JPH06501060A - 材料を蒸着させる装置と方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 材料を蒸着させる装置と方法 本発明は、陰極が取付けられた冷却可能な陰極供給部１を備えた自己消耗型陰極 ２と、自己消耗型の熱陽極とを有する負圧室内で真空アーク放電１こよｉノ材料 を蒸着させる装置、それも陽極ベースプレート６のところに接続片７ａを介して るつぼ７カ（取付【すられ、陰極２の上方には陰極を遮蔽するダイアフラム１３ 力で配置されており、前記るつぼ７が導電性力）つ熱伝導性の材料製であり、前 記接続片７ａが、その材料特性又（よその幾何学的特性にもとづき、陽極ペース プレート６へのるつぼの導電的かつ断熱的取付けを可能昏こしてＩｌｌる形式の ものに関する。

真空内で材料を蒸着させ工作物に薄し）コーティングを施すさい、近年、次第に プラズマ及びイオンを用−たコーティング法が多用されるようになってきた。こ の原因は、得られるコーティングの品質力（高１．Ｎこと番二ある。その特徴は 、従来の古典的方法（こ比して、特（こ、コーティングの付着性がよ（、コーテ ィング組織力でより密な点にある。

従来、工業利用されてきた公知のプラズマスプレー式のコーティング法には、陰 極スノ（・ツタｌ）ング、イオンブレーティング、アーク【二よる蒸着力（数え られる。

アークは、熱陰極（米国特許４，１９７，１５７）又は中空陰極（米国特許３， ５６２，１４１＞で作業する７いずれの種類の陰極も、アーク放電の維持にはプ ロセスガスを必要とする。

アークの別のグループは、プロセスガス無しで働くいわゆる真空アークである。

真空アークの場合は、蒸発した電極材料がプロセスガスの機能を受持っている。

自己消耗式電極により生じる材料蒸気は、アーク放電を維持するだけでなく、工 作物のコーティングにも役立つ。たとえばり、Ｍ、サンダーズの「陰極アークに よるイオン・ベース被覆概観Ｊ　Ｊ、Ｖａｃ、Ｔｅｃｈｎ、ｏｌ、Ａ７．Ｎｏ、 ３．２３３９　（１９８９）により自己消耗式冷陰極を有する真空アークが公知 であり、更にはＤＥ−３４１３８９１により公知の真空アークの場合には、自己 消耗式の冷陰極から発せられる電子が、陽極のところの材料の蒸発に使用される 。

この真空アークの場合、蒸発るつぼとして構成された陽極が冷陰極に対して次の ように配置されている。

すなわち、冷陰極の作業面の陰極スポットから発せられるプラズマジェットが陽 極の蒸発るつぼを加熱することにより、蒸発るつぼ内の蒸着材料が蒸発し、発生 する材料蒸気が、るつぼ上方で陰極スポットから出るプラズマジェットと相互作 用し、その結果この材料蒸気がイオン化されるように、配置されるのである。

前述のプラズマによるコーティング方法の共通の欠点は、工業利用可能な装置を 用いて１μｍ／ｍｉｎ以下という低いコーティング速度にある。この結果、工業 的規模でプラズマによる方法を用いる場合、蒸発材料をプラズマ状態に変換させ ることのない古典的な熱蒸発法とは、費用の点で太刀打ちできない。

本発明の技術上の課題は、量産品の真空蒸着が廉価に、しかも高品質に可能な、 １μｍ／ｍｔｎ以上のコーティング速度を有する材料蒸着の装置及び方法を提供 することにある。

この技術的課題は、次のようにすることによって解決された。すなわち、陰極（ ２ａ）の作業面近くの、斜め上方にるつぼ７を配置するようにして、陰極るつぼ ７から発せられる金属蒸気プラズマ９により形成される立体角がダイアフラム１ ３により減らされることがなく、るつぼ７の上方でサブストレートに均一の蒸着 が可能になるようにし、かつまた陰極２と陽極とが向い合って配置されるように したのである。

前記技術的課題は、冷却可能な陰極供給部ｌを有する自己消耗式陰極２と、自己 消耗成熱陽極とを有する負圧室内で真空アーク放電を介して材料蒸着を行なう方 法により解決される。この方法の場合、熱陽極は、陽極ベース板６と、接続片７ ａと、るつぼ７とから成り、しかも陽極るつぼ７から陽極ベース板６への熱伝達 は僅かに維持され、陰極スポットから発せられるプラズマジェット５ａ、５ｂが 、るつぼ７ｂの外壁及びるつぼ上方の材料蒸気９に、妨害なしに作用しうろこと により、高い蒸着率が達成される。また、この場合、るっぽ７は導電性で熱伝導 性の材料で造られている。

特に好ましい実施形式の場合、るつぼ７は、２硼化チタン、タングステン、窒化 硼素・２硼化チタン・窒化アルミニウムから成る混合セラミックのいずれかから 成っている。

本発明による方法及び装置により１．ｃｃｍ／ｍｉｎ以上のコーティング速度で 工作物に高品質の被覆が可能なので、経済的な観点からも量産が可能である。

本発明の方法によれば、アークから１５ｃｍの間隔をおいて、表１に示したコー ティング速度が達成される。アークに要する出力は各３ｋｗであった。

表　１ 蒸発材料　るつぼ材料　陽極／陰極間隔　コーティング速度アルミニウム　Ｔｉ Ｂ２　５ｃｍ　４．８μ／ｍｉ　ｎ鋼　Ｗ　５ｃｍ　６．０μ／ｍｉｎ 銀　Ｗ　５ｃｍ　９．０μ／ｍｉ　ｎ ここに挙げたコーティング速度の値は、アーク出力をより高くすることで高める ことができる。

前記のコーティング速度は、他のプラズマないしイオンによる方法によって達せ られる値をはるかに超えている。コーティングに最も頻繁に用いられる陰極スパ ッタリングでは、≦５０ｋｗという極端な値の出力を用いても１μｍ／ｍｉｎを 僅かに超える程度のコーティング速度が達せられるにすぎない。

アークに供給される電力が基礎になる場合には、本発明の方法でのコーティング 速度は、グロー電極、中空＃ｆｉ、自己消耗式冷陰極によるアークで陽極蒸発な しに達せられるコーティング速度を、はるかに陵賀している。

本発明の方法は、したがって、アークに供給される電力を蒸着過程に効果的に利 用し尽くす点が特徴である。この効果にもとづき、比較的僅かの電力で高い蒸発 速度が達せられる。

更に、アークに供給される電力を効果的に利用し尽くすことにより、熱発生が低 減され、ひいてはコーティングされる工作物の熱負荷が低減され、電機エネルギ ー及び冷却水の消費が低減される。

蒸発材料の迅速な加熱と、続（高い蒸発速度のため、本発明による方法は、準連 続的な生産形式にも適している。この生産形式の場合、コーティングされる工作 物はゲートを通ってコーテイング室に出入し、コーティング処理は工作物が真空 室内に留まっている間だけ行なわれる。

図１は本発明の方法の実施に適した装置である。

図２も同様の装置だが、陰極と陽極との相互配置が、望ましくない例である。

図３は、図１の装置の好ましい配置を示したもので、陽極と陰極とが互いに傾斜 配置されている。

図１は、陰極材料２と陰極材料２用の保持装置３とを有する冷却陰極供給部ｌを 示したものである。保持装置３は、同時に陰極スポット５を陰極材料２の作業面 ２ａに固定するのに役立っている。アーク放電は、符号でのみ示されている点火 装置４により先行技術にしたがって点火される。

陽極は、陽極保持部（陽極ベース板）６と、陽極るつぼ７と、保持部６とるつぼ ７との間の導電接続片７ａとから成っている。接続片７ａは、その材料特性又は 幾何的特性により、るっぽ７を陽極ベース板６に導電的かつ断熱的に接続するこ とができる。−好適実施例の場合、接続片７ａは、るつぼへ流れる電流により加 熱される程度の電気抵抗を有している。

接続片７ａは、るっぽ７から保持部６への熱伝達が僅かとなるように構成されて いる。

陽極るつぼ７内には蒸発材料８が入れられている。

消費された蒸発材料８はワイヤ形状の材料１ｏにより補充される。この目的のた め、補充可能な材料ｌＯがワイヤロールに貯えられ、通常の形式で運動ローラ１ １と案内ローラ１２とを介して蒸発るっぽ７へ送られる。

陽極るつぼ７は、陰極２ａの作業面に対し、陰極スポットから出るプラズマジェ ット５ａ、５ｂがるつぼの外壁７ｂへも、るつぼ上方の材料蒸気９へも作用する ように配置されている。−好適実施例の場合、プラズマジェット（５ａ、５ｂ） が、それぞれ別個の陰極から発せられる。るつぼ７の外壁７ｂに当るプラズマジ ェット５ａは、これに含まれる粒子５の高いエネルギーのため、るつぼは迅速か つ強力に加熱され、かつ蒸発材料も強力に加熱される。したがって、るつぼが熱 伝導率の高い材料製であれば、特に有利である。この強力な加熱により、蒸発材 料８が急激に蒸発する。

プラズマジェット５ｂは、るつぼ７の上方で材料蒸気９と相互作用する。材料蒸 気とプラズマジェット５ｂの粒子の間の非弾性衝突過程の結果、この相互作用に よりるつぼ上方に密なプラズマが形成される。このプラズマがるつぼ７内の蒸発 材料８に当る。これによって蒸発材料８に更にエネルギーが供給され、蒸発速度 が上昇する。るつぼ上方のイオン化された蒸気の雲霧から周囲の真空内へ流出す るイオン化された金属蒸気が、そのさいコーティング目的に利用される。

高品質のコーティングには、陰極スポット５から出て、プラズマジェット５ａ、 ５ｂと一緒に運ばれる金属小滴を被覆対象から遠去けておくことが必要である。

この目的のため、図１に示されているように、ダイアフラム１３が陰極上方に配 置されており、このダイアフラム１３が、被覆対象の外側の空間区域に対し陰極 プラズマジェット５ａ、５ｂが入るのを制限している。このダイヤフラム１３の ため、陰極の作業面２ａと陽極るつぼ７との間隔は最小限維持する必要がある。

この間隔が小さすぎると、陽極るつぼ７から流出する金属蒸気プラズマ９が望ま しくない空間的制限１４を受けるからである。るつぼ７は、したがって、陰極２ の斜め上方に、陰極の作業面２ａの近くに配置され、しかも陽極るつぼ７から発 せられる金属蒸気プラズマ９によって形成される立体角がダイアフラム１３によ り減らされることのないようにする。この結果、るっぽ７の上方でサブストレー トの均一な蒸着が行なわれる。

図２は、望ましくない陽極・陰極配置を示したものである。この場合、陰極作業 面２ａと陽極るっぽ７との間隔が狭いので、流出する金属蒸気プラズマ９がダイ アフラム１３により妨害される。電極が互いに近い位置にありすぎると、遮蔽個 所１４のために立体角が利用できず、この方向に配置されたサブストレートはコ ーティングされない。

高い蒸発速度を達成するには、蒸発材料８及び又はるつぼ７どの電機接触用の接 読片７ａが、るつぼ７と保持部６との間の熱伝達を阻止するようにするのが有利 である。熱伝達の阻止は、−好適実施例によれば、接続片７ａを比較的長く（約 ５ｃｍ）、かつ僅かな横断面積に構成することで達成される。しかし、熱伝達を このように幾何的形式で低限させる措置には、接続片７ａに機械的な安定が必要 なため、限界がある。更に、特に有利な一実施例によれば、接続片７ａが次のよ うに寸法づけられた電気抵抗を有するようにされる。

すなわち、アーク内の伝導電流により接続片７ａが加熱され、それによってるつ ぼ７から保持部６への熱放出が阻止されるか、又は伝導電流による接続片７ａの 電気的加熱がるつぼ７への付加的なエネルギー供給を生じさせるように寸法づけ るのである。更にまた、るつぼの外壁（７ｂ）の出来るだけ大きな部分にプラズ マジェット５ａを衝突させるようにするのが有利である。このことは、特に次の ようにすることによって達成される。すなわち、陽極を陰極に向い合って配置し 、るつぼ７を陰極作業面２ａ斜め上方に配置するようにするのである。更に、る つぼ７は良好な熱伝導性を有する材料から成るようにし、それにより熱がるつぼ 外壁７ｂから効果的に蒸発材料に伝えられるようにする。

図３は陰極と陽極とをいくぶん互いに傾けて配置した形式を示したものである。

この配置の利点は、一方では、溶融した蒸発材料８が重力により陽極先端（陰極 を向いた蒸発るつぼ７の端部）へ流れる点である。

陽極先端は、陰極に近いため、特に著しくプラズマジェット５ａにより加熱され る。るつぼ７の斜め位置により、陽極先端が、常時、溶融蒸発材料により満たさ れるため、効果的な蒸発が可能になる。

他方、この傾斜位置により、るつぼ７の上方の、プラズマジェット５ａ、５ｂの 散布される空間区域が、更に局限されるので、コーティング目的に利用可能な空 間区域が更に大きくなる。

国際調査報告 フロントページの続き ト３０　タールシュトラーセ　１９

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．冷却可能な陰極供給部（１）に取付けられた自己消耗式陰極（２）と、自己 消耗式熱陽極とを有する負圧室内で真空アーク放電により材料を蒸発させる装置 であって、陽極ベース板（６）のところに接続片（７ａ）を介してるつぼ（７） が取付けられており、陰極（２）の上方には陰を遮蔽するダイアフラム（１３） が配置され、るっぼ（７）が導電性かつ熱伝導性の材料から成り、接続片（７ａ ）が、その材料特性又は幾何的特性により、るつぼ（７）を陽極ベース板（６） に導電的かつ断熱的に固定することを可能にしている形式のものにおいて、るっ ぼ（７）が陰極（２）の作業面（２ａ）の斜め上方に作業面（２ａ）の近くに配 置され、しかも陽極るつぼ（７）から発せられる金属蒸発プラズマ（９）により 形成される立体角がダイアフラム（１３）により減少せしめられることがないよ うにされ、この結果、るつぼ（７）上方でサブストレートの均質の蒸着が可能に されており、更に、陰極（２）と陽極とが互いに向い合って配置されていること を特徴とする材料を蒸発させる装置。
2. ２．るっぼ（７）が２硼化チタン、タングステン、窒化硼素・２硼化チタン・窒 化アルミニウムの混合セラミックのいずれかから成ることを特徴とする、請求項 １記載の装置。
3. ３．るっぼ（７）に流れる電流による加熱のため接続片（７ａ）が適切に寸法づ けられた電気抵抗を有することを特徴とする、請求項１又は２記載の装置。
4. ４．自己消耗式陰極（２）と、冷却可能な陰極供給部（１）と、自己消耗式熱陽 極とを有する請求項１〜３記載の負圧室内で真空アーク放電により材料を蒸発さ せる方法において、陽極るつぼ（７）から陽極ベース板（６）への熱伝達が低い 値に維持され、陰極スポットから発せられるプラズマジェット（５ａ，５ｂ）が 、妨害されることなくるつぼの外壁（７ｂ）とるつぼ（９）の上方の材料蒸気と に作用することにより、高い蒸発度が達成されることを特徴とする、材料を蒸発 させる方法。
5. ５．プラズマジェット（５ａ，５ｂ）用に、それぞれ別個の陰極が用いられるこ とを特徴とする、請求項４記載の方法。