JP4224665B2 - 薄膜を結晶化させる処理方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基板上に形成された薄膜を結晶化させる処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラスやプラスチック等の基板は、時計等の各種の日用品に用いられるところであるが、一定の物理的な強度を求められることがある。即ち、時計の例であれば、その窓に用いられるガラスの基板は耐擦傷性等が高く強度の高いことが望ましい。かかるガラスの基板について、特殊な材質のガラスを用いると、強度を高めることはできるが、コスト高となる。
【０００３】
そこで、ガラスやプラスチック等を基板として用いる場合において、その強度を高めたい場合、基板上に金属材等からなる薄膜を形成することがある。即ち、かかる薄膜を表面に形成することにより、基板を保護して強度を高め得るからである。そして、前記薄膜について、その組成が結晶質にされていると、より強度を高めることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、薄膜を結晶化させたい場合、従来においては、一般的に加熱炉によって数百度程度に加熱する処理が行われていた。しかし、かかる加熱炉によって処理したのでは、少なくとも数時間以上の処理時間を要し、結晶化させるまでに多くの時間を要していた。
【０００５】
また、加熱炉による加熱によって結晶化させようとすると、薄膜がその上に形成される基板も含めて加熱炉中に設置しなければならないため、基板が溶けたり変形される等、基板が損傷を受けることがあった。そのため、薄膜部分を結晶化させ得たとしても、基板の損傷により商品として使いものにならなくなることがあった。
【０００６】
そこで、本発明は、薄膜を結晶化させるにあたり、基板が損傷を受けることなく、かつ短時間の処理により結晶化させることができる、薄膜を結晶化させる処理方法を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、基板を保護する強固な膜を形成するために、基板上に形成された薄膜を結晶化させる処理方法であって、非晶質の状態にある前記薄膜に吸収率が９０％以上である吸収域にある波長の光を照射することにより、該照射された領域を結晶質の状態に変化させる処理を行い、前記レーザ光を薄膜に照射するにあたって、該レーザ光を平行ビームとし、該平行ビームのビームスポットと同じサイズに形成されたスリットを有するマスクをとおしてレーザ光を照射するようになっており、該スリットの長手方向がＸ軸方向であり、該マスクの広がり面内でＸ軸方向に直行する方向がＹ軸方向であるときに、該マスクをＹ軸方向に振動させた状態で、前記平行ビームが該スリットを通過することにより、該平行ビームの外縁近傍における平行ビームの外縁とビームの中心側との間のレーザ光の強度の変化を緩和させる方法である。
【０００８】
これにより、本発明の処理方法によると、薄膜に対して上記吸収域にある波長の光を照射して結晶化させることができるので、前記光の照射を短時間行うことによって処理を完了させることができる。しかも、光源としてレーザ光を用いると、レーザ光は単位面積あたりのエネルギー密度の高いものを得やすい上、光の強度や導光等の制御を行い易いので、本発明にかかる処理を行うにあたり光源に対する条件の調整が容易となる。さらに、前記マスクを用いて前記平行ビームの外縁近傍におけるレーザ光の強度の変化を緩和させることによって、薄膜上のレーザ光を照射されビームスポットに晒された部分とレーザ光を照射されずビームスポットに晒されていない部分との境界部分即ちビームスポットの境界部分について、レーザ光の強度の変化を緩和させることができる。これにより、前記ビームスポットの境界部分において薄膜が損傷を受けることを防ぐことができる。
【０００９】
これにより、結晶化させる処理を短時間内で能率良く行うことができる。また、処理される薄膜が形成される基板に対する影響が少なく、該基板が溶融されたり変形される等の損傷を受けることを防ぐことができる。
【００１０】
そして、本発明にかかる薄膜を結晶化させる処理を行うにあたり、前記非晶質の状態にある薄膜に照射される光の波長を１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲とすることができる。薄膜に照射する光の波長を上記範囲とすることにより、薄膜による光の吸収をより確実とすることができる。
【００１２】
また、前記薄膜に照射されるレーザ光を１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の波長とし、該波長のレーザ光をエキシマレーザ光とすることができる。
【００１３】
これにより、本発明の処理を行うにあたり薄膜による光の吸収をより確実とできるとともに、該光を薄膜に照射するための条件の調整を容易とすることもできる。
【００１４】
前記エキシマレーザ光について、ＡｒＦ又はＫｒＦを増幅媒質とするレーザ光を用いることができる。ＡｒＦ又はＫｒＦを増幅媒質とするレーザ光を用いると、レーザ光をパルス状で照射する場合、パルス周波数を可変とすることができ、１パルス当たりのエネルギーを可変とすることができるので、本発明の処理を行うにあたり、レーザ光を照射する条件の調整を容易にできる。
【００１７】
また、前記処理の対象となる薄膜を金属酸化物により形成することができる。薄膜を金属酸化物により形成することにより、基板を保護するための強固な膜を得ることができる。このとき、前記薄膜が厚さ１〜１０μｍの範囲で形成されることが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図１乃至図８に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施に用いることができる処理装置の概略を示す図である。図１において、５は試料テーブルであり、４はレーザ発振器である。１は本発明にかかる処理の対象となる試料である。この図１において、左右方向をＸ軸方向とし、紙面に垂直な方向をＹ軸方向とし、上下方向をＺ軸方向とする。
【００２０】
試料１は、ガラス基板３と、基板３の上に形成された薄膜２とによって形成されている。基板３は、時計用の窓ガラスに用いられるガラス基板であり、略円形状をなしている。
【００２１】
薄膜部分２は厚さ１〜１０μｍの範囲で形成されている。この薄膜部分２は、以下に説明する本発明による処理が行われる前には非晶質の状態にあり、本発明の処理によって結晶質の状態に変化される。
【００２２】
薄膜２について、金属酸化物により形成することができる。金属酸化物によると強度の高いものを得ることができ、金属酸化物により形成された薄膜２により基板３の保護膜とすることができる。
【００２３】
また、薄膜２を金属酸化物により形成するにあたり、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）や酸化チタン（ＴｉＯ2）により形成することができる。酸化アルミニウムや酸化チタンにより薄膜２を形成すると、基板３に対する強固な保護膜を形成することができる。
【００２４】
試料テーブル５は、試料１を固定して支持するためのものであり、レーザ発振器４より出力されたレーザ光を試料１に照射するにあたり、試料１上の所定の位置に位置決めできるようにされている。
【００２５】
また、試料テーブル５は、試料１をＹ軸方向に沿って走査できるようにされている。そして、試料テーブル５は、試料１を走査させる速度について、任意の速度で走査できるようにされている。これにより、試料１をＹ軸方向に走査し、後に説明するように、試料１の表面に沿ってレーザ光８を相対的に走査できるようにされている。
【００２６】
レーザ発振器４は、試料を処理するためのレーザ光を出力する光源であり、平行ビームとされたレーザ光７をＺ軸方向に沿って出力する。このレーザ発振器４は、処理される前の薄膜２による吸収率が９０％以上の吸収率を示す吸収域にある波長のレーザ光を出力する。
【００２７】
レーザ発振器４より出力されたレーザ光７は、シリンドリカルレンズ１１を通してビームのスポットが絞られた平行ビーム８とされて試料１に照射される。即ち、レーザ光７は、シリンドリカルレンズ１１によってビームスポットが絞られ、単位面積あたりのレーザ光のエネルギー密度が高められた平行ビーム８とされて試料１に照射される。これにより、レーザ発振器４の出力に制約がある場合でも、所要のエネルギー密度として試料１に照射することができる。
【００２８】
なお、シリンドリカルレンズ１１によりレーザ光が吸収されることに伴う損失は、約１％未満であり殆ど無視しうる範囲内である。
【００２９】
試料１に照射されるべきレーザ光のエネルギー密度に関して、試料１面上において、少なくとも１秒あたり１．０×１０4Ｊ／ｍ2以上供給できることが必要である。また、薄膜２をより確実に結晶化させるためには、エネルギー密度が１．５×１０4Ｊ／ｍ2以上２．０×１０4Ｊ／ｍ2程度であることが望ましい。また、試料１への必要以上のエネルギーの供給を防ぐ観点から、エネルギー密度の上限として５．０×１０4Ｊ／ｍ2以下程度とすることが望ましい。
【００３０】
また、レーザ発振器４として、１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の波長の光を出力できるものを用いるのが望ましい。かかる波長の範囲の光を照射すると、非晶質からなる薄膜２による吸収率を９０％以上とできるからである。そして、レーザ発振器４について、エキシマレーザ装置を用いるのが望ましい。かかるエキシマレーザ装置によると、１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲にある波長のレーザ光を得るのが容易だからである。
【００３１】
レーザ発振器４としてエキシマレーザ装置を用いるにあたり、各種の増幅媒質を用いることができる。即ち、レーザ発振器４には、１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲にある波長の光を出力できるのであれば、増幅媒質として希ガスハライド系（ＡｒＦ，ＡｒＣｌ，ＫｒＦ，ＫｒＣｌ，ＸｅＢｒ，ＸｅＣｌ，ＸｅＦ，Ｋｒ2Ｆ，Ｘｅ2Ｃｌ）、単一希ガス系（Ｘｅ2，Ｋｒ2，Ａｒ2）、希ガス酸素系（ＡｒＯ，ＫｒＯ，ＸｅＯ）、水銀ハライド系（ＨｇＣｌ，ＨｇＢｒ，ＨｇＩ）等を用いることができる。
【００３２】
レーザ発振器４に上記エキシマレーザ装置を用いる場合、特にＡｒＦ，ＫｒＦを増幅媒質とするものを用いるのが望ましい。これにより、レーザ光をパルス状に照射する場合、パルス周波数を可変とすることができ、１パルス当たりのエネルギーを可変とすることができるので、本発明の処理を行うにあたり、レーザ光を照射する条件の調整を容易にできる。
【００３３】
図２は、試料１にレーザ光を照射して薄膜部分２を結晶化させる処理を行う様子を示す図である。レーザ発振器４より出力されたレーザ光７のビームスポットＢ７は、図２に示されるように、スリット状とされている。レーザ光７のビームスポットＢ７は、Ｘ軸方向にｗ１のサイズを有し、Ｙ軸方向にｗ２のサイズを有している。
【００３４】
そして、ビームスポットＢ７を有するレーザ光７がシリンドリカルレンズ１１を通ることにより、ビームスポットＢ８を有するレーザ光８とされる。ビームスポットＢ８は、Ｘ軸方向についてはＢ７と同様にｗ１のサイズを有し、Ｙ軸方向にｗ３（＜ｗ２）のサイズを有している。これにより、ビームスポットＢ８はＢ７より小面積となっている。
【００３５】
図３は、前記レーザ光７のビームスポットＢ７及びレーザ光８のビームスポットＢ８における、Ｙ軸方向に沿った強度の分布を示す図である。図３（ａ）はレーザ光７の強度分布を表しており、図３（ｂ）はレーザ光８の強度分布を表している。図３において、横軸はＹ軸に対応しており、縦軸はレーザ光の強度Ｉに対応している。レーザ光８は、そのビームスポットＢ８がビームスポットＢ７より小面積とされており、エネルギー密度がレーザ光７より大きくなっている。
【００３６】
そして、レーザ光８を照射しつつ、図２において記号Ｍ１で示されるように、試料テーブル５を移動させることによって試料１をＹ軸方向に走査する。これにより、試料１の表面に対してレーザ光８のビームスポットＢ８を相対的にＹ軸方向に沿って順次に走査させることができ、薄膜部分２の全体にわたってレーザ光８を順次に照射することができる。これにより、レーザ光８により、薄膜部分２を処理することができる。
【００３７】
試料テーブル５により試料１を移動させる条件について、即ちレーザ光８のビームスポットＢ８を試料１に対してＹ軸方向へ相対的に走査する条件について、薄膜部分２におけるビームスポットＢ８に晒される部分を結晶質に変化させるために十分なエネルギーを供給できるように考慮される。
【００３８】
即ち、薄膜２上の一つの位置でビームスポットＢ８によりレーザ光を照射する時間や、次に処理を行うべき位置へビームスポットＢ８を走査して位置決めするためのビームスポットＢ８を相対的に走査させる距離及び走査速度等について、ビームスポットＢ８に晒される部分を順次に結晶質に変化させ得る十分なエネルギーを供給できるよう決定される。
【００３９】
また、レーザ発振器４がパルス状にレーザ光を出力するものである場合には、ビームスポットＢ８により薄膜２上の一つの位置でレーザ光を照射する条件に関して、一つのレーザパルスのエネルギーに基づき必要なパルス数を照射するように決められる。
【００４０】
ここで、ビームスポットＢ８を順次に走査して試料１上にレーザ光を照射するにあたり、平行ビーム８の外縁近傍について、ビームの中心側に対する強度の変化を緩和させて試料１に照射することができる。即ち、平行ビーム８の外縁とビームの中心側との間でレーザ光の強度が変化する変化率の大きさを、ビームの外縁近傍において減少させて試料１に照射することができる。
【００４１】
図４には、強度分布が異なる二つのレーザ光の強度分布Ｌ１、Ｌ２が示されている。図４において、横軸はレーザ光の光軸に垂直をなす横方向Ｒに対応しており、縦軸はレーザ光の強度Ｉに対応している。
【００４２】
図４において、強度分布Ｌ２で示されるレーザ光は、強度分布Ｌ１で示されるレーザ光に比べて、ビームの外縁近傍における強度の変化率が小さく、強度の変化が緩和されたものとなっている。
【００４３】
そして、レーザ光の外縁近傍における強度の変化を緩和させると、試料１上に一つのビームスポットを照射するにあたって、ビームスポットに晒された部分と晒されていない非照射の部分との境界におけるレーザ光の強度の変化を緩和させ、試料１の前記境界部分における損傷を生じにくくすることができる。
【００４４】
特に、レーザ発振器４がパルス状にレーザ光を出力するものであり、試料１にパルス状にレーザ光が照射される場合には前記ビームスポットの境界部分において損傷を受けやすいが、上記ビームの外縁近傍におけるレーザ光の強度の変化を緩和させることにより、前記ビームスポットの境界部分における損傷を防ぐことができる。
【００４５】
上記レーザ光のビームの外縁近傍における強度の変化を緩和させるにあたり、図５に示されるマスク１２を用いることができる。図５において、図５（ａ）はマスク１２を斜め方向から眺めた斜視図であり、図５（ｂ）はマスク１２の平面図である。
【００４６】
マスク１２にはスリット１３が形成されている。スリット１３は、前記平行ビーム８のビームスポットＢ８と同じサイズに形成されており、Ｘ軸方向にｗ１、Ｙ軸方向にｗ３のサイズに形成されている。
【００４７】
そして、上記マスク１２を用いることにより、試料１に向かって照射される平行ビーム８の外縁近傍における強度の変化を、以下のように緩和させることができる。図６は、マスク１２を配置し、マスク１２をとおしてレーザ光を照射する様子を示す図である。
【００４８】
図６に示されるように、マスク１２をシリンドリカルレンズ１１と試料１との間にＸＹ平面と平行となるように、かつスリット１３の長手方向がＸ軸方向と平行となるように配置する。また、マスク１２を静止させた状態において、スリット１３が平行ビーム８のビームスポットＢ８と一致し、平行ビーム８を略そのままスリット１３を通過させ得るように配置する。
【００４９】
そして、マスク１２即ちスリット１３を、ｗ３より十分に小さい振幅の範囲で、図６の矢印Ｍ２で示されるようにＹ軸方向に振動させる。これにより、スリット１３に入射させた平行ビーム８の外縁近傍における強度の変化を緩和させた平行ビーム９を得ることができる。
【００５０】
図７は、平行ビーム８、及び平行ビーム９のＹ軸方向に沿った強度分布を表す図である。図７において、横軸はＹ軸方向に対応しており、縦軸はレーザ光の強度Ｉに対応している。図７において、Ｐ８は平行ビーム８の強度分布であり、Ｐ９は平行ビーム９の強度分布を表している。また、図７には、平行ビーム８に対してＹ軸方向に振動するマスク１２が併せて表示されている。
【００５１】
平行ビーム８を振動するスリット１３を通過させることによって、図７に示されるように、外縁近傍における強度の変化が緩和された平行ビーム９を得ることができる。
【００５２】
なお、以上の説明では、スリット１３をＹ軸方向に振動させる例を挙げて説明したが、スリット１３を振動させる方向は一つの方向に限られない。即ち、一定サイズのビームスポットを順次に走査してレーザ光を照射するにあたり、ビームスポットを一つの位置から次に照射するべき位置へ走査させる場合に、その走査させる方向に沿ってスリット１３を振動させることができる。これにより、ビームスポットの境界部分におけるレーザ光の強度の変化を緩和させ、試料１の前記境界部分における損傷を生じにくくすることができる。
【００５３】
例えば、試料１に照射されるビームスポットのＸ軸方向のサイズが小さく、Ｘ軸方向にもビームスポットを走査させる場合に、Ｘ軸方向についてもスリットを振動させることができる。
【００５４】
以上説明したように、本発明によると、薄膜２におけるレーザ光のビームスポットで照射された領域を非晶質の状態から結晶質の状態に変化させることができる。そして、薄膜２の全表面にわたってレーザ光のビームスポットを走査することにより、薄膜２の全体を結晶化させることができる。
【００５５】
このように、薄膜２を結晶化させることができるので、薄膜２の強度を高めることができ、基板３に対する強固な保護膜とできる。例えば、薄膜２がＡｌ2Ｏ3により形成される場合であれば、本発明の処理を行うことにより、薄膜２を非晶質の状態からγ・Ａｌ2Ｏ3結晶へ変化させることができる。これにより、試料１の硬度を１５００Ｈｖ程度とすることができる。
【００５６】
そして、本発明によると、非晶質の状態にある薄膜を結晶質の状態に変化させるにあたり、上記光の波長及び出力に関する所定の条件を満たすレーザ光を照射するのみの処理であるので、従来の加熱炉内で加熱する処理に比べて、極めて短時間内に処理を終えることができる。これにより、薄膜を結晶化させる処理を短時間内で能率良く行うことができる。また、基板に対する影響が少なく、基板が溶融される等の損傷を受けることを防ぐことができる。
【００５７】
以上の説明では、光源としてレーザ発振器４を用いる例により説明したが、他の光源を用いることもできる。即ち、薄膜２による吸収率が９０％以上の吸収率を示す波長であり、かつ試料１に１秒あたり１．５×１０4Ｊ／ｍ2以上のエネルギー密度の光を照射できるのであれば、レーザ装置以外の光源を用いることもできる。
【００５８】
また、波長１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の光を照射する場合について、光源として上記エネルギー密度の条件を備えるのであれば、エキシマランプを用いることもできる。
【００５９】
エキシマランプを用いる場合、紫外光を発生させる媒質として、上記エキシマレーザについて説明したのと同様に、希ガスハライド系（ＡｒＦ，ＡｒＣｌ，ＫｒＦ，ＫｒＣｌ，ＸｅＢｒ，ＸｅＣｌ，ＸｅＦ，Ｋｒ2Ｆ，Ｘｅ2Ｃｌ）、単一希ガス系（Ｘｅ2，Ｋｒ2，Ａｒ2）、希ガス酸素系（ＡｒＯ，ＫｒＯ，ＸｅＯ）、水銀ハライド系（ＨｇＣｌ，ＨｇＢｒ，ＨｇＩ）等を用いることができる。
【００６０】
また、以上の説明では、基板３について時計の窓に用いられるガラス基板の例を挙げて説明したが、基板は時計の窓に用いられるものに限られない。即ち、基板は、ここに形成される薄膜を結晶化させるため従来の加熱炉により加熱する処理を行うと、溶融したり変形される等するおそれのあるガラス基板やプラスチック基板が対象となる。また、基板は、その用途に関して、時計の窓として用いられるものに限られず、他の用途に用いられるものも含まれる。
【００６１】
また、薄膜２の材質について、以上に例示した酸化アルミニウムや酸化チタン等の金属酸化物の他、処理される前の状態が非晶質であり、処理された後に結晶質の状態に変化されるものが含まれる。
【００６２】
以上に説明した非晶質の薄膜２を基板３上に形成するにあたり、真空成膜により形成することができる。図８は、真空成膜により薄膜２を形成するための工程を実行できる真空成膜装置２５の概略的な構成を示す図である。
【００６３】
真空成膜装置２５は、図示されない真空ポンプ等により内部が所要の真空雰囲気に排気される真空チャンバ２１を有しており、真空チャンバ２１内に蒸発源２２及び基板ホルダ２３が配置されている。
【００６４】
そして、蒸発源２２により膜の原料が真空チャンバ２１内に蒸発され、該蒸発された膜の原料は、基板ホルダ２３に保持される基板３上に最終的に膜２として析出されることにより成膜される。
【００６５】
なお、真空成膜装置２５について、各種の真空成膜の方式を適用することができる。即ち、真空蒸着やイオンプレーティング等、各種の真空成膜の方式を適用することができる。
【００６６】
基板３に形成される薄膜２を真空成膜装置により形成すると、目標とする膜厚により精度良く成膜できることに加え、緻密に形成された薄膜２を得ることができる。これにより、本発明による処理によって薄膜２を結晶化させるにあたり、より強固な組織とされたものを得ることができる。真空成膜の方式として、特にイオンプレーティングを採用すると、特に緻密な膜を得ることができ好ましい。
【００６７】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について説明する。以下の説明において、試料１の硬度の評価については、マイクロビッカース硬度により評価を行った。
１．試料の作製
本発明による処理の対象となる試料１を以下のように作製した。
【００６８】
試料１として、ガラス基板３上に、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）からなる薄膜２を形成した。ガラス基板３は、時計の窓ガラスに一般的に用いられるガラス基板であり、ガラス材（青板ガラス）により形成されたものを用いた。このガラス基板３の硬度は７００Ｈｖであった。
【００６９】
薄膜２を基板３上に形成するにあたり、真空成膜装置を用いて成膜した。そして、真空成膜装置として、イオンプレーティングの方式に基づき成膜できるイオンプレーティング成膜装置を用いた。
【００７０】
イオンプレーティング成膜装置により薄膜２を成膜するにあたり、基板ホルダに基板３をセットするとともに、蒸発源に酸化アルミニウムの粉末をセットして電子ビームにより加熱して蒸発させた。
【００７１】
そして、前記蒸発された酸化アルミニウムを真空チャンバ内に形成された高周波電界により励起又はイオン化させ、基板３上に膜厚略５μｍとなるように膜２を成膜した。そして、形成された薄膜２の組織について、Ｘ線回折により評価を行った。
【００７２】
図９は、結晶化させる処理を行う前の薄膜２のＸ線回折による分析結果を表す図である。図９において、横軸はＸ線の回折角２θに対応しており、縦軸はＸ線の回折強度にあたる計数率に対応している。
【００７３】
図９に示される結果から、結晶化させる処理を行う前の薄膜２は、非晶質の状態にあることが確認される。
【００７４】
また、試料１の薄膜２が形成される部分の硬度を測定したところ、９００Ｈｖであった。
２．薄膜を結晶化させる処理
以上に作製した試料１について、前記薄膜部分２を結晶化させる処理を以下のように行った。以上の実施の形態において図１乃至図３により説明したのと同様に、試料１にレーザ光を照射した。レーザ発振器４として、エキシマレーザ装置を用いた。
【００７５】
エキシマレーザ装置として、ＡｒＦを増幅媒質とし中心波長が１９３ｎｍのレーザ光を出力する装置を用いた。また、エキシマレーザ装置４として、レーザ光をパルス状に出力するものを用いた。そして、パルス幅２０ｎｓｅｃのレーザパルスを１秒間に１パルス出力するものを用いた。
【００７６】
そして、レーザ発振器４よりスリット状のビームスポットＢ７を有する平行ビーム７を出力し、平行ビーム７をシリンドリカルレンズ１１によって平行ビーム８に絞った。そして、ビームスポットＢ８を有する平行ビーム８を試料１に照射した。
【００７７】
上記平行ビーム７のビームスポットＢ７のサイズは、ｗ１＝２．０×１０-2ｍ、ｗ２＝７×１０-3ｍであった。また、平行ビーム８のビームスポットＢ８のサイズは、ｗ１＝２．０×１０-2ｍ、ｗ２＝５×１０-3ｍであった。
【００７８】
また、試料１に照射したレーザ光のエネルギーは、１パルスあたり１８０ｍＪであった。そして、試料１の薄膜部分２に対して、合計８０パルスの照射を行った。そして、この薄膜部分２の略全体の処理に要した時間は、略２分程度であった。
３．処理した後の試料の評価
以上の処理を行った試料１の薄膜部分２の組成について、Ｘ線回折により評価を行った。図１０は、処理後における薄膜２についてのＸ線回折による分析結果を表す図である。図１０において、横軸はＸ線の回折角２θに対応しており、縦軸はＸ線の回折強度にあたる計数率に対応している。
【００７９】
この図１０によると、ピークｐ１、ｐ２が確認される。このピークｐ１、ｐ２より、薄膜部分２がγ・Ａｌ2Ｏ3結晶となっていることを確認できる。
【００８０】
また、試料１の薄膜２が形成される部分の硬度の測定を行ったところ、１５００Ｈｖであった。
【００８１】
以上のことから、試料１の非晶質の状態にあった薄膜部分２について、本発明の処理によって結晶質の状態に変化させ得ることを確認できた。また、薄膜部分２を結晶化させることによって、硬度を高め得ることも確認できた。
【００８２】
これらのことから、従来より薄膜の結晶化に用いられてきた加熱炉により加熱する処理に比べ、極めて短時間の処理で結晶化させ得ることを確認できた。そして、基板３について、従来の加熱炉により処理する場合に生じる変形等の損傷は見られなかった。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、基板上に形成された非晶質の薄膜を結晶質に変化させる処理を行うにあたり、きわめて短時間内に行うことができる。これにより、前記結晶化させる処理を短時間内に能率良く行うことができる。また、本発明によると、前記結晶化させる処理を行うにあたり、基板が溶融される等の損傷を受けることなく行えるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の処理に用いることができる装置の概略を示す図である。
【図２】試料にレーザ光を照射する様子を示す図である。
【図３】（ａ）シリンドリカルレンズへの入射前のレーザ光の強度分布である。
（ｂ）シリンドリカルレンズ出射後のレーザ光の強度分布である。
【図４】レーザ光の異なる強度分布の例を示す図である。
【図５】（ａ）マスクの斜視図である。
（ｂ）マスクの平面図である。
【図６】マスクをとおしてレーザ光を照射する様子を示す図である。
【図７】レーザ光の強度分布の変化を緩和させた例を示す図である。
【図８】真空成膜装置の概略を示す図である。
【図９】薄膜を本発明により処理する前のＸ線回折による分析結果を示す図である。
【図１０】薄膜を本発明により処理した後のＸ線回折による分析結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 試料
２ 薄膜
３ ガラス基板
４ レーザ発振器
５ 試料テーブル
７ 平行ビーム
８ 平行ビーム
１１ シリンドリカルレンズ
１２ マスク
１３ スリット
２１ 真空チャンバ
２２ 蒸発源
２３ 基板ホルダ
２５ 真空成膜装置
【発明の属する技術分野】
この発明は、基板上に形成された薄膜を結晶化させる処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラスやプラスチック等の基板は、時計等の各種の日用品に用いられるところであるが、一定の物理的な強度を求められることがある。即ち、時計の例であれば、その窓に用いられるガラスの基板は耐擦傷性等が高く強度の高いことが望ましい。かかるガラスの基板について、特殊な材質のガラスを用いると、強度を高めることはできるが、コスト高となる。
【０００３】
そこで、ガラスやプラスチック等を基板として用いる場合において、その強度を高めたい場合、基板上に金属材等からなる薄膜を形成することがある。即ち、かかる薄膜を表面に形成することにより、基板を保護して強度を高め得るからである。そして、前記薄膜について、その組成が結晶質にされていると、より強度を高めることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、薄膜を結晶化させたい場合、従来においては、一般的に加熱炉によって数百度程度に加熱する処理が行われていた。しかし、かかる加熱炉によって処理したのでは、少なくとも数時間以上の処理時間を要し、結晶化させるまでに多くの時間を要していた。
【０００５】
また、加熱炉による加熱によって結晶化させようとすると、薄膜がその上に形成される基板も含めて加熱炉中に設置しなければならないため、基板が溶けたり変形される等、基板が損傷を受けることがあった。そのため、薄膜部分を結晶化させ得たとしても、基板の損傷により商品として使いものにならなくなることがあった。
【０００６】
そこで、本発明は、薄膜を結晶化させるにあたり、基板が損傷を受けることなく、かつ短時間の処理により結晶化させることができる、薄膜を結晶化させる処理方法を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、基板を保護する強固な膜を形成するために、基板上に形成された薄膜を結晶化させる処理方法であって、非晶質の状態にある前記薄膜に吸収率が９０％以上である吸収域にある波長の光を照射することにより、該照射された領域を結晶質の状態に変化させる処理を行い、前記レーザ光を薄膜に照射するにあたって、該レーザ光を平行ビームとし、該平行ビームのビームスポットと同じサイズに形成されたスリットを有するマスクをとおしてレーザ光を照射するようになっており、該スリットの長手方向がＸ軸方向であり、該マスクの広がり面内でＸ軸方向に直行する方向がＹ軸方向であるときに、該マスクをＹ軸方向に振動させた状態で、前記平行ビームが該スリットを通過することにより、該平行ビームの外縁近傍における平行ビームの外縁とビームの中心側との間のレーザ光の強度の変化を緩和させる方法である。
【０００８】
これにより、本発明の処理方法によると、薄膜に対して上記吸収域にある波長の光を照射して結晶化させることができるので、前記光の照射を短時間行うことによって処理を完了させることができる。しかも、光源としてレーザ光を用いると、レーザ光は単位面積あたりのエネルギー密度の高いものを得やすい上、光の強度や導光等の制御を行い易いので、本発明にかかる処理を行うにあたり光源に対する条件の調整が容易となる。さらに、前記マスクを用いて前記平行ビームの外縁近傍におけるレーザ光の強度の変化を緩和させることによって、薄膜上のレーザ光を照射されビームスポットに晒された部分とレーザ光を照射されずビームスポットに晒されていない部分との境界部分即ちビームスポットの境界部分について、レーザ光の強度の変化を緩和させることができる。これにより、前記ビームスポットの境界部分において薄膜が損傷を受けることを防ぐことができる。
【０００９】
これにより、結晶化させる処理を短時間内で能率良く行うことができる。また、処理される薄膜が形成される基板に対する影響が少なく、該基板が溶融されたり変形される等の損傷を受けることを防ぐことができる。
【００１０】
そして、本発明にかかる薄膜を結晶化させる処理を行うにあたり、前記非晶質の状態にある薄膜に照射される光の波長を１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲とすることができる。薄膜に照射する光の波長を上記範囲とすることにより、薄膜による光の吸収をより確実とすることができる。
【００１２】
また、前記薄膜に照射されるレーザ光を１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の波長とし、該波長のレーザ光をエキシマレーザ光とすることができる。
【００１３】
これにより、本発明の処理を行うにあたり薄膜による光の吸収をより確実とできるとともに、該光を薄膜に照射するための条件の調整を容易とすることもできる。
【００１４】
前記エキシマレーザ光について、ＡｒＦ又はＫｒＦを増幅媒質とするレーザ光を用いることができる。ＡｒＦ又はＫｒＦを増幅媒質とするレーザ光を用いると、レーザ光をパルス状で照射する場合、パルス周波数を可変とすることができ、１パルス当たりのエネルギーを可変とすることができるので、本発明の処理を行うにあたり、レーザ光を照射する条件の調整を容易にできる。
【００１７】
また、前記処理の対象となる薄膜を金属酸化物により形成することができる。薄膜を金属酸化物により形成することにより、基板を保護するための強固な膜を得ることができる。このとき、前記薄膜が厚さ１〜１０μｍの範囲で形成されることが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図１乃至図８に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施に用いることができる処理装置の概略を示す図である。図１において、５は試料テーブルであり、４はレーザ発振器である。１は本発明にかかる処理の対象となる試料である。この図１において、左右方向をＸ軸方向とし、紙面に垂直な方向をＹ軸方向とし、上下方向をＺ軸方向とする。
【００２０】
試料１は、ガラス基板３と、基板３の上に形成された薄膜２とによって形成されている。基板３は、時計用の窓ガラスに用いられるガラス基板であり、略円形状をなしている。
【００２１】
薄膜部分２は厚さ１〜１０μｍの範囲で形成されている。この薄膜部分２は、以下に説明する本発明による処理が行われる前には非晶質の状態にあり、本発明の処理によって結晶質の状態に変化される。
【００２２】
薄膜２について、金属酸化物により形成することができる。金属酸化物によると強度の高いものを得ることができ、金属酸化物により形成された薄膜２により基板３の保護膜とすることができる。
【００２３】
また、薄膜２を金属酸化物により形成するにあたり、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）や酸化チタン（ＴｉＯ2）により形成することができる。酸化アルミニウムや酸化チタンにより薄膜２を形成すると、基板３に対する強固な保護膜を形成することができる。
【００２４】
試料テーブル５は、試料１を固定して支持するためのものであり、レーザ発振器４より出力されたレーザ光を試料１に照射するにあたり、試料１上の所定の位置に位置決めできるようにされている。
【００２５】
また、試料テーブル５は、試料１をＹ軸方向に沿って走査できるようにされている。そして、試料テーブル５は、試料１を走査させる速度について、任意の速度で走査できるようにされている。これにより、試料１をＹ軸方向に走査し、後に説明するように、試料１の表面に沿ってレーザ光８を相対的に走査できるようにされている。
【００２６】
レーザ発振器４は、試料を処理するためのレーザ光を出力する光源であり、平行ビームとされたレーザ光７をＺ軸方向に沿って出力する。このレーザ発振器４は、処理される前の薄膜２による吸収率が９０％以上の吸収率を示す吸収域にある波長のレーザ光を出力する。
【００２７】
レーザ発振器４より出力されたレーザ光７は、シリンドリカルレンズ１１を通してビームのスポットが絞られた平行ビーム８とされて試料１に照射される。即ち、レーザ光７は、シリンドリカルレンズ１１によってビームスポットが絞られ、単位面積あたりのレーザ光のエネルギー密度が高められた平行ビーム８とされて試料１に照射される。これにより、レーザ発振器４の出力に制約がある場合でも、所要のエネルギー密度として試料１に照射することができる。
【００２８】
なお、シリンドリカルレンズ１１によりレーザ光が吸収されることに伴う損失は、約１％未満であり殆ど無視しうる範囲内である。
【００２９】
試料１に照射されるべきレーザ光のエネルギー密度に関して、試料１面上において、少なくとも１秒あたり１．０×１０4Ｊ／ｍ2以上供給できることが必要である。また、薄膜２をより確実に結晶化させるためには、エネルギー密度が１．５×１０4Ｊ／ｍ2以上２．０×１０4Ｊ／ｍ2程度であることが望ましい。また、試料１への必要以上のエネルギーの供給を防ぐ観点から、エネルギー密度の上限として５．０×１０4Ｊ／ｍ2以下程度とすることが望ましい。
【００３０】
また、レーザ発振器４として、１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の波長の光を出力できるものを用いるのが望ましい。かかる波長の範囲の光を照射すると、非晶質からなる薄膜２による吸収率を９０％以上とできるからである。そして、レーザ発振器４について、エキシマレーザ装置を用いるのが望ましい。かかるエキシマレーザ装置によると、１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲にある波長のレーザ光を得るのが容易だからである。
【００３１】
レーザ発振器４としてエキシマレーザ装置を用いるにあたり、各種の増幅媒質を用いることができる。即ち、レーザ発振器４には、１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲にある波長の光を出力できるのであれば、増幅媒質として希ガスハライド系（ＡｒＦ，ＡｒＣｌ，ＫｒＦ，ＫｒＣｌ，ＸｅＢｒ，ＸｅＣｌ，ＸｅＦ，Ｋｒ2Ｆ，Ｘｅ2Ｃｌ）、単一希ガス系（Ｘｅ2，Ｋｒ2，Ａｒ2）、希ガス酸素系（ＡｒＯ，ＫｒＯ，ＸｅＯ）、水銀ハライド系（ＨｇＣｌ，ＨｇＢｒ，ＨｇＩ）等を用いることができる。
【００３２】
レーザ発振器４に上記エキシマレーザ装置を用いる場合、特にＡｒＦ，ＫｒＦを増幅媒質とするものを用いるのが望ましい。これにより、レーザ光をパルス状に照射する場合、パルス周波数を可変とすることができ、１パルス当たりのエネルギーを可変とすることができるので、本発明の処理を行うにあたり、レーザ光を照射する条件の調整を容易にできる。
【００３３】
図２は、試料１にレーザ光を照射して薄膜部分２を結晶化させる処理を行う様子を示す図である。レーザ発振器４より出力されたレーザ光７のビームスポットＢ７は、図２に示されるように、スリット状とされている。レーザ光７のビームスポットＢ７は、Ｘ軸方向にｗ１のサイズを有し、Ｙ軸方向にｗ２のサイズを有している。
【００３４】
そして、ビームスポットＢ７を有するレーザ光７がシリンドリカルレンズ１１を通ることにより、ビームスポットＢ８を有するレーザ光８とされる。ビームスポットＢ８は、Ｘ軸方向についてはＢ７と同様にｗ１のサイズを有し、Ｙ軸方向にｗ３（＜ｗ２）のサイズを有している。これにより、ビームスポットＢ８はＢ７より小面積となっている。
【００３５】
図３は、前記レーザ光７のビームスポットＢ７及びレーザ光８のビームスポットＢ８における、Ｙ軸方向に沿った強度の分布を示す図である。図３（ａ）はレーザ光７の強度分布を表しており、図３（ｂ）はレーザ光８の強度分布を表している。図３において、横軸はＹ軸に対応しており、縦軸はレーザ光の強度Ｉに対応している。レーザ光８は、そのビームスポットＢ８がビームスポットＢ７より小面積とされており、エネルギー密度がレーザ光７より大きくなっている。
【００３６】
そして、レーザ光８を照射しつつ、図２において記号Ｍ１で示されるように、試料テーブル５を移動させることによって試料１をＹ軸方向に走査する。これにより、試料１の表面に対してレーザ光８のビームスポットＢ８を相対的にＹ軸方向に沿って順次に走査させることができ、薄膜部分２の全体にわたってレーザ光８を順次に照射することができる。これにより、レーザ光８により、薄膜部分２を処理することができる。
【００３７】
試料テーブル５により試料１を移動させる条件について、即ちレーザ光８のビームスポットＢ８を試料１に対してＹ軸方向へ相対的に走査する条件について、薄膜部分２におけるビームスポットＢ８に晒される部分を結晶質に変化させるために十分なエネルギーを供給できるように考慮される。
【００３８】
即ち、薄膜２上の一つの位置でビームスポットＢ８によりレーザ光を照射する時間や、次に処理を行うべき位置へビームスポットＢ８を走査して位置決めするためのビームスポットＢ８を相対的に走査させる距離及び走査速度等について、ビームスポットＢ８に晒される部分を順次に結晶質に変化させ得る十分なエネルギーを供給できるよう決定される。
【００３９】
また、レーザ発振器４がパルス状にレーザ光を出力するものである場合には、ビームスポットＢ８により薄膜２上の一つの位置でレーザ光を照射する条件に関して、一つのレーザパルスのエネルギーに基づき必要なパルス数を照射するように決められる。
【００４０】
ここで、ビームスポットＢ８を順次に走査して試料１上にレーザ光を照射するにあたり、平行ビーム８の外縁近傍について、ビームの中心側に対する強度の変化を緩和させて試料１に照射することができる。即ち、平行ビーム８の外縁とビームの中心側との間でレーザ光の強度が変化する変化率の大きさを、ビームの外縁近傍において減少させて試料１に照射することができる。
【００４１】
図４には、強度分布が異なる二つのレーザ光の強度分布Ｌ１、Ｌ２が示されている。図４において、横軸はレーザ光の光軸に垂直をなす横方向Ｒに対応しており、縦軸はレーザ光の強度Ｉに対応している。
【００４２】
図４において、強度分布Ｌ２で示されるレーザ光は、強度分布Ｌ１で示されるレーザ光に比べて、ビームの外縁近傍における強度の変化率が小さく、強度の変化が緩和されたものとなっている。
【００４３】
そして、レーザ光の外縁近傍における強度の変化を緩和させると、試料１上に一つのビームスポットを照射するにあたって、ビームスポットに晒された部分と晒されていない非照射の部分との境界におけるレーザ光の強度の変化を緩和させ、試料１の前記境界部分における損傷を生じにくくすることができる。
【００４４】
特に、レーザ発振器４がパルス状にレーザ光を出力するものであり、試料１にパルス状にレーザ光が照射される場合には前記ビームスポットの境界部分において損傷を受けやすいが、上記ビームの外縁近傍におけるレーザ光の強度の変化を緩和させることにより、前記ビームスポットの境界部分における損傷を防ぐことができる。
【００４５】
上記レーザ光のビームの外縁近傍における強度の変化を緩和させるにあたり、図５に示されるマスク１２を用いることができる。図５において、図５（ａ）はマスク１２を斜め方向から眺めた斜視図であり、図５（ｂ）はマスク１２の平面図である。
【００４６】
マスク１２にはスリット１３が形成されている。スリット１３は、前記平行ビーム８のビームスポットＢ８と同じサイズに形成されており、Ｘ軸方向にｗ１、Ｙ軸方向にｗ３のサイズに形成されている。
【００４７】
そして、上記マスク１２を用いることにより、試料１に向かって照射される平行ビーム８の外縁近傍における強度の変化を、以下のように緩和させることができる。図６は、マスク１２を配置し、マスク１２をとおしてレーザ光を照射する様子を示す図である。
【００４８】
図６に示されるように、マスク１２をシリンドリカルレンズ１１と試料１との間にＸＹ平面と平行となるように、かつスリット１３の長手方向がＸ軸方向と平行となるように配置する。また、マスク１２を静止させた状態において、スリット１３が平行ビーム８のビームスポットＢ８と一致し、平行ビーム８を略そのままスリット１３を通過させ得るように配置する。
【００４９】
そして、マスク１２即ちスリット１３を、ｗ３より十分に小さい振幅の範囲で、図６の矢印Ｍ２で示されるようにＹ軸方向に振動させる。これにより、スリット１３に入射させた平行ビーム８の外縁近傍における強度の変化を緩和させた平行ビーム９を得ることができる。
【００５０】
図７は、平行ビーム８、及び平行ビーム９のＹ軸方向に沿った強度分布を表す図である。図７において、横軸はＹ軸方向に対応しており、縦軸はレーザ光の強度Ｉに対応している。図７において、Ｐ８は平行ビーム８の強度分布であり、Ｐ９は平行ビーム９の強度分布を表している。また、図７には、平行ビーム８に対してＹ軸方向に振動するマスク１２が併せて表示されている。
【００５１】
平行ビーム８を振動するスリット１３を通過させることによって、図７に示されるように、外縁近傍における強度の変化が緩和された平行ビーム９を得ることができる。
【００５２】
なお、以上の説明では、スリット１３をＹ軸方向に振動させる例を挙げて説明したが、スリット１３を振動させる方向は一つの方向に限られない。即ち、一定サイズのビームスポットを順次に走査してレーザ光を照射するにあたり、ビームスポットを一つの位置から次に照射するべき位置へ走査させる場合に、その走査させる方向に沿ってスリット１３を振動させることができる。これにより、ビームスポットの境界部分におけるレーザ光の強度の変化を緩和させ、試料１の前記境界部分における損傷を生じにくくすることができる。
【００５３】
例えば、試料１に照射されるビームスポットのＸ軸方向のサイズが小さく、Ｘ軸方向にもビームスポットを走査させる場合に、Ｘ軸方向についてもスリットを振動させることができる。
【００５４】
以上説明したように、本発明によると、薄膜２におけるレーザ光のビームスポットで照射された領域を非晶質の状態から結晶質の状態に変化させることができる。そして、薄膜２の全表面にわたってレーザ光のビームスポットを走査することにより、薄膜２の全体を結晶化させることができる。
【００５５】
このように、薄膜２を結晶化させることができるので、薄膜２の強度を高めることができ、基板３に対する強固な保護膜とできる。例えば、薄膜２がＡｌ2Ｏ3により形成される場合であれば、本発明の処理を行うことにより、薄膜２を非晶質の状態からγ・Ａｌ2Ｏ3結晶へ変化させることができる。これにより、試料１の硬度を１５００Ｈｖ程度とすることができる。
【００５６】
そして、本発明によると、非晶質の状態にある薄膜を結晶質の状態に変化させるにあたり、上記光の波長及び出力に関する所定の条件を満たすレーザ光を照射するのみの処理であるので、従来の加熱炉内で加熱する処理に比べて、極めて短時間内に処理を終えることができる。これにより、薄膜を結晶化させる処理を短時間内で能率良く行うことができる。また、基板に対する影響が少なく、基板が溶融される等の損傷を受けることを防ぐことができる。
【００５７】
以上の説明では、光源としてレーザ発振器４を用いる例により説明したが、他の光源を用いることもできる。即ち、薄膜２による吸収率が９０％以上の吸収率を示す波長であり、かつ試料１に１秒あたり１．５×１０4Ｊ／ｍ2以上のエネルギー密度の光を照射できるのであれば、レーザ装置以外の光源を用いることもできる。
【００５８】
また、波長１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の光を照射する場合について、光源として上記エネルギー密度の条件を備えるのであれば、エキシマランプを用いることもできる。
【００５９】
エキシマランプを用いる場合、紫外光を発生させる媒質として、上記エキシマレーザについて説明したのと同様に、希ガスハライド系（ＡｒＦ，ＡｒＣｌ，ＫｒＦ，ＫｒＣｌ，ＸｅＢｒ，ＸｅＣｌ，ＸｅＦ，Ｋｒ2Ｆ，Ｘｅ2Ｃｌ）、単一希ガス系（Ｘｅ2，Ｋｒ2，Ａｒ2）、希ガス酸素系（ＡｒＯ，ＫｒＯ，ＸｅＯ）、水銀ハライド系（ＨｇＣｌ，ＨｇＢｒ，ＨｇＩ）等を用いることができる。
【００６０】
また、以上の説明では、基板３について時計の窓に用いられるガラス基板の例を挙げて説明したが、基板は時計の窓に用いられるものに限られない。即ち、基板は、ここに形成される薄膜を結晶化させるため従来の加熱炉により加熱する処理を行うと、溶融したり変形される等するおそれのあるガラス基板やプラスチック基板が対象となる。また、基板は、その用途に関して、時計の窓として用いられるものに限られず、他の用途に用いられるものも含まれる。
【００６１】
また、薄膜２の材質について、以上に例示した酸化アルミニウムや酸化チタン等の金属酸化物の他、処理される前の状態が非晶質であり、処理された後に結晶質の状態に変化されるものが含まれる。
【００６２】
以上に説明した非晶質の薄膜２を基板３上に形成するにあたり、真空成膜により形成することができる。図８は、真空成膜により薄膜２を形成するための工程を実行できる真空成膜装置２５の概略的な構成を示す図である。
【００６３】
真空成膜装置２５は、図示されない真空ポンプ等により内部が所要の真空雰囲気に排気される真空チャンバ２１を有しており、真空チャンバ２１内に蒸発源２２及び基板ホルダ２３が配置されている。
【００６４】
そして、蒸発源２２により膜の原料が真空チャンバ２１内に蒸発され、該蒸発された膜の原料は、基板ホルダ２３に保持される基板３上に最終的に膜２として析出されることにより成膜される。
【００６５】
なお、真空成膜装置２５について、各種の真空成膜の方式を適用することができる。即ち、真空蒸着やイオンプレーティング等、各種の真空成膜の方式を適用することができる。
【００６６】
基板３に形成される薄膜２を真空成膜装置により形成すると、目標とする膜厚により精度良く成膜できることに加え、緻密に形成された薄膜２を得ることができる。これにより、本発明による処理によって薄膜２を結晶化させるにあたり、より強固な組織とされたものを得ることができる。真空成膜の方式として、特にイオンプレーティングを採用すると、特に緻密な膜を得ることができ好ましい。
【００６７】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について説明する。以下の説明において、試料１の硬度の評価については、マイクロビッカース硬度により評価を行った。
１．試料の作製
本発明による処理の対象となる試料１を以下のように作製した。
【００６８】
試料１として、ガラス基板３上に、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）からなる薄膜２を形成した。ガラス基板３は、時計の窓ガラスに一般的に用いられるガラス基板であり、ガラス材（青板ガラス）により形成されたものを用いた。このガラス基板３の硬度は７００Ｈｖであった。
【００６９】
薄膜２を基板３上に形成するにあたり、真空成膜装置を用いて成膜した。そして、真空成膜装置として、イオンプレーティングの方式に基づき成膜できるイオンプレーティング成膜装置を用いた。
【００７０】
イオンプレーティング成膜装置により薄膜２を成膜するにあたり、基板ホルダに基板３をセットするとともに、蒸発源に酸化アルミニウムの粉末をセットして電子ビームにより加熱して蒸発させた。
【００７１】
そして、前記蒸発された酸化アルミニウムを真空チャンバ内に形成された高周波電界により励起又はイオン化させ、基板３上に膜厚略５μｍとなるように膜２を成膜した。そして、形成された薄膜２の組織について、Ｘ線回折により評価を行った。
【００７２】
図９は、結晶化させる処理を行う前の薄膜２のＸ線回折による分析結果を表す図である。図９において、横軸はＸ線の回折角２θに対応しており、縦軸はＸ線の回折強度にあたる計数率に対応している。
【００７３】
図９に示される結果から、結晶化させる処理を行う前の薄膜２は、非晶質の状態にあることが確認される。
【００７４】
また、試料１の薄膜２が形成される部分の硬度を測定したところ、９００Ｈｖであった。
２．薄膜を結晶化させる処理
以上に作製した試料１について、前記薄膜部分２を結晶化させる処理を以下のように行った。以上の実施の形態において図１乃至図３により説明したのと同様に、試料１にレーザ光を照射した。レーザ発振器４として、エキシマレーザ装置を用いた。
【００７５】
エキシマレーザ装置として、ＡｒＦを増幅媒質とし中心波長が１９３ｎｍのレーザ光を出力する装置を用いた。また、エキシマレーザ装置４として、レーザ光をパルス状に出力するものを用いた。そして、パルス幅２０ｎｓｅｃのレーザパルスを１秒間に１パルス出力するものを用いた。
【００７６】
そして、レーザ発振器４よりスリット状のビームスポットＢ７を有する平行ビーム７を出力し、平行ビーム７をシリンドリカルレンズ１１によって平行ビーム８に絞った。そして、ビームスポットＢ８を有する平行ビーム８を試料１に照射した。
【００７７】
上記平行ビーム７のビームスポットＢ７のサイズは、ｗ１＝２．０×１０-2ｍ、ｗ２＝７×１０-3ｍであった。また、平行ビーム８のビームスポットＢ８のサイズは、ｗ１＝２．０×１０-2ｍ、ｗ２＝５×１０-3ｍであった。
【００７８】
また、試料１に照射したレーザ光のエネルギーは、１パルスあたり１８０ｍＪであった。そして、試料１の薄膜部分２に対して、合計８０パルスの照射を行った。そして、この薄膜部分２の略全体の処理に要した時間は、略２分程度であった。
３．処理した後の試料の評価
以上の処理を行った試料１の薄膜部分２の組成について、Ｘ線回折により評価を行った。図１０は、処理後における薄膜２についてのＸ線回折による分析結果を表す図である。図１０において、横軸はＸ線の回折角２θに対応しており、縦軸はＸ線の回折強度にあたる計数率に対応している。
【００７９】
この図１０によると、ピークｐ１、ｐ２が確認される。このピークｐ１、ｐ２より、薄膜部分２がγ・Ａｌ2Ｏ3結晶となっていることを確認できる。
【００８０】
また、試料１の薄膜２が形成される部分の硬度の測定を行ったところ、１５００Ｈｖであった。
【００８１】
以上のことから、試料１の非晶質の状態にあった薄膜部分２について、本発明の処理によって結晶質の状態に変化させ得ることを確認できた。また、薄膜部分２を結晶化させることによって、硬度を高め得ることも確認できた。
【００８２】
これらのことから、従来より薄膜の結晶化に用いられてきた加熱炉により加熱する処理に比べ、極めて短時間の処理で結晶化させ得ることを確認できた。そして、基板３について、従来の加熱炉により処理する場合に生じる変形等の損傷は見られなかった。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、基板上に形成された非晶質の薄膜を結晶質に変化させる処理を行うにあたり、きわめて短時間内に行うことができる。これにより、前記結晶化させる処理を短時間内に能率良く行うことができる。また、本発明によると、前記結晶化させる処理を行うにあたり、基板が溶融される等の損傷を受けることなく行えるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の処理に用いることができる装置の概略を示す図である。
【図２】試料にレーザ光を照射する様子を示す図である。
【図３】（ａ）シリンドリカルレンズへの入射前のレーザ光の強度分布である。
（ｂ）シリンドリカルレンズ出射後のレーザ光の強度分布である。
【図４】レーザ光の異なる強度分布の例を示す図である。
【図５】（ａ）マスクの斜視図である。
（ｂ）マスクの平面図である。
【図６】マスクをとおしてレーザ光を照射する様子を示す図である。
【図７】レーザ光の強度分布の変化を緩和させた例を示す図である。
【図８】真空成膜装置の概略を示す図である。
【図９】薄膜を本発明により処理する前のＸ線回折による分析結果を示す図である。
【図１０】薄膜を本発明により処理した後のＸ線回折による分析結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 試料
２ 薄膜
３ ガラス基板
４ レーザ発振器
５ 試料テーブル
７ 平行ビーム
８ 平行ビーム
１１ シリンドリカルレンズ
１２ マスク
１３ スリット
２１ 真空チャンバ
２２ 蒸発源
２３ 基板ホルダ
２５ 真空成膜装置
Claims (6)
- 基板を保護する強固な膜を形成するために、基板上に形成された薄膜を結晶化させる方法であって、
非晶質の状態にある前記薄膜に吸収率が９０％以上である吸収域にある波長のレーザ光を照射することにより、該照射された領域を結晶質の状態に変化させる処理を行い、
前記レーザ光を薄膜に照射するにあたって、該レーザ光を平行ビームとし、該平行ビームのビームスポットと同じサイズに形成されたスリットを有するマスクをとおしてレーザ光を照射するようになっており、
該スリットの長手方向がＸ軸方向であり、該マスクの広がり面内でＸ軸方向に直行する方向がＹ軸方向であるときに、該マスクをＹ軸方向に振動させた状態で、前記平行ビームが該スリットを通過することにより、該平行ビームの外縁近傍における平行ビームの外縁とビームの中心側との間のレーザ光の強度の変化を緩和させることを特徴とする、薄膜を結晶化させる処理方法。 - 前記非晶質の状態にある薄膜に照射されるレーザ光の波長が１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜を結晶化させる処理方法。
- 前記薄膜に照射されるレーザ光が１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の波長であり、該波長のレーザ光がエキシマレーザ光であることを特徴とする、請求項１または２に記載の薄膜を結晶化させる処理方法。
- 前記エキシマレーザ光がＡｒＦ又はＫｒＦを増幅媒質とするレーザ光であることを特徴とする、請求項３に記載の薄膜を結晶化させる処理方法。
- 前記処理の対象となる薄膜が金属酸化物により形成されることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の薄膜を結晶化させる処理方法。
- 前記薄膜が厚さ１〜１０μｍの範囲で形成されることを特徴とする、請求項５に記載の薄膜を結晶化させる処理方法。
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