(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発生するレーザ素子と、該レーザ素子から発生したレーザ光を相変化材料の相変化材料に合焦点しながらレーザスポットを照射するレンズと、前記相変化材料を搭載してレーザスポット照射方向に垂直な面の２次元方向に移動させるＸＹステージと、前記レーザ素子のレーザパワー及びＸＹステージの移動を制御する制御部とを備える相変化装置であって、前記制御部が、前記相変化材料が結晶化する温度領域に達しない第１の所定照射パワー値且つ第１の照射時間のレーザスポット照射によって相変化材料に対する焦点合わせを行う焦点合わせ工程と、該焦点合わせ工程の後、前記第１の所定照射パワー値より高出力の相変化材料がアモルファス化する温度に達する第２の所定照射パワー値のレーザスポットを、レーザスポット照射後の相変化材料が冷却する放熱時間をファクターとした所定温度以上にならない前記焦点あわせ時の第１の照射時間より短い第２の照射時間だけ照射することによって溶融を行う溶融工程とを行うことによって、前記相変化材料をアモルファス化し、前記焦点合わせ工程時の第１の所定照射パワー値より高く前記アモルファス化工程時の第２の所定照射パワー値より低い第３の所定照射パワー値且つ前記焦点合わせ工程時の第１の照射時間より長い相変化材料が結晶化する第３の照射時間だけレーザスポットの相変化材料に対する焦点合わせ及び結晶化を行う工程とを行うことによって、前記相変化材料を結晶化する相変化装置。
【請求項２】
前記制御部が、アモルファス化及び結晶化するとき、相変化材料をレーザスポットに対してＸＹステージにより一定速度で相対的に移動させる請求項１記載の相変化装置。
【請求項３】
前記制御部が、前記相変化材料をアモルファス化及び結晶化するとき、相変化材料をレーザスポットに対してＸＹステージにより相対的に停止させる請求項１記載の相変化装置。
【請求項４】
前記制御部が、前記焦点合わせ工程と溶融工程の間に、前記焦点合わせ工程によって加熱した相変化材料の温度が低下する時間間隔を空ける請求項１から３何れかに記載の相変化装置。
【請求項５】
レーザ光を発生するレーザ素子と、該レーザ素子から発生したレーザ光を相変化材料の相変化材料に合焦点しながらレーザスポットを照射するレンズと、前記相変化材料を搭載してレーザスポット照射方向に垂直な面の２次元方向に移動させるＸＹステージと、前記レーザ素子のレーザパワー及びＸＹステージの移動を制御する制御部とを備える相変化装置における相変化方法であって、前記制御部に、前記相変化材料が結晶化する温度領域に達しない第１の所定照射パワー値且つ第１の照射時間のレーザスポット照射によって相変化材料に対する焦点合わせを行う焦点合わせ工程と、該焦点合わせ工程の後、前記第１の所定照射パワー値より高出力の相変化材料がアモルファス化する温度に達する第２の所定照射パワー値のレーザスポットを、レーザスポット照射後の相変化材料が冷却する放熱時間をファクターとした所定温度以上にならない前記焦点あわせ時の第１の照射時間より短い第２の照射時間だけ照射することによって溶融を行う溶融工程とを行わせることによって、前記相変化材料をアモルファス化し、前記焦点合わせ工程時の第１の所定照射パワー値より高く前記アモルファス化工程時の第２の所定照射パワー値より低い第３の所定照射パワー値且つ前記焦点合わせ工程時の第１の照射時間より長い相変化材料が結晶化する第３の照射時間だけレーザスポットの相変化材料に対する焦点合わせ及び結晶化を行なわせる工程を行わせることによって、前記相変化材料を結晶化する相変化方法。
【請求項６】
前記制御部が、前記相変化材料をアモルファス化及び結晶化するとき、相変化材料をレーザスポットに対して一定速度で相対的に移動させる請求項５記載の相変化方法。
【請求項７】
前記制御部が、アモルファス化及び結晶化するとき、相変化材料をレーザスポットに対して相対的に停止させる請求項５記載の相変化方法。
【請求項８】
前記制御部が、前記焦点合わせ工程と溶融工程の間に、前記焦点合わせ工程によって加熱した相変化材料の温度が低下する時間間隔を空ける請求項５から７何れかに記載の相変化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱及び該加熱後の冷却によって結晶状態とアモルファス状態に特性が変化する相変化材料の相変化を行う相変化方法及び相変化装置に係り、特にレーザ照射を用いて相変化を行う際に相変化対象物とレーザ照射スポットとの相対的移動速度を低速で行うことができる相変化方法及び相変化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に相変化材料は、加熱及び該加熱後の冷却によって結晶状態とアモルファス状態とに状態変化するものであって、例えば前記状態変化によって表面の反射率や電気抵抗値が変化する特性を利用し、相変化光ディスクやフラットディスプレイや相変化型不揮発メモリーの材料として使用され、製造直後の状態では前記結晶状態とアモルファス状態が不均一なため、製造直後に結晶状態又はアモルファス状態にする初期化処理が必要とされている。
【０００３】
例えば、従来技術による相変化光ディスクの初期化を行う初期化装置は、製造直後の相変化光ディスクを回転させた状態で半径方向に延びる線状レーザスポットを走査することにより、相変化光ディスクの相変化記録膜を結晶状態又はアモルファス状態にすることが行われている。
【０００４】
この初期化技術が記載された文献としては、例えば下記特許文献が挙げられ、この特許文献には、半導体レーザより出射したレーザ光を相変化光ディスクの記録膜面に、ディスク半径方向に延びる線状のレーザスポットとしてパルス的に所定周波数で照射し、このレーザスポットをディスク記録膜面を走査させることにより記録膜をアモルファス状態から結晶状態に変化させる初期化方法において、初期化を行う線状レーザスポット９の短手方向の半値幅をＤ、走査速度をＶ、前記レーザスポット照射の所定周波数をｆとしたとき、［ｆ>＝Ｖ／Ｄ］の条件を満たすようにレーザパルスを所定周波数ｆで照射しながら初期化することにより、未初期化領域の発生を防止する技術が記載されている。
【特許文献１】特開２００５−７１５１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述の初期化技術は、対象物に常時レーザ照射を焦点合わせを行った状態で相変化を行うためには、熱の急速冷却を要するために相変化対象物とレーザ照射スポットとの相対的移動速度を高速に行う必要があり、例えば前述の特許文献記載の初期化装置においては、相変化光ディスクへ照射するレーザパワー出力値を１５００〜２５００〔ｍＷ〕としたとき、レーザスポットの走査速度Ｖを１０〔ｍ／ｓ〕と高速にする必要があった。
【０００６】
このため従来技術においては、前述の如く高速回転が可能な相変化光ディスク初期化装置では円板形状の相変化光ディスクの高速回転を行うことにより相対的移動速度を高速にすることが容易であるが、比較的大きな四角形のフラットディスプレイや相変化型不揮発メモリーにおいてはレーザスポットを高速移動させることが困難であり、前述した相変化を行うことが困難であると言う不具合があった。
【０００７】
本発明の目的は、相変化対象物とレーザスポットとの相対的移動速度を低速又は停止した状態で行うことができる相変化方法及び相変化装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために本発明は、レーザ光を発生するレーザ素子と、該レーザ素子から発生したレーザ光を相変化材料の相変化材料に合焦点しながらレーザスポットを照射するレンズと、前記相変化材料を搭載してレーザスポット照射方向に垂直な面の２次元方向に移動させるＸＹステージと、前記レーザ素子のレーザパワー及びＸＹステージの移動を制御する制御部とを備える相変化装置であって、
前記制御部が、
前記相変化材料が結晶化する温度領域に達しない第１の所定照射パワー値且つ第１の照射時間のレーザスポット照射によって相変化材料に対する焦点合わせを行う焦点合わせ工程と、該焦点合わせ工程の後、前記第１の所定照射パワー値より高出力の相変化材料がアモルファス化する温度に達する第２の所定照射パワー値のレーザスポットを、レーザスポット照射後の相変化材料が冷却する放熱時間をファクターとした所定温度以上にならない前記焦点あわせ時の第１の照射時間より短い第２の照射時間だけ照射することによって溶融を行う溶融工程とを行うことによって、前記相変化材料をアモルファス化し、
前記焦点合わせ工程時の第１の所定照射パワー値より高く前記アモルファス化工程時の第２の所定照射パワー値より低い第３の所定照射パワー値且つ前記焦点合わせ工程時の第１の照射時間より長い相変化材料が結晶化する第３の照射時間だけレーザスポットの相変化材料に対する焦点合わせ及び結晶化を行う工程とを行うことによって、前記相変化材料を結晶化することを第１の特徴とする。
【０００９】
また本発明は、前記第１の特徴の相変化装置において、前記制御部が、アモルファス化及び結晶化するとき、相変化材料をレーザスポットに対してＸＹステージにより相対的に一定速度で移動させることを第２の特徴とする。
【００１０】
また本発明は、前記第１の特徴の相変化装置において、前記制御部が、前記相変化材料をアモルファス化及び結晶化するとき、相変化材料をレーザスポットに対してＸＹステージにより相対的に停止させることを第３の特徴とし、前記何れかの特徴の相変化装置において、前記制御部が、前記焦点合わせ工程と溶融工程の間に、前記焦点合わせ工程によって加熱した相変化材料の温度が低下する時間間隔を空けることを第４の特徴とする。
【００１１】
更に本発明は、レーザ光を発生するレーザ素子と、該レーザ素子から発生したレーザ光を相変化材料の相変化材料に合焦点しながらレーザスポットを照射するレンズと、前記相変化材料を搭載してレーザスポット照射方向に垂直な面の２次元方向に移動させるＸＹステージと、前記レーザ素子のレーザパワー及びＸＹステージの移動を制御する制御部とを備える相変化装置における相変化方法であって、
前記制御部に、
前記相変化材料が結晶化する温度領域に達しない第１の所定照射パワー値且つ第１の照射時間のレーザスポット照射によって相変化材料に対する焦点合わせを行う焦点合わせ工程と、該焦点合わせ工程の後、前記第１の所定照射パワー値より高出力の相変化材料がアモルファス化する温度に達する第２の所定照射パワー値のレーザスポットを、レーザスポット照射後の相変化材料が冷却する放熱時間をファクターとした所定温度以上にならない前記焦点あわせ時の第１の照射時間より短い第２の照射時間だけ照射することによって溶融を行う溶融工程とを行わせることによって、前記相変化材料をアモルファス化し、
前記焦点合わせ工程時の第１の所定照射パワー値より高く前記アモルファス化工程時の第２の所定照射パワー値より低い第３の所定照射パワー値且つ前記焦点合わせ工程時の第１の照射時間より長い相変化材料が結晶化する第３の照射時間だけレーザスポットの相変化材料に対する焦点合わせ及び結晶化を行なわせる工程を行わせることによって、前記相変化材料を結晶化することを第５の特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記第４の特徴の相変化方法において、前記制御部が、前記相変化材料をアモルファス化及び結晶化するとき、相変化材料をレーザスポットに対して一定速度で相対的に移動させることを第６の特徴とする。
【００１３】
また本発明は、前記第４の特徴の相変化方法において、前記制御部が、アモルファス化及び結晶化するとき、相変化材料をレーザスポットに対して相対的に停止させることを第７の特徴とし、前記何れかの特徴の相変化方法において、前記制御部が、前記焦点合わせ工程と溶融工程の間に、前記焦点合わせ工程によって加熱した相変化材料の温度が低下する時間間隔を空けることを第８の特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による相変化装置及び相変化方法は、相変化材料のアモルファス化を、相変化材料が結晶化する温度領域に達しないレーザパワーにより前記低出力の焦点合わせ工程と相変化材料がアモルファス化する温度領域に達する高出力の溶融工程とを連続的に行い、相変化材料の結晶化を、相変化材料が結晶化する温度領域のレーザパワーにより結晶化する工程とを行うことにより、相変化材料とレーザスポットとの相対的移動速度を低速度又は停止した状態においても相変化を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明による相変化方法及び相変化装置の一実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図１は本実施形態による相変化方法を採用した相変化装置を示す図、図２は本実施形態による相変化方法における相変化シーケンスを説明するための図、図３は本実施形態の対象となる相変化対象物の構造を示す図である。
【００１６】
まず、本発明の対象となる相変化対象物は、図３に示す如く、その断面からみて、基材となる下部層５と、該下部層５上に設けられた相変化材料４と、該相変化材料４上に設けられた保護膜３とから構成され、相変化材料４が、前記保護膜３上からレーザスポットを照射して加熱及び冷却されることによって、可逆的に結晶状態とアモルファス状態が変化し、この状態変化によって反射率や電気抵抗値が変化する特性を持つものであり、例えば相変化光ディスクである。
【００１７】
尚、前記相変化材料４の材質がＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５の場合、結晶化時の体積抵抗率は約３ｍΩｃｍであり、アモルファス化時の体積抵抗率は約３Ωｃｍと約１０００倍に変化するものである。
【００１８】
＜構成＞
さて、本実施形態による相変化装置は、図２に示す如く、レーザ光を発生するレーザ素子１０と、該レーザ素子１０から照射されたレーザ光を平行光に変換等を行う光学系１１と、該光学系１１から出光したレーザ光を相変化対象物１５に合焦点をしながらレーザスポットを照射するレンズ１２と、該レンズ１２を移動させて前記焦点合わせを行うフォーカス用アクチュエータ１３と、前記相変化対象物１５を搭載して図面の左右方向に移動させるＸステージ１７と、該Ｘステージ１７を図面の前後方向に移動させるＹステージ１８と、前記レーザ素子１０と光学系１１とフォーカス用アクチュエータ１３とＸステージ１７及びＹステージ１８を制御する制御部８０とを備える。尚、前記Ｘステージ１７及びＹステージ１８の前後左右の移動によって相変化対象物１５は、レーザスポットの照射方向に対して垂直な２次元の面の任意の方向且つ任意の速度で移動することができる。
【００１９】
該制御部８０は、前記レーザ素子１０のレーザパワーを制御する機能と、該レーザ素子１０からのレーザ出光をパルス的に制御するパルス制御機能と、前記フォーカス用アクチュエータ１３を駆動して自動焦点合わせを行う機能と、図示しない原点を基点として前記Ｘステージ１７及びＹステージ１８の移動を制御する機能とを備え、コンピュータ等により構成される。
【００２０】
尚、前記制御部８０のレーザパワー制御機能は、レーザ光のパワーを測定するパワーディテクタによりパワーを検出し、目標のパワー値と比較することによって行われ、各ステージ１７及び１８の移動制御は、図示しない原点を基点としてエンコーダによる位置決めや入力パルス周波数による移動速度の制御を行うものである。
【００２１】
また、本実施形態による相変化装置は、前記制御部８０の制御によってフォーカス用アクチュエータ１３が相変化対象物１５上に幅１μｍ、長さ３０μｍの長尺状のレーザスポットを形成する。
【００２２】
＜動作＞
さて、本実施形態による相変化装置は、前記Ｘステージ１７及びＹステージ１８上の対象物固定台１６に相変化対象物１５を固定して搭載し、前記Ｘステージ１７及びＹステージ１８を移動させながら、前記レーザ素子１０から発生したレーザ光を所定のパワーに制御しながら相変化対象物１５の相変化材料４の表面に焦点合わせを行う工程と、この工程の後にレーザ光を所定のパワーに制御しながら相変化対象物１５の相変化材料４の相変化を行う工程とを行うものであり、この相変化対象物１５の相変化材料４をアモルファスする処理手順と結晶化する処理手順を図２を参照して説明する。
【００２３】
まず、相変化材料４をアモルファスする処理手順は、図２（ａ）のアモルファス化シーケンスとして示す如く、制御部８０が、レーザ素子１０から発生するレーザスポットに対する相変化対象物１５の相対的走査速度Ｄを２０ｍｍ／ｓ（１μｍ幅のレーザスポットの通過時間が５０μｓ）に設定した状態において、レーザスポットの照射パワーを１０ｍＷ、照射時間を１０μｓとして照射し、この照射時間の間に自動焦点合わせ制御Ａを行う工程と、該工程に次いで約３０μｓ経過後に照射パワーを３００ｍＷ、照射時間を１００ｎｓとした溶融パワー照射Ｃを行う工程とを行い、前記自動焦点合わせ制御Ａと溶融パワー照射Ｃとの各工程を前記した条件において連続して実行することにより、相変化対象物１５をアモルファスする処理を行う。
【００２４】
このときの相変化対象物１５の相変化材料４の内部温度は、図２（ａ）下段に示す如く、前述した自動焦点合わせ制御Ａ時のレーザ照射パワーによって若干上昇するものの冷え、その後に比較的大きな溶融パワー照射Ｃを短時間（１００ｎｓ）照射することによって相変化材料４が結晶化領域Ｅの温度範囲を超えて融解点温度ｔ１まで急激に上昇し且つ急激に低下することによって、相変化材料４のアモルファス化を行うことができる。
【００２５】
次に相変化材料４を結晶化する処理手順は、図２（ｂ）の結晶化シーケンスとして示す如く、制御部８０が、レーザ素子１０から発生するレーザスポットに対する相変化対象物１５の相対的走査速度Ｄを２０ｍｍ／ｓ（１μｍ幅のレーザスポットの通過時間が５０μｓ）に設定した状態において、レーザスポットの照射パワーを２０ｍＷ、照射時間を２５μｓとして照射し、この照射時間の間に自動焦点合わせ制御及びパワー制御Ｇを行い、次いで約２５μｓ経過後に前記と同様な自動焦点合わせ制御及びパワー制御Ｇを行い、この工程を繰り返すことによって、相変化対象物１５を結晶化する処理を行う。
【００２６】
このときの相変化対象物１５の相変化材料４の内部温度は、図２（ｂ）下段に示す如く、前述した自動焦点合わせ制御及びパワー制御Ｇにより、比較的低出力のレーザ照射パワーによって温度が徐々に上昇して相変化材料４が結晶化領域Ｅの温度範囲に達し、且つ冷却することによって、相変化材料４の結晶化を行うことができる。
【００２７】
前述の様に本実施形態による相変化装置及び方法は、相変化材料４のアモルファス化を行う際には低出力（１０ｍＷ）且つ短時間（１０μｓ）のレーザパーワーにより焦点合わせを行った後に高出力（３００ｍＷ）且つ短時間（１００ｎｓ）のレーザ照射を行うことによって、短時間のレーザ照射で急激に溶融点温度ｔ１以上に上昇させ、短時間加熱により温度が急激に低下することにより、相変化材料を低速（例えば２０ｍｍ／ｓ）でアモルファス化を行うことができる。
【００２８】
更に本実施形態による相変化装置及び方法は、相変化材料４の結晶化を行う際には中出力（２０ｍＷ）且つ長時間（２５μｓ）のレーザパーワーにより焦点合わせのレーザ照射を行うことによって、短時間のレーザ照射で相変化材料４の温度が徐々に上昇して相変化材料４が結晶化領域Ｅの温度範囲に達し、且つ冷却することによって、相変化材料４の結晶化を行うことができる。
【００２９】
本実施形態による相変化方法及び相変化装置は、前記アモルファス化シーケンス又は結晶化シーケンスを相変化対象物１５の相変化材料４の全面に対して行うことにより、相変化対象物１５全面のアモルファス化及び結晶化を行うことができる。
【００３０】
また前記実施形態においては、制御部８０がレーザスポットに対する相変化対象物１５の相対的走査速度Ｄを２０ｍｍ／ｓに設定した状態においてアモルファス化及び結晶化を行う例を説明したが、前記相対的走査速度Ｄやパルス照射時間及び照射パワーは前記実施形態に限られるものではなく、レーザスポットと相変化対象物の相対的走査速度Ｄを低下させ、アモルファス化時に相変化材料を短時間に溶融点温度以上に達しさせ且つ低下させるレーザ照射を行い、結晶化時においては相変化材料を結晶化領域Ｅの温度範囲内に達しさせ且つ低下させるレーザ照射を行っても良い。更に本発明は、相変化対象物１５を停止しておき、この停止状態でアモルファス化時に焦点合わせの工程と該工程に続いて相変化材料を短時間に溶融点温度以上に達しさせ且つ低下させるレーザ照射を行う工程とを行い、結晶化時においては相変化材料を結晶化領域Ｅの温度範囲内に達しさせ且つ低下させるレーザ照射を行っても良い。
【００３１】
また本実施形態の対象となる相変化対象物は、相変化光ディスクに限られるものではなく、フラットディスプレイや相変化型不揮発メモリーや電気回路等の状態変化による反射率や電気抵抗値が変化する特性を利用した製品部材に適用することができる。
【００３２】
尚、前述の実施形態では、溶融工程におけるレーザスポット照射時間を焦点合わせ工程におけるレーザスポット照射時間に比較して照射時間を短くする例を説明したが、結晶化時は長くする場合もある。これを説明すると、結晶化時の条件は相変化材料の結晶化領域温度の経過時間を長くとるため、移動速度が遅いときは長い照射時間になり、相変化材料の周囲にも熱が蓄積していくため急冷効果は弱くなり結晶化領域温度の経過時間が長くなるが、この必要以上の温度になることを防ぐ（最適温度に調整）ためにレーザ照射を行わない冷却（放熱）時間を設ける必要がある。
このためレーザスポット照射時間は、レーザスポット照射後の相変化材料が冷却する放熱時間をファクターとした相変化材料が所定温度以上にならない照射時間に設定することが考えられる。このように溶解時のレーザスポット照射時間は、移動速度に対して加熱のためのレーザ照射と放熱のためのレーザ未照射時間を最適とることにより、相変化材料のアモルファス化または結晶化条件を満たす温度経過を得ることが必要である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態による相変化装置を示す図。
【図２】本実施形態による相変化シーケンスを説明するための図。
【図３】本実施形態の対象となる相変化対象物の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
３：保護膜、４：相変化材料、５：下部層、９：スポット、１０：レーザ素子、１１：光学系、１２：レンズ、１３：フォーカス用アクチュエータ、１５：相変化対象物、１６：対象物固定台、１７：Ｘステージ、１８：Ｙステージ、８０：制御部。
【図１】
0004971060.tif 000002
【図２】
0004971060.tif 000003
【図３】
0004971060.tif 000004