JP2023521591A - 熱レーザ蒸発システム、およびソースにおいて熱レーザビームを供給する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、熱レーザ蒸発システム（１０）に関し、該熱レーザ蒸発システム（１０）は、ソース（２０）から１つまたは複数の材料（２２）を蒸発させるように熱レーザビーム（３４）を供給するレーザ光源（３０）と、ソース（２０）に熱レーザビーム（３４）を方向付けるコリメートレンズ（４２）および焦点レンズ（４４）を有した熱レーザビーム形状付けシステム（４０）と、真空チャンバ（１２）と、真空チャンバ（１２）へ熱レーザビーム（３４）を伝える真空窓（１４）と、真空チャンバ（１２）において真空窓（１４）とソース（２０）との間に配置されたアパーチャ（１６）と、を備えている。さらに、本発明は、ソース（２０）から１つまたは複数の材料（２２）を蒸発させるために、ソース（２０）において熱レーザビーム（３４）を供給する方法に関する。この方法は、熱レーザビーム（３４）を供給するステップと、コリメートレンズ（４２）、形状付け装置（６０）および焦点レンズ（４４）を有した熱レーザビーム形状付けシステム（４０）を経由して、真空チャンバ（１２）へ熱レーザビーム（３４）を伝える真空窓（１２）を有した真空チャンバ（１２）へ熱レーザビーム（３４）を方向付け、真空チャンバ（１２）内に配置されたアパーチャ（１６）を通してソース（２０）において熱レーザビーム（３４）を方向付けるステップと、を含む。

Description

本発明は、熱レーザ蒸発システムに関し、該熱レーザ蒸発システムは、ソースから１つまたは複数の材料を蒸発させるように熱レーザビームを供給するレーザ光源と、ソースに熱レーザビームを方向付けるコリメートレンズおよび焦点レンズを有した熱レーザビーム形状付けシステムと、真空チャンバと、真空チャンバへ熱レーザビームを伝える真空窓と、真空チャンバにおいて真空窓とソースとの間に配置されたアパーチャと、を備えている。さらに、本発明は、ソースから１つまたは複数の材料を蒸発させるように、ソースにおいて熱レーザビームを供給する方法に関する。本発明に従う方法は、
熱レーザビームを供給するステップと、
コリメートレンズ、形状付け装置および焦点レンズを有した熱レーザビーム形状付けシステムを経由して、真空チャンバへ熱レーザビームを伝える真空窓を有した真空チャンバへ熱レーザビームを方向付け、真空チャンバ内に配置されたアパーチャを通してソースにおいて熱レーザビームを方向付けるステップと、を含む。

熱レーザ蒸発システムでは、レーザ光が、通常は、一定の角度で、真空チャンバ内に配置されたソース材料へ方向付けられる。安定的な蒸発の割合を達成するために、ビームが、より大きなソースの面を横切って走査される必要があるか、または、ソースの大きさ、レーザの力およびビームの大きさは、平均的なソース材料がソースの上面を横切って均一に蒸発されるように合わせられる必要がある。

この制約を満たすために、ソースにおけるビームの大きさおよび／または位置は、一定の焦点長さおよび末広がりで、ビームの伝搬軸に沿ってビームの保護アパーチャと一緒にレーザビームを移動させることによって変化されてもよい。個々のソースにわたってビームを走査するために、レーザビームおよび保護アパーチャは、ソースの平面で２つの方向に沿って移動されるか、または保護アパーチャの平面で、適切な修正を伴って移動されてもよい。

しかし、この方法が真空チャンバの内部および外部の構成要素の正確で集合的な移動を必要とし、これにより、複雑さが増加し、装置全体の信頼性および多用途性が減少するので、上記方法は非常に実用的ではない。これは、特に、使用され得る合成条件および幾何学的形状の可能な範囲に影響を及ぼす。

上記に鑑みて、本発明の目的は、従来技術の上述の欠点を有しない、向上した熱レーザ蒸発システムと、ソースにおいて熱レーザビームを提供する向上した方法を供給することである。特に、本発明の目的は、特に簡単でコスト効率の良い方法で高い正確性をもってソースにおいてレーザビームのパラメータを制御することができる熱レーザ蒸発システムおよび方法を提供することである。

この目的は、それぞれの独立した特許請求項によって満足される。特に、この目的は、請求項１に従う熱レーザ蒸発システムによって、および請求項１５に従うソースにおいて熱レーザビームを供給する方法によって満足される。従属請求項は、本発明の好ましい実施例を説明する。本発明の第１の側面に従う熱レーザ蒸発システムについて説明される詳細および利点は、本発明の第２の側面に従う、ターゲットとなる材料上にソース材料を堆積させる方法を参照し、技術的な感覚では、この逆も成立する。

本発明の第１の側面によれば、目的は、熱レーザ蒸発システムによって満足され、この熱レーザ蒸発システムは、
ソースから１つまたは複数の材料を蒸発させるように熱レーザビームを供給するレーザ光源と、
ソースに熱レーザビームを方向付けるコリメートレンズおよび焦点レンズを有した熱レーザビーム形状付けシステムと、
真空チャンバと、
真空チャンバに熱レーザビームを伝える真空窓と、
真空チャンバ内において真空窓とソースとの間に配置されたアパーチャと、
を備えており、
熱レーザビーム形状付けシステムは、ソースにおける熱レーザビームの位置、形状および大きさの少なくとも１つを適合するようにコリメートレンズと焦点レンズとの間に配置された形状付け装置を有する。

本発明に従う熱レーザ蒸発システムは、１つまたは複数のソース材料、特にターゲットとなる材料上の堆積物の熱蒸発および／または昇華のために使用されることができる。幅広い種類のソース材料、特に金属および他の固体が可能である。しかし、特別なソース保持器では、液体および気体ソース材料も使用されることができる。適切なソース保持器に配置された、および／または自己支持の態様で構成されたソースが、真空チャンバ内に配置される。

本発明によれば、真空チャンバは、例えば、１０^－１１ミリバールと同程度に低い真空、および／または１０^－１１ミリバールと１ミリバールとの間の圧力を有した任意の適切な反応雰囲気を含むように用いられることができる。この反応雰囲気は、例えば、分子の酸素、オゾン、分子の窒素または他の反応ガスを含むことができる。

外部のレーザ光源は、熱レーザビームを供給する。レーザビームを形成するレーザ光は、好ましくは赤外線光から始まり紫外線光までのエネルギの幅広い範囲にわたって供給されることができる。特に、異なるソース材料のために、それ相応に適合されたレーザ光が選択されることができる。

本発明によれば、熱レーザは、０°と９０°との間、好ましくは３０°と９０°との間の角度で、連続的にまたは少なくとも本質的に連続的にソースに衝突し、プラズマを生成するのに必要なエレルギよりも低いレーザエネルギでソースを加熱することにより、ソース材料を蒸発および／または昇華させるように特に適合される。

レーザ光は、真空窓を通して真空チャンバに入り、真空チャンバを通したレーザ光の経路でアパーチャを貫通しながら、ソースに衝突する。好ましくは、アパーチャは、熱レーザビームの光軸に垂直に延びる。これにより、蒸発および／または昇華されたソース材料の堆積物から真空窓を保護することができる。

多くの場合に、レーザ供給源は、特にレーザ供給源の最後の素子が光ファイバである場合に、少なくとも部分的に末広がりとなるビームとして熱レーザ光を供給する。とりわけ、本発明に従う熱蒸発システムの熱レーザビーム形状付けシステムは、レーザ供給源によって供給されたレーザビームの上記末広がりの補償を提供する。基本的な素子として、レーザビーム形状付けシステムは、コリメートレンズおよび焦点レンズを有する。

コリメートレンズは、レーザ供給源によって供給された、末広がりとなっているレーザビームを平行または少なくとも本質的に平行なレーザビームへ移行させることが好ましい。レーザビーム形状付けシステムの多くの実施例では、コリメートレンズは、レーザビームに沿ってレーザビーム形状付けシステムの第１の素子を形成する。レーザビーム形状付けシステムの他端部には、焦点レンズが配置される。焦点レンズは、平行または少なくとも本質的に平行なレーザビームを受け、これをターゲットへ方向付ける。好ましくは、レーザビームがその最小範囲に到達する焦点容積は、真空チャンバにおいて真空窓とソースとの間に配置される。付加的におよび均等に好ましくは、アパーチャが、この焦点容積上およびその周囲のそれぞれに配置されることができる。

真空チャンバ内に存在するソースにおけるレーザビームのパラメータを外部から変更させるために、形状付け装置がコリメートレンズと焦点レンズとの間に配置されることが本発明にとって必要不可欠である。レーザビーム、および従って結果としてソースにおける熱レーザビームの位置、形状および大きさの少なくとも１つを修正する素子を有した形状付け装置が、影響され、適合されることができる。換言すれば、ソースに実際に衝突するレーザビームの幅広い種類のパラメータが適合されることができる。

ソースにおける熱レーザビームのパラメータ、例えば位置を変更することによって、蒸発および／または昇華が生じるソース上の配置が、選択され、特に能動的に選択されることができる。

レーザビームの形状を適合することによって、衝突するレーザビームのソースへの投影によって引き起こされるゆがみが補償されることができる。さらに、任意の形状、特に非回転対称形状のソースが均一に照らされることができる。さらに、例えば不均一な熱放散の補償および／または異なる材料を含む領域を有したソースのために、ソースの面の不均一な照明が可能である。

レーザビームの大きさ、特に圧縮および／または拡張の適合は、ソースにおけるレーザの空間的なエネルギ密度に影響を及ぼす。これにより、例えば、異なる溶融温度および蒸発温度を有した異なるソース材料のための適合が可能となる。

レーザビームが平行または少なくとも本質的に平行となることが好ましいレーザビームのセクションに形状付け装置が配置されるので、この適合は、特に簡潔な態様で提供されることができる。

さらに、熱レーザビーム形状付けシステムは、真空チャンバの外側に完全に配置される。例えば、ビーム形状付けおよび特に形状付け装置の移動可能な素子によって生じる、真空チャンバ内の反応雰囲気へのビーム形状付けシステムの影響が防止されることができる。また、レーザビーム形状付けシステムの部品へのソースの蒸発および／または昇華された材料の堆積が不可能である。

さらに、本発明に従う熱レーザ蒸発システムは、形状付け装置がコリメートレンズの後に熱レーザビームの平行または少なくとも本質的に平行な整列を保存する点で特徴づけられることができる。本発明に従うレーザ蒸発システムのこの好ましい実施例では、コリメートレンズおよび焦点レンズは、レーザ光源によって供給されて入ってくる末広がりのレーザビームを平行なレーザ光ビームへとコリメートレンズが移行させるように、互いに適合されて構成される。引き続き、焦点レンズは、平行なレーザ光ビームを受け、このレーザ光をターゲットへ方向付ける。

光学特性のために、光が平行なビームで焦点レンズに衝突する限り、焦点レンズは、入ってくる光全てをターゲットへ方向付ける。従って、形状付け装置により、コリメートレンズの後に熱レーザビームの平行または少なくとも本質的に平行な整列を保存することによって、形状付け装置によって供給されるレーザビームの適合および／または変更は、焦点レンズの方向付け機能性に影響を及ぼさない。換言すれば、形状付け装置によって適合されるレーザ光ビームは、付加的な補償を必要とすること無しに、焦点レンズによってソースへ方向付けられる。特に、焦点レンズがレーザビームの焦点を合わせる焦点容積は、真空チャンバ内の同じ場所で静止したままとなる。好ましくは、アパーチャは、この焦点容積でアパーチャのアパーチャ開口部を備えて位置決めされることができ、従って、アパーチャは、形状付け装置によって供給されるレーザビームの調節とは独立して、静止したままとなることができる。

さらに、本発明に従う熱レーザ蒸発システムは、コリメートレンズおよび焦点レンズがソースおよびレーザ光源に対してレーザビーム形状付けシステム内、特に熱レーザ蒸発システム内で静止しているということを含むことができる。換言すれば、レーザビーム形状付け装置の外側端部は、レーザビーム形状付けシステム内の形状付け装置の状態とは独立して、固定されたままである。これにより、例えば真空チャンバおよび／またはレーザ光源に対してレーザビーム形状付け装置を配置および固定することができる。特に、レーザ光ビームがレーザビーム形状付けシステムによって変更されたとしても、熱レーザ蒸発システム全体の光学的な整列が保存されることができる。

付加的な実施例では、本発明に従う熱レーザ蒸発システムは、形状付け装置が少なくともいくつかの以下の構成要素を有し、この構成要素は、１つまたは複数のミラー、１つまたは複数のビームコンプレッサ、１つまたは複数のビームエクスパンダ、１つまたは複数のビーム分割器、１つまたは複数のレンズ、１つまたは複数のプリズムおよびこれらの組合せからなる要素の群から選択されるという点で特徴づけられることができる。このリストは終了されず、このため、他の適切な光学的構成要素が形状付け装置の部品として使用されることができる。要約すれば、可能性を変更する幅広い種類のレーザビームが、適切な光学構成要素を選択することによって形状付け装置により提供されることができる。

さらに、本発明に従う熱レーザ蒸発システムは、形状付け装置が熱レーザビームの形状を適合する以下の形状適合素子の１つを有するということを含むことができる。

アナモルフィックプリズムペア
シリンドリカルレンズの組合せ
ビーム切り出し素子
自由形態ミラー
このリストは終了せず、このため、他の適切な形状適合素子が形状付け装置の部品として使用されることができる。形状適合素子により、レーザビームの形状を能動的に変更することができる。例えば、ビーム切り出し素子は、レーザビームの部分を遮断することができる。リストで説明された他の光学素子は、例えば、円形の断面を有したレーザビームを、楕円形の断面を有したレーザビームに変更するように、レーザビームを実際に変形させる。自由形態ミラーは、プリズムまたはレンズのような任意の説明された光学素子に取って代わるように使用されることができる。

付加的にまたは代替的に、本発明に従う熱レーザ蒸発システムは、形状付け装置が熱レーザビームの大きさを適合する以下の大きさ適合素子の１つを有するという点で特徴づけられることができる。

焦点はずしレンズおよび調和された焦点レンズ
焦点レンズおよび調和された焦点はずしレンズ
ビーム切り出し素子
ビームコンプレッサ
ビームエクスパンダ
自由形態ミラー
このリストは終了せず、このため、他の適切な大きさ適合素子が形状付け装置の部品として使用されることができる。大きさ適合素子により、レーザビームの大きさ、特にレーザビームの光軸に垂直なレーザビームの断面の大きさを能動的に変更することができる。例えば、ビーム切り出し素子は、レーザビームの部分を遮断し、従ってレーザビームの大きさを減少させることができる。ビームコンプレッサおよびビームエクスパンダはもちろんのこと、焦点はずしレンズおよび焦点レンズの対は、レーザビームに沿ったこれらの順序に基づいてレーザビームの断面の大きさを拡大または縮小させることができる。再度、自由形態ミラーは、プリズムまたはレンズのような任意の説明された光学素子に取って代わるように使用されることができる。

本発明に従う熱レーザ蒸発システムの付加的または代替的な実施例によれば、形状付け装置は、ソースにおける熱レーザビームの位置を適合する以下の位置適合素子の１つを有する。

プリズム
ミラー、特に自由形態ミラー
回折光学素子
ビーム引き出し素子
このリストは終了せず、このため、他の適切な位置適合素子が形状付け装置の部品として使用されることができる。この位置適合素子により、該位置適合素子の前に、レーザビームの位置、特に、レーザビームの光軸に垂直なレーザビームの位置を能動的に変更することができる。切り出し素子は、レーザビームの部分を遮断し、従って、残りのレーザビームの重心を変える。他の光学素子は、レーザビームのエネルギの損失を伴わず、レーザビームの位置を能動的に変更し、従って、位置の適合を提供することができる。

さらに、熱レーザビーム形状付けシステムが、ソースにおける熱レーザビームの位置を適合することによりソースを走査するように少なくとも１つの位置適合素子を移動させる駆動装置を有するということによって、熱レーザ蒸発システムは向上されることができる。少なくとも１つの位置適合素子を移動させることによって、ソースにおけるレーザビームの位置がそれ相応に移動する。換言すれば、ソースの面が、レーザビーム形状付けシステムにより供給される熱レーザビームの位置によって走査されることができる。ソースの面全体における熱レーザビームのエネルギの特に均一な時間平均された分布と、結果としてソースの照らされた面近傍におけるソース内での特に均一な温度分布とが提供されることができる。

さらに、本発明に従う熱レーザ蒸発システムは、熱レーザビーム形状付けシステムが、レーザ光源からやってくる熱レーザビームを、２つ以上の部分レーザビームに分割する分割装置をさらに有しており、形状付け装置が、２つ以上の部分レーザビームの位置、形状および大きさの少なくとも１つを適合するように構成される。換言すれば、レーザビーム形状付けシステムの通過後に、２つ以上の個別のレーザビームが供給され、それ相応の２つ以上の位置でソース材料を蒸発および／または昇華させるように使用されることができる。

特に、この２つ以上の位置では、異なるソースが、２つ以上の異なるソース材料の同時の蒸発および／または昇華を可能とするように配置されることができる。形状付け装置が２つ以上の部分レーザビームの位置、形状および大きさの少なくとも１つを適合することができるので、上述した形状付け装置によってもたらされる利点の全てが、部分レーザビームの各々に提供されることができる。好ましくは、レーザビーム形状付けシステム内に、レーザビームに沿って、分割装置が形状付け装置の前に配置される。

本発明に従う熱レーザ蒸発システムの向上した実施例では、分割装置は、レーザ光源からやってくる熱レーザビームを、２つ以上の部分レーザビームに分割する以下の分割素子の１つを有する。

ミラー、特に自由形態ミラー
プリズム
アパーチャ
このリストは終了せず、このため、他の適切な分割素子が分割装置の部品として使用されることができる。好ましくは、この分割素子および従って分割装置は、全体として、コリメートレンズの後にレーザビームの平行な整列を保存する。従って、２つ以上の部分レーザビームの各々が、レーザ供給源によって供給される分割されていないレーザビームと同様の形状付け装置によって処理される。

好ましくは、本発明に従う熱レーザ蒸発システムは、形状付け装置が、２つ以上の部分レーザビームの位置、形状および大きさの少なくとも１つに対して２つ以上のレーザビームを異なるように適合するようにして構成されるということによって、改良される。換言すれば、２つ以上の部分レーザビームの各々は、残りの部分レーザビームに対して独立して、位置および／または形状および／または大きさに関して変更されることができる。従って、供給された部分レーザビームのパラメータに関する柔軟性が改良されることができる。

さらに、本発明に従う熱レーザ蒸発システムは、熱レーザビームが、３０°と６０°との間の角度、特に４５°の角度でソースに衝突し、このため、ソースに方向付けられたレーザビーム形状付けシステムによって調整される楕円形のビーム点がソース上に円形のビーム点を生成する。４５°の好ましい衝突角度により、ソースおよびターゲットの双方にとって十分な配置空間を提供することが可能となる。しかし、角度、好ましくは約４５°でソースへ衝突する円形のレーザビームは、ソース上にレーザビームの楕円形のフットプリントを生じさせる。レーザビームの光軸に垂直な楕円形のビーム点を提供することによって、これは補償されることができ、ソース配置での円形のビーム点が提供されることができる。これは、円形の断面を有したソースにとって特に有利であり、というのは、上記ソースの完全かつ均一な照明がもたらされることができるからである。

本発明に従う熱レーザ蒸発システムの別の実施例によれば、コリメートレンズおよび／または焦点レンズは、形状付け装置に組み込まれており、特に、コリメートレンズは形状付け装置の上流端部を形成し、および／または、焦点レンズは形状付け装置の下流端部を形成する。従って、レーザビーム形状付けシステムの特にコンパクトな実施例が提供されることができる。

さらに、本発明に従う熱レーザ蒸発システムは、焦点レンズが、真空チャンバにおいて真空窓とソースとの間に配置された点状焦点容積上で熱レーザビームの焦点を合わせ、アパーチャがアパーチャ開口部を有し、ソースから蒸発された粒子から真空窓を保護するように真空容積でアパーチャのアパーチャ開口部を備えて配置される。

点状焦点容積は、レーザビームの最小の範囲を示している。この焦点容積の周囲に、アパーチャのアパーチャ開口部を有するアパーチャを配置することによって、蒸発および／または昇華されたソース材料の堆積物に対して真空窓の最適化された保護がもたらされることができる。特に、他の実施例では、アパーチャ開口部は、ビームの点状焦点容積を有したレーザビームをアパーチャに向けることによって形成されさえする。従って、レーザビームおよびアパーチャの特に正確な整列が達成されることができる。

本発明の第２の側面によれば、目的は、ソースから１つまたは複数の材料を蒸発させるように、ソースにおいて熱レーザビームを供給する方法によって満足され、この方法は、
熱レーザビームを供給するステップと、
コリメートレンズ、形状付け装置および焦点レンズを有した熱レーザビーム形状付けシステムを経由し、真空チャンバに熱レーザビームを伝える真空窓を有した真空チャンバへ熱レーザビームを方向付け、真空チャンバ内に配置されたアパーチャを通してソースにおいて熱レーザビームを方向付けるステップと、を含み、熱レーザビーム形状付けシステムによって熱レーザビームを方向付けるこのステップは、形状付け装置によるソースにおける熱レーザビームの位置、形状および大きさの少なくとも１つの構成を有する。

本発明に従う方法は、特に、熱レーザ蒸発システムの真空チャンバに配置されたソースの少なくとも１つの材料を蒸発および／または昇華するように、熱レーザ蒸発システムにおいて実施されることができる。

本発明に従う方法の第１のステップでは、熱レーザビームは、好ましくはレーザ光源によって供給される。例えば、レーザ光源は、真空チャンバの付近にレーザ光を案内する光ファイバを有することができる。

本発明に従う方法の以下のステップでは、レーザ光は、真空チャンバへ方向付けられ、ソースへ向けられる。この目的のために、真空チャンバは、真空窓を有する。真空チャンバ内、および真空窓とソースとの間には、アパーチャが、ソースから蒸発および／または昇華された材料に対して真空窓を保護するように配置される。

特に、真空チャンバの外側では、レーザビーム形状付けシステムが、真空窓を通して真空チャンバへ熱レーザビームを伝えるように配置される。このレーザビーム形状付けシステムは、第一に、例えば上述の光ファイバを出た後に、レーザ光源によって供給された熱レーザビームの末広がりを補償するコリメートレンズを有する。反対の端部では、レーザビーム形状付けシステムは、真空窓およびアパーチャを通してソースへ熱レーザビームの焦点を合わせる、熱レーザビームを投影し、方向付ける焦点レンズを有する。

コリメートレンズと焦点レンズとの間には、形状付け装置が配置される。本発明の方法を実行しているときに、この形状付け装置は、ソースにおける熱レーザビームの位置、形状および大きさの少なくとも１つの構成を提供する。

ソースにおける熱レーザビームの位置を変更することによって、蒸発および／または昇華が生じるソース上の配置が選択されることができ、特に能動的に選択されることができる。レーザビームの形状を適合することによって、ソースに衝突するレーザビームの投影によって生じるゆがみが補償されることができる。さらに、任意の形状、特に非回転対称形状のソースが均一に照らされることができる。

レーザビームの大きさ、特に圧縮および／または拡張の適合は、ソースにおけるレーザの空間的なエネルギ密度に影響を及ぼす。これにより、例えば、異なる溶融温度および蒸発温度を有した異なるソース材料の適合が可能となる。換言すれば、本発明に従う方法を実行することによって、ターゲットにおけるレーザビームの重要なパラメータが対策され、能動的に適合されることができる。

好ましくは、本発明に従う方法は、該方法が本発明の第１の側面に従う熱レーザ蒸発システムによって実行されるということによって改良されることができる。従って、本発明の第１の側面に従う熱レーザ蒸発システムについて上述された特徴部および利点の全ては、本発明の第１の側面に従うシステムにより実行される本発明の第２の側面に従う方法によって提供されることができる。

さらに、本発明に従う方法は、コリメートレンズの後に熱レーザビームの平行または少なくとも本質的に平行な整列が形状付け装置によって保存される点で特徴づけられることができる。本発明に従う方法のこの好ましい実施例では、レーザ光源によって供給されて入ってくる末広がりのレーザビームを平行なレーザ光ビームに移行するコリメートレンズと、引き続き、この平行なレーザ光ビームをターゲットに方向付ける焦点レンズとが用いられる。

光学特性のために、光が平行なビームで焦点レンズに衝突する限り、焦点レンズは、入ってくる光全てをターゲットへ方向付ける。特に、焦点レンズがレーザビームの焦点を合わせる焦点容積は、真空チャンバ内の同じ場所に静止したままとなる。好ましくは、アパーチャが、この焦点容積においてアパーチャのアパーチャ開口部を備えて位置決めされることができ、従って、アパーチャは、形状付け装置によって供給されるレーザビームの調整とは独立して、静止したままとなることができる。

従って、形状付け装置により、コリメートレンズの後に熱レーザビームの平行または少なくとも本質的に平行な整列を保存することによって、形状付け装置によって供給されるレーザビームの適合および／または変更が、焦点レンズの方向付け機能性に、特に、焦点レンズがレーザビームの焦点を合わせる焦点容積の位置および／または大きさに影響を及ぼさない。換言すれば、形状付け装置によって適合されるレーザ光ビームは、付加的な補償を必要とすること無しに、焦点レンズによってソースへ方向付けられる。

さらに、本発明に従う方法は、熱レーザビームの部分を切り出すことによって、および／または熱レーザビームの形状を変更するためのアナモルフィックプリズムペアおよび／またはシリンダリカルレンズおよび／または自由形態ミラーの組み合わせを用いることによって熱レーザビームの形状が適合されることを含むことができる。熱レーザビームの形状を切り出す、または能動的に変更することによって、熱レーザビームによって衝突されるソース上の領域が規定されることができる。従って、衝突するレーザビームの形状をソースの形状に適合すること、および／またはソースの部分のみを意図的に照らすことが可能である。

好ましくは、本発明に従う方法は、円形の断面を有したレーザ光源によって供給される熱レーザビームが楕円形の断面を有した熱レーザビームに変形されることによって、改良されることができる。本発明に従う方法のこの特別な実施例により、角度、例えば４５°でソースに衝突する熱レーザビームによって、円形の断面を有したソースを特に完全に照らすことができる。換言すれば、衝突するレーザビームの楕円形の形状は、ソースに衝突した後に、ソースの円形断面が調和されるように選択されることができる。

さらに、本発明に従う方法は、熱レーザビームの大きさが、熱レーザビームの部分を切り出すことによって、および／または、焦点はずしレンズおよび焦点レンズの調和された対および／またはビームコンプレッサおよび／またはビームエクスパンダおよび／または自由形態ミラーを用いることによって適合されるという点で特徴づけられることができる。レーザビームの大きさを能動的に適合および／または変更することによって、レーザビームによって照らされるソースの領域が適合されることができる。

特に、衝突するレーザビームによるソースの強い輝きが妨げられる。さらに、レーザビームの大きさは、レーザビームがソースの一部のみを照らすように選択されることができる。特に、レーザビームがレーザビームの大きさを変更するように圧縮または拡張されるときに特に、レーザビームのエネルギ密度が調節されることができる。

他の実施例では、本発明に従う方法は、熱レーザビームの位置が、熱レーザビームの部分を切り出すことによって、および／または、特に、レーザ光源によって供給される熱レーザビームの光軸に対して、ビーム形状付けシステム内の熱レーザビームの位置を変更する位置適合素子、特にミラーおよび／またはプリズムおよび／または回折光学素子を用いることによって適合されることを含むことができる。

熱レーザビームの位置を変更することにより、照らすべきソースの部分を能動的に選択することができる。例えば、ソースは、４つの四分円へと内部に分割されることができ、各四分円は、異なるソース材料を有する。この例では、熱レーザビームの位置を能動的に変更することにより、蒸発および／または昇華すべきソース材料を選択する可能性がもたらされる。付加的または代替的に、単一の材料のソースが、例えば、ソースの不均一な摩耗を防止するために、異なる位置で照らされることができる。

本発明に従う方法の好ましい実施例によれば、熱レーザビームの位置を適合することは、熱レーザビーム形状付けシステムの駆動装置により位置適合素子の少なくとも１つを移動させることによってソースを走査することを含む。ソースの面領域を走査することは、ソースに蓄えられたエネルギを広げる。従って、ソースの局所的な過剰消費が妨げられる。位置適合素子の少なくとも１つを移動させることによって、この走査は、特に容易に提供されることができる。

さらに、本発明に従う方法は、熱レーザビーム形状付けシステムによって熱レーザビームを方向付けるステップが、熱レーザビーム形状付けシステムの分割装置により、レーザ光源からやってくる熱レーザビームを２つ以上の部分レーザビームに分割することを含むという点で特徴づけられることができる。この分割により、ソースの２つ以上の異なる位置を同時に照らすように同じレーザ光源を用いることができ、ここで、この異なる位置では、異なる材料が配置されることができる。好ましくは、形状付け装置は、特に互いに独立した２つ以上の部分レーザビームの位置、形状および大きさの少なくとも１つを適合する。

さらに、本発明に従う方法の他の実施例では、熱レーザビーム形状付けシステムは、真空チャンバにおいて真空窓とソースとの間に配置された点状焦点容積に熱レーザビームの焦点を合わせ、ここで、アパーチャが、焦点容積におけるアパーチャのアパーチャ開口部を備えて配置され、ソースから蒸発された粒子から真空窓を保護する。

点状焦点容積はレーザビームの最小の範囲を示している。ソースと真空窓との間にこの焦点容積を位置決めすることによって、ソースを外れたときに真空チャンバの壁に熱レーザビームの焦点を意図的ではなく合わせることが妨げられることができる。さらに、この焦点容積の周囲に、アパーチャのアパーチャ開口部を有したアパーチャを配置することによって、蒸発および／または昇華されたソース材料の堆積物に対して真空窓の最適な保護がもたらされることができる。特に、他の実施例では、アパーチャ開口部は、ビームの点状焦点容積を有したレーザビームをアパーチャへ向けることによって形成されさえする。従って、レーザビームおよびアパーチャの特に正確な整列が達成されることができる。

本発明は、添付の図面に示された実施例を参照して、以下に、さらに説明される。

レーザビームの大きさを変更する熱レーザビーム形状付けシステムを有する、本発明に従う熱レーザ蒸発システムを示す図である。 レーザビームの位置を変更する熱レーザビーム形状付けシステムを有する、本発明に従う熱レーザ蒸発システムを示す図である。 レーザビームの大きさおよび形状を変更する熱レーザビーム形状付けシステムを有する、本発明に従う熱レーザ蒸発システムを示す図である。 ２つの部分レーザビームにレーザビームを分割する熱レーザビーム形状付けシステムを有する、本発明に従う熱レーザ蒸発システムを示す図である。

図１～図４の全ては、本発明に従う熱レーザ蒸発システムの異なる実施例を示している。従って、以下では、図１～図４に描かれたレーザ蒸発システムの共通の部品は一緒に説明され、これにより、実施例の相違が指摘される。

描かれた熱レーザ蒸発システム１０は、レーザ光源３０を有しており、これにより、全ての実施例において、光ファイバ３２の終端部が示されている。レーザビーム３４は、レーザビーム形状付けシステム４０によって、真空チャンバ１２内に配置されたソース２０へ方向付けられている。

ソース２０は、衝突レーザビーム３４によって蒸発および／または昇華されるべき材料２２を提供する。レーザビーム３４は、真空窓１４を通して真空チャンバ１２に入る。

レーザビーム形状付けシステム４０は、真空チャンバ１２内において真空窓１４とソース２０との間に配置された点状焦点容積に、レーザビーム３４の焦点を合わせる。上記焦点容積上および上記焦点容積の周囲では、アパーチャ１６が配置されており、これにより、アパーチャのアパーチャ開口部１８が、レーザビーム３４の点状焦点容積に対して整列されている。アパーチャは、ソース２０の蒸発および／または昇華された材料２２の堆積物から真空窓１４を保護する。

レーザ蒸発システム１０の描かれた実施例は、そのレーザビーム形状付けシステム４０が本質的に異なっている。従って、以下では、このレーザビーム形状付けシステム４０およびその機能性が説明される。

描かれた全てのレーザビーム形状付けシステム４０は、該レーザビーム形状付けシステム４０の上流端部５２におけるコリメートレンズ４２と、レーザビーム形状付けシステム４０の各下流端部５４における焦点レンズ４４とを共用している。これに関して、上流端部５２がレーザ光源４０に最も近くなるように配置され、下流端部５４がレーザ光源３０から最も遠くなるように配置されることに留意すべきである。

少なくとも付加的な形状付け装置６０（図１～図３参照）または付加的な分割装置（図４参照）が、コリメートレンズ４２と焦点レンズ４４との間に配置される。多くの場合には、光ファイバ３２から出るレーザビーム３４は、末広がりとなっている。コリメートレンズ４２は、この収束に適合され、入ってくるレーザビーム３４を、平行に整列されたレーザビーム３４へ移行させる。焦点レンズ４４は、この平行に整列されたレーザビーム３４を受け、このレーザビーム３４をソース２０へ方向付けており、特に、真空チャンバ１２内に配置された上述の点状焦点容積への焦点合わせを含んでいる。

描かれたように、形状付け装置６０と、図４に描かれた分割装置４６とは、レーザビーム３４の平行な整列を保存する。従って、形状付け装置６０および分割装置４６によって提供されるレーザビーム３４の変更および適合は、コリメートレンズ４２および焦点レンズ４４によって決定されるレーザビーム形状付けシステム４０の一般の光学的撮像特性に影響を及ぼさない。さらに、これにより、これらの素子、つまりコリメートレンズ４２および焦点レンズ４４を、レーザビーム形状付けシステム４０内において、特に光ファイバ３２の端部およびソース２０に対して静止して配置させることができる。

図１では、レーザビーム形状付けシステム４０の実施例が示されており、このシステム４０では、切り替え可能な大きさ適合素子６４が、レーザビーム形状付けシステム４０の形状付け装置６０を形成する。この大きさ適合素子６４は、例えばビームコンプレッサ、ビームエクスパンダ、自由形態のミラーおよび／または調和された対の焦点はずれレンズおよび焦点レンズである。特に、左に描かれた状態では、大きさ適合素子６４は、不活性化されており、レーザビーム３４の大きさの変更が本質的に存在しない。これと対照的に、図１の右側では、大きさ適合素子６４は、活性化されており、レーザビーム３４は圧縮されている。これは、例えば、ターゲット２０において、レーザビーム３４の空間的なエネルギ密度を増加させる。

熱レーザ蒸発システム１０の本実施例において、付加的に、および一点鎖線によって描かれているように、コリメートレンズ４２は、形状付け装置６０に組み込まれている。従って、特にコンパクトな装置が提供されることができる。

また、図２は、本発明に従う熱レーザ蒸発システム１０の２つの実施例を示している。図１とは対照的に、形状付け装置６０は、位置適合素子６６として構成されている。この位置適合素子６６は、例えばプリズム、ミラー、回折型光学素子および／またはビーム切り出し素子を用いて構成されることができる。

上述したように、形状付け装置６０は、コリメートレンズ４２および焦点レンズ４４によって決定されるレーザビーム形状付け装置４０の一般的な光学的撮像特性に影響を及ぼさない。従って、位置適合素子６６によって提供されるレーザビーム３４の位置の変更は、焦点レンズ４４によってソース２０へ方向付けられ、ソース２０において異なる衝突領域を生じさせる。

付加的に、駆動装置５０が、それぞれの位置適合素子６６の移動を引き起こすように、位置適合素子６６に機械的に接続されている。これにより、ターゲット２０においてレーザビーム３４の衝突領域を能動的に変更および選択することができ、換言すれば、レーザビーム３４内でソース２０の面を走査することができる。

図３は、いくつかの形状付け装置６０、この場合には大きさ適合素子６４および形状適合素子６２を組み合わせる一般的な可能性を示している。形状付け装置６０の各々がコリメートレンズ４２と焦点レンズ４４との間のレーザビーム３４の平行な整列を保存するので、２つ以上の形状付け装置６０の組み合わせも、この保存の機能性を提供する。形状付け適合素子６２の効果は、レーザビーム３４の断面３８を示すことによって描かれており、これにより、示された形状適合素子６２は、円形から楕円形にレーザビーム３４の断面３８を変更する。

図４には、分割装置４６およびその分割素子４８が示されている。分割素子４８では、レーザビーム３４が２つの部分レーザビーム３６に分割されている。各部分レーザビーム３６は、焦点レンズ４４によってソース２０へ独立して方向付けられている。形状付け装置６０（図示せぬ）が、個別および集合的の双方において、それぞれ、例えば部分レーザビーム３６の大きさ、形状および／または位置のようなパラメータを変更するように用いられることもできる。

１０ レーザ蒸発システム
１２ 真空チャンバ
１４ 真空窓
１６ アパーチャ
１８ アパーチャ開口部
２０ ソース
２２ 材料
３０ レーザ光源
３２ 光ファイバ
３４ レーザビーム
３６ 部分レーザビーム
３８ 断面
４０ レーザビーム形状付けシステム
４２ コリメートレンズ
４４ 焦点レンズ
４６ 分割装置
４８ 分割素子
５０ 駆動装置
５２ 上流端部
５４ 下流端部
６０ 形状付け装置
６２ 形状適合素子
６４ 大きさ適合素子
６６ 位置適合素子

Claims (24)

1. ソース（２０）から１つまたは複数の材料（２２）を蒸発させるように熱レーザビーム（３４）を供給するレーザ光源（３０）と、
   前記ソース（２０）へ前記熱レーザビーム（３４）を方向付けるコリメートレンズ（４２）および焦点レンズ（４４）を有した熱レーザビーム形状付けシステム（４０）と、
   真空チャンバ（１２）と、
   前記真空チャンバ（１２）へ前記熱レーザビーム（３４）を伝える真空窓（１４）と、
   前記真空チャンバ（１２）において前記真空窓（１４）と前記ソース（２０）との間に配置されたアパーチャ（１６）と、
   を備え、
   前記熱レーザビーム形状付けシステム（４０）は、前記ソース（２０）における前記熱レーザビーム（３４）の位置、形状および大きさの少なくとも１つを適合するように前記コリメートレンズ（４２）と前記焦点レンズ（４４）との間に配置された形状付け装置（６０）を備えることを特徴とする熱レーザ蒸発システム（１０）。
2. 前記形状付け装置（６０）は、前記コリメートレンズ（４２）の後に前記熱レーザビーム（３４）の平行または少なくとも本質的に平行な整列を保存することを特徴とする請求項１に記載の熱レーザ蒸発システム（１０）。
3. 前記コリメートレンズ（４２）および前記焦点レンズ（４４）は、前記ソース（２０）および前記レーザ光源（３０）に対して前記熱レーザビーム形状付けシステム（４０）内、特に前記熱レーザ蒸発システム（１０）内において静止していることを特徴とする請求項１または２に記載の熱レーザ蒸発システム（１０）。
4. 前記形状付け装置（６０）は、以下の構成要素の少なくともいくつかを有し、前記構成要素は、１つまたは複数のミラー、１つまたは複数のビームコンプレッサ、１つまたは複数のビームエクスパンダ、１つまたは複数のビーム分割器、１つまたは複数のレンズ、１つまたは複数のプリズムおよびこれらの組み合わせの要素の群から選択されることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の熱レーザ蒸発システム（１０）。
5. 前記形状付け装置（６０）は、前記熱レーザビーム（３４）の形状を適合する以下の形状適合素子（６２）の１つ、つまりアナモルフィックプリズムペア、シリンドリカルレンズの組み合せ、ビーム切り出し素子および自由形態ミラーの１つを有することを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の熱レーザ蒸発システム（１０）。
6. 前記形状付け装置（６０）は、前記熱レーザビーム（３４）の大きさを適合する以下の大きさ適合要素（６４）の１つ、つまり焦点はずしレンズおよび調和された焦点レンズ、焦点レンズおよび調和された焦点はずしレンズ、ビーム切り出し素子、ビームコンプレッサ、ビームエクスパンダ並びに自由形態ミラーの１つを有することを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の熱レーザ蒸発システム（１０）。
7. 前記形状付け装置（６０）は、前記ソース（２０）における前記熱レーザビーム（３４）の位置を適合する以下の位置適合素子（６６）の１つ、つまりプリズム、ミラー、特に自由形態ミラー、回折光学素子およびビーム引き出し素子の１つを有することを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の熱レーザ蒸発システム（１０）。
8. 前記熱レーザビーム形状付けシステム（４０）は、前記ソース（２０）における前記熱レーザビーム（３４）の位置を適合することにより前記ソース（２０）を走査するように前記位置適合素子（６６）の少なくとも１つを移動させる駆動装置（５０）を備えることを特徴とする請求項７に記載の熱レーザ蒸発システム（１０）。
9. 前記熱レーザビーム形状付けシステム（４０）は、前記レーザ光源（３０）からやってくる前記熱レーザビーム（３４）を、２つ以上の部分レーザビーム（３６）に分割する分割装置（４６）をさらに備え、前記形状付け装置（６０）は、前記２つ以上の部分レーザビーム（３６）の位置、形状および大きさの少なくとも１つを適合するように構成されることを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載の熱レーザ蒸発システム（１０）。
10. 前記分割装置（４６）は、前記レーザ光源（３０）からやってくる前記熱レーザビーム（３４）を、２つ以上の部分レーザビーム（３６）に分割する以下の分割素子（４８）の１つ、つまりミラー、特に自由形態ミラー、プリズムおよびアパーチャ（１６）の１つを有することを特徴とする請求項８に記載の熱レーザ蒸発システム（１０）。
11. 前記形状付け装置（６０）は、前記２つ以上の部分レーザビーム（３６）の位置、形状および大きさの少なくとも１つについて、前記２つ以上の部分レーザビーム（３６）を異なるように適合するようにして構成されることを特徴とする請求項９または１０に記載の熱レーザ蒸発システム（１０）。
12. 前記熱レーザビーム（３４）は、３０°と６０°との間の角度、特に４５°の角度で前記ソース（２０）に衝突し、これにより、該ソース（２０）に方向付けられた前記熱レーザビーム形状付けシステム（４０）によって調整される楕円形のビームの点が、前記ソース（２０）上に円形のビームの点を生成することを特徴とする請求項１～１１のいずれかに記載の熱レーザ蒸発システム（１０）。
13. 前記コリメートレンズ（４２）および／または前記焦点レンズ（４４）は、前記形状付け装置（６０）に組み込まれ、特に、前記コリメートレンズ（４２）は前記形状付け装置（６０）の上流端部（５２）を形成し、および／または前記焦点レンズ（４４）は前記形状付け装置（６０）の下流端部（５）を形成することを特徴とする請求項１～１２のいずれかに記載の熱レーザ蒸発システム（１０）。
14. 前記焦点レンズ（４４）は、前記真空チャンバ（１２）において前記真空窓（１２）と前記ソース（２０）との間に配置された点状焦点容積に前記熱レーザビーム（３４）の焦点を合わせ、前記アパーチャ（１６）は、アパーチャ開口部（１８）を有し、前記ソース（２０）から蒸発された粒子から前記真空窓（１２）を保護するように、前記焦点容積に前記アパーチャの前記アパーチャ開口部（１８）を備えて配置されることを特徴とする請求項１～１３のいずれかに記載の熱レーザ蒸発システム（１０）。
15. ソース（２０）から１つまたは複数の材料（２２）を蒸発させるように、前記ソース（２０）において熱レーザビーム（３４）を供給する方法であって、
    前記熱レーザビーム（３４）を供給するステップと、
    コリメートレンズ（４２）、形状付け装置（６０）および焦点レンズ（４４）を有した熱レーザビーム形状付けシステム（４０）を経由して、真空チャンバ（１２）へ前記熱レーザビーム（３４）を伝える真空窓（１２）を有する前記真空チャンバ（１２）へと前記熱レーザビーム（３４）を方向付け、前記真空チャンバ（１２）内に配置されたアパーチャ（１６）を通して前記ソース（２０）において前記熱レーザビーム（３４）を方向付けるステップと、
    を含み、
    前記熱レーザビーム形状付けシステム（４０）を経由して前記熱レーザビーム（３４）を方向付けるステップは、前記形状付け装置（６０）による前記ソース（２０）における前記熱レーザビーム（３４）の位置、形状および大きさの少なくとも１つの構成を有することを特徴とする方法。
16. 前記方法は、請求項１～１４の１つに従う熱レーザ蒸発システム（１０）によって実行されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記コリメートレンズ（４２）の後に前記熱レーザビーム（３４）の平行または少なくとも本質的に平行な整列が、前記形状付け装置（６０）によって保存されることを特徴とする請求項１５または１６に記載の方法。
18. 前記熱レーザビーム（３４）の形状は、前記熱レーザビーム（３４）の部分を切り出すことによって、および／または、前記熱レーザビーム（３４）の形状を変更するアナモルフィックプリズムペアおよび／またはシリンドリカルレンズおよび／または自由形態ミラーの組み合せを用いることによって適合されることを特徴とする請求項１５～１７のいずれかに記載の方法。
19. 円形の断面（３８）を有した前記レーザ光源（３０）によって供給される熱レーザビーム（３４）は、前記形状付け装置（６０）によって、楕円形の断面（３８）を有した熱レーザビーム（３４）に変形されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記熱レーザビーム（３４）の大きさは、前記熱レーザビーム（３４）の部分を切り出すことによって、および／または、焦点はずしレンズ（４４）および焦点レンズ（４４）の調和された対および／またはビームコンプレッサおよび／またはビームエクスパンダおよび／または自由形態ミラーを用いることによって適合されることを特徴とする請求項１５～１９のいずれかに記載の方法。
21. 前記ソース（２０）の前記熱レーザビーム（３４）の位置は、前記熱レーザビーム（３４）の部分を切り出すことによって、および／または、特に前記レーザ光源（３０）によって供給される前記熱レーザビーム（３４）の光軸に対して、前記ビーム形状付けシステム内の前記熱レーザビーム（３４）の位置を変更する位置適合素子（６６）、特にミラーおよび／またはプリズムおよび／または回折光学要素を用いることによって適合されることを特徴とする請求項１５～２０のいずれかに記載の方法。
22. 前記熱レーザビーム（３４）の位置を適合することは、前記熱レーザビーム形状付けシステム（４０）の駆動装置（５０）により前記位置適合素子（６６）の少なくとも１つを移動させることによって前記ソース（２０）を横切って前記レーザビーム（３４）を走査することを含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 前記熱レーザビーム形状付けシステム（４０）を経由して前記熱レーザビーム（３４）を方向付けるステップは、前記熱レーザビーム形状付けシステム（４０）の分割装置（４６）によって、前記レーザ光源（３０）からやってくる前記熱レーザビーム（３４）を、２つ以上の部分レーザビーム（３６）に分割することを含むことを特徴とする請求項１５～２２のいずれかに記載の方法。
24. 前記熱レーザビーム形状付けシステム（４０）は、前記真空チャンバ（１２）において前記真空窓（１２）と前記ソース（２０）との間に配置された点状焦点容積に前記熱レーザビーム（３４）の焦点を合わせ、アパーチャ（１６）が、前記点状焦点容積に前記アパーチャのアパーチャ開口部（１８）を有して配置され、前記ソース（２０）から蒸発された粒子から前記真空窓（１２）を保護することを特徴とする請求項１５～２３のいずれかに記載の方法。

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