JPS6047905B2 - 基体上に勾配付表面被覆を反応的にスパツタ−する方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はある表面上に被覆を反応スパッターで付与する
方法および装置に関する。

本発明は特にソーラーコレクターに使用するための基体
上にソーラー吸収または選択性の表面被覆を付着させる
のに利用される。従つて便宜上以下これに関連して説明
する。ソーラーコレクターにおいて太陽エネルギーを有
効に熱に変換するためには、コレクター素子すなわち基
体の表面は選択的に吸収し、かつ反射するものでなけれ
ばならない。

すなわち、基体の表面は約０．３μｍから約０．′２Ｐ
７ｎ．の範囲の波長の電磁放射線を吸収する能力があり
、かつ約２．０ＰＴｒＬ，より大きい波長の電磁放射線
を反射する能力かあるものでなければならない。この要
求は、赤外線を！実質的に透過させない厚さのアルミニ
ウム、銀、銅あるいは他の金属からなる反射面に０．０
２から０．２０Ｐ７ｎ．の間の厚みの吸収性フィルム（
通常は耐火物）を付与することにより達せられる。吸収
性フィルムは好ましくはフィルムの厚みに５応じてその
屈折率が異なるようになされている。

例えば、金属炭化物の吸収性フィルムの場合、炭素原子
と金属原子の容積比はこのフィルムの外側面におけるよ
りもこの吸収フィルムの内側面に行く程金属原子がより
大量に集中せしめられてい４る。なおこのような吸収フ
ィルムには前述した金属炭化物の他に金属酸化物、金属
窒化物、金属ケイ化物等がある。これら吸収性フィルム
が前述の如く、その原子の容積比がフィルムの深さに応
じて変化しているのを以下勾配付表面被覆と称する。本
発明は基体に勾配付表面被覆を反応スパッター法により
付与するための方法および装置を提供することを目的と
する。

ところで本発明を説明する前に、従来のスパッター法お
よび反応スパッター法について簡単に説明する。スパッ
ター法はスパッター室内において基体上に材料を付着さ
せる方法であつて、前記スパツタフー室は陽極、陰極、
基体および低圧の不活性のスパッター支持ガスを内包し
ている。

この陽極と陰極との間に電流を通すことによつて生起せ
しめられたイオンの衝撃で陰極から付着材料が取り出さ
れる（即ちスパッターされる）。このようにして７取り
出された付着材料が基体上に付着して被覆を形成するの
である。反応スパッター法は、スパッター帯域に更に別
のガス（即ち反応性ガス）を導入し、この反応性ガスの
成分が前記の取り出された材料と組み合わさつて複合成
分からなる被覆を゛形成するというものである。反応性
ガスはスパッター室に直接導入され、その導入流量が付
着する金属とガスの反応性成分との容量比を決めるので
ある。従つて、勾配付表面被覆を生せしめるときには、
生成する被覆の厚みの増大について前記反応性ガスの導
入流量を増大せしめるのである。本発明の勾配付表面被
覆を付与する方法は、従来のものとは異なり、基体をス
パッター室中を進行せしめ、かつこの基体の進行方向と
は反対の方向にスパッター室中に反応性ガスを流させて
行なうものである。この反応性ガスはスパッター室に直
接導入されるのではなくスパッター室から間隔を置かれ
た供給点からスパッター室中に指向される。かくして、
本発明の基体に勾配付表面被覆を付与する方法はスパッ
ター支持ガスの存在するスパッター室中に基体を進行さ
せ、この基体の進行方向とは反応の方向に反応性ガスを
スパッター室に流れさせることを特徴とするものである
。

更に本発明の方法を実施するための装置はスパッター室
、このスパッター室にスパッター支持ガスを導入するた
めの装置、スパッター室中に基体を進行させるための装
置、スパッター室に反応性ガスを指向するための装置、
および基体の進行方向とは反対の方向にスパッター室中
に反応性ガスの流れを誘起させる装置からなることを特
徴とするものである。

反応性ガスが基体の進行方向とは反対の方向に流される
ので、勾配付表面被覆が達成されるのである。

すなわち、基体がスパッター室中を徐々に５前進せしめ
られて、基体上の被覆は徐々にその厚みを増し、この厚
みの増大につれてこの被覆中の反応性ガスの成分の割合
が増大するのである。従つて、この被覆の屈折率は基体
との界面近くでは金属の特性により近い値を示し、外表
面近くでは１０誘電材料の特性により近い値を示す。被
覆の全厚みは基体の送り速度および／またはスパッター
速度を調節することにより制御される。

なおスパッター速度は陰極電流により決められる。反応
性ガスの流量および／または陰極（ス１ｊパンター室内
にある）の長さは、基体がスパッター室中を前進する間
、好ましくは次の如く選択される。（ａ）反応性ガス供
給点から最も遠く離れた点において付着した被覆は金属
被覆に似ており、 ２（（ｂ）反応性ガス供給点に最
も近い点において付着した被覆は出来るだけ多くの反応
性成分を含むが、反応性ガス濃度が陰極に阻止（毒作用
）効果を与える程大きくはないものである。

前記スパッター室は界磁巻線によつて取り巻か２れてい
るマグネトロン型の室とスパッター室の実質的全長にわ
たつて好ましく延びて金属がスパッターされる陰極とを
含むのが好ましい。

基体は金属またはガラスで出来ており、ソーラーコレク
ター流体チャンネル素子の場合、通常管５状である。

特にガラスの基体ては金属付着物で予備被覆される。こ
の場合、基体は二つのスパッター室中を逐次進行せしめ
られる。かくして、基体が二つのスパッター室の第一の
ものを通過せしめられる問に実質的に純粋な金属で被覆
され、第二．のものを通過せしめられる間にその上に勾
配付表面被覆が反応スパッターにより付着される。反応
性ガスの流量は反応性ガスの反応性成分が第二のスパッ
ター室内で全部または大部分消費され、残りの反応成分
が第一のスパッター室の出口端の付近で消費されるよう
に決められる。二つのスパッター室が採用されるときは
、電極材料（陰極の）と反応性ガスとに次の表１Ａに示
されたものが使用されよう。

※ 例えばアセチレンから誘導する。

＋ 例えばシランから誘導する。

上記表に示したものは全てを網羅したものてはなく、表
の左欄に示した元素の何れか一つを中央欄に示した元素
の何れか一つと組み合せて使用できる。

ただし、適切な反応性ガスを使用する。また第一電極に
選択した材料は、材料が反応性ガスと安定な化合物を形
成するならば第二電極の材料と同じであつてもよい。ま
た電極は単一の元素で構成されなければならないという
ことはない。電極の一つまたは他方または両方を表１Ｂ
に非限定的に示した合金から形成してもよい。本発明を
実施するための装置の好ましい具体例を添付の図面を参
照して詳細に以下に説明する。

第１図はスパッター室中に基体を進行せしめるようにし
た直流スパッター装置全体を示す図であり、第２図はス
パッター室の詳細を示す断面図である。この図示された
装置は二本の直列に配置されたスパッター室１０および
１１を有する。これらスパッター室はそれぞれ第一スパ
ッター室１０、第二スパツター室１１と称せられる。表
面被覆される基体がこれらスパッター室１０，１１を逐
次通過せしめられる。この基体は、円筒状のガラス管で
あり、この装置（特に第二スパツター室）を軸方向に進
行せしめられている間に反応性スパッター法によりその
外表面に勾配付表面被覆が付与される。送入室１２が装
置の一端（第１図において左側）に設けられており、こ
の送入室に枢動しうる端キャップ１３が取り付けられて
いる。

送入室は表面被覆される管状基体１４（一点鎖線で示さ
れたもの）全体を受け入れる大きさである。この管状基
体は第１図の矢印１５の方向に装置中を進行せしめられ
る。送入室１２と第一スパッター室１０との間には第一
輸送ローラーハウジング１６並びに第一ゲートバルブハ
ウジング１７が配置されている。

そして第一スパッター室１０と第二スパツター室１１と
の間には第二輸送ローラーハウジング１８並びに脱気室
１９が配置されている。更に第二スパツター室１１を越
えた所には順番に第三輸送ローラーハウジング２０、第
二ゲートバルブハウジング２１、第四輸送ローラーハウ
ジング２２そして取町出し室２３が配置されている。取
出し室２３は送入室１２と類似しており、枢動可能な端
キャップ２４が取り付けられている。第一、第二、第三
、第四輸送ローラーハウジング１６，１８，２０，２２
は各々ローラー２５を！有しており、これらローラーが
管状基体１４を支持して、これを装置中に進行させるの
である。

また第一輸送ローラーハウジング１６内には図示しない
が、ばね負荷されたピンチローラーが設けられている。
各ローラー２５を駆動するのはステツクピングモーター
２６である。これらモーターは各ハウジングに装着され
ている。そしてこれらモーターは同期的に回転するよう
に電気接続され付勢される。第一および第二ゲートバル
ブハウジング１７，２１内には手動操作可能なあるいは
電気一機械的に操作可能なゲートバルブ２７，２８が設
けられている。これら各ゲートバルブは管状基体の送入
および取出しの間は閉位置にもたらされていて、第一、
第二スパツター室１０，１１内を減圧状態に維持する。
第一、第四輸送ローラーハウジング１６，２２には減圧
ライン３０，３１を介してロータリーポ）ンプ２９が結
合されている。

各減圧ラインにはソレノイド動作バルブ３２，３３が設
けられている。ポンプ２９は大気中に導管３４を介して
排気する。減圧室１９には減圧ライン３６を介して拡散
ポンプ３５が結合されている。

このポンプはソレノイド動作バルブ３７および前記ロー
タリーポンプ２９を介して大気中へ排気する。スパッタ
ー支持ガス（アルゴン）が第一および第二スパツター室
１０，１１にローラーハウジング１８に通じている導入
ライン３８を介して導入される。

反応性ガス（アセチレン）がバルブ付導入ライン３９を
介して装置に導入される。このアセチレンガスは取出し
室２３の自由端に隣接した所で装置中に導入される。上
述した室およびハウジングのすべては円形断面をしてお
り、軸方向に整合されている。

そしてこれら室およびハウジングはそれぞれ端フランジ
を有しており、対接する端フランジ間に密封材料が配置
されている。第一および第二スパツター室１０，１１は
同じ構成になつているが、次の点で異なつている。

（ａ）第一スパッター室１０はその室の内張りとして銅
内張りの形の銅陰極を有する。（ｂ）第二スパツター室
１１は第一スパッター室１０の約２倍の長さを有し、不
銹鋼内貼張りの形の鉄一クロムーニッケル合金陰極を有
している。

第２図は第一スパッター室１０（または第二スパツター
室１１）の断面を示す。

この図から判るとおり、第一、第二スパツター室１０，
１１は端フランジ４１を有する不銹鋼ケーシング４０か
らなつている。

このケーシング４０内に銅内張り４２（第一スパッター
室１０）または不銹鋼内張り４３（第二スパツター室１
１）が押圧嵌合されている。かかる内張りは内方に張り
出した端フランジ４４を有する。この端フランジ４４に
対接してケーシング４０内に軟鋼製の環状極片４５が複
数個設けられている。ケーシング４０のまわりには水ジ
ャケット４６が設けられていて、冷却水が通されるよう
になつている。

この水ジャケット４６のまわりには三層の巻線４７が巻
かれている。巻線４７は絶縁材料により隣接する金属か
ら絶縁されている。ケーシング４０の各端には中央部が
開口したガラス盤４８が装着されている。水冷された陽
極４９がガラス盤４８の各々をケーシング４０に対して
締め付けている。各陽極４９は銅からなつていて、概ね
円盤形てある。この各陽極は中央に開口を有していてこ
れに内部スリーブ５０が取り付けられている。このスリ
ーブは陰極区域に向かつて延びて隣接した極片４５内に
位置している。ケーシング４０を介して負の電位が陰極
材料４２または４３に印加され、陽極４９にはゼロ電位
が印加される。

水ジャケット４６、陽極４９には適当な冷却水供給排出
ラインが接続されている。上記装置の構成および操作パ
ラメーターを次の表２に示す。

なお表中、スパッター室は陰極室と表記されている。※
スパッター開始前の室右端で、 以上説明した装置の操作に当つては、ゲートバルブ２７
を閉じ、バルブ３２を閉じ、そして端キャップ１３を開
けて被覆されるべき基体１４を送入室１２に入れる。

その後、端キャップ１３を閉じ、バルブ３２を開けて送
入室１２を脱気する。

送入室１２の脱気を続いてバルブ３２を閉じ、ゲートバ
ルブ２７を開ける。両スパッター室が脱気されると、ス
パッター支持ガス（アルゴン）が導入ライン３８を通つ
て上記表に示した室圧にまで導入される。

操作圧力の差はガス入口を第一スパッター室１０と第二
スパツター室１１との間の脱気室１９に関して第一スノ
パツター室１０の近くに設けることにより達成される。
同時に、可動電子を各スパッター室１０，１１内の陰極
近くに規制しておくために磁界巻線が励起され、陰極４
２，４３に負の電位が印加される。″ また、反応性ガ
ス（アセチレン）がバルブ付導入ライン３９を通つて装
置に指向される。

ゲートバルブ２８が開かれ、脱気室１９により第二スパ
ツター室中に反応性ガスの流れが誘起される。反応性ガ
スのわずかは第一スパッター室１０へ入９る。装置の操
作中、スパッター支持ガスおよび反応性ガスの流量は一
定である。

また各スパッター室の励起電位も一定である。必要なス
パッター条件が確立されると、ステツピングモーター２
６を起動させて基体１４を進行させる。

反応性ガス（アセチレン）の供給点の位置の故に、反応
性ガスの炭素原子は第二スパツター室内で大部分消費さ
れ、残余の反応性ガスの炭素原子は第一スパッター室の
右端区域において消費される。

かくして、被覆された層のうちで基体１４に近い内層に
は炭素または炭化物が少なく外層になる程炭素または炭
化物の濃度が高くなるのである。従つて、基体１４が装
置中を進行するにつれて、先ず第一スパッター室で実質
的に純粋な銅を付与され、その後、第二スパツター室で
銅を含んだ鉄、クロム、ニッケル炭化物マトリックスの
勾配付被覆が付与される。

基体が第一室１０および第二室１１を通つて進行して取
出し室２３中に来たとき、ゲートバルブ２８を閉じ、ソ
レノイド動作バルブ３３を（先の操作中と同様に）閉じ
たままに保ち、端キャップ２４を開いて被覆された基体
を取り出す。

その後端キャップ２４を閉じ、バルブ３３を開き、取出
し室２３を脱気する。その後ゲートバルブ２８を開き、
バルブ３３を閉じる。このようにして操作を繰返す。上
述した型の装置は、５００℃で１時間、次いで，３８０
゜Ｃで１時間加熱した後ソーラー吸収率０．９０および
熱幅射率０．０４を有するソーラー選択性の勾配付表面
被覆を作るため使用した。

上述した説明は研究室での装置および方法について示し
たのであるが、上述した装置について改変することによ
つて、本発明はソーラーコレクターに使用するための管
状基体を被覆するための工業的な方法に適用しうること
は認められるであろう。

複数個の送入室および取出し室を装置の各端に取り付け
、かかる室を回転位置決めてきるターレツトの如き装置
に取り付けると実質的に連続被覆法を行なうことができ
る。

また基体１４は、それが装置中を進行する間それ自体の
軸のまわりに回転させてもよい。これはローラー２５を
鋭角で基体の進行方向に指向させることによつて達成で
き、これによつて基体に回転および直線運転を与える。

【図面の簡単な説明】 第１図は装置のスパッター室に関して基体の移動を与え
る直流スパッター装置の立面図であり、第２図は第１図
の装置におけるスパッター室の一つの詳細な断立面図で
ある。 なお、図中同一符号は同一部材を示し、１０は第一スパ
ッター室、１１は第二スパツター室、１３，１４は端キ
ャップ、２５はローラー、２６はステッピングモーター
、２７，２８はゲートバルブ、３８はスパッター支持ガ
ス導入管、３９は反応性ガス導入管、１９は脱気室を示
す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基体をスパッター支持ガスを存在するスパッター室
   に通して進行させ、前記基体上に前記スパッター室内の
   陰極から金属をスパッターさせ、前記スパッター室へ反
   応性ガスを指向させてスパッター室内で反応スパッター
   を生ぜしめ、前記反応性ガスは前記基体の進行方向とは
   反対の方向に前記スパッター室中に流して前記基体が前
   記スパッター室中を漸進するに従つて付与される被覆が
   徐々に厚さを増大し、かつこの被覆の厚さの増大につれ
   てこの被覆中の金属成分に対する反応性ガスの割合を増
   大させることを特徴とする基体に勾配付表面被覆を付与
   する方法。 ２ 反応性ガスをスパッター室から間隔を置いた供給位
   置からスパッター室に指向させる特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 ３ 基体を送入室からスパッター室中に進行させ、その
   後基体をスパッター室から取出し室に進行させ、反応性
   ガスを取出し室を通つてスパッター室に指向させる特許
   請求の範囲第１項または第２項記載の方法。 ４ 前記スパッター室に第二スパッター室を含ませ、第
   一スパッター室を第二スパッター室と直列に置き、基体
   を第二スパッター室中を進行する前に第一スパッター室
   中を進行させ、反応性ガスを反応性ガスの反応性成分が
   第二スパッター室での反応スパッター工程で実質的に全
   部が消費されるような流量で第二スパッター室に指向さ
   せる特許請求の範囲第１項または第２項記載の方法。 ５ スパッター室、このスパッター室へスパッター支持
   ガスを導入するための装置、基体をスパッター室を通つ
   て進行させるための装置、反応性ガスをスパッター室中
   に指向させるための装置、およびスパッター室を通る基
   体の進行方向とは反対の方向にスパッター室中に反応性
   ガスの流れを誘起させる装置を有する基体に勾配付表面
   被覆を付与するための装置。 ６ 反応性ガスをスパッター室中に指向させるための装
   置がスパッター室から、スパッター室を通る基体の前進
   方向に離されている供給点を含む特許請求の範囲第５項
   記載の装置。 ７ スパッター室と直列に置き、それと連通した送入室
   、スパッター室と直列に置き、それと連通した取出し室
   、およびスパッター室を通つて送入室から取出し室へ基
   体を進行させるための装置を含む特許請求の範囲第５項
   または第６項記載の装置。 ８ 上記スパッター室が第二スパッター室を含み、第一
   スパッター室を第二スパッター室と直列に置き、第一お
   よび第二スパッター室中を通つて基体を連続的に進行さ
   せる装置を設け、第二スパッター室中での反応性スパッ
   ター工程で実質的に全部の反応性ガスの反応性分が消費
   されて第一スパッター室の少なくとも大部分内では反応
   スパッターが生じないような流量で反応性ガスを第二ス
   パッター室中に指向させるための装置を設けた特許請求
   の範囲第５項または第６項記載の装置。