JPH0293062A - レーザ光による膜形成装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は真空容器内に配置された基板等の被処理体表面
にレーザ光を使用して膜を形成するレーザ光による膜形
成装置に関する。

（従来の技術） 第８図はレーザ光による膜形成装置の構成図であって、
矩形箱状に形成された真空容器１内には基板２が配置さ
れている。また、この真空容器１の上部における基板２
と対向する位置にはノズル３が内部に突出する如く設け
られている。このノズル３は外筒４および内筒５を同軸
状に配置し、Ｒつその先端部に電極６を設けたものとな
っている。そして、この電極６と基板２との間に直流高
電圧電源７が接続されて、基板２との間に直流高電圧電
源７が接続されて、基板２に負の高電圧が加わるように
なっている。一方、ノズル３には０□ガス等の反応ガス
を供給する反応ガス供給装置８および金属または金属化
合物等の粉末材料を供給する粉末材料供給装置９が設け
られている。

なお、反応ガス供給装置８はボンベ１０から反応ガスを
ノズル３内に供給するものとなっており、また粉末材料
供給装置９はホッパ１１に蓄えられている粉末材料を外
筒４と内筒５とで形成される供給路１２に供給するもの
となっている。またしザ光源１３か備えられ、このレー
ザ光源１３から出力されたレーザ光１３ａが光ファイバ
１４で伝達されてノズル３内に照射されるようになって
いる。なお、１６は真空容器１の真空排出系である。

かかる装置においては基板２に負の高電圧が印加され、
これと同時にボンベ１０から反応ガスがノズル３内に供
給されるとともに粉末材料が供給路１２に供給される。

これにより、基板２と電極６の間にグロー族７ｕが発生
して反応ガスが活性化する。この状態においてレーザ光
１３ａをノズル３内を通して真空容器１内に照射すると
、粉末材料は溶解蒸気化し、かつ反応ガスと反応して金
属化合物を発生する。この金属化合物は基板２と電極６
との間の電圧勾配によって基板２に吸引されて堆積する
。そして、基板２の表面上には金属化合物の膜が形成さ
れる。

ところで、レーザ光１３ａは粉末材料の溶解と基板２上
における金属化合物の堆積の助長との各作用を生しさせ
る。ところが上記装置ではレーザ光１３ａを粉末材料の
供給経路と同一でかつ直接基板２の上面に照射する構成
として上記各作用を実現しているが、このような構成で
はレーザ光１３ａの出力を小さくする粉末材料が溶解せ
ず、また反対に出力を大きくすると基板２ヘダメージを
与えることになる。従って、上記各作用を実現するため
にレーザ光１３ａの出力をコントロールすることが非常
に難しくなっている。また、レザ光１３ａを粉末材料の
供給経路と同一としているので、レーザ光１３ａのエネ
ルギーか粉末材料に吸収されてエネルギー密度が不均一
となる。また、この供給機構では粉末の供給量をコント
ロルすることが難しい。さらに、同構成のために反応ガ
スの流量か小さいと、溶解しガス化した粉末材料がノズ
ル３内に飛散して光学系１５に付盾゛シ、この光学系１
５を汚したり、最悪の場合損傷させたりしてしまう。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように粉末材料の溶解と基板上における金属化合
物の堆積の助長との各作用を最適に行なうためにレーザ
光の出力をコントロールすることかできず、その上レー
ザ光のエネルギー密度が不均一となり、さらに光学系を
破損させることもある。

そこで、本発明は、粉末材料の溶解蒸気化と、基板上に
おける金属化合物の堆積の助長との各作用を最適に行な
うことができ、そのうえレーザ光のエネルギー密度を均
一化できるとともに光学系に影ツを与えないレーザ光に
よる膜形成装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、内部に被処理体を配置した真空容器にレーザ
照射手段からのレーザ光を透過する透過窓を設け、この
真空容器の透過窓に対向する内壁に上記透過窓から入射
し上記被処理体の上部を通過したレーザ光を吸収するレ
ーザ光吸収体を設け、上記透過窓近傍から反応ガスを供
給する反応ガス供給手段を設け、上記被処理体と対向す
る方向から粉末材料を供給する粉末供給手段を設け、上
記被処理体近傍にプラズマを発生する放電手段を設けた
レーザ光による膜形成装置にある。

（作用） 粉末供給手段により真空容器内の被処理体とλ・１向す
る方向から金属等の粉末が供給され、レーザ光照射手段
および反応ガス供給手段とにより上記粉末の供給方向に
交差するようにレーザ光および反応ガスが供給され、こ
れと同時に被処理物と対をなす電極間に電圧印加手段に
より電圧が印加されて、被処理体近傍にプラズマが発生
する。

（実施例） この発明の一実施例について図面を参照して説明する。

第１図はレーザ光による膜形成装置の構成図であり、同
図において２０は真空容器である。この真空容器２０の
内部には保持台２１が設けられ、この保持台２１上に例
えばＡｇ（銀）からなる基板２２が載置されている。こ
の保持台２１の内部にはヒータ２３が配置されてヒータ
電源２４からの電力供給を受けて基板２２を例えば４０
０’Ｃに加熱するものとなっている。また保持合２１は
回転機構２５と連結されて回転駆動されるようになって
いる。そして、真空容器２０の下部の壁側には排気系２
６が設けられて膜形成作用に使用される金属化合物蒸気
等が排出されるようになっている。さらに冷却媒質の供
給路２７が設けられ、冷却媒体２８が真空容器２０の外
壁、ヒータ２３周りおよび光学系層りに下部からその内
部に供給されて循環し各部を冷却して排出されるように
なっている。

また、上記保持台２１の上側に位置する真空容器２０の
側壁には例えばＣ０２レーザ光源（以下レーザ光源）２
９からのレーザ光を透過する透過窓３０が設けられてお
り、この透過窓３０は第２図および第３図に示されるよ
うに構成されている。

図中に示されるように上記真空容器２０の側壁に形成さ
れたフランジ部３１に対してフレーム３２が図示しない
複数本のボルトにより結合されており、このフレーム３
２と上記フランジ部３１との間にはシール構造が設けら
れている。そして、上記フレーム３２の中央には円形状
の貫通孔３３が形成されており、この貫通孔３３にはＫ
ＣＩ（塩化カリウム）またはＺｎＣ１（塩化亜鉛）等の
物′質で形成された透過体３４が挿着されレーザ光を透
過できるようになっている。さらに、この透過体３４の
外側からは管状に形成され基端部に係合縁が形成された
締付は枠３５が図示しないボルトにより締付は固定され
ている。また、上記フレーム３２の上部には反応ガスを
供給する反応ガス供給手段としての０２ボンベ３６から
の供給管３７が接続されている。この供給管３７の接続
されたフレーム３２とフランジ部３１との間には上記貫
通孔３３を包囲するように連通した環状の流通孔３８が
形成されており、この流通孔３８は真空容器２０内に連
通ずる噴出溝３９に接続されている。

この噴出溝３９は上記透過体３４の周囲に亘って開口さ
れており、透過体３４の全周から反応ガスが噴出される
ようになっている。上記供給管３７を通って流通孔３８
に流入した反応ガスは上記噴出溝３９から矢印Ａ方向に
噴射されることで、上記透過体３４の周囲から真空容器
２０の内側に向かって反応ガスの流れを作り、金属等の
蒸気が透過体３４に付着することを防止できる。

また、上記フレーム３２の外側面には上記貫通孔３３の
外周部分に沿って挿着溝４０が形成されており、この挿
着溝４０には冷却水供給管４１が熱伝達状態に挿着され
ている。この冷却水供給管４１の両端部には図示しない
水の循環装置が接続されている。

そして、このように形成された透過窓３０に対向する真
空容器２０の内側面にはレーザ光を吸収するレーザ光吸
収体４２が設けられている。このレーザ光吸収体４２は
第４図に示されるように構成されており、アルミニウム
等によって形成された円筒状の中空体４３と、この中空
体４３の底面の内側に形成された円錐状の反射体４４と
、上記中空体４３の内部に冷却水を例えば矢印Ｂ方向に
循環する図示しない冷却水循環装置とを有している。そ
して、上記円錐状の反射体４４の軸心は矢印Ｃで示され
るレーザ光の光軸に一致するように配設されており、こ
の反射体４４に反射されたレーザ光は上記中空体４３の
内周面４５に照射される。ここで、この中空体４３の内
周面４５には黒色アルマイト処理が施されており、上記
レーザ光を吸収するようになっている。つまり、上記レ
ーザ光吸収体４２に入射したレーザ光は上記反射体４４
に反射して中空体４３の内周面４５に照射される。この
内周面４５は黒色アルマイト処理されているので、レー
ザ光を高い効率で吸収する。そして、このレーザ光を吸
収したことによって発生する熱を上記中空体４３内を循
環する冷却水が外部に持ち去るようになっている。

さらに、上記真空容器２０の上部には第５図に示される
ような粉末供給手段が設けられている。

この粉末供給手段には振動式駆動源４６と、この振動式
駆動源４６に連結された容器４７が設けられている。上
記振動式駆動源４６は例えばパルスモータであり、矩形
箱状の固定枠４８に対して回動軸４９が水平に貫通状態
になるように支持されている。そして、回動軸４９はシ
ール装置５０を介し−て上記固定枠４８に貫通され、先
端部には固足金具５１により容器４７の上端が結合され
ている。この容器４７は管状に形成されており、上端部
が結合された固定金具５１には、容器４７に連通して金
属粉末等を供給するための供給口５２が穿設されている
。そして、上記容器４７の下端部には金網（１”ｌの粗
さが＃３００のメツシュ）が設けられており、振動式駆
動源４６の回転軸の正逆回動により図面の奥行き方向に
揺動状態に振動することで徐々に金属粉末が落下供給さ
れるようになっている。ここで上記容器４７内にはＣｕ
０（酸化銅）Ｙ２Ｏ（’酸化イツトリウム）ＢａＣＯ３
（炭酸バリウム）の金属化合物の直径２μｍ以下の粉末
材料が供給されている。なお、金属等の粉末は市販され
ているＶＣ（炭化バナジウム）１．４μｍ１または、Ｍ
ｏ（モリブデン）４μｍ等も使用できる。

上述のように構成された容器４７の下側には落語管５３
が設けられており、この落語管５３は真下に延長される
ことで、先端が上記基板２２に対応するように配置され
ている。ここで、上記落語管５３の下端は上記基板２２
から所定距離上方に離れて位置されており、この落語管
５３と基板２２との間をレーザ光が通過するようになっ
ている。そして、落語管５３と容器４７との間には粉末
量５４が設けられている。この粉末量５４は固定枠４８
の上下に亘って軸体５５が回動自在に支持されており、
上端部には上記固定枠４８の上部に突出する回動摘み５
６が設けられている。上記粉末量５４はこの軸体５５の
下側中途部に基端が支持されており、上記回動摘み５６
を回動操作することで容器４７の真下に位置させること
ができるようになっている。つまり、蒸着作用をしない
時には、例えば、上記回動摘み５６を一方向に回動する
ことで図示しないストッパに当接させると、容器４７の
真下に位置させ、粉末材を受取るように構成することで
粉末材が落語管５３側に落下することを防止できる。ま
た、蒸着作用を行なう時には上記回動摘み５６を他方に
回動させることにより容器４７の真下から移動させ容器
４７からの粉末材が落語管５３側に落下するようにでき
る。

また、上記落語管５３の先端側には電極５７が設けられ
ている。この電極５７は上記保持台２１上に載置された
基板２２と対向するように設けられており、これら保持
台２１と電極５７との間に図示しない直流高電圧電源が
接続されており基板２２に負の高電圧、例えば１〜２Ｋ
Ｖが印加されることでグロー放電を発生するようになっ
ている。

このように構成されることでレーザ光源２９で発振され
たレーザ光は、光学系５８．５９に反射されることで、
透過窓３０を透過して真空容器２０の内部へ入射される
ようになっている。そして、レーザ光は上記落語管４３
から落下される粉末材料の落下方向および基板２２と電
極５７との間に発生するグロー放電の放電方向に対して
直交する方向に照射されるようになっており、上記光学
系５８．５９によって落下して（る粉末との接点位置で
レーザ光が集光されるように調整されている。

以下、上述のごとく構成された装置の作用について説明
する。基板２２と電極５７との間に直流高電圧が印加さ
れ、これと同時に０２ボンベ３６から反応ガス０２が供
給管３７を通じて真空容器２０内に供給されるとともに
振動式駆動源４６が駆動することで容器４７から粉末材
料が落語管５３を通じて真空容器２０内に供給される。

このとき基板２２と電極５７の間に生じたグロー放電に
より基板２２の近傍にプラズマが発生しており、これに
より反応ガス０２は活性化される。また、ヒータ２３に
ヒータ電源２４から電力が供給されて加熱し、保持台２
１に載置されている基板２２は加熱された状態にある。

このような状態においてレーザ光源２９からレーザ光を
出力すると、このレーザ光は光学系５８．５９に反射さ
れ透過窓３０を透過して真空容器２０内に照射される。

そして、真空容器２０内に照射されたレーザ光は落語管
５３から落下された粉末材料に照射され溶解蒸気化し、
かつ反応ガスと反応して化合物を生成する。そして、こ
の化合物は基板２２と電極３４との間の電圧勾配によっ
て基板２２に吸引されて堆積する。さらに、基板２２上
を通過したしザ光は上記レーザ光吸収体４２に入射し吸
収される。

この結果、基板２２の上面にはＹ　−Ｂ　ａ　−Ｃｕ−
０（イツトリウム−バリウム−銅−酸素）系の酸素欠損
層状ペロブスカイト型超伝導の膜が形成される。なお、
膜形成時に保持台２１が回転機構２５によって回転され
る。

上述のように振動式駆動源４６により容器４７が上端部
を支点として揺動されることで粉末材料を真空容器２０
内に供給するように構成されているので、上記振動式駆
動源４６であるモータの正逆回動の早さを切換えること
で、粉末材料の落下する量を制御できる。

また、透過窓３０の周囲に設けられた流通孔３８から反
応ガス０２を供給することで、粉末材料の溶解蒸気化成
分が透過窓３０に付着することを防止できる。

なお、本発明は上記一実施例に限定されるものではない
。例えば、基板２２の材料として１．ＯＵ厚の軟鋼を使
用するとともに粉末材料とじてＺｒ（ジルコニウム）を
使用した場合、基板２２の上面には金属化合物ＺｒＯ□
　（ジルコニア）の膜が成長速度か数百入／ｌｌ１ｉｎ
で形成できる。また基板２２としてＡＩ（アルミニウム
）を使用した場合、基板２２の上面には金属化合物Ａ１
２０３（アルミナ）の膜が成長速度が数百人／　ｗｉｎ
で形成できる。なお、これらの場合他の反応ガス０２や
レーザ光の出力条件等は上記一実施例と同一としている
。

また被処理体が第６図に示すように帯状の場合は、真空
容器２０の内部に帯状の被処理体６０の巻取機構６１を
備えることによって被処理体６０の上面に膜を形成でき
る。この場合、Ａｇ（銀）またはＳｒＴｉＯ３（チタン
酸ストロンチウム）からなる被処理体を使用して粉末材
料としてＣｕ　Ｏｓ　Ｙ　２０、ＢａＣＯ３の化合物を
使用することで被処理体の上面にはＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０
系の酸素欠損層状ペロブスカイト型超伝導の膜が成長速
度が数百人／ｌｌ１ｉｎで形成できる。そして、この形
成された膜は超伝導体としてのマイスナー効果を表わし
た。

さらに、第７図に示すように歯車６２の歯面に膜を形成
する場合は、真空容器２０の内部で歯車６２を回転させ
る駆動機構６３を設ける。この場合粉末材料をＡＩ粉末
として反応ガス０２を使用すれば、歯車６２の歯面にＡ
ｌ２Ｏ３のセラミックの膜が成長速度数百人／ａｋｉｎ
で形成できる。

また、基板と電極と、の間に印加する電圧は粉末材料が
絶縁体であれば高周波電流を印加してもよい。また、粉
末材料の供給供給手段としては振動式のものが使用され
ているが、これに限定されずニードル弁を使用したもの
や、スクリュー式の供給手段によるものでもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように構成されることで、粉末材料の溶解
蒸気と基板上における金属化等合物の堆積の助長との各
作用を最適に行なうことができ、そのうえレーザ光のエ
ネルギ密度を均一化できるとともに透過窓に悪影響を与
えることを防止できる。また、真空容器内に入射された
レーザ光出力はレーザ光吸収体に吸収されるので、従来
は別装置として必要てあったレーザ出力の吸収装置が不
要となり、装置の簡素化ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は本発明における一実施例であり、第
１図はレーザ光による膜形成装置の構成図、第２図は透
過窓の正面図、第３図は第２図中における■−■線部分
の断面図、第４図はレーザ光吸収体の斜視図、第５図は
粉末供給手段としての振動式駆動源とこれによって振動
される容器の構造を示す側断面図、第６図は帯状の基板
に膜形成をするための巻取機構を備えたレーザ光による
膜形成装置の概略的正面図、第７図は歯車に膜を形成す
るレーザ光による膜形成装置の概略的正面図、第８図は
従来方法によるレーザ光を用いた膜形成装置の正断面図
である。 ２０・・・真空容器、２１・・・保持台（電圧印加手段
）　２９・・・ＣＯ２レーザ光源（レーザ照射手段）、
３０・・・透過窓、３６・・・０２ボンベ（反応ガス洪
−飴手段）、４２・・・レーザ光吸収体、４６・・・振
動式駆動源 （粉末供給手段） ７・・・電極 （電圧 印加手段）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ照射手段から照射されたレーザ光を透過する透過
   窓を有し内部に被処理体を配置した真空容器と、この真
   空容器の透過窓に対向する内壁に設けられて上記透過窓
   から入射し上記被処理体の上部を通過したレーザ光を吸
   収するレーザ吸収体と、上記透過窓近傍から反応ガスを
   供給する反応ガス供給手段と、上記被処理体の上方向か
   ら粉末材料を供給する粉末供給手段と、上記被処理体近
   傍にプラズマを発生させる放電手段とを具備することを
   特徴とするレーザ光による膜形成装置。