JPS60194067A - 硬質膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は基板上に耐摩耗性、耐熱性、耐食性などが優れ
た硬質膜を形成する方法に関し、更に詳しくは、複数の
物質からなる蒸発源に大出力レーザ光を照射することに
より、合金、単一化合物、複合化合物、固溶体又はこれ
らが積層してなる硬質膜を形成する方法に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 従来から、基板上に硬質膜を形成する方法としては、プ
ラズマスプレー法、化学蒸着法、物理蒸着法が知られて
いる。

これらのうち、プラズマスプレー法は成膜速度が大きい
という利点を有する反面、一方では緻密で強固な膜を形
成することが困難であるという欠点がある。

また、化学蒸着法において、例えば積層した硬質膜を基
板に形成する際には積層すべきそれぞれの１１りの析出
温度が異なる場合があり、このため、積層膜を１つの容
器内で同時に形成することは製造工程上での温度抑制が
煩雑になり、また複合硬質膜を形成する場合に、該層を
構成するそれぞれの物質が合成される化学反応は相互に
異なるので、相互の化学反応が共存し得るときにのみ成
膜可能となるため、形成できる複合硬質膜の種類が限定
されてしまう、しかもこの化学蒸着法にあっては、膜構
成物質の基板への堆積速度が小さいという欠点がある。

一方、物理蒸着法において、その代表的方法であるイオ
ンブレーティング法、スパッタリング法を適用すれば緻
密で強固な硬質膜を形成することは可能であるが、しか
し一般に膜構成物質の基板への堆積速度は小さいという
欠点がある。

そのため最近では、真空容器内に配置された膜構成物質
の被照射試料に大出力のレーザ光を照射して該試料を蒸
発させ、この蒸発粒子を基板上に堆積させるという方法
が提案されている。

この方法で用いる従来のレーザ蒸着装置は、しかしなが
ら、いずれも支持板に載置されている被照射試料の表面
に垂直方向からレーザ光を照射して該レーザ光をスキャ
ンニングさせるか、又は被照射試料を支持板の法線軸の
まわりに回転さ・せるかして照射点位置を移動させる構
造のものであり、また適用される照射エネルギーもＣＯ
２レーザでｔｏｏ−ｗ以下であった。

このような従来のレーザ蒸着装置を用いた方法では、蒸
発粒子の基板への堆積速度は必ずしも大きくなく、また
形成された膜強度はあまり高くない。そのため、この方
法は光学部品、電子部品用の膜形成にその適用が限られ
ている。

そこで、本発明者らは、上記レーザ蒸着装置において被
照射試料を真空容器内で軸回転する例えば円筒形状の回
転体として構成し、該回転体の外周面に接線方向から収
束レーザ光を照射することを主要な特徴点とする装置を
開発し、すでに特願昭５７−２２５５８７号として出願
した。この装置を用いると、蒸発粒子は高密度でかつ安
定して基板に供給されるので試料の基板への堆積速度は
上昇゛し、形成された膜も緻密、強固であり、しかも基
板と膜との密着性も向上して各種の有用な機能材料の製
造が可能となった。

そして、その後も、更に有用性に富む硬質膜を上記レー
ザ蒸着装置と方法を適用することによって製造する努力
が重ねられてきている。

〔発明の目的］ 本発明は、レーザ蒸着装置を用いて各種の硬質膜を簡単
に基板状に形成する方法の提供を目的とする。

［発明の概要］ 本発明の硬質膜の形成方法は、容器内で軸回転する回転
体に収束レーザ光を照射し、該回転体から蒸発した粒子
を基板に堆積させて成る膜の形成方法において、該回転
体が黒鉛、炭素、金属、合金、金属化合物又はセラミッ
クスの群から選ばれる少なくとも２種の物質から成るこ
とを特徴とする。

以下に本発明方法を図面に例示した装置を参考にして詳
細に説明する。

第１図は、本発明方法で用いるレーザ蒸着装置の１例を
示す概略図で、ｌはレーザ発振器（図示しない）から放
射された平行なレーザ光である。

レーザ光ｌは平面鏡２で水平方向に光路変換され、集光
レンズ３を通過して収束されたのち、透過窓４から容器
５に導入される。

容器５の中には、中心軸６の回転に対応して例えば矢印
Ｐ方向に軸回転するように、回転体７が配置されている
０回転体７は、形成すべき硬質膜の構成物質から成って
いて被照射試料である。

容器５内に導入された収束レーザ光は、平面鏡８によっ
て再び光路変換され、回転体７の外周面に図の如く該回
転体の接線方向から照射される。

集光レンズ、３については、収束レーザ光が回転体７の
照射点付近Ｑで焦点を結ぶように、その焦点距離及び配
置位置を適宜に選定する。

収束レーザ光が照射される間、回転体７は適宜な速度で
軸６を中心にして軸回転させる。更にこの回転体が円柱
体、円筒体１円錐体又は湾曲凸面体の構造の場合その回
転体の中心軸方向の長さに相当する距離だけ揺動運動が
可能である構造にしておけば、回転体７の外周面全体は
均一加熱されてその熱割れ現象が防止されるとともに回
転体７の外周面の被照射試料全体を一様に蒸発させるこ
とができる。又、回転体がリング体又は円板体のような
板体の場合は、板面に照射する収束レーザ光が板面の半
径に相当する距離だけスキャンニングできるようにして
おけば同様の効果が得られる。

収束レーザ光が照射されることにより照射点付近Ｑの外
周面試料は蒸発し、その蒸発粒子は矢印Ｒ方向に放出さ
れて基板９の上に蒸着して堆積する。１０は、基板９の
前面に配設される可動シャッタで蒸発粒子の基板９への
蒸着時間を任意に調整するためのものである。

なお、回転体７を構成する被照射試料が極めて熱割れを
生じやすい材質である場合には、回転体７の外周面近傍
に図のような予熱ヒータ１１を配置し、回転体７を予熱
しておけば収束レーザ光の照射時に回転体７の損壊を防
止することができる。

さて、本発明は１以上例示した装置において、回転体７
が、黒鉛、炭素、金属、合金、金属化合物、セラミック
スからなる物質の少なくとも２種以上からなることを特
徴とする。すなわち、本発明にかかる回転体は２種類以
上の異種物質がそれぞれその特性を独立させた状態で混
在する構造体である。

具体的には次のような態様のものを好適例としてあげる
ことができる。

第１は、２種類以上の異種物質が混合してなる回転体で
ある０回転体の構造としては、第２図に示すような円柱
体、第３図に示すような円筒体。

第４図に示すような円錐体、第５図に示すような湾曲凸
面体、第６図に示すような円板体、第７図に示すような
リング体等種々の形態をあげることができる。このよう
な構造の回転体は、例えば金属チタンと炭素との混合粉
末からなる回転体から炭化チタンの硬質膜を形成する場
合、炭化チタンと窒化チタンとの混合粉末からなる回転
体から炭窒化チタンの硬質膜を形成する場合、窒化ケイ
素と酸化アルミニウムと酸化イツトリウムの混合粉末か
らなる回転体から窒化ケイ素を主体とした物質又はサイ
アロンと称する固溶体の硬質膜を形成する場合に適用し
て有効である。

なお、ここで第３図に示すような円筒体を回転体として
使用する場合、円筒体の外周面に対して接線方向から収
束レーザ光を外周面に照射すれば円柱体（第２図）、円
錐体（第４図）、湾曲凸面体（第５図）を用いた場合と
同様の効果を得ることができるが、特に、円筒体の内側
壁面に対して接線方向（回転軸方向）から収束レーザ光
を該壁面に照射すれば、粒子の蒸発方向が一定にそろう
ため蒸発粒子を基板に堆積させることが容易となり、又
、蒸発粒子が容器内に飛散して容器内壁全体を汚染する
ことを抑制できるなどの更なる効果を得ることも可能と
なる。

第２は、２種類以上の異種物質をそれぞれ別々に１つの
構造体として形成し、これらを組合わせてなる回転体で
ある０例えば、異種物質で形成した断面扇状の柱体を、
２個以上、求心的に合体させて円柱体、円筒体、円錐体
又は湾曲凸面体にしたり（第８図：円柱体の場合）、異
種物質で形成した断面扇状の板体を、２個以上、求心的
に合体させてリング体又は円板体にしたり（第９図：円
板体の場合）、異種物質で形成した円柱体、円筒体、円
錐体又は湾曲凸面体を、２個以上、回転体の軸方向に一
体的に連設したり（第１０図：連設円柱体の場合）、異
種物質で形成し直径の異なるリング体又は円板体を、２
個以上、同心円状に合体させてリング体又は円板体にし
たり（第１１図二同心円状リング体の場合）、その他、
１つの物質で形成した回転体の中に少なくとも１種の他
の異種物質を適当な形状にして合体させたり（第１２図
、第１３図）した種々の回転体である。

これらの回転体は、硬質膜を形成する目的やその用途に
よって種々使い分けることができる０例えば第１で示し
た２種以上の異種物質が混合してなる回転体では粉末の
状態で混合成形して回転体にしたり又はその回転体を予
備焼結によって適当な硬さ及び強度を持たせたりして使
用することができる。このような混合状の回転体は、例
えば２種以上の金属からなる回転体によって合金からな
る硬質膜を形成したり、２種以上の単一化合物からなる
回転体によって複合化合物、固溶体又は混合物からなる
硬質膜を形成することもできる。第２で示した２種以上
の異種物質をそれぞれ別々に１つの構造体として形成し
、これらの構造体を組合わせてなる回転体では、第１で
示した混合状の回転体と同様の硬質膜の形成が可能であ
るのみならず、更に組合わせによって、例えば第１θ図
や第１１図の様な構造体からなる回転体を使用すること
によって積層状の硬質膜の形成ができる。

本発明方法において、被照射試料の基板への堆積方向は
ほぼ一方向となるので、基板を回転又は揺動させること
により、複雑形状の基板であってもその全面に目的の硬
質膜を形成することができる。また、複数本の収束レー
ザ光を導入すれば、各種の被照射試料の同時蒸着又は積
層蒸着が可能となり新しい機能材料開発の可能性を孕む
。

また、基板を水、液体窒素などで冷却したり、ヒータ加
熱、レーザ加熱などによって加熱したりすることもでき
、基板上の硬質膜を目的用途に応じて非晶質又は結晶性
のよいものにすることができる。とくに、基板を加熱し
たとき、形成された硬質膜と基板との間の密着性を向上
せしめることができる。基板の冷却又は加熱方法は真空
中又は雰囲気中で冷却又は加熱する方法であれば従来か
ら行なわれているいかなる方法であってもよい。

更に、本発明方法にあっては、被照射試料の蒸発粒子を
基板に堆積させると同時に、そこにイオン照射したり、
高周波若しくはマイクロ波を照射して該堆積物質をイオ
ン化したり、又は蒸発粒子をバイアス電圧で加速させた
りすることができる。このような処置を施すと、蒸発粒
子が活性化して基板との密着性に優れた硬質膜を形成す
ることができる。

また、本発明方法は、真空中のみならず各種の不活性ガ
ス、反応性ガス又はこれらの混合ガス中で行なうことも
できる０例えば、被照射試料として各種の金属を用い、
これを窒素雰囲気中で収束レーザ光を用いて蒸発させ、
同時に例えば窒素ガスイオンを照射すれば、基板上にこ
れら金属の窒化物の硬質膜を形成することができる。

ここで使用する基板としては、金属、合金、工具鋼、超
硬合金、サーメット又はセラミックス等積々のものを用
途によって使い分けることができる。

［発明の実施例］ 実施例１ 金属チタン粉末８０ｗｔ％と炭素粉末２０ｗｔ％との混
合粉末を円柱体に成形した後、真空中で１２００℃に予
備焼結して回転体とした。この回転体と一〇−１０％Ｃ
Ｏ合金からなる基板を容器にセットした。器内を　ＩＸ
　１０′Ｔａｒｔに排気した後、回転体を３Ｏｒｐｍ　
テ回転させながら１０００℃に予熱し、基体を７００℃
に予熱した。次にレーザ発振器から７００１ｉ１のＣ１
１１Ｃ０２収束レーザ光を回転体の外周面に接線方向か
ら照射して蒸発させ、この蒸発粒子を基板表面に堆積さ
せた。得られた硬質膜の硬さはマイクロビッカースで２
８００〜３０００ｋｇ／　ｒａｔｓ２であった。硬質膜
の厚さは、１０７を腸であり、このときの堆積速度は約
ｌｋｍ／ｌ１ｉｎであった。この硬質膜をＸ線回折によ
って解析した結果ＴｉＣであることが認められた。

実施例２ Ｓ　＋　０２を微量含有したＳ　ｒ　ａ　Ｎａ粉末から
成り、中心角６０度の断面扇状の柱体を４本、Ａ文、、
０３−２ｏマｏ１％Ｙ２Ｏ３の混合粉末から成り、中心
角３０度の断面扇状の柱体を２本及びＡｆｆｉＮ−２０
マｏ１％Ｙ２Ｏ３の混合物から成り、中心角３０度の断
面扇状の柱体２本を作成した。これら８木の柱体な異種
物質が相互に隣接するように心的に合体させて回転体と
した。基板はＡｌｌ　２０３−Ｓｉ０２系セラミフクス
を用いた。これらの回転体と基板を容器にセットして実
施例１と同様にして基板の表面に蒸発粒子を堆積させた
。

得られた硬質膜の硬さはマイクロビッカースで１８００
ｋｇ／　ａｍ２でその膜厚は５ル層であった。このとき
の堆積速度は約０．５　＃Ｌ　ｍ／ｗｉｎであった。こ
の硬質膜をＸ線回折したところサイアロンと考えられる
固溶体を含むＳｉ３Ｎ４主体の物質であることが認めら
れた。

実施例３ 六方晶型窒化ホウ素からなる円筒体（外形５０ｔｗ、内
径１０ｍ腸、長さ３０■−）と窒化チタンからなる円筒
体（外形５０ｍ１、内径ｌＯ謹鵬、長さａＯ鵬層）とを
軸方向に合体させて連設円筒体（外形５０膳■、内径ｌ
Ｏ腸■、長さ８０ｍｍ）を形成して回転体とした。基板
はＳｉ３Ｎ、系セラミックスを用いた。回転体と基板を
容器にセットして、容器内を　ＩＸ　１０”　丁ｏｒｒ
に排気した後、回転体を１５ｒｐｍに回転させながら５
００℃に予熱し、基体を１０００℃に予熱した０次にレ
ーザ光発振器から　１００ＯＷのｃｗｃｏ、、収束レー
ザ光を回転体の外周面に接線方向から照射してまず窒化
チタンの回転体を蒸発させた後に六方晶型窒化ホウ素の
回転体を蒸発させて基板表面に蒸発粒子を堆積させた。

得られた硬質膜の硬さは４０００ヌープであった。硬質
膜は、第１層が５ＩＬ園、第２層も５ル鵡の積層膜であ
った。この硬質膜をＸ線回折したところ内層である第１
層は窒化チタンであったけれども外層である第２層は非
晶質状のものであった。

［発明の効果］ 以上の説明で明らかなように、本発明方法は基板上に緻
密で強固な硬質膜を基板との密着性よく大きな堆積速度
で形成することができる。したがって、被照射試料を適
宜に選択し、また基板との組合わせを選択することによ
り、新しい機能材料を製造することができるのでその工
業的価値は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を行なうときに用いるレーザ蒸着装
置の１例を示す概略図であり、第２図〜第１３図はいず
れも本発明にかかる回転体の具体例を示す概念的斜視図
である。 ｌ−レーザ光　２．８一平面鏡 ３−集光レンズ　４−透過窓 ５−真空容器　６−中心軸 ７−回転体（被照射試料）　９一基板 ｌＯ−シャッタ　１１−子熱ヒータ 指定代理人　等々力　達 復代理人　津　国　肇 第１図 第４　Ｉｆ 第７図 第１ｏ図 第１３図 第１頁の続き ［相］発明者安永　暢男茨朋１ 究所内 −０発　明　者　樽　見　昇　茨城系１究所内 ［相］発　明　者　小　原　明　茨城系１究所内 ＠発明者　池１）正幸茨朋１ 究所内 ０発　明　者　佐　藤　純　−横浜市ネ＠発明者　真贋
　古史　用崎市う 斤治郡桜村梅園１丁目１番４号　工業技術院総合研斤治
郡杉 斤治郡杉 斤治郡し 申奈用ト

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）容器内で軸回転する回転体に収束レーザ光を照射
   し、該回転体から蒸発した粒子を基板に堆積させて成る
   膜の形成方法において、 該回転体が黒鉛、炭素、金属、合金、金属化合物又はセ
   ラミックスの群から選ばれる少なくとも２種の物質から
   成ることを特徴とする硬質膜の形成方法。 （２）該回転体が円柱体、円筒体、円錐体又は湾曲凸面
   体の構造からなる特許請求の範囲第１項記載の硬質膜の
   形成方法。 （３）該回転体がリング体又は円板体の構造からなる特
   許請求の範囲第１項記載の硬質膜の形成方法。 （４）該回転体が断面扇状の柱体又は板体の２個以上を
   心的に合体させてなる特許請求の範囲第１項、第２項又
   は第３項記載の硬質膜の形成方法。 （５）該回転体が円柱体、円筒体又は円錐体の２個以上
   を該回転体の軸方向に一体的に連設してなる特許請求の
   範ｊｌｌＪ＃１項又は第２項記載の硬質膜の形成方法。 （８）該回転体が直径の異なるリング体又は円板体の２
   （ｌ１以上を同心円状に合体させてなる特許請求の範囲
   第１項又は第３項記載の硬質膜の形成方法。