JPS62170474A - レ−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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、各種の金属１合金、セラミックスから成る基
板の表面に各種の機能を備えた被覆層を形成した部材、
例えば、切削工具及び耐摩耗工具のような工具部品並び
に半導体素子基板のような電子工業部品、を製造する際
に用いて好適なレーザ蒸着装置に関し、更に詳しくは、
緻密な被覆層を形成することができ、また、基板と被覆
層との密着性を高めることもできる構造のレーザ蒸着装
置に関する。

［従来技術］ 一般に、全屈１合金、セラミンクスから成る基板の表面
に様々な機能を有する被覆層を形成するための蒸着装置
には、大別して、化学蒸着装置（ＣＶＤ装置）と物理蒸
着装置（ＰＶＤ装置）がある。

後者の装置を更に分類すると、イオンブレーティング装
置、スパンタリング装置、真空蒸着装置になるが、この
うちの真空蒸着装置の１種として、被照射試料を加熱蒸
発させる手段にレーザ光を用いるレーザ蒸着装置が知ら
れている。

従来から多用されているレーザ蒸着装置は１強力なエネ
ルギー密度に絞りこんだ集束レーザ光を被照射試料に照
射するため、この被照射試料はレーザ光の照射部分がそ
の他の非照射部分に比べて多量に蒸発して照射痕となり
、連続運転が困難となる。このため、従来のレーザ蒸着
装置に適用されているレーザ光は、その照射エネルギー
を１００Ｗ以下に抑制した小出力レーザ光が主流である
。

しかしながら、レーザ光の照射エネルギーが小さい場合
は、被照射試料からの蒸発物の蒸発量が少なくなり基板
表面に形成される被覆層の成膜速度は小さくなる。また
、基板に形成された被Ｗｉ層の機械的強度も小さく、基
板との密着性も弱くなるという問題点が指摘されてる。

このような問題点を解決するために１本発明者らは新規
な構造の装置を開発した（特開昭５９−１１６３７３号
公報参照）。

ここで開示されている装置は、大出力のレーザ光を被照
射試料に照射することを可能にしたもので、具体的には
、リング状に形状加工した被照射試料を真空容器内で軸
回転させ、その接線方向から大出力の集束レーザ光を照
射することを特徴とする。このような態様を採用するこ
とにより、被照射試料から蒸発する蒸発物の活性化は促
進され、この高活性の蒸発物から成る被覆層と基板との
密着性は著しく向上し、更には、蒸発物を回転リング状
の被照射試料から基板に連続的かつ安定して供給するこ
とができる。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、この技術分野においては、最近ますますつぎ
のようなことが要求されている。すなわち、被覆層を構
成する各元素の組成比を最適に制御すること、基板に形
成される被覆層はできるだけ緻密であること、また被覆
層と基板との密着性ができるだけ良好であること、であ
る。

最近、強まっている上記要求との関係からすると、上記
したレーザ蒸着装置で形成した被覆層お：　　　　　よ
び被覆層と基板との密着性はいずれも満足すべきもので
はなく、更なる改善が求められていた。

本発明は、特開昭５９−１１６３７号公報に開示されて
いるレーザ蒸着装置の上記問題点を解消し、最適組成の
被覆層の形成、緻密で強度特性の優れた被覆層の形成、
被覆層と基板との密着性を更に向上せしめることを可能
たらしめた新規構造のレーザ蒸着装置の提供を目的とす
る。

［問題点を解決するための手段］ 本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねたと
ころ、後述するイオンビームを、被照射試料が蒸発して
いるときに、この蒸発物に照射したりまたはこの蒸発物
が基板に蒸着すると同時若しくは若干の時間差をおいて
基板に照射したりすることは、Ｌ記目的の達成にとって
有効な手段であるとの１１Ｓ実を見出し、本発明の装置
を開発するに到った。

すなわち、本発明のレーザ蒸着装置は、反応容器内で軸
回転する被照射試料と、レーザ光を導入しかつ集束せし
めて該被照射試料に照射する光学系調整器と、該被照射
試料に対向して配設され、その表面には該被照射試料の
蒸発物による被覆層が形成される基板とを具備するレー
ザ蒸着装置において、該被覆層の構成物質の一部として
包含されうる元素のイオンビームを反応容器内に照射す
るイオン源が付設されていることを特徴とする。

以下に本発明装置を概略図として示した例に基づいて更
に詳細に説明する。

図で、１は反応容器で内部は真空または所定圧の窒素イ
オン、酸素イオン、炭素イオン、ホウ素イオンを生ずる
ようなガス雰囲気に維持される。

２は容器ｌの中に配設された被照射試料であって、紙面
を垂直の方向に伸張する回転軸２ａの周りを例えば矢線
Ｐ１方向に軸回転する。

この被照射試料は、基体の表面に形成させようとする被
覆層の種類に応じて黒鉛、炭素、金属。

合金、金属化合物またはセラミックス焼結体のなかの少
なくとも１種から成る材質で構成される。

具体的には、黒鉛；炭素；Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ。

Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｓｔの金屈若し
くはこれらを含む合金；各種の超硬合金、サーメットな
どの合金；　Ｔ　ｔ　Ｃ＋　Ｔ　ｔ　Ｎ　＋ＴｉＯ２、
ＴｉＢ２　、Ａ１２０３　、Ｓ　ｉｃ＋５ｉ３Ｎａ　、
ｈＢＮ、ｃＢＮ、Ｔｉ　（Ｃ，Ｎ）。

（Ｔｉ、Ｔａ）Ｃなどの金属化合物、Ａｌ２Ｏ３系セラ
ミックス、ＺｒＯ２系セラミックス。

ＳｉＣ系セラミックス、Ｓｉ３Ｎ４系セラミックス、ｃ
ＢＮ系焼結体、ダイヤモンド系焼結体などのセラミック
ス焼結体を例示することができる。

また、被照射試料の形状としては、円柱体１円筒体２円
錐体、湾曲体、リング体９円板体など軸回転の際にバラ
ンスよく回転できる形状であればどのような形であって
もよい。これらの形状体は上に列記した各材質のみで構
成されてもよいが、上記各材質を２種類以上使用してこ
れらを複合した形状にすると、基板の表面には多重の層
構成の被覆層を形成することができて有用である。

なお、被照射試料２が回転軸２ａの軸長方向に摺動でき
るようにしておくと、後述するレーザ光照射の際に、被
照射試料の被照射領域を拡張することができて有効であ
る。

また、被照射試料にレーザ光が照射されると、該試料は
急激に部分加熱されて往々にして熱割れ現象を起すこと
があるが、これを防止するために、レーザ光照射に先立
ち被照射試料を予熱することを目的として、該被照射試
料の外周部に温度制御が可能な加熱器３を配設しておく
と好適である。

レーザ光は、発振器４で発振され例えばＣｕ製の平面鏡
４ａ、４ｂで矢線Ｐ２のように光路転換され、集光レン
ズ５ａで集光されて容器！内に導入される。

５ｂは例えばＫＣｌ製の透過窓でここからレーザ光が導
入される。そして、レーザ光は容器１の内壁に付設され
た例えばＣｕ製の凹面ｍ（又は放物面鏡）５ｃの鏡面に
到達し、ここで集束されかつ・光路転換されて矢線Ｐ３
にように進んで被照射試料２の被照射面を接線方向から
照射する。

本発明装置においては、上記した透過窓５ｂ。

凹面鏡（若しくは放物面鏡）を全体として光学系調整器
という。なお、凹面鏡又は放物面鏡５Ｃは透過窓５ｂか
ら進んできたレーザ光の反射角を微量調整できるように
しておくと、被照射試料の被照射面へのレーザ光照射の
コントロールが容易に行なえて好適である。

かくして、被照射試料２の被照射面からは矢線Ｐ４方向
に蒸発物が放散していく。

被照射試料は２の上方には基板６が対向して配設される
。基板には、ガラス、合成樹脂、金属。

合金、セラミックス焼結体など用途に応じて全ゆる材質
のものを用いることができる。具体的には、耐熱ガラス
；熱硬化性樹脂；’ｌ”ｉ、Ｚｒ。

Ｈｆ　、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、ＭＯ，Ｃｒ、ＡＩ　。

Ｃｕ　、Ｆｅ　、Ｎｉ　、Ｇｏなどの全屈；炭素鋼、高
速度鋼、ステンレススティール、ハステロイ、インコネ
ル、超硬合金、サーメフトなどの合金；Ａ１２ｏ３系セ
ラミツクス、ＺｒＯ２系セラミックス、Ｓｉ３Ｎ４系セ
ラミックス、ＳｉＣ系セラミックス、ＴｉＣ系セラミッ
クス、ＴｉＢｚ系セラミックス、ＢａＣ系セラミックス
、ｃＢＮ系焼結体、ダイヤモンド系焼結体などのセラミ
ックス焼結体；を例示することができる。

これらの材質から成る基板６の表面には被照射試料２か
らの蒸発物が沈着して被覆層が形成されるのであるが、
基板６と被覆層との密着性を高めるために、基板を昇温
する装置、例えば基板６の外周部に温度制御ができる加
熱器６ａを配設することが好適である。７は、基板６の
前面に設置された可動シャッタであって、蒸発物の基板
６への蒸着時間を任意に調節する。

本発明装置は、更に後述のイオン源８を備えていること
を特徴とする。このイオン源８から射出されるイオンビ
ームは、基板表面に形成される被覆層の構成物質の一部
として含有されてもよい元素のイオン種のビームである
。具体的には、窒素イオンのビーム、炭素イオンのビー
ム、＃素イオンのビーム、ホウ素イオンのビームを例示
することができる。基板に被覆層として例えばＴｉＮ。

ＢＮ又はＳｉ３Ｎ４系セラミックスで形成しようとする
場合、ビームとしては窒素イオンビームを用いればよく
、また被覆層としてＴｉＣ。

Ｂ４Ｃ，ＳｉＣの各層を形成する場合には炭素イオンビ
ームを用い、被覆層として例えばＡｌ２Ｏ。

系セラミックスの層を形成する場合には酸素イオンビー
ムを用い、更に被覆層として例えばＢＮ。

ＴｉＢ２又はＢ４Ｃ層を形成する場合にはホウ素イオン
ビームを用いるという態様を採ることができる。

イオン源８のタイプとしては、例えばＰＩＧ型イオン源
、デュオプラズマトロン型イオン源、カウフマン型イオ
ン源をあげることができる。

このイオン源８は、そこからのイオンビームが■基板６
の表面、■被照射試料２から矢線Ｐ４方向に蒸発してい
る蒸発物のいずれかまたは全部に照射されるように容器
１に配設されることが好ましい。

例えば、・刀の場合、すなわち基板の表面に累発物が蒸
着すると同時にまたは交互にイオンビームを照射する場
合は、イオン注入効果などによって、形成される被覆層
が緻密かつ良質な層となりあわせてこの被覆層と基板と
の密着性は著しく向上する。この効果を得るためには、
イオンビームのエネルギーを数ｅＶから数千ｅＶにまで
高めればよい。

■の場合、すなわち被照射試料から基板にむかって蒸発
しつつある蒸発物にイオンビームを照射する場合はイオ
ンビームのエネルギーによって蒸発物が励起して活性と
なり、基板に形成される被覆層は著しく緻密になるとと
もに基板との密着性も著しく向上する。このような効果
を得るためには、被照射試料の材質によって異なってく
るが、そのイオンビームエネルギーは数ｅＶから数千８
ｖの範囲にあればよい。

［発明の効果］ 以上の説明で明らかなように、本発明のレーザ蒸着装置
は、形成すべき被覆層に含有されてもよいイオン種のビ
ームを照射するイオン源を具備し、このイオンビームを
基板またはそこに形成された被覆層に照射すれば被覆層
を目標とする最適組成を有する良質なものにすることが
できるとともに基板との密着性が著しく向上する。更に
蒸発しつつある蒸発物に照射すれば著しく緻密な被覆層
を基板の表面に密着して形成することができる。このよ
うに未発明の装置は優れた効果を奏しその工業的価値は
著しく大である。

［発明の実施例］ 以下に本発明装置の優れた効果を立証すべく具体的に実
施例を示す。

実施例１ Ｃｕ製の凹面鏡５ｃ、材質がＴｉＣ−ＴｉＮ系１　　　
　　セラミックスで円柱体の被照射試料２．ＷＣ５重量
％の超硬合金製の基板６を容器ｌ内にセットして図に示
したような装置を組立てた。

容器１内をＩ　Ｘ　１．０−５Ｔｏｒｒよりも高真空と
なるように排気し、被照射試′＃４２を２Ｏｒｐｍで軸
回転させながら加熱器３によって５００℃に予熱し、ま
た基板６を加熱器６ａによって５００’Ｃに予熱した。

つぎにレーザ光発振器４からＣＷ　ＣＯ２レーザ光を発
振させ、透過窓５ｂ（ＫＣｌ製）から容器１内に導入し
、これを凹面鏡５Ｃで集光して２０００Ｗの集束ＣＷＣ
ｏ２レーザ光を被照射試料２にその接線方向から照射し
て基板６の表面にＴ１ＣＮ系の被覆層を形成した。イオ
ン源８からはイオン加速エネルギーが１ｏｏｏｅＶの炭
素イオンビームを被照射試料２から蒸発している蒸発物
に照射しつつ被覆層の形成を行った。

硬さがマイクロウ゛イッカースで２７００　ｋｇ／　ａ
ｖ２のＴｉｃ−ＴＥＮ系被覆層が形成された。窒素イオ
ンビームを照射しない場合の被覆層の硬さはマイクロウ
′イッカースで２０００　ｋｇ／　ｍｍ２であった。

また、両者の被覆層に口・ンクウェルＡによって圧痕を
つけたところ、前者の被覆層の圧痕個所は基板から剥離
しなかったが、後者のそれは剥離してしまった。

実施例２ 実施例１の装置において、イオン源８からはイオン加速
エネルギーが２０００ｅＶの窒素イオンビームを基板６
に照射しながら被覆層の形成を行なった。得られた被覆
層の硬さはマイクロウ゛イッカースで２５００　ｋｇ／
　ｍｍ２であった。一方、窒素イオンビームを照射しな
いで形成された被覆層の硬さはマイクロヴイッカースで
１９００　ｋｇ／　ｍｍ２であった。

また、両者の被覆層にロックウェルＡによって圧痕をつ
けたところ、前者の被覆層の圧痕個所は基板から剥離し
なかったが、後者のそれは剥離してしまった。

【図面の簡単な説明】

図は本発明のレーザ蒸発装置の好適な１例を示す概略図
である。 ｌ−反応容器　　２−被照射試料 ２ａ−回転軸　　３−加熱器 ４−レーザ光発振器　　４ａ、４ｂ−ミラー５ａ−集光
レンズ　　５ｂ−透過窓 ５Ｃ−凹面鏡（放物面鏡）　　６−基板６ａ−加熱器　
　７−可動シャッタ ８−イオン源

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、反応容器内で軸回転する被照射試料と、レーザ光を
   導入しかつ集束せしめて該被照射試料に照射する光学系
   調整器と、該被照射試料に対向して配設され、その表面
   には該被照射試料の蒸発物による被覆層が形成される基
   板とを具備するレーザ蒸着装置において、該被覆層の構
   成物質の一部として包含されうる元素のイオンビームを
   反応容器内に照射するイオン源が付設されていることを
   特徴とするレーザ蒸着装置。 ２、該イオン源が、窒素イオン源、炭素イオン源、酸素
   イオン源、ホウ素イオン源のいずれかである特許請求の
   範囲第１項記載のレーザ蒸着装置。 ３、該被照射試料には、温度制御が可能な加熱器が付設
   されている特許請求の範囲第１項記載のレーザ蒸着装置
   。 ４、該基板には、温度制御が可能な加熱器が付設されて
   いる特許請求の範囲第１項記載のレーザ蒸着装置。