JP2016535173A - 蒸発器デバイス内の液体金属の組成を制御するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、物理蒸着プロセスにおいて使用される真空チャンバ内の蒸発器に供給される液体金属の組成を制御するための装置および方法に関する。

Description

本発明は、２種以上の金属で構成される液体金属を、真空チャンバ内の蒸発器に供給するための装置および方法に関する。そのような蒸発器は、例えば、金属蒸気が鋼帯等の基板上に蒸着される物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスにおいて使用される。

工業規模でのＰＶＤプロセス、より具体的には連続または半連続ＰＶＤプロセスにおいて、蒸発器デバイスへの液体金属の安定な補給を提供することが必要であり、補給は、蒸発器デバイス内で蒸発した液体金属に従って行われる。これは、鋼帯への蒸発金属の蒸着等の高速ＰＶＤプロセスにおいて、特に要求される。

さらに、異なる蒸気圧を有する２種以上の金属で構成される液体金属では、より高い蒸気圧を有する金属が、より低い蒸気圧を有する金属よりも速い速度で蒸発する。その結果、蒸発器内の液体金属の組成は、経時的に変化する。

液体金属の組成に使用される金属は、ほぼ１００％純粋となることはないため、その結果、組成は、より低い蒸気圧を有する不純物が高濃度となる。

溶融物の組成の変化、および溶融物における不純物の高濃度化は共に、蒸気の組成に対して、ひいては基板上に蒸着されるコーティングに対して、さらには蒸発プロセス自体に対してマイナスの結果をもたらす。

不純物の問題は、おそらくは高純度の供給材料を使用することにより対処され得るが、これは著しく費用を増加させ、工業規模でＰＶＤプロセスが行われている場合には選択肢となりにくい。

液体金属の組成の変化は、蒸発器のサイズを増加させることによりある程度は制御され得るが、これは、真空チャンバ内の蒸発器に必要な空間を増大させ、限られた空間内への高電力入力を有する誘導加熱を使用する利点の１つを排除してしまう。代替法は、ＫＲ２０１１００３４４２０において開示されているように、液体金属の外部源から蒸発器に供給することであるが、これも同じ問題を抱えており、必要とされる組成からの偏差の許容されないレベルまで組成が変化するのに、幾分より長い時間を要するという程度である。

本発明の目的は、蒸発器内での蒸発プロセスから得られた金属蒸気の組成を制御することができる装置を提供することである。

本発明の別の目的は、蒸発器内の液体金属の組成を制御することができる装置を提供することである。

本発明の別の目的は、蒸発器内の液体金属の組成を迅速に変化させることができる装置を提供することである。

本発明のさらなる別の目的は、真空チャンバ内の蒸発器デバイス内の液体金属の組成を制御するための方法を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、本発明の目的の１つまたは複数は、真空チャンバ内の蒸発器デバイス内の液体金属の組成を制御するための装置であって、液体金属は、２種以上の金属を含み、装置は、液体金属を含有するための第１の容器および第２の容器と、第１の容器から蒸発器に液体金属を供給する手段と、第２の容器から第１の容器の液体金属に、または蒸発器に液体金属を供給する手段とを備える装置を提供することにより実現される。本発明による装置において、第２の容器からの液体金属は、異なる蒸気圧に起因する液体金属を構成する金属の蒸発速度の差により生じる、蒸発器内の液体金属の組成の変化を補償するために使用される。

さらに、第１の容器から蒸発器に液体金属を供給する手段が、電磁流体力学式（ＭＨＤ：Magnetohydrodynamic）ポンプが設けられた補給ラインを備えることが実現される。そのようなＭＨＤポンプは、両方向の液体金属のポンピングを可能にし、これによって、蒸発器内のレベルを、所望のレベルに、またはある特定のレベル付近の狭い範囲内に維持することができる。

本発明のさらなる態様によれば、第１の容器から蒸発器に液体金属を供給する手段は、ＭＨＤポンプが設けられた戻りラインを備える。この構成により、液体金属を循環させ、蒸発器内の液体金属の組成をある程度まで制御することができる。これにより、第１の容器内に最初に含有されるような液体金属を構成する金属の異なる蒸発速度に起因して、時間と共に組成が変化することが防止される。

さらに、第２の容器から液体金属を供給する手段が、電磁流体力学式ポンプが設けられた供給ラインを備えることが実現される。これにより、供給システム内の圧力差を補償する可能性を伴いながら、第２の容器から液体金属を制御された流量で補給することができる。

本発明の別の態様によれば、第２の容器の供給ラインは、蒸発器に直接、または第１の容器の補給ラインに接続する。蒸発器に直接接続することは、蒸発器内の液体金属の組成をほぼ即時的に制御することができる利点を有するが、欠点は、別の供給ラインが真空チャンバの壁を通過しなければならないことである。第２の容器の供給ラインを第１の容器の補給ラインに接続することにより、真空チャンバの壁を別のラインが通過する欠点が防止される一方で、第２の容器からの液体金属の補給は、蒸発器への直接的な供給とほぼ同程度に良好である。

蒸発器への液体金属補給を制御するために、第１の容器および第２の容器ならびに蒸発器に、その中の液体金属のレベルを監視および制御するためのレベルセンサが設けられる。

液体金属をさらに制御することができるようにするために、補給ライン、供給ラインおよび戻りラインに流量計が設けられる。

蒸発器への液体金属の補給の制御において、補給ライン、供給ラインおよび戻りラインを閉鎖することができるさらなる弁が、補給ライン、供給ラインおよび戻りラインに設けられる。

蒸発器は、蒸発器内の液体金属の加熱および蒸発の他に、液体金属が蒸発器内で十分に撹拌され、それと共に第１の容器および第２の容器から供給された液体金属が均質な組成まで混合されることもまた実現する、誘導加熱手段を有する。

システム内の任意の場所での液体金属の固化を防止するために、補給ライン、供給ライン、戻りライン、弁、電磁流体力学式ポンプ、ならびに第１の容器および第２の容器を加熱するための加熱手段が設けられる。

本発明はまた、真空チャンバ内の蒸発器デバイス内の液体金属の組成を制御するための方法であって、液体金属は、２種以上の金属を含み、方法は、
− 液体金属用の第１の容器内に、第１の組成の液体金属を補給するステップと、
− 液体金属用の第２の容器内に、第２の組成の液体金属を補給するステップと、
− 第１の容器の液体金属に、または蒸発器に、第２の組成の液体金属を供給するステップであって、第２の容器内の液体金属の組成が、蒸発器内の液体金属の組成を制御するように選択されるステップと
を含む方法を提供する。

本発明のさらなる態様によれば、第２の容器内の液体金属の組成は、蒸発器からの金属の蒸発を補償するように選択される。そのような蒸発を補償するために、第２の容器内の液体金属の組成は、所定の蒸気組成に対応する。第１の容器内の液体金属の最初の組成は、得られる蒸気が必要な蒸気組成に、またそれと共に基板上の金属コーティングの必要な組成に対応するような組成である。液体金属を構成する金属の異なる蒸発速度により、蒸発器内および第１の容器内の液体金属の組成は、時間と共に変化する。蒸発した金属に対応する組成、および気化速度に対応する量で、第２の容器から液体金属を供給することにより、蒸気の必要な組成、およびそれと共にコーティングの必要な組成が維持され、第１の容器からの液体金属の組成の変化が補償される。

「対応する」という用語は、本明細書において使用される場合、組成が所定の組成と同一である、または所定の組成付近のある特定の範囲内であることを意味すると理解される。プロセスにおけるほぼ不可避の変動に起因して、組成は目標組成付近で変動するが、これは、変動がある特定の範囲内である限り許容される。

基板をコーティングする際、施されるコーティングの組成が最も重要であり、「対応する」は、蒸発器内の組成、第２の容器内の組成、および液体金属の流量の制御が、蒸発する金属および施されるコーティングの組成がコーティングの所定の組成と同一、またはその付近のある特定の範囲内であるようなものである、またはそうなるように互いに関連していることを意味する。

一例として、１０ｗｔ％のＭｇおよび９０ｗｔ％のＺｎを有する蒸気を生成するためには、蒸発器内の液体金属は、約４０ｗｔ％のマグネシウムおよび６０ｗｔ％のＺｎを含有しなければならず、第２の容器９である供給ポットからの液体金属の組成は、蒸気の組成に対応しなければならない。そのような蒸気組成のために、ひいてはコーティング組成のために、７．５ｗｔ％〜１２．５ｗｔ％のＭｇの範囲が許容され得るが、好ましくはより狭く、例えば８ｗｔ％〜１２ｗｔ％、またはさらにより好ましくは９ｗｔ％〜１１ｗｔ％である。

２ｗｔ％のＭｇの目標組成では、許容される範囲は、好ましくはより狭く、例えば１．７５ｗｔ％〜２．２５ｗｔ％、さらにより好ましくは１．８ｗｔ％〜２．２ｗｔ％である。

上記目標組成では、目標値からの両方向の偏差は、２５％以内、好ましくは１０％以内である。成分の量が例えば３０〜５０ｗｔ％の範囲内である目標組成では、目標値からの許容偏差は、上記の例未満であり、好ましくは１０％以内、さらにより好ましくは５％以内である。

本発明のさらなる態様によれば、第２の容器内の液体金属の組成は、第１の容器内の液体金属の所定の組成に対応することが実現される。第１のコーティング組成から第２のコーティング組成への迅速な変更を容易にするために、第２の容器からの補給は、第１の容器からの補給が継続している間停止される。その間、第２の容器は、第２のコーティング組成に対応する液体金属組成となるように少なくとも部分的に再充填され、その後、第１の容器からの補給が停止され、第２の容器の補給が開かれる。次いで、第１の容器内の液体金属は、第２のコーティング組成に対応する液体金属組成に変更され、その後、第１の容器からの補給が開かれ、第２の容器からの補給が閉鎖される。次いで、第２の容器内の液体金属の組成が、第１の容器から供給された液体金属の蒸発による組成の変化を補償するのに必要な組成に対応するように変更される。

第２の容器内の液体金属は、第１の容器から供給された液体金属の蒸発による組成の変化を補償するために、および第１の容器の機能を一時的に引き継ぐために使用されるため、第２の容器の容量は、第１の容器の容量より小さくてもよい。
図面を参照して、本発明をさらに説明する。

時間に対してプロットされた、蒸発器内の低蒸気圧の構成成分の量を示すグラフである。 第２の容器の供給ラインが第１の容器の補給ラインに接続された、第１の実施形態を示す図である。 第２の容器の供給ラインが蒸発器に接続された、第２の実施形態を示す図である。 第２の容器の供給ラインが第１の容器の戻りラインに接続された、第３の実施形態を示す図である。

蒸発器に供給される液体材料は、１００％純粋となることはなく、これは、特に工業規模において、蒸発器内で低蒸気圧の構成成分が高濃度化することを意味する。１２０（ｍ／分）で１５００ｍｍの帯幅で動作し、７２キロを含有し９９．５重量％の純粋な材料が供給される蒸発器から両側に４ミクロンのＺｎＭｇを蒸着させる工業ラインに関して、構成成分のパーセンテージを図１に示す。１０時間の運転後、溶融物の１４ｗｔ％は、非蒸発種で構成される。

図２は、装置の第１の実施形態を示し、装置は、真空チャンバ１と、液体金属用のるつぼ３、ならびにるつぼ内の液体金属をさらに加熱および蒸発させるための誘導コイル４を有する蒸発器２とを備える。蒸発器の上を、帯５が真空チャンバ１を通って通過し、その上に蒸発した金属がコーティングとして施される。るつぼ３には、それぞれるつぼへの液体金属の補給およびるつぼからの返送のための、補給ライン６および戻りライン７が接続される。補給ライン６および戻りライン７は、真空チャンバの外側の第１の容器である溶融ポット８に接続される。供給ライン１０により補給ライン６に接続された、液体金属を含有する第２の容器である供給ポット９が設けられている。溶融ポット８および供給ポット９は、共に、図において概略的に示される加熱および断熱手段１１を有する。

補給ライン６、戻りライン７および供給ライン１０には、弁Ｖ１、Ｖ２およびＶ３だけでなく、ＭＨＤポンプＰ１、Ｐ２およびＰ３が設けられている。

図２による装置において、第２の容器９である供給ポットからの液体金属は、真空チャンバの外側で、第１の容器８である溶融ポットとるつぼ３との間の補給ライン内に注入される。真空チャンバ１の壁を通して、２つのラインのみが蒸発器２に接続される。液体は補給ライン６内に注入されるため、また蒸発器２内での混合によって、液体の混合が確保される。ＭＨＤポンプＰ１およびＰ２は、同じ流量を生成し、ＭＨＤポンプＰ３により生成される流量は、蒸発器の蒸発速度と同じである。プロセス制御は、全てのライン内の非接触型流量計、容器および蒸発器内のレベルセンサ、ロゴスキーコイルを使用した蒸発器の誘導加熱器の周波数、ならびに、例えば蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分光計を使用した、生成されたコーティングの組成および重量の測定により行われる。

元素の蒸気圧の差に起因して、二元液体金属を構成する２種の元素の蒸発速度は、得られる蒸気または蒸着されたコーティングの組成と等しくない。その一例はＺｎＭｇであり、１０ｗｔ％のＭｇおよび９０ｗｔ％のＺｎを有する蒸気を生成するために、蒸発器内の液体金属は、約４０ｗｔ％のマグネシウムおよび６０ｗｔ％のＺｎを含有しなければならない。これはまた、一定の組成を有するコーティングを生成するためには、蒸発した材料が、蒸発器内の液体金属の組成が一定に維持されるように補充されることが重要であり、また必要であることを意味する。この目的のために、第２の容器９である供給ポットからの液体金属の組成は、蒸発した材料の組成に対応しなければならず、したがって、第２の容器９である供給ポットからの金属液体は、蒸発器内の液体金属の組成とは異なる組成を有する。

供給によって蒸発器内の組成勾配が形成されないことを確実とするために、蒸発器内の液体金属が撹拌されることが重要である。これは、蒸発器２内の液体金属中にローレンツ力を生成する誘導コイル４を有する誘導加熱システムにより対処される。このローレンツ力は、激しい撹拌を生成し、均一な組成を確実とする。上述の例は、二元合金に対するものであるが、三元合金、または、安定性および蒸発器の蒸発速度を改善するために非蒸発種が添加された合金においても同様である。

また、この設定により、蒸発器内の液体金属および生成されるコーティング組成物の組成を変更することができる。まず弁Ｖ１およびＶ２が閉鎖される。第２の容器９である供給ポットのみから供給されている間、蒸発が継続され、これにより蒸発器液体金属の追加的な汚染がもたらされるが、蒸発器内の液体金属組成は、ある特定の時間、ほぼ一定に維持され得る。第１の容器８である溶融ポット内の組成は、オンラインで必要な組成まで変更される。弁Ｖ１およびＶ２が開かれ、弁Ｖ３が閉鎖される。ここで、蒸発器内の組成は、第１の容器８である溶融ポットからの供給により変更される。ＭＨＤポンプＰ１およびＰ２は、蒸発速度と同じである質量流量差を有さなければならない。蒸発は、溶融ポット８の充填を低減し、溶融ポットは蒸発器よりもはるかに大きいため、短期間では組成は大きく変化しない。第２の容器９である供給ポットは、新たなコーティング組成物で充填され、弁Ｖ３が開かれて、新たな組成で運転が継続され得る。

図３には別の実施形態が示されており、第２の容器９である供給ポットからの供給ラインは、蒸発器に直接接続している。この実施形態は、第１の実施形態とほぼ同じ性能を有するが、この場合、３つの真空貫通ラインが必要である。

図４には最後の実施形態が示されている。この実施形態において、第２の容器９である供給ポットの供給ライン１０は、第１の容器８である溶融ポットの戻りラインに接続している。この設定は、コーティングプロセスを継続すると同時にコーティング組成を制御しながら、蒸着されるコーティングの組成を変更するために使用することはできない。この場合、全ての弁を閉鎖し、溶融物を置き換え、次いで弁を再び、まず弁Ｖ１およびＶ２、次いで弁Ｖ３の順に開く必要がある。

Claims (14)

1. 真空チャンバ内の蒸発器デバイス内の液体金属の組成を制御するための装置であって、前記液体金属は、２種以上の金属を含み、前記装置は、液体金属を含有するための第１の容器および第２の容器と、前記第１の容器から前記蒸発器に前記液体金属を供給する手段と、前記第２の容器から前記第１の容器の前記液体金属に、または前記蒸発器に前記液体金属を供給する手段とを備える装置。
2. 前記第１の容器から前記蒸発器に前記液体金属を供給する前記手段が、電磁流体力学式ポンプが設けられた補給ラインを備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の容器から前記蒸発器に前記液体金属を供給する前記手段が、電磁流体力学式ポンプが設けられた戻りラインを備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記第２の容器から前記液体金属を供給する前記手段が、電磁流体力学式ポンプが設けられた供給ラインを備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記第２の容器の前記供給ラインが、前記第１の容器の前記補給ラインに接続する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記第１の容器および前記第２の容器に、ならびに前記蒸発器に、レベルセンサが設けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記供給ラインおよび前記戻りラインの両方に流量計が設けられている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記補給ライン、前記供給ラインおよび前記戻りラインに弁が設けられている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記蒸発器が、誘導加熱手段を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記補給ライン、前記供給ライン、前記戻りライン、前記弁、前記電磁流体力学式ポンプ、ならびに前記第１の容器および前記第２の容器を加熱するために、加熱手段が設けられている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 真空チャンバ内の蒸発器デバイス内の液体金属の組成を制御するための方法であって、前記液体金属は、２種以上の金属を含み、前記方法は、
    − 液体金属用の第１の容器内に、第１の組成の液体金属を補給するステップと、
    − 液体金属用の第２の容器内に、第２の組成の液体金属を補給するステップと、
    − 前記第１の容器の前記液体金属に、または前記蒸発器に、前記第２の組成の前記液体金属を供給するステップであって、前記第２の容器内の前記液体金属の前記組成が、前記蒸発器内の前記液体金属の前記組成を制御するように選択されるステップと
    を含む方法。
12. 前記第２の容器内の前記液体金属の前記組成が、前記蒸発器からの前記金属の蒸発を補償するように選択される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第２の容器内の前記液体金属の前記組成が、所定の蒸気組成に対応する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第２の容器内の前記液体金属の前記組成が、前記第１の容器内の液体金属の所定の組成に対応する、請求項１１に記載の方法。

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