JP7219780B2 - 基板コーティング用真空蒸着設備及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属又は金属合金から形成されたコーティングを、基板上に連続的に蒸着させるための方法に関する。本発明はまた、この方法で使用される真空蒸着設備に関する。

最終的に合金で構成される金属コーティングを、鋼ストリップなどの基板上に蒸着させるための様々な工程が知られている。これらの中でも、溶融コーティング、電着並びに真空蒸発及びマグネトロンスパッタリングなどの様々な真空蒸着工程を挙げることができる。

国際公開第９７／４７７８２号によれば、５００ｍ／ｓを超える速度で推進される金属蒸気スプレーを基板と接触させて、鋼基板を連続的にコーティングする方法が知られている。この方法はジェット蒸着と呼ばれている。

欧州特許第２０４８２６１号明細書は、金属基板上にコーティングを蒸着させるための蒸気発生器を開示しており、蒸気発生器は、外部環境に対して低気圧状態を確保するためのユニットと、基板の出入りを可能にするユニットとを具備するエンクロージャ形態の真空チャンバを備える。エンクロージャは、蒸着のためのヘッドと、基板表面に垂直な方向に音速で金属蒸気ジェットを生成するための噴射器とを備える。噴射器は、供給管によってるつぼと密封可能に接続される。るつぼは、液体状の金属混合物を収容し、真空チャンバの外側に配置され、ポンピング、又は大気圧に置かれた溶解炉から得られる溶解物の気圧効果によって供給される。ユニットは、噴射器内の金属蒸気の流れ、圧力及び／又は速度を調節するように構成される。調節ユニットは、管内に構成されたバタフライ型比例弁及び／又は圧力降下装置を備える。噴射器は、基板の全幅に延在する蒸気出口用ソニックカラーとしての長手方向のスリットと、噴射器から出る蒸気の速度を標準化し補正するための焼結フィルタ媒体又は圧力損失体とを備える。

欧州特許第２０４８２６１号明細書において、好ましくは、発生器は、噴射器の長手方向のスリットの長さを、基板の幅に調整するための手段を備える。特に、噴射器をその軸の周りで回転させることにより、蒸気ジェットスロットをストリップの幅に調整するための簡単なシステムが開示されている。したがって、蒸気ジェットの端部と基板端部とは同一平面内にあり、つまり、蒸気ジェットの端部と基板端部との間の距離は０ｍｍである。発生器は、金属基板の両面に配置された２つの噴射器を備えることができる。

それにもかかわらず、このような発生器を使用することによって、蒸着工程中に金属蒸気が金属基板上に不均一に堆積するおそれがある。実際、金属基板の一部の領域、例えば基板端部に、蒸気が蓄積する傾向があることが観察されている。

国際公開第９７／４７７８２号 欧州特許第２０４８２６１号明細書

したがって、本発明の目的は、金属蒸気が金属基板の両面に均一に堆積される、走行する基板上にコーティングを蒸着させる方法を提供することである。

これは、請求項１による、走行する基板上にコーティングを蒸着させるための方法を提供することによって達成される。本方法はまた、請求項２～１３のいずれか一項の特徴を備えることができる。

また、本発明は、請求項１４～１６に記載のコーティングされた基板も網羅する。

また、本発明は、請求項１７又は１８に記載の真空設備も網羅する。

本発明を説明するために、特に以下の図を参照して、非限定的な実施例の、様々な実施形態及び試験を説明する。

本発明による真空蒸着設備内の２つの蒸気噴射器を用いて、コーティングされる基板の平面図である。 従来技術による真空蒸着設備内の２つの蒸気噴射器を用いて、コーティングされる基板の平面図である。 本発明による真空蒸着設備内の２つの蒸気噴射器を用いて、コーティングされる基板の側面図である。 本発明による金属蒸気を噴射する蒸気噴射器の一例を示す図である。 好ましい実施形態による真空蒸着設備内の２つの蒸気噴射器を用いてコーティングされる基板の側面図である。

本発明の他の特徴及び利点は、以下の本発明の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明は、真空蒸着設備内で、走行する基板上に少なくとも１つの金属から形成されたコーティングを連続的に蒸着させる方法に関し、方法は、
－前記真空チャンバ内で、金属蒸気が、走行する基板の両面に向かって、少なくとも２つの蒸気噴射器を通して噴射され、噴射された蒸気の凝縮によって、少なくとも１つの金属の層が各面に形成され、互いに対向する少なくとも２つの蒸気噴射器が基板の両面に配置され、これら蒸気噴射器は、基板平面内にある軸線Ａであって、基板の走行方向に直角な軸線Ａと蒸気噴射器との角度α及びα’でそれぞれが位置決めされ、α及びα’は以下の式、

かつ

を満たし、
ここでα及びα’は絶対値で０°より大きく、
Ｄ１及びＤ２は、軸線（Ａ）に沿った、噴射器と各基板端部との間の小さい方の距離であり、Ｗｓは基板の幅であり、Ｄ１及びＤ２は０ｍｍより大きい工程を備え、
－前記蒸気噴射器は細長形状を有し、スロットを備え、スロットの長さＬｅとスロットの幅Ｗｅとによって画定され、前記蒸気噴射器は同じ回転軸を有する。

いかなる理論にも拘束されることを望まないが、本発明による方法では、均一な厚さを有するコーティングを得ることができると考えられる。実際、本発明者らは、少なくとも２つの蒸気噴射器は、金属蒸気がほとんど損失無しで噴射されるように、特定の角度α及びα’でそれぞれが位置決めされなければならないことを見出した。α及びα’が数式を満たす場合、噴射された金属蒸気の軌跡は、金属基板の両面の全面に堆積するように良好に制御される。したがって、堆積した金属蒸気の歩留まりが非常に改善される。さらに、金属蒸気は走行する基板の両面に均一に堆積し、一定の厚さを有するコーティングをもたらす。

図１を参照すると、本発明による設備１は、まず、真空チャンバ２と、チャンバを通して基板を走行させるための手段とを備える。真空チャンバ２は、好ましくは１０^－８～１０^－３バールの圧力に保たれた密閉可能なボックスである。ボックスは、例えば鋼ストリップなどの基板Ｓが所定の経路Ｐに沿って走行方向に走行可能な、入口ロックと出口ロック（これらは図示せず）とを有する。

少なくとも２つの蒸気噴射器３、３’は、走行する基板の両面に金属蒸気を音速で噴射する。両方の蒸気噴射器は、基板平面内にあって基板の走行方向に直角な軸線Ａと蒸気噴射器との角度α及びα’でそれぞれが位置決めされ、α及びα’は、共に以下の式、

かつ

を満たす。

蒸気噴射器は、長方形又は台形などの様々な形状を有することができる。図１に示すように、Ｄ１及びＤ２の異なる距離の値が考えられる。好ましくは、Ｄ１及びＤ２は、軸線Ａに沿った、噴射器端部と基板端部との最小距離を表す。

本発明によれば、Ｄ１及びＤ２は、０ｍｍより大きい、つまり、噴射器端部は基板端部を超えない。いかなる理論にも拘束されることを望まないが、Ｄ１及びＤ２が０ｍｍ以下である場合、蒸気噴射器を通して噴射される金属蒸気の軌跡が制御されず、不均一なコーティングの蒸着をもたらすおそれがあると考えられる。Ｄ１及びＤ２がゼロ未満である場合、それは、図２に示すように、蒸気噴射器の端部が基板端部を越えて延在していることを意味する。

好ましくは、Ｄ１及びＤ２は、互いに独立しており、１ｍｍ超、有利には５ｍｍ～１００ｍｍ、より好ましくは３０ｍｍ～７０ｍｍである。

好ましい実施形態では、Ｄ１はＤ２と同じである。

好ましくは、噴射器スプリットの長さＬｅは、５ｍｍ～５０ｍｍである。

好ましくは、基板幅Ｗｓは最大２２００ｍｍである。有利には、Ｗｓは最小２００ｍｍである。例えば、Ｗｓは１０００～１５００ｍｍである。

好ましくは、Ｗｅは最大２４００ｍｍである。有利には、Ｗｅは最小４００ｍｍである。

好ましい実施形態では、ＷｓはＷｅ以下である。

好ましくは、α’は、絶対値でα－α’＜１０°、より好ましくはα－α’＜５°、有利にはα－α’＜３°となるような値である。例えば、α－α’は０°である。

好ましくは、αは、絶対値で５～８０°であり、有利には２０～６０°であり、例えば絶対値で３５～５５°である。

真空チャンバは、走行する基板の両面に位置決めされた３つ又は複数の蒸気噴射器を備えることができる。例えば、真空チャンバは、金属基板の各面に位置決めされた２つの蒸気噴射器を備えることができる。

図３に示すように、基板Ｓは、前記基板の性質及び形状に応じて、任意の好適な手段によって走行させることができる。特に、鋼ストリップを搬送可能な回転支持ローラ４を用いてもよい。

図４を参照すると、本発明による２つの蒸気噴射器３、３’は、走行する基板（図示せず）上に金属蒸気ジェット５を音速で噴射する。少なくとも２つの蒸気噴射器は細長形状を有し、スロットを備え、スロットの長さＬｅ、スロットの幅Ｗｅによって画定される。

図５に示すように、真空チャンバ２は、さらに中央ケーシング６を備えてもよい。ケーシングは、走行方向の所定の長さの基板経路Ｐを囲むボックスであり、典型的には、面あたり１つの噴射器がある場合には２～８ｍの長さである。その壁は空洞を区切る。それは、中央ケーシングの２つの反対側に配置された２つの開口部、つまり、基板入口７及び基板出口８を備える。好ましくは、中央ケーシングは、コーティングされる基板よりも、幅がわずかに大きい平行六面体である。

好ましくは、中央ケーシングの内壁は、金属又は金属合金の蒸気の凝縮温度よりも高い温度で加熱されるのに適している。加熱は、例えば、誘導加熱器、加熱抵抗器、電子ビームなどの任意の好適な手段によって行うことができる。加熱手段は、中央ケーシングの内壁を、金属又は金属合金の蒸気がその上に凝縮することを回避するために十分に高い温度で加熱するのに適している。好ましくは、中央ケーシングの内壁は、亜鉛蒸気又は亜鉛マグネシウム合金蒸気の凝縮を回避するために、コーティングを形成する蒸着金属元素の凝縮温度よりも高く、典型的には５００℃よりも高く、例えば５００℃～７００℃で加熱されるのに適している。これらの加熱手段のおかげで、中央ケーシングの内壁が詰まることが無くなり、設備を、清掃のために頻繁に停止させる必要がない。さらに、金属又は金属合金の蒸気の内壁への凝縮を回避する。

特に、本発明による方法では、平均厚さを有する基板の両面に、少なくとも１つの金属でコーティングされた金属基板を得ることができ、最大コーティング厚が、最大１５％の平均厚さを超え得るように均一にコーティングが蒸着される。

本発明において、少なくとも１つの金属は、好ましくは、亜鉛、クロム、ニッケル、チタン、マンガン、マグネシウム、ケイ素、アルミニウム、又はそれらの混合物から選択される。好ましくは、金属は、任意にマグネシウムを含む亜鉛である。

好ましくは、金属基板は鋼基板である。実際、いかなる理論にも拘束されることを望まないが、鋼基板を使用すると、平坦性がさらに改善されると考えられる。

コーティング厚は、好ましくは０．１μｍ～２０μｍである。一方では、０．１μｍ未満では、基板の防食性が不十分になるおそれがある。他方では、特に、自動車又は建設分野で要求されるレベルの耐食性を得るために、２０μｍを超える必要はない。一般に、自動車用途には、厚さは１０μｍに制限される場合がある。

最終的に、本発明は、走行する基板上に、少なくとも１つの金属から形成されたコーティングを連続的に蒸着させるための本発明による方法のための真空蒸着設備に関し、設備は、基板が所定の経路に沿って走行可能な真空チャンバを備え、真空チャンバは、
－基板の両面に配置され、互いに対向する少なくとも２つの蒸気噴射器であって、これら蒸気噴射器は基板平面内にある軸線Ａであって、基板の走行方向に直角な軸線Ａと蒸気噴射器との角度α及びα’でそれぞれが位置決めされ、α及びα’は以下の式、

かつ

を満たし、
α及びα’（αは絶対値）は０°より大きく、
Ｄ１及びＤ２は、軸線（Ａ）に沿った、噴射器と各基板端部との間の小さい方の距離であり、Ｗｓは基板幅であり、Ｄ１及びＤ２は０ｍｍより大きい少なくとも２つの蒸気噴射器を備え、
蒸気噴射器は細長形状を有し、スロットを備え、スロットの長さＬｅとスロットの幅Ｗｅとによって画定され、前記蒸気噴射器は、同じ回転軸を有する。

好ましい実施形態では、少なくとも２つの蒸気噴射器は、α及びα’が調整されるように、蒸気源に連結された供給管を中心に回転可能に取り付けられる。

実施例
亜鉛蒸気を噴射する２つの蒸気噴射器を含む方法の効率を評価するために、真空蒸着設備でテストを実施した。幅Ｗｓが１３００ｍｍの鋼基板の両面に、Ｌｅ＝２４ｍｍかつＷｅ＝１７５０ｍｍの２つの蒸気噴射器を備える真空チャンバ内で、亜鉛蒸気を堆積させた。試験では、Ｄ１及びＤ２は同じであり、－１０ｍｍ～＋２０ｍｍの間に固定した。ここで、－１０ｍｍとは、蒸気の端部が基板端部を１０ｍｍ超えて延在していることを意味し、α及びα’は、本発明による数式を用いて、各試験について算出した。真空圧は１０^－１ミリバールであった。亜鉛コーティングの所望の厚さは８μｍであり、１００％に相当する。金属の厚さは、蛍光Ｘ線分光法によって測定した。結果を以下の表１に示す。

試験２及び試験３のコーティングは、試験１と比較して均一に蒸着された。

Claims (14)

1. 真空チャンバ（２）を備える真空蒸着設備（１）内で、走行する基板（Ｓ）上に、少なくとも１つの金属から形成されたコーティングを連続的に蒸着させる方法であって、方法が、
   －前記真空チャンバ内で、金属蒸気が、走行する基板の両面に向かって、少なくとも２つの蒸気噴射器（３、３’）を通して噴射され、噴射された蒸気の凝縮によって、少なくとも１つの金属の層が各面に形成され、互いに対向する少なくとも２つの蒸気噴射器が基板の両面に配置され、これら蒸気噴射器は基板平面内にある軸線（Ａ）であって、基板の走行方向に直角な軸線（Ａ）と蒸気噴射器との角度α及びα’でそれぞれが位置決めされ、α及びα’は以下の式、
   

   

   かつ
   

   

   を満たし、
   α及びα’は絶対値で０°より大きく、α’が、絶対値でα－α’＜１０°であり、
   Ｄ１及びＤ２は、軸線（Ａ）に沿った、噴射器と各基板端部との間の小さい方の距離であり、Ｗｓは基板幅であり、Ｄ１及びＤ２は０ｍｍより大きく、すなわち、噴射器端部が基板端部を超えず、前記蒸気噴射器は細長形状を有し、スロットを備え、スロットの長さＬｅとスロットの幅Ｗｅとによって画定され、前記蒸気噴射器が同じ回転軸を有する工程を備える方法。
2. 噴射器と基板端部との間の距離Ｄ１及びＤ２が１ｍｍより大きい、請求項１に記載の方法。
3. 基板幅Ｗｓが最大２２００ｍｍである、請求項１又は２に記載の方法。
4. Ｗｓが最小２００ｍｍである、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
5. αが絶対値で５°～８０°である、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. αが絶対値で２０°～６０°である、請求項５に記載の方法。
7. αが絶対値で３５°～５５°である、請求項６に記載の方法。
8. 蒸気噴射器のスロットの長さＬｅが５ｍｍ～５０ｍｍである、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
9. 噴射器が長方形又は台形である、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
10. Ｄ１がＤ２と同じである、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
11. 真空チャンバが、基板を囲む中央ケーシング（６）をさらに備え、前記中央ケーシングが、中央ケーシングの２つの反対側に配置された基板入口（７）及び基板出口（８）と、少なくとも２つの蒸気噴射器と、を備える、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 中央ケーシング（６）の内壁が、金属又は金属合金の蒸気の凝縮温度よりも高い温度で加熱されるのに適している、請求項１１に記載の方法。
13. 走行する基板（Ｓ）上に、少なくとも１つの金属から形成されたコーティングを連続的に蒸着させるための、請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法のための真空蒸着設備であって、設備（１）は、基板（３）が所定の経路に沿って走行可能な真空チャンバ（２）を備え、真空チャンバが、
    －基板の両面に配置され、互いに対向する少なくとも２つの蒸気噴射器をさらに備え、これら蒸気噴射器は基板平面内にある軸線（Ａ）であって、基板の走行方向に直角な軸線（Ａ）と蒸気噴射器との角度α及びα’でそれぞれが位置決めされ、α及びα’は以下の式、
    

    

    かつ
    

    

    を満たし、
    α及びα’は０°より大きく、α’が、絶対値でα－α’＜１０°であり、
    Ｄ１及びＤ２は、軸線（Ａ）に沿った、噴射器と各基板端部との間の小さい方の距離であり、Ｗｓは基板幅であり、Ｄ１及びＤ２は０ｍｍより大きく、すなわち、噴射器端部が基板端部を超えず、前記蒸気噴射器は、細長形状を有し、スロットを備え、スロットの長さＬｅとスロットの幅Ｗｅとによって画定され、前記蒸気噴射器が、同じ回転軸を有する、真空蒸着設備。
14. 少なくとも２つの噴射器が、α及びα’が調整されるように、蒸気源に連結された供給管を中心に回転可能に取り付けられる、請求項１３に記載の真空蒸着設備。

Images