JPH07501582A - 基体の硬質物質による被覆のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 基体の硬質物質による被覆のための方法および装置本発明は、グロー放電によっ て活性化されるＣＶＤ法を使用しながら、３００℃を１廻る温度および１０００ ０Ｐａ以下の圧力で、基体を硬質物質により被覆するための方法に関する。

更に、本発明は、反応器の内部空間に、１つまたはそれ以上の基体および１つま たはそれ以上の該基体に対して間隔を開けて配置された、電圧源と接続した電極 が存在するような、少な（とも１つのガス入口およびポンプと接続した少なくと も１つのガス出口を有する反応器を用いて記載された方法の実施のための装置に 関する。

高温被覆法（Ｈｏｃｈｔｅｍｐｅ＋ａｔｕｒｂｅｓｃｈｉｃｈｔｕｎｇｓｖｅｒ ｆａｈｒｅｎ）は、基体および該基体上に施された硬質物質による被覆からなる 複合体の靭性損失を必ずしも回避できないという欠点を有する。従って、例えば 炭化チタンで被覆されていた転向スライス盤（Ｗｅｎｄｅｓｃｈｎｅｉｄｐｌａ ｔｔｅｎ　）の場合に、高合金鋼の加工の際に、被覆が高温度処理法を用いて、 約１０００℃で塗布されていた場合には、破断面の中に、常により多くの摩耗が 確認されている。しかしながら、十分に低い温度の場合、基体上への被覆法のこ の種の劣った結果は回避することができる。低温で実施可能であるような被覆法 については、ＰＶＤ法と共にプラズマ−ＣＶＤ法が重要である０反応ガスに低圧 グロー放電中で不均衡プラズマを重ねる場合には、該ガス中に存在する帯電体は 、存在する電場の影響下に加速される。また、粒子密度もしくは圧力に応じて、 ２つの衝突の間の任意の間隔が決定される０粒子のエネルギーが電圧を印加した 際に十分である場合には、分子または原子に、電離またはイオン化を誘発するこ とができる。このことによって、化学反応は可能になり、さもなければ、該化学 反応は、相対的に高い温度でのみ行うことができたであろう。

低圧プラズマは、原理的には、陰極として接続された工作部材での一定の直流電 圧の印加、高周波の交流電圧またはパルス化された直流電圧によって得ることが できる。

エネルギーを誘導的または容量的に外から反応容器中に導入することができるよ うな高周波励起は、極めて純粋な層の析出のために、電気工学において、例えば マイクロチップの場合にしばしば使用される。直接に基板と接続した電極を用い ずに処理するので、工作材料自体が導電性であるか非導電性であるかは重要では ない。不利な点は、前記方法が極めて費用がかかることである。

低圧放電を得るための最も簡単な方法は、被覆すべき工作材料を陰極として接続 し、受器もしくは該受器の壁面を陽極もしくはアース電位（Ｅｒｄｐｏｔｅｎｔ ｉａｌ　）として使用することである。この場合、基板温度は、電圧および電流 の関数である。

更に、直流電圧はパルス化されていてもよく、この場合、基板温度は、ピーク電 圧およびピーク電流並びにパルスの継続時間およびパルスの周波数の関数である 。賽利には、前記方法の場合、被覆温度は、低圧放電パラメーター、電圧および 電流とは無関係に調節することができる。

ＣＶＤ反応器は、本質的に、２つの要件を充足しなければならないニ一方では、 該ＣＶＤ反応器は、できるだけ多数の基板の同時被覆を可能としなければならず 、従って、高い収容能力を有していなければならず、他方では、陰影効果もしく は不均一な被覆は回避されなければならない。

第２の前記要件に関連して、既に、ドイツ連邦共和国特許出願公開第２２５１５ ７１号明細書には、反応能を有するガスを反応器中で、基体の全ての辺縁部から 、内部へ、基体および該基体上に施された基板を介して貫流させ、この場合、該 ガスは中央で取出されることが提案されている。これにより、層状の半径方向の 流れが意図されることになる。この反応器は、第２の電極としての基板収容板の 向い側に第１の電極として接続されている被覆板を有する。プラズマ発生のため に、高周波電圧が使用される。

米国特許第４９０９１８３号明細書には、まず、室の中央に被覆基板用の回転可 能な止め具が配置されている真空化可能な室が記載されている。基板自体は、Ｈ Ｆ−電圧源と接続されている円筒状の陰極電極によって包囲されている。この基 板は陽極として使用され、その結果、印加された電圧の際に陰極に低圧プラズマ が発生する。不利な点は、被覆工作材料が基板の上だけで分離するばかりなく、 陰極並びに別の、空間に存在し、プラズマを閉じ込める壁面も分離することであ る。このことによって、ガスの大量の損失が生じる。

最終的には、時折、電極もしくは反応容器中の他の壁面から、そこで析出する被 覆部材が離れ、かつ工作材料の上に落下し、該被覆部材は、望ましくない欠陥を 招来する。

従って、前記の欠点を取り除（ために、米国特許化４９０９１８３号明細書の記 載では、陽極接続された基体を円形軌道上で互いに反応器壁面から間隔を開けて 配置し、かつ反応器中央にＨＦ−ｆｉと接続した陰極を配置することが提案され ている。この反応ガスは、反応器外被中の入口開口部で流入することになる。こ の基体は、基体の十分な被覆を保証することになる多数の回転駆動装置上に存在 している。

同様に、米国特許第４９９１５４２号明細書は、反応室の中央にＨＦ−Ｈと接続 した基体が配置されている反応室を記載しており、該反応室の面に対して、直掻 上で向き合い、同時にガス供給装置として有用な電極が配置されている。この電 極は、漏斗状に構成されており、かつほぼシャワーの形で多数のガス流出口を基 板に向けられた面に有する。電圧源を基板もしくは基板保持具と接続する代りに 、該電圧源は、それぞれ双方の側で、基板とガスシャワー状に形成された電極の 間に配置されている格子電極と接続されていてもよい。

しかしながら、全てのこれまでに記載された方法もしくは装置は、基体の均一な 被覆に関連して不満足な成果しか挙げることができなかった。従って、本発明の 課題は、前記の欠点を取り除くような方法および装置を記載することである。

前記課題は、１つまたはそれ以上の基体を全面的に包囲する檻の中で基体に向け られた内面の上で境を接するグロー放電縁部（Ｇｌｉｍｍｓａｕｍ）を発生させ 、他方、硬質物質による被覆の形成に適当な反応性ガス混合物を槽内部空間に導 通させることを特徴とする請求項ｌに記載された方法によって解決される。従っ て本質的には、被覆すべき基体は、檻の中心部を形成する。殊に、前記の中心部 は、球対称的に包囲するグロー放電縁部によって包囲されている。また、核種は 、反応ガスの有利な流れの方向をもしくは被覆としての反応生成物の沈殿物の有 利な場所を妨げる。殊に、柵状構造によって、反応ガスを全体的な槽内部空間を 介して均一に分布させるという問題は解決される。

本発明による他の実施態様は、請求項２から８までに記載されている。

従って、この基体は、電気的に絶縁されがっ電位なしに檻中に配列されていてよ いかまたは陽極として作用する反応器（容器）と、例えば基板および反応器容器 が物質電位（Ｍａｓｓｅｐｏｔｅｎｔｉａｌ　）に印加されるように導電性に接 続されていてもよい。もう１つの方法は、基体を、グロー放電縁部を檻に接して 発生させる電圧源と導電性に接続し、即ち、基板を（檻の）陰極電位を印加する ことによって得られる。

本発明の１つの他の変法によれば、檻の電圧源とは独立の第２の電圧源は基体と 接続することができ、かつ檻の電位とは独立の電位が生じることができる。

好ましくは、グロー放電は、檻の内面上でパルス化された直流によって発生され 、殊にこのグロー放電は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第３８４１７３１号明 細書に記載された特徴を有している。この基体は、最大１１００℃の温度に加熱 されるが、しかし、好ましくは、前記温度は４００〜６００℃の間でなければな らない。調節された圧力は、反応容器中で少なくとも１００　Ｐ　ａ　−１００ ０Ｐ　ａでなければならない。

前記課題の解決のための装置は、請求項９に記載されている。新規な点は、電極 が、１つまたはそれ以上の基体を全面的に包囲する檻として構成されており、核 種は本質的に球体状であることにある。

前記装置の他の構成は、請求項１ｏがら２ｏのいずれか１項に記載されている。

従って、基体は、電気的に絶縁されて檻中に取り付けられていてもよいおよび／ または陽極として作用する外側の反応容器または檻と導電性に接続されていても よい。また、このことに関して、前記の基体は、第２の電圧源と接続されていて もよ（、このことによって、それぞれ独立の電位が基板および檻に発生される。

このことによって、例えば高周波電圧は、直流部分と重なることができる。

この檻は、本発明の具体的実施態様によれば、１０〜６０％の穿孔率を有し、こ のことは、開口と、檻の全内面積との割合を表すものである。しがしながら、好 ましくはこの穿孔率は３０〜４０％である。檻の定義された穿孔率は、被覆の結 果に対して影響を及ぼす。

該穿孔率が少なく選択される場合には、反応ガスの槽内部への流入が妨げられる 。しかしながら、該穿孔率が大きく選択される場合には、グロー放電の形成のた めの陰極面積は、檻の内面積に対して相対的に小さくなる。前記の場合、反応ガ ス中での活性化された分子の密度は、減少し、これに次いで、基板の上で形成す る硬質物質の成長速度も減少する。

更に、グロー放電縁部で被覆された、檻の内面積と、基体の表面積または基体の 全表面積との割合が４よすも大きいような檻内面積の寸法は、有利であることが 判明した。また、このために、檻の穿孔された内面積と、記載された表面積もし くは全表面積との割合は４よりも大きく選択することができる。

１つまたはそれ以上の基体の被覆すべき面は、濃淡差が付くことを回避するため に、檻の内面がら少なくとも５ｍｍ離れて配置されていなければならない。全て の檻の中には、１つまたはそれ以上の基体が配置されていてもよい。

好ましくは、１つまたはそれ以上のガス供給管および／または檻中にある開口は 、該檻中で、流入するガスが檻内部中に案内されるような方向に向けられている 。またこの場合、檻中に流入するガスは、有利な流れの方向を有していてはなら ない。

本発明の実施例は、図面に記載されている。

図１〜５は、それぞれ、本発明による装置の略図を示し、かつ 図６は、檻の図面の断面図を示す。

前記装置は、本質的に反応容器　１０がらなり、該反応容器は、外側容器として 使用され、がっ少なくとも１つのガス人口　１１並びに少なくとも１つのガス出 口を有する。この反応容器　１ｏは、場合によっては付加的に、グロー放電によ って放出された熱が、基体　１４を一定の温度に昇温させるために、十分でない 場合には、更に外側の図示されていない加熱装置によって加熱されてもよい。

該反応容器の中央には、球体状の檻　１３が存在し、核種は、被覆すべき基体　 １４を全面的に包囲しているが、しかしながら、流入開口　１５を介して、反応 ガスが、檻内部に妨害されずに流入することができるようにしている。檻　１３ の全表面積と比較して流入開口　１５によって定義された面積は、約３０〜４０ ％である。前記の場合および檻　１３の部分について図示された図６のような場 合には、３３％の有利な穿孔率が選択された。

図１による実施態様の場合、基体　１４および檻１３は、陰極電位上に置かれ、 この場合、相応する供給管は、絶縁体　１６を通って電圧源　１７に導かれてい る。反応容器　１０は、物質電位　１９の上に存在し、かつこれによって陽極を 形成する。

またこのために、図２によれば、基板は反応容器ｌＯと同様に物質電位　１９の 上に存在する。

図３によれば、該反応容器　ｌＯは、物質電位　１９の上に存在し、他方、檻　 １３は、電圧［１７と接続しており、かつ陰極を形成している。この基体は、電 位なしであり、このことは、絶縁体　１６によって保証されている。図４によれ ば、基体　１４並びに檻１３は、それぞれ互いに独立に電圧ｉｊｉ　１７および １８と接続している。この電圧ｉ１　１７もしくは電圧源　１７および１８によ って引き渡された電圧は、図２に図示されているように、堅固に規定された圧力 で、球殻状のグロー放電縁部　２０が基体の周囲を廻って発生するような程度に １４節されている。前記のグロー放電縁部は、例えば図１または３による回路が 選択されている場合には、檻内部に“押し入っている“、念のために、記載され た配置の場合、檻　１３の外側表面にグロー放電縁部が発生することを記載して おかなければならない、しかしながら、基体　１４の上での均一な層厚の達成の ためには、グロー放電縁部　２０は、檻　１３の内面の上、即ち、基体１４に向 けられた面の上に存在していることが必要である。

１時間当たり約１μｍを１廻る、記載された配置で十分に高い層成長速度を得る ためには、グロー放電縁部　２０で覆われた、檻　１３の内面積と、１つまたは それ以上の基体　１４の表面積との割合は、４よりも太き（選択されなければな らない。

図５による本発明のもう１つの実施態様の場合、反応容器　１０中に、多数の互 いに接続した檻が配置されていることが想定されている。これによって、被覆す べき基体　１４のための収量能力は、筒車な方法で高めることができる。更に、 図５からは、檻　１３１つ当たり、多数の並置されてかまたは上下に重ねて配置 された基体　１４が意図され、同時に被覆されていてもよいことが明らかである 。

ＰＣＴ／ＤＥ　９２１０１００５ フロントページの続き （７２）発明者　タバースキー、ラルフドイツ連邦共和国　Ｄ　−４２５０ボッ ドロップ　イン　デア　ヴアイヴイーゼン　舛

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．グロー放電によって活性化されたＣＶＤ処理を使用しながら、３００℃を上 廻る温度および１００００Ｐａ以下の圧力で基体を硬質物質によリ被覆する方法 において、１つまたは複数の基体を全面で包囲する檻の中で基体に向けられた内 面の上でグロー放電緑部を発生させ、他方、硬質物質による被覆の形成に適当な 反応性のガス混合物を檻の内部空間に導通させることを特徴とする、基体を硬質 物質により被覆する方法。 ２．基体を電気的に絶縁されて檻の中に配置する、請求項１に記載の方法。 ３．基体を、陽極として作用する反応容器と導電性に接続する、請求項１記載の 方法。 ４．基体を、檻に接してグロー放電縁部を発生させる電圧源と導電性に接続する 、請求項１に記載の方法。 ５．檻の電圧源とは無関係の第２の電圧源によって、基体に接して、檻の電位と は無関係の電位を発生させる、請求項１に記載の方法。 ６．グロー放電を檻の内面上でパルス化された直流によって発生させる、請求項 １から５までのいずれか１項に記載の方法。 ７．基体を、１１００℃までの温度、好ましくは４００〜６００℃に加熱する、 請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。 ８．少なくとも１００Ｐａ〜１０００Ｐａの圧力を反応容器中で調節する、請求 項１から７までのいずれか１項に記載の方法。 ９．グロー放電によって活性化されるＣＶＤ処理方法を使用して、反応容器の内 部空間に、１つまたはそれ以上の基体（１４）および１つまたはそれ以上の該基 体と間隔を開けて配置された、電圧源（１７）と接枕した電極が存在する、少な くとも１つのガス入口（１１）およびポンプと接続した少なくとも１つのガス出 口を有する反応容器（１０）を加えた、基体（１４）の硬質物質による被覆のた めの装置において、１つの電極または全ての電極が１つまたはそれ以上の基体（ １４）を全面で包囲する檻（１３）として形成されていることを特徴とする、基 体を硬質物質により被覆するための装置。 １０．檻（１３）が、本質的に球状に形成されている、請求項９に記載の装置。 １１．基体（１４）が、電気的に絶縁されて檻（１３）中に配置されている、請 求項９または１０に記載の装置。 １２．基体（１４）が陽極として作用する外側反応容器（１０）と導電性に接続 されている、請求項９または１０に記載の装置。 １３．基体（１４）が、グロー放電縁部を檻（１３）に接して発生させる電圧源 （１７）と導電性に接続されている、請求項９または１０に記載の装置。 １４．檻（１３）および１つまたはそれ以上の基体（１４）が、それぞれ互いに 別個に電圧源（１７）と接続されている、請求項９または１０に記載の装置。 １５．檻が穿孔率、即ち、１０〜６０％、好ましくは３０〜４０％の檻の全内面 積に対する開口の割合を有する、請求項９から１４のいずれか１項に記載の装置 。 １６．檻１３の穿孔された内面積と、１つまたはそれ以上の基体１４の表面積と の割合が４よりも大きい、請求項９から１５までのいずれか１項に記載の装置。 １７．グロー放電縁部２０で覆われた、檻１４の内面積と、１つまたはそれ以上 の基体の表面積との割合が４よりも大きい、請求項９から１５までのいずれか１ 項に記載の装置。 １８．１つまたはそれ以上の基体（１４）の被覆すべき面が、檻の内面から少な くとも５ｍｍ、好ましくは１０ｍｍまたはそれ以上離されて配置されている、請 求項９から１７までのいずれか１項に記載の装置。 １９．反応容器（１０）中で、多数の、好ましくは互いに接続された檻（１３） が配置されている、請求項９から１８までのいずれか１項に記載の装置。 ２０．ガス供給管（１１）および／または檻の中に存在する開口（１５）が、そ こで流入するガスを檻内部中に導くように方向が定められているかまたは配置さ れている、請求項９から１９のいずれか１項に記載の装置。