件をフィルム付着にとって理
想的なものに維持することができる。出願人らは、別々
の源と述べるとによって、ターゲットにおいてのみ会す
るそれぞれの成分についての別々の微小滴ブランケット
を意味するだけでなく、クーゲラＩ・に衝突するより前
に最初は分れている成分を併合し且つ平行化する（ｃｏ
ｌｌｉｍａｔｉｎｇ）ための共通のイオン光学システム
を有するそれらの成分の別々の源をも意味する。同じ技
術を、ドーピングされた半導体薄膜を作るのに使用する
こともできょう。

この記載に従って生成した薄膜は、ＭＯＳ及びＦＥＴデ
バイスのような能動デバイスを形成するためにコンタク
ト及び絶縁物を付着させるのに用いることができる。支
持体が移動するため、単結晶として作られた薄膜の一部
は、デバイスの構造もしくはそのパーツに直ちに加工す
ることができる。

本発明に当てはまる半導体材料を非制限的に挙げれば、
厚さ０．１〜５０μｍの単体もしくは化合物の層として
付着する、Ｓｉｒ　Ｇａ、　ＧａＡｓ、　ＧａＰ。

ＧａＡｓＰ、　　ＡＩｚＡＳｚ、　　ＡＩｇＳｔ、　　
八ＩＰ、　　５ｎＯｚ、　　Ｔｉ０ｚ、　　ＺｎＯ２゜
Ｂｉ２Ｏ２，Ａｌ２（ｈ等が含まれる。

形成中の薄膜の粒子の局部的可動性を増加させるため、
付加的な薄膜加熱器を用意することもできる。例として
、光学又は電子ビーム加熱器を支持体の両側のイオンブ
ランケットの付近に設置することができ、また、輻射加
熱器によりイオンブランケット及び薄膜との接地接触の
間に輻射熱を供給することができる。光学又は電子ビー
ム加熱器は、薄膜をアニーリングするのに利用できるで
あろうエピタキシャル成長又は接触を促進するはっきり
と範囲を限定した局部加熱を行なうのに、そしてまた、
半導体の温度を、それぞれ導電性になり、かくしてイオ
ン放電電流（第５図）にとって十分な導電路を与えると
ころまで上げるのにも用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の態様を実施するための装置の
部分断面概要斜視図である。 第２図は、第１図の一部を形成する微小満源の拡大断面
斜視図である。 第３図は、第１図の装置で使用することができる別の微
小満源の拡大断面斜視図である。 第４図は、第３図の個々の毛細管ノズルの一つの断面図
である。 第５図は、半導体薄膜がその上に形成される支持体を省
略した、付着中の半導体薄膜の概要図である。 第６図は、本発明の第２の態様を実施するための別の装
置の部分断面概要斜視図である。 図中、１０は微小満源、１１はノズル、１４は先端、１
５は開口部、１６はメニスカス、１７は抜き出し電極、
１９は二次元ビーム、２０．２１．２２はイオン光学レ
ンズ、２４．２５は電極、２６はターゲットである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、支持体上に半導体材料の薄膜を作製する方法であっ
   て、 溶融状態の半導体材料もしくはそれの成分を含有するノ
   ズルの細長い先端に形成したメニスカスから、そのノズ
   ルの先端近くの抜き出し電極（ｅｘｔｒａｃｔｏｒ　ｅ
   ｌｅｃｔｒｏｄｅ）によって形成される強い電界の作用
   で起きる電気流体力学的抜き出し（ｅｌｌｅｃｔｒｏｈ
   ｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）によ
   り、前記材料又は成分の帯電微小滴を生じさせ、 前記ノズルの細長い先端から離れる、このようにして生
   じた前記微小滴を加速して前記帯電微小滴の二次元リボ
   ン状ビームもしくはブランケットを形成させ、そして、 移動支持体上に支えられたターゲットの後方端（ｔｒａ
   ｉｌｉｎｇ　ｅｄｇｅ）に前記二次元ビームを向かわせ
   て、その移動するターゲットの後方端に前記微小滴が付
   着することにより支持体上に半導体材料薄膜を形成する
   工程を含む方法。 ２、前記半導体材料が化合物半導体であり、且つ、その
   化合物半導体の異なる成分について微小滴の別個のブラ
   ンケットが形成され、その別個のブランケットを、ター
   ゲットの前記後縁方端に衝突するより前に併合させるか
   、又は前記後縁方端において合わせる、特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 ３、前記ターゲットが前記半導体材料の単結晶質種結晶
   であり、前記半導体材料薄膜が実質的に単結晶質又は少
   なくとも多結晶質である、特許請求の範囲第１項記載の
   方法。 ４、半導体ドーピング材料の独立したブランケットを形
   成し、ドーピング材料のそのブランケットと、半導体材
   料又はそれの成分のブランケットとを、ターゲットの後
   方端に衝突するより前に併合させるか、又は前記後縁方
   端で合わせ、それによりドーピングした半導体薄膜を作
   ることを更に含む、特許請求の範囲第３項記載の方法。 ５、ノズルの前記細長い先端が、前記メニスカスを形成
   させる単一の細長い開口部を含む、特許請求の範囲第１
   項記載の方法。 ６、ノズルの前記細長い先端が、メニスカスをそれぞれ
   に形成させる複数の個々の開口部の一直線の列を含む、
   特許請求の範囲第１項記載の方法。 ７、前記抜き出し電極と前記ノズルとの間に２ＫＶから
   ２０ＫＶの間の電圧を印加して前記強電界を与える、特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 ８、前記単一のノズル開口部の幅、又はそれぞれの前記
   個々のノズルの幅が、１０＾−＾３ｃｍ〜８×１０＾−
   ＾３ｃｍである、特許請求の範囲第５項又は第６項記載
   の方法。 ９、移動支持体上の前記ターゲットを、正に帯電した前
   記微小滴に対して負にバイアスする、特許請求の範囲第
   １項記載の方法。 １０、ターゲットの前記後方端に沿って電子ビームを当
   てることにより前記後方端を付加的に加熱する、特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 １１、減圧室にて１０＾−＾５〜１０＾−＾６Ｔｏｒｒ
   で実行される、特許請求の範囲第１項記載の方法。