電子ビーム物理蒸着

電子ビーム物理蒸着法（EBPVD ）は、高真空下で帯電タングステンフィラメントから放出される電子ビームをターゲット陽極に照射する物理蒸着法の一種です。電子ビームにより、ターゲットの原子が気相に変化します。その後、これらの原子は固体に沈殿し、真空チャンバー内のすべて（視界内）を陽極材料の薄い層でコーティングします。

薄膜堆積は、半導体産業では電子材料を成長させるために、航空宇宙産業では腐食環境から表面を保護するための熱および化学バリアコーティングを形成するために、光学では基板に所望の反射および透過特性を与えるために、そして他の産業では表面を改質してさまざまな所望の特性を持たせるために適用されるプロセスです。堆積プロセスは、物理蒸着（PVD）と化学蒸着（CVD）に大まかに分類できます。CVDでは、膜の成長は高温で行われるため、腐食性のガス状生成物が形成され、膜内に不純物が残る場合があります。PVDプロセスは、より低い堆積温度で腐食性生成物なしで実行できますが、堆積速度は通常低くなります。ただし、電子ビーム物理蒸着は、比較的低い基板温度で0.1～100 μm /分の高い堆積速度を実現し、材料利用効率が非常に高くなります。EBPVDシステムの概略図を図1に示します。

EBPVDシステムでは、電子銃からインゴットまたはロッドの形状の蒸発材料まで電子が通過できるように、堆積チャンバーを少なくとも7.5 × 10 ⁻⁵ Torr (10 ⁻² Pa )の圧力まで排気する必要があります。^[1]あるいは、一部の最新のEBPVDシステムではアーク抑制システムを利用しており、マグネトロンスパッタリングとの並行使用などの状況では、 5.0 × 10 ⁻³ Torrという低い真空レベルで動作できます。 [ ^2] 単一のEBPVDシステムで、それぞれ数十から数百キロワットの電力を持つ複数のタイプの蒸発材料と電子銃を同時に使用できます。電子ビームは、熱電子放出、電界電子放出、または陽極アーク法によって生成できます。生成された電子ビームは、高い運動エネルギーに加速され、蒸発材料に向けられます。蒸発材料に当たると、電子は急速にエネルギーを失います。^[3]電子の運動エネルギーは、蒸発材料との相互作用を通じて他の形態のエネルギーに変換されます。発生した熱エネルギーにより蒸発材料が加熱され、溶融または昇華します。温度と真空レベルが十分に高くなると、溶融物または固体から蒸気が発生します。発生した蒸気は表面をコーティングするために使用できます。加速電圧は3～40 kVです。加速電圧が20～25 kVでビーム電流が数アンペアの場合、電子の運動エネルギーの85%を熱エネルギーに変換できます。入射電子エネルギーの一部は、X線の生成と二次電子放出によって失われます。

EBPVD の構成には、主に電磁アライメント、電磁フォーカス、ペンダント ドロップ構成の 3 つがあります。電磁アライメントと電磁フォーカスではインゴットの形状の蒸発材料を使用し、ペンダント ドロップ構成ではロッドを使用します。インゴットは銅製のるつぼまたは炉床^[4]に収められ、ロッドはソケットの一端に取り付けられます。るつぼとソケットの両方を冷却する必要があります。これは通常、水循環によって行われます。インゴットの場合、その表面に溶融液が形成されることがあります。これはインゴットを垂直方向に移動させることによって一定に保つことができます。蒸発速度は 10 ⁻² g/(cm ² ·s) のオーダーになります。

炭化チタンなどの耐火炭化物や、ホウ化チタンやホウ化ジルコニウムなどのホウ化物は、気相で分解することなく蒸発することができます。これらの化合物は直接蒸発によって堆積されます。このプロセスでは、インゴットの形で圧縮されたこれらの化合物が、集束された高エネルギー電子ビームによって真空中で蒸発され、蒸気が基板上で直接凝縮されます。

特定の耐火性酸化物および炭化物は、電子ビームによる蒸発中に断片化を起こし、その結果、最初の材料とは異なる化学量論になります。たとえば、アルミナは、電子ビームで蒸発すると、アルミニウム、AlO ₃および Al ₂ Oに解離します。炭化ケイ素や炭化タングステンなどの一部の耐火性炭化物は加熱により分解し、解離した元素は異なる揮発性を持ちます。これらの化合物は、反応性蒸発または共蒸発のいずれかによって基板上に堆積できます。反応性蒸発プロセスでは、金属は電子ビームによってインゴットから蒸発します。蒸気は、金属酸化物の場合は酸素、金属炭化物の場合はアセチレンである反応性ガスによって運ばれます。熱力学的条件が満たされると、蒸気は基板付近のガスと反応して膜を形成します。金属炭化物膜は共蒸発によって堆積することもできます。このプロセスでは、金属用と炭素用の 2 つのインゴットが使用されます。各インゴットは、蒸発速度を制御できるように、異なるビーム エネルギーで加熱されます。蒸気が表面に到達すると、適切な熱力学的条件下で化学的に結合し、金属炭化物フィルムを形成します。

膜堆積が行われる基板は超音波洗浄され、基板ホルダーに固定される。基板ホルダーはマニピュレーターシャフトに取り付けられている。マニピュレーターシャフトは並進移動して、インゴットソースと基板の間の距離を調整する。シャフトはまた、膜が基板上に均一に堆積されるように、特定の速度で基板を回転させる。基板には、200～400 Vの負バイアスDC電圧を印加することができる。多くの場合、電子銃の1つからの集束された高エネルギー電子、またはヒーターランプからの赤外線を使用して基板を予熱する。基板を加熱すると、吸着原子に運動障壁を克服するのに十分なエネルギーが与えられ、吸着原子-基板間および吸着原子-膜間の拡散が促進される。金属ナノロッド^[5]などの粗い膜が必要な場合は、水または液体窒素による基板冷却を使用して拡散寿命を短縮し、表面の運動障壁を積極的に強化することができる。フィルムの粗さをさらに高めるために、基板をフラックスに対して急角度で取り付けて幾何学的影を実現し、入射する視線フラックスが現像中のフィルムの高い部分にのみ当たるようにすることができます。この方法は、斜角蒸着（GLAD）^{[6]または斜角蒸着（OAD） [7]}として知られています。

EBPVD システムにはイオン源が装備されています。これらのイオン源は、基板のエッチングと洗浄、ターゲットのスパッタリング、基板の微細構造の制御に使用されます。イオンビームが表面に衝突し、フィルムの微細構造を変更します。高温の基板表面で堆積反応が発生すると、基板とフィルムの熱膨張係数の不一致により、フィルムに内部引張応力が生じる可能性があります。高エネルギーイオンを使用してこれらのセラミック熱遮断コーティングを衝突させ、引張応力を圧縮応力に変えることができます。イオン衝突により、フィルムの密度が増加し、粒径が変化し、非晶質フィルムが多結晶フィルムに変わります。低エネルギーイオンは半導体フィルムの表面で使用されます。

このプロセスにおける堆積速度は、1分あたり1nmから数マイクロメートルまでの範囲で変化します。他の方法に比べて材料利用効率が高く、このプロセスでは膜の構造と形態を制御できます。堆積速度が非常に速いため、このプロセスは航空宇宙産業における耐摩耗性および熱遮断コーティング、切削および工具産業におけるハードコーティング、半導体産業および薄膜ソーラーアプリケーションにおける 電子および光学フィルムなどの産業用途に潜在的に応用できます。

EBPVD は、十分に低い圧力 (およそ <10 ⁻⁴ Torr) で実行される場合、視線方向の蒸着プロセスです。シャフトの並進運動と回転運動は、複雑な形状の外面をコーティングするのに役立ちますが、このプロセスは複雑な形状の内面をコーティングするためには使用できません。もう 1 つの潜在的な問題は、電子銃のフィラメントの劣化により、蒸発速度が不均一になることです。

^{しかし、およそ 10 −4} Torr (1.3 × 10 ⁻⁴ hPa) 以上の圧力で蒸着を行うと、蒸気雲の大きな散乱が起こり、蒸着源から見えない表面もコーティングされる可能性があります。厳密に言えば、視線方向から散乱蒸着への緩やかな移行は、圧力 (または平均自由行程) だけでなく、蒸着源から基板までの距離によっても決まります。

特定の材料は EBPVD による蒸発に適していません。次の参考資料では、多くの材料に適した蒸発技術が示されています。

• Vacuum Engineering & Materials Co., Inc. 2013-05-12 にWayback Machineでアーカイブ
• カート・J・レスカー社。

また、オックスフォードの元素蒸発ガイドも参照してください。

• 電子ビーム技術

• D. Wolfe、論文 (Ph.D)、論文 2001dWolfe、DE、「反応性イオンビーム支援電子ビーム物理蒸着 (EB-PVD) による TiC、TiBCN、TiB ₂ /TiC および TiC/CrC 多層コーティングの合成と特性評価」、ペンシルベニア州立大学、1996 年。
• Movchan, BA (2006). 「表面工学」22 (1): 35–46. {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です
• Wolfe, D.; J. Singh (2000). 「表面およびコーティング技術」124 : 142–153. {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です