JP2011522964A - 基板上へのコーティングの迅速な蒸着方法 - Google Patents

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Abstract

（a）カソーディック真空アーク（CVA）蒸着工程を実施することによって基板上に材料を蒸着する工程;および（b）CVA蒸着以外の、化学蒸着（CVD）工程および物理蒸着（PVD）工程の少なくとも1つを実施することによって基板上に材料を蒸着する工程を含む、基板上にコーティングを蒸着する方法を開示する。本方法においては、工程（b）において蒸着された材料の厚さが、工程（a）において蒸着された材料の厚さよりも大きい。

Description

本発明は、概して、基板上にコーティングを迅速に蒸着する方法に関する。
背景
マイクロエレクトロニクス用途やプラスチックコーティング用途を含む様々な種類の用途において、薄膜蒸着層を形成するために、通常、蒸着技術が用いられている。一用途では、ガラス、セラミック、金属、もしくはプラスチック基板上への金属化合物の蒸着は、例えば微小電気機械システム（MEMS）などのようなマイクロエレクトロニクスシステムの分野において一般的に用いられている技術である。蒸着された金属化合物の一般的な形態としては、軟質金属、例えば、アルミニウム（Al）、亜鉛（Zn）、スズ（Sn）、およびそれらの合金など、が挙げられる。別の用途において、蒸着は、携帯電話、PDA、および携帯式ゲーム機などのカバー上に均一で薄い金属コーティングを形成するために使用される。
このような蒸着技術は、主に2つのカテゴリに分類することができる。このような蒸着技術の第1のカテゴリは、化学蒸着（CVD）として知られている。CVDは、概して、化学反応によって生じる蒸着プロセスを意味する。CVDプロセスの一般的な例としては、電気蒸着（electro-deposition）、エピタクシー、および熱酸化が挙げられる。CVDの基礎をなす概念は、CVD環境において生じる直接的化学反応の結果としての固体材料の作製に存する。この反応は、通常、ガス状反応物の間で生じ、したがって、形成された固体生成物は、蒸着の厚さを制御するために予め決められた時間において、基板の表面にゆっくりと堆積して形成される。
蒸着の第二のカテゴリは、一般的に、物理蒸着（PVD）として知られている。PVDは、概して、物理的プロセスの結果として生じる固体物質の堆積を意味する。PVDプロセスの基礎をなす概念は、蒸着される材料が、直接的な物質移動を介して基板表面上へと物理的に移送されるということである。この方法の際に化学反応は生じず、蒸着される層の厚さは、CVDプロセスとは対照的に、化学反応速度論に依存しない。
（1）スパッタリングは、金属化合物を基板上に蒸着するための既知の技術であり、当該技術においては、原子、イオン、または分子が粒子衝撃によってターゲット材料（スパッタターゲットとも呼ばれる）から放出され、放出された原子または分子が、基板表面上に薄膜として蓄積する。スパッタリングは、様々な金属皮膜をウェハー上に蒸着するために最も広く使用される技術の1つとなっている。しかしながら、スパッタリングは、比較的低エネルギーの蒸着プロセスであり、その結果、放出された粒子の蒸着は不均一となり、蒸着された層内の空隙形成の原因となる。したがって、蒸着された材料は、基板表面に対する不十分な接着性、低密度、および強度の減少といった問題を抱える。この問題は、高温でスパッタリングプロセスを実施することによっていくらかは改善できるが（例えば、300℃〜700℃の操作温度）、その一方で、その結果としてエネルギーコストが高くなり、さらに、プラスチック基板などの熱の影響を受けやすい基板に対しては、当該蒸着プロセスは適さない。
（2）蒸着された層と基板表面との間の不十分な接着は、完成製品においての「チッピング」の問題につながる。
（3）スパッタリングは、基板中に不純物を導入しやすい傾向を有する。
スパッタリングに関する特定の問題は、空隙の形成を避けるために比較的高い温度が用いられるが、それにより、スパッタリングにおいて塑性変形を生じるようなプラスチック基板の使用が、不可能であるかまたは少なくとも望ましくないということである。その結果、スパッタリングによるPVDは、他のPVDプロセスと比較して比較的急速であり得るものの、上記において開示した理由により、イメージを形成するためにプラスチック基板上に金属および金属化合物を蒸着する際の使用には適さない。
プラスチック基板上への金属層の形成に関連する別の問題は、当該基板上に蒸着された金属は、比較的低い温度で蒸着される必要があり、さもなくば、プラスチック基板が溶融するか変形するであろうということである。したがって、PVD法では、用いられる金属および合金の大部分は、比較的低温で、ならびに比較的「軟質な金属」である。そのような比較的軟質な金属の例としては、アルミニウム（Al）、亜鉛（Zn）、スズ（Sn）、および銅（Cu）などの金属が挙げられる。軟質金属に関する特定の問題は、硬い表面との衝突で容易に擦り傷および変形を被る傾向があるということである。そのような表面の擦り傷および変形は、プラスチック基板上に蒸着された金属層の美観全体を損ねる。このことは、擦り傷を被りにくいであろうより硬質な金属によるプラスチック基板上への蒸着に対して著しい制限を課す。
上記に列挙した欠点に悩まされることのなく基板上にコーティングを迅速に蒸着するための方法の提供が必要とされている。
プラスチックを劣化させることなく、プラスチック基板上に、硬質材料層、例えば硬質金属など、を迅速に蒸着することを可能にする方法の提供が必要とされている。
概要
一局面により、基板上にコーティングを蒸着する方法であって、
（a）カソーディック真空アーク（CVA）蒸着工程を実施することによって基板上に材料を蒸着する工程;および
（b）CVA蒸着以外の、化学蒸着（CVD）工程および物理蒸着（PVD）工程の少なくとも1つを実施することによって基板上に材料を蒸着する工程
を含み、工程（b）において蒸着された材料の厚さが、工程（a）において蒸着された材料の厚さよりも大きい方法を提供する。
上記の方法の工程（a）におけるCVAプロセスは、フィルタードカソーディック真空アーク（FCVA）蒸着工程であってもよい。上記の方法の工程（b）におけるPVDプロセスは、スパッタリング工程であってもよい。工程（b）におけるPVDプロセスは、工程（a）のFCVAプロセスより急速に材料を蒸着させ得る。
当該方法は、さらに、後続の材料の層を形成するために、工程（a）および（b）を交互に実施する工程を含んでいてもよい。当該材料は、硬質金属、硬質金属化合物、ならびに炭素および炭素誘導体であり得る。当該硬質金属化合物は、硬質金属酸化物、硬質金属炭化物、硬質金属炭窒化物、硬質金属ケイ化物、および硬質金属ホウ化物を含むリストから選択され得る。
当該方法は、FCVA蒸着工程を実施することによって材料の第一の層を基板上に直接蒸着する工程を含み得る。有利なことに、第一のFCVA層は、基板に対して良好な接着性を有しており、熱の影響を受けやすい材料、例えばプラスチックなど、であり得る基板にとって特に有利な低い温度（すなわち、200℃未満、通常は、約50〜150℃）において適用することができる。さらに、スパッタ層は、非常にすばやく適用することができるため、FCVAの蒸着とスパッタ層を組み合わせることにより、結果として迅速にコーティングを適用することができ、これによって、コーティングが硬くないとかあるいは密でないといったような、スパッタリングのみまたは他の任意のPVDもしくはCVDプロセスによって適用されたコーティングに関連する問題が克服される。したがって、当該方法は、基板表面上に迅速に適用することが可能な、硬く密なコーティングを提供する。
一態様において、基板上にコーティングを蒸着する方法であって、
（c）フィルタード真空カソーディックアーク蒸着工程を実施することによって基板上に硬質材料の第一の層を蒸着する工程;および
（d）スパッタリング工程を実施することによって、基板上に硬質材料の第二の層を蒸着する工程
を含む方法を提供する。
別の態様において、基板上に硬質金属のコーティングを蒸着する方法であって、
（e）フィルタード真空カソーディックアーク蒸着工程を実施することによって基板上に硬質金属の第一の層を蒸着する工程;
（f）スパッタリング工程を実施することによって第一の硬質金属層上に硬質金属の第二の層を蒸着する工程;および
（g）任意で、後続の硬質金属層を形成するために工程（e）および（f）を交互に繰り返す工程
を含む方法を提供する。したがって、有利なことには、結果として得られる金属コーティングは、耐摩耗性で、外部からの衝撃に対して容易には変形または欠けの生じない硬質金属層を含む。
FCVA蒸着工程は、伝導性基板、例えば金属基板など、に負の電圧パルスを印可する工程も含み得る。当該負の電圧パルスは、約−1800V〜約−4500Vであり、約1μ秒〜約50μ秒の範囲のパルス持続時間において約1kHz〜約50kHzの周波数を有する。
各FCVAサイクルによって蒸着される材料の層は、約0.01ミクロン〜約0.2ミクロンの範囲の厚さを有し得る。
各スパッタリングサイクルによって蒸着された材料の層は、約0.1ミクロン〜約0.5ミクロンの範囲の厚さを有し得る。
別の局面により、フィルタード真空カソーディックアーク蒸着によって蒸着された少なくとも1層と、スパッタリングによって蒸着された別の層とを有するコーティングを提供する。
別の局面により、フィルタード真空カソーディックアーク蒸着によって蒸着された少なくとも1層と、スパッタリングによって蒸着された別の層とを有するコーティングを有する基板を提供する。
当該コーティングは、1層以上のナノ膜材料層で構成され得る。
添付の図面は、開示された態様を例示するものであり、開示された態様の原理について説明するために用いられる。しかしながら、図面は、例示のためだけに作られているのであって、本発明の限界を規定するものとして作られているわけではないことは理解されるべきである。
プラスチック基板上にFCVAおよびスパッタリングの両方によって形成された多層膜の金属コーティング層を示す。 金属基板上にFCVAおよびスパッタリングの両方によって形成された多層膜の金属コーティング層を示す。
定義
本明細書において使用される以下の言葉および用語は、以下に示された意味を有するものとする。
「硬質材料」なる用語は、本明細書において使用される場合、純硬質金属、硬質金属化合物、またはダイヤモンド状炭素などの、高い硬度と高い耐摩耗性を特徴とする材料を意味する。当該用語は、50mgの所定のビッカース負荷に対して500kg／mm2を超えるビッカース硬度、通常は、800kg／mm2を超える、または900kg／mm2を超える、または1,000kg／mm2を超えるビッカース硬度を有する材料を包含する。
「硬質金属」なる用語は、本明細書において使用される場合、金属、概して、Cr、Ti、またはWなどの金属を意味し、これらは、AlまたはZnなどの軟質金属と比べて比較的高い硬度と耐摩耗性を有し、ならびに50ミリグラムの所定のビッカース負荷に対して少なくとも500kg／mm2のビッカース硬度を有することを特徴とする。当該用語には2種類以上の金属も包含され得、すなわち、当該用語は、硬質金属合金も包含するということは理解されるべきである。
「硬質金属化合物」なる用語は、50ミリグラムの所定のビッカース負荷に対して1，000kg／mm2のビッカース硬度を有するような、上記において定義したような硬質金属の酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物、ケイ化物、およびホウ化物、ならびにそれらの混合物質を意味する。
「軟質材料」なる用語は、本明細書において使用される場合、例えば、純軟質金属、軟質金属化合物、またはグラファイトなどの非晶質炭素など、低硬度を特徴とする材料を意味する。当該用語は、50mgの所定のビッカース負荷に対して500kg／mm2未満のビッカース硬度を有する材料を包含する。
「軟質金属」なる用語は、本明細書において使用される場合、金属、概して、AlまたはZnなどの金属を意味し、これらは、Cr、Ti、またはWなどの硬質金属と比べて比較的低い硬度および低い耐摩耗性を有し、ならびに50ミリグラムの所定のビッカース負荷に対して500kg／mm2未満のビッカース硬度を有することを特徴とする。当該用語には2種類以上の金属も包含され得、すなわち、当該用語は、軟質金属合金も包含するということは理解されるべきである。
「軟質金属化合物」なる用語は、50ミリグラムの所定のビッカース負荷に対して500kg／mm2未満のビッカース硬度を有するような、上記において定義したような硬質金属の酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物、ケイ化物、およびホウ化物、ならびにそれらの混合物質を意味する。
「ダイヤモンド状炭素」なる用語およびその略語「DLC」は、本明細書において使用される場合、化学的にはダイヤモンドと同じであるが明確な結晶構造が存在しない硬質炭素を意味する。ダイヤモンド状炭素は、ほとんどが準安定性の非晶質材料であるが、微結晶質相を含み得る。ダイヤモンド状炭素の例としては、非晶質ダイヤモンド（a−D）、非晶質炭素（a−C）、四面体状非晶質炭素（ta−C）、およびダイヤモンド状炭化水素などが挙げられる。ta−Cは、最も好ましいダイヤモンド状炭素である。
「ナノ膜」なる用語は、約1nm〜約1ミクロン未満のナノサイズ範囲の厚さ寸法を有する膜を意味する。
「マイクロ膜」なる用語は、約1ミクロン〜約10ミクロンのマイクロサイズ範囲の厚さ寸法を有する膜を意味する。マイクロ膜は、複数のナノ膜層で構成され得ることは理解されるべきである。
「フィルタードカソーディック真空アーク」なる用語およびその略語「FCVA」は、互換性を持って使用される。FCVA蒸着を実施する方法は、国際特許公報第96／26531号において開示されており、なお、当該特許は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられるものとする。カソーディックアークビームにおいて生じるプラズマは、「フィルターにかけられ」、実質的にマクロ粒子を含有しない。
「マクロ粒子」なる用語は、本明細書の文脈においては、カソーディックアークビームにおける混入粒子を意味する。マクロ粒子は、通常、中性の電荷を有しており、プラズマのイオンおよび／または原子に比べて大きい。より典型的には、それらは、複数原子のクラスタである粒子群であり、カソーディックアーク法を用いて蒸着された膜において、光学顕微鏡により確認できる。
「スパッタリング」または「スパッタ蒸着」なる用語は、十分なエネルギーを有する粒子による衝突によって、ターゲット材料の表面から原子が放出されるメカニズムを説明する。例示的なスパッタリング蒸着は、例えば、米国特許第4,361,472号（Morrison，Jr.）および米国特許第4,963,524号（Yamazaki）により教示されている。
「実質的に」なる言葉は、「完全に」を排除するものではなく、例えば、Yを「実質的に含有しない」組成物は、Yを完全に含有しない場合もある。必要であれば、「実質的に」なる言葉は、本発明の定義から除外され得る。
そうでないことが指定されない限り、「を含む（"comprising"および"comprise"）」なる用語およびその文法上の変形は、「オープンな」または「包括的な」言語を表すことが意図され、したがって、それらは、列挙された要素を含むが、列挙されていないさらなる要素を含むことも許容される。
本明細書において使用される場合、「約」なる用語は、配合の成分の濃度に関する文脈においては、典型的には、言及された値の＋／−5％、より典型的には、言及された値の＋／−4％、より典型的には、言及された値の＋／−3％、より典型的には、言及された値の＋／−2％、さらにより典型的には、言及された値の＋／−1％、さらにより典型的には、言及された値の＋／−0.5％を意味する。
本開示を通して、ある特定の態様が、ある範囲形式において開示され得る。範囲形式での記載は、単に便宜と簡潔さのためであり、開示された範囲の領域に対する厳密な限定として解釈されるべきでないことは理解されるべきである。したがって、範囲の記載は、具体的に開示されたすべての可能な部分範囲、ならびにその範囲内の個々の数値を有すると見なされるべきである。例えば、1〜6などの範囲の記載は、具体的に開示されている部分範囲、例えば、1〜3、1〜4、1〜5、2〜4、2〜6、3〜6などの部分範囲、ならびにその範囲内の個々の数値、例えば、1、2、3、4、5、および6を有すると見なされるべきである。このことは、範囲の広さにかかわらず、適用される。
任意の態様の開示
ここで、迅速にコーティングを基板上に蒸着するための方法の例示的で非限定的な態様について開示する。
基板は、プラスチック基板、ガラス基板、セラミック基板、または金属基板であり得る。
PVDプロセスは、イオンプレーティング、熱蒸発、スパッタリング、カソーディックアーク蒸着（CAV）、およびフィルタード真空カソーディックアーク（FCVA）蒸着を含み得る。
PVDプロセスは、スパッタリングおよびPVDによって形成された複数の層で構成されたコーティングを形成するために、上記スパッタリングおよび上記FCVA蒸着プロセスを交互に、連続して、または両方を組み合わせて用いる工程をさらに含み得る。PVDプロセスは、FCVAおよびスパッタリングプロセスと組み合わせて使用するために、化学蒸着法または物理蒸着法の他の好適な形態も含み得る。
蒸着されたパターン層は、金属または金属化合物、例えば、金属炭化物、金属窒化物、金属ケイ化物、金属ホウ化物、もしくはそれらの組み合わせなどの層を、それぞれスパッタリングまたはFCVAのどちらかによって、交互に蒸着する工程を含み得る。
蒸着されたパターン層は、繰り返し層で構成され得、当該繰り返し層は、スパッタリングによって蒸着された材料の第一の層およびFCVAによって蒸着された材料の第二の層で構成され得る。当該繰り返し層は、3層以上の層を含み得る。当該繰り返し層は、必要とされる目標の厚さを達成するために所望されるように重複され得、結果として、多層配置を生じる。
イオン／原子は、スカンジウム（Sc）、チタン（Ti）、バナジウム（V）、クロム（Cr）、マンガン（Mn）、鉄（Fe）、コバルト（Co）、ニッケル（Ni）、イットリウム（Y）、ジルコニウム（Zr）、ニオブ（Nb）、モリブデン（Mo）、テクネチウム（Tc）、ルビジウム（Ru）、ロジウム（Rh）、パラジウム（Pd）、銀（Ag）、カドミウム（Cd）、ハフニウム（Hf）、タンタル（Ta）、タングステン（W）、レニウム（Re）、オスミウム（Os）、イリジウム（Ir）、白金（Pt）、金（Au）、水銀（Hg）、ラザフォージウム（Rf）、ドブニウム（Db）、シーボルギウム（Sg）、ボーリウム（Bh）、ハッシウム（Hs）、およびマイトネリウム（Mt）から成る群から選択される元素の、正電荷を有するイオン（カチオン）／原子であり得る。イオン／原子は、アルミニウム（Al）、亜鉛（Al）、銅（Cu）、鉛（Pb）、スズ（Sb）、金（Au）、銀（Ag）、マグネシウム（Mg）、アンチモン（Sb）、カドミウム（Cd）、タリウム（Tl）、ビスマス（Bi）、インジウム（In）、ガリウム（Ga）、水銀（Hg）、マンガン（Mn）、およびそれらの合金から成る群から選択された元素の、正電荷を有するイオン（カチオン）／原子でもあり得る。
蒸着材料は、50ミリグラムのビッカース負荷に対して、約500kg／mm2〜約2000kg／mm2、約500〜約1800kg／mm2、約500〜約1,500kg／mm2、約500〜約1300kg／mm2、約500〜1100kg／mm2、約500〜約1000kg／mm2、約500〜約900kg／mm2、約500〜約800kg／mm2の範囲のビッカース硬度を有し得る。有利なことに、開示される蒸着材料は、当該蒸着材料に耐摩耗性および耐久性を付与する少なくとも約1000kg／mm2のビッカース硬度を有し得る。
蒸着材料は、硬質金属化合物であり得る。当該硬質金属化合物は、硬質金属の酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物、ケイ化物、およびホウ化物、ならびに／あるいは500kg／mm2〜1,000kg／mm2以上のビッカース硬度を有するようなそれらの複合混合物を含み得る。
硬質金属化合物を形成するために使用される硬質金属は、スカンジウム（Sc）、チタン（Ti）、バナジウム（V）、クロム（Cr）、マンガン（Mn）、鉄（Fe）、コバルト（Co）、ニッケル（Ni）、イットリウム（Y）、ジルコニウム（Zr）、ニオブ（Nb）、モリブデン（Mo）、テクネチウム（Tc）、ルビジウム（Ru）、ロジウム（Rh）、パラジウム（Pd）、銀（Ag）、カドミウム（Cd）、ハフニウム（Hf）、タンタル（Ta）、タングステン（W）、レニウム（Re）、オスミウム（Os）、イリジウム（Ir）、白金（Pt）、金（Au）、水銀（Hg）、ラザフォージウム（Rf）、ドブニウム（Db）、シーボルギウム（Sg）、ボーリウム（Bh）、ハッシウム（Hs）、およびマイトネリウム（Mt）から成る群から選択され得る。
蒸着材料は、軟質金属、軟質金属化合物、および炭素のうちの1種類であり得る。一態様において、軟質金属化合物は、軟質金属酸化物、軟質金属炭化物、軟質金属窒化物、軟質金属炭窒化物、軟質金属ケイ化物、および軟質金属ホウ化物のうちの少なくとも1種類である。当該軟質金属化合物は、金属の酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物、ケイ化物、およびホウ化物、ならびに／あるいは50mgの所定のビッカース負荷に対して500kg／mm2未満、好ましくは100kg／mm2未満のビッカース硬度を有するようなそれらの複合混合物を含み得る。
軟質金属は、アルミニウム（Al）、亜鉛（Al）、銅（Cu）、鉛（Pb）、スズ（Sb）、金（Au）、銀（Ag）、マグネシウム（Mg）、アンチモン（Sb）、カドミウム（Cd）、タリウム（Tl）、ビスマス（Bi）、インジウム（In）、ガリウム（Ga）、水銀（Hg）、マンガン（Mn）、およびそれらの合金から成る群から選択され得る。
フィルタード真空カソーディック蒸着工程は、電気伝導性の基板、例えば金属など、に負の電圧パルスを印可する工程を含み得る。負の電圧パルスは、約−1800V〜約−4500V、約−2500V〜約−4500V、約−3500V〜約−4500Vの範囲であり得る。
負の電圧パルスは、約1kHz〜約50kHz、約10kHz〜約50kHz、約20kHz〜約50kHz、約30kHz〜約50kHz、約40kHz〜約50kHzの範囲の周波数を有し得る。
負の電圧パルスは、約1μ秒〜約50μ秒、約5μ秒〜約45μ秒、約10μ秒〜約40μ秒、および約15μ秒〜約35μ秒のパルス持続時間を有する。
スパッタリング工程は、FCVA工程よりも厚い材料の層を蒸着することができる。スパッタリング工程を用いて蒸着された材料の層は、FCVA工程を用いて蒸着された材料より約2〜15倍の厚さであり得る。
スパッタリング工程によって蒸着された材料層の厚さは、約0.1ミクロン〜約1ミクロン、0.1ミクロン〜約0.5ミクロン、約0.1ミクロン〜約0.2ミクロン、約0.1ミクロン〜約0.3ミクロン、約0.1ミクロン〜約0.4ミクロン約0.2ミクロン〜約0.3ミクロン、および約0.2ミクロン〜約0.4ミクロンの範囲であり得る。
FCVA工程によって蒸着される材料層の厚さは、約0.01ミクロン〜約0.2ミクロン、約0.01ミクロン〜約0.12ミクロン、約0.02ミクロン〜約0.12ミクロン、約0.04ミクロン〜約0.12ミクロンの範囲である。
図面に関する詳細な説明
ここで図1を参照すると、蒸着されたパターン層33の概略図が示されている。当該概略図は、互いに連続して交互に蒸着されているクロム（Cr）および窒化クロム（CrN）の層を示している。最も内側のCr層42は、FCVA蒸着によってプラスチック基板12の表面上に直接蒸着される。Cr層42の厚さは、通常、約0.02ミクロンである。有利なことに、これの実施において、熱の影響を受けやすいプラスチック基板は、その後に続いて実施される後続の層のスパッタリング蒸着によって生じる高温から部分的に断熱されるであろう。より有利なことに、FCVA層42は、基板表面12aに対して強い接着性を有する。さらにより有利なことに、最下層のCr層42の稠密で均一な粒子配列は、CrまたはCrNのその後の蒸着のための理想的なシーディング層（seeding layer）を提供する。次いで、下から2番目のCrN層44も、FCVA蒸着によって最も内側のCr層42の上に蒸着される。
次いで、繰り返し層45が、上記のCrN層44の上に蒸着される。図には、1つの繰り返し層45だけが示されているが、それは、単に図示における便宜のためであり、実際には、nが約2〜4の範囲である複数の「n」層の繰り返し層45が蒸着され得ることは理解されるべきである。
各繰り返し層45は、スパッタされたCrN層46（スパッタリングプロセスにより蒸着される）およびFCVA−CrN層48（FCVAプロセスにより蒸着される）で構成される。スパッタされたCrN層46の厚さは、FCVAプロセスを用いて蒸着されたCr／CrN層と比べて大幅に厚い。スパッタされたCrN層46の厚さは、通常、約0.3ミクロンであるが、連結するFCVA−CrN層は約0.04ミクロンである。有利なことに、スパッタリングによって蒸着された層とFCVAプロセスによって蒸着された層を交互に形成することにより、結果として得られるコーティング33は、高品質のFCVA蒸着と、より厚い層をスパッタリングにより蒸着することによる比較的短い蒸着時間との両方の恩恵を享有し、同時に従来のスパッタリングプロセスに関連する欠点を最少にする。さらに有利なことに、蒸着されたパターン層33は、硬質金属複合体CrNで構成され、これにより、結果として得られる蒸着されたイメージに高い耐摩耗性が付与される。
最も外側の層50は、FCVA蒸着を用いて蒸着された、光沢があり見栄えのするCr層である。有利なことに、これは、最終コーティング33に対して、艶があって光沢のある外観を与え、美観的に好ましい。これは、すべての商業用途にとってことのほか重要な局面である。
ここで図2を参照すると、金属基板表面12b上に蒸着されたパターン層33aの他の態様が示されている。パターン層33aは、スパッタされたCrN層（46a、46b、46c）が、FCVA蒸着されたCrN層（48a、48b、48c）と交互に配置されている多層化された配置を有する。最も内側のCr層42aは、FCVAプロセスを使用して同様に金属基板上に蒸着される。有利なことに、当該交互の設計は、結果として得られるパターン層が望ましい品質、例えば、良好な接着性、低い空隙率、高い強度、比較的短い蒸着時間など、を有することを確実にする。任意で、CrN層44aを最も内側の層42aの上部に隣接して蒸着してもよい。最も外側の層50aは、FCVA蒸着されたCr層であり、光沢があって美観的に好ましい仕上げを付与する。その上、最も外側の層50aは、FCVAプロセスによって蒸着されるため、外部からの衝撃にも容易には欠けを生じない。
さらに、最良の形態を含む本発明の非限定的な例ならびに比較例について、特定の実施例を参照してより詳細に説明するが、これらの実施例は、いかなる点においても本発明の範囲を限定するものとは解釈されるべきではない。
適用
開示された方法は、プラスチック基板、金属基板、ガラス基板、セラミック基板、およびプラスチック基板などの様々な基板表面上に、硬質金属および硬質金属化合物を迅速に蒸着するために使用され得る。
有利なことに、硬質材料の複数のナノ膜層コーティングを表面に適用することができる。一局面において、これらのナノ膜コーティングは、熱分解によってプラスチックを損傷することなくプラスチック基板に適用することができる。有利なことに、複数のナノ膜層を基板に適用することにより、マイクロ膜を形成することができる。
より有利なことに、基板上のナノ膜層またはマイクロ膜層は、裸眼には、接着されている表面と一体的に形成されているように見える。これは、コーティングされた物品に対して、全体的に良好な美観的魅力を提供する。有利なことに、一局面において、開示された方法により、プラスチック基板にいかなる変形も損傷も生じることなく、プラスチック基板上への硬質金属、DLC、および硬質化合物の蒸着が可能となる。
一局面において、開示された方法において、物理蒸着工程のためにスパッタリングおよびFCVAプロセスの両方を用いる。有利なことには、開示された方法は、基板の損傷もしくは変形を生じるであろう高い操作温度を必要とせずに、プラスチック基板上に硬質金属を蒸着することが可能である。さらに、FCVA蒸着層は、金属層内に実質的に空隙を有せず、したがって、より密で、より高品質のコーティングの形成が可能である。その上、硬質金属コーティングは、蒸着されたコーティングの全体的な美観を損ないかねない、外部からの衝撃によって生じる表面の擦り傷および変形に対しても抵抗性を有している。
さらに有利なことに、一局面において、開示された方法は、FCVAとの組み合わせにおいて金属コーティングの層の一部を蒸着するためにスパッタリング法を利用することにより、その結果として、蒸着時間全体を比較的短くできるという恩恵を享受する。その結果、コーティングを基板上に迅速に蒸着することができる。
スパッタリングと共に使用される場合、FCVA蒸着は、スパッタリングを単独で使用する場合よりも多くの利点を有する。具体的には、FCVAプロセスによって蒸着された薄い金属膜は、基板表面とのより良好な接着性を享受する。当該蒸着膜は、スパッタリングプロセスのみによって蒸着された膜と比べて、大幅により密に詰まっていて、稠密で、ほとんどもしくは全く空隙を有さない。
ある特定の低エネルギーPVDプロセス、例えば、スパッタリングなどは、コーティングにおいてある程度の引張応力を生じ、一方で、FCVAは、コーティングにおいてある程度の圧縮応力を生じることに注意するべきである。したがって、スパッタリングなどのPVDによって形成されたコーティングの層が、FCVAによって形成された層と交互に配置される場合、それぞれの層の引張応力および圧縮応力は、お互いに相殺されるか、あるいはコーティング全体において層の応力効果が少なくとも減じられる傾向がある。これは、結果として、コーティングの応力を減じ、基板に適用された場合に、コーティングのチッピングまたはフレーキングを生じる傾向があまりない。
当業者には、上記の開示を読めば、本発明の趣旨および範囲を逸脱しない本発明の様々な他の改変および適応が明らかとなることはあきらかであるし、そのような改変および適応はすべて、添付の請求の範囲内であることが意図される。

Claims (14)

  1. （a）カソーディック真空アーク（CVA）蒸着工程を実施することによって基板上に材料を蒸着する工程;および
    （b）CVA蒸着以外の、化学蒸着（CVD）工程および物理蒸着（PVD）工程の少なくとも1つを実施することによって基板上に材料を蒸着する工程
    を含む、基板上にコーティングを蒸着する方法であって、工程（b）において蒸着された材料の厚さが、工程（a）において蒸着された材料の厚さよりも大きい、方法。
  2. 工程（a）が、フィルタード真空カソーディックアーク蒸着（FVCA）工程を実施することによって、基板上に材料を蒸着する工程を含む、請求項1記載の方法。
  3. 工程（b）が、FVCA工程よりも急速に材料を蒸着するPVD工程を含む、請求項2記載の方法。
  4. 工程（b）が、スパッタリング工程を含む、請求項3記載の方法。
  5. 後続の層を形成するために、（a）および（b）の少なくとも1つの工程を交互に繰り返す工程をさらに含む、請求項1記載の方法。
  6. 前記材料が、硬質金属、硬質金属化合物、および炭素のうちの少なくとも1種類を含む、請求項1記載の方法。
  7. 前記硬質金属化合物が、硬質金属酸化物、硬質金属炭化物、硬質金属窒化物、硬質金属炭窒化物、硬質金属ケイ化物、および硬質金属ホウ化物のうちの少なくとも1種類である、請求項6記載の方法。
  8. 前記材料が、軟質金属、軟質金属化合物、および炭素のうちの少なくとも1種類を含む、請求項1記載の方法。
  9. 前記軟質金属化合物が、軟質金属酸化物、軟質金属炭化物、軟質金属窒化物、軟質金属炭窒化物、軟質金属ケイ化物、および軟質金属ホウ化物のうちの少なくとも1種類である、請求項8記載の方法。
  10. スパッタリング工程が、FCVA工程よりも大きな厚さ寸法を有する材料の層を蒸着する、請求項4記載の方法。
  11. スパッタリング工程が、FCVA工程によって蒸着される層の厚さ寸法の2〜10倍の厚さ寸法を有する材料の層を蒸着する、請求項10記載の方法。
  12. FCVA蒸着層が、基板上に直接蒸着される、請求項2記載の方法。
  13. スパッタリング工程が、約0.1ミクロン〜約1ミクロンの範囲の厚さの材料層を蒸着する、請求項4記載の方法。
  14. FCVA工程が、約0.01ミクロン〜約0.2ミクロンの範囲の厚さの材料層を蒸着する、請求項4記載の方法。
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