JPS6036468B2 - 真空ア−クプラズマ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 明細書 本発明は真空アークプラズマ装置に係り、本発明は金属
被膜の付着、表面の洗浄及びプラズマイオンエッチング
並びにゲッター物質の噴射に利用できる。

背景技術 金属の蒸着においては、防食性、耐摩耗性、耐火性、耐
摩擦性、超伝導性、光学性、等々の被膜が作られる。

被膜の真空付着は、電子ビームによってるつぼから金属
を蒸発させて金属蒸気を形成するような電子ビーム装置
により行なうことができる。

るつぼを使用する場合には耐火金属から被膜を作ること
ができない。更に、このようにして得られた被膜はるつ
ぼの物質によって汚染される。真空アークプラズマ装置
は、どのような金属からでも純粋な被膜を作ることがで
き、その中でも耐火金属から純粋な被膜を作ることがで
きる。

このような装置においては、消耗性のカソードがアーク
放電によって蒸発され、蒸発された金属のプラズマ流が
形成され、上記金属はその微粒子のェネルギ及び密度が
高い場合には著しくイオン化された状態にあり、その後
の凝縮において被膜を形成する。真空アークプラズマ装
置では、蒸発される物質の発散プラズマ流が形成され、
被膜の付着におけるプラズマ流の利用効率は低いもので
ある。

被膜を形成するには、蒸発される物質のプラズマ流を集
東すべきである。消耗性カソード、これと同軸的に配置
されたアノード、及び点弧電極を具備した真空アーク装
置が知られている（１９７仏王１１月２５日付のソ連発
明考証第４１０ ７８計号参照）。

消耗性カソードとアノードとの間のアーク放電は点弧電
極によって励起される。

消耗性カソードは広範に発散する金属プラズマ流を発生
し、被膜形成に対する蒸発物質の利用効率は低いもので
ある。

このため、上記装置を真空金属化に利用するのは適当で
ない。消耗性カソード、これと同軸的に配置されたソレ
ノィド、ソレノィド内に配置されたアノード、及び点孤
軍極を具備する金属プラズマパルス発生装置も知られて
いる（１９７２王、ＰｒＭ．ＪＥＥＥ．６０，８，９７
７，Ａ．Ｓ．Ｇｉｌｍｏｍ．Ｄ．Ｌ．ＬＭｈｗｏｏｄ氏
の“パルス式金属プラズマ発生装置”参照）。

点弧電極は消耗性カソードを包囲しそして絶縁体によっ
てそこから離される。アーク放電の点弧は電流パルスに
よって行なわれ、上記絶縁体の表面から導笛性フィルム
が蒸発される。このフィルムはアーク放電中に復帰する
。消耗怪力ソー日こより作られた金属プラズマ流はソレ
ノィドの軸方向に対称的な磁界によって集東され、これ
により方向性のある細い形状が得られる。上記装置は消
耗怪力ソードの蒸発物質の利用効率を高める。

然し乍ら、装置の出口では、ソレ／ィドの端に形成され
る磁気障壁からイオンが部分的に反射されることにより
消耗性カソードの蒸発物質の流れの増加が制限される。
その上、上記の発生装置は、点弧電極の設計上、静的な
作動モードで働くのに適していない。静的な作動モード
‘こおいて消耗性カソードの蒸発物質の利用効率を高め
ることのできる真空アークプラズマ装置が知られている
（１．１．Ａｋｓｅｎｏｖ，Ｖ．○．Ｐａｄａｌｋａ，
Ｖ．Ｔ．Ｔｏｌｏｋａ，Ｖ．Ｍ．Ｋｈｏｒｏｓｈｉｋｈ
氏の Ｆｏｋ船ｉｒｏｖｋａ Ｐｏのｋａ ｍｅｔａｌ
ｌ − ｉｃｈｅｓｋｏｉＰ１ａｚｍｙ ， ｇｅ
ｎｅｎｒｕｙｅｍｏｇｏ ｓねｔｓｉｏｎａ「ｎＭｍｅ
ｒｏｚｌｏｎｎＭｍｅｌｅｋｔｒｏｄｕｇｏｖｙｍ
ｕｓｋｏｒｉｔｅｌｅｍ． ｓｂ．“ＩＳＫにｈｎｉｋ
ｉ ｉ ｕＳｋｒｉにｌｉｐ１ａＳｍｙ，Ｖｙｐ．３
．紬ａｒｋｏｖ・ １９７８ ｓ．４５‐５０）。

この装置は作用端面を有する消耗性カソードと、これに
同軸的なソレノィドと、このソレノィド内に配置された
管状アノードと、点狐電極とを具備している。この装置
においては、点弧電極がアーク放電を励起する。

消耗性カソードによって発生された金属プラズマ流はソ
レノィドの軸方向に対称的な磁界によって集東される。
このような構成では、方向性のある細い形状の蒸発金属
を得ることができ、その利用効率を高めることができる
。然し乍ら、上記の装置においては、装置の作動中にソ
レノィドの端面で磁力線がそれるために生じる電磁障壁
からプラズマ流のイオン成分の１部分が反射され、この
部分は処理されるべき基体に当たらない。

上記装置の別の欠点は、アーク放鰭の点弧及び燃焼が不
安定なことであり、これは次のような理由によって説明
できる。点弧電極の位・暦が消耗怪力ソードの作用端に
ある場合には、静止アーク放電によって点弧電極に損傷
が生じるので、作動不良が生じる。点弧電極が消耗性カ
ソードの側面に配置されている場合には、カソード側面
において励起されるカソードスポットがソレ／ィドの磁
界によって消耗性カソードの作用端とは反対側に投射さ
れるので、点弧プロセスの安定性が妨げられる。このよ
うな“わきへの投射”はアーク放電の消弧と共に終了す
る。消耗性カソードの作用端からその側面へのカソード
スポツトの自然の“流出”も同様に終わる。発明の開示 本発明は、巻線長さに沿って単位長さ当たり別々の巻回
数を有するソレノィドが消耗怪力ソード、管状ア／一ド
及び点弧電極に対して配置されて、これにより得られる
磁界の形状及び大きさによって消耗怪力ソードの蒸発物
質の最も効率的な利用が確保されると共に装置の安定作
動が確保されるような真空ァーク装置を提供するという
議題に基づくものである。

この課題は、作用端面を有する消耗性カソードと、これ
に同軸的に配置されたソレノィドと、このソレノィド内
に配置された管状アノードと、点弧電極とを具備する真
空アークプラズマ装置であって、上記ソレノィドが管状
アノード及び消耗性カソードを包囲し、消耗性カソード
の周りに配置されたソレノィドの１部分の単位長さ当た
りの巻回数がソレノィドの他部分の単位長さ当たりの巻
回数より多く、消耗性カソードの周りに配置されたソレ
ノィドの上記１部分の長さの半分より大きな長さだけソ
レノィドの１部分が消耗怪力ソードの作用端面とは反対
側で点弧電極を越えて突出しているような真空アークプ
ラズマ装置によって解決される。

このような構成により、最大磁界点から点狐電極から、
作用端面とは反対側へずらされたような磁界を得ること
ができる。

それ故、この装置の作用中には、消耗性カソード‘こよ
り発生されるプラズマ流が、消耗性カソードの作用端面
を越えて、“プラグ”を有する長手方向軸方向に対称的
な磁界中へと放射される。プラズマ流はその経略におい
て有害な電位障壁に出合うことなく何らの障害ないこ装
置の出口へと通流する。攻に、消耗性カソードの作用端
面とは反対側で点弧電極を越えて収畝し消耗性カソード
に対して正であるような等電位面がプラズマのイオン成
分を装置の出口へ充分効果的に反射すると共に管状アノ
ードの内部に存在する電界の半径方向成分により、イオ
ンが壁へとドリフトするのが防止される。更に、ソレノ
ィドの上記構成により、アーク放電の安定した点弧及び
保持に必要な状態が与えられる。

実際には、点弧中に、磁力線と消耗性カソードの面との
間の鋭角が消耗性カソードの作用面に向くところの領域
内で消耗性カソードの側面にカソードスポットが生じ始
める。鋭角の法則により、カソードスポツトはこの場合
消耗怪力ソードの側面を越えてその作用端面に向ってド
リフトする。その結果、消耗性カソードにより発生され
た実際上全てのイオンが何らかの損失なく装置の出口へ
運ばれ、これにより上記装置の安定作動において蒸発物
質の最大の利用効率が決定される。

本発明によれば、ソレノィドは、消耗性カソードの周囲
のソレ／ィ、ドの単位長さ当たり巻回数がソレノィドの
他部分の巻回数の少なくとも２倍であるように構成され
るのが適当である。カソードスポットを安定化する上記
の考え方は、消耗性カソードの周りのソレノィドの単位
長さ当たりの巻回教がソレ／イドの他部分の単位長さ当
たりの巻回数より少なくとも２倍大きい場合にのみ有効
であることが実験で分った。

【図面の簡単な説明】

本発明の真空アークプラズマ装置が概略断面図で示され
た添付図面を参照して本発明を以下に詳細に説明する。 発明を実施する最良の態様真空アークプラズマ袋鷹は、
側面２及び作用端面３を有する消耗性カソード１と、こ
の消耗性カソード１に同軸的に配置されたソレノィド４
と、このソレノィド４内に配置された管状アノード５と
、消耗性カソード１の側面２に隣醸してセラミックジャ
パン７に取付けられた点弧電極６とを具備している。 管状アノード５は、ソレノィド４が取り付けられた円筒
状本体８の内部に固定される。 ソレノィド４の１部分９は消耗性カソード１を包囲し、
その長さは１０＆九である。 ソレノイド４のこの部分９の半分は消耗性カソード１の
作用端面３とは反対側で点弧電極６の後方に配置される
。消耗性カソード１及び点孤軍極６には、円筒状本体８
に取り付けられた端部カバー１２を貫通する密封の電流
入力部１０及び１１が各々設けられている。円筒状本体
８は、基体１４が取り付けられた真空室１３に接続され
る。 管状アノード５を冷却するため、空胴１５が設けられて
いる。消耗性カソード１を冷却する空胴は図示されてい
ない。点弧パルス発生器は参照番号１６で示されており
、そしてア−ク放電用の電源は１７で示されている。ソ
レノィド４用の直流電源は図示されていない。 真空アークプラズマ装置は次のように作動する。 アーク放電用の電源１７がオンにされる。 次いで、ソレノィド４用の電源（図示せず）がオンにさ
れて、磁界が得られ、その磁力線は添付図面に点線で示
されたような位置となる。 ソレノィド４の最大耳界強度は、作用端面３とは反対側
で点弧電極６に暖近して配置されたソレノィド部分に位
置される。 点弧電極６の点弧パルス発生器１６がオンにされ、点弧
電極６のセラミックジャパン７上で表面スパーク放電が
得られ、この放電は消耗性カソード１の側面２と管状ア
／ード５との間にアーク放電のカソードスポツトを形成
する。カソードスポットが現われる領域では、磁力線が
消耗性カソード１の作用端面３を向いた鋭角で消耗性カ
ソード１の側面２に交差するので、カソードスポツトは
消耗怪力ソード１の作用端面３に向ってドリフトし、こ
んとんとしたシフトを行ないつ）作用端面３へと移動す
る。 磁界の形態によって等電位形態が決定されるような電界
の作用下で、消耗性カソード１の蒸発物質のプラズマ流
は、処理さるべき物品（図示せず）が固定された基体ホ
ルダ１４に完全に向けられる。 ，消耗性ウソード１の蒸発物質のプラズマ流は、プラズ
マのイオン成分の管状アノード５の壁へのドＩＪフトが
半径方向電界により防止されるので、実際上何らの損失
なく管状アノード６に沿って運搬される。 次に、本発明の装置の使用例を説明する。 実例 １（金属被膜の付着） 被膜を付着させようとする加工片をアノード５の出口に
配置する。 この加工片は基体１４に相当する。カソード１は被膜材
料（例えば、銅、チタン、クローム、モリブデン又は合
金）からつくられている。作動中カソード１の蒸発金属
のプラズマ流がア／一ド５に沿って流れ、そして基体１
４の面に凝縮して金属被膜を形成する。実例 ２（加工
片の表面洗浄） 加工片（基体１４）をアノード５の出口に配置して、ア
ノードに対し負の高電圧（約８００ボルト以上）を加工
片に加える。 作動中加工片（基体１４）の表面におけるデバイス層の
プラズマ流は負の電圧によって定まるエネルギーへ加速
され、そして加工片の表面にプラズマ流が衝突して加工
片を覆っている不純物を粉砕する。実例 ３（加工片の
表面のプラズマイオンエッチング）清浄にされた表面を
実例２に説明した方法によってイオン衝撃すると、加工
片それ自体の材料が粉砕される。 取除かれる材料の層の厚みは衝撃時間、基体１４にか）
る負の電圧の大きさ及び基体１４へのイオン電流密度（
これはアーク放電々流により定まる）によって定まる。
実例 ４（ゲッター物質の噴射） カソードをゲッター材料（例えばチタン、ジルコニウム
）からつくる。 プラズマ流となってゲツター材料はアノード５を通り、
そして加工片（基体１４）の表面に沈着する。実験によ
れば、従来技術の場合基体表面上に得られる最大イオン
電流はアーク放電々流１ｇの８一１０パーセント内であ
る。 カソードがチタンからつくられている場合１ｇ；１００
Ａで基体のイオン電流は８−１０Ａである。プラズム流
の磁気集東は、「静止浸蝕型電弧加速器により発生した
磁気プラズ マ流の集東 」ぐＦｏｋｕｓｉｒｏｖｋａ
ｐｏｔｏｋａｍｅｔａｌｌｉｃｈｅｓｋｏｉ ｐｌ
ａｓｍｙ ， ｇｅｎｅｒｌｒｕｙｅｍｏｇ０ｓね
ｓｔｉｏｎａｍのｍ ｅｒｏｓｉｏｎｎＭｍ ｅｌ
ｅｋｔｒｏｄｕｇ。ｖｙｍ瓜ｋｏｒｉ企ｌｅｍ’）と題
して「プラズマ源と加速器」（‘‘ｌｓｔｏｃｈｎｉｋ
ｉｉ 瓜ｋｏｒｊｔｅｌｉ ｐｌａｓｍｙ’’）誌、１
９７８年、第３号、Ｐ．４５一５０に掲載した１．１．
Ａｋｓｙｏｎｏｖ，Ｖ．○．Ｐａ船ｌｋａ，Ｖ．Ｔ．Ｔ
ｏｌｏｋそしてＶ．Ｍ．Ｋｈｏｒｏｓｈｉｋｈの論文に
説明されたものを使用した場合には１ｇ＝１００Ａで基
体へのィオン電流は、１．弘、すなわち基体への最大イ
オン電流８−１０Ａの１５−１８ぐーセントである。こ
れに対し本発明では１ｇ＝１０船のとき基体へのイオン
電流は８Ａ、すなわち基体への最大イオン電流８−１０
Ａの８０一１００パーセントである。この実験データか
ら明らかなように、本発明の利点は消耗性カソードの作
業材料すなわちプラズマ形成材料を最も効率よく使用し
ているということである。 従来技術の場合でも本発明の場合でもプラズマ流のニュ
ートラルコンポーネントは一定のままであるが、本発明
の場合イオン流の形で基体に到達して凝縮している物質
の塁は最大となる。本発明の装置の動作の安定性につい
ていえば、先行技術の場合点孤軍極をカソードの作業端
面に配直したときだけアークは点弧するが、点弧電極は
アーク放電により破壊されてしまう。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 作用端面を有する消耗性カソード、この消耗性カソ
   ードと同軸に配置されたソレノイドとこのソレノイドの
   中の管状アノード、及び点弧電極を備えている真空アー
   クプラズマ装置において、ソレノイドは管状アノードと
   消耗性カソードを包囲し、消耗性カソードの周りのソレ
   ノイドの単位長さ当たりの巻回数はソレノイドのその他
   の部分の単位長さ当たりの巻回数の少なくとも２倍であ
   り、消耗性カソードの周りに配置されたソレノイドの部
   分の長さの半分より大きな長さだけ、消耗性カソードの
   作用端面とは反対側に点弧電極６を越えてソレノイドが
   延びていることを特徴とする真空アークプラズマ装置。