JP2010189696A

JP2010189696A - 薄膜の製造方法および薄膜の製造装置

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Publication number: JP2010189696A
Application number: JP2009034276A
Authority: JP
Inventors: Tatsuoki Nagaishi; 竜起永石; Yuki Shinkai; 優樹新海
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2010-09-02

Abstract

【課題】成膜速度を向上させることが可能な薄膜の製造方法および薄膜の製造装置を提供する。
【解決手段】薄膜の製造方法は、基材上に原料粉末を供給する工程（Ｓ１０）と、原料粉末に対してパルスレーザを照射して原料粉末を昇華させる工程（Ｓ３０）と、昇華した原料粉末を構成する材料を、基材に対向して配置された基板上に堆積させる工程（Ｓ４０）とを備えている。このとき、基材において原料粉末を載置する表面は、原料粉末と同一材料からなっていることが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は薄膜の製造方法および薄膜の製造装置に関し、より特定的には、成膜速度の向上を達成することが可能な薄膜の製造方法および薄膜の製造装置に関するものである。

超電導薄膜などの薄膜材料を製造する方法として、チャンバー内に配置されたターゲットに対してパルスレーザを照射し、昇華した材料を基板上に堆積させるパルスレーザ蒸着法（ＰｕｌｓｅｄＬａｓｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＰＬＤ法）が知られている。このＰＬＤ法は、ターゲットの組成に近い組成の薄膜を堆積させることができる等の利点を有している。そして、このＰＬＤ法のターゲットとしては、焼結体からなるものが採用される（たとえば、非特許文献１および２参照）。

Ｏｋａｄａ，ｅｔａｌ．、Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｆｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｌａｓｅｒａｂｌａｔｉｏｎｏｎａｓｕｂｓｔｒａｔｅｂｙｌａｓｅｒｉｎｄｕｃｅｄｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６１（１９）、Ｎｏｖｅｍｂｅｒ９，１９９２、ｐ２３６８−２３７０永石竜起、糸崎秀夫、「エキシマレーザー蒸着法による高温超電導薄膜」、レーザー研究、社団法人レーザー学会、平成４年５月、第２０巻、第５号、ｐ４３−５０

しかしながら、従来の焼結体からなるターゲットを使用した場合、ＰＬＤ法による薄膜の成膜速度は十分速いとはいえない。特に、近年要求されている大面積の薄膜を製造する場合、より高い成膜速度が要求される。

そこで、本発明の目的は、成膜速度を向上させた薄膜の製造方法および薄膜の製造装置を提供することである。

本発明に従った薄膜の製造方法は、基材上に粉末を供給する工程と、粉末に対してパルスレーザを照射して粉末を昇華させる工程と、昇華した粉末を構成する材料を、基材に対向して配置された基板上に堆積させる工程とを備えている。

本発明者は、薄膜の製造において成膜速度を向上させる方策について詳細な検討を行なった。その結果、従来の焼結体をターゲットに採用したＰＬＤ法では、レーザが照射される領域におけるターゲットの表面積が不十分であること、およびレーザの照射を継続するとターゲットの表面が荒れ、プルームが所望の方向に形成されなくなることに起因して、成膜速度が向上しないことが明らかとなった。そして、ターゲットとして粉末を採用することにより、ターゲットの表面積を大きくするとともに、レーザの照射を継続してもプルームの形成方向を所望の方向に維持できることを見出した。

本発明の薄膜の製造方法においては、基材上に供給された粉末に対してパルスレーザが照射され、昇華した粉末を構成する材料が基板上に堆積する。すなわち、ターゲットとして粉末が採用される。その結果、本発明の薄膜の製造方法によれば、成膜速度を向上させることができる。なお、プルームの形成方向をより確実に所望の方向に維持するためには、基材上に供給される粉末の量は、パルスレーザにより昇華する粉末の量よりも多い量、たとえば昇華する粉末の量に対して５０％〜１００％程度多い量になるように調整されることが望ましい。

上記薄膜の製造方法において好ましくは、基材において粉末を載置する表面は、粉末と同一材料からなっている。これにより、パルスレーザが基材に直接照射された場合でも、昇華する物質は粉末が昇華したものと同じであるため、製造される薄膜に不純物が侵入することを抑制することができる。ここで、基材は粉末と同一組成であればよく、焼結体、溶融体、単結晶など種々の形態を採用することができる。また、基材全体が粉末と同一材料であってもよいし、基材の表面を含む領域に、粉末と同一材料からなる層が形成された基材を採用してもよい。

上記薄膜の製造方法において好ましくは、粉末を昇華させる工程では、基材上に供給された粉末が、パルスレーザが照射される領域に順次進入するように基材が運動する。

これにより、パルスレーザが照射される領域に順次新たな粉末が供給されるため、安定して薄膜の製造を継続することができる。

上記薄膜の製造方法において好ましくは、パルスレーザが照射された後、基材上に残存する粉末が基材から除去される工程をさらに備えている。

これにより、パルスレーザの照射による影響を受けた粉末が基材から除去されるため、当該粉末に再度パルスレーザが照射されることがなくなり、安定して薄膜の製造を継続することができる。

上記薄膜の製造方法において好ましくは、粉末を昇華させる工程よりも前に、基材上に供給された粉末を平坦化する工程をさらに備えている。

これにより、表面が平坦化された粉末にパルスレーザが照射されるため、形成されるプルームの状態が安定し、安定した薄膜の製造を達成することができる。

上記薄膜の製造方法において好ましくは、粉末を昇華させる工程では、０．５ｍｍ以下の厚みで堆積した粉末に対してパルスレーザが照射される。

本発明者による検討の結果、０．５ｍｍを超える厚みで堆積した粉末に対してパルスレーザを照射すると、粉末の昇華方向（プルームの延びる方向）の安定性が低下することが分かった。しがたって、０．５ｍｍ以下の厚みで堆積した粉末に対してパルスレーザを照射することにより、粉末の昇華方向が安定し、安定した薄膜の製造を実現することができる。

本発明に従った薄膜の製造装置は、パルスレーザを照射する光源と、光源に対向するように基材を保持する基材保持部と、基材上に粉末を供給する粉末供給部と、基材に対向するように基板を保持する基板保持部とを備えている。

本発明の薄膜の製造装置においては、基材上に供給された粉末に対してパルスレーザを照射し、昇華した粉末を構成する材料を基板上に堆積させることができる。すなわち、ターゲットとして粉末を採用することができる。その結果、本発明の薄膜の製造装置によれば、成膜速度を向上させることができる。

上記薄膜の製造装置において好ましくは、基材保持部は、基材上に供給された粉末が、パルスレーザが照射される領域に順次進入するように基材を運動させる。

上記薄膜の製造装置において好ましくは、パルスレーザの照射後に基材上に残存する粉末を、基材から除去する粉末除去部材をさらに備えている。

上記薄膜の製造装置において好ましくは、パルスレーザが粉末に照射される前に、基材上に供給された粉末を平坦化する粉末平坦化部材をさらに備えている。

以上の説明から明らかなように、本発明の薄膜の製造方法および薄膜の製造装置によれば、成膜速度を向上させた薄膜の製造方法および薄膜の製造装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態における薄膜の製造装置の構成を示す概略図である。本発明の一実施の形態における薄膜の製造方法の概略を示すフローチャートである。ターゲットとして粉末を採用した場合におけるプルームの写真である。ターゲットとして焼結体を採用した場合におけるプルームの写真である。本発明の製造方法により作製された薄膜の表面のＳＥＭ写真である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

まず、本発明の一実施の形態における薄膜の製造装置について説明する。本実施の形態における薄膜製造装置１は、パルスレーザを照射する光源１０と、光源１０に対向するように基材２１を保持する基材保持部２０と、基材２１上に原料粉末３１を供給する粉末供給部３０と、基材２１に対向するように基板４１を保持する基板保持部４０とを備えている。

基材保持部２０は、円盤状の形状を有し、矢印αに沿って中心軸周りに回転可能に構成されている。一方、基材２１も円盤状の形状を有しており、その中心軸が基材保持部２０の中心軸に一致するように基材保持部２０の主面上に保持されている。そのため、基材２１は、基材保持部２０の回転に伴い、矢印αに沿って回転する。一方、光源１０は、矢印βの方向に沿って基材２１上の原料粉末３１に向けてパルスレーザを照射することができる。これにより、粉末供給部３０から基材２１上に供給された原料粉末３１は、パルスレーザの照射方向に交差する方向に移動する。その結果、基材２１上に供給された原料粉末３１は、パルスレーザが照射される領域に順次進入する。

また、粉末供給部３０は、原料粉末３１を保持するともに、供給口３０Ａから原料粉末３１を基材２１上に供給する機能を有している。

さらに、薄膜製造装置１は、パルスレーザが原料粉末３１に照射される前に、基材２１上に供給された原料粉末３１を平坦化する粉末平坦化部材７０と、パルスレーザの照射後に基材２１上に残存する原料粉末３１を、基材２１から除去する粉末除去部材５０とを備えている。粉末平坦化部材７０は、原料粉末３１に接触することにより原料粉末を平坦化する平面である接触平面７１を有している。また、粉末除去部材５０は、基材２１に接触して配置され、パルスレーザの照射後に基材２１上に残存する原料粉末３１を基材２１から除去する粉末除去部５１と、粉末除去部５１に接続され、基材２１から除去された原料粉末３１を通過させて搬送する粉末搬送部５２とを有している。そして、粉末搬送部５２は、搬送された原料粉末３１を貯留する貯留部材６０に接続されている。

なお、上記粉末除去部材５０、貯留部材６０および粉末平坦化部材７０は、本発明の薄膜の製造装置において必須の構成ではないが、本実施の形態のようにこれらを備えることにより、以下に説明するように、安定して薄膜の製造を継続するとともに余剰の原料粉末３１を再利用することができる。また、基材保持部２０が中心軸周りに回転可能であることは、本発明の薄膜の製造装置において必須の構成ではないが、本実施の形態のように回転可能であることにより、以下に説明するように、安定して薄膜の製造を継続することができる。

次に、図１および図２を参照して、上記薄膜製造装置１を用いて実施される本発明に従った薄膜の製造方法の一例を説明する。ここでは、酸化物高温超電導体であるＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘからなる薄膜の製造方法について説明する。本実施の形態における薄膜の製造方法では、まず工程（Ｓ１０）として粉末供給工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、図１を参照して、ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘからなる原料粉末３１Ａが、粉末供給部３０の供給口３０Ａから、矢印γに沿って基材２１の一方の主面２１Ａ上に供給される。このとき、基材保持部２０を矢印αに沿って回転させる。これにより、基材２１も矢印αに沿って回転する。そのため、基材２１の一方の主面２１Ａ上に供給された原料粉末３１Ａは、基材２１の周方向に沿った円弧状の軌道上を移動する。

次に、工程（Ｓ２０）として粉末平坦化工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、基材２１の回転により移動する原料粉末３１Ａに対して、粉末平坦化部材７０の接触平面７１を接触させることにより、原料粉末３１Ａを平坦化させる。ここで、平坦化とは、原料粉末３１の表面の凹凸を減少させることを意味する。また、このとき、基材２１上に堆積する原料粉末３１の厚みが均一化されることが好ましい。

次に、工程（Ｓ３０）としてレーザ照射工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）において表面が平坦化された原料粉末３１Ｂに対して光源１０からパルスレーザが照射される。これにより、原料粉末３１Ｂが昇華してプルーム３２が形成される。なお、パルスレーザは、原料粉末３１Ｂに対して走査するように照射されることが好ましい。これにより、供給された原料粉末３１Ｂを効率よく昇華させることができる。

次に、工程（Ｓ４０）として堆積工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、工程（Ｓ３０）において昇華した原料粉末３１Ｂを構成するＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘが、基板４１において基材２１に対向する主面４１Ａ上に堆積する。その結果、基板４１上にＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘからなる薄膜が形成される。

次に、工程（Ｓ５０）として粉末除去工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、パルスレーザが照射された後、基材２１上に残存する原料粉末３１Ｃが基材２１から除去される。具体的には、パルスレーザが照射された原料粉末３１Ｃは、基材２１の回転に伴って移動し、粉末除去部材５０の粉末除去部５１によって基材２１から除去される。そして、この原料粉末３１Ｃは、粉末搬送部５２を通って貯留部材６０に到達し、貯留される。貯留部材６０に貯留された原料粉末３１Ｃは、必要に応じて再生処理などを経て、再度原料粉末３１Ａとして使用することができる。

上記本実施の形態における薄膜（超電導薄膜）の製造方法においては、原料粉末３１Ｂに対してパルスレーザが照射され、昇華した原料粉末３１Ｂを構成する材料（ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘ）が基板４１上に堆積する。すなわち、ターゲットとしてＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘの粉末が採用されている。その結果、本実施の形態における超電導薄膜の製造方法においては、成膜速度が向上している。

なお、上記実施の形態においては、基材２１において原料粉末３１を載置する一方の主面２１Ａは、原料粉末３１と同一材料からなっていることが好ましい。より具体的には、基材２１は、たとえばＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘの焼結体からなっていることが好ましい。これにより、パルスレーザが基材２１に直接照射され、基材２１が昇華した場合でも、製造される薄膜に不純物が侵入することを抑制することができる。

また、上記実施の形態においては、工程（Ｓ３０）において、基材２１が回転することにより、原料粉末３１Ｂがパルスレーザの照射方向に交差する方向に移動している。このような手順は、本発明の薄膜の製造方法において必須ではないが、このような手順を採用することにより、パルスレーザが照射される領域に順次新たな原料粉末３１Ｂが供給されるため、安定して薄膜の製造を継続することが可能となっている。

さらに、上記実施の形態においては、パルスレーザが照射された後、基材２１上に残存する原料粉末３１Ｃが基材２１から除去される工程（Ｓ５０）が実施されている。この工程（Ｓ５０）は、本発明の薄膜の製造方法において必須ではないが、この工程（Ｓ５０）を実施することにより、パルスレーザの照射により表面の凹凸が大きくなった原料粉末３１Ｃが基材２１から除去されるため、当該原料粉末３１Ｃに再度パルスレーザが照射されることがなくなり、安定して超電導薄膜の製造を継続することができる。

また、工程（Ｓ２０）も本発明の薄膜の製造方法において必須ではないが、この工程（Ｓ２０）を実施することにより、表面が平坦化された原料粉末３１Ｂにパルスレーザが照射されるため、形成されるプルームの状態が安定し、安定した超電導薄膜の製造を達成することができる。

さらに、本実施の形態においては、工程（Ｓ３０）では、０．５ｍｍ以下の厚みで堆積した原料粉末３１Ｂに対してパルスレーザが照射されることが好ましい。これにより、原料粉末３１Ｂの昇華方向が安定し、安定した超電導薄膜の製造を実現することができる。

なお、本発明において、パルスレーザとしては種々の波長のものを採用することができるが、原料粉末を効率よく昇華させる観点から、波長４００ｎｍ以下のパルスレーザが採用されることが好ましい。また、本願明細書、特許請求の範囲および要約書において粉末とは、粒径１００μｍ以下の粒子の集合を意味している。

また、上記実施の形態においては、超電導薄膜を製造する場合について説明したが、本発明の薄膜の製造方法および薄膜の製造装置はこれに限られず、種々の材料からなる薄膜の製造方法および製造装置に適用することができる。

以下、本発明の実施例１について説明する。本発明の薄膜の製造方法を用いて超電導薄膜を実際に製造し、その表面状態を確認する実験を行なった。実験の手順は以下のとおりである。

まず、原料粉末としてＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘの粉末を準備し、これにレーザを照射することにより、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、厚み１ｍｍのＳｒＴｉＯ_３からなる基板の主面（（１００）面）に薄膜を形成した。ここで、基板温度は７００℃、レーザのエネルギー密度は２Ｊ／ｃｍ^２、レーザの照射面積は短辺が２ｍｍ、長辺が４ｍｍの長方形形状、成膜時間は４分２１秒、膜厚は１３９ｎｍ、基板と原料粉末（ターゲット）との距離は９０ｍｍとした（実施例）。

一方、比較のため、ＨｏＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘの焼結体からなるターゲットを準備し、上記ＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘの粉末の場合と同様の条件で薄膜を形成した。なお、膜厚は１１１ｎｍとした（比較例）。

次に、実験の結果について説明する。図３および図４は、それぞれ実施例および比較例の成膜におけるプルームの写真である。これらの写真から、粉末のターゲットを採用した場合でも、従来の焼結体からなるターゲットを採用した場合と遜色ないプルームが得られていることが確認された。

また、図５のＳＥＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；走査型電子顕微鏡）写真に示すように、実施例の薄膜の表面にはドメインが明瞭に観察され、ｃ軸配向が達成されていることが分かる。このような薄膜の状態を考慮すると、実施例の薄膜は、臨界温度Ｔ_ｃが９０Ｋ程度の良好な特性を有しているものと推定される。

以上の実験結果から、ターゲットに粉末を採用する本発明の薄膜の製造方法を用いて成膜速度を向上させた場合でも、良好な特性を有する薄膜を製造可能であることが確認された。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の薄膜の製造方法および薄膜の製造装置は、成膜速度の向上が求められる薄膜の製造方法および薄膜の製造装置に、特に有利に適用され得る。

１薄膜製造装置、１０光源、２０基材保持部、２１基材、２１Ａ一方の主面、３０粉末供給部、３０Ａ供給口、３１，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ原料粉末、３２プルーム、４０基板保持部、４１基板、４１Ａ主面、５０粉末除去部材、５１粉末除去部、５２粉末搬送部、６０貯留部材、７０粉末平坦化部材、７１接触平面。

Claims

基材上に粉末を供給する工程と、
前記粉末に対してパルスレーザを照射して前記粉末を昇華させる工程と、
昇華した前記粉末を構成する材料を、前記基材に対向して配置された基板上に堆積させる工程とを備えた、薄膜の製造方法。
前記基材において前記粉末を載置する表面は、前記粉末と同一材料からなっている、請求項１に記載の薄膜の製造方法。
前記粉末を昇華させる工程では、前記基材上に供給された前記粉末が、前記パルスレーザが照射される領域に順次進入するように前記基材が運動する、請求項１または２に記載の薄膜の製造方法。
前記パルスレーザが照射された後、前記基材上に残存する前記粉末が前記基材から除去される工程をさらに備えた、請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜の製造方法。
前記粉末を昇華させる工程よりも前に、前記基材上に供給された前記粉末を平坦化する工程をさらに備えた、請求項１〜４のいずれか１項に記載の薄膜の製造方法。
前記粉末を昇華させる工程では、０．５ｍｍ以下の厚みで堆積した前記粉末に対して前記パルスレーザが照射される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の薄膜の製造方法。
パルスレーザを照射する光源と、
前記光源に対向するように基材を保持する基材保持部と、
前記基材上に粉末を供給する粉末供給部と、
前記基材に対向するように基板を保持する基板保持部とを備えた、薄膜の製造装置。
前記基材保持部は、前記基材上に供給された前記粉末が、前記パルスレーザが照射される領域に順次進入するように前記基材を運動させる、請求項７に記載の薄膜の製造装置。
前記パルスレーザの照射後に前記基材上に残存する前記粉末を、前記基材から除去する粉末除去部材をさらに備えた、請求項７または８に記載の薄膜の製造装置。
前記パルスレーザが前記粉末に照射される前に、前記基材上に供給された前記粉末を平坦化する粉末平坦化部材をさらに備えた、請求項７〜９のいずれか１項に記載の薄膜の製造装置。