(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットを蒸発させるようにターゲットの蒸発面にレーザを照射するレーザ手段と、蒸発したターゲットからクラスターを生成するためのクラスター生成室を有するクラスター生成本体と、基板をその成膜面がクラスター生成室内に臨ませられるように保持するホルダとよりなり、クラスター生成室を挟んでその一方の側にレーザ導入孔が、その他方の側に成膜窓がそれぞれ形成されており、レーザ導入孔の軸線は、成膜窓に貫通させられており、ターゲットの蒸発面は、成膜窓と相対しかつレーザ導入孔の軸線上に位置させられており、基板の成膜面は、成膜窓と相対しかつレーザ導入孔の軸線周囲に位置させられているクラスター成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザーアブレーション法によって、基板上にナノクラスターを堆積させて成膜するためのクラスター成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のクラスター成膜装置としては、クラスター生成室、クラスター生成室を内外に貫通したクラスター取出口を有しかつターゲット蒸発面をクラスター取出口に相対させるようにターゲットを保持する装置本体と、ターゲットを蒸発させてクラスターを生成するようにターゲット蒸発面にレーザを照射するレーザ手段と、生成したクラスターをガス流にのせてクラスター取出口まで導く不活性ガス手段と、クラスター取出口にスロート口が接続されているラバールノズルとを備えているものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
上記従来装置では、クラスター生成室内にはサイズの揃ったクラスターが生成されかつ閉込められる。閉込められたクラスターは、ラバールノズルによって、超音速域で効率良く取出される。
【０００４】
上記従来装置により単分散（均一粒径）のクラスタービーム（流れ）が得られる。しかしながら、得られたクラスタービームの強度（個数／単位時間・面積）は、科学研究用のサンプルとしては、充分であるが、さらに工業上の利用、例えば、太陽電池や燃料電池等に応用する場合、桁違いの強度が必要であるが、充分であるとは言い難かった。その原因は、生成したクラスターは、クラスター生成室内に留まり、クラスター生成室外へスムースに出ていかないからであると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１１３０６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明の目的は、クラスタービームの強度を向上させるとともに、基板上に適切に堆積させることができ、クラスターを有効に利用できるクラスター成膜装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明によるクラスター成膜装置は、ターゲットを蒸発させてクラスターを生成するようにターゲットの蒸発面にレーザを照射するレーザ手段と、生成したクラスターを閉込めるクラスター生成室を有するクラスター生成本体と、基板をその成膜面がクラスター生成室内に臨ませられるように保持するホルダとよりなるものである。
【０００８】
この発明によるクラスター成膜装置では、生成されたクラスターは、クラスター生成室から取出されること無く、クラスター生成室内において基板の成膜面に堆積させることができる。
【０００９】
さらに、クラスター生成室を挟んでその一方の側にレーザ導入孔が、その他方の側に成膜窓がそれぞれ形成されており、レーザ導入孔の軸線は、成膜窓に貫通させられており、ターゲットの蒸発面は、成膜窓と相対しかつレーザ導入孔の軸線上に位置させられており、基板の成膜面は、成膜窓と相対しかつレーザ導入孔の軸線周囲に位置させられていると、クラスターの生成は、レーザ導入孔に向かって進行し、クラスター生成室のレーザ導入孔周面で反射させられて、逆向きに進行し、この間に、クラスターのもつ運動エネルギーが失われることによって、都合の良い条件で、基板の成膜面に適切に堆積させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、クラスタービーム強度をさらに向上させるとともに、基板上に適切に堆積させることができ、クラスターを有効に利用できるクラスター成膜装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明によるクラスター成膜装置の垂直縦断面図である。
【図２】同水平縦断面図である。
【図３】同クラスター成膜装置の要部分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下の説明において、前後とは、図１および図２の右側を前、これと反対側を後といい、左右とは、前方から見て、その左右の側を左右というものとする。
【００１３】
図１および図２を参照すると、クラスター成膜装置は、希ガスを充満させている上下端閉鎖垂直円筒密閉状真空容器11と、容器11内に前から後にかけて整列されているクラスター生成本体12と、基板ホルダー13およびターゲットホルダ14とよりなる。
【００１４】
容器11胴壁を周方向に等分しかつ平面視時計方向に並んだ４カ所には、前向きレーザ導入ポート21、左向き基板交換ポート22、後向きターゲット調整ポート23および右向きターボ分子ポンプポート24が設けられている。レーザ導入ポート21および基板交換ポート22間には左斜め前向きビューポート25が、ターゲット調整ポート23およびターボ分子ポンプポート24間には右斜め後向き真空ゲージポート26がそれぞれ設けられている。
【００１５】
クラスター生成本体12は、立方体ブロック状のもので、クラスター生成室31を有している。クラスター生成室31を挟んでその前側にレーザ導入孔32が、その後側に成膜窓33がそれぞれ形成されている。レーザ導入孔32は、レーザを通過させうるの大きさであれば良く、クラスタービームの流出を防止するために可及的に小さいことが好ましい。
【００１６】
クラスター生成室31は、前後方向にのびた長軸を回転軸とする回転楕円面31aによって区画されかつその楕円面31aの前方焦点31bおよび後方焦点31cを有している。レーザ導入孔32は、前方焦点31bより前方において楕円面長軸と一致させられている。成膜窓33は、後方焦点31cを含む垂直面によって後向きに開放されている。
【００１７】
基板ホルダ13は、垂直円板状基板ホルダ本体41と、基板ホルダ本体41外面の一部より基板交換ポート22に向かって左向きのびた水平状支持ロッド42とよりなる。基板ホルダ本体41前面には輪郭円形状基板収容凹部43が形成されている。基板収容凹部43の中心にはレーザ通過孔44が形成されている。レーザ通過孔44は、上記楕円面31a長軸上にあって、レーザ導入孔32と同軸である。レーザ通過孔44の周囲に４つの基板Sがその成膜面を前に向けて配列されている。
【００１８】
ターゲットホルダ14は、前後方向を厚みとする垂直扁平ブロック状ターゲットホルダ本体51と、ターゲットホルダ本体5の前面４隅から前向き突出させられかつ基板ホルダ本体41の外側を通過してその先端面をクラスター生成本体12の後面に固着させている水平スペーサバー52とを有している。
【００１９】
ターゲットホルダ本体51の左右方向中央には垂直貫通状ターゲット挿入孔53が形成されている。ターゲット挿入孔53の周壁にはレーザ照射孔54がレーザ通過孔44と同軸状形成されている。ターゲット挿入孔53には薄膜素材である垂直丸棒状クラスターターゲット材料Tが挿入されている。ターゲット材料Tには、図示しない駆動源によって、回転・直動運動が伝達されるようになっている。ターゲットホルダ14の後面中央には水平後方突出状支持ロッド61が連結されている。
【００２０】
レーザ光は、その光軸をレーザ導入ポート21およびターゲット調整ポート23の軸線に一致させるようにセッティングされる。さらに、レーザ光は、1000mmの焦点をもつレンズ（図示略）によってレーザ導入孔32のところで合焦させられかつターゲットTの円筒状表面の蒸発面にレーザ光が照射されるように調整される。また、ターゲットTの表面にレーザがまんべんなく照射され、ターゲットTの交換頻度を低減させるように、ターゲットTを回転および軸方向移動をさせられる。
【００２１】
成膜のメカニズムは、以下の通りである。
【００２２】
まず、パルスレーザをターゲット材料Tの蒸発面に照射する。材料表面は瞬時に蒸発するとともに、その蒸発原子が急激に気化したことにともなう衝撃波が発生する。衝撃波はある位相速度をもってクラスター生成室31内の希ガス中を伝搬する。その位相速度は蒸発した蒸気原子塊（プルーム）の群速度よりも大きい。衝撃波はクラスター生成室31の楕円面31aで反射して、前方焦点31b付近に収束する。後から進行してきた蒸気原子塊は収束した衝撃波と衝突して、希ガス密度が高まることによって、蒸気原子および希ガス原子の原子衝突回数が高まり、ここにクラスター生成領域が生じる。クラスター生成室31内の希ガスはレーザ導入孔32から自由に流出することは無く、その流出する流出量は小であるため、クラスター生成室31内のレーザ導入孔32付近の希ガスの圧力が次第に高くなり、それにつれて、反射衝撃波も強くなる。これにより、クラスター生成領域でクラスター化された蒸気原子塊は後向きに押し戻される。このときに、押し戻される蒸気原子塊のもつ運動エネルギーは、クラスター化されることによって失われる。その後、押し戻されたクラスターは、成膜窓33から流出し、基板Sの成膜面に堆積される。堆積時のクラスターの速度は大きく無いため、成膜させるために都合の良い条件となっている。
【００２３】
以下に、成膜条件を詳細に検証する。
【００２４】
クラスター生成室31の大きさは、蒸発した蒸気原子塊を所望の大きさのクラスターまで成長させることを可能とし、かつ、生成したクラスターを不必要に拡散させること無く、閉込めうることを必要とする。
【００２５】
クラスター生成室31が上記した楕円面31aによって区画されている場合、同楕円面31aの長軸半径R1：２０〜３０mm、その短軸半径R2：１５〜２０mm、体積換算：略２０〜６０cm3であり、好ましくは、長軸半径R1：２５mm、短軸半径R2：１８mm、体積換算：略３４cm3である。
【００２６】
レーザ導入孔32の径は、アライメントを考慮して、0.5mm以下であることが好ましく、最大１〜２mm程度である。この値を超えると、レーザ導入孔32を通じて、クラスターが流出し易くなる。
【００２７】
レーザのパルス幅は、数ナノ秒から数十ナノ秒のオーダである。レーザのエネルギーは、400mJ〜800mJ程度であることが好ましい。レーザの照射面積の大小にもよるが、そのエネルギーが小さ過ぎると、材料原子塊の蒸発が効率的で無く、大き過ぎると、材料が蒸発すること無く、溶融する可能性がある。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
この発明によるクラスター成膜装置は、レーザーアブレーション法によって基板上にナノクラスターを堆積させて成膜することを達成するのに適している。
【符号の説明】
【００２９】
12  クラスター生成本体
13  ホルダ
31  クラスター生成室
T  ターゲット
S  基板
【図１】
0005658956.tif 000002
【図２】
0005658956.tif 000003
【図３】
0005658956.tif 000004