JP3404065B2 - Ion plating equipment with high deposition efficiency - Google Patents

Ion plating equipment with high deposition efficiency

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JP3404065B2 JP06203893A JP6203893A JP3404065B2 JP 3404065 B2 JP3404065 B2 JP 3404065B2 JP 06203893 A JP06203893 A JP 06203893A JP 6203893 A JP6203893 A JP 6203893A JP 3404065 B2 JP3404065 B2 JP 3404065B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明はイオンプレーティング
装置、なかでもいわゆるHCD(Hollow Cathode Disch
arge) 法によるイオンプレーティング装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an ion plating device, especially a so-called HCD (Hollow Cathode Disch).
arge) method for ion plating equipment.

【0002】[0002]

【従来の技術】プラズマを利用して、例えばTiN,TiC,Ti
(CN)またはCrN 等のセラミックスをコーティングする技
術が著しく進歩し、耐磨耗性、耐食性または装飾性等を
付与するコーティングに広く利用されている。
2. Description of the Related Art Using plasma, for example, TiN, TiC, Ti
The technology for coating ceramics such as (CN) or CrN has advanced remarkably and is widely used for coatings that impart abrasion resistance, corrosion resistance or decorativeness.

【0003】このプラズマを利用したコーティング法に
は、HCD法、プラズマCVD法、マグネトロンスパッ
タ法およびマルティアーク放電法等が知られているが、
中でもHCD法は、イオン化率が20〜40%と極めて高く
かつ成膜速度も0.05〜0.5 μm/min と比較的速いた
め、その他の方法に従うイオンプレーティングよりも蒸
着膜質が良好でかつ基板との密着性にもすぐれている。
さらにHCD法では、反応ガス流量、真空度、バイアス
電圧、基板温度、基板の前処理など条件が多少変動した
としても容易にしかもスムーズな順応がみられるところ
にも、大きな利点がある。
As a coating method using this plasma, HCD method, plasma CVD method, magnetron sputtering method, multi-arc discharge method and the like are known.
Among them, the HCD method has an extremely high ionization rate of 20 to 40% and a relatively high film forming rate of 0.05 to 0.5 μm / min. It also has excellent adhesion.
Further, the HCD method has a great advantage in that even if the conditions such as the flow rate of the reaction gas, the degree of vacuum, the bias voltage, the substrate temperature, and the pretreatment of the substrate are slightly changed, the adaptation can be easily and smoothly performed.

【0004】このHCD法によるイオンプレーティング
に関しては、金属表面技術35〔1〕P.16 〜24(1984)お
よびプレスクール13(1984),No.3,P.9に解説されてい
る。
Regarding the ion plating by the HCD method, the metal surface technology 35 [1] P. 16 to 24 (1984) and Precool 13 (1984), No. 3, P. It is explained in 9.

【0005】しかしながら、現在のセラミックコーティ
ングの多くは、工具類や装飾品等の小物に適用され、大
表面積を有する材料等には殆ど応用されていない。特
に、近年、構造材料の高機能化に対する要請とともに、
表面積の大きな材料にセラミックコーティングを施し
て、その表面を改質することが、益々重要となってきて
いる。
However, most of the current ceramic coatings are applied to small items such as tools and ornaments, and are rarely applied to materials having a large surface area. In particular, in recent years, along with the demand for higher functionality of structural materials,
It is becoming increasingly important to apply ceramic coatings to high surface area materials to modify their surfaces.

【0006】表面積の大きな材料にセラミックコーティ
ングを施すには、(1) 高密度プラズマ雰囲気中で高速成
膜が可能であること、(2) サブストレイト近傍のごく僅
かの熱むらやプラズマ蒸気流むらが発生しないこと、
(3) 長時間の安定したコーティングが可能であること、
(4) 異常放電時の耐久性、操作性および保守性に優れた
装置構造であること、がそれぞれ重要である。
In order to apply a ceramic coating to a material having a large surface area, (1) it is possible to perform high-speed film formation in a high-density plasma atmosphere, (2) very slight heat unevenness and plasma vapor flow unevenness near the substrate. Does not occur,
(3) Stable coating for a long time is possible,
(4) It is important that the device structure has excellent durability, operability and maintainability during abnormal discharge.

【0007】発明者らは、上記の要請を満足するため、
特開平4−218667号公報において、高密度プラズマ雰囲
気中で高速成膜が可能である、横向きまたは斜め下向き
に設置した一体型の大容量HCDガンをそなえるイオン
プレーティング装置について、提案した。この装置によ
り、従来よりも約10倍の高速成膜が高密度プラズマ雰囲
気中で達成できるようになったが、高速成膜下での大量
蒸気流に起因して、長時間の安定したコーティングが実
現できないところに問題を残していた。
Since the inventors have satisfied the above requirements,
Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 4-218667 proposes an ion plating apparatus having an integrated large-capacity HCD gun installed laterally or obliquely downward, which enables high-speed film formation in a high-density plasma atmosphere. With this device, it has become possible to achieve high-speed film formation that is about 10 times faster than in the past, in a high-density plasma atmosphere, but due to the large amount of vapor flow under high-speed film formation, stable coating for a long time can be achieved. It left a problem where it could not be realized.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明の目
的は、高密度プラズマ雰囲気中での高速成膜が可能で、
かつ長時間の安定したコーティングを実現し得る、イオ
ンプレーティング装置を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to enable high-speed film formation in a high-density plasma atmosphere,
Another object of the present invention is to provide an ion plating device that can realize stable coating for a long time.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】発明者らは、先に提案し
た特開平4−218667号公報を基本にして、長時間の安定
したコーティングを実現し得るホローカソードガンの構
造について種々検討したところ、電子ビームの発生およ
び蒸気流を制御する集束コイルに問題のあることを見出
し、この発明を完成するに到った。
SUMMARY OF THE INVENTION The inventors have made various studies on the structure of a hollow cathode gun capable of realizing stable coating for a long time, based on the previously proposed Japanese Patent Laid-Open No. 4-218667. The inventors have found that there is a problem in the focusing coil that controls the generation of the electron beam and the vapor flow, and have completed the present invention.

【0010】この発明は、真空槽内に、蒸発源を収納し
たるつぼと、るつぼに対応するプラズマ発生用の中空陰
極、サブストレイトおよび反応ガス導入口とを有し、る
つぼの外側からサブストレトの直近までの蒸気移動径
路および中空陰極の外周をそれぞれ集束コイルで囲むと
ともに、さらにサブストレイトの背面に集束コイルを配
置したHCD法イオンプレーティング装置において、
記蒸気移動径路の外周を囲む集束コイルは、その径方向
に不均一の磁場を有し、かつ中空陰極の外周を囲む集束
コイルは、その下方より上方で強い上下非対称の磁場を
有することを特徴とする蒸着効率の高いイオンプレーテ
ィング装置である。ここで、蒸気移動径路の外周を囲む
集束コイルの径方向における、中空陰極の外周を囲む集
束コイル側とその逆側との磁場の差が1.1 〜2倍であ
り、かつ中空陰極の外周を囲む集束コイルにおける、上
下で発生する磁場の差が1.2 〜3倍であること、そし
て、蒸気移動径路および中空陰極の外周をそれぞれ囲む
集束コイルの内部に、該コイルより小径の集束コイルを
偏らせて配置することが実施に当たって有利である。
[0010] The present invention, in a vacuum chamber, comprising: a crucible that accommodates the evaporation source, a hollow cathode for plasma generation that corresponds to the crucible, and a Substrate and reaction gas inlet Sabusutore wells from the outside of the crucible vapor transfer pathway to the most recent and the outer periphery of the hollow cathode surrounds each focusing coil, in yet HCD method an ion plating apparatus placing the focusing coils on the back of the Substrate, upper
The focusing coil that surrounds the outer circumference of the steam transfer path is
Focusing with a non-uniform magnetic field on the periphery of the hollow cathode
The coil produces a strong vertical asymmetric magnetic field above its lower part.
An ion plating apparatus having high vapor deposition efficiency characterized by having . Where the outer circumference of the steam transfer path is surrounded
A focusing coil that surrounds the outer circumference of the hollow cathode in the radial direction of the focusing coil.
The magnetic field difference between the bundle coil side and the opposite side is 1.1 to 2 times
In the focusing coil that surrounds the outer circumference of the hollow cathode.
The difference in the magnetic field generated below is 1.2 to 3 times, and
Enclose the vapor transfer path and the outer circumference of the hollow cathode, respectively.
Inside the focusing coil, a focusing coil having a smaller diameter than the coil is
Biased placement is advantageous for implementation.

【0011】[0011]

【作用】考案者らは、先に提案した特開平4−218667号
公報を基本にして、長時間の安定したコーティングを実
現し得る、イオンプレーティング装置の構造について、
コンピュータを用いた磁場分布の計算を行った。すなわ
ち、図1に水平一体型ホローカソードガン(以下HCD
ガンと示す)1を大電流で作動したときに発生する磁束
線のコンピュータ計算結果の一例を示す。これは、水平
一体型のHCDガン1周りに配置した集束コイル2、る
つぼ3周りに配置した集束コイル4およびサブストレイ
ト5を挟んで配置した集束コイル6,7を、図示のよう
に配列したときの、磁束線の発生状態を、コンピュータ
により計算した結果である。
The inventors of the present invention have proposed the structure of an ion plating device which can realize stable coating for a long time, based on the previously proposed Japanese Patent Laid-Open No. 4-218667.
The magnetic field distribution was calculated using a computer. That is, FIG. 1 shows a horizontal integrated hollow cathode gun (hereinafter referred to as HCD).
An example of computer calculation results of magnetic flux lines generated when 1) (denoted as a gun) is operated at a large current is shown. When the focusing coil 2 arranged around the horizontally integrated HCD gun 1, the focusing coil 4 arranged around the crucible 3 and the focusing coils 6 and 7 sandwiching the substrate 5 are arranged as shown in the drawing. The result of calculation of the generation state of magnetic flux lines by a computer.

【0012】同図から、HCDガン1周りの集束コイル
2によって、るつぼ3に向けて折り曲げられたプラズマ
ビームの磁束線は、るつぼ3の中心から外れた手前側
(HCDガンに近い位置)に集中することがわかる。す
なわち、照射されたプラズマビームが、るつぼ3内蒸発
源3aの溶解エネルギーとなる割合は低くなって、効率の
悪い処理となる。従って、このプラズマビームを効率的
に使用するために、プラズマビームをるつぼの中心に集
中させることが必要である。また、プラズマビームによ
って溶解、そしてイオン化された蒸着原子を、サブスト
レイトに均一かつ効率良く成膜するには、図1における
縦方向の数多くの磁束線を集束コイル6の下方域から均
一かつ緻密に存在させることが肝要である。
From the figure, the magnetic flux lines of the plasma beam bent toward the crucible 3 by the focusing coil 2 around the HCD gun 1 are concentrated on the front side (position near the HCD gun) deviated from the center of the crucible 3. I understand that That is, the ratio of the irradiated plasma beam to the melting energy of the evaporation source 3a in the crucible 3 becomes low, resulting in inefficient processing. Therefore, in order to use this plasma beam efficiently, it is necessary to concentrate the plasma beam at the center of the crucible. Further, in order to uniformly and efficiently form the vapor-deposited atoms that have been melted and ionized by the plasma beam in the substrate, many magnetic flux lines in the vertical direction in FIG. 1 are uniformly and densely formed from the lower region of the focusing coil 6. It is essential to make it exist.

【0013】図1に示した磁束線のコンピュータ計算結
果から、現行の水平一体型で大電流作動のHCDガンに
おいて、蒸着効率の上昇に寄与するプラズマビームを得
るには、さらに改善すべき余地があることが判明した。
この改善対象について、数多くの試行および実験を重ね
た結果、図1に示したHCDガン周りの集束コイル2に
おける磁場を下方より上方で強くすること、すなわち上
非対称の集束コイル磁場を作り出すことによって、プ
ラズマビームをるつぼの中心へ移動させ、一方サブスト
レイト下の集束コイル6ではHCDガン側の不均一磁場
を強める、すなわち集束コイル6の径方向に不均一の磁
場を与えることによって、サブストレイトへの蒸気流を
均一かつ効率的に付着させることができることが判明し
た。
From the results of computer calculation of the magnetic flux lines shown in FIG. 1, there is room for further improvement in order to obtain a plasma beam that contributes to an increase in vapor deposition efficiency in the current horizontal integrated type HCD gun operating at a large current. It turned out to be.
As a result of repeating many trials and experiments for this improvement target, by making the magnetic field in the focusing coil 2 around the HCD gun shown in FIG. 1 stronger than the lower part, that is, creating a vertically asymmetric focusing coil magnetic field, The plasma beam is moved to the center of the crucible, while the focusing coil 6 under the substrate strengthens the inhomogeneous magnetic field on the HCD gun side, that is, the inhomogeneous magnetic field in the radial direction of the focusing coil 6 is applied to the substrate. It has been found that vapor streams can be deposited uniformly and efficiently.

【0014】ここで、HCDガン周りの集束コイル2の
上下で発生する磁場の差は1.2 〜3倍、また集束コイル
6の径方向における集束コイル2側とその逆側の磁場の
差は1.1 〜2倍程度にすることがそれぞれ好ましい。な
ぜなら、集束コイル2の磁場差が1.2 未満であると、大
電流で発生させたプラズマビームをるつぼの中心へ集束
させるのが困難になり、一方3倍をこえると、プラズマ
ビームがるつぼのコーナ側に集束するようになって、効
率の低い処理となる。次に、集束コイル6の磁場差が1.
1 倍未満であると、プラズマビームの制御が困難にな
り、一方3倍をこえると、蒸気流がるつぼのコーナ側に
集束するようになって、サブストレイトへの均一成膜が
不可能となる。
Here, the difference in the magnetic fields generated above and below the focusing coil 2 around the HCD gun is 1.2 to 3 times, and the difference in the magnetic field between the focusing coil 2 side and the opposite side in the radial direction of the focusing coil 6 is 1.1 to. It is preferable to double each. Because, if the magnetic field difference of the focusing coil 2 is less than 1.2, it will be difficult to focus the plasma beam generated by a large current to the center of the crucible, while if it exceeds 3 times, the plasma beam will be on the corner side of the crucible. The process becomes less efficient because it is focused on. Next, the magnetic field difference of the focusing coil 6 is 1.
If it is less than 1 time, it will be difficult to control the plasma beam, while if it exceeds 3 times, the vapor flow will be focused on the corner side of the crucible, making uniform deposition on the substrate impossible. .

【0015】また、集束コイルの磁場を非対象とするに
は、後述の図2または図3に示すように、通常の集束コ
イルの内部に、これより小径の集束コイルを偏らせて配
置し、配置した側の磁場を高めることによって達成す
る。
Further, in order to make the magnetic field of the focusing coil non-target, as shown in FIG. 2 or FIG. 3 to be described later, a focusing coil having a diameter smaller than that of the focusing coil is arranged inside the normal focusing coil. This is achieved by increasing the magnetic field on the side where it is placed.

【0016】[0016]

【実施例】さて、図1にこの発明に従うバッチ式のHC
D法イオンプレーティング装置を模式的に示し、1はH
CDガン、2はその周囲に配置した集束コイル、3はる
つぼ、3aは蒸発源、4はるつぼ3の周囲に配置した集束
コイル、5はサブストレイト、6はサブストレイト1ま
での蒸気移動径路を囲む集束コイル、7はサブストレイ
ト1の上方に配置した集束コイル、8は反応ガス導入口
および9プラズマビームである。これらは、全て図示し
ない真空槽内に収容されている。
EXAMPLE FIG. 1 shows a batch type HC according to the present invention.
The D method ion plating apparatus is shown schematically, 1 is H
A CD gun, 2 is a focusing coil arranged around it, 3 is a crucible, 3a is an evaporation source, 4 is a focusing coil arranged around the crucible 3, 5 is a substraight, and 6 is a vapor transfer path to the substratum 1. A surrounding focusing coil, 7 is a focusing coil arranged above the substrate 1, and 8 is a reaction gas introducing port and 9 plasma beams. These are all housed in a vacuum chamber (not shown).

【0017】上記のイオンプレーティング装置におい
て、集束コイル2は、HCDガン1から射出したプラズ
マビーム9を蒸発源3aの中心に集中させるために、通常
の集束コイル2a内に小径のコイル2bを上方に偏らせて収
容し、集束コイル2a内の磁場をその上方で強くした。さ
らに、集束コイル6は、蒸発源3aから上昇する蒸気流が
蒸発源3aの直上から均一に昇るように、図3に示すよう
な、通常の集束コイル6a内に小径のコイル6bをHCDガ
ン1側に偏らせて収容し、集束コイル6a内の磁場をHC
Dガン1側に近づくほど強くした。
In the above-mentioned ion plating apparatus, the focusing coil 2 has a small diameter coil 2b inside the ordinary focusing coil 2a in order to concentrate the plasma beam 9 emitted from the HCD gun 1 at the center of the evaporation source 3a. The magnetic field in the focusing coil 2a was strengthened above it. Further, the focusing coil 6 has a small-diameter coil 6b in the normal focusing coil 6a as shown in FIG. 3 so that the vapor flow rising from the evaporation source 3a rises uniformly from directly above the evaporation source 3a. The magnetic field in the focusing coil 6a is
It became stronger as it got closer to the D gun 1 side.

【0018】次に、図2および図3に示したところに従
うイオンプレーティング装置を用いて、プラズマビーム
発生電流:1000Aおよび電圧:60VでTiN をコーティン
グする実験を行った。なお、集束コイル2の上下で発生
する磁場の差および集束コイル6の径方向における集束
コイル2側とその逆側の磁場の差は、それぞれ表1に示
すとおりである。また比較として、通常の均一磁場を作
り出す集束コイルを用いて、プラズマビーム発生電流お
よび電圧は同じ条件で同様のコーティング実験を行っ
た。このコーティング実験における、サブストレイトへ
の蒸着速度を測定した比較結果について表1にまとめて
示す。
Next, using the ion plating apparatus according to the one shown in FIGS. 2 and 3, an experiment for coating TiN with a plasma beam generation current of 1000 A and a voltage of 60 V was conducted. The difference between the magnetic fields generated above and below the focusing coil 2 and the difference between the magnetic fields on the focusing coil 2 side and the opposite side in the radial direction of the focusing coil 6 are as shown in Table 1. As a comparison, a similar coating experiment was conducted under the same conditions of plasma beam generation current and voltage using a focusing coil that produces a normal uniform magnetic field. Table 1 summarizes the comparative results of measuring the deposition rate on the substrate in this coating experiment.

【0019】[0019]

【表1】 [Table 1]

【0020】上表から明らかなように、この発明によっ
て成膜速度が大幅に改善されることが判明した。
As is clear from the above table, it has been found that the present invention significantly improves the film forming rate.

【0021】[0021]

【発明の効果】この発明によれば、集束コイル内の磁場
を不均一にすることにより、プラズマビームをるつぼの
中心に集中させかつそこからの蒸気流を均等化すること
ができ、従って高密度プラズマ雰囲気中での高速成膜が
可能で、かつ長時間の安定したコーティングを実現し得
る。
According to the present invention, by making the magnetic field in the focusing coil non-uniform, it is possible to concentrate the plasma beam at the center of the crucible and to equalize the vapor flow from it, thus achieving a high density. High-speed film formation in a plasma atmosphere is possible, and stable coating for a long time can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】水平一体型HCDガンを用いたときの磁束線の
コンピュータ計算結果の一例を示す模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of computer calculation results of magnetic flux lines when a horizontal integrated HCD gun is used.

【図2】この発明に従うイオンプレーティング装置を示
す模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an ion plating device according to the present invention.

【図3】集束コイルを示す模式図である。FIG. 3 is a schematic view showing a focusing coil.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 HCDガン 2,4,6,7 集束コイル 3 るつぼ 3a 蒸発源 5 サブストレイト 8 反応ガス導入口 9 プラズマビーム 1 HCD gun 2, 4, 6, 7 Focusing coil 3 crucibles 3a evaporation source 5 Substrate 8 Reaction gas inlet 9 Plasma beam

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 夏木 神奈川県茅ヶ崎市萩園2500番地 日本真 空技術株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−225660(JP,A) 特開 平2−118062(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 14/32 C04B 41/87 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Natsuki Takahashi 2500 Hagizono, Chigasaki City, Kanagawa Prefecture Japan Air Technology Co., Ltd. (56) Reference JP-A-2-225660 (JP, A) JP-A-2-118062 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) C23C 14/32 C04B 41/87

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 真空槽内に、蒸発源を収納したるつぼ
と、るつぼに対応するプラズマ発生用の中空陰極、サブ
ストレイトおよび反応ガス導入口とを有し、るつぼの外
側からサブストレトの直近までの蒸気移動径路および
中空陰極の外周をそれぞれ集束コイルで囲むとともに、
さらにサブストレイトの背面に集束コイルを配置したH
CD法イオンプレーティング装置において、上記蒸気移動径路の外周を囲む集束コイルは、その径方
向に不均一の磁場を有し、かつ中空陰極の外周を囲む集
束コイルは、その下方より上方で強い上下非対称の磁場
を有することを特徴とする 蒸着効率の高いイオンプレー
ティング装置。
To 1. A vacuum chamber, a crucible accommodating the evaporation source, a hollow cathode for plasma generation that corresponds to the crucible, and a Substrate and reaction gas inlet nearest the outer crucible Sabusutore wells Enclose the vapor transfer path up to and the outer circumference of the hollow cathode with focusing coils, respectively,
Furthermore, a focusing coil is placed on the back of the substrate.
In the CD method ion plating device, the focusing coil surrounding the outer circumference of the vapor transfer path has a radial direction.
With a non-uniform magnetic field in the opposite direction and surrounding the outer circumference of the hollow cathode.
The bundle coil has a strong up-and-down asymmetric magnetic field above the bottom.
An ion plating device having high vapor deposition efficiency, characterized by having .
【請求項2】 蒸気移動径路の外周を囲む集束コイルの2. A focusing coil that surrounds the outer circumference of the steam transfer path.
径方向における、中空陰極の外周を囲む集束コイル側とWith the focusing coil side that surrounds the outer circumference of the hollow cathode in the radial direction.
その逆側との磁場の差が1.1 〜2倍であり、かつ中空陰The magnetic field difference from the opposite side is 1.1 to 2 times, and
極の外周を囲む集束コイルにおける、上下で発生する磁Magnetism generated at the top and bottom of the focusing coil that surrounds the outer circumference of the pole.
場の差が1.2 〜3倍であることを特徴とする請求項1にThe field difference is 1.2 to 3 times as large as in claim 1.
記載の蒸着効率の高いイオンプレーティング装置。An ion plating apparatus with high vapor deposition efficiency as described.
【請求項3】 蒸気移動径路および中空陰極の外周をそ3. The vapor transfer path and the outer circumference of the hollow cathode are covered.
れぞれ囲む集束コイルの内部に、該コイルより小径の集Inside each focusing coil, there is a focusing coil with a diameter smaller than that of the focusing coil.
束コイルを偏らせて配置したことを特徴とする請求項12. The bundle coils are arranged in a biased manner.
または2に記載の蒸着効率の高いイオンプレーティングOr ion plating with high vapor deposition efficiency described in 2)
装置。apparatus.
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