JPH09256141A

JPH09256141A - 薄膜形成法および薄膜形成装置

Info

Publication number: JPH09256141A
Application number: JP8065960A
Authority: JP
Inventors: Yukio Nishikawa; 幸男西川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1996-03-22
Publication date: 1997-09-30

Abstract

(57)【要約】【課題】他層に与える熱影響が小さい状態で、機能性
デバイスに用いられる薄膜の結晶性を均一かつ大面積に
向上する薄膜形成法を提供する。【解決手段】ガス導入機構を有する真空槽１と、ター
ゲット６と、レーザ発振器２と、レーザ発振器２から出
射したレーザ光３をターゲット６表面上で走査させる機
構25と、基板８と、ターゲット６と基板８の間で両者に
平行な平面内に並べた複数の遮蔽板19と、パルス・レー
ザ発振器10と、パルス・レーザ光を基板８に照射させる
光学装置を備え、ターゲット６上の所定の位置に対して
レーザ光３を照射してターゲット６の構成物質を噴出さ
せ、基板８上に堆積する薄膜表面の同一場所に対し、前
記パルス・レーザ光を照射時間が１０ｎｓ〜１ｍｓ、照
射間隔が１μｓ以上で２回以上照射するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は基板に薄膜を形成す
る薄膜形成法および薄膜形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、薄膜機能デバイスの発展にともな
い、機能性薄膜の結晶性の向上がますます求められるよ
うになっている。そのため、レーザ光を薄膜に照射して
加熱あるいは溶融・再凝固させることで、非晶質の結晶
化、結晶粒の大型化などのプロセス開発が盛んに行われ
ている。以下に従来の薄膜の結晶性向上の方法のひとつ
である、薄膜表面にレーザ光を照射する薄膜形成法につ
いて説明する。

【０００３】図７は、薄膜形成後にエキシマ・レーザ光
を表面に照射する装置の構成を示すものである。図７に
おいて、４１はエキシマ・レーザ発振器、４２はエキシ
マ・レーザ光、４３は反射鏡、４４は集光レンズ、４５
は移動機構、４６はコントローラ、４７はＳｉ薄膜、４
８は基板である。エキシマ・レーザ発振器４１から出射
したエキシマ・レーザ光４２は集光されながらＳｉ薄膜
４７上に照射される。５００ｍＪ／ｃｍ² 程度のエネル
ギー強度のエキシマ・レーザ光４２を厚さ数１０ｎｍ程
度のＳｉ薄膜４７に照射すると、Ｓｉ薄膜４７は融点以
上に加熱され、ほぼ全域が溶融し、次に潜熱を失って凝
固し多結晶薄膜となる。エキシマ・レーザ光４２を照射
しながらコントローラ４６によって移動機構４５の動作
を制御することで、Ｓｉ薄膜４７の全面を加熱すること
ができる。

【０００４】また、特開昭６３−１４５７６９号公報に
述べられている薄膜形成中に薄膜の表面にレーザ光を照
射する装置の構成図を図８に示す。図８において、５１
はレーザ発振器、５２はレーザ光、５３は真空槽、５４
はビーム・スプリッタ、５５はターゲット、５６と５７
は反射鏡、５８は基板、５９はレンズである。レーザ発
振器５１から出射したレーザ光５２は光路途中でビーム
・スプリッタ５４によって分割されて真空槽５３内に誘
導され、一方はレンズ５９によって集光されながらター
ゲット５５に照射され、他方は反射鏡５６によって真空
槽５３内の反射鏡５７に誘導される。反射鏡５７は角度
変化してレーザ光５２の反射方向を変化させ、基板５８
上に堆積する薄膜上やターゲット５５の裏面に照射され
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の薄膜形成後にレーザ光を照射する構成では、エキシ
マ・レーザ光の照射時間が数１０ｎｓの短パルスである
ため、加熱から冷却が数１０ｎｓ以内の短時間で行わ
れ、結晶が十分には成長できないだけでなく、深さ方向
の温度分布に起因する結晶構造のばらつきなどが起こり
やすいという問題点を有している。また、薄膜形成中に
レーザ光を照射する方式では、薄膜表面に照射するレー
ザ光がターゲットに照射するものと同じで、薄膜形成物
質の発生に用いられる短パルス光や連続光となる。その
ため、薄膜表面の加熱時間を選択できず、短時間の加熱
により結晶が十分成長できなかったり、加熱時間が長す
ぎて他層に熱影響を与えやすいという問題点のあること
が判明した。

【０００６】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、他層に与える熱影響が小さい状態で、薄膜の結晶性
を均一かつ大面積に向上する薄膜形成法および装置を提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の第１の薄膜形成法は、真空槽内に薄膜形成物
質の発生源と基板とを設け、基板上に堆積する薄膜表面
の同一場所に対し、レーザ光を照射時間が１０ｎｓ〜１
ｍｓ、照射間隔が１μｓ以上で２回以上照射するもので
ある。

【０００８】上記構成において、ガス中で堆積する薄膜
表面に前記レーザ光を照射することが好ましい。また、
導入するガスは少なくともＯまたはＮ成分を含むことが
好ましい。また、薄膜形成物質の発生をレーザ・アブレ
ーション法により行うことが好ましい。

【０００９】本発明の第２の薄膜形成法は、不活性ガス
を導入した真空槽内において、ターゲットと基板との間
に遮蔽板を設け、前記ターゲットにパルス・レーザ光を
照射して前記ターゲットの構成物質を遮蔽板および基板
の方向に噴出させ、基板上に堆積する薄膜表面の同一場
所に対し、レーザ光を照射時間が１０ｎｓ〜１ｍｓ、照
射間隔が１μｓ以上で２回以上照射するものである。

【００１０】本発明の第１の薄膜形成装置は、ガス導入
機構を有する真空槽と、ターゲットと、レーザ発振器
と、前記レーザ発振器から出射したレーザ光を前記ター
ゲット表面上で走査させる機構と、基板と、前記ターゲ
ットと前記基板の間で両者に平行な平面内に並べた複数
の遮蔽板と、パルス・レーザ発振器と、前記パルス・レ
ーザ発振器からのパルス・レーザ光を前記基板に照射さ
せる光学装置を備え、前記ターゲット上の所定の位置に
対して前記レーザ光を照射して前記ターゲットの構成物
質を噴出させ、前記基板上に堆積する薄膜表面の同一場
所に対し、前記パルス・レーザ光を照射時間が１０ｎｓ
〜１ｍｓ、照射間隔が１μｓ以上で２回以上照射するも
のである。

【００１１】また、本発明の第２の薄膜形成装置は、真
空槽と、薄膜形成物質の発生源と、基板と、連続光また
はパルス光を出射するレーザ発振器と、前記基板上に堆
積する前記薄膜形成物質の表面上に前記レーザ発振器か
ら出射するレーザ光を走査する光学装置を備えたもので
ある。

【００１２】また、前記光学装置はガルバノ・ミラー
と、その制御装置と、集光レンズとから構成されること
が好ましい。また、前記光学装置は移動機構と、その制
御装置と、集光光学部品とから構成されることが好まし
い。

【００１３】また、本発明の第３の薄膜形成装置は、真
空槽と、薄膜形成物質の発生源と、基板と、波長可変の
レーザ発振器と、前記基板上に堆積する前記薄膜形成物
質の表面上に前記レーザ発振器から出射するレーザ光を
照射する光学装置を備えたものである。

【００１４】また、前記レーザ発振器は波長変換素子を
備えたＹＡＧレーザ発振器であることが好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００１６】（実施の形態１）図１は、第１の実施の形
態における薄膜形成法を実現する薄膜形成装置の構成図
である。

【００１７】図１において、１は真空槽、２はエキシマ
・レーザ発振器、３はエキシマ・レーザ光、４は反射
鏡、５は集光レンズ、６はターゲット、７はプルーム、
８は基板、９は基板保持台、１０はパルス・レーザ発振
器、１１はパルス・レーザ光、１２は反射鏡、１３は導
入窓、１４は真空ポンプ、１５はガス導入機構である。

【００１８】エキシマ・レーザ発振器２から出射したエ
キシマ・レーザ光３は反射鏡４によって集光レンズ５に
誘導され、真空槽１内のターゲット６に照射される。タ
ーゲット６の表面からはプラズマ状のプルーム７が発生
し、基板８上に薄膜が形成される。成長する薄膜の表面
にパルス・レーザ光１１を照射すると薄膜の表面近傍が
温度上昇し、結晶性は改善される。また、化合物薄膜な
どをガス導入機構１５からガスを導入して形成する場合
は、薄膜形成物質が基板８に到達するまでにガスの成分
との衝突によって運動エネルギーを失い薄膜の結晶性が
低くなるため、薄膜の結晶性を高めるためにレーザ光を
照射することが有効である。特に、本実施例のように薄
膜形成にレーザ・アブレーションを用いる場合には、真
空槽内のガス圧の設定範囲が高ガス圧側まで可能な長所
があるため、成膜条件の自由度を大きくすることができ
る。なお、薄膜形成法として、スパッタ、蒸着、ＣＶＤ
等の他の方法を用いても良いことは言うまでもない。

【００１９】図２は強度０．０４Ｊ／ｃｍ² 、照射時間
３０ｎｓのエキシマ・レーザ光を酸化物薄膜に照射した
場合の表面の上昇温度の時間変化を計算により求めた結
果である。レーザ光の表面反射率は４０％とした。レー
ザ光の照射が終了する３０ｎｓまで表面温度は急激に上
昇し、約９００℃の温度上昇がある。レーザ照射後は温
度は低下し、約１μｓ後には温度上昇分は１５０℃であ
る。そして、１０ｍｓ後は１６℃、１ｍｓ後は５℃でほ
とんど前の照射の熱影響はなくなる。

【００２０】

【表１】

【００２１】（表１）は、表面温度との比（Ｔ／Ｔｓ）
が０．２または０．１となる薄膜内部の深さとレーザ光
の照射時間の関係である。照射時間が短いほど温度上昇
する深さは浅くなり、同じ膜厚では下層に与える熱影響
は小さい。一般に薄膜の膜厚は数１０μｍ以下であるの
で、レーザ光の照射時間は１ｍｓ以下が良い。

【００２２】図３は、薄膜形成中の表面にレーザ光を照
射して、表面近傍を温度上昇させるプロセスを示す概念
図である。基板８上に薄膜形成物質１６を堆積させ
（ａ）、表面にパルス・レーザ光１１を照射して表面近
傍のみを加熱して結晶構造を変化させ（ｂ），さらに薄
膜形成物質１６を堆積させ（ｃ），パルス・レーザ光１
１を照射して結晶構造の変化した領域１７を厚くする
（ｄ）。このプロセスを繰り返すことで、膜厚方向に構
造の均一な薄膜を形成することができる。加熱領域はレ
ーザ光の照射時間、強度、レーザ波長と材料によって決
まる吸収深さ、により制御できる。また、レーザ光の照
射間隔を１０ｍｓ以上にすれば、加熱領域は十分冷却さ
れて前のパルスの影響を残さない。また、ＯやＮ成分を
含む反応性ガスを導入すれば、薄膜表面の温度とガスの
分圧によって決まる反応を制御することも可能である。

【００２３】（実施の形態２）図４は、本発明の第２の
実施の形態における薄膜形成法を実現する薄膜形成装置
の構成図である。図４において、第１の実施の形態と異
なる点は、真空槽１内にガス導入機構１５から不活性ガ
スを導入し、ターゲット６と基板８との間に保持機構１
８により遮蔽板１９を設けたことと、レーザ発振器とし
てＡ／Ｏ−ＹＡＧレーザ発振器２０を用い、レーザ光２
１をコントローラ２２で制御したガルバノ・ミラー２３
によって走査し、レンズ２４にて薄膜の表面上に集光す
ることである。

【００２４】さて、レーザ・アブレーションを用いた薄
膜形成では、多くの材料で薄膜中に液滴状の粒子が混入
することが知られており、これは膜特性の低下につなが
る。これを回避する方法のひとつとして、ターゲットと
基板との間に遮蔽板を設けて成膜する方法が知られてい
る。

【００２５】この方法は、酸化物薄膜の形成を目的とし
て酸素ガスを導入した場合に、その効果が立証されてい
る。酸素ガス以外に、不活性ガスの導入により金属膜等
の反応生成物を含まない薄膜の形成も可能となる。ガス
中で成膜するとガス成分との衝突によって薄膜形成物質
の運動エネルギーが低下し結晶性は弱まるが、薄膜表面
にレーザ光を照射することで結晶性は向上する。薄膜表
面に照射するレーザの発振器はＡ／Ｏ−ＹＡＧレーザ発
振器２０を用いるとパルス幅が数１０ｎｓから数１００
ｎｓのレーザ光を１００ｋＨｚまでの繰り返し速度で出
射できる。薄膜上の同一場所に短い時間間隔でレーザ光
が照射されないためには、レーザ光の高速走査が必要
で、それにはガルバノ・ミラーによる走査が有効であ
る。

【００２６】なお、この照射機構では連続光の高速走査
も可能である。さらに、ＹＡＧレーザ発振器では、内部
の波長変換素子を交換することで、１台の発振器で出射
レーザ光の波長を変化させることができる。そのため、
薄膜材料の吸収特性の違いを利用して、より一層加熱領
域の深さの制御が可能となる。

【００２７】（実施の形態３）図５は、本発明の第３の
実施の形態における薄膜形成法を実現する薄膜形成装置
の構成図である。図５において、第２の実施の形態と異
なる第１の点は、ターゲット６と基板８との間に複数の
遮蔽板１９を設け、エキシマ・レーザ光３の照射位置を
移動できるように、移動機構２５上の保持具２６に反射
鏡４や集光レンズ５の光学部品を取り付け、移動機構２
５の動作をコントローラ２７で制御したことである。

【００２８】レーザ・アブレーション法における遮蔽板
と液滴状粒子の混入しない平滑面の領域は、図６に位置
関係を示すように、ターゲット６上のエキシマ・レーザ
光３の照射位置と遮蔽板１９の外縁部の延長上の領域Ａ
である。そのため、適当な間隔で複数の遮蔽板１９を設
けることで、液滴状粒子のない平滑膜を連続させて大面
積に形成することができる。第２の異なる点は、薄膜表
面にレーザ光を照射する反射鏡１２やレンズ２４の光学
部品を移動機構２５上に設けたことである。薄膜表面に
照射するレーザ光の繰り返し速度が１ｋＨｚ以下で遅い
場合には、薄膜上へのレーザ光の照射位置を移動するた
めに、移動機構２５を基板に平行移動させても良い。

【００２９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、他層に与
える熱影響が小さい状態で、薄膜の結晶性を均一かつ大
面積に向上することができるという顕著な効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の薄膜形成装置の第１の実施の形態を示
す構成図

【図２】薄膜表面の上昇温度の時間変化の計算結果を示
す図

【図３】(a)〜(d) 薄膜形成中の表面にレーザ光を照射
して、表面近傍を温度上昇させるプロセスの概念図

【図４】本発明の薄膜形成装置の第２の実施の形態を示
す構成図

【図５】本発明の薄膜形成装置の第３の実施の形態を示
す構成図

【図６】レーザ・アブレーション法における遮蔽板と液
滴状粒子の混入しない平滑面の領域の位置関係図

【図７】従来の薄膜表面にレーザ光を照射する装置の構
成図

【図８】従来の形成中の薄膜表面にレーザ光を照射する
装置の構成図

【符号の説明】

１真空槽２エキシマ・レーザ発振器３エキシマ・レーザ光４反射鏡５集光レンズ６ターゲット７プルーム８基板９基板保持台１０パルス・レーザ発振器１１パルス・レーザ光１２反射鏡１３導入窓１４真空ポンプ１５ガス導入機構１６薄膜形成物質１７結晶構造の変化した領域１８保持機構１９遮蔽板２０Ａ／Ｏ−ＹＡＧレーザ発振器２１レーザ光２２コントローラ２３ガルバノ・ミラー２４レンズ２５移動機構２６保持具２７コントローラ２８保持具

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空槽内に薄膜形成物質の発生源と基板と
を設け、前記基板上に堆積する薄膜表面の同一場所に対
し、レーザ光を照射時間が１０ｎｓ〜１ｍｓ、照射間隔
が１μｓ以上で２回以上照射することを特徴とする薄膜
形成法。
【請求項２】ガス中で堆積する薄膜表面にレーザ光を照
射することを特徴とする請求項１記載の薄膜形成法。
【請求項３】導入するガスは少なくともＯまたはＮ成分
を含むことを特徴とする請求項２記載の薄膜形成法。
【請求項４】薄膜形成物質の発生をレーザ・アブレーシ
ョン法により行うことを特徴とする請求項２記載の薄膜
形成法。
【請求項５】不活性ガスを導入した真空槽内において、
ターゲットと基板との間に遮蔽板を設け、前記ターゲッ
トにレーザ光を照射して前記ターゲットの構成物質を前
記遮蔽板および前記基板の方向に噴出させ、前記基板上
に堆積する薄膜表面の同一場所に対し、レーザ光を照射
時間が１０ｎｓ〜１ｍｓ、照射間隔が１μｓ以上で２回
以上照射することを特徴とする薄膜形成法。
【請求項６】ガス導入機構を有する真空槽と、ターゲッ
トと、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射した
レーザ光を前記ターゲット表面上で走査させる機構と、
基板と、前記ターゲットと前記基板の間で両者に平行な
平面内に並べた複数の遮蔽板と、パルス・レーザ発振器
と、前記パルス・レーザ発振器からのパルス・レーザ光
を前記基板に照射させる光学装置を備え、前記ターゲッ
ト上の所定の位置に対して前記レーザ光を照射して前記
ターゲットの構成物質を噴出させ、前記基板上に堆積す
る薄膜表面の同一場所に対し、前記パルス・レーザ光を
照射時間が１０ｎｓ〜１ｍｓ、照射間隔が１μｓ以上で
２回以上照射することを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項７】真空槽と、薄膜形成物質の発生源と、基板
と、連続光またはパルス光を出射するレーザ発振器と、
前記基板上に堆積する前記薄膜形成物質の表面上に前記
レーザ発振器から出射するレーザ光を走査する光学装置
を備えたことを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項８】光学装置は、ガルバノ・ミラーと、その制
御装置と、集光レンズとから構成されたことを特徴とす
る請求項７記載の薄膜形成装置。
【請求項９】光学装置は、移動機構と、その制御装置
と、集光光学部品とから構成されたことを特徴とする請
求項７記載の薄膜形成装置。
【請求項１０】真空槽と、薄膜形成物質の発生源と、基
板と、波長可変のレーザ発振器と、前記基板上に堆積す
る前記薄膜形成物質の表面上に前記レーザ発振器から出
射するレーザ光を照射する光学装置を備えたことを特徴
とする薄膜形成装置。
【請求項１１】レーザ発振器は、波長変換素子を備えた
ＹＡＧレーザ発振器であることを特徴とする請求項１０
記載の薄膜形成装置。