JP2016002603A

JP2016002603A - 脱膜方法及び脱膜装置

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Publication number: JP2016002603A
Application number: JP2014122203A
Authority: JP
Inventors: 龍彦相澤; Tatsuhiko Aizawa; 正俊櫻井; Masatoshi Sakurai; 英修権田; Hidenobu Gonda; 孝臣戸井原; Takaomi Doihara; 功基村澤; Koki Murasawa
Original assignee: OSG Corp; Shibaura Institute of Technology
Current assignee: OSG Corp; Shibaura Institute of Technology
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2016-01-12
Anticipated expiration: 2034-06-13
Also published as: JP6381984B2

Abstract

【課題】表面に複雑な凹凸形状を備えた基材のダイヤモンド被膜を極めて短時間で脱膜可能で、基材に与える損傷も最小限で済む加工技術を提供する。
【解決手段】表面にダイヤモンド被膜が形成されたエンドミル50を、真空チャンバ12内に設置されたホローカソード14の内部に回転自在に配置させる工程と、真空チャンバ12内に酸素ガスを充填させる工程と、真空チャンバ12内に酸素プラズマを発生させる工程と、エンドミル50をホローカソード14内で回転させながら、ホローカソード14及び回転治具16に負のバイアス電圧を印加して酸素プラズマをホローカソード14内に吸引し、ダイヤモンド被膜を除去する工程とからなる脱膜方法。
【選択図】図１

Description

この発明は、超硬合金製の工具等の表面に形成されたダイヤモンド被膜や硬質炭素被膜を除去する脱膜技術に関する。

ドリルやエンドミル等の超硬合金製工具の場合、耐摩耗性を向上させる目的で、表面の少なくとも刃部にダイヤモンド被膜や硬質炭素（DLC／Diamond-Like Carbon）被膜が形成されている。そして、工具の使用によってこれらの被膜が摩耗したり損傷したりした場合には、古い被膜を除去した上で新たな被膜を形成し直すことで、比較的高価な基材の再生が図られている。

例えば、特許文献１には、エンドミル等の表面に形成された硬質炭素被覆膜に対して硬質粉体を空気と共に噴射させることにより、硬質炭素被覆膜を脱膜する技術が開示されている。
また、特許文献２には、酸素プラズマを用いて基材の表面にコーティングされたダイヤモンド被膜等を除去する技術が開示されている。
特開２００３−２００３５０特開２０１１−１６２８５７

特許文献１の技術は、被膜の表面に硬質粉体が物理的に衝突することによって脱膜するものであるため、表面に複雑な凹凸形状を備えた基材に対しては有効ではなく、また基材に大きな損傷を与える危険性もあった。
これに対し特許文献２の場合には、酸素プラズマによる化学反応を利用して炭素系被膜を除去する方法であるため、表面に複雑な凹凸が存在する基材に対しても有効であるが、高いプラズマ密度を実現することができないため、脱膜処理に比較的長時間を要するという問題があった。

この発明は、従来の上記問題を解決するために案出されたものであり、表面に複雑な凹凸形状を備えた基材のダイヤモンド被膜や硬質炭素被膜を極めて短時間で脱膜可能で、基材に与える損傷も最小限で済む加工技術を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するため、この発明に係る脱膜方法は、表面にダイヤモンド被膜または硬質炭素被膜が形成された基材を、真空チャンバ内に設置されたホローカソードの内部に回転自在に配置させる工程と、上記真空チャンバ内に酸素を含む処理ガスを充填させる工程と、上記真空チャンバ内に酸素プラズマを発生させる工程と、上記基材を上記ホローカソード内で所定の回転速度で回転させながら、上記ホローカソード及び基材の少なくとも一方に負のバイアス電圧を印加して酸素プラズマを上記ホローカソード内に吸引し、基材表面のダイヤモンド被膜または硬質炭素被膜を除去する工程を有している。

また、この発明に係る脱膜装置は、真空チャンバと、この真空チャンバ内に配置されたホローカソードと、このホローカソード内において、表面にダイヤモンド被膜または硬質炭素被膜が形成された基材を回転自在に保持する回転治具と、上記真空チャンバ内に酸素を含む処理ガスを供給するガス供給口と、上記回転治具を所定の回転速度で回転させる回転機構と、上記真空チャンバ内に配置された一対のRF電極と、上記RF電極間に高周波電圧を印加して酸素プラズマを発生させるRF発振器と、上記基材及びホローカソードの少なくとも一方に負のバイアス電圧を印加し、酸素プラズマをホローカソード側に吸引させるバイアス電源を備えている。
上記のホローカソードは、例えば導電性を備えた金属製の円筒体よりなる。
また、ホローカソードの表面に、酸素プラズマ流通用の隙間を設けておくことが望ましい。

この発明に係る脱膜方法の場合、基材の表面がホローカソードによって取り囲まれているため、ホローカソードの内面と基材の表面との間の酸素プラズマ密度が極めて高くなり、その結果、比較的短時間での効率的な脱膜処理が実現される。
また、脱膜処理に際して、基材がホローカソード内で回転されるため、基材の表面形状が複雑な凹凸を有している場合であっても、ムラなく脱膜することが可能となる。
このように、短時間で満遍なく脱膜することができるため、基材に与える損傷を最小限に抑えることも可能となる。

この発明に係る脱膜装置を用いることにより、上記の脱膜方法を効果的に実行することが可能となる。

図１は、この発明に係る脱膜装置10の構造を示す模式図であり、真空チャンバ12と、その内部に配置されたホローカソード14と、回転治具16と、モータ18と、一対のRF電極20, 20と、ガス供給口22と、圧力センサ24と、排気口26を備えている。

上記モータ18は、真空チャンバ12の外部に配置された駆動回路28と、ケーブルを介して接続されている。
また、上記RF電極20, 20は、外部に配置されたRF発振器30に接続されている。
上記ガス供給口22は、パイプを介して外部に配置されたガス供給装置32に接続されている。
上記圧力センサ24は、ケーブルを介して外部に配置された信号処理回路34に接続されている。
上記排気口26は、パイプを介して外部に配置された真空ポンプ36に接続されている。

上記ホローカソード14は、ステンレス等の導電性金属よりなる円筒体であり、その表面には貫通孔（隙間）38が多数形成されている。各貫通孔38の直径は、例えば２ｍｍに設定されている。

真空チャンバ12の底面には、取付壁部40が垂直に立設されている。
この取付壁部40の中心付近には、貫通孔42が形成されている。

取付壁部40の一面には、ホローカソード装着部材44が形成されており、その開口部にホローカソード14の基端部が嵌合されている。この結果、ホローカソード14は、真空チャンバ12の底面に対して所定の距離を隔てて平行に配置される。

取付壁部40の他面には、回転治具装着部材46が形成されており、その開口部から回転治具16の先端部が取付壁部40の貫通孔42に回転自在に挿通され、そのままホローカソード14内に導入される。

回転治具16の先端部には、加工対象物であるエンドミル50のシャンク50aが装着固定されている。
このエンドミル50の刃部50bには、ダイヤモンドコーティングが施されている。

回転治具16の後端部には、大径プーリ52が装着固定されており、モータ18の出力軸に接続された小径プーリ54との間にベルト56が装着されている。
この結果、モータ18の回転により、回転治具16及びエンドミル50が減速された状態で回転することとなる。

回転治具16の中間部には、スリップリング58が嵌装されている。
このスリップリング58及びホローカソード14には、外部に配置されたバイアス電源60が接続されている。

真空チャンバ12の外部には、CPU及びメモリを備えた制御装置62が設置されており、ケーブルを介して上記モータの駆動回路28、RF発振器30、ガス供給装置32、信号処理回路34、真空ポンプ36、バイアス電源60と接続されている。
制御装置62は、メモリに格納されたプログラムに従い、この脱膜装置10の各部の制御を実行する。

以下において、この脱膜装置10を用いた脱膜方法について説明する。
まず、真空チャンバ12の扉64を開いて、回転治具16の先端凹部にエンドミル50のシャンク50aを装着させる。

つぎに、制御部62が真空ポンプ36を稼働させ、真空チャンバ12内の空気を外部に排出する。

つぎに、制御部62はガス供給装置32を稼働させて、酸素ガスまたは酸素とアルゴンの混合ガスを真空チャンバ12内に充填する。
この際、制御部62は圧力センサ24の信号処理回路34から出力されるデータを監視し、真空チャンバ12内の圧力を調整する。

つぎに、制御部62はRF発振器30を稼働させ、RF電極20, 20間に高周波電圧を印加すると同時に、バイアス電源60を介して回転治具16とホローカソード14に負側のバイアス電圧を印加する。
この結果、酸素プラズマが真空チャンバ12内に発生し、酸素ラジカルと酸素イオンが各貫通孔38からホローカソード14内に吸引される。
そして、エンドミル50の刃部50bに形成されたダイヤモンド被膜が酸素ラジカル及び酸素イオンと反応し、化学的に除去される。

この際、モータ18の回転によって回転治具16及びエンドミル50が回転し続けているため、エンドミル50の外周は満遍なく酸素イオンに被爆され、加工ムラが生じることがない。
因みに、回転治具16の回転速度は、５〜１０回／分に設定されている。

ホローカソード14の存在により、真空チャンバ12内のほとんどの酸素プラズマがホローカソード14内に閉じ込められた状態となり、その両端が電磁界的に閉じた状態となるため、エンドミル50の表面は高密度の酸素プラズマに暴露される。この結果、極めて高効率の加工が可能となる。
例えば、膜厚１５μｍのダイヤモンドコーティングが施されたエンドミル50の場合、約２時間で脱膜が完了する。すなわち、脱膜速度は７．５μｍ／Ｈに達しており、従来の処理方法に比べ約１０倍の効率化が実現される。

図２は、加工時におけるホローカソード14内の酸素プラズマ密度を測定した結果を示すグラフであり、メゾ圧力領域（５０〜１００Ｐａ）において、電子密度が１×１０^１７ｍ^−３以上、イオン密度も５×１０^１７ｍ^−３以上と、極めて高い密度状態にあることが読み取れる。

図３は、真空チャンバ12内に発生した酸素プラズマの核種を分析した結果を示すグラフであり、酸素ラディカル（活性化酸素原子）であるＯＩが主たる核種であることが示されている。また、酸素分子（Ｏ２）の比率が少ないこと、価数の高い酸素イオン（ＯＨ）が生成されていることも認められる。

図４は、脱膜処理前のエンドミル50と脱膜処理後のエンドミル50を比較する写真であり、脱膜処理前に認められた黒っぽいダイヤモンド被膜が、処理後にはきれいに除去されていることが示されている。

図５は、脱膜処理前のエンドミル50の表面と脱膜処理後のエンドミル50の表面を比較する拡大写真であり、脱膜処理前には「すくい面」及び「外周面」にダイヤモンド被膜が厚く（約１２μｍ）形成されている結果、「外周刃（切れ刃）」が鋭く立ち上がっている様子が看取できるが、脱膜処理後には超合金基材の表面が露出し、外周刃が鈍化している様子が看取できる。

図６は、脱膜処理前のエンドミル50と脱膜処理後のエンドミル50の表面拡大写真であり、脱膜処理前に存在したダイヤモンド結晶が脱膜処理後には完全に消失し、超合金基材の粒子が露出している様子が示されている。

図７は、脱膜処理前後における刃径減少量を測定した結果を示す表である。
脱膜処理を通じて基材工具の刃径が大きく減少すると公差から外れてしまい、再生利用ができなくなるため、脱膜による刃径の減少量は可能な限り抑える必要がある。このため、複数回の脱膜再コートを繰り返すことを前提とする場合、１回の脱膜処理における刃径減少量は１０μｍ以下に抑えることが望ましいとされている。
これに対し、この発明に係る脱膜処理方法によれば、１回の脱膜処理によって減少する刃径が何れも５μｍ程度に収まっている。

上記においては、エンドミル50の全体を覆う円筒状のホローカソード14を例示したが、エンドミル50の上半分を覆う半円筒状のホローカソードを用いることもできる。

あるいは、比較的寸法の短い円筒状のホローカソード部品を複数用意し、これらを直線状に並べて必要な寸法のホローカソードを形成することもできる。この際、各ホローカソード部品間には、酸素プラズマ流通用の隙間を２ｍｍ程度設けることが望ましい。

上記においては、超硬合金製工具の表面に形成されたダイヤモンド被膜を除去する例を示したが、この発明は硬質炭素（DLC）被膜の除去にも有効に適用可能であることはいうまでもない。

この発明に係る脱膜装置の基本構造を示す模式図である。加工時におけるホローカソード内の酸素プラズマ密度を測定した結果を示すグラフである。真空チャンバ内に発生した酸素プラズマの核種を分析した結果を示すグラフである。脱膜処理前のエンドミル表面と脱膜処理後のエンドミル表面を比較する写真である。脱膜処理前のエンドミルの表面と脱膜処理後のエンドミルの表面を比較する拡大写真である。脱膜処理前のエンドミルと脱膜処理後のエンドミルの表面拡大写真である。脱膜処理前後における刃径減少量を測定した結果を示す表である。

10 脱膜装置
12 真空チャンバ
14 ホローカソード
16 回転治具
18 モータ
20 RF電極
22 ガス供給口
24 圧力センサ
26 排気口
28 モータの駆動回路
30 RF発振器
32 ガス供給装置
34 圧力センサの信号処理回路
36 真空ポンプ
38 貫通孔
40 取付壁部
42 貫通孔
44 ホローカソード装着部材
46 回転治具装着部材
50 エンドミル
60 バイアス電源
62 制御装置

Claims

表面にダイヤモンド被膜または硬質炭素被膜が形成された基材を、真空チャンバ内に設置されたホローカソードの内部に回転自在に配置させる工程と、
上記真空チャンバ内に酸素を含む処理ガスを充填させる工程と、
上記真空チャンバ内に酸素プラズマを発生させる工程と、
上記基材を上記ホローカソード内で所定の回転速度で回転させながら、上記ホローカソード及び基材の少なくとも一方に負のバイアス電圧を印加して酸素プラズマを上記ホローカソード内に吸引し、基材表面のダイヤモンド被膜または硬質炭素被膜を除去する工程と、
を有することを特徴とする脱膜方法。
真空チャンバと、
この真空チャンバ内に配置されたホローカソードと、
このホローカソード内において、表面にダイヤモンド被膜または硬質炭素被膜が形成された基材を回転自在に保持する回転治具と、
上記真空チャンバ内に酸素を含む処理ガスを供給するガス供給口と、
上記回転治具を所定の回転速度で回転させる回転機構と、
上記真空チャンバ内に配置された一対のRF電極と、
上記RF電極間に高周波電圧を印加して酸素プラズマを発生させるRF発振器と、
上記基材及びホローカソードの少なくとも一方に負のバイアス電圧を印加し、酸素プラズマをホローカソード側に吸引させるバイアス電源と、
を備えたことを特徴とする脱膜装置。
上記ホローカソードの表面に、酸素プラズマ流通用の隙間が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の脱膜装置。