(57)【要約】【課題】パルスレーザ蒸着法において、極力ターゲットの広範な面にパルスレーザ光を照射し、均質な薄膜を形成できる薄膜の作製方法を提供する。【解決手段】パルスレーザ光をターゲット表面上に照射することによりターゲットの構成原子を飛散させ、飛散した構成原子を基板上に堆積させて薄膜を形成する方法である。構成原子の飛散は、パルスレーザ光の照射点とターゲットとを相対的に移動させながら行う。その際、この相対的な移動は、第１往復運動と、第１往復運動とは異なる方向に動作されかつ異なる周期で動作される第２往復運動とを組み合わせて行う。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザ光をターゲット表面上に照射することによりターゲットの構成原子を飛散させ、飛散した構成原子を基板上に堆積させて薄膜を形成する薄膜の作製方法において、
パルスレーザ光の照射点とターゲットとを相対的に移動させながら構成原子の飛散を行い、
前記移動は、第１往復運動と、第１往復運動とは異なる方向に動作されかつ異なる周期で動作される第２往復運動とを組み合わせて行うことを特徴とする薄膜の作製方法。
【請求項２】
第１往復運動と第２往復運動の運動方向が互いに直交することを特徴とする請求項１に記載の薄膜の作製方法。
【請求項３】
パルスレーザ光の照射点とターゲットとの相対的な移動線速度を一定とすることを特徴とする請求項１に記載の薄膜の作製方法。
【請求項４】
第１往復運動と第２往復運動の運動速度を各々ランダムに可変することを特徴とする請求項１に記載の薄膜の作製方法。
【請求項５】
作製する薄膜が酸化物超電導体であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパルスレーザ蒸着法による薄膜の作製方法に関するものである。特に、パルスレーザ光がターゲット上を満遍なく照射して均質な薄膜を形成できる薄膜の作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パルスレーザ蒸着法は、酸化物超電導薄膜の作製などでよく用いられる薄膜作製法である。この方法では、パルスレーザ光を繰返しターゲット表面上に照射することによりターゲットの構成原子を飛散させ、この飛散した構成原子を基板上に堆積して薄膜を形成する（非特許文献１）。その際、ターゲット上の１点を繰り返しパルスレーザ光で照射し続けると、ターゲットのその部分だけが高温となって状態が変化したり、甚だしい場合は融解する。また、ターゲットの一部分だけが掘られ、時間経過とともに構成原子の飛散状態が変化して薄膜の均一性が低下する。
【０００３】
この対策として、図２に示すように、円板状のターゲット１０を回転させ、パルスレーザ光２０の照射点を回転中心からずらして照射を行なうことが行なわれている。また、図３に示すように、ターゲット１０をＸ方向に移動させた後、Ｙ方向に移動させ、さらにＸ方向に折り返し移動させることを繰り返してパルスレーザ光２０の照射点を蛇行状に移動させることも行なわれている。
【非特許文献１】「ＩＳＤ法による高温超電導薄膜線材の開発」藤野剛三他、１９９９年９月「ＳＥＩテクニカルレビュー第１５５号１３１〜１３５頁」
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の対策を講じても、構成原子の飛散状態を保持し続けることは難しい。つまり、上述したターゲットの回転や移動を行っても、薄膜の作製時間が長くなったり、繰り返して薄膜を作製するうちに、ターゲットの中でレーザ光に照射される部分が掘れて溝３０になる。通常、パルスレーザ光には強度分布があるので、図４に示すように、溝３０の断面形状は平坦ではない。そのため、レーザ光の照射箇所に不規則な傾斜が付くと、その部分からの構成原子の飛散方向が変わったりして、作製される薄膜の均一性、再現性など品質に悪影響を与える。これを防ぐには、ある程度使用したターゲットは交換するか、ターゲット表面を平坦に削って再使用するなどの対策が必要であり、ターゲット材料の無駄が生じる。
【０００５】
また、Ｘ−Ｙ方向に順次ターゲットを移動させる方法では、通常、Ｘ（又はＹ）方向の移動からＹ（又はＸ）方向の移動に移るときに一瞬ターゲットの移動が停止する死点が存在する。その場合、死点箇所で構成原子の飛散状態が変化してしまい、やはり薄膜の品質に悪影響を及ぼす。
【０００６】
従って、本発明の主目的は、パルスレーザ蒸着法において、極力ターゲットの広範な面にパルスレーザ光を照射し、均質な薄膜を形成できる薄膜の作製方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザ光の照射点とターゲットとの相対的移動を行うのに際し、運動周期と運動方向が異なる２つの往復運動を組み合わせることで上記の目的を達成する。
【０００８】
本発明薄膜の作製方法は、パルスレーザ光をターゲット表面上に照射することによりターゲットの構成原子を飛散させ、飛散した構成原子を基板上に堆積させて薄膜を形成する方法である。構成原子の飛散は、パルスレーザ光の照射点とターゲットとを相対的に移動させながら行う。その際、この相対的な移動は、第１往復運動と、第１往復運動とは異なる方向に動作されかつ異なる周期で動作される第２往復運動とを組み合わせて行うことを特徴とする。
【０００９】
周期と方向が異なる２つの往復運動を組み合わせることで、ターゲットの広範な面にレーザ光を照射することができ、ターゲットの特定部分のみが溝状に掘られて平坦性が損なわれることを回避できる。そのため、ターゲットのほぼ全面が使用可能であり、かつターゲットをより深くまで使用可能となって、ターゲットを無駄なく利用することができる。
【００１０】
さらに、周期の異なる２つの往復運動を組み合わせることで両往復運動の折り返し時刻にずれを生じさせ、ターゲット上でレーザ照射点が停止する死点の発生を回避する。それにより、ターゲット構成原子の飛散状態の変化を極力抑えることができ、均一性の高い薄膜を形成することができる。
【００１１】
パルスレーザ光の照射点とターゲットとの相対的な移動は、▲１▼ターゲットが第１往復運動と第２往復運動の双方を行なう場合、▲２▼パルスレーザ光の発光源が第１往復運動と第２往復運動の双方を行なう場合、▲３▼ターゲットが第１往復運動と第２往復運動の一方を行ない、パルスレーザ光の発光源が第１往復運動と第２往復運動の他方を行う場合が挙げられる。通常、安全面などを考慮すると、ターゲット側を往復運動させることが好適である。レーザ光を移動させると、原料が飛散する位置も変わるため、基板を連動させる必要がある。
【００１２】
第１往復運動と第２往復運動の運動方向は異なる方向であれば特に限定されないが、互いに直交する方向であることが好ましい。両往復運動の運動方向が直交方向であれば、装置の作製上およびターゲット（レーザ発光源）の移動プログラムを決定する上から望ましい。
【００１３】
第１・第２往復運動の周期は異なるものとする。両往復運動の周期が一致すると、ターゲット上のレーザ光照射軌跡は斜めの１直線となり、満遍なくターゲット表面をレーザ光で照射する効果が得られない。両往復運動の往復周期を異なるものにすることで、ターゲット上のレーザ軌跡は複数の直線で構成されるようになり、ターゲット上の広範な面にレーザ光を照射することができる。さらに、両方向の周期の最小公倍数が大きくなればなるほど、レーザはターゲット上を満遍なく照射するようになる。
【００１４】
これら第１・第２往復運動の周期は、例えば薄膜を作製するのにかかる時間から決定すればよい。例えば、ターゲットの大きさとレーザ光の照射点の大きさから１回の成膜でほぼターゲットの全体にレーザ光の軌跡が形成されるようにターゲット（レーザ発光源）の移動速度、つまり周期を決定すれば良い。
【００１５】
また、これら各往復運動の速度（周期）は、薄膜の作製過程において、一定であっても良いし、可変であっても良い。１枚又は複数枚の薄膜の作製を、何度かの蒸着に分けて行う場合には、レーザ光照射の停止時に各往復運動の周期を変更してもよいし、照射点の出発位置を変更してもよい。また、薄膜形成の途中で、レーザ光照射を継続したまま各往復運動の周期を変更してもよい。
【００１６】
この往復周期の変更は、乱数を利用してランダムに行なうことも可能である。その際、パルスレーザ光の照射点とターゲットとの相対的な移動線速度、つまりレーザ軌跡の線速度が大きく変わると、作製する薄膜の品質に影響を与える可能性があるため、線速度の変化を抑えるように連続的な周期変更あるいは大幅でない周期変更とすることが好ましい。
【００１７】
特に、パルスレーザ光の照射点とターゲットとの相対的な移動線速度を一定とすることが好ましい。つまり、一方の往復運動における折り返し点の前後において速度が低下または増加するのに伴って、他方の往復運動の速度を増加または減少することで、レーザ軌跡の線速度が一定になるように各往復運動の速度を調整する。これにより、ターゲット構成原子の飛散状態の変化を抑制し、均一な成膜を可能にする。
【００１８】
例えば、Ｘ方向の折り返し点前後を例に説明すると、Ｘ方向の移動速度ＶＸを定常速度ＶＸＣから徐々に減速して一旦停止とする。その間、Ｙ方向の移動速度ＶＹは、定常速度ＶＹＣから徐々に速くして、ＶＸ＝０となった時点で、ＶＹ＝（ＶＸＣ２＋ＶＹＣ２）１／２とする。その後、Ｘ方向の移動速度ＶＸは反対方向に徐々に加速し、Ｙ方向の移動速度ＶＹは徐々に減速してＶＸＣとＶＹＣに戻して定常速度で移動を継続する。これにより、ターゲット上におけるレーザ軌跡の線速度の変化に起因する飛散状態の変化を抑制することができる。
【００１９】
本発明方法で形成される薄膜の材料は、一般にパルスレーザ蒸着法で利用されている材料であれば特に限定されない。例えば、酸化物超電導体の薄膜形成に利用することが好適である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
＜実施例１＞
本発明方法を用いて超電導薄膜の作製を行った。ターゲットにＨｏＢａ２Ｃｕ３ＯＸ組成の焼結体を用いて、これを薄膜作製のための気密容器（成膜室）に設置し、成膜室内を２０Ｐａの酸素圧雰囲気とした。このターゲットにＬａＡｌＯ３単結晶基板を対向させて設置し、その基板をヒータで加熱した。
【００２１】
次に、ターゲットのＸ方向の移動とＹ方向の移動を開始した。Ｘ方向とＹ方向は同一平面状において互いに直交する方向である。Ｘ方向の移動速度は１０ｍｍ／秒、Ｙ方向の移動速度は１３．５５ｍｍ／秒とし、同時に移動を開始した。移動距離は、両方向とも５０ｍｍの間を往復させた。
【００２２】
続いて、成膜室外から成膜室に配置された窓を通して、エキシマレーザ光のターゲット上への照射を開始した。このレーザ光照射により、ターゲットの構成原子が飛散粒子として飛散される。レーザ光の繰り返し周波数は１０Ｈｚ、エネルギーは６００ｍＪに設定した。その状態で１２分間、基板上に薄膜を堆積させた後、レーザの照射を停止した。この間、ターゲットからの飛散粒子の状態を観察した。飛散粒子はプラズマ状となり発光する。Ｘ方向又はＹ方向の折り返し時に、時折、発光が揺らぐのが見られた。
【００２３】
次に、薄膜の堆積された基板を冷却して取り出し、飛散粒子の状態観察とターゲットの掘れ方の調査のため、成膜室内を再び前述の雰囲気に戻して、前述の条件でレーザ照射を開始した。ただし、レーザの繰り返し周波数は１００Ｈｚとした。この間、ターゲットの移動は止めていない。２時間レーザを照射した後、レーザ照射を停止し、ターゲットの移動も停止した。レーザ照射の開始時と終了時に飛散粒子の状態を観察したが、明確な違いは見られなかった。ターゲットを取り出して観察したところ、約５３ｍｍ×５３ｍｍの領域が、平坦に掘れていた。
【００２４】
なお、薄膜の堆積された基板について、薄膜の超電導臨界電流密度を液体窒素中で測定したところ、３．１×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００２５】
＜比較例１−１＞
比較のため、ターゲットに対するレーザ光の照射点を蛇行させて超電導薄膜の作製を行った。ターゲットにＨｏＢａ２Ｃｕ３０Ｘ組成の焼結体を用いて、これを薄膜作製のための気密容器（成膜室）に設置し、成膜室内を２０Ｐａの酸素圧雰囲気とした。このターゲットにＬａＡｌＯ３単結晶基板を対向させて設置し、この基板をヒータで加熱した。
【００２６】
次に、ターゲットのＸ方向の移動とＹ方向の移動を開始した。Ｘ方向、Ｙ方向共移動速度は１６．８ｍｍ／秒とし、まずＸ方向に５０ｍｍ、次にＹ方向に１２ｍｍ、−Ｘ方向に５０ｍｍ、Ｙ方向に１２ｍｍ、Ｘ方向に５０ｍｍ、次にＹ方向に１２ｍｍ、−Ｘ方向に５０ｍｍ、Ｙ方向に１２ｍｍと移動させ、その後、同じ軌跡を逆方向に最初の位置まで移動して折り返す動作を繰り返した。
【００２７】
次に、成膜室外から成膜室に配置された窓を通して、エキシマレーザ光のターゲット上への照射を開始した。レーザ光の繰り返し周波数は１０Ｈｚ、エネルギーは６００ｍＪに設定した。その状態で１２分間、基板上に薄膜を堆積させた後、レーザの照射を停止した。この間、ターゲットからの飛散粒子の状態を観察したが、Ｘ方向の折り返し時に、毎回発光が揺らぐのが明確に観察された。
【００２８】
次に、薄膜の堆積された基板を冷却して取り出し、飛散粒子の状態観察とターゲットの掘れ方の調査のため、成膜室内を再び前述の雰囲気に戻し、前述の条件でレーザ照射を開始した。ただし、レーザの繰り返し周波数は１００Ｈｚとした。この間、ターゲットの移動は止めていない。２時間レーザを照射した後、レーザ照射を停止し、ターゲットの移動も停止した。レーザ照射の開始時と終了時に飛散粒子の状態を観察したが、明確な違いは見られなかった。ターゲットを取り出して観察したところ、蛇行状に溝が形成されていた。
【００２９】
なお、薄膜の堆積された基板について、薄膜の超電導臨界電流密度を液体窒素中で測定したところ、２．７×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００３０】
＜比較例１−２＞
比較のため、ターゲットを回転させながらレーザ光を照射して超電導薄膜の作製を行った。ターゲットにＨｏＢａ２Ｃｕ３０Ｘ組成の焼結体を用いて、これを薄膜作製のための気密容器（成膜室）に設置し、成膜室内を２０Ｐａの酸素圧雰囲気とした。このターゲットにＬａＡｌＯ３単結晶基板を対向させて設置し、この基板をヒータで加熱した。そして、ターゲット８ｒｐｍで回転させた。
【００３１】
次に、成膜室外から成膜室に配置された窓を通して、エキシマレーザ光のターゲット上への照射を開始した。レーザ光の繰り返し周波数は１０Ｈｚ、エネルギーは６００ｍＪに設定した。レーザ光はターゲットの回転中心より２０ｍｍ離れた位置に照射した。その状態で１２分間、基板上に薄膜を堆積させた後、レーザ光の照射を停止した。この間、ターゲットからの飛散粒子の状態を観察した。飛散粒子はプラズマ状となり発光する。レーザを照射している間、発光の揺らぎは見られなかった。
【００３２】
次に、薄膜の堆積された基板を冷却して取り出し、飛散粒子の状態観察とターゲットの掘れ方の調査のため、成膜室内を再び前述の雰囲気に戻し、前述の条件でレーザ照射を開始した。ただし、レーザの繰り返し周波数は１００Ｈｚとした。この間、ターゲットの移動は止めていない。２時間レーザを照射した後、レーザ照射を停止し、ターゲットの移動も停止した。レーザ照射の開始時と終了時に飛散粒子の状態を観察したが、明らかに終了時には開始時に比べて飛散粒子の発光が小さくなっているのが観察された。ターゲットを取り出して観察したところ、環状に溝が形成されていた。
【００３３】
なお、薄膜の堆積された基板について、薄膜の超電導臨界電流密度を液体窒素中で測定したところ、１．１×１０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００３４】
＜実施例２＞
本発明方法において、Ｘ方向への往復運動の速度とＹ方向への往復運動の速度をレーザ照射過程で変更し、その際にターゲットの消耗状況と飛散粒子の状況変化を調査した。ターゲットにＨｏＢａ２Ｃｕ３０Ｘ組成の焼結体を用いて、これを薄膜作製のための気密容器（成膜室）に設置し、成膜室内を２０Ｐａの酸素圧雰囲気とした。このターゲットにエキシマレーザ光を照射する。ターゲットのＸ方向及びＹ方向の移動速度の初期値は、乱数によって決定した。また、５分ごとに、乱数によってＸ方向の移動速度を変更し、Ｙ方向の移動速度についてもレーザ軌跡の線速度が一定となるように変更した。実際には、予めＸ方向及びＹ方向の移動速度を乱数によって決定しておき、５分ごとにレーザの照射を中断し、各移動速度を変更した後、レーザ照射を再開した。レーザ光の繰り返し周波数は１００Ｈｚ、エネルギーは６００ｍＪに設定した。合計で２時間レーザを照射した。レーザ照射の開始時と終了時に飛散粒子の状態を観察したが、明確な違いは見られなかった。また、ターゲットを取り出して観察したところ、約５３ｍｍ×５３ｍｍの領域が平坦に掘れていた。
【００３５】
＜実施例３＞
本発明方法における飛散粒子の状況変化を調査した。ターゲットにＨｏＢａ２Ｃｕ３０Ｘ組成の焼結体を用いて、これを薄膜作製のための気密容器（成膜室）に設置し、成膜室内を２０Ｐａの酸素圧雰囲気とした。このターゲットにエキシマレーザ光を照射する。レーザ光の繰り返し周波数は１００Ｈｚ、エネルギーは６００ｍＪに設定した。次に、ターゲットを図１の速度変化によってＸ方向およびＹ方向に移動させ、ターゲットからの飛散粒子の状態を観察した。ターゲットの移動開始時に発光が揺らぐのが観察されたが、その後Ｘ方向の移動が減速していき、移動方向が逆転する過程おいても発光は安定しており、その形状・大きさも一定であった。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明薄膜の作製方法によれば、周期と方向が異なる２つの往復運動を組み合わせることで、ターゲットの広範な面にレーザ光を照射することができ、ターゲットの特定部分のみが溝状に掘られて平坦性が損なわれることを回避できる。そのため、ターゲットのほぼ全面が使用可能であり、かつターゲットをより深くまで使用可能となって、ターゲットを無駄なく利用することができる。
【００３７】
また、周期の異なる２つの往復運動を組み合わせることで両往復運動の折り返し時刻にずれを生じさせ、ターゲット上でレーザ照射点が停止する死点の発生を回避する。それにより、ターゲット構成原子の飛散状態の変化を極力抑えることができ、均一性の高い薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法においてターゲットをＸ方向およびＹ方向に移動する際の速度変化を示すグラフである。
【図２】（Ａ）はターゲットを回転させる従来の薄膜作製方法の説明図、（Ｂ）は同方法でレーザ照射後のターゲットを示す平面図である。
【図３】（Ａ）はターゲットを蛇行させる従来の薄膜作製方法の説明図、（Ｂ）は同方法でレーザ照射後のターゲットを示す平面図である。
【図４】ターゲットに形成された溝の断面図である。
【符号の説明】
１０    ターゲット
２０    パルスレーザ光
３０    溝
【図１】
2004353068.tif 000002
【図２】
2004353068.tif 000003
【図３】
2004353068.tif 000004
【図４】
2004353068.tif 000005