JPH02194164A - レーザ光を用いた皮膜形成方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザ光を用いた皮膜形成方法に関する。

・〔従来の技術〕 基板表面に皮膜を物理的に形成する方法は、蒸着法とス
パッター法とに大別されている。蒸着法では、減圧下の
チャンバー内に設置された基板およびターゲット材のう
ちの、ターゲット材を加熱により蒸発させて基板表面に
蒸着させる。ターゲット材の加熱方法としては抵抗加熱
法、電子ビーム照射法が実用化されており、最近ではレ
ーザ光を利用する方法も試みられている（峰田ら、精密
工学会誌Ｖｏｊ！、５３　（１８Ｂ？）ｋｌ、Ｐ８５〜
９０）。

スパッター法では、チャンバー内にターゲットおよび基
板を設置した状態で放電を生じさせ、陰極であるターゲ
ットに陽イオンが衝突する際に放出される中性原子、分
子を基板表面に付着させる。

この方法は、イオンの固体への突入により固体を形成す
る粒子が外へたたき出されることを利用したものであり
、ターゲット材を蒸発させて基板表面に付着させる蒸着
法とは、原理的に異なる皮膜形成法である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、いずれの皮膜形成法も成膜速度に関しては下記
の如き共通の問題を内包している。

蒸着法では、ターゲット材を溶融させ、溶融表面からの
材料蒸発により基板表面に成膜を行って行く関係から、
成膜速度はターゲット表面からの蒸発量に支配される。

従って、成膜速度を増大させるためには、電子ビーム、
レーザ光等の高エネルギー密度ビームを用い、その上で
エネルギー密度の増大、加熱領域の拡大を図るのが効果
的と言えるが、そのためにはビーム源が巨大化し、コス
ト等の点から工業的規模での実施は困難になり、工業的
規模での実施を前提とした場合は、十分な成膜速度は確
保されていないのが現状である。

スパッタリング法では、成膜速度はターゲットへ突入す
る陽イオンの数および速度に支配される。

従って、成膜速度を増大させるためには、陽イオンの数
および速度の増大が一応は効果的と考えられる。しかし
、ターゲットに突入する陽イオンの数を増大させると、
ターゲットの周辺空間に存在する粒子数が増大し、ター
ゲットからスパッターされた粒子のはねかえりも顕著と
なるので、陽イオン数の増大は基板に到達する粒子数の
増大に直接はつながらない、突入速度の増大については
、加速電圧の増大をともない、電源が巨大化してしまう
、従って、スパッタリング法でも工業的規模で実施する
場合の成膜速度は制限される。

本発明は、斯かる状況に鑑み、ビーム源等の熱源の規模
増大を伴うことなく成膜速度を増大させることができる
皮膜形成方法を提供することを目的とする。

Ｃ課題を解決するための手段〕 ところで、蒸着法では、前述したように、ターゲット材
を加熱し、その表面を溶融させた時の、溶融層表面から
の蒸発で成膜が行われる。加熱源としてはレーザ光が最
も効果的と考えられる。

方、表面に溶融層が形成されている固体に超音波振動を
加えると、溶融層表面に波動が発生し、溶融材料が表面
から微細な溶滴となってＭ脱飛散することが、物理現象
として知られている。

本発明者らは、レーザ光を用いた蒸着法で皮膜形成を行
う際に、この物理現象を利用すれば、熱源の出力を増大
させなくても成膜が促進されると考え、種々の実験を行
ったところ、成膜促進に対してこのターゲット材の超音
波振動が非常に有効なことを知見した。

すなわち、レーザ光をターゲット材に照射し、その表面
に溶融層を形成しつつ超音波振動を加えると、溶融層表
面から溶融材料が蒸発するだけでなく、溶融材料の一部
が溶滴となって飛散し、蒸気と微細溶滴の両者が基板表
面に付着するのである。

本発明の方法は、斯かる知見に基づき開発されたもので
、減圧下のチャンバー内でターゲット材を基材に対向さ
せた状態でターゲット材に超音波振動を加えながらレー
ザ光を照射することにより、ターゲット材を溶融飛散さ
せて基材表面に付着させる方法である。

〔作　　用〕

本発明の方法においては、蒸発と溶滴飛散の両方が成膜
に寄与し、レーザ出カ一定でも成膜速度が著しく増大し
、例えばターゲット材が鉄鋼材料の場合、振動条件によ
っては速度増大率は約８倍にも達することが本発明者ら
の調査によりｍｖＡされている。これは本発明の方法で
の成膜速度が、蒸着よりもむしろ飛散に依存する割合の
方が太きいためと考えられる。このように本発明の方法
は、従来の蒸着法とは膜成形メカニズムが異なり、また
、効果の点でも大きな相違があり、別種の新規な皮膜形
成法と言うことができる。

以下、本発明の実施態様を説明する。

第１図は本発明を実施するのに適した装置の一例を示す
縦断面図である。

気密性のチャンバー１は、下部に排気口２を有し、側部
に透明な窓３を有している。チャンバー１内には上下−
組みの架台４，５が設けられており、下部架台４上にタ
ーゲット材６が載置され、上部架台５の下面には基材で
ある基Ｆｉ７が固定されている。

チャンバー１外に設けたレーザ発振器８で発振されたレ
ーザ光は、集光レンズ９で集光されて窓。

３より下部架台４上のターゲット材６の上面に照射され
る。また、下部架台４はチャンバー１外の振動子ｌＯに
よって基板７に平行な方向で超音波振動するようになっ
ている。１１は振動子ｌＯに接続された超音波発振器で
ある。

チャンバーｌ内を所定圧力に減圧し、振動子１０によっ
て下部架台４上のターゲット材６を超音波振動させなが
ら、ターゲット材６の上面にレーザ発振器８よりレーザ
光を照射し、ターゲット材６の上面を溶融させると、溶
融材料は蒸発と、超音波振動による微細化および飛散と
によって基板７の下面に付着し、皮膜を形成する。

本発明の方法において、溶融材料の微細化および飛散は
超音波振動の与える加速度に起因する。

僅かな加速度でもこの現象は発現するが、加速度が大き
くなるにつれて顕著となる。従って、超音波振動の振幅
、周波数が増大するほど、成膜速度が増大し、振幅５μ
ｍ以上、周波数５ｋＨ２以上で顕著な成膜速度増大効果
が得られる。ただし、この効果も振幅５０μｍ以上、周
波数５０ｋＨ２以上では飽和する。従って、振幅は５〜
５０μｍ、周波数は５〜５０ｋＨ，の各範囲が好ましい
。

振動方向は成膜速度に大きな影響を与えることがなく、
特に規定しない、振動を与える箇所もターゲット材の固
定部であれば特に問題にならない。

ターゲット材と基材の位置関係については、第１図のよ
うにターゲット材の上方に基板が位置するのが、蒸発材
料を効果的に受けることができ好ましいが、本発明の方
法では蒸発だけでなく飛散に支配されるところも大きく
、飛散に対しては材料の向きは大きな影響を与えず、従
ってターゲット材の溶融面に基材の被成膜面が対向して
いれば、位置関係は問わない。

ターゲット材と基材の離間距離は、レーザ出力密度に依
存するが、１０Ｗ／ｌｌ１１！以下の出力密度であれば
５０閣〜１００■の範囲が望ましい。

他の条件、例えばチャンバー内の圧力、ターゲット材の
加熱溶融条件等については、蒸着に順して適宜決定され
る。

本発明の方法は、例えば、鉄鋼材料への非鉄金属又はそ
れらの酸化物、窒化物、炭化物等のセラミックスの被覆
等に対して適用可能である。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を具体的に説明する。

第１図に示す装置を用い、ターゲット材にレーザ光を照
射しつつ種々の条件で超音波振動を加えて、ターゲット
材料を基板表面に付着させ、超音波振動の成膜速度に及
ぼす影響を調査した。超音波振動以外の成膜条件は下記
のとおりである。結果を第２図（ａ）（ｂ）に示す。

ターゲソト二Ｔ１円板（５閣ｔＸ３０ｍφ）基板：５Ｕ
Ｓ３０４円板（１０ｍ　ｔ　ｘｌｏｏ　ｒｍφ）真空度
：１Ｘ１０−’Ｔｏｒｒ レーザ条件：ＣＯ！レーザ 出力１ｋＷ ターゲット上照射径１８ＩｌｌＩｌφ 入射角８５゜ ターゲット−基板間路＠：１０ｍ 第２図（ａ）は超音波振動の周波数一定（２０ｋＨ２）
で、振幅を変化させたときの成膜速度の変化状況を示し
たグラフである。

超音波振動を付加しない時（従来の蒸着法による時）は
、前記成膜条件、すなわちレーザ出力ｌｋＷでは成膜速
度は０．１μｍ／ｓｉｎにしか過ぎないが、振動１μｍ
の僅かな超音波振動をくえわることで成膜速度は０．１
５μｍ／ｓｉｎに増大し、振幅５μｍ以上では０．５１
　ｍ／ｓｉｎ以上に達する。

第２図（ｂ）は超音波振動の振幅一定（２０μｍ）で、
周波数を変化させた場合を示している。この場合も、周
波数の増大とともに成膜速度は増大し、５ｋＨｚ以上で
０．５．ｕｍ／ｓｉｎｍ／１ｉｎとなり、２（ｌＨｚ以
上では約０．８　ｐ　ｍ／１ｌｉｎ　となる。

ちなみに、超音波振動を付加せずにレーザ出力の増大の
みで０．５μｍ／ｌ１ｉｎの成膜速度を確保しようとす
ると、レーザ出力は５ｋＷを必要とし、０．８μｍ／ｍ
ｉｎの成膜速度では１０ｋＷを必要とする。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明の方法は熱源を
増大しなくても、成膜速度の大巾増大を図り、これによ
り小規模の熱源で経済性よく、高能率な成膜を可能なら
しめるという工業上大きな効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施するのに適した装置の一例
を示す断面図、第２図（ａ）（ｂ）は超音波振動が成膜
速度に与える影響の調査結果を示すグラフである。 図中、ｌ：チャンバー、６：ターゲット材、７：基板、
８：レーザ発振器、１０８振動子、１１：超音波発振器
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、減圧下のチャンバー内でターゲット材を基材に対向
   させた状態で、ターゲット材に超音波振動を加えながら
   レーザ光を照射することにより、ターゲット材を溶融飛
   散させて基板表面に付着させることを特徴とするレーザ
   光を用いた皮膜形成方法。