(57)【要約】【課題】大面積を均一に成膜でき、また、低コストで寿命の長いレーザ薄膜形成装置を得る。【解決手段】チャンバーへレーザビームを入射させ、原料ガスを光分解し、薄膜Ｓを基板９４上に堆積させる。レーザ光源のレーザ出射部６８は、基板９４の幅方向に沿ってライン状に配列されている。このレーザビームは、コリメータレンズ１２８とシリンドリカルレンズ１０４により基板９４の幅方向へライン状に集光されラインビームとなって照射される。このため、ラインビームを走査する必要がなく、移動ステージ９６を矢印Ａ方向へ移動させるだけで全面を均一に成膜できる。また、レーザ光源としてＩＩＩ族窒化物系半導体レーザを用いることで、低コストで長寿命の光源とすることができる。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内へレーザビームを入射させ、反応容器内に供給された原料ガスを光分解し、薄膜を基板上に堆積させるレーザ薄膜形成装置において、
少なくとも１つの半導体レーザによって、複数の発光点が生じるように構成されたレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームを前記基板の幅方向へライン状に集光させる光学系と、
を有することを特徴とするレーザ薄膜形成装置。
【請求項２】
前記基板が載置され、該基板の幅方向と直交する方向へ移動可能な移動ステージを有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ薄膜形成装置。
【請求項３】
反応容器内へレーザビームを入射させ、反応容器に収納された固体材料に照射することで固体材料を気化させ、薄膜を基板上に堆積させるレーザ薄膜形成装置において、
前記レーザビームが出射するレーザ出射部が前記固体材料の幅方向に沿ってライン状に配列されたレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームを前記固体材料の幅方向に亘ってライン状に集光させる光学系と、
を有することを特徴とするレーザ薄膜形成装置。
【請求項４】
前記レーザ光源を、下記（１）〜（５）の何れか１つの光源で構成した請求項１から請求項３の何れかに記載のレーザ薄膜形成装置。
（１）複数の半導体レーザと、１本の光ファイバと、前記複数の半導体レーザの各々から出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えた合波レーザ光源。
（２）（１）の合波レーザ光源における前記半導体レーザを、複数の発光点を備えたマルチキャビティレーザで構成した合波レーザ光源。
（３）複数の発光点を備えたマルチキャビティレーザと、１本の光ファイバと、前記複数の発光点の各々から出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えた合波レーザ光源。
（４）前記合波レーザ光源を複数備え、該複数の合波レーザ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々がアレイ状に配列されたファイバアレイ光源、又はバンドル状に配列されたファイババンドル光源。
（５）単一の半導体レーザと、１本の光ファイバと、前記単一の半導体レーザから出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えたファイバ光源を複数備え、該複数のファイバ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々がアレイ状に配列されたファイバアレイ光源、又はバンドル状に配列されたファイババンドル光源。
【請求項５】
前記レーザ光源が、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの少なくとも１種類を含む発光層を有するＩＩＩ族窒素系半導体レーザで構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載のレーザ薄膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、閉空間内の原料ガス又は固体材料へレーザビームを入射させ、分解・合成反応した生成物で閉空間内に収納した基板上に薄膜を堆積させるレーザ薄膜形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザによる成膜法のうち、レーザビームによる原料ガスや固体材料の分解・反応を利用して基板上に薄膜を堆積させる方法がある。
【０００３】
ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学的気相成長）による薄膜形成法は、閉空間とされたチャンバー内へレーザビームを入射させ、チャンバー内に供給された原料ガスを光エネルギーにより分解し、薄膜を基板上に堆積させるものであり、また、レーザスパッタによる薄膜形成法は、閉空間とされたチャンバー内へレーザビームを入射させ、チャンバー内の固体材料を照射することで固体材料を気化させ、薄膜を基板上に堆積させるものであ。
【０００４】
このように、励起エネルギーとしてレーザを使用することで、他のＰＶＤ（蒸着・スパッタ等）、ＣＶＤ（熱、プラズマ等）と比べて、成膜の対象である基板の温度が上昇しないので、内部応力が小さい薄膜が形成できるため、特に、大サイズの基板の場合、反りを小さくすることができる。
【０００５】
ところで、図１３に示すように、従来の薄膜形成方法では、波長が約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ１４０が使用されてきた。
【０００６】
このＡｒＦエキシマレーザ１４０は、パルス幅が一定であり、所望の物性を有した粒径が得られないという問題がある。また、ＡｒＦエキシマレーザ１４０は、パルス駆動の繰り返し周波数が２ｋＨｚと遅いので、エネルギーを蓄積するのに時間が掛かり、成膜速度が遅く生産効率がよくない。
【０００７】
さらに、ＡｒＦエキシマレーザ１４０は高価であり、その寿命も約５×１０７ショットと短くランニングコストも高くなる。
【０００８】
また、従来のレーザ・スパッタ薄膜形成装置は、単一のＡｒＦエキシマレーザ１４０から出射されたレーザビームを光学走査系１４２で偏向して基板９４の幅方向（Ａ方向）へ薄膜を形成し、長さ方向（Ｂ方向）は基板９４が載置されたステージ１４４を移動させることで成膜していた。
【０００９】
このため、液晶用Ｓｉ−ＴＦＴ、太陽電池等のように、成膜面積の大きい製品の薄膜形成には利用することができなかった。
【００１０】
【発明が解決する課題】
本発明は上記事実を考慮して、大面積を均一に成膜でき、また、低コストで寿命の長いレーザ薄膜形成装置を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、反応容器内へレーザビームを入射させ、反応容器内に供給された原料ガスを光分解し、薄膜を基板上に堆積させるレーザ薄膜形成装置において、少なくとも１つの半導体レーザによって、複数の発光点が生じるように構成されたレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを前記基板の幅方向へライン状に集光させる光学系と、を有することを特徴としている。
【００１２】
請求項１に記載の発明では、反応容器内へレーザビームを入射させ、反応容器内に供給された原料ガスを光分解し、薄膜を基板上に堆積させる。
【００１３】
ここで、レーザ光源は、複数の発光点が生じるように構成されており、発光点は基板の幅方向に沿ってライン状に配列されている。このレーザビームは、光学系により基板の幅方向へライン状に集光され、基板の幅方向に亘るラインビームとなって照射される。
【００１４】
このため、従来の単一光源のレーザビームのように、基板の幅方向へ基板を移動したり、或はレーザビームを走査する必要がなく、全面を成膜するためには、一方向へ、基板を移動又はラインビームを走査するだけでよいので、装置構成が複雑にならない。また、一度に成膜される範囲が大きいので、成膜面積の大きい製品の薄膜形成に適している。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、前記基板が載置され、該基板の幅方向と直交する方向へ移動可能な移動ステージを有することを特徴としている。
【００１６】
請求項２に記載の発明では、基板が載置された移動ステージが、基板の幅方向と直交する方向へ移動する。このため、ラインビームを走査する走査光学系を設ける必要がなくなり、装置構成が簡単になる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、反応容器内へレーザビームを入射させ、反応容器に収納された固体材料に照射することで固体材料を気化させ、薄膜を基板上に堆積させるレーザ薄膜形成装置において、前記レーザビームが出射するレーザ出射部が前記固体材料の幅方向に沿ってライン状に配列されたレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを前記固体材料の幅方向に亘ってライン状に集光させる光学系と、を有することを特徴としている。
【００１８】
請求項３に記載の発明では、反応容器内へレーザビームを入射させ、反応容器に収納された固体材料に照射することで固体材料を気化させ、薄膜を基板上に堆積させる。
【００１９】
ここで、レーザ光源のレーザ出射部は、固体材料の幅方向に沿ってライン状に配列されている。このレーザビームは、光学系により固体材料の幅に亘ってライン状に集光され、固体材料の幅方向に亘るラインビームとなって照射される。
【００２０】
このため、従来のように、固体材料又はレーザビームを固体材料の幅方向へ走査して固体材料の全面にレーザビームを照射する必要がなくなる。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、前記レーザ光源を、下記（１）〜（５）の何れか１つの光源で構成している。
（１）複数の半導体レーザと、１本の光ファイバと、前記複数の半導体レーザの各々から出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えた合波レーザ光源。
（２）（１）の合波レーザ光源における前記半導体レーザを、複数の発光点を備えたマルチキャビティレーザで構成した合波レーザ光源。
（３）複数の発光点を備えたマルチキャビティレーザと、１本の光ファイバと、前記複数の発光点の各々から出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えた合波レーザ光源。
（４）前記合波レーザ光源を複数備え、該複数の合波レーザ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々がアレイ状に配列されたファイバアレイ光源、又はバンドル状に配列されたファイババンドル光源。
（５）単一の半導体レーザと、１本の光ファイバと、前記単一の半導体レーザから出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えたファイバ光源を複数備え、該複数のファイバ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々がアレイ状に配列されたファイバアレイ光源、又はバンドル状に配列されたファイババンドル光源。
【００２２】
請求項４に記載の発明では、レーザ光源として、上記の光源を好適に用いている。この中でも、高出力化や高輝度化が容易な、合波レーザ光源、及び合波レーザ光源を複数用いたファイバアレイ光源やファイババンドル光源が特に好ましい。即ち、合波レーザ光源は、合波するレーザビームの本数を増やすことで、高輝度化を図ることができる。これにより、ポリシリコン膜の結晶特性を改善し低抵抗化して、キャリア移動度を更に上げることができる。また、ファイバアレイ光源やファイババンドル光源では、複数本の光ファイバを束ねて光源を構成するので、同時にレーザ照射できる面積が大きくなり、大面積を高速に薄膜形成することができる。即ち、更なる高速化が容易である。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、前記レーザ光源が、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの少なくとも１種類を含む発光層を有するＩＩＩ族窒素系半導体レーザで構成されていることを特徴としている。
【００２４】
請求項５に記載の発明では、レーザ光源として、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの少なくとも１種類を含む発光層を有するＩＩＩ族窒素系半導体レーザを用いることで、ＡｒＦエキシマレーザと比較して低コストで長寿命の光源を構成することができる。
【００２５】
例えば、連続駆動が可能で出力安定性に優れたＧａＮ系半導体レーザをレーザ光源に用いることで、パルス幅、繰り返し周波数が可変となるため、薄膜の粒径制御が可能となる。
【００２６】
また、ＡｒＦエキシマレーザを用いた薄膜形成装置と比べて小型で信頼性が高く、メンテナンスが容易でエネルギー効率も高い。更に、波長２００〜４５０ｎｍのレーザビームを使用するので、特殊な材料の光学系を使用する必要が無く低コストとなる。また、繰り返し周波数が１０ＭＨｚ〜１ＧＨｚと高いため、エネルギーを蓄積する時間が短く、成膜速度が速くなる。
【００２７】
なお、複数のレーザ出射部を備えたレーザ光源としては、以下の光源が好適に用いられる。この中でも、高出力化や高輝度化が容易な、合波レーザ光源、及び合波レーザ光源を複数用いたファイバアレイ光源やファイババンドル光源が特に好ましい。即ち、合波レーザ光源は、合波するレーザビームの本数を増やすことで、高輝度化を図ることができ、成膜速度が上がる。
【００２８】
また、光ファイバの出射端をレーザ出射部として使用するレーザ光源の場合、光ファイバとして、コア径が均一で出射端のクラッド径が入射端のクラッド径より小さい光ファイバを用いることが好ましい。
【００２９】
出射端のクラッド径が大きい光ファイバを用いたファイバ光源では、バンドル化した際、レーザ出射部の発光点の径が大きくなり、充分な焦点深度が得られない。しかし、出射端のクラッド径を小さくすることで、コアが接近するため、光源の高輝度化を図ることができる。これにより、焦点深度が深くなり、一度の照射で成膜できる面積が大きくなる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態に係るレーザ薄膜形成装置について説明する。
（レーザ薄膜形成装置）
図１に示すように、レーザ薄膜形成装置７０は、閉空間とされた箱状のチャンバー７２を備えている。チャンバー７２の側壁には、後述するファイバアレイ光源６６から出射されたラインビームが入射する入射窓７４と、ラインビームの出口となる出口窓７６が設けられている。なお、入射窓７４は、透過率の高い合成石英ガラス７８で密閉されている。
【００３１】
チャンバー７２は、原料ガスとしてシランガス（ＳｉＨ４）を供給する供給路８０が設けられており、原料ガスボンベ８２がマスフローコントローラ８４を介して接続されている。また、チャンバー７２の底壁には、排ガスを排気する排気通路８６が配置され、真空ポンプ８８でチャンバー７２内のガスを排気すると共にチャンバー７２の内圧が調整される。
【００３２】
なお、チャンバー７２の底壁には、チャンバー７２内のガスを四重極マスフィルタ９０へ導く導入管９２が接続されており、四重極マスフィルタ９０でチャンバー７２内の反応生成物のモニタリングが可能となっている。
【００３３】
一方、チャンバー７２の中央部には、薄膜形成の対象となるガラス製の基板９４が載置される移動ステージ９６が配置されている。この移動ステージ９６の中にはヒータ１００が内蔵されており、基板９４を約２５０℃の温度域に保持する。
【００３４】
また、移動ステージ９６は、ラインビームによって、原料ガスを励起して薄膜Ｓの堆積を行うことができる位置に配置されている。つまり、ラインビームの照射領域内に位置している。
【００３５】
また、移動ステージ９６の下面はガイドレール９８と係合する凹部１０２が形成されており、ガイドレール９８に沿って移動ステージ９６は所定の速度で矢印Ａ方向へ移動する。この移動方向（矢印Ａ方向）は、ラインビームのビームウエストＷ（光分解反応領域：図４参照）を直交する方向である。
（ファイバアレイ光源）
ファイバアレイ光源６６は、図５（Ａ）に示すように、多数のレーザモジュール６４を備えており、各レーザモジュール６４には、マルチモード光ファイバ３０の一端が結合されている。マルチモード光ファイバ３０の他端には、コア径がマルチモード光ファイバ３０と同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバ３０より小さい光ファイバ３１が結合されている。
【００３６】
光ファイバ３１の出射端部（発光点）はライン状に１列に配列されてレーザ出射部６８とされている。この発光点の配列方向は、チャンバー７２内に設けられた移動ステージ９６の移動方向（矢印Ａ方向）と直交する方向となっており、移動ステージ９６に載置された基板９４の幅方向へ所定の幅を持ったラインビームが横切る構成である。
【００３７】
光ファイバ３１の出射端部は、図５（Ｂ）に示すように、表面が平坦な２枚の支持板６５に挟み込まれて固定されている。また、光ファイバ３１の出射端部はガラス等の透明な保護板６３で保護されている。保護板６３は、光ファイバ３１の端面と密着させて配置してもよく、光ファイバ３１の端面が密封されるように配置してもよい。光ファイバ３１の出射端部は、光密度が高く集塵し易く劣化し易いが、保護板６３を配置することにより端面への塵埃の付着を防止することができると共に劣化を遅らせることができる。
【００３８】
また、レーザ出射部６８の前面には、コリメータレンズ１２８が設けられており、レーザ出射部６８から出射されたレーザビームが平行光化される。平行光化されたレーザビームは、シリンドリカルレンズ１０４によって、光ファイバ３１の出射端部の配列方向と直交する方向のみに集光される。
【００３９】
シリンドリカルレンズ１０４は、所定方向に曲率を有し且つ所定方向と直交する方向に長い形状をしており、長手方向（所定方向と直交する方向）が光ファイバ３０の出射端の配列方向と平行になるように配置されている。これにより、基板９４の上方にライン状に結像されラインビームとなる。
【００４０】
また、本実施例では、クラッド径が小さい光ファイバ３１の出射端を隙間無く１列に配列するために、クラッド径が大きい部分で隣接する２本のマルチモード光ファイバ３０の間にマルチモード光ファイバ３０を積み重ね、積み重ねられたマルチモード光ファイバ３０に結合された光ファイバ３１の出射端が、クラッド径が大きい部分で隣接する２本のマルチモード光ファイバ３０に結合された光ファイバ３１の２つの出射端の間に挟まれるように配列されている。
【００４１】
このような光ファイバは、例えば、図６に示すように、クラッド径が大きいマルチモード光ファイバ３０のレーザビーム出射側の先端部分に、長さ１〜３０ｃｍのクラッド径が小さい光ファイバ３１を同軸的に結合することにより得ることができる。２本の光ファイバは、光ファイバ３１の入射端面が、マルチモード光ファイバ３０の出射端面に、両光ファイバの中心軸が一致するように融着されて結合されている。上述した通り、光ファイバ３１のコア３１ａの径は、マルチモード光ファイバ３０のコア３０ａの径と同じ大きさである。
【００４２】
また、長さが短くクラッド径が大きい光ファイバにクラッド径が小さい光ファイバを融着させた短尺光ファイバを、フェルールや光コネクタ等を介してマルチモード光ファイバ３０の出射端に結合してもよい。コネクタ等を用いて着脱可能に結合することで、クラッド径が小さい光ファイバが破損した場合等に先端部分の交換が容易になり、照射ヘッドのメンテナンスに要するコストを低減できる。なお、以下では、光ファイバ３１を、マルチモード光ファイバ３０の出射端部と称する場合がある。
【００４３】
マルチモード光ファイバ３０及び光ファイバ３１としては、ステップインデックス型光ファイバ、グレーテッドインデックス型光ファイバ、及び複合型光ファイバの何れでもよい。例えば、三菱電線工業株式会社製のステップインデックス型光ファイバを用いることができる。本実施の形態では、マルチモード光ファイバ３０及び光ファイバ３１は、ステップインデックス型光ファイバであり、マルチモード光ファイバ３０は、クラッド径＝１２５μｍ、コア径＝２５μｍ、ＮＡ＝０．２、入射端面コートの透過率＝９９．５％以上であり、光ファイバ３１は、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝２５μｍ、ＮＡ＝０．２である。
【００４４】
一般に、赤外領域のレーザビームでは、光ファイバのクラッド径を小さくすると伝搬損失が増加する。このため、レーザビームの波長帯域に応じて好適なクラッド径が決定されている。しかしながら、波長が短いほど伝搬損失は少なくなり、ＧａＮ系半導体レーザから出射された波長４０５ｎｍのレーザビームでは、クラッドの厚み｛（クラッド径−コア径）／２｝を８００ｎｍの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の１／２程度、通信用の１．５μｍの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の約１／４にしても、伝搬損失は殆ど増加しない。従って、クラッド径を６０μｍと小さくすることができる。
【００４５】
但し、光ファイバ３１のクラッド径は６０μｍには限定されない。従来のファイバ光源に使用されている光ファイバのクラッド径は１２５μｍであるが、クラッド径が小さくなるほど焦点深度がより深くなるので、マルチモード光ファイバのクラッド径は８０μｍ以下が好ましく、６０μｍ以下がより好ましく、４０μｍ以下が更に好ましい。一方、コア径は少なくとも３〜４μｍ必要であることから、光ファイバ３１のクラッド径は１０μｍ以上が好ましい。
【００４６】
レーザモジュール６４は、図７に示す合波レーザ光源（ファイバ光源）によって構成されている。この合波レーザ光源は、ヒートブロック１０上に配列固定された複数（例えば、７個）のチップ状の横マルチモード又はシングルモードのＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，及びＬＤ７と、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々に対応して設けられたコリメータレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６，及び１７と、１つの集光レンズ２０と、１本のマルチモード光ファイバ３０と、から構成されている。なお、半導体レーザの個数は７個には限定されない。例えば、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２のマルチモード光ファイバには、２０個もの半導体レーザ光を入射することが可能であり、照射ヘッドの必要光量を実現して、且つ光ファイバ本数をより減らすことができる。
【００４７】
ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、発振波長が総て共通（例えば、４０５ｎｍ）であり、最大出力も総て共通（例えば、マルチモードレーザでは１００ｍＷ、シングルモードレーザでは３０ｍＷ）である。なお、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長範囲で、上記の４０５ｎｍ以外の発振波長を備えるレーザを用いてもよい。
【００４８】
上記の合波レーザ光源は、図８及び図９に示すように、他の光学要素と共に、上方が開口した箱状のパッケージ４０内に収納されている。パッケージ４０は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋４１を備えており、脱気処理後に封止ガスを導入し、パッケージ４０の開口をパッケージ蓋４１で閉じることにより、パッケージ４０とパッケージ蓋４１とにより形成される閉空間（封止空間）内に上記合波レーザ光源が気密封止されている。
【００４９】
パッケージ４０の底面にはベース板４２が固定されており、このベース板４２の上面には、前記ヒートブロック１０と、集光レンズ２０を保持する集光レンズホルダー４５と、マルチモード光ファイバ３０の入射端部を保持するファイバホルダー４６とが取り付けられている。マルチモード光ファイバ３０の出射端部は、パッケージ４０の壁面に形成された開口からパッケージ外に引き出されている。
【００５０】
また、ヒートブロック１０の側面にはコリメータレンズホルダー４４が取り付けられており、コリメータレンズ１１〜１７が保持されている。パッケージ４０の横壁面には開口が形成され、この開口を通してＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に駆動電流を供給する配線４７がパッケージ外に引き出されている。
【００５１】
なお、図９においては、図の煩雑化を避けるために、複数のＧａＮ系半導体レーザのうちＧａＮ系半導体レーザＬＤ７にのみ番号を付し、複数のコリメータレンズのうちコリメータレンズ１７にのみ番号を付している。
【００５２】
図１０は、上記コリメータレンズ１１〜１７の取り付け部分の正面形状を示すものである。コリメータレンズ１１〜１７の各々は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取った形状に形成されている。この細長形状のコリメータレンズは、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することによって形成することができる。コリメータレンズ１１〜１７は、長さ方向がＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の発光点の配列方向（図１０の左右方向）と直交するように、上記発光点の配列方向に密接配置されている。
【００５３】
一方、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、発光幅が２μｍの活性層を備え、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々例えば１０°、３０°の状態で各々レーザビームＢ１〜Ｂ７を発するレーザが用いられている。これらＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設されている。
【００５４】
従って、各発光点から発せられたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ１１〜１７に対して、拡がり角度が大きい方向が長さ方向と一致し、拡がり角度が小さい方向が幅方向（長さ方向と直交する方向）と一致する状態で入射することになる。つまり、各コリメータレンズ１１〜１７の幅が１．１ｍｍ、長さが４．６ｍｍであり、それらに入射するレーザビームＢ１〜Ｂ７の水平方向、垂直方向のビーム径は各々０．９ｍｍ、２．６ｍｍである。また、コリメータレンズ１１〜１７の各々は、焦点距離ｆ１＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。
【００５５】
集光レンズ２０は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取って、コリメータレンズ１１〜１７の配列方向、つまり水平方向に長く、それと直角な方向に短い形状に形成されている。この集光レンズ２０は、焦点距離ｆ２＝２３ｍｍ、ＮＡ＝０．２である。この集光レンズ２０も、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することにより形成される。
【００５６】
レーザ薄膜形成装置の作用について説明する。
【００５７】
ファイバアレイ光源６６の合波レーザ光源を構成するＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々から発散光状態で出射したレーザビームＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，及びＢ７の各々は、対応するコリメータレンズ１１〜１７によって平行光化される。平行光化されたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバ３０のコア３０ａの入射端面に収束する。
【００５８】
本例では、コリメータレンズ１１〜１７及び集光レンズ２０によって集光光学系が構成され、その集光光学系とマルチモード光ファイバ３０とによって合波光学系が構成されている。即ち、集光レンズ２０によって上述のように集光されたレーザビームＢ１〜Ｂ７が、このマルチモード光ファイバ３０のコア３０ａに入射して光ファイバ内を伝搬し、１本のレーザビームＢに合波されてマルチモード光ファイバ３０の出射端部に結合された光ファイバ３１から出射する。
【００５９】
各レーザモジュールにおいて、レーザビームＢ１〜Ｂ７のマルチモード光ファイバ３０への結合効率が０．８５で、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各出力が３０ｍＷの場合（シングルモードレーザを使用する場合）には、アレイ状に配列された光ファイバ３１の各々について、出力１８０ｍＷ（＝３０ｍＷ×０．８５×７）の合波レーザビームＢを得ることができる。従って、１２００本の光ファイバ３１がアレイ状に配列されたレーザ出射部６８での出力は約２１６Ｗ（＝１８０ｍＷ×１２００）である。
【００６０】
なお、本実施では、光ファイバ３１の本数は１２００本としたが、光ファイバ３１の本数は、ラインビームの長さが、薄膜Ｓを堆積させる基板９４の幅サイズより大きくなるように決定される。
【００６１】
すなわち、アレイ化する光ファイバの本数を増やすことにより、エネルギー強度とその均一性を維持した状態でラインビーム長を伸張することができる。従って、大型ＴＦＴ−ＬＣＤパネルの薄膜形成装置として利用できる。
【００６２】
ファイバアレイ光源６６のレーザ出射部６８には、高輝度の発光点が主走査方向に沿って一列に配列されている。単一の半導体レーザからのレーザビームを１本の光ファイバに結合させる従来のファイバ光源は低出力であるため、多数列配列しなければ所望の出力を得ることができなかったが、本実施の形態で使用する合波レーザ光源は高出力であるため、少数列、例えば１列でも所望の出力を得ることができる。
【００６３】
また、マルチモード光ファイバ３０として、クラッド径＝１２５μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２のステップインデックス型光ファイバを用いた場合には、レーザ出射部６８でのビーム径は５０μｍ×１５０ｍｍである。基板９４の上方での照射エリアは５０μｍ×１５０ｍｍとなる。従って、１ｍｓｅｃで照射する場合は、基板９４の上での光密度は９６０ｍＪ／ｃｍ２である。光学系による損失を約７５％と見積っても、照射面上での光密度は７２０ｍＪ／ｃｍ２である。よって、１ｓｅｃ間に１５０ｍｍのライン長さを照射できる。
【００６４】
このような構成により、ライン状となって出射するレーザビームは、コリメータレンズ１２８で平行光とされ、シリンドリカルレンズ１０４によって光ファイバ３１の配列方向と直交する方向にのみ集光されてラインビームとなる。ラインビームは、チャンバー７２の入射窓７４から入射して、図２〜図４に示すように、ビームウエスト（５０μｍ）中心として５０μｍ〜６０μｍ（ビームウエスト×１．２）の範囲を反応領域として、基板９４の幅方向に亘って光エネルギーを与える。また、焦点深度が大きいので反応領域の幅も大きくなっている。
【００６５】
一方、基板９４は、ヒーター１００によって約３００℃程度の温度域に保持されている。また、供給路８０から原料ガスとして１０％Ｈｅ希釈のシランガス（ＳｉＨ４）が供給される。シランガスは基板９４の上方に拡散し、レーザビームの光エネルギーによって分解され、ＳｉＯ２の絶縁薄膜Ｓが反応領域の幅で幅方向に亘って、ガラス製の基板９４の上に堆積させる。
【００６６】
ここで、ラインビームで照射される領域は、基板の幅方向に亘っているため、従来の単一光源のレーザビームのように（図１３参照）、レーザビームを偏向走査する必要がない。
【００６７】
また、基板９４の全面に成膜するため、移動ステージ９６が矢印Ａ方向に一定の速度で移動し、基板９４の端部から順次、大きな範囲でＳｉＯ２の絶縁薄膜を形成していく。
【００６８】
なお、本実施例では、基板９４を移動して全面に成膜するようにしたが、ラインビームをＡ方向にのみに偏向して、全面をラインビームで照射するようにすることもできる。
【００６９】
また、チャンバー７２へ供給される原料ガスは、目的とする膜の種類によって当然変わるものであり、金属膜を形成する場合は、金属カルボニルＣｒ（ＣＯ）６，Ｍｏ（ＣＯ）６、Ｗ（ＣＯ）６などを原料ガスとして、それぞれＣｒ、Ｍｏ、Ｗの金属膜を形成し、また、Ａｌ（ＣＨ３）３を原料ガスとしてＡｌ配線を形成したり、低温、低損傷を生かすことで種々の成膜に利用できる。
【００７０】
さらに、レーザビームの光量制御を行うことで、膜厚の調整が可能となり、また、レーザビームを走査することで、光エネルギーの空間分布を制御することもできる。
【００７１】
次に、第２実施形態のレーザ・スパッタ薄膜形成装置について説明する。
【００７２】
図１１に示すように、真空槽１０６の底部には、固体材料としてＳｉターゲット１０８を載せるターゲット支持台１１０が設けられている。また、真空槽１０６の天井部からは基板９４を保持するホルダー１１２が垂下されており、赤外線ランプ１１４で基板９４の温度が２５０℃に保温されている。
【００７３】
真空槽１０６の右側壁には、Ａｒ（アルゴン）等の不活性ガスを導入する導入管１１６が設けられ、導入管１１６の下方には、真空槽１０６内の排ガスを排気する排気管１１８が配置されている。また、真空槽１０６の左側壁には、入射窓１２０が設けられており、ラインビームが真空槽１０６内へ入射するようになっている。
【００７４】
また、ラインビームは、反射ミラー１３０で折り返され、レンズ１３２で集光されて入射窓１２０を通過し、Ｓｉターゲット１０８を照射してプルームＰ（スパッタ粒子）を発生させ、基板９４の表面に良質のＳｉ膜を高速で形成する。
【００７５】
ここで、図１２に示すように、Ｓｉターゲット１０８には、全幅に亘ってラインビームが照射されるので、ターゲット支持台１１０を矢印方向へ平行移動させることにより、矩形状のＳｉターゲット１０８の全面に漏れなくラインビームが照射さる。このため、効率よく、プルームを発生させることができる。
【００７６】
以上のように、本発明は、矩形状のターゲットに均一にラインビームを照射することにより、それに対向する矩形状の基板に均一に薄膜形成が可能になる。しかも、光偏向が不要であるため光学系が簡便になり、薄膜形成装置を安価に実現できる。
【００７７】
なお、本実施例では、半導体レーザとして、ＧａＮ系半導体レーザを例に採って説明したが、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの少なくとも１種類を含むＩＩＩ族窒素系半導体レーザ、すなわち、ＡｌＸＧａＹＩｎＺのように、ＸＹＺの混合比を任意に変えることで、発光層の光学ギャップを変えることができる。
【００７８】
例えば、ＧａＮの光学ギャップ３．２〜３．５ｅＶを基準にすると、これにＡｌを加えることにより、６．５ｅＶ程度大きくすることができ、紫外領域にも対応することができる。また、Ｉｎを加えることにより、１．９ｅＶ程度まで変化させることができ、可視領域にも対応できる。なお、レーザの波長は、Ａｌ窒素系の場合、約２００ｎｍ、Ｇａ窒素系の場合、約３５０ｎｍとなる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明は、上記構成としたので、大面積を均一に成膜でき、また、低コストで寿命の長いレーザ光源とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係るレーザ薄膜形成装置の全体図である。
【図２】第１実施形態に係るレーザ薄膜形成装置のラインビームと基板との位置関係を示す斜視図である。
【図３】第１実施形態に係るレーザ薄膜形成装置のラインビームと基板との位置関係を示す平面図である。
【図４】第１実施形態に係るレーザ薄膜形成装置のラインビームと基板との位置関係を示す側面図である。
【図５】（Ａ）はファイバアレイ光源の構成を示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａの部分拡大図である。
【図６】マルチモード光ファイバの構成を示す図である。
【図７】合波レーザ光源の構成を示す平面図である。
【図８】レーザモジュールの構成を示す平面図である。
【図９】図８に示すレーザモジュールの構成を示す側面図である。
【図１０】図８に示すレーザモジュールの構成を示す部分側面図である。
【図１１】第２実施形態に係るレーザ薄膜形成装置の全体図である。
【図１２】ラインビームとターゲットとの位置関係を示す斜視図である。
【図１３】従来のレーザ薄膜形成装置の説明図である。
【符号の説明】
６４　　レーザモジュール
６６　　ファイバアレイ光源（レーザ光源）
６８　　レーザ出射部
７２　　チャンバー（反応容器）
９６　　移動ステージ
１０４　シリンドリカルレンズ（光学系）
１０６　真空槽（反応容器）
１０８　Ｓｉターゲット（固体材料）
１１０　ターゲット支持台
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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