(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
るつぼ内に窒化物薄膜作製用金属ターゲット材を充填し、レーザアブレーションにより蒸散させて、基板に窒化物の薄膜を作製する窒化物薄膜作製方法において、
前記るつぼの表面を、前記金属ターゲット材の充填前に窒化処理することを特徴とする窒化物薄膜作製方法。
【請求項２】
前記窒化処理後に、前記金属ターゲット材を前記るつぼに充填して、活性窒素雰囲気中で溶融させることを特徴とする請求項１記載の窒化物薄膜作製方法。
【請求項３】
前記るつぼの表面は、前記窒化処理から前記金属ターゲット材の充填まで窒化物層で覆われていることを特徴とする請求項１または２記載の窒化物薄膜作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザアブレーションにより基板上に窒化物の薄膜を作製する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザアブレーションによる薄膜作製では、薄膜作製用のターゲット材として固体金属を用いると、アブレーションの進行に伴って金属表面が荒廃し、金属粒子の放出される方向が定まらず、薄膜の精度低下を招いてしまう。そのため、ターゲット材には表面が常に水平である溶融状態の液状金属が適している。この方法は、薄膜作製用ターゲット材の固体金属を溶融する薄膜形成方法及び装置として特開平４−３１１５６１号公報に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、薄膜作製用ターゲット材として液状金属をるつぼに充填しても、その表面は水平にならず、実際には表面張力で球状になってしまう。そのため、るつぼの斜め上方の位置からレーザを照射する場合、アブレーションの進行によりターゲット材の球状金属の径は小さくなり、金属粒子の放出される方向が変動してしまう。したがって、るつぼの鉛直上方に配置されている基板に効率よく金属粒子を蒸着させることが不可能である。その結果、基板上への薄膜の作製が不確実となり、かつ薄膜の厚さが不均一になる。
【０００４】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、レーザアブレーションによる高精度の窒化物薄膜作製方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る窒化物薄膜作製方法は、るつぼ内に窒化物薄膜作製用ターゲット材を充填し、レーザアブレーションにより蒸散させて、基板に窒化物の薄膜を作製する窒化物薄膜作製方法において、るつぼの表面を、ターゲット材の充填前に窒化処理することを特徴とする。
【０００６】
本発明に係る方法によれば、るつぼの表面に所定の窒化処理を施すことにより、るつぼ表面が非窒化物層から窒化物層に変化する。それにより、るつぼ表面とターゲット材はともに窒化物となるため、親和性が改善され、るつぼ内の液状ターゲット材の表面は水平となる。
【０００７】
また、窒化処理後に、ターゲット材をるつぼに充填して、活性窒素雰囲気中で溶融させることにより、るつぼ表面とターゲット材の親和性はより向上する。
【０００８】
なお、るつぼの表面は、窒化処理からターゲット材の充填まで窒化物層で覆われているためには、るつぼの表面を窒化処理後直ちに、還元雰囲気としての水素雰囲気中、不活性ガス雰囲気中または窒素雰囲気中、あるいは真空雰囲気中でるつぼを保存すればよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係る窒化物薄膜作製方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１０】
本発明の第１実施形態に係る窒化物薄膜作製方法の説明に先立ち、この方法が適用される装置を説明する。図１は、この装置の概略構成図である。図示のとおり、外囲器としてのチャンバー１に真空ポンプ２、ガスボンベ３が金属製の筒により繋がれており、チャンバー１とガスボンベ３の間にはガス圧調整器４が設置されている。
【００１１】
また、チャンバー１の外部には、チャンバー１の一部を形成する入射窓１１を介して、チャンバー１内にレーザ光が導光されるようにレーザ光源５が設置されている。入射窓１１とレーザ光源５の間の光路上には、図示されていない駆動装置によって左右に平行移動可能な集光レンズ６が設置されている。
【００１２】
一方、チャンバー１の内部には、レーザ光の光路上にアルミナセラミックス製のるつぼ１２が設置され、るつぼ１２の鉛直上方には基板ホルダ１５が設置されている。るつぼ１２にはタングステン製のフィラメント１３が内設されており、フィラメント１３はフィードスルー電極に結合され、フィードスルー電極の外部電極側はチャンバー１の外部にある交流または直流の電源７に結合されている。基板ホルダ１５には基板ヒータ１６が内設されており、チャンバー１の外部に配された電源８によって電力供給される。
【００１３】
また、るつぼ１２には窒化物薄膜作製用のターゲット材１４が充填され、基板ホルダ１５の下面には厚さ０．５ｍｍ、（０００１）ｃ面のサファイアの基板１７が成膜面を下向きにして設置されている。さらに、ターゲット材１４と基板１７の間にはシャッター１８が設けられている。
【００１４】
次に、図１の装置に適用される実施形態の窒化物薄膜作製方法の手順を、図２を参照して説明する。図２は、図１の装置に適用される窒化物薄膜作製方法の手順を示すフローチャートである。以下、流量は０℃、１気圧に換算した値を示す。
【００１５】
まず、チャンバー１全体の焼き出しなどの通常の真空化処理過程を利用してチャンバー１内の真空度を１０-10ｈＰａ台にした後、流量２×１０-8ｍ3／ｓのアンモニアを圧力１０ｈＰａで流した状態で、るつぼ１２に外部電源７から電流を流して、るつぼ１２の表面の温度を７００〜１０００℃にして２時間持続させる。これによって、るつぼ１２の表面の数百ｎｍが窒化アルミニウム層に変化する（ステップ１０１）。
【００１６】
その後、アンモニアを排気・室温に戻した後、窒素を１気圧入れてチャンバー１内の雰囲気を窒素にする。チャンバー１を開け、ターゲット材１４としてアルミニウム粒（直径１ｍｍ、長さ０．５〜１．０ｍｍ）をるつぼ１２に入れて略一杯にした後、真空排気する。流量４×１０-7ｍ3／ｓのアンモニアを圧力１０-3ｈＰａで流した状態で、再度７００℃までるつぼ１２を加熱してターゲット材１４を溶かす。この処理により、溶けたターゲット材１４の表面は最初丸みを帯びているが、しばらくすると液状のターゲット材１４とるつぼ１２内面との接触部が濡れた状態になり、液状ターゲット材１４の表面が略水平になる。その後アンモニアを排気し、室温に戻した後窒素を１気圧入れる（ステップ１０３）。
【００１７】
チャンバー１を開き、再度ターゲット材１４のアルミニウム粒（直径１ｍｍ、長さ０．５〜１．０ｍｍ）をるつぼ１２に入れ、更に基板１７を基板ホルダ１５に固定した後、チャンバー１内を真空ポンプ２により１０-10ｈＰａ程度に真空排気する（ステップ１０５）。
【００１８】
流量４×１０-7ｍ3／ｓのアンモニアを圧力１０-3ｈＰａで流した状態で、再度７００℃までるつぼ１２を加熱して、ターゲット材１４を溶かして液状ターゲット材１４の量を増やす。この処理でも液状ターゲット材１４の表面は略水平になる。（ステップ１０７）
以上の処理はシャッター１８を閉じた状態で行うことにより、ターゲット材１４表面に付着している有機物等が、ターゲット材１４を加熱する際に放出されて基板１７に付着するのを防ぐ。
【００１９】
るつぼ１２へターゲット材１４を充填した後、チャンバー１内を真空ポンプ２により１０-10ｈＰａ程度に真空排気する。その後、流量4×１０-7ｍ3／ｓの水素ガスを圧力１０ｈＰａで流す中で基板１７を１１００℃に加熱して１分間持続させた後５００℃に下げる。この処理によって、基板１７に付着していた微量有機物や微量金属が蒸発除去される。基板１７の前処理をおこなうことにより、薄膜内への不純物の拡散を防ぐことができる（ステップ１０９）。
【００２０】
水素ガスを排気して、代わりに流量４×１０-7ｍ3／ｓのアンモニアを１０ｈＰａで流す中で、再度１１００℃に加熱して１０分間持続させた後５００℃に下げる。この処理によって、基板１７表面に窒化アルミニウム層が形成される（ステップ１１１）。
【００２１】
チャンバー１内の流量１０-7ｍ3／ｓのアンモニアガス圧を５×１０-4ｈＰａに減圧して流す中で、５００℃の基板１７に成膜をおこなう。すなわち、レーザ光源５から、くり返し周波数１００Ｈｚ、平均出力１１Ｗ、波長２４８ｎｍのエキシマレーザ光を出射し、チャンバー１の外部に置かれた焦点距離５００ｍｍの集光レンズ６によってアルミニウム液面上に集光し、約１分液面上を掃引した後、液状ターゲット材１４と基板１７を隔てるシャッター１８を１分間開けて成膜をおこなう。これにより、膜厚３０ｎｍのアモルファス窒化アルミニウム膜が形成される。更に基板１７の温度を１２００℃に上げて、アブレーション成膜を１時間おこなうことにより、膜厚１．５ミクロンのエピタキシャル窒化アルミニウム単結晶薄膜が形成される。（ステップ１１３）
なお、照射強度１３Ｊ／ｃｍ2の強いレーザ光照射密度では、液体のアブレーションであっても液滴が付着するため、４Ｊ／ｃｍ2と弱くすることにより液滴の発生を抑えた。また、７００℃の液状ターゲット材１４にレーザ光を照射することなく、シャッター１８を開いて１時間放置したが、基板１７への成膜は全く見られなかったことから、成膜はアブレーションによって行われたと考えられる。
【００２２】
続いて、本発明に係る方法の第２実施形態について説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係る窒化物薄膜作製方法が適用される装置の概略構成図である。
【００２３】
第２実施形態に係る装置は、基板１７の中心の鉛直軸を中心に回転するようにるつぼ１２に回転軸２１が取り付けられていることで第１実施形態に係る装置と異なる。また、るつぼ１２の材料が窒化アルミセラミックスであること、フィラメント１３の代わりにるつぼ１２をるつぼ外部から加熱するリング状ヒータ２０が設置されていることで、第１実施形態に係る装置と異なる。他の構成要素は第１実施形態と同様である。
【００２４】
以下に、第１実施形態同様、第２実施形態に係る窒化物薄膜作製方法の手順を、図４を参照して説明する。図４は、図３の装置に適用される窒化物薄膜作製方法の手順を示すフローチャートである。
【００２５】
チャンバー１全体の焼き出しなどの通常の真空化処理過程を利用して、チャンバー１内真空度を１０-10ｈＰａ台にした後、流量２×１０-8ｍ3／ｓのアンモニアを圧力１０ｈＰａで流した状態で、リング状ヒータ２０に外部電源７から電流を流して、るつぼ１２の表面の温度を７００〜１０００℃にして２時間持続させる。これによって、自然酸化および加工の過程で生じたるつぼ１２の表面の酸化物層が窒化アルミニウム層に変化した（ステップ２０１）。
【００２６】
その後アンモニアを排気・室温に戻した後窒素を１気圧入れてチャンバー１内雰囲気を窒素にする。チャンバー１を開け、ターゲット材１４としてアルミニウム粒（直径１ｍｍ、長さ０．５〜１．０ｍｍ）をるつぼ１２にいれて略一杯にした後、真空排気する。流量４×１０-7ｍ3／ｓのアンモニアを圧力１０-3ｈＰａで流した状態で、再度７００℃までるつぼ１２を加熱してターゲット材１４を溶かす。この処理により、溶けたターゲット材１４の表面は最初は丸みを帯びているが、しばらくすると液状のターゲット材１４とるつぼ１２内面との接触部が濡れた状態になり、ターゲット材１４の表面が略水平になる。その後アンモニアを排気・室温に戻した後窒素を１気圧入れる（ステップ２０３）。
【００２７】
チャンバー１を開け、再度ターゲット材１４であるアルミニウム粒（直径１ｍｍ、長さ０．５〜１．０ｍｍ）をるつぼ１２に入れ、更に基板１７を基板ホルダ１５に固定した後、チャンバー１内を真空ポンプ２により１０-10ｈＰａ程度に真空排気する（ステップ２０５）。
【００２８】
流量４×１０-7ｍ3／ｓのアンモニアを圧力１０-3ｈＰａで流した状態で、再度７００℃までるつぼ１２を加熱してターゲット材１４を溶かして液状ターゲット材１４の量を増やす。この処理でもターゲット材１４の表面は略水平になる（ステップ２０７）。
【００２９】
以上の処理はシャッター１８を閉じた状態で行うことにより、ターゲット材１４の表面に付着している有機物等が、ターゲット材１４を加熱する際に放出されて基板１７に付着するのを防ぐ。
【００３０】
るつぼ１２へターゲット材１４を充填した後、チャンバー１内を真空ポンプ２により１０-10ｈＰａ程度に真空排気する。その後、流量４×１０-7ｍ3／ｓの水素ガスを圧力１０ｈＰａで流す中で基板１７を１１００℃に加熱して１分間持続させた後５００℃に下げる。この処理によって、基板１７に付着していた微量有機物や微量金属が蒸発し、除去される。このように基板１７の前処理をおこなうことにより、薄膜内への不純物の拡散を防ぐことができる（ステップ２０９）。
【００３１】
水素ガスを排気して、代わりに流量４×１０-7ｍ3／ｓのアンモニアを圧力１０ｈＰａで流す中で、再度１１００℃に加熱して１０分間持続させた後５００℃に下げる。この処理によって、基板１７の表面に窒化アルミニウム層が形成される（ステップ２１１）。
【００３２】
チャンバー１内の流量１０-7ｍ3／ｓのアンモニアガス圧を５×１０-4ｈＰａに減圧して流す中で、レーザアブレーションによって液状ターゲット材１４の表面の清浄化をおこなう。すなわち、レーザ光源５から、くり返し周波数１００Ｈｚ、平均出力１１Ｗ、波長２４８ｎｍのエキシマレーザ光を出射し、チャンバー１の外部に置かれた焦点距離５００ｍｍの集光レンズ６によってターゲット材１４の液面上に集光し、集光レンズ６を動かして集光点を液面上で掃引すると共に、るつぼ１２を基板１７の中心の鉛直軸を中心に回転軸２１により毎分１回転させることによって、液状ターゲット材１４の表面全体にレーザ光を照射して表面の清浄化をおこなう。これにより、液状ターゲット材１４の表面にわずかに形成されていた酸化層や表面に浮いていた不純物が除去される（ステップ２１３）。
【００３３】
ガス圧およびターゲット材１４へのレーザ光集光条件などを保ったまま、基板１７の温度だけを５００℃にして、ターゲット材１４と基板１７を隔てるシャッター１８を１分間開けて成膜をおこなう。これにより、膜厚３０ｎｍのアモルファス窒化アルミニウム膜が形成される。更に基板１７の温度を１２００℃に上げて、液状ターゲット材１４の液面のアブレーション成膜を１時間おこなうことにより、膜厚１．５ミクロンのエピタキシャル窒化アルミニウム単結晶薄膜が形成される（ステップ２１５）。
【００３４】
なお、照射強度１３Ｊ／ｃｍ2の強いレーザ光照射密度では、液体のアブレーションであっても液滴が付着するため、４Ｊ／ｃｍ2と弱くすることにより液滴の発生を抑えた。
【００３５】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく様々な変形が可能である。
【００３６】
例えば、るつぼ１２の窒化処理工程は上記実施形態で用いた工程の他にも、ＥＣＲプラズマ発生装置によって生じた活性窒素種または加熱した金属上を通してアンモニア、窒素分子を分解させて発生した活性窒素種をるつぼ１２に照射して表面を窒化処理する方法、アンモニアガス中に加熱したるつぼ１２を置いて、表面反応によって窒化する方法など、るつぼ１２の表面を確実に窒化させる処理であればよい。
【００３７】
また、るつぼ１２に液状ターゲット材１４が充填されるためには、るつぼ１２でターゲット材１４を溶融させる以外に、活性窒素雰囲気中で溶融させたターゲット材１４をるつぼ１２に充填させるなどしてもよい。
また、窒化処理後のるつぼ１２の酸化を防止するためにターゲット材１４の充填をも真空雰囲気中でおこなうなど、工程を変形、追加、省略してもよい。
【００３８】
また、ターゲット材１４はアルミニウムに限らず、レーザ光によるアブレーションが可能な金属なら、ガリウム、チタンなどの純金属、または合金でもよい。るつぼ１２の材料も、アルミナセラミックスなどの非窒化物でも窒化アルミセラミックスなどの窒化物でもよい。
【００３９】
なお、窒化アルミニウム製のるつぼは特開平５−６６０９１号公報に開示されている。本従来技術は、窒化アルミニウムが溶融金属に対して濡れ性が低いことに着目して、るつぼの材料として選択している。つまり、充填する金属との濡れ性の向上を図る本発明にかかる方法とは、解決課題が明らかに異なる。また実際、上記窒化アルミニウム製のるつぼに液状ターゲット材を充填しても、加工成形の間や大気中に放置されている間に酸化されたるつぼ表面には酸化物層が形成されているため、液状ターゲット材を充填しても球状になってしまい、課題の解決は不可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり本発明では、薄膜作製用ターゲット材の充填前にるつぼの表面を窒化処理し、ターゲット材が充填されるまでるつぼの表面が窒化物層で覆われることにより、るつぼ表面とターゲット材の親和性が改善され、ターゲット材の濡れ性を向上させることができる。そのため、充填された液状ターゲット材の表面は水平となり、アブレーションにより金属粒子が放出する方向は安定する。したがって、るつぼの鉛直上方に配置された基板上に効率よく、高精度の窒化物薄膜をレーザアブレーションにより作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係るレーザアブレーション装置の概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係る方法により窒化物薄膜を作製する手順を示すフローチャートである。
【図３】第２実施形態に係るレーザアブレーション装置の概略構成図である。
【図４】第２実施形態に係る方法により窒化物薄膜を作製する手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１……チャンバー、２……真空ポンプ、３……ガスボンベ、４……ガス圧調整器、５……レーザ光源、６……集光レンズ、７……電源、８……電源、１１……入射窓、１２……るつぼ、１３……フィラメント、１４……ターゲット材、１５……基板ホルダ、１６……基板ヒータ、１７……基板、２０……リング状ヒータ、２１……回転軸。
【図１】
0004619554.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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