JP4139441B2 - 移動基材上にカーボンリッチ被膜を付着させるための方法および装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、移動する基材上にカーボンリッチ被膜を付着させるための方法および装置に、厳密には、そのイオンが基材に向かって加速し、カーボンリッチ被膜としてその上に付着させるプラズマを生成する方法およびその装置に関する。特に、本発明は、電極を含む排気されたチャンバ内にカーボン含有ガスからプラズマを生成する電極に給電する方法およびその装置に関する。この電極は、プラズマに対して負のバイアスがかけられており、プラズマ内の正イオンを電極に向かって加速させる、ここでこれらのイオンは電極と接触している移動基材に衝撃を与え、それによって基材上にカーボンリッチ被膜を付着させる。
背景技術
カーボン被膜（「フィルム」とも呼ばれる）は、硬質、化学的に不活性、耐食性、および水蒸気および酸素に対して不透質であることは良く知られている。カーボンフィルムは、しばしば様々な有機、重合体、金属、および半導体基材上の機械的および化学的保護被膜として使用される。
カーボンフィルムは、例えば、グラファイト、ダイアモンド、ダイアモンド状カーボン（DLC）、ダイアモンド状炭化水素、アモルファスカーボンなどの異なる物理的および化学的特性を有する様々な形式で付着できる。カーボンフィルム被膜は、典型的に２種類の炭素−炭素結合：三方晶系グラファイト結合（sp²）および正四面体ダイアモンド結合（sp³）を含む。この用語「ダイアモンド状カーボン」は、正四面体結合が優勢である非晶質材料に適用される。DLC被膜またはフィルムは、超硬度、非常に低い導電性、低摩擦係数、および広範囲の波長にわたって光透過性であるなど、ダイアモンドの多くの望ましい特性を有する。
固体カーボンおよび炭化水素の両方のソースを使用するカーボンフィルムを付着させるための幾つかの技術が開発されている。固体カーボンソースを使用するこれらの技術には、スパッタリング、レーザ蒸発、パルス化放電レールガン、および陰極アーク蒸着がある。炭化水素ソースを使用する付着法は、イオンビーム、マイクロ波プラズマ、RFプラズマ、および直流（DC）プラズマ放電を含む。プラズマ化学蒸着法（PCVD）としても知られる後者の方法では、プラズマは、ガス状炭化水素ソースから（マイクロ波、RF、DCなどによって）発生され、そのイオンは、基板と密着したバイアスをかけた電極に向けて当てられ、そのときカーボンフィルムがその基板上に積層される。一般に、より高いエネルギー衝撃種が提供されると、より多くのsp³特性を有する被膜となるので、よりダイアモンド状となる。
カーボンフィルムを付着させるための多数のユニットまたはバッチ操作が説明される。接地した電極と、基材をその上に配置できる印加された電極とから構成される平行平板型プラズマ反応装置は、例えば、Plasma-Therm, Inc.社（FL、セントピーターズバーグ）などの様々な供給元から入手できる。基板の特性により、その印加された電極は加熱または冷却されることもある。典型的に、基材を含む反応装置は、比較的低圧力、例えば、ほぼ０．１３Paにまで排気され、その後に炭化水素ガスが反応装置内に導入される。RFジェネレータは、炭化水素ガスのプラズマを発生させるのに十分な電力を印加された電極に給電する。印加された電極上の負のバイアス電圧は、効率的で高速なコーティングを行うための電極に向かってプラズマから正イオンを引きつける。但し、バッチ蒸着装置は、一般に工業的生産活動に求められるような、多数ユニットの大規模生産または高速処理には適していない。
連続的（すなわち、非中断多数ユニット）カーボンリッチフィルムコーティング法も記述されている。例えば、米国特許第5,496,595号、第5,360,483号、第5,203,924号、および第5,182,132号（松下電器産業(株)；日本、大阪、に譲渡された）は、磁気記録テープの片面または両面にコーティングするDCプラズマ法を説明する。炭化水素ガスから発生されたプラズマは、プラズマ発生管によって連続的に移動するベルトまたはウエブ上に衝突させられる。これらの付着法および装置はここで定義された目標および目的に合致するように考えられるが、プラズマを形成できるように回動可能な電極へのRF電力の印加は、記述または示唆されない。その基材も、プラズマ発生装置と密着しているようには記載されない。
連続リールツーリールジェットプラズマカーボンリッチフィルム付着法は、米国特許第5,464,667号、第5,286,534号、および第5,232,791号（MN、セントポールの3M社に譲渡された）に記載されている。中空陰極DCプラズマ装置は、炭化水素ガスからプラズマを発生し、そのプラズマのイオンがRFバイアスをかけたドラムを横切って移動するウエブに向かって発射される。これらの付着方法および装置はここで定義された目標や目的に合致するように考えられるが、RFプラズマの発生については記載または示唆されていない。
RF発生された炭化水素プラズマからの連続移動ウエブ上へのカーボンフィルムの付着は、日本特許出願（公開）第62-83471号に記載される。フィルムベースは、接地された（すなわち、印加されていない）電極の周りに巻かれ、高周波電圧がプラズマを発生させるために回転電極から一定の距離を空けて配置されたカウンター電極に印加される。
上述の方法は、若干の問題を解消するが、工業界での経済的且つ連続的なカーボンフィルムの付着を妨げるような深刻な欠陥には対応しない。これらの問題の幾つかには以下のものがある：
１）バッチ処理では、電極の電気的特性（RFの目標電極、DCの発生電極）は、時間の経過と共に一定しない。目標基材上への付着が進むと、カーボン被膜が徐々に積層し、基材/電極静電容量を増す、故に電極の放電特性を変える。これは、時間の経過と共に矛盾するコーティング法となる。
２）バッチ法では、被膜の厚さがある臨界最小値を超えると被膜のフレーキングまたは離層が起こる。フレークは、それらが表面汚れの構成要素となり、基材上の他の部分に飛ばされ得るので、有害である。
３）連続DC中空陰極法では、炭化水素プラズマを速やかに発射する陰極管は、カーボンリッチ材料の積層と共に汚れてしまうので、陰極効率が低下する。時間の経過と共に、陰極管を使用してコーティングされた基材は、陰極管からの出力変動のために、ウエブ下流方向での均質性が低下することとなる。
４）陰極管は、真空チャンバ内の全表面にDLC被膜を無差別に付着させる。これは非効率であるだけでなく、真空チャンバの定期的清掃および手入れを余儀なくされる。
５）それらの設計の故に、陰極管は、一般に約３０cmよりも大きな幅を有する目標に、許容できる横幅均一性を有する被膜でコーティングすることができない。より幅の広い基材を含む工業的工程では、コーティング作業毎に多数の陰極を使用することによって対応されなければならないであろう。
６）陰極管は、プラズマ発生で使用される入力電力には自然的限界がある。若干の最小電流を超えると、カーボン電極のアーク放電が起こる。これは運転中の不安定要因となる。故に、より高い産出量および処理量は、単に陰極への電力を増すことによるだけでは達成できない。
７）陰極管は、陰極管の出口オリフィスのものとほぼ同じ物理的形状であるプラズマプルームを発生する。クロスウエブ被膜量が３つに折り重なった変化が、そのような中空管陰極から観察された（例えば、前述の米国特許第5,464,667号を参照）。
８）上記番号の３）〜７）に記載されたものと同じ限界が、例えば、前述の米国特許第5,496,595号に記載のものなどの多重放電管や、米国特許第4,645,977号に記載のものなどの誘電結合された放電管など、他の種類の放電管、でも存在する。
移動基材上へのカーボンリッチ被膜の付着は、前述の方法や装置に合致しない多数の課題を提示する。効率的で、スケール可能な連続的（例えば、リールツーリール）方法が大いに望ましい。
発明の開示
本発明は、要するに、移動基材と少なくとも部分的に接触する電極を含むカーボンリッチフィルムの付着を助ける環境内で、その環境からイオン含有プラズマを生成できるように電極に電力を印加するステップを含む、カーボンリッチフィルムで移動基材をコーティングするための方法を提供する。この電極は、プラズマに対して負のバイアスがかけられており、それによってイオンを電極に向かって加速する。これらのイオンは、電極と接触している移動基材に衝突して、基材上へのカーボンリッチフィルムの付着となる。
他の態様では、本発明は、（１）基材を真空チャンバ内に収納された電極と接触させ、（２）電極と接触した基材上にカーボンリッチフィルムを生成できるように電極に電力を印加するステップを含む、移動基材上にカーボンリッチフィルムを付着させるための方法を提供する。カーボンリッチフィルムの付着は、実質的に移動基材に限定される（すなわち、カーボンリッチフィルムは真空チャンバ上の様々な部分に無差別にコーティングされない）。
さらなる態様では、本発明は、（１）電極の少なくとも一部分が基材に接触できるように構成され、カーボンリッチフィルムの付着を助ける環境内に収納された回動可能な電極と、（２）回動可能な電極に電気的に接続され、電極に印加することができる電源とを含む、移動基材上にカーボンリッチフィルムをコーティングするための装置を提供する。印加された電極は、その環境からイオン含有プラズマを生成する。これらのイオンは、電極に向かって加速されて基材上にカーボンリッチフィルムを付着させる。電極に向けてのイオンの加速は、印加された電極が、プラズマに対して負のバイアスがかけられているので、起こり、それはプラズマの生成直後に起こる。
全般的に、この新規の方法および装置は、１つの電極のみを使用して移動基材上へのカーボンリッチ被膜、均質DLC被膜、フレーキングが最小限に抑えられるまたは解消されるカーボンリッチコーティング法、陰極管を必要としないコーティング法、排気されたチャンバ全体を無差別にコーティングするのではなく基材を差別的にコーティングする方法、効率の改善および廃棄物の低減、チャンバを清掃する必要性の低減または解消、連続的（すなわち、非中断多数ユニット）カーボンリッチ被膜、炭化水素ガスからのプラズマ発生を含む連続的カーボンリッチコーティング法、負バイアスによるイオン加速を含む連続的カーボンリッチコーティング法、大規模運転または多数ユニットの高速処理に適した蒸着、連続的リールツーリールカーボンリッチコーティング法、電極の電気的特性が時間を経ても不変のまま（基材または電極上にカーボンの積層がない）である基材上への連続的に適用されるカーボンリッチ被膜、かなりの幅の基材上へのカーボンリッチコーティング法、およびコーティング量または厚さに実質的なクロスウエブ変動のないカーボンリッチ被膜を提供できる。
他に明確に言及されない限り、下記の定義がこれ以降では適用される：
「プラズマ」は、電子、イオン、中性分子、および遊離基を含有する物質の部分的にイオン化したガス状または液状状態を意味する；
「負バイアス」は、目標物（例えば、電極）がその近接に位置する他の物質（例えば、プラズマ）に対して負の電位を有することを意味する；
電極およびプラズマに対する「負のセルフバイアス」は、プラズマを造る電極への電力（例えば、高周波）の適用によって生じた負バイアスを意味する；
基材および電極に対する「接触」または「接触すること」は、電極のプラズマ暗空間限界に触れるまたはその範囲内にあることを意味する（例えば、約３mm）；「基材」は、非多孔質シート、多孔質シート、織地、繊維、またはそれらの組合せを意味する。
【図面の簡単な説明】
本発明の態様が次の説明で詳述され、且つ図で示される。図面を通じて同一部品には同一の参照符号を付すものとする。
第１図は、本発明に係るコーティング装置の１つの態様の第１の部分斜視図である。
第２図は、異なる視点から見た第１図の装置の第２の部分斜視図である。
第３図は、本発明に係るコーティング装置の他の態様の、そのガスチャンバから取り外した部分斜視図である。
第４図は、異なる視点から見た第３図の態様の第２斜視図である。
第５図は、本発明に係るコーティング装置の他の態様の部分斜視図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明は、フィルム付着となるイオン加速と結合されたプラズマ生成によって基材上に、そのあるものはダイアモンド状特性を有することもあるカーボンリッチ被覆を付着させるための方法および装置を提供する。一般に、カーボンリッチプラズマは、回動可能な電極要素に給電して、カーボン含有環境に高周波電界を適用することによってその環境内に生成される。カーボンリッチプラズマ内のイオンは、電極がそのプラズマに対して負にバイアスされているのでその電極に向かって加速する。この加速は、回転する電極と接触している基材にこれらのイオンを打ち付けるすなわちイオン衝撃を与える。イオン衝撃は、実質的に基材上にのみ付着されたカーボンリッチ被膜となる。これらの被膜は、通常は比較的薄く；特定的には、約１０μｍまで、好ましくは約５μｍまで、より好ましくは約１μｍまで、最も好ましくは約０．５μｍまでである。
本発明の方法は、プラズマ生成およびイオン加速が異なる要素に印加された電力によって引き起こされ、カーボンリッチ被膜の形成が実質上基材のみにではなく基材および装置の両方で起きる従来のカーボンコーティング方法および装置とは異なる。
第１図および第２図を参照して、プラズマ生成とイオン加速とのための共通要素を備えた本発明のカーボンフィルム付着装置の一実施例は、一般に１０で示される。この付着装置１０は、支持構造体１２、その内部で１つ以上の部屋に分割された内部チャンバ２４を画定する１つ以上のドア１８の前面パネル１６と、側壁２０と、後部板２２とを含むハウジング１４、チャンバ内で回動できるように取り付けられたドラム２６、チャンバ内で回動できるように取り付けられ、２８で略指示された複数のリール機構、ドラム２６を回動的に駆動するドライブ機構３７，チャンバ内で回動できるように取り付けられたアイドラーローラ３２、およびチャンバに流体導通された真空ポンプ３４を含む。
支持構造体１２は、ここでは垂直方向に直立した形式を取っているが、所望の構造でハウジング１４を支持するための当業界では周知の任意の手段であっても良い。第１図および第２図に示されるように、ハウジング１４は、詳細に以下で説明されるように２部構成のハウジングであることもある。この実施例では、支持構造体１２は、装置１０を支持するための２部構成ハウジングの各側に取り付けられたクロス支持体４０を含む。特に、クロス支持体４０は、装置１０の移動と支持とのそれぞれ行うための滑車４２と調整可能な脚部４４との両方を含む。第１図および第２図に示された実施例では、クロス支持体４０は、取り付け支持体４６を介してハウジング１４の各側に取り付けられる。特に、クロス支持体４０は、取り付け支持体４６を介して、側壁２０、すなわち側壁底部の一方に接続されるが、ハウジング１４の反対側のクロス支持体４０は、取り付け支持体４６によって後部板２２に接続される。追加的クロスバー４７は、第１図に示されるように右側の装置１０では、クロス支持体４０の間に設けられる。これは、追加的な構造的補強となる。
ハウジング１４は、排気、排気後に導入されたガスの閉じ込め、ガスからのプラズマ生成、イオン加速、およびフィルム付着が可能となる制御された環境を提供する任意の手段であることもある。第１図および第２図に示された実施例では、ハウジング１４は、前部パネル１６、４つの側壁２０、および後部板２２を含む外部壁を有する。これらの外部壁は、チャンバ２４として示される中空内部を有するボックスを画定する。側壁２０と後部板２２とは、当業界で周知の任意の方法で、共に締め付けられて、チャンバ２４の排気、プラズマ生成の液体の閉じ込め、プラズマ生成、イオン加速、およびフィルム付着を可能にするのに十分な方法で側壁２０と後部板２２とを互いにしっかり固定する。前面パネル１６は、基材物質の出し入れや保守を行うためにチャンバ２４へのアクセスができるようにしっかり固定されていない。前面パネル１６はヒンジ５０（または同等の接続手段）を介して側壁２０の一方に接続された２つの板に分割されて１対のドア１８を画定する。これらのドアは、側壁２０の縁を、好ましくは真空シール（例えば、O-リング）の使用を通じて、密封する。係止機構５２は、側壁２０にドアを選択的に閉め、チャンバ２４の排気、プラズマ生成用の液体の保管、プラズマ生成、イオン加速、およびフィルム付着ができるような方法でドア１８を壁２０にしっかり固定することができる任意の機構であっても良い。
ある実施例では、チャンバ２４は、分割壁５４によって２つの部屋５６，５８に分割される。壁５４内の通路または穴６０は、両方の部屋間での流体または基材の通路となる。代わりに、このチャンバは、１つの部屋のみ、または３つ以上の部屋であることもある。
ハウジング１４は、その中で起こっているフィルム付着工程を観察できるようにするために覗きポート６２を密封して覆う高圧透明板６４を備えた複数の覗きポート６２を含む。ハウジング１４は、様々なセンサー（例えば、温度、圧力など）がそれに固定できる複数のセンサーポート６６をも含む。ハウジング１４は、フィルムの付着を助ける環境を供給することが必要な場合に流体がチャンバ２４内にそれを通じて導入できる導管接続を準備する入口ポート６８をさらに含む。ハウジング１４は、ガスおよび液体がポンプ供給されるまたはチャンバ２４から排気されるようにできるポンプポート７０，７２をも含む。
ポンプ３４は、側壁２０、好ましくはその底部の一方から垂下されて示される（第２図に示されるように）。ポンプ３４は、例えば、ハウジング１４内の制御された環境に流体接続されたターボ分子ポンプであることもある。拡散ポンプまたはクライオポンプなどの他のポンプが、下部チャンバ５８を排気し、内部の動作圧力を維持するために使用できる。摺動弁７３は、この流体接続に沿って配置され、ポンプ３４とハウジング１４の内部との間の流体導通を選択的に分断または遮断することができる。摺動弁７３は、ポンプ３４との流体導通に対してポンプポート６２を完全に開口、部分的に開口、または閉じることができるようにポンプポート６２の上で移動可能である。
ドラム２６は、好ましくは、環状表面８２と、２つの平坦端部表面８４とを備えた円筒状電極８０である。電極は、任意の導電性材料から製造でき、好ましくは、例えば、アルミニウム、銅、スチール、ステンレススチール、銀、クロム、またはこれらの任意のいずれか１つまたはそれ以上の合金などの金属である。好ましくは、その電極は、その製造加工性、低スパッタ率、および低コストの故に、アルミニウムである。
ドラム２６は、電界の浸透を防ぐ、故に電極の非絶縁または導電性部分へのフィルムの付着を制限するための非導電性絶縁領域だけでなく電界を外側に浸透させる非コーティング導電性領域をさらに含むように構成される。この非導電性材料は、典型的に重合体（例えば、ポリテトラフルオロエチレン）などの絶縁体である。導電性面積として、小さなチャネルしか、典型的にはコーティングされるべき基材の幅しか提供できないようにこの電気的に非伝導性目的を満たす様々な実施例が当業者により想像され得る。
第１図は、コーティングされないままであり、故に導電性である環状表面８２の環状チャネル９０を除く、ドラム２６の環状表面８２と端部表面８４とが、電気的に非伝導性または絶縁材料でコーティングされるドラム２６の実施例を示す。さらに、１対の暗空間シールド８６，８８は、環状表面８２上の絶縁材料を覆い、幾つかの実施例では、端部表面８４を覆う。この絶縁材料は、それに沿ってプラズマ生成および負バイアスが起こり得るその電極の表面積を制限する。但し、絶縁材料は、イオン衝撃によってしばしば汚されるので、暗空間シールド８６，８８がその絶縁材料の一部分または全体を覆うこともできる。これらの暗空間シールド８６，８８は、アルミニウムなどの金属から製造されても良いが、それらが絶縁材料によって電極から分離される（図示せず）ので導電性作用因として働かない。これは電極面積へのプラズマの閉じ込めを可能にする。
ドラム２６の他の実施例が第３図および４図に示されており、ここではドラム２６が、ドラム２６の環状表面８２に取り付けられた１対の絶縁リング８５，８７を含む。幾つかの実施例では、絶縁リング８７は、端部表面８４をも覆うように働くキャップである。ボルト９２は、後部板２２に、平板または帯金として形成された支持手段９４を固定する。ボルト９２および支持手段９４は、ドラム２６の様々な部品を支持するのを支援できる。１対の絶縁リング８５，８７は、一旦、環状表面８２に固定されると、チャネル９０として形成された露出した電極部分を画定する。
いずれの場合も、電極８０は、基材が電極に接触するところを除く全ての部分を絶縁材料によって何らかの方法で覆われる。これは、基材と密着し得る露出した電極部分を画定する。その電極の残りの部分は、絶縁材料によって覆われる。電極に給電され、その電極がその結果発生したプラズマに対して負のバイアスがかけられた状態となると、この比較的厚みのある絶縁材料は、それが覆う表面上へのカーボンフィルムの付着を妨げる。その結果、付着は、非コーティング部分（すなわち、絶縁材料で覆われない、チャネル９０）に限定され、それは好ましくは比較的薄い基材材料で覆われる。
第１図および第２図を参照して、ドラム２６は、後部板２２内の穴に取り付けられた強磁性流体貫通回転継手３８（または同等機構）を介して後部板２２に回動的に取り付けられる。この強磁性流体貫通回転継手３８は、ドラム回転中に真空密封を維持しつつも、標準冷却剤導管と導電線とから回動可能なドラム２６の中空冷却剤通路と導電性電極とのそれぞれに個別に流体的および電気的接続を提供する。この強磁性流体貫通回転継手は、フィルム付着中にドラムを回転させるのに必要な力をも供給し、この力は、ブラシレスDCサーボモータなどの任意の駆動手段から供給される。但し、後部板２２および導管と導電線へのドラム２６の接続は、そのような接続を提供できる任意の手段で実行されても良く、強磁性流体貫通回転継手に限定されない。そのような強磁性流体貫通回転継手の１つの例は、Ferrofluidics Co.社（NH、ナシュア）製の内径が２インチ（約５cm）の貫通中空軸である。
ドラム２６は駆動アッセンブリ３７によって回動的に駆動され、これは回転運動をドラム２６に伝えることができる任意の機械的および/または電気的システムであっても良い。第２図に示された実施例では、駆動アッセンブリ３７は、ドラム２６にしっかり接続された駆動プーリ３９に機械的に接続される駆動プーリ３１まで達する駆動軸を備えたモータ３３を含む。ベルト３５（または同等の構造体）は、駆動プーリ３１からの回転運動を駆動プーリ３９に伝える。
複数のリール機構２８は、後部板２２に回動的に取り付けられる。複数のリール機構２８は、１対の基材スプール２８Ａ，２８Ｂを備えた基材リール機構を含み、幾つかの実施例では、１対のスペーサウエブスプール２８Ｃ，２９Ｄを備えたスペーサウエブリール機構と、１対のマスキングウエブスプール２８Ｅ，２８Ｆを備えたマスキングウエブリール機構とを含めることもあり、ここでは各対が１つの巻き出しスプールと１つの巻き取りスプールとを含む。第２図からも明らかなように、少なくともそれぞれの巻き取りリール２８Ｂ，２８Ｄ、および２８Ｆは、付着中に必要に応じて選択的にリールを回転させる回転力を供給するための以下に記載されるような標準モータなどの、それらに機械的に接続された駆動機構２７を含む。さらに、選択した実施例の各巻き出しリール２８Ａ，２８Ｃ，および２８Ｅは、ウエブおよび/または駆動機構２９に緊張を与えるための張力調整装置を含む。
各リール機構は、互いに同じまたは異なる部屋に在っても良い巻き出しおよび巻き取りスプールを含み、これらは順に電極がその中に在るのと同じ部屋であってもなくても良い。各スプールは、軸ロッド、および延長部材、この場合では基材またはウエブがその中で巻き付けられるまたは巻かれる溝を画定する各端部から半径方向に延在するリムとを備えた標準構造のものである。各スプールは、後部板２２を密封貫通して延在する回動可能なステムにしっかり固定される。駆動されるスプールの場合では、このステムは、モータ２７（例えば、ブラシレスDCサーボモータ）に機械的に接続される。非駆動スプールの場合では、スプールは、カップリング２９を介して回動できる状態で後部板２２に単に結合され、弛みを防止するために張力機構を含めても良い。
好適な基材は可撓性ウエブである。通常例は、重合性（例えば、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリウレタン、またはポリオレフィン）ウエブ、および１つ以上の電気回路を画定するために使用できるような、金属化被膜を含む少なくとも１つの表面を有するウエブを含む。（例えば、そのような膜組織の記載については米国特許第5,227,008号を参照）。後者方式のウエブのスプールが使用される場合、本発明の方法および装置は、ウエブの全長の片側表面にカーボンリッチ被膜（例えば、DLC被膜）を適用できる。故に、電気回路など、その上にコーティングされたウエブまたは任意の材料は、カーボンリッチ材料の均一な被膜によって保護される。
他の実施例では、長期運転条件下での基材上の発熱が、ファラディケージの使用、および導電性アイドラーローラによって最小限に抑えられる。これらのファラディケージおよび導電性アイドラーローラの接地は第５図に示される。ファラディケージは、アルミニウムハブ１１０にそれぞれ取り付けられた前部および後部の銅製裏板２８Ａ，２８Ｂから構成される。基材スプール２８ａまたは２８ｂのいずれもアルミニウムハブ１１０の上で摺動され、前部銅製板１０３ａはスプリングの力を利用した取り付けハンドル１００によって所定位置にしっかり固定される。迷走電流は、導電性アイドラーローラ１０８に基材を接触させることによって基材から、分路バー１０７、回転ブッシュ１０６、配電器１０５を経て、ファラディケージの後部板１０３ｂに分路される。このファラディケージは、前後銅製板１０１ａ，１０１ｂ，およびアルミニウムハブ１１１によって形成された接地包囲体内に実質的に閉じ込められている。この接地したアルミニウムハブ１１１は、装置の後部板２２を貫通する駆動軸１０９に取り付けられる。プラスチックブッシュ１０４、プラスチック板１０２ａ，１０２ｂ，およびプラスチックハブ１１２は、接地包囲体（銅製板１０１ａ，１０１ｂと、アルミニウムハブ１１１とから形成された）からファラディケージ（銅製板１０２ａ，１０２ｂと、アルミニウムハブ１１０とから形成された）を電気的に絶縁できるようにする。
フィルム付着装置１０は、チャンバ内に回動的に取り付けられたアイドラーローラ３２、およびチャンバに流体接続されたポンプ３４をも含む。これらのアイドラーローラは、基材を付着基材スプール２８Ａからドラム２６上のチャネル９０へと、チャネル９０から巻き取り基材スプール２８Ｂへとガイドする。さらに、スペーサウエブおよびマスキングウエブが使用されるところでは、アイドラーローラ３２は、これらのウエブおよび基材を付着基材スプール２８Ａおよび付着マスキングウエブスプール２８Ｅからチャネル９０へ、さらにチャネル９０から巻き取り基材スプール２８Ｂおよび巻き取りマスキングウエブスプール２８Ｆへとそれぞれガイドする。
フィルム付着装置１０は、強磁性流体貫通回転継手３８を介して電極８０に温度制御流体を供給するための温度制御システムをさらに含む。この温度制御システムは、装置１０に提供されても良い、または代わりに、温度制御流体が電極８０内の通路と流体接続している限り、別のシステムから提供されて導管を経て装置１０にポンプ供給されても良い。この温度制御システムは、フィルム付着のための電極を正規の温度で供給することが必要な場合に電極を加熱または冷却しても良い。好適な実施例では、温度制御システムは、冷却剤、例えば水、エチレングリコール、クロロフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、液化ガス（例えば、液体窒素）などを使用する冷却剤システムである。
フィルム付着装置１０は、排気ポート７０に流体接続された排気ポンプをも含む。このポンプは、チャンバを排気できる、ルーツ送風機、ターボ分子ポンプ、拡散ポンプ、またはクライオポンプなど、任意の真空ポンプであっても良い。さらに、このポンプは、機械式ポンプによって支援、またはバックアップされても良い。この排気ポンプは、装置１０に提供されても良い、または代わりに、別のシステムとして提供され、チャンバに流体接続されても良い。
フィルム付着装置１０は、薄いフィルムを生成するのに使用される流体を制御する好ましくは流量制御式の流体送り装置をも含み、この流体は、チャンバの排気後にその中にポンプ供給される。この送り装置は、装置１０に提供されても良い、または代わりに別のシステムとして提供されて、チャンバに流体接続されても良い。この送り装置は、付着中にチャンバ内に正規の容積量または流量で流体を供給する。好適実施例では、生成されたフィルムは、ダイアモンド状特性を有する薄いカーボンフィルムとなる。このフィルムは、送り装置から供給される、炭素原子を含む分子を含有するガスから生成される。炭化水素は、特に好ましいが、バックミンスターフラーレン、シアン化物、テトラメチルシラン、およびフルオロカーボン、フロロカーボン、およびクロロフルオロカーボンなどのハロゲン化炭素含有ガスなどの種も、潜在的に有用である。高速カーボンリッチ（DLC）コーティング法に特に有用な炭化水素は、ベンゼン、メチルシクロペンタジエン、ブタジエン、ペンタジエン、スチレン、ナフタレン、およびアズレンを含む。１０eV以下である低イオン化電位を有するガスが使用でき、好ましくは、この方法でのカーボンリッチ被膜の連続付着に使用される。
フィルム付着装置１０は、電気端子３０を介して電極８０に電気的に接続される電源をも含む。この電源は、装置１０に提供されても良い、または代わりに別のシステムに提供され、電気端子を介して電極に電気的に接続されても良い（第２図に示されるように）。いずれの場合も、この電源は、十分な電力を供給することができる任意の電力発生または伝送システムである。（以下の議論を参照）
様々な電源が可能であるが、高周波（RF）電力が好ましい。これは、その周波数が、適切に構成された印加電極上にセルフバイアスを形成できるほど高いが、定在波を結果として得られるプラズマ内に生成させるほど高くないからであり、これはイオン付着には不十分であったであろう。RF電力は、大量の被膜生産（幅の広いウエブまたは基材、高速ウエブ速度）に応じて決めることができる。RF電力が使用される場合、電極上の負のバイアスは、負のセルフバイアスである、すなわち、電極上に負のバイアスを誘導するのに別の電源を使用する必要がない。RF電力が好ましいので、本議論の残りはもっぱらそれについて行う。
RF電源は、０．０１〜５０MHzの、好ましくは１３．５６MHzの、またはそれらの任意の整数（例えば、１、２、または３）倍の周波数で電極８０に給電する。このRF電力が、電極８０に供給されると、チャンバ内の炭化水素ガスからカーボンリッチプラズマを生成する。このRF電源は、同軸送電線を通じてRF電力を効果的に伝送できるように電源のインピーダンスを送電線のもの（通常は５０オームの抵抗である）と整合させるように働くネットワークを介して電極に接続された１３．５６MHz発振器などのRFジェネレータであることもある。
RF電力を電極に印加されると、プラズマが生成される。RFプラズマ内では、印加された電極は、プラズマに対して負のバイアスがかけられた状態となる。このバイアスは、一般に５００〜１，４００ボルトである。このようにバイアスがかけられると、カーボンリッチプラズマ内のイオンを電極８０に向かって加速させる。加速したイオンは、以下で詳述されるように、電極８０と接触している基材上にカーボンリッチ被膜を形成する。
動作時、付着がその上に望まれる基材の全スプールは、スプール２８Ａとしてステムに挿入される。これらのスプールへのアクセスは、第１図および第２図では、これらのスプールが下部の部屋５８に配置されるが、付着は上部の部屋５６で起こるので、下部ドア１８を通して提供される。さらに、空のスプールは、付着が基材上に起こった後の巻き取りスプールとして機能できるようにスプール２８Ｂとして反対の基材保持スプールに固定される。
スペーサウエブが巻き取りまたは巻出し中の基材をクッションで支えることが望まれる場合、スペーサウエブ巻き出しおよび/または巻き取りスプールがスプール２８Ｃ，２８Ｄとして提供されることもある（図に示された特定位置のスプールの場所は必ずしも重要ではない）。同様に、フィルムの付着がパターン状、または部分的に行われることが望まれる場合、マスキングウエブが入力スプールにスプール２８Ｅとして配置され、空のスプールがスプール２８Ｆとして巻き取りスプールとして配置される。
基材またはウエブを搭載している、いないに関係なく全てのスプールが配置された後、付着がその上に起こる基材（およびそれと共に電極の周りを移動する任意のマスキングウエブ）は、巻き取りリールに縫うように進められる、またはシステムを通って引かれる。スペーサウエブは、一般にシステムを通って縫うように進められない、その代わりにこのステップの直前に基材から離れ、そして/またはこのステップの直後に提供される。この基材は、チャネル９０内の電極８０周りに特定的に巻き付けられ、それによって露出した電極部分を覆う。この基材は、電極と接触した状態を維持し、電極が回転すると電極と共に動くほど十分に緊張しているので、付着のために基材が常に電極と接触している。これは、基材がロールの一端から他端まで連続工程でコーティングされるようにすることができる。この基材は、フィルムの付着のために所定位置にあり、下部ドア１８は密閉される。
チャンバ２４は全ての空気および他の不純物を除去するために排気される。一旦、カーボン含有流体、好ましくはガスが排気されたチャンバ内にポンプ供給されると、この装置はフィルム付着工程を何時でも開始できる状態となる。
RF電源は、電極８０にRF電界を提供するために起動される。このRF電界は、カーボン含有材料をイオン化状態にし、内部にイオンを有するカーボンリッチプラズマが形成される。これは、特に１３．５６MHz発振器を使用して生成されるが、他のRF電源や周波数範囲が使用されても良い。
一旦、プラズマが生成されると、負のDCバイアス電圧が、RF電力で電極に給電し続けることによって電極８０に印加される。このバイアスは、イオンを電極８０の非絶縁電極部分９０に向かって加速させる（電極の残りの部分は絶縁されているか、または遮蔽されている）。これらのイオンが電極８０のチャネル９０と接触する基材に衝撃を与え、カーボンの圧縮を引き起こし、基材上に薄いダイアモンド状カーボンフィルムが付着されることとなる。
連続付着では、巻き取りスプールは、上部部屋５４を通り、電極８０の上を越えて基材および任意のマスキングウエブを引くように駆動されるので、付着が環状チャネル９０と接触している任意のマスキングされていない基材部分上に起こる（または、マスキングウエブがカーボンフィルムを受ける）。故に、この基材は上部の部屋を通って連続的に引かれると同時に、連続RF電界が電極に印加され、十分なカーボン含有ガスがチャンバ内に存在する。その結果は、細長い基材上への連続的カーボンリッチ被膜となり、実質的にその基材上にのみに得られる。カーボンフィルム付着は、電極の絶縁した部分には当然起こらないが、電極のみがバイアスされているので、この付着はチャンバ内の他のどこにも起こらない。さらに、電極の非絶縁部分（すなわち、環状チャネル９０）は基材によってほとんどまたは完全に覆われているので、付着がほとんどまたは全く基材上以外他のどこにも起こらない。これは、チャンバおよびその部品の定期的清掃とカーボン積層に起因する電極の交換を不要にする。絶縁された部分が汚れる場合は、暗空間シールド８６，８８が汚れを防止または低減するために提供されることもある。暗空間シールド８６，８８は、任意の形状、サイズ、および潜在的汚れの低減を助ける物質のものであっても良い。第１図および第２図に示された実施例では、暗空間シールド８６，８８は、ドラム２６およびその上の絶縁体上に適合する金属リングである。暗空間シールド８６，８８は、暗空間シールド８６，８８がドラム２６と接触する部分のドラム２６を覆う絶縁材料のためにバイアスしない。このリング状実施例の暗空間シールドは、それらの各端部がドラム２６から非環状的に離れるように延在するタブを含む。これらのタブは基材をチャネル９０内に整列させ易くする。
好ましくは、温度制御システムは、電極を所望温度に保つために加工中全体を通じて電極８０内に流体をポンプ供給する。典型的に、これは、上述されたように冷却剤で電極を冷却することを含むが、ある場合には加熱が望まれても良い。さらに、この基材は電極と直接接触するので、プラズマから基材への熱伝導がこの冷却システムを介して管理され、それによってポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、および同等のものなどの感熱フィルムのコーティングが可能となる。
付着工程完了後、スプールは壁にそれらを支持する軸から取り外される。カーボンリッチフィルムをその上にコーティングした基材は、スプール２８Ｂ上にあり、チップ冷却用電気的絶縁、可撓性金属回路構成、光ファイバ、光学被膜、フォトリソグラフィーマスク、マイクロリソグラフィーマスク、記録ヘッドおよび媒体、プリンターヘッド、歯科矯正材、研磨材、歯列矯正移植材、薄膜コンデンサ、パッケージフィルム、レーザデバイス取り付け台、および多数の他の用途など、薄いカーボンフィルム被膜が使用される場合には何時でも使用できるように準備されている。
その結果は、従来技術と比べて多数の利点を備えた基材上にダイアモンド状または同様のカーボンリッチフィルムを提供する装置と方法である。低イオン化電位ガスは、極めて高い付着速度を得るために使用でき、しかも薄いカーボンフィルムで良好な特性をも維持することができる。低イオン化電位ガスを使用することによって、非常に高速の付着が可能となり、応力の低いDLCコーティングフィルムとなる。DLCコーティングフィルム応力は、先のDLCコーティングで報告されたDLCフィルム応力に対する１〜１０Gpaと比較して、０．４Gpa以下である。基材上への大量付着は、従来の付着速度よりも４０倍以上高い速度となる。極微の付着は、基材上を除く他のどこかで起こり、その結果、極微のフレーキングが起こる。さらに、付着は、イオン衝撃および遊離基接触の混合ではなくて、ほとんど完全にイオン衝撃による。さらに、ガス入力からフィルム出力について、従来技術での典型的な１％台の転化率と比べて、非常に高転化率（３５％）が得られる。
他の利益および利点は、繊維から１メートルを超えるフィルムに至る幅を含むより広い範囲の基材寸法形状をコーティングする能力を含む。基材が多孔質シート、織地、または繊維である場合、好ましくは、犠牲となる非多孔質シートが基材と電極２０との間に配置されて、電極上にカーボンリッチフィルムが蓄積し、続いて剥落するのを防止する。基材幅は、イオン衝撃が、ソース特定部分からではなくチャンバ内の基材の四方から来るので、限定要素とはならない。本発明の方法によれば、基材は、一般に基材幅に関係なく、ほぼ１．５〜６m/minの速度で約０．２μmまでの厚さにまでコーティングできる。０．１〜０．３μmの被膜厚さは、この方法を使用して容易に製造できるが、それよりも厚い（すなわち約１０μmまで）、またはそれよりも薄い被膜も可能である。
全体として、プラズマ発生およびイオン加速が非常に単純化される。ソース電極や目標電極を用いるのではなく、１つの電極のみが使用される。給電された電極は、プラズマを生成することと、負のバイアスがかけられた状態となることとの両方が行われ、それによってそれ自体と接触する基材にイオン衝撃を与えるためにそれ自体に向かってプラズマ内のイオンを加速させる。このDCバイアス電圧は、付着された被膜を圧縮するようにも作用し、それはDLC特性を高める。
故に、本発明のコーティング方法および装置は、単純化され、従来のデバイスで遭遇した難しさを無くし、問題を解消し、より改善された結果を得ることができる効果的で安全、且つ安価で効率的なデバイスを提供する。
先の記述においては、一定の用語が、簡潔さ、明快さ、および理解を目的として使用されている。そのような用語は説明を目的として使用され、広く解釈されるべきものであるので、不必要な限定が従来技術の要件を越えてそれらから暗示されるものではない。さらに、本発明の説明および例示は実例によるものであり、本発明の範囲が、ここで示され、または記載された正確な詳細に限定されるものではない。
本発明の特徴、発見、および原理を説明してきたが、方法および装置が構成され、使用されるやり方、構成の特徴、得られた有利で、新規の有用な結果、新規で有用な構造体、デバイス、要素、配置構成、部品、および組合せが、添付の請求の範囲で詳述される。

Claims (15)

1. 移動基材上にカーボンリッチフィルムを付着させる方法であって、
   カーボンリッチフィルムの付着を助ける環境において、前記環境が、前記移動基材と接触している、導電性および非導電性領域を有する電極を含み、イオンを含むプラズマを前記環境から生成できるように前記電極に電力を印加するステップを含み、前記電極が前記プラズマに対して負にバイアスされた状態となり、それによって前記イオンを前記電極に向かって加速し、前記イオンが前記電極と接触する前記移動基材に衝突して、前記基材上に前記カーボンリッチフィルムが付着されることとなる、方法。
2. 前記電力が高周波電力を含み、前記環境が、炭素原子を含む少なくとも１つのガスを含むチャンバを含む、請求の範囲第１項に記載のカーボンリッチフィルムを付着させる方法。
3. 前記環境が電気的に接地された壁を備えたチャンバを含み、前記電極が前記チャンバ内に配置される、請求の範囲第１、２項のいずれかに記載のカーボンリッチフィルムを付着させる方法。
4. 前記電極が回動可能な電極である、請求の範囲第１、２、または３項のいずれかに記載のカーボンリッチフィルムを付着させる方法。
5. 前記基材が可撓性ウエブである、請求の範囲第１、２、３、または４項のいずれかに記載のカーボンリッチフィルムを付着させる方法。
6. 前記カーボンリッチフィルムの付着が前記移動基材に限定される、請求の範囲第１、２、３、４、または５項のいずれかに記載のカーボンリッチフィルムを付着させる方法。
7. 移動基材上にカーボンリッチフィルムを付着させる装置であって、
   ａ）導電性領域の少なくともその一部が前記基材と接触できるように構成され、カーボンリッチフィルムの付着を助ける環境内に収容された、前記導電性および非導電性領域を有する回動可能な電極と、
   ｂ）前記回動可能な電極に電気的に接続された電源と、を含み、前記環境からイオンを含むプラズマを生成することができるように前記電源が前記電極に給電することができ、前記電極が前記プラズマに対して負にバイアスされた状態となり、それによって前記イオンを前記電極に向かって加速し、前記基材上にカーボンリッチフィルムが付着されることとなる、装置。
8. 前記環境が、炭素原子を含む分子を含む少なくとも１つのガスを含むチャンバを含み、前記電源が高周波電力を供給する、請求の範囲第７項に記載の装置。
9. 前記環境が電気的に接地された壁を備えたチャンバを含み、前記電極が前記チャンバ内に配置される、請求の範囲第７、８項のいずれかに記載の装置。
10. 前記チャンバが、内部に基材通路を有する分割部によって分離されている付着部屋および基材保管部屋を含む、請求の範囲第８、９項のいずれかに記載の装置。
11. 前記基材が、非多孔質シート、多孔質シート、織地、繊維、またはそれらの組合せである、請求の範囲第１〜６項のいずれかに記載のカーボンリッチフィルムを付着させる方法。
12. 前記基材部屋に取り付けられた巻出しおよび巻き取り基材スプールと、
    前記基材スプールのそれぞれに取り付けられ、それを包囲するファラディケージと、
    各基材スプールと対の導電性アイドラーロールと、
    前記アイドラーロールを通って前記ファラディケージに至る迷走電流を電気的に分路する手段と、をさらに含む、請求の範囲第７〜１０項のいずれかに記載の装置。
13. 前記ガスが１０eV以下のイオン化電位を有する、請求の範囲第２項に記載の方法。
14. 前記付着および基材保管部屋のそれぞれが内部の動作圧力を独立的に維持するためのポンプを有する、請求の範囲第１０項に記載の装置。
15. 前記基材が前記電極の前記導電性領域を覆う、請求の範囲第１項に記載の方法。

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