JPH09512304A - イオン支援された真空コーティング方法並びに装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この方法とそれに付属する装置は、大面積で電気的に導通するあるいは電気的に絶縁する基板を電気的に絶縁する層で、かつ電気的に導通可能な層を比較的小さいコストで高い割り合いのコーティングをすることを可能にするものである。基板は主としてバンド形状であり、特に１メートルを越える幅を有するプラスチック箔である。本発明によれば、真空コーティングするためのそれ自体公知の装置において、電気的に導通する基板に、あるいは電気的に絶縁する基板の場合にはその後ろ側に配置された電極、例えば冷却ドラムに、プラズマに対し、又は、ほぼプラズマ電位にある電極に対して負と正の電圧パルスが交互に印加される。パルスの形状、電圧並びに期間は、コーティング課題と材料に適合される。この方法は特に、摩耗保護層、腐食保護層並びにバリア層を塗布するために用いられる。利用者は特に包装工業である。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称 イオン支援された真空コーティング方法並びに装置技術分野 本発明は、電気的に導通または電気的に絶縁する基板を電気的に絶縁する層で 、そして電気的に絶縁する基板を電気的に導通する層によってイオン支援で真空 コーティングする方法並びにそれに付属する装置に関するものである。好ましい 使用領域は、プラスチック箔を電気的に絶縁する酸化物層によってイオン支援で 真空コーティングすることである。特に重要なのは、摩耗保護層と腐食保護層並 びにパッキング目的のためのバリア層の分離である。従来の技術 イオン支援の真空コーティングによって、成長する層のより高いパッキング密 度とそれに伴ってより大きな硬度とより良好なバリア特性が達成できることが知 られている。 イオン支援の真空コーティングの変形は、コーティング室内にコーティング源 に加えてイオン源を配置することにあり、それによって層材料の原子ないし分子 と同時に希ガスないしは反応ガスイオンが基板上に衝突する。イオン衝撃によっ てゆるく取り付けられている層構成部分が衝突プロセスにより層表面から除去さ れ、あるいはエネルギー的により好ましい位置へ移送される。化学的化合物、例 えば酸化物から層を分離す る場合に、反応ガスイオンによる、例えば酸素イオンによる衝撃によってパッキ ング密度の他に層の化学量論も改良される。電気的に絶縁する基板をコーティン グする場合、ないしは電気的に絶縁する層を分離する場合に、イオンビームを電 子の混和によって中性化し、それによって層が電気的に帯電しないようにするこ とが必要である。そのためにイオン源には適当な中性化装置が装備される。 例えばバンドコーティング装置内で金属バンドまたはプラスチック箔をコーテ ィングするために必要とされるような、高いコーティング率でイオン支援のコー ティングを行うには、これまで使用可能であったイオン源は不適である。まず、 高いコーティング率に適した高いイオン流は、支持し得るコストでは実現できな い。また、イオン源の保守のいらない使用期間は蒸発密度が高く、それに結び付 く汚染率が高いので、工業的な使用の必要条件とは一致しない。 これらの欠点を除去するために、別体のイオン源を使用しない、イオン支援の コーティングを実現することが知られている。そのために種々の手段によってコ ーティング源と基板との間でイオンが発生され、基板に負のバイアス電圧を印加 することによって基板上へ加速される。イオンの発生は、単独または非単独のグ ロー放電、アーク放電によって、あるいは高率スパッタリングによるコーティン グの場合にはマグネトロン放電によって、行われる。しかし負のバイアス電圧の 印加による基板上へのイオンの加速は、電気的に導通 する基板上に電気的に導通する層を分離する場合にのみ可能である（ゲー．キー ネル、真空コーティング(G.Kienel、Vakuumbeschichtung)、第4巻、VDI出版、デ ュッセルドルフ、1993年第33ページ）。 基板表面の近傍で高密度プラズマを発生させる場合に、絶縁する基板ないしは 絶縁する層が−１０Ｖの大きさの小さい負のバイアス電圧に自動的に帯電するこ とが知られている。しかし、このいわゆる自己バイアス電圧とそれによってもた らされるイオンエネルギーは非常に小さいので、所望の構造改良と、特に分離さ れた層のパッキング密度の増大はもたらされない。 さらに、この自己バイアス電圧は絶縁性の基板をコーティングする場合、ない しは絶縁性の層を分離する場合に、基板表面に対して垂直に高周波の電場を作用 させることによって、増大させることが知られている。幾何学配置と交流場振幅 に従って数メガヘルツとなる、いわゆるカット・オフ・周波数の上方ではプラズ マの電子が励起されて強く振動し、イオンは質量が大きいために高い周波数には 追従できない。その結果がプラズマのイオン化の増大と、幾何学配置並びに交番 磁界振幅に関係する基板表面ないしは層表面の負の帯電である。通常、この高周 波励起は、工業的な使用に開放されている１３．５６ＭＨｚの周波数で実施され る。 しかしこのような高い周波数の利用は、多大な技術的な手間と結び付いており 、従って経済的な理由から比較的小さい基板表面に制限されている。典型的な利 用は、光学的構成部品と電子的な素子のコーティングである。高周波出力を伝達 するためにはインターフェースネットワークが必要であって、その出力損失は高 周波電極の容量と共に、すなわち基板の大きさにつれて著しく増大する。プラス チック箔をコーティングする場合には、例えば冷却ドラム（コーティングの間に これを介して箔が案内される）全体を高周波電極として形成しなければならない 。コーティング幅が１メートルまたはそれ以上の大きさになる場合には、必要と される高周波発生器とインターフェースネットワークのコストは、経済的にはも はや支持することはできない。 さらにまた、電気的に導通しない、あるいは劣悪な導通の基板をイオン支援で コーティングすることが知られている。そのためにプラズマ室内の蒸発源とコー ティングすべき基板との間に、交流電圧に接続された電極が配置される。この交 流電圧の周波数は数ｋＨｚ乃至数１００ｋＨｚの間にあり、その場合に−８００ Ｖのプラズマ電位に対する電圧は＋２５０Ｖとなる。その場合に熱陰極は常に均 一に電子を放出する（ＤＤ１６１１３７Ａ３）。この方法並びにそれに付属する 装置は、発生された層がわずかなパッキング密度しか持たないので、層の品質が 、特にプラスチック箔上だと、耐蝕並びにバリア層に課せられた高い要請に一致 しないという欠点を有する。 さらに、高い周波数を発生するためのコストは比較的高い。発明の説明 本発明の課題は、大面積の電気的に導通する、あるいは電気的に絶縁する基板 を電気的に絶縁する層によって、そして電気的に絶縁する基板を電気的に導通す る層によって、経済的に支持し得る、かつできるだけ小さいコストで高率コーテ ィングすることを可能にする、イオン支援された真空コーティングを行う方法並 びに装置を提供することである。特に、１メートルを越える幅を有するプラスチ ック箔または他のバンド状の材料を安価にコーティングできなければならない。 装置の構造的なコストも、一般的なものを著しく上回ってはならない。 この課題は、本発明によれば特許請求の範囲第１項の特徴によって解決される 。従属請求の範囲第２項乃至第９項には本発明による方法の好ましい実施形態が 記載されている。この方法を実施する装置は、請求の範囲第１０項乃至第２２項 に記載されている。 コーティング源と基板との間に発生されるプラズマからイオンを、絶縁する基 板ないしは絶縁する層の方向へ加速することは、本発明によれば、導通可能な基 板の場合には基板に、あるいは絶縁する基板の場合には基板の直後に配置された 電極に交互にプラズマ電位に対して負と正の電圧パルスが印加され、パルスの持 続時間が絶縁する層ないしは絶縁する基板によって形成されるコンデンサの充電 時間に適合される場合には、複雑な高周波の場による自己バイアス発生なしでも 可能である。絶縁する層ないしは絶縁する基板の後 ろ側に印加された電圧パルスは、プラズマから絶縁する層ないしは絶縁する基板 のプラズマ側の表面へ電流が流れない限りにおいて、コンデンサの場合のように この表面へ伝達される。それによって基板ないしは層のプラズマ側の絶縁する表 面に負と正のバイアス電圧が交互に発生される。 負の電圧パルスの間正のイオンが、そして正の電圧パルスの間は電子がプラズ マから基板ないし層の表面へ加速される。しかし、それと結び付いたイオン電流 ないしは電子電流によって短時間の後に、絶縁する基板および／または絶縁する 層によって形成されるコンデンサが充電される。その場合にはプラズマ側の表面 がプラズマ電位をとり、それ以上イオンないし電子がプラズマから吸引できなく なる。互いに直接連続し、かつ絶縁する基板および／または絶縁する層によって 形成されるコンデンサの充電時間に適合された正と負の電圧パルスの交替によっ て、基板ないしは層表面への互いに直接連続するイオンおよび電子電流が得られ る。その際に、プラズマ密度が約１０¹⁰ｃｍ^-3である場合には、約１μｍ厚みの 絶縁する層ないしは基板について負のパルスの期間は１ｍｓの大きさ、約１００ μｍの厚みの絶縁する基板ないしは層については１０μｓの大きさにすべきこと が明らかにされている。正のパルスの期間は、イオンに比較して電子の可動性が 高いので負のパルスの期間よりも小さくすることができる。正のパルスの期間を ２乃至１０の係数だけ小さくすることは、時間の利用に関して十分であっ て、かつ技術的な手間に関しては比較的容易に実現することができる。 それによって導通可能な基板上の約１μｍ厚みの絶縁層について約１ｋＨｚ、 ないしは約１００μｍ厚みの絶縁する基板上の絶縁または導通する層については 約１００ｋＨｚの好ましいパルス列周波数が得られる。この種の周波数は、１３ ．５６ＭＨｚの公知の高周波励起に比較してずっと安価なジェネレータを用いて 、かつ面倒な適合部材なしで実現される。高周波励起における連続的な負の自己 バイアス電圧に比較して、中周波数領域で交替する正と負のバイアス電圧を有す る本発明による方法の他の利点は、特に薄い絶縁層あるいは薄い絶縁基板の場合 に１０００Ｖを越えるバイアス電圧に関して発生する可能性のある過電圧とマイ クロアークが、中周波数領域における極性変化によって発生しない、ないしは危 険にならない状態で消滅するということにある。 本発明による方法を実施するために矩形の電圧パルスを使用し、その場合にパ ルスの立上り時間と立ち下がり時間が適当な配線によってこの方法に最適に適合 されると効果的である。負のパルスの立ち下がり時間とそれに連続する正のパル スの立上り時間は、絶縁層の表面電位がどの時点においてもプラズマ電位に対し て２０Ｖ以上正に上昇されないように、大きく選択される。このことは、正の電 圧上昇がプラズマからの電子による絶縁性の層表面の負の充電が行われるのと最 大で同じ速さ、あるいはそれより低速に調節されるこ とによって、達成される。この手段によって、電子ができる限り小さいバイアス 電圧で加速され、基板が付加的なエネルギーによって不必要に負荷を受けないこ とが達成される。それに対して正のパルスの立ち下がり時間とそれに連続する負 のパルスの立上り時間は、できるだけ小さくすることが必要であって、それによ って基板ないしは層表面における所望の負のバイアス電圧が達成され、負の電圧 上昇の間にすでにプラズマからのイオン流によって減少されることはない。負の 電圧上昇は、プラズマの粒子密度が高くなるにつれて、かつそれに伴って基板な いしは層表面へのイオン流が高くなるにつれて、それだけ急速に行わなければな らない。 より小さいプラズマ密度を使用する場合には、より低速の負の電圧上昇が許可 され、矩形の電圧パルスの代わりに安価に発生できるサイン形状の電圧パルスを 使用することが可能になる。その場合には周波数は、基板ないしは層表面におい て十分に高い負のバイアスパルスが得られるような高さに選択されなければなら ない。 本発明による方法の特に好ましい利用は、導通可能な基板を薄い絶縁層によっ てイオン支援でコーティングすることにある。数μｍ厚みまでの薄い絶縁層は、 導通可能な基板とプラズマとの間に高い容量と高い充電時間とを有するコンデン サを形成し、従って比較的小さくて安価に実現可能なパルス列周波数しか必要と しない。さらに、薄い絶縁性の層は、高周波励起によ りイオン支援コーティングする場合に過電圧とマイクロアークをもたらす傾向が 強いので、本発明による方法の使用は、安定的で故障のないイオン支援コーティ ングを行うためのほぼ唯一の可能性を示すものである。 この方法の他の好ましい利用は、薄いプラスチック箔を絶縁する、または導通 可能な層でイオン支援コーティングする場合に得られる。この種のコーティング されたプラスチック箔は、例えば最小の製造コストを要する包装工業におけるバ リア箔として必要とされる。その場合にプラスチック箔の問題となる厚みは１０ −２０μｍであるので、この場合にも比較的わずかなパルス列周波数を用いる本 発明による方法を使用することができる。 本発明による方法の特に好ましい構成は、コーティング源として電子ビーム蒸 発器が使用される場合に得られる。その場合には電子ビームと後方へ散乱される 電子によってすでにプラズマが発生され、別体のプラズマ源は必要とされないこ とが多い。 しかし、特に高品質の層を分離するため、ないしは特に高いコーティング率を 実現するためには、より高いプラズマ密度が必要になる。その場合には、必要と される大きいプラズマ密度を低ボルトアーク放電によって、特にホロー陰極アー ク放電によって発生させることが効果的である。それに対して特に大きなコーテ ィング幅にわたってコーティングの高い均質性が重要である場合には、プラズマ を時間的に変化する極性で 相対して燃焼する２台のパルスマグネトロン間のそれ自体公知のマグネトロン放 電によって発生させると効果的である。 特に好ましい解決は、コーティングが単独で、あるいは蒸発に加えて１つまた は多数のスパッタリング源によって行われる場合に得られる。その場合には別体 のプラズマ源は不要であって、スパッタリングによるコーティングを本発明によ る交替される中周波数パルスバイアスと組み合せることにより特に高品質の層が 得られる。スパッタリング源としては反応的に駆動される直流電圧マグネトロン または高周波マグネトロンが考えられる。特に欠陥箇所の少ない層は、コーティ ング源としてすでに挙げたパルスマグネトロンを使用する場合に得られる。 本発明による方法を実施する好ましい装置は、コーティング源と、基板保持な いし案内装置と、プラズマを発生させる手段とを備えた、それ自体公知の真空コ ーティング装置である。さらに、±２０Ｖと±２０００Ｖの間のパルス高さと１ μｓと１０００μｓとの間のパルス期間とを有し、かつ、極性が変化する電圧パ ルスを発生させる電圧源が必要である。この電圧源の一方の極はほぼプラズマ電 位にある電極と、そして他方の極は導通可能な基板の場合にはプラズマに対して 絶縁された基板と、そして絶縁する基板の場合には基板の直後に配置され、コー ティング面全体にわたって延びる電極と接続される。 薄い絶縁性のプラスチック箔をコーティングする場 合には、通常プラスチック箔を案内して冷却するためにコーティングゾーンに設 けられている冷却ドラムが、基板の直後に配置された電極として使用される。も ちろんその場合には、この冷却ドラムは通常の箔コーティング装置とは異なりア ース電位に対して絶縁され、場合によっては寄生グロー放電の点火に対するシー ルドが設けられる。 コーティング源として電子ビーム蒸発器を用いてコーティングする場合には、 好ましくは蒸発物質と基板との間に公知の磁気トラップが配置される。それによ って蒸発物質において後方へ散乱された電子が円形の軌跡を強いられるので、そ のルートとそれに伴って蒸気と残留ガス内におけるそのイオン化の確率が増大し 、付加的なプラズマ源なしでも本発明による方法にとって十分なプラズマ密度が 得られる。 基板において特に高いイオン流密度を発生させるためには、付加的なプラズマ 源として低ボルトアーク源をコーティング源と基板との間に配置すると、効果的 である。特にホロー陰極アーク源が適している。ホロー陰極アーク源と接続され たコーティング源として、交流加熱される舟形蒸発器を使用する場合には、特別 な利点として、交流加熱される舟形蒸発器の漂遊磁界によるホロー陰極アークが 側方へ交替で転向される。このことは特に、ホロー陰極アークに対して平行にそ れ自体公知のガイド磁場を使用する場合に該当する。それによって、ホロー陰極 アークに対して横方向にプラズマのより高い均一性が得られる。 特に、多数の舟形蒸発器に唯一のホロー陰極アーク源を使用する場合には、ホ ロー陰極アーク源に、ホロー陰極アークをさらに水平に交替で転向させるそれ自 体公知の磁気転向システムを配置することによって、均一性がさらに増大する。 本発明による装置の他の実施形態は、プラズマ源として時間的に変化する極性 を有する２つのパルスマグネトロンを使用する場合に得られる。この場合には、 ２つのパルスマグネトロン用のパルス電圧源を同時に本発明によるパルスバイア ス用の電圧源として使用することができる。最も簡単な解決は、２つのパルスマ グネトロンの一方と基板ないしは基板の直後に配置された電極との間に電気的な 接続を形成することにある。プラズマ電位は印加されたパルス電圧に従って２つ のパルスマグネトロンの各々に対して周期的に変化するので、プラズマと基板と の間にも同じ周期的なパルス電圧が得られる。基板と接続されたマグネトロンが 正のパルスを得ると、プラズマから電子が基板へ加速される。負のパルスを得る と、イオンが基板へ加速される。 他の変形例は、パルス電圧源が直列に接続され、同期して同方向に作動する２ つの電圧源からなり、これら２つのパルスジェネレータの間に電圧取り出し端子 が設けられ、この電圧取り出し端子が基板または基板の直後に配置された電極と 接続されていることにある。その場合には、最初の変形例に比較してマグネトロ ンパルス電圧が等しい場合にプラズマと基板との間 に半分の電圧が得られる。その代わりに基板のパルス周波数が倍になる。２つの マグネトロンの一方において最大の正のパルス電圧が得られる場合には常に、プ ラズマからイオンが基板へ加速される。２つのマグネトロンの転極の間にプラズ マ電位は短時間負の方向へずれるので、短時間電子流が基板上へ流れる。同様な 変形例が、２つのパルスマグネトロンのために１つだけのパルス電圧源が設けら れており、パルス電圧源の２つの出力が等しい大きさの電気的抵抗を介して基板 ないしは基板の直後に配置された電極と接続されている場合に、得られる。その 場合には上述の場合と同じ電位特性が得られるが、全体として１つのパルス電圧 源しか必要とされない。 本発明による装置の同様な構成は、唯一のコーティング源として、あるいは任 意に加熱される蒸発源に加えてスパッタリング源を使用する場合に得られる。そ の場合にはスパッタリング源は同時にコーティング源としてもプラズマ源として も用いられる。スパッタリング源として直流電圧マグネトロンまたは高周波マグ ネトロンを使用する場合には、マグネトロンの駆動とプラズマと基板との間に電 圧パルスを発生させるために別の電圧源が使用される。その場合にはほぼプラズ マ電位にある電極として、マグネトロンの互いに接続されたターゲットが用いら れる。スパッタリング源としてパルスマグネトロンを使用する場合には、パルス マグネトロン用のパルス電圧源を同時にプラズマと基板との間に電圧パルスを発 生させるパルス電圧源とし て使用することができる。その場合には、パルスマグネトロンをプラズマ源とし て使用する場合に説明したのと同じ変形例が利用される。図面の簡単な説明 幾つかの実施例を用いて、本発明を詳細に説明する。付随する図面において： 第１図は、方法を実施する装置を原理的に図示するものであり、 第２図は、方法を実施する場合の電位と電流の時間的な推移を示すものであり 、 第３図は、コーティング源としての電子ビーム蒸発器とプラズマ源としてのホ ロー陰極アーク源とを有する、プラスチック箔をコーティングする装置を示すも のであり、 第４図は、コーティング源としての舟形蒸発器とプラズマ源としてのホロー陰 極アーク源とを有する、プラスチック箔をコーティングする装置の上面図であり 、 第５図は、コーティング源としての舟形蒸発器とプラズマ源としてのパルスマ グネトロンとを有する、プラスチック箔をコーティングする装置を示すものであ り、 第５ａ図は、２つの電圧源を有する、第５図に示す装置の実施例を示すもので あり、 第５ｂ図は、分圧器を有する、第５図に示す装置の実施例を示すものであり、 第６図は、コーティング源とプラズマ源として２つ のパルスマグネトロンを有する、プラスチック箔をコーティングする装置を示す ものである。実施例の説明 第１図は、コーティング源１、プラズマ源２、発生されるプラズマ３、絶縁層 ４並びに導通可能な基板５を備えた、本方法を実施する装置を示すものである。 絶縁層４の上方に誘電体としてコンデンサが形成される。絶縁層４の上側は導通 可能な基板５を介して電位Ｕ_sに帯電し、絶縁層４の下側はプラズマ３を介して 電位Ｕ_Bに帯電する。その場合にプラズマ３から電流Ｉが絶縁層４の下側へ流れ る。導通可能な基板５と絶縁層４の間が直接接触していることによって、Ｕ_sは 導通可能な基板５の電位と一致するが、電位Ｕ_Bは絶縁性の層４の下側における プラズマの電位Ｕ_pとは異なる。 第２図には、導通可能な基板５に時間ｔ₊の間正の電圧が、そして時間ｔ_-の間 負の電圧が交互に印加された場合の、プラズマ電位Ｕ_pに対する電位Ｕ_sとＵ_Bの 原理的な時間的推移と、電流Ｉが示されている。電位Ｕ_sは導通可能な基板５に 印加される電圧に直接従う。それに対して電位Ｕ_Bは、絶縁層４のコンデンサ作 用によって急速な電圧飛躍に従うが、その後はプラズマからの電荷担体流Ｉ_Bに よって極めて急速にほぼプラズマ電位Ｕ_pまで降下する。この電位Ｕ_Bの降下は、 プラズマからの電流Ｉが高くなるほど、急速になる。負の電圧飛躍後に正のイオ ンの電流Ｉ_iが、正の電圧飛躍後は負の電子の電流Ｉ_eがプラズマ３から絶 縁層４の表面へ引き付けられる。電子の可動性がより高いので、負の電子の電流 Ｉ_eは正のイオンの電流Ｉ_iよりずっと高い。それにしたがって電子の電流Ｉ_eに よりコンデンサを充電するための時間ｔ_eはイオン電流Ｉ_iにより充電するための 時間ｔ_iより短い。時間平均においては絶縁性の表面から電荷は逃げないので、 次の式が成立する： Ｉ_i・ｔ_i＝Ｉ_e・ｔ_e 効果的なイオン支援コーティングのために、できるだけ多くのイオンを絶縁層 ４の表面へシューティングするために、好ましくは電圧パルスの時間長さｔ_-と ｔ₊が、絶縁層４によって形成されるコンデンサの充電時間ｔ_iとｔ_eに適合され る： さらに、好ましくは（第２図に破線で示すように）、Ｕ_sの負の電圧変化は正 のイオンによる絶縁層４の充電時間ｔ_iよりずっと急速に行われ、かつＵ_sの正の 電圧変化は電子による絶縁層４の充電時間ｔ_eより最大で同じ速さ、あるいはそ れより低速で行われる。それによって、プラズマ３から抽出されるイオンのベー ス電圧として用いられ、絶縁層４の下側の負の電圧パルスＵ_Bの高さは、余り減 少されない。それに対して正のパルスが比較的低速で上昇すると、吸引された電 子による電圧降下は導通可能な基板５によって誘導される電圧上昇と同じ速さか 、あるいはそれより急速に行われる。その結果、絶縁層４の下側の正の電子Ｕ_B はプラズマ電位Ｕ_pより目立って高くはならない ので、プラズマ３から吸引される電子が層４と基板５上へ過度に高いエネルギを 伝達することはない。このことは特に、例えばプラスチックフィルムのように、 温度に敏感な基板５をコーティングする場合に重要である。 第３図は、酸化アルミニウムのイオン支援の電子ビーム蒸発によってプラスチ ック箔をコーティングするための方法を実施する装置を示すものである。１０μ ｍ厚さの電気的に絶縁するプラスチック箔６（ポリエステル箔）が、公知の方法 で約−２０℃に冷却された冷却ドラム８を介して真空内で案内される間に、０． ０５μｍ厚さの電気的に絶縁する酸化物層７によって蒸着される。酸化アルミニ ウム９は水冷された坩堝１０から電子銃１１によって発生された電子ビーム１２ により蒸発される。酸化アルミニウム９で後方へ散乱された電子は磁気トラップ １３内で発生された磁場１４により方向変換されて、それによって酸化物層７と プラスチック箔６に衝突して加熱することを阻止される。この後方へ散乱された 電子のイオン化作用によって、坩堝１０と蒸着すべきプラスチック箔６との間に より小さい密度のプラズマ１５が発生する。より高いプラズマ密度を発生させる ために、磁気トラップ１３の上方にホロー陰極アーク源の陰極１６が配置されて いる。それによって発生される低ボルト電子ビーム１７が、磁場１４の周辺磁場 線によってホロー陰極アーク源の陽極１８へ案内される。低ボルト電子ビーム１ ７によって蒸発された酸化アルミニウムの蒸気流 １９とガス装入系２０を介して装入された酸素が励起され、イオン化され、かつ 解離されるので、蒸着すべきプラスチック箔６の下方に高密度のプラズマ２１が 発生する。ほぼプラズマ電位にある陽極１８と、絶縁性のプラスチック箔６のす ぐ後ろで作用する電極としての、アース電位に対して絶縁された冷却ドラム８と の間に、極性が交替する矩形の電圧パルスを発生するための電圧源２２が配置さ れている。約２００Ｖの高さと約２０μｓの期間の負のパルスの間に、プラズマ 内で部分的にイオン化され励起された蒸気並びに酸素原子に加えて、高密度プラ ズマ２１からのイオンがプラスチック箔６ないしは成長する酸化物層７上へ加速 される。すぐそれに続く同様に約２００Ｖの高さの、しかし約５μｓの期間の正 のパルスの間、高密度プラズマ２１からの電子がプラスチック箔６ないしは酸化 物層７上へ加速される。このようにして分離された酸化アルミニウム層は高い光 学的透明度と高いパッキング密度とを有し、特に高品質の包装箔用のバリア層と して適している。 第４図は、アルミニウムの反応蒸発によってプラスチック箔にアルミニウムを イオン支援コーティングする方法を実施するための装置の部分を、上面図として 図示している。コーティング源としては１列に並べて配置された交流加熱される 舟形蒸発器２３が用いられ、この舟形蒸発器はプラスチック箔６の移送方向に整 合されている。（１．５０ｍ幅の箔をコーティングするために、約１５の舟形蒸 発器が並べて配置され る。）舟形蒸発器２３とプラスチック箔６との間に高密度のプラズマ２１を発生 させるために、ここでもホロー陰極１６と共通の陽極１８とからなるホロー陰極 アーク源が配置されている。ホロー陰極１６で発生された低ボルト電子ビーム１ ７はプラスチック箔６の移送方向に延びる磁場２４によって案内され、ホロー陰 極１６の近傍の転向系２５によってプラスチック箔６の移送方向に対して横方向 に転向され、それによりプラスチック箔６の全幅にわたってプラズマの均一な分 布が得られる。さらに舟形蒸発器２３を加熱するための交流が舟形蒸発器２３の 回りをリング状に回転する交番磁界２６を発生させ、その交番磁界が磁場２４の 場の強さに重畳されて、低ボルト電子ビーム１７をさらに側方へ転向させ、それ によってプラズマをさらに均質化する。ほぼプラズマ電位にある陽極１８と、図 示していないが、第３図と同様にプラスチック箔６を案内するためにコーティン グ源の上方に配置されている冷却ドラム８との間に、プラズマから交互にイオン と電子を成長する層７上へシューティングするために、第３図と同様に極性の交 替する電圧パルスが印加される。 第５図は、同様にコーティング源としての舟形蒸発器２３と、パルス状に駆動 される２台のマグネトロン２７、２８を有する、イオン支援でコーティングする ためのプラズマ２１を発生させるための方法を実施する他の装置を示すものであ る。電圧源２２によって時間的に交替する極性でそれぞれマグネトロン２７が負 の電位（陰極）に、そしてマグネトロン２８が正の電位（陽極）に接続される。 いずれかのマグネトロン２７；２８の一方、例えばマグネトロン２８は、プラス チック箔６の後方に配置されアース電位に対して絶縁されている冷却ドラム８と 接続されている。それによって時間的に交替して、マグネトロン２８がマグネト ロン２７に対して負の電位である場合にはプラズマからイオンが、そしてマグネ トロン２８がマグネトロン２７に対して正の電位である場合には電子が、プラス チック箔６上で成長する層７の上へ加速される。このようにして両マグネトロン ２７、２８を反応ガス成分なしの希ガス内で駆動する場合に高いパッキング密度 とわずかな電気抵抗とを有する純粋な金属層が分離される。ワイヤ供給装置２９ を用い、かつそれに対して適切な舟形蒸発器２３を使用する場合には、ワイヤ形 状で供給される、金属合金を含むほぼ全ての金属を蒸発させることができる。ガ ス装入システム２０を介して反応ガス、例えば酸素を付加的に装入する場合には 、それに応じた金属化合物、例えば金属酸化物を分離することができる。蒸気流 １９と装入された反応ガスがプラズマ２１を通過する際に活性化されることによ って、コーティング率が高い場合でも化学量論的な層が分離される。さらに、パ ルス形状のイオンボンバートメントによって特に密で欠陥箇所の少ない層が得ら れ、この層は包装箔用のバリア層として、あるいは基板または前もって基板上に 塗布されている層のための腐食保護または剥離保護層として適している。さら に、マグネトロン２７、２８によって発生されるプラズマ２１の高い均質性とほ ぼ任意の長さのマグネトロンによって、多数メートルのコーティング幅にわたっ ても層特性が特に均一であることが得られる。 第５ａ図には、第５図に示す装置の変形例が図示されており、この変形例にお いては２台のマグネトロン２７、２８を励起するために、直列に接続され、同期 して同方向に作用する２つの電圧源２２ａと２２ｂが使用される。この場合には 電気的に導通可能な基板ないしは第５図に示すように利用される、アース電位に 対して絶縁された冷却ドラム８用の電圧の取り出しは、２つの電圧源２２ａと２ ２ｂの接続点で行われる。第５図に示す装置に比べての利点は、２つのマグネト ロン２７、２８の各放電方向の間に、プラズマからあるときはイオンが、そして あるときは電子がプラスチック箔６上に加速されることであり、一方第５図に示 す装置の場合には、一方の放電方向においてはイオンのみ、又他方の放電方向に おいては電子のみが吸引される。もちろん、マグネトロン２７、２８間のパルス 電圧が等しい場合には、プラスチック箔６とプラズマとの間で半分のパルス電圧 しか使用できない。 第５ｂ図に示す変形例においては、第５ａ図に示す変形例と同一の特性が得ら れる。電圧源２２を支配する２つの同じ大きさの電気抵抗３０ａと３０ｂからな る分圧器（この分圧器の中央端子は基板ないしは第５図に示すように使用される 冷却ドラム８と接続されている）によって、第５ａ図に示す変形例に比較して、 １つの電圧源２２しか必要としない。もちろん、抵抗３０ａと３０ｂからなる分 圧器用にそれぞれ必要なプラス−バイアス電流に従って付加的な電流が必要とさ れるので、第５図および第５ａ図に示す変形例と比較してより高い電流の強さを 有する電圧源２２が必要である。 第６図は、コーティング源としてのスパッタ源を使用する場合で、本方法を実 施する装置を示すものである。スパッタ源の種類と数に関する多数の可能な変形 例のうち、２つのマグネトロン−スパッタリング源３１；３２によるコーティン グが図示されている。特に高絶縁性の欠陥箇所の少ない層を分離するためには、 反応性の直流電圧または高周波スパッタ装置よりもパルススパッタ装置の方が優 れていることが知られている。層特性、特に層のパッキング密度をさらに改良す ることは、本発明による方法を付加的に使用することによって可能である。これ は特に、マグネトロンスパッタリング源３１；３２の電圧源２２ａ；２２ｂも、 スパッタ装置においてすでに発生されたプラズマを本方法の遂行に使用できるか ら、効果的である。基板ないしはプラスチック箔６のコーティングのために使用 される冷却ドラム８を電圧源２２ａ；２２ｂに結合することは、第５ａ図におい てマグネトロンをプラズマ源として使用するために図示されている結合に相当す る。第５ｂ図に示す変形例も同様に利用することができるが、第５図に示す変形 例は、２台のマグネトロンが非対称であるために余り適してはいない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グーディッケ クラウス ドイツ連邦共和国 デー−01307 ドレス デン ファイフェルハンズシュトラーセ 18 (72)発明者 シッレル ズィークフリードゥ ドイツ連邦共和国 デー−01324 ドレス デン プラットゥライテ 17 (72)発明者 レシュケ ヨーナターン ドイツ連邦共和国 デー−01067 ドレス デン ヴァイセ ガッセ ５ (72)発明者 モルグネル ヘンリ ドイツ連邦共和国 デー−01257 ドレス デン アム ホーフェガルテン ６ (72)発明者 ミルデ ファルク ドイツ連邦共和国 デー−01109 ドレス デン アン デン ルシェヴィーゼン ５ (72)発明者 フィツケ フレッドゥ ドイツ連邦共和国 デー−01129 ドレス デン ドゥベルナー シュトラーセ 51

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．コーティング源と基板との間にプラズマが発生され、そのプラズマからイオ ンが基板上方向へ加速されることによって、イオン支援で真空コーティングする 方法、好ましくは大面積の電気的に導通可能なあるいは電気的に絶縁する基板を 電気的に絶縁する層で、そして電気的に絶縁する基板を電気的に導通する層で高 率コーティングする方法において 電気的に導通可能な基板または電気的に絶縁する基板の直後に配置され、コー ティング面全体にわたって延びる電極に、プラズマに対して負と正の電圧パルス が交互に印加され、 負のパルスの期間が、絶縁する層および／または絶縁する基板の上方に形成さ れるコンデンサの充電時間に適合され、 正のパルスの期間が、負のパルスの期間と最大で等しく、好ましくは２乃至１ ０倍で小さく選択され、 正と負のパルスが互いに直接連続し、かつプラズマ電位に対してほぼ等しい高 さに調節され、 プラズマ電位に対するパルスの高さが±２０乃至±２０００Ｖ、好ましくは± ５０乃至±５００Ｖに調節されることを特徴とするイオン支援で真空コーティン グする方法。 ２．絶縁する層および／または基板の厚みが１μｍ乃至１００μｍの場合に、負 のパルスの期間が約１ｍｓ乃至１０μｓに調節されることを特徴とする請求の範 囲第１項に記載の方法。 ３．導通可能な層または電極に矩形の電圧パルスが印加され、 正のパルスの立上り時間と負のパルスの立ち下がり時間が次のように、すなわ ち分離される層の表面電位がどの時点においてもプラズマ電位に対して２０Ｖ以 上正に上昇されないように、大きく選択されており、負のパルスの立上り時間と 正のパルスの立ち下がり時間は、分離される層の表面電位が短時間プラズマ電位 に対してパルスの２倍の高さの少なくとも５０％の負の値に上昇されるように、 小さく選択されていることを特徴とする請求の範囲第１項及び第２項に記載の方 法。 ４．導通可能な基板または電極にサイン形状の電圧パルスが印加され、正と負の パルスの期間が等しい長さに調節されることを特徴とする請求の範囲第１項及び 第２項に記載の方法。 ５．コーティング源として電子ビーム蒸発器を使用する場合に、プラズマが電子 ビームと蒸発物質において後方へ散乱される電子による蒸気と残留ガスのイオン 化によって発生されることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第４項に記載の方 法。 ６．コーティング源として任意に加熱される蒸発器を使用する場合に、プラズマ が蒸発器と基板との間の領域における付加的な低ボルトアーク放電によって発生 されることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第４項に記載の方法。 ７．コーティング源として抵抗加熱される舟形蒸発器を使用する場合に、プラズ マが蒸発器と基板との間の領域におけるホロー陰極アーク放電によって発生され ることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の方法。 ８．コーティング源として任意に加熱される蒸発器を使用する場合に、プラズマ が、好ましくは時間的に変化する極性で相対して燃焼する２台のマグネトロン間 の、マグネトロン放電によって発生されることを特徴とする請求の範囲第１項乃 至第４項に記載の方法。 ９．唯一の、または付加的なコーティング源として１つまた複数のスパッタリン グ源を使用する場合に、このスパッタリング源が同時にプラズマの発生にも使用 されることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第４項に記載の方法。 １０．少なくとも１つのコーティング源と、基板を保持ないし案内する装置と、 プラズマを発生させる装置と、電圧パルスを発生させる電圧源とからなる、請求 の範囲第１項に記載の方法を実施する装置において、 電気的に導通可能な基板または電気的に絶縁する基板の直後に配置された電極 に、極性の交替する電圧パルスを発生する電圧源（２２）の一方の極が接続され ており、 他方の極はほぼプラズマ電位にある電極に接続されていることを特徴とする装 置。 １１．バンド状の電気的に絶縁する基板をコーティングする場合に、電極がアー ス電位に対して絶縁されている冷却ドラム（８）であることを特徴とする請求の 範囲第１０項に記載の装置。 １２．コーティング源として電子ビーム蒸発器を使用する場合に、蒸発物質と基 板との間に後方へ散乱された電子を転向させる、それ自体公知の磁気トラップ（ １３）が設けられており、 磁気トラップ（１３）の極片が、ほぼプラズマ電位にある電極であることを特 徴とする請求の範囲第１０項及び第１１項に記載の装置。 １３．コーティング源と基板との間に低ボルトアーク源、好ましくはホロー陰極 アーク源が配置されており、 アーク源の陽極が、ほぼプラズマ電位にある電極であることを特徴とする請求 の範囲第１０項乃至第１２項に記載の装置。 １４．移動される基板をコーティングするために、コーティング源として交流加 熱される多数の舟形蒸発器（２３）が並べて配置され、その舟形蒸発器の長手方 向が基板の移送方向と一致しており、 各舟形蒸発器（２３）の上方または多数の舟形蒸発器（２３）のグループの上 方にそれぞれホロー陰極アーク源が配置され、そのホロー電極アーク源のホロー 陰極アークがほぼ舟の長手方向に延びることを特徴とする請求の範囲第１３項に 記載の装置。 １５．各ホロー陰極アーク源に、ホロー陰極アークを水平に交替で転向させるそ れ自体公知の磁気的な転向系が配置されていることを特徴とする請求の範囲第１ ４項に記載の装置。 １６．プラズマを発生させるために、コーティング源と基板との間に、アース電 位に対して絶縁され、時間的に変化する極性で相対して燃焼する２台のマグネト ロン（２７；２８）が配置されており、 ２台のマグネトロン（２７；２８）用の電圧源（２２）が同時に基板に電圧パ ルスを発生させるための電圧源であることを特徴とする請求の範囲第１０項乃至 第１２項に記載の装置。 １７．２台のマグネトロン（２７；２８）の一方が電気的に導通可能な基板と、 または電気的に絶縁する基板の直後に配置された電極と接続されていることを特 徴とする請求の範囲第１６項に記載の装置。 １８．２台のマグネトロン（２７；２８）用の電圧源（２２）が、直列に接続さ れ、同期して同方向に作動する２つの電圧源（２２ａ；２２ｂ）からなり、その 両者間に電圧取り出し端子が設けられており、その電圧取り出し端子が電気的に 導通可能な基板と、あるいは電気的に絶縁する基板の直後に配置された電極と接 続されていることを特徴とする請求の範囲第１６項に記載の装置。 １９．マグネトロン（２７；２８）用の電圧源（２２）の２つの出力が等しい大 きさの電気的抵抗（３０ａ；３０ｂ）を介して電気的に導通可能な基板と、ある いは電気的に絶縁する基板の直後に配置された電極と接続されていることを特徴 とする請求の範囲第１６項に記載の装置。 ２０．唯一の、または付加的なコーティング源とし て、並びに同時にプラズマを発生させるために、１つまたは多数のマグネトロン スパッタリング源（３１；３２）が配置されていることを特徴とする請求の範囲 第１０項乃至第１２項に記載の装置。 ２１．マグネトロンスパッタリング源（３１；３２）が、反応的に駆動される直 流マグネトロンまたは高周波マグネトロンであることを特徴とする請求の範囲第 ２０項に記載の装置。 ２２．マグネトロンスパッタリング源（３１；３２）が、変化する極性で相対し て燃焼する２台のマグネトロンであって、 マグネトロンスパッタリング源（３１；３２）用の電圧源（２２）が、同時に 基板に電圧パルスを発生させるための電圧源であることを特徴とする請求の範囲 第２０項に記載の装置。