JPH0219459A

JPH0219459A - るつぼを有する蒸発源組立体

Info

Publication number: JPH0219459A
Application number: JP1131263A
Authority: JP
Inventors: John C Egermeier; ジョン　シー　エイガマイアー
Original assignee: BOC Group Inc
Current assignee: Messer LLC
Priority date: 1988-05-31
Filing date: 1989-05-24
Publication date: 1990-01-23
Anticipated expiration: 2014-06-02
Also published as: US4866239A; JP2899310B2; EP0345015A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、高真空において材料を蒸発させる分野、特に
基板への蒸着コーティングの分野において使用するため
の電子ビーム加熱による蒸発源組立体に関するものであ
る。

（従来技術）電子ビーム加熱による蒸発源装置は、しばしば真空コー
ティング装置で使用される。このような蒸発源装置は、
Ｒｏｂｅｒｔ　Ｌ、　５ｃｈｒａｄｅｒとＫａｚｕｍｉ
　Ｎ。

Ｔｓｕ　ｊ　ｉ　ｍｏ　ｔｏに付与され１本出願の譲受
人に譲渡された米国特許第３７１００７２号に記載され
ている。この蒸発源装置は、１つのるつぼと、１つの電
子ビームガンと、電子ビームガンからるつぼに至るアー
チ状の経路を通って電子ビームを偏向させるための磁気
装置とから構成されている。当該磁気偏向装置は、電子
ビームガンの反対側に配置され、るつぼの反対側に延び
ている２つの大きな平行の磁性材料からなる平板を有し
ている。当該平板は、電子ビームガンから遠い側にある
端部近くで１つの永久磁石に相互に連結されることによ
って極性を与えられている。上記電子ビームは、極片の
間で生じる磁場により偏向させられる。３つの電磁コイ
ルは略Ｕ型に配置され、上記ビームがるつぼ全体を掃射
できるようにしている。この従来の蒸発源装置のるつぼ
は、蒸発させる材料を入れるための円錐台形の壁を有す
る銅プロ・ンクである。当該壁は、鉛直から約１５°の
角度で上方に拡がっている。第２番目の円錐台形断面は
、材料を入れた壁の上側のリムから延びており、蒸気の
流れを方向付けし、装置の他の部分における蒸気の凝結
を防止するために上部コーンを形成している。この上部
断面は、大きな角度（約４５°が典型的）で拡がってお
り、溶融してゆるく固まった材料のためのホツイ〜−を
備えている。

米国特許第３７１００７２号の明細書は、本明細書にお
いて参考として組み入れられている。

異なる材料を蒸発させるために複数のるつぼを有する電
子ビーム加熱による蒸発源装置についても公知である。

当該装置は、本出願の譲受人のニドワード・ハイ・バキ
ューム・インターナショナル・デイビイジョン（Ｅｄｗ
ａｒｄｓ　Ｈｆｇｈ　ＶａｃｕｔｕｗＩｎｔｅｒｎａｔ
ｉｏｎａｌ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎｌ　によって販売されて
いる５ＴＩＨ−２７０−１４炉床源装置モデルである。

この源装置は、蒸発させる材料のための４つの分離した
小室を有する炉床組立体、及び前記組立体を軸線を中心
に回転させるための手段を備え、前記各小室が電子ビー
ムの経路に配置されるようになっている。

銅や銅合金のるつぼに入れたアルミニウムやアルミニウ
ム合金のような材料を蒸発させる際、材料がるつぼに補
充された後に、しばしば問題が生じる。電子ビーム出力
に対する蒸発率は連続補充によって減少することもある
。これは、溶融している溜りのメニスカス（液体表面の
凸凹面）がるつぼの壁の上で以前に凝結した材料とぶつ
かる領域が存在するために生ずると考えられている。こ
の現象は、ビーム出力の一部が蒸発からるつぼの冷却水
へ転換することから「熱短絡Ｊと呼ばれている。極端な
場合には、かなりの出力が壁の特定箇所へと方向転換し
、るつぼの壁が分解して、その結果、溜りから溶融した
材料が損失する。

（発明の構成）本発明は、るつぼの壁に沿って正のメニスカスを形成す
る材料の真空蒸発のため゛の蒸発源装置に関するもので
ある。当該装置は電子ビームガンと、蒸発させる材料を
入れたるつぼとから構成される。蒸発源装置は、電子ビ
ームガンからるつぼに至るまでビームを偏向させるため
の磁石と、対の平行極板とを有している０本発明は、特
に電子ビームガンとるつぼの間の約２４０°から約３０
０”の範囲の角度でビームが偏向させられるような蒸発
源装置に対して向けられている。上記るつぼは、鉛直か
ら約３５°よりも大きな角度（４５＠以上が好ましく、
５０°がさらに好ましい）をなす壁を有する。蒸発させ
る材料の溶融した溜りは、９０°よりも大きな角度で壁
に接触する正のメニスカスを有している。当該圧のメニ
スカスは、メニスカスのちょうど上方の壁の領域を、凝
結した材料がない状態に維持することができる。上記源
装置は、メニスカスを所定の範囲に維持するために溶融
した溜りに溶融した材料を加えるための装置も含んでい
る。もし、当該溜りの高さが十分調節されるならば、メ
ニスカスは、凝結した材料がない領域に維持されること
ができ。

それ故、熱短絡が始まるのを避けることができる。

（実施例）本発明の好ましい実施例を、第１図から第３図に示す、
この蒸発源装置１０は、るつぼ組立体３０と、電子ビー
ムガン５０と、電子ビームガンから炉床に至るまで電子
ビームを偏向させるための磁気装置とから構成される。

この磁気偏向装置は、−次偏向装置６０と、電磁掃射組
立体７０と、一対の調節可能な極ロッド組立体８０と、
上記ボールロッドの長さを調節するための装置とから構
成されている。材料供給装置１００は、蒸発される材料
をるつぼに供給する。

蒸発源装置１０に対する支持構造体は、底板１１と、天
板２０と、一対の極片６１．６２とを包含する。底板１
１は、２つの極片の間に拡がる非磁性材料、好ましくは
ステンレスからなる矩形板である。上記底板は、真空室
の壁である基板１２上に支持されている。底板１１と基
板１２は、ボルト１４によって適所に取り付けられたス
ペーサー１３によって分離されている。

天板２０も、平行極板６１．６２の頂部の間に拡がる非
磁性材料、好ましくは銅でできた矩形板である。上記天
板は、電子ビームが当該天板の下方に配置された電子ビ
ームガンから出て当該天板を通過できるようにするため
に略矩形の開口２１を有している。上記天板は、ビーム
を再び天板な通過させ、天板の下方に配置されたるつぼ
の炉床へと進ませるための円形の開口２２を有している
。上記開口２１．２２は、電子ビームガンを覆い、落下
する破片から電子ビームガンを保護するブリッジ２３に
よって分離されている。保護ブリッジ２３の広がりを最
大限にするために、矩形の開口２１は、傾斜した壁断面
２４を有しており、円形開口２２は、円錐台形断面２６
を有している。この好ましい実施例は、高い電子ビーム
出力によって操作するように設計されているので、天板
２０は、入口と出口の冷却水接続部２８と、天板２０の
内部に冷却水が循環させるための通路（図示せず）とを
有する。

蒸発作用によって蒸発させる材料は、電子ビームの経路
にあるるつぼに入れられている。この好ましい実施例は
、４つのるっぽ３１ないし３４を有しており、各るつぼ
は、天板の円形間口２２に整列させることができる。複
数のるつぼは、体の材料で形成されてもよいが、この好
ましい実施例では、４つの分離したるつぼを使用し、各
るつぼはくぼみ１６と、フランジ１８を有するシリンダ
ー型の支持部材１７とから構成されている。

当該くぼみと支持部材は、冷却水のための流路１９を囲
んでいる。各るつぼの構成と寸法は、蒸発させる材料の
量や物理的及び化学的性質によって選択される。るつぼ
材料としては銅が好ましいが、モリブテンやグラファイ
トあるいは他の材料を用いてもよい。

各るつぼのくぼみは、平坦で円形底を有し、下部の円錐
台形壁断面３５が鉛直から小さな角度ｆをなし、上部断
面３８は、鉛直から角度ｄをなしていることが望ましい
、るつぼ内の材料の溶融溜りは表面３７を有する１円錐
台形の壁３８において、溶融溜りは正のメニスカス３９
を形成し、メニスカスがるつぼの壁３８と接触する点に
おける接線は９０°よりも大きい角度ａをなす。

メニスカス３９と壁３８の接触の詳細を第４図に示す。

第１次近似として、メニスカスは、溶融溜りの水平高さ
３７と１円の接線９２が壁と角度ａをなす壁３８での点
９１との間の、半径Ｈの円弧として表わすことができる
。電子ビーム加熱による蒸発源装置が高い効率で操作さ
れるとき、蒸気は、溶融溜りの表面３７の上方距離Ｖだ
け離れた点９６における仮想発生点から発生するように
見える。それ故、壁３８に沿った距離Ｓに延在する領域
は、正のメニスカス３９によって有効に遮られる。この
距離Ｓは、接線９２の交点である点９１から延び、点９
５でメニスカス３９に接して仮想発生点９６を通る直線
９４との交点である点・９３に至る。接線９４は、鉛直
から角度ｅをなす。第４図に示すように、メニスカスを
近似する円弧部分は、点９１か６９５までの角度すをな
し、壁３８と角度Ｃをなす。距離Ｓの鉛直線上への投影
長さは、Ｈ＝Ｓ−ｃｏｓｄとなる。簡単な三角関数を用
いて以下のことがわかる。

ここで　ｃ：ｅ−ｄｂ＝ａ−ｃ＝ａ−ｅ−ｄ４つのるつぼ３１ないし３４は、軸線４３の回りに回転
するためのシャフト４２の端部に据え付けられた支持板
４１を有する円形コンベアー４０に据え付けられている
。好ましくは、真空装置の外部に配置されている駆動装
置によってるつぼを回転することができるように２回転
式のフィールドスルー４５を使用する０回転シャフト４
２は好ましくは、空洞でありかつ同軸内部バイブ４４を
囲んでおり、該バイブ４４は、冷却水が入口接続部４６
から入り、内部通路によって支持板４１とるつぼ３１な
いし３４に接続されているバイブ４７の内部を通過して
、バイブの外側の通路４８を経由して冷却水の出口接続
部４９に戻って（ることかできるようにする。

従来の電子ビームガン５０は、底板１１の延長上に据え
付けられている。当該ガンは、フィラメント５１と、ビ
ームフォーマ−５２と、通常はアースされているアノー
ド５３とによって構成されている。フィラメント５１の
反対側は、従来の電子ビーム電源の負極端子に接続する
ことができる電極５４と５５に接続されている。

−次磁場偏向装置６０は、磁性材料からなる一対の平行
板６１．６２を包含する。これらの平行板は、底板１１
に取り付けられている永久磁石６３に反対側と密着して
いる。より強い磁場が必要であれば、第２の永久磁石６
４を設置してもよい。ビームの領域での磁場強度を増大
させるためには、各々の極板にるつぼ組立体３０が突き
出るような開口６６を設けることによって、極板の間の
間隔を縮小させる。一対のカバープレート６８は、落下
する破片から突き出ているるつぼを保護するために配置
される。

電子ビームの経路は、第２図において点線５８．５９に
よって示されている。当該ビームは、最初は通常るつぼ
から離れる方向に水平に電子ビームガンから打ち出され
る。磁場は当初当該ビームを約９０°の角度で偏向させ
、そのビームは矩形の開口２１を経由し天板２０を上方
に通過する。当該ビームはさらに天板に平行になるよう
に偏向させられ、さらに円形開口２２を通って下側に曲
げられ、当該開口２２の下に整列して設置されたるつぼ
内の材料の所定高さ３７上のある領域５７に到達する。

いくつかの応用例においては、接触面積がるつぼの断面
積とほぼ等しいか小さい衝突面積を有する幅の広い拡散
ビームを用いることが望ましい。

好ましい実施例においては、平行板６１．６２の間の磁
場強度は、このような拡散ビームが得られるように選択
される。他の応用例としては、るつぼに入ったときに小
さな衝突面積をもつ幅の狭いビームを使用することが望
まれるにのような狭いビームは、ビームの経路に沿って
領域の磁場強度を増大させてビームを集束させることに
よって得ることができる。このようなビームの集束を達
成するために、好ましい実施例ではボールロッド８１．
８２を有する二つのボールロッド組立体８０を含んでい
る６本発明の譲受人に譲渡された米国特許筒４．７２８
．７７２号に記載されているように、各ロッドは極板の
一つにおいてあけられた逃げ六８５を通り、電子ビーム
が通過する近傍における極板間の領域へ延びている。

蒸発源装置の応用においては、るつぼのより大きな面積
にわたって幅の狭い電子ビームの衝突領域を繰り返し掃
射することが望ましい。好ましい実施例は、３つの電磁
石７１ないし７３を包含する通常のビーム掃射組立体７
０を有し、該コイル７１ないし７３は、略Ｕ型の組立体
を形成し、通常のＸＹビーム回路に接続されている四つ
の電極７４に接続されている。蒸気遮蔽体７６は、落下
する破片からこれらの電極を保護する。

るつぼ内の溶融した材料の高さは、溶融溜りに蒸発させ
る材料を加えることによって所望の範囲に維持される。

第２図は、遠隔操作されるモーター、及び、スプールか
らワイヤー１０３を巻き戻し、曲がったガイドチューブ
１０４を通って溶融溜りに押し出す駆動装置を含む通常
のワイヤーフィーダー１０２を示す、パウダーや、ペレ
ットや、インゴットや、液体を供給することによって溶
融溜りに補充する通常の手段を使用してもよい。

作動では、るつぼに材料の最初の補充を行い、蒸発源装
置組立体を入れた真空室（図示せず）を真空にする。当
該材料は電子ビームによって溶融され蒸気化され、そし
て蒸発源装置の上方に配置された基板上にコーティング
として蒸着される。

もしロードロック装置が使用されるならば、蒸発源装置
を真空に維持したままコーティングされた基板を取りは
ずし、まだコーティングされていない基板と入れ賛える
ことができる。蒸発させる材料は、基板を交換するとき
に補充することができる。蒸着をモニターするため及び
各ステップの順序を指示するために自動調整装置を使用
してもよい。合金のコーティングを蒸着するときは、蒸
着されるべき合金組成の小さな変動を避けるため、各蒸
着の間のるつぼの消耗をるつぼ体積の約１０％以下に維
持する。

１つの態様として、第３図に示したようなるつぼは、底
面の直径が４．１ｃｍで、体積は約６７ｃｍ”であった
。くぼみは、ステンレス鋼３０４製の支持部材１７には
んだ付けされた銅であった。当該るつぼには１８％の銅
を含む約２００ｇのアルミ合金を満たした。蒸発源装置
組立体は、作動により約２０ｇの材料を蒸発させた。こ
れによって溶融溜りの高さが約０．２５ｃｍ低下した。

材料は、真空のままでワイヤーフィダーを作動させて供
給し、蒸着・補充のサイクルを繰り返した。

結果は、第５図の曲線ｌで示されており、第５図は電子
ビーム出力を関数とした相対蒸着率のグラフである。曲
線１は、３０回の蒸着サイクル後の相対蒸着率を示して
いる。蒸発源装置組立体は、各蒸着サイクルに対してほ
ぼ同じ相対蒸着率を示した。縦軸の数値は、溶融溜りの
中心線から４１ｃｍ離れた溶融溜りの表面から約１０８
ｃｍ離れた点で観測された蒸着率（人／５ｅｅ）を示し
ている。

比較のため、第５図には、第３図のものに類似するが、
溶融溜りがるつぼの壁と接する領域において鉛直と１５
°の角度をなしていないるつぼに同じ合金を入れた場合
の蒸着サイクルに対するデータを示す。曲線２ないし４
は、各々１回、５回、１０回の蒸着サイクルの後の相対
蒸着率を示している。これらのデータは、蒸着サイクル
が増加するにつれて相対蒸着率が実質的に減少すること
を示している。このことは、本発明による蒸発源装置で
得られた結果が優れていることを示しているものである
。

蒸着プロセスにおける材料と電子ビームの各種の幾何学
的パラメータは、相互に関連する。特別な状況のもとで
得られる蒸着パラメータは、実験と反復によって容易に
得られる。ａ、Ｒ，ｅ。

■の近似値は、観測によって得られる。溶融溜りの高さ
及びるつぼの水平寸法の許容変動値は、材料が補充され
る前に蒸発させることができる材料の体積を決定する。

信頼できる作動を求めるならば、溶融溜りの高さの実際
の変動値は、最大許容変動値以下が好ましい。

第４図のパラメータの典型的な値は、ａ＝１１０°、ｄ
＝４５°、ｅ＝ｌ　１５＠、Ｒ＝０．２５ｃｍ、Ｖ＝１
．２ｃｍ、Ｓ＝０．３ｃｍである。これらのパラメータ
で操作可能範囲は、正確にはわからない６次に示した値
は、いくつかの状況においては可能性があるとされてい
る。すなわち、ａはｌＯ″から１５０”、ｄは３０°か
ら６０°、ｅは１５０°から９０’、Ｒは０．０８ｃｍ
から０．５ｃｍ、ＶはＯｃｍから４ｃｍ、Ｓは０．１ｃ
ｍから２ｃｍである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による蒸発源装置組立体の平面図であ
る。第２図は、第１図の蒸発源装置の側面図である。第３図は、本発明によるるつぼ部分の側面の断面図であ
る。　第４図は、メニスカスがるつぼに接触する領域の
詳細図である。第５図は、２つの蒸発源装置に対して電子ビーム出力を
関数とした場合の蒸着率を示す比較図である。１０　・１１　・ｌ　２　・２０　・２１　・２２　・６３、　６４　　・　・　・６６　・　・　・　・　・　・６８　・　・　・　・　・　・７１ないし７３・７６・・・・・・１０２・・・・・・蒸発源装置・底板・基板・天板・矩形開口・円形開口・永久磁石・開口・カバープレート・電磁石・蒸気遮繭体・ワイヤーフィーダー２３　・　・　・　・　・　・３０　・　・　・　・　・　・３１ないし３４・５０・・・・・・６１．６２・・・７０・・・・・・８０・・・・・・１００・・・・・１６・・・・・・１９・・・・・・３５・・・・・・３８・・・・・・３７・・・・・・４０・・・・・・４４・・・・・・４５・・・・・・５１・・・・・・５２・・・・・・５３・・・・・・５４．５５・・・５８．５９・・・・保護ブリッジ・るつぼ組立体・るつぼ・電子ビームガン・極片・電磁掃射組立体・ボールロッド組立体・材料供給装置・くぼみ・冷却水通路・下部円錐台形断面・上部円錐台形断面・メニスカス・円形コンベアー・同軸内部バイブ・フィールドスルー・フィラメント・ビームフォーマ− ・アノード・電極・ビーム経路ＦＩＧ、　３ＦＩＧ、　５１賦与ご鼠へ上刃

Claims

【特許請求の範囲】

（１）るつぼ内に材料を入れるステップと、蒸発した材
料がメニスカス上方の壁のある領域で凝結し、メニスカ
スの直上の部分において実質的に凝結しないようにする
ため、壁と接する正のメニスカスを有する材料の溶融溜
りが形成されるように電子ビームを上記材料へ導くステ
ップと、メニスカスの接触点を、蒸発した材料が凝結する壁の領
域より下であるよう維持するため、溶融溜りに材料を補
充するステップとからなるるつぼの壁に沿って正のメニスカスを形成する
材料を蒸発させる方法。
（２）上記壁と上記メニスカスの間の接触する角度が、
鉛直から３５゜以上の角をなす請求項（１）記載の方法
。
（３）上記壁と上記メニスカスの間の接触する角度が、
４５゜よりも大きい請求項（２）記載の方法。
（４）上記材料がアルミニウムあるいはアルミニウム合
金である請求項（３）記載の方法。
（５）上記るつぼが銅あるいは銅合金である請求項（４
）記載の方法。
（６）材料が自動調節の下で一定間隔で蒸発され補充さ
れる請求項（１）記載の方法。
（７）電子ビームガンと、鉛直から３５゜以上の角度を有する領域で、蒸発する溶
融材料を収容するための壁を有するるつぼと、上記電子ビームを、るつぼ内の材料の上に導くための装
置と、さらに、所定の操作において、正のメニスカスの影によって材料
が凝結しない壁領域の部分で、溶融した材料が接触を保
つように、るつぼに材料を補充する装置とからなるるつぼの壁に沿って正のメニスカスを形成する
材料の蒸発源装置。
（８）上記材料を補充する装置が、当該材料が真空を絶
つことなく補充できるよう遠隔操作される請求項（７）
記載の蒸発源装置。
（９）上記領域が鉛直と４５゜以上の角度をなす請求項
（８）記載の蒸発源装置。
（１０）上記壁が鉛直から０゜から２０゜の角度をなす
下側の壁領域を有する請求項（９）記載の蒸発源装置。
（１１）上記るつぼが銅あるいは銅合金である請求項（
１０）記載の蒸発源装置。
（１２）溶融した材料がアルミニウムあるいはアルミニ
ウム合金である請求項（１１）記載の蒸発源装置。