JPS625228B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は蒸着に関し、特に基板上に通常は金属
である材料の蒸着を行うための方法および装置に
関する。具体的に本発明は、その上に蒸着する材
料、たとえば炭化物およびケイ化物の生成によつ
て基板上に耐食性、保護、装飾的または半導体コ
ーテイングを施す、あるいは基板上に化合物を生
成する方法および装置に関する。

気相から材料を基板上に蒸着するに際して、工
程は通常真空において行われ、基板上に蒸着すべ
き材料は一般に高エネルギーをもつて蒸発され、
そしてその基板を蒸着が行われる場所に移動させ
るものである。

蒸着すべき物質から成る本体の加熱により蒸気
を発生させる先行技術は常に満足すべき均一な蒸
着層を広い表面積に亘つて生ずるものではない。

本発明の主な目的は基板上に材料の蒸着を行う
改良された方法および装置を提供することにあ
り、それによつて先行技術の欠陥を回避するもの
である。

本発明の他の目的は、異なつた組成から成る材
料、すなわち実際に現存する全ての金属および合
金を包含するものの気相から、現実に如何なる基
板上へも、非常に均一な方法で、安価な運転費に
おいて、高いエネルギー効率をもつて蒸着する方
法を提供することにある。

更に本発明の他の目的は広範囲に亘る表面に高
速のコーテイングを行うための方法および装置を
提供することにある。

また本発明の目的は基板上にケイ化物、炭化物
および他の化合物を形成する改良された方法を提
供することにある。

これらの目的および今後明らかとなるであろう
他の目的は本発明により以下の方法において達成
される。すなわち、その方法は電極と蒸発すべき
溶融材料から成るプールとの間に電気的アークを
発生させ、それによつてプールの表面上の材料を
直接蒸発させ、そして蒸発した材料を気相におい
て、たとえば減圧室において基板に対し移動させ
る工程を含んで成る方法である。

本発明によれば、溶融金属のプールは、また電
気的アーク、たとえばこのアークを電極と蒸着す
べき材料の本体との間で発生させることによつて
形成することも可能である。都合が良いのは、蒸
発すべき材料の本体が、アーク発生電極のそれよ
りも大きな横断面を有することであり、その結果
溶融材料から成るプールが本体のくぼみ内に形成
される。これは、勿論溶融材料のプール用るつぼ
または容器の必要性を排除するものである。

電極を移動して溶融金属のプールと接触および
脱離させ、それにより若干の溶融物を電極上に蒸
着し、そして電極の尖端を加熱して基板上に蒸着
すべき材料を少くとも一部分蒸発させるのが有利
であることが見出された。

選択的に、または付加的にるつぼあるいは容器
を、溶融金属の浴またはプール用に設けることも
でき、そしてアークをこの浴の上面で発生させる
ことも可能であり、あるいは材料を溶融物から下
方へ、たとえばるつぼ中の開口を介して浸出させ
て、アークを蒸発が行われる地点の下方で発生さ
せることも可能である。

本発明の更に他の特徴によれば、溶融物用のる
つぼまたは容器は、球状体の直径に沿つて、好ま
しくは垂直に延在する電極を備えた球状体、また
は横方向に開放され、たとえば真空ロツクを介し
て、外方に拡大している室であつて、基板におい
て終端するものを備えた球状体を含んで構成する
ことも可能である。

本発明のシステムは、基板上のケイ素の蒸着に
よるケイ素と基板材料との反応によつて、あるい
は基板を実用上、所望の凡ゆる金属または合金に
よつて塗被して保護コーテイングあるいはその他
の目的のためのコーテイングを形成することによ
つて、基板上にシリカ、ケイ化物または炭化物コ
ーテイングを生成するために、およびケイ化物を
製造するために利用することができる。本システ
ムは冶金、化学、電気、電子、電気真空、光学、
ロケツトおよび宇宙ならびに原子力産業に用いる
ことが可能であり、そして鏡面状のコーテイン
グ、反射材、耐食性コーテイングおよび平滑また
は複雑な形状を有する製品の被膜の生成、被膜中
の多層コーテイング、たとえば半導体構成材料お
よび高―オーム抵抗構成材料の製造にとつて特に
有効であることが見出されており、そして単に基
板の表面改変が、たとえ如何なる場所において
も、必要とされる場合には、溶融状態で存在し得
る材料の気相から基板上に送ることによつて改変
を行うことができる。

上記した、およびその他の本発明の目的、特徴
および効果は、添付図面を参照する以下の記載か
らより容易に明らかとなろう。

第１図には、本発明によつて基板カム上に鏡面
状保護被膜を施すための、または耐熱性および耐
火性金属を含む各種の金属または合金の被膜を基
板カムに蒸着して施すための簡単なアーク法を用
いるシステムを示す。

第１図より明らかなように、基本的な装置は減
圧室（図示せず）を有しており、これは第６図に
示す減圧室と類似のものでよい。この減圧室にお
いて、金属電極１は電極本体２に向かつて電極供
給装置７により供給されて溶融金属のプール３を
形成し、これを用いてアーク４を発生させる。

電極本体２は取付具またはホルダー５中に保持
され、そして直流電源は符号８で表わされる従来
のアーク安定化回路を介してアーク電流を電極１
および本体２間に印加する。

電極の過熱を阻止するのに役立つ温度調節器６
を備えた比較的小さい横断面を有する電極を設け
るのが有利であることが見出された。

本体２の横断面は電極１の横断面よりも実質的
に大きいので、プール３は本体２のその場所に形
成された凹状くぼみ内にある。

実施例 チタン、アルミニウム、タングステン、タンタ
ルまたは銅から成る電極１および２を用いる第１
図に示す装置は5000゜乃至7000℃の温度でアーク
を生じてプール３の金属の蒸気を発生し、このプ
ールは基板１０に対し10乃至15cmの距離をもつて
横切つており、そして金属の被膜を基板上に形成
する。プール３は電極１および２を構成する金属
の混合物により形成することができ、それによつ
て２個の電極の金属から成る合金を基板上に蒸着
することができる。好ましくは電極はチタンから
成つているが、溶融金属は主としてアルミニウ
ム、タングステン、タンタルまたは銅から成つて
いる。

実質的な改変を伴わずに、第１図の装置を、炭
化物の保護被膜を主成するるつぼ不使用（noncr
―ucible）法、支持体上にケイ化物被膜を生成す
る、あるいは基板上に炭化物またはケイ化物およ
び更に炭化ケイ素層を形成するるつぼ不使用法に
おいて使用することができる。

この場合、第１図の装置は再び通常の減圧室内
で用いられるが、電極１はケイ素または炭素から
成り、一方電極２は生成すべきケイ化物または炭
化物の金属から構成され、あるいは基板上にシリ
コンを蒸着させる場合には勿論シリコンから構成
されるものとする。

たとえば、炭化ケイ素を支持体１０上に蒸着し
ようとする場合、電極１はケイ素から成るもので
よく、これに対し電極２は炭素のブロツクであ
り、この中にケイ素と可溶化した炭素のプールが
受け入れられている。

その蒸気が基板に送られ、そしてその上に炭化
ケイ素層を蒸着する。基板はチタンはあればよ
く、また基板上に形成された蒸着層はケイ化チタ
ンおよび炭化チタンの混合物であればよい。

あるいは、電極１がケイ素または炭素から構成
され、そして電極本体２がチタンから成つている
場合は、異なつた組成を有する基板上に炭化チタ
ンまたはケイ化チタンを蒸着することができる。

減圧室内に僅かに酸化雰囲気を供給すると、基
板上に二酸化ケイ素蒸着層が形成される。

第１図の装置は明らかに、半導体の製造に特に
有効である。

温度調節器６は電極１の長さに沿つて２基設け
てもよく、そして追加の温度調節器は電極本体２
に設置してその過熱を防止すればよい。

電極１または本体２のいずれかがケイ素から成
り、他方が炭素から構成されるときは、その反応
によつて炭化ケイ素が生成され、そしてその炭化
ケイ素は元のシリカおよび炭素よりも高い純度を
もつて蒸着される。

両電極がケイ素から構成される場合は、特に半
導体のコーテイングに関して望ましいように高密
度シリカおよびケイ素蒸着層を得ることができ
る。

第２図に示す装置は第１図のものと大体類似し
ているが、若干異なつた原理によつて操作され
る。すなわち、蒸発は少くとも一部は湿潤上部電
極１０１から行われる。

本図中、第１図の要素に対応する要素には、百
位のみが異なる同様の参照数字が用いられてい
る。

第２図において、電極供給装置１０７は垂直方
向往復装置１１２と連結されており、この装置は
電極１０１に対し矢印１１４の方向における往復
運動を付与して電極１０１の尖端を、電極本体１
０２中に生成された溶融金属のプール１０３中に
同期的に突込むようにする。

このプールからの上昇がアーク１０４を再発生
させ、電極１０１上の溶融金属のコーテイング１
１３が蒸発し、そして蒸着層が基板１１０上に形
成される。

電極本体１０２はホルダー１０５中に示されて
おり、そしてアーク電流供給回路は上記した方法
によつて直流電源１０９および安定化装置１０８
により構成され、また電極１０１は温度調節器１
０６を備えている。

このシステムは、先に述べた実施例の変型とし
て電極１０１をチタンとアルミニウムから形成さ
れるプール１０３から構成すると、特に有効であ
ることが見出された。

第３図は本発明の実施態様を示し、該態様では
蒸気は、溶融金属２０３を容れた上部開放リング
形状のるつぼ２１７の下方に置かれた基板２１０
上に蒸着され、そしてこのるつぼはホルダーまた
はフレーム２０５中に装着されている。

ここでは上部電極２０１は球形部分の形状を有
し、これは反射鏡として機能し、その結果アーク
２０４が電極２０１とつるぼ２１７内の溶融物と
の間で生じる場合、蒸気は矢印２１９により表わ
されるように上方へ進み、そして下方へ反射され
て矢印２１８により示されるように基板２１０上
に集中される。

ここでは直流電源２０９はアーク安定化装置２
０８を経由して電極２０１とるつぼ２１７間に接
続されており、そしてロツド２１６に装着されて
いる上部電極２０１は供給装置２０７によつて垂
直方向に位置決めされ、また電極２０１の位置を
蒸発金属上方に調節する補助機構２１５によつて
水平方向に位置決めする。

本実施態様において、電極２０１はチタン、モ
リブデンまたはタングステンから構成することが
でき、一方溶融金属はアルミニウムまたは銅か
ら、更にるつぼ２０５はグラフアイトから夫々構
成可能である。

第４図は、蒸気が下方へ流れて基板３１０上に
蒸着する本発明の他の実施態様を示す。

この場合、溶融金属３０３を容れた上部開放る
つぼ３１７は追加の溶融金属を、参照数字３２２
で表わされるとりべまたは他の供給源から受ける
ことができ、あるいは固体金属の供給を受けてこ
れをるつぼ３１７中で溶融することも可能であ
る。この固体金属は誘導加熱器３２３のような補
助装置により加熱することができ、この加熱器は
ホルダー３０５中に支持される。

るつぼ３１７の底部には小孔３２１が形成さ
れ、ここから溶融金属の液滴が生じ、これらの液
滴は電極３０１とるつぼ３１７の底部との間に発
生するアーク３０４により蒸発させられる。

アークの領域における温度は補助誘導装置３２
４によつて制御可能であり、そして電極３０１は
冷却要素３０６により表わされるように冷却可能
である。

電極３０１は電極ホルダー３０７によりるつぼ
３１７に向かつて送られ、そしてアークは直流電
源３０９に接続されたアーク安定化装置３０８に
より維持される。

本実施態様において溶融金属は銅であつてもよ
い。補助装置３２４の代りに、塗被すべき基板
を、この位置に、たとえばチタンリングの形状で
設置してもよく、このリングが蒸気をコーテイン
グの形態で収集する。

第５図の実施態様では、溶融金属が閉鎖空間で
生成されるので、溶融金属は蒸発し、その蒸気は
開口４２５を介して基板４１０上に排出される。

この場合、液体のプールは、電極４０２中の中
央せん孔４２６を経由する電極供給装置４０７を
介して対向電極４０１を供給することによりホル
ダー４０５によつて支持された電極４０２を溶融
して生成され、また電極４０１は案内を形成する
絶縁スリーブ４２７中を通つている。温度調節器
４０６はアーク４０４に近接して２個の電極の周
りに同軸的に設けられていて、開口４２５の前方
の領域における過熱を防止する。蒸着層は基板４
１０上に形成される。

電流は、前述した方法によりアーク安定化装置
４０８および電源４０９を介して両電極間に供給
される。

第６図は、前記した原理を用いて反射性、耐
食、保護および半導体タイプの金属ケイ化物なら
びに炭化物コーテイングを蒸着するポータブル電
池式アーク装置を示している。

この装置は、その上端にハンドル５３０を形成
してポータブルユニツトを容易に運搬できるよう
にした減圧室５００を含んで構成されている。

この室内には、中空の球状体５１７が設けられ
ていて、その下部は溶融金属５０３用のるつぼを
形成しており、その内部は、たとえば酸化アルミ
ニウムのような高温耐熱（耐火物）材料によつて
被覆されている。

この球状体の上部は５３１において、浴から反
射性層に反射する熱を一個所に集める該層によつ
て被覆されている。

アーク５０４が電極１と浴５０３との間で発生
し、電極材料が消耗すると、電極５０１がユニツ
ト５０７によつて浴に向かい供給される。

追加の金属、たとえば固体状のもの、はロツド
５３２として浴に供給され、このロツドもまた供
給装置５３３′に連結されているので、浴が消耗
したときには追加の金属が浴に送られる。

電極５０１と浴５０３は、上記した方法により
アーク安定化装置および直流電源の反対の端子に
接続されている。

管状電極５０２はロツド５３２を取り囲んでい
る。

室５００の下部には参照数字５３３で示される
エアポンプが設けられ、このエアポンプは中空球
状体５１７を収容した室を、真空ホース５３４，
弁５３５、外方へ散開する形状のアダプタ５３６
であつて、中空球状体５１７の側方開口５２５に
連結し得るものを介して減圧とする。

室５３６には、望ましくない蒸気の凝縮を防止
するために加熱コイル５３７を設けることも可能
である。

開口５２５とアダプタ５３６との間には、真空
ロツド５３８および異なつた形状および寸法の各
種アダプタを保持するための装着装置５３９が設
置されている。

更にアダプタ５３６は真空ガスケツト５４０を
形成しており、これによつてアダプタは塗被すべ
き基板５１０を圧することができる。

第６図に示すポータブルユニツトは塗被すべき
基板５１０の場所に運搬され、そして適当なアダ
プタ５３６を取付具５３９上に装着し、そしてガ
スケツト５４０を塗被すべき表面５１０に押圧す
る。アーク電流が供給され、そしてシステムはエ
アポンプ５３３によつて減圧され、それにより中
空球状体内で金属を溶融し、かつ浴５０３を形成
する。次にゲート５３８を開放し、そして蒸気を
少くとも一部分、球状体５１７の内部とアダプタ
５３６との間に保持した弁５３５により制御しな
がら差圧によつて基板５１０上に送り込む。

特に如何なる現場の如何なる製品をも塗被する
ことができ、また異なつた形状および寸法を有す
る各種アダプタを使用することにより、たとえ複
雑な物体の塗被であつてもそれらが使用されるべ
き領域から移動することなしに行うことができ
る。この装置はダクト等の内側のコーテイングを
行うために用い得るように組立可能となつてい
る。

本図面に示す装置は、アダプタ５３６を用いず
に単位体または空間内の設備用推進体として使用
することが可能である。

アークが発生した場合に必要なことは、ただゲ
ート５３８を開けて開口５２５を介して気流を排
出し、そして反対方向に推進を行えばよい。空間
内の真空は、装置にとつて自然の真空をもたら
し、それでエアポンプ５３３を必要としなくな
る。実際に空間における適用で見出される凡ゆる
廃棄物を容器５１７中で利用して、この種の推進
力を発生させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例により蒸着を行うた
めの装置を示す概略立面図、第２図は他の装置に
ついての同様な立面図であるが、蒸着材料が垂直
方向に往復可能な電極上に収集されている状態を
示し、第３図は金属のプールの下方に置かれた基
板上に材料を蒸着するための装置を示す概略縦断
面図、第４図は本発明の他の実施例を示す第３図
と同様な縦断面図、第５図は本発明による基板上
に材料を蒸着するための他の装置を示す軸方向横
断面図、および第６図は本発明の方法を実施する
非常にコンパクトな携帯装置を示す軸方向横断面
図である。 １，１０１，２０１，３０１，４０１，５０１
…金属電極、２，１０２，４０２，５０２…電極
本体、３，１０３…プール、４，１０４，２０
４，３０４，５０４…アーク、５，１０５，２０
５，３０５，４０５…ホルダー、６，１０６，４
０６…温度調節器、７，１０７，２０７，４０７
…電極供給装置、８，１０８，２０８，３０８，
４０８…安定化装置、９，１０９，２０９…直流
電源、１０，１１０，２１０，３１０，４１０，
５１０…基板、２０３，３０３，５０３…溶融金
属、２１７，３１７…るつぼ、３２１…小孔、５
１７…中空球状体、５３６…アダプタ、５３８…
真空ロツク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板上に材料を蒸着させる方法であつて、電
   極本体と金属電極とを相互に所定の間隔で対向配
   置する工程と、 前記電極本体と前記電極との間に電源を接続し
   た状態でこの両者を互いに接触および離脱させる
   ことによりアークを発生させ、これによつて前記
   電極本体からその材料を蒸発させる工程と、 前記アークから離れた位置で、かつ前記電極本
   体および前記電極から発生した材料の蒸気の通路
   内の位置に前記基板を配置し、この基板上に気相
   から前記材料を蒸着させる工程、 を備えた方法。 ２ 前記電極本体にその材料が溶融したプールを
   形成し、前記電極を間欠的にプール中に浸漬して
   前記電極上に前記電極本体の材料の被膜を形成
   し、そしてアークにより前記電極上の材料の被膜
   を蒸発して蒸気材の材料を生成する工程を更に備
   えた特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 前記プールが前記電極本体の材料を溶融する
   ことにより形成され、かつ前記電極本体中に形成
   されたくぼみ内にある特許請求の範囲第２項記載
   の方法。 ４ 前記くぼみがアークにより前記電極本体を溶
   融することによつて形成される特許請求の範囲第
   ３項記載の方法。 ５ 前記プールの液滴が、該プールを保持する容
   器の底部に設けられた小孔から得られるように
   し、前記アークで液滴を蒸発させる特許請求の範
   囲第２項記載の方法。 ６ 前記電極と前記プールとの間、ならびに前記
   アークと前記基板との間の空間を減圧することを
   更に備えた特許請求の範囲第２項記載の方法。