JP3127072B2 - 単結晶薄膜形成方法および単結晶薄膜形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、基板すなわち任意の
媒質の上に単結晶薄膜を形成する方法および装置に関
し、特に選択的な単結晶薄膜の形成、および効率的な単
結晶薄膜の形成を実現する単結晶薄膜形成方法および装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】所定の物質の単結晶薄膜を同一物質でし
かも同一の結晶方位を有する単結晶基板の上に形成する
には、よく知られるエピタキシャル成長法を用いること
ができる。一方、非晶質基板、多結晶基板などの結晶構
造が異なる基板、あるいは物質の異なる基板の上に、単
結晶薄膜を形成するには、基板の上に非晶質薄膜あるい
は多結晶薄膜を一旦形成し、その後これらの薄膜を単結
晶へ転換する方法が用いられる。

【０００３】従来、多結晶半導体薄膜および非晶質であ
るアモルファス半導体薄膜の単結晶化には溶融再結晶化
法と、横方向固相エピタキシー法が使用されて来た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方法は以下に記述するような問題点を有していた。す
なわち、前者の溶融再結晶化法では、薄膜を構成する物
質が高融点物質の場合、基板に大きい熱歪が発生し、利
用しようとする薄膜の物理的、電気的特性が損なわれる
という問題点があった。また溶融を行うために、電子ビ
ーム、或いはレーザービームが使用される。このため、
これらのビームのスポットを基板の全面にわたって走査
する必要があるので、再結晶化のために多大な時間とコ
ストとを要するという問題点があった。

【０００５】後者の横方向固相エピタキシー法では、基
板を構成する物質の結晶方法に影響され易い上に、成長
速度が遅いという問題点があった。例えば、１０μｍ程
度の厚さの単結晶薄膜に成長させるのに、１０時間以上
を必要とした。しかも、成長がある程度進行すると、格
子欠陥が発生し単結晶の成長が止まるために、大きい結
晶粒を得ることが困難であるという問題点があった。

【０００６】さらに、いずれの方法においても、種結晶
を多結晶薄膜、或いは非晶質薄膜に接触させる必要があ
るという問題点があった。また、単結晶が成長する方向
が薄膜の主面に沿った方向、すなわち横方向であるた
め、結晶への成長距離が長くなる結果、単結晶が成長す
る中途において各種の障害が入るという問題点があっ
た。例えば、基板がガラスなどの非晶質状の材料で構成
される場合には、基板の格子の位置に規則性が無いの
で、この不規則性が単結晶の成長に影響する結果、結晶
粒の粒径は大きいが多結晶として成長してしまうという
問題点があった。加えて、横方向への成長であるため
に、基板の任意の領域に選択的に所定の結晶方位を有す
る単結晶薄膜を形成させることは困難であるという問題
点があった。

【０００７】一方、これらの方法における上述した問題
点を解決することを意図して、薄膜の縦方向の成長を利
用することによって成長距離を短くし、そのことによっ
て成長時間を短くする試みが行われた。すなわち、多結
晶薄膜、あるいは非晶質薄膜の全面に種結晶を接触さ
せ、薄膜の主面に垂直な方向すなわち縦方向に固相エピ
タキシャル成長を行わせる方法が試みられた。しかしな
がら、その結果は、部分的にしか種結晶と非晶質薄膜等
とが接触せず、この接触部分から横方向エピタキシャル
成長が起こるだけであり、期待された縦方向の固相エピ
タキシャル成長によって単結晶薄膜を形成するには至ら
なかった。加えて、この方法では、種結晶と成長した単
結晶膜とが接着してしまうので、これを分離することが
非常に困難であり、敢えて引き離そうとすると、成長し
た薄膜が基板から剥離し種結晶側に付着してしまうとい
う問題点があった。更に、基板の任意の領域に選択的に
所定の結晶方位を有する単結晶薄膜を形成させるには、
所定の形状の種結晶を所定の位置に精度よく配置するこ
とが必要であり、実際上不可能であるという問題点があ
った。

【０００８】また、基板自体が単結晶構造を有する場合
には、この基板の結晶方位と異なる結晶方位を有する単
結晶の薄膜を、この基板の上に形成することはいずれの
従来の技術をもってしても不可能であるという問題点が
あった。

【０００９】この発明は、従来の方法が有する上述の問
題点を解決するためになされたもので、単結晶基板をも
含めた任意の基板の上に所望の結晶方位を有する単結晶
の薄膜を、効率よく形成し得る技術、並びに選択的に形
成し得る技術を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる請求項
１記載の単結晶薄膜形成方法は、所定の物質の単結晶薄
膜を形成する方法であって、(a) 基板上に非晶質または
多結晶質の前記所定の物質の薄膜を形成する工程と、
(b) 当該薄膜上にマスク材を形成する工程と、(c) 当該
マスク材を選択的に除去する工程と、(d) 前記所定の物
質の結晶化温度以下の高温下で、形成すべき前記単結晶
薄膜における方向の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直
な方向から、前記所定の物質のスパッタリングを引き起
こさない低エネルギーの気体のビームを、選択的に除去
された前記マスク材を遮蔽体として前記基板上へ照射す
る工程と、を備える。

【００１１】この発明にかかる請求項２記載の単結晶薄
膜形成方法は、請求項１記載の方法において、前記工程
(b) 〜前記工程(d) を複数回実行するとともに、前記工
程(d) における前記ビームの照射方向を各回の間で互い
に違えることによって、複数種類の結晶方位を有する単
結晶へ前記薄膜を選択的に転換する。

【００１２】この発明にかかる請求項３記載の単結晶薄
膜形成方法は、所定の物質の単結晶薄膜を形成する方法
であって、(a) 基板上に非晶質または多結晶質の前記所
定の物質の薄膜を形成する工程と、(b) 当該薄膜上にマ
スク材を形成する工程と、(c) 当該マスク材を選択的に
除去する工程と、(d) 選択的に除去された前記マスク材
を遮蔽体として前記薄膜にエッチング処理を施すことに
より、前記基板上の特定領域を残して当該薄膜を選択的
に除去する工程と、(e) 前記所定の物質の結晶化温度以
下の高温下で、形成すべき前記単結晶薄膜における方向
の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直な方向から、前記
所定の物質のスパッタリングを引き起こさない低エネル
ギーの気体のビームを、前記基板上へ照射する工程と、
を備える。

【００１３】この発明にかかる請求項４記載の単結晶薄
膜形成方法は、所定の物質の単結晶薄膜を形成する方法
であって、(a) 基板上に非晶質または多結晶質の前記所
定の物質の薄膜を形成する工程と、(b) 前記所定の物質
の結晶化温度以下の高温下で、形成すべき前記単結晶薄
膜における方向の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直な
方向から、前記所定の物質のスパッタリングを引き起こ
さない低エネルギーの気体のビームを、前記基板上へ照
射する工程と、(c) 前記工程(b) の後に、前記薄膜の上
にマスク材を形成する工程と、(d) 当該マスク材を選択
的に除去する工程と、(e) 選択的に除去された前記マス
ク材を遮蔽体として、前記薄膜にエッチング処理を施す
ことにより、当該薄膜を選択的に除去する工程と、を備
える。

【００１４】この発明にかかる請求項５記載の単結晶薄
膜形成方法は、所定の物質の単結晶薄膜を形成する方法
であって、(a) 基板上に非晶質または多結晶質の前記所
定の物質の薄膜を形成する工程と、(b) 当該工程(a) を
行いつつ、当該工程(a) のみでは前記所定の物質の結晶
化が起こらない低温度下で、形成すべき前記単結晶薄膜
における方向の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直な方
向から、前記所定の物質のスパッタリングを引き起こさ
ない低エネルギーの気体のビームを、前記基板上へ照射
する工程と、(c) 前記工程(a) および(b) の後に、前記
薄膜の上にマスク材を形成する工程と、(d) 当該マスク
材を選択的に除去する工程と、(e) 選択的に除去された
前記マスク材を遮蔽体として、前記薄膜にエッチング処
理を施すことにより、当該薄膜を選択的に除去する工程
と、を備える。

【００１５】この発明にかかる請求項６記載の単結晶薄
膜形成方法は、所定の物質の単結晶薄膜を形成する方法
であって、(a) 基板上に非晶質または多結晶質の前記所
定の物質の薄膜を形成する工程と、(b) 前記所定の物質
の結晶化温度以下の高温下で、形成すべき前記単結晶薄
膜における方向の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直な
方向から、前記所定の物質のスパッタリングを引き起こ
さない低エネルギーの気体のビームを、前記基板上へ照
射する工程と、(c) 前記工程(b) の後に、前記薄膜の上
にマスク材を形成する工程と、(d) 当該マスク材を選択
的に除去する工程と、(e) 前記所定の物質の結晶化温度
以下の高温下で、形成すべき前記単結晶薄膜における方
向の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直であってしかも
前記工程(b) における方向とは異なる方向から、前記所
定の物質のスパッタリングを引き起こさない低エネルギ
ーの前記気体のビームを、選択的に除去された前記マス
ク材を遮蔽体として前記基板上へ照射する工程と、を備
える。

【００１６】この発明にかかる請求項７記載の単結晶薄
膜形成装置は、基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を形
成する装置であって、形成すべき前記単結晶薄膜におけ
る方向の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直な方向か
ら、前記所定の物質のスパッタリングを引き起こさない
低エネルギーの気体のビームを、前記基板上へ照射する
照射手段と、前記基板を前記照射手段に対して走査させ
る基板移動手段とを備える。

【００１７】この発明にかかる請求項８記載の単結晶薄
膜形成装置は、請求項７記載の装置であって、前記気体
のビームの断面形状を前記基板の上において帯状にする
ビーム集束手段を更に備える。

【００１８】この発明にかかる請求項９記載の単結晶薄
膜形成装置は、基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を形
成する装置であって、気体のビームを供給する単一のビ
ーム源と、当該ビーム源によって供給される前記ビーム
の少なくとも一部を反射させることによって、前記気体
が複数の所定の入射方向をもって前記基板上へ照射され
ることを実現する反射板と、当該反射板の傾斜角を変更
する反射板駆動手段と、を備える。

【００１９】この発明にかかる請求項１０記載の単結晶
薄膜形成装置は、基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を
形成する装置であって、気体のビームを供給する単一の
ビーム源と、複数の反射板とを備え、前記複数の反射板
の各１は、前記ビーム源によって供給される前記ビーム
の少なくとも一部を反射させることによって、前記気体
が当該反射板の傾斜角に関係した複数の所定の入射方向
をもって前記基板上へ照射されることを実現し、前記複
数の反射板の中から所定の１つを選択して前記ビームの
反射のために供する反射板交換手段を更に備える。

【００２０】この発明にかかる請求項１１記載の単結晶
薄膜形成装置は、請求項７、９、または１０に記載の装
置であって、非晶質または多結晶質の前記単結晶と同一
物質の薄膜を前記基板の上に形成する成膜手段を更に備
える。

【００２１】この発明にかかる請求項１２記載の単結晶
薄膜形成装置は、基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を
形成する装置であって、前記基板の表面をエッチングす
るエッチング手段と、非晶質または多結晶質の前記所定
の物質の薄膜を前記基板の表面上に形成する成膜手段
と、形成すべき前記単結晶薄膜における方向の相異なる
複数の最稠密結晶面に垂直な方向から、前記所定の物質
のスパッタリングを引き起こさない低エネルギーの気体
のビームを、前記基板上へ照射する照射手段と、を備
え、これらの手段において前記基板を収納する処理室は
互いに連通しており、前記基板をそれぞれの処理室へ出
し入れする基板搬送手段を更に備える。

【００２２】この発明にかかる請求項１３記載の単結晶
薄膜形成装置は、単結晶構造を有する基板の上に所定の
物質の単結晶薄膜を形成する装置であって、形成すべき
前記単結晶薄膜における方向の相異なる複数の最稠密結
晶面に垂直な方向から、前記所定の物質のスパッタリン
グを引き起こさない低エネルギーの気体のビームを、前
記基板上へ照射する照射手段と、当該基板の結晶軸の方
向と前記入射方向との間の関係を所定の関係に設定すべ
く当該基板の姿勢を調整する姿勢制御手段と、を備え
る。

【００２３】この発明にかかる請求項１４記載の単結晶
薄膜形成装置は、基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を
形成する装置であって、反応ガスを供給することによっ
て非晶質または多結晶質の前記所定の物質の薄膜を前記
基板の上に形成する成膜手段と、形成すべき前記単結晶
薄膜における方向の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直
な方向から、前記所定の物質のスパッタリングを引き起
こさない低エネルギーの気体のビームを、前記基板上へ
照射する照射手段と、前記基板を回転させる基板回転手
段と、を備える。

【００２４】この発明にかかる請求項１５記載の単結晶
薄膜形成装置は、基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を
形成する装置であって、反応ガスを供給することによっ
て非晶質または多結晶質の前記所定の物質の薄膜を前記
基板の上に形成する成膜手段と、形成すべき前記単結晶
薄膜における方向の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直
な方向から、前記所定の物質のスパッタリングを引き起
こさない低エネルギーの気体のビームを、前記基板上へ
照射する照射手段とを備え、前記成膜手段が、前記基板
へ前記反応ガスを供給する供給経路の端部を前記基板に
対して回転させる供給系回転手段を有する。

【００２５】この発明にかかる請求項１６記載の単結晶
薄膜形成装置は、基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を
形成する装置であって、形成すべき前記単結晶薄膜にお
ける方向の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直な方向か
ら、前記所定の物質のスパッタリングを引き起こさない
低エネルギーの気体の複数本のビームを、前記基板上へ
それぞれ照射する複数の照射手段と、当該複数の照射手
段における動作条件をそれぞれ個別に調整する制御手段
と、を備える。

【００２６】この発明にかかる請求項１７記載の単結晶
薄膜形成装置は、基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を
形成する装置であって、イオン源によって供給される気
体のビームを、形成すべき前記単結晶薄膜における方向
の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直な方向から、前記
所定の物質のスパッタリングを引き起こさない低エネル
ギーで前記基板上へ照射する照射手段と、前記イオン源
と前記基板との間に、イオンを加速する方向にバイアス
電圧を印加するバイアス手段と、を備える。

【００２７】この発明にかかる請求項１８記載の単結晶
薄膜形成装置は、基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を
形成する装置であって、イオン源によって供給される気
体のビームを、形成すべき前記単結晶薄膜における方向
の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直な方向から、前記
所定の物質のスパッタリングを引き起こさない低エネル
ギーで前記基板上へ照射する照射手段を備え、前記イオ
ン源のイオン出口近傍にはグリッドが設置されており、
当該グリッドに前記イオン源からのイオンの引き出し条
件を調整する電圧を印加するグリッド電圧印加手段を更
に備える。

【００２８】この発明にかかる請求項１９記載の単結晶
薄膜形成方法は、請求項１〜請求項６の何れかに記載の
方法において、前記気体を構成する元素の原子量が、前
記所定の物質を構成する元素の原子量の中の最大のもの
よりも低い。

【００２９】この発明にかかる請求項２０記載の単結晶
薄膜形成方法は、請求項１、２、および６の何れかに記
載の方法において、前記気体を構成する元素の原子量
が、前記マスク材を構成する元素の原子量の中の最大の
ものよりも低い。

【００３０】この発明にかかる請求項２１記載の単結晶
薄膜形成装置は、請求項７、１２〜１６の何れかに記載
の装置において、前記照射手段が、電子サイクロトロン
共鳴型のイオン源を備え、当該イオン源によって前記気
体のビームが供給される。

【００３１】この発明にかかる請求項２２記載の単結晶
薄膜形成装置は、請求項９または１０に記載の装置にお
いて、前記ビーム源が電子サイクロトロン共鳴型のイオ
ン源である。

【００３２】この発明にかかる請求項２３記載の単結晶
薄膜形成装置は、請求項１７または１８に記載の装置に
おいて、前記イオン源が電子サイクロトロン共鳴型のイ
オン源である。

【００３３】なお、この発明において「基板」とは、そ
の上に薄膜を形成することのみを目的として供される単
なる土台としての物体に限定されず、例えば所定の機能
を有するデバイスなどをも含めて、その上に薄膜を形成
する対象とされる媒体全般を意味する。

【００３４】また、この発明で「気体のビーム」とは、
ビーム状のイオン流、原子流、分子流の何れをも包含す
る概念である。

【００３５】

【作用】＜請求項１記載の発明の作用＞この発明の方法
では、基板上にあらかじめ形成された所定の物質の非晶
質または多結晶質の薄膜に、複数方向から気体のビーム
を照射する。このビームのエネルギーは、被照射物質に
スパッタリングを引き起こさない大きさであるので、ブ
ラベ（Bravais ）の法則が作用する。すなわち、被照射
薄膜の表面近傍の層が、ビームの照射方向に垂直な面が
最稠密結晶面となるような結晶方位を有する結晶に転換
される。複数本の気体のビームは、方向の相異なる複数
の最稠密結晶面に垂直な方向から、それぞれ照射される
ので、形成される結晶の方位は、唯一に定まる。すなわ
ち、結晶方位の揃った単結晶の層が多結晶薄膜の表面近
傍に形成される。しかも、照射に先だって被照射薄膜の
上にマスク材が形成され、このマスク材は選択的に除去
されている。このため、このマスク材の選択的に除去さ
れた部分に相当する基板上の特定領域に限って照射が進
行するので、この特定領域に相当する被照射薄膜の表面
近傍においてのみ単結晶の層が形成される。

【００３６】更に、薄膜の温度が結晶化温度以下の高温
度であるために、表面近傍に形成された単結晶が種結晶
として機能し、縦方向の固相エピタキシャル成長によっ
て単結晶が深部に向かって成長する結果、特定領域にお
いて、被照射薄膜の厚さ方向の全領域が単結晶化する。
薄膜の温度が結晶化温度以上であると、形成された単結
晶が熱平衡状態である多結晶構造へ転換される。一方、
結晶化温度よりもはるかに低い温度では、深部へ向かう
結晶化が進行しない。このため、薄膜の温度は、例えば
結晶化温度の直下など、結晶化温度以下の高温度に調整
される。

【００３７】以上のように、この発明の方法によれば、
基板上の任意の特定領域に、結晶方位の揃った単結晶薄
膜を選択的に形成することが可能である。

【００３８】＜請求項２記載の発明の作用＞この発明の
方法では、マスク材の形成から気体ビームの照射を、照
射方向を変更しつつ反復する。このため、基板上の複数
の任意の特定領域に、互いに結晶方位の異なる単結晶薄
膜を選択的に形成することが可能である。

【００３９】＜請求項３記載の発明の作用＞この発明の
方法では、基板上の特定領域を残して非晶質または多結
晶質の薄膜を選択的に除去した後に、所定の温度下で気
体のビームを照射することにより、ブラベの法則の作用
と縦方向の固相エピタキシャル成長とを促し、この薄膜
を単結晶薄膜へ転換する。このため、基板上の任意の特
定領域に、結晶方位の揃った単結晶薄膜を選択的に形成
することが可能である。

【００４０】＜請求項４記載の発明の作用＞この発明の
方法では、基板上の非晶質または多結晶質の薄膜に、所
定の温度下で気体のビームを照射することにより、ブラ
ベの法則の作用と縦方向の固相エピタキシャル成長とを
促し、この薄膜を単結晶薄膜へ転換する。その後、基板
上の特定領域を残して単結晶薄膜を選択的に除去する。
このため、基板上の任意の特定領域に、結晶方位の揃っ
た単結晶薄膜を選択的に形成することが可能である。

【００４１】＜請求項５記載の発明の作用＞この発明の
方法では、基板上に非晶質または多結晶質の薄膜を形成
しつつ、所定の温度下で気体のビームを照射することに
よりブラベの法則の作用を促し、形成されつつある薄膜
を逐次単結晶薄膜へ転換する。その後、基板上の特定領
域を残して単結晶薄膜を選択的に除去する。このため、
基板上の任意の特定領域に、結晶方位の揃った単結晶薄
膜を選択的に形成することが可能である。

【００４２】＜請求項６記載の発明の作用＞この発明の
方法では、基板上の非晶質または多結晶質の薄膜に、所
定の温度下で気体のビームを照射することにより、ブラ
ベの法則の作用と縦方向の固相エピタキシャル成長とを
促し、この薄膜を単結晶薄膜へ転換する。その後、この
単結晶薄膜にマスク材を選択的に形成した後、新たな方
向から気体のビームを再び照射する。このとき、マスク
材が気体のビームに対して遮蔽体として作用するので、
マスク材が選択的に除去された領域において、単結晶薄
膜が新たな結晶方位を有する第２の単結晶薄膜に転換さ
れる。すなわち、この発明の方法によれば、基板上の複
数の任意の特定領域に、互いに結晶方位の異なる単結晶
薄膜を選択的に形成することが可能である。

【００４３】＜請求項７記載の発明の作用＞この発明の
装置では、基板移動手段によって基板を走査することが
できるので、長尺の基板上に均一性の高い単結晶薄膜を
形成することが可能である。

【００４４】＜請求項８記載の発明の作用＞この発明の
装置では、気体のビームの断面形状を基板の上において
帯状にするビーム集束手段を備えるので、基板を走査す
ることによって単結晶薄膜を効率よくしかも、一層高い
均一性をもって形成することが可能である。

【００４５】＜請求項９記載の発明の作用＞この発明の
装置では、薄膜へ照射する気体のビームを、単一のビー
ム源と、経路に配設される反射板とによって得るので、
複数のビーム源を要せずして、相異なる複数の所定の方
向から気体のビームを照射することが可能である。しか
も、反射板駆動手段を備えるので、基板へのビームの入
射方向を変更して再設定することができる。このため、
互いに異なる結晶構造または結晶方位を有する複数種類
の単結晶薄膜を１つの装置で形成することが可能であ
る。

【００４６】＜請求項１０記載の発明の作用＞この発明
の装置では、薄膜へ照射する気体のビームを、単一のビ
ーム源と、経路に配設される反射板とによって得るの
で、複数のビーム源を要せずして、相異なる複数の所定
の方向から気体のビームを照射することが可能である。
しかも、反射板交換手段を備えるので、基板へのビーム
の入射方向を複数の反射板の中から任意に選択して再設
定することができる。このため、互いに異なる結晶構造
または結晶方位を有する複数種類の単結晶薄膜を１つの
装置で形成することが可能である。

【００４７】＜請求項１１記載の発明の作用＞この発明
の装置では、例えば化学気相成長手段等の成膜手段が備
わるので、成膜を行いつつ気体のビームを照射すること
によって、形成されつつある薄膜を逐次単結晶薄膜へ転
換することができる。このため、薄膜の縦方向エピタキ
シャル成長を促す必要がないので、低温度下での単結晶
薄膜の形成が可能である。

【００４８】＜請求項１２記載の発明の作用＞この発明
の装置は、互いに連通する処理室を有するエッチング手
段と成膜手段と照射手段とを備えるので、この装置を用
いることにより、基板上に薄膜を形成する前に、酸化膜
を除去するエッチング処理を行い、新たな酸化の進行を
防止しつつ成膜を開始することが可能である。また、こ
の装置では、基板搬送手段が備わるので、各処理室への
基板の搬送が効率よく行われ得る。

【００４９】＜請求項１３記載の発明の作用＞この発明
の装置は姿勢制御手段を備えるので、この装置を用いる
ことにより、単結晶基板の結晶軸と気体のビームの入射
方向との間を所定の関係に設定することが可能である。
このため、単結晶基板の上にエピタキシャリーにしかも
結晶化温度以下で新たな単結晶薄膜を形成することが可
能である。

【００５０】＜請求項１４記載の発明の作用＞この発明
の装置では、基板回転手段が備わるので、反応ガスを常
時供給する一方でビームの照射を間欠的に実行し、照射
が止んでいる間に基板を回転しつつ非晶質または多結晶
質の薄膜の形成を進行させることが可能である。このこ
とによって、均一性の高い非晶質または多結晶質の薄膜
を形成することができるので、これを転換して得られる
単結晶薄膜においても高い均一性が実現する。

【００５１】＜請求項１５記載の発明の作用＞この発明
の装置では、供給系回転手段が備わるので、ビームの照
射を間欠的に実行することなく、反応ガスの供給とビー
ムの照射とを常時行いつつ均一性の高い単結晶薄膜を得
ることが可能である。すなわち、均一性の高い単結晶薄
膜を効率よく形成することができる。

【００５２】＜請求項１６記載の発明の作用＞この発明
の装置では、例えば出力ビームの密度などの照射手段に
おける動作条件を、制御手段が個別に調整するので、基
板に照射される複数のビームの状態がいずれも最適に調
整される。このため、良質の単結晶薄膜を効率よく形成
することが可能である。

【００５３】＜請求項１７記載の発明の作用＞この発明
の装置では、バイアス手段によってイオン源と基板との
間にバイアス電圧が印加されるので、気体のビームの指
向性が向上する。このため、結晶方位の均一性の高い良
質の単結晶薄膜を形成することが可能である。

【００５４】＜請求項１８記載の発明の作用＞この発明
の装置では、グリッド電圧印加手段によってイオン源か
らイオンを引き出す条件が最適に調整されるので、良質
の単結晶薄膜を効率よく形成することが可能である。

【００５５】＜請求項１９記載の発明の作用＞この発明
の方法では、基板上へ照射される気体ビームを構成する
元素の原子量が、被照射薄膜を構成する元素の原子量の
中の最大のものよりも低いので、照射された気体を構成
する原子の大部分が、被照射薄膜の表面ないしその近傍
で後方へ散乱され、被照射薄膜の中に残留し難い。この
ため、不純物の少ない単結晶薄膜を得ることができる。

【００５６】＜請求項２０記載の発明の作用＞この発明
の方法では、基板上へ照射される気体ビームを構成する
元素の原子量が、マスク材を構成する元素の原子量の中
の最大のものよりも低いので、照射された気体を構成す
る原子の大部分が、マスク材の表面ないしその近傍で後
方へ散乱され、マスク材および被照射薄膜の中に侵入し
難い。このため、不純物の少ない単結晶薄膜を得ること
ができる。

【００５７】＜請求項２１〜請求項２３の各１に記載の
発明の作用＞この発明の装置では、電子サイクロトロン
共鳴型のイオン源によって気体のビームが供給されるの
で、イオンのビームの指向性が高いのに加えて、イオン
源から所定以上の距離において、イオンを中性化する手
段を用いることなく、指向性のよい強度の中性ビームを
得ることができる。

【００５８】

【実施例】＜Ａ．単結晶薄膜形成の基本原理＞ここで
は、基板の上に効率よく単結晶薄膜を形成する基本原理
について説明する。

【００５９】＜A-1 ．装置１０１の基本構成＞図１は単
結晶薄膜を形成するための装置の基本構成の一例を示す
正面断面図である。この装置１０１は、基板１１の上に
あらかじめ形成された多結晶薄膜を単結晶薄膜へ転換す
ることによって基板上に単結晶薄膜を形成する。

【００６０】この装置１０１では、処理容器１の上部
に、電子サイクロトロン共鳴型（ＥＣＲ）のイオン源２
が組み込まれている。ＥＣＲイオン源２は、プラズマ室
４を内部に規定するプラズマ容器３を備えている。プラ
ズマ容器３の周囲には、プラズマ室４に直流の高磁場を
印加する磁気コイル５が設置されている。プラズマ容器
３の上面には、マイクロ波をプラズマ室４へ導入する導
波管６、およびＮｅなどの不活性ガスを導入する不活性
ガス導入管７が設けられている。

【００６１】処理容器１は、その内部に照射室８を規定
する。プラズマ容器３の底部はその中央部に、プラズマ
が通過する引出口９を規定する。照射室８とプラズマ室
４とは、この引出口９を介して互いに連通している。照
射室８の内部には、引出口９の直下の位置に試料台１０
が設置されている。試料台１０の上には基板１１が載置
され、さらに反射板１２が基板１１の上方に位置するよ
うに設置される。試料台１０は、図示しないヒータを備
えており、このヒータの作用により基板１１を加熱し、
適正な高温度に保持する。

【００６２】照射室８には、真空排気管１４が連通して
いる。この真空排気管１４の一端には、図示しない真空
装置が連結しており、真空排気管１４を介して、照射室
８に存在する気体が排気されることにより、照射室８に
おける真空度が所定の高さに保持される。照射室８にお
ける真空度を表示する真空計１５が、照射室８に連通し
て設置されている。

【００６３】＜A-2.反射板の構成＞図２は、反射板１２
の一例における斜視図である。この反射板１２ａは、単
結晶Ｓｉなどの、ダイヤモンド構造を有する単結晶を形
成するための反射板の一例である。反射板１２ａは、平
板状の基台２１の中央部に開口部を規定する。この開口
部の周囲に、３個の直方体のブロック２２が固定的に設
置され、それらの内側にそれぞれ反射用ブロック２３が
固定されている。その結果、基台２１の中央部には、こ
れらの反射用ブロック２３で縁どりされた正三角形状の
開口部２４が形成される。反射用ブロック２３におい
て、開口部２４に面する斜面２５が、気体ビームを反射
する反射面として機能する。したがって、斜面２５の傾
斜角度は、形成すべき単結晶の結晶軸の方向に対応して
適切な大きさに設定される。

【００６４】図３は、ブロック２２と反射用ブロック２
３とで構成される反射板１２ａの一部分の三面図であ
り、図３（ａ）、図３（ｂ）、および図３（ｃ）は、そ
れぞれ平面図、側面図、および正面図である。図３
（ｂ）に図示するように、斜面２５の傾斜角度は、５５
゜に設定される。

【００６５】＜A-3.ＥＣＲイオン源の動作＞図１に戻っ
て、ＥＣＲイオン源２の動作について説明する。不活性
ガス導入管７からプラズマ室４へ、Ｎｅ、Ａｒ等の不活
性ガスを導入しつつ、同時に導波管６からプラズマ室４
へマイクロ波が導入される。更に同時に、磁気コイル５
に直流電流が供給されることにより、プラズマ室４およ
びその周囲に直流磁場が形成される。供給された気体
は、マイクロ波と直流磁場の作用でプラズマ状態に保た
れる。このプラズマは、マイクロ波と直流磁場とによっ
てサイクロトロンの原理で螺旋運動する高エネルギーの
電子によって生成される。

【００６６】この電子は、反磁性の特性を有するので、
磁場の弱い方に移動し、磁力線に沿った電子流を形成す
る。その結果、電気的中性を維持するために、電子流に
伴われて正イオンも、磁力線に沿ったイオン流を形成す
る。すなわち、引出口９から照射室８へ、下方向に向か
う電子流とイオン流とが形成される。イオン流は、電子
流と並行して流れるので、消イオン時間を経過すると、
互いに再結合することによって中性原子流となる。した
がって、引出口９から下方に所定距離以上の離れた位置
では、殆ど中性の原子流のみが形成されている。

【００６７】このように、ＥＣＲイオン源２は、イオン
を発生する装置でありながら、イオン流を電子流に並行
して形成するので、イオン流を中性化する他の手段を用
いることなく、密度の高い中性の原子流を容易に得るこ
とができるという利点を有する。また、イオン流が電子
流と並行して形成されるので、進行方向があまり発散す
ることなく、進行方向の揃った平行流に近いイオン流が
得られる。また、平行なイオン流が中性の原子流に転換
されるので、原子流も進行方向の揃った平行流に近いも
のとなる。したがって、指向性を矯正するためのコリメ
ータなどの他の手段を要しないという利点がある。

【００６８】＜A-4.装置１０１の基本的動作＞図１を参
照しつつ、装置１０１の基本的な動作について説明す
る。反射板１２として図２および図３に示した反射板１
２ａを用い、基板１１として多結晶ＳｉＯ₂ （石英）基
板を用い、この石英基板１１の上に単結晶Ｓｉ薄膜を形
成する例を取り上げる。石英基板１１の上には、ＣＶＤ
（化学気相成長法）等の既知の方法を用いて、多結晶Ｓ
ｉ薄膜があらかじめ形成されている。

【００６９】まず、試料を試料台１０と反射板１２ａ
（１２）の間へ装着する。試料台１０が備えるヒータ
は、試料すなわち石英基板１１および多結晶Ｓｉ薄膜
を、５５０゜Ｃの温度に保持する。この温度は、シリコ
ンの結晶化温度よりも低い温度であるために、この温度
の下では単結晶Ｓｉが多結晶Ｓｉへ移行することはな
い。同時にこの温度は、種結晶が存在すれば、この種結
晶を核として多結晶Ｓｉが単結晶Ｓｉへと成長し得るほ
どには高温度である。

【００７０】不活性ガス導入管７から導入される不活性
ガスとしては、好ましくはＳｉ原子よりも原子量の小さ
いＮｅガスが選択される。ＥＣＲイオン源２の働きによ
り、引出口９から下方に向かってＮｅ⁺ イオン流と電子
流が形成される。引出口９から反射板１２ａ（１２）ま
での距離は、好ましくは、Ｎｅ⁺ イオン流が殆ど中性Ｎ
ｅ原子流に転換されるのに十分なだけの大きさに設定さ
れる。また、反射板１２ａ（１２）は、この下方向へ向
かうＮｅ原子流が降り注ぐ位置に設置される。

【００７１】下方向へ向かうＮｅ原子流の一部は、反射
板１２ａに形成されている３つの斜面２５によって反射
され、更に開口部２４を通って、ＳｉＯ₂ 基板１１上の
多結晶Ｓｉ薄膜へ照射される。また、Ｎｅ原子流の他の
一部は、斜面２５へ入射せずに開口部２４を通過して多
結晶Ｓｉ薄膜へ直接に照射される。すなわち、多結晶Ｓ
ｉ薄膜には、引出口９から直進して来た成分と、３つの
斜面２５によって反射されて来た３成分とからなる４成
分のＮｅ原子流が照射される。斜面２５の傾斜角が５５
゜に設定されているために、これら４成分のＮｅ原子流
の照射方向は、形成すべきＳｉ単結晶の４個の独立な最
稠密結晶面、すなわち（１１１）面に垂直な４方向に対
応する。

【００７２】ところで、ＥＣＲイオン源２によって形成
されるプラズマのエネルギーは、ＳｉＯ₂ 基板１１に到
達するＮｅ原子のエネルギーが、Ｎｅ原子の照射による
Ｓｉのスパッタリングにおけるスレッショルド・エネル
ギー（＝２７ｅＶ）よりも低くなるように設定される。
このため、多結晶Ｓｉ薄膜にブラベの法則が作用する。
すなわち、多結晶Ｓｉ薄膜に照射されるＮｅ原子流の入
射方向に垂直な面が最稠密結晶面となるように、多結晶
Ｓｉ薄膜の表面近傍におけるＳｉ原子が再配列する。照
射されるＮｅ原子流は４つの成分を有しており、しかも
それぞれの成分の入射方向は、単結晶Ｓｉの独立な４つ
の最稠密面に垂直な方向に対応するので、Ｓｉ原子の再
配列は、これらの入射方向に垂直な面がいずれも最稠密
面となるように行われる。すなわち、互いに独立な入射
方向を有する４本のＮｅ原子ビームによって、４つの独
立な（１１１）面の再配列方向が一定方向に規制され、
その結果、結晶方位が一義的に決定づけられる。このた
め、多結晶Ｓｉ薄膜の表面近傍の層が、結晶方位の揃っ
た単結晶Ｓｉ層へと転換される。

【００７３】多結晶Ｓｉ薄膜の温度は、前述のように５
５０゜Ｃすなわち種結晶が成長するに適した範囲内の温
度に調整されている。このため、多結晶Ｓｉ薄膜の表面
に形成された単結晶Ｓｉ層が種結晶として機能し、単結
晶Ｓｉ層が多結晶Ｓｉ薄膜の深部に向かって成長する。
そして、多結晶Ｓｉ薄膜の全領域が単結晶Ｓｉ層へ転換
される。このようにして、石英基板１１の上に結晶方位
の揃った単結晶Ｓｉ層が形成される。

【００７４】照射によって多結晶Ｓｉ薄膜の表面に形成
され、種結晶として機能する単結晶Ｓｉ層は、多結晶Ｓ
ｉ薄膜から転化して形成されたものであるので、その深
部側に残っている多結晶Ｓｉの層とは一体をなしてい
る。すなわち、多結晶Ｓｉの層と種結晶との間の接触性
は完全である。このため、縦方向の固相エピタキシャル
成長が良好に進行する。また、種結晶と固相エピタキシ
ャル成長によって形成された単結晶Ｓｉとは、ともに同
一結晶方位を有する同一物質の単結晶であるために、単
結晶Ｓｉ薄膜を形成した後に種結晶を除去する必要がな
い。また、単結晶Ｓｉ薄膜が、縦方向の固相エピタキシ
ャル成長によって形成されるので、横方向に成長する従
来の技術に比べて、短時間で効率よく所望の単結晶Ｓｉ
薄膜を得ることができる。

【００７５】＜A-5.好ましい条件＞多結晶Ｓｉ薄膜に照
射する原子ビームを構成する元素として、上述したよう
にＳｉ原子よりも軽いＮｅを選択するのが望ましい。こ
れは、Ｎｅ原子がＳｉ薄膜に照射された際に、比較的重
いＳｉ原子が比較的軽いＮｅ原子を後方へ散乱する確率
が高いので、その結果、Ｎｅ原子がＳｉ薄膜の中に侵入
し残留するということが起こりにくいからである。被照
射薄膜がＳｉのような単体ではなく、例えばＧａＡｓの
ような化合物で構成される場合には、原子量が最大の元
素よりも軽い原子を照射するとよい。また、単原子のビ
ームを照射する代わりに、化合物のビーム、例えばＮ₂
などを照射しても良い。このときには、化合物を構成す
る元素（例えばＮ原子）が、被照射薄膜を構成する原子
量最大の元素よりも軽いことが望ましい。

【００７６】また、照射する原子ビームを構成する元素
には、Ｎｅなどの不活性元素を選択するのが望ましい。
なぜならば、不活性元素がＳｉ薄膜の中に残留しても、
Ｓｉ等の薄膜を構成するいずれの元素とも化合物を形成
することがないので、Ｓｉ薄膜の電子物性には余り影響
を及ぼさない上に、出来上がった単結晶Ｓｉ薄膜をある
程度昇温することによって、容易に外部へ除去され得る
からである。

【００７７】反射板１２は、好ましくは金属で構成され
る。なぜならば、中性Ｎｅ原子流にわずかに混在するＮ
ｅ⁺ イオン流が導電性の反射板１２で反射されたとき
に、Ｎｅ⁺ イオンが中性原子に変換され、基板１１には
変換された中性Ｎｅ原子流が照射されるからである。中
性原子流はイオン流と異なり、進行方向が発散し難いの
で、方向の揃った流れとして基板１１へ入射するという
利点がある。

【００７８】＜A-6.装置１００の基本構成と基本動作＞
図４は、基板上に単結晶薄膜を形成するもう１つの装置
の基本構成を示す正面断面図である。この装置１００
は、基板１１の上に多結晶薄膜を形成しつつ、それと同
時にビームを照射することによって、成長しつつある多
結晶薄膜を単結晶薄膜へ逐次的に転換する。装置１００
では、照射室８に反応ガス供給管１３が連通している。
この反応ガス供給管１３を通して、プラズマＣＶＤによ
り基板１１上に所定の物質の薄膜を形成するための反応
ガスが供給される。図４の例では、３本の反応ガス供給
管１３ａ、１３ｂ、および１３ｃが設けられている。

【００７９】装置１００はつぎのように動作する。反射
板１２として図２および図３に示した反射板１２ａを用
い、基板１１として多結晶ＳｉＯ₂ （石英）を用い、こ
の石英基板１１の上に単結晶Ｓｉの薄膜を形成する例を
取り上げる。反応ガス供給管１３ａ、１３ｂ、および１
３ｃのそれぞれから、単結晶Ｓｉの主材料であるＳｉを
供給するＳｉＨ₄ （シラン）ガス、ｐ型不純物をドープ
するためのＢ₂ Ｈ₃ （ジボラン）ガス、およびｎ型不純
物をドープするためのＰＨ₃ （ホスフィン）ガスが供給
される。また、不活性ガス導入管７からプラズマ室４
へ、Ｎｅガスが導入される。

【００８０】反応ガス供給管１３から供給されるシラン
ガスは、ＥＣＲイオン源２によって生成されたＮｅ⁺ イ
オン流あるいはＮｅ原子流によって、ＳｉＯ₂ 基板１１
へ向かって叩きつけられる。その結果、ＳｉＯ₂ 基板１
１の上面においてプラズマＣＶＤ反応が進行し、シラン
ガスが供給するＳｉを構成元素とする薄膜、すなわちＳ
ｉ薄膜が成長する。また、ジボランガスまたはホスフィ
ンガスをその流量を適正に調整しつつ供給することによ
って、これらのガスによるプラズマＣＶＤ反応も同時に
進行し、Ｂ（ボロン）またはＰ（燐）を所望の濃度で含
有するＳｉ薄膜が形成される。

【００８１】ＳｉＯ₂ 基板１１は加熱されない。このた
め、ＳｉＯ₂ 基板１１は、略常温度に保持される。した
がって、Ｓｉ薄膜は略常温度下で成長する。すなわち、
プラズマＣＶＤによって結晶化が進行する温度以下の温
度でＳｉ薄膜が形成される。このためＳｉ薄膜は、プラ
ズマＣＶＤによって、まず非晶質であるアモルファスＳ
ｉとして形成される。

【００８２】下方向へ向かうＮｅ原子流は、装置１０１
の場合と同様に反射板１２ａの作用によって４成分に分
離され、ＳｉＯ₂ 基板１１の上面に形成されつつあるＳ
ｉ薄膜へ入射する。これら４成分のＮｅ原子流の入射方
向は、形成すべきＳｉ単結晶の４個の独立な最稠密結晶
面、すなわち（１１１）面に垂直な４方向に対応する。
また、ＥＣＲイオン源２によって形成されるプラズマの
エネルギーは、これらの４成分の入射エネルギーが、Ｓ
ｉに対するスレッショルド・エネルギー（＝２７ｅＶ）
よりも低くなるように設定される。したがって、成長し
つつあるアモルファスＳｉ薄膜にブラベの法則が作用す
る。すなわち、アモルファスＳｉに照射される４成分か
ら成るＮｅ原子流の入射方向に垂直な面が、いずれも最
稠密結晶面となるようにアモルファスＳｉ内のＳｉ原子
が再配列する。その結果、単一の結晶方位を有する単結
晶Ｓｉが形成される。すなわち、プラズマＣＶＤによっ
て成長しつつあるアモルファスＳｉ薄膜は、結晶方位の
揃った単結晶Ｓｉ薄膜へ逐次転換される。

【００８３】反応ガス供給管１３より、ジボランガスま
たはホスフィンガスを、シランガスと同時に供給するこ
とによって、ＢまたはＰが添加されたｐ型またはｎ型の
単結晶Ｓｉ薄膜が形成される。また、不純物元素を含有
するこれらの反応ガスを、交互に供給することによっ
て、例えばｐ型単結晶Ｓｉ層の上に、等軸のｎ型単結晶
Ｓｉ層を形成することも可能である。

【００８４】前述のようにＳｉＯ₂ 基板１１は加熱され
ず、プラズマＣＶＤによって結晶化が進行する温度より
も低い温度下でＳｉ薄膜が形成される。これは、Ｎｅ原
子流の照射がなくともプラズマＣＶＤのみでＳｉの結晶
化が進行する高温度の下では、その結晶方位はＮｅ原子
流の照射方向とは無関係な任意の方向となり、方位を規
制することができず、しかも多結晶が出来上ってしまう
からである。

【００８５】装置１００では、プラズマＣＶＤによりＳ
ｉ薄膜が成長する過程で、同時に単結晶への転換が逐次
進行する。このため、膜厚の大きい単結晶Ｓｉ薄膜を、
しかも低温下で形成することが可能である。低温度下で
単結晶薄膜を形成できるので、例えば既に所定の素子が
作り込まれた基板の上に、この素子の特性を変えること
なく、更に新たな単結晶薄膜を形成することが可能であ
る。このように、この装置１００では、薄膜の単なる支
持材としての機能しか持たない基板だけではなく、所定
の構造と機能とを有するデバイスを基板として、その上
に単結晶薄膜を形成することも可能である。

【００８６】＜A-7.他の単結晶薄膜形成の例＞ダイヤモ
ンド構造以外の結晶構造を有する単結晶薄膜を形成する
ことも可能であり、そのためには、これらの反射板１２
ａ、１２ｂ以外の、それぞれの結晶構造に適した構成を
有する反射板を用意するとよい。また、結晶構造は同一
であっても、様々な結晶方位を有する単結晶薄膜を形成
することも可能である。そのためには、それぞれの結晶
方位に適した反射板を用意するとよい。

【００８７】また、装置１００、１０１では、上述の例
のようなＳｉ単結晶薄膜だけではなく、例えばＧａＡ
ｓ、ＧａＮ等の化合物単結晶薄膜、更にＳｉ０₂ などの
絶縁体の単結晶薄膜など、多種類の単結晶薄膜を基板の
上に形成することが可能である。例えば、形成すべき単
結晶薄膜がＧａＮの単結晶薄膜である場合には、まず通
常のＣＶＤ法で例えばＳｉ基板上に多結晶のＧａＮ膜を
成長させた後、装置１０１を用いてＮ原子を含むＮ
₂ （窒素）ガスまたはＮＨ₃ （アンモニア）ガスを不活
性ガス導入管７へ導入し、これらの分子流または解離し
てなるＮ原子流などの気体のビームをＧａＮ薄膜へ照射
してもよい。照射されたＮ原子がＧａＮの内部に残留し
ても、ＧａＮの構成元素として単結晶の中に組み込まれ
るので、ＧａＮの特性に悪影響を及ぼす恐れがない。

【００８８】また、ＧａＡｓの単結晶薄膜を形成する場
合には、まずＳｉ基板等の上に通常の分子線エピタキシ
ー法でＧａＡｓの多結晶薄膜を成長させた後、装置１０
１を用いて基板温度を５００゜Ｃに保ち、照射ガスとし
ては安価なＡｒガスを使用し、反射板にはＴａ板を使用
し、その他はＳｉ単結晶薄膜を形成する際と同じ条件を
用いるとよい。この方法によって、ＧａＡｓの単結晶薄
膜を得ることができる。もちろん、これらのＧａＮ、Ｇ
ａＡｓ単結晶薄膜を生成するのに、装置１０１の代わり
に装置１００を用いて、多結晶薄膜の形成と気体ビーム
の照射による単結晶への転換とを同時に行ってもよい。

【００８９】＜Ｂ．単結晶薄膜の選択的形成および効率
的形成に関する実施例＞以下では、上述の方法を基本と
しつつ、基板上の特定領域への選択的な単結晶薄膜の形
成、および基板上への一層効率的な単結晶薄膜の形成を
可能とする方法および装置に関する実施例について説明
する。

【００９０】＜B-1 ．第１実施例＞図５〜図１０は、第
１実施例の方法に関する工程図である。まず図５に示す
ように、Ｓｉ単結晶基板１０２の上面に酸化処理を施す
ことによって、絶縁体であるＳｉＯ₂ 膜１０４を形成す
る。更に、ＳｉＯ₂ 膜１０４の上に、例えばＣＶＤを用
いてアモルファスまたは多結晶のＳｉ薄膜１０６を形成
する。

【００９１】つぎに、図６に示すように、Ｓｉ薄膜１０
６の上面にＳｉＯ₂ またはＳｉ₃ Ｎ₄ の薄膜を形成した
後、この薄膜にエッチングを選択的に施すことにより、
所望の特定領域に開口部を形成する。開口部を有するこ
の薄膜１０８は、後続する工程においてマスク材として
機能する。選択的なエッチングは既存の写真製版技術、
すなわちレジスト塗布、プリベーク、露光、現像、ポス
トベークの手順を順次用いて行われる。このとき、露光
は選択的なエッチングを可能にする所定のパターンを有
するマスク材を介して行なわれ、露光の後にはレジスト
材の剥離が行われる。開口部において露出するＳｉ薄膜
１０６の部分には、いわゆる逆スパッタリング等の方法
によって洗浄が施される。

【００９２】その後、図７に示すように、装置１０１を
用いることにより、形成すべき単結晶薄膜の複数の最稠
密面に垂直な方向から、適切な照射エネルギーをもって
Ｎｅ原子流１１０をＳｉ単結晶基板１０２の上面の全面
に照射する。Ｎｅ原子は、照射を受けるＳｉ薄膜１０６
の成分元素であるＳｉよりも軽く、また同じく照射を受
けるマスク材１０８の成分元素の中で最大の原子量を有
するＳｉよりも軽いので、照射に伴ってマスク材１０８
およびＳｉ薄膜１０６へ残留することが余りないという
利点がある。

【００９３】Ｓｉ薄膜１０６は、マスク材１０８を開口
部においてのみ、選択的にＮｅ原子流の照射を受ける。
このため、図８に示すように、Ｓｉ薄膜１０６は、マス
ク材１０８の開口部に相当する領域、すなわち上述の特
定領域において、結晶方位の揃った単結晶層１１２に選
択的に転換される。

【００９４】つづいて、図９に示すように、マスク材１
０８を除去した後、上面に熱酸化を施すことにより、酸
化膜１１４を形成する。一般に、熱酸化反応の反応速度
は、単結晶よりも非晶質または多結晶における方が、２
〜５倍ほど大きい。このため、酸化膜１１４は、単結晶
層１１２の上に比べてＳｉ薄膜１０６の上における方
が、２〜５倍厚く形成される。

【００９５】その後、図１０に示すように、酸化膜１１
４の上面全体を適度にエッチングすることにより、単結
晶層１１２の上面を露出させる。このとき、Ｓｉ薄膜１
０６の上には、酸化膜１１６が残っている。単結晶層１
１２には、例えばトランジスタ素子などの所望の素子を
形成することができる。このとき、酸化膜１１６は、単
結晶層１１２に形成される素子を他の素子から分離する
いわゆるＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）と
して機能する。Ｓｉ単結晶基板１０２自体も、その中に
すでに所望の素子が作り込まれている。したがって、単
結晶層１１２に新たな素子を組み込むことによって、３
次元構造を有するデバイスを実現することが可能であ
る。また、この実施例の方法では、ＬＯＣＯＳの形成が
非結晶層または多結晶層の上に行われるので、短時間で
効率よくＬＯＣＯＳを形成することができ、熱酸化装置
におけるスループットが向上するという利点がある。

【００９６】また、この実施例の方法では、絶縁体であ
るＳｉＯ₂ 膜１０４の上に単結晶薄膜を形成することが
できるために、３次元構造のデバイスにおいてＳｉ単結
晶基板１０２につくり込まれている素子と、その上に形
成された新たな素子の間の素子分離も容易に行い得ると
いう利点がある。

【００９７】＜B-2 ．第２実施例＞図１１〜図１９は、
第２実施例の方法に関する工程図である。図１１に示す
ように、単結晶Ｓｉ基板には、あらかじめトランジスタ
が形成されている。すなわち、ｐ型の単結晶Ｓｉ基板２
０２の上面に、互いに分離されたｎ型のソース層２０４
およびドレイン層２０６が選択的に形成されている。ま
た、基板２０２の上面には、これらの層の間に相当する
領域にゲート酸化膜２０８を介してゲート電極２１０が
形成されている。すなわち、このトランジスタはｎチャ
ネルＭＯＳ型トランジスタである。ゲート酸化膜２０８
はＳｉＯ₂ で構成され、ゲート電極２１０は多結晶Ｓｉ
で構成されている。

【００９８】つぎに、図１２に示すように、基板２０２
およびゲート電極２１０の上面の全体にわたってＳｉＯ
₂ で構成される絶縁膜２１２を形成する。その後、図１
３に示すように、非晶質または多結晶のＳｉ膜２１４を
絶縁膜２１２の全面に形成する。

【００９９】つづいて、Ｓｉ膜２１４に選択的なエッチ
ングを施し、所望の特定領域にのみＳｉ膜２１４を残
し、他は除去する。図１４には、選択的なエッチングに
よって特定領域に形成されたＳｉ膜２１６が図示されて
いる。

【０１００】つづいて、図１５に示すように、装置１０
１を用いることにより、形成すべき単結晶薄膜の複数の
最稠密面に垂直な方向から、適切な照射エネルギーをも
ってＮｅ原子流２１８を絶縁膜２１２およびＳｉ膜２１
６の上面の全面に照射する。Ｎｅ原子は、Ｓｉ膜２１６
および絶縁膜２１２を構成するＳｉよりも軽いので、照
射に伴ってこれらの層へ残留することが余りないという
利点がある。この照射によって、図１６に示すように、
Ｓｉ膜２１６は結晶方位の揃った単結晶Ｓｉ薄膜２２０
へ転換される。なお、このとき絶縁膜２１２の上面に露
出する領域も単結晶薄膜へ転換される。

【０１０１】つぎに、図１７に示すように、単結晶Ｓｉ
薄膜２２０にｎ型の不純物をドーピングすることによ
り、単結晶Ｓｉ薄膜２２０をｎ型のＳｉ薄膜とする。そ
の後、ｎ型の単結晶Ｓｉ薄膜２２０の上面に、ゲート酸
化膜２２８よびゲート電極２３０を選択的に形成する。
更にこれらをマスクとしてｐ型不純物を単結晶Ｓｉ薄膜
２２０の上面に選択的にドーピングすることにより、ド
レイン層２２４およびソース層２２６を形成する。すな
わち、セルフ・アライアン（自己整合）によってこれら
の層が形成される。この工程によって、単結晶Ｓｉ薄膜
２２０がｐチャネルＭＯＳ型トランジスタを構成する。

【０１０２】その後、上面の全面にわたってＳｉＯ₂ な
どによる絶縁膜２３２を形成する。つづいて、絶縁膜２
３２および絶縁膜２１２における所望の部位に、選択的
なエッチングを施すことにより、コンタクトホールとし
て機能する開口部を形成する。さらに、コンタクトホー
ルを含めて絶縁膜２３２の上面の全面にわたって、例え
ばアルミニウムで構成される導電性の配線層２３４を塗
布した後、配線層２３４を選択的に除去することによっ
て、素子間に所望の結線を施す（図１８）。

【０１０３】以上に示したように、この実施例の方法で
は、基板２０２の上の所望の特定領域に単結晶の層を選
択的に形成することができる。更に、基板２０２自体に
すでに素子が作り込まれているために、この単結晶の層
に新たな素子を作り込むことによって、３次元構造を有
するデバイスが実現する。この実施例の方法では、Ｓｉ
Ｏ₂ で構成される絶縁膜２１２の上に単結晶薄膜を形成
することができるために、３次元構造のデバイスにおい
て基板２０２につくり込まれている素子と、その上に形
成された新たな素子の間の素子分離も容易に行い得る。

【０１０４】また、図１９に示すように、基板２０２の
上に複数の新たな素子を形成することも可能である。こ
のとき、２つの新たな素子（図１９では２つのｐチャネ
ルＭＯＳ型トランジスタ）は、互いに孤立して形成され
た単結晶Ｓｉ薄膜２２０に作り込まれている。このた
め、これらの素子間の素子分離が、ＬＯＣＯＳ、アイソ
レーション層等を設けることなく容易に実現する。その
結果、デバイスの製造工程が簡易であるとともに、素子
の集積度が高いという利点がある。

【０１０５】なお、上記の実施例では、選択的に形成さ
れた単結晶Ｓｉ薄膜２２０にｎ型不純物を導入したが、
Ｓｉ膜２１６の段階で導入してもよく、さらにＳｉ膜２
１４の全面に導入しても良い。これらの何れの方法によ
っても、最終的に図１８または図１９に示される３次元
構造のデバイスを構成することが可能である。

【０１０６】＜B-3 ．第３実施例＞上述のように第２実
施例では、Ｓｉ膜２１４（図１３）を選択的に除去して
Ｓｉ膜２１６を形成した（図１４）後に、Ｎｅ原子流の
照射を行って（図１５）単結晶Ｓｉ薄膜２２０へ転換し
た（図１６）。これに代わって、まず図１３に示される
Ｓｉ膜２１４の上面全体に、Ｎｅ原子流の照射を行って
単結晶薄膜に転換し、その後Ｓｉ膜２１４を選択的に除
去することによって、図１６に示される単結晶Ｓｉ薄膜
２２０を形成してもよい。その後の工程は第２実施例と
同様である。

【０１０７】＜B-4 ．第４実施例＞また、上述のように
第３実施例では、あらかじめ非晶質または多結晶のＳｉ
膜２１４を形成した（図１３）後に、Ｎｅ原子流の照射
を行って、Ｓｉ膜２１４を単結晶薄膜に転換した。これ
に代わって、図１１に示す工程を終了した後、装置１０
０を用いて、絶縁膜２１２の上に非晶質のＳｉ薄膜を成
長させつつ、同時にＮｅ原子流の照射を実行することに
より、絶縁膜２１２の上に単結晶のＳｉ薄膜を形成して
も良い。その後、この単結晶のＳｉ薄膜を選択的に除去
することによって、図１６に示される単結晶Ｓｉ薄膜２
２０を形成する。その後の工程は第２および第３実施例
と同様である。

【０１０８】＜B-5 ．第５実施例＞図２０〜図２８は、
第５実施例の方法に関する工程図である。図２０に示す
ように、ＳｉＯ₂ で構成される基板５０２の上に、ＣＶ
Ｄ等によってアモルファスまたは多結晶のＳｉ薄膜をは
じめに形成する。その後、装置１００を用いて、Ｓｉ薄
膜にＮｅ原子流を照射することにより、このＳｉ薄膜を
（１００）面が上面に露出するように結晶包囲が揃った
単結晶Ｓｉ薄膜５０４に転換する。なお、装置１００を
用いる代わりに装置１０１を用いて、基板５０２の上に
アモルファスのＳｉ薄膜を成長させつつ同時に、Ｎｅ原
子流を照射することによって単結晶Ｓｉ薄膜５０４を形
成してもよい。

【０１０９】つぎに、図２１に示すように、単結晶Ｓｉ
薄膜５０４の上面を選択的に熱酸化させることによっ
て、ＬＯＣＯＳ層５０６を形成する。その後、図２２に
示すように、ＬＯＣＯＳ層５０６で互いに分離された単
結晶Ｓｉ薄膜領域５０８、５１０、および５１２のそれ
ぞれに、ｐ型またはｎ型の不純物を導入することによ
り、これらの単結晶Ｓｉ薄膜領域５０８、５１０、５１
２をｐ型またはｎ型の半導体領域に転換する。

【０１１０】つぎに、図２３に示すように、単結晶Ｓｉ
薄膜領域５１２、５１０の上面に、選択的にＳｉＯ₂ の
ゲート酸化膜５１４、５１５および多結晶Ｓｉのゲート
電極５１６、５１７をそれぞれ形成する。その後、図２
４に示すように、これらのゲート酸化膜５１４、５１５
およびゲート電極５１６、５１７をマスクとして、単結
晶Ｓｉ薄膜領域５１２、５１０へ、上面からｎ型および
ｐ型の不純物をそれぞれ選択的に導入する。その結果、
単結晶Ｓｉ薄膜領域５１２、５１０の中に、ソース層お
よびドレイン層が形成される。

【０１１１】つぎに、図２５に示すように、単結晶Ｓｉ
薄膜領域５０８の上面を除いた他の上面部分にＳｉＯ₂
の絶縁膜５２６を形成する。その後、図２６に示すよう
に、装置１０１を用いて、上面からＮｅ原子流の照射を
行う。このとき、ＳｉＯ₂ の絶縁膜５２６に覆われない
単結晶Ｓｉ薄膜領域５０８のみが選択的に照射を受け
る。照射方向は、１つの（１１１）面が上面に露出する
ように配向した単結晶Ｓｉの複数の最稠密面（１１１）
に垂直な複数の方向に設定される。このため、単結晶Ｓ
ｉ薄膜領域５０８が、（１１１）面が上面に露出するよ
うに結晶方位が揃った単結晶Ｓｉ層５３０へと転換され
る。すなわち、単結晶Ｓｉ薄膜領域５０８の結晶方位が
転換される。ＳｉＯ₂ の絶縁膜５２６でマスクされるこ
とによって照射を受けなかった領域５２８は、ＣＭＯＳ
素子を形成すべき領域である。一方、結晶方位が転換さ
れた単結晶Ｓｉ層５３０には、例えば圧力センサが形成
される。 つぎに、図２７に示すように、ＳｉＯ₂ の絶
縁膜５３２を上面の全面に形成する。絶縁膜５３２に
は、絶縁膜５２６が含まれている。その後、絶縁膜５３
２における所望の部位に、選択的なエッチングを施すこ
とにより、コンタクトホールとして機能する開口部を形
成する。さらに、コンタクトホールを含めて絶縁膜５３
２の上面の全面にわたって、例えばアルミニウムで構成
される導電性の配線層５３４を塗布した後、配線層５３
４を選択的に除去することによって、素子間に所望の結
線を施す（図２８）。

【０１１２】以上の工程によって、１つの単結晶Ｓｉ薄
膜５０４の中に、互いに結晶方位の異なる単結晶Ｓｉを
母材とする複数のＣＭＯＳ５２８と圧力センサ５３６と
が並列的に形成される。ＣＭＯＳ５２８を構成する単結
晶Ｓｉは、（１００）面が基板の主面に沿うように配向
するのが特性上望ましく、一方圧力センサを構成する単
結晶Ｓｉは、（１１１）面が基板の主面に沿うのが特性
上望ましい。この実施例の方法では、このように好まし
い結晶方位が互いに異なる複数の素子が同一の単結晶Ｓ
ｉ薄膜の中に作り込まれた複合デバイスを形成すること
が可能である。また、この実施例の方法では、単結晶で
はないＳｉＯ₂ の基板５０２の上に、単結晶Ｓｉを母材
とする素子を形成することが可能である。すなわち、基
板の材料を選ばないという利点がある。

【０１１３】＜B-6 ．第６実施例＞上述のように第５実
施例では、基板５０２の上に、ＣＶＤ等によってアモル
ファスまたは多結晶のＳｉ薄膜を形成した後、このＳｉ
薄膜の上面の全面にわたってＮｅ原子流を照射すること
により、Ｓｉ薄膜の全ての領域を（１００）面が上面に
露出するように配向した単結晶Ｓｉ薄膜５０４に転換し
た（図２０）。これに代わって、図２９に示すように、
所定のマスク・パターンを有するマスク材５４０を上面
に形成した後にＮｅ原子流を照射することによって、Ｓ
ｉ薄膜の中のＣＭＯＳを形成すべき領域に限って選択的
にＮｅ原子流を照射してもよい。これによって、ＣＭＯ
Ｓを形成すべき領域のみが（１００）面を上面とする単
結晶Ｓｉ薄膜５４２に転換され、残余の領域５４４は元
のアモルファスまたは多結晶のＳｉ薄膜のままである。
その後の工程は、第５実施例と同様である。

【０１１４】この第６実施例の方法も、第５実施例と同
様の効果を奏する。すなわち、好ましい結晶方位が互い
に異なる複数の素子が同一の単結晶Ｓｉ薄膜の中に作り
込まれた複合デバイスを形成することが可能である。ま
た、第５実施例と同様に、基板の材料を選ばないという
利点がある。

【０１１５】＜B-7 ．第７実施例＞図３０は、第７実施
例の単結晶薄膜形成装置における試料台の構造を示す正
面図である。この試料台は、装置１００へ試料台１０の
代わりに組み込まれて使用される。この試料台では、固
定台７０２に支柱７１２を介して反射板１２が固定的に
支持されている。また、固定台７０２には、可動台７０
６が水平に摺動可能に支持されている。この可動台７０
６の台座部分は、モータ７１０で回転駆動されるネジ７
０８に螺合しており、ネジ７０８の回転に伴って水平に
移動する。この台座部分には固定台７０２と同様のモー
タとネジによる水平駆動機構を備えており（図示を略す
る）、可動台の上方部材を水平に駆動する。台座の摺動
方向と上方部材の摺動方向とは互いに直交する。上方部
材の上には、被照射対象である基板１１が載置されてい
る。この基板１１は反射板１２の下方に位置する。

【０１１６】図３１は、この試料台の動作を模式的に示
す平面図である。基板１１は、２つの水平駆動機構の作
用によって、直交する２方向に沿って反射板１２に相対
的に走査する。このため、照射ビームの通過口として機
能する反射板１２の開口部に比べて広大な面積を有する
基板１１の全面にわたって均一にビームを照射すること
が可能である。

【０１１７】この試料台を用いる際に、図３２に示すよ
うな磁気レンズ７２０を備える単結晶薄膜形成装置１０
１ａを用いることによって、効率的にビームの照射を遂
行することが可能である。磁気レンズ７２０は、イオン
源２から下方へ噴出するイオンの流れを帯状に集束させ
る働きをなす。図３３は、磁気レンズ７２０によってイ
オン流が集束する様子を示す模式図である。磁気レンズ
７２０の作用によって、イオン流の断面形状は反射板１
２ｂの近傍では帯状となっている。従って、反射板１２
ｂもこの帯に沿う形状をなす。装置１００、１０１と同
様に、反射板１２ｂの近傍ではイオン流は殆ど中性の原
子流に変容している。基板１１には、反射板１２ｂから
反射される原子流の成分７２６と、直接入射する成分７
２４とが照射される。反射板１２ｂの傾斜角は、これら
の２成分の入射方向が、形成すべき単結晶薄膜の複数の
最稠密面にそれぞれ直角となるように調整されている。

【０１１８】基板１１を「原子流の帯」に直交する方向
７２８に走査することによって、１回の走査で基板１１
上の幅の広い領域を効率よく照射することが可能であ
る。したがって、広大な面積を有する基板１１への照射
を少ない回数の走査で遂行することが可能である。すな
わち、この装置１０１ａを用いることによって、単結晶
薄膜を一層高い効率で形成することが可能となる。基板
１１の幅が「原子流の帯」の長軸幅よりも短い場合には
特に有効である。このとき、基板１１の走査は１つの方
向７２８に沿って行うだけで足りるので、単結晶薄膜の
形成を一層効率よく行うことが可能である。また、試料
台が備える駆動機構は固定台７０２に組み込まれた１つ
の駆動機構のみで足りるので、試料台の構造が簡単であ
る。

【０１１９】＜B-8 ．第８実施例＞図３４は、第８実施
例の単結晶薄膜形成装置における反射板支持台の構造を
模式的に示す正面図である。この反射板支持台は、反射
板８０２の一端をヒンジ８０４によって回動自在に支持
するとともに、他端を連接棒８０８の先端に設けられた
ヒンジ８０６によって回転自在に支持する。連接棒８０
８はピストン８１０によって軸方向に駆動される。連接
棒８０８が軸方向に移動するのにともなって、反射板８
０２がヒンジ８０４の周りに回動する。その結果、反射
板８０２における反射面の傾斜角θが変動する。すなわ
ち、この装置では反射板８０２の反射面の傾斜角が可変
である。このため、１台の装置を用いることによって、
様々な結晶方位、結晶構造を有する単結晶薄膜を形成す
ることが可能である。すなわち、多種類の単結晶薄膜の
形成を経済的に遂行し得るという利点がある。

【０１２０】また、１つの基板１１の上に多種類の単結
晶薄膜を効率よく形成することができるという利点があ
る。なぜならば、基板１１を装置に挿入したままで、多
種類の単結晶薄膜を形成することが可能であるからであ
る。なお、ピストン８１０の動作は、コンピュータで制
御されることによって、所定の傾斜角を瞬時に設定する
ことが可能である。

【０１２１】＜B-9 ．第９実施例＞図３５は、第９実施
例の単結晶薄膜形成装置における反射板支持台９０２の
構造を模式的に示す平面図である。この反射板支持台９
０２は、垂直軸の周りに回転駆動される複数の腕９０４
を備えている。腕９０４の各１の先端部には、互いに異
なる反射板９０６ａ〜９０６ｆの各１が取り付けられて
いる。これらの複数の反射板９０６ａ〜９０６ｆは、基
板１１へ入射する原子流の成分の数または入射角度が互
いに異なるように構成されている。すなわち、反射面の
数、傾斜角度において互いに異なっている。腕９０４が
回転駆動されるので、この反射板支持台９０２を用いる
ことによって、原子流が照射される照射領域９０８に設
置すべき所望の反射板を、複数種類の反射板９０６ａ〜
９０６ｆの中から任意に選択することが可能である。

【０１２２】このため、実施例８の装置と同様に、１台
の装置のみで、様々な結晶方位、結晶構造を有する単結
晶薄膜を形成することが可能である。すなわち、多種類
の単結晶薄膜の形成を経済的に遂行し得るという利点が
ある。また、１つの基板１１の上に多種類の単結晶薄膜
を効率よく形成することができる。

【０１２３】＜B-10．第１０実施例＞第７実施例〜第９
実施例における反射板および反射板支持台は、装置１０
０の代わりに装置１０１に組み込んで使用することも可
能である。すなわち、これらの反射板および反射板支持
台は、非晶質または多結晶の薄膜の形成の後にこの薄膜
の単結晶への転換を行う装置と、これらを同時に行う装
置との何れにも使用することが可能である。

【０１２４】＜B-11．第１１実施例＞図３６は、第１１
実施例の単結晶薄膜形成装置の構造を模式的に示す平面
図である。この装置では、基板１１にエッチング処理を
施すエッチング装置部１１０４、基板１１の上に非晶質
または多結晶の薄膜を形成する成膜装置部１１０６、お
よび基板１１の上に原子流の照射を行う照射装置部１１
０８が、搬送室１１０２の周囲に配置されている。しか
も、各装置部１１０４、１１０６、および１１０８にお
いて基板１１を収納する処理室は、この搬送室１１０２
を通じて互いに連通している。搬送室１１０２には基板
１１を搬入するための搬入口１１１０と搬出するための
搬出口１１１２とが設置されている。これらの搬入口１
１１０および搬出口１１１２はいずれも、気密性で開閉
自在の扉（図示を略する）が設けられている。搬送室１
１１２には基板１１を搬入、搬出するとともに、各処理
室への挿入および各処理室からの取り出しを自動的に行
う搬送ロボット１１１４が設置されている。

【０１２５】この実施例の装置は、各処理室が互いに連
通するので、基板１１に薄膜を形成する前に酸化膜を除
去するためのエッチング処理を行った後に、新たな酸化
の進行を防止しつつ直ちに薄膜の形成を開始することが
可能である。このため良好で均一な特性を有する薄膜を
確実に形成することが可能であるとともに、各処理を効
率よく実行することができる。また、搬送ロボット１１
１４が設置されているので、基板１１の各処理室への搬
送を効率よく行い得る。

【０１２６】＜B-12．第１２実施例＞図３７は、第１２
実施例の単結晶薄膜形成装置の構造を模式的に示す正面
断面図である。この装置は、反射板１２を備える代わり
に、２台のＥＣＲイオン源１２０４ａ、１２０４ｂを備
えている。すなわち、これらのＥＣＲイオン源１２０４
ａ、１２０４ｂが供給する原子流は基板１１の上面へ直
接入射する。ＥＣＲイオン源１２０４ａ、１２０４ｂは
基板１１の主面に対して所定の角度をもつように設置さ
れている。その結果、形成すべき単結晶薄膜の複数の最
稠密面に垂直な入射方向をもって基板１１の上面に原子
流が入射する。反射板１２を備える装置１００の代わり
に、このような複数のビーム源を有する装置を用いて
も、基板１１の上に単結晶薄膜を形成することが可能で
ある。

【０１２７】この装置では、処理室１２０２の中に設置
される試料台１２０８に、基板１１の姿勢を調整する機
構が更に付加されている。すなわち、試料台１２０８は
水平面内で回転することが可能であり、試料台１２０８
が回転することによって、基板１１がオリエンテーショ
ン・フラット１１ａを有しているときに、このオリエン
テーション・フラット１１ａを所定の方向に向けるべく
基板１１を回転させることが可能である。装置の処理室
１２０２の側面に設けられている搬送口１２０４を通じ
て搬送装置１２０６に載置された基板１１が搬入され、
試料台１２０８の上に載置されると、オリエンテーショ
ン・フラット１１ａの向きを光学的手段によって検出
し、その向きを所定の方向に修正すべく試料台１２０８
が所定の回転量だけ回転する。この回転量の算出は、コ
ンピュータを内蔵する制御装置部（図示を略する）によ
って行われる。

【０１２８】オリエンテーション・フラット１１ａの向
きは、基板１１を構成する単結晶層の結晶方位と通常一
定の関係を有している。このため、オリエンテーション
・フラット１１ａの向きを所定の向きに設定することに
よって、基板１１を構成する単結晶層の結晶方位と、そ
の上に新たに形成すべき単結晶薄膜の結晶方位との間の
関係を、つねに所望の関係に設定することが可能であ
る。このため、この装置を用いることによって、基板１
１を構成する単結晶層の上に例えばエピタキシャリーに
新たな単結晶薄膜を形成することも可能となる。

【０１２９】図３８は、第１２実施例におけるもう１つ
の単結晶薄膜形成装置の構造を模式的に示す正面断面図
である。この装置においても、基板１１の姿勢を調整す
べく基板１１を水平に回転することが可能である。すな
わち、試料台１２０８は回転駆動部１２１４によって水
平に回転可能である。この装置は、更に単結晶構造を有
する基板１１の結晶方位を検出する結晶方位検出装置部
１２１０を備えている。結晶方位検出装置部１２１０
は、例えばＸ線を基板１１の表面に照射し、その回折像
を捉える機能を有する。結晶方位検出装置部１２１０に
よって得られた回折像を表現する電気信号が、コンピュ
ータを内蔵する制御部１２１２へ送信される。制御部１
２１２は、この信号から回折像を解読し、基板１１にお
ける結晶方位を算出するとともに、所望の結晶方位との
偏差を算出し、回転駆動部１２１４へ方位を修正するた
めの回転角度を指示する。回転駆動部１２１４は指示通
りに試料台１２０８を回転させる。以上の動作によって
偏差が解消され、基板１１を構成する単結晶層の結晶方
位と、その上に新たに形成すべき単結晶薄膜の結晶方位
との間の関係が、つねに所望の関係に設定される。

【０１３０】図３８の装置は図３７の装置と異なり、オ
リエンテーション・フラット１１ａを有しない任意の単
結晶基板に対して、結晶方位を調整し得るという利点が
ある。また、基板１１の結晶方位とオリエンテーション
・フラット１１ａの向きとの間の関係は、通常において
精度の高いものではないことを考えれば、図３８の装置
では、図３７の装置に比べて、より高い精度で結晶方位
の調整を行うことが可能であるといえる。

【０１３１】＜B-13．第１３実施例＞図３９は、第１３
実施例の単結晶薄膜形成装置の試料台を模式的に示す部
分断面正面図である。この試料台は装置１０１とともに
使用される。すなわちこの試料台は、基板１１の上に反
応ガスを供給することによって非晶質又は多結晶の薄膜
を成長させつつ原子流の照射を行う装置において使用さ
れる。この試料台では、固定台１３０２の上に、支柱１
３０４を介して反射板１２が固定的に支持されている。
基板１１を載置する回転台１３０６は回転軸１３０８に
連接しており、図示しない回転駆動装置部によって回転
軸１３０８が回転駆動されることによって、水平に回転
する。回転台１３０６が回転することによって、その上
に載置される基板１１が回転する。基板を回転させ、基
板１１の方向を適度に変更することによって、反応系に
おける不均一性、すなわち基板１１上への反応ガスの供
給量の分布あるいは基板１１上の温度分布などにおける
不均一性に起因して、成長する薄膜の厚さに現れる不均
一性を解消することが可能である。一方、基板１１が回
転すると、反射板１２と基板１１との間の相対位置が変
わる。このため、この試料台を用いるときには、原子流
の照射を間欠的に行い、照射が停止している間に限っ
て、基板１１の向きを変更し薄膜の成長、すなわち成膜
のみを実行する。さらに、つぎの照射が再開される時点
までには、元の向きに戻す。これらの動作を反復しつつ
成膜と単結晶への転換とを遂行する。

【０１３２】図４０は、もう１つの試料台の例を模式的
に示す平面図である。この試料台は、基板１１への処理
をバッチ処理方式で実現する試料台であり、装置１００
と組み合わせて用いられる。この試料台では、回転台１
３１０の回転軸の周辺部分に、処理対象としての基板１
１が載置される。図４０では４枚の基板１１が載置され
た例を図示している。これらの基板１１の中で、図４０
における例えば「Ａ」の位置においてのみ、原子流の照
射が行われる。反応ガスの供給はすべての「Ａ」〜
「Ｄ］のすべての位置において行われる。

【０１３３】回転台１３１０を間欠的に回転させること
によって、「Ａ」の位置を占める基板１１は照射と反応
ガスの供給とをともに受ける。すなわち、成膜と単結晶
化とが同時に進行する。他の「Ｂ］〜「Ｄ］の各位置で
は、反応ガスの供給のみが行われるので、成膜のみが進
行する。しかも、「Ａ」〜「Ｄ］の各位置によって基板
１１の向きは異なっている。したがって、基板１１が
「Ａ」〜「Ｄ］の各位置を順次巡回することによって、
反応系における不均一性に起因する成膜の度合いの不均
一性を解消することができる。すなわち、この試料台を
用いることによっても、基板１１の上に厚さの均一な単
結晶薄膜を形成することが可能である。しかも、「Ａ」
の位置では、常に原子流の照射を実行することが可能で
ある。このため、図３９の試料台を用いる場合に比べ
て、単結晶薄膜をより効率よく形成し得るという利点が
ある。

【０１３４】＜B-14．第１４実施例＞図４１は、第１４
実施例の単結晶薄膜形成装置の試料台を模式的に示す断
面正面図である。この試料台では、内部に反応ガス供給
経路を規定する反応ガス供給部材１４１２が、反応容器
１４０２の底部に気密を保持しつつ回転自在に取り付け
られている。したがって、この試料台は反応ガス供給系
を別途備えていない装置１００に組み込むのに適してい
る。この反応ガス供給部材１４１２は、ベルト１４２８
によって回転駆動される。この反応ガス供給部材１４１
２は、最内層に位置する内管１４１６と、最外層に位置
する外管１４１４と、これらの中間に位置する中間管１
４１８とを備える３層構造をなしている。このことによ
って、反応ガス供給部材１４１２は、反応ガスの供給経
路と排気経路とを、各層の間に規定する。また、反応ガ
ス供給部材１４１２には、気密を保持するための回転シ
ール１４３０、および１４３２を介して、反応ガス供給
口１４２０、および反応ガス排出口１４２６とが、それ
ぞれ気密を保持しつつ回転自在に連結している。

【０１３５】また、反応ガス供給部材１４１２の内側に
は、試料固定台１４０４を固定的に支持する支柱１４０
６が嵌挿されている。試料固定台１４０４の上には試料
としての基板１１が載置され、試料固定台１４０４の底
面には試料を加熱するヒータ１４０８が設置されてい
る。このヒータ１４０８は、基板１１上における温度分
布の改善を図るために、必要に応じて回転させてもよ
い。試料固定台１４０４は固定されており、反応ガス供
給部材１４１２が回転しても、それにともなって回転す
ることはない。

【０１３６】反応ガス供給口１４２０から供給される反
応ガスは、中間管１４１８と内管１４１６との間に規定
される供給経路を通過して、反応ガス噴出口１４２２か
ら基板１１の上面へ向けて噴出する。反応済みの残留ガ
スは反応ガス回収口１４２４から、外管１４１４と中間
管１４１８の間に規定されるもう１つの経路、すなわち
排気経路へ入り、更にこの排気経路を通過して反応ガス
排出口１４２６から外部へ排出される。反応ガス供給部
材１４１２が回転することによって、基板１１の上に均
一に所定の薄膜を成長させることが可能である。しか
も、基板１１は回転しないので、原子流の照射を中断す
ることなく継続して行うことができる。すなわち、この
試料台では、原子流の照射による単結晶化を中断するこ
となく、成膜を均一に実行することが可能である。この
ため、基板１１の上に更に効率よく、しかも均一な厚さ
の単結晶薄膜を形成することが可能である。

【０１３７】＜B-15．第１５実施例＞図４２は、第１５
実施例の単結晶薄膜形成装置の構造を模式的に示す正面
断面図である。この装置は、図３７の装置と同様に、２
台のＥＣＲイオン源１２０４ａ、１２０４ｂを備えてい
る。この実施例の装置の特徴は、これらの２台のＥＣＲ
イオン源１２０４ａ、１２０４ｂが発生するイオン・ビ
ームの密度を個別に調整する制御装置部１５０２、１５
０４を備えている点にある。これらの制御装置部１５０
２、１５０４によって、２台のＥＣＲイオン源１２０４
ａ、１２０４ｂの出力が個別にすなわち独立に制御され
るので、それぞれが供給するイオン・ビームの密度を容
易に最適化することが可能である。このため、基板１１
の上に良質の単結晶薄膜を安定して形成し得るという利
点がある。

【０１３８】＜B-16．第１６実施例＞図４３は、第１６
実施例の単結晶薄膜形成装置の構造を模式的に示す正面
断面図である。この装置もまた、図４２の装置と同様
に、２台のＥＣＲイオン源１２０４ａ、１２０４ｂを備
えている。この実施例の装置の特徴は、これらの２台の
ＥＣＲイオン源１２０４ａ、１２０４ｂと、基板１１と
の間に、イオンを加速する方向にバイアス電圧が付加さ
れる点にある。すなわち、高周波を生成するＲＦ電源１
６０２とインピーダンス・マッチングを保証するための
マッチング回路１６０４との直列回路、すなわち高周波
をＥＣＲイオン源１２０４ａ、１２０４ｂへ供給する回
路に、並列に直流電圧供給回路が介挿されている。直流
電圧供給回路は、直流電源１６０６と高周波を阻止する
インダクタ１６０８との直列回路で構成される。

【０１３９】高周波および直流電圧の供給は、切換リレ
ー１６１０の作用により、時分割によって２台のＥＣＲ
イオン源１２０４ａ、１２０４ｂに割り当てられる。時
分割によって交互に２つのＥＣＲイオン源１２０４ａ、
１２０４ｂへ供給されるのは、それぞれに印加される直
流電圧が互いに干渉することによって、イオン流の正常
な流れが乱されるのを防止するためである。

【０１４０】この実施例の装置では、ＥＣＲイオン源１
２０４ａ、１２０４ｂと基板１１の間にイオンを加速す
る方向にバイアス電圧が印加されるので、原子流の指向
性が向上するという利点がある。なお、時分割で交互に
２つのＥＣＲイオン源１２０４ａ、１２０４ｂにバイア
ス電圧を供給する代わりに、双方へ同時に供給しても相
応の効果を奏する。また、２つの直流電圧供給回路を設
置して、２つのＥＣＲイオン源１２０４ａ、１２０４ｂ
に、それぞれ個別にバイアス電圧を供給してもよい。こ
の場合には、各ＥＣＲイオン源１２０４ａ、１２０４ｂ
のそれぞれに合った、最適なバイアス電圧を印加するこ
とができるので、最適な照射条件が得られるという利点
がある。

【０１４１】＜B-17．第１７実施例＞図４４は、第１７
実施例の単結晶薄膜形成装置の構造を模式的に示す正面
断面図である。この装置もまた、図４３の装置と同様
に、２台のＥＣＲイオン源１２０４ａ、１２０４ｂを備
えている。この実施例の装置の特徴は、これらの２台の
ＥＣＲイオン源１２０４ａ、１２０４ｂのイオン引出口
の近傍に、イオンの引き出し条件を調整するバイアス電
圧が付加されたグリッド１７０２、１７０４を備える点
にある。これらのグリッド１７０２、１７０４と基板１
１の間には、それぞれ直流電源１７０６、１７０８が介
挿されている。２つのグリッド１７０２、１７０４は互
いに分離されており、それぞれに印加される電圧の大き
さは独立して調整することができる。

【０１４２】グリッド１７０２、１７０４と基板１１の
間に、例えばイオンを加速する方向にバイアス電圧を印
加すると、原子流の指向性が向上する。また、この装置
では、２つのグリッドに印加されるバイアス電圧の大き
さを独立して調整し得るので、２つのＥＣＲイオン源１
２０４ａ、１２０４ｂの動作状況に応じて、最適なバイ
アス電圧を印加することが可能である。このため、基板
１１の上に効率よくかつ高品質の単結晶薄膜を形成する
ことができる。

【０１４３】＜その他の実施例＞ （１） ＥＣＲイオン源の代わりに、ケージ型、カウフ
マン型等の他のイオン源を用いてもよい。ただし、この
ときに形成されるイオン流は、イオン間の静電気による
反発力によって流れが拡散し、指向性が弱まるという問
題点がある。また、イオン流をそのまま基板１１へ照射
する場合には、電気絶縁性の基板が使用できない。なぜ
なら、基板１１に電荷が蓄積して照射が進行しなくなる
からである。このため、イオン流の経路に、イオンを中
性化して原子流に転換する手段を設置する必要がある。
あるいは、反射板１２を金属などの導電性の材料で構成
することによって、イオン流の反射と中性原子流への転
換とを同時に行ってもよい。 これに対し、ＥＣＲイオ
ン源を備える装置では、イオン流を中性化する手段を用
いることなく中性原子流が容易に得られ、しかも平行流
に近い形で得られるという利点がある。このため、高い
入射角精度をもった原子流の薄膜への照射が容易に実現
する。また、薄膜へは主として中性の原子流が入射する
ので、基板１１にＳｉＯ₂ 基板などの絶縁性の基板を使
用することも可能である。

【０１４４】（２） また、ＥＣＲイオン源の代わり
に、中性の原子流、あるい中性のラジカル流を発生する
ビーム源を使用してもよい。このような中性の原子流、
ラジカル流を発生するビーム源がすでに市販されてい
る。このビーム源を使用すれば、中性の原子またはラジ
カルのビームが得られるので、ＥＣＲイオン源を用いた
場合と同様に、イオン流を中性化する手段を要せずし
て、絶縁性の基板１１の上に単結晶薄膜を形成すること
が可能である。

【０１４５】（３） 基板１１には、中性の原子流を照
射する代わりに分子流、またはイオン流を照射してもよ
い。すなわち、一般に気体のビームを照射してもよい。
この場合にも単結晶の薄膜を形成することが可能であ
る。しかしながら、イオン流を照射する場合には、上述
のように、電気絶縁性の基板を用いることができないと
いう欠点がある。

【０１４６】

【発明の効果】＜請求項１記載の発明の効果＞この発明
の方法では、基板上にあらかじめ形成された所定の物質
の非晶質または多結晶質の薄膜に、所定の温度下で複数
方向から適度なエネルギーを有する気体のビームを照射
する。このことにより、ブラベの法則の作用と縦方向の
固相エピタキシャル成長とが進行し、この薄膜が単結晶
薄膜へ転換される。しかも、照射に先だって被照射薄膜
の上にマスク材が形成され、さらにこのマスク材は選択
的に除去されている。このため、このマスク材の選択的
に除去された部分に相当する基板上の特定領域に限って
照射が進行するので、この特定領域において単結晶薄膜
が選択的に形成される。すなわち、この発明の方法は、
基板上の任意の特定領域に、結晶方位の揃った単結晶薄
膜を選択的に形成し得るという効果を奏する。

【０１４７】＜請求項２記載の発明の効果＞この発明の
方法では、マスク材の形成から気体ビームの照射を、照
射方向を変更しつつ反復する。このため、この発明の方
法は、基板上の複数の任意の特定領域に、互いに結晶方
位の異なる単結晶薄膜を選択的に形成し得るという効果
を奏する。

【０１４８】＜請求項３記載の発明の効果＞この発明の
方法では、基板上の特定領域を残して非晶質または多結
晶質の薄膜を選択的に除去した後に、所定の温度下で気
体のビームを照射することにより、ブラベの法則の作用
と縦方向の固相エピタキシャル成長とを促し、この薄膜
を単結晶薄膜へ転換する。このため、この発明の方法で
は、基板上の任意の特定領域に、結晶方位の揃った単結
晶薄膜を選択的に形成し得るという効果がある。

【０１４９】＜請求項４記載の発明の効果＞この発明の
方法では、基板上の非晶質または多結晶質の薄膜に、所
定の温度下で気体のビームを照射することにより、ブラ
ベの法則の作用と縦方向の固相エピタキシャル成長とが
促され、この薄膜が単結晶薄膜へ転換される。その後、
基板上の特定領域を残して単結晶薄膜を選択的に除去す
る。このため、この発明の方法は、基板上の任意の特定
領域に、結晶方位の揃った単結晶薄膜を選択的に形成し
得るという効果を奏する。

【０１５０】＜請求項５記載の発明の効果＞この発明の
方法では、基板上に非晶質または多結晶質の薄膜を形成
しつつ、所定の温度下で気体のビームを照射することに
より、ブラベの法則の作用が促され、形成されつつある
薄膜が逐次単結晶薄膜へ転換される。その後、基板上の
特定領域を残して単結晶薄膜を選択的に除去する。この
ため、この発明の方法では、基板上の任意の特定領域
に、結晶方位の揃った単結晶薄膜を選択的に形成し得る
という効果がある。

【０１５１】＜請求項６記載の発明の効果＞この発明の
方法では、基板上の非晶質または多結晶質の薄膜に、所
定の温度下で気体のビームを照射することにより、ブラ
ベの法則の作用と縦方向の固相エピタキシャル成長とが
促され、この薄膜が単結晶薄膜へ転換される。その後、
この単結晶薄膜にマスク材を選択的に形成した後、新た
な方向から気体のビームを再び照射する。このとき、マ
スク材が選択的に除去された領域において、単結晶薄膜
が新たな結晶方位を有する第２の単結晶薄膜に転換され
る。すなわち、この発明の方法は、基板上の複数の任意
の特定領域に、互いに結晶方位の異なる単結晶薄膜を選
択的に形成し得るという効果を奏する。

【０１５２】＜請求項７記載の発明の効果＞この発明の
装置では、基板移動手段によって基板を走査することが
できるので、長尺の基板上に均一性の高い単結晶薄膜を
形成し得るという効果がある。

【０１５３】＜請求項８記載の発明の効果＞この発明の
装置では、気体のビームの断面形状を基板の上において
帯状にするビーム集束手段を備えるので、基板を走査す
ることによって単結晶薄膜を効率よくしかも、一層高い
均一性をもって形成し得るという効果がある。

【０１５４】＜請求項９記載の発明の効果＞この発明の
装置では、薄膜へ照射する気体のビームを、単一のビー
ム源と、経路に配設される反射板とによって得るので、
複数のビーム源を要せずして、相異なる複数の所定の方
向から気体のビームを照射することが可能である。しか
も、反射板駆動手段を備えるので、基板へのビームの入
射方向を変更して再設定することができる。このため、
互いに異なる結晶構造または結晶方位を有する複数種類
の単結晶薄膜を１つの装置で形成し得るという効果があ
る。

【０１５５】＜請求項１０記載の発明の効果＞この発明
の装置では、薄膜へ照射する気体のビームを、単一のビ
ーム源と、経路に配設される反射板とによって得るの
で、複数のビーム源を要せずして、相異なる複数の所定
の方向から気体のビームを照射することが可能である。
しかも、反射板交換手段を備えるので、基板へのビーム
の入射方向を複数の反射板の中から任意に選択して再設
定することができる。このため、互いに異なる結晶構造
または結晶方位を有する複数種類の単結晶薄膜を１つの
装置で形成し得るという効果がある。

【０１５６】＜請求項１１記載の発明の効果＞この発明
の装置では、例えば化学気相成長手段等の成膜手段が備
わるので、成膜を行いつつ気体のビームを照射すること
によって、形成されつつある薄膜を逐次単結晶薄膜へ転
換することができる。このため、薄膜の縦方向エピタキ
シャル成長を促す必要がないので、低温度下で単結晶薄
膜を形成し得るという効果がある。

【０１５７】＜請求項１２記載の発明の効果＞この発明
の装置は、互いに連通する処理室を有するエッチング手
段と成膜手段と照射手段とを備えるので、この装置を用
いることにより、基板上に薄膜を形成する前に、酸化膜
を除去するエッチング処理を行い、新たな酸化の進行を
防止しつつ成膜を開始することが可能である。また、こ
の装置では、基板搬送手段が備わるので、各処理室への
基板の搬送が効率よく行われ得る。

【０１５８】＜請求項１３記載の発明の効果＞この発明
の装置は姿勢制御手段を備えるので、この装置を用いる
ことにより、単結晶基板の結晶軸と気体のビームの入射
方向との間を所定の関係に設定することが可能である。
このため、単結晶基板の上にエピタキシャリーにしかも
結晶化温度以下で新たな単結晶薄膜を形成し得るという
効果がある。

【０１５９】＜請求項１４記載の発明の効果＞この発明
の装置では、基板回転手段が備わるので、反応ガスを常
時供給する一方でビームの照射を間欠的に実行し、照射
が止んでいる間に基板を回転しつつ非晶質または多結晶
質の薄膜の形成を進行させることが可能である。このこ
とによって均一性の高い非晶質または多結晶質の薄膜を
形成することができるので、これを転換して得られる単
結晶薄膜においても高い均一性が実現するという効果が
ある。

【０１６０】＜請求項１５記載の発明の効果＞この発明
の装置では、供給系回転手段が備わるので、ビームの照
射を間欠的に実行することなく、反応ガスの供給とビー
ムの照射とを常時行いつつ均一性の高い単結晶薄膜を得
ることが可能である。すなわち、均一性の高い単結晶薄
膜を効率よく形成し得るという効果がある。

【０１６１】＜請求項１６記載の発明の効果＞この発明
の装置では、例えば出力ビームの密度などの照射手段に
おける動作条件を、制御手段が個別に調整するので、基
板に照射される複数のビームの状態がいずれも最適に調
整される。このため、良質の単結晶薄膜を効率よく形成
し得るという効果がある。

【０１６２】＜請求項１７記載の発明の効果＞この発明
の装置では、バイアス手段によってイオン源と基板との
間にバイアス電圧が印加されるので、気体のビームの指
向性が向上する。このため、結晶方位の均一性の高い良
質の単結晶薄膜を形成し得るという効果がある。

【０１６３】＜請求項１８記載の発明の効果＞この発明
の装置では、グリッド電圧印加手段によってイオン源か
らイオンを引き出す条件が最適に調整されるので、良質
の単結晶薄膜を効率よく形成し得るという効果がある。

【０１６４】＜請求項１９記載の発明の効果＞この発明
の方法では、基板上へ照射される気体ビームを構成する
元素の原子量が、被照射薄膜を構成する元素の原子量の
中の最大のものよりも低いので、照射された気体を構成
する原子が被照射薄膜の中に残留し難い。このため、不
純物の少ない単結晶薄膜が得られるという効果がある。

【０１６５】＜請求項２０記載の発明の効果＞この発明
の方法では、基板上へ照射される気体ビームを構成する
元素の原子量が、マスク材を構成する元素の原子量の中
の最大のものよりも低いので、照射された気体を構成す
る原子がマスク材および被照射薄膜の中に侵入し難い。
このため、不純物の少ない単結晶薄膜が得られるという
効果がある。

【０１６６】＜請求項２１〜請求項２３の各１に記載の
発明の効果＞この発明の装置では、電子サイクロトロン
共鳴型のイオン源によって気体のビームが供給されるの
で、イオンのビームの指向性が高いのに加えて、イオン
源から所定以上の距離において、イオンを中性化する手
段を用いることなく、指向性のよい強度の中性ビームを
得ることができる。このため、質の良い単結晶薄膜を簡
便かつ安価に形成し得るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の単結晶薄膜形成装置の基本構成の一
例を示す正面断面図である。

【図２】この発明の単結晶薄膜形成装置に用いられる反
射板の一例を示す斜視図である。

【図３】この発明の単結晶薄膜形成装置に用いられる反
射板の一例を示す三面図である。

【図４】この発明の単結晶薄膜形成装置の基本構成のも
う一つの例を示す正面断面図である。

【図５】この発明の第１実施例の方法を示す工程図であ
る。

【図６】この発明の第１実施例の方法を示す工程図であ
る。

【図７】この発明の第１実施例の方法を示す工程図であ
る。

【図８】この発明の第１実施例の方法を示す工程図であ
る。

【図９】この発明の第１実施例の方法を示す工程図であ
る。

【図１０】この発明の第１実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図１１】この発明の第２実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図１２】この発明の第２実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図１３】この発明の第２実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図１４】この発明の第２実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図１５】この発明の第２実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図１６】この発明の第２実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図１７】この発明の第２実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図１８】この発明の第２実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図１９】この発明の第２実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図２０】この発明の第５実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図２１】この発明の第５実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図２２】この発明の第５実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図２３】この発明の第５実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図２４】この発明の第５実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図２５】この発明の第５実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図２６】この発明の第５実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図２７】この発明の第５実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図２８】この発明の第５実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図２９】この発明の第６実施例の方法を示す工程図で
ある。

【図３０】この発明の第７実施例の装置を示す正面図で
ある。

【図３１】この発明の第７実施例の装置を示す平面図で
ある。

【図３２】この発明の第７実施例の装置を示す正面断面
図である。

【図３３】この発明の第７実施例の装置を示す斜視図で
ある。

【図３４】この発明の第８実施例の装置を示す正面図で
ある。

【図３５】この発明の第９実施例の装置を示す平面図で
ある。

【図３６】この発明の第１１実施例の装置を示す平面図
である。

【図３７】この発明の第１２実施例の装置を示す正面断
面図である。

【図３８】この発明の第１２実施例の装置を示す正面断
面図である。

【図３９】この発明の第１３実施例の装置を示す部分断
面正面図である。

【図４０】この発明の第１３実施例の装置を示す平面図
である。

【図４１】この発明の第１４実施例の装置を示す正面断
面図である。

【図４２】この発明の第１５実施例の装置を示す正面断
面図である。

【図４３】この発明の第１６実施例の装置を示す正面断
面図である。

【図４４】この発明の第１７実施例の装置を示す正面断
面図である。

【符号の説明】

２ ＥＣＲイオン源 ７ 不活性ガス導入管 １１ 基板 １１ａ オリエンテーション・フラット １２ 反射板 １３ 反応ガス導入管 １００、１０１、１０１ａ 単結晶薄膜形成装置 １０２ Ｓｉ単結晶基板 １０８ マスク材 １０４ ＳｉＯ₂ 膜 １０６ Ｓｉ薄膜 ２０２ 基板 ２１４ Ｓｉ膜 ５０２ 基板 ５０４ 単結晶Ｓｉ薄膜 ５２６ ＳｉＯ₂ の絶縁膜 ５４０ マスク材 ７１０ モータ ７０８ ネジ ７２０ 磁気レンズ ８１０ ピストン ８０８ 連接棒 ８０２ 反射板 ９０６ａ〜９０６ｆ 反射板 ９０４ 腕 １１０４ エッチング装置部 １１０６ 成膜装置部 １１０８ 照射装置部 １１０２ 搬送室 １１１４ 搬送ロボット １２０４ａ、１２０４ｂ ＥＣＲイオン源 １２０８ 試料台 １２０２ 試料台 １２１０ 結晶方位検出装置部 １２１２ 制御部 １２１４ 回転駆動装置部 １３０６ 回転台 １３１０ 回転台 １４０４ 試料固定台 １４１２ 反応ガス供給部材 １５０２、１５０４ 制御装置部 １６０６ 直流電源 １７０２、１７０４ グリッド １７０６、１７０８ 直流電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉水 敏和 大阪府吹田市江坂町１丁目12番38号 江 坂ソリトンビル 株式会社メガチップス 内 (72)発明者 浅川 俊文 神奈川県大和市つきみ野６−９−25 (72)発明者 植山 須美義 大阪府吹田市江坂町１丁目12番38号 江 坂ソリトンビル 株式会社メガチップス 内 (56)参考文献 特開 平７−58026（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−219123（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−184720（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−118631（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−3089（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−245849（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−194519（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−53719（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−39523（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−43632（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−109196（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−340500（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−128072（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−184594（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−320291（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205 C30B 25/04 C30B 29/06 504

Claims (23)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の物質の単結晶薄膜を形成する方法
   であって、 (a) 基板上に非晶質または多結晶質の前記所定の物質の
   薄膜を形成する工程と、 (b) 当該薄膜上にマスク材を形成する工程と、 (c) 当該マスク材を選択的に除去する工程と、 (d) 前記所定の物質の結晶化温度以下の高温下で、形成
   すべき前記単結晶薄膜における方向の相異なる複数の最
   稠密結晶面に垂直な方向から、前記所定の物質のスパッ
   タリングを引き起こさない低エネルギーの気体のビーム
   を、選択的に除去された前記マスク材を遮蔽体として前
   記基板上へ照射する工程と、 を備える単結晶薄膜形成方法。
2. 【請求項２】 前記工程(b) 〜前記工程(d) を複数回実
   行するとともに、前記工程(d) における前記ビームの照
   射方向を各回の間で互いに違えることによって、複数種
   類の結晶方位を有する単結晶へ前記薄膜を選択的に転換
   する請求項１記載の単結晶薄膜形成方法。
3. 【請求項３】 所定の物質の単結晶薄膜を形成する方法
   であって、 (a) 基板上に非晶質または多結晶質の前記所定の物質の
   薄膜を形成する工程と、 (b) 当該薄膜上にマスク材を形成する工程と、 (c) 当該マスク材を選択的に除去する工程と、 (d) 選択的に除去された前記マスク材を遮蔽体として前
   記薄膜にエッチング処理を施すことにより、前記基板上
   の特定領域を残して当該薄膜を選択的に除去する工程
   と、 (e) 前記所定の物質の結晶化温度以下の高温下で、形成
   すべき前記単結晶薄膜における方向の相異なる複数の最
   稠密結晶面に垂直な方向から、前記所定の物質のスパッ
   タリングを引き起こさない低エネルギーの気体のビーム
   を、前記基板上へ照射する工程と、 を備える単結晶薄膜形成方法。
4. 【請求項４】 所定の物質の単結晶薄膜を形成する方法
   であって、 (a) 基板上に非晶質または多結晶質の前記所定の物質の
   薄膜を形成する工程と、 (b) 前記所定の物質の結晶化温度以下の高温下で、形成
   すべき前記単結晶薄膜における方向の相異なる複数の最
   稠密結晶面に垂直な方向から、前記所定の物質のスパッ
   タリングを引き起こさない低エネルギーの気体のビーム
   を、前記基板上へ照射する工程と、 (c) 前記工程(b) の後に、前記薄膜の上にマスク材を形
   成する工程と、 (d) 当該マスク材を選択的に除去する工程と、 (e) 選択的に除去された前記マスク材を遮蔽体として、
   前記薄膜にエッチング処理を施すことにより、当該薄膜
   を選択的に除去する工程と、 を備える単結晶薄膜形成方法。
5. 【請求項５】 所定の物質の単結晶薄膜を形成する方法
   であって、 (a) 基板上に非晶質または多結晶質の前記所定の物質の
   薄膜を形成する工程と、 (b) 当該工程(a) を行いつつ、当該工程(a) のみでは前
   記所定の物質の結晶化が起こらない低温度下で、形成す
   べき前記単結晶薄膜における方向の相異なる複数の最稠
   密結晶面に垂直な方向から、前記所定の物質のスパッタ
   リングを引き起こさない低エネルギーの気体のビーム
   を、前記基板上へ照射する工程と、 (c) 前記工程(a) および(b) の後に、前記薄膜の上にマ
   スク材を形成する工程と、(d) 当該マスク材を選択的に
   除去する工程と、 (e) 選択的に除去された前記マスク材を遮蔽体として、
   前記薄膜にエッチング処理を施すことにより、当該薄膜
   を選択的に除去する工程と、 を備える単結晶薄膜形成方法。
6. 【請求項６】 所定の物質の単結晶薄膜を形成する方法
   であって、 (a) 基板上に非晶質または多結晶質の前記所定の物質の
   薄膜を形成する工程と、 (b) 前記所定の物質の結晶化温度以下の高温下で、形成
   すべき前記単結晶薄膜における方向の相異なる複数の最
   稠密結晶面に垂直な方向から、前記所定の物質のスパッ
   タリングを引き起こさない低エネルギーの気体のビーム
   を、選択的に除去された前記マスク材を遮蔽体として前
   記基板上へ照射する工程と、 (c) 前記工程(b) の後に、前記薄膜の上にマスク材を形
   成する工程と、 (d) 当該マスク材を選択的に除去する工程と、 (e) 前記所定の物質の結晶化温度以下の高温下で、形成
   すべき前記単結晶薄膜における方向の相異なる複数の最
   稠密結晶面に垂直であってしかも前記工程(b) における
   方向とは異なる方向から、前記所定の物質のスパッタリ
   ングを引き起こさない低エネルギーの前記気体のビーム
   を、前記基板上へ照射する工程と、 を備える単結晶薄膜形成方法。
7. 【請求項７】 基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を形
   成する装置であって、形成すべき前記単結晶薄膜におけ
   る方向の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直な方向か
   ら、前記所定の物質のスパッタリングを引き起こさない
   低エネルギーの気体のビームを、前記基板上へ照射する
   照射手段と、前記基板を前記照射手段に対して走査させ
   る基板移動手段とを備える単結晶薄膜形成装置。
8. 【請求項８】 請求項７記載の装置であって、前記気体
   のビームの断面形状を前記基板の上において帯状にする
   ビーム集束手段を更に備える単結晶薄膜形成装置。
9. 【請求項９】 基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を形
   成する装置であって、 気体のビームを供給する単一のビーム源と、当該ビーム
   源によって供給される前記ビームの少なくとも一部を反
   射させることによって、前記気体が複数の所定の入射方
   向をもって前記基板上へ照射されることを実現する反射
   板と、当該反射板の傾斜角を変更する反射板駆動手段
   と、を備える単結晶薄膜形成装置。
10. 【請求項１０】 基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を
    形成する装置であって、気体のビームを供給する単一の
    ビーム源と、複数の反射板とを備え、前記複数の反射板
    の各１は、前記ビーム源によって供給される前記ビーム
    の少なくとも一部を反射させることによって、前記気体
    が当該反射板の傾斜角に関係した複数の所定の入射方向
    をもって前記基板上へ照射されることを実現し、前記複
    数の反射板の中から所定の１つを選択して前記ビームの
    反射のために供する反射板交換手段を更に備える単結晶
    薄膜形成装置。
11. 【請求項１１】 非晶質または多結晶質の前記単結晶と
    同一物質の薄膜を前記基板の上に形成する成膜手段を更
    に備える請求項７、９、または１０に記載の単結晶薄膜
    形成装置。
12. 【請求項１２】 基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を
    形成する装置であって、前記基板の表面をエッチングす
    るエッチング手段と、非晶質または多結晶質の前記所定
    の物質の薄膜を前記基板の表面上に形成する成膜手段
    と、形成すべき前記単結晶薄膜における方向の相異なる
    複数の最稠密結晶面に垂直な方向から、前記所定の物質
    のスパッタリングを引き起こさない低エネルギーの気体
    のビームを、前記基板上へ照射する照射手段と、を備
    え、これらの手段において前記基板を収納する処理室は
    互いに連通しており、前記基板をそれぞれの処理室へ出
    し入れする基板搬送手段を更に備える単結晶薄膜形成装
    置。
13. 【請求項１３】 単結晶構造を有する基板の上に所定の
    物質の単結晶薄膜を形成する装置であって、形成すべき
    前記単結晶薄膜における方向の相異なる複数の最稠密結
    晶面に垂直な方向から、前記所定の物質のスパッタリン
    グを引き起こさない低エネルギーの気体のビームを、前
    記基板上へ照射する照射手段と、当該基板の結晶軸の方
    向と前記入射方向との間の関係を所定の関係に設定すべ
    く当該基板の姿勢を調整する姿勢制御手段と、を備える
    単結晶薄膜形成装置。
14. 【請求項１４】 基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を
    形成する装置であって、反応ガスを供給することによっ
    て非晶質または多結晶質の前記所定の物質の薄膜を前記
    基板の上に形成する成膜手段と、形成すべき前記単結晶
    薄膜における方向の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直
    な方向から、前記所定の物質のスパッタリングを引き起
    こさない低エネルギーの気体のビームを、前記基板上へ
    照射する照射手段と、前記基板を回転させる基板回転手
    段と、を備える単結晶薄膜形成装置。
15. 【請求項１５】 基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を
    形成する装置であって、反応ガスを供給することによっ
    て非晶質または多結晶質の前記所定の物質の薄膜を前記
    基板の上に形成する成膜手段と、形成すべき前記単結晶
    薄膜における方向の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直
    な方向から、前記所定の物質のスパッタリングを引き起
    こさない低エネルギーの気体のビームを、前記基板上へ
    照射する照射手段とを備え、前記成膜手段が、前記基板
    へ前記反応ガスを供給する供給経路の端部を前記基板に
    対して回転させる供給系回転手段を有する単結晶薄膜形
    成装置。
16. 【請求項１６】 基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を
    形成する装置であって、形成すべき前記単結晶薄膜にお
    ける方向の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直な方向か
    ら、前記所定の物質のスパッタリングを引き起こさない
    低エネルギーの気体の複数本のビームを、前記基板上へ
    それぞれ照射する複数の照射手段と、当該複数の照射手
    段における動作条件をそれぞれ個別に調整する制御手段
    と、を備える単結晶薄膜形成装置。
17. 【請求項１７】 基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を
    形成する装置であって、イオン源によって供給される気
    体のビームを、形成すべき前記単結晶薄膜における方向
    の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直な方向から、前記
    所定の物質のスパッタリングを引き起こさない低エネル
    ギーで前記基板上へ照射する照射手段と、前記イオン源
    と前記基板との間に、イオンを加速する方向にバイアス
    電圧を印加するバイアス手段と、を備える単結晶薄膜形
    成装置。
18. 【請求項１８】 基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を
    形成する装置であって、イオン源によって供給される気
    体のビームを、形成すべき前記単結晶薄膜における方向
    の相異なる複数の最稠密結晶面に垂直な方向から、前記
    所定の物質のスパッタリングを引き起こさない低エネル
    ギーで前記基板上へ照射する照射手段を備え、前記イオ
    ン源のイオン出口近傍にはグリッドが設置されており、
    当該グリッドに前記イオン源からのイオンの引き出し条
    件を調整する電圧を印加するグリッド電圧印加手段を更
    に備える単結晶薄膜形成装置。
19. 【請求項１９】 前記気体を構成する元素の原子量が、
    前記所定の物質を構成する元素の原子量の中の最大のも
    のよりも低い請求項１〜請求項６の何れかに記載の単結
    晶薄膜形成方法。
20. 【請求項２０】 前記気体を構成する元素の原子量が、
    前記マスク材を構成する元素の原子量の中の最大のもの
    よりも低い請求項１、２、および６の何れかに記載の単
    結晶薄膜形成方法。
21. 【請求項２１】 前記照射手段が、電子サイクロトロン
    共鳴型のイオン源を備え、当該イオン源によって前記気
    体のビームが供給される請求項７、１２〜１６の何れか
    に記載の単結晶薄膜形成装置。
22. 【請求項２２】 前記ビーム源が電子サイクロトロン共
    鳴型のイオン源である請求項９または１０に記載の単結
    晶薄膜形成装置。
23. 【請求項２３】 前記イオン源が電子サイクロトロン共
    鳴型のイオン源である請求項１７または１８に記載の単
    結晶薄膜形成装置。