JPH08505434A - プラズマ補助高速電子ビーム蒸発用の装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 １．プラズマ補助高速電子ビーム蒸発用の装置。２．１ 真空被覆中のプラズマ作用により、そして、特に、スパッタリングの場合に、より良好な被膜特性を得ることは公知である。蒸発の場合は、ずっと高い被覆速度が得られるが、高プラズマ密度の場合は、電子ビームのより顕著な分散に至り、出力密度が低減する。２．２ 本発明によれば、支持体の領域に、プラズマ源、好ましくは、中空の陰極アーク光源が位置する。蒸発装置と、支持体間には、磁界発生装置が位置し、高プラズマ密度領域が、磁界により、蒸発器及び電子ビームから分離されている。この磁界の周辺磁力線は、支持体に向かって湾曲したアークに沿って走る。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称 プラズマ補助高速電子ビーム蒸発用の装置技術分野 本発明は、プラズマ補助高速電子ビーム蒸発用の装置に関し、好ましくは細片 状及び板状の支持体上への化合物の被膜の蒸着用の該装置に関する。適用の典型 的な分野は、プラスチックフィルムに、包装産業用のバリヤ層、日除けフィルム もしくはホイル用の引っかき傷の付かない被膜、又は熱吸収用フィルムもしくは ホイル用の選択的に反射する被膜を蒸着することである。他の用途は、装飾用及 び防食用の金属細片の被覆の場合や、引っかき傷の付かない又は選択的な反射性 を有する表面を得るためのプラスチック又はガラス板の被覆の場合に生じる。し かし、より良い被膜特性は、異なる支持体上に金属被膜を蒸着する場合の付加的 プラズマ作用の結果でもある。特に、被膜のより高い充填密度を得ることが可能 であり、したがって、機械的、光学的、かつ電気的特性を改善することができる 。背景技術 真空被覆でのプラズマ作用の結果、改善された被膜特性が得られうることは公 知である。例えば、スパッタリングは、当然プラズマ作用中行われるが、一般に 、蒸発のときよりも、良好な被膜特性を得ることができる。しかし、スパッタリ ング中の被覆速度は、比 較的低く、多くの用途に取っては不十分である。蒸発法を用いることにより、よ りいっそうの高速を達成することが可能である。 プラズマ補助蒸発の場合に、スパッタリングを用いて得られる被膜特性と同様 の被膜特性が得ることは公知である。同様に、蒸着された材料については、プラ ズマあるいはプラズマから抽出されたイオンが支持体に作用させられる。プラズ マは、別途発生させられた低エネルギー電子ビームにより蒸気ゾーンをイオン化 することにより、あるいは蒸発器と支持体間の独立の放電を点火することにより 発生させられる（Schiller，S.，Heisig，U.，Panzer，S.，Elekronenstrahltec hnologie，VEB Verlag Technik，Berlin，1976，p．187ff and p．136ff）。 最高速の被覆速度、即ち、最低の被覆コストが高速電子ビーム蒸発により達成 可能である。金属の蒸着中、５０μｍ／ｓまでの被覆速度を得ることができるが 、また、化合物を蒸着するときは、数μｍ／ｓの被覆速度を得ることが可能であ る。付加的にプラズマ作用を用いて、被膜特性について良い結果をそのような高 速で得ようと思ったら、支持体上に対応する高いプラズマ密度が要求される。高 プラズマ密度は、例えは、それ自体公知のアーク放電により発生させることがで きる。しかし、現在までのところ、支持体上に、同時に高蒸発速度及び高プラズ マ密度を実現することは不可能であった。高プラズマ密度は、蒸発に必要とされ る電子ビームの顕著な拡散又は分散をもたらすの で、高速の蒸発に必要とされる出力密度を達成することはできない。 また、電子ビームに加えて、蒸発器るつぼ中で、プラズマアーク放電を燃やせ るようにするのも公知である（Moll、E.，Buhl，R.，Pulker，H.K.，Bergmann， E.，Activated Reactive Ion Plating Surface and Coatings Technology 39/40 （1989）pp．475-486）。しかし、この付加的な蒸発器加熱では、純粋に高速な 電子ビーム蒸発により得られる被覆速度には至らない。さらに、この方法は、導 電性材料の蒸発に適しているのみで、絶縁化合物を蒸発するのには、適していな い。さらに、プラズマ作用は、蒸発器るつぼの近く、かつ支持体の近くでないと ころで生じるのが好ましい。発明の開示 本発明の課題は、高速電子ビーム蒸発の高速蒸発速度を維持しながら、被覆さ れるべき支持体の近くで高密度プラズマを作用させることを可能にするプラズマ 補助高速電子ビーム蒸発用の装置を提供することである。さらに、必要な高密度 プラズマによる電子ビームの許容不可能な拡散及び出力密度作用が回避される。 本発明によれば、この課題は請求の範囲第１項の特徴により解決される。該装 置の更なる展開は、従属項に記載されている。 本発明の装置の構成、即ち、磁界発生装置の極片又は磁極片の幾何学的配置及 び構成、支持体の空間的な組み合わせ、中空の陰極アーク光源、ならびに磁界の 結果として、支持体表面への最大プラズマ作用がありながら、支持体は熱による 損傷を受けないような仕方で、最高プラズマ密度の領域及び支持体表面間の間隔 を調節することが可能である。 高プラズマ密度領域と蒸発器間にシールド状に配された磁界の最大磁界強度（ 最大の磁界の強さ）、即ち、１〜１０ｋＡ／ｍ、好ましくは、２〜５ｋＡ／ｍの 電子ビームを選択することが適当であることが分かった。より小さい磁界強度は 、不十分な分離をもたらすことがあり、他方、より高い磁界強度は、電子ビーム の望ましくない強度の偏向をもたらすことがある。 それ自体公知の磁気トラップを用いることが、磁界を発生させるのにそして電 子ビームを誘導するのに特に有利である。この磁気トラップは、蒸発器るつぼの 両側に磁極片を有する磁気装置であるが、後者上に、全体が水平な磁界を発生さ せ、それを通して、蒸発材料上の後方散乱した電子が、被覆されるべき支持体に 届かないようにされる。電子ビームは、磁力線の方向と略垂直にあるいは磁力線 に抗して、水平の磁界に注入される（東ドイツ特許第５５ １５４号、６４ １ ０７号、及び２０４ ９４７号）。本発明による磁気プラズマ遮蔽と後方散乱電 子に対する磁気トラップの組み合わせは、特に有利である。なぜならば、支持体 表面上の最大プラズマ密度を得たいために、そしてそれと組み合わされる支持体 上の熱作用があるために、蒸発器上の後方散乱した電子による付加的なストレス が望ましくないからである。 支持体表面の近傍で高プラズマ密度領域を発生させるために、特に有利に、中 空の陰極アーク光源を用いることが可能である。これにより、１０¹¹及び１０¹² ｃｍ³間の高速電子ビーム蒸発に適合した電荷密度を達成することが可能になる 。放電アークには、磁界の同質の周辺領域中の磁力線の経路にしたがい、反対の 磁極片に配されたアーク光源の陽極を撃つ。磁界の非同質の周辺領域中の磁力線 の曲率の結果として、放電アークは、支持体の方向に外向きの曲率を有する。放 電アークは、曲がった磁力線に沿って、明確に限定された仕方で、案内され、制 御不能なアーク経路、したがって、放電アークの支持体又は蒸発室の他の部分上 への望ましくない直接の衝撃が避けられる。 より大きい支持体の均一な被覆のために、放電アークを中空の陰極から支持体 表面に平行な平面へのアークの出口の場所で、交番磁界を通る扇形に広げるのが 適切である。偏向周波数は、支持体上に形成される層の各ポイントが放電アーク により数回掃引されるように選択されなければならない。非常に広い支持体の場 合は、幾つかの中空の陰極を、磁界を発生させる一つの磁極片に沿って、並置す るように配設し、共通に対応して長い陽極を対抗する磁極片の前に置くようにす ることが有利である。ここでまた、アークの方向に垂直なプラズマゾーンの高度 の均一性を得るために、磁界を支持体方向に平行な扇状に交番することにより、 中空の陰極の個別の放電アークを偏向させることが適当である。 金属被覆の蒸着中に、水冷銅板が、中空陰極放電の陽極として有利であること が分かった。金属の反応性蒸発により、あるいは、非常に短い時間のあとで、絶 縁化合物を直接蒸発させることにより絶縁層を蒸着するときには、陽極が絶縁被 膜で覆われてしまう。この場合、いずれにせよ、絶縁被覆の蒸着に必要な反応性 気体が、陽極中の穴を介してプラズマゾーンに入れるようにすることが適切であ る。これで、第一に、この反応性気体の強いイオン化と励起が得られ、第二に、 これらの孔の直ぐ近くで、気体の流れが、絶縁被膜の結露を低減させ、その結果 、アーク放電が、ずっと長い期間機能する。第２の効果は、反応性気体の代わり に、不活性気体を導入することによっても、達成可能である。蒸気遮蔽が、プレ ート状の陽極と蒸発器間に置かれるか、そして／あるいは陽極を蒸気ジェットに 対して傾けることにより、陽極表面の直接の蒸着を避ければ、運転時間の更なる 増大が得られる。陽極上の絶縁被膜を回避するもう一つの可能性は、陽極を、再 蒸発の結果、絶縁被膜が全く蒸着しないような程度に、陽極を加熱することであ る。最も簡単な場合、加熱は、陽極を耐熱性材料で作り、熱的に絶縁された状態 に維持することにより、行われ、その結果、中空の陰極放電から衝突する電子に より、それが必要な温度まで加熱される。陽極を個別の、好ましくは、Ｗ、Ｔａ 又はＭｏの棒で作り、放射遮蔽板を陽極棒の背後に置くことが有利である。棒に 沿っての熱伝導の結果、陽極上の広い範囲が加熱され、被覆されないよう に維持されるので、プラズマゾーンが広がり、幾つかの並置された中空陰極の場 合は、連続的な被覆されない陽極が得られる。放射遮蔽板の結果として、所定の アーク容量の場合、最大の陽極棒加熱が得られる。極端に高い蒸発速度及び特に 臨界的な蒸発材料の場合、陽極の被覆が依然として生じれば、その時は、電流通 路により、陽極をさらに加熱することが適切である。この場合、電流により生じ る外部磁界が、許容できないほど放電アークに影響しないように電流を陽極に通 すことが必要である。 有利な展開においては、電流は、並列に配された、好ましくは、Ｗ、Ｔａ又は Ｍｏから製造された加熱棒を、曲がりくねって、流れることができるようにし、 その背後に、放射遮蔽板を設けられる。さらに別の有利な態様では、陽極は、連 続的にアーク方向に配された２つのプレート又は棒格子から製造され、その中を いずれの場合も電流が逆方向に流れる。また、外部に流れるアーク電流が、中空 の陰極アークの領域に妨害磁界を発生させないように陽極と陽極リード線を接触 させることも適切である。図面の簡単な説明 本発明を添付の図面と２つの実施例により、さらに詳細に説明する。 図１は、電子ビームの直接の注入を伴う、平板な支持体用の蒸発器の断面である 。 図２は、条片状の支持体用の磁気トラップを有する蒸発器の断面である。発明を実施する最良の形態 図１に示される本発明の装置は、蒸発器１と、その上方に傾けて置かれる電子 銃２、蒸発器１の上方に置かれ、被覆されるべく、蒸発器１の上方で紙面の平面 に対して垂直に動かされる板状の支持体３から成る。電子銃２は、電子ビーム４ が、蒸発器の内部に位置する蒸発材料５上に斜めに衝突し、公知の仕方でその上 に偏向させることが可能なように図示しない真空室にフランジで接続される。蒸 発材料は、Ａｌ₂Ｏ₃である。蒸発器１の上方及びその両側には、対向する磁極片 ６が、紙面に垂直に延在する磁界７が得られ、その磁力線が主として支持体３に 平行になるように設けられる。磁界７の中央及び下部領域の最大磁界強度は、２ ｋＡ／ｍである。磁界７の上方の、非同質の周辺領域では、左手の磁極片６の開 口部に位置する幾つかの並置された中空の陰極９により、高密度のプラズマ８の ゾーンが発生させられる。（ただ一つの中空の陰極９が示され、他の陰極は、図 の平面の上流及び下流にそれと平行に位置している。）右手の磁極片６の内側に は、蒸気ビーム１０に対して傾斜して、前記幾つかの中空の陰極９に応じてのび る水冷の陽極１１が設けられている。陽極１１は、反応性気体Ｏ₂、陰極１１の 後ろ側から高密度プラズマ８の領域まで導入される孔１２を有する。陽極１１は 、絶縁体１３により固定され、従来の仕方で、中空の陰極９用の電源手段に接続 している。中空の陰極９からは、並列の放電アーク１４が陽極１１まで燃えてお り、それは、支持体 ３に向かって湾曲している。これらの放電アーク１４は、高密度プラズマ８の領 域を形成する。管状の放電アーク１４の限定された横方向の広がりにも関わらず 、全支持体上に、一様なプラズマ作用があるように、被覆中に、該支持体が、放 電アーク１４に対して垂直に動かされる。 図２は、プラスチックフイルム１５を被覆するためのそれ自体公知の蒸発器を 示し、該フィルムは、蒸発ゾーンを通って、冷却ローラ１６上を通過する。蒸発 材料５は、ＳｉＯ_xの管であり、それは、常に、その長手の軸の回りを回転して いる。電子ビーム４は、図示しない電子銃により、発生させられ、蒸発ゾーンに 水平に注入され、前記管上をその長手の軸に平行に直線的に移動させられ、蒸発 線１７が形成されるように、曲げられ、偏向させられる。必要な磁界を発生させ るためには、それ自体公知の磁気トラップ１８が、磁界７が、磁極片６間に、磁 気コイル１９により形成されるように、位置せしめられる。磁界７は、蒸発材料 ５の後方に散乱する電子が熱感受性のフィルム１５に届かないのを確実にするた めに、最大磁界強度５ｋＡ／ｍを有する。管状の蒸発材料５は、被覆されるべき フィルム１５の全体の幅に亘って広がっている。全体のフィルム幅上の均一な蒸 着は、蒸発材料５の表面上の蒸発線１７に沿う電子ビーム４のプログラム制御さ れた偏向により、確実にされる。 磁極片６により発生させられる磁界７は、少なくとも図面の平面に対して垂直 な同じ広がりを有してい る。幾つかの中空の陰極９は、左手の磁極片６の上方に、フィルム幅に亘って並 置される。好適なコイル２０により、交番する磁界が、各中空の陰極９に発生し 、これが、フィルムの面に平行な、即ち、図面の平面に垂直な特定の放電アーク １４の扇状の偏向をもたらす。 並置された中空の陰極９の間隔の逆数、したがって、フィルム幅あたりのそれ らの数は、プラズマ作用の均一性に対する要求によって決まる。図面の平面に対 して垂直に扇状に広がり、互いにオーバーラップする個別の放電アーク１４は、 反対側の磁極片６上に位置し、全フィルム幅に亘って広がっている陽極１１まで 燃えている。陽極１１は、幾つかの、格子状の、熱的に絶縁された固定タングス テン棒２１からなり、それらの棒の背後には、加熱用ビーム反射性放射遮蔽板２ ２が位置する。タングステン棒２１は、図示しない絶縁体により磁極片６に固定 され、中空の陰極９の電源手段に接続されている。陽極１１の扇状の表面は、蒸 気ジェットの方向に対して傾斜しており、蒸気遮蔽２３により、直接の蒸着に対 して保護されている。 全ての場合において、プラズマが、磁界７をバイパスあるいは迂回することに より、電子ビーム４に影響しないことを確実にするため、好適な手段が設けられ なければならない。シールド２４は、この目的のため設けられ、放電アーク１４ からの電子又はイオンが、他の仕方で電子ビーム４の領域に入ってこれないよう に位置せしめられる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 モルグネル ヘンリ ドイツ連邦共和国 デー―01257 ドレス デン アム ホーフェガルテン ６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．プラズマ補助高速電子ビーム蒸発用の装置であって、補助電子銃を有する蒸 発器と、高密度のプラズマを発生させるプラズマ源を備えて成る装置において、 前記プラズマ源は、被覆されるべき支持体（３、１５）の直ぐ近傍に位置し、磁 極片（６）を有する磁界発生装置は、高プラズマ密度領域が、蒸発材料（５）と それに作用する電子ビーム（４）から、主として支持体（３、１５）に平行に配 列された磁界発生装置の磁界（７）によって、分離されており、支持体（３、１ ５）に向かって湾曲する弧の磁界（７）の周辺の磁力線に沿って案内されるよう に、蒸発器（１）と支持体（３、１５）間に位置せしめられることを特徴とする 装置。 ２．前記磁界発生装置は、高プラズマ密度領域と蒸発器（１）又は電子ビーム（ ４）間の磁界（７）の最大の磁界の強さが１〜１０ｋＡ／ｍ、好ましくは、２〜 ５ｋＡ／ｍであるように構成位置せしめられていることを特徴とする請求の範囲 第１項記載の装置。 ３．前記磁界発生装置は、後方散乱電子の遮蔽用の公知の磁気トラップであるこ とを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項記載の装置。 ４．プラズマ源として、そして被覆されるべき支持体（３、１５）の幅の関数と して、少なくとも一つの中空の陰極（９）が前記磁界発生装置の磁極片（６）と 支持体（３、１５）間に置かれ、対向する磁極片 （６）の内側に、前記中空陰極（９）の数に応じてのびる陽極（１１）が位置し ていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか１項に記載の装 置。 ５．中空の陰極（９）は、磁極片（６）の開口部に位置することを特徴とする請 求の範囲第１項乃至第４項のいずれか１項に記載の装置。 ６．中空の陰極（９）からのアークの出口の場所に、支持体（３、１５）の表面 に平行なアークを扇状に偏向させるための交番磁界を発生させるためのコイル（ ２０）が設けられていることを特徴とする請求の範囲第４項又は５項記載の装置 。 ７．中空の陰極（９）に対応する陽極（１１）は、傾斜しており、そして／ある いは蒸気遮蔽（２３）がその下側に取り付けられていることを特徴とする請求の 範囲第１項乃至第６項のいずれか１項に記載の装置。 ８．陽極（１１）が、水冷で、好ましくは銅の、金属板であることを特徴とする 請求の範囲第７項記載の装置。 ９．プレート状の陽極（１１）に、反応性気体又は不活性気体を導入する孔（１ ２）があることを特徴とする請求の範囲第７項又は第８項記載の装置。 １０．前記陽極（１１）は、耐熱性の材料から製造され、前記磁極片（６）に熱 的に絶縁して固定され、放射遮蔽板（２２）が陽極（１１）の背後に位置するこ とを特徴とする請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか１項に記載の装置。 １１．前記陽極（１１）は、耐熱性で、好ましくは、タングステン、タンタル、 又はモリブデンの棒から成ることを特徴とする請求の範囲第７項記載の装置。 １２．前記陽極（１１）が、さらに電流通路により加熱され、加熱のための電源 は、電流により発生する外部磁界が、実質的に放電アーク（１４）の領域で補償 されるように、前記陽極（１１）の内側及び外側に位置することを特徴とする請 求の範囲第７項乃至第１１項のいずれか１項に記載の装置。