JPH07502861A - 加熱により製造された材料蒸気のイオン化方法及び該方法を実施する装置 - 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】 加熱により製造された材料蒸気のイオン化方法及び該方法を実施する装置本発明 の対象は、減圧で加熱により製造された材料蒸気のイオン化方法及び該方法を実 施する装置である。

蒸気相から基材を被覆する際にイオン化された材料蒸気を使用すると、多くの層 特性が明らかに改善されることは、一般に知られている。特に、プラズマ法及び イオン法の使用によって、基材表面への被覆の密着性の増強及び層構造のいっそ うのコンパクト化を達成することができる。さらに、反応性被覆法を実施する可 能性もある。

イオン化された材料蒸気を得るには、放電が使用される。これは、物理的観点か らグロー放電とアーク放電とに類別される。

カッ−トスバッタリング（スパッタリング）は、グロー放電に属する。アーク放 電の場合、米国特許第３．５６２．１４１号による中空陰極又は米国特許第４． １９７．１７５号による白熱陰極を用いるプロセスガスと関係した放電並びに米 国特許第４．５６３．２６２号による自己消耗性（ｓｅｌｂｓｔｖｅｒｚｅｈｒ ｅｎｄ）陰極又は米国特許第４．９１７．７８６号による自己消耗性陰極及び自 己消耗性陰極を用いる真空アーク放電が類別される。

さらに、ドイツ特許出願第４０４２３３７号明細書から、イオン化度を制御して 設定しつる真空アーク放電が知られている。該明細書に記載されているイオン化 度の制御方法では、蒸発度及びイオン化度は、著しく相互に関係している。さら に、該明細書に記載されているイオン化度の制御は、真空中での機械的運動を必 要とする。

前記の方法はすへて、特殊な操作方法で蒸発材料を設置しなければならない点で 共通である。従来の加熱蒸発器は、前記方法の構成要素ではない。これには、抵 抗加熱又は誘導加熱るつぼ又は蒸発器コイル及び電子線を用いる材料蒸発装置が 挙げられる。加熱蒸発器によって製造された材料蒸気は、イオン化されていない 。この材料蒸気のイオン化については既に若干の方法が知られている。

ドイツ特許出願第３９３１５６５号は、加熱によって製造された蒸気に、ガス状 出発物質のイオン、すなわち、輿望的にはアルゴン又は窒素のイオンを添加する 方法を開示している。これらのイオンは、別のイオン源で作製される。したがっ て、この方法は、材料蒸気のイオン化ではなく、ガス状出発物質のイオンが添加 されている材料蒸気に関するものである。

米国特許第４．０３９．４１６号及び米国特許第４．３４２．６３１号には、加 熱蒸発（誘導加熱又は抵抗加熱）によって材料蒸気を製造するイオン化材料蒸気 の製造方法が記載されている。被覆すべき材料の周囲における材料蒸気のイオン 化は、高周波電磁波（ＲＦ−加熱）を組み入れることによって行われる。この方 法の利点は、プロセスガスを使用することなく、材料蒸気の純粋なプラズマが生 成することである。しかし、ＲＦ−放電は、特に比較的大きい工業的規模では制 御しがたく、障害電波を避けるために遮蔽手段を必要とする。

さらに、米国特許第３．７５６．１９３号及び米国特許第４．４６１．６８９号 から、電子線によって加熱製造された材料蒸気を直流−グロー放電によってイオ ン化する方法が知られている。このグロー放電を維持するには、材料蒸気にプロ セスガスを添加しなければならない。この“イオンブレーティングと言われる方 法の原理は、米国特許第３．３２９．６０１号に最初に記載された。

イオンブレーティングにおいては、この方法が実際には実験室規模に限定される ことか欠点である。直流−グロー放電においては、蒸発装置又は基材表面積の大 きさが増加するに従って、アーク放電に転換される傾向が著しく増大する。装置 か臨界的大きさである場合、従って放電電流が臨界値以上である場合には、常に 、アーク放電がグロー放電より優れた放電形式である。アーク放電への転換は、 蒸気源又は基材に著しい障害を及はすことがある。さらに、高電圧の使用及びし ばしば被覆の品質に悪影響を及ぼすプロセスガスの使用が不都合である。

米国特許第４．４４８．８０２号には、電子線で蒸発させた材料を低電圧アーク を用いてイオン化する方法が記載されている。この低電圧アークは、プロセスガ スと関係しており、蒸発材料を入れたるつぼと白熱陰極との間で作動される。こ の白熱陰極は、陰極領域で必要なプロセスガス圧を、加圧工程として設けられた 開口部を介して蒸発室と結合されている別の陰極室内に置かれる。操作技術的に 必要なプロセスガスを使用すると、このプロセスガスが層形成の際にしばしば好 ましくない作用を及ぼす。

従って、本発明の技術的課題は、従来の加熱蒸発器で製造される材料蒸気をイオ ン化し、その際、前記の欠点、例えば、プロセスガスの使用、高周波電磁波の組 入れ及び高電圧の使用を回避し、既存の加熱蒸発装置に容易に一体化でき、大き い工業的規模に設定しつる方法を開発することである。

この技術的課題は、材料蒸気を自己消耗性冷陰極３．４の陰極点６からの電子に さらし、その際加熱蒸発装置７を陽極として接続して、陰極３．４と陽極７との 間に真空アーク放電を生じさせることを特徴とする減圧加熱で製造された材料蒸 気のイオン化方法によって解決される。好ましい実施態様では、陰極点から出る プラズマ流は、陰極を包囲する壁１０によって加熱蒸発装置７から遮蔽されてい る（図Ｉ参照）。

別の好ましい実施態様では、陰極で製造されたプラズマ流を、遮蔽する壁１０の 方向に向ける。壁１０を補助陽極として接続することができる。

本発明は、さらに、上記方法を実施する装置に（図１）に関し、該装置において 、減圧室ｌ内には、自己消耗性冷陰極上に陰極点を作るため上に陰極材料４を載 置した冷却可能な陰極保持部材３、陽極として接続された材料蒸発系７．８．９ 及び陰極を包囲する補助陽極として接続され、陰極に向き合って開口部を有する 壁ＩＯが配設されている。陰極には点火装置５が設置されている。

好ましい実施態様においては、イオン化された材料蒸気で被覆すべき材料１１が 減圧室ｌ内に設置され、この材料は摺動可能なブラインド１５で覆うことができ る。

本発明による方法を以下に詳細に説明する。

供給装置１３の接続後、点火機構５を介して陰極材料４上に陰極点６が作られる 。陰極４と補助陽極として接続された壁１０との間に補助アークが生じる。同時 に、加熱蒸発系７はエネルギー供給装置９によって作動され、その結果、蒸発装 置と結合された材料か蒸発できる。蒸発系７は、主陽極として接続され、抵抗１ ２を介して電圧降下するため常に補助陽極１０より高い正電位にある。従って、 領域１４から電子が蒸発系７へ加速される。これらの電子は、非弾性衝突によっ で、蒸発系７から流出する材料蒸気をイオン化して、特に７の周囲の蒸気密度の 高い範囲で強い陽極プラズマを生成する。このプラズマのイオン化は、主として 領域１４における電子の調製によって影響される、すなわち、陰極プラズマ流に おける帯電粒子密度によって影響される。

蒸発系７で充分に高度にイオン化されると、陰極４と陽極７との間で自然にアー ク放電が起こる。その際、領域１４には“電子供給体”の機能が与えられている 。従って、領域１４を“実質上の陰極”とみなすこともできる。７の周囲のプラ ズマ雲から流出するプラズマは、被覆の目的に利用することができる。プロセス ガスを使用しないので、材料蒸気のイオン化は、蒸発系から大きい距離（約１ｍ ）まで維持される。陰極４と陽極７との間にアークを形成した後、加熱蒸発系７ のエネルギー供給装置９の調節によって蒸発度を、また、供給装置１３の調節に よってイオン化度を実際に相互に独立して設定することができる。その際、蒸発 系７上に当たる電子によって蒸発材料の付加的加熱が行われる。前記の操作パラ メータを蒸発度及びイオン化度に関して達成した後、基材１１を覆っている摺動 可能なブラインド１５を除去してから、製造されたプラズマによる基材１１の被 覆を行うことができる。

被覆工程の間、蒸発度及びイオン化を一定のプログラムにしたがって制御し、変 更することができる。プロセスガスを使用しないので、層の成長も妨害されない 。

加熱蒸発装置７の周囲で生成するイオンは、バイアス電圧の印加によって加速す ることができる。イオンの基材方向への加速は、電導性並びに非電導性基材につ いて可能である〔エイチ、エーリソヒ（比Ｅｈｒｉｃｈ）ら著、“ＩＥＥＥ−ト ランザクションズ・オン・プラズマ・サイエンス（ＩＥＥＥ−Ｔｒａｎｓａｃｔ ｉｏｎｓ　ｏｎ　ＰｌａｓｍａＳｃｉｅｎｃｅ　）、１８巻、ＮＱ６．８９５頁 参照、１９９０年１２月り。

蒸発系７て蒸発材料が消費された後、領域１４と壁１０及び加熱蒸発装置７の間 にプラズマがもはや存在しないので、アークは自然に消失する。消費された蒸発 材料は、被覆工程の間に蒸発系７に供給することができる。陰極３．４は、その 幾何学的形状及び寸法並びに材料に関して極めて柔軟に構成することがてき、陰 極の長い寿命並びにアークの安全な動作が達成される。

本発明方法は、従来の加熱蒸発器で製造された材料蒸気をイオン化し、その際こ の材料蒸気のイオン化を制御設定できると同時に、イオン化度とは独立に蒸発度 を設定することができる。材料蒸気の汚染は、陰極のカバーによって回避される 。

プロセスガスを使用せずに、高電圧及び高周波を適用することができる。

本発明方法は、既存の真空−蒸発装置を転用することによって低コストに実施す ることができる。本発明方法は、大きい工業的規模で使用することができ、特に イオン化度及び蒸発度の独立制御が可能である点で、従来法より優れている。

すなわち、本発明方法は、蒸気の製造と蒸気のイオン化を充分に引き離したもの である（ｅｎｔｋｏｐｐｅｌｎ）。蒸発系７による蒸発速度は、主として供給装 置９からのエネルギー供給によって決定され、イオン化は、陰極４と陽極７の間 のアークで流れるアーク電流によって調節される。さらに、“実質上の陰極１４ ″によるアーク動作は、陰極４及び陽極７による材料流の引き離しくＥｎｔｋｏ ｐｐｅｌｕｎｇ）を保証する。この引き離しは、陰極４及び陽極７に異なる材料 が使用される限り、陽極７から流出するプラズマか陰極材料で汚染されるのを防 止する。アークにおける電流の流れは、陰極プラズマ及び陽極プラズマが接触し 、これにより電極間に電導性結合か作られ、維持されることにより維持される。

これらの利点は、特に、自動化された工程の経過に関して大きい工業的規模で有 利である。

図１は、本発明方法を実施する装置を示すものである。

図示されている減圧室１は、ポンプ接続管２を介して排気可能である。減圧室に は、これによって電気的に絶縁されているのであるが、冷却可能な陰極保持部材 ３が設置されており、この陰極保持部材は、その前端で陰極材料４を保持してい る。点火装置５を用いて陰極の動作面上に陰極点６を作ることができ、この陰極 点は公知方法で陰極動作面範囲に固定される。その公知方法には、磁場の使用（ 米国特許第４．５５１．２２１号による）又は適切な材料による動作面の限定（ ドイツ特許出願第４０４２３３７号による）がある。

減圧室は、さらに加熱蒸発系７．８．９を含み、これは図１に電気的に絶縁され たブッシング８を介して電気的供給装置９と結合されている蒸発器コイル７とし て例示されている。図１に例示した蒸発器コイル７の代わりに、任意の公知加熱 蒸発系、例えば、抵抗加熱又は誘導加熱るつぼ及び電子線又はレーザーで加熱さ れる材料を使用することができる。

陰極４は、壁１０によって包囲されており、この壁土では陰極点６によって陰極 材料４から溶出した材料が凝縮される。壁ＩＯは、陰極点６から溶出した材料が 蒸気器７及び基材１．１から離れて保持され、陽極あるいは被覆すべき材料１１ が陰極材料で汚染されないように構成されている。

さらに、壁１０又はその一部は、補助陽極としてアーク放電の点火及び維持に役 立つ。さらに、壁１０は減圧室によって電気的に絶縁されて配設されており、好 ましくは０３〜１オームの抵抗１２を介してアーク供給装置１３の正のアウトレ ットと結合されている。壁ＩＯを減圧室ｌと電気的に結合することもできる。

この場合には、抵抗１２はアーク供給装置１３の正のアウトレットを減圧室と結 合する。

壁ｌＯは、陰極点６から出発するプラズマ流が開口を通って減圧室の領域１４に 達し、ここで陰極点から出発するプラズマ流と蒸発器から出発する材料流が出会 うように構成されている。

ブラインド１５は、オン−オフ工程によって被覆すべき基材１１の隠蔽（Ａｂｓ ｃｈａｔｔｕｎｇ　）を可能にする。

本発明方法を実施する際には、場合によっては、供給装置９．１３が相互に影響 することに注意すべきである。この影響は、供給装置の間に適切な電気的接続手 段を設けることによって回避することができる。この接続手段の必要性及び種類 は、供給装置９．１３に適用された、供給電圧の作製原理に左右される。

本発明方法及び該方法を実施する本発明の装置は、特に、イオン化された材料蒸 気で表面を真空中で被覆するために使用することができる。

国際調査報告　、、、Ｔ／Ｃ０゜ｔｚｎｎｎｎ。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．材料蒸気を自己消耗性冷陰極（３、４）の陰極点（６）からの電子にさらし 、その際、加熱蒸発装置（７）を陽極として接続して、陰極（３、４）と陽極（ ７）との間に真空アーク放電を形成させることを特徴とする減圧加熱により製造 された材料蒸気のイオン化方法。
2. ２．陰極点から出発するプラズマ流を、陰極を包囲する壁（１０）によって加熱 蒸発装置（７）から遮蔽することを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。
3. ３．プラズマ流を遮蔽壁（１０）の方向に向けることを特徴とする請求の範囲第 １項又は第２項記載の方法。
4. ４．壁（１０）を補助陽極として接続することを特徴とする請求の範囲第１項〜 第３項記載の方法。
5. ５．減圧室（１）内に自己消耗性冷陰極上に陰極点を作るため陰極材料（４）を 上に載置した冷却可能な陰極保持部材（３）、陽極として接続された加熱材料蒸 発系（７、８、９）及び陰極を包囲し、補助陽極として接続され、陰極に向き合 って開口部を有する壁（１０）が配設されている請求の範囲第１項〜第４項記載 の方法を実施する装置。
6. ６．陰極に点火装置（５）が設置されていることを特徴とする請求の範囲第５項 記載の装置。
7. ７．減圧室（１）内にイオン化された材料蒸気で被覆すべき材料（１１）が配設 されていることを特徴とする請求の範囲第５項又は第６項記載の装置。