(57)【要約】【課題】大口径のホローカソードガンを用い、大電流でＨＣＤを行った場合であっても、異常放電の発生なしに安定して高速成膜を実施することができるホローカソードガンを提供する。【解決手段】Ｌ型ホローカソードガンにおいて、該Ｌ型ホローカソードガンのスティンガーロッド端部からＬ型曲げ開始位置までの距離（ａ）とＬ型曲げ部からカソード先端までの距離（ｂ）の比ａ／ｂを  １．５以内とする。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｌ型ホローカソードガンにおいて、該Ｌ型ホローカソードガンのスティンガーロッド端部からＬ型曲げ開始位置までの距離（ａ）とＬ型曲げ部からカソード先端までの距離（ｂ）の比ａ／ｂを  １．５以内としたことを特徴とするホローカソードガン。
【請求項２】
請求項１において、前記Ｌ型ホローカソードガンの先端部の径を、スティンガーロッド端部の根元部の径の  １．２〜３．０  倍とすることを特徴とするホローカソードガン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＨＣＤイオンプレーティングに用いて好適なホローカソードガンに関し、特に大蒸発量を得るためにホローカソードガンの口径を大口径とした場合に懸念される異常放電の発生を効果的に防止しようとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
ホローカソード（ＨＣＤ；Ｈｏｌｌｏｗ  Ｃａｔｈｏｄｅ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）法を用いたイオンプレーティングは、イオン化率が極めて高いことから、通常のエレクトロンビーム（ＥＢ；Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ）法によるイオンプレーティングよりも、蒸着膜質が良好で、基板との密着性にも優れている。また、このＨＣＤ法には、反応ガス流量、真空度、バイアス電圧、基板温度および基板の前処理条件などが多少変動したとしても、容易にしかもスムーズに蒸着が行えるという、大きな利点がある。
通常、このＨＣＤ法でコーティングを行う場合は、投入電流が  ２００〜３００  Ａ程度で、ホローカソードガンとしては、Ｔａ製で直径：８ｍｍ、長さ：８０ｍｍ程度のストレート形状のものが使用される（例えば非特許文献１、非特許文献２参照）。
【０００３】
上記したような投入電流が  ２００〜３００  Ａ程度で、使用するＴａカソードガンが小型小口径の場合には、プラズマ発生時において、Ｔａカソードガンのスティンガーロッド部と先端部の温度差が大きいため、コーティング中における異常放電の発生は少なくかつ小さいという特徴があるが、難点として成膜速度が小さいことが挙げられる。
【０００４】
これに対し、大蒸発量を得るために、大口径のＴａカソードガンを用いて、大電流でＨＣＤを行った場合には、異常放電が発生し易く、特に異常放電がＴａカソードガンに発生した場合には、図１に黒矢印で示すように、カソードガンに穴が開き、そこからＡｒプラズマが漏れて使用不能となるだけでなく、この異常放電発生によるサブストレイトへの悪影響が懸念される。
そして、このようなＴａカソードガンにおける異常放電は、図２に示すような二重曲げを行った長尺大口径のＴａカソードガンで特に発生し易かった。
【０００５】
【非特許文献１】
「井口征夫、鈴木一弘、大久保治、高橋夏木：日本金属学会会報、３２  （１９９３）、Ｐ．２２６  」
【非特許文献２】
「井口征夫、鈴木一弘、小林康宏、大久保治、高橋夏木：真空、３８  （１９９５）  、    Ｐ．６３９  」
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、大口径のホローカソードガンを使用した場合であっても、異常放電を伴わずに長時間の安定したコーティングを実施することができるホローカソードガンを提案することを目的とする。
なお、本発明において、大口径とは、Ｔａカソードの先端部の直径が１６ｍｍ以上、２５ｍｍ以下程度のものを意味する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
さて，発明者らは、まず異常放電の発生原因について調査したところ、長尺大口径のＴａカソードガンでは、長手方向に温度分布の差およびＡｒガス濃度の差が生じて、異常放電が発生し易い状況となることが判明した。
そこで、次に発明者らは、かような異常放電の発生を防止すべく鋭意検討を重ねた結果、ホローカソードガンの冷却能をできる限り増大させるガン設計とすることが有効であるとの知見を得た。
また、カソードガンの先端部を太くしてプラズマ発生の最先端領域を増大させると、カソードガンの最先端部の消耗が抑制されるとの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
【０００８】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．Ｌ型ホローカソードガンにおいて、該Ｌ型ホローカソードガンのスティンガーロッド端部からＬ型曲げ開始位置までの距離（ａ）とＬ型曲げ部からカソード先端までの距離（ｂ）の比ａ／ｂを  １．５以内としたことを特徴とするホローカソードガン。
【０００９】
２．上記１において、前記Ｌ型ホローカソードガンの先端部の径を、スティンガーロッド端部の根元部の径の  １．２〜３．０  倍とすることを特徴とするホローカソードガン。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的に説明する。
被処理材として、常法に従ってフォルステライト被膜を有しない一方向性珪素鋼板（膜無し珪素鋼板と呼ぶ）を製造した。
この膜無し珪素鋼板の表面に、図３に模式で示すような  Ａｉｒ−ｔｏ−Ａｉｒ  方式の連続セラミックコーティングラインにおいて、大容量ＨＣＤ法により、０．１  μｍ厚のＴｉＮＯ膜を被成した。
【００１１】
図３において、ａおよびｄゾーンは、差動排気系（Ｄｙｎａｍｉｃ  ｓｅａｌｉｎｇ  ｓｔａｇｅ  ｏｆｅｎｔｒａｎｃｅ）で、差圧シール室１１が連続して複数設置され、またｂゾーンには予熱室（Ｐｒｅ−ｈｅａｔｉｎｇ  ｓｔａｇｅ）が設置され、さらにｃ１  〜ｃ４  ゾーンには、それぞれ蒸着室１２が一つずつ設置されている。
図中、番号１３は膜無し珪素鋼板、１４はシールローラ、１５は真空ポンプである。また、１６は、膜無し珪素鋼板１３を予熱可能なホットローラ、１７は電子ビームを走査可能な予熱用電子ビームガンであり、この予熱用電子ビームにより蒸着前の膜無し珪素鋼板１３の表面浄化を図っている。
【００１２】
イオンプレーティングを行う際には、真空ポンプ１５を駆動させることにより、蒸着室１２内を真空度：１．３  ×１０−１〜６．７  ×１０−２Ｐａとし、その後蒸着室内にＴｉＮＯ膜を形成するのに必要な窒素と酸素の混合ガスを導入し、蒸着室内真空度を  ２．０×１０−１〜１．３  ×１０−１Ｐａとする。また、ｃ１  ゾーン入口の膜無し珪素鋼板１３の温度を１００  〜４００  ℃程度に予熟すると共に、膜無し珪素鋼板１３にバイアス電圧：−２０〜−２００  Ｖを印加する。なお、定常時には、反応ガスの流量は１０００〜４０００  ｃｍ３／ｍｉｎとした。
【００１３】
図４に、ｃ１  〜ｃ４  ゾーンに設置した蒸着室１２の一例を示す。同図は、本発明に係るＨＣＤイオンプレーティング装置の蒸着室の構成を示す模式図でもある。また、図４に示す蒸着室は、図３の蒸着室１２内をその室内における鋼板進行方向から見た概略構成図であって、図４において左右方向が、被処理材である膜無し珪素鋼板１３の幅方向である。
図中、番号１は本発明に係るＴａ製のＬ型ホローカソードガン、２はスティンガーロッド、３はセラミックカバー、４はチャック、５はイオンコレクター、６は反応窒素ガスの導入口、７は集束コイル、８は坩堝、９は溶融Ｔｉ、そして１０がプラズマビームである。
【００１４】
本発明では、図４中に示すように、Ｌ型ホローカソードガンのスティンガーロッド端部からＬ型曲げ開始位置までの距離（ａ）とＬ型曲げ部から坩堝上のカソード先端までの距離（ｂ）の比ａ／ｂを  １．５以内としたところに特長がある。
すなわち、領域ａは、スティンガーロッドによる冷却が及ぶ領域、一方領域ｂは高温領域であり、従って比ａ／ｂは、冷却領域と高温領域の比でもある。
ここに、上記の比ａ／ｂの値を  １．５以内としたのは、ａ／ｂ比が  １．５超になると、領域ａに対するスティンガーロッドによる冷却力が低下するため、やはりプラズマ発生時に、カソード長手方向に温度分布の差およびＡｒガス濃度の差が生じて、異常放電が発生し易い状況となるからである。
【００１５】
また、本発明では、Ｌ型ホローカソードガンのスティンガーロッド端部からＬ型曲げ開始位置までの間をセラミックまたはグラファイトで被覆保護することが好ましい。というのは、これらセラミックまたはグラファイトで保護することにより、直接、蒸気流によるＴａカソードへのアタックがなくなり、異常放電の防止と共に、Ｔａカソードへの蒸気流の付着を効果的に防止することができるからである。なお、被覆セラミックとしては、ＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＣ，ＣｒＮ，ＴｉＡｌＮなどが有利に適合する。
【００１６】
さらに、本発明では、プラズマビームを発生するホローカソードガンの先端部の径を、スティンガーロッド端部の根元部のカソード径よりも大きくして、カソードガンの最先端部の消耗を小さくしたところにも特長がある。
ここに、この径比が、  １．２倍に満たないとカソードガン最先端部の消耗抑制効果が小さく、一方  ３．０を超えるとスティンガーロッドとチャックとの間が高温となり、Ｔａカソードが加熱されるので、この径比は  １．２〜３．０  倍の範囲に収めることが好適である。
【００１７】
実際、図４に示した、本発明に従うホローカソードガン（ガン先端部径：２０ｍｍ、ａ／ｂ＝１．２  ）を使用した場合には、プラズマコーティング中における異常放電の発生は皆無であった。
これに対し、図２に示した従来の二重曲げのＴａカソードガンを使用した場合には、プラズマ発生時に４回の異常放電が発生した。
【００１８】
また、本発明に従うホローカソードガン（ガン先端部径：２０ｍｍ、ａ／ｂ＝１．１、先端部の径／根元部の径＝１．２  ）を使用して１０回のプラズマコーティングを実施した場合には、カソードガン最先端部の消耗は０．５  ｍｍであったの対し、同じ条件で従来の二重曲げのＴａカソードガンを使用した場合におけるカソードガン最先端部の消耗は１５ｍｍであった。
【００１９】
上述したとおり、本発明に従えば、スティンガーロッド部と短いＴａカソード部を接合した構造になるので、図２に示した従来の二重曲げのＴａカソードに比較して、カソードガン本体の冷却能を大幅に高めることができるため、異常放電の発生を格段に低減することができる。
また、プラズマビームのビーム径を太くすることにより、プラズマビーム発生端であるカソードガン最先端部の消耗を小さくすることができる。
その結果、１０００Ａにも及ぶ大電流下でのプラズマコーティングの安定した実施が、初めて可能となった。
【００２０】
【実施例】
Ｃ：０．０７７  ｍａｓｓ％，Ｓｉ：３．３９ｍａｓｓ％，Ｍｎ：０．０７６  ｍａｓｓ％，Ｓｅ：０．０２０  ｍａｓｓ％，Ｓｂ：０．０２５  ｍａｓｓ％，Ａｌ：０．０２０  ｍａｓｓ％，Ｎ：０．００７１ｍａｓｓ％およびＭｏ：０．０１１  ｍａｓｓ％を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物の組成になる珪素鋼連鋳スラブを、１３４０℃で４時間の加熱処理後、熱間圧延を施して厚み：２．１  ｍｍの熱延板とした。ついで１１００℃の均一化焼鈍を施した後、１０５０℃の中間焼鈍を挟む２回の冷間圧延を施して０．２３ｍｍ厚の最終冷延板とした。
【００２１】
その後、この最終冷延板の表面に、アルキド系樹脂を主成分とするエッチングレジストインキをグラビアオフセット印刷により、非塗布部が圧延方向にほぼ直角に幅：２００  μｍ  、間隔：４ｍｍで線状に残存するように塗布した後、２００  ℃で３分間焼き付けた。このときのレジスト厚は２μｍ  であった。このようにしてエッチングレジストを塗布した鋼板に、電解エッチングを施すことにより、幅：２００μｍ  、深さ：２０μｍ  の線状の溝を形成し、ついで有機溶剤中に浸漬してレジストを除去した。この時の電解エッチングは、ＮａＣｌ電解液中で電流密度：１０  Ａ／ｄｍ２、処理時間：２０秒の条件で行った。
【００２２】
ついで、８４０  ℃の湿Ｈ２中で脱炭・１次再結晶焼鈍後、鋼板表面にＭｇＯ  （７０ｍａｓｓ％），  Ａｌ２０３（５ｍａｓｓ％），  Ｓｒ（ＯＨ）（５ｍａｓｓ％），  ＳｂＣｌ３（１５ｍａｓｓ％），  ＳｉＯ２（５ｍａｓｓ％）の組成になる焼鈍分離剤を塗布し、ついで  ８５０℃で１５時間の焼鈍後、８５０  ℃から１０℃／ｈの速度で１０５０℃まで昇温してゴス方位に強く集積した２次再結晶粒を発達させた後、１２２０℃の乾Ｈ２中で純化処理を施して膜無し一方向性珪素鋼板を作成した。
【００２３】
かくして得られた珪素鋼板のコイル表面に、図３および図４に示したような、  Ａｉｒ−ｔｏ−Ａｉｒ  方式の連続ＨＣＤイオンプレーティング装置を用いてＴｉＮＯ膜（０．１  μｍ  厚）を被成した。
ホローカソードガンとしては、表１示すものを用いた。
【００２４】
ついで、上記のＴｉＮＯをコーティングした後の珪素鋼板の表面に、マグネトロン・スパッタ法を用いて  ＳｉＮＸ  膜（０．２  μｍ  厚）を成膜した。
その後、鋼板表面に燐酸塩とコロイダルシリカを主成分とする絶縁コーティング処理液を塗布した後、乾燥し、さらに  ８１５℃の窒素中で１分間焼付け処理後、８００  ℃の窒素中で３時間の焼鈍を施した。
【００２５】
かくして得られた製品の磁気特性（磁束密度、鉄損）および被膜密着性について調べた結果を表１に併記する。
また、表１には、各ホローカソードガンを用いた場合の異常放電の発生回数およびガン最先端部の消耗量について調べた結果も併せて示す。
なお、ホローカソードガンの最先端部の消耗量については、同様なコーティング処理を５回実施した後の消耗量で評価した。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
同表から明らかなように、本発明に従うホローカソードガンを用いた場合はいずれも、異常放電の発生は全くなく、正常な放電を長時間にわたって安定して行うことができた。また、ホローカソードガンの最先端部の消耗量も軽微であった。特に、ホローカソードガンのスティンガーロッド端部からＬ型曲げ開始位置までの間をグラファイトで保護した場合には、異常放電の発生は全くなく、またホローカソードガンの最先端部の消耗も軽微であり、さらにＴａカソードガンへのＴｉ蒸気の付着は全くなかった。
【００２８】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、大口径のホローカソードガンを用い、大電流でＨＣＤイオンプレーティングを行った場合であっても異常放電の発生なしに安定して高速成膜を実施することができ、またホローカソードガンの寿命を格段に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】異常放電の痕跡が残るホローカソードガンを示した写真である。
【図２】二重曲げの長尺大口径のホローカソードガンの写真である。
【図３】Ａｉｒ−ｔｏ−Ａｉｒ  方式の連続セラミック・コーティングラインの模式図である。
【図４】本発明のホローカソードガンを適用したＨＣＤイオンプレーティング装置の模式図である。
【符号の説明】
１  Ｌ型ホローカソードガン
２  スティンガーロッド
３  セラミックカバー
４  チャック
５  イオンコレクター
６  反応窒素ガスの導入口
７  集束コイル
８  坩堝
９  溶融Ｔｉ
１０  プラズマビーム
１１  差圧シール室１１
１２  蒸着室
１３  膜無し珪素鋼板
１４  シールローラ
１５  真空ポンプ
１６  ホットローラ
１７  予熱用電子ビームガン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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