(57)【要約】長期の使用で目詰まりが起こる可能性を低減させながら、プラズマ流れ中に流体を一様な分布で注入する方法及び装置が提供される。インジェクター（２）は流体の流れを制限するための第一の流路部分（６）を含んでおり、これは第一の流路部分（２）の内壁が第一の軸線（９）に平行となるような形状を有する。また、インジェクター（２）は第一の流路部分（６９）と連通した第二の流路部分（８）を含む。第二の流路部分（８）は、第二の流路部分（８）の内壁が第一の軸線（９）から所定の角度で遠ざかるような後退部分を含む。第二の流路部分（８）は、使用期間中における第二の流路部分（８）の内壁上への目詰まり層の堆積を低減させる。さらに、インジェクター（２）はプラズマ中に突出したチップ部分（２８）を含み得る。インジェクター（２）は、プラズマ蒸着装置内で動作するように設計し得るインジェクターシステム中に組み込むか、あるいは交換可能に取り付けることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ中に流体を注入するためのインジェクターシステムであって、
流体の流れを制限するための第一の流路部分（６）を画成すると共に、第一の流路部分（６）の内壁（３）が第一の軸線（９）に平行となるような形状を有する第一の内壁（３）、及び
第一の流路部分（６）と連通した第二の流路部分（８）を画成する第二の内壁であって、第二の流路部分（８）は当該第二の流路部分の第二の内壁が第一の軸線（９）から所定の角度で遠ざかるような後退部分を有すると共に、第二の流路部分（８）は使用期間中における当該第二の流路部分（８）の第二の内壁上への目詰まり層（１９）の堆積を低減させる、第二の内壁
を含んでなるインジェクター（２）を含むベース（４）を含んでなるインジェクターシステム。
【請求項２】
前記所定の角度が約２０〜約７０度である、請求項１記載のインジェクターシステム。
【請求項３】
インジェクター（２）がインジェクターベース（４）中に一体をなして形成されており、インジェクターは
インジェクターベース（４）の第一の表面（１４）に形成された入口開口（５）、及び
インジェクターベース（４）の第二の表面（１２）に形成された出口開口（７）
を含んでなる、請求項１記載のインジェクターシステム。
【請求項４】
インジェクター内壁（３）及びインジェクターベース（４）が、金属、合金及びセラミックからなる群から選択された、融解せずに高い動作温度に耐える材料からなる、請求項３記載のインジェクターシステム。
【請求項５】
前記材料がステンレス鋼からなる、請求項４記載のインジェクターシステム。
【請求項６】
インジェクター（３０）がインジェクターベース（３４）から取外し可能である、請求項４記載のインジェクターシステム。
【請求項７】
インジェクター（３０）がさらにねじを切った外壁（３６）を有する本体を含んでなり、インジェクターベースがねじを切ったインジェクター本体を収容するためのねじを切ったレセプタクル（３８）を含んでなる、請求項６記載のインジェクターシステム。
【請求項８】
前記インジェクターが、さらに、
ベースの表面（２９）からプラズマ（１８）中に突出したチップ部分（２８）を含んでなり、チップ部分（２８）は第一の流路部分（６）の直径より大きい直径を有する、請求項１記載のインジェクターシステム。
【請求項９】
チップ部分（２８）がベースの表面（２９）から約０．００１〜約０．３インチの距離で延在する、請求項８記載のインジェクターシステム。
【請求項１０】
さらに、第一の軸線に平行であると共に、第二の流路部分と連通した第三の流路部分（１０）を画成する第三の内壁を含んでなり、第三の流路部分（１０）は第一の流路部分（６）の直径より大きい直径を有しており、第三の流路部分（１０）は８時間を超える連続流れを含む使用期間中における目詰まり層（１９）の堆積を低減させる、請求項１記載のインジェクターシステム。
【請求項１１】
前記流体が、無機ガス、無機化合物ガス、有機化合物ガス及び有機金属化合物ガスからなる群から選択された物質からなる、請求項１記載のインジェクターシステム。
【請求項１２】
前記物質が、酸素、窒素、水素、亜鉛、アルミニウム、インジウム及びこれらの配合物からなる無機ガス群から選択される、請求項１１記載のインジェクターシステム。
【請求項１３】
前記物質が、アンモニア、シラン及びこれらの配合物からなる無機化合物ガス群から選択される、請求項１１記載のインジェクターシステム。
【請求項１４】
前記物質が、炭化水素、オルガノシラン、オルガノシロキサン、オルガノシラザン及びこれらの配合物からなる有機化合物ガス群から選択される、請求項１１記載のインジェクターシステム。
【請求項１５】
前記物質が、メタン、ブタジエン、エチルベンゼン、ヘキサメチルジシラン、テトラメチルジシラン、ビニルトリエチルシラン、ヘキサメチルジシロキサン、テトラメチルジシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン、ヘキサメチルジシラザン及びこれらの配合物からなるガス群から選択される、請求項１４記載のインジェクターシステム。
【請求項１６】
前記物質が、ジエチル亜鉛、ジメチル亜鉛及びこれらの配合物からなる有機金属化合物ガス群から選択される、請求項１１記載のインジェクターシステム。
【請求項１７】
第一の流路部分（６）が第一の直径を有しており、後退部分（８）が９０度の角度で第一の軸線から遠ざかる内壁（３）で画成されており、第二の流路部分（１０）を画成する内壁が第一の軸線に平行であると共に、第一の直径より大きい第二の直径を有する、請求項１記載のインジェクターシステム。
【請求項１８】
当該インジェクターシステム（６０）の本体の内部に形成された流体供給流路（６４）、及び
流体供給流路（６４）に連通しながら本体中に配設された請求項１記載の複数のインジェクター（７０〜７６）
を含んでなる、請求項１記載のインジェクターシステム。
【請求項１９】
インジェクターの各々が、さらに、
ベースの表面（２９）からプラズマ（１８）中に突出したチップ部分（２８）を含んでなる、請求項１８記載のインジェクターシステム。
【請求項２０】
さらに、
流体供給流路（６４）に連通した流体供給ライン（６２）を含んでなると共に、流体供給流路（６４）はリング状をなしており、流体供給流路（６４）中に配設されたインジェクター（７０〜７６）は流体供給流路（６４）の周囲に均等に分布している、請求項１８記載のインジェクターシステム。
【請求項２１】
さらに、
流体供給流路（６４）に連通した流体供給ライン（６２）を含んでなると共に、流体供給流路（６４）はリング状をなしており、流体供給流路（６４）中に配設されたインジェクター（８２〜８９）は流体供給流路（６４）のうちの流体供給ライン（６２）から遠い側に一段と多数のインジェクターが位置するようにして流体供給流路（６４）の周囲に不均等に分布している、請求項１８記載のインジェクターシステム。
【請求項２２】
さらに、
流体供給流路（６７）に連通した流体供給ライン（６２）を含んでいて、流体供給流路（６７）は半円弧状をなす、請求項１８記載のインジェクターシステム。
【請求項２３】
さらに、
流体供給流路（６５）に連通した流体供給ライン（６２）を含んでいて、流体供給流路（６５）は円筒形をなす、請求項１８記載のインジェクターシステム。
【請求項２４】
前記所定の角度が約２０〜約７０度である、請求項１８記載のインジェクターシステム。
【請求項２５】
前記流体が、無機ガス、無機化合物ガス、有機化合物ガス及び有機金属化合物ガスからなる群から選択された物質からなる、請求項１８記載のインジェクターシステム。
【請求項２６】
前記物質が、酸素、窒素、水素、亜鉛、アルミニウム、インジウム及びこれらの配合物からなる無機ガス群から選択される、請求項２５記載のインジェクターシステム。
【請求項２７】
前記物質が、アンモニア、シラン及びこれらの配合物からなる無機化合物ガス群から選択される、請求項２５記載のインジェクターシステム。
【請求項２８】
前記物質が、炭化水素、オルガノシラン、オルガノシロキサン、オルガノシラザン及びこれらの配合物からなる有機化合物ガス群から選択される、請求項２５記載のインジェクターシステム。
【請求項２９】
前記物質が、メタン、ブタジエン、エチルベンゼン、ヘキサメチルジシラン、テトラメチルジシラン、ビニルトリエチルシラン、ヘキサメチルジシロキサン、テトラメチルジシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン、ヘキサメチルジシラザン及びこれらの配合物からなるガス群から選択される、請求項２８記載のインジェクターシステム。
【請求項３０】
前記物質が、ジエチル亜鉛、ジメチル亜鉛及びこれらの配合物からなる有機金属化合物ガス群から選択される、請求項２５記載のインジェクターシステム。
【請求項３１】
基材（１８０）に向かって移動するアークプラズマ（１５２）を形成し得る陽極（１１９）及び陰極（１１３）を有するプラズマ発生器（１４０）、
基材マウント（１８２）を含んだ蒸着室（１５６）、並びに
プラズマ（１５２）中に第一の反応物を導入するため陽極（１１９）と基材マウント（１８２）との間に配置された第一のインジェクターシステム（６０）
を含んでなる、基材を被覆するための装置であって、第一のインジェクターシステム（６０）は、
第一の反応物の流れを制限するための第一の流路部分（６）であって、当該第一の流路部分（６）の内壁（３）が第一の軸線（９）に平行となるような形状を有する第一の流路部分（６）、及び
第一の流路部分と連通した第二の流路部分（８）であって、当該第二の流路部分（８）の内壁が第一の軸線（９）から所定の角度で遠ざかるような後退部分（８）を有すると共に、使用期間中における当該第二の流路部分（８）の内壁上への目詰まり層（１９）の堆積を低減させる第二の流路部分（８）
を含むインジェクター（１３０）を含んでなる、装置。
【請求項３２】
インジェクター（１３０）が、さらに、
インジェクターベース（４）の表面（２９）からプラズマ中に突出したチップ部分（２８）
を含んでなる、請求項３１記載の装置。
【請求項３３】
さらに、
プラズマ流路を有する陽極（１１９）、及び
陽極（１１９）から延在するノズル流路を有する、陽極に結合されたノズル（１１９）であって、ノズル流路が基材に向かってのプラズマの流れを可能にし、当該ノズルがさらにプラズマ（１５２）中への第一の反応物の導入を可能にするため第一のインジェクターシステム（６０）を含む、ノズル（１１９）
を含んでなる、請求項３２記載の装置。
【請求項３４】
第一のインジェクターシステム（６０）が、
第一のインジェクターシステム（６０）の本体の内部に形成された流路供給流路（１３１）、及び
流体供給流路（１３１）に連通しながら本体中に配設された複数のインジェクター（１３０）
を含んでなり、インジェクターの各々が、
第一の反応物の流れを制限するための第一の流路部分（６）であって、当該第一の流路部分（６）の内壁（３）が円筒の軸線（９）に平行となるような円筒形の形状を有する第一の流路部分（６）、
第一の流路部分と連通した第二の流路部分（８）であって、当該第二の流路部分（８）の内壁（３）が円筒の軸線（９）から所定の角度で遠ざかるような後退部分（８）を有すると共に、使用期間中における当該第二の流路部分の内壁（３）上への目詰まり層（１９）の堆積を低減させる第二の流路部分（８）、及び
インジェクターベース（４）の表面（２９）からプラズマ（１５２）中に突出したチップ部分（２８）
を含んでなる、請求項３３記載の装置。
【請求項３５】
さらに、
流体供給流路（１３１）に連通した流体供給ライン（１１２）を含んでいて、流体供給流路（１３１）はリング状をなしており、インジェクター（１３０）は流体供給流路中に配設されていると共に、流体供給流路（１３１）の周囲に均等に分布している、請求項３４記載の装置。
【請求項３６】
さらに、
流体供給流路（１３１）に連通した流体供給ライン（１１２）を含んでいて、流体供給流路（１３１）はリング状をなしており、流体供給流路（１３１）中に配設されたインジェクター（１３０）は流体供給流路（１３１）のうちの流体供給ライン（１１２）から遠い側に一段と多数のインジェクターが位置するようにして流体供給流路（１３１）の周囲に不均等に分布している、請求項３４記載の装置。
【請求項３７】
さらに、
流体供給流路（１３１）に連通した流体供給ライン（１１２）を含んでいて、流体供給流路（１３１）は半円弧状をなす、請求項３４記載の装置。
【請求項３８】
さらに、
プラズマ（１５２）中に第二の反応物を導入するためノズル（１１８）中に第二のインジェクターシステム（６０、１３２）を含んでなる、請求項３４記載の装置。
【請求項３９】
第一のインジェクターシステム（６０、１３０）の位置が、プラズマ（１５２）によって基材（１８０）上に被覆すべき第一の反応物からなる被膜の所望の化学的組成及び構造に対応する、請求項３１記載の装置。
【請求項４０】
第一の反応物が、
無機ガス、無機化合物ガス、有機化合物ガス及び有機金属化合物ガスからなる群から選択された物質からなる、請求項３１記載の装置。
【請求項４１】
前記物質が、酸素、窒素、水素、亜鉛、アルミニウム、インジウム及びこれらの配合物からなる無機ガス群から選択される、請求項４０記載の装置。
【請求項４２】
前記物質が、アンモニア、シラン及びこれらの配合物からなる無機化合物ガス群から選択される、請求項４０記載の装置。
【請求項４３】
前記物質が、炭化水素、オルガノシラン、オルガノシロキサン、オルガノシラザン及びこれらの配合物からなる有機化合物ガス群から選択される、請求項４０記載の装置。
【請求項４４】
前記物質が、メタン、ブタジエン、エチルベンゼン、ヘキサメチルジシラン、テトラメチルジシラン、ビニルトリエチルシラン、ヘキサメチルジシロキサン、テトラメチルジシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン、ヘキサメチルジシラザン及びこれらの配合物からなるガス群から選択される、請求項４３記載の装置。
【請求項４５】
前記物質が、ジエチル亜鉛、ジメチル亜鉛及びこれらの配合物からなる有機金属化合物ガス群から選択される、請求項４０記載の装置。
【請求項４６】
基材を被覆するための方法であって、
（ａ）流体供給流路（６４）の周囲に配設された複数のインジェクター（７０〜７６）を有しており、各々のインジェクターが、第一の反応物の流れを制限するのに十分な直径をもったオリフィス（５）を有する第一の流路部分（６）と、当該第二の流路部分（８）の内壁（３）が第一の軸線（９）から所定の角度で遠ざかることで内壁（３）上への第一の反応物の堆積を低減させるような後退部分である第二の流路部分（８）と、プラズマ（１８）中に突出したチップ部分（２８）とを含む第一のインジェクターシステム（６０）に第一の反応物を供給し、
（ｂ）アークプラズマを発生させ、
（ｃ）プラズマ中に第一の反応物を導入し、
（ｄ）基材（１８０）の表面上に第一の反応物を蒸着させる
ことを含んでなる方法。
【請求項４７】
第一の反応物が、無機ガス、無機化合物ガス、有機化合物ガス及び有機金属化合物ガスからなる群から選択された物質からなる、請求項４６記載の方法。
【請求項４８】
前記物質が、酸素、窒素、水素、亜鉛、アルミニウム、インジウム及びこれらの配合物からなる無機ガス群から選択される、請求項４７記載の方法。
【請求項４９】
前記物質が、アンモニア、シラン及びこれらの配合物からなる無機化合物ガス群から選択される、請求項４７記載の方法。
【請求項５０】
前記物質が、炭化水素、オルガノシラン、オルガノシロキサン、オルガノシラザン及びこれらの配合物からなる有機化合物ガス群から選択される、請求項４７記載の方法。
【請求項５１】
前記物質が、メタン、ブタジエン、エチルベンゼン、ヘキサメチルジシラン、テトラメチルジシラン、ビニルトリエチルシラン、ヘキサメチルジシロキサン、テトラメチルジシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン、ヘキサメチルジシラザン及びこれらの配合物からなるガス群から選択される、請求項５０記載の方法。
【請求項５２】
前記物質が、ジエチル亜鉛、ジメチル亜鉛及びこれらの配合物からなる有機金属化合物ガス群から選択される、請求項４７記載の方法。
【請求項５３】
前記所定の角度が約２０〜約７０度である、請求項４６記載の方法。
【請求項５４】
さらに、
（ｅ）第一の反応物を流体供給ライン（６２）からリング状の供給流路（６４）中に、次いで均等に分布したインジェクター（７０〜７６）を通して供給流路（６４）からプラズマ（１８）中に供給することを含んでなる、請求項４６記載の方法。
【請求項５５】
さらに、
（ｆ）第二のインジェクターシステム（１３２）を通してプラズマ（１８）中に第二の反応物を導入することを含んでなる、請求項４６記載の方法。
【請求項５６】
さらに、
（ｇ）第三のインジェクターシステム（１３４）を通してプラズマ（１８）中に第三の反応物を導入することを含んでなる、請求項５５記載の方法。
【請求項５７】
基材を被覆するための装置であって、
プラズマを発生するための手段（８０）、
プラズマ中に第一の反応物を導入するためのインジェクター手段（６０、１３０）であって、当該インジェクター手段（６０、１３０）の内壁（３）上への第一の反応物の堆積を低減させるための手段（６、８、１０）を含んでなるインジェクター手段（６０、１３０）に第一の反応物を供給するための手段（１１２）、及び
基材（１８０）の表面上に第一の反応物を含む被膜を蒸着するための手段（１５６）
を含んでなる装置。
【請求項５８】
インジェクター手段が、さらに、
被膜が被覆すべき基材表面の全領域上に一様に蒸着されるようにしてプラズマ中に第一の反応物を導入するための手段（６０、９０）を含んでなる、請求項５７記載の装置。
【請求項５９】
請求項３１記載の装置を用いて被覆された被覆物品であって、
（ａ）表面を有する基材、及び
（ｂ）プラズマ支援化学蒸着法によって表面上に蒸着させた１以上の被膜
を含んでなる被覆物品。
【請求項６０】
前記被膜が、耐摩耗性被膜、応力除去被膜、赤外線フィルター被膜及び紫外線フィルター被膜からなる群から選択された被膜である、請求項５９記載の被覆物品。
【請求項６１】
前記被膜が、金属、半導体、金属酸化物、金属窒化物及びポリマーからなる群から選択された材料からなる、請求項６０記載の被覆物品。
【請求項６２】
前記被膜が、亜鉛、アルミニウム、インジウム、ケイ素、スズ、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化インジウム、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化セリウム、酸化スズ、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、酸化インジウム亜鉛、酸化アルミニウム亜鉛、酸化インジウムスズ、ダイヤモンド様炭素、プラズマ重合炭化水素、プラズマ重合シラン及びプラズマ重合シロキサンからなる群から選択された材料からなる、請求項６１記載の被覆物品。
【請求項６３】
前記被膜が耐摩耗性被膜である、請求項６２記載の被覆物品。
【請求項６４】
前記耐摩耗性層が、酸化ケイ素、プラズマ重合シロキサン及びアルミナからなる群から選択された材料からなる、請求項６３記載の被覆物品。
【請求項６５】
前記耐摩耗性被膜が透明である、請求項６３記載の被覆物品。
【請求項６６】
前記耐摩耗性被膜が、摩耗輪１個当たり５００ｇの重量を加えたＣＳ−１０Ｆ摩耗輪を用いて１０００サイクルの摩耗作用を施した後のテーバーヘイズ増分が約４％未満であるテーバー耐摩耗性を有する、請求項６３記載の被覆物品。
【請求項６７】
前記基材が、プラスチック、ガラス、石英、セラミック、金属及び半導体からなる群から選択された材料からなる、請求項５９記載の被覆物品。
【請求項６８】
前記基材が、ポリカーボネート、ポリエーテルカーボネート、ポリエーテルスルホン及びポリエーテルイミドからなる群から選択されたプラスチックからなる、請求項６７記載の被覆物品。
【請求項６９】
さらに、被膜と基材の表面との間に配置された中間被膜を含んでなる、請求項６８記載の被覆物品。
【請求項７０】
前記中間被膜がシリコーンハードコートからなる、請求項６９記載の被覆物品。
【請求項７１】
当該被覆物品が、自動車の窓ガラス、建物の窓、前照灯及び飛行機のキャノピーからなる群から選択されたガラス板である、請求項５９記載の被覆物品。
【請求項７２】
当該被覆物品が、テレビスクリーン、ＬＣＤスクリーン、フラットパネルスクリーン、プラズマディスプレイスクリーン、コンピューターディスプレイスクリーン及びディスプレイガードからなる群から選択された表示窓である、請求項５９記載の被覆物品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術的背景】
本発明は、プラズマ中への反応物の長期送入及び一様分配を行うための流体注入装置及び方法に関する。特に本発明は、ガラス、石英、金属又は金属被覆材料、及びプラスチックのような様々な基材上に保護被膜を蒸着するためのインジェクターに関する。
【０００２】
建物の窓ガラスや自動車の窓ガラスのような屋外用途のためにポリカーボネート（ＰＣ）シート又はフィルムを使用する際には、ＰＣを摩耗効果から保護する必要がある。従って、通常は耐摩耗性被膜がＰＣ上に形成される。
【０００３】
耐摩耗性被膜用の様々な常用蒸着技術が開発されてきた。例えば、化学蒸着法（ＣＶＤ）、物理蒸着法（ＰＶＤ）及びプラズマ支援化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）が広く使用されている。ＰＶＤは、熱エネルギーを供給して蒸着源物質を活性化することで固体フィルムを生成する。ＣＶＤは、フィルムの所望成分を含むガス状反応物の熱活性化及び表面反応によって基材表面上に固体フィルムを生成する。反応物を活性化するために必要なエネルギーは、基材を加熱することで供給される。適度の反応速度を得るため、基材は約５００〜２０００°Ｆという比較的高い温度に加熱される。ＰＥＣＶＤは、蒸着室内でプラズマを形成するガス中での放電によって反応物にエネルギーを供給する。プラズマの助けにより、基材の加熱はもはや不要であり、ＰＥＣＶＤを使用すればプラスチックのような低融点材料を簡単に被覆できる。
【０００４】
これらの蒸着システム中の重要な構成部品は、反応物、金属蒸気及びその他の蒸着源物質をプラズマ流れ中に注入するために使用する装置である。例えば、１９９８年３月３日提出の米国特許出願第０９／０３３８６２号（係属中）及び２０００年８月２９日発行の米国特許第６１１０５４４号には、アークプラズマを用いた高速大面積蒸着のためのノズルインジェクターが記載されている。
【０００５】
従来から、一定面積にわたってガス又は蒸気を制御下で一様に配送するためには、インジェクター本体又はプレート上に均等に分布した一連のオリフィス（インジェクターともいう）が使用されている。かかる装置は、時にはシャワーヘッドインジェクター又はディストリビューターと呼ばれる。すべてのインジェクターを通して注入反応物を一様に分配することを保証するためには、あらゆるインジェクターが大きくて均等な流れ抵抗を有することが望ましい。
【０００６】
例えば、従来の細い直通壁型インジェクターをインジェクター２０として図２に示す。しばしば、反応物は開口２２のような出口開口付近のプラズマ１８と反応し、そのため開口２２にばかりでなく内壁２４に沿っても反応物が固体層１９として沈着する。多流路型の反応物注入装置で使用した場合には、オリフィスの間で不均等に目詰まりが起こることがあり、そのために反応物配送（及びそれに続く蒸着）の一様性が妨げられる。また、インジェクターの性能は時間の関数として変化することがあり、目詰まりしたインジェクターの頻繁な清掃が必要である。
【０００７】
このように、シャワーヘッドインジェクターは反応物の一様分配のために有効であるが、特にプラズマの存在下で凝縮性反応物に長期暴露した際にはオリフィスの目詰まりが起こるという普遍的な欠点を有する。これが起こる理由は、インジェクターの出口開口で反応物の濃度が高いこと、及びインジェクターがしばしばプラズマに接触していることにある。高い反応物濃度とプラズマ活性化とが組み合わさると、インジェクターの出口開口及びインジェクターの内壁への固体フィルムの沈着が促進される。その結果、インジェクターは時間の経過に伴って目詰まりする。インジェクターの間で目詰まりが不均等に起こると、物質配送の一様性が妨げられる。目詰まりしたインジェクターは清掃又は交換する必要があり、従ってプロセスの中断並びに作業停止時間及び運転費の増加が生じる。
【０００８】
【発明の概要】
上記の説明を考慮すれば、長期使用時における目詰まりの可能性を低減させながらプラズマ流れ中に流体を一様分配状態で注入するための装置を提供することは望ましいであろう。
【０００９】
本発明は、インジェクターを含むベースを含んでなるインジェクターシステムを提供する。かかるインジェクターは、流体の流れを制限するための第一の流路部分を画成すると共に、第一の流路部分の内壁が第一の軸線に平行となるような形状を有する内壁を含む。また、かかるインジェクターは第一の流路部分と連通した第二の流路部分を画成する内壁も含む。第二の流路部分は、第二の流路部分の内壁が第一の軸線から所定の角度で遠ざかるような後退部分を含む。第二の流路部分は、使用期間中における第二の流路部分の内壁上への目詰まり層の堆積を低減させる。加えて、かかるインジェクターはさらにプラズマ中に突出したチップ部分を含むことができる。
【００１０】
上記の説明を考慮すれば、基材を被覆するための装置を提供することも望ましいであろう。
【００１１】
本発明の別の実施形態に従えば、基材を被覆するための装置は、基材に向かって移動するアークプラズマを形成し得る陽極及び陰極を有するプラズマ発生器、基材を収容するためのチャンバー、並びにプラズマ中に第一の反応物を導入するため陽極と基材との間に配置された第一のインジェクターシステムを含む。第一のインジェクターシステムは、流体の流れを制限するための第一の流路部分であって、当該第一の流路部分の内壁が第一の軸線に平行となるような形状を有する第一の流路部分を含むインジェクターを含んでなる。また、かかるインジェクターは第一の流路部分と連通した第二の流路部分も含む。第二の流路部分は、当該第二の流路部分の内壁が第一の軸線から所定の角度で遠ざかるような後退部分を含む。第二の流路部分は、使用期間中における内壁上への目詰まり層の堆積を低減させる。加えて、かかるインジェクターはさらにプラズマ中に突出したチップ部分を含むことができる。
【００１２】
上記の説明を考慮すれば、長期使用時における目詰まりの可能性を低減させながらプラズマ流れ中に流体を一様分配状態で注入するための方法を提供することも望ましいであろう。
【００１３】
本発明の別の実施形態に従えば、基材を一様に被覆するための方法は、流体供給流路の周囲に配設された複数のインジェクターを有しており、各々のインジェクターが、第一の反応物の流れを制限するのに十分な直径をもったオリフィスを有する第一の流路部分と、第二の流路部分の内壁が第一の軸線から所定の角度で遠ざかることで該内壁上への第一の反応物からなる目詰まり層の堆積を低減させるような後退部分である第二の流路部分とを含んだインジェクターシステムに第一の反応物を供給することを含んでなる。アークプラズマを発生させる。第一の反応物をプラズマ中に導入し、第一の反応物を基材の表面上に蒸着させる。
【００１４】
上記の説明を考慮すれば、本発明の装置を用いて蒸着した被膜を有する物品を提供することも望ましいであろう。
【００１５】
本発明の別の実施形態に従えば、本発明の装置で被覆した被覆物品は、表面を有する基材、及び該表面上にプラズマ支援化学蒸着法で蒸着させた１以上の被膜を含んでなる。
【００１６】
本発明の追加の特徴及び利点、並びに本発明の様々な実施形態の構造及び動作は、添付の図面を参照しながら以下に詳しく記載される。
【００１７】
図面の簡単な説明
本明細書中に組み込まれてその一部をなす添付の図面は、本発明を例示するものであり、さらに以下の説明と併せて本発明の原理を説明するために役立つと共に、当業者が本発明を実施し使用することを可能にする。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に従って後退部分を有するインジェクターの断面図を示し、
図２は、直通穴流路を有するインジェクターの断面図を示し、
図３は、本発明の別の実施形態に従って後退部分及び突出チップを有するインジェクターの断面図を示し、
図４は、本発明の別の実施形態に従って後退部分及び突出チップを有する交換可能なインジェクターの断面図を示し、
図５Ａ〜５Ｅは、本発明の代わりの実施形態に係る様々なインジェクター実施形態の断面図を示し、
図６Ａは、本発明の別の実施形態に従ってリング状アセンブリをなして配列された複数のインジェクターを有するインジェクターシステムを示し、
図６Ｂ及び６Ｃは、本発明の代わりの実施形態に従って平面状及び半円形の形状をなして配列された複数のインジェクターを有する代替インジェクターシステムを示し、
図７は、本発明の別の実施形態に従ってリング状アセンブリをなして配列された不均等分布の複数のインジェクターを有するインジェクターシステムを示し、
図８は、本発明の別の実施形態に従ってインジェクターシステムを使用するプラズマアーク装置を示し、
図９は、本発明の別の実施形態に従ってプラズマ発生室及び蒸着室を有するプラズマアーク装置を示す。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、反応物ガスのような流体をアークプラズマ中に注入するために使用する従来の直通穴流路はひどい目詰まりの問題を生じやすいことを発見した。これらの目詰まりの問題は、本発明に従えば、後退部分及び任意にはプラズマ流れ中に延在する突出チップ部分を有するインジェクターを使用することで解消又は少なくとも低減できる。
【００２０】
図１は、本発明の第一の実施形態に係るインジェクター２の側断面図を示す。図１に示す通り、インジェクター２はインジェクタープレート又はベース４中に一体をなして配置されている。プレート又はベース４及びインジェクター２の側壁３を形成する材料は、プラズマチャンバー蒸着用途に適した任意の材料であり得る。例えば、ベース４はステンレス鋼物体からなっていてもよいし、あるいは融解せずに高い使用温度に耐え得るその他任意の金属（例えば、ニッケル）又は合金（例えば、ＭＯＮＥＬ（Ｉｎｃｏ  Ａｌｌｏｙｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社の登録商標）やＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（Ｈａｙｎｅｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社の登録商標））からなっていてもよい。別法として、ベース４は極めて高い使用温度に耐え得るセラミックなどからもなり得る。
【００２１】
本発明の第一の実施形態のこの態様では、インジェクター２はベース４中に一体をなして形成されている。さらに、ベース４はほぼ平面状のベースであり得る。別法として、ベース４は（下記のように）複数のインジェクターを有するリング状に形成することもできる。当業者には自明の通り、ベース４に関しては、その他特定の形状を本発明に従って設計することができる。
【００２２】
図１に示す通り、インジェクター２は、ベース表面１４に形成された入口開口５とベース表面１２に形成された出口開口７とを有する。インジェクター２の第一の部分６は、第一の部分６の内壁が第一の軸線９に平行となるように円筒形をなすのが好ましい。別法として、インジェクター２の第一の部分６の横断面は任意の多角形形状を有することもできる。インジェクター２の第二の部分８は、内壁が第一の軸線９から所定の角度で遠ざかっている後退部分である。このような所定の角度は、（軸線９に対して）１０度からほぼ９０度までの範囲内にあり得る。好ましい実施形態に従えば、所定の角度は約２０度から約７０度までの範囲内にあり得る。この実施形態では、第二の部分８は円錐形をなすのが好ましい。
【００２３】
インジェクター２の第三の部分１０は出口開口７を形成する。図１に示す通り、部分１０は円筒形であり得るが、部分６より大きい直径を有する。別法として、部分１０の横断面は任意の多角形形状を有し得る。さらに、別法として、部分１０は軸線９から遠ざかっていてもよい。内壁３が軸線９から遠ざかる角度は、０度からほぼ９０度までの範囲内にあり得る。さらに、部分１０の遠ざかる角度は部分８の遠ざかる角度と同一であっても異なっていてもよい。本明細書を読めば当業者には明らかな通り、部分６、８及び１０は通常の機械加工技術でベース４中に形成できる。
【００２４】
使用に際しては、反応物ガス又は蒸気のような流体が領域１６から開口５を通ってインジェクター２に流入し、開口７からプラズマ雲又は流れ１８中に流出する。プラズマ流れ１８の流れ方向は、インジェクタープレート４に沿った（いずれかの向きの）縦方向又は横方向（すなわち、図面に入る方向若しくは図面から出る方向）であり得る。このように、インジェクター２は高圧の反応物からプラズマを隔離することができる。
【００２５】
図２に示す流路２０のような小径のオリフィスは、高い流れ抵抗をもたらすことがある。このような流れ抵抗は、反応物をプラズマ流れ中に均等に分配するために有用である。しかし、図２に示す従来の（直通穴）流路２０とは異なり、図１に示すインジェクター２の後退部分８はプラズマへの部分６の直接暴露を低減させる。
【００２６】
上述の通り、図２のインジェクター２０のような従来のインジェクターは時間の経過に伴って目詰まりを起こし易く、その場合には出口開口２２及び内壁２４にフィルム１９の堆積が起こる。従って、マルチインジェクター装置に使用した場合、不均等に目詰まりが起こることがあり、反応物の送入（及びそれに続く蒸着）の一様性が妨げられる。
【００２７】
図３に示す本発明の別の実施形態に従えば、インジェクター２６は後退部分８と共に、ベース表面２９を越えてプラズマ流れ１８中に突出したチップ部分２８を含むことができる。チップ部分２８は、プラズマ中に１０００分の数インチから１０分の数インチまで延在し得る。本発明に従えば、インジェクター２６はプラズマ流れ１８中への反応物の分散を向上させる。インジェクターの部分６、８及び１０は、図６が後退部分８及び部分１０より小さい直径を有する、図１に関して上述したものと同様に設計できる。加えて、実験の部で後述する通り、インジェクター２６のデザインは図２に示す従来のインジェクター２２のデザインに比べて繰返し使用後における目詰まりを一段と低減させる。
【００２８】
本発明のこの実施形態のさらに別の態様に従えば、様々な流路直径、第一の軸線から遠ざかる角度の異なる様々な後退部分、及びプラズマ流れ中への様々なチップ突出距離を有する着脱可能なインサートを用いてインジェクター３０を設計することもできる。例えば、図４に示す通り、インジェクター３０は上述のものと同様な後退部分８及び突出部分２８を有すると共に、インジェクターベース３４中への着脱が可能である。ベース３４は、インジェクター３０のねじ部分３８とかみ合うねじ部分３６を含む。別法として、インジェクター３０が平滑な外面を有する一方、本明細書を読めば当業者には明らかな通り、ベース３４はインジェクター３０に対する滑り嵌め式又は摩擦嵌め式のレセプタクルを提供するように設計することもできる。加えて、インジェクター３０はさらにベース表面３１から下方に突出した広がり部分３２を任意に含むこともできる。このようにすれば、様々な用途のため、様々な種類のインジェクターをベース３４中に使用できる。かかるデザインによれば、インジェクターを様々なプロセスに対して容易にカスタマイズできる。
【００２９】
インジェクターデザインの幾つかの追加実施形態を図５Ａ〜５Ｂに示す。図５Ａでは、インジェクター４０がベース４１中に一体をなして形成されている。インジェクター４０は円筒形であり得る第一の部分６を含んでおり、従って第一の部分６の内壁は軸線４３に平行である。インジェクター４０の第二の部分４２は、内壁が所定の角度で円筒の軸線から遠ざかっている後退部分である。このデザインからは第三の概して円筒形の部分が省かれていることに注意されたい。別法としてインジェクター４０は、図４に関して上述した交換可能なインジェクターと同様な、ベース４１中の交換可能なインサートであるように変更できる。
【００３０】
図５Ｂでは、インジェクター４４がベース４５中に一体をなして形成されている。インジェクター４４の第一の部分４６は、内壁が所定の角度で軸線４３から遠ざかっている後退部分である。インジェクター４４は概して円筒形の部分を含んでいないことに注意されたい。別法としてインジェクター４４は、図４に関して上述した交換可能なインジェクターと同様な、ベース４５中の交換可能なインサートであるように変更できる。
【００３１】
図５Ｃでは、インジェクター４８がベース４９中に一体をなして形成されている。インジェクター４８の第一の部分５０は、内壁が所定の角度で軸線４３から遠ざかっている後退部分である。インジェクター４８の第二の部分は、ベース４９の上面を越えてプラズマ又はプラズマ流れ中に突出した円筒形チップ部分５１で画成されている。図３に関して上述したインジェクター２６と同じく、チップ部分５１はプレート４９の上面を越えてプラズマ流れ中に１０００分の数インチから１０分の数インチまで延在し得る。別法としてインジェクター４８は、図４に関して上述した交換可能なインジェクターと同様な、ベース４９中の交換可能なインサートであるように変更できる。
【００３２】
図５Ｄでは、インジェクター３７がベース３９中に一体をなして形成されている。インジェクター３７は円筒形である第一の部分６を含んでおり、従って第一の部分６の内壁は軸線４３に平行である。インジェクター３７の第二の部分３８は、部分６の直径より大きい直径をもった円筒形である。この実施形態では、部分６及び部分３８の内壁は互いに平行である。
【００３３】
図５Ｅに示す本発明のこの実施形態の一態様では、インジェクター５２がベース５３の上面５９に対し鋭角をなして配設されている。図５Ｅに示す通り、インジェクター５２はベース５３中に一体をなして形成されている。インジェクター５２は円筒形である第一の部分５５を含んでおり、従って第一の部分５５の内壁は上面５９に対し鋭角をなして傾斜した軸線５４に平行である。傾斜角は約１０〜約７０度であり得るが、好ましくは約３０〜約６０度である。インジェクター５２の第二の部分５６は、内壁が所定の角度で円筒の軸線５４から遠ざかっている後退部分である。インジェクター５２の第二の部分５７は、円筒形であってもよいし、あるいは軸線５４から遠ざかっていてもよい。ベース５３の上面５９を越えてプラズマ又はプラズマ流れ中にチップ部分５８が突出している。図３に関して上述したインジェクター２６と同じく、チップ部分５８はプレート５３の上面を越えてプラズマ流れ中に１０００分の数インチから１０分の数インチまで延在し得る。別法としてインジェクター５２は、本明細書を読めば当業者には明らかな通り、ベース５３中の着脱可能で交換可能なインサートであるように変更できる。
【００３４】
図６Ａは、本発明の別の実施形態、すなわちリング状アセンブリをなして配列された複数のインジェクターを有するインジェクターシステムを示す。インジェクターシステム６０の本体の内部に形成された流体供給流路６４に流体供給ライン６２が連結されている。流体供給流路６４は、好ましくは流路６４の周囲に均等に分布した複数のインジェクター７０〜７６を含む。インジェクター７０〜７６の各々は、図１、３、４及び５Ａ〜５Ｅに関して詳しく上述した様々なインジェクター実施形態に従って設計できる。例えば、インジェクター７０〜７６の１以上は後退部分を含み得ると共に、任意には目詰まりの可能性をさらに低減させるために突出チップを含み得る。流体はライン６２から流路６４中に流入する。次いで、流体は流路６４からインジェクター７０〜７６を同時に通り、複数の方向から蒸着室空間７９に流入する。本発明のこの実施形態では、インジェクターシステム６０はプラズマ中に反応物を送入するため反応物供給ラインに結合された１以上のインジェクターを含む。別法として、後述のように、インジェクターシステムはリング状をなす必要はなく、複数のインジェクターを有する平らな円筒（図６Ｂ）又は半円形の形状（図６Ｃ）をなすように設計することもできる。複数のインジェクターは、蒸着室のデザインを様々な形状の基材に最もよく適合させるため、円形ディスク、正方形、長方形、三角形又は台形のような様々な幾何学的形状のインジェクタープレートの全面にわたって分布させることができる。
【００３５】
好ましい実施形態では、プラズマはＤＣアークのようなプラズマ発生器８０の出口から供給される。プラズマは、図６Ａに示す紙面に出入りする方向に流れることができる。
【００３６】
流体は、供給ライン６２を通して流体供給流路６４中に供給される。さらに、反応物及び／又はドーパントのような追加流体をプラズマ流れ中に供給するため、１以上の追加供給ラインをインジェクターシステム６０に連結できる。使用する特定の流体は用途に依存しており、特に限定されないが、無機ガス、無機化合物ガス、有機化合物ガス及び有機金属化合物ガスを挙げることができる。無機ガスには、酸素、窒素及び水素のような元素ガス、並びに亜鉛、アルミニウム、インジウム及びこれらの配合物のような蒸発金属がある。無機化合物ガスには、アンモニア、シラン及びこれらの配合物がある。有機化合物ガスには、炭化水素（例えば、メタン、ブタジエン、エチルベンゼン）、オルガノシラン（例えば、ヘキサメチルジシラン、テトラメチルジシラン、ビニルトリエチルシラン）、オルガノシロキサン（例えば、ヘキサメチルジシロキサン、テトラメチルジシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン）、オルガノシラザン（例えば、ヘキサメチルジシラザン）及びこれらの配合物がある。有機金属化合物ガスには、ジエチル亜鉛、ジメチル亜鉛及びこれらの配合物がある。
【００３７】
この実施形態の好ましい態様では、１９９９年３月１７日提出の係属中の米国特許出願第０９／２７１６５８号（Ｃｈａｒｌｅｓ  Ｉａｃｏｖａｎｇｅｌｏ他）に記載のように、反応物を用いて、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、ダイヤモンド様炭素又はプラズマ重合シロキサン被膜のような引っかき抵抗性被膜がポリカーボネート基材上に形成される。
【００３８】
図６Ｂ及び６Ｃは、本発明の代わりの実施形態に従ってそれぞれ平面状及び半円形の形状をなして配列された複数のインジェクターを有する代替インジェクターシステムを示す。図６Ｂでは、インジェクターシステム６１の本体の内部に形成された流体供給流路６５に流体供給ライン６２が連結されている。流体供給流路６５は概して円筒形の形状を有しており、複数のインジェクター７０〜７４を含む。開口７０〜７４の各々は、詳しく上述した様々なインジェクター実施形態に従って設計できる。例えば、インジェクター７０〜７４の１以上は後退部分を含み得ると共に、任意には目詰まりの可能性をさらに低減させるために突出チップを含み得る。
【００３９】
別法として、図６Ｃでは、インジェクターシステム６６の本体の内部に形成された流体供給流路６７に流体供給ライン６２が連結されている。本発明のこの態様では、流体供給流路６７は半円形の形状を有しており、詳しく上述した様々なインジェクター実施形態に従って設計した複数のインジェクター７０〜７３を含む。本明細書を読めば当業者には明らかな通り、特定の用途のために必要な流体注入の種類に応じ、インジェクターシステムの形状に関するその他の変更や修正を設計することもできる。
【００４０】
図７は、図６Ａに示すインジェクターシステム実施形態の別の態様を示す。この場合、インジェクターシステム９０は流体供給ライン６２に結合された流体供給流路６４及び複数のインジェクター８２〜８９を含む。本発明のこの態様では、供給ライン６２の反対側（図７中の軸線８１の右側）に一段と多数のインジェクターを配置することにより、蒸着室空間８０への流体の一様な送入がさらに向上する。図７に示す例では、軸線８１の右側に四つのインジェクターが配置されており、軸線８１の左側に二つのインジェクターが配置されている。加えて、供給ライン６２から遠い側よりも供給ライン６２に近い側（図７中の軸線８１の左側）で一段と大きい流体制限が生じるように個々のインジェクター８２〜８９のサイズを設計することもできる。この例では、図７に示す軸線８１の右側のインジェクターは軸線８１の左側のインジェクターの入口直径より大きい入口直径を有し得る。加えて、インジェクターは詳しく上述した様々なインジェクター実施形態に従って設計できる。
【００４１】
図８は、本発明の別の実施形態に係るアークプラズマ発生器１４０を示す。プラズマ発生器１４０は、１以上の陰極１１３、プラズマガス供給ライン１１７及び陽極ノズル１１９を含む。好ましくは、発生器１４０は２以上の陰極１１３を含む。有利には、三つの陰極１１３が存在する。陰極１１３は、例えば、タングステン又はトリウムドープタングステンチップからなり得る。トリウムの使用は、チップの温度をタングステンの融点未満に維持することにより、タングステン原子によるプラズマの汚染の回避を可能にする。陰極１１３を陰極外被１５０で支持することにより、各陰極１１３を陰極支持板１２８の壁から絶縁できる。
【００４２】
陰極１１３は、好ましくは１以上のカスケードプレート１２６で陽極ノズル１１９から隔離されている。カスケードプレートは、好ましくは中心開口を含む銅製ディスクからなっている。中心開口の直径は、好ましくは陰極１１３から陽極ノズル１１９の開口まで一定の比率で拡大している。しかし、その他の形状を使用することもできる。
【００４３】
また、発生器１４０は１以上のプラズマガス供給ライン１１７も含む。任意には、プラズマガスの供給に先立ってチャンバー１４０及び蒸着室（図示せず）にパージガスを供給するため、発生器１４０はプラズマガス供給ライン１１７に隣接してパージガス供給ラインを含むこともできる。
【００４４】
好適には、絶縁ボルト１２７又は他のファスナーで陰極支持板１２８をカスケードプレート１２６及び陽極ノズル１１９に固定できる。カスケードプレート１２６は、好ましくはスペーサー１１５で陰極支持板１２８及び陽極ノズル１１９から電気絶縁されている。スペーサー１１５は、例えば、Ｏリング真空シール、ポリ塩化ビニルリング及び／又は窒化ホウ素リングからなり得る。
【００４５】
高電力密度及び高温でのプラズマ放電は、カスケードプレート１２６及び陽極ノズル１１９を加熱する傾向がある。好ましくは、カスケードプレート１２６及び陽極ノズル１１９は冷却水流路１２９を含む。好ましくは、流路１２９はプレート１２６及びノズル１１９の内部容積中で円形の形状を有する。水供給ライン１６９を通して供給された冷水が、流路１２９中を流れてプレート１２６及びノズル１１９を冷却する。
【００４６】
また、アークプラズマ発生器１４０は注入ノズル１１８を含むことができるが、この注入ノズル１１８はさらに本明細書中に記載した実施形態に係るインジェクターシステムからなる１以上の入口を含んでなる。好ましくは、ノズル１１８は約１０〜約６０度好ましくは約４０〜約５０度の広がり角及び約１０〜約２０ｃｍ好ましくは約１６ｃｍの長さをもった円錐形を有する。しかし、ノズル１１８は円錐形−円筒形−円錐形又は円錐形−円筒形のような変化する横断面を有することもできる。注入ノズル１１８は、好ましくは陽極ノズル１１９に固定されている。注入ノズル１１８は、プラズマ及び反応性化学種を導くため、任意の一体又は着脱可能の末広延長部分１３９を含む。インジェクターシステムの位置は、プラズマによって基材の表面上に被覆すべき被膜の所望の化学的組成及び構造に対応して選択できる。
【００４７】
また、被覆装置は１以上の反応物供給ラインを含む。例えば、図８に示す三つの反応物供給ライン１１２、１１４、１１６は、好ましくは注入ノズル１１８に連通し、ノズル１１８を通って流れるプラズマ中に反応物を供給する。しかし、一つ、二つ、三つ又は四つ以上の反応物供給ラインが存在していてもよい。さらに、反応物供給ラインは陽極開口１１９上又はプラズマ発生器に隣接した蒸着室の内部に配置してもよい。
【００４８】
注入ノズル１１８は、好ましくは、図６Ａに示すリングインジェクター６０のような、インジェクターに連結された１以上のリング状反応物供給流路を含んでなる円形のインジェクターシステムを含む。例えば、反応物供給流路１１４は注入ノズル１１８の本体の内部に形成された反応物供給流路１３５に連結されている。反応物供給流路１３５は、一般に、好ましくは流路１３５の周囲に均等に分布した複数のインジェクター１３４を含む。
【００４９】
加えて、インジェクター１３４は好ましくは上述したインジェクター形状に従って設計されている。例えば、図８に示す通り、供給ライン１１４からの流体は供給流路１３５中に流入し、次いでインジェクター１３４に流入する。インジェクター１３４は、図３に示したインジェクター２６と同じく、第一の流路部分６、流路部分６より大きい広がり直径をもった後退部分である第二の流路部分８、第三の流路部分１０及びチップ部分２８を含み得る。従って、反応物は流路１３５からインジェクター１３４を同時に通って流れ、陽極ノズル１１９から蒸着室内に広がるプラズマ１５２（図９に示す）中に複数の方向から流入する。同様に、供給ライン１１６は流路１３３及びインジェクター１３２に連結されており、供給ライン１１２は流路１３１及びインジェクター１３０に連結されている。本発明の幾つかの実施形態に従い、インジェクター１３０、１３２及び１３４の目詰まりは低減される。
【００５０】
次に、図９を参照しながら、プラズマを発生させて基材１８０上に層を形成する方法を説明しよう。発生器１４０内にプラズマを形成するためには、プラズマガス供給ライン１１７を通してプラズマガスを供給する。プラズマガスは、好適には、アルゴン又はヘリウムのような貴ガス、あるいはかかるガスと窒素、二酸化炭素又は水素のような成分との混合物からなり得る。２種以上のプラズマガスが存在する場合には、所望ならば、複数の供給ラインを通して複数のガスを供給できる。好ましくは、プラズマガスはアルゴン又はアルゴン含有混合物からなる。プラズマ発生器１４０内のプラズマガスは、ポンプ（図示せず）で連続的に排気される蒸着室１５６内の雰囲気の圧力より高い圧力に維持される。次いで、陰極１１３と陽極ノズル１１９との間にＤＣ電圧を印加して発生器１４０内にプラズマ１５２を発生させる。すると、圧力差のため、プラズマは陽極ノズル１１９の開口を通って蒸着室内にまで延在するプラズマ流れ１５２となる。
【００５１】
供給ライン１１２、１１４及び／又は１１６を通してプラズマ流れ中に反応物を供給する。反応物は、プラズマ流れ中で解離するガス又は液体の形態で供給ラインを通して供給できる。かくして、基材マウント１８２で支持された基材１８０上に被膜を蒸着できる。別法として、金属及び半導体反応物のような反応物は、るつぼから蒸発させるか電子ビームで蒸発させることにより、蒸気の形態で供給できる。さらに、金属又は半導体からなるスパッタリングターゲットにプラズマの一部を当てることにより、プラズマ流れ中に反応物を放出させることもできる。プラズマ中への反応物の導入の詳細は、１９９９年３月１７日提出の同時係属米国特許出願第０９／２７１６５５号（Ｃ．Ｉａｃｏｖａｎｇｅｌｏ及びＫ．Ｂｏｒｓｔ）（代理人事件番号ＲＤ−２６３４５）（その開示内容は援用によって本明細書中に組み込まれる）に詳しく記載されている。
【００５２】
かかるアークプラズマ法によれば、各種の基材上の各種の層を形成できる。例えば、プラスチック、ガラス、石英、セラミック、金属及び／又は半導体のような基材材料上に、耐摩耗性被膜、応力除去被膜、及び／又はＩＲ若しくはＵＶフィルター被膜を形成できる。プラスチック基材の非限定的な例には、（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ＣｏｍｐａｎｙからＬＥＸＡＮ（商標）の商標で販売されている）ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルカーボネート（ＰＰＣ）、（「Ｒａｄｅｌ（登録商標）」の商標で販売されている）ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ＣｏｍｐａｎｙからＵＬＴＥＭ（商標）の商標で販売されている）ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、並びに（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ＣｏｍｐａｎｙからＭＲ７（商標）及びＭＲ１０（商標）の商標で販売されている）シリコーンハードコートで被覆したポリカーボネート基材がある。かかるプラスチック基材は、例えば、車両の窓として使用できる。
【００５３】
例えば、基材上に耐摩耗性層を形成するためには、供給ライン１１２を用いてプラズマアーク中に酸素を供給すると同時に、供給ライン１１４を用いてモノマー前駆体ガス反応物を供給すればよい。テトラメチルジシロキサン（ＴＭＤＳＯ）、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）又はオクタメチルシクロテトラシロキサン（Ｄ４）のようなシロキサン反応物を使用すれば、基材上に酸化物富化ポリシロキサン層を形成できる。
【００５４】
別法として、ジエチル亜鉛（ＤＥＺ）、ジメチル亜鉛（ＤＭＺ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）などのような有機金属化合物を、プラズマ流れ中に導入する反応物の供給源として使用することもできる。これらの反応物は、例えば、供給ライン１１６を通してプラズマ流れ中に導入できる。
【００５５】
もちろん、供給ライン１１４を用いて他の反応物を供給すれば、ポリシロキサンとは異なるプラスチック又は樹脂層を基材上に形成できる。別法として、供給ライン１１４及び１１６を用いて、酸素、窒素及び水素のようなガス、アンモニア及びシランのような無機化合物、炭化水素、オルガノシラン、オルガノシロキサン及びオルガノシラザンのような有機化合物、有機金属化合物並びに蒸発金属を供給することにより、Ｚｎ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｓｎ、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ３、ＣｅＯ２、ＳｎＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、オキシ窒化ケイ素、酸化インジウム亜鉛、酸化アルミニウム亜鉛、酸化インジウムスズ、ダイヤモンド様炭素、あるいはプラズマ重合炭化水素、シラン又はシロキサンのような金属、半導体、金属酸化物、金属窒化物又はポリマー層を形成することもできる。
【００５６】
本発明のこの実施形態に係るアークプラズマ装置は、自動車窓ガラス層を蒸着するのに特に有用である。また、各種の被膜をＰＣ上に蒸着して、建物の窓、前照灯、飛行機のキャノピーなどの用途での耐候能力を拡大するためにも有用である。さらに、太陽電池を被覆するのにも有用である。加えて、被覆基材はＴＶスクリーン、ＬＣＤスクリーン、フラットパネルディスプレイ、プラズマディスプレイスクリーン、コンピューター端末スクリーン及びグレアガードのような各種装置の表示窓で使用できる。
【００５７】
【実験】
本発明の好ましい実施形態に係るインジェクターの目詰まりの低減を分析するために２組の実験を行った。第一組の実験では、長期注入試験期間にわたり、図４に示す交換可能なインジェクター３０と同様な形状のインジェクターを図２に示す交換可能なインジェクター２０と同様な形状のインジェクターと比較した。第二組の実験では、図４に示す交換可能なインジェクター３０と同様な形状のインジェクターをアークプラズマ装置での多重注入試験で使用し、蒸着被膜の蒸着特性を試験した。
【００５８】
いずれの組の実験でも、図８に示すものと同様なアークプラズマ発生器を用いて数回の実験的被覆試験を行った。アークプラズマ発生器は、１以上又は一連の電気絶縁された銅製カスケードプレートで３本の針型トリウムタングステン陰極から隔離された銅製陽極を含んでいた。プラズマガスとしてはアルゴン（Ａｒ）を選択した。アーク発生器の内腔を通してＡｒを流しながら、電極に直流（ＤＣ）電圧を印加してプラズマを発生させた。
【００５９】
図８に示す実施形態と同様な注入ノズルを通して減圧の蒸着室内にプラズマを膨張させ、それによりプラズマジェットを形成した。
【００６０】
被覆した基材は、４”×４”のサイズのＰＣ  ＭＲ７シートであった。蒸着前に、基材をイソプロピルアルコールで洗浄し、流動窒素中で８０℃で１２時間以上乾燥して基材のガス抜きを行った。金属支持ステージにより、蒸着室内でプラズマジェットの軸線に垂直に複数の基材を支持した。支持ステージは、陽極から約３６ｃｍの距離に配置されていた。
【００６１】
図８に示すもののような反応物供給ライン（例えば、ライン１１２）及び反応物インジェクター（例えば、１３０）を通して、プラズマ中に酸素を導入した。このような構成は、酸素／アルゴンプラズマを生成した。
【００６２】
第一組の実験では、第一の試験は０．０４７”の直径をもった直通穴インジェクター（例えば、図２参照）を有する円錐形ノズルからなっていた。これらのインジェクターは、図６Ａに示すインジェクターシステム６０と同様な円形のインジェクターシステムをなして配列されていた。ＰＣ基材上に耐摩耗性被膜を蒸着するため、インジェクターは酸素−アルゴンプラズマ流れ中にテトラメチルジシロキサン（ＴＭＤＳＯ）を送入した。結果は、０．３ｓｌｍ（標準リットル／分）のＴＭＤＳＯ送入速度で約３時間の累積運転時間後にインジェクターオリフィスが目詰まりしたことを示した。
【００６３】
第二の試験は、インジェクターが末広がりの内壁をもった後退部分と突出チップ（例えば、図４のインジェクター３０参照）を含む点を除けば、同等なノズルを用いたほぼ同一の試験からなっていた。この試験では、第一の部分６は０．０４７”のオリフィス直径及び０．０９５”の長さを有しており、第二の部分８は円筒の軸線に対して約６０度の広がり角及び０．０１５”の長さを有しており、第三の部分１０は０．１０２”の直径及び０．０７５”の長さを有しており、プラズマ流れ中へのインジェクターチップの突出距離は０．０５”であると共に、外側部分の直径は０．１８”であった。上述したものと同様な条件下で８時間の連続運転後、第二の試験でのインジェクターは認め得る目詰まりを示さなかった。次いで、全部で１３時間の累積運転時間にわたって蒸着試験を続けたが、認め得る目詰まりは起こらなかった。このように、本発明の好ましい態様に係るインジェクターシステムを有するノズルインジェクターは、直通穴インジェクターより４倍長い時間にわたり連続運転しても目詰まりを生じなかった。
【００６４】
第二組の実験では、上述のものと同様な条件下で、３枚の４”×４”ＰＣ  ＭＲ７シート上にＴＭＤＳＯを基材とする被膜を蒸着した。この組の実験では、上述のように後退部分及び突出チップをもった複数のインジェクターを有するノズルを使用した。ノズルインジェクターの８時間連続運転の前（第一の試験）及び後（第二の試験）に２組の試料を作成した。厚さ、透明度、テーバー耐摩耗性及びテープ密着性について蒸着被膜の性質を測定した。厚さは、基材上に予めマスクした五つの位置で、プロフィルメーター（Ｄｅｋｔａｋ  ＩＩＡ）を用いて測定した。透明度は、窓の光学的透明度の公知尺度である「ヘイズ」について測定した。ヘイズの測定は、ＧａｒｄｎｅｒモデルＸＬ−８３５比色計を用いて行った。テーバー耐摩耗性は、Ｇａｒｄｎｅｒテーバー摩耗試験機モデル５１３０上で、摩耗輪１個当たり５００ｇの重量を加えたＣＳ−１０Ｆ摩耗輪を用いて１０００サイクルの摩耗作用を施した前後に試料のヘイズを読み取ることで測定した。各試料について、テーバートラックに沿って等しい間隔で位置する四つの位置で測定を行った。テーバー試験後のヘイズ増分をテーバー耐摩耗性という。ヘイズ増分が小さいほど、テーバー耐摩耗性は良好である。テープ密着性の測定に際しては、蒸着後にクロスハッチカッターで被膜に切れ目を付け、試料を６５℃の水中に最大１４日間浸漬した。３〜４日間隔で、被膜にテープを貼り付けてから引き剥がすことで被膜を試験した。６５％を超える剥離がみられた場合を０Ｂとし、剥離が認められなかった場合を５Ｂとして、結果を０Ｂから５Ｂまでの等級で評価した。
【００６５】
表１に示す結果によれば、本発明の好ましい態様に係るインジェクターシステムを用いた被膜の性質は、厚さ、透明度、テーバー耐摩耗性及びテープ密着性に関し、インジェクターの８時間連続使用の前後でほとんど同じであることがわかる。
【００６６】
【表１】
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【００６７】
加えて、別種の反応物であるオクタメチルシクロテトラシロキサン（Ｄ４）をＤ４蒸気として０．２ｓｌｍの速度で酸素−アルゴンプラズマ中に送入する場合に関しても同じノズルインジェクターを試験した。８時間の連続運転後も目詰まりの徴候は認められなかった。
【００６８】
以上、特定の実施形態に関して本発明を詳しく説明したきたが、本発明の技術的範囲から逸脱せずに様々な変更や修正を加え得ることは当業者にとって自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の一実施形態に従って後退部分を有するインジェクターの断面図を示す。
【図２】
直通穴流路を有するインジェクターの断面図を示す。
【図３】
本発明の別の実施形態に従って後退部分及び突出チップを有するインジェクターの断面図を示す。
【図４】
本発明の別の実施形態に従って後退部分及び突出チップを有する交換可能なインジェクターの断面図を示す。
【図５】
図５Ａ〜５Ｅは、本発明の代わりの実施形態に係る様々なインジェクター実施形態の断面図を示す。
【図６】
図６Ａは、本発明の別の実施形態に従ってリング状アセンブリをなして配列された複数のインジェクターを有するインジェクターシステムを示し、図６Ｂ及び６Ｃは、本発明の代わりの実施形態に従って平面状及び半円形の形状をなして配列された複数のインジェクターを有する代替インジェクターシステムを示す。
【図７】
本発明の別の実施形態に従ってリング状アセンブリをなして配列された不均等分布の複数のインジェクターを有するインジェクターシステムを示す。
【図８】
本発明の別の実施形態に従ってインジェクターシステムを使用するプラズマアーク装置を示す。
【図９】
本発明の別の実施形態に従ってプラズマ発生室及び蒸着室を有するプラズマアーク装置を示す。
【符号の説明】
２  インジェクター
３  内壁
４  ベース
５  入口開口
６  第一の部分
７  出口開口
８  第二の部分
９  第一の軸線
１０  第三の部分
１２  ベース表面
１４  ベース表面
１８  プラズマ流れ
１９  目詰まり層
２８  チップ部分
２９  ベース表面
３０  インジェクター
３４  ベース
３６  ねじを切った外壁
３８  ねじを切ったレセプタクル
６０  インジェクターシステム
６２  流体供給ライン
６４  流体供給流路
６５  流体供給流路
６７  流体供給流路
７０〜７６  インジェクター
８２〜８９  インジェクター
１１２  流体供給ライン
１１３  陰極
１１８  ノズル
１１９  陽極
１３０  インジェクター
１３１  流体供給流路
１３２  第二のインジェクターシステム
１４０  プラズマ発生器
１５２  アークプラズマ
１５６  蒸着室
１８０  基材
１８２  基材マウント
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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