(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を形成する単結晶薄膜形成方法であって、
前記基板の上に前記所定の物質の結晶化が起こらない低温度下で、当該所定の物質を堆積させつつ、当該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、堆積しつつある当該所定の物質へ一方向から照射することによって、当該所定の物質の軸配向多結晶薄膜を形成する工程と、
前記所定の物質の結晶化温度以下の高温下で、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軸配向多結晶薄膜へ照射することによって、当該軸配向多結晶薄膜を単結晶薄膜へ転換する工程と、
を備えることを特徴とする単結晶薄膜形成方法。
【請求項２】
基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を形成する単結晶薄膜形成方法であって、
前記基板の上に、前記所定の物質を堆積させることによって当該物質の薄膜を形成する工程と、
前記工程の後に、前記所定の物質の結晶化温度以下の高温下で、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、前記薄膜へ一方向から照射することによって、当該薄膜を軸配向多結晶薄膜へ転換する工程と、
前記所定の物質の結晶化温度以下の高温下で、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軸配向多結晶薄膜へ照射することによって、当該軸配向多結晶薄膜を単結晶薄膜へ転換する工程と、
を備えることを特徴とする単結晶薄膜形成方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の方法において、前記軸配向多結晶薄膜を形成する際における前記気体のビームの照射方向と、前記軸配向多結晶薄膜を単結晶薄膜へ転換する際における前記気体のビームの複数の照射方向の１つとが、互いに同一であることを特徴とする単結晶薄膜形成方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の方法において、前記気体が不活性ガスであることを特徴とする単結晶薄膜形成方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、前記不活性ガス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原子量よりも低いことを特徴とする単結晶薄膜形成方法。
【請求項６】
請求項１または請求項２に記載の方法において、前記所定の物質が、常温度下で気体である気体物質を構成する元素を含むとともに、前記気体のビームが、前記気体物質のビームであることを特徴とする単結晶薄膜形成方法。
【請求項７】
請求項１または請求項２に記載の方法において、前記気体のビームを電子サイクロトロン共鳴型のイオン源を用いて生成することを特徴とする単結晶薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基板の上に単結晶薄膜または軸配向多結晶薄膜を効率よく形成することを可能にする単結晶薄膜形成方法に関する。
【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。
【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。
【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】
また、同様のことは、各結晶粒の間で一つの結晶軸が同一方向に揃った多結晶薄膜、すなわち軸配向多結晶薄膜についてもいえる。すなわち、従来の技術では、任意の基板の上に所望の方向に配向した軸配向多結晶薄膜を形成することは困難であるという問題点があった。
【００１０】
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、所望の方向に配向した軸配向多結晶薄膜、および所望の結晶方位を有する単結晶薄膜を形成し得る単結晶薄膜形成方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる請求項１に記載の単結晶薄膜形成方法は、基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を形成する単結晶薄膜形成方法であって、前記基板の上に前記所定の物質の結晶化が起こらない低温度下で、当該所定の物質を堆積させつつ、当該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、堆積しつつある当該所定の物質へ一方向から照射することによって、当該所定の物質の軸配向多結晶薄膜を形成する工程と、前記所定の物質の結晶化温度以下の高温下で、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軸配向多結晶薄膜へ照射することによって、当該軸配向多結晶薄膜を単結晶薄膜へ転換する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
この発明にかかる請求項２に記載の単結晶薄膜形成方法は、基板の上に所定の物質の単結晶薄膜を形成する単結晶薄膜形成方法であって、前記基板の上に、前記所定の物質を堆積させることによって当該物質の薄膜を形成する工程と、前記工程の後に、前記所定の物質の結晶化温度以下の高温下で、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、前記薄膜へ一方向から照射することによって、当該薄膜を軸配向多結晶薄膜へ転換する工程と、前記所定の物質の結晶化温度以下の高温下で、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軸配向多結晶薄膜へ照射することによって、当該軸配向多結晶薄膜を単結晶薄膜へ転換する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
この発明にかかる請求項３に記載の単結晶薄膜形成方法は、請求項１または請求項２に記載の方法において、前記軸配向多結晶薄膜を形成する際における前記気体のビームの照射方向と、前記軸配向多結晶薄膜を単結晶薄膜へ転換する際における前記気体のビームの複数の照射方向の１つとが、互いに同一であることを特徴とする。
【００１４】
この発明にかかる請求項４に記載の単結晶薄膜形成方法は、請求項１または請求項２に記載の方法において、前記気体が不活性ガスであることを特徴とする。
【００１５】
この発明にかかる請求項５に記載の単結晶薄膜形成方法は、請求項４に記載の方法において、前記不活性ガス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原子量よりも低いことを特徴とする。
【００１６】
この発明にかかる請求項６に記載の単結晶薄膜形成方法は、請求項１または請求項２に記載の方法において、前記所定の物質が、常温度下で気体である気体物質を構成する元素を含むとともに、前記気体のビームが、前記気体物質のビームであることを特徴とする。
【００１７】
この発明にかかる請求項７に記載の単結晶薄膜形成方法は、請求項１または請求項２に記載の方法において、前記気体のビームを電子サイクロトロン共鳴型のイオン源を用いて生成することを特徴とする。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
【作用】
＜請求項１に記載の発明の作用＞
この発明の方法では、基板の上に軸配向多結晶薄膜をあらかじめ形成した後に、複数方向からビームを照射することによって薄膜を単結晶薄膜へ転換する。このため、例えば基板の上に遮蔽体が形成されているなどのために、複数方向からのビームが基板の上に均一に照射されなくても、基板の上のどの部分にも単結晶薄膜か軸配向多結晶薄膜の少なくとも何れかが形成されているので、目立った特性上の劣化を引き起こさない。
【００２１】
＜請求項２に記載の発明の作用＞
この発明の方法では、基板の上に軸配向多結晶薄膜をあらかじめ形成した後に、複数方向からビームを照射することによって薄膜を単結晶薄膜へ転換する。このため、例えば基板の上に遮蔽体が形成されているなどのために、複数方向からのビームが基板の上に均一に照射されなくても、基板の上のどの部分にも単結晶薄膜か軸配向多結晶薄膜の少なくとも何れかが形成されているので、目立った特性上の劣化を引き起こさない。
【００２２】
＜請求項３に記載の発明の作用＞
この発明の方法では、軸配向多結晶薄膜を形成する際における気体のビームの照射方向と、軸配向多結晶薄膜を単結晶薄膜へ転換する際における気体のビームの複数の照射方向の１つとが、互いに同一であるので、単結晶薄膜への転換が円滑に行われる。
【００２３】
＜請求項４に記載の発明の作用＞
この発明の方法では、不活性ガスのビームが照射に供されるので、形成される単結晶薄膜に気体が残留しても、薄膜の電子物性等の特性に目立った影響を及ぼさないのに加えて、侵入した気体を薄膜から容易に除去することができる。
【００２４】
＜請求項５に記載の発明の作用＞
この発明の方法では、不活性ガスを構成する元素の原子量が、薄膜として成長しつつある所定の物質の構成元素の最大の原子量よりも低いので、照射された不活性ガスの原子またはイオンの大部分が、薄膜の表面ないしその近傍で後方へ散乱され、薄膜の中に残留し難い。
【００２５】
＜請求項６に記載の発明の作用＞
この発明の方法では、照射される気体が薄膜として成長する物質の構成元素を含んでいる。このため、照射後にこの構成元素の原子またはイオンが薄膜の中に残留しても、これらが不純物として単結晶薄膜へ悪影響を及ぼす恐れがない。
【００２６】
＜請求項７に記載の発明の作用＞
この発明の方法では、ビーム発生源が電子サイクロトロン共鳴型のイオン発生源である。このため、イオンビームの指向性が高いのに加えて、イオン発生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、強度の中性ビームが得られる。また、電気絶縁性の基板にイオンの電荷が蓄積しない。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態に係る実施例を説明する。
【００２８】
＜１．第１実施例＞
まず、この発明の第１実施例の装置について述べる。
【００２９】
＜1-1．装置の全体構成＞
図２は、この実施例の軸配向多結晶薄膜形成装置の全体構成を示す正面断面図である。この装置１０２は、基板の上に所定の物質の薄膜を成長させつつ、同時にこの薄膜を一軸配向性の多結晶薄膜へと転換することによって、基板の上に軸配向多結晶薄膜を形成することを目的として構成されている。
【００３０】
この装置１０２では、反応容器１の上部に、電子サイクロトロン共鳴型（ＥＣＲ）のイオン発生器２が組み込まれている。ＥＣＲイオン発生器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。
【００３１】
反応容器１は、その内部に反応室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。反応室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。反応室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、さらに、試料台１０の上には基板１１が載置されている。基板１１は試料を構成する要素の一つであり、多結晶構造、アモルファス構造、または単結晶構造の何れの物質で構成されてもよい。この基板１１の上に所望の方向に配向した軸配向多結晶薄膜が形成される。
【００３２】
反応室８には、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２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。反応室８には、更に真空排気管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、反応室８に存在する気体が排気されることにより、反応室８における真空度が所定の高さに保持される。反応室８における真空度を表示する真空計１５が、反応室８に連通して設置されている。
【００３３】
＜1-2.ＥＣＲイオン発生器２の動作＞
つぎに、ＥＣＲイオン発生器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。
【００３４】
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から反応室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。
【００３５】
図３は、ＥＣＲイオン発生器２によって、１０ｅＶのＡｒ+イオンを引出口９より取り出したときの、イオン電流密度と引出口９からの距離との関係を実測した結果を示すグラフである。このグラフによれば、イオン電流密度は、引出口から４〜５ｃｍの距離から急激に減少を始め、１４ｃｍの位置では１／１０〜１／１２の大きさに減衰することが読み取れる。イオン電流が減衰した分、中性原子流が増加しており、引出口９から下方に１４ｃｍ以上離れた位置では、殆ど中性の原子流のみが下方向へ向かって流れている。
【００３６】
このように、ＥＣＲイオン発生器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、ＥＣＲイオン発生器２を用いることにより、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がある。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。
【００３７】
また、基板１１には中性の原子流が照射されるので、基板１１が電気絶縁性であっても、イオンの電荷が基板１１に蓄積して基板１１への照射が阻害されるという恐れがない。
【００３８】
＜1-3.装置１０２の動作＞
つぎに図２に戻って、装置１０２の動作について説明する。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１３ｃ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Ｂ2Ｈ3（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。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。
【００３９】
ＥＣＲイオン発生器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から基板１１までの距離は、好ましくは、Ｎｅ+イオン流が殆ど中性Ｎｅ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。反応ガス供給管１３から供給されるシランガスは、これらのＮｅ+イオン流あるいはＮｅ原子流によって、基板１１へ向かって叩きつけられる。その結果、基板１１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Ｓｉ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。
【００４０】
基板１１は加熱されない。このため、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、まずアモルファスＳｉとして形成される。
【００４１】
前述の下方向へ向かうＮｅ原子流は、基板１１の上面へ垂直に入射する。すなわち、基板１１の上面に形成されつつあるＳｉ薄膜には、引出口９から直進して来たＮｅ原子流が照射される。
【００４２】
ところで、ＥＣＲイオン発生器２によって形成されるプラズマのエネルギーは、基板１１に到達するＮｅ原子のエネルギーが、Ｓｉ薄膜においてスパッタリングを引き起こさない大きさになるように、すなわち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・エネルギーとして知られる値（＝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、いわゆるブラベー（Bravais）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Ｎｅ原子流の入射方向に垂直な面が、最稠密結晶面すなわち（１１１）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。
【００４３】
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、一つの最稠密面に垂直な結晶軸の方向が、基板１１の表面に垂直な方向に揃った多結晶Ｓｉ薄膜、すなわち一軸配向性の多結晶Ｓｉ薄膜へと逐次転換される。その結果、基板１１の上には多結晶Ｓｉ薄膜が形成され、しかも、この多結晶構造を構成するいずれの結晶粒においても、その表面には（１１１）面が露出する。
また、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型の軸配向多結晶Ｓｉ薄膜が形成される。
【００４４】
また、前述のようにＳｉ薄膜に照射する原子流を構成する元素として、Ｓｉ原子よりも軽いＮｅを選択するのが望ましい。これは、Ｎｅ原子流が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ために、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。更に、照射する原子流を構成する元素に不活性元素を選択するのは、不活性元素がＳｉ薄膜の中に残留しても、この残留する不活性元素は、Ｓｉおよびドープされた不純物等のいずれとも化合物を形成することがなく、Ｓｉ薄膜の電子物性には余り影響を及ぼさず、しかも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。
【００４５】
ところで、装置１０２において、Ｎｅ原子流あるいは中性化する前のＮｅイオン流の照射を受ける可能性のある部分、例えば、反応容器１の内壁、試料台１０の上面などは、照射によってスパッタリングが発生しない材料で構成される。すなわち、Ｎｅイオン流のエネルギーよりもスレッショルド・エネルギーの高い材料で構成される。そのため、これらの部材においてＮｅ原子流またはＮｅイオン流の照射によるスパッタリングが発生しないので、これらの部材を構成する材料元素による薄膜への汚染が防止される。また、スパッタリングによるこれらの部材の損傷も防止される。
【００４６】
表１は、照射される原子またはイオンの種類と、標的となる物質を構成する元素との、各種の組合せにおけるスパッタリングのスレッショルド・エネルギーの値を示す。なお、表１に掲げられる値は、特に示される一部の値を除いて、すべてシミュレーションに基づいて得られたものである。
【００４７】
【表１】
0003694282.tif 000002
【００４８】
Ｎｅイオン流のエネルギーは、形成すべきＳｉ薄膜におけるスレッショルド・エネルギー以下に設定されるので、Ｎｅ照射におけるスレッショルド・エネルギーがＳｉ薄膜よりも高い材料、例えば、表１に示されるＴａ、Ｗ、Ｐｔなどを用いて反応容器１、試料台１０などを構成するとよい。また、それらの部材の表面、例えば反応容器１の内壁あるいは試料台１０の表面などに、Ｔａ等のスレッショルド・エネルギーが高い材料をコーティングしても同様の効果が得られる。
【００４９】
以上は、Ｓｉ薄膜の形成を例として装置１０２の構成と動作について説明したが、装置１０２を用いて、Ｓｉ以外の軸配向多結晶薄膜を形成することも可能である。例えば、ＧａＡｓ薄膜を形成することも可能である。この場合には、反応ガス供給管１３より供給される反応ガスは、Ｇａ（ＣＨ3）3等を含むＧａＡｓの形成に適した反応ガスが選ばれる。また、ＧａＡｓは２元素から成る化合物であるが、照射されるイオン流または原子流を構成する元素は、これらの２元素の中で原子量が大きいＡｓ元素よりも軽い元素、例えばＮｅまたはＡｒを選ぶとよい。そして、照射エネルギーについても同様に、原子量が大きいＡｓ元素に関するスレッショルド・エネルギー以下になるように設定される。
【００５０】
一般に、形成すべき薄膜が複数元素で構成される場合には、照射されるイオン流または原子流を構成する元素は、これらの複数元素の中の原子量が最大である元素よりも軽い元素を選ぶとよい。そして、照射エネルギーについても同様に、原子量が最大の元素に関するスレッショルド・エネルギー以下になるように設定される。このとき、装置１０２において、試料台１０などのイオン流または原子流の照射を受ける部材の表面を、薄膜の材料よりもスレッショルド・エネルギーの高い材料で構成するとよい。
【００５１】
あるいは、これらの表面を、薄膜と同一材料で構成してもよい。例えば、装置１０２を、Ｓｉの軸配向多結晶薄膜を形成するための装置として構成するときには、試料台１０の表面等をＳｉでコーティングするとよい。このように、構成すれば、試料台１０等においてスパッタリングが発生しても、それが、異種元素によるＳｉ薄膜の汚染を引き起こさないという利点が得られる。
【００５２】
さらに、試料台１０などのイオン流または原子流の照射を受ける部材の表面を、照射されるイオン流または原子流を構成する元素よりも重い元素を含む材料で構成するとよい。そうすることによって、イオン流または原子流の照射にともなって、これらのイオン流または原子流を構成する元素がそれらの部材の中に侵入し難いという利点が生まれる。このため、異種元素の侵入によるこれらの部材の劣化が抑制される。
【００５３】
なお、装置１０２では、プラズマＣＶＤによりＳｉ薄膜が成長する過程で、同時に一軸配向性の多結晶への転換が逐次進行する。このため、膜厚の大きい軸配向多結晶Ｓｉ薄膜を、しかも低温下で形成することが可能である。低温度下で軸配向多結晶薄膜を形成できるので、例えば既に所定のデバイスが作り込まれた基板の上に、このデバイスの特性を変えることなく、一軸配向結晶薄膜を形成することが可能である。
【００５４】
また、以上の説明では、基板１１は試料台１０の上に水平に載置され、その結果、原子流は基板１１に垂直に入射した。このため、基板１１の上に例えばＳｉの軸配向多結晶薄膜を形成するときには、薄膜の表面が（１１１）面となった。
しかしながら、基板１１を試料台１０に傾斜させて載置することによって、薄膜の表面に対して傾斜した所望の方向に（１１１）面が一様に配向したＳｉの軸配向多結晶薄膜を形成することも可能である。
【００５５】
なお、試料台１０は、回転機構に連結されるなど、基板１１を水平回転可能な構造に構成してもよい。また、試料台１０は、水平移動機構に連結されるなど、基板１１を水平移動可能な構造に構成してもよい。このように構成することによって、基板１１の上に均一に一軸配向薄膜を形成することが可能となる。
【００５６】
＜1-4.実証データ＞
ここでは、上記の方法によって軸配向多結晶薄膜が形成されることを実証した試験について記述する。図４は、上記の方法に基づいて、多結晶の石英基板１１の上に軸配向多結晶Ｓｉ薄膜を形成した試料の電子線回折像を示す実験データである。この実証試験では、基板１１の表面に垂直にＮｅ原子流が照射された。
【００５７】
図４に示すように、回折スポットは一点に現れるとともに、そのまわりの円周に沿って連続に分布する。すなわち、実験の結果は、形成されたＳｉ薄膜の１つの（１１１）面が原子流の入射方向に垂直となるように配向するとともに、入射方向の周りの配向は任意であり、一方向に規制されないことを示している。すなわち、この試料は一つの結晶軸のみが揃った多結晶Ｓｉ、すなわち軸配向多結晶Ｓｉとして形成されていることを実証している。
【００５８】
アモルファス構造よりも原子配列における規則性の高い多結晶構造を有する石英基板１１の上に、軸配向多結晶Ｓｉ薄膜を形成し得たことから、アモルファスＳｉなどのアモルファス構造を有する基板の上に軸配向多結晶薄膜を形成することは当然に可能であると判断し得る。また、多結晶粒の大きさを拡大した構造と等価な単結晶構造を有する基板の上にも、同様に、軸配向多結晶薄膜を形成することができるものと判断し得る。
【００５９】
＜２．第２実施例＞
つぎに、この発明の第２実施例について説明する。
【００６０】
＜2-1.装置の全体構成＞
図５は、この実施例の装置の全体構成を示す正面断面図である。なお、以下の図において、図２に示した装置１０２と同一部分には同一符号を付して、その詳細な説明を略する。この装置１００は、基板の上に所定の物質の薄膜を成長させつつ、同時にこの薄膜を単結晶薄膜へと転換することによって、基板の上に単結晶薄膜を形成することを目的として構成された単結晶薄膜形成装置である。
【００６１】
図５に示すように、この装置１００の構造は、反射板１２が試料台１０に設置される点が、装置１０２とは特徴的に異なる。反射板１２は、ＥＣＲイオン源２から供給される原子流を反射することによって、原子流を基板１１へ複数方向から照射する目的で設置される。このため、反射板１２は引出口９の直下に位置し、しかも基板１１の上方に位置するように設置される。
【００６２】
＜2-2.反射板の構成と機能＞
図６は、反射板１２の好ましい一例における斜視図である。また図７は、図６に示した反射板の平面図であり、図８と図９は分解図である。これらの図を参照しつつ、反射板１２の一例について説明する。
【００６３】
この反射板１２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１２は、平板状の遮蔽板５１の中央部に正六角形の開口部を規定する。遮蔽板５１の下面には、開口部を囲むように、３個の反射用ブロック５３が固定的に設置されている。反射用ブロック５３は、貫通孔５７を貫通しネジ孔５８に螺合するネジによって、遮蔽板５１に締結されている。その結果、遮蔽板５１の開口部の直下には、これらの反射用ブロック５３で縁どりされた正三角形状の開口部５４が形成される。
【００６４】
上方から降り注ぐ原子流は、遮蔽板５１によって選択的に遮蔽され、正六角形の開口部のみを通過する。反射用ブロック５３において、開口部５４に面する斜面５５が、気体ビームを反射する反射面として機能する。図７の平面図に示されるように、３つの斜面５５はそれぞれ遮蔽板５１の正六角形の開口部に選択的に露出する。このため、上方から降り注ぐ原子流は、開口部５４を通過して基板１１に垂直方向に直接入射する第１の成分と、３つの斜面５５のそれぞれによって反射されることによって基板１１へ斜め方向から入射する第２〜第４の成分の、合計４成分に分解される。
【００６５】
図７に示すように、正三角形の開口部５４の三隅は、上方から見ると正六角形の開口部の１つおきの隅に一致している。すなわち、上方から見て、正六角形の開口部の隣合う二辺を等辺とする３つの二等辺三角形の領域に、３つの斜面５５がそれぞれ選択的に露出する。このことは、複数の斜面５５による二重反射を防止するとともに、基板１１の上に均一に各原子流成分を照射させることを可能にする。図１０および図１１を用いてこのことを説明する。
【００６６】
図１０は、図７と同様に反射板１２の平面図である。また、図１０に示されるＡ−Ａ切断線に沿った断面図を図１１に示す。これらの図に示すように、二等辺三角形の頂点に相当する１つの斜面５５上の位置（図におけるＢ点）に入射する原子流は、反射された後に正三角形の開口部５４の相対する頂点（図におけるＣ点）へ入射する。したがって、開口部５４の一辺とＡ−Ａ切断線との交点をＤ点と定義すると、斜面５５上のＢ−Ｄ間に飛来した原子流は、開口部５４上のＤ−Ｃ間に均等に分配される。
【００６７】
Ａ−Ａ切断線を平行にずらして成る任意の切断線Ｅ−Ｅ上に飛来する原子流についても同様のことがいえる。すなわち、引出口９から飛来する原子流は遮蔽板５１によって斜面５５上に選択的に供給される結果、反射された３成分の原子流が、基板１１上の開口部５４の直下に相当する領域に均一に入射する。
【００６８】
また、正六角形の開口部を通過して１つの斜面５５に供給される原子流は、上述のようにすべて開口部５４上に入射し、隣接する他の斜面５５へ入射することがない。このため、原子流が複数の斜面５５によって多重反射された成分が基板１１上に入射するという恐れがない。
【００６９】
なお、斜面５５の傾斜角は、図１１に示したように例えば５５゜に設定される。
【００７０】
このとき、斜面５５で反射された原子流は、開口部５４の直下に位置する基板１１の上に７０゜の入射角をもって入射する。すなわち、基板１１には第１成分が垂直に入射するとともに、第２〜第４成分が７０゜の入射角をもって、しかも第１の成分の入射方向の周りに３回対称な方向に入射する。このとき、これらの第１〜第４の成分の入射方向は、Ｓｉ単結晶の最稠密面である４つの（１１１）面に垂直な４方向に、それぞれ対応する。
【００７１】
＜2-3.装置の動作＞
図５に戻って、装置１００の動作について説明する。反射板１２として、図６〜図９に示した反射板１２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。反射板１２における斜面５５の傾斜角は５５゜に設定されているものとする。
【００７２】
反応ガス供給管１３ａ、１３ｂ、および１３ｃ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Ｂ2Ｈ3（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。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。
【００７３】
ＥＣＲイオン発生器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１２までの距離は、好ましくは、Ｎｅ+イオン流が殆ど中性Ｎｅ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。
【００７４】
このため、図２に示した装置１０２と同様に、基板１１の上面においてプラズマＣＶＤ反応が進行し、アモルファスＳｉ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。
【００７５】
同時に、反射板１２の働きによって、基板１１上に形成されつつあるアモルファスＳｉ薄膜には、Ｎｅ原子流の４成分が照射される。そして、これらの４成分の入射方向は、前述したようにＳｉ単結晶の４つの（１１１）面に垂直な方向に対応する。さらに、装置１０２におけると同様に、ＥＣＲイオン発生器２によって形成されるプラズマのエネルギーは、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。したがって、成長しつつあるアモルファスＳｉ薄膜に、ブラベーの法則が作用する。すなわち、アモルファスＳｉに照射されるＮｅ原子流の４成分に垂直な面が、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。
【００７６】
すなわち、互いに独立な入射方向を有する４つの（複数の）Ｎｅ原子流の成分によって、（１１１）面の方向が規制されるので、Ｓｉ原子が再配列することによって、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。その結果、最終的に基板１１の上に結晶方位の揃った単結晶Ｓｉ薄膜が形成される。なお、この単結晶Ｓｉ薄膜は、表面が（１１１）面となる。
【００７７】
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。
【００７８】
このように、装置１００では、プラズマＣＶＤによりＳｉ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、従来の方法に比べてはるかに効率よく単結晶薄膜を形成し得る。しかも、外部から種結晶を付加する必要がないので、工程が簡単であるとともに確実に単結晶薄膜を形成することができる。さらに、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、例えば既に所定のデバイスが作り込まれた基板の上に、このデバイス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。
【００７９】
また、この装置１００では、１台のＥＣＲイオン源２が供給する１本の原子流を複数の成分に分離して、それぞれを複数の方向から基板１１へ照射するので、複数の原子流成分を照射するために、原子流成分と同数のＥＣＲイオン源２を準備する必要がないという利点がある。
【００８０】
また、反射板１２を使用するので、複数の斜面５５による原子流の多重散乱が起こらない。このため、基板１１へは所定の４方向以外の方向からの原子流の照射は起こらない。しかも、反射板１２は、基板１１への原子流の均一な照射を実現するので、所定の４方向からの原子流の照射が均一に行われる。このため、基板１１の上に単結晶Ｓｉ薄膜が均一に形成される。
【００８１】
ところで、装置１００において、Ｎｅ原子流あるいは中性化する前のＮｅイオン流の照射を受ける可能性のある部分、例えば、反射板１２、反応容器１の内壁、試料台１０などは、照射によってスパッタリングが発生しない材料、すなわちＮｅイオン流のエネルギーよりもスレッショルド・エネルギーの高い材料で構成される。例えば、表１に示されるＴａ、Ｗ、Ｐｔなどで構成される。そのため、これらの部材においてＮｅ原子流またはＮｅイオン流の照射によるスパッタリングが発生しないので、これらの部材を構成する材料元素による薄膜への汚染が防止される。
【００８２】
また、それらの部材においてＮｅ原子流の照射を受ける表面、例えば遮蔽板５１の上面、斜面５５などに、Ｔａ等のスレッショルド・エネルギーが高い材料をコーティングしても同様の効果が得られる。
【００８３】
以上は、Ｓｉ薄膜の形成を例として装置１００の構成と動作について説明したが、装置１００を用いて、Ｓｉ以外の軸配向多結晶薄膜を形成することも可能である。例えば、ＧａＡｓ薄膜を形成することも可能である。斜面５５の傾斜角、個数等の反射板１２の構造を適宜変更することによって、任意の物質、結晶構造、および結晶方位を有する単結晶薄膜を形成することができる。反射板１２の表面等は、薄膜の材料よりもスレッショルド・エネルギーの高い材料で構成される。
【００８４】
反射板１２等の表面を薄膜の材料よりもスレッショルド・エネルギーの高い材料で構成する代わりに、薄膜と同一材料で構成してもよい。例えば、装置１００を、Ｓｉの単結晶薄膜を形成するための装置として構成するときには、反射板１２の表面等をＳｉでコーティングするとよい。このように、構成すれば、反射板１２等においてスパッタリングが発生しても、それが、異種元素によるＳｉ薄膜の汚染を引き起こさないという利点が得られる。
【００８５】
さらに、反射板１２等の表面を、照射されるイオン流または原子流を構成する元素よりも重い元素を含む材料で構成するとよい。そうすることによって、イオン流または原子流の照射にともなって、これらのイオン流または原子流を構成する元素がそれらの部材の中に侵入し難いという利点が生まれる。このため、異種元素の侵入によるこれらの部材の劣化が抑制される。
【００８６】
＜2-4.実証データ＞
つぎに、上記の方法によって単結晶薄膜が形成されることを実証した試験について記述する。図１２は、上記の方法に基づいて、多結晶石英基板１１の上に単結晶Ｓｉ薄膜を形成した試料の電子線回折像を示す実験データである。
【００８７】
実験の結果、図１２に示すように、３回回転対称の回折スポットが得られた。
このことは、得られた試料が、結晶軸がすべて揃った単結晶Ｓｉとして形成されていることを実証するものである。アモルファス構造よりも原子配列における規則性の高い多結晶構造を有する石英基板１１の上に、単結晶Ｓｉ薄膜を形成し得たことから、アモルファスＳｉなどのアモルファス構造を有する基板の上に単結晶薄膜を形成することは当然に可能であると判断し得る。また、多結晶粒の大きさを拡大した構造と等価である単結晶構造を有する基板の上に、この基板の単結晶の配向方向とは無関係な所望の方向に配向した単結晶薄膜を形成することができる。
【００８８】
＜３．第３実施例＞
つぎに、この発明の第３実施例の装置について述べる。図１３は、この実施例の装置の全体構成を示す正面断面図である。この装置１０１は、基板の上に非晶質構造あるいは多結晶構造を有する所定の物質の薄膜をあらかじめ形成させておき、その後、この薄膜を単結晶薄膜へと転換することによって、基板の上に単結晶薄膜を形成することを目的として構成された単結晶薄膜形成装置である。
【００８９】
図１３に示すように、この装置１０１の構造は、反応ガス供給管１３が設けられない点が、装置１００とは特徴的に異なる。また、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ことが可能である。
【００９０】
図１３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６〜図９に示した反射板１２を用い、基板１１として多結晶の石英基板を用い、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Ｓｉ薄膜があらかじめ形成されているものとする。
【００９１】
まず、基板１１を試料台１０と反射板１２の間へ装着する。試料台１０が備えるヒータは、基板１１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、一旦形成された単結晶Ｓｉが多結晶Ｓｉへと逆戻りすることはない。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。
【００９２】
第１実施例で述べたと同じ理由により、基板１１に照射すべき原子流としてＮｅ原子流が選択され、しかも、ＥＣＲイオン源２によって形成されるＮｅプラズマのエネルギーは、基板１１に到達するＮｅ原子のエネルギーが、Ｓｉのスパッタリングにおけるスレッショルド・エネルギーよりも低くなるように設定される。また、反射板１２の働きによって、基板１１上に形成されている多結晶Ｓｉ薄膜には、Ｎｅ原子流の４成分が照射される。そして、これらの４成分の入射方向は、Ｓｉ単結晶の４つの（１１１）面に垂直な方向に対応する。
【００９３】
このため、多結晶Ｓｉ薄膜の表面近傍にブラベーの法則が作用することによって、多結晶Ｓｉ薄膜に照射されるＮｅ原子流の４成分の入射方向に垂直な面が最稠密面となるように、多結晶Ｓｉ薄膜の表面近傍におけるＳｉ原子が再配列する。すなわち、互いに独立な入射方向を有する４つの（複数の）Ｎｅ原子流の成分によって、表面近傍における（１１１）面の方向が規制されるので、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。
【００９４】
多結晶Ｓｉ薄膜の温度は、前述のように５５０゜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。
【００９５】
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Ｓｉ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。
【００９６】
ところで、装置１００と同様に、装置１０１においても、Ｎｅ原子流あるいは中性化する前のＮｅイオン流の照射を受ける可能性のある部分、例えば、反射板１２、反応容器１の内壁、試料台１０などにおいて、少なくともその表面は、照射によってスパッタリングが発生しない材料、例えば、表１に示されるＴａ、Ｗ、Ｐｔなどで構成される。そのため、これらの部材においてＮｅ原子流またはＮｅイオン流の照射によるスパッタリングが発生しないので、これらの部材を構成する材料元素による薄膜への汚染が防止される。
【００９７】
以上は、Ｓｉ薄膜の形成を例として装置１０１の構成と動作について説明したが、装置１０１を用いて、Ｓｉ以外の軸配向多結晶薄膜を形成することも可能である。例えば、ＧａＡｓ薄膜を形成することも可能である。この場合にも、反射板１２の表面等は、薄膜の材料よりもスレッショルド・エネルギーの高い材料で構成される。また、装置１００と同様に、反射板１２等の表面を薄膜の材料よりもスレッショルド・エネルギーの高い材料で構成する代わりに、薄膜と同一材料で構成してもよい。さらに、反射板１２等の表面を、照射されるイオン流または原子流を構成する元素よりも重い元素を含む材料で構成するとよい。
【００９８】
＜４．第４実施例＞
つぎに、この発明の第４実施例の装置について述べる。図１４は、この実施例の装置の全体構成を示す正面断面図である。この装置１０３は、基板の上に非晶質構造あるいは多結晶構造を有する所定の物質の薄膜をあらかじめ形成させておき、その後、この薄膜を軸配向多結晶薄膜へと転換することによって、基板の上に軸配向多結晶薄膜を形成することを目的として構成された軸配向多結晶薄膜形成装置である。
【００９９】
図１４に示すように、この装置１０２は、装置１０１（図１３）から反射板１２を除去した構造を有する。また装置１０１と同様に、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ことが可能である。
【０１００】
図１４を参照しつつ、装置１０３の基本的な動作について説明する。基板１１として多結晶の石英基板を用い、この石英基板１１の上に軸配向多結晶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Ｓｉ薄膜があらかじめ形成されているものとする。この多結晶Ｓｉ薄膜は、各結晶粒が任意の方向に配向した通常の多結晶構造であってよい。
【０１０１】
まず、基板１１を試料台１０の上に装着する。試料台１０が備えるヒータは、基板１１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、一旦形成された軸配向多結晶Ｓｉが元の通常の多結晶Ｓｉへと逆戻りすることはない。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通常の多結晶Ｓｉが軸配向多結晶Ｓｉへと成長し得るほどには高温度である。
【０１０２】
引出口９を通過したイオン流は原子流となって基板１１の表面に垂直に入射する。第１実施例で述べたと同じ理由により、基板１１に照射すべき原子流としてＮｅ原子流が選択され、しかも、ＥＣＲイオン源２によって形成されるＮｅプラズマのエネルギーは、基板１１に到達するＮｅ原子のエネルギーが、Ｓｉのスパッタリングにおけるスレッショルド・エネルギーよりも低くなるように設定される。
【０１０３】
このため、多結晶Ｓｉ薄膜の表面近傍にブラベーの法則が作用することによって、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。すなわち、（１１１）面が表面に沿うように一軸方向が揃った軸配向多結晶Ｓｉ層へと多結晶Ｓｉ薄膜の表面近傍の層が転換される。
【０１０４】
多結晶Ｓｉ薄膜の温度は、前述のように５５０゜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、通常の多結晶Ｓｉ薄膜の表面に形成された軸配向多結晶Ｓｉ層が種結晶として機能し、軸配向多結晶Ｓｉ層が通常の多結晶Ｓｉ薄膜の深部に向かって成長する。そして、多結晶Ｓｉ薄膜の全領域が軸配向多結晶Ｓｉ層へ転換される。このようにして、石英基板１１の上に、（１１１）が表面に沿うように配向した軸配向多結晶Ｓｉ薄膜が形成される。
【０１０５】
なお、基板１１の上に通常の多結晶Ｓｉ薄膜をあらかじめ形成する代わりに、アモルファスＳｉ薄膜をあらかじめ形成した後に、装置１０３に供することによっても、軸配向多結晶Ｓｉ薄膜を形成することができる。
【０１０６】
ところで、装置１０２と同様に、装置１０３においても、Ｎｅ原子流あるいは中性化する前のＮｅイオン流の照射を受ける可能性のある部分、例えば、反応容器１の内壁、試料台１０などにおいて、少なくともその表面は、照射によってスパッタリングが発生しない材料、例えば、表１に示されるＴａ、Ｗ、Ｐｔなどで構成される。そのため、これらの部材においてＮｅ原子流またはＮｅイオン流の照射によるスパッタリングが発生しないので、これらの部材を構成する材料元素による薄膜への汚染が防止される。
【０１０７】
以上は、Ｓｉ薄膜の形成を例として装置１０３の構成と動作について説明したが、装置１０３を用いて、Ｓｉ以外の軸配向多結晶薄膜を形成することも可能である。例えば、ＧａＡｓ薄膜を形成することも可能である。この場合にも、試料台１０の表面等は、薄膜の材料よりもスレッショルド・エネルギーの高い材料で構成される。また、装置１０２と同様に、試料台１０等の表面を薄膜の材料よりもスレッショルド・エネルギーの高い材料で構成する代わりに、薄膜と同一材料で構成してもよい。さらに、試料台１０等の表面を、照射されるイオン流または原子流を構成する元素よりも重い元素を含む材料で構成するとよい。
【０１０８】
＜５．第５実施例＞
つぎに、第５実施例について説明する。この実施例の方法は、基板の上に軸配向多結晶薄膜を形成した後に、複数方向から原子流を照射することによって単結晶薄膜に転換し、そのことによって基板１１の上に単結晶薄膜を形成するものである。そのためには、例えば、第１実施例の装置１０２を用いて基板１１の上に軸配向多結晶薄膜を形成した後に、第３実施例の装置１０１を用いて、この薄膜を単結晶薄膜に転換するとよい。
【０１０９】
あるいは、第２実施例の装置１００を用いて、はじめは反射板１２を除いて反応ガスの供給と原子流の照射とを実行することによって軸配向多結晶薄膜を形成し、その後、装置１００に反射板１２を設置して基板１１を加熱しつつ原子流の照射を実行することによって、薄膜を単結晶薄膜に転換し、その結果、基板１１の上に単結晶薄膜を形成してもよい。
【０１１０】
あるいはまた、基板１１の上に非晶質あるいは通常の多結晶構造の薄膜をＣＶＤ等によってあらかじめ形成し、その後、装置１０３を用いて軸配向多結晶薄膜に転換し、さらにその後、装置１０１を用いて単結晶薄膜に転換し、その結果、基板１１の上に単結晶薄膜を形成してもよい。
【０１１１】
このように、この実施例の方法では、基板１１の上に単結晶薄膜を形成する前に、あらかじめ軸配向多結晶薄膜を形成する。このため、基板１１の上に単結晶薄膜が形成され難い部位があっても、その部位には単結晶薄膜に近い特性を備える軸配向多結晶薄膜が形成されているので、薄膜の機械的および電気的特性が目立って劣化しないという利点がある。すなわち、単結晶薄膜を形成する工程を精密に実行しなくても、適度に良好な特性をもった薄膜を得ることができる。
【０１１２】
このことは、基板１１の形状が平板状でなく立体形状であったり、あるいは基板１１の表面に厚みを有する遮蔽体が形成されているなどのために、基板１１の所定の領域に複数方向からの原子流を均一に照射し難い場合に特に有効である。
図１５〜図１７に、それらの例を示す。
【０１１３】
図１５は、立体形状を有する基板１１の上に軸配向多結晶Ｓｉ薄膜７１があらかじめ形成されてなる試料７０の表面に、２方向からＮｅ原子流が照射されつつある状態を模式的に図示する断面図である。図１４が示すように、試料７０が立体形状を成しており、そのために、試料７０自身が原子流に対する遮蔽体となる。その結果、軸配向多結晶Ｓｉ薄膜７１の特定の領域においては、Ｎｅ原子流の照射は一方向からのみ行われ、２方向からの照射は実現しない。
【０１１４】
図１６および図１７は、薄膜状の半導体集積回路を製造するプロセスの中で、マスク材７２を用いて基板１１の上に単結晶Ｓｉ薄膜を選択的に形成する工程を模式的に示す断面図である。基板１１の上には、あらかじめＣＶＤ等によってアモルファスまたは通常の多結晶のＳｉ薄膜７４を形成する。その後、装置１０３を用いて、ＳｉＯ2等で構成されるマスク材７２が有する開口部を通して、Ｎｅ原子流をＳｉ薄膜７４の上面に垂直に照射することによってマスク材７２の開口部直下に、軸配向多結晶Ｓｉ薄膜７１を選択的に形成する（図１６）。
【０１１５】
つぎに、装置１０１を用いて、マスク材７２が有する開口部を通して、Ｓｉ薄膜７４の上面にＮｅ原子流を複数方向から照射することによって、軸配向多結晶Ｓｉ薄膜７１を単結晶Ｓｉ薄膜へと転換する（図１７）。このとき、マスク材７２が一定の厚さを有することから、マスク材７２の開口部の端縁付近には、複数方向からのＮｅ原子流が十分には照射されない。このため、マスク材７２の開口部の端縁付近には単結晶Ｓｉ薄膜が形成され難い。しかしながら、単結晶Ｓｉ薄膜が形成されなくとも、少なくとも軸配向多結晶Ｓｉ薄膜が形成されているので、キャリア移動度等の電気的特性上の劣化を最小限に抑えることができる。
【０１１６】
なお、この実施例の方法において、単結晶薄膜への転換を行うべく照射される原子流の複数の入射方向の一つは、それに先だって軸配向多結晶薄膜を形成すべく照射される原子流の入射方向に一致させるのが望ましい。なぜならば、軸配向多結晶薄膜における共通の一軸方向を変更することなく、単結晶薄膜への転換が行われるので、単結晶薄膜への転換の工程が短時間で円滑に進行するからである。
【０１１７】
＜６．第６実施例＞
つぎに、第６実施例について説明する。
【０１１８】
＜6-1．装置の構成＞
図１８は、この実施例の装置の全体構成を示す正面断面図である。この装置１５０は、基板１１の上にあらかじめ形成された非晶質薄膜または多結晶薄膜（軸配向多結晶薄膜を含む）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ことを目的として構成されている。
【０１１９】
この装置１５０は、反射板１２の代わりに反射ユニット１６０が設置されている点が装置１０１とは特徴的に異なる。反射ユニット１６０は、複数の所定の入射角度をもって基板１１へ入射する複数の原子流成分を生成するためのものであり、試料台１０の上に設置されており、しかも、基板１１の上方に位置するように設置されている。試料台１０は、基板１１を加熱し、適正な高温度に保持することが可能な図示しないヒータを備えている。
【０１２０】
＜6-2.反射ユニットの構成と動作＞
ここでは、反射ユニット１６０の構成と動作について説明する。図１および図１９は、それぞれ反射ユニット１６０の構成を示す正面断面図および平面断面図である。これらの図１および図１９に例示される反射ユニット１６０は、単結晶Ｓｉなどの、ダイヤモンド構造の単結晶を形成するための反射ユニットである。
この反射ユニット１６０は、ＥＣＲイオン源２のイオン引出口の直下、すなわちＥＣＲイオン源２によって生成され下方向へ向かう原子流の下流に配設されている。
【０１２１】
反射ユニット１６０の上部には、ＥＣＲイオン源２から供給される原子流を選択的に遮断可能な遮蔽板１０４が水平に設けられている。引出口９からこの遮蔽板１０４までの距離が、ＥＣＲイオン源２が出力するイオン流が中性の原子流に転換されるのに十分な距離、例えば１４ｃｍ以上となるように反射ユニット１６０が設置される。すなわち、遮蔽板１０４には殆ど中性の原子流が到達する。この遮蔽板１０４には、ＥＣＲイオン源２からの原子流の中心軸周りに４回回転対称となるように開口部１１２が設けられている。ＥＣＲイオン源２からの原子流は、これらの開口部１１２のみを通過して更に下方へ向かって流れる。
【０１２２】
この遮蔽板１０４の直下には、反射ブロック１０６が設置されている。この反射ブロック１０６は４回回転対称な錐体をなしており、錐体の対称軸は原子流の中心軸に一致し、４つの開口部１１２の直下に錐体の４つの側面がそれぞれ位置している。これらの側面は必ずしも平面ではなく、一般には曲面である。この４つの側面が原子流を反射する反射面として機能する。すなわち、開口部１１２を通過した原子流は、反射ブロック１０６の４つの側面によって反射され、そのことによって、中心軸から遠ざかる方向へ進行する４成分の原子流が得られる。
【０１２３】
これらの４成分の原子流は、いずれも、そのビーム断面が二次元的（平面的）に拡大する発散ビームである。そして、これらの４成分は、整流部材（整流手段）１０８を通過することによって、それぞれの進行方向が所望の方向に精度よく揃えられた後、４枚の反射板１１０へそれぞれ入射する。整流部材１０８は、反射ブロック１０６の側面から反射板１１０へと向かう放射状に原子流の方向を整える働きをなす部材であり、従来周知の技術で構成可能である。
【０１２４】
これらの４枚の反射板１１０は、被照射対象である基板１１の周囲に、しかも反射ブロック１０６の対称軸の周りに４回回転対称に配置されている（図１９には１枚の反射板１１０のみを示して他を代表する。また図１９には１枚の反射板１１０の上半部分へ入射しかつ反射する原子流のみを図示し、下半部分への入射および反射原子流については図示を略している。）。反射板１１０へ入射した原子流の成分は、その反射面によって再び反射される。反射板１１０の反射面は適度の凹面形状を有する。このため、発散する原子流の成分がこの反射面に反射される結果、適度に集束されることにより、平行ビームとなって、しかも基板１１の上面全体にわたって一様に降り注ぐ。しかも、基板１１の上面に対して、例えば５５゜の入射角度（図１）をもって、４方向から基板１１の上面へ平行ビームが入射する。
【０１２５】
＜6-3.装置１５０の動作＞
図１８を参照しつつ、装置１５０の動作について説明する。基板１１としてアモルファスまたは多結晶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。基板１１の上には、例えばＣＶＤ（化学気相成長法）等の方法を用いて、多結晶Ｓｉ薄膜（軸配向多結晶Ｓｉ薄膜を含む）があらかじめ形成されている。
【０１２６】
まず、基板１１を試料台１０と反射ユニット１６０の間へ装着する。試料台１０が備えるヒータは、試料すなわち基板１１および多結晶Ｓｉ薄膜を、５５０゜Ｃの温度に保持する。装置１０１と同様に、不活性ガス導入管７から導入されるガスとしては、好ましくはＳｉ原子よりも原子量の小さい不活性のＮｅガスが選択される。
【０１２７】
ＥＣＲイオン源２の働きにより、Ｎｅ原子流が反射ユニット１６０に供給され、その結果、基板１１の上面全体に、例えば５５゜の入射角度をもって４つの方向から入射する。この場合、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、装置１０１と同様に、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、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・エネルギーよりも低くなるように設定される。
【０１２８】
このため、多結晶Ｓｉ薄膜にブラベの法則が作用する結果、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。すなわち、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。
【０１２９】
多結晶Ｓｉ薄膜の温度は、前述のように５５０゜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、一定時間を経た後に、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、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。形成される単結晶Ｓｉ薄膜の結晶方位は、（１００）面が表面に沿うように配向する。
【０１３０】
なお、図１に示した５５゜の入射角度はいうまでもなく一例であって、反射板１１０の形状、方向を適宜変更することによって、所望する単結晶薄膜の結晶構造から決まる任意の入射角度をもって基板１１へ平行ビームを入射することが可能である。また、反射ブロック１０６によって発散ビームが生成されるので、反射板１１０の反射ブロック１０６の対称軸からの距離を、基板１１の広さに応じて適宜調節することによって、広大な基板１１の上に一様に平行ビームを照射することができる。
【０１３１】
このように、この装置１５０によれば、基板１１を走査することなく、ＥＣＲイオン源２が供給するビームの断面よりもはるかに大面積の基板１１の全面に、所望の入射角度をもって、しかも均一に原子流を照射することができる。すなわち、大面積の基板１１の上に所望の単結晶薄膜を均一にかつ効率よく形成することが可能である。
【０１３２】
また、遮蔽板１０４に設けられた４つの開口部１１２の開口面積を、個別に調節することによって、これらの開口部１１２を通過する４成分のビームの量を個別に調整することが可能である。このため、基板１１の上面に複数方向から照射される４成分の各ビーム量を最適に設定することができる。例えば、４成分のビーム量を均一に揃えることができる。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。
【０１３３】
また、装置１０１と同様に、反射ブロック１０６、整流部材１０８、反射板１１０等の原子流の照射を受ける反射ユニット１６０の各部材等の少なくとも表面を、形成すべき薄膜よりもスパッタリングにおけるスレッショルド・エネルギーの高いＴａ、Ｗ、Ｐｔなどの材料で構成してもよい。また、装置１０１と同様に、反射ユニット１６０の各部材等の表面を薄膜の材料よりもスレッショルド・エネルギーの高い材料で構成する代わりに、薄膜と同一材料で構成してもよい。さらに、反射ユニット１６０の各部材等の表面を、照射されるイオン流または原子流を構成する元素よりも重い元素を含む材料で構成してもよい。
【０１３４】
＜７．第７実施例＞
つぎに、この発明の第７実施例の装置について述べる。図２０は、この実施例のビーム照射装置の全体構成を示す正面断面図である。この装置１５１は、装置１００と同様に、基板１１の上に多結晶薄膜を形成しつつ、それと同時に原子流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ことを目的として構成されている。
【０１３５】
このため、装置１５１では、装置１００と同様に、反応室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２０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。その他の構成上の特徴は、装置１５０と同様である。
【０１３６】
装置１５１はつぎのように動作する。第６実施例で取り上げたように、ここでも、基板１１として多結晶ＳｉＯ2（石英）を用い、この基板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１３ｃ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Ｂ2Ｈ3（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。
【０１３７】
反応ガス供給管１３から供給される反応ガスと、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、基板１１の上面においてプラズマＣＶＤ反応が進行し、その結果、アモルファス構造のＳｉ薄膜が成長する。ＥＣＲイオン源２から下方向へと向かうＮｅ原子流は、反射ユニット１６０の働きによって、基板１１の上面に形成されつつあるＳｉ薄膜の全面へ、例えば５５゜の入射角度をもつ４方向から入射する。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、装置１００と同様に、これらの４成分の入射エネルギーが、Ｓｉに対するスレッショルド・エネルギー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結果、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。その結果、基板１１の上に単一の結晶方位を有する単結晶Ｓｉが形成される。
【０１３８】
この装置１５１においても、反射ユニット１６０が用いられるので、基板１１を走査することなく、ＥＣＲイオン源２が供給するビームの断面よりもはるかに大面積の基板１１の全面に、所望の入射角度をもって、しかも均一に原子流を照射することができる。すなわち、大面積の基板１１の上に所望の単結晶薄膜を均一にかつ効率よく形成することが可能である。
【０１３９】
＜８．第８実施例＞
つぎに、この発明の第８実施例の装置について述べる。図２１〜図２３は、それぞれこの実施例の装置の斜視図、平面図、および正面図である。これらの図２１〜図２３を参照しつつ、この実施例の装置の構成と動作について説明する。
【０１４０】
この装置２００では、ＥＣＲイオン源２は水平に設置され、水平に載置される基板１１の表面と平行な水平方向に気体のビームを供給する。ＥＣＲイオン源２から供給される気体のビームが基板１１の上面へと到達するまでの経路に、反射ユニット２６０が介挿されている。
【０１４１】
反射ユニット２６０には、気体のビームの経路に沿って、反射ブロック２０６、遮蔽板２０４、整流部材２０８、反射板２１０が順に配設されている。反射ブロック２０６は、中心軸が垂直な角柱形状をなしており、この中心軸の周りに回転駆動される。引出口９からこの反射ブロック２０６までの距離は、ＥＣＲイオン源２が出力するイオン流が中性の原子流に転換されるのに十分な距離、例えば１４ｃｍ以上となるように設定される。このため、反射ブロック２０６には殆ど中性の原子流が到達する。
【０１４２】
図２４は、反射ブロック２０６の動作を説明するための平面図である。この図２４に示すように、反射ブロック２０６へ入射する原子流は、反射ブロック２０６が回転することによって、水平面内の多方向へと散乱される。すなわち、反射ブロック２０６は、ビーム断面がビームの進行にともなって線状ないし帯状、すなわち略一次元的に拡大する発散ビームを実質的に生成する。
【０１４３】
遮蔽板２０４は、発散する原子流の中の、特定範囲の散乱角を有する成分のみを選択的に通過させる。遮蔽板２０４を通過した原子流は、整流部材２０８を通過することによって、その進行方向が精密に揃えられる。整流部材２０８は、整流部材１０８と同様に構成される。反射ブロック２０６は、図２４等に示すように、四角柱形状である代わりに、例えば三角柱、六角柱など他の角柱形状であってもよい。
【０１４４】
図２１〜図２３に戻って、整流部材２０８を通過した原子流は、水平方向に帯状の反射板２１０に入射する。反射板２１０の反射面は適度の凹面形状を有する。このため、発散する原子流の成分がこの反射面に反射される結果、適度に集束されることにより、平行ビームとなって、基板１１の上面に線状ないし帯状に降り注ぐ。しかも、この平行ビームは、例えば３５゜の入射角度をもって基板１１の上面へ入射する。原子流の経路に沿って配設される反射ブロック２０６から反射板２１０までの一組の部材が、図２２に示すように、２組設置される。このことによって、基板１１の上には、対向する２方向からそれぞれ３５゜の入射角度をもって原子流が入射する。
【０１４５】
反射ブロック２０６によって、原子流は略一次元的に発散するように散乱されるので、反射ブロック２０６と反射板２１０の間の距離を十分に設定することによって、ＥＣＲイオン源２から供給されるビーム径よりもはるかに幅の広い線状ないし帯状の領域に平行ビームを照射することが可能である。
【０１４６】
装置２００は基板１１を載置する図示しない試料台を備えており、この試料台は、図示しない水平移動機構によって水平に移動可能である。この試料台の水平移動にともなって、基板１１は、原子流が入射する線状ないし帯状領域とは垂直な方向（交差する方向）に沿って平行に移動する。このように、基板１１を走査することによって、基板１１の全領域にわたる原子流の照射が実現する。基板１１の走査が行われるので、広大な基板１１に対して均一に原子流の照射を実行することが可能である。
【０１４７】
なお、この装置２００は、装置１００と同様に反応ガス供給管１３を備えることによって、基板１１に所定物質の薄膜を形成しつつ、この薄膜を単結晶に逐次転換するように構成してもよい。また、装置１０１と同様に、試料台にヒータを備えることによって、基板１１の上にあらかじめ堆積された所定物質の薄膜を、単結晶薄膜に転換するように構成してもよい。２本の原子流の入射方向が、互いに対向する方向であって、しかも入射角がいずれも３５゜であることから、基板１１の上に形成される単結晶薄膜の結晶方位は、（１１０）面が表面に沿うように配向する。
【０１４８】
各反射ユニット２６０の間の位置関係、および反射板２１０の角度などを変更することによって、（１１０）面以外の他の結晶面が薄膜の表面に沿うように結晶方位が配向した単結晶薄膜を形成することが可能である。例えば、各反射ユニット２６０において、反射ブロック２０６から反射板２１０へ向かう原子流の中心軸同士が９０゜または１８０゜の角度を成すように２組以上の反射ユニット２６０を配設し、しかも、各反射ユニット２６０から基板１１へ入射する原子流の入射角度がいずれも５５゜となるように反射板２１０の形状および向きを設定することによって、（１００）面が表面に沿うように結晶方位が配向した単結晶薄膜を形成することができる。
【０１４９】
また、各反射ユニット２６０において、反射ブロック２０６から反射板２１０へ向かう原子流の中心軸同士を１２０゜ずつずらして配置した３組の中の２組以上の反射ユニット２６０を配設し、しかも、各反射ユニット２６０から基板１１へ入射する原子流の入射角度がいずれも７０゜となるように反射板２１０の形状および向きを設定することによって、（１１１）面が表面に沿うように結晶方位が配向した単結晶薄膜を形成することができる。
【０１５０】
また、装置１５０と同様に、反射ブロック２０６、整流部材２０８、反射板２１０等の原子流の照射を受ける反射ユニット２６０の各部材等の少なくとも表面を、形成すべき薄膜よりもスパッタリングにおけるスレッショルド・エネルギーの高いＴａ、Ｗ、Ｐｔなどの材料で構成してもよい。また、反射ユニット２６０の各部材等の表面を、形成すべき単結晶薄膜と同一物質で構成してもよい。さらに、反射ユニット２６０の各部材等の表面を、照射されるイオン流または原子流を構成する元素よりも重い元素を含む材料で構成してもよい。
【０１５１】
＜９．第９実施例＞
つぎに、この発明の第９実施例の装置について述べる。図２５は、この実施例の装置の構成を示す斜視図である。この図２５に示すように、この装置３００は、反射ユニット３６０を備えている。この反射ユニット３６０は、反射ブロック２０６の代わりに、静電電極３０６を備える点が、反射ユニット２６０とは特徴的に異なる。静電電極３０６には、中性の原子流の代わりに、イオン流が入射される。すなわち、引出口９からこの静電電極３０６までの距離は、ＥＣＲイオン源２が出力するイオン流が中性の原子流に殆ど転換されずに、イオン流のままで静電電極３０６へ入射するように十分に短く設定される。
【０１５２】
静電電極３０６には、交流電源３０７が付随して設けられる。この交流電源３０７は、一定バイアス電圧の上に交流電圧が重畳して成る変動電圧を静電電極３０６に供給する。その結果、静電電極３０６へ入射したイオン流が、変動する静電場の作用によって水平面内の多方向へと散乱される。
【０１５３】
このように、この装置３００では、交流電源３０７が供給する変動電圧によって、イオン流の散乱が実現するので、遮蔽板２０４によって遮蔽される不要な方向へのイオン流の散乱を容易に抑えることができる。すなわち、ＥＣＲイオン源２が供給するイオン流を効率よく基板１１への照射に役立てることができるという利点がある。さらに、交流電源３０７が供給する変動電圧の波形を、例えば三角波状に設定するなどによって、イオン流を各散乱方向へ、一層高い均一性をもって散乱することができるという利点も得られる。
【０１５４】
＜１０．変形例＞
（１）  第６実施例および第７実施例では、反射ブロック１０６の形状、および反射板１１０の配置を４回回転対称に選んだが、その他の回転対称、例えば２回回転対称、あるいは３回回転対称に選ぶことも可能である。すなわち、所望する単結晶薄膜の結晶構造に応じて、異なる入射角度で入射する原子流の成分の数を任意に選ぶことが可能である。反射ブロック１０６の形状を、円錐体などの回転対称に選んでもよい。このときには、基板１１への入射方向の数によらずに、反射ブロック１０６は１つで足りる。このように、この発明の装置では、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、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。また任意の結晶構造に対応できるので、単結晶薄膜を構成する物質もＳｉに限定されることがなく、例えばＧａＡｓ、ＧａＮなどの半導体単結晶薄膜の形成も可能である。
【０１５５】
（２）  第６実施例および第７実施例において、原子流の方向を整える整流部材１０８は、反射ブロック１０６から反射板１１０へと向かう原子流の経路に介挿する代わりに、反射板１１０によって反射され基板１１へと向かう原子流の経路に介挿してもよい。また、これらの双方の経路に介挿してもよい。
【０１５６】
また、整流部材１０８を備えない装置を構成してもよい。しかしながら、整流部材１０８を備える装置では、反射ブロック１０６や反射板１１０の形状および配置などを厳密に設定しなくても、原子流の成分の基板１１への入射方向が精密に定まるという利点がある。
【０１５７】
なお、以上のことは、第８実施例及び第９実施例における、整流部材２０８についても同様である。
【０１５８】
（３）  第１実施例〜第８実施例において、ＥＣＲイオン源２の代わりに、中性の原子流または分子流、あるい中性のラジカル流を発生する他の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。
【０１５９】
（４）  第１実施例〜第９実施例において、ＥＣＲイオン源２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、このときに生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、指向性が弱まる傾向にあるので、イオンを中性化する手段、あるいは例えばコリメータなどのイオン流の指向性を高める手段をイオン流の経路に介挿するのが望ましい。
【０１６０】
特に、基板１１に電気絶縁性の基板を用いるときには、基板１１に電荷が蓄積して照射が進行しなくなることを防止するために、イオンを中性化する手段をイオン流の経路に介挿することが望ましい。これに対し、ＥＣＲイオン源を備える実施例の装置では、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。
【０１６１】
なお、第９実施例の装置にイオンを中性化する手段を設置する場合には、静電電極３０６よりも下流に設置される。
【０１６２】
（５）  以上の実施例で示した各ビーム照射装置は、単結晶薄膜を形成することを目的とした装置に限定されるものではなく、他の目的で複数方向から気体のビームを照射するための装置に実施することも可能である。特に、第６実施例〜第９実施例に示した装置は、広大な基板の上に均一に、しかも複数方向から気体のビームを照射する目的への利用に適している。
【０１６３】
（６）  第１実施例〜第９実施例において、形成すべき薄膜がＧａＮなど、常温下で気体であるＮ（窒素元素）を含む場合には、照射に供される気体として窒素ガスを用いてもよい。そうすれば、照射に供される気体が薄膜中に残留しても不純物として薄膜の特性劣化をもたらす恐れがない。
【０１６４】
【発明の効果】
＜請求項１に記載の発明の効果＞
この発明の方法では、基板の上に軸配向多結晶薄膜をあらかじめ形成した後に、複数方向からビームを照射することによって薄膜を単結晶薄膜へ転換する。このため、例えば基板の上に遮蔽体が形成されているなどのために、複数方向からのビームが基板の上に均一に照射されなくても、基板の上のどの部分にも単結晶薄膜か軸配向多結晶薄膜の少なくとも何れかが形成されているので、目立った特性上の劣化を引き起こさない。
【０１６５】
＜請求項２に記載の発明の効果＞
この発明の方法では、基板の上に軸配向多結晶薄膜をあらかじめ形成した後に、複数方向からビームを照射することによって薄膜を単結晶薄膜へ転換する。このため、例えば基板の上に遮蔽体が形成されているなどのために、複数方向からのビームが基板の上に均一に照射されなくても、基板の上のどの部分にも単結晶薄膜か軸配向多結晶薄膜の少なくとも何れかが形成されているので、目立った特性上の劣化を引き起こさない。
【０１６６】
＜請求項３に記載の発明の効果＞
この発明の方法では、軸配向多結晶薄膜を形成する際における気体のビームの照射方向と、軸配向多結晶薄膜を単結晶薄膜へ転換する際における気体のビームの複数の照射方向の１つとが、互いに同一であるので、単結晶薄膜への転換が円滑に行われる。
【０１６７】
＜請求項４に記載の発明の効果＞
この発明の方法では、不活性ガスのビームが照射に供されるので、形成される単結晶薄膜に気体が残留しても、薄膜の電子物性等の特性に目立った影響を及ぼさないのに加えて、侵入した気体を薄膜から容易に除去することができる。
【０１６８】
＜請求項５に記載の発明の効果＞
この発明の方法では、不活性ガスを構成する元素の原子量が、薄膜として成長しつつある所定の物質の構成元素の最大の原子量よりも低いので、照射された不活性ガスの原子またはイオンの大部分が、薄膜の表面ないしその近傍で後方へ散乱され、薄膜の中に残留し難い。
【０１６９】
＜請求項６に記載の発明の効果＞
この発明の方法では、照射される気体が薄膜として成長する物質の構成元素を含んでいる。このため、照射後にこの構成元素の原子またはイオンが薄膜の中に残留しても、これらが不純物として単結晶薄膜へ悪影響を及ぼす恐れがない。
【０１７０】
＜請求項７に記載の発明の効果＞
この発明の方法では、ビーム発生源が電子サイクロトロン共鳴型のイオン発生源である。このため、イオンビームの指向性が高いのに加えて、イオン発生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、強度の中性ビームを得ることができる。また、イオンを中性化する手段を用いることなく、電気絶縁性の基板を使用することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第６実施例における反射ユニットの正面断面図である。
【図２】第１実施例における装置の正面断面図である。
【図３】第１実施例のＥＣＲイオン源の特性を示すグラフである。
【図４】第１実施例における装置の実証試験の結果を示す図である。
【図５】第２実施例における装置の正面断面図である。
【図６】第２実施例における反射板の斜視図である。
【図７】図６に示した反射板の平面図である。
【図８】図６に示した反射板の分解斜視図である。
【図９】図６に示した反射板の分解斜視図である。
【図１０】図６に示した反射板の平面図である。
【図１１】図１０に示した反射板のＡ−Ａ切断線に沿った断面図である。
【図１２】第２実施例における装置の実証試験の結果を示す図である。
【図１３】第３実施例における装置の斜視図である。
【図１４】第４実施例における装置の斜視図である。
【図１５】第５実施例における方法を説明する工程図である。
【図１６】第５実施例における方法を説明する工程図である。
【図１７】第５実施例における方法を説明する工程図である。
【図１８】第６実施例における装置の正面断面図である。
【図１９】第６実施例における反射ユニットの平面図である。
【図２０】第７実施例における装置の正面断面図である。
【図２１】第８実施例における装置の斜視図である。
【図２２】第８実施例における装置の平面図である。
【図２３】第８実施例における装置の正面図である。
【図２４】第８実施例における装置の平面図である。
【図２５】第９実施例における装置の斜視図である。
【符号の説明】
１０２、１０３  軸配向多結晶薄膜形成装置（ビーム照射装置）
１００、１０１、１５０、１５１、２００、３００  単結晶薄膜形成装置（ビーム照射装置）
１  反応容器（容器）
２  ＥＣＲイオン源（ビーム源）
１０  試料台（部材）
１１  基板
１２  反射板（反射手段）
５１  遮蔽板（遮蔽体）
５３  反射用ブロック（反射体）
５５  斜面（反射面）
１０４  遮蔽板（ビーム配分調整手段）
１０６、２０６  反射ブロック（第１の反射体）
３０６  静電電極（第１の反射体）
１０８、２０８  整流部材（整流手段）
１１０、２１０  反射板（第２の反射体）
１６０、２６０、３６０  反射ユニット（反射手段、反射装置）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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