JP2003129227A

JP2003129227A - Ｐｖｄによる窒化クロムのコーティング方法

Info

Publication number: JP2003129227A
Application number: JP2001322724A
Authority: JP
Inventors: Riichi Murakami; 理一村上; Daisuke Yonekura; 大介米倉; Koji Hanaguri; 孝次花栗; Toshiki Sato; 俊樹佐藤
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2003-05-08

Abstract

(57)【要約】【課題】ドロップレットの少ない窒化クロム膜が得ら
れるＰＶＤによる窒化クロムのコーティング方法を提供
するこ。【解決手段】コーティング中のアーク電流を５０Ａ以
上、窒素を含むプロセスガス圧力を２．６６Ｐａ以下、
及び基材バイアス電圧を１００〜５００Ｖに調整するこ
とを特徴とするＰＶＤによる窒化クロムのコーティング
方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＰＶＤ（物理蒸
着）による窒化クロム（Ｃｒ−Ｎ）のコーティング方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】アークイオンプレーティング法（ＡＩ
Ｐ）により、アーク電流２００Ａ、基材バイアス電圧−
３０Ｖで、Ｃｒ−Ｎをコーティングする技術が、「表面
技術」Ｖｏｌ．４８，Ｎｏ．４，１９９７年の第４４６
〜４５３頁に記載されている。また、特開平１０−１４
０３３５号公報には、ＡＩＰにより陰極の表面に窒素含
有ガスを吹き付けながらＣｒ−Ｎ膜をコーティングする
技術が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来技術において
は、皮膜表面上に、アークスポットからのドロップレッ
ト（溶滴）が多く、基材表面の粗度が悪化するおそれが
あった。そこで、本発明は、ドロップレットの少ない窒
化クロム膜が得られるＰＶＤによる窒化クロムのコーテ
ィング方法を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、次の手段を講じた。即ち、本発明のＰＶ
Ｄによる窒化クロムのコーティング方法の特徴とすると
ころは、コーティング中のアーク電流を５０Ａ以上、窒
素を含むプロセスガス圧力を２．６６Ｐａ以下、及び基
材バイアス電圧を１００〜５００Ｖに調整する点にあ
る。また、本発明のＰＶＤによる窒化クロムのコーティ
ング方法の特徴とするところは、コーティング中のアー
ク電流を１００Ａ以上、窒素を含むプロセスガス圧力を
２．６６Ｐａ以下、及び基材バイアス電圧を１００〜５
００Ｖに調整する点にある。

【０００５】また、本発明のＰＶＤによる窒化クロムの
コーティング方法の特徴とするところは、コーティング
中のアーク電流を５０Ａ以上、窒素を含むプロセスガス
圧力を２．６６Ｐａ以下、及び基材バイアス電圧を２５
０〜３５０Ｖに調整するこ点にある。また、本発明のＰ
ＶＤによる窒化クロムのコーティング方法の特徴とする
ところは、コーティング中のアーク電流を１００Ａ以
上、窒素を含むプロセスガス圧力を２．６６Ｐａ以下、
及び基材バイアス電圧を２５０〜３５０Ｖに調整する点
にある。

【０００６】

【発明の実施の形態】ＰＶＤの一種であるアークイオン
プレーティングにより、種々の実験を行って、ドロップ
レットの生じない最適条件を見出した。図１に、本実験
に用いた小型アークイオンプレーティング装置を示す。
この装置は、真空容器からなるプロセスチャンバ１を有
し、該チャンバ１には、排気口２とガス供給口３が設け
られている。排気口２は真空排気装置（図示省略）に接
続されている。ガス供給口３から窒素を含むプロセスガ
スが供給される。

【０００７】チャンバ１内には、陽極４と、ターゲット
となる陰極５とが設けられ、また、皮膜が形成される基
材６が配置されている。前記陽極４と陰極５には、アー
ク電源７が接続され、基材６には、負のバイアス電源８
が接続されている。このアークイオンプレーティング装
置には、基材６を加熱するヒータ（図示省略）が設けら
れている。ターゲット５としてクロム（Ｃｒ）を用い、
基材６として鏡面状に仕上げ加工したＳＵＳ３０４材の
テストピースを用い、プロセスガスとして窒素ガスを導
入しながら、基材６上へ、窒化クロム（Ｃｒ−Ｎ）をコ
ーティングした。

【０００８】まず、基材６をセットした後、プロセスチ
ャンバ１内を１×１０^-2Ｐａ以下まで真空排気し、次
に、プロセスチャンバ１内のヒータ表面を６００℃まで
昇温して、３０分間基材６を予熱した。次に、基材６の
イオンエッチングを行った。イオンエッチングは、ター
ゲット５（アーク蒸発源）からのクロムイオンを利用す
る、金属イオンボンバードを採用した。イオンエッチン
グの条件は、以下のとおり。

【０００９】処理時間：１分アーク電流：１００Ａバイアス電圧：７００Ｖ次に、実際に基材６に皮膜を堆積させるコーティングを
行った。この際、アーク電流１００Ａ、バイアス電圧５
０Ｖ、窒素ガス圧力（チャンバ内圧力）２．６６Ｐａを
基本パラメータとし、アーク電流、バイアス電流、窒素
ガス圧力を、以下の範囲で変化させた。なお、処理時間
は、何れも９０分である。

【００１０】アーク電流：５０Ａ〜２００Ａバイアス電圧：５０Ｖ〜５００Ｖチャンバ内圧力：１．３３Ｐａ〜５．３２Ｐａ〈実験１〉アーク電流とドロップレット分布この「実験１」では、窒素圧力、及びバイアス電圧を一
定（２．６６Ｐａ、５０Ｖ）にして、アーク電流を５０
Ａ、１００Ａ、１５０Ａ、２００Ａと変化させて、アー
ク電流とマクロパーティクル（ドロップレット）分布の
相関関係を調べた。

【００１１】前記各アーク電流におけるＣｒ−Ｎ薄膜表
面の状態を、図２（写真１．１〜１．４）に示す。この
写真において、白く粒状に見えるものが、アークスポッ
トからのドロップレットである。Ｃｒ−Ｎ薄膜表面中に
クレータ状の窪みが見られるが、これらは付着したドロ
ップレットの周りにＣｒ−Ｎ薄膜が成長した後、ドロッ
プレットが脱落した跡だと考えられる。また、Ｃｒ−Ｎ
薄膜自体の表面は、アーク電流によらず、ほぼ同程度の
粗さであることが判る。以上で観察されたドロップレッ
ト及びその脱落した跡に対して、各アーク電流で成膜し
た粒径分布を測定した。その結果を図３に示す。

【００１２】何れのアーク電流で成膜した場合でも、粒
径０．５μｍ以下のドロップレットの頻度が極端に高い
ことがわかる。０．５μｍ以下の粒径では、アーク電流
５０Ａの場合が最も粒数が多く、アーク電流が１００Ａ
以上ではほぼ同程度であるが、１５０Ａで、頻度は最低
である。１．０μｍ以上の粒径では、粒径の増加と共に
徐々に減少している。〈実験２〉チャンバ内圧力とドロップレット分布この「実験２」では、アーク電流、バイアス電圧を一定
（１００Ａ、５０Ｖ）にして、チャンバ内圧力（窒素圧
力）を１．３３、２．６６、３．９９、５．３２Ｐａと
変化させて、チャンバ内圧力とドロップレット分布の相
関関係を調べた。

【００１３】前記各チャンバ内圧力におけるＣｒ−Ｎ薄
膜表面の状態を、図４（写真２．１〜２．４）に示す。
１．３３Ｐａの場合、薄膜の起伏が最も小さく、圧力を
上げるに従って、起伏が大きく、粗くなっていることが
判る。チャンバ内圧力を変化させた場合のＣｒ−Ｎ薄膜
表面のドロップレットの粒径別分布を図５に示す。何れ
の条件においても、前記「実験１」のアーク電流変化の
場合と同様に、粒径０．５μｍ以下の頻度が非常に多く
なっている。その中では、圧力１．３３Ｐａの頻度が最
も少なく、圧力が２．６６Ｐａ以上では、ほぼ同程度と
なっている。〈実験３〉バイアス電圧とドロップレット分布アーク電流、及び窒素ガス圧力を一定（１００Ａ、２．
６６Ｐａ）にして、バイアス電圧を５０、１００、３０
０、５００Ｖと変化させて、バイアス電圧とドロップレ
ット分布の相関関係を調べた。

【００１４】この場合のＣｒ−Ｎ皮膜の表面写真を、図
６（写真３．１〜３．４）に示す。膜の表面はバイアス
電圧３００Ｖの場合に最も起伏が小さく、これよりバイ
アス電圧を下げた場合、バイアス電圧の減少にともなっ
て表面の起伏が大きく粗くなっている。また、バイアス
電圧５００Ｖの場合はエッチング効果の影響により、極
めて表面が粗くなっている。このときのドロップレット
の粒径分布を測定した結果を、図７に示す。膜の表面
は、バイアス電圧３００Ｖの場合に最も頻度が少ない。
これよりもバイアス電圧を下げると頻度が高くなり、ま
た、上げた場合も頻度が高くなっている。

【００１５】従って、バイアス電圧３００Ｖの場合が、
皮膜表面の荒れ、及びドロップレットの個数とも最も少
なくなっている。これらの現象は、連続した物理現象で
あるので、皮膜表面の荒れ、及びドロップレットの個数
とも最小になるバイアス電圧は、２００Ｖから４００Ｖ
の間にある。即ち、バイアス電圧は２５０〜３５０Ｖが
最も好ましい。〈実験４〉以上の各実験より、アーク電圧、窒素圧力、
及びバイアス電圧のそれぞれにおいて、最もドロップレ
ットが少なく、皮膜表面の荒れが小さい組み合わせとし
て、アーク電流１００Ａ、窒素圧力１．３３Ｐａ、バイ
アス電圧３００Ｖでコーティングした。

【００１６】この実験における皮膜表面の写真を、図８
（写真４．１）に示す。この写真によれば、非常に綺麗
な皮膜表面になっている。以上の実験より、処理条件
は、ドロップレット分布に影響を及ぼすことが明らかに
なった。そこで、処理条件がドロップレット分布の変化
をもたらす機構について検討する。まず、アーク電流の
変化は、カソードへの入熱量の変化をもたらし、カソー
ドの蒸発量に影響を及ぼす。入熱量は、アーク電流に比
例し、アーク電流の増加にともないカソードの蒸発量が
増える。アーク電流１００Ａ以上では、カソードの蒸発
に対して、十分な熱量が供給され、アークスポットに形
成された溶融池内の溶融金属が十分に蒸発するため、ド
ロップレットの生成に大きな変化はないと考えられる。

【００１７】一方、アーク電流５０Ａでは、カソードの
蒸発に対して十分に熱量が供給されず、蒸発せずに溶融
状態のままである割合が、１００Ａ以上に比べ多くなっ
ていると考えられる。このように蒸発量に対して、溶融
状態の割合が高いため、アーク力によって飛散する溶融
金属、即ち、ドロップレットの量が増加すると考えられ
る。従って、アーク電流の変化は、ドロップレットの生
成段階に影響を与え、生成量を決定している。

【００１８】これに対し、バイアス電圧、チャンバ内圧
力の変化は、カソードに対する入熱量やアーク力に影響
を与えず、ドロップレットの生成機構には大きな影響を
与えないと考えられる。そのように考えると、アーク電
流一定で成膜しているため、生成されるドロップ量は一
定であり、バイアス電圧、チャンバ内圧力の変化による
ドロップレット分布の変化は、Ｃｒ−Ｎ薄膜上へのドロ
ップレット付着のし易さが原因となって生じる。薄膜上
へのドロップレットの付着のし易さは、機械的投錨効
果、Ｃｒ−Ｎとの相性などが要因として掲げられるが、
ここでは薄膜がＣｒ−Ｎで統一しているため、付着のし
易さは、機械的投錨効果が主要因と考えられる。

【００１９】かかる投錨効果は、Ｃｒ−Ｎ薄膜自体の表
面粗さに依存し、表面粗さが大きいほどドロップレット
が薄膜上に固定されやすい。実際、表面が粗いバイアス
電圧５０、１００、５００Ｖ、チャンバ内圧３．９９Ｐ
ａ、５．３２Ｐａでは、ドロップレット量が増加してお
り、薄膜の表面粗さがドロップレットの付着の容易さを
決定していると考えられる。従って、バイアス電圧、チ
ャンバ内圧力は、生成されたドロップレットの薄膜上へ
の付着のし易さを変化させていると考えられる。

【００２０】以上より、アーク電流によりドロップレッ
トの生成量が決定する。その後、バイアス電圧、チャン
バ内圧力にしたがった表面粗さを持つＣｒ−Ｎ薄膜上に
ドロップレットが飛来し、機械的投錨効果によって一部
が付着し、残りは付着しないと考えられる。以上をまと
めると、（１）Ｃｒ−Ｎ薄膜のドロップレット分布は、処理条
件に依存して変化し、特に粒径０．５μｍ以下の小さな
ドロップレットに大きな影響を与える。（２）ドロップレット数は、１００Ａ以上のアーク電
流、低チャンバ内圧力の場合に減少し、又、バイアス電
圧３００Ｖでドロップレット量が最も少なくなった。（３）薄膜の表面が粗いほどドロップレット数は増加
する。これは、機械的投錨効果がドロップレット付着の
主要因として働くためと考えられる。（４）アーク電流は、ドロップレットの生成段階に影
響を与え、バイアス電圧及びチャンバ内圧力は、薄膜へ
のドロップレットの付着段階に影響を与える。

【００２１】以上より、ＰＶＤによる窒化クロムのコー
ティング方法において、ドロップレットが生じない条件
は、次のとおりである。（イ）コーティング中のアーク電流を５０Ａ以上、窒
素を含むプロセスガス圧力を２．６６Ｐａ以下、及び基
材バイアス電圧を１００〜５００Ｖに調整すること。（ロ）コーティング中のアーク電流を１００Ａ以上、
窒素を含むプロセスガス圧力を２．６６Ｐａ以下、及び
基材バイアス電圧を１００〜５００Ｖに調整すること。（ハ）コーティング中のアーク電流を５０Ａ以上、窒
素を含むプロセスガス圧力を２．６６Ｐａ以下、及び基
材バイアス電圧を２５０〜３５０Ｖに調整すること。（ニ）コーティング中のアーク電流を１００Ａ以上、
窒素を含むプロセスガス圧力を２．６６Ｐａ以下、及び
基材バイアス電圧を２５０〜３５０Ｖに調整すること。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、ドロップレットの少な
い窒化クロム膜が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、実験装置の概要図である。

【図２】図２は、写真１−１〜１−４である。

【図３】図３は、アーク電流とドロップレット分布の相
関関係図である。

【図４】図４は、写真２−１〜２−４である。

【図５】図５は、チャンバ内圧力とドロップレット分布
の相関関係図である。

【図６】図６は、写真３−１〜３−４である。

【図７】図７は、バイアス電圧とドロップレット分布の
相関関係図である。

【図８】図８は、写真４−１である。

【符号の説明】

１チャンバ５ターゲット（陰極）６基材７アーク電源８バイアス電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村上理一徳島県板野郡北島町新喜来字二分１−40 (72)発明者米倉大介徳島県徳島市北沖洲３−９−18−202 (72)発明者花栗孝次兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号株式会社神戸製鋼所高砂製作所内 (72)発明者佐藤俊樹兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内Ｆターム(参考） 4K029 AA02 BA58 CA04 CA13 DD06 EA03 EA09 FA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コーティング中のアーク電流を５０Ａ以
上、窒素を含むプロセスガス圧力を２．６６Ｐａ以下、
及び基材バイアス電圧を１００〜５００Ｖに調整するこ
とを特徴とするＰＶＤによる窒化クロムのコーティング
方法。
【請求項２】コーティング中のアーク電流を１００Ａ
以上、窒素を含むプロセスガス圧力を２．６６Ｐａ以
下、及び基材バイアス電圧を１００〜５００Ｖに調整す
ることを特徴とするＰＶＤによる窒化クロムのコーティ
ング方法。
【請求項３】コーティング中のアーク電流を５０Ａ以
上、窒素を含むプロセスガス圧力を２．６６Ｐａ以下、
及び基材バイアス電圧を２５０〜３５０Ｖに調整するこ
とを特徴とするＰＶＤによる窒化クロムのコーティング
方法。
【請求項４】コーティング中のアーク電流を１００Ａ
以上、窒素を含むプロセスガス圧力を２．６６Ｐａ以
下、及び基材バイアス電圧を２５０〜３５０Ｖに調整す
ることを特徴とするＰＶＤによる窒化クロムのコーティ
ング方法。