JPH0544008A - 熱プラズマ発生方法、プラズマ溶射方法および製膜装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、プラズマ溶射あるいは熱プラズマ
ＣＶＤ等で製膜する場合の熱プラズマ発生法と装置に関
するものであり、特に大面積基板へ均一に高スループッ
トで製膜できる製膜装置に関するものである。 【構成】 奥行き方向に長い陰極１５を陽極１９で取り
囲み、陰極先端部１７と噴出口２１を形成する陽極１９
との間で発生するアーク２５に略垂直に作用する磁界２
６を付与するエンドレス形状の磁石２７を設け、アーク
２５を両電極面上で周回高速移動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気的絶縁、熱的絶
縁、耐摩耗、耐蝕等や機能膜をプラズマ溶射あるいは熱
プラズマＣＶＤ等で製膜する場合の熱プラズマの発生方
法及びそれを用いた製膜装置等に関するものであり、特
に熱プラズマ溶射、ＣＶＤ製膜の大面積化に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、溶射技術は例えば耐摩耗、耐絶縁
膜等の製膜手法として古くから利用され、燃焼ガスをそ
の溶融手段として使うガス溶射や電気エネルギーをその
溶融エネルギーとして使う電気式溶射等に大きく分類さ
れる。

【０００３】さらに電気式溶射では、アーク溶射やプラ
ズマ溶射等が一般的であり、特に最近では溶射皮膜の膜
質等からプラズマ溶射法が注目されている。

【０００４】図７は、プラズマ溶射装置の従来例を示し
たものである。水冷された陰極１と水冷された陽極２の
間に電源３によって直流アーク４を発生させ、後方から
送給するプラズマ作動ガス５をアーク４によって熱し、
アークプラズマ６としてノズル７から噴出させる。

【０００５】溶射材料は粉末で、キャリアガス８にのせ
てプラズマジェットの中に吹き込み加熱溶融し、かつ加
速して基板９表面に高速で衝突させて皮膜を形成するも
のである。この時作動ガスとしてはアルゴンや窒素ある
いはこれらのガスにヘリウム、水素を加えている場合が
多い。

【０００６】従来、このようなプラズマ溶射トーチに於
いては図に示すように陰極１と陽極２は同軸上にあり、
また噴出口７の面積は出力にもよるが最大で２〜３ｃｍ
程度であり、特に電子デスプレイ等の大型大面積基板を
用いて、溶射あるいはアークプラズマＣＶＤによって皮
膜を形成しようとすると、トーチと基板９の距離を大き
くして面積を稼ぐか、図８に示すように基板１０あるい
はトーチ１１をトラバースしながら製膜領域１２を形成
してゆく必要がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】基板とトーチ間の距離
を大きくすると、基板に到達する溶融粒子の衝突速度が
遅くなり、それ故溶射皮膜としては気孔が多く凹凸の激
しい皮膜となるものである。

【０００８】また図８の様に、基板１０あるいはトーチ
１１をトラバースする方法では、トラバースする際、特
に図のＹ軸方向１３への移動方向に膜厚むらが生じると
か、トラバース装置が高価になるなどの欠点を有してい
るし、また製膜に掛かる時間が長くなり量産性に優れな
い等の欠点を有している。

【０００９】本発明はかかる点に鑑み、プラズマ溶射皮
膜やアークプラズマＣＶＤ皮膜を一括大面積に製膜出来
るアークプラズマ発生法及びそれを用いた製膜装置を提
供することを目的とするものであるまた従来の溶射製膜
法においては、細い線幅に溶射を行なう場合、マスクを
して溶射を行なっていたが、本発明はマスクレスのパタ
ーン溶射をも可能な製膜装置を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、内部に冷却手段を具備した奥行き方向に長
い陰極と、その外周をプラズマ作動ガス空間で取り囲む
とともに、陰極先端部よりも下流部では断面が偏平スリ
ット形状なプラズマ噴出口を形成する陽極とを具備し、
前記陰極先端部とプラズマ噴出口の陽極部間に発生する
アーク柱に対して略垂直に作用する磁界発生用エンドレ
ス形状磁石と、前記噴出口下部に噴出口に開口する粉末
あるいはガス供給口とを設けているとともに、粉末供給
口は小径で奥行き方向に多数配列されており、さらにプ
ラズマ噴出口部を導電性物質の陽極とし、その上部には
電気的絶縁物質でプラズマ作動ガス空間を形成するもの
である。

【００１１】

【作用】陰極先端部とプラズマ噴出口を形成する陽極間
でアークを発生させ、そのアークに略垂直に作用する磁
界を磁石によって付与することにより、アークは奥行き
方向に長い陰極とその周囲の陽極上を高速で周回し、そ
のアークにプラズマ作動ガスを供給するとアークプラズ
マジェットとしてプラズマ噴出口より高速で噴出し、シ
ート状のアークプラズマジェットを形成する。このとき
プラズマ噴出口下部に設けた粉末あるいはガス供給口よ
り、溶射粉末あるいはＣＶＤガスを供給すると奥行き方
向に長いシート状プラズマを用いた溶射あるいはＣＶＤ
製膜が可能となり、基板あるいはこのトーチを一方向に
移動するだけで大面積一括製膜が実現できる。

【００１２】

【実施例】図１は、本発明の熱プラズマ発生方法を具現
化した熱プラズマ発生装置の実施例を用いた製膜装置の
構成図を示すものである。

【００１３】１４はプラズマ作動ガスの供給経路、１５
は陰極で内部に冷却経路１６が設けられている。そして
陰極１５は、図１のＡ−Ａ断面矢視図である図２に示す
ごとく、奥行き方向（図１の紙面垂直方向）に長く、か
つ先端部１７はやや円形形状となっている。１８はプラ
ズマ作動ガス空間であり、陰極１５の外周を取り囲み、
陰極先端部１７でその陰極の形状の沿うように陽極１９
によって形成されている。陰極先端部１７のプラズマガ
ス２０の下流部には、前記陽極１９によってプラズマ噴
出口２１が形成されており、陽極１９にはプラズマ噴出
口２１近傍に水冷冷却経路２２が設けられている。

【００１４】図１のＢ−Ｂ断面矢視図である図３に示す
ごとく、プラズマ噴出口２１はその断面が奥行き方向に
長いスリット形状をしており、さらに陽極１９もそれに
沿ったエンドレス形状をしているものである。また２３
は陰極１５と陽極１９を絶縁する絶縁物であり、陽極１
９下部にはプラズマ噴出口２１に開口する粉末あるいは
ガス供給口２４が設けられている。

【００１５】２５は、陰極先端部１７と陽極１９のプラ
ズマ噴出口２１の間で発生したアーク柱であり、このア
ーク柱２５に対して略垂直な磁界２６が作用するよう
に、永久磁石２７が、その先端部とアーク柱２５の位置
を所定距離だけ保って図３に示すようにエンドレスに配
置されている。

【００１６】２８は、陰極１５と陽極１９に直流電源を
供給する電源、２９はプラズマ噴出口２１より噴出され
るプラズマジェット、３０は、皮膜３１が形成される基
板で図の矢印方向に移動される。

【００１７】以上のように構成された本実施例の熱プラ
ズマ発生装置及び製膜装置において、以下その動作を説
明する。

【００１８】まずＡｒやＨｅなどのプラズマ作動ガス２
０をプラズマ作動ガス空間１８に流しながら、陰極１５
と陽極１９間に接続したパルス電流発生機などによって
両電極間の空隙にアーク２５を発生させる。アーク２５
は最小電圧の原理及びプラズマ作動ガス２０の流れによ
って、図１に示すごとく陰極先端部１７とプラズマ噴出
口２１の陽極１９間で所定長さの噴出口２１出口に向か
うアークとなる。

【００１９】この時、このアーク２５に対して永久磁石
２７によって磁界２６が作用されているため、アーク２
５はいわゆるフレミングの法則により駆動力を受け、図
３に示すごとく陰極１５および陽極１９上を高速で周回
する移動アーク２５ａとなる。

【００２０】アークの移動周回速度は、磁界の強度、ア
ーク電流、アーク長の積に比例するので、アーク移動速
度を高めるためには磁界強度を高めればよく、そのため
に本実施例の構成では、永久磁石２７の端面とアーク２
５との距離をできるだけ小さくすると共に飽和磁束密度
の大きい永久磁石を用いている。ちなみに永久磁石２７
は、アーク２５近傍で約１０００ガウス程度の磁界強度
を発生している。

【００２１】このような両電極面上を周回するアーク２
５ａによって、プラズマ作動ガス２０が加熱、電離、膨
張し噴出口２１より高速高温のプラズマジェット２９と
して噴出する。

【００２２】本実施例では、アーク２５が断面積の狭い
噴出口２１で発生するために、プラズマ作動ガス２０に
よる熱ピンチ効果が維持され、より高温高速のプラズマ
ジェット２９とすることができる。

【００２３】このように本実施例において発生するプラ
ズマジェット２９は、噴出口２１が図３に示すごとく細
長いスリット状であるために、ジェットそのものもスリ
ット状もしくはシート形状の奥行きのある形状に噴出す
る。そして噴出口２１の下部に設けた粉末あるいはガス
供給口２４より、溶射の場合には金属、セラミック等の
溶射材料をプラズマ内に供給すると、それらが加熱溶融
され、プラズマジェット２９の高速流に乗って基板３０
に衝突し、偏平化され所望の皮膜３１を形成するもので
ある。また熱プラズマＣＶＤを用いた製膜の場合には、
この供給口２４より原料ガスを供給してプラズマの高温
過程での化学変化過程を利用したＣＶＤ製膜が可能とな
る。

【００２４】以上のように本実施例によれば、アークの
発生が断面積の小さいスリット状の噴出口でなされ、な
おかつそのアークを高速で周回させ、奥行き方向に長く
幅の狭いシート状のプラズマジェットを得ることができ
るために、基板幅に対応させて基板を一方向のみに移動
させることによって、一括で基板幅方向全体に短時間で
高スループットの溶射あるいはＣＶＤ製膜ができるとと
もに、基板幅方向に膜厚分布のない均一製膜が可能とな
るものである。

【００２５】図４は、図３の永久磁石２７に代えて電磁
石３２とヨーク３２ａを設けた構成図であり、他の構成
要素は図１と同じである。このように永久磁石２７を電
磁石３２とすることによりアーク２５の初期の着火、あ
るいは移動速度の制御が可能となり、膜質に対する制御
性が向上するものである。

【００２６】図５は、本発明の第２の実施例を示すため
の製膜装置の構成図である。基本構成は図１と同様であ
り、同一構成要素は同一番号で示し、その詳細な説明は
省略する。

【００２７】図１に示す第１の実施例との違いについて
述べる。第１の実施例においては、陰極１５を取り囲む
枠体は全て陽極１９で構成されていたが、本実施例では
導電性物質よりなる陽極３３は噴出口２１部分のみで、
その上部には電気的絶縁性部材３４が設けられている。
他の構成要素は第１の実施例と同様である。

【００２８】以上のように構成された本実施例装置の動
作を説明する。基本的には第１の実施例と同様であり、
本実施例の特徴的な点について説明する。本実施例では
陽極３３を噴出口２１部分のみとしており、それゆえ陰
極先端部１７と陽極３３間の距離は一義的に決ってしま
う。そのためアーク３５の発生位置及びその長さが常に
一定となって、第１の実施例と同様な高速周回移動を行
ない、同様な作用で製膜がなされるものである。

【００２９】この様に、本実施例では、アーク３５の発
生位置及び長さが常に一定となることにより次のような
効果を有するものである。すなわちアークが一定である
ということは、そのアークに作用させる磁界３６の作用
が周回するアークのどの点をとっても一定であり、それ
故均一な周回速度分布が得られ、より均一な製膜が可能
となるものである。

【００３０】特にこの様な製膜を減圧下で行なうような
場合には、アークの発生点がその圧力によって変動する
が、本実施例によればその影響がなく、常に一定なアー
ク発生を実現できるものである。また第１の実施例と同
様に磁石を電磁石とすると更に制御性が増すものである
ことは言うまでもない。

【００３１】本実施例では噴出口部全体のみを陽極とし
ているが、さらにアーク発生点を限定するために、陽極
をもっと狭い範囲で限定することも可能である。

【００３２】図６は、本発明の第３の実施例を示したも
のであり、第１及び第２の実施例によって述べたシート
状のプラズマジェット発生装置によって、従来の溶射製
膜ではマスクが必要であったパターン溶射を、マスク無
しで可能とする方法である。

【００３３】すなわち主要構成要素は第１及び第２の実
施例と同様であり、図６は図５のＣ−Ｃ断面矢視図であ
り、さらに基板３９との距離について述べているもので
ある。本実施例で特徴的なのは、噴出口２１下部に設け
た粉末供給口３７であり、図のように必要パターン幅ｄ
₁とほぼ同径かそれより小径の多数のポートで構成され
ていることである。

【００３４】プラズマジェットは、第１及び第２の実施
例で述べたごとく、図のように基板幅に対応したシート
状プラズマジェット３８として噴出口２１より噴出され
る。このとき多数の供給口３７より溶射粉末材料３９を
供給すると、粉末３９は高温プラズマによって加熱溶融
されその高速流に乗って出口より基板３９方向に射出さ
れる。

【００３５】このとき本実施例では、噴出口２１出口と
基板３９との距離Ｙをプラズマジェットが高速で噴出さ
れる際のポテンシャルコア領域以内としている。ポテン
シャルコア領域では、速度は出口噴出速度と同じであ
り、それ故溶融粒子４０の速度も減衰拡散せずに基板３
９に衝突する。そのために基板３９には、供給口３７の
ピッチＰにほぼ対応したピッチＰ₁、供給口３７の径ｄ
にほぼ対応した線幅ｄ₁のパターン溶射が可能となる。
この様なパターン溶射が基板３９を一方向に移動するこ
とによって一括で高スループットに製膜できるものであ
る。

【００３６】本実施例は、特に低融点な材料例えば金属
の電極パターン等を形成する場合に特に有効である。

【００３７】本発明の各実施例の説明図において、特に
陰極上部の構成については省略しているが、公知の手段
により冷却水の均一流れを図っていること、さらにプラ
ズマ作動ガスの供給にしても同様であることは言うまで
もない。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
プラズマ溶射製膜あるいは熱プラズマＣＶＤ製膜が大面
積に均一に、極めて生産性に優れた方式で行える装置を
提供することができるなど、その実用的効果は大なるも
のがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱プラズマ発生方法を具現化した熱プ
ラズマ発生装置を用いた製膜装置の構成を示す断面図

【図２】図１のＡ−Ａ断面矢視図

【図３】図１のＢ−Ｂ断面矢視図

【図４】本発明に係わる他の製膜装置の構成を示す断面
図

【図５】本発明に係わる更に他の製膜装置の構成を示す
断面図

【図６】本発明に係わる更に他の製膜装置の構成を示す
断面図

【図７】従来の熱プラズマ発生装置及び製膜装置を示す
断面構成図

【図８】従来の製膜装置での製膜法を示す斜視図

【符号の説明】

１５ 陰極 １７ 陰極先端部 １９ 陽極 ２１ 噴出口 ２５ アーク ２６ 磁界 ２７ 磁石 ３４ 電気絶縁部材 ３７ 供給口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三谷 力 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】奥行き方向に長い陰極先端部と、プラズマ
   作動ガス通路空間を隔てて陰極を取り囲むとともに、陰
   極先端部よりも下流に設けた断面が偏平スリット形状な
   プラズマ噴出口を形成する陽極部との間でアークを発生
   させ、磁石によって前記アーク柱に対して略垂直の磁界
   を作用せしめ、前記発生アークを前記陰極先端部と陽極
   部上で周回させながら、偏平スリット状のアークプラズ
   マをプラズマ噴出口より発生させる熱プラズマ発生方法
2. 【請求項２】奥行き方向に長い陰極先端部と、プラズマ
   作動ガス通路空間を隔てて陰極を取り囲むとともに、陰
   極先端部よりも下流に設けた断面が偏平スリット形状な
   プラズマ噴出口を形成する陽極部との間でアークを発生
   させ、磁石によって前記アーク柱に対して略垂直の磁界
   を作用せしめ、前記発生アークを前記陰極先端部と陽極
   部上で周回させながら、偏平スリット状のアークプラズ
   マをプラズマ噴出口より発生させ、前記プラズマ噴出口
   下部には小径の粉末粒子供給口を所定ピッチで奥行き方
   向に多数配列し、プラズマ噴出口と先端部と被溶射基板
   との距離をプラズマジェットポテンシャルコア領域以内
   とするプラズマ溶射方法
3. 【請求項３】内部に冷却手段を具備した奥行き方向に長
   い陰極と、その外周をプラズマ作動ガス空間で取り囲む
   とともに、陰極先端部よりも下流部では断面が偏平スリ
   ット形状なプラズマ噴出口を形成する陽極とを具備し、
   前記陰極先端部とプラズマ噴出口の陽極部間に発生する
   アーク柱に対して略垂直に作用する磁界発生用エンドレ
   ス形状磁石と、前記噴出口下部に噴出口に開口する粉末
   あるいはガス供給口とを具備したことを特徴とする製膜
   装置
4. 【請求項４】磁界発生用エンドレス形状磁石は電磁石で
   あることを特徴とする請求項３記載の製膜装置
5. 【請求項５】粉末供給口は奥行き方向に多数配列された
   小径の粉末供給口であることを特徴とする請求項４記載
   の製膜装置
6. 【請求項６】内部に冷却手段を具備した奥行き方向に長
   い陰極と、その外周をプラズマ作動ガス空間で取り囲む
   枠体と、前記陰極先端部よりも所定距離離れた前記プラ
   ズマ作動ガスの下流部に設けた導電性物質よりなる陽極
   と、陽極によって形成された断面がスリット形状のプラ
   ズマ噴出口とを具備し、前記枠体の前記陽極上部は電気
   的絶縁性物質で構成されるとともに、前記陰極先端部と
   プラズマ噴出口の陽極部間に発生するアーク柱に対して
   略垂直に作用する磁界発生用エンドレス形状磁石と、前
   記噴出口下部に噴出口に開口する粉末あるいはガス供給
   口とを具備したことを特徴とする製膜装置
7. 【請求項７】磁界発生用エンドレス形状磁石は電磁石で
   あることを特徴とする請求項６記載の製膜装置
8. 【請求項８】奥行き方向に多数配列された小径の粉末供
   給口であることを特徴とする請求項４記載の製膜装置