(57)【要約】  本発明は、レーザアブレーションを利用するコーティング工程に適した走査構成及び方法を導入する。この構成は、長期にわたる工業的工程に適している。この構成は、環状の形状を有するターゲット（１５）を備える。レーザビームの方向（１２）は、環状ターゲット（１５）の中心軸に沿って位置する回転ミラー（１３）によって制御される。走査線は、ミラー（１３）が回転するとき、内側ターゲット表面に沿って円形に回転する。レーザビーム（１２）の焦点は、一定のスポットサイズを確保するために内側ターゲット表面上に位置するように配置されてもよい。リング形状、円筒形状又は円錐台形状のターゲット（１５）が使用され得る。これによって、ターゲットの内面は、コーティングされる基材（１７）に向かってアブレーションされた材料（１６）の放出方向を制御するためにテーパ状にされてもよい。
2018502994.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力レーザビーム（１２）を方向転換するための回転可能なミラー（１３）であって、当該回転可能なミラー（１３）の回転軸周りの実質的に円形の走査パターンに前記入力レーザビーム（１２）を方向転換し、前記回転軸が前記入力レーザビーム（１２）の方向と実質的に平行である、回転可能なミラー（１３）と、
環状に形成されたターゲット（１５）であって、当該ターゲット（１５）の中心点が前記回転可能なミラー（１３）の前記回転軸に沿って配置され、前記実質的に円形の走査パターンに沿ってターゲット材料（１６）を放出するために反射されたレーザビーム（１２’）が当該環状ターゲット（１５）の表面との接触（１５ｃ）を形成する、環状に形成されたターゲット（１５）と、
チャンバ（１８）であって、少なくとも圧力、温度及び当該チャンバ内に存在する可能性のある追加の材料を制御する能力を有し、前記回転可能なミラー（１３）、前記環状ターゲット（１５）及び基材（１７）が当該チャンバ（１８）内に位置する、チャンバ（１８）と、
を備えることを特徴とする、レーザアブレーションを利用する薄膜形成装置のための走査構成。
【請求項２】
レーザ源（１１，１１’）と、
前記レーザ源（１１，１１’）によって生成されたレーザビーム（１２，１２’）を操作するための光学手段（１４，２１，２２）と、
をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の走査構成を備える、薄膜形成装置であって、
放出されるターゲット材料（１６）によってコーティングされる基材（１７）をさらに備えることを特徴とする、薄膜形成装置。
【請求項４】
前記レーザ源（１１，１１’）と、前記光学手段（１４，２１，２２）と、前記ミラー（１３）の回転と、を所望の態様で制御する、制御手段（１１ｃ、１１ｃ’）を備えることを特徴とする、請求項２に記載の構成。
【請求項５】
前記環状ターゲット（１５）の内面が、テーパ状にされていることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項６】
回転機構が、前記入力レーザビーム（１２）が前記ミラー（１３）に案内されることができる中空管（５１）によって前記ミラー（１３）に結合されていることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項７】
前記回転ミラー（１３）が、複数の面を有することを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項８】
前記回転複数面ミラー（１３）が、回転回折光学素子に結合されており、前記回転回折光学素子が、単一の入力レーザビーム（１２）から複数のレーザビームを生成し、前記入力レーザビーム（１２）の方向と実質的に平行な回転軸を伴うことを特徴とする、請求項７に記載の構成。
【請求項９】
前記光学手段（１４，２１，２２）が、前記入力レーザビーム（１２）の偏光を変化させるように構成された回転光学素子を備え、前記回転光学素子が、前記ミラー（１３）の回転に同期されていることを特徴とする、請求項２に記載の構成。
【請求項１０】
前記光学手段（１４，２１，２２）が、前記入力レーザビーム（１２）の空間的強度分布を操作するように構成された手段をさらに備えることを特徴とする、請求項２に記載の構成。
【請求項１１】
前記レーザ源（１１，１１’）が、レーザパルスを出力することを特徴とする、請求項２に記載の構成。
【請求項１２】
前記ターゲットの表面（１５ｃ）に当たる前記レーザパルスが、Ｐ偏光、Ｓ偏光又は楕円偏光であることを特徴とする、請求項１１に記載の構成。
【請求項１３】
前記環状ターゲット（１５）の直径及び前記ミラー（１３）の回転速度が、前記ターゲット（１５）上の走査されたレーザスポットの速度が 少なくとも１ｍ／ｓとなるように選択されることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項１４】
前記環状ターゲット（１５）の直径及び前記ミラー（１３）の回転速度が、前記ターゲット（１５）上の走査されたレーザスポットの速度が 少なくとも１０ｍ／ｓとなるように選択されることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項１５】
前記環状ターゲット（１５）の直径及び前記ミラー（１３）の回転速度が、前記ターゲット（１５）上の走査されたレーザスポットの速度が 少なくとも１００ｍ／ｓとなるように選択されることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項１６】
前記回転可能なミラー（１３）の角度が、走査中に前記入力レーザビーム（１２）に対して変化することを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項１７】
前記レーザパルス（１２，１２’）のエネルギーが、前記ミラー（１３）の回転と同期して制御可能であることを特徴とする、請求項１１に記載の構成。
【請求項１８】
前記環状ターゲット（１５）が、その中心軸に沿って移動可能であることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項１９】
前記環状ターゲット（１５）が、前記ミラー（１３）の回転と比較して反対方向にその中心軸周りに回転されることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項２０】
前記環状ターゲット（１５）の回転速度が、０．０１ｒｐｍ及び１００，０００ｒｐｍの間であることを特徴とする、請求項１９に記載の構成。
【請求項２１】
前記光学手段が、集束レンズ（１４）であることを特徴とする、請求項２に記載の構成。
【請求項２２】
前記集束レンズ（１４）が、前記レーザビーム（１２，１２’）に沿って移動されることを特徴とする、請求項２１に記載の構成。
【請求項２３】
前記集束レンズ（１４）が、前記ターゲット（１５）の直線移動に同期して前記レーザビーム（１２，１２’）に沿って移動されることを特徴とする、請求項２２に記載の構成。
【請求項２４】
前記環状ターゲット（１５）が、金属、金属化合物、ガラス、石、セラミックス、合成ポリマー、半合成ポリマー、天然ポリマー、複合材料、無機又は有機のモノマー又はオリゴマー材料で作られていることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項２５】
前記環状ターゲット（１５）が、少なくとも２つの異なる材料の環状部分から構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項２６】
前記ミラー（１３）の反射率は、工程全体を通して、
・静的な機械的遮蔽物、及び/又は、
・移動する遮蔽物、管若しくはアパーチャ、及び/又は、
・電気的手段、及び/又は、
・磁気手段、及び/又は、
・前記ミラー（１３）の加熱、及び/又は、
・前記ミラー（１３）周りの圧力制御、及び/又は、
・気体の流れ、及び／又は、
・レーザ洗浄、及び/又は、
・イオン衝撃、及び/又は、
・前記ターゲット（１５）と前記ミラー（１３）との間の犠牲層、
によって維持されることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項２７】
前記環状に形成されたターゲット（１５）が、リング形状、円筒形状又は円錐台形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項２８】
基材（１７）に１つ以上のコーティング材料（１６）をコーティングするためのレーザアブレーション及び堆積方法であって、
レーザ源（１１，１１’）においてレーザビーム（１２）を生成するステップと、
前記レーザビーム（１２，１２’）を光学手段（１４，２１，２２）によって操作するステップと、
を備え、
当該方法が、
入射レーザビーム（１２）を回転可能なミラー（１３）へと導くステップであって、前記回転可能なミラーが、前記入射レーザビーム（１２）の方向と実質的に平行な軸周りを回転し、これによって、前記ミラー（１３）の回転軸周りに実質的に円形の走査パターンを生成する、ステップと、
環状ターゲット（１５）の表面上に、反射されたレーザビーム（１２’）を導くステップであって、前記ターゲット（１５）の中心点が、前記回転可能なミラー（１３）の回転軸に沿って配置され、コーティング材料が、前記実質的に円形の走査パターンに沿って材料の羽毛状体（１６）として前記ターゲット（１５）から放出される、ステップと、
コーティングされた基材を得るために、放出された前記材料の羽毛状体（１６）を前記基材（１７）上に導くステップと、
をさらに備え、
レーザアブレーション及び放出されたターゲット材料（１６）の堆積が、チャンバ（１８）内で実施され、前記回転可能なミラー（１３）、前記環状ターゲット（１５）及び前記基材（１７）が、前記チャンバ（１８）内に位置し、前記チャンバ（１８）が、少なくとも、圧力、温度及び前記チャンバ内に存在する可能性のある追加の材料を制御する能力を有することを特徴とする、方法。
【請求項２９】
コーティングされる前記基材を、前記環状ターゲット（１５）から選択された距離及び角度で保持するステップであって、前記基材（１７）が、前記入射レーザビーム（１２）と比較して前記ターゲット（１５）の反対側に位置する、ステップを備えることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記環状ターゲット（１５）の表面から放出された前記材料の羽毛状体（１６）内で前記基材（１７）を移動及び／又は回転させるステップを備えることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記チャンバ（１８）に、レーザアブレーション及び堆積中に、制御された圧力でバックグラウンドガスの制御された流れが提供され、前記バックグラウンドガスが、不活性又は反応性であることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
アブレーションされ放出された材料（１６）が、電場によって又は磁場によって又は両方によって影響されることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
堆積工程が、イオン源からのイオン衝撃によって影響されることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項３４】
前記基材（１７）が、電気的にバイアスされることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項３５】
前記ターゲット（１５）と前記基材（１７）との間に、物理的遮蔽物が配置されることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項３６】
前記物理的遮蔽物が、工程中に移動するように構成されていることを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記物理的遮蔽物が、前記ミラー（１３）の回転と同期して回転するように構成されていることを特徴とする、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記基材（１７）が、平面状の曲げることが可能なシートを形成し、前記基材（１７）が、第１のロールから堆積領域に放出され、堆積後に第２のロールに集められるように、さらに構成されていることを特徴とする、請求項３０に記載の方法。
【請求項３９】
コーティングされた基材（１６，１７）が、リチウムイオン電池の構成要素、センサ若しくはセンサ装置の構成要素、又は、切削工具構成要素であることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項４０】
入力レーザビーム（１２）と反射されたレーザビーム（１２’）との間の角度がαであり、０＜α＜１８０°であることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項４１】
入力レーザビーム（１２）と反射されたレーザビーム（１２’）との間の角度が、実質的に９０°に等しいことを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、様々な材料を良好な表面品質でコーティングするために使用される、レーザアブレーション工程に関する。より具体的には、本発明は、粒子及び／又はプラズマを生成するために、ターゲットから材料を除去するための新しい方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザアブレーションは、非常に短い時間長さであるが比較的高い周波数で生成されたレーザビームが材料のターゲット片に向かって導かれる、微粒子及びプラズマ流を生成するための工程である。ターゲット材料の小片及び粒子の放出後、放出された材料は、次に、所望の物理的要素又は表面の上にコーティングを生成するために、コーティングされることが望まれる材料に向かって導かれる。必要であれば、コーティングは厳しい品質要件を満たすことができる。工程は、レーザパルスの特性（エネルギー、パルス長、パルス周波数）、ターゲット材料の選択若しくは材料構造を変更することによって、又は、場合によってはいくつかの別々のターゲットを使用することによって、異なるタイプのアプリケーションのために変更することができる。さらに、工程は、ターゲット、レーザ源及びコーティングされる表面の間の距離を変化させることによって変化され得る。さらに別の可能性は、例えば、レーザパルス操作のための（移動ミラーのような）回転する反射面を使用することによってレーザパルスを制御し方向を変えることである。処理チャンバ内の温度、圧力、及び、場合によっては追加の有効なガスを使用することが、コーティングの生成のためのさらなる制御可能性を与える。
【０００３】
従来技術では、文献米国特許第５７６０３６６号（Ｈａｒｕｔａ１）は、薄膜形成に使用されるレーザアブレーション構成のための膨大な数の異なる構成を開示している。Ｈａｒｕｔａ１は、チャンバを利用し、レーザビームはレンズ及びミラー構成を通じてチャンバ内のターゲットに導かれ、ビームはチャンバ内の孔を通して進む。Ｈａｒｕｔａ１はまた、放出された羽毛状体（plume）を基材の方に向けるために、ターゲットのすぐ近くに磁場を加える。図３９は、レーザを制御する２つのミラーの例を示しており、レンズは第１のミラーの前に配置されている。また、いくつかの別個のターゲットを同じアブレーションチャンバ内で使用することができる。
【０００４】
さらなる文献米国特許第６０３３７４１（Ｈａｒｕｔａ２）は、ターゲット表面への照射が均一な光強度分布を有するようにレーザビーム断面が形成され得ることを除いて、Ｈａｒｕｔａ１のようなある程度類似の構成を開示する。Ｈａｒｕｔａ１及びＨａｒｕｔａ２の両方において、図３７〜図３８には、レーザパルスが集光レンズを通して供給されるターゲット走査構成が示されている。入射ビームに対して相対角度を変えることができるミラーがあり、その結果、パルスを円筒形状の原料ターゲットの内周の方に向けることができる。ターゲットとのレーザパルスの作用角（effecting angle）は鋭角であり、すなわち明らかに９０度未満であることは注目に値する。基材は、円筒形ターゲットの開口方向に配置されることができ、加えて、基材は加熱され得る。図３８によれば、ターゲットは、独特な切断された円錐形状を有する。結果は、斜めに分割されたターゲット材料片である。引き続き、レーザビームは、レーザパルスのための最後の方向制御要素（ミラー「８」）がアブレーションチャンバの外側に位置するように、ターゲットと接触するように導かれる。ターゲットとのビームの到来角も明らかに９０度未満である。
【０００５】
次に、Ｒｏｄｅによる文献米国特許第６３１２７６８号は、非晶質及び結晶膜構造を生成するための超高速パルスレーザ堆積法を開示している。Ｒｏｄｅは、レーザ源を有し、そのレーザパルスは、パルスがチャンバ内のターゲット表面に到達する前に、いくつかのミラーを介して及びレンズを通して導かれる。Ｒｏｄｅのチャンバは、反応性又は非反応性のバッファガスを含む可能性がある。Ｒｏｄｅは、パルス長においてピコ秒〜フェムト秒の範囲を使用し、パルスの繰り返し速度は、典型的には約１０ｋＨｚから数１００ＭＨｚまで変化する。Ｒｏｄｅの目的は、ターゲットから放出される成分の速度を変えることであり、これによって、ターゲットに到達するレーザパルスに起因するパルス状の材料放出にもかかわらず、基材に到達する成分が原子粒子の実質的に連続した流れを形成する。ターゲットと接触するレーザパルスは、固定されたターゲット上でレーザビームを導くことによって、又は、入射レーザビームの固定方向にターゲットを移動させることによって、導かれることができる。
【０００６】
バーコード走査装置におけるレーザビームの方向制御に関して、米国特許第４６９９４４７号（Ｈｏｗａｒｄ）は、一連の反射面を組み込んだ「かご形」構造を開示している。レーザアブレーション工程と比較して適用領域が異なるが、斜めに位置する第１のミラーと、レーザビームのための第２の反射面として作用するバスケット内壁と、があることは注目に値する。実際には、第２の反射面は、６つの互いに固定された斜面部分から形成されている（図１参照）。第１のミラーは、バーコードを読み取るための装置から外側に所望のレーザビームの流れパターンが形成されるように、モーター手段を用いてバスケット状表面に対して回転し得る又はその逆であり得る。
【０００７】
第２の種類のバーコードスキャナは、米国特許第４８７０２７４号（Ｈｅｂｅｒｔ）に示されている。この装置は、主にＨｏｗａｒｄのような同種の装置構造を有している。Ｈｅｂｅｒｔでは、回転構成要素は、斜めのミラー表面を備えるスキャナの透明な中間要素に存在する。周辺ミラー表面の固定アレイからの第２の反射によって、ビームは、スキャナから外側に向けられることができる。装置はまた、バーコードが位置する「点灯（lit）」表面から後方散乱を収集し、装置の検出部において、全体的な光ビームの流れは、反射した後方散乱が撮像レンズを通して検出撮像素子に到達するまで、上記の要素を反対方向に伝わる。
【０００８】
米国特許第８８２８５０６号（Ｒｕｕｔｔｕら）は、ミラー表面の法線に対して垂直に位置する軸の周りを回転する複数の反射ミラーを有するタービンスキャナを開示している。したがって、タービンスキャナの断面は、例えば実施例に示されているように８つのミラー表面であるが、数十又は数百などのより高い数も可能であるミラー表面によって、多角形を形成する。提示されたタービンスキャナは、高レベルのレーザ放射を許容する。ミラー表面の数、面の間の各角度、及び、タービンスキャナの回転速度は、ターゲットに到達する反射された後続のレーザパルススポットがターゲット上で部分的に重なるように設定される。Ｒｕｕｔｔｕの構成の欠点は、複雑で高価な光学部品であり、さらに利用可能なレーザエネルギー又はパワーの８０％の利用を意味する８０％のデューティサイクルであることである。
【０００９】
上記の従来技術から、現在の解決策は、レーザアブレーション方法において、生成されるプラズマの羽毛状体、したがって放出される材料の流れが連続的、均質かつ安定である、単純でさらに効果的なターゲット処理方法を提供しないことが明らかである。また、現在の方法におけるデューティサイクルは、走査線が完全に滑らかで均一な方法でターゲット材料を刻まないので、最適ではない。
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、レーザアブレーションを通じた材料のレーザ加工に関し、より具体的には、レーザビーム（好ましくは短いレーザパルス）と、材料源としてふるまうターゲット材料と、の相互作用が、材料の放出へと導き、適切な条件下で、放出された材料は、物体又は基材とも呼ばれる要素の表面上に収集され固定され得る、パルスレーザ堆積法（ＰＬＤ）の工程に関する。工業用コーティング工程に対する要件は、高処理量、信頼性、広い表面積で均一にコーティングを製造する能力、堅牢性、より高い処理量への変更可能性、及び、より大きな表面積を生成するための変更可能性が含まれるが、これらに限定されない。環状ターゲット、回転ミラー、及び、基材を保持及び操作するための手段を含むパルスレーザ堆積工程のための方法及び構成は、上述の要求、及び、高繰り返し速度（＞１００ｋＨｚ）で印加される超短レーザパルス（１００ｐｓ未満のパルス長を有する）を利用する超速パルスレーザ堆積工程の要求にも、対処する。
【００１１】
本発明の目的は、ターゲット構成の直接的な寸法の変更可能性を通じて、大規模な工業用コーティング工程におけるパルスレーザ堆積法の利用を可能にするパルスレーザ堆積工程のための構成を提供することである。これは、ターゲット材料の別の形状を、アブレーション工程におけるいかなる中断も伴わないターゲットの連続走査に適した構成と、組み合わせて使用することを意味する。
【００１２】
ターゲットとのレーザビームの相互作用は、レーザ特性及びターゲット材料特性に依存する。レーザ特性は、材料上のビームの波長、パルス長、パルスエネルギー及び強度、レーザスポットサイズ、空間及び時間強度分布、偏光、並びに、入射角を含む。一方、ターゲット材料特性は、表面トポグラフィ、品質（密度、粒度、均質性）、比熱、熱伝導、気化熱、温度、結晶構造及び配向、並びに、材料の熱力学的状態を含む。
【００１３】
さらに、工程は特質上動的であり、相互作用条件及び材料特性は、単一の超短レーザパルス中であっても必ずしも一定ではないことに留意しなければならない。プラズマの形成はピコ秒時間スケールで行われ、これはそれよりも長いパルスを意味し、高い繰り返し速度の処理及びレーザパルスのバースト（短い時間間隔を有する）が、アブレーション工程において形成されるプラズマとのレーザパルスの相互作用を同様に含む可能性がある。別の問題として、プラズマ膨張は、レーザ／物質及びレーザ／プラズマの相互作用の性質に依存し、さらには気体分子との相互作用を意味する環境内の圧力に依存する。プラズマは空間分布を有し、それは放出された種のイオン化の程度、サイズ、速度及びエネルギーによって特徴付けられ得る。
【００１４】
レーザパルスは、全体的な繰返し速度に比べて高い繰返し速度で印加される２つ以上のパルスを含む、時間的に等しく分離されたレーザパルス又はレーザパルスのバーストの連続列として印加されることができる。さらに、連続列のレーザパルス又はレーザパルスのバーストは、ターゲットの特定の領域又は部分をアブレーションするために、特定のパルス又はバーストをスキップするように制御されることができる。これは、基材上に堆積される材料の分布の制御を提供する。
【００１５】
いくつかの場合には、レーザパルスの相互作用が固体材料とであり、レーザアブレーション工程において生成されたプラズマによってレーザエネルギーが吸収されないように、連続するレーザパルス間に適切な空間分離を得ることが好ましい。高いパルス繰返し速度の場合、これは、レーザパルスの走査が高速で行われる必要があることを意味する。一方、生産速度及び材料除去速度は、繰り返し速度に依存する。したがって、高走査速度を可能にすることにより、より高い生産速度が可能になる（すなわち、最大堆積速度の限界を増大させる）。これらの事実を考慮に入れて、パルスレーザ堆積法に基づく工業用コーティング工程を実現するためには、パルスレーザビームの高走査速度を生成するための信頼できる安定した方法が必要である。
【００１６】
文献Ｒｏｄｅによって言及されているように、巨視的な粒子及び小滴、並びに、ナノ秒レンジのパルスレーザ堆積法に一般的な粒子は、レーザパルスに対してピコ秒及びフェムト秒の長さを使用し、かつ、ｎｓレンジＰＬＤでのはるかに低いレーザパルスエネルギーを、より高いパルス繰り返し速度（通常、数十Ｈｚの代わりに数ｋＨｚから数ＭＨｚ）と組み合わせて使用することによって、避けることができる。
【００１７】
例えばエピタキシャル成長を使用して構造化薄膜の成長をもたらす基材表面上の原子の連続的な流れの生成において、適切な繰り返し速度及びターゲット基材間距離を選択することによって、レーザパルスの高い繰り返し速度を利用することができる。
【００１８】
レーザパルスは、透明な蒸気の領域内でレーザ−ターゲット間の相互作用を維持するために、蒸発工程中にターゲットの表面を横切って走査される。これは、レーザビームを導くことによって、又は、ターゲットの移動によって、達成することができる。また、ターゲット表面上の同じスポットに衝突するレーザパルスを禁止することによって、ターゲット表面上の不都合なくぼみの形成を回避することができる。
【００１９】
レーザビームは、タービンスキャナと呼ばれる構成を介して導かれることができる。タービンスキャナは、共に多角形を形成する複数のミラー表面によって形成される。表面の数は、３から１０又は数百の表面であってもよい。タービンスキャナの回転軸は、ミラー表面の表面法線ベクトルから９０度に位置してもよい。ミラーはまた、回転軸に対して斜めの位置に位置してもよい。多角形状のミラー構造は、大きな角速度で回転することができ、タービンスキャナのサイズは、使用する用途に関して自由に選択することができる。基本原理は、反射されたレーザパルスがターゲット表面上に走査線又は所望の走査線パターンを形成するように、タービンスキャナの速度をパルスレーザ源と相互に制御することである。タービンスキャナはまた、従来技術の解決策で可能であったものよりも大きな走査幅を可能にし、その結果、一つの同一のレーザ装置でより広い表面積のコーティングが可能となる。したがって、タービンスキャナを使用することによって良好な作業速度が達成され、生成された表面も同様に均一にすることができる。
【００２０】
本発明の重要な特徴として、ターゲットは、環状、すなわち円形状に形成されている。本発明の好ましい実施形態では、レーザビームに影響を与える最後の反射要素（ミラー）は、環状ターゲットの中央スポット内に配置される。したがって、ターゲットを横断する走査線も、本質的に円形である。環状ターゲットの直径を大きくすることにより、以下の利点が得られる。ミラーの回転速度が同じであれば、ターゲット表面上のより高い走査速度が可能である。より大きい曲率半径は、照射レーザスポット及びアブレーションされた材料の噴流の下での湾曲に関連する影響がより少ないことを意味する。更なる利点は、走査光学系からの距離が増加すると、光学系上に蓄積する有害な材料の密度が小さくなることを意味する。アブレーション工程のためのより大きな表面積は、同じ材料除去速度で全体の摩耗が遅くなることも意味する。最後に、環状ターゲットのより大きな曲率半径の結果として、より大きな領域に材料を堆積させることもできる。
【００２１】
環状ターゲットを有するパルスレーザ堆積構成は、例えば単一の真空システムのフランジ上に搭載された独立型のユニットとして実現することができ、そのような特別に形成されたターゲットは、選択された種類の基材上に堆積される材料の供給源として既存のコーティング構成に取り付けることができる。このタイプの構成はまた、これらの材料源ユニットの迅速な交換、及び、複数の材料源ユニットを１つのコーティングシステムチャンバ内に配置して材料処理量を増加させることを可能にする。途切れない工程を保証するために、環状ターゲットを直列又は並列に配置することができる。環状ターゲットの直列接続は、第１の環状ターゲットが完全に摩耗したときに、わずかに大きな半径を有する第２の環状ターゲットが、到着するレーザパルスと接触することを意味し、工程は必要なだけ長く続くことができる。環状ターゲットの並列接続は、同じ曲率半径を有するいくつかの環状ターゲットがあり、ターゲットが互いに重なり合って位置し、円筒状に形成されたターゲット領域を一緒に形成することを意味する。この種の複数のターゲットの構成では、第１のターゲットが摩耗し、第２のターゲットがアブレーションされたときに、スキャナミラー又はターゲットが垂直に移動する必要がある。第２の選択肢は、アブレーション工程下のターゲットが第１のターゲットから第２のターゲットに切り替えられるとき、レーザビームをわずかに斜めの角度に向けることである。
【００２２】
円形走査構成は、パルスレーザ堆積方法で以前に適用された従来の走査技術と比較されたときに、以下の利点を有する。工程は連続的であり、回転ミラーを含むガルバノメトリック走査に典型的な加速及び減速サイクルに関連する転換点は存在しない。さらに、工程全体を通して一定の走査速度が得られる。さらに、多角形スキャナのミラーエッジに起因してレーザエネルギーが失われない。これは、１００％の効率を有さない多角形スキャナのものと比較して、利用可能なレーザパワーの完全な１００％利用を意味する。さらに別の利点として、より複雑な走査レンズ及びfθテレセントリックレンズの代わりに単純な光学系によって焦点を当てると、走査レンズ、走査フィールド平坦度、テレセントリシティ誤差又はたわみ（bowing）（多角形スキャナに存在する）に関する妥協点はない。より単純な光学系の結果として、コストはより低くなる。最後に、走査レンズは製造上の限界を含むため、光学系に関する寸法の変更可能性の制限が存在しない。しかしながら、ターゲットの製造が、ターゲットの直径が増加するにつれて幾分より困難になる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】パルスレーザ堆積法（ＰＬＤ）を利用するコーティング工程を全体的に示す。
【図２】所望の種類のレーザパルス又はレーザパルスフロントを生成するのに使用され得るタービンスキャナの例を示す。
【図３】本発明に係るターゲットの環状形態の実施形態を示しており、ターゲットは、パルスレーザ堆積工程で使用可能である。
【図４】本発明の実施形態に係る走査構成の断面正面図を示す。
【図５】回転ミラー周りの保護囲いの例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明は、回転ミラーと円形状のターゲットとを備える薄膜形成装置のための走査構成及び方法を含むレーザアブレーション及び堆積構成並びに方法を導入し、灯台形タイプの走査装置をもたらす。円形状のターゲットは、リング状に形成された又は円筒状に形成されたターゲットであってもよく、すなわち、走査ビーム（出力ビーム）の平面上の断面は実質的に円である。したがって、この構成は、物理的構成要素で形成され、ここでは、レーザ源がエネルギー源であり、要素がレーザエネルギーを制御してレーザエネルギーと相互作用し、レーザビームの接触の結果としてターゲットから放出される材料が、最終形態、すなわち、基材上のコーティングとなる。少なくともターゲットと接触するレーザビーム及び基材へと流れる材料は、好ましくは、真空チャンバの内部に配置され、レーザアブレーションのための制御可能な環境を提供する。装置及び対応する方法は、基材（要素、構成要素、小表面若しくは大表面、又は、別の薄膜）を、ターゲット由来の１つ又は複数のコーティング材料でコーティングすることを可能にする。
【００２５】
最初に、図１を参照して、例えば所望の表面上に良好な品質のコーティングをつくりだすためのパルスレーザ堆積法を全体的に説明する。この図では、ターゲットは、説明の目的のみのために、単純な矩形要素として簡略化されており、実際の発明では、ターゲットは、より詳細な態様で説明される。
【００２６】
本発明の方法を実現するための基本的な構成は、レーザ源１１，１１’と、レーザビーム（レーザパルス）を案内する光路１２，１２’と、少なくとも１つの集束レンズ１４と、から成り、アブレーションは、真空チャンバ１８内で行われる。真空チャンバ１８内には、回転走査ミラー１３、ターゲット１５の保持及び操作（例えば、移動及び／又は回転）を可能にする機構を伴う環状ターゲット１５（図示の目的のために矩形のターゲットブロックとして図において簡略化されている）、並びに、保持手段及び基材１７の操作（例えば、移動及び／又は回転）を可能にする機構を一緒に伴う基材１７、のようなレーザビーム操作要素が存在する。アブレーション構成の追加の特徴は、レーザパルス制御（パルスピッキング）のための制御手段１１ｃ、１１ｃ’と、レーザパルスの特性（例えば、偏光、強度分布、複数のビームレット（beamlets）へのビーム分裂）を変更するための光学素子と、回転走査ミラー１３を材料の蓄積から保護する手段（静的遮蔽物及び隔壁、動的遮蔽物及び隔壁（例えば、走査ミラーと共に回転する）、電場及び／又は磁場、加熱要素、気体流構成）と、空間的及び時間的の両方でアブレーションされた材料の流れを選択的に操作するターゲットと基材との間の静的及び動的遮蔽物と、である。一実施形態では、制御手段１１ｃ、１１ｃ’は、レーザ源１１，１１’だけでなく、レンズの可能性のある移動又は焦点合わせのような光学素子も制御してもよく、さらに、制御手段（又はコントローラ）１１ｃ、１１ｃ’は、環状ターゲット１５上のターゲット接点１５ｃに向けてレーザパルスを導くために、回転ミラー１３の回転を制御してもよい。言い換えれば、本発明の一実施形態によれば、この構成は、レーザ源１１，１１’と、光学手段（レンズ及び可能なタービンスキャナ）と、ミラー１３の回転と、を所望の態様で制御する、制御手段を備える。後者は、回転可能なミラー１３によって方向及び角速度並びに可能な走査線パターンを選択することを含む。
【００２７】
説明及び特許請求の範囲の文脈では、少なくとも１つの集束レンズ１４及び可能なタービンスキャナ２１，２２（図２の説明を参照）は、上に述べた光学素子とともに、ともに特許請求の範囲で特定された光学手段の一部である。光学手段は、１つ以上のそのようなレーザビームのための操作要素を含む。集束レンズ１４又はいくつかのレンズは、１つのレンズ又は複数のレンズがレーザビーム１２，１２’の方向に、すなわち伝播するレーザビームに沿って移動し得るように配置されてもよい。一実施形態では、集束レンズ１４は、ターゲット１５の直線移動に同期してレーザビーム１２，１２’に沿って移動される。
【００２８】
回転ミラー１３は、入射レーザパルスに対向する反射表面が設けられた単純な矩形の平面の２次元片であってもよく、矩形のミラー部分は、斜めに位置する回転軸周りに回転可能である。そうでなければ、回転ミラー１３は、ミラーのある外面を伴う断面三角形の要素であることができ、要素は、例えば、逆さまに向きを変えられた角錐形を有してもよい。好ましい実施形態では、回転ミラー１３の回転軸は、入力レーザビームの方向と実質的に平行である。
【００２９】
集束レンズ１４又はレンズは、レーザパルス経路１２，１２’に沿ってどこにでも位置することができる。したがって、レンズ１４は、レーザ源１１（又は１１’）とミラー構成１３との間に位置することもできる。タービンスキャナオプションは、図２でより詳細に説明される。
【００３０】
一実施形態では、光学手段（又は上述の光学素子）１４，２１，２２は、入力レーザビーム１２の空間的強度分布を操作するように構成された手段をさらに備える。
【００３１】
レーザ源１１は、パルスレーザ又は連続波レーザであることができ、工程に適したレーザ特性及びパラメータで動作することができる。本発明の好ましい実施形態では、レーザ源１１は、レーザパルスを生成する。さらなる実施形態では、レーザ源１１は、２つ以上のレーザパルスを含むパルスバーストを生成することができる。
【００３２】
一実施形態では、レーザ源１１及びそのコントローラ１１ｃは、真空チャンバ１８の外側に配置される。レーザパルスは、真空チャンバ１８の壁内に位置する窓１８ｗを通じて真空チャンバ１８の内部に供給される。本発明の他の可能な実施形態では、レーザ源１１’及びコントローラ１１ｃ’も、アブレーションチャンバ１８内に配置される。このオプションでは、レーザパルスを生成するレーザ源１１’、パルスの操作要素、ターゲット１５のターゲット接点１５ｃにおける材料１６のアブレーション、及び、放出された材料でコーティングされる基材１７は、すべて真空チャンバ１８内に配置され、したがって、方法ステップは真空チャンバ１８内で実施される。ターゲット接点１５ｃは、材料放出工程中にターゲット表面上に急峻な孔が形成されるのを避けるために、ターゲット１５の内面を所望のパターンで移動する。
【００３３】
この構成は、少なくとも、圧力及び温度、並びに、真空チャンバ１８内に存在する可能性のある追加の材料（流入及び／又は流出）を制御する能力を備える。言い換えれば、チャンバ１８には、レーザアブレーション及び堆積中に制御された圧力でバックグラウンドガスの制御された流れが提供される。バックグラウンドガスは、不活性又は反応性であってもよい。追加の材料は気体の形態であってもよいが、いくつかの有用な実施形態では、アブレーション工程に対して液体浸漬も可能である。
【００３４】
図２は、レーザ源１１，１１’と回転ミラー１３（後者は図２に示されていない）との間の光学ツール（光学手段の一部）として使用することができるタービンスキャナの例を示す。タービンスキャナは、入射レーザパルスを、単一平面上を伝播するレーザパルスフロントへと処理する。タービンスキャナの構造は、多角形として形成することができ且つその軸周りに回転可能な回転ミラー表面２１を含む。ミラー表面の間の角度は、結果として生じる反射されたレーザパルスが扇形のレーザビームの組を形成するように選択することができる。反射されたパルスは、テレセントリックレンズ２２に導かれ、テレセントリックレンズは次に、入射する反射されたパルスを実質的に平行なレーザビームの組２３へと処理する。処理されたレーザパルスフロント２３は、さらなるレンズ又は複数のレンズ（図２に示されていない）、例えば図１に示されたレンズ１４又はミラー１３の前に位置する何らかの他のレンズへと、引き続き導かれてもよい。最後に、処理されたレーザパルスフロントが、回転可能なミラー１３と接触する。タービンスキャナ２１，２２の動作は、既に上述した同じコントローラ１１ｃ、１１ｃ’によって制御されてもよい。
【００３５】
図３は、本発明の好ましい実施形態に係るターゲット１５をより詳細に示す。ターゲットは環状に形成され、好ましくは図３に示されるように、上から見たときに完全な円を形成する。実際に、ターゲット１５は、リング状の形状、すなわち円筒形の壁構造の薄い部分を形成してもよい。ターゲット１５の中心点は、回転可能なミラー１３の回転軸に沿って配置されている。したがって、環状ターゲット１５の中心点は、回転可能なミラー１３の反射点と同じであってもよいが、中心点は同様に、図３に示すように、環状ターゲットの表面が水平に配置されている場合には、ミラー１３の真上又は真下に位置してもよい。したがって、ミラー１３におけるレーザビームの反射角αは、実質的に９０度に等しくてもよいが、他の実施形態では、反射角αは、０＜α＜１８０°を満たす角度値から自由に選択されてもよい。回転ミラー１３（レーザビームのためのその有効反射点を意味する）が環状のリング状ターゲットの中点に配置されるときに、反射点からターゲット表面までの距離は、常に一定に保たれる（ターゲットの磨耗が考慮されない場合）。アブレーション工程がオンにされるときに、反射要素１３は、第１の実施形態において、反射要素が一定の角速度で回転されるように制御される。その結果、レーザビーム１２’は滑らかかつ均一な態様で環状ターゲットの内面に影響を与えることになる。言い換えれば、回転ミラーは、灯台と同様に機能し、その結果は、環状ターゲットの内面の実質的に円形の走査パターンである。
【００３６】
図４は、図３に既に示された同じ構成の別の種類の視点を示す。図４は、構成の真ん中に位置する垂直平面で「切断」された断面正面図である。入力レーザビーム１２は、真空チャンバ１８の下方の構成に到達する。ビーム１２は、中空の管５１又は導管内に進み、そこで窓１８ｗを通過し、これによって、チャンバ１８内に到達する。回転ミラー１３は、ビーム１２の伝播経路内に斜めに配置され、ミラー１３の回転軸は、この図においては、垂直に向けられている。ビームは、ビーム１２’として水平方向に反射する。ミラー１３が完全な円を回転する間、それぞれの反射されたビーム１２’は、一緒に水平走査面を形成する。反射されたビーム１２’と環状ターゲット１５のテーパ内面との接点は、スポット１５ｃである。アブレーションの結果は、材料の羽毛状体（plume）１６であり、材料の羽毛状体は、ターゲットへの斜めの到来角の結果として傾斜した方向を上向きに指し示す。この方向には、放出された粒子を受け取る準備ができている基材１７も位置する。材料の羽毛状体１６が基材１７と接触するとき、材料の羽毛状体は基材上に粘着し、基材上にコーティングを形成する。その結果はすなわち、ターゲット材料から基材シート又は構成要素上に形成された薄膜であって、工業的に本格的な態様及び速度でコーティングを製造することができる。
【００３７】
図５は、回転走査ミラー１３を保護するために使用される保護囲いの例を示す。図５の上部は、上からの構成を断面として示しており、下部は、側面図として及び同様に断面図として示されている。このような構成は、ミラー１３上のターゲット材料の蓄積を防止するために使用される。入力レーザビーム１２は、ミラー１３に向かって中空管５１を通じて進んでもよく、入力レーザビーム１２の方向は、中空管５１の軸に対して平行である。反射されたビーム１２’は、ミラー１３から保護遮蔽物構造５２内の隙間を通じてターゲットに向かって伝搬する。この例では、５つの保護壁片５２が保護囲い内に配置される。当然のことながら、ミラー１３の保護に必要な要求される有効性に応じて、いくつかの他の数の保護壁が存在してもよい。ターゲットとの接点は、当然のことながら、最も遠い防護壁片の外側に位置する。保護壁５２は、好ましくは円形に形成され、環状ターゲット内に中心に位置する。壁片５２は、第１、中央及び最後の片が上部ベースプレート５３に固定され第２及び第４の片が底部ベースプレート５４に固定されている図に示す態様とは反対の態様で、囲いベースに固定されてもよい。上部ベースプレート５３に固定された片は、反射されたレーザビーム１２ ’が伝搬することができる孔を有する。本発明の原理にしたがってミラー１３及び中空管５１が回転するとき、第１、第３及び第５の壁片と共に上部ベースプレート５３も回転する。底部ベースプレート５４は、第２及び第４の壁片とともに、上部囲い部分に対して静止したままである。さらに、保護壁の間の選択された隙間に気体を供給することができ、これに対応して、例えば保護壁の間の何れか他の隙間から、気体を排出することも可能である。このような例示的な回転遮蔽物構造は、回転ミラー１３に直接的又はほぼ直接的に戻るように目指す放出された材料を効果的に収集する。
【００３８】
ターゲット１５上の走査の効果は、環状ターゲット１５をその中心軸周りでミラー１３の回転と比較して反対の方向に回転させることによって向上され得る。これは図３の矢印によって示され、このようなターゲットの回転は、ターゲット１５上の有効走査スポット速度を増加させる。１つの実施形態では、環状ターゲット１５の回転速度は、０．０１〜１００，０００ｒｐｍの間の値から選択される。
【００３９】
一実施形態では、回転ミラー１３は、複数の面を有する。さらに別の実施形態では、単一の入力レーザビーム１２から複数のレーザビーム（ビームレット）の回転する束を生成する、入力レーザビーム１２に沿った回転軸を伴う回転回折光学素子が、回転複数面ミラー１３に結合される。
【００４０】
回転可能なミラー１３のさらに別の実施形態では、ミラー１３は角錐形状に形成される。このような角錐タイプのミラーが上下逆さまに配置され、例えば円状に配置された入力レーザビーム１２の束に向けられるとき、反射されたビーム１２’は、角錐が垂直軸周りで回転されるときに水平ビーム平面を形成する。角錐の回転速度と共に、束内のレーザビームの量、生成された束の可能な回転を選択することにより、結果として得られる走査パターンは、環状ターゲット１５の内面でより複雑になる。材料の羽毛状体は、ミラー１３が四角錐の場合、ミラーの回転角に無関係に、束の少なくとも１つのレーザビームが角錐側面の三角形の各々に接触するとき、例えばターゲット周りの４つの異なる位置１５ｃに同時に生成されることができる。そのような実施形態は、工程をさらにより迅速にし、より短い時間でより大きなシート領域をコーティングするのに適している。
【００４１】
レーザパルス又はビームの平行な束を生成する際には、前述した回折光学素子が使用されてもよい。別の選択肢は、レーザ源１１と回転ミラー１３との間にタービンスキャナを含めることである。さらに別の選択肢は、単一のレーザビームをビーム又はビームレットの束に分割するいくつかのレーザ源又は他の種類の光学手段を有することである。
【００４２】
実質的に円形の走査パターンとは、ミラー構成が既に少なくともしばらくの間回転した後に、環状ターゲット１５周りの全ての接触スポット１５ｃによって一緒に形成される形状を意味する。ミラーが斜めの角度で回転する単純な２次元ミラー表面である場合、反射されたビーム１２’は、連続した円を形成する。平行（例えば、円形又は正方形）なレーザビームを組み込んだレーザパルスの束と一緒に角錐タイプのミラー１３が使用される場合、バンドルの中心が、ここでは直下を向く角錐の頂点を目指し、得られる接点１５ｃは、ターゲット１５の内面の４つの部分の材料を同時にアブレーションするが、最終結果は、接点１５ｃの３６０度の適用範囲であり、内側ターゲット表面と共に、水平方向の走査面の断面上に円形の走査パターンを形成する。
【００４３】
当然のことながら、構成全体の方向は、使用される用途に応じて任意の他の適切な角度に傾けることができる。例えば、図４の構成は、環状ターゲットが垂直に位置し基材も垂直方向に位置するとき、時計回りに９０度回転されることができる。この場合、材料の羽毛状体は、斜めに右側に流れ、入射レーザビームは、構成の左側に位置するレーザ源によって生成される（ビームの方向転換のために追加のミラー構成が使用されない場合）。
【００４４】
レーザパルスが円形走査パターンに沿ってターゲット内面１５と接触するとき、プラズマ又は他の材料１６がターゲットから外れ、除去された材料が材料の雲状体（cloud）１６又は材料の羽毛状体を形成する。羽毛状体は、プラズマ、粒子又は異なるサイズの他の種類のターゲット材料片を含んでもよい。レーザビーム１２’が例えば図３の矢印によって指し示されるターゲットの内周に沿って接触するとき、生成されたプラズマ雲状体１６は、円形のターゲットの周囲に沿って異なる場所から現れる。プラズマが図３に示されるように上向きの方向に放出されるとき、基材１７に到達する材料の流れは、好ましい実施形態では、基材をまったく動かすことなく基材のはるかに大きな領域をコーティングする。図示された種類のターゲット１５と共に基材１７が所望のパターンで移動される場合、表面及び素子を以前よりもはるかに高速でコーティングする高度に工業的で寸法変更可能な基材のコーティング方法がもたらされる。
【００４５】
一実施形態では、アブレーションされ放出された材料１６は、電場によって又は磁場によって又は両方によって影響されてもよい。別の実施形態では、堆積工程は、イオン源からのイオン衝撃によって影響されることができる。堆積工程においてコーティングされるべき基材に関する一実施形態では、基材１７は電気的にバイアスをかけられることができる。
【００４６】
環状ターゲット１５の内面は、材料の羽毛状体の放出の方向を制御するために、テーパ形状を有していてもよい。したがって、ターゲットの内面の縁全体が、斜めの角度を有することができる。また、ターゲット１５の内縁がジグザグ型の粗面化形状を有し、ターゲット１５の内縁に非平滑面を形成することも可能である。しばらくの間アブレーション工程が行われたとき、ターゲットの摩耗が接触面の滑らかさに影響を及ぼすことは、注目に値する。しかしながら、本発明は、灯台が動作するのと同様の方法で走査が行われるので、ターゲット上の均一な摩耗パターンを可能にする。
【００４７】
一般的に、アブレーション方法及び光学素子の調整に関して、環状ターゲット１５の内面上の反射されたレーザビーム１２’のスポットサイズは、回転可能なミラー１３のすべての回転角度に対して実質的に同じであり得、反射されたレーザビーム１２’の焦点は、環状ターゲット１５の内面上に実質的に位置してもよく、コーティング材料１６は、材料の羽毛状体として円形走査パターンに沿ってターゲット１５から放出される。その結果、放出された材料の羽毛状体１６は、基材１７上に導かれて、コーティングされた基材を得る。しかしながら、これは常に所望の状況ではなく、ターゲット上のスポットサイズ及び焦点はまた、走査工程中に変化してもよい。
【００４８】
より具体的には、集束レンズ１４は、環状ターゲット１５の直径、及び、レンズ１４とターゲット表面１５ｃとの間の距離、によって規定される焦点距離を有する。さらに、レンズ１４の焦点距離及び位置は、追加のビーム操作光学系、例えば、ターゲット１５ｃ上のレーザスポットの強度分布を変更するためのビームシェイパと、ターゲット表面１５ｃ上での所望の強度分布及びスポットサイズと、によって規定される。
【００４９】
また、上述したように、集束レンズ１４又はいくつかの適用されるレンズのうちの１つのレンズは、環状ターゲット１５と同じ平面上に、すなわち回転ミラー１３とターゲット接点１５ｃとの間に位置してもよい。そのような場合、レンズ１４、ターゲット１５及びミラー１３は全て、本質的に同じ平面上に位置し、反射角α＝９０°である。
【００５０】
本発明の好ましい実施形態では、集束レンズ１４をレーザビーム１２，１２’の方向に沿って移動させて、ターゲット表面に対するビームウェストの位置を変えることができる。この特徴は、ターゲット１５がアブレーション工程においてターゲットからの材料除去１６に沿って摩耗するのにつれて、工程中にターゲット表面１５ｃ上のスポットサイズを正確に維持することを可能にする。
【００５１】
一実施形態では、光学手段１４，２１，２２は、入力レーザビーム１２の偏光を変えるように構成された回転光学素子を含み、回転光学素子はミラー１３の回転に同期される。
【００５２】
入射レーザビーム１２が直線偏光で静的であり、円形走査パターンが回転斜めミラー１３によって生成される場合、走査されるレーザビームの偏光は、回転中ずっと連続的に変化する。偏光は、ターゲット表面上のレーザの反射特性に影響を及ぼす。矯正光学系がなければ、これは、円形スキャンの異なる回転角度で異なるアブレーション条件につながる。本発明の好ましい実施形態では、入射レーザビーム１２の偏光は、ターゲット１５ｃの表面に当たるレーザビームがＰ変更され、特にブリュースタ角で最小反射率を生じるように制御される。偏光制御は、走査ミラー１３の回転に同期されかつ走査ミラー１３の回転速度の半分の速度を有する１／２波長板を回転させることによって実現することができる。ターゲット打撃レーザビームの偏光はまた、本発明の他の実施形態では、Ｓ偏光、円偏光又は楕円偏光とすることができる。重要な要素は、走査サイクル全体にわたってレーザ−ターゲット間の相互作用を一定に維持することである。
【００５３】
本発明の一実施形態では、レーザビーム１２，１２’は、（「Ｈｏｗａｒｄ」に記載されているのと同様に）走査ミラー１３の回転運動を生成する中空モータスピンドルを通じて案内される。換言すれば、回転機構は、入力レーザビーム１２がミラー１３に導かれることができる中空管５１によってミラー１３に結合される。この構造は、走査面の他方側の空間が、基材１７の移動に対して自由であるように、真空チャンバ１８内の構成要素のコンパクトな構成を可能にする。
【００５４】
一般的に、ターゲット及び基材の保持及び操作の特徴に関して、コーティングされる基材は、環状ターゲットから選択された距離及び角度で保持され得る。さらに、基材は、好ましくは、入射レーザビームと比較してターゲットの反対側に配置される。さらなる実施形態では、アブレーション及び堆積方法は、環状ターゲットの表面から放出される材料の羽毛状体の中で、基材を移動又は回転させることを備える。
【００５５】
一実施形態では、基材は、シートを損傷することなくロールとして曲げられて巻かれ得る、比較的薄い平面状のシート状の面の形態であってもよい。コーティングされていない基材シートは、第１のロール周りに貯蔵されてもよく、第１のロールからは、基材シートが堆積領域に放出され、堆積領域では、基材１７が、到着する放出されたコーティング材料１６と接触する。堆積中にコーティングが基材の表面に付着した場合、コーティングされた平面状の基材は、後処理されてもよく（例えば、処理領域が外部から加熱された場合には冷却される）、最後に、後処理されたコーティングされた基材は、回収され、得られる製品の貯蔵のための第２のロール周りに巻かれてもよい。
【００５６】
材料の羽毛状体１６がコーティングされる基材１７に向かって移動する量に関する一実施形態では、物理的遮蔽物が、ターゲット１５と基材１７との間に配置されることができる。これは、基材上に所望のコーティングパターンを生成するために実施されることができる。これによって、基材上のコーティング材料の複雑なパターン及び微調整された分布さえも可能になる。物理遮蔽物のさらなる実施形態では、物理遮蔽物は、工程中に移動するように構成される。さらに別の実施形態では、物理的遮蔽物は、ミラー１３の回転と同期して回転するように構成される。
【００５７】
発明された構成の一実施形態では、回転斜め傾斜ミラー表面は、走査平面が入力レーザビーム１２の光軸に対して垂直であるように、入力レーザビーム１２の方向と比較して４５°の角度で位置する。しかしながら、他の実施形態では、入力ビームの方向に対して４５度未満の角度（鋭角）又は入力ビーム方向に対して４５°より大きい角度（鈍角）でミラー表面を配置することが可能である。さらに別の実施形態では、回転可能なミラー１３の角度は、走査中に入力レーザビーム１２に対して変更され得る。
【００５８】
走査ミラー１３の必要な回転速度は、環状ターゲット１５の直径（ターゲット上のアブレーションされる表面の円周、これは動的値である可能性がある）、走査方向に沿ったレーザスポットサイズ、ターゲットに入射するレーザビーム１２，１２’のパルス繰り返し速度、連続するレーザパルス間の所望の重なり又は分離、及び、走査に沿った所望のエネルギー分布によって、規定される。回転速度は、ｒｐｓの分数から数万ｒｐｍ（０．０１ｒｐｓ〜１００，０００ｒｐｍ）の広い範囲の値を有することができる。レーザパルス１２，１２’のエネルギーは、ミラー１３の回転に同期して制御されることができる。
【００５９】
ターゲット表面上を移動するレーザスポットの走査速度に関する一実施形態では、環状ターゲット１５の直径及びミラー１３の回転速度は、ターゲット１５上の走査されるレーザスポットの速度が少なくとも１ｍ／ｓになるように選択される。別の実施形態では、対応する値は、上記走査速度が少なくとも１０ｍ／ｓになるように選択される。さらに別の実施形態では、対応する値は、上記走査速度が少なくとも１００ｍ／ｓになるように選択される。
【００６０】
円形経路上のターゲット表面１５上のレーザビーム１２’を走査することに加えて、環状ターゲット１５を走査ビームと比較して反対の方向に回転させることによって、ターゲット１５と走査ビームとの間の相対速度を増加させることができる。
【００６１】
レーザパルスがターゲット材料１５の表面に当るのにともなって、アブレーションされた材料１６の噴流は、実際には入射点１５ｃから全方向に放出される。噴流１６はある方向性及び角度分布を有するが、材料のある部分は、走査ミラー１３に向かって、レーザビームの方向に進む（この部分は図１〜図３には示されていない）。本発明の一実施形態では、ミラー１３上の材料の堆積量を避ける若しくは少なくとも最小限に抑えるために、及び／又は、工程全体を通してレーザパルスエネルギーを維持するために、ミラー１３は、以下の特徴のうちの１つ又は組み合わせを用いて保護される。
・レーザビームが遮られずに通過することを可能にするが、レーザビームの伝搬と比較して反対方向に進むアブレーションされた材料の量を制限する、ターゲットとミラーとの間の静的な機械的遮蔽物。
・ターゲットから噴出する材料の自由経路を短くする、真空チャンバ内の残りの空間と比較してより高い圧力を有する走査ミラー周りの囲い（すなわち、ミラー周りの圧力制御）。
・ターゲットから噴出された材料の自由な動きを妨げる気体流を伴う走査ミラー周りの囲い。
・レーザビームのための経路（すなわち、ミラーと共に回転する管、遮蔽物、又は、開口部）を有し、ミラーと共に回転し、入ってくるターゲット材料にミラーがさらされる時間を短くする、囲い。この特定の解決策は、特に環状ターゲット上で走査が行われる方法によって可能となり、従来の走査方法には合理的に適用できない。回転するミラー周りに配置された同心の回転壁は、レーザのための孔を有し、ビームを遮らない程度に十分に短い静的同心壁で隔てられ、放出された材料のミラー表面上への蓄積を低減するために異なる圧力及び差動ポンピングを伴う区画を実現することができる。
・かなりの材料の蓄積後に交換されるミラー上の又は前の犠牲層又はいくつかの層（例えば、ターゲットとミラーとの間の交換可能な又は移動可能な窓）。
・ミラー表面に当たる材料の粘着を低減するためのミラーの加熱。
・入ってくる荷電粒子の経路を変化させるための、電場及び／又は磁場を作り出す電気及び／又は磁気手段。
・例えばレーザビーム（すなわちレーザ洗浄）又はイオン衝撃による、ミラーの洗浄。
【００６２】
これらのオプションのうちの１つ又は複数を使用することによって、工程全体を通じてミラー１３の反射率が維持される。
【００６３】
本発明の一実施形態では、環状ターゲットは、走査ミラーの回転軸にその中心点を置いて配置され、これによって、レーザビームがレンズからターゲット表面まで移動する距離は、全ての走査角度に対して同じとなり、したがって走査サイクル全体を通じて一定のスポットサイズを保証する。
【００６４】
環状ターゲットの内面は、反射されたレーザビームが当たる面であり、レーザアブレーション工程で材料が放出される場所である。材料の噴流は、主に、ターゲット表面に対して垂直に導かれるが、ターゲット上の表面トポグラフィに応じて他の方向も有することもある。したがって、ターゲット表面の平面は、アブレーションされた材料の伝搬方向に影響する。環状ターゲットは、基材上にもたらされるコーティングにおいてある種の材料分布又は多孔性を生成するように設計された表面を有することができる。本発明の一実施形態では、環状ターゲットのアブレーション表面は、入射面において、（図１のように、ターゲット部分１５が環状ターゲットの傾斜した内面の一部として見られる場合に）レーザビームがターゲット表面と角度をなすように、テーパ状にされている。さらに、この角度は、アブレーションされた材料が走査面から遠ざかって導かれるように決定される。ミラーの反射角αが９０度の場合、走査面は水平面である。回転角αが０＜α＜１８０°の場合、走査面は円錐面となる。
【００６５】
ターゲット表面上の同じ円形トラック上の単一走査線によるアブレーション工程は、最終的に、ターゲット上に形成される深い溝につながる。安定した工程を可能にするために、ターゲットの摩耗は、制御されかつ均質である必要がある。それが、ターゲット上の走査線の位置が、ターゲット上のレーザビームの円形走査に加えて、処理中に移動される理由である。これにより、アブレーショントラックは１次元トラックの代わりに２次元になり、その結果、ターゲットの均一な摩耗を実現することができる。ターゲット上の走査線の移動は、以下によって実現することができる。
・環状ターゲットの直線移動、及び/又は、
・走査ミラーの角度の変更、及び/又は、
・別の反射光学系の角度の変更、及び/又は、
・ターゲット表面に入射するレーザビームの角度を変えるための屈折光学系の提供。
【００６６】
上記の第１の選択肢では、環状ターゲット１５はその中心軸に沿って移動可能である。
【００６７】
ターゲットの直線移動を伴う構成は、レーザビームの入射角をターゲット表面上に維持することによって安定した条件を提供し、さらに、高速で回転するミラー又は他の光学系のふらつきとは対照的に、独立した運動として実現することが簡単である。
【００６８】
環状ターゲットのテーパ内面の場合、ターゲット又はターゲット上の走査線の位置の移動は、アブレーショントラックの周囲長に影響を与える。これは次に、ターゲット表面上の走査速度（空間的なスポットの重複及び分離）、ターゲット周りの１回の完全な走査サイクルの持続時間、及び、ターゲット表面に対する最適強度分布の位置に影響を与える。本発明のなおさらなる実施形態では、これらの影響は、以下の同期制御によって補償される必要がある。
・連続パルス間の最適な分離のためのスキャナの回転速度、及び/又は、
・ターゲット上の連続する走査サイクル間の最適な重複のためのターゲットの移動速度、及び/又は、
・ターゲット表面上の最適で望ましい強度分布を維持するための、集束レンズ又はビーム操作光学系（強度分布形成光学系）の移動。
【００６９】
連続的なアブレーション及びコーティング工程のためには、原料材料の一定の供給が必要である。そのような場合、環状ターゲットは、（図３のリング状のターゲットを垂直方向に拡張することによって）シリンダとして実現することができ、この場合、ターゲットがテーパ状のアブレーション表面上で磨耗するのにつれて、ターゲットの直線移動の範囲が変化する。円筒形ターゲットは、到着するレーザパルスの下で新しいターゲット表面に影響を及ぼすために、制御された方法で垂直方向にゆっくりと移動され得る。他の選択肢は、例えば、レーザビームの角度を新たなターゲット領域に向けてわずかに方向転換するために、反射ミラーと円筒形ターゲットとの間に制御可能な屈折光学系を組み込むことである。このような構成は、長期のアブレーション及びコーティング工程に利用可能な十分な量の原料材料を有する方法を提供する。そのようなより長い工程は、非常に大きな表面積のための工業用コーティング工程を含む。
【００７０】
走査線に沿った環状断面を伴うターゲットの可能な形状を要約すると、環状に形成されたターゲット１５は、リング形状、円筒形状又は円錐台形状を有し得る。テーパ状の内面を伴うより広いリング形状の部分は、環状に形成されたターゲットの円錐台形状の一例である。
【００７１】
ターゲット１５の可能な材料に関して、環状ターゲット１５は、金属、金属化合物、ガラス、石、セラミック、合成ポリマー、半合成ポリマー、天然ポリマー、複合材料、無機又は有機のモノマー又はオリゴマー材料で作ることができる。さらなる実施形態では、環状ターゲット１５は、少なくとも２つの異なる材料の環状部分から構成される。このようなターゲット構造では、少なくとも２つの異なるコーティングを備える所望のコーティング構造が可能である。
【００７２】
本発明に係る堆積後の可能な最終生成物のいくつかの例に関して、コーティングされた基材は、リチウムイオン電池の構成要素、センサ又はセンサ装置の構成要素、又は、切削工具構成要素であってもよい。
【００７３】
提示された方法及び構成はまた、ナノ粒子の製造方法において使用されることができる。このような方法は、上述のような走査及びアブレーション構成を利用することができるが、さらに、他に、真空であるか又は気体の選択された圧力を含むチャンバが、この場合液体に浸漬される。
【００７４】
本発明では、上述した特徴又は特性のうちの少なくとも２つを利用する本発明の新しい変形を達成するために、上記及び添付の特許請求の範囲から本発明の特徴及び／又は特性を組み合わせることが可能である。
【００７５】
本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって定義される。
【図１】
2018502994.tif 000003
【図２】
2018502994.tif 000004
【図３】
2018502994.tif 000005
【図４】
2018502994.tif 000006
【図５】
2018502994.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成29年8月23日(2017.8.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力レーザビーム（１２）を方向転換するための回転可能なミラー（１３）であって、当該回転可能なミラー（１３）の回転軸周りの実質的に円形の走査パターンに前記入力レーザビーム（１２）を方向転換し、前記回転軸が前記入力レーザビーム（１２）の方向と実質的に平行である、回転可能なミラー（１３）と、
環状に形成されたターゲット（１５）であって、当該ターゲット（１５）の中心点が前記回転可能なミラー（１３）の前記回転軸に沿って配置され、前記実質的に円形の走査パターンに沿ってターゲット材料（１６）を放出するために反射されたレーザビーム（１２’）が当該環状ターゲット（１５）の表面との接触（１５ｃ）を形成する、環状に形成されたターゲット（１５）と、
チャンバ（１８）であって、少なくとも圧力、温度及び当該チャンバ内に存在する可能性のある追加の材料を制御する能力を有し、前記回転可能なミラー（１３）、前記環状ターゲット（１５）及び基材（１７）が当該チャンバ（１８）内に位置する、チャンバ（１８）と、
を備えることを特徴とする、レーザアブレーションを利用する薄膜形成装置のための走査構成。
【請求項２】
レーザ源（１１，１１’）と、
前記レーザ源（１１，１１’）によって生成されたレーザビーム（１２，１２’）を操作するための光学手段（１４，２１，２２）と、
をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の走査構成を備える、薄膜形成装置であって、
放出されるターゲット材料（１６）によってコーティングされる基材（１７）をさらに備えることを特徴とする、薄膜形成装置。
【請求項４】
前記レーザ源（１１，１１’）と、前記光学手段（１４，２１，２２）と、前記ミラー（１３）の回転と、を所望の態様で制御する、制御手段（１１ｃ、１１ｃ’）を備えることを特徴とする、請求項２に記載の構成。
【請求項５】
前記環状ターゲット（１５）の内面が、テーパ状にされていることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項６】
回転機構が、前記入力レーザビーム（１２）が前記ミラー（１３）に案内されることができる中空管（５１）によって前記ミラー（１３）に結合されていることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項７】
前記回転ミラー（１３）が、複数の面を有することを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項８】
前記回転複数面ミラー（１３）が、回転回折光学素子に結合されており、前記回転回折光学素子が、単一の入力レーザビーム（１２）から複数のレーザビームを生成し、前記入力レーザビーム（１２）の方向と実質的に平行な回転軸を伴うことを特徴とする、請求項７に記載の構成。
【請求項９】
前記光学手段（１４，２１，２２）が、前記入力レーザビーム（１２）の偏光を変化させるように構成された回転光学素子を備え、前記回転光学素子が、前記ミラー（１３）の回転に同期されていることを特徴とする、請求項２に記載の構成。
【請求項１０】
前記光学手段（１４，２１，２２）が、前記入力レーザビーム（１２）の空間的強度分布を操作するように構成された手段をさらに備えることを特徴とする、請求項２に記載の構成。
【請求項１１】
前記レーザ源（１１，１１’）が、レーザパルスを出力することを特徴とする、請求項２に記載の構成。
【請求項１２】
前記ターゲットの表面（１５ｃ）に当たる前記レーザパルスが、Ｐ偏光、Ｓ偏光又は楕円偏光であることを特徴とする、請求項１１に記載の構成。
【請求項１３】
前記環状ターゲット（１５）の直径及び前記ミラー（１３）の回転速度が、前記ターゲット（１５）上の走査されたレーザスポットの速度が 少なくとも１ｍ／ｓとなるように選択されることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項１４】
前記環状ターゲット（１５）の直径及び前記ミラー（１３）の回転速度が、前記ターゲット（１５）上の走査されたレーザスポットの速度が 少なくとも１０ｍ／ｓとなるように選択されることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項１５】
前記環状ターゲット（１５）の直径及び前記ミラー（１３）の回転速度が、前記ターゲット（１５）上の走査されたレーザスポットの速度が 少なくとも１００ｍ／ｓとなるように選択されることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項１６】
前記回転可能なミラー（１３）の角度が、走査中に前記入力レーザビーム（１２）に対して変化することを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項１７】
前記レーザパルス（１２，１２’）のエネルギーが、前記ミラー（１３）の回転と同期して制御可能であることを特徴とする、請求項１１に記載の構成。
【請求項１８】
前記環状ターゲット（１５）が、その中心軸に沿って移動可能であることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項１９】
前記環状ターゲット（１５）が、前記ミラー（１３）の回転と比較して反対方向にその中心軸周りに回転されることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項２０】
前記環状ターゲット（１５）の回転速度が、０．０１ｒｐｍ及び１００，０００ｒｐｍの間であることを特徴とする、請求項１９に記載の構成。
【請求項２１】
前記光学手段が、集束レンズ（１４）であることを特徴とする、請求項２に記載の構成。
【請求項２２】
前記集束レンズ（１４）が、前記レーザビーム（１２，１２’）に沿って移動されることを特徴とする、請求項２１に記載の構成。
【請求項２３】
前記集束レンズ（１４）が、前記ターゲット（１５）の直線移動に同期して前記レーザビーム（１２，１２’）に沿って移動されることを特徴とする、請求項２２に記載の構成。
【請求項２４】
前記環状ターゲット（１５）が、金属、金属化合物、ガラス、石、セラミックス、合成ポリマー、半合成ポリマー、天然ポリマー、複合材料、無機又は有機のモノマー又はオリゴマー材料で作られていることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項２５】
前記環状ターゲット（１５）が、少なくとも２つの異なる材料の環状部分から構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項２６】
前記ミラー（１３）の反射率は、工程全体を通して、
・静的な機械的遮蔽物、及び/又は、
・移動する遮蔽物、管若しくはアパーチャ、及び/又は、
・電気的手段、及び/又は、
・磁気手段、及び/又は、
・前記ミラー（１３）の加熱、及び/又は、
・前記ミラー（１３）周りの圧力制御、及び/又は、
・気体の流れ、及び／又は、
・レーザ洗浄、及び/又は、
・イオン衝撃、及び/又は、
・前記ターゲット（１５）と前記ミラー（１３）との間の犠牲層、
によって維持されることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項２７】
前記環状に形成されたターゲット（１５）が、リング形状、円筒形状又は円錐台形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の構成。
【請求項２８】
基材（１７）に１つ以上のコーティング材料（１６）をコーティングするためのレーザアブレーション及び堆積方法であって、
レーザ源（１１，１１’）においてレーザビーム（１２）を生成するステップと、
前記レーザビーム（１２，１２’）を光学手段（１４，２１，２２）によって操作するステップと、
を備え、
当該方法が、
入射レーザビーム（１２）を回転可能なミラー（１３）へと導くステップであって、前記回転可能なミラーが、前記入射レーザビーム（１２）の方向と実質的に平行な軸周りを回転し、これによって、前記ミラー（１３）の回転軸周りに実質的に円形の走査パターンを生成する、ステップと、
環状ターゲット（１５）の表面上に、反射されたレーザビーム（１２’）を導くステップであって、前記ターゲット（１５）の中心点が、前記回転可能なミラー（１３）の回転軸に沿って配置され、コーティング材料が、前記実質的に円形の走査パターンに沿って材料の羽毛状体（１６）として前記ターゲット（１５）から放出される、ステップと、
コーティングされた基材を得るために、放出された前記材料の羽毛状体（１６）を前記基材（１７）上に導くステップと、
をさらに備え、
レーザアブレーション及び放出されたターゲット材料（１６）の堆積が、チャンバ（１８）内で実施され、前記回転可能なミラー（１３）、前記環状ターゲット（１５）及び前記基材（１７）が、前記チャンバ（１８）内に位置し、前記チャンバ（１８）が、少なくとも、圧力、温度及び前記チャンバ内に存在する可能性のある追加の材料を制御する能力を有することを特徴とする、方法。
【請求項２９】
コーティングされる前記基材（１７）を、前記環状ターゲット（１５）から選択された距離及び角度で保持するステップであって、前記基材（１７）が、前記環状ターゲット（１５）から放出される前記材料の羽毛状体（１６）の流れが導かれる側に位置する、ステップを備えることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記環状ターゲット（１５）の表面から放出された前記材料の羽毛状体（１６）内で前記基材（１７）を移動及び／又は回転させるステップを備えることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記チャンバ（１８）に、レーザアブレーション及び堆積中に、制御された圧力でバックグラウンドガスの制御された流れが提供され、前記バックグラウンドガスが、不活性又は反応性であることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
アブレーションされ放出された材料（１６）が、電場によって又は磁場によって又は両方によって影響されることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
堆積工程が、イオン源からのイオン衝撃によって影響されることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項３４】
前記基材（１７）が、電気的にバイアスされることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項３５】
前記ターゲット（１５）と前記基材（１７）との間に、物理的遮蔽物が配置されることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項３６】
前記物理的遮蔽物が、工程中に移動するように構成されていることを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記物理的遮蔽物が、前記ミラー（１３）の回転と同期して回転するように構成されていることを特徴とする、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記基材（１７）が、平面状の曲げることが可能なシートを形成し、前記基材（１７）が、第１のロールから堆積領域に放出され、堆積後に第２のロールに集められるように、さらに構成されていることを特徴とする、請求項３０に記載の方法。
【請求項３９】
入力レーザビーム（１２）と反射されたレーザビーム（１２’）との間の角度がαであり、０＜α＜１８０°であることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項４０】
入力レーザビーム（１２）と反射されたレーザビーム（１２’）との間の角度が、実質的に９０°に等しいことを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項４１】
請求項２８〜４０のいずれか一項に記載の方法によって製造されたコーティングされた基材（１６，１７）の、リチウムイオン電池の構成要素としての、センサ若しくはセンサ装置の構成要素としての、又は、切削工具構成要素としての、使用。
【請求項４２】
請求項１〜２７のいずれか一項に記載の走査構成のナノ粒子の製造における使用であって、前記チャンバ（１８）が、液体に浸漬される、使用。
【国際調査報告】
2018502994.tif 000008
2018502994.tif 000009
2018502994.tif 000010
2018502994.tif 000011
2018502994.tif 000012
2018502994.tif 000013
2018502994.tif 000014
2018502994.tif 000015
2018502994.tif 000016
2018502994.tif 000017
2018502994.tif 000018