JPH05171426A - レーザイオンプレーティング装置 - Google Patents

レーザイオンプレーティング装置

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JPH05171426A
JPH05171426A JP3341529A JP34152991A JPH05171426A JP H05171426 A JPH05171426 A JP H05171426A JP 3341529 A JP3341529 A JP 3341529A JP 34152991 A JP34152991 A JP 34152991A JP H05171426 A JPH05171426 A JP H05171426A
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Shinei Mineta
進栄 峰田
Shigeki Ogura
茂樹 小椋
Nobuo Yasunaga
暢男 安永
Hiroshi Takigawa
浩 滝川
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Nippon Steel Corp
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Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 均質かつ高密着性の高硬度セラミック化合物
薄膜を長時間にわたり安定して形成するとともに、原料
を効率良く基板に堆積させる装置を提供する。 【構成】 真空容器内の反応ガス供給路内に負電圧を印
加した蒸発用試料を設置し、反応ガス供給路のレーザ導
入窓からレーザ光を導入し試料に照射することで低電流
のアーク放電を起こし試料を蒸発させる。反応ガスはレ
ーザ導入窓付近から導入し、試料蒸発方向に位置する反
応ガス供給路の開口部から真空容器へ吹き出す。この構
造により、試料蒸発点での反応ガス圧を高めることでガ
ス活性化を促進するとともに基板付近の圧力を下げるこ
とで、良質の膜が形成される。また、蒸発方向と反応ガ
ス流れ方向が一致するため、蒸気の拡散がなく効率良く
基板に付着する。さらに、供給路内のガス流により蒸気
のレーザ導入窓への飛来を防止し、長時間にわたる運転
が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、試料基板上に薄膜を
形成する装置に関し、さらには、レーザ光を用い、金
属、半導体等の導電性固体材料から成る蒸発用試料を蒸
発させ、試料基板上に蒸発用試料と反応ガスの成分から
成る化合物の硬質薄膜を形成するイオンプレーティング
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図3に示す真空アーク放電を用いた蒸着
装置において、反応ガスを真空チェンバー内に導入する
ことで、蒸発用試料と反応ガスの成分からなる化合物薄
膜が高速形成されることが知られている。すなわち、蒸
発用試料4から成る陰極と陰極近傍に設置した陽極8間
で高電流の真空アーク放電させることで、蒸発用試料に
高密度エネルギーを付与し急速に加熱し蒸発用試料を高
速に蒸発させるとともに、高密度の放電により蒸発粒
子、反応ガスを高効率にイオン化することで、試料基板
17に蒸発用試料と反応ガスの成分からなる化合薄膜を
高速に形成する。例えば、Tiの蒸発用試料とN2 の反
応ガスを用い、圧力が0.8〜5Pa、アーク電流で50
〜100Aの条件でTiNが形成される。
【0003】また、図4にレーザ光を用いた真空蒸着装
置を示す(特開平3−104862号公報)。真空チェ
ンバー1に設置した負電圧を印加した蒸発用試料4にレ
ーザ光11を集光照射し加熱することで蒸発粒子と熱電
子を放出させ、この2つの媒体の作用により、放電電流
が0.1Aという低電流でも安定した真空アーク放電が
得られる。この装置は図3に示した装置に比して、ドロ
ップレットと呼ばれる蒸発用試料の液滴の発生が抑制さ
れ、均質な薄膜が得られるという特徴がある。すなわ
ち、ドロップレットは蒸発用試料の過加熱によって発生
するが、図3に示す装置では、真空アーク放電を維持す
るため高い放電電流を下げることが不可能であり、過加
熱を避けることができない。一方、図4に示す装置で
は、放電電流を下げることができるため過加熱を抑制し
ドロップレットの発生を回避できる。
【0004】さらに、図3に示す方法では、電気絶縁性
の化合薄膜を形成する場合、放電が停止する問題があ
る。すなわち、アーク放電により生成される反応ガスの
イオンの一部は陰極電極に引き込まれるため、陰極電極
の表面に化合物の絶縁層が形成されバイアス効果が無く
なり放電が停止する。この問題に対し、図4に示す装置
では、陰極電極に相当する蒸発用試料に形成される絶縁
層はレーザ光によって蒸発、破壊されるため、安定した
放電を維持することができるという特徴がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】図4の装置において反
応ガスを供給し化合薄膜を形成する場合、反応ガス供給
量が少ないと、蒸発用試料からの蒸発粒子と反応ガスと
の反応が充分でなく、蒸発用試料の成分が主体の薄膜が
形成される。一方、反応ガス供給量を増やし反応ガス圧
力を上げると、放電のプラズマ密度が上がり蒸発粒子と
反応ガスの活性化が促進されるが、その場合には試料基
板近傍の圧力も高まるため化合薄膜の試料基板に対する
密着力が低下する問題が発生する。
【0006】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、均質かつ高密着性の高硬度の化合薄膜
を得ることができるレーザイオンプレーティング装置を
提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】このための本発明は下記
の内容を要旨とする。 (1)真空チェンバー内に反応ガスを導入しながら、負
電圧を印加した蒸発用試料にレーザ光を集光照射して、
前記蒸発用材料に対向して配置した試料基板に蒸発用試
料と反応ガスからなる化合薄膜を形成するレーザイオン
プレーティング装置において、前記真空チェンバー内に
反応ガス供給路を設け、前記蒸発用試料を反応ガス供給
路内のレーザ導入、集光部近傍に配置すると共に、前記
蒸発用試料と試料基板との間にガス吹き出し口を設けた
ことを特徴とするレーザイオンプレーティング装置。 (2)蒸発用試料と試料基板の間に試料の蒸発方向に一
致する磁界を発生させる磁界発生器を具備したことを特
徴とする上記1記載のレーザイオンプレーティング装
置。
【0008】
【作用】本発明において、反応ガス供給路に反応ガスを
導入すると、ガス吹き出し口の流路抵抗により、真空チ
ェンバーの圧力に対し反応ガス供給路内の圧力が高くな
る。このため、蒸発用試料近傍の圧力上昇により、放電
のプラズマ密度が上昇し蒸発粒子、反応ガスを活性化
し、両者の化合反応を促進することができるほか、試料
基板近傍の圧力上昇を抑え化合薄膜の試料基板に対する
密着力の低下を防ぐことができる。
【0009】さらに、ガス吹き出し孔にガス流に沿った
磁界を発生させることで、放電により蒸発粒子と一緒に
発生する電子をサイクロトロン運動させ、電子と蒸発粒
子,反応ガスの衝突頻度を高めることで、蒸発粒子、反
応ガスの活性化がさらに促進され、両者の化合反応が促
進される。
【0010】
【実施例】図1は、本発明の一実施例を示す。真空チェ
ンバー1に反応ガス供給路2を設置し、その中に陰極電
源3に接続された例えば軸回転しているリング状の導電
性の材料から成る蒸発用材料4を設置する。前記反応ガ
ス供給路2は、レーザ導入窓5により真空シールされて
おり、該レーザ導入窓5近傍に反応ガス導入口6と、前
記蒸発用試料4のレーザ光被照射部に面し蒸発粒子が飛
翔する位置にガス吹き出し口7を有している。試料基板
17は、蒸発粒子、反応ガスの進行方向に設置し、該試
料基板を加熱するヒータ15と該試料基板に負電圧を印
加するバイアス回路16が接続されている。
【0011】反応ガス導入口6より微量の反応ガスを導
入する。レーザ発振器10から発振されたレーザ光11
は、平面鏡12によって水平方向に曲げられ集光レンズ
13によって集光され、レーザ導入窓5を通過し反応ガ
ス供給路2内に導入され、軸回転しているリング状の蒸
発用試料4の外周面に接線方向に照射する。
【0012】この状態では、蒸発用試料4のレーザ照射
部より、熱電子放出による数十mAの僅かな電流が流れ
る。この状態から例えば、照射レーザパワー密度をある
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
増し真空アーク放電が開始しアーク柱14が形成される
とともに、蒸発粒子量が急増する。その後、陰極電源3
で放電電流を調節するとともに反応ガスの供給量を調節
する。放電によりイオン化した蒸発粒子と反応ガスは、
あらかじめヒータ15で加熱され、バイアス電源16に
より負のバイアス電位が印加されている試料基板17の
方向に飛び出し、該試料基板上に堆積し蒸発粒子と反応
ガスの成分からなる化合物の薄膜を形成する。なお、該
試料基板17の前には可動シャッタ18を設置し、蒸発
の開始時に蒸発用試料4の表面に付着している不純物の
試料基板17への蒸着を防ぐとともに、化合薄膜の形成
時間を任意に調節するようにする。さらに、図2に示す
ガス吹き出し口7の近傍に磁界発生器19を設置し、蒸
発粒子が飛行する方向に並行な磁界を発生させること
で、蒸発粒子と反応ガスのイオン化効率をあげる。
【0013】以上がこの発明の一実施例をなすレーザイ
オンプレーティング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として、TiN薄膜
の形成例を示す。
【0014】試料基板17としてSUS304合金、M
oなどを用い、蒸発用試料4として外径30mm、内径1
0mmの工業用純Tiリングを用いた。また、試料基板1
7にはバイアス電源16で−200Vの負電圧を印加し
ヒータ15で150℃に加熱した。真空チェンバー1を
3×10-4Pa以下の圧力に排気した後、反応ガスとして
窒素を20SCCM導入した。この時のチェンバー内圧力
は、4×10-3Paであり、反応ガス供給路の圧力は約
0.4Paであった。陰極電源3が接続されているリング
状の蒸発用試料4を約10rpm 程度の回転数で回転させ
ながら蒸発用試料4の外周面にパルス幅220nS、周波
数1kHz 、ピークパワー130KWのQスイッチYAGレ
ーザ光11を接線方向から焦点をずらして照射した。そ
の後、焦点位置を合わせることで、アーク放電を開始さ
せ、放電電流を0.5Aに調節し放電を持続させた。そ
の後、シャッター18を開け5分間、成膜した。
【0015】この実験例で、SUS304試料基板上に
厚さ3μmのTiNを形成した。この膜は、マイクロビ
ッカース硬度がHv2600、基板への膜付着力が引掻き
試験法で臨界荷重Lcで40Nという高い値を示した。
また、レーザ光11としてCO2 レーザを用い、レーザ
パワーが800Wの条件でTiN膜を形成することがで
きた。この場合、前記蒸発用試料4はTiリングの内面
を水冷しTiリングの溶融、変形を防いだ。なお、この
方法で、蒸発粒子の飛来によるレーザ光の導入窓の汚れ
が認められなかったほか、真空チェンバーへの付着も少
なかった。
【0016】
【発明の効果】本発明による装置では、従来装置に比し
て蒸発粒子と反応ガスとが充分化合し、且つ試料基板と
の密着性に優れた化合薄膜が形成できる。また、ガス導
入路のガス吹き出し孔を蒸発粒子の飛翔方向と反応ガス
吹き出し方向を一致させることで、ガス流による蒸発粒
子の発散を防ぎ蒸発粒子を高効率に試料基板に付着でき
るほか、反応ガス供給路内の反応ガス流れにより蒸発粒
子のレーザ導入窓への飛来、汚染を阻止することがで
き、安定した運転が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示すレーザイオンプレーテ
ィング装置の概略図を示す。
【図2】図1の反応ガス吹き出し口近傍に磁界を発生す
る磁気発生器を設置したレーザイオンプレーティング装
置図を示す。
【図3】従来の真空アーク放電を用いた蒸着装置図。
【図4】従来のレーザ蒸着装置図を示す。
【符号の説明】
1 真空チェンバー 2 反応ガス供給路 3 陰極電源 4 蒸発用試料 5 レーザ導入窓 6 反応ガス導入口 7 ガス吹き出し口 8 陽極 10 レーザ発振器 11 レーザ光 12 平面鏡 13 集光レンズ 14 アーク柱 15 ヒータ 16 バイアス電源 17 試料基板 18 可動シャッタ 19 磁界発生器 20 凹面鏡
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 本製鐵株式会社先端技術研究所内 (72)発明者 滝川 浩 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

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 真空チェンバー内に反応ガスを導入しな
    がら、負電圧を印加した蒸発用試料にレーザ光を集光照
    射して、前記蒸発用材料に対向して配置した試料基板に
    蒸発用試料と反応ガスからなる化合薄膜を形成するレー
    ザイオンプレーティング装置において、前記真空チェン
    バー内に反応ガス供給路を設け、前記蒸発用試料を反応
    ガス供給路内のレーザ導入,集光部近傍に配置すると共
    に、前記蒸発用試料と試料基板との間にガス吹き出し口
    を設けたことを特徴とするレーザイオンプレーティング
    装置。
  2. 【請求項2】 蒸発用試料と試料基板の間に試料の蒸発
    方向に一致する磁界を発生させる磁界発生器を具備した
    ことを特徴とする請求項1記載のレーザイオンプレーテ
    ィング装置。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000056947A1 (fr) * 1999-03-23 2000-09-28 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Procede d'evaporation a arc sous vide, systeme d'evaporation a arc sous vide et outil de coupe rotatif
EA015720B1 (ru) * 2008-02-13 2011-10-31 Александр Криманов Метод и устройство управления потоком ионов
EA015719B1 (ru) * 2008-02-13 2011-10-31 Александр Криманов Метод и устройство управления потоком ионов

Cited By (4)

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EA015720B1 (ru) * 2008-02-13 2011-10-31 Александр Криманов Метод и устройство управления потоком ионов
EA015719B1 (ru) * 2008-02-13 2011-10-31 Александр Криманов Метод и устройство управления потоком ионов

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