(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的アーク蒸発器用の点火装置であって、ターゲット表面（２０）を有するターゲット（９）と、対向電極（６）と、前記ターゲット（９）および前記対向電極（６）間のアーク放電を維持するためのアーク供給部（４）とを備え、前記点火装置（１）が、前記ターゲット（９）に対して異なる点火電位に切換え可能であり先端（１０）を有する点火用指状部（１′）と、前記先端（１０）に対して電圧を印加するか否かを切り替えるための開閉器（２）とを含んでいる、点火装置であって、
前記点火用指状部（１′）が、前記先端（１０）を前記ターゲット表面（２０）に常に接触させるように構成される、点火装置。
【請求項２】
前記点火用指状部（１′）の少なくとも前記先端（１０）が、前記ターゲットの材料よりも明らかに高い融点を有する、請求項１に記載の点火装置。
【請求項３】
前記点火用指状部の前記先端（１０）が不反応性の金属である、請求項１または２に記載の点火装置。
【請求項４】
前記不反応性の金属が、元素Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔまたは前記元素の合金または化合物のうち少なくとも１を含む、請求項３に記載の点火装置。
【請求項５】
前記点火用指状部（１′）の少なくとも前記先端（１０）が高炭素含有の材料からなる、請求項１に記載の点火装置。
【請求項６】
前記点火用指状部（１′）の前記先端（１０）が、高炭素含有の材料でラミネートされている、請求項５に記載の点火装置。
【請求項７】
前記高炭素含有の材料が、１０〜４０Ωｘμｍの比電気抵抗を有する、請求項５または６に記載の点火装置。
【請求項８】
前記開閉器（２）が点火期間ｔignの間だけ前記先端（１０）を点火電位と接続可能にする、請求項１に記載の点火装置。
【請求項９】
前記開閉器（２）が点火期間ｔign＝０．０５〜１秒の間だけ切換え可能である、請求項８に記載の点火装置。
【請求項１０】
前記点火電位が、ゼロ電位、前記アーク供給部（４）の正の出力信号、または点火発生器（３）により生じた信号である、請求項１から９のいずれかに記載の点火装置。
【請求項１１】
前記点火電位が、陰極に対し＋２０〜＋２５０Ｖに調整可能である、請求項１０に記載の点火装置。
【請求項１２】
前記先端（１０）を少なくとも点火プロセスの間実質的に一定の力でもって前記ターゲット表面（２０）に対して押付けるための付勢装置が前記点火用指状部（１′）に取付けられている、請求項１から１１のいずれかに記載の点火装置。
【請求項１３】
前記付勢装置がばね（１２）である、請求項１２に記載の点火装置。
【請求項１４】
前記ばね（１２）がＣｒＮｉばね鋼合金からなる、請求項１３に記載の点火装置。
【請求項１５】
前記ばね（１２）が０．２〜３Ｎ／ｍｍのばね係数を有する、請求項１３または１４に記載の点火装置。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれかに記載の点火装置（１）と、前記開閉器（２）に接続された点火発生器（３）と、前記ターゲット（９）および前記対向電極（６）を収容する真空室（７）とを備える、電気的アーク蒸発器。
【請求項１７】
請求項１６に記載の電気的アーク蒸発器により工作物を加工する方法。
【請求項１８】
前記工作物の加工は、プラズマエッチングまたはコーティングによって行なう、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、請求項１のプリアンブルに従う真空コーティング装置における電気的アーク蒸発器での大電流放電による点火用の点火装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記のようなアーク蒸発器（スパーク源とも称される）は、高真空における工作物の加工、特にプラズマエッチングおよび／またはコーティングに使用される。
【０００３】
米国特許第３，７８３，２３１号（特許文献１）、第４，４４８，７９９号（特許文献２）および第４，６２２，４５２号（特許文献３）から種々の機械的点火用指状部が公知となっている。これらにおいては、点火用指状部をターゲットの表面に短時間だけ置くことによりアーク放電の点火が行なわれ、点火端を離すと電路開閉スパークが生じて十分な数の荷電体が生じる。このような装置は今日多くの真空コーティング装置で採用されているものであるが、各々のアーク源に機械的可動部品が取付けられているため、かなりの調整あるいは再調整に関する手間がかかるだけでなく、通例、故障の起きやすい動的に荷重のかかる真空部による実現形態が必要となるという問題があった。さらに、真空コーティングプロセスでしばしば用いられるような強い磁場が点火用指状部の動きを妨げるおそれがある。また、機械部分に必要とされる強度の観点からこのような装置は通例かなり大型の形態で実現されるが、このため真空室において追加の所用スペースが必要となる。
【０００４】
欧州特許第０  ２１１  ４１３号（特許文献４）から別種の点火機構が公知となっている。これにおいては、ターゲット表面（陰極）と陽極との間に、導電性の材料からなる薄層を被覆したセラミック絶縁体が配置される。陰極と陽極との間に点火電圧を印加すると電流全体が上記導電性の薄層を流れ、これによりこの薄層が急激に蒸発して、アークの点火を可能にする荷電体が開放される。コーティングプロセスを切った後、上記絶縁体上には薄い層が残り、これがさらなるアークの点火を可能にする。しかしこのような点火装置には、十分な導電性の層の作製時にしか採用可能でないという問題がある。
【特許文献１】米国特許第３，７８３，２３１号
【特許文献２】米国特許第４，４４８，７９９号
【特許文献３】米国特許第４，６２２，４５２号
【特許文献４】欧州特許第０  ２１１  ４１３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この発明は、上記した先行技術の問題を回避する電気的アーク蒸発器用の点火装置を提供することを課題としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題は、請求項１の特徴部にあるこの発明の特徴により解決される。
【０００７】
上記発明において、点火用指状部は先端がターゲット表面と常に接触するように構成される。こうすることで、点火装置が極めて単純で、かつ手間のかかる可動部品なしに実現可能となる。驚くべきことに、機械的構成要素を定期的に調整し直すことがもはや必要でない上記の解決策は機械的に単純なものであるにもかかわらず、抵抗の大きな層の析出の場合などでもスパーク源を高い信頼性で点火することが可能である。
【０００８】
さらに、上記のような点火装置においては、強い磁場の場合においても故障の起きやす
さは何ら確認されなかった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、種々の実施例を示す図面を参照してこの発明についてより詳細に説明する。
【００１０】
図１は、真空室７内に組込まれたアーク源の機能原理を概略的に示し、この発明に従う点火装置１を伴っている。ここにおいては上述した先行技術とは対照的に、点火用指状部は常に、すなわちスパーク源の動作中においてもターゲット表面と導電接触している。動作時に温度のため高い機械的応力が生じても常に電気的接触を確保して確実な点火プロセスを行なうために、先端はたとえばばね機構を介してターゲット表面に押付けられる必要がある。
【００１１】
点火電位を印加するには開閉器２を閉じる。すると、この場合は点火発生器３により与えられる電流が回路Ｉ２にわたり流れる。十分な高さの電圧が印加されると、発火点５において、点火端１０とターゲット９との間の比較的高い接触抵抗によりターゲット表面２０の局所的な溶融および蒸発が起こる。これに加え、アーク源の点火時に、おそらくは高エネルギー密度の場合に生じる先端硬化により、かつ／または生じたマイクロスパークによって金属蒸気のイオン化が起こる。これにより、アーク供給部４の発生器により供給を受ける源回路Ｉ１が、ここでは陰極となるように切換えられたターゲット９と、陽極６との間においてアーク源の放電プラズマにより閉じられる。
【００１２】
点火装置１に対する熱的な過負荷を避けるために、開閉器２はオンの時間を１秒以下にできるように選択されるのがよい。実験では、点火期間ｔignが０．０５秒から１秒の場合にアーク源が信頼性をもって点火可能であった。
【００１３】
追加の点火発生器３は可変の調整可能電圧という利点をもたらすものであるが、基本的には、この追加の点火発生器３によるよりも単純なやり方でも点火電位の印加は可能である。たとえば、回路Ｉ２において、点火発生器３の代わりにゼロ電位に、あるいはアーク供給部４の正の出力信号に切換える場合があり、この信号は図１に示すように陽極６にも印加され得る。そして所望の点火電圧の調整は対応する抵抗Ｒを介して行なうことができる。
【００１４】
予備実験においては、陰極に対して点火電位が＋２０〜＋２５０Ｖの場合にアークの点火を起こすことができた。耐久試験では点火電位は＋１００〜＋１８０Ｖに調整された。
【００１５】
もう１つ重要な点として、点火用指状部１′に好適な加工材料を選択することが挙げられる。ターゲット表面への接触抵抗を一定の高さに保つために点火端の幾何学的形状は概ね維持されることが求められるので、ターゲット表面を蒸発させながら点火用指状部の先端は蒸発させないことが重要である。したがって、点火用指状部のうち少なくとも先端が形成される加工材料は、ターゲット材料の融点よりも明らかに高い、好ましくは数百℃高い融点を有する必要があり、発火温度でもターゲット材料と合金を形成するおそれがあってはならない。広範囲な応用を可能にするために、加工材料は少なくとも１０００℃を上回る温度において、好ましくはさらに２０００℃から３０００℃の温度においても熱的および機械的に安定である、すなわち高融点であることが求められる。ここで挙げることのできる材料としては、特に不反応性の金属、たとえばＺｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔまたはこれら金属の合金、あるいは非金属との導電性化合物、たとえば炭化タンタルまたは炭化タングステンがある。また、特に好適なものとして機械的に安定な高炭素含有の材料、たとえば炭素ラミネートもある。
【００１６】
図２において、この発明に従う点火装置１の実際の一実施例を概略的に示す。この点火
装置１は、複数の部品からなる点火用指状部１′と、これが固定される差込アーム１５と、差込アーム１５を受け、陽極に対し絶縁して固定された差込結合部１６と、差込結合部１６が接続されるリード線１７とから構成されている。こうすることで、ターゲットの交換などの際に点火用指状部１′をアーク源から容易に外すことができる。
【００１７】
この実施例においては、ターゲット直径が約１６０ｍｍの工業用アーク源であって、たとえばバルツェルス（Balzers）製のコーティング装置、タイプＲＣＳすなわちＢＡＩ  １２００で使用されるものに変更を加えた（図面ではこれ以上詳細に示さず）。点火装置１の所要スペースを可能な限り小さく抑えるために、周囲の陽極６および制限リングあるいは閉じ込めリング１８に穿孔を設けた。陽極６の穿孔の中には、リード線１７に接続され差込アーム１５を受けるための差込結合部１６を装着した。陽極リングの中に案内された部品１５，１６，１７はすべて絶縁部１９により陽極６から電気的に隔離される。
【００１８】
陰極に対して電気的に絶縁された制限リング１８の穿孔の直径は、差込アーム１５の外径と制限リング１８の穿孔の内径との間の隙間が通常のプロセス条件の暗室間隔よりもいくらか小さい、すなわち約０．３〜２ｍｍとなるように設計されるのがよい。これに代えてここにもまた絶縁部を設けてもよいが、これはここに生じる高い温度と、その結果としての熱機械的応力に耐えるものである必要がある。
【００１９】
点火用指状部１′自体は複数の部品から構成される。ハウジング１３には、ばね１２と案内板１１とを含む付勢装置が収容されており、これにより先端１０は、実質的に一定の力でもってターゲット表面２０に対し押付けられる。加えて、ばね１２には作動ねじ１４により予め応力をかける場合もある。
【００２０】
ここで実現された形態においては、ハウジング１３は直径１２ｍｍで高さ２５ｍｍの円筒形状で実現されている。
【００２１】
直径約３ｍｍの点火端１０は、加工が容易なＦａ．ＳＧＬカーボンのラミネート状の炭素複合材料から作製され、ターゲット９上に置かれる端部において鋭くされた。次にこれを案内板に差込んだ。材料の比電気抵抗は常温下ではタイプに応じて２０〜３０Ωｘμｍであった。原理的には、これより比抵抗が小さいあるいは大きい材料を採用することも可能である。当業者には容易に理解できるように、最終的な決定要因である接触抵抗は先端の比導電性および幾何学的形状で決まるからである。高炭素含有の先端１０では１０〜４０Ωｘμｍの範囲の比抵抗がカバーされ得る。
【００２２】
０．０４〜０．１２Ωｘμｍの不反応性の金属はこれより小さな比抵抗を示し、このためこのような実験においては、より細くて部分的に針状の幾何学的形状の先端１０も選択された。
【００２３】
ばね１２もまたターゲットの動作時にはプラズマの近くに位置するので適正な耐熱性を有する加工材料の選択が重要である。特に好適なばね１２としては、クロム−ニッケルばね鋼合金、たとえばＤＩＮ  Ｘ１２ＣｒＮｉ１７７，１．４３１０で、ばね係数が０．２〜３．０Ｎ／ｍｍ、特に０．５〜１．０Ｎ／ｍｍのものがある。
【００２４】
機能試験をＴｉ、ＣｒあるいはＴｉＡｌＮターゲットで行なった。電気抵抗Ｒは２Ω付近の範囲に選択され、点火電圧がおよそ１４０Ｖの場合に約７０アンペアの電流が短時間測定された。開閉器機構はコンタクタにより実現され、閉時間および開時間は数百ミリ秒の範囲であった。
【００２５】
上記の条件下で、図２で詳細に示すような点火装置１を伴うアーク源をＡｒあるいはＮ
２雰囲気中および５ｘ１０-2ｍｂａｒの圧力下で多数回点火した結果、問題は生じなかった。
【００２６】
点火装置についてもう１つの形態を得るには、点火機構を横の方すなわちターゲット９の端の領域８に取付ければよい。しかしこの場合追加的措置として、スパークが端の領域８からターゲットの表面２０へすみやかに導かれることをたとえば磁気案内によって確実にすることが求められる。これはたとえば制限リングあるいは陽極リングとターゲットとの間に位置する絶縁部品の損傷を回避するための措置である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】アーク源および点火装置を備える真空室の断面図である。
【図２】点火装置を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  点火装置、１′  点火用指状部、２  開閉器、３  点火発生器、４  アーク供給部、５  発火点、６  対向電極／陽極、７  真空室、８  ターゲットの外側領域／端の領域、９  ターゲット、１０  先端、１１  案内板、１２  ばね、１３  ハウジング、１４  作動ねじ、１５  差込アーム、１６  差込結合部、１７  給電線／リード線、１８  制限リング／閉じ込めリング、１９  絶縁部、２０  ターゲット表面。
【図１】
0004723848.tif 000002
【図２】
0004723848.tif 000003