(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つのターゲットと、上記少なくとも２つのターゲットの向い側に配置された基板と、レーザビームを生成するレーザとを備え、レーザビームを上記ターゲットの１つの上に向けて照射して、ターゲット材料のプラズマプルームを生成し上記基板上に堆積するようにしたレーザ堆積装置において、
ベースフレームと、ターゲットフレーム内に配置された少なくとも２つのターゲットホルダーを有する回転可能な上記ターゲットフレームと、上記ベースフレームに取り付けられた少なくとも１つの冷却装置とを備え、上記冷却装置を、上記ターゲットフレームと直接接触させて熱交換させるように上記ターゲットフレームに対して移動可能としたことを特徴とするレーザ堆積装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ堆積装置において、
上記ターゲットホルダーは、ターゲット材料を取り付けるためのマウンティングベースとこのマウンティングベースに取り付けられた軸とを備え、この軸は上記回転可能なターゲットフレームに搭載されていることを特徴とするレーザ堆積装置。
【請求項３】
請求項２に記載のレーザ堆積装置において、
上記ターゲットホルダーの軸とこのターゲットホルダーの表面の断面積比は、１：４よりも小さいことを特徴とするレーザ堆積装置。
【請求項４】
請求項１から３までの何れか１に記載のレーザ堆積装置において、
上記回転可能なターゲットフレームは、主軸を有するディスクを備え、上記少なくとも２つのターゲットホルダーがこのディスク側に配置されていることを特徴とするレーザ堆積装置。
【請求項５】
請求項１から４までの何れか１に記載のレーザ堆積装置において、
上記冷却装置及び／または上記回転可能なターゲットフレームは上記ベースフレーム側に柔軟に配置されて、上記冷却装置とこのターゲットフレームとの間のアライメント差を補償するようにしていることを特徴とするレーザ堆積装置。
【請求項６】
請求項１から５までの何れか１に記載のレーザ堆積装置において、
上記冷却装置は上記ベースフレームにバネを介して取り付けられていることを特徴とするレーザ堆積装置。
【請求項７】
請求項１から６までの何れか１に記載のレーザ堆積装置において、
少なくとも１つの液体冷却ブロックを備えていることを特徴とするレーザ堆積装置。
【請求項８】
請求項１から７までの何れか１に記載のレーザ堆積装置において、
上記基板を加熱するためのヒータを備えていることを特徴とするレーザ堆積装置。
【請求項９】
請求項１から８までの何れか１に記載のレーザ堆積装置において、
ヒートシールドが上記少なくとも２つのターゲットの周りに配置されており、このヒートシールドは、レーザビームと生成プラズマプルームとの通過用の開口部を備えていることを特徴とするレーザ堆積装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のレーザ堆積装置において、
上記ヒートシールドは上記少なくとも２つのターゲットを覆う円筒体であることを特徴とするレーザ堆積装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも２つのターゲットと、上記少なくとも２つのターゲットの向かい側に配置された基板と、レーザビームを生成するレーザとを備え、レーザビームを上記ターゲットの１つの上に向けて照射して、ターゲット材料のプラズマプルームを生成し上記基板上に堆積（蒸着）するようにしたレーザ堆積装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ堆積法、特に、パルスレーザ堆積法（ＰＬＤ）は、対象物に被膜を施すための既知の技術である。この技術では、ターゲット材料がレーザによって削られて、このターゲット材料のプラズマプルームが生成される。このプラズマプルームが基板に堆積し、その結果、基板上にターゲット材料からなる被膜ができることとなる。
【０００３】
ＰＬＤは初めは小面積、通常１０ｍｍ×１０ｍｍ、の基板表面を被覆するために開発された。これは、一般に、研究環境で使用され、そこでは、小さい基板が高い薄膜性でもって全ての種類の材料で被覆される。
【０００４】
この研究から、より大面積の表面を被覆する必要性が生じた。これは、通常数インチ以上の直径を有する表面を被覆し得る革新的な技術を生む結果となった。
【０００５】
ＰＬＤを用いて正しい材料特性、例えば、結晶構造やテキスチャ、で基板材料を被覆するためには、基板を、通常２００℃−１０００℃まで加熱する必要があることが多い。
【０００６】
約１０ｍｍ×１０ｍｍの表面の小基板が２００℃−１０００℃まで加熱された場合、熱放射は基板材料の向い側に配置されたターゲット材料にそれほど影響を及ぼさない。しかし、基板表面が増大するにつれて、熱放射も増加し、ターゲット材料に対して容認できない影響を与えることとなる。これは、ターゲット材料のある成分が早期に蒸発することとなり、そのために、基板上に堆積した被膜がターゲット材料の元の組成とは別の組成となり得る。
【０００７】
別の問題は、ターゲットのクラッキング（クラックが入ること）である。ターゲット材料は熱伝導が余り良くない材料であり得る。そのような材料が加熱された場合、材料における温度差は材料内のクラックとなり得る。加熱のためにターゲット材料が相転位を被るときにも、クラッキングは起こり得る。ターゲット材料とターゲット板との間の接着材料が異なる熱膨張係数を有する場合にも、このクラッキングは生じ得る。
【０００８】
別の場合においては、使用するＰＬＤ技術の結果として、ターゲット材料を動かすまたは回転させる必要がある。このような場合、動いているターゲットの冷却は難しい。
【０００９】
大きい基板表面を加熱することについての三番目の問題は、ターゲット材料だけでなく、それを取り囲む真空チャンバや熱に敏感な部品、例えば電気モータやゴム製取り付け具等が好ましくない温度にまで加熱されてしまうことである。
【００１０】
上記の問題の少なくとも一部は本願出願人の別の発明によって解決できる。その発明は、未公開の先願に記載されている。この先願発明によれば、ヒートシールドを基板とターゲットとの間に配置して、ターゲットが加熱された基板によって加熱されることから遮断している。このヒートシールドは、少なくとも生成されたプラズマプルームが通過するための少なくとも１つの通路を備えている。
【００１１】
この先願発明はターゲット材料の加熱を相当減らすことができるが、ある状況においては、ターゲット材料はなおも望ましくない温度まで熱せられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで、本発明の目的は、ターゲット材料の加熱をさらに減少させ、あるいは防止して、高温・大面積ＰＬＤを可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的は本発明によって達成される。本発明は、ベースフレームと、ターゲットフレーム内に配置された少なくとも２つのターゲットホルダーを有する回転可能な上記ターゲットフレームと、上記ベースフレームに取り付けられた少なくとも１つの冷却装置とを備え、上記冷却装置を、上記ターゲットフレームと直接接触させて熱交換させるように上記ターゲットフレームに対して移動可能としたことを特徴とする。
【００１４】
冷却手段をベースフレームに取り付けることにより、冷却手段は固定される。これにより、例えば、供給ラインを冷却手段に信頼性高く接続することが容易となる。さらに、冷却装置をターゲットフレームに対して動くことができるようにしたことで、冷却手段をターゲットフレームと直接接触させて熱交換させることができ、また、接触を解除することもでき、これにより、ターゲットフレームが回転して別のターゲットを基板の向い側にもってくることもできる。
【００１５】
ターゲットに吸収される熱はターゲットフレームを介して冷却手段へと放散される。これは、堆積中、ターゲットが冷却されることを確実にする。
【００１６】
本発明に係る装置の一実施形態では、上記ターゲットホルダーは、ターゲット材料を取り付けるためのマウンティングベースとこのマウンティングベースに取り付けられた軸とを備え、この軸は上記回転可能なターゲットフレーム内に搭載されている。
【００１７】
特に、大基板表面に堆積を行うには、堆積中ターゲットを回転させる必要がある。これにより、ターゲットからターゲット材料を均一に削ること（ablation)が確実になる。本発明によれば、ターゲット材料はマウンティングベース上に配置される。マウンティングベースは、マウンティングベースしたがってターゲットを回転させるための軸を有する。
【００１８】
好ましくは、上記ターゲットホルダーの軸とこのターゲットホルダーの表面の断面積比は、１：４よりも小さい。ターゲットの表面に対して比較的太い軸を備えることにより、ターゲットが取得する熱をこの比較的太い軸を介してターゲットフレームへと容易に放散することができる。そして、今度は、このターゲットフレームが冷却装置と直接接触して熱交換するのである。
【００１９】
本発明に係る装置の一実施形態では、上記回転可能なターゲットフレームは、主軸を有するディスクを備え、上記少なくとも２つのターゲットホルダーがこのディスクに取り付けられている。
【００２０】
ディスク形状のターゲットフレームは熱容量が大きい利点があり、このディスク形状のターゲットフレームの向い側にある対象物のためのヒートシールドを提供する利点もある。さらに、それは、ターゲットやその他の構成部品のための堅固なマウンティングベースを提供すると共に、上記冷却装置のための十分な接触面をも提供する。
【００２１】
別の好ましい実施形態では、上記冷却装置及び／または上記回転可能なターゲットフレームは上記ベースフレーム側に柔軟に取り付けられて、上記冷却装置とこのターゲットフレームとの間のアライメント差を補償するようにしている。
【００２２】
本発明のさらに別の実施形態では、上記冷却装置は上記ベースフレームにバネで取り付けられている。液体冷却ブロックをバネでもってベースフレームに取り付けることで、この冷却ブロックが小さな寸法差およびアライメント差を補償（相殺）し、冷却ブロックとターゲットフレームとの熱交換のための完全な接触を確保する。レーザ堆積（蒸着）は通常真空中で行われるため、対流による熱放散は最小であり、全ての熱交換は直接接触によらなければならない。
【００２３】
本発明のさらに別の好ましい実施形態では、上記冷却装置は少なくとも１つの液体冷却ブロックを備える。水の場合、相当の熱の量をレーザ堆積装置の外へと容易に移動させることができる。
【００２４】
なおも別の実施形態では、本発明に係るレーザ堆積装置は、上記基板を加熱するためのヒータを備えている。
【００２５】
本発明のさらに別の好ましい実施形態では、ヒートシールドが上記少なくとも２つのターゲットの周りに配置されており、このヒートシールドは、レーザビームと生成プラズマプルームとの通過用の開口部を備えている。好ましくは、このヒートシールドは上記少なくとも２つのターゲットを覆う円筒体である。そのようなヒートシールドはターゲットの加熱をさらに低減するだけでなく、ターゲットの回りの冷却チャンバを提供する。なぜならば、このヒートシールドはターゲットフレームと直接接触し、従って冷却装置に直接接触するからである。
【００２６】
本発明の上記及び他の特徴は添付の図面と併せて明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態の断面斜視図である。
【図２】図１のII-II線断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態の斜視図である。
【図４】図２の実施形態の変形例を示した図である。
【図５】本発明の第３実施形態の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は本発明の第１実施形態１を示している。この実施形態は真空チャンバ２を備えている。このチャンバ２にはベースフレーム３が配置されている。このベースフレーム３からターゲットフレーム４がぶらさがっている。このターゲットフレーム４は軸５を有する。軸５はベースフレーム３内に回転可能に配置されている。軸５はアクチュエータ６によって駆動される。アクチュエータ６は軸５を軸方向に動かすこともできる。
【００２９】
４つのターゲットホルダー７がそれぞれの軸８によってターゲットフレーム４に取り付けられている。ギア９が各軸８の端部に設けられている。このギア９は第２のギア１１を介してモータ１０によって駆動される。
【００３０】
基板１２は上記ターゲットホルダー７のうちの一つの下方に配置されている。この基板１２は軸１３に取り付けられる。軸１３はギア１５，１６を介してモータ１４によって駆動される。
【００３１】
レーザ堆積を行うとき、レーザビーム１７は真空チャンバ２内のウィンドウ１８を介してターゲット７へと向かわせられる。ターゲット材料が加熱されてターゲット材料のプルーム１９が生成される。基板１２上に均一な層を作るため、レーザビーム１７はターゲット表面７上を径方向に動かされる一方、基板１２はモータ１４によって回転させられる。同時に、ターゲットホルダー７も回転させられて、ターゲット材料がレーザビーム１７によって均一に削られる。
【００３２】
幾つかの冷却ブロック２０がターゲットフレーム４と接触している。ターゲット材料を冷却するためである。これらの冷却ブロック２０は、ベースフレーム３にバネ２１を介して取り付けられており、ターゲットフレーム４をアクチュエータ６によって上方に引っ張り上げることによってターゲットフレーム４に押し付けられる。
【００３３】
図２には図１のII-II線断面図が示されている。この図２から、ターゲットフレーム４を引き上げることによって冷却ブロック２０がターゲットフレーム４に押し付けられることは明らかである。
【００３４】
冷却ブロック２０は蛇行チャネルを有する。この蛇行チャネルには供給ライン２２によって冷却液が供給される。ターゲット材料２４からの熱はターゲットホルダー７へ、比較的太い軸８へ、そしてターゲットフレーム４へと放散される。このターゲットフレーム４は伝熱材のディスクであって、この伝熱材がターゲット２４からの熱を冷却ブロック２０へと導く。そして、冷却ブロック２０内の液体が加熱され、この加熱された液体が排出ライン２３を通じて排出される。
【００３５】
本発明の利点は、冷却ブロック２０がベースフレーム３に固定され得る一方、ターゲットフレーム４は尚も回転可能であるということである。例えば別のターゲット材料２４を使用しなければならない場合、ターゲットフレーム４はアクチュエータ６によって下降した後、正しいターゲット材料２４が基板１２上に来るように回転する。最後にこのターゲットフレーム４は再度上昇し、固定された冷却ブロック２０がターゲットフレーム４に対して押し付けられ熱交換接触状態となる。
【００３６】
図３は本発明の第２実施形態３０を示す。回転可能なターゲットフレーム３１のみを示す。なぜならば、この実施形態の他の部分は図１，２に示した実施形態に対応しているからである。
【００３７】
４つのターゲットホルダー３２がターゲットフレーム３１上に配置されている。各ターゲットホルダー３２は回転可能であり、ターゲット材料３３を支持する。
【００３８】
円筒状のハウジング３４が各ターゲットホルダー３２の周囲に配されている。この円筒状のハウジング３４はそれぞれのターゲットホルダー３２を覆っており、ターゲットフレーム３１と熱交換接触している。これによりターゲットホルダー３２の周囲に冷却スペースが形成される。
【００３９】
各円筒状のハウジング３４には、レーザビーム３５およびターゲット材料３３のプラズマプルーム３６が通るようにスロット形の開口３７が設けられている。
【００４０】
ハウジング３４はターゲットフレーム４にある４つのターゲット材料３３間の相互汚染を減らす。
【００４１】
オプションとして、スロット形の開口３７は、目下使用されていないターゲットホルダー３２に対しては閉じておくことができる。これはターゲット材料３３の汚染を防止する。
【００４２】
図４は図２の実施形態の変形例を示す。同じ構成に対しては同じ参照符号を付加している。
【００４３】
この図２の実施形態の変形例では、冷却ブロック２０はベースフレーム３に直接取り付けられている。寸法差およびアライメント差をなおも考慮し得るようにするために、ターゲットフレーム４の軸５を回転させ移動させるアクチュエータ６がバネ４０を介してベースフレーム３に取り付けられている。この結果、ターゲットフレーム４はベースフレーム３に対して傾斜できる。
【００４４】
図５は本発明のレーザ堆積装置の第３実施形態５０を示している。図２の実施形態の構成部分に対応するこの第３実施形態の構成部分には同じ参照符号を付している。
【００４５】
この第３実施形態５０では、ベースフレーム３に縦（垂直）方向の周囲壁５１が設けられている。この周囲壁５１はターゲットフレーム４の周囲に配置されている。
【００４６】
この周囲壁５１には２つの冷却ブロック５２が取り付けられている。各冷却ブロック５２は底部５３を有し、この底部５３を介して、供給ライン５４から、そして、排出ラインへ冷却液が流れる。冷却ブロック５２の上部５６は底部５３内のロッド５７によって案内される。この案内ロッド５７は、上部５６と底部５３が互いにアラインメント（整列）状態にあり続けることを確保すると共に、これら上部５６と底部５３との間の良好な熱伝導に寄与する。
【００４７】
図２の冷却ブロック２０同様、上部５６を別個の冷却ラインによって別個に冷却することが可能である。同様に、ガイドロッドを図２の冷却ブロック２０内に配置して、これらの冷却ブロック２０をベースフレーム３に対して整列させることも可能である。
【００４８】
上記上部５６と上記底部５３との間にはバネ５８が配置されており、冷却ブロック５２の上部５６とターゲットフレーム４との間のアラインメント差や寸法差を考慮できるようにしている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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