JP2005081420A - 薄膜形成及び除去装置、薄膜形成及び除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置構成の簡易化が可能であり、また薄膜除去時の不要な付着を抑制することの可能な薄膜形成及び除去装置、薄膜形成及び除去方法を提供する。
【解決手段】 少なくとも光源部２１と、成膜部２２と、薄膜除去部２３とを有し、光源部２１には、フェムト秒レーザを少なくとも有するレーザ光源系１を設け、レーザ光源系１からのレーザ光の照射により薄膜の局所的な成膜及び除去を行う構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、薄膜の局所的な成膜又は除去を行う薄膜形成及び除去装置、薄膜形成及び除去方法に関する。

従来、エキシマレーザ等の照射による薄膜を局所的に成膜又は除去するいわゆるレーザリペア技術が、各種半導体装置製造工程、例えばディスプレイの製造過程におけるマスクパターンの修正等に用いられている。このようなレーザ照射による局所成膜及び除去を行うレーザリペア装置は、それぞれ個別のレーザ光源系を用意して構成されていた。

薄膜除去に関しては、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ等のレーザを用い、除去する薄膜や基板の光吸収等の兼ね合いから照射可能な波長を見いだした上で、ＳＨＧ（２次高調波発生）、ＴＨＧ（３次高調波発生）等の高調波発生素子を併用したり、あるいは用途によって別の発振波長を有するレーザを使用したりすることで、最適な光源系を構成することが必要であった。例えばＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波、第２、第３高調波のそれぞれの波長は１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、２６６ｎｍとなる。

他方、特にレーザＣＶＤ（化学的気相成長）装置を使った薄膜形成では、光化学反応に必要な薄膜の主原料の光吸収波長に対し、それぞれ最適な中心波長を有する個別のレーザ装置を用いて行ってきたため、対象となる材料が変わる毎に、レーザ装置の変更を余儀なくされるとか、あるいは非常に広い波長可変レーザを利用する等の対策が必要であった。代表的なレーザ光源としては、エキシマレーザ（ＫｒＦレーザ（波長２４９ｎｍ）、ＡｒＦレーザ（波長１９３ｎｍ）等）等を用いてこれを実現してきた（例えば非特許文献１参照。）。

これらの結果、薄膜の除去又は成膜をするための装置としてのレーザリペア装置は、例えば図４又は図５にそれぞれ示すように、特定の薄膜の除去、あるいは特定の成膜といったように、用途を特化して構成する必要がある。

例えば薄膜除去装置としては、図４に示すように、レーザ光源系１から出射されたレーザ光は図示しないが適切な光学系を経て基板１４上の薄膜１５の所望する位置に対物レンズ７により集光される。このレーザ光の集光位置の除去部１６における薄膜が気化、蒸発して除去される。

また、薄膜を成膜する場合は例えば図５に示すように、レーザ光源系１からのレーザ光を、例えば所定の真空度に設定されたチャンバー１０内に配置された基板１１の表面に対物レンズ５により集光させる。このチャンバー１０には、成膜に必要な原料を供給する原料ガス供給部１２が設けられる。

このような装置を用いて、例えばＡｌ、Ｃｒ、Ｗ等の各種材料より成る薄膜の形成に使用する原料と、そのレーザＣＶＤに適用できるレーザ光源及びその波長を下記の表１に示す。

このように、薄膜の局部的成膜又は除去処理にあたっては、個別にレーザ光源を用意する必要があり、したがって個別に装置を導入する等の大掛かりな構成が必要であること、あるいはそれに伴い、非常に高コスト化を余儀なくされる、等の問題を抱えている。

これに加えて特に薄膜除去においては、基本的に液化、気化・蒸発の過程を経るため、溶け出した薄膜が周辺に飛び散るとか、あるいは“溶けかす”として基板表面に残るいわゆるデブリの発生等の問題があり、このようなデブリの発生を抑制し、より高い信頼性の確保が望まれてきた。

D.K.Flynn and J.I.Steinfeld,"Deposition of refractory metal films by rare-gas halide laser photodissociation of metal carbonyls",Journal Applied Physics, 59(11),1 June 1986,p.3914-p.3917

本発明は、上記の課題を鑑みて、装置構成の簡易化が可能であり、また薄膜除去時の不要な付着を抑制することの可能な薄膜形成及び除去装置、薄膜形成及び除去方法を提供する。

上記課題を解決するため、本発明による薄膜形成及び除去装置は、少なくとも光源部と、成膜部と、薄膜除去部とを有し、光源部には、フェムト秒レーザを少なくとも有するレーザ光源系を設け、レーザ光源系からのレーザ光の照射により薄膜の局所的な成膜及び除去を行う構成とする。

また本発明による薄膜形成及び除去方法は、少なくともフェムト秒レーザを有するレーザ光源系からのレーザ光照射により、薄膜の局所的な成膜及び除去を行う。

更に本発明は、上述の薄膜形成及び除去方法において、局所的な成膜を行う薄膜の主原料の光吸収波長をλａ、フェムト秒レーザの中心波長をλｆとするときに、
λａ〜λｆ／ｎ
（ｎ：２以上の整数）
とする。

上述したように、本発明においては、フェムト秒レーザ、すなわちパルス幅がフェムト秒オーダーとされるいわゆる超短パルスレーザをレーザ光源として用いるものであり、これにより、薄膜形成及び除去を単一の光源系による装置で実現するものである。このような構成とすることによって、薄膜形成及び除去装置をきわめて簡素かつ安価に構成することができる。

また本発明によれば、適切な集光光学系、フェムト秒レーザへの投入エネルギーの選定により、形成する薄膜の形状、形成範囲、また除去の場合は除去部の形状、除去範囲をそれぞれ自由に設定することが可能となる。

特に薄膜の局部的な除去にあたり、光源としてフェムト秒レーザを用いることにより、熱過程による液化、気化のプロセスを経ることなく、固体から直接気化・蒸発させるプロセスで除去することから、前述したいわゆるデブリの発生を抑制することができ、また焦点面付近でのみ除去させることができ、より微小な範囲の除去が可能となる。

またより局部的な薄膜除去が可能となることから、薄膜の形成された基板や周辺材料の光吸収波長を特に考慮することなく、除去することが可能となる。
更にまた、積層構造を有する薄膜に対して、他の部分に影響を及ぼすことなく、積層内部の特定の部分だけを除去することもできる。

更に本発明において、薄膜形成にあたり、その主原料の光吸収波長λａ及びフェムト秒レーザの中心波長λｆを上述の関係に選定することによって、フェムト秒レーザによる多光子過程を利用した光吸収反応を生じさせることが可能となり、薄膜材料毎に適切な吸収波長を有するレーザ光源を用意する必要がなく、装置構成の簡易化、小型化及びコストの低減化が可能となる。

上述したように本発明の薄膜形成及び除去装置、薄膜形成及び除去方法によれば、フェムト秒レーザを用いて局部的な成膜及び除去を行うことから、例えば光化学反応に必要な材料の光吸収波長に対応するレーザ光源を個別に用意する必要がなくなって、きわめて簡素な装置構成とすることができ、従って安価な装置構成が可能となる。またその薄膜除去過程は固体から直接気化・蒸発させる過程であることから、不要な付着物等いわゆるデブリの発生を抑制することができ、より精度のよい信頼性に優れた薄膜形成及び除去を行うことができる。

また本発明による薄膜形成及び除去装置において、そのレーザ光源系にフェムト秒レーザのパルス出力を増加させる再生増幅器を設ける構成とすることにより、高出力化を図り、より微細な範囲での薄膜形成又は除去、更に多光子吸収過程を利用可能とすることができる。

また本発明による薄膜形成及び除去装置において、少なくともフェムト秒レーザを、中心波長可変式とすることによって、異なる光吸収波長を有する多数の材料への適用が可能となり、更に多光子過程を利用することによって、各種薄膜材料への適用範囲を格段に広げることができる。

以下本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明するが、本発明は以下の例に限定されることなく、本発明構成を逸脱しない範囲で種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。

図１に、本発明による薄膜形成及び除去装置の基本例の模式的構成図を示す。図１に示すように、この装置は少なくとも光源部２１、成膜部２２及び薄膜除去部２３より構成する。そして光源部２１のレーザ光源系１は、フェムト秒レーザ、またはフェムト秒レーザ及び再生増幅器より構成する。上述したように本発明による薄膜形成及び除去装置では、このレーザ光源系１のみで薄膜の除去及び成膜のいずれの処理も行うことができる。

このレーザ光源系１から出射したビームは、レンズ２、ハーフミラー等より成る調整ミラー３、４又は３、４及び６を介してそれぞれ破線Ｌ０、Ｌ３で示すように集光光学系へ導かれ、対物レンズ５又は７により破線Ｌ１で示すように成膜部２２の基板１１上、又は破線Ｌ４で示すように薄膜除去部２３の基板１４上、ないしは基板上の薄膜中に合焦する。薄膜の除去または形成対象となる材料は、減圧が必要な場合はチャンバー内に設置する。図示の例では成膜部２２をチャンバー１０内に設置した例を示す。

また、レーザ光源系１とは別に照明光源系２４を設け、ここからの光を調整ミラー３、４又は３、４及び６を介して各試料すなわち基板１１、１４上に照射して、ここからの反射光をそれぞれ破線Ｌ２、Ｌ５で示すように第１ないしは第２の観察光学系により観察することにより、より精度良く薄膜形成領域、薄膜除去領域を選定して局部的な薄膜形成及び除去を行うことができる。

このように薄膜の除去又は形成において、その最適な環境が異なる場合は、それぞれに適した集光光学系を用いる試料台や、個別にチャンバー等を用意することが望ましい。例えば、除去の際は特にチャンバーは必要ない場合も多いが、レーザＣＶＤでの成膜の場合は、減圧し、かつ図１に示す例のように、原料供給のための原料ガス供給部１２を設ける必要があるため、それぞれ異なる試料環境を用意する方が望ましい。もちろん、減圧の必要性のない場合は、共通の観察光学系、集光光学系を用いることが可能なため、薄膜の除去および形成を、より簡素な光学系で実現できることは言うまでもない。

上述したように、薄膜の除去は、基本的にレーザアブレーションの原理に基づくものであるが、レーザ光源１としてフェムト秒レーザを用いていることで以下の利点を有する。

先ず、熱過程による液化、気化のプロセスを経ることなく、固体から直接気化・蒸発させるプロセスである。従って、適切な集光性能、投入エネルギーにより、いわゆるデブリと呼ばれる不要な付着物の発生を最小限に抑えることが可能である。

また、適切な集光性能、投入エネルギーと可動ステージ上に対象試料を設置することにより、除去の形状、範囲を、それぞれ自由に設定することが可能となる。
更にまた、適切な集光性能、投入エネルギーとすることで、焦点面付近でのみ、除去効果を起こすことが可能なため、基板や周辺材料の光吸収波長を特に考慮することなく、所定の薄膜のみを精度良く除去することができ、加工精度の向上を図ることができる。
従って、積層構造を有する薄膜に対して、他の部分に影響を及ぼすことなく、積層内部の特定の部分だけを除去することが可能となる。

他方、成膜は、光化学反応に基づくレーザＣＶＤを礎とするが、本発明においては光源としてフェムト秒レーザを用いていることで以下の利点を有する。
すなわち、光化学反応に必要な薄膜の主原料の光吸収波長に対し、個別のレーザ装置を用いるのではなく、多光子過程を用いることで、複数種類の薄膜形成を一つのフェムト秒レーザで実現可能である。

また適切な集光性能、投入エネルギーにより、形成する薄膜の形状、範囲を、それぞれ自由に設定することができる。
更に、用いる光源系、すなわちフェムト秒レーザの中心波長を可変式とし、再生増幅器を用いる場合はその中心波長も可変式のものとすることにより、より多くの薄膜材料への適用が可能となる。

次に、本発明による実施例について説明する。
以下の例では、Ｃｒ、Ａｌの各薄膜に対して行った除去の様子をＡＦＭ（Atomic Force Microscopy:原子間力顕微鏡）で観察した。この観察結果を図２及び図３に示す。これらの例では、レーザ光源１にチタンサファイアレーザを用いた。その主な仕様は、中心波長８００ｎｍ、パルス幅〜２００ｆｓ（２００×１０^-15 秒）、繰り返し周波数１００Ｈｚであり、同出射光を各試料へ集光させるための集光系の開口数ＮＡは０．６５とした。

また、入射パルスエネルギーは、厚さ２０ｎｍのＣｒ、厚さ１５ｎｍのＡｌの各薄膜に対して、それぞれ８．８ｎＪ／Ｐｕｌｓｅ、３ｎＪ／Ｐｕｌｓｅであった。同図からわかるように、デブリ等の問題もなく、非常に適切に除去できていることがわかる。なお、同図中の結果は、除去する薄膜を有する試料を電動ステージ上に設置し、２３０〜２５０μｍ／ｓの速度でスキャンして得た。図２及び図３において、横軸の単位はそれぞれ１目盛りが１μｍ、縦軸（厚さ方向）の単位は図２においては１目盛りが１０ｎｍ、図３においては１目盛りが２０ｎｍである。

これらの顕微鏡観察図から明らかなように、本発明による薄膜形成及び除去装置において、極めて精度良く局所的に薄膜の除去を行うことができることがわかる。

またこの装置において、チタンサファイアレーザをレーザ光源１として用いて、下記の表２に示す各種材料の薄膜形成を局部的に精度良く行うことができる。これらの成膜における光化学反応の多光子吸収過程によるフォトン数を下記表２内に示す。

このように、本発明によれば簡単な装置構成で各種材料よりなる薄膜の局部的な形成が可能となることがわかる。
これに対し、従来は前述の図５及び表１において説明したように、例えばＣｒの場合では、光源として波長２４９ｎｍのＫｒＦレーザ（エキシマレーザ/ナノ秒オーダーのパルスレーザ）、原料にＣｒ（ＣＯ）_６を用い、チャンバー内で気化させたＣｒ（ＣＯ）_６が、同チャンバー内に同時に設置した基板上で光化学反応させて成膜するが、光源にフェムト秒レーザを用いた場合は、上記表２にも示すように、薄膜除去を行った装置と同じ装置構成にて３フォトンの吸収過程で同様の局部的な成膜が可能となる。

また同様の原理で、上記表２に示したように多数の金属膜、絶縁膜等の形成が可能である。また、それぞれの原料の光吸収波長は、必ずしもフォトン数で除すことにより得られる波長（例えば中心波長８００ｎｍのチタンサファイアレーザなら、フォトン数ｎ＝１、２、３、４、．．．．に対して、８００ｎｍ、４００ｎｍ、２６６ｎｍ、２００ｎｍ、．．．．）とは一致しないが、一般には光吸収波長は幅を有しているため、これらのフォトン数で決まるとびとびの値近傍の光吸収波長を有していれば、上記のＣｒの例のように成膜することができる。

また、成膜したい材料によっては、先にアブレーションが生じるエネルギーに達してしまうこともあり得るため、その場合は、ＳＨＧ結晶を光源終端部に挿入することにより、より少ないフォトン数での多光子吸収を用いることで、このような課題を克服できる。

また、用いるフェムト秒レーザ光源によっては、波長可変のものもあるため、最適化は可能である。例えばスペクトラフィジックス社製の製品なら、中心波長を７５０ｎｍ〜９００ｎｍでチューニングすることができる。これにより、一つの装置構成においてより多くの材料の成膜が可能となる。

上述したように、本発明によれば薄膜の局部的な除去及び形成を一つの光学系で実現できるので、きわめて簡素かつ安価に装置を構成することが可能となる。
また薄膜除去に際し不要な付着物の発生を抑制することが可能であり、適切な集光性能、投入エネルギーの設定により、除去の形状及び範囲をそれぞれ自由に設定することができる。

更に適切な集光性能、投入エネルギーとすることで、焦点面付近でのみ精度良く除去することができて、基板や周辺材料の光吸収波長を特に考慮することなく、所定の薄膜のみの除去が可能であり、また積層構造を有する薄膜に対して、他の部分に影響を及ぼすことなく、積層内部の特定の部分だけを除去することができる。

また薄膜形成において、光化学反応に必要な薄膜の主原料の光吸収波長に対し、個別のレーザ装置を用いるのではなく、多光子過程を用いるため、複数種類の薄膜形成を一つのフェムト秒レーザ光源を用いて実現でき、更に適切な集光性能、投入エネルギーとすることにより、形成する薄膜の形状、範囲を、それぞれ自由に設定できかつ精度良く形成することができる。

更に本発明において、用いる光源系、特に少なくともフェムト秒レーザの中心波長、再生増幅器はその中心波長も可変式のものとすることにより、より多くの薄膜材料への適用が可能となる。

本発明による薄膜形成及び除去装置の一例の模式的構成図である。 本発明による一実施例の顕微鏡観察図である。 本発明による一実施例の顕微鏡観察図である。 従来の薄膜除去装置の一例の模式的構成図である。 従来の薄膜形成装置の一例の模式的構成図である。

符号の説明

１ レーザ光源系
２ レンズ
３ 調整ミラー
４ 調整ミラー
５ 対物レンズ
６ 調整ミラー
７ 対物レンズ
８ レンズ
１０ チャンバー
１１ 基板
１２ 原料ガス供給部
１３ 析出部
１４ 基板
１５ 薄膜
１６ 除去部
２１ 光源部
２２ 成膜部
２３ 薄膜除去部
２４ 照明光源系
２５ 第１の観察光学系
２６ 第２の観察光学系

Claims (8)

1. 少なくとも光源部と、成膜部と、薄膜除去部とを有し、
   上記光源部には、フェムト秒レーザを少なくとも有するレーザ光源系が設けられ、
   上記レーザ光源系からのレーザ光の照射により薄膜の局所的な成膜及び除去がなされる
   ことを特徴とする薄膜形成及び除去装置。
2. 上記レーザ光源系に、上記フェムト秒レーザのパルス出力を増加させる再生増幅器が設けられて成る
   ことを特徴とする請求項１記載の薄膜形成及び除去装置。
3. 少なくとも上記フェムト秒レーザが、中心波長可変式とされる
   ことを特徴とする請求項１記載の薄膜形成及び除去装置。
4. 少なくとも上記フェムト秒レーザが、中心波長可変式とされる
   ことを特徴とする請求項２記載の薄膜形成及び除去装置。
5. 少なくともフェムト秒レーザを有するレーザ光源系からのレーザ光照射により、薄膜の局所的な成膜及び除去を行う
   ことを特徴とする薄膜形成及び除去方法。
6. 上記局所的な成膜を行う薄膜の主原料の光吸収波長をλａ、上記フェムト秒レーザの中心波長をλｆとすると、
   λａ〜λｆ／ｎ
   （ｎ：２以上の整数）
   とする
   ことを特徴とする請求項５記載の薄膜形成及び除去方法。
7. 上記フェムト秒レーザを、中心波長可変式とする
   ことを特徴とする請求項５記載の薄膜形成及び除去方法。
8. 上記フェムト秒レーザを、中心波長可変式とする
   ことを特徴とする請求項５記載の薄膜形成及び除去方法。