JP4873443B2 - 微粒子発生方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は微粒子の発生法およびそれを用いる輻射光源に関するものである。

パルスレーザーを固体ターゲットに照射し微粒子を発生させる方法がある（下記非特許文献１参照）。これは、加熱され溶融した固体表面が、パルスレーザーで生成されたプラズマの圧力で揺すぶられて液滴として発生すると説明できる。この機構で発生する微粒子の大きさは、数μmを中心に数十nmから数十μmまで広い分布を持っている。

レーザー照射により数千度から数万度の超高温に加熱された固体ターゲットから気化した蒸気凝集用のガス中で凝集させて数nmから数十nmの超微粒子を形成する手法も知られている（下記非特許文献２参照）。
Z.Toth et al.Appl. Surface Science, 138-139, 130-134, (1999) H.Kroto, et.al.Nature, 318, p162, (1985)

サブμmから数μmの粒子径の微粒子が必要な幾つかの応用がある。例えば、プラズマ光源において波長サブnmないし数十nmの極端紫外光を発生させる場合に、極限の変換効率が、数百μmの直径で、均一分布で、固体密度の1/10000程度のターゲットで得られる。これは、サブμmの微粒子群を供給することにより実現可能である。

ところが、上述のプラズマの衝撃で発生する微粒子は、粒径分布が数十nmから数μmまでと広く、必要なサブμmの微粒子の割合を大きくすることができない。また、レーザーで加熱され溶融された固体表面が、表面で発生するプラズマの飛散時に反作用で強く揺すぶられる。その結果、溶融された固体表面の極一部が千切れ、微粒子が放出されるので、微粒子の大きさは制御できない。また、溶融した物質の一部しか微粒子として飛散しないため、パルスレーザー１ショットで発生される微粒子量が十分でないなどの問題がある。また、気化物質を気中で凝集する方法では、微粒子径を数十nm以上にするのは容易ではないという問題がある。

上記の従来技術の問題を解決するために、第１に、微粒子化すべき物質を透明な基板の上に蒸着、メッキ、接着その他の方法により付着させ、基板に対して透明な波長のレーザーを基板側から照射して該付着させた物質を微粒子として放出することを特徴とする微粒子発生方法を提供する。

第２に、基板の上に付着させた物資を、格子状あるいはその他の形状に細分化したことを特徴とする微粒子発生方法を提供する。

第３に、照射するレーザーのビームパターンを、干渉、回折、あるいは画像転送の手段で成形して細分化したパターンで基板を照射することを特徴とする微粒子発生方法を提供する。

第４に、微粒子化すべき物質が付着した透明な基板を、テープ状もしくは板状で連続的に移動し供給することを特徴とする微粒子発生方法を提供する。

透明基板に付着させた物質を基板側からパルスレーザーで加熱すると、該物質は、基板との界面で高温プラズマになり高い圧力が発生する。この圧力により、付着した物質を基板から剥離することができる。基板に付着させる物質の膜厚を制御すれば、発生する物質量を制御することができる。

基板から剥離した薄膜は、大面積の薄膜のままで運動することはできず、剥離のための高い圧力で粉砕され、その後に表面張力で球形になる。

薄膜の厚さや、剥離する際の圧力等を制御することにより、粉砕される大きさを或る程度制御することができ、微粒子径を制御することができる。剥離する膜に予め切れ目を入れておけば、より精度良く、粒径を制御することができる。

膜に切れ目を入れるのではなく、干渉、回折、イメージ転送の方法でレーザービームパターンを成形することでも、微粒子径を制御することができる。

長尺のテープを基板とすれば高繰り返しで供給できる。剛体の回転円板を基板とすることでも高繰り返し供給できる。

本願発明は、蒸着膜等の付着を行った物質に透明側の背面からレーザー照射し微粒子を発生する。界面で蒸着物質を剥離する構造なため、固体に表面からレーザーアブレーションを行うものと比較して微粒子総量で大きなものを得ることができる。蒸着膜を細分化する方法、レーザーパターンを細分化し蒸着膜に照射し微粒子を放出する方法においては目的とする均一な微粒子径を得ることができる。そのため、狭帯域な粒度分布が要求される応用に必要な供給量を少ない微粒子総量により供給することが可能となる。

また、テープ状、板状の蒸着ターゲットにおいては移動、回転が簡便に行えるため、高繰り返し動作が可能である。以上の点から、目的とされる微粒子径が限定される場合、少ない照射面積で粒子径のそろった微粒子を発生させることができる。そのため、供給すべきテープ等の速度は、遅くできるとともに長時間の連続供給にも対応できる構造となる。さらにアブレーション用レーザーの出力が抑えられるため、小型レーザーの使用が可能となり、装置の小型化をはかることができる。

以下に本願発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１に示すように、高繰り返し可能なパルスレーザーを透明媒質１の方向から照射し、透明媒質１及び蒸着膜２の界面においてレーザーエネルギーを吸収させることにより、該界面において高圧力のプラズマが生じる。該蒸着膜２は、該高圧力のプラズマにより剥離される。この際、加熱で液化した該蒸着物質は、蒸着膜の厚さ、粘性、プラズマからの圧力で微粒子として分離され同時に放出される。

100nmの蒸着膜にレーザーアブレーションのしきい値程度の照射強度2J/cm²のYAGレーザー照射では、背面の透明基板側からレーザー照射した場合には、蒸着膜は、完全に微粒子として放出されたが、正面の蒸着面側から照射された場合には、蒸着膜は完全には放出されなかった。

この背面からレーザー照射を行い放出された微粒子のほとんどは、1μm径以下の直径であり、最大でも2μm程度であった。塊の固体ターゲットに同様な条件でレーザーアブレーションを行った場合、数10μm以上の多数の微粒子が放出される。これらは体積としてはサブμmの微粒子の数千倍の体積を持つ。微粒子径がサブμmに限定される極端紫外プラズマ光源の場合、使用可能な微粒子量は大幅に減少する。

蒸着ターゲットの場合、照射強度、パルス幅にも依存するが、パルス幅10nsのYAGレーザーの照射強度2J/cm²において、液化が行われるアブレーション深さは、数100nmであるため、蒸着膜厚み数100nmのターゲットにおいては微細化できる。

膜厚が1μmを超えるターゲットに関しては、レーザーによる加熱では表面まで液化されず、面方向の強度を十分残し微粒子とならず、面状で放出される。したがって、微粒子化を目的とした場合の蒸着膜の厚みの最大値は約1μmである。

ただし、図２に示した微細構造の膜に関しては、面方向で分離されているため、膜厚の最大値はこの限りではない。

また、膜厚の最小は、照射されるレーザーのエネルギーを吸収できる厚みである。典型的な例として、YAGレーザー（波長1.06μm）をSn蒸着膜に照射する場合、減衰係数k=8.05であるため、10nmで約60％のレーザー光を吸収する。このため、膜厚の最小限は、レーザー光の大半を吸収できる10nm以上である。したがって、対象となる膜厚の範囲は10nmから1μmと考えられる。

放出されるアブレーション物質は、レーザーの発振波長において膜状で吸収率の高い物質でなくてはならず、金属などがこれに該当する。なお、微粒子の不純物の物質、量ともに問題にならない場合、蒸着膜には１，２の中間層に密着性の高い別の材質の薄い層を吸収率向上のため設けても構わない。

蒸着膜の製造は、真空蒸着、イオン銃、RFプラズマのスパッタ蒸着等の方法が考えられる。また、片側の蒸着膜にメッキ加工を行い、膜厚を制御したものでもかまわない。透明な接着剤を用いて片面に膜を付着したもの、絶縁物質を帯電等により片側に微粒子を付着したものでもかまわない。

透明基板である被付着材は、フィルム状、板状を構成できるポリエチレン、塩化ビニール等の高分子材料、ガラス、石英等の材料が考えられる。

透明基板の厚さは、フィルムとして湾曲して取り扱える、数μmから100μm程度の厚みが適当となる。また、板として回転、移動して取り扱う場合は剛体として取れ扱える1mmから10mm程度の厚みが適当となる。

アブレーションを行うためのレーザーとしては、パルスレーザーが使われる。代表例としては、発振波長で上記のような透明な材料が得られやすい可視、近赤外域のYAGレーザー（波長1.06μm、0.53μm）等が考えられる。

レーザー照射面積には制限がないが、搬送管の作動排気を利用して微粒子を捕獲、輸送する方法においては、レーザーアブレーションにより発生させた微粒子の捕獲効率は、100Torr空気圧力中において、作動排気入り口直径3mmにおいて発生した微粒子は、30％まで捕集することができるが、直径20mmにおいては1〜2％程度までに落ちる。したがって、レーザー照射面積を増加させることにより微粒子量を増加することにはつながらない。現実的なレーザー照射面積としては直径1cm程度と考えられる。

図２に示すように、蒸着膜は、予め格子状及びそれに類似する方法により分離することで、目的とする一定の大きさに分離する方法もある。この方法においては膜自体が細分化されているため膜厚による影響は全く受けない。

同様に、図３に示すように、レーザーパターンを格子状等にすることにより粒子径を制御することも可能である。この場合、均一な粒子を取り出すためには膜自体は細分化されていないため、図１に示す程度の厚みとなる。また、照射パターンは、照射暗部に照射明部のアブレーション深さに相当する熱伝導の影響を受けないため、1μm以上の間隔が必要である。照射暗部には10nsパルス幅を持つYAGレーザーの場合、レーザーアブレーションしきい値である約1J/cm^２以下である必要があり、明部にはそれ以上が要求される。

微粒子群ターゲットを10nsパルス幅のYAGレーザーにより極端紫外プラズマ光源とする場合において、中心までプラズマ化を行うことのできる径は、約1μmである。微粒子中心までプラズマ化することにより飛散物の汚染の影響を低減することが可能である。このため、微粒子径は、1μm以下に設定する必要がある。

レーザーパルス幅に関しては、界面にエネルギーを注入でき、アブレーションにより発生する高圧の気体でもって膜を剥離し、微粒子に微細化するのに十分短いパルス幅が必要である。上記のように10nsパルスのレーザーによる膜厚の最大値が1μm程度であるように、短パルスになるにつれ膜厚も減少する。そのため、微粒子としての供給量も減少する。一方、長パルスレーザーでは、最適な膜厚は厚いものになるが、発生する微粒子の最大径は、大型化する。対象とする微粒子径がサブμm径のような極端紫外光源の場合、中心までプラズマ化できない径が発生することとなる。したがって、効果的かつプラズマ光源への最適径での微粒子発生を考えた場合、レーザーパルス幅は10nsが最適と考えられる。

図１の配置において、YAGレーザーを照射することにより微少粒子群を過渡的に発生させる。放出した微粒子を捕獲、輸送することでプラズマ光源等の応用として用いることができる。さらに放出された微粒子群をさらにレーザーで照射することによりプラズマ光源を生成することも可能である。この際に1μm以上の蒸着膜が厚すぎてアブレーション放出時の圧力で細分できないほど強度なものには適応できない。

図２に示すように、蒸着面が格子状又はそれに類する形状に細分化し、該細分化された蒸着面にパルスレーザーを透明側の背面から界面へ照射することにより、レーザー光を吸収し、界面で剥離することにより予め細分化された微粒子として放出することができる。実施例１と同様の微粒子ターゲットとして描画、プラズマ源等に用いることができる。蒸着膜が厚い場合でも予め蒸着膜の横方向のつながりが無いため、厚みに関係なく微粒子を放出することができる。

図３に示すように、界面をアブレーションさせるレーザー光を細分化させることにより、界面に照射した際、レーザー照射される位置とされない場所に細分化し、実施例2と同様の効果を生じさせることができる。実施例1と同様にアブレーションによる圧力で細分化できないほど厚い場合、適さない場合がある。同時に暗部の幅は、明部に照射されたレーザーエネルギーが熱伝導で伝わらない1μm程度の間隔を必要とする。

本願発明に係る、最も基本的なレーザー照射による微粒子発生方法を説明する図 本願発明に係る、改良されたレーザー照射による微粒子発生方法を説明する図 本願発明に係る、別の改良されたレーザー照射による微粒子発生方法を説明する図

符号の説明

１ 透明媒質
２ 蒸着膜
３ アブレーション領域
４ 放出粒子

Claims (10)

1. プラズマ光源に用いる粒子径がサブμｍの微粒子の発生方法であって、微粒子化すべき物質を透明な基板の上に蒸着により１μｍ以下の蒸着膜を付着させ、該基板に対して透明な波長のレーザーを基板側から照射することにより、該物質を微粒子群として放出することを特徴とする微粒子発生方法。
2. 上記レーザーは、パルスレーザーであることを特徴とする請求項１に記載の微粒子発生方法。
3. 上記物質を細分化したことを特徴とする請求項１又は２に記載の微粒子発生方法。
4. 上記レーザーのビームパターンを干渉、回折又は画像転送の手段により細分化し基板に照射することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の微粒子発生方法。
5. 上記基板の形態をテープ状又は板状とし、連続的に供給することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の微粒子発生方法。
6. 上記物質として金属を用いたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の微粒子発生方法。
7. 上記物質は、Ａｌ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｔａ，Ｗ，Ｔａ，Ｐｔ，Ａｕ若しくはＰｂ又はそれらの酸化物であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の微粒子発生方法。
8. 請求項１から７に記載の微粒子発生方法により生成した微粒子群を他のパルスレーザーにより照射し、生成したプラズマを光源とすることを特徴とするプラズマ輻射光源。
9. プラズマ光源に用いる粒子径がサブμｍの微粒子を発生させる微粒子発生装置であって、微粒子化すべき物質からなる１μｍ以下の蒸着膜を付着した透明な基板、該付着した物質を剥離するための該基板に対して透明な波長のレーザー及び該レーザーを該基板側から照射する手段を有し、該物質を微粒子群として放出することを特徴とする微粒子発生装置。
10. 輻射光源装置であって、パルスレーザー、請求項１乃至７のいずれか1項記載の微粒子発生方法により微粒子を発生する装置、発生した微粒子群を他のパルスレーザーにより照射する手段、該照射により生成されたプラズマを光源とすることを特徴とする輻射光源装置。

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