JP5653128B2

JP5653128B2 - レーザアブレーション装置

Info

Publication number: JP5653128B2
Application number: JP2010185250A
Authority: JP
Inventors: 典男市川; 正北原
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2030-08-20
Also published as: JP2012041615A

Description

本発明は、レーザアブレーション装置に関する。

従来のレーザアブレーション装置として、レーザ光をターゲットに照射することにより、ターゲットから活性粒子を発生させ、活性粒子を基板等の前駆体に付着させるものが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開平６−２９３９６０号公報

ところで、上述したようなレーザアブレーション装置にあっては、ターゲットから発生した活性粒子が前駆体に到達せず、ターゲット及び前駆体を収容する筐体の内面に付着する場合がある。筐体の内面に活性粒子が付着すると、その粒子は、前駆体を加熱するためのヒータの熱によって再蒸発し、不活性粒子として浮遊する。これにより、ターゲットから発生した活性粒子が不活性粒子に衝突してエネルギーを失ったり（すなわち、不活性粒子になったり）、粒子同士が結合して不活性な分子になったりするなど、活性粒子の前駆体への到達が阻害されるおそれがある。

そこで、本発明は、ターゲットから発生した活性粒子を効率良く前駆体に到達させることができるレーザアブレーション装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明のレーザアブレーション装置は、レーザ光をターゲットに照射することにより、ターゲットから活性粒子を発生させ、活性粒子を前駆体に付着させるレーザアブレーション装置であって、レーザ光を進入させる光進入口が設けられ、ターゲット及び前駆体を収容する筐体と、筐体内においてターゲットを支持する第１の支持部材と、筐体内において第１の支持部材に対向した状態で前駆体を支持する第２の支持部材と、第２の支持部材に支持された前駆体を加熱する第１の加熱手段と、活性粒子を進入させる粒子進入口が設けられ、筐体内において前駆体及び第２の支持部材を包囲する包囲部材と、一端が光進入口に接続されかつ他端が筐体外に位置した状態で筐体に取り付けられ、他端から一端に向かってレーザ光を通過させる光通路と、光通路の内面に形成された複数の突起と、突起を冷却する第２の冷却手段と、他端を塞ぐ光透過部材と、光通路の外側から光透過部材を加熱する第２の加熱手段と、を備えることを特徴とする。

このレーザアブレーション装置では、活性粒子を進入させる粒子進入口が設けられた包囲部材が、筐体内において前駆体及び第２の支持部材を包囲している。これにより、ターゲットから発生した活性粒子が筐体の内面に付着しても、その粒子が、加熱された前駆体からの輻射熱によって再蒸発することが抑制される。さらに、当該熱によってターゲットが蒸発することも抑制される。そして、再蒸発によって不活性粒子が発生したとしても、その不活性粒子が前駆体に到達し難くなる。よって、このレーザアブレーション装置によれば、ターゲットから発生した活性粒子を効率良く前駆体に到達させることができる。また、このレーザアブレーション装置は、一端が光進入口に接続されかつ他端が筐体外に位置した状態で筐体に取り付けられ、他端から一端に向かってレーザ光を通過させる光通路と、光通路の内面に形成された複数の突起と、突起を冷却する第２の冷却手段と、他端を塞ぐ光透過部材と、光通路の外側から光透過部材を加熱する第２の加熱手段と、をさらに備えている。これにより、光進入口を介して光通路内に進入した活性粒子や不活性粒子が、冷却された突起によってトラップされるので、活性粒子や不活性粒子が光透過部材に到達し難くなる。そして、活性粒子や不活性粒子が光透過部材に到達したとしても、光透過部材が光通路の外側から加熱されるので、活性粒子や不活性粒子が再蒸発させられる。従って、活性粒子や不活性粒子が光透過部材に付着してレーザ光の透過を妨げるのを防止することができる。

ここで、包囲部材は、筐体に熱的に接続されていることが好ましい。この構成によれば、包囲部材から筐体に熱が逃がされるので、包囲部材の内面に付着した粒子が再蒸発するのを抑制することができる。

また、本発明のレーザアブレーション装置は、包囲部材を冷却する第１の冷却手段をさらに備えることが好ましい。この構成によれば、包囲部材が積極的に冷却されるので、包囲部材の内面に付着した粒子が再蒸発するのをより確実に抑制することができる。

また、本発明のレーザアブレーション装置は、ターゲットがセレンからなる場合に特に有効である。セレンは蒸気圧が高く、反応性が低いものの、レーザアブレーションによって蒸発させ、活性化することができる。そして、蒸発して活性化されたセレン粒子を活性粒子として効率良く前駆体に到達させることができる。

本発明によれば、ターゲットから発生した活性粒子を効率良く前駆体に到達させることができる。

本発明の一実施形態のレーザアブレーション装置の断面図である。実施例のレーザアブレーション装置によって光吸収層が形成されるまでの各工程を示す断面図である。実施例のレーザアブレーション装置によって形成された光吸収層をＸ線回折装置で分析した結果を示すグラフである。比較例のレーザアブレーション装置の断面図である。本発明の他の実施形態のレーザアブレーション装置の断面図である。本発明の他の実施形態のレーザアブレーション装置の断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、レーザアブレーション装置１は、レーザ光ＬをターゲットＴに照射することにより、蒸発によってターゲットＴから活性粒子Ａを発生させ、活性粒子Ａを前駆体Ｐに付着させる装置である。ここでは、ターゲットＴはセレン（Ｓｅ）からなり、活性粒子Ａは活性化されたセレン粒子である。また、前駆体Ｐは、青板ガラス基板上に積層された銅（Ｃｕ）−ガリウム（Ｇａ）層及びインジウム（Ｉｎ）層である。つまり、レーザアブレーション装置１においては、前駆体Ｐと活性粒子Ａとが反応して、光吸収層であるＣＩＧＳ（Ｃｕ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｓｅ）層が形成される。

レーザアブレーション装置１は、ターゲットＴ及び前駆体Ｐを収容するチャンバ（筐体）２を備えている。チャンバ２は、例えばステンレス（ＳＵＳ３０４）からなり、軸線ＡＬを中心線とする円筒状に形成されている。チャンバ２の側壁２ａには、レーザ光Ｌを進入させる光進入口３が設けられている。チャンバ２の下壁２ｂには、チャンバ２内を真空引きするための排気口４が設けられている。

チャンバ２内における下壁２ｂ側の領域には、ターゲットＴを支持する支持台（第１の支持部材）５が設置されている。支持台５は、軸線ＡＬを中心線として回転するように構成されている。チャンバ２内における上壁２ｃ側の部分には、前駆体Ｐを支持する支持台（第２の支持部材）６が設置されている。支持台６は、支持台５に対向した状態で、軸線ＡＬを中心線として回転するように構成されている。支持台６の裏面（すなわち、上面）には、ヒータ（第１の加熱手段）７が取り付けられている。ヒータ７は、支持台６を介して、支持台６に支持された前駆体Ｐを加熱する。

チャンバ２内には、前駆体Ｐ、支持台６及びヒータ７を包囲する包囲部材８が配置されている。包囲部材８は、例えばステンレス（ＳＵＳ３０４）からなり、軸線ＡＬを中心線とする円筒状に形成されている。包囲部材８の側壁８ａには、その外面を覆うように冷却ジャケット（第１の冷却手段）９が取り付けられている。冷却ジャケット９は、水等の冷媒を貯留して、包囲部材８を冷却する。包囲部材８の下壁８ｂには、ターゲットＴから前駆体Ｐに向かって進行する活性粒子Ａを包囲部材８内に進入させる粒子進入口１１が設けられている。粒子進入口１１は、支持台５と支持台６との間に位置し、支持台５と支持台６とが対向する方向（すなわち、軸線ＡＬ方向）から見た場合に支持台６或いはヒータ７に含まれる大きさに形成されている。包囲部材８の側壁８ａの上端部は、チャンバ２の上壁２ｃに固定されている。これにより、包囲部材８とチャンバ２とは、熱的に接続されている。

チャンバ２の側壁２ａには、レーザ光源から出射されたレーザ光Ｌを通過させる光通路１２が取り付けられている。光通路１２は、例えばステンレス（ＳＵＳ３０４）からなり、円筒状に形成されている。光通路１２の一端１２ａは、チャンバ２の光進入口３に接続されている。光通路１２の他端１２ｂは、チャンバ２外に位置しており、例えばサファイアからなる光透過部材１３によって塞がれている。光透過部材１３の外側には、レーザ光Ｌを集光するレンズ１４が配置されている。これにより、レーザ光源から出射されたレーザ光Ｌは、レンズ１４及び光透過部材１３を透過した後、他端１２ｂから一端１２ａに向かって光通路１２を通過し、光進入口３を介してチャンバ２内に進入する。このとき、レーザ光Ｌは、レンズ１４によって、支持台５に支持されたターゲットＴに集光される。

光通路１２の側壁１２ｃの内面には、熱伝導性の高い材料（例えば銅）からなるフィン状の突起１５が複数形成されている。各突起１５は、先端に近付くほど光通路１２の一端１２ａに近付くように傾斜している。光通路１２の側壁１２ｃには、その外面を覆うように冷却ジャケット（第２の冷却手段）１６が取り付けられている。冷却ジャケット１６は、水等の冷媒を貯留して、光通路１２の側壁１２ｃを介して各突起１５を冷却する。光透過部材１３の外面には、ヒータ（第２の加熱手段）１７が取り付けられている。ヒータ１７は、光通路１２の外側から光透過部材１３を加熱する。

以上のように構成されたレーザアブレーション装置１においては、チャンバ２内が真空引きされた状態で、支持台５に支持されたターゲットＴにレーザ光Ｌが照射される。これにより、セレンからなるターゲットＴの一部が蒸発して、活性化されたセレン粒子である活性粒子Ａが発生する。ターゲットＴから発生した活性粒子Ａは、粒子進入口１１を介して包囲部材８内に進入し、支持台６に支持された前駆体Ｐに向かって進行する。このとき、ターゲットＴ及び前駆体Ｐはそれぞれ支持台５，６によって回転させられている。また、前駆体Ｐはヒータ７によって加熱されている。そして、活性化されたセレン粒子である活性粒子Ａが、銅−ガリウム層及びインジウム層である前駆体Ｐに到達して付着すると、前駆体Ｐと活性粒子Ａとが反応して、光吸収層であるＣＩＧＳ層が形成される。

以上説明したように、レーザアブレーション装置１では、活性粒子Ａを進入させる粒子進入口１１が設けられた包囲部材８が、チャンバ２内において前駆体Ｐ、支持台６及びヒータ７を包囲している。これにより、ターゲットＴから発生した活性粒子Ａがチャンバ２の内面に付着しても、その粒子が、ヒータ７の熱や前駆体Ｐ及び支持台６からの輻射熱によって再蒸発することが抑制される。さらに、当該熱によってターゲットＴが蒸発することも抑制される。そして、再蒸発によって不活性粒子が発生したとしても、包囲部材８によって遮られて、その不活性粒子が前駆体Ｐに到達し難くなる。よって、レーザアブレーション装置１によれば、ターゲットＴから発生した活性粒子Ａを効率良く前駆体Ｐに到達させることができる。

ここで、ターゲットＴがセレンからなる場合、セレンは、１原子分子がいくつか固まって蒸気になることから蒸気圧が高く、中性原子として安定していることから反応性が低いものの、レーザアブレーションによって蒸発させ、イオンに解離することで活性化することができる。そして、蒸発して活性化されたセレン粒子を活性粒子Ａとして効率良く前駆体Ｐに到達させることができる。

また、包囲部材８が冷却ジャケット９によって積極的に冷却されるので、包囲部材８の内面に付着した粒子が再蒸発して不活性粒子が発生するのを確実に抑制することができる。なお、冷却ジャケット９が存在しなくても、包囲部材８がチャンバ２に熱的に接続されており、包囲部材８からチャンバ２に熱が逃がされるので、包囲部材８の内面に付着した粒子が再蒸発して不活性粒子が発生するのを抑制することができる。

また、チャンバ２の光進入口３を介して光通路１２内に進入した活性粒子Ａや不活性粒子が、冷却ジャケット１６によって冷却された突起１５にトラップされるので、活性粒子Ａや不活性粒子が光透過部材１３に到達し難くなる。そして、活性粒子Ａや不活性粒子が光透過部材１３に到達したとしても、ヒータ１７によって光透過部材１３が光通路１２の外側から加熱されるので、活性粒子Ａや不活性粒子が再蒸発させられる。従って、活性粒子Ａや不活性粒子が光透過部材１３に付着してレーザ光Ｌの透過を妨げるのを防止することができる。

なお、ヒータ１７を光通路１２の外側に配置し、光透過部材１３を光通路１２の外側から加熱するようにすることで、光透過部材１３に突起１５を近接させつつ、突起１５を効率良く冷却して、活性粒子Ａや不活性粒子のトラップの確実化を図ることができる。また、サファイアは、例えば石英に比べ、熱伝導性が高く、融点が高く、硬く、熱衝撃に強く、他の物質（例えばセレン）との反応性が低いことから、光透過部材１３の材料として好適である。

次に、本発明の実施例について説明する。まず、前駆体Ｐを準備した。具体的には、図２の（ａ）に示されるように、外形２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ１ｍｍの青板ガラス基板をＲＦマグネトロンスパッタ装置に設置し、純アルゴンガスを流量１０ｓｃｃｍで流しながら、ＲＦパワー１００Ｗで銅−ガリウム合金（組成比８３：１７）の成膜を６分３０秒間行うことにより、銅−ガリウム層を形成した。続いて、図２の（ｂ）に示されるように、同一雰囲気中でインジウムの成膜を６分３０秒間行うことにより、銅−ガリウム層及びインジウム層の積層構造を形成し、これを前駆体Ｐとした。

続いて、上述したレーザアブレーション装置１を用いて、光吸収層であるＣＩＧＳ層を形成した。具体的には、冷却ジャケット９で包囲部材８を冷却し、ヒータ７の温度を室温から２５℃／分の昇温速度で上昇させ、５００℃に保持した。続いて、セレンからなるターゲットＴを支持した支持台５、及び前駆体Ｐを支持した支持台６を回転させつつ、レーザ光Ｌの照射として、エネルギー１５０ｍＪ、発振周波数２０ＨｚでのＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）の照射をターゲットＴに対して１時間行うことにより、図２の（ｃ）に示されるように、活性化されたセレン粒子である活性粒子Ａの成膜を前駆体Ｐに対して行った。これにより、図２の（ｄ）に示されるように、前駆体Ｐと活性粒子Ａとが反応して、光吸収層であるＣＩＧＳ層が形成された。そのＣＩＧＳ層をＸ線回折装置で分析した結果は、図３に示されるとおりである。

次に、比較例のレーザアブレーション装置について説明する。図４の（ａ）に示されるように、比較例のレーザアブレーション装置１００は、包囲部材８、冷却ジャケット９、突起１５、冷却ジャケット１６及びヒータ１７が存在しない点で、上述したレーザアブレーション装置１と主に相違している。このようなレーザアブレーション装置１００では、ターゲットＴから発生した活性粒子Ａが前駆体Ｐに到達せず、チャンバ２の内面に付着する。そして、付着した粒子は、前駆体Ｐを加熱するためのヒータ７の熱によって再蒸発し、不活性粒子Ｉとして浮遊する。これにより、ターゲットＴから発生した活性粒子Ａが不活性粒子Ｉに衝突してエネルギーを失ったり（すなわち、不活性粒子Ｉになったり）、粒子同士が結合して不活性な分子になったりするなど、活性粒子Ａの前駆体Ｐへの到達が阻害されてしまう。

また、図４の（ｂ）に示されるように、比較例のレーザアブレーション装置２００は、包囲部材８、冷却ジャケット９、突起１５、冷却ジャケット１６及びヒータ１７が存在せず、チャンバ２の側壁２ａにその外面を覆うように冷却ジャケット２０１が取り付けられている点で、上述したレーザアブレーション装置１と主に相違している。冷却ジャケット２０１は、水等の冷媒を貯留して、チャンバ２の側壁２ａを冷却する。このようなレーザアブレーション装置２００では、チャンバ２の内面に付着した粒子の再蒸発が多少は抑制され得るものの、ヒータ７の熱や前駆体Ｐ及び支持台６からの輻射熱によってターゲットＴが蒸発してしまう。しかも、チャンバ２の内面に付着した粒子が再蒸発によって浮遊すると、チャンバ２の内面とターゲットＴとの間に隔てるものが存在しないため、その不活性粒子が前駆体Ｐに到達し易くなる。これにより、ターゲットＴから発生した活性粒子Ａの前駆体Ｐへの到達が阻害されてしまう。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、図５に示されるように、光透過部材１３を加熱するために、ヒータ１７に代えて、加熱用の光（例えば赤外線）Ｌ１を投光するランプヒータ（第２の加熱手段）２１を用いてもよい。ランプヒータ２１による遠隔からの光透過部材１３の加熱は、レーザ光Ｌ及び加熱用の光Ｌ１の一方を透過しかつ他方を反射するミラー２２を用いることで実現することができる。

また、図６に示されるように、光透過部材１３を加熱するために、ヒータ１７に代えて、加熱用のレーザ光Ｌ２を出射するＣＯ_２、ＹＡＧ、半導体レーザ等のレーザ発振器（第２の加熱手段）２３を用いてもよい。レーザ発振器２３による遠隔からの光透過部材１３の加熱は、加熱用のレーザ光Ｌ２を光透過部材１３に対してスキャンするガルバノミラー２４を用いることで実現することができる。

また、ターゲットＴはセレンからなるものに限定されず、硫黄（Ｓ）やテルル（Ｔｅ）等、カルコゲナイド系の材料からなるものであってもよい。また、突起１５は、光通路１２の内面に対して着脱自在であってもよい。さらに、突起１５は、チャンバ２の内面や包囲部材８の内面及び外面に形成されていてもよい。

１…レーザアブレーション装置、２…チャンバ（筐体）、３…光進入口、５…支持台（第１の支持部材）、６…支持台（第２の支持部材）、７…ヒータ（第１の加熱手段）、８…包囲部材、９…冷却ジャケット（第１の冷却手段）、１１…粒子進入口、１２…光通路、１２ａ…一端、１２ｂ…他端、１３…光透過部材、１５…突起、１６…冷却ジャケット（第２の冷却手段）、１７…ヒータ（第２の加熱手段）、２１…ランプヒータ（第２の加熱手段）、２３…レーザ発振器（第２の加熱手段）、Ｌ…レーザ光、Ｐ…前駆体、Ｔ…ターゲット。

Claims

レーザ光をターゲットに照射することにより、前記ターゲットから活性粒子を発生させ、前記活性粒子を前駆体に付着させるレーザアブレーション装置であって、
前記レーザ光を進入させる光進入口が設けられ、前記ターゲット及び前記前駆体を収容する筐体と、
前記筐体内において前記ターゲットを支持する第１の支持部材と、
前記筐体内において前記第１の支持部材に対向した状態で前記前駆体を支持する第２の支持部材と、
前記第２の支持部材に支持された前記前駆体を加熱する第１の加熱手段と、
前記活性粒子を進入させる粒子進入口が設けられ、前記筐体内において前記前駆体及び前記第２の支持部材を包囲する包囲部材と、
一端が前記光進入口に接続されかつ他端が前記筐体外に位置した状態で前記筐体に取り付けられ、前記他端から前記一端に向かって前記レーザ光を通過させる光通路と、
前記光通路の内面に形成された複数の突起と、
前記突起を冷却する第２の冷却手段と、
前記他端を塞ぐ光透過部材と、
前記光通路の外側から前記光透過部材を加熱する第２の加熱手段と、を備えることを特徴とするレーザアブレーション装置。
前記包囲部材は、前記筐体に熱的に接続されていることを特徴とする請求項１記載のレーザアブレーション装置。
前記包囲部材を冷却する第１の冷却手段をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザアブレーション装置。
前記ターゲットはセレンからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザアブレーション装置。