JPH08225929A

JPH08225929A - レーザ・アブレーションを用いた薄膜形成法およびレーザ・アブレーション装置

Info

Publication number: JPH08225929A
Application number: JP3487695A
Authority: JP
Inventors: Yukio Nishikawa; 幸男西川; Zenichi Yoshida; 善一吉田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-02-23
Filing date: 1995-02-23
Publication date: 1996-09-03

Abstract

(57)【要約】【目的】広い面積において膜厚と組成が均一な薄膜を
形成できるレーザ・アブレーションを用いた薄膜形成法
を提供する。【構成】レーザ発振器１から出射したレーザ光をガル
バノ・ミラー３，５によって反射させ、さらに平面内で
直交する２方向に移動可能な移動機構上に設けた集光レ
ンズ７に誘導し、真空槽１１内で移動機構９，１０の動
作範囲と平行になるように設置した円板状ターゲット１
２に照射することで、基板上に大面積に膜厚が均一で組
成ずれの小さい薄膜を形成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ光を用いて薄膜を
形成するレーザー・アブレーションを用いた薄膜形成法
およびレーザ・アブレーション装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、薄膜形成分野においてレーザ光を
用いたレーザ・アブレーション法が盛んに研究されてい
る。以下に従来のレーザ・アブレーションを用いて薄膜
形成を行うレーザ・アブレーション装置について説明す
る。図８は特開昭６４−４７８５７号公報に示されてい
る従来のレーザ・アブレーション装置の構成を示すもの
である。図８において、５１は真空槽、５２は複数元素
から構成された円柱ターゲット、５３は基板、５４は導
入窓、５５はレーザ光、５６は反射鏡である。複数のタ
ーゲットを棒状に組み合わせて形成した円柱ターゲット
５２にレーザ光５５を反射鏡５６を振動させながら導入
窓５４を通過させて照射することにより、所望の組成と
厚さを有する薄膜を基板５３上に形成する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、ターゲットの中央と端部でレーザ・スポ
ットの形が異なるため薄膜の形成速度などのアブレーシ
ョン条件が変化する。

【０００４】また、一般に用いるレーザ光は断面形状が
矩形のエキシマ・レーザであることが多い。しかし、矩
形のレーザ光を球面レンズで集光したときには、球面収
差によりスポット形状も同様の楕円形になる。そのた
め、円柱ターゲットを用いる場合には、図９に示すよう
に回転軸の直角方向に長いスポット形状になり、基板に
形成された薄膜など不必要な所にレーザ光が照射され、
形成した薄膜に損傷を与え易くなることが判明した。さ
らに、複数のターゲットが棒状に配列してあるため、各
成分の発生位置が異なることになり、薄膜の位置によっ
て組成ずれが起こり易いという問題点もある。

【０００５】また、化合物薄膜の形成では、反応性ガス
を導入したり、基板加熱を行ったりするが、このとき元
素間の質量や蒸発温度の違いにより組成ずれが生じる。
そのため、ＰＬＺＴやＬiＮbＯ₃、ＬiＴaＯ₃薄膜の形成
ではターゲット中のＰbやＬiの比率を高めているが、成
膜条件によって組成ずれの状態が変化するので、ターゲ
ット組成によって組成を精度良く調整するのは困難であ
る。

【０００６】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、広い面積において膜厚と組成が均一な薄膜を形成で
きるレーザ・アブレーションを用いた薄膜形成法および
レーザ・アブレーション装置を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の第１の構成は、レーザ発振器から出射したレ
ーザ光を反射鏡によって平面内で直交する２方向に移動
可能な機構上に設けた集光レンズに誘導し、さらに真空
槽内で移動機構の動作範囲に平行になるように設置した
平板状ターゲットに照射し、対向した基板上に薄膜を形
成するものである。

【０００８】上記構成において、光学装置は、出射した
レーザ光の光路上に設けたガルバノ・ミラーと、移動機
構上のガルバノ・ミラーおよび集光レンズとから成り、
集光レンズ内の同一場所にレーザ光が誘導されるように
２つのガルバノ・ミラーは移動機構の動作に同期して回
動することが好ましい。

【０００９】また、光学装置は、発振器から出射したレ
ーザ光の光路上で前記光路に平行に移動可能な反射鏡
と、レーザ発振器の光路と平行に移動する移動機構の上
に設置した、光路と垂直方向に移動する移動機構と、垂
直方向に移動する移動機構上に設けた反射鏡と集光レン
ズから構成されることが好ましい。

【００１０】本発明の第２の構成は、出射するレーザ光
の断面形状が矩形であるレーザ発振器と、出射したレー
ザ光の光路上の一の反射鏡と、真空槽内に設けた円柱タ
ーゲットの回転軸と平行に移動可能な移動機構上に設け
られた他の反射鏡と集光レンズから構成され、前記円柱
ターゲットの回転軸と照射スポットの長軸とが平行にな
るようにレーザ光を集光し、基板上に薄膜を形成するも
のである。

【００１１】本発明の第３の構成は、出射するレーザ光
の断面形状が矩形であるレーザ発振器と、真空槽内に設
けた円柱ターゲットと、前記円柱ターゲットの回転軸と
平行に移動可能な移動機構上に設けられた反射鏡と球面
収差補正レンズを備え、前記レーザ光を反射鏡によって
前記円柱ターゲットに集光し、基板上に薄膜を形成する
ものである。

【００１２】本発明の第４の構成は、表面からの法線が
基板表面でほぼ一致するように真空槽内に複数のターゲ
ットを設け、各ターゲットにレーザ光を照射して基板上
に多成分系の薄膜を形成するものである。

【００１３】上記構成において、薄膜の構成成分を２つ
以上含むターゲットと構成成分の１つから成るターゲッ
ト１つ以上とを備えたことが好ましい。また、レーザ光
をビーム・スプリッターで分割し、前記複数のターゲッ
ト上に集光することが好ましく、また、前記ビーム・ス
プリッターは回転機構によって透過率の異なる複数のビ
ーム・スプリッターに交換できることが好ましい。

【００１４】また、分割後のレーザ光の少なくとも１本
は遮蔽板によって遮蔽できることが好ましく、また、前
記遮蔽板はレーザ光の通過穴を有し、回転することが好
ましく、また、前記遮蔽板の回転はパルス・レーザ光の
出射と同期することが好ましい。また、前記遮蔽板は前
記構成成分を１つ含むターゲットに照射されるレーザ光
の光路上に設けられたことが好ましい。また、レーザ光
は前記した複数のターゲットに同時照射することが好ま
しい。

【００１５】

【作用】この構成によって、平板状もしくは円柱状ター
ゲット上でのスポット形状が広い範囲において一定であ
るため、大面積に一定膜厚で成膜できる。また、円柱タ
ーゲットを用いた場合でも基板等の不必要な所にレーザ
光が照射され、損傷を与えることもない。また、プルー
ムはターゲット表面の法線方向に発生するため、複数の
ターゲットからの発生方向を一致させることで欠落し易
い元素を補うことができ、組成ずれを小さくすることが
できる。

【００１６】

【実施例】

（実施例１）本発明のレーザ・アブレーションを用いた
薄膜形成法を実現するレーザ・アブレーション装置の第
１の実施例を図１を参照しながら説明する。

【００１７】図１において、１はパルス・レーザ発振
器、２はパルス・レーザ発振器１から出射したレーザ
光、３と５はレーザ光２を反射するガルバノ・ミラー、
４と６はガルバノ・メータ、７は集光レンズ、８はレン
ズ保持具、９と１０は平面内で直交する２方向に移動可
能な移動機構、１１は真空槽、１２は平板状の円板状タ
ーゲット、１３は真空槽内で移動機構の動作範囲に平行
になるように円板状ターゲット１２を設置するターゲッ
ト保持具、１４は円板状ターゲット１２に対向するよう
に基板を保持する基板保持具、１５はプルーム、１６は
排気装置である。

【００１８】以上のように構成された本実施例につい
て、以下その動作を説明する。まず、パルス・レーザ発
振器１から出射したレーザ光２は、ガルバノ・メータ４
によって回動するガルバノ・ミラー３により移動機構９
と１０の動作に同期してガルバノ・ミラー５に誘導さ
れ、さらにガルバノ・ミラー５の回動によって集光レン
ズ７の一定位置にレーザ光２が誘導される。ガルバノ・
ミラー５と集光レンズ７は移動機構９と１０によって平
面内で移動するため、真空槽１１内で移動機構９と１０
の動作範囲に平行になるように設置した円板状ターゲッ
ト１２上で、レーザ・スポットの形状を変化させること
なく移動させることができる。そして、プルーム１５の
発生状態が一定な状態で位置を変化させるため、基板保
持具１４に取り付けた基板上に膜厚の均一な薄膜を形成
することができる。

【００１９】（実施例２）次に本発明の第２の実施例を
図２を参照しながら説明する。図２において、出射直後
のレーザ光の光路に平行に移動する移動機構９の上に、
それと直交して移動する移動機構１０が設けられてい
る。反射鏡１７は移動機構１０の非可動部に、反射鏡１
９と集光レンズ７は可動部にそれぞれ保持具１８と保持
具８によって固定されている。

【００２０】この第２の実施例が図１に示した第１の実
施例の構成と異なる点は、レーザ発振器１の光路上で反
射鏡１７が移動し、その反射光の光路上に反射鏡１９を
設けたことである。これにより、反射鏡１７と反射鏡１
９を同期して回動させる必要もなく、集光レンズ７の一
定位置にレーザ光２を誘導できる。以下は第１の実施例
と同様の手順で膜厚の均一な薄膜を形成できる。

【００２１】（実施例３）次に本発明の第３の実施例を
図３を参照しながら説明する。図３において、第１の実
施例または第２の実施例の構成と異なる点は、レーザ発
振器２０から出射した断面形状が矩形のレーザ光２１の
長軸が円柱ターゲット２３の回転軸と平行になるよう
に、集光レンズ８へ誘導するとともに、移動機構２２に
よって円柱ターゲット２３の回転軸方向に移動させるよ
うにした点である。なお、２４は円柱ターゲット２３を
回転可能に保持する保持機構である。

【００２２】本実施例ではその結果、レーザ光２１の長
軸がターゲット２３の回転軸と平行に照射され、ターゲ
ット表面のスポット形状も回転軸と平行になり、下部の
基板２５など不必要な部分にレーザ光が照射されない。
そして、基板保持具２６を走行ロール２７によって移動
させることで、基板２５上に大面積に膜厚の均一な薄膜
を形成することができる。

【００２３】（実施例４）次に本発明の第４の実施例を
図４を参照しながら説明する。図４において、２８は円
柱ターゲット２３の回転軸と平行に移動可能な移動機構
２２上に設けた球面収差補正レンズである。第３の実施
例の構成と異なる点は、集光レンズにこの球面収差補正
レンズ２８を用いたことである。

【００２４】これにより、本実施例では、断面形状が矩
形のレーザ光２１であっても、集光点でのスポット形状
は円形となるため、第３の実施例のようにレーザ光の誘
導方向を考慮する必要がない。

【００２５】（実施例５）次に、本発明の第５の実施例
を図５を参照しながら説明する。図５において、２９は
レーザ発振器、３０はレーザ光、３１は集光レンズ、３
２は導入窓、３３はＰＬＺＴターゲット、３４はＰｂタ
ーゲット、３５はターゲット保持具、３６はプルーム、
３７は基板、３８はヒータである。

【００２６】本実施例では、表面からの法線が基板表面
でほぼ一致するように真空槽１１内にＰＬＺＴターゲッ
ト３３、Ｐｂターゲット３４を設け、各ターゲットにレ
ーザ光３０をそれぞれ照射して基板３７上に多成分系の
薄膜を形成する構成となっている。

【００２７】結晶性の高いＰＬＺＴ薄膜を形成するには
基板３７をヒータ３８によって８７３Ｋ付近に加熱する
必要があるが、この温度ではＰｂが再蒸発しやすいた
め、本実施例ではＰｂ成分をＰｂターゲット３４にレー
ザ照射して補う。

【００２８】以上のように本実施例によれば、プルーム
はターゲット表面の法線方向に発生するため、複数のタ
ーゲットからの発生方向を一致させることで欠落し易い
元素を補うことができ、組成ずれを小さくすることがで
きる。

【００２９】（実施例６）次に本発明の第６の実施例を
図６を参照しながら説明する。図６において、第５の実
施例の構成と異なる点は、レーザ光３０をビーム・スプ
リッター３９で分割し、また、通過したレーザ光を全反
射鏡４０で２つの集光レンズ３１に誘導してＰＬＺＴタ
ーゲット３３とＰｂターゲット３４に同時照射すること
である。

【００３０】以上のように本実施例によれば、Ｐｂ成分
を他の成分と同時に供給することで成分の偏在を防ぐこ
とができる。

【００３１】（実施例７）次に本発明の第７の実施例を
図７を参照しながら説明する。図７は第７の実施例のレ
ーザ・アブレーション装置を示す構成図である。

【００３２】図７において、４１は移動機構、４２は移
動機構の保持具、４３は回転機構、４４は回転機構４３
により回転可能なように保持された遮蔽板であり、レー
ザ光の通過穴（図示せず）を有している。４５はＰｂ円
柱ターゲット、４６はＰＬＺＴ円柱ターゲットで、表面
からの法線が基板表面でほぼ一致するように真空槽１１
内にＰｂ円柱ターゲット４５とＰＬＺＴ円柱ターゲット
４６とが設けられており、本実施例は各ターゲットにレ
ーザ光３０をそれぞれ照射して基板３７上に多成分系の
薄膜を形成する構成となっている。４７は透過率の異な
る複数のビーム・スプリッター３９を回転可能なように
保持した回転機構であり、回転することによりビーム・
スプリッター３９を他の透過率のビーム・スプリッター
に交換する。また、遮蔽板４４は構成成分を１つ含むＰ
ｂ円柱ターゲット４５に照射されるレーザ光の光路上に
設けられている。

【００３３】以上のように構成された本実施例の動作を
説明すると、まず、移動機構４１によって全反射鏡４０
と集光レンズ３１をＰｂ円柱ターゲット４５とＰＬＺＴ
円柱ターゲット４６の回転軸と平行に移動しながらレー
ザ光３０を照射することで、基板３７上の広い領域に膜
厚や組成の均一な薄膜を形成することができる。このと
き、基板３７を回転させると膜厚は一層均一になる。ま
た、透過率の異なるビーム・スプリッター３９を回転機
構４７で交換したり、遮蔽板４４によりレーザ光３０を
遮蔽することで、Ｐｂ円柱ターゲット４５から発生する
プルーム３６の量を制御し薄膜中のＰｂ量を容易に調整
できる。また、遮蔽板４４の回転をパルス・レーザ光３
０の出射と同期することでレーザ光３０の断面を部分的
に遮蔽することなく照射スポットの形状を一定に保ちな
がら、プルームの発生回数を減らせるため、Ｐｂ成分を
精度良く調整できる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明は、レーザ発振器か
ら出射したレーザ光を反射鏡によって平面内で直交する
２方向に移動可能な機構上に設けた集光レンズに誘導
し、レーザ光を真空槽内で移動機構の動作範囲に平行に
なるように設置した平板状ターゲットに照射するか、出
射するレーザ光の断面形状が矩形であるレーザ発振器
と、出射したレーザ光の光路上の反射鏡と、真空槽内に
設けた円柱ターゲットの回転軸と平行に移動可能な機構
上の反射鏡と集光レンズから構成され、前記円柱ターゲ
ットの回転軸と照射スポットの長軸とが平行になるよう
にレーザ光を集光するか、出射するレーザ光の断面形状
が矩形であるレーザ発振器と、真空槽内に設けた円柱タ
ーゲットと、前記ターゲットの回転軸と平行に移動可能
な機構上に反射鏡と球面収差補正レンズを設け、前記レ
ーザ光を反射鏡によって前記円柱ターゲットに集光し、
さらに、表面からの法線が基板表面でほぼ一致するよう
に真空槽内に複数のターゲットを設け、各ターゲットに
レーザ光を照射することで、基板上に大面積で膜厚が均
一で組成ずれの小さい薄膜を形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ・アブレーション装置の第１の
実施例を示す構成図

【図２】本発明のレーザ・アブレーション装置の第２の
実施例を示す構成図

【図３】本発明のレーザ・アブレーション装置の第３の
実施例を示す構成図

【図４】本発明のレーザ・アブレーション装置の第４の
実施例を示す構成図

【図５】本発明のレーザ・アブレーション装置の第５の
実施例を示す構成図

【図６】本発明のレーザ・アブレーション装置の第６の
実施例を示す構成図

【図７】本発明のレーザ・アブレーション装置の第７の
実施例を示す構成図

【図８】従来のレーザ・アブレーションを用いた薄膜形
成装置の構成図

【図９】従来のレーザ・アブレーションを用いた薄膜形
成法における円柱ターゲットへのレーザ照射状態の拡大
図

【符号の説明】

１パルス・レーザ発振器２レーザ光３ガルバノ・ミラー４ガルバノ・メータ５ガルバノ・ミラー６ガルバノ・メータ７集光レンズ８レンズ保持具９移動機構１０移動機構１１真空槽１２円板状ターゲット１３ターゲット保持具１４基板保持具１５プルーム１６排気装置１７反射鏡１８保持具１９反射鏡２０レーザ発振器２１レーザ光２２移動機構２３円柱ターゲット２４保持機構２５基板２６基板保持具２７走行ロール２８球面収差補正レンズ２９レーザ発振器３０レーザ光３１集光レンズ３２導入窓３３ＰＬＺＴターゲット３４Ｐｂターゲット３５ターゲット保持具３６プルーム３７基板３８ヒータ３９ビーム・スプリッター４０全反射鏡４１移動機構４２移動機構の保持具４３回転機構４４遮蔽板４５Ｐｂ円柱ターゲット４６ＰＬＺＴ円柱ターゲット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発振器から出射したレーザ光を反射
鏡によって平面内で直交する２方向に移動可能な移動機
構上に設けた集光レンズに誘導し、さらに真空槽内で前
記移動機構の動作範囲に平行になるように設置した平板
状ターゲットに照射し、前記平板状ターゲットに対して
対向した基板上に薄膜を形成することを特徴とするレー
ザ・アブレーションを用いた薄膜形成法。
【請求項２】光学装置は、出射したレーザ光の光路上に
設けた一のガルバノ・ミラーと、移動機構上に設けた他
のガルバノ・ミラーおよび集光レンズとから成り、前記
集光レンズ内の同一場所にレーザ光が誘導されるように
前記２つのガルバノ・ミラーは前記移動機構の動作に同
期して回動することを特徴とする請求項１記載のレーザ
・アブレーションを用いた薄膜形成法。
【請求項３】光学装置は、レーザ発振器から出射したレ
ーザ光の光路上で平行に移動可能な一の反射鏡と、前記
レーザ発振器の光路と平行に移動する一の移動機構の上
に設置された、前記光路と垂直方向に移動する他の移動
機構と、前記他の移動機構上に設けた他の反射鏡と集光
レンズから構成されたことを特徴とする請求項１記載の
レーザ・アブレーションを用いた薄膜形成法。
【請求項４】出射するレーザ光の断面形状が矩形である
レーザ発振器と、出射したレーザ光の光路上に設けた一
の反射鏡と、真空槽内に設けた円柱ターゲットの回転軸
と平行に移動可能な移動機構上に設けた他の反射鏡と集
光レンズとを備え、前記円柱ターゲットの回転軸と照射
スポットの長軸とが平行になるようにレーザ光を集光
し、基板上に薄膜を形成することを特徴とするレーザ・
アブレーション装置。
【請求項５】出射するレーザ光の断面形状が矩形である
レーザ発振器と、真空槽内に設けた円柱ターゲットと、
前記円柱ターゲットの回転軸と平行に移動可能な移動機
構上に設けた反射鏡と球面収差補正レンズを備え、前記
レーザ光を前記反射鏡によって前記円柱ターゲットに集
光し、基板上に薄膜を形成することを特徴とするレーザ
・アブレーション装置。
【請求項６】表面からの法線が基板表面でほぼ一致する
ように真空槽内に複数のターゲットを設け、前記各ター
ゲットにレーザ光を照射して前記基板上に多成分系の薄
膜を形成することを特徴とするレーザ・アブレーション
を用いた薄膜形成法。
【請求項７】薄膜の構成成分を２つ以上含むターゲット
と構成成分の１つから成るターゲット１つ以上とを備え
たことを特徴とする請求項６記載のレーザ・アブレーシ
ョンを用いた薄膜形成法。
【請求項８】レーザ光をビーム・スプリッターで分割
し、複数のターゲット上にそれぞれ集光することを特徴
とする請求項６記載のレーザ・アブレーションを用いた
薄膜形成法。
【請求項９】ビーム・スプリッターは、回転機構によっ
て透過率の異なる複数のビーム・スプリッターに交換で
きることを特徴とする請求項８記載のレーザ・アブレー
ションを用いた薄膜形成法。
【請求項１０】分割後のレーザ光の少なくとも１本は、
遮蔽板によって遮蔽できることを特徴とする請求項６記
載のレーザ・アブレーションを用いた薄膜形成法。
【請求項１１】遮蔽板は、レーザ光の通過穴を有し、回
転することを特徴とする請求項１０記載のレーザ・アブ
レーションを用いた薄膜形成法。
【請求項１２】遮蔽板の回転は、パルス・レーザ光の出
射と同期することを特徴とする請求項１１記載のレーザ
・アブレーションを用いた薄膜形成法。
【請求項１３】遮蔽板は構成成分を１つ含むターゲット
に照射されるレーザ光の光路上に設けられたことを特徴
とする請求項１１記載のレーザ・アブレーションを用い
た薄膜形成法。
【請求項１４】レーザ光は複数のターゲットに同時照射
することを特徴とする請求項６記載のレーザ・アブレー
ションを用いた薄膜形成法。