JPS59140366A - 薄膜製造方法とその装置 - 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】 本発明は薄膜製造方法とその装置に関し、より詳細には
レーザビームで基板を照射して加熱し、同時に反応性ガ
ス状物の高速気流を基板に噴射すると共に、基板を２次
元的に移動させて、反応性ガス状物の熱分解物の薄膜を
基板上に形成せしめる方法とその装置に関する。

従来、基板表面に化学反応により薄膜を製造する場合に
は、基板を加熱するか、或は基板を収めた反応室全体を
加熱し、基板周辺の反応性ガスを熱分解して熱分解生成
物の薄膜を基板上に形成せしめていた。

しかしながら、かかる従来の薄膜形成法では、基板周辺
の空間全体が高温になっているので、反応性ガスの熱分
解生成物が更に二次的、三次的に熱分解したり、或は熱
分解生成物が未分解の反応性ガスと反応して形成した薄
膜中に大小様々なピットが生ずる問題点があった。

また、基板が強く加熱されるので、基板の歪、反り、伸
び、縮み等、加熱による寸法精度の・狂いや、基板自体
の組織の変質や、すでに基板に形成された機能的構造の
変化など、形成薄膜と基板の双方に多くの損傷が発生す
る欠点があった。

また、真空蒸着、スパッタリング、イオン・プレーテン
グ等の真空下の物理的方法による薄膜形成においても前
記同様な欠点を回避できなかった。

そこで本発明はかかる従来の欠点を解消すべくなされた
ものであり、レーザビームが照射された基板表面のみが
瞬間的に加熱され、その加熱表面にのみ限定された熱分
解反応を誘発することができ、またレーザビーム自体の
持つ、特定波動エネルギーにより、基板表面およびその
隣接空間に存在する反応性ガスを熱的過程を伴うことな
く化学的に分解することができ、従って、理想的な″低
温表面反応゛が可能となり、高品質の薄膜が得られ、基
体の機能的構造を変化させることもないなどの特長を有
するものである。

すなわち、本発明の薄膜製造方法は、レーザビームで基
板を照射して加熱しながら反応性ガス状物の気流を前記
基板に噴射し、かつこれと同時に前記基板を２次元的に
移動せしめて前記基板表面に前記反応性ガス状物の熱分
解生成物の薄膜を形成せしめることを特徴とするもので
ある。

また本発明の薄膜製造装置は、基板と、該基板上に夫々
間隔を置いて設けたレーザビーム投射器および反応性ガ
ス状物噴射ノズルからなり、前記基板を二次元的に駆動
可能にしたことを特徴とするものである。

本発明は基板を２次元的に移動させる方法なので、一般
には基板駆動法とも云う。

かかる基板駆動法において重要なことは、基板の固有吸
収波長（λＩ＋）に合致した波長（λＬ）のレーザビー
ムを照射することである。通常、レーザビームは基板に
より反射、透過、吸収されるが、λ、とλ、が合致した
時にのみレーザビームが基板に吸収される。

基板の吸収係数（α）が大きい程、基板内に浸入したレ
ーザビームは基板の表面近くで、通常では１０μｍ以内
で吸収され、加熱エネルギーに変換され、この結果、瞬
間的な表面層加熱が起り、通常５００８Ｃ〜６００℃に
基体表面が加熱される。

そして、本発明においては、基板を２次元的に移動させ
ることによって基板はレーザビームで掃引され、基板の
移動にともなって基板表面が順次瞬間的に加熱され、基
板表面に反応性ガス状物の熱分解生成物の薄膜が形成さ
れるのである。

図は本発明の薄膜製造装置の実施例を示す概要図であり
、２次元（Ｘ、Ｙ）駆動機構１を備えた試料台２の上方
、少なくとも１０αの高さにレーザビーム投射器６を垂
直に固定し、レーザビームを試料台２上の基板４の中心
Ａに垂直に入射させる。この入射点Ａに向けてペンシル
ノズル５，５を配置し、反応性ガス状物を細い高速気流
として射突させる。

この状態で試料台２を２次元的に操縦し、膜面や薄膜パ
ターンを形成する。レーザビームは投射器乙のレンズ系
によって最少、数μｍに絞ることが可能であり、従って
線巾数十μｍの精密な線図を画くこともできる。ペンシ
ルノズル５は、レーザビーム入射点Ａを中心に、半径５
Ｃｒｎ以内の半球上で高さ５副以内に必要個数を配置す
る。

基板上のすべての点は、Ｘ或はＹ方向の移動に伴ないレ
ーザビームの照射点、たとえばＡ点を通過するとき瞬間
的に高温に、しかも極く薄い表面層に限って加熱され、
通過後は素早く冷却される。

すなわち、レーザビームの照射によって熱的に化学変化
を引起すまで高温に加熱されるのは、基板の極く表面層
のみに限られる。その表面加熱層の厚さは、およそ１０
μｍ以内である。

そして基板上の照射点Ａに接する空間に存在する反応性
ガス状物は瞬時に熱分解され、熱分解生成物の薄膜が移
動する基板上のビームの照射点Ａに堆積される。このＡ
上の膜物質の厚さは、基板の移動速度により変化し、移
動速度が増加すると膜物質堆積速度は低下する。

従って堆積膜の厚さを一定に保つには基板４の移動速度
が増大するにつれ、ビームのエネルギーを増加しなけれ
ばならない。

ところで、発明者らの検討結果によると、ビ−ムエネル
ギーＥ（ワット）と、基板の移動速度ｕ（ｃｒｎ／５ｅ
ｅ）との間には次の関係があることが判明した。

Ｅ：ｕ４１５ すなわち、基板面全体に均一な膜面を形成するためには
、与えられたレーザビームのエネルギーにおいて、基板
移動速度を常に一定に保持する必要があることがわかる
。

本発明においては、反応性ガス状物噴射ノズル５，５に
より各種の反応性ガス状物を併用して、単種膜や、多層
膜構造を形成することができる。

試料台２の駆動はエアシリンダーまたは電動モータで行
ない、その最大駆動長は５ｏＣｒｎ以上である。この基
板駆動法は精密微細加工性に極めて優れている。

本発明において使用する基板としては、従来の薄膜形成
法において用いられた基板をすべて用いることができ、
たとえばガラス板、金属板、石英板、セラミックス板な
どをあげることができる。

これら基板に加えてプラスチック、木材などを用いるこ
ともできる。

通常のレーザ発振器が発生するビームの直径は小さく、
１０ｒｎ０ｍφ　以下なので形成される膜面も同程度の
円形斑点となる。従って広い表面薄膜を形成するために
は、ビーム径を必要な大きさに拡大しなければならない
。しかしながら、ビーム径を拡大すれば、照射表面での
エネルギー密度が下り、熱分解反応の誘発が困難になる
。

また、ビーム断面にエネルギー分布が存在するので、膜
厚か不均一になる。

そこで本発明においては、有限の直径を有するレーザビ
ームを使用し、基板を２次元的に移動させることによっ
て斑点蒸着を逐次推進し、最終的に広い膜面を迅速に形
成せしめるのである。

本発明における反応性ガス状物とは、加熱された基体表
面に接触して極めて速やかに熱分解されるガス状物、す
なわちガス状または煙霧状の熱分解性原料であり、基体
表面には熱分解生成物の清浄な薄膜が形成される。

使用するレーザは数１．０ｍＷ以」二の出力があれば連
続波でもパルス波でもよい。

好ましくは、基板に照射したときに発熱効果の大きなも
の、換言ずれば基板がレーザビームを効率良く吸収する
ものであることが好ましい。

従って基板とレーザビームとの間には最適の組合せが存
在する。

たとえば、Ｓｉ基板に対しては、Ａｒレーザ（波長０４
８μｍ）、クリプトンレーザ（０５３μｍ）、ルビーレ
ーザ（０，６９μｍ）が、セラミックスやガラスに対し
ては、ＹＡＧレーザ（１０６μｍ）、ＨＦ　／　ＤＦケ
ミカルレーザ（２，５−４，０６μｍ　）、ＣＯ２ル−
ザ（１０６μｍ）が利用される。本発明の最大の利点は
、通常の高温化学蒸着法と同様、すべての反応性薬品を
反応性ガス状物原料として利用出来るという汎用性にあ
る。

従って、製作可能な薄膜素材は極めて広範囲に亘る。た
とえば、ＡＡ　、Ｓｉ　、Ｃｒ　、Ｎｉ　、Ｃｄ　、Ｆ
ｅ等の金属、ＭｏＳｉ２．　ＷＳｉ２．　ＴａＳｉ２．
　ＰｔＳｉ、、　、　ＮｂＳｉ２゜ＮｉＣｒ　　、５ｎ
Ｃｕ　　、ＺｎＣｕ　　、ＩｎＳｂ　　、ＧａＳｂ　　
、ＬａＧａ　　、ＮｄＮｉ　　。

Ｎｂ５ＡＡ　＋　ＮｂＳｎ　、　Ｂ１Ｔｅ等の合金、ま
た、化合物材料でばＳｉｎ、、　　＋Ａｔ２０３．Ｔｉ
ｅ２．ＺｒＯ２，５ｎ０２　＋Ｉｎ２Ｏ３，Ｆｅ２Ｏ３
等の酸化物、ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｂ、Ｃ。

ＷＣ、ＶＣ；　、　ＺｒＣ等の炭化物、ＴｉＮ　、　Ｂ
Ｎ　、　ＡｔＮ　、　ＴａＮ。

Ｓｉ３Ｎ４．　ＣｒＮ　、　ＶＮ等の窒化物、’ｒｉｌ
ｌ、、　　、　ＺｒＢ２゜ＣｒＢ２．　ＷＢ　、　Ｌａ
Ｂ６．　ＭｏＢ、、等の硼化物、その他、硫化物など殆
んどすべての電子・情報・エネルギー・機械・化学工業
用の表面及び機能性膜素拐を網羅する。

以−１二述へたように本発明によれば、従来の技術にな
い明白な効果か奏せられる。

すなわち、基板の２次元的移動によるレーザビームの掃
引照射によって熱的に化学変化を引起すまで高温に加熱
されるのは、基板の極く表面層のみに限られる。その表
面加熱層の厚さは、およそ１０μｍ以内である。従って
、基板自体の湿度は上ることはなく、高温反応は表面層
に限って起り、短時間に冷却する。ずなわぢ、実質的に
、薄膜製作工程は低温化されたことになる。

従って、従来の基板全体、あるいは基板とその周辺の原
料ガス状物全体が加熱される薄膜製造方法のように、二
次的、三次的な分解反応や副反応を生ずることがほとん
どなく、目的とする薄膜形成反応のみを優先的に実施す
ることができる。そして、製作された膜は、高温反応生
成膜に特有な高品質で、耐着力の優れたものが得られる
。

また本発明により酸化物膜を製作する時は、大気中で実
施出来る便益がある。しかも、大面積の膜面を連続的に
製造することも可能である。

反応性薄板状気流を安定化したり、特種ガス雰囲気又は
減圧・真空を必要とする時は、密閉室或はベルジャー内
で実施することもできる。

なお、密閉室内へのレーザビームの導入は、室壁に設け
た窓を透して行なう。窓材料には、レーザビームに対し
透過率の高い結晶材料を用いる。レーザビームの波長が
赤外域にあっても、可視域にあっても利用出来る結晶板
としては、Ｚｎ５ｅ　、ＭｇＦ２．　ＬｉＦ　、ＣａＦ
２．　ＢａＦ２．　ＮａＣ１、ＫＣＩ。

ＫＢｒ等が挙げられる。とりわけ、５ｉｎ２．　ＬｉＦ
　。

ＭｇＦ２　　等は可視域において良好な性能を示す。

以下、本発明の実施例を述べる。

基板駆動法により、Ｎｉ及びＷの膜面及びパターン形成
を行なった。図示の如く、円筒型ベルジャ６の中央に２
次元（Ｘ、Ｙ）Ｉ駆動試料台２を固定し、試料台２の駆
動中心上方に、ビーム投射器６を垂直に取り付けた。ベ
ルジャ６の寸法は３００＋ｎｍφＸ　４５０　ｍで、天
井中央にＺｎ５ｅ板（直径３０隔φ）をつけたビーム入
射窓６Ａを設けた。試＃を台２は広さ８０石×８０朔、
２次元（ｘ、ｙ）駆動機構１を含めた高さは約１５０ｍ
ｍである。ビーム投射器３は試料台２の真上１’５０　
ｒＭｌの高さに、ビーム入射窓６Ａの真下に取り付け、
Ｓ１短焦点レンズにより試料台２」二に鋭い焦点Ａを結
ばせ、更に、この焦点位置Ａがら、約２　ｃｔｎの半球
面上に、ペンシルノズル５を２木、ビーム焦点Ａに照準
して配備した。ペンシルノズル５はステンレス製テ、寸
法は６ｍｍφＸ　８０　ｍｍ　、ノズルロ径ハ０６叫φ
である。

試料台２に研磨したアルミナ基板（５０ｍｍＸ５０　＋
ｎ＋ｎ　Ｘ　Ｏ，５ｍ＋ｎ　）　４を置き、１０〜２０
　ＴｏｒｒのＡｒ雰囲気にした後、２本のノズル５．５
から、交互に、Ｎ１（Ｃｏ）、及びＷＦ６の蒸気をＨ２
ガスと共に噴射した。同時にＣＯ２レーザビームＬを連
続照射しながら、試料台駆動機構１を操作して、金属Ｎ
ｉとＷの蒸着ラインからなるラスターパターンを形成し
た。入射ＣＯ２ビームのエネルギーは８ｗａｔｔ、　Ｎ
１（Ｃｏ）、の温度は１５０℃、ＷＦ、　　の温度は１
０°Ｃ５噴射ガス量はいづれも約］　ｌ／ｍｍ　。

試料台の移動速度は２　ｍｍ／ｓｅｅである。

製作したラスターパターンの素線数は１０本、線間ピッ
チは３　ｍｍ　％線巾は１００〜１５０μｍ１高さは約
０．５μであった。素線断面は山形となり、約２００〜
５００μｍ程度裾が拡がる。また、ビームエネルギーと
試料台駆動速度を共に３倍増加したところ、この裾の拡
がりは１／２以下に減じた。

蒸着したＮｉ膜面ば銀色を、Ｗ膜面は黒灰色を呈した。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の薄膜製造装置の実施例を示す概要図である
。 １・・２次元駆動機構　６・・レーザビーム投射器　４
・・・基板　５・・・反応性ガス状物噴射ノズル。 特許出願人　工業技術院長　　川　１）裕　部指定代理
人　工業技術院大阪工業技術試験所長速水諒三

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザビームで基板を照射して加熱しながら反応性
   ガス状物の気流を前記基板に噴射し、かつこれと同時に
   前記基板を２次元的に移動せしめて前記基板表面に前記
   反応性ガス状物の熱分解生成物の薄膜を形成せしめるこ
   とを特徴とする薄膜製造方法。 ２、基板と、該基板上に間隔を置いて設けた１／−ザビ
   ーム投射器および反応性ガス状物噴射ノズルからなり、
   前記基板を二次元的に駆動可能にしたことを特徴とする
   薄膜製造装置。