JP2008045168A - 金属多層膜構造およびその成膜方法 - Google Patents

金属多層膜構造およびその成膜方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、樹脂基材上に金属多層膜を成膜するにあたって、安価な材料費で耐久性に優れた多層膜を、安全な作業環境化で短時間に歩留まり良く成膜する方法を提供することにある。
【解決手段】回転自在に支持された基材ホルダー5に成膜される樹脂基材6を取り付け、前記樹脂基材6を囲むように固定して配設された複数個のカソード3の夫々に異なる種類の金属ターゲット4を取り付け、不活性ガス雰囲気内で金属ターゲット4の夫々をスパッタして前記回転する基材ホルダー5に取り付けられた前記樹脂基材6に順次交互に成膜して金属多層膜を形成するようにした。
【選択図】図1

Description

本発明は金属多層膜構造およびその成膜方法に関するものであり、詳しくは、樹脂基材上にスパッタリング法によって成膜する金属多層膜構造およびその成膜方法に関する。
車両用灯具の基本構成は、図5に示すようにレンズカバー50とランプボディ51によって形成された灯室52内に光源バルブ53と該光源バルブ53の周囲に配置したリフレクタ54を備え、光源バルブ53からリフレクタ54方向に向かって出射された光Lをリフレクタ54で反射させてレンズカバー50を介して灯具の前方に照射するものである。
ところで、昼間の光源消灯時に上記構成の車両用灯具を前方から観視した場合、レンズカバー50を通してリフレクタ54と側方に位置するランプボディ51の間に形成される隙間55から後方に位置するランプボディ51が見え、灯具としての見栄えが著しく損なわれる。
特に、灯室内に光源バルブとリフレクタの組み合わせによる灯体を複数個備えた車両用灯具にあっては、リフレクタと側方に位置するランプボディの間に形成される隙間と共に、互いに隣接するリフレクタ間に形成される隙間からも後方に位置するランプボディが見えることになり、更に見栄えは悪くなる。
そこで、このような問題が生じないように、灯室52内の、光学系に比較的係わりの少ない領域に化粧板となるエクステンションリフレクタ56を配設し、それによって後方に位置するランプボディ51を覆い隠すことで見栄えを向上させると共に、外光を受けたエクステンションリフレクタ56を観視者に視認させることで洗練された外観デザインを印象付けるように演出される。
エクステンションリフレクタ56は、一般的には、例えば図5内に拡大図として示してあるように、樹脂基材60の上に該樹脂基材の粗面を平滑化するためのアクリル系樹脂等からなるアンダー塗装61を施して乾燥硬化させ、その上に灯具に高級感を持たせたり、灯具の外観デザインを洗練されたものとすると共に色彩的に差別化するための着色塗装62を施して乾燥硬化させ、更にその上に保護のためのトップ塗装63を施して乾燥硬化させた多層膜構造で構成される。
また、樹脂基材上に多層膜を形成するものとして、図6に示すように、ABS樹脂70上にポリエステルウレタン系のベースコート71を塗装乾燥し、その上にSiO(セラミック)膜とCu膜の夫々をスパッタリング法で交互に、または同時に成膜した金属多層膜72を形成し、更にその上にアクリルウレタン系のトップコート73を塗装乾燥して光輝多層膜を得る方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開昭62−89859号公報
しかしながら、前者の多層膜構造はアンダー塗装、着色塗装および保護膜塗装の少なくとも3つの塗装工程を経る必要があると共に、夫々の塗装工程について塗装後の乾燥硬化時間を必要とする。そのため、多層膜形成までに時間と手間がかかり、生産効率が良くないという問題を含んでいる。
また、夫々の膜形成が塗装によって行なわれるために多層膜構造の総膜厚が約20μm以上と厚くなり、その分材料費も高くなって生産コストが上昇する。
また、塗装と乾燥硬化からなる一連の塗膜工程が繰り返されることによって工程中に塵埃が塗布面に付着する度合が増し、歩留まりを低下させる可能性も考えられる。
更に、塗装には溶媒として有機溶剤が使用されるが、有機溶剤は環境面からも作業者の健康面からも使用を控えることが望ましい。
一方、後者の多層膜構造は、ベースコートおよびトップコートを塗装によって形成し、SiO膜とCu膜からなる金属多層膜をスパッタリング法によって成膜する。そのため、多層膜形成工程に塗装とスパッタリングの異種設備を設ける必要があり、生産設備に対する投資金額が大きくなる。また、異種設備間のハンドリングにより、生産効率および歩留まりの低下が生じ、設備投資と共に生産コストを上昇させる要因となる。
更に、SiO膜およびCu膜の単層の膜厚はいずれも50nm程度とスパッタリング法で成膜する膜厚としては厚く、その分成膜時間も長くなる。従って、成膜数が増えるにつれて成膜時間の増長を招き、益々生産効率を低下させることになる。
そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、樹脂基材上に金属多層膜を成膜するにあたって、安価な材料費で耐久性に優れた多層膜を、安全な作業環境下で短時間に歩留まり良く成膜する方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の請求項1に記載された発明は、樹脂基材上に2種類の金属膜を交互に成膜した金属多層膜構造であって、最も前記樹脂基材側に位置する金属膜は膜厚1nmから20nmの範囲のアルミニウム膜であり、他の金属膜は膜厚1nmから20nmの範囲の、ステンレス系材料、高耐熱金属材料、チタン系材料およびクロム系材料のうちから選ばれた1つからなる金属膜であることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項2に記載された発明は、樹脂基材上に2種類の金属膜を交互に成膜した金属多層膜構造であって、最も前記樹脂基材側に位置する金属膜は膜厚1nmから20nmの範囲の、ステンレス系材料、高耐熱金属材料、チタン系材料およびクロム系材料のうちから選ばれた1つからなる金属膜であり、他の金属膜は膜厚1nmから20nmの範囲のアルミニウム膜であることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項3に記載された発明は、請求項1または2のいずれか1項において、前記金属多層膜構造は、2層以上、100層以下の金属膜からなることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項4に記載された発明は、
回転自在に支持された基材ホルダーに少なくとも1個の樹脂基材を取り付ける工程と、
前記樹脂基材を囲むように固定して配設された複数個のカソードの夫々に異なる種類の金属ターゲットを取り付ける工程と、
少なくとも前記樹脂基材と前記金属ターゲットを収容する真空容器内に不活性ガスを導入する工程と、
前記不活性ガス雰囲気内で前記金属ターゲットの夫々をスパッタして前記回転する基材ホルダーに取り付けられた前記樹脂基材に順次交互に成膜する工程を有することを特徴とするものである。
また、本発明の請求項5に記載された発明は、請求項4において、前記不活性ガスはアルゴンガスであり、前記金属ターゲットの1つはアルミニウム材料からなり、前記金属ターゲットの1つはステンレス系材料、高耐熱金属材料、チタン系材料およびクロム系材料のうちから選ばれた1つの材料からなることを特徴とするものである。
本発明は、回転自在に支持された基材ホルダーに成膜される樹脂基材を取り付け、前記樹脂基材を囲むように固定して配設された複数個のカソードの夫々に異なる種類の金属ターゲットを取り付け、不活性ガス雰囲気内で金属ターゲットの夫々をスパッタして前記回転する基材ホルダーに取り付けられた前記樹脂基材に順次交互に成膜して金属多層膜を形成するようにした。
その結果、金属多層膜をスパッタ法のみで成膜できるために生産設備に対する投資金額が少なく抑えられ、異種設備間のハンドリング時に生じる生産効率および歩留まりの低下も回避できる。そのため生産コストを大幅に低減することができる。
また、成膜工程中に塗装工程を有しておらず、且つ全てが真空容器内での工程であるために、塗装作業およびそれに付随する乾燥硬化時間が不要であり、生産効率の向上を図ることができると共に、塵埃等の浮遊物による影響を排除でき、信頼性の高い成膜を形成することができる。それと共に、溶剤を使用しないために、作業者の健康を損なわない作業環境を確保することができる。
更に、スパッタリング法による単層の膜厚が20nm以下と薄く、多層膜の総数が増えるにつれて材料費の低減効果および成膜時間の短縮効果が増大することになる。
図1は本発明の金属多層膜構造の成膜方法で使用する成膜装置の模式図である。成膜装置1はバッチ式の直流マグネトロンスパッタ装置を使用する。成膜方法は、真空容器2に支持・固定された2台のカソード3に夫々異なる種類の金属ターゲット4を取り付け、両金属ターゲット4に対向するように回転自在に支持された基材ホルダー5に成膜される樹脂基材6を取り付ける。
そして、真空容器2内の空気を排気して所定の圧力まで減圧した後、不活性ガスを導入して真空容器内を不活性ガス雰囲気に置換する。
その後、不活性ガスイオンでスパッタされた夫々の金属ターゲット4から放出された金属原子を、回転する基材フォルダー5に取り付けられた樹脂基材6に交互に積層させることによって、樹脂基材6上に交互に成膜された2種類の金属層からなる金属多層膜を形成する。
本発明による金属多層膜の膜数は2層以上100層以下程度が好ましく、より好ましくは6層以上20層以下程度である。膜数が100層程度を超えると応力を生じ、歪み問題が発生する可能性がある。
そして、2種類の金属ターゲットのうちの一種類は、アルミニウムを90%以上含有するものであれば、高純度アルミニウムやアルミニウム合金でも構わない。一方、他の一種類はステンレスであり、例えば鉄にクロム18%、ニッケル8%を含むSUS304を代表例とし、SUS304L、SUS303、SUS316L他SUS300番系のオーステナイト系、SUS430を含むフェライト系、SUS410を含むマルテンサイト系が対象となる。なお、ステンレスの代わりに高耐熱合金のインコネル、ステライト、ハステロイ、チタン、クロム等を使用することも可能である。
以下、この発明の好適な実施形態を図2〜図4を参照しながら、詳細に説明する(同一部分については同じ符号を付す)。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。
図2は本発明の金属多層膜構造の成膜方法の成膜過程を示す図である。まず(a)のように、カソード3aにアルミニウムターゲット4aを取り付け、カソード3bにステンレス(SUS304)ターゲット4bを取り付け、回転自在に支持された基材ホルダー5に2個のPBT(ポリブチレンテレフタレート)基材6a、6bを取り付ける。
そして、各ターゲット4a、4bおよび各基材6a、6bが位置する真空容器(図示せず)内を4×10E−3Paに排気後、不活性ガスとしてAr(アルゴン)ガスを550ccmの流量で導入する。
上記Ar雰囲気中で、PBT基材6a、6bが取り付けられた基材ホルダー5を回転させてPBT基材6aの一方の端部がアルミニウムターゲット4aの一方の端部に対向する位置に達した時にアルミニウムターゲット4a側の放電を開始する。すると、放電開始時点から基材ホルダー5が回転してPBT基材6aの他方の端部がアルミニウムターゲット4aの他方の端部に対向する位置に達するまでの間、PBT基材6a上にAl(アルミニウム)膜7が成膜される。
次に(b)のように、基材ホルダー5が回転してPBT基材6aの一方の端部がステンレスターゲット4bの一方の端部に対向する位置に達した時にステンレスターゲット4b側の放電を開始する。すると、放電開始時点から基材ホルダー5が回転してPBT基材6aの他方の端部がステンレスターゲット4bの他方の端部に対向する位置に達するまでの間、PBT基材6a上に形成されたAl膜7の上に更にSUS(ステンレス)膜8が成膜される。このとき、同時にPBT基材6b上にはアルミニウムターゲット4a側の放電によってAl膜7が成膜される。
次に(c)のように、基材ホルダー5が回転してPBT基材6aがアルミニウムターゲット4aと対向する位置、および、PBT基材6bがステンレスターゲット4bと対向する位置を夫々通過するときに、PBT基材6aにAl膜7、および、PBT基材6bにSUS膜8が夫々成膜される。
更に(d)のように、基材ホルダー5が回転してPBT基材6aがステンレスターゲット4bと対向する位置、および、PBT基材6bがアルミニウムターゲット4aと対向する位置を夫々通過するときに、PBT基材6aにSUS膜8、および、PBT基材6bにAl膜7が夫々成膜される。
従って、この時点では、PBT基材6aにはPBT基材6a側から順次Al膜7、SUS膜8、Al膜7、SUS膜8からなる4層の多層膜が形成され、PBT基材6bにはPBT基材6b側から順次Al膜7、SUS膜8、Al膜7からなる3層の多層膜が形成されている。
このように、回転する基材ホルダー5に取り付けられたPBT基材6a、6bの夫々に順次Al膜およびSUS膜を交互に5層づつ成膜することによって10層の多層膜を形成した。
なお、基材ホルダー5の回転数は毎分30回転で、スパッタ時間は約10秒間であった。よって1層あたりの成膜時間は約1秒間となる。また、その間夫々のターゲットに供給する放電電力を直流20kWとした。
その結果、夫々のPBT基材6a、6bに形成された多層膜の1層あたりの膜厚は、アルミニウム膜が1.4nm、ステンレス膜が3.4nmとなり、多層膜全体の膜厚は24nmとなった。
実施例2は、基材ホルダー5の回転数を毎分30回転とし、スパッタ時間を約20秒間とした。そして、その間にAl膜およびSUS膜を交互に10層づつ成膜することによって20層の多層膜を形成した。よって1層あたりの成膜時間は約1秒間となる。また、夫々のターゲットに供給する放電電力を直流10kWとした。その他、真空容器内に導入するArガスの流量、夫々のターゲットの材料は実施例1と同様である。
その結果、夫々のPBT基材に形成された多層膜の1層あたりの膜厚は、アルミニウム膜が0.7nm、ステンレス膜が1.7nmとなり、多層膜全体の膜厚は24nmとなった。
実施例3は、基材ホルダー5の回転数を毎分15回転とし、スパッタ時間を約12秒間とした。そして、その間にAl膜およびSUS膜を交互に3層づつ成膜することによって6層の多層膜を形成した。よって1層あたりの成膜時間は約2秒間となる。また、夫々のターゲットに供給する放電電力を直流20kWとした。その他、真空容器内に導入するArガスの流量、夫々のターゲットの材料は実施例1と同様である。
その結果、夫々のPBT基材に形成された多層膜の1層あたりの膜厚は、アルミニウム膜が2.8nm、ステンレス膜が6.8nmとなり、多層膜全体の膜厚は28.8nmとなった。
実施例4は、基材ホルダー5の回転数を毎分15回転とし、スパッタ時間を約40秒間とした。そして、その間にAl膜およびSUS膜を交互に10層づつ成膜することによって20層の多層膜を形成した。よって1層あたりの成膜時間は約2秒間となる。また、アルミニウムターゲットに供給する放電電力を直流20kWとし、ステンレスターゲットに供給する放電電力を直流10kWとした。その他、真空容器内に導入するArガスの流量、夫々のターゲットの材料は実施例1と同様である。
その結果、夫々のPBT基材に形成された多層膜の1層あたりの膜厚は、アルミニウム膜が2.8nm、ステンレス膜が3.4nmとなり、多層膜全体の膜厚は62nmとなった。
なお、アルミニウムとステンレスの異なる2種類の金属ターゲットによって樹脂基材上に交互に多層膜を成膜することが可能であれば、インライン、ターンバック、クラスター方式等のバッチ式に限らず、他の方法によっても本発明の金属多層膜構造を実現することができる。
その他、比較例1としてPBT基材上に単層のアルミニウム膜を成膜したもの、比較例2としてPBT基材上に単層のステンレス(SUS304)膜を成膜したもの、比較例3としてPBT基材上に単層のクロム膜を成膜したもの、比較例4としてPBT基材上に単層のチタン膜を成膜したものを作成した。
下記表1に上述の実施例1〜4および比較例1〜4の夫々についての耐熱性試験、耐湿性試験、冷熱サイクル試験および耐アルカリ性試験の試験結果を示した。なお、試験条件および試験結果の判定基準は次の通りである。
(1)耐熱性試験
試験条件:温度160℃雰囲気中に24時間放置
判定基準(表面状態):◎印 金属光沢、○印 やや変色、△印 黄色く変色、×印 変色・ひび割れ
(2)耐湿性試験
試験条件:温度50℃、湿度98%雰囲気中に240時間放置
判定基準(表面状態):◎印 金属光沢、△印 白点、×印 全体が白化
(3)冷熱サイクル試験
試験条件:常温→温度(−40℃)→温度80℃ 湿度90%を1サイクル8時間とし、10サイクル80時間実施
判定基準(表面状態):◎印 金属光沢、△印 黄色く変色、×印 ひび割れ
(4)耐アルカリ性試験
試験条件:1%水酸化カリウム溶液に10分間浸し、その後水洗いする
判定基準(表面状態):◎印 金属光沢、○印 滴下部分がやや変色、△印 滴下部分が白化、×印 滴下部分が白化・消失
表1より、本発明の実施例1〜4は比較例1〜4に対して、特に耐熱性において大きく性能が向上していることがわかる。
図3は実施例1、比較例2、比較例3および比較例4の夫々の分光反射率を示したものである。図3より、実施例1は可視光領域全域に亘って一定した反射率を示している。そのため、金属膜を観視したときに金属調の深みのある色味を得ることができる。それに対し、ステンレス単膜からなる比較例2、クロム単膜からなる比較例3およびチタン単膜からなる比較例4は可視光領域の短波長領域で反射率が低下しており、短波長領域の色光の補色となる黄色光が強調されて意匠品に劣るものとなる。
図4は実施例1、比較例2、比較例3および比較例4の夫々を温度160℃雰囲気中に24時間放置した耐熱性試験後に金属成膜表面を金属顕微鏡で撮影した写真であり、(a)は比較例2、(b)は比較例3、(c)は比較例4、(d)は実施例1の顕微鏡写真である。図4より、金属膜の単膜からなる比較例2〜4は成膜表面にひび割れがみられるのに対し、金属多層膜構造の実施例1にはひび割れがほとんど見られない。よって、金属多層膜構造にすることによって高品質の成膜を得ることが可能となることがわかる。
以上より、本発明は真空容器に支持・固定された2台のカソードに夫々異なる種類の金属ターゲットを取り付け、両金属ターゲットに対向するように回転自在に支持された基材ホルダーに成膜される樹脂基材を取り付け、同時に放電する夫々の金属ターゲットから放出された金属原子を、回転する基材フォルダーに取り付けられた樹脂基材に交互に積層させることによって、樹脂基材上に交互に成膜された2種類の金属層からなる金属多層膜を形成するようにした。
その結果、金属多層膜をスパッタ法のみで成膜できるために生産設備に対する投資金額が少なく抑えられ、異種設備間のハンドリング時に生じる生産効率および歩留まりの低下も回避できる。そのため生産コストを大幅に低減することができる。
また、成膜工程中に塗装工程を有しておらず、且つ全てが真空容器内での工程であるために、塗装作業およびそれに付随する乾燥硬化時間が不要であり、生産効率の向上を図ることができると共に、塵埃等の浮遊物による影響を排除でき、信頼性の高い成膜を形成することができる。それと共に、溶剤を使用しないために、作業者の健康を損なわない作業環境を確保することができる。
更に、スパッタリング法による単層の膜厚が20nm以下と薄く、多層膜の総数が増えるにつれて材料費の低減効果および成膜時間の短縮効果が増大することになる。
なお、必要に応じて多層膜の成膜前に樹脂基材にアンダーコートを施すことも可能である。
本発明の金属多層膜構造は、車両用灯具のリフレクタやエクステンションリフレクタ、一般照明器具のリクレクタ、一般装飾品、機械装置等の装飾用途およびノイズカット用途等に応用可能である。
本発明に使用する成膜装置の模式図である。 本発明の成膜方法の成膜過程を示す図である。 実施例および比較例の分光反射率を示すグラフ。 実施例および比較例の耐熱性試験後の金属顕微鏡写真である。 従来の車両用灯具の断面図である。 従来の多層膜の構成図である。
符号の説明
1 成膜装置
2 真空容器
3 カソード
3a カソード
3b カソード
4 金属ターゲット
4a アルミニウムターゲット
4b ステンレスターゲット
5 基材ホルダー
6 樹脂基材
6a PBT基材
6b PBT基材
7 Al膜
8 SUS304膜

Claims (5)

  1. 樹脂基材上に2種類の金属膜を交互に成膜した金属多層膜構造であって、最も前記樹脂基材側に位置する金属膜は膜厚1nmから20nmの範囲のアルミニウム膜であり、他の金属膜は膜厚1nmから20nmの範囲の、ステンレス系材料、高耐熱金属材料、チタン系材料およびクロム系材料のうちから選ばれた1つからなる金属膜であることを特徴とする金属多層膜構造。
  2. 樹脂基材上に2種類の金属膜を交互に成膜した金属多層膜構造であって、最も前記樹脂基材側に位置する金属膜は膜厚1nmから20nmの範囲の、ステンレス系材料、高耐熱金属材料、チタン系材料およびクロム系材料のうちから選ばれた1つからなる金属膜であり、他の金属膜は膜厚1nmから20nmの範囲のアルミニウム膜であることを特徴とする金属多層膜構造。
  3. 前記金属多層膜構造は、2層以上、100層以下の金属膜からなることを特徴とする請求項1または2のいずれか1項に記載の金属多層膜構造。
  4. 回転自在に支持された基材ホルダーに少なくとも1個の樹脂基材を取り付ける工程と、
    前記樹脂基材を囲むように固定して配設された複数個のカソードの夫々に異なる種類の金属ターゲットを取り付ける工程と、
    少なくとも前記樹脂基材と前記金属ターゲットを収容する真空容器内に不活性ガスを導入する工程と、
    前記不活性ガス雰囲気内で前記金属ターゲットの夫々をスパッタして前記回転する基材ホルダーに取り付けられた前記樹脂基材に順次交互に成膜する工程を有することを特徴とする成膜方法。
  5. 前記不活性ガスはアルゴンガスであり、前記金属ターゲットの1つはアルミニウム材料からなり、前記金属ターゲットの1つはステンレス系材料、高耐熱金属材料、チタン系材料およびクロム系材料のうちから選ばれた1つの材料からなることを特徴とする請求項4に記載の成膜方法。
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