JP2007162059A - クラスター成膜装置及び成膜方法、並びにクラスター生成装置及び生成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザビームの強度を増大し、クラスター群の生成量の増大とクラスター群のクラスター生成容器からの取り出しを増大する。
【解決手段】クラスター生成容器５内において、ターゲット１にレーザビーム２を照射し、発生する材料蒸気が不活性ガスの衝撃波４を発生せしめ、該衝撃波４がクラスター生成容器５の壁に反射して進行してきた材料蒸気を特定領域に閉じ込め、材料蒸気の原子あるいは分子同士の衝突によりクラスター群を生成して流出窓７から流出せしめ、基板９上に散布してクラスター膜１０を成膜する装置において、該レーザビーム２のエネルギー強度の増大に応じて該ターゲット表面での該レーザビーム２の断面積を拡大せしめて、材料蒸気の発生蒸気量増大と該不活性ガスの衝撃波の効率的発生を両立せしめ、同時に該衝撃波の反射波が材料蒸気を閉じ込める条件を満たすようにクラスター生成容器を拡大化する。
【選択図】 図１
【解決手段】クラスター生成容器５内において、ターゲット１にレーザビーム２を照射し、発生する材料蒸気が不活性ガスの衝撃波４を発生せしめ、該衝撃波４がクラスター生成容器５の壁に反射して進行してきた材料蒸気を特定領域に閉じ込め、材料蒸気の原子あるいは分子同士の衝突によりクラスター群を生成して流出窓７から流出せしめ、基板９上に散布してクラスター膜１０を成膜する装置において、該レーザビーム２のエネルギー強度の増大に応じて該ターゲット表面での該レーザビーム２の断面積を拡大せしめて、材料蒸気の発生蒸気量増大と該不活性ガスの衝撃波の効率的発生を両立せしめ、同時に該衝撃波の反射波が材料蒸気を閉じ込める条件を満たすようにクラスター生成容器を拡大化する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、基板上にクラスターを堆積させて、膜状のクラスター集合体を形成するために用いられる、レーザアブレーションによるクラスター成膜装置及び成膜方法、並びにクラスター生成装置及び生成方法に関する。
近年、１０ｎｍ以下の微細構造性制御が求められるようになってきた。微細化により材料の性質が変わり、ナノエレクトロニクス、光エレクトロニクス、バイオテクノロジ等の多くの分野への応用が期待されるからである。材料の一般的な成膜技術としては従来よりプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、イオンスパッタリングＣＶＤ、レーザＣＶＤが利用され、大面積の基板に効率よく成膜が可能である特徴を活かして広く産業分野で活用されてきた（特許文献１）。しかし近年高まってきたナノスケールに至る微細化のニーズに対して必要となるナノスケールの微細構造制御を含む成膜技術としては、これらのＣＶＤ技術には、原理的に困難な技術課題が存在している。ＣＶＤによるナノ構造微細制御の代表的な手法には、付着原子が基板表面の結晶格子に沿って集合して島状の周期構造にエピタキシャル成長する手法（特許文献２）と、ＳｉＯ2などのアモルファス構造基板に低圧ＣＶＤを活用して半導体原子を蒸着するか、もしくはＳｉＯ2薄膜中に半導体原子を注入した後、高温アニールして半導体ナノ結晶を形成する手法（非特許文献１）とがある。前者の手法は基板表面の清浄度、温度、原子レベルの平坦性など基板表面状態に敏感に依存すること、堆積速度にも依存することからナノ構造制御が成膜速度の律則となること、形成される周期的島状構造は１層に限定され、多層のナノ構造薄膜は生成できないなど、産業技術化として困難な面が多い。後者の手法は薄膜基板の温度制御に敏感に依存すること、ガス雰囲気中での１０００度以上の高温アニーリングが必要であるなど多段階の成膜プロセスが必要であること、多段階の成膜プロセスが形成されるナノ粒子のサイズ分布に敏感に影響すること、半導体原子の蒸着過程における不純物の発生が問題となること、基板表面には多層のナノ構造薄膜は生成できないなど、ナノ構造微細制御の産業技術化には課題が多い。
ＣＶＤ手法による基板上でのナノ粒子形成による微細化制御技術に対し、気相中で形成されたクラスター（ナノ粒子）を堆積する技術は特許文献３に記載の如く、半導体デバイスへの適用実験もなされているが、この手法ではクラスター寸法の制御が困難であることから微細化による材料の性質制御に至らないこと、クラスター生成とクラスターの基板への堆積とがＣＶＤ手法と同様に同一の競う容器内であることから、堆積過程における不純物発生の問題は解決されないこと、また、クラスターが絶縁膜の中に混入する模様となり、クラスター密度を上げることができない欠点がある。
なお、ここでクラスターとは、原子あるいは分子の集合であり、ここではナノ粒子、あるいは、ナノ結晶と同義語として扱うこととする。
なお、ここでクラスターとは、原子あるいは分子の集合であり、ここではナノ粒子、あるいは、ナノ結晶と同義語として扱うこととする。
これに対してクラスター生成過程をクラスター蒸着過程の真空容器とは別に設け、生成クラスターをビームとして取り出すクラスタービーム法の活用が行われている。クラスタービーム法には、クラスターをイオンとして生成し、高速に加速して基板に衝突させて原子状に解離した後均一な原子層を成膜する手法と、電気的に中性なクラスター群を基板に付着せしめ、クラスターが堆積してクラスター層を成膜する手法とがある。前者については特許文献４に一例を示すが、ガス状母材から生成されたクラスターイオンのみが実用的手法として活用され、基板用面の超平坦化、超緻密半導体薄膜の生成など、種々の実用製品がある。
一方、後者は、中性のクラスター群を基板に堆積し、クラスター単位のナノ構造を基板上に形成することから、当該技術課題であるナノ構造微細制御した成膜技術に適した手法といえる。当該中性クラスタービーム法は、クラスター粒子流の指向性が高いことから、クラスター生成容器とは微小孔で隔てた別の高真空容器に設置した基板へのクラスター付着により高純度の成膜が可能であり、明確に規定される付着領域を走引することで均一な成膜が可能であることなどの優位性をもつ。ナノ構造微細制御した成膜には、更にクラスターの粒径が制御されること、ＣＶＤ手法の代替技術として活用するためＣＶＤ手法の優れた特徴である大面積基板への成膜の高効率化を図ること、実用的な成膜を可能にするクラスタービームの高強度化が必要となる。
クラスターの粒径の均一な制御に関しては特許文献５に記載のクラスター生成法および装置が提案されている。この改良装置の動作原理を図９に示す。まず、Ａ点に設置されたターゲット材料１にレーザビーム２を照射し、材料原子の蒸気３を発生せしめる。この材料蒸気の蒸気圧が、その前面に存在する不活性ガス、例えばＨｅガスに衝撃を与えて、衝撃波４を作り、この衝撃波はクラスター生成容器５の壁に反射して、Ｂ領域に焦点を結ぶように集まってくる。その時点で材料原子の蒸気３は丁度Ｂ領域に到達し、反射して集まってきた不活性ガスに閉じ込められ、材料原子が結合しクラスター６を形成する。このクラスター６を生成容器５の容器窓７から流出せしめ、スキマー８を通過させて基板９に垂直に衝突させてクラスター膜１０を形成する。この方法で数ｎｍの寸法の揃ったクラスターで構成される膜が作成されることの可能性は、非特許文献２で実験的に確認されている。
中性クラスタービーム法の製品への活用において最も重視されるのは膜の製作コストである。従って、単位時間に製作される膜の延べ面積が出来るだけ大きいことが望まれる。また、ＬＳＩ製造の例で見られるとおり、膜を適用する製品のコスト低減のために基板を大型化して量産効率を上げるなど、広い面積への膜の適用が要求される場合が多い。従って、単位時間におけるクラスターの生成量を増大せしめ、膜形成速度向上を可能とすることが必要となり、実用的な成膜を可能にするサイズの制御された高精度クラスタービームの高強度化を達成する新手法を用いたクラスタービーム成膜装置の開発が待望されてきた。
しかしながら、上述した特許文献では膜生成速度は、非常に遅く、この装置は実験研究用には適用できても、この膜を適用する多くの製品の生産用には大幅な生産性の改良が必須である。即ち、上記改良型装置の特徴である生成クラスター寸法の均一性を保ちつつ装置のクラスター生産量を大幅に増加させる必要がある。
また、このクラスター生成量の増大の課題に対して、レーザビームの照射強度を高めて材料蒸気の蒸発量を増やす手段が考えられる。その際、蒸気量の増大に対応する効果的な衝撃波の発生が必要であり、且つ、発生した衝撃波がクラスター生成容器の壁から反射して有効な蒸気閉じ込め領域を形成することが課題となる。
また、このクラスター生成量の増大の課題に対して、レーザビームの照射強度を高めて材料蒸気の蒸発量を増やす手段が考えられる。その際、蒸気量の増大に対応する効果的な衝撃波の発生が必要であり、且つ、発生した衝撃波がクラスター生成容器の壁から反射して有効な蒸気閉じ込め領域を形成することが課題となる。
さらにレーザビームの強度増大に伴う諸問題、即ち、レーザビームのクラスター膜製造装置内への導入における発熱等への対処、ターゲット照射面でのビーム強度分布の測定、および、ターゲット表面の蒸発に伴う減耗への対応も課題となる。
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであって、クラスター生産量増大のために強度を増大させたレーザビームにより効果的にクラスター群を生成させる手段を提供することで、クラスター膜の形成速度の向上を実現するクラスター成膜装置及び成膜方法、並びにクラスター生成装置及び生成方法を提供することを目的としている。
本発明はまた、材料蒸気の蒸発量を増やすためのレーザビームの強度増大に伴う諸問題を解決して、レーザビームの強度増大により材料蒸気の発生量を増大させ、大量のクラスターを形成せしめ、大量生産用途のクラスター成膜装置及び成膜方法、並びにクラスター生成装置及び生成方法を提供することを目的としている。
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであって、クラスター生産量増大のために強度を増大させたレーザビームにより効果的にクラスター群を生成させる手段を提供することで、クラスター膜の形成速度の向上を実現するクラスター成膜装置及び成膜方法、並びにクラスター生成装置及び生成方法を提供することを目的としている。
本発明はまた、材料蒸気の蒸発量を増やすためのレーザビームの強度増大に伴う諸問題を解決して、レーザビームの強度増大により材料蒸気の発生量を増大させ、大量のクラスターを形成せしめ、大量生産用途のクラスター成膜装置及び成膜方法、並びにクラスター生成装置及び生成方法を提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、請求項１記載のクラスター成膜装置は、クラスターの原料となるターゲット材料を所定の位置に配置して不活性ガスを導入しながらクラスター群を生成するクラスター生成容器と、該クラスター生成容器の外部から前記ターゲット材料にレーザビームを照射するレーザビーム光源と、該クラスター生成容器に連通されクラスター膜を所定の基板上に成膜するクラスター成膜容器とを備え、前記レーザビームに照射された該ターゲット材料の材料蒸気が不活性ガスの衝撃波を発生せしめ、該衝撃波が前記クラスター生成容器の内壁で反射して該材料蒸気を特定領域に閉じ込め、該材料蒸気の原子あるいは分子同士の衝突により該材料のクラスター群を生成し、該ターゲット材料と該特定領域とを結ぶ直線の延長線上の該クラスター生成容器の壁に設けた流出窓から真空状態にあるクラスター成膜容器内に設置した基板に向かって、該クラスター群を流出せしめ、スキマーにより該基板へのクラスター群流の指向性を高めてクラスタービーム化し、該クラスター成膜容器内の該基板上に該クラスター群を堆積してクラスター膜を形成するクラスター成膜装置において、該レーザビームのエネルギー強度を３００ｍＪ以上に設定し、該エネルギーの密度を該ターゲット材料上で所定の範囲内になるように設定するエネルギー密度設定手段を備え、該ターゲット材料の照射面から該流出窓までの距離を該ターゲット材料面上でのビーム径の１０倍以上に設定したことを特徴とする。
該ビームエネルギー強度は、非特許文献２の例は５０〜３００ｍＪでありこれより大幅に増大する必要がある。この場合に材料ターゲットに集中的に供給される高いエネルギーのために、材料が瞬間に部分的に融け、例えば突沸などによりターゲット材料が蒸気にならずに液状のままで飛散して飛沫が発生することでターゲット材料の過剰な損耗により蒸気生成効率が低下を避けるために、該ターゲット表面での該ビーム断面積を拡大せしめて照射ビームエネルギー密度を限界値以下にすることが必要となる。実験的には平均照射ビームエネルギー密度１００ｍＪ／ｍｍ2以下は確認されており、１０００ｍＪ／ｍｍ2以上では問題発生の可能性が高いと考えられる。
ここで、該ターゲット表面での該ビーム断面積の拡大によるエネルギー密度の設定は、ゆるい角度で集光するレーザビームの集束点からずれた位置にターゲット表面を設置することにより実現する。
更に、該ターゲット表面での該ビーム断面のレーザ強度分布は、発生蒸気の密度分布に影響し、不活性ガスの衝撃波の発生に関係するので、不活性ガスの衝撃波の発生効率を最適化するように調整する必要がある。なお、衝撃波の発生は容器内不活性ガス粒子密度と材料蒸気圧との関係で最適点が存在する。
更に、該ターゲット表面での該ビーム断面のレーザ強度分布は、発生蒸気の密度分布に影響し、不活性ガスの衝撃波の発生に関係するので、不活性ガスの衝撃波の発生効率を最適化するように調整する必要がある。なお、衝撃波の発生は容器内不活性ガス粒子密度と材料蒸気圧との関係で最適点が存在する。
この様に該ビーム断面積を拡大した場合の、衝撃波の容器壁面よる反射波により材料蒸気の閉じ込める条件を次の様に設定する。例えば、図９に示した例の場合、Ｂ領域で材料蒸気が該反射波により閉じ込められるのは、該容器の壁面が回転楕円形状をなし、該ターゲットの位置とＢ領域とをその回転楕円体の二つの焦点の位置に設定した場合である。ターゲット位置での該ビーム断面積を点と見なせる場合は衝撃波発生点から波は球面状に広がり、該容器の壁で反射し、Ｂ領域に集まってくる。しかし、上記のように該ビーム断面積を拡大した場合には容器が同じでは反射波は閉じ込め領域を形成するように焦点に集まらなくなる。即ち、ビーム照射面から発せられる衝撃波は球面状ではなくなる。しかしながら、ビーム照射面から離れるに従って、衝撃波の広がりは球面状に近づき、例えば、ビーム照射面の直径の一桁以上離れたところでは、近似的に球面状と見なせる。従って、ビーム断面積が拡大され、特定寸法を持った場合、ターゲット面から発生する材料蒸気により誘発される不活性ガスの衝撃波が該容器の壁で反射してほぼ収束する領域、即ちＢ領域の実現は、該容器の長軸の長さを該ビーム断面の直径より、一桁以上長く設定することで達成できる。
また、該容器の短軸方向も対応して拡張するが、その値は、該反射波の収束点Ｂの位置と該容器からクラスターを流出させる窓の位置との距離に対応して設定することになる。
なお、このように該容器を拡大に併せて、該クラスター流出窓の寸法も大きくすることで、クラスターの流出の効率も高めることができる。
以上のごとく、該レーザビームのエネルギー強度の増大と、該ターゲット表面での蒸気発生面積の拡大による蒸気発生量の増大と、該クラスター生成容器の寸法の条件を満たして設定することによりクラスター生成量を増大せしめ、クラスター膜の形成速度の向上を図るのが、請求項１記載のクラスター成膜装置である。
なお、上記説明において、該容器の壁面形状を回転楕円体としたが、同等の反射波が形成されればよいので、壁面が部分的に回転楕円体を形成していない場合もありうる。
なお、このように該容器を拡大に併せて、該クラスター流出窓の寸法も大きくすることで、クラスターの流出の効率も高めることができる。
以上のごとく、該レーザビームのエネルギー強度の増大と、該ターゲット表面での蒸気発生面積の拡大による蒸気発生量の増大と、該クラスター生成容器の寸法の条件を満たして設定することによりクラスター生成量を増大せしめ、クラスター膜の形成速度の向上を図るのが、請求項１記載のクラスター成膜装置である。
なお、上記説明において、該容器の壁面形状を回転楕円体としたが、同等の反射波が形成されればよいので、壁面が部分的に回転楕円体を形成していない場合もありうる。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のクラスター成膜装置に係わり、前記レーザビームを導入するために、該クラスター生成容器の該流出用窓とは異なる位置に設けられ、該レーザビームを通過せしめるべく開口されている入射窓を備えたことを特徴とする。
この構成は、該レーザビームの該ターゲット表面への照射角度を発生蒸気の進行方向、即ち蒸気の閉じ込め領域の方向からずれるように設定するものであり、クラスター成膜基板の位置とレーザビームの光路とが重ならないように設定できる。また、クラスター生成容器への該レーザビーム導入の該入射窓は光学透過性板材等で密封されていないので、レーザビームのエネルギー強度が大きくても密封材料を破壊するとか、ビームの反射波が発生するなどの問題を回避できる。且つ、該導入窓はレーザビームの収束点あるいはその近傍に設定されており、窓の寸法は極めて小さいので、該クラスター生成容器内の不活性ガスの流出量も少なくできる。
この構成は、該レーザビームの該ターゲット表面への照射角度を発生蒸気の進行方向、即ち蒸気の閉じ込め領域の方向からずれるように設定するものであり、クラスター成膜基板の位置とレーザビームの光路とが重ならないように設定できる。また、クラスター生成容器への該レーザビーム導入の該入射窓は光学透過性板材等で密封されていないので、レーザビームのエネルギー強度が大きくても密封材料を破壊するとか、ビームの反射波が発生するなどの問題を回避できる。且つ、該導入窓はレーザビームの収束点あるいはその近傍に設定されており、窓の寸法は極めて小さいので、該クラスター生成容器内の不活性ガスの流出量も少なくできる。
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載のクラスター成膜装置に係り、前記クラスター生成容器を、真空あるいは真空に準ずる雰囲気で収容する外部容器を備え、該外部容器は、該レーザビームを通過させるためにその外郭を筒形状に延長して形成された延長部を有し、該延長部は、該レーザビームを導入する側に該レーザビームの反射を防ぐ処理を施した板材が設けられた密閉窓を有し、かつ、該密閉窓は、該クラスター生成容器から所定の間隔を置いて設けられていることを特徴とする。
この構成は、クラスター生成容器の外部を囲む外部容器の外から強いレーザビームを導入するために、外部容器に設けられた窓の構造を提案するものである。外部容器は真空または真空に準ずる雰囲気にしてあり、該窓は気密を保持するため光学透過性材料で密封された窓であるが、強いレーザビームを通過させるために、先ず、窓の位置をレーザビームの焦点に設定されたクラスター生成容器における窓の孔から十分離すことによって該窓を通過する該ビームの断面積を大きくし、ビームのエネルギー密度を低減させている。なお、ここでレーザビームはゆるい角度で集束させ、クラスター生成容器における窓の孔の位置で集束した後、クラスター生成容器内の材料ターゲットの位置で所望の照射面積と強度分布を持つように設定されている。
更に、該密封窓をレーザビームが通過する際に、該光学透過性材料の表面および裏面でレーザ光の反射が起こると、通過するレーザビームが減衰するとともに、反射ビームがレーザビーム光源のほうに戻って装置を破壊することもあり得るので、反射を防止するために、該光学透過性材料の両面を研磨により平坦化し、かつ反射防止膜を塗布などの反射防止処理を施している。
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載のクラスター成膜装置に係り、前記外部容器の該密閉窓を通過する該レーザビームの断面積を、該密閉窓が破損しないエネルギー密度に低減せしめる大きさにするとともに、該密閉窓は、該レーザビームの入射光軸に垂直な面に対し所定の角度を持たせ、該レーザビームの反射が該レーザビーム光源に戻らないように設けられていることを特徴とする。
この構成は、クラスター生成容器の外部を囲む外部容器の外から強いレーザビームを導入するために、外部容器に設けられた該密封窓の構造を提案するものであり、該密封窓は請求項３と同様にクラスター生成容器における窓の孔から所定の間隔を置いて設置され、密封窓の該光学透過性材料の取り付けに当たって該光学透過性材料面をレーザビームの光軸に垂直な面からずらしたことを特徴とするものである。これにより、該光学透過性材料の面からの反射ビーム光がレーザビームの入射光軸の方向に戻らないようにしたものである。
また、請求項５記載の発明は、請求項３記載のクラスター成膜装置に係わり、前記外部容器の該密封窓を、該レーザビームを導入するために該クラスター生成容器に設けられた入射窓と該ターゲット材料とを結ぶ直線延長上に配置することを特徴とする。
従来、装置の小型化を図るために、レーザビームを外部容器に入射窓とクラスター生成容器の入射窓の中間で鏡を用いて反射させていた。しかし、この構成によれば、該鏡を撤去し、レーザビームを外部容器の該密封窓から直線的にターゲット表面に照射できるので、光学制御系が簡易になり精密な光学制御を可能とする。
従来、装置の小型化を図るために、レーザビームを外部容器に入射窓とクラスター生成容器の入射窓の中間で鏡を用いて反射させていた。しかし、この構成によれば、該鏡を撤去し、レーザビームを外部容器の該密封窓から直線的にターゲット表面に照射できるので、光学制御系が簡易になり精密な光学制御を可能とする。
また、請求項６記載の発明は、請求項１記載のクラスター成膜装置に係り、前記外部容器の該密封窓と該外部容器の外部に設置され該レーザビームを集光するレーザビーム集光用レンズとの間の光軸上に該レーザビームの全強度もしくは一部強度の方向を変えるための鏡とを備え、該鏡は、方向を変えられたレーザビームと、前記クラスター生成容器内の該ターゲット材料の表面上に向かうレーザビームとが、同等の集光形状を有するように設置されていることを特徴とする。
この構成は、前記外部容器の該密封窓と該外部容器の外部に設置した該レーザビーム集光用レンズとの間の光軸上に、該レーザビームのエネルギーの全部または一部の方向を変える鏡の挿入を可能とし、前記クラスター生成容器内の該ターゲット表面上での該レーザビームと同等の特性を、該外部容器の外部で該方向を変えた該レーザビームにより再現せしめたものである。これによりターゲット面でのビームの強度と強度分布を外部容器の外で評価できるようになり、ターゲット面での材料蒸気の発生効率を最適にするビーム強度の制御を可能ならしめる。
また、請求項７記載の発明は、請求項１記載のクラスター成膜装置に係り、前記ターゲット材料を支持する支持装置を備え、該支持装置は、該ターゲット材料を回転させて該ターゲット材料の表面におけるレーザ照射位置を移動せしめる機能と、レーザ照射による該ターゲット材料の表面の蒸発に基づく減耗に相当する分だけ該ターゲット材料を該表面に対して垂直の方向に押し出す機能とを有し、照射表面の位置を一定に保つようにしたことを特徴とする。
この構成は、請求項１記載のターゲットを支持する装置に該ターゲットを回転させて該ターゲットの表面におけるレーザ照射位置を移動せしめる機能を持たせるとともに、レーザ照射による該表面の蒸発に基づく減耗に相当する分だけ該ターゲットを該表面と垂直方向に押し出し、照射表面の位置を一定に保つ機能を持たせたものである。
例えば円板状のターゲットを回転させることにより、その表面でパルスレーザビーム照射毎に位置をずらし、材料の蒸発による表面の材料の減耗を平均化するとともに、ターゲットを該表面方向に押し出し、表面の減耗した部分を常に補正し、同一の面位置で、レーザビームの照射を受けるようにしたものである。これにより、クラスター生成容器内のビーム照射位置とクラスター流出窓との位置関係を一定に保ち、クラスター形成の状態を一定に保つことが出来るものである。
例えば円板状のターゲットを回転させることにより、その表面でパルスレーザビーム照射毎に位置をずらし、材料の蒸発による表面の材料の減耗を平均化するとともに、ターゲットを該表面方向に押し出し、表面の減耗した部分を常に補正し、同一の面位置で、レーザビームの照射を受けるようにしたものである。これにより、クラスター生成容器内のビーム照射位置とクラスター流出窓との位置関係を一定に保ち、クラスター形成の状態を一定に保つことが出来るものである。
また、請求項８記載のクラスター生成装置は、クラスターの原料となるターゲット材料を所定の位置に配置して不活性ガスを導入しながらクラスター群を生成するクラスター生成容器と、該クラスター生成容器の外部から前記ターゲット材料にレーザビームを照射するレーザビーム光源とを備え、前記レーザビームに照射された該ターゲット材料の材料蒸気が不活性ガスの衝撃波を発生せしめ、該衝撃波が前記クラスター生成容器の内壁で反射して該材料蒸気を特定領域に閉じ込め、該材料蒸気の原子あるいは分子同士の衝突により該材料のクラスター群を生成し、該ターゲット材料と該特定領域とを結ぶ直線の延長線上の該クラスター生成容器の壁に設けた流出窓から該クラスター群を流出せしめるクラスター生成装置において、該レーザビームのエネルギー強度を３００ｍＪ以上に設定し、該エネルギーの密度を該ターゲット材料上で所定の範囲内になるように設定するエネルギー密度設定手段を備え、該ターゲット材料の照射面から該流出窓までの距離を該ターゲット材料面上でのビーム径よりも１０倍以上に設定したことを特徴とする。
この構成は、請求項１記載のクラスター成膜装置に限定されることなく、クラスターを生成する装置を実現するものであり、従来装置のクラスター製造能力を大きく改善し、経済的なクラスターの生成を可能とするものである。
この構成は、請求項１記載のクラスター成膜装置に限定されることなく、クラスターを生成する装置を実現するものであり、従来装置のクラスター製造能力を大きく改善し、経済的なクラスターの生成を可能とするものである。
また、請求項９記載のクラスター成膜方法は、不活性ガスを満たしたクラスター生成容器内において、クラスターの原料となるターゲット材料にレーザビームを照射し、発生する材料蒸気が不活性ガスの衝撃波を発生せしめ、該衝撃波が該クラスター生成容器の壁に反射して該材料蒸気を特定領域に閉じ込め、該材料蒸気の原子あるいは分子同士の衝突により該材料のクラスター群を生成し、該ターゲット材料と該特定領域とを結ぶ直線の延長線上の該クラスター生成容器の壁に設けた窓から該クラスター群を流出せしめ、所定の基板上に堆積してクラスター膜を成膜するクラスター成膜方法において、該レーザビームのエネルギー強度を３００ｍＪ以上に設定し、該エネルギーの密度を該ターゲット材料上で所定の範囲内になるように設定するエネルギー密度設定手順を含み、該ターゲット材料の照射面から該流出窓までの距離を該ターゲット材料面上でのビーム径よりも１０倍以上に設定したことを特徴とする。
この構成によれば、請求項１と同様に、該レーザビームのエネルギー強度の増大と、該ターゲット表面での蒸気発生面積の拡大による蒸気発生量の増大と、該クラスター生成容器の寸法の条件を満たして設定することによりクラスター生成量を増大せしめ、クラスター膜の形成速度の向上を図ることができる。
この構成によれば、請求項１と同様に、該レーザビームのエネルギー強度の増大と、該ターゲット表面での蒸気発生面積の拡大による蒸気発生量の増大と、該クラスター生成容器の寸法の条件を満たして設定することによりクラスター生成量を増大せしめ、クラスター膜の形成速度の向上を図ることができる。
また、請求項１０記載のクラスター生成方法は、不活性ガスを満たしたクラスター生成容器内において、クラスターの原料となるターゲット材料にレーザビームを照射し、発生する材料蒸気が不活性ガスの衝撃波を発生せしめ、該衝撃波が該クラスター生成容器の壁に反射して該材料蒸気を特定領域に閉じ込め、該材料蒸気の原子あるいは分子同士の衝突により該材料のクラスター群を生成し、該ターゲット材料と該特定領域とを結ぶ直線の延長線上の該クラスター生成容器の壁に設けた窓から該クラスター群を流出せしめるクラスター生成方法において、該レーザビームのエネルギー強度を３００ｍＪ以上に設定し、該エネルギーの密度を該ターゲット材料上で所定の範囲内になるように設定するエネルギー密度設定手順を含み、該ターゲット材料の照射面から該流出窓までの距離を該ターゲット材料面上でのビーム径よりも１０倍以上に設定することにより、該クラスター群の生成量の増大と該クラスター群の該クラスター生成容器からの取り出しを増大したことを特徴とする。
この構成によれば、請求項８と同様に、請求項１記載のクラスター成膜装置に限定されることなく、クラスターを生成する方法を実現するものであり、従来方法のクラスター製造能力を大きく改善し、経済的なクラスターの生成を可能とするものである。
この構成によれば、請求項８と同様に、請求項１記載のクラスター成膜装置に限定されることなく、クラスターを生成する方法を実現するものであり、従来方法のクラスター製造能力を大きく改善し、経済的なクラスターの生成を可能とするものである。
本発明の構成によれば、寸法の揃った微小クラスターの膜製造速度を高めるために、増大されたレーザビームのビームエネルギーとターゲット照射ビーム径とクラスター生成容器の寸法の設定の最適化を行うことによる効果的な大量のクラスター生成を実現し、さらに、材料蒸気の蒸発量を増やためのレーザビームの強度増大に伴う諸問題を解決して、かつ、その際のターゲット材料の急激な減耗に対処して、定常的なクラスター形成を可能とするものである。これによりクラスター膜の形成に要求される経済性を可能とするクラスター成膜技術および装置を実現することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るクラスター成膜装置について説明する。
［第１実施形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るクラスター成膜装置の全体構成を示す概略図である。
このクラスター成膜装置は、クラスター群６を生成するクラスター生成容器５と、レーザビーム２を照射するレーザビーム光源（図示せず）と、クラスター群６が散布される基板９を配置しているクラスター成膜容器１４とを備える。
［第１実施形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るクラスター成膜装置の全体構成を示す概略図である。
このクラスター成膜装置は、クラスター群６を生成するクラスター生成容器５と、レーザビーム２を照射するレーザビーム光源（図示せず）と、クラスター群６が散布される基板９を配置しているクラスター成膜容器１４とを備える。
クラスター生成容器５は、クラスターの原料となるターゲット材料１を配置して不活性ガスを導入しながらクラスター群を生成する。また、クラスター群を流出するための流出窓７と、レーザビーム２を導入するために流出窓７とは異なる位置に設けられた入射窓１３とを有し、入射窓１３は開口されている。
レーザビーム光源は、クラスター生成容器５の外部からターゲット材料１の表面にレーザビーム２を照射する。ターゲット材料１への照射面を図の１８で示す。
クラスター成膜容器１４は、クラスター生成容器５に連通され所定の基板９が配置され、基板９上に、クラスター生成容器５から流出されたクラスター群６が堆積され、クラスター膜１０を生成する。
レーザビーム光源は、クラスター生成容器５の外部からターゲット材料１の表面にレーザビーム２を照射する。ターゲット材料１への照射面を図の１８で示す。
クラスター成膜容器１４は、クラスター生成容器５に連通され所定の基板９が配置され、基板９上に、クラスター生成容器５から流出されたクラスター群６が堆積され、クラスター膜１０を生成する。
上記構成において、レーザビーム２に照射されたターゲット試料１の材料蒸気が不活性ガスの衝撃波４を発生せしめ、衝撃波４がクラスター生成容器５の内壁で反射して材料蒸気を特定領域Ｂに閉じ込め、材料蒸気の原子あるいは分子同士の衝突により該材料のクラスター群６を生成し、ターゲット材料１と特定領域Ｂとを結ぶ直線の延長線上のクラスター生成容器５の壁に設けられた流出窓７からクラスター群６を流出せしめ、クラスター成膜容器１４内の基板９上にクラスター群１０を散布してクラスターを成膜する。
その際、本発明においては、該レーザビームのエネルギー強度を３００ｍＪ以上に設定し、該エネルギーの密度を該ターゲット材料上で所定の範囲内になるように設定するエネルギー密度設定手段を備え、該ターゲット材料の照射面から該流出窓までの距離を該ターゲット材料面上でのビーム径の１０倍以上に設定することを特徴とする。このエネルギー密度設定手段は、該レーザビームのエネルギーの密度を該ターゲット上で所定の値に設定するための光学システム構成全体を含むものである。
なお、同図に示すように、クラスター生成容器５は、不活性ガスが導入される側に設けられた、セル中心軸に対して対称的な環状構造を有する不活性溜り２３と、不活性溜り２３に連通され、その環状構造の間隙から軸対称な面形状の不活性ガス流を形成する不活性ガス導入口２４とを有し、不活性ガス導入口２４を通過した不活性ガスは、乱流のない相流となってクラスター生成容器５に導入される。これにより、蒸気波面の攪乱を防止することができる。
また、不可性ガス流がクラスター生成容器５の外に排出される際には、流出口７を通過後、不活性ガス流となって排出されるが、この不活性ガス噴出流中心部を通過させ、流体の広がり部分を止める電位を印加することによりイオン成分の通過を防ぎ、その結果として中性ビームを形成するためのスキマー２７が配置されている。
スキマー２７を通過した不活性噴出流中心部は、クラスタービーム２８となってクラスター成膜容器１４に導入される。
なお、光学透過性材料１２よりなる窓は、レーザビーム２の軸の角度と窓の法線とが、所定の角度をもつように設置され、レーザビーム２の反射光２９がレーザビーム２の軸から外れるようになっている。
スキマー２７を通過した不活性噴出流中心部は、クラスタービーム２８となってクラスター成膜容器１４に導入される。
なお、光学透過性材料１２よりなる窓は、レーザビーム２の軸の角度と窓の法線とが、所定の角度をもつように設置され、レーザビーム２の反射光２９がレーザビーム２の軸から外れるようになっている。
図２は、本発明の第１実施形態に係るクラスター成膜装置におけるクラスター生成容器内でのクラスター生成のメカニズムとレーザビームのエネルギー増大に伴うクラスター生成容器の構成を説明する模式図である。
不活性ガスを満たしたクラスター生成容器５内において、クラスターの原料となるターゲット材料１にレーザビーム２を照射し、発生する材料蒸気３が不活性ガスの衝撃波４を発生せしめ、該衝撃波４がクラスター生成容器５の内壁に反射して進行してきた該材料蒸気３を特定領域Ｂに閉じ込め、該材料蒸気３の原子あるいは分子同士の衝突により該材料のクラスター群６を形成し、該ターゲット材料１と該特定領域Ｂの延長線上の該クラスター生成容器５の壁に設けた窓７から該クラスター群６を流出せしめ、該流出クラスター群６をスキマー８を通過せしめて基板９上に散布し、クラスター膜１０を形成せしめるクラスター成膜装置において、クラスター膜製造量増大のために、先ずレーザビーム２の強度を高めると共に、ターゲット材料１の表面照射ビーム断面積を拡大し、その際照射断面のレーザ強度分布を調整することにより、大量の材料蒸気３とこれに基づく不活性ガスの衝撃波４とを効果的に発生せしめ、寸法を拡大した容器５の壁において反射した衝撃波がＢ領域において材料蒸気を閉じ込めクラスターを生成する。ここで、該表面照射ビーム断面の直径をｄとした時、該容器５のターゲット材料１から流出口７までの距離ｘの寸法をｄより１０倍以上にすることにより、Ｂ領域における有効な閉じ込め状況を発生させることになり、該レーザビームエネルギー増大により発生する大量の材料蒸気から大量のクラスターを生成することができる。
不活性ガスを満たしたクラスター生成容器５内において、クラスターの原料となるターゲット材料１にレーザビーム２を照射し、発生する材料蒸気３が不活性ガスの衝撃波４を発生せしめ、該衝撃波４がクラスター生成容器５の内壁に反射して進行してきた該材料蒸気３を特定領域Ｂに閉じ込め、該材料蒸気３の原子あるいは分子同士の衝突により該材料のクラスター群６を形成し、該ターゲット材料１と該特定領域Ｂの延長線上の該クラスター生成容器５の壁に設けた窓７から該クラスター群６を流出せしめ、該流出クラスター群６をスキマー８を通過せしめて基板９上に散布し、クラスター膜１０を形成せしめるクラスター成膜装置において、クラスター膜製造量増大のために、先ずレーザビーム２の強度を高めると共に、ターゲット材料１の表面照射ビーム断面積を拡大し、その際照射断面のレーザ強度分布を調整することにより、大量の材料蒸気３とこれに基づく不活性ガスの衝撃波４とを効果的に発生せしめ、寸法を拡大した容器５の壁において反射した衝撃波がＢ領域において材料蒸気を閉じ込めクラスターを生成する。ここで、該表面照射ビーム断面の直径をｄとした時、該容器５のターゲット材料１から流出口７までの距離ｘの寸法をｄより１０倍以上にすることにより、Ｂ領域における有効な閉じ込め状況を発生させることになり、該レーザビームエネルギー増大により発生する大量の材料蒸気から大量のクラスターを生成することができる。
図３及び図４は、図２のｄとｘの関係の条件を説明するための図である。
図３は、該ターゲット表面照射ビーム断面積が小さく点と見なされる場合に、当該点をＡ点とすると、Ａ点から発生する衝撃波は矢印ａで示されるように球面状に広がり、回転楕円体形状の容器の内壁で反射して、矢印ｂで示されるように球面状にＢ点に収束することを示している。即ちＢ点に衝撃波による閉じ込め領域が形成されることになる。ところが、図４に示すように、該ターゲット表面照射ビーム断面積が有限値ｄを持つ場合は、照射面から発生する衝撃波は球面ではなくなる。即ち、該照射面から垂直方向に距離ｔだけ衝撃波の波面が進んだ時、該照射面に対して水平方向の波面の位置はｔ＋ｄ／２となる。
図３は、該ターゲット表面照射ビーム断面積が小さく点と見なされる場合に、当該点をＡ点とすると、Ａ点から発生する衝撃波は矢印ａで示されるように球面状に広がり、回転楕円体形状の容器の内壁で反射して、矢印ｂで示されるように球面状にＢ点に収束することを示している。即ちＢ点に衝撃波による閉じ込め領域が形成されることになる。ところが、図４に示すように、該ターゲット表面照射ビーム断面積が有限値ｄを持つ場合は、照射面から発生する衝撃波は球面ではなくなる。即ち、該照射面から垂直方向に距離ｔだけ衝撃波の波面が進んだ時、該照射面に対して水平方向の波面の位置はｔ＋ｄ／２となる。
しかし、寸法ｄに対して距離ｔが１桁以上大きければ、上記垂直方向と水平方向の波面までの距離はほぼ同一とみなされ、衝撃波は球面状に広がると考えられる。従って、回転楕円体形状の該容器の長軸の長さをｄより１０倍以上にすることによりその条件が満たされ、Ｂ点に有効な衝撃波による閉じ込め領域が実現されることになる。この様にして本発明のクラスター成膜装置の製造能力を著しく高めることができる。
なお、図２に示すように、レーザビーム２のクラスター生成容器５への入射の方向は、ターゲット材料１とクラスター流出窓７とを結ぶ軸とは特定の角度をもってずらしてあり、また、レーザビーム２がクラスター生成容器５へ入射する窓は、光学透過性材料等で密封せず、開口している。
なお、図２に示すように、レーザビーム２のクラスター生成容器５への入射の方向は、ターゲット材料１とクラスター流出窓７とを結ぶ軸とは特定の角度をもってずらしてあり、また、レーザビーム２がクラスター生成容器５へ入射する窓は、光学透過性材料等で密封せず、開口している。
［第２実施形態］
次に、図５を参照して、本発明の第２実施形態に係るクラスター成膜装置について説明する。
図５は、レーザビーム導入部の構成を説明するための模式図である。
第２実施形態は、同図に示すように、クラスター生成容器５の外部を囲む外部容器１１の外から強いレーザビーム２を導入するために、外部容器１１に設けられた窓の構造を提案するものである。外部容器１１は真空または真空に準ずる雰囲気にしてあり、該窓は光学透過性材料１２で気密を保持しているが、強いレーザビーム２を通過させるために、先ず、窓の位置はレーザビーム２の焦点に設定されたクラスター生成容器５における窓の孔１３の位置から所定の間隔を置くことによって該窓を通過する該ビームのエネルギー密度を低減させた位置に設定している。そのため、この例では１１´に示す円筒形状の筒で外部容器１１を延長している（以下、延長部とする）。なお、レーザビーム２は、クラスター生成容器５における窓の孔１３の位置で焦点を結び、ターゲット１の照射面では照射面積が拡大するようにレーザビーム系の設定がなされている。
次に、図５を参照して、本発明の第２実施形態に係るクラスター成膜装置について説明する。
図５は、レーザビーム導入部の構成を説明するための模式図である。
第２実施形態は、同図に示すように、クラスター生成容器５の外部を囲む外部容器１１の外から強いレーザビーム２を導入するために、外部容器１１に設けられた窓の構造を提案するものである。外部容器１１は真空または真空に準ずる雰囲気にしてあり、該窓は光学透過性材料１２で気密を保持しているが、強いレーザビーム２を通過させるために、先ず、窓の位置はレーザビーム２の焦点に設定されたクラスター生成容器５における窓の孔１３の位置から所定の間隔を置くことによって該窓を通過する該ビームのエネルギー密度を低減させた位置に設定している。そのため、この例では１１´に示す円筒形状の筒で外部容器１１を延長している（以下、延長部とする）。なお、レーザビーム２は、クラスター生成容器５における窓の孔１３の位置で焦点を結び、ターゲット１の照射面では照射面積が拡大するようにレーザビーム系の設定がなされている。
更に、延長部１１´の光学透過性材料１２をレーザビーム２が通過する際に、光学透過性材料の表面および裏面でレーザ光の反射が起こると、通過するレーザビーム２が減衰するとともに、反射ビームがレーザビーム光源のほうに戻って装置を破壊することもあり得る。したがって、このレーザの反射を防止するために、光学透過性材料１２の両面を研磨により平坦化し、かつ反射防止膜を塗布している。
なお、図４に示すように、レーザビーム２の光軸は外部容器の光学透過性材料１２よりなる密封窓からターゲット材料１まで直線であり、外部容器１１内で鏡等により光軸を曲げて外部容器の寸法を縮めることはしていない。これにより、光学系をより高精度に制御できる。
なお、図４に示すように、レーザビーム２の光軸は外部容器の光学透過性材料１２よりなる密封窓からターゲット材料１まで直線であり、外部容器１１内で鏡等により光軸を曲げて外部容器の寸法を縮めることはしていない。これにより、光学系をより高精度に制御できる。
［第３実施形態］
次に、図６を参照して、本発明の第３実施形態に係るクラスター成膜装置について説明する。
図６は、図５に示したレーザビーム２を導入する外部容器１１の延長部１１´に設けられた光学透過性材料よりなる密閉窓１２の取り付け角度を説明する模式図である。
第３実施形態は、同図に示すように、クラスター生成容器５の外部を囲む外部容器１１の外から強いレーザビーム２を導入するために、外部容器１１を延長して形成された延長部１１´の密閉窓（光学透過性材料）１２の構造に関するものである。すなわち、窓を密封する密閉窓（光学透過性材料）１２の取り付けに当たって密閉窓（光学透過性材料）１２の表面からの垂線Ｍをレーザビーム２の光軸Ｎから所定の角度Ｌをもってずらすことを特徴とする。これにより、密閉窓（光学透過性材料）１２の表面から反射される反射ビーム光がレーザビーム２の光軸Ｎの方向に戻ることはなく、第２実施形態と同様に反射ビームがレーザビーム光源の方に戻ってレーザビーム光源を破壊することを防ぐことができる。
次に、図６を参照して、本発明の第３実施形態に係るクラスター成膜装置について説明する。
図６は、図５に示したレーザビーム２を導入する外部容器１１の延長部１１´に設けられた光学透過性材料よりなる密閉窓１２の取り付け角度を説明する模式図である。
第３実施形態は、同図に示すように、クラスター生成容器５の外部を囲む外部容器１１の外から強いレーザビーム２を導入するために、外部容器１１を延長して形成された延長部１１´の密閉窓（光学透過性材料）１２の構造に関するものである。すなわち、窓を密封する密閉窓（光学透過性材料）１２の取り付けに当たって密閉窓（光学透過性材料）１２の表面からの垂線Ｍをレーザビーム２の光軸Ｎから所定の角度Ｌをもってずらすことを特徴とする。これにより、密閉窓（光学透過性材料）１２の表面から反射される反射ビーム光がレーザビーム２の光軸Ｎの方向に戻ることはなく、第２実施形態と同様に反射ビームがレーザビーム光源の方に戻ってレーザビーム光源を破壊することを防ぐことができる。
［第４実施形態］
次に、図７を参照して、本発明の第４実施形態に係るクラスター成膜装置について説明する。
図７は、レーザビームシステムの特性、即ち、ターゲット材料１表面でのレーザビーム強度分布を評価するシステムの構成を示す模式図である。
第４実施形態は、同図に示すように、クラスター生成容器５の外部を囲む外部容器１１の延長部１１´のさらに外で、集光レンズを用いてゆるやかに集光しつつ、外部容器５の密封窓１２に入射してくるレーザビーム２の光軸上に鏡１７を挿入してレーザビームのエネルギーの全部あるいは一部（１％程度）の方向を変え、ビームの特性を評価できるようにしたものである。即ち、鏡１７を挿入した場所からクラスター生成容器５内のターゲット材料１の照射面１８までのビームと同等の状況を方向を変えたビーム２´により実現している。クラスター生成容器５へのレーザビームの入射する孔１３の位置で結ぶ焦点に対応して、方向を変えたビームでも点１３´で焦点を結んだ後、ターゲット照射位置１９と同等の地点１９´にレーザビーム強度分布測定器２０を配置し、レーザビーム２の強度分布を推測できるようにしたものである。なお、方向を変えたビーム２´の途中にはＮＤフィルター（Ｎｅｗｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｉｌｔｅｒ：中性濃度フィルター）２１を挿入してレーザビームを弱めている。ＮＤフィルター２１は、どの波長の光も均等に吸収する。この構成により、外部容器１１の外で、クラスター生成容器５内のレーザビーム２の状況を把握でき、レーザビーム光源のシステムの最適化の調整が可能となる。
次に、図７を参照して、本発明の第４実施形態に係るクラスター成膜装置について説明する。
図７は、レーザビームシステムの特性、即ち、ターゲット材料１表面でのレーザビーム強度分布を評価するシステムの構成を示す模式図である。
第４実施形態は、同図に示すように、クラスター生成容器５の外部を囲む外部容器１１の延長部１１´のさらに外で、集光レンズを用いてゆるやかに集光しつつ、外部容器５の密封窓１２に入射してくるレーザビーム２の光軸上に鏡１７を挿入してレーザビームのエネルギーの全部あるいは一部（１％程度）の方向を変え、ビームの特性を評価できるようにしたものである。即ち、鏡１７を挿入した場所からクラスター生成容器５内のターゲット材料１の照射面１８までのビームと同等の状況を方向を変えたビーム２´により実現している。クラスター生成容器５へのレーザビームの入射する孔１３の位置で結ぶ焦点に対応して、方向を変えたビームでも点１３´で焦点を結んだ後、ターゲット照射位置１９と同等の地点１９´にレーザビーム強度分布測定器２０を配置し、レーザビーム２の強度分布を推測できるようにしたものである。なお、方向を変えたビーム２´の途中にはＮＤフィルター（Ｎｅｗｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｉｌｔｅｒ：中性濃度フィルター）２１を挿入してレーザビームを弱めている。ＮＤフィルター２１は、どの波長の光も均等に吸収する。この構成により、外部容器１１の外で、クラスター生成容器５内のレーザビーム２の状況を把握でき、レーザビーム光源のシステムの最適化の調整が可能となる。
［第５実施形態］
次に、図８を参照して、本発明の第５実施形態に係るクラスター成膜装置について説明する。
図８は、クラスター生成容器５内のターゲット材料１にレーザビーム２がターゲット材料１における照射位置１９の領域に照射し、ターゲット材料１の材料蒸気３を発生する様子を模式的に表現している。
第５実施形態は、同図に示すように、ターゲット材料１を、Ｒで示す矢印方向に回転することにより、レーザビーム照射位置１９がターゲット材料１の表面上を移動し、蒸発によるターゲット材料表面の磨耗を平均化している。しかしながら、それだけでは、磨耗によりレーザビーム照射面１８の位置がずれてくることになる。そこで、ターゲット材料１を支持する支持装置２２に回転と同時にターゲット材料１の表面の蒸発に基づく減耗に相当する分だけターゲット材料１を矢印Ｔで示すようにターゲット材料１の表面にほぼ垂直な方向に押し出し、照射表面の位置を一定に保つ機能を持たせることがある。これにより、クラスタ生成容器５内の状況を一定に保ち、クラスター形成の状態を一定に保つことができる。
次に、図８を参照して、本発明の第５実施形態に係るクラスター成膜装置について説明する。
図８は、クラスター生成容器５内のターゲット材料１にレーザビーム２がターゲット材料１における照射位置１９の領域に照射し、ターゲット材料１の材料蒸気３を発生する様子を模式的に表現している。
第５実施形態は、同図に示すように、ターゲット材料１を、Ｒで示す矢印方向に回転することにより、レーザビーム照射位置１９がターゲット材料１の表面上を移動し、蒸発によるターゲット材料表面の磨耗を平均化している。しかしながら、それだけでは、磨耗によりレーザビーム照射面１８の位置がずれてくることになる。そこで、ターゲット材料１を支持する支持装置２２に回転と同時にターゲット材料１の表面の蒸発に基づく減耗に相当する分だけターゲット材料１を矢印Ｔで示すようにターゲット材料１の表面にほぼ垂直な方向に押し出し、照射表面の位置を一定に保つ機能を持たせることがある。これにより、クラスタ生成容器５内の状況を一定に保ち、クラスター形成の状態を一定に保つことができる。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、上述した実施形態においては、ターゲット材料１を支持する支持装置２２は、Ｒで示す回転運動と、Ｔで示す水平移動とを例示したが、これに限定されず、斜め方向、上下垂直方向、変則移動と、あらゆる方向にターゲット材料を移動させて、レーザビームの照射面積をさらに広げることもできる。
また、上述した実施形態においては、クラスター膜１０を基板上に散布する部屋をクラスター成膜容器１４としたが、これに限定されず、外部容器１１と同様に、真空あるいは真空に準ずる雰囲気中の真空チャンバ内でクラスター膜１０を成膜することができる。
例えば、上述した実施形態においては、ターゲット材料１を支持する支持装置２２は、Ｒで示す回転運動と、Ｔで示す水平移動とを例示したが、これに限定されず、斜め方向、上下垂直方向、変則移動と、あらゆる方向にターゲット材料を移動させて、レーザビームの照射面積をさらに広げることもできる。
また、上述した実施形態においては、クラスター膜１０を基板上に散布する部屋をクラスター成膜容器１４としたが、これに限定されず、外部容器１１と同様に、真空あるいは真空に準ずる雰囲気中の真空チャンバ内でクラスター膜１０を成膜することができる。
また、上述した実施形態においては、ターゲット材料１の照射面から流出窓７までの距離をターゲット材料１への照射面積の最大径よりも１０倍以上に設定するとしたが、これに限定されず、クラスター生成容器５の形状を変更することにより、Ｂ領域を流出窓の手前で形成することができれば、同様の効果を得ることができる。
また、上述した実施形態においては、外部装置１１の延長部１１´のレーザが入射される側に配置される光学透過性材料よりなる密閉窓１２を設けた例について説明したが、これに限定されず、レーザビームを透過して反射しない材料であれば、種々の材料を使用することができる。
また、上述した実施形態においては、外部装置１１の延長部１１´のレーザが入射される側に配置される光学透過性材料よりなる密閉窓１２を設けた例について説明したが、これに限定されず、レーザビームを透過して反射しない材料であれば、種々の材料を使用することができる。
以上説明したように、本発明の構成によれば、クラスター膜製造量増大のために、レーザビームのビーム強度増大とクラスター生成容器の容量を拡大を行うことによる効果的なクラスター生成の実現と、生成されたクラスター群の生成容器からの効率的な流出とを両立させる最適なクラスター流出窓の実現が可能となり、さらに、材料蒸気の蒸発量を増やためのレーザビームの強度増大に伴う諸問題を解決して、かつ、その際のターゲット材料の急激な減耗に対処して、定常的なクラスター形成を可能とする。
１…ターゲット材料、２…レーザビーム、２´…方向を変えたビーム、３…材料蒸気、４…衝撃波、５…クラスター生成容器、６…クラスター群、７…流出窓、８…スキマー、９…基板、１０…クラスター膜、１１…外部容器、１１´…延長部、１２…密閉窓（光学透過性材料）、１３…窓の孔、１３´…焦点、１４…クラスター成膜容器、１８…ターゲット照射面、１９…ターゲット照射位置、１９´…ターゲット照射位置と同等の位置、２０…レーザビーム強度分布測定器、２１…ＮＤフィルター、２２…支持装置、２３…不活性ガス溜り、２４…不活性ガス導入口、２５…不可性ガスの相流、２６…クラスタ生成セル出口より噴出する不活性ガス流、２７…スキマー、２８…クラスタービーム、２９…レーザ反射光、Ｒ…回転方向、Ｔ…押出方向
Claims (10)
- クラスターの原料となるターゲット材料を所定の位置に配置して不活性ガスを導入しながらクラスター群を生成するクラスター生成容器と、該クラスター生成容器の外部から前記ターゲット材料にレーザビームを照射するレーザビーム光源と、該クラスター生成容器に連通されクラスター膜を所定の基板上に成膜するクラスター成膜容器とを備え、前記レーザビームに照射された該ターゲット材料の材料蒸気が不活性ガスの衝撃波を発生せしめ、該衝撃波が前記クラスター生成容器の内壁で反射して該材料蒸気を特定領域に閉じ込め、該材料蒸気の原子あるいは分子同士の衝突により該材料のクラスター群を生成し、該ターゲット材料と該特定領域とを結ぶ直線の延長線上の該クラスター生成容器の壁に設けた流出窓から該クラスター群を流出せしめ、該クラスター成膜容器内の該基板上に該クラスター群を堆積してクラスターを成膜するクラスター成膜装置において、
該レーザビームのエネルギー強度を３００ｍＪ以上に設定し、該エネルギーの密度を該ターゲット材料上で所定の範囲内になるように設定するエネルギー密度設定手段を備え、該ターゲット材料の照射面から該流出窓までの距離を該ターゲット材料面上でのビーム径の１０倍以上に設定したことを特徴とするクラスター成膜装置。 - 請求項１記載のクラスター成膜装置において、
前記レーザビームを導入するために、該クラスター生成容器の該流出用窓とは異なる位置に設けられ、該レーザビームを通過せしめるべく開口されている入射窓を備えたことを特徴とするクラスター成膜装置。 - 請求項１記載のクラスター成膜装置において、
前記クラスター生成容器を、真空あるいは真空に準ずる雰囲気で収容する外部容器を備え、該外部容器は、該レーザビームを通過させるためにその外郭を円筒形状に延長して形成された延長部を有し、該延長部は、該レーザビームを導入する側に該レーザビームの反射を防ぐ処理を施した光学透過性板材が設けられた密閉窓を有し、かつ、該密閉窓は、該クラスター生成容器から所定の間隔を置いて設けられていることを特徴とするクラスター成膜装置。 - 請求項３記載のクラスター成膜装置において、
前記外部容器の該密閉窓を通過する該レーザビームの断面積を、該密閉窓が破損しないエネルギー密度に低減せしめる大きさにするとともに、該密閉窓は、該レーザビームの入射光軸に垂直な面に対し所定の角度を持たせ、該レーザビームの反射が該レーザビーム光源に戻らないように設けられていることを特徴とするクラスター成膜装置。 - 請求項３記載のクラスター成膜装置において、
前記外部容器の該密封窓を、該レーザビームを導入するために該クラスター生成容器に設けられた入射窓と該ターゲット材料とを結ぶ直線延長上に配置することを特徴とするクラスター成膜装置。 - 請求項１記載のクラスター成膜装置において、
前記外部容器の該密封窓と該外部容器の外部に設置され該レーザビームを集光するレーザビーム集光用レンズと、該レーザビーム集光用レンズとの間の光軸上に該レーザビームの全強度もしくは一部強度の方向を変えるための鏡とを備え、該鏡は、方向を変えられたレーザビームと、前記クラスター生成容器内の該ターゲット材料の表面上に向かうレーザビームとが、同等の特性を有するように設置されていることを特徴とするクラスター成膜装置。 - 請求項１記載のクラスター成膜装置において、
前記ターゲット材料を支持する支持装置を備え、該支持装置は、該ターゲット材料を回転させて該ターゲット材料の表面におけるレーザ照射位置を移動せしめる機能と、レーザ照射による該ターゲット材料の表面の蒸発に基づく減耗に相当する分だけ該ターゲット材料を該表面に対して垂直の方向に押し出す機能とを有し、照射表面の位置を一定に保つようにしたことを特徴とするクラスター成膜装置。 - クラスターの原料となるターゲット材料を所定の位置に配置して不活性ガスを導入しながらクラスター群を生成するクラスター生成容器と、該クラスター生成容器の外部から前記ターゲット材料にレーザビームを照射するレーザビーム光源とを備え、前記レーザビームに照射された該ターゲット材料の材料蒸気が不活性ガスの衝撃波を発生せしめ、該衝撃波が前記クラスター生成容器の内壁で反射して該材料蒸気を特定領域に閉じ込め、該材料蒸気の原子あるいは分子同士の衝突により該材料のクラスター群を生成し、該ターゲット材料と該特定領域とを結ぶ直線の延長線上の該クラスター生成容器の壁に設けた流出窓から該クラスター群を流出せしめるクラスター生成装置において、
該レーザビームのエネルギー強度を３００ｍＪ以上に設定し、該エネルギーの密度を該ターゲット材料上で所定の範囲内になるように設定するエネルギー密度設定手段を備え、該ターゲット材料の照射面から該流出窓までの距離を該ターゲット材料面上でのビーム径よりも１０倍以上に設定したことを特徴とするクラスター生成装置。 - 不活性ガスを満たしたクラスター生成容器内において、クラスターの原料となるターゲット材料にレーザビームを照射し、発生する材料蒸気が不活性ガスの衝撃波を発生せしめ、該衝撃波が該クラスター生成容器の壁に反射して該材料蒸気を特定領域に閉じ込め、該材料蒸気の原子あるいは分子同士の衝突により該材料のクラスター群を生成し、該ターゲット材料と該特定領域とを結ぶ直線の延長線上の該クラスター生成容器の壁に設けた窓から該クラスター群を流出せしめ、所定の基板上に堆積してクラスター膜を成膜するクラスター成膜方法において、
該レーザビームのエネルギー強度を３００ｍＪ以上に設定し、該エネルギーの密度を該ターゲット材料上で所定の範囲内になるように設定するエネルギー密度設定手順を含み、該ターゲット材料の照射面から該流出窓までの距離を該ターゲット材料面上でのビーム径よりも１０倍以上に設定したことを特徴とするクラスター成膜方法。 - 不活性ガスを満たしたクラスター生成容器内において、クラスターの原料となるターゲット材料にレーザビームを照射し、発生する材料蒸気が不活性ガスの衝撃波を発生せしめ、該衝撃波が該クラスター生成容器の壁に反射して該材料蒸気を特定領域に閉じ込め、該材料蒸気の原子あるいは分子同士の衝突により該材料のクラスター群を生成し、該ターゲット材料と該特定領域とを結ぶ直線の延長線上の該クラスター生成容器の壁に設けた窓から該クラスター群を流出せしめるクラスター生成方法において、
該レーザビームのエネルギー強度を３００ｍＪ以上に設定し、該エネルギーの密度を該ターゲット材料上で所定の範囲内になるように設定するエネルギー密度設定手順を含み、該ターゲット材料の照射面から該流出窓までの距離を該ターゲット材料面上でのビーム径よりも１０倍以上に設定したことを特徴とするクラスター生成方法。
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