JPH07145477A - セラミックコーティング形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電子出願以前の出願であるので 要約・選択図及び出願人の識別番号は存在しない。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、金属基板にセラミックコーティン グを施す装置に関する。更に具体的には、特に金 属部品の表面にセラミックコーティングを施すのに 適している電子ビーム物理蒸着装置に関する。

（従来の技術） セラミックコーティングは、ゴワード(Goward) 他の米国特許第4,248,940号、ストラングマン (Strangman)の米国特許第4,321,311号、及び デマレイ(Demaray)の米国特許第4,676,994号に 述べられている。好例のセラミックは、マグネシ ヤ、セリア、もしくはイットリアでスタビライズ されたジルコニアを含んでいる。その他の型のセ ラミックコーティングもまた公知であって、例え ば、Ａｌ_２Ｏ_３とＭｇＯ、ＴｉＮとＳｉ_３Ｏ_４、 及びＳｉＣを含んでいる。前記の特許に述べられ ているように、セラミックコーティングは金属コ ーティング層と複合して使用したり、或いは基板 表面に直接適用することができる。

Gowardによって述べられている装置は、プラズ マスプレイ技術によってセラミックコーティング を行い、StrangmanとDemarayによって述べられ ている装置は、電子ビーム物理蒸着技術によって セラミッルコーティングを施す。

上記の装置及び技術を用いて施されるサーマル バリアコーティングは種々の製造工業においてあ る程度の有用性を示しているが、種々な用途に対 しては更に改良が求められている。本発明はこれ らの必要性を満たすものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、基板に対してセラミックコーティン グを蒸着するための改良された電子ビーム物理蒸 着装置である。該装置は、コーティングチャンバ、 チャンバ内でセラミックターゲットを支持する装 置、及び電子ビームを発生し更にそのビームをタ ーゲット上に衝突させるための装置を具備する。

該装置は更に、セラミックの陰イオン成分をコー ティングチャンバ内に導入し、蒸着過程中に基板 の周囲にこの陰イオン成分、及びセラミックター ゲットに電子ビームを衝突させることによって生 じる蒸発物を閉じ込めるための装置を具備する。

用語「陰イオン成分」は、コーティングターゲ ットが電子ビームで蒸発させられた時に形成され る陰イオンに対応するガス状の化学種と規定する。

例えば、コーティングターゲットがジルコニアで ある場合は、形成される陰イオンは、Ｏ^-2であり、 陰イオン成分は酸素ガス、または酸素原子を供給 きる化合物である。同様に、コーティングターゲ ットが窒化チタンである場合には陰イオンはＮ^-1 であり、陰イオン成分は窒素ガスまたは、窒素原 子を供給できる化合物である。

本発明は、低分圧の陰イオン成分で特徴付けら る環境内でセラミックターゲットが蒸発させられ る時に、化学量論的状態に反応するようなタイプ のセラミックコーティングの蒸着において特に有 用である。この種のセラミックの例はジルコニア である。この材料は低圧チャンバ内における電子 ビーム物理蒸着過程の間に、反応して化学量論的 な化学種ＺｒＯ_2-Xを形成する。

本発明の一実施例では、陰イオン成分が、蒸着 チャンバの外に配置されている陰イオン成分供給 源と流体的に通じている管を介して、コーティン グを施される部品に向けて蒸着チャンバ内へ流入 させられる。蒸着チャンバ内には、コーティング を施される部品を近くに取り囲んでいる外被が設 けられており、この外被とその中に配置されてい る部品とはコーティングターゲットの上方に配置 される。上記の管は、陰イオン成分を直接上記の 外被内へ流し込む。この外被はまた、少なくとも １個の開口を備え、電子ビームがターゲットに衝 突することによって生じた蒸発物が通過できるよ うになっている。外被内に入った蒸発物は部品表 面に凝縮し、上記の外被は陰イオン成分をコーテ ィングされている部品の周囲に閉じ込めて、高品 質コーティングを形成させることになる。

本発明の上記及びその他の目的、特徴、及び利 点は、以下に図面を添付して説明される好ましい 実施例の詳細な説明によって更に明らかになると 考える。

（実施例） 本発明を実施するための最適モードについて説 明する。

一般的に言って、この発明は、部品の表面にセ ラミックコーティングを施すのに特に適している 電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）装置に関す る。

この発明の鍵となる観点は、被コーティング部 品の表面を直接囲んでいる空間に、セラミックの 陰イオン成分を閉じ込める外被の使用に関する。

上述のように、用語陰イオン成分は、コーティン グターゲットが電子ビームによって蒸発させられ た時に形成される陰イオンに対応するガス状の種 と規定することを意味する。この陰イオン成分は、 電子ビームの干渉及び電子ビームの劣化を最小化 し、従って、被コーティング部品上への蒸発物凝 結との干渉を最小化するような技法で蒸着チャン バ内へ導入される。

上記の目的は、添付の図面を引用して説明され る方法で構成される装置によって最も良く満たさ れる。特に、第１図はＥＢ−ＰＶＤ蒸着装置５を 示しており、装置５は、壁１１で区切されている シールされた蒸着チャンバ１０及び蒸着チャンバ １０を真空化する装置１２を具備する。装置５は 更に、電子ビーム銃１４、セラミックターゲット １６、及び蒸着チャンバ１０の内部に１個以上の 被コーティング部品２０を支持する装置を具備す る。これらの装置はすべて当該産業における在来 型である。第１図に分かり易くするために、電子 ビーム銃１４、セラミックターゲット１６、及び 真空ポンプ１２を１台づつしか示していない。こ れらの各構成品が２個以上使用可能であることは 当然理解されるものと考える。

セラミックの陰イオン成分は１個又はそれ以上 の導管即ち管２２を介して蒸着チャンバ１０の内 部へ導かれる。管２２は陰イオン成分の供給源 ２６から延びている。供給源２６は好ましくはチ ャンバ１０の外部に配置される。夫々の管２２は １個又はそれ以上の管出口端２８で終端している。

夫々の管２２は、その出口端２８を介して、陰イ オン成分を被コーティング部品２０に向けて流す ように構成されている。第１図から分かるように、 夫々の出口端２８は、部品２０とコーティングタ ーゲット１６の間に位置している。陰イオン成分 は、夫々の出口端２８を通って部品２０に向けて 流れる。その移流方向は蒸発物がコーティングタ ーゲット１６から部品２０へ移動する方向と同じ 向き（即ち逆流しない向き）の方向である。

第２図にも示されているように、管２２は外被 ３０内へ直接的に陰イオン成分を流し込む。外被 ３０（以下反応チャンバと呼ぶ）は蒸着チャンバ １０の内部においてコーティングターゲット１６ の上方に支持されている。反応チャンバ３０内に おいて、夫々の被コーティング部品２０は、以下 に詳述するような方法で懸吊されている。反応チ ャンバ３０は、夫々の管出口端２８に対してほぼ 対向した関係で部品２０の背方表面２１に近接し て離隔された少くとも１個の壁４０（以下頂壁４０ と呼ぶ）を具備する。（部品２０の背方表面２１ は、コーティングターゲット１６から遠く離れて いる方の表面である）。図面に示されるように、 頂壁４０は、蒸着チャンバ壁１１と部品２０の背 方表面２１との間にある。電子ビームがセラミッ クターゲット１６に衝突することによって発生し た蒸発物はセラミックターゲット１６から離隔し てある底壁４２の開口４６を通って反応チャンバ ３０内に流入する。

反応チャンバ３０は更に側壁３２を備え、側壁 ３２は頂壁４０、及び底壁４２と共にコーティン グを施される夫々の部品を取り囲む外被を形成す る。反応チャンバ３０の寸法は、蒸着チャンバ１０ の寸法よりも小さい。その結果、反応チャンバ ３０は蒸着チャンバ１０の内包容積よりも小さい 内包容積を画成する。頂壁４０は開口５２を備え、 コーティング実施中に反応チャンバ内に流入した 陰イオン成分の１部が反応チャンバ３０から外方 へ出ることができるよういなっている。頂壁の開 口５２及び底壁の開口４６は、それぞれ、実質的 にコーティングターゲット１６の直上に垂直に整 合して配列されている。

反応チャンバ３０の目的は、上に述べたように、 陰イオン成分を、被コーティング部品を直接取り 囲んでいる空間へ閉じ込めることである。反応チ ャンバ３０は、部品２０の周囲に陰イオン成分の 高分圧を生じさせる。蒸発物が反応チャンバに流 入して部品の表面に衝突した時に、蒸発物はこの 部品表面に凝結してコーティングを形成する。陰 イオン成分が更にこの凝結物に衝突すると、コー ティングに陰イオン欠損があれば化学反応が生じ て、この凝結物と結合し、それによって化学量論 的（もしくは近化学量論的）コーティングが形成 される。

反応チャンバ３０は、陰イオン成分が凝結物と 衝突する確率を増大させる。一般的に言うと、チ ャンバ内の陰イオン成分は反応チャンバ３０の壁 で次々に跳ね返し、最終的には凝結物と衝突して 反応するか、もしくは反応チャンバ３０の開口か ら飛び出る。従って、反応チャンバ３０は、陰イ オン成分が部品２０の周囲に滞在する時間を増加 させる。

反応チャンバ３０の開口５２の主たる機能は、 反応チャンバ３０から陰イオン成分を吐き出し、 それによって、蒸発物の部品表面への凝結に対す る陰イオン成分の干渉を最小にすることである。

開口５２は余剰陰イオン成分を反応チャンバ３０ からコーティングターゲット１６に衝突する電子 ビームと交差或いは干渉しない方向へ向ける。開 口５２の好ましい構造例は第２図に示されている。

コーティングターゲット１６から遠ざかる方向に 向かって延びている壁５４及び５８は開口５２に 隣接し、煙突状構造５６を形成している。

反応チャンバ３０内で被コーティング部品を保 持する手段４８は、部品を垂直軸その他の軸回り に回転或るいは並進させることのできる構造であ ることが望ましい。コーティング実施中における 部品２０の反応チャンバ３０内における移動（例 えば、回転、並進、または傾斜）は、部品の表面 全体に一様な厚さのコーティングを形成させるこ とを増進する。

コーティングサイクル中に、陰イオン成分を反 応チャンバ３０内へ導入するための管２２は反応 チャンバ壁３２を貫通し、コーティングサイクル 中に陰イオン成分の流れを夫々の部品２０の方に 向けるように配置されている。好ましくは、管22 は陰イオン成分を部品表面に向かって直接流すよ うに配置される。最も好ましくは、夫々の管２２ が多数の直径が小さく密な間隔で配置された開口 ５８を備え、開口５８が水平に対して約４５°の 角度で部品表面に向けて陰イオン成分を流す。こ れらの管は、その開口が少なくとも部分的に、反 応チャンバ３０に入ってくる蒸発物からシールド されるような角度に向けられる。この構造により、 蒸発物が開口５８に凝結し開口５８を著しく狭め ることを防ぐ。

反応チャンバ３０内で２個以上の部品がコーテ ィングされる場合には、チャンバは好ましくは夫 々のコンパートメント６０、62に分割され、その 中に各個の被コーティング部品が保持される。コ ンパートメント６０及び62は隔壁６４によって区 切られ、隔壁６４は壁５４にほぼ平行に壁５８と ５８の間を反応チャンバ３０の長さに沿って延び る。隔壁６４は、反応チャンバ３０内において陰 イオン成分が跳ね返る面の面積を増加する。

反応チャンバ３０は、チャンバの内部寸法が被 コーティング部品（１個または複数個）の寸法よ りも僅かだけ大きくなるように作られる必要があ る。このような構造は、陰イオン成分を、部品の 極く近傍の空間領域に閉じ込めることになる。

上述のタイプの反応チャンバが制作され、ニッ ケルベース合金製部品の表面に柱状粒イットリア 安定化ジルコニアをコーティングするために有用 であることが示された。チャンバ及び管はオース テナイトステンレススチール合金が作られた。管 には、直径0.75mmの開口が間隔6.5mmでチャン バ内の長さ約10cmに亙って施された。上記の開 口は、水平に対して約４５°の向きで、図に示さ れているように、夫々の被コーティング試料の中 心線に向けらた。チャンバは長さ約25cm、幅約 25cm、高さ約12cmであった。煙突５６はチャ ンバの頂面から上方へ約7.5cm突出し頂面のほぼ 中心に位置していた。頂面及び底面の開口はコー ティングターゲットに対して垂直方向で整合され た。被コーティング部品は頂壁と底壁のほぼ中間 に位置し、管は底壁とほぼ同レベルの高さでチャ ンバ内に入っている。

本発明は詳細な実施例に関して図示及び説明し たが、本発明の精神及び請求範囲から逸脱するこ となく、その形式及び細部に関して種々な変更を 行うことができることは当業者の当然とするとこ ろである。例えば、反応チャンバ内へ陰イオン成 分を導入するために２個以上の管を用い、もしく は、図面に示されているのとは異なる位置に管を 設けることができる。その他、陰イオン成分を被 コーティング部品を取り囲む局部的な空間に閉じ 込める装置から逸脱しない他の種々の変化も考え られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による電子ビーム物理蒸着 装置の単純化された概略図である。 第２図は、部分断面によって反応チャンバの実 施例を示している透視図である。 （符号の説明） １０…コーティングチャンバ １２…排気装置 １４…電子ビーム銃 １６…セラミックターゲット ２０…コーティングを施される部品 ２２…管 ２６…陰イオン成分供給源 ２８…陰イオン成分出口端 ３０…反応チャンバ ４０…頂壁 ４６…開口 ５２…開口 ５６…煙突状構造 ５８…陰イオン成分放出開口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レオ・アルバート・リェンデュー アメリカ合衆国マサチューセッツ州01108, スプリングフィールド，ローン・ストリー ト 14 (72)発明者 ニコラス・ユージーン・ユリオン アメリカ合衆国コネチカット州06447，マ ールボロ，ストーニー・ブルック・ドライ ブ 11

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の容積を画成する第１のチャンバ、 前記第１のチャンバ内のセラミックターゲット、 及び 前記第１のチャンバ内の前記ターゲットに電子 ビームを衝突させることによって前記ターゲット を蒸発させるための装置 とを含んで構成される部品表面にコーティング を施すための電子ビーム物理蒸着装置において、 前記第１のチャンバの内部に第２のチャンバを 設け、 前記第２のチャンバがその内部に、前記第１の 容積よりも小さい第２の容積を画成し、前記コー ティングを施される部品を保持するための装置を 具備し、 前記第２のチャンバがセラミックの陰イオン成 分、及び前記コーティングターゲット上への前記 電子ビームの衝突によって発生させられる蒸発物 を前記第の２チャンバ内へ受入れるための装置を 具備する、 ことを特徴とする蒸着装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の装置であって、 陰イオンを受入れるための前記装置が、前記第 １のチャンバの外部に配置される前記陰イオン成 分の供給源と流体的に連結している装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の装置であって、 前記コーティングを施される部品を保持するた めの装置が前記コーティングを施される部品をそ の軸回りに回転させるための装置を具備する装置。
4. 【請求項４】 第１の容積を画成する第１のチャンバ、 前記第１のチャンバ内のセラミックターゲット、 及び 前記第１のチャンバ内の前記コーティングター ゲットに電子ビームを衝突させることによって前 記コーティングターゲットを蒸発させるための装 置 とを含んで構成される部品表面にコーティング を施すための電子ビーム物理蒸着装置において、 前記第１のチャンバの内部に第２のチャンバを 設け、 前記第２のチャンバがその内部において、前記 第１の容積よりも小さい第２の容積を画成し、か つ前記コーティングを施される部品を保持して前 記部品を軸回りに回転させるための装置を具備し、 前記第２のチャンバが更に、 前記コーティングターゲット上への前記電子ビ ームの衝突によって発生させられる蒸発物を受入 れるための開口と、前記第１のチャンバの外部に 配置される陰イオン成分の供給源からセラミック の陰イオン成分を受入れるための装置を具備する、 ことを特徴とする蒸着装置。
5. 【請求項５】 部品表面にセラミックコーティングを蒸
   着 するための装置であって、 チャンバ壁で画成されるコーティングチャンバ、 前記コーティングチャンバ内のセラミックター ゲット、 前記コーティングターゲットに電子ビームを衝 突させる装置、 前記のコーティングターゲットと部品の中間に 配置される出口端を有する管系を介して前記コー ティングチャンバ内にセラミックの陰イオン成分 を流入させる装置、及び 前記のコーティングチャンバ内にあって前記コ ーティングチャンバの壁面から隔離される少くと も１個の壁とを含んでなり、 前記壁は前記出口端と実質的に対向する関係に あり、 更に前記コーティングチャンバ内で実質的に前 記コーティングターゲットの上方で前記壁と前記 の出口端との中間に部品を保持するための装置を 具備する、 ことを特徴とする蒸着装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載の装置であって、 前記コーティングを施される部品を保持するた めの装置が前記コーティングを施される部品をそ の軸回りに回転させるための装置を具備する装置。
7. 【請求項７】 請求項５記載の装置であって、 前記管系が、前記コーティングターゲットと部 品との中間にそれぞれ配置される複数個の出口端 を有する装置。
8. 【請求項８】 部品表面にセラミックコーティングを蒸
   着 するための装置であって、 第１の容積を画成するチャンバ壁を備えるコー ティングチャンバ、 前記コーティングチャンバ内のセラミックター ゲット、 前記コーティングターゲットに電子ビームを衝 突させる装置、 前記コーティングチャンバ内にあって部品を取 り囲む外被とを含んで構成され、 前記外被は、前記第１の容積よりも小さい第２ の容積を画成し、その内部にコーティングされる 部品を保持する装置を備え、 前記外被は、対向する底壁及び頂壁とを含んで 構成され、 前記底壁は前記コーティングターゲットから離 隔され、 前記頂壁及び底壁が共に前記コーティングター ゲットと実質的に垂直方向に整合された開口を備 え、 前記蒸着装置は更に、 前記コーティングチャンバの外部に配置される 陰イオン成分供給源と流体的に連通する管系を介 して前記外被の内部にセラミックの陰イオン成分 を流入させるための装置を具備し、 前記管系は前記コーティングターゲットと部品 との中間に配置される出口端を有し、 前記頂壁は実質的に前記出口端と対向する関係 にあり、 部品は前記頂壁と前記出口端の中間に配置され ることを特徴とする蒸着装置。
9. 【請求項９】 請求項８記載の装置であって、 前記外被が前記頂壁及び底壁と一体化した側壁 を具備する装置。
10. 【請求項１０】 請求項８記載の装置であって、 前記部品を前記外被内に保持する装置が部品を 軸回りに回転させる装置を具備する装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０記載の装置であって、 前記部品を保持する前記装置が部品を軸沿いに に並進させる装置を具備する装置。
12. 【請求項１２】 請求項１１記載の装置であって、 前記管系が複数の出口端を有する装置。
13. 【請求項１３】 請求項１２記載の装置であって、 前記出口端が管系に密な間隔で設けられた複数 の開口である装置。
14. 【請求項１４】 請求項１３記載の装置であって、 前記開口が前記外被内への蒸発物の流入方向と 実質的に一致する方向に陰イオン成分を前記外被 内に流入させるように配列される装置。