JPH0533114A - 熱プラズマ発生法及び製膜装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、プラズマ溶射あるいは熱プラズマ
ＣＶＤ等で製膜する場合の熱プラズマ発生法と装置に関
するものであり、特に大面積基板へ均一に高スループッ
トで製膜できる製膜装置に関するものである 【構成】 奥行き方向に長い陰極１５とそれに沿った陽
極１９を設け、陰極先端部１７と噴出口２１を形成する
陽極１９との間で発生するアーク２５に略垂直に作用す
る磁界２６を付与する電磁石２７を設け、電磁石２７の
励磁コイル３２に印加する電流の方向を可変してアーク
２５を往復移動させる

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気的絶縁、熱的絶
縁、耐摩耗、耐蝕等や機能膜をプラズマ溶射あるいは熱
プラズマＣＶＤ等で製膜する場合の熱プラズマの発生方
法及びそれを用いた製膜装置に関するものであり、特に
熱プラズマ溶射、ＣＶＤ製膜の大面積化に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、溶射技術は、例えば耐摩耗、耐絶
縁膜等の製膜手法として古くから利用され、燃焼ガスを
その溶融手段として使うガス溶射や、電気エネルギーを
その溶融エネルギーとして使う電気式溶射等に大きく分
類される。さらに電気式溶射ではアーク溶射やプラズマ
溶射等が一般的であり、特に最近では溶射皮膜の膜質等
からプラズマ溶射法が注目されている。

【０００３】図４はプラズマ溶射装置の従来例を示した
ものである。水冷された陰極１と水冷された陽極２の間
に電源３によって直流アーク４を発生させ、後方から送
給するプラズマ作動ガス５をアーク４によって熱し、ア
ークプラズマ６としてノズル７から噴出させる。

【０００４】溶射材料は粉末で、キャリアガス８にのせ
てプラズマジェットの中に吹き込み加熱溶融し、かつ加
速して基板９表面に高速で衝突させて皮膜を形成するも
のである。この時作動ガスとしてはアルゴンや窒素ある
いはこれらのガスにヘリウム、水素を加えている場合が
多い。

【０００５】従来このようなプラズマ溶射トーチに於い
ては図に示すように陰極１と陽極２は同軸上にあり、ま
た噴出口７の面積は出力にもよるが最大で２〜３ｃｍ程
度であり、特に電子デスプレイ等の大型大面積基板を用
いて、溶射あるいはアークプラズマＣＶＤによって皮膜
を形成しようとすると、トーチと基板９の距離を大きく
して面積を稼ぐか、図５に示すように基板１０あるいは
トーチ１１をラバースしながら製膜領域１２を形成して
ゆく必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】基板とトーチ間の距離
を大きくすると基板に到達する溶融粒子の衝突速度が遅
くなり、それ故溶射皮膜としては気孔が多く凹凸の激し
い皮膜となるものである。また図５の様に基板１０ある
いはトーチ１１をトラバースする方法では、トラバース
する際、特に図のＹ軸方向１３への移動方向に膜厚むら
が生じるとか、トラバース装置が高価になるなどの欠点
を有しているし、また製膜に掛かる時間が長くなり量産
性に優れない等の欠点を有している。

【０００７】本発明はかかる点に鑑み、プラズマ溶射皮
膜やアークプラズマＣＶＤ皮膜を一括大面積に製膜出来
るアークプラズマ発生法及びそれを用いた製膜装置を提
供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】奥行き方向に長い陰極
と、プラズマ作動ガス通路空間を隔てて設けた陽極と、
陽極のプラズマ作動ガス下流部に設けた陰極先端部より
も下流に位置する断面が偏平スリット形状なプラズマ噴
出口とを具備し、前記陰極先端部と噴出口の陽極部との
間でアークを発生させ、印加電流の方向が変化する電磁
石のヨーク端面を、前記アーク柱に対して略垂直の磁界
を作用せしめるごとく所定距離を隔てて配置し、前記噴
出口下部に噴出口に開口する粉末あるいはガス供給口を
設けたものである

【０００９】

【作用】陰極先端部とプラズマ噴出口を形成する陽極間
でアークを発生させ、そのアークに略垂直に作用する磁
界を電磁石によって付与するとともに、電磁石に印加す
る電流の方向を変化することで、アークは奥行き方向に
長い陰極と陽極上を高速で往復移動し、そのアークにプ
ラズマ作動ガスを供給するとアークプラズマジェットと
してプラズマ噴出口より高速で噴出し、シート状のアー
クプラズマジェットを形成する。

【００１０】このときプラズマ噴出口下部に設けた粉末
あるいはガス供給口より、溶射粉末あるいはＣＶＤガス
を供給すると、奥行き方向に長いシート状プラズマを用
いた溶射あるいはＣＶＤ製膜が可能となり、基板あるい
はこのトーチを一方向に移動するだけで大面積一括製膜
が実現できる。

【００１１】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例における熱プラ
ズマ発生装置と、それを用いた製膜装置の構成を示す要
部断面図である。

【００１２】図１において、１４はプラズマ作動ガスの
供給経路であり、１５は陰極であり内部に冷却経路１６
が設けられている。陰極１５は、図１のＡ−Ａ断面矢視
図である図２に示すごとく、奥行き方向に長く、かつ先
端部１７はやや円形形状となっている。１８はプラズマ
作動ガス空間であり、陰極１５の外周に設けられ、陰極
先端部１７でその陰極の形状の沿うように陽極１９によ
って形成されている。陰極先端部１７のプラズマガス２
０の下流部には前記陽極１９によってプラズマ噴出口２
１が形成されており、陽極１９はプラズマ噴出口２１近
傍に水冷冷却経路２２が設けられている。

【００１３】このとき図２に示すごとく、プラズマ噴出
口２１は、その断面が奥行き方向に長い幅Ｗのスリット
形状をしている。この断面からみたとき陰極１５と陽極
１９は絶縁物２３によって絶縁されており、これは図１
の２３で示す絶縁物と同じである。

【００１４】陽極１９下部にはプラズマ噴出口２１に開
口する粉末あるいはガス供給口２４が設けられている。
また２５は陰極先端部１７と陽極１９のプラズマ噴出口
２１間に発生したアーク柱であり、このアーク柱２５に
たいして略垂直な磁界２６が作用するように電磁石２７
がその先端部とアーク柱２５の位置を所定距離だけ保っ
て配置されており、電磁石２７への励磁コイル３２に印
加される電流はその方向が可変されるように構成されて
おり、本実施例においては、図１および図２の奥行き方
向のプラズマ噴出口２１の両端部に設けたアーク検出手
段３３よりの信号によって可変するようにしている。

【００１５】また２８は陰極１５と陽極１９に直流電源
を供給する電源であり、２９はプラズマ噴出口２１より
噴出されるプラズマジェットであり、３０は基板であ
り、３１は形成された皮膜であり、基板３０は図の矢印
方向に移動されながら製膜される。

【００１６】以上のように構成された本実施例の熱プラ
ズマ発生装置と製膜装置において、以下その動作を説明
する。

【００１７】まずＡｒやＨｅなどのプラズマ作動ガス２
０をプラズマ作動ガス空間１８に流しながら、陰極１５
と陽極１９間に別設のパルス電流発生機などによって両
電極間の空隙にアーク２５を発生させる。アーク２５は
最小電圧の原理及びプラズマ作動ガス２０の流れによっ
て図１に示すごとく陰極先端部１７とプラズマ噴出口２
１の陽極１９間で所定長さの噴出口２１出口に向かうア
ークとなる。

【００１８】このとき、アーク２５にたいして電磁石２
７によって磁界２６が作用されているため、アーク２５
はいわゆるフレミングの法則により駆動力を受け、一方
向に陰極１５および陽極１９上を高速で移動する移動ア
ーク２５となる。

【００１９】アークの移動速度は磁界の強度、アーク電
流、アーク長の積に比例し、アーク移動速度を高めるた
めには、本実施例の構成では、できるだけ磁界強度を高
めるために、電磁石２７の端面とアーク２５との距離を
できるだけ小さくし、なおかつ電磁石２７に印加する電
流値を大きくし、アーク２５近傍で約１０００ガウス程
度の強度にしている。

【００２０】このとき高速で奥行き方向端部に到達した
アーク２５をアーク検出手段３３によって検知し、電磁
石２７の励磁コイル３２への印加電流の方向を逆転させ
るとアーク２５は反対方向に移動し、このアーク２５の
往復動を繰り返すのである。

【００２１】このような両電極面上を往復移動するアー
ク２５によって、プラズマ作動ガス２０が加熱、電離、
膨張し噴出口２１より高速高温のプラズマジェット２９
として噴出する。

【００２２】本実施例では、発生するアーク２５が断面
積の狭い噴出口２１で発生するために、プラズマ作動ガ
ス２０による熱ピンチ効果が維持され、より高温高速の
プラズマジェット２９とすることができる。このように
本実施例によって発生するプラズマジェット２９は、噴
出口２１を細長いスリット状としているため、ジェット
そのものもスリット状もしくはシート形状の奥行きのあ
る形状に噴出する。

【００２３】このとき噴出口２１の下部に設けた粉末あ
るいはガス供給口２４より、溶射の場合には金属、セラ
ミック等の溶射材料をプラズマ内に供給すると、それら
が加熱溶融され、プラズマジェット２９の高速度に乗っ
て基板３０に衝突し偏平化され所望の皮膜３１を形成す
るものである。

【００２４】また熱プラズマＣＶＤを用いた製膜の場合
には、この供給口２４より原料ガスを供給してプラズマ
の高温過程での化学変化過程を利用したＣＶＤ製膜が可
能となる。

【００２５】以上のように本実施例によれば、アークの
発生が断面積の小さいスリット状の噴出口でなされ、な
おかつそのアークを高速で往復移動させ、奥行き方向に
長く幅の狭いシート状のプラズマジェットを得ることが
できるために、基板幅に対応させて基板を一方向のみに
移動させることによって、一括で基板幅方向全体に短時
間で高スループットの溶射あるいはＣＶＤ製膜ができる
とともに、基板幅方向に膜厚分布のない均一製膜が可能
となるものである。

【００２６】本実施例では、アークの移動方向を変える
のに噴出口の両端部に設けたアーク検出手段からの信号
によって、励磁コイルへの印加電流方向を逆転させてい
るが、それを予め計算した時間毎に励磁コイルへの印加
電流方向を逆転させる方法としてもよい。

【００２７】図３は本発明の第２の実施例を示した熱プ
ラズマ発生装置及び製膜装置の構成図である。

【００２８】基本構成は図１と同様であり、同一構成要
素は同一番号で示す。図１に示す第１の実施例との違い
について述べる。第１の実施例においては陰極１５を取
り囲む枠体は全て陽極１９で構成されていたが、本実施
例では導電性物質よりなる陽極３４は噴出口２１部分の
みであり、その上部には電気的絶縁性部材３５が設けら
れているだけであり、他の構成要素は第１の実施例と同
様である。

【００２９】以上のように構成されたこの実施例での熱
プラズマ発生装置及び製膜装置において、次にその動作
を説明する。

【００３０】基本的には第１の実施例と同様であり、本
実施例の特徴的な点について説明する。本実施例では陽
極３４を噴出口２１部分のみとしており、それゆえ陰極
先端部１７と陽極３４間の距離は一義的に決ってしま
う。そのためアーク３６の発生位置及びその長さが常に
一定となって、第１の実施例と同様な高速往復移動を行
ない、同様な作用で製膜がなされるものである。

【００３１】この様に、アーク３６の発生位置及び長さ
が常に一定となることにより、次のような効果を有する
ものである。すなわちこの様なアークが一定であるとい
うことは、そのアークに作用させる磁界３７の作用が移
動するアークのどの点をとっても一定であり、それ故均
一な移動速度分布が得られることによって均一な製膜が
可能となるものである。

【００３２】特にこの様な製膜を減圧下で行なうような
場合には、アークの発生点がその圧力によって変動する
が、本実施例によれば、その影響がなく常に一定なアー
ク発生を実現できるものである。本実施例では噴出口部
全体のみを陽極としているがさらにアーク発生点を限定
するために陽極をもっと狭い範囲で限定することも可能
である。

【００３３】本実施例の説明図において、特に陰極上部
の構成については省略しているが、冷却水の均一流れを
図るように構成することが重要であり、さらにプラズマ
作動ガスの供給にしても同様であることは言うまでもな
い。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
プラズマ溶射製膜あるいは熱プラズマＣＶＤ製膜が大面
積に均一に、極めて生産性に優れた装置を提供すること
ができるなど、その実用的効果は大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における熱プラズマ発生装置
と、それを用いた製膜装置の構成を示す要部断面図

【図２】図１のＡ−Ａ断面矢視図

【図３】本発明の他の実施例の熱プラズマ発生装置と、
それを用いた製膜装置の構成を示す要部断面図

【図４】従来の熱プラズマ発生装置と、それを用いた従
来の製膜装置の構成を示す要部断面図

【図５】図４の従来の製膜装置を用いた製膜法を示す斜
視図

【符号の説明】

１５ 陰極 １７ 陰極先端部 １９ 陽極 ２１ 噴出口 ２５ アーク ２６ 磁界 ２７ 電磁石 ３２ 励磁コイル ３５ 絶縁部材

フロントページの続き (72)発明者 三谷 力 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】奥行き方向に長い陰極先端部と、プラズマ
   作動ガス通路空間を隔てて陰極を取り囲むとともに、陰
   極先端部よりも下流に設けた断面が偏平スリット形状な
   プラズマ噴出口を形成する陽極部との間でアークを発生
   させ、磁石によって前記アーク柱に対して略垂直の磁界
   を作用せしめ、前記発生アークを前記陰極先端部と陽極
   部上で往復移動させながら、偏平スリット状のアークプ
   ラズマをプラズマ噴出口より発生させる熱プラズマ発生
   法
2. 【請求項２】奥行き方向に長い陰極先端部と、プラズマ
   作動ガス通路空間を隔てて陰極を取り囲むとともに、陰
   極先端部よりも下流に設けた断面が偏平スリット形状な
   プラズマ噴出口を形成する陽極部との間でアークを発生
   させ、磁石によって前記アーク柱に対して略垂直の磁界
   を作用せしめるとともに、アーク柱に作用する磁界の方
   向を逆転させて陰極先端部と陽極部上で往復移動させ、
   偏平スリット状のアークプラズマをプラズマ噴出口より
   発生させる熱プラズマ発生法
3. 【請求項３】磁界の方向を逆転させる手段として磁石に
   印加する電流方向を、所定時間毎に可変することを特徴
   とする請求項１または２記載の熱プラズマ発生法
4. 【請求項４】磁界の方向を逆転させる手段として奥行き
   方向両端部に設けたアーク検出手段の信号により、電磁
   石の電流方向を可変としたことを特徴とする請求項１ま
   たは２記載の熱プラズマ発生法
5. 【請求項５】奥行き方向に長い陰極と、プラズマ作動ガ
   ス通路空間を隔てて設けた陽極と、陽極のプラズマ作動
   ガス下流部に設けた陰極先端部よりも下流に位置する断
   面が偏平スリット形状なプラズマ噴出口とを具備し、前
   記陰極先端部と噴出口の陽極部との間でアークを発生さ
   せ、印加電流の方向が変化する電磁石のヨーク端面を、
   前記アーク柱に対して略垂直の磁界を作用せしめるごと
   く所定距離を隔てて配置し、前記噴出口下部に噴出口に
   開口する粉末あるいはガス供給口を具備したことを特徴
   とする製膜装置
6. 【請求項６】奥行き方向に長い陰極と、プラズマ作動ガ
   ス空間を形成する枠対と、前記陰極先端部よりも前記プ
   ラズマ作動ガスの下流部に設けた導電性物質よりなる陽
   極と、その陽極上部に設けた電気的絶縁性物質で構成さ
   れた絶縁部材と、陽極部に形成された断面がスリット形
   状のプラズマ噴出口とを具備し、前記陰極先端部とプラ
   ズマ噴出口の陽極部との間でアークを発生させ、印加電
   流の方向が変化する電磁石のヨーク端面を、前記アーク
   柱に対して略垂直の磁界を作用せしめるごとく所定距離
   を隔てて配置し、前記噴出口下部に噴出口に開口する粉
   末あるいはガス供給口を具備したことを特徴とする製膜
   装置