【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ・アブレーション法を実施して膜厚が均一な薄膜を成膜するのに好適な薄膜作製装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、例えば酸化物超伝導体薄膜を成膜するにはレーザ・アブレーション法が多用されているのであるが、大きな面積に亙って膜厚分布が少ない薄膜を得る為にターゲットと基板との距離を離したり、レーザ光でターゲット上を走査する方法などの方法が行われている。
【０００３】
然しながら、ターゲットと基板との距離を離した場合には、薄膜の堆積レートが著しく低下し、また、レーザ光でターゲット上に走査する場合には、レーザ・スポットのエネルギ密度が変化し、プルームの大きさが変わり、膜厚や組成が一定となる定量的且つ効果的な走査方法を確立することが困難であり、従って、充分に均一な薄膜を得ることはできない。
【０００４】
図６は従来の薄膜作製装置の一例を表す要部斜面説明図であり、図に於いて、１は薄膜作製対象である基板、２はターゲット、３Ａ及び３Ｂはプルーム、４はレーザ・ビームをそれぞれ示している。
【０００５】
ここでは、レーザ・ビーム４でターゲット２を走査する例を挙げてあり、この場合、レーザ・ビーム４の走査に依ってスポット位置が変わるとターゲット２の面上に於ける集光（エネルギ密度）に差を生じ、プルームは３Ａ及び３Ｂで表してあるように大きさが変わってしまい、従って、組成にずれを生じてしまう。
【０００６】
図７は通常のレーザ・アブレーション法を実施した場合の膜厚分布について説明する為の線図であり、（Ａ）は薄膜が形成された基板を俯瞰した場合の膜厚分布を等高線で表し、また、（Ｂ）並びに（Ｃ）は膜厚分布をプロットして表してあり、何れの場合も中央近傍に於いて膜厚が最も厚くなっている。尚、（Ａ）にはレーザ・スポットの形状が付記してある。また、（Ｃ）に示した分布は（Ｂ）に示した分布と比較してブロードになっているが、これはレーザ・ビームの集光幅に依存し、（Ａ）のレーザ・スポットのように長方形に集光している場合、長い方向に対してはゆるやかな分布になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、レーザ・アブレーション法を実施して薄膜を成膜する装置に極めて簡単な構成を付加することに依り、膜厚が均一で且つ大面積の薄膜が得られるようにする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に依るレーザ・アブレーション用薄膜作製装置に於いては、成膜時に於けるレーザ光の光路を一定とし且つ基板位置を固定した状態で作製した薄膜の膜厚分布を基礎として定められた膜厚が均一になる軌道に倣って基板位置を連続的に移動させる機構を備えて基板を移動しつつ薄膜の堆積を行う。
【０００９】
その際、堆積される薄膜の膜厚Ｓは、基板を固定した場合の中心からの距離Ｘに対して、
Ｓ＝（中心膜厚）×（ｃｏｓ（ａＸ）＋１）
ａ：π／Ｌ
Ｌ：膜厚分布曲線に於ける幅の半分（図７（Ｂ）ではＬ＝２０〔ｍｍ〕）
となる。
【００１０】
その結果、基板を移動した軌道の内側に於いて、周期分位相をずらせたｃｏｓカーブの重ね合わせとなって一定膜厚となるものであり、基板とターゲットとの距離を充分な堆積レートが得られるように設定しても、均一な膜厚で大面積の薄膜を実現することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に於ける基本的な実施の形態である薄膜作製装置を説明する為の要部説明図であり、（Ａ）は薄膜作製装置の概略を、又、（Ｂ）は基板の走査軌道をそれぞれ示し、図６に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００１２】
本発明に依る薄膜作製装置に於いては、図１（Ａ）に見られるように、所定の軌道５に倣って基板１を連続的に移動（走査）しながら薄膜を堆積する機構を備えることが基本になっている。
【００１３】
図１（Ｂ）には軌道５の一例が示されていて、短軸Ｘが２０〔ｍｍ〕、長軸Ｙが２５〔ｍｍ〕の楕円をなしている。
【００１４】
さきに図７について説明したように、基板１を固定してレーザ・アブレーションを実施した場合、レーザ・スポットを反映した分布を生ずるのであるが、この分布は、ｃｏｓカーブの分布になる傾向があり、従って、薄膜の堆積を周期分ずらせて重ね合わせると軌道内では均一な膜厚の薄膜を成膜することができるのである。
【００１５】
図２は薄膜の堆積を周期分ずらせて重ね合わせることで膜厚を均一化できることを表す線図であり、（Ａ）は周期が２０〔ｍｍ〕である場合、また、（Ｂ）は周期が２５〔ｍｍ〕である場合をそれぞれ示し、分布曲線のピーク・ピークを結ぶ膜厚が実現された均一な膜厚となっている。
【００１６】
図３は本発明に於ける実施の形態１である薄膜作製装置を例示する要部説明図であり、図１に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００１７】
図に於いて、６は基板１を取り着けたヒータ・ブロック、１１はパーソナル・コンピュータ、１２はプログラム・コントローラ、１３は駆動装置、１４はＹ方向移動用モータ、１５はＸ方向移動用モータをそれぞれ示している。
【００１８】
この装置では、パーソナル・コンピュータ１１に於いて、基板１を固定して薄膜を成膜した場合の膜厚分布から基板走査の軌道を計算し且つプログラムを作製し、そのプログラムをプログラム・コントローラ１２にダウン・ロードし、プログラム・コントローラ１２からは制御信号が駆動装置１３に送られて、駆動装置１３ではＹ方向移動用モータ１４及びＸ方向移動用モータ１５を適宜回転してヒータ・ブロック６、従って、基板１を軌道に倣って移動させながらレーザ・アブレーションに依る成膜を行うものである。
【００１９】
図３について説明した装置を用いてＹＢａ２ Ｃｕ３ Ｏ７−ｘ の酸化物超伝導体薄膜を成膜したところ、標準偏差で１３〔％〕であった膜厚分布が２〔％〕まで減少した。
【００２０】
図４は本発明に於ける実施の形態２である薄膜作製装置を例示する要部説明図であり、図３に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００２１】
実施の形態２の薄膜作製装置は、膜厚分布のフィードバックに依り、基板走査軌道を自動修正する機能をもっている。
【００２２】
さきに説明したように、だ円の基板走査軌道に倣って基板を移動しつつ成膜を行って膜厚分布を小さくしても、更に軌道修正が必要となる場合があり、その場合には、実施の形態２の薄膜作製装置を使用することが好ましい。
【００２３】
即ち、図４に見られる薄膜作製装置に於いては、成膜室内に水晶振動子マトリクス１６が配設されていて、その中心と端との堆積速度の比較を行って、中心付近が高い場合には軌道を外側に、中心付近が低い場合には軌道を内側にそれぞれ修正するようにプログラムを変更するものである。
【００２４】
図５は軌道修正に関連するデータを表す線図であり、（Ａ）は軌道が外側或いは内側にずれた場合の膜厚分布を示し、（Ｂ）は検出データに依る軌道修正を示している。
【００２５】
図５（Ａ）に見られる膜厚分布から、軌道が内側にずれていたものを外側に軌道修正した場合が図５（Ｂ）であり、基板を固定（走査しない）して得られた膜厚分布から計算して得られた基板走査軌道（一次軌道）が黒四角ドットであり、この一次軌道に倣って基板走査を行って得られた図５（Ａ）に見られる膜厚分布から修正計算して得られた基板走査軌道（二次軌道）が黒丸ドットであり、このような修正を行うことで、均一な膜厚を実現できる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明に依るレーザ・アブレーション用薄膜作製装置に於いては、成膜時に於けるレーザ光の光路を一定とし且つ基板位置を固定した状態で作製した薄膜の膜厚分布を基礎として定められた膜厚が均一になる軌道に倣って基板位置を連続的に移動させる機構を備える。
【００２７】
前記構成を採ることに依り、膜厚分布が発生し易いレーザ・アブレーション法に依る成膜でありながら、その膜厚分布を低減、或いは、膜厚を均一化することが可能になり、酸化物超伝導体薄膜の成膜に好適であって、特性良好な薄膜を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に於ける基本的な実施の形態である薄膜作製装置を説明する為の要部説明図である。
【図２】薄膜の堆積を周期分ずらせて重ね合わせることで膜厚を均一化できることを表す線図である。
【図３】本発明に於ける実施の形態１の薄膜作製装置を例示する要部説明図である。
【図４】本発明に於ける実施の形態２の薄膜作製装置を例示する要部説明図である。
【図５】軌道修正に関連するデータを表す線図である。
【図６】従来の薄膜作製装置の一例を表す要部斜面説明図である。
【図７】通常のレーザ・アブレーション法を実施した場合の膜厚分布について説明する為の線図である。
【符号の説明】
１ 薄膜作製対象である基板
２ ターゲット
３Ａ及び３Ｂ プルーム
４ レーザ・ビーム
５ 軌道
６ ヒータ・ブロック
１１ パーソナル・コンピュータ
１２ プログラム・コントローラ
１３ 駆動装置
１４ Ｙ方向移動用モータ
１５ Ｘ方向移動用モータ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin film manufacturing apparatus suitable for forming a thin film having a uniform thickness by performing a laser ablation method.
[0002]
[Prior art]
At present, for example, a laser ablation method is frequently used to form an oxide superconductor thin film. However, in order to obtain a thin film having a small thickness distribution over a large area, a distance between a target and a substrate is required. , And a method of scanning a target with a laser beam.
[0003]
However, when the distance between the target and the substrate is large, the deposition rate of the thin film is significantly reduced, and when scanning over the target with laser light, the energy density of the laser spot changes and the It is difficult to establish a quantitative and effective scanning method in which the size changes and the film thickness and composition become constant, and therefore it is not possible to obtain a sufficiently uniform thin film.
[0004]
FIG. 6 is an explanatory view of an essential part of a slope showing an example of a conventional thin film production apparatus. In the figure, 1 is a substrate on which a thin film is produced, 2 is a target, 3A and 3B are plumes, and 4 is a laser beam. Each is shown.
[0005]
Here, an example in which the target 2 is scanned by the laser beam 4 is described. In this case, when the spot position changes due to the scanning of the laser beam 4, the light is condensed (energy density) on the surface of the target 2. And the plumes change in size as represented by 3A and 3B, thus causing a shift in composition.
[0006]
FIG. 7 is a diagram for explaining a film thickness distribution when a normal laser ablation method is performed. FIG. 7A shows contours of a film thickness distribution when a substrate on which a thin film is formed is overlooked. (B) and (C) plot the film thickness distribution, and in each case, the film thickness is greatest near the center. Note that (A) additionally shows the shape of the laser spot. The distribution shown in (C) is broader than the distribution shown in (B), which depends on the converging width of the laser beam, and is similar to that of the laser spot in (A). When the light is condensed in a rectangular shape, the distribution becomes gentle in the long direction.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
According to the present invention, a thin film having a uniform thickness and a large area can be obtained by adding a very simple structure to an apparatus for forming a thin film by performing a laser ablation method.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the apparatus for manufacturing a thin film for laser ablation according to the present invention, a film defined based on a film thickness distribution of a thin film manufactured in a state where the optical path of laser light during film formation is fixed and the substrate position is fixed. A thin film is deposited while moving the substrate by providing a mechanism for continuously moving the position of the substrate along a trajectory where the thickness is uniform.
[0009]
At this time, the thickness S of the deposited thin film is determined by the distance X from the center when the substrate is fixed.
S = (center film thickness) × (cos (aX) +1)
a: π / L
L: Half of the width in the film thickness distribution curve (L = 20 [mm] in FIG. 7B)
It becomes.
[0010]
As a result, a constant film thickness is obtained by superimposing cos curves shifted in phase by a period within the orbit where the substrate has moved, and a sufficient deposition rate can be obtained by increasing the distance between the substrate and the target. Even if it is set so that a thin film having a uniform thickness and a large area can be realized.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIGS. 1A and 1B are main part explanatory diagrams for explaining a thin film forming apparatus according to a basic embodiment of the present invention, in which FIG. 1A schematically shows a thin film forming apparatus, and FIG. Each scanning trajectory is shown, and the symbols used in FIG. 6 and the same symbols represent the same parts or have the same meaning.
[0012]
The thin film manufacturing apparatus according to the present invention includes a mechanism for depositing a thin film while continuously moving (scanning) the substrate 1 along a predetermined track 5 as shown in FIG. Is the basis.
[0013]
FIG. 1B shows an example of the orbit 5 in which the short axis X is 20 [mm] and the long axis Y is 25 [mm].
[0014]
As described above with reference to FIG. 7, when laser ablation is performed with the substrate 1 fixed, a distribution reflecting the laser spot occurs. This distribution tends to be a cos curve distribution. Therefore, if the deposition of the thin films is overlapped with each other shifted by a period, a thin film having a uniform thickness can be formed in the orbit.
[0015]
FIGS. 2A and 2B are diagrams showing that the film thickness can be made uniform by shifting the deposition of the thin films by the period, and FIG. 2A shows the case where the period is 20 [mm], and FIG. 25 mm is shown, and the film thickness connecting the peaks of the distribution curves is a uniform film thickness realized.
[0016]
FIG. 3 is an explanatory view of a principal part illustrating a thin film manufacturing apparatus according to Embodiment 1 of the present invention, wherein the same symbols as those used in FIG. 1 represent the same parts or have the same meanings. And
[0017]
In the figure, 6 is a heater block on which the substrate 1 is mounted, 11 is a personal computer, 12 is a program controller, 13 is a driving device, 14 is a motor for moving in the Y direction, and 15 is a motor for moving in the X direction. Each is shown.
[0018]
In this apparatus, a personal computer 11 calculates a trajectory of substrate scanning from a film thickness distribution when a thin film is formed while fixing the substrate 1, creates a program, and sends the program to a program controller 12. After downloading, a control signal is sent from the program controller 12 to the drive unit 13, and the drive unit 13 rotates the Y-direction movement motor 14 and the X-direction movement motor 15 as appropriate, thereby controlling the heater block 6, In addition, a film is formed by laser ablation while moving the substrate 1 along a track.
[0019]
When an oxide superconductor thin film of YBa 2 Cu 3 O 7-x was formed using the apparatus described with reference to FIG. 3, the film thickness distribution, which was 13% in standard deviation, was reduced to 2%. did.
[0020]
FIG. 4 is an explanatory view of a main part illustrating a thin film manufacturing apparatus according to a second embodiment of the present invention, wherein the same symbols as those used in FIG. 3 represent the same parts or have the same meanings. And
[0021]
The thin film manufacturing apparatus according to the second embodiment has a function of automatically correcting the substrate scanning trajectory based on the feedback of the film thickness distribution.
[0022]
As described earlier, even if the film is formed while moving the substrate following the elliptical substrate scanning trajectory and the film thickness distribution is reduced, further trajectory correction may be required. It is preferable to use the thin film manufacturing apparatus of the second embodiment.
[0023]
That is, in the thin film manufacturing apparatus shown in FIG. 4, the crystal oscillator matrix 16 is provided in the film forming chamber, and the deposition rate between the center and the end is compared. The program is modified so that the trajectory is corrected to the outside and the trajectory is corrected to the inside when the center is low.
[0024]
5A and 5B are diagrams showing data related to trajectory correction, in which FIG. 5A shows a film thickness distribution when the trajectory is shifted outward or inward, and FIG. 5B shows trajectory correction based on detected data. .
[0025]
FIG. 5B shows a case in which the trajectory shifted from the inside to the outside is corrected to the outside from the film thickness distribution shown in FIG. 5A, and the film obtained by fixing (not scanning) the substrate. The substrate scanning trajectory (primary trajectory) obtained from the thickness distribution is a black square dot, and is corrected from the film thickness distribution shown in FIG. 5A obtained by scanning the substrate following this primary trajectory. The substrate scanning trajectory (secondary trajectory) obtained by calculation is a black dot, and by performing such a correction, a uniform film thickness can be realized.
[0026]
【The invention's effect】
In the apparatus for manufacturing a thin film for laser ablation according to the present invention, a film defined based on a film thickness distribution of a thin film manufactured in a state where the optical path of laser light during film formation is fixed and the substrate position is fixed. A mechanism is provided for continuously moving the substrate position according to a trajectory where the thickness is uniform.
[0027]
By adopting the above configuration, it is possible to reduce the film thickness distribution or to make the film thickness uniform even though the film is formed by the laser ablation method in which the film thickness distribution is likely to occur, and It is suitable for forming a superconductor thin film and can realize a thin film having excellent characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view of a main part for describing a thin film manufacturing apparatus according to a basic embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing that the film thickness can be made uniform by stacking thin films by shifting them by a period.
FIG. 3 is a main part explanatory view illustrating a thin film manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is an explanatory view of a principal part illustrating a thin-film manufacturing apparatus according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a diagram showing data related to trajectory correction.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a main part slope showing an example of a conventional thin film manufacturing apparatus.
FIG. 7 is a diagram for explaining a film thickness distribution when a normal laser ablation method is performed.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate which is a thin film target 2 Target 3A and 3B Plume 4 Laser beam 5 Orbit 6 Heater block 11 Personal computer 12 Program controller 13 Drive 14 Motor for Y direction movement 15 Motor for X direction movement
