JP5214176B2 - プラズマガン - Google Patents

Description

本発明は、プラズマビームを生成するプラズマガンに関する。

特許文献１には、真空成膜装置などに用いられる圧力勾配型プラズマガンが記載されている。この種のプラズマガンは、第２中間電極に同心状に固定された第１中間電極を備えており、第１中間電極には、ボルトの締め付けによってガラス管が固定されている。さらに、ガラス管には、陰極管を差し込むようにしてカソードフランジがボルトの締め付けによって固定されている。カソードフランジには、キャリアガスをガラス管内に導入するガス導入口が形成されている。ガス導入口からキャリアガスを導入すると、第１中間電極と陰極管との間で放電が起き、この放電によってプラズマビームが生成される。プラズマビームは、第１、第２中間電極を通過し、真空容器中に配置されたハース（陽極）に到達する。ハースには蒸着材料が収納されており、プラズマビームが到達すると、蒸着材料がジュール加熱されて蒸発する。蒸発した金属粒子はプラズマ中でイオン化され、負電圧が印加された基板の表面に付着し、基板上に膜が形成される。
特開平１１−２５６３１９号公報

しかしながら、従来のプラズマガンでは、ガラス管を第１中間電極に固定した後で、さらに、ガラス管にカソードフランジを固定する必要があり、ガラス管やカソードフランジの位置合わせが難しく、また、脆性材料からなるガラス管の破損に注意しながら組み立てや分解を行う必要があり、高いスキルが要求されて作業負担が大きかった。

本発明は、以上の課題を解決することを目的としており、組み立て、または分解の際の作業性を向上できるプラズマガンを提供することを目的とする。

本発明は、プラズマビームを生成するための陰極管と中間電極とを備え、陰極管を収容する絶縁管が、陰極管が取り付けられたカソードフランジと中間電極との間に配置されたプラズマガンにおいて、中間電極に設けられたフランジ部と、一端側がフランジ部に固定されると共に、他端側がカソードフランジに形成されたガイド孔に挿通されたガイドピンと、ガイドピンが挿通されたカソードフランジを中間電極側に向けて弾性的に押圧する押圧手段と、を備えることを特徴とする。

このプラズマガンでは、中間電極に設けられたガイドピンをカソードフランジのガイド孔に挿通させることでカソードフランジを簡単に位置合わせでき、さらに、カソードフランジはガイドピンに沿って絶縁管を押圧するので、絶縁管に対する均一な押圧を行い易くなる。さらに、カソードフランジをガイドピンで支えることが可能になり、カソードフランジの取り付けや取り外しの際に絶縁管に対して荷重負荷をかけにくくなる。その結果として、カソードフランジや絶縁管の取り付け、取り外しに伴う作業負担が軽減され、作業性が向上する。さらに、押圧手段によってカソードフランジを中間電極側に向けて押圧することで、中間電極とカソードフランジとの間に絶縁管を挟み付けて固定できる。従って、中間電極への絶縁管の固定と、絶縁管へのカソードフランジの固定とを同時に行うことができ、また、絶縁管とカソードフランジとの取り外しも同時に行うことができる。従って、組み立てや分解の際の作業性が向上する。

さらに、押圧手段は、ガイドピンの他端側に設けられた押圧フランジと、押圧フランジとカソードフランジとの間に配置された弾性部材と、を有すると好適である。弾性部材の緩衝作用によって絶縁管には過度の押圧がかかり難くなり、カソードフランジを取り付ける際に、絶縁管を破損させ難くなって作業性が向上する。

弾性部材は、ガイドピンが挿入された圧縮コイルばねであり、カソードフランジには、ガイド孔に連通すると共に、圧縮コイルばねを収容する収容穴が形成されていると好適である。圧縮コイルばねは、ガイドピンと収容穴とに案内されながら縮み、カソードフランジを中間電極側に向けて確実に押圧する。従って、カソードフランジ及び絶縁管の確実な取り付けが可能になる。さらに、圧縮コイルばねを収容穴内に収めるので、圧縮コイルばねを外側に設ける場合に比べてコンパクトにまとまる。

さらに、ガイド孔には、ガイドピンとカソードフランジとを電気的に絶縁するスリーブが嵌め込まれていると好適である。中間電極と陰極管との間の電気的な絶縁をスリーブ３１だけで簡単に実現できる。

さらに、絶縁管には、中間電極に当接する鍔部が設けられており、ガイドピンに沿って移動自在にガイドピンに取り付けられると共に、鍔部の中間電極側とは逆となる裏面に当接し、鍔部を中間電極側に向けて押圧する保持用押え板部を更に備えると好適である。保持用押え板部によって絶縁管を中間電極に固定できるので、カソードフランジのみを取り外してメンテナンスすることができ、作業性が向上する。

本発明に係るプラズマガンによれば、組み立て、または分解の際の作業性を向上できる。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係るプラズマガンの好適な実施形態について説明する。

図１は、本発明に係るプラズマガン１の断面図である。図１に示されるように、プラズマガン１は、ＲＰＤ（Reactive Plasma Deposition）法を適用した成膜装置に組み付けられている圧力勾配型プラズマガンであり、ハース（陽極）を収容する成膜室３に取り付けられている。

プラズマガン１は、第１中間電極５と第２中間電極７とからなる中間電極９と、陰極管１１が固定されたカソードフランジ１２とを備え、中間電極９とカソードフランジ１２との間には、陰極管１１を収容するガラス管（絶縁管）１３が配置されている。中間電極９に設けられたオリフィス通路Ｒによって、ガラス管１３の雰囲気圧力は成膜室３より高く保たれており、この圧力差によって酸素などの反応ガスがガラス管１３内に混入するのを防いでおり、その結果として、放電の際の酸素の影響を排除して長時間の連続使用を可能にしている。

第２中間電極７は環状であり、成膜室３にシールカラー１５を介して固定されている。第２中間電極７の後側には、シールカラー１５を介して環状の第１中間電極５が同心状に重ねて固定されている。第２中間電極７には、空芯コイル１７が内蔵されており、第１中間電極５には、磁極軸が陰極管１１の中心線に平行になるように永久磁石１９が内蔵されている。第１中間電極５の後側、すなわち、カソードフランジ１２に対面する側には、外縁に沿って環状のフランジ部５ａが設けられている。

フランジ部５ａには、スタッドボルト（ガイドピン）２１を固定する６個のねじ穴が周方向で等間隔になるように形成されている。スタッドボルト２１の一方の端部には、このねじ穴に螺合する雄ねじ部２１ａが形成されており、他方の端部には、雌ねじ部２１ｂが形成されている。６本のスタッドボルト２１は、雄ねじ部２１ａがねじ穴に螺合してフランジ部５ａに固定され、陰極管１１の中心線に平行になるように延在している。なお、以下の説明において、雄ねじ部２１ａ側を前側として説明し、雌ねじ部２１ｂ側を後側として説明する。

６本のスタッドボルト２１で囲まれた領域には、ガラス管１３が挿着される。ガラス管１３の両端には、それぞれ外側に張り出した鍔部１３ａと鍔部１３ｂとが設けられており、一方の鍔部１３ａは、第１中間電極５側に向けられている。第１中間電極５には、フランジ部５ａの内側に円形状のガラス管台座部５ｂが設けられており、ガラス管台座部５ｂの外縁には、鍔部１３ａを支持する円筒壁５ｃが形成されている。鍔部１３ａは、円筒壁５ｃによって位置決めされる。また、円筒壁５ｃの内側には環状溝５ｄが形成されており、環状溝５ｄには、Ｏリング５ｆが挿着されている。鍔部１３ａは、Ｏリング５ｆに当接する。

６本のスタッドボルト２１には、半割り環状の押え板（保持用押え板部）２３がガラス管１３の周方向に沿うようにして取り付けられている。押え板２３の一方の半板２３ａには、３本のスタッドボルト２１が貫通する３個の通し穴が形成されている。半板２３ａは、スタッドボルト２１のそれぞれに螺合している前後一対のナット２５に挟まれている。他方の半板２３ｂにも３個の通し穴が形成されており、前後一対のナット２５に挟まれるようにしてスタッドボルト２１に取り付けられている。押え板２３は、ナット２５と一緒にスタッドボルト２１に沿って移動する。押え板２３は、鍔部１３ａの第１中間電極５側とは逆となる裏面Ｐに当接し、鍔部１３ａを軽く押圧する所定位置で、ナット２５の締め付けによって固定される。なお、押え板２３は、第１中間電極５とガラス管１３及びカソードフランジ１２とが、後述するボルト３３を介した圧縮コイルばね２９に均等押圧された状態、即ち、Ｏリング５ｆ及びＯリング１２ｃが適正に潰れた状態になった後、必ず、軽く締め付けるようにする。

カソードフランジ１２の中央には、陰極管１１が固定されている。陰極管１１は、外側のＭｏ筒１１ａと、内側のＴａパイプ１１ｂとからなる。Ｍｏ筒１１ａ及びＴａパイプ１１ｂの一端は、カソードフランジ１２の導体部に固定されている。Ｔａパイプ１１ｂは、カソードフランジ１２に形成されたガス導入口に連通しており、ガス導入口から供給されたアルゴンガスはＴａパイプ１１ｂ内を通過してガラス管１３内に放出される。なお、カソードフランジ１２には、電極ケーブル２５（図２参照）や冷却水配管２７などが接続されており、カソードフランジ１２の重量は１０Ｋｇ以上にもなる。

図１、図３及び図４に示されるように、カソードフランジ１２の外縁には、円筒部１２ａが形成されている。円筒部１２ａには、６本のスタッドボルト２１が挿通する６個のガイド孔１２ｂが形成されている。カソードフランジ１２は、スタッドボルト２１をガイド孔１２ｂに差し込むことで簡単に位置決めされる。さらに、カソードフランジ１２は、６本のスタッドボルト２１によって支えられており、ガラス管１３に直接的に荷重負荷がかからないようになっている。従って、ガラス管１３でカソードフランジ１２の重量を直接受けるような構成に比べて剛性は高くなっている。

カソードフランジ１２の円筒部１２ａの内径は、ガラス管１３の後側の鍔部１３ｂの外径に対応しており、円筒部１２ａ内に鍔部１３ｂが挿着される。円筒部１２ａの内側には環状溝１２ｄが形成されており、環状溝１２ｄには、Ｏリング１２ｃが挿着されている。鍔部１３ｂは、Ｏリング１２ｃに当接する。

ガイド孔１２ｂの後方には、ガイド孔１２ｂに連通する円形穴（収容穴）１２ｆが形成されている。円形穴１２ｆはガイド孔１２ｂと同心状であり、ガイド孔１２ｂよりも径が大きくなっている。円形穴１２ｆ内には、圧縮コイルばね（弾性部材）２９が収められており、圧縮コイルばね２９には、スタッドボルト２１が挿通されている。スタッドボルト２１には、後端側からスリーブ３１が差し込まれ、スリーブ３１の後端には、圧縮コイルばね２９に当接する押圧フランジ３１ａが設けられている。スリーブ３１は、カソードフランジ１２とスタッドボルト２１とを電気的に絶縁する材料によって形成されており、ガイド孔１２ｂ内に摺動自在に嵌め込まれる。なお、圧縮コイルばね２９は、円形穴１２ｆ内に収容されることで、押圧フランジ３１ａとカソードフランジ１２との間に配置された状態になっている。

スタッドボルト２１の後端に形成された雌ねじ部２１ｂには、ワッシャ３２を介してボルト３３が螺合している。ボルト３３を螺合すると、ワッシャ３２を介してスリーブ３１の押圧フランジ３１ａが前方に向けて移動し、圧縮コイルばね２９を押圧する。圧縮コイルばね２９は、円形穴１２ｆ内で弾性変形しながら縮み、カソードフランジ１２を第１中間電極５側に向けて押圧する。その結果として、カソードフランジ１２と第１中間電極５との間でガラス管１３が挟み付けられて固定される。さらに、カソードフランジ１２の押圧によってＯリング５ｆとＯリング１２ｃとが適正に潰れ、ガラス管１３内がシールされる。その結果として、ガラス管１３内を安定してシールでき、長時間の連続運転も可能になる。ボルト３３、ワッシャ３２、スリーブ３１の押圧フランジ３１ａ及び圧縮コイルばね２９などによってスプリング押え機構（押圧手段）３５が構成されている。

ボルト３３を完全にねじ込むと、その状態で圧縮コイルばね２９の圧縮力は最大になり、カソードフランジ１２には６カ所からの均一な押圧力がかかる。プラズマガン１は、この押圧力に対応してＯリング５ｆとＯリング１２ｃとが適正に潰れるように設計されている。従って、６ヶ所のボルト３３を完全にねじ込むことで、カソードフランジ１２には均一な押圧力がかかることになり、押圧力の偏りに起因したガラス管１３の破損あるいはＯリング５ｆ及びＯリング１２ｄの潰れ不良による真空漏れ等は発生し難い。その結果として、第１中間電極５とカソードフランジ１２との間でガラス管１３を挟み付けて固定する際に、ボルト３３を最後まで締め付けることによって、簡単に、且つ確実に固定でき、高いスキルが不要になる。

以上のプラズマガン１では、陰極管１１内にアルゴンガスが供給されると、加速された電子とアルゴンガスとの衝突によってプラズマビームが生成される。プラズマビームは第１中間電極５及び第２中間電極７の中央に形成されたオリフィス通路Ｒを通過し、成膜室３内に放射される。プラズマビームは、成膜室３内でガイドされながらハースに到達し、ハースに収納された蒸着材料を加熱する。蒸発した金属粒子はプラズマ中でイオン化し、負電圧に印加された基板に付着し、基板上に膜が形成される。

プラズマガン１によれば、第１中間電極５に設けられたスタッドボルト２１をカソードフランジ１２のガイド孔１２ｂに挿通させることでカソードフランジ１２を簡単に位置合わせでき、さらに、カソードフランジ１２はスタッドボルト２１に案内されながらガラス管１３を押圧するので、ガラス管１３に対する均一な押圧が可能になる。さらに、スプリング押え機構３５によってカソードフランジ１２を第１中間電極５側に向けて押圧することで、第１中間電極５とカソードフランジ１２との間にガラス管１３を挟み付けて固定できる。従って、第１中間電極５へのガラス管１３の固定と、ガラス管１３へのカソードフランジ１２の固定とを同時に行うことができ、また、ガラス管１３とカソードフランジ１２との取り外しも同時に行うことができる。従って、組み立てや分解の際の作業負担が軽減する。

また、カソードフランジ１２の重量は１０ｋｇ以上もあるが、本実施形態によれば、カソードフランジ１２はスタッドボルト２１によって支えられるために、ガラス管でカソードフランジの重量を直接受ける構造に比べて、カソードフランジ１２から電極ケーブル２５や冷却水配管２７を取り外す場合にもガラス管１３に無理な負荷がかかり難く、メンテナンスに伴う分解や組み立て作業が容易になる。

また、スプリング押え機構３５を有しているので、圧縮コイルばね２９の緩衝作用によってガラス管１３には過度の押圧がかかり難くなり、脆性材料からなるガラス管１３であっても、破損させ難くなって作業性が向上する。

カソードフランジ１２には、圧縮コイルばね２９を収容する円形穴１２ｆが形成されているため、圧縮コイルばね２９は、スタッドボルト２１と円形穴１２ｆとに案内されながら縮み、カソードフランジ１２を第１中間電極５側に向けて確実に押圧する。従って、カソードフランジ１２及びガラス管１３の確実な取り付けが可能になる。さらに、圧縮コイルばね２９を円形穴１２ｆ内に収めるので、圧縮コイルばね２９をカソードフランジ１２の外側に設ける場合に比べてコンパクトにまとまる。

さらに、ガイド孔に嵌め込まれたスリーブ３１によって、スタッドボルト２１とカソードフランジ１２とを電気的に絶縁するため、第１中間電極５と陰極管１１との間の電気的な絶縁を簡単な構造で実現できる。

また、プラズマガン１は水平状態で取り付けられており、カソードフランジ１２は１０ｋｇもの重量があるために分解、組み立てに伴う作業には一定のスキルと労力が要求される。しかしながら、本実施形態では、押え板２３を外さなければ、ガラス管１３と第１中間電極５との取付けを保持でき、その状態でカソードフランジ１２のみを取り外し、陰極管１１の交換・復旧ができる。従って、従来のプラズマガンに比べて高いスキルは要求されず、カソードフランジ１２のメンテナンスや陰極管１１の交換などを行うための取り外しや、メンテナンス後の復旧も容易になり、作業性が向上する。

本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、ガラス管の代わりにセラミック管を用いることもできる。また、スタッドボルトを固定するフランジ部を第２中間電極に設けるようにし、その分、カソードフランジの径を大きくするようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係るプラズマガンを示す断面図である。 プラズマガンの平面図である。 押圧手段を拡大して示す断面図であり、ボルトを完全にねじ込んだ状態を示す図である。 押圧手段を拡大して示す断面図であり、ボルトをねじ込んでいる途中の状態を示す図である。

符号の説明

１…プラズマガン、５ａ…フランジ部、９…中間電極、１１…陰極管、１２…カソードフランジ、１２ｂ…ガイド孔、１２ｆ…円形穴、１３…ガラス管（絶縁管）、１３ａ…ガラス管の鍔部、２１…スタッドボルト、２３…押え板（保持用押え板部）、２９…圧縮コイルばね、３１…スリーブ、３１ａ…押圧フランジ、３５…スプリング押え機構（押圧手段）、Ｐ…鍔部の裏面。

Claims (5)

1. プラズマビームを生成するための陰極管と中間電極とを備え、前記陰極管を収容する絶縁管が、前記陰極管が取り付けられたカソードフランジと前記中間電極との間に配置されたプラズマガンにおいて、
   前記中間電極に設けられたフランジ部と、
   一端側が前記フランジ部に固定されると共に、他端側が前記カソードフランジに形成されたガイド孔に挿通されたガイドピンと、
   前記ガイドピンが挿通された前記カソードフランジを前記中間電極側に向けて弾性的に押圧する押圧手段と、
   を備えることを特徴とするプラズマガン。
   
2. 前記押圧手段は、前記ガイドピンの前記他端側に設けられた押圧フランジと、
   前記押圧フランジと前記カソードフランジとの間に配置された弾性部材と、を有することを特徴とする請求項１記載のプラズマガン。
3. 前記弾性部材は、前記ガイドピンが挿入された圧縮コイルばねであり、
   前記カソードフランジには、前記ガイド孔に連通すると共に、前記圧縮コイルばねを収容する収容穴が形成されていることを特徴とする請求項２記載のプラズマガン。
4. 前記ガイド孔には、前記ガイドピンと前記カソードフランジとを電気的に絶縁するスリーブが嵌め込まれていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のプラズマガン。
5. 前記絶縁管には、前記中間電極に当接する鍔部が設けられており、
   前記ガイドピンに沿って移動自在に前記ガイドピンに取り付けられると共に、前記鍔部の前記中間電極側とは逆となる裏面に当接し、前記鍔部を前記中間電極側に向けて押圧する保持用押え板部を更に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のプラズマガン。

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