KR20170097187A - 회전 미러 및 원형 링 타겟을 갖는 등대 스캐너 - Google Patents

회전 미러 및 원형 링 타겟을 갖는 등대 스캐너 Download PDF

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KR20170097187A
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작코 피르토
자리 리마타이넨
퍼구스 클락크
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피코데온 리미티드 오와이
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Abstract

본 발명은 레이저 어블레이션을 적용하는 코팅 프로세스들에 적합한 스캐닝 배열체 및 방법을 도입한다. 배열체는 장기간의 산업 프로세스들에 적합하다. 배열체는 환형 형태를 갖는 타겟(15)을 포함한다. 레이저 빔 방향(12)은 환형 타겟(15)의 중심 축을 따라 로케이팅되는 회전 미러(13)에 의해 제어된다. 스캐닝 라인은, 미러(13)가 회전할 때 내부 타겟 표면을 따라 원형으로 회전할 것이다. 레이저 빔들(12)의 초점은 일정한 스팟 크기를 보장하기 위해 내부 타겟 표면 상에 로케이팅되도록 배열될 수 있다. 링-형태, 원통-형상 또는 원뿔대-형상 타겟(15)이 사용될 수 있다. 타겟의 내부 표면은 이에 따라, 코팅될 기판(17) 쪽으로 어블레이팅된 재료(16)의 릴리즈 방향을 제어하기 위해 테이퍼링될 수 있다.

Description

회전 미러 및 원형 링 타겟을 갖는 등대 스캐너{LIGHTHOUSE SCANNER WITH A ROTATING MIRROR AND A CIRCULAR RING TARGET}
본 발명은 예를 들어, 양호한 표면 품질을 갖는 다양한 재료들을 코팅하는데 사용되는 레이저 어블레이션 프로세스(laser ablation process)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 입자들 및/또는 플라즈마를 생성하기 위해 타겟으로부터 재료를 제거하기 위한 새로운 방법에 관한 것이다.
레이저 어블레이션은 매우 짧은 시간 길이를 갖지만 비교적 높은 주파수로 생성되는 레이저 빔들이 타겟 재료 조각 쪽으로 지향되는 미립자 및 플라즈마 스트림을 생성하기 위한 프로세스이다. 타겟 재료의 작은 단편들 및 입자들의 릴리즈(release) 후, 릴리즈된 재료는 결국, 원하는 물리적 엘리먼트 또는 표면의 상부에 코팅을 생성하기 위해 코팅되기를 원하는 재료 쪽으로 지향된다. 코팅은 필요한 경우 엄격한 품질 요건들을 충족시킬 수 있다. 프로세스는 레이저 펄스들의 특성들(에너지, 펄스 길이, 펄스 주파수), 타겟 재료 선택 또는 재료 구조를 변경함으로써 또는 아마도, 여러 개의 별도의 타겟들을 사용함으로써 상이한 유형들의 적용에 대해 변동될 수 있다. 또한, 프로세스는 타겟, 레이저 소스 및 코팅된 표면 사이의 거리들을 변동시킴으로써 변동될 수 있다. 또 다른 가능성은, 레이저 펄스 조작을 위해 예를 들어, (움직이는 미러와 같은) 회전 반사 표면들을 사용함으로써 레이저 펄스들을 제어하고 재지향시키는 것이다. 프로세스 챔버에서의 온도, 압력 및 아마도, 추가의 유효 가스의 사용은 코팅 생성을 위한 추가 제어 가능성들을 제공한다.
선행 기술에서, 참조문헌 US 5760366(Haruta1)은 박막 형성에 사용되는 레이저 어블레이션 배열체에 대해 엄청난 수의 상이한 구성들을 개시한다. Haruta1은 챔버를 적용하고 레이저 빔은, 빔이 챔버의 구멍을 통해 이동하는 렌즈 및 미러 배열체를 통해 챔버 내부의 타겟으로 지향된다. Haruta1은 또한 릴리즈된 플룸(released plume)을 기판 쪽으로 지향시키도록 타겟에 매우 근접하여 자기장을 인가한다. 도 39는 레이저를 제어하는 2개의 미러의 예를 도시하며, 렌즈는 제 1 미러 앞에 로케이팅된다. 또한, 여러 개의 별도의 타겟들이 동일한 어블레이션 챔버에서 사용될 수 있다.
추가의 참조문헌 US 6033741(Haruta2)는, 타겟 표면을 향한 조사가 균일한 광 세기 분포를 갖도록 레이저 빔 단면이 성형될 수 있다는 것을 제외하면, Haruta1과 다소 유사한 배열체를 개시한다. Haruta1 및 Haruta2 둘 다에서, 도 37 내지 도 38에서, 레이저 펄스들이 콘덴서 렌즈를 통해 공급되는 타겟 스캐닝 배열체가 도시된다. 인입하는 빔과 관련하여 상대적 각도가 변경될 수 있는 미러가 존재하며, 그 결과, 펄스들은 원통 형상의 원료 타겟의 내주 쪽을 포인팅할 수 있다. 타겟과의 레이저 펄스의 영향 각도(effecting angle)는 예각인데, 즉 명확하게는, 90도 미만이란 것에 주목할 만하다. 기판은 원통형 타겟의 개방 방향에 배치될 수 있으며, 추가로 기판은 가열될 수 있다. 도 38에 따라, 타겟은 상이한, 원뿔대 형태를 갖는다. 결과는 타겟 재료의 비스듬한 세그먼팅된 조각이다. 여전히, 레이저 빔들은 타겟과 접촉하도록 지향되어, 레이저 펄스들에 대한 엘리먼트(미러 "8")를 제어하는 마지막 방향이 어블레이션 챔버 외부에 로케이팅하게 한다. 타겟에의 빔들의 도달 각도는 또한, 명확하게는, 90도 미만이다.
참조문헌 Rode, US 6312768은 차례로, 비정질 및 결정질 막 구조들을 생성하기 위한 초고속 펄스 레이저 증착을 개시한다. Rode는 레이저 소스를 가지며, 그의 레이저 펄스들은, 펄스가 챔버의 타겟 표면 상에 도달하기 전에 여러 개의 미러들을 통해 그리고 렌즈를 통해 지향된다. Rode의 챔버는 반응성 또는 비-반응성 버퍼 가스를 포함할 가능성을 갖는다. Rode는 펄스 길이들 면에서 피코초-펨토초 범위를 사용하며 펄스 반복 레이트는 통상적으로 약 10 kHz로부터 수백 MHz까지 변동된다. Rode의 목적은, 타겟에 도달하는 레이저 펄스로 인한 펄스 유형의 재료 릴리즈에도 불구하고, 기판에 도달하는 컴포넌트들이 원자 입자들의 실질적으로 연속적인 유동을 형성하도록 타겟으로부터 릴리즈된 컴포넌트들의 속도를 변동시키는 것이다. 타겟과의 레이저 펄스 접촉은 고정된 타겟으로 레이저 빔들을 조종(steering)함으로써 또는 인입하는 레이저 빔들의 고정된 방향을 가로질러 타겟을 이동시킴으로써 지향될 수 있다.
바코드 스캐닝 디바이스에서 레이저 빔 방향 제어에 관하여, US 4699447(Howard)는 일련의 반사 표면들을 포함하는 "바스켓-형상(basket-shaped)" 구조를 개시한다. 적용 영역은 레이저 어블레이션 프로세스와 비교하여 상이하지만, 비스듬히 로케이팅되는 제 1 미러 및 레이저 빔에 대한 제 2 반사 표면으로서 작용하는 바스켓 내벽이 있다는 것에 주목할 만하다. 실제로, 제 2 반사 표면은 6개의 상호 고정된 비스듬한 표면 부분들(도 1 참조)로부터 형성된다. 제 1 미러는 모터 수단을 이용하여 바스켓-형 표면에 대해 또는 그 반대로 회전할 수 있어서, 원하는 레이저 빔 유동 패턴이 바코드를 판독하기 위해 디바이스로부터 외향으로 생성되게 한다.
제 2 종류의 바코드 스캐너는 US 4870274(Hebert)에서 보여진다. 이 디바이스는 주로 Howard와 유사한 유형의 디바이스 구조를 갖는다. Hebert에서, 회전 컴포넌트는 비스듬한 미러 표면을 포함하는 스캐너의 투명한 중간 엘리먼트에 있다. 주변 미러 표면들의 고정된 어레이로부터의 제 2 반사에 의해, 빔들이 스캐너로부터 외향으로 지향될 수 있다. 디바이스는 또한 바코드가 로케이팅되는 "비춰진(lit)" 표면으로부터 후방산란(backscatter)을 수집하고, 디바이스의 검출 부분에서, 광 빔들의 유동은 일반적으로, 반사된 후방산란이 이미징 렌즈를 통해 검출 및 이미징 엘리먼트들에 도달할 때까지 반대 방향으로 위의 엘리먼트들을 이동한다.
특허 US 8828506(Ruuttu 등)은 미러 표면 법선들에 대하여 수직으로 로케이팅하는 축을 중심으로 회전하는 복수의 반사 미러들을 갖는 터빈 스캐너(turbine scanner)를 개시한다. 터빈 스캐너의 단면은 이에 따라, 예를 들어, 예들에서 도시된 바와 같이 8개의 미러 표면들을 갖는 다각형을 형성하지만, 수십 또는 수백 개의 미러면들과 같이 더 많은 수가 또한 가능하다. 제시된 터빈 스캐너는 높은 수준의 레이저 방사를 용인한다. 미러면들의 수, 면들 간의 각각의 각도 및 터빈 스캐너의 회전 속도는, 타겟에 도달하는 반사된 후속 레이저 펄스 스팟들이 타겟 상에서 부분적으로 중첩되도록 세팅된다. Ruuttu의 배열체의 단점들은 복잡하고 값비싼 광학계 및 또한, 가용 레이저 에너지 또는 전력의 80% 활용을 의미하는 80%의 듀티 사이클이다.
위의 선행 기술로부터, 현재의 해결책들은, 생성된 플라즈마 플룸 및 이에 따라 릴리즈된 재료의 유동이 연속적이고 균질성(homogenous)이며 안정적인, 레이저 어블레이션 방법들에서의 간단하더라도 효과적인 타겟 프로세싱 방법을 제공하지 않는다는 것이 명백하다. 또한, 현재의 방법들에서의 듀티 사이클은, 스캐닝 라인이 타겟 재료를 완전히 평활(smooth)하고 균일한 방식으로 조각(carve)하지 않기 때문에 최적이 아니다.
본 발명은 레이저 어블레이션을 통한 재료들의 레이저 프로세싱에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 재료 소스로서 작용하는 타겟 재료와 레이저 빔(바람직하게는, 짧은 레이저 펄스들)과의 상호작용이 재료의 릴리즈(release)를 유도하고 적합한 조건들 하에서, 릴리즈된 재료가 수집되고 기판(substrate)이라고도 불리는 대상 또는 컴포넌트의 표면 상에 부착될 수 있는 PLD(pulsed laser deposition) 프로세스에 관한 것이다. 산업 코팅 프로세스의 요건들은, 높은 처리량, 신뢰도, 넓은 표면적 상에서 균일하게 코팅을 생성할 수 있는 능력, 견고성, 훨씬 더 높은 처리량들로의 확장성(scalability) 및 훨씬 더 큰 표면적을 생성하기 위한 확장성을 포함(그러나 이것으로 제한되지 않음)한다. 환형 타겟, 회전 미러 및 기판을 유지하고 조작하기 위한 수단을 포함하는, 펄스 레이저 증착 프로세스를 위한 방법 및 배열체는, 전술한 요건들은 물론, 높은 반복 레이트들(> 100 kHz)로 적용되는 초단 레이저 펄스들(펄스 길이가 100 ps 미만)을 이용하는 초고속 펄스 레이저 증착 프로세스의 요건들을 해결한다.
본 발명의 목적은 타겟 배열체의 간단한 확장성을 통해 대규모 산업 코팅 프로세스들에서 펄스 레이저 증착의 이용을 가능케 하는 펄스 레이저 증착 프로세스를 위한 배열체를 제공하는 것이다. 이는 어블레이션 프로세스에서 어떠한 중단도 없이 타겟의 연속적인 스캐닝에 적합한 배열체와 조합된 다른 형상의 타겟 재료를 사용함을 의미한다.
타겟과의 레이저 빔 상호작용은 레이저 특성들 및 타겟 재료 특성들의 함수이다. 레이저 특성들은 파장, 펄스 길이, 펄스 에너지 및 세기, 레이저 스팟 크기, 공간적 및 시간적 세기 분포, 편광 및 재료 상의 빔들의 입사 각도를 포함한다. 한편, 타겟 재료 특성들은 표면 지형, 품질(밀도, 입자 크기, 균질성), 비열, 열 전도, 기화열, 온도, 결정 구조 및 배향, 및 재료의 열역학적 상태를 포함한다.
또한, 프로세스는 특징적으로 동적이며, 상호작용 조건들 및 재료 특성들은 단일 초단 레이저 펄스 동안에도 반드시 일정하진 않다는 점에 주의해야 한다. 플라즈마의 형성은 피코초 시간 스케일로 발생하는데, 이는 그보다 긴 펄스, 높은 반복 레이트 프로세싱 및 (짧은 시간 간격을 갖는) 레이저 펄스들의 버스트가 어블레이션 프로세스에서 형성된 플라즈마와 레이저 펄스의 상호작용을 또한 포함할 수 있음을 의미한다. 다른 이슈로서, 플라즈마 팽창은 레이저/재료 및 레이저/플라즈마 상호작용들의 성질의 함수이고, 추가로 환경의 압력의 함수이며, 이는 가스 분자들과의 상호작용을 의미한다. 플라즈마는 공간적 분포를 가지며 방출된 종의 이온화 정도, 크기, 속도 및 에너지를 특징으로 할 수 있다.
레이저 펄스들은 전체 반복 레이트와 비교하여 더 높은 반복 레이트로 인가되는 2개 또는 그 초과의 펄스들을 포함하는, 균등하게 시간적으로 분리된 레이저 펄스들 또는 레이저 펄스들의 버스트들의 연속적인 트레인(continuous train)으로서 인가될 수 있다. 또한, 연속적인 트레인 레이저 펄스들 또는 레이저 펄스들의 버스트는 타겟의 특정 영역 또는 세그먼트를 어블레이팅하기 위해 특정 펄스들 또는 버스트들을 스킵(skip)하도록 제어될 수 있다. 이는 기판 상에 증착된 재료의 분포에 대한 제어를 제공한다.
일부 경우들에서, 레이저 펄스의 상호작용이 고체 재료와 이루어지고 어떠한 레이저 에너지도 레이저 어블레이션 프로세스에서 생성된 플라즈마에 의해 흡수되지 않도록 연속 레이저 펄스들 사이에 충분한 공간적 분리를 갖는 것이 우선적이다. 높은 펄스 반복 레이트의 경우에, 이는 레이저 펄스들의 스캐닝이 고속으로 수행될 필요가 있음을 의미한다. 한편, 생산 레이트 및 재료 제거 레이트는 반복 레이트의 함수이다. 높은 스캔 속도를 가능하게 하는 것은 이에 따라 더 높은 생산 레이트를 가능하게 한다(즉, 최대 증착 레이트의 한계를 증가시킴). 이러한 사실들을 고려하면, 펄스 레이저 증착에 기초한 산업 코팅 프로세스를 실현하는 것은, 펄스 레이저 빔의 높은 스캐닝 속도를 생성하는 신뢰 가능하고 안정적인 방법을 요구한다.
참조문헌 Rode에 의해 언급된 바와 같이, 거시적인 입자들 및 액적들 및 나노초 범위의 펄스 레이저 증착에 공통적인 입자들은 레이저 펄스들에 대해 피코 및 펨토초 길이들 및 더 높은 펄스 반복 레이트(통상적으로, 수십 Hz 대신 kHz:s 내지 MHz:s)와 결합하여 ns-범위 PLD에서보다 훨씬 더 낮은 레이저 펄스 에너지들을 사용함으로써 방지될 수 있다.
레이저 펄스들의 높은 반복 레이트는, 예를 들어, 에피택셜 성장을 이용하여, 구조화된 박막들의 성장으로 이어지는 기판 표면상의 원자들의 연속적인 유동의 생성에 있어 적절한 반복-레이트 및 타겟-기판 거리를 선택함으로써 이용될 수 있다.
레이저 펄스들은 투명 증기들의 체제(regime)에서 레이저-타겟 상호작용을 유지하기 위해 증발 프로세스 동안 타겟의 표면을 가로질러 스캔된다. 이는 레이저 빔을 조종하거나 타겟의 이동에 의해 달성될 수 있다. 또한, 타겟 표면상의 동일한 스팟에 레이저 펄스들이 부딪치는 것을 금지함으로써, 불리한 크레이터(crater) 형성이 타겟 표면 상에서 방지될 수 있다.
레이저 빔들은 터빈 스캐너라고 불리는 배열체를 통해 지향될 수 있다. 터빈 스캐너는 다각형을 함께 형성하는 미러 표면들에 의해 형성된다. 표면들의 수는 3개 내지 수십 또는 심지어 수백 개까지의 표면들일 수 있다. 터빈 스캐너의 회전축은 미러 표면들의 표면 법선 벡터들로부터 90도로 로케이팅될 수 있다. 미러들은 또한 회전축에 대해 비스듬한 위치에 로케이팅될 수 있다. 다각형-형상 미러 구조는 큰 각속도로 회전될 수 있고, 터빈 스캐너의 크기는 사용된 애플리케이션에 관하여 자유롭게 선택될 수 있다. 기본 원리는 반사된 레이저 펄스들이 타겟 표면 상에서 스캔 라인 또는 원하는 스캔 라인 패턴을 형성하도록 펄스 레이저 소스와 함께 터빈 스캐너의 속도를 서로 제어하는 것이다. 터빈 스캐너는 또한, 종래 기술의 해결책들에서 가능했던 것보다 큰 스캐닝 폭들을 가능하게 하고, 결과적으로 하나의 그리고 동일한 레이저 장치로 더 큰 표면적들의 코팅이 가능하다. 따라서 양호한 작업 속도가 터빈 스캐너의 사용을 통해 달성되고 생성된 표면이 또한 균일하게 될 수 있다.
본 발명의 핵심 특징으로서, 타겟은 환형, 즉 원 형상으로 형성된다. 레이저 빔에 영향을 미치는 마지막으로 반사되는 엘리먼트(미러)는 본 발명의 바람직한 실시예에서 환형 타겟의 중앙 스팟에 로케이팅된다. 타겟으로 이동하는 스캐닝 라인은 또한 이에 따라 본질적으로 원형일 것이다. 환형 타겟의 직경을 증가시킴으로써, 다음과 같은 이점들을 가질 것이다. 미러의 동일한 회전 속도로 타겟 표면상의 보다 높은 스캔 속도가 가능하다. 더 큰 곡률 반경은 조사되는 레이저 스팟 하에서 그리고 어블레이팅된 재료의 분사 시에 더 적은 곡률 관련 효과들을 의미한다. 추가의 이점은, 스캐닝 광학계로부터의 증가된 거리는 광학계 상의 더 낮은 밀도의 유해한 재료 축적을 의미한다는 것이다. 어블레이션 프로세스에 대한 표면적이 크다는 것은 또한, 동일한 재료 제거 레이트에 있어서 전체 마모가 더 느려진다는 것을 의미한다. 마지막으로, 환형 타겟의 곡률의 더 큰 반경의 결과로서 더 큰 영역 상에 재료가 또한 증착될 수 있다.
환형 타겟을 갖는 펄스 레이저 증착 배열체는 예를 들어, 단일 진공-시스템 플랜지 상에 장착된 독립형 유닛으로서 실현될 수 있으며, 여기서 이러한 특수하게 형성된 타겟은 선택된 종류의 기판 상에 증착될 재료에 대한 소스로서 기존 코팅 배열체에 적합하게 될 수 있다. 이 유형의 배열체는 또한, 이들 재료 소스 유닛들의 신속한 교환 및 증가된 재료 처리량을 위해 다수의 재료 소스 유닛들이 하나의 코팅 시스템 챔버에 배치되는 것을 허용한다. 방해받지 않는 프로세스를 보장하기 위해, 환형 타겟들은 직렬로 또는 병렬로 배열될 수 있다. 환형 타겟의 직렬 연결은, 제 1 환형 타겟이 완전히 마모되었을 때, 약간 더 큰 반경을 갖는 제 2 환형 타겟이, 도달하는 레이저 펄스들과 접촉하게 되고 프로세스가 요구되는 한 지속될 수 있다는 것을 의미한다. 환형 타겟의 병렬 연결은, 동일한 곡률 반경을 갖는 여러 개의 환형 타겟이 존재한다는 것을 의미하며, 타겟들은 서로의 상부에 로케이팅되어 원통형으로 형성된 타겟 영역을 함께 형성할 수 있다. 여러 개의 타겟들의 이러한 종류의 배열체에서, 스캐너 미러 또는 타겟들은, 제 1 타겟이 마모되고, 제 2 타겟이 어블레이션에 착수될 때 수직으로 이동할 필요가 있다. 제 2 옵션은, 어블레이션 프로세스 하의 타겟이 제 1 타겟으로부터 제 2 타겟으로 스위칭될 때 약간 비스듬한 각도로 레이저 빔을 지향시키는 것이다.
원형 스캐닝 배열체는, 펄스 레이저 증착 방법들에 이전에 적용된 종래의 스캐닝 기술들과 비교할 때 다음과 같은 이점들을 갖는다. 프로세스는 연속적이며, 여기에서는, 선회 미러들(turning mirrors)을 포함하는 갈바노메트릭 스캐닝(galvanometric scanning)에서 통상적인 가속 및 감속 사이클과 관련된 전환점들이 없다. 또한, 프로세스 전체에 걸쳐 일정한 스캐닝 속도가 획득된다. 추가로, 다각형 스캐너들의 미러 에지들로 인해 어떠한 레이저 에너지도 손실되지 않는다. 이는 100% 효율을 갖지 않는 다각형 스캐너의 것과 비해, 사용 가능한 레이저 전력의 완전한 100% 활용을 의미한다. 또 다른 이점으로서, 더 복잡한 스캐닝 렌즈들 및 f-세타 텔레센트릭 렌즈들 대신 간단한 광학계를 통한 포커싱으로 인해, 스캐닝 렌즈들, 스캔 필드 평탄도, (다각형 스캐너들에 존재하는) 텔레센트리시티(telecentricity) 에러들 또는 보잉(bowing)과 관련된 손상들이 없다. 더 단순한 광학계의 결과로서, 비용들이 낮아진다. 마지막으로, 스캐닝 렌즈들이 제조 한계들을 포함할 것이기 때문에 광학계와 관련된 확장성 한계들이 존재하지 않을 것이다. 그러나 타겟 제조는 타겟의 직경이 증가함에 따라 다소 더 어려워질 것이다.
도 1은 일반적으로 PLD(pulsed laser deposition)을 적용하는 코팅 프로세스를 예시한다.
도 2는 바람직한 종류들의 레이저 펄스들 또는 레이저 펄스 프론트들을 생성하는데 사용될 수 있는 터빈 스캐너의 예를 예시한다.
도 3은 본 발명에 따른 환형 형태의 타겟의 실시예를 예시하며, 이 타겟은 펄스 레이저 증착 프로세스들에서 사용 가능하다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스캐닝 배열체의 단면의 직접 측면도를 예시한다.
도 5는 회전 미러 주위의 보호 인클로저의 예를 예시한다.
본 발명은, 등대-유형의 스캐닝 디바이스를 생성하도록 회전 미러 및 원 형상 타겟을 포함하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체 및 방법을 포함하는 레이저 어블레이션 및 증착 배열체 및 방법을 소개한다. 원 형상 타겟은 링-형성된(ring-formed) 또는 원통형으로 형성된 타겟일 수 있는데, 즉 스캐닝 빔(출력 빔)의 평면 상의 그의 단면이 실질적으로 원이다. 배열체는 이에 따라, 물리적 컴포넌트들로 형성되며, 여기서 레이저 소스가 에너지 소스이고, 엘리먼트들은 레이저 에너지를 제어하고 이와 상호작용하며, 레이저 빔 접촉의 결과로서 타겟으로부터의 릴리즈되는 재료는 최종 형태, 예를 들어, 기판상의 코팅일 것이다. 적어도, 타겟과의 레이저 빔 접촉 및 기판으로의 재료 유동은 바람직하게는, 레이저 어블레이션에 대한 제어 가능한 환경을 제공하도록 진공 챔버 내부에 로케이팅될 것이다. 디바이스 및 대응하는 방법은, 타겟으로부터 비롯된 하나 또는 그 초과의 코팅 재료들을 이용한 기판(엘리먼트, 컴포넌트, 작은 또는 큰 표면 또는 다른 박막)의 코팅을 허용한다.
우선, 예를 들어, 원하는 표면 상에 양질의 코팅을 생성하기 위한 펄스 레이저 증착을 일반적으로 논의하는 도 1을 참조한다. 이 도면에서, 타겟은 단지 예시적인 목적으로 단순 직사각형 엘리먼트로서 단순화되며, 실제 발명에서, 타겟은, 보다 상세히 논의된다.
본 발명의 방법을 실현하기 위한 기본 배열체는, 레이저 소스(11, 11'), 레이저 빔(레이저 펄스들)을 안내하는 광학 경로(12, 12'), 적어도 하나의 집속 렌즈(14)로 구성되며, 어블레이션은 진공 챔버(18)에서 발생할 것이다. 진공 챔버(18) 내에, 회전 스캐닝 미러(13)와 같은 레이저 빔 조작 엘리먼트, 타겟(15)을 (예를 들어, 이동시키고 그리고/또는 회전시키는 것과 같이) 유지 및 조작할 수 있는 기구들을 갖는 환형 타겟(15)(예시 목적들을 위해 직사각형 타겟 블록으로서 도면에서 단순화됨), 및 기판(17)의 (예를 들어, 이동시키고 그리고/또는 회전시키는 것과 같은) 조작을 가능하게 하는 유지 수단 및 기구들과 함께 있는 기판(17)이 존재한다. 어블레이션 배열체의 추가 특징들은 레이저 펄스 제어(펄스 피킹)를 위한 제어 수단(11c, 11c'), 레이저 펄스들의 특성들(예를 들어, 편광, 세기 분포, 다수의 빔릿들로의 빔 분할)을 변경하기 위한 광학 엘리먼트들, 재료 축적으로부터 회전 스캐닝 미러(13)를 보호하기 위한 수단(정적 마스크들 및 다이아프램들, (예를 들어, 스캐닝 미러와 함께 회전하는) 동적 마스크들 및 다이아프램들, 전기장 및/또는 자기장, 가열 엘리먼트들, 가스 유동 배열체), 공간적 그리고 시간적 둘다 모두로 어블레이팅된 재료의 유동을 선택적으로 조작하기 위해 타겟과 기판 사이에 있는 정적 및 동적 마스크들이다. 일 실시예에서, 제어 수단(11c, 11c')은 레이저 소스(11, 11')뿐만 아니라 렌즈들의 가능한 이동 또는 포커싱과 같은 광학 엘리먼트들을 제어할 수 있으며, 추가로, 제어 수단(11c, 11c')(또는 제어기)은 환형 타겟(15) 상의 타겟 접촉점(15c) 쪽으로 레이저 펄스들을 지향시키기 위해 회전 미러(13)의 회전을 제어할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따라, 배열체는 레이저 소스(11, 11'), 광학 수단(렌즈 및 가능한 터빈 스캐너) 및 미러(13)의 회전을 원하는 방식으로 제어하는 제어 수단을 포함한다. 후자는 회전 가능 미러(13)로 방향 및 각속도 및 가능한 스캐닝 라인 패턴을 선택하는 것을 포함한다.
설명 및 청구항들의 맥락에서, 위에서 언급한 광학 엘리먼트들과 함께 적어도 하나의 집속 렌즈(14) 및 가능한 터빈 스캐너(21, 22)(도 2의 설명 참조)는 함께, 청구항들에서 특정된 광학 수단의 부분이 된다. 광학 수단은 레이저 빔들을 위한 하나 또는 그 초과의 이러한 조작 엘리먼트들을 포함한다. 집속 렌즈(14) 또는 여러 개의 렌즈들은 렌즈 또는 렌즈들이 레이저 빔(12, 12')의 방향에서, 즉, 전파되는 레이저 빔을 따라 이동될 수 있도록 배열될 수 있다. 일 실시예에서, 집속 렌즈(14)는 타겟(15)의 선형 이동과 동기화하여 레이저 빔(12, 12')을 따라 이동된다.
회전 미러(13)는, 인입하는 레이저 펄스들을 대면하는 반사 표면을 구비한 단순 직사각형의 2차원 평면 조각일 수 있고, 미러의 직사각형 미러 조각은 비스듬히 로케이팅되는 회전축을 중심으로 회전할 수 있다. 그렇지 않으면, 회전 미러(13)는 거꾸로 뒤집어서 선회된, 엘리먼트가 예를 들어, 피라미드 형태를 가질 수 있는 미러링된 외부 표면들을 갖는 단면 삼각형의 엘리먼트일 수 있다. 회전 미러(13)의 회전축은 바람직한 실시예에서 입력 레이저 빔의 방향과 실질적으로 평행하다.
집속 렌즈(14) 또는 렌즈들은 레이저 펄스 경로(12, 12')를 따라 어디든지 로케이팅될 수 있다. 렌즈(14)는 이에 따라 레이저 소스(11)(또는 11')와 미러 배열체(13) 사이에 또한 로케이팅될 수 있다. 터빈 스캐너 옵션이 도 2에서 보다 상세히 논의된다.
실시예에서, 광학 수단(또는 위에서 언급된 바와 같은 광학 엘리먼트들)(14, 21, 22)은 입력 레이저 빔(12)의 공간적 세기 분포를 조작하도록 구성된 수단을 더 포함한다.
레이저 소스(11)는 펄스 또는 연속파 레이저일 수 있으며, 프로세스에 적합한 레이저 특성들 및 파라미터들로 동작할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 레이저 소스(11)는 레이저 펄스들을 생성한다. 추가의 실시예에서, 레이저 소스(11)는 2개 또는 그 초과의 레이저 펄스들을 포함하는 펄스 버스트들을 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 레이저 소스(11) 및 그의 제어기(11c)는 진공 챔버(18) 외부에 로케이팅된다. 레이저 펄스들은 진공 챔버(18)의 벽에 로케이팅되는 윈도우(18w)를 통해 진공 챔버(18) 내부로 공급된다. 본 발명의 다른 가능한 실시예에서, 레이저 소스(11') 및 제어기(11c')는 또한 어블레이션 챔버(18) 내에 배치된다. 이 옵션에서, 레이저 펄스들을 생성하는 레이저 소스(11'), 펄스들의 조작 엘리먼트들, 타겟(15)의 타겟 접촉점(15c)에서의 재료의 어블레이션(16) 및 릴리즈된 재료로 코팅될 기판(17)이 모두 진공 챔버(18) 내에 배치되고, 이에 따라 방법 단계들은 진공 챔버(18) 내에서 구현될 것이다. 타겟 접촉점(15c)은 재료 릴리즈 프로세스 동안 타겟 표면 상에 급격한 구멍들이 형성되는 것을 방지하기 위해 타겟(15)의 내부 표면 상에서 원하는 패턴으로 움직일 것이다.
배열체는 적어도, 진공 챔버(18) 내에 존재하는 (유입하고 및/또는 유출하는) 가능한 추가 재료를 제어하는 능력, 압력 및 온도를 포함한다. 즉, 챔버(18)에는 레이저 어블레이션 및 증착 동안 제어된 압력에서 배경 가스의 제어된 유동이 제공된다. 배경 가스는 불활성이거나 반응성일 수 있다. 추가 재료(들)는 가스 형태일 수 있지만, 일부 유용한 실시예들에서, 어블레이션 프로세스에 대해 액체 침지(liquid submersion)가 가능하다.
도 2는 레이저 소스(11, 11')와 회전 미러(13)(회전 미러(13)는 도 2에서 도시되지 않음) 사이의 광학 툴(광학 수단의 부분)로서 사용될 수 있는 터빈 스캐너의 예를 도시한다. 터빈 스캐너는 인입하는 레이저 펄스들을, 단일 평면 상에서 전파되는 레이저 펄스 프론트로 조작한다. 터빈 스캐너의 구조는 다각형으로서 형성될 수 있고 그 축을 중심으로 회전 가능한 선회 미러 표면들(21)을 포함한다. 미러 표면들 사이의 각도들은, 결과적인 반사된 레이저 펄스들이 팬-형상(fan-shaped)의 레이저 빔 세트를 형성하도록 선택될 수 있다. 반사된 펄스들은 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens)(22)로 지향되며, 이는 결국, 인입하는 반사된 펄스들을 실질적인 평행한 레이저 빔들(23)의 세트로 조작한다. 조작된 레이저 펄스 프론트(23)는 도 1에 도시된 렌즈(14) 또는 미러(13) 앞에 로케이팅되는 일부 다른 렌즈와 같은 추가의 렌즈 또는 여러 개의 렌즈들(도 2에 도시되지 않음)로 여전히 지향될 수 있다. 마지막으로, 조작된 레이저 펄스 프론트는 회전 가능 미러(13)와 접촉하게 된다. 터빈 스캐너(21, 22)의 동작은 이미 위에서 논의된 동일한 제어기(11c, 11c')에 의해 제어될 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 타겟(15)을 보다 상세히 도시한다. 타겟은 환형 형태로 성형되고, 바람직하게는, 타겟은 도 3에 도시된 바와 같이 위에서 보았을 때 완전한 원을 형성한다. 실제로, 타겟(15)은 링(ring)의 형상을 형성할 수 있으며, 이는 원통형 벽 구조의 얇은 세그먼트를 의미한다. 타겟(15)의 중심점은 회전 가능 미러(13)의 회전축을 따라 포지셔닝된다. 따라서, 환형 타겟(15)의 중심점은 회전 가능 미러(13)의 반사점과 동일할 수 있지만, 환형 타겟 평면이 도 3에 도시된 바와 같이 수평으로 로케이팅되면 중심점은 또한 미러(13)의 바로 위 또는 아래에 로케이팅될 수 있다. 따라서, 미러(13)에서의 레이저 빔의 반사 각도(α)는 실질적으로 90도와 동일할 수 있지만, 다른 실시예들에서, 반사 각도(α)는 0 <α <180°를 충족하는 각도 값들로부터 자유롭게 선택될 수 있다. 회전 미러(13)(레이저 빔들에 대한 그의 유효 반사점을 의미함)가 환형 링-형상 타겟의 중간점에 배치되면, 반사점으로부터 타겟 표면까지의 거리는, (타겟의 마모가 고려되지 않으면) 항상 일정하게 유지될 것이다. 어블레이션 프로세스가 턴온 될 때, 반사 엘리먼트(13)는 그의 제 1 실시예에서, 반사 엘리먼트가 일정한 각속도로 회전되도록 제어된다. 그 결과, 레이저 빔(12')은 평활하고 균일한 방식으로 환형 타겟의 내부 표면에 영향을 미칠 것이다. 즉, 회전 미러는 등대와 유사하게 기능하며, 그 결과는 환형 타겟의 내부 표면상의 실질적으로 원형 스캐닝 패턴이다.
도 4는 도 3에서 이미 도시된 것과 동일한 배열체의 다른 종류의 관점을 도시한다. 도 4는 배열체의 중앙에 로케이팅되는 수직 평면을 따라 "절단(cut)"된 단면의 직접 측면도이다. 입력 레이저 빔(12)은 진공 챔버(18) 아래에서 배열체에 도달한다. 빔(12)은, 중공 튜브(51) 또는 파이프(빔(12)은 여기에서 윈도우(18w)를 통과할 것임) 내로 이동하여 챔버(18) 내에 도달할 것이다. 회전 미러(13)는 빔(12)의 전파 경로에 비스듬히 배치되고, 미러(13)의 회전 축은 이 그림에서 수직으로 지향된다. 빔은 빔(12')으로서 수평 방향으로 반사될 것이다. 미러(13)가 전체 원을 따라 회전하는 동안, 각각의 반사된 빔들(12')은 수평 스캐닝 평면을 함께 형성할 것이다. 환형 타겟(15)의 테이퍼링된 내부 표면 및 반사된 빔(12')의 접촉점은 스팟(15c)이다. 어블레이션의 결과는 타겟으로의 비스듬한 도달 각도의 결과로서 위쪽으로 기울어진 방향으로 포인팅하는 재료 플룸(16)이다. 이 방향에, 릴리즈된 입자를 수용할 준비가 된 기판(17)이 또한 로케이팅된다. 재료 플룸(16)이 기판(17)과 접촉하게 되면, 재료 플룸(16)은 기판(17)에 달라붙고 기판(17) 상의 코팅을 형성할 것이다. 그 결과는, 예를 들어, 타겟 재료로부터 기판 시트 또는 컴포넌트 상에 형성되는 박막이며, 여기에 산업적으로 전문적인 방식 및 속도로 코팅이 생성될 수 있다.
도 5는 회전 스캐닝 미러(13)를 보호하기 위해 사용되는 보호 인클로저의 예를 예시한다. 도 5의 상위 부분은 위에서 본 배열체를 단면으로서 도시하고, 하위 부분은 측면도로서 그리고 또한 단면으로서 도시된다. 이러한 배열체는 미러(13) 상의 타겟 재료 축적(build-up)을 방지하기 위해 사용된다. 입력 레이저 빔(12)은 중공 튜브(51)를 통과하여 미러(13) 쪽으로 이동할 수 있으며, 여기서 입력 레이저 빔(12) 방향은 중공 튜브(51)의 축에 평행하다. 반사된 빔(12')은 보호 실드 구조(protective shield structure)(52)의 갭(gap)들을 통해 미러(13)로부터 타겟 쪽으로 전파될 것이다. 이 예에서, 5개의 보호 벽 조각들(52)이 보호 인클로저에 배치된다. 자연스럽게, 미러(13)의 보호에 필요한 요구되는 유효성(effectiveness)에 의존하여 임의의 다른 수의 보호 벽들이 있을 수 있다. 타겟과의 접촉점은 자연스럽게, 가장 먼 보호 벽 조각 외부에 로케이팅될 것이다. 보호 벽들(52)은 바람직하게는, 원 형상으로 형성되어 환형 타겟 내부로 중심으로(centrically) 로케이팅된다. 벽 조각(52)은 제 1, 중간 및 마지막 조각들이 상부 베이스 플레이트(53)에 고정되고 제 2 및 제 4 조각들이 하부 베이스 플레이트(54)에 고정되는 도면에 도시된 바와 같이, 대향하는 방식으로 인클로저 베이스에 고정될 수 있다. 상부 베이스 플레이트(53)에 고정된 조각들은 구멍들을 가지며, 구멍들을 통해 반사된 레이저 빔들(12')이 전파될 수 있다. 미러(13) 및 중공 튜브(51)가 본 발명의 원리에 따라 회전하면, 제 1, 제 3 및 제 5 벽 조각들과 함께 상부 베이스 플레이트(53)가 또한 회전한다. 제 2 및 제 4 벽 조각들과 함께 하부 베이스 플레이트(54)는 상위 인클로저 부분에 대해 고정된 채로 유지될 것이다. 또한, 보호 벽들 사이의 선택된 갭에 가스를 공급하고, 상응하게, 예를 들어, 보호 벽들 사이의 임의의 다른 갭으로부터 가스를 펌핑 아웃(pump out)하는 것이 가능하다. 이러한 예시적인 회전 실드 구조는 회전 미러(13) 쪽으로 다시 직접적으로 또는 거의 직접적으로 포인팅되는 릴리즈된 재료를 효과적으로 수집한다.
타겟(15)에 관한 스캐닝의 효과는 미러(13)의 회전과 비교하여 반대 방향으로, 환형 타겟(15)을 그의 중심 축을 중심으로 회전시킴으로써 강화될 수 있다. 이는 도 3에서의 화살표들에 의해 예시되고, 이러한 타겟 회전은 타겟(15) 상의 유효 스캐닝 스팟 속도를 증가시킬 것이다. 일 실시예에서, 환형 타겟(15)의 회전 속도는 0.01 내지 100,000 rpm의 값들로부터 선택된다.
일 실시예에서, 회전 미러(13)는 다수의 벽개면들을 갖는다. 또 다른 실시예에서, 다수의 벽개면식 회전 미러(13)에는 단일 입력 레이저 빔(12)을 따른 회전 축에 대해, 단일 입력 레이저 빔(12)으로부터의 회전하는 레이저 빔들(빔릿들)의 번들(bundle)을 생성하는 회전 회절 광학 엘리먼트가 커플링된다.
회전 가능 미러(13)의 또 다른 실시예에서, 미러(13)는 피라미드 형상으로 형성된다. 이러한 피라미드 유형의 미러가 거꾸로 배치되고, 예를 들어, 입력 레이저 빔들(12)의 원형으로 배치된 번들이 이 미러로 포인팅되면, 반사 빔들(12')은, 피라미드가 수직축을 중심으로 회전될 때 수평 빔 평면을 형성할 것이다. 레이저 빔들의 양을 번들로 선택하고, 피라미드의 회전 속도와 함께, 생성된 번들의 가능한 회전을 선택함으로써, 결과적인 스캐닝 패턴은 환형 타겟(15)의 내부 표면 상에서 더 복잡하다. 미러의 회전 각도에 관계없이, 미러(13)가 사각 피라미드인 경우, 번들의 적어도 하나의 레이저 빔이 피라미드 측 삼각형들 각각과 접촉하게 되면, 예를 들어, 타겟 주위의 4개의 상이한 위치들(15c)에서 동시에 재료 플룸이 형성될 수 있다. 이러한 실시예는 프로세스를 훨씬 더 신속하게 하고 보다 짧은 시간에 더 큰 시트 영역을 코팅하는데 적합하다.
레이저 펄스들 또는 빔들의 평행한 번들을 생성함에 있어서, 앞서 논의된 회절 광학 엘리먼트가 사용될 수 있다. 다른 옵션은 레이저 소스(11)와 회전 미러(13) 사이에 터빈 스캐너를 포함시키는 것이다. 또 다른 옵션은, 여러 개의 레이저 소스들 또는 단일 레이저 빔을 빔릿들 또는 빔들의 번들로 분할하는 다른 종류의 광학 수단을 갖는 것이다.
실질적으로 원형 스캐닝 패턴의 경우는, 우리는, 미러 배열체가 적어도 잠시 동안 이미 회전한 후에 환형 타겟(15) 주위의 모든 접촉 스팟들(15c)에 의해 함께 형성된 형태를 의미한다. 미러가 비스듬한 각도로 회전하는 단순 2-차원 미러 평면인 경우, 반사 빔(12')은 연속적인 원을 형성할 것이다. 번들의 중심이 지금 바로 아래쪽을 포인팅하는 피라미드 정점을 포인팅하는, 평행한(예를 들어, 원-형상 또는 사각형-형상) 레이저 빔들을 포함하는 레이저 펄스의 번들과 함께, 우리가 피라미드 유형의 미러(13)를 사용하는 경우, 결과적인 접촉점들(15c)은 타겟(15)의 내부 표면의 4개의 세그먼트에서 재료를 동시에 어블레이팅하지만, 최종 결과는, 내부 타겟 표면과 수평 스캐닝 평면의 교차-섹션 상에서 원형 스캐닝 패턴을 함께 형성하는 접촉점들(15c)의 360도 커버리지가 될 것이다 .
자연스럽게, 전체 배열체의 방향들은 사용된 애플리케이션에 의존하여 임의의 다른 적절한 각도로 기울어질 수 있다. 예를 들어, 도 4의 배열체는 링-형상의 타겟이 수직으로 로케이팅되고 또한 기판이 수직 방향으로 로케이팅될 때 시계 방향으로 90도 선회될 수 있다. 이 경우, 재료 플룸은 오른쪽으로 비스듬하게 유동할 것이고, 인입하는 레이저 빔들은 (빔 재지향을 위해 추가 미러 배열체들이 사용되지 않는 경우) 배열체의 왼쪽에 로케이팅된 레이저 소스에 의해 생성될 것이다.
플라스마 또는 다른 재료(16)는, 레이저 펄스들이 원형 스캐닝 패턴을 따라 타겟 내부 표면(15)과 접촉하게 될 때 타겟으로부터 분리(disengage)되고, 제거된 재료는 재료 클라우드(16) 또는 재료 플룸을 형성할 것이다. 플룸은 플라즈마, 입자들 또는 상이한 크기들의 다른 종류의 타겟 재료 조각들을 포함할 수 있다. 레이저 빔들(12')이 예를 들어, 도 3에서 화살표에 의해 포인팅된 바와 같이 타겟의 내주를 따라 접촉하게 될 때, 생성된 플라즈마 클라우드(16)는 원형 타겟의 둘레를 따라 상이한 장소들로부터 나타난다. 플라즈마가 도 3에 도시된 바와 같이 위쪽 방향으로 릴리즈될 때, 기판(17)에 도달하는 재료 유동은, 바람직한 실시예에서, 기판을 전혀 움직이지 않고 기판의 훨씬 더 큰 영역을 코팅할 것이다. 기판(17)이 도시된 종류의 타겟(15)과 함께 원하는 패턴으로 이동되면, 그 결과는, 이전보다 훨씬 더 빠른 속도로 표면들 및 엘리먼트들을 코팅하는 매우 산업적이고 확장 가능한 기판의 코팅 방법이다.
일 실시예에서, 어블레이팅된 릴리즈된 재료(16)는 전기장에 의해 또는 자기장에 의해 또는 둘 모두에 의해 영향을 받을 수 있다. 다른 실시예에서, 증착 프로세스는 이온 소스로부터의 이온 충격에 의해 영향을 받을 수 있다. 증착 프로세스에서 코팅될 기판과 관련된 일 실시예에서, 기판(17)은 전기적으로 바이어싱될 수 있다.
환형 타겟(15)의 내부 표면은 릴리즈되는 재료 플룸의 방향을 제어하기 위해 테이퍼링된 형상을 가질 수 있다. 따라서, 타겟의 전체 내부 표면 에지는 비스듬한 각도를 가질 수 있다. 타겟(15)의 내부 에지는 지그재그 유형의 거친 형상을 가져서, 타겟(15)의 내부 에지에 대한 평활하지 않은 표면을 생성하는 것이 또한 가능하다. 어블레이션 프로세스가 잠시 동안 일어났을 때, 타겟 마모가 접촉 표면의 평활도에 영향을 줄 수 있다는 것이 주목할 만하다. 그러나 본 발명은, 등대가 작동하는 것과 유사한 방식으로 스캐닝이 발생하기 때문에 타겟 상의 균일한 마모 패턴을 가능하게 한다.
일반적으로, 어블레이션 방법 및 광학 엘리먼트의 선회에 관하여, 환형 타겟(15)의 내부 표면상의 반사된 레이저 빔(12')의 스팟 크기는 회전 가능 미러(13)의 모든 회전 각도들에 대해 실질적으로 동일할 수 있으며, 여기서 반사된 레이저 빔(12')의 초점은 실질적으로 환형 타겟(15)의 내부 표면 상에 로케이팅될 수 있고, 코팅 재료(16)는 재료 플룸으로서 원형 스캐닝 패턴을 따라 타겟(15)으로부터 릴리즈된다. 그 결과, 릴리즈된 재료 플룸(16)은 코팅된 기판을 획득하기 위해 기판(17) 상으로 지향된다. 그러나 이것이 항상 바람직한 상황은 아니며, 타겟 상의 스팟 크기 및 초점이 또한 스캐닝 프로세스 동안 변동될 수 있다.
보다 구체적으로는, 집속 렌즈(14)는 환형 타겟(15)의 직경 및 렌즈(14)와 타겟 표면(15c) 사이의 거리에 의해 정의되는 초점 길이를 갖는다. 또한, 렌즈(14)의 초점 길이 및 포지셔닝은 타겟(15c) 상의 레이저 스팟의 세기 분포 및 타겟 표면(15c) 상의 원하는 세기 분포 및 스팟 크기를 변경하기 위한 추가 빔 조작 광학계, 예를 들어, 빔 셰이퍼(beam shaper)에 의해 정의된다.
위에서 또한 언급된 바와 같이, 집속 렌즈(14) 또는 몇 개의 적용된 렌즈들 중 하나의 렌즈는 환형 타겟(15)과 동일한 평면 상에, 즉 회전 미러(13)와 타겟 접촉점(15c) 사이에 또한 로케이팅될 수 있다. 이러한 경우, 렌즈(14), 타겟(15) 및 미러(13)는 본질적으로 모두 동일한 평면 상에 로케이팅되고 반사 각도 α = 90°이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 집속 렌즈(14)는 타겟 표면에 대해 빔 웨이스트(beam waist)의 위치를 변경하도록 레이저 빔들(12, 12')의 방향을 따라 이동될 수 있다. 이 특징은, 타겟(15)이 타겟으로부터 재료 제거(16) 도중에 어블레이션 프로세스에서 마모됨에 따라 프로세스 동안 타겟 표면(15c) 상에 스팟 크기를 정확하게 유지시키는 것을 허용한다.
일 실시예에서, 광학 수단(14, 21, 22)은 입력 레이저 빔(12)의 편광을 변경하도록 구성된 회전 광학 엘리먼트를 포함하며, 여기서 회전 광학 엘리먼트는 미러(13)의 회전에 동기화된다.
인입하는 레이저 빔(12)이 선형 편광으로 정적이고 원형 스캐닝 패턴이 회전하는 비스듬한 미러(13)에 의해 생성되는 경우, 스캐닝된 레이저 빔의 편광은 회전 전체에 걸쳐 연속적으로 변경된다. 편광은 타겟 표면상의 레이저 반사 특성들에 영향을 미친다. 보정 광학계가 없으면, 이는 원형 스캔의 상이한 회전 각도들에서 상이한 어블레이션 상태들로 이어질 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 인입하는 레이저 빔(12)의 편광은, 타겟(15c)의 표면에 부딪치는 레이저 빔이 특히, 브루스터(Brewster)의 각도에서 최소 반사율을 산출하는 P-편광이 되도록 제어된다. 편광 제어는, 스캐닝 미러(13) 회전 속도의 절반의 속도를 갖고 스캐닝 미러(13)의 회전과 동기화되는 반 파장 플레이트를 회전시킴으로써 실현될 수 있다. 타겟에 부딪치는 레이저 빔의 편광은 또한 본 발명의 다른 실시예들에서 S-편광되거나, 원형으로 또는 타원형으로 편광될 수 있다. 중요한 팩터는 스캐닝 사이클 전체에 걸쳐 레이저-타겟 상호작용을 일정하게 유지하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 레이저 빔(12, 12')은, ("Howard"에서 설명된 것과 유사하게) 스캐닝 미러(13)의 회전 모션을 생성하는 중공 모터 스핀들(hollow motor spindle)을 통해 안내된다. 즉, 회전 모션은, 입력 레이저 빔(12)을 미러(13)로 안내할 수 있는 중공 튜브(51)와 함께, 미러(13)에 커플링된다. 이 구조는 진공 챔버(18) 내부의 컴포넌트들의 간결한 배열체를 가능케 하여서, 스캐닝 평면의 다른 측 상의 공간이 기판(17) 이동에 대해 자유롭게 한다.
일반적으로, 타겟 및 기판의 유지(holding) 및 조작 특징들에 관해, 코팅될 기판은 환형 타겟으로부터 선택된 거리 및 각도로 유지될 수 있다. 또한, 기판은 바람직하게는, 인입하는 레이저 빔과 비교하여 타겟의 반대 측 상에 로케이팅된다. 추가의 실시예에서, 어블레이션 및 증착 방법은 환형 타겟의 표면으로부터 릴리즈된 재료 플룸에서 기판을 움직이거나 회전시키는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 기판은, 시트를 손상시키지 않고 롤(roll)로서 롤링되거나 구부러질 수 있는 비교적 얇은 평면의 시트-형 표면의 형태일 수 있다. 코팅되지 않은 기판 시트는 제 1 롤 둘레에 보관될 수 있으며, 이 제 1 롤로부터, 코팅되지 않은 기판 시트가 증착 영역에 릴리즈되며, 이 증착 영역에서 기판(17)은 도달하는 릴리즈된 코팅 재료(16)와 접촉한다. 코팅이 증착 동안 기판의 표면 상에 부착되면, 코팅된 평면 기판은 포스트-프로세싱될 수 있고(예를 들어, 프로세싱 영역이 외부적으로 가열된 경우 냉각됨), 최종적으로 포스트-프로세싱된 코팅된 기판은 수집되고 결과물의 저장을 위해 제 2 롤 둘레에 롤링될 수 있다.
재료 플룸(16)이 코팅될 기판(17) 쪽으로 이동하는 체적(volume)에 관한 일 실시예에서, 물리적 마스크가 타겟(15)과 기판(17) 사이에 배치될 수 있다. 이는 기판 상에 원하는 코팅 패턴들을 생성하기 위해 수행될 수 있다. 이는 기판상의 코팅된 재료의 훨씬 복잡한 패턴 및 미세-튜닝된 분포들을 가능하게 한다. 물리적 마스크의 추가의 실시예에서, 물리적 마스크는 프로세스 동안 이동하도록 구성된다. 또 다른 실시예에서, 물리적 마스크는 미러(13)의 회전과 동기화하여 회전하도록 구성된다.
본 발명의 배열체의 실시예에서, 회전하는 비스듬하게 경사진 미러 표면은, 스캐닝 평면이 입력 레이저 빔(12)의 광학 축에 수직이 되도록 입력 레이저 빔(12) 방향에 비교하여 45°각도로 로케이팅된다. 그러나 다른 실시예들에서, 입력 빔 방향에 대해 45°보다 작은 각도(예각) 또는 입력 빔 방향에 대해 45°보다 큰 각도(둔각)로 미러 평면을 배치하는 것이 가능하다. 또 다른 실시예에서, 회전 가능 미러(13)의 각도는 스캔 동안 입력 레이저 빔(12)에 대해 변경될 수 있다.
스캐닝 미러(13)의 요구되는 회전 속도는, 환형 타겟(15)의 직경(동적인 값이 될 수 있는, 타겟상의 어블레이팅된 표면의 원주), 스캐닝 방향을 따른 레이저 스팟 크기, 타겟 상에 입사되는 레이저 빔(12, 12')의 펄스 반복 레이트, 연속적인 레이저 펄스들 사이의 원하는 오버랩 또는 분리, 및 스캔에 따른 원하는 에너지 분포에 의해 정의된다. 회전 속도들은 소수(fraction)의 rps 내지 수만 rpm(0.01 rps ― 100,000 rpm)의 넓은 범위의 값들을 가질 수 있다. 레이저 펄스들(12, 12')의 에너지는 미러(13)의 회전과 동기화하여 제어될 수 있다.
타겟 표면 상에서 이동하는 레이저 스팟들의 스캐닝 속도들에 관한 일 실시예에서, 환형 타겟(15)의 직경 및 미러(13)의 회전 속도는, 타겟(15) 상의 스캔된 레이저 스팟의 속도가 적어도 1 m/s가 되도록 선택된다. 다른 실시예에서, 대응하는 값들은 위의 스캐닝 속도가 적어도 10 m/s가 되도록 선택된다. 또 다른 실시예에서, 대응하는 값들은 위의 스캐닝 속도가 적어도 100 m/s가 되도록 선택된다.
타겟 표면(15) 상의 레이저 빔(12')을 원형 경로 상에서 스캐닝하는 것 이외에도, 타겟(15)과 스캐닝된 빔 사이의 상대적 속도는, 환형 타겟(15)을 스캐닝 빔에 비교하여 반대 방향으로 회전시킴으로써 증가될 수 있다.
레이저 펄스들이 타겟 재료(15)의 표면에 부딪칠 때, 어블레이팅된 재료(16)의 분사(jet)는 입사점(15c)으로부터 실질적으로 모든 방향으로 릴리즈될 것이다. 분사(16)가 어느 정도의 방향성 및 각도 분포를 갖지만, 재료의 일부분은 스캐닝 미러(13) 쪽으로, 레이저 빔의 방향으로 이동할 것이다(이 부분은 도 1 내지 도 3에 도시되지 않음). 미러(13) 상의 재료 축적을 방지하거나 적어도 그 양을 최소화하고, 및/또는 프로세스 전체에 걸쳐 레이저 펄스 에너지를 유지하기 위해, 본 발명의 실시예에서, 미러(13)는 다음 특징들 중 하나 또는 그의 조합을 이용하여 보호된다 :
· 레이저 빔이 방해받지 않고 통과하도록 허용하지만 레이저 빔 전파와 비교하여 반대 방향으로 이동하는 어블레이팅된 재료의 양을 제한하는, 타겟과 미러 사이의 정적인 기계적 실드들;
· 타겟으로부터 방출되는 재료에 대해 자유 경로를 더 짧게 하는, 진공 챔버의 나머지 공간과 비교하여 더 높은 압력을 갖는 스캐닝 미러 주위의 인클로저(즉, 미러 주위의 압력 제어);
· 타겟으로부터 방출된 재료의 자유로운 이동을 방해하는 가스 유동을 갖는 스캐닝 미러 주위의 인클로저;
· 미러가 인입하는 타겟 재료에 노출되는 시간을 더 짧게 하는, 미러와 함께 회전하는 레이저 빔을 위한 경로(즉, 미러와 함께 회전하는 튜브, 실드 또는 어퍼처)를 갖는 인클로저. 이 특정한 해결책은 특히, 스캐닝이 환형 타겟 상에서 생성되는 방식에 의해 가능해지고, 종래의 스캐닝 방법들에서는 적정하게 적용 가능하지 않다. 빔을 차단하지 않을 정도로 충분히 짧은 정적 동심 벽들로 분리된, 레이저를 위한 구멍을 갖는 동심 회전 벽들이 회전 미러 주변에 배열되며, 미러 표면 상에 릴리즈된 재료의 축적을 감소시키기 위해 상이한 압력들 및 차동 펌핑을 갖는 구획들을 구현할 수 있다.
· 상당한 재료 축적 후에 교체될, 미러의 앞 또는 그 위에 있는 희생 층 또는 몇 개의 층들(예를 들어, 타겟과 미러 사이의 교체 가능하거나 이동 가능한 윈도우) ;
· 미러 표면에 부딪치는 재료의 부착을 감소시키기 위한 미러의 가열;
· 인입하는 하전 입자들의 경로를 변경하기 위해 전기장 및/또는 자기장을 생성하는 전기 및/또는 자기 수단;
· 예를 들어, 레이저 빔(즉, 레이저 세정) 또는 이온 충격을 통한 미러의 세정.
이러한 옵션들 중 하나 또는 여러 개를 사용하는 것은 프로세스 전체에 걸쳐 미러(13)의 반사율이 보존할 것이다.
본 발명의 실시예에서, 환형 타겟은, 레이저 빔이 렌즈로부터 타겟 표면으로 이동하는 거리가 모든 스캐닝 각도에 대해 동일하여 이에 따라 스캐닝 사이클 전체에 걸쳐 일정한 스팟 크기를 보장하도록, 스캐닝 미러의 회전 축에 그 중심점을 두고 배치된다.
환형 타겟의 내부 표면은 반사된 레이저 빔이 부딪치고 레이저 어블레이션 프로세스에서 재료가 릴리즈되는 표면이다. 재료 분사는 주로 타겟 표면에 수직으로 지향되지만, 타겟 상의 표면 지형에 의존하여 다른 방향들을 또한 가질 수 있다. 따라서, 타겟 표면의 평면은 어블레이팅된 재료에 대한 전파 방향에 영향을 미친다. 환형 타겟은 기판 상에 생성되는 코팅에서 특정 종류의 재료 분포 또는 다공성을 생성하도록 설계된 표면을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 환형 타겟의 어블레이션 표면은, 입사 평면에서, (타겟 섹션(15)이 환형 타겟의 비스듬한 내부 표면의 일부로서 보여지는 경우 도 1에서와 같이) 레이저 빔이 타겟 표면과 각도를 형성하도록 테이퍼링된다. 또한, 이 각도는 어블레이팅된 재료가 스캐닝 평면을 벗어나게 지향되도록 결정된다. 미러의 반사 각도(α)가 90 도인 경우 스캐닝의 평면은 수평 평면이다. 회전 각도(α)가 0 <α <180°인 경우, 스캐닝의 평면은 원뿔 표면일 것이다.
타겟 표면상의 동일한 원형 트랙 상에 단일 스캐닝 라인을 갖는 어블레이션 프로세스는 결국 타겟 상에 깊은 트렌치가 형성되게 유도할 것이다. 안정된 프로세스를 가능하게 하기 위해, 타겟의 마모는 제어되고 균질화될 필요가 있다. 이는, 타겟상의 레이저 빔의 원형 스캐닝 외에도, 프로세스 동안 타겟 상의 스캔 라인의 위치가 이동되는 이유이다. 이는, 어블레이션 트랙이 1차원 트랙 대신에 2차원 트랙이 되게 하고, 그 결과, 타겟의 균질한 마모가 실현될 수 있다. 타겟 상의 스캔 라인 이동은 하기의 것들에 의해 실현될 수 있다:
· 환형 타겟의 선형 이동; 및/또는
· 스캐닝 미러의 각도의 변경; 및/또는
· 다른 반사 광학계의 각도의 변경; 및/또는
· 타겟 표면 상에 입사되는 레이저 빔의 각도를 변경시키기 위한 굴절 광학계의 제공.
상기 중 제 1 옵션에서, 환형 타겟(15)은 그 중심 축을 따라 이동 가능하다.
타겟의 선형 이동을 갖는 배열체는 타겟 표면상의 레이저 빔의 입사 각도를 유지함으로써 안정된 조건들을 제공하고 또한, 빠른 속도로 회전하는 미러 또는 다른 광학계의 워블링(wobbling)과 대조적으로 독립적인 이동으로서 실현하기 쉽다.
환형 타겟의 테이퍼링된 내부 표면의 경우, 타겟 상의 스캔 라인의 위치 또는 타겟의 이동은 어블레이션 트랙의 원주 길이에 영향을 미친다. 이는 결국, 타겟 표면상의 스캐닝 속도(공간적 스팟 오버랩 및 분리), 타겟 주위의 하나의 전체 스캔 사이클의 지속기간, 및 타겟 표면에 대한 최적의 세기 분포의 위치(location)에 영향을 미친다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 이러한 효과들은,
· 연속적인 펄스들 간의 최적의 분리를 위한 스캐너의 회전 속도; 및/또는
· 타겟 상의 연속적인 스캔 사이클들 간의 최적의 오버랩을 위한 타겟의 이동 속도; 및/또는
· 타겟 표면 상에서 최적의 그리고 원하는 세기 분포를 유지하기 위한 집속 렌즈 또는 빔-조작 광학계(세기 분포 성형 광학계)의 이동의 동기화된 제어에 의해 보상될 필요가 있다.
연속적인 어블레이션 및 코팅 프로세스를 위해, 소스 재료의 일정한 공급이 요구된다. 이러한 경우에 환형 타겟은, (도 3의 링-형상 타겟을 수직으로 확장시킴으로써) 원통형으로서 실현될 수 있으며, 이 경우 타겟의 선형 이동의 범위는, 타겟이 테이퍼링된 어블레이션 표면 상에서 마모됨에 따라 변경된다. 원통형 타겟은 도달하는 레이저 펄스들 하에서 새로운 타겟 표면에 영향을 주기 위해 수직 방향으로 제어된 방식으로 천천히 이동될 수 있다. 다른 옵션은 예를 들어, 레이저 빔들의 각도를 새로운 타겟 영역 쪽으로 약간 재지향시키기 위해 반사 미러와 원통형 타겟 사이에 제어 가능한 굴절 광학계를 포함시키는 것이다. 이러한 배열체들은 장기간의 어블레이션 및 코팅 프로세스를 위해 사용 가능한 충분한 양의 소스 재료를 갖는 방식을 제공한다. 이러한 보다 긴 프로세스들은 예외적으로 넓은 표면적에 대한 산업 코팅 프로세스들을 포함한다.
스캐닝 라인을 따라 환형 단면을 갖는 타겟의 가능한 형상들을 요약하면, 환형으로 형성된 타겟(15)은 링 형상, 원통 형상 또는 원뿔대(truncated conical) 형상을 가질 수 있다. 테이퍼링된 내부 표면을 갖는 더 넓은 링-형성 세그먼트(broader ring-formed segment)는 환형으로 형성된 타겟의 원뿔대 형상의 예이다.
타겟(15)의 가능한 재료들에 관하여, 환형 타겟(15)은, 금속, 금속 화합물, 유리, 돌, 세라믹, 합성 폴리머, 반합성 폴리머, 천연 폴리머, 복합 재료, 무기 또는 유기 모노머 또는 올리고머 재료로 이루어질 수 있다. 추가의 실시예에서, 환형 타겟(15)은 적어도 2개의 상이한 재료들의 환형 세그먼트들로 구성된다. 이러한 타겟 구조로, 적어도 2개의 상이한 코팅들을 포함하는 원하는 코팅 구조가 가능하다.
본 발명에 따른 증착 후의 가능한 최종 제품들의 일부 예들에 관하여, 코팅된 기판은 리튬-이온 배터리의 컴포넌트, 센서 또는 센서 디바이스의 컴포넌트 또는 절삭-공구 컴포넌트일 수 있다.
제시된 방법 및 배열체는 또한 나노입자들의 생산 방법에 사용될 수 있다. 이러한 방법은 위에서 제시된 바와 같은 스캐닝 및 어블레이션 배열체를 이용할 수 있지만, 추가적으로, 챔버는 이 경우 액체에 침지될 것이며, 그렇지 않다면 챔버는 진공이었거나 선택된 가스 압력을 포함한다.
본 발명에서, 언급된 특징들 또는 특성들 중 적어도 2개를 적용한 본 발명의 새로운 변형들을 달성하기 위해, 상기의 것들로부터 그리고 종속 청구항들로부터 본 발명의 특징들 및/또는 특성들을 조합하는 것이 가능하다.
본 발명 범위는 다음의 청구항들에 의해 정의된다.

Claims (41)

  1. 레이저 어블레이션(laser ablation)을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체(scanning arrangement)로서,
    - 회전 가능 미러(13) - 상기 회전 가능 미러(13)는 상기 회전 가능 미러(13)의 회전 축을 중심으로 실질적으로 원형 스캐닝 패턴으로 입력 레이저 빔(12)을 재지향(redirecting)시키며, 상기 축은 상기 입력 레이저 빔(12)의 방향과 실질적으로 평행함 ― ;
    - 환형으로 형성된 타겟(15) ― 상기 타겟(15)의 중심점이 상기 회전 가능 미러(13)의 회전 축을 따라 포지셔닝되고, 반사된 레이저 빔(12')은 상기 실질적으로 원형 스캐닝 패턴을 따라 타겟 재료(16)를 릴리즈(release)하기 위해 환형 타겟(15)의 표면과 접촉(15c)하게 됨 ― ; 및
    - 챔버(18)를 포함하고, 상기 챔버(18)는 적어도, 상기 챔버 내에 존재하는 가능한 추가 재료들, 압력 및 온도를 제어하기 위한 능력들을 가지며, 그리고
    상기 회전 가능 미러(13), 상기 환형 타겟(15) 및 기판(17)은 상기 챔버(18) 내에 로케이팅되는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배열체는,
    - 레이저 소스(11, 11'); 및
    - 상기 레이저 소스(11, 11')에 의해 생성된 레이저 빔(12, 12')을 조작하기 위한 광학 수단(14, 21, 22)을 더 포함하는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 스캐닝 배열체를 포함하는 박막 형성 장치로서,
    - 상기 릴리즈된 타겟 재료(16)로 코팅될 기판(17)을 더 포함하는,
    박막 형성 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 배열체는, 상기 레이저 소스(11, 11'), 상기 광학 수단(14, 21, 22) 및 상기 미러(13)의 회전을 원하는 방식으로 제어하는 제어 수단(11c, 11c')을 포함하는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 타겟(15)의 내부 표면은 테이퍼링(tapering)되는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    회전 모션(rotating motion)은, 중공 튜브(51)를 갖는 미러(13)에 커플링되며, 상기 중공 튜브(51)를 통해 상기 입력 레이저 빔(12)이 상기 미러(13)로 안내될 수 있는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 미러(13)는 다수의 벽개면들(facets)을 갖는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    다수의 벽개면식 회전 미러(13)는, 단일 입력 레이저 빔(12)으로부터 다수의 레이저 빔들을 생성하는 회전 회절 광학 엘리먼트에 커플링되는데, 회전 축은 상기 입력 레이저 빔(12)의 방향과 실질적으로 평행한,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 광학 수단(14, 21, 22)은 상기 입력 레이저 빔(12)의 편광(polarization)을 변경하도록 구성된 회전 광학 엘리먼트를 포함하며, 상기 회전 광학 엘리먼트는 상기 미러(13)의 회전과 동기화되는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 광학 수단(14, 21, 22)은 상기 입력 레이저 빔(12)의 공간적 세기 분포를 조작하도록 구성된 수단을 더 포함하는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저 소스(11, 11')는 레이저 펄스들을 출력하는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 타겟 표면(15c)에 부딪치는 레이저 펄스들은 P-편광, S-편광 또는 타원 편광되는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 타겟(15)의 직경 및 상기 미러(13)의 회전 속도는, 상기 타겟(15) 상의 스캔된 레이저 스팟의 속도가 적어도 1 m/s가 되도록 선택되는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 타겟(15)의 직경 및 상기 미러(13)의 회전 속도는, 상기 타겟(15) 상의 스캔된 레이저 스팟의 속도가 적어도 10 m/s가 되도록 선택되는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 타겟(15)의 직경 및 상기 미러(13)의 회전 속도는, 상기 타겟 상의 스캔된 레이저 스팟의 속도가 적어도 100 m/s가 되도록 선택되는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 가능 미러(13)의 각도는 상기 스캔 동안 상기 입력 레이저 빔(12)에 대해 변경되는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 레이저 펄스들(12, 12')의 에너지는 상기 미러(13)의 회전과 동기화하여 제어될 수 있는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 타겟(15)은 상기 환형 타겟의 중심 축을 따라 이동 가능한,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 타겟(15)은 상기 미러(13)의 회전과 비교하여 반대 방향으로 상기 환형 타겟의 중심 축을 중심으로 회전되는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 환형 타겟(15)의 회전 속도는 0.01 내지 100,000 rpm인,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  21. 제 2 항에 있어서,
    상기 광학 수단은 집속 렌즈(14)인,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 집속 렌즈(14)는 상기 레이저 빔(12, 12')을 따라 이동되는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 집속 렌즈(14)는 상기 타겟(15)의 선형 이동과 동기화하여 상기 레이저 빔(12, 12')을 따라 이동되는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 타겟(15)은, 금속, 금속 화합물, 유리, 돌, 세라믹, 합성 폴리머, 반합성 폴리머, 천연 폴리머, 복합 재료, 무기 또는 유기 모노머 또는 올리고머 재료로 이루어지는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 타겟(15)은 적어도 2개의 상이한 재료들의 환형 세그먼트들로 구성되는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 미러(13)의 반사율은, 상기 프로세스 전체에 걸쳐서,
    · 정적 기계적 실드들; 및/또는
    · 이동 실드들, 튜브들 또는 어퍼처들; 및/또는
    · 전기 수단; 및/또는
    · 자기 수단; 및/또는
    · 상기 미러(13)의 가열; 및/또는
    · 상기 미러(13) 주위의 압력 제어; 및/또는
    · 가스 유동; 및/또는
    · 레이저 세정; 및/또는
    · 이온 충격; 및/또는
    · 상기 타겟(15)과 상기 미러(13) 사이의 희생 층들에 의해 보존되는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형으로 형성된 타겟(15)은 링 형상, 원통 형상 또는 원뿔대 형상(truncated conical shape)을 갖는,
    레이저 어블레이션을 적용하는 박막 형성 장치를 위한 스캐닝 배열체.
  28. 기판(17)을 하나 또는 그 초과의 코팅 재료들(16)로 코팅하기 위한 레이저 어블레이션 및 증착 방법으로서,
    - 레이저 소스(11, 11')에서 레이저 빔(12)을 생성하는 단계;
    - 광학 수단(14, 21, 22)에 의해 상기 레이저 빔(12, 12')을 조작하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은,
    - 입력 레이저 빔(12)을, 상기 입력 레이저 빔(12)의 방향과 실질적으로 평행한 축을 중심으로 회전하는 회전 가능 미러(13)로 지향시켜, 상기 미러(13)의 회전축을 중심으로 실질적으로 원형 스캐닝 패턴을 생성하는 단계;
    - 환형 타겟(15)의 표면 상으로 반사된 레이저 빔(12')을 지향시키는 단계 ― 상기 타겟(15)의 중심점은 상기 회전 가능 미러(13)의 회전축을 따라 포지셔닝되고, 코팅 재료는 재료 플룸(material plume)(16)으로서 상기 실질적으로 원형 스캐닝 패턴을 따라 상기 타겟(15)으로부터 릴리즈됨 ― ; 및
    - 코팅된 기판을 획득하기 위해 릴리즈된 재료 플룸(16)을 상기 기판(17) 상으로 지향시키는 단계를 또한 포함하고,
    상기 릴리즈된 재료 플룸(16)의 레이저 어블레이션 및 증착은 챔버(18)에서 수행되고, 상기 회전 가능 미러(13), 상기 환형 타겟(15) 및 상기 기판(17)은 상기 챔버(18) 내에 로케이팅되고, 상기 챔버(18)는 적어도 압력, 온도 및 상기 챔버 내에 존재하는 가능한 추가 재료들을 제어하기 위한 능력들을 갖는,
    기판(17)을 하나 또는 그 초과의 코팅 재료들(16)로 코팅하기 위한 레이저 어블레이션 및 증착 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 방법은,
    - 상기 환형 타겟(15)으로부터 선택된 거리 및 각도로 코팅될 기판을 유지하는 단계를 포함하고,
    상기 기판은 인입하는 레이저 빔(12)에 비교하여 타겟(15)의 반대 측 상에 로케이팅되는,
    기판(17)을 하나 또는 그 초과의 코팅 재료들(16)로 코팅하기 위한 레이저 어블레이션 및 증착 방법.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 방법은,
    - 상기 환형 타겟(15)의 표면으로부터 릴리즈된 재료 플룸(16)에서 상기 기판(17)을 이동 및/또는 회전시키는 단계를 포함하는,
    기판(17)을 하나 또는 그 초과의 코팅 재료들(16)로 코팅하기 위한 레이저 어블레이션 및 증착 방법.
  31. 제 28 항에 있어서,
    상기 챔버(18)에는 상기 레이저 어블레이션 및 증착 동안 제어된 압력에서 배경 가스의 제어된 유동이 제공되고, 상기 배경 가스는 불활성 또는 반응성인,
    기판(17)을 하나 또는 그 초과의 코팅 재료들(16)로 코팅하기 위한 레이저 어블레이션 및 증착 방법.
  32. 제 28 항에 있어서,
    어블레이팅된 릴리즈된 재료(16)는 전기장에 의해 또는 자기장에 의해 또는 둘 모두에 의해 영향을 받는,
    기판(17)을 하나 또는 그 초과의 코팅 재료들(16)로 코팅하기 위한 레이저 어블레이션 및 증착 방법.
  33. 제 28 항에 있어서,
    상기 증착 프로세스는 이온 소스로부터의 이온 충격에 의해 영향을 받는,
    기판(17)을 하나 또는 그 초과의 코팅 재료들(16)로 코팅하기 위한 레이저 어블레이션 및 증착 방법.
  34. 제 28 항에 있어서,
    상기 기판(17)은 전기적으로 바이어싱되는,
    기판(17)을 하나 또는 그 초과의 코팅 재료들(16)로 코팅하기 위한 레이저 어블레이션 및 증착 방법.
  35. 제 28 항에 있어서,
    물리적 마스크가 상기 타겟(15)과 상기 기판(17) 사이에 배치되는,
    기판(17)을 하나 또는 그 초과의 코팅 재료들(16)로 코팅하기 위한 레이저 어블레이션 및 증착 방법.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 물리적 마스크는 상기 프로세스 동안 이동하도록 구성되는,
    기판(17)을 하나 또는 그 초과의 코팅 재료들(16)로 코팅하기 위한 레이저 어블레이션 및 증착 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 물리적 마스크는 상기 미러(13)의 회전과 동기화하여 회전하도록 구성되는,
    기판(17)을 하나 또는 그 초과의 코팅 재료들(16)로 코팅하기 위한 레이저 어블레이션 및 증착 방법.
  38. 제 30 항에 있어서,
    상기 기판(17)은 평면이고 구부러질 수 있는 시트를 형성하고, 상기 기판(17)은 추가로, 제 1 롤(roll)로부터 증착 영역으로 릴리즈되고 상기 증착 후에 제 2 롤로 수집되도록 구성되는,
    기판(17)을 하나 또는 그 초과의 코팅 재료들(16)로 코팅하기 위한 레이저 어블레이션 및 증착 방법.
  39. 제 28 항에 있어서,
    상기 코팅된 기판(16, 17)은 리튬-이온 배터리의 컴포넌트, 센서 또는 센서 디바이스의 컴포넌트 또는 절상-공구 컴포넌트인,
    기판(17)을 하나 또는 그 초과의 코팅 재료들(16)로 코팅하기 위한 레이저 어블레이션 및 증착 방법.
  40. 제 28 항에 있어서,
    상기 입력 레이저 빔(12)과 반사된 레이저 빔(12') 사이의 각도는 α이며, 여기서 0 <α <180°인,
    기판(17)을 하나 또는 그 초과의 코팅 재료들(16)로 코팅하기 위한 레이저 어블레이션 및 증착 방법.
  41. 제 28 항에 있어서,
    상기 입력 레이저 빔(12)과 반사된 레이저 빔(12') 사이의 각도는 실질적으로 90°인,
    기판(17)을 하나 또는 그 초과의 코팅 재료들(16)로 코팅하기 위한 레이저 어블레이션 및 증착 방법.


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