【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、処理容器内の標的材にレーザ光を照射しながら、レーザ光の入射窓に付着する遮光性物質の除去を可能としたレーザ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ処理室内に標的材（ターゲット）を設置し、レーザ光の入射窓を透過して外部から該標的材にレーザ光を照射し、好適な雰囲気下に前記標的材からその構成要素である蒸着物質を散乱又は蒸発させ、被蒸着体に皮膜状に蒸着させるレーザ蒸着技術はよく知られている。また、レーザ処理室内に配置した基板などにレーザ光を直接照射することによって基板表面の薄膜を部分的に溶融又は揮散させるレーザ溶融技術やレーザエッチング技術も知られている。これらの何れのレーザ処理技術においても、レーザ処理中に標的材から散乱した飛散物質が入射窓の内面に付着して遮光性の膜を形成し、標的材に到達するレーザ光の照射エネルギーを次第に減衰させるという問題が避けられなかった。このためレーザ処理に際しては入射窓の頻繁なクリーニングが必要であった。
【０００３】
入射窓をクリーニングする最も単純な方法は入射窓を処理容器から取り外して清掃又は交換する方法であるが、この場合はクリーニングの都度レーザ処理室内の雰囲気が変化し、雰囲気の復元、特に高真空度の回復に長時間を要したり場合によってはレーザ処理室内の例えば標的材が大気開放時に酸化変質するなどの問題が起こる。そこで、内部雰囲気を変化させずに入射窓をクリーニングする方法が検討された。例えば実開平６−６０１６１号公報はレーザ処理室本体と入射窓との間に開閉自由なシャッタを設け、入射窓を取り外す際にはこのシャッタを閉じて内部雰囲気を保持する機構を提案している。特開平９−２６０３０３号公報はレーザビームを入射窓の内面に合焦させることによって付着した遮光性皮膜を加熱し除去する方法を提案している。また特開２００１−３００７４９号公報は密封容器の覗き窓の内側に付着した付着物を除去するに際して、付着物は蒸散させるが覗き窓は侵さない強度のレーザ光線を該覗き窓に照射する方法を提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来のクリーニング方法は何れも標的材に対するレーザ照射を一旦停止して行うものであり、レーザ照射中に入射窓に遮光性物質が付着して次第に照射エネルギーを減衰させる問題に対応できるものではなかった。この問題は特に長尺の被蒸着体に蒸着物質を蒸着させる場合には致命的な特性ムラを引き起こす。例えば、酸化物超電導体を導電体として使用するためにはテープ状に成形した長尺の基材上に結晶配向性の良好な酸化物超電導体の薄膜を形成する必要があり、この酸化物超電導体薄膜の形成に前記レーザ蒸着技術が利用される。
【０００５】
図３は、レーザ蒸着法により長尺の基材上に酸化物超電導体の薄膜を形成するための従来のレーザ蒸着装置の一例を示している。
このレーザ蒸着装置は、レーザ処理室１０１を有し、このレーザ処理室１０１の内部に、標的材４０とロール状の薄膜積層体５０とを設置できるようになっている。すなわち、レーザ処理室１０１の底部には基台１６が設けられ、この基台１６上に、基材上に多結晶中間薄膜を形成してなるロール状の薄膜積層体５０が配置される。この薄膜積層体５０は搬送装置９，９により送り出し巻き取りが行われる。基台１６の斜め上方にターゲットホルダー３によって支持された酸化物超電導体の標的材４０が配置される。レーザ処理室１０１は排気管１０８を介して真空ポンプ２１に接続され所定の真空度まで減圧される。
【０００６】
標的材４０としては、薄膜積層体５０上に成膜しようとする酸化物超電導体の組成と同等か近似する組成のものであって、酸化物超電導体の焼結体等が用いられる。標的材４０の形状は円板状のものや方形状のものが用いられる。この標的材４０には外部から入射窓１０４を透してレーザ光３０が所定の角度で照射され、このレーザ光３０によって叩き出される標的材４０の構成成分が薄膜積層体５０上に均一に堆積できるように調整されている。基台１６は加熱ヒータを内蔵したもので、薄膜積層体５０を必要に応じて加熱できるようになっている。
【０００７】
一方、レーザ処理室１０１の外部には、レーザ発光装置２２と第１反射鏡２３と集光レンズ２４と第２反射鏡２５とが設けられ、レーザ発光装置２２が発振したレーザ光３０をレーザ処理室１０１の側壁に取り付けられた入射窓１０４を透して標的材４０に集光照射できるようになっている。
【０００８】
上記構成の従来のレーザ蒸着装置を用いて薄膜積層体５０上に酸化物超電導体の薄膜を成膜するには、薄膜積層体５０を基台１６に設置し、またターゲットホルダー３に酸化物超電導体の標的材４０を設置し、真空ポンプ２１でレーザ処理室１０１を減圧する。次に搬送装置９，９を作動して薄膜積層体５０の送り出し・巻き取りを開始する。一方、レーザ発光装置２２を作動し、エキシマレーザ等のレーザ光３０を第１反射鏡２３、集光レンズ２４、第２反射鏡２５、及び入射窓１０４を経由して標的材４０に照射する。このとき、第１反射鏡２３及び第２反射鏡２５はレーザ光３０が標的材４０の表面を走査するように駆動し、また集光レンズ２４はレーザ光３０が常に標的材４０上に合焦するように制御する。これによって標的材４０はレーザ光の合焦位置が瞬間的に加熱され、標的材の構成粒子が散乱又は蒸発し、薄膜積層体５０の多結晶中間薄膜上に堆積する。これにより結晶配向性が調整された酸化物超電導体の薄膜が得られる。酸化物超電導体の薄膜が形成された薄膜積層体５０はロール状に巻き取られる。
【０００９】
従来のレーザ処理装置を用いる前記のロール状超電導体の製造に際しては、レーザ照射中に標的材から飛散した物質の一部が入射窓１０４の内面に沈着しレーザ光３０の透過を次第に遮るようになる。このため薄膜積層体５０上に蒸着する酸化物超電導体の膜厚が次第に低下したり結晶配向が乱れるなどの障害が起こる。
本発明は前記の課題を解決するためになされたものであって、従ってその目的は、レーザ処理室内の標的材にレーザ光を照射しながら、入射窓に付着する遮光性物質の逐次的な除去を可能とするレーザ処理装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために本発明は、レーザ処理室と、該レーザ処理室に連通する導光室とを有し、前記レーザ処理室がレーザ光を照射する標的材の支持手段を有し、前記導光室が外部からのレーザ光を前記レーザ処理室に入射する入射窓を有し、前記レーザ光が前記入射窓を透過して前記標的材に合焦するように構成されたレーザ処理装置であって、前記導光室が前記入射窓の内面近傍にプラズマ発生手段を有し、該プラズマ発生手段が発生するプラズマにより前記入射窓に付着する遮光性物質を除去するようにしたレーザ処理装置を提供する。
【００１１】
本発明によれば、導光室内に設けられたプラズマ発生手段を作動することにより入射窓の内面近傍にプラズマが発生し、このプラズマが入射窓の内面に付着しようとする遮光性物質を直ちに叩き落として除去する。従って入射窓を透してレーザ処理室内の標的材にレーザ光を照射しながら該入射窓のクリーニングを行うことができ、クリーニングのためにレーザ照射作業を中断する必要がなくなるばかりか、長尺ものの被蒸着体をレーザ処理するに際しても長さ方向に蒸着膜の品質が変化することなく全長に亘って連続的かつ安定したレーザ処理が可能となる。
【００１２】
前記において導光室とレーザ処理室との間には、レーザ光の光路を妨げない隔壁が設けられていることが好ましい。
レーザ処理室における雰囲気ガスは目的とするレーザ処理に最適となるように選定するべきであり、導光室において入射窓の内面に付着した遮光性物質を有効に除去するプラズマを発生させるにはプラズマ発生源となるガスを供給する必要がある。レーザ処理室における雰囲気ガスと導光室におけるプラズマ発生ガスは同じであってもよいがそれぞれの作用を最適化するには異なっていてもよい。プラズマ発生ガスがレーザ処理室の雰囲気ガスと異なる場合は双方の室の間にレーザ光の光路を妨げない隔壁を設けることによってＡｒガスがレーザチャンバ側に侵入することを防止できる。
【００１３】
前記導光室は、前記プラズマの発生源となるガスを導入するガス導入口を有することが好ましい。
プラズマの発生源としては、レーザ処理室における雰囲気ガスをそのまま用いることもできる。しかし、入射窓のクリーニング効果を最適化するには異なる組成のガスを用いるほうがよい場合もあり、このために導光室の壁面にプラズマ発生源となるガスを導入する専用のガス導入口を設けることが好ましい。
【００１４】
前記導光室は、入射窓の内面近傍に排気口を有し、該排気口を通じて少なくとも前記導光室内のガスを排出するようにすることが好ましい。
入射窓の内面近傍に排気口を設けることによって導光室内に発生したプラズマが入射窓の内面に衝突するように流れ、クリーニング効果を高めることができる。この排気口は導光室内のガスを吸引するばかりでなくレーザ処理室内の雰囲気ガスも吸引排除するようにしてもよい。この場合は導光室内のプラズマ生成ガスとレーザ処理室内の雰囲気ガスとが組成が異なる場合であっても、プラズマ生成ガスがレーザ処理室に流入しないのでレーザ処理の効果に悪影響を及ぼすことがない。
【００１５】
前記レーザ処理室は、ロール状の被蒸着体を送り出し巻き取る搬送手段を有し、該搬送手段が前記被蒸着体を搬送している間に前記レーザ光の照射により前記標的材が蒸着物質を放散し、該蒸着物質が前記被蒸着体の表面に蒸着されるように構成されていてもよい。
この場合は、入射窓のクリーニングが常時行われ、レーザ照射期間中標的材に照射されるエネルギーが変化しないので、ロール状の被蒸着体に常に均一な条件で蒸着物質が蒸着し、全長に亘って安定した品質の蒸着製品が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面を用い具体例によって説明するが、この具体例は本発明を何ら制限するものではない。また添付の図面は本発明の思想を説明するためのものであって、本発明の説明に不要な要素は省略し、また図示した各要素の形状・寸法比・数なども実際のものと必ずしも一致しない。
図１は本発明の一実施形態であるレーザ処理装置を示す断面図である。本レーザ処理装置は、ロール状の薄膜積層体５０上に酸化物超電導体の薄膜（以下「超電導層」という）を形成することを目的とする。図１に示すレーザ処理装置は、レーザ処理室１とこのレーザ処理室１に連通する導光室２とを有している。
【００１７】
レーザ処理室１の内部には、レーザ光の標的材４０を支持するターゲットホルダー３、ロール状の薄膜積層体５０を送り出し巻き取る搬送装置９，９及び搬送中の薄膜積層体５０を支持するヒータ付き基台１６が設置されている。前記ターゲットホルダー３は首振り機構を有している。またレーザ処理室１の壁面には雰囲気ガス３２を供給する雰囲気ガス導入管１１が接続されている。
【００１８】
導光室２は例えば長さ６００ｍｍの筒状体からなり、レーザ処理室１から突出した端面には、外部から送られたレーザ光３０を入射する入射窓４が形成されている。導光室２の基部はレーザ処理室１の側壁に開口し、入射窓４から入射したレーザ光３０が標的材４０に合焦するように構成されている。入射窓４は石英ガラス等の透明体からなり、例えば直径は１００ｍｍである。導光室２の基部付近には４００ｍｍの区間に、中央部に直径２０ｍｍのレーザ光が通過する開口を有する隔壁７…が複数枚、例えば４枚設けられている。また、入射窓４から隔壁７までの２００ｍｍの区間の側壁にはプラズマガス３１を導入するプラズマガス導入管６、及び高周波電源１０に接続されたプラズマ発生電極５が装着され、更に入射窓４に近接した側壁からは排気管８が導出され、この排気管８は真空ポンプ２１に連結されている。なお、前記プラズマガス導入管６の前記導光室２側の先端開口部がガス導入口６ａとされ、前記排気管８の前記導光室２側の先端開口部が排気口８ａとされている。
【００１９】
本レーザ処理装置の外部にはレーザ発光装置２２が設けられ、このレーザ発光装置から発振されたレーザ光３０は、第１反射鏡２３、集光レンズ２４、及び第２反射鏡２５によって光路及び焦点距離が調整され、入射窓４から本レーザ処理装置内に導入され、標的材４０に合焦するようになっている。レーザ発光装置２２としては、本実施形態ではエキシマレーザが用いられているが、標的材４０から蒸着物質を放射できるものであればＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザなどのいずれのものであってもよい。第１反射鏡２３及び第２反射鏡２５は互いに直交する方向に揺動可能とされ、これによって標的材４０の面上でレーザ光３０の合焦位置を走査することができる。入射窓４から標的材４０までの光路距離は例えば８００ｍｍとなっている。
【００２０】
レーザの照射出力の調整は、レーザ発光装置２２に電力を供給する増幅装置（図示せず）の出力を調整することにより行うことができる。またレーザの照射周波数はレーザ発光装置２２に電力を一定の周波数をもって間欠的に供給するか、又はレーザ光３０が通過する光路のどこかに、回転セクタ等の機械的シャッタを設け、この機械的シャッタを一定の周波数をもって作動させることにより調整することができる。
【００２１】
本実施形態のレーザ処理装置は以下のように作動する。
先ずターゲットホルダー３に標的材４０を、また基台１６を挟んで搬送装置９，９に未処理の薄膜積層体５０をセットする。標的材４０は後に詳しく説明するが酸化物超電導体の板状焼結体であり、薄膜積層体５０はハステロイのテープ状基材上にＹＳＺの多結晶中間薄膜を形成してなるものである。セット終了後に装置を密閉し、真空ポンプ２１を作動して排気管８から装置内の空気を排気すると共に雰囲気ガス導入管１１から雰囲気ガス３２を、またプラズマガス導入管６からプラズマガス３１を導入する。雰囲気ガス３２はＯ２ ガスであり、レーザ処理室１の内圧が１００ｍＴｏｒｒ（１３Ｐａ）〜２００ｍＴｏｒｒ（２６Ｐａ）となるようにトータル流量を１００ｍｌ／ｍｉｎとする。プラズマガス３１は、Ａｒガスであり、導光室２の内圧が８０ｍＴｏｒｒ（１０．４Ｐａ）となるように流量を５０ｍｌ／ｍｉｎとする。導光室２の内圧をレーザ処理室１より低くしたのは、プラズマガス３１をレーザ処理室１側になるべく逆流させないためである。搬送装置９，９を作動して薄膜積層体５０の搬送を開始し、また必要に応じて基台１６に内蔵された加熱ヒータを作動させ搬送中の薄膜積層体５０を所望の温度に加熱する。
【００２２】
この状態でレーザ発光装置２２からレーザ光３０を発振する。レーザ光３０は第１反射鏡２３、集光レンズ２４、第２反射鏡２５、及び入射窓４を経由して標的材４０上に合焦する。このとき焦点付近の温度は７００℃〜８００℃に達し、標的材４０の構成成分はレーザビームに叩き出されその前方に蒸着物質の集中域（ブルーム）４１を形成する。このときターゲットホルダー３の首振り角を調整することによって基台１６上を移動する薄膜積層体５０上に均一な酸化物超電導層が形成される。
【００２３】
レーザ処理を開始すると共に、高周波電源１０を作動しプラズマ発生電極５による無声放電により導光室２内にプラズマを発生させる。プラズマパワーは約３０Ｗとする。この状態では、標的材４０から放散された蒸着物質が隔壁７の開口を通過して入射窓４に到達しその内壁に遮光性物質として付着したとしてもプラズマによって直ちに叩き落とされるので、入射窓４に遮光性皮膜が形成されることはなく、長尺薄膜積層体５０のレーザ処理期間中、最後まで入射窓４は澄明な状態を維持する。従ってレーザ処理作業終了後もメンテナンスとして煩雑なクリーニング作業を省略できる。
【００２４】
標的材４０にレーザ光３０を照射する場合には、レーザ光の照射エネルギーは２００ｍＪ〜４００ｍＪの範囲内とされる。レーザ光の照射エネルギーが２００ｍＪ未満では標的材４０に与える熱エネルギーが小さすぎて、標的材の構成粒子を十分に叩き出し又は蒸発させることができず、薄膜積層体５０上での超電導層の形成速度が低下してしまい効率的でない。レーザ光の出力が４００ｍＪを越えるとエネルギーが大きすぎて標的材４０に割れが生じてしまうので好ましくない。
【００２５】
次に本実施形態において用いられる標的材４０、及び薄膜積層体５０について説明する。
標的材４０の材質は、薄膜積層体５０の面上に形成しようとする酸化物超電導膜の組成と同等または近似した組成、あるいは成膜中に発散しやすい成分を多く含有させた複合酸化物からなっている。標的材４０の材質例としては例えば、臨界温度の高い酸化物超電導体として知られているＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ、Ｙ２Ｂａ４Ｃｕ８Ｏｘ、Ｙ３Ｂａ３Ｃｕ６Ｏｘの群、（Ｂｉ，Ｐｂ）２Ｃａ２Ｓｒ２Ｃｕ３Ｏｘ、（Ｂｉ，Ｐｂ）２Ｃａ２Ｓｒ３Ｃｕ４Ｏｘの群、あるいはＴｌ２Ｂａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘ、Ｔｌ１Ｂａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘ、Ｔｌ１Ｂａ２Ｃａ３Ｃｕ４Ｏｘの群、などに代表される臨界温度の高い酸化物超電導体が含まれる。標的材４０の形状は円板状もしくは長方形板状、正方形板状などの方形板状とするのが好適である。
【００２６】
図２は本実施例を用いて製造されたテープ状酸化物超電導体５３の層構成を示す斜視図である。このテープ状酸化物超電導体５３は薄膜積層体５０の面上に超電導層４２が形成されてなっている。本実施形態で用いる薄膜積層体５０はハステロイのテープ状基材５１上にイオンビームアシストスパッタリング法等によってＹＳＺの多結晶中間薄膜５２を形成してなるものである。多結晶中間薄膜５２は、その結晶粒が予めｃ軸配向し、ａ軸とｂ軸でも配向するようにイオンビームアシスト法により形成されているので、超電導層４２の結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸も多結晶中間薄膜の結晶に整合するようにエピタキシャル成長して結晶化する。
【００２７】
基材５１の構成材料としては、前記ハステロイなどのニッケル合金の他、ステンレス鋼、銅などの合金各種金属材料から適宜選択される。基材５１の厚みは０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ、好ましくは０．０２ｍｍ〜０．１５ｍｍとされる。基材５１の厚みが０．５ｍｍを越えると、前記超電導層４２の膜厚に比べて過剰に厚く、オーバーオール（酸化物超電導導体全断面積）あたりの臨界電流密度が低下し好ましくない。一方、基材５１の厚みが０．０１ｍｍ未満では基材強度が著しく低下し、超電導層４２の支持効果を失ってしまう。
【００２８】
多結晶中間薄膜５２は、立方晶系の結晶構造を有する結晶の集合した微細な結晶粒が多数相互に結晶粒界を介して接合一体化されてなるものであり、各結晶粒の結晶軸のｃ軸は基材５１の上面（成膜面）に対してほぼ直角に向けられ、各結晶粒の結晶軸のａ軸どうしおよびｂ軸どうしは、互いに同一方向に向けられて面内配向されている。多結晶中間薄膜５２の厚みは０．１μｍ〜１．０μｍの範囲内とされる。多結晶中間薄膜５２の厚みを１．０μｍを超えて厚くしても特段の効果の増大は期待できず、経済的に不利となる。一方、多結晶中間薄膜５２の厚みが０．１μｍ未満では薄すぎて超電導層４２を十分保持できない可能性がある。多結晶中間薄膜５２の構成材料としてはＹＳＺの他に、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ３等を用いることができる。
【００２９】
超電導層４２の組成は標的材４０の組成に依存してＹ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏｘ、Ｙ２Ｂａ４Ｃｕ８Ｏｘ、Ｙ３Ｂａ３Ｃｕ６Ｏｘの群、（Ｂｉ，Ｐｂ）２Ｃａ２Ｓｒ２Ｃｕ３Ｏｘ、（Ｂｉ，Ｐｂ）２Ｃａ２Ｓｒ３Ｃｕ４Ｏｘの群、あるいはＴｌ２Ｂａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘ、Ｔｌ１Ｂａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏｘ、Ｔｌ１Ｂａ２Ｃａ３Ｃｕ４Ｏｘの群、などに代表される臨界温度の比較的高い酸化物超電導体からなる。超電導層４２の厚みは、０．５μｍ〜５μｍ程度とされる。また、超電導層４２の厚み及び膜質は可能な限り均一とされ、結晶のｃ軸とａ軸とｂ軸も多結晶中間薄膜５２の結晶に整合するようにエピタキシャル成長し、結晶配向性が優れたものとなっている。超電導層４２の厚み、膜質及び結晶配向性を好適に制御するため、第１反射鏡２３及び第２反射鏡２５を制御された角度に揺動させると共にターゲットホルダー３を垂直軸周りに回転又は揺動させることでレーザ光３０を標的材４０上でらせん状又はくし歯状に走査させ、レーザ光３０の照射による標的材の放射を均一化する。
【００３０】
上記実施形態では酸化物超電導体薄膜の製造に際してロール状の薄膜積層体上に超電導層を形成する場合について詳しく説明したが、本発明のレーザ処理装置は、本発明の主旨及び目的を損なうことなく、例えばレーザ処理室１の内部構成を変更し又は変更せずに他のレーザ処理技術、例えばスキャタリング、蒸着、部分溶融、エッチング、グルービングなどを実施するに好適な構成とすることができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のレーザ処理装置は、導光室が入射窓の内面近傍にプラズマ発生手段を有し、該プラズマ発生手段の発生するプラズマにより入射窓に付着した遮光性物質を除去するので、レーザ処理室内の標的材にレーザ光を照射しながら該入射窓のクリーニングを行うことができ、クリーニングのためにレーザ照射作業を中断する必要がなくなるばかりか、長尺ものの被蒸着体をレーザ処理するに際しても長さ方向に蒸着膜の品質が低下することなく全長に亘って連続的かつ均一なレーザ処理製品が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になるレーザ処理装置の一実施形態を示す断面図である。
【図２】前記実施形態により製造された酸化物超電導体の層構成を示す斜視図である。
【図３】従来のレーザ処理装置の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…レーザ処理室、２…導光室、４…入射窓、５…プラズマ発生電極、６…プラズマガス導入管、６ａ…ガス導入口、７…隔壁、８…排気管、８ａ…排気口、３０…レーザ光、４０…標的材。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing apparatus capable of removing a light-shielding substance attached to a laser light incident window while irradiating a target material in a processing container with laser light.
[0002]
[Prior art]
A target material (target) is set in a laser processing chamber, the target material is irradiated with laser light from the outside through a laser light entrance window, and a vapor deposition material as a constituent element from the target material in a suitable atmosphere. A laser vapor deposition technique for scattering or evaporating and vapor-depositing a film on a deposition target is well known. Further, a laser melting technique and a laser etching technique for partially melting or volatilizing a thin film on a substrate surface by directly irradiating a laser beam to a substrate or the like disposed in a laser processing chamber are also known. In any of these laser processing techniques, scattered substances scattered from the target material during the laser processing adhere to the inner surface of the entrance window to form a light-shielding film, and gradually reduce the irradiation energy of the laser light reaching the target material. The problem of damping was inevitable. For this reason, frequent cleaning of the entrance window was required during laser processing.
[0003]
The simplest method of cleaning the entrance window is to remove the entrance window from the processing vessel and clean or replace it. In this case, the atmosphere in the laser processing chamber changes each time cleaning is performed, and the atmosphere is restored, especially when the vacuum level is high. It takes a long time to recover the surface of the laser, and in some cases, there arises a problem that, for example, the target material in the laser processing chamber undergoes oxidative deterioration when opened to the atmosphere. Therefore, a method of cleaning the entrance window without changing the internal atmosphere has been studied. For example, Japanese Utility Model Laid-Open No. 6-60161 proposes a mechanism in which a shutter that can be freely opened and closed is provided between a laser processing chamber main body and an entrance window, and when the entrance window is removed, the shutter is closed to maintain the internal atmosphere. . Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-260303 proposes a method of heating and removing a light-shielding film adhered by focusing a laser beam on an inner surface of an entrance window. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-300749 discloses a method of irradiating a laser beam having an intensity that evaporates the attached matter but does not damage the viewing window when removing the attached material inside the viewing window of the sealed container. is suggesting.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, all of the conventional cleaning methods are performed by temporarily stopping the laser irradiation on the target material, and cannot solve the problem that the light-shielding substance adheres to the entrance window during the laser irradiation and gradually reduces the irradiation energy. Was. This problem causes fatal characteristic unevenness particularly when a deposition material is deposited on a long object to be deposited. For example, in order to use an oxide superconductor as a conductor, it is necessary to form a thin film of an oxide superconductor with good crystal orientation on a long base material formed into a tape shape. The laser vapor deposition technique is used for forming a body thin film.
[0005]
FIG. 3 shows an example of a conventional laser vapor deposition apparatus for forming a thin film of an oxide superconductor on a long base material by a laser vapor deposition method.
This laser vapor deposition apparatus has a laser processing chamber 101, and a target material 40 and a roll-shaped thin film laminate 50 can be installed inside the laser processing chamber 101. That is, a base 16 is provided at the bottom of the laser processing chamber 101, and a roll-shaped thin film laminate 50 formed by forming a polycrystalline intermediate thin film on a base material is disposed on the base 16. The thin film laminate 50 is sent out and wound up by the conveyors 9 and 9. A target material 40 of an oxide superconductor supported by the target holder 3 is disposed obliquely above the base 16. The laser processing chamber 101 is connected to a vacuum pump 21 via an exhaust pipe 108, and the pressure is reduced to a predetermined degree of vacuum.
[0006]
The target material 40 has a composition similar to or similar to the composition of the oxide superconductor to be formed on the thin film laminate 50, and a sintered body of the oxide superconductor or the like is used. As the shape of the target material 40, a disk shape or a square shape is used. The target material 40 is externally irradiated with a laser beam 30 at a predetermined angle through an incident window 104, and the components of the target material 40 that are beaten out by the laser beam 30 are uniformly deposited on the thin film laminate 50. It has been adjusted to be able to. The base 16 has a built-in heater, and can heat the thin film laminate 50 as needed.
[0007]
On the other hand, a laser light emitting device 22, a first reflecting mirror 23, a condenser lens 24, and a second reflecting mirror 25 are provided outside the laser processing chamber 101, and the laser light 30 oscillated by the laser light emitting device 22 is subjected to laser processing. The target material 40 can be condensed and irradiated through the entrance window 104 attached to the side wall of the chamber 101.
[0008]
In order to form a thin film of an oxide superconductor on the thin film stack 50 using the conventional laser vapor deposition apparatus having the above-described configuration, the thin film stack 50 is set on the base 16 and the oxide superconductor is mounted on the target holder 3. The target material 40 of the body is set, and the laser processing chamber 101 is depressurized by the vacuum pump 21. Next, the transporting devices 9 are operated to start feeding and winding of the thin film laminate 50. On the other hand, the laser light emitting device 22 is operated to irradiate the target material 40 with the laser light 30 such as an excimer laser via the first reflecting mirror 23, the condenser lens 24, the second reflecting mirror 25, and the entrance window 104. At this time, the first reflecting mirror 23 and the second reflecting mirror 25 are driven so that the laser light 30 scans the surface of the target material 40, and the condenser lens 24 causes the laser light 30 to always focus on the target material 40. To control. As a result, the target material 40 is instantaneously heated at the focused position of the laser beam, and the constituent particles of the target material are scattered or evaporated, and are deposited on the polycrystalline intermediate thin film of the thin film laminate 50. Thereby, a thin film of the oxide superconductor whose crystal orientation is adjusted is obtained. The thin film laminate 50 having the oxide superconductor thin film formed thereon is wound into a roll.
[0009]
When manufacturing the above-mentioned roll-shaped superconductor using a conventional laser processing apparatus, a part of the substance scattered from the target material during the laser irradiation is deposited on the inner surface of the entrance window 104 so as to gradually block the transmission of the laser light 30. Become. For this reason, obstacles such as a gradually decreasing thickness of the oxide superconductor deposited on the thin film laminate 50 and disordered crystal orientation occur.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and therefore has as its object to sequentially remove a light-shielding substance attached to an entrance window while irradiating a target material in a laser processing chamber with laser light. It is an object of the present invention to provide a laser processing apparatus which enables the above.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention has a laser processing chamber, a light guide chamber communicating with the laser processing chamber, the laser processing chamber has a means for supporting a target material that irradiates laser light A laser processing in which the light guide chamber has an incident window through which an external laser beam enters the laser processing chamber, and the laser beam is transmitted through the incident window to focus on the target material. An apparatus, wherein the light guide chamber has a plasma generation means near an inner surface of the entrance window, and a laser process is performed such that plasma generated by the plasma generation means removes a light-shielding substance attached to the entrance window. Provide equipment.
[0011]
According to the present invention, by operating the plasma generating means provided in the light guide chamber, plasma is generated near the inner surface of the entrance window, and this plasma immediately strikes a light-shielding substance that is to adhere to the inner surface of the entrance window. Drop and remove. Therefore, the incident window can be cleaned while irradiating the target material in the laser processing chamber with the laser beam through the incident window, so that the laser irradiation operation does not need to be interrupted for cleaning, but it is not long. Even when the object to be deposited is subjected to laser processing, continuous and stable laser processing can be performed over the entire length without changing the quality of the deposited film in the length direction.
[0012]
In the above, it is preferable that a partition wall is provided between the light guide chamber and the laser processing chamber so as not to hinder the optical path of the laser light.
The atmosphere gas in the laser processing chamber should be selected so as to be optimal for the target laser processing. In order to generate plasma that effectively removes the light-shielding substance attached to the inner surface of the entrance window in the light guide chamber, the plasma must be selected. A source gas must be supplied. The atmosphere gas in the laser processing chamber and the plasma generating gas in the light guide chamber may be the same, but may be different in order to optimize the respective actions. When the plasma generating gas is different from the atmospheric gas in the laser processing chamber, by providing a partition between the two chambers that does not obstruct the optical path of the laser light, it is possible to prevent the Ar gas from entering the laser chamber.
[0013]
It is preferable that the light guide chamber has a gas inlet for introducing a gas serving as a source of the plasma.
As the plasma generation source, the atmospheric gas in the laser processing chamber can be used as it is. However, in some cases, it is better to use gases having different compositions to optimize the cleaning effect of the entrance window. For this reason, a dedicated gas inlet for introducing a gas serving as a plasma generation source is provided on the wall of the light guide chamber. Is preferred.
[0014]
It is preferable that the light guide chamber has an exhaust port near the inner surface of the entrance window, and at least gas in the light guide chamber is exhausted through the exhaust port.
By providing the exhaust port near the inner surface of the entrance window, the plasma generated in the light guide chamber flows so as to collide with the inner surface of the entrance window, and the cleaning effect can be enhanced. The exhaust port may not only suck the gas in the light guide chamber but also suck and remove the atmospheric gas in the laser processing chamber. In this case, even when the composition of the plasma generation gas in the light guide chamber is different from that of the atmospheric gas in the laser processing chamber, the plasma generation gas does not flow into the laser processing chamber, so that the effect of the laser processing is not adversely affected. .
[0015]
The laser processing chamber has a transport unit that sends and winds a roll-shaped deposition target, and the target material emits a deposition material by the laser light irradiation while the transport unit transports the deposition target. It may be configured so as to be diffused and the deposition material is deposited on the surface of the deposition target.
In this case, the entrance window is always cleaned, and the energy applied to the target material does not change during the laser irradiation period. Therefore, the evaporation material is always deposited on the roll-shaped object to be deposited under uniform conditions, and extends over the entire length. And a stable quality of the deposited product can be obtained.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings by using specific examples, but the specific examples do not limit the present invention at all. Also, the accompanying drawings are for explaining the idea of the present invention, and elements unnecessary for the description of the present invention are omitted, and the shapes, dimensional ratios, numbers, etc. of the illustrated elements are not necessarily the actual ones. It does not match.
FIG. 1 is a sectional view showing a laser processing apparatus according to one embodiment of the present invention. The purpose of this laser processing apparatus is to form a thin film of an oxide superconductor (hereinafter, referred to as “superconducting layer”) on a roll-shaped thin film laminate 50. The laser processing apparatus shown in FIG. 1 has a laser processing chamber 1 and a light guide chamber 2 communicating with the laser processing chamber 1.
[0017]
Inside the laser processing chamber 1, a target holder 3 for supporting a target material 40 of laser light, conveying devices 9 for feeding and winding a roll-shaped thin film laminate 50, and a heater for supporting the thin film laminate 50 being conveyed. A mounting base 16 is provided. The target holder 3 has a swing mechanism. An atmosphere gas introduction pipe 11 for supplying an atmosphere gas 32 is connected to a wall surface of the laser processing chamber 1.
[0018]
The light guide chamber 2 is formed of, for example, a cylindrical body having a length of 600 mm, and an incident window 4 through which a laser beam 30 sent from the outside is incident is formed on an end surface protruding from the laser processing chamber 1. The base of the light guide chamber 2 is opened to the side wall of the laser processing chamber 1, and is configured such that the laser beam 30 incident from the entrance window 4 is focused on the target material 40. The entrance window 4 is made of a transparent material such as quartz glass and has a diameter of, for example, 100 mm. In the vicinity of the base of the light guide chamber 2, a plurality of, for example, four partitions 7 having an opening through which a laser beam having a diameter of 20 mm passes are provided at the center in a section of 400 mm. Further, a plasma gas introduction tube 6 for introducing a plasma gas 31 and a plasma generating electrode 5 connected to a high frequency power supply 10 are mounted on a side wall of a section of 200 mm from the entrance window 4 to the partition 7. An exhaust pipe 8 extends from the adjacent side wall, and the exhaust pipe 8 is connected to a vacuum pump 21. The tip opening of the plasma gas introduction pipe 6 on the light guide chamber 2 side is a gas introduction port 6a, and the tip opening of the exhaust pipe 8 on the light guide chamber 2 side is an exhaust port 8a. .
[0019]
A laser light emitting device 22 is provided outside the laser processing apparatus. A laser beam 30 oscillated from the laser light emitting device is transmitted through a first reflecting mirror 23, a condenser lens 24, and a second reflecting mirror 25 to an optical path and a focus. The distance is adjusted, introduced into the laser processing apparatus from the entrance window 4, and focused on the target material 40. In this embodiment, an excimer laser is used as the laser light emitting device 22, but any device such as a YAG laser or a CO 2 laser may be used as long as it can emit a deposition material from the target material 40. The first reflecting mirror 23 and the second reflecting mirror 25 are swingable in directions orthogonal to each other, so that the focused position of the laser beam 30 can be scanned on the surface of the target material 40. The optical path distance from the entrance window 4 to the target material 40 is, for example, 800 mm.
[0020]
Adjustment of the laser irradiation output can be performed by adjusting the output of an amplifier (not shown) that supplies power to the laser light emitting device 22. The laser irradiation frequency is such that power is intermittently supplied to the laser light emitting device 22 at a constant frequency, or a mechanical shutter such as a rotating sector is provided somewhere in the optical path through which the laser light 30 passes. It can be adjusted by operating the shutter at a constant frequency.
[0021]
The laser processing apparatus of the present embodiment operates as follows.
First, the target material 40 is set on the target holder 3, and the unprocessed thin film laminate 50 is set on the transfer devices 9, 9 with the base 16 interposed therebetween. As will be described in detail later, the target material 40 is a plate-shaped sintered body of an oxide superconductor, and the thin film laminate 50 is formed by forming a polycrystalline intermediate thin film of YSZ on a Hastelloy tape-like base material. After the setting is completed, the apparatus is closed, and the vacuum pump 21 is operated to exhaust air in the apparatus from the exhaust pipe 8 and to introduce the atmosphere gas 32 from the atmosphere gas introduction pipe 11 and the plasma gas 31 from the plasma gas introduction pipe 6. I do. The atmosphere gas 32 is O 2 gas, and the total flow rate is 100 ml / min so that the internal pressure of the laser processing chamber 1 is 100 mTorr (13 Pa) to 200 mTorr (26 Pa). The plasma gas 31 is Ar gas, and the flow rate is set to 50 ml / min so that the internal pressure of the light guide chamber 2 becomes 80 mTorr (10.4 Pa). The reason why the internal pressure of the light guide chamber 2 is lower than that of the laser processing chamber 1 is to prevent the plasma gas 31 from flowing back toward the laser processing chamber 1 as much as possible. The transporting devices 9 and 9 are operated to start transporting the thin film laminate 50, and, if necessary, the heater incorporated in the base 16 is activated to heat the thin film laminate 50 being transported to a desired temperature. .
[0022]
In this state, the laser light 30 is oscillated from the laser light emitting device 22. The laser beam 30 is focused on the target material 40 via the first reflecting mirror 23, the condenser lens 24, the second reflecting mirror 25, and the entrance window 4. At this time, the temperature near the focal point reaches 700 ° C. to 800 ° C., and the constituent components of the target material 40 are beaten out by a laser beam to form a concentrated area (bloom) 41 of a vapor deposition material in front of the laser beam. At this time, by adjusting the swing angle of the target holder 3, a uniform oxide superconducting layer is formed on the thin film laminate 50 moving on the base 16.
[0023]
At the same time as starting the laser processing, the high frequency power supply 10 is operated to generate plasma in the light guide chamber 2 by silent discharge by the plasma generating electrode 5. The plasma power is about 30 W. In this state, even if the vapor deposition material radiated from the target material 40 passes through the opening of the partition wall 7 and reaches the entrance window 4 and adheres to the inner wall thereof as a light-shielding material, it is immediately knocked down by the plasma. No light-shielding film is formed on the surface, and during the laser processing of the long thin film laminate 50, the entrance window 4 maintains a clear state until the end. Therefore, even after the laser processing operation is completed, a complicated cleaning operation can be omitted as maintenance.
[0024]
When irradiating the target material 40 with the laser light 30, the irradiation energy of the laser light is set in the range of 200 mJ to 400 mJ. If the irradiation energy of the laser beam is less than 200 mJ, the thermal energy given to the target material 40 is too small to be able to sufficiently beat or evaporate the constituent particles of the target material, and to form a superconducting layer on the thin film laminate 50. The speed is reduced and it is not efficient. If the output of the laser beam exceeds 400 mJ, the energy is too large and the target material 40 is cracked, which is not preferable.
[0025]
Next, the target material 40 and the thin film laminate 50 used in the present embodiment will be described.
The material of the target material 40 may be a composition similar or similar to the composition of the oxide superconducting film to be formed on the surface of the thin film laminate 50, or a composite oxide containing a large amount of a component easily diverged during film formation. Has become. As material examples of target material 40 is, for example, Y 1 Ba 2 Cu 3 O x , known as high oxide superconductor critical temperature, Y 2 Ba 4 Cu 8 O x, the Y 3 Ba 3 Cu 6 O x Group, (Bi, Pb) 2 Ca 2 Sr 2 Cu 3 O x , (Bi, Pb) 2 Ca 2 Sr 3 Cu 4 O x , or Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O x , Tl 1 Ba 2 An oxide superconductor having a high critical temperature, such as a group of Ca 2 Cu 3 O x and Tl 1 Ba 2 Ca 3 Cu 4 O x , is included. The shape of the target material 40 is preferably a square plate such as a disk, a rectangular plate, or a square plate.
[0026]
FIG. 2 is a perspective view showing a layer configuration of the tape-shaped oxide superconductor 53 manufactured using this embodiment. This tape-shaped oxide superconductor 53 has a superconducting layer 42 formed on the surface of a thin film laminate 50. The thin film laminate 50 used in the present embodiment is obtained by forming a YSZ polycrystalline intermediate thin film 52 on a Hastelloy tape-shaped base material 51 by an ion beam assisted sputtering method or the like. Since the polycrystalline intermediate thin film 52 is formed by an ion beam assist method so that its crystal grains are oriented in the c-axis in advance and also in the a-axis and the b-axis, the c-axis and the a-axis of the crystal of the superconducting layer 42 are The b-axis is also epitaxially grown and crystallized to match the crystal of the polycrystalline intermediate thin film.
[0027]
The constituent material of the base material 51 is appropriately selected from various kinds of alloy materials such as stainless steel and copper, in addition to the nickel alloy such as Hastelloy. The thickness of the substrate 51 is 0.01 mm to 0.5 mm, preferably 0.02 mm to 0.15 mm. If the thickness of the base material 51 exceeds 0.5 mm, the thickness is excessively large as compared with the thickness of the superconducting layer 42, and the critical current density per overall (total cross-sectional area of the oxide superconducting conductor) decreases, which is not preferable. On the other hand, if the thickness of the base material 51 is less than 0.01 mm, the strength of the base material is significantly reduced, and the effect of supporting the superconducting layer 42 is lost.
[0028]
The polycrystalline intermediate thin film 52 is formed by integrating and integrating a large number of fine crystal grains having crystals having a cubic crystal structure through crystal grain boundaries. The c-axis is oriented substantially at right angles to the upper surface (deposition surface) of the base material 51, and the a-axis and b-axis of the crystal axes of the respective crystal grains are oriented in the same direction and are in-plane oriented. I have. The thickness of the polycrystalline intermediate thin film 52 is in the range of 0.1 μm to 1.0 μm. Even if the thickness of the polycrystalline intermediate thin film 52 exceeds 1.0 μm, no particular increase in the effect can be expected, and this is economically disadvantageous. On the other hand, if the thickness of the polycrystalline intermediate thin film 52 is less than 0.1 μm, there is a possibility that the superconducting layer 42 cannot be sufficiently held because it is too thin. As a constituent material of the polycrystalline intermediate thin film 52, in addition to YSZ, MgO, SrTiO 3 or the like can be used.
[0029]
The composition of the superconducting layer 42 depends on the composition of the target material 40, and is a group of Y 1 Ba 2 Cu 3 O x , Y 2 Ba 4 Cu 8 O x , Y 3 Ba 3 Cu 6 O x , and (Bi, Pb) 2. Group of Ca 2 Sr 2 Cu 3 O x , (Bi, Pb) 2 Ca 2 Sr 3 Cu 4 O x , or Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O x , Tl 1 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O x , Tl 1 Ba 2 Ca 3 Cu 4 O x group, consisting of relatively high oxide superconductor critical temperature typified. Superconducting layer 42 has a thickness of about 0.5 μm to 5 μm. The thickness and film quality of the superconducting layer 42 are made as uniform as possible, and the c-axis, a-axis, and b-axis of the crystal are epitaxially grown so as to match the crystal of the polycrystalline intermediate thin film 52, and have excellent crystal orientation. It has become. In order to suitably control the thickness, film quality, and crystal orientation of the superconducting layer 42, the first reflecting mirror 23 and the second reflecting mirror 25 are swung to a controlled angle and the target holder 3 is rotated or swung about a vertical axis. By moving the laser beam 30, the laser beam 30 is scanned in a spiral or comb-like manner on the target material 40, and the radiation of the target material by the irradiation of the laser beam 30 is made uniform.
[0030]
In the above embodiment, the case where the superconducting layer is formed on the roll-shaped thin film laminate during production of the oxide superconducting thin film has been described in detail, but the laser processing apparatus of the present invention does not impair the gist and purpose of the present invention. For example, a configuration suitable for performing another laser processing technique, for example, scattering, vapor deposition, partial melting, etching, grooving, or the like, with or without changing the internal configuration of the laser processing chamber 1 can be adopted.
[0031]
【The invention's effect】
According to the laser processing apparatus of the present invention, the light guide chamber has plasma generation means near the inner surface of the entrance window, and the plasma generated by the plasma generation means removes the light-shielding substance attached to the entrance window. The irradiation window can be cleaned while irradiating the target material with a laser beam, which not only eliminates the need to interrupt the laser irradiation operation for cleaning, but also makes it possible to perform long laser processing on a long object. Thus, a laser-processed product that is continuous and uniform over the entire length can be obtained without deteriorating the quality of the deposited film in the vertical direction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a laser processing apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a layer configuration of an oxide superconductor manufactured according to the embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an example of a conventional laser processing apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laser processing room, 2 ... Light guide room, 4 ... Incident window, 5 ... Plasma generating electrode, 6 ... Plasma gas introduction pipe, 6a ... Gas introduction port, 7 ... Partition wall, 8 ... Exhaust pipe, 8a ... Exhaust port, 30: laser beam, 40: target material.
