JP5096539B2

JP5096539B2 - プラズマガン

Info

Publication number: JP5096539B2
Application number: JP2010196437A
Authority: JP
Inventors: 荘一郎大崎; 孝市笹川
Original assignee: Nikuni KK
Current assignee: Nikuni KK
Priority date: 2010-09-02
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2030-09-02
Also published as: JP2012054134A

Description

本発明は、物理気相成長法（ＰＶＤ：Physical Vapor Deposition）または化学気相成長法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）で用いられるプラズマガンに関する。

ＰＶＤとしては、イオンプレーティング法、真空蒸着法、スパッタリング法などが知られている。

例えば、イオンプレーティング法では、図４に示されるようなイオンプレーティング装置が知られている。このイオンプレーティング装置は、陰極1aおよび中間電極1bを備えたプラズマガン１を真空チャンバ２の側面に取り付け、アルゴンガスなどのキャリアガスの供給を受けながら放電電源３から負の電圧が印加されたプラズマガン１によりガス放電させてプラズマ４を発生させ、このプラズマ４を収束用空芯コイル５内を経て真空チャンバ２内に発射し、この真空チャンバ２内にマグネット６とともに陽極（ハース）として設置されたチタンなどの蒸着金属７に照射し、この蒸着金属７を溶解・蒸気化させる。このとき、電子と分離して＋イオン化された蒸着金属粒子は、真空チャンバ２内でイオン集積電源８により負の電圧が印加されたワークＷの表面に引き寄せられて密着され金属被膜となる。

真空チャンバ２内は、先ず真空ポンプ（図示せず）に接続された排気口2aから内部空気を外部へ排気して真空度を高めることで、蒸着金属７の蒸気化を促すとともに電子運動を活発化させ、また、上記真空チャンバ２内に反応ガス導入口2bから、窒素などの反応ガスを導入することで、蒸着金属粒子は、この反応ガスと反応した化合物の被膜となってワークＷの表面に形成される。

このようなイオンプレーティング法で用いられるプラズマガンの中間電極としては、プラズマが流出する第１開口を有する板状の第１鍔部と該第１鍔部の一方の主面に上記第１開口を囲むように突設された筒状の第１胴部とを有する導電性の第１ハウジングと、上記第１ハウジングの第１胴部の内孔に嵌挿された筒状の第１電極部材と、上記第１ハウジングの第１胴部の外周面に嵌入された環状の第１磁石と、上記第１磁石を上記第１ハウジングの第１胴部から抜けないよう止める第１止め部材（ナット）と、上記第１ハウジングの第１胴部の先端に上記第１開口と同軸状に配置された環状の絶縁部材と、プラズマが流入する第２開口を有する板状の第２鍔部と該第２鍔部の一方の主面に上記第２開口を囲むように突設された筒状の第２胴部とを有する導電性の第２ハウジングと、上記第２ハウジングの第２胴部の内孔に嵌挿された筒状の第２電極部材と、上記第２ハウジングの第２胴部の外周面に嵌入された環状の第２磁石と、上記第２磁石を上記第２ハウジングの第２胴部から抜けないよう止める第２止め部材（ナット）と、締結具とを備え、上記第２ハウジングが、その上記第２鍔部の一方の主面が上記第１ハウジングの第１鍔部の一方の主面と対向し、その上記第２開口が上記第１ハウジングの第１開口と同軸状に位置し、かつ、その上記第２胴部の先端が上記第１ハウジングの第１胴部の先端との間に上記絶縁部材を挟むように配置され、上記第１ハウジングの第１鍔部と上記第２ハウジングの第２鍔部とが上記締結具によって相互に締結されているものが知られている（特許文献１参照）。

特開２００８−６６２４１号公報（第４頁、図１）

上記プラズマガンの中間電極は、第１磁石および第２磁石を第１ハウジングおよび第２ハウジングの外部に設けた構造であるため、第１ハウジングおよび第２ハウジングの小型化および軽量化を図ることができる利点があるものの、次のような課題もある。

すなわち、上記第１ハウジングの第１胴部の外周面に嵌入された環状の第１磁石は、上記第１ハウジングの第１胴部に螺合された上記第１止め部材（ナット）によって上記第１胴部から抜けないよう止め、上記第２ハウジングの第２胴部の外周面に嵌入された環状の第２磁石は、上記第２ハウジングの第２胴部に螺合された上記第２止め部材（ナット）によって上記第２胴部から抜けないよう止める構造であるため、上記第１胴部と上記第１止め部材とに螺合溝を加工する必要があるとともに、上記第２胴部と上記第２止め部材とに螺合溝を加工する必要がある。

さらに、上記第１ハウジングの第１胴部の先端と上記第２ハウジングの第２胴部の先端との間に環状の絶縁部材を挟むように配置しつつ、上記第１ハウジングの第１鍔部と上記第２ハウジングの第２鍔部とを上記締結具によって相互に締結する構造であるため、絶縁部材の大きさや材質が限られ、小型でも所定の硬度を有するセラミックス製品などに限られる。

このような理由で、従来のプラズマガンには、部品組付け性およびコスト面での課題がある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、部品組付け性およびコスト面での改良がなされたプラズマガンを提供することを目的とする。

請求項１に記載された発明は、キャリアガスの供給を受けながら負の電圧が印加される陰極と、この陰極に対して同軸上に配置されて正の電圧が印加されるプラズマ発生・収束用の中間電極とを備え、上記中間電極は、上記陰極側に配置された第１中間電極と、上記第１中間電極に対して上記陰極とは反対側に配置された第２中間電極と、上記第１中間電極と上記第２中間電極との間に配置された絶縁部材と、上記第１中間電極と上記第２中間電極とを相互に締結する締結部材とを備えたプラズマガンにおいて、上記第１中間電極および上記第２中間電極は、上記締結部材で相互に締結されたフランジ部とこれらのフランジ部の中央部から相互に対向する方向に突出された胴部とをそれぞれ有するとともに中心部に穴をそれぞれ有する導電性の第１電極取付基体および第２電極取付基体と、上記第１電極取付基体および上記第２電極取付基体の中心部の各穴にそれぞれ嵌着された筒状の第１電極部材および第２電極部材と、上記第１電極取付基体および上記第２電極取付基体の各胴部の外周面にそれぞれ嵌着された環状の第１磁石および第２磁石とを備え、上記絶縁部材は、上記第１磁石と上記第２磁石との間に位置する絶縁本体部と、上記絶縁本体部からそれぞれ一体に突設されて上記第１磁石および上記第２磁石の外周面上にそれぞれ被嵌する第１被嵌部および第２被嵌部とを具備したプラズマガンである。

請求項２に記載された発明は、請求項１記載のプラズマガンにおいて、絶縁本体部、第１被嵌部および第２被嵌部からなる絶縁部材が、絶縁耐熱樹脂により一体成型されたものである。

請求項３に記載された発明は、請求項１または２記載のプラズマガンにおける上記第１磁石および上記第２磁石を、共に環状の永久磁石としたものである。

請求項１記載の発明によれば、上記第１中間電極および上記第２中間電極は、上記第１電極取付基体および上記第２電極取付基体の各胴部の外周面に環状の上記第１磁石および上記第２磁石をそれぞれ嵌着し、上記第１中間電極と上記第２中間電極との間に配置された絶縁部材は、上記第１磁石と上記第２磁石との間に位置する絶縁本体部から一体に突設された第１被嵌部および第２被嵌部を上記第１磁石および上記第２磁石の外周面上にそれぞれ被嵌し、上記第１電極取付基体および上記第２電極取付基体の各フランジ部を上記締結部材で相互に締結するようにしたので、これらのフランジ部間に、上記絶縁部材とともに上記第１磁石および上記第２磁石を同時に固定することができ、従来のような個別の磁石固定手段を設ける必要がなく、部品組付け性およびコスト面での向上を図れる。さらに、上記絶縁部材の第１被嵌部および第２被嵌部は、上記第１磁石および上記第２磁石を保護する保護カバーを兼用できる。

請求項２記載の発明によれば、上記絶縁部材を絶縁耐熱樹脂により一体成型したので、軽量で安価な絶縁部材により、耐熱性、電気絶縁性などに関する高信頼性も確保できる。

請求項３記載の発明によれば、上記第１磁石および上記第２磁石を、共に環状の永久磁石としたので、従来の少なくとも１つは電磁石を用いる場合と比べて、配線や絶縁性に関する取扱が容易になり、上記絶縁部材により上記第１磁石および上記第２磁石を容易に固定できるとともに、磁石からの発熱がないため、耐熱性能および冷却性能の向上を図れる。

本発明に係るプラズマガンの一実施の形態を示す斜視断面図である。同上プラズマガンの陰極冷却構造を示す一部破断の正面図である。同上プラズマガンの第１中間電極冷却構造を示す一部破断の正面図である。プラズマガンを用いた一般的なイオンプレーティング装置を示す概略図である。

以下、本発明を、図１乃至図３に示された一実施の形態に基いて詳細に説明する。なお、図４に示されたイオンプレーティング装置は、必要に応じて参照する。

先ず、図１乃至図３に示された一実施の形態を説明する。

図１に示されるように、プラズマガン１は、キャリアガスの供給を受けながら負の電圧が印加される陰極1aと、この陰極1aに対して同軸上に配置されて正の電圧が印加されるプラズマ発生・収束用の中間電極1bとを備えている。

上記陰極1aは、ステンレス鋼製の陰極取付基体11の中心部に、アルゴンガスなどの不活性ガスをキャリアガスとして導入するキャリアガス導入口12が設けられ、このキャリアガス導入口12に導電性の取付部材13を介してパイプ状の補助陰極14および円筒状の保護部材15が同心状に取り付けられ、補助陰極14の先端部に主陰極16が取り付けられ、さらに、最も外側に絶縁性の円筒管（ガラス管）17が設けられ、そして、絶縁耐熱樹脂カバー18で絶縁処理された複数の第１の締結部材19により陰極取付基体11が中間電極1bと締結されている。上記陰極取付基体11は、中央部に環状の凹部11aが形成され、この凹部11aの周縁に沿って蓋部11bが溶接されている。

上記中間電極1bは、上記陰極1a側に第１中間電極21が配置され、この第１中間電極21に対して上記陰極1aとは反対側に第２中間電極22が配置され、上記第１中間電極21と上記第２中間電極22との間に絶縁部材23が配置され、上記第１中間電極21と上記第２中間電極22とが、絶縁耐熱樹脂カバー24で絶縁処理された複数の第２の締結部材25により相互に締結されている。

上記第１中間電極21および上記第２中間電極22は、中心部に穴をそれぞれ有するステンレス鋼製の第１電極取付基体26および第２電極取付基体27を備えている。これらの第１電極取付基体26および第２電極取付基体27は、上記第２の締結部材25で相互に締結されたフランジ部28，28と、これらのフランジ部28，28の中央部から相互に対向する方向に突出された胴部29，29と、これらの胴部29，29とは反対側からフランジ部28，28に環状の凹部31，31がそれぞれ形成され、これらの凹部31，31の周縁に沿って蓋部32，32が溶接されている。

上記第１電極取付基体26および上記第２電極取付基体27の中心部の各穴には、筒状の第１電極部材33および第２電極部材34がそれぞれ嵌着され、上記第１電極取付基体26および上記第２電極取付基体27の各胴部29，29の外周面には、環状の第１磁石35および第２磁石36がそれぞれ嵌着されている。これらの第１磁石35および第２磁石36は、共に環状の永久磁石であり、軸方向陰極側にＮ極が配置され、軸方向反対側にＳ極が配置されている。

上記絶縁部材23は、上記第１磁石35と上記第２磁石36との間に環状の絶縁本体部37が挟まれるように位置するとともに、この絶縁本体部37の外周面部から上記第１磁石35および上記第２磁石36の外周面上に円筒状の第１被嵌部38および第２被嵌部39がそれぞれ一体に突設されて、これらの第１磁石35および第２磁石36の外周面上にそれぞれ被嵌する。

上記絶縁部材23の上記絶縁本体部37、第１被嵌部38および第２被嵌部39は、絶縁耐熱樹脂により一体成型されたものである。

そして、このプラズマガン１は、上記第２中間電極22の上記蓋部32に接合する環状の絶縁部材（図示せず）および図４に示されるように収束用空芯コイル５の内側に設けられた案内筒を介して、真空チャンバ２の側面に取り付けられている。

このように真空チャンバ２に接続されたプラズマガン１は、気密性を保持する必要があるので、上記陰極1aの陰極取付基体11と上記円筒管（ガラス管）17の一端面との間にＯリングなどのシール部材51が設けられ、上記円筒管（ガラス管）17の他端面と上記第１中間電極21の上記第１電極取付基体26との間にＯリングなどのシール部材52が設けられ、上記第１中間電極21および上記第２中間電極22の各胴部29，29と上記絶縁部材23の上記絶縁本体部37との間にＯリングなどのシール部材53，53が設けられ、上記蓋部32に接合する環状の絶縁部材（図示せず）および上記案内筒の端面部にも上記シール部材51，52と同様のシール部材が設けられている。

さらに、上記プラズマガン１は、放電により高温に加熱されるので、効率よく冷却するために、上記陰極1aの上記陰極取付基体11内に第１の冷却手段61が設けられ、上記第１中間電極21の上記第１電極取付基体26内に第２の冷却手段62が設けられ、上記第２中間電極22の上記第２電極取付基体27内に第３の冷却手段63が設けられている。

図２は第１の冷却手段61を示し、上記陰極取付基体11にあってキャリアガス導入口12の周囲に環状の冷却流体通路溝64が設けられ、この冷却流体通路溝64の一部から半径方向外方へ拡大するように径方向拡大凹溝65が形成され、この径方向拡大凹溝65を２等分するように冷却流体通路溝64から径方向拡大凹溝65にわたって半径方向の仕切板66が設けられ、この仕切板66の一側に位置する径方向拡大凹溝65aに対し蓋部11bに冷却流体入口部67が設けられ、仕切板66の他側に位置する径方向拡大凹溝65bに対し蓋部11bに冷却流体出口部68が設けられている。

上記仕切板66より冷却流体出口部68側の冷却流体通路溝64中であって上記冷却流体出口部68よりやや上流となる位置には、爪形の冷却流体案内部69が冷却流体の流れを尖端で切り裂くように周方向に設置されている。

図３は第２の冷却手段62を示し、上記第１電極取付基体26にあって上記胴部29に設けられた上記第１電極部材33が嵌合する穴の周囲に環状の冷却流体通路溝71が設けられ、この冷却流体通路溝71の一部から半径方向外方へ拡大するように径方向拡大凹溝72が形成され、この径方向拡大凹溝72を２等分するように冷却流体通路溝71から径方向拡大凹溝72にわたって半径方向の仕切板73が設けられ、この仕切板73の一側に位置する径方向拡大凹溝72aに対し上記第１電極取付基体26のフランジ部28に冷却流体入口部74が設けられ、仕切板73の他側に位置する径方向拡大凹溝72bに対し上記第１電極取付基体26のフランジ部28に冷却流体出口部75が設けられている。

上記仕切板73より冷却流体出口部75側の冷却流体通路溝71中であって上記冷却流体出口部75よりやや上流となる位置には、爪形の冷却流体案内部76が冷却流体の流れを尖端で切り裂くように周方向に設置されている。

上記第２中間電極22の上記第２電極取付基体27内に設けられた第３の冷却手段63は、上記第２の冷却手段62と同様の構造であるので、説明を省略する。

次に、上記中間電極1bを組み立てる場合は、上記第１電極取付基体26および上記第２電極取付基体27の各胴部29，29の外周面に環状の上記第１磁石35および上記第２磁石36をそれぞれ嵌着し、上記第１磁石35と上記第２磁石36との間に上記絶縁部材23の絶縁本体部37を挟むとともに、上記第１磁石35および上記第２磁石36の外周面上に上記絶縁部材23の第１被嵌部38および第２被嵌部39をそれぞれ被嵌した状態で、上記第１電極取付基体26および上記第２電極取付基体27の各フランジ部28，28を上記第２の締結部材25で相互に締結することで、上記絶縁部材23、上記第１磁石35および上記第２磁石36を同時に固定するとともに、上記絶縁部材23の第１被嵌部38および第２被嵌部39により、上記第１磁石35および上記第２磁石36を保護する。

次に、図１乃至図３に示された一実施の形態の作用効果を説明する。

上記陰極1aの補助陰極14にアルゴンガスなどのキャリアガスを供給しつつ、図４に示された放電電源３から上記補助陰極14および上記主陰極16に負の電圧を印加するとともに、放電電源３から上記第１中間電極21の第１電極部材33および上記第２中間電極22の第２電極部材34に正の電圧を印加することで、これらの正負の電極間で放電がなされ、プラズマが発生する。

このプラズマは、環状に形成された第１磁石35および第２磁石36により収束しつつ、真空チャンバ２内に発射され、図４に示されるように真空チャンバ２内にマグネット６とともに陽極（ハース）として設置されたチタンなどの蒸着金属７に照射され、この蒸着金属７を溶解・蒸気化させる。このとき、＋イオン化された蒸着金属粒子は、真空チャンバ２内でイオン集積電源８により負の電圧が印加されたワークＷの表面に引き寄せられて密着され金属被膜となる。

上記放電で加熱された上記陰極1aを冷却する第１の冷却手段61は、上記陰極取付基体11に設けられた冷却流体入口部67から環状の冷却流体通路溝64に流入した冷却流体が、この冷却流体通路溝64に沿って上記陰極取付基体11の中央部周囲をほぼ一周旋回した後、冷却流体出口部68から外部へ排出されるので、上記陰極取付基体11の中央部に接続された取付部材13を介して補助陰極14、保護部材15および主陰極16などを効率良く冷却することができる。その際、冷却流体が半径方向の仕切板66に衝突する直前に、爪形の冷却流体案内部69が冷却流体の流れ方向を冷却流体出口部68側へ変化させるので、冷却流体が外部へ円滑に排出され、冷却効率が向上する。

同様に、上記放電で加熱された上記第１中間電極21および上記第２中間電極22を冷却する第２の冷却手段62および第３の冷却手段63は、上記第１電極取付基体26および上記第２電極取付基体27の各フランジ部28に設けられた冷却流体入口部74から各胴部29に設けられた環状の冷却流体通路溝71に流入した冷却流体が、この冷却流体通路溝71に沿って第１電極部材33および第２電極部材34の各周囲をほぼ一周旋回した後、冷却流体出口部75から外部へ排出されるので、第１電極部材33および第２電極部材34をそれぞれ効率良く冷却することができる。その際、冷却流体が半径方向の仕切板73に衝突する直前に、爪形の冷却流体案内部76が冷却流体の流れ方向を冷却流体出口部75側へ変化させるので、冷却流体が外部へ円滑に排出され、冷却効率が向上する。

さらに、上記第１電極取付基体26および上記第２電極取付基体27の各フランジ部28から各胴部29にわたってこれらの内部にそれぞれ環状の凹部31および冷却流体通路溝71を設けたので、上記第１電極取付基体26および上記第２電極取付基体27を全体的に効率よく冷却でき、第１電極部材33および第２電極部材34だけでなく、上記第１磁石35および上記第２磁石36も効率よく冷却できる。

また、上記第１の冷却手段61は、冷却流体通路溝64の一部から半径方向外方へ拡大するように形成された径方向拡大凹溝65に対し冷却流体入口部67および冷却流体出口部68が設けられ、また、第２の冷却手段62および第３の冷却手段63は、冷却流体通路溝71の一部から半径方向外方へ拡大するように形成された径方向拡大凹溝72に対し冷却流体入口部74および冷却流体出口部75が設けられているので、薄型の陰極取付基体11、第１電極取付基体26および第２電極取付基体27に対して、十分な流量の冷却流体を供給することができる。

そして、上記第１中間電極21および上記第２中間電極22は、上記第１電極取付基体26および上記第２電極取付基体27の各胴部29，29の外周面に環状の上記第１磁石35および上記第２磁石36をそれぞれ嵌着し、上記第１中間電極21と上記第２中間電極22との間に配置された絶縁部材23は、上記第１磁石35と上記第２磁石36との間に位置する絶縁本体部37から一体に突設された第１被嵌部38および第２被嵌部39を上記第１磁石35および上記第２磁石36の外周面上にそれぞれ被嵌し、上記第１電極取付基体26および上記第２電極取付基体27の各フランジ部28，28を上記第２の締結部材25で相互に締結するようにしたので、これらのフランジ部28，28間に、上記絶縁部材23とともに上記第１磁石35および上記第２磁石36を同時に固定することができ、従来のような個別の磁石固定手段を設ける必要がなく、部品組付け性およびコスト面での向上を図れる。さらに、上記絶縁部材23の第１被嵌部38および第２被嵌部39は、上記第１磁石35および上記第２磁石36を保護する保護カバーを兼用できる。

また、上記絶縁部材23を絶縁耐熱樹脂により一体成型したので、軽量で安価な絶縁部材23により、耐熱性、電気絶縁性などに関する高信頼性も確保できる。

さらに、上記第１磁石35および上記第２磁石36を、共に環状の永久磁石としたので、従来の少なくとも１つは電磁石を用いる場合と比べて、配線や絶縁性に関する取扱が容易になり、上記絶縁部材23により上記第１磁石35および上記第２磁石36を容易に固定できるとともに、磁石からの発熱がないため、耐熱性能および冷却性能の向上を図れる。

なお、本発明のプラズマガン１は、イオンプレーティング法だけでなく、他のＰＶＤ（例えば、アシスト蒸着スパッタ法）や、ＣＶＤにおけるプラズマ発生器として利用できる。

本発明は、プラズマガンの製造業および販売業などにおいて利用可能である。

１プラズマガン
1a 陰極
1b 中間電極
21 第１中間電極
22 第２中間電極
23 絶縁部材
25 締結部材
26 第１電極取付基体
27 第２電極取付基体
28 フランジ部
29 胴部
33 第１電極部材
34 第２電極部材
35 第１磁石
36 第２磁石
37 絶縁本体部
38 第１被嵌部
39 第２被嵌部

Claims

キャリアガスの供給を受けながら負の電圧が印加される陰極と、この陰極に対して同軸上に配置されて正の電圧が印加されるプラズマ発生・収束用の中間電極とを備え、
上記中間電極は、
上記陰極側に配置された第１中間電極と、
上記第１中間電極に対して上記陰極とは反対側に配置された第２中間電極と、
上記第１中間電極と上記第２中間電極との間に配置された絶縁部材と、
上記第１中間電極と上記第２中間電極とを相互に締結する締結部材とを備えたプラズマガンにおいて、
上記第１中間電極および上記第２中間電極は、
上記締結部材で相互に締結されたフランジ部とこれらのフランジ部の中央部から相互に対向する方向に突出された胴部とをそれぞれ有するとともに中心部に穴をそれぞれ有する導電性の第１電極取付基体および第２電極取付基体と、
上記第１電極取付基体および上記第２電極取付基体の中心部の各穴にそれぞれ嵌着された筒状の第１電極部材および第２電極部材と、
上記第１電極取付基体および上記第２電極取付基体の各胴部の外周面にそれぞれ嵌着された環状の第１磁石および第２磁石とを備え、
上記絶縁部材は、
上記第１磁石と上記第２磁石との間に位置する絶縁本体部と、
上記絶縁本体部からそれぞれ一体に突設されて上記第１磁石および上記第２磁石の外周面上にそれぞれ被嵌する第１被嵌部および第２被嵌部と
を具備したことを特徴とするプラズマガン。
絶縁本体部、第１被嵌部および第２被嵌部からなる絶縁部材は、絶縁耐熱樹脂により一体成型された
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマガン。
上記第１磁石および上記第２磁石は、共に環状の永久磁石である
ことを特徴とする請求項１または２記載のプラズマガン。