(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発される固体を平板上に形成し、該固体の表面に沿って不活性ガスを層流に流しながら該表面の１箇所又は複数箇所にレーザー光を照射し、これにより蒸発する粒子を該層流で直接搬送して所定の位置に微小な面積で堆積させることを特徴とするレーザー加熱蒸発法を用いた微小膜形成方法。
【請求項２】
上記レーザー項の照射位置を変更することにより上記堆積位置を変更することを特徴とする請求項１に記載のレーザー加熱蒸発法を用いた微小膜形成方法。
【請求項３】
上記レーザー光の集光サイズを変更することにより上記粒子のサイズを制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザー加熱蒸発法を用いた微小膜形成方法。
【請求項４】
上記不活性ガスは、Ｈｅ、Ａｒ或いはＮ２の高純度不活性ガスであり、上記固体は金属、合金或いはセラミックスの無機材料からなることを特徴とする請求項１に記載のレーザー加熱蒸発法を用いた微小膜形成方法。
【請求項５】
透明ガラス板と板状の固体の表面とを不活性ガスを流す間隙を存して互いに平行に配置し、該間隙の一側にノズル開口を設けると共にその反対側に不活性ガス導入口を設け、該固体の表面上を流れる不活性ガスが層流となるように形成したノズルと、該透明ガラスを介して該固体の表面を照射するレーザー光源とを設けたことを特徴とするレーザー加熱蒸発法を用いた微小膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー加熱により発生させた微粒子をＩＣやディスプレイ等の必要な場所に集中的に微粒子を堆積させて微小な面積の膜を形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザー光のエネルギーを熱源として真空、或いは制御された雰囲気中で固体を融解して蒸発させ、その蒸発位置に対向して配置した基板の表面一面に堆積させる、レーザーアブレーション（デポジション）法が知られている。この方法は、真空蒸着法、スパッタリング法やイオンプレーティング法と同じく、基板一面に膜を形成する方法である。また、誘導加熱法などでるつぼ内の固体を蒸発させ、その蒸発物を微小な断面積を持つノズル内を流れるキャリアガスにより高速で搬送し、ノズルの先端より吹き出させて基板上の所定の位置に堆積させる、ガスデポジション法も知られている。この方法では、蒸発室に設けたるつぼの直上に、該蒸発室よりも低圧力に保たれた成膜室内につながるノズルを設け、両室の圧力差により生じるガス流で蒸発した材料を微粒子化しながら搬送してノズルから吹き出させることにより、基板上に膜を堆積させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記レーザーアブレーション（デポジション）法では、単位時間当たりの蒸発量が非常に少ないこと、及び蒸発面が非常に小さいことから、成膜速度が遅く、基板一面に薄膜を形成するという目的を有しながらも大面積への均質な成膜が非常に困難で、そのため、エネルギー密度の大きなレーザーを使用すれば殆どの高融点材料を蒸発させ得る利点があるにも係わらず、ＩＣ等を構成する薄膜を形成する技術として採用されていない。また、特定の位置に膜を直接形成することはできない。
【０００４】
また、ガスデポジション法では、微小な断面積を持つ比較的長いノズル内を大量の粒子が充分に層流になっていないガスにより搬送されるため、ノズルが詰まり易いという欠点がある。しかも、るつぼ内の固体全体を誘導加熱法などにより融解、蒸発させるため、キャリアガスの流れる方向は上向きで、ノズルは垂直でなければならず、ノズルのガス吹き出し口直上に下向きに取り付けられた基板を動かすことで、膜の堆積位置を決定しなければならないという制約があり、同時に複数の膜を作製することもできない。また、るつぼの材料等の耐熱性、蒸発性の問題から、高融点の固体材料の蒸発は行えない。
本発明は、粒子の搬送を確実に行えて比較的迅速に高融点材料を成膜でき、同時に或いは順次に所定の位置に微小な成膜を行える方法とこれに適した装置を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記の目的は、蒸発される固体を平板状に形成し、該固体の表面に沿って不活性ガスを層流に流しながら該表面の１箇所又は複数箇所にレーザー光を照射し、これにより蒸発する粒子を該層流で直接搬送して所定の位置に微小な面積で堆積させることによって達成される。更に、該レーザー光の照射位置を変更することにより堆積位置を変更することで、異なる位置に順次或いは同時に成膜を行える。該レーザー光の集光サイズを変更することにより該粒子のサイズを制御することが可能である。該不活性ガスにはＨｅ、Ａｒ、Ｎ２などの高純度不活性ガスが使用され、該固体には金属、合金或いはセラミックスなどの無機材料が使用される。また、本発明の方法は、透明ガラス板と板状の固体の表面とを不活性ガスを流す間隙を存して互いに平行に配置し、該間隙の一側にノズル開口を設けると共にその反対側に不活性ガス導入口を設け、該固体の表面上を流れる不活性ガスが層流となるように形成したノズルと、該透明ガラスを介して該固体の表面を照射するレーザー光源とを設けた装置により好都合に実施できる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づき説明すると、図１に於いて符号１は真空排気された真空室２内に微小膜を形成するSi板等の基板３の板面に対向させて設けたノズルを示し、該ノズル１の一端の不活性ガス導入口１０には不活性ガス源を接続管９を介して接続し、圧力及び流量が調整された不活性ガスがノズル開口４から該基板３の板面に向けて吹き出されるようにした。
【０００７】
該ノズル１はガラス製でその断面は図２に示すように矩形に形成され、そのノズル開口４側の端部の一周面を図３のように切欠いてそこに固体５を設けるようにした。該固体５は表面５ａを平板状に形成したもので、該表面５ａとこれに対向するノズル１の壁面１ａとを平行させ、平行なノズル通路の隙間１１を形成した。該固体５は該ノズル１に沿わせて設けたステンレス製のホルダ６により定位置に交換可能に保持した。該固体５の表面５ａには該ノズル１のガラス製の壁面１ａを通過してレーザー光源８からのレーザー光７が照射される。該光源８は１若しくは複数用意され、その集光サイズ及び集光位置を任意に調節できるようにした。
【０００８】
該ノズル１の断面形状は、ノズル開口４側の固体５の表面５ａ上の層流を損なわない形状であればよく、例えば図４のように接続管９側を太く形成してもよい。該ノズル１の材料はレーザー光７を損失無く透過できる部分を有すれば良く、それ以外の部分は不純物を放出しない材料で形成することが可能である。該レーザー光７には、Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザーの第二高調波などが使用され、ビームウエスト径を例えば0.1ｍｍに集光するように調節される。また、基板３は移動自在例えば細線を形成するためにノズル開口４との距離を変えずに移動可能に設置することが有利である。該固体５には、Ｃｕ、Ｎｉ、各種高融点金属、合金、セラミックスなど固形化可能な無機材料を使用できる。
【０００９】
図示実施例の装置を具体的に説明すると、図１のものでは該ノズル１のノズル開口４の内径を0.3×10ｍｍの矩形とし、そのノズル開口４の下方の側面を例えば幅１０ｍｍ、長さ１０ｍｍカットしてそこに１０ｍｍ×１０ｍｍ×３ｍｍのＣｕ、Ｎｉなどのインゴット状の固体５をホルダ６で支えて設置したもので、平滑に形成した該固体５の表面５ａと該ノズル開口４の上方の側面との間に平行な空間を形成した。該表面５ａには該ノズル５の上方の透明な側面を介してレーザー光７が照射されるが、その光は図５に示したように真空室２内に設けたレーザー発振器の光源８から放射され、エキスパンダ１２、ミラー１３、ガルバノ１４、Ｆ−０レンズ１５を介して固体５に導かれる。図５に示す例では、該ノズル１を水平に設け、そのノズル開口４の前方０．５ｍｍの位置にSi基板３を垂直に設けるようにし、該基板３を移動台１６により面方向（Ｘ−Ｙ方向）へ移動自在とした。該レーザー発振器の光源８は外部のレーザー電源１７及びＱスイッチコントローラ１８により制御されて波長５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧ  ＣＷ-Ｑsw  greenレーザーを放射し、移動台１６はステージコントローラ１９により作動制御されたＸ−ドライバ２０とＹ−ドライバ２１でＸ−Ｙ方向への移動が調節され、基板３の成膜状況を光源２２からの投光とＣＣＤカメラ２３による撮影でモニターできるようにした。該レーザー光７は、例えばＱスイッチの使用時、例えばパルスエネルギー３ｍＪ、繰り返し周波数１０〜１２ｋＨｚ、パルス幅２５０ｎｓ、ピークパワー１２ｋＷ、ビーム径３．０ｍｍの光を放射し、該レンズ１５の焦点距離は例えば１００ｍｍに調節され、レーザー光７は固体５の表面５ａで直径０．１ｍｍのスポットサイズの焦点を結ぶ。
【００１０】
真空室２内を適当な真空に排気し、純度が充分に高く粒子を搬送でき固体５の表面５ａ上で層流が得られる流量の不活性ガスを接続管９から流すと、そのノズル開口４の上下面が平坦で且つ平行しているので層流となって流れ、この状態でレーザー光７を該固体５に照射すると、該固体５が高融点材料であっても照射スポットが融解して微粒子が蒸発し、これが該ノズル開口４の層流で直接運ばれて基板３に衝突し、微小な面積の膜となって堆積する。この成膜中、必要に応じて該基板３をランプ等により数百度に保つようにする。そして形成された微小膜を還元雰囲気中で焼成するなどの後処理を施しても良い。
【００１１】
レーザー光７のビームウエストを小さくすれば、数１０μｍ以下の極微小膜を形成することも可能であるが、必要ならば、従来のフォトリソグラフィ技術などによりマスクを基板３に形成し、膜の堆積後にこのマスクを除去して微小膜を完成させてもよい。
【００１２】
該レーザー光７は固体５に対する照射位置が移動するようにスキャン可能に構成してもよく、或いは複数のレーザー光源を設けて複数のレーザー光７が同時に固体５の異なる位置を照射するようにしてもよい。こうすることによって、基板３の異なる位置に順次に或いは同時に微小膜を形成でき、結果として成膜速度が速まる。
【００１３】
該固体５は集光したレーザー光７により該固体５自体を溶融容器として蒸発するため、従来のるつぼ材料の蒸発による不純物の混入を避けることができ、レーザー光７に高いエネルギー密度を持つレーザーを選択することで、固体５にほとんどの高融点材料を使用できる。しかもノズル１内に蒸発源があるため、レーザー公を追従させればノズル１の位置をレーザー照射中でも移動できる。固体５のレーザー光７による溶融部は非常に小さいため、固体５の表面５ａが横向き或いは下向きになるようにノズル１を設置することもできる。また、従来のガスデポジション法では、上記したようにノズルが詰まって作動不能になる事故が生じたが、本発明ではノズル１内の充分に層流になっている不活性ガス中で蒸発が起き、蒸発点からノズル開口４までの距離が短いので、蒸発粒子が塊状化することがなくノズル１の詰まりが生じない。
本発明の実施例は次の通りである。
【００１４】
【実施例１】
図５に示す装置に於いて、レーザー光７としてエネルギー密度が１．９Ｊ／ｃｍ２／pulseで繰り返し周波数が１０ｋＨｚのＮｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波、不活性ガスとしてＮ2ガス、固体５にＣｕのインゴットを使用し、レーザービームウエスト径を１００μｍ、不活性ガス流量を１０ｌ／min、ノズル開口４の形状を１０ｍｍ×０．３ｍｍの矩形に設定し、ノズル１から０．５ｍｍ離れた位置にSi基板３を配置した。この装置を作動させることで該基板３の表面に１ｍｍ×０．２ｍｍのＣｕ超微粒子の微小膜を２００Å／secの速度で形成することができた。
【００１５】
【実施例２】
実施例１と同じ設定で図５の装置を作動させ、基板３を移動台１６を０．０５ｍｍ／secで一方向に１５ｍｍ移動させたところ、幅０．３ｍｍ、長さ１５ｍｍのＣｕ超微粒子の線状の微小膜を形成することができた。
【００１６】
【実施例３】
固体５をＮｉのインゴットとし、基板３には直径１００μｍでアスペクト比１以上の穴を形成しておいた以外は実施例１と同じ設定で図５の装置を作動させた。この場合、その穴にＮｉを埋め込むことができた。
【００１７】
【実施例４】
固体５をＮｉのインゴットとし、基板３には幅１００μｍ、長さが１５ｍｍでアスペクト比１以上の溝を形成しておいた以外は実施例２と同じ設定で図５の装置を作動させた。この場合、その溝にＮｉを埋め込むことができた。
【００１８】
【実施例５】
不活性ガスの流量を１２．５ｌ／min、基板３をSiO2とした以外は実施例１と同じ条件に設定し、図５の装置を作動させた。これによりSiO2基板に形成された５ｍｍ×０．２ｍｍのＣｕ超微粒子の微小膜をオージェ電子分光法により分析した結果を図７に示した。この微小膜を、５％Ｈ２／Ａｒの雰囲気中で４００℃、８０min焼成し、オージェ電子分光法により分析したところ、図８に示したように酸素成分が減少し、導電性の良好な微小膜が得られていることが分かった。
【００１９】
尚、図５の装置を使用してノズル１の寸法形状及びＮ2の不活性ガス流量を変化させたときの基板３に形成される微小膜のＸ、Ｙ方向の大きさは図６に示す通りであった。これに於いて、○及び□のプロットは図１の寸法形状のノズル１を使用したときのＸ、Ｙ方向の膜サイズで、●及び■は図４に示す寸法形状のノズル１を使用したときのＸ、Ｙ方向の膜サイズで、成膜条件は、実施例１の場合と同じである。これによれば、図１の寸法形状のノズルは縦横比の小さい微小膜の形成に適し、図４のノズルは縦横比の大きい微小膜に形成に適していることが分かる。また不活性ガス流量は図１の形状では１０ｌ／min以上であることが好ましく、図４の形状では４ｌ／min以下であることが好ましい。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように本発明の方法によれば、不活性ガスの流れの中でレーザー光により固体を蒸発させてその蒸発粒子を直接基板に向けて搬送するので、ノズルの詰まりがなく、特に高融点材料の微小膜を制御して比較的迅速に形成でき、固体の表面に沿って層流を流し、その表面の１箇所若しくは複数箇所にレーザー光を照射することで、所定の箇所に制御性よく成膜出来る効果が得られ、その照射位置を変更することで簡単に成膜位置を変更でき、集光サイズの変更で蒸発粒子のサイズを制御できる。また、透明ガラス板と板状の固体の表面とを不活性ガスを流す間隙を存して互いに平行に配置し、該間隙の一側にノズル開口を設けると共にその反対側に不活性ガス導入口を設け、該固体の表面上を流れる不活性ガスが層流となるように形成したノズルと、該透明ガラスを介して該固体の表面を照射するレーザー光源とを設けた装置を用いて実施すると、簡単に固体を交換でき、本発明の方法を適切に安価に実施できる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実施する装置の要部の側面図
【図２】図１の２−２線部分の拡大断面図
【図３】図１の３−３線部分の拡大断面図
【図４】図１の変形例の側面図
【図５】本発明の方法の実施に使用した装置の全体側面図
【図６】ノズル形状と不活性ガス流量及び微小膜の膜サイズの関係を示す線図
【図７】本発明により形成された微小膜の組成の分析図
【図８】図７の微小膜の焼成後の組成の分析図
【符号の説明】
１  ノズル、３  基板、４  ノズル開口、５  固体、５ａ  表面、７  レーザー光、８  レーザー光源、１０  不活性ガス導入口、１１  隙間、
【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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