JP3076663B2

JP3076663B2 - 粉末コーティング装置

Info

Publication number: JP3076663B2
Application number: JP04097377A
Authority: JP
Inventors: 鋭機竹島; 薫五ノ井; 貴史城倉
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1992-03-25
Filing date: 1992-03-25
Publication date: 2000-08-14
Anticipated expiration: 2015-08-14
Also published as: JPH05271921A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、円筒ドラムの内部に装
入された原料粉末にスパッタリングによってコーティン
グを施す際、個々の粉末粒子に対して均一にスパッタ粒
子が被着するように原料粉末を回転ドラム内に分配する
粉末コーティング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属，セラミックス，プラスチックス等
の粉末粒子に金属皮膜，無機質皮膜等を形成すると、当
初の粉末粒子と異なる特性を与えることができる。たと
えば、タングステン粒子，ダイヤモンド粒子等に銅を被
覆すると、焼結性が向上し、熱伝導性に優れた焼結体が
得られる。また、銅被覆した粉末は、電磁シールド用の
フィラーとしても使用される。

【０００３】粉末粒子にコーティングを施す手段として
は、粉末を懸濁状態にして電気めっき又は無電解めっき
を行う方法，流動状態にした粉末に対しスパッタリング
によって所定の皮膜を形成する方法等が知られている。
本発明者等も、スパッタリングによって粉末をコーティ
ングする装置として、回転ドラムを使用したスパッタリ
ング装置を特開平２−１５３０６８号公報で紹介した。

【０００４】この粉末コーティング装置は、図１に示す
ように、コーティング前の粉末粒子Ｐが収容された減圧
加熱処理室１を、スパッタリング源３を内蔵した回転ド
ラム２に接続している。

【０００５】粉末粒子Ｐは、加熱コイル１ａを備えた容
器１ｂに収容されており、モータ１ｃで駆動されるスク
リューフィーダ１ｄにより、供給導管１ｅを経て回転ド
ラム２の内部に供給される。供給導管１ｅは、回転ドラ
ム２の一側端面に設けた軸受け２ｆで支持されている。
また、回転ドラム２の内部に不活性ガスを送り込むた
め、供給導管１ｅと同心円状にガス導入管１ｇが設けら
れている。

【０００６】回転ドラム２は、駆動ロール２ａ及び従動
ロール２ｂで支持されている。駆動ロール２ａは、モー
タ２ｃから動力を受け、回転ドラム２を水平軸回りに回
転させる。スパッタリング源３は、供給導管１ｅが挿入
された端面とは反対側の端面（図２では右側）で軸受け
３ａで気密支持されたアーム３ｂによって回転ドラム２
内に固定配置されており、回転ドラム２の軸方向長さよ
り若干短いターゲットプレート３ｃを斜め下向きに配置
している。

【０００７】供給導管１ｅから回転ドラム２の軸方向端
部に供給された粉末粒子Ｐは、回転ドラム２の回転に伴
ってドラム軸全長に分配され、回転ドラム２の内側底面
上を流動する。Ａｒ等のプラズマによる衝撃でターゲッ
トプレート３ｃからコーティング材料が叩き出され、回
転ドラム２内を飛翔して流動状態にある粉末粒子Ｐに被
着する。所定の被覆層が形成されたとき、回転ドラム２
を開放してコーティングされた粉末粒子Ｐを取り出す。

【０００８】また、生産能力を上げた粉末コーティング
装置として、図２に示すように真空チャンバー４の両側
にターゲットプレート駆動ユニット５及びドラム駆動ユ
ニット６をガイドレール５ａ，５ｂに沿って退避可能に
配置した装置を開発した。ターゲットプレート駆動ユニ
ット５は、図１に示したものと同様なスパッタリング源
３を片持ち支持する。ドラム駆動ユニット６は、真空チ
ャンバー４内の駆動軸と噛み合い、真空チャンバー４の
内部で回転ドラム２を回転させる駆動軸を備えている。

【０００９】ターゲットプレート駆動ユニット５及びド
ラム駆動ユニット６は、それぞれの前進位置で気密継ぎ
手５ｂ，６ａを介し真空チャンバー４に接続される。ガ
イドレール６ａが移動架台６ｃの上面に設けられている
ため、ドラム駆動ユニット６は、真空チャンバー４から
後退するＸ方向、更に直交するＹ方向に移動する。

【００１０】図２に示した初期位置Ｐ₀ で回転ドラム２
の内部を清浄化し、スパッタリングされる原料粉末を仕
込んだ後、移動架台６ｃの走行によって回転ドラム２及
びドラム駆動ユニット６を真空チャンバー４の軸線に一
致する待機位置Ｐ₁ まで移動させる。次いで、ターゲッ
トプレート駆動ユニット５及びドラム駆動ユニット６を
作動位置Ｐ₂ に前進させ、気密継ぎ手５ｂ，６ｂを介し
て真空チャンバーに接続する。

【００１１】真空チャンバー４の内部を真空系７のロー
タリポンプ７ａ及び拡散ポンプ７ｂによって真空引きし
た後、真空チャンバー４の内部で回転ドラム２を回転さ
せながら、スパッタリングによって原料粉末に所定のコ
ーティングを施す。そして、待機位置Ｐ₁ を経て初期位
置Ｐ₀ に送り、コーティングされた粉末を回転ドラム２
から取り出す。この方式によるとき、大径の回転ドラム
２を使用することができ、生産能力を向上させることが
できる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】回転ドラム２を使用し
て原料粉末をスパッタリングするとき、均一なコーティ
ング層を形成するためには、個々の粉末粒子を回転ドラ
ム２内に薄く広く分配することが要求される。たとえ
ば、装入された原料粉末が回転ドラム２の内側底部に厚
い流動層を形成する状態で回転ドラム２が回転すると
き、ターゲットプレート３ｃから飛翔するスパッタ粒子
は、流動層上部にある粉末粒子に被着するのみで、下部
の粉末粒子に対するコーティングが行われない。

【００１３】逆に、回転ドラム２の内面に対する原料粉
末の付着力が大きく、装入された原料粉末が回転ドラム
２の回転に伴って循環されると、スパッタ粒子が飛翔す
る領域の外に運ばれる原料粉末の割合が多くなる。その
ため、原料粉末のコーティングに使用されるスパッタ粒
子が減少し、スパッタリング効率を低下させる。

【００１４】本発明は、このような問題を解消すべく案
出されたものであり、回転ドラム内面の表面粗さを調整
することにより、装入された原料粉末をスパッタリング
に好適な分布で回転ドラム内部に分散させ、効率よく原
料粉末のコーティングを行うことを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の粉末スパッタリ
ング装置は、その目的を達成するため、コーティングさ
れる原料粉末が装入される回転ドラムと、該回転ドラム
の内部に軸方向に配置したスパッタリング装置とを備
え、前記回転ドラムの底部内周面に沿った有効コーティ
ング領域に前記原料粉末が分散されるように、前記回転
ドラムの内周面を表面粗さＲａ５０〜３００μｍに調整
していることを特徴とする。

【００１６】

【作用】回転ドラムを使用した粉末コーティング装置
において、装入された原料粉末を効率よくコーティング
するためには、回転ドラム内でスパッタリングに適した
分布で原料粉末を分配することが必要である。

【００１７】本発明者等は、先ず回転ドラム内で原料粉
末の流動性を高めるため、内面を鏡面仕上げした回転ド
ラムに試験用粉末を装入し、回転ドラムを回転させた。
この場合、回転ドラムの内面が平滑であるため試験用粉
末の滑りが大きく、ドラム軸方向に幅狭の比較的厚い原
料粉末の流動層が回転している回転ドラムの底部に形成
された。また、回転ドラムと共回りして持ち上げられる
原料粉末はごく僅かであった。このような粉末流動層に
対してスパッタリングを行うとき、スパッタ粒子は流動
層上層部のみに被着し、下層部の原料粉末にはスパッタ
リングの作用が及ばなかった。

【００１８】そこで、回転ドラムの回転に伴って回転ド
ラムの内面に付着した状態で回転方向に上昇する原料粉
末を多くするため、内面に突起や凹凸を形成した回転ド
ラムを使用した。この場合、突起や凹凸に受け止められ
て回転方向に上昇する原料粉末の割合が多くなったもの
の、持ち上げられた原料粉末がスパッタリング装置の上
面に落下する割合も多くなった。スパッタリング装置の
上面に落下・堆積した原料粉末は、振動，衝撃等の外力
が加わったとき、スパッタリング装置から回転ドラムの
内側底部に落下した。この原料粉末は、スパッタリング
に晒されていないため、コーティング層がほとんど形成
されていない。そのため、当初から回転ドラムの内側底
部にある原料粉末に混入することにより、個々の粉末粒
子に施されたコーティング層のバラツキが大きくなっ
た。

【００１９】このような研究の結果、最適分布で原料粉
末を回転ドラムの内側底部に分配させるためには、回転
ドラム内面の表面粗さをＲａ５０〜３００μｍに調整す
ることが効果的であることを見い出した。表面粗さの調
整は、突起，凹凸等の形成のように余分な工程を必要と
しないため、所与の回転ドラムを作製する上でも有効な
手段である。

【００２０】回転ドラム内面の表面粗さをＲａ５０〜３
００μｍの範囲に調整するとき、スパッタリング装置の
ターゲットプレートから飛翔するスパッタ粒子がドラム
内面に到達する領域とほぼ一致する範囲にわたって、装
入された粉末原料を薄く広く分配することができる。表
面粗さがＲａ５０μｍ未満であると、鏡面仕上げした場
合と同様な欠陥が発生する。他方、表面粗さがＲａ３０
０μｍを超えると、ドラム内面に機械的に絡み合って回
転ドラムに共回りする原料粉末が多くなり、突起や凹凸
を形成した回転ドラムと同様な問題を生じる。

【００２１】

【実施例】本実施例においては、図３及び図４に示す断
面構造を持つスパッタリング装置Ａを使用した。このス
パッタリング装置Ａは、回転ドラム２と同心円状に形成
した半円筒状のケーシング１０を備えている。ケーシン
グ１０の内部には、補強プレート１１により二分され、
断熱・絶縁層として働く空洞部１２，１３が形成さてい
る。

【００２２】ケーシング１０の両端縁部には、取付け金
具１４，１５が固定されている。取付け金具１４，１５
を介して、ハウジング２０がケーシング１０に固定され
る。ハウジング２０は、両側縁に支持プレート２１，２
２を垂直下方に突出させている。取付け金具１４，１５
に絶縁材を組み込み、或いは支持プレート２１，２２を
絶縁性とすることにより、バッキングプレート３０から
電気的に遮断する。

【００２３】バッキングプレート３０は、支持プレート
２１及び２２に挟持される。バッキングプレート３０の
裏面に、マグネット３１〜３３を収容する複数の凹部が
形成されている。また、マグネット３１〜３３から外部
に磁束が漏洩しないように、磁気シールド３４，３５が
二重に組み込まれている。バッキングプレート３０の表
面側には、押え金具４１，４２によりターゲットプレー
ト４０が取り付けられている。バッキングプレート３０
は、スパッタリング中に昇温するターゲットプレート４
０を抜熱・冷却するため、銅，銅合金等の熱伝導性の良
好な材料で作られている。

【００２４】バッキングプレート３０の裏面側には、水
冷機構５０が配置される。水冷機構５０は、プレート５
１と５２との間に冷却水通路５３を形成している。プレ
ート５１は、絶縁体５４を介してバッキングプレート３
０に固定される。スパッタリング中、ケーシング１０及
び水冷機構５０を大地電位とし、外部電源からバッキン
グプレート３０を介して高電圧がターゲットプレート４
０に印加される。

【００２５】ターゲットプレート４０として、幅１５０
ｍｍ，ドラム軸方向長さ１２７０ｍｍのＴｉ板を使用し
た。ターゲットプレート４０の中心線から回転ドラム２
の内面までの距離を１７０ｍｍに設定し、水平線とター
ゲットプレート４０との間の角度αが３０度となるよう
に、内径６００ｍｍ及び軸方向長さ１４００ｍｍの回転
ドラム２内にスパッタリング装置Ａを傾斜配置した。こ
のとき、ターゲットプレート４０からスパッタ粒子がド
ラム内面に到達する有効スパッタリング領域Ｒは、回転
ドラム２の内面円周方向に沿って５００ｍｍの範囲にあ
る。

【００２６】他方、原料粉末ＰＷを装入した回転ドラム
２を回転させると、回転方向Ｄの力が原料粉末Ｐに作用
する。そのため、原料粉末Ｐは、図３において回転ドラ
ム２の最下点２_B を中心として右側では比較的狭い幅２
_B −２_R で、左側では比較的広い幅２_B −２_L で回転ド
ラム２の内側底部に分配された。この原料粉末ＰＷの分
布範囲２_R −２_L が有効スパッタリング領域Ｄに一致す
るとき、最もスパッタリング効率が良くなることが予想
される。

【００２７】原料粉末ＰＷの分布範囲２_R −２_L は、ド
ラム内面の表面粗さに大きく影響されることは前述した
通りである。そこで、内径６００ｍｍの回転ドラム２に
平均粒度２０μｍのマイカ粉末を装入し、１．２ｒ．
ｐ．ｍ．で回転ドラム２を回転させる条件下で、内面の
表面粗さＲａを種々変えた回転ドラムを使用し、原料粉
末ＰＷの分布範囲２_R −２_L に与える表面粗さＲａの影
響を調査した。

【００２８】調査結果を示す図５から明らかなように、
表面粗さＲａを５０〜３００μｍの範囲に維持すると
き、原料粉末ＰＷの分布範囲２_R −２_L が４００〜６０
０ｍｍとなり、有効スパッタリング領域Ｄに一致させる
ことができた。しかし、表面粗さＲａが５０μｍ未満に
なると、原料粉末がドラム内面を過度に滑り易くなり、
原料粉末ＰＷは回転ドラム２の最下点２_B を含む極狭い
範囲に分配された。この条件下では、有効スパッタリン
グ領域Ｄに対応する分布範囲２_R −２_L が得られなかっ
た。他方、ドラム内面が表面粗さＲａ３００μｍを超え
て粗くなったとき、粉末原料ＰＢの分布範囲２_R −２_L
が有効スパッタリング領域Ｄを大幅に超えるようになっ
た。また、回転ドラム２に共回りした原料粉末ＰＷがス
パッタリング装置Ａの上面に落下する現象がみられた。

【００２９】次いで、粉末原料ＰＢの分布範囲２_R −２
_L がスパッタリングに与える影響を調査した。回転ドラ
ム２としては、何れも内径が６００ｍｍ及び有効軸方向
長さ１４００ｍｍで、表面粗さをＲａ＝３０μｍ，Ｒａ
＝１５０μｍ及びＲａ＝５００μｍに調整した３種類の
ドラムを使用した。また、原料粉末ＰＷとしては、平均
粒径１０μｍのアルミナ粉末を５ｋｇ使用した。

【００３０】原料粉末ＰＷを装入した回転ドラム２を真
空チャンバー４（図２参照）内にセットし、２極マグネ
トロン方式によるスパッタリング（電力３０ｋＷ，直
流）を真空度１×１０^-2Ｐａの減圧雰囲気で１０時間継
続した。スパッタリング後、回転ドラム２から原料粉末
ＰＷを取り出し、個々の粉末粒子に施されたコーティン
グ層の厚み及びバラツキを調べた。

【００３１】調査結果を示す図６から明らかなように、
表面粗さをＲａ＝１５０μｍに調整した回転ドラムを使
用した本発明例では、平均０．２０μｍのコーティング
層が個々の粒子表面に形成されていた。また、コーティ
ング層の厚みは０．１５〜０．２５μｍの範囲に収めら
れ、実質的にバラツキのないコーティング層が得られて
いることが判る。これは、装入された原料粉末ＰＷの分
布範囲２_R −２_L を有効スパッタリング領域Ｒにほぼ等
しくしたことにより、個々の粉末粒子が等しくスパッタ
粒子の飛翔に晒されたことに原因があると推察される。

【００３２】これに対し、表面粗さＲａ＝３０μｍと平
滑な内面をもつ回転ドラムを使用した比較例では、平均
０．１６μｍのコーティング層が形成されているもの
の、約２０％の割合で原料粉末ＰＷがコーティングされ
ないままの状態であった。これは、前述したように回転
ドラム２の内側底部に原料粉末が幅狭で比較的厚い流動
層を形成し、スパッタ粒子が流動層の上層部にある粉末
粒子に優先的に被着した結果である。

【００３３】逆に、表面粗さＲａ＝５００μｍと粗い内
面をもつ回転ドラムを使用した比較例では、平均０．１
２μｍのコーティング層が形成されているものの、約３
０％の割合で原料粉末ＰＷがコーティングされないまま
の状態であった。これは、装入された原料粉末ＰＷの分
布範囲２_R −２_L が有効スパッタリング領域Ｒを大きく
超えて広がると共に、回転ドラム２に共回りしてスパッ
タリング装置Ａの上面に落下・堆積した粉末がコーティ
ングされた粉末粒子に混入して取り出されたことに原因
があるものと推察される。

【００３４】以上に説明したように、ドラム内面を表面
粗さＲａ：５０〜３００μｍに調整するとき、回転ドラ
ム２に装入される原料粉末ＰＷの分布範囲２_R −２_L を
有効スパッタリング領域Ｒにほぼ等しく設定し、スパッ
タリングを効率よく行うことが可能となる。また、この
条件下でスパッタリングした粉末粒子には、図６の対比
から明らかなように短時間で比較的厚いコーティング層
が形成されている。

【００３５】回転ドラム２に装入される原料粉末ＰＷの
分布範囲２_R −２_L は、回転ドラム２の内径や回転速
度，原料粉末ＰＷの粒径や形状等によっても当然変わ
る。しかし、これらの操業条件は、使用する原料粉末や
設備規模等に応じて定まる。そこで、表面粗さＲａ：５
０〜３００μｍに調整した回転ドラムを使用するとき、
標準操業における原料粉末ＰＷの分布範囲２_R −２_L 及
び有効スパッタリング領域Ｒを予め求めておき、分布範
囲２_R −２_L が有効スパッタリング領域Ｒに一致するよ
うに操業条件を定めることが好ましい。たとえば、使用
する原料粉末ＰＷの粒径や形状等に応じて回転ドラム２
の回転速度を制御することによって、分布範囲２_R −２
_L を有効スパッタリング領域Ｒに一致させることができ
る。

【００３６】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、スパッタリング反応が行われる回転ドラムの内面を
表面粗さＲａ５０〜３００μｍに調整することにより、
ターゲットプレートから飛翔するスパッタ粒子を効率よ
く個々の粉末粒子に被着させている。そのため、均一な
コーティング層が形成された粉末が得られると共に、コ
ーティング層の厚みにバラツキが少なく、しかもスパッ
タリング時間の短縮も図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明者等が先に提案した小規模の粉末コー
ティング装置

【図２】本発明者等が開発した大規模の粉末コーティ
ング装置

【図３】大規模粉末コーティング装置におぴて回転ド
ラム内にスパッタリング装置を配置した状態

【図４】同スパッタリング装置の断面図

【図５】回転ドラム内面の表面粗さが原料粉末の分布
範囲に与える影響を表したグラフ

【図６】粉末粒子表面に形成されたコーティング層の
厚み及びバラツキに回転ドラム内面の表面粗さが与える
影響を表したグラフ

【符号の説明】

２回転ドラムＡコーティング装置Ｒ有効
コーティング領域ＰＷ原料粉末Ｄ回転ドラムの回転方向２_R −２_L 回転ドラムに装入された原料粉末の分布範
囲

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−153864（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 B22F 1/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】コーティングされる原料粉末が装入され
る回転ドラムと、該回転ドラムの内部に軸方向に配置し
たスパッタリング装置とを備え、前記回転ドラムの底部
内周面に沿った有効コーティング領域に前記原料粉末が
分散されるように、前記回転ドラムの内周面を表面粗さ
Ｒａ５０〜３００μｍに調整していることを特徴とする
粉末コーティング装置。