JP3775847B2 - レーザーアブレーション装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターゲットを保持可能な概略円盤状のターゲット保持台と、このターゲット保持台に保持される状態にあるターゲットに対してレーザー光を照射するレーザー光照射機構とを備え、ターゲット保持台に対向して設けられ、且つ成膜対象の基板を保持可能な基板保持台を備えたレーザーアブレーション装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このようなレーザーアブレーション装置は、ターゲットをターゲット保持台に保持させた状態で、ターゲットにレーザー光を照射し、形成されるプルームを介して、基板保持台上に保持された基板上に、所定の組成の膜を成膜する。
従来、成膜にあたっては、その膜質を均等にする目的から、基板位置固定状態でターゲットをその表面であるＸ−Ｙ面内で直交二次元的に移動させてプルームを安定化させたり、プルームの変動にあわせて基板を動かす（特開平３−２９１３７１）等していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
さて、レーザーアブレーション装置を使用して作製される膜としては、一例としてテルル化ビスマス等の金属複合物を挙げることができる。この複合金属は、熱電材料等としての用途が提案されているものであり、このような用途にあっては、膜厚を０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度にする必要がある。このような膜厚は、従来考えられてきたものより遙に厚いものであり、これをレーザーアブレーション法でおこなう場合は長時間の成膜が必要となる。
長時間成膜にあっては、ターゲットが不均一に消耗されると、プルームが不安定になり、ターゲット温度が上昇しやすい。このような温度上昇を起こすと、ターゲットを構成する組成物の組成比が蒸散等の影響により変化したり、プルームが不安定化したりして、良好な組成の成膜が行い難い。さらに、はなはだしい場合は、レーザー照射に伴って発生する熱によるターゲットの溶解等の問題が起こり、結晶性の良い膜の作製が困難となる。
このような状況にあって、従来型のターゲットをＸ−Ｙ方向に駆動させるものでは、動作上、ターゲット面にレーザー光が過度に照射される静止点が存在するため、ターゲット材料の消耗が不均一となりやすく、安定したプルームが得にくい。一方、プルームの状態に応じて基板を動かすものでは、基板付近でのプルームの状態をモニターする装置、その状態に合わせて基板の動きを制御する装置などが必要となるため、装置が非常に高価となる。
又、ターゲットの温度管理という点では、従来ターゲット自体の冷却を可能とするものはなく、実際上、この点からの管理をおこなうことはできなかった。
従って、本発明の目的は、上記の問題を解消して長時間成膜に使用可能で、長時間成膜をおこなった場合にあっても結果物の物性が安定するレーザーアブレーション装置を得ることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明による、ターゲットを保持可能な概略円盤状のターゲット保持台と、前記ターゲット保持台に保持される前記ターゲットに対してレーザー光を照射するレーザー光照射機構とを備え、前記ターゲット保持台に対向して設けられ、且つ成膜対象の基板を保持可能な基板保持台を備えたレーザーアブレーション装置の特徴構成は、以下のとおりである。
〔構成〕
即ち、前記円盤状のターゲット保持台を、その軸芯周りに回転可能、且つ前記軸芯に対して直交する往復方向に往復移動可能に構成し、このターゲット保持台を軸芯周りに回転させる回転機構と、往復方向に直線往復移動させる直線移動機構とを備えて、レーザーアブレーション装置を構成するのである。
〔作用・効果〕
この構成のレーザーアブレーション装置にあっては、ターゲット保持台は、回動機構と直線移動機構により、保持台の軸芯周りに回転駆動されるとともに、この軸芯に直交する方向である往復方向に往復直線移動される。
このような移動形態にあっては、レーザー光の光路が固定される一般的な装置構成にあっても、Ｘ−Ｙ面での二次元的な移動形態と比較して、所謂、静止点が形成され難い。即ち、二次元平面内で滑らかな移動経路を辿りながら動作できる。従って、ターゲットの均等な消耗が可能となり、プルームを長時間に亘って安定化できるため、長時間成膜においても、その膜質の安定したものを得ることができる。
〔構成〕
さらに、上記構成において、前記回転機構及び前記直線移動機構の動作を制御する動作制御装置を備え、前記動作制御装置において、前記回転機構の動作及び前記直線移動機構の動作とを連携付けて設定可能な動作設定手段を備えることが好ましい。
〔作用・効果〕
本願の装置にあっては、ターゲットは所謂、その径方向と周方向に移動されるが、ここで、これら２方向において、均等なターゲットの消耗を起こそうとすると、径方向において外径側部位と内径側部位での径方向移動量と、回転角速度との関係を取って制御する必要がある。
従って、本願の装置にあっては、動作制御装置が備えられ、この動作制御装置内に動作設定手段が備えられ、回転機構の動作（一例としては回転角速度設定値）と直線移動機構の動作（一例としては外径側部位と内径側部位での径方向移動速度）との間で、一定の連携付けができるように構成されている。結果、例えば、ターゲットの回転角速度を与えた段階で、径方向移動の動作量を所定の関係を満たすように導き出し、均等な消耗を装置動作上で実現する。
〔構成〕
さらに、上記構成において、前記ターゲット保持台内部に、冷却流体が流れる冷却流体流路を備え、前記冷却流体流路内とターゲット保持台外部との間にあって、前記冷却流体を移流させる冷却移流流体機構を備えることが好ましい。
〔作用・効果〕
レーザーアブレーションを長時間に亘っておこなうと、冷却を行わないとレーザー光の照射によりターゲット温度が上昇する。本願装置にあっては、ターゲット保持台外部からターゲット保持台内に存する冷却流体流路に、冷却流体が流される。従って、この冷却流体は、ターゲット保持台を冷却するとともに、ターゲットを冷却する。結果、ターゲットの温度管理が容易となり、発熱によるターゲットの溶解などの問題を発生することなく成膜を進めることができる。さらに、ターゲットの温度管理を厳密におこなうことにより、形成されるプルームの状態が安定するため、結晶性の良い膜を長時間に亘って、安定して得ることができる。
従って、本願装置においては、ターゲット各部位間に於ける均等な材料消耗と、ターゲット温度の管理とを容易に行えるため、比較的簡単な装置構成で、良質の厚手の膜を確実に得ることができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本願の実施の形態を、以下図面に基づいて説明する。
図１は、一般的なレーザーアブレーション装置１の概略基本構造を示す平面図であり、図２は、本願の特徴構成を備えた装置１に備えられるターゲット保持台２の駆動機構３を示す図である。さらに、図３は、この駆動機構３の駆動系統図である。
【０００６】
図１、図２に示すように、レーザーアブレーション装置１は、ターゲット４を保持可能な概略円盤状のターゲット保持台２と、このターゲット保持台２に保持される前記ターゲット４に対してレーザー光５を照射するレーザー光照射機構６とを備え、さらに、ターゲット保持台２に対向して設けられ、且つ成膜対象の基板７を保持可能な基板保持台８を備えて構成されている。ここで、先に説明したターゲット保持台２、基板保持台８は真空チャンバー９内に収容される。
この構成により、レーザー光５がターゲット４に所定の入射角（θ）で照射され、プルーム１０が発生される。このプルーム１０の先端側には、先に説明した基板保持台８により保持された基板７が、配設されており、結果、基板７上にターゲット４の組成に対して一定の関係にある膜１１が形成される。ここで、レーザー光５の光路は、固定されており、ターゲット保持台２の原点状態にあって、保持台２の中心にレーザー光５が照射される構成とされている。
【０００７】
次に、図２、図３に基づいて、ターゲット保持台２の駆動機構３の構造及びターゲット保持台２の本願独特の構造について説明する。
図２に示すように、ターゲット保持台２は概略円盤状に形成されるとともに、その軸芯Ａに合わせて、π回転用回転軸１２を備えて構成されている。
さらに、このターゲット保持台２は、内部が中空に構成されて冷却用の流体が流れる冷却流体流路１３を備えている。従って、成膜時にあって、ターゲット保持台２及びターゲット４を冷却可能に構成されている。
【０００８】
さらに詳細に、以下説明する。
図示するように、ターゲット保持台２に対して、そのπ回転駆動用の第１パルスモータＭ１、この第１パルスモータＭ１からの回転駆動を伝達するギヤ機構Ｇ１、π回転用伝導軸１４、ギヤ機構Ｇ２等が設けられており、これらからなる回転機構１５によりその軸芯Ａ周りに回転ができる構成となっている。この回転機構１５は、真空チャンバー９外から内に亘って設けられている。
一方、前記ターゲット保持台２、回転機構１５は一体として、これが、図２に於ける上下方向である往復方向（Ｚ方向）に往復直線移動可能に構成されている。この往復直線移動を達成するために、復動用の第２パルスモータＭ２、この第２パルスモータＭ２からの動力で復動移動をおこなうためのＺ方向復動用ウオーム機構１６が備えられている。そして、このＺ方向復動用ウオーム機構１６により、復動用回転軸Ｗ１の回転に伴って前記ターゲット保持台２、回転機構１５がベローズ部１７を含めて図２、図３の上下方向である往復方向（Ｚ方向）に往復直線運動される。この往復直線移動を達成する機構を直線移動機構１８と呼ぶ。さらに、このターゲット保持台２の駆動機構３には、ターゲット保持台２の保持面をθ軸回転偏位させるθ軸偏位調節機構１９を備えている。これは、前記π回転用伝導軸１４と同軸に設けられるθ回動軸２０を、手動で回転操作可能な構成となっている。偏位調整角は、±２５度程度である。
【０００９】
上記のような構成を採用することにより、ターゲット保持台２は、その軸芯周りに回転駆動（π回転）されるとともに、この軸芯Ａに対して直角な方向（図２に示す例にあっては同図上下方向Ｚ方向）に往復直線駆動される。
さらに、図３に線図で示すように、前記回転機構１５及び前記直線移動機構１８に対して、これらの動作を制御する動作制御装置２１が備えられている。
この動作制御装置２１には、後に示すように、回転機構１５の動作及び直線移動機構１８の動作とを連携付けて設定可能な動作設定手段２１０が備えられている。
【００１０】
さて、先にも説明したように、ターゲット保持台内部には、冷却流体が流れる冷却流体流路１３が備えられ、冷却流体流路１３内とターゲット保持台外部との間にあって、冷却流体（具体的には水）を移流させる冷却流体移流機構２２が備えられている。
即ち、前記冷却流体流路１３は、ターゲット保持台２の保持面裏面側に備えられる一対の連通連結された表面側冷却部１３ａ，裏面側流路部１３ｂから構成されている。
前記π回転用回転軸１２内には、夫々、前記表面側冷却部１３ａに接続される流入側流路２２ａ、裏面側流路部１３ｂに接続される流出側流路２２ｅが備えられている。
前記冷却流体移流機構２２は、前記流入側流路２２ａ、前記流出側流路２２ｅ、及び前記流入側流路２２ａ内に冷却流体を供給する流体貯留部２２ｂを備えた供給側配管２２ｃ及びポンプＰと、前記流出側流路２２ｅから機器外へ、冷却作用後の冷却流体を放出する放出路２２ｆとを備えて構成されている。
ここで、ターゲット保持台２のπ回転用回転軸１２と放出側貯留部２２ｇとの間に於けるシールは、磁気流体シール２３を使用した流体シール構成が採用されている。従って、真空チャンバー９内に於ける真空度は１０^-6トル（ｔｏｒｒ）程度まで確保されるが、この状態にあっても冷却流体が漏れ出すことはない。
ここで、冷却流体流路１３を流れる冷却流体の量は、必要に応じて調節可能である。
【００１１】
以上が、ターゲット保持台２の駆動機構３の構成についての説明であるが、以下、ターゲット保持台２の動作状態について説明する。
基本的には、ターゲット保持台２は、前記回転機構１５により一定の回転角速度で回転駆動される。一方、ターゲット保持台２は、一定の回転角速度で回転されるため、前記直線移動機構１８の動作において、その軸芯側で直線移動速度を速く、その外径側で直線移動速度を遅く選択する必要がある。
図４に、回転角速度と往復直線移動速度との関係を示した。
図４において、（イ）は、ターゲット４を軸芯方向から見た図面であり、いずれの部位においてもその回転角速度が等しいことを均等な影付けで示している。一方、（ロ）は、ターゲット４の軸芯方向（Ａ方向）に対して直角な方向である往復方向（Ｚ方向）に於ける移動速度の変化状態を実線で示している。図４（ロ）において、縦軸は前記往復方向に於ける位置を示し、横軸が移動速度Ｖの大きさを示している。同図に示すように、この移動速度は、軸芯対応部位において最大とされ、外周対応部位において最小とされる概略三角形の形状として選択される。即ち、Ｚ軸方向に於ける往復動は、軸芯から円周方向へ向かうに従って移動速度が等加速度で低下する等加速度移動運動とされている。
この速度制御は、実際には、前記第２パルスモータＭ２に於ける段階的な速度制御でおこなわれる。
一例としての回転角速度と直線移動速度の例を示すと、往復移動距離（片道）が４ｃｍで、回転角速度が１８０°／ｓｅｃの場合、軸芯側での移動速度０．８２７ｍｍ／ｓｅｃ〜外周部位での移動速度０．１３８ｍｍ／ｓｅｃまで、ステップ的に６段階程度に選択して、成膜をおこなうことができる。
ここで、先に説明した動作設定手段２１０においては、回転機構１５に対する回転角速度値が設定されると、これに見合うように（例えば上記の回転角速度と軸芯側での移動速度、外周部位での移動速度との関係（絶対値の比の関係）を満たすように）、移動速度Ｖを導出、設定できるように構成されている。
【００１２】
以上、説明してきたように、本願のレーザーアブレーション装置１にあっては、ターゲット４をその軸芯周りに回転させるとともに、これをその軸芯（Ａ方向）とは直交した方向（Ｚ方向）に往復直線移動させるため、所謂、静止点が形成されず、ターゲット４の不均一な消耗を抑制できる。さらに、ターゲット４を適切に温度制御できるため、溶融、過度の加熱といった問題を生じることもない。結果、レーザー光照射に伴うプルーム１０の形成を安定しておこなうことができ、長時間成膜を行った場合でも、膜特性の変化の無い良好な膜を得ることができる。
さて、上記の動作設定手段２１０の構成としては、図４に示す径方向移動速度分布を回転角速度との関係で満たすように設定するものとしたが、この関係は、回転機構の動作、直線移動機構の動作を、装置使用者が望む関係で満たすものであれば、任意の関係でよい。
【００１３】
尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願のレーザーアブレーション装置の概略構成を示す平面図
【図２】ターゲット保持台の駆動機構を示す図
【図３】ターゲット保持台の動作と制御装置の関係を示す概念図
【図４】ターゲット保持台の駆動状態を示す図
【符号の説明】
２ ターゲット保持台
４ ターゲット
５ レーザー光
６ レーザー光照射機構
７ 基板
８ 基板保持台
１３ 冷却流体流路
１５ 回転機構
１８ 直線移動機構
２１ 動作制御装置
２２ 冷却流体移流機構
２１０動作設定手段
Ｚ 往復方向

Claims (3)

1. ターゲット（４）を保持可能な概略円盤状のターゲット保持台（２）と、前記ターゲット保持台（２）に保持される前記ターゲット（４）に対してレーザー光（５）を照射するレーザー光照射機構（６）とを備え、前記ターゲット保持台（２）に対向して設けられ、且つ成膜対象の基板（７）を保持可能な基板保持台（８）を備えたレーザーアブレーション装置であって、
   前記円盤状のターゲット保持台（２）が、その軸芯周りに回転可能、且つ前記軸芯に対して直交する往復方向（Ｚ）に往復移動可能に構成され、
   前記ターゲット保持台（２）を前記軸芯周りに回転させる回転機構（１５）と、前記往復方向（Ｚ）に直線往復移動させる直線移動機構（１８）とを備えたレーザーアブレーション装置。
2. 前記回転機構（１５）及び前記直線移動機構（１８）の動作を制御する動作制御装置（２１）を備え、前記動作制御装置（２１）に、前記回転機構（１５）の動作及び前記直線移動機構（１８）の動作とを連携付けて設定可能な動作設定手段（２１０）を備えた請求項１記載のレーザーアブレーション装置。
3. 前記ターゲット保持台内に、冷却流体が流れる冷却流体流路（１３）を備え、前記冷却流体流路内とターゲット保持台外部との間にあって、前記冷却流体を移流させる冷却流体移流機構（２２）を備えた請求項１または２記載のレーザーアブレーション装置。

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