JP5766313B2

JP5766313B2 - 膨張熱プラズマ装置

Info

Publication number: JP5766313B2
Application number: JP2014011359A
Authority: JP
Inventors: トーマスミーバッハ，; チャールズ・ドミニックイアコヴァンジェロ，; ウィリアム・アーサーモリソン，
Original assignee: サビックグローバルテクノロジーズベスローテンフェンノートシャップ
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2025-06-22
Also published as: JP2014089983A; EP1767071A2; JP2008504652A; WO2006012179A3; US7703413B2; US20050284374A1; JP5855325B2; EP1767071B1; WO2006012179A2

Description

本発明は、一貫して安定なプラズマを発生するための装置に関する。さらに具体的には、本発明は、一貫して安定な膨張熱プラズマ（以後は「ＥＴＰ」という）を発生するためのアセンブリであって、保守及び動作が容易であるアセンブリ（このアセンブリは「アーク」ともいう）に関する。

プラズマ堆積によって基材の表面上に密着性コーティングを堆積させるための公知方法は、通例、直流アークプラズマ発生器を通してプラズマガスを流してプラズマを発生させることを含んでいる。基材は隣接する真空室（この真空室は「堆積室」ともいう）内に配置される。基材に向けて、プラズマを真空室内に膨張させる。膨張するプラズマ中に反応体ガス及び酸化体が下流で注入される。酸化体及び／又は反応体ガスからプラズマ中で生成した反応性化学種を基材の表面に十分な時間接触させることによって、密着性コーティングが形成される。

プラズマ源は、多数の物品に対して各種の表面処理を施すために使用される。かかる表面処理の例には、各種コーティングの堆積、プラズマエッチング、及び表面のプラズマ活性化がある。大きい基材面積を被覆又は処理するため、アレイ状の多重プラズマ源が使用されることもある。プラズマプロセスの特性は、これらのプラズマ源の動作パラメーターによって強い影響を受ける。

現行のアークデザインのために通例使用される動作パラメーターは、プラズマガスの流量及び圧力、アークに印加される電流、並びに陰極と陽極との間の電圧である。これらの動作パラメーターは、アークの幾何学的形状及びデザインと共に、プラズマガスの電離度を左右し、したがってプラズマ堆積プロセスで被覆される物品の表面特性及びコーティング性能に影響を及ぼす。典型的なプラズマ堆積プロセスでは、ガス流量及びアーク電流が制御され、結果として動作圧力及び電圧が制御される。

プラズマ処理中には、プラズマ源の内部の条件及び幾何学的形状はドリフトを示すことがある。即ち、電流又はガス流量の変化なしに陰極電圧又は動作圧力が変化することがある。これらの変化は、プラズマ源の内部の様々な原因に帰することができる。変動の原因には、陰極の浸食の結果としてもたらされる変化がある。浸食を受ける他のプラズマ源部品には、カスケード板及び隔離板がある。プラズマ源の動作中には、カスケード板から銅が浸食されて絶縁体に沿って再付着することによって、２つの絶縁された板間の抵抗を低下させ、最終的には短絡を引き起こすことがある。アークの抵抗変化又は短絡を引き起こすさらに別の原因は、例えば環境からの水の排除の失敗又はプラズマ源の内部への冷却水の漏入により、電気絶縁された板間に水が存在することである。かかるドリフト、特にプラズマ源部品の浸食で引き起こされる恒久的な変化に対処するためには、プラズマ堆積プロセスを中断してプラズマ源を分解することが通常必要となる。

大きい基材面積を被覆又は処理するため、時にはアレイ状の多重プラズマ源が使用されることがある。理想的には、アレイ中のプラズマ源の各々によって発生される個々のプラズマは、同じ特性を有するべきである。しかし実際には、プラズマ源間におけるプラズマ特性のばらつきが認められることが多い。その結果、多重プラズマ源を含むプラズマ堆積装置で被覆された物品は、被覆基材表面上の相異なる位置では表面コーティング特性の望ましくない変動を示すことがある。かくして、多重プラズマ源式プラズマ堆積装置内の多重プラズマ源間のばらつきを低減させる必要が存在している。

プラズマ堆積装置で使用されるプラズマ源は有限の寿命を有しており、定期的なサービス又は交換を行わなければならない。典型的なプラズマ堆積装置の中には、プラズマ源のサービス（即ち、修理又は交換）を行うため、プラズマ堆積室を大気中にガス抜きしなければならないものがある。大気中へのプラズマ堆積室のガス抜きを行う際には、プラズマ堆積プロセスを停止する必要がある。これは作業停止時間及び生産上の損失を生じる。さらに、プラズマ源は各種の相異なる部品を含むのが通例であり、これらは異なる公差をもって機械加工しなければならない。かくして、場合によっては、交換部品として必要な部品が入手できない結果としてプラズマ源のサービスのための作業停止時間が増加する。

通例、単一のプラズマ源でのドリフトはリアルタイムで補正できない。これは、かかる補正のためにプロセスの中断及びプラズマ源の取外しが必要だからである。多重プラズマ源が使用される場合、プラズマ源間における発生プラズマのばらつきを最小限にすることがしばしば望ましい。したがって、必要とされるのは、プラズマ発生用の単純化された装置であって、一貫して安定なプラズマを発生することができ、容易にサービスを行うことができ、プラズマ媒介表面処理プロセスで一層高い効率を与え得る装置である。前記の高い効率は、部分的にはサービス中における装置停止時間の減少に由来している。

米国特許第４８７１５８０号明細書米国特許第６２６１６９４号明細書米国特許第６３９７７７６号明細書米国特許出願公開第２００４／００４０８３３号明細書

一態様では、本発明は、
（ａ）当該陰極板の一体部分である固定陰極チップを含む陰極板、
（ｂ）１以上のカスケード板、
（ｃ）前記陰極板と前記カスケード板との間に配設された１以上の隔離板、
（ｄ）陽極板、及び
（ｅ）ガス用入口
を含んでなるプラズマ発生用アセンブリであって、前記陰極板、隔離板、カスケード板及び陽極板は互いに「電気絶縁」されており、前記電気絶縁された陰極板、隔離板及びカスケード板はプラズマ発生室を画定し、前記陰極チップは前記プラズマ発生室内に配設されているアセンブリに関する。

別の態様では、本発明は、
（１）堆積室と、
（２）１以上のプラズマ発生用アセンブリと
を含んでなる基材の表面処理用の堆積装置であって、前記プラズマ発生用アセンブリは
（ａ）当該陰極板の一体部分である固定陰極チップを含む陰極板、
（ｂ）１以上のカスケード板、
（ｃ）前記陰極板と前記カスケード板との間に配設された１以上の隔離板、
（ｄ）陽極板、及び
（ｅ）ガス用入口
を含み、前記陰極板、隔離板、カスケード板及び陽極板は互いに「電気絶縁」されており、前記電気絶縁された陰極板、隔離板及びカスケード板はプラズマ発生室を画定し、前記陰極チップは前記プラズマ発生室内に配設されている堆積装置に関する。

さらに別の態様では、本発明は、
（ａ）１以上の陰極、１以上のカスケード板、及び隔離板又は陰極ハウジングの少なくとも一方を含むレトロフィット可能なサブアセンブリであって、前記隔離板又は陰極ハウジングは前記陰極板と前記カスケード板との間に配設されているサブアセンブリ、
（ｂ）陽極板、並びに
（ｃ）ガス用入口
を含んでなるプラズマ発生用アセンブリであって、前記陰極、隔離板又は陰極ハウジング、カスケード板及び陽極板は互いに「電気絶縁」されており、前記電気絶縁された陰極板、隔離板又は陰極ハウジング、及びカスケード板はプラズマ発生室を画定し、前記陰極は前記プラズマ発生室内に配設されているアセンブリに関する。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳しい説明を読んだ場合に一層よく理解されよう。図面全体を通じて類似の部分は同じ符号で示されている。

例示的なプラズマ発生用アセンブリの概略断面図である。プラズマ発生用アセンブリの構成要素を作製するために使用する例示的なブランク板の概略上面図である。プラズマ発生用アセンブリの例示的な陰極板の概略上面図である。プラズマ発生用アセンブリの例示的な隔離板の概略上面図である。プラズマ発生用アセンブリの例示的なカスケード板の概略上面図である。プラズマ発生用アセンブリの例示的な陽極板の概略上面図である。プラズマ発生用アセンブリの構成要素を作製するために使用するさらに別の例示的なブランク板の概略上面図である。プラズマ発生用アセンブリのさらに別の例示的な陰極板の概略上面図である。プラズマ発生用アセンブリのさらに別の例示的な隔離板の概略上面図である。プラズマ発生用アセンブリのさらに別の例示的なカスケード板の概略上面図である。プラズマ発生及び表面処理用堆積装置の略図である。

以上、本発明が応じる様々なニーズを満足させるものとして本発明の様々な実施形態を説明してきた。これらの実施形態は単に本発明の様々な実施形態の原理を例示するものにすぎないことを認識すべきである。当業者には、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに多数の修正例及び適応例が明らかとなろう。したがって、本発明は特許請求の範囲及びその同等物の範囲に含まれるすべての適当な修正及び変更を包括するものである。

本明細書中には、一貫して安定な表面処理用プラズマを発生させるためのアセンブリが開示される。図１は、例示的なプラズマ発生用アセンブリ１０の概略断面図である。アセンブリ１０は、固定陰極チップ１４を含む陰極板１２、１以上のカスケード板１８、及び陰極板１２とカスケード板１８との間に配設された１以上の隔離板１６を含んでいる。陰極チップ１４は陰極板１２の一体部分である。「一体部分」とは、チップが固定されており、調整できず、公知手段（例えば、溶接、ろう付け、はんだ付けなど）で恒久的に結合されていることを意味する。アセンブリ１０はさらに、陽極板２２及びガス用入口２０を含んでいる。陰極板１２、カスケード板１８、隔離板１６及び陽極板２２は、互いに電気絶縁されている。電気絶縁された陰極板１２、隔離板１６及びカスケード板１８はプラズマ発生室２４を画定している。図１に示す例示的な実施形態では、陰極チップ１４はプラズマ発生室２４内に配設されている。

プラズマ発生室２４の直径は、隔離板１６の中心にある開口の直径３０で決定される。若干の実施形態では、陰極板１２、隔離板１６及びカスケード板１８は同一のブランク板から機械加工される結果、すべての板の厚さ３２は同一である。

カスケード板１８はさらに、板の中心に開口３４を含んでいる。開口３４の直径は、隔離板１６の開口の直径３０より実質的に小さい。したがって、開口３４はオリフィスとして作用してプラズマ発生室２４からのプラズマの流れを制限することによって、プラズマ発生室２４内の圧力を高める。陽極板２２はカスケード板１８に隣接して配設されているが、このカスケード板１８は上述のように陽極板２２から電気絶縁されている。陽極板２２は、陽極板２２の中心に位置合せされた拡張開口３６を有するように形成されている。この場合、開口３６の横断面は内面３８に沿って広がっている。陽極板２２は、留めボルト４４によって堆積室（図示せず）上に配設されている。図１に示す例示的な実施形態では、陰極チップ１４はプラズマ発生室２４内に配設されている。

すべてのアセンブリ部品（陰極板１２、隔離板１６、カスケード板１８及び陽極板２２）は電気絶縁されている。通例、個々の部品を封止すると共に絶縁するため、Ｏリング、（例えばＰＶＣ製の）スペーサー、及び窒化ホウ素製の中心リングが使用できる。電気絶縁を達成する目的に役立つと共に真空シールを与える任意の材料又は材料の組合せが使用できる。一実施形態では、Ｖｉｔｏｎ（登録商標）ガスケット２６を窒化ホウ素製の中心リングと共に使用することによって、個々の部品が電気絶縁されると同時に、真空シール及び水分による短絡を防止するための水シールが得られる。アセンブリの金属部品の浸食及びカスケード板−陽極ギャップへの浸食金属（例えば、金属銅）の再付着に原因する短絡を防止するため、ガスケットの厚さは窒化ホウ素中心ディスクより大きくなるように形成されている。Ｏリング及びスペーサーの場合には、これは中心リングに対してＯリング及びスペーサーの厚さを大きくすることで達成できる。部品を固定するために使用する金属棒４６も電気絶縁しなければならない。これは絶縁スリーブの使用で達成でき、或いは棒自体を非導電性材料で（例えば、Ｇａｒｏｌｉｔｅ（登録商標）Ｇ１０製のねじ棒として）作製できる。

プラズマ発生過程では、プラズマ発生用アセンブリの温度は約１０００〜約１００００Ｋの範囲内にあり得る。効率的なプラズマ発生過程のためには、プラズマ発生アセンブリの構成要素は冷却する必要がある。陰極板１２、隔離板１６及びカスケード板１８は、特に限定されないが銅（Ｃｕ）をはじめとする導電性かつ熱伝導性の金属からなる。これらの要件を満たすその他任意の金属（例えば、ステンレス鋼、ニッケル、ニクロムなど）も使用できる。

陰極板１２、隔離板１６、カスケード板１８及び陽極板２２の冷却は、それぞれの板中に冷却媒質を流して適正な冷却を行うことで達成できる。各板は、冷却媒質用の入口及び出口を含む個別の冷却回路を有し得る。本発明の一実施形態では、プラズマ発生用アセンブリは単一の回路４０を含み、この回路は１以上の冷却媒質入口４２及び１以上の冷却媒質出口４４を含んでいる。陰極板１２、隔離板１６及びカスケード板１８の各々を作製するために同一のブランク板を使用すれば、冷却媒質用の単一の回路４０は以下の段落に記載するようにして形成できる。一実施形態では、プラズマ発生用アセンブリを冷却するための冷却媒質として水が使用される。プラズマ発生用アセンブリの構造材料に適合したその他任意の冷却媒質も使用できる。

図１について述べれば、１以上のプラズマガス入口２０を通して、プラズマを発生するためのガス（以後は「プラズマガス」という）がプラズマ室２４内に注入される。プラズマガスは、特に限定されないが貴ガス（即ち、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒ）のような１種以上の不活性又は非反応性ガスからなり得る。別法として、表面のエッチングのためにプラズマを使用する実施形態では、プラズマガスは、特に限定されないが水素、窒素、酸素、フッ素又は塩素のような反応性ガスからなり得る。一実施形態では、反応性ガスは陽極より下流で供給される。プラズマガスの流れは、プラズマガス発生器（図示せず）と１以上のプラズマガス入口２０との間に配置された質量流量調節器のような流量調節器（図示せず）で制御できる。１以上のプラズマガス入口２０を通してプラズマ室２４内にプラズマガスを注入し、陰極チップ１４と陽極板２２との間にアークを点弧することにより、プラズマ室２４内でプラズマが発生される。陰極チップ１４と陽極板２２との間にアークを点弧するために必要な電圧は、電源（図示せず）から供給される。

図２は例示的なブランク板６２の上面図６０を示している。プラズマ発生用アセンブリの３つの部品（陰極板、隔離板及びカスケード板）を作製するための出発点として標準化された「ブランク板」を使用することは、交換部品を貯えておく必要性を低減させる。この「ブランク板」６２から、ドリルを用いて水路及びプラズマオリフィス用の適当な穴をあけることで各部品を容易に機械加工される。陰極チップが固定位置にあることも、アセンブリの中心軸とうまく整列させ得るので、アセンブリ間のばらつきを低減できる。さらに、陰極板、隔離板及びカスケード板のすべてが同一のブランク板６２から作製されるので、これらの板の厚さは本質的に等しい。図２に示した例示的なブランク板６２の形状は非限定的である。一実施形態では、陰極板、隔離板及びカスケード板は、図２に示したブランク板６２から作製される。ブランク板６２は３つ１組の穴を含んでいるが、これらの穴は個々の板又はサブアセンブリを陽極板に固定するために設けられ、その陽極板はプラズマ堆積室の主構造物に固定されている。ブランク板６２は、板中での冷却水循環を可能にするため、１以上の水路６６を有するように形成されている。ブランク板では、水路は複数のプラグ６８で塞がれている。水路は、板から冷却媒質（例えば、水）への熱伝達が効率的になるようにしてブランク板６２の内部に設けられている。ブランク板６２中の水路６６の開示に際して図２ほかに示したデザインは、当業者には非限定的な例として認められよう。板と冷却媒質との間の効率的な熱伝達を達成するため、その他多くの異なるデザインが使用できる。

図３は、図２に示したブランク板６２から作製される例示的な陰極板８２の上面図８０を示している。陰極板８２の形状及びサイズは、ブランク板６２のものと同一である。陰極板８２も、ブランク板６２中と同じ位置に３つ１組の穴６４を含んでいる。水路６６はブランク板６２中と同じ位置に配設され、水路は複数のプラグ６８で塞がれている。陰極板は、陰極を保持するための開口８４を含んでいる。一実施形態では、この開口８４は陰極板８２の中心に位置合せされている。陰極板８２は、プラズマ発生室にガスを流入させるためのさらに別の開口８６を含んでいる。穴８８及び９０は水路６６と連絡し、プラズマ発生時に陰極板用の水入口及び水出口として役立つ。

図４は、図２に示したブランク板６２から作製される例示的な隔離板１０２の上面図１００を示している。隔離板１０２の形状及びサイズは、ブランク板６２のものと同一である。隔離板１０２も、ブランク板６２中と同じ位置に３つ１組の穴６４を含んでいる。水路６６はブランク板６２中と同じ位置に配設され、水路は複数のプラグ６８で塞がれている。隔離板１０２はさらに開口１０４を含み、この開口の直径はプラズマ発生室の直径を画定している。この開口１０４は隔離板１０２の中心に位置合せされている。穴１０６及び１０８は水路６６と連絡し、動作中に隔離板１０２用の水入口及び水出口として役立つ。穴１０６及び１０８は、陰極板８２中の対応する水入口及び水出口の穴（８８及び９０）と正確に整列させることができる。

図５は、図２に示したブランク板６２から作製される例示的なカスケード板１２２の上面図１２０を示している。隔離板１２２の形状及びサイズは、ブランク板６２のものと同一である。カスケード板も、ブランク板６２中と同じ位置に３つ１組の穴６４を含んでいる。水路６６はブランク板６２中と同じ位置に配設され、水路は複数のプラグ６８で塞がれている。カスケード板１２２はさらに開口１２４を含み、この開口１２４の直径はプラズマ発生室からプラズマ堆積室へのプラズマの流れを制限するオリフィスの直径を画定している。一実施形態では、この開口１２４は隔離板１２２の中心に位置合せされている。穴１２６及び１２８は水路６６と連絡し、動作中にカスケード板１２２用の水入口及び水出口として役立つ。穴１２６及び１２８は、陰極板８２及び隔離板１０２中の対応する穴と正確に整列させることができる。したがって、陰極板８２、隔離板１０２及びカスケード板１２２を集成した後には、（図１に示すような）単一の水回路４０を形成できる。

図６は、例示的な陽極板１４２の上面図１４０を示している。陽極板１４２の冷却のため、内部水路１４４が設けられている。水路は、板から水路中を流れる冷却媒質（例えば、水）への熱伝達が効率的になるようにして陽極板１４２の内部に形成されている。当業者には容易に認められる通り、陽極板１４２中の水路１４４に関して図６に示したデザインは非限定的な例であり、板と冷却媒質との間の効率的な熱伝達を達成するためにその他多くの異なるデザインが使用できる。穴１４６及び１４８は水路１４４と連絡し、また内部の水回路４０（図１参照）とも連絡している。穴１４６及び１４８は、陰極板８２、隔離板１０２及びカスケード板１２２中の対応する穴と正確に整列させることができる。したがって、陰極板８２、隔離板１０２、カスケード板１２２及び陽極板１４２を集成した後には、（図１に示すような）単一の水回路４０を形成できる。穴あけされた水路のそれぞれ１以上が（図１中の４２及び４４に相当する）水入口１５０及び水出口１５２として使用され、他の水路は複数のプラグ６８で塞がれている。陽極板１４２は、陽極板１４２の中心に位置合せされた拡張開口を有するように形成されている。この拡張開口の小径穴１５４は、図１に示したアセンブリ中の開口３４にサイズが一致している。（図１に示すような）留めボルト４６によって堆積室上に陽極板を配設するために４つの穴１５６が設けられている。３つの穴１５８は、陰極板、隔離板及びカスケード板からなるサブアセンブリの対応する穴６４（図３、４及び５参照）と整列しており、図１に示すようなねじ棒４６及び止めナットによってサブアセンブリを陽極板に固定するための通路を生み出す。

図７は別の例示的なブランク板１６２の上面図１６０を示している。一実施形態では、本発明は陰極板、隔離板及びカスケード板が図７に示すようなブランク板１６２から作製されたプラズマ発生用アセンブリを提供する。ブランク板１６２は、「六重対称形」水路デザインを有すると共に、ブランク板１６２を貫通して設けられた３つずつ２組の穴を含んでいる。六重対称形水路デザインは、図示のように形成された６つの同一水路１６４を含んでいる。第一組の穴１６６は、陰極板を隔離板に取り付けると共に隔離板をカスケード板に取り付けて、陰極板、隔離板及びカスケード板からなるサブアセンブリを生み出すために形成されている。次いで、第二組の通し穴１６８を用いて、独立の手段でサブアセンブリを陽極板に取り付けることができる。水路１６４は複数のプラグ１７０で塞がれている。

図８は、図７に示したブランク板１６２から作製される例示的な陰極板１８２の上面図１８０を示している。陰極板１８２の形状及びサイズは、ブランク板１６２のものと同一である。陰極板１８２も、ブランク板１６２中と同じ位置に３つずつ２組の穴１６６及び１６８を含んでいる。水路１６４はブランク板１６２中と同じ位置に配設され、水路は複数のプラグ１７０で塞がれている。陰極板１８２は、陰極を保持するための開口１８４を含んでいる。一実施形態では、この開口１８４は陰極板１８２の中心に位置合せされている。陰極板１８２は、プラズマ発生室にガスを流入させるためのさらに別の開口１８６を含んでいる。水路１６４中に設けられた穴１８８及び１９０は、プラズマ発生時に陰極板用の水入口及び水出口として役立つ。

図９は、図７に示したブランク板１６２から作製される例示的な隔離板２０２の上面図２００を示している。隔離板２０２の形状及びサイズは、ブランク板１６２のものと同一である。隔離板２０２も、ブランク板１６２中と同じ位置に３つずつ２組の穴１６６及び１６８を含んでいる。水路１６４はブランク板１６２中と同じ位置に配設され、水路は複数のプラグ１７０で塞がれている。隔離板２０２はさらに開口２０４を含み、開口２０４の直径はプラズマ発生室の直径を画定している。この開口２０４は隔離板２０２の中心に位置合せされている。水路１６４中に設けられた穴２０６及び２０８は、プラズマ発生時に隔離板用の水入口及び水出口として役立つ。これらの穴は、陰極板１８２中の対応する水入口及び水出口の穴と正確に整列させることができる。

図１０は、図７に示したブランク板１６２から作製される例示的なカスケード板２２２の上面図２２０を示している。カスケード板２２２の形状及びサイズは、ブランク板１６２のものと同一である。カスケード板２２２も、ブランク板１６２中と同じ位置に３つずつ２組の穴１６６及び１６８を含んでいる。水路１６４はブランク板１６２中と同じ位置に配設され、水路は複数のプラグ１７０で塞がれている。カスケード板２２２はさらに開口２２４を含み、開口２２４の直径はプラズマ発生室から堆積室へのプラズマの流れを制限するオリフィスの直径を画定している。この開口２２４はカスケード板２２２の中心に位置合せされている。水路１６４中に設けられた穴２２６及び２２８は、プラズマ発生時にカスケード板用の水入口及び水出口として役立つ。これらの穴は、陰極板１８２及び隔離板２０２中の対応する水入口及び水出口の穴と正確に整列させることができる。したがって、陰極板１８２、隔離板２０２及びカスケード板２２２を集成した後には、単一の水回路を形成できる。

プラズマ発生アセンブリ用のサブアセンブリの３つの部品（陰極板、隔離板及びカスケード板）の各々を作製するための出発点として標準化された「ブランク板」を使用することは、特注した交換部品を貯えておくという負担を低減させる。共通のブランク板から、ドリルを用いて所要の追加穴（例えば、水路用の穴及びプラズマオリフィス用の穴）をあけることでサブアセンブリの各部品が容易に機械加工される。貯える必要のある部品の数が少なくて済み、機械加工が容易であり、かつ内部水路が標準化されているので、個々のサブアセンブリ部品を作製するために標準化されたブランク板を使用することは、コスト及び作業停止時間を低減させると共に、プラズマ発生及び表面処理プロセス全体の保守を簡単にする。さらに、サブアセンブリ部品作製用出発要素としての「ブランク板」の使用、及び本発明の固定陰極デザインは、プラズマ発生及び表面処理プロセス全体のばらつきの低減を可能にする。

先行する段落に開示された通り、プラズマ発生用アセンブリは、非導電性の留め金具５０（図１）で結合できるサブアセンブリの部品として陰極板、隔離板及びカスケード板を含むサブアセンブリを含んでいる。当業者には容易に認められる通り、若干の態様で本発明は、米国特許出願公開第２００４／００４０８３３号（「チューナブルデザイン」）及び２００３年９月９日出願の係属中の米国特許出願第１０／６５５３５０号に記載されているもののような公知プラズマ源デザインの要素を使用して、本発明の一態様をなす新規なレトロフィット可能なサブアセンブリを生み出すことを含んでいる。

先行する段落に開示されたプラズマ発生用アセンブリでは、陰極板、隔離板及びカスケード板はサブアセンブリを形成している。本明細書中に記載される実施形態に記載したサブアセンブリは、図１に示すプラズマ発生用アセンブリ上に「レトロフィット可能」である。サブアセンブリ部品は、非導電性の留め金具５０によって相互に及びアセンブリに連結される。動作に際しては、サブアセンブリの部品のいずれか１以上（例えば、陰極板、隔離板又はカスケード板）が何らかの故障を生じた場合、陽極板とプラズマ堆積室との間の連結を開くことなく、新しいサブアセンブリをアセンブリ上にレトロフィットすることができる。サブアセンブリの交換中、プラズマ堆積室との連結が破られないので、堆積室内の真空は交換操作中にも低いレベルに維持できる。一実施形態では、堆積室内の真空レベルはサブアセンブリの取外し及び交換中にも約１トル以下に維持される。本明細書中で「レトロフィット可能」とは、支持構造の実質的で恒久的な変更なしにサブアセンブリを取り外して別のサブアセンブリと交換できることを意味する。例えば、ナットをゆるめてサブアセンブリを貫通する棒を引き抜くことでそれの取外し及び交換を行うことができるならば、サブアセンブリは「レトロフィット可能」である。さらに、サブアセンブリ中の陰極板、隔離板及びカスケード板を通して冷却水を流すために使用される単一の水路は、サブアセンブリのサービス操作を一層迅速なものにする。

プラズマ堆積装置は、一般に、先行する段落に記載したようなプラズマ発生室からなるプラズマ源を含んでいる。図１１は例示的なプラズマ堆積装置２６０を開示している。プラズマ堆積装置２６０は、プラズマ発生用の第一のアセンブリ２６２及び第二のアセンブリ３６２並びにプラズマ堆積室４００を含んでいる。堆積装置の構成は図１１示した実施形態に限定されず、単一のプラズマ発生用アセンブリ又は３以上のプラズマ発生用アセンブリを含んでいてもよい。以下の記載全体を通じて第一のアセンブリ２６２の様々な特徴を詳しく説明し言及するが、以下の記載は第二のアセンブリ３６２に対しても適用し得ることは言うまでもない。

第一のアセンブリ２６２は、固定陰極チップ２７２を含む陰極板２６４、１以上のカスケード板２６８、及び陰極板２６４とカスケード板２６８との間に配設された１以上の隔離板２６６を含んでいる。陰極チップ２７４は陰極板２６４の一体部分である。第一のアセンブリ２６２はさらに、陽極板２７０及びガス用入口２７８を含んでいる。一実施形態では、陰極板２６４、カスケード板２６８、隔離板２６６及び陽極板２７０は、Ｖｉｔｏｎ（登録商標）ガスケット２８４及び窒化ホウ素ディスク２８８で互いに電気絶縁されている。電気絶縁された陰極板２６４、隔離板２６６及びカスケード板２６８はプラズマ発生室２８６を画定している。図１１に示す例示的な実施形態では、陰極チップ２７４はプラズマ発生室２８６内に配設されている。流出口２７６は、プラズマ発生室２８６と堆積室４００との間の流通を可能にする。プラズマ発生室２８６内で発生したプラズマは、流出口２７６を通ってプラズマ発生室２８６から流出し、堆積室４００に流入する。一実施形態では、流出口２７６は陽極板２７０中に形成されたオリフィスを含み得る。先行する段落に開示された通り、若干の実施形態では、陰極板２６４、隔離板２６６及びカスケード板２６８は同一のブランク板から作製される結果、すべての板の厚さは同一である。

一実施形態では、電源２８０が第一のアセンブリ２６２に接続されている。電源２８０は、アークを点弧して持続させるために必要な電流及び電圧を供給する調整可能なＤＣ電源である。堆積室４００は、真空ポンプ（図示せず）により、第一のアセンブリ２６２中の圧力より実質的に低い圧力に維持される。一実施形態では、堆積室４００は約１トル（約１３３Ｐａ）未満の圧力、具体的には約１００ミリトル（約０．１３３Ｐａ）未満の圧力に維持される一方、プラズマ発生室２８６は約０．１気圧（約１．０１×１０^４Ｐａ）以上の圧力に維持される。プラズマ発生室２８６内の圧力と堆積室４００内の圧力との差の結果、第一のアセンブリ２６２中で発生したプラズマは流出口２７６を通過し、堆積室４００に入って膨張する。

堆積室４００は、堆積装置２６０で発生したプラズマで処理すべき物品２５８を収容するように構成されている。一実施形態では、物品２５８のかかるプラズマ処理は、装置２６０で発生したプラズマ中に１種以上の反応性ガスを注入し、物品２５８の表面上に１種以上のコーティングを堆積させることを含む。プラズマが衝突する物品２５８の表面は、平面でも非平面でもよい。装置２６０は、１種以上のプラズマが物品２５８の表面に衝突する他のプラズマ処理を施すこともできる。他のプラズマ処理には、特に限定されないが、物品２５８の１以上の表面のプラズマエッチング、物品２５８の加熱、物品２５８の照明又は照射、及び物品２５８の表面の官能化（即ち、反応性化学種の生成）がある。

第一のアセンブリ２６２及び第二のアセンブリ３６２の１以上で発生されるプラズマは、膨張熱プラズマ（ＥＴＰ）である。ＥＴＰ中では、１以上の陰極２７２と陽極板２７０との間で生じたアーク中でプラズマ源ガスが電離して陽イオン及び電子を生成することでプラズマが発生される。例えば、アルゴンプラズマを発生する場合、アルゴンが電離してアルゴンイオン（Ａｒ^＋）及び電子（ｅ⁻）を生成する。次いで、プラズマを低圧で大きな体積に膨張させることによって、電子及び陽イオンを冷却する。本発明では、プラズマ発生室２８６内でプラズマを発生させ、流出口２７６を通して堆積室４００内に膨張させる。プラズマ発生及び表面処理プロセスの特性は、特に限定されないが、プラズマ発生室内の動作圧力、陰極と陽極との空間的位置関係を含むプラズマ発生室の幾何学的形状、陰極−陽極間電圧、プラズマ電流及びガス流量をはじめとするプラズマ発生プロセスの作業パラメーターの強い影響を受ける。図１について述べれば、本明細書中に開示されたプラズマ発生用アセンブリ１０は、プラズマ発生室間のばらつき及び再現性、製造の容易さ、並びにアセンブリのコストの問題と取り組んでいる。プラズマ発生用アセンブリの動作のばらつきの主たる発生源は、それを動作させる圧力及び電圧である。複数のプラズマ発生アセンブリ（複数のプラズマ源）を含む装置では、アセンブリ間の顕著なばらつきはコーティング堆積の均一性に影響を及ぼし、最終的にコーティング自体の性能に影響を及ぼすことがある。加えて、複数のプラズマ発生アセンブリを含む通常の装置では、プラズマ発生アセンブリ間のばらつきは部分的には陰極チップの相対位置及び陽極と陰極とのギャップの変動によって引き起こされる。さらに、多重プラズマ源式コーティング装置を構成する個々のプラズマ発生アセンブリは有限の寿命を有するので、プラズマ発生アセンブリの１以上がサービスを必要とする確率は、単一のプラズマ発生アセンブリを含むプラズマコーティング装置の場合より相対的に高い。通例、個々のプラズマ発生アセンブリのサービス（即ち、修理又は交換）を行うためには、関連する堆積室のガス抜きをしなければならず、またサービスのために個々のプラズマ発生アセンブリを堆積室から取り外すのでプラズマ発生及び堆積プロセスを停止しなければならない。実際には、多重プラズマ源式堆積装置中のただ１つのプラズマ発生アセンブリのサービスはプロセス全体を停止させ、作業停止時間及び生産上の損失を生じる。プラズマ源の交換のために作業停止時間が増加することに加え、反応器のガス抜きは反応器の内壁上のコーティングを湿気にさらして剥落させ、クリーニングのために追加の作業停止時間が必要になる。最後に、現在使用されているアークデザインは相異なる公差を有する個別機械加工部品を要求するのが通例であるので、相異なる寸法を有する各種の予備機械加工「ブランク板」を、交換のために必要な部品への機械加工のために貯えておく必要がある。これは保守のためのコスト及び作業停止時間を増加させる。

所望プラズマの化学的性質に応じ、供給ライン（図示せず）を通してプラズマに反応剤が供給される。例えば、１つのラインを通して酸素ガスを供給し、別のラインを通して亜鉛を供給し、さらに別のラインを通してインジウムを供給することによって、基材２０２上に酸化インジウム亜鉛フィルムを形成できる。酸化亜鉛フィルムを堆積させる場合には、酸素及び亜鉛のみを供給すればよい。例示的な堆積用反応剤には、酸化物、窒化物、フッ化物、炭化物、硫化物及びポリマーコーティングを形成するための酸素、亜酸化窒素、窒素、アンモニア、二酸化炭素、フッ素、硫黄、硫化水素、シラン、オルガノシラン、オルガノシロキサン、オルガノシラザン及び炭化水素がある。同様にして酸化物、フッ化物及び窒化物を堆積させ得る他の金属の例は、第ＩＩＩ、ＩＶ及びＶａ族金属並びに第ＩＩＩ及びＩＶｂ族金属、例えばアルミニウム、スズ、チタン、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム及びセリウムである。別法として、酸素及びヘキサメチルジシロキサン、テトラメチルジシロキサン又はオクタメチルシクロテトラシロキサンを供給することでシリカ系ハードコートを形成できる。ＥＴＰで堆積させ得る他の種類のコーティングも使用できる。

処理基材又は被覆基材は、金属、半導体、セラミック、ガラス又はプラスチックを含む任意適宜の材料からなり得る。プラスチック及び他のポリマーは、広範囲の用途で有用な物理的及び化学的性質を有する商業的に入手可能な材料である。例えば、ポリカーボネートは、優れた耐破壊性を有するため、自動車前照灯、保護シールド、眼鏡及び窓のような多くの製品でガラスの代わりに使用されている１群のポリマーである。しかし、多くのポリカーボネートは、低い耐摩耗性及び紫外（ＵＶ）線暴露による劣化に対する感受性のような性質も有している。したがって、未処理ポリカーボネートは、様々な原因によって紫外線及び物理的接触に暴露される用途（例えば、自動車用及びその他の窓）では通常使用されない。一実施形態では、被覆基材２０２はポリカーボネート、コポリエステルカーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド又はアクリル樹脂のような熱可塑性樹脂である。この文脈中で「ポリカーボネート」という用語は、ホモポリカーボネート、コポリカーボネート及びコポリエステルカーボネートを包含する。

１０プラズマ発生用アセンブリ
１２陰極板
１４陰極チップ
１６隔離板
１８カスケード板
２０ガス用入口
２２陽極板
２４プラズマ発生室
２６ガスケット
３４開口
３６拡張開口
４２水入口
４４水出口

Claims

（ａ）陰極板の一体部分である固定陰極チップを含む陰極板、
（ｂ）１つ以上のカスケード板、
（ｃ）前記陰極板と前記カスケード板との間に配設された１つ以上の隔離板、
（ｄ）陽極板、及び
（ｅ）ガス用入口
を備えたプラズマ発生用アセンブリであって、
前記陰極板、隔離板、カスケード板及び陽極板が互いに電気絶縁されており、前記電気絶縁された陰極板、隔離板及びカスケード板がプラズマ発生室を画定し、前記固定陰極チップが前記プラズマ発生室内に配設されていて、
前記陰極板、前記１つ以上のカスケード板、前記１つ以上の隔離板及び前記陽極板の各々が内部冷却路を備え、前記内部冷却路が、前記陰極板、カスケード板、隔離板及び陽極板の各々に画定された同軸穴を介して互いに接続されていて、前記内部冷却路の一部が、１つ以上の入口と１つ以上の出口との間における冷却媒体用の複数の回路を画定し、前記複数の回路のうちの一つの回路が、前記陰極板、前記隔離板、前記カスケード板及び前記陽極板の各々の内部に配置されている、アセンブリ。
電気絶縁が、Ｏリングを伴う電気絶縁スペーサー及びガスケットからなる群から選択される部品を窒化ホウ素製の中心リングと共に使用する技術の１つによって達成され、前記電気絶縁スペーサー及びガスケットの厚さは前記中心リングより大きい、請求項１記載のアセンブリ。
前記陰極板、隔離板及びカスケード板の各々が厚さによって特徴づけられ、前記厚さが略等しい、請求項１記載のアセンブリ。
前記陰極板、隔離板及びカスケード板が銅（Ｃｕ）からなる、請求項１記載のアセンブリ。
前記隔離板が直径を有するように形成された開口を有し、前記直径が前記プラズマ発生室の直径を画定し、前記カスケード板がプラズマ流のための制限通路を含み、前記制限通路が前記プラズマ発生室の前記直径より小さい直径を有する、請求項１記載のアセンブリ。
前記冷却媒体が水である、請求項１記載のアセンブリ。
（ａ）堆積室と、
（ｂ）請求項１から６のいずれか一項に記載の１つ以上のアセンブリと
を備えた基材の表面処理用の堆積装置。
堆積室と、
１つ以上のプラズマ発生用アセンブリと
を備えたプラズマ堆積用装置であって、前記プラズマ発生用アセンブリが、
（ａ）１つ以上の陰極板と、１つ以上のカスケード板と、隔離板又は陰極ハウジングの少なくとも一方とを含むレトロフィット可能なサブアセンブリであって、前記隔離板又は陰極ハウジングが前記陰極板と前記カスケード板との間に配設されている、サブアセンブリと、
（ｂ）陽極板と、
（ｃ）ガス用入口と
を備え、
前記陰極板、隔離板又は陰極ハウジング、カスケード板及び陽極板が互いに電気絶縁されており、前記電気絶縁された陰極板、隔離板又は陰極ハウジング、及びカスケード板がプラズマ発生室を画定し、前記陰極板が前記プラズマ発生室内に配設されていて、
前記陰極板、前記１つ以上のカスケード板、前記１つ以上の隔離板及び前記陽極板の各々が内部冷却路を備え、前記内部冷却路が、前記陰極板、カスケード板、隔離板及び陽極板の各々に画定された同軸穴を介して互いに接続されていて、前記内部冷却路の一部が、１つ以上の入口と１つ以上の出口との間における冷却媒体用の複数の回路を画定し、前記複数の回路のうちの一つの回路が、前記陰極板、前記隔離板、前記カスケード板及び前記陽極板の各々の内部に配置されていることを特徴とする装置。
前記レトロフィット可能なサブアセンブリが、プラズマ堆積室内に１トル以下の真空を維持しながら前記プラズマ発生用アセンブリから取外しできる、請求項８記載の装置。
前記陰極板が固定陰極チップを含む陰極板であり、前記固定陰極チップが前記陰極板の一体部分である、請求項８記載の装置。