JPH02239558A - 電子ビームの位置調節方法および電子ビームの位置調節装置 - Google Patents

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〕 この発明は、真空室内で電子ビームを陰極から蒸着材料
源に導き、そこで焦点を合わせ、蒸着材料源の表面を加
熱融解させ、融解の程度に応じて蒸着材料源を補給する
電子ビームの位置調節法と、この方法を実施するための
装置に関する。

〔従来の技術および発明が解決しようとする課題〕被覆
蒸着材料を蒸発させ、真空室内で被処理材の表面を被覆
する種々の方法が公知である．真空室に窒素又は酸素な
どの追加の反応ガスを送入し、適当な化合物からなる蒸
着膜を得ることも公知である。ドイツ特許明細書番号２
８２３８７６には、このような方法及び装置が記載され
ている．ここでは、真空室内で主軸と同心に被処理材を
保持する被処理材ホルダーを配置する。この場合、ミル
やドリルなどの工具やその他の物体に、特別の機械的、
化学的又は視覚的性質を有する表面′Ｐｔ！覆を施すこ
とを目的とする．設備の中央で、陰極から出る電子ビー
ムを真空室の縦軸沿いに導き、蒸着材料源に照射する．
電子ビームの高エネルギーによって蒸着材料源の表面を
融解させ、記載の方法で被処理材に付着させる。電子ビ
ームは磁界を用いて集束し、真空室の中央に位置決めす
る。

しかしながら、被処理材ホルダー及び被処理材ホルダー
に取り付けた被処理材はこの磁界を妨害する結果、電子
ビームが偏向し、蒸着材料源に所期の通り照射できなく
なる。さらに、被処理ホルダー又は被処理材が被覆工程
の間に回転又はその他の運動をする場合、別の問題が生
じる。この場合、磁界の影響は連続的に変化するため、
電子ビームは不均等に偏向し障害を被る．その結果、蒸
着材料源は不均等に照射され融解する．極端な場合には
、電子ビームの焦点は蒸着材料源の外側で周囲のホルダ
ーに合い、その結果、ホルダーを加熱したり、冷却が十
分でない場合にはホルダーに破損を生じることがある。

また、公知の装置の場合、使用する蒸着材料源はるつぼ
に配置するため、所定量の被覆蒸着材料しか得られない
。蒸発率の高い設備において、蒸着材料源に捧材や板材
を使用し、るつぼの床を通して連続的に補給することも
公知である．これらの材料棒は陽極を形成し、磁界が影
響されない場合は、電子ビームの焦点は材料棒の中心に
合い、表面を均等に融解させる。

電ｆ−ビームが中心から偏向すると蒸着材料源の片面が
融解し、ペースト状の片面カラーが生じる。

この片面カラーは冷却されたホルダーから離れているた
め、ト分冷却されない。カラーのベース１・部分は真空
室中に存在する反応ガスと反応し，、それによって生じ
る化合物はたいてい純粋物質より高い融点を有する。そ
の結果、蒸発率が変化し、融解工程が影響を受け、被覆
プロセスに障害を来す。そのため被覆プロセスを中断し
、その結果、被処理材は品質が劣化したり、廃棄しなけ
ればならないことがある． この発明の目的は、被覆プロセス中に電子ビームの位置
調節が可能であり、蒸着材料源の表面を均等に融解させ
、既存の設備並びに方法に容易に応用できる方法及び装
置を得ることである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の第１の形態においては、真空室内で電子ビーム
を陰極から莫着材料源に導き、そこで焦点を合わせ、蒸
着材料源の表面を加熱融解させ、融解の程度に応じて蒸
着材料源を補給する真空蒸着設備における電子ビームの
位置調節法において、電子ビーム軸にほぼ直角に磁界を
発生し、この磁界を電子ビーム軸にほぼ直角な面で電子
ビーム軸中心に回転させ、この磁界によって電子ビーム
を電子ビーム軸とほぼ平行な軸中心に回転運動させ、蒸
着材料の蒸発率の変化を計測して蒸発率に基づき回転運
動軸を蒸着材料源軸と一致させることを特徴とする電子
ビームの位５ｆｆｉｌｉ節方法が提供される。

本発明の第２の形態においては、上記の本発明の第１の
形態の構成において、上記の蒸着材料の蒸発率は、真空
室に送入する反応ガスの消費量の変動を通して間接的に
計測される。

本発明の第３の形態においては、上記の本発明の第１の
形態の構成、または、本発明の第２の形態の構成におい
て、上記の回転運動軸を移動させるために、この軸とほ
ぼ直角に追加の固定磁界を発生し、この固定磁界の作用
によって電子ビームを移動させる． 本発明の第４の形態においては、上記の本発明の第１〜
３の形態のいずれかの構成において、上記の回転磁界は
、互いに交差する２個の交番磁界によって発生し、これ
ら２個の磁界の交番作用を９０゜ずつ位相を異にして生
じさせる。

本発明の第５の形態においては、上記の本発明の第１〜
４の形態のいずれかの構成において、上記の回転磁界は
交流によって発生され、前記固定磁界は直流によって発
生される。

本発明の第６の形態においては、上記の本発明の第１〜
４の形態のいずれかの構成において、上記の藤発率に基
づく計測信号と、前記回転運動を生み出す磁界の電源電
流の交ｉ電圧信号とを比較し、この比較に基づいて、前
記電子ビームを移動させる修正に必要な前記直流電圧信
号を発生し、前記交流電圧信号に重ねる。

本発明の第７の形態においては、上記の本発明の第１の
形態の方法を実施するために、電子ビーム３の領域内の
ある面に２個の第１の磁気コイル１１．　１２を配置し
、これらの磁気コイル１１．　１２の軸１５．　１６が
相互にほぼ直角であり、且つ、それぞれ電子ビーム３の
軸ｌ７とほぼ直角であり、これらの２個の第１の磁気コ
イル１１．　１２が各々１個の交流電源１８を具備し、
前記第１の磁気コイル１１．　１２の各々に平行又は一
体に第２の磁気コイル１３．　１４を配置し、これらの
平行な第２の磁気コイル１３，　１．４が各々１個の直
流電源ｌ９を具備することを特徴とする電子ビームの位
置調節装置が提供される。

本発明の第８の形態においては、上記の本発明の第７の
形態において、前記２個の第１の磁気コイル１１．　１
２の電源電圧が、互いに９０゜ずつ位相が異なるように
構成する。

本発明の第９の形態においては、上記の本発明の第７ま
たは８の形態において、前記２個の第１の磁気コイル１
１．　１２の一方と前記２個の第２の磁気コイル１３．
　１４の一方、および、前記２個の第１の磁気コイル１
１’，　１２の他方と前記２個の第２の磁気コイル１３
．　１４の他方とは、各々、前記直流電圧を前記交流電
圧に重ねたものによって励磁される、１つの磁気コイル
で形成するものである。

本発明の第ｌＯの形態においては、上記の本発明の第７
〜９の形態のいずれかにおいて、さらに、前記真空室１
に送入した反応ガスの流量を計測する流量計２１と、該
流量計２１に接続し前記第２の磁気コイル１３．　１４
の直流電圧を制御する制御装置２０とを具備し、このｉ
ＪｔＮ計２１は、前記制御装置２ｏと接続し、制′ａ信
号トランスミッターを形成するものである． 〔作用〕 本発明による電子ビームの位置調節方法においては、被
処理材ホルダー及び被処理材又は主要磁界に対するそれ
らの影響によって生じる電子ビームの理想軸に対する偏
向を修正できる．これは、電子ビーム軸に直角に回転磁
界を発生し、これが電子ビームを特定の半径で回転軸中
心に回転させることによって可能である。回転磁界は、
各々、９０゜ずつ位相が異なる交流を供給され、互いに
９０゜ずらして配置した２個のコイル（第１の磁気コイ
ル１１．　１２）によって発生する．その際、これら２
個の磁気コイルの軸は互いにほぼ直角であり、電子ビー
ム軸にほぼ直角な面上にある。

さらに、回転磁界用の磁気コイル（第１の磁気コイル１
１．　１２）を配置したのと同軸上に回転磁界に重ねて
固定磁界を発生し、電子ビームに該固定磁界による追加
の影響を与え、位置決めすることができる。これらの追
加の固定磁界は電子ビームの回転軸を、磁気コイルの２
軸によって構成される座標系で移動させ、最適な場合に
は回転軸を蒸着材料源の軸と一致させることができる．
また、電子ビームによって融解する蒸着材料の蒸発率は
、反応ガスの消費量の変動を通して間接的に計測する。

これらの反応ガスは、蒸着材料と反応ガスから生成する
金属化合物の蒸着膜の製造に用いる．それにより窒化物
、炭化物、ホウ化物又は酸化物蒸着膜を製造できる。こ
の方法は、公知のように反応ガスにアセチレン、メタン
及びその他のガスを用いる炭化物蒸着法及びその装置に
適している．設備運転時に電子ビームの焦点が蒸着材料
源の中心に合わない場合、電子ビームの回転軸も蒸着材
料源の軸から外れる．それによって電子ビームは蒸着材
料源の全表面を照射せず、蒸着材料源は不均等に融解又
は消耗する．極端な場合には電子ビームが蒸着材料源を
全く照射しないこれらの領域では、その時点で平均値に
比較して少量して蒸発しない。電子ビームが薫着材料源
の全表面を照射する場合、蒸発率は著しく上昇する．蒸
発率が上昇すると、より多量の蒸着材料が反応ガスと反
応し、反応ガスの消費量は増加する．これをセンサーシ
ステムを用いて計測し、設備により多量の反応ガスを送
入する．反応ガスの消費量増加を計測信号に変換して制
御装置に送し、そこで消費量増加及び消費量減少に対応
する信号を、回転磁界を発生する磁気コイルの交流信号
と比較する．この比較を一定時間行った結果に基づいて
、電子ビームの回転軸を磁気コイル軸の座標系において
いずれの方向に偏向させるべきか確定できる。

こうして、確定された偏向に従って回転磁界に固定磁界
を重ね、回転電子ビームの回転軸をより蒸着材料源の軸
方向に移動させ、回転軸を蒸着材料源軸と一致させる。

上記の本発明の方法により、被処理材又は被処理材ホル
ダーの使用することにより電子ビームが最適位置から偏
向する表面処理設備の自動制御が可能となる． この方法及び装置は自動制御式であるため、他の被処理
材を用いたり被処理材ホルダー領域における配置を変更
する場合も、切り替えの必要がない。

また、ｌ軸中心に回転する電子ビームにより、比較的小
さい直径の電子ビームで、蒸着材料源の全表面を照射す
ることができ、均等な融解及び蒸発率を得ることができ
る． さらに、この方弐により、蒸着材料源を融解率又は蒸発
率に応じて連続的に補給することも可能である．これに
より、１回の工程時間が長くなり、蒸着材料を補充する
ための中断時間が短縮される。

また、１作業周期当たり著しく多量の蒸着材料を蒸発さ
せ、被処理材に付着させることができる。

従って、本発明による方法及び装置により設備の経済的
な運転が可能となり、十分加熱されない蒸着材料源周縁
部と反応ガスとの化合物を防止できるため蒸着膜の品質
が向上する． 〔実施例〕 以下に、発明を一つの実施例を示す図面に基づいて詳細
に説明する。

第１図及び第２図による真空蒸着設備は、真空室１を包
囲するケーシング２からなる。この真空室ｌに、蒸着し
ようとする図示しない工作物又はその他の物体を固定す
る被処理材ホルダー５を装置する．被処理材ホルダー５
及び（又は）これに固定する物体は、最適な表面処理を
保証するために図示しない方法によって可動である．ケ
ーシング２の上部には、陰極７及び適当な電源装置３ｌ
を具備した熱陰極室２９がある．熱陰極室２９は、開口
３０を通して真空室ｌと接続している。

真空室ｌの床には、冷却カラー２３に案内及び保持した
蒸着材料＊４がある．蒸着材料源４は棒状をなし、蒸着
材料の融解蒸発量に応じて補給できる．このために、蒸
着材料源４の下方に送り装置２６を設けている．冷却カ
ラー２３は冷媒管２４と接続した冷媒路２５を具備する
。

ケーシング２には、真空室１内に所期の真空を作るため
の排気口６を取り付けている。陰極室２９の領域には、
反応ガス管８との接続管を設け、これを通しアセチレン
、窒素又は酸素などが送入され、公知の方法で蒸着材料
と化合する。例えば、蒸着材料源４にチタンを用いた場
合、反応ガス管８を通して窒素を送入すると窒化チタン
蒸着膜、アセチレンを送入すると炭化チタン蒸着膜を得
ることができる。これらは工具蒸着に特に適している． 陰極室２９の領域におけるケーシングも冷却路２７を装
備し、冷却管２８を通して冷媒が送られる．設備運転時
は陰極７と蒸着材料源４の表面３２の間に電子ビーム３
が発生し、蒸着材料源４の表面３２を融解させて真空室
ｌ内に蒸発させる。電子ビーム３を案内するため、ケー
シング２に、電子ビーム３の軸１７に平行な磁界を発生
する磁気コイル９及び１０を取り付ける．この磁界を用
いて電子ビーム３を集束し案内する。被処理材ホルダー
５の装着状態並びに蒸着しようとする被処理材又は物体
の形状及び寸法に依存して、コイル９及び１０により生
み出される磁力束が影響され、それによって電子ビーム
３が理論軸ｌ７から変更する。その結果、電子ビーム３
によって作られる蒸着材料源４の表面３２上の焦点が蒸
着材料源４の中心がち外れ、そのために蒸着材料源４が
不均等に融解する．これによって被覆設備の機能及び性
能は著しく損なわれる。一定時間が経過すると、送り装
置２６による蒸着材料源４の補給が中断される。なぜな
らば、蒸着材料源４の表面３２で電子ビーム３により適
切に加熱されない領域に突出したカラーが形成されるか
らである。

本発明による装置においては、上記の障害を避けるため
に、追加の第１の磁気コイルｌ１及び１２と第２の磁気
コイルｌ３及び１４を配置する。これらの磁気コイルは
図示した実施例ではケーシング２の外部で、電子ビーム
３の軸ｌ７にほぼ直角な面に取り付ける．コイルｌ１及
び１２の軸１５及びｌ６は、同一面上で直交する．２個
のコイルｌ１及び１２に導体１８を通して位相が９０゜
ずつ異なる交流電圧を供給することにより、これらの２
個のコイル１１及び１２は回転磁界を発生する。この回
転磁界を用いて電子ビーム３を回転軸３４中心に円運動
若しくは回転運動させる．ｔ子ビーム３の回転運動の結
果、電子ビーム３は蒸着材料源４の表面３２を１カ所の
み照射するのではなく、回転運動によってより広い面積
を照射する． 蒸着材料源４の表面３２が不均等に融解する場合、電子
ビーム３の焦点が表面３２の突出した若しくは陰極７に
近い領域に合うと、融解率又は蒸発率は上昇する．表面
３２の突出した領域は冷却カラー２３からも離れている
ため、十分冷却されない。蒸発率が上昇する結果、真空
室１内でより多量の反応ガスを消費する。

反応ガスの消費量は図１に示す流量計２１で測定し、適
当な偏差を検知する。この流量計２１は図示しない反応
ガス制御設備の一部である。この反応ガス制御設備は、
センサー及び適当な供給装置を通して真空室１内の反応
ガスの濃度を一定に保つ．流量計２１の計測信号は、導
体２２を通して制御装置２０に送られる．その隙、この
制１ｎ装Ｈ２０は２個の磁気コイルｌｌ及びｌ２の交流
電圧も制御する。制御装置２０において、公知の電子回
路を用いて流量信号を磁気コイル１ｌ及びｌ２の交流信
号と一定時間比較し、軸１５及び１６で構成する座標系
のどの位置で高い又は低い蒸発率が発生しているかを検
知する．この検知に基づいて、軸ｌ５及び（又は）１６
上で回転磁界に固定磁界を重ね、電子ビーム３をさらに
偏向させる．その際、電子ビーム３の回転軸３４中心の
回転運動を維持する。

上記の固定磁界の重畳は、磁気コイル１１及びｌ２と平
行に配置した追加の第２の磁気コイル１３及び１４によ
って行う。あるいは、これらの第２磁気コイル１３及び
１４は、第１１気コイル１１及び１２の一部をなす．重
畳用の固定磁界は、制御装置２０から出て導体１９を通
り制御装置２０に送られる直流信号によって発生する．
この位置調節の目的は、電子ビーム３の回転軸３４が蒸
着材料源４の縦軸３３と一致若しくは重なり合うように
、電子ビーム３の位置を調節することである。電子ビー
ム３は回転軸３４中心に回転するためにより大きい表面
積を照射し、融解率を増すことができる。このとき、同
時に蒸着材料源４の全表面３２を均等に加熱する。それ
によって表面３２を最適な水平融解が行われ、突出した
カラーの形成及び片面融解を避けることができる．それ
によって真空蒸着設備の障害発生率は著しく低減し、運
転時間も長くなる。さらに、蒸着材料源４の表面３２に
常に均等な融解及び蒸発条件が実現されるため、蒸着膜
の品質も改善される。

第３図に、蒸着材料源４の表面３２領域における動作の
流れを原理的に示す．軸１７を有する電子ビーム３は、
回転軸３４を中心に矢印３７の方向に半径３６で回転す
る．この場合、電子ビーム３の焦点は１８０°回転する
と表面３２の高い領域３５に合い、蒸着材料源４の材料
がより多量に蒸発する。これは反応ガスの消費量及び制
御装置２０を通して検知され、対応する直流信号が導体
１９を通してコイル１３及びｌ４のいずれか一方又は両
方に送られ、固定磁界を生み出す．固定磁界は電子ビー
ム３若しくはその回転軸３４を矢印３８の方向に移動さ
れる。

被覆プロセスが静止状態に達すると、回転軸３４が蒸着
材料源４の軸３３と一致し、電子ビーム３が回転運動に
よって全表面３２を均等に照射するように全調節プロセ
スが作動する．図示した例において、蒸着材料源４の直
径は約４０ｍであり、蒸着材料源４の軸３３に対する電
子ビーム軸１７の移動は最大約２０一である．回転電子
ビーム３が回転軸３４を中心に１分間に約４回転するよ
うに形成するのが合理的である． 〔発明の効果〕 本発明の方法により、被処理材又は被処理材ホルダーの
使用することにより電子ビームが最適位置から偏向する
表面処理設備の自動制御が可能となる． 本発明の方法及び装置は自動制御式であるため、他の被
処理材を用いたり被処理材ホルダー領域における配置を
変更する場合も、切り替えの必要がない． また、ｌ軸中心に回転する電子ビームにより、比較的小
さい直径の電子ビームで、蒸着材料源の全表面を照射す
ることができ、均等な融解及び蒸発率を得ることができ
．る。

さらに、本発明の方式により、蒸着材料源を融解率又は
蒸発率に応じて連続的に補給することも可能である．こ
れにより、１回の工程時間が長くなり、蒸着材料を補充
するための中断時間が短縮される。また、１作業周期当
たり著しく多縫の蒸着材料を蒸発させ、被処理材に付着
させることができる。従って、本発明による方法及び装
置により設備の経済的な運転が可能となり、十分加熱さ
れない蒸着材料源周縁部と反応ガスとの化合物を防止で
きるため蒸着膜の品質が向上する．

【図面の簡単な説明】

第１図は、発明による真空蒸着設備の概念的縦断面図、 第２図は、第１図による真空蒸着設備の真空室の概念的
横断面図、そして、 第３図は、蒸着材料源の運動と軸の原理的方式を示す． ＦＩＧ．１ 〔符号の説明〕 １・・・真空室、２・・・ケーシング、３・・・電子ビ
ーム、４・・・材料源、５・・・被処理財ホルダ、６・
・・排気口、７・・・陰極、８・・・反応ガス管、９．
１０・・・磁気コイル、１１．　１２・・・第１の磁気
コイル、１３．　１４・・・第２の磁気コイル、１５．
　１６・・・第１および第２の磁気コイルの軸、ｌ７・
・・電子ビーム軸、１Ｂ，　１９．　　２　２・・・導
体、２０・・・制御装置、２ｌ・・・流量計、２３・・
・冷却カラー２４・・・冷媒管、２５・・・冷却路、２
６・・・送り装置、２７・・・冷却路、２８・・・冷却
管、２９・・・熱陰極室、３０・・・開口、３１・・・
電源装置、３２・・・材料の表面、３３・・・材料の縦
軸、３４・・・電子ビームの軸の回転軸、３５・・・材
料の表面の高い領域、３６・・・電子ビームの軸の回転
半径、３７・・・電子ビームの軸の回転方向、３８・・
・電子ビームの回転軸の移動方向。 ！ ｎ） （コ Ｕ一 −３５７一

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空室内で電子ビームを陰極から蒸着材料源に導き
   、そこで焦点を合わせ、蒸着材料源の表面を加熱融解さ
   せ、融解の程度に応じて蒸着材料源を補給する真空蒸着
   設備における電子ビームの位置調節法において、電子ビ
   ーム軸にほぼ直角に磁界を発生し、この磁界を電子ビー
   ム軸にほぼ直角な面で電子ビーム軸中心に回転させ、こ
   の磁界によって電子ビームを電子ビーム軸とほぼ平行な
   軸中心に回転運動させ、蒸着材料の蒸発率の変化を計測
   して蒸発率に基づき回転運動軸を蒸着材料源軸と一致さ
   せることを特徴とする電子ビームの位置調節方法。 ２、前記蒸着材料の蒸発率は、真空室に送入する反応ガ
   スの消費量の変動を通して間接的に計測されることを特
   徴とする請求項１に記載の電子ビームの位置調節方法。 ３、前記回転運動軸を移動させるために、該回転運動軸
   とほぼ直角に追加の固定磁界を発生し、この固定磁界の
   作用によって電子ビームを移動させることを特徴とする
   請求項１又は２に記載の電子ビームの位置調節方法。 ４、前記回転磁界は、互いに交差する２個の交番磁界に
   よって発生され、該２個の磁界の交番作用は、互いに９
   ０°ずつ位相を異にして発生されることを特徴とする請
   求項１〜３のいずれか一つに記載の電子ビームの位置調
   節方法。 ５、前記回転磁界は交流によって発生され、前記固定磁
   界は直流によって発生されることを特徴とする請求項１
   〜４のいずれかに記載の電子ビームの位置調節方法。 ６、前記蒸発率に基づく計測信号と、前記回転運動を生
   み出す磁界の電源電流の交流電圧信号とを比較し、この
   比較に基づいて、前記電子ビームを移動させる修正に必
   要な前記直流電圧信号を発生し、前記交流の電圧信号に
   重ねることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載
   の電子ビームの位置調節方法。 ７、電子ビーム（３）の領域内のある面に２個の第１の
   磁気コイル（１１、１２）を配置し、これらの磁気コイ
   ル（１１、１２）の軸（１５、１６）が相互にほぼ直角
   であり、、且つ、それぞれ電子ビーム（３）の軸（１７
   ）とほぼ直角であり、これらの２個の第１の磁気コイル
   （１１、１２）が各々１個の交流電源（１８）を具備し
   、前記第１の磁気コイル（１１、１２）の各々に平行又
   は一体に第２の磁気コイル（１３、１４）を配置し、こ
   れらの平行な第２の磁気コイル（１３、１４）が各々１
   個の直流電源（１９）を具備することを特徴とする請求
   項１に記載の方法を実施するための電子ビームの位置調
   節装置。 ８、前記２個の第１の磁気コイル（１１、１２）の電源
   電圧が、互いに９０°ずつ位相が異なることを特徴とす
   る請求項７に記載の電子ビームの位置調節装置。 ９、前記２個の第１の磁気コイル（１１、１２）の一方
   と、前記２個の第２の磁気コイル（１３、１４）の一方
   、および、前記２個の第１の磁気コイル（１１、１２）
   の他方と、前記２個の第２の磁気コイル（１３、１４）
   の他方とは、各々、前記直流電圧を前記交流電圧に重ね
   たものによって励磁される、１つの磁気コイルで形成す
   ることを特徴とする請求項７又は８に記載の電子ビーム
   の位置調節装置。 １０、前記真空室（１）に送入した反応ガスの流量計（
   ２１）と、 該流量計（２１）に接続し、前記第２の磁気コイル（１
   ３、１４）の直流電圧を制御する制御装置（２０）とを
   具備し、 前記流量計（２１）は、前記制御装置（２０）と接続し
   、制御信号トランスミッターを形成することを特徴とす
   る請求項７〜９のいずれかに記載の電子ビームの位置調
   節装置。