JP2006104512A - 成膜方法及び成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アーク式イオンプレーティングによる成膜方法及び装置であって、カソード材料として２種以上の元素を含むものを採用して複数元素を含む膜を形成でき、しかも、ドロップレット付着が抑制された、それだけ平滑な膜を形成できる成膜方法及び装置を提供する。
【解決手段】カソード１２として２種以上の元素を含む材料からなるものを採用し、膜形成にあたって、カソードアーク走行面１２１と正規成膜位置Ｐの被成膜物品Ｗ間の成膜距離Ｌを１５０ｍｍ以上３５０ｍｍ以下に設定し、真空アーク放電を成膜用ガス雰囲気において行わせ、且つ、成膜ガス圧を４Ｐａ〜７Ｐａの範囲に設定し、プラズマ生成領域に磁場を印加し、該磁場は、該カソードアーク走行面１２１位置で該面の法線となす角度が３０°以下である磁力線１３１からなる磁場とするアーク式イオンプレーティングによる成膜方法及び成膜装置Ａ。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車部品、各種機械の部品、各種工具や、自動車部品、機械部品等の成形に用いる金型等の成形用型等の物品に膜形成する成膜方法及び成膜装置、特に、アーク式イオンプレーティングによる成膜方法及び成膜装置に関する。

物品の表面に膜を形成することにより、該物品の耐摩耗性、他物品等との摺動性、化学的安定性、光学特性等の性質を改善し、物品に求められる性能をより優れたものにすることが、自動車部品、各種機械の部品（例えば摺動部品）、各種工具や、金型等の成形用型、さらには医療用物品や部材等について広く行われている。

このような表面処理の方法の一つとして、カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカソード材料を含むプラズマを発生させ、該イオン化したカソード材料を被成膜物品へ飛翔させて該物品上に膜形成するアーク式イオンプレーティングが知られている。

アーク式イオンプレーティングによる膜形成は、膜の被成膜物品への密着性が良好である、膜形成速度が高く、膜生産性が高いといった利点があり、工具等の表面処理において広く用いられている。

また、近年、より優れた性能を有する膜を得る目的で、多種類の元素を含む膜の開発が盛んに行われている。アーク式イオンプレーティングにおいても、複数の蒸発源にそれぞれ異なる元素のカソードを配し、これらの蒸発源を同時又は交互に動作させる方法や、カソード材料自体に複数種類の元素を含むものを用い成膜を行う方法が実施されている。

ところで、アーク式イオンプレーティングにおいては、カソード材料が真空アーク放電により蒸発するとき、ドロップレットと呼ばれる巨大溶融粒子が発生するため、このドロップレットが被成膜物品や該物品上に形成されつつある膜に付着することをできるだけ抑制することが課題となる。ドロップレットが過度に付着すると、膜の表面は粗いものとなり、膜の摺動特性や耐摩耗性などの膜性能の低下が生じるため、かかるドロップレットを低減させる試みがなされてきた。

ドロップレットを低減する手法としては、真空アーク放電時のカソードのアーク走行面（蒸発面）におけるアークスポットでのドロップレットの発生を抑制する方法や、発生したドロップレットを消滅させる等の方法が試みられている。

アークスポットでのドロップレットの発生を抑制する方法について説明すると、ドロップレットが発生するメカニズムは、アークスポットにおいてカソード材料が液化し（溶融プールが形成され）、液化した状態のまま飛散し、これがドロップレットとなると考えられている。そこで溶融プールの形成をできるだけ少なくするとにより、ドロップレットの発生を低減する試みがなされている。

具体的には、カソード表面に対し水平な（カソード表面と平行状の）磁場を形成することにより、アークスポットを高速で移動させる方法や、反応性ガスにより溶融物の融点を高める方法などが実施されており、これらの手法により例えばチタン系の化合物膜については、ドロップレット付着の少ない平滑な膜が得られている。

しかしながら、例えばＣｒ（クロム）系の化合物膜や純金属の膜については、このような方法ではドロップレットの発生を抑制する効果は小さく、得られた膜に多数のドロップレットの付着が見られる。

ドロップレットの発生を抑制する方法とは異なり、発生したドロップレットを消滅させる方法として、高密度のプラズマによりドロップレットを再溶融させるという方法が提案されている（例えば、特開平１１−８０９４０号公報参照）。

すなわち、カソードのアーク走行面に対し高密度の垂直方向又は（及び）略垂直方向の磁場を形成し、この磁場により、イオン化されたカソード材料等の荷電粒子を捕捉して高密度なプラズマを形成し、アークスポットから放出されたドロップレットがこの高密度プラズマ内を通過する際に溶融するようにし、これにより被成膜物品にドロップレットの極めて少ない膜を形成することができる。
このような手法により、Ｃｒ系の化合物膜や純金属膜についても平滑性に優れた膜を形成することが可能である。

特開平１１−８０９４０号公報

このようにカソードのアーク走行面（蒸発面）に高密度の垂直方向又は（及び）略垂直方向の磁場を形成する方法においては、高密度のプラズマによりドロップレットが再溶融し、ドロップレットの少ない膜を得ることができる。

しかしながら、本発明者の研究によると、複数種の元素を含むカソードを蒸発させた場合と、単一の元素からなるカソードを蒸発させた場合とを比べると、前者の方がドロップレットの発生が多いことがわかった。カソードとして複数種の元素を含むカソードを採用した場合にドロップレットが増加する理由としては、カソード表面に対し垂直磁場を形成している場合にはそれによりアークスポットが移動しにくいからであり、また、複数の元素が混在することにより、例えば電気抵抗や仕事関数といった電気的性質に不均一さが現れるため、この点でもアークスポットの移動が少なく、また複数の元素が溶融し融点が降下するため、これらにより溶融プールが大きくなりやすいことなどが影響していると考えられる。特に銅（Ｃｕ）、アルミニゥム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）のように融点の低い金属からなるカソードの場合、かかる傾向が顕著である。

既に述べたように、被膜の性能を向上させる目的で、多種の元素を含む被膜の開発が盛んに行われており、より幅広い材料について平滑な皮膜を得ることできる成膜技術の開発が期待されている。同時に生産性の観点から、同一の装置及び手法で幅広い材料の成膜を可能にすることが期待されている。すなわち少ない装置でさまざまな被膜を得ることを可能にし、設備投資を少なくすることが求められている。また装置の運用を効率的に行えることも求められている。

これらの観点から、アーク式イオンプレーティングによる膜形成においては、カソード材料として２種以上の元素を含むカソード材料を採用して多種の元素を含む膜を形成すること、その際、ドロップレット付着が抑制された、できるだけ平滑な膜を形成できることが要請されている。

そこで本発明は、カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカソード材料を含むプラズマを発生させ、該イオン化したカソード材料を被成膜物品へ飛翔させて該物品上に膜形成するアーク式イオンプレーティングによる成膜方法及び装置であって、カソード材料として２種以上の元素を含むものを採用して複数元素を含む膜を形成でき、しかも、ドロップレット付着が抑制された、それだけ平滑な膜を形成できる成膜方法及び装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決すべく本発明者は研究を重ね、次の着目及び知見を得た。
ドロップレットの発生を低減させるためには、従来同様に、発生したドロップレットを再溶融させる高密度プラズマを得るための垂直磁場をプラズマ生成領域に印加すればよい。

さらに、カソードのアーク走行面（真空アーク放電におけるアークが走行する面、すなわちカソードの蒸発面）におけるカソード材料溶融プールを小さくすればよい。そのためには、真空アーク放電時におけるカソードアーク走行面におけるアークスポットを１点に集中させるのではなく分散させ、一つ一つのアークスポットにおける電流量を小さくすればよい。それにより、一つ一つの溶融プールは小さいものとなり、それだけドロップレットの発生を抑制できる。

カソードアーク走行面におけるアークスポットを分散させるにはカソードアーク走行面をアークスポットを分散させ得る成膜に用いるガス（成膜用ガス）（例えば窒素ガス）の雰囲気においてカソードアーク走行面に垂直に近い磁場成分を与えればよい。その場合、アークスポットを効果的に分散させるためには該ガス圧は４Ｐａ以上、より好ましくは５Ｐａ以上とすればよい。

しかし、かかるガスの存在は、被成膜物品へ到達し得るイオン量を減少させる。物品への到達イオン量が過度に低下すると、膜密着性や膜硬度の低下といったことが生じるから、十分にイオンを物品に到達させる必要がある。物品へのイオンの到達量は、カソードと正規成膜位置に配置された物品との距離（成膜距離）により変化させることが可能であるが、あまりに該距離を短くすると高密度プラズマにより物品が損傷する恐れがある。カソードと物品との成膜距離が１５０ｍｍ〜３５０ｍｍの範囲にあれば、物品の損傷は抑制され、且つ、良好な膜硬度や膜密着性を備えた膜の形成が可能である。

前記のガス圧を７Ｐａより大きくすると、かかる成膜距離であっても物品へのイオン到達量が減少し、また成膜速度自体も大幅に低下するため、該ガス圧は７Ｐａ以下が好ましい。

かかる着目及び知見に基づき本発明は次の成膜方法及び成膜装置を提供する。
（１）成膜方法
カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカソード材料を含むプラズマを発生させ、該イオン化したカソード材料を被成膜物品へ飛翔させて該物品上に膜形成するアーク式イオンプレーティングによる成膜方法であり、該カソード材料として２種以上の元素を含むカソード材料を採用し、膜形成にあたって、該カソードのアーク走行面と正規成膜位置の被成膜物品間の成膜距離を１５０ｍｍ以上３５０ｍｍ以下に設定し、真空アーク放電を成膜用ガス雰囲気において行わせ、且つ、成膜ガス圧を４Ｐａ〜７Ｐａの範囲に設定し、前記プラズマ生成領域に磁場を印加し、該磁場は、該カソードアーク走行面位置で該アーク走行面の法線となす角度が３０°以下である磁力線からなる磁場とする成膜方法。

（２）成膜装置
カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカソード材料を含むプラズマを発生させる蒸発源と、該蒸発源が連通接続され、内部に被成膜物品支持装置が設けられた真空容器と、該真空容器内を排気減圧する排気装置と、該真空容器内へガスを供給して前記カソードのアーク走行面を含む領域を該ガス雰囲気におくガス供給装置と、該真空容器内の成膜ガス圧を制御する成膜ガス圧制御装置とを備え、
前記蒸発源は２種以上の元素を含むカソード材料からなるカソード及び磁場形成装置を含んでおり、
前記被成膜物品支持装置は被成膜物品を支持して該物品を正規の成膜位置に且つ前記カソードのアーク走行面からの成膜距離が１５０ｍｍ以上３５０ｍｍ以下の範囲となる位置に配置するものであり、
前記磁場形成装置は前記カソードのアーク走行面位置で該アーク走行面の法線となす角度が３０°以下である磁力線からなる磁場を前記プラズマの生成領域に印加するものであり、
前記ガス供給装置は前記真空容器内に成膜用ガスを供給するものであり、
前記成膜ガス圧制御装置は該真空容器内の成膜ガス圧を４Ｐａ〜７Ｐａの範囲に制御するものであるアーク式イオンプレーティングによる成膜装置。

本発明に係る成膜方法及び成膜装置によると、カソード材料として２種以上の元素を含むカソード材料を採用できるので、多種元素を含む、所望性能を発揮し得る膜を形成することができ、また、幅広い材料について膜形成することが可能で、様々な皮膜を容易に効率よく形成できる。

しかも、上記成膜方法においては、膜形成にあたって、カソードのアーク走行面と正規成膜位置の被成膜物品間の成膜距離を１５０ｍｍ以上３５０ｍｍ以下に設定し、真空アーク放電を成膜用ガス雰囲気において行わせ、且つ、成膜ガス圧を（従ってカソードアーク走行面を含む領域におけるガス圧も）４Ｐａ〜７Ｐａの範囲に設定し、前記プラズマ生成領域に磁場（カソードアーク走行面位置で該アーク走行面の法線となす角度が３０°以下である磁力線からなる磁場）を形成するので、また、成膜装置においてはそのような条件下で膜形成できるので、ドロップレット付着が抑制された平滑な膜であって、膜密着性、膜硬度の点でも良好な膜を形成できる。

本発明に係る成膜方法においてプラズマ生成領域に印加する磁場及び本発明に係る成膜装置において磁場形成装置によりプラズマ生成領域に印加する磁場の磁束密度としては、１００ガウス〜５０００ガウス程度の範囲のものを例示できる。

かかる磁場は、高密度プラズマを得るうえで、カソードのアーク走行面位置で該アーク走行面の法線となす角度が３０°以下である磁力線からなる磁場、換言すれば、カソードアーク走行面における任意の点に立てた法線と該点での磁力線の方向とがなす角度が３０°以下である磁力線からなる磁場とすればよい。成膜装置における磁場形成装置は、電磁石から構成されるものでも、永久磁石から構成されるものでも、これら双方から構成されるものでもよい。

前記成膜用ガスとしては、窒素含有ガス（例えば窒素ガス、アンモニアガス）、酸素含有ガス（代表的には酸素ガス）、炭化水素系ガス（メタンガス、エタンガス、アセチレンガス等）より選ばれた１種以上のガスを含むガスを例示できる。水素ガスや希ガスを混合してもよい。

前記カソード材料は、構成元素として、２種以上の元素を含んでいるものを採用するが、ここでいう２種以上の元素については、不可避的に混入する元素や１atom％以下で含有される元素は、種類として数えない。カソード材料は２種類以上の元素を含むものであれば、特に限定されるものではなく、かかる元素として、例えば、チタン（Ｔｉ）、アルミニゥム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、シリコン（Ｓｉ）、ホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、バナジゥム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジルコニゥム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）などが挙げられる。

特に、銀、銅、アルミニゥム、鉄、マンガン及びシリコンから選ばれるた少なくとも１種類以上の元素を含んでいるものを例示できる。銀、銅、アルミニゥム、鉄、マンガン及びシリコンなどの融点の低い金属は、本発明に係る成膜方法及び装置により膜形成する材料として適している。

本発明に係る成膜装置におていは、成膜用ガスを供給するガス供給装置を採用するが、本発明に係る成膜方法においても同様のガス供給装置を採用できる。また、かかるガス供給装置として、ガスの供給量を制御するマスフローコントローラを有するものを例示できる。
また、本発明に係る成膜装置におていは、真空容器内を排気減圧する排気装置として排気速度調整機構（例えばコンダクタンスバルブ）を含むものを例示できるが、本発明に係る成膜方法においても同様の真空容器や排気装置を採用できる。

本発明に係る成膜方法において成膜ガス圧を４Ｐａ〜７Ｐａに制御する方法、本発明に係る成膜装置における、成膜ガス圧を４Ｐａ〜７Ｐａの範囲に制御する成膜ガス圧制御装置としては、真空容器内ガス圧を圧力センサで検出し、該圧力センサからの圧力情報に基づいて圧力制御部が、該真空容器内成膜ガス圧を４Ｐａ〜７Ｐａの範囲に設定するように、ガス供給装置のマスフローコントローラ及び排気装置の排気速度調整機構（例えばコンダクタンスバルブ）のうち少なくとも一方を制御するものを例示できる。

マスフローコントローラ及び排気速度調整機構（例えばコンダクタンスバルブ）の双方を制御する場合は、物品への膜形成に先立って行われる真空容器からの初期排気に要する時間の短縮や、成膜用ガスの効率的な使用など膜生産性の観点から好ましいと言える。

物品への膜形成に先立って、或いは膜形成後に行う処理については特に制限されない。例えば、一般的に行われているような、真空容器内の初期の排気減圧後における、必要に応じた物品の加熱開始、物品の清浄化等のためのボンバード処理、膜形成後の物品の冷却、大気開放等は適宜行えばよい。物品の加熱、ボンバード処理の方法は特に限定されるものではない。

以上のほか、膜形成にあたってのアーク電流は、アーク放電が持続する範囲で、任意に設定すればよい。
必要に応じて物品をヒータ等で加熱する場合、その加熱温度は、物品の耐熱性などを考慮し、任意に設定すればよい。
膜形成の円滑化のために膜形成にあたって物品にバイアス電源からバイアス電圧を印加してもよく、その場合、バイアス電圧は好適な被膜が得られるよう設定すればよい。例えば−５００Ｖ〜−５Ｖ、或いは、−２００Ｖ〜−１０Ｖ程度のバイアス電圧を例示できる。
成膜用ガスの供給量は、排気系に過大な負荷を生じない範囲で設定すればよい。

以上説明したように本発明によると、カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカソード材料を含むプラズマを発生させ、該イオン化したカソード材料を被成膜物品へ飛翔させて該物品上に膜形成するアーク式イオンプレーティングによる成膜方法及び装置であって、カソード材料として２種以上の元素を含むものを採用して複数元素を含む膜を形成でき、しかも、ドロップレット付着が抑制された、それだけ平滑な膜を形成できる成膜方法及び装置を提供することができる。

図１は本発明に係る成膜装置の１例の構成の概略を示している。図１に示す成膜装置Ａは、蒸発源１、蒸発源１を接続した真空容器２、容器１内に設置された被成膜物品Ｗを支持する物品支持装置３、容器１内を排気減圧する排気装置４、容器１内へ所定のガスを供給するガス供給装置５及び容器１内の成膜ガス圧を制御する成膜ガス圧制御装置６を含んでいる。真空容器１は成膜室として用いられる。

蒸発源１は、真空容器２の開口部２１に絶縁部材２２を介して接続されたダクト１１、該ダクトに設けられたカソード１２及び磁場形成コイル１３等を含んでいる。カソード１２はダクト１１の後部に絶縁部材１１１を介して装着されている。カソード１２のアーク走行面（蒸発面）１２１はダクト１１内に配置されており、真空容器２の前記開口部２１を介して物品支持装置３に臨んでいる。

カソードアーク走行面１２１にはトリガー電極１４が臨んでおり、該電極は図示省略の往復駆動装置によりアーク走行面１２１に対し接触離反可能である。図１においては、トリガー電極１４はカソード１２を貫通しているかの如く示されているが、カソード１２を貫通しているのではなく、図１には現れていないカソード周囲の壁体に往復動可能に通されている。

カソード１２にはアーク放電用電源１５が接続されており、トリガー電極１４は抵抗１６を介して接地されている。磁場形成コイル１３には電源１７が接続されている。
カソード１２は形成しようとする膜に応じて選択した材料（少なくとも２種の元素を含む材料、例えばＴｉＡｌ、ＴｉＳｉ）で形成される。このカソードに対するアノードはここでは接地された真空容器２がこれを兼ねている。なお、アノードについては、例えばダクト１１内においてカソード１２の端部を囲むアノード（図示省略）を設ける等してもよい。

アーク放電用電源１５はカソード１２とアノードとの間にアーク放電用電圧を印加できるように、また、カソード１２とアノード間のアーク放電を誘発するためにカソード１２とトリガー電極１４との間にトリガー用電圧を印加できるように、カソード１２等に配線接続されている。トリガー電極１４はアーク電流が流れないように前記の抵抗１６を介して接地されている。

磁場形成コイル１３は電源１７から通電することで、ダクト１１内にプラズマ集束のための磁場を形成できる。この磁場は、カソード１２のアーク走行面１２１における任意の点での磁力線方向が該点でアーク走行面に立てた法線に対し３０°以下となる磁力線１３１からなる磁場である。

物品支持装置３は、図１に示す例では平板状のホルダであり、これに板状の被成膜物品Ｗを保持し、該物品Ｗを正規の成膜位置Ｐに配置するものである。このようにして正規成膜位置に配置される物品Ｗとカソード１２（より正確にはカソード蒸発面１２１）との距離（成膜距離）Ｌは１５０ｍｍ〜３５０ｍｍの範囲に設定される。

図１に示す例では、ホルダ３に物品への膜形成を円滑化するためのバイアス電圧（例えば−５００Ｖ〜−５Ｖ、或いは、−２００Ｖ〜−１０Ｖ程度）を印加する電源３１を接続してある。
図１に示す例では、真空容器２内の物品ホルダ３の背後に、物品Ｗへの膜形成にあたり必要に応じ物品Ｗを加熱できるようにヒータＨを設けてある。

排気装置４は、真空容器２に排気速度調整機構（本例ではコンダクタンスバルブ）４１を介して真空ポンプ４２を接続して構成されている。

ガス供給装置５は、容器２内へ成膜用のガスを供給し、該容器内及び蒸発源１におけるダクト１１内を該ガス雰囲気におくものであり、該ガスとして、形成しようとする膜種等に応じて、窒素含有ガス（例えば窒素ガス、アンモニアガス）、酸素含有ガス（代表的には酸素ガス）、炭化水素系ガス（メタンガス、エタンガス、アセチレンガス等）より選ばれた１種以上のガスを含むガスを真空容器２内へ、ひいてはダクト１１内へ供給する。
ガス供給装置５は容器２への供給ガス量を制御するマスフローコントローラ、容器２へのガス供給を開始、停止するための開閉弁等（いずれも図示省略）を含んでいる。

成膜ガス圧制御装置６は、真空容器２内のガス圧を検出するガス圧センサ（本例では真空計）６１と、圧力制御部６２とを含んでいる。
圧力制御部６２はセンサ６１からの圧力情報に基づきガス供給装置５における図示を省略した前記開閉弁及び排気装置４における排気速度調整機構４１を制御する。

すなわち、膜形成にあたり、装置５から容器２内へガスを導入するに先立ち、容器１内を所定圧力（例えば５×１０^-3Ｐａ程度）まで排気減圧するときには、該開閉弁を閉じ、容器１内が該所定圧力まで減圧されると、該開閉弁を開いて装置５からマスフローコントローラにて制御された量のガスの容器２内への導入を可能にする。

膜形成中は、ガス供給装置５から容器２内へ所定量のガスが供給される状態において、センサ６１からの容器内圧力情報に基づき、排気装置４における排気速度調整機構４１を制御して、容器内ガス圧を４Ｐａ〜７Ｐａ、より好ましくは５Ｐａ〜７Ｐａの範囲に制御する。

以上説明した成膜装置Ａによると、次のように物品Ｗに２種以上の元素を含む膜を形成できる。
先ず、真空容器２の図示省略の開閉扉を開いてホルダ３上に被成膜物品Ｗを保持させ、該扉を閉じる。続いて、ガス供給装置５における開閉弁（図示省略）は閉じた状態で、すなわち、装置５から容器２へのガス供給が無い状態で、真空ポンプ４２を運転開始し、容器１内を（従ってダクト１１内も）所定圧（例えば５×１０^-3Ｐａ程度）まで排気減圧する。このとき、圧力制御部６２は排気装置４における排気速度調整機構４１をできるだけ高速で排気できるように制御する。

容器２内が所定圧に達すると圧力制御部６２の指示のもとに装置５の開閉弁が開き、装置５から容器１内へ所定の成膜用ガスが所定量供給開始される。その後、圧力制御部６２がセンサ６１からの容器内圧力情報に基づき、排気装置４における排気速度調整機構４１を制御して、容器内ガス圧を（従ってダクト１１内ガス圧も）４Ｐａ〜７Ｐａの範囲に制御する。

一方、磁場形成コイル１３へ電源１７から通電してダクト１１内に磁場（例えば１００ガウス〜５０００ガウス程度）を形成しておく。
また、必要に応じ、ヒータＨで物品Ｗを物品の耐熱性や膜種等に応じた所定温度に加熱する。

かかる状態で、蒸発源１におけるトリガー電極１４をカソード１２のアーク走行面（蒸発面）１２１に接触させ、引き続き引き離す。これにより電極１４とカソード１２間に火花が発生し、これが引き金となってアノード（容器２）とカソード１２との間に真空アーク放電が誘発される。このアーク放電によりカソード材料が加熱され、カソード材料が蒸発し、さらにカソード１２前方にイオン化カソード材料を含むプラズマが形成され始める。

蒸発源１において生成された前記プラズマは磁場形成コイル１３により形成されたダクト内磁場により集束し、その後物品Ｗへの膜形成のために適度に広がり、イオン化されたカソード材料が物品Ｗへ向け飛翔し、該物品に膜が形成される。

成膜中、ダクト３内の磁場によりプラズマが集束した高密度プラズマ領域においては、その領域へ飛来することがあるカソード材料の巨大溶融粒子が該高密度プラズマにより分解され、それだけ物品Ｗへの巨大溶融粒子の飛来が抑制され、また、成膜中、成膜ガス圧が４Ｐａ〜７Ｐａの範囲に制御されるとともに物品Ｗとカソード１２との成膜距離Ｌが１５０ｍｍ〜３５０ｍｍの範囲に設定されるので、これらにより、ドロップレット付着が抑制された平滑な膜であって、膜密着性、膜硬度の点でも良好な膜が物品Ｗ上に形成される。

次に図１に示す装置Ａを用いた膜形成の具体的実施例について、比較例、参考例とともに説明する。
いずれの場合も、被成膜物品Ｗとして超硬合金（膜形成前表面平均粗さＲａ＝０．０１μｍ）からなる板状体を採用し、これを４００℃に加熱して膜形成した。また、膜形成に先立つ真空容器２内の排気減圧は５×１０^-3Ｐａまで行い、この圧力下で蒸発源１を用いて物品Ｗ表面を金属イオンボンバード処理した。該処理におけるアーク電流は６０Ａ、磁場発生コイル１３による磁場は２０００ガウス、物品Ｗへの印加バイアスは５００Ｖとし、５分間ボンバード処理した。

膜形成にあたっては、磁場形成コイル１３による磁場の磁束密度、磁場の方向、容器１及びダクト１１内のガス圧、カソード１２と物品Ｗとの成膜距離、カソードの材質を種々変化させたが、いずれの場合も、蒸発源１におけるアーク電流は１００Ａ、物品Ｗへの印加バイアスは−５０Ｖ、導入成膜用ガスは窒素ガス（２００ｃｃｍ）とし、厚さ３μｍの膜を形成した。形成された膜は、いずれもカソード材料の窒化物膜である。

形成された各膜について評価も行った。評価は、密着性評価をスクラッチ強度の測定により行い、平滑性評価を膜表面平均粗さの測定により行った。

次表にこれらをまとめて示す。カソード材質も次表に示す。次表の磁場方向欄における「垂直磁場」は、前記のカソードアーク走行面の法線に対し３０°以下の方向の磁力線からなる磁場を意味し、「水平磁場」はカソードアーク走行面と平行な磁力線からなる磁場を意味している。

上記表から分かるように、本発明の実施例１、２においては膜の密着性、平滑性ともに良好であった。これに対し成膜距離が長い比較例１、成膜ガス圧が高い比較例２では良好な膜密着性が得られなかった。また、成膜距離が短い比較例３では、物品に多くの放電痕が確認され、物品が損傷を受けていた。また成膜圧力の低い比較例４では、平滑性が劣っている。水平磁場を採用した比較例５、６では、クロム（Ｃｒカソード）において良好な平滑性が得られなかった。

このように本発明によれば、幅広い種類のカソードにより、多様な膜組成の被膜の形成が可能であり、さらにその被膜の平滑性、密着性が優れた、高品位な被膜を得ることできる。しかもそのような被膜を同一の設備で形成することが可能であり、設備投資が少なくすむだけでなく、設備の運用も効率的に行うことが可能であり、膜生産性が優れたものとなる。

本発明に係る成膜方法を実施できる成膜装置は図１に示すものに限定されない。例えば、図２から図４のそれぞれに示す装置も例示できる。これら装置においては蒸発源１はいずれも簡略化して示してある。

図２の成膜装置Ｂは、図１に示す成膜装置Ａにおいて、物品支持装置３を物品支持装置３Ｂに置き換えたものである。他の点は成膜装置Ａと同様である。物品支持装置３Ｂは、複数の物品Ｗｂを支持して回転駆動される回転体３１ｂからなっている。回転体３１ｂが回転することで各物品Ｗｂが正規の成膜位置Ｐｂに順次配置される。

図３の成膜装置Ｃは、図１の成膜装置Ａにおいて、物品支持装置３を物品支持装置３Ｃに置き換えたものである。他の点は成膜装置Ａと同様である。物品支持装置３Ｃは、複数の物品Ｗｃをそれぞれ回転駆動可能に支持する回転体３１１ｃと、該回転体３１１ｃを複数支持して回転駆動される回転体３１２ｃとからなっている。各回転体３１１ｃは回転体３１２ｃの回転により公転するとともに自転することで各物品Ｗｃを正規の成膜位置Ｐｃに順次配置することができる。

図４の成膜装置Ｄは、図１の成膜装置Ａにおいて、物品支持装置３を物品支持装置３Ｄに置き換えたものである。他の点は成膜装置Ａと同様である。物品支持装置３Ｄは、フィルムのような長尺の物品Ｗｄを支持するもので、物品を繰り出す繰り出しリール３１１ｄと物品を巻き取る巻き取りリール３１２ｄと、両リール間で物品を案内する一対の案内ローラ３１３ｄとからなっている。物品Ｗｄは案内ローラ３１３ｄ間で正規の成膜位置Ｐｄに配置される。

図５の成膜装置Ｅは、図１の成膜装置Ａにおいて、物品支持装置３を物品搬送コンベアからなる物品支持装置３Ｅに置き換えたタイプの複数の成膜部ｅ１、ｅ２を開閉可能のゲート弁Ｖを介して連設し、一方の端の成膜部ｅ１にはゲート弁Ｖを介して物品搬入室ｅ３を、他方の端の成膜部ｅ２にはゲート弁Ｖを介して物品搬出室ｅ４をそれぞれ連設したものである。

成膜部ｅ１における蒸発源１のカソード１２と成膜部ｅ２における蒸発源１のカソード１２とは異なる材料からなっており、コンベアにて搬送される物品Ｗｅに異なる種類の膜を積層形成することができる。両カソードを同材質のものとすれば、同種膜を積層形成することができる。

図２から図５のそれぞれに示すいずれの成膜装置においても、カソードと正規成膜位置の物品との距離（成膜距離）Ｌは１５０ｍｍ〜３５０ｍｍの範囲に設定される。

本発明は、例えば自動車部品、各種機械の部品、各種工具や、自動車部品、機械部品等の成形に用いる金型等の成形用型等の物品に複数種類の元素を含む膜を形成することに利用できる。

本発明に係る成膜装置の１例の構成の概略を示す図である。 本発明に係る成膜装置の他の例を示す図である。 本発明に係る成膜装置のさらに他の例を示す図である。 本発明に係る成膜装置のさらに他の例を示す図である。 本発明に係る成膜装置のさらに他の例を示す図である。

符号の説明

Ａ 成膜装置
１ 蒸発源
１１ ダクト
１１１ 絶縁部材
１２ カソード
１２１ カソード１２のアーク走行面（蒸発面）
１３ 磁場形成コイル１３
１３１ 磁力線
１４ トリガー電極
１５ アーク放電用電源
１６ 抵抗
１７ 磁場形成コイル用電源
２ 真空容器
２１ 容器２の開口部
２２ 絶縁部材
３ 物品支持装置
３１ バイアス電源
４ 排気装置
４１ 排気速度調整機構
４２ 真空ポンプ
５ ガス供給装置
６ 成膜ガス圧制御装置
６１ 圧力センサ
６２ 圧力制御部
Ｗ 被成膜物品
Ｌ 成膜距離
Ｐ 物品Ｗの正規成膜位置
Ｈ ヒータ
Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ 成膜装置
３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ 物品支持装置
Ｗｂ、Ｗｃ、Ｗｅ、Ｗｄ 被成膜物品
Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄ 被成膜物品の正規成膜位置
３１ｂ 回転体
３１１ｃ、３１２ｃ 回転体
３１１ｄ 繰り出しリール
３１２ｄ 巻き取りリール
３１３ｄ 案内ローラ
ｅ１、ｅ２ 成膜部
Ｖ ゲート弁
ｅ３ 物品搬入室
ｅ４ 物品搬出室

Claims (7)

1. カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカソード材料を含むプラズマを発生させ、該イオン化したカソード材料を被成膜物品へ飛翔させて該物品上に膜形成するアーク式イオンプレーティングによる成膜方法であり、該カソード材料として２種以上の元素を含むカソード材料を採用し、膜形成にあたって、該カソードのアーク走行面と正規成膜位置の被成膜物品間の成膜距離を１５０ｍｍ以上３５０ｍｍ以下に設定し、真空アーク放電を成膜用ガス雰囲気において行わせ、且つ、成膜ガス圧を４Ｐａ〜７Ｐａの範囲に設定し、前記プラズマ生成領域に磁場を印加し、該磁場は、該カソードアーク走行面位置で該アーク走行面の法線となす角度が３０°以下である磁力線からなる磁場とすることを特徴とする成膜方法。
2. 前記カソード材料は、構成元素として、２種以上の元素を含んでいるとともに、銀、銅、アルミニウム、鉄、マンガン及びシリコンから選ばれた少なくとも１種類以上の元素を含んでいる請求項１記載の成膜方法。
3. 前記成膜用ガスは、窒素含有ガス、酸素含有ガス、炭化水素系ガスより選ばれた１種以上のガスを含むガスである請求項１又は２記載の成膜方法。
4. カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化したカソード材料を含むプラズマを発生させる蒸発源と、該蒸発源が連通接続され、内部に被成膜物品支持装置が設けられた真空容器と、該真空容器内を排気減圧する排気装置と、該真空容器内へガスを供給して前記カソードのアーク走行面を含む領域を該ガス雰囲気におくガス供給装置と、該真空容器内の成膜ガス圧を制御する成膜ガス圧制御装置とを備え、
   前記蒸発源は２種以上の元素を含むカソード材料からなるカソード及び磁場形成装置を含んでおり、
   前記被成膜物品支持装置は被成膜物品を支持して該物品を正規の成膜位置に且つ前記カソードのアーク走行面からの成膜距離が１５０ｍｍ以上３５０ｍｍ以下の範囲となる位置に配置するものであり、
   前記磁場形成装置は前記カソードのアーク走行面位置で該アーク走行面の法線となす角度が３０°以下である磁力線からなる磁場を前記プラズマの生成領域に印加するものであり、
   前記ガス供給装置は前記真空容器内に成膜用ガスを供給するものであり、
   前記成膜ガス圧制御装置は該真空容器内の成膜ガス圧を４Ｐａ〜７Ｐａの範囲に制御するものであることを特徴とするアーク式イオンプレーティングによる成膜装置。
5. 前記カソード材料は、構成元素として、２種以上の元素を含んでいるとともに、銀、銅、アルミニウム、鉄、マンガン及びシリコンから選ばれた少なくとも１種類以上の元素を含んでいる請求項４記載の成膜装置。
6. 前記成膜用ガスは、窒素含有ガス、酸素含有ガス、炭化水素系ガスより選ばれた１種以上のガスを含むガスである請求項４又は５記載の成膜方法。
7. 前記ガス供給装置はガス供給量を制御するマスフローコントローラを含んでおり、前記排気装置は排気速度調整機構を含んでおり、前記成膜ガス圧制御装置は前記真空容器内ガス圧を検出する圧力センサと、該圧力センサからの圧力情報に基づき、該真空容器内成膜ガス圧を４Ｐａ〜７Ｐａの範囲に設定するように、該マスフローコントローラ及び該排気速度調整機構のうち少なくとも一方を制御する圧力制御部とを含んでいる請求項４から６のいずれかに記載の成膜装置。