JP2005213604A - アーク放電方式のイオンプレーティング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、アーク放電を利用してプラズマを発生させ、イオンプレーティングにより、たとえば、鋼板の表面処理や構造材料等の表面積の大きい材料の表面に長時間、たとえば１５０ｈ以上にわたって安定してセラミック被膜を被成できるアーク放電方式によるイオンプレーティング装置を提供する。
【解決手段】 真空チャンバー内に少なくとも１個の成膜粒子蒸発源が設けられており、アーク放電によって前記蒸発源から成膜粒子を蒸発させてプラズマ中でイオン化し、イオン化した成膜粒子を加速して真空チャンバー内のコーティング対象物へ付着させるアーク放電方式のイオンプレーティング装置において、前記成膜粒子の蒸発源のアーク放電領域を水平方向に更新可能に構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、イオンプレーティング法によりコーティング対象物（基板）上にセラミック被膜を被成する装置に係り、特にアーク放電を利用してプラズマを発生させて、鋼板の表面処理や構造材料等の表面積の大きい材料の表面に連続的イオンプレーティングによりセラミック被膜を被成する装置に関する。なお、本発明においてアーク放電方式というときは、真空チャンバー中に複数の陰極を有するマルチアーク放電方式を含むものである。

イオンプレーティング法は金属などの基板上に密着性よくＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＣｒＮなどのセラミック被膜を形成する手段として広く活用されており、ＨＣＤ法、ＡＲＥ法、高周波イオンプレーティング法、クラスターイオンプレーティング法、アーク放電方式イオンプレーティング法等種々の方法が工業的に利用されている。

なかでもアーク放電方式のイオンプレーティング法（以下単に「アーク放電方式」という）は、固体の金属から直接イオン化率の高い金属蒸気流を得ることができるため、他の手段に比べて省エネルギーの下でコーティングができるという利点がある。また、イオン化率の高い金属の蒸気が得られるため、他の手段に比べて密着性の優れたセラミック被膜の被成が可能であるとされている。これに関し、成膜速度が０．１〜０．５μｍ／ｍｉｎ程度と極めて小さいという問題があったが、近年ではマルチアーク放電方式の採用など種々の努力により０．５〜５．０μｍ／ｍｉｎ程度まで向上している。

しかしながら、アーク放電方式には、なお、連続成膜時間が２０ｈ程度と比較的短時間であるという難点があり、そのため、アーク放電方式の利用は、工具類や装飾品等に限られ、表面積の大きい材料等、たとえば鋼板の表面処理や構造材料の高機能化には殆ど応用されていないのが実情である。

このような連続操業時間の制限は、たとえば、Ｔｉを陰極としてアーク放電する場合にアーク放電のドリフトやアークスポットの偏りが生じアーク放電が安定して持続しなくなることに由来するものとみられ、その対策として、陰極（カソード）の周縁に陰極材と同一材の堰堤を設け、アーク放電のドリフトやアークスポットの偏りがなくアーク放電が持続可能なようにして使用する方法が提案されている。

また、特許文献1には、陰極の背面側に永久磁石あるいは電磁コイルを設置して磁界を確立するとともに該磁界の強さを電気アークが前記磁界によって定まる閉アーク軌道を描くようにし、それによりアーク放電を持続可能とするとともにドロップレットの発生を抑制する方法が開示されている。

特許文献２には、マルチアーク放電方式のイオンプレーティング装置において、プラズマを収束させた後に拡散させるような磁界を、真空チヤンバー内における複数の蒸発源の前方に形成する磁界形成手段を備えているマルチアーク放電方式のイオンプレーティング装置が開示されており、これにより、コーティング対象物の設置位置に関係なく、コーティング対象物の表面に略同じ混合比の合金膜をコーティングすることができるマルチアーク放電方式のイオンプレーティング装置が提供できるとされている。また、従来に比べてドロップレットの低減を図ることができ、成膜表面粗さを改善することができるとされている。

特許文献３には、磁場によって基板に到達する溶融粒子の数を減少させることができると共に、アークスポットの発生の偏りを減少させることを目的として、アーク放電の陰極となる蒸発物質と、当該蒸発物質の蒸発面と略垂直に交差する磁力線のみを発生するように前記蒸発物質を取り囲む磁場発生源と、を備えた真空アーク蒸着装置が提案されている。

特公平5-48298号公報 特開平7-180043号公報 特開2000-204466号公報

上記各先行特許文献に記載のように、金属陰極の周辺に適当な磁場を配置することにより、ドロップレットの発生を抑制し、緻密で密着性のよい被膜の形成が可能になる。また、これらの手段により、アーク放電する場合に陰極上に起こるアーク放電のドリフトやアークスポットの偏りをある程度抑制してアーク放電を安定して持続させることも期待できる。しかしながら、これらの手段によってもなお、連続成膜時間は高々２０ｈ程度であり、たとえば鋼板の表面処理や構造材料等の表面積の大きい材料の表面に連続成膜するには適さない。本発明は、アーク放電を利用してプラズマを発生させ、イオンプレーティングにより、たとえば、鋼板の表面処理や構造材料等の表面積の大きい材料の表面に長時間、たとえば１５０ｈ以上にわたって安定してセラミック被膜を被成できるアーク放電方式によるイオンプレーティング装置を提供することを目的とする。

本発明者は、従来のアーク放電方式について考察を加え、陰極を構成している成膜粒子蒸発源が一般に２０ｍｍ程度の比較的薄くかつ、比較的面積の小さい板状体で構成されているため、その寿命が本質的に短いこと、また、当該成膜粒子蒸発源が固定されているためアークスポットの偏在等により陽極と陰極との距離が変動したときアークが不安定になりやすく陰極の早期の交換を余儀なくされることなどが連続成膜時間を短くしている原因であることをつきとめた。本発明は、上記知見に基づき完成されたものであって、以下のように構成することにより、所期の目的を達成する。

すなわち、本発明では真空チャンバー内に少なくとも１個の成膜粒子蒸発源が設けられており、アーク放電によって前記蒸発源から成膜粒子を蒸発させてプラズマ中でイオン化し、イオン化した成膜粒子を加速して真空チャンバー内のコーティング対象物へ付着させるアーク放電方式のイオンプレーティング装置において、前記成膜粒子の蒸発源のアーク放電領域が水平方向に更新可能に構成されている。

上記発明において、前記成膜粒子の蒸発源はその形状を円盤としてその水平回転手段を具備するものとすること、あるいは成膜粒子の蒸発源を板状体とし、その長手方向及び／又は幅方向への移動手段を具備するものとすることが好ましい。

上記各装置において、アーク放電領域の少なくとも一部に回転磁界を発生させる回転磁界発生手段を配置してなるものとすることができる。この回転磁界発生手段は、蒸発源の、好ましくはアーク放電領域の下面にＳ極とＮ極が交互に位置するように配置した磁石を設け、該磁石をアーク放電領域の任意の一点とコーティング対象物の任意の一点とを結ぶ軸線、さらに好適にはアーク放電領域の中心とコーティング対象物の中心を結ぶ軸線を中心軸として回転を行わせるものとすることが好ましい。

本発明により、アーク放電を利用してプラズマを発生させるイオンプレーティングにより、たとえば、鋼板の表面処理や構造材料等の表面積の大きい材料の表面に長時間、たとえば１５０ｈ以上にわたって安定してセラミック被膜を被成できる。また、アーク放電領域の少なくとも一部に回転磁界を発生させる回転磁界発生手段を配置することにより、上記効果とともに、アーク放電の際に陰極表面の均一化、また、陰極表面の微細溶融化、さらには粗大ドロップレットの形成抑制等の効果が得られる。

図１は、本発明の一実施例に係るイオンプレーティング装置の概念図である。この例のイオンプレーティング装置では、成膜粒子の蒸発源のアーク放電領域が水平方向に更新可能に構成され、真空チャンバー1の底面近傍に支持棒5によって回転可能に支持された円盤状の成膜粒子蒸発源3が設置されている。

前記円盤状の成膜粒子蒸発源3には、アーク電源6の負極が接続され、また成膜粒子蒸発源3の上面に対向して前記アーク電源の正極につなぎ込まれた陽極（トリガー）8が設置されている。また、真空チャンバー1内には、公知のようにコーティング対象物4が、たとえばガスシール機構（図示しない）を通して通過するようになっており、これにはバイアス電源の負極がつなぎ込まれている。さらに、上記真空チャンバーには公知の手段により、真空系につながる排気口2及び反応ガス導入口9が備えられている。

したがって、上記構成のイオンプレーティング装置を用い、トリガー8と成膜粒子蒸発源3の間でアーク放電を行わせることによって、アーク放電方式により、固体の金属から直接イオン化率の高い金属蒸気流を得、これを反応ガスと反応させてコーティング対象物（たとえば帯状鋼板）の上に連続的に成膜することができる。

本例では、成膜粒子蒸発源3が円盤で構成されており、かつ該円盤が真空チャンバー1の底面近傍に支持棒5によって回転可能に支持されている。したがって、アーク放電の進行に伴い成膜粒子蒸発源3のアーク放電面が陽極8から後退し、あるいはその表面状態が劣化して放電が不安定になっても、円盤上の成膜粒子蒸発源3を矢印Aに示す方向（この方向は例示であり、指定する必要はない。）に回転させれば、図２に示すように放電領域10を矢印Bの方向に更新することができる。この操作は随時行うことができ、放電領域を10から10´ついで10"と次々と更新できる。これにより陰極である成膜粒子蒸発源3を取り替えることなく、単に回転させるだけで、陽極8と成膜粒子蒸発源3の放電面との間の距離をほぼ一定に保つことができる。

上記円盤状の成膜粒子蒸発源3は図２に示すように、ほぼ陽極（トリガー）によって定められるアーク放電領域10を複数個、好ましくは少なくとも数個、更新可能な大きさとする。回転により更新することができるアーク放電領域の数は多ければ成膜粒子蒸発源3の取り替え回数は少なくてすむが、あまりにも多くすると、図から明らかなように設備を大ききする必要があるばかりでなく、有効にアーク放電の行なわれる領域の面積比が少なくなり、経済性を損なう。

図3に示した例では、真空チャンバー1の底面近傍にローラ支持体（ローラテーブル）12を設け、その上に板状の成膜粒子蒸発源3が設置され、成膜粒子の蒸発源のアーク放電領域が水平方向に更新可能に構成されている。また、この板状の成膜粒子蒸発源3には、シリンダー又はモーター駆動の移動棒11が取り付けられ、板状の成膜粒子蒸発源3を水平方向に移動可能にしている。その他の構成は、先に述べた円盤状の成膜粒子蒸発源3を用いる場合と同様である。

この例では、成膜粒子蒸発源3が長方形等の板状体で構成されており、かつ該板状体が真空チャンバー1の底面近傍に移動棒11によって水平方向に移動可能に支持されているから、アーク放電の進行に伴い成膜粒子蒸発源3のアーク放電面が陽極8から後退し、あるいはその表面状体が劣化して放電が不安定になっても、板状体の成膜粒子蒸発源3を矢印Cに示す方向（この方向は例示であり、指定する必要はない。）に移動させれば、図４に示すように放電領域10を矢印Dの方向に更新することができる。この操作は随時行うことができ、放電領域を10から10´ついで10"と次々と更新できる。これにより、陰極である成膜粒子蒸発源3を取り替えることなく、単に移動させるだけで、陽極8と成膜粒子蒸発源3の放電面との間の距離をほぼ一定に保つことができる。したがって上記板状体の成膜粒子蒸発源3は図４に示すように、ほぼ陽極（トリガー）によって定められるアーク放電領域10を複数個、好ましくは少なくとも数個、更新可能な大きさとするのがよい。

図５に示す例では、図１に示したアーク放電領域の更新機構をそのまま利用し、さらに成膜粒子蒸発源3の少なくとも一部に回転磁界を発生させる回転磁界発生手段20が配置されている。具体的には、アーク放電領域の下面にＳ極とＮ極が交互に位置するように配置した磁石を設けるとともに該磁石をアーク放電領域のA点とコーティング対象物のB点とを結ぶ軸線を中心軸として回転させる回転磁界発生手段20が配置されている。

この回転磁界発生手段20は、たとえば、長手方向端部に磁極があるセグメント状永久磁石をＮ極とＳ極が交互に位置するように組み合わせて、端部においてＮ極とＳ極が互い違いに位置する円筒状磁石に組み上げ、そのほぼ中心位置とアーク放電領域の中心位置（A点）を一致させるように配置し、かつ、A点とコーティング対象物のB点を結ぶ軸線を中心軸として回転可能なものとすればよい。それにより、成膜粒子蒸発源3の下面からアーク放電領域の少なくとも一部に回転磁界を与えることができる。

このように円盤状又は板状体からなる成膜粒子蒸発源のアーク放電領域に回転磁界を配置してアーク放電を行わせると、成膜粒子蒸発源（陰極）表面上に作用するJ×B（J：アーク電流、B：磁界）効果によってローレンツ力を受け、陰極表面のアーク放電領域において複雑な螺旋運動が形成される。このため、アーク放電領域の位置が移動し、局所的な陰極の消耗がなくなり、結果として陰極表面の均一性が維持されるようになる。また、陰極表面の微細溶融化、さらには粗大ドロップレットの形成が抑制されるという効果も得られる。このような効果は、回転磁界発生手段を配置することによって得られる。特に、多数の磁極によりマルチポール磁界を形成させると、複雑な荷電粒子の螺旋運動が加速されるためにその効果が増強されるのでさらに好ましい。

上述の回転磁界発生手段20の配置効果は上記に留まらず、アーク放電によって生ずるプラズマ中のイオン化率向上にも現れる。たとえば、図１に示す例の場合（円盤の下面に回転磁界を配置しない場合）のプラズマ中のイオン化率は60％であるのに対し、図５に示す例ではプラズマ中のイオン化率が80％以上に向上する。

以上、本発明の実施形態を基本的な実施例に基づいて説明したが、本発明の実施形態はこれらに限られるものではない。たとえば、上記各実施形態では成膜粒子の蒸発源は円盤状（図１の場合）又は板状体（図３の場合）として説明したが、成膜粒子の蒸発源を水平移動してアーク放電領域を水平方向に更新できるものであれば、その形状、水平移動手段を問うものではない。

本発明に係るイオンプレーティング装置の第１実施形態に係る概念図である。 図１に示したイオンプレーティング装置におけるアーク放電領域と陰極（ターゲット）との関係を示す説明図である。 本発明に係るイオンプレーティング装置の第２実施形態に係る概念図である。 図３に示したイオンプレーティング装置におけるアーク放電領域と陰極（ターゲット）との関係を示す説明図である。 本発明に係るイオンプレーティング装置の第３実施形態に係る概念図である。

符号の説明

1：真空チャンバー
2：排気口
3：成膜粒子蒸発源（陰極）
4：コーティング対象物
5：回転支持棒
6：アーク電源
7：バイアス電源
8：陽極（トリガー）
9：反応ガス導入口
10：アーク放電領域
11：移動棒
12：ローラ支持体
20：回転磁界発生手段
21：Ｎ極を成膜粒子蒸発源の下面近傍に位置せしめた永久磁石
22：Ｓ極を成膜粒子蒸発源の下面近傍に位置せしめた永久磁石

Claims (4)

1. 真空チャンバー内に少なくとも１個の成膜粒子蒸発源が設けられており、アーク放電によって前記蒸発源から成膜粒子を蒸発させてプラズマ中でイオン化し、イオン化した成膜粒子を加速して真空チャンバー内のコーティング対象物へ付着させるアーク放電方式のイオンプレーティング装置において、
   前記成膜粒子の蒸発源のアーク放電領域が水平方向に更新可能に構成されていることを特徴とするアーク放電方式のイオンプレーティング装置。
2. 成膜粒子の蒸発源は円盤であり、その水平回転手段を具備することを特徴とする請求項１記載のアーク放電方式のイオンプレーティング装置。
3. 成膜粒子の蒸発源は板状体であり、その長手方向及び／又は幅方向への移動手段を具備するものであることを特徴とする請求項１記載のアーク放電方式のイオンプレーティング装置。
4. アーク放電領域の少なくとも一部に回転磁界を発生させる回転磁界発生手段を配置してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアーク放電方式のイオンプレーティング装置
   
   

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