JPH02104660A - レーザビームスパッタ法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明のレーザビームスパッタ法は、二成分以上よりな
る化合物、合金の被膜をビームスバッタする方法の改良
に関するものであり、例えば酸化物超電導体膜を得るの
に使用されるものである。

（従来の技術） 従来、製膜方法としてＰＶＤ法のスパッタリング、真空
蒸着法、イオンプレイティング法、ＭＢＥ（分子線エピ
タキシャル）等がよ（用いられている。これらによれば
良質な膜を作成することができるが、ＰＶＤ法は製膜速
度が遅いという難点がある。従来の製膜方法のうち高速
製膜法としてはレーザスパッタリング法がある。

（発明が解決しようとする課題） 従来のレーザスパッタリング法は次のような問題があっ
た。

■、高速製膜法ではあるが、短波長レーザを用いると製
膜速度がさほど速くない。

■　長波長レーザを使用すれば大きな平均パワーをｉｌ
ｌ用できるので製膜速度が向上するが５反面膜質（結晶
性、均一性、基板との密着性、表面モホロジーなど）が
低下する。

■、多成分物質の場合大きな組成ずれが生じる。

■、ツタ−ットから飛び出した各元素の反応が完全に終
了しないうちに、同元素が基板に到達してしまうことが
あるため、そのままでは高品質の製膜がむずかしく、場
合によっては製膜後に熱処理をしなければならなかった
。しかしそのようにすると工程が複雑化し、工業化の妨
げとなっていた。

■、＠記■の問題を解消するには、ターゲットから飛び
出してくる粒子のエネルギーを高めてやればよいが、そ
のためにビームの出力を高くすると、製膜レートが変化
し１組成ずれが起きてしまう、このため粒子に上針なエ
ネルギーを与えることができない。

■　粒子エネルギーを高めることができないため結晶性
の良い膜を得ることが困難であった。

■　多成分系の膜においては製膜レートを大きくしよう
としても反応が追いつかない。

（発明の目的） 本発明の目的は、短波長レーザービームと長波長レーザ
ービームとを併用して製膜を行なうことにより、製膜速
度が速く、しかも良質の膜を得ることができるレーザビ
ームスパッタ法を提供することにある。

本発明の他の目的は、レーザビームスパッタリングと同
時に、製膜が堆積される基板付近に短波長レーザビーム
を！眉射することにより、光化学反応を促進し、組成分
子の基板への蒸着を容易にして高性能、高品質の膜を得
ることができるようにしたレーザビームスパッタ法を提
供することにある。

Ｃ問題点を解決するための手段） 本発明のうち請求項第１のレーザビームスパッタ法は、
第１図〜第４図のようにレーザビームｌをターゲット２
に照射してターゲット２の組成分子３を飛散させ、ター
ゲット２に対向して設置された基板４上に同組成分子３
を堆積させるようにしたレーザビームスパッタ法におい
て、レーザビームとして第２図のように長波長レーザビ
ーム５と短波長レーザビーム６とを併用することを特徴
とするものである。

本発明のうち請求項第２のレーザビームスパッタ法は、
請求項第１のレーザビームスパッタ法において、第２図
のようにターゲット２に長波長レーザビーム５と短波長
レーザビーム６とを同時に照射することを特徴とするも
のである。

本発明のうち請求項第３のレーザビームスパッタ法は、
第１図、第２図のようにようにターゲット２に長波長レ
ーザビーム５と短波長レーザビーム６との双方または一
方を照射してターゲット２の組成分子３を飛散させ、タ
ーゲット２に対向して設置された基板４上に同組成分子
３を堆積させるようにしたーゲザビームスバッタ法にお
いて、１′Ｓ板付近において第４図のように同基板４に
飛来する組成分子３に短波長レーザビーム２０を照射す
ることを特徴とするものである。

第１図〜第４図は請求項第１〜第３のレーザビームスパ
ッタ法の説明図である。

これらの図において２はターゲット、４は基板であり、
これらは真空チャンバー１３内に相互に対向して設置さ
れている。

前記ターゲット２はディスク状であり、中心が　　゛回
転軸に固定されて、任意のスピードで回転されるように
しである。また、ターゲット２はその消耗に応じて上下
位置をステッピングモーターにより調節できるようにし
である。

前記基板４は固定具１７に取付けられており、同固定具
１７の回転成は上下動により回転成は上下動可能としで
ある。また、基板４は必要製膜条件に応じて所定温度に
加熱され、その熱により基板４に堆積した膜が加熱処理
されるようにしである。

前記真空チャンバー１３にはガス導入口１５゜レーザビ
ーム導入窓１２ａ、１２ｂが形成され、同導入窓１２ａ
、１２ｂと反対側にビームストッパー１６が設置されて
いる。また導入窓１２ａ、１２ｂの手前にはレンズ１０
．１１が配置されている。

この真空チャンバー１３は例えばターボ分子ポンプによ
り排気を行なう、蒸着中は必要に応じて真空度を調整し
、高真空〜ｌ　ｔｏｒｒ台まで調整可能としである。特
に酸化物の蒸着の場合は、真空チャンバー１３内に０２
ガスを導入し、１０−’〜ｔ　ｔｏｒｒまでガス圧を調
整して製膜を行なうことが多い。

前記レーザビーム導入窓１２ａ、１２ｂ、レンズ１０．
１１の材質は使用するレーザの波長に合わせて選定する
０例＾ばＣＯ２レーザでλ＝１０．６μｍのときはＺ。

Ｓ、材を使用し、Ｋ　ｒＦ　ｚエキシマレーザで１＝０
．２４８μｍのときは合成石英又はＭ、Ｆ、を使用する
。

本発明のうちターゲット２に照射する長波長レーザビー
ム５（第１図、第２図）としては、波長１μｍ以上のＹ
ＡＧレーザ（λ＝１．０６ｕｍ）やＣＯ２レーザ（え＝
１０．６μｍ）が適する。また、同発明における短波長
レーザビーム６（第２図）としてはエキシマレーザ（λ
＝１５７ｎｍ〜３５１ｎｍ）、Ｈ，−Ｃａレーザ、Ａ、
”レーザが適し、特に波長０．５μｍ以下のエキシマレ
ーザ（Ｋ　、　Ｆ、Ａ、Ｆなど）、Ａ、’レーザ、Ｈ，
−Ｃ，レーザが有効である。

前記長波長レーザビーム５、短波長レーザビーム６は、
得られる膜の均一性を考慮するとターゲット２の表面１
４上に偏平状（長方形）に集光するのが望ましい、エキ
シマレーザの場合はビーム形状は長方形であるのでその
まま使用できるが。

ＹＡＧレーザ、ＣＯ，レーザの場合はシリンダーレンズ
を用いて長方形状のビームに集束する。

請求項第３の発明における短波長レーザビーム２０（第
４図）は同図のレーザ源２１から発生される。このレー
ザ源２１としてはに、Ｆエキシマレーザ（波長２４８ｎ
ｍ）、出力３０Ｗが適する。この短波長レーザビーム２
０は第４図のレンズ１２と図示されていない光学系を通
して、ビーム導入窓１３から真空チャンバー内１３に導
入され、基板４に到達する前の組成分子３に照射される
ようにしである。

第２図の短波長レーザビーム６と、第４図の短波長レー
ザビーム２０とは別々の光源から発生されているが１両
レーザビーム６．２０は同じ光源から発生させてもよい
、この場合は分岐によって２つのビームに分ける。

第３図は第１図、第２図におけるターゲット２と基板４
との間にＲＦ電源１８とＲＦコイル１９とによるプラズ
マ励起機構を設けたものである。

このプラズマ励起機構はターゲット２から飛散する組成
分子３をイオン化し、加速させて基板４上に得られる膜
質を向上させるためのものである。

（作用） 請求項第１の発明では第２図のように長波長レーザ５と
短波長レーザ６とが併用されるので１両波長の相互作用
により製膜速度が速く、良質の膜が得られる。

請求項第２の発明では第２図のように、長波長レーザ５
と短波長レーザ６の夫々がターゲット２の表面１４に照
射されるので、それらのレーザ光エネルギーがターゲッ
ト２の表面１４に吸収され、熱的または光化学的作用に
よりターゲット２の組成分子３が蒸発され、同分子３が
基板４上に堆積する。この場合、長波長レーザビーム５
と短波長レーザビーム６とが同時にターゲット２に照射
されるので、基板４に堆積される組成分子３は長波長レ
ーザビーム５の主として熱エネルギーにより原子又は分
子状になり易く、レーザビームの平均パワーと比例して
製膜速度が増大する。

短波長レーザビームは蒸気分子をイオン化するエネルギ
ーを持つため、蒸発された組成分子の一部はイオン化さ
れ、ある程度エネルギーをもつ粒子になって基板４へ堆
積されり、結晶性、均一性、密着性が向上する。

ターゲット２の組成分子３が多成分物質の場合は組成成
分の融点が異なるため組成比のずれが生じ易いが、請求
項第２の発明では長波長ビーム５だけでなく短波長レー
ザビーム６が併用されるので、短波長レーザビーム６の
光化学効果により組成比のずれが生じにくくなる。

また、ターゲット２の組成分子３は基板４上にクラスタ
状（塊状原子又は分子集団）に蒸着されることが多く、
結晶性、均一性、密着性のよい股が堆積されるが、短波
長レーザだけの場合は平均パワーが長波長レーザと比べ
て小さいので製膜速度に限界があったが、本発明では長
波長レーザビーム５を同時に照Ｑ＝ｔするので製膜速度
が速くなる。

請求項第３の発明のレーザビームスパッタ法では、第２
図のようにターゲット２に長波長レーザビーム５と短波
長レーザビーム６の双方または一方を照射してターゲソ
！〜２の組成分子３を飛散させるので、長波長レーザビ
ーム５を照射した場合はターゲット２が同長波長レーザ
ビーム５の主として熱エネルギーにより原子又は分子状
になり易く、レーザビームのモ均パワーに比例して製膜
速度が増大する。史に第４図のように組成分子３が基板
４に到達する前に同組成分子３に短波長レーザビーム７
が照射されるので、同組成分子：３に光化学効果とイオ
ン化効果が加えられ、反応作用が促進され、一部分はイ
オン化され、ある程度エネルギーをもつ粒子になって基
板４へ堆積される。

（実施例１） 請求項第１、第２の発明の実施例として、第１図、第２
図の長波長レーザビーム５として＋２００ＷのＣＯ８レ
ーザを使用し、短波長レーザビーム６として波長２４８
ｎｍのに、Ｆエキシマレーザ（平均パワー３５Ｗ、繰り
返し２０　［ｌｚ　）を使用り、　り−’ｒ’ッ）２と
してＹ、Ｂ、、Ｃ，３０７（７）焼結ターゲットを用い
、基板４としてＭ、０（１００）を使用して製膜を行な
った。製膜中は同基板４の？温度を４００℃にした。

そして前記したＣ０２レーザ及びエキシマレーザの夫々
を、焦点距Ｍ＋５インチのＺ。Ｓゆレンズ及び合成石英
レンズを用いて、第１図に示すように真空チャンバー１
３内のターゲット２の表面１４に水平昭射した。このと
き１空チヤンバー１３内には０２ガスを導入して、その
内部を蒸着中は８０　ｍ　ｔｏｒｒのガス圧に調整した
。このようにすると製膜速度６００人／　ｓ　ｅ　ｃの
高速レートにおいても１組成ずれの小さい膜（Ｙ　、Ｂ
、、、、Ｃ，。

９０８）が得られた。この膜の臨界温度Ｔｃは６０に程
度であったが、酸素中でアニールを施すことによってＴ
ｃ＝７８に、臨界電流Ｊｃ　＝６Ｘ１０’Ａ／ｃｍ”の
特性が得られた。

この実施例１と比較するため、Ｃ０２レーザ（長波長レ
ーザ）のみを使用したところ、Ｙは著しく欠損し、得ら
れた膜は超電導特性を示さなかった。

またエキシマレーザ（短波長レーザ）のみを使用した場
合は、製膜レートが約１０人／ｍｉｎと落ちた。

（実施例２） 第３図は請求項第１、第２の発明の他の実施例であり、
これはターゲット２と基板４との間のＲＦコイル１９に
ＲＦ電源１８から電圧を印加して、基板４とターゲット
２の間にプラズマ状態を作った他は実施例１とほぼ同じ
条件で製膜したものである。

この場合は実施例１の場合よりも緻密な膜が得られた。

その膜の組成比はＹ　＋　Ｂ　ａａＩＣｕ３．　ｏＯｍ
であった。酸素中でアニールを施した後の膜はＴｃ＝８
７に、ｊｃ＝５ＸｌＯＳＡ／ｃｍ２の特性が得られた。

（実施例３） 第４図は請求項第３の発明の実施例である。第４図にお
けるレーザビームＩのビーム源７としてＣＯ，レーザ（
波長１０．６ｕｍ）、出力５００Ｗを用い、他のビーム
源２１としてに、Ｆエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）
、出力３０Ｗを用い、このビーム源２１からの短波長レ
ーザビーム２０を基板４の手前側に照射しながらビーム
スバッタを行なった。この場合、短波長レーザビーム２
０は焦点距離」０インチのＺ、、Ｓ、レンズを使用いて
真空チャンバー内に導入して、基板４の直下の前方的１
０ｃｍの所に収束させた。基板４の直下は拡がりのある
発散光である。このときターゲット２として物質り１、
Ｂ、、Ｃ，を第５図のように体積比率が１：ｌ：３とな
るように組合わせて、５０φのディスク状にしたものを
用いた。

また基板４にはＭｇＯを用い、同基板４を５００℃に加
熱した。製膜時間約１分間で膜厚的１ｕｍのり、、Ｂ、
、Ｃ，のモル比がほぼｌ：２：３の結晶化した酸化物薄
膜が得られた８ この実施例３との比較のため、レーザ源７からの短波長
レーザビームｌは照射せず、他は前記実施例と全く同じ
条件で酸化物薄膜を作成して、その組成比を分析したと
ころ、Ｂ９、Ｂ１、Ｃｍのモル比がｌ：４：９となった
。この酸化物薄膜の臨界温度Ｔｃ及び臨界型流度Ｊｅを
測定した。その結果は表１に示すようになった。

（以下余白） 表１ 次に、実施例３におけるターゲット物質をＳＦとＴ、に
変更し、他は実施例３と同じ条件で同実施＠３と同様に
ビームスバッタを行なった。ここではＳＦとＴ、の体積
比はほぼｌ：１とした。これにより酸化物薄膜を５回作
成し、得られた夫々の酸化物薄膜の化学分析を行なった
。その結果を表２に示す。

また、この実施例３と比較するため、短波長レーザビー
ム２０は照射せず、他は実験例３と同じ条件で酸化物薄
膜を５回作成し、得られた夫々の酸化物薄膜の化学分析
を行なった。その結果も表２に示す。

表２ （実施例４） 請求項第３の発明の実施例として、実施例１と同様に、
第２図の長波長レーザビーム５に１２００ＷのＣＯ２レ
ーザを使用し、短波長レーザビーム６に波長２４８ｎｍ
のに、Ｆエキシマレーザ（平均パワー３５Ｗ、繰り返し
２０Ｈ２）を使用し、ターゲット２としてＹ　ＩＢ　−
ｔｃ　−ｓｏ　ｙの焼結ターゲットを用い、基板４とし
てＭ、０（１００）を使用して製膜を行なった。製膜中
は同基板４の温度を４００℃にした。

そして前記したＣＯオレーザ及びエキシマレーザの夫々
を焦点距！１１５インチのＺ、Ｓ、レンズ及び合成石英
レンズを用いて、第１図に示すように真空チャンバー１
３内のターゲット２の表面１４に水平照射した。このと
きへ空チャンバー１３内に実施例１の０２ガスの代わり
にＯ，ガスを導入した。また、第４図のように短波長レ
ーザビーム２０を基板４付近の組成分子３に照射した。

これにより得られた膿の組成はＹ：Ｂａ：Ｃｕ＝１＝２
：３に近かった。しかしＴｃは８４にであり、Ｊｃは７
７にで１０’Ａ／ｃｍ”であった。

（発明の効果） 本発明のうち請求項第１、第２のレーザスパッタ法は長
波長レーザビーム５による光の熱エネルギーと、短波長
レーザビーム６による光化学反応エネルギーとを併用す
るので次のような効果がある。

■、製膜速度がｌＯ〜１０００人／ｓｅｃと速く、従来
のスパッタ法や真空蒸着法よりはるかに向上する。

■、結晶性、烹着性などの膜質が、従来の長短いづれか
１波長をいるレーザスパッタリング法より大幅に改善さ
れる。

■長短両波長のレーザビーム５．６を同時にターゲット
２に照射するので、ターゲット２の表面の凹凸、組成ず
れなどの劣化も抑制される。

本発明のうち請求項第３のレーザビームスパッタ法では
、ターゲット２から蒸発した組成分子３に基板４の前で
短波長レーザビーム２０を照射するので次のような効果
がある。

０９表１から明らかなように、臨界温度Ｔ、及び臨界型
流度Ｊｃに優れた薄膜が得られる。

０１表２から明らかなように、従来法では組成ずれがは
なはだしく、劣化も急であるが、本発明では所望の組成
の膜が安定して（与られる。

０１表１９表２より、本発明において基板付近に短波長
レーザビーム７を！■射することの効果は明白であり、
高品質の膜を、高速で得ることが可能となる。このこと
は酸化物超電導体の実用化をうながす効果大である。

■、短波長レーザビーム６の他に短波長レーザビーム２
０が使用されるので、それによって結晶性、密着性が促
進され、それらがレーザビーム７なしの場合と比べて著
しく向上する。

更に、基板４とターゲット２の間にＲＦコイル１８を設
置し、スパッタ分子のイオン効果を上げれば、膜質の向
上に一層効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレーザスパッタリング法の一例を示す
側面説明図、第２図は同法の平面説明図、第３図は同法
の他側の側面説明図、第４図はさらに異なるレーザビー
ムスパッタ法の側面説明図、第５図は同スパッタ法に使
用するターゲットの模式図である。 ｌはレーザビーム ２はターゲット ３はターゲットの組成分子 ４は基板 ５は長波長レーザ ６．２０は短波長レーザ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザビーム１をターゲット２に照射してターゲ
   ット２の組成分子３を飛散させ、ターゲット２に対向し
   て設置された基板４上に同組成分子３を堆積させるよう
   にしたレーザビームスパッタ法において、レーザビーム
   として長波長レーザビーム５と短波長レーザビーム６と
   を併用することを特徴とするレーザビームスパッタ法。
2. （２）請求項第１のレーザビームスパッタ法において、
   ターゲット２に長波長レーザビーム５と短波長レーザビ
   ーム６とを同時に照射することを特徴とするレーザビー
   ムスパッタ法。
3. （３）ターゲット２に長波長レーザビーム５と短波長レ
   ーザビーム６との双方または一方を照射してターゲット
   ２の組成分子３を飛散させ、ターゲット２に対向して設
   置された基板４上に同組成分子３を堆積させるようにし
   たレーザビームスパッタ法において、前記基板４付近に
   おいて同基板４に飛来する組成分子３に短波長レーザビ
   ーム２０を照射することを特徴とするレーザビームスパ
   ッタ法。