JP3330159B2

JP3330159B2 - ダイナミックミキシング装置

Info

Publication number: JP3330159B2
Application number: JP15706592A
Authority: JP
Inventors: 正熊切; 淳宗政; 典之犬石
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1992-06-16
Filing date: 1992-06-16
Publication date: 2002-09-30
Anticipated expiration: 2017-09-30
Also published as: JPH062118A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属の蒸着を行いなが
ら、同時にイオンを照射するダイナミックミキシング装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は、真空容器１と、該真空容器１内
に配置された被コーティング物２表面に金属イオンを注
入する金属イオンビーム源５と、金属蒸着を行うための
金属蒸発源６とを備えたダイナミックミキシング装置の
概要を示している。被コーティング物２は、回転台３に
載置される。図４中、７は真空容器１内を排気する排気
口である。

【０００３】従来のダイナミックミキシング装置は、金
属蒸発源６として、電子ビーム加熱式蒸発源が用いられ
ている。電子ビーム加熱式蒸発源６は、電子ビーム発生
器８を接続したルツボ９に収容された金属１０に電子ビ
ーム１３をあてて、金属１０を溶融し蒸発させるもので
ある。金属蒸気は１１で示されている。また、従来のダ
イナミックミキシング装置は、金属イオンビーム源５と
して、一般に、図５に示すようなフリーマン型金属イオ
ンビーム源が用いられている。これは、ヒータ１６を備
えた電気炉１５内に設置されたイオン源１７たる金属を
加熱して金属蒸気を発生させ、発生した金属蒸気１８を
放電室１９に集めてイオン化し、該放電室１９にて加速
して大電流のイオンビームとして引き出す装置である。
放電室１９内には、カソードたるフィラメント２０とア
ノード２１とによりグロー放電が起こってプラズマが生
じている。図４中、外部磁界は矢印２２で示され、図４
及び図５において、金属イオンビーム源５から引き出さ
れたイオンビームは１２で示されている。

【０００４】上記のような金属イオンビーム源から引き
出された金属イオンビーム１２と、金属蒸発源から発生
した金属蒸気１１とが、被コーティング物２表面で混合
されて、被コーティング物２表面に注入または蒸着す
る。被コーティング物２表面には、金属イオンビームの
金属（例えば、Ａｌ）と金属蒸気の金属（例えば、Ｔ
ｉ）とからなる合金（ＴｉＡｌ）の薄膜が形成される。
ダイナミックミキシング装置により形成される薄膜は、
被コーティング物との密着性が強く、緻密である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、金属イオンビ
ーム源５として電子ビーム加熱式蒸発源を用い、金属蒸
発源６としてフリーマン型金属イオンビーム源を用いる
場合、次のような問題がある。電子ビーム加熱式蒸発源
は、高融点金属を蒸発させる場合に大電流が必要となる
ため効率が悪く、また蒸発源たる金属１０は溶融状態で
ルツボ９に収容されているので、真空容器１の下方に安
定に配置させる必要がある。

【０００６】一方、フリーマン型金属イオンビーム源
は、イオン源として、電気炉１５の特性に見合った蒸発
温度の塩化物を挿入するか、又は金属板やその酸化物を
電気炉１５内に挿入して塩素ガスなどを流入させ、化学
的蒸発を利用して放電室１９に送り込むため、放電室１
９内のフィラメント２０が塩素ガスに侵されて寿命が短
くなるという問題がある。また、金属イオンビーム源よ
り引き出されたイオンビームには、数種類のイオンが混
在していることがあり、目的のイオンを選択するために
質量分離を行うための磁場を備えていることが多い。質
量分離用磁場を備えた装置は一般に大型になるため、真
空容器１への取り付け位置が制約される。このことは、
前記金属蒸発源のルツボ９の配置に関する制約と相まっ
て、ダイナミックミキシング装置の設計の自由度の範囲
を極端に狭めることになる。そして、被コーティング物
の配置位置も限定されるため、複雑な形状をした被コー
ティング物では均一にコーティングするのが困難であ
る。

【０００７】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするとこは、金属蒸発源及び
金属イオンビーム源として、真空容器に対する取り付け
位置の制約が少ないものを用いて、複雑な形状を有する
被コーティング物であっても均一にコーティングでき、
しかも装置全体をコンパクトにすることができるダイナ
ミックミキシング装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のダイナミックミ
キシング装置は、バイアス電圧が印加されて負電位とさ
れた被コーティング物と；該被コーティング物表面に金
属蒸気を蒸着させる金属蒸発源と；前記被コーティング
物表面に前記金属蒸気を蒸着させている最中にその金属
蒸気とは異なる金属イオンを照射する金属イオンビーム
源とを、同一の真空容器内に備えたダイナミックミキシ
ング装置において、前記金属蒸発源として、アノードと
カソードとの間でアークを発生させることにより、前記
カソードの構成金属を気化させるアーク放電式のイオン
プレーティング装置を用い、前記金属イオンビーム源と
して、前記金属蒸着源のカソードとは異なる金属よりな
るカソードとアノードとの間のアーク放電により気化し
た当該カソード構成金属イオンをイオンビームとして引
き出すアーク放電式イオンビーム源を用いたことを特徴
とする。

【０００９】

【作用】本発明のダイナミックミキシング装置に用いら
れる金属イオンビーム源及び金属蒸発源は、いずれもア
ーク放電を利用したものである。アーク放電を用いたイ
オンビーム源及び蒸発源は、カソードたる固体金属がア
ーク放電により局部的溶融して気化するものである。こ
のような装置は、単位面積あたりのエネルギーを高くす
ることができ、高融点金属の金属蒸気を得る場合にも電
子ビームを使用する場合程、大電流を要しない。また、
固体金属を用いているので、溶融金属を収容するルツボ
等のように、下方に設置する必要もない。

【００１０】従って、金属イオンビーム源及び金属蒸発
源の取り付け位置に関して制限がなくなり、装置自体の
デザインの自由度が高まると共に、被コーティング物の
配置も自由に選択できる。よって、複雑な形状をした被
コーティング物であっても、金属蒸発源、金属イオンビ
ーム源及び被コーティング物の位置を選択することによ
り、均一なコーティング処理を行える。また、本発明で
は、金属蒸気を蒸着させる金属蒸発源とその金属蒸気と
異なる金属イオンをその蒸着と同時に照射する金属イオ
ンビーム源とがいずれもアーク放電を利用しているの
で、それらのアーク電流を制御するだけで被コーティン
グ物表面に形成される被膜の異種金属の成分比を変化さ
せることができる。

【００１１】

【実施例】図１は、本発明の一実施例であるダイナミッ
クミキシング装置の構成を示している。図１において、
２６は真空容器であり、該真空容器２６の下方に被コー
ティング物２７が回転台２８に載置されている。回転台
２８はバイアス電源２９に接続され、被コーティング物
２７は回転台２８を介してバイアス電圧が印加されて負
電位とされている。図中、３２は真空容器２６内を排気
する排気口である。

【００１２】真空容器２６の右上側には金属蒸発源たる
アーク放電式のイオンプレーティング装置３１が、左上
側には金属イオンビーム源たるアーク放電式のイオンビ
ーム源３０が取り付けられている。アーク放電式のイオ
ンプレーティング装置３１は、イオンとして取り出そう
とする金属（例えばＡｌ）からなるターゲット３６がカ
ソードとしてアーク電源３５の陰極に接続され、アノー
ド３７がアーク電源３５の陽極に接続されている。この
イオンプレーティング装置３１において、点弧装置（図
示せず）をカソードたるターゲット３６に接触させてア
ーク放電を生じさせると、アークスポットにて、ターゲ
ット３６が部分的に溶融して気化する。金属蒸気の大部
分はアーク放電で生じた熱電子との衝突によりイオンと
なっている。

【００１３】以上のように、アーク放電式のイオンプレ
ーティング装置３５は、ターゲット３６たる固体金属か
ら直接蒸発させるので、ルツボからの蒸発のように金属
溶解面から受ける輻射熱の影響が少ない上に、単位面積
当たりのエネルギーを電子ビーム照射による場合よりも
大きくできるので、特に、高融点金属の金属蒸気を得る
のに有利である。

【００１４】金属イオンビーム源３０は、前記イオンプ
レーティング装置３１で発生させる金属蒸気とは異なる
金属イオン（例えばＴｉ）を、その金属蒸気を蒸着させ
ている最中に蒸発に被コーティング物２７に照射するも
のであり、アークチャンバ４０の一側に、アーク電源４
１の陰極に接続された金属イオン源用カソード４２と点
弧のためのトリガ電極４３とが設けられ、アークチャン
バ４０のカソード４２に対向する側に引出し電極系４４
が形成されている。金属イオンビーム源３０は、引出し
電極系４４が真空容器２６側になるように取り付けられ
ている。

【００１５】このような構成を有するイオンビーム源３
０において、トリガ電極４３でカソード４２を点弧して
アーク放電を生じさせると、アークスポットからカソー
ドを構成する金属が蒸発かつイオン化し、該金属イオン
が引出し電極系４４にて加速され、高エネルギーのイオ
ンビームとなって発射される。真空アーク放電式の金属
イオンビーム源は、数ｍＡ以上のビーム電流を比較的容
易に得ることができ、ビームサイズも径１５０ｍｍ程度
と大きい。

【００１６】そして、アーク放電式の金属イオンビーム
源及びアーク放電式蒸発源は、イオン源及び蒸発源が固
体金属であるため、いずれも真空容器２６中の上方左右
方向の適宜方向に配置可能である。従って、被コーティ
ング物の形状に応じて、均一なコーティングが行えるよ
うに、金属イオンビーム源及びアーク放電式蒸発源並び
に被コーティング物の位置を適宜選択でき、図１に示す
ように、被コーティング物２７を下方に、蒸発源及びイ
オンビーム源を上方に配置することも可能である。ま
た、ダイナミックミキシング装置の設計に際しても自由
度が大きくなるため、従来の電子ビーム式金属蒸発源及
びフリーマン型金属イオンビーム源を用いたダイナミッ
クミキシング装置よりも、装置全体をコンパクトにする
ことも可能となる。さらに、真空容器に取り付ける金属
蒸発源及び金属イオンビーム源の数を増やすことも可能
となるので、２種類以上からなる合金薄膜を形成するた
めの装置にも応用できる。

【００１７】次に、セラミックス薄膜を形成するダイナ
ミックミキシング装置について説明する。図２に示すダ
イナミックミキシング装置は、図１に示すダイナミック
ミキシング装置に、さらにバケット型ガスイオン源４７
を、金属蒸発源３１と金属イオンビーム源３０とのほぼ
中央上方に取り付けたものである。

【００１８】バケット型ガスイオン源４７は、アークチ
ャンバ４８と真空チャンバ４９とから構成され、真空チ
ャンバ４９が真空容器２６側となるように取り付けられ
ている。アークチャンバ４８内には、マルチフィラメン
ト５０及び磁場を形成する永久磁石５１が設けられてい
る。ガスイオン源４７において、アークチャンバ４８内
にガスを導入して１０-2〜１０-4Ｔｏｒｒとし、フィラ
メント５０の熱電子でグロー放電を生じさせる。次い
で、フィラメント５０とアークチャンバ４８の壁間で数
１０Ａのアーク放電をさせることにより、アークチャン
バ４８内にアークプラズマを発生させ、アークプラズマ
中のイオンを、引出し電極系５２によりイオンビームと
して真空チャンバ４９内に引き出す。

【００１９】図２に示すダイナミックミキシング装置に
おいて、金属蒸発源のカソードを構成する金属（例えば
Ａｌ）、金属イオン源のカソードを構成する金属（例え
ばＴｉ）、及びガスイオン源に導入されるガス（Ｎ）か
らなる蒸気又はイオンが、被コーティング物付近でミキ
シングされ、被コーティング物表面にセラミックス薄膜
（この場合ＴｉＡｌＮ）が形成される。

【００２０】なお、本発明のダイナミックミキシング装
置のガスイオン源としては、バケット型に限らず、従来
のガスイオン源、例えば、図５に示すようなフリーマン
型を用いてもよい。ガスイオン源の取り付け位置は、被
コーティング物近傍でガスイオンをミキシングできるよ
うに、金属蒸発源及び金属イオンビーム源の取り付け位
置に応じて任意に選択される。

【００２１】また、セラミックス薄膜を形成する装置と
して、ガスイオン源を用いる他、被コーティング物２７
の近傍に直接反応性ガス（酸素ガス、窒素ガスなど）を
供給してもよい。図３は、ガス供給部５４を用いたダイ
ナミックミキシング装置の一実施例である。ガス供給部
５４は、真空容器２６外に設置されるガスボンベ５５
と、ガス供給量を調節する流量コントーラ５６とからな
る。反応性ガスは供給口５７から、被コーティング物２
７付近に供給される。供給された反応性ガスは、被コー
ティング物２７近傍にて、金属イオン又は蒸気と反応し
て、被コーティング物２７表面に蒸着すると、セラミッ
クス薄膜が形成される。このときのガス供給量は、イオ
ンビームのエネルギー量、セラミックスの組成比にもよ
るが、約１０-5〜１０-4Ｔｏｒｒ程度が好ましい。ガス
供給口５７と被コーティング物２７との間の距離は、ガ
ス分子の平均自由工程の観点から小さい程好ましく、具
体的には５０〜２００ｍｍ程度に設定すればよい。

【００２２】

【発明の効果】本発明のダイナミックミキング装置は、
金属イオンビーム源及び金属蒸発源として、いずれも真
空容器における取り付け位置に制限のないアーク放電式
のイオンビーム源及び蒸発源を用いているので、被コー
ティング物の形状に応じて、金属イオンビーム源及び金
属蒸発源並びに被コーティング物の配置を適宜選択する
ことにより、均一なコーティングを行える。また、装置
自体をコンパクトに設計することも可能となる。

【００２３】さらに、本発明のダイナミックミキング装
置は、従来のガスイオン源又はガス供給装置を適当な位
置に取り付け、ガスイオンも併せて供給することによ
り、合金薄膜だけでなく、セラミックス薄膜を形成する
こともできる。この場合においても、金属イオンビーム
源及び金属蒸発源の取り付け位置の制約が少ないため
に、ガスイオン源の取り付け位置に関する選択自由度が
高くなり、均一なセラミックス薄膜を形成できる位置に
ガスイオン源を取り付けることができる。また、本発明
によれば、金属蒸気を蒸着させる金属蒸発源とその金属
蒸気と異なる金属イオンをその蒸着と同時に照射する金
属イオンビーム源とがいずれもアーク放電を利用してい
るので、それらのアーク電流を制御するだけで被コーテ
ィング物表面に形成される被膜の異種金属の成分比を変
化させることができ、被コーティング物の被膜の成分調
整を簡単に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のダイナミックミキシング装置の一実施
例を示した図である。

【図２】本発明のダイナミックミキシング装置の他の実
施例を示した図である。

【図３】本発明のダイナミックミキシング装置の他の実
施例を示した図である。

【図４】従来のダイナミックミキシング装置の概要を示
した図である。

【図５】フリーマン型イオンビーム源の構成を示した図
である。

【符号の説明】

２６真空容器２７被コーティング物３０金属イオンビーム源３１金属蒸発源３５アーク電源３６ターゲット４１アーク電源４２カソード４４引出し電極系４７バケット型イオンビーム源５４ガス供給部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−297458（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−137158（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−267464（ＪＰ，Ａ) 特開平４−99862（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】バイアス電圧が印加されて負電位とされ
た被コーティング物と；該被コーティング物表面に金属
蒸気を蒸着させる金属蒸発源と；前記被コーティング物
表面に前記金属蒸気を蒸着させている最中にその金属蒸
気とは異なる金属イオンを照射する金属イオンビーム源
とを、同一の真空容器内に備えたダイナミックミキシン
グ装置において、前記金属蒸発源として、アノードとカソードとの間でア
ークを発生させることにより、前記カソードの構成金属
を気化させるアーク放電式のイオンプレーティング装置
を用い、前記金属イオンビーム源として、前記金属蒸着源のカソ
ードとは異なる金属よりなるカソードとアノードとの間
のアーク放電により気化した当該カソード構成金属イオ
ンをイオンビームとして引き出すアーク放電式イオンビ
ーム源を用いたことを特徴とするダイナミックミキシン
グ装置。
【請求項２】被コーティング物に向けて反応性ガスの
イオンビームを照射するガスイオン源を備えたことを特
徴とする請求項１に記載のダイナミックミキシング装
置。
【請求項３】被コーティング物近傍に反応性ガスを供
給するガス供給部を備えたことを特徴とする請求項１に
記載のダイナッミックミキシング装置。
【請求項４】被コーティング物を真空容器の下方に配
置し、金属蒸発源と金属イオンビーム源とを同真空容器
の上方に配置したことを特徴とする請求項１〜３のいず
れかに記載のダイナミックミキシング装置。