JPH0551731A - レーザ蒸着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザ光入射窓への蒸発粒子の付着が少な
く、蒸着被膜へのパージガスの混入の少ないレーザ蒸着
装置。 【構成】 レーザ光が透過する透過孔を有するパージガ
ス噴射室を入射窓を取り囲んで設け、パルスレーザと同
期してパージガスを噴射すると共に、レーザ光が透過す
る透過孔とパージガス排気装置とを具備した中間室をパ
ージガス噴射室と蒸着室の間に設けた。中間室の透過孔
を通過し、入射窓の方向へ飛来した蒸発粒子はパージガ
ス噴射室の透過孔から侵入しようとするが、パージガス
噴射室へはパージガス噴射装置からパルスレーザのパル
スに同期して、パージガスが噴射され透過孔からパージ
ガスの気流が流出するので、蒸発粒子が透過孔から侵入
するのが最小限のパージガスにより阻止される。また、
その間中間室へ流入したパージガスはガス排気装置によ
り排気されるので、パージガスが蒸着被膜に混入するこ
とが防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＰＶＤ法（物理的蒸着
法）、特にレーザＰＶＤ法またはレーザアブレーション
法を用いた蒸着装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光は単一波長でビームの拡がりも
小さいので、極めて小さい領域に集光でき、したがって
高密度エネルギを発生して高融点材料でも容易に溶融・
蒸発させることができる。この特徴を生かした蒸着法は
レーザＰＶＤ法と言われ、高硬度・緻密質のセラミック
膜ができることから、耐摩耗部品、耐熱耐食性部品、電
子部品などとして有用である。

【０００３】従来用いられているレーザＰＶＤ装置の一
例を図４に示す。図４において真空室２３の中央にはタ
ーゲットホルダ３５が設置され、このターゲットホルダ
３５にはターゲット３１が固定されている。また、真空
室２３の底面には排気管が取り付けられ、真空ポンプ５
２により真空室２３内のガスが排気され、真空室２３は
真空に保たれている。

【０００４】ターゲット３１を側面から臨む真空室２３
の側壁には光透過室が設けられ、この光透過室の一番先
には透明材料からなる入射窓１４が取り付けられてい
る。この入射窓１４を通して、レンズ１３で集光された
レーザ光１２が、ターゲット３１に照射される。

【０００５】真空室２３内のターゲット３１に対向する
位置には、基板ホルダに固定された基板３３が置かれて
いる。レンズ１３で集光されたレーザ光１２が、入射窓
１４を通して、ターゲット３１に照射されると、ターゲ
ット３１がアブレーションを起こし、ターゲット３１よ
り放出された蒸発粒子３２は対向して置かれた基板３３
上に堆積して膜が形成される。

【０００６】このようにレーザＰＶＤ法においては、入
射窓を通してレーザ光がターゲットに照射され、ターゲ
ットからは蒸発粒子が放出され、対向して設置された基
板の上に膜として堆積する。この時に、大部分の蒸発粒
子は基板の方向へ向かうが、蒸発粒子の一部は入射窓の
方へも飛散する。そのため、入射窓にも蒸発粒子が付着
し、入射するレーザ光の透過率が低下し蒸発源への到達
エネルギが減少するので、レーザ成膜を長時間にわたっ
て安定して続けることが困難となる。

【０００７】前記のごとき、蒸発粒子の一部が入射窓に
堆積し入射するレーザ光の透過率が低下するという問題
点を解決するために、種々の提案がなされており、例え
ば特開昭５８−４２７７０号公報の蒸発源からの蒸気流
を阻止する装置の発明においては、入射窓を透過した光
ビームが通過するスリットを設けるとともに、該スリッ
トと入射窓との間に気体の流れを発生する手段を設け、
スリットを通って入射窓の方向へ侵入する蒸気流を気体
の流れで阻止するものである。

【０００８】また、特開昭６１−２９１９６６号公報の
蒸着装置の発明においては、入射窓から導入された光ビ
ームを反射鏡で反射して蒸着材料に照射する蒸着装置に
おいて、入射窓から反射鏡に向けて光ビーム通路を囲ん
で保護管を設け、保護管の先端部の反射鏡に近い位置に
光ビームの通過するスリットを設け、保護管の入射窓近
傍に気体を導入しスリット方向に気体を流すように構成
したものであって、蒸着物質の入射窓への付着を防止し
ている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記第
１の提案においては、スリットを通って入射窓の方向へ
侵入する蒸発粒子は、スリットと入射窓との間に気体の
流れを発生する手段により、阻止されるものの、スリッ
トからは蒸着室に気体が流入する結果となり、蒸着膜に
気体が混入し、被膜の純度を低下させるという問題点が
あった。

【００１０】また、前記第２の提案においても、保護管
の入射窓近傍からスリット方向に流れる気体により、蒸
発粒子がスリットから入射窓へ侵入するのが防止される
が、蒸着室内に気体が流入するのを防止することはでき
ないので、同様に蒸着した被膜に気体が混入するという
問題が発生する。さらに、何れの方法においても、連続
ビームを用いる場合は、蒸発粒子の放出が連続的である
ため、気体を連続して流さなければならず、被膜の純度
を低下させるという問題点はさらに深刻になる。

【００１１】本発明は従来のレーザ蒸着装置において、
蒸発粒子が入射窓に付着することを防止するために使用
される気体、いわゆるパージガスが、真空蒸着中に被膜
中に混入し、被膜の純度が低下するという前記のごとき
問題点を解決すべくなされたものであって、蒸発粒子が
入射窓に付着することなく、かつ付着防止用のパージガ
スが被膜に混入することのないレーザ蒸着装置を提供す
ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記の問題点を解決する
ためには、入射窓への蒸発粒子が飛散するのを防止する
ために噴射する気体は必要最小限にする必要があるとの
認識の下に、鋭意検討を重ねた結果、パルスレーザを用
いると共にこれに同期させて気体を噴射することを着想
した。また、スリットから流れ出る気体については、排
気装置を設けた中間室に導入し、そこから排気すること
により、蒸着被膜への混入が防止されることを見出して
本発明を完成した。

【００１３】本発明のレーザ蒸着装置は、側面に入射窓
を設け内部にターゲットとそれに相対向して基板が設置
される蒸着室と、前記入射窓を介して前記蒸着室内に設
置された前記ターゲットにレーザ光を照射するレーザ発
生装置とからなるレーザ蒸着装置において、前記入射窓
を取り囲んで前記蒸着室側に設けられたパージガス噴射
室と、前記パージガス噴射室に設けられ前記入射窓を透
過した前記レーザ光が透過する透過孔と、前記レーザ発
生装置のパルスレーザと同期して前記パージガス噴射室
にパージガスの噴射を行うパージガス噴射装置と、前記
パージガス噴射室と前記蒸着室の間に設けられた中間室
と、前記中間室に取り付けられたパージガス排気装置
と、前記中間室に設けられ前記レーザ光が透過する透過
孔とを取り付けたことを要旨とする。

【００１４】

【作用】レーザ発生装置から発射されたパルスレーザ
は、入射窓からガス噴射室の透過孔および中間室の透過
孔を透過して、真空蒸着室内に配置されたターゲット
（蒸発材料）に照射される。レーザ光が蒸発材料に照射
されると、ターゲットがアブレーションを起こして、蒸
発粒子が放出され対向して置かれた基板上に堆積して被
膜が形成される。なお、パルスレーザとしては、パルス
幅の短いエキシマレーザ等を用いても良い。

【００１５】蒸発粒子の大部分はターゲットの法線方向
に飛んで基板に堆積するが、蒸発粒子の一部はパルスレ
ーザのパルスと同期して入射窓の方向にも飛来する。入
射窓の方向へ飛来した蒸発粒子は先ず中間室の壁で遮ら
れる。しかし、中間室の壁には透過孔が設けられている
ので、この透過孔を通過した蒸発粒子は、さらにパージ
ガス噴射室に向けて進入する。

【００１６】パージガス噴射室に向けて侵入した蒸発粒
子は殆どパージガス噴射室の壁で遮られるが、パージガ
ス噴射室の壁には透過孔が設けられているので、この透
過孔からも蒸着粒子が侵入しようとする。然るに、パー
ジガス噴射室へはパージガス噴射装置からパルスレーザ
のパルスに同期して、パージガスが噴射され透過孔から
パージガスの気流が流出するので、蒸発粒子が透過孔か
ら侵入するのが阻止される。また、蒸発粒子はパルスレ
ーザのパルスに同期して飛来するが、パージガスの噴射
は噴射装置からパルスレーザのパルスに同期しているの
で、パージガスの噴射は必要最小限に抑えることができ
る。その結果、蒸発粒子は入射窓に到達することがな
い。

【００１７】一方、透過孔から流出したパージガスは、
中間室へ流入するが、中間室にはパージガス排気装置が
取り付けられているので、真空蒸着室へ流入する前に、
室外へ排気される。また、パージガスの噴射はパルス的
であるため、噴射のインタバルの間に充分に排気され
る。なお、真空室の排気と中間室のパージガスの排気を
差動排気すると、蒸着室へのパージガスの流入をさらに
減少することができる。

【００１８】

【実施例】本発明の好適な一実施例を以下図面に従って
説明する。図１は本発明の一実施例の概略構成図であ
る。真空室２３の中央には蒸着室３４が配置され、この
蒸着室３４にはターゲットホルダ３５が４５°傾斜して
設置されターゲット３１が同様に４５°傾斜して固定さ
れている。

【００１９】また、ターゲット３１に対向する位置に
は、基板３３がターゲット３１と平行に固定されてい
る。真空室２３の底面には排気管が取り付けられ、真空
ポンプ５２により真空室２３内のガスが排気され、真空
室２３は１０^-7Ｔｏｒｒ程度の真空に保たれている。

【００２０】ターゲット３１を側面から臨む真空室２３
の側面には、透明材料からなる入射窓１４が取り付けら
れており、この入射窓１４を通して、レーザ発生装置１
１から発射されたレーザ光１２が、レンズ１３で集光さ
れて、ターゲット３１に照射される。

【００２１】また、入射窓１４の蒸着室３４側には、入
射窓１４を取り囲んでパージガス噴射室２１が設けら
れ、このパージガス噴射室２１の入射窓と対向する壁に
は、入射窓１４を透過したレーザ光１２が透過する透過
孔１６が設けられている。このパージガス噴射室２１に
は、レーザ発生装置１１のパルスレーザと同期して、パ
ージガス噴射室２１に、ガス噴射管４１を介してパージ
ガスの噴射を行う、パージガス噴射装置であるパルスイ
ンジェクタ４２が取り付けられている。

【００２２】パージガス噴射室２１と蒸着室３４の間
は、入射窓１４および透過孔１６を透過したレーザ光１
２が透過する透過孔１７が設けらている壁で仕切られ
て、中間室２２が設けられている。この中間室２２内の
ガスは中間室の底部に取り付けられたパージガス排気ポ
ンプ５１により、室外へ排気される。

【００２３】本実施例装置の作動について説明すると、
レーザ発生装置１１から発射されたパルスレーザ１２
は、レンズ１３で集光され、入射窓１４からパージガス
噴射室２１の透過孔１６および中間室２２の透過孔１７
を透過して、蒸着室３４内に配置されたターゲット３１
に照射される。レーザ光１２がターゲット３１に照射さ
れると、ターゲット３１がアブレーションを起こして、
蒸発粒子３２が放出され対向して置かれた基板３３上に
堆積して被膜が形成される。

【００２４】蒸発粒子３２の大部分はターゲット３１の
法線方向に飛んで基板３３に堆積するが、蒸発粒子３２
の一部はパルスレーザのパルスと同期して入射窓１４の
方向にも飛来する。入射窓１４の方向へ飛来した蒸発粒
子３２は先ず中間室２２の壁で遮られる。しかし、中間
室２２の壁には透過孔１７が設けられているので、この
透過孔１７を通過した蒸発粒子３２は、さらにパージガ
ス噴射室２１に向けて進入する。

【００２５】パージガス噴射室２１に向けて侵入した蒸
発粒子３２は殆どパージガス噴射室２１の壁で遮られる
が、パージガス噴射室２１の壁には透過孔１６が設けら
れているので、この透過孔１６からも蒸発粒子３２が侵
入しようとする。然るに、パージガス噴射室２１へはパ
ージガス噴射装置であるパルスインジェクタ４２からパ
ルスレーザのパルスに同期して、パージガスが噴射され
透過孔１６からパージガスの気流が流出するので、蒸発
粒子３２が透過孔１６から侵入するのが阻止される。ま
た、蒸発粒子３２はパルスレーザ１２のパルスに同期し
て飛来するが、パージガスのパルスインジェクタ４２か
らの噴射はパルスレーザのパルスに同期しているので、
ガスの噴射は必要最小限に抑えることができる。その結
果、蒸発粒子３２は入射窓１４に到達することがない。

【００２６】一方、パージガス噴射室２１の透過孔１６
から流出したガスは、一旦中間室２２へ流入するが、中
間室２２にはパージガス排気ポンプ５１が取り付けられ
ているので、蒸着室３４へ流入する前に、室外へ排気さ
れる。また、パージガスの噴射はパルス的であるため、
噴射のインタバルの間に充分に排気される。

【００２７】本発明装置を用いＹＡＧレーザを使用した
場合について述べる。レーザ照射条件は、パルス幅１０
ｍｓｅｃ、パルスエネルギ２００ｍＪとし、ターゲット
上のレーザ照射点からレーザ導入窓までの距離ｌ（ｃ
ｍ）は５０ｃｍとした。次にターゲットから放出される
蒸発粒子がレーザ入射窓へ到達する時間ｔａを求める。
ターゲットから放出される蒸発粒子の速度ｖ（ｃｍ／ｓ
ｅｃ）は、一般に１０⁴〜１０⁶ｃｍ／ｓｅｃであること
が知られている。従って、ターゲットから放出される蒸
発粒子が入射窓へ到達する時間ｔａは、 ｔａ＝ｌ／ｖ＝５０×（１０^-4〜１０^-6）＝５０μｓｅｃ〜５ｍｓｅｃ となり、最大５ｍｓｅｃである。

【００２８】そこで、レーザ照射後少なくとも５ｍｓｅ
ｃの間パルスインジェクタによりパージガスを噴射する
ことにより、入射窓へ蒸発粒子が付着するのを防止する
ことができる。図２にパルス幅１０ｍｓｅｃである場合
に５ｍｓｅｃの間パルスインジェクタによりパージガス
を噴射する場合の入射窓への蒸発粒子の堆積量の変化を
示した。なお、レーザ発生装置からレーザ光がターゲッ
トに到達する時間は、蒸発粒子がレーザ入射窓に到達す
る時間に比べて無視できるほど短い。

【００２９】次に、本実施例装置を用い、ターゲットを
Ｍｏ、パージガスをＡｒ、基板を石英ガラス、ターゲッ
トと基板の距離を３０ｃｍ、レーザパワー密度を１０Ｊ
／ｃｍ²として、本実施例と従来例の真空蒸着を行っ
た。本実施例としては、パルスインジェクタによりレー
ザ光に同期させてパルス的にパージガスを噴射し、従来
例としては、連続的にパージガスを噴射した。なお、中
間室と蒸着室の排気は差動排気することを行わなかっ
た。

【００３０】得られた被膜についてパージガスであるＡ
ｒガスの含有率を測定したところ、図３に示すような結
果を得た。図３に示したように、従来例のＡｒ含有量が
３％程度であったのに比較して、本発明例のＡｒ含有量
は０．５％程度であって、本発明によればパージガスの
被膜への混入が大幅に減少することが確認された。な
お、本実施例においては、ＹＡＧレーザを用いた場合を
示したが、パルス幅の短いエキシマレーザを用いても同
様の結果が得られる。

【００３１】

【発明の効果】本発明のレーザ蒸着装置は以上説明した
ように、内部にターゲットとそれに相対向して基板が設
置される蒸着室に入射窓を介して蒸着室内のターゲット
にレーザ光を照射するレーザ蒸着装置において、レーザ
光が透過する透過孔を有するパージガス噴射室を入射窓
を取り囲んで設け、パルスレーザと同期してパージガス
を噴射すると共に、レーザ光が透過する透過孔とパージ
ガス排気装置とを具備した中間室をパージガス噴射室と
蒸着室の間に設けたものであって、中間室の透過孔を通
過し、入射窓の方向へ飛来した蒸発粒子はパージガス噴
射室の透過孔から侵入しようとするが、パージガス噴射
室へはパージガス噴射装置からパルスレーザのパルスに
同期して、パージガスが噴射され透過孔からパージガス
の気流が流出するので、蒸発粒子が透過孔から侵入する
のが最小限のパージガスにより阻止される。その結果、
蒸発粒子は入射窓に到達することがない。また、その間
中間室へ流入したパージガスはガス排気装置により排気
されるので、真空蒸着室へ流入する前に、室外へ排気さ
れ、パージガスが蒸着被膜に混入することが防止され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の概略構成図である。

【図２】本発明装置を使用した場合の入射窓への蒸発粒
子の堆積量と時間との関係を示すタイムチャートであ
る。

【図３】本発明例と従来例により蒸着した被膜中のパー
ジガス含有量を示す図である。

【図４】従来のレーザ蒸着装置の概略構成図である。

【符号の説明】 １１ レーザ発生装置 １２ レーザ光 １４ 入射窓 １６ 入射窓の透
過孔 １７ 中間室の透過窓 ２１ パージガス
噴射室 ２２ 中間室 ２３ 真空室 ３４ 蒸着室 ３１ ターゲット ３２ 蒸発粒子 ３３ 基板 ４２ パルスインジェクタ ５１ パージガス
排気ポンプ ５２ 真空排気ポンプ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 側面に入射窓を設け内部にターゲットと
   それに相対向して基板が設置される蒸着室と、前記入射
   窓を介して前記蒸着室内に設置された前記ターゲットに
   レーザ光を照射するレーザ発生装置とからなるレーザ蒸
   着装置において、 前記入射窓を取り囲んで前記蒸着室側に設けられたパー
   ジガス噴射室と、前記パージガス噴射室に設けられ前記
   入射窓を透過した前記レーザ光が透過する透過孔と、前
   記レーザ発生装置のパルスレーザと同期して前記パージ
   ガス噴射室にパージガスの噴射を行うパージガス噴射装
   置と、前記パージガス噴射室と前記蒸着室の間に設けら
   れた中間室と、前記中間室に取り付けられたパージガス
   排気装置と、前記中間室に設けられ前記レーザ光が透過
   する透過孔とを取り付けたことを特徴とするレーザ蒸着
   装置。