JP6644070B2 - 粒子の選択的除去を一体化する溶射方法 - Google Patents

Description

本発明は、準最適な供給原料の堆積を飛散中に連続的に削減すると共に、付着性がより低い供給原料及び表面処理グリット粒子などのデブリを基板及びコーティングから現場で除去するための方法を、溶射システムに一体化することに関する。

図面のうちの図１を参照すると、従来の溶射は、チャンバ２で生成された高温ガス１の連続的なフローが放出ノズル３を通され、軸５を有する発散的ガス柱４を形成するコーティング方法である。柱４はノズル３と同軸である共にノズル出口から基板表面６に延在し、基板表面６において、ガス柱４は表面スポット７に突出する。ガス柱の縁部への大気の混入により、ガス柱内の温度はガウス分布９に従い（図１）、温度は軸５からの距離に伴って低下する。また、ガス柱の縁部への空気の混入は、ガスの速度を同様のガウス分布９に従って軸５からの距離に伴って低下させる。溶射ガス柱におけるピーク温度（軸５の付近）は、１０，０００℃を超える値に至る場合がある。その一方で、ガス速度は、１秒当たり数百メートル〜超音速にわたる場合がある。ガスを加熱するための主な方法は、２つ存在する。

１）燃焼チャンバ：燃焼性のガスと酸素又は空気との混合物が点火され、ノズルを通じて超音速（及び亜音速）で放出される。

２）プラズマトロン：プラズマトロンは、アークチャンバを含み、ガスの混合物がチャンバを通じて連続的に供給されると同時に、電気アークをカソードとアノードとの間で生成する。ガス混合物は電気アークによって加熱され、高温高速のプラズマ流としてノズルを通じて放出される。Ｄｅｌｃｅａによる（特許文献１）には、高エンタルピー（ＨＥ）のプラズマ流を放射することのできる１つの好ましいプラズマトロンが示されている。

供給原料材料が、１つ又は複数の注入装置１０を介してガス柱に注入される。供給原料材料はガス柱に同伴されるようになり、ガス柱が熱及び運動量を供給原料材料に伝え、基板表面に供給原料材料を高速で衝突させ、基板表面に供給原料材料が付着して、コーティング１１が形成される。溶射コーティングは、主に物理的な力によって基板に付着する。この事実に起因して、典型的には、基板表面は、表面粗さを増大させると共にコーティングが付着可能な固定ポイントを提供するために、コーティングプロセスに先立って、高速研磨性粒子によるブラストによって前処理が施される。それに加えて、基板に衝突する粒子は、衝撃中に層状構造（一般にスプラットと呼ばれる）へと変形するのに十分な融解状態及び速度を達成するために、最適な温度及び速度範囲になければならない。層状構造は、下部の表面に物理的に結合する能力を高めるものである。最適な厚さのコーティングを形成するために、２つ以上のスプラット層が通常は必要であり、その場合、何度かの重複するパスが実施される。パスは概して、ガス柱軸が表面６に対して矢印８によって示されるとおりに動くことから成る。

従来の溶射において、供給原料材料は、一般的には数ミクロン〜数十ミクロンのサイズの様々なコーティング材料の粉末である。粉末は、典型的には搬送ガスのフローを使用して、高温ガス柱に注入される。高温ガス流は、熱及び運動量を粉末に伝え、粉末を融解させると共に基板表面に衝突させて、コーティングを形成する。技術的及び経済的な制約により、溶射粉末は比較的幅広い粒子サイズを有しており、このことは問題を含んでいる。その理由は、粒子が大きいほど、衝突間にスプラットを形成するために必要な熱及び運動量が、より小さい粒子に比べて大きくなるためである。

サスペンション溶射（ＳＴＳ）において、供給原料材料は、液体媒体に懸濁した粒子から成る。この懸濁液のフローが、供給原料材料を高温ガス柱に注入するために使用される。したがって、液体媒体が、従来の溶射において使用される搬送ガスに取って代わる。従来の溶射粉末と比較して、これらの粒子は著しく小さく、概してサブミクロン〜ナノミクロンの範囲である。懸濁液にも様々な固体粒子のサイズが存在するが、その範囲は概して従来の溶射粉末のそれよりも小さい。高温ガス流柱への注入の際、懸濁液の液体溶媒はガス柱の熱によって蒸発する。その後、熱及び運動量が引き続き粒子に伝えられ、粒子は融解されると共に基板表面に衝突させられて、コーティングを形成する。

従来の粉末及び懸濁液供給原料にみられる粒子サイズのばらつきは、噴霧プロセスにとっては有害である。理想的には、全ての供給原料粒子が、軸５に沿ったガス柱の最も熱く最も速いコア領域において同伴されると共に移動しなければならない。しかしながら、この注入方法（搬送ガス又は液体媒体を問わない）は、典型的には全ての供給原料粒子に対しておよそ同じ速度を与える。結果として、図面のうちの図１に示されるとおり、注入条件及びガス柱条件に最適なサイズの供給原料粒子１２のみがガス柱４の軸５付近にとどまり、これにより、供給原料粒子１２が、高品質なコーティングを得るのに必要な温度及び速度で基板と衝突させられることになる。最も大きく最も重い粒子１３は、ガス柱４に対してより遠くまで進入し、ガス柱４において供給原料注入装置１０の反対側にある、より冷たくより速度の低い領域において、コア領域の外側を移動する傾向がある。より冷たくより速度の低い領域において、粒子１３は、基板に衝突する際にスプラットを形成するのに十分な熱及び運動量を受けとらない。そのため、それらは基板に良好に付着せず、高品質なコーティングの中央領域を囲む環状の領域に、準最適な堆積物を形成する。同様に、最も小さく最も軽い供給原料粒子１４は、高品質なコーティングの中央領域を囲む環状の領域に、準最適な堆積物を形成する。その理由は、これらの粒子はガス柱のコアに進入できず、代わりに、温度及び速度が準最適である縁部を移動するからである。コーティングは、典型的には複数の堆積層を作るための重複するパスによって作られるため、準最適な堆積物がコーティングに閉じ込められ、コーティングの接着性及び完全性を低下させる可能性がある。結果として、コーティング強度は、コーティングにおける準最適な堆積物の形成又は閉じ込めを減らすことによって向上する。準最適な堆積物の形成は、供給原料における最適なサイズの粒子の割合を増加することによって減らすことができるが、しかしながら、粒子サイズの範囲を狭めることは、コーティングプロセスの総コストを著しく増加させる傾向がある。代替的に、望ましくない準最適な堆積物の閉じ込めは、コーティングパスの間にこれらの堆積物を表面から取り除く（clean off）ことによって減らすことができる。

溶射コーティングを施す前に望ましくない材料を表面から取り除くために一般的に使用される技術は、加圧ガスの噴流を表面に向けることを含む。多くの場合、圧縮された噴流のみでは十分に取り除くことができず、そのため、より積極的に取り除くために、ドライアイス又は研磨性セラミックグリットなどの固体粒子が噴流に添加される。研磨性グリットブラストの場合、取り除かれる領域に隣接する、コーティングされた領域が、当該コーティングへの損傷を防ぐために、グリットから覆い隠されるか遮蔽されることが一般に必要である。加えて、グリットブラストプロセスは塵埃粒子を表面上に残し、この塵埃粒子は、コーティングに閉じ込められることがあり、またコーティングの接着性及び完全性を低下させることもある。これらのブラスト技術により、溶射コーティング塗布のために必要とされるものとは別個の装置が使用される。結果として、設備投資、補修管理コスト、及び、ブラスト装置が望ましくない材料を除去している間に溶射プロセスが中断される場合、コーティング製造時間のための追加的な出費が生じる。

供給原料注入は停止することができ、別個の装置を必要とせずに準最適な堆積物を表面から取り除くために、高温ガス柱を使用することができるという議論もあり得る。このアプローチは実現可能ではない。その理由は、ガスからの熱が準最適な堆積物を部分的に又は完全に融解させる可能性があり、これは準最適な材料が冷めた後で、準最適な材料の接着性の増大をもたらすためである。さらに、準最適な堆積物の接着性が高温ガス柱により増大するとしても、この融解及び冷却プロセスの結果としての物理的結合及び表面仕上げは、融解粒子の高速衝突によって生じるものと同等ではない。

Ｄｅ Ｖｒｉｅｓらによる（特許文献２）は、原子層堆積技術を教示している。供給原料と同一の化学特性を有するコーティングを堆積するために、供給原料はプラズマに注入されない。むしろ、反応性ガスの混合物が反応チャンバに供給され、反応速度を高めるためにプラズマが別個に導入される。ガスからのイオンが、基板に化学的に結合して原子層を形成する。次いで水蒸気が、付加的方法又は置換による方法の何れかによって表面に結合する反応剤として、基板表面に沿って周期的に注入されて、表面の化学的性質を変化させる。このようにして、Ｄｅ Ｖｒｉｅｓらは、表面の望ましくない原子／分子の既存の化学結合をランダムに破壊するためにより反応性の高い種を使用すると、結果として、より反応性の高い種が望ましくない原子／分子に置き換わると共に表面の化学的性質を変えることを教示している。Ｄｅ Ｖｒｉｅｓらの技術は、化学的な力の代わりに物理的な力によって結合が生じる溶射プロセスには移転可能でない。例えば、何らかの未知の理由により、Ｄｅ Ｖｒｉｅｓらによって教示されているとおりにコーティングを溶射しつつ基板表面に沿って水蒸気を注入しようと考える可能性があったとしても、そのことにより、準最適な供給原料粒子が付着を防ぐのに十分な程度に冷却されるという結果にはならない可能性が高く、水蒸気速度が緩く付着した準最適な堆積物を除去することができない可能性も高い。そのため、そのようなことを行うのは当然ではない、というのが本発明者らの考えである。

Ｍａらによる（特許文献３）は、燃焼チャンバと、プルームを基板に向かって放出するためのノズルとを使用する、溶射システムを教示している。有機／無機金属塩の混合物又は小さいサイズの固体粒子の水若しくは揮発性溶媒における懸濁液を含み得る液体媒体からなる供給原料材料が、プルームに注入される。水及び固体粒子は単一の供給原料として予め混合され、同じ貯蔵器からの混合物としてプルームに供給される。固体粒子のキャリアとして、水を含む懸濁液がＭａらによって用いられているが、その理由は単に、ガスをキャリアとして使用する微粒子（サイズが１０マイクロメートル未満）を供給することが難しいからである（段落０００７）。Ｍａらは、プルームにおける固体粒子から分離された水などの液体の、プルームへの注入を教示しておらず、そのような分離を達成するための条件も実施形態の説明の中で開示していない。さらに、Ｍａらは、形成されるコーティングの堆積特性又は構造を修正するための液体注入を教示していない。

Ｋａｗａｇｕｃｈｉらによる（特許文献４）は、半導体ウエハ製造が、雰囲気ガス及び水蒸気に露出されると、ガス状反応物を放出（「アウトガス」）する残渣を生じ得ることを教示している。これらの反応物は、部品又は加工装置に対して汚染又は腐食問題を生じる可能性がある（段落０００２６）。この問題を解決するために、Ｋａｗａｇｕｃｈｉらは、真空チャンバ内に閉じ込められた静的で低温のグロー放電プラズマを生じる装置を使用して、残渣を含有するウエハを予め加熱することを説明している（段落００３１）。このとき、残渣の化学的性質に依存して、ウエハは酸素含有ガス又は水素含有ガスに露出され、このうちいずれかは水蒸気であり得る（段落００２９）。この露出は、問題を含む反応物を放出すると共にそれらを非腐食性で揮発性の種に変え、これらはその後、ガスを排出することによって真空チャンバから除去される（段落００３０）。Ｋａｗａｇｕｃｈｉらによって教示された残渣の除去は、本質的には、真空条件下で静的に実施され、望ましくない材料をガスに変えるように設計された反応性の高い熱処理である。このプロセスは、半導体産業における化学及び関心に固有のものである。このような除去メカニズムは、機械的転置、すなわち粒子とデブリとの衝突によって最も良好に除去される、比較的非反応性であり、化学的に結合していないデブリを含む大気において実施される溶射プロセスには当てはまらない。

Ｓｃｈｌｉｅｎｇｅｒらによる（特許文献５）は、熱印加コーティングを噴霧するためでなく、むしろゴミを加熱して焼却炉チャンバの底部に位置する回転盤へ圧縮するために、プラズマトーチを使用することを教示している。圧縮及び焼却の後で、チャンバから処理済みのゴミを出して空にし、プロセスが再開される。トーチは、プラズマプルームが回転盤上に向けられた状態で、焼却炉の上部蓋を通じて取り付けられる。処理されるゴミは、液体形状はもちろん固体形状であってもよい。固体及び液体のゴミはプラズマプルームに注入されず、それらは両方とも、プラズマプルームから離れたところに位置する１本の管を通じて供給される（図面の部品２２及び第３欄６〜７行）。Ｓｃｈｌｉｅｎｇｅｒらは、固体及び液体材料をプラズマトーチによって発生させたプラズマに送り込むことを教示しているが、プロセスの目的は供給原料を破壊することである。したがって、Ｓｃｈｌｉｅｎｇｅｒらは、望ましい供給原料を最大限保持しようとする溶射コーティングプロセスにおいて明らかに利用可能な条件を何ら提供していない。さらに、Ｓｃｈｌｉｅｎｇｅｒは、供給原料粒子がプルーム内で処理される方法に影響を及ぼす目的で、液体がプラズマプルームに直接注入されるための条件を、何ら提供していない。

Ｒｏｓｅｎｆｌａｎｚらによる（特許文献６）は、非晶質材料又はガラス材料を製造することを目的として、供給原料材料を処理するためのプラズマトーチの使用を教示している。様々なセラミック粒子の供給原料が、プラズマプルームに送り込まれるように、搬送ガスの中に懸濁される。所定の長さのプラズマプルームに送り込まれると、供給原料粒子は加熱及び融解されて液滴になる。Ｒｏｓｅｎｆｌａｎｚらは、液体を同様にプラズマプルームに注入することに関しては、規定していない。代わりに、Ｒｏｓｅｎｆｌａｎｚらは、融解した供給原料を冷却して球又は玉の形態の粒子にするために、プルーム及び供給原料材料を液体内に噴霧することを教示しており、このプロセスをコーティング製造のプロセスから分離している（パラグラフ０１０４）。

米国特許第６，１１４，６４９号 米国特許出願公開第２００９／０３２４９７１Ａ１号 米国特許出願公開第２００８／００７２７９０号 米国特許出願公開第２００４／０２０３２５１号 米国特許第４，７７０，１０９号 米国特許出願公開第２００７／００８４２４４Ａ１号

上記の技術及び先行技術はいずれも、溶射コーティングプロセス中に表面デブリを制御された方法によって現場で除去しつつ、飛散中に準最適な供給原料粒子の堆積を削減することを可能にしていない。したがって、準最適な特性を有する粒子のコーティングへの閉じ込めを回避するこれらの手段の両方を提供することが望ましいはずである。

本発明は、準最適な供給原料の堆積を飛散中に連続的に削減するため、並びに、付着性がより低い供給原料及び表面処理グリット粒子などのデブリを基板及びコーティングから現場で除去するための方法を、溶射システムに一体化することに関する。

本発明の一態様において、基板表面にコーティングを形成するために一体化された方法が使用される。この方法は、加熱ガスの源、及び、加熱ガスを自身と同軸のガス流柱に成形するためのノズルとを提供するステップであって、柱は基板表面のスポットに突出する、ステップと、供給原料をガス流柱に注入するのに使用されると共に液体をガス流柱に注入するのに使用される、１つ又は複数の注入装置を提供するステップと、供給原料プロファイルを確立して、供給原料プロファイルの一部を最適であると定めると共に残部を準最適であると定めるステップと、柱の軸の周囲に巻くように配置される１つの第１領域と、第１領域を囲むと共に第１領域と同軸である第２領域とを含む、２つの体積領域をガス流柱内に定めるステップであって、第１領域は基板表面のスポットに突出し、第２領域は基板表面の環状リングに突出し、環状リングはスポットと同軸であると共にスポットを囲む、ステップと、供給原料をガス流柱に注入し、最適な供給原料が流の第１領域に同伴され、その一方で準最適な供給原料が流の第２領域に同伴されるように、ガス流柱内への供給原料進入の深さを制御するために注入パラメータを調整するステップと、液体をガス流柱に注入し、液体が実質的に流の第２領域内に同伴されるように、ガス流柱内への液体進入の深さを制御するために注入パラメータを調整するステップであって、液体は流の第２領域内に同伴された供給原料の準最適な部分の温度を低下させ、温度低下は準最適な供給原料の基板表面への付着を抑える又は防ぐのに十分である、ステップと、液体をガス流柱に注入し、液体が実質的に流の第２領域内に同伴され、液体が基板に衝突して基板上のデブリ又は基板内に埋め込まれたデブリを除去するように、ガス流柱内への液体進入の深さを制御するために注入パラメータを調整する、ステップと、ガス流柱の第１領域によって表面に突出されたスポット内から実質的に供給原料を堆積させることによって、基板表面にコーティングを形成するステップであって、コーティングは、したがって、最適な温度及び速度条件で堆積された供給原料から実質的に構成される、ステップとを含む。

本発明の別の態様において、基板表面にコーティングを形成するよう適合された溶射装置は、加熱ガスの源と、加熱ガスを自身と同軸のガス流柱に成形するためのノズルであって、柱は基板表面のスポットに突出するよう適合される、ノズルと、複数の注入装置であって、当該複数の注入装置は、供給原料をガス流柱に注入するように位置づけられた少なくとも１つの注入装置、及び、液体をガス流柱に注入するように位置付けられた少なくとも１つの注入装置を含み、注入装置は供給原料プロファイルを確立するよう構成され、供給原料プロファイルの第１部分は最適であると共に残部は準最適であり、第１部分及び残部は、柱の軸の周囲に巻くように配置される第１領域、及び、第１領域を囲むと共に第１領域と同軸である第２領域を含む、ガス流柱内の２つの体積領域を画定し、第１領域は基板表面のスポットに突出し、第２領域は基板表面の環状リングに突出し、環状リングはスポットと同軸であると共にスポットを囲む、複数の注入装置と、制御装置及び弁であって、供給原料をガス流柱に注入し、最適な供給原料が流の第１領域に同伴され、その一方で準最適な供給原料が流の第２領域に同伴されるように、ガス流柱内への供給原料進入の深さを制御するために注入パラメータを調整するために、注入装置のうちの少なくとも１つに接続された制御装置及び弁とを含む。制御装置及び弁は、液体をガス流柱に注入するため、及び、液体が実質的に流の第２領域内に同伴されるように、ガス流柱内への液体進入の深さを制御するために注入パラメータを調整するために、注入装置のうちの少なくとも１つに接続され、液体は流の第２領域内に同伴された供給原料の準最適な部分の温度を低下させ、温度低下は準最適な供給原料の基板表面への付着を抑える又は防ぐのに十分である。

より下位の形態において、装置の制御装置及び弁は、ガス流柱の第１領域によって表面に突出されたスポット内から実質的に供給原料を堆積させることによって、基板表面にコーティングを形成するように構成され、コーティングは最適な温度及び速度条件で堆積された供給原料から実質的に構成される。

本発明のこれらの並びに他の特徴、利点、及び目的は、以下の明細書、特許請求の範囲、及び添付図面を参照することにより、当業者により更に理解及び評価されるであろう。

ノズルから基板表面に延在する高温ガス柱を提供する、従来の溶射プロセスの概略的表現を示す側面図（１）及び端面図（１ａ）である。コーティングは、ガス柱が突出して基板表面に設けられた基板表面のスポット内に堆積される。 溶射方法の好ましい実施形態における、１つのステップを示す側面図（２）及び端面図（２ａ）である。２つの同軸の体積領域がガス柱内に画定され、より熱くより速い第１領域１５がガス柱の軸５を囲み、より冷たくより遅い第２領域１６が領域１５の周囲に巻くように配置される。 粒子サイズと数の関係を示すグラフである。 溶射システム及び方法の好ましい実施形態における、１つのステップを示す側面図（３）及び端面図（３ａ）である。供給原料は注入装置１９を介して注入され、最適な供給原料粒子は領域１５内に同伴され、準最適な粒子は領域１６の上部内に同伴される。同様に示されるのは、液体が実質的に第２領域１６の上部内に同伴されるようになるように、液体を注入するのに使用される液体注入装置２１である。 溶射システム及び方法の好ましい実施形態における、別のステップを示す側面図（４）及び端面図（４ａ）である。供給原料は注入装置１９を介して注入され、最適な粒子は領域１５内に同伴され、準最適な粒子は領域１６の上部及び下部内に同伴される。２つの相対する液体注入装置２１，３１も示されている。注入装置は、液体が実質的に領域１６の上部及び下部内にそれぞれ同伴されるようになるように、注入するために使用される。 溶射システム及び方法の好ましい実施形態における、別のステップを示す側面図（５）及び端面図（５ａ）である。供給原料は相対する注入装置１９，２５を介して注入され、最適な粒子は領域１５内に同伴され、準最適な粒子は領域１６の上部及び下部内に同伴される。２つの相対する液体注入装置２１，３１が同様に示されている。これらの注入装置は、液体が実質的に領域１６の上部及び下部内に同伴されるようになるように、液体を注入するために使用される。 ノズル３の概略正面図である。複数の供給原料注入装置１９，２５及び複数の液体注入装置２１，３１が軸５の周囲に配置されている。 本方法の好ましい実施形態を示す側面図（７）及び端面図（７ａ）である。コーティングが堆積され、本発明において説明される方法の交互のステップによって、基板表面がクリーンにされる。

溶射装置／システム及び方法は、準最適な供給原料の堆積を飛散中に連続的に削減するために、並びに、付着性がより低い供給原料及び表面処理グリット粒子などのデブリを現場で基板及びコーティングから除去するために、提供される。装置（図２）は、基板表面６のスポットに突出する高温ガス柱４を生成するために使用される、高温ガス発生器２及びノズル３を含む。本発明の例示的な実施形態において、高温ガス柱特性、コーティング性能要件、及び供給原料特性が組み合わさって、最適な供給原料サイズの範囲を定める。したがって、この範囲外にあるどの粒子サイズも、準最適又は望ましくないと分類される。上で言及したとおり、最適寸法内にある粒子のみからなる供給原料サイズ分布は、非現実的である。実際には、最も効率的なシナリオは、図２ｂに概略的に示されるとおり、供給原料粒子サイズ分布を最適なサイズ範囲内に集中させることである。したがって、ガス柱４において、各区分からの供給原料粒子の所在は、２つの体積領域、すなわち領域１５及び領域１６を画定する。

領域１５は、軸５を囲むと共に基板表面６の中央スポット１７に突出する。この領域は最適な供給原料粒子の所在によって特徴付けられ、領域１５において生じる粒子温度及び速度条件が表面６に最適なコーティングを生じさせることを意味している。

領域１６は、領域１５を囲むと共に、基板表面６における中央スポット１７を囲む環状の領域１８に突出する。領域１６は準最適な供給原料粒子の所在によって特徴付けられ、したがって、領域１６において生じる粒子温度及び速度条件は、表面６に最適なコーティングを生じさせるには不十分である。結果として、領域１８は、準最適な粒子の堆積によって形成される。

図３は、システムが、供給原料２０をガス柱に注入するための第１注入装置１９と、液体２２をガス柱に注入するための第２注入装置２１とを含む実施形態を示しており、第２注入装置は第１注入装置の下流に、第１注入装置に隣接して位置付けられた状態で示されている。この実施形態について、供給原料粒子サイズ分布は歪められ、最適なサイズ範囲内の粒子のみからなる。結果として、注入装置１９のサイズ及び供給原料注入の速度は、領域１５への最適な供給原料粒子２３の進入を生じさせる。その一方で、準最適な供給原料粒子２５は、領域１６の上部に限定される。領域１５に同伴された最適な供給原料粒子２３は、基板表面６に衝突し、スポット１７に限定された最適な品質のコーティング２４を形成するのに十分な熱及び運動量を高温ガス流から移される。領域１６の上部に同伴された準最適な供給原料粒子２５は、液体２２によって冷却され、これは装置２１のサイズ及び液体注入の速度を調整することによって、領域１６の上部に主に同伴される。図３に示されるとおり、液体２２によって生じる冷却は、準最適な供給原料粒子がスプラットの形成が妨げられるポイントまで融解する程度を減らすことができ、冷却された準最適な供給原料粒子２７が表面６に当たって付着せず、コーティングを形成せずに跳ね返るようにする。したがって、液体２２及び冷却された準最適な供給原料粒子２７は、表面６に衝突可能であると共に研磨媒体として機能することができ、スポット１７の移動及びコーティング２４の形成よりも早く、表面デブリ２６によって表される弱く付着した供給原料及びグリット粒子を除去する。さらに、表面６において研磨媒体として機能する液体２２及び冷却された準最適な供給原料粒子２７は、グリット粒子２８などが埋め込まれた表面デブリを取り除くことができ、それらを表面から除去すると共にそれらがコーティングに閉じ込められないようにする。さらに、高温ガス流による加熱及び衝突する液体による冷却は、表面６及び弱く付着した／埋め込まれたデブリ粒子２６，２８の拡張及び収縮を、それぞれ、それらのデブリ粒子の表面からの除去を支援するような方法で引き起こすことが可能である。強化された研磨性プロセスが求められる場合、液体２２はシリコン又はアルミニウム酸化物などの研磨性微粒子の懸濁液を含有してもよい。微粒子は領域１６の上部に同伴され、そこで微粒子は、衝突の際に表面６に付着するのに必要な速度又は融解の程度を達成すること無く、表面６に向かって加速される。これらの微粒子は、したがってデブリ２６，２８の除去を増進する。

図４は、供給原料粒子サイズ分布がガウシアンであり、最適なサイズ範囲を下回る粒子と上回る粒子とを含有する実施形態を示している。この場合、供給原料流２０で注入された最適よりも大きい粒子２９は、領域１５を貫通して領域１６の下部に同伴されるようになる。これらの粒子２９は領域１６において十分な熱及び運動量を受け取らないため、これらは表面デブリ３０によって表される準最適な堆積物を形成し、これはスポット１７の移動及びコーティング２４の形成の後を追う。図３を参照して上記で検討されたとおり、最適よりも小さい供給原料粒子２５は、領域１５に進入するのに十分な運動量を有していない。結果として、準最適な供給原料粒子２５は、表面６に衝突した際に最適なコーティング２４を形成するのに十分な熱及び運動量を受け取らない領域１６に同伴し、そのため、それに代えて、準最適な供給原料粒子２５は表面デブリ２６に加わる。表面デブリ２６，３０と関連するネガティブな状況は、図４の好ましい実施形態に示されるとおり、相対する液体注入装置２１，３１を組み込むことによって解決される。注入装置３１のサイズ及び注入の速度は、液体３２の同伴が実質的に領域１６の下部内で生じるように調整される。次いで、幾つかの粒子２９が液体３２によって冷却され、基板に付着するのには不十分な程度に融解して基板に衝突し、これらの冷却された準最適な供給原料粒子３３は、表面６に当たって付着せず、コーティングを形成せずに跳ね返る。したがって、液体３２及び準最適な供給原料粒子３３は、表面６に衝突可能であると共に研磨媒体として機能することができ、スポット１７の動き及びコーティング２４の形成の後を追って、領域１８の部分において弱く付着した表面デブリ３０を除去する。また、この除去の仕組みは、表面６からグリット粒子３４などの埋め込まれたデブリを除去することもできる。さらに、高温ガス流による加熱及び衝突する液体による冷却は、表面６及び弱く付着した／埋め込まれたデブリ粒子３０，３４の拡張及び収縮を、それぞれ、それらのデブリ粒子の表面からの除去を支援するような方法で引き起こすことも可能である。

領域１６の上部に関して、動きの仕組みは、図３を参照して上で説明されたものと同じである。液体２２による領域１６における準最適な供給原料粒子２５の冷却は、衝突の際の表面６への付着を減らす。図４に示されるとおり、幾つかの冷却された準最適な供給原料粒子２７が表面６に当たって、全く付着することなく跳ね返る。したがって、液体２２及び準最適な供給原料粒子２７は、表面６に衝突可能であると共に研磨媒体として機能することができ、スポット１７の移動及びコーティング２４の形成よりも早く、表面デブリ２６によって表される弱く付着した供給原料及びグリット粒子を除去する。さらに、表面６において研磨媒体として機能する液体２２及び準最適な供給原料粒子２７は、グリット粒子２８などの埋め込まれた表面デブリを取り除くことができ、それらを表面から除去すると共にそれらがコーティングに閉じ込められることを防ぐ。さらに、高温ガス流による加熱及び衝突する液体による冷却は、表面６及び弱く付着した／埋め込まれたデブリ粒子２６，２８の拡張及び収縮を、それぞれ、それらのデブリ粒子の表面からの除去を支援するような方法で引き起こすことが可能である。

出力の増加のためにより多量の供給原料が注入されることが求められる場合、複数の供給原料注入装置をガス流の軸５の周囲に分配することができる。図面のうちの図５は、図４に示されたシステムの別の好ましい実施形態を表しており、追加的な供給原料注入装置３５が供給原料注入装置１９の反対側に位置している。準最適な粒子及び表面デブリの注入及び除去の仕組みは、図３及び図４に示された実施形態について説明された仕組みのミラーである。

本発明の別の実施形態において、図面のうちの図６は、軸５の周囲に配置された複数の供給原料注入装置１９，３５及び複数の液体注入装置２１，３１を備えた、ノズル３の概略正面図を示している。

本発明を組み込む溶射システムの別の好ましい実施形態が、図面のうちの図７に概略的に示されている。ガス流柱がノズル３から基板表面６へと延在している状態で示されており、柱は軸５を囲む画定されたコア領域１５を有する。供給原料注入装置１９は、フロー制御弁３７を有する状態で示されている。同様に、液体注入装置２１は、フロー制御弁３８を有する状態で示されている。各注入装置のうちの１つが図７に示されている。しかしながら、制御弁３７，３８の両方に接続された注入装置を１つだけ組み込むこともできるし、又は、図６を参照して上で説明されたとおり、軸５の周囲に配置された複数の注入装置が用いられてもよい。図７に示される実施形態について、第１ステップにおいて、溶射システムが表面６に対して矢印８に平行に移動して、１層又は複数層のコーティング１１又は２４を、図１、３、４、又は５を参照して上で説明された方法によって堆積させる。第２ステップにおいて、供給原料フローが弁３７で止められ、液体が実質的にガス流の領域１５の範囲内に同伴されるように、液体速度が弁３８によって調整される。第３ステップにおいて、溶射システムが表面６に対して矢印８及び／又は矢印３９の方向に移動して、図３、４、又は５を参照して上で説明された方法により、デブリ粒子２６，２８を表面６及びコーティング１１又は２４から取り除く。第４ステップにおいて、制御弁３７が開かれ、供給原料及び液体フローが、１層又は複数層のコーティング１１又は２４を、図１、３、４、又は５を参照して上で説明された方法によって堆積するように調整される。

本発明の概念から逸脱することなく、前述の構造に変形及び修正が可能であることが理解される。さらに、そのような概念は、特許請求の範囲がそれらの言語で別段の定めを明示しない限り、後述の特許請求の範囲によってカバーされることを意図されることが理解される。

排他的な性質又は特権が主張される本発明の実施形態は、後述の通り定義される。

Claims (14)

1. 基板表面にコーティングを形成するために使用される一体化された方法であって、
   加熱ガスの源、及び、加熱ガスを自身と同軸のガス流柱に成形するためのノズルを提供するステップであって、前記柱は前記基板表面のスポットに突出する、ステップと、供給原料を前記ガス流柱に注入するのに使用されると共に液体を前記ガス流柱に注入するのに使用される、１つ又は複数の注入装置を提供するステップと、
   供給原料プロファイルを確立して、該供給原料プロファイルの一部を最適であると定めると共に残部を準最適であると定めるステップと、
   前記柱の軸の周囲に巻くように配置される１つの第１領域と、該第１領域を囲むと共に該第１領域と同軸である第２領域とを含む、２つの体積領域を前記ガス流柱内に定めるステップであって、前記第１領域は前記基板表面のスポットに突出し、前記第２領域は前記基板表面の環状リングに突出し、前記環状リングは前記スポットと同軸であると共に前記スポットを囲む、ステップと、
   供給原料を前記ガス流柱に注入し、前記最適な供給原料が前記流の前記第１領域に同伴され、その一方で前記準最適な供給原料が前記流の前記第２領域に同伴されるように、前記ガス流柱内への供給原料進入の深さを制御するために注入パラメータを調整するステップと、
   液体を前記ガス流柱に注入し、前記液体が実質的に前記流の前記第２領域内に同伴されるように、前記ガス流柱内への液体進入の深さを制御するために前記注入パラメータを調整するステップであって、前記液体は前記流の前記第２領域内に同伴された前記供給原料の準最適な部分の温度を低下させ、前記温度低下は前記準最適な供給原料の前記基板表面への付着を抑える又は防ぐのに十分である、ステップと、
   液体を前記ガス流柱に注入し、前記液体が実質的に前記流の前記第２領域内に同伴され、前記液体が前記基板に衝突して前記基板上のデブリ又は前記基板内に埋め込まれたデブリを除去するように、前記ガス流柱内への前記液体進入の深さを制御するために前記注入パラメータを調整する、ステップと、
   前記ガス流柱の前記第１領域によって前記表面に突出された前記スポット内から実質的に供給原料を堆積させることによって、前記基板表面にコーティングを形成するステップであって、前記コーティングは、したがって、最適な温度及び速度条件で堆積された供給原料から実質的に構成される、ステップと
   を含む、基板表面にコーティングを形成するために使用される一体化された方法。
2. 前記供給原料フローを止めるステップと、
   前記ガス流柱の前記第１領域に進入する液体の圧力及び速度を調整するステップと、
   デブリを除去することを目的として、前記コーティング及び前記コーティングに隣接する表面の一方又は両方にわたって、前記柱を動かすステップと
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記加熱ガスの源は燃焼チャンバである、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記加熱ガスの源はプラズマトロンである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記供給原料は粉末の形態である、請求項１又は２に記載の方法。
6. 前記供給原料は、コーティング材料の懸濁した微粒子を含有する液体を含むスラリーである、請求項１又は２に記載の方法。
7. 前記供給原料は粉末の形態である、請求項３に記載の方法。
8. 前記供給原料は、コーティング材料の懸濁した微粒子を含有する液体を含むスラリーの形態である、請求項３に記載の方法。
9. 前記供給原料は粉末の形態である、請求項４に記載の方法。
10. 前記供給原料は、コーティング材料の懸濁した微粒子を含有する液体を含むスラリーの形態である、請求項４に記載の方法。
11. 前記液体は水である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記液体は懸濁した研磨性微粒子を含有し、前記条件は前記研磨性粒子の付着を引き起こさないように調整される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 基板表面にコーティングを形成するのに使用される溶射装置であって、
    加熱ガスの源と、
    加熱ガスを自身と同軸のガス流柱に成形するためのノズルであって、前記柱は前記基板表面のスポットに突出するよう適合される、ノズルと、
    複数の注入装置であって、該複数の注入装置は、供給原料を前記ガス流柱に注入するように位置付けられた少なくとも１つの注入装置、及び、液体を前記ガス流柱に注入するように位置付けられた少なくとも１つの注入装置を含み、前記注入装置は供給原料プロファイルを確立するよう構成され、該供給原料プロファイルの第１部分は最適であると共に残部は準最適であり、前記第１部分及び前記残部は、前記柱の軸の周囲に巻くように配置される第１領域、及び、該第１領域を囲むと共に該第１領域と同軸である第２領域を含む、前記ガス流柱内の２つの体積領域を画定し、前記第１領域は前記基板表面のスポットに突出し、前記第２領域は前記基板表面の環状スポットに突出し、前記環状スポットは前記スポットと同軸であると共に前記スポットを囲む、複数の注入装置と、
    制御装置及び弁であって、前記供給原料を前記ガス流柱に注入すると共に前記ガス流柱内への供給原料進入の深さを制御するために注入パラメータを調整するために、前記注入装置のうちの少なくとも１つに接続される、制御装置及び弁と
    を含み、
    前記制御装置及び弁はまた、液体を前記ガス流柱に注入するため、及び、前記液体が実質的に前記流の前記第２領域内に同伴されるように、前記ガス流柱内への液体進入の深さを制御するために前記注入パラメータを調整するために、前記注入装置のうちの少なくとも１つに接続され、前記液体は前記流の前記第２領域内に同伴された前記供給原料の準最適な部分の温度を低下させ、前記温度低下は前記準最適な供給原料の前記基板表面への付着を抑える又は防ぐのに十分であり、
    それにより、前記ガス流柱の前記第１領域によって前記表面に突出された前記スポット内から実質的に前記供給原料を堆積させることによって、前記装置は前記基板表面にコーティングを形成することが可能となり、前記コーティングは最適な温度及び速度条件で堆積された供給原料から実質的に構成される、基板表面にコーティングを形成するのに使用される溶射装置。
14. 前記制御装置及び弁は、前記最適な供給原料が前記流の前記第１領域内に同伴され、その一方で前記準最適な供給原料が前記流の前記第２領域に同伴されるようにプログラムされる、請求項１３に記載の溶射装置。

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