JP4522709B2 - 基板を被覆する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば金属のような材料の層で基板を被覆する方法において、或る量の電気伝導性の材料をバックグラウンド圧力の低い空間の中で蒸発させ、この材料を蒸発させるために蒸発させるべき材料に対しエネルギーを供給する方法に関する。また本発明は基板を被覆する装置、および該方法または装置を用いて得られる基板に関する。

上記方法は、被覆材料の（薄い）層で基板を被覆する公知方法である。この方法は通常物理蒸着法（ＰＶＤ）と呼ばれている。この方法は電子機器および光学的な産業、ガラス産業およびすべての種類の用途に対する金属被覆プラスティックシートの製造に広く用いられている。ＰＶＤは、達成し得る品質が高く、廃棄物が生じないために、魅力的な被覆方法である。

ＰＶＤを用いる場合、先ず被覆材料を気相に変えなければならない。これは真空室として知られているバックグラウンド圧力が極めて低い部屋の中で被覆材料を加熱することによって達成される。加熱する結果、蒸気を生成する被覆材料の高温の表面と熱力学的な平衡が達成される圧力まで被覆材料が蒸気に変化する。この平衡の蒸気圧は、蒸気が沈着する基板に被覆材料が移送される速度に対する最も重要なパラメータである。平衡蒸気圧は被覆材料の温度に依存する。基板への被覆材料の適切な移送速度を得るためには、即ち単位時間当たりに基板に沈着する被覆材料の適切な量を得るためには、一般に被覆材料を高温に加熱しなければならない。これらの温度はしばしば大気圧下における沸点の半分程度あるいはそれよりも幾分高い温度である。実際に、金属についてのこれらの温度は、亜鉛の約６００℃からニオブおよびレニウムの約２２００℃の間である。タンタル、モリブデンおよびタングステンのような金属ではＰＶＤに使用されないような高温を必要とする。チタン、クロム、ニッケル、アルミニウムなどの金属は材料の移送速度が遅いので稀にしか使用されない。

ＰＶＤを使用する欠点は、処理温度が高いために、蒸発させなければならない被覆材料が常に液体状態にあるという事実により、移送速度が主として制限されることである。従って、例えばセラミックス材料または銅からつくられた坩堝の中に被覆材料を入れておかなければならない。銅の坩堝を使用する場合には水で強力に冷却し、固化した被覆材料の薄いフィルムが銅を覆い、その結果銅の融解または蒸発が防がれると共に悪影響を受けないようにすることが必要である。銅の坩堝を冷却する場合の一つの不利な結果は、供給される熱の大部分が冷却のために失われることである。セラミックスの坩堝の使用は、高い処理温度で坩堝の材料と化学反応をしないような被覆材料だけに限定される。セラミックスの坩堝を使用する場合も必要な熱エネルギーの供給に問題がある。何故ならば、大部分のセラミック材料は熱伝導性が悪いからである。

本発明の目的は、ＰＶＤによって基板を被覆する改善された方法および装置を提供することである。

本発明の他の目的は、被覆材料の移送速度が従来可能であった値よりも高いこの種の方法および装置を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、従来可能ではなかった被覆材料としてＰＶＤを使用する材料を実際に使用可能にするような上記の種類の方法および装置を提供することである。

本発明の第１の態様に従えば、上記の一つまたはそれ以上の目的は、金属のような材料の層で基板を被覆する方法において、低いバックグラウンド圧力をもった空間の中で或る量の電気伝導性材料を蒸発させ、この材料を蒸発させるために蒸発させるべき材料にエネルギーを供給し、蒸発させるべき材料を蒸発させる間、該空間の中で該材料を支持物なしで浮遊させ、且つこれを高周波数の交流電流によって発生させられた交流電磁界の中に閉じ込める方法によって達成される。

空間の中で支持物なしに蒸発させるべき材料を浮遊状態に保つことは、銅またはセラミックスの坩堝をもはや使用する必要がないことを意味する。その結果、坩堝がもはや制限因子にはならないので、蒸発させるべき材料に高温を賦与することができる。従って、蒸発した材料が基板へと移送する速度を増加させることができる。もはや坩堝を使用する必要がないから、坩堝の材料と反応し得るという理由で従来使用できなかった材料を蒸発させることもできる。

また、外部の磁界とそれによって電気伝導性の材料の中に誘起される渦電流との相互作用によって発生するローレンツ力の結果、交流電磁界の中に電気伝導性の材料を閉じ込めることができる。

交流電磁界は高周波の交流電流を用いて発生させる。工業的規模で基板を被覆するのに十分な量の電気伝導性材料を、単位時間当り効率的に蒸発させ得るのに十分な大きさの量の電気伝導性材料を浮遊させることができる高周波の交流電流が必要である。

交流電磁界の中で電気伝導性材料を浮遊させ熔融させる方法は「浮遊熔解法」の名で知られている。この目的に対する方法および装置はヨーロッパ特許０７５１３６１ Ｂ１号明細書に記載されている。この場合、熔融した材料は精密注型に使用される。熔融した材料を接触させてはいけない水冷式の坩堝が依然として常に使用されていることに注目すべきである。交流電磁界における浮遊熔解法は２０００年４月３〜６日、名古屋で開催された「３^ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」の要旨集３４５〜３７５頁の中に種々の著者によって記載されている。しかし、浮遊熔解法は従来物理蒸着と組み合わせて使用されてこなかった。本発明方法によるような浮遊熔解の後で蒸発を行なう方法は知られていない。

交流電流の周波数は好ましくは１０ｋＨｚまたはそれ以上であり、さらに好ましくは５０ｋＨｚ以上、それよりも好ましくは２５０ｋＨｚ以上、さらに好ましくは１ＭＨｚ以上、もっと好ましくは１．５ＭＨｚ以上である。例えば基板を連続的に被覆する際、周波数のレベルは単位時間当りに蒸発させるべき材料の量に関連している。これには浮遊させる材料の選ばれた温度において或る量の蒸発表面積が必要である。浮遊させる材料の量は浮遊させる材料の表面層における最低の渦電流を必要とし、従って交流電流の最低周波数を必要とする。

好適具体化例に従えば、交流電磁界は電流の強さが２００Ａ以上、好ましくは５００Ａ以上、さらに好ましくは１ｋＡ以上、もっと好ましくは４ｋＡ以上でコイルを通る交流電流を用いて発生させる。十分な熱容量を得るためには交流電流の周波数のレベルの関数として交流電流の強さを選ばなければならない。

好ましくは、浮遊材料の中で消費される電力は少なくとも２ｋＷ、好ましくは少なくとも５ｋＷ、さらに好ましくは少なくとも１０ｋＷである。このことは、消費される電力が大きくなるほど浮遊材料の蒸発が増加するために望ましい。

本発明方法の有利な具体化例に従えば、蒸発させるべき材料を電磁誘導加熱法により加熱する。この方法では、蒸発させるべき材料を所望の高温に加熱することができる。

この代わりに、或いはそれに加えて、蒸発させるべき材料をれレーザー・ビームおよび／または電子衝撃および／または誘導結合プラズマおよび／または抵抗加熱の方法を用いて加熱することができる。これらのすべての加熱方法は浮遊材料の加熱に容易に使用することができる。

蒸発した材料を交流電磁場によって取り込み、時間の経過と共に蒸発させるべき材料の量を追加して充満させることが好ましい。材料を取り込む交流電磁界のこの作用によって蒸発させるべき材料の量が容易に充足され、材料は蒸発の結果連続的にまたは段階的に減少してゆく。

有利な一具体化例に従えば、コイルの交流電磁界は、交流電磁界の分離した区域により蒸発させるべき材料が取り込まれるような形をしている。蒸発させるべき材料を交流電磁界の分離した区域で取り込む場合には、材料を蒸発させる交流電磁界の区域は擾乱を受けないか、或いは擾乱を受ける程度が少ない。

この場合、取り込むべき材料はこの空間の中で好ましくは自由に浮遊してはいない。この時、取り込むべき材料を交流電磁界によってそれが取り込まれる該空間の中で或る場所へと動かすことは容易である。

本発明方法の他の有利な具体化例に従えば、交流電磁界の分離した区域は前記のコイルから離された補助コイルによって得られる。その結果、蒸発させるべき材料を取り込む操作は材料の蒸発とは無関係にコントロールし調節することができる。

上記方法は、チタン、マグネシウム、錫、亜鉛、クロム、ニッケル、またはアルミニウム、或いはこれらの金属の１種と、これらのまたは他の金属を含む１種またはそれ以上の他の材料との混合物を蒸発させるのに好適に使用される。何故ならばこれらは工業的に重要な被覆材料だからである。蒸発させた後、若干の材料が反応性のガス、例えば酸素または窒素と反応し、その結果非伝導性の酸化物または窒化物が生じる可能性がある。この反応は蒸気相の間或いは基板上に凝結した直後に起こる。

本発明方法の有利な具体化例に従えば、基板を材料の層で連続的に被覆する。多くの場合、このことは基板を細片の形で真空室に通し、真空室の中に該細片の部分が滞留している間に該細片の部分を被覆するのに十分な材料を蒸発させなければならないことを意味する。従来は移送速度が低いためにこのことは不可能であった。しかし上記方法を用いれば、十分な材料を迅速に蒸発させることができ、従って細片のような基板の上に工業的規模で被覆を行なうことができる。

本発明の第２の態様においては、電気伝導性の材料を蒸発させて例えば金属のような材料の層を基板に被覆するための装置において、該装置は一つの室を具備し、該室はその中に低いバックグラウンド圧力を与える装置、蒸発させるべき材料を受け取る装置、および蒸発させるべき材料を加熱する装置を備え、本発明によれば該装置においては、蒸発させるべき材料を受け取る装置は蒸発させるべき材料を支持物なしで浮遊させ得るための交流電磁界を発生するのに使用できるコイルを具備している装置が提供される。

コイルを備えることにより蒸発させるべき材料を浮遊させ、坩堝を使う必要がなくなるので、その結果としてこの装置を用いて前記の方法を行なうことができる。

コイルは高周波の交流電流により交流電磁界を発生するように設計されていることが好ましい。コイルは高周波の交流電流を使用するので、交流電磁界が生じ、その中においてローレンツ力により蒸発させるべき材料を浮遊状態に保つことができる。

一好適具体化例に従えば、材料を加熱する装置は電磁誘導コイルを具備している。従って、加熱すべき材料と接触させることなく容易に高温に加熱することができる。

本発明の装置にコイルを用いると、上記の高周波交流電流を好適に発生させることができ、また上記の値の交流電流の強さを好適に得ることができる。

その代わりに、或いはそれに加えて、材料を加熱する装置はレーザーおよび／または電子の発生源を具備している。これらの装置も蒸発させるべき材料を加熱するのに使用することができるが、但しその程度は僅かに少ない。

好ましくは該室からコイルを分離する（ｉｓｏｌａｔｉｎｇ）装置が存在している。コイルを真空室の蒸発空間から分離すると、蒸発させるべき材料からコイルを容易に分離することができ、蒸発室の中に汚染物質が入ることなく、従って汚染物質が基材に到達することなく、コイルを非常に良好に冷却することができる。また、蒸発室の中で冷却剤が短絡回路をつくることはできない。その結果、コイルは高い電力を生じ、これを蒸発させるべき材料に伝えることができる。分離装置はセラミックス材料でつくられていることが好ましい。何故ならば、セラミックスは高温および冷却剤に対して抵抗性があるからである。分離装置は例えばセラミックス管を含んで成っていることができる。何故ならば、これは容易に製造できまた使用することができるからである。

またコイルの分離装置は、コイルによって発生する渦電流の結果分離材料の上に凝縮した伝導性材料が熔融するか蒸発し、従って熔融した材料として浮遊材料の方へ戻るか、または蒸気として基板を被覆するのに使用することができるという利点を与える。従って分離されたコイルは自浄作用をもっている。

有利な具体化例に従えば、蒸発させるべき材料を使用中に充満させるために、蒸発させるべき材料を針金の形で供給する供給装置が存在している。単位時間毎に材料の一部が蒸発するという事実のために、常に蒸発させるべき材料を充満させていなければならない。この目的に対しては、真空室が真空下に保たれているように供給装置を設計しなければならない。

真空室に測定装置が配置されていることが好ましい。この測定装置は工程を制御するのに使用される。好ましくは測定装置は特に例えば光高温計によって温度を測定するのに適している。

本発明の第３の態様は、上記方法および／または上記装置を用いてつくられた電気伝導性の材料の層を備えた基板に関する。この場合電気伝導性の材料は好ましくは金属、さらに好ましくはチタン、マグネシウム、錫、亜鉛、クロム、ニッケル、またはアルミニウム、或いはこれらの金属の１種とこれらまたは他の金属を含む１種またはそれ以上の他の材料との混合物である。

Claims (16)

1. バックグラウンド圧力の低い空間の中で或る量の電気伝導性の材料を蒸発させ、蒸発させるべき材料に対してエネルギーを供給して該材料を蒸発させることにより金属の層で基板を被覆し、この際蒸発させるべき材料を蒸発させる際、該空間の中で支持物なしで該材料を浮遊状態に保ち、高周波の交流電流をコイルに通すことによって発生させた交流電磁界の中に該材料を閉じ込める方法において、基板を細片の形で該空間の中に通し、基板を材料の層で連続的に被覆し、時間の経過と共に蒸発させるべき材料の追加量で蒸発される材料を充満させ、該コイルから分離された補助コイルによって得られる交流電磁界の分離された区域で蒸発させるべき材料が取り込まれるようにコイルの交流電磁界の形がつくられることを特徴とする方法。
2. 交流電流の周波数は１０ｋＨｚ以上、好ましくは５０ｋＨｚｘ以上、もっと好ましくは２５０ｋＨｚ以上、さらにもっと好ましくは１ＭＨｚ以上、それよりも好ましくは１．５ＭＨｚ以上である、請求項１に記載の方法。
3. 交流電磁界は、電流の強さが２００Ａ以上、好ましくは５００Ａ以上、さらに好ましくは１ｋＡ以上、もっと好ましくは４ｋＡ以上の交流電流により発生させる、請求項１または２に記載の方法。
4. 浮遊する材料の中で消費される電力は少なくとも２ｋＷ、好ましくは少なくとも５ｋＷ、さらに好ましくは少なくとも１０ｋＷである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 蒸発させるべき材料を電磁誘導加熱法を用いて加熱する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. レーザー・ビームおよび／または電子衝撃および／または誘導結合プラズマおよび／または抵抗加熱を用いる方法により蒸発させるべき材料を加熱する、請求項１〜５のいずれか一項に記載された方法。
7. 取り込まれるべき材料は該空間の中を自由に流れてはいない、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. チタン、マグネシウム、錫、亜鉛、クロム、ニッケル、またはアルミニウム、或いはこれらの金属の１種とこれらまたは他の金属を含む１種またはそれ以上の他の材料との混合物を蒸発させる、請求項１〜７のいずれか一項に記載された方法。
9. 電気伝導性の材料を蒸発させることにより金属の層で基板を被覆する装置において、該装置は一つの室を具備し、該室はその中に低いバックグラウンド圧力を生じる装置、蒸発させるべき材料を受け取る装置、および蒸発させるべき材料を加熱する装置を備え、蒸発させるべき材料を受け取る装置は、蒸発させるべき材料を支持物なしで浮遊させ得るための交流電磁界を発生するのに使用できるコイルを具備しており、ここで該室の中の蒸発空間からコイルを分離する装置が存在し、該分離装置はセラミックス管を含んで成っており、使用中蒸発される材料を充満させるために、蒸発させるべき材料を針金の形で供給する供給装置が備えられ、該供給装置が該コイルから分離された補助コイルによって得られる交流電磁界の分離された区域を含むことを特徴とする装置。
10. 該コイルは、高周波の交流電流により交流電磁界を発生させるように設計されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 材料を加熱する装置は電磁誘導コイルを具備している、請求項９または１０に記載の装置。
12. 材料を加熱する装置はレーザーおよび／または電子の発生源を具備している、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 該分離装置はセラミックス材料からつくられている、請求項９〜１２のいずれか一項に記載された装置。
14. 該室の中に測定装置が配置されている、請求項９〜１３のいずれか一項に記載された装置。
15. 該測定装置は温度を測定するのに適している、請求項１４に記載の装置。
16. 請求項１〜８のいずれか一項に記載された方法を実施するのに適した、請求項９〜１５のいずれか一項に記載された装置。