TWI754564B - 氣相沉積裝置 - Google Patents

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TWI754564B TW110109093A TW110109093A TWI754564B TW I754564 B TWI754564 B TW I754564B TW 110109093 A TW110109093 A TW 110109093A TW 110109093 A TW110109093 A TW 110109093A TW I754564 B TWI754564 B TW I754564B
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松本一秀
王興財
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陸昇科技有限公司
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Abstract

本發明為一種在基材形成陶瓷塗層的氣相沉積裝置，包含：氣相沉積室、準備室、基材支撐機構、水平移動機構及翻轉機構，並如下述方式構成。氣相沉積室與準備室係分別與真空排氣裝置連接，並以開口部相互連接；在氣相沉積室內，具備有對固持之陶瓷原料照射電子束的電子槍。基材支撐機構在左右具有分隔壁，並分別在左分隔壁的左側與右分隔壁的右側，更具備左基材支撐盤及右基材支撐盤，各基材支撐盤分別具有用於安裝基材的複數基材安裝部。左及右基材支撐盤可分別在平行於左右各分隔壁的面內公轉，並且複數基材安裝部可分別進行自轉。水平移動機構，可使基材支撐機構在「使其中一個分隔壁緊密貼合於開口部的氣相沉積位置」、與「使基材支撐機構之左右翻轉的翻轉位置」之間，於左右方向上水平移動。

Description

氣相沉積裝置
本發明係關於一種氣相沉積裝置，特別係可適當地使用於將陶瓷氣相沉積於金屬基材之表面者。
在氣體渦輪機的轉子葉片、靜子葉片、燃燒器或噴射引擎的翼片等運轉時會成為高溫的金屬基材上，必須施加由陶瓷所形成的隔熱被覆膜。此時，由於隨著施加於基材的溫度循環，因基材之金屬與被覆之陶瓷的熱膨脹率不同，因此會有產生被覆之裂痕或剝離，而使耐久性下降的疑慮。為了抑制如此之耐久性的下降，已有人提出各種技術。
在專利文獻1中，揭露了一種在金屬基材上疊設接合層與隔熱用陶瓷塗層的技術。接合層係賦予金屬基材耐蝕性與耐氧化性，並提高金屬基材與陶瓷塗層的黏接性，以進一步吸收金屬基材與陶瓷塗層之熱膨脹的差，而降低熱應力。又，在同一文獻中，揭露了一種電子束氣相沉積裝置，其具備將金屬基材旋轉自如地固持的機材驅動裝置。據稱藉由電子束氣相沉積，可緻密地形成特別強固的柱狀結晶（同一文獻段落第0038段）。此處所謂的電子束氣相沉積，係藉由照射電子束使配置於坩堝中的陶瓷原料加熱、熔融而蒸發，並使其蒸氣沉積於金屬基材的物理氣相沉積之一種。
在專利文獻2中，揭露了一種可在同一腔室內連續地進行熱處理與氣相沉積的「熱處理及氣相沉積複合裝置」。藉由具備可使基材以自轉及公轉兩軸旋轉的旋轉治具，並可將旋轉治具之軸設為中空而插入熱電偶之構成，可精密地控制基材的溫度。
在專利文獻3中，揭露了一種可一次對多數工件進行氣相沉積的氣相沉積裝置用工件移動機構。沿著包含「從靶材開始之氣相沉積位置」的固定之公轉路徑，使複數工件一邊自轉一邊移動。又，有時會將氣相沉積的對象物稱為工件或是工作件，但在本說明書中係使用「基材」這樣的用語。意義上而言為同義。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1] 日本特開2003-313652號公報 [專利文獻2] 日本特開2006-299378號公報 [專利文獻3] 日本特開2012-224878號公報
﹝發明所欲解決之問題﹞
本案發明人致力於在如專利文獻1及2所揭露的陶瓷對金屬基材之熱障塗層中，提高量產性的氣相沉積裝置之研究開發。提高量產性之目的，係藉由將複數基材作為對象實現了一次對多數基材進行氣相沉積來達成。此時，只要能將專利文獻3所揭露的技術加以組合即可。
然而，本案發明人發現專利文獻3所揭露的技術並不適用於陶瓷對金屬基材之熱障塗層。同一文獻所示之工件移動機構，係配置在立設於左右的兩個長方形靶材之間，並在各靶材連接有激發用的電源（參照同一文獻段落第0014段及圖1、圖2）。另一方面，由於在陶瓷對金屬基材的熱障塗層中，為了使隔熱用的陶瓷塗層成為強固且緻密的柱狀結晶，較佳係使用電子束氣相沉積，因此工件亦即金屬基材必須配置於「放入有以電子束加熱熔融之陶瓷原料的坩堝」之上方。專利文獻3所揭露的氣相沉積裝置中，在配置了受到電子束照射之坩堝以代替靶材的情況下，形成於工件的被覆膜之膜厚，在靠近坩堝的部分與遠離坩堝的部分差異極大，故在實用上無法採行。
本發明之目的係提供一種量產性高的氣相沉積裝置，即使在電子束氣相沉積中，亦可對複數基材抑制膜厚變動。
以下說明解決此一課題的技術手段，而其他課題與新特徵應可由本說明書的記述內容及附圖而明瞭。 ﹝解決問題之技術手段﹞
依本發明之一實施態樣，係如下所述。 亦即，本發明係在基材形成陶瓷塗層的氣相沉積裝置，包含氣相沉積室、準備室、基材支撐機構、水平移動機構及翻轉機構，並如以下的方式構成。
氣相沉積室與準備室係分別與真空排氣裝置連接，並以開口部相互連接，在氣相沉積室內具備有對固持之陶瓷原料照射電子束的電子槍。基材支撐機構在左右具有分隔壁，並分別在左分隔壁之左側與右分隔壁之右側，更具備左基材支撐盤及右基材支撐盤，分別具有用於安裝基材的複數基材安裝部。左及右基材支撐盤可在平行於左右各分隔壁的面內公轉，並且複數基材安裝部可分別自轉。水平移動機構可使基材支撐機構在「使其中一個分隔壁緊密貼合於開口部周圍之壁面的氣相沉積位置」與「使基材支撐機構之左右翻轉的翻轉位置」之間，於左右方向上水平移動。 [發明效果]
簡單說明藉由該一實施態樣而獲得的效果，如下所述。 亦即，可提供量產性高的氣相沉積裝置，即使在對複數基材進行陶瓷的電子束氣相沉積中，亦可對複數基材抑制膜厚差異。根據上述形態，由於可在將基材配置於陶瓷之蒸發源上方的狀態下，進行氣相沉積，故可採用電子束氣相沉積。又，由於複數基材係固持於左右的基材支撐盤而進行自公轉，故較容易將膜厚控制成均一，再者，由於可在準備室將左右進行翻轉，故可在不破壞真空的情況下，更換氣相沉積對象的基材，而提高量產性。
1.實施態樣的概要 首先，針對本案中所揭露之代表的實施態樣說明概要。在針對代表性實施態樣的概要說明中，附加括號並進行參照的圖面中之參照符號，僅例示附有該參照符號之構成元件的概念所包含者。又，參照符號的分支號碼（例如附有連字符的號碼或「L」「R」）係為了區別複數相同構造物，而加以賦予。在不需區別的情況下，係使用無分支號碼的參照符號作為總稱。
〔1〕＜具有基材支撐機構的陶瓷塗層氣相沉積裝置，該基材支撐機構具備兩組可自公轉地支撐複數基材的支撐盤，並可進行翻轉＞ 本發明之代表性實施態樣，係用於在基材（4）形成陶瓷塗層的氣相沉積裝置，包含：氣相沉積室（100）、準備室（110-1、110-2）、基材支撐機構（10）、水平移動機構（20）及翻轉機構（22），並以如下方式構成（圖1）。
該氣相沉積室與該準備室係分別與真空排氣裝置連接，並以開口部在左右方向上相互連接。
在該氣相沉積室內，具備：支撐陶瓷原料（3）的原料固持部、及對該陶瓷原料照射電子束的電子槍（31）（圖2、圖1的1-1、1-2）。
該基材支撐機構（參照圖3及圖1的10-1、10-2）具有左面分隔壁（13L、圖1的13）及右面分隔壁（13R、圖1的13），並且在該左面分隔壁的左側更具有可安裝複數基材（圖1之4）的左面基材支撐盤（14L），在該右面分隔壁的右側更具有可安裝複數基材的右面基材支撐盤（14R）。該基材支撐機構，可使該左面基材支撐盤在與該左面分隔壁平行的面內旋轉（公轉），並使安裝的複數基材以安裝部（15L）為中心旋轉（自轉），亦可使該右面基材支撐盤在與該右面分隔壁平行的面內旋轉。
該水平移動機構（參照圖4及圖1的20-1、20-2），可使該基材支撐機構在「使該左面或右面其中一個分隔壁（13）緊密貼合於該開口部周圍之壁面的氣相沉積位置（圖1）」與「翻轉位置」之間，於該左右方向上水平移動，該翻轉機構，可在該翻轉位置上，使該基材支撐機構的左右進行翻轉（圖5、圖6）。
藉此，可提供量產性高的氣相沉積裝置，即使在對複數基材進行陶瓷的電子束氣相沉積中，亦可對複數基材抑制膜厚變動。根據上述形態，由於可在將基材配置於陶瓷之蒸發源上方的狀態下進行氣相沉積，故可採用電子束氣相沉積。又，由於複數基材係安裝於左右基材支撐盤而進行自公轉，故較容易將膜厚控制成均一，再者，由於可在準備室將左右進行翻轉，故可在不破壞真空的情況下，更換氣相沉積對象的基材而提高量產性。
〔2〕＜準備室中的前處理＞ 在〔1〕項的氣相沉積裝置中，該準備室更具備：濺鍍源（6）、清潔裝置（7）及氧化裝置（不圖示）中的至少一者（圖11）。
藉此，可在準備室中進行各種前處理。例如可將基材表面進行清潔、進行較薄地氧化、或是藉由濺鍍而形成接合層。
〔3〕＜對蒸發源補償氧＞ 在〔1〕項的氣相沉積裝置中，該氣相沉積室更具備氧電漿產生裝置（2）（圖1）。
藉此，可補充從「因電子槍產生之蒸氣」損失的氧。在陶瓷原料為氧化物時，當產生之蒸氣與高能量熱電子碰撞時，會產生「氧因為該撞擊而從一部分之氧化物分離」的現象。其結果，會產生「沉積之陶瓷塗層中的元素比率，從陶瓷本來的組成比偏離」的問題。藉由在陶瓷蒸發源（1）的附近使氧電漿產生，可補充損失的氧，而使被覆膜回到陶瓷本來的組成比。
〔4〕＜電子束掃描型電子槍＞ 在〔1〕項的氣相沉積裝置中，該氣相沉積室更具備掃描機構（32、35），掃描「對對該原料固持部所固持地該陶瓷原料照射該電子束的位置」（圖2）。
藉此，照射電子束的位置會從點擴散至面，而可減少陶瓷原料（3）在消耗面內的偏差。又，透過藉由使陶瓷原料亦即靶材旋轉等而使照射電子束的位置移動，以代替或是配合上述之方式，亦可有助於陶瓷原料（3）在消耗面內的均一化。
〔5〕＜基材自公轉機構＞ 在〔1〕項的氣相沉積裝置中，該基材支撐機構具有齒輪（18a、18b），用於界定「該左面及右面基材支撐盤之旋轉速度」與「該複數基材之旋轉速度」的比（圖3）。
藉由更換齒輪（18a、18b），可自由調整自轉與公轉之旋轉速度的比。又，亦可在基材自公轉機構（12）中，採用可變更齒輪比的變速機構。
〔6〕＜靶材供給機構＞ 在〔1〕項的氣相沉積裝置中，該原料固持部可固持複數陶瓷靶材（3-1～3-4），並具備使該複數陶瓷靶材依序往照射該電子束之位置移動的機構（圖13、圖14、圖15）。
藉此，可在不用為了補給/更換作為陶瓷原料之靶材而中斷氣相沉積的情況下，連續進行。又，可抑制陶瓷原料的靶材之浪費情形。
〔7〕＜複數基材支撐機構與準備室＞ 在〔1〕項的氣相沉積裝置中，在以該氣相沉積室為中心的對稱位置上，具備複數組「該準備室、該基材支撐機構、該水平移動機構及該翻轉機構」（圖1、圖21）。
藉此，可使能一次進行氣相沉積的基材之數量加倍，而更加提高量產性。
2.實施態樣的細節 更加詳細地說明實施態樣。
〔實施態樣1〕 圖1係顯示依本發明之一實施態樣的氣相沉積裝置之構成例的平面圖。上側為俯視圖、下側為前視圖，均係為了顯示裝置的內部構造而作為裝置中央部的剖面圖加以繪製，但為了幫助發明的理解，一部分的構造係將圖示省略、簡化，或是將配置從正確的位置移動而加以繪製。
雖然並未特別限定，但針對基材、陶瓷原料及接合層顯示一例。基材例如為Ni基合金、Co基合金、Fe基合金等耐熱超合金。陶瓷原料、陶瓷塗層的材料例如可將氧化鋯（「Zirconia」；ZrO2 ）、氧化鉿（「Hafnia」；HfO2 ）作為主成分，並添加Y2 O3 、MgO、CaO、TiO2 、鑭氧化物等作為穩定劑。又，陶瓷原料一般而言係以靶材的狀態進行供給，以下，即使僅記載為「靶材」，亦係意指作為陶瓷原料的靶材。接合層例如係由鉑（Pt）族金屬、或是Ni基合金、Co基合金、Ni-Co合金中任一者所構成，並且係以一般式M-Cr-Al-Y（但是，M為Ni、Co或是Fe）所表示的耐熱合金。
本實施態樣1的氣相沉積裝置包含：氣相沉積室100、左右準備室110-1、110-2、供複數基材4安裝的左右基材支撐機構10-1、10-2、水平移動機構20-1、20-2、及翻轉機構22-1、22-2。氣相沉積室100與左右準備室110-1、110-2係分別與真空排氣裝置連接，並以開口部相互連接。真空排氣裝置係將擴散泵、低溫泵、渦輪分子泵、機械泵、旋轉泵等適當組合而構成。
在氣相沉積室100內，配置有左右蒸發源1-1、1-2及加熱器5。左右蒸發源1-1、1-2係分別具備：支撐陶瓷原料3的原料固持部、及對陶瓷原料3照射電子束的電子槍31。加熱器5係加熱基材4的加熱器，並藉由省略圖示的電源電纜供給電力。
圖2係顯示蒸發源之構成例的說明圖。藉由對「圖示省略之原料固持部所固持之作為陶瓷原料3的靶材」照射電子束，而加熱陶瓷原料3並使其熔融而產生蒸氣，以使該蒸氣沉積於基材4的表面。電子槍31係與使熱電子產生的電源33、及將產生之熱電子加速的直流高壓電源34連接。又，各電源係藉由省略圖示的電纜而從氣相沉積室100的外部導入。
在蒸發源1中，較佳係更具備掃描照射電子束之位置的掃描機構。掃描機構例如可採用「配置於陶瓷原料3之上方的兩個電極」、及「使此兩個電極間的電位差變化的交流電源35」來加以構成。供應至熱電子的加速能量，其中心値係以電源34的電壓來界定，並透過藉由交流電源35而產生於兩個電極間的橫方向之電場，掃描兩個電極間。藉此，可使照射電子束的位置從點擴散成面，並可減少消耗陶瓷原料3之區域的偏差。又，可藉由使陶瓷原料3移動來代替電子束的掃描，而減少消耗原料之區域的偏差。例如，使陶瓷原料3亦即靶材旋轉。可藉由將電子束的掃描與靶材的旋轉併用，而使陶瓷原料3在面內的消耗更加均一。又，可在電子束的掃描使用更多的電極及電源，而以二維的方式進行掃描。
回到參照圖1的說明。氣相沉積室100較佳係更具備氧電漿產生裝置2。在陶瓷原料為氧化物時，當產生之蒸氣與高能量熱電子碰撞時，會產生「因為該撞擊而使氧從一部分的氧化物分離」的現象。其結果，會產生「組成沉積之陶瓷塗層的元素比率，從陶瓷本來的組成比偏離」的問題。例如，當陶瓷原料為氧化鋯ZrO2 時，氧會從其一部分中分離而成為ZrO，在沉積之陶瓷中，氧O相對於鋯Zr＝1的比率會小於本來的値亦即2。藉由在蒸發源1的附近具備氧電漿產生裝置2而使氧電漿產生，可補充損失的氧。氧電漿產生裝置2例如係從外部供給氧氣及射頻電力，並透過藉由射頻激發導入的氧，而使氧電漿產生。電漿中的氧離子會與氧已分離的蒸氣結合，而回到原本的元素比。導入的氧例如當將背景環境之真空度設為10-3 Pa（10-5 Torr）時，較佳為1～10Pa（10-2 ～10-1 Torr）。
接著，說明基材支撐機構10。在圖1中，係例示了具備左右兩個基材支撐機構10-1及10-2的構成例。基材支撐機構10可分別在左右兩面安裝複數基材4，並可使基材4自轉，同時使複數基材4在各面公轉。用於進行自公轉的驅動力，例如係藉由基材自公轉驅動機構23-1、23-2而從準備室110-1、110-2的外側供給。當其中一面的基材4進入氣相沉積室100時，另一面的基材4係留在準備室110-1、110-2。當氣相沉積結束後，會為了替換左右的面而使基材支撐機構10翻轉。為了使基材支撐機構10翻轉，係藉由基材水平移動機構20-1、20-2使基材支撐機構10從與氣相沉積室100之邊界的壁面起遠離一段距離，並且透過由基材翻轉驅動機構22-1、22-2供給的驅動力而使基材支撐機構10翻轉。供給至基材水平移動機構20-1、20-2的驅動力，係由基材水平移動驅動機構21-1，21-2供給。以下，進一步詳細說明。
圖3係顯示基材支撐機構10之構成例的示意圖。為了幫助理解，係將構成物的間隔往左右方向擴大而顯示。基材支撐機構10係在中央具備基材旋轉動力傳達機構11，並在其外側依序具備左右分隔壁13L與13R、基材自公轉機構12L與12R、及基材支撐盤14L與14R，在基材支撐盤14L與14R上，分別設有複數基材安裝部15L與15R。
基材旋轉動力傳達機構11係將從基材自公轉驅動機構23供給之用於進行自公轉的驅動力，藉由斜齒輪16a、16b、16c而傳遞至基材自公轉機構12L與12R。基材自公轉機構12L與12R會使基材支撐盤14L與14R旋轉（公轉），並使用齒輪18a與18b將驅動力傳遞至基材安裝部15L與15R而使基材安裝部15L與15R自轉。齒輪18b係分別在複數基材安裝部15L各設有一個，但在圖3中僅顯示一個，其他係省略圖示。
左右分隔壁13L與13R在進行氣相沉積時，係緊密貼合於與氣相沉積室100之間的壁面。為了將氣相沉積室100與準備室之間的開口部真空封閉，係在接觸面附設有O形環17L與17R。基材支撐盤14L、14R與基材自公轉機構12L、12R係小於開口部，O形環17L、17R係大於開口部，並配置在可緊密貼合於和氣相沉積室100之間之壁面的位置。
回到參照圖1的說明。左右基材支撐機構10-1與10-2，可藉由水平移動機構20-1與20-2，而往左右水平移動。在進行氣相沉積時，係往氣相沉積室100側移動，而使左右分隔壁13緊密貼合於與氣相沉積室100之間的壁面，以將開口部真空封閉。由於在氣相沉積中，通常準備室110-1與110-2亦會進行真空排氣，故與氣相沉積室100之間未具有壓力差，並且不要求嚴格的真空封閉，但若即使在氣相沉積中，仍可將準備室110-1、110-2還原成常壓，便可提高通用性。在氣相沉積中，基材自公轉驅動機構23-1與23-2係分別和基材支撐機構10-1與10-2的基材旋轉動力傳達機構11結合，而從氣相沉積室100的外側供給用於使基材自公轉的驅動力。基材自公轉驅動機構23-1與基材旋轉動力傳達機構11的結合，例如將其中一方設為兩根圓柱（棒），另一方設為直徑大於圓柱的兩個孔，而只要能夠進行嵌合即可。
取出氣相沉積結束後的基材，並為了使位於準備室110-1、110-2側的基材進入氣相沉積室100，而使基材支撐機構10-1與10-2左右翻轉。由於為了進行該左右翻轉，必須使左右分隔壁13從與氣相沉積室100之間的壁面離開，並確保用於翻轉的空間，因此，藉由基材水平移動機構20-1、20-2而使基材支撐機構10-1與10-2移動至準備室110-1、110-2的中央附近。
圖4係顯示基材水平移動機構20之構成例的示意圖。基材水平移動機構20係藉由基材水平移動驅動機構21，而使用從準備室110-1、110-2之外側供給的驅動力使基材支撐機構10在水平方向上移動的機構。基材水平移動機構20例如係由以下構成：兩根導軌42與一根螺紋棒43，由沿著基座40兩邊固定的六個固定塊44支撐；三個移動塊45，支撐它們的中間部分並與基材支撐機構10連接；及兩個斜齒輪41a、41b，分別與螺紋棒43及基材水平移動驅動機構21結合。雖然省略了圖示，但三個移動塊45與基材支撐機構10，係在基材支撐機構10可左右翻轉的可旋轉之狀態下連接。兩根導軌42係以兩端固定於兩個固定塊44，並且僅貫通中間的移動塊45而不固定，以使移動塊45可進行滑動。螺紋棒43係在可旋轉的狀態下被支撐於兩端的固定塊44，並且中間的移動塊45形成有與螺紋棒43之螺牙咬合的螺紋，而可伴隨螺紋棒43的旋轉在水平方向上移動。藉由基材水平移動驅動機構21而供給的作為旋轉力之驅動力，係藉由兩個斜齒輪41b、41a而傳遞至螺紋棒43的旋轉，以轉換成使「位於螺紋棒43中間的移動塊45」水平移動的力。此移動塊45係和支撐導軌42的其他兩個移動塊45一起結合於基材支撐機構10，而使基材支撐機構10在左右方向上水平移動。在導軌42與移動塊45接觸的部分、及固定塊44的以可旋轉之狀態支撐螺紋棒43之部分，為了減少摩擦例如宜夾著鐵氟龍樹脂的襯墊。藉由搭載如此的基材水平移動機構20，可使基材支撐機構10-1、10-2在「使左面或是右面其中一個分隔壁13緊密貼合於氣相沉積室100與準備室110-1、110-2之間之開口部的氣相沉積位置」、及「使基材支撐機構10-1，10-2左右翻轉的翻轉位置」之間，於左右方向上水平移動。
圖5係使基材支撐機構10-1、10-2移動至翻轉位置時之裝置的前視圖，圖6係在翻轉位置中之裝置的俯視圖。圖1係顯示基材支撐機構10-1、10-2位於氣相沉積位置的狀態，如圖1下的前視圖所示，基材自公轉驅動機構23-1及23-2係分別與基材支撐機構10-1及10-2結合，而從氣相沉積室100的外側供給用於使基材自公轉的驅動力。另一方面，在翻轉位置中，基材翻轉驅動機構22-1及22-2係分別與基材支撐機構10-1及10-2結合，而使基材支撐機構10-1及10-2的左右翻轉。圖6係在左側之準備室110-1內，繪製基材支撐機構10-1左右翻轉的態樣，並在右側顯示翻轉前或是翻轉後的態樣。在實際動作中，可左右側同時翻轉。藉此，氣相沉積後之基材4會從氣相沉積室100往準備室110-1、110-2移動，取而代之，尚未進行氣相沉積的基材4會往氣相沉積室100側移動。
較佳係分別在準備室110-1、110-2之與氣相沉積室100相反側的面設置門，而可進行基材4的安裝、更換等作業。此時，基材水平移動機構20可使基材支撐機構10經過翻轉位置而移動至更靠近門的一側。
藉由如以上所述之構成，可提供量產性高的氣相沉積裝置，即使在對複數基材進行陶瓷的電子束氣相沉積中，亦可對複數基材抑制膜厚變動。根據上述態樣，由於可在將基材配置於陶瓷之蒸發源上方的狀態下，進行氣相沉積，故可採用電子束氣相沉積。又，由於複數基材係被固持於左右基材支撐盤而進行自公轉，故較容易將膜厚控制成均一，再者，由於在準備室將左右進行翻轉，故可在不用破壞真空的情況下，更換氣相沉積對象的基材，以提高量產性。
接著，進一步詳細說明裝置的構成。
〔基材的配置與溫度控制、氣相沉積膜厚控制〕 圖7係顯示一構成例之氣相沉積室的側視圖。加熱器5除了設於氣相沉積室100之頂面之外，亦設於其前面及背面，以包圍支撐於基材支撐機構10的複數基材4。較佳係可在氣相沉積處理中，監測基材溫度及氣相沉積膜厚。
首先，說明膜厚測量。例如，具備膜厚測量器9，其係由「從氣相沉積室100之壁面對基材4照射雷射光的照射器9T」、及「接收由基材4反射之反射光的受光器9R」所構成。此時，亦能以測量用樣本代替基材4，並將其固定於基材支撐機構10以外。或是，亦可在準備室或是外部測量基材4，而非在氣相沉積中。
接著，說明基材溫度的測量及控制。例如，從氣相沉積室100的頂面導入熱電偶8，而可測量加熱器5的溫度。預先以實驗的方式求出基材4之溫度與加熱器5之溫度的相關性。從預先求得之相關性，特定出為了使基材4成為所期望之溫度，而應設為目標的加熱器5之溫度，並控制供給至加熱器5的電力，而使加熱器5成為該溫度。
或是更進一步，亦可設置另外的熱電偶8，測量基材支撐機構10之靠近基材4之部分的溫度，以代替安裝於加熱器5的熱電偶8。圖8係在基材安裝部15安裝有熱電偶8之基材支撐機構10的剖面圖。基材旋轉動力傳達機構11的斜齒輪16b，係貫通分隔壁13L，而與基材自公轉機構12L的齒輪18a及基材支撐盤14連接。連接的公轉軸例如係以「藉由組合鐵氟龍襯墊與O形環等而可旋轉」的方式，在貫通分隔壁13L的位置受到真空封閉。在基材固持部15安裝熱電偶8，並將公轉軸設為中空，而貫通中空部分進行配線，且在基材旋轉動力傳達機構11側設置旋轉式接頭，而配線至準備室110-1、110-2外側的溫度測量器24。熱電偶8亦可安裝於基材支撐盤14。或是，亦可藉由紅外線感測器（熱成像）等，而以非接觸的方式測量基材4的溫度。
在圖7中，係顯示了在基材支撐盤14安裝有七個基材4的例子，但安裝的基材4之個數可為任意。在基材4較大的情況等下，雖然基材支撐盤14上的基材固持部15之數量已經決定，但可僅在一部分上安裝基材4而進行氣相沉積。或是，亦可準備改變了基材固持部15之數量的基材支撐盤14而進行替換。
圖9係示意地顯示在基材支撐盤14安裝有一個基材4之例子的立體圖。基材支撐盤14的公轉會直接成為基材4的自轉，故省略基材自公轉機構12。由於除此以外的構成與動作，係如引用圖7而說明過般，故省略詳細的說明。例如，在基材4為氣體渦輪機第一段轉子葉片般的大型基材時所採用。
圖10係示意地顯示在基材支撐盤14安裝有三個基材4之例子的立體圖。基材自公轉機構12係將「與基材支撐盤14連接而進行公轉的齒輪18a」、「與三個基材固持部15連接而進行自轉的三個齒輪18b」加以組合而構成。由於除此以外的構成與動作係如引用圖7而說明過般，故省略詳細的說明。在基材為中規模時採用。
〔準備室之構成例與前處理〕 圖11係顯示準備室110之一構成例的側視圖。在準備室110較佳係設有濺鍍源6與電漿清洗機7。由於基材支撐機構10係左右對稱，故若在氣相沉積室100內使基材4自公轉，則亦可在準備室110同樣地使基材4自公轉。因此，可與在氣相沉積室100進行氣相沉積時並行，而在準備室110進行基材4的清潔處理及濺鍍處理。一般而言，在對金屬實施熱障塗層蒸鍍時，係在金屬的基材表面形成接合層後，再蒸鍍隔熱用的陶瓷塗層。可使用電漿清洗機7清潔基材4的金屬後，再使用濺鍍源6使接合層的材料沉積於金屬基材4的表面，其後，在不破壞真空的情況下，移動至氣相沉積室100，以實施熱障塗層蒸鍍。作為濺鍍源6例如較佳為磁控濺鍍。
圖12係連續進行「準備室110之前處理」、及「氣相沉積室100之氣相沉積處理」時的時序圖。將橫軸設為時程變化，並顯示分別在準備室110與氣相沉積室100的處理。在時刻t1之前，係在準備室110中將基材4安裝於基材支撐機構10。此時，藉由使基材支撐機構10在準備室110內翻轉，而在兩面安裝基材4。接著，將整體進行真空排氣。排氣完成後，從時刻t1到時刻t2的期間，係使電漿清洗機7動作而進行基材的清潔。從時刻t2到時刻t3的期間，使直接繼續使濺鍍源6動作，而在基材4的表面沉積接合層。接著，藉由使基材支撐機構10回到準備室110內進行翻轉後，再緊密貼合於氣相沉積室100，而將形成有接合層的基材4送至氣相沉積室100內。此時，準備室110與氣相沉積室100的密封會解除，但均保持在真空狀態。其後，將準備室110及氣相沉積室100排氣至既定真空度（例如10-3 Pa、10-5 Torr）為止，從時刻t4到時刻t6的期間，係在氣相沉積室100中進行隔熱用陶瓷塗層的氣相沉積處理。與此並行，在準備室110中，從時刻t4到時刻t5的期間，係進行基材的清潔，從時刻t5到時刻t6的期間，係執行藉由濺鍍所進行的接合層之沉積。接著，藉由再度使基材支撐機構10回到準備室110內進行翻轉後，再緊密貼合於氣相沉積室100，而將形成有接合層的基材4送至氣相沉積室100內。接著，將準備室110及氣相沉積室100排氣至既定真空度為止，並在從時刻t7到時刻t8的期間，在氣相沉積室100中進行隔熱用陶瓷塗層的氣相沉積處理。
如上所述，由於可在不破壞真空的情況下，連續進行基材的清潔、接合層的沉積、及隔熱用陶瓷塗層的氣相沉積，因此可將界面的污染等抑制在最小限度。又，由於可並行進行清潔及濺鍍與氣相沉積處理，因此可提高每單位時間的處理量，而可進一步提高量產性。
又，上述一連串的程序，可在藉由人手所進行之準備結束，確認冷卻水之導入，並接通主電源後，藉由遠端操作或是自動運轉而進行。亦即，將包含氣相沉積室100及準備室110之整體進行真空排氣、烘烤氣相沉積室100、並確認背景環境的真空度已在既定値以下。其後，將氧導入氧電漿產生裝置2而使氧電漿產生，並使電子槍31動作而進行氣相沉積。再者，一邊觀察靶材的狀態，一邊測量氣相沉積膜厚，並在達到既定膜厚時，完成氣相沉積。亦可與此並行或是作為準備階段，而在準備室110中進行基材的清潔、及用於形成接合層的濺鍍。
〔靶材的連續供給〕 在圖2中，氣相沉積的陶瓷原料亦即靶材係僅繪製了一個，但較佳係具備可連續供給的機構。
圖13係顯示陶瓷原料亦即靶材的連續供給機構之構成例的立體圖。在靶材固持平台50上，呈一列地排列配置有四個靶材3-1～3-4。前頭的靶材3-1係配置於藉由電子槍31照射電子束的位置。雖省略了圖示，但前頭以外的靶材，宜沿著設於兩側的引導板而排列。前頭的靶材在使用後，係由靶材排除桿52排除，並藉由靶材送出桿53將呈列的靶材推壓，而將下一個靶材送至前頭的電子束照射位置。
位於電子束照射位置的靶材，可藉由靶材控制棒51而在上下方向上移動。在氣相沉積中，係根據消耗靶材之情形而進行控制，使得照射電子束而熔融之部分的高度保持一定。靶材控制棒51較佳係可進一步旋轉，而令使用中的靶材伴隨此靶材控制棒51的旋轉而旋轉。如上述參照圖2之蒸發源1所說明過般，可進行控制以抑制靶材表面中之電子束之照射位置的偏差，而使靶材均勻地消耗。
圖14係繪製在圖13的連續供給機構中，令使用完畢的靶材從電子束照射點移動之態樣的說明圖，圖15係繪製在圖13的連續供給機構中，使未使用的靶材往電子束照射點移動之態樣的說明圖。如圖14所示，藉由使靶材控制棒51下降，而令使用完畢的靶材3-1之下端與靶材固持平台50之表面成為相同高度，並藉由使靶材排除桿52旋轉，而從電子束照射位置排除。其後，如圖15所示，藉由靶材送出桿53將呈列的靶材3-2～3-4推壓，而將前頭的靶材3-2送至電子束照射位置。
如以上所述，藉由設置靶材的連續供給機構，可在氣相沉積的途中更換靶材。因此，即使係需要複數靶材這樣的較厚膜厚之被覆，亦可在不於途中破壞真空的情況下，連續進行氣相沉積。
〔靶材的再利用〕 較佳係設為以下構成：將上述可連續供給靶材之機構加以改良，而可將使用完畢的靶材再利用。
圖16～圖19示意地顯示可將使用完畢之靶材再利用的靶材供給機構之構成例的立體圖。靶材必須在剩餘一定程度未使用之部分時便結束使用。原因在於，即使進行控制而掃描照射之電子束等，以儘可能地使靶材從頂面均勻地蒸發，但當靶材完全使用完畢後，靶材控制棒51便會露出而受到電子束照射。又，可採用以下構成：可將使用完畢之靶材載置於未使用的靶材上，而進行再利用。
具備靶材移動桿54以代替圖13～圖15的靶材排除桿52，可使靶材暫時從電子束照射位置閃避後，再回到原本的電子束照射位置。靶材移動桿54例如可如圖示般具有兩叉。如圖16所示，令使用完畢的靶材3-1暫時閃避，並藉由靶材送出桿53將下一個使用的未使用之靶材3-2推入電子束照射位置。接著，如圖17所示，藉由使靶材控制棒51下降，而使未使用之靶材3-2的頂面下降至與靶材固持平台50之表面相同高度為止。接著，如圖18所示，使用靶材移動桿54，而使閃避的使用完畢之靶材3-1回到電子束照射位置。此時，在電子束照射位置中，由於未使用之靶材3-2的頂面係與靶材固持平台50的表面相同高度，因此使用完畢的靶材3-1會附著於未使用的靶材3-2上。接著，如圖19所示，藉由使靶材控制棒51上升，使用完畢之靶材3-1的頂面會上升至與未使用之靶材3-3、3-4的頂面相同高度為止。藉此，使用完畢之靶材3-1的頂面會上升至照射電子束的位置，而在下一次的氣相沉積中使用。在氣相沉積中，係從靶材3-1的頂面依序消耗陶瓷材料，故相應於此而使靶材控制棒51上升。此時，靶材控制棒51係將未使用的靶材3-2往上推，而將置於其上的靶材3-1往上推。當靶材3-1消失後，直接對底下的未使用之靶材3-2照射電子束，而將其使用於氣相沉積。藉此，可將暫時使用完畢的靶材再利用。
此處所示之可將使用完畢的靶材再利用的靶材供給機構之構成例僅為一例，亦可進行各種變更。
〔實施態樣2〕 實施態樣1中，係顯示了在氣相沉積室100之兩側的對稱位置上，具備兩個準備室110-1、110-2的氣相沉積裝置，具備的準備室之數量可為任意。
圖20係將準備室之數設為一個的氣相沉積裝置之構成例。與圖1同樣地顯示俯視圖及前視圖。由於構成與動作係和實施態樣1所說明過的相同，故省略詳細的說明。
圖21係將準備室之數量設為四個的氣相沉積裝置之構成例。僅顯示俯視圖。係在一個氣相沉積室100的四個方向上，設置四個準備室110-1～110-4，並分別具備基材支撐機構10-1～10-4。由於各構成與動作係和實施態樣1所說明過的相同，故省略詳細的說明。
在將準備室之數量設為一個的例子中，亦可將基材加熱用加熱器5配置於右側面，而使基材的溫度控制較為容易。另一方面，藉由增加準備室及基材支撐機構的數量，可增加能夠同時並行進行氣相沉積之基材的數量，而可提高量產性。
以上，基於實施態樣具體說明本案發明人的發明，但本發明並不限定於此，在不脫離其要旨的範圍內，應可進行各種變更。 [產業上的可利用性]
本發明可適當地應用於將陶瓷氣相沉積在金屬基材之表面的氣相沉積裝置。
1:蒸發源（電子槍＋陶瓷靶材） 2:電漿產生器 3:陶瓷原料（靶材） 4:基材 5:基材加熱用加熱器 6:濺鍍源（Sputtering Source） 7:電漿清洗機 8:熱電偶 9:膜厚測量器 9T:雷射照射器 9R:受光器 10:基材支撐機構 11:基材旋轉動力傳達機構 12:基材自公轉機構 13:分隔壁 14:支撐盤 15:基材固持部 16a,16b,16c:斜齒輪 17:O形環 18a,18b:齒輪 19:旋轉式接頭 20:基材水平移動機構 21:基材水平移動驅動機構 22:基材翻轉驅動機構 23:基材自公轉驅動機構 24:溫度測量器 31:電子槍 32:掃描電極 33:熱電子產生用電源 34:熱電子加速用電源 35:電子束掃描用電源 40:基座 41a,41b:斜齒輪 42:導軌 43:螺紋棒 44:固定塊 45:移動塊 50:靶材固持平台 51:靶材控制棒 52:靶材排除桿 53:靶材送出桿 54:靶材移動桿 100:氣相沉積室 110:準備室
圖1係顯示依本發明之一實施態樣的氣相沉積裝置之構成例的平面圖。 圖2係顯示蒸發源之構成例的說明圖。 圖3係顯示基材支撐機構之構成例的示意圖。 圖4係顯示基材水平移動機構之構成例的示意圖。 圖5係顯示使基材支撐機構移動至翻轉位置時之裝置的前視圖。 圖6係顯示翻轉位置中之裝置的俯視圖。 圖7係顯示氣相沉積室之一構成例的側視圖。 圖8係在基材安裝部15安裝有熱電偶8之基材支撐機構10的剖面圖。 圖9係示意地顯示在基材支撐盤14安裝有一個基材4之例子的立體圖。 圖10係示意地顯示在基材支撐盤14安裝有三個基材4之例子的立體圖。 圖11係顯示準備室之一構成例的側視圖。 圖12係連續進行準備室之前處理與氣相沉積室之氣相沉積處理時的時序圖。 圖13係顯示陶瓷原料亦即靶材之連續供給機構之構成例的立體圖。 圖14係繪製在圖13的連續供給機構中，令使用完畢之靶材從電子束照射點移動之態樣的說明圖。 圖15係繪製在圖13的連續供給機構中，令未使用之靶材往電子束照射點移動之態樣的說明圖。 圖16係示意地顯示靶材再利用機構之構成例的立體圖（令使用完畢之靶材排出）。 圖17係示意地顯示靶材再利用機構之構成例的立體圖（供給未使用之靶材）。 圖18係示意地顯示靶材再利用機構之構成例的立體圖（令未使用之靶材排出）。 圖19係示意地顯示靶材再利用機構之構成例的立體圖（載置使用完畢之靶材）。 圖20係將準備室之數量設為一個的氣相沉積裝置之構成例。 圖21係將準備室之數量設為四個的氣相沉積裝置之構成例。
1:蒸發源(電子槍+陶瓷靶材)
2:電漿產生器
4:基材
5:基材加熱用加熱器
6:濺鍍源(Sputtering Source)
10:基材支撐機構
11:基材旋轉動力傳達機構
12:基材自公轉機構
13:分隔壁
14:支撐盤
20:基材水平移動機構
21:基材水平移動驅動機構
22:基材翻轉驅動機構
23:基材自公轉驅動機構
100:氣相沉積室
110:準備室

Claims (7)

  1. 一種氣相沉積裝置，用於在基材形成陶瓷塗層，包含：氣相沉積室、準備室、基材支撐機構、水平移動機構及翻轉機構； 該氣相沉積室與該準備室係分別與真空排氣裝置連接，並以開口部在左右方向上相互連接； 在該氣相沉積室內具備：支撐陶瓷原料的原料固持部、及對該陶瓷原料照射電子束的電子槍； 該基材支撐機構具有左面分隔壁及右面分隔壁； 在該左面分隔壁的左側更具有可安裝複數基材的左面基材支撐盤； 在該右面分隔壁的右側更具有可安裝複數基材的右面基材支撐盤； 該基材支撐機構可使該左面基材支撐盤在與該左面分隔壁平行的面內旋轉，並使安裝的複數基材以安裝部為中心旋轉，且可使該右面基材支撐盤在與該右面分隔壁平行的面內旋轉； 該水平移動機構，可使該基材支撐機構在使該左面或是右面其中一個分隔壁緊密貼合於該開口部之周圍壁面的氣相沉積位置、與翻轉位置之間，於該左右方向上水平移動， 該翻轉機構可在該翻轉位置上，使該基材支撐機構的左右翻轉。
  2. 如請求項1所述之氣相沉積裝置，其中， 該準備室更包含濺鍍源、清潔裝置及氧化裝置中之至少一者。
  3. 如請求項1所述之氣相沉積裝置，其中， 該氣相沉積室更包含氧電漿產生裝置。
  4. 如請求項1所述之氣相沉積裝置，其中， 該氣相沉積室更包含掃描機構，用來掃描對該原料固持部所固持之該陶瓷原料照射該電子束的位置。
  5. 如請求項1所述之氣相沉積裝置，其中， 該基材支撐機構包含齒輪，該齒輪界定了該左面及右面基材支撐盤之旋轉速度與該複數基材之旋轉速度的比。
  6. 如請求項1所述之氣相沉積裝置，其中， 該原料固持部可固持複數陶瓷靶材，並具備使該複數陶瓷靶材依序移動至照射該電子束之位置的機構。
  7. 如請求項1所述之氣相沉積裝置，其中， 在以該氣相沉積室為中心的對稱位置上，具備複數組該準備室、該基材支撐機構、該水平移動機構及該翻轉機構。
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