JP2001316802A - 薄膜成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 円形ターゲットを、その中心からの距離
（ｒ）によらず、均一に消費することにより、プルーム
の方向を安定させて、均質の薄膜を基板上に形成する薄
膜形成方法を提供する。 【解決手段】 円形ターゲットを一定の角速度（ω）で
回転させるステップと、円形ターゲットの中心から周縁
部まで所定の走査速度でレーザスポットが移動するよう
に、レーザ光をターゲットに照射するステップと、レー
ザ光により活性化されたターゲット材料から生成された
プルームを、ターゲットに対向する基板上に付着させる
ステップとを有し、レーザスポットが円形ターゲットの
中心から半径方向の距離（ｒ）に位置するとき、走査速
度（Ｖ（ｒ））が次式を満足するように制御することに
より、均質の薄膜を基板上に形成することができる。 【数１７】Ｖ（ｒ）＝｛Ｖ₀ ²−（ｒω）²｝^1/2
（Ｖ₀は定数）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転するターゲッ
トにレーザ光を照射して、ターゲットに対向する基板上
にターゲット材料（プルーム）を付着させる、レーザア
ブレーション法を用いた薄膜形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６ないし図１０を参照しながら、いく
つかの従来式のレーザアブレーション成膜装置およびこ
れらによる薄膜形成方法について説明する。図６（ａ）
は、最も基本的な従来式のレーザアブレーション成膜装
置５１の構成を示す概略図である。図６（ａ）に示すよ
うに、従来式のレーザアブレーション成膜装置５１は、
概略、レーザ発振器６２、集光レンズ６４、固定式ミラ
ー６６、ターゲット６８、およびターゲット６８に対向
する基板７０を備えている。ターゲット６８および基板
７０は図示しない真空槽内に配置されている。レーザ発
振器６２から出力されたレーザ光は、集光レンズ６４に
より集光され、固定式ミラー６６により反射され、ター
ゲット６８上に照射する。このとき、レーザ光が照射さ
れたターゲット６８上の微小領域（以下、「レーザスポ
ット５５」という。）において、ターゲット６８を構成
する物質が高エネルギを有するレーザ光により活性化さ
れ、プラズマ状のプルーム７２が発生する。こうして、
このプルーム７２に含まれる物質が、ターゲット６９に
対向する基板７０上に堆積して、薄膜が形成される。

【０００３】しかし、このような従来式のレーザアブレ
ーション成膜装置５１を用いて、長時間連続して薄膜成
形すると、ターゲット６８上のレーザスポット５５が固
定されているので、ターゲット７０の一部拡大図の図６
（ｂ）で示すように、レーザスポット５５におけるター
ゲット６８の一部の表面がえぐれるように浸食される。
プルーム７２は、ターゲット６８の表面の法線方向に飛
散する性質があるので、ターゲット６８の表面形状の変
化に伴って、その飛散方向が変化する。その結果、レー
ザアブレーション成膜装置５１を使用する前のプルーム
７２ａの飛散方向が、ターゲット６８の一部が浸食され
たことにより、プルーム７２ｂで示すように変化する。
このように、プルーム７２ｂの飛散方向が変化すると、
安定した特性と膜厚を有するような薄膜を基板７０上に
成膜することが困難になる。つまり、このレーザアブレ
ーション成膜装置５１の問題点は、長時間使用する場合
に、成膜された薄膜の特性と厚みが不安定になる点、お
よび、たとえ短時間使用する場合であっても、ターゲッ
ト６８を使用するごとに真空槽から取り出して表面研磨
する必要があって、作業効率が極めて悪い点にあった。

【０００４】この問題点を解消するために、図７に示す
ように、ほぼ円形のターゲット６９を回転させる回転機
構７４や、レーザ光の反射角度を変える可動ミラー６７
を設けて、ターゲット６９上のレーザスポット５５の位
置を移動させる方法が提案されてきた。しかしながら、
これらの方法を用いても十分満足できるほどの長時間、
継続的に成膜することができなかった。次に、図８ない
し図１０を用いて、これらの方法について詳しく説明す
る。

【０００５】図７は、図６のレーザアブレーション成膜
装置５１に加えて、レーザ光の反射角度を変える可動ミ
ラー６７、および図７の平面と平行な回転軸の周りに円
形ターゲット６９を回転させる回転機構７４を設けたレ
ーザアブレーション成膜装置５２を示す。上述のよう
に、可動ミラー６７は、円形ターゲット６９上のレーザ
スポット５５が円形ターゲット６９の中心部付近と周縁
部付近との間を一定の走査速度で往復運動（走査）する
ように、レーザ発振器６２からのレーザ光の反射方向を
変える。これと同時に、回転機構７４は、図７の平面と
平行な回転軸の周りに、一定の角速度で円形ターゲット
６９を回転運動させる。したがって、レーザスポット５
５は、円形ターゲット６９上を、一定の走査速度で半径
方向に走査しながら、一定の角速度で回転する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この従来式のレーザア
ブレーション成膜装置５２は、解決すべき問題点が３つ
ある。これら問題点につき、以下で詳細に説明する。

【０００７】第１の問題点につき説明する。（なお、添
付図面において、レーザスポット５５は、例えば、円形
の形状を有するように図示するが、本発明は、レーザス
ポット５５の形状のいかんにより限定して解釈されるも
のではない。）このレーザアブレーション成膜装置５２
において、レーザスポット５５は、円形ターゲット６９
上を、一定の走査速度で半径方向に走査しながら、一定
の角速度で回転するので、円形ターゲット６９の周縁部
付近にあるレーザスポット５５は、中心部付近にあるレ
ーザスポット５５と比べて、図２で示すように、単位時
間当たりに移動する軌跡が長くなる。一方、単位時間当
たりにレーザがレーザスポット５５に与える光エネルギ
量は一定であるので、レーザスポット５５の長い軌跡が
受ける光エネルギ密度は小さくなる。つまり、円形ター
ゲット６９の周縁部付近にあるレーザスポット５５の軌
跡の単位面積が、中心部付近にあるレーザスポット５５
の軌跡の単位面積と比べて、より少ない光エネルギを受
けることになる。そのため、周縁部付近にあるターゲッ
ト材料は、中心部付近にあるターゲット材料よりも消耗
が少なく（消費速度が遅く）、この状態で、このレーザ
アブレーション成膜装置５２を使用し続けると、図８の
破線で示すように、円形ターゲットが、すり鉢状に消耗
して、上述と同様に、プルーム７３ａがフルーム７３ｂ
のように、飛散方向が変化するので、プルーム７３を基
板７０上に安定的に供給できなくなり、良質の薄膜が形
成されなくなる。

【０００８】レーザスポット５５が円形ターゲット６９
の周縁部付近にあっても、中心部付近にあっても、円形
ターゲット６９の受ける光エネルギ密度を均一化するた
めの方法が、例えば、特開平７−２５２６４１号公報に
開示されている。この方法によれば、円形ターゲット６
９の中心部に近いところでは小さい孔、周縁部に近いと
ころでは大きい孔を複数有する多孔板を集光レンズ６４
とターゲット６９の間に配置し、ターゲット６９の中心
部にあるレーザ光の相当部分を遮蔽して、その位置によ
るエネルギ密度を傾斜させることにより、ターゲット６
９全体に一様なエネルギ密度を与えようとしている。

【０００９】しかし、この方法によれば、レーザスポッ
ト５５がターゲットの中心部に近いところにあるとき、
相当のレーザ光が遮蔽されて無駄になっているので、エ
ネルギ効率が悪く、低消費電力が実現されない。また、
レーザ光を遮蔽する多孔板は、かなりの高温状態となる
ので冷却装置などを別途設ける必要があり、構成が複雑
となる。

【００１０】要約すると、第１の問題点は、周縁部付近
にあるターゲット材料が、中心部付近にあるターゲット
材料よりも消耗が少ないことに起因して、プルームの方
向が変化して、ターゲット６９を基板７０上に安定的に
供給できなくなり、良質の薄膜が形成されなくなるとい
う点である。

【００１１】次に、第２の問題点につき説明する。この
レーザアブレーション成膜装置５２において、例えば、
円形ターゲット６９が回転する回転周期が２秒（角速度
がπrad／s）で、レーザスポット５５が周縁部から中心
部に移動して再び周縁部まで移動（走査）する走査周期
が３秒であったとき、円形ターゲット６９上のレーザス
ポット５５は、図９（ａ）に示すように、始点５６から
矢印の方向の太い実線で示した軌跡５７上をたどる。そ
して始点５６から、同じ始点５６に戻るまでのレーザス
ポット５５の移動周期は、回転周期と走査周期の最小公
倍数である６秒となる。さらに、例えば、円形ターゲッ
ト６９の回転周期が４秒で、レーザスポット５５の走査
周期が６秒であったときも、レーザスポット５５は全く
同じ軌跡を有し、同じ始点に戻るまでのレーザスポット
５５の移動周期は１２秒となる。また、ターゲット６９
の回転周期が４秒で、レーザスポット５５の走査周期が
５秒であったとき、レーザスポット５５のターゲット６
９上の軌跡は、図９（ｂ）のようになり、同じ始点５６
に戻るまでのレーザスポット５５の移動周期は、回転周
期と走査周期の最小公倍数である２０秒となる。同様
に、例えば、ターゲット６９の回転周期が８秒で、レー
ザスポット５５の走査周期が１０秒であったときも、レ
ーザスポット５５は全く同じ軌跡を有し、同じ始点５６
に戻るまでのレーザスポット５５の移動周期は、回転周
期と走査周期の最小公倍数である４０秒となる。

【００１２】すなわち、レーザスポット５５は、ターゲ
ット６９の回転周期とレーザスポット５５の走査周期の
比に依存して、回転周期と走査周期の最小公倍数を周期
としたターゲット６９上の特定の軌跡を描くことにな
る。換言すると、回転周期と走査周期（角速度と走査速
度）が一定であるとき、レーザ光は、両者の周期の比に
よって決まる特定の軌跡上にしか照射しない。したがっ
て、このレーザアブレーション成膜装置５２によれば、
プルーム７２を発生させるために、円形ターゲット６９
の表面全体が一様に活用されることなく、特定の軌跡上
のターゲット６９しか消費されることがなかった。この
とき、特定の軌跡上のターゲット６９が部分的に消費さ
れて、溝が形成されてしまう。こうして、ターゲット６
９の表面が部分的にしか消費されないために、このター
ゲット６９を使用できる時間が短くなり、結果的には頻
繁に円形ターゲット６９を交換または表面研磨しなけれ
ばならず、高コストを強いられていた。

【００１３】第２の問題点をまとめると、回転周期と走
査周期（角速度と走査速度）が一定であるとき、特定の
軌跡上のターゲット６９しか消費されないために、円形
ターゲット６９を使用できる時間が短くなり、頻繁にタ
ーゲット６９を交換または表面研磨しなければならず、
高コストを強いられていた点にある。

【００１４】最後に、第３の問題点につき説明する。こ
のレーザアブレーション成膜装置５２において、図１０
に示すように、レーザスポット５５がターゲット６９の
周縁部付近にあるときと、中心部付近にあるときでは、
プルーム７６ａ，７６ｂのターゲット６９上の発生位置
が異なることにより、プルーム７６ａ，７６ｂが成膜し
たい基板７０の方向に飛散しない。これにより、プルー
ムを基板に安定的に供給できず、その結果、成膜された
薄膜の特性にばらつきが生じてしまう。

【００１５】本発明は、上述の問題点を解決するために
なされたもので、レーザアブレーション法を用いて、良
質の薄膜を簡便に形成する方法を提供することを目的と
する。

【００１６】さらに、本発明は、レーザアブレーション
法を用いて、ターゲットを長時間に亙って使用できるよ
うにした、簡便にして安価な薄膜形成方法を提供するこ
とにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
によれば、レーザアブレーション法を用いた薄膜形成方
法において、ターゲットを一定の角速度（ω）で回転さ
せるステップと、ターゲットの中心から周縁部まで所定
の走査速度でレーザスポットが移動するように、レーザ
光をターゲットに照射するステップと、レーザ光により
活性化されたターゲット材料から生成されたプルーム
を、ターゲットに対向する基板上に付着させるステップ
とを有し、レーザスポットがターゲットの中心から半径
方向の距離（ｒ）に位置するとき、走査速度（Ｖ
（ｒ））が次式を満足するように制御される薄膜形成方
法を提供することができる。これにより、ターゲット
を、その中心からの距離（ｒ）によらず、均一に消費す
ることができる。こうして、プルームの方向を安定させ
て、均質の薄膜を基板上に形成することができる。

【数７】Ｖ（ｒ）＝｛Ｖ₀ ²−（ｒω）²｝^1/2
（Ｖ₀は定数）

【００１８】請求項２に記載の本発明によれば、レーザ
アブレーション法を用いた薄膜形成方法において、ター
ゲットの中心から周縁部まで一定の走査速度（Ｖ）でレ
ーザスポットが移動するように、レーザ光をターゲット
に照射するステップと、ターゲットを所定の角速度で回
転させるステップと、レーザ光により活性化されたター
ゲット材料から生成されたプルームを、ターゲットに対
向する基板上に付着させるステップとを有し、レーザス
ポットがターゲットの中心から半径方向の距離（ｒ）に
位置するとき、角速度（ω（ｒ））が次式を満足するよ
うに制御される薄膜形成方法を提供することができる。
これにより、ターゲットを、その中心からの距離（ｒ）
によらず、均一に消費することができる。こうして、プ
ルームの方向を安定させて、均質の薄膜を基板上に形成
することができる。

【数８】ω（ｒ）＝｛Ｖ₀ ²−Ｖ²｝^1/2×１／ｒ
（Ｖ₀は定数）

【００１９】請求項３に記載の本発明によれば、レーザ
アブレーション法を用いた薄膜形成方法において、ター
ゲットを一定の角速度（ω）で回転させるステップと、
ターゲットの中心から周縁部まで所定の走査速度（Ｖ）
でレーザスポットが移動するように、レーザ光をターゲ
ットに照射するステップと、レーザ光により活性化され
たターゲット材料から生成されたプルームを、ターゲッ
トに対向する基板上に付着させるステップとを有し、走
査速度（Ｖ）を、１走査周期毎に乱数を用いて変化させ
るステップと、を有する薄膜形成方法を提供することが
できる。これにより、ターゲットの全体を有効活用し
て、使用できる時間を最大限に延ばすことにより、薄膜
形成に要するコストをできるだけ低く抑えることができ
る。

【００２０】請求項４に記載の本発明によれば、レーザ
アブレーション法を用いた薄膜形成方法であって、ター
ゲットを所定の角速度（ω）で回転させるステップと、
ターゲットの中心から周縁部まで一定の走査速度（Ｖ）
でレーザスポットが移動するように、レーザ光をターゲ
ットに照射するステップと、レーザ光により活性化され
たターゲット材料から生成されたプルームを、ターゲッ
トに対向する基板上に付着させるステップとを有し、角
速度（ω）を、１走査周期毎に乱数を用いて変化させる
ステップと、を有する薄膜形成方法を提供することがで
きる。これにより、ターゲットの全体を有効活用して、
使用できる時間を最大限に延ばすことにより、薄膜形成
に要するコストをできるだけ低く抑えることができる。

【００２１】請求項５に記載の本発明によれば、レーザ
光をターゲットに照射して、ターゲットに対向する基板
上にプルームを付着させる、レーザアブレーション法を
用いた薄膜形成方法において、表面が回転楕円面を有す
るように、レーザ光が照射されるターゲットを成形する
ステップを有する薄膜形成方法を提供することができ
る。これにより、プルームを、成膜すべき基板の方向に
飛散させ、基板に安定的に供給して、成膜された薄膜の
特性のばらつきを最小限に抑えることができる。

【００２２】請求項６に記載の本発明によれば、レーザ
アブレーション法を用いた薄膜形成方法において、表面
が回転楕円面を有するように、ターゲットを成形するス
テップと、ターゲットを一定の角速度（ω）で回転させ
るステップと、ターゲットの中心から周縁部まで所定の
走査速度でレーザスポットが移動するように、レーザ光
をターゲットに照射するステップと、レーザ光により活
性化されたターゲット材料から生成されたプルームを、
ターゲットに対向する基板上に付着させるステップとを
有し、レーザスポットがターゲットの中心から半径方向
の距離（ｒ）に位置するとき、走査速度（Ｖ（ｒ））が
次式を満足するように制御される薄膜形成方法を提供す
ることができる。これにより、ターゲットを、その中心
からの距離（ｒ）によらず、均一に消費することができ
る。こうして、プルームの方向を安定させて、均質の薄
膜を基板上に形成することができる。しかも、プルーム
を、成膜すべき基板の方向に飛散させ、基板に安定的に
供給して、成膜された薄膜の特性のばらつきを最小限に
抑えることができる。

【数９】Ｖ（ｒ）＝｛Ｖ₀ ²−（ｒω）²｝^1/2
（Ｖ₀は定数）

【００２３】請求項７に記載の本発明によれば、レーザ
アブレーション法を用いた薄膜形成方法において、表面
が回転楕円面を有するように、ターゲットを成形するス
テップと、ターゲットの中心から周縁部まで一定の走査
速度（Ｖ）でレーザスポットが移動するように、レーザ
光をターゲットに照射するステップと、ターゲットを所
定の角速度で回転させるステップと、レーザ光により活
性化されたターゲット材料から生成されたプルームを、
ターゲットに対向する基板上に付着させるステップとを
有し、レーザスポットがターゲットの中心から半径方向
の距離（ｒ）に位置するとき、角速度（ω（ｒ））が次
式を満足するように制御される薄膜形成方法を提供する
ことができる。これにより、ターゲットを、その中心か
らの距離（ｒ）によらず、均一に消費することができ
る。こうして、プルームの方向を安定させて、均質の薄
膜を基板上に形成することができる。しかも、プルーム
を、成膜すべき基板の方向に飛散させ、基板に安定的に
供給して、成膜された薄膜の特性のばらつきを最小限に
抑えることができる。

【数１０】ω（ｒ）＝｛Ｖ₀ ²−Ｖ²｝^1/2×１／ｒ
（Ｖ₀は定数）

【００２４】請求項８に記載の本発明によれば、レーザ
アブレーション法を用いた薄膜形成方法において、表面
が回転楕円面を有するように、ターゲットを成形するス
テップと、ターゲットを一定の角速度（ω）で回転させ
るステップと、ターゲットの中心から周縁部まで所定の
走査速度（Ｖ）でレーザスポットが移動するように、レ
ーザ光をターゲットに照射するステップと、レーザ光に
より活性化されたターゲット材料から生成されたプルー
ムを、ターゲットに対向する基板上に付着させるステッ
プとを有し、走査速度（Ｖ）を、１走査周期毎に乱数を
用いて変化させるステップと、を有する薄膜形成方法を
提供することができる。これにより、ターゲットの全体
を有効活用して、使用できる時間を最大限に延ばすこと
により、薄膜形成に要するコストをできるだけ低く抑え
ることができる。しかも、プルームを、成膜すべき基板
の方向に飛散させ、基板に安定的に供給して、成膜され
た薄膜の特性のばらつきを最小限に抑えることができ
る。

【００２５】請求項９に記載の本発明によれば、レーザ
アブレーション法を用いた薄膜形成方法において、表面
が回転楕円面を有するように、ターゲットを成形するス
テップと、ターゲットを一定の角速度（ω）で回転させ
るステップと、ターゲットの中心から周縁部まで所定の
走査速度（Ｖ）でレーザスポットが移動するように、レ
ーザ光をターゲットに照射するステップと、レーザ光に
より活性化されたターゲット材料から生成されたプルー
ムを、ターゲットに対向する基板上に付着させるステッ
プとを有し、角速度（ω）を、１走査周期毎に乱数を用
いて変化させるステップと、を有する薄膜形成方法を提
供することができる。これにより、ターゲットの全体を
有効活用して、使用できる時間を最大限に延ばすことに
より、薄膜形成に要するコストをできるだけ低く抑える
ことができる。しかも、プルームを、成膜すべき基板の
方向に飛散させ、基板に安定的に供給して、成膜された
薄膜の特性のばらつきを最小限に抑えることができる。

【００２６】請求項１０に記載の本発明によれば、レー
ザアブレーション法を用いた薄膜形成方法において、表
面が回転楕円面を有するように、ターゲットを成形する
ステップと、ターゲットを一定の角速度（ω）で回転さ
せるステップと、ターゲットの中心から周縁部まで所定
の走査速度でレーザスポットが移動するように、レーザ
光をターゲットに照射するステップと、レーザ光により
活性化されたターゲット材料から生成されたプルーム
を、ターゲットに対向する基板上に付着させるステップ
と、レーザスポットがターゲットの中心から半径方向の
距離（ｒ）に位置するとき、所定値（Ｖ₀）を含む次式
を満足するように走査速度（Ｖ（ｒ））を制御し、乱数
を用いて、１走査周期毎に所定値（Ｖ₀）を変化させる
薄膜形成方法を提供することができる。これにより、タ
ーゲットを、その中心からの距離（ｒ）によらず、均一
に消費することができる。こうして、プルームの方向を
安定させて、均質の薄膜を基板上に形成することができ
る。しかも、プルームを、成膜すべき基板の方向に飛散
させ、基板に安定的に供給して、成膜された薄膜の特性
のばらつきを最小限に抑えることができる。

【数１１】Ｖ（ｒ）＝｛Ｖ₀ ²−（ｒω）²｝^1/2
（Ｖ₀は定数）

【００２７】請求項１１に記載の本発明によれば、レー
ザアブレーション法を用いた薄膜形成方法において、表
面が回転楕円面を有するように、ターゲットを成形する
ステップと、ターゲットの中心から周縁部まで一定の走
査速度（Ｖ）でレーザスポットが移動するように、レー
ザ光をターゲットに照射するステップと、ターゲットを
所定の角速度で回転させるステップと、レーザ光により
活性化されたターゲット材料から生成されたプルーム
を、ターゲットに対向する基板上に付着させるステップ
とを有し、レーザスポットがターゲットの中心から半径
方向の距離（ｒ）に位置するとき、所定値（Ｖ₀）を含
む次式を満足するように、角速度（ω（ｒ））を制御
し、乱数を用いて、１走査周期毎に所定値（Ｖ₀）を変
化させる薄膜形成方法を提供することができる。これに
より、ターゲットを、その中心からの距離（ｒ）によら
ず、均一に消費することができる。こうして、プルーム
の方向を安定させて、均質の薄膜を基板上に形成するこ
とができる。しかも、プルームを、成膜すべき基板の方
向に飛散させ、基板に安定的に供給して、成膜された薄
膜の特性のばらつきを最小限に抑えることができる。

【数１２】ω（ｒ）＝｛Ｖ₀ ²−Ｖ²｝^1/2×１／ｒ
（Ｖ₀は定数）

【００２８】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図を参照しなが
ら、本発明に係る薄膜形成装置の実施の形態１について
説明する。図１は、実施の形態１のレーザアブレーショ
ン成膜装置１の概略を示す構成図である。図１に示すよ
うに、このレーザアブレーション成膜装置１は、概略、
レーザ発振器１２、集光レンズ１４、レーザ光の反射角
度を変える可動ミラー１６、回転可能な円形ターゲット
１８、円形ターゲット１８を回転させる回転機構２０、
および円形ターゲット１８に対向する基板２２を備えて
いる。円形ターゲット１８および基板２２は図示しない
真空槽内に配置されている。また、この実施の形態１の
レーザアブレーション成膜装置１は、後述するように、
走査速度または角速度を自在に制御するための、例え
ば、パーソナルコンピュータなどからなる制御装置２４
を備えおり、可動ミラー１６と回転機構２０とに電気的
に接続されている。

【００２９】次に、このレーザアブレーション成膜装置
１の動作を説明する。レーザ発振器１２から出力された
レーザ光が、集光レンズ１４により集光され、可動ミラ
ー１６により反射され、回転機構２０に配設された円形
ターゲット１８上に照射する。このとき、レーザ光が照
射された円形ターゲット１８上の微小領域（以下、「レ
ーザスポット５」という。）において、円形ターゲット
１８を構成する物質が高エネルギを有するレーザ光によ
り活性化され、プラズマ状のプルーム６が発生して、図
１のように飛散する。こうして、このプルーム６に含ま
れる物質が、円形ターゲット１８に対向する基板２２上
に堆積して、薄膜が形成される。

【００３０】このとき、可動ミラー１６は、レーザスポ
ット５が円形ターゲット１８の中心部付近と周縁部付近
との間を一定の周期をもって往復運動（走査）するよう
に、レーザ発振器１２からのレーザ光の反射方向を変え
る。これと同時に、回転機構２０は、一定の角速度で円
形ターゲット１８を回転運動させる。したがって、レー
ザスポット５は、図２に示すように、円形ターゲット１
８上を、半径方向に走査しながら、一定の角速度で回転
する。（図２は、始点の異なる２つのレーザスポット５
の円形ターゲット１８上の軌跡を示す。）

【００３１】ところで、上述のように、従来式のレーザ
アブレーション成膜装置５２には、周縁部付近にあるタ
ーゲット材料が、中心部付近にあるターゲット材料より
も消耗が少ないことに起因して、プルームの方向が変化
して、円形ターゲット１８を基板２２上に安定的に供給
されなくなり、良質の薄膜が形成されなくなるという問
題点があった。つまり、円形ターゲット１８のレーザ光
から受ける光エネルギ量が、円形ターゲット１８の中心
からの位置（半径ｒ）に依存して異なることが、良質の
薄膜が形成されない原因であった。

【００３２】そこで、中心からの位置（半径ｒ）にある
円形ターゲット１８が、微小時間（△ｔ）におけるレー
ザ光から受ける光エネルギ量について、図３を参照しな
がら考えてみる。図３は、中心から半径ｒだけ離れた位
置にある円形（半径ｄ）レーザスポット５が、半径方向
に所定の速度（Ｖ）で走査しながら、一定の角速度
（ω）で回転した場合の、微小時間（△ｔ）におけるレ
ーザスポット５の照射軌跡を示す。図３において、右方
向が回転方向で、これと直交する下方向が半径方向であ
るとする。このとき、レーザスポット５の照射軌跡が有
する面積（Ｓ）は、微小時間（△ｔ）においてレーザ光
により照射される円形ターゲット１８の面積に相当する
が、次式で表される。

【数１３】 Ｓ＝πｄ²＋２ｄ×｛（ｒω△ｔ）²＋（Ｖ△ｔ）²｝^1/2 （１）

【００３３】上述のように、レーザ光が与える光エネル
ギ密度は一定である。したがって、円形ターゲット１８
のレーザ光から受ける光エネルギ量が、円形ターゲット
１８の中心からの位置（半径ｒ）に依存しないようにす
るためには、レーザスポット５の照射軌跡が有する面積
（Ｓ）がｒによらず、一定であることが必要で、次の関
係式を満足させる必要がある。

【数１４】 （ｒω）²＋（Ｖ）²＝Ｖ₀ ² （Ｖ₀は定数） （２）

【００３４】換言すると、回転方向の速度成分（角速
度）と走査方向の速度成分（走査速度）を合成した速さ
（ベクトル）の大きさ（Ｖ₀）を、ｒによらず、一定に
する必要がある。

【００３５】したがって、角速度（ω）が一定であると
き、次式を満足するように走査速度（Ｖ（ｒ））を制御
しながら、半径方向にレーザスポット５を走査すること
により、円形ターゲットを、その中心からの距離（ｒ）
によらず、均一に消費することができる。こうして、プ
ルームの方向を安定させて、均質の薄膜を基板２２上に
形成することができる。

【数１５】 Ｖ（ｒ）＝｛Ｖ₀ ²−（ｒω）²｝^1/2 （Ｖ₀は定数） （３）

【００３６】走査速度を、上記関係式（３）を満足する
ように制御するために、制御装置２４が用いられる。な
お、円形ターゲット１８の中心からの位置（半径ｒ）に
対する、上記関係式（３）を満たすＶ（ｒ）をプロット
すると、図４（ａ）のような、楕円上の軌跡が得られ、
Ｖ₀はレーザスポット５が中心にある瞬間の走査速度と
なる。

【００３７】以上の説明において、角速度を一定にし
て、走査速度を上記関係式（２）を満足するように制御
することにより、均質な薄膜を形成する方法を説明し
た。これに加えて、走査速度（Ｖ）を一定にして、上記
関係式（２）を満足するように角速度（ω（ｒ））を制
御することによっても、同様に、均質な薄膜を形成する
ことができる。このとき、角速度（ω（ｒ））は、次式
を満たす。

【数１６】 ω（ｒ）＝｛Ｖ₀ ²−Ｖ²｝^1/2×１／ｒ（Ｖ₀，Ｖは定数） （４）

【００３８】角速度（ω（ｒ））を、上記関係式（４）
を満足するように制御するために、制御装置２４を用い
てもよい。なお、円形ターゲット１８の中心からの位置
（半径ｒ）に対する、上記関係式（４）を満たすω
（ｒ）をプロットすると、図４（ｂ）のような、双曲線
上の軌跡が得られる。ただし、この場合、当業者ならば
容易に理解されることであるが、角速度（ω（ｒ））が
半径に反比例するので、半径がゼロとなるようにレーザ
スポット５を走査することはできない。こうして、プル
ームの方向を安定させて、均質の薄膜を基板２２上に形
成することができる。

【００３９】実施の形態２．実施の形態２のレーザアブ
レーション成膜装置２は、実施の形態１のレーザアブレ
ーション成膜装置１と同様の構成を有するので、詳細な
説明を省略する。また、このレーザアブレーション成膜
装置２の動作において、レーザスポット５が、円形ター
ゲット１８上を、半径方向に走査しながら、一定の角速
度で回転する点を含めて、実施の形態１のレーザアブレ
ーション成膜装置１と同様の基本的動作を行うので、こ
れに関する説明を省略する。

【００４０】ところで、上述のように、従来式のレーザ
アブレーション成膜装置５２には、角速度と走査速度の
比が一定であるとき、レーザスポット５が特定の軌跡を
描くことになり、円形ターゲット１８の表面全体が一様
に活用されず、円形ターゲット１８を使用できる時間が
短くなり、結果的には頻繁に円形ターゲット１８を交換
または表面研磨しなければならず、高コストを強いられ
るという問題があった。つまり、角速度と走査速度の比
（回転周期と走査周期の比）が一定していることが、コ
ストを上げる原因となっていた。

【００４１】そこで、実施の形態２のレーザアブレーシ
ョン成膜装置２は、角速度と走査速度の比をランダムに
変化させて、レーザスポット５の描く軌跡が特定しない
ように構成されている。角速度が一定であるとき、走査
速度を変えることにより、角速度と走査速度の比は変化
する。具体的には、走査速度を１走査周期毎にランダム
に変化させる。さらに、走査速度をランダムに変化させ
るために、所定の走査速度（Ｖ₀、一定）に対して、１
ないし１０の範囲の乱数（ｋ）の逆数を係数として掛け
た走査速度（Ｖ₀／ｋ）を有するように、走査速度を制
御する。したがって、走査速度を１走査周期毎に１ない
し１０の範囲の乱数（ｋ）を用いて、走査速度（Ｖ₀／
ｋ）でレーザスポット５を走査させる。このとき、制御
装置２４を用いて走査速度を制御する。また、乱数を得
るために、制御装置２４が生成する擬似乱数を用いても
よい。このように乱数を用いて、走査速度を１走査周期
毎に変化させるので、レーザスポット５が描く軌跡は全
く周期性をもたず、レーザ光は円形ターゲット１８の表
面全体に一様に照射される。こうして、円形ターゲット
１８の全体を有効活用して、円形ターゲット１８を使用
できる時間を最大限に延ばすことができる。さらに、円
形ターゲット１８を頻繁に交換または表面研磨する必要
がないので、薄膜形成に要するコストをできるだけ低く
抑えることができる。

【００４２】また、上述の説明においては、角速度が一
定で、走査速度を変えることにより、角速度と走査速度
の比を変化させたが、走査速度を一定にして、角速度を
ランダムに変化させることにより、角速度と走査速度の
比を変化させてもよい。つまり、所定の角速度（ω₀、
一定）に対して、１ないし１０の範囲の乱数（ｋ）の逆
数を係数として掛けた走査速度（ω₀／ｋ）を有するよ
うに、制御装置２４を用いて角速度を制御することによ
っても、角速度と走査速度の比を変化させることができ
る。つまり、角速度を１走査周期毎に１ないし１０の範
囲の乱数（ｋ）を用いて、角速度（ω₀／ｋ）でレーザ
スポット５を回転させる。こうして、安価に薄膜形成す
ることができる。

【００４３】実施の形態３．実施の形態３のレーザアブ
レーション成膜装置３は、円形ターゲット１８が回転楕
円面を有するように形成されているほかは、実施の形態
１のレーザアブレーション成膜装置１と同様の構成を有
するので、詳細な説明を省略する。また、このレーザア
ブレーション成膜装置３の動作において、プルームの飛
散方向が異なるほかは、実施の形態１のレーザアブレー
ション成膜装置１と同様の基本的動作を行うので、これ
に関する説明を省略する。

【００４４】ところで、図１０を用いて説明したよう
に、従来式のレーザアブレーション成膜装置５２には、
レーザスポットの位置によっては、プルームが成膜した
い基板の方に飛散しないことに起因して、ターゲット物
質を基板に安定的に供給できず、成膜された薄膜の特性
にばらつきが生じるといった問題があった。

【００４５】そこで、実施の形態３のレーザアブレーシ
ョン成膜装置３は、レーザスポット５の位置によらず、
常に、プルームが成膜したい基板の方に飛散するよう
に、円形ターゲット１８のレーザ光が照射される表面が
回転楕円面（スフェロイド）を有するように形成され
る。すると、プルームは、上述のように、ターゲット表
面の法線方向に飛散する性質があるので、円形ターゲッ
ト１８のレーザ光が照射される表面が回転楕円面を有す
るとき、発生するプルームは、常に回転楕円面（スフェ
ロイド）の焦点方向に飛散する。つまり、図５に示すよ
うに、レーザ光が円形ターゲット１８の中心部に照射し
て生成されたプルーム６ａと、円形ターゲット１８の周
縁部に照射して生成されたプルーム６ｂはともに、対向
する基板２２の方向に飛散する。こうして、プルーム
は、図５で示すように、成膜すべき基板の方向に飛散
し、ターゲット物質を基板に安定的に供給して、成膜さ
れた薄膜の特性のばらつきを最小限に抑えることができ
る。なお、実施の形態３の円形ターゲット１８は、実施
の形態１または２のレーザアブレーション成膜装置１ま
たは２で用いることが好ましい。

【００４６】

【発明の効果】請求項１および２に記載の本発明によれ
ば、ターゲットを、その中心からの距離（ｒ）によら
ず、均一に消費することができる。こうして、プルーム
の方向を安定させて、均質の薄膜を基板上に形成するこ
とができる。

【００４７】請求項３および４に記載の本発明によれ
ば、ターゲットの全体を有効活用して、使用できる時間
を最大限に延ばすことにより、薄膜形成に要するコスト
をできるだけ低く抑えることができる。

【００４８】請求項５に記載の本発明によれば、プルー
ムを、成膜すべき基板の方向に飛散させ、基板に安定的
に供給して、成膜された薄膜の特性のばらつきを最小限
に抑えることができる。

【００４９】請求項６および７に記載の本発明によれ
ば、ターゲットを、その中心からの距離（ｒ）によら
ず、均一に消費することができる。こうして、プルーム
の方向を安定させて、均質の薄膜を基板上に形成するこ
とができる。しかも、プルームを、成膜すべき基板の方
向に飛散させ、基板に安定的に供給して、成膜された薄
膜の特性のばらつきを最小限に抑えることができる。

【００５０】請求項８および９に記載の本発明によれ
ば、ターゲットの全体を有効活用して、使用できる時間
を最大限に延ばすことにより、薄膜形成に要するコスト
をできるだけ低く抑えることができる。しかも、プルー
ムを、成膜すべき基板の方向に飛散させ、基板に安定的
に供給して、成膜された薄膜の特性のばらつきを最小限
に抑えることができる。

【００５１】請求項１０および１１に記載の本発明によ
れば、ターゲットを、その中心からの距離（ｒ）によら
ず、均一に消費することができる。こうして、プルーム
の方向を安定させて、均質の薄膜を基板上に形成するこ
とができる。しかも、プルームを、成膜すべき基板の方
向に飛散させ、基板に安定的に供給して、成膜された薄
膜の特性のばらつきを最小限に抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、本発明に係る実施の形態１のレーザ
アブレーション成膜装置の概略を示す構成図である。

【図２】 図２は、レーザアブレーション成膜装置にお
ける、円形ターゲット上を半径方向に走査しながら角速
度で回転するレーザスポットの軌跡を示す概略図であ
る。

【図３】 図３は、中心から半径ｒだけ離れた位置にあ
るレーザスポットが、半径方向に所定の速度（Ｖ）で走
査しながら、一定の角速度（ω）で回転した場合の、微
小時間（△ｔ）におけるレーザスポットの照射軌跡を示
す。

【図４】 図４（ａ）は、角速度が一定である場合に、
円形ターゲットを、その中心からの距離（ｒ）によら
ず、均一に消費するように走査速度を制御したときのＶ
（ｒ）をプロットとしたグラフで、図４（ｂ）は、走査
速度が一定である場合に、円形ターゲットを、その中心
からの距離（ｒ）によらず、均一に消費するように走査
速度を制御したときのω（ｒ）をプロットとしたグラフ
である。

【図５】 図５は、実施の形態３のレーザアブレーショ
ン成膜装置における、回転楕円面を有する円形ターゲッ
トを示す図である。

【図６】 図６（ａ）は、最も基本的な従来式のレーザ
アブレーション成膜装置の構成を示す概略図で、図６
（ｂ）は、ターゲットの一部拡大図である。

【図７】 図７は、図６（ａ）のレーザアブレーション
成膜装置に、回転可能な円形ターゲットとレーザ光の反
射角度を変える可動ミラー６７を追加した、別の従来式
のレーザアブレーション成膜装置の構成を示す概略図で
ある。

【図８】 図８は、図７の従来式のレーザアブレーショ
ン成膜装置を用いたときに、円形ターゲットが、すり鉢
状に消耗する様子を示す図である。

【図９】 図９（ａ）は、回転周期と走査周期の比が
２：３であるときのレーザスポットの軌跡を示し、図９
（ｂ）は、回転周期と走査周期の比が４：５であるとき
のレーザスポットの軌跡を示す。

【図１０】 図１０は、従来式のレーザアブレーション
成膜装置における、平坦な表面を有する円形ターゲット
を示す図である。

【符号の説明】

１ レーザアブレーション成膜装置、５ レーザスポッ
ト、６ プルーム、１２レーザ発振器、１４ 集光レン
ズ、１６ 可動ミラー、１８ 円形ターゲット、２０
回転機構、２２ 基板、２４ 制御装置（パーソナルコ
ンピュータ）。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザアブレーション法を用いた薄膜形
   成方法であって、 ターゲットを一定の角速度（ω）で回転させるステップ
   と、 ターゲットの中心から周縁部まで所定の走査速度でレー
   ザスポットが移動するように、レーザ光をターゲットに
   照射するステップと、 レーザ光により活性化されたターゲット材料から生成さ
   れたプルームを、ターゲットに対向する基板上に付着さ
   せるステップとを有し、 レーザスポットがターゲットの中心から半径方向の距離
   （ｒ）に位置するとき、走査速度（Ｖ（ｒ））が次式を
   満足するように制御されることを特徴とする薄膜形成方
   法。 【数１】Ｖ（ｒ）＝｛Ｖ₀ ²−（ｒω）²｝^1/2
   （Ｖ₀は定数）
2. 【請求項２】 レーザアブレーション法を用いた薄膜形
   成方法であって、 ターゲットの中心から周縁部まで一定の走査速度（Ｖ）
   でレーザスポットが移動するように、レーザ光をターゲ
   ットに照射するステップと、 ターゲットを所定の角速度で回転させるステップと、 レーザ光により活性化されたターゲット材料から生成さ
   れたプルームを、ターゲットに対向する基板上に付着さ
   せるステップとを有し、 レーザスポットがターゲットの中心から半径方向の距離
   （ｒ）に位置するとき、角速度（ω（ｒ））が次式を満
   足するように制御されることを特徴とする薄膜形成方
   法。 【数２】ω（ｒ）＝｛Ｖ₀ ²−Ｖ²｝^1/2×１／ｒ
   （Ｖ₀は定数）
3. 【請求項３】 レーザアブレーション法を用いた薄膜形
   成方法であって、 ターゲットを一定の角速度（ω）で回転させるステップ
   と、 ターゲットの中心から周縁部まで所定の走査速度（Ｖ）
   でレーザスポットが移動するように、レーザ光をターゲ
   ットに照射するステップと、 レーザ光により活性化されたターゲット材料から生成さ
   れたプルームを、ターゲットに対向する基板上に付着さ
   せるステップとを有し、 走査速度（Ｖ）を、１走査周期毎に乱数を用いて変化さ
   せるステップと、を有することを特徴とする薄膜形成方
   法。
4. 【請求項４】 レーザアブレーション法を用いた薄膜形
   成方法であって、 ターゲットを所定の角速度（ω）で回転させるステップ
   と、 ターゲットの中心から周縁部まで一定の走査速度（Ｖ）
   でレーザスポットが移動するように、レーザ光をターゲ
   ットに照射するステップと、 レーザ光により活性化されたターゲット材料から生成さ
   れたプルームを、ターゲットに対向する基板上に付着さ
   せるステップとを有し、 角速度（ω）を、１走査周期毎に乱数を用いて変化させ
   るステップと、を有することを特徴とする薄膜形成方
   法。
5. 【請求項５】 レーザ光をターゲットに照射して、ター
   ゲットに対向する基板上にプルームを付着させる、レー
   ザアブレーション法を用いた薄膜形成方法であって、 表面が回転楕円面を有するように、レーザ光が照射され
   るターゲットを成形するステップを有することを特徴と
   する薄膜形成方法。
6. 【請求項６】 レーザアブレーション法を用いた薄膜形
   成方法であって、 表面が回転楕円面を有するように、ターゲットを成形す
   るステップと、 ターゲットを一定の角速度（ω）で回転させるステップ
   と、 ターゲットの中心から周縁部まで所定の走査速度でレー
   ザスポットが移動するように、レーザ光をターゲットに
   照射するステップと、 レーザ光により活性化されたターゲット材料から生成さ
   れたプルームを、ターゲットに対向する基板上に付着さ
   せるステップとを有し、 レーザスポットがターゲットの中心から半径方向の距離
   （ｒ）に位置するとき、走査速度（Ｖ（ｒ））が次式を
   満足するように制御されることを特徴とする薄膜形成方
   法。 【数３】Ｖ（ｒ）＝｛Ｖ₀ ²−（ｒω）²｝^1/2
   （Ｖ₀は定数）
7. 【請求項７】 レーザアブレーション法を用いた薄膜形
   成方法であって、 表面が回転楕円面を有するように、ターゲットを成形す
   るステップと、 ターゲットの中心から周縁部まで一定の走査速度（Ｖ）
   でレーザスポットが移動するように、レーザ光をターゲ
   ットに照射するステップと、 ターゲットを所定の角速度で回転させるステップと、 レーザ光により活性化されたターゲット材料から生成さ
   れたプルームを、ターゲットに対向する基板上に付着さ
   せるステップとを有し、 レーザスポットがターゲットの中心から半径方向の距離
   （ｒ）に位置するとき、角速度（ω（ｒ））が次式を満
   足するように制御されることを特徴とする薄膜形成方
   法。 【数４】ω（ｒ）＝｛Ｖ₀ ²−Ｖ²｝^1/2×１／ｒ
   （Ｖ₀は定数）
8. 【請求項８】 レーザアブレーション法を用いた薄膜形
   成方法であって、 表面が回転楕円面を有するように、ターゲットを成形す
   るステップと、 ターゲットを一定の角速度（ω）で回転させるステップ
   と、 ターゲットの中心から周縁部まで所定の走査速度（Ｖ）
   でレーザスポットが移動するように、レーザ光をターゲ
   ットに照射するステップと、 レーザ光により活性化されたターゲット材料から生成さ
   れたプルームを、ターゲットに対向する基板上に付着さ
   せるステップとを有し、 走査速度（Ｖ）を、１走査周期毎に乱数を用いて変化さ
   せるステップと、を有することを特徴とする薄膜形成方
   法。
9. 【請求項９】 レーザアブレーション法を用いた薄膜形
   成方法であって、 表面が回転楕円面を有するように、ターゲットを成形す
   るステップと、 ターゲットを一定の角速度（ω）で回転させるステップ
   と、 ターゲットの中心から周縁部まで所定の走査速度（Ｖ）
   でレーザスポットが移動するように、レーザ光をターゲ
   ットに照射するステップと、 レーザ光により活性化されたターゲット材料から生成さ
   れたプルームを、ターゲットに対向する基板上に付着さ
   せるステップとを有し、 角速度（ω）を、１走査周期毎に乱数を用いて変化させ
   るステップと、を有することを特徴とする薄膜形成方
   法。
10. 【請求項１０】 レーザアブレーション法を用いた薄膜
    形成方法であって、 表面が回転楕円面を有するように、ターゲットを成形す
    るステップと、 ターゲットを一定の角速度（ω）で回転させるステップ
    と、 ターゲットの中心から周縁部まで所定の走査速度でレー
    ザスポットが移動するように、レーザ光をターゲットに
    照射するステップと、 レーザ光により活性化されたターゲット材料から生成さ
    れたプルームを、ターゲットに対向する基板上に付着さ
    せるステップと、 レーザスポットがターゲットの中心から半径方向の距離
    （ｒ）に位置するとき、所定値（Ｖ₀）を含む次式を満
    足するように走査速度（Ｖ（ｒ））を制御し、 乱数を用いて、１走査周期毎に所定値（Ｖ₀）を変化さ
    せることを特徴とする薄膜形成方法。 【数５】Ｖ（ｒ）＝｛Ｖ₀ ²−（ｒω）²｝^1/2
    （Ｖ₀は定数）
11. 【請求項１１】 レーザアブレーション法を用いた薄膜
    形成方法であって、 表面が回転楕円面を有するように、ターゲットを成形す
    るステップと、 ターゲットの中心から周縁部まで一定の走査速度（Ｖ）
    でレーザスポットが移動するように、レーザ光をターゲ
    ットに照射するステップと、 ターゲットを所定の角速度で回転させるステップと、 レーザ光により活性化されたターゲット材料から生成さ
    れたプルームを、ターゲットに対向する基板上に付着さ
    せるステップとを有し、 レーザスポットがターゲットの中心から半径方向の距離
    （ｒ）に位置するとき、所定値（Ｖ₀）を含む次式を満
    足するように、角速度（ω（ｒ））を制御し、 乱数を用いて、１走査周期毎に所定値（Ｖ₀）を変化さ
    せることを特徴とする薄膜形成方法。 【数６】ω（ｒ）＝｛Ｖ₀ ²−Ｖ²｝^1/2×１／ｒ
    （Ｖ₀は定数）