JPH0841632A - 小型熱電子真空アーク蒸発源 - Google Patents
小型熱電子真空アーク蒸発源Info
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- JPH0841632A JPH0841632A JP17662894A JP17662894A JPH0841632A JP H0841632 A JPH0841632 A JP H0841632A JP 17662894 A JP17662894 A JP 17662894A JP 17662894 A JP17662894 A JP 17662894A JP H0841632 A JPH0841632 A JP H0841632A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 付着強度の大きな金属膜を高速で広範囲に成
膜でき、安定したアークプラズマで安定した成膜を行え
る小型の蒸発源を提供すること、位置と方向を変えて蒸
着を行える蒸発源を提供すること 【構成】 熱電子ビーム源１から蒸発した蒸発金属材５
の蒸気をアークプラズマ化するアークプラズマ化手段を
備えた熱電子真空アーク蒸発源に於いて、熱電子ビーム
源を、熱陰極７、ウエネルト電極１０、該熱陰極の温度
を一定に制御するための熱陰極電流源８、ウエネルト電
極に熱陰極に対し負の電圧を与える電極電源１１で構成
し、蒸発金属材供給装置４は熱容量の小さい蒸発金属材
を連続的に供給する連続供給機構１５を備え、熱電子ビ
ーム源を該供給装置に対し負の高電圧に保ち電子を加速
する制御電源１２を蒸発金属材の熱容量に応じてプログ
ラムされた速度で電流を上昇させる可変定電流源１２ｄ
とバラスト負荷１２ｅとで構成した
膜でき、安定したアークプラズマで安定した成膜を行え
る小型の蒸発源を提供すること、位置と方向を変えて蒸
着を行える蒸発源を提供すること 【構成】 熱電子ビーム源１から蒸発した蒸発金属材５
の蒸気をアークプラズマ化するアークプラズマ化手段を
備えた熱電子真空アーク蒸発源に於いて、熱電子ビーム
源を、熱陰極７、ウエネルト電極１０、該熱陰極の温度
を一定に制御するための熱陰極電流源８、ウエネルト電
極に熱陰極に対し負の電圧を与える電極電源１１で構成
し、蒸発金属材供給装置４は熱容量の小さい蒸発金属材
を連続的に供給する連続供給機構１５を備え、熱電子ビ
ーム源を該供給装置に対し負の高電圧に保ち電子を加速
する制御電源１２を蒸発金属材の熱容量に応じてプログ
ラムされた速度で電流を上昇させる可変定電流源１２ｄ
とバラスト負荷１２ｅとで構成した
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、真空容器内で金属材を
電子ビームにより加熱して蒸発させると共にその一部を
イオン化して該容器内に用意したワークに該金属材の薄
膜を形成する小型熱電子真空アーク蒸発源に関する。
電子ビームにより加熱して蒸発させると共にその一部を
イオン化して該容器内に用意したワークに該金属材の薄
膜を形成する小型熱電子真空アーク蒸発源に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、真空中での金属蒸着には、るつぼ
を電気炉で直接加熱して蒸発させる伝熱蒸発源や、電子
ビーム源からの電子ビームを高圧電源からの電圧によっ
て加速してるつぼ内の蒸発金属材を照射加熱する電子ビ
ーム蒸発源が知られている。また、ワークへの金属蒸着
膜の付着力を増すために、プラズマ中の金属イオンを加
速してワーク表面に照射するイオンプレーティングが用
いられているが、プラズマ中のイオン密度は通常の金属
蒸発源からの金属蒸発密度よりも小さいため、成膜速度
は大きくならない。
を電気炉で直接加熱して蒸発させる伝熱蒸発源や、電子
ビーム源からの電子ビームを高圧電源からの電圧によっ
て加速してるつぼ内の蒸発金属材を照射加熱する電子ビ
ーム蒸発源が知られている。また、ワークへの金属蒸着
膜の付着力を増すために、プラズマ中の金属イオンを加
速してワーク表面に照射するイオンプレーティングが用
いられているが、プラズマ中のイオン密度は通常の金属
蒸発源からの金属蒸発密度よりも小さいため、成膜速度
は大きくならない。
【０００３】高金属蒸気圧と高イオン密度を与える金属
蒸気のアークプラズマを金属蒸発源として用いる技術
は、米国特許第３，７８３，２３１号明細書に開示され
ており、これの蒸発金属源は冷陰極で、その表面にでき
る高温溶融金属の作るアークスポットが金属蒸気と高密
度電子とを供給している。熱電子陰極からの電子を加速
すると共に収束させて蒸発金属源である陽極に照射し、
より安定なアークプラズマを作り、これを金属蒸発源と
して用いる技術は、フランス特許第１，４９６，６９７
号明細書に開示されている。更に、熱陰極からの電子を
ウエネルト電極を用いて収束させることによって小型化
された熱陰極真空アーク金属蒸発源は、Ｒｅｖ．Ｒｏｕ
ｍ．Ｐｈｙｓ．，２８，１０，９０７（1981）にＧ．ム
サ他によって開示されている。
蒸気のアークプラズマを金属蒸発源として用いる技術
は、米国特許第３，７８３，２３１号明細書に開示され
ており、これの蒸発金属源は冷陰極で、その表面にでき
る高温溶融金属の作るアークスポットが金属蒸気と高密
度電子とを供給している。熱電子陰極からの電子を加速
すると共に収束させて蒸発金属源である陽極に照射し、
より安定なアークプラズマを作り、これを金属蒸発源と
して用いる技術は、フランス特許第１，４９６，６９７
号明細書に開示されている。更に、熱陰極からの電子を
ウエネルト電極を用いて収束させることによって小型化
された熱陰極真空アーク金属蒸発源は、Ｒｅｖ．Ｒｏｕ
ｍ．Ｐｈｙｓ．，２８，１０，９０７（1981）にＧ．ム
サ他によって開示されている。
【０００４】イオンプレーティングのプラズマとして、
電子ビームにより加熱されたるつぼ中の蒸発金属材を、
別のアーク電源からの電流によってアーク化して得られ
るアークプラズマを用いる技術は、木部洋他（表面技術
協会８９講演大会要旨集２１８頁 １９９４年）に開示
されている。これは、電子ビーム電源とアーク電源が共
用されている上述のＧ．ムサの教示する技術と同等の構
造を持つと考えられるが、後者は小型化により適してい
る。
電子ビームにより加熱されたるつぼ中の蒸発金属材を、
別のアーク電源からの電流によってアーク化して得られ
るアークプラズマを用いる技術は、木部洋他（表面技術
協会８９講演大会要旨集２１８頁 １９９４年）に開示
されている。これは、電子ビーム電源とアーク電源が共
用されている上述のＧ．ムサの教示する技術と同等の構
造を持つと考えられるが、後者は小型化により適してい
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記した従来のるつぼ
を使用した蒸発源は、金属蒸着膜の付着強度が弱い欠点
があり、電子ビームを利用して金属蒸気をイオン化する
形式の蒸発源は成膜速度の遅い欠点がある。また、いず
れの蒸発源も蒸発量が経時的に変化するのみならず、ア
ークプラズマを利用した蒸発源は、アークの点弧時およ
び定常時に安定性を欠く不都合がある。また、従来の蒸
発源は比較的大型で、成膜中の自在な移動は行えないも
ので、小型の移動可能な蒸発源の提供が要望されてい
た。
を使用した蒸発源は、金属蒸着膜の付着強度が弱い欠点
があり、電子ビームを利用して金属蒸気をイオン化する
形式の蒸発源は成膜速度の遅い欠点がある。また、いず
れの蒸発源も蒸発量が経時的に変化するのみならず、ア
ークプラズマを利用した蒸発源は、アークの点弧時およ
び定常時に安定性を欠く不都合がある。また、従来の蒸
発源は比較的大型で、成膜中の自在な移動は行えないも
ので、小型の移動可能な蒸発源の提供が要望されてい
た。
【０００６】本発明は、付着強度の大きな金属膜を高速
で広範囲に成膜でき、安定したアークプラズマで安定し
た成膜を行える小型の蒸発源を提供すること、及び位置
と方向を変えて蒸着を行える蒸発源を提供することを目
的とするものである。
で広範囲に成膜でき、安定したアークプラズマで安定し
た成膜を行える小型の蒸発源を提供すること、及び位置
と方向を変えて蒸着を行える蒸発源を提供することを目
的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明では、熱電子ビー
ム源と、蒸発金属材供給装置と、該熱電子ビーム源を該
蒸発金属材供給装置に対し負の高電圧に保ち電子を加速
する制御電源と、該熱電子ビーム源からの電子ビームの
照射により蒸発した該蒸発金属材供給装置の蒸発金属材
の蒸気をアークプラズマ化してその一部をイオン化する
アークプラズマ化手段を備えた熱電子真空アーク蒸発源
に於いて、該熱電子ビーム源を、熱陰極と、ウエネルト
電極と、該熱陰極の温度を一定に制御するための熱陰極
電流源と、該ウエネルト電極に該熱陰極に対し負の電圧
を与える電極電源とで構成し、該蒸発金属材供給装置は
熱容量の小さい蒸発金属材を該熱電子ビーム源に接近し
た位置に連続的に供給する連続供給機構を備え、該制御
電源は該蒸発金属材の熱容量に応じてプログラムされた
速度で電流を上昇させる可変定電流源とバラスト負荷と
で構成してアークプラズマ化機能を兼備することによ
り、上記の最初の目的を達成するようにした。該熱電子
ビーム源は、熱陰極と、ウエネルト電極と、電子引出し
電極と、該熱陰極の温度を一定に制御するための熱陰極
電流源と、該ウエネルト電極に該熱陰極に対し負の電圧
を与え、該電子引出し電極には該熱陰極に対し正の電圧
を与える電極電源とで構成するか、或は、熱陰極と、ウ
エネルト電極と、電子引出し電極と、偏向電極と、該熱
陰極の温度を一定に制御するための熱陰極電流源と、該
ウエネルト電極及び偏向電極に該熱陰極に対し負の電圧
を与え、該電子引出し電極には該熱陰極に対し正の電圧
を与える電極電源とで構成することが可能であり、該熱
電子真空アーク蒸発源の真空容器内にロボットアームを
設けてその先端に該熱電子ビーム源と該蒸発金属材供給
装置を搭載させることにより、上記の後の目的が達成さ
れる。
ム源と、蒸発金属材供給装置と、該熱電子ビーム源を該
蒸発金属材供給装置に対し負の高電圧に保ち電子を加速
する制御電源と、該熱電子ビーム源からの電子ビームの
照射により蒸発した該蒸発金属材供給装置の蒸発金属材
の蒸気をアークプラズマ化してその一部をイオン化する
アークプラズマ化手段を備えた熱電子真空アーク蒸発源
に於いて、該熱電子ビーム源を、熱陰極と、ウエネルト
電極と、該熱陰極の温度を一定に制御するための熱陰極
電流源と、該ウエネルト電極に該熱陰極に対し負の電圧
を与える電極電源とで構成し、該蒸発金属材供給装置は
熱容量の小さい蒸発金属材を該熱電子ビーム源に接近し
た位置に連続的に供給する連続供給機構を備え、該制御
電源は該蒸発金属材の熱容量に応じてプログラムされた
速度で電流を上昇させる可変定電流源とバラスト負荷と
で構成してアークプラズマ化機能を兼備することによ
り、上記の最初の目的を達成するようにした。該熱電子
ビーム源は、熱陰極と、ウエネルト電極と、電子引出し
電極と、該熱陰極の温度を一定に制御するための熱陰極
電流源と、該ウエネルト電極に該熱陰極に対し負の電圧
を与え、該電子引出し電極には該熱陰極に対し正の電圧
を与える電極電源とで構成するか、或は、熱陰極と、ウ
エネルト電極と、電子引出し電極と、偏向電極と、該熱
陰極の温度を一定に制御するための熱陰極電流源と、該
ウエネルト電極及び偏向電極に該熱陰極に対し負の電圧
を与え、該電子引出し電極には該熱陰極に対し正の電圧
を与える電極電源とで構成することが可能であり、該熱
電子真空アーク蒸発源の真空容器内にロボットアームを
設けてその先端に該熱電子ビーム源と該蒸発金属材供給
装置を搭載させることにより、上記の後の目的が達成さ
れる。
【０００８】
【作用】本発明の蒸発源を真空中に用意し、電極電源に
よりウエネルト電極に熱陰極に対して負の電圧をかける
と共に、制御電源により熱電子ビーム源と蒸発金属材供
給装置との間に負の高電圧をかけ、熱電子ビーム源の熱
陰極へ通電すると、該熱陰極から発生する熱電子ビーム
が熱陰極または電子引出し電極とウエネルト電極の作る
静電界により収束され、電気的にはアース電位の蒸発金
属材供給装置の蒸発金属材の先端に向けて加速照射され
る。これにより蒸発金属材は加熱され、電子ビーム加熱
がある臨界値（臨界電子加熱）を越えると該金属材の蒸
気が発生し、その金属原子がイオン化されてアーク放電
が発生する。アーク放電の発熱は、該蒸発金属材の先端
を加熱し、該金属材の蒸発を増強する。こうしたイオン
を含む蒸気流はワークの表面にイオンの化学作用によっ
て固く付着する。該蒸発金属材は熱容量が小さくなるよ
うに形成されているので、その蒸発消耗は比較的速く、
これを補うように連続供給装置により連続的に所定の位
置にその先端を存在させるように供給が行われる。該制
御電源は該蒸発金属材の熱容量に応じてプログラムされ
た速度で電流を上昇させる可変定電流源とバラスト負荷
とで構成されているから、アーク放電が安定し、該制御
電源が電子の加速とアークプラズマ化機能を兼備してい
るため、アーク放電用の設備が不要で蒸発源を小型にで
きる。
よりウエネルト電極に熱陰極に対して負の電圧をかける
と共に、制御電源により熱電子ビーム源と蒸発金属材供
給装置との間に負の高電圧をかけ、熱電子ビーム源の熱
陰極へ通電すると、該熱陰極から発生する熱電子ビーム
が熱陰極または電子引出し電極とウエネルト電極の作る
静電界により収束され、電気的にはアース電位の蒸発金
属材供給装置の蒸発金属材の先端に向けて加速照射され
る。これにより蒸発金属材は加熱され、電子ビーム加熱
がある臨界値（臨界電子加熱）を越えると該金属材の蒸
気が発生し、その金属原子がイオン化されてアーク放電
が発生する。アーク放電の発熱は、該蒸発金属材の先端
を加熱し、該金属材の蒸発を増強する。こうしたイオン
を含む蒸気流はワークの表面にイオンの化学作用によっ
て固く付着する。該蒸発金属材は熱容量が小さくなるよ
うに形成されているので、その蒸発消耗は比較的速く、
これを補うように連続供給装置により連続的に所定の位
置にその先端を存在させるように供給が行われる。該制
御電源は該蒸発金属材の熱容量に応じてプログラムされ
た速度で電流を上昇させる可変定電流源とバラスト負荷
とで構成されているから、アーク放電が安定し、該制御
電源が電子の加速とアークプラズマ化機能を兼備してい
るため、アーク放電用の設備が不要で蒸発源を小型にで
きる。
【０００９】該熱電子真空アーク蒸発源の真空容器内
に、該熱電子ビーム源と該蒸発金属材供給装置を設けれ
ば蒸着が可能になるので、これらを該真空容器内に設け
たロボットアームに取り付け、ワークに対し任意の位置
から蒸気流を流して金属膜を形成することができる。
に、該熱電子ビーム源と該蒸発金属材供給装置を設けれ
ば蒸着が可能になるので、これらを該真空容器内に設け
たロボットアームに取り付け、ワークに対し任意の位置
から蒸気流を流して金属膜を形成することができる。
【００１０】
【実施例】本発明の実施例を図面に基づき説明すると、
図１に於いて符号１は真空に排気された熱電子真空アー
ク蒸発源の真空容器２の内部に設けた熱電子ビーム源を
示し、該熱電子ビーム源１から放出される熱電子ビーム
３は蒸発金属材供給装置４の蒸発金属材５の先端を照射
し、該蒸発金属材５から蒸発する金属蒸気の一部がアー
クプラズマによりイオン化されて該真空容器１内に用意
した金属或いはプラスチック製のワーク６の成膜面に付
着してそこに金属膜が形成される。
図１に於いて符号１は真空に排気された熱電子真空アー
ク蒸発源の真空容器２の内部に設けた熱電子ビーム源を
示し、該熱電子ビーム源１から放出される熱電子ビーム
３は蒸発金属材供給装置４の蒸発金属材５の先端を照射
し、該蒸発金属材５から蒸発する金属蒸気の一部がアー
クプラズマによりイオン化されて該真空容器１内に用意
した金属或いはプラスチック製のワーク６の成膜面に付
着してそこに金属膜が形成される。
【００１１】該熱電子ビーム源１は、陰極ステム７ａ、
７ａの間に張られたタングステン線の陰極フィラメント
７ｂに真空容器２の外部の直流の熱陰極電流源８からの
通電により白熱状態に加熱される熱陰極７と、この陰極
フィラメント７ｂから出た熱電子を引出す筒形の電子引
出し電極９、及び、引出された熱電子を静電界により収
束して熱電子ビーム３とする筒形のウエネルト電極１０
とで構成され、該熱電子ビーム３は電気的には真空容器
２に接地された蒸発金属材５の先端に照射される。この
照射のために、陰極電流源８の他に直流の電極電源１１
と直流の制御電源１２とが設けられ、該熱陰極電流源８
の中性端子８ａと電極電源１１の電極基準端子１１ａと
を制御電源１２の負高圧端子１２ａに接続すると共に、
該制御電源１２の接地端子１２ｂを真空容器２に接続
し、電子引出し電極９を電極電源１１の正端子１１ｂに
接続して該電極基準端子１１ａに対し少し正の電圧を与
え、ウエネルト電極１０を該電極電源１１の第１負端子
１１ｃに接続して該電極基準端子１１ａに対し少し負の
電圧を与えるようにした。
７ａの間に張られたタングステン線の陰極フィラメント
７ｂに真空容器２の外部の直流の熱陰極電流源８からの
通電により白熱状態に加熱される熱陰極７と、この陰極
フィラメント７ｂから出た熱電子を引出す筒形の電子引
出し電極９、及び、引出された熱電子を静電界により収
束して熱電子ビーム３とする筒形のウエネルト電極１０
とで構成され、該熱電子ビーム３は電気的には真空容器
２に接地された蒸発金属材５の先端に照射される。この
照射のために、陰極電流源８の他に直流の電極電源１１
と直流の制御電源１２とが設けられ、該熱陰極電流源８
の中性端子８ａと電極電源１１の電極基準端子１１ａと
を制御電源１２の負高圧端子１２ａに接続すると共に、
該制御電源１２の接地端子１２ｂを真空容器２に接続
し、電子引出し電極９を電極電源１１の正端子１１ｂに
接続して該電極基準端子１１ａに対し少し正の電圧を与
え、ウエネルト電極１０を該電極電源１１の第１負端子
１１ｃに接続して該電極基準端子１１ａに対し少し負の
電圧を与えるようにした。
【００１２】該制御電源１２が与える高電圧による熱電
子ビーム加熱が、ある臨界値（臨界電子加熱）を越える
と、蒸発金属材５の蒸気が発生し、その金属原子がイオ
ン化されてアーク放電１３が発生する。アーク放電１３
の発熱は棒状の蒸発金属材５の先端を加熱し、蒸発金属
材５の蒸発を増大させる。こうして発生したイオンを含
む金属蒸気の蒸気流は、矢印１４のように流れてワーク
６の成膜面に達し、イオンの化学作用で該ワーク６の表
面を活性化すると共にその成膜面に固く付着する。
子ビーム加熱が、ある臨界値（臨界電子加熱）を越える
と、蒸発金属材５の蒸気が発生し、その金属原子がイオ
ン化されてアーク放電１３が発生する。アーク放電１３
の発熱は棒状の蒸発金属材５の先端を加熱し、蒸発金属
材５の蒸発を増大させる。こうして発生したイオンを含
む金属蒸気の蒸気流は、矢印１４のように流れてワーク
６の成膜面に達し、イオンの化学作用で該ワーク６の表
面を活性化すると共にその成膜面に固く付着する。
【００１３】該蒸発金属材５はその蒸発部に於ける熱容
量を小さくするために、直径の小さい棒状に設計されて
おり、その消耗は比較的速い。長時間に亘る蒸着作業を
継続するため、ウエネルト電極１０と蒸発金属材５の先
端との距離を一定に保つように、該蒸発金属材５は連続
供給機構１５により連続的に供給される。該連続供給機
構１５は、図１の例では、真空容器２に形成した導入孔
２ａを貫通して延びる支持台１５ａに蒸発金属材５の根
部を取付け固定し、該支持台１５ａの上下の移動を真空
容器２の内部に設けた案内筒１５ｂにより案内させ、該
導入孔２ａを真空容器２の外部から真空封止するベロー
ズ１５ｃを設けてこれに該支持台１５ａの下端を取付
け、モータで駆動されるカム１５ｅにより該支持台１５
ａを上下に移動させる構成とした。該支持台１５ａは、
該カム１５ｅにより蒸発金属材５の消耗を補う速度で上
昇し、常に所定の位置に該蒸発金属材５の先端が位置す
る。
量を小さくするために、直径の小さい棒状に設計されて
おり、その消耗は比較的速い。長時間に亘る蒸着作業を
継続するため、ウエネルト電極１０と蒸発金属材５の先
端との距離を一定に保つように、該蒸発金属材５は連続
供給機構１５により連続的に供給される。該連続供給機
構１５は、図１の例では、真空容器２に形成した導入孔
２ａを貫通して延びる支持台１５ａに蒸発金属材５の根
部を取付け固定し、該支持台１５ａの上下の移動を真空
容器２の内部に設けた案内筒１５ｂにより案内させ、該
導入孔２ａを真空容器２の外部から真空封止するベロー
ズ１５ｃを設けてこれに該支持台１５ａの下端を取付
け、モータで駆動されるカム１５ｅにより該支持台１５
ａを上下に移動させる構成とした。該支持台１５ａは、
該カム１５ｅにより蒸発金属材５の消耗を補う速度で上
昇し、常に所定の位置に該蒸発金属材５の先端が位置す
る。
【００１４】該熱電子ビーム源１のウエネルト電極１０
と蒸発金属材５との間隙が、夫々２０mmと３５mmであっ
た場合、これらの間の電圧−電流（熱電子ビーム電流＋
アーク電流）特性は図２に示すようになる。図２の曲線
Ａは該間隙が２０mmの場合、曲線Ｂは該間隙が３５mmの
場合である。これらの場合、電流は熱電子ビーム電流を
主とする領域からアーク電流を主とする領域に変遷し、
夫々の曲線Ａ、Ｂの破線部分は、その変遷に伴う不安定
領域である。これらの曲線Ａ、Ｂは、アークに対し蒸発
金属材５から供給される金属蒸気の量、従って蒸発金属
材５の伝熱特性に依存している。
と蒸発金属材５との間隙が、夫々２０mmと３５mmであっ
た場合、これらの間の電圧−電流（熱電子ビーム電流＋
アーク電流）特性は図２に示すようになる。図２の曲線
Ａは該間隙が２０mmの場合、曲線Ｂは該間隙が３５mmの
場合である。これらの場合、電流は熱電子ビーム電流を
主とする領域からアーク電流を主とする領域に変遷し、
夫々の曲線Ａ、Ｂの破線部分は、その変遷に伴う不安定
領域である。これらの曲線Ａ、Ｂは、アークに対し蒸発
金属材５から供給される金属蒸気の量、従って蒸発金属
材５の伝熱特性に依存している。
【００１５】一方、臨界電子加熱電力Ｐ（Ｗ）は、 Ｐ＝（πｄ2 ／４ｌ）κθ……………式（１） で表わされ、ここでｄは蒸発金属材５の直径（ｃｍ）、
ｌは蒸発金属材５の長さ（ｃｍ）、κは蒸発金属材５の
熱伝導率（Ｗ／ｃｍ／ｄｅｇ）、θは臨界加熱温度（ｄ
ｅｇ）である。ｄ＝0.15、ｌ＝１、κ＝2.35、θ＝930
としたとき、Ｐの値は３９（Ｗ）になり、この値が図２
の特性曲線に於けるアーク化開始の点となる。本発明の
場合、該蒸発金属材５の伝熱設計によって、極めて低い
電力でアーク化を開始させることが可能である。
ｌは蒸発金属材５の長さ（ｃｍ）、κは蒸発金属材５の
熱伝導率（Ｗ／ｃｍ／ｄｅｇ）、θは臨界加熱温度（ｄ
ｅｇ）である。ｄ＝0.15、ｌ＝１、κ＝2.35、θ＝930
としたとき、Ｐの値は３９（Ｗ）になり、この値が図２
の特性曲線に於けるアーク化開始の点となる。本発明の
場合、該蒸発金属材５の伝熱設計によって、極めて低い
電力でアーク化を開始させることが可能である。
【００１６】図３は制御電源１２の詳細であり、この場
合、該制御電源１２を制御信号発生器１２ｃの制御信号
に比例した電流Ｉ0 を発生する可変定電流源１２ｄとバ
ラスト抵抗１２ｅとで構成した。この図３と図２とに基
づき制御電源１２の作動を説明すると、図３に於いて、
可変定電流源１２ｄが発生する電流Ｉ0 は、 Ｉ0 ＝κ・ｆ（ｔ）……………………式（２） となって制御信号発生器１２ｃの制御信号ｆ（ｔ）に比
例し、この電流Ｉ0 は、 Ｉ0 ＝Ｉa ＋Ｉb ………………………式（３） となり、バラスト抵抗１２ｅに流れる電流Ｉb と（熱電
子ビーム電流＋アーク電流）Ｉa との和である。また、
バラスト抵抗１２ｅのコンダクタンスｇb の両端に発生
する電圧Ｖb は、 Ｖb ＝ｇb ×Ｉb ………………………式（４） である。
合、該制御電源１２を制御信号発生器１２ｃの制御信号
に比例した電流Ｉ0 を発生する可変定電流源１２ｄとバ
ラスト抵抗１２ｅとで構成した。この図３と図２とに基
づき制御電源１２の作動を説明すると、図３に於いて、
可変定電流源１２ｄが発生する電流Ｉ0 は、 Ｉ0 ＝κ・ｆ（ｔ）……………………式（２） となって制御信号発生器１２ｃの制御信号ｆ（ｔ）に比
例し、この電流Ｉ0 は、 Ｉ0 ＝Ｉa ＋Ｉb ………………………式（３） となり、バラスト抵抗１２ｅに流れる電流Ｉb と（熱電
子ビーム電流＋アーク電流）Ｉa との和である。また、
バラスト抵抗１２ｅのコンダクタンスｇb の両端に発生
する電圧Ｖb は、 Ｖb ＝ｇb ×Ｉb ………………………式（４） である。
【００１７】図２に於いて、Ｉ0 ＝１００ｍＡのところ
を通る斜めの線１６の電流軸となす角ψの正接はコンダ
クタンスｇb （この場合２０μモー）に等しく描かれて
いる。曲線Ｂがこの場合のＶb −Ｉb を示すとすると、
式（３）及び（４）を満足する動作点１７はこの斜めの
線上にもある。Ｉ0 ＝１５０ｍＡおよびＩ0 ＝５０ｍＡ
に夫々対応する動作点１８、１９についても同様な関係
が成り立つ。従って、可変定電流源１２ｄの電流が与え
られれば、ｔａｎθ＝ｇb の線が交わる動作点は曲線Ｂ
がＳ字状でも一つに定まり、アーク放電の動作は安定と
なる。
を通る斜めの線１６の電流軸となす角ψの正接はコンダ
クタンスｇb （この場合２０μモー）に等しく描かれて
いる。曲線Ｂがこの場合のＶb −Ｉb を示すとすると、
式（３）及び（４）を満足する動作点１７はこの斜めの
線上にもある。Ｉ0 ＝１５０ｍＡおよびＩ0 ＝５０ｍＡ
に夫々対応する動作点１８、１９についても同様な関係
が成り立つ。従って、可変定電流源１２ｄの電流が与え
られれば、ｔａｎθ＝ｇb の線が交わる動作点は曲線Ｂ
がＳ字状でも一つに定まり、アーク放電の動作は安定と
なる。
【００１８】蒸発金属材５の密度ρ（ｇ／ｃｍ3 ）と比
熱Ｃp （Ｊ／ｇ・ｄｅｇ）からその温度伝導率はκ／ρ
Ｃp で与えられ、蒸発金属材５の時定数τは近似的に τ＝ｌ2 （κ／ρＣp ）…………………式（５） で与えられる。蒸発金属材５がアルミニウムである場
合、（κ／ρＣp ）＝1.1（ｓ／ｃｍ2 ）であるから、
ｌ＝１ｃｍに対して時定数は約１秒になる。可変定電流
源１２ｄのｆ（ｔ）は、蒸発金属材５の昇温に合わせて
臨界電子加熱までその電流Ｉ0 を上昇させ、その後アー
クの安定を待って更に同じ時定数で所定の動作電流まで
電流Ｉ0 を上昇させるように設定される。従って、アー
ク放電用の特別な電源や電極がなくても安定したアーク
放電を発生させることができ、蒸発源の構成を簡略化で
きる。
熱Ｃp （Ｊ／ｇ・ｄｅｇ）からその温度伝導率はκ／ρ
Ｃp で与えられ、蒸発金属材５の時定数τは近似的に τ＝ｌ2 （κ／ρＣp ）…………………式（５） で与えられる。蒸発金属材５がアルミニウムである場
合、（κ／ρＣp ）＝1.1（ｓ／ｃｍ2 ）であるから、
ｌ＝１ｃｍに対して時定数は約１秒になる。可変定電流
源１２ｄのｆ（ｔ）は、蒸発金属材５の昇温に合わせて
臨界電子加熱までその電流Ｉ0 を上昇させ、その後アー
クの安定を待って更に同じ時定数で所定の動作電流まで
電流Ｉ0 を上昇させるように設定される。従って、アー
ク放電用の特別な電源や電極がなくても安定したアーク
放電を発生させることができ、蒸発源の構成を簡略化で
きる。
【００１９】図４は本発明の第２実施例を示すもので、
これの熱電子ビーム源１の電極構成と蒸発金属材５の形
状及び蒸発金属材供給装置４の連続供給機構１５の構成
が図１のものと相違する。この例では、熱電子ビーム源
１の電極として偏向電極２０をウエルネルト電極１０の
外側に設け、熱電子ビーム３を薄肉の円筒状に形成した
蒸発金属材５の先端に該偏向電極２０で偏向して照射し
た。また、連続供給機構１５として、該円筒状の蒸発金
属材５を取付けた支持台１５ａを真空容器２の真空シー
ルした導入孔２ａから外部へ導出し、真空容器２に固定
のねじ筒１５ｆに該支持台１５ａの外周のねじとを噛合
せ、モータ１５ｄの回転が歯車１５ｇ、１５ｇを介して
支持台１５ａへ伝達されると、ねじ筒１５ｆにより該支
持台１５ａが蒸発金属材５の消耗を補ってその先端とウ
エネルト電極１０との間隔を一定にするように上昇する
ようにした。その他の構成及び作動は図１の実施例と略
同様である。
これの熱電子ビーム源１の電極構成と蒸発金属材５の形
状及び蒸発金属材供給装置４の連続供給機構１５の構成
が図１のものと相違する。この例では、熱電子ビーム源
１の電極として偏向電極２０をウエルネルト電極１０の
外側に設け、熱電子ビーム３を薄肉の円筒状に形成した
蒸発金属材５の先端に該偏向電極２０で偏向して照射し
た。また、連続供給機構１５として、該円筒状の蒸発金
属材５を取付けた支持台１５ａを真空容器２の真空シー
ルした導入孔２ａから外部へ導出し、真空容器２に固定
のねじ筒１５ｆに該支持台１５ａの外周のねじとを噛合
せ、モータ１５ｄの回転が歯車１５ｇ、１５ｇを介して
支持台１５ａへ伝達されると、ねじ筒１５ｆにより該支
持台１５ａが蒸発金属材５の消耗を補ってその先端とウ
エネルト電極１０との間隔を一定にするように上昇する
ようにした。その他の構成及び作動は図１の実施例と略
同様である。
【００２０】図５は本発明の第３実施例を示すもので、
これの熱電子ビーム源１は電極アッセンブリ２５にマウ
ントされ、該熱電子ビーム源１には電子引出し電極がな
く、蒸発金属材供給装置４が放熱フィン４ａに囲まれて
おり、ワイヤ状の蒸発金属材５の連続供給機構１５の構
成及びロボットアーム２１に熱電子ビーム源１と蒸発金
属材供給装置４を取付けた点が図１の実施例と相違し、
熱陰極７とウエネルト電極１０への配線２２、２３を可
撓碍子列２４内に納めるようにした。熱陰極７の配線２
２とウエネルト電極１０との間には熱陰極電流源８が接
続され、ウエネルト電極１０への負高圧配線２３は制御
電源１２の負高圧端子１２ａに接続され、制御電源１２
の接地端子１２ｂは真空容器２に接続される。この実施
例は、図１、図４の実施例よりも電極構成は簡単になっ
ているが、この場合も陰極フィラメント７ｂからでた熱
電子ビーム３は、熱陰極とウエネルト電極１０の作る静
電界によって収束され、アース電位の蒸発金属材５の先
端に向けて加速照射される。電極アッセンブリ２５は約
４５°傾けて蒸発ヘッド２６に取付けられ、熱電子ビー
ム３の蒸発ヘッド２６の軸に対する角度は約４５°であ
る。蒸発ヘッド２６のワイヤ状の蒸発金属材５を導出す
る支持孔２７は蒸発ヘッド２６の軸に対して−４５°方
向に傾いており、該支持孔２７は蒸発金属材５の径に対
して締まりばめに調整され、該蒸発金属材５の移動に対
して摩擦抵抗を与えるようにした。該蒸発金属材５の繰
出しは、送り爪２９を往復動させるソレノイドアクチュ
エータ２８により行われ、該送り爪２９はその往動時に
は該蒸発金属材５のワイヤに食い込んでこれを押出し、
その復動時には該蒸発金属材５から離れてそれ自体で復
帰する。放熱フィン４ａはこれら連続供給機構１５の構
成部材の過度の温度上昇を防ぐ。蒸発金属材５のワイヤ
は、蒸発ヘッド２６の内部のワイヤリール３０に巻か
れ、長時間の連続作業に際しても蒸発金属材５を補給す
ることができる。
これの熱電子ビーム源１は電極アッセンブリ２５にマウ
ントされ、該熱電子ビーム源１には電子引出し電極がな
く、蒸発金属材供給装置４が放熱フィン４ａに囲まれて
おり、ワイヤ状の蒸発金属材５の連続供給機構１５の構
成及びロボットアーム２１に熱電子ビーム源１と蒸発金
属材供給装置４を取付けた点が図１の実施例と相違し、
熱陰極７とウエネルト電極１０への配線２２、２３を可
撓碍子列２４内に納めるようにした。熱陰極７の配線２
２とウエネルト電極１０との間には熱陰極電流源８が接
続され、ウエネルト電極１０への負高圧配線２３は制御
電源１２の負高圧端子１２ａに接続され、制御電源１２
の接地端子１２ｂは真空容器２に接続される。この実施
例は、図１、図４の実施例よりも電極構成は簡単になっ
ているが、この場合も陰極フィラメント７ｂからでた熱
電子ビーム３は、熱陰極とウエネルト電極１０の作る静
電界によって収束され、アース電位の蒸発金属材５の先
端に向けて加速照射される。電極アッセンブリ２５は約
４５°傾けて蒸発ヘッド２６に取付けられ、熱電子ビー
ム３の蒸発ヘッド２６の軸に対する角度は約４５°であ
る。蒸発ヘッド２６のワイヤ状の蒸発金属材５を導出す
る支持孔２７は蒸発ヘッド２６の軸に対して−４５°方
向に傾いており、該支持孔２７は蒸発金属材５の径に対
して締まりばめに調整され、該蒸発金属材５の移動に対
して摩擦抵抗を与えるようにした。該蒸発金属材５の繰
出しは、送り爪２９を往復動させるソレノイドアクチュ
エータ２８により行われ、該送り爪２９はその往動時に
は該蒸発金属材５のワイヤに食い込んでこれを押出し、
その復動時には該蒸発金属材５から離れてそれ自体で復
帰する。放熱フィン４ａはこれら連続供給機構１５の構
成部材の過度の温度上昇を防ぐ。蒸発金属材５のワイヤ
は、蒸発ヘッド２６の内部のワイヤリール３０に巻か
れ、長時間の連続作業に際しても蒸発金属材５を補給す
ることができる。
【００２１】該蒸発ヘッド２６はロボットアーム２１を
構成する先端アーム２１ａに取付けられ、該先端アーム
２１ａは中間アーム２１ｂ、２１ｃを介して駆動アーム
２１ｄに回転可能に取付けられる。該駆動アーム２１ｄ
は軸回りの駆動が可能である。これらのアームの動きに
より、蒸発ヘッド２６は真空容器２の内部を自在に動
き、ワーク６に対して任意の方向から蒸着することが可
能になる。
構成する先端アーム２１ａに取付けられ、該先端アーム
２１ａは中間アーム２１ｂ、２１ｃを介して駆動アーム
２１ｄに回転可能に取付けられる。該駆動アーム２１ｄ
は軸回りの駆動が可能である。これらのアームの動きに
より、蒸発ヘッド２６は真空容器２の内部を自在に動
き、ワーク６に対して任意の方向から蒸着することが可
能になる。
【００２２】
【発明の効果】以上のように本発明によるときは、蒸発
金属材供給装置の蒸発金属材の蒸気の一部をイオン化す
るアークプラズマ化手段を備えた熱電子真空アーク蒸発
源に於いて、熱電子ビーム源を、熱陰極と、ウエネルト
電極と、該熱陰極の温度を一定に制御するための熱陰極
電流源と、該ウエネルト電極に該熱陰極に対し負の電圧
を与える電極電源とで構成し、該蒸発金属材供給装置は
熱容量の小さい蒸発金属材を該熱電子ビーム源に接近し
た位置に連続的に供給する連続供給機構を備え、該制御
電源は該蒸発金属材の熱容量に応じてプログラムされた
速度で電流を上昇させる可変定電流源とバラスト負荷と
で構成してアークプラズマ化機能を兼備させたので、特
別のアークプラズマ用の電極と電源を設けることなく安
定した金属蒸気のプラズマが得られ、付着強度の良い金
属膜を一定の比較的高速で広範囲に成膜でき、蒸発源を
小型化することができる等の効果があり、小型化できる
ことから熱電子真空アーク蒸発源の真空容器内にロボッ
トアームを設けてその先端に上記熱電子ビーム源と上記
蒸発金属材供給装置を搭載することができ、ワークに対
し位置と方向を変えて蒸着を行える効果がある。
金属材供給装置の蒸発金属材の蒸気の一部をイオン化す
るアークプラズマ化手段を備えた熱電子真空アーク蒸発
源に於いて、熱電子ビーム源を、熱陰極と、ウエネルト
電極と、該熱陰極の温度を一定に制御するための熱陰極
電流源と、該ウエネルト電極に該熱陰極に対し負の電圧
を与える電極電源とで構成し、該蒸発金属材供給装置は
熱容量の小さい蒸発金属材を該熱電子ビーム源に接近し
た位置に連続的に供給する連続供給機構を備え、該制御
電源は該蒸発金属材の熱容量に応じてプログラムされた
速度で電流を上昇させる可変定電流源とバラスト負荷と
で構成してアークプラズマ化機能を兼備させたので、特
別のアークプラズマ用の電極と電源を設けることなく安
定した金属蒸気のプラズマが得られ、付着強度の良い金
属膜を一定の比較的高速で広範囲に成膜でき、蒸発源を
小型化することができる等の効果があり、小型化できる
ことから熱電子真空アーク蒸発源の真空容器内にロボッ
トアームを設けてその先端に上記熱電子ビーム源と上記
蒸発金属材供給装置を搭載することができ、ワークに対
し位置と方向を変えて蒸着を行える効果がある。
【図１】 本発明の実施例の截断側面図
【図２】 図１の実施例の電圧−電流特性の線図
【図３】 図１の実施例の制御電源の詳細図
【図４】 本発明の第２実施例の截断側面図
【図５】 本発明の第３実施例の要部の截断側面図
１ 熱電子ビーム源 ２ 真空容器 ３
熱電子ビーム ４ 蒸発金属材供給装置 ５ 蒸発金属材 ６
ワーク ７ 熱陰極 ８ 陰極電流源 ９
電子引出し電極 １０ ウエネルト電極 １１ 電極電源 １
２ 制御電源 １２ａ 高負圧端子 １２ｂ 接地端子 １
２ｃ 制御信号発生器 １２ｄ 可変定電流源 １２ｅ バラスト抵抗
１３ アーク放電 １５ 連続供給機構 ２０ 偏向電極
２１ ロボットアーム
熱電子ビーム ４ 蒸発金属材供給装置 ５ 蒸発金属材 ６
ワーク ７ 熱陰極 ８ 陰極電流源 ９
電子引出し電極 １０ ウエネルト電極 １１ 電極電源 １
２ 制御電源 １２ａ 高負圧端子 １２ｂ 接地端子 １
２ｃ 制御信号発生器 １２ｄ 可変定電流源 １２ｅ バラスト抵抗
１３ アーク放電 １５ 連続供給機構 ２０ 偏向電極
２１ ロボットアーム
Claims (4)
- 【請求項１】 熱電子ビーム源と、蒸発金属材供給装置
と、該熱電子ビーム源を該蒸発金属材供給装置に対し負
の高電圧に保ち電子を加速する制御電源と、該熱電子ビ
ーム源からの電子ビームの照射により蒸発した該蒸発金
属材供給装置の蒸発金属材の蒸気をアークプラズマ化し
てその一部をイオン化するアークプラズマ化手段を備え
た熱電子真空アーク蒸発源に於いて、該熱電子ビーム源
を、熱陰極と、ウエネルト電極と、該熱陰極の温度を一
定に制御するための熱陰極電流源と、該ウエネルト電極
に該熱陰極に対し負の電圧を与える電極電源とで構成
し、該蒸発金属材供給装置は熱容量の小さい蒸発金属材
を該熱電子ビーム源に接近した位置に連続的に供給する
連続供給機構を備え、該制御電源は該蒸発金属材の熱容
量に応じてプログラムされた速度で電流を上昇させる可
変定電流源とバラスト負荷とで構成してアークプラズマ
化機能を兼備することを特徴とする小型熱電子真空アー
ク蒸発源。 - 【請求項２】 上記熱電子ビーム源は、熱陰極と、ウエ
ネルト電極と、電子引出し電極と、該熱陰極の温度を一
定に制御するための熱陰極電流源と、該ウエネルト電極
に該熱陰極に対し負の電圧を与え、該電子引出し電極に
は該熱陰極に対し正の電圧を与える電極電源とで構成し
たことを特徴とする請求項１に記載の小型熱電子真空ア
ーク蒸発源。 - 【請求項３】 上記熱電子ビーム源は、熱陰極と、ウエ
ネルト電極と、電子引出し電極と、偏向電極と、該熱陰
極の温度を一定に制御するための熱陰極電流源と、該ウ
エネルト電極及び偏向電極に該熱陰極に対し負の電圧を
与え、該電子引出し電極には該熱陰極に対し正の電圧を
与える電極電源とで構成したことを特徴とする請求項１
に記載の小型熱電子真空アーク蒸発源。 - 【請求項４】 上記熱電子真空アーク蒸発源の真空容器
内にロボットアームを設けてその先端に上記熱電子ビー
ム源と上記蒸発金属材供給装置を搭載したことを特徴と
する請求項１又は２又は３に記載の小型熱電子真空アー
ク蒸発源。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17662894A JP3554030B2 (ja) | 1994-07-28 | 1994-07-28 | 小型熱電子真空アーク蒸発源 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17662894A JP3554030B2 (ja) | 1994-07-28 | 1994-07-28 | 小型熱電子真空アーク蒸発源 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0841632A true JPH0841632A (ja) | 1996-02-13 |
| JP3554030B2 JP3554030B2 (ja) | 2004-08-11 |
Family
ID=16016912
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17662894A Expired - Fee Related JP3554030B2 (ja) | 1994-07-28 | 1994-07-28 | 小型熱電子真空アーク蒸発源 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3554030B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111800930A (zh) * | 2020-06-15 | 2020-10-20 | 山东大学 | 一种能够模拟电离层等离子体环境的试验装置 |
| JP2022527127A (ja) * | 2019-04-04 | 2022-05-30 | ルナ・リソーシズ・インコーポレーテッド | 宇宙において機能性材料を真空気相蒸着する方法およびシステム |
| JP2022538815A (ja) * | 2019-07-05 | 2022-09-06 | クロネス アクティェンゲゼルシャフト | 電子ビームによって包装及び／又はプリフォームを照射するための方法及び装置 |
-
1994
- 1994-07-28 JP JP17662894A patent/JP3554030B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2022527127A (ja) * | 2019-04-04 | 2022-05-30 | ルナ・リソーシズ・インコーポレーテッド | 宇宙において機能性材料を真空気相蒸着する方法およびシステム |
| JP2022538815A (ja) * | 2019-07-05 | 2022-09-06 | クロネス アクティェンゲゼルシャフト | 電子ビームによって包装及び／又はプリフォームを照射するための方法及び装置 |
| CN111800930A (zh) * | 2020-06-15 | 2020-10-20 | 山东大学 | 一种能够模拟电离层等离子体环境的试验装置 |
| CN111800930B (zh) * | 2020-06-15 | 2022-08-26 | 山东大学 | 一种能够模拟电离层等离子体环境的试验装置 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3554030B2 (ja) | 2004-08-11 |
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