JP3429024B2 - 冷却機構を備えた粉末コーティング装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、高品質のコーティング
粉末を製造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。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。 【０００３】提案した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。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１
ｅを経て回転ドラム２の内部に供給される。供給導管１
ｅ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。 【０００４】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１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。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、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。或
いは、適宜の外部循環経路を付設し、回転ドラム２内に
おけるスパッタリングに粉末粒子Ｐを繰返し曝すことに
よって、被覆層の厚みを大きくすることもできる。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】粉末粒子Ｐに対し均一
なコーティングを施すためには、流動状態にある粉末粒
子Ｐとターゲット３ｃとの間の距離を一定に保つことが
必要である。この点、外部に配置した駆動ロール２ａ及
び従動ロール２ｂによって回転ドラム２を回転させる方
式では、回転ドラム２に与える衝撃が大きくなる。ま
た、回転ドラム２の側壁に設けた軸受け２ｆ，３ａで供
給導管１ｅ，アーム３ｂを固定支持すると、回転ドラム
２に加わる衝撃が供給導管１ｅ，アーム３ｂに伝わり易
い。その結果、スパッタリング源３が振動の影響を受
け、スパッタリング条件が不安定になる。 【０００６】回転ドラム２に加わる衝撃は、比較的小型
の実験室規模の装置では特段の問題を生起しない。しか
し、生産能力を上げるため回転ドラム２を大径化，長尺
化するときのネックとなる。また、回転ドラム２の内部
が簡単に開放されない構造であるため、定期的な保守・
点検等の作業に手数がかかる。また、スパッタリング終
了直後の粉末は、スパッタリング中の加熱によって高温
状態になっている。そのため、コーティングされた粉末
を装置から取り出すとき、十分に冷却した後で全ての粉
末粒子を徐酸化して取り出す必要がある。しかし、徐酸
化時にコーティング粉末が十分冷却されないため、大型
化したコーティング装置では取出し条件が不安定にな
り、一定した品質のコーティング粉末が得られない。 【０００７】特に活性な金属をコーティングする場合、
取出し時に酸化発熱量が大きく、十分に冷却されていな
い状態で取り出されると発火する危険もある。しかし、
回転ドラム２の内部が真空に保持されており、自然放冷
でコーティング粉末が冷却されることから、コーティン
グ粉末の取出しが可能な状態になるまでに非常に長い時
間が必要である。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、徐酸化時に回転ドラムの内部
を不活性雰囲気に維持する機構を組み込むことにより、
冷却条件を安定化させ、一定品質のコーティング粉末を
高い歩留りで製造することを目的とする。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明の粉末コーティン
グ装置は、その目的を達成するため、両端が解放され、
両端側に外歯歯車が装着された円筒形状を有し、その内
部にスパッタリングされる原料粉末が装入される回転ド
ラムと、前記外歯歯車に噛み合う駆動歯車を固着した駆
動軸を水平に維持し、前記回転ドラムを支持する複数本
の回転水冷管を配設して前記回転ドラムを回転可能に収
容する固定式の真空チャンバーと、該真空チャンバーの
一側に気密接続可能に配置されたターゲット駆動ユニッ
トと、該ターゲット駆動ユニットにより片持ち支持され
て前記回転ドラム内に配置されたスパッタリング源と、
前記真空チャンバーの他側に気密接続可能に配置されて
前記駆動軸に回転動力を与えるドラム駆動ユニットと、
前記真空チャンバーに気密接続された冷却機構と、前記
真空チャンバーから前記冷却機構を経て前記真空チャン
バーに戻るガス循環経路とを備え、コーティングされた
粉末の取出しに先立って、前記ガス循環経路を通過する
とき前記冷却機構によって冷却された不活性ガスが前記
回転ドラムの内部に送り込まれることを特徴とする。 【０００９】 【実施例】以下、図面を参照しながら、実施例により本
発明を具体的に説明する。本実施例の粉末コーティング
装置は、図２に示すように、真空チャンバー１０の両側
にターゲット駆動ユニット２０及びドラム駆動ユニット
３０を気密接続している。ターゲット駆動ユニット２０
及びドラム駆動ユニット３０は、それぞれの軌道２１，
３１に沿って図２及び図３の二点鎖線で示した位置まで
後退することができる。ガイドレール２１，３１は、真
空チャンバー１０の軸方向と平行に敷設され、真空チャ
ンバー１０に対するターゲット駆動ユニット２０及びド
ラム駆動ユニット３０の位置関係を一定に保つ。ドラム
駆動ユニット３０のガイドレール３１は、真空チャンバ
ー１０の軸方向に対して直角な方向に移動する移動架台
３２に敷設されている。したがって、ドラム駆動ユニッ
ト３０は、真空チャンバー１０との気密接続が解除され
た後、Ｘ方向に後退し、更にＹ方向に移動する。 【００１０】真空チャンバー１０は、固定架台１１に取
り付けられている。固定架台１１の側方に、図３及び図
４に示すように真空チャンバー１０内を真空排気する真
空系４０が配置されている。真空系４０は、拡散ポンプ
４１，ロータリポンプ４２及びメカニカルブースタポン
プ４３を備え、それぞれの真空吸引管４１ａ及び４２ａ
を真空チャンバー１０内に開口させている。真空チャン
バー１０の上部には、図５に示すように、開閉蓋１２が
気密に装着される開口部が形成されている。開閉蓋１２
の裏面又は開閉蓋１２近傍の真空チャンバー１０の内面
に、内部を一定温度に維持するためのハロゲンヒータ１
３が取り付けられている。 【００１１】開閉蓋１２の上部に、冷却機構９０が設け
られている。冷却機構９０の熱交換器９１は、下部が真
空チャンバー１０内に開口した不活性ガス吸引管９２ａ
及び不活性ガス吐出管９２ｂを両端に接続している。不
活性ガス吸引管９２ａの上部には、ファン回転用モータ
９３が設置されている。ファン回転用モータ９３の回転
軸９４は、磁気シール等の気密回転継ぎ手９５を介して
不活性ガス吸引管９２ａの内部に突出し、吸引ファン９
６に接続されている。熱交換器９１は、図６に示すよう
に、水冷管９７の内部に複数の不活性ガス通気管９８を
配置している。冷却水は、給水管９９ａから水冷管９７
に導入され、排水管９９ｂを経て排出される。水冷管９
７内の冷却水は、不活性ガス通気管９８内を流れる不活
性ガスとの間で熱交換される。なお、冷却水に代え、他
の冷媒を使用することも可能である。 【００１２】真空チャンバー１０の両端は、図５に示す
ように開放されており、開放端部にそれぞれフランジ１
４_R 及び１４_L が設けられている。フランジ１４_R 及び
１４_L は、それぞれターゲット駆動ユニット２０及びド
ラム駆動ユニット３０の端面に設けたフランジ板２２及
び３３に気密接続される。ターゲット駆動ユニット２０
には、スパッタリング源５０を片持ち支持するため、ス
パッタリング源本体５１の一側からカップリング５２を
介して突出したアーム５３を回転可能に支持する軸受け
２３ａ〜２３ｃが設けられている（図５参照）。軸受け
２３ａは、フランジ板２２に固定され、フランジ板２２
の中央に形成された開口部からスパッタリング源本体５
１側に突出する。アルゴン，窒素等のガス供給導管（図
示せず）は、アーム５３の貫通孔を経由しスパッタリン
グ源本体５１に接続されている。 【００１３】スパッタリング源本体５１は、半円筒状の
ケーシング５１ａにハウジングを介してターゲットプレ
ート５１ｄを取り付けている。ケーシング５１ａの内部
は、図７に示すように二分割された空間となり、ターゲ
ットプレート５１ｄの周囲には冷却水ジャケット（図示
せず）が設けられている。ドラム駆動ユニット３０のフ
ランジ板３３には、スパッタリング本体５１のターゲッ
トプレート５１ｄ近傍を観察することができるように、
スパッタリングから保護するシャッターを内側に備えた
覗き窓３４が形成されている（図５参照）。また、覗き
窓３４より下方で、真空チャンバー１０内に配置された
回転ドラム６０に回転動力を与える動力伝達機構７０の
駆動軸７１を貫通させる孔部がフランジ板３３に形成さ
れている。なお、スパッタリング中に真空チャンバー１
０の雰囲気圧を一定に維持するため、真空吸引管４１ａ
の途中に可変バルブ４４を設けている（図４参照）。 【００１４】回転ドラム６０は、両端が解放された円筒
状のドラム本体６１を備えている。ドラム本体６１の左
右両端に、外歯歯車６２ａ及び６２ｂが装着されてい
る。外歯歯車６２ａ及び６２ｂに形成された円状開口部
に、スパッタリング源本体５１が挿通される。なお、ス
パッタリング源本体５１と外歯歯車６２ａ及び６２ｂの
内周面との間の隙間を経由してドラム本体６１の内部か
ら原料粉末が流出することを防止するため、スパッタリ
ング源本体５１と外歯歯車６２ａ及び６２ｂの内周面と
の間に適宜の流動規制部材を介在させることができる。
また、外歯歯車６２ａ，６２ｂの外側に、回転ドラム６
０に収容された粉末を撹拌するための撹拌用外歯歯車を
設けることも可能である。 【００１５】駆動軸７１には、モータ７２からの動力が
変速機７３を介して伝達される。駆動軸７１は、磁性シ
ール等の気密継ぎ手７４を介して真空チャンバー１０の
内部に突出し、カップリング７５を介してチャンバー内
駆動軸７６に接続される。チャンバー内駆動軸７６は、
ドラム駆動ユニット３０のアーム８４に固定されたブラ
ケット８３に取り付けられた軸受け７７ａ，７７ｂで回
転可能に支持されている（図７参照）。チャンバー内駆
動軸７６に装着された駆動歯車７８ａ，７８ｂは、回転
ドラム６０側の外歯歯車６２ａ及び６２ｂとそれぞれ噛
み合う。 【００１６】駆動軸７１及びチャンバー内駆動軸７６
は、モータ７２からの動力を外歯歯車６２ａ及び６２ｂ
に伝達し、ドラム本体６１を回転させるものである。ま
た、ドラム本体６１の内部に供給された原料粉末をスパ
ッタリング中に撹拌して均一な粉末被覆を行わせる粉末
撹拌機構，スパッタリング中にドラム本体６１の昇温を
抑制する水冷機構等を、駆動軸７１〜チャンバー内駆動
軸７６の動力伝達系と同様に設けることもできる。ここ
ではその詳細な説明を省略するが、図７に示した符番８
１が粉末撹拌機構の駆動歯車８１であり、外歯歯車６２
ａ，６２ｂと同様にドラム本体６１の左右両端に装着し
た外歯歯車（図示せず）を介して、ドラム本体６１の内
部に臨む撹拌羽根（図示せず）を間欠的或いは連続的に
駆動する。また、ドラム本体６１の温度上昇は、ドラム
本体６１の外周面に接触して回転する水冷管８２ａ，８
２ｂによる抜熱で抑えられる。水冷管８２ａ，８２ｂ
は、回転ドラム６０の外面に軸方向に接触し、回転中の
回転ドラム６０を支持する作用も呈する。駆動歯車８１
の軸及び水冷管８２ａ，８２ｂは、チャンバー内駆動軸
７６と共に、ドラム駆動ユニット３０のアーム８４に固
定されたブラケット８３に設けたそれぞれの軸受けによ
り回転可能に支持される。 【００１７】次いで、粉末コーティング装置の動作を説
明する。スパッタリングの開始に当り、ドラム駆動ユニ
ット３０は、移動架台３２によって図３に示した初期位
置３０₀ にある。また、ドラム駆動ユニット３０₀ の前
方に回転ドラム６０₀ を配置する。この初期位置にある
回転ドラム６０₀ の内面を清浄化した後、コーティング
される原料粉末を装入する。また、ターゲット駆動ユニ
ット２０も、ガイドレール２１に沿って真空チャンバー
１０から後退した初期位置２０₀ にある。この初期位置
で、スパッタリング源５０の調整やターゲットプレート
５１ｄの交換等が行われる。 【００１８】準備作業を完了した後、ドラム駆動ユニッ
ト３０₀ は、移動架台３２の走行によって回転ドラム６
０と共に、真空チャンバー１０の軸心に一致する位置３
０₁まで移動する。ドラム駆動ユニット３０₁ の位置設
定は、移動架台３２の位置を検出する適宜のセンサーで
行うことができる。駆動軸７６及び水冷管８２は、ドラ
ム駆動ユニット３０によって回転ドラム６０と共に回転
する。そのため、回転ドラム６０は、常に歯車と噛み合
い、水冷管８２ａ，８２ｂに接触する。これら各部材
は、真空チャンバー１０内に固定された支持レール８５
に沿ってドラム駆動ユニット３０を前進させることによ
って真空チャンバー１０にセットされる。 【００１９】ガイドレール２１に沿ってドラム駆動ユニ
ット３０₁ を前進させる。ドラム駆動ユニット３０が真
空チャンバー１０の端面に当接した後、フランジ１４_L
にフランジ板３３を気密接続する。他方、ターゲット駆
動ユニット２０も、ガイドレール２１に沿って前進さ
せ、フランジ１４_R にフランジ板２２を気密接続する。
これにより、真空チャンバー１０の内部空間が気密封止
され、回転ドラム６０が真空チャンバー１０内に回転可
能に配置される。次いで、排気系４０によって真空チャ
ンバー１０内を排気し、内部雰囲気が所定の真空度に達
したところで、回転ドラム６０を回転させながらプラズ
マガスを真空チャンバー１０内に送り込み、スパッタリ
ングを開始する。 【００２０】真空チャンバー１０内の雰囲気圧は、スパ
ッタリングされる原料粉末の種類やスパッタリング条件
等にもよるが、スパッタリング時に１×１０^-1Ｐａ〜１
×１０⁰ Ｐａ程度に維持される。プラズマガスの導入に
よって雰囲気圧が設定値を超えないように、排気系４０
（図４参照）により適宜排気する。回転ドラム６０は、
ドラム径１ｍ程度のものでは１〜１０ｒ．ｐ．ｍ．の速
度で回転される。この回転によって、装入された原料粉
末が回転ドラム６０の内部で流動し、個々の粉末粒子に
対し均質なコーティングが施される。 【００２１】スパッタリング終了後、高温状態の粉末を
冷却するため窒素，アルゴン等の不活性ガスを真空チャ
ンバー１０に送り込む。不活性ガスの導入により真空チ
ャンバー１０内の雰囲気圧を大気圧近傍まで上昇させた
後、吸引ファン９６を駆動させて真空チャンバー１０か
ら吸引管９２ａを経て熱交換器９１に不活性ガスを吸引
する。不活性ガスは、熱交換器９１内で冷却水との熱交
換によって冷却された後、吐出管９２ｂを経て真空チャ
ンバー１０に循環される。不活性ガスが循環経路の途中
で冷却されるため、真空チャンバー１０内に低温の不活
性ガスが充満される。そのため、回転ドラム６０及びコ
ーティングされた粉末が効率よく冷却される。 【００２２】冷却が十分に進行した段階で、ロータリポ
ンプ４２を駆動させ不活性ガスを排気する。次いで、回
転ドラム６０を回転させながら空気を徐々に真空チャン
バー１０に送り込み、コーティングされた粉末粒子を徐
酸化させる。特に活性な金属をコーティングした粉末に
あっては、酸化による発熱を伴うので、冷却機構９０を
作動させながら粉末を抜熱し、徐酸化を進行させる。冷
却機構９０の作用を調べるため、冷却機構９０の使用如
何に応じた冷却・徐酸化の所要時間を調査した。なお、
ターゲットプレート材としてＴｉを使用し、原料粉末と
して雲母粉末５ｋｇを装置内に装入し、出力３０ｋｗで
２０時間のスパッタリングを行った。スパッタリング終
了直後の粉末温度は、約２８０℃であった。窒素をパー
ジした後、４０℃まで冷却し、徐酸化した。徐酸化時に
は発熱が伴われるので、発火防止のため粉末温度が７０
℃を超えないように、空気のリーク量を制御しながら徐
酸化した。 【００２３】冷却機構９０を稼動させたとき、図８に示
すように所定温度４０℃まで冷却するのに要した時間が
２時間、徐酸化に要した時間が２時間で、合計４時間を
経過した後でコーティングされた粉末を取り出すことが
可能になった。他方、冷却機構９０を停止させた状態で
コーティング粉末を冷却した場合、粉末取出しまでに６
時間が必要であった。この対比から明らかなように、ス
パッタリング終了後に冷却機構９０を作動させることに
より、コーティングされた粉末の冷却期間が短縮され、
しかも安定した徐酸化を短時間で行うことが可能にな
る。 【００２４】徐酸化終了後、真空チャンバー１０内を大
気に開放し、フランジ１４_L ，１４_R とフランジ板２
２，２３との気密接続を解く。そして、ドラム駆動ユニ
ット３０を中間位置３０₁ を経て初期位置３０₀ に移動
させる。このとき、回転ドラム６０は、初期位置６０₀
に移動される。この状態にある回転ドラム６０₀ の内部
からコーティングされた粉末を取り出し、次のスパッタ
リング作業の準備にとりかかる。ターゲット駆動ユニッ
ト２０も、同様に初期位置２０₀ まで後退させ、スパッ
タリング源５０等の点検，交換作業等を行う。このよう
に、真空チャンバー１０に対してターゲット駆動ユニッ
ト２０及びドラム駆動ユニット３０を近接，離間可能に
配置しているため、真空チャンバー１０内の開放及び気
密封止が容易に行われる。真空チャンバー１０が開放さ
れた状態では、真空チャンバー１０，ターゲット駆動ユ
ニット２０，ドラム駆動ユニット３０，スパッタリング
源５０の保守・点検が容易になる。 【００２５】また、固定式の真空チャンバー１０内に配
置した回転ドラム６０を回転させる方式を採用している
ため、回転ドラム６０を大型化しても回転に要する動力
を極端に大きくすることなく、回転ドラム６０内に装入
した原料粉末の流動化に動力を効率よく使用することが
できる。しかも、固定式の真空チャンバー１０内に配置
した駆動歯車７８ａ，７８ｂ及び水冷管８２ａ，８２ｂ
で支持された状態で回転ドラム６０に動力が伝達される
ため、回転ドラム６０に与える衝撃は小さい。しかも、
スパッタリング源５０を片持ち支持するターゲット駆動
ユニット２０が固定式の真空チャンバー１０に接続され
ているため、回転ドラム６０に僅かな振動があったとし
ても、スパッタリングに悪影響を及ぼすことはない。な
お、以上の例においては、初期位置６０₀に移動させた
回転ドラム６０に原料粉末を装入し、またコーティング
された粉末を取り出している。しかし、本発明はこれに
拘束されることなく、図５に示すようにターゲット駆動
ユニット２０及びドラム駆動ユニット３０を真空チャン
バー１０にセッティングした状態で、回転ドラム６０内
に原料粉末を装入することもできる。この場合、たとえ
ば中空状のアーム５３に原料粉末供給導管を挿通し、原
料粉末供給導管の先端部を回転ドラム６０内に臨ませ
る。 【００２６】 【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、真空チャンバー内に配置された回転ドラム内で原料
粉末をスパッタリングし、個々の粉末粒子表面にコーテ
ィングを施す際、冷却機構を備えた外部循環経路に沿っ
て真空チャンバー内の不活性雰囲ガスを循環させること
により、コーティングされた粉末の冷却及び徐酸化を迅
速化させている。また、徐酸化が安定した条件下で行わ
れるため、発火等の危険もなく、一定した品質のコーテ
ィング粉末が得られる。

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明者等が先に提案した粉末コーティング
装置 【図２】 本発明実施例における粉末コーティング装置
の正面図 【図３】 同粉末コーティング装置の平面図 【図４】 同粉末コーティング装置の側面図 【図５】 ターゲット駆動ユニット及びドラム駆動ユニ
ットを真空チャンバーにセッティングした状態 【図６】 真空チャンバーに取り付けられる熱交換器の
断面 【図７】 スパッタリング源をドラム軸方向にみた状態 【図８】 冷却所要時間に及ぼす冷却機構の影響 【符号の説明】 １０：真空チャンバー ２０：ターゲット駆動ユニッ
ト ３０：ドラム駆動ユニット ５０：スパッタリ
ング源 ６０：回転ドラム ９０：冷却機構 ９１：熱交換器 ９２ａ：不活性ガス吸引管 ９２
ｂ：不活性ガス吐出管 ９７：水冷管 ９８：不活
性ガス通気管 ９９ａ：給水管 ９９ｂ：配水管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−153068（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−153864（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−173955（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/34

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 両端が解放され、両端側に外歯歯車が装
   着された円筒形状を有し、その内部にスパッタリングさ
   れる原料粉末が装入される回転ドラムと、前記外歯歯車
   に噛み合う駆動歯車を固着した駆動軸を水平に維持し、
   前記回転ドラムを支持する複数本の回転水冷管を配設し
   て前記回転ドラムを回転可能に収容する固定式の真空チ
   ャンバーと、該真空チャンバーの一側に気密接続可能に
   配置されたターゲット駆動ユニットと、該ターゲット駆
   動ユニットにより片持ち支持されて前記回転ドラム内に
   配置されたスパッタリング源と、前記真空チャンバーの
   他側に気密接続可能に配置されて前記駆動軸に回転動力
   を与えるドラム駆動ユニットと、前記真空チャンバーに
   気密接続された冷却機構と、前記真空チャンバーから前
   記冷却機構を経て前記真空チャンバーに戻るガス循環経
   路とを備え、コーティングされた粉末の取出しに先立っ
   て、前記ガス循環経路を通過するとき前記冷却機構によ
   って冷却された不活性ガスが前記回転ドラムの内部に送
   り込まれることを特徴とする粉末コーティング装置。