(57)【要約】【課題】レーザ光の照射によって基板上で光分解反応を生じさせる際に、熱による悪影響を排除して均一な処理を可能にする。【解決手段】基板に薄膜を作成する際に、基板に形成した原料膜に対してレーザ光を照射して光分解反応を生じさせるレーザ光照射方法において、基板を面方向において回転させるとともに、レーザ光照射位置に対し面方向に沿って相対的に移動させつつ、レーザ光の照射を行う。照射装置としては、原料膜を形成した基板を支持する支持部と、基板を回転させる回転機構と、基板を面方向に沿って移動させる移動機構と、基板にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、基板を回転機構によって面方向において回転させるとともに、移動機構によって面方向に沿って相対的に移動させつつ、レーザ光照射手段によって基板にレーザ光を照射して原料膜での光分解反応が生じさせる制御部を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に薄膜を作成する際に、基板に形成した原料膜に対してレーザ光を照射して光分解反応を生じさせるレーザ光の照射方法において、前記基板を面方向において回転させるとともに、該基板をレーザ光照射位置に対し面方向に沿って相対的に移動させつつ、前記レーザ光の照射を行うことを特徴とするレーザ光の照射方法。
【請求項２】
前記基板への薄膜作成が溶液分解法によるものであることを特徴とする請求項１記載のレーザ光の照射方法。
【請求項３】
前記レーザ光の照射に際し、単位時間あたりのレーザ光の照射面積が一定となるように、前記基板の回転速度と面方向に沿った移動速度の一方または両方を自動的に変更することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ光の照射方法。
【請求項４】
前記レーザ光の照射に際し、単位時間あたりのレーザ光の照射面積が一定となるように、前記レーザ光の発振周波数を自動的に変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ光の照射方法。
【請求項５】
前記面方向に沿った相対的な移動が前記基板の回転中心に対する径方向への移動であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ光の照射方法。
【請求項６】
前記レーザ光をスポット状にして前記基板に照射することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ光の照射方法。
【請求項７】
原料膜を形成した基板を支持する支持部と、前記基板を回転させる回転機構と、前記基板を面方向に沿って移動させる移動機構と、前記基板にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、前記基板を前記回転機構によって面方向において回転させるとともに、該基板を前記移動機構によって面方向に沿って相対的に移動させつつ、前記レーザ光照射手段によって前記基板にレーザ光を照射して前記原料膜での光分解反応が生じるように前記回転機構、前記移動機構および前記レーザ光照射手段を制御する制御部とを備えることを特徴とするレーザ光照射装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記基板の面方向への移動位置を判定し、該移動位置に基づいて前記回転機構における回転速度と、前記移動機構における移動速度との一方または両方を制御して前記基板への単位時間あたりのレーザ光の照射面積を一定にすることを特徴とする請求項７記載のレーザ光照射装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記基板の面方向への移動位置を判定し、該移動位置に基づいて前記レーザ光の発信周波数を制御して前記基板への単位時間あたりのレーザ光の照射面積を一定にすることを特徴とする請求項７または８に記載のレーザ光照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、基板に形成した原料膜にレーザ光を照射して光分解反応を生じさせるレーザ光の照射方法及びレーザ光照射装置に関する。特には、溶夜分解法を用いて基板上に機能性酸化物薄膜を製造する際に、熱処理工程の一部をレーザ光照射で置き換えてエピタキシャル化して製造するときの、レーザ光照射の方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、機能性酸化物薄膜を製造する方法として、原料となる金属塩を溶媒で溶かし、その原料溶液を基板に塗布して乾燥後に熱処理を行う溶液分解法で作成するプロセスがある。溶液分解法は、原料を塗って焼くだけの簡単なプロセスであるため、ＣＶＤや蒸着、スパッタプロセスのような真空装置を使わずに作成できる、安価なプロセスとして各種機能性酸化物薄膜を作成する研究が進められている。その溶液分解法の中でも改良が加えられおり、例えば赤外線センサを製造する方法に関して、特許文献１で示されるように原料となる金属の有機化合物溶液に波長４００ｎｍ以下のレーザ光を照射して薄膜を形成する方法が提案されている。
この方法の原理は、原料にレーザ光を照射することで炭素一酸素結合を切断して分解し酸化物薄膜として形成するというものである。この方法は真空プロセスを使わないために装置が安価ですみ、なおかつ連続製造ができるため大量生産に適している。
またこの方法で機能性酸化物薄膜を製造しようとするとき、比較的大きな基板の全面にレーザ照射をする方法として例えば特許文献２で示されるような手法が参考となる。この中では、長方形状に加工したレーザ光（ラインビーム）を一定方向に一定速度でスキャンして基板に照射することで、大面積の基板の全面にレーザ照射することができるとされており、実際に液晶ディスプレイに使われるＴＦＴを製造する工程において、ａ−Ｓｉ薄膜をｐ−Ｓｉに改質する手法に適用されている。
【特許文献１】特開２００２−２８９９３１号公報
【特許文献２】特開２００１−３１９８９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
たとえば特許文献１の薄膜製造方法において、レーザ光の照射方法を特許文献２の方法を用いて図８に示すように基板の全面をラインビーム形状のレーザ光で処理した場合、レーザ光の照射対象がＳｉ薄膜ではなく金属塩の有機塗布膜なので、数百度の温度（臨界温度ＴＬとする）において変性する可能性がある。そのため熱に対する影響を考慮しなければならない。
具体的には、基板に塗布した金属塩有機膜にレーザ光照射を行うと、レーザ光が照射されている箇所はレーザ光の効果（光化学反応）によって原料の分解が進行するが、同時に光の吸収に伴う急激な発熱が起こる。発生した熱は伝熱によってレーザ光が照射されている箇所以外に伝わっていくが、このとき基板材料の熱物性の違いで基板の温度上昇が異なることが容易に想像つく。
【０００４】
この温度上昇の違いを評価するため、蓄熱度という概念を導入する。蓄熱度は基板材料の熱伝導率、比熱、熱容量、界面での熱伝達係数、波長に対する吸収率など、主に基板や原料の熱物性値に起因するものと、レーザが照射されている面積、レーザ照射域の外周長さ、レーザの強度、パルス幅など、レーザのパラメータに起因するものの２種類に大別することができる。以下では基板や原料の熱物性に依存する蓄熱度を「蓄熱度（物性）」、レーザ特性に依存する蓄熱度を「蓄熱度（レーザ）」と記述し、両者を合わせて総合的な蓄熱の影響を考慮する際には単に「蓄熱度」とのみ記述することとする。
蓄熱度が高いと基板の温度上昇が高く、逆に蓄熱度が低いと基板の温度上昇がそれほど高くはないものとする。
【０００５】
この蓄熱度という概念を用いて、原料の有機塗布膜に対して特許文献２の方法でレーザ光照射を行ったときの温度変化を検討する。蓄熱度（物性）が低い材料を基板に用いた場合は基板温度の上昇はそれほど高くなく、臨界温度ＴＬも超えないため、レーザ光照射における光の効果の影響が優先的に起こる。しかし蓄熱度（物性）が高い材料を基板に用いた場合、レーザ光照射の際に、熱伝導によってレーザ光照射している箇所以外の部分が照射前に温度上昇してしまい、レーザ光の光の効果より先に熱の影響を受けて臨界温度ＴＬを超えてしまう。以上２つの状況を基板断面の温度分布によって表すと図９のようになる。ここで問題となるのは、図９に示すように、レーザ光照射前の箇所が熱の影響を受けるＴＬを超えることである。この箇所では原料の有機塗布膜が熱の影響で内部から徐々に蒸発するので、膜に蒸発痕と見られる穴が開いてしまい、最終的に作成した金属有機塗布膜は表面が剥離と荒れによってその部分で特性が低下する原因となっている。
【０００６】
本発明は、上記のように基板の蓄熱度（物性）が高い材料を基板に用いた場合でも、レーザ光照射における蓄熱度（レーザ）を下げることにより全体の蓄熱を低く抑えることを目的としている。蓄熱度を下げる手段として、蓄熱度（物性）は材料固有のものなので変えることはできないが、蓄熱度（レーザ）はパラメータの変更により低減することが可能である。また、レーザ光を併用したエピタキシャル成長を行うプロセスにおいてはレーザ光の強度が弱すぎても光分解が起こらず特性向上が見られないため、一定以上の強度を必要とすることが分かっている。以上から、レーザ光の形状、照射方法を変更して蓄熱度（レーザ）を下げ、全体の蓄熱度を下げることが適当と考えられる。
【０００７】
本発明は、このようにしてレーザ光照射前の基板の箇所において、例えば基板温度がＴＬを超えないようにして、物理的にも特性的にも安定した超電導薄膜を作ることができるようにレーザ光照射時のステージを制御する方法および装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明のレーザ光の照射方法のうち、第１の本発明は、基板に薄膜を作成する際に、基板に形成した原料膜に対してレーザ光を照射して光分解反応を生じさせるレーザ光の照射方法において、前記基板を面方向において回転させるとともに、該基板をレーザ光照射位置に対し面方向に沿って相対的に移動させつつ、前記レーザ光の照射を行うことを特徴とする。
【０００９】
第２の本発明のレーザ光の照射方法は、前記第１の本発明において、前記基板への薄膜作成が溶液分解法によるものであることを特徴とする。
【００１０】
第３の本発明のレーザ光の照射方法は、前記第１または第２の本発明において、前記レーザ光の照射に際し、単位時間あたりのレーザ光の照射面積が一定となるように、前記基板の回転速度と面方向に沿った移動速度の一方または両方を自動的に変更することを特徴とする。
【００１１】
第４の本発明のレーザ光の照射方法は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記レーザ光の照射に際し、単位時間あたりのレーザ光の照射面積が一定となるように、前記レーザ光の発振周波数を自動的に変更することを特徴とする。
【００１２】
第５の本発明のレーザ光の照射方法は、前記第１〜第４の本発明のいずれかにおいて、前記面方向に沿った相対的な移動が前記基板の回転中心に対する径方向への移動であることを特徴とする。
【００１３】
第６の本発明のレーザ光の照射方法は、前記第１〜第５の本発明のいずれかにおいて、前記レーザ光をスポット状にして前記基板に照射することを特徴とする。
【００１４】
第７の本発明のレーザ光照射装置は、原料膜を形成した基板を支持する支持部と、前記基板を回転させる回転機構と、前記基板を面方向に沿って移動させる移動機構と、前記基板にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、前記基板を前記回転機構によって面方向において回転させるとともに、該基板を前記移動機構によって面方向に沿って相対的に移動させつつ、前記レーザ光照射手段によって前記基板にレーザ光を照射して前記原料膜での光分解反応が生じるように前記回転機構、前記移動機構および前記レーザ光照射手段を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【００１５】
第８の本発明のレーザ光照射装置は、前記第７の本発明において、前記制御部は、前記基板の面方向への移動位置を判定し、該移動位置に基づいて前記回転機構における回転速度と、前記移動機構における移動速度との一方または両方を制御して前記基板への単位時間あたりのレーザ光の照射面積を一定にすることを特徴とする。
【００１６】
第９の本発明のレーザ光照射装置は、前記第７または第８の本発明において、前記制御部は、前記基板の面方向への移動位置を判定し、該移動位置に基づいて前記レーザ光の発信周波数を制御して前記基板への単位時間あたりのレーザ光の照射面積を一定にすることを特徴とする。
【００１７】
次に本発明の作用について説明する。
この発明は上記目的を達成するために、照射するレーザ光の形状を、好ましくは正方形型もしくは円形型のスポット状にして、ステージ上の基板を水平方向に回転しつつ、なおかつ水平方向に動かしてスキャンするように動作させる。
照射するレーザ光は特許文献２で示されるようなラインビームの形状でなくてよく、正方形型もしくは円形型のできれば線対称・点対称な形状が望ましい。当然のことながら形状中のレーザ光のエネルギー密度分布は均質であることが望ましい。またレーザ光の位置は、通常は、照射中に移動することはなく、一定の位置で固定されている。
このレーザ光を原料の金属有機膜を塗布などした基板に照射する際に、基板を固定したステージが動くことにより基板の全面にレーザを照射するが、ここでステージは以下の２つ法則に従って移動する。
（１）基板を面方向において（特には水平方向）に回転する。
（２）基板を面方向に沿って（特には水平方向）に移動する。
（１）と（２）を同時に満たすような動きをすることにより、基板中のレーザ光の照射済の領域は図１のように推移する。最終的には基板の中心部でレーザ照射を停止することで、基板の中でレーザ照射領域の区切りなく連続的に、基板全面をレーザ処理するこをが可能である。なおこの際に照射開始位置は、基板の外側からでも内側からでもよいこととする。
【００１８】
また、レーザが基板の端にあるときと中心部で単位時間あたりの照射面積を等しくするために以下のうち１つに従って動作する。
（３）（１）と（２）の動作を行いつつ、単位時間あたりの照射面積がレーザの位置によらず一定となるように、（１）の回転速度と（２）の移動速度の一方又は両方を調整して動作する。
（４）（１）と（２）の動作を行いつつ、単位時間あたりの照射面積がレーザの位置によらず一定となるように、レーザ光の発振周波数を自動的に変更しながら照射する。
（３）または（４）を満たす方法でレーザ照射を行えば、照射されるレーザの総合的なエネルギー量は基板各部位で全て同じになり、基板全面で均一に照射されると考えられる。また、（１）の回転速度と（２）の移動速度およびレーザ光の発振周波数を変更しながら単位時間あたりの照射面積がレーザの位置によらず一定となるようにすることも可能である。
本発明を用いてレーザ照射したときの基板の温度分布を検討すると図２のようになる。照射箇所が一方向からでなく、比較的早くスキャンし、かつ基板内を分散してスキャンするため発熱も一箇所に集中せず分散するため基板のどの箇所でもＴＬを越えることはない。特許文献２での照射方法と比較すると、基板材料が同じだとしても、レーザの照射面積が小さいことで熱が分散しやすくなるために蓄熱度（レーザ）が低く抑えられ、結果的に蓄熱度が低くなり、基板の温度上昇が抑えられたためと考えられる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、この発明によればステージを回転させながらレーザ照射を行うことにより、蓄熱度の高い材料の基板であっても、基板の蓄熱を抑えることができて原料の有機塗布膜に対する熱の影響を低減することができたため、表面荒れがなくかつ高特性の超電導薄膜を安定して作成できるようになる効果がある。
また、ライン形状のような特殊なレーザビーム形状を用いなくても、たとえば光ファイバーを通過するだけで円形に形成されるような簡単なビーム形状のレーザでも、大面積基板の全面を連続的に処理することができるといった効果も得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明の一実施形態を図３、４に基づいて説明する。
レーザ光照射装置は、レーザ光発振部１と、該レーザ光発振部１から出力されたレーザ光の光路に配置した光学系２とによってレーザ光照射手段が構成されており、レーザ光の照射方向側に基板支持部として基板ステージ３が配置されている。
基板ステージ３には、該基板ステージ３を水平に回転させる回転機構４が接続されており、さらに前記基板ステージ３および回転機構４を水平に移動させる水平移動機構５が設けられている。また、レーザ光照射装置には、該装置全体を制御する制御部６を備えており、前記レーザ光発振部１、回転機構４、水平移動機構５の動作が制御部６で制御されている。該制御部６は、例えば、ＣＰＵとこれを動作させるプログラムとを主として構成することができる。
【００２１】
上記回転機構４は、基板ステージ３を水平に回転できるものであればよく、特にその構成が限定されるものではなく、モータなどの適宜の装置を使用することができる。また、水平移動機構５は前記基板ステージ３を水平に移動させるものであり、特にその構成が限定されるものではなく、モータなどの適宜の装置を使用することができる。なお、回転機構４と水平移動機構５ではそれぞれ個別に駆動装置を有するものであってもよく、また、共通する駆動装置を利用するものであってもよい。
【００２２】
次に、上記レーザ光照射装置を用いたレーザ光照射方法について説明する。
原料となる金属塩を溶媒で溶かし、その原料溶液を基板１０に塗布して乾燥することで基板１０上に原料膜１１が形成されている。この基板１０を基板ステージ３上に設置し、前記制御部６の指令を受けた前記回転機構４によって基板１０を所定回転速度で回転させ、さらに前記制御部６の指令を受けた前記水平移動機構５によって基板１０を所定の移動速度で移動させる。基板１０は、該水平移動機構５によって前記回転方向に対し径方向に移動する。さらに基板１０の回転および水平移動とともに、前記制御部６の指令によって前記レーザ光発振部１からレーザ光７を出力し、光学系２を経て正方形型または円形型としてスポット状のレーザ光７を前記基板１０に照射する。レーザ光７は、線対称・点対称に整形されている。またこのレーザ光７は移動せず固定されたままでよい。
【００２３】
レーザ光照射開始時には、レーザ光の照射位置は基板の完全に外側である。レーザ光照射対象の原料膜にレーザ光７が当たり始めると、レーザ光の光反応によって原料溶液の改質反応が起きる。レーザ光７の照射位置は、前記した基板１０の回転と水平移動に伴って次第に内周側へと移動する。
この結果、基板１０では、図２に示すようにレーザ光が素早く走査され、発熱が一箇所に集中することなく分散して基板１０の原料膜１１が均等に熱分解する。以上のようにして作成した薄膜は、熱が分散して蓄熱度（レーザ）が低く抑えられるためにレーザによる光の効果のみを効果的に適用することができる。
【００２４】
また、上記レーザ光の照射においては、基板を定速で回転させ、かつ定速で水平移動させると、レーザ光が照射対象膜の内周側に向かうに従い、基板上におけるレーザ光の軌跡の線速度が変化する（次第に小さくなる）ため、レーザ光による単位時間当たりの照射面積が変化してしまう（小さくなる）。この結果、光の効果が一定にならず、レーザ光の照射による処理が不均一になってしまう。
したがって、レーザ光の照射位置に拘わらず、レーザ光による単位時間当たりの照射面積が一定になるようにするのが望ましい。このためには、基板の回転速度と移動速度とを制御部６によって制御することが考えられる。この場合、回転速度と移動速度のいずれかを変化させてもよく、また両方を変化させてもよい。
【００２５】
また、レーザ光による単位時間当たりの照射面積は、レーザ光の周波数によっても変更することができる。したがって、制御部６によって上記回転速度と移動速度とを一定にしておき、上記のように基板の移動位置を判定して、該移動位置に基づいてレーザ光発振部１を制御してレーザ光の照射周波数を自動的に変更するようにしてもよい。図５は、時間経過に伴って変化させるレーザ光の照射周波数を示すものである。該照射周波数の自動変更によって、レーザ光の照射位置に拘わらず、レーザ光による単位時間当たりの照射面積を一定にすることが可能になる。
【実施例１】
【００２６】
以下に、本発明の実施例を説明する。
（実施例）
アルミナ基板を用い、レーザ光としてビーム半径８ｍｍで照射エネルギー１０Ｊ／ｃｍ２のガウシアン型円形レーザ光を用いた。前記基板に沿ってレーザ光を照射している際のある箇所の瞬間的な温度分布のシミュレーション結果を図６に示した。照射済みの箇所は最高到達温度の分布を示している。レーザ照射箇所の中心部で一部で４００℃を超えているところもあるが、照射箇所でもほとんどが４００℃以下である。また、レーザ照射を行っていない箇所ではおおむね２００℃以下であった。なお、図中の温度分布は、濃淡で示されており、濃い程高い温度を示している。
【００２７】
（比較例）
実施例と同様にアルミナ基板を用いて、レーザ光としてビーム半径８ｍｍ、照射エネルギー１０Ｊ／ｃｍ２のガウシアン型円形レーザを用いた。該レーザ光を基板の真ん中で照射した瞬間の最高温度分布のシミュレーション結果を図７に示した。実施例と比較例とを比べると、比較例ではレーザの中心部で４４０℃を超えており、レーザ光を照射していない箇所も２８０℃近くまで上昇していた。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による基板でのレーザ光の照射済の領域の推移を示す図である。
【図２】同じく、図１の断面図とその瞬間の基板断面方向の温度分布を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態のレーザ光照射装置を示す概略図である。
【図４】同じく、基板ステージの拡大図である。
【図５】同じく、レーザ光による単位時間当たりの照射面積を一定にするためのレーザ光発振周波数の変化を示す図である。
【図６】実施例におけるレーザ光照射時の基板温度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】比較例におけるレーザ光照射時の基板温度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】基板をラインビームのレーザ光で照射する状態を示す図である。
【図９】同じく、図８の断面図とその瞬間の基板断面方向の温度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  レーザ光発振部
２  光学系
３  基板ステージ
４  回転機構
５  水平移動機構
６  制御部
７  レーザ光
１０  基板
１１  原料膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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