JP2008502799A - 炭素析出のための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、アノード（５）と、炭素から成るターゲットカソード（１０）と、パルスエネルギ源（１５）と、少なくとも２つの点弧ユニット（２０）とを備えた、パルス式のプラズマ支援された真空アーク放電による炭素析出のための装置に関する。少なくとも２つの点弧ユニット（２０）はターゲットカソード（１０）の縁部領域に配置されており、それぞれ２つの平面的な金属製の電極（２５，３０）と、両電極（２５，３０）間に配置された平面的な絶縁セラミック（３５）とを有している。点弧ユニット（２０）の平面的な形状および支持カソード（１０）におけるその配置により、ターゲット面全体の均等な使用およびワークピースの均等なコーティングが可能となる。

Description

背景技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載した形式の炭素析出のための装置に関する。

ワークピース、特に摩擦学的に高く負荷され、同時に付加的な幾重の負荷、例えば温度またはキャビテーションに曝されるコンポーネントをコーティングするために、多数の物理的な析出法が知られている。プラズマコーティング技術の分野からは、金属フリーおよび水素フリーの炭素層（いわゆるテトラへデラルアモルファスカーボン、ｔａ−Ｃ）を形成する２つの異なる方法、すなわちスパッタまたはアーク蒸発によるグラファイトターゲットの析出が挙げられる。

スパッタ法はただし低い成膜速度の点で特徴付けられる。それゆえ、この方法は経済的な使用のためにあまり適していない。

アーク蒸発の場合、カソードは典型的には蒸発させたい材料から成り、アノードとしては特別な電極が存在するか、またはコーティングチャンバの壁もアノードとして役立つことができる。ターゲット材料の蒸発のためにアノードとカソードとの間でアークが点弧される。アークはカソードを局所的に燃焼点で、燃焼箇所がカソード上に認識可能な程、強く加熱する。ターゲット材料は気相へと移行し、ワークピース上に析出する。アノードとカソードとの間でアークを生ぜしめるために点弧装置が必要である。

可動の点弧装置の他に、固定的にターゲットカソードの近傍に配置された点弧電極が公知である。点弧電極間でアークが点弧される。アークはその後点弧電極からアノードに移動する。

コントロールされた炭素の直流アーク蒸発は困難なことが判っている。それというのも、アークの燃焼点は、ターゲットの１カ所で固定的に場合によっては燃焼し続ける傾向にあるからである。また、蒸発時にいわゆる飛沫（Ｄｒｏｐｌｅｔ：マクロ粒子）がワークピース上での層粗さの上昇に至ることが知られている。この方法もそれゆえ制限的にのみ使用される。

これに対してパルス式のアーク放電では、電圧がアノードとカソードとの間でパルス式に印加される。それにより、燃焼点はターゲット上を直流アーク蒸発に対して約１００倍の速度で動き、それにより固定燃焼は回避される。パルス式のアーク放電は一般にミリセカンドの領域のパルス幅を有している。それにより、放電は点弧の空間的な近傍に局限されている。

パルス式のアーク放電のテクノロジを大面積のターゲットで使用したいとき、それゆえ複数の個々の点弧源を備えた構造が有意義である。

ＲＵ２１５３７８２Ｃ１号明細書から、炭素層をワークピース上に被着するための炭素プラズマパルス源が公知である。このパルス源はとりわけグラファイトカソードと、アノードと、容量性の蓄積回路と、グラファイトカソードの周囲に配置された少なくとも２つの点弧ユニットとを有している。この配置により、点弧ユニットを１つだけ備えた装置に比して、炭素層によりコーティングされる領域は拡大されると同時に、ワークピースに被着される層の厚さは均等化される。点弧ユニットはそれぞれ棒状の金属電極と環状のグラファイト電極とから成っており、両者はそれぞれ点弧カソードもしくは点弧アノードとして役立つ。点弧カソードと点弧アノードとの間には、誘電性の材料から成るリングが配置されている。その際、誘電性の材料はターゲットカソード側の面で電気伝導性の材料によりコーティングされている。各点弧ユニットの長手方向軸線はその際、ターゲットカソードの作業面の、アーク放電の開始のために意図されている相応の範囲に向けられている。

点弧カソードおよび誘電性の材料の環状の構造は、ターゲット面の経済的かつできるだけ均等な利用に対して不都合に働き得る。いわば点状に作用する点弧源により、ターゲット面上の点弧場所は相対的に小さな領域に制限されている。その結果、特定の箇所が放電の度に除去される一方、ターゲット面上の隣接する場所はほぼ未処理のまま残される。時と共に、そのような際立った侵食域はターゲットカソード上の望ましくないクレータ形成に至る。

にもかかわらず、できるだけターゲット面全体を均等に除去し得るよう、点弧源は密に相並んで配置されなければならない。したがって、ターゲットカソードの単位長さ当たり必要な点弧源の個数は増加し、それと共にメンテナンス手間およびコーティング設備の連続運転時の不安定性は増加する。

さらに、点弧ユニットが高い熱負荷に曝されており、安定した連続運転および／または高い点弧頻度のために冷却されるべきであることを留意しなければならない。円形の点弧ユニットではその冷却が設備技術的に極めて手間を要する。それというのも、冷却装置は個々の点弧ユニットで電極の環状の構造に適合されなければならず、それゆえ相応の円味を有しているべきであるからである。

全体的に上記問題は、大面積のターゲットにおけるパルス式の真空アーク放電によるコーティング法の簡単かつ安定な使用を経済的に実現することを困難にする。

発明の利点
請求項１の特徴部に記載した特徴を備えた本発明による炭素析出のための装置は、上記欠点が取り除かれ、それにより、任意の大きさに寸法設定されたターゲット面上でのアークの点弧場所の均等な分布が達成されるという利点を有している。

その際、この装置を備えた設備は簡単に安定かつ確実に運転され得るので、産業上の使用が可能となる。

本発明による装置の有利な構成は従属請求項に記載されている。

図面
本発明の実施例について図面および以下の説明をもとに詳述する。
図１：炭素析出のための装置を、その主要なコンポーネントと共に示す図である。
図２：第１の点弧ユニットの斜視図である。
図３：第２の点弧ユニットの斜視図である。
図４：冷却水回路とベース電極と複数の点弧ユニットとを備えたターゲットカソードの平面図である。

実施例の説明
図１に示した炭素析出のための装置は実質的に、アノード５と、平面的なターゲットカソード１０と、パルスエネルギ源１５と、少なくとも２つの点弧ユニット２０とから成っている。点弧ユニット２０はターゲットカソード１０の縁部領域に配置されている（図４も参照されたい）。

炭素から形成されたターゲットカソード１０と、アノード５との間には、パルスエネルギ源１５が接続されている。パルスエネルギ源１５は典型的にはコンデンサとして形成されている。コンデンサは、図示されていない電源部を介して給電され、アノード５とターゲットカソード１０との間に真空が存在し、それにより電流回路が閉鎖されていないためにまず充電される。アノード５とターゲットカソード１０との間のアークの点弧、ひいてはアノード５の方向でのターゲットカソード１０からの炭素除去のために、少なくとも２つの点弧ユニット２０が設けられている。

本発明により、点弧ユニット２０はそれぞれ、図２に示されているように、互いに平行に配置された２つの平面的な金属製の電極２５，３０を有している。その際、電極２５と電極３０との間の中間スペースには平面的な絶縁セラミック３５が配置されている。金属製の電極２５，３０は耐燃性の材料、例えばタングステン、タングステン／ランタンまたはグラファイトから成ることができる。点弧ユニット２０は電気的に、図示されていないディストリビュータに接続されている。ディストリビュータは個々の点弧ユニット２０の点弧を制御する。十分に高い電圧を有する電流パルスを両電極２５，３０間に印加すると、グロー放電が発生する。グロー放電により、ターゲットカソード１０からアノード５への本来のアーク放電が誘発される。

点弧ユニット２０の平面的な構成により、絶縁セラミック３５に関して、点弧ユニット２０の端面５５で見て、長方形の形の、直線的に延びる面が生じる。この長方形の長さはその幅よりも数倍大きい。実際の使用ではこの長さは約１０ｃｍまでである。点弧ユニット２０を何度も相前後して点弧すると、点弧火花が、新たな点弧の度に、直線的に延びる面に沿った種々異なる箇所に統計学的に分配されて発生する。それにより、ターゲットカソード１０上の燃焼点も点弧毎に幾分ずらされる。簡単にターゲットカソード１０の全面の均等な使用が達成され、結局ワークピースの均等なコーティングに至る。

別の利点は、平面的な点弧ユニット２０の必要な個数と、非平面的な点弧ユニット、例えばディスク状の点弧ユニットの個数との比較において生じる。ターゲットカソード１０が両事例で同じ長さ３８（図４参照）を有しているとき、必要な平面的な点弧ユニット２０は僅かである。それというのも、個々の平面的な点弧ユニット２０はターゲットカソード１０上のより大きな面積を均等に除去するからである。点弧ユニット１０の比較的少ない個数はメンテナンス手間を減じ、寿命を延長する。

さらに、平面的な点弧ユニット２０はその形状に基づいてターゲットカソード１０の至近にポジショニングされ得る。点弧ユニット２０とターゲットカソード１０との間の間隔２２は、非平面的な点弧ユニットとターゲットカソード１０との間の間隔に比して小さく選択され得る。それにより、点弧確実性は明らかに高められ、コーティング法は全体的により確実に進行する。

点弧ユニット２０の第２の実施形態は図３に示されている。第２の実施形態では絶縁セラミックが有利には２部分から形成されている。第１の部分は第１の実施形態から知られているように平面的な絶縁セラミック３５により形成される。絶縁セラミックの第２の部分はセラミック製の外被３７であり、外被３７は点弧ユニット２０の背面４０ならびに側面４５，５０を被覆する。それにより、セラミック製の外被３７により被覆されていない端面５５でのみ、点弧火花が２つの平面的な電極２５，３０間で発生することが保証される。点弧過程のより良好な助成のために、点弧ユニット２０はそれに加えて、点弧が実施される端面５５でもって、ターゲットカソード１０に対して４５゜〜９０゜の所定の角度５８の下で傾斜している（図１も参照されたい）。

さらに、この有利な実施形態では、点弧ユニット２０の絶縁セラミック３５が端面５５で電気伝導性の材料６０によりコーティングされている。点弧ユニット２０での電流パルスの印加時、ターゲットカソード１０に向かって方向付けられた電流経路が生じる。それというのも、部分的に、絶縁セラミック３５の電気伝導性の材料６０が蒸発され、高電離プラズマがターゲットカソード１０に向かって加速されるからである。プラズマから形成されたこの電流経路はさらに、ターゲットカソード１０からアノード５への本来の主放電のための別の電流経路を可能にする。絶縁セラミック３５上の電気伝導性の材料６０の部分的な消費は主放電中に新たなコーティングにより補償され、それにより電気伝導性のコーティングは再生される。この過程はより長時間にわたっての運転中にも点弧ユニット２０の持続安定性を保証する。

確実な点弧のために、点弧電極２５，３０の極性は、最大の電位差が点弧ユニット２０とターゲットカソード１０との間で形成されるように設計されているべきである。このために、ターゲットカソード１０の近くに配置された金属製の電極３０は正の電圧で負荷され、ターゲットカソード１０から遠くに配置された金属製の電極２５は負の電圧で負荷される。

さらに、ターゲット材料の均等な除去もしくはワークピースの均等なコーティングにとって、本発明による平面的な点弧ユニット２０の、ターゲットカソード１０に関する配置が重要である。図４にはターゲットカソード１０の平面図が示されている。その際、複数の点弧ユニット２０がターゲットカソード１０の縁部に配置されている。主放電をターゲット面の種々異なる場所に均等に分配して局限して点弧するために、複数の点弧ユニット２０はターゲット縁部領域に沿って、個々の点弧ユニット２０の全作用が、ターゲットカソード１０の全領域にわたっての最適な、すなわち均等な除去に至るように配置されている。この方法は点弧ユニット２０間の変更可能な間隔６５と、変更可能な長さ７０を有する適当な点弧ユニット２０を使用し得る選択可能性とにより可能とされる。これまでに知られた望ましくない縁部効果、例えばターゲット面の上下の領域におけるコーティングの層厚さの減少は、相応の領域での点弧ユニット２０のより狭い間隔６５により補償され得る。

上記配置での平面的な点弧ユニット２０の別の利点は、例えば個々の点弧ユニット２０の負に極性付けられたすべての電極２５を互いに接続し、それにより電気的にコンタクト形成する１つの共通の一貫したベース電極７５を簡単に導入する可能性から生じる。

そのような１つの共通の一貫したベース電極７５はさらに、冷却水回路８０をベース電極７５内に統合する可能性を提供する。図１および図４から見て取れるように、ベース電極７５は統合された冷却水回路８０を有している。冷却水回路８０は内部の冷却水管路により実現されている。それにより、すべての点弧ユニット２０の冷却は簡単に達成される。点弧ユニット２０の冷却は安定した連続運転のために必要である。それというのも、点弧ユニットは高い熱負荷、特に高い点弧頻度時の高い熱負荷に曝されているからである。

炭素析出のための装置を、その主要なコンポーネントと共に示す図である。 第１の点弧ユニットの斜視図である。 第２の点弧ユニットの斜視図である。 冷却水回路とベース電極と複数の点弧ユニットとを備えたターゲットカソードの平面図である。

Claims (8)

1. 炭素層、特にテトラへデラルアモルファスカーボン層（ｔａ−Ｃ）を、パルス式のプラズマ支援された真空アーク放電により析出するための装置であって、アノード（５）と、炭素から成るターゲットカソード（１０）と、パルスエネルギ源（１５）と、少なくとも２つの点弧ユニット（２０）とが設けられており、点弧ユニット（２０）がターゲットカソード（１０）の縁部領域に配置されている
   形式のものにおいて、
   少なくとも２つの点弧ユニット（２０）がそれぞれ、互いに平行に配置された２つの平面的な金属製の電極（２５，３０）を有しており、両電極（２５，３０）間の中間スペースに平面的な絶縁セラミック（３５）が配置されている
   ことを特徴とする、炭素析出のための装置。
2. 少なくとも１つの点弧ユニット（２０）が背面（４０）および２つの側面（４５，５０）でセラミック製の外被（３７）により被覆されている、請求項１記載の装置。
3. 少なくとも１つの点弧ユニット（２０）が、点弧を行う端面（５５）でもって、ターゲットカソード（１０）に対して４５゜〜９０゜の角度（５８）の下で傾斜している、請求項１または２記載の装置。
4. 点弧ユニット（２０）の絶縁セラミック（３５）が端面（５５）で、電気伝導性の材料（６０）によりコーティングされている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. ターゲットカソード（１０）の全領域にわたる均等な析出のために、少なくとも２つの点弧ユニット（２０）間の間隔（６５）および／または点弧ユニット（２０）の長さ（７０）が変更可能である、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. ターゲットカソード（２０）の近くに配置された金属製の電極（３０）が正の電圧で負荷され、ターゲットカソード（２０）から遠くに配置された金属製の電極（２５）が負の電圧で負荷される、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 少なくとも２つの点弧ユニット（２０）が、１つの共通の一貫したベース電極（７５）を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 共通のベース電極（７５）が冷却水回路（８０）により冷却される、請求項７記載の装置。

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