JP2008500454A - Vacuum deposition method and apparatus by evaporation of metal and alloy - Google Patents

Vacuum deposition method and apparatus by evaporation of metal and alloy Download PDF

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Abstract

本発明は、金属及び合金の熱蒸発による、真空蒸着方法及び真空蒸着装置に関するものである。図1に提案された装置は、融解金属(液体金属)(2)を有する融解るつぼ(1)と、真空チャンバ(5)内の蒸発装置(4)の1つあるいは複数のるつぼ(3)と、融解物の圧力が固定の磁気流体力学(MHD)回路(7)を介して上記融解るつぼを上記蒸発るつぼに接続する、加熱された液体金属パイプ(6)とを備えている。回路(7)は、MHDポンプ(8)と、MHDポンプに隣接した液体金属パイプ(6)の区域と、加熱された液体金属パイプ(9),(10),及び(11)と、液体金属パイプ(11)を介してMHDパイプの前の液体金属パイプ6の区域に接続され、上記のパイプ(9)に取り付けられた拡張器(13)に液体金属パイプ(10)を介して接続される加熱容器(12)とを備えている。上記拡張器内と上記容器内との融解物上の空間は、図示しない真空ポンプシステムに接続されたパイプ(14)に連結される。融解物の高さLの2つの電気センサ(15)は、上記拡張器に取り付けられる。上記拡張器内と上記蒸発乾燥器内との融解物の高さLは、上記MHD回路容器内の融解物の高さLと比較してΔh分高い、すなわち、MHDポンプはΔhの圧力を供給するべきである。本発明の技術の解決案は、長期にわたる処理における金属及び合金の蒸発の安定性を高めることを可能にし、これにより生産性を高める。上記解決案は、電気、冶金、および機械技術において様々な機能を有するコーティングの蒸着のために用いられる。本発明の方法を用いて、亜鉛、マグネシウム、カドミウム、リチウム、および亜鉛化マグネシウム合金を蒸発させることが可能である。The present invention relates to a vacuum deposition method and a vacuum deposition apparatus by thermal evaporation of metals and alloys. The apparatus proposed in FIG. 1 comprises a melting crucible (1) having a molten metal (liquid metal) (2) and one or more crucibles (3) of an evaporation device (4) in a vacuum chamber (5). A heated liquid metal pipe (6) connecting the melting crucible to the evaporating crucible via a magnetohydrodynamic (MHD) circuit (7) with a fixed melt pressure. The circuit (7) includes an MHD pump (8), an area of the liquid metal pipe (6) adjacent to the MHD pump, heated liquid metal pipes (9), (10), and (11), and a liquid metal Connected to the area of the liquid metal pipe 6 in front of the MHD pipe via the pipe (11) and connected to the dilator (13) attached to the pipe (9) via the liquid metal pipe (10). A heating container (12). The space above the melt in the dilator and in the vessel is connected to a pipe (14) connected to a vacuum pump system (not shown). Two electrical sensors (15) of melt height L are attached to the dilator. The melt height L between the dilator and the evaporator is higher by Δh compared to the melt height L 0 in the MHD circuit vessel, that is, the MHD pump has a pressure of Δh. Should be supplied. The technical solution of the present invention makes it possible to increase the stability of evaporation of metals and alloys in long-term processing, thereby increasing productivity. The above solution is used for the deposition of coatings having various functions in electrical, metallurgy and mechanical technology. Using the method of the present invention, it is possible to evaporate zinc, magnesium, cadmium, lithium, and magnesium galvanized alloys.

Description

発明の詳細な説明Detailed Description of the Invention

本発明は、真空蒸着技術に関するものであり、主に、連続あるいは半連続運転の装置で金属及び合金を熱蒸発させることにより基質をめっきすることに関するものである。   The present invention relates to vacuum deposition techniques, and mainly relates to plating a substrate by thermally evaporating metals and alloys in a continuous or semi-continuous operation apparatus.

冶金における防食コーティングの蒸着のための物質蒸発方法および物質蒸発装置と、化学的な電流源製造における活性層と、電子工学および他の技術分野における様々な機能を有するコーティングとは、集中的に研究されている。主に亜鉛、マグネシウム、カドミウム、インジウム、および亜鉛化マグネシウム等の金属と合金とが、これらの目的のために用いられる。   Intensive research on material evaporation methods and materials evaporation equipment for the deposition of anticorrosion coatings in metallurgy, active layers in chemical current source production, and coatings with various functions in electronics and other technical fields Has been. Mainly metals and alloys such as zinc, magnesium, cadmium, indium, and magnesium zincide are used for these purposes.

ダースで測定され、時には100キログラムになる、大量のこれらの金属の連続的な蒸発は、産業の工程において必要である。そのような量の蒸発した金属を、真空チャンバ内部で蒸発温度で維持する事は困難である(概して、その温度は500℃より低くない)。それゆえに、長い期間間断なく、真空であるチャンバに蒸発した金属を連続的に供給する事には問題がある。   Continuous evaporation of large amounts of these metals, measured in dozens and sometimes 100 kilograms, is necessary in industrial processes. It is difficult to maintain such an amount of evaporated metal at the evaporation temperature inside the vacuum chamber (in general, the temperature is not lower than 500 ° C.). Therefore, there is a problem in continuously supplying evaporated metal to a vacuum chamber without interruption for a long period of time.

良く知られている、棒、ワイヤ、微粒、または粉のような材料供給方法は、上記の作業上の問題を解決するのに少し役立つ。物質が粉または微粒として蒸発装置にじかに到達する場合、物質を蒸発温度に高速に熱することは、ガスの放出、また、粉の粒子及び微粒の表面及び内部で吸収・溶解(dissolve)を生じる。それは、特にリチウムのような活性材料のコーティングの質に悪影響を及ぼす。ワイヤあるいは棒として物質を供給することも、少しではあるがガスの放出を伴う。それはさておき、蒸着過程では、ワイヤあるいは棒の予備の補給が必然的に妨げられる。   Well-known material delivery methods such as rods, wires, granules, or powders help a little to solve the above operational problems. When the substance reaches the evaporation device directly as powder or fine particles, heating the substance rapidly to the evaporation temperature results in the release of gas and also the dissolution and dissolution on the surface and inside of the powder particles and fine particles. . It adversely affects the quality of the coating of active materials, especially lithium. Supplying the material as a wire or rod also involves a slight release of gas. Apart from that, the deposition process inevitably hinders the preliminary replenishment of wires or rods.

融解した状態で物質を蒸発装置に供給する方法は、実質的に上記の欠点がない。液体金属を補給する蒸発装置のメリットは、リチウム、インジウム、亜鉛、カドミウム及び一部のマグネシウム等の低融点金属を蒸発させることである。   The method of supplying the substance to the evaporation apparatus in the melted state is substantially free from the above-mentioned drawbacks. The merit of the evaporation device for replenishing liquid metal is to evaporate low melting point metals such as lithium, indium, zinc, cadmium and some magnesium.

G.Goncharovのロシア特許出願93026154(1996年12月27日)は、液体金属を蒸発装置に供給するための装置を開示している。上記装置は、真空チャンバの外側に配置されている金属融解炉、真空チャンバの内側に配置されている蒸発装置、及び上記金属融解炉と上記蒸発装置とを接続するパイプラインを含む。金属融解炉内の融解した金属は大気圧下にある。上記蒸発乾燥器に融解した金属を供給することは、上記真空チャンバと周囲との間の気圧差によって成し遂げられる。上記蒸発乾燥器内の金属の高さは、第1に、大気圧と上記金属融解炉内における金属柱の圧力との和、第2に、上記供給パイプラインと上記蒸発乾燥器内の金属柱の圧力との間のつり合いによって定義される。   G. Goncharov's Russian patent application 93026154 (December 27, 1996) discloses an apparatus for supplying liquid metal to an evaporator. The apparatus includes a metal melting furnace disposed outside the vacuum chamber, an evaporation apparatus disposed inside the vacuum chamber, and a pipeline connecting the metal melting furnace and the evaporation apparatus. The molten metal in the metal melting furnace is at atmospheric pressure. Feeding the molten metal to the evaporative dryer is accomplished by a pressure differential between the vacuum chamber and the surroundings. The height of the metal in the evaporator is firstly the sum of the atmospheric pressure and the pressure of the metal column in the metal melting furnace, and secondly, the metal column in the supply pipeline and the evaporator. Is defined by the balance between

融解るつぼに物質の補給の無い状態での上記蒸発装置の運転中、融解物の高さは、上記炉のるつぼと上記蒸発装置との両方で低くなっている。それは、上記装置において、生産力の減少をもたらす。何故ならば、生成された蒸気の一部は、るつぼの壁で濃縮されて、物質の上にじかに到達しないからである。その結果、金属が消費されて上記蒸発乾燥器内の金属の高さが変化し、蒸発のペースが落ちて、例えばフィルムあるいは金属箔の円筒状の物体等の基質の異なる領域におけるコーティングの厚みが、変化してしまう。   During operation of the evaporator without the replenishment of material in the melting crucible, the melt height is low in both the furnace crucible and the evaporator. This results in a reduction in productivity in the above device. This is because some of the generated vapor is concentrated on the crucible wall and does not reach the material directly. As a result, the metal is consumed, the height of the metal in the evaporator is changed, the evaporation pace is reduced, and the coating thickness in different areas of the substrate, such as a cylindrical object of film or metal foil, for example. Will change.

発明者は、上記蒸発装置における融解物のレベルの安定装置に言及するけれども、上記安定装置の能力は、幾分制限されるように思われる。   Although the inventor refers to a melt level stabilizer in the evaporator, the ability of the stabilizer appears to be somewhat limited.

大気圧の作用に基づく補給システムは、使用された融解物の密度によって強く制限されると強調することが必要である。従って、亜鉛、インジウム、及びカドミウムを供給するためには、融解るつぼと蒸発装置とにおける融解物の高さの差は、少なくとも2.0〜2.5メートルであるべきであり、マグネシウムのためには、融解物の高さの差は、6メートルであるべきである。また一方で、リチウムのための融解物の高さの差は、19メートルとなる(!)。それはさておき、酸化とスラグの蓄積との理由で、いずれの金属が大気と接触することも望ましくないが、リチウムに関しては、その即時燃焼のために、大気との接触はまったく許せない。   It needs to be stressed that replenishment systems based on the action of atmospheric pressure are strongly limited by the density of the melt used. Therefore, to supply zinc, indium, and cadmium, the difference in melt height between the melting crucible and the evaporator should be at least 2.0-2.5 meters, for magnesium The difference in melt height should be 6 meters. On the other hand, the difference in melt height for lithium is 19 meters (!). Apart from that, it is not desirable for any metal to come into contact with the atmosphere for reasons of oxidation and slag accumulation, but for lithium, due to its immediate combustion, contact with the atmosphere is completely unacceptable.

液体金属を供給することの問題の他の解決策は、密閉して空気をポンプで出すことにより、炉のるつぼ内において、融解した金属が空気と接触することを避けることである。これは、供給システムの全体の寸法を最小限にすることと、融解るつぼ内の融解物の純度を改善する余地がある。例えば、このような装置は、E.Yadinの研究論文(“Deposition of Coatings or Free Foils of Sublimating Metals”,SVC 40th annual Technical Conference Proceedings,1997,p.69)で述べられている。この装置では、融解したマグネシウムが、融解炉内の融解物の上にあるポンプダウンの空間を縮小する事により、融解炉から蒸発装置に供給され、上記空間内への不活性ガスの進入が制御される。本発明の発明者によるこの装置の動作の経験は、液体金属パイプラインと蒸発要素との壁を湿らすための湿潤は、上記パイプラインと上記要素との比較的小さな温度変化で変わるということを明らかにした。従って、蒸発装置が満タンとなることを防ぐために、融解るつぼ内の不活性ガスの圧力を高精度で調節し維持することが必要である。それは、いくぶん難しい調整システムの製造及び使用を必要とすることが欠点である。   Another solution to the problem of supplying the liquid metal is to avoid contact of the molten metal with the air in the furnace crucible by sealing and pumping air. This leaves room for minimizing the overall dimensions of the delivery system and improving the purity of the melt in the melting crucible. For example, such a device is disclosed in E.I. Yadin's research paper (“Deposition of Coatings or Free Foils of Sublimating Metals”, SVC 40th Annual Technical Proceedings, 1997, p. 69). In this device, molten magnesium is supplied from the melting furnace to the evaporator by reducing the pump-down space above the melt in the melting furnace, and the ingress of inert gas into the space is controlled. Is done. The experience of operation of this device by the inventors of the present invention has shown that the wetting to wet the walls of the liquid metal pipeline and the evaporation element changes with a relatively small temperature change between the pipeline and the element. Revealed. Therefore, in order to prevent the evaporator from becoming full, it is necessary to adjust and maintain the pressure of the inert gas in the melting crucible with high accuracy. It is a disadvantage that it requires the production and use of a rather difficult adjustment system.

他の解決案は、蒸発乾燥器と上記るつぼが互いに接続される時に、機械的な助力で炉のるつぼ内の融解物の高さを維持することによって、蒸発乾燥器内の融解物の高さを供給することである。このような、蒸発乾燥器内の融解金属の高さセンサで制御される、融解炉を上げることによる融解金属供給方法は、日本国公開特許公報「特開昭62−267470号公報(公開日1987年11月20日、関口保明)」で開示されている。概して、上記炉は、金属の多くの予備、例えば1回あるいは数回もの交代作業による長期にわたる蒸発サイクルの実行に関する十分な量を有するべきである。上記炉の重量が重くなることで、上記炉の持ち上げ動作に関して重大な問題をもたらす。同様に、蒸発乾燥器内の融解物の高さの調節及び維持に関して重大な問題をもたらす。   Another solution is to maintain the height of the melt in the furnace crucible with mechanical assistance when the evaporator and the crucible are connected to each other, thereby increasing the height of the melt in the evaporator. Is to supply. Such a method for supplying molten metal by raising the melting furnace controlled by the height sensor of the molten metal in the evaporator is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. Sho 62-267470 (publication date 1987). November 20, 2012, Yasuaki Sekiguchi) ”. In general, the furnace should have a sufficient amount of metal reserves, e.g. for performing a long evaporation cycle with one or several shifts. The heavy weight of the furnace causes significant problems with respect to the lifting operation of the furnace. Similarly, significant problems are associated with adjusting and maintaining the height of the melt in the evaporator.

日本国公開特許公報「特開平09−053173号公報(公開日1997年2月25日、福居康)」“蒸発材料の安定供給方法”で開示された、機械的な助力で蒸発乾燥器内の融解物の高さを維持することに対する技術上の解決案を、従来技術として考慮する。   Published in Japanese Patent Publication “JP 09-053173 A (published February 25, 1997, Yasushi Fukui)” “Stable supply method of evaporating material” disclosed in “Stable supply method of evaporating material”. Technical solutions for maintaining the melt height are considered as prior art.

従来技術の装置は、融解るつぼ、液体金属パイプライン、真空チャンバに据え付けられた蒸発乾燥器、当該蒸発乾燥器内の融解物の高さの測定器具、上記融解るつぼの融解物の中に沈められた本体、上記蒸発乾燥器の融解物の高さ制御の設備、および上記沈められた本体の深さ制御の設備を含む。蒸着される物質が消費される時、上記本体は、上記測定器具の信号によって融解物の中に沈められる。従って、上記融解るつぼ内、および溶解るつぼと上記液体金属パイプラインで接続された上記蒸発乾燥器内の融解物の高さは安定したままである。   Prior art devices are submerged in a melting crucible, a liquid metal pipeline, an evaporating dryer installed in a vacuum chamber, a melt height measuring instrument in the evaporating dryer, and the melting crucible melt. A body for controlling the height of the melt of the evaporative dryer, and a facility for controlling the depth of the submerged body. When the material to be deposited is consumed, the body is submerged in the melt by the measuring instrument signal. Accordingly, the melt height in the melting crucible and in the evaporating dryer connected to the melting crucible by the liquid metal pipeline remains stable.

上記従来技術における解決策は、重大な欠点を有している。   The above prior art solutions have significant drawbacks.

上記システムの性能は、沈められた上記本体の容積によって制限されるということは完全に明白である。   It is entirely clear that the performance of the system is limited by the volume of the body that is sunk.

上記本体が融解物に完全に沈められた後、処理を停止し、上記本体を初期の位置に上げ、融解金属残留物と共に上記融解るつぼを冷却し、空気を入れ、新しい金属を上記るつぼに装填することが必要である。   After the body is completely submerged in the melt, the process is stopped, the body is raised to the initial position, the molten crucible with the molten metal residue is cooled, air is introduced, and new metal is loaded into the crucible. It is necessary to.

上記蒸発乾燥器内への融解物の高さセンサの導入は、上記従来技術における他の欠点である。   The introduction of a melt height sensor into the evaporative dryer is another disadvantage of the prior art.

作業温度が上記金属融解温度を超えており、周囲が金属の蒸気で満たされている蒸発乾燥器の融解物の高さをじかにモニタすることは、上記の状態に耐えられる材料を用いたセンサの特別な保護を必要とする。   Monitoring the height of the evaporative dryer melt, where the working temperature is above the metal melting temperature and the surroundings are filled with metal vapor, is a sensor that uses materials that can withstand the above conditions. Requires special protection.

上記従来技術におけるさらなる欠点は、金属の融解及び供給の双方が、同じ容器、すなわち上記融解るつぼから行われる時に、上記の処置によって前もって調整される。これは、酸化物、窒化物、及び他の化合物のような幾つかの不純物が、多様な負荷(loading)のために、金属が蒸発される上記融解るつぼに蓄積されるかもしれないということを意味する。融解物と上記不純物とは、上記蒸発乾燥器内に、また、コーティングの質を低下させる基質上に蓄積される。   A further drawback in the prior art is that the above procedure pre-adjusts when both melting and feeding of the metal are performed from the same container, i.e. the melting crucible. This means that some impurities such as oxides, nitrides, and other compounds may accumulate in the melting crucible where the metal is vaporized due to various loadings. means. The melt and the impurities accumulate in the evaporative dryer and on the substrate that degrades the quality of the coating.

本発明の目的は、上記欠点を回避し、蒸発された物質の量に関係無く、蒸発乾燥器内における融解物の高さの安定のために、一定の生産力で真空蒸着を供給することである。上記目的の達成のために、少なくとも1つの容器と、パイプラインの系統と、MHDポンプとを含む磁気流体力学(MHD)回路を、融解るつぼと蒸発乾燥器との間に配置する。   The object of the present invention is to avoid the above drawbacks and to provide vacuum deposition with a constant productivity for the stability of the melt height in the evaporator, regardless of the amount of evaporated material. is there. To achieve the above objective, a magnetohydrodynamic (MHD) circuit including at least one vessel, a pipeline system and an MHD pump is placed between the melting crucible and the evaporative dryer.

融解と、蒸発るつぼにおける融解物の高さの安定性の維持と共に蒸発された金属の一部の精製との作業工程の分離は、1つの定圧回路を、スラグと蓄積された不純物とから全体をクリーニングするために周期的に動作が停止される複数の融解るつぼと結合させることを可能にする。これにもかかわらず、蒸発システムの動作は中断されない。   Separation of work steps between melting and maintaining the height stability of the melt in the evaporating crucible as well as refining a portion of the evaporated metal can be done entirely from one slag and accumulated impurities. It allows to be combined with a plurality of melting crucibles that are periodically deactivated for cleaning. Despite this, the operation of the evaporation system is not interrupted.

提案した本発明の基本構成及び幾つかの実施形態は、図1〜図2に示されている。技術的な解決案の幾つかの構成要素は、図3〜図4でより詳細に与えられる。図1は、本発明の好ましい実施形態を示している。   The basic configuration and several embodiments of the proposed invention are shown in FIGS. Some components of the technical solution are given in more detail in FIGS. FIG. 1 shows a preferred embodiment of the present invention.

図2は、蒸着サイクルが比較的短く、融解金属を有するシステムの周期的な補給の必要が無い場合の技術的な解決案の他の簡素な実施形態を示している。   FIG. 2 shows another simple embodiment of the technical solution when the deposition cycle is relatively short and there is no need for periodic replenishment of the system with molten metal.

図3〜図4は、液体金属パイプラインと対応する容器との加熱及び冷却システムを示している。   3-4 show a heating and cooling system for the liquid metal pipeline and the corresponding vessel.

提案された装置は、蒸発される融解金属(液体金属)2を備える融解るつぼ1と、真空チャンバ5内の蒸発装置4の1つあるいは複数のるつぼ3と、融解物の圧力が固定のMHD回路7を介して、上記融解るつぼと上記蒸発るつぼとを接続する加熱された液体金属のパイプ6とを含む。   The proposed apparatus comprises a melting crucible 1 with a molten metal (liquid metal) 2 to be evaporated, one or more crucibles 3 of an evaporator 4 in a vacuum chamber 5, and an MHD circuit with a fixed melt pressure. 7 and a heated liquid metal pipe 6 connecting the melting crucible and the evaporating crucible through 7.

回路7は、MHDポンプ8を備え、MHDポンプに隣接した液体金属パイプライン6の区域と、液体金属パイプライン9,10,11と、液体金属パイプ11でMHDポンプの前の液体金属パイプ6の区域に接続され、液体金属パイプ10を介して、パイプライン9に取り付けられた拡張タンク13に接続された加熱容器12とを備えている。加熱容器12および拡張タンク13内の融解物上の空間は、パイプ14を介して図示しない真空ポンプシステムに接続されている。融解物の高さLの2つの電気センサ15は、拡張タンクに据え付けられている。拡張タンク内および蒸発乾燥器内の融解物の高さLは、MHD回路容器内の融解物の高さLと比較してΔh分高い。即ち、Δhは、MHDポンプの動作圧力である。 The circuit 7 comprises an MHD pump 8, the area of the liquid metal pipeline 6 adjacent to the MHD pump, the liquid metal pipelines 9, 10, 11 and the liquid metal pipe 11 of the liquid metal pipe 6 in front of the MHD pump. A heating vessel 12 connected to an area and connected to an expansion tank 13 attached to the pipeline 9 via a liquid metal pipe 10. The space above the melt in the heating container 12 and the expansion tank 13 is connected to a vacuum pump system (not shown) via a pipe 14. Two electrical sensors 15 of melt height L are installed in the expansion tank. The melt height L in the expansion tank and in the evaporator is higher by Δh compared to the melt height L 0 in the MHD circuit vessel. That is, Δh is the operating pressure of the MHD pump.

好ましい実施形態では、基質の支持体16は、冷やされた回転可能なドラムの形をしている。コーティングされる基質17は、1円筒状の物質である。例えば、ポリマーフィルム或いは金属箔は、本発明に適用できるけれども、さらに、蒸着工程の間の固着および/または輸送を別の形態とすることで、他のタイプの基質にも適応できる。   In a preferred embodiment, the substrate support 16 is in the form of a cooled rotatable drum. The substrate 17 to be coated is a cylindrical material. For example, although polymer films or metal foils can be applied to the present invention, they can also be adapted to other types of substrates by taking another form of anchoring and / or transport during the deposition process.

融解るつぼ1は、図示しない真空ポンプシステムに枝状のパイプ18で接続され、図示しない不活性ガス(例えばアルゴン)供給システムに枝状のパイプ19で接続され、融解物上の空間における圧力を測定するための計器20と、融解物の高さを測定するためのセンサ21とを備えている。   The melting crucible 1 is connected to a vacuum pump system (not shown) by a branch pipe 18 and connected to an inert gas (for example, argon) supply system (not shown) by a branch pipe 19 to measure the pressure in the space above the melt. A measuring instrument 20 and a sensor 21 for measuring the height of the melt.

液体金属パイプ6は、U字型のひじ管を備え、追加の安全手段としての図示しない緊急冷却システムが制御されてもよい。   The liquid metal pipe 6 includes a U-shaped elbow pipe, and an emergency cooling system (not shown) as an additional safety measure may be controlled.

蒸着サイクルが比較的短い時、上述したように、蒸発された金属を上記融解るつぼに供給するサイクルの間中、定圧回路7の周期的な補給の必要性は無い。この場合、図2に示される簡素な実施形態が用いられてもよい。当該実施形態では、定圧回路7の加熱容器12は除かれ、センサを備える融解るつぼ1が、加熱容器12の代わりに、回路7に備えられる。この場合、拡張タンク13は、液体金属パイプライン10を介して融解るつぼ1に接続され、パイプ14は、上記融解るつぼ内と上記拡張タンク内との融解物上の空間を上記真空ポンプシステムに接続する。   When the deposition cycle is relatively short, there is no need for periodic replenishment of the constant pressure circuit 7 during the cycle of supplying the evaporated metal to the melting crucible as described above. In this case, the simple embodiment shown in FIG. 2 may be used. In this embodiment, the heating vessel 12 of the constant pressure circuit 7 is removed, and the melting crucible 1 including the sensor is provided in the circuit 7 instead of the heating vessel 12. In this case, the expansion tank 13 is connected to the melting crucible 1 through the liquid metal pipeline 10, and the pipe 14 connects the space above the melt in the melting crucible and the expansion tank to the vacuum pump system. To do.

融解るつぼ1と、使用される場合は加熱容器12と、液体金属パイプライン9,10,11とは、共通の方法によって電気を用いて加熱される。それはさておき、上記各部品は、冷却管を、好ましくは空冷パイプ(air coiled pipe)を備えている。上記管もまた流体装置であり、上記管の製造は依然として難しく、時には、例えばリチウムの蒸発では、安全上の理由から全く容認されない。冷却管を使用する事は、運転から運転への動作(run-to-run operations)を減少させるため、生産性向上の可能性を与える。簡単化のため、加熱及び冷却システムは、図1及び図2には示していない。   The melting crucible 1, the heating vessel 12 if used, and the liquid metal pipelines 9, 10, 11 are heated using electricity in a common manner. Apart from that, each of the above components comprises a cooling pipe, preferably an air coiled pipe. The tube is also a fluidic device, and the tube is still difficult to manufacture and sometimes not acceptable for safety reasons, for example with lithium evaporation. The use of cooling tubes offers the potential for increased productivity because it reduces run-to-run operations. For simplicity, the heating and cooling system is not shown in FIGS.

図1及び図2の、融解るつぼ1と加熱容器12とを電気加熱及び空冷するシステムの断面AAは、図3に示される。上記システムは、融解るつぼ1或いは加熱容器12の壁23、当該壁から電気的に絶縁された抵抗ヒーター24、断熱材25、及び空冷パイプ26を含む。   A cross section AA of the system for electrically heating and air cooling the melting crucible 1 and the heating vessel 12 of FIGS. 1 and 2 is shown in FIG. The system includes the melting crucible 1 or the wall 23 of the heating vessel 12, a resistance heater 24 electrically insulated from the wall, a heat insulating material 25, and an air cooling pipe 26.

図1及び図2の、液体金属パイプライン9,10,11を電気加熱及び空冷するシステムの断面BBは、図4に示される。上記システムは、液体金属2、液体金属パイプラインの壁27、ヒーター28、断熱材29、空冷パイプ30、および上記空冷パイプを上記液体金属パイプラインに接着する、例えば溶接する要素31を含む。   A cross-section BB of the system for electrically heating and air cooling the liquid metal pipelines 9, 10, 11 of FIGS. 1 and 2 is shown in FIG. The system includes a liquid metal 2, a liquid metal pipeline wall 27, a heater 28, insulation 29, an air cooling pipe 30, and an element 31 that bonds, eg welds, the air cooling pipe to the liquid metal pipeline.

上記装置は、下記の方法で動作する。   The apparatus operates in the following manner.

蒸着サイクルは、融解るつぼ1からの金属2でMHD回路7とその加熱容器12とを満たした後に開始する。その間に、蒸着過程を中断することなく、融解るつぼ1を冷却、開放し、次の金属を供給することが可能である。勿論、予め、融解るつぼとMHD回路との間のパイプライン区域を、金属の融点より低く冷却することが必要である。   The vapor deposition cycle begins after filling the MHD circuit 7 and its heating vessel 12 with metal 2 from the melting crucible 1. Meanwhile, it is possible to cool and open the melting crucible 1 and supply the next metal without interrupting the vapor deposition process. Of course, it is necessary beforehand to cool the pipeline section between the melting crucible and the MHD circuit below the melting point of the metal.

蒸発乾燥器4内の融解物の高さは、融解物の温度が金属の融点より30度〜50度だけ高いMHD回路7内の融解物の高さによってモニタされる。金属の蒸気はほとんど無く、融解物の高さセンサと一般のシステムとの操作の信頼性が与えられる。   The height of the melt in the evaporator 4 is monitored by the height of the melt in the MHD circuit 7 where the melt temperature is 30-50 degrees above the melting point of the metal. There is little metal vapor, which gives the operational reliability of the melt height sensor and the general system.

MHD回路7の加熱容器12は、周知の方法によって液体金属2で満たされる。例えば、枝状のパイプ19を通って、融解物上の空間に、例えばアルゴン等の不活性ガスが入ることによって生成される圧力の差によって、融解るつぼ1から融解物が排出されて回路を満たす方法である(図1)。MHDポンプが始動する時、液体金属パイプライン6と拡張タンク13とを満たすことが開始される。もし、圧力が不十分であると、パイプラインはその高さの一部だけ満たされる。この場合、融解物の循環は無い。MHDポンプの圧力が増えると、融解物が次第に拡張タンク13の重要な部分を満たし始める。融解物が高さLに達する時、融解物が液体金属パイプライン10に沿って加熱容器12に流れ始める。この結果、定圧回路7における融解物の循環が始まる。液体金属パイプライン6に接続された拡張タンク13内の融解物の流れる速度は、大幅に減少し、層流特有の速度に近づく。   The heating container 12 of the MHD circuit 7 is filled with the liquid metal 2 by a known method. For example, the melt is discharged from the melting crucible 1 by the pressure difference generated by the passage of an inert gas such as argon through the branch pipe 19 into the space above the melt to fill the circuit. It is a method (FIG. 1). When the MHD pump is started, filling of the liquid metal pipeline 6 and the expansion tank 13 is started. If the pressure is insufficient, the pipeline fills only part of its height. In this case, there is no circulation of the melt. As the pressure on the MHD pump increases, the melt gradually begins to fill an important part of the expansion tank 13. When the melt reaches height L, the melt begins to flow along the liquid metal pipeline 10 to the heating vessel 12. As a result, circulation of the melt in the constant pressure circuit 7 starts. The flow rate of the melt in the expansion tank 13 connected to the liquid metal pipeline 6 is greatly reduced, approaching the laminar flow specific speed.

定圧回路内の柱状体の融解物の高さセンサ15は、圧力信号を供給する。故に、過度の圧力の場合に備えて、拡張タンク13と全体の回路7とは、満杯にならない。回路7内の上記センサは、共通の助力と共に、MHDポンプによってもたらされる圧力の安定(constancy)供給を可能にし、その結果、回路内の融解物の高さが安定(constancy)する。もし、今、回路7を蒸発乾燥器4のるつぼ3に接続する液体金属パイプライン6の区域を対応する温度に熱すると、融解物はるつぼを満たし始め、その上、液体金属パイプライン6内と液体金属パイプライン9内とのMHDポンプの動作圧力は等しいので、回路内と蒸発乾燥器内との両方の融解物の高さが等しくなる。   A column melt melt height sensor 15 in the constant pressure circuit provides a pressure signal. Therefore, the expansion tank 13 and the entire circuit 7 are not full in case of excessive pressure. The sensors in the circuit 7 together with a common aid allow for the supply of pressure constancy provided by the MHD pump, so that the melt height in the circuit is constancy. If now the area of the liquid metal pipeline 6 that connects the circuit 7 to the crucible 3 of the evaporative dryer 4 is heated to a corresponding temperature, the melt begins to fill the crucible and, in addition, in the liquid metal pipeline 6 and Since the operating pressure of the MHD pump in the liquid metal pipeline 9 is equal, the melt heights in both the circuit and the evaporator are equal.

必要な融解物の高さを維持するために要求されるMHDポンプの管の内部圧力Fは、以下の式で定義されるという事は、本発明の発明者の経験から周知である。
F≧ρ・gΔh
ここで、ρは融解物の密度であり、gは重力加速度であり、ΔhはMHDポンプの動作圧力である。
It is well known from the experience of the inventor of the present invention that the internal pressure F of the pipe of the MHD pump required to maintain the required melt height is defined by the following equation.
F ≧ ρ · gΔh
Here, ρ is the density of the melt, g is the acceleration of gravity, and Δh is the operating pressure of the MHD pump.

図1及び図2の蒸発が理由で、システム内の液体金属の高さが減少するために、融解物の高さLは、一定値だけ低下する傾向がある。なお、センサ15は、MHDポンプに圧力を増加するように信号を送る事により、上記低下を補償することができる。この処理は周知の手段によって自動化されても良い。 Because of the evaporation of FIGS. 1 and 2, the melt height L 0 tends to decrease by a certain value due to the decrease in the height of the liquid metal in the system. The sensor 15 can compensate for the decrease by sending a signal to the MHD pump to increase the pressure. This process may be automated by known means.

一瞬で圧力を反転させても良いMHDポンプ特有の特徴は、提案する技術の解決案の追加のメリットである。この特徴は、空気との接触が危険であるアルカリ性金属の蒸発時に有用である。   A unique feature of MHD pumps that may reverse pressure in an instant is the additional merit of the proposed technical solution. This feature is useful during the evaporation of alkaline metals where contact with air is dangerous.

それゆえに、蒸着チャンバ内の圧力の増加によってもたらされる緊急時には、MHDポンプ8の対応する交換によって、蒸発るつぼを迅速に空にすることが可能である。   Therefore, in the event of an emergency caused by an increase in pressure in the deposition chamber, it is possible to quickly empty the evaporation crucible by a corresponding replacement of the MHD pump 8.

アルカリ金属を用いた動作時に、融解物の循環及び供給システムの密封の失敗もまた危険である。それは、真空チャンバ内に大量の融解物を散布する危険性をはらんでいる。それゆえに、蒸発乾燥器4に、上述の余波を最小限にするために、図示しない緊急冷却システムを有するU字型のひじ管22を備える融解物供給のパイプライン6を備え付ける事が提案される。この部材は、システムの命令で、固まった融解物の栓を使ってパイプラインを急速に詰まらせる。   Failure to melt circulation and supply system sealing is also dangerous when operating with alkali metals. It carries the risk of spreading large amounts of melt in the vacuum chamber. It is therefore proposed to equip the evaporative dryer 4 with a melt supply pipeline 6 comprising a U-shaped elbow tube 22 with an emergency cooling system (not shown) in order to minimize the aforementioned aftermath. . This member, at the command of the system, quickly clogs the pipeline using a solid melt plug.

例えば、図1に示される装置は、リチウムの熱蒸発方法によるリチウムコーティングポリマーフィルムのための真空装置を示している。4つの鉄鋼製のるつぼの蒸発乾燥器は、上記装置の真空チャンバ内に据え付けられている。リチウム融解るつぼは、真空チャンバの外側に据え付けられ、蒸発乾燥器に液体金属パイプラインで接続されている。MHDポンプ、容器、およびパイプシステムを備えている液体金属定圧回路は、上記液体金属パイプラインの上部に配置されている。回路の上部には、2つの接地絶縁された細い棒が挿入され、電源及びMHDポンプの制御ユニットに接続された拡張タンクを備えている。上記棒は、10mm〜15mmの範囲で垂直に動かすことができる。   For example, the apparatus shown in FIG. 1 shows a vacuum apparatus for a lithium coated polymer film by a lithium thermal evaporation method. Four steel crucible evaporative dryers are installed in the vacuum chamber of the apparatus. The lithium melting crucible is installed outside the vacuum chamber and connected to the evaporation dryer by a liquid metal pipeline. A liquid metal constant pressure circuit comprising an MHD pump, a container, and a pipe system is disposed on the upper part of the liquid metal pipeline. At the top of the circuit, two grounded and insulated rods are inserted and equipped with an expansion tank connected to the power supply and the control unit of the MHD pump. The bar can be moved vertically in the range of 10 mm to 15 mm.

上記の回路は、拡張タンクから出ている横方向の液体金属パイプラインの中心部の高さが、リチウムの融解物で蒸発るつぼを満たす所望の高さと等しくなるように製造される。回路の下部は、液体金属パイプラインでリチウム融解るつぼに接続される。   The above circuit is manufactured so that the height of the center of the lateral liquid metal pipeline exiting the expansion tank is equal to the desired height that fills the evaporation crucible with a melt of lithium. The lower part of the circuit is connected to a lithium melting crucible with a liquid metal pipeline.

蒸発乾燥器供給システムの全部材は、間接的に電気を用いて加熱するヒーターと、壁の温度センサとに区分される。融解るつぼは、相対的な空気の湿度が2%より高くならないように維持された真空装置に隣接した部屋に設けられる。重量が840グラム毎のリチウムインゴットは、相対的な空気の湿度が2%である融解るつぼに与えられる。リチウムの最初の量は、約6.3リットルであった。   All members of the evaporative dryer supply system are divided into a heater that indirectly heats using electricity and a wall temperature sensor. A melting crucible is provided in a room adjacent to a vacuum apparatus that is maintained such that the relative air humidity does not exceed 2%. A lithium ingot weighing 840 grams is fed into a melting crucible with a relative air humidity of 2%. The initial amount of lithium was about 6.3 liters.

融解るつぼのポンプ動作は、その密閉後に開始される。真空チャンバと定圧回路とのポンプ動作は、融解るつぼのポンプ動作と同時に行われる。融解るつぼの空間内の圧力が、2パスカルに達する時、その加熱を開始し、温度が250℃になるまで続けられる。融解るつぼの壁の温度をモニタすることは、リチウム融解の開始時期を決定し、融解物でるつぼを満たす程度は、高さセンサの信号によって決定される。   The melting crucible pumping is started after its sealing. The pumping operation of the vacuum chamber and the constant pressure circuit is performed simultaneously with the pumping operation of the melting crucible. When the pressure in the melting crucible space reaches 2 Pascals, the heating is started and continued until the temperature is 250 ° C. Monitoring the temperature of the melting crucible wall determines when lithium melting begins, and the extent to which the melt fills the crucible is determined by the height sensor signal.

融解るつぼのポンプ動作は、融解の完了後も、リチウムに溶けた(dissolved in lithium)ガスを除去するまで続く。同時に、回路は250℃に加熱され、MHDポンプの電源ユニットは動作中である。3時間後、融解るつぼのポンプラインは止められ、はめ込み弁の微調節を通じてアルゴンの注入が開始される。回路内にリチウムが到達する時期に始めることは、融解るつぼ高さセンサの信号によって記録される。高さセンサを定格の深さに下げることは、上記回路をリチウムで満たすことが完遂された時期を決定することを可能にする。MHDポンプの圧力は、回路の拡張タンク内に据え付けられたセンサの作動時期まで次第に増やされる。次に、融解るつぼと定圧回路に接続される液体金属パイプラインとの加熱は、スイッチを切られて止められ、リチウムを蒸発乾燥器に供給するパイプラインの加熱は、スイッチを入れられて始められ、250℃まで続けられる。温度が設定値に達した時、蒸発るつぼを融解物で満たすことは、真空チャンバにある視覚装置を通じ観測される。   The melting crucible pumping continues after melting is complete until the dissolved in lithium gas is removed. At the same time, the circuit is heated to 250 ° C. and the power supply unit of the MHD pump is in operation. After 3 hours, the melting crucible pump line is turned off and argon injection is started through fine adjustment of the inset valve. The beginning of the time when lithium reaches the circuit is recorded by the melting crucible height sensor signal. Lowering the height sensor to the rated depth makes it possible to determine when the circuit has been completed with lithium. The pressure of the MHD pump is gradually increased until the operation time of the sensor installed in the expansion tank of the circuit. The heating of the melting crucible and the liquid metal pipeline connected to the constant pressure circuit is then switched off and stopped, and the heating of the pipeline supplying lithium to the evaporator is started. , And continue to 250 ° C. When the temperature reaches a set point, filling the evaporation crucible with melt is observed through a visual device in the vacuum chamber.

リチウムで満たされたるつぼを580℃の温度に加熱した後に、下層を40nmの厚さの“インコネル(Inconel)400”で予め覆われた25ミクロンの厚さのPETのフィルム上に、リチウム蒸着するためのサイクルが開始される。上記過程は中断無しで5時間続けられ、300mのコーティングがなされた製品が製造される。蒸発るつぼ内のリチウムの高さは、不変のままであるという事が定期的に観測される。   After heating the crucible filled with lithium to a temperature of 580 ° C., lithium deposition is performed on a 25 micron thick PET film pre-covered with 40 nm thick “Inconel 400”. The cycle for is started. The above process is continued for 5 hours without interruption to produce a product with a 300 m coating. It is regularly observed that the lithium height in the evaporating crucible remains unchanged.

リチウム蒸着の完了後に、るつぼの加熱はスイッチを切られて止められ、リチウムは300℃に冷却される。次に、MHDポンプが逆向きにされ、リチウムが回路へ1分間排出される。さらに、回路を蒸発乾燥器に接続する液体金属パイプラインは、スイッチを切られ、その壁とるつぼとを冷却するために圧縮空気が供給される。50℃〜60℃の温度を達成した後に、乾燥空気が真空チャンバに入れられ、コーティングされた円筒状の製品が降ろされ、新しい円筒状の物体が載せられ、新しいサイクルが始められる。   After completion of lithium deposition, the crucible heating is switched off and stopped and the lithium is cooled to 300 ° C. The MHD pump is then reversed and lithium is discharged into the circuit for 1 minute. In addition, the liquid metal pipeline connecting the circuit to the evaporator is switched off and supplied with compressed air to cool its wall and crucible. After achieving a temperature between 50 ° C. and 60 ° C., dry air is placed in the vacuum chamber, the coated cylindrical product is lowered, a new cylindrical object is placed, and a new cycle is started.

蒸発乾燥器にリチウムを供給するパイプラインのU字型のひじ管は、絶えず金属で満たされ、液体金属パイプラインの冷却後、チャンバへ空気が入る前に、上記ひじ管は、熱い回路への空気の浸透を妨げる弁として機能する。   The U-shaped elbow of the pipeline that supplies lithium to the evaporative dryer is constantly filled with metal, and after cooling the liquid metal pipeline, the elbow is connected to the hot circuit before air enters the chamber. It functions as a valve that prevents air from penetrating.

同様な5つの蒸着サイクルが、1つのリチウムで行われ、化学的な電流源のために、1500mのコーティングされた製品が製造された。全てのコーティングされた円筒状の物体のリチウムの厚みは、そのばらつきが5%を超えないということが示され、どの真空蒸着処理に関しても典型的である。これにもかかわらず、供給の無いるつぼ内の融解物の高さの低下に起因する厚みの一定の減少は、観測されない。   Five similar deposition cycles were performed with one lithium, and a 1500 m coated product was produced for a chemical current source. The lithium thickness of all coated cylindrical objects has been shown to not vary by more than 5% and is typical for any vacuum deposition process. In spite of this, no constant decrease in thickness due to a decrease in melt height in the unloaded crucible is observed.

本発明の好ましい実施形態を示す図である。It is a figure which shows preferable embodiment of this invention. 蒸着サイクルが比較的短く、融解金属を有するシステムの周期的な補給の必要が無い場合の技術的な解決案の他の簡素な実施形態を示す図である。FIG. 6 shows another simple embodiment of a technical solution when the deposition cycle is relatively short and there is no need for periodic replenishment of the system with molten metal. 液体金属パイプラインと対応する容器との加熱及び冷却システムを示す図である。FIG. 2 shows a heating and cooling system for a liquid metal pipeline and a corresponding container. 液体金属パイプラインと対応する容器との加熱及び冷却システムを示す図である。FIG. 2 shows a heating and cooling system for a liquid metal pipeline and a corresponding container.

Claims (6)

真空蒸着チャンバの外側に備えられ、上記真空蒸着チャンバ内に備えられている蒸発乾燥器に液体金属パイプラインによって接続されている融解るつぼにて、金属及び合金を融解する工程と、
上記金属を上記蒸発乾燥器に供給する工程と、
上記蒸発乾燥器内の上記液体金属の高さの安定性をモニタ及び維持する工程と、
液体金属回路における磁気流体力学ポンプにて上記液体金属を流す工程と、
上記液体金属回路における上記液体金属の高さを安定させる工程と、
上記液体金属回路から上記蒸発乾燥器に上記液体金属を供給する工程と、
上記液体金属回路における安定化された液体金属の高さによって、上記蒸発乾燥器における液体金属の高さを安定させる工程とを有することを特徴とする金属及び合金の蒸発による真空蒸着方法。
Melting a metal and an alloy in a melting crucible provided outside the vacuum deposition chamber and connected by a liquid metal pipeline to an evaporation dryer provided in the vacuum deposition chamber;
Supplying the metal to the evaporation dryer;
Monitoring and maintaining the height stability of the liquid metal in the evaporative dryer;
Flowing the liquid metal with a magnetohydrodynamic pump in a liquid metal circuit;
Stabilizing the height of the liquid metal in the liquid metal circuit;
Supplying the liquid metal from the liquid metal circuit to the evaporation dryer;
And a step of stabilizing the height of the liquid metal in the evaporation dryer by the stabilized height of the liquid metal in the liquid metal circuit.
ポンプ手段を有する真空チャンバと、
1つまたは複数の蒸発るつぼを有し、上記真空チャンバ内に備えられている蒸発乾燥器と、
上記真空チャンバの外側に備えられ、上記蒸発乾燥器に液体金属パイプラインによって接続されている融解るつぼと、
上記蒸発乾燥器内の融解物の高さを安定させる安定化手段と、
磁気流体力学ポンプと、加熱されたパイプライン及び拡張チャンバの循環システムと、上記拡張チャンバにおける高さセンサとを有し、上記加熱されたパイプラインによって上記蒸発乾燥器に接続される液体金属回路とを備えることを特徴とする金属及び合金の蒸発による真空蒸着装置。
A vacuum chamber having pump means;
An evaporative dryer having one or more evaporative crucibles and provided in the vacuum chamber;
A melting crucible provided outside the vacuum chamber and connected to the evaporative dryer by a liquid metal pipeline;
Stabilizing means for stabilizing the height of the melt in the evaporative dryer;
A liquid metal circuit having a magnetohydrodynamic pump, a circulation system of a heated pipeline and an expansion chamber, and a height sensor in the expansion chamber, which is connected to the evaporation dryer by the heated pipeline; A vacuum deposition apparatus using metal and alloy evaporation.
上記液体金属回路は、蒸発されるための金属を蓄積する容器を備え、上記融解るつぼが上記液体金属回路の外側に備えられていることを特徴とする請求項2に記載の金属及び合金の蒸発による真空蒸着装置。   The metal and alloy evaporation according to claim 2, wherein the liquid metal circuit comprises a container for storing metal to be evaporated, and the melting crucible is provided outside the liquid metal circuit. Vacuum deposition equipment. 上記融解るつぼが、上記液体金属回路に備えられていることを特徴とする請求項2に記載の金属及び合金の蒸発による真空蒸着装置。   The vacuum deposition apparatus according to claim 2, wherein the melting crucible is provided in the liquid metal circuit. 液体金属が入る要素の壁は、空冷管を備えることを特徴とする請求項2に記載の金属及び合金の蒸発による真空蒸着装置。   3. The apparatus for vacuum deposition by evaporation of metals and alloys according to claim 2, wherein the wall of the element containing the liquid metal is provided with an air cooling tube. 上記蒸発乾燥器と上記液体金属回路との間の上記液体金属パイプラインは、緊急冷却の制御システムを有するU字型のひじ管を備えることを特徴とする請求項2に記載の金属及び合金の蒸発による真空蒸着装置。   3. The metal and alloy of claim 2 wherein the liquid metal pipeline between the evaporative dryer and the liquid metal circuit comprises a U-shaped elbow with an emergency cooling control system. Vacuum evaporation equipment by evaporation.
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