JP5562336B2 - アーク蒸発のためのターゲットの使用および前記使用に適したターゲットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アーク蒸発（Funkenverdampfung）によって金属酸化物被膜層および／または金属窒化物被膜層をコーティングするためのコーティング装置におけるターゲットの使用、およびアーク蒸発による金属酸化物被膜層の製造方法に関する。とりわけ、本発明は少なくとも１つの金属成分と１つのセラミック成分とを含んだターゲットの操作に関する。本発明は低融点成分としてアルミニウムを有するターゲットにとって特別な意義を有する。

陰極アーク蒸発は、工具および部品のコーティングに使用され、多様な金属被膜層と同じく、金属窒化物、金属炭化物および金属炭窒化物も蒸着される長年来確立された方法である。これらすべての使用に当たってターゲットは、低電圧かつ高電流で操作されて、ターゲット（陰極）材料が蒸発させられるアーク放電の陰極である。アーク放電操作用の最も簡易かつ安価な電源として直流電圧電源が利用される。

アーク蒸発による金属酸化物の製造にはかなり問題がある。たとえば工具または部品に酸化物被膜層を蒸着させるべく、酸素雰囲気ないし酸素含有雰囲気中で直流アーク放電を実施することは困難である。この場合、プロセスは、ターゲットに絶縁被膜層が付されるために、かろうじて制御可能となるにすぎないという危険がある。

これはターゲットに、アークが走る導電領域が狭まって、最終的にアーク放電が中絶されるに至る事態を招来する。

米国特許第５５１８５９７号明細書には、被膜層蒸着が高温で実施される酸化物被膜層の製造方法が開示されており、その際、該方法は陽極も加熱（８００℃〜１２００℃）されると共に、反応ガスが直接ターゲットに達しないことを基礎としている。高い陽極温度によって陽極の導電性が保持されて、安定したアーク操作が可能とされる。

陽極の場合と同様に、高温での陰極の操作は少なくともターゲット汚染の問題の軽減をもたらすことになろう。それゆえ、コーティング装置内でターゲットを高温で、好ましくはターゲットに使用された金属の融点を上回る温度で、操作し得るのが望ましい。

これはターゲット材料の融点上昇を実現したターゲットの使用によって達成可能であり、このことはターゲット材料の高い蒸発エンタルピーをもたらす。従来の技術において、窒化物被膜層の製造には、使用されるターゲットが金属Ｔｉも含むと共に、ターゲット融点の上昇をもたらす導電性ＴｉＮも含む技法が知られている。蒸発に当たって剥離されるＴｉＮは直接、被膜層中に組み込まれることができる。ＴｉＮは導電性材料であることから、アークは支障なくターゲット表面を移動し得ると共に、ターゲット材料の蒸発エンタルピーが高いために、ターゲット材料と“汚染”されたターゲット表面との蒸発エンタルピーの差は極小化されている。

ＴｉＡｌＮ被膜層の製造にも、融点を高めるために、チタンとアルミニウムからなると共に、ＴｉＮからなる導電性材料が添加された合金ターゲットを使用することが知られている。被膜層がさらにクロム成分も含む必要がある場合には、導電性ＣｒＮも添加されたターゲットを使用することができる。従来の技術によれば、金属ターゲットに添加される材料は２つの条件を満たしていなければならない。すなわち、材料は一方で電流を通さなければならず、同時に他方で、被着さるべき被膜層の成分でなければならない。周期表第ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ属の金属の窒化物は導電性を有するが、その他の金属の窒化物はそうではない。このことはこの技術に使用し得る材料の選択をいうまでもなく相当程度狭めることになる。したがって、上述した材料によって可能である以上にさらに融点を上昇させることは困難である。さらに、従来の技術によれば、被着さるべき被膜層がただ絶縁被膜層を含んでいるだけで、融点上昇を実現し得ないということも重大である。

しかしながら、このことは最終的に、窒化アルミニウムも酸化アルミニウムも共に導電性を有していないために、Ａｌターゲットについては、上述した融点上昇の可能性は供されていなかったとのことを意味している。それゆえ、金属成分としてただアルミニウムを含んでいるだけの非導電被膜層（たとえば、酸化物被膜層）の製造は依然として困難である。

そこで本発明の目的は、金属成分を有する非導電被膜層をアーク蒸発によって支持体に被着することのできる方法を提供することである。

本発明によれば、当該窒化物および／または酸化物が導電性をもたない金属でマトリックスが構成されるターゲットが使用される。この場合、ターゲットは従来の技術に比較して高い融点を有している。

本発明によれば、ターゲットの金属の非導電性酸化物および／または窒化物がターゲットの金属のマトリックス中に組み込まれるターゲットが使用される。

この場合、ターゲットには、巨視的に見て、ターゲットの表面は依然として導電性を有するようにして、非導電材料が添加されている。このことは非導電成分が導電性基本材料のマトリックス中に組み込まれていることによって保証されている。導電性マトリックスは本発明による使用に当たってアークがターゲットを越えて移動することを可能にする一体的な網状組織構造の表面に位置している。

好ましい実施形態によれば、ターゲットのアルミニウムマトリックスに非導電性酸化アルミニウム粒子が組み込まれたターゲットが使用される。

さらに別の好ましい実施形態によれば、酸化アルミにニウム粒子は１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下の直径を有する。この場合、非導電成分はとりわけ非常に微細な粒子としてターゲットに組み込まれているため、巨視的に見て、ターゲット融点と所要の蒸発エンタルピーは引き上げられる。さらに、アークの融解範囲は低い融解温度（たとえばアルミニウム）で限定されることが保証されている必要があろう。これにより、液体粒子放出は減少する。

好ましくは、アルミニウムマトリックス中の酸化アルミニウムの割合が７０体積％以下のターゲットが使用される。

さらに別の好ましい実施形態によれば、使用されるターゲットは粉末冶金ターゲットである。

別法として、アルミニウム中に組み込まれた酸化アルミニウム粉末からなるターゲットを使用することが可能である。

さらに別の別途実施形態によれば、ホログラフィック構造化法によって製造されたターゲットが使用され、その際、酸化アルミニウム被膜層は酸化アルミニウムの間に生ずる溝がアルミニウムで満たされるようにして構造化される。

さらに、使用されるターゲットは非導電性窒化アルミニウム粒子が組み込まれたアルミニウムマトリックスを有しているのが好ましい。

使用されるターゲット中には、基本的に第１の粒子直径を有する窒化アルミニウム粒子と、基本的に第２の粒子直径を有するアルミニウム粒子とが存在し、第１の粒子直径は第２の粒子直径よりも大きく、とりわけ第２の粒子直径の３倍以上であるのが好ましい。

さらに別の好ましい実施形態によれば、第１の粒子直径は約１２０μｍであり、第２の粒子直径は約４０μｍである。

本発明によれば、アーク蒸発による金属酸化物被膜層および／または金属窒化物被膜層の製造に使用可能なターゲットも設けられ、その際、ターゲットは金属からなるマトリックスを有し、該マトリックス中に該金属の非導電性酸化物および／または窒化物が埋封されている。

好ましくは、マトリックス中の非導電性酸化物および窒化物の割合は７０体積％以下である。

さらに別の好ましい実施形態によれば、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムの埋封されたアルミニウムマトリックスが存在する。

以下、本発明を実施例に基づき、図面を参照して詳細に説明する。

【００２７】
【図１】アーク蒸発に際してアークが「遭遇する」ような約３分の１の大きさのアルミ
ニウム粒子からなるアルミニウム環境中に埋封された、本発明によって使用される、約１２０μｍのサイズの窒化アルミニウム粒子を有するターゲットの表面を概略的に示す図である。
【図２】アルミニウム回折格子（グレーの背景）中に組み込まれた、規則的に配置され
た酸化アルミニウム島（ハッチングにより図示）を有する、ホログラフィー技法によって製造された本発明によるターゲットの一部を示す図である。
【補正対象書類名】 明細書
【補正対象項目名】 ００３１
【補正方法】 変更
【補正の内容】
【００３１】
次に、図２に関連して説明する本発明によるターゲット製造方法によれば、ホログラフィック構造化法が適用され、酸化アルミニウム被膜層は規則的な格子の形に構造化される。次いで、これによって生ずる溝にアルミニウムが満たされる。好ましくは、酸化アルミニウムはｘ，ｙの２方向に構造化されるため、規則的な酸化アルミニウム島が生じ、アルミニウム自体は回折格子としてｘ，ｙの２方向への導電性を可能にする。

本発明の実施形態を、先ず１例として、アルミニウムターゲットに基づいて説明する。アルミニウムは低融点材料である。アーク蒸発によって酸化アルミニウムを製造しようとする場合には、アルミニウムターゲットにつき、一般に使用される蒸発条件に際するターゲット汚染が重大な問題である。従来の技術による融点上昇の方法は、すでに上述したように、酸化アルミニウムが非常に優れた絶縁体を形成するために適用不能である。

本発明による方法において、ターゲットの酸化アルミニウム粒子は約５０μｍ、ただし好ましくは最大５０μｍの直径を有するかあるいは、通常の大きさのアーク直径に適合するように、この直径を大幅に上回っていてはならない。融点が高いために酸化アルミニウムは溶解せず、アルミニウム粒子は当該アルミニウムマトリックス中に埋封されている。そのため、とりわけ被膜層適用に際し、アルミニウムに比較して酸化アルミニウムの割合が多ければ多いほど、ターゲットの融点は高くなる。ただし、アルミニウム濃度が低すぎる場合には、ターゲット表面の導電率も低すぎて、安定したアーク蒸発操作は不可能であることが判明した。したがって、本実施形態においては、酸化アルミニウムの割合が７０体積％以下のターゲットが使用される。

ターゲットの製造にはさまざまな方法を使用することが可能である。第１の実施形態によれば、公知の粉末冶金法による製造を行うことができる。この場合、アルミニウムは微粉砕されて微粒粉にされ、酸化アルミニウムも微粉砕されて微粒粉にされる。

次に、図２に関連して説明する本発明によるターゲット製造方法によれば、ホログラフィック構造化法が適用され、酸化アルミニウム被膜層１は規則的な格子の形に構造化される。次いで、これによって生ずる溝２にアルミニウムが満たされる。好ましくは、酸化アルミニウムはｘ、ｙの２方向に構造化されるため、規則的な酸化アルミニウム島３が生じ、アルミニウム自体は回折格子としてｘ、ｙの２方向への導電性を可能にする。

この種の表面構造は数十ｎｍから数十μｍまでの格子周期で広い面積にわたって実現可能である。好ましくは５００ｎｍ〜２０μｍの格子周期が使用され、特に好ましくは２μｍの格子周期が使用される。

アルミニウムマトリックスおよび同マトリックス中に埋封された酸化アルミニウムに関連して上述した方法は、導電性マトリックスに埋封される限りのあらゆる電気絶縁体に適用可能である。この場合、マトリックスなる概念は、マトリックスは単に電荷を誘導して、アークスポットが常に支障なく導電表面を移動し得ることを保証しさえすればよいことから、広義に解釈されなければならない。

ＡｌＮを含んだ被膜層を被着しようとする場合には、上述した方法と同様にして、ＡｌＮを金属マトリックス中に埋封することができる。さらにまた、既述した本発明による融点上昇手段を従来の技術から公知の手段と組み合わせることも可能である。たとえば、アーク蒸発によってＴｉＡｌＮ被膜層を製造するために、金属Ｔｉ、金属Ａｌ、導電性化合物ＴｉＮおよび絶縁体ＡｌＮが成分として組み込まれたターゲットを使用することができる。

ただし、本願明細書は本発明のさらにもう１つの目的を明らかにしようとするものである。金属アルミニウム粒子を酸素で富化することは拡散障壁として作用する酸化物皮膜のせいで困難を招来することは当業者に知られている。

つまり、周知の如く、窒化アルミニウムの場合にあって窒素はアルミニウム中に数百ｎｍまで拡散する。すなわち、表面発生後のＡｌＮは十分な透過性を有するために、窒素がさらに、より深いアルミニウム域まで拡散することが可能である。これは酸化アルミニウムにあっては不可能であることが知られている。つまり、第１の、最も外側にあって、多くの場合、若干ｎｍの厚さを有するにすぎない酸化アルミニウム皮膜層がすでに、その他の酸素にとって強力な拡散障壁を形成するために、酸化がさらに深くまで進行することはない。アルミニウム鏡は光学的に安定しているということに寄与するこの事実は、ここでの論点との関連では、十分な酸化アルミニウムが生じないという不適な結果と結びついている。

上述したコーティング法の問題を回避するため、本発明の実施形態によれば、好ましくは酸化物を基本とするアルミニウム含有被膜層の製造に、アルミニウムマトリックスに埋封された微細分散窒化物とアルミニウムを含んだ粒子を含有するターゲットが使用される。この粒子により、マクロ粒子の放出をもたらす制御不能な低融点金属アルミニウムの局所的溶解を低減させるために必要なターゲットの融点上昇が達成される。こうして、アーク蒸発プロセスに際してプロセスガスとして酸素が加えられると、驚くべきことに、基本的に無窒素の酸化アルミニウム被膜層が形成されることが確認された。おそらく、ＡｌＮとＡｌは解離されて、供給された酸素と化合すると思われる。

本発明によるコーティング法により、ターゲットの所要の蒸発エンタルピーは純金属のそれより高いが、ただし複合材料のそれをぎりぎり下回っている。

本願明細書の範囲内で、当該窒化物および／または酸化物が導電性をもたない金属からなるターゲットをアーク蒸発に使用することができ、その際、これらの窒化物および／酸化物は微細な非導電粒子の形で金属マトリックス４に組込み可能であり、こうした複合材料からなる高い融点を有するターゲットによってアーク蒸発操作を実施することができ、こうして、アーク狭窄または不安定性の問題を、全面的に回避し得ないまでも、著しく低減させることができる旨述べられた。

Claims (3)

1. 金属酸化物被膜層および／または金属窒化物被膜層を製造するためのアーク蒸発式コーティング方法の使用に適したターゲットの製造方法であって、
   酸化アルミニウム被膜層はホログラフィック構造化法を用いて格子の形に構造化され、前記格子に生ずる溝にアルミニウムが満たされて、前記ターゲットが製造され、
   前記ターゲットの非導電性酸化アルミニウムが前記ターゲットのアルミニウムマトリックス中に組み込まれ、それにより、前記ターゲットは前記ターゲットに使用されたアルミニウムの融点よりも高い温度で操作することができ、
   前記ターゲットは前記非導電性酸化アルミニウムの粒子の組み込まれたアルミニウムマトリックスを有する、方法。
2. 前記酸化アルミニウム粒子は１００μｍ以下の直径を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記アルミニウムマトリックス中の前記酸化アルミニウムの割合は７０体積％以下である、請求項１または２に記載の方法。

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