JPH0688215A

JPH0688215A - セラミック塗料の直接付着法および装置

Info

Publication number: JPH0688215A
Application number: JP5142841A
Authority: JP
Inventors: James R Treglio; アールトレグリオジェームス
Original assignee: I S M TECHNOL Inc; ISM TECHNOL Inc
Current assignee: I S M TECHNOL Inc; ISM TECHNOL Inc
Priority date: 1992-06-29
Filing date: 1993-05-21
Publication date: 1994-03-29
Also published as: EP0577246A1; US5306408A

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】有機基体上に耐熱性導電性セラミック化合物を
コーティングするための方法および装置を提供する。【構成】この装置は真空アークプラズマ発生器、高圧絶
縁標的保持テーブル３０およびプラズマチャンネル２８
より成る。プラズマ発生器はセラミック絶縁体１６によ
って囲まれた付着させられるべき物質の円筒状陰極１２
を有する真空室１４を含有するが、このセラミック絶縁
体１６はトリガー電極と接触している金属トリガー環１
８によってとり囲まれている。真空アーク放電が始まる
とき、プラズマは陰極１２から隣接陽極２４中の穴２６
を通って外に流れドリフト管２８内に入る。ドリフト管
２８は管の外側のまわりに多数の磁石３２を有してい
て、プラズマを管から押し離し、均一なプラズマ密度を
保持して、プラズマを、可動性高圧絶縁された標的支持
物３０上の標的３８の方へ導く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、一般的には基体上の導電
性セラミック化合物塗膜の形成に関し、さらに詳細に
は、有機マトリックス複合材料のような有機基体上への
このような化合物の直接イオン混合プラズマ付着に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】物質、一般には金属を粒子またはイオン
の形で標的表面上に付着させて密着性の均一な塗膜を形
成させるために、多くの異なる方法が開発されてきた。
これらの中には、熱付着、陰極スパッタリング、化学蒸
着法がある。これらの方法は、特定の用途において有用
であるけれども、標的以外の系の表面を、付着される物
質でコーティングする傾向、ひんぱんな清浄化を必要と
すること、塗料材料を変えるときの汚染の問題およびし
ばしば高価である塗料材料の浪費を包含するいくつかの
問題がある。一般にこれらの方法は、特に標的が有機材
料または有機マトリック複合材料であるとき、この標的
表面を、しばしば標的物質を損傷する非常に高い温度に
加熱することを必要とする。この高い付着温度はまた塗
膜の離層を起こし得る熱応力にも導く。

【０００３】真空アーク付着は、標的上へ耐火金属のよ
うな困難な物質をコーティングするために多くの利点を
有する。真空アーク付着には、塗料から形成された陰極
および陽極の間の真空中でのアークの確立が包含され、
この結果コーティングに適する陰極材料のプラズマ生成
が生じる。この方法には、気体が包含されず、付着速度
の制御をより容易にし、塗料の変更を簡単にする。典型
的な真空アーク付着システムは、米国特許Ｎｏ．３，５
６６，１８５，同３，８３６，４５１および同４，７１
４，８６０に記載されている。真空アーク付着は時には
陰極アーク付着と呼ばれるが、これは商業的に、典型的
には工具上に窒化チタン塗膜を生成するために、使用さ
れる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、真空ア
ーク付着の使用を制限する多くの問題が残る。コーティ
ングは、特に有機マトリックス複合材料が標的として使
用されるとき、しばしば密着性および低密度の問題が生
じる。困難はしばしば、導電性セラミック化合物（例え
ば硼化物、窒化物または炭化物）のようなセラミック材
料が使用される場合に、所望の塗膜組成物を得る際に遭
遇させられる。

【０００５】このように、特に有機マトリックス複合材
料標的基体上に、金属化合物から均一な密着性塗膜を形
成するための改良された方法および装置に対する要求が
依然としてある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このため、有機基体上に
耐熱性導電性セラミック化合物の密着性塗膜を形成する
ことができる改良法および装置を提供することが本発明
の目的である。もう一つの目的は、有機基体上に均一な
高密度を有する滑らかで硬く導電性のセラミック塗膜を
与えることができる方法および装置を提供することであ
る。別の目的は、イオン混合プラズマ法によって、正確
な化学量論を有する導電性セラミック化合物の塗膜を形
成することである。さらに別の目的は、塗膜と基体との
間に拡散界面を有する、有機基体上の導電性セラミック
化合物の塗膜を形成することである。上記の目的およ
びその他の目的は、直接イオン混合プラズマ付着システ
ムを用いる方法および装置によって、本発明に従って達
成される。この装置は基本的には、真空アークプラズマ
発生器、陽極（ａｎｏｄｅ）、およびコーティングされ
るべき標的（ｔａｒｇｅｔ）を保持するための高圧絶縁
テーブルを収納する真空室を含む。

【０００７】プラズマ発生器は、付着させられるべき化
合物から形成され、セラミック電気絶縁体（これが次に
トリガー電極と接触している金属トリガー環によってと
り囲まれている）によって囲まれた円筒状の陰極（ｃａ
ｔｈｏｄｅ）を包含している。陽極は典型的には、プラ
ズマの通過のための中央の穴を有する銅板である。

【０００８】プラズマチャンネルまたはドリフト管は、
陽極と標的との間のプラズマを囲むために包含されても
よい。もし使用されるならば、このチャンネルは、典型
的には、陽極の孔から標的テーブルに隣接する位置まで
広がる開口部をもつ、銅または他の非磁性材料の管であ
る。このチャンネルは、プラズマを標的へ導き、プラズ
マの均一性を増大させるために役立つ。多くの磁石、好
ましくはサマリウム−コバルト磁石は陽極と標的との間
の容積のまわりに円状に置かれる。もしプラズマチャン
ネルが使用されるならば、磁石を、プラズマチャンネル
の内側のまわりに磁気カスプ（ｍａｇｎｅｔｉｃｃｕ
ｓｐ）の環を形成するように、管の外側にとりつける。
これらのカスプは、管の内壁からプラズマを押し離し、
このプラズマを標的へ導いてプラズマ密度を均一に保
つ。

【０００９】本発明の基本的な方法には、真空室を排気
すること、陰極でイオン化を開始して陽極と陰極との間
にプラズマを形成させること、このプラズマを陽極の孔
を通りドリフト管またはチャンネルに沿うように方向づ
けること、およびプラズマからのイオンを有機標的材料
上にコーティングすること、が含有される。好ましい段
階、材料および条件を、以下で詳しく論述する。

【００１０】本発明および好ましい具体例の詳細は、図
面を参照するとさらに理解されるであろう。

【００１１】

【実施例】ここで図１を参照すると、直接イオン混合プ
ラズマ付着用の装置を含む真空室１０の略図が見られ
る。陰極１２は室１４内に位置している。陰極１２を形
成するためにどんな適当な金属化合物でも使用すること
ができる。典型的なこのような化合物としてはチタン、
タングステン、アルミニウム、モリブデン、ニオブおよ
びタンタルの硼化物、炭化物、珪化物および窒化物、お
よびこれらの種々の混合物より成る群から選択されるも
のが含まれる。最良の結果は、二硼化チタン、炭化チタ
ン、窒化チタン、炭化タングステンおよびその混合物類
で得られる。多くの場合に、耐熱性導電性セラミックス
は、その最高の硬度および耐磨耗性のために好ましい。
高温適用に対して最適結果は、その硬度、安定性および
約１２００°Ｆまでの酸化に対する耐性のために、二硼
化チタンを用いると得られる。陰極１２は、どのような
適当な直径をもっていてもよく、典型的には約３ないし
１０ｍｍである。

【００１２】陰極１２は、いずれかの通常の適当な材料
から形成された絶縁環１６によって囲まれている。トリ
ガー環１８は、典型的には鋼であって、この絶縁環１６
のまわりに形成されている。通常のトリガー２０を、ト
リガー環１８と接触させて配置する。室１４の壁２２は
通常の電気絶縁材料のいずれかで形成される。所望なら
ば、米国特許Ｎｏ．５，０８９，７０７に示されたよう
なマルチ陰極集成体（ｍｕｌｔｉｐｌｅｃａｔｈｏｄ
ｅａｓｓｅｍｄｌｙ）を、示された陰極集成体の代り
に使用することができる。これによって、種々の材料の
多重層の迅速で便利な適用が可能になるであろう。

【００１３】陽極２４は、陰極１２からみて室１４の反
対側に位置している。陽極は、一般に陰極と一列になっ
ている少なくとも１個の孔を有している。陽極２６は、
銅のようないずれかの適当な導体から形成される。

【００１４】チャンネルまたはドリフト管２８は、典型
的には約１００ないし２００ｍｍの直径を有していて、
絶縁された標的支持構造物３０に向かって陽極２６から
伸びていることができる。所望ならばチャンネル２８は
省くことができる。管２８は銅のような非磁性金属から
形成される。多数の永久磁石が、図２に示したようなパ
ターンで管２８の外側の周囲に配列されている。もしド
リフト管またはチャンネル２８が除去されるならば、真
空室の内壁上の通常のブラケットのようなその他の支持
手段が磁石３２のために準備されるであろう。どのよう
な適当な磁石でも使用することができるが、最適性能を
得るためにはコバルト−サマリウム磁石が好ましい。ど
のような適当な偶数の磁石でも使用することができる
が、約４から１２までの偶数が好ましい。管の直径が大
きくなるほど、最適であると思われる磁石の数は多くな
る。好ましくは、磁石は端と端の距離が約１０ないし２
０ｍｍ離れている。磁石３２を、隣接している磁石の同
じ極がお互いに対面するように配列する。

【００１５】支持テーブル３０は高圧絶縁材料から形成
されており、真空室１０の壁の中で高圧供給路（ｆｅｅ
ｄ−ｔｈｒｏｕｇｈ）３４を貫通して伸びる機構３６に
設けられており、テーブルからドリフト管２８までの距
離を変化させることができるようになっている。

【００１６】コーティングされるべき有機標的基体３８
は、通常の方法で支持テーブル３０にしっかりとつけら
れる。比較的低融点の材料を含むどのような適当な有機
材料でも、この装置内でコーティングすることができ
る。典型的な材料としては、エポキシ樹脂マトリックス
中のグラファイト繊維のような、樹脂マトリックス中の
繊維の複合体、炭素−炭素材料などがある。

【００１７】もし標的３８が絶縁しているならば、標的
に負バイアスを印加するために導電スクリーン３７また
はこれに類似のものを標的表面上に置き、所望のバイア
スをこのスクリーンに印加する。

【００１８】真空室１０には、荒引き真空ポンプへの接
続部４０、高真空ポンプへの接続部４２および達成され
た真空度を測定するためのイオンゲージ４４のような通
常の操作成分が包含される。

【００１９】この装置の操作においては、適当な有機材
料標的３８を標的支持テーブル３０上に置き、選択され
た金属化合物の陰極１２を設置する。真空室１０を、接
続４０および４２を通じて適当な真空度までポンプで汲
み出す。トリガー環１８および陰極１２の間に高電圧を
かけるとき、陰極表面上の小さい点（典型的には直径１
マイクロメーターより小さい）から真空アーク放電が始
まる。この点の電流密度は莫大であって、１平方インチ
あたり１００万アンペアを十分にこえる。電流密度が非
常に大きいので、陰極からの物質はその表面から引っぱ
られ、イオン化される。イオン化は、ほとんどのイオン
が多価に荷電される程度までほとんど完全である。トリ
ガーパルスは典型的には、真空アークの絶縁破壊を開始
するのに十分な長さである約１０００分の１秒の１０分
の１だけ続く。

【００２０】このアークからのプラズマは、陰極１２と
陽極２４との間の空洞１４を満たし、そのため陰極と陽
極との間の比較的低い（典型的には約２０ボルト）電圧
がアークを持続させるのに十分である。典型的な二硼化
チタン陰極については、プラズマは、硼素イオンの数が
チタンイオンの数の２倍であるチタンイオンと硼素との
組み合わせより成るであろう。イオン化は１０％に近
い。それは非常に大規模で、チタンイオンのほとんどが
２価に荷電しているであろう。

【００２１】アークによって生じるプラズマは、陽極２
４中の穴２６を通って陰極１２から外へ、そしてプラズ
マドリフト管またはチャンネル２８内へ流れる。チャン
ネルはプラズマを標的３８の方へ導く。

【００２２】コーティングは、典型的には標的表面を約
５０ないし２００ボルトの負バイアスに保ちながら、標
的表面をプラズマに暴露することによって行なわれる。
このようにして、プラズマイオンは、適当な結合を形成
するに十分なエネルギーをもつが、表面のスパッターま
たは表面侵入はほとんどなしに、表面まで引きつけられ
る。塗料はこうしてイオン混合なしにプラズマ付着され
る。

【００２３】コーティング段階の第２の具体例において
は、標的バイアスは、交互に負の約５０ないし２００ボ
ルトから負の約１０ないし３０キロボルトまで変えられ
る。好ましくは、バイアスは周波数約１０ないし３０サ
イクル／秒で変えられる。これによってコーティングを
ひき続いて行なうことができ、イオンは自然に混合され
ることになる。イオン混合シーケンスは塗膜を密にする
のを助け、さらに密着性を改良し、塗膜に付加的な圧縮
応力を加える。この圧縮応力が、特に熱膨張係数の差が
応力を生ずる場合に、塗膜を亀裂から守るのを助ける。

【００２４】付着は、所望の厚さ、典型的には、約３な
いし１０マイクロメーターの塗膜をつくるのに必要な時
間続けられる。所望ならば、異なる化合物の多重層を、
陰極１２の組成物を変えることによって作ることができ
る。たとえあるとしてもこの材料の僅かしか真空室の壁
などの上に付着せず、そこから該材料が解放されて後か
らの異なる組成物の層を汚染することがないので、これ
は特に本方法および装置について便利である。

【００２５】塗膜の標的表面への密着性を最大にするた
めには、その表面はすべての不純物から清浄でなくては
ならない。通常の清浄化技術はしばしば、塗膜の密着性
を妨げることができる物質のすべてを標的表面から除去
はしない。従って、清浄化を改良するために少量の表面
をスパッター除去する（ｓｐａｔｔｅｒａｗａｙ）の
が好ましい。

【００２６】本発明の方法に従えば、標的表面に、コー
ティングを行なう前に部分的にイオン植え込みを行な
う。イオン植え込み（ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）は、
表面を強化し、望ましいスパッター清浄を提供する。好
ましくは、表面に植え込むために使われる物質は、塗膜
を形成するために使用されるべきものである。このよう
にして、不純物はシステム内に導入されない。さらに、
密着は塗膜と処理された表面との間のあらゆる鮮明な界
面を除去することによって助成される。この植え込み
は、好ましくは、上記の装置および塗膜を形成するため
に使用されるはずである陰極を用いて行なわれる。プラ
ズマは上記のようにして形成され、標的構造体は、高い
負電圧、好ましくは負の約１０ないし３０キロボルト、
までバイアスされる。イオンはプラズマから標的までひ
っぱられて表面に深く侵入するのに十分なエネルギーを
もって衝突して、イオンを植え込まれた層を作る。典型
的には、二硼化チタン陰極を用いると、表面はチタンお
よび硼素が植え込まれる。チタンイオンは、硼素イオン
が侵入する距離のほぼ半分表面内に侵入する。標的の過
熱を妨げるために、イオン植え込みを非常に低い投与量
率で行なう。全体のイオン植え込み量は、好ましくは約
３×１０¹⁶ないし２×１０¹⁷原子／ｃｍ²であり、最適
結果は約１０¹⁷原子／ｃｍ²で得られる。室から標的を
取り出すことなく、条件を上述のコーティング条件に変
えて、コーティングを進める。

【００２７】本発明のその他の用途、変法および細部
は、この説明を読めば当技術分野に習熟した人々には思
い浮かぶであろう。これらのものは添付された特許請求
の範囲に定義した本発明の範囲内に包含させるように意
図されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ付着装置の略図である。

【図２】図１の線２…２に関してとったプラズマドリフ
ト管またはチャンネルを通る横断面図である。

【符号の説明】

１０真空室１２陰極１４室、空洞１６絶縁環１８トリガー環２０トリガー２２壁２４，２６陽極２８ドリフト管またはチャンネル３０支持テーブル３２磁石３４高圧供給路３７導電スクリーン３８標的４０，４２接続部４４イオンゲージ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（イ）真空室；（ロ）下記（ｉ）〜（iv）を含む陰極集成体： (i) 少なくとも１種の耐熱性導電性セラミック化合物を
含む陰極、(ii)上記陰極のまわりの電気絶縁性セラミッ
ク環、(iii)上記絶縁環のまわりのトリガー環、および
(iv)上記トリガー環と接触しているトリガー電極；（ハ）少なくとも１つの孔を有し、イオンを上記陰極か
ら該孔を通って受けて通過させるのに適合した、上記陰
極から一定の距離をおいた陽極；（ニ）上記陽極を出るイオンを受ける位置におかれてお
り、コーティングされるべき標的を支持するのに適合し
た、陽極から一定の距離をおいた標的支持手段；および（ホ）隣接磁石上の同じ極が対面したパターンで配列さ
れた、上記陽極と上記標的との間の容積を囲んで配列さ
れた多数の永久磁石；を含む装置であって、それによっ
て耐火性化合物の均一で密着性で実質的に化学量論的な
塗膜が上記標的上に形成される、直接イオン混合プラズ
マ付着により耐熱性導電性セラミック化合物の塗膜を有
機基体上に形成させるための装置。
【請求項２】非磁性材料の管を含む、上記陽極を出る
イオンを受けて導くために置かれたドリフト管をさらに
包含する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】上記の標的が電気絶縁性材料から形成さ
れ、さらに、陽極に向いた標的の表面上に導電性スクリ
ーンを包含している、請求項１に記載の装置。
【請求項４】上記のセラミック化合物が、チタン、タ
ングステン、アルミニウム、モリブデン、ニオブおよび
タンタルの硼化物、炭化物、珪化物、および窒化物、お
よびこれらの混合物類より成る群から選択される、請求
項１に記載の装置。
【請求項５】上記のセラミック化合物が、二硼化チタ
ン、炭化チタン、窒化チタン、炭化タングステン、およ
びこれらの混合物類より成る群から選択される、請求項
４に記載の装置。
【請求項６】上記のドリフト管が銅から形成されてい
る、請求項１に記載の装置。
【請求項７】上記の磁石がサマリウム−コバルト磁石
である、請求項１に記載の装置。
【請求項８】上記の標的が有機樹脂マトリックス複合
材料である、請求項１に記載の装置。
【請求項９】上記陽極と上記標的との間の容積の周囲
に、隣接磁石上の同じ極が対面したパターンで配列され
た多数の永久磁石をさらに含む、請求項１に記載の装
置。
【請求項１０】下記（イ）〜（ニ）の段階：（イ）順に、陰極、穿孔した陽極、および標的支持体上
の材料を含む標的を含有する真空室を準備する段階、こ
こで該陰極は、耐熱性導電性セラミック化合物を含む；（ロ）該陽極に向かい、そしてこれを通って動く混合プ
ラズマを形成するために該陰極でアークを開始する段
階；（ハ）実質的に均一なイオン混合物およびプラズマ密度
を保持しながら、該標的の方へ該プラズマを導く段階；
および（ニ）プラズマを該標的上に衝突させ、これによってセ
ラミック化合物の実質的に化学量論的な密着性塗膜を該
標的上に形成させる段階；を特徴とする、直接イオン混
合プラズマ付着により基体上に耐熱性導電性セラミック
化合物塗膜を形成する方法。
【請求項１１】付着中、上記の標的を約５０ないし２
００負ボルトのバイアスに保つことを包含する、請求項
１０に記載の方法。
【請求項１２】上記の標的上のバイアスを負の約５０
ないし２００ボルトから約１０ないし３０キロボルトま
で変化させることを包含する、請求項１０に記載の方
法。
【請求項１３】上記のバイアスを毎秒約１０ないし３
０サイクルの周波数で変化させる、請求項１２に記載の
方法。
【請求項１４】さらに、コーティングを行なう前に少
量の標的表面をスパッター除去して標的表面を清浄化す
る段階を包含する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】上記の清浄化を行ない、そして約３×
１０¹⁶ないし２×１０¹⁷原子／ｃｍ²を塗布するのに十
分な時間、約１０ないし３０キロボルトのバイアスの標
的を用いて陰極イオン化を開始することによってイオン
を標的表面に植え込む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】上記のセラミック化合物がチタン、タ
ングステン、アルミニウム、モリブデン、タンタル、ニ
オブの硼化物、炭化物、珪化物および窒化物、並びにこ
れらの混合物類より成る群から選択される、請求項１０
に記載の方法。
【請求項１７】上記の標的が有機樹脂マトリックス複
合材料を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】多数の永久磁石を、隣接磁石の同じ極
を対面させた配置で非磁性管の外側に沿って固定して、
隣接磁石間に磁気カスプを形成させて、管壁に沿って磁
界をかけることによって、ドリフト管を通ってプラズマ
を導く、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】上記の基体および標的材料が有機物で
ある、請求項１０に記載の方法。