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JPH0672305B2 - Laser injection deposition method - Google Patents
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JPH0672305B2 - Laser injection deposition method - Google Patents

Laser injection deposition method

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JPH0672305B2
JPH0672305B2 JP1596089A JP1596089A JPH0672305B2 JP H0672305 B2 JPH0672305 B2 JP H0672305B2 JP 1596089 A JP1596089 A JP 1596089A JP 1596089 A JP1596089 A JP 1596089A JP H0672305 B2 JPH0672305 B2 JP H0672305B2
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substrate
layer
laser
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thin film
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浩一 豊田
英夫 田代
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、固体表面の改質方法に係わり、特に、固体表
面にレーザーを用いて不純物をドーピングして低損傷・
高濃度の処理層を形成し、機能的表面に改質することを
特徴とするレーザー注入堆積法に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for modifying a solid surface, and in particular, a solid surface is doped with impurities using a laser to reduce damage.
The present invention relates to a laser injection deposition method, which comprises forming a high-concentration treatment layer and modifying the surface to have a functional surface.

(従来技術およびその問題点) 固体表面、特に、金属表面においては、防錆、高硬度、
高摩擦係数、耐摩耗等の機能的表面を獲得するため、各
種の表面改質方法が試みられている。表面改質法の中
で、一般的な方法としては、イオン注入法が知られてお
り、その他、本発明に近接した従来法としては、レーザ
ー光を用いて、固体表面の合金化、異種金属の肉盛り、
薄膜の形成、非晶質化する方法等が開発されている。
(Prior art and its problems) On solid surfaces, especially metal surfaces, rust prevention, high hardness,
Various surface modification methods have been tried in order to obtain a functional surface having a high friction coefficient and wear resistance. Among the surface modification methods, an ion implantation method is known as a general method, and as a conventional method close to the present invention, laser light is used to alloy a solid surface with a different metal. The meat,
Methods for forming a thin film and making it amorphous have been developed.

以下に、上記イオン注入法およびレーザー光を用いた表
面改質法について、その概要と問題点について説明す
る。
The outline and problems of the ion implantation method and the surface modification method using laser light will be described below.

イオン注入法は、不純物をイオン化し、10〜100KeV程
度のエネルギーで加速して固体中にドーピングする方法
である。通常、金属表面の改質を行う場合、より高濃度
に添加した方が好ましいが、イオン注入は、強制的にイ
オンを打ち込むため、高濃度に注入するほど基板に与え
る損傷が大きくなる。これらの損傷は、機能表面の特性
に多大な影響を及ぼすと考えられる。また、イオン注入
を行っただけでは注入された不純物は、基板原子と結合
することなく、格子間位置に存在するため、結合力が弱
い。従って、注入によって生じた損傷を回復し、注入不
純物を格子位置に入れるためには、高温での熱処理が必
要になる。しかし、この熱プロセスによって基板全体が
熱の影響を受けることと、高精度に制御して注入された
不純物がこの熱プロセスによって再分布するという問題
があった。また、基板の極表面で最高濃度の不純物の添
加を得るためには、イオン注入は、注入のプロファイル
がガウシアン分布となるため、極表面で最高濃度の添加
が行えないという問題があった。また、イオン注入法
は、大掛かりな装置を必要とし、作業に手間が掛かると
いう欠点がある。
The ion implantation method is a method of ionizing impurities and accelerating with an energy of about 10 to 100 KeV to dope into a solid. Usually, when the metal surface is modified, it is preferable to add it at a higher concentration. However, since ion implantation is forced to implant ions, the higher the concentration, the greater the damage to the substrate. These damages are believed to have a profound effect on the properties of the functional surface. In addition, since the implanted impurities do not bond with the substrate atoms and exist at interstitial positions only by performing ion implantation, the bonding strength is weak. Therefore, in order to recover the damage caused by the implantation and put the implanted impurities in the lattice positions, heat treatment at a high temperature is required. However, there are problems that the entire substrate is affected by heat by this thermal process and that the impurities that are injected with high precision control are redistributed by this thermal process. Further, in order to obtain the highest concentration of impurities added to the extreme surface of the substrate, ion implantation has a problem that the maximum concentration cannot be added to the extreme surface because the implantation profile has a Gaussian distribution. In addition, the ion implantation method has a drawback that it requires a large-scale device, and the work is troublesome.

合金化法はアロイングと呼ばれ、材料表面に異種金属
を塗布または堆積しておき、レーザー光を照射して溶融
し、非晶質層を形成するものである。この方法は、最初
に材料表面に異種金属を被膜する手間が掛かる。
The alloying method is called alloying, and is a method in which a dissimilar metal is applied or deposited on the surface of a material and irradiated with laser light to be melted to form an amorphous layer. This method first requires the work of coating the surface of the material with a dissimilar metal.

前記アロイングと類似した方法としては、基板表面に
異種金属を肉盛りするクラッディングがある。クラッデ
ィングは、アロイングに比べて厚く異種物質を供給し、
供給物質自身を溶融被膜する方法である。この手法は、
アロイングと同様な問題点を有すると共に、母材との密
着性、結合力が問題である。
As a method similar to the alloying, there is a cladding in which a dissimilar metal is built up on the substrate surface. Cladding supplies different materials thicker than alloying,
It is a method of melt-coating the feed substance itself. This technique
In addition to having the same problems as alloying, there are problems with adhesion and bonding strength with the base material.

レーザーPVD、CVD法は、レーザーを用いて、物理的あ
るいは化学的に薄膜を材料表面に堆積させる方法である
が、この場合も母材との密着性、結合力が問題である。
The laser PVD and CVD methods are methods of physically or chemically depositing a thin film on the material surface using a laser, but in this case also, the adhesion and bonding strength with the base material are problems.

表面非晶質化のグレージングは、レーザー光を材料表
面に照射することによって、その材料表面をそのまま溶
融非晶質化し、組織変化によって表面硬化を行うもので
ある。しかし、材料中の構成物質は変化しないため、特
定の物質の表面硬化法としては有効であるが、その他の
特性に対する飛躍的な改善は望めない。
The glazing for surface amorphization is to irradiate the surface of a material with a laser beam to melt and amorphize the surface of the material as it is, and to harden the surface by a microstructural change. However, since the constituent substances in the material do not change, it is effective as a surface hardening method for a specific substance, but a dramatic improvement in other properties cannot be expected.

以上のように、従来の表面改質法では一長一短があり、
過酷な条件下で使用可能な耐摩耗性、耐腐食性、耐熱性
等を有する優れた表面構造材料を得ることは困難であっ
た。
As described above, the conventional surface modification method has advantages and disadvantages,
It has been difficult to obtain an excellent surface structure material having wear resistance, corrosion resistance, heat resistance and the like that can be used under severe conditions.

本発明は、各種固体材料の表面にレーザー光を用いて、
不純物をドーピングして多様な特性に優れた機能的表面
を創製することを目的とする。
The present invention uses laser light on the surface of various solid materials,
The purpose is to create a functional surface that is excellent in various properties by doping impurities.

(課題を解決するための手段) 本発明は、反応ガス雰囲気中の材料基板表面にレーザー
光を照射し、基板表面をその材料の融点以上とし、反応
ガス中の原子を基板表面中に注入すると共に、基板表面
上に反応ガス中の前記原子の薄膜を形成するレーザー注
入堆積法によって達成することができる。
(Means for Solving the Problems) In the present invention, the material substrate surface in a reaction gas atmosphere is irradiated with laser light, the substrate surface is made to have a melting point of the material or higher, and atoms in the reaction gas are injected into the substrate surface. At the same time, it can be achieved by a laser injection deposition method of forming a thin film of the atoms in the reaction gas on the substrate surface.

(作用) エキシマレーザー光は、短波長かつ短パルスのため、固
体表面に照射すると表面近傍の極く浅い領域を加熱・溶
融することが可能である。第3A図、第3B図は、不純物ガ
ス雰囲気中でレーザー光を照射して不純物ガスが分解し
て基板表面に注入および薄膜が形成される模様を示した
模式図である。第3A図において、不純物ガス雰囲気中の
基板31の表面にはガス分子32が吸着する。前記ガス吸着
表面にレーザー光を照射すると、第3B図に示すようにレ
ーザー光33は、吸着した不純物ガス分子を分解し、その
分解された不純物原子34をレーザー光照射による基板表
面の溶融領域35に注入することができる。前記溶融領域
に注入された不純物原子は溶融部で液層拡散する。ま
た、パルス数等の照射条件を選択することによって、注
入を行うと同時に材料表面に注入原子と同種の薄膜を被
膜することができる。更に、レーザー光が直進性に優れ
ることを利用して、局所的に加熱して不純物の注入およ
び薄膜をパターン状に形成することができる。第3C図
は、基板表面の注入処理(ドーピング)された層36と基
板の地金層37との境界を原子レベルで表現した模式図で
ある。同図下方において、基板地金層は、基板の原子だ
けが整然と並んでおり、一方、不純物を注入された層で
は基板原子の間に不純物原子を取り込まれて整列し、こ
の界面でも原子は連続的に結合しているものと考えられ
る。更に、最上層に形成された薄膜層38は、不純物原子
だけで形成されており、下のドーピング層とも連続的に
結合しているため、膜の付着力は強固であると考えられ
る。
(Function) Since the excimer laser light has a short wavelength and a short pulse, it is possible to heat and melt an extremely shallow region near the surface when the solid surface is irradiated. FIG. 3A and FIG. 3B are schematic diagrams showing a pattern in which a laser beam is irradiated in an impurity gas atmosphere and the impurity gas is decomposed to be injected and a thin film is formed on the substrate surface. In FIG. 3A, gas molecules 32 are adsorbed on the surface of the substrate 31 in the impurity gas atmosphere. When the gas adsorption surface is irradiated with laser light, the laser light 33 decomposes the adsorbed impurity gas molecules as shown in FIG. 3B, and the decomposed impurity atoms 34 are melted on the substrate surface by laser light irradiation. Can be injected into. The impurity atoms injected into the melting region diffuse in the liquid layer at the melting portion. Further, by selecting the irradiation conditions such as the pulse number, it is possible to coat the material surface with a thin film of the same kind as the implanted atoms at the same time as the implantation is performed. Further, by utilizing the fact that the laser light is excellent in straightness, it is possible to locally heat and inject impurities and form a thin film in a pattern. FIG. 3C is a schematic diagram in which the boundary between the implantation-treated layer 36 on the substrate surface and the bare metal layer 37 of the substrate is expressed at the atomic level. In the lower part of the figure, in the base metal layer, only the atoms of the substrate are arranged in an orderly manner.On the other hand, in the layer in which impurities are implanted, the impurity atoms are taken in and aligned between the substrate atoms, and the atoms are also continuous at this interface. It is considered that they are physically connected. Further, since the thin film layer 38 formed as the uppermost layer is formed only of the impurity atoms and is continuously bonded to the lower doping layer, it is considered that the adhesive force of the film is strong.

(発明の効果) 本発明によれば、注入する不純物原子の原材料としてガ
スを用いるため添加元素の選択の自由度が高く、また、
形成される不純物注入層は、表層の僅かな層のみを加熱
溶融して反応ガス中の原子を添加することになるので、
基板内部には熱的影響を及ぼすことがない。本発明は、
イオン注入等の従来技術と比べ、処理された表層が不純
物原子の注入層と不純物から成る層の2つの層が基板原
子層の上に形成され、しかも、それらの層が一旦溶融し
た後に形成されるので非常に強固に結合した層が形成さ
れる。従って、本方法によって作製された、耐摩耗、耐
腐食、強化膜を有する機能的表面は、過酷な条件の下で
使用することができる。更に、本方法は原料ガスを試料
に吹き付けながらレーザー光照射するだけで所望の表面
を達成することも可能であり、制御条件が少なく、設備
が簡素、操作が容易、搬出や移動が容易、等の利点があ
り、経済的な波及効果が大である。
(Effect of the invention) According to the present invention, since a gas is used as a raw material of impurity atoms to be injected, the degree of freedom in selecting an additive element is high, and
Since the impurity injection layer to be formed is to melt and melt only a small number of surface layers to add atoms in the reaction gas,
There is no thermal effect inside the substrate. The present invention is
Compared with the conventional technique such as ion implantation, the processed surface layer is formed by two layers, that is, an implantation layer of impurity atoms and a layer of impurities, formed on the substrate atomic layer, and these layers are formed after the layers are once melted. As a result, a very tightly bonded layer is formed. Therefore, the functional surface with abrasion-resistant, corrosion-resistant, and strengthening film produced by the present method can be used under severe conditions. Furthermore, this method can achieve a desired surface only by irradiating a laser beam while spraying a raw material gas onto the sample, which requires few control conditions, is simple in equipment, is easy to operate, is easy to carry out and move, etc. There is an advantage, and the economic ripple effect is large.

(実施例) 以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。(Example) Below, the Example of this invention is described in detail.

レーザー光源として、KrFエキシマレーザー装置(波長:
248nm、パルス幅:23ns)を用いて、また、ドーパント源
にHe希釈の10%SiH4ガスを用いて、金属材料(SUS304)
の試料表面を鏡面研磨したものに照射を行った。照射条
件は、ガス圧力を100Torrで一定とし、レーザーフルエ
ンスを450mJ/cm2、パルス数を5〜100パルスの範囲で変
化させて実施した。
A KrF excimer laser device (wavelength:
248 nm, pulse width: 23 ns), and 10% SiH 4 gas diluted with He as a dopant source, metallic material (SUS304)
The sample surface of which was mirror-polished was irradiated. The irradiation conditions were such that the gas pressure was constant at 100 Torr, the laser fluence was changed at 450 mJ / cm 2 , and the pulse number was changed within the range of 5 to 100 pulses.

第1図は、上記レーザーパルスの打ち込み条件を30、5
0、100パルスで変化させたときの試料中のSiの深さ方向
の分布を2次イオン質量分析計(SIMS)で測定したグラ
フである。パルス数を30から50に上昇させると表面での
Si濃度は増加するが、50パルス以上では材料表面にほぼ
一様にSi薄膜が堆積するため、表面が〜10nm程度までは
パルス数がそれ以上増加してもSiの濃度は変化しない。
また、ドープされたSiはパルス数を増加するに伴って、
より深く分布していることが判る。例えば、レーザーフ
ルエンス450mJ/cm2、100パルス、SiH4ガス圧力100Torr
で処理を行った場合、Siのドーピング深さは220nm、堆
積したSi薄膜の厚さは数10nmとなっている。このSi薄膜
の厚さはパルス数の増加に伴って厚くなる。
FIG. 1 shows the laser pulse implantation conditions of 30, 5
It is a graph which measured the distribution in the depth direction of Si in a sample when changing it with 0, 100 pulses by the secondary ion mass spectrometer (SIMS). Raising the number of pulses from 30 to 50
The Si concentration increases, but since the Si thin film is deposited almost uniformly on the surface of the material after 50 pulses, the Si concentration does not change even if the number of pulses increases up to about 10 nm on the surface.
In addition, as the number of pulses of doped Si increases,
It can be seen that the distribution is deeper. For example, laser fluence 450 mJ / cm 2 , 100 pulses, SiH 4 gas pressure 100 Torr
In the case of performing the treatment in step 1, the Si doping depth is 220 nm, and the thickness of the deposited Si thin film is several tens nm. The thickness of this Si thin film increases as the number of pulses increases.

第2図は、パルス数を変化させた時の表面硬度の変化を
測定した結果を示すグラフである。測定装置には、正三
角錐形状の極細圧子(〜10μm)を、試料に対して荷重
を加えて圧下した時の圧子の侵入深さ(圧子の侵入深さ
が浅いほど表面が硬い)によって、試料の表面硬度を測
定する超微小硬度計を用いて測定した。同図において、
縦軸は、上記条件で本発明を実施した試料に対して、圧
子荷重500mgで圧下させた時の圧子の試料中への侵入深
さである。すなわち、侵入深さが浅いほうが表面が硬い
ことを意味し、同図から、パルス数の増加に伴って圧子
の侵入深さは浅くなり、従って、表面が硬化しているこ
とが判る。このパルス数の増加に伴う表面硬化は、表面
に堆積したSi元素の薄膜が厚く形成されていることと、
注入されたSi元素が高濃度で深く分布していることに起
因するものである。
FIG. 2 is a graph showing the results of measuring the change in surface hardness when the number of pulses is changed. For the measuring device, an ultrafine indenter (~ 10 μm) in the shape of an equilateral triangular pyramid is used to measure the sample depending on the depth of penetration of the indenter when a load is applied to the sample to reduce The surface hardness was measured using an ultra-micro hardness meter. In the figure,
The vertical axis represents the penetration depth of the indenter into the sample when the indenter was pressed down with the indenter load of 500 mg for the sample in which the present invention was carried out under the above conditions. That is, the shallower the penetration depth means that the surface is harder, and it can be seen from the figure that the penetration depth of the indenter becomes shallower as the number of pulses increases, and thus the surface is hardened. The surface hardening with the increase in the number of pulses is that the thin film of the Si element deposited on the surface is thick,
This is due to the high concentration and deep distribution of the implanted Si element.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は、レーザーパルスの打ち込み条件を、30、50、
100パルスで変化させたときの本発明の各試料表面でのS
i元素の深さ方向分布を測定したグラフ、 第2図は、本発明によるパルス数を変化させた時の表面
硬度の変化を測定した結果を示すグラフ、 第3A図、第3B図は、不純物ガス中でレーザー光を照射し
てガスを分解して基板表面に注入および薄膜が形成され
る様子を示した模式図、 第3C図は、注入処理された層と基板の地金層との境界を
原子レベルで表現した模式図。 (符号の説明) 31…基板、32…ガス分子、33…レーザー光、 34…分解された不純物原子、35…溶融領域、 36…注入処理層、37…基板地金層、 38…薄膜層。
Figure 1 shows the laser pulse implantation conditions of 30, 50,
S on each sample surface of the present invention when changed with 100 pulses
The graph which measured the depth direction distribution of the i element, FIG. 2 is the graph which shows the result of having measured the change of the surface hardness when changing the pulse number by this invention, FIG. 3A, FIG. Fig. 3C is a schematic diagram showing how the gas is decomposed by irradiating laser light in the gas to inject and form a thin film on the substrate surface. Fig. 3C shows the boundary between the injection-treated layer and the bare metal layer of the substrate. Schematic representation of the atomic level. (Explanation of symbols) 31 ... Substrate, 32 ... Gas molecule, 33 ... Laser light, 34 ... Decomposed impurity atom, 35 ... Melting region, 36 ... Injection treatment layer, 37 ... Base metal layer, 38 ... Thin film layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】反応ガス雰囲気中の材料基板表面にレーザ
ー光を照射し、基板表面をその材料の融点以上とし、反
応ガス中の原子を基板表面中に注入すると共に、基板表
面上に反応ガス中の前記原子の薄膜を形成するレーザー
注入堆積法。
1. A material substrate surface in a reaction gas atmosphere is irradiated with laser light to bring the substrate surface to a temperature equal to or higher than the melting point of the material, atoms in the reaction gas are injected into the substrate surface, and the reaction gas is formed on the substrate surface. A laser injection deposition method for forming a thin film of said atoms therein.
JP1596089A 1989-01-25 1989-01-25 Laser injection deposition method Expired - Lifetime JPH0672305B2 (en)

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