(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気手段を有する真空容器の内部に、ワークを保持するワーク保持手段と、上記ワークと対向した位置へ成膜材料を供給する成膜材料供給手段と、上記真空容器の外部の気体レーザからのレーザビームを上記成膜材料の先端へ照射させるビーム導入手段と、上記ワークの成膜面に対向した位置に、上記レーザビームの照射で上記成膜材料の先端をアブレーションして上記ワークの成膜面をアブレーション成膜するときに上記ワークの成膜面を瞬間加熱する加熱手段とを設け、上記成膜材料供給手段は、上記成膜材料の先端のアブレーションに伴う消耗を補い且つ上記成膜材料の先端と上記ワークとの位置関係を一定に保つ成膜材料繰り出し機構を有し、上記気体レーザは、上記成膜材料の適切な分解を伴うレーザビームのフルーエンスを制御するフルーエンス制御手段を備え、上記ビーム導入手段を、筒体と該筒体のレーザビーム導入側に設けたレーザ導入レンズと上記レーザビームの放出側に設けた上記レーザビームが焦点を結ぶ小さな結合孔とで構成し、上記成膜材料の先端への上記レーザビームの照射と上記加熱手段による上記ワークの成膜面の加熱を同期して行うことを特徴とするレーザアブレーション成膜装置。
【請求項２】
上記真空容器に、分解した上記成膜材料のアブレーション生成物を化学変成させる反応ガスの導入手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載のレーザアブレーション成膜装置。
【請求項３】
上記成膜材料供給手段およびビーム導入手段を夫々複数個設け、上記気体レーザからのレーザビームのフルーエンスを適当な比率に分割するビーム分割手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザアブレーション成膜装置。
【請求項４】
上記成膜材料を円筒体で構成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載のレーザアブレーション成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、真空中で成膜材料を分解するレーザアブレーションによりワークに薄膜を形成する成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パルスレーザを真空中で成膜材料に照射し、その材料の薄膜をワークに成膜する方法は、１９６５年にスミスとターナーによりアプライド・オプティクス（１９６５）第４巻第４１７頁以下に開示された。その後に多数の無機材料のレーザアブレーション成膜即ちレーザビームにより材料を溶融蒸発させることによる成膜が報告されている。特にダイヤモンド膜および高温超電導体膜については熱心な研究がなされている。しかし、工業的なレーザアブレーション成膜は行われていない。高分子材料に対するレーザアブレーション成膜法の応用は、１９９３年１０月の応用物理学会講演予稿集に平松美根男他によって報告されている。
【０００３】
レーザアブレーション成膜法は、プラズマＣＶＤ法と同じく比較的低温の表面温度で良質の膜を成膜できるが、工業的連続製造装置として適用するには一様な表面加熱が必要であり、またレーザ照射量に対応した一定速度の成膜材料供給を行う必要があって、これらの必要な条件を満足した工業的連続製造装置はまだ提供されていない。
【０００４】
高分子薄膜を得る方法として、ローラーコーティング、スピンコーティング、スプレーコーティング、プラズマ重合、が従来より利用されている。前二者は成膜面が平面状以外のワークには、特に凹面状表面のワークには不適当である。スプレーコーティングは膜にピンホールを発生する不都合があるのに対し、プラズマ重合法はピンホールのない三次元高分子膜が得られる特質がある。しかし、プラズマ重合法は、プラズマ電力、原料流量、バッファガス流量等の成膜条件の微妙な変化があると、オリゴマー液膜から分解原子のアモルファス固体膜まで著しく物性の異なる膜が生成し、また、原料のごく一部がワークに機能性膜として付着するだけで、多くの原料は廃棄物質となり、大きな排気能力の真空排気装置を必要とする欠点がある。
【０００５】
本発明は、成膜材料のアブレーション局部の形状を一定に保ちながら複雑な表面形状を有するワークに一様な厚さで長時間連続してレーザアブレーション成膜を施す装置を提供すること、成膜材料の無駄がなく小型の真空排気装置で成膜可能な装置を提供すること、ワークの表面温度のみを上昇させて膜質の良いアブレーション成膜を行える装置を提供すること、必要に応じて複数の成膜材料をブレンドして成膜できる装置を提供すること、プラスチック製のワークに比較的低温でアブレーション成膜を行える装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、排気手段を有する真空容器の内部に、ワークを保持するワーク保持手段と、上記ワークと対向した位置へ成膜材料を供給する成膜材料供給手段と、上記真空容器の外部の気体レーザからのレーザビームを上記成膜材料の先端へ照射させるビーム導入手段と、上記ワークの成膜面に対向した位置に、上記レーザビームの照射で上記成膜材料の先端をアブレーションして上記ワークの成膜面をアブレーション成膜するときに上記ワークの成膜面を瞬間加熱する加熱手段とを設け、上記成膜材料供給手段は、上記成膜材料の先端のアブレーションに伴う消耗を補い且つ上記成膜材料の先端と上記ワークとの位置関係を一定に保つ成膜材料繰り出し機構を有し、上記気体レーザは、上記成膜材料の適切な分解を伴うレーザビームのフルーエンスを制御するフルーエンス制御手段を備え、上記ビーム導入手段を、筒体と該筒体のレーザビーム導入側に設けたレーザ導入レンズと上記レーザビームの放出側に設けた上記レーザビームが焦点を結ぶ小さな結合孔とで構成し、上記成膜材料の先端への上記レーザビームの照射と上記加熱手段による上記ワークの成膜面の加熱を同期して行うことを特徴としている。
【０００７】
【作用】
該真空容器内部を真空に排気したのち気体レーザを作動させ、そのレーザビームをフルーエンス制御手段により制御してビーム導入手段によりワークと対向した位置の成膜材料の先端へ照射させる。該ビーム導入手段はそのレーザ導入レンズで導入したレーザビームを直径の小さな結合孔内で焦点を結ばせたのち拡散して成膜材料の先端に照射するように作用するもので、該成膜材料のアブレーション量のごく僅かが該結合孔を介して該レンズへ達するにすぎず、長時間に亘るレーザビームの導入が行える。また、該成膜材料は成膜材料供給手段がアブレーション量を補って常に所定の位置に位置するように供給するので一様なアブレーション量が得られ、ワークに対する一様な成膜を行える。該真空容器内へ反応ガス導入手段で反応ガスを導入することにより、膜の組成を用途に適するように変化させ得る。また、成膜中にワークの成膜面のみを瞬間的に加熱することによりワークに比較的低温の状態で付着強度と膜表面の円滑性の良い膜を形成することができ、熱に弱いプラスチックにレーザアブレーション成膜を施せる。
【０００８】
成膜材料供給手段およびビーム導入手段を夫々複数個設け、各ビーム導入手段へビーム分割手段により気体レーザからのレーザビームのフルーエンスを適当な比率に分割して成膜材料の先端へ導入することにより各成膜材料のレーザアブレーション生成物を均一にブレンドしてワークの成膜面へ付着させることができる。
【０００９】
【実施例】
本発明の実施例を図面に基づき説明すると、図１に於いて符号１は真空ポンプの排気手段２によりレーザアブレーション成膜に適する例えば０．１Ｐａの真空に内部が排気された真空容器を示し、該真空容器１の内部上方に成膜が施される金属やプラスチック製等のワーク３の１個或いは複数個を保持して移動するワーク保持手段４が設けられ、該真空容器１内の該ワーク３と対向した位置へ例えばワイヤ状の成膜材料５を供給する成膜材料供給手段６が設けられる。また、該真空容器１には、その外部の気体レーザ７からのレーザビーム８を該成膜材料５の先端へ照射させるビーム導入手段９を設けるようにした。
【００１０】
該ワーク保持手段４は紙面に垂直方向へボールガイド１０ａ上を移動する移動台１０に取り付けられ、該移動台１０の移動でワーク３をワーク搬送通路へと搬出・搬入し、或いは成膜中にワーク３に往復移動を与えて成膜の一様性を向上させることができる。
【００１１】
該成膜材料５には、ワーク３にポリシロキサンの薄膜を形成する場合、ポリシロキサンの直径３mmのワイヤが使用され、該ワイヤは真空容器１に連設した成膜材料真空容器１１の内部のワイヤリール１２に巻かれ、これより成膜材料導入口１３を介して成膜材料供給手段６により真空容器１内へ繰り出すようにした。該成膜材料供給手段６は、図示のものでは、筒形のワイヤガイド１５とその内部のソレノイドアクチュエータ１４により上下に往復移動する円周方向に複数個に分割した筒形の送り爪１６とで構成した成膜材料繰出し機構２５を有し、該ワイヤ状の成膜材料５をワイヤガイド１５に弱い締まりばめ状態で摩擦抵抗を与えて挿通させ、該アクチュエータ１４が上方へ移動するときは該送り爪１６の先端がワイヤガイド１５の内面の突起１７に押されてワイヤの成膜材料５に食込み、ワイヤガイド１５の摩擦抵抗に打ち勝って該成膜材料５を押上げ、該アクチュエータ１４の下方への移動で該送り爪１６は自己復元力で開き、該成膜材料５を放してこれをその位置に止める。該送り爪１６の上下移動幅は例えば０．５mmに設定され、該成膜材料５の先端５ａがレーザアブレーションにより０．５mm消耗する毎に該アクチュエータ１４を駆動し、該先端５ａが誤差０．５mmの範囲で一定位置に位置するようにした。
【００１２】
該気体レーザ７には例えば最高出力３０ＷのＣＯ2 気体レーザ７が使用され、これのフルーエンス制御電源１８により適切なフルーエンスに制御されたレーザビーム８が例えば４５°反射鏡１９により反射されてビーム導入手段９から成膜材料５の先端５ａへと導入される。該ビーム導入手段９は、図示の例では、真空容器１のレーザ導入口１ａに設けたアブレーション遮蔽用の筒体９ａと該筒体９ａのレーザビーム導入側に真空容器１を介して設けたレーザ導入レンズ９ｂと該筒体９ａのレーザビームの放出側に設けた該レーザビームが焦点を結ぶ小さな結合孔９ｃとで構成した。該レーザ導入レンズ９ｂには、例えばＺｎＳｅレンズが使用され、フランジ２０により真空容器１に固定される。該結合孔９ｃは例えば直径１mmに形成され、その孔内の中央に該レンズ９ｂによりレーザビーム８が焦点を結び、その後、拡散して成膜材料５の先端５ａを照射する。該ビーム導入手段９をこうした構成にすることにより、該先端５ａから結合孔９ｃまでの距離を１６０mmとしたとき、成膜材料５のアブレーション量の１．２×１０-6が該レンズ９ｂに到達するにすぎず、アブレーションによる該レンズ９ｂの曇りが防止されるから、長時間の成膜を行える。
【００１３】
該ワーク３の成膜面３ａに対向した位置に、該成膜面３ａをアブレーション成膜時に瞬間加熱する赤外線ランプの加熱手段２１を設け、該加熱手段２１に外部の赤外ランプパルス電源２２から電流導入端子２３を介してパルス電流を供給するようにした。該パルス電流としては、例えば約３０msの幅のものが使用され、この幅のパルスで成膜面３ａをパルス赤外線加熱すると、成膜面３ａの深さ０．１mm以内が温度上昇するに留まる。該加熱手段２１の赤外光は、矢印４０のようにワーク３に向けて放射され、成膜面３ａの膜の付着強度を増し、膜表面を滑らかにするのに役立つ。該赤外ランプパルス電源２２のパルスと、気体レーザ７のキャビティー内に設けた電磁シャッター７ａを同期させ、レーザビーム８の照射と加熱手段２１の加熱を同期させることができる。
【００１４】
該真空容器１内へ反応ガスを導入するため、外部の反応ガス導入装置２４とこれにつながる反応ガス導入口２７とで構成された反応ガス導入手段２６が設けられ、例えばワーク３にポリシロキサンの薄膜を成膜する場合に酸素ガスを反応ガスとして導入し、その酸素分圧を１Ｐａに調整すると、ポリシロキサンからメチル基の引き抜きが起きて膜の元素組成をＳｉとＯが多い方へ変移させ、保護膜としての強度が増加する。
【００１５】
図１に示す実施例に於いて、プラスチックのワーク３にポリシロキサンの薄膜をレーザアブレーション成膜する場合の作動を説明すると、まずワーク３をワーク保持手段４に取り付け、成膜材料真空容器１１の内部に直径３mmのワイヤ状のポリシロキサン（ＳＲ  ２３２０）の成膜材料５を用意し、該成膜材料５の先端５ａを該ワーク３の成膜面３ａから１００〜２００mmでビーム導入手段９の結合孔９ｃからは１６０mmの位置に位置させた。該結合孔９ｃの直径を１mm、気体レーザ７は最高出力３０ＷのＣＯ2 レーザでビーム径を８mmとし、フルーエンス制御電源１８により適当なフルーエンスに制御するようにし、赤外ランプパルス電源２２から赤外線ランプの加熱手段２１に３０msのパルス電流を供給するようにした。レーザビームの照射と加熱手段２１の赤外線照射は同期して行えるようにした。また、反応ガスとして酸素ガスを導入するようにした。
【００１６】
そして排気手段２により真空容器１の内部を０．１Ｐａに排気し、酸素ガスを導入してその酸素分圧を１Ｐａに調整し、気体レーザ７を作動させると共に加熱手段２１を作動させると、レーザビーム８がビーム導入手段９を介して成膜材料５の先端５ａをアブレーションし、その生成物は矢印２８に沿って流れ、ワーク３の成膜面に付着するので、ワーク３の成膜面３ａから成膜材料５のレーザ照射面を見込む立体角に成膜速度は比例し、２πの内の約半分の立体角が利用できる。該成膜面は加熱手段２１により表面のみが約２００℃に加熱された状態にあるので、ワーク３に変形を来すことがなく、付着強度が良く表面の滑らかな膜を形成できた。また、該成膜材料５が０．５mm消耗される都度、該アクチュエータ１４を作動させてその消耗を補うように０．５mmずつ繰出し、ビーム導入手段９の結合孔９ｃと成膜材料５の先端５ａとの距離が一定に維持されると共にレーザ導入レンズ９ｂの前方に微細な結合孔９ｃが設けられているので、１０００時間の長時間に亘るアブレーション成膜を行えた。従来のプラズマ成膜では、全立体角当たり毎時１ｇ程度の成膜を得るのに毎時１５ｇの材料補給を要し、場合によっては１００リッターの反応ガスをも必要とするが、本発明の装置では１ｇの成膜材料を必要とするにすぎない。それ故、本発明の装置では廃棄物質の生成が極めて少なく、排気装置の排気能力はプラズマ成膜の１０分の１以下で済む。尚、ワーク３を紙面と垂直方向へ往復動させれば、成膜の一様性を向上できる。
【００１７】
加熱手段２１を使用せず反応ガスを導入しないで該レーザ７の出力を変えて成膜速度を調べた結果、図２の曲線Ａのようになった。これより明らかなように、成膜速度が毎分１μｍまでは、成膜速度はレーザのフルーエンスに比例し、ワークの表面を加熱しないでも緻密で滑らかで一様な膜が得られた。この成膜速度は、工業的に充分に経済性があり、また、この装置の成膜開始・成膜停止の制御応答性は１０ミリ秒で、るつぼを用いる蒸着装置でのシャッターによる制御応答に比べて格段に高速であった。加熱手段２１を使用すれば、更に大きな成膜速度まで緻密で滑らかな成膜を実現できる。加熱手段２１の使用と反応ガスとして酸素ガスを導入すれば、被膜がリフローによって滑らかになった後ポリシロキサンの組成をＳｉＯ2 に近付けることができる。尚、この図の場合、レーザ出力が５Ｗまでは、膜の透明性が良好であった。曲線Ｂは理論曲線である。
【００１８】
図３に示した実施例は、成膜材料供給手段６およびビーム導入手段９を夫々２組ずつ設けた例であり、該気体レーザ７からのレーザビーム８のフルーエンスを適当な比率に分割するビーム分割手段２９が設けられる。この場合の成膜材料５は円筒体で構成したもので、各成膜材料供給手段６は、該円筒体を取り付けた回転台３０と、該真空容器１の回転導入Ｏリング３１、３１を介して外部から気密に導入されて回転台３０を回転する回転軸３２と、該回転軸３２を歯車３３、３４を介して回転するモータ３５と、該回転軸３２の途中に形成した送りねじ３６に噛合ってこれに上下の移動を与えるねじ筒３７とで構成された成膜材料繰出し機構を有し、該送りねじ３６及びねじ筒３７はレーザアブレーションで消耗される成膜材料５を過不足なく補うように例えば０．５mmのピッチに形成され、これに対応してモータ３５の回転数と歯車３３、３４のギヤ比が調整される。また、ビーム分割手段２９としてはビームスプリッタが使用され、気体レーザ７からのフルーエンス制御されたレーザビーム８を反射成分２対透過成分１のフルーエンス比に分割するようにした。ビームスプリッタの反射成分は、一方のビーム導入手段９により真空容器１内へ導入され、その結合孔９ｃ内の中央に焦点を結び、再び拡散光となって円筒形の成膜材料５の先端５ａを照射する。ビームスプリッタの透過成分は、５９°の反射鏡１９で反射されてもう一方のビーム導入手段９から真空容器１内へ導入され、同様に結合孔９ｃ内の中央で焦点を結んだのち拡散光となってもう一方の円筒形の成膜材料５の先端５ａを照射する。
【００１９】
この図３の実施例は、一方の成膜材料５としてポリテトラフルオルエチレンを厚さ３mmの円筒形に成形したものを使用し、もう一方の成膜材料５としてＯポリトリフルオルクロルエチレン混合を厚さ３mmの円筒形に成形したものを使用した実施例で、真空容器１内を０．１Ｐａに排気し、フルーエンス制御されたＣＯ2 レーザビームの分割手段２９による反射成分２をポリテトラフルオルエチレンの成膜材料に照射し、その透過成分１をＯポリトリフルオルクロルエチレン混合の成膜材料に照射した。各ビーム導入手段９の結合孔９ｃの直径は１mmで、各結合孔９ｃから対応した成膜材料５の先端までの距離は１６０mmとした。この場合も成膜材料５のアブレーション量の１．２×１９-6がビーム導入手段９のビーム導入レンズ９ｂに到達するにすぎない。ワーク３と成膜材料５の先端との距離は、１００〜２００mmとした。
【００２０】
この場合、各成膜材料５のアブレーション生成物は矢印方向に流れ、ブレンドされてワーク３の成膜面に付着するので、該成膜面から成膜材料の先端を見込む立体角に成膜速度は比例し、両成膜材料５の間隔よりも幅の小さいワークをその幅の１．５倍以上離して置く限り、ブレンド比率は実質上一様になる。この場合も、該ワーク３の成膜面を赤外ランプの加熱手段２１により加熱すると、膜の付着強度が増し、膜表面が滑らかになる。赤外ランプには３０ｍｓのパルス電流を供給すると、ワーク３の表面の深さ０．１mm以内が温度上昇するに留まる。このパルスに同期して気体レーザ７の電磁シャッター７ａを作動させれば、レーザアブレーションと加熱とを同期させることができる。この場合、反応ガスは導入しなかった。照射フルーエンスを、ポリテトラフルオルエチレンとポリトリフルオルクロルエチレンに対し２：１にすると、ワーク３の成膜面温度が２５０℃で緻密で一様な良好な撥水性・対薬品性の膜が得られた。ポリテトラフルオルエチレンのみのレーザアブレーションではポリテトラフルオルエチレンの結晶性の影響で緻密な膜が得られないという欠点があるが、図３の装置で２種の成膜材料のブレンドが行えるようになった結果この欠点が解消され、ポリテトラフルオルエチレンと同じ機能性の良質な膜が得られる。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように本発明によるときは、真空容器内のワークと対向した位置へ成膜材料を供給する成膜材料供給手段が成膜材料の先端のアブレーションに伴う消耗を補い且つ該先端とワークとの位置関係を一定に保つ成膜材料繰出し機構を有し、フルーエンス制御されたレーザビームを、筒体と該筒体のレーザビーム導入側に設けたレーザ導入レンズとレーザビームの放出側に設けた該レーザビームが焦点を結ぶ小さな結合孔とで構成したビーム導入手段により導入するようにしたので、成膜材料のアブレーション局部の形状を一定に保ちながら複雑な表面形状を有するワークに一様な厚さで長時間連続してレーザアブレーション成膜を施せ、成膜材料の無駄がなく廃棄物質の発生も少ないから小型の真空排気装置で成膜可能になり、経済的な成膜を行え、成膜時に瞬間加熱する加熱手段を設けて低温での成膜が行えるので、プラスチック等の温度制限のあるワークにも成膜でき、必要に応じて成膜材料供給手段およびビーム導入手段を夫々複数個設け、気体レーザからのレーザビームのフルーエンスを適当な比率に分割するビーム分割手段を設けることで、複数の成膜材料をブレンドして成膜できるから、機能材料膜の材料設計が容易になる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例の截断側面図
【図２】  本発明の装置による成膜速度とレーザ出力の関係を示す線図
【図３】  本発明の他の実施例の截断側面図
【符号の説明】
１  真空容器            ２  排気手段            ３  ワーク
４  ワーク保持手段      ５  成膜材料          ５ａ  先端
６  成膜材料供給手段    ７  気体レーザ          ８  レーザビーム
９  ビーム導入手段    ９ａ  筒体              ９ｂ  レーザ導入レンズ
９ｃ  結合孔            １８  フルーエンス制御電源
２１  加熱手段          ２５  成膜材料繰出し機構
２６  反応ガス導入手段  ２９  ビーム分割手段
【図１】
0003701330.tif 000002
【図２】
0003701330.tif 000003
【図３】
0003701330.tif 000004