JP3338467B2 - 電子ビームのガイド及びセンタリングの方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、真空コーティングチャ
ンバ内で電子ビームを、該電子ビームの軸に直交して広
がる磁界を用いてガイド（案内）およびセンタリングす
る方法に関する。この方法により、電子ビームは真空チ
ャンバ内にてカソードから原材料（asource of raw mat
erial）へガイドされ、その部分で焼成スポットが形成
され、該焼成スポットにおいて、電子ビームにより原材
料の表面が加熱され溶融される。しかも原材料は、この
材料が溶融されるのに対応しながら供給される。

【０００２】本発明は、更に、上記の方法を実行するた
めの装置に関する。

【０００３】

【従来の技術】真空チャンバ内において、このような原
材料によって材料をコーティングしたり、また基板の表
面をコーティングするために、蒸着作用（evaporating
）を可能にする種々の方法が知られている。更に、窒
素や酸素のような付加的な反応性ガスを真空チャンバ内
に導入し、これにより所望の化合物の表面コーティング
が生成されることも知られている。ドイツ特許明細書第
２８ ２３ ８７０号が、以下のような方法および装置
を開示している。これによると、被コート部材を支持す
る基板支持体が、真空チャンバ内でその主軸の周囲に集
中して配置されている。この被コート部材は、フライス
盤用のカッター又はドリル，等といった工具であり、こ
れらは表面をコーティングすることによって、特定の機
械的，化学的または光学的特性を持たせるように処理さ
れる。カソード配列から照射され原材料上に衝突する電
子ビームは、真空チャンバの縦方向の軸に沿って装置の
中央にガイドされる。電子ビームの高いエネルギによっ
て原材料の表面は溶融され、上述の方法に従って基板面
にデポジットされる。電子ビームは磁界によって焦点が
決定され、そして真空チャンバの中心部に位置合わせさ
れる。基板の支持体、およびこの支持体に置かれた被コ
ート部材はこの磁界を歪ませ、つまりこれらの障害の影
響とは、電子ビームが偏向されることにあり、これによ
り原材料は、もはや本来望まれたような方法では処理さ
れない。更なる問題は、基板または被コート部材がコー
ティング過程の間に回転するとき、又はそれとは別に動
かされるときに発生する。このような場合、磁界への影
響は絶えず変化し、電子ビームは不規則に偏向されて乱
される。この動作の結果、原材料は不規則に処理され、
つまり不規則に溶融される。極端な場合、電子ビームに
よって作られる焦点、すなわち焼成スポットは原材料を
逸れて支持構造物上に衝突し、もし不適当な冷却である
ときには、その周囲でプラントのこれら構造を破壊する
に至る可能性さえある。周知の装置において、原材料
は、通常”坩堝”内に配置され、この坩堝には、コーテ
ィングする材料が一定の限られた量だけが入っている。

【０００４】更に、装置またはプラントにおいて、迅速
な蒸発作用のために、原材料として棒すなわちロッドを
配置し、これらが”坩堝”の下部面沿いを通って絶えず
供給されることも知られている。この原材料であるロッ
ドはアノードを構成し、磁界に影響されなければ、電子
ビームによって形成される焼成スポットが、原材料ロッ
ドの中央部に衝突し、この表面を均一に溶融する。もし
電子ビームが偏向されてこの中央部から逸れると、ロッ
ドは片側だけが溶融し、片側だけが緩んだ、すなわち柔
らかくなったカラー（collar）が形成される。この片側
だけ溶融されたカラーは、冷却される支持体から離れた
距離にあるので、あまり冷却されない。このカラーの柔
らかい部分は、チャンバ内に与えられた反応性ガスと反
応し、これによって生成された化合物は、殆どが純粋な
材料よりも高い融点をもつ。これは、蒸発速度が変更さ
れ溶融作用が乱される状態となるので、コーティング過
程の混乱を導く。この結果、コーティング過程は中断さ
れなければならず、更にコートされるはずの部材は低品
質になり、すなわち廃棄物として当然取り除かねばなら
なくなる。

【０００５】上述の状態に起因する以下の目的、言い換
えれば、原材料の表面上で均一な溶融過程を作るため
に、コーティング過程の間、電子ビームのセンタリング
を与えることは、欧州で公開された出願明細書ＥＰ−Ｏ
Ｓ−０ ３８１ ９１２号の基礎を構成し、この明細書
において、電子ビームの軸と横方向に回転する磁界によ
って電子ビームをセンタリングする方法が開示されてい
る。これにより、この回転する磁界は、電子ビームに関
する付加的な静電誘導作用、つまり位置決め作用のため
に、安定した磁界によって付加的に重畳されることが可
能で、原材料の表面全体を均一に浸食することができ
る。電子ビームのセンタリングまたはガイドのために、
真空チャンバ内の反応性ガスの消費速度を測定すること
によって磁界を制御すること、すなわち静電誘導するこ
とが、例えば欧州の出願明細書ＥＰ−ＯＳ ３８１ ９
１２号として開示されているが、それ自身確かめられて
おらず、またそれ自身は信頼性の無いことを露呈してお
り、今もなお原材料の不均一な浸食作用に至っている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】これにより、本発明の
全体的な目的は、適切な方法で電子ビームのセンタリン
グ、または電子ビームのガイドを実施するために、磁界
を発生するコイル用電源装置に対して、改良された一層
確実な制御を提供することである。

【０００７】更なる目的は、電子ビームによって形成さ
れる焼成スポットの原材料の中心部からの偏位をビデオ
装置によって検知するステップと、これによって検知さ
れた信号を用いて、電子ビームをガイドまたはセンタリ
ングするための磁界を形成するステップとを備えた方法
を提供することである。

【０００８】また他の目的は、電子ビームのエリアの水
平面内に配置された磁気コイルを備え、これらのコイル
が、電子ビームの軸と少なくともほぼ垂直で且つ互いに
少なくとも垂直な各軸を備える装置を提供すること、ま
た更にビデオシステムを備える装置を提供することであ
る。このビデオシステムは、真空チャンバの外側に配置
されたビデオカメラと、真空チャンバの壁にあって気密
するべく適合されながら、ビデオカメラから蒸発源への
視界を与え、これによりビデオカメラの軸が蒸発源上の
中心部へ実質的に向けられる窓と、そしてコンピュータ
と接続され磁気コイルの電流供給を制御する画像評価器
とを備える。

【０００９】

【作用】本発明の方法によって、基板および基板自身の
支持体に起因する電子ビームの理想軸からの偏向、すな
わち主要な磁界へ及ぼす基板の影響を補償することがで
きる。これは、電子ビームの軸に対して直交方向の定常
磁界が生成され、この磁界が電子ビームを原材料の中心
部へ位置決めすることによって達成される。このために
２つの磁気コイルの軸は、互いと垂直で且つ電子ビーム
の軸とほぼ垂直な平面上で延びる。このように生成され
た磁界は、強磁性体基板によって作られた主要な磁界上
への影響を補償する。定常磁界のためのコイルが配置さ
れた上記軸において、重畳される回転磁界が生成され、
電子ビームのための付加的な影響、つまり電子ビームを
位置決めする役割をする。すなわち、この磁界によっ
て、電子ビームは任意の半径で回転軸を中心に回転され
る。この回転磁界は、９０度ずらされた２つのコイルに
よって生成され、これらのコイルには、直角位相、すな
わち９０度の位相シフトした交番電流が供給される。し
かしながら、回転磁界は、また、最初に述べた磁気コイ
ルに９０度の位相シフトの交番電流を付加的に供給され
ることで生成される。この付加的な回転磁界はこの回転
軸に関する位置の移動を可能にし、この軸を中心に電子
ビームは、２つの磁気コイルの軸で構成された座標系内
で回転し、最適な状態において、この回転軸が原材料の
軸と一致するまで回転する。

【００１０】この装置またはプラントの動作において、
もし電子ビームが原材料の中心部に衝突しないならば、
例えば強磁性体基板が、コイルによって生成された主電
界を歪ませるとき、電子ビームが回転する回転軸もこの
回転軸をはずれて位置される。結果的に、電子ビームは
原材料の表面全体に掃射せず、従って不均一な状態で溶
融または浸食されるであろう。言い換えれば、被溶融蒸
発源である物質を加熱する気体放電は蒸発源の中心部で
溶融せず、結果的に、最高温部分は原材料のロッドの中
心に対して同心円でなくなる。

【００１１】ここで本発明の方法によれば、ビデオシス
テムのビデオカメラが、原材料のロッドの中心と位置合
わせされる。そして画像評価器がこのビデオカメラと接
続される。この画像評価器は、調整可能なしきい値を越
える輝度信号を検出し、このしきい値を越える輝度をも
つエリアに対して各信号を出力する。このしきい値は、
ビデオカメラの座標系と関連して、上記エリアの最大輝
度の中心座標と対応している。このように蒸発源上の最
高温エリアを局部的に位置することができるが、このエ
リアはロッドの中心と同心円とはされない。上記画像評
価器で生成された信号を用いて、９０度ずらされた直交
方向のコイルのための電源装置は、回転磁界すなわち電
子ビームをセンタリングするために、最大輝度をもつエ
リアが蒸発源の中心部に位置決めされるべく制御する。
この電子ビームのセンタリング動作は、コーティング過
程に先立って、つまり詳細には例えば、この全体の出
力、すなわちこの過程の４分の１で行われることが可能
であり、その結果、被溶融物は、それと共にただ加熱さ
れるだけで蒸発はされない。回転する電子ビームは、ビ
デオカメラで検知される偏位に対応しながら、電子ビー
ムの回転軸が原材料の軸と一致するまで、原材料の軸方
向に電子ビームの回転軸と共に位置が移動される。

【００１２】もし坩堝の縦方向の移動、すなわち蒸発源
の縦方向の移動がこのプロセスのために必要とされるな
らば、この坩堝の下部と上部の位置に対してのセンタリ
ングが、コーティングに先立って実施される。加えて、
ビデオカメラは、蒸発源が再びその画面の中心部に配置
されるまでこの範囲に対して旋回される。コーティング
過程の間、上記各コイルは、センタリングの手続きの間
に決定された電流によって操作される。その後、気体放
電は被溶融部材面の中心にて最大出力で焼成する。より
均一なロッドの溶け出しを達成するためには、交番電流
が上述のように２つのコイルのセンタリングさせるため
の定常磁界を発生させる電流に重畳される。この２つの
交番電流もまた、９０度だけ互いに位相がシフトされ
る。定常磁界の上に重畳される回転磁界によって、焼成
スポットはロッドの中心の周囲にはずれ、ロッドの均一
な溶け出しが保証される。この焼成スポットは、このよ
うに原材料のロッドの中心の周囲を巡回する。

【００１３】この方法は、このような表面コーティング
装置の自動的な制御を与え、この装置内の電子ビーム
は、この装置内にセットされた基板または基板支持体に
よる最適な位置に従って偏向される。この方法および装
置は自動的に操作するので、他の基板または他の配置が
基板支持体のエリア内で用いられても調整の必要がな
い。軸の周囲で回転する電子ビームによって、この電子
ビームの比較的小さい直径で原材料の表面全体を掃射
し、均一な溶融および蒸発速度を達成することが可能で
ある。この配置はまた、溶融作用、すなわち蒸発作用の
速度に依存して継続的に供給され得る材料を用いること
を可能にする。上記の結果、本発明は、このように表面
コーティング装置の実行、すなわち開始の設定に先立っ
て、上記に開示された進歩的な方法によって、ビデオカ
メラを用いることで、ロッドの中心部に電子ビームが位
置合わせされる。

【００１４】

【実施例】図１及び図２に示す真空コーティング装置
は、真空チャンバ１を取り囲むケーシング２を備えてい
る。表面がコートされる強磁性基板５は上記真空チャン
バ１内に配置される。これらの基板５は、表面の最適な
コーティングを確実にするために、特に例示されない
が、置き換え又は移動が可能である。カソード７を備え
るグローイングカソードチャンバ２９（ glowing catho
de chamber）と、対応するエネルギ供給装置３１とはケ
ーシング２の上方部に配置される。グローイングカソー
ドチャンバ２９は、真空チャンバ１内の開口部３０を介
して連絡される。原材料４は、真空チャンバ１の下部に
配置される。この原材料４は、ロッドのような形で作ら
れており、溶け去って蒸発した材料の量に対応しながら
供給され得る。この動作のための供給装置２６は原材料
４の下方に装着される。真空排気接続部６がケーシング
２に配置され、これを経由して所定の真空状態が真空チ
ャンバ１内に作られる。反応ガス用の導管８の結合部は
カソードチャンバ２９のエリア内に配置され、カソード
チャンバ２９を通って、例えばアセチレン，窒素または
酸素といった反応ガスが供給され、周知のプロセスに従
って、それら自身と蒸発材料とを組み合わせる。例え
ば、もし原材料４にチタンが用いられ、これに窒素が反
応ガス導管８を経由して供給されると、チッ化チタン化
合物（Titanium-Nitride compound ）を生成することが
可能であり、また、アセチレンが付加的に供給される
と、特に工具のコーティングに適した炭化チタンコーテ
ィング（Titanium-Carbonitride-Coating ）を生成する
ことが可能である。このプラントの動作において、電子
ビーム３は、カソード７と原材料４の表面との間に形成
され、原材料４を溶融し、この材料を真空チャンバ１に
蒸発させる。

【００１５】電子ビーム３をガイドするために、磁気コ
イル９，１０は、ケーシング２にマウントされ、電子ビ
ーム３の軸１７と並行して広がる磁界を発生する。この
電子ビーム３は、この磁界によって焦点が合わされてガ
イドされる。コートされる基板または部材の特性および
形や寸法により、磁気コイル９，１０によって作られる
磁束が影響され、これにより電子ビーム３は、理論上の
軸１７を外れて偏向される。この結果、原材料４の表面
上に電子ビーム３によって作られる焼成スポットは、も
はや原材料４の中央面上には照射されず、これにより原
材料４の不均一な溶融をもたらす。更なる結果、不適当
に加熱された緩いエッジ、すなわち柔らかいエッジは反
応性ガスと反応し、かくして高い融点でのみ溶解する化
合物を成形する。これはコーティング装置の動作および
能率のモードにかなりの範囲で不利益な影響を及ぼす。
一定時間の後、原材料４の表面３２には、かなり上昇し
たカラーが盛り上がり、もはや電子ビームによって適当
に加熱されないので、供給装置２６による原材料４の供
給動作は途中で中断されなければならない。

【００１６】これらの障害を回避し、または電子ビーム
の行程を補償するために、本発明の装置には付加マグネ
ット１１（Ｘ軸コイル）および１２（Ｙ軸コイル）が配
置される。図示例によれば、これらのコイルはケーシン
グ２の外側にマウントされ、詳細には、それらの軸は電
子ビーム３の軸１７と実質的に垂直方向に広がる水平面
内にある。これらコイル１１，１２の軸１５，１６は、
同じ共通水平面内に延び、且つ互いに９０度の角度をも
って延びている。

【００１７】その上、本発明の装置には、ビデオカメラ
４２が配置され、窓状の開口５３とバルブ５２とを通し
て蒸発源４のロッドの中心と一直線に並べられる。この
ビデオカメラ４２は、この回転軸５４の周囲で旋回する
ように支持される。そしてビデオカメラ４２には画像評
価器４３が接続される。この画像評価器４３は、設定さ
れたしきい値よりも高い輝度信号を検知し、このしきい
値を越える高い輝度エリアに対して信号を出力する。こ
のしきい値は、ビデオカメラの座標システムに関連し、
上記エリア内の最大輝度位置の座標と対応している。こ
のように、蒸発源４の表面上で最も温度の高いエリア
は、電子ビームによる蒸発源４の気体放電、すなわち加
熱作用によって作りだされ、ビデオカメラ４２によって
検知される。互いに直角方向で配置されたセンタリング
コイル１１，１２は、画像評価器４３と接続されたコン
ピュータ５１，及び電源装置４４，４５を介して制御さ
れ、これにより、電子ビームの補償のための付加磁界が
生成され、最大輝度のエリアが蒸発源４の中央に位置さ
れる。このビデオカメラによるセンタリングは、好まし
くはコーティング工程に先立って実施され、これにより
全体出力、すなわち総消費出力の４分の１以下で実施す
ることができる。このように被溶融材料４は、加熱され
るだけで蒸発はされない。ビデオカメラ４２は、この５
４を中心に旋回するように支持されているので、蒸発原
４の縦方向の動きに従って、蒸発源４の表面のそれぞれ
対応する位置にカメラ４２を調整することが可能であ
り、その結果、ビデオカメラは、どのような場合でも蒸
発源４の中心に向けられる。コーティング動作の間、こ
れらコイルは、センタリング工程から決定された電流に
よって操作される。かくして気体放電は、その最大出力
で被溶融材料４の中心面上を焼成する。被溶融材料４の
均一な溶融を達成するために、交番電流は、２つのコイ
ル１１，１２のセンタリングさせるための定常磁界を発
生させる電流に重畳されてもよい。定常磁界の上に重畳
される回転磁界のために、焼成スポットは、蒸発源４の
中心点の周囲で移動し、そのロッドの均一な溶け出しが
保証される。この重畳作用は、磁気コイル１１，１２と
並行して配置される付加的な磁気コイルか、または、こ
れらの付加的な磁気コイルが、磁気コイル１１，１２の
各部分であるか、のいずれかにより作られる。このよう
に焼成スポットは、中心の周囲で１分間に約４回、旋回
される。

【００１８】磁界が電子ビームへ与える影響、すなわち
磁界が被溶融材料４の表面に形成される焼成スポットへ
の影響は、図３，図４，図５に示される。

【００１９】図３は、被溶融材料４の表面の焼成スポッ
トの位置を表し、ここでは電子ビームの行程が補償され
ていない。

【００２０】図４において、電子ビームはコイル１１
（Ｘ軸コイル）および１２（Ｙ軸コイル）の定常磁界に
よって補償すなわちセンタリングされる。

【００２１】図５において、焼成スポットは、定常磁界
によってその一方に補償され、そして更に、回転磁界に
よって焼成スポットが蒸発材料面上で矢印方向の回転動
作を行う。

【００２２】本発明の装置の実施例、または概略的に示
される本発明の方法の実行は、それぞれ図１から図５に
表わされ、明らかにこれらに限定されず、いかなる方法
においても変更または変形され得る。本発明に関する結
果は、蒸発源上の焼成スポットがビデオカメラによって
決定され、これにより、互いに直角方向に広がる付加的
な磁気コイルによって修正され、焼成作用が蒸発源の中
心部に位置決めされるようになる。

【００２３】ここに提供された本発明の好ましい実施例
を示して記述されると同時に、本発明がこれに限定され
ないことは明確に理解されるが、またこれは上述の特許
請求の範囲から個々に実施および実行され得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従って組み立てられた真空コーティン
グ装置に関する縦方向断面の概略図である。

【図２】電子ビームのセンタリングのために必要とされ
る磁気コイルの配置を示す。

【図３】蒸発源上の焼成スポットの位置への磁界の影響
を概略的に示す。

【図４】蒸発源上の焼成スポットの位置への磁界の影響
を概略的に示す。

【図５】蒸発源上の焼成スポットの位置への磁界の影響
を概略的に示す。

【符号の説明】

１…真空チャンバ ３…電子ビーム ４…原材料 ５…基板 ９，１０…コイル １１，１２…付加コイル １７…電子ビームの軸 ４２…ビデオカメラ ４３…画像評価器 ５１…コンピュータ ５３…窓

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−239558（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−283338（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−195825（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−107060（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 H01J 37/06

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空コーティングチャンバ内の電子ビー
   ムを該電子ビームの軸と直交方向に広がる磁界によって
   ガイド及びセンタリングすることに際し、該電子ビーム
   が、前記真空チャンバ内でカソードから原材料へガイド
   され、該原材料にて焼成スポットが作られ、該電子ビー
   ムによって該原材料の表面が加熱されて溶融され、該原
   材料が、該原材料の溶融と対応しながら供給される方法
   であって、ビデオシステムによって、前記電子ビームに
   より作られる焼成スポットの前記原材料の中心部からの
   偏位を検出するステップと、該ステップから決定された
   信号を用いて前記電子ビームのガイドまたはセンタリン
   グをするための磁界を調整するステップとを具備する電
   子ビームのガイド及びセンタリング方法。
2. 【請求項２】 前記電子ビームのセンタリングのため
   に、交差された２つの磁気コイルが用いられる請求項１
   に記載の電子ビームのガイド及びセンタリング方法。
3. 【請求項３】 前記ビデオシステムには、前記原材料の
   ロッドの中心または該原材料の中心と位置合わせされた
   ビデオカメラがあり、該ビデオカメラは、該原材料の表
   面の輝度信号を検出するために適合される画面評価器と
   接続され、調整可能なしきい値を越える輝度信号が該画
   面評価器によって検知されて決定され、これにより直角
   方向に配置された磁気コイルのための電源装置が、コン
   ピュータを介した前記信号によって制御され、前記原材
   料の表面上の最大輝度の位置が、該原材料の該蒸発源の
   中心に位置決めされる請求項１に記載の電子ビームのガ
   イド及びセンタリング方法。
4. 【請求項４】 前記電子ビームは、該電子ビームのセン
   タリングの間、減少された出力で操作され、その結果、
   前記蒸発源にて溶融される該原材料は、ただ加熱される
   だけで蒸発されない請求項１に記載の電子ビームのガイ
   ド及びセンタリング方法。
5. 【請求項５】 前記ビデオカメラは旋回的に支持され、
   前記原材料の偏位に従って調整作用またはセンタリング
   できる請求項３に記載の電子ビームのガイド及びセンタ
   リング方法。
6. 【請求項６】 前記磁界は、交番電流から生成された回
   転磁界によって重畳され、前記原材料の軸の周囲で前記
   電子ビームの回転を起こし、これにより、該原材料の均
   一な溶け出しを達成する請求項１に記載の電子ビームの
   ガイド及びセンタリング方法。
7. 【請求項７】 前記回転移動の軸が、前記原材料の軸と
   一致される請求項６に記載の電子ビームのガイド及びセ
   ンタリング方法。
8. 【請求項８】 真空コーティングチャンバ内の電子ビー
   ムを該電子ビームの軸と直角方向に広がる磁界によって
   ガイド及びセンタリングすることに際し、該電子ビーム
   を照射するべく適合されたカソードを備え、該電子ビー
   ムが、前記真空チャンバ内で該カソードから原材料へガ
   イドされ、該原材料上に焼成スポットを形成し、該原材
   料の該焼成スポットでは、該表面が加熱されて溶融さ
   れ、該原材料が、該材料の溶け出しと対応して供給され
   るように適合される装置であって、 前記電子ビームのエリアの水平面内に配置され、該電子
   ビームの軸と少なくともほぼ垂直で、且つ互いと少なく
   ともほぼ垂直に延びる各軸をもつ磁気コイルと、ビデオ
   システムとを具備し、該ビデオシステムは、 前記真空チャンバの外側に配置されたビデオカメラと、 該真空チャンバの壁に気密されるべく適合されながら前
   記ビデオカメラから前記蒸発源上への視界を与え、これ
   により該ビデオカメラの軸が実質的に、該蒸発源の中心
   位置上に向けられる窓と、 前記磁気コイルに供給される電流を制御するべく適合さ
   れたコンピュータと接続された画面評価器とを具備する
   電子ビームのガイド及びセンタリング装置。