JP2004263245A - 反応方法及び反応装置 - Google Patents

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仁晴 川崎
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Abstract

【課題】パルスレーザを用いて所望の構造を有する物質を作製することが可能な反応方法及び反応装置を提供する。
【解決手段】真空容器11内にターゲット13aをセットする工程と、真空容器11内にターゲット13bをセットする工程と、ターゲット13aにパルスレーザ15aを照射してプラズマプルーム18aを生じさせるとともに、ターゲット13bにパルスレーザ15bを照射してプラズマプルーム18aと交差するプラズマプルーム18b生じさせることにより、プラズマプルーム18aとプラズマプルーム18が交差する領域18cで所定の反応を生じさせる工程とを備えている。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルスレーザを用いた反応方法及び反応装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
パルスレーザデポジション(PLD)法は、結晶性に優れた薄膜を低温で比較的容易に作製できる、放電を用いないため広い条件範囲で薄膜の作製ができる、ターゲットとの組成ずれの少ない薄膜が作製できる、電極が不要であるため真空容器内のクリーン度を高く維持することができる、といった特徴を有している。その一方で、生成されるプラズマプルームの大きさが小さいため大面積の薄膜を作製することが困難である、プラズマプルーム中にナノメータ〜マイクロメータ程度のサイズの微粒子(いわゆるドロップレット)が多数存在するため膜質が劣化し易い、薄膜の組成が基本的にターゲットの組成と同じであるため薄膜の組成制御が難しい、といった欠点も有している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
このように、薄膜形成技術としてパルスレーザデポジション法が知られている。しかしながら、パルスレーザデポジション法を用いた従来の方法は、単一のパルスレーザを単一のターゲットに照射して単一のプラズマプルームを生成するものであるため、所望の構造を有する物質を作製することが困難であった。
【0004】
本発明は上記従来の課題に対してなされたものであり、パルスレーザを用いて所望の構造を有する物質を作製することが可能な反応方法及び反応装置を提供することを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る反応方法は、真空容器内に第1のターゲットをセットする工程と、前記真空容器内に第2のターゲットをセットする工程と、前記第1のターゲットに第1のパルスレーザを照射して第1のプラズマプルームを生じさせるとともに、前記第2のターゲットに第2のパルスレーザを照射して前記第1のプラズマプルームと交差する第2のプラズマプルーム生じさせることにより、前記第1のプラズマプルームと前記第2のプラズマプルームが交差する領域で所定の反応を生じさせる工程と、を備えたこと特徴とする。
【0006】
前記方法の好ましい態様は、以下の通りである。
【0007】
・前記所定の反応は、前記第1のプラズマプルームに基づく第1のクラスタと前記第2のプラズマプルームに基づく第2のクラスタとの反応である。
【0008】
・前記第1のパルスレーザの波長と前記第2のパルスレーザの波長は互いに異なる。
【0009】
・前記所定の反応によって生成された反応物は、前記真空容器内に保持された基板上に堆積される。
【0010】
・前記所定の反応を生じさせる工程において、前記第1のプラズマプルーム及び第2のプラズマプルームに磁界を印加する。
【0011】
本発明に係る反応装置は、真空容器と、前記真空容器内に設けられた第1のターゲット保持手段と、前記真空容器内に設けられた第2のターゲット保持手段と、前記第1のターゲット保持手段に保持された第1のターゲットに第1のパルスレーザを照射して第1のプラズマプルームを生じさせる第1のレーザ照射手段と、前記第2のターゲット保持手段に保持された第2のターゲットに第2のパルスレーザを照射して前記第1のプラズマプルームと交差する第2のプラズマプルーム生じさせる第2のレーザ照射手段と、を備え、前記第1のプラズマプルームと前記第2のプラズマプルームが交差する領域で所定の反応を生じさせるように構成されたことを特徴とする。
【0012】
前記装置の好ましい態様は、以下の通りである。
【0013】
・前記所定の反応によって生成された反応物が堆積する基板を保持するための基板保持手段をさらに備える。
【0014】
・前記第1のパルスレーザの波長と前記第2のパルスレーザの波長は互いに異なる。
【0015】
・前記第1のプラズマプルーム及び第2のプラズマプルームに磁界を印加する磁界印加手段をさらに備える。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【0017】
図1は、本発明の実施形態に係る反応装置についてその基本的な構成を模式的に示した図である。
【0018】
真空容器11内は、真空ポンプ(図示せず)によって排気され、所定の圧力になるように調整可能である。真空容器11内には、ターゲット保持部12a及び12bが設けられ、それぞれターゲット13a及び13bが保持されるようになっている。真空容器11の外壁部にはレーザ源14a及び14bが設置され、それぞれターゲット13a及び13bに互いに異なった波長のパルスレーザ15a及び15bが照射されるようになっている。また、真空容器11内には、基板保持部16が設けられ、この基板保持部16上に基板17が保持される。
【0019】
ターゲット保持部12a及び12bにそれぞれターゲット13a及び13bをセットし、基板保持部16上に基板17をセットする。真空容器11内を所定の圧力に調整した後、パルスレーザ15aをターゲット13aに照射するとともにパルスレーザ15bをターゲット13bに照射することで、基板17の上方で互いに交差するプラズマプルーム18a及びプラズマプルーム18bが生成される。プラズマプルーム18a中にはターゲット13aの材料を主成分とした微粒子のクラスタが含まれ、プラズマプルーム18b中にはターゲット13bの材料を主成分とした微粒子のクラスタが含まれている。その結果、プラズマプルーム18aとプラズマプルーム18bとの交差領域18cにおいてクラスタどうしが反応し、生成された反応物が基板17上に堆積する。
【0020】
パルスレーザ照射によって生成されたプラズマプルーム中には、ナノメータサイズ以上の微粒子が高密度で存在することが知られており、それらの一部は微結晶化されている。また、生成されたプラズマプルーム、特に発生初期のプラズマプルームでは、核融合のような特殊な空間でしか実現できないような完全電離プラズマに近い状態、すなわち極めて活性な反応場が形成されているものと考えられる。したがって、プラズマプルーム18aとプラズマプルーム18bとを交差させることにより、交差領域18cにおいてプラズマプルーム18a、18bそれぞれに含まれるクラスタどうしが反応し、これまでに得ることのできなかった新しいナノクラスタを生成することが可能である。このようなクラスタを基板17上に堆積させることで、従来のパルスレーザデポジション法では得ることができなかった特異な微結晶構造を有する薄膜を形成することが可能である。
【0021】
例えば、ターゲット13aにシリコン(Si)を、ターゲット13bにカーボン(C)を用いることにより、シリコン被覆フラーレン(C60の周囲に60個のシリコン原子が結合した”Si6060”)のような特異な結晶構造を有する微結晶粒子を生成することが可能である。また、金属被覆フラーレンやシリコンナノチューブといった新しい微結晶粒子を生成することも可能である。
【0022】
従来試みられてきた、マルチターゲット型のスパッタリング法や、原料ガスを混合させる複合型のプラズマCVD法では、原子単位或いは分子単位の反応が主であるため、生成エネルギーが単調増加してしまい、最終生成物(クラスタ)まで到達することができない。本手法によれば、極めて高密度で活性な反応場においてクラスタどうしを反応させることができるため、上述したような特異な微結晶構造を有するクラスタを生成することが可能である。
【0023】
図2は、本実施形態の変更例に係り、図1に示した装置の一部を変更したものである。変更部分以外の基本的な構成は図1に示した装置と同様であるため、図2では変更部分についてのみ示している。
【0024】
すでに述べたように、パルスレーザデポジション法では大面積の薄膜を作製することが困難である。本変更例では、このような問題を解決するために、図2に示すように、ターゲット13(図2に示したターゲット13a及び13bに対応)を保持するターゲット保持部12(図2に示したターゲット保持部12a及び12bに対応)に磁界印加部として磁石(永久磁石或いは電磁石)21を設け、駆動部22によって磁石21を回転させるようにしている。このような構成により、プラズマプルーム18に対してプラズマプルーム18の成長方向と垂直な方向の磁界が印加され、プラズマプルームの位置や形状を時間的に変化させることができる。その結果、プラズマプルームどうしの交差領域の位置が時間的に変化し、基板上に大面積の薄膜を形成することができる。また、磁界の強度を調整するようにすれば、プラズマプルーム18中のドロップレットの存在位置を変えることができ、形成される薄膜中のドロップレットの数を減少させることができ、膜質を向上させることが可能である。
【0025】
なお、上述した実施形態では、二つのパルスレーザ源を用いて二つのプラズマプルームを交差させるようにしたが、3以上のパルスレーザ源を用いて3以上のプラズマプルームを交差させるようにしてもよい。また、スパッタリング機構やガス導入機構を設け、スパッタリングによって得られた元素や導入ガスに含まれる元素を、生成される反応物中に添加するようにしてもよい。さらに、上述した実施形態では、反応物を基板上に堆積して薄膜を形成するようにしたが、微粒子状態の反応物を適当な手段によって回収するようにしてもよい。
【0026】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。
【0027】
【発明の効果】
本発明によれば、パルスレーザによって生じたプラズマプルームどうしを交差させて交差領域で反応を生じさせることにより、特異な結晶構造を有する物質を作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る反応装置についてその基本的な構成を模式的に示した図である。
【図2】本発明の実施形態の変更例について示した図である。
【符号の説明】
11…真空容器、 12、12a、12b…ターゲット保持部、
13、13a、13b…ターゲット、 14a、14b…レーザ源、
15a、15b…パルスレーザ、 16…基板保持部、 17…基板、
18、18a、18b…プラズマプルーム、 18c…交差領域、
21…磁石、 22…駆動部

Claims (9)

  1. 真空容器内に第1のターゲットをセットする工程と、
    前記真空容器内に第2のターゲットをセットする工程と、
    前記第1のターゲットに第1のパルスレーザを照射して第1のプラズマプルームを生じさせるとともに、前記第2のターゲットに第2のパルスレーザを照射して前記第1のプラズマプルームと交差する第2のプラズマプルーム生じさせることにより、前記第1のプラズマプルームと前記第2のプラズマプルームが交差する領域で所定の反応を生じさせる工程と、
    を備えたこと特徴とする反応方法。
  2. 前記所定の反応は、前記第1のプラズマプルームに基づく第1のクラスタと前記第2のプラズマプルームに基づく第2のクラスタとの反応である
    ことを特徴とする請求項1に記載の反応方法。
  3. 前記第1のパルスレーザの波長と前記第2のパルスレーザの波長は互いに異なる
    ことを特徴とする請求項1に記載の反応方法。
  4. 前記所定の反応によって生成された反応物は、前記真空容器内に保持された基板上に堆積される
    ことを特徴とする請求項1に記載の反応方法。
  5. 前記所定の反応を生じさせる工程において、前記第1のプラズマプルーム及び第2のプラズマプルームに磁界を印加する
    ことを特徴とする請求項1に記載の反応方法。
  6. 真空容器と、
    前記真空容器内に設けられた第1のターゲット保持手段と、
    前記真空容器内に設けられた第2のターゲット保持手段と、
    前記第1のターゲット保持手段に保持された第1のターゲットに第1のパルスレーザを照射して第1のプラズマプルームを生じさせる第1のレーザ照射手段と、
    前記第2のターゲット保持手段に保持された第2のターゲットに第2のパルスレーザを照射して前記第1のプラズマプルームと交差する第2のプラズマプルーム生じさせる第2のレーザ照射手段と、を備え、
    前記第1のプラズマプルームと前記第2のプラズマプルームが交差する領域で所定の反応を生じさせるように構成された
    ことを特徴とする反応装置。
  7. 前記所定の反応によって生成された反応物が堆積する基板を保持するための基板保持手段をさらに備えた
    ことを特徴とする請求項6に記載の反応装置。
  8. 前記第1のパルスレーザの波長と前記第2のパルスレーザの波長は互いに異なる
    ことを特徴とする請求項6に記載の反応装置。
  9. 前記第1のプラズマプルーム及び第2のプラズマプルームに磁界を印加する磁界印加手段をさらに備えた
    ことを特徴とする請求項6に記載の反応装置。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012503318A (ja) * 2008-09-19 2012-02-02 カール・ツァイス・エスエムティー・ゲーエムベーハー 反射光学素子とその製造方法
JP2012031017A (ja) * 2010-07-30 2012-02-16 National Institutes Of Natural Sciences プラズマ衝突による周期的微細構造物質生成捕集方法
JP2012062540A (ja) * 2010-09-17 2012-03-29 Hitachi Zosen Corp クラスター成膜装置
JP2012072443A (ja) * 2010-09-29 2012-04-12 Hitachi Zosen Corp クラスター生成装置
JP2013049911A (ja) * 2011-08-31 2013-03-14 Hitachi Zosen Corp クラスター生成方法

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