JP2006291328A

JP2006291328A - 電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置

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Publication number: JP2006291328A
Application number: JP2005116814A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Kitahara; 正北原; Norio Ichikawa; 典男市川; Yoshiaki Nomoto; 佳朗野本
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2025-04-14
Also published as: JP4584008B2

Abstract

【課題】任意の固体材料に関して、液体化した材料の蒸発による成分および固体ターゲットアブレーションにおける微粒子の発生を抑えることにより、良好な膜質の薄膜を形成することができるレーザアブレーション成膜装置の提供。
【解決手段】ターゲット１１を保持するターゲットホルダ１０と、成膜用基板２１を保持する基板ホルダ２０と、電子線を発生する電子線発生装置３０と、電子線収束装置４０と、レーザ光照射装置５０とを備えた電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置である。電子線収束装置４０は、電子レンズを形成することにより電子線発生装置３０から発生された電子線をターゲット１１の表面の一部に収束させて該表面の一部を局所的に液体化する。レーザ光照射装置５０は、電子線収束装置４０により液体化されたターゲット１１の表面の一部にレーザ光を照射してアブレーションを行う。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザアブレーション成膜装置に関し、特にターゲットを液体化した状態でレーザ光を照射するレーザアブレーション成膜装置に関する。

従来より、基板に薄膜を形成する方法として、レーザアブレーション成膜法が知られている。レーザアブレーション成膜法には、膜の一様性が高い、付着強度が高いなど多くのメリットがある。しかし、固体ターゲットによるレーザアブレーション成膜法では、微粒子が発生してその微粒子が薄膜内部に取り込まれるという問題があるため実用化が難しかった。

かかる問題を回避する方法として、ターゲットを抵抗加熱等の方法により加熱して液体化した状態でレーザ光を照射してアブレーションを行う方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。液体化した状態でレーザ光を照射すれば微粒子が発生しないため、微粒子が薄膜内部に取り込まれることがほとんどない。この方法は、ガリウムなど低融点でしかも蒸気圧の低い材料については有効である。

同様に、加熱溶融したターゲットに対してレーザ光を照射してレーザアブレーションを行う装置も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平４−３１１５６１号公報特開２００２−２４１９３０号公報

しかしながら、比較的高い融点を有し溶融した状態での蒸気圧が高いシリコン（Ｓｉ）などの材料の場合には、液体状態にあるターゲットから蒸発する蒸気の量が多くなる。そして、この蒸気が基板に付着する量は、レーザアブレーションによる付着量に比べて無視できない程度に達する。かかる蒸気の付着によって形成された薄膜の膜質は、レーザアブレーションにより形成された薄膜の膜質と比べて劣るため、結果として形成された薄膜の膜質が悪くなってしまう。

そこで本発明は、任意の固体材料に関して、液体化した材料の蒸発による成分を抑え、かつ、固体ターゲットアブレーションにおける微粒子の発生がなく、従って良好な膜質の薄膜を形成することができるレーザアブレーション成膜装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、固体材料からなるターゲットを保持するターゲットホルダと、該ターゲットホルダに対して所定の位置に設けられ、成膜用基板を保持する基板ホルダと、電子線を発生する電子線発生装置と、電子レンズを形成することにより該電子線発生装置から発生された電子線を該ターゲットの表面の一部に収束させ、もって該ターゲットの表面の一部を局所的に液体化する電子線収束装置と、液体化された該ターゲットの表面の一部にレーザ光を照射するレーザ光照射装置とを備えた電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置を提供している。

ここで、該電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置は真空室を備えた真空容器を更に備え、該電子線発生装置は、電子線放出源と、該電子線放出源に電圧を印加して電子線を放出させる駆動電源とを備え、該ターゲットホルダ、該基板ホルダ、及び、該電子線放出源は該真空室に設けられているのが好ましい。

また、該ターゲットホルダは、底部と、該ターゲットを囲むように該底部から立設された周壁とを備え、該底部及び該周壁は、該ターゲットを収容する凹部を形成し、該周壁は、該レーザ光照射装置側に位置する第１の壁部と、該レーザ光照射装置とは反対側に位置する第２の壁部とを有し、該第１の壁部及び該第２の壁部は、それぞれ、該凹部の内側へ向かって該底部側へ傾斜した開口端部を有するのが好ましい。

また、該駆動電源は、該ターゲットの表面における電子線の収束位置を移動させる電子線移動手段を備えているのが好ましい。更に、該レーザ光照射装置は、該ターゲットの表面におけるレーザ光の照射位置を移動させるレーザ光移動手段を備えているのが好ましい。また、該ターゲットホルダは、該ターゲットを冷却保持するための冷却手段を備えているのが好ましい。

更には、該ターゲットホルダと該基板ホルダとの間に設けられ、該ターゲットの蒸発物が該基板に達するのを妨げる閉状態と該ターゲットの蒸発物が該基板に達するのを可能とする開状態とを切り替え可能なシャッタを備えているのが好ましい。また、該真空容器には、該ターゲットの表面における電子線収束位置とレーザ光照射位置とを観測するための観測窓が設けられているのが好ましい。

請求項１記載の電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置によれば、電子線収束装置がターゲットの表面の一部を局所的に液体化し、レーザ光照射装置がターゲットのうち液体化された表面の一部に対してレーザ光を照射するため、固体ターゲットを用いたレーザアブレーション成膜法のように微粒子が発生するという問題がない。しかも、ターゲットの全体を液体化するのではなくターゲット表面の一部を局所的に液体化するため、ターゲットが液体状態での蒸気圧が高いシリコン（Ｓｉ）などの材料である場合でも、液体化された部分から蒸発する蒸気の量は非常に少ない。すなわち、かかる蒸気が基板に付着する量は、レーザアブレーションによる付着量に比べて無視できる程度である。したがって、本装置により形成された薄膜は、一様性が良く、付着強度が高い等、レーザアブレーション法に特徴的な多くのメリットを有している。また、本装置によれば、ターゲットがアルミニウムなど低融点の低蒸気圧材料あるいは高融点の昇華性材料である場合であっても、同様に良好な膜質の薄膜を形成することができる。すなわち、任意の固体材料に関して、レーザアブレーション法による良好な膜質の薄膜を形成することができる。

請求項２記載の電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置によれば、ターゲットホルダ、基板ホルダ、及び、電子線放出源は真空室に設けられているため、効果的にレーザアブレーションを行うことができる。

請求項３記載の電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置によれば、レーザ光照射装置側に位置する第１の壁部が、凹部の内側へ向かって底部側へ傾斜した開口端部を有するので、レーザ光をより斜め方向から入射させることができる。よって、基板ホルダが障害となってレーザ光をターゲットに入射させにくいという問題が防止できる。また、レーザ光照射装置とは反対側に位置する第２の壁部も凹部の内側へ向かって底部側へ傾斜した開口端部を有しているので、液体化されたターゲットの表面で反射されたレーザ光が第２の壁部に照射されずに通過する。第２の壁部には液体化したターゲットが蒸発して付着している場合があるため、反射レーザ光がかかる付着物質をアブレーションして不要な微粒子を成膜用基板に付着させるという問題を防止することができる。

請求項４記載の電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置によれば、ターゲットの表面における電子線の収束位置を移動させる電子線移動手段を備えているため、電子線の収束位置をターゲットの表面における適切な位置に移動させることができる。

請求項５記載の電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置によれば、レーザ光照射装置は、ターゲットの表面におけるレーザ光の照射位置を移動させるレーザ光移動手段を備えているので、液体化されたターゲットの表面における適切な位置にレーザ光を照射することができる。

請求項６記載の電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置によれば、ターゲットホルダはターゲットを冷却保持するための冷却手段を備えているので、ターゲットの表面の一部のみを局所的に液体化し、それ以外の部分は極力液体化しないようにすることができる。よって、液体化された部分から蒸発する蒸気の量を更に抑制することができる。

本発明の実施の形態による電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置について図１乃至図５に基づき説明する。

最初に、本発明の実施の形態による電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置１の構成について図１および図２を参照して説明する。図１に示されるように、電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置１は、真空容器６と、ターゲットホルダ１０と、基板ホルダ２０と、電子線発生装置３０と、電子線収束装置４０と、レーザ光照射装置５０とを備えている。

真空容器６の内部には真空室６１が画成されている。真空容器６には真空装置（真空ポンプ）６５が設けられており、真空室６１を排気して真空状態にすることが可能である。図１に示されるように、ターゲットホルダ１０、基板ホルダ２０、電子線発生装置３０のうち後述するフィラメント３１、および電子線収束装置４０などが真空室６１内に設けられている。

ターゲットホルダ１０は、固体材料からなるターゲット１１を保持するためのものである。図１および図２に示されるように、ターゲットホルダ１０は、底部１２（図２）と、ターゲット１１を囲むように底部１２から立設された周壁１３とを備えている。周壁１３は上面１３Ａを有している。底部１２及び周壁１３は、ターゲット１１が保持された坩堝１７を収容する平面視略円形状の凹部１６を形成している。

図２に示されるように、周壁１３は、レーザ光照射装置５０側に位置する第１の壁部１４と、レーザ光照射装置５０とは反対側に位置する第２の壁部１５とを有している。すなわち、第１の壁部１４および第２の壁部１５は周壁１３の一部を構成する。第１の壁部１４は、凹部１６の内側へ向かって底部１２側へ傾斜した開口端部１４Ａを有している。同様に、第２の壁部１５は、凹部１６の内側へ向かって底部１２側へ傾斜した開口端部１５Ａを有している。開口端部１４Ａおよび１５Ａは、上面１３Ａの一部を構成する。したがって、図２に示されるように、上面１３Ａは外周側から凹部１６に向かって傾斜し、円錐面の一部のような形状をなしている。

図１に示されるように、ターゲットホルダ１０には水冷装置１８が設けられており、坩堝１７およびターゲット１１を冷却保持することが可能である。図１に示されるようにターゲットホルダ１０はアースに接続されているため、ターゲットホルダ１０、坩堝１７、およびターゲット１１は全てアース電位となっている。また、真空容器６もアース電位である。

基板ホルダ２０は、薄膜を形成するための成膜用基板２１を保持するためのものである。本実施の形態においては、基板ホルダ２０は、ターゲット１１に対して約１０ｃｍ離れた上方（＋Ｚ方向）に設けられている。基板ホルダ２０は開口部２０ａを有していて、成膜用基板２１の成膜面２１Ａがターゲット１１に向かって露出している。よって、ターゲット１１から蒸発した物質が、開口部２０ａを通って成膜面２１Ａに蒸着されるようになっている。なお図１において、基板ホルダ２０および成膜用基板２１については、成膜面２１Ａに垂直な方向に沿った断面が示されている。

基板ホルダ２０とターゲットホルダ１０との間には、シャッタ７１が設置されている。シャッタ７１は開閉可能に構成され、開状態においてはターゲット１１から蒸発した物質が成膜用基板２１に到達するのを許容し、閉状態においてはターゲット１１から蒸発した物質が成膜用基板２１に到達するのを阻止する。

電子線発生装置３０は、フィラメント３１と電子線発生用駆動電源３２とから構成される。フィラメント３１は、例えばタングステンフィラメントから構成され、電流が流れると自由電子を放出する。電子線発生用駆動電源３２は、フィラメント３１にマイナスの電位を与え、かつ、フィラメント３１を加熱する電流を流すためのものである。電子線発生用駆動電源３２は、交流電源３３、直流電源３４、コイルＬ１〜Ｌ３、コンデンサＣ１、Ｃ２、および遠隔操作装置３５を備えている。

交流電源３３の電圧Ｖは、後述するように遠隔操作装置３５により可変である。交流電源３３はコイルＬ１に接続されている。コイルＬ１〜Ｌ３は、全体として一つの絶縁トランスを構成している。図１のコイルＬ１〜Ｌ３にそれぞれ付された点で示されるように、コイルＬ２およびＬ３の極性は互いに等しく、コイルＬ２、Ｌ３とコイルＬ１の極性は互いに逆向きである。またコイルＬ２およびＬ３のインダクタンスは互いに等しい。また、コンデンサＣ１およびＣ２は互いに等しい容量を有する。

直流電源３４は、その一方がアースに接続され、もう一方がコンデンサＣ１とＣ２との間およびコイルＬ２とＬ３との間に接続されている。直流電源３４の電圧Ｅは、遠隔操作装置３５により、０〜−８ｋＶ（キロボルト）の範囲で可変である。なお、電子線発生装置３０には、フィラメント３１に流れる電流を測定するための電流計（図示せず）が接続されている。

遠隔操作装置３５は、パワースイッチ３５Ｐ、制御つまみ３５Ａ、および制御つまみ３５Ｂを備えている。パワースイッチ３５Ｐは、電子線発生装置３０の電源をオン・オフするためのスイッチである。制御つまみ３５Ａは、直流電源３４の電圧Ｅを調整するためのつまみである。制御つまみ３５Ｂは、交流電源３３の電圧Ｖを調整するためのつまみである。なお、電子線発生装置３０のうちフィラメント３１は真空室６１内に設けられているが、電子線発生用駆動電源３２は真空容器６の外部に設けられている。

電子線収束装置４０は、永久磁石４１と、ヨーク４２および４３と、アノード４４とを備えている。ヨーク４２、４３は鋼鉄製で、永久磁石４１の両側にそれぞれ設けられている。永久磁石４１とヨーク４２および４３とは全体として略「コ」の字状をなしており、したがって馬蹄形磁石と同様の磁界Ｈ（図４）を形成する。

アノード４４は略平板状をなし、その中ほどには上下方向（Ｚ軸方向）に貫通する貫通孔４４ａが形成されている。図２に示されるように、アノード４４は、貫通孔４４ａがフィラメント３１の上方（＋Ｚ方向）に位置するように設けられている。また図１に示されるようにアノード４４は、アースに接続されている。

レーザ光照射装置５０は、レーザ装置５１、レンズ５２、および移動装置５３を備えている。レーザ装置５１は、所望の波長、強度、周波数を有するパルスレーザ光を発生させることが可能な市販のパルスレーザ装置である。レンズ５２は、レーザ装置５１から発せられたレーザ光を集光してターゲット１１に照射するためのレンズであり、本実施の形態においては焦点距離５００ｍｍの石英レンズが用いられる。移動装置５３は、レンズ５２に接続され、ＸＹＺ各軸方向に関してレンズ５２を平行移動させることが可能である。かかる移動を行うことにより、ターゲット１１の表面におけるレーザ光の照射位置を移動させることができる。なお、これらレーザ装置５１、レンズ５２、および移動装置５３は、真空容器６の外部に設けられている。

真空容器６の壁にはレーザ窓６３が設けられており、レーザ装置５１から発せられレンズ５２により集光されたレーザ光を透過可能である。真空室６１内であって、レーザ窓６３とターゲット１１との間には、開閉可能に構成されたシャッタ７２が設けられている。シャッタ７２はレーザ光照射時以外には閉じられ、加熱されたターゲット１１から蒸発する気体成分がレーザ窓６３に付着するのを抑制する。

また、真空容器６の壁にはターゲット観察用窓６２が設けられており、ターゲット１１の様子を外部から観察することができる。真空室６１内であって、ターゲット観察用窓６２とターゲット１１との間には、開閉可能に構成されたシャッタ７３が設けられている。シャッタ７３はターゲット観察時以外には閉じておかれるため、加熱されたターゲット１１から蒸発する気体成分がターゲット観察用窓６２に付着するのを抑制することができる。

次に、上述した電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置１を用いた成膜方法について、図３乃至図５を参照しながら具体的に説明する。図３は当該成膜方法における各ステップ（以下、ステップを「Ｓ」と称する。）Ｓ１０〜Ｓ５０を示すフローチャートである。また、図４および図５は電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置１により成膜を行っている様子を示している。

図３に示されるように、Ｓ１０では、前準備としてターゲット１１をターゲットホルダ１０内に水平に設置し、洗浄済の成膜用基板２１を基板ホルダ２０に固定する。なお本実施の形態においては、ターゲット１１として直径２０ｍｍ、厚さ５ｍｍ、純度９９．９９９％の円盤状シリコンを用いる。また、成膜用基板２１として厚さ０．５ｍｍ、一辺が１ｃｍの正方形状石英ガラス板を用いる。

Ｓ２０では、真空容器６を真空装置６５によって排気して、約３×１０^−６ｔｏｒｒより高い真空状態にする。このときシャッタ７１〜７３は閉じた状態にしておく。また水冷装置１８によりターゲットホルダ１０を冷却状態にする。

Ｓ３０では、ターゲット１１に対して電子線照射を行う。図４に示される遠隔操作装置３５のパワースイッチ３５Ｐをオンにする。制御つまみ３５Ｂを回して交流電源３３の電圧Ｖを調整し、フィラメント３１から放出される電子線Ｄの強度を約２０ｍＡ（ミリアンペア）に調整する。フィラメント３１に流れる電流が増加するほど放出される電子の量も増加するため、交流電源３３の電圧Ｖを調整することによりフィラメント３１に流れる電流値を調整して、フィラメント３１から放出される電子線Ｄの強度を調整することができる。

ここでシャッタ７３を開いてターゲット観察用窓６２からターゲット１１を観察し、ターゲット１１の表面の一部の領域が液体状になっていることを確認する。この領域を液体状領域１１Ａと呼ぶ。液体状領域１１Ａは、例えば大きさが約３ｍｍ×５ｍｍの略楕円形状をしている。後述するように直流電源３４の電圧Ｅを調整することによって電子線Ｄの収束位置を調整することができるため、ターゲット１１を観察しながら制御つまみ３５Ａを回して直流電源３４の電圧Ｅを調整し、電子線Ｄの収束位置を液体状領域１１Ａの中央付近に移動させる。

ここで、電子線発生用駆動電源３２がフィラメント３１にマイナスの電位を与え、かつ、フィラメント３１を加熱する電流を流すしくみについて説明する。交流電源３３による電流がコイルＬ１に流れると、コイルＬ２およびＬ３に誘導起電力が生じる。上述したようにコイルＬ２、Ｌ３の極性およびインダクタンスは等しいので、向きおよび大きさの等しい誘導起電力がコイルＬ２およびＬ３にそれぞれ生じ、フィラメント３１の両端にはこれらの起電力を足し合わせた交流電圧が印加される。またフィラメント３１には、直流電源３４の電圧Ｅの分だけアースに対して低い電位が与えられる。以上より、フィラメント３１には、電位−Ｅ（マイナスＥ）を中心とし、かつ、交流電源３３の電圧に応じた振幅を有する交流電圧が印加されることになる。なお、コンデンサＣ１およびＣ２はフィラメント３１に印加される交流電圧を平滑化する機能を有するので、フィラメント３１の電位をより安定にすることができる。

次に、直流電源３４の電圧Ｅを変えることにより電子線Ｄの収束位置を調整できるしくみについて説明する。上述したように、フィラメント３１には約−Ｅの電位が与えられており、アノード４４にはアース電位が与えられている。よって、フィラメント３１とアノード４４との間には、電位−Ｅとアース電位との差による電界がかかっている。また、アノード４４の電位は、ターゲットホルダ１０および真空容器６と同じくアース電位である。以上より、フィラメント３１から放出された電子は、この電界によって上方（＋Ｚ方向）へ向かって加速される。フィラメント３１の上方には、アノード４４の貫通孔４４ａが位置しているため（図２）、大部分の電子は貫通孔４４ａを通過してアノード４４の上方に達する。ここでアノード４４の上方に達した時点での電子の速度をｖとすると、速度ｖは電圧Ｅの値が大きいほど大きい。

一方、永久磁石４１およびヨーク４２、４３により、磁界Ｈが生じている。速度ｖの電子は、磁束密度Ｂの磁界中において、Ｆ＝−ｅ・ｖ×Ｂで表される力Ｆを受ける。ここで、ｅは電子の電荷量、ｖとＢは共にベクトルであり、・はスカラー積、×はベクトル積を表す。すなわち電子は、速度ｖの方向および磁束密度Ｂの磁界の方向の両方に垂直な方向に向かう力Ｆを受ける。よって、電子は力Ｆの大きさに応じた距離だけ曲げられる。上記のように速度ｖは直流電源３４の電圧Ｅの値が大きいほど大きくなるため、電圧Ｅを調整することにより電子線Ｄの収束位置を調整することができる。以上説明したように、電子線収束装置４０は、フィラメント３１から放出された電子を、電界および磁界の電子レンズ効果によって液体状領域１１Ａ上に収束照射する。

Ｓ４０では、レーザ装置５１を駆動し、波長約１９３ｎｍ、強度約１９０ｍＪ／パルス、パルス周波数５０Ｈｚのパルスレーザ光を発生させる。シャッタ７２を開け、集光レンズ５２によって集光されたレーザ光Ｒを、液体状領域１１Ａに入射結像させ照射する。結像したレーザ光のターゲット１１の表面への照射パターンは、約２ｍｍ×０．４ｍｍの大きさである。液体状領域１１Ａの端の方は液体の厚さが薄いため、液体が１００μｍ程度以上の深さを有する中央付近にレーザ光Ｒが照射されるようにする。さもないと、レーザ光Ｒの一部がターゲット１１の固体部分にまで到達して、微粒子が発生するおそれがあるからである。

また、移動装置５３によりレンズ５２を移動させて照射位置を変えながら照射を行う。なぜなら、同一位置のみにレーザ光Ｒを照射すると液体の粘性のために穴が掘れて液層が薄くなり、レーザ光Ｒが固体部分にまで到達して微粒子が発生する結果となるためである。具体的には、レーザ光Ｒの照射位置を、液体状領域１１Ａの長手方向（Ｙ方向）に沿って、振幅±２ｍｍ、０．２５ｍｍ／秒の一定速度で、液体状領域１１Ａ上を周期的に往復させる。なお上記のように、微粒子の発生を防ぐためには、液体状領域１１Ａの深さは約１００μｍ以上であるのが好ましい。ただし、この深さはレーザ光Ｒの強度、レーザ光Ｒの波長、ターゲット１１の材料などによっても異なる。

Ｓ５０では、シャッタ７１を開けて成膜用基板２１上への成膜を開始し、約１０分後にシャッタ７１を閉めて成膜を終了する。

本実施の形態によるターゲットホルダ１０の形状による効果について、図５を参照して説明する。図５に示されるように、レーザ光Ｒは、ターゲット１１の表面に垂直な方向（Ｚ軸方向）に対して約６０度の角度で照射される。このとき、開口端部１４Ａは凹部１６の内側へ向かって底部１２側へ傾斜しているため、レーザ光Ｒは第１の壁部１４に遮られることなくターゲット１１の液体状領域１１Ａに照射される。また、反対側の開口端部１５Ａも凹部１６の内側へ向かって底部１２側へ傾斜しているため、液体状領域１１Ａで反射されたレーザ光Ｒ´も第２の壁部１５に遮られることなく、凹部１６の外部へ出射する。したがって、反射レーザ光Ｒ´が第２の壁部１５の内壁に照射されて、その内壁に蒸発付着されている物質をアブレーションすることにより、不要な微粒子が成膜用基板２１に付着するという問題が生じない。

実際に上記の方法により成膜実験を行ったところ、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観測可能なサイズである１０ｎｍ以上の大きさの微粒子がなく、かつ、厚さ５０ｎｍの良質なシリコン膜を得ることができた。また、このシリコン膜にセロハンテープを粘着させた後にセロハンテープを剥がすという実験を行ったが、シリコン膜が剥がれることはなかった。更に比較のため、レーザ光照射を行わずに電子線照射のみでどの程度の膜厚の膜が形成されるかの実験を行ってみたところ、電子線照射による膜厚は、レーザ光照射による膜厚と比較して１／１００以下の無視しうる程度であることが分かった。

以上のように、本実施の形態による電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置１によれば、電子線収束装置４０がターゲット１１の表面の一部を局所的に液体化し、レーザ光照射装置５０がターゲット１１のうち液体状領域１１Ａに対してレーザ光Ｒを照射するため、固体ターゲットを用いたレーザアブレーション成膜法のように微粒子が発生するという問題がない。しかも、ターゲット１１の全体を液体化するのではなくターゲット表面の一部を局所的に液体化するため、ターゲット１１が液体状態での蒸気圧が高いシリコン（Ｓｉ）などの材料である場合でも、液体状領域１１Ａから蒸発する蒸気の量は非常に少ない。すなわち、かかる蒸気が基板に付着する量は、レーザアブレーションによる付着量に比べて無視できる程度である。したがって、本実施の形態による電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置１により形成された薄膜は、一様性が良く、付着強度が高い等、レーザアブレーション法に特徴的な多くのメリットを有している。また、本装置によれば、ターゲットがアルミニウムなど低融点の低蒸気圧材料あるいは高融点の昇華性材料である場合であっても、同様に良好な膜質の薄膜を形成することができる。すなわち、任意の固体材料に関して、レーザアブレーション法による良好な膜質の薄膜を形成することができる。

また、ターゲットホルダ１０はターゲット１１を冷却保持するための水冷装置１８を備えているので、電子線照射によりターゲット１１の表面の一部のみを局所的に液体化する一方（液体状領域１１Ａ）、それ以外の部分の温度上昇を極力抑制して液体化を防止することができる。よって、液体化された部分から蒸発する蒸気の量を更に抑制することができる。

次に比較例として、ターゲットホルダ１０と異なる形状のターゲットホルダ１１０、２１０を用いた場合について、図６（ａ）および図６（ｂ）を参照して説明する。一般に、ターゲットから発生する蒸発物質は、cosθ(θは液体状面に垂直な方向に対して物質が放出される方向がなす角度)に比例して放出されることが知られている。よって、蒸発物質はターゲット１１から成膜用基板２１に向かう方向（＋Ｚ方向）を中心として、広がりをもって放出される。このため、成膜用基板２１の方向以外の方向に進む蒸発物質が真空容器６の内壁に付着しないようにするためには、図６（ａ）に示されるように、坩堝１７をターゲットホルダ１１０の深い位置に設置することが望ましい。

一方、ターゲット１１の上方には基板ホルダ２０があるため、基板ホルダ２０を避けてレーザ光を入射させる必要がある。このため、ターゲットホルダ１１０および基板ホルダ２０が障害となってレーザ光を坩堝１７の内部に入れにくいという問題が生じる。図６（ａ）に示される例では、レーザ光Ｒの一部が基板ホルダ２０によって遮られている。

この問題を解決するためには、図６（ｂ）に示されるように、ターゲットホルダ２１０の開口端部２１４Ａを斜めに形成し、レーザ光Ｒをより斜め方向から入射させればよい。ところが、液体状領域１１Ａは凹凸の無い鏡面になっているため、入射したレーザ光Ｒの大部分がその鏡面で反射される。反射レーザ光Ｒ´は、ほとんど広がらないままターゲットホルダ２１０の内壁に照射され、ターゲット１１から蒸発付着されている物質をアブレーションして不要な微粒子を成膜用基板２１に付着させてしまう。ほとんど広がっていないレーザ光はエネルギーが大きく、アブレーションする力も大きいためである。

そこで図５に基づき説明したように、上記実施の形態では、入射側の開口端部１４Ａに加えて反射側の開口端部１５Ａが形成されている。したがって、反射レーザ光Ｒ´は、第２の壁部１５に遮られることなく、ある程度広がった状態で真空容器６の内壁に照射される。広がった反射レーザ光Ｒ´のエネルギーは比較的小さく、また、真空容器６の内壁に付着した蒸発物質の量はターゲットホルダ１０の内壁に付着した蒸発物質の量と比べて少ないから、微粒子の発生を防止することができる。

本発明による電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置は上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、上述した実施の形態ではターゲット１１としてシリコンを用いたが、アルミニウムなど低融点の低蒸気圧材料あるいは高融点の昇華性材料など任意の固体材料を用いることができる。

また上述した実施の形態では、坩堝１７およびターゲットホルダ１０の凹部１６は、ターゲット１１の形状に合わせて平面視略円形状に形成されている。しかし、ターゲット１１、坩堝１７、および凹部１６の形状は、矩形状など他の形状でもよい。

以上のように、本発明にかかる電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置は、任意の固体材料に関してレーザアブレーション法による良好な膜質の薄膜を形成することができる成膜装置として有用であり、特にターゲットが液体状態での蒸気圧が高いシリコンなどの材料である場合に特に有用である。

本発明の実施の形態による電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置の全体構成を示す説明図。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。本発明の実施の形態による電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置を用いた成膜方法における各工程を示すフローチャート。本発明の実施の形態による電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置により成膜を行っている様子を示す説明図。本発明の実施の形態による電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置に用いられるターゲットホルダの形状による効果を示す概略断面図。比較例によるターゲットホルダの形状を示す概略断面図。別の比較例によるターゲットホルダの形状を示す概略断面図。

符号の説明

１０・・・ターゲットホルダ、１１・・・ターゲット、１１Ａ・・・液体状領域、１２・・・底部、１３・・・周壁、１４・・・第１の壁部、１５・・・第２の壁部、１４Ａ、１５Ａ・・・開口端部、１６・・・凹部、１７・・・坩堝、１８・・・水冷装置、２０・・・基板ホルダ、２１・・・成膜用基板、３０・・・電子線発生装置、３１・・・フィラメント、３２・・・電子線発生用駆動電源、３３・・・交流電源、３４・・・直流電源、３５・・・遠隔操作装置、３５Ｐ・・・パワースイッチ、３５Ａ、３５Ｂ・・・制御つまみ、４０・・・電子線収束装置、４１・・・永久磁石、４２、４３・・・ヨーク、４４・・・アノード、４４ａ・・・貫通孔、５０・・・レーザ光照射装置、５１・・・レーザ装置、５２・・・レンズ、５３・・・移動装置、６０・・・真空容器、６１・・・真空室、６２・・・ターゲット観察用窓、６３・・・レーザ窓、６５・・・真空装置、７１〜７３・・・シャッタ、１１０、２１０・・・ターゲットホルダ、Ｃ１、Ｃ２・・・コンデンサ、Ｌ１〜Ｌ３・・・コイル。

Claims

固体材料からなるターゲットを保持するターゲットホルダと、
該ターゲットホルダに対して所定の位置に設けられ、成膜用基板を保持する基板ホルダと、
電子線を発生する電子線発生装置と、
電子レンズを形成することにより該電子線発生装置から発生された電子線を該ターゲットの表面の一部に収束させ、もって該ターゲットの表面の一部を局所的に液体化する電子線収束装置と、
液体化された該ターゲットの表面の一部にレーザ光を照射するレーザ光照射装置と、
を備えることを特徴とする電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置。
真空室を備えた真空容器を更に備え、
該電子線発生装置は、電子線放出源と、該電子線放出源に電圧を印加して電子線を放出させる駆動電源とを備え、
該ターゲットホルダ、該基板ホルダ、及び、該電子線放出源は、該真空室に設けられていることを特徴とする請求項１記載の電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置。
該ターゲットホルダは、底部と、該ターゲットを囲むように該底部から立設された周壁とを備え、
該底部及び該周壁は、該ターゲットを収容する凹部を形成し、
該周壁は、該レーザ光照射装置側に位置する第１の壁部と、該レーザ光照射装置とは反対側に位置する第２の壁部とを有し、
該第１の壁部及び該第２の壁部は、それぞれ、該凹部の内側へ向かって該底部側へ傾斜した開口端部を有することを特徴とする請求項１又は２記載の電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置。
該ターゲットの表面における電子線の収束位置を移動させる電子線移動手段を更に備えていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一記載の電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置。
該レーザ光照射装置は、該ターゲットの表面におけるレーザ光の照射位置を移動させるレーザ光移動手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一記載の電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置。
該ターゲットホルダは、該ターゲットを冷却保持するための冷却手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一記載の電子線補助照射レーザアブレーション成膜装置。