JPH06150830A - 熱プラズマ発生方法及び製膜装置並びにディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、プラズマ溶射あるいは熱プラズマ
ＣＶＤ等で製膜する場合の熱プラズマ発生法と装置に及
びそれを用いたディスプレイ装置に関するものであり、
特に大面積基板へ均一に高スループットで製膜でき、な
お且つ機能性膜を精度良く製膜できる装置と方法に関す
るものである。 【構成】 中心に粉末あるいはガス供給経路を設け且つ
内部に冷却手段を具備した奥行き方向に長い陰極１５
と、その外周をプラズマ作動ガス空間１９で取り囲むと
共に、陰極１５先端部よりも下流部では断面が偏平スリ
ット形状なプラズマ噴出口を形成する陽極２１とを具備
し、前記陰極１５先端部の中心より作動ガス空間１９側
とプラズマ噴出口２２の陽極部間に発生するアーク柱２
６に対して略垂直に作用する磁界発生用エンドレス形状
磁石２８とを設けたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気的絶縁、熱的絶
縁、耐摩耗、耐蝕等や機能膜をプラズマ溶射あるいは熱
プラズマＣＶＤ等で製膜する場合の熱プラズマの発生方
法及びそれを用いた製膜装置に関するものであり、特に
熱プラズマ溶射、ＣＶＤ製膜の大面積化製膜化とそれを
用いたディスプレイ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、溶射技術は例えば耐摩耗、耐絶縁
膜等の製膜手法として古くから利用され、燃焼ガスをそ
の溶融手段として使うガス溶射や電気エネルギーをその
溶融エネルギーとして使う電気式溶射等に大きく分類さ
れる。さらに電気式溶射ではアーク溶射やプラズマ溶射
等が一般的であり、特に最近では溶射皮膜の膜質等から
プラズマ溶射法が注目されている。

【０００３】図５はプラズマ溶射装置の従来例を示した
ものである。水冷された陰極１と水冷された陽極２の間
に電源３によって直流アーク４を発生させ、後方から送
給するプラズマ作動ガス５をアーク４によって加熱電離
させ、アークプラズマジェット６としてノズル７から噴
出させる。溶射材料８は粉末で、粉末供給ポート９から
キャリアガスにのせてプラズマジェットの中に吹き込み
加熱溶融し、かつ加速して基板１０表面に高速で衝突さ
せて皮膜を形成するものである。

【０００４】この時、作動ガスとしてはアルゴンや窒素
あるいはこれらのガスにヘリウム、水素を加えている場
合が多い。従来このようなプラズマ溶射トーチに於いて
は図に示すように陰極１と陽極２は同軸上にあり、また
ノズル７の径は出力にもよるが最大で１cm程度であり、
特に電子デスプレイ等の大型大面積基板を用いて、溶射
あるいはアークプラズマＣＶＤによって皮膜を形成しよ
うとすると、トーチと基板１０の距離を大きくして面積
を稼ぐか、図６に示すように基板１０あるいはトーチ１
１をトラバースしながら製膜領域１２を形成してゆく必
要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】基板とトーチ間の距離
を大きくすると基板に到達する溶融粒子の衝突速度が小
さくなり、それ故溶射皮膜としては気孔が多く凹凸の激
しい皮膜となるものである。また図６の様に基板１０あ
るいはトーチ１１をトラバースする方法ではトラバース
する際、特に図のＹ軸方向１３への移動方向に膜厚むら
が生じるとか、トラバース装置が高価になるなどの欠点
を有しているし、また製膜に掛かる時間が長くなり量産
性に優れない等の欠点を有している。

【０００６】さらに従来のこの様な装置においては、図
５に示すように粉末ポート９をノズル７の側壁に貫通さ
せノズル７のジェット６内に粉末を強制的に供給する方
法であるが、この場合図に示すように特に粉末８が小粒
径で、質量の小さい例えば酸化物等の場合には、粉末
８′がジェット６の中心部に入り込まずに跳ね返され、
良質な皮膜が得られないものであった。

【０００７】本発明はかかる点に鑑み、プラズマ溶射皮
膜やアークプラズマＣＶＤ皮膜を一括大面積に製膜出
来、且つ精密部品や機能部品にこの様な製膜法を応用す
る場合に必須な、小さい粒径でなおかつ質量の小さい粉
末を用いた場合でも良質膜質を確保できる製膜装置を提
供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】中心に粉末あるいはガス
供給経路を設け且つ内部に冷却手段を具備した奥行き方
向に長い陰極と、その外周をプラズマ作動ガス空間で取
り囲むと共に、陰極先端部よりも下流部では断面が偏平
スリット形状なプラズマ噴出口を形成する陽極とを具備
し、前記陰極先端部の中心より作動ガス空間側とプラズ
マ噴出口の陽極部間に発生するアーク柱に対して略垂直
に作用する磁界発生用エンドレス形状磁石とを設けたも
のである。

【０００９】

【作用】陰極先端部の中心より作動ガス空間側ととプラ
ズマ噴出口を形成する陽極間でアークを発生させ、その
アークに略垂直に作用する磁界を電磁石によって付与す
ることにより、アークは奥行き方向に長い陰極と陽極上
を高速で周回移動し、そのアークにプラズマ作動ガスを
供給するとアークプラズマジェットとしてプラズマ噴出
口より高速で噴出し、シート状のアークプラズマジェッ
トを形成する。

【００１０】このとき陰極の中心部に設けた粉末あるい
はガス供給口より、溶射粉末あるいはＣＶＤガスを供給
すると奥行き方向に長いシート状プラズマを用いた溶射
あるいはＣＶＤ製膜が可能となり、基板あるいはこのト
ーチを一方向に移動するだけで大面積一括製膜が実現で
きる。この時粉末あるいはＣＶＤガスはアーク発生に影
響することなく供給されることができるとともに、ジェ
ットの中心まで入り込むことができるため完全溶融し、
膜質として良質な皮膜を形成することができるものであ
る。

【００１１】

【実施例】図１は本発明の熱プラズマ発生方法を用いた
製膜装置の構成図を示すものである。

【００１２】１４はプラズマ作動ガスの供給口であり、
１５は陰極であり内部に冷却経路１６が設けられている
とともに、更にその中心には、製膜に用いる粉末材料あ
るいはガスを供給するスリット１７が設けられている。
陰極１５は奥行き方向に長く、かつ先端部１８は高融点
金属で熱電子放出能の高いトリウム入りタングステンで
形成されやや円形形状となっている。１９はプラズマ作
動ガス空間であり、陰極１５の外周に設けられ、供給口
１４より供給されたプラズマ作動ガス２０が陰極の形状
に沿って流れるように陽極２１によって形成されてい
る。陰極先端部１８のプラズマ作動ガス２０の下流部に
は前記陽極２１によってプラズマ噴出口２２が形成され
ており、陽極２１にはプラズマ噴出口２２近傍に水冷冷
却経路２３が設けられている。

【００１３】このとき図１のＡ−Ａ矢視図である図２に
示すごとく、プラズマ噴出口２２はその断面が奥行き方
向に長い幅のスリット形状をしており、更にその内部に
は粉末材料を供給するためのスリット１７が奥に見えて
いる。また図１において２４は陰極１５と陽極２１とを
電気的に絶縁するための絶縁部材である。陰極１５と陽
極２１に比較的低電圧・高電流が直流電源２５によって
印加される。これによって陰極１５の先端部１８の中心
よりプラズマ作動ガス空間１９側と陽極２１によって形
成されたプラズマ噴出口２２との間にアーク柱２６が発
生する。このアーク柱２６にたいして略垂直な磁界２７
が作用するように磁石２８がその先端部とアーク柱２６
の位置を所定距離だけ保って配置されている。また２９
はプラズマ噴出口２２より噴出されたプラズマジェット
であり、３０は基板であり、３１は形成された皮膜であ
るとともに、基板３０は図の矢印方向に移動されながら
製膜される。

【００１４】以上のように構成されたこの実施例の製膜
装置において、以下その動作を説明する。

【００１５】まずＡｒやＨｅなどのプラズマ作動ガス２
０をプラズマ作動ガス供給口１４よりプラズマ作動ガス
空間１９に流しながら、陰極１５と陽極２１の空隙に別
設のパルス電流発生機などによってアーク２６を発生さ
せる。アーク２６は最小電圧の原理及びプラズマ作動ガ
ス２０の流れによって図１に示すごとく陰極先端部１８
とプラズマ噴出口２２の陽極２１間で所定長さの噴出口
２２出口に向かうアークとなる。

【００１６】このときこのアーク２６にたいして磁石２
８によって磁界２７が作用されているため、アーク２６
はいわゆるフレミングの法則により駆動力を受け、陰極
１５および陽極２１上を一方向に高速で移動する移動ア
ークとなる。アークの移動速度は磁界の強度、アーク電
流、アーク長の積に比例する。この時アーク２６の陰極
先端部１８での発生点は最小電圧原理及び磁界付与の影
響によって、スリット１７の開口部よりプラズマガス作
動空間側で発生することができるものである。

【００１７】このように両電極面上を周回移動するアー
ク２６によって、プラズマ作動ガス２０が加熱、電離、
膨張し噴出口２２より高速高温のプラズマジェット２９
として噴出する。このように本発明によって発生するプ
ラズマジェット２９は噴出口２２を図２に示すように細
長いスリット状としているため、ジェットそのものもス
リット状もしくはシート形状の奥行きのある形状に噴出
する。このとき陰極１５の中心に設けた粉末あるいはガ
ス供給口１７より、溶射の場合には金属、セラミック等
の溶射材料を陰極先端部１８の中心より噴出口２２の中
心に供給すると、その外側のアーク２６によって発生し
た熱プラズマによってそれらが加熱溶融され、プラズマ
ジェット２９の高速度に乗って基板３０に衝突し偏平化
され、所望の皮膜３１を形成するものである。また熱プ
ラズマＣＶＤを用いた製膜の場合には、この供給口１７
より原料ガスを供給してプラズマの高温過程での化学変
化過程を利用したＣＶＤ製膜が可能となる。

【００１８】以上のように本発明によれば、アークの発
生が断面積の小さいスリット状の噴出口でなされ、なお
かつそのアークを高速で周回移動させ、奥行き方向に長
く幅の狭いシート状のプラズマジェットを得ることがで
きるために、基板幅に対応させて基板を一方向のみに移
動させることによって、一括で基板幅方向全体に短時間
で高スループットの溶射あるいはＣＶＤ製膜ができると
ともに、基板幅方向に膜厚分布のない均一製膜が可能と
なるものである。

【００１９】更に本発明によれば、溶射製膜の場合の原
材料粉末の供給を陰極１５の中心より行うことができる
ために、従来粒径が小さく、特に酸化物などの質量の小
さい粉末の場合に従来のような供給法ではジェット内部
に粒子が入り込めず、完全溶融せずに良質な皮膜形成が
できなかったことが、本発明によって課題解決できるも
のである。また粉末を供給する場合にアーク２６に対し
て粉末が影響を与えないので、アーク２６の安定的な発
生が維持できるものである。この結果従来の溶射では精
度や膜質が十分確保されず、更に機能性を必要とするよ
うな比較的薄い溶射膜（〜数十μｍ）が小さい粒径の粒
子を用いることで形成可能となり、例えば次に述べるよ
うなディスプレイなどの機能性薄膜の形成に適用できる
ものである。

【００２０】図３は本発明を用いて製作したディスプレ
イ装置のパネル構成を示したものである。

【００２１】基本的にこのディスプレイは表面ガラス３
２と背面ガラス３３上に、それぞれ表面ガラス側にはス
トライプ状のアノード３４と隔壁３５が所定のピッチで
形成されており、さらに背面ガラス３３上にはベタの電
極３６の上に誘電体３７が形成され、さらにその上にス
トライプ状のカソードとして導電体の電極３８の上にカ
ソード酸化物３９が形成されている。この様にそれぞれ
のガラス面に形成したストライプ状のアノードとカソー
ドを直交させて重ね合わせ、アノードとカソード間で形
成される空間に封入した希ガスを放電発光させて表示と
して利用するものである。本発明に於いては特にカソー
ドの形成に限定して述べる。

【００２２】カソードの特性はこの様なディスプレイす
なわちプラズマディスプレイに於いては心臓部であり、
その特性改善が非常に重要であり、特にパネル点灯時の
低電力化及び長期信頼性にとって重要である。この様な
観点で最近図４に示すようなカソード構成が提案されて
いる。この構成は誘電体３７上にまず導電性の金属電極
３８を形成し、その電極３８表面上に特にペロブスカイ
ト型結晶の酸化物３９を数μｍ程度付着させるものであ
り、この構成とすることによって大幅な低電力化と長期
信頼性が確保されるものである。

【００２３】しかしながら従来この構成を実現する方法
としてはこのディスプレイの他の構成要素を形成する方
法である、いわゆる厚膜印刷法が用いられていた。しか
しながら厚膜印刷法をこのカソード形成に適用すると、
金属電極３８と酸化物３９との付着力が弱く、付着力を
上げるために印刷形成でのフリットを増加させると、逆
に低電力化などの特性が劣化するといった欠点を有する
ものであった。そこで酸化物３９に印刷などに比べバイ
ンダー等の混合物を含む必要のない溶射法の適用を考
え、膜質付着力などの点からプラズマ溶射法の適用を考
えたが、本酸化物３９の膜厚が一般の溶射皮膜膜厚に比
較して薄いこと、さらには各電極ピッチが０．３ｍｍ程
度でそのライン幅が０．１ｍｍ程度であることから、従
来の粉末供給法ではジェット内に粉末が入り込めず、良
好な膜質が確保できないものであった。

【００２４】そこで上記実施例に示す製膜装置を用いる
と、粒径が小さく更に質量の小さな酸化物粒子でも完全
溶融し、比較的薄い良好な溶射皮膜が得られ、金属電極
との付着力も大きい皮膜を形成することができるもので
あった。更に本発明に於いては、ストライプ状のパター
ンを形成する方法としてマスク方式を採用しており、粒
径の小さい粒子を使えることによってそのパターンの精
度も確保できるものであった。

【００２５】またディスプレイは大型化が一つの潮流で
あり、それ故この様な製膜方法に於いても大面積に一括
製膜できるような方法が望まれるが、本発明の方法、装
置によって実現できるものであった。また本発明ではカ
ソードの形成に限定しているがこのディスプレイのアノ
ード３４や隔壁３５の形成に本発明の方法、装置が適用
できることは当然である。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
プラズマ溶射製膜あるいは熱プラズマＣＶＤ製膜が大面
積に均一に、極めて生産性に優れた方式で行える装置を
提供することができるとともに、機能性膜を必要とする
場合の酸化物などの質量の小さい材料や、比較的薄い溶
射膜や精度の必要なパターン膜等が容易に実現できるな
ど、その実用的効果は大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱プラズマ発生方法を用いた製膜装置
の構成図

【図２】図１のＡ−Ａ断面矢視図

【図３】本発明を用いた製作したディスプレイのパネル
構成図

【図４】図３のカソード部の詳細図

【図５】従来の熱プラズマ発生方法を用いた製膜装置の
構成図

【図６】従来の製膜装置での製膜法を示す斜視図

【符号の説明】

１５ 陰極 １７ 粉末供給口 １８ 陰極先端部 ２１ 陽極 ２２ 噴出口 ２６ アーク ２８ 磁石 ３８ 金属電極 ３９ 酸化物カソード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三谷 力 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】奥行き方向に長く且つ中心の長手方向開口
   部を有する陰極先端部と、プラズマ作動ガス通路空間を
   隔てて陰極を取り囲むとともに、陰極先端部よりも下流
   に設けた断面が偏平スリット形状なプラズマ噴出口を形
   成する陽極部との間でアークを発生させ、磁石によって
   前記アーク柱に対して略垂直の磁界を作用せしめ、前記
   発生アークを前記陰極先端部と陽極部上で周回往復移動
   させながら、偏平スリット状のアークプラズマをプラズ
   マ噴出口より発生させる熱プラズマ発生方法。
2. 【請求項２】中心に粉末あるいはガス供給経路を設け且
   つ内部に冷却手段を具備した奥行き方向に長い陰極と、
   その外周をプラズマ作動ガス空間で取り囲むと共に、陰
   極先端部よりも下流部では断面が偏平スリット形状なプ
   ラズマ噴出口を形成する陽極とを具備し、前記陰極先端
   部の中心より作動ガス空間側とプラズマ噴出口の陽極部
   間に発生するアーク柱に対して略垂直に作用する磁界発
   生用エンドレス形状磁石とを具備したことを特徴とする
   製膜装置。
3. 【請求項３】磁界発生用エンドレス形状磁石は電磁石で
   あることを特徴とする請求項２記載の製膜装置。
4. 【請求項４】一対のアノードとカソードをマトリックス
   状に配列し各電極の交点に発生させた希ガスの放電発光
   を表示として利用するディスプレイであって、前記カソ
   ードは誘電体を設けたガラス基板上導電性の数十μｍ厚
   の電極パターンを形成した後、前記電極パターン上に数
   μｍから数十μｍ厚の酸化物を溶射法によって形成した
   ことを特徴とするディスプレイ装置。
5. 【請求項５】酸化物はペロブスカイト構造のＬａ_1-xＳ
   ｒ_xＭＯ₃（Ｍ：Ｃｏ、Ｍｎ）であることを特徴とする請
   求項４記載のディスプレイ装置。
6. 【請求項６】溶射製膜時に溶射装置に供給する酸化物の
   粒径は５μｍ以下であることを特徴とした請求項４記載
   のディスプレイ装置。
7. 【請求項７】中心に酸化物粉末の供給経路を設け且つ内
   部に冷却手段を具備した奥行き方向に長い陰極と、その
   外周をプラズマ作動ガス空間で取り囲むと共に、陰極先
   端部よりも下流部では断面が偏平スリット形状なプラズ
   マ噴出口を形成する陽極とを具備し、前記陰極先端部の
   中心より作動ガス空間側とプラズマ噴出口の陽極部間に
   発生するアーク柱に対して略垂直に作用する磁界発生用
   エンドレス形状磁石とを具備した製膜装置の下部に、プ
   ラズマジェット噴出出口端から所定距離を隔てて、ガラ
   ス基板に誘電体を設けさらにその上に導電性の電極パタ
   ーンを形成した被溶射基板を設け、前記電極パターン部
   をマスクで開口し、前記プラズマジェット内の前記溶融
   酸化物を前記電極面上に堆積させることを特徴とするデ
   ィスプレイ基板の製造方法。