JPH064913B2 - レーザ蒸着装置 - Google Patents
レーザ蒸着装置Info
- Publication number
- JPH064913B2 JPH064913B2 JP1240656A JP24065689A JPH064913B2 JP H064913 B2 JPH064913 B2 JP H064913B2 JP 1240656 A JP1240656 A JP 1240656A JP 24065689 A JP24065689 A JP 24065689A JP H064913 B2 JPH064913 B2 JP H064913B2
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- vapor deposition
- laser
- sample
- vacuum chamber
- sample substrate
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、各種の金属、合金、セラミックス、半導体
からなる基板の表面に、炭素、金属、半導体等の導電性
材料を蒸発させ蒸着する、レーザ蒸着装置に関するもの
である。
からなる基板の表面に、炭素、金属、半導体等の導電性
材料を蒸発させ蒸着する、レーザ蒸着装置に関するもの
である。
［従来の技術］ 第５図に従来のレーザ蒸着装置を示す。真空チャンバー
１に設置した軸回転しているリング状の蒸着用試料３に
レーザ光７を集光照射することにより蒸着用試料３を蒸
発させ、蒸発粒子を金属等の試料基板４に堆積させるレ
ーザ蒸着装置によって、基板材料と密着性に優れた蒸着
膜が得られ基板材料の耐摩耗性、耐食性、耐熱性等を向
上させることができる。これらの技術に関しては特公昭
62-230号公報に記載されている。
１に設置した軸回転しているリング状の蒸着用試料３に
レーザ光７を集光照射することにより蒸着用試料３を蒸
発させ、蒸発粒子を金属等の試料基板４に堆積させるレ
ーザ蒸着装置によって、基板材料と密着性に優れた蒸着
膜が得られ基板材料の耐摩耗性、耐食性、耐熱性等を向
上させることができる。これらの技術に関しては特公昭
62-230号公報に記載されている。
さらに第６図に示すように、最適組成の被覆層の形成、
緻密で強度特性の優れた被覆層の形成、被覆層と基板と
の密着性を向上するために、上記装置にイオンビームを
照射するためイオンガン13を有するものが公知である
（特開昭62-170474号公報）。
緻密で強度特性の優れた被覆層の形成、被覆層と基板と
の密着性を向上するために、上記装置にイオンビームを
照射するためイオンガン13を有するものが公知である
（特開昭62-170474号公報）。
［発明が解決しようとする課題］ 従来のレーザ蒸着装置では蒸着用材料の加熱蒸発エネル
ギー源として高価なレーザ光のみを利用しているため運
転コストや設備コストが高くつきその産業上の利用は限
られている。
ギー源として高価なレーザ光のみを利用しているため運
転コストや設備コストが高くつきその産業上の利用は限
られている。
また熱伝導度、蒸発温度の高い材料の蒸着を行なう場
合、蒸着用材料のレーザ光の被照射部で熱伝導によるエ
ネルギーロスが大きく、蒸発温度まで上がり難いため、
蒸着用材料の蒸発量が少なく蒸着速度が低いという問題
があった。この対策として蒸着用材料に照射するレーザ
エネルギーを大きくして蒸発量を多くすることが考えら
れるが、レーザエネルギーを大きくすると、レーザ蒸着
装置内に設置されているレーザ光学部品のレーザ光吸収
量が増すために光学部品が過熱され、破損する問題が発
生する。特に光学部品の蒸発粒子の付着等で汚れたいる
場合は、破損することが多い。
合、蒸着用材料のレーザ光の被照射部で熱伝導によるエ
ネルギーロスが大きく、蒸発温度まで上がり難いため、
蒸着用材料の蒸発量が少なく蒸着速度が低いという問題
があった。この対策として蒸着用材料に照射するレーザ
エネルギーを大きくして蒸発量を多くすることが考えら
れるが、レーザエネルギーを大きくすると、レーザ蒸着
装置内に設置されているレーザ光学部品のレーザ光吸収
量が増すために光学部品が過熱され、破損する問題が発
生する。特に光学部品の蒸発粒子の付着等で汚れたいる
場合は、破損することが多い。
またダイヤモンドに近い特性を有し、特に平坦かつ潤滑
性に優れ耐摩耗保護膜として期待されている硬質炭素膜
をグラファイトを用いて形成する場合、従来のレーザ蒸
着装置では、蒸発粒子が蒸着用材料と同じグラファイト
構造のクラスター状で試料基板に飛来し蒸着するため、
蒸着用材料と同質の膜が形成され、硬質な非晶質炭素膜
の形成は不可能であった。
性に優れ耐摩耗保護膜として期待されている硬質炭素膜
をグラファイトを用いて形成する場合、従来のレーザ蒸
着装置では、蒸発粒子が蒸着用材料と同じグラファイト
構造のクラスター状で試料基板に飛来し蒸着するため、
蒸着用材料と同質の膜が形成され、硬質な非晶質炭素膜
の形成は不可能であった。
本発明はこのような従来技術の問題点を解消し、低出力
のレーザ光で蒸着速度を大きくできると共に、硬質の非
晶質炭素膜を形成することが可能なレーザ蒸着装置を提
供することを目的とする。
のレーザ光で蒸着速度を大きくできると共に、硬質の非
晶質炭素膜を形成することが可能なレーザ蒸着装置を提
供することを目的とする。
［課題を解決するための手段］ この目的を達成するための本発明に係るレーザ蒸着装置
は、真空チャンバー内で軸回転する蒸着用試料と、レー
ザ光を導入しかつ該蒸着用試料に集光照射する光学部品
と、前記蒸着用試料に対向して配置されその表面に蒸着
による被覆層が形成される試料基板と、必要あらばイオ
ンガンとで構成されるレーザ蒸着装置において、真空チ
ャンバー及び真空チャンバー内に設けた陽極と前記蒸着
用材料に接続された陰極電源を有することを特徴とす
る。
は、真空チャンバー内で軸回転する蒸着用試料と、レー
ザ光を導入しかつ該蒸着用試料に集光照射する光学部品
と、前記蒸着用試料に対向して配置されその表面に蒸着
による被覆層が形成される試料基板と、必要あらばイオ
ンガンとで構成されるレーザ蒸着装置において、真空チ
ャンバー及び真空チャンバー内に設けた陽極と前記蒸着
用材料に接続された陰極電源を有することを特徴とす
る。
［作用］ この発明において、負電圧を印加されている蒸着用材料
からは、レーザ加熱により発生する蒸発粒子と熱電子が
発生するため、安定した真空アーク放電を容易に誘起さ
せることができ、レーザ光による加熱の他に、放電によ
り蒸発粒子の発生量を増加させることができる。このた
めレーザ出力を高めることなく蒸着速度を大きくでき
る。
からは、レーザ加熱により発生する蒸発粒子と熱電子が
発生するため、安定した真空アーク放電を容易に誘起さ
せることができ、レーザ光による加熱の他に、放電によ
り蒸発粒子の発生量を増加させることができる。このた
めレーザ出力を高めることなく蒸着速度を大きくでき
る。
また硬質炭素膜の形成においては、前記グラファイト構
造のクラクター状の蒸発粒子が放電によって活性化され
破壊されるため、グラファイト構造粒子の試料基板への
付着を減らすことができかつ水素を含むイオンを照射す
ることで、試料基板上に蒸着していく炭素膜の結晶を水
素を含むイオンの物理的エネルギーを化学的エネルギー
により非晶質化させることができるので、硬質な膜を形
成することが可能となる。
造のクラクター状の蒸発粒子が放電によって活性化され
破壊されるため、グラファイト構造粒子の試料基板への
付着を減らすことができかつ水素を含むイオンを照射す
ることで、試料基板上に蒸着していく炭素膜の結晶を水
素を含むイオンの物理的エネルギーを化学的エネルギー
により非晶質化させることができるので、硬質な膜を形
成することが可能となる。
［実施例］ 第１図は、本発明の一実施例を示す。真空チャンバー１
内に陰極電源２を接続された例えば軸回転しているリン
グ状の導電性の材料からなる蒸着用材料３が設置されて
いる。また蒸着用材料３の周辺で蒸着用材料３のレーザ
照射部に面している位置に陽極５が配置されている。レ
ーザ発振器６から発振されたレーザ光７は、平面鏡８に
よって水平方向に曲げられ透過窓９を通過し真空チャン
バー１内に導入され凹面鏡10によって反射集光され、軸
回転しているリング状の蒸着用材料３の外周面に接線方
向に照射する。凹面鏡10は蒸着用材料３のレーザ照射部
付近で焦点が結ばれるように焦点位置および配置を選定
する。蒸着用材料３は集光したレーザ光の照射により被
照射部が加熱され蒸発を開始する。この状態では、蒸着
用材料３のレーザ照射部より、熱電子放出による僅かな
電流が流れる。例えば陰極電源２の電圧をあるいしきい
値に上げるとレーザ被照射部より電子の放出が急増し放
電が開始されるとともに、蒸発粒子量が急増する。その
後陰極電源２で放電電流を調節し、蒸発粒子発生量を調
節する。蒸発粒子は、試料基板４の方向に飛び出し、試
料基板４上に蒸着し堆積する。試料基板４の前には可動
シャッタ11を設置し、蒸発の開始時に蒸着用材料３の表
面に付着している不純物の試料基板４への蒸着を防ぎ、
また蒸着時間を任意に調節するようにする。
内に陰極電源２を接続された例えば軸回転しているリン
グ状の導電性の材料からなる蒸着用材料３が設置されて
いる。また蒸着用材料３の周辺で蒸着用材料３のレーザ
照射部に面している位置に陽極５が配置されている。レ
ーザ発振器６から発振されたレーザ光７は、平面鏡８に
よって水平方向に曲げられ透過窓９を通過し真空チャン
バー１内に導入され凹面鏡10によって反射集光され、軸
回転しているリング状の蒸着用材料３の外周面に接線方
向に照射する。凹面鏡10は蒸着用材料３のレーザ照射部
付近で焦点が結ばれるように焦点位置および配置を選定
する。蒸着用材料３は集光したレーザ光の照射により被
照射部が加熱され蒸発を開始する。この状態では、蒸着
用材料３のレーザ照射部より、熱電子放出による僅かな
電流が流れる。例えば陰極電源２の電圧をあるいしきい
値に上げるとレーザ被照射部より電子の放出が急増し放
電が開始されるとともに、蒸発粒子量が急増する。その
後陰極電源２で放電電流を調節し、蒸発粒子発生量を調
節する。蒸発粒子は、試料基板４の方向に飛び出し、試
料基板４上に蒸着し堆積する。試料基板４の前には可動
シャッタ11を設置し、蒸発の開始時に蒸着用材料３の表
面に付着している不純物の試料基板４への蒸着を防ぎ、
また蒸着時間を任意に調節するようにする。
なお、放電させるため陰極電源２にパルス状の電圧を印
加させたり、陽極５の電圧を調節したり、レーザ光７の
出力を調節することで、放電させることができる。
加させたり、陽極５の電圧を調節したり、レーザ光７の
出力を調節することで、放電させることができる。
また、放電のための電極の配置として、第１図に示した
蒸着用材料３の近くに陽極５を配置する方法の他、第２
図に示す試料基板４の近くに陽極５を配置する方法、第
３図に示す試料基板４を陽極とする方法、第４図に示す
真空チャンバー１と蒸着用材料３の間に電圧を印加する
方法のずれでも放電が可能である。
蒸着用材料３の近くに陽極５を配置する方法の他、第２
図に示す試料基板４の近くに陽極５を配置する方法、第
３図に示す試料基板４を陽極とする方法、第４図に示す
真空チャンバー１と蒸着用材料３の間に電圧を印加する
方法のずれでも放電が可能である。
一方、この装置で硬質炭素膜を形成する場合、蒸着用材
料３としてグラファイトを用いレーザ光７の照射と放電
により蒸発させ、陰極電源12によって負電圧を印加され
ている試料基板４に蒸着させる。この時イオンガン13に
より水素を含むイオンを試料基板４の蒸着面に照射す
る。
料３としてグラファイトを用いレーザ光７の照射と放電
により蒸発させ、陰極電源12によって負電圧を印加され
ている試料基板４に蒸着させる。この時イオンガン13に
より水素を含むイオンを試料基板４の蒸着面に照射す
る。
以上がこの発明の一実施例をなすレーザ蒸着装置の構成
およびその作動であるが、次に上記実施例における具体
例を以下に示す。
およびその作動であるが、次に上記実施例における具体
例を以下に示す。
試料基板４としてSi、超硬合金、Moなどを用い、蒸着用
材料３としてリング状の純度99.5〜99.99%のグラファイ
トを用いた。真空チャンバー１を１×10-5Torr以下の圧
力に排気しておき、陽極５に約200Ｖの電圧を印加して
おく。陰極電源２が接続されているリング状の蒸着用材
料３を数rpm程度の回転数で回転させながら蒸着用材料
３の外周面に600W〜１KWのCWCO2レーザ光７を接線方向
から照射し蒸発させる。陰極電圧を数100Ｖに上げ放電
を開始させその後、数Ｖに下げ蒸着用材料３に0.1Aの電
流を供給し放電を持続させ、蒸着用材料から約13cm離れ
た位置に設置した試料基板４上に蒸着した。
材料３としてリング状の純度99.5〜99.99%のグラファイ
トを用いた。真空チャンバー１を１×10-5Torr以下の圧
力に排気しておき、陽極５に約200Ｖの電圧を印加して
おく。陰極電源２が接続されているリング状の蒸着用材
料３を数rpm程度の回転数で回転させながら蒸着用材料
３の外周面に600W〜１KWのCWCO2レーザ光７を接線方向
から照射し蒸発させる。陰極電圧を数100Ｖに上げ放電
を開始させその後、数Ｖに下げ蒸着用材料３に0.1Aの電
流を供給し放電を持続させ、蒸着用材料から約13cm離れ
た位置に設置した試料基板４上に蒸着した。
この放電を利用するレーザ蒸着装置によりグラファイト
の蒸着が1200Å/minの高速ででき、従来の放電を利用し
ない場合のグラファイトの蒸着速度が、数10Å/minであ
ったことと比較し、１桁以上高い蒸着速度で蒸着でき
た。また放電電流値を上げると、蒸発粒子の発生量を上
げることができる。一方、従来の装置で、蒸着速度を上
げるためレーザ光７の出力を1200Wに上げたところ、レ
ーザ光の透過窓９が破損した。これは透過窓９に付着し
た蒸発粒子が高出力レーザ光を吸収し加熱されたためで
ある。この時の蒸着速度は約100Å/min程度であった。
このため従来の装置では、これ以上の蒸着速度は望めな
かった。
の蒸着が1200Å/minの高速ででき、従来の放電を利用し
ない場合のグラファイトの蒸着速度が、数10Å/minであ
ったことと比較し、１桁以上高い蒸着速度で蒸着でき
た。また放電電流値を上げると、蒸発粒子の発生量を上
げることができる。一方、従来の装置で、蒸着速度を上
げるためレーザ光７の出力を1200Wに上げたところ、レ
ーザ光の透過窓９が破損した。これは透過窓９に付着し
た蒸発粒子が高出力レーザ光を吸収し加熱されたためで
ある。この時の蒸着速度は約100Å/min程度であった。
このため従来の装置では、これ以上の蒸着速度は望めな
かった。
なお、この発明は蒸着用材料３として、導電性のセラミ
ックス、金属または、半導体等の導電性材料のいずれを
も用いることが可能である。また硬質炭素膜を形成する
ため、試料基板４に陰極電源12により約200Vの負電圧を
印加し、前記実施例と同じ条件でグラファイト製の蒸着
用材料３を蒸発させ、試料基板４に蒸着すると同時にイ
オンガン13にH2ガスを約13SCCM導入し、イオン加速電圧
１KVで試料基板の蒸着面に水素イオンを照射した。この
ときの圧力は４×10-4Torrであった。なお、イオンガン
13にH2ガスの他にArを約0.8SCCM以上導入すると、水素
イオンを安定した状態で照射できる。
ックス、金属または、半導体等の導電性材料のいずれを
も用いることが可能である。また硬質炭素膜を形成する
ため、試料基板４に陰極電源12により約200Vの負電圧を
印加し、前記実施例と同じ条件でグラファイト製の蒸着
用材料３を蒸発させ、試料基板４に蒸着すると同時にイ
オンガン13にH2ガスを約13SCCM導入し、イオン加速電圧
１KVで試料基板の蒸着面に水素イオンを照射した。この
ときの圧力は４×10-4Torrであった。なお、イオンガン
13にH2ガスの他にArを約0.8SCCM以上導入すると、水素
イオンを安定した状態で照射できる。
この方法によりビッカース硬度で4000レベルの硬質膜が
形成された。また超硬合金上での膜付着力はダイヤモン
ド引掻き法で240kg/mm2の高い値を示し、摩擦係数が0.1
以下のなめらかで潤滑性に優れた膜が形成された。一
方、膜結晶性においてはラマン分光分析の結果、蒸着用
材料から放電させず水素イオンのみを試料基板に照射し
蒸着した膜は、1300cm-1、1500cm-1にピークをもつグラ
ファイト成分を含んだ柔らかい非晶質炭素膜であった
が、放電を併用したこの発明による装置で形成した膜は
硬質な非晶質炭素に特有の1500cm-1付近に見られるブロ
ードなピークが見られ、放電による蒸着速度の向上の
他、膜結晶性の改善効果が確認された。
形成された。また超硬合金上での膜付着力はダイヤモン
ド引掻き法で240kg/mm2の高い値を示し、摩擦係数が0.1
以下のなめらかで潤滑性に優れた膜が形成された。一
方、膜結晶性においてはラマン分光分析の結果、蒸着用
材料から放電させず水素イオンのみを試料基板に照射し
蒸着した膜は、1300cm-1、1500cm-1にピークをもつグラ
ファイト成分を含んだ柔らかい非晶質炭素膜であった
が、放電を併用したこの発明による装置で形成した膜は
硬質な非晶質炭素に特有の1500cm-1付近に見られるブロ
ードなピークが見られ、放電による蒸着速度の向上の
他、膜結晶性の改善効果が確認された。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の装置は従来のものと比較
し、低出力のレーザ光で蒸着速度を大きくできるため
に、蒸着処理速度が向上される他運転コストおよび装置
の価格を低く押えられ、さらに光学部品の耐久性が向上
する。また硬質で膜付着力、潤滑性、平坦性に優れた非
晶質炭素膜を形成することができる。
し、低出力のレーザ光で蒸着速度を大きくできるため
に、蒸着処理速度が向上される他運転コストおよび装置
の価格を低く押えられ、さらに光学部品の耐久性が向上
する。また硬質で膜付着力、潤滑性、平坦性に優れた非
晶質炭素膜を形成することができる。
第１図は本発明の一実施例を示すレーザ蒸着装置の概略
図を示す。第２図、第３図、第４図は第１図と異なる放
電電極を配置した本発明のレーザ蒸着装置の他の実施
例、第５図および第６図は従来のレーザ蒸着装置を示
す。 １…真空チャンバー、２…陰極電源、３…蒸着用材料、
４…試料基板、５…陽極、６…レーザ発振器、７…レー
ザ光、８…平面鏡、９…透過窓、10…凹面鏡、11…可動
シャッタ、12…陰極電源、13…イオンガン。
図を示す。第２図、第３図、第４図は第１図と異なる放
電電極を配置した本発明のレーザ蒸着装置の他の実施
例、第５図および第６図は従来のレーザ蒸着装置を示
す。 １…真空チャンバー、２…陰極電源、３…蒸着用材料、
４…試料基板、５…陽極、６…レーザ発振器、７…レー
ザ光、８…平面鏡、９…透過窓、10…凹面鏡、11…可動
シャッタ、12…陰極電源、13…イオンガン。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小梶 好隆 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 三橋 慶喜 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 小椋 茂樹 福岡県北九州市戸畑区大字中原46―59 新 日本製鐵株式会社機械・プラント事業部内 (72)発明者 安永 暢男 神奈川県川崎市中原区井田1618番地 新日 本製鐵株式会社第１技術研究所内 審査官 板橋 一隆 (56)参考文献 特開 平３−39464（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】真空チャンバー内で軸回転する蒸着用試料
と、レーザ光を導入しかつ該蒸着用試料に集光照射する
光学部品と、前記蒸着用試料に対向して配置されその表
面に蒸着による被覆層が形成される試料基板と、必要あ
らばイオンガンとで構成されるレーザ蒸着装置におい
て、真空チャンバー及び真空チャンバー内に設けた陽極
と前記蒸着用材料に接続された陰極電源を有することを
特徴とするレーザ蒸着装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1240656A JPH064913B2 (ja) | 1989-09-19 | 1989-09-19 | レーザ蒸着装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1240656A JPH064913B2 (ja) | 1989-09-19 | 1989-09-19 | レーザ蒸着装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03104862A JPH03104862A (ja) | 1991-05-01 |
| JPH064913B2 true JPH064913B2 (ja) | 1994-01-19 |
Family
ID=17062739
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1240656A Expired - Lifetime JPH064913B2 (ja) | 1989-09-19 | 1989-09-19 | レーザ蒸着装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH064913B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023011732A1 (en) * | 2021-08-06 | 2023-02-09 | MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Optical element and reaction chamber |
-
1989
- 1989-09-19 JP JP1240656A patent/JPH064913B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03104862A (ja) | 1991-05-01 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |