JPH0649628A - ボルタイック アーク ベーパライザー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】カソードへ電流を導くワイヤーを流れる電流に
より形成される磁場を利用するとともに、全蒸発域の温
度を低下させること（放電の自動安定化）により、 −粗大粒子の形成をできるだけ減少させて、被膜の質的
改良を行なうこと、 −ベーパライザーの構造を簡略化し、重量を減少させ、
且つ寸法を低下させることを主な目的とする。 【構成】 １ アノード、加工物を保持する架台、蒸発さるべきデ
ィスク型のカソード、電流キャリヤーおよびカソード側
面を囲む主スクリーンを備えたボルタイック アーク
ベーパライザーにおいて、 −カソードの高さがその直径の１／４以下であること、 −電流キャリヤーがバケット形状であって、カソードの
非蒸発表面と電気的に接続されていること、および −カソードおよび電流キャリヤーが付加的な磁気スクリ
ーンにより囲まれていることを特徴とするボルタイック
アーク ベーパライザー。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高真空下にボルタイッ
ク アークの存在下に電極の表面から発生する金属プラ
ズマの析出により得られる被膜の構成に関する。

【０００２】

【従来技術とその問題点】高真空下に金属被膜を形成す
るための多くのベーパライザーが公知である。被膜とし
て析出する金属の加熱および蒸発は、多くの異なる方法
で達成されている。例えば、抵抗加熱法、誘導加熱法、
電子ビーム法、電気アーク蒸発法（voltaic arc vapori
zation；以下ＶＡＶ法という）などである。

【０００３】他の方法と異なって、ＶＡＶ法は、高密度
粒子を含む金属プラズマの高度イオン化流を得ることを
可能とする。その結果、被膜形成の分野において、多く
の可能性を与え、基板に対する被膜の密着性を非常に優
れたものとする（同一基板材料の破壊抵抗にほぼ匹敵す
る）。この方法は、高融点の合金を含むか或いは炭化
物、窒化物、酸化物などからなる高硬度の被膜を与え、
単位時間内に高い生産性で被覆表面を形成する。

【０００４】被覆されるべき部分に析出する金属プラズ
マは、電気アークが存在するカソードのスポット的な表
面部分（カソードスポット）のみから発生する。カソー
ドスポットは、蒸発されるべき電極の表面上でランダム
な経路を描いて移動する。ベーパライザーを正確に作動
させるためには、カソードスポットは、本来は蒸発され
るべき電極表面上に定常的に存在していなければならな
い。カソードスポットが、蒸発されるべき電極の側面へ
移動すると、カソードのその部分に障害をもたらすのみ
ならず、アークを消滅させることにもなる。

【０００５】電気アーク蒸発装置（voltaic arc vapori
zer ；以下ベーパライザーという）としては、数種のも
のがあり、これらにおいては、蒸発されるべき電極の作
動表面でのカソードスポットの安定性を得るために、異
なる方法およびシステムが採用されている。

【０００６】この様な方法およびおよびシステムは、米
国特許第２９７２６９５号明細書、第４５５９１２１号
明細書、第４５１２８６７号明細書などに記載されてい
る。米国特許第２９７２６９５号明細書は、絶縁された
複数の電極からのスクリーンとしての機能を発揮する機
構を開示している。このスクリーンは、蒸発に関与しな
いカソード側面に配置されているので、電極は相互に小
さな隙間で隔てられている。そのランダムな経路におい
て、カソードスポットは、スクリーン内部のカソード側
面と接触することがあるので、カソードスポットとアノ
ード間で導電体として機能する金属プラズマ流は、停止
して、カソードスポットは消滅する。アークの安定化を
達成するためには、蒸発されるべき表面に２個のカソー
ドスポットを形成することが好ましい。この構成は、１
個のカソードスポットを有する電極を使用し、例えばチ
タンおよびジルコニアに関して通常得られているアーク
電流６０Ａという値に対して、アーク電流を１４０Ａま
で増加させることができる。若し、カソードスポットの
１個がスクリーンん下に移動して、消滅した場合には、
他の放電が生じて、他のカソードスポットを形成する。
この装置は、２つの部分を有するが、当初のカソードス
ポットの数は、変らない。

【０００７】上記の装置においては、放電の安定化は、
静電スクリーンとアーク電流の特定値とを組み合わせる
ことにより、達成されている。若し、電流がこの特定値
を下回る場合には、安定化は達成されない。アーク消滅
の確率は、カソードの蒸発表面上のカソードスポットの
数に反比例する。それにもかかわらず、アーク電流の増
大は、金属プラズマ流中の粗大粒子（macroparticles、
落下層（drop phase）ともいう）の量を増加させる。こ
の様な粗大粒子は、被膜の質を低下させる。

【０００８】米国特許第４５５９１２１号明細書におい
ては、カソード表面でのカソードスポットの移動を制限
するために、カソードと接触するリングを備えている。
このリングは、側面でのカソードスポットの移動を制限
する。このリングは、その二次電子放出が、１個の電荷
によるアークの他の粒子の一方のそれに劣る様な材料で
形成されている。他方、リング材料の表面エネルギー
は、蒸発されるべき材料の一方（例えば、ボロンナイト
ライド）のそれよりも低い。そのリングとともに蒸発さ
れるべき材料は、高い透磁率を有する他のリング中に含
まれている。これらのリングの存在は、蒸発されるべき
材料のアトマイゼイションを助ける。それにもかかわら
ず、電気的放電は、リングにも及ぶので、ここからも、
若干の材料が蒸発する。この材料は、真空雰囲気中の残
留粒子と結合して、イオン流を汚染する。

【０００９】米国特許第４５１２８６７号明細書には、
カソード表面の特定の部分にカソードスポットを磁気的
に固定する方法及び装置が開示されている。この装置に
おいては、カソードはディスク型であり、アノードとし
ては、高真空空間が使用されている。被覆されるべき部
分は、特別のサポート上でカソードの前方におかれてお
り、サポートは、電気的にアノードから絶縁されてい
る。サポートは、中空になっており、冷却液がカソード
中に流れ込み得る様になっている。事実、カソードは、
非磁性材料からなるスリーブ型のエレメント内に配置さ
れており、エレメントの回りには電磁コイルが巻かれて
いる。電磁コイルは、その磁場の磁力線がカソード表面
に対して傾斜するように、配置されている。外部表面に
沿って、電磁コイルは、磁気回路により囲まれており、
これは、カソードの上面に沿うカソードスポットの運動
に対する磁場の影響を強化する。コイルの電流は、カソ
ードを均一に消耗させるために、調整することができ
る。

【００１０】アークの発生後、コイルの磁場の影響下
に、カソードスポットは、円形の軌跡を描いてカソード
上を動き始めるので、カソードスポットは、カソードの
側面に移行することが回避される。磁気コイル内の電流
密度は、カソードスポットの変位が均一となるように、
調整されている。この様にして、アークの安定化が達成
されている。このような装置は、非常に低いアーク電流
で作動し、被膜の高品質を保証する。それにもかかわら
ず、この装置は、以下の様な欠点を有している。 −被膜形成速度が低い（アーク電流を増大することによ
り、析出量を増加させることはできない。何故なら、電
流の増加は、粗大粒子生成の確率を高める）； −一般的に構成が複雑である； −磁場を形成するための追加の電源供給設備が必要とな
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、カソードへ
電流を導くワイヤーを流れる電流により形成される磁場
を利用するとともに、全蒸発域の温度を低下させること
（放電の自動安定化）により、 −粗大粒子の形成をできるだけ減少させて、被膜の質的
改良を行なうこと、 −ベーパライザーの構造を簡略化し、重量を減少させ、
且つ寸法を低下させることを主な目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の目的の一部は、
先ず第一に、直径の１／４以下の高さを有し、外周に溝
を備え、且つバケット型の電流キャリヤーを備えたディ
スク型カソードにより達成される。バケットは、ディス
ク上に配置され、そのエッジを介してこれと接続されて
いる。バケットにより位置決めされるキャビティーは、
冷却液を収容するために、使用される。カソード及び電
流キャリヤーのアセンブリーは、スクリーンにより囲ま
れている。

【００１３】カソードの全縁周沿いでのカソードと電流
キャリヤーとの接触は、カソードスポットの完全な分布
を可能とするので、外部磁場の使用は、不必要となる。

【００１４】さらに、カソードの蒸発域の温度は、冷却
液による冷却およびカソードの一部であるディスクの薄
ささにより低下させられる。その結果、粗大粒子が生成
される確率は、低下する。カソードの蒸発および消耗の
過程において、電流キャリヤーのバケット形状の結果と
して、持ち上げられたエッジが、カソードの外周沿いに
カソード上に形成される。

【００１５】この持ち上げられたエッジは、カソードと
スクリーンとの対称的な配置を可能とし、主にスクリー
ンとカソード縁部を同一レベルに維持する。

【００１６】他の実施態様においては、同じ目的を達成
するために、電流キャリヤーは、縁部の溝に代えて、カ
ソードの一方よりも小さな直径を有し、且つカソードの
縁部表面内側に置かれて、縁部沿いでカソードのトップ
と接触するリムを有している。若し、エッジが不必要で
あれば、電流キャリヤーは、カソードの側面を囲むこと
ができる。この場合には、カソードに溝を設けなくとも
良い。スクリーンが、抵抗器を介してアノードと接続さ
れている場合には、スクリーンそのものは、付加的なア
ノードとしての機能を有する。これは、アークの電流を
大幅に低下させ、且つ粗大粒子の形成を回避するに役立
つ。付加的なアノードの回路における電流は、カソード
スポットがトップ表面から側面に移動した場合にのみ、
現われる。側面間に発生するというアークの不良状態に
おいては、カソードスポットは、自然的にカソードのト
ップ表面に戻り、この条件では、アークは自然消滅する
ことはない。

【００１７】磁気スクリーンの存在により、導体の外部
磁場磁気は、カソードスポットの軌跡を規定する磁場を
打ち消す様に、影響する。

【００１８】蒸発段階において、特に材料を殆ど蒸発さ
せない段階で、ベーパライザー構造を通過するアークの
損傷を避けるために、カソードホルダースクリーンおよ
び磁気スクリーンは、それぞれコンデンサーを介して、
アノードと接続されている。若し、カソードホルダース
クリーンとカソードとを抵抗器を介して接続するか、或
いは変動電位の影響下において置くならば、ベーパライ
ザーの部品（カソードスクリーン、スクリーンアノー
ド）を破壊するアークの二重放電（doubledischarge ）
が起こるかも知れない。

【００１９】易溶融性で且つ高価な金属を蒸発させるた
めに、カソードのディスクは、そのキャビティーをサポ
ートスクリーン側に向けたバケット形状をしていて、蒸
発されるべき金属で満たされている。バケットは、高融
点金属により構成されており、その底表面を冷却液で冷
却されている。

【００２０】本発明のその他の詳細な点は、幾つかの実
施態様を示す添付図面を参照しつつ行なう以下の説明か
ら、より明らかとなろう。

【００２１】第１図に示す実施態様において、ベーパラ
イザーは、アノード空間１、加工物架台２、カソード
３、電流キャリヤー４、カソード３の側面を囲む主スク
リーン５、動力供給源７および加工物架台２に向い合う
カソード３を起動させる電極１６を備えている。

【００２２】inox鋼（inox steel）製の電流キャリヤー
４は、カソード３を囲んでいる。電流キャリヤー４とカ
ソード３との接触点に対応して、カソード３は、周弊部
に溝８を有しており、これは、例えば、深さ３．５ｍｍ
である。

【００２３】さらに、高透磁率を有する付加的な磁気ス
クリーン６があり、これは、コンデンサー９を介してア
ノード１と接続され、電流キャリヤー４の外側部分を囲
んでいる。磁気スクリーン６の中ほどには、電流キャリ
ヤー４とカソードの底部とを隔てる空間があり、キャビ
ティー４ａが構成されている。このキャビティー４ａ内
を２つのジョイント１１、１１から流入し且つ流出する
冷媒液が流れる。

【００２４】主スクリーン５は、カソード３の表面を囲
み、コンデンサー１２を介して、アノード空間１と接続
されて居る。若し、特に高品質の被膜を得たい場合に
は、放電電流は、できるだけ低くなければならない。こ
の電流を制限するために、主スクリーン５は、抵抗器１
３を介してアノードに接続されている。

【００２５】図２は、電流キャリヤー４が、カソード３
の側面にではなく、底面に接続されている態様を示す。
この場合、電流キャリヤー４の内径は、カソードＤの直
径よりも小さく、その結果、作業中にカソードのリムが
持ち上げられた構成が可能となる。

【００２６】図３は、電流キャリヤー４が電極（カソー
ド）３に固定された状態を示すが、この場合には、図１
に示す様な溝８は設けられていない。カソード３の側面
への蒸発金属の流れを減少させるために、主スクリーン
５の内側の孔のエッジは、図示のように、鋭角に形成さ
れている。

【００２７】図４は、蒸発さるべき金属１５を溶融させ
るバケット型のカソード３を備えたベーパライザーを示
している。

【００２８】図１のアノード空間１において、圧力は、
当初の値、例えば、１．３３Ｅ^-1から最終の値６．６５
Ｅ^-3Ｐａまで低下させる。動力供給源７の助けを借り
て、アノードとカソードとの間で、ｄ．ｄ．ｐ．が約６
０Ｖ上昇する。抵抗器（図示せず）を介してアノードと
接続された開始電極１６は、カソード３と直接接続され
て、放電が開始される。

【００２９】カソード側の冷却液は、パイプ１１、１１
を通って電流キャリヤー４のキャビティー４ａに流れ、
電流キャリヤーを冷却する。この冷却により、粗大粒子
の形成の確率は著しく減少し、カソードの蒸発の安定化
を可能とする。カソードの冷却は、カソードが消耗して
底部の厚さが薄くなるまで（１０ｍｍのオーダー）、カ
ソードの底部が維持できることにある。

【００３０】放電の自動安定化は、電流キャリヤーの構
造的特性、即ち、カソード３との電気的接触が起こる場
所（その直径は、より効率的な冷却を得るために、ある
比を有している必要がある）により、規定される。蒸発
の過程での放電電流は、磁場を形成させて、全蒸発表面
上でのアークのカソードスポットの均一な分布を可能と
する。その結果、カソードが均一に消耗し、良好なプラ
ズマフローが得られる。従来のベーパライザーでは、こ
の様な結果は、重く且つ大容積の電磁制御機構により、
はじめて得られていたものである。

【００３１】最良の冷却効果は、カソードの直径Ｄがそ
の厚さ乃至その高さＨよりも、大きい場合に得られるこ
とが、実験的に確認された。この直径／高さの比は、４
にも達し得る。この寸法比の範囲内にある場合には、カ
ソードの上表面は、平坦であって、凹部を形成しない。
これは、カソード材料の使用量を増大させ、同時にアー
クの消滅に対する安定化を改善する。注目すべきは、６
０〜７０Ａ（チタンについてのいき値に近い）の電流で
定常的な放電が得られることである。スクリーン５を補
助的なアノードとして使用することにより、アノード１
と抵抗器１３とを接続した後、放電電流を４５〜５０Ａ
にまで減少させることができる。この様な値では、蒸発
速度は低い。それにもかかわらず、微小粒子が増加する
ので、プラズマ流の質は、著しく改善される。

【００３２】

【実施例】ディスク型カソードの直径Ｄとその厚さ乃至
高さＨとの種々の比は、蒸発されるべき表面の種々の形
状をもたらす（図５および６参照）。この比を減少させ
ると、形状は、セル状（cell-like ）の形状により近付
く。この形状は、加工物架台のセクターへの被膜析出速
度の変化率の関数として得られる。この場合、加工物架
台は、カソードの中央部に向い合う蒸発表面から通常２
５０ｍｍのところに位置している（２５０ｍｍという距
離は、事実良質の被膜を得るために、最良の値であ
る）。

【００３３】その形状を図示してある開口（ｏｐｅｎｉ
ｎｇ）の形成中に、上記の加工物架台のセクターへの析
出速度は、蒸発されるべき表面の集中作用（focalizing
action ）により、増大する。この場合、流れの方向ダ
イアグラムは、この流れが、蒸発されるべき表面の周縁
部および中心部から上記の加工物架台のセクターに主に
向かっていることを示している。質的な観点からのこの
開口の集中効果は、工程の開始時および終了後の加工物
架台のセクターへの被膜の析出速度を測定すると、特異
なアウトラインを与えることが判明した（蒸発速度は、
変化しなくなった）。析出速度の変化は、カソードの直
径Ｄと高さＨとの間の比の増加とともに減少し、また、
４という値から始まって、２０％まで低下する。２０％
という析出速度の変化およびこれに引き続く被膜厚さの
均一性の欠如を防止することは、可能である。このため
に、４という値は、カソードの消耗が均一であり得る限
界値であると考えることができる。図２および図３は、
それぞれ異なる材料のカソードと電流キャリヤーとを使
用して実験的に得られた蒸発させるべき材料表面の形状
を示す。図３に示すカソードと電流キャリヤーとを使用
する場合には、作業中に蒸発材料がスクリーン５と同じ
レベルとなり得る様に、カソードを被膜を形成されるべ
き加工材料の方向に移動しなければならない。高価な金
属の蒸発の場合には、カソード３は、材料の損失を出来
るだけ抑制するために、側方壁を薄くしたバケット１４
の形状とする。このバケットは、蒸発されるべき金属１
５により、満たされる。バケット１４が高融点金属で形
成される場合には、バケット材料は、放電中にも蒸発せ
ず、従ってプラズマ流を汚染しない。この形式のベーパ
ライザーは、易溶融金属（例えば、カドミウム、亜鉛、
カルシウムなど）の蒸発にも、有用である。

【００３４】図１に開示された構造に準じて、ベーパラ
イザー用のカソード群を製造した。チタン製のディスク
型カソードの直径は、８０ｍｍであった。カソードの厚
さは、種々変化させ、４０ｍｍ、３０ｍｍ、１０ｍｍ、
５ｍｍおよび３ｍｍとした。アークは、抵抗器を介して
アノードに接続された開始電極により発生させた。磁気
スクリーンは、厚さ３ｍｍのイノックス鋼（inox scree
n ）製であった。コンデンサーのキャパシタンスは、２
０μＦであった。放電電流は、１００Ａおよび５０Ａで
あった。作業終了後、厚さ４０ｍｍおよび３０ｍｍの全
てのカソードは、コーン型の開口を呈していた。これ
は、析出速度を変化させた（２０％以上）。厚さ２０ｍ
ｍおよびそれ未満では、析出速度は、実質的に何の変化
も示さなかった（２０％未満）。さらに、カソードが薄
くなればなるほど、蒸発中の析出速度の変化は、少なく
なった。カソードの厚さが減少するとともに、金属蒸気
中の粗大粒子の割合は、著しく変化した。粗大粒子の割
合は、半分に減少した。厚さ３ｍｍのカソードを使用
し、放電電流５Ａの条件下に、光学分野でも使用できる
程度の高品質の被膜が形成された。

【００３５】ディスク型カソードに代えて、易溶融性の
金属（亜鉛、カドミウム、カルシウムまたはナトリウ
ム）を収容したチタン製のバケット型カソードを使用し
た。アーク電流は、２０Ａおよび１０Ａであった。析出
物中のチタン含有量は、不明である。得られた被膜は、
粗大粒子を含んでいなかった。

【００３６】この様にして、本発明のカソードシステム
を使用して、熱的手段による被膜（thermic coating ）
に匹敵する品質の被膜が得られるのみならず、一連の利
点が達成できる。これらの利点には、構造の簡易化、エ
ネルギー源への接続後の瞬間的な蒸発の開始、高品質の
蒸気イオン化などが挙げられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるベーパライザーの１例の概要を示
す断面図であり、カソードと電流キャリヤーとの間の接
続部の１態様を示している。

【図２】本発明によるベーパライザーにおけるカソード
と電流キャリヤーとの間の接続部の他の１態様を示す断
面図である。

【図３】本発明によるベーパライザーにおけるカソード
と電流キャリヤーとの間の接続部の他の１態様を示す断
面図である。

【図４】中空部を有するカソード備えた本発明によるベ
ーパライザーの１例の概要を示す断面図である。．

【図５】蒸発されるべき表面の１例を示す断面図であ
る。

【図６】蒸発されるべき表面の他の１例を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１ アノード ２ 加工物架台 ３ カソード ４ 電流キャリヤー ５ スクリーン ６ 付加的な磁気スクリーン ７ 動力供給源 ８ 溝 ９ コンデンサー 11 ジョイント 12 コンデンサー 13 抵抗器 15 蒸発すべき材料表面 16 開始電極

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アノード、被膜を形成されるべき加工物を
   保持する架台、蒸発さるべきディスク型のカソード、電
   流キャリヤーおよびカソード側面を囲む主スクリーンを
   備えたボルタイック アーク ベーパライザーにおい
   て、 −カソードの高さがその直径の１／４以下であること、 −電流キャリヤーがバケット形状であって、カソードの
   非蒸発表面と電気的に接続されていること、および −カソードおよび電流キャリヤーが付加的な磁気スクリ
   ーンにより囲まれていること を特徴とするボルタイック アーク ベーパライザー。
2. 【請求項２】電流キャリヤーが、カソードの冷却用液体
   を循環させるエレメントとしての機能を備えた請求項１
   に記載のボルタイック アーク ベーパライザー。
3. 【請求項３】電流キャリヤーが、蒸発されるべき表面の
   反対側の近くで、カソードの側面に沿ってカソードと電
   気的に接続されている請求項１に記載のボルタイック
   アークベーパライザー。
4. 【請求項４】カソードの側面に沿って且つ電流キャリヤ
   ーとの接点の近くに、円周状に溝を設けた請求項１に記
   載のボルタイック アーク ベーパライザー。
5. 【請求項５】電流キャリヤーの上端が、蒸発されるべき
   表面の反対側でカソードと電気的に接続されている請求
   項１に記載のボルタイック アーク ベーパライザー。
6. 【請求項６】主スクリーンが、コンデンサーを介してア
   ノードと接続されている請求項１に記載のボルタイック
   アーク ベーパライザー。
7. 【請求項７】主スクリーンが、抵抗器を介してアノード
   と接続されている請求項１に記載のボルタイック アー
   ク ベーパライザー。
8. 【請求項８】付加的な磁気スクリーンが、コンデンサー
   を介してアノードと接続されている請求項１に記載のボ
   ルタイック アーク ベーパライザー。
9. 【請求項９】ディスク型カソードがバケット形状であ
   り、このバケットが高融点材料で構成されていて、蒸発
   されるべき材料により満たされている請求項１に記載の
   ボルタイック アーク ベーパライザー。