JPS6338428B2

JPS6338428B2 -

Info

Publication number: JPS6338428B2
Application number: JP59049268A
Authority: JP
Inventors: Yukie Mineta; Nobuo Yasunaga; Noboru Tarumi; Akira Obara; Masayuki Ikeda; Junichi Sato; Takeshi Sadahiro
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Showa Denko KK; Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Sumitomo Heavy Industries Ltd; Resonac Holdings Corp
Priority date: 1984-03-16
Filing date: 1984-03-16
Publication date: 1988-07-29
Also published as: JPS60194067A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の技術分野］本発明は基板上に耐摩耗性、耐熱性、耐食性な
どが優れた硬質膜を形成する方法に関し、更に詳
しくは、複数の物質からなる蒸発源に大出力レー
ザ光を照射することにより、合金、単一化合物、
複合化合物、固溶体又はこれらが積層してなる硬
質膜を形成する方法に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］従来から、基板上に硬質膜を形成する方法とし
ては、プラズマスプレー法、化学蒸着法、物理蒸
着法が知られている。

これらのうち、プラズマスプレー法は成膜速度
が大きいという利点を有する反面、一方では緻密
で強固な膜を形成することが困難であるという欠
点がある。

また、化学蒸着法において、例えば積層した硬
質膜を基板に形成する際には積層すべきそれぞれ
の膜の析出温度が異なる場合があり、このため、
積層膜を１つの容器内で同時に形成することは製
造工程上での温度抑制が煩雑になり、また複合硬
質膜を形成する場合に、該膜を構成するそれぞれ
の物質が合成される化学反応は相互に異なるの
で、相互の化学反応が共存し得るときにのみ成膜
可能となるため、形成できる複合硬質膜の種類が
限定されてしまう。しかもこの化学蒸着法にあつ
ては、膜構成物質の基板への堆積速度が小さいと
いう欠点がある。

一方、物理蒸着法において、その代表的方法で
あるイオンプレーテイング法、スパツタリング法
を適用すれば緻密で強固な硬質膜を形成すること
は可能であるが、しかし一般に膜構成物質の基板
への堆積速度は小さいという欠点がある。

そのため最近では、真空容器内に配置された膜
構成物質の被照射試料に大出力のレーザ光を照射
して該試料を蒸発させ、この蒸発粒子を基板上に
堆積させるという方法が提案されている。

この方法で用いる従来のレーザ蒸着装置は、し
かしながら、いずれも支持板に載置されている被
照射試料の表面に垂直方向からレーザ光を照射し
て該レーザ光をスキヤンニングさせるか、又は被
照射試料を支持板の法線軸のまわりに回転させる
かして照射点位置を移動させる構造のものであ
り、また適用される照射エネルギーもCO₂レーザ
で100W以下であつた。

このような従来のレーザ蒸着装置を用いた方法
では、蒸発粒子の基板への堆積速度は必ずしも大
きくなく、また形成された膜強度はあまり高くな
い。そのため、この方法は光学部品、電子部品用
の膜形成にその適用が限られている。

そこで、本発明者らは、上記レーザ蒸着装置に
おいて被照射試料を真空容器内で軸回転する例え
ば円筒形状の回転体として構成し、該回転体の外
周面に接線方向から収束レーザ光を照射すること
を主要な特徴点とする装置を開発し、すでに特願
昭57―225587号として出願した。この装置を用い
ると、蒸発粒子は高密度でかつ安定して基板に供
給されるので試料の基板への堆積速度は上昇し、
形成された膜も緻密、強固であり、しかも基板と
膜との密着性も向上して各種の有用な機能材料の
製造が可能となつた。

そして、その後も、更に有用性に富む硬質膜を
上記レーザ蒸着装置と方法を適用することによつ
て製造する努力が重ねられてきている。

［発明の目的］本発明は、レーザ蒸着装置を用いて各種の硬質
膜を簡単に基板状に形成する方法の提供を目的と
する。

［発明の概要］本発明の硬質膜の形成方法は、容器内で軸回転
する回転体の回転面に接線方向から収束レーザ光
を照射し、該回転体から蒸発した粒子を基板に堆
積させて成る膜の形成方法において、該回転体が
黒鉛、炭素、金属、合金、金属化合物又はセラミ
ツクスの群から選ばれる少なくとも２種の物質か
ら成ることを特徴とする。

以下に本発明方法を図面に例示した装置を参考
にして詳細に説明する。

第１図は、本発明方法で用いるレーザ蒸着装置
の１例を示す概略図で、１はレーザ発振器（図示
しない）から放射された平行なレーザ光である。
レーザ光１は平面鏡２で水平方向に光路変換さ
れ、集光レンズ３を通過して収束されたのち、透
過窓４から容器５に導入される。

容器５の中には、中心軸６の回転に対応して例
えば矢印Ｐ方向に軸回転するように、回転体７が
配置されている。回転体７は、形成すべき硬質膜
の構成物質から成つていて被照射試料である。

容器５内に導入された収束レーザ光は、平面鏡
８によつて再び光路変換され、回転体７の外周面
に図の如く該回転体の接線方向から照射される。
集光レンズ３については、収束レーザ光が回転体
７の照射点付近Ｑで焦点を結ぶように、その焦点
距離及び配置位置を適宜に選定する。

収束レーザ光が照射される間、回転体７は適宜
な速度で軸６を中心にして軸回転させる。更にこ
の回転体が円柱体、円筒体、円錐体又は湾曲凸面
体の構造の場合その回転体の中心軸方向の長さに
相当する距離だけ揺動運動が可能である構造にし
ておけば、回転体７の外周面全体は均一加熱され
てその熱割れ現象が防止されるとともに回転体７
の外周面の被照射試料全体を一様に蒸発させるこ
とができる。又、回転体がリング体又は円板体の
ような板体の場合は、板面に照射する収束レーザ
光が板面の半径に相当する距離だけスキヤンニン
グできるようにしておけば同様の効果が得られ
る。

収束レーザ光が照射されることにより照射点付
近Ｑの外周面試料は蒸発し、その蒸発粒子は矢印
Ｒ方向に放出されて基板９の上に蒸着して堆積す
る。１０は、基板９の前面に配設される可動シヤ
ツタで蒸発粒子の基板９への蒸着時間を任意に調
整するためのものである。

なお、回転体７を構成する被照射試料が極めて
熱割れを生じやすい材質である場合には、回転体
７の外周面近傍に図のような予熱ヒータ１１を配
置し、回転体７を予熱しておけば収束レーザ光の
照射時に回転体７の損壊を防止することができ
る。

さて、本発明は、以上例示した装置において、
回転体７が、黒鉛、炭素、金属、合金、金属化合
物、セラミツクスからなる物質の少なくとも２種
以上からなることを特徴とする。すなわち、本発
明にかかる回転体は２種類以上の異種物質がそれ
ぞれその特性を独立させた状態で混在する構造体
である。

具体的には次のような態様のものを好適例とし
てあげることができる。

第１は、２種類以上の異種物質が混合してなる
回転体である。回転体の構造としては、第２図に
示すような円柱体、第３図に示すような円筒体、
第４図に示すような円錐体、第５図に示すような
湾曲凸面体、第６図に示すような円板体、第７図
に示すようなリング体等種々の形態をあげること
ができる。このような構造の回転体は、例えば金
属チタンと炭素との混合粉末からなる回転体から
炭化チタンの硬質膜を形成する場合、炭化チタン
と窒化チタンとの混合粉末からなる回転体から炭
窒化チタンの硬質膜を形成する場合、窒化ケイ素
と酸化アルミニウムと酸化イツトリウムの混合粉
末からなる回転体から窒化ケイ素を主体とした物
質又はサイアロンと称する固溶体の硬質膜を形成
する場合に適用して有効である。

なお、ここで第３図に示すような円筒体を回転
体として使用する場合、円筒体の外周面に対して
接線方向から収束レーザ光を外周面に照射すれば
円柱体（第２図）、円錐体（第４図）、湾曲凸面体
（第５図）を用いた場合と同様の効果を得ること
ができるが、特に、円筒体の内側壁面に対して接
線方向（回転軸方向）から収束レーザ光を該壁面
に照射すれば、粒子の蒸発方向が一定にそろうた
め蒸発粒子を基板に堆積させることが容易とな
り、又、蒸発粒子が容器内に飛散して容器内壁全
体を汚染することを抑制できるなどの更なる効果
を得ることも可能となる。

第２は、２種類以上の異種物質をそれぞれ別々
に１つの構造体として形成し、これらを組合わせ
てなる回転体である。例えば、異種物質で形成し
た断面扇状の柱体を、２個以上、求心的に合体さ
せて円柱体、円筒体、円錐体又は湾曲凸面体にし
たり（第８図：円柱体の場合）、異種物質で形成
した断面扇状の板体を、２個以上、求心的に合体
させてリング体又は円板体にしたり（第９図：円
板体の場合）、異種物質で形成した円柱体、円筒
体、円錐体又は湾曲凸面体を、２個以上、回転体
の軸方向に一体的に連設したり（第１０図：連設
円柱体の場合）、異種物質で形成し直径の異なる
リング体又は円板体を、２個以上、同心円状に合
体させてリング体又は円板体にしたり（第１１
図：同心円状リング体の場合）、その他、１つの
物質で形成した回転体の中に少なくとも１種の他
の異種物質を適当な形状にして合体させたり（第
１２図、第１３図）した種々の回転体である。

これらの回転体は、硬質膜を形成する目的やそ
の用途によつて種々使い分けることができる。例
えば第１で示した２種以上の異種物質が混合して
なる回転体では粉末の状態で混合成形して回転体
にしたり又はその回転体を予備焼結によつて適当
な硬さ及び強度を持たせたりして使用することが
できる。このような混合状の回転体は、例えば２
種以上の金属からなる回転体によつて合金からな
る硬質膜を形成したり、２種以上の単一化合物か
らなる回転体によつて複合化合物、固溶体又は混
合物からなる硬質膜を形成することもできる。第
２で示した２種以上の異種物質をそれぞれ別々に
１つの構造体として形成し、これらの構造体を組
合わせてなる回転体では、第１で示した混合状の
回転体と同様の硬質膜の形成が可能であるのみな
らず、更に組合わせによつて、例えば第１０図や
第１１図の様な構造体からなる回転体を使用する
ことによつて積層状の硬質膜の形成ができる。

本発明方法において、被照射試料の基板への堆
積方向はほぼ一方向となるので、基板を回転又は
揺動させることにより、複雑形状の基板であつて
もその全面に目的の硬質膜を形成することができ
る。また、複数本の収束レーザ光を導入すれば、
各種の被照射試料の同時蒸着又は積層蒸着が可能
となり新しい機能材料開発の可能性を孕む。

また、基板を水、液体窒素などで冷却したり、
ヒータ加熱、レーザ加熱などによつて加熱したり
することもでき、基板上の硬質膜を目的用途に応
じて非晶質又は結晶性のよいものにすることがで
きる。とくに、基板を加熱したとき、形成された
硬質膜と基板との間の密着性を向上せしめること
ができる。基板の冷却又は加熱方法は真空中又は
雰囲気中で冷却又は加熱する方法であれば従来か
ら行なわれているいかなる方法であつてもよい。

更に、本発明方法にあつては、被照射試料の蒸
発粒子を基板に堆積させると同時に、そこにイオ
ン照射したり、高周波若しくはマイクロ波を照射
して該堆積物質をイオン化したり、又は蒸発粒子
をバイアス電圧で加速させたりすることができ
る。このような処置を施すと、蒸発粒子が活性化
して基板との密着性に優れた硬質膜を形成するこ
とができる。

また、本発明方法は、真空中のみならず各種の
不活性ガス、反応性ガス又はこれらの混合ガス中
で行なうこともできる。例えば、被照射試料とし
て各種の金属を用い、これを窒素雰囲気中で収束
レーザ光を用いて蒸発させ、同時に例えば窒素ガ
スイオンを照射すれば、基板上にこれら金属の窒
化物の硬質膜を形成することができる。

ここで使用する基板としては、金属、合金、工
具鋼、超硬合金、サーメツト又はセラミツクス等
の種々のものを用途によつて使い分けることがで
きる。

［発明の実施例］実施例１金属チタン粉末80wt％と炭素粉末20wt％との
混合粉末を円柱体に成形した後、真空中で1200℃
に予備焼結して回転体とした。この回転体とWC
―10％Co合金からなる基板を容器にセツトした。
器内を１×10^-5Torrに排気した後、回転体を
30rpmで回転させながら1000℃に予熱し、基体を
700℃に予熱した。次にレーザ発振器から700Wの
CWCO₂収束レーザ光を回転体の外周面に接線方
向から照射して蒸発させ、この蒸発粒子を基板表
面に堆積させた。得られた硬質膜の硬さはマイク
ロビツカースで2800〜3000Kg／mm²であつた。硬質
膜の厚さは、10μmであり、このときの堆積速度
は約1μm／minであつた。この硬質膜をＸ線回折
によつて解析した結果TiCであることが認められ
た。

実施例２ SiO₂を微量含有したSi₃N₄粉末から成り、中心
角60度の断面扇状の柱体を４本、Al₂O₃―10vol
％Y₂O₃の混合粉末から成り、中心角30度の断面
扇状の柱体を２本及びAlN―20vol％Y₂O₃の混合
物から成り、中心角30度の断面扇状の柱体２本を
作成した。これら８本の柱体を異種物質が相互に
隣接するように求心的に合体させて回転体とし
た。基板はAl₂O₃―SiO₂系セラミツクスを用い
た。これらの回転体と基板を容器にセツトして実
施例１と同様にして基板の表面に蒸発粒子を堆積
させた。得られた硬質膜の硬さはマイクロビツカ
ースで1800Kg／mm²でその膜厚は5μmであつた。こ
のときの堆積速度は約0.5μm／minであつた。こ
の硬質膜をＸ線回折したところサイアロンと考え
られる固溶体を含むSi₃N₄主体の物質であること
が認められた。

実施例３六方晶型窒化ホウ素からなる円筒体（外形50
mm、内径10mm、長さ30mm）と窒化チタンからなる
円筒体（外形50mm、内径10mm、長さ30mm）とを軸
方向に合体させて連設円筒体（外形50mm、内径10
mm、長さ60mm）を形成して回転体とした。基板は
Si₃N₄系セラミツクスを用いた。回転体と基板を
容器にセツトして、容器内を１×10^-6Torrに排
気した後、回転体を15rpmに回転させながら500
℃に予熱し、基体を1000℃に予熱した。次にレー
ザ光発振器から1000WのCWCO₂収束レーザ光を
回転体の外周面に接線方向から照射してまず窒化
チタンの回転体を蒸発させた後に六方晶型窒化ホ
ウ素の回転体を蒸発させて基板表面に蒸発粒子を
堆積させた。得られた硬質膜の硬さは4000ヌープ
であつた。硬質膜は、第１層が5μm、第２層も
5μmの積層膜であつた。この硬質膜をＸ線回折し
たところ内層である第１層は窒化チタンであつた
けれども外層である第２層は非晶質状のものであ
つた。

［発明の効果］以上の説明で明らかなように、本発明方法は基
板上に緻密で強固な硬質膜を基板との密着性よく
大きな堆積速度で形成することができる。したが
つて、被照射試料を適宜に選択し、また基板との
組合わせを選択することにより、新しい機能材料
を製造することができるのでその工業的価値は大
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を行なうときに用いるレー
ザ蒸着装置の１例を示す概略図であり、第２図〜
第１３図はいずれも本発明にかかる回転体の具体
例を示す概念的斜視図である。１…レーザ光、２，８…平面鏡、３…集光レン
ズ、４…透過窓、５…真空容器、６…中心軸、７
…回転体（被照射試料）、９…基板、１０…シヤ
ツタ、１１…予熱ヒータ。

Claims

【特許請求の範囲】１容器内で軸回転する回転体の回転面に接線方
向から収束レーザ光を照射し、該回転体から蒸発
した粒子を基板に堆積させてなる膜の形成方法に
おいて、該回転体が黒鉛、炭素、金属、合金、金属化合
物又はセラミツクスの群から選ばれる少なくとも
２種の物質から成ることを特徴とする硬質膜の形
成方法。２該回転体が円柱体、円筒体、円錐体又は湾曲
凸面体の構造からなる特許請求の範囲第１項記載
の硬質膜の形成方法。３該回転体がリング体又は円板体の構造からな
る特許請求の範囲第１項記載の硬質膜の形成方
法。４該回転体が断面扇状の柱体又は板体の２個以
上を求心的に合体させてなる特許請求の範囲第１
項、第２項又は第３項記載の硬質膜の形成方法。５該回転体が円柱体、円筒体又は円錐体の２個
以上を該回転体の軸方向に一体的に連設してなる
特許請求の範囲第１項又は第２項記載の硬質膜の
形成方法。６該回転体が直径の異なるリング体又は円板体
の２個以上を同心円状に合体させてなる特許請求
の範囲第１項又は第３項記載の硬質膜の形成方
法。