JP5658962B2

JP5658962B2 - Cluster generator

Info

Publication number: JP5658962B2
Application number: JP2010218199A
Authority: JP
Inventors: 俊夫滝谷; 利幸岡田
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Kanadevia Corp
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: JP2012072443A

Description

この発明は、基板上にナノクラスターを堆積させて成膜するために、レーザーアブレーション法によって、クラスターを生成するためのクラスター生成装置に関する。 The present invention relates to a cluster generation apparatus for generating clusters by laser ablation in order to deposit nanoclusters on a substrate to form a film.

この種のクラスター生成装置としては、クラスターセルが、クラスタ生成空間を有しており、クラスタ生成空間を区画する面に、衝撃波反射面が形成されており、衝撃波反射面は、基準軸線を有しかつ基準軸線上に焦点を有する凹状曲面よりなり、基準軸線上における衝撃波反射面から焦点を超えたところに複数のターゲットが配置されており、レーザ手段によって、各ターゲットに、同一波長のレーザが照射され、これにより、各ターゲットを蒸発させて衝撃波が発生させられるようになされているものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。 In this type of cluster generation device, a cluster cell has a cluster generation space, and a shock wave reflection surface is formed on a surface that divides the cluster generation space, and the shock wave reflection surface has a reference axis. In addition, the target is composed of a concave curved surface having a focal point on the reference axis, and a plurality of targets are arranged on the reference axis beyond the focal point from the shock wave reflection surface. Thus, it is known that a shock wave is generated by evaporating each target (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

この従来装置では、サイズ分散性の低い単一材料のシングルナノクラスターを効率良く得ることができる。 With this conventional apparatus, single nanoclusters of a single material with low size dispersibility can be obtained efficiently.

ナノクラスターを利用してインテリジェント材料等の新規材料を開発する場合、複合ナノクラスター、即ち、複合材料のナノクラスターが必須となるが、この要求に、上記従来装置では対応することができなかった。
特開２００１−１５８９５６号公報特開２００２−３８２５７号公報 When a new material such as an intelligent material is developed using a nanocluster, a composite nanocluster, that is, a nanocluster of a composite material is indispensable. However, the above-mentioned conventional apparatus cannot meet this requirement.
JP 2001-158956 A JP 2002-38257 A

この発明の目的は、サイズ分散性の低い複合ナノクラスターを効率良く生成することのできるクラスター生成装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a cluster generation apparatus that can efficiently generate composite nanoclusters with low size dispersion.

この発明によるクラスター生成装置は、クラスターセルが、クラスター生成空間を有しており、クラスター生成空間を区画する面に、衝撃波反射面が形成されており、衝撃波反射面は、基準軸線を有しかつ基準軸線上に焦点を有する凹状曲面よりなり、基準軸線上における衝撃波反射面から焦点を超えたところに複数のターゲットが配置されており、同ターゲットは、基準軸線の周囲にその周方向に並べられかつターゲット毎に異なる種類の材料によって形成されており、レーザ手段によって、各ターゲットにレーザが照射され、これにより、各ターゲットを蒸発させて衝撃波が発生させられるようになされており、レーザ手段は、ターゲットの材料の種類に対応する複数種類の波長のレーザを、クラスター生成空間に各ターゲットに対応して形成されたレーザ導入孔を通じて、ターゲット毎に照射可能としており、各ターゲットは、蒸発面を有しているとともに、同蒸発面におけるレーザ導入孔の軸線と交差している点からのびた法線が焦点を通るように配置されているものである。 The present invention clusters generating apparatus according to the cluster cells, has a cluster generation space, the surface defining the cluster generating space, and the shock wave reflective surface is formed, the shock wave reflective surface have a reference axis In addition, the target has a concave curved surface having a focal point on the reference axis, and a plurality of targets are arranged on the reference axis beyond the focal point from the shock wave reflecting surface, and the targets are arranged in the circumferential direction around the reference axis. Each target is formed of different types of materials, and each target is irradiated with a laser by the laser means, whereby each target is evaporated to generate a shock wave. a laser of a plurality of types of wavelengths corresponding to the type of the target material, corresponding to each target cluster generating space Through the formation laser introduction hole, and capable of irradiating each target, each target, together we have an evaporation surface, the normal focus extending from a point intersecting with the axis of the laser introduction hole in the evaporation surface It is arranged to pass through .

この発明によるクラスター生成装置では、複数のターゲットから発生させられた材料の異なる複数種類の蒸気原子塊（プルーム）を、これと同時に発生させられて焦点において収束させられた衝撃波と衝突させることにより、複数種類の材料を効率良く混合して、複合ナノクラスターを生成することができる。 In the cluster generation apparatus according to the present invention, a plurality of types of vapor atomic masses (plumes) of different materials generated from a plurality of targets are collided with a shock wave generated at the same time and converged at a focal point. Multiple types of materials can be efficiently mixed to produce composite nanoclusters.

この発明によれば、サイズ分散性の低い複合ナノクラスターを効率良く生成することのできるクラスター生成装置が提供される。 According to the present invention, there is provided a cluster generation apparatus that can efficiently generate composite nanoclusters with low size dispersibility.

この発明によるクラスター生成装置の垂直縦断面図である。It is a vertical longitudinal cross-sectional view of the cluster production | generation apparatus by this invention. 同クラスター生成装置のターゲット周辺の正面図である。It is a front view of the target periphery of the cluster generation device. 同クラスター生成装置の変形例による垂直縦断面図である。It is a vertical longitudinal cross-sectional view by the modification of the cluster production | generation apparatus. 同変形例によるクラスター生成装置のターゲット周辺の正面図である。It is a front view of a target periphery of a cluster generation device according to the modification.

この発明の実施の形態を図面を参照しながらつぎに説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

以下の説明において、前後とは、図１右側を前、これと反対側を後というものとする。 In the following description, the front and rear refer to the right side of FIG. 1 as the front and the opposite side as the rear.

クラスターセル11は、クラスター生成空間21を有している。クラスター生成空間21には、図示しない手段によって希ガスが供給されるようになっている。クラスター生成空間21の後側には窓22が形成されている。クラスター生成空間21の上側には前斜め上向きにのびた第１レーザ導入孔23が、その下側には前斜め下向きにのびた第２レーザ導入孔24がそれぞれ形成されている。クラスター生成空間21の前側には水平状クラスター導出孔25が形成されている。 The cluster cell 11 has a cluster generation space 21. The cluster generation space 21 is supplied with a rare gas by means not shown. A window 22 is formed on the rear side of the cluster generation space 21. A first laser introduction hole 23 extending forward and obliquely upward is formed on the upper side of the cluster generation space 21, and a second laser introduction hole 24 extending forward and obliquely downward is formed on the lower side thereof. On the front side of the cluster generation space 21, a horizontal cluster outlet hole 25 is formed.

クラスター生成空間21は、左右方向にのびた水平状基準軸線CLを回転軸とする回転楕円面31によって区画されかつその楕円面31の後方焦点32および前方焦点33を有している。 The cluster generation space 21 is partitioned by a spheroid 31 having a horizontal reference axis CL extending in the left-right direction as a rotation axis, and has a rear focal point 32 and a front focal point 33 of the elliptical surface 31.

クラスター生成空間21の、後方焦点32を通る垂直面よりも後方部分が開口されて、窓22に連通させられている。 A rear portion of the cluster generation space 21 is opened from a vertical plane passing through the rear focal point 32 and communicated with the window 22.

第１および第２レーザ導入孔23、24の軸線は、基準軸線CLの周方向に等間隔をおいて基準軸線CL上において互いに９０°の角度をもって交差させられている。 The axes of the first and second laser introduction holes 23 and 24 intersect each other at an angle of 90 ° on the reference axis CL at equal intervals in the circumferential direction of the reference axis CL.

窓22には垂直円板状ホルダ41が出入自在にはめ入れられている。ホルダ41の後側面中央には、クラスター生成空間21の基準軸線CLと同心の水平状トランスファロッド42の前端部が連結されている。ホルダ41の前側面には凹所43が形成されている。凹所43の周面には９０°の角度をもつテーパ面44が形成されている。 A vertical disk-shaped holder 41 is fitted in the window 22 so as to be freely accessible. A front end portion of a horizontal transfer rod 42 concentric with the reference axis CL of the cluster generation space 21 is connected to the center of the rear side surface of the holder 41. A recess 43 is formed in the front side surface of the holder 41. A tapered surface 44 having an angle of 90 ° is formed on the peripheral surface of the recess 43.

第１レーザ導入孔23の軸線延長線上に第１ガイド孔51が、その第２レーザ導入孔24の軸線延長線上に第２ガイド孔52がそれぞれ形成されている。第１および第２ガイド孔51、52は、ホルダ41周方向に等間隔をおいて、ホルダ41の外面からテーパ面44にかけて、ホルダ41に貫通させられている。 A first guide hole 51 is formed on the extension line of the first laser introduction hole 23, and a second guide hole 52 is formed on the extension line of the second laser introduction hole 24. The first and second guide holes 51 and 52 are passed through the holder 41 from the outer surface of the holder 41 to the tapered surface 44 at equal intervals in the circumferential direction of the holder 41.

第１ガイド孔51に第１回転ロッド53が、第２ガイド孔52に第２回転ロッド54がそれぞれ通されている。第１回転ロッド53の内端に第１ターゲット55が、第２回転ロッド54の内端に第２ターゲット56がそれぞれ固定されている。両ターゲット51、52は、クラスター生成空間21の基準軸線CLを挟んでその上下両側に位置させられかつともに円板状をなしているが、材料を異にするものである。 A first rotating rod 53 is passed through the first guide hole 51, and a second rotating rod 54 is passed through the second guide hole 52. A first target 55 is fixed to the inner end of the first rotating rod 53, and a second target 56 is fixed to the inner end of the second rotating rod 54. Both targets 51 and 52 are positioned on both upper and lower sides of the reference axis CL of the cluster generation space 21 and are both disk-shaped, but are made of different materials.

第１ターゲット55は、右上向きの第１蒸発面55aを有している。第２ターゲット56は、右下向きの第２蒸発面56aを有している。第１蒸発面55aの回転中心から偏心されらせた部分に第１レーザ導入孔23の軸線が交差させられている。この交差点からのびた法線が前方焦点33を通過させられている。第２蒸発面56aの回転中心から偏心させられた部分に第２レーザ導入孔24の軸線が交差させられている。この交差点からのびた法線が前方焦点33を通過させられている。 The first target 55 has a first evaporation surface 55a facing upward. The second target 56 has a second evaporation surface 56a facing downward to the right. The axis of the first laser introduction hole 23 intersects with a portion eccentric from the rotation center of the first evaporation surface 55a. A normal extending from this intersection is passed through the front focal point 33. The axis of the second laser introduction hole 24 intersects with a portion eccentric from the rotation center of the second evaporation surface 56a. A normal extending from this intersection is passed through the front focal point 33.

クラスター導出孔25の前方開口本端にはディフューザ61が形成されている。ディフューザ61は、差動排気室62に開放されている。差動排気室62には排気パイプ63が連通させられている。差動排気室62および排気パイプ63の境界にはスキマー64が備えられている。 A diffuser 61 is formed at the front opening main end of the cluster outlet hole 25. The diffuser 61 is open to the differential exhaust chamber 62. An exhaust pipe 63 is communicated with the differential exhaust chamber 62. A skimmer 64 is provided at the boundary between the differential exhaust chamber 62 and the exhaust pipe 63.

第１および第２レーザ導入孔23、24には、波長可変レーザ発信器（図示略）より、異なる波長のレーザが導入される。導入されるレーザの波長は、第１および第２ターゲット55、56の材料によって適宜選択される。 Lasers having different wavelengths are introduced into the first and second laser introduction holes 23 and 24 from a wavelength variable laser transmitter (not shown). The wavelength of the laser to be introduced is appropriately selected depending on the materials of the first and second targets 55 and 56.

つぎに、クラスター生成の過程を説明する。 Next, the cluster generation process will be described.

まず、第１および第２レーザ導入孔23、24を通じて、波長の異なる２種類のナノ秒パルスのレーザを、対応する第１および第２ターゲット55、56の蒸発面55a、56aにそれぞれ同時に照射する。両ターゲット55、56は急激に蒸発・膨張して、材料元素の異なる２種類の蒸気原子塊を形成し、形成された２種類の蒸気原子塊はクラスター生成空間21内を同時に前向きに進行していく。続いて、蒸気原子塊が急激に蒸発・膨張したことにともなって、クラスター生成空間21内の２カ所の蒸発面55a、56a上から衝撃波が発生し、クラスター生成空間21内を伝搬する。蒸発した蒸気原子塊の進行速度より衝撃波の伝搬速度の方が大きい。２カ所から発生した衝撃波は、それぞれ、クラスター生成空間21の楕円面31で反射して、前方焦点33付近に収束する。後から進行してきた２種類の蒸気原子塊は、収束した衝撃波と衝突して、クラスター化される。この場合、２種類の蒸気原子塊は、衝撃波の収束点、即ち、前方焦点33付近において混合される。衝撃波の後方には、蒸気原子塊と希ガスの境界である接触面が続いているが、この接触面は反射衝撃波と干渉して一定時間定住する。この領域で蒸気原子塊は急冷却を受けて結晶化し、これにより複合クラスターが生成される。しかも、この領域は高速気流（クラスター生成空間21への希ガス供給による）によって作られているため拡散現象に支配されず、均一な熱力学条件を持つ閉じ込め領域となっている。したがって、この領域からは均一サイズの結晶核が生成され、さらに膨張過程を経過する間にも均一にクラスター成長する。生成された複合クラスターは、クラスター生成空間21内に供給された希ガスを、差動排気室62を通じて真空引きし、かつ、クラスター導出孔25を通じて、ディフューザ61による圧力降下をともなって、クラスター生成空間21から差動排気室62に効率よく導出される。差動排気室62内の複合クラスターは、スキマー64によって、一方向の進行速度をもつビームの形に整えられ、排気パイプ63を通じて、基板（図示略）まで導かれる。 First, two types of nanosecond pulse lasers with different wavelengths are simultaneously irradiated onto the evaporation surfaces 55a and 56a of the corresponding first and second targets 55 and 56 through the first and second laser introduction holes 23 and 24, respectively. . Both targets 55 and 56 rapidly evaporate and expand to form two types of vapor atomic masses with different material elements, and the two types of vapor atomic masses that have formed simultaneously proceed forward in the cluster generation space 21. Go. Subsequently, as the vapor atomic mass rapidly evaporates and expands, shock waves are generated from the two evaporation surfaces 55 a and 56 a in the cluster generation space 21 and propagate in the cluster generation space 21. The propagation speed of the shock wave is larger than the traveling speed of the evaporated vapor atomic mass. The shock waves generated from the two places are reflected by the ellipsoid 31 of the cluster generation space 21 and converge near the front focal point 33. Two kinds of vapor atomic masses that have progressed later collide with the converged shock waves and are clustered. In this case, the two types of vapor atomic masses are mixed at the shock wave convergence point, that is, in the vicinity of the front focal point 33. A contact surface that is a boundary between the vapor atomic mass and the rare gas continues behind the shock wave, but this contact surface settles for a certain time by interfering with the reflected shock wave. In this region, the vapor atomic mass undergoes rapid cooling and crystallizes, thereby generating a composite cluster. Moreover, since this region is created by a high-speed air flow (by supplying a rare gas to the cluster generation space 21), it is not confined by the diffusion phenomenon and is a confined region having uniform thermodynamic conditions. Therefore, uniform-sized crystal nuclei are generated from this region, and further, cluster growth occurs uniformly during the expansion process. The generated composite cluster is evacuated from the rare gas supplied into the cluster generation space 21 through the differential exhaust chamber 62, and with a pressure drop by the diffuser 61 through the cluster outlet hole 25, thereby generating a cluster generation space. 21 to the differential exhaust chamber 62 efficiently. The composite cluster in the differential exhaust chamber 62 is arranged into a beam having a traveling speed in one direction by a skimmer 64 and guided to a substrate (not shown) through the exhaust pipe 63.

上記において、両ターゲット55、56にレーザを照射する際、図示しない手段によって両回転ロッド53、54を回転させることにより、両ターゲット55、56の蒸発面55a、56aの広範囲へのレーザ照射が可能となる。 In the above, when irradiating laser to both targets 55 and 56, by rotating both rotating rods 53 and 54 by means not shown, laser irradiation to a wide range of evaporation surfaces 55a and 56a of both targets 55 and 56 is possible. It becomes.

図３および図４に、図１および図２に示す実施例の変形例が示されている。上記実施例では、クラスター生成空間21内で生成したクラスターをクラスター生成空間21から取り出し、これを、基板に堆積するようにしていたが、この変形例では、クラスター生成空間21内で生成したクラスターを、これをクラスター生成空間21から取り出すこと無く、クラスター生成空間21内で基板に堆積させている。 3 and 4 show a modification of the embodiment shown in FIGS. In the above embodiment, the clusters generated in the cluster generation space 21 are taken out from the cluster generation space 21 and deposited on the substrate. In this modification, the clusters generated in the cluster generation space 21 are collected. These are deposited on the substrate in the cluster generation space 21 without taking them out from the cluster generation space 21.

両ターゲット55、56間に２つの方形状基板Sが両ターゲット55、56と同様の態様で配列されている。上記実施例のクラスター導出孔25に相当するものは、不必要である。ディフューザ61、差動排気室62、排気パイプ63およびスキマー64も必要が無い。 Two rectangular substrates S are arranged between both targets 55 and 56 in the same manner as both targets 55 and 56. Those corresponding to the cluster outlet holes 25 of the above embodiment are unnecessary. The diffuser 61, the differential exhaust chamber 62, the exhaust pipe 63, and the skimmer 64 are not necessary.

この変形例においても、前方焦点33付近のクラスター生成領域にクラスターが収束するメカニズムは、上記実施例と同じである。 Also in this modification, the mechanism by which the cluster converges in the cluster generation region near the front focal point 33 is the same as in the above embodiment.

クラスター生成空間21からクラスターは、希ガスとともに流出することは無いため、クラスター生成クラスター生成領域付近の希ガスの圧力が次第に高くなり、それにつれて、反射衝撃波も強くなる。これにより、クラスター生成領域でクラスター化された蒸気原子塊は後向きに押し戻される。このときに、押し戻される蒸気原子塊のもつ運動エネルギーは、クラスター化されることによって失われる。その後、押し戻されたクラスターは、基板Sの成膜面に堆積される。堆積時のクラスターの速度は大きく無いため、成膜させるために都合の良い条件となっている。
Since the cluster does not flow out together with the rare gas from the cluster generation space 21, the pressure of the rare gas in the vicinity of the cluster generation cluster generation region is gradually increased, and the reflected shock wave is also increased accordingly. Thereby, the vapor atomic clusters clustered in the cluster generation region are pushed back backward. At this time, the kinetic energy of the vapor atomic mass pushed back is lost by being clustered. Thereafter, the pushed-back cluster is deposited on the film formation surface of the substrate S. Since the cluster speed during deposition is not large, it is a convenient condition for film formation.

この発明によるクラスター生成装置は、基板上にナノクラスターを堆積させて成膜するために、レーザーアブレーション法によって、クラスターを生成することを達成するのに適している。 The cluster generation apparatus according to the present invention is suitable for achieving generation of clusters by a laser ablation method in order to deposit nanoclusters on a substrate to form a film.

11 クラスターセル
21 クラスタ生成空間
23、24 レーザ導入孔
31 楕円面
33 焦点
55、56 ターゲット
CL 基準軸線 11 Cluster cell
21 Cluster generation space
23, 24 Laser introduction hole
31 Ellipsoid
33 Focus
55, 56 targets
CL reference axis

Claims

Cluster cells, has a cluster generation space, the surface defining the cluster generation space, the shock wave reflective surface is formed, the shock wave reflective surface has a reference axis and a focal point to the reference axis A plurality of targets are arranged on the reference axis beyond the focal point from the shock wave reflecting surface on the reference axis, and the targets are arranged in the circumferential direction around the reference axis and are different for each target. The laser means irradiates each target with a laser, thereby causing each target to evaporate and generate a shock wave. a laser having a wavelength corresponding plural kinds, through laser introduction holes formed in correspondence with each target cluster generating space, data And capable of irradiating each target, each target, together have an evaporation surface, a normal line extending from a point intersecting with the axis of the laser introduction hole in the evaporation surface is disposed so as to pass through the focal point Cluster generator.