KR100779176B1

KR100779176B1 - 실리콘 물체 형성방법 및 장치

Info

Publication number: KR100779176B1
Application number: KR1020060093023A
Authority: KR
Inventors: 다카시 미카미; 아츠시 도묘; 겐지 가토; 에이지 다카하시; 츠카사 하야시
Original assignee: 닛신덴키 가부시키 가이샤
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2006-09-25
Publication date: 2007-11-23
Also published as: KR20070034959A; JP2007088317A; TW200730652A; US20080035471A1; JP4529855B2; US7887677B2

Abstract

본 발명은 종래의 실리콘 도트 형성이나 결정성 실리콘 박막 형성과 비교하면, 비교적 저온하에서, 실리콘 물체 형성 대상 기체 위에 원하는 실리콘 물체(실리콘 도트나 결정성 실리콘 박막)를 형성할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

이를 위하여 본 발명에서는 실리콘 물체 형성 대상 기체(S)를 제 1실(1)에 배치하고, 제 1실(1)에 연달아 설치된 제 2실(2)에 실리콘 스퍼터 타깃(T1)을 설치하고, 제 2실(2)에 수소가스로부터 케미컬 스퍼터링용 플라즈마를 생성시켜 상기 플라즈마로 실리콘 스퍼터 타깃(T1)을 케미컬 스퍼터링하여 실리콘 물체 형성 기여 입자를 생성시키고, 제 2실(2)로부터 제 1실(1)에 도래하는 상기 실리콘 물체 형성 기여 입자에 의하여 기체(S) 위에 실리콘 물체를 형성한다.

Description

실리콘 물체 형성방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR FORMING SILICON BODY}

도 1은 본 발명에 관한 실리콘 물체 형성장치의 일례를 나타내는 도,

도 2(a)는 도 1에 나타내는 장치에서의 플라즈마발광 분광 계측장치의 예를 나타내는 블럭도,

도 2(b)는 배기장치에 의한 배기량(실내압)의 제어 등을 행하는 회로예의 블럭도,

도 3은 실리콘 물체 형성장치의 다른 예를 나타내는 도,

도 4는 실리콘 물체 형성장치의 또 다른 예를 나타내는 도,

도 5(a)는 도 4에 나타내는 장치에서의 플라즈마발광 분광 계측장치의 예를 나타내는 블럭도,

도 5(b)는 배기장치에 의한 배기량(실내압)의 제어 등을 행하는 회로예의 블럭도,

도 6은 실리콘 물체 형성장치의 또 다른 예를 나타내는 도,

도 7은 실리콘 물체 형성장치의 또 다른 예를 나타내는 도,

도 8은 실리콘 물체 형성장치의 또 다른 예를 나타내는 도,

도 9는 실리콘 도트를 형성한 기판의 예를 모식적으로 나타내는 도,

도 10은 막형상으로 군집한 실리콘 도트를 형성한 기판의 예를 모식적으로 나타내는 도,

도 11은 결정성 실리콘 박막을 형성한 기판의 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

A : 실리콘 물체 형성장치 1 : 제 1실

2 : 제 2실 21 : 절연성부재

3 : 기체 홀더 31 : 히터

4 : 플라즈마생성장치 41, 42 : 전극

43 : 매칭박스 44 : 고주파 전원

5 : 수소가스공급장치 6 : 플라즈마발광 분광 계측장치

61, 62 : 분광기 63 : 연산부

6C : 제어부 7 : 실란계 가스공급장치

T1, T2 : 실리콘 스퍼터 타깃 p : 실리콘 물체 형성 기여 입자

B : 실리콘 물체 형성장치 40 : 플라즈마 생성장치

400 : 고주파 안테나 403 : 매칭박스

404 : 고주파 전원 60 : 발광 분광 계측장치

601, 602 : 분광기 603 : 연산부

60C : 제어부 C : 실리콘 물체 형성장치

20 : 제 2 실 8 : 플라즈마생성장치

201 : 마이크로파 투과창 202 : 절연성부재

MG : 마그넷 T3 : 실리콘 스퍼터 타깃

D : 실리콘 물체 형성장치 200 : 제 2실

200h : 입자 통과 구멍 91, 92 : 전극

T4, T4' : 실리콘 스퍼터 타깃 E : 실리콘 물체 형성장치

2' : 플라즈마발생실(제 1실의 일례) 21' : 전기 절연성부재

4' : 플라즈마생성장치 41' : 전극

43' : 매칭박스 44' : 고주파 전원

T1' : 실리콘 스퍼터 타깃 S : 실리콘 물체 형성 대상 기체

SiD : 실리콘 도트 F : 실리콘막

본 발명은 기체 위에 실리콘 물체를 형성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

여기서 말하는 「실리콘 물체」란, 실리콘 도트, 즉, 미소 크기의 실리콘 도트(소위 실리콘 나노입자), 이와 같은 실리콘 도트의 군집으로 이루어지는 막(바꾸어 말하면, 막형상으로 군집한 실리콘 도트), 결정성 실리콘 박막 등을 가리키고 있다. 실리콘 도트는 예를 들면 단일 전자장치 등을 위한 전자장치 재료나 발광재료 등으로서 이용된다.

결정성 실리콘 박막은, TFT(박막 트랜지스터) 스위치의 재료로서 채용되고, 또 각종 집적회로, 태양전지 등의 제작에 채용되고 있다.

실리콘 도트의 형성방법으로서는, 실리콘을 불활성 가스 중에서 엑시머 레이저 등을 사용하여 가열, 증발시켜 기체 위에 실리콘 도트를 형성하는 물리적방법이 알려져 있고, 또 가스중 증발법도 알려져 있다(가나가와켄 산업기술 종합연구소 연구보고 No.9/2003 77∼78페이지참조). 후자는 레이저 대신에 고주파 유도 가열이나 아크방전에 의하여 실리콘을 가열 증발시켜 기체 위에 실리콘 도트를 형성하는 방법이다.

또, CVD 챔버 내에 재료가스를 도입하여 가열한 기체 위에 실리콘 나노입자를 형성하는 CVD 법도 알려져 있다(JP2004-179658A 참조).

이 방법에서는 실리콘 나노입자 성장을 위한 핵을 기체 위에 형성하는 공정을 거쳐 상기 핵으로부터 실리콘 나노입자를 성장시킨다.

다결정 실리콘 박막의 형성에 대해서는 피성막 기체의 온도를 800℃ 이상으로 유지하여 저압하에 플라즈마 CVD 법 등의 CVD 법이나 스퍼터 증착법 등의 PVD 법에 의하여 형성하는 방법(예를 들면 JP5-234919A, JP11-54432A 참조), 각종 CVD법이나 PVD 법에 의하여 비교적 저온하에 아몰퍼스 실리콘 박막을 형성한 후, 후처리로서 예를 들면 1000℃ 정도의 열처리 또는 600℃ 정도에서 장시간에 걸치는 열처리를 상기 아몰퍼스 실리콘 박막에 실시하여 형성하는 방법(예를 들면 JP5-218368A 참조)이 알려져 있다. 또한 아몰퍼스 실리콘막에 레이저 어닐링처리를 실시하여 상기 막을 결정화시키는 방법도 알려져 있다(예를 들면 JP8-124852A 참조).

[특허문헌 1]

JP2004-179658A

[특허문헌 2]

JP5-234919A

[특허문헌 3]

JP11-54432A

[특허문헌 4]

JP5-218368A

[특허문헌 5]

JP8-124852A

[비특허문헌 1]

가나가와켄 산업기술 종합연구소 연구보고 No.9/2003 77∼78페이지

그러나, 실리콘 도트의 형성에 대하여 말하면, 실리콘을 레이저 조사에 의하여 가열 증발시키는 방법은, 균일하게 에너지밀도를 제어하여 레이저를 실리콘에 조사하는 것이 곤란하고, 실리콘 도트의 입자지름이나 밀도분포를 갖추는 것이 어렵다.

가스중 증발법에서도 실리콘의 불균일한 가열이 발생하고, 그 때문에 실리콘 도트의 입자지름이나 밀도분포를 갖추기 어렵다.

또, JP2004-179658A에 기재되어 있는 바와 같은 CVD 법에서는, 핵을 기체 위에 형성함에 있어서 기체를 550℃ 정도 이상으로 가열하지 않으면 안되어, 내열온도가 낮은 기체(예를 들면 저융점 유리 기판)을 채용할 수 없어 기체 재료의 선택 가능범위가 그만큼 제한된다.

결정성 실리콘 박막의 형성에 대하여 말하면, 상기한 방법 중, 피성막 기체를 고온에 노출시키는 방법에서는 막 형성하는 기체로서 고온에 견딜 수 있는 고가의 기체(예를 들면 석영 유리 기판)을 채용하지 않으면 안되고, 예를 들면 내열온도 500℃ 이하의 저렴한 저융점 유리 기판에의 결정성 실리콘 박막의 형성은 곤란하다. 그 때문에 결정성 실리콘 박막의 제조비용이 기체 비용의 면에서 높아진다. 아몰퍼스 실리콘막을 고온하에 열처리하는 경우도 동일한 문제가 있다.

아몰퍼스 실리콘막을 레이저 어닐링처리하는 경우에는, 비교적 저온하에 결정성 실리콘막을 얻을 수 있으나, 레이저 조사공정을 필요로 하는 것이나, 아주 높은 에너지밀도의 레이저광을 조사하지 않으면 안되는 것으로부터 이 경우도 결정성 실리콘 박막의 제조 비용이 높아져 버린다. 또 레이저광을 막의 각 부에 균일하게 조사하는 것은 어렵고, 또한 레이저 조사에 의하여 수소탈리가 생겨 막 표면이 거칠어지는 경우도 있어, 이들에 의하여 양질의 결정성 실리콘 박막을 얻는 것은 곤란하다.

따라서 본 발명은, 상기 종래의 실리콘 도트 형성이나 결정성 실리콘 박막 형성과 비교하면, 비교적 저온하에서 실리콘 물체 형성 대상 기체 위에 원하는 실리콘 물체를 형성할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

구체적으로는 예를 들면 종래의 실리콘 도트 형성과 비교하면 비교적 저온하에서 기체 위에 직접 입자지름이 갖추어진 실리콘 도트를 균일한 밀도분포로 형성 할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

또, 예를 들면 종래의 결정성 실리콘 박막 형성과 비교하면 비교적 저온하에서 기체 위에 양질의 결정성 실리콘 박막을 형성할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자는 이와 같은 과제를 해결하기 위하여 연구를 거듭하여 다음의 것을 알아 내기에 이르렀다.

수소가스를 플라즈마화하여 상기 플라즈마로 실리콘 스퍼터 타깃을 케미컬 스퍼터링(반응성 스퍼터링)함으로써, 비교적 저온에서(예를 들면 500℃ 이하의 온도에서) 실리콘 물체 형성 대상 기체 위에 원하는 실리콘 물체를 형성할 수 있다.

예를 들면 수소가스를 플라즈마화하여 상기 플라즈마로 실리콘 스퍼터 타깃을 케미컬 스퍼터링(반응성 스퍼터링)함으로써, 저온에서 실리콘 물체 형성 대상 기체 위에 직접 입자지름이 갖추어진 결정성의 실리콘 도트를 균일한 밀도분포로 형성하는 것이 가능하다.

예를 들면 실리콘 스퍼터 타깃을 플라즈마발광에서 파장 288 nm 에서의 실리콘 원자의 발광강도(Si)(288 nm)와 파장 484 nm 에서의 수소원자의 발광강도(Hβ)와의 비[Si(288 nm)/Hβ]가 10.0 이하, 더욱 바람직하게는 3.0 이하, 또는 0.5 이하인 플라즈마로 케미컬 스퍼터링하면 500℃ 이하의 저온에서도 입자지름 20 nm 이하, 또는 입자지름 10 nm 이하의 범위에서 입자지름이 갖추어진 결정성의 실리콘 도트를 균일한 밀도분포로 기체 위에 형성하는 것이 가능하다.

여기서 실리콘 도트의 「입자지름이 갖추어져 있다」란, 각 실리콘 도트의 입자지름이 어느 것이나 동일 또는 대략 동일한 경우 외에, 실리콘 도트의 입자지름에 불균일이 있었다 하여도 실리콘 도트의 입자지름이, 실용상은 갖추어져 있다고 볼 수 있는 경우도 가리킨다. 예를 들면 실리콘 도트의 입자지름이, 소정의 범위(예를 들면 20 nm 이하의 범위 또는 10 nm 이하의 범위) 내에 갖추어져 있는 또는 대략 갖추어져 있다고 보아도 실용상 지장이 없는 경우와, 실리콘 도트의 입자지름이 예를 들면 5 nm∼6 nm의 범위와 8 nm∼11 nm의 범위에 분포하고 있으나, 전체로서는 실리콘 도트의 입자지름이 소정의 범위(예를 들면 10 nm 이하의 범위) 내에 대략 갖추어져 있다고 볼 수 있어, 실용상 지장이 없는 경우 등도 포함된다. 요컨대, 실리콘 도트의 「입자지름이 갖추어져 있다」란, 실용상의 관점에서 전체로서 실질상 갖추어져 있다고 할 수 있는 경우를 가리킨다.

또, 예를 들면 실리콘 스퍼터 타깃을, 플라즈마발광에서의 파장 656 nm에 피크를 나타내는 수소원자 라디칼의 발광 스펙트럼강도(Hα)와 파장 414 nm에서의 실란 라디칼의 발광 스펙트럼강도(SiH^*)와의 비(Hα/SiH^*)가 0.3∼1.3인 플라즈마로 케미컬 스퍼터링(반응성 스퍼터링)하고, 스퍼터링된 원자와 수소 플라즈마에 의한 여기효과 및 실리콘 물체 형성 대상 기체의 퇴적막 표면과 수소 라디칼의 반응 등에 의하여 상기 기체 위에 막을 퇴적 형성하면, 결정성을 나타내고, 표면 조도가 작은 양질의 결정성 실리콘막이 형성된다.

또한 비교적 저온하에 막형성할 수 있고, 예를 들면 내열온도 500℃ 이하의 저렴한 저융점 유리 기판에의 결정성 실리콘 박막의 형성도 가능하고, 그만큼 저렴하게 기체 위에 결정성 실리콘 박막을 형성할 수 있다.

또, 실리콘 도트, 결정성 실리콘 박막 등의 어느 것의 형성의 경우에도 실리콘 스퍼터 타깃을 케미컬 스퍼터링함에서는 실리콘 물체 형성 대상 기체를 배치하는 바꾸어 말하면 실리콘 물체를 형성하기 위한 실(제 1실)에 실리콘 스퍼터 타깃을 배치하고, 상기 실에서 수소가스로부터 케미컬 스퍼터링하기 위한 플라즈마를 생성시키는 것은 아니고, 제 1실에 제 2실을 연통 형성하여 상기 제 2실에 실리콘 스퍼터 타깃을 배치하고 상기 제 2실에서 케미컬 스퍼터링용 플라즈마를 생성시키고, 상기 플라즈마로 실리콘 스퍼터 타깃을 케미컬 스퍼터링시켜, SiH₃ 라디칼과 같은 수소화 실리콘 여기종 등의 목적으로 하는 실리콘 물체의 형성에 기여하는 입자를 형성하고, 상기 제 2실로부터 제 1실로 도래하여 오는 상기 실리콘 물체 형성 기여 입자에 의하여 기체 위에 실리콘 도트, 결정성 실리콘 박막 등의 실리콘 물체를 형성하는 것이 가능하다.

그렇게 함으로써 제 1실의 형상 등에 좌우되는 일 없이 실리콘 스퍼터 타깃을 선택할 수 있는 폭이 넓어진다. 예를 들면 제 1실의 형상에 좌우되지 않는 단순형상의 실리콘 스퍼터 타깃의 채용이 가능하게 된다. 이와 같이 실리콘 스퍼터 타깃에 대하여 그 형상 등의 선택의 자유도가 커진다.

또한 실리콘 물체를 형성하기 위한 제 1실에 좌우되는 일 없이, 실리콘 스퍼터 타깃을 케미컬 스퍼터링시키기 위한 제 2실을 포함하는 부분의 구조 등(예를 들 면 플라즈마생성을 위한 방전방식과 그것을 위한 구조)에 대하여 선택할 수 있는 폭이 넓어짐과 동시에, 이들 부분의 메인티넌스도 용이해진다.

[1] 실리콘 물체 형성방법

이와 같은 식견에 의거하여 본 발명은,

실리콘 물체 형성 대상 기체를 제 1실에 배치하는 공정과,

상기 제 1실에 연통 형성된 제 2실에 1 또는 2 이상의 실리콘 스퍼터 타깃을 설치하는 공정과,

상기 제 2실에 수소가스를 도입하여 상기 도입된 수소가스로부터 스퍼터링용 플라즈마생성장치에서 케미컬 스퍼터링용 플라즈마를 생성시키는 공정과,

상기 제 2실에 생성시킨 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마로 상기 실리콘 스퍼터 타깃을 케미컬 스퍼터링하여 실리콘 물체 형성 기여 입자를 발생시키고, 상기 제 2실로부터 상기 제 1실에 도래하는 상기 실리콘 물체 형성 기여 입자에 의하여 상기 제 1실 내에 배치된 상기 실리콘 물체 형성 대상 기체 위에 실리콘 물체를 형성하는 공정을 포함하는 실리콘 물체 형성방법을 제공한다.

여기서「실리콘 물체 형성 기여 입자」란, 실리콘 여기종(예를 들면, SiH₃등의 수소화 실리콘 여기종) 등의, 목적으로 하는 실리콘 물체의 형성에 기여하는 입자이다.

이와 같은 실리콘 물체 형성방법에 의하면, 저온에서(예를 들면 500℃ 이하의 저온에서) 실리콘 물체 형성 대상 기체 위에 실리콘 물체를 형성할 수 있다.

예를 들면 실리콘 물체로서 기체 위에 직접, 입자지름이 갖추어진 결정성의 실리콘 도트(「실리콘 도트의 군집으로 이루어지는 막」, 바꾸어 말하면 「막형상으로 군집하여 이루어진 실리콘 도트」인 경우도 포함한다)를 균일한 밀도분포로 형성하는 것이 가능하다. 결정성 실리콘 박막을 형성하는 것도 가능하다.

여기서「실리콘 도트」란, 일반적으로「실리콘 나노입자」등이라 불리우고 있는 입자지름 크기가 100 나노미터(100nm) 미만의 미소한 실리콘 도트, 예를 들면 입자지름 크기가 수 nm∼수십 nm의 미소 실리콘 도트이다. 또한 실리콘 도트의 크기의 하한에 대해서는 그것에는 한정되지 않으나, 형성의 난이점으로부터 일반적으로는 대략 1 nm 정도가 될 것이다.

실리콘 스퍼터 타깃은, 시장에서 입수할 수 있는 실리콘 스퍼터 타깃 등의 미리 준비된 것을 상기 제 2실에 뒤에서 부착 설치하여 사용하여도 좋으나, 상기 실리콘 스퍼터 타깃 중 적어도 하나는, 상기 제 2실 내에 실란계 가스 및 수소가스를 도입하여 이들 가스를 실리콘막 형성용 플라즈마생성장치에서 플라즈마화하고, 상기 플라즈마에 의하여 상기 제 2실의 내벽에 형성한 실리콘막으로 이루어지는 실리콘 스퍼터 타깃이어도 좋다.

이 경우, 제 2실의 내벽에 실리콘 스퍼터 타깃이 되는 실리콘막을 형성하기 위하여 시판의 실리콘 스퍼터 타깃을 제 2실에 뒤에 부착하여 배치하는 경우보다 대면적의 실리콘 스퍼터 타깃을 용이하게 얻을 수 있어, 그만큼 실리콘 여기종 등의 실리콘 물체 형성 기여 입자를 풍부하게 발생시켜 기체의 넓은 면적에 걸쳐 균일하게 실리콘 물체(실리콘 도트나 결정성 실리콘 박막)를 형성하기 쉬워진다.

또한 여기서의「제 2실의 내벽」은, 제 2실을 형성하고 있는 실벽의 내면 그자체이어도 좋고, 이와 같은 실벽의 안쪽에 설치한 내벽이어도 좋고, 이것들의 조합이어도 좋다.

또, 실리콘 스퍼터 타깃이 이와 같이 제 2실의 내벽의 실리콘막이면, 실리콘 스퍼터 타깃을 외기에 접촉시키지 않고 둘 수 있기 때문에 그만큼 예정되지 않은 불순물의 혼입이 억제된 실리콘 물체를 형성할 수 있다. 예를 들면 저온에서(예를 들면 기체온도가 500℃ 이하의 저온에서), 기체 위에 입자지름이 갖추어진 결정성의 실리콘 도트를 균일한 밀도분포로 형성하는 것이 가능하다. 또 예를 들면 저온에서(예를 들면 기체온도가 500℃ 이하의 저온에서), 기체 위에 양질의 결정성 실리콘 박막을 형성하는 것도 가능하다.

상기 실리콘 스퍼터 타깃은, 상기한 바와 같이 미리 준비된 실리콘 스퍼터 타깃(예를 들면 시판의 실리콘 스퍼터 타깃)을 상기 제 2실내에 뒤에 부착하여 설치한 것이어도 좋다.

다시 말하면, 실리콘 스퍼터 타깃 중 적어도 하나(바꾸어 말하면 실리콘 스퍼터 타깃의 전부 또는 일부)는, 미리 준비된 실리콘 스퍼터 타깃(예를 들면 시판의 실리콘 스퍼터 타깃)을 상기 제 2실 내에 뒤에 부착하여 설치한 것이어도 좋다.

이와 같은 미리 준비된 실리콘 스퍼터 타깃은, 실리콘을 주체로 하는 타깃으로, 예를 들면 단결정 실리콘으로 이루어지는 것, 다결정 실리콘으로 이루어지는 것, 미세 결정 실리콘으로 이루어지는 것, 아몰퍼스 실리콘으로 이루어지는 것, 이것들의 조합 등을 들 수 있다.

또, 실리콘 스퍼터 타깃은 불순물이 함유되어 있지 않은 것, 함유되어 있어도 그 함유량을 가능한 한 적은 것, 적당량의 불순물 함유에 의하여 소정의 비저항을 나타내는 것 등, 형성하는 실리콘 도트의 용도에 따라 적절하게 선택할 수 있다.

불순물이 함유되어 있지 않은 실리콘 스퍼터 타깃 및 불순물이 함유되어 있어도 그 함유량이 가능한 한 적은 실리콘 스퍼터 타깃의 예로서 인(P), 붕소(B) 및 게르마늄(Ge)의 각각의 함유량이 어느 것이나 10 ppm 미만으로 억제된 실리콘 스퍼터 타깃을 들 수 있다.

소정의 비저항을 나타내는 실리콘 스퍼터 타깃으로서, 비저항이 0.001Ω·cm∼50Ω·cm 인 실리콘 스퍼터 타깃을 예시할 수 있다.

상기 실리콘 스퍼터 타깃의 케미컬 스퍼터링용 가스에는 상기한 바와같이 수소가스를 사용하는 것이나, 이 경우 상기 수소가스는 희석가스[헬륨가스(He), 네온가스(Ne), 아르곤가스(Ar), 크립톤가스(Kr) 및 크세논가스(Xe)부터 선택된 적어도 1종의 가스)]와 혼합된 것이어도 좋다.

본 발명에 관한 실리콘 물체 형성방법에서는, 상기 제 2실에 스퍼터링용 플라즈마생성을 위한 가스로서 수소가스를 도입하여 상기 수소가스로부터 스퍼터링용 플라즈마생성장치에 의하여 플라즈마를 생성시키고, 상기 플라즈마하에서 실리콘 스퍼터 타깃을 케미컬 스퍼터링하여 실리콘 물체 형성 기여 입자를 발생시킨다. 이 실리콘 물체 형성 기여 입자는 제 2실로부터 미리 실리콘 물체 형성 대상 기체를 배치한 상기 제 1실로 이행한다. 이와 같이 하여 제 1실에서 상기 실리콘 물체 형성 기여 입자에 의하여 기체 위에 실리콘 물체가 형성된다.

예를 들면 그때 500℃ 이하의 저온에서(바꾸어 말하면, 기체온도를 500℃ 이하의 저온으로 하여), 기체 위에 직접, 입자지름이 20 nm 이하, 또는 입자지름 10 nm 이하의 실리콘 도트를 형성하는 것이 가능하다. 또 예를 들면, 저온에서(예를 들면 기체온도가 500℃ 이하의 저온에서), 기체 위에 결정성 실리콘 박막을 형성하는 것도 가능하다.

상기 제 2실에서 수소가스로부터 실리콘 스퍼터 타깃의 케미컬 스퍼터링용 플라즈마를 발생시키는 경우, 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마는 전자밀도가 10¹⁰개/cm³이상의 플라즈마인 것이 바람직하다.

케미컬 스퍼터링용 플라즈마 중의 전자밀도가 10¹⁰개/cm³보다 작아지면 실리콘 물체(실리콘 도트나 결정성 실리콘)의 결정화도가 저하하기도 하고, 실리콘 물체형성속도가 저하하기도 한다. 그러나 이와 같은 전자밀도가 너무 지나치게 커지면 오히려 형성되는 실리콘 물체가 손상을 입기도 하고, 기체가 손상을 입기도 하게 된다. 따라서 케미컬 스퍼터링용 플라즈마 중의 전자밀도의 상한으로서는 10¹²개/㎠ 정도를 들 수 있다.

이와 같은 전자밀도는, 스퍼터링용 플라즈마생성장치〔예를 들면, 그것에 의하여 수소가스에 인가되는 플라즈마화용 전력(전력의 크기와, 주파수 등)〕, 제 1실 및 제 2실 내의 압력 등중 적어도 하나를 제어함으로써 조정할 수 있다. 전자 밀도는, 예를 들면 랭뮤어 프로브법에 의하여 확인할 수 있다.

(1-1) 실리콘 도트를 형성하는 경우

이상 설명한 실리콘 물체 형성방법에 의하여 실리콘 도트를 형성하는 경우에서, 실리콘 스퍼터 타깃이 되는 실리콘막 형성을 위한 상기 실란계 가스 및 수소가스 유래의 플라즈마를 형성할 때에는, 상기 플라즈마는 플라즈마발광에서 파장 288 nm 에서의 실리콘원자의 발광강도(Si)(288 nm)와 파장 484 nm 에서의 수소원자의 발광강도(Hβ)와의 비[Si(288 nm)/Hβ]가 10.0 이하인 플라즈마로 하는 것이 바람직하고, 3.0 이하인 플라즈마로 하는 것이 더욱 바람직하다. 0.5 이하인 플라즈마로 하여도 좋다.

실리콘막 형성을 위한 플라즈마에서의 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]를 10.0 이하, 더욱 바람직하게는 3.0 이하, 또는 0.5 이하로 설정하면 500℃ 이하의 저온에서 실리콘 물체 형성 대상 기체 위에 실리콘 도트를 형성함에 적합한 양질의 실리콘막(실리콘 스퍼터 타깃)이 제 2실의 내벽에 원활하게 형성된다.

또한 실리콘 물체로서 결정성 실리콘막을 형성하는 경우에서도 실리콘 스퍼터 타깃이 되는 실리콘막을 제 2실의 내벽에 형성할 때에는, 결정성 실리콘 박막을 형성하는 데 적합한 양질의 실리콘막(실리콘 스퍼터 타깃)을 얻는 데에 있어서 실리콘막 형성을 위한 플라즈마에서의 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]를 10.0 이하, 더욱 바람직하게는 3.0 이하, 또는 0.5 이하로 설정하여도 좋다.

본 발명에 관한 실리콘 물체 형성방법에서 실리콘 도트를 형성하는 경우에는 실리콘 스퍼터 타깃을 스퍼터링하기 위한 수소가스 유래의 스퍼터링용 플라즈마형 성에서도 상기 플라즈마는 플라즈마발광에서 파장 288 nm 에서의 실리콘원자의 발광강도(Si)(288 nm)와 파장 484 nm 에서의 수소원자의 발광강도(Hβ)와의 비[Si(288 nm)/Hβ]가 10.0 이하인 플라즈마로 하는 것이 바람직하고, 3.0 이하인 플라즈마로 하는 것이 더욱 바람직하다. 0.5 이하인 플라즈마로 하여도 좋다.

이와 같이 플라즈마에서의 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]를 10.0 이하로 설정하는 경우, 그것은 플라즈마 중의 수소원자 라디칼이 풍부한 것을 나타낸다.

실리콘 스퍼터 타깃의 케미컬 스퍼터링용 플라즈마에서의 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]를 10.0 이하로, 더욱 바람직하게는 3.0 이하, 또는 0.5 이하로 설정함으로써, 500℃ 이하의 저온에서(바꾸어 말하면, 기체 온도를 500℃ 이하의 저온으로 하여), 입자지름 20 nm 이하, 나아가서는 입자지름 10 nm 이하의 범위에서 입자지름이 갖추어진 결정성의 실리콘 도트를 균일한 밀도분포로 기체 위에 형성할 수 있다.

이와 같은 발광 강도비가 10.0보다 커지면 결정립(도트)이 성장하기 어렵게 되고, 기판 위에는 아몰퍼스 실리콘이 많이 생기게 된다. 따라서 발광 강도비는 10.0 이하가 좋다. 입자지름이 작은 실리콘 도트를 형성하는 데에 있어서, 발광 강도비는 3.0 이하가 더욱 바람직하다. 0.5 이하로 하여도 좋다.

그러나, 발광 강도비의 값이 너무 지나치게 작으면, 결정립(도트)의 성장이 늦어져 요구되는 도트 입자지름을 얻는 데 시간이 걸린다. 또한 작아지면 도트의 성장보다 에칭효과의 쪽이 커져, 결정립이 성장하지 않게 된다. 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]는, 다른 여러가지의 조건 등에도 의하나, 대략 0.1 이상으로 하면 좋다.

발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]의 값은, 예를 들면 각종 라디칼의 발광 스펙트럼을 플라즈마 발광 분광 계측장치에 의하여 측정하고, 그 측정 결과에 의거하여 얻을 수 있다. 또 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]의 제어는, 스퍼터링용 플라즈마생성장치[예를 들면 그것에 의하여 수소가스에 인가되는 전력(예를 들면 주파수나 전력의 크기)], 실리콘 도트 형성시의 제 1 및 제 2 실내의 가스압, 제 2 실내에 도입하는 수소가스의 양 등의 제어에 의하여 행할 수 있다.

상기한 바와 같이 스퍼터링용 가스로서 수소가스를 채용하는 경우, 실리콘 스퍼터 타깃을 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]가 10.0 이하, 더욱 바람직하게는 3.0 이하, 또는 0.5 이하인 플라즈마로 케미컬 스퍼터링함으로써 기체 위에 결정핵의 형성이 촉진되고, 상기 핵으로부터 실리콘 도트를 성장시키는 것이 가능하다.

이와 같이 결정핵 형성이 촉진되어 실리콘 도트가 성장하기 때문에 미리 실리콘 도트 형성 대상 기체 위에 댕그링본드나 스텝 등의 핵이 될 수 있는 것이 존재하지 않아도 실리콘 도트가 성장하기 위한 핵을 비교적 용이하게 고밀도로 형성할 수있다. 또 수소 라디칼이나 수소이온이 실리콘 라디칼이나 실리콘 이온보다 풍부하여 핵밀도가 과잉으로 큰 부분에 대해서는 여기된 수소원자나 수소분자와 실리콘원자와의 화학반응에 의하여 실리콘의 탈리가 진행되고, 이에 의하여 실리콘 도트의 핵밀도는 기체 위에서 고밀도가 되면서도 균일화된다.

또, 플라즈마에 의하여 분해 여기된 실리콘원자나 실리콘 라디칼은 핵에 흡착하여 화학반응에 의하여 실리콘 도트로 성장하나, 이 성장시에도 수소 라디칼이 많기 때문에 흡착 탈리의 화학반응이 촉진되어, 핵은 결정방위와 입자지름이 잘 갖추어진 실리콘 도트로 성장한다. 이상에 의하여 기체 위에 결정방위와 입자지름 크기가 갖추어진 실리콘 도트를 고밀도 또한 균일분포로 형성하는 것이 가능하다.

이상 설명한 실리콘 물체 형성방법에 의한 실리콘 도트의 형성에서는, 실리콘 물체 형성 대상 기체 위에 미소 입자지름의 실리콘 도트, 예를 들면, 입자지름이 20 nm 이하, 더욱 바람직하게는 입자지름이 10 nm 이하의 실리콘 도트를 형성하고자 하는 것이나, 실제로는 극단적으로 작은 입자지름의 실리콘 도트를 형성하는 것은 곤란 하고, 그것에는 한정되지 않으나 입자지름 1 nm 정도 이상의 것이 될 것이다. 예를 들면 3 nm∼15 nm 정도의 것, 더욱 바람직하게는 3 nm∼10 nm 정도의 것을 예시할 수 있다.

이와 같은 실리콘 물체 형성방법에 의한 실리콘 도트의 형성에서는 500℃ 이하의 저온하에서(바꾸어 말하면, 기체온도를 500℃ 이하의 저온으로 하여), 조건에 따라서는 400℃ 이하의 저온하에서(바꾸어 말하면 조건에 따라서는 기체온도를 400℃ 이하로 하여), 기체 위에 실리콘 도트를 형성할 수 있기 때문에, 기체 재료의 선택범위가 그만큼 넓어진다. 예를 들면 내열온도 500℃ 이하의 저렴한 저융점 유리 기판에의 실리콘 도트 형성이 가능해진다.

이와 같이 저온하에서 실리콘 도트를 형성할 수 있으나, 실리콘 물체 형성 대상 기체온도가 너무 낮으면 실리콘의 결정화가 곤란해지기 때문에, 다른 여러가지 조건에도 의하나, 대략 200℃ 이상의 온도에서(바꾸어 말하면, 기체온도를 대략 200℃ 이상으로 하여) 실리콘 도트를 형성하는 것이 바람직하다.

상기 어느 것의 실리콘 도트 형성에서도, 스퍼터링용 플라즈마형성시의 제 1실 및 제 2실의 내압(바꾸어 말하면 실리콘 도트 형성시의 제 1, 제 2실의 내압)으로 서는 0.1 Pa∼10.0 Pa 정도를 예시할 수 있다.

0.1 Pa보다 낮아지면 결정립(도트)의 성장이 시간이 지연되어 요구되는 도트입자지름을 얻는 데 시간이 걸린다. 더 낮아지면 결정립이 성장하지 않게 된다. 10.0 Pa보다 높아지면 결정립(도트)이 성장하기 어렵게 되어, 기체 위에는 아몰퍼스 실리콘이 많이 생기게 된다.

실리콘 스퍼터 타깃으로서 미리 준비된 예를 들면 시판의 실리콘 스퍼터 타깃을 이용하는 실리콘 물체 형성방법과 같이, 실리콘 스퍼터링 타깃을 제 2실내에 뒤에 부착하여 배치하는 경우, 상기 타깃의 상기 제 2실내에서의 배치로서는 이것이 스퍼터링용 플라즈마에 의하여 케미컬 스퍼터링되는 배치이면 좋으나, 예를 들면, 제 2실내 벽면의 전부 또는 일부를 따라 배치하는 경우를 들 수 있다. 제 2실내에 독립하여 배치하여도 좋다. 제 2실의 내벽을 따라 배치되는 것과, 독립적으로 배치되는 것을 병용하여도 좋다.

이 점은 뒤에서 설명하는 결정성 실리콘 박막의 경우도 마찬가지이다.

제 2실의 내벽에 실리콘막을 형성하여 이것을 실리콘 스퍼터 타깃으로 하기도 하고, 실리콘 스퍼터 타깃을 제 2실의 내벽면을 따라 배치하면, 제 2실을 가열함으로써 실리콘 스퍼터 타깃을 가열할 수 있고, 타깃을 가열하면 타깃이 실온인 경우보다 스퍼터되기 쉬워져 그만큼 고밀도로 실리콘 도트를 형성하기 쉬워진다. 제 2실을 예를 들면 밴드히터, 가열재킷 등으로 가열하여 실리콘 스퍼터 타깃을 80 ℃ 이상으로 가열하는 예를 들 수 있다. 가열온도의 상한에 대해서는 경제적 관점 등으로부터 대략 300℃ 정도를 예시할 수 있다. O 링 등을 사용하고 있는 경우는 그것들의 내열성에 따라 300℃보다 낮은 온도로 하지 않으면 안되는 것도 있다.

결정성 실리콘 박막을 형성할 때에도 마찬가지로 실리콘 스퍼터 타깃을 가열하여도 좋다.

(1-2) 결정성 실리콘 박막을 형성하는 경우

본 발명에 관한 실리콘 물체 형성방법에 의하여 결정성 실리콘 박막을 형성하는 경우, 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마는, 플라즈마발광에서의 파장 656 nm 에서의 수소원자 라디칼의 발광 스펙트럼 강도(Hα)와 파장 414 nm 에서의 실란 라디칼의 발광 스펙트럼 강도(SiH^*)와의 비(Hα/SiH^*)가 0.3∼1.3의 플라즈마로 하는 것이 바람직하다.

실리콘 스퍼터 타깃을 Hα/SiH^*가 0.3∼1.3인 플라즈마로 케미컬 스퍼터링(반응성 스퍼터링)하고, 이에 의하여 스퍼터링된 원자와 수소 플라즈마에 의한 여기효과및 피성막 물품의 퇴적막 표면과 수소 라디칼의 반응 등에 의하여 피성막 물품 위에 막을 퇴적형성하면 결정성을 나타내고 표면 조도가 작은 양질의 결정성 실리콘막이 형성된다.

또한 비교적 저온하에 막 형성할 수 있고, 예를 들면 내열온도 500℃ 이하의 저렴한 저융점 유리 기판에의 결정성 실리콘 박막의 형성도 가능하고, 그만큼 저렴하게 기체 위에 결정성 실리콘 박막을 형성할 수 있다.

여기서 SiH^*는, 제 2실내에 도입되는 수소가스가 스퍼터링용 플라즈마생성장치에 의하여 플라즈마화되어 생성되는 수소가스 플라즈마에 의한 실리콘 스퍼터 타깃의 스퍼터링에 의하여 발생하여 플라즈마 중에 존재하는 실란 라디칼의 발광 스펙트럼 강도(파장414 nm)이고, Hα는 플라즈마발광 분광에 의하여 파장 656 nm에 피크를 나타내는 수소원자 라디칼의 발광 스펙트럼 강도이다.

Hα/SiH^*는 플라즈마 중의 수소 라디칼이 풍부함을 나타내고 있고, 이 값이 0.3보다 작아지면 형성되는 막의 결정성이 저하하고, 1.3보다 커지면 오히려 막 형성이 곤란해진다.

Hα/SiH^*의 값은 각종 라디칼의 발광 스펙트럼을 플라즈마발광 분광 계측장치에 의하여 측정하고, 그 측정결과에 의거하여 얻을 수 있다. 또 Hα/SiH^*의 제어는, 스퍼터링용 플라즈마생성장치[예를 들면, 그것에 의하여 수소가스에 인가되는 전력(예를 들면 주파수나 전력의 크기)], 결정성 실리콘 박막 형성시의 제 1 및 제 2실내의 가스압, 제 2실내에 도입하는 수소가스의 양 등의 제어에 의하여 행할 수 있다.

결정성 실리콘 박막의 형성에서는 케미컬 스퍼터링용 플라즈마의 포텐셜은 15 eV∼45 eV 정도인 것이 바람직하고, 전자밀도는 10¹⁰개/cm³∼10¹²개/cm³정도인 것이 바람직하다. 또 제 1 및 제 2실내의 압력(성막압력)은, 0.6 Pa∼13.4 Pa(약 5 mTorr∼약 100 mTorr)정도인 것이 바람직하다.

결정성 실리콘 박막 형성에서의 플라즈마 포텐셜이 15 ev보다 낮아지면 결정성이 저하하고, 45 eV보다 높아져도 결정화가 저해되기 쉬워진다.

또, 플라즈마 중의 전자밀도가 10¹⁰개/cm³보다 작아지면 결정화도가 저하하기도 하고, 막 형성 속도가 저하하기도 하고, 10¹²개/cm³보다 커지면 막 및 피성막 기체가 손상을 받기 쉬워진다.

결정성 실리콘 박막 형성에서의 실내 압력이 0.6 Pa (약 5 mTorr)보다 낮아지면 막 형성 속도가 저하한다. 13.4 Pa(약 100 mTorr)보다 높아지면 플라즈마가 불안정하게 되기도 하고, 막의 결정성이 저하하기도 한다.

이와 같은 플라즈마 포텐셜이나 플라즈마의 전자밀도는, 스퍼터링용 플라즈마생성장치 [예를 들면, 그것에 의한 수소가스에의 인가전력(전력의 크기 및(또는) 주파수 등], 성막압 등중 적어도 하나를 제어함으로써 조정할 수 있다.

(1-3) 스퍼터링용 플라즈마생성장치

상기 스퍼터링용 플라즈마생성장치로서는, 상기 제 2실에 도입되는 케미컬 스퍼터링용 플라즈마생성을 위한 수소가스에 플라즈마화용 전력을 인가하기 위한 방전방식으로서, 고주파방전, 마이크로파방전(전자 사이클로트론공명방전), 직류방전, 펄스방전, 홀로 캐소드방전 등의 방전방식을 사용하는 플라즈마생성장치를 예시할 수 있다.

고주파 방전방식을 채용하는 플라즈마생성장치를 예로 들면, 제 2실내에 도입되는 수소가스에의 고주파 전력의 인가는, 전극을 사용하여 행한다. 그 경우, 유도결합형 전극, 용량 결합형 전극의 어느 것이나 채용할 수 있다. 유도 결합형 플라즈마를 발생시키기 위하여 유도 결합형 전극(고주파 안테나)를 채용할 때, 그것은 제 2실내에 배치할 수도, 제 2실외에 배치할 수도 있다.

유도 결합형 전극(고주파 안테나)을 채용하면, 용량 결합형 전극을 채용하는 경우보다 고밀도로 균일한 플라즈마를 얻기 쉽다. 또 유도 결합형 안테나는 실외부에 배치하는 것보다 내부에 배치하는 쪽이 투입되는 고주파 전력의 이용 효율이 향상된다.

제 2실내에 배치하는 전극에 대해서는 실리콘을 포함하는 전기 절연성막, 알루미늄을 포함하는 전기 절연성막과 같은 전기 절연물(예를 들면 실리콘막, 질화실리콘막, 산화실리콘막, 알루미나막, 석영 유리 등)로 피복하여, 고밀도 플라즈마의 유지, 자기 바이어스에 의한 전극 표면의 스퍼터링에 의한 실리콘 물체(실리콘 도트나 결정성실리콘막)에의 불순물의 혼입억제 등을 도모하여도 좋다.

제 2실에 대하여 고주파 방전 전극으로부터의 방전을 유도 결합방식으로 행하는 경우, 제 2실 내부는 수소 라디칼 및 수소 이온이 풍부한 상태가 된다.

본 발명자는 유도 결합방식에 의하여 수소가스를 플라즈마화하고, 플라즈마발광 분광함으로써 상기 플라즈마에서 Hα(656 nm) 및 Hβ(486 nm)가 지배적이 되는 것을 관측하고 있다. Hα나 Hβ가 풍부한 것은 수소 라디칼 농도가 높은 것을 의미하고 있다. 이 점은, Hα이나 Hβ가 부족되는 용량 결합방식에 의한 플라즈마생성의 경우와 크게 다르다.

유도 결합방식에 의한 고주파 전력인가에 의하여 형성된 플라즈마의 포텐셜 은 조건에도 의하나, 예를 들면 약 20 eV 정도이고, 어쨌든 아주 낮기 때문에, 통상의 물리적인 스퍼터링은 일어나기 어렵다. 그러나 본 발명자는 플라즈마발광 분광에 의하여 Si(288 nm)의 존재를 관측하고 있다. 이것은 실리콘 스퍼터 타깃 표면에서의 수소 라디칼 및 수소이온에 의한 케미컬 스퍼터링(반응성 스퍼터링)에 의한 것이다.

어쨌든 플라즈마형성을 위한 고주파 전력의 주파수로서는, 비교적 저렴하게 되는 13 MHz 정도에서 100 MHz 정도의 범위의 것을 예시할 수 있다. 100 MHz보다 고주파수가 되면 전원 비용이 높아져, 고주파 전력 인가시의 매칭이 취하기 어렵게 된다.

(1-4) 실리콘막 형성용 플라즈마생성장치

상기 실리콘막 형성용 플라즈마생성장치에 대해서도 상기 제 2실에 도입되는 실리콘막 형성을 위한 수소가스 및 실란계 가스에 플라즈마화용 전력을 인가하기 위한 방전방식으로서, 고주파방전, 마이크로파방전(전자 사이클로트론공명방전), 직류방전, 펄스방전, 홀로 캐소드방전 등의 방전방식을 사용하는 플라즈마생성장치를 예시할 수 있다.

[2] 실리콘 물체 형성장치

이상, 실리콘 물체 형성방법에 대하여 설명하여 왔으나, 본 발명은 다음의 제1, 제 2 실리콘 물체 형성장치도 제공한다.

(1) 제 1 실리콘 물체 형성장치

실리콘 물체 형성 대상 기체를 지지하는 기체 홀더를 가지는 제 1실과,

상기 제 1실에 연통 형성된 제 2실과,

상기 제 1실 및 제 2실로부터 배기하는 배기장치와,

상기 제 2실에 설치되는 실리콘 스퍼터 타깃과,

상기 제 2실에 수소가스를 공급하는 수소가스공급장치와,

상기 수소가스공급장치로부터 상기 제 2실에 공급되는 수소가스로부터 케미컬 스퍼터링용 플라즈마를 생성시키는 스퍼터링용 플라즈마생성장치를 구비하고,

상기 제 2실에서 생성시키는 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마에 의한 상기 실리콘 스퍼터 타깃의 케미컬 스퍼터링에 의하여 형성되어 상기 제 1실에 도래하는 실리콘 물체 형성 기여 입자에 의하여 상기 기체 홀더에 지지되는 상기 실리콘 물체 형성 대상 기체 위에 실리콘 물체를 형성할 수 있는 실리콘 물체 형성장치.

(2) 제 2 실리콘 물체 형성장치

상기제 1실에 연통 형성된 제 2실과,

상기 제 1실 및 제 2실로부터 배기하는 배기장치와,

상기 제 2실에 수소가스를 공급하는 수소가스공급장치와,

상기 제 2실에 실란계 가스를 공급하는 실란계 가스공급장치와,

상기 제 2실에 상기수소가스공급장치로부터 공급되는 수소가스 및 상기 실란계 가스공급장치로부터 공급되는 실란계 가스로부터 상기 제 2실의 내벽에 실리콘막을 형성하기 위한 플라즈마를 생성시키는 실리콘막 형성용 플라즈마생성장치와,

상기 제 2실내벽에의 실리콘막 형성 후에 상기 수소가스공급장치로부터 상기 제 2실에 공급되는 수소가스로부터 케미컬 스퍼터링용 플라즈마를 생성시키는 스퍼터링용 플라즈마생성장치를 구비하고,

상기 제 2실의 내벽에 형성되는 상기 실리콘막을 실리콘 스퍼터 타깃으로 하여 상기 타깃을 상기 제 2실에 생성되는 케미컬 스퍼터링용 플라즈마로 케미컬 스퍼터링시키고, 상기 케미컬 스퍼터링에 의하여 형성되어 상기 제 1실에 도래하는 실리콘 물체 형성 기여 입자에 의하여 상기 기체 홀더에 지지되는 상기 실리콘 물체 형성 대상 기체 위에 실리콘 물체를 형성할 수 있는 실리콘 물체 형성장치.

이와 같은 스퍼터링용 플라즈마생성장치로서는, 상기 제 2실에 도입되는 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마생성을 위한 수소가스에 플라즈마화용 전력을 인가하기 위한 방전방식으로서, 고주파방전, 마이크로파방전(전자 사이클로트론공명방전), 직류방전, 펄스방전, 홀로 캐소드방전 등의 방전방식을 사용하는 플라즈마생성장치를 예시할 수 있다.

실리콘막 형성용 플라즈마생성장치에 대해서도 상기 제 2실에 도입되는 상기실리콘막 형성용의 수소가스 및 실란계 가스에 플라즈마화용 전력을 인가하기 위한 방전방식으로서, 고주파방전, 마이크로파방전(전자 사이클로트론공명방전), 직류방전, 펄스방전, 홀로 캐소드방전 등의 방전방식을 사용하는 플라즈마생성장치를 예시할 수 있다.

제 2 실리콘 물체 형성장치에서의 실리콘막 형성용 플라즈마생성장치와 스퍼터링용 플라즈마생성장치는, 서로 일부 또는 전부가 공통이어도 좋다.

어느 것의 실리콘 물체 형성장치에서도, 수소가스공급장치로부터 공급되는 수소가스는 예를 들면 희석가스가 혼합된 것이어도 좋다.

어느 것의 실리콘 물체 형성장치에 의해서도 저온에서(예를 들면 500℃ 이하의 저온에서) 실리콘 물체 형성 대상 기체 위에 실리콘 물체를 형성할 수 있다.

예를 들면 실리콘 물체로서 기체 위에 직접, 입자지름이 갖추어진 결정성의 실리콘 도트(「실리콘 도트의 군집으로 이루어지는 막」, 바꾸어 말하면 「막형상으로 군집된 실리콘 도트」인 경우도 포함한다]를 균일한 밀도분포로 형성하는 것이 가능하다. 결정성 실리콘 박막을 형성하는 것도 가능하다.

제 1, 제 2 어느 쪽의 실리콘 물체 형성장치에서도 실리콘 도트를 형성하는 것에서는 상기 제 2실내에서의 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마의 플라즈마발광에서의 파장 288 nm에서의 실리콘원자의 발광강도(Si)(288 nm)와 파장 484 nm에서의 수소원자의 발광강도(Hβ)와의 비[Si(288 nm)/Hβ]를 구하는 플라즈마발광 분광 계측장치를 포함하고 있어도 좋다.

이 경우, 상기 분광 계측장치로 구해지는 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]와 10.0 이하의 범위로부터 정한 기준발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]를 비교하여 상기 제 2실내의 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마에서의 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]가 상기 기준 발광 강도비를 보이도록 상기 스퍼터링용 플라즈마생성장치[예를 들면 이것에 의하여 수소가스에 인가되는 플라즈마화용 전력(전력의 크기 및(또는)주파수 등)], 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마생성을 위한, 상기 수소가스공급장치로부터 상기 제 2실내에 공급되는 수소가스의 공급량 및 상기 배기장치에 의한 배기량 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 더 가지고 있어도 좋다.

기준 발광 강도비는 3.0 이하, 또는 0.5 이하의 범위에서 정하여도 좋다.

이와 같은 플라즈마발광 분광 계측장치의 예로서, 플라즈마발광에서의 파장288 nm 에서의 실리콘원자의 발광강도(Si)(288 nm)를 검출하는 제 1검출부와, 플라즈마발광에서의 파장 484 nm에서의 수소원자의 발광강도(Hβ)를 검출하는 제 2검출부와, 상기 제 1검출부에서 검출되는 발광강도(Si)(288 nm)와 상기 제 2검출부에서 검출되는 발광강도(Hβ)와의 비[Si(288 nm)/Hβ]를 구하는 연산부를 구비하고 있는 것을 들 수 있다.

제 1, 제 2 어느 것의 실리콘 물체 형성장치에서도, 결정성 실리콘 박막을 형성하는 것에서는 상기 제 2실내에서의 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마의 플라즈마발광에서의 파장 656 nm에서의 수소원자 라디칼의 발광 스펙트럼 강도(Hα)와 파장414 nm 에서의 실란 라디칼의 발광 스펙트럼 강도(SiH^*)와의 발광 강도비(Hα/SiH^*)를 구하는 플라즈마발광 분광 계측장치를 더 포함하고 있어도 좋다.

이 경우, 상기 발광 분광 계측장치로 구해지는 발광 강도비(Hα/SiH^*)와 0.3이상 1.3 이하의 범위로부터 정해진 기준값을 비교하여, 상기 제 2실내에서의 케미컬 스퍼터링용 플라즈마에서의 발광 강도비(Hα/SiH^*)가 상기 기준값을 보이도록 상기 스퍼터링용 플라즈마생성장치[예를 들면 이에 의하여 수소가스에 인가되는 플라즈마화용 전력(전력의 크기 및(또는)주파수 등)], 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마생성을 위한, 상기 수소가스공급장치로부터 상기 제 2실내에 공급되는 수소가스 의 공급량 및 상기 배기장치에 의한 배기량 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 더 가지고 있어도 좋다.

이와 같은 플라즈마발광 분광 계측장치의 예로서, 플라즈마발광에서의 파장656 nm에서의 수소원자 라디칼의 발광 스펙트럼 강도(Hα)를 검출하는 제 1 검출부와, 플라즈마발광에서의 파장 414 nm에서의 실란 라디칼의 발광 스펙트럼 강도(SiH^*)를 검출하는 제 2검출부와, 상기 제 1검출부에서 검출되는 발광 스펙트럼 강도(Hα)와 상기 제 2검출부에서 검출되는 발광 스펙트럼 강도(SiH^*)와의 비(Hα/SiH^*)를 구하는 연산부를 구비하고 있는 것을 들 수 있다.

본 발명에 관한 실리콘 물체 형성방법 및 장치에서는, 실리콘 물체 형성 대상 기체를 배치하는 제 1실에 대하여, 실리콘 스퍼터 타깃을 배치하고, 이것을 케미컬 스퍼터링하기 위한 제 2실을 채용하고 있기 때문에, 제 1실의 형상 등에 좌우되는 일없이 실리콘 스퍼터 타깃을 선택할 수 있는 폭이 넓어진다. 예를 들면, 제 1실의 형상에 좌우되지 않는 단순형상의 실리콘 스퍼터 타깃의 채용이 가능하게 된다. 이와 같이 실리콘 스퍼터 타깃에 대하여 그 형상 등의 선택의 자유도가 커진다.

또, 실리콘 물체를 형성하기 위한 제 1실에 좌우되지 않고 실리콘 스퍼터 타깃을 케미컬 스퍼터링시키기 위한 제 2실을 포함하는 부분의 구조 등(예를 들면 플라즈마생성을 위한 방전방식과 그것을 위한 구조)에 대하여 선택할 수 있는 폭이 넓어짐과 동시에, 이들 부분의 메인티넌스도 용이해진다.

이하 도면을 참조하여 실리콘 물체 형성장치의 예와 그것에 의한 실리콘 물체형성방법 등에 대하여 설명한다.

[1] 실리콘 물체 형성장치(장치 A)와 장치 A에 의한 실리콘 도트 형성

<실리콘 물체 형성장치(장치 A)에 대하여>

도 1은 실리콘 물체 형성장치의 일례의 개략 구성을 나타내고 있다.

도 1에 나타내는 장치 A는, 판형상의 실리콘 물체 형성 대상 기체(S)에 실리콘 도트를 형성하는 것으로, 제 1실(1) 및 제 1실에 좌우 한 쌍으로 연통 형성된 제 2실(2)을 포함하고 있다. 실(1)과 각 실(2) 사이의 개구는 필요에 따라, 또는 그렇게 한 쪽이 바람직한 경우에 개폐 가능한 셔터(11)로 폐쇄할 수 있다. 제 1실(1) 내에는 기판 홀더(3)가 설치되어 있다. 홀더(3)에는 상기 홀더 위에 설치되는 기판(S)을 가열하는 히터(31)를 가지고 있다. 또 제 1실(1)에는 배기장치(EX)가 접속되어 있다.

각 제 2실(2)은 제 1실(1)을 향하여 개구되어 있다. 각 제 2실(2) 내에는 상하에 설치된 방전용 전극(41, 42)이 있고, 한쪽의 전극(41)은 매칭박스(43)를 거쳐 방전용 고주파 전원(44)에 접속되어 있다. 다른쪽의 전극(42)은 접지전극이다. 전극(41, 42)은 절연성부재(21)를 거쳐 실벽에 유지되어 있다.

각 제 2실(2)은 그것들에 공통한 수소가스공급장치(5)에 접속되어 있다.

상기한 전극(41, 42), 매칭박스(43), 전원(44) 등은 수소가스공급장치(5)로부터 공급되는 수소가스에 고주파 전력을 인가하여 상기 가스를 플라즈마화시키는 플라즈마생성장치(4)를 구성하고 있다.

또, 각 제 2실(2) 내에는 실리콘 스퍼터 타깃(T1)이 설치되어 있다. 실리콘 스퍼터 타깃(T1)은, 본 예에서는 전극(41, 42)의 각각의 표면에 부착되어 있다. 또한 실리콘 스퍼터 타깃(T1)의 배치위치는 이것에 한정되는 것이 아니다. 뒤에서 설명하는 상기 타깃의 케미컬 스퍼터링이 가능한 위치이면 좋다.

또한 한쪽의 제 2실(2)에는 제 2실내에 형성되는 플라즈마의 상태를 계측하기 위한 플라즈마발광 분광 계측장치(6)도 부설되어 있다.

실리콘 스퍼터 타깃은 형성하고자 하는 실리콘 도트의 용도 등에 따라 예를 들면 시장에서 입수 가능한 다음 (1)∼(3)에 기재한 실리콘 스퍼터 타깃으로부터 선택한 것을 채용할 수 있다.

(1) 단결정 실리콘으로 이루어지는 타깃, 다결정 실리콘으로 이루어지는 타깃, 미세 결정 실리콘으로 이루어지는 타깃, 아몰퍼스 실리콘으로 이루어지는 타깃, 이것들의 2 이상의 조합으로 이루어지는 타깃 중 어느 하나의 타깃,

(2) 상기 (1)에 기재된 어느 하나의 타깃으로서, 인(P), 붕소(B) 및 게르마늄(Ge)의 각각의 함유량이 어느 것이나 10 ppm 미만으로 억제된 실리콘 스퍼터 타깃,

(3) 상기 (1)에 기재된 어느 하나의 타깃으로서, 소정의 비저항을 나타내는 실리콘 스퍼터 타깃(예를 들면 비저항이 0.001Ω·cm∼50Ω·cm인 실리콘 스퍼터 타깃).

상기 플라즈마생성장치(4)에서의 각 고주파 전원(44)은, 출력 가변의 전원이고, 예를 들면 주파수 60 MHz의 고주파 전력을 공급할 수 있다. 또한 주파수는 60 MHz에 한정하지 않고, 예를 들면 13.56 MHz 정도에서 100 MHz 정도의 범위의 것, 또는 그 이상의 것을 채용할 수도 있다.

제 1 및 제 2 실(1, 2), 기판 홀더(3)는 모두 접지되어 있다.

상기한 수소가스공급장치(5)는 수소가스원 외에, 도시를 생략한 밸브, 유량 조정을 행하는 매스 플로우 컨트롤러 등을 포함하고 있고, 각 제 2실(2)에 실질상 동일한 공급량으로 수소가스를 공급할 수 있다.

배기장치(EX)는 배기펌프 외에, 배기 유량조정을 행하는 컨덕턴스 밸브 등을 포함하고 있다.

분광 계측장치(6)는, 가스분해에 의한 생성물의 발광 분광 스펙트럼을 검출할 수 있는 것으로, 그 검출결과에 의거하여, 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]를 구할 수 있다. 발광 분광 계측장치(6)는 한쪽의(도 1예에서는 좌측의) 제 2실(2)에 대해서만 설치되어 있다. 그러나 수소가스공급장치(5)는 각 실(2)에 동일한 공급량으로 수소가스를 공급하는 것, 각 플라즈마생성장치(4)의 전원(44)은 동일한 전력을 전극(41)에 인가하는 것 등으로부터, 한쪽의 실(2)에서 계측한 플라즈마상태는, 다른쪽 실(2)에서의 플라즈마상태이기도 하다고 간주할 수 있다.

이와 같은 분광 계측장치(6)의 구체예로서, 도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 제 2실(2)내의 플라즈마발광으로부터 파장 288 nm 에서의 실리콘원자의 발광강도(Si) (288 nm)를 검출하는 분광기(61)와, 상기 플라즈마발광으로부터 파장 484 nm 에서의 수소원자의 발광강도(Hβ)를 검출하는 분광기(62)와, 분광기(61, 62)로 검출되는 발광강도(Si)(288 nm)와 발광강도(Hβ)로부터 양자의 비[Si(288 nm)/Hβ] 를 구하는 연산부(63)를 포함하고 있는 것을 들 수 있다. 또한 분광기(61, 62) 대신에 필터부착 광센서를 채용하는 것도 가능하다.

<장치 A에 의한 실리콘 도트 형성>

다음에 실리콘 물체 형성장치 A에 의한 기판(S)에의 실리콘 도트 형성예에 대하여 설명한다.

실리콘 도트 형성은, 실(1, 2)내의 압력을 0.1 Pa∼10.0 Pa의 범위의 것으로 유지하여 행한다. 이들 실내 압력은 도시를 생략하고 있으나, 예를 들면 상기 실(1)또는 실(2)에 접속한 압력센서로 알 수 있다. 실(1, 2)내의 압력은 엄밀하게는 다른 경우가 있으나, 양 실은 연통하고 있기 때문에 예를 들면 제 2실(2)내의 압력을가지고 실(1, 2) 내의 압력이라고 간주하여도 실용상 지장이 없다.

먼저, 실리콘 도트 형성에 앞서, 실(1, 2)로부터 배기장치(EX)로 배기를 개시한다. 배기장치(EX)에서의 컨덕턴스 밸브(도시 생략)는 실(1, 2)내의 상기 실리콘 도트 형성시의 압력 0.1 Pa∼10.OPa를 고려한 배기량으로 조정하여 둔다.

배기장치(EX)의 운전에 의하여 실(1, 2)내 압력이 미리 정하여 둔 압력 또는 그것보다 저하하면 수소가스공급장치(5)로부터 제 2실(2)내에 수소가스의 도입을 개시함과 동시에, 전원(44)으로부터 전극(41)에 고주파 전력을 인가하여 도입한 수소가스를 플라즈마화한다.

이와 같이 하여 발생한 가스 플라즈마로부터, 분광 계측장치(6)에서 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]를 산출하고, 그 값이 0.1 이상 10.0 이하의 범위, 더욱 바람직하게는 0.1 이상 3.0 이하, 또는 0.1 이상 0.5 이하의 범위에서의 미리 정한 값 (기준발광 강도비)을 보이도록 고주파 전력의 크기, 수소가스도입량, 실내 압력 등을 결정한다.

고주파 전력의 크기에 대해서는 전극(41)에 인가하는 고주파 전력의 전력밀도[인가전력(W:와트)/제 2실 용적(L:리터)]가 5 W/L∼100 W/L에, 또는 5 W/L∼50 W/L 정도에 들어가도록 결정하는 것이 바람직하다.

또한 제 1실(1)의 용적은, 제 2실(2)의 용적에 대하여 10배∼100배 정도를 예시할 수 있으나, 더욱 커도 좋다. 경우에 따라서는(예를 들면 방전방식, 제 2실의 수 등에 따라서는), 예를 들면 400배∼500배 정도도 생각할 수 있다.

이와 같이 하여 실리콘 도트 형성조건을 결정한 다음은, 그 조건에 따라 실리콘 도트의 형성을 행한다.

실리콘 도트 형성에서는, 실(1) 내의 기판 홀더(3)에 실리콘 도트 형성 대상 기판(S)을 설치하고, 상기 기판(S)을 홀더(31)로 500℃ 이하의 온도, 예를 들면 400℃로 가열한다. 또 배기장치(EX)의 운전으로 실(1, 2) 내를 실리콘 도트 형성을 위한 압력으로 유지하면서 각 실(2)내에 가스공급장치(5)로부터 수소가스를 도입하고, 전원(44)으로부터 방전전극(41)에 고주파 전력을 인가하여 도입한 수소가스를 플라즈마화한다.

이와 같이 하여 플라즈마발광에서의 파장 288 nm 에서의 실리콘원자의 발광강도(Si)(288 nm)와 파장 484 nm에서의 수소원자의 발광강도(Hβ)와의 비[Si(288 nm)/Hβ]가 0.1 이상 10.0 이하의 범위, 더욱 바람직하게는 0.1 이상 3.0 이하, 또는 0.1 이상 0.5 이하의 범위에서의 기준발광 강도비 또는 실질상 상기 기준발광 강도비의 플라즈마를 발생시킨다. 그리고 상기 플라즈마로 실리콘 스퍼터 타깃(T1)을 케미컬 스퍼터링(반응성 스퍼터링)한다.

이와 같은 실리콘 스퍼터 타깃(T1)의 케미컬 스퍼터링에 의하여 실리콘 여기종(예를 들면 SiH₃등의 수소화 실리콘 여기종) 등의, 실리콘 도트 형성 기여 입자(p)가 발생하고, 이와 같은 실리콘 도트 형성 기여 입자(p)가 실(2)로부터 실(1)로 에 비래한다. 이와 같이 하여 실(1)내에 도래한 실리콘 도트 형성 기여 입자하에서 기판(S) 표면에 결정성을 나타내는 미소 입자지름(예를 들면 입자지름 20 nm 이하)의 실리콘 도트가 형성된다.

<실리콘 스퍼터 타깃의 다른 예>

이상 설명한 실리콘 도트 형성에서는 실리콘 스퍼터 타깃으로서 시장에서 입수할 수 있는 타깃을 실(2)내에 뒤에 부착하여 배치하였다. 그러나 다음의 외기에 노출되지 않는 실리콘 스퍼터 타깃을 채용함으로써 예정되어 있지 않은 불순물 혼입이 한층 억제된 실리콘 도트를 형성하는 것이 가능하다.

즉, 도 3에 나타내는 바와 같이 상기한 장치 A에서, 원래는 제 1실(1)내에 기판(S)을 아직 배치하지 않고[또는, 기판(S)이 배치되어 있을 때는 셔터(11)를 폐쇄하고], 제 2실(2)내에 수소가스공급장치(5)로부터 수소가스를, 실란계 가스공급장치(7)로부터 실란계 가스를 도입하고, 이들 가스에 전원(44)으로부터 고주파 전력을 인가하여 플라즈마화하고, 상기 플라즈마에 의하여 제 2실(2)의 내벽[실(2)의 실벽 그것으로 좋고, 실벽의 안쪽에 설치한 내벽이어도 좋고, 그것들의 조합이어도 좋다]에 실리콘막을 형성하여 이것을 실리콘 스퍼터 타깃으로서 사용하는 것이다.

상기 실란계 가스로서는 모노실란(SiH₄) 외에, 디실란(Si₂H₆), 4불화규소(SiF₄), 4염화규소(SiCl₄), 디크롤실란(SiH₂Cl₂) 등의 가스도 사용할 수 있다.

실란계 가스공급장치(7)는 여기서는 모노실란(SiH₄)가스 등의 실란계 가스를 공급할 수 있는 것으로, SiH₄등의 가스원 외에 도시를 생략한 밸브, 유량조정을 행하는 매스 플로우 컨트롤러 등을 포함하고 있다.

도 3에서는 이와 같이 하여 형성되는 실리콘막의 일부를 타깃(T2)으로 하여 나타내고 있다.

이와 같은 실리콘막 형성에서는 실(2)의 실리콘막 형성 대상 내벽을 외부 히터로 가열하여도 좋다.

이와 같이 하여 실(2) 내에 실리콘 스퍼터 타깃(T2)을 형성한 후, 상기 타깃을 상기한 바와 같이 수소가스 유래의 플라즈마로 케미컬 스퍼터링하여 기판(S) 위에 실리콘 도트를 형성한다.

이와 같은 실리콘 스퍼터 타깃으로서 사용하는 실리콘막의 형성에서도 양질의 실리콘막을 형성하기 위하여 플라즈마에서의 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]를 0.1 이상 10.0 이하의 범위, 더욱 바람직하게는 0.1 이상 3.0 이하, 또는 0.1 이상 0.5 이하의 범위로 유지하여 형성하는 것이 바람직하다.

<발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]제어의 다른 예>

이상 설명한 실리콘 도트 형성에서는, 출력 가변 전원(44)의 출력, 수소가스 공급장치(5)에 의한 수소가스공급량[또는 수소가스공급장치(5)에 의한 수소가스공급량 및 실란계 가스공급장치(7)에 의한 실란계 가스공급량], 배기장치(EX)에 의한 배기량 등의 제어는, 분광 계측장치(6)로 구해지는 발광 강도비를 참조하면서 매뉴얼 조작으로 행하여졌다.

그러나 도 2(b)에 나타내는 바와 같이 분광 계측장치(6)의 연산부(63)에서 구해진 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]를 제어부(6C)에 입력하여도 좋다. 그리고 이와 같은 제어부(6C)로 하여 연산부(63)로부터 입력된 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]가 미리 정한 기준발광 강도비인지의 여부를 판단하여 기준발광 강도비로부터 벗어나 있으면 기준발광 강도비를 향하여 상기한 출력 가변 전원(44)의 출력, 수소가스공급장치(5)에 의한 수소가스공급량[또는 실란계 가스공급장치(7)에 의한 실란계 가스공급량]및 배기장치(EX)에 의한 배기량 중 적어도 하나를 제어할 수 있도록 구성된 것을 채용하여도 좋다.

이와 같은 제어부(6C)의 구체예로서 배기장치(EX)의 컨덕턴스 밸브를 제어함으로써 상기 장치(EX)에 의한 배기량을 제어하고, 그것에 의하여 실내 가스압을 상기기준발광 강도비 달성을 향하여 제어하는 것을 들 수 있다.

이 경우, 출력 가변 전원(4)의 출력, 수소가스공급장치(5)에 의한 수소가스공급량[또는 수소가스공급장치(5)에 의한 수소가스공급량 및 실란계 가스공급장치(6)에의한 실란계 가스공급량] 및 배기장치(EX)에 의한 배기량에 대하여, 기준발광 강도비 또는 그것에 가까운 값이 얻어지는 미리 실험 등으로 구한 전원출력, 수소가스공급량(또는 수소가스공급량 및 실란계 가스공급량) 및 배기량을 초기값으로 서 채용하면 좋다.

이와 같은 초기값 결정에서도, 배기장치(EX)에 의한 배기량은, 실(1, 2) 내의 압력이 0.1 Pa∼10.0 Pa의 범위에 들어가도록 결정한다.

전원(4)의 출력은, 전극(41)에 인가하는 고주파 전력의 전력밀도가 5 W/L∼100 W/L 또는 5 W/L∼50 W/L에 들어가도록 결정한다[L은 실(2)의 용적(리터)].

또한 수소가스 및 실란계 가스의 양쪽을 플라즈마형성을 위한 가스로서 채용하는 경우는, 그들 가스의 실(2)내에의 도입 유량비(실란계 가스유량/수소가스유량)을 1/200∼1/30의 범위의 것으로 결정한다. 예를 들면 실란계 가스의 도입 유량을 1 sccm∼5 sccm으로 하고, [실란계 가스의 도입유량(sccm)/실(2)의 용적(리터)]를 1/200∼1/30의 범위의 것으로 결정한다.

그리고 전원(44)의 출력 및 수소가스공급장치(5)에 의한 수소가스공급량[또는 수소가스공급장치(5)에 의한 수소가스공급량 및 실란계 가스공급장치(7)에 의한 실란계 가스공급량]에 대해서는 그것들의 초기값을 그후에도 유지하여 배기장치(EX)에 의한 배기량을 기준발광 강도비 달성을 향하여 제어부(6C)에 제어시키면 좋다.

<플라즈마생성장치의 다른 예>

이상 설명한 실리콘 물체 형성장치 A에서는, 전극으로서 평판형상의 용량 결합형 전극을 채용하고 있으나, 유도 결합형 전극을 채용할 수도 있다. 유도 결합형 전극의 경우, 그것은 막대형상, 코일형상 등의 각종 형상의 것을 채용할 수 있다. 채용갯수 등에 대해서도 임의이다.

유도 결합형 전극을 채용하는 경우에서 실리콘 스퍼터 타깃을 채용하는 경우, 상기 전극이 실내에 배치되는 경우이든, 실외에 배치되는 경우이든 상기 실리콘 스퍼터 타깃은 실내 벽면의 전부 또는 일부를 따라 배치하거나, 챔버 내에 독립하여 배치하기도 하고, 그것들 양쪽의 배치를 채용하기도 할 수 있다. 또 전극을 실내에 배치하는 경우, 적어도 일부의 실리콘 스퍼터 타깃을 상기 실내 전극에 면하게 하여 배치할 수도 있다.

또, 장치 A에서는 실(2)을 가열하는 수단(밴드히터, 전열매체를 통과시키는 가열재킷 등)의 도시가 생략되어 있으나, 실리콘 스퍼터 타깃의 스퍼터링을 촉진시키기 위하여 이와 같은 가열수단으로 실(2)을 가열함으로써 실리콘 스퍼터 타깃을 80℃ 이상으로 가열하여도 좋다.

<실험예>

다음에 몇가지 실리콘 도트 형성의 실험예에 대하여 설명한다.

(1) 실험예 1

도 1에 나타내는 타입의 실리콘 물체 형성장치를 사용하고, 수소가스와 실리콘 스퍼터 타깃을 사용하여 기판 위에 직접 실리콘 도트를 형성하였다. 도트 형성 조건은 이하와 같았다.

실리콘 스퍼터 타깃 : 단결정 실리콘 스퍼터 타깃

각 실(2)내 타깃 총면적 : 0.08 ㎡

기판 : 산화막(SiO₂)으로 피복된 실리콘 웨이퍼

제 1실 용량 : 200 리터

각 제 2실 용량 : 2 리터

플라즈마생성장치 고주파 전원 : 60 MHz, 80 W

각 제 2실에서의 전력밀도 : 40 W/L

제 1, 제 2의 실내압 : 0.6 Pa

각 제 2실 수소 도입량 : 100 sccm

Si(288 nm)/Hβ : 0.2

플라즈마 전자밀도 : 5 × 10¹⁰/㎤

기판 온도 : 400℃

도트 형성시간 : 40초

이와 같이 하여 도 9에 모식적으로 나타내는 실리콘 도트(SiD)가 형성된 기판 (S)을 얻었다.

이 실리콘 도트(SiD)를 가지는 기판(S)의 단면을 투과 전자현미경(TEM)으로 관측한 바, 각각 독립적으로 형성되고, 또 균일분포이고 고밀도한 상태로 형성된 입자지름이 갖추어진 실리콘 도트를 확인할 수 있었다. TEM 상으로부터 50개의 실리콘 도트의 입자지름을 측정하여, 그 평균값을 구한 바, 5 nm 이고, 20 nm 이하, 다시 말하면 10 nm 이하의 입자지름의 실리콘 도트가 형성되어 있는 것이 확인되었다. 도트밀도는 약 2.0 × 10¹²개/㎠ 이었다.

(2) 실험예 2

도 3에 나타내는 타입의 실리콘 물체 형성장치를 사용하여, 먼저 셔터(11)를 폐쇄하여 제 2실(2)의 내벽에 실리콘막을 형성하고, 이어서 셔터(11)를 개방하여 상기 실리콘막을 스퍼터 타깃으로 하여 실리콘 도트를 형성하였다. 실리콘막 형성조건및 도트 형성조건은 이하와 같았다. 실리콘막 형성조건

각 제 2실의 막 형성 내벽 면적 : 약 0.035 ㎡

각 제 2실 용량 : 0.5 리터

플라즈마생성장치 고주파 전원 : 13.56 MHz, 10 W

각 제 2실 전력밀도 : 20 W/L

각 제 2실내벽 온도 : 200℃

(실 내부에 설치한 도시생략의 히터로 실 가열)

각 제 2실 내압 : 0.67 Pa

각 제 2실 모노실란 도입량 : 100 sccm

각 제 2실 수소도입량 : 150 sccm

Si(288 nm)/Hβ : 2.0

. 도트형성조건

기판 : 산화막(SiO₂)으로 피복된 실리콘 웨이퍼

제 1실 용량 : 200 리터

플라즈마생성장치 고주파 전원 : 13.56 MHz, 25 W

각 제 2실 전력밀도 : 50 W/L

각 제 2실내벽 온도 : 200℃

(실내부에 설치한 도시 생략한 히터로 실 가열)

제 1, 제 2의 실내압 : 0.67 Pa

각 제 2실 수소도입량 : 100 sccm

플라즈마 전자밀도 : 5 × 10¹⁰/㎤

Si(288 nm)/Hβ : 1.5

기판 온도 : 430℃

도트 형성시간 : 40초

이 실리콘 도트(SiD)를 가지는 기판(S)의 단면을 투과 전자현미경(TEM)으로 관측한 바, 각각 독립적으로 형성되고, 또 균일분포이고 고밀도한 상태로 형성된 입자지름이 갖추어진 실리콘 도트를 확인할 수 있었다. 작은 도트에서는 5 nm∼6 nm, 큰 도트에서는 9 nm∼11 nm 이었다. TEM 상으로부터 50개의 실리콘 도트의 입자지름을 측정하여 그 평균값을 구한 바, 8 nm 이고, 10 nm 이하의 입자지름의 실리콘 도트가 실질적으로 형성되어 있는 것이 확인되었다. 도트밀도는 약 7.3 × 10¹¹개/㎠이었다.

(3) 실험예 3

도 3에 나타내는 타입의 실리콘 물체 형성장치를 사용하여 먼저 제 2실내벽 에 실험예 2에서의 실리콘막 형성조건으로 실리콘막을 형성하고, 이어서 상기 실리콘막을 스퍼터 타깃으로 하여 실리콘 도트를 형성하였다. 도트 형성조건은, 제 1, 제 2 실내 압력을 1.34 P a로 하고, Si(288 nm)/Hβ를 2.5로 한 이외는 실험예 2와 동일하게 하였다.

이 실리콘 도트(SiD)를 가지는 기판(S)의 단면을 투과 전자현미경(TEM)로 관측한 바, 각각 독립적으로 형성되고, 또 균일분포이고 고밀도한 상태로 형성된 입자지름이 갖추어진 실리콘 도트를 확인할 수 있었다. TEM 상으로부터 50개의 실리콘 도트의 입자지름을 측정하여 그 평균값을 구한 바, 10 nm 이고, 10 nm 이하의 입자지름의 실리콘 도트가 실질적으로 형성되어 있는 것이 확인되었다. 도트밀도는 약 7.0× 10¹¹개/㎠이었다.

(4) 실험예 4

도 3에 나타내는 타입의 실리콘 물체 형성장치를 사용하여, 먼저 제 2실내벽에 실험예 2에서의 실리콘막 형성조건으로 실리콘막을 형성하고, 이어서 상기 실리콘막을 스퍼터 타깃으로 하여 실리콘 도트를 형성하였다. 도트 형성조건은 챔버내 압력을 2.68 Pa로 하고, Si(288 nm)/Hβ를 4.6으로 한 이외는 실험예 2와 동일하게 하였다.

이와 같이 하여 도 9에 모식적으로 나타내는 실리콘 도트(SiD)가 형성된 기 판(S)을 얻었다.

이 실리콘 도트(SiD)를 가지는 기판(S)의 단면을 투과 전자현미경(TEM)으로 관측한 바, 각각 독립적으로 형성되고, 또 균일분포이고 고밀도한 상태로 형성된 입자지름이 갖추어진 실리콘 도트를 확인할 수 있었다. TEM 상으로부터 50개의 실리콘 도트의 입자지름을 측정하여 그 평균값을 구한 바, 13 nm 이고, 20 nm 이하의 입자지름의 실리콘 도트가 실질적으로 형성되어 있는 것이 확인되었다. 도트밀도는 약 6.5× 10¹¹개/㎠ 이었다.

(5) 실험예 5

도 3에 나타내는 타입의 실리콘 물체 형성장치를 사용하여, 먼저 제 2실내벽에 실험예 2에서의 실리콘막 형성조건으로 실리콘막을 형성하고, 이어서 상기 실리콘막을 스퍼터 타깃으로 하여 실리콘 도트를 형성하였다. 도트 형성조건은 챔버 내 압력을 6.70 Pa로 하고, Si(288 nm)/Hβ를 8.2로 한 이외는 실험예 2와 동일하게 하였다.

이와 같이 하여 도 9에 모식적으로 나타내는 실리콘 도트(SiD)가 형성된 기판(S)을 얻었다.

이 실리콘 도트(SiD)를 가지는 기판(S)의 단면을 투과 전자현미경(TEM)으로 관측한 바, 각각 독립적으로 형성되고, 또 균일분포이고 고밀도한 상태로 형성된 입자지름이 갖추어진 실리콘 도트를 확인할 수 있었다. TEM 상으로부터 50개의 실리콘 도트의 입자지름을 측정하여 그 평균값을 구한 바, 16 nm 이고, 20 nm 이하의 입자지름의 실리콘 도트가 실질적으로 형성되어 있는 것이 확인되었다. 도트밀도는 약 6.1× 10¹¹개/㎠ 이었다.

(6) 실험예 6

도 1에 나타내는 타입의 실리콘 물체 형성장치를 사용하여 실험예 1과 동일하게 하고, 그러나 도트 형성시간을 60초로 길게 하여 실리콘 도트를 형성하였다.

이와 같이 하여 도 10에 모식적으로 나타내는 실리콘 도트(SiD)가 막형상으로 군집하여 형성된 기판(S)을 얻었다.

[2] 실리콘 물체 형성장치의 다른 예(장치 B)와 장치 B에 의한 결정성 실리콘 박막 형성

<실리콘 물체 형성장치 B에 대하여>

도 4는 본 발명에 관한 실리콘 물체 형성장치의 다른 예의 개략 구성을 나타내고 있다.

도 4에 나타내는 장치 B는 판형상의 실리콘 물체 형성 대상 기체(S) 위에 결정성 실리콘 박막을 형성하는 것으로, 도 1에 나타내는 장치 A에서 용량 결합형 플라즈마를 형성하는 플라즈마생성장치(4) 대신에 유도 결합형 플라즈마를 형성하기 위한 플라즈마생성장치(40)를 채용한 것이다.

각 실리콘 스퍼터 타깃은, 백킹플레이트(22) 및 절연성부재(21)를 거쳐 실벽에 유지되어 있다.

플라즈마생성장치(40)는, 실(2) 내에 배치한 고주파 방전 안테나(400)를 포 함하고 있다. 상기 안테나는 석영 유리로 이루어지는 절연재로 피복되어 있고, 상기 안테나의 양쪽 끝부는 실(2)벽에 대하여 절연상태로 실(2)밖까지 나와 있고, 한쪽의 끝부는 매칭박스(403)를 거쳐 방전용 고주파 전원(404)에 접속되어 있다. 다른쪽의 끝부는 접지되어 있다.

전원(404)은 출력 가변 전원이고, 예를 들면 주파수 13.56 MHz의 고주파 전력을 공급할 수 있다. 또한 전원 주파수는 13.56 MHz에 한정되는 것이 아니라, 예를 들면 60 MHz 정도에서 수100 MHz의 범위의 것도 채용할 수 있다.

또, 장치 A에서의 플라즈마발광 분광 계측장치(6) 대신에, 플라즈마의 상태를 계측하기 위한 플라즈마발광 분광 계측장치(60)를 채용하고 있다.

그 밖의 점은, 장치 A와 실질상 동일구조이다. 장치 A와 실질상 동일한 부분, 부품에는 장치 A와 동일한 참조부호를 붙이고 있다.

여기서의 분광 계측장치(60)는 도 5(a)에 나타내는 바와 같이 실(2) 내에 형성되는 플라즈마에서의 실란 라디칼의 발광 스펙트럼 강도(SiH^*)(파장 414 nm)를 검출하는 분광기(601), 수소의 발광 스펙트럼 강도(Hα)(파장 656 nm) 및 Hβ(파장 484 nm)을 검출하는 분광기(602, 604)를 포함하는 것이다. 분광기(601, 602)로 검출된 발광강도(SiH^*) 및 Hα는 연산부(603)에 입력되고, 여기서 발광 강도비(Hα/SiH^*)가 구해진다. 또한 분광기 대신에 필터부착 광센서를 채용하는 것도 가능하다.

<장치 B에 의한 결정성 실리콘 박막의 형성>

다음에, 이상 설명한 장치 B에 의한 기판(S) 위에의 결정성 실리콘막의 형성예에 대하여 설명한다.

이 막 형성에서는 실(1, 2)에서의 성막 가스압을 0.6 Pa∼13.4 Pa의 범위의 것으로 유지하여 행한다.

이들 실내 압력은 도시를 생략하고 있으나, 예를 들면 상기 실(1) 또는 실(2)에 접속한 압력센서로 알 수 있다. 실(1, 2)내의 압력은 엄밀하게는 다른 경우가 있으나, 양 실은 연통되어 있기 때문에, 예를 들면 제 2실(2)내의 압력을 가지고 실(1, 2)내의 압력이라고 간주하여도 실용상 지장이 없다.

먼저, 막 형성에 앞서, 실(1, 2)로부터 배기장치(EX)로부터 배기를 개시한다. 배기장치(EX)에서의 컨덕턴스 밸브(도시생략)는 실(1, 2)내의 상기 막 형성시의 압력0.6 Pa∼13.4 Pa를 고려한 배기량으로 조정하여 둔다.

배기장치(EX)의 운전에 의하여 실(1, 2)내 압력이 미리 정하여 둔 압력 또는 그것보다 저하하면 수소가스공급장치(5)로부터 제 2실(2)내에 수소가스의 도입을 개시함과 동시에 전원(404)으로부터 고주파 안테나(400)에 고주파 전력을 인가하여 도입한 수소가스를 플라즈마화한다.

이와 같이 하여 발생한 가스 플라즈마로부터의 분광 계측장치(60)에 의한 검출정보로부터 상기 플라즈마에서의 Hα(656 nm) 및 Hβ(484 nm)를 계측한다.

그리고 전극(고주파 안테나)(400)에 인가하는 고주파 전력, 실(2)에의 수소가스도입량, 성막 가스압 등중 적어도 하나를 제어함으로써 플라즈마에서의 Hα(656 nm )및 Hβ(484 nm)의 발광강도가 충분히 커지는 고주파 전력, 수소가스도 입량 등의 조건을 결정한다.

또, 플라즈마에서의 Hα/SiH^*가 0.3∼1.3 이 되고, 플라즈마의 포텐셜이 15 eV∼45 eV가 되며, 플라즈마에서의 전자밀도가 10¹⁰개/㎤∼10¹²개/㎤가 되는 고주파 전력, 수소가스도입량 등의 조건을 결정한다.

이들을 감안하여 최종적인 고주파 전력, 수소가스도입량, 성막 가스압 등의 조건을 결정한다.

플라즈마 포텐셜, 전자밀도는, 예를 들면 실(2)내에 삽입한 랭뮤어 프로브를 사용하여 랭뮤어 프로브법에 의하여 확인하면 좋다.

이와 같이 하여 성막조건을 결정한 다음은, 상기 조건에 따라 막 형성을 행한다.

막 형성에서는 홀더(3)로 지지하는 기판(S)의 온도를 500℃ 이하의 비교적 저온, 예를 들면 400℃ 정도로 가열할 수 있도록 히터(31)를 설정하고, 상기 홀더(3)에 기판(S)을 탑재한다. 이어서 배기장치(EX)로부터 실(1, 2)내를 배기하고, 계속해서 수소가스공급장치(5)로부터 실(2)내로 소정량의 수소가스를 도입함과 동시에 안테나(400)에 전원(404)으로부터 고주파 전력을 인가함으로써 안테나(400)로부터의 방전을 유도 결합방식으로 행하게 하고, 이에 의하여 플라즈마를 발생시킨다.

그렇게 하면 실리콘 스퍼터 타깃(T1)을 플라즈마가 케미컬 스퍼터링(반응성 스퍼터링)하고, 그것에 의하여 실리콘 여기종(예를 들면 SiH₃등의 수소화 실리콘 여기종) 등의 결정성 실리콘 박막 형성 기여입자(p)가 발생하고, 이와 같은 입자가 실(2)로부터 실(1)로 비래한다. 이와 같이 하여 실(1)내에 도래한 결정성 실리콘 박막 형성 기여입자(p)하에서, 기판(S) 표면에 실리콘 박막이 형성된다.

이 막은, 결정성을 나타내는 실리콘 박막이다.

기판 온도는 너무 낮으면 실리콘의 결정화가 곤란해지기 때문에, 다른 조건에도 의하나 대략 200℃ 이상이 바람직하다.

<실리콘 스퍼터 타깃의 다른 예>

이상 설명한 결정성 실리콘 박막의 형성에서는, 실리콘 스퍼터 타깃으로서, 시장에서 입수할 수 있는 타깃을 실(2)내에 뒤에 부착하여 배치하였다. 그러나 실리콘 도트 형성에서 설명한 바와 같이, 막 형성에 앞서 실(2)내에 수소가스와 실란계 가스를 도입하여 이것을 플라즈마화하고, 상기 플라즈마하에서 실(2)의 내벽에 실리콘막을 형성하여 이것을 실리콘 스퍼터 타깃으로서 이용하여도 좋다.

또, 실리콘 스퍼터 타깃의 케미컬 스퍼터링에서는 실(2)벽을 가열하는 등으로하여 실리콘 스퍼터 타깃을 가열하여도 좋다.

<발광 강도비(Hα/SiH^*)제어의 다른 예>

이상 설명한 실리콘 박막 형성에서는, 출력 가변 전원(404)의 출력, 수소가스공급장치(5)에 의한 수소가스공급량, 배기장치(EX)에 의한 배기량 등의 제어는 메뉴얼적으로 이루어졌다.

그러나, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이 플라즈마발광 분광 계측장치(60)의 연산부(603)에서 구해진 발광 강도비(Hα/SiH^*)를 제어부(60C)에 입력하여도 좋다. 그리고 이와 같은 제어부(60C)로 하여 연산부(603)로부터 입력된 발광 강도비(Hα/SiH^*)가 미리 정한 기준발광 강도비(기준값)인지의 여부를 판단하여, 기준발광 강도비로부터 벗어나 있으면, 기준발광 강도비를 향하여, 상기한 출력 가변 전원(404)의 출력, 수소가스공급장치(5)에 의한 수소가스공급량 및 배기장치(EX)에 의한 배기량 중 적어도 하나를 제어할 수 있도록 구성된 것을 채용하여도 좋다.

이와 같은 제어부(60C)의 구체예로서, 배기장치(EX)의 컨덕턴스 밸브를 제어 함으로써 상기 장치(EX)에 의한 배기량을 제어하고, 그것에 의하여 실(1, 2)의 내압을 상기 기준발광 강도비 달성을 향하여 제어하는 것을 들 수 있다.

이 경우, 출력 가변 전원(404)의 출력, 수소가스공급장치(5)에 의한 수소가스공급량 및 배기장치(EX)에 의한 배기량 등에 대하여 기준발광 강도비 또는 그것에 가까운 값이 얻어지는 미리 실험 등으로 구한 전원출력, 수소가스공급량 및 배기량 등을 초기값으로서 채용하면 좋다.

이와 같은 초기값 결정에서도, 배기장치(EX)에 의한 배기량은, 실(1, 2)의 내압이 0.6 Pa∼13.4 Pa의 범위에 들어가도록 결정한다. 또 플라즈마의 포텐셜이 15 eV∼45 eV의 범위에, 플라즈마에서의 전자밀도가 10¹⁰개/㎤∼10¹²개/㎤의 범위에 들어가도록 결정한다.

그리고 전원(404)의 출력, 수소가스공급장치(5)에 의한 수소가스공급량에 대해서는 그것들의 초기값을 그후에도 유지하여 배기장치(EX)에 의한 배기량을, 기준 발광 강도비 달성을 향하여 제어부(60C)에 제어시키면 좋다.

<실험예>

다음에 결정성 실리콘 박막 형성의 실험예에 대하여 설명한다.

조건 등은 이하와 같았다.

실리콘 스퍼터 타깃 : 단결정 실리콘 스퍼터 타깃

각 실(2)내 타깃 총면적 : 0.48 ㎡

기판 : 무알칼리 유리 기판

제 1실 용량 : 200 리터

각 제 2실 용량 : 2 리터

플라즈마생성장치 고주파 전원 : 13.56 MHz, 100 W

제 1, 제 2의 실내압 : 13 Pa

각 제 2실 수소도입량 : 100 sccm

Hα/SiH^* : 1.0

플라즈마 전자밀도 : 10¹¹cm^-3

플라즈마 포텐셜 : 30 eV

기판 온도 : 400℃

막두께 : 약 500Å

이와 같이 하여 도 11에 모식적으로 나타내는 유리 기판(S) 위의 박막(F)이 얻어졌다. 이 박막의 결정성을 레이저 라만 분광분석에 의하여 평가한 바, 라만 이동 520 cm^-1의 결정성을 나타내는 피크가 출현하여 결정성이 확인되었다.

[3] 실리콘 물체 형성장치의 또 다른 예(도 6의 장치 C, 도 7의 장치 D, 도 8의 장치 E)

< 도 6의 장치 C >

도 6에 나타내는 실리콘 물체 형성장치 C는, 실리콘 물체 형성 대상 기체(S)를 지지하는 기체 홀더(3)를 설치한 제 1실(1) 및 제 1실에 연통 형성된 제 2실(20)을 포함하고 있다. 실(1)과 실(20) 사이의 개구는, 필요에 따라 또는 그렇게 한 쪽이 바람직한 경우에, 도시생략한 개폐 가능한 셔터로 폐쇄할 수 있다. 기판 홀더(3)는 상기 홀더 위에 설치되는 기판(S)을 가열하는 히터(31)를 가지고 있다. 또 제 1실(1)에는 배기장치(EX)가 접속되어 있다.

실(20)은 제 1실(1)을 향하여 개구되어 있다. 실(20)에는 수소가스공급장치(5)[또는 실란계 가스공급장치(7)]가 접속되어 있다. 실(20)내에는 절연성부재(202)를 거쳐 실벽에 실리콘 스퍼터 타깃(T3)이 설치되어 있다. 실리콘 스퍼터 타깃(T3)은 미리 준비된 예를 들면 시판의 타깃을 뒤에 부착한 것, 또는 가스공급장치(5, 7)로부터 공급되는 수소가스 및 실란계 가스를 뒤에서 설명하는 플라즈마생성장치(8)로 플라즈마화하여 상기 플라즈마하에서 형성되는 실리콘막이다.

플라즈마생성장치(8)는, 도시 생략한 마이크로파 발생장치로부터 마이크로파투과창(201)을 거쳐 실(20)내에 조사되는 마이크로파와, 실(20)의 주위에 설치한 마그넷(MG)으로 실(20)내에 전자 사이클로트론공명 방전을 일으켜 실(20)내의 가스 를 플라즈마화하는 것이다.

이 실리콘 물체 형성장치 C에 의하면, 실(20)내에 수소가스공급장치(5)로부터 도입한 수소가스를 플라즈마생성장치(8)로 플라즈마화시키고, 실리콘 스퍼터 타깃(T3)을 케미컬 스퍼터링하여 기판(S) 위에 실리콘 도트 또는 결정성 실리콘막을 형성할 수 있다.

< 도 7의 장치 D >

도 7에 나타내는 실리콘 물체 형성장치 D는, 실리콘 물체 형성 대상 기체(S)를 지지하는 기체 홀더(3)를 설치한 제 1실(1) 및 제 1실내에 설치한 제 2실(200)을 포함하고 있다.

실(1)내의 실(200)의 아래쪽에는 기판 홀더(3)를 설치하고 있고, 홀더(3)는 상기 홀더 위에 설치되는 기판(S)을 가열하는 히터(31)를 가지고 있다. 또 제 1실(1)에는 배기장치(EX)가 접속되어 있다.

제 2실(200)내에는 상하로 대향하는 평행 평판형 전극(91, 92)이 설치되어 있고, 이들은 절연성부재를 거쳐 실벽에 유지되어 있다. 위쪽의 전극(91)에는 매칭박스(43)를 거쳐 고주파 전원(44)이 접속되어 있고, 아래쪽의 전극(92)은 접지되어 있다.

또, 전극(91)에는 실리콘 스퍼터 타깃(T4)이 부착되어 있고, 전극(92)에도 실리콘 스퍼터 타깃(T4')이 부착되어 있다.

제 2실(200)내에는 위쪽의 실벽, 절연성부재, 전극(91) 및 실리콘 스퍼터 타깃(T4)을 관통하는 도관에 의하여 수소가스공급장치(5)로부터 수소가스를 공급할 수 있다. 아래쪽의 실리콘 스퍼터 타깃(T4'), 전극(92), 절연성부재 및 실벽에는 복수의 관통구멍(입자 통과구멍)(200h)이 형성되어 있고, 이에 의하여 실(200)과 실(1)은 서로 연통하고 있다.

장치 D에 의하면, 제 2실(200)내에 가스공급장치(5)로부터 소정량의 수소가스를 도입하여 상기 가스에 전원(44)으로부터 전극(91, 92)에 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시키고, 상기 플라즈마로 실리콘 스퍼터 타깃(T4, T4')을 케미컬 스퍼터링하여 실리콘 물체(실리콘 도트나 결정성 실리콘 박막)형성에 기여하는 입자(p)를 발생시키고, 이것을 관통구멍(200h)로부터 실(1)내로 이행시켜 기체(S) 위에 실리콘 물체를 형성할 수 있다.

<도 8의 장치 E >

도 8에 나타내는 장치 E는, 홀로 캐소드방전 방식을 이용한 장치이고, 도 1에 나타내는 장치 A에서 제 2실(2) 대신에 원통형상의 실(2')(예를 들면 외경 16 mm, 두께 1.5 mm, 길이 200 mm 정도)을 채용한 것이다. 그리고 실(2')의 내벽에 절연부재(21')를 거쳐 원통형 방전 전극(41')을 유지시키고, 또한 상기 전극의 내면에 실리콘 스퍼터 타깃(T1')을 부착하고 전극(41')에 매칭박스(43')를 거쳐 고주파 전원(44')을 접속함과 동시에 실(2')을 접지하여 플라즈마생성장치(4')를 구성한 것이다. 그 밖의 점은 장치 A와 동일하고, 장치 A 에서의 부품 등과 동일한 부품 등에는 장치 A에서의 부호와 동일한 부호를 붙이고 있다.

장치 E에 의하면 각 실(2')내에 가스공급장치(5)로부터 소정량의 수소가스를 도입하여 상기 가스에 전원(44')으로부터 전극(41')에 전력을 인가하여 홀로 캐소 드조건하에 플라즈마를 발생시키고, 상기 플라즈마로 실리콘 스퍼터 타깃(T1')을 케미컬 스퍼터링하여 실리콘 물체(실리콘 도트나 결정성 실리콘 박막)형성에 기여하는 입자(p)를 발생시키고, 이것을 실(1)내로 이행시켜 기체(S) 위에 실리콘 물체를 형성할 수 있다.

이와 같은 실(2') 등은 도시한 바와 같이 실(1)의 좌우 한 쌍뿐만 아니라, 더많이 설치하여도 좋다.

이상 설명한 외에 가스 플라즈마화를 위한 방전방식으로서는 직류방전, 펄스방전 등도 채용 가능하다.

본 발명은 예를 들면 단일 전자장치 등을 위한 전자장치 재료나 발광재료 등으로서 사용되는 실리콘 도트, 즉 미소 크기의 실리콘 도트(소위 실리콘 나노입자) 를 제공하는 것에 이용할 수 있다. 또 결정성 실리콘 박막을 이용한 TFT(박막 트랜지스터) 스위치 등의 각종 반도체부품, 반도체장치 등의 형성을 위하여 상기 결정성 실리콘 박막을 형성하는 경우에 이용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 종래의 실리콘 도트 형성이나 결정성 실리콘 박막 형성과 비교하면, 비교적 저온하에서 실리콘 물체 형성 대상 기체 위에 원하는 실리콘 물체를 형성할 수 있는 방법 및 장치를 제공할 수 있다.

구체적으로는 예를 들면 종래의 실리콘 도트 형성과 비교하면 비교적 저온하에서 기체 위에 직접, 입자지름이 갖추어진 실리콘 도트를 균일한 밀도분포로 형성할 수 있는 방법 및 장치를 제공할 수 있다.

또, 예를 들면 종래의 결정성 실리콘 박막 형성과 비교하면 비교적 저온하에서 기체 위에 양질의 결정성 실리콘 박막을 형성할 수 있는 방법 및 장치를 제공할 수가 있다.

Claims

실리콘 물체 형성 대상 기체를 제 1실에 배치하는 공정과,

상기 제 1실에 연통 형성된 제 2실에 1 또는 2 이상의 실리콘 스퍼터 타깃을 설치하는 공정과,

상기 제 2실에 수소가스를 도입하고, 상기 도입된 수소가스로부터 스퍼터링용 플라즈마생성장치로 케미컬 스퍼터링용 플라즈마를 생성시키는 공정과,

상기 제 2실에 생성시킨 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마로 상기 실리콘 스퍼터 타깃을 케미컬 스퍼터링하여 실리콘 물체 형성 기여 입자를 발생시키고, 상기 제 2실로부터 상기 제 1실에 도래하는 상기 실리콘 물체 형성 기여 입자에 의하여 상기 제 1실내에 배치된 상기 실리콘 물체 형성 대상 기체 위에 실리콘 물체를 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성방법.
제 1항에 있어서,

상기 실리콘 스퍼터 타깃 중 적어도 하나는, 상기 제 2실에 수소가스 및 실란계 가스를 도입하여 상기 도입된 수소가스 및 실란계 가스를 실리콘막 형성용 플라즈마생성장치로 플라즈마화하고, 상기 플라즈마로 상기 제 2실의 내벽에 형성한 실리콘막으로 이루어지는 실리콘 스퍼터 타깃인 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성방법.
제 1항에 있어서,

상기 실리콘 스퍼터 타깃 중 적어도 하나는, 미리 준비된 실리콘 스퍼터 타깃을 상기 제 2실내에 뒤에 부착하여 설치한 것임을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성방법.
제 2항에 있어서,

상기 실리콘막 형성용 플라즈마생성장치는, 상기 제 2실에 도입되는 상기 실리콘막 형성용 수소가스 및 실란계 가스에 플라즈마화용 전력을 인가하기 위한 방전방식으로서, 고주파방전, 마이크로파방전, 직류방전, 펄스방전 및 홀로 캐소드방전 중으로부터 선택된 방전방식을 사용하는 플라즈마생성장치인 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성방법.
제 1항에 있어서,

상기 스퍼터링용 플라즈마생성장치는, 상기 제 2실에 도입되는 케미컬 스퍼터링용 플라즈마생성을 위한 수소가스에 플라즈마화용 전력을 인가하기 위한 방전방식으로서, 고주파방전, 마이크로파방전, 직류방전, 펄스방전 및 홀로 캐소드방전 중으로부터 선택된 방전방식을 사용하는 플라즈마생성장치인 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성방법.
제 1항에 있어서,

상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마는, 전자밀도가 10¹⁰개/㎤∼10¹²개/㎤의 플라즈마인 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성방법.
제 1항에 있어서,

상기 실리콘 물체는 실리콘 도트 또는 결정성 실리콘 박막인 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성방법.
제 1항에 있어서,

상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마는, 플라즈마발광에서 파장 288 nm 에서의 실리콘원자의 발광강도(Si)(288 nm)와 파장 484 nm 에서의 수소원자의 발광강도(Hβ)와의 비[Si(288 nm)/Hβ]가 10.0 이하의 플라즈마이고, 상기 실리콘 물체는 실리콘 도트인 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성방법.
제 8항에 있어서,

상기 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]가 3.0 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성방법.
제 8항에 있어서,

상기 실리콘 도트 형성에서의 상기 제 1실 및 제 2실내 압력은 0.1 Pa∼10.0 Pa 인 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성방법.
제 1항에 있어서,

상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마는, 플라즈마발광에서의 파장 656 nm 에서의 수소원자 라디칼의 발광 스펙트럼 강도(Hα)와 파장 414 nm 에서의 실란 라디칼의 발광 스펙트럼 강도(SiH^*)와의 비(Hα/SiH^*)가 0.3∼1.3의 플라즈마이고, 상기 실리콘 물체는 결정성 실리콘 박막인 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성방법.
제 11항에 있어서,

상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마의 포텐셜은 15 eV∼45 eV인 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성방법.
제 11항에 있어서,

상기 결정성 실리콘 박막 형성에서의 상기 제 1실 및 제 2실내 압력은 0.6 Pa∼13.4 Pa인 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성방법.
실리콘 물체 형성 대상 기체를 지지하는 기체 홀더를 가지는 제 1실과,

상기 제 1실에 연통 형성된 제 2실과,

상기 제 1실 및 제 2실로부터 배기하는 배기장치와,

상기 제 2실에 설치되는 실리콘 스퍼터 타깃과,

상기 제 2실에 수소가스를 공급하는 수소가스공급장치와,

상기 수소가스공급장치로부터 상기 제 2실에 공급되는 수소가스로부터 케미컬 스퍼터링용 플라즈마를 생성시키는 스퍼터링용 플라즈마생성장치를 구비하고,

상기 제 2실에서 생성시키는 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마에 의한 상기 실리콘 스퍼터 타깃의 케미컬 스퍼터링에 의하여 형성되어 상기 제 1실에 도래하는 실리콘 물체 형성 기여 입자에 의하여 상기 기체 홀더에 지지되는 상기 실리콘 물체 형성 대상 기체 위에 실리콘 물체를 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성장치.
실리콘 물체 형성 대상 기체를 지지하는 기체 홀더를 가지는 제 1실과,

상기 제 1실에 연통 형성된 제 2실과,

상기 제 1실 및 제 2실로부터 배기하는 배기장치와,

상기 제 2실에 수소가스를 공급하는 수소가스공급장치와,

상기 제 2실에 실란계 가스를 공급하는 실란계 가스공급장치와,

상기 제 2실에 상기 수소가스공급장치로부터 공급되는 수소가스 및 상기 실란계 가스공급장치로부터 공급되는 실란계 가스로부터 상기 제 2실의 내벽에 실리콘막을 형성하기 위한 플라즈마를 생성시키는 실리콘막 형성용 플라즈마생성장치와,

상기 제 2실내벽에의 실리콘막 형성후에 상기 수소가스공급장치로부터 상기 제 2실에 공급되는 수소가스로부터 케미컬 스퍼터링용 플라즈마를 생성시키는 스퍼터링용 플라즈마생성장치를 구비하고,

상기 제 2실의 내벽에 형성되는 상기 실리콘막을 실리콘 스퍼터 타깃으로 하여 상기 타깃을 상기 제 2실에 생성되는 케미컬 스퍼터링용 플라즈마로 케미컬 스퍼터링시키고, 상기 케미컬 스퍼터링에 의하여 형성되어 상기 제 1실에 도래하는 실리콘 물체 형성 기여 입자에 의하여 상기 기체 홀더에 지지되는 상기 실리콘 물체 형성 대상 기체 위에 실리콘 물체를 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성장치.
제 15항에 있어서,

상기 실리콘막 형성용 플라즈마생성장치는, 상기 제 2실에 도입되는 상기 실리콘막 형성용 수소가스 및 실란계 가스에 플라즈마화용 전력을 인가하기 위한 방전방식으로서, 고주파방전, 마이크로파방전, 직류방전, 펄스방전 및 홀로 캐소드방전 중으로부터 선택된 방전방식을 사용하는 플라즈마생성장치인 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성장치.
제 14항 또는 제 15항에 있어서,

상기 스퍼터링용 플라즈마생성장치는, 상기 제 2실에 도입되는 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마생성을 위한 수소가스에 플라즈마화용 전력을 인가하기 위한 방전방식으로서, 고주파방전, 마이크로파방전, 직류방전, 펄스방전 및 홀로 캐소드 방전중으로부터 선택된 방전방식을 사용하는 플라즈마생성장치인 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성장치.
제 14항 또는 제 15항에 있어서,

상기 실리콘 물체는 실리콘 도트 또는 결정성 실리콘 박막인 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성장치.
제 14항 또는 제 15항에 있어서,

상기 제 2실내에서의 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마의 플라즈마발광에서의 파장 288 nm 에서의 실리콘원자의 발광강도(Si)(288 nm)와 파장 484 nm 에서의 수소원자의 발광강도(Hβ)와의 비[Si(288 nm)/Hβ]를 구하는 플라즈마발광 분광 계측장치를 포함하고 있고, 상기 실리콘 물체로서 실리콘 도트를 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성장치.
제 19항에 있어서,

상기 플라즈마발광 분광 계측장치로 구해지는 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]와 10.0 이하의 범위로부터 정한 기준발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]를 비교하여, 상기 제 2실내의 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마에서의 발광 강도비[Si(288 nm)/Hβ]가 상기 기준발광 강도비를 향하도록 상기 스퍼터링용 플라즈마생성장치, 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마생성을 위한, 상기 수소가스공급장치로부터 상기 제 2 실내에 공급되는 수소가스의 공급량 및 상기 배기장치에 의한 배기량 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 더 가지고 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성장치.
제 14항 또는 제 15항에 있어서,

상기 제 2실내에서의 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마의 플라즈마발광에서의 파장 656 nm 에서의 수소원자 라디칼의 발광 스펙트럼 강도(Hα)와 파장 414 nm 에서의 실란 라디칼의 발광 스펙트럼 강도(SiH^*)와의 발광 강도비(Hα/SiH^*)를 구하는 플라즈마발광 분광 계측장치를 더 포함하고 있고, 상기 실리콘 물체로서 결정성 실리콘 박막을 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성장치.
제 21항에 있어서,

상기 플라즈마발광 분광 계측장치로 구해지는 발광 강도비(Hα/SiH^*)와 0.3 이상 1.3 이하의 범위로부터 정해진 기준값을 비교하여, 상기 제 2실내에서의 케미컬 스퍼터링용 플라즈마에서의 발광 강도비(Hα/SiH^*)가 상기 기준값을 향하도록 상기 스퍼터링용 플라즈마생성장치, 상기 케미컬 스퍼터링용 플라즈마생성을 위한, 상기 수소가스공급장치로부터 상기 제 2실내에 공급되는 수소가스의 공급량 및 상기 배기장치에 의한 배기량 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 더 가지고 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 물체 형성장치.