JP3554030B2

JP3554030B2 - 小型熱電子真空アーク蒸発源

Info

Publication number: JP3554030B2
Application number: JP17662894A
Authority: JP
Inventors: 秀三服部; ムサギャビット; 亨伊井
Original assignee: 株式会社昭和真空
Priority date: 1994-07-28
Filing date: 1994-07-28
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2019-08-11
Also published as: JPH0841632A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、真空容器内で金属材を電子ビームにより加熱して蒸発させると共にその一部をイオン化して該容器内に用意したワークに該金属材の薄膜を形成する小型熱電子真空アーク蒸発源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、真空中での金属蒸着には、るつぼを電気炉で直接加熱して蒸発させる伝熱蒸発源や、電子ビーム源からの電子ビームを高圧電源からの電圧によって加速してるつぼ内の蒸発金属材を照射加熱する電子ビーム蒸発源が知られている。また、ワークへの金属蒸着膜の付着力を増すために、プラズマ中の金属イオンを加速してワーク表面に照射するイオンプレーティングが用いられているが、プラズマ中のイオン密度は通常の金属蒸発源からの金属蒸発密度よりも小さいため、成膜速度は大きくならない。
【０００３】
高金属蒸気圧と高イオン密度を与える金属蒸気のアークプラズマを金属蒸発源として用いる技術は、米国特許第３，７８３，２３１号明細書に開示されており、これの蒸発金属源は冷陰極で、その表面にできる高温溶融金属の作るアークスポットが金属蒸気と高密度電子とを供給している。熱電子陰極からの電子を加速すると共に収束させて蒸発金属源である陽極に照射し、より安定なアークプラズマを作り、これを金属蒸発源として用いる技術は、フランス特許第１，４９６，６９７号明細書に開示されている。更に、熱陰極からの電子をウエネルト電極を用いて収束させることによって小型化された熱陰極真空アーク金属蒸発源は、Ｒｅｖ．Ｒｏｕｍ．Ｐｈｙｓ．，２８，１０，９０７（１９８１）にＧ．ムサ他によって開示されている。
【０００４】
イオンプレーティングのプラズマとして、電子ビームにより加熱されたるつぼ中の蒸発金属材を、別のアーク電源からの電流によってアーク化して得られるアークプラズマを用いる技術は、木部洋他（表面技術協会８９講演大会要旨集２１８頁１９９４年）に開示されている。これは、電子ビーム電源とアーク電源が共用されている上述のＧ．ムサの教示する技術と同等の構造を持つと考えられるが、後者は小型化により適している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来のるつぼを使用した蒸発源は、金属蒸着膜の付着強度が弱い欠点があり、電子ビームを利用して金属蒸気をイオン化する形式の蒸発源は成膜速度の遅い欠点がある。また、いずれの蒸発源も蒸発量が経時的に変化するのみならず、アークプラズマを利用した蒸発源は、アークの点弧時および定常時に安定性を欠く不都合がある。また、従来の蒸発源は比較的大型で、成膜中の自在な移動は行えないもので、小型の移動可能な蒸発源の提供が要望されていた。
【０００６】
本発明は、付着強度の大きな金属膜を高速で広範囲に成膜でき、安定したアークプラズマで安定した成膜を行える小型の蒸発源を提供すること、及び位置と方向を変えて蒸着を行える蒸発源を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【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、熱電子ビーム源と、蒸発金属材を供給する蒸発金属材供給装置と、上記熱電子ビーム源を上記蒸発金属材供給装置に対し負の高電圧に保ち電子を加速する制御電源とを備えた小型熱電子真空アーク蒸発源に於いて、上記熱電子ビーム源を、熱陰極と、ウエネルト電極と、上記熱陰極の温度を一定に制御するための熱陰極電流源と、上記ウエネルト電極に上記熱陰極に対し負の電圧を与える電極電源とで構成して、上記熱電子ビーム源から照射される電子ビームの照射方向に対して垂直方向の断面積を小さくした上記蒸発金属材を、その先端と上記ウエネルト電極との距離が、アーク放電可能な近接位置に配置し、上記蒸発金属材供給装置は、上記ウエネルト電極と上記蒸発金属材の先端との距離が一定に保たれるように上記蒸発金属材を連続的に供給する連続供給機構を備え、上記制御電源は、上記蒸発金属材の熱容量に応じてプログラムされた速度で電流を上昇させる機能を有する可変低電流源とバラスト負荷とを備え、上記熱電子ビーム源からの電子ビームの照射により蒸発した上記蒸発金属材の蒸気を、上記ウエネルト電極と上記蒸発金属材との間でアークプラズマ化してその一部をイオン化することを特徴としている。また、上記目的を達成するために、本発明は、上記熱電子真空アーク蒸発源の真空容器内にロボットアームを設けてその先端に上記熱電子ビーム源と上記蒸発金属材供給装置を搭載したことを特徴としている。
【０００８】
【作用】
本発明の蒸発源を真空中に用意し、電極電源によりウエネルト電極に熱陰極に対して負の電圧をかけると共に、制御電源により熱電子ビーム源と蒸発金属材供給装置との間に負の高電圧をかけ、熱電子ビーム源の熱陰極へ通電すると、該熱陰極から発生する熱電子ビームが熱陰極または電子引出し電極とウエネルト電極の作る静電界により収束され、電気的にはアース電位の蒸発金属材供給装置の蒸発金属材の先端に向けて加速照射される。これにより蒸発金属材は加熱され、電子ビーム加熱がある臨界値（臨界電子加熱）を越えると該金属材の蒸気が発生し、その金属原子がイオン化されてアーク放電が発生する。アーク放電の発熱は、該蒸発金属材の先端を加熱し、該金属材の蒸発を増強する。こうしたイオンを含む蒸気流はワークの表面にイオンの化学作用によって固く付着する。該蒸発金属材は熱容量が小さくなるように形成されているので、その蒸発消耗は比較的速く、これを補うように連続供給装置により連続的に所定の位置にその先端を存在させるように供給が行われる。該制御電源は該蒸発金属材の熱容量に応じてプログラムされた速度で電流を上昇させる可変定電流源とバラスト負荷とで構成されているから、アーク放電が安定し、該制御電源が電子の加速とアークプラズマ化機能を兼備しているため、アーク放電用の設備が不要で蒸発源を小型にできる。
【０００９】
該熱電子真空アーク蒸発源の真空容器内に、該熱電子ビーム源と該蒸発金属材供給装置を設ければ蒸着が可能になるので、これらを該真空容器内に設けたロボットアームに取り付け、ワークに対し任意の位置から蒸気流を流して金属膜を形成することができる。
【００１０】
【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は真空に排気された熱電子真空アーク蒸発源の真空容器２の内部に設けた熱電子ビーム源を示し、該熱電子ビーム源１から放出される熱電子ビーム３は蒸発金属材供給装置４の蒸発金属材５の先端を照射し、該蒸発金属材５から蒸発する金属蒸気の一部がアークプラズマによりイオン化されて該真空容器１内に用意した金属或いはプラスチック製のワーク６の成膜面に付着してそこに金属膜が形成される。
【００１１】
該熱電子ビーム源１は、陰極ステム７ａ、７ａの間に張られたタングステン線の陰極フィラメント７ｂに真空容器２の外部の直流の熱陰極電流源８からの通電により白熱状態に加熱される熱陰極７と、この陰極フィラメント７ｂから出た熱電子を引出す筒形の電子引出し電極９、及び、引出された熱電子を静電界により収束して熱電子ビーム３とする筒形のウエネルト電極１０とで構成され、該熱電子ビーム３は電気的には真空容器２に接地された蒸発金属材５の先端に照射される。この照射のために、陰極電流源８の他に直流の電極電源１１と直流の制御電源１２とが設けられ、該熱陰極電流源８の中性端子８ａと電極電源１１の電極基準端子１１ａとを制御電源１２の負高圧端子１２ａに接続すると共に、該制御電源１２の接地端子１２ｂを真空容器２に接続し、電子引出し電極９を電極電源１１の正端子１１ｂに接続して該電極基準端子１１ａに対し少し正の電圧を与え、ウエネルト電極１０を該電極電源１１の第１負端子１１ｃに接続して該電極基準端子１１ａに対し少し負の電圧を与えるようにした。
【００１２】
該制御電源１２が与える高電圧による熱電子ビーム加熱が、ある臨界値（臨界電子加熱）を越えると、蒸発金属材５の蒸気が発生し、その金属原子がイオン化されてアーク放電１３が発生する。アーク放電１３の発熱は棒状の蒸発金属材５の先端を加熱し、蒸発金属材５の蒸発を増大させる。こうして発生したイオンを含む金属蒸気の蒸気流は、矢印１４のように流れてワーク６の成膜面に達し、イオンの化学作用で該ワーク６の表面を活性化すると共にその成膜面に固く付着する。
【００１３】
該蒸発金属材５はその蒸発部に於ける熱容量を小さくするために、直径の小さい棒状に設計されており、その消耗は比較的速い。長時間に亘る蒸着作業を継続するため、ウエネルト電極１０と蒸発金属材５の先端との距離を一定に保つように、該蒸発金属材５は連続供給機構１５により連続的に供給される。該連続供給機構１５は、図１の例では、真空容器２に形成した導入孔２ａを貫通して延びる支持台１５ａに蒸発金属材５の根部を取付け固定し、該支持台１５ａの上下の移動を真空容器２の内部に設けた案内筒１５ｂにより案内させ、該導入孔２ａを真空容器２の外部から真空封止するベローズ１５ｃを設けてこれに該支持台１５ａの下端を取付け、モータで駆動されるカム１５ｅにより該支持台１５ａを上下に移動させる構成とした。該支持台１５ａは、該カム１５ｅにより蒸発金属材５の消耗を補う速度で上昇し、常に所定の位置に該蒸発金属材５の先端が位置する。
【００１４】
該熱電子ビーム源１のウエネルト電極１０と蒸発金属材５との間隙が、夫々２０ｍｍと３５ｍｍであった場合、これらの間の電圧−電流（熱電子ビーム電流＋アーク電流）特性は図２に示すようになる。図２の曲線Ａは該間隙が２０ｍｍの場合、曲線Ｂは該間隙が３５ｍｍの場合である。これらの場合、電流は熱電子ビーム電流を主とする領域からアーク電流を主とする領域に変遷し、夫々の曲線Ａ、Ｂの破線部分は、その変遷に伴う不安定領域である。これらの曲線Ａ、Ｂは、アークに対し蒸発金属材５から供給される金属蒸気の量、従って蒸発金属材５の伝熱特性に依存している。
【００１５】
一方、臨界電子加熱電力Ｐ（Ｗ）は、
Ｐ＝（πｄ^２／４ｌ）κθ……………式（１）
で表わされ、ここでｄは蒸発金属材５の直径（ｃｍ）、ｌは蒸発金属材５の長さ（ｃｍ）、κは蒸発金属材５の熱伝導率（Ｗ／ｃｍ／ｄｅｇ）、θは臨界加熱温度（ｄｅｇ）である。ｄ＝０．１５、ｌ＝１、κ＝２．３５、θ＝９３０としたとき、Ｐの値は３９（Ｗ）になり、この値が図２の特性曲線に於けるアーク化開始の点となる。本発明の場合、該蒸発金属材５の伝熱設計によって、極めて低い電力でアーク化を開始させることが可能である。
【００１６】
図３は制御電源１２の詳細であり、この場合、該制御電源１２を制御信号発生器１２ｃの制御信号に比例した電流Ｉ_０を発生する可変定電流源１２ｄとバラスト抵抗１２ｅとで構成した。この図３と図２とに基づき制御電源１２の作動を説明すると、図３に於いて、可変定電流源１２ｄが発生する電流Ｉ_０は、
Ｉ_０＝κ・ｆ（ｔ）……………………式（２）
となって制御信号発生器１２ｃの制御信号ｆ（ｔ）に比例し、この電流Ｉ_０は、
Ｉ_０＝Ｉ_ａ＋Ｉ_ｂ………………………式（３）
となり、バラスト抵抗１２ｅに流れる電流Ｉ_ｂと（熱電子ビーム電流＋アーク電流）Ｉ_ａとの和である。また、バラスト抵抗１２ｅのコンダクタンスｇ_ｂの両端に発生する電圧Ｖ_ｂは、
Ｖ_ｂ＝ｇ_ｂ×Ｉ_ｂ………………………式（４）
である。
【００１７】
図２に於いて、Ｉ_０＝１００ｍＡのところを通る斜めの線１６の電流軸となす角ψの正接はコンダクタンスｇ_ｂ（この場合２０μモー）に等しく描かれている。曲線Ｂがこの場合のＶ_ｂ−Ｉ_ｂを示すとすると、式（３）及び（４）を満足する動作点１７はこの斜めの線上にもある。Ｉ_０＝１５０ｍＡおよびＩ_０＝５０ｍＡに夫々対応する動作点１８、１９についても同様な関係が成り立つ。従って、可変定電流源１２ｄの電流が与えられれば、ｔａｎθ＝ｇ_ｂの線が交わる動作点は曲線ＢがＳ字状でも一つに定まり、アーク放電の動作は安定となる。
【００１８】
蒸発金属材５の密度ρ（ｇ／ｃｍ³）と比熱Ｃ_p（Ｊ／ｇ・ｄｅｇ）からその温度伝導率はκ／ρＣ_pで与えられ、蒸発金属材５の時定数τは近似的に
τ＝ｌ² （ρＣ _p ／κ）…………………式（５）
で与えられる。蒸発金属材５がアルミニウムである場合、（ρＣ _p ／κ）＝１．１（ｓ／ｃｍ²）であるから、ｌ＝１ｃｍに対して時定数は約１秒になる。可変定電流源１２ｄのｆ（ｔ）は、蒸発金属材５の昇温に合わせて臨界電子加熱までその電流Ｉ₀を上昇させ、その後アークの安定を待って更に同じ時定数で所定の動作電流まで電流Ｉ₀を上昇させるように設定される。従って、アーク放電用の特別な電源や電極がなくても安定したアーク放電を発生させることができ、蒸発源の構成を簡略化できる。
【００１９】
図４は本発明の第２実施例を示すもので、これの熱電子ビーム源１の電極構成と蒸発金属材５の形状及び蒸発金属材供給装置４の連続供給機構１５の構成が図１のものと相違する。この例では、熱電子ビーム源１の電極として偏向電極２０をウエルネルト電極１０の外側に設け、熱電子ビーム３を薄肉の円筒状に形成した蒸発金属材５の先端に該偏向電極２０で偏向して照射した。また、連続供給機構１５として、該円筒状の蒸発金属材５を取付けた支持台１５ａを真空容器２の真空シールした導入孔２ａから外部へ導出し、真空容器２に固定のねじ筒１５ｆに該支持台１５ａの外周のねじとを噛合せ、モータ１５ｄの回転が歯車１５ｇ、１５ｇを介して支持台１５ａへ伝達されると、ねじ筒１５ｆにより該支持台１５ａが蒸発金属材５の消耗を補ってその先端とウエネルト電極１０との間隔を一定にするように上昇するようにした。その他の構成及び作動は図１の実施例と略同様である。
【００２０】
図５は本発明の第３実施例を示すもので、これの熱電子ビーム源１は電極アッセンブリ２５にマウントされ、該熱電子ビーム源１には電子引出し電極がなく、蒸発金属材供給装置４が放熱フィン４ａに囲まれており、ワイヤ状の蒸発金属材５の連続供給機構１５の構成及びロボットアーム２１に熱電子ビーム源１と蒸発金属材供給装置４を取付けた点が図１の実施例と相違し、熱陰極７とウエネルト電極１０への配線２２、２３を可撓碍子列２４内に納めるようにした。熱陰極７の配線２２とウエネルト電極１０との間には熱陰極電流源８が接続され、ウエネルト電極１０への負高圧配線２３は制御電源１２の負高圧端子１２ａに接続され、制御電源１２の接地端子１２ｂは真空容器２に接続される。この実施例は、図１、図４の実施例よりも電極構成は簡単になっているが、この場合も陰極フィラメント７ｂからでた熱電子ビーム３は、熱陰極とウエネルト電極１０の作る静電界によって収束され、アース電位の蒸発金属材５の先端に向けて加速照射される。電極アッセンブリ２５は約４５°傾けて蒸発ヘッド２６に取付けられ、熱電子ビーム３の蒸発ヘッド２６の軸に対する角度は約４５°である。蒸発ヘッド２６のワイヤ状の蒸発金属材５を導出する支持孔２７は蒸発ヘッド２６の軸に対して−４５°方向に傾いており、該支持孔２７は蒸発金属材５の径に対して締まりばめに調整され、該蒸発金属材５の移動に対して摩擦抵抗を与えるようにした。該蒸発金属材５の繰出しは、送り爪２９を往復動させるソレノイドアクチュエータ２８により行われ、該送り爪２９はその往動時には該蒸発金属材５のワイヤに食い込んでこれを押出し、その復動時には該蒸発金属材５から離れてそれ自体で復帰する。放熱フィン４ａはこれら連続供給機構１５の構成部材の過度の温度上昇を防ぐ。蒸発金属材５のワイヤは、蒸発ヘッド２６の内部のワイヤリール３０に巻かれ、長時間の連続作業に際しても蒸発金属材５を補給することができる。
【００２１】
該蒸発ヘッド２６はロボットアーム２１を構成する先端アーム２１ａに取付けられ、該先端アーム２１ａは中間アーム２１ｂ、２１ｃを介して駆動アーム２１ｄに回転可能に取付けられる。該駆動アーム２１ｄは軸回りの駆動が可能である。これらのアームの動きにより、蒸発ヘッド２６は真空容器２の内部を自在に動き、ワーク６に対して任意の方向から蒸着することが可能になる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、特別のアークプラズマ用の電極と電源を設けることなく安定した金属蒸気のプラズマが得られ、付着強度の良い金属膜を一定の比較的高速で広範囲に成膜でき、蒸発源を小型化することができる等の効果を得ることができる。また、請求項４に記載の発明によれば、小型化できることから熱電子真空アーク蒸発源の真空容器内にロボットアームを設けてその先端に上記熱電子ビーム源と上記蒸発金属材供給装置を搭載することができ、ワークに対し位置と方向を変えて蒸着を行うことができる。

【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】図１の実施例の電圧−電流特性の線図
【図３】図１の実施例の制御電源の詳細図
【図４】本発明の第２実施例の截断側面図
【図５】本発明の第３実施例の要部の截断側面図
【符号の説明】
１熱電子ビーム源２真空容器３熱電子ビーム
４蒸発金属材供給装置５蒸発金属材６ワーク
７熱陰極８陰極電流源９電子引出し電極
１０ウエネルト電極１１電極電源１２制御電源
１２ａ高負圧端子１２ｂ接地端子１２ｃ制御信号発生器
１２ｄ可変定電流源１２ｅバラスト抵抗１３アーク放電
１５連続供給機構２０偏向電極２１ロボットアーム

Claims

熱電子ビーム源と、蒸発金属材を供給する蒸発金属材供給装置と、上記熱電子ビーム源を上記蒸発金属材供給装置に対し負の高電圧に保ち電子を加速する制御電源とを備えた小型熱電子真空アーク蒸発源に於いて、
上記熱電子ビーム源を、熱陰極と、ウエネルト電極と、上記熱陰極の温度を一定に制御するための熱陰極電流源と、上記ウエネルト電極に上記熱陰極に対し負の電圧を与える電極電源とで構成して、上記熱電子ビーム源から照射される電子ビームの照射方向に対して垂直方向の断面積を小さくした上記蒸発金属材を、その先端と上記ウエネルト電極との距離が、アーク放電可能な近接位置に配置し、
上記蒸発金属材供給装置は、上記ウエネルト電極と上記蒸発金属材の先端との距離が一定に保たれるように上記蒸発金属材を連続的に供給する連続供給機構を備え、上記制御電源は、上記蒸発金属材の熱容量に応じてプログラムされた速度で電流を上昇させる機能を有する可変低電流源とバラスト負荷とを備え、
上記熱電子ビーム源からの電子ビームの照射により蒸発した上記蒸発金属材の蒸気を、上記ウエネルト電極と上記蒸発金属材との間でアークプラズマ化してその一部をイオン化することを特徴とする小型熱電子真空アーク蒸発源。
上記熱電子ビーム源は、熱陰極と、ウエネルト電極と、電子引出し電極と、該熱陰極の温度を一定に制御するための熱陰極電流源と、該ウエネルト電極に該熱陰極に対し負の電圧を与え、該電子引出し電極には該熱陰極に対し正の電圧を与える電極電源とで構成したことを特徴とする請求項１に記載の小型熱電子真空アーク蒸発源。
上記熱電子ビーム源は、熱陰極と、ウエネルト電極と、電子引出し電極と、偏向電極と、該熱陰極の温度を一定に制御するための熱陰極電流源と、該ウエネルト電極及び偏向電極に該熱陰極に対し負の電圧を与え、該電子引出し電極には該熱陰極に対し正の電圧を与える電極電源とで構成したことを特徴とする請求項１に記載の小型熱電子真空アーク蒸発源。
上記小型熱電子真空アーク蒸発源の真空容器内にロボットアームを設けて、その先端に上記熱電子ビーム源と上記蒸発金属材供給装置を搭載したことを特徴とする請求項１又は２又は３に記載の小型熱電子真空アーク蒸発源。