(57)【要約】【課題】同一の装置内で１つのレーザ光源を用いて、レーザ・アブレーションと表面改質を行うレーザ蒸着装置を提供する。【解決手段】真空チャンバー中で目的材料元素を含むターゲット材料にレーザ光を照射することによりその一部を蒸発させ、この蒸発した原子、イオンまたは分子をターゲット近傍に置いた基板に付着させることにより薄膜を作成する手法において、同一の装置内で、可動式ミラーを用いて、レーザ蒸着用ビームと表面改質用ビームにレーザ光を分けて、真空チャンバーの光導入窓を通して、レーザ蒸着用ビームをターゲット材料に当て、表面改質用ビームを基板表面に当てて、１つのレーザ光源によりターゲット材料の蒸発と、作成された膜の表面改質を行うレーザ蒸着装置。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバー中で目的材料元素を含むターゲット材料にレーザ光を照射することによりその一部を蒸発させ、この蒸発した原子、イオンまたは分子をターゲット近傍に置いた基板に付着させることにより薄膜を作成する手法において、同一の装置内で、可動式ミラーを用いて、レーザ蒸着用ビームと表面改質用ビームにレーザ光を分けて、真空チャンバーの光導入窓を通して、レーザ蒸着用ビームをターゲット材料に当て、表面改質用ビームを基板表面に当てて、１つのレーザ光源によりターゲット材料の蒸発と、作成された膜の表面改質を行うレーザ蒸着装置。
【請求項２】
レーザがＡｒＣｌ、ＡｒＦ、ＫｒＣｌ、ＫｒＦ、ＸｅＢｒ、ＸｅＣｌ、ＸｅＦ、ＡｒＯのエキシマー・レーザ、窒素、ヘリウムネオン、二酸化炭素、水素のガス・レーザ、クロム、ネオディウム、チタン、コバルトを活性イオンとする固体レーザ、およびＧａＩｎＰ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮの半導体レーザのいずれかである請求項１に記載したレーザ蒸着装置。
【請求項３】
レーザ光路にレンズやミラーを挿入しレーザ光のエネルギー密度や光線の向きを制御できるようにした請求項１または請求項２に記載したレーザ蒸着装置。
【請求項４】
レーザ光路に光波長変換材料を挿入し材料が吸収しやすい波長にレーザ光を変換して用いる請求項１または請求項２に記載したレーザ蒸着装置。
【請求項５】
レーザ光をターゲット材料の蒸発と、作成された膜の表面改質のために分岐して用いる請求項１または請求項２に記載したレーザ蒸着装置の利用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【本発明の属する技術分野】
本発明は、高品質の機能薄膜を製造するレーザ蒸着装置およびその利用方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機能薄膜を作成する物理的方法としては真空蒸着法、スパッタ法、レーザ・アブレーション法が代表的な手法として知られている。これらの方法では目的材料を真空中で熱、イオン衝撃、レーザエネルギーなどにより蒸発させ、近傍に置いた基板に付着させることにより薄膜を作成する。優れた結晶性の膜を作成するためには基板の加熱または成膜後の焼き鈍しが必要な場合が多い。ところが、基板の耐熱性が不十分な場合には作成中の基板加熱ができないので、作成後に、基板に対しての熱的負担が少ないレーザ・アニールが利用される。レーザ・アニールとは膜を加熱するためにレーザ光をパルス的に照射する手法で、パルスのエネルギーと時間間隔を適当に選ぶことによって、基板の温度上昇を抑えつつ作成された膜を加熱して結晶化を促進したり膜の表面を改質したりする方法として知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、これまで別々の装置で行われてきたレーザ・アブレーションとレーザ・アニールを同一の装置内で、かつ１つのレーザ光源を用いて行うものである。レーザ・アブレーションには数Ｗ／ｃｍ２　以上の高いエネルギー密度が必要であり、一方のレーザ・アニールにはその百分の一程度の低いエネルギー密度が適当である。そのうえ、レーザ・アブレーション用レーザ光はターゲットに、アニール用レーザ光は基板に照射する必要があるために、同一の装置内で１つのレーザ光源を用いて行うのは困難であった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ミラーやレンズなどの光学系を用いて光路を分割・制御およびエネルギー密度の調整をすることにより１つのレーザ光源をターゲット材料のアブレーションと作成された膜の表面改質に用いるものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明においては、１つのレーザ光をターゲット材料を蒸発させる目的と、作成された膜の表面を改質する目的に使用する。ターゲット材料を蒸発させるためには、数Ｗ／ｃｍ２　以上のエネルギーを通常必要とし、一方、材料の表面改質のためには１Ｗ／ｃｍ２　以下のエネルギーで十分なので、レンズやミラーなどの光学部品を用いてレーザ光のエネルギー密度を調整する。材料が吸収しやすい光の波長を選ぶと、このレーザ光は表面付近で大部分が吸収されるので、表面の改質に有効である。多層膜構造とする場合には表面は次の成膜により界面となるので、界面の特性改善にも有効である。
さらに、ターゲットを交換して作成した異種材料の多層構造膜の場合には、光の波長を選ぶことによって特定の層にレーザエネルギーを吸収させ、この層を選択的に改質することができる。
【０００６】
本発明の具体例を示す。
（実施例１）
図１にターゲット材料の蒸発と膜の表面改質で光路を変え、かつターゲット材料の蒸発にはレンズを利用してエネルギー密度を高めたレーザ光を照射する実施例を示す。
ここでは銅アルミ酸化物および酸化スズをターゲットとして、ガラスやプラスチック基板に機能膜を形成する例を示している。レンズによる集光の効果に加え、光源にパルス・レーザを用いて繰り返し周波数をターゲット材料を蒸発させる場合と膜の表面を改質する場合で変えることにより、照射光のエネルギー密度を一万分の１程度に容易に制御できる。
この優れた制御性により基板の温度上昇を抑えつつ作成された膜の表面改質を効果的に行うことが可能となる。
【０００７】
（実施例２）
図２にはビーム・スプリッターを用いてレーザ光の一部を表面改質用に分配し、ターゲット材料の蒸発には主ビームをレンズを通して集光して照射する実施例を示す。この例では、ターゲット材料の蒸発と膜の表面改質を同時に行っている。実施例１と比較すると、表面改質のためのレーザ・パワーの制御性は劣るが、ミラーの制御が不要なために装置の構成が簡単になる。
【０００８】
（実施例３）
図３はＹＡＧレーザを光源とし、光路に光波長変換材料を挿入し材料が吸収しやすい波長にレーザ光を変換して用いる例である。この方式を利用すると、半導体レーザやＹＡＧレーザなどの取り扱いが容易なレーザを光源として用いることができる。波長１．０６ミクロンのＹＡＧレーザと非線形光学材料を組み合わせて２段階に単波長化するとターゲット材料の蒸発に適当な０．２６５ミクロンの紫外光が得られる。
【０００９】
（実施例４）
図４は半導体レーザを光源とし、光路に光波長変換材料を挿入し材料が吸収しやすい波長にレーザ光を変換して用いる例である。波長０．８ミクロンのレーザを光源とすると、非線形光学材料１段のみで波長０．４ミクロンの光を得ることができる。この方式を利用すると、取り扱いが容易な半導体レーザを光源として用いることができるので、装置の運転と維持管理が簡単になる。
【００１０】
【本発明の効果】
本発明によればプラスチック基板など耐熱性の低い基板に対しても、レーザ・アブレーションとレーザによる膜の改質を行うことができる。特に、成膜後にパルス的に照射する膜改質用のレーザ光のエネルギーと時間間隔を適当に選ぶことによって、基板の温度上昇を抑えつつ作成された膜を加熱して結晶化を促進したり膜の表面を改質できることが利点である。さらに、レンズやミラーなどの光学部品を用いてレーザ光のエネルギー密度を調整することによって、１つのレーザ光源をターゲット材料の蒸発と作成された膜の表面改質に用いることが可能となった。
レーザ光の波長としては、表面付近でエネルギーの大部分が吸収されるような波長を選び表面の改質の効果を高める。多層膜構造とする場合には表面は次の成膜により界面となるので、界面の特性改善にも有効である。さらに、ターゲットを交換して作成した異種材料の多層構造膜の場合には、光の波長を選ぶことによって特定の層にレーザエネルギーを吸収させ、この層を選択的に改質することができる。半導体材料のｐｎ接合などがこの例に相当するので、薄膜太陽電池や薄膜トランジスタの特性改善に特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１
【図２】本発明の実施例２
【図３】本発明の実施例３
【図４】本発明の実施例４
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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