レーザーアブレーション装置
【課題】簡素な装置構成で運転が容易で長期間に亘り安定的に成膜操作が可能であり、またターゲットの不均一で無駄な消耗が少なく高価なターゲット材料の使用歩留りを大幅に高めることが可能なレーザーアブレーション装置を提供する。
【解決手段】膜構成成分を含有する円盤状のターゲット２を保持するターゲット保持台３２と、上記ターゲット２にレーザー光４を照射することによりターゲット成分を原子，分子，イオンまたはクラスター状の微細化粒子として放出するレーザー発振装置５と、上記ターゲットから放出された微細化粒子を薄膜として堆積させる基板６を保持する基板保持台１４と、上記ターゲット保持台３２をその自転軸周りに回転自在とし、かつ自転軸と平行で所定距離をおいて配置された公転軸周りに公転自在とするターゲット駆動機構３とを備える。
【解決手段】膜構成成分を含有する円盤状のターゲット２を保持するターゲット保持台３２と、上記ターゲット２にレーザー光４を照射することによりターゲット成分を原子，分子，イオンまたはクラスター状の微細化粒子として放出するレーザー発振装置５と、上記ターゲットから放出された微細化粒子を薄膜として堆積させる基板６を保持する基板保持台１４と、上記ターゲット保持台３２をその自転軸周りに回転自在とし、かつ自転軸と平行で所定距離をおいて配置された公転軸周りに公転自在とするターゲット駆動機構３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は膜成分を含有するターゲットにパルスレーザー光を照射して放出させた微細化粒子を基板上に堆積させて薄膜を形成するレーザーアブレーション装置に係り、特に簡素な装置構成で運転が容易で長期間に亘り安定的に成膜操作が可能であり、またターゲットの不均一で無駄な消耗が少なく高価なターゲット材料の使用歩留りを大幅に高めることが可能なレーザーアブレーション装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、真空容器内でターゲットにパルスレーザー光を照射して、該ターゲットから放出される微細化粒子を基板上に堆積させて薄膜を形成する方法が複合材料の製造方法として注目されている。
【０００３】
しかしながら、上記従来のレーザーアブレーション方法においては、パルスレーザー光の照射方向、ターゲットおよび基板の相対位置は実質的に固定されているため、上記の方法において、長時間に亘ってターゲットにパルスレーザー光を照射して厚さが大きい膜を形成する場合、ターゲットの１点にパルスレーザー光が連続的に照射されるため、ターゲットが局所的にかつ不均一に消耗される結果、ターゲットの使用歩留りが低下する問題があった。また、ターゲットから放出された微細化粒子を含むガス塊（プルーム）が不安定になり、安定した成膜操作が困難になる問題点もあった。さらに、プルームの不安定化に伴い、ターゲットの温度が上昇し易くなる。このような温度上昇が生じると、ターゲットの構成成分が蒸散揮発により変化するため、所定組成を有する良好な成膜を安定して得ることが困難になるばかりでなく、ターゲットの多くの部分を無駄に消耗し高価なターゲットの使用歩留りの低下がさらに加速されるという問題点もあった。
【０００４】
上記のような問題点を解決するために、特にターゲットの均一な消耗を実現するために、ターゲットに対するレーザー光の照射位置が変化するように構成したレーザーアブレーション装置が、例えば下記特許文献１に開示されている。
【０００５】
上記特許文献１に記載された従来のレーザーアブレーション装置は、上記の問題点を解決すべく、ターゲットの保持台をその軸芯周りに回転運動させるとともに、往復運動させるように構成した装置である。具体的には、円盤状のターゲットの保持台を、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構成されるものである。
【０００６】
そして、上記構成を有する従来のレーザーアブレーション装置においては、ターゲット保持台は、回転機構と直線移動機構との動作により、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、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、長時間の成膜操作を継続した場合においても、その膜質や組成が安定した成膜を得ることができるという効果が指向されている。
【特許文献１】特開平９−２６３９３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に記載されている従来のレーザーアブレーション装置においては、回転機構と直線移動機構との両機構を各々別の駆動機構（モーター）で作動させる必要があり、装置構成が複雑になり設備費用が高騰する問題点があった。また上記従来装置においては、ターゲット消耗の均一性を過度に重要視したため、ターゲットの外径側部位と内径側部位とにおける単位時間当たりの径方向移動量を均一化するために、各部位の周速度と回転角速度との関係を取って制御すべく上記両駆動機構を制御する手段を設けたため、装置構造が複雑化するのみならず、制御操作に高度な技量を必要とするなどの問題点があった。
【０００８】
一方、パルスレーザー光の照射によってターゲットから放出される微細化放出物は、ターゲットにレーザー光が当たった点（照射点）を中心として、該ターゲットの表面に垂直な方向に、広がりをもったプルームとして基板に向かって放出される。そして、一般的にプルームの中心部ほど放出物の濃度が高く、また均一であると考えられているので、成膜時間が長時間に及ぶほど基板の中心部と周縁部とで膜厚に差が生じるとともに、組成が不均一になるという問題もあった。
【０００９】
この問題点を解決するために、例えば基板の保持台に回転軸を設け、その軸芯周りに回転させる方法も採用されているが、この回転機構を導入しても基板における中心部と周縁部との相対位置関係は変化しないので本質的な問題の解決にはなっていない。
【００１０】
本発明は、上記従来装置における問題点を解決するためになされたものであり、極めて簡単な機構によりターゲットの均等な消耗を可能とし、プルームを長時間に亘って安定化でき長時間に亘り成膜を継続した場合においても、その膜質が安定した成膜を基板の表面に均一に形成できるとともに、ターゲットを無駄に消耗させず有効に活用することが可能になるレーザーアブレーション装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明に係るレーザーアブレーション装置は、膜構成成分を含有する円盤状のターゲットを保持するターゲット保持台と、上記ターゲットにレーザー光を照射することによりターゲット成分を原子，分子，イオンまたはクラスター状の微細化粒子として放出するレーザー発振装置と、上記ターゲットから放出された微細化粒子を薄膜として堆積させる基板を保持する基板保持台と、上記ターゲット保持台をその自転軸周りに回転自在とし、かつ自転軸と平行で所定距離をおいて配置された公転軸周りに公転自在とするターゲット駆動機構とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
すなわち本発明では、パルスレーザー光をターゲットに照射して該ターゲットからの微細化放出物を基板に堆積させるレーザーアブレーション装置において、ターゲットがその軸芯周りを自転するとともに該軸芯に平行かつ所定の距離を隔てた公転軸芯周りを公転するようにターゲット駆動機構が構成されている。さらに、基板がその軸芯周りを自転するとともに該軸芯に平行かつ所定の距離を隔てた公転軸芯周りを公転するように基板駆動機構を備えて構成することもできる。
【００１３】
このように、レーザー光を照射されるターゲットが自転すると共に所定範囲内を公転するように構成されているため、レーザー光の光路が固定される一般的な装置構成であっても、ターゲットの二次元平面内でレーザー光の照射点が滑らかな移動経路を辿りながらアブレーション操作が継続される。したがって、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、長時間の成膜操作を継続した場合においても、その膜質や組成が安定した成膜を得ることができる。
【００１４】
さらに、ターゲットから放出された微細化粒子を薄膜として堆積させる基板が自転すると共に所定範囲内を公転するように構成した場合には、プルーム内での微細化放出物の濃度分布に影響されずに、大きな基板や複数個の基板であっても、その基板の全表面に亘って均一な厚さを有する膜を形成することができる。
【００１５】
また上記レーザーアブレーション装置において、前記ターゲット駆動機構は、ターゲット保持台を回転させる自転軸に装着された平歯車と、上記自転軸と平行で一定距離をおいて配置された公転軸が中心となるように配置された内歯車とを噛合させて構成されていることが好ましい。
【００１６】
上記のように、自転軸に装着された平歯車と公転軸が中心となるように配置された内歯車とを噛合させて連動するように構成することにより、１基の駆動モーターによってターゲット保持台の自転運動および公転運動を実現することができ、ターゲット駆動機構を簡素に構成することが可能になり、運転操作も容易になる。
【００１７】
さらに、上記レーザーアブレーション装置において、前記基板駆動機構は、基板保持台を回転させる自転軸に装着された第１の平歯車と、上記自転軸と平行で一定距離をおいて配置された公転軸が中心となるように固定された第２の平歯車とを噛合させて構成されていることが好ましい。
【００１８】
上記のように、自転軸に装着された第１の平歯車と公転軸が中心となるように配置された第２の平歯車とを噛合させて連動するように構成することにより、１基の駆動モーターによって基板保持台の自転運動および公転運動を実現することができ、基板駆動機構を簡素に構成することが可能になり、運転操作も容易になる。
【００１９】
また、上記レーザーアブレーション装置において、前記ターゲット駆動機構の公転軸と自転軸との距離が、円盤状のターゲットの有効半径以下であることが好ましい。
【００２０】
上記のように、ターゲット駆動機構の公転軸と自転軸との距離を円盤状のターゲットの有効半径以下とすることにより、ターゲットの公転軸芯が常にターゲットの有効面内に存在することとなり、ターゲットの公転面の中心部にレーザー光の非照射部が形成されることが無く、アブレーション効率が低下することがない。
【００２１】
さらに、上記レーザーアブレーション装置において、前記ターゲット駆動機構の公転軸と自転軸との距離が、ターゲットの有効半径の略２分の１であることが好ましい。
【００２２】
上記のようにターゲット駆動機構の公転軸と自転軸との距離をターゲットの有効半径の略２分の１とすることにより、ターゲットの公転面の中心部にレーザー光の非照射部が形成されることが無く、ターゲットの有効面積全域にレーザー光照射点が及ぶため、ターゲットの利用効率が最適（最大）となる。
【００２３】
また、上記レーザーアブレーション装置において、前記ターゲット駆動機構の公転軸が中心となるように配置された内歯車の歯数と、この内歯車に噛合して前記ターゲット保持台を回転させる自転軸に装着された平歯車の歯数との最小公倍数を上記内歯車の歯数で割った値（平歯車の歯数を両歯車の歯数の最大公約数で割った値でもある）が３０以上であることが好ましい。
【００２４】
上記内歯車の歯数と、この内歯車に噛合して前記ターゲット保持台を回転させる平歯車の歯数との最小公倍数を上記内歯車の歯数で割った値が３０未満となると、ターゲット表面上に隣接して形成されるレーザー光の照射経路の間隔が粗くなり、同一の照射経路をなぞる頻度が増加し、ターゲットを均一に消耗させる観点から好ましくない。そこで、上記内歯車の歯数と、この内歯車に噛合して前記ターゲット保持台を回転させる平歯車の歯数との最小公倍数を上記内歯車の歯数で割った値を３０以上とすることにより、ターゲット表面上に隣接して形成されるレーザー光の照射経路の間隔を狭めることができ、ターゲットを均一に消耗させることができ、ターゲットの使用歩留りを高めることができる。この観点から、上記両歯車の歯数の最小公倍数を上記内歯車の歯数で割った値は３０以上、好ましくは１００以上とする。
【００２５】
さらに、上記レーザーアブレーション装置において、前記ターゲットに対するレーザー光の照射位置は、公転軸芯を中心として、ターゲットの有効半径から公転軸と自転軸との距離を差し引いた距離を半径とする円内にあることが好ましい。
【００２６】
上記構成によれば、レーザー光の照射位置がターゲットから外れることがなく常にターゲットの有効面内に存在することになり、アブレーション効率を低下させることがない。
【００２７】
また、上記レーザーアブレーション装置において、前記ターゲットに対するレーザー光の照射位置は、公転軸芯を中心として、ターゲットの有効半径から公転軸と自転軸との距離を差し引いた距離を半径とする円の円周上にあることが好ましい。
【００２８】
上記構成によれば、レーザー光の照射位置がターゲットから外れることがなく常にターゲットの有効面内に存在することになり、特にターゲットの有効面積全域にレーザー光照射点が及ぶため、ターゲットの利用効率が最適（最大）となる。
【００２９】
さらに、上記レーザーアブレーション装置において、前記基板駆動機構の自転軸は、ターゲットからの微細化放出物の放出面積内にあることが好ましい。
【００３０】
上記構成によれば、ターゲットから形成されるプルーム内での微細化放出物の濃度分布に影響されずに、基板の全表面に亘って均一な厚さを有する膜を形成することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係るレーザーアブレーション装置によれば、レーザー光を照射されるターゲットが自転すると共に所定範囲内を公転するように構成されているため、極めて簡単な機構で、ターゲットが無駄に消耗せず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。そのため、長時間の成膜操作を継続した場合においても、その膜質や組成が安定した成膜を得ることができる。さらに、ターゲットから放出された微細化粒子を薄膜として堆積させる基板が自転すると共に所定範囲内を公転するように構成した場合には、プルーム内での微細化放出物の濃度分布に影響されずに、大きな基板や複数個の基板であっても、その全表面に亘って均一な厚さを有する膜を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
次に本発明の実施形態について添付図面を参照してより具体的に説明する。
【００３３】
図１は、本発明に係るレーザーアブレーション装置の一実施形態の概略構成を示す断面図である。図２はターゲット駆動機構の構成を示す断面図であり、図３は、図２に示すターゲット駆動機構の構成および作動状況を示す平面図であり、図４は基板駆動機構の構成および作動状態を示す断面図である。
【００３４】
すなわち、本実施形態に係るレーザーアブレーション装置１は、膜構成成分を含有する円盤状のターゲット２を保持するターゲット保持台３２と、上記ターゲット２にパルスレーザー光４を照射することによりターゲット成分を原子，分子，イオンまたはクラスター状の微細化粒子として放出するレーザー発振装置５と、上記ターゲット２から放出された微細化粒子を薄膜として堆積させる基板６を保持する基板保持台１４と、上記ターゲット保持台３２をその自転軸Ｃ１周りに回転自在とし、かつ自転軸Ｃ１と平行で所定距離をおいて配置された公転軸Ｃ２周りに公転自在とするターゲット駆動機構３と、上記基板保持台１４をその自転軸Ｃ３周りに回転自在とし、かつ自転軸Ｃ３と平行で一定距離をおいて配置された公転軸Ｃ４周りに公転自在とする基板駆動機構７とを備えて構成されている。
【００３５】
また、上記ターゲット駆動機構３および基板駆動機構７は、チャンバー（真空容器）８に収容されている。さらにチャンバー（真空容器）８の側壁には、レーザー発振装置５からのパルスレーザー光４をチャンバー８内に導入するためのレーザー光導入窓９が設けられる一方、チャンバー８の頂部には、ターゲット駆動機構３および基板駆動機構７の動作状態を視認するための覗窓１０が設けられている。また、チャンバー８の本体部と頂部とを緊結し頂部を開閉するためのクランプ等の緊結部材１２が装着されている。さらに、チャンバー８内部を排気し真空状態に減圧する真空ポンプ等の真空源に連通する排気口１１が設けられている。ターゲット駆動機構３は、チャンバー内面から突設されたブラケットに緊結手段１３を介して固定されている。
【００３６】
図２は、上記ターゲット駆動機構の構成をより詳細に示す断面図である。
【００３７】
ターゲット２を駆動するための真空用モーター２１がモーターマウント２２を介してベース２３に固定されている。真空用モーター２１の出力シャフト２４の端部にはスパーギヤ（平歯車）２５が取り付けられている。
【００３８】
上記スパーギヤ２５に噛合するようにスパーギヤ２６が設けられ、このスパーギヤ２６を外周面の一部に取り付けられた中空略円柱状のボス４０は、他の外周面においてベアリング２７を介してベアリングホルダー２８に回転自在に取り付けられている。なお、ベアリングホルダー２８もベース２３に固定されている。上記ベアリング２７はベアリングカバー２９，３０によって覆われている。
【００３９】
円盤状のターゲット２はスプリング３１を介在させた状態で略円板状のターゲットホルダー３２に載置され、略円筒状のターゲットカバー３３をターゲットホルダー３２に螺合させることにより固定されている。ここでターゲットカバー３３は一端面に内側に突出する中空円板状の鍔部を有しているので、ターゲットカバー３３をターゲットホルダー３２に螺合させると上記鍔部がターゲット上面の最外周部に掛合し、ターゲット２をターゲットホルダー３２方向に押しつけて固定する。
【００４０】
ターゲットホルダー３２の裏面には該ターゲットホルダー３２と軸芯（自転軸Ｃ１）を同じくするシャフト３４が固着されている。このシャフト３４は、上記ボス４０の中空内周面に対し、カラー３５ａ、３５ｂによって位置決めした上で、ベアリング３６、３６を介して回転自在に取り付けられている。なお、シャフト３４の軸芯（自転軸Ｃ１）とスパーギヤ２６の軸芯（公転軸Ｃ２）とは、平行ではあるが偏芯している。
【００４１】
シャフト３４の他方の端部には、カラー３５ｃによって軸方向の位置決めをした上で、スパーギヤ３７が取り付けられている。
【００４２】
上記スパーギヤ３７は、内周面にギヤ歯が切ってあるインターナルギヤ（内歯車）３８の内周部において噛合しており、そのインターナルギヤ（内歯車）３８の軸芯は上記スパーギヤ２６の軸芯（公転軸Ｃ２）と一致している。このインターナルギヤ３８はインターナルギヤマウント３９を介してベース２３に固定されている。ここで、インターナルギヤ３８のピッチ円直径（ＰＣＤ）はスパーギヤ３７のピッチ円直径よりも大きく設定されており、インターナルギヤ３８の歯数と、このインターナルギヤ３８に噛合して前記ターゲット保持台３２を回転させる自転軸Ｃ１に装着されたスパーギヤ３７の歯数との最小公倍数を上記インターナルギヤ３８の歯数で割った値（スパーギヤ３７の歯数を両歯車の歯数の最大公約数で割った値でもある）が３０以上、好ましくは１００以上となるように調整した。
【００４３】
なお、上記ターゲット駆動機構３は、図１に示すようにボルト・ナット等の緊結手段１３により、チャンバー８の任意の内側面に固定される。
【００４４】
次に図３を参照してターゲット駆動機構の作動方法について説明する。
【００４５】
真空用モーター２１を、例えば図３に示すように平面方向から見て左回りに回転させると、スパーギヤ２５に噛合するスパーギヤ２６は両者の歯数の比に反比例する回転数で右回りに回転する。
【００４６】
スパーギヤ２６に回転自在に取り付けられているシャフト３４は、該スパーギヤ２６の回転に伴って、該スパーギヤ２６の軸芯（公転軸芯Ｃ２）を中心として、右回りに移動、すなわち公転するが、該シャフト３４の公転に伴って、シャフト３４の端部に取り付けられているスパーギヤ３７は、歯合しているインターナルギヤ３８の内周面に沿って逆方向に回転、すなわち自転するので、シャフト３４の先端に位置するターゲット２は、自らは左回りに自転しながら、スパーギヤ２６の軸芯の周りを右回りに公転する。
【００４７】
ここで、ターゲット２の公転軸芯Ｃ２はターゲット２の有効面内にあることが好ましい。公転軸芯Ｃ２が有効面外にあると、レーザー光４の光路が固定されている一般的な装置においては、当初レーザー光４がターゲット２の有効面内を照射していても、ターゲット２が自転と公転を行うことにより、ターゲット２の有効面を外れてしまうからである。
【００４８】
そのため、後述の基板駆動機構７の場合とは異なり、ターゲット駆動機構３においては、上記のとおり、シャフト３４に取り付けられ、外周面にギヤ歯を有するスパーギヤ３７と内周面にギヤ歯を有するインターナルギヤ３８との組合せを採用する必要がある。
【００４９】
上記のターゲット２の有効面とは、図１に示すようにレーザー光４が、その進行方向に対してある傾斜角度を有して取り付けられているターゲット２に照射されるとき、ターゲット２の中心からレーザー光４がターゲットカバー３３の鍔部に接することなくターゲット２に当たる位置までの距離を半径（有効半径）とする円の内部をいう。
【００５０】
ターゲット２の公転軸芯Ｃ２の自転軸芯Ｃ１からの距離をＡとすると、０＜Ａ＜有効半径、の関係式を満足することが好ましく、Ａ＝有効半径／２であることが最も好ましい。このとき、レーザー光４の照射位置にもよるが、照射位置が最適の場合、ターゲット２の中心を最内周軌道点、有効半径の軌跡（円周上）を最外周軌道点とする一種の内トロコイド曲線にそってレーザー光４はターゲット２に照射される。
【００５１】
また、レーザー光４は同じ軌跡をなぞる頻度が少ないことが好ましい。そのため、レーザー光４の照射幅によっても異なるが、スパーギヤ３７のギヤ歯数とインターナルギヤ３８のギヤ歯数の最小公倍数を該インターナルギヤ３８の歯数で割った値（スパーギヤ３７の歯数を両歯車の歯数の最大公約数で割った値でもある）が３０以上、さらに１００以上であることが好ましい。すなわち、最内周軌道点と最外周軌道点との間を１００回往復して元の軌跡に戻るからである。上記インターナルギヤ３８の歯数と、上記ターゲット保持台を回転させるスパーギヤ３７の歯数との最小公倍数を１００以上とすることにより、ターゲット表面上に隣接して形成されるレーザー光の照射経路の間隔を狭めることができ、ターゲットを均一に消耗させることができ、ターゲットの使用歩留りを高めることができる。
【００５２】
レーザー光４の照射位置としては、公転軸芯を中心としてターゲット２の有効半径から上記距離Ａを引いた距離を半径とする円内にあることが好ましく、公転軸芯から最も離れた位置、すなわちこの円の円周上にあることが最適である。
【００５３】
すなわち、ターゲット２に対するレーザー光４の照射位置は、公転軸芯Ｃ２を中心として、ターゲット２の有効半径から公転軸Ｃ２と自転軸Ｃ１との距離Ａを差し引いた距離を半径とする円内にあることが好ましい。
【００５４】
上記構成によれば、レーザー光の照射位置がターゲットから外れることがなく常にターゲット２の有効面内に存在することになり、アブレーション効率を低下させることがない。
【００５５】
また、上記レーザーアブレーション装置１において、前記ターゲット２に対するレーザー光４の照射位置は、公転軸芯Ｃ２を中心として、ターゲット２の有効半径から公転軸Ｃ２と自転軸Ｃ１との距離Ａを差し引いた距離を半径とする円の円周上にあることが好ましい。
【００５６】
上記構成によれば、レーザー光の照射位置がターゲットから外れることがなく常にターゲットの有効面内に存在することになり、特にターゲットの有効面積全域にレーザー光照射点が及ぶため、ターゲットの利用効率が最適（最大）となる。
【００５７】
図４は、本実施形態で使用する基板駆動機構の構成をより具体的に示す断面図である。基板駆動機構７はチャンバー８の底板上に立設されたスタンド６１の上端部に保持固定される。上記スタンド６１は、円板状部材の端部において垂直方向上方に延びるように形成され、このスタンド６１は円板状部材の端部を締金具（蝶ボルト）６２によって締着することによりチャンバー８の底面に固定される。
【００５８】
基板保持台１４等を搭載する円板状のブラケット６３の端部には、上記スタンド６１と同様に、ブラケット６３の水平面に対して垂直方向に延び、かつその外径がスタンド６１の内径よりも小さな外形を有する円筒状部材６４が固定されている。そして、円筒状部材６４をスタンド６１の内部に挿通して、蝶ボルト６５を締め付けることにより、上記ブラケット６３をチャンバー８の底面に平行な任意の高さ位置に固定することができる。ブラケット６３の下面側には、基板駆動機構７を駆動するための駆動モーター（真空用モーター）６６が、４本のサポート６７を介して下面側から取り付けられている。
【００５９】
基板保持台１４は、基板６を載置固定した状態で自転する自転テーブル７５と、自転テーブル７５を公転自在に保持する公転テーブル６８とから成る。略円板状の公転テーブル６８の下面中心には公転シャフト６９の上端が固着されている。また公転シャフト６９は、ブラケット６３のほぼ中央部に位置する開口部に挿通され、その他端はカップリング７０を介して駆動モーター６６の出力シャフトに連接されている。公転シャフト６９は、上記ブラケット６３の開口部に取り付けられた略円筒状の公転ベアリングハウス７１の内周面に対し、該内周面に取り付けられたベアリング７２、７２を介して、回転自在に取り付けられている。
【００６０】
中心軸方向の内部に公転シャフト６９が挿通された略円筒状のギヤボックス７４を介して、固定ギヤ７３がベアリングハウス７１の上部に固定されている。
【００６１】
略円板状の自転テーブル７５の下面中心には自転シャフト７６の上端が固着されている。なお、自転テーブル７５の上面には任意の大きさ、形状及び個数の基板６を取り付けられるように構成されている。
【００６２】
上記公転テーブル６８の端部には開口部を設け、該開口部に一端面の外側に突出した鍔部を設けた円筒状の自転ベアリングハウス７７を上方より挿通する一方、下方からは中空円板状の自転ベアリングハウス押エ７８を取り付け、ボルト等の緊結部材によって、ベアリングハウス７７が公転テーブル６８に固定されている。自転シャフト７６は、自転ベアリング７９、７９を介して自転ベアリングハウス７７の円筒状内部に回転自在に取り付けられている。自転シャフト７６の下端には自転ギヤ８０が取り付けられており、該自転ギヤ８０は上記固定ギヤ７３と噛合している。
【００６３】
上記公転テーブル６８の開口部は、公転テーブル６８の中心部付近から外周端部にかけて、半径方向に細長く切り欠いてあるので、該開口部に挿通・固定された自転ベアリングハウス７７及びその円筒状内部に挿通された自転シャフト７６の取り付け位置を公転テーブル６８上の半径方向に自由に移動させて固定することができ、基板の大きさ等に合わせて、自転テーブル７５の公転半径を自由に変えることができる。ただし、自転シャフト７６の取り付け位置の移動に合わせて、固定ギヤ７３と自動ギヤ８０の大きさを適宜変更する必要がある。
【００６４】
次に上記のように構成した基板駆動機構の作動方法について説明する。
【００６５】
図４に示す構成において、駆動モーター６６を左回りに回転させると、モーター６６の出力軸の回転運動はカップリング７０、公転シャフト６９を介して公転テーブル６８に伝達され、該公転テーブル６８は上記モーター６６と同方向に回転する。
【００６６】
自転テーブル７５は、公転テーブル６８の回転に伴って、該公転テーブル６８の軸芯Ｃ４の周りを、公転シャフト６９と自転シャフトの７６の距離（公転半径）Ｒだけ偏芯して左回りに公転する。自転テーブル７５（自転シャフト７６）の公転に伴って、自転シャフト７６の端部に取り付けられている自転ギヤ８０は、噛合している固定ギヤ７３の外周面に沿って自転シャフト７６の公転方向とは逆方向（右回り）に回転するので、自転テーブル７５及びその上面に取り付けられた基板６は、自らは右回りに自転しながら、公転シャフト６９の軸芯の周りを左回りに公転する。
【００６７】
ここで図１および図４に示すように、ターゲット２からのプルームは、基板６を固定した自転テーブル７５方向に対してある面積（円形）をもって放出される。そのため、プルームの面積範囲を基板６の全域で均等にカバーさせるために、基板６を自転させると共に公転させる機構は、固定ギヤ７３と自転ギヤ８０との組合せで示すように、各々その外周面にギヤ歯を有する１対の平歯車の組合せで構成することができる。
【００６８】
なお、基板６の大きさ、自転テーブル７５に載せる基板６の個数及び載せ方によっても異なるが、基板６の一部が自転テーブル７５の中心（軸芯）にかかっている場合は、該自転テーブル７５（自転シャフト７６）の軸芯Ｃ３は、少なくとも上記プルームの放出面積内にあることが好ましい。この場合、ターゲットから形成されるプルーム内での微細化放出物の濃度分布に影響されずに、基板の全表面に亘って均一な厚さを有する膜を形成することができる。
【００６９】
本実施形態に係るレーザーアブレーション装置１によれば、レーザー光４を照射されるターゲット２が自転すると共に所定範囲内を公転するように構成されているため、極めて簡単な機構で、ターゲット２が無駄に消耗せず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。そのため、長時間の成膜操作を継続した場合においても、その膜質や組成が安定した成膜を得ることができる。さらに、ターゲット２から放出された微細化粒子を薄膜として堆積させる基板６が自転すると共に所定範囲内を公転するように構成されているため、プルーム内での微細化放出物の濃度分布に影響されずに、大きな基板６や複数個の基板６であっても、その全表面に亘って均一な厚さを有する膜を形成することができる。
【００７０】
また、ターゲット駆動機構３において、ターゲット保持台３２を回転させる自転軸Ｃ１に装着された平歯車（スパーギヤ）３７と、上記自転軸Ｃ１と平行で一定距離Ａをおいて配置された公転軸Ｃ２が中心となるように配置された内歯車（インターナルギヤ）３８とを噛合させて連動するように構成されているため、１基の駆動モーター２１によってターゲット保持台３２の自転運動および公転運動を実現することができ、ターゲット駆動機構３を簡素に構成することが可能になり、運転操作も容易になる。
【００７１】
さらに、基板駆動機構７において、基板保持台１４を回転させる自転軸Ｃ３（自転シャフト７６）に装着された第１の平歯車（自転ギヤ８０）と、上記自転軸Ｃ３と平行で一定距離Ｒをおいて配置された公転軸Ｃ４（公転シャフト６９）が中心となるように固定された第２の平歯車（固定ギヤ７３）とを噛合させて連動するように構成されているために、１基の駆動モーター６６によって基板保持台１４の自転運動および公転運動を実現することができ、基板駆動機構７を簡素に構成することが可能になり、運転操作も容易になる等の優れた効果が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明に係るレーザーアブレーション装置によれば、レーザー光を照射されるターゲットが自転すると共に所定範囲内を公転するように構成されているため、極めて簡単な機構で、ターゲットが無駄に消耗せず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。そのため、長時間の成膜操作を継続した場合においても、その膜質や組成が安定した成膜を得ることができる。さらに、ターゲットから放出された微細化粒子を薄膜として堆積させる基板が自転すると共に所定範囲内を公転するように構成した場合には、プルーム内での微細化放出物の濃度分布に影響されずに、大きな基板や複数個の基板であっても、その全表面に亘って均一な厚さを有する膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明に係るレーザーアブレーション装置の一実施形態の概略構成を示す断面図。
【図２】ターゲット駆動機構の構成を示す断面図。
【図３】図２に示すターゲット駆動機構の構成および作動状態を示す平面図。
【図４】基板駆動機構の構成および作動状態を示す断面図。
【符号の説明】
【００７４】
１ レーザーアブレーション装置
２ ターゲット
３ ターゲット駆動機構
４ パルスレーザー光
５ 照射するレーザー発振装置
６ 基板
７ 基板駆動機構
８ チャンバー（真空容器）
９ レーザー光の導入窓
１０ 覗窓
１１ 排気口
１２ 緊結部材
１３ 緊結手段
１４ 基板保持台
２１ 真空用モーター
２２ モーターマウント
２３ ベース
２４ シャフト（駆動軸）
２５ スパーギヤ（平歯車）
２６ スパーギヤ（平歯車）
２７ ベアリング
２８ ベアリングホルダー
２９ ベアリングカバー
３０ ベアリングカバー
３１ スプリング
３２ ターゲットホルダー（ターゲット保持台）
３３ ターゲットカバー
３４ シャフト（自転軸）
３５ａ カラー
３５ｂ カラー
３５ｃ カラー
３６ ベアリング
３７ スパーギヤ（平歯車）
３８ インターナルギヤ（内歯車）
３９ インターナルギヤマウント
４０ ボス
６１ スタンド
６２ 締金具
６３ ブラケット
６４ 円筒状部材
６５ 蝶ボルト
６６ モーター
６７ サポート６７
６８ 公転テーブル
６９ 公転シャフト（公転軸）
７０ カップリング
７１ 公転ベアリングハウス
７２ ベアリング
７３ 固定ギヤ
７４ ギヤボックス
７５ 自転テーブル
７６ 自転シャフト（自転軸）
７７ 自転ベアリングハウス
７８ 自転ベアリングハウス押え
７９ 自転ベアリング
８０ 自転ギヤ
【技術分野】
【０００１】
本発明は膜成分を含有するターゲットにパルスレーザー光を照射して放出させた微細化粒子を基板上に堆積させて薄膜を形成するレーザーアブレーション装置に係り、特に簡素な装置構成で運転が容易で長期間に亘り安定的に成膜操作が可能であり、またターゲットの不均一で無駄な消耗が少なく高価なターゲット材料の使用歩留りを大幅に高めることが可能なレーザーアブレーション装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、真空容器内でターゲットにパルスレーザー光を照射して、該ターゲットから放出される微細化粒子を基板上に堆積させて薄膜を形成する方法が複合材料の製造方法として注目されている。
【０００３】
しかしながら、上記従来のレーザーアブレーション方法においては、パルスレーザー光の照射方向、ターゲットおよび基板の相対位置は実質的に固定されているため、上記の方法において、長時間に亘ってターゲットにパルスレーザー光を照射して厚さが大きい膜を形成する場合、ターゲットの１点にパルスレーザー光が連続的に照射されるため、ターゲットが局所的にかつ不均一に消耗される結果、ターゲットの使用歩留りが低下する問題があった。また、ターゲットから放出された微細化粒子を含むガス塊（プルーム）が不安定になり、安定した成膜操作が困難になる問題点もあった。さらに、プルームの不安定化に伴い、ターゲットの温度が上昇し易くなる。このような温度上昇が生じると、ターゲットの構成成分が蒸散揮発により変化するため、所定組成を有する良好な成膜を安定して得ることが困難になるばかりでなく、ターゲットの多くの部分を無駄に消耗し高価なターゲットの使用歩留りの低下がさらに加速されるという問題点もあった。
【０００４】
上記のような問題点を解決するために、特にターゲットの均一な消耗を実現するために、ターゲットに対するレーザー光の照射位置が変化するように構成したレーザーアブレーション装置が、例えば下記特許文献１に開示されている。
【０００５】
上記特許文献１に記載された従来のレーザーアブレーション装置は、上記の問題点を解決すべく、ターゲットの保持台をその軸芯周りに回転運動させるとともに、往復運動させるように構成した装置である。具体的には、円盤状のターゲットの保持台を、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構成されるものである。
【０００６】
そして、上記構成を有する従来のレーザーアブレーション装置においては、ターゲット保持台は、回転機構と直線移動機構との動作により、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、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、長時間の成膜操作を継続した場合においても、その膜質や組成が安定した成膜を得ることができるという効果が指向されている。
【特許文献１】特開平９−２６３９３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に記載されている従来のレーザーアブレーション装置においては、回転機構と直線移動機構との両機構を各々別の駆動機構（モーター）で作動させる必要があり、装置構成が複雑になり設備費用が高騰する問題点があった。また上記従来装置においては、ターゲット消耗の均一性を過度に重要視したため、ターゲットの外径側部位と内径側部位とにおける単位時間当たりの径方向移動量を均一化するために、各部位の周速度と回転角速度との関係を取って制御すべく上記両駆動機構を制御する手段を設けたため、装置構造が複雑化するのみならず、制御操作に高度な技量を必要とするなどの問題点があった。
【０００８】
一方、パルスレーザー光の照射によってターゲットから放出される微細化放出物は、ターゲットにレーザー光が当たった点（照射点）を中心として、該ターゲットの表面に垂直な方向に、広がりをもったプルームとして基板に向かって放出される。そして、一般的にプルームの中心部ほど放出物の濃度が高く、また均一であると考えられているので、成膜時間が長時間に及ぶほど基板の中心部と周縁部とで膜厚に差が生じるとともに、組成が不均一になるという問題もあった。
【０００９】
この問題点を解決するために、例えば基板の保持台に回転軸を設け、その軸芯周りに回転させる方法も採用されているが、この回転機構を導入しても基板における中心部と周縁部との相対位置関係は変化しないので本質的な問題の解決にはなっていない。
【００１０】
本発明は、上記従来装置における問題点を解決するためになされたものであり、極めて簡単な機構によりターゲットの均等な消耗を可能とし、プルームを長時間に亘って安定化でき長時間に亘り成膜を継続した場合においても、その膜質が安定した成膜を基板の表面に均一に形成できるとともに、ターゲットを無駄に消耗させず有効に活用することが可能になるレーザーアブレーション装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明に係るレーザーアブレーション装置は、膜構成成分を含有する円盤状のターゲットを保持するターゲット保持台と、上記ターゲットにレーザー光を照射することによりターゲット成分を原子，分子，イオンまたはクラスター状の微細化粒子として放出するレーザー発振装置と、上記ターゲットから放出された微細化粒子を薄膜として堆積させる基板を保持する基板保持台と、上記ターゲット保持台をその自転軸周りに回転自在とし、かつ自転軸と平行で所定距離をおいて配置された公転軸周りに公転自在とするターゲット駆動機構とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
すなわち本発明では、パルスレーザー光をターゲットに照射して該ターゲットからの微細化放出物を基板に堆積させるレーザーアブレーション装置において、ターゲットがその軸芯周りを自転するとともに該軸芯に平行かつ所定の距離を隔てた公転軸芯周りを公転するようにターゲット駆動機構が構成されている。さらに、基板がその軸芯周りを自転するとともに該軸芯に平行かつ所定の距離を隔てた公転軸芯周りを公転するように基板駆動機構を備えて構成することもできる。
【００１３】
このように、レーザー光を照射されるターゲットが自転すると共に所定範囲内を公転するように構成されているため、レーザー光の光路が固定される一般的な装置構成であっても、ターゲットの二次元平面内でレーザー光の照射点が滑らかな移動経路を辿りながらアブレーション操作が継続される。したがって、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、長時間の成膜操作を継続した場合においても、その膜質や組成が安定した成膜を得ることができる。
【００１４】
さらに、ターゲットから放出された微細化粒子を薄膜として堆積させる基板が自転すると共に所定範囲内を公転するように構成した場合には、プルーム内での微細化放出物の濃度分布に影響されずに、大きな基板や複数個の基板であっても、その基板の全表面に亘って均一な厚さを有する膜を形成することができる。
【００１５】
また上記レーザーアブレーション装置において、前記ターゲット駆動機構は、ターゲット保持台を回転させる自転軸に装着された平歯車と、上記自転軸と平行で一定距離をおいて配置された公転軸が中心となるように配置された内歯車とを噛合させて構成されていることが好ましい。
【００１６】
上記のように、自転軸に装着された平歯車と公転軸が中心となるように配置された内歯車とを噛合させて連動するように構成することにより、１基の駆動モーターによってターゲット保持台の自転運動および公転運動を実現することができ、ターゲット駆動機構を簡素に構成することが可能になり、運転操作も容易になる。
【００１７】
さらに、上記レーザーアブレーション装置において、前記基板駆動機構は、基板保持台を回転させる自転軸に装着された第１の平歯車と、上記自転軸と平行で一定距離をおいて配置された公転軸が中心となるように固定された第２の平歯車とを噛合させて構成されていることが好ましい。
【００１８】
上記のように、自転軸に装着された第１の平歯車と公転軸が中心となるように配置された第２の平歯車とを噛合させて連動するように構成することにより、１基の駆動モーターによって基板保持台の自転運動および公転運動を実現することができ、基板駆動機構を簡素に構成することが可能になり、運転操作も容易になる。
【００１９】
また、上記レーザーアブレーション装置において、前記ターゲット駆動機構の公転軸と自転軸との距離が、円盤状のターゲットの有効半径以下であることが好ましい。
【００２０】
上記のように、ターゲット駆動機構の公転軸と自転軸との距離を円盤状のターゲットの有効半径以下とすることにより、ターゲットの公転軸芯が常にターゲットの有効面内に存在することとなり、ターゲットの公転面の中心部にレーザー光の非照射部が形成されることが無く、アブレーション効率が低下することがない。
【００２１】
さらに、上記レーザーアブレーション装置において、前記ターゲット駆動機構の公転軸と自転軸との距離が、ターゲットの有効半径の略２分の１であることが好ましい。
【００２２】
上記のようにターゲット駆動機構の公転軸と自転軸との距離をターゲットの有効半径の略２分の１とすることにより、ターゲットの公転面の中心部にレーザー光の非照射部が形成されることが無く、ターゲットの有効面積全域にレーザー光照射点が及ぶため、ターゲットの利用効率が最適（最大）となる。
【００２３】
また、上記レーザーアブレーション装置において、前記ターゲット駆動機構の公転軸が中心となるように配置された内歯車の歯数と、この内歯車に噛合して前記ターゲット保持台を回転させる自転軸に装着された平歯車の歯数との最小公倍数を上記内歯車の歯数で割った値（平歯車の歯数を両歯車の歯数の最大公約数で割った値でもある）が３０以上であることが好ましい。
【００２４】
上記内歯車の歯数と、この内歯車に噛合して前記ターゲット保持台を回転させる平歯車の歯数との最小公倍数を上記内歯車の歯数で割った値が３０未満となると、ターゲット表面上に隣接して形成されるレーザー光の照射経路の間隔が粗くなり、同一の照射経路をなぞる頻度が増加し、ターゲットを均一に消耗させる観点から好ましくない。そこで、上記内歯車の歯数と、この内歯車に噛合して前記ターゲット保持台を回転させる平歯車の歯数との最小公倍数を上記内歯車の歯数で割った値を３０以上とすることにより、ターゲット表面上に隣接して形成されるレーザー光の照射経路の間隔を狭めることができ、ターゲットを均一に消耗させることができ、ターゲットの使用歩留りを高めることができる。この観点から、上記両歯車の歯数の最小公倍数を上記内歯車の歯数で割った値は３０以上、好ましくは１００以上とする。
【００２５】
さらに、上記レーザーアブレーション装置において、前記ターゲットに対するレーザー光の照射位置は、公転軸芯を中心として、ターゲットの有効半径から公転軸と自転軸との距離を差し引いた距離を半径とする円内にあることが好ましい。
【００２６】
上記構成によれば、レーザー光の照射位置がターゲットから外れることがなく常にターゲットの有効面内に存在することになり、アブレーション効率を低下させることがない。
【００２７】
また、上記レーザーアブレーション装置において、前記ターゲットに対するレーザー光の照射位置は、公転軸芯を中心として、ターゲットの有効半径から公転軸と自転軸との距離を差し引いた距離を半径とする円の円周上にあることが好ましい。
【００２８】
上記構成によれば、レーザー光の照射位置がターゲットから外れることがなく常にターゲットの有効面内に存在することになり、特にターゲットの有効面積全域にレーザー光照射点が及ぶため、ターゲットの利用効率が最適（最大）となる。
【００２９】
さらに、上記レーザーアブレーション装置において、前記基板駆動機構の自転軸は、ターゲットからの微細化放出物の放出面積内にあることが好ましい。
【００３０】
上記構成によれば、ターゲットから形成されるプルーム内での微細化放出物の濃度分布に影響されずに、基板の全表面に亘って均一な厚さを有する膜を形成することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係るレーザーアブレーション装置によれば、レーザー光を照射されるターゲットが自転すると共に所定範囲内を公転するように構成されているため、極めて簡単な機構で、ターゲットが無駄に消耗せず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。そのため、長時間の成膜操作を継続した場合においても、その膜質や組成が安定した成膜を得ることができる。さらに、ターゲットから放出された微細化粒子を薄膜として堆積させる基板が自転すると共に所定範囲内を公転するように構成した場合には、プルーム内での微細化放出物の濃度分布に影響されずに、大きな基板や複数個の基板であっても、その全表面に亘って均一な厚さを有する膜を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
次に本発明の実施形態について添付図面を参照してより具体的に説明する。
【００３３】
図１は、本発明に係るレーザーアブレーション装置の一実施形態の概略構成を示す断面図である。図２はターゲット駆動機構の構成を示す断面図であり、図３は、図２に示すターゲット駆動機構の構成および作動状況を示す平面図であり、図４は基板駆動機構の構成および作動状態を示す断面図である。
【００３４】
すなわち、本実施形態に係るレーザーアブレーション装置１は、膜構成成分を含有する円盤状のターゲット２を保持するターゲット保持台３２と、上記ターゲット２にパルスレーザー光４を照射することによりターゲット成分を原子，分子，イオンまたはクラスター状の微細化粒子として放出するレーザー発振装置５と、上記ターゲット２から放出された微細化粒子を薄膜として堆積させる基板６を保持する基板保持台１４と、上記ターゲット保持台３２をその自転軸Ｃ１周りに回転自在とし、かつ自転軸Ｃ１と平行で所定距離をおいて配置された公転軸Ｃ２周りに公転自在とするターゲット駆動機構３と、上記基板保持台１４をその自転軸Ｃ３周りに回転自在とし、かつ自転軸Ｃ３と平行で一定距離をおいて配置された公転軸Ｃ４周りに公転自在とする基板駆動機構７とを備えて構成されている。
【００３５】
また、上記ターゲット駆動機構３および基板駆動機構７は、チャンバー（真空容器）８に収容されている。さらにチャンバー（真空容器）８の側壁には、レーザー発振装置５からのパルスレーザー光４をチャンバー８内に導入するためのレーザー光導入窓９が設けられる一方、チャンバー８の頂部には、ターゲット駆動機構３および基板駆動機構７の動作状態を視認するための覗窓１０が設けられている。また、チャンバー８の本体部と頂部とを緊結し頂部を開閉するためのクランプ等の緊結部材１２が装着されている。さらに、チャンバー８内部を排気し真空状態に減圧する真空ポンプ等の真空源に連通する排気口１１が設けられている。ターゲット駆動機構３は、チャンバー内面から突設されたブラケットに緊結手段１３を介して固定されている。
【００３６】
図２は、上記ターゲット駆動機構の構成をより詳細に示す断面図である。
【００３７】
ターゲット２を駆動するための真空用モーター２１がモーターマウント２２を介してベース２３に固定されている。真空用モーター２１の出力シャフト２４の端部にはスパーギヤ（平歯車）２５が取り付けられている。
【００３８】
上記スパーギヤ２５に噛合するようにスパーギヤ２６が設けられ、このスパーギヤ２６を外周面の一部に取り付けられた中空略円柱状のボス４０は、他の外周面においてベアリング２７を介してベアリングホルダー２８に回転自在に取り付けられている。なお、ベアリングホルダー２８もベース２３に固定されている。上記ベアリング２７はベアリングカバー２９，３０によって覆われている。
【００３９】
円盤状のターゲット２はスプリング３１を介在させた状態で略円板状のターゲットホルダー３２に載置され、略円筒状のターゲットカバー３３をターゲットホルダー３２に螺合させることにより固定されている。ここでターゲットカバー３３は一端面に内側に突出する中空円板状の鍔部を有しているので、ターゲットカバー３３をターゲットホルダー３２に螺合させると上記鍔部がターゲット上面の最外周部に掛合し、ターゲット２をターゲットホルダー３２方向に押しつけて固定する。
【００４０】
ターゲットホルダー３２の裏面には該ターゲットホルダー３２と軸芯（自転軸Ｃ１）を同じくするシャフト３４が固着されている。このシャフト３４は、上記ボス４０の中空内周面に対し、カラー３５ａ、３５ｂによって位置決めした上で、ベアリング３６、３６を介して回転自在に取り付けられている。なお、シャフト３４の軸芯（自転軸Ｃ１）とスパーギヤ２６の軸芯（公転軸Ｃ２）とは、平行ではあるが偏芯している。
【００４１】
シャフト３４の他方の端部には、カラー３５ｃによって軸方向の位置決めをした上で、スパーギヤ３７が取り付けられている。
【００４２】
上記スパーギヤ３７は、内周面にギヤ歯が切ってあるインターナルギヤ（内歯車）３８の内周部において噛合しており、そのインターナルギヤ（内歯車）３８の軸芯は上記スパーギヤ２６の軸芯（公転軸Ｃ２）と一致している。このインターナルギヤ３８はインターナルギヤマウント３９を介してベース２３に固定されている。ここで、インターナルギヤ３８のピッチ円直径（ＰＣＤ）はスパーギヤ３７のピッチ円直径よりも大きく設定されており、インターナルギヤ３８の歯数と、このインターナルギヤ３８に噛合して前記ターゲット保持台３２を回転させる自転軸Ｃ１に装着されたスパーギヤ３７の歯数との最小公倍数を上記インターナルギヤ３８の歯数で割った値（スパーギヤ３７の歯数を両歯車の歯数の最大公約数で割った値でもある）が３０以上、好ましくは１００以上となるように調整した。
【００４３】
なお、上記ターゲット駆動機構３は、図１に示すようにボルト・ナット等の緊結手段１３により、チャンバー８の任意の内側面に固定される。
【００４４】
次に図３を参照してターゲット駆動機構の作動方法について説明する。
【００４５】
真空用モーター２１を、例えば図３に示すように平面方向から見て左回りに回転させると、スパーギヤ２５に噛合するスパーギヤ２６は両者の歯数の比に反比例する回転数で右回りに回転する。
【００４６】
スパーギヤ２６に回転自在に取り付けられているシャフト３４は、該スパーギヤ２６の回転に伴って、該スパーギヤ２６の軸芯（公転軸芯Ｃ２）を中心として、右回りに移動、すなわち公転するが、該シャフト３４の公転に伴って、シャフト３４の端部に取り付けられているスパーギヤ３７は、歯合しているインターナルギヤ３８の内周面に沿って逆方向に回転、すなわち自転するので、シャフト３４の先端に位置するターゲット２は、自らは左回りに自転しながら、スパーギヤ２６の軸芯の周りを右回りに公転する。
【００４７】
ここで、ターゲット２の公転軸芯Ｃ２はターゲット２の有効面内にあることが好ましい。公転軸芯Ｃ２が有効面外にあると、レーザー光４の光路が固定されている一般的な装置においては、当初レーザー光４がターゲット２の有効面内を照射していても、ターゲット２が自転と公転を行うことにより、ターゲット２の有効面を外れてしまうからである。
【００４８】
そのため、後述の基板駆動機構７の場合とは異なり、ターゲット駆動機構３においては、上記のとおり、シャフト３４に取り付けられ、外周面にギヤ歯を有するスパーギヤ３７と内周面にギヤ歯を有するインターナルギヤ３８との組合せを採用する必要がある。
【００４９】
上記のターゲット２の有効面とは、図１に示すようにレーザー光４が、その進行方向に対してある傾斜角度を有して取り付けられているターゲット２に照射されるとき、ターゲット２の中心からレーザー光４がターゲットカバー３３の鍔部に接することなくターゲット２に当たる位置までの距離を半径（有効半径）とする円の内部をいう。
【００５０】
ターゲット２の公転軸芯Ｃ２の自転軸芯Ｃ１からの距離をＡとすると、０＜Ａ＜有効半径、の関係式を満足することが好ましく、Ａ＝有効半径／２であることが最も好ましい。このとき、レーザー光４の照射位置にもよるが、照射位置が最適の場合、ターゲット２の中心を最内周軌道点、有効半径の軌跡（円周上）を最外周軌道点とする一種の内トロコイド曲線にそってレーザー光４はターゲット２に照射される。
【００５１】
また、レーザー光４は同じ軌跡をなぞる頻度が少ないことが好ましい。そのため、レーザー光４の照射幅によっても異なるが、スパーギヤ３７のギヤ歯数とインターナルギヤ３８のギヤ歯数の最小公倍数を該インターナルギヤ３８の歯数で割った値（スパーギヤ３７の歯数を両歯車の歯数の最大公約数で割った値でもある）が３０以上、さらに１００以上であることが好ましい。すなわち、最内周軌道点と最外周軌道点との間を１００回往復して元の軌跡に戻るからである。上記インターナルギヤ３８の歯数と、上記ターゲット保持台を回転させるスパーギヤ３７の歯数との最小公倍数を１００以上とすることにより、ターゲット表面上に隣接して形成されるレーザー光の照射経路の間隔を狭めることができ、ターゲットを均一に消耗させることができ、ターゲットの使用歩留りを高めることができる。
【００５２】
レーザー光４の照射位置としては、公転軸芯を中心としてターゲット２の有効半径から上記距離Ａを引いた距離を半径とする円内にあることが好ましく、公転軸芯から最も離れた位置、すなわちこの円の円周上にあることが最適である。
【００５３】
すなわち、ターゲット２に対するレーザー光４の照射位置は、公転軸芯Ｃ２を中心として、ターゲット２の有効半径から公転軸Ｃ２と自転軸Ｃ１との距離Ａを差し引いた距離を半径とする円内にあることが好ましい。
【００５４】
上記構成によれば、レーザー光の照射位置がターゲットから外れることがなく常にターゲット２の有効面内に存在することになり、アブレーション効率を低下させることがない。
【００５５】
また、上記レーザーアブレーション装置１において、前記ターゲット２に対するレーザー光４の照射位置は、公転軸芯Ｃ２を中心として、ターゲット２の有効半径から公転軸Ｃ２と自転軸Ｃ１との距離Ａを差し引いた距離を半径とする円の円周上にあることが好ましい。
【００５６】
上記構成によれば、レーザー光の照射位置がターゲットから外れることがなく常にターゲットの有効面内に存在することになり、特にターゲットの有効面積全域にレーザー光照射点が及ぶため、ターゲットの利用効率が最適（最大）となる。
【００５７】
図４は、本実施形態で使用する基板駆動機構の構成をより具体的に示す断面図である。基板駆動機構７はチャンバー８の底板上に立設されたスタンド６１の上端部に保持固定される。上記スタンド６１は、円板状部材の端部において垂直方向上方に延びるように形成され、このスタンド６１は円板状部材の端部を締金具（蝶ボルト）６２によって締着することによりチャンバー８の底面に固定される。
【００５８】
基板保持台１４等を搭載する円板状のブラケット６３の端部には、上記スタンド６１と同様に、ブラケット６３の水平面に対して垂直方向に延び、かつその外径がスタンド６１の内径よりも小さな外形を有する円筒状部材６４が固定されている。そして、円筒状部材６４をスタンド６１の内部に挿通して、蝶ボルト６５を締め付けることにより、上記ブラケット６３をチャンバー８の底面に平行な任意の高さ位置に固定することができる。ブラケット６３の下面側には、基板駆動機構７を駆動するための駆動モーター（真空用モーター）６６が、４本のサポート６７を介して下面側から取り付けられている。
【００５９】
基板保持台１４は、基板６を載置固定した状態で自転する自転テーブル７５と、自転テーブル７５を公転自在に保持する公転テーブル６８とから成る。略円板状の公転テーブル６８の下面中心には公転シャフト６９の上端が固着されている。また公転シャフト６９は、ブラケット６３のほぼ中央部に位置する開口部に挿通され、その他端はカップリング７０を介して駆動モーター６６の出力シャフトに連接されている。公転シャフト６９は、上記ブラケット６３の開口部に取り付けられた略円筒状の公転ベアリングハウス７１の内周面に対し、該内周面に取り付けられたベアリング７２、７２を介して、回転自在に取り付けられている。
【００６０】
中心軸方向の内部に公転シャフト６９が挿通された略円筒状のギヤボックス７４を介して、固定ギヤ７３がベアリングハウス７１の上部に固定されている。
【００６１】
略円板状の自転テーブル７５の下面中心には自転シャフト７６の上端が固着されている。なお、自転テーブル７５の上面には任意の大きさ、形状及び個数の基板６を取り付けられるように構成されている。
【００６２】
上記公転テーブル６８の端部には開口部を設け、該開口部に一端面の外側に突出した鍔部を設けた円筒状の自転ベアリングハウス７７を上方より挿通する一方、下方からは中空円板状の自転ベアリングハウス押エ７８を取り付け、ボルト等の緊結部材によって、ベアリングハウス７７が公転テーブル６８に固定されている。自転シャフト７６は、自転ベアリング７９、７９を介して自転ベアリングハウス７７の円筒状内部に回転自在に取り付けられている。自転シャフト７６の下端には自転ギヤ８０が取り付けられており、該自転ギヤ８０は上記固定ギヤ７３と噛合している。
【００６３】
上記公転テーブル６８の開口部は、公転テーブル６８の中心部付近から外周端部にかけて、半径方向に細長く切り欠いてあるので、該開口部に挿通・固定された自転ベアリングハウス７７及びその円筒状内部に挿通された自転シャフト７６の取り付け位置を公転テーブル６８上の半径方向に自由に移動させて固定することができ、基板の大きさ等に合わせて、自転テーブル７５の公転半径を自由に変えることができる。ただし、自転シャフト７６の取り付け位置の移動に合わせて、固定ギヤ７３と自動ギヤ８０の大きさを適宜変更する必要がある。
【００６４】
次に上記のように構成した基板駆動機構の作動方法について説明する。
【００６５】
図４に示す構成において、駆動モーター６６を左回りに回転させると、モーター６６の出力軸の回転運動はカップリング７０、公転シャフト６９を介して公転テーブル６８に伝達され、該公転テーブル６８は上記モーター６６と同方向に回転する。
【００６６】
自転テーブル７５は、公転テーブル６８の回転に伴って、該公転テーブル６８の軸芯Ｃ４の周りを、公転シャフト６９と自転シャフトの７６の距離（公転半径）Ｒだけ偏芯して左回りに公転する。自転テーブル７５（自転シャフト７６）の公転に伴って、自転シャフト７６の端部に取り付けられている自転ギヤ８０は、噛合している固定ギヤ７３の外周面に沿って自転シャフト７６の公転方向とは逆方向（右回り）に回転するので、自転テーブル７５及びその上面に取り付けられた基板６は、自らは右回りに自転しながら、公転シャフト６９の軸芯の周りを左回りに公転する。
【００６７】
ここで図１および図４に示すように、ターゲット２からのプルームは、基板６を固定した自転テーブル７５方向に対してある面積（円形）をもって放出される。そのため、プルームの面積範囲を基板６の全域で均等にカバーさせるために、基板６を自転させると共に公転させる機構は、固定ギヤ７３と自転ギヤ８０との組合せで示すように、各々その外周面にギヤ歯を有する１対の平歯車の組合せで構成することができる。
【００６８】
なお、基板６の大きさ、自転テーブル７５に載せる基板６の個数及び載せ方によっても異なるが、基板６の一部が自転テーブル７５の中心（軸芯）にかかっている場合は、該自転テーブル７５（自転シャフト７６）の軸芯Ｃ３は、少なくとも上記プルームの放出面積内にあることが好ましい。この場合、ターゲットから形成されるプルーム内での微細化放出物の濃度分布に影響されずに、基板の全表面に亘って均一な厚さを有する膜を形成することができる。
【００６９】
本実施形態に係るレーザーアブレーション装置１によれば、レーザー光４を照射されるターゲット２が自転すると共に所定範囲内を公転するように構成されているため、極めて簡単な機構で、ターゲット２が無駄に消耗せず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。そのため、長時間の成膜操作を継続した場合においても、その膜質や組成が安定した成膜を得ることができる。さらに、ターゲット２から放出された微細化粒子を薄膜として堆積させる基板６が自転すると共に所定範囲内を公転するように構成されているため、プルーム内での微細化放出物の濃度分布に影響されずに、大きな基板６や複数個の基板６であっても、その全表面に亘って均一な厚さを有する膜を形成することができる。
【００７０】
また、ターゲット駆動機構３において、ターゲット保持台３２を回転させる自転軸Ｃ１に装着された平歯車（スパーギヤ）３７と、上記自転軸Ｃ１と平行で一定距離Ａをおいて配置された公転軸Ｃ２が中心となるように配置された内歯車（インターナルギヤ）３８とを噛合させて連動するように構成されているため、１基の駆動モーター２１によってターゲット保持台３２の自転運動および公転運動を実現することができ、ターゲット駆動機構３を簡素に構成することが可能になり、運転操作も容易になる。
【００７１】
さらに、基板駆動機構７において、基板保持台１４を回転させる自転軸Ｃ３（自転シャフト７６）に装着された第１の平歯車（自転ギヤ８０）と、上記自転軸Ｃ３と平行で一定距離Ｒをおいて配置された公転軸Ｃ４（公転シャフト６９）が中心となるように固定された第２の平歯車（固定ギヤ７３）とを噛合させて連動するように構成されているために、１基の駆動モーター６６によって基板保持台１４の自転運動および公転運動を実現することができ、基板駆動機構７を簡素に構成することが可能になり、運転操作も容易になる等の優れた効果が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明に係るレーザーアブレーション装置によれば、レーザー光を照射されるターゲットが自転すると共に所定範囲内を公転するように構成されているため、極めて簡単な機構で、ターゲットが無駄に消耗せず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。そのため、長時間の成膜操作を継続した場合においても、その膜質や組成が安定した成膜を得ることができる。さらに、ターゲットから放出された微細化粒子を薄膜として堆積させる基板が自転すると共に所定範囲内を公転するように構成した場合には、プルーム内での微細化放出物の濃度分布に影響されずに、大きな基板や複数個の基板であっても、その全表面に亘って均一な厚さを有する膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明に係るレーザーアブレーション装置の一実施形態の概略構成を示す断面図。
【図２】ターゲット駆動機構の構成を示す断面図。
【図３】図２に示すターゲット駆動機構の構成および作動状態を示す平面図。
【図４】基板駆動機構の構成および作動状態を示す断面図。
【符号の説明】
【００７４】
１ レーザーアブレーション装置
２ ターゲット
３ ターゲット駆動機構
４ パルスレーザー光
５ 照射するレーザー発振装置
６ 基板
７ 基板駆動機構
８ チャンバー（真空容器）
９ レーザー光の導入窓
１０ 覗窓
１１ 排気口
１２ 緊結部材
１３ 緊結手段
１４ 基板保持台
２１ 真空用モーター
２２ モーターマウント
２３ ベース
２４ シャフト（駆動軸）
２５ スパーギヤ（平歯車）
２６ スパーギヤ（平歯車）
２７ ベアリング
２８ ベアリングホルダー
２９ ベアリングカバー
３０ ベアリングカバー
３１ スプリング
３２ ターゲットホルダー（ターゲット保持台）
３３ ターゲットカバー
３４ シャフト（自転軸）
３５ａ カラー
３５ｂ カラー
３５ｃ カラー
３６ ベアリング
３７ スパーギヤ（平歯車）
３８ インターナルギヤ（内歯車）
３９ インターナルギヤマウント
４０ ボス
６１ スタンド
６２ 締金具
６３ ブラケット
６４ 円筒状部材
６５ 蝶ボルト
６６ モーター
６７ サポート６７
６８ 公転テーブル
６９ 公転シャフト（公転軸）
７０ カップリング
７１ 公転ベアリングハウス
７２ ベアリング
７３ 固定ギヤ
７４ ギヤボックス
７５ 自転テーブル
７６ 自転シャフト（自転軸）
７７ 自転ベアリングハウス
７８ 自転ベアリングハウス押え
７９ 自転ベアリング
８０ 自転ギヤ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜構成成分を含有する円盤状のターゲットを保持するターゲット保持台と、上記ターゲットにレーザー光を照射することによりターゲット成分を原子，分子，イオンまたはクラスター状の微細化粒子として放出するレーザー発振装置と、上記ターゲットから放出された微細化粒子を薄膜として堆積させる基板を保持する基板保持台と、上記ターゲット保持台をその自転軸周りに回転自在とし、かつ自転軸と平行で所定距離をおいて配置された公転軸周りに公転自在とするターゲット駆動機構とを備えていることを特徴とするレーザーアブレーション装置。
【請求項２】
前記基板保持台をその自転軸周りに回転自在とし、かつ自転軸と平行で一定距離をおいて配置された公転軸周りに公転自在とする基板駆動機構をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載のレーザーアブレーション装置。
【請求項３】
前記ターゲット駆動機構は、ターゲット保持台を回転させる自転軸に装着された平歯車と、上記自転軸と平行で一定距離をおいて配置された公転軸が中心となるように配置された内歯車とを噛合させて構成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザーアブレーション装置。
【請求項４】
前記基板駆動機構は、基板保持台を回転させる自転軸に装着された第１の平歯車と、上記自転軸と平行で一定距離をおいて配置された公転軸が中心となるように固定された第２の平歯車とを噛合させて構成されていることを特徴とする請求項２記載のレーザーアブレーション装置。
【請求項５】
前記ターゲット駆動機構の公転軸と自転軸との距離が、円盤状のターゲットの有効半径以下であることを特徴とする請求項１記載のレーザーアブレーション装置。
【請求項６】
前記ターゲット駆動機構の公転軸と自転軸との距離が、ターゲットの有効半径の略２分の１であることを特徴とする請求項１記載のレーザーアブレーション装置。
【請求項７】
前記ターゲット駆動機構の公転軸が中心となるように配置された内歯車の歯数と、この内歯車に噛合して前記ターゲット保持台を回転させる自転軸に装着された平歯車の歯数との最小公倍数を上記内歯車の歯数で割った値が３０以上であることを特徴とする請求項１記載のレーザーアブレーション装置。
【請求項８】
前記ターゲットに対するレーザー光の照射位置は、公転軸芯を中心として、ターゲットの有効半径から公転軸と自転軸との距離を差し引いた距離を半径とする円内にあることを特徴とする請求項１記載のレーザーアブレーション装置。
【請求項９】
前記ターゲットに対するレーザー光の照射位置は、公転軸芯を中心として、ターゲットの有効半径から公転軸と自転軸との距離を差し引いた距離を半径とする円の円周上にあることを特徴とする請求項１記載のレーザーアブレーション装置。
【請求項１０】
前記基板駆動機構の自転軸は、ターゲットからの微細化放出物の放出面積内にあることを特徴とする請求項１記載のレーザーアブレーション装置。
【請求項１】
膜構成成分を含有する円盤状のターゲットを保持するターゲット保持台と、上記ターゲットにレーザー光を照射することによりターゲット成分を原子，分子，イオンまたはクラスター状の微細化粒子として放出するレーザー発振装置と、上記ターゲットから放出された微細化粒子を薄膜として堆積させる基板を保持する基板保持台と、上記ターゲット保持台をその自転軸周りに回転自在とし、かつ自転軸と平行で所定距離をおいて配置された公転軸周りに公転自在とするターゲット駆動機構とを備えていることを特徴とするレーザーアブレーション装置。
【請求項２】
前記基板保持台をその自転軸周りに回転自在とし、かつ自転軸と平行で一定距離をおいて配置された公転軸周りに公転自在とする基板駆動機構をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載のレーザーアブレーション装置。
【請求項３】
前記ターゲット駆動機構は、ターゲット保持台を回転させる自転軸に装着された平歯車と、上記自転軸と平行で一定距離をおいて配置された公転軸が中心となるように配置された内歯車とを噛合させて構成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザーアブレーション装置。
【請求項４】
前記基板駆動機構は、基板保持台を回転させる自転軸に装着された第１の平歯車と、上記自転軸と平行で一定距離をおいて配置された公転軸が中心となるように固定された第２の平歯車とを噛合させて構成されていることを特徴とする請求項２記載のレーザーアブレーション装置。
【請求項５】
前記ターゲット駆動機構の公転軸と自転軸との距離が、円盤状のターゲットの有効半径以下であることを特徴とする請求項１記載のレーザーアブレーション装置。
【請求項６】
前記ターゲット駆動機構の公転軸と自転軸との距離が、ターゲットの有効半径の略２分の１であることを特徴とする請求項１記載のレーザーアブレーション装置。
【請求項７】
前記ターゲット駆動機構の公転軸が中心となるように配置された内歯車の歯数と、この内歯車に噛合して前記ターゲット保持台を回転させる自転軸に装着された平歯車の歯数との最小公倍数を上記内歯車の歯数で割った値が３０以上であることを特徴とする請求項１記載のレーザーアブレーション装置。
【請求項８】
前記ターゲットに対するレーザー光の照射位置は、公転軸芯を中心として、ターゲットの有効半径から公転軸と自転軸との距離を差し引いた距離を半径とする円内にあることを特徴とする請求項１記載のレーザーアブレーション装置。
【請求項９】
前記ターゲットに対するレーザー光の照射位置は、公転軸芯を中心として、ターゲットの有効半径から公転軸と自転軸との距離を差し引いた距離を半径とする円の円周上にあることを特徴とする請求項１記載のレーザーアブレーション装置。
【請求項１０】
前記基板駆動機構の自転軸は、ターゲットからの微細化放出物の放出面積内にあることを特徴とする請求項１記載のレーザーアブレーション装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−１２４８２１（Ｐ２００６−１２４８２１Ａ）
【公開日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３１８４４０（Ｐ２００４−３１８４４０）
【出願日】平成１６年１１月１日（２００４．１１．１）
【出願人】（０００１５２１８１）株式会社奈良機械製作所 (15)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月１日（２００４．１１．１）
【出願人】（０００１５２１８１）株式会社奈良機械製作所 (15)
【Ｆターム（参考）】
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