JP2007521395A - プラズマ・ビームを使用して基板表面をコーティングする方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、基板表面（４）において低温プラズマのビーム（２）を向けることによって、プラズマ・ビーム（２）を使用して基板表面（４）をコーティングする方法に関する。コーティングを形成する微細粒状粉末が、精確に計量された量でビーム（２）に追加される。微細粉末または粉末混合物の粒子サイズは、ナノメートルの範囲、具体的には１から１０，０００ナノメートルの範囲にあることが好ましい。したがって、粉末は、良好な結合と高サービス寿命を有して加えることができる。

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルによるプラズマ・ビームを使用して基板表面をコーティングする方法、および請求項１２による方法の適用に関する。

粉末の形態のウォルフラムまたは酸化物セラミックなどの適切な物質をプラズマ・フリー・ビームに追加することによって、プラズマ・ビームを使用して高融点コーティングを基板表面上に堆積させることは、すでに知られている。これらは、出現するプラズマ・フリー・ビームのコア内で２０，０００℃までもの温度となる熱プラズマとして知られている。そのような場合のプラズマの安定化は、高電流強度（＞２００Ａ）とイオン化が容易な気体によって行われる。

このタイプのプラズマは、コーティングされる構成要素上で高温負荷を必要とする。コーティング・プロセスが大気条件下において行われる場合、金属コーティング材料も、部分的に酸化する。したがって、応用分野は非常に限定される。低融点材料のコーティングおよび／または処理は、行われるとしても、極度に高価なプロセス管理と強力な冷却の使用によってのみ可能である。

本発明は、良好な結合特性を有するコーティングを金属、ガラス、プラスチック、または他の基板表面上に堆積させることができる上述されたタイプの方法を提案することに関する問題に基づく。

この問題は、請求項１の特徴を有する方法によって、本発明により解決される。

本発明の方法の好ましい改善は、従属請求項の主題を形成する。

本発明の方法の適用は、理想的には溶接プロセスまたははんだ付けプロセス直後に、亜鉛めっきされた金属部品またはシートの溶接点またははんだ点の上に亜鉛コーティングを堆積させることについて特に有利であるが、それは、プラズマトロンが溶接プロセスに後に続き、先行接合プロセスのプロセス加熱が、構成要素への亜鉛層の接着の改善を達成するために利用されるという点においてである。

プラズマ・フリー・ビームによって基板表面上に堆積された粉末は、基板の温度が許容不可能に上昇することなく、良好な接着で基板に加えられる。それにもかかわらず、空気大気中でさえ、この顕微鏡的プラズマ・プロセスは、堆積層の優れた結合を達成する。金属コーティングも、その酸素含有量が極度に低いために優れている。

次に、図面を利用して、本発明をより詳細に記述する。

図１は、プラズマトロン１の下方ノズル開口３から現れ、基板表面４の上に向けられるプラズマ・フリー・ビーム２の生成についてそれ自体は既知であるプラズマ・ノズル１を示す。

プラズマトロン１は、通常、縦方向に延びる管状ハウジング５を有する。これは、すでに記述されたノズル開口３に向かって下方領域６において同心状に先細りになる。金属ハウジング５は接地され、ノズル先端でたとえば外部電極を形成する。低電力（＜５ｋＷ）を有する１次非平衡プラズマが、たとえばマグネトロン、ＲＦプラズマ、直接高電圧放電、コロナ／障壁放電などによる高周波数交流（＞１０ｋＨｚ）によって、プラズマトロン５の内部で生成される（ボックス１１によって示される）。プラズマ気体または作業気体が、１次プラズマが安定化される（気体安定化プラズマトロン、またたとえば渦安定化プラズマトロン）ような方式で、供給パイプ７によって上からプラズマトロン１に流体として導入される。

空気または水蒸気をプラズマ気体または作業気体として使用することが好ましい（経済的に）。空気は、必要であれば、たとえば窒素、二酸化炭素、メタン、または希ガスと組み合わせることができる。これらの他の気体は、純粋な形態または混合物において使用することもできる。純粋な形態または混合物における他の流体の蒸気も、プラズマ気体として使用することができる。

出現する大気プラズマ・フリー・ビーム２は、特に、低温（コア・ゾーンにおいて＜５００℃）と小さい幾何学的広がり（通常直径＜５ｍｍ）を特徴とする。本発明によれば、基板表面の提案されたコーティングを形成することを意図する材料は、ここで、精確に計量された量が流体微細粒状粉末としてプラズマ・フリー・ビーム２に追加される。次いで、プラズマとの相互作用の結果として、融合または単に溶融され、コーティングされる面の方向に加速され、そこに最終的に堆積される。粉末材料は、粉末供給１６によって容器１５から送られ、任意選択で、２次プラズマまたは１次プラズマに導入される。

低温プラズマは、部分閉鎖プラズマトロンにおいて電気的または電磁的に生成された１次非平衡プラズマ（非熱的プラズマ）を形成した後、適切な手段によって向けられる１次プラズマ・ビームが、環境への遷移点において環状ノズル（出口開口３）によって強力に加速され、その結果、周囲圧力下においてノズルの後で２次プラズマが形成されるということを特徴とする。基板表面が導電性である場合、さらなる電圧（いわゆる転移アーク、または直接プラズマトロン）が、ノズルと基板との間に印加される。ノズル出口から１０ｍｍの距離において、先端直径が４ｍｍのＮｉＣｒ／Ｎｉタイプの熱電対で測定されるプラズマの温度は、周囲圧力の２次プラズマ・ビーム（２）のコアにおける９００℃より低い。

粉末供給１６として、微細粒状バルク材料の計量された量を供給するために、ＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＥＰ０２／１０７０９から既知の装置を使用することが好ましい。これは、交互に充填され、空になる少なくとも２つの投与室を有し、それにより、投与室は、吸引ラインまたは真空ラインに接続されることによって粉末で充填され、圧力気体ラインに接続されることによって空にされる。したがって、粉末は、圧力気体によって流動化され、空圧的に前方に運ばれる。

吸引接続と圧力気体接続は、空圧的におよび／または油圧的に制御されたバルブを介して開閉される。粉末供給１６のような装置により、粒サイズがナノメートルからマイクロメートルの範囲（１ｎｍから１００μｍ）にある最も微細な粉末を非常に精確に計量し、断続的および連続的のいずれにおいても塊のない供給が可能になる。電気制御供給のためのこのタイプの粉末供給の可能な実施形態は、上述された特許出願から導くことができ、したがって、本明細書ではより詳細には記述されない。

流体微細粒状粉末は、ライン２０を介してプラズマトロン１に導入され、そこから２次プラズマに、および／またはノズル開口３から生じるプラズマ・ビーム２にライン２１を介して直接導入される。また、粉末が、図１においては破線で示されるライン２２を介して、ノズル開口３に向かって先細りになるプラズマ・ノズル１の領域６の中に（またはノズル開口３自体の中に）供給されるのも有利である。他の可能性は、ノズル開口３まで至るプラズマ・ビームの流れの方向において直接１次プラズマにより、やはり破線で示されるライン２３を介して粉末を直接導入することである。

粉末材料を空圧的に運ぶのに必要な圧力気体の容積は、プラズマ気体容積の２から２０％であることが好ましい。プラズマ気体の消費は約１００から５０００ｎｌ／時である。

プラズマ・フリー・ビーム２によって基板表面４の上に加えられた粉末は、基板温度が許容不可能に上昇することなく、良好な接着でその上に堆積される。ノズル出口から１０ｍｍの距離において、先端直径が４ｍｍのＮｉＣｒ／Ｎｉタイプの熱電対で測定されたプラズマの温度は、周囲圧力の２次プラズマ・ビーム（２）のコアにおける９００℃より低い。基板の温度の上昇は、コーティング・プロセス中とその後に、１００℃よりかなり低く、好ましくは５０℃より低い。それにもかかわらず、堆積コーティングの優れた接着が、この顕微的大気プラズマ・プロセスによって達成される。

本発明の方法の１つの利点は、コーティングされる基板表面４が、特別な準備を必要としないことである。表面の清浄は、プラズマ・プロセス自体によって実施することができる。この目的のために、プラズマ・ビームを、最初に、実際のコーティングが行われる前に、粉末を加えずに、１回または複数回、コーティングされる表面に向けることが有利である。このプロセスは、表面を緩和させ、表面をミクロ構造化またはナノ構造化するように主に作用する。

本発明の方法は、たとえば自動車産業において特に使用される亜鉛めっき金属部品またはシートの溶接点またははんだ点の上に亜鉛コーティングを堆積させるためなどに理想的に適している。当技術分野において既知であるように、従来の亜鉛めっき金属部品またはシートの亜鉛コーティングは、溶接またははんだ付け中に除去され、その結果、腐食の危険性がそのような点において生じる。本発明の方法により、精確に決められた幅を有するプラズマ・ビームを、たとえば溶接シームなどの処理される点に向け、相対基板／プラズマ・ノズル進行（たとえば、０．３ｍ／ｓ）によって、対応する幅（たとえば、２から８ｍｍ）の亜鉛層を精確に堆積させることができる。市販の亜鉛ダストが、プラズマ・ビームに追加される微細粒状粉末材料として使用される。粉末の供給率は、約０．５から１０ｇ／分の範囲にある。達成可能なコーティングの厚さは、通常、パス当たり０．１から１００マイクロメートルである。本装置は、溶接プロセス（インライン・プロセス）直後に使用することができる。

明らかに、本発明の方法で他の材料（金属、セラミック、サーモプラスチック、またはその混合物など）を他の基板表面（金属、ガラス、プラスチックなど）の上に堆積させることができ、これらの他の材料は、たとえば保護、磨耗、絶縁コーティング、またはさらに抗菌、自己清浄、または触媒の特性を有するコーティングなどの機能コーティングを形成することができる。しかし、この方法は、医療のためにも使用することもでき、たとえば、インプラントを人組織により迅速かつ快適に統合させることを目的として、人工皮膚または膝インプラントの上に生物学的活性コーティングを堆積させることができる。

本方法は、たとえば、Ｓｉウエハの上にＺｎ、Ｃｕ、またはＡｇの導電性コーティングを生成するために、プラスチック、紙、半導体、または誘電体に、計量的なまたは適度で選択的なプレメタライゼーションまたはメタライゼーションを施すために使用することもできる。

さらに、本方法は、プラスチック、木材、紙、または金属から作成されたナノメートルから数マイクロメートルのサイズの無機粒子の添加剤と共に、またはそれなしで、ポリアミドなどのプラスチック、またはＰＥＥＫなどの高性能プラスチックから作成された良好な結合特性を有するコーティングを非分解堆積するために使用することができる。

プラズマ・ビームに追加された粉末または粉末混合物が、その後、コーティングとして表面上に堆積されず、適切なデバイスによって収集されると、これは、選択的に化学的および／または物理的に変更された表面を有する粉末を生成する。これらの粉末は、他のプロセス（たとえば、すすの疎水性を親水性に変化させる）のための改善されたまたは新しい重要な生成物として役立つことができる。

本発明の方法を示す図である。

Claims (17)

1. プラズマ・ビーム（２）を使用して基板表面（４）をコーティングする方法であって、前記コーティングを形成する微細粒状粉末が精確に計量された量で加えられた低温プラズマのビーム（２）を、前記基板表面（４）に向けることを特徴とするコーティング方法。
2. 前記微細粒状粉末または粉末混合物の粒子サイズが、ナノメートルの範囲、具体的には１ナノメートルと１０マイクロメートルとの間とすることができることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記微細粒状粉末が、交互に充填され、空にされる少なくとも２つの投与室を有する粉末供給装置（１６）によって容器（１５）から供給され、前記投与室が、それぞれ、吸引ラインまたは真空ラインに接続されて粉末が充填され、圧力気体ラインに接続されて空にされ、粉末が、圧力気体によって微粉化されて、空圧によって前方に搬送され、吸引接続と圧力気体接続が、空圧的におよび／または油圧的に制御されるバルブを介して開閉されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. プラズマが、作業気体および／または蒸発可能流体の導入、ならびに高電圧および／または高周波数電気および／または電磁結合によって開始される放電の生成下において、プラズマ・ノズル（１）において創出され、１次プラズマ・ビーム（２）が、ノズルの形態のプラズマトロン（１）の開口（３）を経て前記表面基板（４）の上に吹き付けられ、それにより、前記微細粒状粉末が、前記作業気体を介して、前記１次プラズマ内に導入され、そこから２次プラズマ・ビーム（２）の中に進み、かつ／または前記ノズル開口（３）から出る前記２次プラズマ・ビーム（２）の中に直接導入されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記微細粒状粉末が、前記ノズル開口（３）に向かって先細りになる前記プラズマ・ノズル（１）の領域（６）の中に導入されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記微細粒状粉末が、前記１次プラズマ内に直接供給される（２３）ことを特徴とする請求項に記載の方法。
7. 前記微細粒状粉末を空圧供給する（２０）ための圧力気体の容積が、プラズマ気体容積（７）の２から２０％になることを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 空気が、作業気体および／またはプラズマ気体として使用されることを特徴とする請求項４から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記低温プラズマにおいて、部分閉鎖プラズマ生成装置において電気的または電磁的に生成された１次非平衡プラズマを形成した後、適切な手段によって向けられる前記１次プラズマ・ビームが、環境への遷移点において環状ノズル（３）によって強力に加速され、その結果、周囲圧力においてノズルの後で２次プラズマが形成されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記基板表面（４）が、粉末を追加せずに、前記２次プラズマ・ビーム（２）によって清浄され、かつ／またはマイクロ構造化もしくはナノ構造化されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
11. １０ｋＨｚから１０ＧＨｚの周波数および５ｋＷ未満の電力における高周波数交流または直流が、１次プラズマ（８）を生成するために使用されることを特徴とする請求項４から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記微細粒状粉末が、水性懸濁液に変換されて、少なくとも１つの供給装置ユニットを利用してプラズマに追加されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
13. 亜鉛めっき金属部品またはシートの溶接点またははんだ点の上に亜鉛コーティングを堆積させるための請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法の適用。
14. フラックスと共におよびフラックスなしで、はんだを構成要素の上に堆積させるための請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法の適用。
15. 高品質で酸素のない銅コーティングを堆積させるための請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法の適用。
16. たとえば、Ｚｎ、Ｃｕ、またはＡｇから作成された導電性コーティングをＳｉウエハの上に製造するために、プラスチック、紙、半導体、または誘電体を計量的にプレメタライゼーションまたはメタライゼーションするための請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法の適用。
17. プラスチック、木材、紙、または金属から作成された、ナノメートルから数マイクロメートルの範囲のサイズを有する無機粒子の添加剤と共に、またはそれなしで、ポリアミドなどのプラスチック、またはＰＥＥＫなどの高性能プラスチックから作成された良好な結合特性を有するコーティングを非分解堆積するための請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法の適用。
    

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