JP4413567B2

JP4413567B2 - Film forming apparatus and film forming method

Info

Publication number: JP4413567B2
Application number: JP2003326723A
Authority: JP
Inventors: 博文藤井; 正熊切; 克彦下島
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2023-09-18
Also published as: JP2004156139A

Description

本発明は、切削工具や機械部品などへの耐摩耗性コーティング処理等に使用される成膜装置及び成膜方法に関する。 The present invention relates to a film forming apparatus and a film forming method used for a wear-resistant coating treatment or the like on a cutting tool or a machine part.

切削工具や機械部品などのワークの表面に、耐摩耗性物質などをコーティングする技術として、物理的蒸着法（ＰＶＤ法）が知られている。このＰＶＤ法における真空アーク成膜法においては、成膜レートが高いことから、必然的にワークへの入熱が多く、温度が上がりやすくなる。そのため、ワーク（基板）を冷却する技術が必要であった。
この種のワーク冷却装置として、ワークを搭載するステージの内部に、冷却配管を設けてワークを冷却するもの（特許文献１参照）や、ワークを搭載するトレーを介した伝熱手段でワークを冷却するもの（特許文献２参照）が公知である。 A physical vapor deposition method (PVD method) is known as a technique for coating the surface of a workpiece such as a cutting tool or a machine part with a wear-resistant material. In the vacuum arc film-forming method in this PVD method, since the film-forming rate is high, there is inevitably a large amount of heat input to the workpiece, and the temperature tends to rise. Therefore, a technique for cooling the workpiece (substrate) is necessary.
As this kind of work cooling device, the work is cooled by a heat transfer means through a cooling pipe provided in the stage on which the work is mounted (see Patent Document 1) or through a tray on which the work is mounted. What to do (see Patent Document 2) is known.

また、真空室内に保持された被処理基板の成膜処理を行う装置であって、前記真空室内に、公転軸を中心に回転自在のホルダ保持部と、前記ホルダ保持部により前記公転軸の周囲に保持され、自転軸を中心に回転自在の基板ホルダと、前記ホルダ保持部および基板ホルダを回転駆動するための回転駆動部と、前記基板ホルダにより保持される被処理基板を冷却するための冷却部とを備えた成膜装置も公知であった（特許文献３参照）。
特開平８−２６２２５０号公報特開２００１−２２６７７１号公報特開２００２−１２４４７１号公報 An apparatus for performing a film forming process on a substrate to be processed held in a vacuum chamber, wherein the vacuum chamber has a holder holding portion rotatable around a revolution shaft, and the holder holding portion surrounds the revolution shaft. And a substrate holder that is rotatable about a rotation axis, a rotation driving unit for rotationally driving the holder holding unit and the substrate holder, and cooling for cooling the substrate to be processed held by the substrate holder. A film forming apparatus provided with a section is also known (see Patent Document 3).
JP-A-8-262250 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-226771 JP 2002-124471 A

前記従来のワーク冷却装置は、何れも平板状のワークの一外表面からワークを冷却するものであるから、ワークが平板状のものに対しては有効であるが、切削工具や機械部品又は自動車部品など複雑な形状をしたワークや、冷却面に対して所定の厚み（高さ）を有する大きな体積を有するワークに対しては、効果的に冷却できないものであった。
そこで、本発明は、大きな体積を有するワークに対して効果的に冷却することができる成膜装置及び成膜方法を提供することを目的とする。 Any of the conventional work cooling devices cools a work from one outer surface of a flat work, and thus is effective for a work having a flat work, but a cutting tool, a machine part, or an automobile. It cannot effectively cool a workpiece having a complicated shape such as a part or a workpiece having a large volume having a predetermined thickness (height) with respect to the cooling surface.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a film forming apparatus and a film forming method that can effectively cool a workpiece having a large volume.

前記目的を達成するため、本発明は、次の手段を講じた。
即ち、本発明の特徴とするところは、真空チャンバ内に、ワークに被膜を形成するための蒸発源と該ワークを冷却するための冷却装置とを有した成膜装置において、前記ワークは、開口部を介して外部に連通する筒状の内部空間を有し、前記冷却装置は、内部に冷却媒体を流す筒状の冷媒容器を有し、前記ワークと前記冷媒容器との間に隙間を空けた状態で、前記ワークの開口部から内部空間へ挿脱自在とされて該ワークを内部から冷却するように構成され、前記ワークを着脱自在に保持するワーク保持装置を有し、前記ワーク保持装置は、前記内部空間の軸心である自転軸回りにワークを自転させる自転テーブルと、前記自転テーブルに保持された前記ワークを公転させる公転テーブルとを有し、前記冷媒容器は、前記公転テーブルによるワークの公転に追従して移動するが、前記自転テーブルによるワークの自転には追従しないように設けられている点にある。 In order to achieve the above object, the present invention has taken the following measures.
That is, a feature of the present invention is that in a film forming apparatus having an evaporation source for forming a film on a work and a cooling device for cooling the work in a vacuum chamber, the work has an opening. The cooling device has a cylindrical refrigerant container that allows a cooling medium to flow inside, and a gap is provided between the workpiece and the refrigerant container. A workpiece holding device configured to be detachably inserted into an internal space from the opening of the workpiece and cooled from the inside, and to hold the workpiece detachably, the workpiece holding device Includes a rotation table that rotates a workpiece around a rotation axis that is an axis of the internal space, and a revolution table that revolves the workpiece held by the rotation table, and the refrigerant container is formed by the rotation table. Moves following the revolution of over click, but the rotation of the workpiece by the rotating table lies in is provided so as not to follow.

前記構成の本発明によれば、ワークの内部空間より当該ワークを冷却するので、筒状体などの大きな容積を有するワークを効果的に冷却することができる。
前記冷媒容器は、前記公転テーブルに設けられているのが好ましい。
前記真空チャンバは底部を有し、該底部に前記公転テーブルが公転軸を縦軸姿勢として設けられ、該公転テーブルの上面に前記自転テーブルが公転軸を中心とする同心円周上に周方向等間隔を有して設けられ、前記冷媒容器は、前記自転軸心部に設けられているのが好ましい。 According to the present invention having the above-described configuration, since the work is cooled from the internal space of the work, a work having a large volume such as a cylindrical body can be effectively cooled.
It is preferable that the refrigerant container is provided on the revolving table.
The vacuum chamber has a bottom, and the revolving table is provided on the bottom with a revolving axis as a vertical axis, and the revolving table is equidistantly arranged on the upper surface of the revolving table on a concentric circle centering on the revolving axis. It is preferable that the refrigerant container is provided on the rotation shaft center portion.

また、本発明の成膜方法の特徴とするところは、真空チャンバ内に、開口部を介して外部に連通する筒状のワークに被膜を形成するための蒸発源と該ワークを冷却するための冷却装置とを有した成膜装置を用いて、前記ワークに成膜する方法であって、前記冷却装置の冷媒容器を前記ワークの内部空間に前記ワークとの間に隙間を空けた状態で挿脱自在に挿入し、前記ワークを、内部空間の軸心である自転軸回りに自転させると共に、前記自転軸とは別に設けられた公転軸周りに公転させ、前記冷媒容器を、前記ワークの自転に追従せず且つ前記ワークの公転に追従するように移動させながら該ワークの内部から該ワークを冷却しつつ該ワークの外周面に成膜を行う点にある。 Further, the film forming method of the present invention is characterized in that an evaporation source for forming a film on a cylindrical workpiece communicating with the outside through an opening in a vacuum chamber and a cooling device for cooling the workpiece. A method of forming a film on the work using a film forming apparatus having a cooling device, wherein the refrigerant container of the cooling device is inserted into the internal space of the work with a gap between the work and the work. The work piece is removably inserted, and the work is rotated about a rotation axis that is an axis of an internal space, and revolves around a rotation axis provided separately from the rotation axis, and the refrigerant container is rotated about the rotation of the work. The film is formed on the outer peripheral surface of the work while cooling the work from the inside of the work while moving so as to follow the revolution of the work.

本発明によれば、大きな体積を有するワークを効果的に冷却することができる。 According to the present invention, a workpiece having a large volume can be effectively cooled.

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
図１、２において示すものは、参考例として示す真空アーク成膜装置である。この成膜装置は、真空チャンバ１を有し、該チャンバ１内に、挿脱自在に装着されたワーク２に被膜を形成するための蒸発源３と、該ワーク２を冷却するための冷却装置４とを有する。
この真空チャンバ１は、底部５と天井部６と周壁部７とを有する密閉容器であり、前記周壁部７は、縦軸心を有する円筒状に形成されている。真空チャンバ１には、排気管８が接続され、該排気管８に真空ポンプ（図示省略）が接続されて、真空チャンバ１内部は減圧される。真空チャンバ１には、ガス供給管９の一つ又は複数が接続され、不活性ガスや反応ガス（プロセスガス）が真空チャンバ１内へ供給される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 and 2 show a vacuum arc film forming apparatus shown as a reference example . The film forming apparatus includes a vacuum chamber 1, an evaporation source 3 for forming a film on a work 2 that is detachably mounted in the chamber 1, and a cooling device for cooling the work 2. 4.
The vacuum chamber 1 is a sealed container having a bottom part 5, a ceiling part 6, and a peripheral wall part 7, and the peripheral wall part 7 is formed in a cylindrical shape having a vertical axis. An exhaust pipe 8 is connected to the vacuum chamber 1, and a vacuum pump (not shown) is connected to the exhaust pipe 8 so that the inside of the vacuum chamber 1 is decompressed. One or a plurality of gas supply pipes 9 are connected to the vacuum chamber 1, and an inert gas or a reactive gas (process gas) is supplied into the vacuum chamber 1.

前記真空チャンバ１内に設けられる前記蒸発源３は、この参考例においては成膜材料をロッド形に形成してなるもので、真空チャンバ１の軸心部分に上下方向に沿って配置されている。
真空チャンバ１には、ワーク２を保持するためのワーク保持装置１０が設けられている。この保持装置１０は、チャンバ１の底部５に、該チャンバ１の軸心と同心円上に周方向等間隔を有して複数配置された自転テーブル１１を有する。各自転テーブル１１は、その上面にワーク２を載置するように構成されている。この自転テーブル１１は、この参考例においては円盤状で該円盤の下面の中心に自転軸１２が縦軸心となるように固定され、該自転軸１２がチャンバ１の底部５に回転自在に支持されている。 The evaporation source 3 provided in the vacuum chamber 1 is formed by forming a film-forming material in a rod shape in this reference example, and is disposed along the vertical direction in the axial center portion of the vacuum chamber 1. .
The vacuum chamber 1 is provided with a work holding device 10 for holding the work 2. The holding device 10 has a plurality of rotation tables 11 arranged on the bottom portion 5 of the chamber 1 on the concentric circle with the axial center of the chamber 1 at equal intervals in the circumferential direction. Each rotation table 11 is configured to place the workpiece 2 on the upper surface thereof. In this reference example, the rotation table 11 has a disk shape and is fixed to the center of the lower surface of the disk so that the rotation shaft 12 is centered on the vertical axis, and the rotation shaft 12 is rotatably supported on the bottom 5 of the chamber 1. Has been.

この自転軸１２は、駆動手段１３によって回転自在とされている。この駆動手段１３は、真空チャンバ１の外部に設けられ、モータにより構成されている。この参考例では、駆動手段１３は各自転軸１２毎に設けられたモータから構成されているが、一のモータによる動力を歯車伝動機構などを介して各自転軸１２に伝動するものであっても良い。
前記保持装置１０に保持されるワーク２は、開口部１４を介して外部に連通する内部空間１５を有する。ワーク２の内部空間１５は直線状軸心を有する筒状に形成されている。なお、前記冷却装置４の外周面は、筒状内部空間１５と同心状の筒状に形成されているのが好ましい。 The rotation shaft 12 is rotatable by a driving means 13. The driving means 13 is provided outside the vacuum chamber 1 and is constituted by a motor. In this reference example , the drive means 13 is composed of a motor provided for each rotation shaft 12, but the power from one motor is transmitted to each rotation shaft 12 via a gear transmission mechanism or the like. Also good.
The work 2 held by the holding device 10 has an internal space 15 that communicates with the outside through the opening 14. The internal space 15 of the workpiece 2 is formed in a cylindrical shape having a linear axis. The outer peripheral surface of the cooling device 4 is preferably formed in a cylindrical shape concentric with the cylindrical internal space 15.

この参考例では、ワーク２は両端開口の円筒体とされている。円筒体のワーク２は、その軸心が前記自転軸１２の軸心と一致するように自転テーブル１１上面に固定される。
前記真空チャンバ１内に設けられた前記冷却装置４は、前記ワーク２の開口部１４から内部空間１５へ挿脱自在とされて、該ワーク２を内部から冷却するように構成されている。冷却装置４は、内部に冷却媒体を流す冷媒容器１６を有する。この冷媒容器１６は、前記ワーク２の筒状内部空間１５に挿入される筒状に形成されている。
この参考例では、前記円筒体のワーク２の上端開口部１４から、内部空間１５へ挿脱自在となるように、前記冷媒容器１６は、円筒状に形成されている。そして、この円筒状冷媒容器１６は、前記各自転テーブル１１に対向して、その上方の真空チャンバ１の天井部６に上下動自在に設けられている。天井部６と冷媒容器１６間はシール部材（図示省略）でシールされている。 In this reference example , the workpiece 2 is a cylindrical body having openings at both ends. The cylindrical workpiece 2 is fixed to the upper surface of the rotation table 11 so that the axis thereof coincides with the axis of the rotation shaft 12.
The cooling device 4 provided in the vacuum chamber 1 is configured to be detachable from the opening 14 of the work 2 into the internal space 15 so as to cool the work 2 from the inside. The cooling device 4 has a refrigerant container 16 for flowing a cooling medium therein. The refrigerant container 16 is formed in a cylindrical shape that is inserted into the cylindrical internal space 15 of the workpiece 2.
In this reference example , the refrigerant container 16 is formed in a cylindrical shape so that it can be inserted into and removed from the inner space 15 from the upper end opening 14 of the cylindrical workpiece 2. The cylindrical refrigerant container 16 is provided so as to be movable up and down on the ceiling portion 6 of the vacuum chamber 1 above the rotation table 11 so as to face the rotation tables 11. The ceiling 6 and the refrigerant container 16 are sealed with a sealing member (not shown).

前記冷媒容器１６には、真空チャンバ１の外部において冷媒供給管１７と排出管１８が接続され、冷媒が冷媒容器１６内を効率よく循環するよう構成されている。冷媒としては、例えば冷却水が用いられる。
前記ワーク２の内周面と前記冷媒容器１６の外周面との隙間は、１００ｍｍ以下とされている。望ましくは３０ｍｍ以下とするのがよい。なお、完全に密着しても良いが、少し間隔を持たせた方が熱収縮を吸収できるので、より望ましい。また作業性も良い。
尚、前記成膜装置は、アーク電源１９とバイアス電源２０を有し、アーク電源１９の陰極が蒸発源３に接続され、該蒸発源３はターゲット（陰極）として構成される。アーク電源１９の陽極は真空チャンバ１に接続されている。また、ワーク２は、バイアス電源２０の陰極に接続されている。 A refrigerant supply pipe 17 and a discharge pipe 18 are connected to the refrigerant container 16 outside the vacuum chamber 1 so that the refrigerant circulates in the refrigerant container 16 efficiently. For example, cooling water is used as the refrigerant.
A gap between the inner peripheral surface of the workpiece 2 and the outer peripheral surface of the refrigerant container 16 is set to 100 mm or less. Desirably, it should be 30 mm or less. In addition, although you may adhere | attach completely, it is more desirable to give a little space | interval since a heat shrink can be absorbed. Also, workability is good.
The film forming apparatus has an arc power source 19 and a bias power source 20, the cathode of the arc power source 19 is connected to the evaporation source 3, and the evaporation source 3 is configured as a target (cathode). The anode of the arc power source 19 is connected to the vacuum chamber 1. The work 2 is connected to the cathode of the bias power source 20.

前記アーク電源１９には、火花放電用の補助陽極（図示省略）を有し、該補助陽極とターゲット３間でアークを発生させるように構成されている。
次に、前記構成の成膜装置を用いて成膜する方法を説明する。
まず円筒状ワーク２を真空チャンバ１内に挿入し、自転テーブル１１上に載置して、自転軸１２と同心状に固定する。冷却装置４の冷媒容器１６を下降させて、ワーク２の内部空間１５に挿入する。真空チャンバ１内を排気し、プロセスガスを供給してチャンバ１内を所定の減圧状態に維持する。 The arc power source 19 has an auxiliary anode (not shown) for spark discharge, and is configured to generate an arc between the auxiliary anode and the target 3.
Next, a method of forming a film using the film forming apparatus having the above configuration will be described.
First, the cylindrical workpiece 2 is inserted into the vacuum chamber 1, placed on the rotation table 11, and fixed concentrically with the rotation shaft 12. The refrigerant container 16 of the cooling device 4 is lowered and inserted into the internal space 15 of the work 2. The inside of the vacuum chamber 1 is evacuated, and a process gas is supplied to maintain the inside of the chamber 1 in a predetermined reduced pressure state.

次に、アーク電源１９を駆動して蒸発源３にアークを発生させ、蒸発源３から陰極物質を蒸発及びイオン化させる。これをプロセスガスと反応させることにより、ワーク２の表面に成膜する。
このとき、ワーク２には、バイアス電源２０が印加されている。自転テーブル１１は駆動手段１３により自転し、円筒状ワーク２は、その軸心周りに回転して、ワーク２の外周面は、蒸発源３に対して均等に対面する。また、冷媒容器１６には冷媒の冷却水が供給され、ワーク２は内部から冷却される。 Next, the arc power source 19 is driven to generate an arc in the evaporation source 3, and the cathode material is evaporated and ionized from the evaporation source 3. By reacting this with a process gas, a film is formed on the surface of the workpiece 2.
At this time, a bias power supply 20 is applied to the work 2. The rotation table 11 is rotated by the driving means 13, and the cylindrical workpiece 2 rotates around its axis, so that the outer peripheral surface of the workpiece 2 faces the evaporation source 3 evenly. Moreover, the coolant water of a refrigerant | coolant is supplied to the refrigerant | coolant container 16, and the workpiece | work 2 is cooled from the inside.

前記参考例によれば、円筒状ワーク２の内側に低温の冷媒容器１６を挿入することにより、これまで放熱にはほとんど寄与していなかったワーク２内面からの吸熱が可能となる。さらに冷媒容器１６自体がプラズマやヒータからの入熱を受けずにすむため、冷媒が十分に低温を維持し、従って、ワーク２を冷却する能力が落ちることがない。この冷却装置４により、ワーク２は、４００℃以下に維持される。
冷媒容器１６をワーク２の内部空間１５形状に合わせた円筒形状としているので、天井部６とのシール構造が容易になり、真空チャンバ１内の真空度の悪化を最小限に抑えることができる。 According to the reference example , by inserting the low-temperature refrigerant container 16 inside the cylindrical workpiece 2, it is possible to absorb heat from the inner surface of the workpiece 2 that has hardly contributed to heat dissipation. Furthermore, since the refrigerant container 16 itself does not need to receive heat input from plasma or a heater, the refrigerant maintains a sufficiently low temperature, and thus the ability to cool the workpiece 2 does not fall. The work 2 is maintained at 400 ° C. or less by the cooling device 4.
Since the refrigerant container 16 has a cylindrical shape that matches the shape of the internal space 15 of the work 2, a sealing structure with the ceiling portion 6 is facilitated, and deterioration of the degree of vacuum in the vacuum chamber 1 can be minimized.

すなわち、真空中では、熱媒体となるもの（ガスやイオン粒子）の密度が極端に低いために、物から物への熱の伝わりは、両者がある程度の面積で密着している場合（伝導伝熱）を除き、ほとんど輻射による。したがって、大気中や大気圧以上での熱媒体に接する熱交換機などで使用されるような蛇腹形式やフィン構造として面積を増やすことにはあまり意味がなく、逆に真空中で大幅に表面積を増やすことは真空度の悪化につながるため、円筒状のワーク２に対しては単純形状の円筒形の冷媒容器１６が好ましい。
また、２物体間の輻射による熱伝達速度は、両者の熱伝達に関与する面積に比例する。冷媒容器１６とワーク２内面の間隔をできるだけ狭くすることによりワーク２内面から仰ぎ見たときの冷媒容器１６の面積がより広くなり、逆に高温のワーク２内面が見える面積が減ることにより、冷却効果が高まる。 In other words, since the density of the heat medium (gas and ion particles) is extremely low in a vacuum, the heat transfer from one object to another occurs when the two are in close contact with each other (conductivity transfer). Mostly due to radiation (except heat). Therefore, it does not make much sense to increase the area as a bellows type or fin structure used in a heat exchanger that contacts a heat medium in the atmosphere or at atmospheric pressure or higher, and conversely increases the surface area significantly in a vacuum. Since this leads to deterioration of the degree of vacuum, a simple cylindrical refrigerant container 16 is preferable for the cylindrical workpiece 2.
Moreover, the heat transfer rate by radiation between two objects is proportional to the area involved in heat transfer between the two objects. By reducing the distance between the refrigerant container 16 and the inner surface of the work 2 as much as possible, the area of the refrigerant container 16 when viewed from the inner surface of the work 2 is increased, and conversely, the area where the inner surface of the high-temperature work 2 can be seen is reduced. Increases effectiveness.

両者間の距離がゼロ、即ち、接触した場合は、より冷却効果の高い伝導伝熱による冷却が期待できるが、伝導伝熱による顕著な冷却作用は、両者が０．５〜１０ＭＰａの圧力で押しつけられている場合に得られることが知られており、これが実現できるのはやや特殊なケースである。実際の操業上は、ワーク２と冷媒容器１６を簡単に着脱する必要がある場合が多く、例えば、５００ｍｍ程度の長さのワーク２であれば、少なくとも５ｍｍ程度の隙間を設けておく方が作業性は良いし、それで十分な冷却効果が得られる。
なお、ワーク２を自転テーブル１１に固定することなく、単に載置するのみとし、冷媒容器１６によりその転倒を防止するように構成しても良い。この場合、冷媒容器１６は、ワーク保持治具として機能する。 When the distance between the two is zero, that is, when they are in contact with each other, cooling by conduction heat transfer having a higher cooling effect can be expected, but the remarkable cooling action by conduction heat transfer is pressed by a pressure of 0.5 to 10 MPa. It is known that this can be achieved in a special case. In actual operation, it is often necessary to easily attach and detach the workpiece 2 and the refrigerant container 16. For example, in the case of the workpiece 2 having a length of about 500 mm, it is preferable to provide a gap of at least about 5 mm. It has good properties and can provide a sufficient cooling effect.
Note that the workpiece 2 may be simply placed without being fixed to the rotation table 11, and the refrigerant container 16 may be configured to prevent the overturn thereof. In this case, the refrigerant container 16 functions as a workpiece holding jig.

蒸発源３からの蒸発物質が、ワーク２に対してある特定の方向から飛来する場合、蒸発源３に面した側に厚く成膜されるが、ワーク２を自転させることにより、ワーク２を冷却しながら全周にわたって均一な膜厚に成膜することができる。
図３に示すものは、本発明の実施の形態である。
この実施の形態では、前記ワーク保持装置１０は、前記自転とは異なる方向にワーク２を移動させるように構成されている。即ち、ワーク保持装置１０は、前記自転テーブル１１とは別に、前記ワーク２を移動させる移動手段２１を有する。また、前記冷媒容器１６は、前記移動手段２１によるワーク２の移動に追従して移動するように設けられている。 When the evaporated substance from the evaporation source 3 comes from a specific direction with respect to the work 2, a thick film is formed on the side facing the evaporation source 3, but the work 2 is cooled by rotating the work 2. However, it is possible to form a film with a uniform thickness over the entire circumference.
What is shown in FIG. 3 is an embodiment of the present invention.
In this embodiment, the workpiece holding device 10 is configured to move the workpiece 2 in a direction different from the rotation. That is, the work holding device 10 has a moving means 21 for moving the work 2 separately from the rotation table 11. The refrigerant container 16 is provided so as to move following the movement of the work 2 by the moving means 21.

即ち、ワーク保持装置１０は、移動手段２１としての公転テーブルを有し、該公転テーブル２１に前記自転テーブル１１の自転軸１２が回転自在に設けられている。公転テーブル２１は、公転軸２２を有し、この公転軸２２は、円筒状真空チャンバ１の軸心と同心状になるよう、底部５に回転自在に支持されている。公転軸２２には、太陽歯車２３が設けられ、該太陽歯車２３に遊星歯車２４が噛合し、この遊星歯車２４は前記自転軸１２に固定されている。公転軸２２は、駆動手段１３によって回転される。
蒸発源３は、前記ワーク保持手段１０を取り囲むように、前記公転軸２２の軸心と同心円周上に、周方向等間隔を有して、複数配置されている。また、蒸発源３は、上下に複数段（この実施の態様では２段）にわたって配置されている。 That is, the work holding device 10 has a revolving table as the moving means 21, and the revolving table 21 is provided with a rotation shaft 12 of the revolving table 11 so as to be rotatable. The revolution table 21 has a revolution shaft 22, and the revolution shaft 22 is rotatably supported by the bottom portion 5 so as to be concentric with the axial center of the cylindrical vacuum chamber 1. A sun gear 23 is provided on the revolution shaft 22, and a planetary gear 24 meshes with the sun gear 23, and the planetary gear 24 is fixed to the rotation shaft 12. The revolution shaft 22 is rotated by the driving means 13.
A plurality of evaporation sources 3 are arranged at equal intervals in the circumferential direction on the circumference concentric with the axis of the revolution shaft 22 so as to surround the workpiece holding means 10. Further, the evaporation source 3 is arranged in a plurality of stages (two stages in this embodiment) vertically.

冷却装置４は、前記公転軸２２と同心状に、真空チャンバ１の天井部６に回転自在に支持された冷媒容器保持部２５を有する。
この冷媒容器保持部２５に、前記冷媒容器１６が、前記自転テーブル１１と同じ位置で対向するように垂下されている。冷媒容器保持部２５の上部は、真空チャンバ１の天井部６から上方に突出し、該突出部に回転継手２６を介して冷媒供給・排出部２７が接続されている。
前記真空チャンバ１の天井部６と周壁部７、又は、周壁部７と底部５は、上下方向に相対移動自在に設けられ、両者を分離したとき、ワーク２を自転テーブル１１上に載置可能とし、両者を密閉状に接合したとき、冷媒容器１６がワーク２の内部空間１５へ挿入されるように構成されている。そして、公転軸２２と冷媒容器保持部２５とが、係脱自在に結合されて、各冷媒容器１６は、公転軸２２と同じ回転を行うよう構成されている。 The cooling device 4 includes a refrigerant container holding portion 25 that is concentrically with the revolution shaft 22 and is rotatably supported by the ceiling portion 6 of the vacuum chamber 1.
The refrigerant container 16 is suspended from the refrigerant container holding part 25 so as to face the same position as the rotation table 11. The upper part of the refrigerant container holding part 25 protrudes upward from the ceiling part 6 of the vacuum chamber 1, and a refrigerant supply / discharge part 27 is connected to the protruding part via a rotary joint 26.
The ceiling part 6 and the peripheral wall part 7 or the peripheral wall part 7 and the bottom part 5 of the vacuum chamber 1 are provided so as to be relatively movable in the vertical direction, and when the two are separated, the work 2 can be placed on the rotation table 11. The refrigerant container 16 is configured to be inserted into the internal space 15 of the workpiece 2 when both are joined in a sealed state. The revolution shaft 22 and the refrigerant container holding portion 25 are detachably coupled, and each refrigerant container 16 is configured to perform the same rotation as the revolution shaft 22.

その他の構成は、図１、２に示す参考例と同じである。
前記構成の実施の形態によれば、ワーク２は、自転すると共に公転するので、蒸発源３に対して均一に対面することになり、均一な成膜が可能となる。
このとき、冷却装置４も公転に追従して移動するので、ワーク２を効果的に冷却することができる。また冷媒の給排出を一カ所の冷媒供給・排出部２７で行うように構成されているので、配管系統が簡単になる。
図４に示すものは、他の参考例である。 Other configurations are the same as those of the reference example shown in FIGS.
According to the embodiment of the above configuration, since the work 2 rotates and revolves, the workpiece 2 faces the evaporation source 3 uniformly, and uniform film formation is possible.
At this time, since the cooling device 4 also moves following the revolution, the workpiece 2 can be effectively cooled. Further, since the refrigerant is supplied and discharged by the refrigerant supply / discharge unit 27 at one place, the piping system is simplified.
FIG. 4 shows another reference example .

冷却装置４の冷媒容器１６が、天井部６に回転自在に支持されている。冷媒容器１６は、駆動手段１３によりその軸心周りに回転自在とされている。冷媒容器１６の上端部は、回転継手２６を介して冷媒供給・排出部２７が接続されている。
ワーク保持装置１０は、冷媒容器１６の下端に設けられたワーク保持具２８と、冷媒容器１６の中途部に設けられたスペーサ２９とから構成されている。
前記ワーク保持具２８の上面に円筒状ワーク２が載置され、スペーサ２９により同心に位置合わせされる。ワーク２は、駆動手段１３により冷媒容器１６が回転し、それに伴い、ワーク２が自転するので、前記ワーク保持具２８は、自転テーブル１１と同じ機能を備えている。 A refrigerant container 16 of the cooling device 4 is rotatably supported by the ceiling portion 6. The refrigerant container 16 is rotatable around its axis by the driving means 13. A refrigerant supply / discharge unit 27 is connected to the upper end of the refrigerant container 16 via a rotary joint 26.
The workpiece holding device 10 includes a workpiece holder 28 provided at the lower end of the refrigerant container 16 and a spacer 29 provided in the middle of the refrigerant container 16.
The cylindrical workpiece 2 is placed on the upper surface of the workpiece holder 28 and is aligned concentrically by the spacer 29. The workpiece 2 is rotated by the driving means 13 and the workpiece 2 rotates along with the workpiece 2. Therefore, the workpiece holder 28 has the same function as the rotation table 11.

蒸発源３は、ワーク２の一側方に配置されている。その他の構成は、本発明の実施の形態と同じである。
図５、６に示すものは、本発明の他の実施の形態である。
この実施の形態では、冷却装置４がワーク保持装置１０に設けられている。
即ち、真空チャンバ１の底部５に、ワーク保持装置１０の公転テーブル２１の公転軸２２が真空シール絶縁３０を介して回転自在に支持されている。公転軸２２の下端は、駆動手段１３のモータにギヤを介して連動連結されている。 The evaporation source 3 is disposed on one side of the work 2. Other configurations are the same as those of the embodiment of the present invention .
5 and 6 show another embodiment of the present invention.
In this embodiment, the cooling device 4 is provided in the work holding device 10.
That is, the revolution shaft 22 of the revolution table 21 of the work holding device 10 is rotatably supported on the bottom 5 of the vacuum chamber 1 via the vacuum seal insulation 30. The lower end of the revolution shaft 22 is interlocked and connected to the motor of the driving means 13 through a gear.

前記公転テーブル２１の上面に、冷却装置４の円筒形状の冷媒容器１６が、公転軸２２の軸心と同心円上に、周方向等間隔を有して縦軸姿勢で固定されている。
この冷媒容器１６の下部に自転テーブル１１が軸受手段３１のベアリングを介して回転自在に支持されている。この自転テーブル１１の上面が、筒状ワーク２の載置面とされている。自転テーブル１１の下部に小ギヤ３２が形成されている。この小ギヤ３２に噛合する内歯を有した大ギヤ３３が、前記公転軸２２の軸心と同心状に、チャンバ１の底部５に絶縁物３４を介して設けられている。 On the upper surface of the revolving table 21, the cylindrical refrigerant container 16 of the cooling device 4 is fixed on the axis of the revolving shaft 22 concentrically with the axis of the revolving shaft 22 in the circumferential direction at equal intervals.
A rotating table 11 is rotatably supported by a lower portion of the refrigerant container 16 via a bearing of a bearing means 31. The upper surface of the rotation table 11 is a mounting surface for the cylindrical workpiece 2. A small gear 32 is formed in the lower part of the rotation table 11. A large gear 33 having internal teeth meshing with the small gear 32 is provided concentrically with the axis of the revolving shaft 22 via an insulator 34 at the bottom 5 of the chamber 1.

前記公転軸２２の下端に回転継手２６を介して冷媒供給排出部２７が設けられている。冷媒供給排出部２７から供給される冷媒は、公転軸２２及び公転テーブル２１に形成された冷媒供給路３５を通って冷媒容器１６に供給され、循環して後、公転テーブル２１及び公転軸２２に形成された冷媒排出路３６を通って冷媒供給排出部２７より排出されるように構成されている。
なお、前記公転軸２２にバイアス電源２０が接続され、自転テーブル１１上のワーク２にバイアス電源２０の陰極が印加される。 A refrigerant supply / discharge part 27 is provided at the lower end of the revolution shaft 22 via a rotary joint 26. The refrigerant supplied from the refrigerant supply / discharge unit 27 is supplied to the refrigerant container 16 through the refrigerant supply path 35 formed in the revolution shaft 22 and the revolution table 21, circulates, and then to the revolution table 21 and the revolution shaft 22. It is configured to be discharged from the refrigerant supply / discharge section 27 through the formed refrigerant discharge path 36.
A bias power source 20 is connected to the revolution shaft 22, and a cathode of the bias power source 20 is applied to the work 2 on the rotation table 11.

前記構成において、蒸発源３は公転軸心部に設けるのが好ましい。しかし、前記図３に示すようにワークの外周域に設けることができる。また、蒸発源３を中心部と外周域の両方に設けることもできる。
前記構成によれば、冷却装置４がワーク保持装置１０を兼用することになるので、ワーク２を自転テーブル１１上に載置することにより、冷却装置４も同時にセットされることになり、作業のセッチング時間が短縮される。
又この実施の形態では、ワーク２の装着が上方から行えるので、ワークの装着が容易になる。 In the above configuration, the evaporation source 3 is preferably provided at the revolution axis. However, it can be provided in the outer peripheral area of the workpiece as shown in FIG. Moreover, the evaporation source 3 can also be provided in both the central portion and the outer peripheral region.
According to the above configuration, since the cooling device 4 also serves as the work holding device 10, the cooling device 4 is set at the same time by placing the work 2 on the rotation table 11. Setting time is shortened.
In this embodiment, since the work 2 can be mounted from above, the work can be easily mounted.

ワーク保持装置１０に冷媒通路３５，３６が設けられているため、ワーク保持装置１０自体も冷却され、ワーク下端部が効果的に冷却される。
ロッド状の蒸発源３を中心に配した形態の装置では、蒸発源３の中心軸に対してチャンバ（陽極）１の構造等が厳密には軸対称とならないため、ロッド型蒸発源３から蒸発する粒子の拡散状態は周方向に均一にならず、前記図１の形態では、ワーク間で（各自転軸の間で）少なくとも数パーセント程度の膜厚のバラツキが出るが、図５に示す実施の形態では、ワーク２を自転させ且つ蒸発源３の回りに公転させるので、ワーク間の膜厚バラツキは解消される。 Since the coolant passages 35 and 36 are provided in the workpiece holding device 10, the workpiece holding device 10 itself is also cooled, and the lower end portion of the workpiece is effectively cooled.
In an apparatus having a configuration in which the rod-shaped evaporation source 3 is arranged at the center, the structure of the chamber (anode) 1 is not strictly symmetrical with respect to the central axis of the evaporation source 3. The diffusion state of the particles to be dispersed is not uniform in the circumferential direction, and in the form of FIG. 1, there is a variation in film thickness of at least several percent between workpieces (between each rotation axis). In this embodiment, since the workpiece 2 is rotated and revolved around the evaporation source 3, the film thickness variation between the workpieces is eliminated.

更に、ワーク２の駆動軸、冷却水の給排水部が１箇所で済み、真空装置にとって重要な真空シールの信頼性が向上する。また、バイアス電圧の給電機構が簡素化できる。
図７に示すものは、本発明装置で使用可能なワーク２の各種形状を示している。図７（ａ）は、リング状のピストンリングを上下方向に積層して一体化したものである。同図（ｂ）は、軸線方向に複数に分割した筒体である。このような各種ワークは、筒状体ワークとして、本発明装置に使用できる。
「参考例」
図１，２に示す装置を用いた成膜例を示す。 Furthermore, the drive shaft of the work 2 and the cooling water supply / drainage portion are only required in one place, and the reliability of the vacuum seal important for the vacuum apparatus is improved. In addition, the bias voltage feeding mechanism can be simplified.
FIG. 7 shows various shapes of the workpiece 2 that can be used in the apparatus of the present invention. FIG. 7 (a) shows a structure in which ring-shaped piston rings are stacked and integrated in the vertical direction. FIG. 2B shows a cylindrical body divided into a plurality of parts in the axial direction. Such various workpieces can be used in the apparatus of the present invention as cylindrical workpieces.
Reference example
An example of film formation using the apparatus shown in FIGS.

ワーク：外径９０ｍｍ、厚み３ｍｍ、高さ６００ｍｍの円筒体。
冷媒容器：材質はＳＵＳ、冷媒は水温２７℃の水。
成膜条件：アーク電流は、５００Ａ×２台で、１０００Ａ、バイアス電圧は１５Ｖ、ガス（窒素）圧は３Ｐａ。
を共通の条件とし、ワーク２と冷媒容器１６の隙間を変えた場合と、冷媒容器１６なしの場合のワーク２の温度を比較した。温度測定は、ワーク温度が十分に定常状態となる放電開始２時間後に行った。実験結果を表１に示す。 Workpiece: A cylindrical body having an outer diameter of 90 mm, a thickness of 3 mm, and a height of 600 mm.
Refrigerant container: The material is SUS, and the refrigerant is water with a water temperature of 27 ° C.
Film forming conditions: Arc current is 500 A × 2 units, 1000 A, bias voltage is 15 V, and gas (nitrogen) pressure is 3 Pa.
Is the common condition, and the temperature of the workpiece 2 was compared when the gap between the workpiece 2 and the refrigerant container 16 was changed and when the refrigerant container 16 was not provided. The temperature measurement was performed 2 hours after the start of discharge when the workpiece temperature was sufficiently steady. The experimental results are shown in Table 1.

表１によれば、冷媒容器なしで５００℃弱であったワーク温度が大きく下がり、隙間３０ｍｍで４００℃強、ワークと冷媒容器の隙間５ｍｍ以下とすれば、３６０℃台まで下がり、実用上十分であることが分かる。
従って、ワーク内周面と冷媒容器外周面の隙間は、１００ｍｍ以下、望ましくは、３０ｍｍ以下で、５ｍｍ以上とするのがよい。
なお、本発明は、前記実施の形態に示したものに限定されるものではなく、真空アーク成膜法に限らず、その他のＰＶＤ法に適用されるものであり、またワークの形状は円筒状物に限らず、冷却装置を挿入できる内部空間を有するものであればよい。 According to Table 1, if the workpiece temperature was slightly lower than 500 ° C. without a refrigerant container, and slightly over 400 ° C. with a gap of 30 mm, and a gap of 5 mm or less between the workpiece and the refrigerant container, it drops to the 360 ° C. range, which is practically sufficient. It turns out that it is.
Accordingly, the gap between the work inner peripheral surface and the refrigerant container outer peripheral surface is 100 mm or less, preferably 30 mm or less, and 5 mm or more.
The present invention is not limited to the one shown in the above embodiment, but is not limited to the vacuum arc film forming method, and is applicable to other PVD methods, and the shape of the workpiece is cylindrical. Not only a thing but what has an internal space which can insert a cooling device should just be used.

本発明は、切削工具や機械部品などへの耐摩耗性コーティング処理産業等において利用可能である。 The present invention can be used in the wear-resistant coating industry for cutting tools and machine parts.

図１は、参考例の成膜装置の概略側面構成図である。FIG. 1 is a schematic side view of a film forming apparatus of a reference example . 図２は、図１の平面構成図である。FIG. 2 is a plan configuration diagram of FIG. 図３は、本発明の実施の形態を示す構成図である。FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. 図４は、他の参考例の構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram of another reference example . 図５は、本発明の他の実施の形態を示す構成図である。FIG. 5 is a block diagram showing another embodiment of the present invention. 図６は、図５の上面図である。FIG. 6 is a top view of FIG. 図７は、ワークの各種形状を示す斜視図である。FIG. 7 is a perspective view showing various shapes of the workpiece.

Explanation of symbols

１真空チャンバ
２ワーク
３蒸発源
４冷却装置
１０ワーク保持装置
１１自転テーブル
１２自転軸
１４開口部
１５内部空間
１６冷媒容器
２１移動手段（公転テーブル）
２２公転軸 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum chamber 2 Work piece 3 Evaporation source 4 Cooling device 10 Work holding device 11 Rotating table 12 Rotating shaft 14 Opening part 15 Internal space 16 Refrigerant container 21 Moving means (revolving table)
22 Revolving shaft

Claims

In a film forming apparatus having an evaporation source for forming a film on a work and a cooling device for cooling the work in a vacuum chamber,
The workpiece has a cylindrical internal space communicating with the outside through an opening,
The cooling device has a cylindrical refrigerant container that allows a cooling medium to flow therein, and can be inserted into and removed from the opening of the work into the internal space with a gap between the work and the refrigerant container. And is configured to cool the workpiece from the inside ,
A work holding device for holding the work detachably;
The workpiece holding device has a rotation table that rotates a workpiece around a rotation axis that is an axis of the internal space, and a revolution table that revolves the workpiece held by the rotation table,
The film forming apparatus , wherein the refrigerant container is provided so as to move following the revolution of the workpiece by the revolution table, but not to follow the rotation of the workpiece by the rotation table .

The film forming apparatus according to claim 1, wherein the refrigerant container is provided on the revolving table.

The vacuum chamber has a bottom, and the revolving table is provided on the bottom with a revolving axis as a vertical axis, and the revolving table is equidistantly arranged on the upper surface of the revolving table on a concentric circle centering on the revolving axis. The film forming apparatus according to claim 2 , wherein the refrigerant container is provided at an axial center portion of the rotation table .

Using a film forming apparatus having an evaporation source for forming a film on a cylindrical work communicating with the outside through an opening in a vacuum chamber and a cooling device for cooling the work. A method of forming a film,
Insert the refrigerant container of the cooling device detachably into the internal space of the work in a state where there is a gap between the work,
The work is rotated about a rotation axis that is an axis of an internal space, and revolves around a revolution axis provided separately from the rotation axis,
The film is formed on the outer peripheral surface of the work while cooling the work from the inside of the work while moving the refrigerant container so as not to follow the rotation of the work and following the revolution of the work.
A film forming method characterized by the above .