JP2004035987A - Laser thin film forming device - Google Patents

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山中 英生
Yoji Okazaki
岡崎 洋二
Kazuhiko Nagano
永野 和彦
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a low-cost and a long-life laser thin film forming device capable of uniformly forming the thin film in large area. <P>SOLUTION: A raw material gas is photolyzed by making laser beam incident in a chamber to deposit the thin film S on a substrate 94. A light-emitting part 68 of a laser light source is arranged in line shape along the width direction of the substrate 94. The laser beam is condensed in line shape to the width direction of the substrate 94 by a collimator lens 128 and a cylindrical lens 104 and the beam is irradiated in the form of line beam. Therefore, it is not required to scan the line beam and the thin film is uniformly formed on the whole surface only by moving a moving stage 96 to the arrow A direction. The low-cost and long-life light source is obtained by using a group III nitride based semiconductor laser as the laser light source. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、閉空間内の原料ガス又は固体材料へレーザビームを入射させ、分解・合成反応した生成物で閉空間内に収納した基板上に薄膜を堆積させるレーザ薄膜形成装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザによる成膜法のうち、レーザビームによる原料ガスや固体材料の分解・反応を利用して基板上に薄膜を堆積させる方法がある。
【0003】
CVD(Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長)による薄膜形成法は、閉空間とされたチャンバー内へレーザビームを入射させ、チャンバー内に供給された原料ガスを光エネルギーにより分解し、薄膜を基板上に堆積させるものであり、また、レーザスパッタによる薄膜形成法は、閉空間とされたチャンバー内へレーザビームを入射させ、チャンバー内の固体材料を照射することで固体材料を気化させ、薄膜を基板上に堆積させるものであ。
【0004】
このように、励起エネルギーとしてレーザを使用することで、他のPVD(蒸着・スパッタ等)、CVD(熱、プラズマ等)と比べて、成膜の対象である基板の温度が上昇しないので、内部応力が小さい薄膜が形成できるため、特に、大サイズの基板の場合、反りを小さくすることができる。
【0005】
ところで、図13に示すように、従来の薄膜形成方法では、波長が約193nmのArFエキシマレーザ140が使用されてきた。
【0006】
このArFエキシマレーザ140は、パルス幅が一定であり、所望の物性を有した粒径が得られないという問題がある。また、ArFエキシマレーザ140は、パルス駆動の繰り返し周波数が2kHzと遅いので、エネルギーを蓄積するのに時間が掛かり、成膜速度が遅く生産効率がよくない。
【0007】
さらに、ArFエキシマレーザ140は高価であり、その寿命も約5×10ショットと短くランニングコストも高くなる。
【0008】
また、従来のレーザ・スパッタ薄膜形成装置は、単一のArFエキシマレーザ140から出射されたレーザビームを光学走査系142で偏向して基板94の幅方向(A方向)へ薄膜を形成し、長さ方向(B方向)は基板94が載置されたステージ144を移動させることで成膜していた。
【0009】
このため、液晶用Si−TFT、太陽電池等のように、成膜面積の大きい製品の薄膜形成には利用することができなかった。
【0010】
【発明が解決する課題】
本発明は上記事実を考慮して、大面積を均一に成膜でき、また、低コストで寿命の長いレーザ薄膜形成装置を提供することを課題とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、反応容器内へレーザビームを入射させ、反応容器内に供給された原料ガスを光分解し、薄膜を基板上に堆積させるレーザ薄膜形成装置において、少なくとも1つの半導体レーザによって、複数の発光点が生じるように構成されたレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを前記基板の幅方向へライン状に集光させる光学系と、を有することを特徴としている。
【0012】
請求項1に記載の発明では、反応容器内へレーザビームを入射させ、反応容器内に供給された原料ガスを光分解し、薄膜を基板上に堆積させる。
【0013】
ここで、レーザ光源は、複数の発光点が生じるように構成されており、発光点は基板の幅方向に沿ってライン状に配列されている。このレーザビームは、光学系により基板の幅方向へライン状に集光され、基板の幅方向に亘るラインビームとなって照射される。
【0014】
このため、従来の単一光源のレーザビームのように、基板の幅方向へ基板を移動したり、或はレーザビームを走査する必要がなく、全面を成膜するためには、一方向へ、基板を移動又はラインビームを走査するだけでよいので、装置構成が複雑にならない。また、一度に成膜される範囲が大きいので、成膜面積の大きい製品の薄膜形成に適している。
【0015】
請求項2に記載の発明は、前記基板が載置され、該基板の幅方向と直交する方向へ移動可能な移動ステージを有することを特徴としている。
【0016】
請求項2に記載の発明では、基板が載置された移動ステージが、基板の幅方向と直交する方向へ移動する。このため、ラインビームを走査する走査光学系を設ける必要がなくなり、装置構成が簡単になる。
【0017】
請求項3に記載の発明は、反応容器内へレーザビームを入射させ、反応容器に収納された固体材料に照射することで固体材料を気化させ、薄膜を基板上に堆積させるレーザ薄膜形成装置において、前記レーザビームが出射するレーザ出射部が前記固体材料の幅方向に沿ってライン状に配列されたレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを前記固体材料の幅方向に亘ってライン状に集光させる光学系と、を有することを特徴としている。
【0018】
請求項3に記載の発明では、反応容器内へレーザビームを入射させ、反応容器に収納された固体材料に照射することで固体材料を気化させ、薄膜を基板上に堆積させる。
【0019】
ここで、レーザ光源のレーザ出射部は、固体材料の幅方向に沿ってライン状に配列されている。このレーザビームは、光学系により固体材料の幅に亘ってライン状に集光され、固体材料の幅方向に亘るラインビームとなって照射される。
【0020】
このため、従来のように、固体材料又はレーザビームを固体材料の幅方向へ走査して固体材料の全面にレーザビームを照射する必要がなくなる。
【0021】
請求項4に記載の発明は、前記レーザ光源を、下記(1)〜(5)の何れか1つの光源で構成している。
(1)複数の半導体レーザと、1本の光ファイバと、前記複数の半導体レーザの各々から出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えた合波レーザ光源。
(2)(1)の合波レーザ光源における前記半導体レーザを、複数の発光点を備えたマルチキャビティレーザで構成した合波レーザ光源。
(3)複数の発光点を備えたマルチキャビティレーザと、1本の光ファイバと、前記複数の発光点の各々から出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えた合波レーザ光源。
(4)前記合波レーザ光源を複数備え、該複数の合波レーザ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々がアレイ状に配列されたファイバアレイ光源、又はバンドル状に配列されたファイババンドル光源。
(5)単一の半導体レーザと、1本の光ファイバと、前記単一の半導体レーザから出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えたファイバ光源を複数備え、該複数のファイバ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々がアレイ状に配列されたファイバアレイ光源、又はバンドル状に配列されたファイババンドル光源。
【0022】
請求項4に記載の発明では、レーザ光源として、上記の光源を好適に用いている。この中でも、高出力化や高輝度化が容易な、合波レーザ光源、及び合波レーザ光源を複数用いたファイバアレイ光源やファイババンドル光源が特に好ましい。即ち、合波レーザ光源は、合波するレーザビームの本数を増やすことで、高輝度化を図ることができる。これにより、ポリシリコン膜の結晶特性を改善し低抵抗化して、キャリア移動度を更に上げることができる。また、ファイバアレイ光源やファイババンドル光源では、複数本の光ファイバを束ねて光源を構成するので、同時にレーザ照射できる面積が大きくなり、大面積を高速に薄膜形成することができる。即ち、更なる高速化が容易である。
【0023】
請求項5に記載の発明は、前記レーザ光源が、Al、Ga、Inの少なくとも1種類を含む発光層を有するIII族窒素系半導体レーザで構成されていることを特徴としている。
【0024】
請求項5に記載の発明では、レーザ光源として、Al、Ga、Inの少なくとも1種類を含む発光層を有するIII族窒素系半導体レーザを用いることで、ArFエキシマレーザと比較して低コストで長寿命の光源を構成することができる。
【0025】
例えば、連続駆動が可能で出力安定性に優れたGaN系半導体レーザをレーザ光源に用いることで、パルス幅、繰り返し周波数が可変となるため、薄膜の粒径制御が可能となる。
【0026】
また、ArFエキシマレーザを用いた薄膜形成装置と比べて小型で信頼性が高く、メンテナンスが容易でエネルギー効率も高い。更に、波長200〜450nmのレーザビームを使用するので、特殊な材料の光学系を使用する必要が無く低コストとなる。また、繰り返し周波数が10MHz〜1GHzと高いため、エネルギーを蓄積する時間が短く、成膜速度が速くなる。
【0027】
なお、複数のレーザ出射部を備えたレーザ光源としては、以下の光源が好適に用いられる。この中でも、高出力化や高輝度化が容易な、合波レーザ光源、及び合波レーザ光源を複数用いたファイバアレイ光源やファイババンドル光源が特に好ましい。即ち、合波レーザ光源は、合波するレーザビームの本数を増やすことで、高輝度化を図ることができ、成膜速度が上がる。
【0028】
また、光ファイバの出射端をレーザ出射部として使用するレーザ光源の場合、光ファイバとして、コア径が均一で出射端のクラッド径が入射端のクラッド径より小さい光ファイバを用いることが好ましい。
【0029】
出射端のクラッド径が大きい光ファイバを用いたファイバ光源では、バンドル化した際、レーザ出射部の発光点の径が大きくなり、充分な焦点深度が得られない。しかし、出射端のクラッド径を小さくすることで、コアが接近するため、光源の高輝度化を図ることができる。これにより、焦点深度が深くなり、一度の照射で成膜できる面積が大きくなる。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の第1実施形態に係るレーザ薄膜形成装置について説明する。
(レーザ薄膜形成装置)
図1に示すように、レーザ薄膜形成装置70は、閉空間とされた箱状のチャンバー72を備えている。チャンバー72の側壁には、後述するファイバアレイ光源66から出射されたラインビームが入射する入射窓74と、ラインビームの出口となる出口窓76が設けられている。なお、入射窓74は、透過率の高い合成石英ガラス78で密閉されている。
【0031】
チャンバー72は、原料ガスとしてシランガス(SiH)を供給する供給路80が設けられており、原料ガスボンベ82がマスフローコントローラ84を介して接続されている。また、チャンバー72の底壁には、排ガスを排気する排気通路86が配置され、真空ポンプ88でチャンバー72内のガスを排気すると共にチャンバー72の内圧が調整される。
【0032】
なお、チャンバー72の底壁には、チャンバー72内のガスを四重極マスフィルタ90へ導く導入管92が接続されており、四重極マスフィルタ90でチャンバー72内の反応生成物のモニタリングが可能となっている。
【0033】
一方、チャンバー72の中央部には、薄膜形成の対象となるガラス製の基板94が載置される移動ステージ96が配置されている。この移動ステージ96の中にはヒータ100が内蔵されており、基板94を約250℃の温度域に保持する。
【0034】
また、移動ステージ96は、ラインビームによって、原料ガスを励起して薄膜Sの堆積を行うことができる位置に配置されている。つまり、ラインビームの照射領域内に位置している。
【0035】
また、移動ステージ96の下面はガイドレール98と係合する凹部102が形成されており、ガイドレール98に沿って移動ステージ96は所定の速度で矢印A方向へ移動する。この移動方向(矢印A方向)は、ラインビームのビームウエストW(光分解反応領域:図4参照)を直交する方向である。
(ファイバアレイ光源)
ファイバアレイ光源66は、図5(A)に示すように、多数のレーザモジュール64を備えており、各レーザモジュール64には、マルチモード光ファイバ30の一端が結合されている。マルチモード光ファイバ30の他端には、コア径がマルチモード光ファイバ30と同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバ30より小さい光ファイバ31が結合されている。
【0036】
光ファイバ31の出射端部(発光点)はライン状に1列に配列されてレーザ出射部68とされている。この発光点の配列方向は、チャンバー72内に設けられた移動ステージ96の移動方向(矢印A方向)と直交する方向となっており、移動ステージ96に載置された基板94の幅方向へ所定の幅を持ったラインビームが横切る構成である。
【0037】
光ファイバ31の出射端部は、図5(B)に示すように、表面が平坦な2枚の支持板65に挟み込まれて固定されている。また、光ファイバ31の出射端部はガラス等の透明な保護板63で保護されている。保護板63は、光ファイバ31の端面と密着させて配置してもよく、光ファイバ31の端面が密封されるように配置してもよい。光ファイバ31の出射端部は、光密度が高く集塵し易く劣化し易いが、保護板63を配置することにより端面への塵埃の付着を防止することができると共に劣化を遅らせることができる。
【0038】
また、レーザ出射部68の前面には、コリメータレンズ128が設けられており、レーザ出射部68から出射されたレーザビームが平行光化される。平行光化されたレーザビームは、シリンドリカルレンズ104によって、光ファイバ31の出射端部の配列方向と直交する方向のみに集光される。
【0039】
シリンドリカルレンズ104は、所定方向に曲率を有し且つ所定方向と直交する方向に長い形状をしており、長手方向(所定方向と直交する方向)が光ファイバ30の出射端の配列方向と平行になるように配置されている。これにより、基板94の上方にライン状に結像されラインビームとなる。
【0040】
また、本実施例では、クラッド径が小さい光ファイバ31の出射端を隙間無く1列に配列するために、クラッド径が大きい部分で隣接する2本のマルチモード光ファイバ30の間にマルチモード光ファイバ30を積み重ね、積み重ねられたマルチモード光ファイバ30に結合された光ファイバ31の出射端が、クラッド径が大きい部分で隣接する2本のマルチモード光ファイバ30に結合された光ファイバ31の2つの出射端の間に挟まれるように配列されている。
【0041】
このような光ファイバは、例えば、図6に示すように、クラッド径が大きいマルチモード光ファイバ30のレーザビーム出射側の先端部分に、長さ1〜30cmのクラッド径が小さい光ファイバ31を同軸的に結合することにより得ることができる。2本の光ファイバは、光ファイバ31の入射端面が、マルチモード光ファイバ30の出射端面に、両光ファイバの中心軸が一致するように融着されて結合されている。上述した通り、光ファイバ31のコア31aの径は、マルチモード光ファイバ30のコア30aの径と同じ大きさである。
【0042】
また、長さが短くクラッド径が大きい光ファイバにクラッド径が小さい光ファイバを融着させた短尺光ファイバを、フェルールや光コネクタ等を介してマルチモード光ファイバ30の出射端に結合してもよい。コネクタ等を用いて着脱可能に結合することで、クラッド径が小さい光ファイバが破損した場合等に先端部分の交換が容易になり、照射ヘッドのメンテナンスに要するコストを低減できる。なお、以下では、光ファイバ31を、マルチモード光ファイバ30の出射端部と称する場合がある。
【0043】
マルチモード光ファイバ30及び光ファイバ31としては、ステップインデックス型光ファイバ、グレーテッドインデックス型光ファイバ、及び複合型光ファイバの何れでもよい。例えば、三菱電線工業株式会社製のステップインデックス型光ファイバを用いることができる。本実施の形態では、マルチモード光ファイバ30及び光ファイバ31は、ステップインデックス型光ファイバであり、マルチモード光ファイバ30は、クラッド径=125μm、コア径=25μm、NA=0.2、入射端面コートの透過率=99.5%以上であり、光ファイバ31は、クラッド径=60μm、コア径=25μm、NA=0.2である。
【0044】
一般に、赤外領域のレーザビームでは、光ファイバのクラッド径を小さくすると伝搬損失が増加する。このため、レーザビームの波長帯域に応じて好適なクラッド径が決定されている。しかしながら、波長が短いほど伝搬損失は少なくなり、GaN系半導体レーザから出射された波長405nmのレーザビームでは、クラッドの厚み{(クラッド径−コア径)/2}を800nmの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の1/2程度、通信用の1.5μmの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の約1/4にしても、伝搬損失は殆ど増加しない。従って、クラッド径を60μmと小さくすることができる。
【0045】
但し、光ファイバ31のクラッド径は60μmには限定されない。従来のファイバ光源に使用されている光ファイバのクラッド径は125μmであるが、クラッド径が小さくなるほど焦点深度がより深くなるので、マルチモード光ファイバのクラッド径は80μm以下が好ましく、60μm以下がより好ましく、40μm以下が更に好ましい。一方、コア径は少なくとも3〜4μm必要であることから、光ファイバ31のクラッド径は10μm以上が好ましい。
【0046】
レーザモジュール64は、図7に示す合波レーザ光源(ファイバ光源)によって構成されている。この合波レーザ光源は、ヒートブロック10上に配列固定された複数(例えば、7個)のチップ状の横マルチモード又はシングルモードのGaN系半導体レーザLD1,LD2,LD3,LD4,LD5,LD6,及びLD7と、GaN系半導体レーザLD1〜LD7の各々に対応して設けられたコリメータレンズ11,12,13,14,15,16,及び17と、1つの集光レンズ20と、1本のマルチモード光ファイバ30と、から構成されている。なお、半導体レーザの個数は7個には限定されない。例えば、クラッド径=60μm、コア径=50μm、NA=0.2のマルチモード光ファイバには、20個もの半導体レーザ光を入射することが可能であり、照射ヘッドの必要光量を実現して、且つ光ファイバ本数をより減らすことができる。
【0047】
GaN系半導体レーザLD1〜LD7は、発振波長が総て共通(例えば、405nm)であり、最大出力も総て共通(例えば、マルチモードレーザでは100mW、シングルモードレーザでは30mW)である。なお、GaN系半導体レーザLD1〜LD7としては、350nm〜450nmの波長範囲で、上記の405nm以外の発振波長を備えるレーザを用いてもよい。
【0048】
上記の合波レーザ光源は、図8及び図9に示すように、他の光学要素と共に、上方が開口した箱状のパッケージ40内に収納されている。パッケージ40は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋41を備えており、脱気処理後に封止ガスを導入し、パッケージ40の開口をパッケージ蓋41で閉じることにより、パッケージ40とパッケージ蓋41とにより形成される閉空間(封止空間)内に上記合波レーザ光源が気密封止されている。
【0049】
パッケージ40の底面にはベース板42が固定されており、このベース板42の上面には、前記ヒートブロック10と、集光レンズ20を保持する集光レンズホルダー45と、マルチモード光ファイバ30の入射端部を保持するファイバホルダー46とが取り付けられている。マルチモード光ファイバ30の出射端部は、パッケージ40の壁面に形成された開口からパッケージ外に引き出されている。
【0050】
また、ヒートブロック10の側面にはコリメータレンズホルダー44が取り付けられており、コリメータレンズ11〜17が保持されている。パッケージ40の横壁面には開口が形成され、この開口を通してGaN系半導体レーザLD1〜LD7に駆動電流を供給する配線47がパッケージ外に引き出されている。
【0051】
なお、図9においては、図の煩雑化を避けるために、複数のGaN系半導体レーザのうちGaN系半導体レーザLD7にのみ番号を付し、複数のコリメータレンズのうちコリメータレンズ17にのみ番号を付している。
【0052】
図10は、上記コリメータレンズ11〜17の取り付け部分の正面形状を示すものである。コリメータレンズ11〜17の各々は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取った形状に形成されている。この細長形状のコリメータレンズは、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することによって形成することができる。コリメータレンズ11〜17は、長さ方向がGaN系半導体レーザLD1〜LD7の発光点の配列方向(図10の左右方向)と直交するように、上記発光点の配列方向に密接配置されている。
【0053】
一方、GaN系半導体レーザLD1〜LD7としては、発光幅が2μmの活性層を備え、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々例えば10°、30°の状態で各々レーザビームB1〜B7を発するレーザが用いられている。これらGaN系半導体レーザLD1〜LD7は、活性層と平行な方向に発光点が1列に並ぶように配設されている。
【0054】
従って、各発光点から発せられたレーザビームB1〜B7は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ11〜17に対して、拡がり角度が大きい方向が長さ方向と一致し、拡がり角度が小さい方向が幅方向(長さ方向と直交する方向)と一致する状態で入射することになる。つまり、各コリメータレンズ11〜17の幅が1.1mm、長さが4.6mmであり、それらに入射するレーザビームB1〜B7の水平方向、垂直方向のビーム径は各々0.9mm、2.6mmである。また、コリメータレンズ11〜17の各々は、焦点距離f=3mm、NA=0.6、レンズ配置ピッチ=1.25mmである。
【0055】
集光レンズ20は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取って、コリメータレンズ11〜17の配列方向、つまり水平方向に長く、それと直角な方向に短い形状に形成されている。この集光レンズ20は、焦点距離f=23mm、NA=0.2である。この集光レンズ20も、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することにより形成される。
【0056】
レーザ薄膜形成装置の作用について説明する。
【0057】
ファイバアレイ光源66の合波レーザ光源を構成するGaN系半導体レーザLD1〜LD7の各々から発散光状態で出射したレーザビームB1,B2,B3,B4,B5,B6,及びB7の各々は、対応するコリメータレンズ11〜17によって平行光化される。平行光化されたレーザビームB1〜B7は、集光レンズ20によって集光され、マルチモード光ファイバ30のコア30aの入射端面に収束する。
【0058】
本例では、コリメータレンズ11〜17及び集光レンズ20によって集光光学系が構成され、その集光光学系とマルチモード光ファイバ30とによって合波光学系が構成されている。即ち、集光レンズ20によって上述のように集光されたレーザビームB1〜B7が、このマルチモード光ファイバ30のコア30aに入射して光ファイバ内を伝搬し、1本のレーザビームBに合波されてマルチモード光ファイバ30の出射端部に結合された光ファイバ31から出射する。
【0059】
各レーザモジュールにおいて、レーザビームB1〜B7のマルチモード光ファイバ30への結合効率が0.85で、GaN系半導体レーザLD1〜LD7の各出力が30mWの場合(シングルモードレーザを使用する場合)には、アレイ状に配列された光ファイバ31の各々について、出力180mW(=30mW×0.85×7)の合波レーザビームBを得ることができる。従って、1200本の光ファイバ31がアレイ状に配列されたレーザ出射部68での出力は約216W(=180mW×1200)である。
【0060】
なお、本実施では、光ファイバ31の本数は1200本としたが、光ファイバ31の本数は、ラインビームの長さが、薄膜Sを堆積させる基板94の幅サイズより大きくなるように決定される。
【0061】
すなわち、アレイ化する光ファイバの本数を増やすことにより、エネルギー強度とその均一性を維持した状態でラインビーム長を伸張することができる。従って、大型TFT−LCDパネルの薄膜形成装置として利用できる。
【0062】
ファイバアレイ光源66のレーザ出射部68には、高輝度の発光点が主走査方向に沿って一列に配列されている。単一の半導体レーザからのレーザビームを1本の光ファイバに結合させる従来のファイバ光源は低出力であるため、多数列配列しなければ所望の出力を得ることができなかったが、本実施の形態で使用する合波レーザ光源は高出力であるため、少数列、例えば1列でも所望の出力を得ることができる。
【0063】
また、マルチモード光ファイバ30として、クラッド径=125μm、コア径=50μm、NA=0.2のステップインデックス型光ファイバを用いた場合には、レーザ出射部68でのビーム径は50μm×150mmである。基板94の上方での照射エリアは50μm×150mmとなる。従って、1msecで照射する場合は、基板94の上での光密度は960mJ/cmである。光学系による損失を約75%と見積っても、照射面上での光密度は720mJ/cmである。よって、1sec間に150mmのライン長さを照射できる。
【0064】
このような構成により、ライン状となって出射するレーザビームは、コリメータレンズ128で平行光とされ、シリンドリカルレンズ104によって光ファイバ31の配列方向と直交する方向にのみ集光されてラインビームとなる。ラインビームは、チャンバー72の入射窓74から入射して、図2〜図4に示すように、ビームウエスト(50μm)中心として50μm〜60μm(ビームウエスト×1.2)の範囲を反応領域として、基板94の幅方向に亘って光エネルギーを与える。また、焦点深度が大きいので反応領域の幅も大きくなっている。
【0065】
一方、基板94は、ヒーター100によって約300℃程度の温度域に保持されている。また、供給路80から原料ガスとして10%He希釈のシランガス(SiH)が供給される。シランガスは基板94の上方に拡散し、レーザビームの光エネルギーによって分解され、SiOの絶縁薄膜Sが反応領域の幅で幅方向に亘って、ガラス製の基板94の上に堆積させる。
【0066】
ここで、ラインビームで照射される領域は、基板の幅方向に亘っているため、従来の単一光源のレーザビームのように(図13参照)、レーザビームを偏向走査する必要がない。
【0067】
また、基板94の全面に成膜するため、移動ステージ96が矢印A方向に一定の速度で移動し、基板94の端部から順次、大きな範囲でSiOの絶縁薄膜を形成していく。
【0068】
なお、本実施例では、基板94を移動して全面に成膜するようにしたが、ラインビームをA方向にのみに偏向して、全面をラインビームで照射するようにすることもできる。
【0069】
また、チャンバー72へ供給される原料ガスは、目的とする膜の種類によって当然変わるものであり、金属膜を形成する場合は、金属カルボニルCr(CO),Mo(CO)、W(CO)などを原料ガスとして、それぞれCr、Mo、Wの金属膜を形成し、また、Al(CHを原料ガスとしてAl配線を形成したり、低温、低損傷を生かすことで種々の成膜に利用できる。
【0070】
さらに、レーザビームの光量制御を行うことで、膜厚の調整が可能となり、また、レーザビームを走査することで、光エネルギーの空間分布を制御することもできる。
【0071】
次に、第2実施形態のレーザ・スパッタ薄膜形成装置について説明する。
【0072】
図11に示すように、真空槽106の底部には、固体材料としてSiターゲット108を載せるターゲット支持台110が設けられている。また、真空槽106の天井部からは基板94を保持するホルダー112が垂下されており、赤外線ランプ114で基板94の温度が250℃に保温されている。
【0073】
真空槽106の右側壁には、Ar(アルゴン)等の不活性ガスを導入する導入管116が設けられ、導入管116の下方には、真空槽106内の排ガスを排気する排気管118が配置されている。また、真空槽106の左側壁には、入射窓120が設けられており、ラインビームが真空槽106内へ入射するようになっている。
【0074】
また、ラインビームは、反射ミラー130で折り返され、レンズ132で集光されて入射窓120を通過し、Siターゲット108を照射してプルームP(スパッタ粒子)を発生させ、基板94の表面に良質のSi膜を高速で形成する。
【0075】
ここで、図12に示すように、Siターゲット108には、全幅に亘ってラインビームが照射されるので、ターゲット支持台110を矢印方向へ平行移動させることにより、矩形状のSiターゲット108の全面に漏れなくラインビームが照射さる。このため、効率よく、プルームを発生させることができる。
【0076】
以上のように、本発明は、矩形状のターゲットに均一にラインビームを照射することにより、それに対向する矩形状の基板に均一に薄膜形成が可能になる。しかも、光偏向が不要であるため光学系が簡便になり、薄膜形成装置を安価に実現できる。
【0077】
なお、本実施例では、半導体レーザとして、GaN系半導体レーザを例に採って説明したが、Al、Ga、Inの少なくとも1種類を含むIII族窒素系半導体レーザ、すなわち、AlGaInのように、XYZの混合比を任意に変えることで、発光層の光学ギャップを変えることができる。
【0078】
例えば、GaNの光学ギャップ3.2〜3.5eVを基準にすると、これにAlを加えることにより、6.5eV程度大きくすることができ、紫外領域にも対応することができる。また、Inを加えることにより、1.9eV程度まで変化させることができ、可視領域にも対応できる。なお、レーザの波長は、Al窒素系の場合、約200nm、Ga窒素系の場合、約350nmとなる。
【0079】
【発明の効果】
本発明は、上記構成としたので、大面積を均一に成膜でき、また、低コストで寿命の長いレーザ光源とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態に係るレーザ薄膜形成装置の全体図である。
【図2】第1実施形態に係るレーザ薄膜形成装置のラインビームと基板との位置関係を示す斜視図である。
【図3】第1実施形態に係るレーザ薄膜形成装置のラインビームと基板との位置関係を示す平面図である。
【図4】第1実施形態に係るレーザ薄膜形成装置のラインビームと基板との位置関係を示す側面図である。
【図5】(A)はファイバアレイ光源の構成を示す斜視図であり、(B)は(Aの部分拡大図である。
【図6】マルチモード光ファイバの構成を示す図である。
【図7】合波レーザ光源の構成を示す平面図である。
【図8】レーザモジュールの構成を示す平面図である。
【図9】図8に示すレーザモジュールの構成を示す側面図である。
【図10】図8に示すレーザモジュールの構成を示す部分側面図である。
【図11】第2実施形態に係るレーザ薄膜形成装置の全体図である。
【図12】ラインビームとターゲットとの位置関係を示す斜視図である。
【図13】従来のレーザ薄膜形成装置の説明図である。
【符号の説明】
64  レーザモジュール
66  ファイバアレイ光源(レーザ光源)
68  レーザ出射部
72  チャンバー(反応容器)
96  移動ステージ
104 シリンドリカルレンズ(光学系)
106 真空槽(反応容器)
108 Siターゲット(固体材料)
110 ターゲット支持台
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser thin film forming apparatus in which a laser beam is incident on a source gas or a solid material in a closed space, and a thin film is deposited on a substrate housed in the closed space by a product obtained by decomposition and synthesis reaction.
[0002]
[Prior art]
Among laser deposition methods, there is a method of depositing a thin film on a substrate using decomposition and reaction of a source gas or a solid material by a laser beam.
[0003]
A thin film formation method by CVD (Chemical Vapor Deposition) is a method in which a laser beam is incident into a closed chamber, the source gas supplied into the chamber is decomposed by light energy, and the thin film is formed into a substrate. In the thin film formation method by laser sputtering, a laser beam is incident into a closed chamber, and the solid material in the chamber is irradiated to vaporize the solid material. It is deposited on the substrate.
[0004]
Thus, by using a laser as excitation energy, the temperature of the substrate that is the target of film formation does not increase compared to other PVD (evaporation / sputtering, etc.) and CVD (heat, plasma, etc.). Since a thin film with low stress can be formed, warping can be reduced particularly in the case of a large-sized substrate.
[0005]
Incidentally, as shown in FIG. 13, in the conventional thin film formation method, an ArF excimer laser 140 having a wavelength of about 193 nm has been used.
[0006]
The ArF excimer laser 140 has a problem that the pulse width is constant and a particle size having desired physical properties cannot be obtained. In addition, since the ArF excimer laser 140 has a slow pulse drive repetition frequency of 2 kHz, it takes time to accumulate energy, the film formation rate is slow, and the production efficiency is not good.
[0007]
Furthermore, the ArF excimer laser 140 is expensive, its life is as short as about 5 × 10 7 shots, and the running cost is high.
[0008]
The conventional laser / sputtered thin film forming apparatus forms a thin film in the width direction (A direction) of the substrate 94 by deflecting a laser beam emitted from a single ArF excimer laser 140 by an optical scanning system 142. In the vertical direction (B direction), the film was formed by moving the stage 144 on which the substrate 94 was placed.
[0009]
For this reason, it could not be used for forming a thin film of a product having a large film formation area, such as a Si-TFT for liquid crystal and a solar cell.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In consideration of the above facts, an object of the present invention is to provide a laser thin film forming apparatus that can uniformly form a large area and has a low cost and a long lifetime.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a laser thin film forming apparatus in which a laser beam is incident into a reaction vessel, a source gas supplied into the reaction vessel is photodecomposed, and a thin film is deposited on a substrate. A laser light source configured to generate a plurality of light emitting points by a laser, and an optical system that focuses a laser beam emitted from the laser light source in a line shape in the width direction of the substrate. Yes.
[0012]
In the first aspect of the present invention, a laser beam is incident into the reaction vessel, the source gas supplied into the reaction vessel is photodecomposed, and a thin film is deposited on the substrate.
[0013]
Here, the laser light source is configured to generate a plurality of light emission points, and the light emission points are arranged in a line along the width direction of the substrate. This laser beam is condensed in a line shape in the width direction of the substrate by the optical system, and is irradiated as a line beam extending in the width direction of the substrate.
[0014]
For this reason, it is not necessary to move the substrate in the width direction of the substrate or to scan the laser beam as in the case of a conventional laser beam of a single light source. Since it is only necessary to move the substrate or scan the line beam, the apparatus configuration is not complicated. In addition, since the range of film formation at a time is large, it is suitable for forming a thin film of a product having a large film formation area.
[0015]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a moving stage on which the substrate is placed and is movable in a direction orthogonal to the width direction of the substrate.
[0016]
In the invention according to claim 2, the moving stage on which the substrate is placed moves in a direction orthogonal to the width direction of the substrate. For this reason, it is not necessary to provide a scanning optical system for scanning the line beam, and the apparatus configuration is simplified.
[0017]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a laser thin film forming apparatus in which a laser beam is incident into a reaction vessel, the solid material stored in the reaction vessel is irradiated to vaporize the solid material, and a thin film is deposited on the substrate. A laser light source in which laser emitting portions from which the laser beam is emitted are arranged in a line along the width direction of the solid material, and a laser beam emitted from the laser light source is lined across the width direction of the solid material And an optical system for condensing the light into a shape.
[0018]
In a third aspect of the invention, a laser beam is incident into the reaction vessel and the solid material stored in the reaction vessel is irradiated to vaporize the solid material, thereby depositing a thin film on the substrate.
[0019]
Here, the laser emitting portions of the laser light source are arranged in a line along the width direction of the solid material. This laser beam is condensed in a line shape over the width of the solid material by the optical system, and is irradiated as a line beam over the width direction of the solid material.
[0020]
For this reason, it is not necessary to scan the solid material or the laser beam in the width direction of the solid material and irradiate the entire surface of the solid material with the laser beam as in the prior art.
[0021]
According to a fourth aspect of the present invention, the laser light source is configured by any one of the following (1) to (5).
(1) Condensing optics for condensing a plurality of semiconductor lasers, one optical fiber, and a laser beam emitted from each of the plurality of semiconductor lasers, and coupling the condensed beam to an incident end of the optical fiber And a combined laser light source.
(2) A combined laser light source in which the semiconductor laser in the combined laser light source of (1) is constituted by a multi-cavity laser having a plurality of light emitting points.
(3) A multi-cavity laser having a plurality of light emitting points, a single optical fiber, and a laser beam emitted from each of the plurality of light emitting points are condensed, and the condensed beam is input to the incident end of the optical fiber. And a condensing optical system coupled to the optical system.
(4) A fiber array light source comprising a plurality of the combined laser light sources, each of the light emitting points at the emission end of the optical fiber of the plurality of combined laser light sources arranged in an array, or a fiber bundle arranged in a bundle light source.
(5) Condensing optics for condensing a single semiconductor laser, one optical fiber, and a laser beam emitted from the single semiconductor laser, and coupling the condensed beam to the incident end of the optical fiber And a fiber bundle light source in which each of the light emitting points at the emission ends of the optical fibers of the plurality of fiber light sources is arranged in an array, or a fiber bundle light source arranged in a bundle.
[0022]
In the invention according to claim 4, the above-mentioned light source is suitably used as the laser light source. Of these, a combined laser light source and a fiber array light source and a fiber bundle light source using a plurality of combined laser light sources, which can easily achieve high output and high brightness, are particularly preferable. That is, the combined laser light source can increase the brightness by increasing the number of laser beams to be combined. Thereby, the crystal characteristics of the polysilicon film can be improved and the resistance can be lowered, and the carrier mobility can be further increased. Further, in the fiber array light source and the fiber bundle light source, since the light source is configured by bundling a plurality of optical fibers, the area that can be irradiated with laser simultaneously increases, and a large area can be formed into a thin film at high speed. That is, further speeding up is easy.
[0023]
The invention according to claim 5 is characterized in that the laser light source is composed of a group III nitrogen-based semiconductor laser having a light emitting layer containing at least one of Al, Ga, and In.
[0024]
In the invention described in claim 5, a group III nitrogen-based semiconductor laser having a light emitting layer containing at least one of Al, Ga, and In is used as a laser light source, which is lower in cost and longer than an ArF excimer laser. A lifetime light source can be constructed.
[0025]
For example, by using a GaN-based semiconductor laser that can be continuously driven and has excellent output stability as a laser light source, the pulse width and repetition frequency can be varied, so that the particle size of the thin film can be controlled.
[0026]
Further, it is smaller and more reliable than a thin film forming apparatus using an ArF excimer laser, is easy to maintain, and has high energy efficiency. Furthermore, since a laser beam having a wavelength of 200 to 450 nm is used, it is not necessary to use an optical system of a special material, and the cost is reduced. In addition, since the repetition frequency is as high as 10 MHz to 1 GHz, the time for storing energy is short, and the deposition rate is high.
[0027]
In addition, as a laser light source provided with the several laser emission part, the following light sources are used suitably. Of these, a combined laser light source and a fiber array light source and a fiber bundle light source using a plurality of combined laser light sources, which can easily achieve high output and high brightness, are particularly preferable. In other words, the combined laser light source can increase the brightness by increasing the number of laser beams to be combined, and the film forming speed is increased.
[0028]
In the case of a laser light source that uses the output end of the optical fiber as a laser output part, it is preferable to use an optical fiber having a uniform core diameter and a smaller cladding diameter at the output end than the cladding diameter at the incident end.
[0029]
In a fiber light source using an optical fiber having a large cladding diameter at the output end, when bundled, the diameter of the light emitting point of the laser output section becomes large, and a sufficient depth of focus cannot be obtained. However, since the core approaches by reducing the cladding diameter at the emission end, the luminance of the light source can be increased. This increases the depth of focus and increases the area where film formation can be performed with a single irradiation.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a laser thin film forming apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Laser thin film forming equipment)
As shown in FIG. 1, the laser thin film forming apparatus 70 includes a box-shaped chamber 72 that is a closed space. On the side wall of the chamber 72, there are provided an incident window 74 into which a line beam emitted from a fiber array light source 66, which will be described later, is incident, and an exit window 76 that is an exit of the line beam. The incident window 74 is sealed with a synthetic quartz glass 78 having a high transmittance.
[0031]
The chamber 72 is provided with a supply path 80 for supplying silane gas (SiH 4 ) as a source gas, and a source gas cylinder 82 is connected via a mass flow controller 84. An exhaust passage 86 for exhausting exhaust gas is disposed on the bottom wall of the chamber 72, and the gas in the chamber 72 is exhausted by the vacuum pump 88 and the internal pressure of the chamber 72 is adjusted.
[0032]
An inlet pipe 92 that guides the gas in the chamber 72 to the quadrupole mass filter 90 is connected to the bottom wall of the chamber 72, and the reaction product in the chamber 72 can be monitored by the quadrupole mass filter 90. It is possible.
[0033]
On the other hand, a moving stage 96 on which a glass substrate 94 on which a thin film is to be formed is placed is disposed at the center of the chamber 72. A heater 100 is built in the moving stage 96 and holds the substrate 94 in a temperature range of about 250 ° C.
[0034]
The moving stage 96 is arranged at a position where the thin film S can be deposited by exciting the source gas with a line beam. That is, it is located within the line beam irradiation region.
[0035]
In addition, a recess 102 that engages with the guide rail 98 is formed on the lower surface of the moving stage 96, and the moving stage 96 moves in the direction of arrow A along the guide rail 98 at a predetermined speed. This moving direction (arrow A direction) is a direction orthogonal to the beam waist W of the line beam (photolysis reaction region: see FIG. 4).
(Fiber array light source)
As shown in FIG. 5A, the fiber array light source 66 includes a number of laser modules 64, and one end of the multimode optical fiber 30 is coupled to each laser module 64. An optical fiber 31 having the same core diameter as that of the multimode optical fiber 30 and a smaller cladding diameter than the multimode optical fiber 30 is coupled to the other end of the multimode optical fiber 30.
[0036]
The emission ends (light emission points) of the optical fiber 31 are arranged in a line in a line to form a laser emission unit 68. The arrangement direction of the light emitting points is a direction orthogonal to the moving direction (arrow A direction) of the moving stage 96 provided in the chamber 72 and is predetermined in the width direction of the substrate 94 placed on the moving stage 96. A line beam having a width of is traversed.
[0037]
As shown in FIG. 5B, the emission end of the optical fiber 31 is sandwiched and fixed between two support plates 65 having a flat surface. The output end of the optical fiber 31 is protected by a transparent protective plate 63 such as glass. The protection plate 63 may be disposed in close contact with the end surface of the optical fiber 31 or may be disposed so that the end surface of the optical fiber 31 is sealed. The exit end portion of the optical fiber 31 has a high light density and is likely to collect dust and easily deteriorate. However, the protective plate 63 can prevent the dust from adhering to the end face and can also delay the deterioration.
[0038]
Further, a collimator lens 128 is provided on the front surface of the laser emitting unit 68, and the laser beam emitted from the laser emitting unit 68 is collimated. The collimated laser beam is focused only by the cylindrical lens 104 in a direction orthogonal to the arrangement direction of the emission end portions of the optical fiber 31.
[0039]
The cylindrical lens 104 has a curvature in a predetermined direction and is long in a direction orthogonal to the predetermined direction, and a longitudinal direction (a direction orthogonal to the predetermined direction) is parallel to the arrangement direction of the emission ends of the optical fiber 30. It is arranged to be. As a result, an image is formed in a line shape above the substrate 94 to form a line beam.
[0040]
Further, in this embodiment, in order to arrange the emission ends of the optical fibers 31 having a small cladding diameter in a line without any gap, the multimode light is interposed between two multimode optical fibers 30 adjacent to each other at a large cladding diameter. The fibers 30 are stacked, and the output end of the optical fiber 31 coupled to the stacked multimode optical fiber 30 is connected to the two multimode optical fibers 30 adjacent to each other at a portion having a large cladding diameter. They are arranged so as to be sandwiched between the two exit ends.
[0041]
For example, as shown in FIG. 6, an optical fiber 31 having a length of 1 to 30 cm and having a small cladding diameter is coaxially connected to the tip of the multimode optical fiber 30 having a large cladding diameter on the laser beam emission side. Can be obtained by linking them together. In the two optical fibers, the incident end face of the optical fiber 31 is fused and joined to the outgoing end face of the multimode optical fiber 30 so that the central axes of both optical fibers coincide. As described above, the diameter of the core 31 a of the optical fiber 31 is the same as the diameter of the core 30 a of the multimode optical fiber 30.
[0042]
In addition, a short optical fiber in which an optical fiber having a short cladding diameter and a large cladding diameter is fused to an optical fiber having a short cladding diameter and a large cladding diameter may be coupled to the output end of the multimode optical fiber 30 via a ferrule or an optical connector. Good. By detachably coupling using a connector or the like, the tip portion can be easily replaced when an optical fiber having a small cladding diameter is broken, and the cost required for the irradiation head maintenance can be reduced. Hereinafter, the optical fiber 31 may be referred to as an emission end portion of the multimode optical fiber 30.
[0043]
The multimode optical fiber 30 and the optical fiber 31 may be any of a step index type optical fiber, a graded index type optical fiber, and a composite type optical fiber. For example, a step index type optical fiber manufactured by Mitsubishi Cable Industries, Ltd. can be used. In the present embodiment, the multimode optical fiber 30 and the optical fiber 31 are step index type optical fibers, and the multimode optical fiber 30 has a cladding diameter = 125 μm, a core diameter = 25 μm, NA = 0.2, an incident end face. The transmittance of the coat is 99.5% or more, and the optical fiber 31 has a cladding diameter = 60 μm, a core diameter = 25 μm, and NA = 0.2.
[0044]
Generally, in a laser beam in the infrared region, propagation loss increases as the cladding diameter of the optical fiber is reduced. For this reason, a suitable cladding diameter is determined according to the wavelength band of the laser beam. However, the shorter the wavelength, the smaller the propagation loss. With a laser beam with a wavelength of 405 nm emitted from a GaN-based semiconductor laser, the cladding thickness {(cladding diameter−core diameter) / 2} is set to an infrared light with a wavelength band of 800 nm. The propagation loss hardly increases even if it is about ½ of the case of propagating infrared light and about ¼ of the case of propagating infrared light in the 1.5 μm wavelength band for communication. Therefore, the cladding diameter can be reduced to 60 μm.
[0045]
However, the cladding diameter of the optical fiber 31 is not limited to 60 μm. The clad diameter of an optical fiber used in a conventional fiber light source is 125 μm, but the depth of focus becomes deeper as the clad diameter becomes smaller. Therefore, the clad diameter of a multimode optical fiber is preferably 80 μm or less, more preferably 60 μm or less. Preferably, it is 40 μm or less. On the other hand, since the core diameter needs to be at least 3 to 4 μm, the cladding diameter of the optical fiber 31 is preferably 10 μm or more.
[0046]
The laser module 64 is configured by a combined laser light source (fiber light source) shown in FIG. This combined laser light source includes a plurality of (for example, seven) chip-like lateral multimode or single mode GaN-based semiconductor lasers LD1, LD2, LD3, LD4, LD5, LD6, arrayed and fixed on the heat block 10. And LD7, collimator lenses 11, 12, 13, 14, 15, 16, and 17 provided corresponding to each of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7, one condenser lens 20, and one multi-lens. Mode optical fiber 30. The number of semiconductor lasers is not limited to seven. For example, as many as 20 semiconductor laser beams can be incident on a multimode optical fiber having a cladding diameter = 60 μm, a core diameter = 50 μm, and NA = 0.2. In addition, the number of optical fibers can be further reduced.
[0047]
The GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 all have the same oscillation wavelength (for example, 405 nm), and the maximum output is also all the same (for example, 100 mW for the multimode laser and 30 mW for the single mode laser). As the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7, lasers having an oscillation wavelength other than the above 405 nm in a wavelength range of 350 nm to 450 nm may be used.
[0048]
As shown in FIGS. 8 and 9, the above combined laser light source is housed in a box-shaped package 40 having an upper opening together with other optical elements. The package 40 includes a package lid 41 created so as to close the opening thereof. After the deaeration process, a sealing gas is introduced, and the package 40 and the package lid 41 are closed by closing the opening of the package 40 with the package lid 41. The combined laser light source is hermetically sealed in a closed space (sealed space) formed by 41.
[0049]
A base plate 42 is fixed to the bottom surface of the package 40, and the heat block 10, a condensing lens holder 45 that holds the condensing lens 20, and the multimode optical fiber 30 are disposed on the top surface of the base plate 42. A fiber holder 46 that holds the incident end is attached. The exit end of the multimode optical fiber 30 is drawn out of the package from an opening formed in the wall surface of the package 40.
[0050]
Further, a collimator lens holder 44 is attached to the side surface of the heat block 10, and the collimator lenses 11 to 17 are held. An opening is formed in the lateral wall surface of the package 40, and wiring 47 for supplying a driving current to the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 is drawn out of the package through the opening.
[0051]
In FIG. 9, in order to avoid complication of the figure, only the GaN semiconductor laser LD7 is numbered among the plurality of GaN semiconductor lasers, and only the collimator lens 17 is numbered among the plurality of collimator lenses. doing.
[0052]
FIG. 10 shows the front shape of the attachment part of the collimator lenses 11-17. Each of the collimator lenses 11 to 17 is formed in a shape obtained by cutting a region including the optical axis of a circular lens having an aspherical surface into a long and narrow plane. This elongated collimator lens can be formed, for example, by molding resin or optical glass. The collimator lenses 11 to 17 are closely arranged in the arrangement direction of the light emitting points so that the length direction is orthogonal to the arrangement direction of the light emitting points of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 (left and right direction in FIG. 10).
[0053]
On the other hand, each of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 includes an active layer having a light emission width of 2 μm, and each of the laser beams B1 in a state parallel to the active layer and a divergence angle in a direction perpendicular to the active layer, respectively, for example A laser emitting ~ B7 is used. These GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 are arranged so that the light emitting points are arranged in a line in a direction parallel to the active layer.
[0054]
Accordingly, in the laser beams B1 to B7 emitted from the respective light emitting points, the direction in which the divergence angle is large coincides with the length direction and the divergence angle is small with respect to the elongated collimator lenses 11 to 17 as described above. Incident light is incident in a state where the direction coincides with the width direction (direction perpendicular to the length direction). That is, the collimator lenses 11 to 17 have a width of 1.1 mm and a length of 4.6 mm, and the horizontal and vertical beam diameters of the laser beams B1 to B7 incident thereon are 0.9 mm and 2. 6 mm. Each of the collimator lenses 11 to 17 has a focal length f 1 = 3 mm, NA = 0.6, and a lens arrangement pitch = 1.25 mm.
[0055]
The condensing lens 20 is formed by cutting a region including the optical axis of a circular lens having an aspheric surface into a long and narrow shape in parallel planes, and is long in the arrangement direction of the collimator lenses 11 to 17, that is, in a horizontal direction and short in a direction perpendicular thereto. Is formed. This condenser lens 20 has a focal length f 2 = 23 mm and NA = 0.2. This condensing lens 20 is also formed by molding resin or optical glass, for example.
[0056]
The operation of the laser thin film forming apparatus will be described.
[0057]
Each of the laser beams B1, B2, B3, B4, B5, B6, and B7 emitted in a divergent light state from each of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 constituting the combined laser light source of the fiber array light source 66 corresponds. The collimator lenses 11 to 17 collimate the light. The collimated laser beams B <b> 1 to B <b> 7 are collected by the condenser lens 20 and converge on the incident end face of the core 30 a of the multimode optical fiber 30.
[0058]
In this example, the collimator lenses 11 to 17 and the condenser lens 20 constitute a condensing optical system, and the condensing optical system and the multimode optical fiber 30 constitute a multiplexing optical system. That is, the laser beams B1 to B7 condensed as described above by the condenser lens 20 enter the core 30a of the multimode optical fiber 30 and propagate through the optical fiber to be combined with one laser beam B. The light is emitted from the optical fiber 31 coupled to the output end of the multimode optical fiber 30.
[0059]
In each laser module, when the coupling efficiency of the laser beams B1 to B7 to the multimode optical fiber 30 is 0.85 and each output of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 is 30 mW (when a single mode laser is used). Can obtain a combined laser beam B with an output of 180 mW (= 30 mW × 0.85 × 7) for each of the optical fibers 31 arranged in an array. Therefore, the output from the laser emitting section 68 in which 1200 optical fibers 31 are arranged in an array is about 216 W (= 180 mW × 1200).
[0060]
In this embodiment, the number of the optical fibers 31 is 1200, but the number of the optical fibers 31 is determined so that the length of the line beam is larger than the width size of the substrate 94 on which the thin film S is deposited. .
[0061]
That is, by increasing the number of optical fibers to be arrayed, the line beam length can be extended while maintaining the energy intensity and the uniformity thereof. Therefore, it can be used as a thin film forming apparatus for large TFT-LCD panels.
[0062]
In the laser emitting section 68 of the fiber array light source 66, high-luminance light emitting points are arranged in a line along the main scanning direction. A conventional fiber light source that couples a laser beam from a single semiconductor laser to a single optical fiber has a low output, so a desired output could not be obtained unless multiple rows are arranged. Since the combined laser light source used in the form has a high output, a desired output can be obtained even with a small number of columns, for example, one column.
[0063]
Further, when the multimode optical fiber 30 is a step index type optical fiber having a cladding diameter = 125 μm, a core diameter = 50 μm, and NA = 0.2, the beam diameter at the laser emitting portion 68 is 50 μm × 150 mm. is there. The irradiation area above the substrate 94 is 50 μm × 150 mm. Therefore, when irradiation is performed at 1 msec, the light density on the substrate 94 is 960 mJ / cm 2 . Even if the loss due to the optical system is estimated to be about 75%, the light density on the irradiated surface is 720 mJ / cm 2 . Therefore, a line length of 150 mm can be irradiated in 1 second.
[0064]
With such a configuration, the laser beam emitted in a line shape is converted into parallel light by the collimator lens 128 and is condensed by the cylindrical lens 104 only in a direction orthogonal to the arrangement direction of the optical fibers 31 to become a line beam. . The line beam is incident from the entrance window 74 of the chamber 72 and, as shown in FIG. 2 to FIG. 4, the range of 50 μm to 60 μm (beam waist × 1.2) as a reaction region is centered on the beam waist (50 μm). Light energy is applied across the width direction of the substrate 94. Moreover, since the depth of focus is large, the width of the reaction region is also large.
[0065]
On the other hand, the substrate 94 is held in a temperature range of about 300 ° C. by the heater 100. Further, silane gas (SiH 4 ) diluted with 10% He is supplied as a source gas from the supply path 80. Silane gas diffuses above the substrate 94 and is decomposed by the light energy of the laser beam, and an insulating thin film S of SiO 2 is deposited on the glass substrate 94 across the width of the reaction region.
[0066]
Here, since the region irradiated with the line beam extends in the width direction of the substrate, it is not necessary to deflect and scan the laser beam as in the conventional laser beam of a single light source (see FIG. 13).
[0067]
Further, in order to form a film on the entire surface of the substrate 94, the moving stage 96 moves at a constant speed in the direction of arrow A, and an insulating thin film of SiO 2 is formed in a large range sequentially from the end of the substrate 94.
[0068]
In this embodiment, the substrate 94 is moved to form a film on the entire surface, but the line beam can be deflected only in the A direction so that the entire surface is irradiated with the line beam.
[0069]
Further, the source gas supplied to the chamber 72 naturally varies depending on the type of the target film. When forming a metal film, the metal carbonyl Cr (CO) 6 , Mo (CO) 6 , W (CO ) 6 etc. as raw material gases, respectively, Cr, Mo, W metal films are formed, Al (CH 3 ) 3 is used as a raw material Al wiring, or by utilizing low temperature and low damage, various It can be used for film formation.
[0070]
Furthermore, the film thickness can be adjusted by controlling the light amount of the laser beam, and the spatial distribution of light energy can also be controlled by scanning the laser beam.
[0071]
Next, a laser / sputtered thin film forming apparatus according to a second embodiment will be described.
[0072]
As shown in FIG. 11, a target support base 110 on which a Si target 108 is placed as a solid material is provided at the bottom of the vacuum chamber 106. A holder 112 that holds the substrate 94 is suspended from the ceiling of the vacuum chamber 106, and the temperature of the substrate 94 is kept at 250 ° C. by the infrared lamp 114.
[0073]
An introduction pipe 116 for introducing an inert gas such as Ar (argon) is provided on the right side wall of the vacuum chamber 106, and an exhaust pipe 118 for exhausting the exhaust gas in the vacuum chamber 106 is disposed below the introduction pipe 116. Has been. An incident window 120 is provided on the left side wall of the vacuum chamber 106 so that the line beam enters the vacuum chamber 106.
[0074]
Further, the line beam is folded back by the reflection mirror 130, condensed by the lens 132, passes through the incident window 120, irradiates the Si target 108, generates plume P (sputtered particles), and has a good quality on the surface of the substrate 94. The Si film is formed at a high speed.
[0075]
Here, as shown in FIG. 12, since the Si target 108 is irradiated with the line beam over the entire width, the entire surface of the rectangular Si target 108 is obtained by moving the target support 110 in the direction of the arrow. The line beam is irradiated without any leakage. For this reason, a plume can be generated efficiently.
[0076]
As described above, according to the present invention, a uniform thin film can be formed on a rectangular substrate facing the rectangular target by uniformly irradiating the rectangular target with a line beam. In addition, since optical deflection is unnecessary, the optical system is simplified, and a thin film forming apparatus can be realized at low cost.
[0077]
In this embodiment, a GaN-based semiconductor laser has been described as an example of the semiconductor laser. However, a group III nitrogen-based semiconductor laser including at least one of Al, Ga, and In, that is, Al X Ga Y In Z As described above, the optical gap of the light emitting layer can be changed by arbitrarily changing the mixing ratio of XYZ.
[0078]
For example, when an optical gap of GaN of 3.2 to 3.5 eV is used as a reference, by adding Al to this, it can be increased by about 6.5 eV, and can correspond to the ultraviolet region. Moreover, by adding In, it can be changed to about 1.9 eV, and can correspond to a visible region. The wavelength of the laser is about 200 nm in the case of Al nitrogen and about 350 nm in the case of Ga nitrogen.
[0079]
【The invention's effect】
Since the present invention has the above-described structure, a large area can be uniformly formed, and a low-cost and long-life laser light source can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of a laser thin film forming apparatus according to a first embodiment.
FIG. 2 is a perspective view showing a positional relationship between a line beam and a substrate in the laser thin film forming apparatus according to the first embodiment.
FIG. 3 is a plan view showing a positional relationship between a line beam and a substrate in the laser thin film forming apparatus according to the first embodiment.
FIG. 4 is a side view showing a positional relationship between a line beam and a substrate in the laser thin film forming apparatus according to the first embodiment.
5A is a perspective view showing a configuration of a fiber array light source, and FIG. 5B is a partially enlarged view of A. FIG.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a multimode optical fiber.
FIG. 7 is a plan view showing a configuration of a combined laser light source.
FIG. 8 is a plan view showing a configuration of a laser module.
9 is a side view showing the configuration of the laser module shown in FIG. 8. FIG.
10 is a partial side view showing the configuration of the laser module shown in FIG. 8. FIG.
FIG. 11 is an overall view of a laser thin film forming apparatus according to a second embodiment.
FIG. 12 is a perspective view showing a positional relationship between a line beam and a target.
FIG. 13 is an explanatory view of a conventional laser thin film forming apparatus.
[Explanation of symbols]
64 Laser module 66 Fiber array light source (laser light source)
68 Laser emitting unit 72 Chamber (reaction vessel)
96 Moving stage 104 Cylindrical lens (optical system)
106 Vacuum chamber (reaction vessel)
108 Si target (solid material)
110 Target support

Claims (5)

反応容器内へレーザビームを入射させ、反応容器内に供給された原料ガスを光分解し、薄膜を基板上に堆積させるレーザ薄膜形成装置において、
少なくとも1つの半導体レーザによって、複数の発光点が生じるように構成されたレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームを前記基板の幅方向へライン状に集光させる光学系と、
を有することを特徴とするレーザ薄膜形成装置。
In a laser thin film forming apparatus in which a laser beam is incident into a reaction vessel, a source gas supplied into the reaction vessel is photodecomposed, and a thin film is deposited on a substrate.
A laser light source configured to generate a plurality of light emitting points by at least one semiconductor laser;
An optical system for condensing the laser beam emitted from the laser light source in a line shape in the width direction of the substrate;
An apparatus for forming a laser thin film, comprising:
前記基板が載置され、該基板の幅方向と直交する方向へ移動可能な移動ステージを有することを特徴とする請求項1に記載のレーザ薄膜形成装置。2. The laser thin film forming apparatus according to claim 1, further comprising a moving stage on which the substrate is mounted and movable in a direction perpendicular to the width direction of the substrate. 反応容器内へレーザビームを入射させ、反応容器に収納された固体材料に照射することで固体材料を気化させ、薄膜を基板上に堆積させるレーザ薄膜形成装置において、
前記レーザビームが出射するレーザ出射部が前記固体材料の幅方向に沿ってライン状に配列されたレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームを前記固体材料の幅方向に亘ってライン状に集光させる光学系と、
を有することを特徴とするレーザ薄膜形成装置。
In a laser thin film forming apparatus in which a laser beam is incident into a reaction vessel and the solid material stored in the reaction vessel is irradiated to vaporize the solid material and deposit a thin film on the substrate.
A laser light source in which laser emitting portions from which the laser beam is emitted are arranged in a line along the width direction of the solid material;
An optical system for condensing the laser beam emitted from the laser light source in a line shape across the width direction of the solid material;
An apparatus for forming a laser thin film, comprising:
前記レーザ光源を、下記(1)〜(5)の何れか1つの光源で構成した請求項1から請求項3の何れかに記載のレーザ薄膜形成装置。
(1)複数の半導体レーザと、1本の光ファイバと、前記複数の半導体レーザの各々から出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えた合波レーザ光源。
(2)(1)の合波レーザ光源における前記半導体レーザを、複数の発光点を備えたマルチキャビティレーザで構成した合波レーザ光源。
(3)複数の発光点を備えたマルチキャビティレーザと、1本の光ファイバと、前記複数の発光点の各々から出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えた合波レーザ光源。
(4)前記合波レーザ光源を複数備え、該複数の合波レーザ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々がアレイ状に配列されたファイバアレイ光源、又はバンドル状に配列されたファイババンドル光源。
(5)単一の半導体レーザと、1本の光ファイバと、前記単一の半導体レーザから出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えたファイバ光源を複数備え、該複数のファイバ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々がアレイ状に配列されたファイバアレイ光源、又はバンドル状に配列されたファイババンドル光源。
The laser thin film forming apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the laser light source is configured by any one of the following light sources (1) to (5).
(1) Condensing optics for condensing a plurality of semiconductor lasers, one optical fiber, and a laser beam emitted from each of the plurality of semiconductor lasers, and coupling the condensed beam to an incident end of the optical fiber And a combined laser light source.
(2) A combined laser light source in which the semiconductor laser in the combined laser light source of (1) is constituted by a multi-cavity laser having a plurality of light emitting points.
(3) A multi-cavity laser having a plurality of light emitting points, a single optical fiber, and a laser beam emitted from each of the plurality of light emitting points are condensed, and the condensed beam is input to the incident end of the optical fiber. And a condensing optical system coupled to the optical system.
(4) A fiber array light source comprising a plurality of the combined laser light sources, each of the light emitting points at the emission end of the optical fiber of the plurality of combined laser light sources arranged in an array, or a fiber bundle arranged in a bundle light source.
(5) Condensing optics for condensing a single semiconductor laser, one optical fiber, and a laser beam emitted from the single semiconductor laser, and coupling the condensed beam to the incident end of the optical fiber And a fiber bundle light source in which each of the light emitting points at the emission ends of the optical fibers of the plurality of fiber light sources is arranged in an array, or a fiber bundle light source arranged in a bundle.
前記レーザ光源が、Al、Ga、Inの少なくとも1種類を含む発光層を有するIII族窒素系半導体レーザで構成されていることを特徴とする請求項1〜請求項4の何れかに記載のレーザ薄膜形成装置。The laser according to any one of claims 1 to 4, wherein the laser light source is composed of a group III nitrogen semiconductor laser having a light emitting layer containing at least one of Al, Ga, and In. Thin film forming equipment.
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