JPS6271218A - Thin film forming apparatus - Google Patents

Thin film forming apparatus

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Publication number
JPS6271218A
JPS6271218A JP20998285A JP20998285A JPS6271218A JP S6271218 A JPS6271218 A JP S6271218A JP 20998285 A JP20998285 A JP 20998285A JP 20998285 A JP20998285 A JP 20998285A JP S6271218 A JPS6271218 A JP S6271218A
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JP
Japan
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substrate
laser
gas
reaction
voltage
Prior art date
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Pending
Application number
JP20998285A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Gomi
五味 憲一
Kazuhisa Higashiyama
和寿 東山
Makoto Shimoda
誠 下田
Keizo Otsuka
大塚 馨象
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP20998285A priority Critical patent/JPS6271218A/en
Publication of JPS6271218A publication Critical patent/JPS6271218A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To efficiently form a film on a substrate by applying charge to ultrafine particles produced by energy beam, and forcibly moving the particles to the surface of the substrate. CONSTITUTION:Electrodes 36 are mounted oppositely to a substrate 12, and a high DC voltage is applied between the electrodes 36 and the substrate 12 by a high DC voltage generator 40. The interval between the electrodes 36 and the substrate 12 is necessarily altered according to the tape of reaction gas, and set, for example, to 1-5cm. A voltage to be applied may be in a range of applying charge to the particles produced by a laser and applying kinetic energy that the particles applied with the voltage can move on the substrate, for example, 0.1-15kV. The substrate 12 is heated by a stage 11, and controlled to 50-450 deg.C. Thus, thin film forming velocity is improved.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は化学的な選択的加工装置に係り、特に、化学的
気相析出反応(Chemical Vapor Dep
osition)を選択的に起こさせるためにエネルギ
ビームを用いる技術に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a chemical selective processing device, and in particular, to a chemical vapor deposition reaction (Chemical Vapor Deposition reaction).
The present invention relates to a technique that uses an energy beam to selectively cause an osition.

〔発明の背景〕[Background of the invention]

従来、有機金属化合物と接触している基板表面にレーザ
光を照射すると、光化学反応により基板表面に金属の薄
膜が形成されることが知られている。また、有機金属化
合物とN OxまたはN t Oのようなガスを基板表
面に接触させながら、レーザ光を照射すると、基板表面
に化合物半導体の薄膜が形成されることが知られている
Conventionally, it has been known that when a laser beam is irradiated onto the surface of a substrate that is in contact with an organometallic compound, a thin metal film is formed on the surface of the substrate due to a photochemical reaction. Furthermore, it is known that a thin film of a compound semiconductor is formed on the substrate surface by irradiating the substrate surface with laser light while bringing an organometallic compound and a gas such as N 2 Ox or N t O into contact with the substrate surface.

例えば、特開昭58−165330号公報に示されてい
る従来技術を第3図を参照して述べる。
For example, the prior art disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 58-165330 will be described with reference to FIG.

第3図において1反応室7内のステージ11上に設置さ
れた半導体基板12は、ガス導入口9から導入されるガ
スと接触する。
In FIG. 3, the semiconductor substrate 12 placed on the stage 11 in one reaction chamber 7 comes into contact with the gas introduced from the gas introduction port 9. As shown in FIG.

レーザ光源1から発振したレーザ光は色素2を通り1位
置制御系5によって駆動されるミラー6を介して、反応
室7の入射窓8を通して半導体基板12上に照射され、
半導体基板12上に薄膜が形成される。
Laser light oscillated from a laser light source 1 passes through a dye 2, passes through a mirror 6 driven by a position control system 5, and is irradiated onto a semiconductor substrate 12 through an entrance window 8 of a reaction chamber 7.
A thin film is formed on the semiconductor substrate 12.

基板上へ薄膜を形成させる従来ま、での技術では、薄膜
形成精度を向上させ、薄膜形成速度を向上させることが
重要課題である。薄膜形成速度を向上させるには、基板
表面に照射するレーザ光等の単位面積当りのエネルギ密
度を大きくすることが重要である。
In conventional techniques for forming thin films on substrates, it is important to improve the thin film formation accuracy and the thin film formation speed. In order to improve the thin film formation rate, it is important to increase the energy density per unit area of laser light or the like irradiated onto the substrate surface.

しかし、レーザ光の強度を上げると光化学反応で生成す
る析出物が、半導体基板面12のみならず、反応室7の
入射窓8の内側に付着し、その結果、レーザ光の透過量
を減少させ、析出速度が上がらない。
However, when the intensity of the laser beam is increased, precipitates generated by photochemical reactions adhere not only to the semiconductor substrate surface 12 but also to the inside of the entrance window 8 of the reaction chamber 7, resulting in a decrease in the amount of laser beam transmission. , the precipitation rate does not increase.

薄膜の形成方法には−この他に、プラズマ化学蒸着(C
VD)法が知られている。このプラズマCVD法では通
常高周波を印加することによりプラズマが形成され、こ
れによって反応ガスが分解されて基板上に薄膜が形成さ
れる。しかし、プラズマCVD法ではプラズマ中の高エ
ネルギ粒子により基板や形成された膜が損傷を受けると
いう欠点が指摘されている。
Other methods for forming thin films include plasma chemical vapor deposition (C
VD) method is known. In this plasma CVD method, plasma is usually formed by applying high frequency waves, which decomposes the reactive gas and forms a thin film on the substrate. However, it has been pointed out that the plasma CVD method has a drawback that the substrate and the formed film are damaged by high-energy particles in the plasma.

このように、レーザやプラズマ等をエネルギ源とするC
VD法では、半導体膜、金属膜以外にバルクの機能性膜
の形成が試みられている。
In this way, C
In the VD method, attempts have been made to form bulk functional films in addition to semiconductor films and metal films.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明の目的は、基板上での薄膜形成速度の大きい選択
的加工装置を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a selective processing apparatus that can form a thin film on a substrate at a high speed.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明は基板面上に薄膜が形成される反応過程を詳細に
検討した結果性まれたものであり、その原理により、エ
ネルギビームの強度を大きくしないで、薄膜形成速度を
向上させる方法を提供するものである。
The present invention was developed as a result of detailed study of the reaction process in which a thin film is formed on a substrate surface, and based on this principle, it provides a method for increasing the thin film formation speed without increasing the intensity of the energy beam. It is something.

光のエネルギを利用して化学的気相析出反応を起こさせ
る反応は光CV D (Challical l/ap
or口aposition)と呼ばれており、従来から
光源としては水銀ランプやクセノンランプ等が多く用い
られてきた。近年、各種のレーザの開発が進み、これが
光CVDの光源として広く利用されるようになってきた
。光CVD用の反応ガスとしては、たとえばSi膜を形
成させるためには、5iH4pSizHsなどのシラン
系ガス、Ge膜を形成させるためにはGeHaなどゲル
マン系ガスを用いることができる。また、高融点金属膜
を形成させるには、例えば、Cr (G O)s s 
M o (CO)s 。
A reaction that uses light energy to cause a chemical vapor deposition reaction is called photoCVD (Chalical l/ap).
Mercury lamps, xenon lamps, and the like have traditionally been used as light sources. In recent years, various lasers have been developed and are now widely used as light sources for optical CVD. As a reactive gas for photo-CVD, for example, a silane gas such as 5iH4pSizHs can be used to form a Si film, and a germane gas such as GeHa can be used to form a Ge film. Further, in order to form a high melting point metal film, for example, Cr (G O) s s
M o (CO)s.

W(G O)6 = Co z(CO)sなどのカルボ
ニル化合物を用いることができる。さらに、有機金属化
合物、例えば、A Q (CHa)a、 Z n (C
Ha)z。
Carbonyl compounds such as W(G O) 6 = Co z (CO)s can be used. Furthermore, organometallic compounds such as A Q (CHa)a, Z n (C
Ha)z.

CdCCHs)sなどを用いることにより金属のAQ。AQ of metals by using CdCCHs) etc.

Zn、Cdの薄膜が形成できる。また、有機金属化合物
とNxOのような酸素源になりうる混合ガスを用いるこ
とにより、例えばA n so s v Z n Oな
どの薄膜が形成できる。SiH4とN Haの混合ガス
からは5iaNaの薄膜も形成しうる。さらに、元素の
周期律表の■族の元素を含むガスと■族の元素を含むガ
スを混合することにより1例えば、G a A s等の
薄膜の形成も可能である。
Thin films of Zn and Cd can be formed. Further, by using a mixed gas such as an organometallic compound and NxO that can serve as an oxygen source, a thin film such as A n so s v Z n O can be formed. A thin film of 5iaNa can also be formed from a mixed gas of SiH4 and NHa. Further, by mixing a gas containing an element of group 1 of the periodic table of elements and a gas containing an element of group 1, it is also possible to form a thin film of, for example, GaAs.

このような反応ガスにレーザのようなエネルギビームが
照射された場合には、反応ガスが光励起されて活性種が
生成し、それらが衝突し合うことにより、微小核が生成
し、それらが基板に付着した後、それらの微小核がマイ
グレーションによって集まり、薄膜が形成されると考え
られている。
When such a reactive gas is irradiated with an energy beam such as a laser, the reactive gas is photoexcited and active species are generated, which collide with each other to generate micronuclei that are attached to the substrate. After adhesion, these micronuclei are thought to gather through migration and form a thin film.

本発明者らは上記の薄膜形成過程について実験的に検討
した結果、本発明を完成させるに至った。
The present inventors have completed the present invention as a result of experimental studies on the above-mentioned thin film formation process.

反応ガスにレーザビームを照射した場合、レーザビーム
に沿って微小粒子が形成され、基板が室温の場合には、
それらが反応器内のガス流れに乗ってゆっくり移動し、
一部が基板表面に付着し、大部分は排気系に移動して膜
形成に関与しなくなる。
When a reactive gas is irradiated with a laser beam, microparticles are formed along the laser beam, and when the substrate is at room temperature,
They move slowly along with the gas flow in the reactor,
A part of it adheres to the substrate surface, and most of it moves to the exhaust system and does not participate in film formation.

また、一部は反応器壁に付着し、これも基板上の膜形成
に関与しなくなる。基板上に付着した微粒子を9膜にす
るためには、基板上でのマイグレーションが律速過程と
なっているため、基板が室温では膜生成速度が非常に遅
い、そのため、通常は基板上でのマイグレーション速度
を増加させるために、基板を加熱している。しかし、常
時基板を加熱している場合には、反応器内でのガスの対
流により、レーザビームによって生成した微小粒子がこ
のガスの流れに乗って上昇し、基板上に付着する粒子数
が減少し、膜生成速度は増加しない。
In addition, a portion of it adheres to the reactor wall and does not participate in film formation on the substrate. In order to form a film from fine particles attached to a substrate, migration on the substrate is the rate-limiting process, and the film formation rate is very slow when the substrate is at room temperature.Therefore, migration on the substrate is usually To increase the speed, the substrate is heated. However, when the substrate is constantly heated, due to gas convection within the reactor, the microparticles generated by the laser beam rise along with the gas flow, reducing the number of particles that adhere to the substrate. However, the film formation rate does not increase.

さらに、基板温度よりも反応器壁の温度が低い場合には
、生成した微粒子の大部分が反応器の内壁に付着し、基
板上の膜形成にはほとんど関与しなくなる。
Furthermore, when the temperature of the reactor wall is lower than the substrate temperature, most of the generated fine particles adhere to the inner wall of the reactor and hardly participate in film formation on the substrate.

エネルギビームを照射させながら薄膜を形成させる装置
内での膜生成過程を実験的に検討した結果1発明者らは
エネルギビームによって生成した超微粒子に電荷を付与
して、微粒子を基板面に強制的に移動させるようにする
ことにより、基板上での膜形成を効率よく行うことが可
能となった。
As a result of an experimental study of the film formation process in an apparatus that forms a thin film while irradiating an energy beam, the inventors added an electric charge to the ultrafine particles generated by the energy beam and forced the particles onto the substrate surface. By moving the film to the substrate, it became possible to efficiently form a film on the substrate.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

以下、本発明を実施例に基づいて、さらに詳細に説明す
る。
Hereinafter, the present invention will be explained in more detail based on examples.

本発明の一実施例を第1図に、また、エネルギビームの
照射と同期して反応ガス及び印加電圧を制御するシーケ
ンスを第2図に示す。
An embodiment of the present invention is shown in FIG. 1, and a sequence for controlling the reaction gas and applied voltage in synchronization with energy beam irradiation is shown in FIG.

反応室28内には基板12がステージ11に支持されて
いる。本実施例では基板は一枚しか示してないが、複数
枚設置してもかまわない、基板には、4例えば、シリコ
ンウェハが使用される。基板12と対峙して電極36が
設置されており、直流高電圧発生装置40により、電極
36と基板12間には直流の高電圧がかけられるように
なっている。電極36と基板12の間隔は反応ガスの種
類により変える必要があり、例えば、1〜5cmに設定
する。印加する電圧はレーザによって生成した超微粒子
に電荷が付与でき、この電荷が付与された超微粒子が基
板上に移動するだけの運動エネルギを与えられる範囲で
あればよく1例えば、0.1〜15kV印加する、こと
ができる、基板12はステージ11により加熱され、5
0〜450℃に制御される。基板12の加熱はヒータを
用いてもよく、また、赤外線ランプのようなものを使用
して加熱してもよい。さらに、YAGレーザやCO2レ
ーザのような赤外域の波長をもつレーザを使用してもか
まわない。
A substrate 12 is supported on a stage 11 within the reaction chamber 28 . Although only one substrate is shown in this embodiment, a plurality of substrates may be installed.For example, a silicon wafer is used as the substrate. An electrode 36 is installed facing the substrate 12, and a DC high voltage is applied between the electrode 36 and the substrate 12 by a DC high voltage generator 40. The distance between the electrode 36 and the substrate 12 needs to be changed depending on the type of reaction gas, and is set to, for example, 1 to 5 cm. The voltage to be applied may be within a range that can impart a charge to the ultrafine particles generated by the laser and provide enough kinetic energy to move the charged ultrafine particles onto the substrate1, for example, 0.1 to 15 kV. The substrate 12 is heated by the stage 11 and 5
The temperature is controlled between 0 and 450°C. The substrate 12 may be heated by using a heater or by using something such as an infrared lamp. Furthermore, a laser having a wavelength in the infrared region, such as a YAG laser or a CO2 laser, may be used.

反応室28内へはボンベから流量コントロール装置20
を介して、ノズル26から反応ガスが供給される。また
、反応ガスは常温でガス状のボンベ入りガスだけではな
く、液状の有機金属化合物やカルボニル化合物も使用で
き、この場合、部槽24で温度制御されたシリンダー2
2内で、水素やヘリウム等のガスでバブリングさせて供
給することができる。この反応槽を複数基設置して、複
数の有機金属化合物を反応室28内に供給することもで
きる9反応室28内へガスを供給するノズル26の形状
は、任意のものが使用できるが、基板12上でのガスの
流れが層流に近くなるように供給できるものが好ましい
。さらに、本実施例ではガスを供給するノズル26と直
流電圧を印加する電極36とは別に示したが、両者を一
体化してもよい。
The flow rate control device 20 enters the reaction chamber 28 from the cylinder.
A reaction gas is supplied from the nozzle 26 through the nozzle 26 . In addition, the reaction gas can be not only a gas in a cylinder that is gaseous at room temperature, but also a liquid organometallic compound or a carbonyl compound.
2, gas such as hydrogen or helium can be bubbled and supplied. It is also possible to install a plurality of reaction vessels and supply a plurality of organometallic compounds into the reaction chamber 28.9 The shape of the nozzle 26 for supplying gas into the reaction chamber 28 can be any shape. It is preferable to use one that can supply gas so that the flow on the substrate 12 is close to a laminar flow. Further, in this embodiment, the nozzle 26 for supplying gas and the electrode 36 for applying DC voltage are shown separately, but they may be integrated.

反応室28内は反応を開始する前は、高真空排気システ
ム42により排気され、バックグランドの不純物をでき
るだけ低下させておく必要がある。
Before starting the reaction, the inside of the reaction chamber 28 must be evacuated by a high vacuum exhaust system 42 to reduce background impurities as much as possible.

反応開始後は、排気ノズル30を介して任意の反応圧、
例えば、0.01〜50Torrに保持されるように圧
力コントロールされて、排気システム44により排気さ
れる。排気システム44は高真空排気システム42と共
有して、バタフライ弁等を使用して圧力調整してもよい
After the reaction starts, any reaction pressure is
For example, the pressure is controlled to be maintained at 0.01 to 50 Torr and exhausted by the exhaust system 44. Exhaust system 44 may be shared with high vacuum exhaust system 42 and pressure regulated using a butterfly valve or the like.

レーザ光源1から発振したレーザビームはレンズシステ
ム38を介して、任意のビーム形状にされて、反応室2
8の窓板32を通して反応室28内に照射される。レー
ザとしてはエキシマレーザが使用できるが、他のレーザ
、例えば、固体レーザ、気体レーザ、また、これらのレ
ーザと色素レーザを組み合わせても用いることができる
。使用するレーザは紫外域、あるいは、赤外域の波長を
もつものが好ましい。紫外域のレーザの場合には、分子
の電子レベルの励起により、光化学反応が起こる。これ
に対して赤外域レーザの場合には、分子の振動レベルの
励起により分子の解離が起こる。
The laser beam oscillated from the laser light source 1 is shaped into an arbitrary beam shape via the lens system 38 and sent to the reaction chamber 2.
The inside of the reaction chamber 28 is irradiated through the window plate 32 of 8. As the laser, an excimer laser can be used, but other lasers such as a solid state laser, a gas laser, or a combination of these lasers and a dye laser can also be used. The laser used preferably has a wavelength in the ultraviolet or infrared region. In the case of ultraviolet lasers, photochemical reactions occur due to the excitation of molecules at the electronic level. On the other hand, in the case of an infrared laser, molecular dissociation occurs due to vibrational level excitation of molecules.

いずれにしても、対象とする反応ガスに吸収がある波長
のレーザを照射する必要がある。パルスレーザの場合に
は、発振パルス信号に同期した信号を制御装置48に送
り、それと同期させて反応ガスの供給及び電圧の印加を
行うことができる。パルスレーザ以外の連続発振レーザ
の場合には、レーザ光をパルス状にするチョッパー等の
機構を設け、その同期信号を制御装置48に送ることが
できる。また、レーザ以外の他のエネルギビーム、例え
ば、水銀ランプ、キセノンランプ、5OR(Synch
rotoron 0rbital Radiation
、シンクロトロン放射光)等を用いても同様の効果が得
られる。
In any case, it is necessary to irradiate the target reaction gas with a laser having a wavelength that is absorbed. In the case of a pulsed laser, a signal synchronized with the oscillation pulse signal can be sent to the control device 48, and the reaction gas can be supplied and the voltage can be applied in synchronization with the signal. In the case of a continuous wave laser other than a pulsed laser, a mechanism such as a chopper that pulses the laser light can be provided and a synchronization signal can be sent to the control device 48. In addition, energy beams other than lasers, such as mercury lamps, xenon lamps, 5OR (Synch
rotoron 0rbital radiation
, synchrotron radiation), etc., similar effects can be obtained.

さらに、このレーザ光等の基板12への照射方向は、基
板12に対して平行でもよく、また、垂直に照射しても
よい、さらに、この二方法を複合しても同様である。ま
た、二種類のレーザ光を基板12に照射することも可能
である。
Furthermore, the direction of irradiation of the substrate 12 with this laser light, etc. may be parallel to the substrate 12, or may be irradiated perpendicularly to the substrate 12, or a combination of these two methods will also be the same. It is also possible to irradiate the substrate 12 with two types of laser light.

本発明の基本は入射エネルギビームによって反応ガスか
ら生成した超微粒子に電荷を付加し、この超微粒子を電
界によって効率的に基板に付着させる方法であり、これ
を可能にする手法であれば、レーザビームの入射方法や
電場の与え方はどんな方法でもよい。
The basis of the present invention is a method in which an incident energy beam adds a charge to ultrafine particles generated from a reaction gas, and the ultrafine particles are efficiently attached to a substrate by an electric field. Any method of beam incidence and application of the electric field may be used.

反応室28ヘレーザ光が入射する窓板32には、パージ
ノズル34からヘリウム等のパージガスを導入し、窓板
32に析出物が付着するのを防止することができる。ま
た、窓板32の内部にはフッ素樹脂系のオイル等を塗布
してもよい0反応室28から出たレーザ光はパワーメー
タ52によりレーザパワーを、常時、モニタすることが
できる。
A purge gas such as helium is introduced from a purge nozzle 34 into the window plate 32 of the reaction chamber 28 into which the laser beam is incident, so that deposits can be prevented from adhering to the window plate 32. Further, the inside of the window plate 32 may be coated with fluororesin oil or the like.The laser power of the laser light emitted from the reaction chamber 28 can be constantly monitored by a power meter 52.

本装置は、制御袋W148により反応室28内へのレー
ザ照射と同期させて反応ガスの導入と印加電圧の制御を
行われる。このシーケンスを第2図に示す、レーザ照射
時間のΔtx時間前に、流量コントロール装置ff20
を介して反応室28内に反応ガスが供給される0反応ガ
スの供給時間は反応室28内の゛基板12上に反応ガス
が達するまでの時間であり、それに同期させてレーザビ
ームが照射される。レーザビームは25■x2Ill1
11の長方形で、基板上2■の高さに調整されている。
In this apparatus, the introduction of the reaction gas and the control of the applied voltage are performed in synchronization with the laser irradiation into the reaction chamber 28 using the control bag W148. This sequence is shown in FIG. 2. Before the laser irradiation time Δtx time, the flow control device
The reaction gas supply time is the time required for the reaction gas to reach the substrate 12 in the reaction chamber 28, and the laser beam is irradiated in synchronization with this. Ru. Laser beam is 25×2Ill1
It has a rectangular shape of 11 and is adjusted to a height of 2 cm above the board.

このレーザビームの形状はレンズシステムによって任意
の形状にされても効果は同じである。また、基板とレー
ザビームの間隔も任意に変えることができる0反応ガス
が存在する空間中にレーザビームが照射されると1反応
ガスはレーザ光によって励起され、光分解反応が始まる
。反応ガスとして有機金属化合物、例えば、トリメチル
アルミニウムをA、 Q (CHa)s −一→A (
1+生成物この反応で生成したAΩ原子は衝突によって
The effect is the same even if the shape of this laser beam is made into any shape by the lens system. Furthermore, the distance between the substrate and the laser beam can be arbitrarily changed. When the laser beam is irradiated into a space where the zero-reactant gas exists, the one-reactant gas is excited by the laser beam and a photodecomposition reaction begins. An organometallic compound such as trimethylaluminum is used as a reaction gas in A, Q (CHa)s −1→A (
1+ product AΩ atoms produced in this reaction by collision.

超微粒子を生成し、それがレーザビームの光路に沿って
浮遊し、何の操作も加えない場合には、反応室28内の
ガス流れに乗って浮遊して移動する。
Ultrafine particles are generated and float along the optical path of the laser beam, and if no manipulation is applied, they float and move along with the gas flow within the reaction chamber 28.

本発明では、こうして生成した超微粒子を基板12上に
短時間に移動させ、基板12上での膜形成速度を向上さ
せるために、レーザビーム照射後に、それと同期させて
基板12と電極36間に電圧をかけることにより、生成
した超微粒子核に電荷を付与し、基板12上にこの超微
粒子核をスムーズに捕集させることができる。
In the present invention, in order to move the thus generated ultrafine particles onto the substrate 12 in a short time and improve the film formation speed on the substrate 12, after the laser beam irradiation, in synchronization with the laser beam irradiation, the ultrafine particles are placed between the substrate 12 and the electrode 36. By applying a voltage, the generated ultrafine particle nuclei can be charged and the ultrafine particle nuclei can be smoothly collected on the substrate 12.

真空下で二つの電極の間に電圧を印加した場合。When a voltage is applied between two electrodes under vacuum.

反応室内の圧力によりグロー放電が起こり、陰極付近に
は陰極暗部が形成され、陰極暗部の厚さd、と反応室内
の圧力Pとは次式に示されるような関係にあることが知
られている。
It is known that glow discharge occurs due to the pressure inside the reaction chamber, and a cathode dark area is formed near the cathode, and that the thickness d of the cathode dark area and the pressure P inside the reaction chamber have a relationship as shown in the following equation. There is.

P −dn=A ここに、P :反応ガス圧力(Torr)dn :陰極
暗部の厚さく値) A :反応ガスの種類によって決 まる定数(Torr−al) また、陽極付近には正イオンが存在し、これが陰極に引
かれて移動する。
P -dn=A Here, P: Reactant gas pressure (Torr) dn: Thickness value of the dark part of the cathode) A: Constant determined by the type of reaction gas (Torr-al) Also, positive ions exist near the anode. , which is attracted to the cathode and moves.

電極間に電圧を印加しない場合に、TMAQのような有
機金属化合物にレーザビームを照射した場合、最初に中
性ラジカルが生成し、それらのラジカル同士がガス相で
反応して超微粒子核を生成する。この段階で基板と電極
間に電圧を印加すると、TMAQのような反応性ガスの
キャリアに使用しているガス(Ar、He、H2など)
が電離して生成した正イオンが陰極部に移動し、この正
イオンが超微粒子核に付着し、結果として、lIa極部
に移動して基板上に付着する。電圧を印加しない場合に
は、これらの超微粒子核は重力だけで落下して基板上に
付着することになり、基板上への付着速度は電圧を印加
した場合の方がはるかに大きくなることは明らかである
When an organometallic compound such as TMAQ is irradiated with a laser beam when no voltage is applied between the electrodes, neutral radicals are first generated, and these radicals react with each other in the gas phase to generate ultrafine particle nuclei. do. At this stage, when a voltage is applied between the substrate and the electrode, the gas used as a carrier for a reactive gas such as TMAQ (Ar, He, H2, etc.)
The positive ions generated by ionization move to the cathode part, adhere to the ultrafine particle nuclei, and as a result, move to the IIa pole part and adhere to the substrate. If no voltage is applied, these ultrafine particle nuclei will fall due to gravity alone and adhere to the substrate, but the rate of adhesion to the substrate will be much greater when a voltage is applied. it is obvious.

基板上に捕集された超微粒子核から膜が形成されるメカ
ニズムの詳細は、明確にされていないが、光励起プロセ
スで成膜した場合には、ステップカバレージがよくなる
ことが知られている。従って、本発明のように、光励起
プロセスに電圧印加プロセスを付与することにより、ス
テップカバレージがよく、しかも、成膜速度の大きい膜
形成装置が得られる。
Although the details of the mechanism by which a film is formed from ultrafine particle nuclei collected on a substrate have not been clarified, it is known that step coverage is improved when a film is formed using a photoexcitation process. Therefore, by adding a voltage application process to the photoexcitation process as in the present invention, a film forming apparatus with good step coverage and high film forming rate can be obtained.

また、基板が室温の場合には、基板上の成膜速度も小さ
く、しかも、膜自体の接着力が弱いため、基板を加熱(
例えば、50〜400℃)する方が好ましい。
Furthermore, when the substrate is at room temperature, the film formation rate on the substrate is slow, and the adhesion of the film itself is weak, so heating the substrate (
For example, 50 to 400°C) is preferable.

さらに、基板に絶縁物を用いる場合には、基板と電極間
へは直流電源ではなく高周波電源を用いることにより、
絶縁物表面に正イオンと電子が交互に衝突し、絶縁物表
面への正イオンの?I:電を防止することができる。
Furthermore, when using an insulator for the substrate, by using a high frequency power source instead of a DC power source between the substrate and the electrode,
Positive ions and electrons alternately collide with the insulator surface, and the positive ions hit the insulator surface? I: Can prevent electricity.

基板上への微粒子核の捕集は、レーザビームの照射と同
期させてこの操作を繰り返すことにより、効率的に行う
ことができる。基板の加熱はこの操作中継続して行って
もよく、また、基板上に超微粒子層を形成させたのちに
、基板を加熱して成膜してもよい。
Collection of particle nuclei onto the substrate can be efficiently performed by repeating this operation in synchronization with laser beam irradiation. The substrate may be heated continuously during this operation, or the substrate may be heated to form a film after forming the ultrafine particle layer on the substrate.

反応ガスとしてトリメチルアルミニウム(TMAと記す
)を用いて1本発明の実施例を示す、 TNAは常温で
は液体であり、Hzガスをキャリアとして反応室28内
に供給される。レーザにはエキシマレーザを使用した。
An embodiment of the present invention will be described using trimethylaluminum (TMA) as a reaction gas. TNA is a liquid at room temperature and is supplied into the reaction chamber 28 using Hz gas as a carrier. An excimer laser was used as the laser.

TMAの紫外吸収スペクトルは、第4図に示すようなも
ので、効率的に光化学反応を行うには、ArF(193
nm)のレーザ光を使う必要がある。この場合、−パル
ス当りのエネルギは約200mJであった。このレーザ
光をシリンドリカルレンズを用いたレンズシステムによ
り、25mmX2+amにして、基板上2+mの位置に
照射した。レーザビームの照射0.5 秒前に流量コン
トロール装置20によりTMAを基板上で5 Torr
になるように供給した。レーザ照射と同時に(Δtz〜
数ns)電極と基板間に500Vの直流電圧を印加した
。この場合、基板温度は200℃に保っておいた。レー
ザ照射と同時に反応ガスの供給、電圧印加の操作を繰り
返すことにより、基板上に金属AQの膜を効率的に形成
することができた。成膜速度は2500人/ m i 
nで、反応ガス供給のコントロールもせず、また、電圧
印加も行わない場合に比べて二倍以上の成膜速度が得ら
れ、形成した膜の性状はほぼ同等であった。
The ultraviolet absorption spectrum of TMA is as shown in Figure 4, and in order to carry out an efficient photochemical reaction, ArF (193
It is necessary to use a laser beam of wavelength (nm). In this case, the energy per pulse was approximately 200 mJ. This laser beam was irradiated to a position 2+m above the substrate using a lens system using a cylindrical lens at a size of 25 mm×2+am. 0.5 seconds before laser beam irradiation, TMA was applied to the substrate at 5 Torr using the flow rate control device 20.
I supplied it so that it would be. Simultaneously with laser irradiation (Δtz~
A DC voltage of 500 V was applied between the electrode and the substrate (several ns). In this case, the substrate temperature was kept at 200°C. By repeating the operations of supplying a reactive gas and applying a voltage simultaneously with laser irradiation, it was possible to efficiently form a metal AQ film on the substrate. Film deposition rate is 2,500 people/mi
n, the film formation rate was more than double that of the case where the reactant gas supply was not controlled and no voltage was applied, and the properties of the formed film were almost the same.

本発明の他の利点は1反応室28内のレーザビーム上で
生成した超微粒子を、基板上に効率よく捕集してしまう
ため、レーザ入射窓の内側に析出する副生物の款を極端
に減少させろことができることである。レーザ入射窓の
内側に析出物が生成すると、レーザ光の入射パワーが極
度に減少し、成膜の効率が非常に低下するので、これを
防止できることは大きな利点である。
Another advantage of the present invention is that the ultrafine particles generated by the laser beam in the reaction chamber 28 are efficiently collected on the substrate, which greatly reduces the amount of by-products deposited inside the laser entrance window. What you can do is reduce it. If a precipitate is formed inside the laser entrance window, the incident power of the laser beam will be extremely reduced, and the efficiency of film formation will be greatly reduced, so it is a great advantage to be able to prevent this.

本発明の他の実施態様を示す8反応ガスには複数のガス
を使用することができ、有機金属化合物にTMAを使用
し、それに亜酸化窒素(NzO)を使用した。TMAは
ヘリウムをキャリアとして反応室28に供給した。
8 Showing Other Embodiments of the Invention Multiple gases can be used as the reactant gases, including TMA as the organometallic compound and nitrous oxide (NzO) as the organometallic compound. TMA was supplied to the reaction chamber 28 using helium as a carrier.

レーザにより光化学反応を起こさせるには、反応ガスの
光吸収がなければならないことはよく知られている。T
MA及4 N Z Oの紫外域でのスペクトルを第4図
に示す。エキシマレーザによって光化学反応を起こさせ
るには、KrF(248nm)、あるいは、ArF(1
93nm)のレーザ光を使用しなければ、これらのガス
に対して吸収がなイ、シかし、KrF (248nm)
のレーザ光では反応ガスに対して吸収が小さいため、同
じガス量を供給してもArF (193nm)のレーザ
光を照射した場合に比べて1反応法度が遅い。
It is well known that in order to cause a photochemical reaction using a laser, there must be light absorption by the reactant gas. T
The spectra of MA and 4NZO in the ultraviolet region are shown in FIG. To cause a photochemical reaction with an excimer laser, KrF (248 nm) or ArF (1
Unless a laser beam of KrF (248 nm) is used, there is no absorption for these gases.
Since the absorption of the reactant gas is small with the laser beam, one reaction rate is slower than when the ArF (193 nm) laser beam is irradiated even if the same amount of gas is supplied.

TMA及びN!Oは次に示す式によって反応することが
知られている。
TMA and N! It is known that O reacts according to the following formula.

T M A + N z O→AuzOa+生成物この
反応は複雑で前反応は正確にはわかってはいないが、析
出物はアルミナで、他にガス状物が副生する。
T M A + N z O → AuzOa + product This reaction is complex and the pre-reaction is not precisely known, but the precipitate is alumina and other gaseous substances are produced as by-products.

TMAとN z Oの混合ガスはTMAに対してN z
 Oを二倍以上添加する必要があり、反応室28内では
全圧は5 Torrになるように供給した。
The mixed gas of TMA and N z O is N z
It was necessary to add O twice or more, and it was supplied so that the total pressure in the reaction chamber 28 was 5 Torr.

レーザにはArF (193nm)を用い、レンズシス
テムにより25 as X 3 mの巾にして基板上3
−の位置に照射した。レーザの一パルス当りのエネルギ
は200mJであった。基板の温度は350℃にして、
本発明の操作を繰り返すことにより、アルミナの薄膜が
形成された。基板としてはシリコンを用い、このアルミ
ナは絶縁膜として十分な性能をもつことが明らかとなっ
た。
ArF (193 nm) was used as the laser, and a lens system was used to create a laser beam with a width of 25 as x 3 m on the substrate.
irradiated at - position. The energy per laser pulse was 200 mJ. The temperature of the board is 350℃,
By repeating the operation of the invention, a thin film of alumina was formed. Silicon was used as the substrate, and it became clear that this alumina had sufficient performance as an insulating film.

この実施例とは別に、基板温度を100℃に保った場合
には、基板上にはアルミナの超微粒子層が形成された。
Apart from this example, when the substrate temperature was maintained at 100° C., an ultrafine alumina particle layer was formed on the substrate.

この場合、基板としては5US304の1閣厚のものを
用いた。この基板の上にICO人径以下の微粒子からな
るアルミナのポーラスな層を形成することができた。
In this case, the substrate used was 5US304, 1 inch thick. It was possible to form a porous layer of alumina made of fine particles smaller than the ICO human diameter on this substrate.

基板上に広く膜を形成させるには、レーザ光をスキャン
してもよく、また、基板を微動させてもよい。また、基
板の加熱手段には各種のレーザや赤外線ランプ等を用い
てもよい。
In order to form a film over a wide area on the substrate, the laser beam may be scanned or the substrate may be slightly moved. Furthermore, various types of lasers, infrared lamps, etc. may be used as heating means for the substrate.

形成させた微粒子のアルミナ層は触媒の担体として、例
えば、燃料電池の電極板としても使用できる。
The formed fine-particle alumina layer can also be used as a catalyst carrier, for example, as an electrode plate for a fuel cell.

こうして形成されたアルミナ担体層に1次のステップと
してニッケルカルボニル(N i (Co)4)を水素
キャリアと共に、本発明の操作に従って供給した。N1
(Co)aはレーザで光分解されて、Niの超微粒子が
生成し、それがアルミナ担体層に付着する。Niが担持
されたアルミナ層はスチームリフオーミングの触媒とし
て使用することができ、例えば、内部改質型の溶融炭酸
塩燃料電池用の電極として使用することができる。この
場合には、メタンとスチームを、直接、燃料電池に導入
することができる。
The thus formed alumina support layer was fed as a first step with nickel carbonyl (N i (Co)4) together with a hydrogen carrier according to the operation of the present invention. N1
(Co)a is photolyzed by a laser to produce ultrafine Ni particles, which adhere to the alumina carrier layer. The Ni-supported alumina layer can be used as a catalyst for steam reforming, for example as an electrode for internal reforming molten carbonate fuel cells. In this case, methane and steam can be introduced directly into the fuel cell.

この他にも多くの変形も可能であることは明らかである
。特に、前述の有機金属化合物の他に。
Obviously, many other variations are possible. In particular, besides the aforementioned organometallic compounds.

ジメチルカドミウム、ジメチル亜鉛を用いることにより
、Cd、Znの金属膜が、また、Cr。
By using dimethyl cadmium and dimethyl zinc, metal films of Cd and Zn can also be made of Cr.

Mo、Wなどのカルボニル化合物を用いることによりそ
れらの金属薄膜を形成させることができる。
By using carbonyl compounds such as Mo and W, these metal thin films can be formed.

シラン系の化合物、例えば、S i Ha 、 S 1
zHeとアンモニア、Cx Hzを用いることにより、
S 1aNa、 S i Cの膜を形成させうる。さら
に、周期律表の■族及び■族の元素を含む混合ガスを用
いることにより、■−V族の化合物半導体も形成しうる
Silane-based compounds, such as S i Ha, S 1
By using zHe and ammonia, Cx Hz,
A film of S 1aNa, S i C can be formed. Furthermore, by using a mixed gas containing elements of groups 1 and 2 of the periodic table, a compound semiconductor of group 1-V can also be formed.

いずれにしても、光を励起エネルギとして、それによっ
て生成した反応ガスの反応場に電位をかけることにより
、効率的に成膜させる方法は本発明の範囲に含まれる。
In any case, the scope of the present invention includes a method of efficiently forming a film by using light as excitation energy and applying a potential to a reaction field of a reaction gas generated thereby.

本発明ではレーザビームの照射によって反応ガスが反応
する場に印加する電位の与え方として基板と対峙させて
電極を設置し、反応ガスはノズルから、電極と基板間に
供給する方法を示したが、反応ガス供給用ノズルと電極
が一体化したものができれば、それを用いることにより
、より装置をコンバク1〜化することができる。また、
電極と基板間に与える電位は正でも負でもよく、要する
に。
In the present invention, as a method of applying a potential to a field where a reaction gas reacts by laser beam irradiation, an electrode is installed facing the substrate, and the reaction gas is supplied from a nozzle between the electrode and the substrate. If a reaction gas supply nozzle and an electrode can be integrated, the device can be made more compact by using it. Also,
The potential applied between the electrode and the substrate can be positive or negative, in short.

レーザビームによって生成した超微粒子核の基板への運
動を助長するようなものであればよい。
Any material may be used as long as it promotes the movement of the ultrafine particle nuclei generated by the laser beam toward the substrate.

レーザビームで生成した超微粒子核に電荷を付与する方
法として、熱電子を発生させる装置を設けてもよい。こ
の場合には、レーザビームで生成した超微粒子核に負電
荷を与え、それを基板と電極間にかけた電位により基板
面とで捕集することができる。さらに、電荷を持った微
粒子が基板上に集合して基板面上に電荷が集中するのを
防止するために、基板と電極間に交流電圧をかけてもよ
い。
As a method of imparting electric charge to the ultrafine particle nuclei generated by the laser beam, a device that generates thermoelectrons may be provided. In this case, a negative charge can be given to the ultrafine particle nuclei generated by the laser beam, and this can be collected on the substrate surface by a potential applied between the substrate and the electrode. Furthermore, an alternating current voltage may be applied between the substrate and the electrodes in order to prevent charged particles from gathering on the substrate and concentration of charge on the substrate surface.

薄膜を形成させた基板のスループットを上げるためには
1反応室に試料前室及び後室を設け、基板を真空下で移
動させられるようにするのが好ましい。
In order to increase the throughput of substrates on which thin films are formed, it is preferable to provide a sample front chamber and a rear chamber in one reaction chamber so that the substrate can be moved under vacuum.

本発明では基板に平行に電極を設け、基板と電極間にエ
ネルギビームを照射する方法を示したが、基板に対峙し
て設けた電極にエネルギビームの通る機構を設け、エネ
ルギビームを基板上に自然照射させるようにすることに
より、エネルギビームのエネルギを基板上での成膜のエ
ネルギに利用することが可能となり、基板の加熱温度を
より低温化させることができる。
In the present invention, a method has been shown in which an electrode is provided parallel to the substrate and an energy beam is irradiated between the substrate and the electrode. By allowing natural irradiation, the energy of the energy beam can be used as energy for film formation on the substrate, and the heating temperature of the substrate can be further lowered.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、エネルギビー11のパワーを増加する
ことなく、基板上での成膜速度を従来法に比べて二倍以
上に向上させることができ、スループットの向上も図れ
る。
According to the present invention, the film formation rate on the substrate can be increased by more than twice that of the conventional method without increasing the power of the energy beam 11, and throughput can also be improved.

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

第1図は本発明の一実施例の系Ml¥Xl、第2図は第
1図の制御シーケンス図、第3図は従来技術を示す系統
図、第4図は反応ガスの紫外スペクトルを示す特性図で
ある。 1・・・レーザ、2・・・色素、3・・・回析格子、4
・・・選択された励起波長のレーザ光、S・・・位置制
御系、6・・・ミラー、7・・・反応室、8・・・入射
窓、9,10・・・ガス導入口、導出口、11・・・ス
テージ、12・・・半導体基板、13・・・加熱コイル
、14.15・・・高周波電源に接続される一対の電極
、16・・・レーザA、18・・・レーザB、20・・
・流量コントロール装置、22・・・シリンダ、24・
・・恒温槽、26・・・ノズル、28・・・反応室、3
0・・・排気ノズル、32・・・窓板。 34・・・パージノズル、36・・・電極、38・・・
レンズシステム、40・・・直流高電圧印加装置、42
・・・高真空排気システム、44・・・排気システム、
46・・・ヒータ制御装置。
Fig. 1 shows the system Ml\Xl of an embodiment of the present invention, Fig. 2 shows the control sequence diagram of Fig. 1, Fig. 3 shows a system diagram showing the conventional technology, and Fig. 4 shows the ultraviolet spectrum of the reaction gas. It is a characteristic diagram. 1... Laser, 2... Dye, 3... Diffraction grating, 4
...Laser light of selected excitation wavelength, S...position control system, 6...mirror, 7...reaction chamber, 8...incidence window, 9, 10...gas inlet, Output port, 11... Stage, 12... Semiconductor substrate, 13... Heating coil, 14.15... A pair of electrodes connected to a high frequency power source, 16... Laser A, 18... Laser B, 20...
・Flow rate control device, 22...Cylinder, 24・
... Constant temperature chamber, 26 ... Nozzle, 28 ... Reaction chamber, 3
0...Exhaust nozzle, 32...Window plate. 34... Purge nozzle, 36... Electrode, 38...
Lens system, 40... DC high voltage application device, 42
...High vacuum exhaust system, 44...Exhaust system,
46... Heater control device.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、反応ガスと接触する基板上にエネルギ源より出力さ
れるエネルギビームを用いて選択的に薄膜を形成させる
ものにおいて、 前記基板と対峙して電極を設け、前記基板と前記電極間
に前記エネルギビームを照射して反応ガスを分解させ、
前記基板と前記電極間に電圧を印加させて薄膜を形成さ
せることを特徴とする薄膜形成装置。
[Claims] 1. In a device that selectively forms a thin film on a substrate in contact with a reactive gas using an energy beam output from an energy source, an electrode is provided facing the substrate; irradiating the energy beam between the electrodes to decompose the reactive gas;
A thin film forming apparatus characterized in that a thin film is formed by applying a voltage between the substrate and the electrode.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016149573A (en) * 2007-11-08 2016-08-18 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッドApplied Materials,Incorporated Pulse train annealing method and apparatus
US11040415B2 (en) 2007-11-08 2021-06-22 Applied Materials, Inc. Pulse train annealing method and apparatus

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