(57)【要約】【課題】膜の製造装置及び製造方法に関し、任意の形状の物品に高品質な膜を成膜することができるようにすることを目的とする。【解決手段】真空容器内で回転及び揺動するターゲット１０に真空容器外からレーザビーム１２を照射し、前記ターゲット１０で発生した発光プルーム１４を真空容器内で回転する物品１６にあてて物品に膜を形成する構成とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、該真空容器外に配置されたレーザ装置と、該真空容器内に配置された物品ホルダと、該真空容器内に配置されたターゲットホルダと、該ターゲットホルダを回転及び揺動させる駆動機構とを備えたことを特徴とする膜の製造装置。
【請求項２】
該駆動機構は、第１のモータと、第１のモータで回転させられるステージと、該ステージに取りつけられた第２のモータと、第２のモータで駆動され、該ターゲットホルダを駆動する駆動部材とを含むことを特徴とする請求項１に記載の膜の製造装置。
【請求項３】
真空容器内で回転及び揺動するターゲットに真空容器外からレーザビームを照射し、前記ターゲットで発生した発光プルームを真空容器内で回転する物品にあてて物品に膜を形成することを特徴とする膜の製造方法。
【請求項４】
前記ターゲットは前記物品に平行になる位置から揺動することを特徴とする請求項３に記載の膜の製造方法。
【請求項５】
前記ターゲットに照射されるレーザビームのエネルギー密度を前記ターゲットの位置に従って制御することを特徴とする請求項３に記載の膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザビームを用いた膜の製造装置及び製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＫｒＦやＡｒＦなどのエキシマあるいはＹＡＧなどの固体レーザを用いたレーザ蒸着法により、超伝導体の膜を製造する研究、開発が盛んに行われてきた。レーザ蒸着法は、特に酸化物高温超伝導体の発見以来、高品質な膜を作製できる方法として認識され、また、酸化物超伝導体だけでなく、強誘電体膜など多元素酸化物膜の製造に応用されてきた。
【０００３】
レーザ蒸着法は、製造すべき膜とほぼ同じ組成をもつターゲットにレーザビームを照射してターゲット部材を蒸発させ、蒸発の結果発生した発光プルームをターゲットと対向する基板にあてて基板に成膜を行う。レーザ蒸着法は、組成制御が容易であり、高速成膜が可能であるなど優れた特徴をもっている。
【０００４】
しかし、高密度プラズマ状態である発光プルームの広がりが狭いため、膜の形成面積が狭く、大きな面積の膜が必要なデバイス、例えば超伝導マイクロ波受動デバイスを製造する上で問題があった。そこで、基板を回転させ、あるいはターゲットを回転させ、あるいはレーザビームをターゲット上で走査させるなどの手段を採用し、高品質で大きな面積の膜を製造することが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−２５６１５号公報
【特許文献２】
特開平８−９５８６５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
製造すべき膜の面積が大きくなるほど、膜を物品に均一に形成するのが難しくなる。また、製造すべき膜の面積が大きくなるほど、レーザビームをターゲットの周辺部に集中的にあてる必要があるため、ターゲットに集中的に照射された部分に溝ができやすくなり、製造された膜の品質に問題が生じていた。また、パッケージなどの立体形状の物品に成膜する必要がある場合、指向性の強い発光プルームが影になる部分に入り込みにくく、立体形状の物品に均一に膜を製造することができない問題があった。
【０００７】
このように、大きな面積の基板や立体形状の物品に強誘電体の膜や超伝導体の膜などを品質よく成膜する膜の製造装置及び製造方法が待望されていた。
【０００８】
本発明の目的は任意の形状の物品に高品質な膜を成膜することのできる膜の製造装置及び製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による膜の製造装置は、真空容器と、該真空容器外に配置されたレーザ装置と、該真空容器内に配置された物品ホルダと、該真空容器内に配置されたターゲットホルダと、該ターゲットホルダを回転及び揺動させる駆動機構とを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明による膜の製造方法は、真空容器内で回転及び揺動するターゲットに真空容器外からレーザビームを照射し、前記ターゲットで発生した発光プルームを真空容器内で回転する物品にあてて物品に膜を形成することを特徴とする。
【００１１】
上記構成によれば、レーザビームはターゲットの広い範囲に照射され、ターゲットからの発光プルームが回転する物品に種々の角度であたって、物品に均一な膜を成膜することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は本発明の原理を示す図である。真空容器内で回転及び揺動するターゲット１０に真空容器外からレーザビーム１２を照射し、ターゲット１０で発生した発光プルーム１４を真空容器内で回転する基板（物品）１６にあてて物品に膜を形成する。
【００１４】
基板１６は基板ホルダに支持され、基板ホルダは矢印Ａで示すように回転する。ターゲット１０はターゲットホルダに支持され、ターゲットホルダは矢印Ｂで示すようにそれ自身の軸線のまわりで回転し、矢印Ｃで示すように水平面を横切って揺動する。
【００１５】
図２はターゲットと発光プルームとの関係を示す図である。図２において、１８は水平面を示し、基板１６は水平面１８と平行に配置されている。図２（Ａ）はターゲット１０が水平面１８に対してある角度をなしている場合を示し、（Ｂ）はターゲット１０が水平面１８に対して平行をなしている場合を示し、（Ｃ）はターゲット１０が水平面１８に対して（Ａ）とは逆のある角度をなしている場合を示している。
【００１６】
ターゲット１０で発生した発光プルーム１４の中心軸線は、レーザビーム１２のターゲット１０への入射角度に依存することなく、ターゲット１０の表面に垂直になる傾向にある。従って、ターゲット１０を揺動させれば、発光プレーム１４の方向が絶えず変化し、無指向性発光プルームに近い状態を作りだすことが可能である。これは通常の抵抗加熱式や電子ビーム加熱式の真空蒸着法とスパッタリング法とをミックスした状態に近い状態となる。このようにして、レーザビーム１２はターゲット１０の広い範囲に照射され、ターゲット１０からの発光プルーム１４が回転する基板１６に種々の角度であたって、大きな面積の物品に均一な膜を成膜することができる。
【００１７】
真空容器内にあるターゲット１０は水平面１８に対し０〜４５°の範囲で任意に角度を変え、かつ自身の軸線のまわりで回転しながら、真空容器外からレーザビーム１２を照射される。こうして、ターゲット１０で発生した発光プルーム１４を広い角度に振ることにより任意の形状の基板１６に成膜することができる。よって、従来技術では物品の形状によって隠れてしまっていた場所にも成膜可能となるなど立体形状の膜の成膜も可能となる。
【００１８】
ターゲット１０の水平面１８に対する角度によってレーザビーム１２とターゲット１０の表面との間の角度が変わるため、レーザ照射面積が異なる。ターゲット１０上でのレーザエネルギー密度を一定にする必要がある場合、ターゲット１０の水平面１８に対する角度とレーザ装置の集光レンズの位置及び／又はレーザ発振器のエネルギーを同期させる。すなわち、レーザビーム１２とターゲット１０の表面との間の角度が大きい場合、レーザスポットが小さくなり、平均エネルギー密度が大きくなるため、レーザ装置の集光レンズの位置を変えてターゲット１０上のレーザスポットの焦点を甘くする、及び／又はレーザ発振器からのエネルギーを減らす手段を設ける。このような手段はマイクロコンピュータによって実現することができる。例えば、レーザビーム１２とターゲット１０の法線との間の角度がθの場合、レーザスポットは角度が０°のときに比べて１／ｃｏｓθ倍拡大、つまり平均エネルギー密度がｃｏｓθ倍に低くなるため、レンズの位置を変えてターゲット１０上の焦点を強くする。あるいはレーザ発振器からのエネルギーを１／ｃｏｓθ倍に増す。
【００１９】
このようにして高品質の物品が製造され、好ましくはその物品は超伝導デバイスに用いられる。
【００２０】
図３は本発明の膜の製造装置の一例を示す図である。膜の製造装置１００は、真空容器２０と、真空容器２０外に配置されたレーザ装置２２と、真空容器２０に配置された基板ホルダ２４と、真空容器２０に配置されたターゲットホルダ２６と、ターゲットホルダ２６を回転及び揺動させる駆動機構とを備える。さらに、膜の製造装置１００は、真空容器２０に酸素ガスを導入するための酸素ガス導入口２８と、真空容器２０の内部を真空にするための真空引き手段３０と、基板１６及び基板ホルダ２４を背後から温めるランプヒータ３２とを備える。
【００２１】
レーザ装置２２はレーザ発振器及び集光レンズ等を含み、レーザビーム１２を発生する。レーザビーム１２は真空容器２０の側壁に設けたレーザビーム導入窓から真空容器２０内に導入される。基板ホルダ２４は基板１６またはその他の物品を支持する。基板ホルダ２４は矢印Ａで示すように回転させられる。ターゲットホルダ２６はターゲット１０を支持する。ターゲットホルダ２６は駆動機構によって矢印Ｂで示すようにそれ自身の軸線のまわりで回転し、かつ矢印Ｃで示すように水平面に対して揺動する。さらに、レーザビーム１２はレーザ装置２２の前に設けたレンズやミラーの位置や角度を変えることによってターゲット１０の表面に沿って走査される。なお、ターゲットホルダ２６の揺動は後で説明する渦巻き運動を含む。
【００２２】
実施例においては、基板１６は例えば大きな面積をもつ基板であり、その基板１６に超伝導膜（例えばＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）を形成するようになっている。基板１６は酸化マグネシウムなどの大面積作製が可能でＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏの成膜に適した基板を用い、ステンレス製などの基板ホルダ２４に搭載し、基板ホルダ２４を基板回転軸にねじ止めする。ターゲット１０はＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ焼結体を用い、このターゲット１０をターゲットホルダ２６に搭載し、ターゲット１０とターゲットホルダ２６との間の隙間を銀や銅のテープを巻き入れ、ターゲット１０を固定する。ターゲットホルダ２６の回転軸は熱膨張の小さい材質のものを用いる。これは、真空容器２０内では潤滑油の使用をさけるため、回転軸への機械的及び熱的負荷がかかりやすいためである。
【００２３】
真空容器２０内は高真空排気系により真空状態に保持することができる。また、酸素ガス導入口２８から必要な酸素ガスを導入し、真空ゲージと酸素フローメータと真空バルブを連動させながら、圧力を調整する。真空容器２０の側壁のレーザビーム導入窓からレーザビーム１２を導入する。レーザビーム１２と水平面１８に平行な位置にあるターゲット１０との角度は４５°あるいは３０°とする。レーザはＫｒＦやＡｒＦなどのエキシマあるいはＹＡＧなどの固体レーザを用いる。ターゲット１０の回転及び揺動とともに、レーザビーム１２はレンズやミラーの位置や角度を変えることによって走査されることができ、このようにして基板１６への成膜が進むにつれてターゲット１０の表面は全体的に均一に削られる。
【００２４】
ターゲット１０にレーザビーム１２を当てることにより、ターゲット１０からの発光プルーム１４が広い角度に振られる。すなわち、ターゲット１０からの原子や分子、イオン、励起子などが広い範囲にわたって蒸発し、酸素ガスとの衝突を繰り返しながら、高温状態の基板１６に到達し、基板１６に堆積する。これにより、ターゲット１０に局所的にレーザビームがあたって溝を作ることなく大きな面積の膜を高品質で製造することが可能となる。
【００２５】
図４は本発明の膜の製造装置の他の一例を示す図である。この例の膜の製造装置１００は図３の膜の製造装置１００とほぼ同様の構成を有する。図４の例においては、立体形状の基板１６へ超伝導膜（例えばＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）が形成される。立体形状の基板１６は基板ホルダ２４に例えばネジ止めなどで固定する。他の部分は図３と同様である。発光プルーム１４は種々の角度で基板１６へ到達するので、基板１６が複雑な立体形状のものであっても、その表面にほぼ均一に膜が形成される。
【００２６】
図５はターゲットホルダ２６の動作の一例を示す図である。ターゲットホルダ２６は自身の軸線２６ａのまわりで矢印Ｂの方向に回転し、矢印Ｃの方向に揺動する。好ましくは揺動運動の支点はターゲット１０の中心またはその近傍上にあるようにする。
【００２７】
図６はターゲットホルダの動作の他の一例を示す図である。ターゲットが上部で基板が下部となっている。ターゲットホルダ２６は自身の軸線２６ａのまわりで矢印Ｂの方向に回転し、且つ矢印Ｄの方向に揺動する。この揺動運動は単に垂直面内での揺動ではなく、回転する垂直面内での揺動であり、渦巻き運動となっている。好ましくは渦巻き運動の支点はターゲット１０の中心またはその近傍上にあるようにする。図５及び図６に示されるようにターゲットホルダ２６の揺動又は渦巻き運動の支点がターゲット１０の中心またはその近傍の軸線２６ａ上にあるようにすることにより、ターゲット１０の表面の角度は変わるが、ターゲット１０の中心は移動しない。もし、ターゲットホルダ２６の揺動又は渦巻き運動の支点がターゲット１０から離れた位置にあると、ターゲット１０が大きく頭を振るようになり、レーザビーム１２をターゲット１０に合わせるのが難しくなる。
【００２８】
図７は本発明の膜の製造装置の他の一例を示す図である。この例の膜の製造装置１００は、図３の膜の製造装置と同様に構成されるが、ターゲットホルダ２６の駆動機構が示されている。また、図７には、真空容器２０の側壁のレーザビーム導入窓３４が示されている。ランプヒータ３２は示されていないが、図３の例と同様に設けられる。
【００２９】
ターゲットホルダ２６の駆動機構は、真空容器２２の外部に配置された第１のモータ３６と、真空容器２２の内部に配置され、第１のモータ３６で回転させられるステージ３８と、ステージ３８に取りつけられた第２のモータ４０と、第２のモータ４０で駆動され、ターゲットホルダ２６に接続された第１及び第２の駆動部材４２，４４とを含む。
【００３０】
第１のモータ３６の出力軸３６Ａはステージ３８に固定される。第２のモータ４０は支持部材４６によってステージ３８に取りつけられる。第１の駆動部材４２はステージ３８に摺動可能に取りつけられ、ベローズ４８によりステージ３８に接続される。ベローズ４８は第１の駆動部材４２の姿勢を維持するとともに、第１の駆動部材４２の急激な移動を緩衝する。第１の駆動部材４２の一端はねじが切ってあり、第２のモータ４０の出力軸に取りつけられたギヤ５０と係合する。従って、第２のモータ４０の回転は第１の駆動部材４２の矢印Ｅの方向の往復運動に変換される。第１の駆動部材４２の他端はピンを有し、このピンは第２の駆動部材４４の長穴に挿入されている。
【００３１】
ターゲットホルダ２６は半球状の形状に形成され、半球状のホルダガイド５２に支持される。ホルダガイド５２の中心部は空所とされ、第２の駆動部材４４はこの空所を通ってターゲットホルダ２６に結合される。従って、第１のモータ３６の回転はステージ３８、第１及び第２の駆動部材４２，４４を介してターゲットホルダ２６に伝達され、ターゲットホルダ２６を回転させる。第２のモータ４０の回転は第１及び第２の駆動部材４２，４４を介してターゲットホルダ２６に伝達され、ターゲットホルダ２６を揺動させる。このようにして、ターゲット１０を回転及び揺動させることができる。この場合、ターゲットホルダ２６は渦巻き運動する。
【００３２】
ステージ３８のすぐ上方には熱輻射防止板５４が配置され、第２のモータ４０が過熱されるのを防止するようになっている。また、第２のモータ４０は配線５６により真空容器２０の外部の電気装置５８に接続される。配線５６がからまないように、第２のモータ４０は周期的に可逆回転される。ただし、適当な給電装置を設ければ、第２のモータ４０を一方向に回転することもできる。
【００３３】
図８は本発明の膜の製造装置の他の一例を示す図である。この例の膜の製造装置１００は、図７の膜の製造装置と同様に構成される。ターゲットホルダ２６の駆動機構は、真空容器２２の外部に配置された第１のモータ３６と、真空容器２２の内部に配置され、第１のモータ３６で回転させられるステージ３８と、ステージ３８に取りつけられた第２のモータ４０と、第２のモータ４０で駆動され、ターゲットホルダ２６に接続された駆動部材４３とを含む。
【００３４】
第１のモータ３６の出力軸３６Ａはステージ３８に固定される。出力軸３６Ａと同軸上でステージ３８に固定された支持軸６０がベローズ６２を介してターゲットホルダ２６に固定される。支持軸６０はターゲットホルダ２６に第１のモータ３６の回転を伝達し、ベローズ６２はターゲットホルダ２６の揺動を許容しながらターゲットホルダ２６を支持する。ガイド６４が支持軸６０及びベローズ６２を包囲するように設けられ、ベローズ６２が過度に動くのを防止する。
【００３５】
第２のモータ４０は支持部材４６によってステージ３８に取りつけられる。駆動部材４３はステージ３８に摺動可能に取りつけられ、ベローズ４８によりステージ３８に接続される。ベローズ４８は第１の駆動部材４２の急激な移動を緩衝する。駆動部材４３の一端はねじが切ってあり、第２のモータ４０の出力軸に取りつけられたギヤ５０と係合する。従って、第２のモータ４０の回転は第１の駆動部材４２の矢印Ｅの方向の往復運動に変換される。駆動部材４３の他端はベローズ６６によりターゲットホルダ２６に固定される。従って、第１のモータ３６の回転はステージ３８、支持軸６０、ベローズ６２を介してターゲットホルダ２６に伝達され、ターゲットホルダ２６を回転させる。第２のモータ４０の回転は駆動部材４３及びベローズ６６を介してターゲットホルダ２６に伝達され、ターゲットホルダ２６を揺動させる。このようにして、ターゲット１０を回転及び揺動させることができる。この場合、ターゲットホルダ２６は渦巻き運動する。
【００３６】
図９は図８の駆動機構の変形例を示す図である。図９の例においては、図８の例と同様に、第１のモータ３６と、ステージ３８と、支持軸６０と、ベローズ６２とが用いられる。さらに、図９の例においては、図８の例と同様に、第２のモータ４０と、駆動部材４３と、ベローズ６６とが用いられる。図８の例においては、１組の第２のモータ４０と、駆動部材４３と、ベローズ６６とが用いられているが、図９の例においては、４組の第２のモータ４０と、駆動部材４３と、ベローズ６６とが用いられる。
【００３７】
図９は４組の第２のモータ４０と、駆動部材４３と、ベローズ６６のうち、支持軸６０に対する４つの駆動部材４３の配置を示している。４つの駆動部材４３は支持軸６０のまわりに等間隔で配置され、関連する第２のモータ４０によって互いに同期しながら駆動される。例えば、支持軸６０の両側にある２つの駆動部材４３については、一方の駆動部材４３が前進したら、他方の駆動部材４３が後退するようにする。他の２つの駆動部材４３もそれに同期して動かされる。このように、複数の駆動部材４３を使用することにより、ターゲットホルダ２６の姿勢をより安定させることができる。
【００３８】
最後に、成膜方法をさらに説明する。まず、基板１６やターゲット１０などを真空容器２０内に導入し、真空引きを行う。真空容器２０内が高真空状態になったところで、冷却水を流す。次にランプヒータ３２に電力を導入し、例えば７００℃の温度まで基板１６を温める。ここで、基板ホルダ２４を回転させながら、昇温させるのが望ましい。また、ターゲットホルダ２６の移動機構も同様である。パイロメータで基板温度が７００℃になったことを認識し、酸素ガスを導入し、圧力を２４０ｍＴｏｒｒ  になるように調整する。しばらく、基板温度とガス圧が一定になったところで、レーザ発振器からレーザを発振させ、真空容器２０のレーザ導入窓からターゲット１０に向けて当てる。ターゲット１０を水平面１８に対し例えば０〜３０°の範囲で任意に角度を変え、かつ垂直軸のまわりで回転、揺動させながら、レーザビーム１２をターゲット１０上で走査し、約１時間成膜を行う。その後、酸素ガスを２００Ｔｏｒｒ導入し、冷却する。
【００３９】
なお、本発明は上記実施例に限らず種々の変形が可能である。例えば、超伝導膜の代わりに誘電体膜や磁性体膜、またはそれらの組み合わせなどにも適用することができる。
【００４０】
本発明の製造装置あるいは製造方法を用いて作製した膜は超伝導フィルタや伝送経路、遅延線などの高周波デバイス、キャパシタ、インダクタなど種々の物品に適用することができる。特に、立体形状である半同軸フィルタやパッケージに有効である。
【００４１】
以上説明したように、本発明はターゲットに電気的な配線が要求されず揺動可能なターゲットホルダとを有して、尚且つレーザビームから伝達されたエネルギーが発光プルームをターゲット面に略垂直に発生させることにより、以下の特徴を導出する。
【００４２】
（付記１）  真空容器と、該真空容器外に配置されたレーザ装置と、該真空容器内に配置された物品ホルダと、該真空容器内に配置されたターゲットホルダと、該ターゲットホルダを回転及び揺動させる駆動機構とを備えたことを特徴とする膜の製造装置。
【００４３】
（付記２）  該駆動機構は、第１のモータと、第１のモータで回転させられるステージと、該ステージに取りつけられた第２のモータと、第２のモータで駆動され、該ターゲットホルダを駆動する駆動部材とを含むことを特徴とする付記１に記載の膜の製造装置。
【００４４】
（付記３）  真空容器内で回転及び揺動するターゲットに真空容器外からレーザビームを照射し、前記ターゲットで発生した発光プルームを真空容器内で回転する物品にあてて物品に膜を形成することを特徴とする膜の製造方法。
【００４５】
（付記４）  前記ターゲットは前記物品に平行になる位置から揺動することを特徴とする付記３に記載の膜の製造方法。
【００４６】
（付記５）  前記ターゲットに照射されるレーザビームのエネルギー密度を前記ターゲットの位置に従って制御することを特徴とする付記３に記載の膜の製造方法。
【００４７】
（付記６）  レーザビームをターゲットの表面に沿って走査することを特徴とする付記３に記載の膜の製造方法。
【００４８】
（付記７）  前記発光プルームを渦巻き状に前記物品にあてて物品に膜を形成することを特徴とする付記３に記載の膜の製造方法。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、大きな面積の基板や、立体形状の物品に高品質の膜を形成することができ、多種のデバイスの実用化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を示す図である。
【図２】ターゲットと発光プルームとの関係を示す図である。
【図３】本発明の膜の製造装置の一例を示す図である。
【図４】本発明の膜の製造装置の一例を示す図である。
【図５】ターゲットホルダの動作の一例を示す図である。
【図６】ターゲットホルダの動作の他の一例を示す図である。
【図７】本発明の膜の製造装置の他の一例を示す図である。
【図８】本発明の膜の製造装置の他の一例を示す図である。
【図９】図８の膜の製造装置の駆動機構の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１０…ターゲット
１２…レーザビーム
１４…発光プルーム
１６…基板
２０…真空容器
２２…レーザ装置
２４…基板ホルダ
２６…ターゲットホルダ
３６…第１のモータ
３８…ステージ
４０…第２のモータ
４２…駆動部材
４３…駆動部材
４４…駆動部材
５２…ホルダガイド
【図１】
2004238726.tif 000003
【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】
2004238726.tif 000009
【図８】
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【図９】
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