JPH03180466A - エネルギービーム照射位置計測装置及びエネルギービーム照射位置計測装置を用いたレーザ蒸着装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、たとえばレーザ蒸着装置などに用いられる加
工用のエネルギービームを用いて生じる被照射材の発光
部映像よりエネルギービーム照射位置を検知するエネル
ギービーム照射位置計測装置に関するものである。

［従来の技術］ 本発明はエネルギービーム照射位置計測装置とこれを用
いたレーザ蒸着装置の二つの発明を対象としているが、
以下においては、レーザ蒸着装置を具体例としてあげ説
明する。

第５図は例えば特開昭５９−１１６３７３号公報に記載
された従来のレーザ蒸着装置を示す概略構成図である。

図において、（１）はレーザ発振器から放射されるレー
ザ光、（２）および（３）はこのレーザ光（１）の光路
を変向する平面鏡、（４）はレーザ光（１）を集光する
ための集光レンズ、（５）は真空チャンバ、（６）はこ
の真空チャンバ（５）の壁に設けられた透過窓で、この
透過窓（６）を通して集光レンズ（４）からのレーザ光
（１）が真空チャンバ（５）内に導びかれる。（７）は
真空チャンバ（５）内に配設され例えば酸化硅素ＳｉＯ
□、アルミナＡｌ２Ｏ３などのセラミック材から形成さ
れた被照射材で、回転できるとともに回転軸方向にも可
動で、更にＸ軸、Ｚ軸方向にも移動できる。なお上記集
光レンズ（４）は被照射材（７）表面にレーザ光（１）
の焦点が結ばれるような位置に配置されている。（８）
は薄膜を蒸着するための基板で、例えばＭｏ　、　Ｃｕ
　。

Ｆｅ、Ｔｉ　、Ｗなどの金属からできており、被照射材
（７）から出射される蒸発粒子の出射方向、すなわち被
照射材（７）表面のほぼ法線方向に配置されている。（
９）は被照射材（７）と基板（８）の間に配置され、被
照射材（７）から出射される蒸発粒子の通過量を調整し
て、基板（８）に蒸着される膜厚を調整するためのシャ
ッター　（ｉｏ）は被照射材の（７）の外周部近傍に設
けられた予熱ヒータで被照射材（７）がレーザ照射によ
り部分加熱をうけ熱割れを生じるのを防ぐためのもので
ある。

次に上記のように構成されたレーザ蒸着装置の動作につ
いて説明する。レーザ発振器から放射されるたとえばＣ
０２などの加工用レーザ光（１）は、平面鏡（２）、（
３）　、集光レンズ（４）　　透過窓（６）からなる光
学系を経て、真空チャンバ（５）内に配設された被照射
材（７）の表面に集光して照射される。レーザ光の照射
により、照射ビーム位置が溶融し、被照射材（７）から
蒸発粒子がほぼ法線方向に放出され、その蒸発粒子は基
板（８）上に蒸着し、成膜される。被照射材（７）はそ
の表面が均一に消耗されるように、蒸着操作中、数γｐ
ｍ〜３０γｐ！１程度で回転され、軸方向にも移動され
る。

そして、被照射材（７）が消耗され径が小さくなるに従
がって、レーザ光（１）の照射位置が変化し、出射方向
が変化して、基板に当る蒸発粒子の蒸着量の分布も変動
してしまう。このような問題に対しては、回転体である
被照射材（７）の消耗量を測定し、その分だけ被照射材
（７）を基板（８）の方向に近接させて対処している。

あるいは又、ミラーを切り替えて、ＣＯ２等の加工用レ
ーザの光路に可視光のＨｅ−Ｈｅなどのレーザを通して
対処する方法が良く用いられている。すなわち、Ｈｅ　
−Ｎ　ｅレーザを通すと、被照射材（７）の表面に赤色
のスポットが照らし出される。この位置が所定の位置に
常に来るように、被照射材（７）をＸ軸、Ｚ軸に駆動操
作して調整し、その後再び光路を加工用レーザに切り替
え蒸着操作を行なっていた。

［発明か解決しようとする課題］ 従来のレーザ蒸着装置は以上のように構成されているの
で、被照射材の消耗量を測定する場合は、照射位置の変
動を測定する都度、いったん蒸着操作を停止しなければ
ならないから、連続して運転できない。可視光のレーザ
光を使う場合は、可視光レーザと、加工用レーザとの光
路切り換え時に軸ずれが生じて、安定した成膜ができな
い。

また、可視光レーザに切り換える時は加工用レーザを切
っているので、上記被照射材の消耗量を測定する場合と
同様の連続運転はできない。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、発光部の大きさ、発光の形状が変化してもエ
ネルギービームの照射位置を安定にかつ高速に検出する
エネルギービーム照射位置計測装置を得ることを目的と
している。

また、長時間の連続運転に際しても、常にレーザ照射位
置を精度良く一定に保ち、蒸着速度を一定にし、基板の
蒸着膜厚が均一な安定した成膜を行なうことのできるレ
ーザ蒸着装置を得ることを目的としている。

［課題を解決するための手段］ この発明に係るエネルギービーム照射位置計測装置は、
エネルギービームを収束させて被照射材に導く光学系と
、上記エネルギービームで照射され溶融した上記被照射
材の発光部を、この発光部の上記被照射材上の位置の接
線方向から撮像する撮像手段と、この撮像手段により得
られた発光像の上記被照射材先端側の位置を検知する検
知手段とを備えたものである。

また、この発明に係るレーザ蒸着装置は、真空チャンバ
ーと、この真空チャンバー内に配設され、軸を中心に回
転する被照射材と、この被照射材表面にレーザ発振器か
らのレーザ光を導く光学系と、上記被照射材から出射さ
れる蒸発粒子の出射方向に配置された基板と、この基板
に向って上記被照射材を駆動する駆動機構と、上記レー
ザ光で照射され溶融した上記被照射材の発光部を、この
発光部の上記被照射材上の位置の接線方向から撮像する
撮像手段と、この手段により得られた発光像の上記被照
射材先端側の・位置を検知し、上記被照射材の消耗によ
る移動量を検知し、この移動量に応じて上記駆動機構を
基板側に動作させる制御手段とを備えたものである。

［作用］ この発明におけるエネルギービーム照射位＠撮像手段は
、被照射材上の発光部の位置の接線方向から発光像をと
らえて、発光像の被照射材側の先端位置をエネルギービ
ーム照射位置として検知する。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例を示すレーザ蒸着装置の概
略構成図である。

図において、（１）　、　（５）ないしく８）は上記従
来例を示す第５図と同様のものである。（１１）は被照
射材（７）を基板（８）の方向へ移動させる駆動機構、
（１２）は被照射材（７）にレーザ光（＋）が照射して
発生されるプルームと呼ばれる発光を伴なう電離気体、
（１３）はレーザ照射位置とその付近を、被照射材（７
）の接線方向から撮像するたとえばＩＴＶカメラ等の撮
像手段、（１４）は撮像手段（１３）からの信号を処理
し、駆動機構（１１）に基板（８）への近接量を伝える
制御手段である。

次に動作について゛説明する。レーザ光（１）で照射さ
れた被照射材（７）は溶融し、発光を伴なう電離気体が
被照射材（７）表面のほぼ垂直に発生し、第２図に示す
ようなプルーム（１２）を形成する。このプルーム（１
２）の形状、明るさは、被照射材（７）の表面状態、被
照射材（７）上に照射されるエネルギー密度などにより
、たとえば第２図に示す点線または実線のように不規則
に大きく変化する。しかし、被照射材（７）上のレーザ
照射による溶融部位置は、プルーム（１２）と、被照射
材（７）表面との接点に在り、被照射材（７）の消耗に
伴ないゆるやかに変化するのもである。第１図に示すよ
うに、ＩＴ’／カメラ（１３）を、被照射材（７）接線
方向にほぼ平行となるよう配置し撮像することで、レー
ザ光路と被照射材（７）表面の交点、すなわち被照射材
（７）の溶融位置を検知できる。

第３図は、レーザ光路とカメラ（１３）の走査線方向と
を対向させ、走査開始側に被照射材（７）を写すように
カメラ（１３）を配置した場合の画面を示した図である
。画像上には溶融発光部とプルーム（１２）のみが明る
く写り、第３図の左側が被照射材（７）側に合わされて
いる。第４図は、レーザ光路の撮像面（第３図）への投
影付近の走査線の映像信号を明るさを縦軸に１位置（走
査時間）を横軸にとって示した図である。この図から分
るように走査線上を開始から、点線で示した閾値と比較
していき、最初に閾値を越える点を検出し、この検出点
（Ａ）をレーザ光路照射位置とするものである。走査線
の設定、閾値の設定、信号の比較、位置の検出は制御手
段（１４）で行なわれる。この場合の画像処理は走査線
方向の一時処理で行なえば良いので、回路が簡単で安価
なセンサで照射位置が検出できる。

第３図においては、走査線方向をレーザ光路と対向させ
て処理を行なったが、レーザ光路と同方向から走査線方
向をもってきても同様の効果を奏する。この時は、プル
ームによりいったん明るく検出された照度が急激に暗く
なる位置をレーザ照射位置として検出することになる。

［発明の効果］ この発明の請求項第１項に係るエネルギービ−ム照射位
置計測装置は、エネルギービームを収束させて被照射材
に導く光学系と、上記エネルギービームで照射され溶融
した上記被照射材の発光部を、この発光部の上記被照射
材上の位置の接線方向から撮像する撮像手段と、この撮
像手段により得られた発光像の上記被照射材先端側の位
置を検知する検知手段とを備えたので、発光部の大きさ
、発光の形状が変化してもエネルギービームの照射位置
を安定にかつ高速に検出するエネルギービーム照射位置
計測装置を提供できる効果がある。

また、この発明の請求項第２項に係るレーザ蒸着装置は
、真空チャンバーと、この真空チャンバー内に配設され
、軸を中心に回転する被照射材と、この被照射材表面に
レーザ発振部器からのレーザ光を導く光学系と、上記被
照射材から出射される蒸発粒子の出射方向に配置された
基板と、この基板に向って上記被照射材を駆動する駆動
機構と、上記レーザ光で照射され溶融した上記被照射材
の発光部を、この発光部の上記被照射材上の位ｊ４の接
線方向から撮像する撮像手段と、この撮像手段により得
られた発光像の上記被照射材先端側の位置を検知し、上
記被照射材の消耗による移動量を検知し、この移動量に
応じて上記駆動機構を基板側に動作させる制御手段とを
備えたので、長時間の連続運転に際しても、常にレーザ
照射位置を制度よく一定に保ち、蒸着速度を一定にし、
基板の蒸着膜厚が均一な安定した威服を行なうことので
きるレーザ蒸着装置を提供できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すレーザ蒸着装置の概
略構成図、第２図は被照射材の接線方向から見たレーザ
照射位置に発生したブルームを示す図、第３図はこの発
明の他の実施例を示すレーザ光路の撮像画面、第４図は
レーザ光路付近での一定査線の映像信号を示す図、第５
図は従来のレーザ蒸着装置を示す概略構成図である。 図において、（１）はレーザ光、（５）は真空チャンバ
、（７）は被照射材、（８）は基板、（１１）は駆動機
構、（１３）は撮像手段、（１４）は制御手段である。 なお図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）エネルギービームを収束させて被照射材に導く光
   学系、上記エネルギービームで照射され溶融した上記被
   照射材の発光部を、この発光部の上記被照射材上の位置
   の接線方向から撮像する撮像手段、この撮像手段により
   得られた発光像の上記被照射材側の先端位置を検知する
   検知手段を備えたことを特徴とするエネルギービーム照
   射位置計測装置。
2. （２）真空チャンバー、この真空チャンバー内に配設さ
   れ、軸を中心に回転する被照射材、この被照射材表面に
   レーザ発振器からのレーザ光を導く光学系、上記被照射
   材から出射される蒸発粒子の出射方向に配置された基板
   、この基板に向って上記被照射材を駆動する駆動機構、
   上記レーザ光で照射され溶融した上記被照射材の発光部
   を、この発光部の上記被照射材の位置の接線方向から撮
   像する撮像手 段、この撮像手段により得られた発光像の上記被照射材
   側の先端位置を検知し、上記被照射材の消耗による移動
   量を検知し、この移動量に応じて上記駆動機構を基板側
   に動作させる制御手段を備えたことを特徴とするレーザ
   蒸着装置。