(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光入射窓と、レーザ光入射窓を介して基板の上方で基板面の近傍位置に焦点を結ぶようにレーザ光を照射するレーザ発振器及び集光レンズと、前記のレーザ光が焦点を結ぶ基板面の近傍位置に高密度ガスを供給する手段と、レーザ光入射窓に対向する位置に設けた基板を配置するステージ及び該ステージに配置された基板を設けた高気圧に昇圧可能の真空チャンバーを具備し、前記高密度ガスを供給する手段はポリイミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、及びポリメチルペンテン樹脂からなる群から選ばれる少なくとも１種の炭素源を入れたルツボを前記真空チャンバー内でヒーターで加熱して気化させるものであることを特徴とするＤＬＣ薄膜形成装置。
【請求項２】
レーザ光がパルス発振である請求項１記載のＤＬＣ薄膜形成装置。
【請求項３】
レーザ光の波長が紫外領域である請求項１記載のＤＬＣ薄膜形成装置。
【請求項４】
基板周辺に内圧が０．１〜１ＭＰａとなるようポリイミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、及びポリメチルペンテン樹脂からなる群から選ばれる少なくとも１種の炭素源を気化させてなるターゲットガスを封入し、基板上方から基板上面近傍のターゲットガスに対してレーザ光を照射し、基板上に薄膜を形成するＤＬＣ薄膜形成方法。
【請求項５】
レーザ光がパルス発振である請求項４記載のＤＬＣ薄膜形成方法。
【請求項６】
レーザ光の波長が紫外領域である請求項４記載のＤＬＣ薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜形成装置並びに薄膜形成方法に関し、特に、高密度ガスをターゲットとするレーザ・アブレーションを利用した薄膜形成装置並びに薄膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンド薄膜やＤＬＣ（Diamond Like Carbon）などの薄膜を形成する方法としては、プラズマＣＶＤ法やイオンプレーティング法、イオン蒸着法などが広く知られている。これに対して近年、誘電体、圧電体、半導体および高温超電導体の薄膜を形成する方法の一つとして、レーザ・アブレーション法による薄膜形成が注目されている。レーザ・アブレーション法とは、レーザ光を固体のターゲットに照射し、放出された原子、イオン、分子、クラスターを基板上に堆積させて薄膜を形成する方法であり、特開平０８−２９６０３５号、特開平０７−３３５５５１号、特開平０７−０７４１０１号、特開平５−２７９８４４、特開平５−３３１６３２などに開示されている。
【０００３】
このレーザ・アブレーション法によるダイヤモンド薄膜の形成は、光源としてエキシマレーザを用い、カーボンをターゲットとしてスパッタし、炭化水素中で基板に供給することで行われる。薄膜形成装置は、基本的に、光源としてのレーザおよび光学系、ターゲットとしてのバルク材料、ターゲットと対向した基板から構成され、ターゲットと基板は真空チャンバー内に設置される。
【０００４】
レーザ・アブレーション法が注目されているのは、主に以下の理由による。
（１）レーザ光の吸収のない限り自由に雰囲気を選ぶことができ、不純物の混入の恐れがなく、超高真空から低真空まで同一の装置が使える。
（２）蒸気圧の異なる多元素の材料を同時に蒸発させることができ、本質的に組成ずれが少ない成膜が可能で、多元素の化合物の薄膜化には有効である。
（３）高パワー密度、かつ、大きな光子エネルギを持ったレーザ光による蒸発種は、種々の活性種を含むため、膜質などの改善ができる可能性もある。
（４）成膜速度が速い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、レーザアブレーション法には、大面積に対応できにくいこと、粒塊が混入すること、基板面に対して生成した膜の均一性並びに密着性が悪いことなどの欠点がある。かかる欠点は、固体のターゲットを用いていることに起因するものであった。
【０００６】
本発明は、高密度ガスをターゲットとするレーザ・アブレーションを利用した新しい薄膜形成装置並びに薄膜形成方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
パルスレーザ光を空気中に集束させると、焦点の近傍の空気に瞬間的に光エネルギーが吸収されて、空気を構成する気体分子はプラズマになり、このプラズマは超音速で膨張する球状ピストンとなって、球状衝撃波が駆動できることはよく知られている（高山和喜著「ショックウェーブ」オーム社  73〜76頁など）。発明者らは、この衝撃波が高密度ガス領域においては、レーザ・アブレーション法における高品質膜形成に寄与することを見出し、この知見に基づき本発明をなすに至った。
すなわち、この衝撃波を利用することによりターゲットを固体とせずにアブレーションを行うことが可能となる。これにより基板上に緻密で高純度の薄膜を形成することができ、また、従来なしえなかった大面積薄膜を高速に形成することが可能となる。
【０００８】
本発明の目的は次の手段によって達成された。
（１）  レーザ光入射窓と、レーザ光入射窓を介して基板の上方で基板面の近傍位置に焦点を結ぶようにレーザ光を照射するレーザ発振器及び集光レンズと、前記のレーザ光が焦点を結ぶ基板面の近傍位置に高密度ガスを供給する手段と、レーザ光入射窓に対向する位置に設けた基板を配置するステージ及び該ステージに配置された基板を設けた高気圧に昇圧可能の真空チャンバーを具備し、前記高密度ガスを供給する手段はポリイミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、及びポリメチルペンテン樹脂からなる群から選ばれる少なくとも１種の炭素源を入れたルツボを前記真空チャンバー内でヒーターで加熱して気化させるものであることを特徴とするＤＬＣ薄膜形成装置。
（２）  レーザ光がパルス発振である（１）項に記載のＤＬＣ薄膜形成装置。
（３）  レーザ光の波長が紫外領域である（１）項に記載のＤＬＣ薄膜形成装置。
（４）  基板周辺に内圧が０．１〜１ＭＰａとなるようポリイミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、及びポリメチルペンテン樹脂からなる群から選ばれる少なくとも１種の炭素源を気化させてなるターゲットガスを封入し、基板上方から基板上面近傍のターゲットガスに対してレーザ光を照射し、基板上に薄膜を形成するＤＬＣ薄膜形成方法。
（５）  レーザ光がパルス発振である（４）項に記載のＤＬＣ薄膜形成方法。
（６）  レーザ光の波長が紫外領域である（４）項に記載のＤＬＣ薄膜形成方法。
【０００９】
本発明においてレーザ光が焦点を結ぶ位置とは基板上ではなく、それが最も近くても基板面より離れた位置であることが必要である。これは、この領域において高密度ガスが作用して前記の衝撃波が発生することが薄膜の形成上、必要であると考えられるからである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のレーザ・アブレーション薄膜形成装置の好ましい実施態様を、図面に従って説明する。なお、以下の各図において同符号は同じものを示す。
図１において、チャンバー１５にはレーザ光入射窓１４が設けられており、レーザ光入射窓１４の外部近傍には、例えばエキシマレーザ等のレーザ発振器１１及び集光レンズ１３が設けられている。レーザ発振器１１から発振されたアブレーション用レーザ光１２は、レーザ光入射窓１４からチャンバー１５に入射し、集光レンズ１３により所定の位置１２ａに集光される。チャンバー１５には真空ポンプ１６が設けられており、チャンバー１５内を真空にすることができる。チャンバー１５の内部には、レーザ光入射窓１４に対向する位置にステージ２０が設けられ、ステージ２０には基板２１が設置されている。レーザ光１２が照射される所定の位置１２ａは、基板の上空にある。さらに、チャンバー１５にはガス導入口２２が設けられている。また、チャンバー１５内にはヒーター１７が設けられており、ヒーター１７に設置したルツボ１８を加熱してルツボ１８内に装荷した樹脂をターゲットガスに気化することができる。
【００１１】
次に、上記構成を有するレーザ・アブレーション薄膜形成装置を用いて、ＤＬＣ薄膜を形成する手順を説明する。
本発明で用いるターゲットガスは、目的とする薄膜に必要な元素を含む化合物である。例えば、ダイヤモンド膜やＤＬＣを形成する場合には、ポリイミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、及びポリメチルペンテン樹脂からなる群から選ばれる炭素源をターゲットガスとして用いることができる。
【００１２】
基板面の近傍位置に高密度ターゲットガスを供給する手段としては、ターゲットガス源が気体の場合にはガス導入口２２から導入することができるが、本発明においては液体または固体の場合でありチャンバー１５内においてヒーター１７で気化することにより反応域（衝撃波発生域）に供給することができる。また、チャンバー内壁面及び基板も気化物が直接堆積しないように加熱した。
【００１３】
まず、真空ポンプ１６を用いてチャンバー１５内を真空にした後に、ターゲットガスをチャンバー１５内に封入する。ターゲットガスを封入することによりチャンバー１５内は高気圧とする。ここで高気圧とは大気圧以上の圧力の状態をいい、好ましくは０．１〜１ＭＰａ、より好ましくは０．３〜１ＭＰａである。ターゲットガスは要求される内圧となるまで供給する。
【００１４】
本発明においては、樹脂によりガス・アブレーションを行う。樹脂を細かくして入れたルツボ１８をチャンバー１５内にあるヒーター１７に取り付けた後、真空ポンプ１６を使いチャンバー１５内を真空にし、ヒーター１７の電源装置を操作し、ルツボ１８の中に入っている樹脂を気化させることにより、ターゲットガスをチャンバー１５内に充填する。
【００１５】
チャンバー１５に設けられたレーザ光入射窓１４を介してレーザ光１２を基板２１上面に向けて照射する。この際、レーザの焦点の位置１２ａは基板２１表面ではなく、基板２１から１〜２０ｍｍ、好ましくは５〜１０ｍｍ上空の位置に焦点が合うようにするのが好ましい。これは、この領域において高密度ガスが作用して衝撃波が発生することが薄膜形成上必要であると考えられるからである。
【００１６】
レーザ発振器１１として、例えば、波長２４８ｎｍ、パルス幅１２〜１６ｎｓ、出力３１０ｍＪ、エネルギー密度５７７．７８ｍＪ／ｃｍ２、繰り返し周波数１０Ｈｚのレーザ光１２を出力するエキシマレーザを用いる。レーザの波長や強度は、原料ガスがレーザ光を効率的に吸収するように選び、レーザを照射すればよい。レーザ光１２は高出力が可能であることからパルス発振であることが望ましい。また、その波長は紫外領域であることが望ましく、好ましくは１５０〜３００ｎｍである。
【００１７】
基板２１上をレーザ光１２で走査して薄膜を形成する。その機構は図２に示すように、高密度ターゲットガスにレーザ光１２を照射すると、ターゲットガス分子２３の解離や励起が起こると同時に衝撃波２４が駆動し、その影響により高速粒子が基板に飛来し、これにより緻密で高純度の薄膜２５を作成することができると考えられる。
【００１８】
本発明のレーザ・アブレーション薄膜形成装置の第２の実施態様を、図３を参照しながら説明する。図３において、第１の実施態様と異なる点は、チャンバー１５の形状を変形させたことである。レーザ光入射窓１４と基板２１の距離を数ｍｍに狭めることにより、基板近傍を高気圧としやすくなるよう設計されている。レーザ光１２を矢印Ａの方向に移動させながら基板２１上空を走査することにより薄膜を形成する。
【００１９】
本発明のレーザ・アブレーション薄膜形成方法について説明する。
まず、真空ポンプを用いてチャンバー内を真空にした後に、ターゲットガスを供給する。ターゲットガスを封入することにより基板周辺を高気圧とする。好ましくは０．１〜１ＭＰａ、より好ましくは０．３〜１ＭＰａである。ターゲットガスは要求される内圧となるまで供給する。
次いで、レーザ光を基板上面近傍のターゲットガスに向けて照射し、基板上をレーザ光で走査する。レーザの波長や強度は、原料ガスがレーザ光を効率的に吸収するように選び、レーザを照射すればよい。レーザ光は高出力が可能であることからパルス発振であることが望ましい。また、その波長は紫外領域であることが望ましく、好ましくは１５０〜３００ｎｍである。
高密度ターゲットガスにレーザ光を照射すると、解離や励起が起こると同時に衝撃波駆動の高速粒子が基板に飛来すると考えられ、これにより緻密で高純度の薄膜を作成することができる。
【００２０】
【実施例】
本発明の薄膜形成装置を用いて薄膜形成を試みた。レーザ発振器としては、波長２４８ｎｍ、パルス幅１２〜１６ｎｓ、出力３１０ｍＪ、エネルギー密度５７７．７８ｍＪ／ｃｍ２、繰り返し周波数１０Ｈｚのレーザ光１２を出力するＫｒＦエキシマレーザ発振器（商品名：INDEX848、住友重機械工業製）を用いた。また、ターゲットガス源としてポリイミド樹脂（商品名：カプトンＨタイプ、デュポン社製、５０μｍ厚ポリイミドフィルム）を用いた。
まず、ポリイミド樹脂１ｇを細かくして入れたルツボをチャンバー内にあるヒーターに取り付けた後、真空ポンプを使いチャンバー内を真空にし、ヒーターの電源装置を操作し、ルツボの中に入っている樹脂を気化させることにより、ターゲットガスをチャンバー内に高密度に充填した。このときのチャンバー内の圧力は０．１ＭＰａとした。
次いで、チャンバーに設けられたレーザ光入射窓を介してレーザ光を基板上面に向けて照射した。この際、レーザの焦点の位置は基板から１０ｍｍ上空の位置に焦点が合うようにした。
基板上をレーザ光で５分間走査したところ、基板上のレーザを照射した部分に膜厚が約１μｍの薄膜が形成された。その薄膜の硬度を測定したところ、ビッカース硬度がダイヤモンドの１０に対して９以上であることがわかった。
【００２１】
比較例
レーザの焦点の位置を基板表面としたこと以外は実施例と全く同様にして、薄膜形成を試みたが、薄膜は形成されなかった。
【００２２】
【発明の効果】
本発明により、ターゲットを固体とせずにアブレーション成膜を行うことが可能となる。従って、これにより基板上に緻密で高純度の薄膜を経済的に形成することができ、また、従来なしえなかった大面積薄膜を高速に形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ・アブレーション薄膜形成装置の第１の実施態様を示す構成図
【図２】本発明の薄膜形成の概念図
【図３】本発明のレーザ・アブレーション薄膜形成装置の第２の実施態様を示す断面図
【符号の説明】
１１：レーザ発振器
１２：レーザ光
１３：集光レンズ
１４：レーザ光入射窓
１５：チャンバー
１６：真空ポンプ
１７：ヒーター
１８：ルツボ
２０：ステージ
２１：基板
２２：ガス導入口
２３：ターゲットガス分子
２４：衝撃波
２５：薄膜
【図１】
0004604233.tif 000002
【図２】
0004604233.tif 000003
【図３】
0004604233.tif 000004