JP4168139B2 - マルチターゲット同時レーザアブレーション堆積装置と同アブレーション堆積用ターゲットホルダー - Google Patents
マルチターゲット同時レーザアブレーション堆積装置と同アブレーション堆積用ターゲットホルダー Download PDFInfo
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Description
本発明は、パルスレーザを真空チャンバー（真空容器）中のターゲット物質に照射し、該物質を瞬間パルス的にイオン、原子やクラスター等のプラズマ状微粒子に分解、剥離（アブレーション）させて、対向した位置にあり温度制御した基板上に衝突させ、その上にターゲット物質の薄膜を作製するパルスレーザアブレーション堆積（ＰＬＡＤ）手法に用いるターゲットホルダー、及びマルチターゲット同時レーザアブレーション堆積装置（ＭＴＳ−ＰＬＡＤ）に関するものであり、更に詳しくは、無機半導体あるいは有機化合物系半導体の成膜時にｉｎ−ｓｉｔｕに添加材をドーピングしｐ型やｎ型半導体化を行うために、膜用と添加材用のターゲット及びターゲット自転機能とターゲット自転軸の方向変更調整機能を有する複数のターゲットホルダー機構を単一のフランジに具備させた多元ターゲットホルダー並びに該ホルダーを具備した、多元ターゲット同時レーザアブレーション堆積装置に関するものである。
本発明は、エレクトロニクスやオプトニクス、及びスピニクス等に係わる産業分野において、セラミックス、金属酸化物、合金、Ｓｉ系半導体やＧａＮ，ＳｉＣ、ＺｎＯ等のワイドバンドギャップ半導体、及び有機化合物系の半導体、超伝導体、磁性体、誘電体、常伝導体、絶縁体、等の電子・光学・磁気材料や、強度及び保護材料のエピタキシャル(単結晶）薄膜、結晶性薄膜、非晶質薄膜と、それらの積層薄膜や人工格子及び電子・磁気薄膜素子などの作製や、添加材のドーピングによるｐ型やｎ型半導体化を行うためのマルチターゲット同時レーザアブレーション堆積装置と同アブレーション堆積用ターゲットホルダーに係わる新しい技術を提供するものとして有用である。
本発明は、エレクトロニクスやオプトニクス、及びスピニクス等に係わる産業分野において、セラミックス、金属酸化物、合金、Ｓｉ系半導体やＧａＮ，ＳｉＣ、ＺｎＯ等のワイドバンドギャップ半導体、及び有機化合物系の半導体、超伝導体、磁性体、誘電体、常伝導体、絶縁体、等の電子・光学・磁気材料や、強度及び保護材料のエピタキシャル(単結晶）薄膜、結晶性薄膜、非晶質薄膜と、それらの積層薄膜や人工格子及び電子・磁気薄膜素子などの作製や、添加材のドーピングによるｐ型やｎ型半導体化を行うためのマルチターゲット同時レーザアブレーション堆積装置と同アブレーション堆積用ターゲットホルダーに係わる新しい技術を提供するものとして有用である。
諸材料の薄膜作製法として、Ｋセルや電子ビームを使った加熱蒸着法、プラズマＣＶＤ法、スパッター法や、パルスレーザ蒸着法等がある。そのうちでパルスレーザ蒸着法は、１）無機、有機の両材料に適用できる、２）低圧なら酸素や種々のガス雰囲気下でも成膜が可能である、３）ターゲットと作製した膜中の構成元素の組成比が一般に大きくは変わらない、４）高温融点材料の低温での成膜が可能である、５）成膜速度が速い、等の特長を有する。そのために、パルスレーザ蒸着法は、高融点材料等の成膜や、複雑な元素構成比からなる銅酸化物系の高温超伝導体やマンガン系酸化物の巨大磁気抵抗物質のような強電子相関系の金属酸化物や化合物等の素子作製のための成膜方法として適しているとされている。しかし、レーザ蒸着法には大面積の成膜を行い難いという欠点等とそれに付随する成膜コストの問題等の諸問題があり、産業技術として利用されるのに到っていない。
パルスレーザアブレーション堆積手法（ＰＬＡＤ法）では、成膜面積が小さい等の理由により必然的に成膜コストが高くなる。そのために、この手法を、産業基盤技術として発展させるには、高付加価値があり、かつ他の成膜法では作製できない物質、又は超高温等を要するので低温等の通常の条件下では作製し難い物質等の成膜を可能にする技術の開発が求められている。そのような技術として、２６００−１７００℃域の超高温融点や超高生成温度を持つＳｉＣ，ＧａＮ，ＺｎＯやダイアモンド等の次世代型ワイドバンドギャップ半導体やそれらへの添加材（添加元素）のドーピングによる半導体化、特に、成膜時にｉｎ−ｓｉｔｕ(その場)でのｐ型半導体化などが可能なＰＬＡＤ技術と装置の開発が要望されている。従来のＰＬＡＤ法では、Ａ，Ｂ、Ｃの３元素から成る化合物、ＡｋＢｌＣｍの薄膜を作製する場合を例にとると、あらかじめ化学量論比ｋ：ｌ：ｍを持つ化合物ＡｋＢｌＣｍ自体のターゲットを作製しておき、そのターゲットをアブレーションして成膜する。更に、従来のＰＬＡＤ法では、Ｘ，Ｙ，Ｚ等の異なる複数のターゲットを、真空チャンバー中のマルチ（多元）ターゲットホルダーにセットしておき、ステップモーター等により各ターゲットを順次にレーザビーム位置へ回転機構（公転機構）により移動させて、ＰＬＡＤにより順次に成膜して、Ｘ／Ｙ等の２層やＸ／Ｙ／Ｚ等の３層の積層薄膜、更には（Ｘ／Ｙ）の交互積層をｎ回繰り返して[Ｘ／Ｙ]n多層薄膜等を作製すること等が可能である（非特許性文献１，２）。
ＰＬＡＤ法によれば低温で成膜が可能と言えども、特に、超高融点材料等の成膜においては基板を７００−１２００℃以上のかなり高温に加熱する必要がある。そのような材料では、ＰＬＡＤ条件を最適化しても、構成元素の中に成膜時の基板温度において蒸気圧が高い元素（酸素、窒素等のガス状態から導入できる元素を除く）、例えばＳｉＣ薄膜中へホールドーピング使用する際のＡｌやＢ等の添加材元素や、ＺｎＯ半導体薄膜作製のためのＭｇやＬｉ等の添加材元素、ＮｄＢａ２Ｃｕ３Ｏ７超伝導薄膜中のＣｕ元素等、があると、成膜中に蒸発、減少して膜中の元素組成が化学量論比から変移する。その結果、不純物粒子が析出したり、低品位の結晶性や電磁気・光学物性を持つ薄膜しか作製できない場合が多い。従来のＰＬＡＤ法では、不足する構成元素や添加材元素を増加させたターゲットを焼結化学反応によって作製しては、成膜実験を再度試みるという手順を繰り返すという煩雑な行程により、膜中の構成元素の最適化を行う必要がある。特に、高融点を持つ上記のワイドバンドギャップ半導体等のドーピングによるｐ型半導体化は、従来のＰＬＡＤ法をもってしても難しい。
ＰＬＡＤ法が他の成膜技術と伍すか又は凌駕して産業技術となるためには、高付加価値材料で、従来の方法や条件下では作製できない物質の成膜や素子化を可能にする技術の開発が必要であり、そのために、成膜時に金属元素等の他の元素をｉｎ−ｓｉｔｕにドーピングし、かつ活性化させる技術や、目的の化学量論比を持つ多元素系の化合物の薄膜を作製する技術や、薄膜ターゲットからの化学量論比からのずれを修正できる技術に係わる新たなＰＬＡＤ装置と構成機構の開発が必要となる。
ＰＬＡＤ法が他の成膜技術と伍すか又は凌駕して産業技術となるためには、高付加価値材料で、従来の方法や条件下では作製できない物質の成膜や素子化を可能にする技術の開発が必要であり、そのために、成膜時に金属元素等の他の元素をｉｎ−ｓｉｔｕにドーピングし、かつ活性化させる技術や、目的の化学量論比を持つ多元素系の化合物の薄膜を作製する技術や、薄膜ターゲットからの化学量論比からのずれを修正できる技術に係わる新たなＰＬＡＤ装置と構成機構の開発が必要となる。
Growth and characterisation of NdBa２Cu３O７-/NdBa２TaO６/NdBa２Cu３O７- multilayer films on (100) SrTiO３,Physica C: Superconductivity, Volumes 378-381, Part 2, October 2002, Pages1318-1321, J. Kurian, T. Amemura, T. Suzuki and T. Morishita
Pulsed laser deposition of mixed valence manganite artificialsuperstructures, Journal of Materials Processing Technology, Volume 108, Issue2, 4 January 2001, Pages 193-196,I. Panagiotopoulos, C. Christides, M. Pissasand D. Niarchos
ＰＬＡＤ法の産業化を図るには、上述の単一フランジ多元ターゲットホルダーや同ターゲットホルダーを具備した多元ターゲット同時レーザアブレーション堆積装置のような新たなＰＬＡＤ装置と構成機構の開発が必須となっている。同法では、パルスレーザを真空チャンバー中のターゲット物質に照射して物質を瞬間、パルス的に微細な原子、イオン、クラスター等の微粒子に分解、剥離させ、そのプラズマ状になったプルーム（炎）を、対向した位置にあり温度制御した基板上に衝突させて、その上にターゲット物質の結晶等を再構築させて薄膜を作製する一種の物理的成膜方法である。高品質薄膜を作製するには、一旦、ターゲット物質をできる限り微細な微粒子に分解させる必要がある。この分解の程度は、レーザ照射の諸条件、即ち、波長、パルス当りの照射エネルギー、パルスの繰り返し周波数の他、特に、ターゲット上での集光密度（フルーエンス）に対して強く依存する。これが薄膜の品質に影響するので、レーザの照射条件を最適化し、正確に制御する必要がある。ＰＬＡＤではレーザが一箇所に当たり続けるとターゲットに穴が開き、均一な分解が起きない。それを避けるためにターゲットホルダーには、ターゲットを均一にアブレーションするためのターゲット自転機能（あるいは機構）が付与されている。
上述のＰＬＡＤ法の産業化には、複数個のターゲット物質を同時又は交互にアブレーションさせる「多元ターゲット同時レーザアブレーション堆積装置と構成機構」を製作し、基板上に目的の元素組成を持つ物質や、目的の添加材をドーピングした物質の薄膜を作製する技術の開発が必要となる。しかし、従来のＰＬＡＤでは、前述のように、多元ターゲットの公転機構により、複数のターゲットを順次にレーザビーム位置へ移動させて、ｉｎ−ｓｉｔｕに（真空チャンバーを開くことなく連続して）成膜して多層薄膜を作製するための多元ターゲットの自転、公転機構やそれを具備するＰＬＡＤ装置等はあるが、半導体の成膜時にｉｎ−ｓｉｔｕに添加材をドーピングしｐ型やｎ型半導体化を行うことを可能にした、膜と添加材料のターゲット用のターゲット自転機能とターゲット自転軸の方向変更調整機能とを有する複数のターゲットのホルダーで、同一のフランジに取り付けた、単一フランジ多元ターゲットホルダーや、それを用いた同時レーザアブレーション堆積装置はない。また、パルスレーザの照射によりターゲットの分解剥離により発生するプルームの方向は、ターゲット面垂直方向（ターゲットの自転軸方向）に近いが、物質、レーザの波長とフルーエンス、及びターゲットへのレーザの照射角度に依存して、面垂直方向から照射レーザビームの方向へ傾く傾向がある。作製したい元素組成を有する薄膜や、目的の添加材をドーピングした物質の薄膜の作製には、複数のターゲットからの各プルーム方向を正確に基板の方向へ変更、調整させる機能が必要となる。
このような状況の中で、本発明者は、これらの従来の状況と開発すべき機能と機構を鑑み、創意・工夫を重ねた結果、実験段階のみならず、実験段階から実施形態を実際に制作し、かつ実際に稼働を確認した真の実施例を基に、複数のターゲットをセットでき、かつ各ターゲットの自転機能と自転軸方向変更調整機能を一つのフランジに組み込んだターゲットホルダー機構を製作すると共に、それをチャンバーに組み込んだ多元ターゲット同時ＰＬＡＤ装置を製作することにより目的を達成し得ることを見いだし、本発明を完成するに至った。
本発明の目的は、前記従来の問題点を解決し、半導体の成膜時にｉｎ−ｓｉｔｕに目的の添加材をドーピングした半導体膜の作成を可能にする、多元ターゲット同時レーザアブレーション堆積装置と、該多元ターゲットホルダーと、を提供することにある。
本発明の目的は、前記従来の問題点を解決し、半導体の成膜時にｉｎ−ｓｉｔｕに目的の添加材をドーピングした半導体膜の作成を可能にする、多元ターゲット同時レーザアブレーション堆積装置と、該多元ターゲットホルダーと、を提供することにある。
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）パルスレーザを真空チャンバー中のターゲット物質に照射し、これを瞬間パルス的にイオン、原子やクラスター等のプラズマ状微粒子に分解、剥離させて、対向した位置にあり温度制御した基板上に衝突させ、基板の上にターゲット物質の薄膜を作製するパルスレーザアブレーション堆積（ＰＬＡＤ）手法に用いるターゲットホルダーにおいて、半導体の成膜時にｉｎ−ｓｉｔｕに添加材料をドーピングし半導体化を行うための、膜用材料であるターゲット及び添加材料であるターゲットを支持するターゲットホルダーであって、ターゲットをセットするためのターゲット台と、ターゲットを均一にアブレーションさせるためのターゲット自転機能を有する手段と、ターゲット物質のアブレーションによってターゲット面垂直方向に爆発的に飛び出す微粒子系のプラズマ状プルームを対向した位置にある基板の方向に向かせるためのターゲット自転軸の方向変更調整機能を有する手段とを有するターゲットホルダーの機構の複数個を、チャンバーに取り付けるためのフランジに具備したことを特徴とする単一フランジ多元ターゲットホルダー。
（２）ＰＬＡＤ装置において、前記（１）に記載の単一フランジ多元ターゲットホルダーにおけるターゲットが、基板の方向に向かってチャンバーに取り付けられており、複数のレーザビームを使って該複数個の、膜用材料であるターゲットと添加材料であるターゲットを同時に又は交互にアブレーションさせて、基板上に、成膜時にｉｎ−ｓｉｔｕに半導体化用の添加材のドーピングを行うようにしたことを特徴とするマルチターゲット同時レーザアブレーション堆積装置。
（１）パルスレーザを真空チャンバー中のターゲット物質に照射し、これを瞬間パルス的にイオン、原子やクラスター等のプラズマ状微粒子に分解、剥離させて、対向した位置にあり温度制御した基板上に衝突させ、基板の上にターゲット物質の薄膜を作製するパルスレーザアブレーション堆積（ＰＬＡＤ）手法に用いるターゲットホルダーにおいて、半導体の成膜時にｉｎ−ｓｉｔｕに添加材料をドーピングし半導体化を行うための、膜用材料であるターゲット及び添加材料であるターゲットを支持するターゲットホルダーであって、ターゲットをセットするためのターゲット台と、ターゲットを均一にアブレーションさせるためのターゲット自転機能を有する手段と、ターゲット物質のアブレーションによってターゲット面垂直方向に爆発的に飛び出す微粒子系のプラズマ状プルームを対向した位置にある基板の方向に向かせるためのターゲット自転軸の方向変更調整機能を有する手段とを有するターゲットホルダーの機構の複数個を、チャンバーに取り付けるためのフランジに具備したことを特徴とする単一フランジ多元ターゲットホルダー。
（２）ＰＬＡＤ装置において、前記（１）に記載の単一フランジ多元ターゲットホルダーにおけるターゲットが、基板の方向に向かってチャンバーに取り付けられており、複数のレーザビームを使って該複数個の、膜用材料であるターゲットと添加材料であるターゲットを同時に又は交互にアブレーションさせて、基板上に、成膜時にｉｎ−ｓｉｔｕに半導体化用の添加材のドーピングを行うようにしたことを特徴とするマルチターゲット同時レーザアブレーション堆積装置。
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明においては、一つのフランジに複数個のターゲット自転機能とターゲット自転軸方向変更調整機能を具備させた単一フランジ多元ターゲットホルダーの作製を行うと共に、該ホルダーを、同時パルスレーザアブレーションできるような光学窓を有するチャンバーを構築し、フランジ部分で結合させることにより、多元ターゲット同時レーザアブレーション堆積装置を作製する。
本発明においては、一つのフランジに複数個のターゲット自転機能とターゲット自転軸方向変更調整機能を具備させた単一フランジ多元ターゲットホルダーの作製を行うと共に、該ホルダーを、同時パルスレーザアブレーションできるような光学窓を有するチャンバーを構築し、フランジ部分で結合させることにより、多元ターゲット同時レーザアブレーション堆積装置を作製する。
成膜時にｉｎ−ｓｉｔｕに半導体化用の添加材のドーピングを行い得る上記の多元ターゲットホルダーと多元ターゲット同時レーザアブレーション堆積装置の作製に関する実施例に先立ち、まず、同ターゲットホルダーと同装置が具備するべき３つの基本的な構成要素機能の形態について説明する。構成要素機能の形態１として、ターゲット自転機能と自転軸方向の変更調整機能と、これらをチャンバーに取り付けるためのフランジとを有するターゲットホルダーについて説明する。
図１は、１例として、ターゲット２）を取り付けるための１個のターゲット台１）を有し、回転導入端子５）を通してモーター３）からの回転を、真空チャンバーへの接続時には真空部分となるターゲット台付きの回転軸ロッド８）に伝え、更に、ベローズ７−１）を溶接した真空用ＸＹステージ７）により、回転軸を直交するＸ，Ｙ２方向へ傾けることができる機能、即ち、自転軸方向の変更調整機能、を付与させる。ターゲットホルダーは、フランジ９）を介して真空チャンバーに接続させる。なお、ここでは、回転を滑らかにするために、回転導入端子とターゲット回転軸をフレキシブルジョイント６）で結合してある。また、機構をコンパクトにするためにモーターと回転導入端子とはギヤ４）で接続してあるが、ベルト接続するか、又は両者をフレキシブルジョイントで直線的に結合してもよい。
図１は、１例として、ターゲット２）を取り付けるための１個のターゲット台１）を有し、回転導入端子５）を通してモーター３）からの回転を、真空チャンバーへの接続時には真空部分となるターゲット台付きの回転軸ロッド８）に伝え、更に、ベローズ７−１）を溶接した真空用ＸＹステージ７）により、回転軸を直交するＸ，Ｙ２方向へ傾けることができる機能、即ち、自転軸方向の変更調整機能、を付与させる。ターゲットホルダーは、フランジ９）を介して真空チャンバーに接続させる。なお、ここでは、回転を滑らかにするために、回転導入端子とターゲット回転軸をフレキシブルジョイント６）で結合してある。また、機構をコンパクトにするためにモーターと回転導入端子とはギヤ４）で接続してあるが、ベルト接続するか、又は両者をフレキシブルジョイントで直線的に結合してもよい。
次に、必要な構成要素機能の形態２として、上記の形態のターゲットホルダー２個を真空チャンバーに取り付けた２元（デュエル）ターゲット同時ＰＬＡＤ装置の形態について説明する。図２は、ターゲット自転機能（ａ）と自転軸方向変更調整機能（ｂ）を有する２個のターゲットホルダー１），２）を、フランジを介して真空チャンバー５）に接続し、２つの光学窓８），９）を通して、レーザ６），７）を、２つのターゲット台にセットした２つのターゲット３），４）に照射する。各々のターゲットが分解して発生した微粒子のプラズマ状のプルーム１０）の方向は、基板ホルダー１１）上にセットされた基板に向かうように、自転軸方向変更調整機能（ｂ）により変更調整できる。また、ターゲットは均一にアブレーションされるように、ターゲット自転機能（ａ）により回転している。なお、ここでは、２つのレーザビームを２つの光学窓から照射する例を示したが、ミラー等を用いて、１つの光学窓（例えば、８）の窓）を通して２つのターゲットに照射することも可能である。
当形態では、一方のターゲット台に薄膜製作用のターゲットを、他方にドーピング用の添加材のターゲットをセットして、レーザ照射条件を最適化すれば、成膜時にｉｎ−ｓｉｔｕドーピングによる半導体化等を行うこともできる。
当形態では、一方のターゲット台に薄膜製作用のターゲットを、他方にドーピング用の添加材のターゲットをセットして、レーザ照射条件を最適化すれば、成膜時にｉｎ−ｓｉｔｕドーピングによる半導体化等を行うこともできる。
次に、必要な構成要素機能の形態３として、形態１のターゲットホルダーを３個以上の複数個、真空チャンバーに取り付け、多成分元素からなる物質へ添加材をｉｎ−ｓｉｔｕにドーピングさせて半導体化薄膜を作製できる形態について説明する。図３は、ターゲット自転機能（ａ）と自転軸方向変更調整機能（ｂ）を有する５個のターゲットホルダー１）−５）を、フランジを介して中央の円形で示す真空チャンバー４）に取り付けて、ターゲット台２）にセットした５個のターゲットへ、外部から５つのレーザビームを同時又は交互に照射して、対向する位置にある、基板ホルダーにセットした基板５）の上に成膜を行うことができる、５元ターゲット同時ＰＬＡＤ装置の１形態を示す。５つのターゲットの内の１つを添加用のターゲットにすれば、ガス雰囲気から導入される元素を除き、４元素からなる物質の半導体薄膜も作製可能である。
次に、上記の必要な構成要素機能を基に、参考例１（前記形態１）として、２個分のターゲット自転機能と自転軸方向の変更調整機能とを同一フランジに取り付けたターゲットホルダーの形態について説明する。図４は、モーター及び回転の真空部分への導入端子１）と、フレキシブルジョイント２）等の結合により、モーターからの回転を真空部分に位置する回転ロッド３）に伝える。その一方のロッド３−１）に、回転軸方向を変えるためのデレクショナルカップリング５）を結合して、ターゲット台８−２）の回転軸方向を変更調整する。他方の回転ロッド３−２）は、ギヤ４）等を介在させてターゲット台７）と８）が衝突しないように、ロッド３−１）から離す。これにより、２元ターゲット同時ＰＬＡＤ用の単一フランジ２ターゲットホルダーを構築できる。次に、参考例２（前記形態２）として、このターゲットを真空チャンバーのフランジに取り付け、外部からレーザビーム１０），１１）を２つのターゲット７），８）に照射できるレーザ照射用の光学窓と、ヒータ付きの基板ホルダー等を具備する真空チャンバーを製作すれば、２元ターゲット同時ＰＬＡＤ装置を構築できる。なお、発生したレーザプルームの方向を、基板ホルダーにセットした基板の方向に向けるには、ターゲット台が付いている２つの回転ロッド、６−１）と６−２）の相対角度を、回転軸９−１）と９−２）の角度調整用の蝶番とスライド機構等により変更、調整して、ボルトで固定する。
次に、前記の構成要素機能を基に、参考例３（前記形態３）として、大小２個のターゲットをセットできる１フランジ型のターゲットホルダーの形態と、３個以上のターゲット自転機能とターゲットホルダーの方向調整機能とを同一フランジに取り付けたターゲットホルダーの形態について説明する。図５ａ）は、大小２個のターゲット１），２）を同心円状にセットできるターゲットホルダーの例を示す。大きいターゲット１）には、膜用のターゲットをセットし、複数個のレーザビーム、３）−１から３）−３等を同時又は交互に照射する。これにより、大面積の基板に成膜が可能となる。同時に、中心の小さいターゲット２）に添加材用のターゲットをセットして、別のレーザビーム、３）−４を照射し、条件を最適化することにより、外周の大きいターゲット１）から来るプルームとの重なりができる限り均一になるような広がったレーザプルームを発生させる。あるいは、逆に大小のターゲットを添加材料用と膜用にして、各々の成膜条件を最適化することにより、成膜時のｉｎ−ｓｉｔｕドーピングにより半導体化された大面積の薄膜の作製が可能となる。
更に、図５ｂ）は、１フランジに４個のターゲット自転機能５）と、自転軸方向の変更調整機能８）とを同一フランジに取り付けたターゲットホルダーの形態を示す。自転軸方向の変更調整機能は実施形態４，５で説明した、図４に示したと同様の機構により構築できる。
更に、図５ｂ）は、１フランジに４個のターゲット自転機能５）と、自転軸方向の変更調整機能８）とを同一フランジに取り付けたターゲットホルダーの形態を示す。自転軸方向の変更調整機能は実施形態４，５で説明した、図４に示したと同様の機構により構築できる。
以上説明したように、本発明は、ＰＬＡＤ法の産業化に向けて、パルスレーザアブレーション法により、無機半導体や有機半導体の成膜時にｉｎ−ｓｉｔｕに添加材をドーピングした半導体薄膜を作製する技術に係わるものであり、本発明により、ｉｎ−ｓｉｔｕドーピングに必要な多元ターゲット同時レーザアブレーションのための、１フランジに複数個のターゲットの自転機能と自転軸方向の変更、調整機能とを具備させた単一フランジ多元ターゲットホルダー、及びそれを用いた多元ターゲットの同時ないし交互レーザアブレーション装置を提供できる、更に、ＰＬＡＤでは、レーザ照射で発生するプラズマ状の微粒子系が他の成膜方法よりも高エネルギーを有するので、従来ドーピングが困難なワイドバンドギャップ半導体等の低温での成膜時にドーピングが可能となるので、同材料等が係わるエレクトロニクスやオプトニクスのドーピング等の産業分野における電子素子化に寄与する、等の効果が奏される。
次に、実施例に先立ち、まず、必要な構成要素機能を抽出し発明を構築するために、参考例として、実際に製作を行った構成要素機能の形態例について具体的に説明し、次いで、それを基に、同様に製作も行った本発明の実施例に基づいて本発明を具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の参考例及び実施例によって何ら限定されるものではない。
（参考例１）
本構成要素機能の形態例１では、半導体の成膜時にｉｎ−ｓｉｔｕに添加材をドーピングした半導体薄膜を作成するための、ターゲット自転機能と自転軸方向の調整機能とフランジとを有するターゲットホルダーについて説明する。図６ａ）の１）と図６ｄ）に、多元ターゲット同時ＰＬＡＤ用のターゲットホルダーを示す。当ターゲットホルダーは、減速用のギヤ機構を持つモーター１からの回転を、ギヤ２を介して、回転導入端子３に伝え、真空チャンバーへの接続時には真空部にあたるターゲット台（図６ｄ）の７−１）を回転させる。更に、ベローズ５を溶接した真空用ＸＹステージ４により、自転軸方向の変更、調整ができる機能を付与した。これにより、１フランジにターゲット自転機能と自転軸方向の変更調整機能とを具備したターゲットホルダーが作製される。
本構成要素機能の形態例１では、半導体の成膜時にｉｎ−ｓｉｔｕに添加材をドーピングした半導体薄膜を作成するための、ターゲット自転機能と自転軸方向の調整機能とフランジとを有するターゲットホルダーについて説明する。図６ａ）の１）と図６ｄ）に、多元ターゲット同時ＰＬＡＤ用のターゲットホルダーを示す。当ターゲットホルダーは、減速用のギヤ機構を持つモーター１からの回転を、ギヤ２を介して、回転導入端子３に伝え、真空チャンバーへの接続時には真空部にあたるターゲット台（図６ｄ）の７−１）を回転させる。更に、ベローズ５を溶接した真空用ＸＹステージ４により、自転軸方向の変更、調整ができる機能を付与した。これにより、１フランジにターゲット自転機能と自転軸方向の変更調整機能とを具備したターゲットホルダーが作製される。
（参考例２）
次の本構成要素機能の形態例２として、上記の構成要素機能の形態例１に示した多元ターゲット同時ＰＬＡＤ用のターゲットホルダーを２個、真空チャンバーに結合した２元ターゲット同時ＰＬＡＤ装置について説明する。図６ｂ）に、２つの多元ＰＬＡＤ用ターゲットホルダー１）と２）を、真空チャンバー７）に結合した例を示す。図６ｃ）に示すように、２つのレーザビーム３）と４）をレンズ５）等で集光し、当装置の光学窓６）等を通して、チャンバー内のターゲット台にセットしたターゲット７−１，７−２に照射できる。
当構成要素機能を有する装置を用いれば、一方のターゲット台に薄膜用のターゲット、他方に添加材用のターゲットをセットし、両ターゲットを同時又は交互にアブレーションさせる同時ＰＬＡＤ条件を最適化すれば、成膜中にｉｎ−ｓｉｔｕで、半導体のドーピング等を行うことができる。同様にして、成膜中に蒸発し易い成分を補充することも可能である。また、Ａ，Ｂ２つの元素のターゲットを用いＰＬＡＤ条件を最適化すれば、Ａ，Ｂ比が一定の物質の薄膜を作製でき、更に、多元素からなる２つのターゲットを用いれば、多元素系からなる物質の成膜を行うことが可能である。
次の本構成要素機能の形態例２として、上記の構成要素機能の形態例１に示した多元ターゲット同時ＰＬＡＤ用のターゲットホルダーを２個、真空チャンバーに結合した２元ターゲット同時ＰＬＡＤ装置について説明する。図６ｂ）に、２つの多元ＰＬＡＤ用ターゲットホルダー１）と２）を、真空チャンバー７）に結合した例を示す。図６ｃ）に示すように、２つのレーザビーム３）と４）をレンズ５）等で集光し、当装置の光学窓６）等を通して、チャンバー内のターゲット台にセットしたターゲット７−１，７−２に照射できる。
当構成要素機能を有する装置を用いれば、一方のターゲット台に薄膜用のターゲット、他方に添加材用のターゲットをセットし、両ターゲットを同時又は交互にアブレーションさせる同時ＰＬＡＤ条件を最適化すれば、成膜中にｉｎ−ｓｉｔｕで、半導体のドーピング等を行うことができる。同様にして、成膜中に蒸発し易い成分を補充することも可能である。また、Ａ，Ｂ２つの元素のターゲットを用いＰＬＡＤ条件を最適化すれば、Ａ，Ｂ比が一定の物質の薄膜を作製でき、更に、多元素からなる２つのターゲットを用いれば、多元素系からなる物質の成膜を行うことが可能である。
次に、実施例として、同一フランジに２個分のターゲット自転機能と自転軸方向の変更調整機能とを取り付けたデュエルターゲットホルダーの作製について説明する。図７ａ）に、当デュエルターゲットホルダー１）を示す。モーター１からの回転は、減速ギヤ２、フレキシブルジョイント３と、回転導入端子４を介して、真空となるフランジ５の内部の回転ロッド６へ伝わる。一方の回転ロッドは、デレクショナルカップリング７を介して、その回転軸の方向を変える。他方の回転ロッドはその先に付いたターゲット台８がもう一方のターゲット台９に当たらないように、ギヤ１０を介して回転軸を他方の回転ロッド軸６から離す。両者のターゲット台８、９の付いた回転ロッド軸は、１１の蝶番と回転ロッド軸方向変更調整用スライド機構と固定用ボルトにより、その角度を変更調整することが可能である。
次に、実施例として、上記の単一フランジデュエルターゲットホルダーをチャンバーに取り付けたデュエルターゲット同時ＰＬＡＤ装置について説明する。図７ｂ）に、上記の一つのデュエルターゲットホルダー１）をフランジにより真空チャンバー２）に結合した例を示す。図７ｃ）に、同装置の光学系の外観図を示す。レーザビーム４）と５）を、ミラー６）と、レンズ７）を含む光学系の光軸を合わせて、レーザ照射用の光学窓３）を通して、図７ｄ）に示すチャンバー中のターゲット８と９に照射する。各ターゲット上への各レーザの照射エネルギー密度（フルーエンス）は、レンズ７）の位置を変えることにより最適化する。また、１１の蝶番と回転ロッド軸方向変更調整用スライドと固定用ボルトにより、その角度を変更調整することができるので、ターゲットへのレーザビームの照射によって発生するレーザプルームの方向を、基板ホルダー上にセットした基板８）の方向へ向くように設定することができる。これにより、均一な添加材のドーピングや、均一な多元素系からなる物質の薄膜の作製が可能となる。
次に、実施例として、同一フランジに多元のターゲット自転機能を取り付けた多元ターゲット同時ＰＬＡＤ用ターゲットホルダーについて説明する。図８に、１つの回転の主軸１）を、ギヤ機構２）により、中心にある１個のターゲット３）−１と、周囲にある３個のターゲット、３）−２ないし３）−４を同時に回転させることができる機構を示す。この周囲の３個のターゲットに、図７ａ）で例示した、デレクッショナルカップリング等による自転軸の方向調整機能を付加すれば、同一フランジに４元のターゲットの自転機能と、自転軸方向の変更調整機能とを具備した４元ターゲット同時ＰＬＡＤ用ターゲットホルダーを製作できる。
本発明は、従来のレーザ蒸着法では大面積の成膜を行い難いという欠点とそれに付随する成膜コストの問題の他、実際の多元素系においては、不純物粒子（表面不純物粒子）が生成し易い、膜の組成がターゲットの組成から少し変移する（ずれる）等の諸問題を解決することができる、マルチターゲット同時レーザアブレーション堆積装置と同アブレーション堆積用ターゲットホルダーを提供するものであり、エレクトロニクスやオプトニクス、及びスピニクス等に係わる産業分野において、薄膜、積層薄膜や人工格子及び電子、磁気薄膜素子などの作製や、添加材のドーピングによるｐ型やｎ型半導体化を行うための新しい技術を提供するものとして高い産業上の利用可能性を有するものである。
（図１の符号）
１：ターゲット台
２：ターゲット
３：モータ
４：ギヤ
５：回転導入端子
６：フレキシブルジョイント
７：ベローズを溶接した真空型ＸＹステージ
７−２：Ｘ軸マイクロメータヘッド
８：回転軸ロッド
９：フランジ
（図２の符号）
１：ターゲットホルダー１
（ａ）：ターゲット自転機能
（ｂ）：自転軸方向変更調整機能
２：ターゲットホルダー２
３：ターゲット台−１、ターゲット−１
４：ターゲット台−２、ターゲット−２
５：真空チャンバー
６：レーザ−１
７：レーザ−２
８，９：光学窓
１０：レーザプルーム−１，２
１１：基板ホルダーと基板
（図３の符号）
１：ターゲットホルダー
２：ターゲット台にセットしたターゲット
３：レーザ
４：真空チャンバー
５：基板ホルダーと基板
（図４の符号）
１：モータ及び回転導入端子
２：フレッキシブルジョイント
３，６：回転ロッド
４：ギヤ
５：デレクショナルカップリング
７，８：ターゲット台とターゲット
９：回転軸の角度調整用蝶番とスライド機構及び固定ボルト
１０，１１：レーザ
１２：レーザプルーム
（図５の符号）
１：大きいターゲット
２：小さいターゲット
３：レーザビーム
５：ターゲット自転機構
６：レーザプルーム
７：基板ホルダーと基板
８：ターゲット自動軸方向の変更調整機能
（図６の符号）
１，２：ＰＬＡＤ用ターゲットホルダー
３，４：レーザ
５：レンズ
６：光学窓
７：真空チャンバー
（図７の符号）
１：デュエルターゲットホルダー
２：真空チャンバー
３：レーザ照射用窓
４，５：レーザ
６：ミラー
７：レンズ
８：ヒータ付き基板ホルダーと基板
（図８の符号）
１：回転の主軸
２：ギヤ
３：ターゲット台
４：ターゲット
１：ターゲット台
２：ターゲット
３：モータ
４：ギヤ
５：回転導入端子
６：フレキシブルジョイント
７：ベローズを溶接した真空型ＸＹステージ
７−２：Ｘ軸マイクロメータヘッド
８：回転軸ロッド
９：フランジ
（図２の符号）
１：ターゲットホルダー１
（ａ）：ターゲット自転機能
（ｂ）：自転軸方向変更調整機能
２：ターゲットホルダー２
３：ターゲット台−１、ターゲット−１
４：ターゲット台−２、ターゲット−２
５：真空チャンバー
６：レーザ−１
７：レーザ−２
８，９：光学窓
１０：レーザプルーム−１，２
１１：基板ホルダーと基板
（図３の符号）
１：ターゲットホルダー
２：ターゲット台にセットしたターゲット
３：レーザ
４：真空チャンバー
５：基板ホルダーと基板
（図４の符号）
１：モータ及び回転導入端子
２：フレッキシブルジョイント
３，６：回転ロッド
４：ギヤ
５：デレクショナルカップリング
７，８：ターゲット台とターゲット
９：回転軸の角度調整用蝶番とスライド機構及び固定ボルト
１０，１１：レーザ
１２：レーザプルーム
（図５の符号）
１：大きいターゲット
２：小さいターゲット
３：レーザビーム
５：ターゲット自転機構
６：レーザプルーム
７：基板ホルダーと基板
８：ターゲット自動軸方向の変更調整機能
（図６の符号）
１，２：ＰＬＡＤ用ターゲットホルダー
３，４：レーザ
５：レンズ
６：光学窓
７：真空チャンバー
（図７の符号）
１：デュエルターゲットホルダー
２：真空チャンバー
３：レーザ照射用窓
４，５：レーザ
６：ミラー
７：レンズ
８：ヒータ付き基板ホルダーと基板
（図８の符号）
１：回転の主軸
２：ギヤ
３：ターゲット台
４：ターゲット
Claims (2)
- パルスレーザを真空チャンバー中のターゲット物質に照射し、これを瞬間パルス的にイオン、原子やクラスター等のプラズマ状微粒子に分解、剥離させて、対向した位置にあり温度制御した基板上に衝突させ、基板の上にターゲット物質の薄膜を作製するパルスレーザアブレーション堆積（ＰＬＡＤ）手法に用いるターゲットホルダーにおいて、半導体の成膜時にｉｎ−ｓｉｔｕに添加材料をドーピングし半導体化を行うための、膜用材料であるターゲット及び添加材料であるターゲットを支持するターゲットホルダーであって、ターゲットをセットするためのターゲット台と、ターゲットを均一にアブレーションさせるためのターゲット自転機能を有する手段と、ターゲット物質のアブレーションによってターゲット面垂直方向に爆発的に飛び出す微粒子系のプラズマ状プルームを対向した位置にある基板の方向に向かせるためのターゲット自転軸の方向変更調整機能を有する手段とを有するターゲットホルダーの機構の複数個を、チャンバーに取り付けるためのフランジに具備したことを特徴とする単一フランジ多元ターゲットホルダー。
-
ＰＬＡＤ装置において、請求項１に記載の単一フランジ多元ターゲットホルダーにおけるターゲットが、基板の方向に向かってチャンバーに取り付けられており、複数のレーザビームを使って該複数個の、膜用材料であるターゲットと添加材料であるターゲットを同時に又は交互にアブレーションさせて、基板上に、成膜時にｉｎ−ｓｉｔｕに半導体化用の添加材のドーピングを行うようにしたことを特徴とするマルチターゲット同時レーザアブレーション堆積装置。
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| JP2003304150A JP4168139B2 (ja) | 2003-08-28 | 2003-08-28 | マルチターゲット同時レーザアブレーション堆積装置と同アブレーション堆積用ターゲットホルダー |
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| JP2003304150A JP4168139B2 (ja) | 2003-08-28 | 2003-08-28 | マルチターゲット同時レーザアブレーション堆積装置と同アブレーション堆積用ターゲットホルダー |
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| JP2005068536A JP2005068536A (ja) | 2005-03-17 |
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