JPH05190450A - Method of forming silicon film - Google Patents

Method of forming silicon film

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JPH05190450A
JPH05190450A JP1955792A JP1955792A JPH05190450A JP H05190450 A JPH05190450 A JP H05190450A JP 1955792 A JP1955792 A JP 1955792A JP 1955792 A JP1955792 A JP 1955792A JP H05190450 A JPH05190450 A JP H05190450A
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Abstract

PURPOSE:To provide a silicon film formation method, which can form a crystallized silicon film on a board at low temperature. CONSTITUTION:At the same time as silicon 10 is deposited on a board 6 by an evaporation source 8, inside a vacuum vessel 2, inert gas plasma 28 is generated in the vicinity of the board 6 by a plasma source 14, and the inert gas ions within the inert gas plasma 28 are collided against the board 6. Moreover, the energy of the inert gas ions colliding against the board 6 at this time is within the range of 5eV-63eV, and besides the transportation ratio of the inert gas ions to silicon atoms to the board 6 is within the range of 2-60.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、例えば半導体デバイ
スの構成等に用いられるものであって、基板の表面に結
晶化したシリコン膜を形成する方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a crystallized silicon film on the surface of a substrate, which is used for the construction of a semiconductor device, for example.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えばガラス基板のような絶縁性の基板
上に結晶化したシリコン膜を形成する技術は、いわゆる
SOI技術と呼ばれており、従来から幾つかの方法が試
みられている。
2. Description of the Related Art A technique for forming a crystallized silicon film on an insulating substrate such as a glass substrate is called a so-called SOI technique, and several methods have been tried.

【0003】一つは、シラン(SiH4)ガスを用いてC
VD法によってシリコン膜を形成する方法であり、この
方法では基板を800℃程度に加熱する必要がある。
One is to use silane (SiH 4 ) gas for C
This is a method of forming a silicon film by the VD method. In this method, it is necessary to heat the substrate to about 800 ° C.

【0004】他の一つは、真空蒸着法によってシリコン
を基板に蒸着させる方法であり、この方法でも基板を6
00℃程度以上に加熱する必要がある。
The other is a method of depositing silicon on a substrate by a vacuum deposition method, and this method is also used to deposit the substrate 6
It is necessary to heat to about 00 ° C or higher.

【0005】また、低温にてシリコン膜を形成する方法
として、レーザアニール法が試みられている。これは、
低温にて基板上にシリコン膜を形成した後、レーザによ
って膜表面を局所的に加熱して高温にすることでシリコ
ン膜を再結晶化する方法である。
A laser annealing method has been tried as a method of forming a silicon film at a low temperature. this is,
In this method, a silicon film is formed on a substrate at a low temperature and then the film surface is locally heated by a laser to a high temperature to recrystallize the silicon film.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記C
VD法および真空蒸着法では、基板を上述したような高
温に加熱しないとシリコンが結晶化しないという問題が
ある。そのためには、このような温度に耐え得る基板を
選択する必要があり、そのような基板は一般的に高価で
ある。また、基板を高温に加熱し、冷却するには多くの
時間がかかり、そのためスループットも低下する。
However, the above-mentioned C
The VD method and the vacuum evaporation method have a problem that silicon is not crystallized unless the substrate is heated to the high temperature as described above. For that purpose, it is necessary to select a substrate that can withstand such a temperature, and such a substrate is generally expensive. In addition, it takes a lot of time to heat the substrate to a high temperature and to cool it, so that the throughput also decreases.

【0007】一方、レーザアニール法については、シリ
コン膜を均一に結晶化するのが困難であり、まだ実用の
段階には至っていない。
On the other hand, with the laser annealing method, it is difficult to uniformly crystallize the silicon film, and it has not yet reached the stage of practical use.

【0008】そこでこの発明は、基板上に結晶化したシ
リコン膜を低温下で形成することができるシリコン膜の
形成方法を提供することを主たる目的とする。
Therefore, the main object of the present invention is to provide a method for forming a silicon film which can form a crystallized silicon film on a substrate at a low temperature.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明のシリコン膜の形成方法は、真空容器内に
おいて、基板にシリコンを蒸着させると同時に、不活性
ガスプラズマを基板の近傍に発生させて当該プラズマ中
の不活性ガスイオンを基板に衝突させ、しかもこのとき
に基板に衝突する不活性ガスイオンのエネルギーを5e
V〜63eVの範囲内にし、かつ基板へのシリコン原子
に対する不活性ガスイオンの輸送比を2〜60の範囲内
にすることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the method for forming a silicon film according to the present invention comprises depositing silicon on a substrate in a vacuum container and simultaneously generating an inert gas plasma in the vicinity of the substrate. Then, the inert gas ions in the plasma are caused to collide with the substrate, and the energy of the inert gas ions colliding with the substrate at this time is 5e.
It is characterized in that it is in the range of V to 63 eV, and the transport ratio of the inert gas ions to the silicon atoms to the substrate is in the range of 2 to 60.

【0010】[0010]

【作用】上記方法によれば、基板上に結晶化したシリコ
ン膜を、従来の真空蒸着法による場合よりも低温下で形
成することができた。これは、基板にシリコン原子が蒸
着されると同時に、適度のエネルギーを持つ不活性ガス
イオンが適度の割合で衝突し、そのエネルギーが基板最
表面にあるシリコン原子に伝達されてその結晶成長にほ
ど良い状態が基板最表面にて実現するためであると考え
られる。
According to the above method, the crystallized silicon film can be formed on the substrate at a lower temperature than the conventional vacuum deposition method. This is because, at the same time as silicon atoms are vapor-deposited on the substrate, inert gas ions having appropriate energy collide with each other at an appropriate ratio, and the energy is transferred to the silicon atoms on the outermost surface of the substrate to promote crystal growth. It is considered that a good state is realized on the outermost surface of the substrate.

【0011】この場合、前記不活性ガスイオンのエネル
ギーを14eV〜46eVの範囲内にし、かつ前記輸送
比を6〜30の範囲内にすると、より低温下で結晶化し
たシリコン膜を形成することができる。
In this case, when the energy of the inert gas ions is set in the range of 14 eV to 46 eV and the transport ratio is set in the range of 6 to 30, a crystallized silicon film can be formed at a lower temperature. it can.

【0012】[0012]

【実施例】図1は、この発明に係るシリコン膜の形成方
法を実施する装置の一例を示す概略断面図である。図示
しない真空排気装置によって超高真空に真空排気される
真空容器2内に、この例では回転式のホルダ4が設けら
れており、それに基板6が取り付けられている。ホルダ
4をこの例のように回転式にすれば基板6の表面に形成
される膜をより均一にすることができるが、必須ではな
い。ホルダ4の背後には、基板6を加熱するヒータのよ
うな加熱源5が設けられている。
1 is a schematic sectional view showing an example of an apparatus for carrying out the method for forming a silicon film according to the present invention. In this example, a rotary holder 4 is provided in a vacuum container 2 that is evacuated to an ultrahigh vacuum by a vacuum exhaust device (not shown), and a substrate 6 is attached thereto. If the holder 4 is rotatable as in this example, the film formed on the surface of the substrate 6 can be made more uniform, but it is not essential. Behind the holder 4, a heating source 5 such as a heater for heating the substrate 6 is provided.

【0013】真空容器2内には、例えば抵抗加熱、電子
ビーム加熱等によってシリコン10を蒸発させてそれを
ホルダ4上の基板6に蒸着させる蒸発源8が設けられて
いる。もっともこのような蒸発源8の代わりに、スパッ
タによってシリコンを蒸発させる方式の蒸発源を用いて
も良い。
An evaporation source 8 for evaporating the silicon 10 by, for example, resistance heating, electron beam heating, or the like to deposit it on the substrate 6 on the holder 4 is provided in the vacuum container 2. However, instead of such an evaporation source 8, an evaporation source of a type in which silicon is evaporated by sputtering may be used.

【0014】また、真空容器2には、基板6に向けて、
この例では、ECR型のプラズマ源14が取り付けられ
ている。このプラズマ源14は、マイクロ波導入口18
からマイクロ波20が、ガス導入口22から不活性ガス
24がそれぞれ導入されるプラズマ生成容器16および
その周りに設けられた磁気コイル26を有しており、プ
ラズマ生成容器16内でECR(電子サイクロトロン共
鳴)条件下のマイクロ波放電によって不活性ガスプラズ
マ28を発生させることができる。発生した不活性ガス
プラズマ28は、自然にホルダ4上の基板6の近傍まで
拡散して行く。不活性ガス24は、He 、Ne 、Ar 、
Kr 、Xe の内のいずれかである。
Further, in the vacuum container 2, facing the substrate 6,
In this example, an ECR type plasma source 14 is attached. The plasma source 14 has a microwave inlet port 18
The microwave 20 has the plasma generation container 16 into which the inert gas 24 is introduced from the gas introduction port 22 and the magnetic coil 26 provided around the plasma generation container 16, and the ECR (electron cyclotron) is provided in the plasma generation container 16. The inert gas plasma 28 can be generated by the microwave discharge under the (resonance) condition. The generated inert gas plasma 28 naturally diffuses to the vicinity of the substrate 6 on the holder 4. The inert gas 24 is He, Ne, Ar,
Either of Kr and Xe.

【0015】成膜に際しては、シリコン10を蒸発源8
より蒸発させてそれを基板6の表面に蒸着させると同時
に、プラズマ源14で不活性ガスプラズマ28を発生さ
せてそれを基板6の近傍まで拡散させて当該不活性ガス
プラズマ28中の不活性ガスイオンを基板6に衝突させ
る。このとき、不活性ガスプラズマ28の状態(例えば
その密度とかその中の不活性ガスイオンのエネルギー
等)は、プラズマ源14にガス導入口22より導入する
不活性ガス24の流量およびマイクロ波導入口18より
導入するマイクロ波20の電力等によって制御すること
ができる。基板6の温度は、加熱源5によって制御する
ことができる。
During film formation, the silicon 10 is used as the evaporation source 8
At the same time, it is further evaporated to deposit it on the surface of the substrate 6, and at the same time, an inert gas plasma 28 is generated by the plasma source 14 and diffused to the vicinity of the substrate 6 to generate an inert gas in the inert gas plasma 28. Ions are made to collide with the substrate 6. At this time, the state of the inert gas plasma 28 (for example, its density or the energy of the inert gas ions therein) is determined by the flow rate of the inert gas 24 introduced into the plasma source 14 from the gas introduction port 22 and the microwave introduction port 18. It can be controlled by the electric power of the microwave 20 introduced more. The temperature of the substrate 6 can be controlled by the heating source 5.

【0016】上記のような装置を用いて、基板6として
ガラス基板を用い、かつ不活性ガス24としてアルゴン
(Ar )ガスを用いて、成膜条件を変えて形成したシリ
コン膜のX線回折による分析結果を図2に示す。
Using a glass substrate as the substrate 6 and argon (Ar) gas as the inert gas 24 by using the apparatus as described above, the silicon film formed by changing the film forming conditions is analyzed by X-ray diffraction. The analysis results are shown in FIG.

【0017】図中の横軸は基板温度を、縦軸はX線回折
によるSi(200)面の回折強度を表している。この
回折強度の値が大きいほど、シリコン膜は結晶化してお
り、結晶化シリコンの生成具合の目安となる。図中の○
印は、比較のためにAr プラズマを発生させずに真空蒸
着のみによってシリコン膜を形成した結果であり、従来
技術に相当する。□印は、Ar プラズマを発生させなが
らシリコンを蒸着した結果である。
In the figure, the horizontal axis represents the substrate temperature and the vertical axis represents the diffraction intensity of the Si (200) plane by X-ray diffraction. The larger the value of the diffraction intensity, the more the silicon film is crystallized, which is a measure of the degree of formation of crystallized silicon. ○ in the figure
The mark indicates the result of forming a silicon film only by vacuum deposition without generating Ar plasma for comparison, and corresponds to the prior art. The □ mark is the result of vapor deposition of silicon while generating Ar plasma.

【0018】この図より、シリコン蒸着のみの場合は基
板の温度を約600℃以上にしないとシリコンが結晶化
していないのに対して、Ar プラズマを併用した場合に
は400℃においてもシリコンが結晶化している。この
ことから、不活性ガスプラズマを併用することによっ
て、シリコン膜がより低温下で結晶化できることが分か
る。
From this figure, in the case of only silicon vapor deposition, silicon is not crystallized unless the temperature of the substrate is set to about 600 ° C. or higher, whereas when Ar plasma is also used, silicon is crystallized even at 400 ° C. It has become. From this, it is understood that the silicon film can be crystallized at a lower temperature by using the inert gas plasma together.

【0019】次に、不活性ガスプラズマを併用する場合
の条件を変えることで、シリコンの結晶化開始温度がど
のように変わるかを測定した結果を図3に示す。
Next, FIG. 3 shows the result of measurement of how the crystallization start temperature of silicon changes by changing the conditions when the inert gas plasma is also used.

【0020】図中の横軸は、不活性ガスプラズマ(この
場合はAr プラズマ)28中の基板6に衝突するAr イ
オンのエネルギーを示しており、これは主としてプラズ
マ源14に投入するマイクロ波20の電力によって調節
した。図中の縦軸は、基板6に対する、蒸発源8からの
シリコン原子とAr プラズマ28中のAr イオンとの輸
送比を示しており、この例の場合はシリコン10の蒸着
速度を5Å/秒の一定にしておき、Ar イオンの量を、
主として真空容器2内のAr ガス圧を変えてAr プラズ
マ28の密度を変えることによって調節した。図中の四
角内の数字は、シリコンの結晶化開始温度を示してい
る。
The horizontal axis in the figure shows the energy of Ar ions colliding with the substrate 6 in the inert gas plasma (Ar plasma in this case) 28, which is mainly the microwave 20 introduced into the plasma source 14. Adjusted by the power of. The vertical axis in the figure represents the transport ratio of silicon atoms from the evaporation source 8 and Ar ions in the Ar plasma 28 with respect to the substrate 6. In this example, the deposition rate of silicon 10 is 5 Å / sec. Keep it constant and change the amount of Ar ions to
It was adjusted mainly by changing the Ar gas pressure in the vacuum chamber 2 to change the density of the Ar plasma 28. The numbers in the squares in the figure indicate the crystallization start temperature of silicon.

【0021】この図から分かるように、Ar イオンのエ
ネルギーが5eV〜63eVの範囲内、かつAr /Si
輸送比が2〜60の範囲内の場合は、従来の真空蒸着法
等による場合よりも遙かに低い400℃でシリコンの結
晶化が始まっており、取り分けAr イオンのエネルギー
を14eV〜46eVの範囲内、かつAr /Si 輸送比
を6〜30の範囲内にすれば、300℃でシリコンの結
晶化が始まっている。
As can be seen from this figure, the energy of Ar ions is in the range of 5 eV to 63 eV, and Ar / Si
When the transport ratio is in the range of 2 to 60, the crystallization of silicon has started at 400 ° C, which is much lower than that in the case of the conventional vacuum deposition method, etc., and especially the energy of Ar ions is in the range of 14 eV to 46 eV. If the Ar / Si transport ratio is within the range of 6 to 30, crystallization of silicon starts at 300 ° C.

【0022】このようにシリコンが低温下で結晶化する
理由としては、不活性ガスプラズマを併用すると基板に
シリコン原子が蒸着されると同時に、不活性ガスプラズ
マ中の適度のエネルギーを持つ不活性ガスイオンが適度
の割合で衝突し、そのエネルギーが基板最表面にあるシ
リコン原子に伝達されてその結晶成長にほど良い状態が
基板最表面にて実現するためであると考えられる。
The reason why silicon is crystallized at a low temperature is that when an inert gas plasma is used together, silicon atoms are vapor-deposited on the substrate and at the same time, an inert gas having an appropriate energy in the inert gas plasma. It is considered that this is because the ions collide with each other at an appropriate rate, the energy is transferred to the silicon atoms on the outermost surface of the substrate, and a state suitable for crystal growth is realized on the outermost surface of the substrate.

【0023】なお、上記のような不活性ガスプラズマの
発生には、この例のようにECR型のプラズマ源を用い
る方が、適度に低いプラズマエネルギーで高密度プラズ
マを作ることができるので好ましいが、勿論それ以外の
プラズマ源を用いても良い。
In order to generate the above-mentioned inert gas plasma, it is preferable to use an ECR type plasma source as in this example because a high density plasma can be produced with an appropriately low plasma energy. Of course, other plasma sources may be used.

【0024】[0024]

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、基板上
に結晶化したシリコン膜を低温下で形成することができ
る。その結果、基板に耐熱温度の低い安価な基板を使用
することができるのでコストダウンを図ることができる
と共に、基板の加熱、冷却に要する時間を短縮すること
ができるので、スループットも向上する。
As described above, according to the present invention, a crystallized silicon film can be formed on a substrate at a low temperature. As a result, an inexpensive substrate having a low heat resistant temperature can be used as the substrate, so that the cost can be reduced, and the time required for heating and cooling the substrate can be shortened, thus improving the throughput.

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

【図1】 この発明に係るシリコン膜の形成方法を実施
する装置の一例を示す概略断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of an apparatus for carrying out a method for forming a silicon film according to the present invention.

【図2】 成膜条件を変えて形成したシリコン膜のX線
回折による分析結果の一例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an example of an analysis result by X-ray diffraction of a silicon film formed by changing film forming conditions.

【図3】 Ar イオンエネルギーおよびAr /Si 輸送
比を変えて形成したシリコン膜の結晶化開始温度の測定
結果の一例を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an example of measurement results of a crystallization start temperature of a silicon film formed by changing Ar ion energy and Ar / Si transport ratio.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 真空容器 6 基板 8 蒸発源 10 シリコン 14 プラズマ源 28 不活性ガスプラズマ 2 vacuum container 6 substrate 8 evaporation source 10 silicon 14 plasma source 28 inert gas plasma

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/205 7454−4M ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification code Office reference number FI technical display location H01L 21/205 7454-4M

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 真空容器内において、基板にシリコンを
蒸着させると同時に、不活性ガスプラズマを基板の近傍
に発生させて当該プラズマ中の不活性ガスイオンを基板
に衝突させ、しかもこのときに基板に衝突する不活性ガ
スイオンのエネルギーを5eV〜63eVの範囲内に
し、かつ基板へのシリコン原子に対する不活性ガスイオ
ンの輸送比を2〜60の範囲内にすることを特徴とする
シリコン膜の形成方法。
1. In a vacuum container, at the same time as depositing silicon on a substrate, an inert gas plasma is generated in the vicinity of the substrate to cause the inert gas ions in the plasma to collide with the substrate, and at this time, the substrate Formation of a silicon film, characterized in that the energy of the inert gas ions impinging on the substrate is in the range of 5 eV to 63 eV, and the transport ratio of the inert gas ions to the silicon atoms to the substrate is in the range of 2 to 60. Method.
【請求項2】 前記不活性ガスイオンのエネルギーを1
4eV〜46eVの範囲内にし、かつ前記輸送比を6〜
30の範囲内にする請求項1記載のシリコン膜の形成方
法。
2. The energy of the inert gas ions is 1
4eV to 46eV, and the transport ratio is 6 to
The method for forming a silicon film according to claim 1, wherein the thickness is within the range of 30.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5691010A (en) * 1993-10-19 1997-11-25 Sanyo Electric Co., Ltd. Arc discharge plasma CVD method for forming diamond-like carbon films
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