JP3465041B2 - YAG fifth harmonic pulse laser vapor deposition method and apparatus - Google Patents

YAG fifth harmonic pulse laser vapor deposition method and apparatus

Info

Publication number
JP3465041B2
JP3465041B2 JP34166199A JP34166199A JP3465041B2 JP 3465041 B2 JP3465041 B2 JP 3465041B2 JP 34166199 A JP34166199 A JP 34166199A JP 34166199 A JP34166199 A JP 34166199A JP 3465041 B2 JP3465041 B2 JP 3465041B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
harmonic
target
thin film
laser
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP34166199A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2001158957A (en
Inventor
八三 武藤
毅 楠森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST filed Critical National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority to JP34166199A priority Critical patent/JP3465041B2/en
Publication of JP2001158957A publication Critical patent/JP2001158957A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3465041B2 publication Critical patent/JP3465041B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ナノメータ次元の
平滑度と厚さを持つ高品質のエピタキシャル(単結晶)
薄膜および積層薄膜を作製する方法およびその装置に関
するものであり、さらに詳しくは、半導体、超伝導体、
磁性体、誘電体、常伝導体、絶縁体、などのセラミック
ス、金属酸化物系、金属系や、無機および有機化合物系
の電子・磁気・光学材料および強度や保護材料のエピタ
キシャル(単結晶)薄膜、結晶性薄膜、非晶性薄膜とそ
れらの積層薄膜や人工格子および電子・磁気薄膜素子お
よび強化薄膜や保護薄膜を作製する方法と装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-quality epitaxial (single crystal) having a nanometer-dimensional smoothness and thickness.
The present invention relates to a method for producing a thin film and a laminated thin film and an apparatus therefor, more specifically, a semiconductor, a superconductor,
Epitaxial (single crystal) thin films of ceramics such as magnetic materials, dielectrics, normal conductors, and insulators, metal oxides, metal-based, inorganic and organic compound-based electronic / magnetic / optical materials, and strength / protective materials The present invention relates to a method and an apparatus for producing a crystalline thin film, an amorphous thin film, a laminated thin film thereof, an artificial lattice, an electronic / magnetic thin film element, a reinforced thin film and a protective thin film.

【0002】[0002]

【従来の技術】諸材料の薄膜作製法として、パルスレー
ザ蒸着法、スパッター法、Kセルや電子ビームを使った
加熱蒸着法、プラズマCVD法などがある。そのうち、
パルスレーザ蒸着法は、無機、有機の両材料に適用で
き、酸素圧下でもその成膜が可能であり、膜中の構成元
素の組成比を精密に制御し易く、成膜速度が速いなどの
特長を有する。そのために、複雑な元素構成比からなる
銅酸化物系の高温超伝導体やマンガン系酸化物の巨大磁
気抵抗物質のような強電子相関系の金属酸化物や化合物
などの素子作製のための成膜方法として適している。し
かし、レーザ蒸着法には表面粒子が生成し易いという欠
点があり、解決すべき最大の課題となっている。
2. Description of the Related Art As a thin film forming method for various materials, there are a pulse laser vapor deposition method, a sputtering method, a heating vapor deposition method using a K cell or an electron beam, a plasma CVD method and the like. Of which
The pulsed laser deposition method can be applied to both inorganic and organic materials, and its film formation is possible even under oxygen pressure. It is easy to precisely control the composition ratio of the constituent elements in the film, and the film formation rate is fast. Have. For that purpose, it is necessary to prepare devices for the production of strong electron-correlation-type metal oxides and compounds such as copper oxide-based high-temperature superconductors with complex element composition ratios and manganese-based oxide giant magnetoresistive substances. Suitable as a membrane method. However, the laser vapor deposition method has a drawback in that surface particles are easily generated, which is the biggest problem to be solved.

【0003】また、高温超伝導体の電界効果トランジス
ターなどの3端子素子やジョセフソン結合素子、セラミ
ックス系巨大磁気抵抗物質のスピンバルブ磁気ヘッドや
トンネルトランジスターのような次世代の電子・磁気薄
膜素子の開発を行うには、ナノメータ次元の平滑度と厚
さを持つ高品質のエピタキシャル(単結晶)薄膜の作製
と薄膜の積層化とを達成する必要がある。しかし、従来
のいずれの方法でも、表面粒子の析出などにより、その
ような高品質の単結晶薄膜と積層薄膜はできていないの
で、産業での利用にまで至っていない。
In addition, three-terminal devices such as high-temperature superconductor field effect transistors, Josephson coupling devices, next-generation electronic and magnetic thin film devices such as spin valve magnetic heads of ceramic giant magnetoresistive materials and tunnel transistors. For development, it is necessary to achieve the production of high-quality epitaxial (single crystal) thin film having nanometer-dimensional smoothness and thickness, and stacking of the thin films. However, none of the conventional methods has been able to produce such high-quality single crystal thin films and laminated thin films due to the precipitation of surface particles, etc., so that they have not yet been used in industry.

【0004】パルスレーザ蒸着法では、短波長のレーザ
光を使うほど良質の膜が作製できると期待されることか
ら、波長193nmのフッ化アルゴン(ArF)や24
9nmのフッ化クリプトン(KrF)などの紫外線エキ
シマーガスレーザが主に用いられ研究されているが、ま
だ表面粒子を完全には抑制するに至っていない。Nd:
YAGなどの固体レーザは基本波(1064nm)、第
2高調波(532nm)、第3高調波(355nm)、
第4高調波(266nm)と倍波発生用の非線形結晶を
使って波長を変えることができる。従来の第3高調波ま
でを使った場合は、表面粒子が多くて良質の結晶薄膜は
作製されていなかった。
In the pulsed laser deposition method, it is expected that a better quality film can be produced by using a laser beam having a shorter wavelength. Therefore, argon fluoride (ArF) or 24 having a wavelength of 193 nm is used.
Ultraviolet excimer gas lasers such as 9 nm krypton fluoride (KrF) have been mainly used and studied, but have not yet completely suppressed surface particles. Nd:
A solid-state laser such as YAG has a fundamental wave (1064 nm), a second harmonic (532 nm), a third harmonic (355 nm),
The wavelength can be changed using a nonlinear crystal for generating the fourth harmonic (266 nm) and a harmonic. When using up to the third harmonic of the related art, many surface particles were used and a good quality crystal thin film was not produced.

【0005】本発明者らは、Nd:YAG第4高調波を
使ったレーザ蒸着法によりNdBa2 Cu3 OyやYB
2 Cu3 Oy高温超伝導体およびLa1-x Pbx Mn
3 磁性体の薄膜作製の研究を行い、表面粒子生成を大
幅に抑制したが、これは、以下の理由によると本発明者
らは認定するに至った。即ち、レーザ蒸着ではターゲッ
ト物質を強いパルス光で分解しそれらを一定温度に制御
した基板上へ衝突させてその物質の結晶格子を再構築す
るが、その分解においては光分解と熱分解の二つが関与
する。良質の膜の作製には、1)できる限り高い光量子
エネルギー(従って、短波長)を持つレーザ光を使っ
て、ターゲット物質を一旦、原子、イオンや小さいクラ
スターなどのできる限り微粒子まで分解することが必要
であり、他方、2)物質に吸収された光が熱に緩和変換
されその局所熱によって起こる物質の熱分解では大きな
粒子が飛び出し、それが基板上で平滑な薄膜の成長の妨
げとなるので、それを避けるためには、狭いパルス幅の
レーザを用いる必要がある。本発明者らの研究ではレー
ザ光を第3から第4高調波へと短波長光に変えたこと
と、YAG固体レーザはエキシマーガスレーザよりパル
ス幅が狭い(1/3−1/5)のでアブレーション時の
熱分解の寄与が軽減化されることなどが有利に働いた結
果、表面粒子の低減化ができたものであり、より短波長
のYAGなどの固体レーザの第5高調波を成膜法に必要
な高出力で発生できれば、表面粒子の発生を落とし高品
質の単結晶薄膜の作製が可能となるものと認定するに至
った。
The present inventors have determined that the Nd: YAG fourth harmonic
Depending on the laser deposition method used, NdBa2 Cu3 Oy and YB
a2Cu3 Oy high temperature superconductor and La1-x Pbx Mn
O3 Conducted research on thin film formation of magnetic material and greatly created surface particles
Although the width is suppressed, this is due to the following reasons.
Have come to be certified. That is, in laser vapor deposition, the target
Decomposes materials with intense pulsed light and controls them to a constant temperature
To reconstruct the crystal lattice of the material by colliding it with the substrate
However, two of photolysis and thermal decomposition are involved in the decomposition.
To do. 1) Highest possible photon for the production of good quality films
Use laser light with energy (hence short wavelength)
The target material once, atoms, ions or small
It is necessary to decompose as much as possible into fine particles such as stars
On the other hand, 2) the light absorbed by the substance is converted into heat.
And the thermal decomposition of the substance caused by the local heat is large
The particles pop out, which prevents the growth of smooth thin films on the substrate.
To avoid this, a narrow pulse width
It is necessary to use a laser. Our research shows that
The light was changed from 3rd to 4th harmonic to short wavelength light
And YAG solid-state laser is more efficient than excimer gas laser.
The width of the space is narrow (1 / 3-1 / 5)
As a result, the contribution of thermal decomposition was reduced.
As a result, the number of surface particles has been reduced, and shorter wavelengths have been achieved.
The fifth harmonic of solid-state laser such as YAG is required for the film formation method
If it can be generated at a very high output, it will reduce the generation of surface particles
Acknowledged that it is possible to produce high quality single crystal thin film
It was.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】電子・磁気素子の開発
に向けて表面粒子の発生を抑制し、ナノメータ次元の平
滑度を有する高品質の結晶薄膜と積層薄膜などの作製を
可能するには、パルス幅が狭く、できる限り短波長の紫
外線や真空紫外線域のレーザ光を発振でき、かつ簡便、
安全で、ランニングコストが低いなどの産業技術上の諸
条件を満たす方法と装置が必要となる。また、無機材料
をパルスレーザ法で蒸発させて高品質の薄膜を作るに
は、通常、数十mJ/パルス、最低でも約10mJ/パ
ルス程の出力エネルギーと、数ナノ秒ほどの短いパルス
幅と、を持つパルスレーザ光の連続的かつ安定な発振が
要求される。エキシマーレーザはArFレーザのように
短波長(発振周波数193nm)のものもあるが、これ
らレーザはパルス幅が長く(十数ナノ秒)、また、フッ
素や塩素という毒性・浸食性のハロゲンガスとアルゴン
やキセノンなどの高価な超高純度希ガスを使うので、安
価、安全、コストなどの産業技術上の問題がある。ま
た、最も短波長のArFレーザでは、特に浸食性が高い
ので、レーザ出力が時間と共に大きく低下する問題があ
る。そこで、毒性・浸食性のハロゲンガスを使わないな
ど、これら産業技術上の問題がなく、短波長と短パルス
幅を持った安定なパルスレーザ光源とそれを用いたレー
ザ蒸着による薄膜や積層薄膜の作製方法と装置が必要と
なる。
In order to suppress the generation of surface particles for the development of electronic and magnetic devices and to manufacture high quality crystalline thin films and laminated thin films having a nanometer-dimensional smoothness, With a narrow pulse width, it can oscillate laser light in the shortest possible wavelength of ultraviolet light and vacuum ultraviolet light, and it is simple and
There is a need for a method and a device that meet various industrial technical requirements such as safety and low running cost. Further, in order to vaporize an inorganic material by a pulse laser method to form a high quality thin film, usually, an output energy of several tens mJ / pulse, at least about 10 mJ / pulse, and a short pulse width of several nanoseconds are required. Continuous and stable oscillation of a pulsed laser beam having, is required. Some excimer lasers have short wavelengths (oscillation frequency of 193 nm) like ArF lasers, but these lasers have a long pulse width (tens of nanoseconds), and they also contain toxic and corrosive halogen gases such as fluorine and chlorine and argon. Since an expensive ultra-high-purity noble gas such as or xenon is used, there are problems in industrial technology such as low cost, safety, and cost. In addition, the ArF laser having the shortest wavelength has a particularly high erosive property, so that there is a problem that the laser output greatly decreases with time. Therefore, there are no problems in industrial technology such as the use of toxic and erosive halogen gas, and a stable pulse laser light source with a short wavelength and a short pulse width and a thin film or a laminated thin film by laser vapor deposition using it A manufacturing method and a device are required.

【0007】本発明は、上記技術的課題を解決するため
になされたものであって、非線形光学結晶を使ってN
d:YAGなどのパルスレーザの基本波と高調波などを
結合させ、短波長と短いパルス幅を持ち、かつ蒸着に必
要かつ充分な出力エネルギーと安定度とを持った第5高
調波(波長213nm)を効率よく発生させ、それを使
ったパルスレーザ蒸着による表面粒子の発生を抑制した
良質な結晶薄膜および積層薄膜の作製方法と、該方法を
具現化し得る作製装置の提供を目的とする。
The present invention has been made in order to solve the above technical problems, and uses N nonlinear optical crystals.
The fifth harmonic (wavelength: 213 nm) that has a short wavelength and a short pulse width and has sufficient output energy and stability necessary for vapor deposition by combining the fundamental wave and higher harmonics of a pulsed laser such as d: YAG. ) Is efficiently generated and the generation of surface particles due to pulsed laser deposition using the same is suppressed, and a method for manufacturing a high-quality crystal thin film and a laminated thin film, and a manufacturing apparatus capable of embodying the method are provided.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明は、以下の技術的手段からなる。即ち、本発明
に係わる薄膜の作製方法は、Nd:YAGなどのパルス
レーザ光の第4高調波(波長266nm)と基本波(波
長1064nm)とを、あるいは第3高調波(355n
m)と第2高調波(533nm)とを、非線形光学結晶
により結合させてより波長の短い第5高調波(波長21
3nm)を効率よく発生させ、さらに、それら3つの光
が混ざったレーザ光から分光手段で第5高調波のみを分
離する第1行程と、無機単結晶基板やガラス基板などを
セットしその温度を制御できるヒータ付きの基板ホルダ
ーと薄膜を作製しようとする無機や有機の材料のタ−ゲ
ットをセットできるターゲットホルダーとを具備しかつ
低圧や真空まで排気できる真空チャンバーの中にあらか
じめターゲットをセットしておき、分光した第5高調波
をレンズを使いターゲット上に集光し照射して、ターゲ
ット物質をパルス的に分解し蒸発させて、そのまま、ま
たは素子パターン用のマスクを通して基板上に衝突させ
る第2行程と、を所定のパルスの回数だけ行い、その物
質の結晶性や非晶性の薄膜、または素子パターンの薄膜
を作製することを特徴とするものである。
The present invention for solving the above-mentioned problems comprises the following technical means. That is, the thin film manufacturing method according to the present invention uses the fourth harmonic (wavelength 266 nm) and the fundamental wave (wavelength 1064 nm) of pulsed laser light such as Nd: YAG or the third harmonic (355 n).
m) and the second harmonic (533 nm) are combined by a non-linear optical crystal, and the fifth harmonic (wavelength 21)
3 nm) is generated efficiently, and further, the first step of separating only the fifth harmonic from the laser light in which these three lights are mixed by the spectroscopic means, and the temperature of the inorganic single crystal substrate or glass substrate is set and The target is set in advance in a vacuum chamber that has a substrate holder with a controllable heater and a target holder that can set the target of inorganic or organic material to be used for thin film production, and that can exhaust to low pressure or vacuum. Then, the dispersed fifth harmonic is focused on the target by using a lens and irradiated, and the target material is decomposed in a pulse to be evaporated, and the target material is allowed to collide with the substrate as it is or through a device pattern mask. The steps and steps are performed a predetermined number of times to produce a crystalline or amorphous thin film of the substance or a thin film of the element pattern. It is an butterfly.

【0009】また、本発明に係わる積層薄膜の作製方法
は、複数個のタ−ゲットをセットできるターゲットホル
ダーと、前記の基板ホルダーと、を具備する真空チャン
バーの中にあらかじめ複数個のターゲットをセットして
おき、前記の第1行程と、第2行程と、を所定のパルス
の回数だけ行う過程を各ターゲットについて順次に行
い、基板上にそれらの物質の薄膜を、または素子パター
ンの薄膜を順次に積層して作製することを特徴とするも
のである。
In the method for producing a laminated thin film according to the present invention, a plurality of targets are previously set in a vacuum chamber provided with a target holder capable of setting a plurality of targets and the substrate holder. Incidentally, the process of performing the first step and the second step for a predetermined number of pulses is sequentially performed for each target, and a thin film of those substances or a thin film of an element pattern is sequentially formed on the substrate. It is characterized by being manufactured by stacking on.

【0010】また、本発明に係わる薄膜の作製装置は、
Nd:YAGなどのパルスレーザ光の基本波や各種の高
調波を非線形光学結晶により結合させて第5高調波を効
率よく発生させ、かつ分光して第5高調波のみを分離さ
せ得る第5高調波発生手段と、短波長紫外線を透過可能
なレンズなどにより集光度の程度を変えてタ−ゲットに
照射する集光可変照射手段と、無機単結晶基板やガラス
基板などをセットし高温までその温度制御が可能なヒー
タ付きの基板ホルダーとタ−ゲットをセットできかつ均
一にターゲットを蒸発させるためのターゲット回転機構
などのターゲット均一蒸発手段とを具備する真空チャン
バーと、必要により、素子パターン作製用マスク手段な
ど、からなることを特徴とする。
Further, the thin film producing apparatus according to the present invention is
A fifth harmonic that can efficiently generate a fifth harmonic by combining a fundamental wave of pulsed laser light such as Nd: YAG and various harmonics with a non-linear optical crystal, and can separate only the fifth harmonic by spectral separation. Wave generation means, variable focusing means for irradiating the target with varying degree of focusing by a lens capable of transmitting short-wavelength ultraviolet rays, inorganic inorganic crystal substrate, glass substrate, etc. A vacuum chamber provided with a controllable substrate holder with a heater, a target uniform evaporation means such as a target rotating mechanism for uniformly evaporating a target, and a mask for forming an element pattern, if necessary. It is characterized by comprising means, etc.

【0011】また、本発明に係わる積層薄膜の作製装置
は、前記の第5高調波を発生させる手段と、第5高調波
の集光可変照射手段と、基板ホルダーおよびターゲット
均一蒸発手段と、種々の物質や材料の複数個のタ−ゲッ
トをセットできかつ各ターゲットをレーザ光の集光照射
位置へ順次に移動できるターゲット位置移動機構と、必
要により、マスク手段など、を具備する真空チャンバー
と、からなることを特徴とする。
In addition, the apparatus for producing a laminated thin film according to the present invention includes means for generating the fifth harmonic wave, variable focusing means for irradiating the fifth harmonic wave, substrate holder and target uniform evaporation means, and various means. A target position moving mechanism capable of setting a plurality of targets of substances or materials and sequentially moving each target to a laser beam focusing irradiation position, and a vacuum chamber provided with a mask means, if necessary, It is characterized by consisting of.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】次に、本発明についてさらに詳細
に説明する。非線型光学結晶は、K2 HPO4 (燐酸水
素2カリウム塩:DKHPやその重水素化合物:DKD
P)、BaB24 (ホウ酸化バリウム塩:BBO)や
KTiOPO4 (チタン酸燐酸カリウム:KTP)など
のように、光の屈折率の大きさが結晶の方向で異なり
(即ち、大きさと方向を表す回転楕円体のようなテンソ
ル量で表される異方性を持ち)、それが光の波長λ(従
って、振動数ν)で変化するという性質を有する。従っ
て、波長の違う(振動数がνiとνj)の二つ光に関し
て屈折率の等しい結晶の方向が存在するので、その方向
へ極めて強い該両光を入射すると、2光子吸収的にそれ
らが結合した高調波(振動数νc=νi+νj)が発生
する。これら結晶のその変換出力は入射光の強度に比例
するのではなく、非線形的(n次関数的;n:非線形係
数)に増加する。BBOのような真空紫外線に近い領域
の光を透過する非線形光学結晶を使えば、真空紫外線に
近い高次のレーザ高調波を発生することができる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, the present invention will be described in more detail. The non-linear optical crystal is K 2 HPO 4 (dipotassium hydrogen phosphate: DKHP or its deuterium compound: DKD
P), BaB 2 O 4 (barium borate salt: BBO), KTiOPO 4 (potassium phosphate titanate: KTP), etc., the magnitude of the refractive index of light differs depending on the crystal orientation (that is, the magnitude and direction). Has an anisotropy represented by a tensor amount such as a spheroid, which has the property of changing with the wavelength λ of light (hence, frequency ν). Therefore, there exists a crystal direction with the same refractive index for two lights with different wavelengths (frequency is νi and νj), and when both the strong lights are incident in that direction, they are combined by two-photon absorption. Generated harmonic (frequency νc = νi + νj) is generated. The converted output of these crystals is not proportional to the intensity of incident light, but increases non-linearly (nth-order function; n: non-linear coefficient). If a nonlinear optical crystal such as BBO that transmits light in a region close to vacuum ultraviolet rays is used, it is possible to generate higher-order laser harmonics close to vacuum ultraviolet rays.

【0013】次に、本発明について、高出力のYAG第
5高調波パルスレーザ蒸着により、NdBa2 Cu3
y(ネオヂウム2バリウム3銅酸化物)超伝導体やLa
1-x PbxMnO3 系磁性体等の薄膜、およびYBa2
Cu3 Oy(イットリウム2バリウム3銅酸化物)とC
eO2 (酸化セリウム)との積層薄膜の作製を例として
具体的に説明する。
Next, regarding the present invention, a high output YAG first
NdBa by 5 harmonic pulse laser deposition2 Cu3 O
y (neodymium 2 barium 3 copper oxide) superconductor and La
1-x PbxMnO3 Thin films of magnetic materials and YBa2 
Cu3Oy (yttrium 2 barium 3 copper oxide) and C
eO2 As an example, the preparation of laminated thin film with (cerium oxide)
This will be specifically described.

【0014】該YAG第5高調波パルスレーザでは、第
5高調波発振用にBBO結晶を用いた。非線形光学特性
は結晶の品質に大きく依存するので、均一で欠陥やゆが
みのないBBO結晶を選んで用いたが、これに限らず、
第5高調波の波長213nm以下の短波長までの光を透
過し非線形光学特性を持つ結晶としては、例えば、Li
3 5 (LBO)、Sr2 Be227 (SBB
O)やKBe2 BO32 (KBBF)なども用いるこ
とができる。ここでは元になるレーザ光源として、基本
波から、第2、第3、第4高調波まで発振できる市販の
Nd:YAGレーザ装置を使った。この装置は高調波発
生用にDKDP非線形光学結晶を使っている。該YAG
第5高調波パルスレーザでは、BBO結晶を用いて、そ
の第4高調波と基本波とを結合(4+1)させて第5高
調波を発生させた。なお、第3高調波(355nm)と
第2高調波(533nm)とを結合(3+2)させても
同様に第5高調波の発生が可能であるが、4+1結合の
場合の非線形係数がn=2.7に対して、3+2結合の
場合はn=1.4であり低いので、第4高調波と基本波
とを結合させた。
In the YAG fifth harmonic pulse laser, a BBO crystal was used for the fifth harmonic oscillation. Since the non-linear optical characteristics greatly depend on the quality of the crystal, a BBO crystal that is uniform and has no defects or distortions was selected and used, but the present invention is not limited to this.
As a crystal that transmits light up to a short wavelength of 213 nm or less of the fifth harmonic and has nonlinear optical characteristics, for example, Li
B 3 O 5 (LBO), Sr 2 Be 2 B 2 O 7 (SBB
O) or KBe 2 BO 3 F 2 (KBBF) can also be used. Here, a commercially available Nd: YAG laser device that can oscillate from the fundamental wave to the second, third, and fourth harmonics was used as the original laser light source. This device uses a DKDP nonlinear optical crystal for harmonic generation. The YAG
In the fifth harmonic pulse laser, a BBO crystal was used to combine (4 + 1) the fourth harmonic and the fundamental wave to generate the fifth harmonic. Note that the fifth harmonic can be similarly generated by combining (3 + 2) the third harmonic (355 nm) and the second harmonic (533 nm), but the nonlinear coefficient in the case of 4 + 1 combination is n = In the case of 3 + 2 coupling, which is 2.7, which is low, n = 1.4, so the fourth harmonic and the fundamental wave were coupled.

【0015】この結合を起こさせるためには、第4高調
波の偏光方向を基本波の偏光方向(垂直偏光:V偏光)
に揃えるとともに、レーザ光中に含まれ妨害となる第2
高調波(波長532nm)を除く必要があった。そこ
で、まず、Nd:YAGレーザ装置の第2高調波発生用
のDKDP結晶の向きを変えて第2高調波の偏光方向を
基本波から90度ずらして水平偏光(H偏光)にし、さ
らに、第4高調波発生用のDKDP結晶の配向を変えて
基本波と同じ偏光方向(垂直)の第4高調波を発振させ
た。こうして妨害となる第2高調波だけをその水平偏光
にすることにより、ダイクロイックミラーまたはブリュ
スター角に切った紫外線用高純度石英などを使ってカッ
トまたは減衰させることができた。次に、BBO結晶
(一軸性結晶;a=b=c,α=β=γ≠90°)を、
第4高調波と基本波の結合により第5高調波を発生させ
るために用いたが、その位相整合角はθ=51.1度で
あるので同角度にカットして使用した。なお、位相整合
角の許容角度Δθは0.13mrad程であるので極め
て正確に切り出す必要がある。こうして波長変換したレ
ーザ光には未変換の基本波と第4高調波の他、少しの第
2高調波も混じっているので、プリズムで分光し、これ
らの光は終端器に導き吸収させて除外することで、最終
的に第5高調波のみのパルスレーザ光を得ることができ
た。
In order to cause this coupling, the polarization direction of the fourth harmonic is changed to the polarization direction of the fundamental wave (vertical polarization: V polarization).
Second, which is included in the laser light and becomes an obstacle.
It was necessary to remove harmonics (wavelength 532 nm). Therefore, first, the direction of the DKDP crystal for generating the second harmonic of the Nd: YAG laser device is changed to shift the polarization direction of the second harmonic by 90 degrees from the fundamental wave to obtain horizontal polarization (H polarization). The orientation of the DKDP crystal for generating the fourth harmonic was changed to oscillate the fourth harmonic having the same polarization direction (vertical) as the fundamental wave. Thus, by making only the disturbing second harmonic into its horizontal polarization, it was possible to cut or attenuate it by using a dichroic mirror or high-purity quartz for ultraviolet rays cut at Brewster's angle. Next, a BBO crystal (uniaxial crystal; a = b = c, α = β = γ ≠ 90 °)
It was used to generate the fifth harmonic by combining the fourth harmonic and the fundamental wave, but the phase matching angle was θ = 51.1 degrees, so it was cut to the same angle before use. Since the allowable angle Δθ of the phase matching angle is about 0.13 mrad, it is necessary to cut out extremely accurately. In this way, the wavelength-converted laser light contains not only the unconverted fundamental wave and the fourth harmonic, but also a small amount of the second harmonic, so it is separated by a prism, and these lights are guided to a terminator for absorption and excluded. By doing so, it was possible to finally obtain the pulsed laser light of only the fifth harmonic.

【0016】ここで用いたNd:YAGレーザ装置で
は、基本波の出力が800mJ/パルスで、第4高調波
の出力が最大100mJ/パルスであるが、上記の該光
学系を構築しかつ最適に調整した結果、最大22mJ/
パルスの高出力の第5高調波の発生が可能となった。よ
り高い出力のYAGレーザを使えばさらに高出力の第5
高調波を発生できる。従来の研究からYAGレーザの第
4高調波を用いてレーザ蒸着により結晶薄膜を作製する
際には、ターゲット化合物にも依存するが最低でも15
−25mJ/パルス程度以上のレーザエネルギーを必要
なことが分かった。そこで、できる限り途中の光吸収や
散乱・反射による出力の減衰を避けるために、分光後の
第5高調波レーザ光を途中でミラーを使って方向を変え
なくても、一個のレンズのみでチャンバー中のターゲッ
ト物質に集光し入射可能になるように、レーザ方向とタ
ーゲットが直線的に対向したレーザ蒸着成膜用のチャン
バーを作製した。レンズも光損失をなくするために反射
防止膜(AR)コーテングを行った。
In the Nd: YAG laser device used here, the output of the fundamental wave is 800 mJ / pulse and the output of the fourth harmonic is 100 mJ / pulse at the maximum, but the above optical system is constructed and optimized. As a result of adjustment, maximum 22 mJ /
It became possible to generate the fifth harmonic of high output of the pulse. If you use a higher output YAG laser
Can generate harmonics. From the conventional research, when a crystalline thin film is produced by laser deposition using the fourth harmonic of a YAG laser, it depends on the target compound, but at least 15
It was found that a laser energy of about -25 mJ / pulse or more is required. Therefore, in order to avoid output attenuation due to light absorption and scattering / reflection as far as possible, even if the direction of the fifth harmonic laser light after spectroscopy is not changed by using a mirror on the way, only one lens is used for the chamber. A chamber for laser vapor deposition film formation was prepared in which the laser direction and the target were linearly opposed to each other so that they could be focused on the target material inside and made incident. The lens was also antireflection coated (AR) coated to eliminate light loss.

【0017】成膜時には、パルスレーザ光の照射により
ターゲット物質の化学結合が切断されて構成元素の原
子、イオンや様々なクラスターなどの粒子が瞬間的に発
生してアブレーションプルーム(蒸発炎)と呼ばれるプ
ラズマ状態の炎が発生し、それが基板に衝突して基板上
でその物質の薄膜が再構築され形成される。酸化物の場
合は結合切断で酸素が失われるので、低圧ながら酸素圧
下でアブレーションを行う。この蒸発炎中では、粒子が
酸素と衝突し酸化反応を起こしている。薄膜の良否と電
磁気学的特性は成膜時のこの蒸発炎中の粒子の持つエネ
ルギーと酸化の程度、従って、蒸発炎の形、大きさ、色
に大きく依存した。そのために、レンズを用い物質への
レーザ光の集光度の程度を変えて成膜を行った。最適条
件をだせば再現性良く成膜が可能であった。また、YB
2 Cu3 OyとCeO2 の結晶積層薄膜を作製するに
は、両方のターゲットを最初から真空チャンバー中に入
れておき、真空を破ることなく順次にターゲットを変え
て蒸着する必要があった。
At the time of film formation, the chemical bond of the target material is broken by the irradiation of the pulsed laser light, and atoms such as constituent elements, ions and particles such as various clusters are instantaneously generated, which is called an ablation plume. A plasma-state flame is generated, which impinges on the substrate and reconstructs and forms a thin film of the material on the substrate. In the case of an oxide, oxygen is lost due to bond cleavage, so ablation is performed under low oxygen pressure at low pressure. In this evaporative flame, the particles collide with oxygen to cause an oxidation reaction. The quality and electromagnetic characteristics of the thin film depended largely on the energy and the degree of oxidation of the particles in the evaporative flame during film formation, and thus on the shape, size and color of the evaporative flame. Therefore, a film was formed by using a lens and changing the degree of focusing of laser light on the substance. It was possible to form a film with good reproducibility by setting the optimum conditions. Also, YB
In order to prepare a crystal laminated thin film of a 2 Cu 3 Oy and CeO 2 , it was necessary to put both targets in a vacuum chamber from the beginning and perform vapor deposition by sequentially changing the targets without breaking the vacuum.

【0018】これらの事実に基づき、該YAG第5高調
波パルスレーザ蒸着方法は、従来の方法に比べて高出力
第5高調波の発生に付随する分だけ多くの作製手段の構
築と条件の最適化を行う必要があるが、一旦、構築およ
び最適化すれば再現良く表面粒子が低減化された薄膜や
積層薄膜を作製可能であることが実証され、産業に利用
可能な技術になり得ることが明らかとなった。本発明
は、上記Nd:YAGパルスレーザに限らず、それらの
同効のものであれば適宜のパルスレーザ光を使用するこ
とができる。
On the basis of these facts, the YAG fifth harmonic pulsed laser deposition method is more suitable for the construction of the manufacturing means and the optimization of the conditions as compared with the conventional method because of the generation of the high power fifth harmonic wave. However, once constructed and optimized, it has been demonstrated that thin films and laminated thin films with reduced surface particles can be produced with good reproducibility, and it can be a technology that can be used in industry. It became clear. The present invention is not limited to the Nd: YAG pulse laser described above, and any pulse laser light having the same effect can be used.

【0019】[0019]

【実施例】次に、本発明に係わるレーザの発生方法およ
び薄膜と積層薄膜の作製方法およびレーザの発生装置お
よび薄膜と積層薄膜の作製装置の実施例を添付図面に基
づいて説明する。
Embodiments of a laser generating method, a thin film / laminated thin film manufacturing method, a laser generating apparatus, and a thin film / laminated thin film manufacturing apparatus according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【0020】図1〜2は、本発明に係わるレーザの発生
方法および薄膜と積層薄膜の作製方法を具現化したレー
ザの発生装置0を示す概略図および薄膜と積層薄膜の作
製装置1の構成を示す概略図である。該レーザの発生装
置0および薄膜と積層薄膜の作製装置1は、Nd:YA
Gレーザのようなレーザの基本波と第4高調波とを同一
偏光方向をもって発生できるパルスレーザ発生部2と、
第2高調波を減少またはカットさせる第2高調波減衰手
段3と、第4高調波と基本波を結合し第5高調波を発生
させる非線形光学結晶4と、第5高調波とそれ以外のレ
ーザ光を分離する分光手段5と、第5高調波以外を吸収
する吸収手段6と、第5高調波をターゲットに集光照射
するための集光照射手段7と、結晶やガラス基板をセッ
トし高温まで基板の温度を制御可能なヒータ付きの基板
ホルダー8とその直線導入機構9と、複数のタ−ゲット
をセットできるターゲットホルダー10と、その複数の
ターゲットを順次にレーザを照射する位置へ移動させる
ターゲット位置移動機構11と、ターゲットの自転機構
などの均一蒸発機構12と、素子図形のパターン状に薄
膜を作製するためのマスク13とを具備しかつ真空ポン
プ14により低圧や真空まで排気できる真空チャンバー
15と、からなる。
1 and 2 are schematic views showing a laser generator 0 embodying the laser generating method and the thin film / laminated thin film manufacturing method according to the present invention, and the structure of the thin film / laminated thin film manufacturing apparatus 1. It is a schematic diagram showing. The laser generator 0 and the thin film / laminated thin film manufacturing device 1 are Nd: YA
A pulse laser generator 2 capable of generating a fundamental wave and a fourth harmonic of a laser such as a G laser with the same polarization direction;
Second harmonic attenuator 3 for reducing or cutting the second harmonic, nonlinear optical crystal 4 for coupling the fourth harmonic and the fundamental wave to generate the fifth harmonic, the fifth harmonic and other lasers A spectroscopic means 5 for separating light, an absorbing means 6 for absorbing other than the fifth harmonic, a converging / irradiating means 7 for converging and irradiating the target with the fifth harmonic, and a crystal or glass substrate are set to a high temperature. The substrate holder 8 with a heater capable of controlling the temperature of the substrate and its linear introduction mechanism 9, the target holder 10 on which a plurality of targets can be set, and the plurality of targets are sequentially moved to a laser irradiation position. A target position moving mechanism 11, a uniform evaporation mechanism 12 such as a target rotation mechanism, and a mask 13 for forming a thin film in a pattern of an element pattern are provided, and a low pressure is applied by a vacuum pump 14. A vacuum chamber 15 that can be evacuated to a vacuum, consisting of.

【0021】なお、パルスレーザ発生部2は、レーザ蒸
着による成膜が可能な高出力の第5高調波を発生させる
ために、基本波と第4高調波がそれぞれ800および1
00mJ/パルス程の出力を持つNd:YAGパルスレ
ーザなどを用いた。第2高調波減衰手段3は、第2高調
波のみを反射するダイクロイックミラーまたは水平に偏
光した第2高調波のみを反射するようにブリュースター
角に切った高純度石英ロッドなどとした。非線形光学結
晶4は所定の偏光整合角度にカットしたBBO、LB
O、SBBOやKBBF単結晶などとした。第5高調波
を分離する分光手段5は真空紫外線近くまでを透過させ
る高純度石英製のプリズムや分光用のミラーなどとし
た。また、第5高調波以外を吸収する吸収手段6は光学
フィルターなどとした。さらに、第5高調波を集光しタ
ーゲットに照射する手段7は高純度石英製のレンズなど
とした。
The pulse laser generator 2 generates a high-power fifth harmonic wave capable of forming a film by laser vapor deposition, so that the fundamental wave and the fourth harmonic wave are 800 and 1, respectively.
An Nd: YAG pulse laser having an output of about 00 mJ / pulse was used. The second harmonic wave attenuating means 3 is a dichroic mirror that reflects only the second harmonic wave, or a high-purity quartz rod cut into Brewster angles so as to reflect only the horizontally polarized second harmonic wave. The nonlinear optical crystal 4 is made of BBO, LB cut to a predetermined polarization matching angle.
O, SBBO, or KBBF single crystal was used. The spectroscopic means 5 for separating the fifth harmonic wave is a prism made of high-purity quartz or a spectroscopic mirror that transmits up to near vacuum ultraviolet rays. Further, the absorbing means 6 for absorbing other than the fifth harmonic is an optical filter or the like. Further, the means 7 for collecting the fifth harmonic and irradiating the target with a target is a lens made of high-purity quartz or the like.

【0022】基板ホルダー8は成膜条件の最適化の際
に、条件の1つとしてターゲットと基板間の距離の最適
化を行うので、該距離を変えるための直線導入機構(端
子)9を具備するものとした。また、ターゲットホルダ
ー10は1つの薄膜の作製のみでなく、複数個(A、
B、C3つなど)のターゲットをセットしそれらの薄膜
を順次に積層化できるように、第5高調波パルスレーザ
光が集光照射される位置へ順次にターゲットを移動する
ためのステップモータ駆動などによるターゲット位置移
動機構11と、レーザ光が一点に集中してターゲットの
損傷を起こすことを避けるためのモータ駆動によるター
ゲット自転機構12などのターゲット均一蒸発機構とを
具備するものとした。マスク13は種々のパターン(図
形・形状)の薄膜を積層して素子を作るために、それら
の成分パターン孔を細長い平板に順次に開けたものであ
る。各ターゲット物質をレーザアブレーションさせ、そ
のまま、または各パターン孔がそのレーザ炎の場所へ来
るようにマスクをチャンバーの外から操作することによ
りレーザ蒸発炎を各パターン孔を通して通過させて基板
上に各素子パターンの膜を順次に転写作製し、積層する
ためのものであり、高温・酸化条件に耐えうるようにイ
ンコネル合金などで製作した転写用のマスクなどとし
た。また、真空ポンプ14は、レーザ蒸着による金属酸
化物系の電子・磁気材料の薄膜作製の場合には、低圧な
がら酸素圧を変えて条件の最適化を行う必要があること
から、電磁弁などによる圧力制御系14aを具備するも
のとした。
Since the substrate holder 8 optimizes the distance between the target and the substrate as one of the conditions when optimizing the film forming conditions, it is provided with a straight line introducing mechanism (terminal) 9 for changing the distance. I decided to do it. Further, the target holder 10 is not limited to the production of one thin film, but a plurality of (A,
B, C, etc.) and step motor drive to move the target sequentially to the position where the fifth harmonic pulsed laser light is focused and irradiated so that the thin films can be sequentially laminated. The target position moving mechanism 11 and the target uniform evaporation mechanism such as the target rotation mechanism 12 driven by a motor for avoiding the damage of the target by concentrating the laser light at one point. The mask 13 has a plurality of component pattern holes sequentially formed in an elongated flat plate in order to form a device by laminating thin films having various patterns (figures / shapes). Laser ablation of each target material is performed, or the mask is operated from the outside of the chamber so that each pattern hole comes to the location of the laser flame. The film for patterning was to be sequentially produced by transfer and laminated, and was used as a transfer mask made of Inconel alloy or the like so as to withstand high temperature and oxidation conditions. Further, since the vacuum pump 14 needs to optimize the conditions by changing the oxygen pressure at a low pressure in the case of forming a thin film of a metal oxide-based electronic / magnetic material by laser deposition, it is necessary to use a solenoid valve or the like. The pressure control system 14a is provided.

【0023】次に、上記のように構成したレーザ蒸着薄
膜作製装置を用いた第5高調波の発生とNdBa2 Cu
3 Oy超伝導体の結晶薄膜および、マスクを用いたYB
2 Cu3 Oy超伝導体と酸化セシウム(CeO2 )の
積層薄膜の作製を例にして説明する。
Next, the laser vapor deposition thin film constructed as described above is used.
Generation of fifth harmonic and NdBa using film forming equipment2 Cu
3 Crystal thin film of Oy superconductor and YB using mask
a2 Cu3 Oy superconductor and cesium oxide (CeO2 )of
The production of a laminated thin film will be described as an example.

【0024】パルスレーザ発生部2より、第4高調波、
第2高調波と基本波を含むNd:YAGパルスレーザ光
を、第2高調波減衰手段3へ通した後、非線形光学結晶
4を使って第4高調波と基本波とを結合させて第5高調
波を発生させた。次いで、プリズムを使った分光手段5
で分光し、吸収手段6で第5高調波以外を吸収して第5
高調波のみにした。この第5高調波発生の前後のレーザ
光のスペクトルを図3に示す。図3(a)は結合前のレ
ーザ光で、第4高調波と第2高調波および基本波が混じ
っている。図3(b)は発生させ分光した後の第5高調
波レーザのスペクトルを示している。このスペクトルに
は第5高調波(λ5 )の他、その2倍の波長と3倍の波
長位置に線(2λ5 、3λ5 )があるが、これはグレー
チング(回折格子)を使った分光計で測定しているため
に第5高調波がその位置に回折されているにすぎず、第
5高調波のみのレーザ光になっている。
From the pulse laser generator 2, the fourth harmonic,
After passing the Nd: YAG pulsed laser light including the second harmonic and the fundamental wave to the second harmonic attenuating means 3, the fourth harmonic and the fundamental wave are combined by using the nonlinear optical crystal 4 to obtain the fifth harmonic. Generated harmonics. Next, the spectroscopic means 5 using a prism
And the absorption means 6 absorbs all but the fifth harmonic wave
Only harmonics were used. FIG. 3 shows spectra of laser light before and after the generation of the fifth harmonic. FIG. 3A shows laser light before coupling, in which the fourth harmonic, the second harmonic, and the fundamental wave are mixed. FIG. 3B shows the spectrum of the fifth harmonic laser after being generated and dispersed. Spectroscopy Another fifth harmonics in the spectrum (lambda 5), twice the wavelength and 3 times the line in the wavelength position (2 [lambda] 5, 3 [lambda] 5) it is, which is using the grating (diffraction grating) The fifth harmonic wave is only diffracted to that position because it is measured by the meter, and the laser light is only the fifth harmonic wave.

【0025】円盤状に成形したNdBa2 Cu3 Oy超
伝導体などのターゲットを、真空チャンバー15中のタ
ーゲットホルダー10にセットした。レーザ光が一点に
集中してターゲットの損傷が起こるのを避けるためのタ
ーゲット自転機構12により、ターゲットを回転させて
おく。洗浄したSrTiO3 (STO)やLaAlO3
−SrAlTaO6 (LSAT)単結晶基板をヒータ付
きの基板ホルダー10にセットして、真空チャンバーを
一旦高真空まで排気した。基板温度を800℃程にまで
上げて基板表面を清浄化した後、温度を所定の値(50
0−800℃程)に設定し、次いで、超高純度酸素を真
空チャンバー中に少量導入し、真空ポンプ14につなが
っている圧力制御系14aを調整して所定の酸素圧
(0.1−1.0Torr程)に設定した。
A target such as a disc-shaped NdBa 2 Cu 3 Oy superconductor was set in the target holder 10 in the vacuum chamber 15. The target is rotated by the target rotation mechanism 12 for preventing the laser light from concentrating on one point and damaging the target. Washed SrTiO 3 (STO) and LaAlO 3
The —SrAlTaO 6 (LSAT) single crystal substrate was set on the substrate holder 10 with a heater, and the vacuum chamber was once evacuated to a high vacuum. After cleaning the substrate surface by raising the substrate temperature to about 800 ° C, the temperature is set to a predetermined value (50
0-800 ° C.), then a small amount of ultra-high purity oxygen is introduced into the vacuum chamber, and the pressure control system 14a connected to the vacuum pump 14 is adjusted to obtain a predetermined oxygen pressure (0.1-1). It was set to about 0.0 Torr).

【0026】あらかじめ、以上の操作をした後、第5高
調波を石英レンズの集光照射手段7で真空チャンバー1
5中のターゲットホルダー10上のターゲットに集光し
て照射し、ターゲット物質をパルス的に基板に向けてア
ブレーションさせてホルダーにセットした基板の上にN
dBa2 Cu3 Oyの結晶薄膜を作製した。成膜時に
は、通常のレーザ蒸着法における条件、即ち、基板温
度、酸素圧、レーザ周波数などの諸条件の他、該第5高
調波パルスレーザ蒸着方法に付随する条件、即ち、YA
Gレーザの第4高調波の出力、非線形光学結晶の配向、
第5高調波パルスレーザ光のターゲット上での集光密度
などを最適化した。
After performing the above operation in advance, the vacuum chamber 1 is irradiated with the fifth harmonic by the focusing and irradiating means 7 of the quartz lens.
The target on the target holder 10 in FIG. 5 is focused and irradiated, and the target material is ablated toward the substrate in a pulsed manner, and N is placed on the substrate set in the holder.
A crystalline thin film of dBa 2 Cu 3 Oy was prepared. At the time of film formation, in addition to the conditions in the ordinary laser vapor deposition method, that is, various conditions such as substrate temperature, oxygen pressure, and laser frequency, the conditions associated with the fifth harmonic pulse laser vapor deposition method, that is, YA
Output of fourth harmonic of G laser, orientation of nonlinear optical crystal,
The concentration of the fifth harmonic pulsed laser light on the target was optimized.

【0027】上記の第5高調波パルスレーザ蒸着方法の
実験により作製したNdBa2 Cu3 Oy超伝導体の結
晶薄膜(a)の特性と、従来のYAG第4高調波を用い
たレーザ蒸着方法で作製した薄膜(b)の特性との比較
を、図4、図5と図6に示す。図4は電気抵抗の温度依
存性である。第4高調波で作製した薄膜の超伝導転移温
度Tcは約78Kであるのに対し、第5高調波で作製し
た場合はTcが84Kであり、大きく向上しており、当
該方法ではより良質な薄膜が作製されることが分かる。
The characteristics of the crystalline thin film (a) of the NdBa 2 Cu 3 Oy superconductor produced by the experiment of the fifth harmonic pulse laser deposition method and the conventional laser deposition method using the YAG fourth harmonic were used. A comparison with the characteristics of the produced thin film (b) is shown in FIGS. 4, 5 and 6. FIG. 4 shows the temperature dependence of the electric resistance. The superconducting transition temperature Tc of the thin film manufactured by the fourth harmonic is about 78K, whereas the Tc is 84K when manufactured by the fifth harmonic, which is a great improvement, and the method is of higher quality. It can be seen that a thin film is produced.

【0028】図5の薄膜のX線回折スペクトルに示すよ
うに、(a)、(b)の両レーザ蒸着方法で作製した膜
共に、基板に使ったSrTiO3 結晶の(h00);h
=1−4のX線回折線以外には、主にNdBa2 Cu3
Oy超伝導結晶の(00l);l=1−13の回折スペ
クトルからなっている。しかし、(a)の薄膜の方が回
折線の信号強度が強くかつその線幅は狭くシャープであ
りl=10より高次の回折線ではKα1とKα2X線に
より明瞭に分離している。また、(a)ではSrTiO
3 結晶基板とNdBa2 Cu3 Oy結晶のみのスペクト
ルであるのに対し、(b)ではそれ以外の不純物による
回折線も存在する。これらのことは共にc軸配向した単
結晶薄膜が作製されているが、(b)の膜には不純物粒
子が存在し品質が悪く、(a)の方がより良質の結晶膜
であることを示している。
As shown in the X-ray diffraction spectrum of the thin film of FIG. 5, (h00); h of the SrTiO 3 crystal used as the substrate for both the films prepared by the laser deposition methods (a) and (b).
Other than the X-ray diffraction line of = 1-4, mainly NdBa 2 Cu 3
It is composed of the (00l); l = 1-13 diffraction spectrum of the Oy superconducting crystal. However, in the thin film of (a), the signal intensity of the diffraction line is stronger, the line width is narrower and sharper, and the diffraction lines higher than 1 = 10 are clearly separated by the Kα1 and Kα2 X-rays. Further, in (a), SrTiO 3
While the spectrum is only for the 3 crystal substrate and the NdBa 2 Cu 3 Oy crystal, in (b) there are also diffraction lines due to other impurities. Both of these facts indicate that a c-axis oriented single crystal thin film is produced, but the film of (b) is poor in quality due to the presence of impurity particles, and (a) is a higher quality crystal film. Shows.

【0029】さらに、図6の薄膜表面の高倍率光学顕微
鏡写真(内尺:10μm)が示すように、従来の第4高
調波パルスレーザ蒸着法で作製したNdBa2 Cu3
y膜(b)では無数の表面粒子が生成しているのに対
し、該第5高調波を用いて作製した膜(a)では不純物
表面粒子の数が大幅に減少している。以上のことから、
該第5高調波パルスレーザ蒸着法では表面粒子の発生が
抑制され膜質が向上していることが分かる。
Further, as shown in the high magnification optical microscope photograph (inner scale: 10 μm) of the thin film surface in FIG. 6, NdBa 2 Cu 3 O produced by the conventional fourth harmonic pulse laser deposition method.
In the y film (b), innumerable surface particles are generated, whereas in the film (a) produced by using the fifth harmonic, the number of impurity surface particles is significantly reduced. From the above,
It can be seen that in the fifth harmonic pulsed laser deposition method, the generation of surface particles is suppressed and the film quality is improved.

【0030】図7の写真(その説明図の図8参照)は、
該第5高調波パルスレーザ蒸着方法によりSrTiO3
単結晶基板上に、1)対角線方向に1mm幅の細長い線
状の孔の開いたマスクパターンを用いてYBa2 Cu3
Oy超伝導体の薄膜パターンの成膜を行い、2)次い
で、3mm角の正方形のパターンでCeO2 を成膜し、
3)最後に、上記1)と同形状だが上記1)と直角方向
に向いたマスクパターンを用いて再度、YBa2 Cu3
Oy超伝導体の薄膜パターンの成膜することにより作製
した、YBa2 Cu3 Oy/CeO2 /YBa2 Cu3
Oyの3層積層素子を示している。さらに、図9はその
3層積層素子のX線回折スペクトルである。基板に使っ
たSrTiO3 結晶の(h00);h=1−3のX線回
折線以外には、YBa2 Cu3 Oy超伝導結晶の(00
l);l=1−11とCeO2 結晶の(h00);h=
2,4の回折スペクトルのみからなっていることから、
YBa2 Cu3 Oy/CeO2 のc軸配向性を持つ良質
な結晶積層薄膜が作製されていることが分かる。
The photograph of FIG. 7 (see FIG. 8 of the explanatory diagram) is
By the fifth harmonic pulsed laser deposition method, SrTiO 3
On a single crystal substrate, 1) YBa 2 Cu 3 was formed by using a mask pattern having 1 mm wide slender linear holes in the diagonal direction.
A thin film pattern of Oy superconductor is formed, 2) Then, CeO 2 is formed in a square pattern of 3 mm square,
3) Finally, using a mask pattern having the same shape as the above 1) but oriented in the direction perpendicular to the above 1), YBa 2 Cu 3 is again added.
YBa 2 Cu 3 Oy / CeO 2 / YBa 2 Cu 3 produced by forming a thin film pattern of an Oy superconductor
The Oy 3-layer laminated element is shown. Further, FIG. 9 is an X-ray diffraction spectrum of the three-layer laminated element. (H00) of the SrTiO 3 crystal used as the substrate; (00) of the YBa 2 Cu 3 Oy superconducting crystal other than the X-ray diffraction line of h = 1-3.
l); l = 1-11 and CeO 2 crystal (h00); h =
Since it consists of only 2 and 4 diffraction spectra,
YBa2 Cu 3 it can be seen that Oy / high-quality crystal multilayer thin film having a CeO 2 of c-axis orientation is produced.

【0031】[0031]

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わるレ
ーザの発生および薄膜と積層薄膜の作製装置と方法は、
効率の良い高出力の第5高調波パルスレーザ光の発生系
と、ターゲット上でのその集光度の程度を変えて照射す
る集光可変照射系と、真空チャンバー系とを有機的に結
合して、従来のYAG第4高調波などでは作製不可能で
あった、不純物表面粒子の発生の大幅な抑制を可能にし
て、ナノメータ次元の平滑度と厚さを持つ高品質のNd
Ba2 Cu3 OyやYBa2 Cu3 Oyなどの材料の結
晶薄膜や積層薄膜の作製を可能とする。
As described above, the laser generation and thin-film and laminated thin-film manufacturing apparatus and method according to the present invention are
An efficient system for generating a high-power fifth harmonic pulsed laser beam, a variable focusing system for irradiating the target while changing the degree of its focusing, and a vacuum chamber system are organically combined. , High quality Nd with nanometer-dimensional smoothness and thickness, which can significantly suppress the generation of impurity surface particles, which could not be produced by the conventional YAG fourth harmonic.
It enables the production of crystal thin films and laminated thin films of materials such as Ba 2 Cu 3 Oy and YBa 2 Cu 3 Oy.

【0032】しかも、このレーザ蒸着方法では、作製し
ようとする薄膜の材料や物質の種類に依存しない。即
ち、ターゲットさえ作製できれば、無機材料か有機材料
かに依存せずに、また、半導体、誘電体、超伝導体、磁
性体、伝導体、絶縁体などの金属酸化物系、金属系や化
合物系のいずれをも対象にしてその結晶薄膜を作製で
き、また、ターゲット位置を順次に変えさえすれば高品
質の多層積層薄膜を作製でき、また、マスクパターンを
使うことで種々のパターンの薄膜素子構造を持つ積層薄
膜素子を作製することが可能である。
Moreover, this laser vapor deposition method does not depend on the material of the thin film to be produced or the kind of substance. That is, as long as a target can be prepared, it does not depend on whether it is an inorganic material or an organic material, and it is a metal oxide system such as a semiconductor, a dielectric, a superconductor, a magnetic body, a conductor, an insulator, a metal system or a compound system. The crystalline thin film can be prepared for any of the above, and high-quality multi-layer laminated thin films can be prepared by changing the target position sequentially. Also, by using a mask pattern, the thin film element structure of various patterns can be produced. It is possible to produce a laminated thin film element having

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】第5高調波パルスレーザの発生装置の概略図FIG. 1 is a schematic diagram of a generator for a fifth harmonic pulse laser.

【図2】パルスレーザ蒸着方法による薄膜と積層薄膜の
作製装置の概略図
FIG. 2 is a schematic view of an apparatus for producing a thin film and a laminated thin film by a pulse laser deposition method.

【図3】非線形光学結晶により第4高調波と基本波とを
結合させて第5高調波を発生させる前のレーザ光(a)
と、発生させ分光した後の第5高調波レーザ光のみ
(b)のスペクトルである。
FIG. 3 is a laser beam before the fifth harmonic is generated by combining the fourth harmonic and the fundamental wave with a nonlinear optical crystal (a).
And the spectrum of only the fifth harmonic laser light after being generated and dispersed (b).

【図4】Nd:YAGレーザの第4高調波を用いたレー
ザ蒸着方法で作製した薄膜(b)と、第5高調波を用い
たパルスレーザ蒸着方法により作製したNdBa2 Cu
3 Oy超伝導結晶薄膜(a)の電気抵抗の温度依存性で
ある。
FIG. 4 is a thin film (b) produced by a laser deposition method using the fourth harmonic of an Nd: YAG laser and NdBa 2 Cu produced by a pulse laser deposition method using the fifth harmonic.
This is the temperature dependence of the electrical resistance of the 3 Oy superconducting crystal thin film (a).

【図5】Nd:YAGレーザの第4高調波を用いたレー
ザ蒸着方法で作製した薄膜(b)と、第5高調波を用い
たパルスレーザ蒸着方法により作製したNdBa2 Cu
3 Oy超伝導結晶薄膜(a)のX線回折スペクトルであ
る。
FIG. 5 is a thin film (b) produced by a laser deposition method using the fourth harmonic of an Nd: YAG laser and NdBa 2 Cu produced by a pulse laser deposition method using the fifth harmonic.
3 is an X-ray diffraction spectrum of a 3 Oy superconducting crystal thin film (a).

【図6】Nd:YAGレーザの第4高調波(b)と、第
5高調波を用いたパルスレーザ蒸着方法により作製した
NdBa2 Cu3 Oy超伝導結晶薄膜(a)の表面の光
学顕微鏡写真である。
FIG. 6 is an optical micrograph of the surface of a NdBa 2 Cu 3 Oy superconducting crystal thin film (a) prepared by a pulsed laser deposition method using the fourth harmonic (b) of the Nd: YAG laser and the fifth harmonic. Is.

【図7】Nd:YAG レーザの第5高調波を使ったパ
ルスレーザ蒸着方法により、マスクを用いて作製したY
Ba2 Cu3 Oy/CeO2 /YBa2 Cu3 Oyの3
層積層素子構造を持つ積層薄膜の写真である。
FIG. 7: Y produced using a mask by a pulsed laser deposition method using the fifth harmonic of an Nd: YAG laser
Ba 2 Cu 3 Oy / CeO 2 / YBa 2 Cu 3 Oy 3
6 is a photograph of a laminated thin film having a layer laminated device structure.

【図8】上記図7の説明図である。8 is an explanatory diagram of FIG. 7 described above.

【図9】Nd:YAGレーザの第5高調波を使ったパル
スレーザ蒸着方法により作製したYBa2 Cu3 Oy/
CeO2 /YBa2 Cu3 Oy3層積層薄膜のX線回折
スペクトルである。
FIG. 9: YBa 2 Cu 3 Oy / produced by a pulsed laser deposition method using the fifth harmonic of an Nd: YAG laser
3 is an X-ray diffraction spectrum of a CeO 2 / YBa 2 Cu 3 Oy three- layer laminated thin film.

【符号の説明】 0 第五高調波発生装置 1 薄膜と積層薄膜の作製装置 2 パルスレーザ発生部 3 第2高調波減衰手段 4 非線形光学結晶 5 分光手段 6 第5高調波以外吸収手段 7 集光照射手段 8 ヒータ付きの基板ホルダー 9 直線導入機構(端子) 10 ターゲットホルダー 11 ターゲット位置移動機構 12 ターゲットの自転機構などの均一蒸発機構 13 マスク 14 真空ポンプ 15 チャンバー[Explanation of symbols] 0th harmonic generator 1 Thin film and laminated thin film production equipment 2 pulse laser generator 3 Second harmonic attenuation means 4 Nonlinear optical crystal 5 Spectral means Absorption means other than the 5th harmonic 7 Focusing irradiation means 8 Substrate holder with heater 9 Straight line introduction mechanism (terminal) 10 target holder 11 Target position moving mechanism 12 Uniform evaporation mechanism such as rotation mechanism of target 13 masks 14 Vacuum pump 15 chambers

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 14/28 H01L 21/203 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) C23C 14/28 H01L 21/203

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 Nd:YAGのパルスレーザ光の第4高
調波と基本波とを、あるいは第3高調波と第2高調波と
を、非線形光学結晶により結合させてより波長の短い第
5高調波を発生させ、さらに、それら3つの光が混ざっ
たレーザ光から分光手段で第5高調波のみを分離する第
1行程と、 基板をセットできかつその温度を制御できるヒータ付き
の基板ホルダーと薄膜を作製しようとするターゲット
(標的物質)をセットできるターゲットホルダーとを具
備しかつ低圧や真空まで排気できる真空チャンバーの中
にあらかじめセットしておいたターゲットに対して、分
光した第5高調波をレンズを使いターゲット上に集光し
照射して、ターゲット物質をパルス的に分解し蒸発(ア
ブレーション)させて、そのまま、または素子パターン
用のマスクを通して、基板上に衝突させる第2行程と、 を作製しようとする膜厚になるまで所定のパルスの回数
だけ行い、ターゲットを構成する物質の結晶性や非晶性
の薄膜、または素子パターンを持つ薄膜を作製するよう
にしたことを特徴とするレーザ蒸着による薄膜の作製方
法。
1. A fifth harmonic having a shorter wavelength by combining the fourth harmonic and the fundamental wave of Nd: YAG pulsed laser light or the third harmonic and the second harmonic with a nonlinear optical crystal. The first step of generating a wave and further separating only the fifth harmonic by the spectroscopic means from the laser light in which the three lights are mixed, the substrate holder with a heater that can set the substrate and control the temperature, and the thin film Equipped with a target holder that can set the target (target substance) to be manufactured, and the lens that has the fifth harmonic wave dispersed into the target that has been set in advance in a vacuum chamber that can exhaust to low pressure or vacuum Concentrate and irradiate on the target using a pulse, decompose the target material in a pulse and evaporate (ablate), and use it as it is or as a mass for the element pattern. Through a second step of colliding with the substrate through a predetermined pulse number of times until the film thickness is to be made to have a crystalline or amorphous thin film of the material forming the target, or an element pattern. A method for producing a thin film by laser vapor deposition, characterized in that a thin film is produced.
【請求項2】 複数個のターゲットをセットできるター
ゲットホルダーと、基板ホルダーとを具備する真空チャ
ンバーの中にあらかじめ複数個のターゲットをセットし
ておき、 第1行程と、第2行程とを作製しようとする膜厚になる
まで所定のパルスの回数だけ各ターゲットについて順次
に行い、基板上にそれらの物質の薄膜を、またはマスク
を通すことにより素子パターンを持つ薄膜を順次に積層
するようにしたことを特徴とする請求項1記載の薄膜の
作製方法。
2. A plurality of targets are set in advance in a vacuum chamber provided with a target holder capable of setting a plurality of targets and a substrate holder, and a first step and a second step are prepared. And the film thickness
The target is sequentially subjected to a predetermined number of times until each target, and thin films of those substances are sequentially laminated on the substrate or by passing a mask through the mask. 1. The method for producing a thin film as described in 1.
【請求項3】 Nd:YAGのパルスレーザ光の基本波
や各種の高調波を非線形光学結晶により結合させて第5
高調波を発生させ、かつ分光して第5高調波のみを分離
する第5高調波発生手段と、 集光度の程度を変えてターゲットに照射する第5高調波
の集光照射手段と、 基板をセット可能でかつ高温までその温度制御が可能な
ヒータ付きの基板ホルダーとレーザ光が一点に集中して
ターゲットの損傷を起こすことを避けて均一にターゲッ
トを蒸発させるためのターゲット均一蒸発手段とを具備
する真空チャンバーと、 を含むことを特徴とする蒸着による薄膜作製装置。
3. A fifth method in which a fundamental wave of Nd: YAG pulse laser light and various harmonics are combined by a non-linear optical crystal.
A fifth harmonic generation unit that generates a harmonic and separates only the fifth harmonic by splitting the light; a fifth harmonic focusing and irradiating unit that irradiates the target with varying the degree of light focusing; Equipped with a substrate holder with a heater that can be set and whose temperature can be controlled up to a high temperature, and a target uniform evaporation means for uniformly evaporating the target while avoiding damage to the target by concentrating laser light at one point. An apparatus for forming a thin film by vapor deposition, comprising:
【請求項4】ーゲット均一蒸発手段と、複数個のタ
ーゲットをセットできかつ各ターゲットをレーザ光の集
光照射位置へ順次に移動できるターゲット位置移動機構
を有するターゲットホルダー、を具備する真空チャン
ー、 を含む ことを特徴とする請求項3記載の薄膜作製装置。
4. A data Getto and uniform evaporation means, vacuum Chang having a target holder, and a plurality of targets can load and sequentially moved can target position movement mechanism of each target to the condensing irradiation position of the laser beam <br/> bar, thin-film producing apparatus according to claim 3, characterized in that it comprises a.
JP34166199A 1999-12-01 1999-12-01 YAG fifth harmonic pulse laser vapor deposition method and apparatus Expired - Lifetime JP3465041B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP34166199A JP3465041B2 (en) 1999-12-01 1999-12-01 YAG fifth harmonic pulse laser vapor deposition method and apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP34166199A JP3465041B2 (en) 1999-12-01 1999-12-01 YAG fifth harmonic pulse laser vapor deposition method and apparatus

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2001158957A JP2001158957A (en) 2001-06-12
JP3465041B2 true JP3465041B2 (en) 2003-11-10

Family

ID=18347822

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP34166199A Expired - Lifetime JP3465041B2 (en) 1999-12-01 1999-12-01 YAG fifth harmonic pulse laser vapor deposition method and apparatus

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3465041B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101502449B1 (en) * 2012-11-22 2015-03-13 한국과학기술연구원 Pulsed laser deposition apparatus with separated target and deposition method for multilayer thin film using of the same

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SG122749A1 (en) * 2001-10-16 2006-06-29 Inst Data Storage Method of laser marking and apparatus therefor
JP2003282439A (en) * 2002-03-27 2003-10-03 Seiko Epson Corp Substrate for device and manufacturing method thereof
JP5941636B2 (en) * 2011-09-08 2016-06-29 株式会社フジクラ Manufacturing method of base material for oxide superconducting conductor and manufacturing method of oxide superconducting conductor
CN111003724B (en) * 2019-12-09 2022-02-01 中科院合肥技术创新工程院 Method for regulating oxygen defect of cerium dioxide nano material by pulse laser irradiation in liquid phase

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101502449B1 (en) * 2012-11-22 2015-03-13 한국과학기술연구원 Pulsed laser deposition apparatus with separated target and deposition method for multilayer thin film using of the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2001158957A (en) 2001-06-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2757284B2 (en) Method for producing metal oxide superconducting material layer by laser evaporation
US5432151A (en) Process for ion-assisted laser deposition of biaxially textured layer on substrate
JP3465041B2 (en) YAG fifth harmonic pulse laser vapor deposition method and apparatus
US10741649B2 (en) High mobility doped metal oxide thin films and reactive physical vapor deposition methods of fabricating the same
US5281575A (en) Laser ablation method for forming oxide superconducting films
US5356872A (en) &#34;Method of making high Tc superconducting thin films with fullerenes by evaporation&#34;
JPH0347959A (en) Thin organic superconducting film
JP3790809B2 (en) Method and apparatus for producing thin film by Raman shift pulse laser deposition
AU2003235235A1 (en) Process for producing oxide superconductive thin-film
Stankovaa et al. Pulsed laser deposition of LiNbO3 thin films from Li-rich targets
JPH04182317A (en) Formation of oxide superconducting thin film
JPH02106822A (en) Formation of oxide superconductor thin film
TW202316689A (en) Method for producing a solid-state component, solid-state component, quantum component and apparatus for producing a solid-state component
Zaezjev et al. Magnetooptic iron garnet thin films for integrated optical applications
JPH07133189A (en) Production of oxide thin film
JPH06279180A (en) Production of crystal thin film
JP4095222B2 (en) Superconducting element and manufacturing method thereof
JPH0543398A (en) Ferroelectric single crystal thin film and its production
Kanno et al. Preparation of Pb-based ferroelectric thin films at room temperature using excimer-laser-assisted multi-ion-beam sputtering
Fisanick et al. CW laser etching of Ba2YCu3O7 films
JPH05302163A (en) Formation of multiple-oxide superconducting thin film
JP2004362784A (en) Oxide superconductor and its manufacturing method
Norton et al. Epitaxial growth of metal fluoride thin films by pulsed-laser deposition
Barrington Planar waveguide devices fabricated by pulsed laser deposition
KR970005159B1 (en) Equipment of manufacturing thin fim

Legal Events

Date Code Title Description
TRDD Decision of grant or rejection written
R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 3465041

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

EXPY Cancellation because of completion of term