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本文ファイル - 長崎大学 学術研究成果リポジトリ
NAOSITE: Nagasaki University's Academic Output SITE Title ソフトフェライト膜作用Nd:YAGレーザーPLDシステムの開発 Author(s) 辻, 峰男; 本城, 隆; 泉, 勝弘 Citation 長崎大学工学部研究報告 Vol.32(59) p.75-78, 2002 Issue Date 2002-07 URL http://hdl.handle.net/10069/5213 Right This document is downloaded at: 2017-03-29T20:58:51Z http://naosite.lb.nagasaki-u.ac.jp 長崎大学工学部研 究報告 第32巻 第59号 平成 1 4年 7月 75 ソフ トフェライ ト膜作製用Nd : YAGレーザ p LDシステムの開発 藤島 友之*・中野 山下 正基 **・竹滞 敬彦**・松尾 昌晃 ***・松尾 寿夫** ・福永 良夫**** 博俊** De v e l o pme ntofPul s eNd: YAG La s e rDe pos i t i ons ys t e mf o rSof t f e it m eFi l m by To mo y u k iF UJ I S HI MA* ,Ma s a k iNAKANO* * ,Ma s a a k iTAKES AWA* * * ,Yo s h i oMATS UO* * * * , Ta k a h i k oYAMAS HI TA* * ,Hi s a oMATS UO* *a n dHi r o t o s h iFUKUNAGA* * I twa sr e por t e dp r e pa ra t i onofs of t f e it m ef i l m ont her oomt e mpe r a t u r es ubs t r a t ebypul s el a s e rde pos i t i on( PLD) me hodwi t he t xc i me rl a s e r .The r e a f t e r ,s of t f e r it r ef i l m pr e pa r a t i onbyPLD me hodi t swi de l ynot ic e d.Bute x c i me rl a s e r i sdi f f i c ul tt oke e pma i n t ine a dbys ma l ll a b o r a t o r y,be c a us eo ft her unnl ngc os t sOfe x c i me rl a s e ra reve r ye xpe ns i ve・ Ont heot he rha nd,Nd: YAG l a s e rha sa dva nt a g e sofl ow r unnl ngc os t s ,hi g he n e r gys t a bi l i t ya nds oon.So,PLD s ys t e m wi h Nd: t YAG l a s e rwa sde v e l ope df ors of t f e it m ef i l m pr e pa r a t i on. I nt hi sr e por t ,Wei nt r o duc ede t a i l soft hede ve l o pe dpul s eNd: YAG l a s e rd e pos i t i ons ys t e m. 1. は じめに フェライ トは,原材料 に起 因 して安価 であ り耐酸化 ス を設計 ・開発す るためには,低温 プロセスによるフェ ライ ト膜 の 開発 が不 可 欠 で あ る. そ うい う中, 中野 性 が強 く化学 的 に安定 であ るため, ソフ ト磁性材料 ・ ら1̀ ' 、3̀ ' は,エ キ シマ レーザ を用 い雰 囲気制御 したパ ル 磁 石材料 ・磁気記録媒体 と磁性材料 の応用分野 の ほぼ ス レー ザ デ ポ ジ シ ョ ン ( Pul s e d La s e r De pos i t i on; 全分野 に用 い られてお り,磁性分野 の 中で最 も重宝 さ PLD) 法 に よ り, ナ ノ結 晶 ソフ トフェライ ト膜 の室温 れてい る磁性材料 であ る. フェライ トの 中で もソフ ト 基板 上へ の作 製 を世界 に先駆 け実現 した. フェライ トは,高 い抵抗率 ,透磁率 の優 れた周波数特 しか し,エ キ シマ レーザ は,主 にハ ロゲ ンガス と希 性 ,安価 な どの特長 を持 ち,薄膜化が実現 され た際 に ガスか ら構成 され る レーザ媒 質 に高電圧パ ルス を印加 はGHz 帯 で使 用 され るマ イクロイ ンダク タ,マ イクロ して レーザ発振 させ る仕組 みであ るため,希 ガス な ど トラ ンス な どマ イクロL素子用磁性材料 と して大 い に が高価 ,高電圧パ ルス発生電源部 の経 時劣化 が大 き く 期待 されてい る. 修理が高額 な どの理 由に よ り, ラ ンニ ングコス トが高 現状 で は, ソフ トフェライ ト膜 の作 製時 に 1 00℃以 く,研 究室 レベ ルでの維持 が困難であ る.そのため, 上 の高 い基板 温度 を必 要 とす るため,積層化 して実 デ ラ ンニ ングコス トが低 く,pLD法 に充分 な出力エ ネル バ イス と して加工 す る際 に他 のデバ イス材料 の特性 を ギー,繰返 しを有 す る レーザ を使用 したpLDシステム 劣化 させ るな どの理 由 に よ り,実用材料 を得 るにはい の開発 が必 要 となった. たってい ない. そ こで ,PLD法 の レーザ光源 と してNd: YAGレーザ したが って,マ イクロ磁気 デバ イスの高性 能化 ,小 を利用 す る ソフ トフェライ ト膜作 製用 Nd: YAGレーザ 型化 ,実用化 を促 進す る とともに,新 しい磁 気 デバ イ pLDシステム を開発 したので,その システムの詳細 を 4年 4月 1 2日受理 平成 1 *大学 院生産科学研 究科 ( Gr a dua t eSc hoolofSc i e n c ea n dTe c hnol ogy) **電気電子工学科 ( De pa rt me ntofEl e c t iC r l aa ndElect r oni c sEngi ne e ing) r ***九州工業大学工学部電気工学科 ( Ky us huI ns it t ut eofTe c hnol ogy) FDK Co r por a t i on) **** FDK株式 会社 ( 76 藤島 友之 ・中野 正基 ・竹滞 昌晃 ・松尾 良夫 ・山下 敏彦 ・松尾 寿夫 ・福永 博俊 ここに紹介す る. 安定性 においてNd: YAGレーザのほ うが優 れている. 2,Nd: YAGレーザPLDシステム ラフィの光源 として産業界で重宝 されているレーザで また,Nd: YAGレーザは, レーザ加工や フォ トリソグ 今回開発 したソフ トフェライ ト膜作製用Nd: YAGレー もあるため,学生がその ような レーザ に触れることの ザpLDシステムは,( 1 ) 光源であるNd: YAGレーザ と( 2) メリッ トもある. この ような理 由によ り,本研究では 膜堆積 を行 う真空チェンバか ら構成 される.それぞれ Nd: YAGレーザ をpLD法のための レーザ光源 として採 について詳細 を述べ る. 用 した. 図 1に , 今 回導 入 したNd: YAGレー ザ ( spe c t r a - 2. 1 Nd: YAGレーザ phys i c s 製,Qua nt a Ra yPr o2503 0)の写真 を示す.電 pLD法で使用 される レーザ には,堆積薄膜の特性 に 源部 とレーザ発振部 とに分かれてお り非常 にコンパ ク 及ぼす影響か ら,短パルス,高出力,短波長,高繰返 トになっている. レーザのカタログ上の性能 は,表 1 しなどの特性が求め られる.現在 , この要求 を満 たす の ようになってお り,第 4高調波 までPLD法 に使用で レーザ としては,気体 レーザであるエキシマ レーザ と きる もの と期待 された.実際,納品検査時の第 2高調 固体 レーザであるNd: YAGレーザが挙 げ られる. 波 ,第 3高調波,第 4高調波の出力エネルギーは,秦 近年 ,Nd: YAGレーザの性能が向上 し,高 出力 ・高 1に も示 したが , それぞれ,8 ( 氾mJ,40 0mJ, 1 0 0mJ 繰返 しの製品が入手可能 となった.加 えて, ランニ ン であった.第 4高調波 も充分 にPLD法 に使用可能であ グコス ト, メンテナ ンス性,お よび,出力エ ネルギー ることが確認で きた. Fi g.1 Nd: YAG l a s e r . Fi g. 2 PLD c ha mbe rs ys t e m. Ta bl e.1 Spe c i 丘c a t i onofpul s eNd: YAG l a s e r . Wa ve l e ng t h( n m) Ene r gy( mJ / p) Pul s eWi dt h Ene r gySt a bi l i t y 納 出力エネルギー 品検 査 時 の F H un a d m a me oni n c t s a l 1 06 4 1 3 0 0 8 1 2ns ±2% - 2 ndHm oni c s 53 2 550 1 2 ns <1 06 4mm ±3% 8 00 3 mdHa m oni c s 35 5 35 0 06 4mm 23 ns <1 ±4% 400 ソフ トフェライ ト膜作製用Nd: YAGレーザpLDシステムの開発 Nd: YAG結 晶の初期劣化 に よる出力エ ネルギーの低 77 を得 る システム となっている. 下が予想 されるが, カ タログスペ ックを越 えた出力が 各排気装置作動時の真空室内の圧力 は,サーモ カ ッ 得 られてお り,堆積膜特性 の レーザ波長依存性 な ど, プルゲー ジ ( ANELVA製 , TG550B), 電 離 真 空 計 様 々な研究 テーマが新 しく創 出 され研究教育が さらに ( ANELVA製,MI G( 泊l ),キ ャパ シタンスマ ノメー タ 発展す る もの と期待 している. ( pFEI FFER製,cMR262) を使用 してモニ ターす る. 具体的には,サーモカップルゲージによりロー タリー 2.2 PL Dチ ェンバ 図 2に,今回開発 したpLDチェ ンバ ( ヴイテ ック製, ポ ンプ使用時の圧力 をモニ ター し, ターボ分子 ポ ンプ が稼動可能か どうか を判断す る.そ して,電離真空計 VTCNFN520)の写真 を示す.膜の堆積 を行 うpLDチェ により,ターボ分子ポンプお よびチ タンサブリメーシ ョ ンバ は, メインの真空室,真空排気のための排気系, ンポ ンプ稼動時の到達真空度 を測定す る.キ ャパ シタ 膜 を堆積 させ る基板 を設置する基板保持機構, ターゲ ッ ンスマ ノメー タは,気体の種類 に依存 しない絶対圧 を トを保持 ・回転 させ る ターゲ ッ ト回転機構 の 4つの部 表示す るので,雰囲気 ガス を真空室内 に導入 して製膜 分か ら構成 され る.以下,それぞれについて詳細 に述 を行 う際 に使用す る. べ る. 雰囲気 ガスは,3系統 ( 02 ,N2 ,Ar )のマス フロー コ ン トロー ラ ( SAM製 ,sFC280E) に よ り流 量 を制 2. 2. 1 真空室 真空室 は,前述 したNd: YAGレーザの レーザ光 を真 御 して,真空室内に導入で きる.マスフローコン トロー ラは 3系統が完全に独立 し,それぞれ出口側 に二万ボー 空室内 に入射す るための レーザ入射 ポー トや各種サー ルバ ルブを有 しているため,製膜時の雰囲気 ガス とし ビスポー トを有 し, 内径 ≠40 mm, 高 さ30 … で, て は,真空 ,02・N2・Ar の単独 ガスお よび混合 ガス sUs304の ステ ン レス製 であ る.真 空排気 時 の真 空室 が設定可能である. 内壁 か らの脱 ガス を促進す るため に,真空室 内面 をバ フ研摩後,電界研磨処理 を施 してある.真空室外壁 に 2. 2. 3 ターゲ ッ ト回転機構 は シース ヒー タを設置 してお り,脱 ガス促 進のため, pLD法 では,作製 したい薄膜 と同 じ化学量論比 の組 外壁温度 をCA熱電対 で温度 をモニ タリング しなが ら 成 を有す るセ ラ ミクスな どを真空室内 に設置 して レー ベ ーキ ングす ることが可能 となっている. ザ光 を照射す る ターゲ ッ トとして用 いる.本 システム 上蓋 (アル ミ,1 7kg) は,基板 セ ッテ ィングな どの では, ターゲ ッ トのサ イズ と して,厚 さ-1 0mm,直 真空室 内での作業 を容易 にす るため,バ ラ ンサー を取 0-50 mmの ターゲ ッ トを装着 で きる ようになって 径1 り付 け,手動 で容易 に開閉で きる ように している. いる. ターゲ ッ トを変更す ることによ り,様 々なソフ レーザ入射 ポー トは,真空製膜時 に レーザ入射 窓の 石英 ガラス ( 合成石英 , 1 0mm厚 ) に薄膜 が堆積す る こ とを防 ぐため に,真 空室 の 中心 よ り50 mm離 れ た トフェライ ト膜や ソフ トフェライ ト以外 の膜作製 も可 能である. また, 1箇所 に レーザ光 を照射 しっづ ける と穿孔 や 位置 に設置 している. レーザ入射窓の石英 ガラスには, 溶融 といった問題が生 じ堆積膜 の特性 を劣化 させ るこ ガラス面 か らの反射光 のba c kf ocus i ngに よる レーザ光 とがあるため, ターゲ ッ トを回転 させ る必要がある. 学系 の損傷 を防 ぐため に,反射防止 コーテ ィングを施 特 に, このPLDシステムで使用す るNd: YAGレーザは, した もの を採用 している. 3 0Hzで発振す るため,通常 の ターゲ ッ ト回転数 (1- 2. 2. 2 排気系 および雰囲気 ガス供給系 5叩m) よ りも高速で回転 させ る必 要があ る.そ こで, 充分 なパ ワー を持 つ交流サ ーボモ ー タ ( vEXTA製 , 真空室 を真空排気す るための排気装置 として, ロー BXM51 20GFH2) をパ ルス制御 す る こ とに よ り, 1 0 0 タ リーポ ンプ ( ALCATEL製 ,201 5), ター ボ分子 ポ -5 叩m の範 囲で , ターゲ ッ ト回転 数 を可変 で きる ンプ ( 三菱重工業製,pT300) ,チ タンサブ リメーシ ョ ようになっている. ンポ ンプ ( ANELVA製,956701 5) を備 えている. さらに, ターゲ ッ トを偏心す るこ とな く回転 させ る ロー タリーポ ンプによ り大気圧か ら中真空領域 まで ためのベ ア リングによる偏心 防止機構 と, ターゲ ッ ト 排気 した後 , ターボ分子 ポ ンプによって高真空領域 ま 位置 を回転軸方向に微調整す るための位置決め機構 を で排気す る.その後, ターボ分子 ポ ンプ と併用 してチ 備 えている. タンサ ブ リメーシ ョンポ ンプを稼動 させ,昇華 したチ タンと脱 ガス成分 を反応 させ て, よ りクリー ンな真空 78 藤島 友之 ・中野 正基 ・竹滞 昌晃 ・松尾 2.2.4 基板保持機構 良夫 ・山下 敬彦 ・松尾 寿夫 ・福永 博俊 Nd: YAGレーザpLDシステムの開発 にあた り,設計 前述の ターゲ ッ トに対 向 して,薄膜 を堆積 させ る基 上のア ドバ イス を頂 き,pLDチ ェンバ システムの製作 板 を固定で きる ように基板保持機構 を設置 している. を行 っていただいた( 有)ヴイテ ックの稲 田秀記氏 ,石 大学 での研究では試料の作製が中心であるため,標準 川知利氏 ,野 郎 告-氏 に深謝 いた します. また,Nd: 0mm角 の基板 を固定 で きる ように基板 ホル では最大 1 YAGレーザ とpLDチ ェ ンバ を結 ぶ光学系 の設計 と作 ダーの設計 を行 った. 製 を行 った長崎大学大学 院生産科学研究科の国債智彦 基板 ホル ダーは ヒー タブロ ックに着脱可能 となって 君,松浦康寿君,結城貴文君 に感謝 します. 00℃程 お り, ヒー タを加熱す るこ とに よって基板 を9 なお, この ソフ トフェライ ト膜作 製用Nd: YAGレー 度 まで加熱 で きる.基板温度 は , CA熱電対 によ りモ ザpLDシステム開発 の大部分 は,新エ ネルギー ・産業 ニ ター しなが ら,温度調節器 ( cHI NO製,KPl ∝X) ) 技術総合 開発機構 ( NEDO)の平成 1 3年度産業技術研 でPI D制御 を行 える. 究助成事業費助成金 によ り行 われた ことを明記 し,謝 この基板保持機構 ( 基板ホルダーお よびヒー タブロッ 辞 といた します. ク) は,直線導入機 を介 して真空室 に取 り付 け られて 参考文献 お り,Nd: YAGレーザの レーザ光 を遮 るこ とな くター ゲ ッ ト正面 か ら3 0m の距離 まで近づ ける こ とが可能 ( 1 ) M. Na ka n o, K. Tomoha r a . ∫. M. Song, H. であ り, ターゲ ッ ト 基板 間距離 を変更で きる ように Fuku na ga ,Y.Ma t s u0,. 1 Ro om t e mp er a t u r eg r owt h なっている. ofc r ys t ll a i neMn Znf e r it r et hi nf i l msbyl a s e ra b- さらに,基板加熱 を要 しない場合,ア ダプター を使 用す ることによ りレーザ光 を遮 ることな くターゲ ッ ト 正面 か ら 5m の距離 まで 5mm角 の基板 を近づ け る ことが可能 な機構 となっている. 1 a t i ont ∝hni que ' ;l EEETr a ms .Ma gn. ,Vol .3 6,No. 5,( 2 ( X泊. 9) ,pp. 2 9272 929. ( 2) M. Na ka nO, K. Tomoha ra ,J . M. Song, H. Fukuna gaa n dY.Ma t s uo,H MnZnf e it m et hi nf i l ms f a br ic a t e donc r ys t a l l i nes ubs t r a t e sus l ngl a s e ra bl a - 3.まとめ 今 回新 た に開発 した ソフ トフェライ ト膜作製用Nd: .Phys . ,Vol .87,No. 9 t i on t e c hni q ue■ ■ ;∫ .Appl ( 2 0 0・ 5) ,pp. 621 7621 9. YAGレーザpLDシステムの詳細 を紹介 した.Nd: YAG r a ,∫ .M.Song,H.Fu kuna ga ( 3 ) M.Na ka no,K.Tomoha レーザ もpLDチ ェンバ も納入後や っ と設置が完了 した ope r ie t so fMnndY.Ma a t s uo,' ' Sup er iorMa g ne icPr t ばか りであ るが,今後, ソフ トフェライ ト膜 を中心 と ZnFe r it r eThi nFi l msPr e pa r e db yLowTe mp er a t ur e した電気電子 デバ イス分野で注 目されている材料 の薄 Pr o c e s s Us i ng La s e r Abl a t i on Te c hm iqu e" ;I EEE 膜化 の実現,学生 ・院生 のスキルア ップに貢献す るこ Tr a ns .Ma gn. ,Vol . 35,No.5 ( 1 999. 9) ,pp.3氾71 とが期待 される. 3009. (