JPH02298259A - 薄膜形成方法および薄膜形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、例えば転がり軸受の転動体の表面に形成さ
れる固体潤滑膜等の薄膜を、イオンビーム照射により形
成するための薄膜形成方法と、この薄膜形成方法を実施
するために用いられる薄膜形成装置に関するものである
。

〈従来の技術と発明が解決しようとする課題〉従来、Ｘ
線発生装置、電子顕微鏡、半導体製造装置等の装置の真
空室内で使用される転がり軸受においては、潤滑剤とし
て浦やグリースを使用することが困難であるため、金、
銀、鉛等の軟質金属や、グラファイト、二硫化モリブデ
ン等の層状物質等からなる固体潤滑膜が用いられている
。

この固体潤滑膜を、転がり軸受の転動体等の表面に積層
、形成する方法としては、基体と蒸発源とを対向、配置
させた真空槽内にアルゴンガス等のガスを導入し、この
ガスに直流電力、高周波電力、マイクロ波電力等を印加
してグロー放電を発生させ、蒸発源から蒸発させた原料
物質の一部をグロー放電によってイオン化して基体表面
に堆積させる、いわゆるイオンブレーティング法が、主
として用いられている（例えば特開昭６０−１１０８７
０号公報参照）。

上記イオンブレーティング法によれば、グロー放電によ
って基体表面が活性化されると共に、イオン化した元素
は高エネルギー状態で基体表面に衝突するため、通常の
真空蒸着法による薄膜に比べて密着性の良い薄膜を得る
ことができる。

また、上記固体潤滑膜においては、特に金、銀が、転動
体を構成する鉄との溶解度が低いので、密着性をさらに
向上させる目的で、鉄に対する溶解度の高いニッケル薄
膜と、金、銀およびニッケルに対する溶解度の高い銅薄
膜とをこの順に積層し、その上に金、銀薄膜を形成した
複層の固体潤滑膜が提案されている（例えば特開昭５５
−５７７１７号公報参照）。

ところが、上記イオンブレーティング法によって形成さ
れた薄膜は、前記のように真空蒸着法によるものに比べ
れば密着性が良いが、絶えず機械的衝撃にさらされる固
体潤滑膜等の用途に用いるには、依然として密着性が不
足し、長期間の使用に耐えられないという問題がある。

この発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであって
、固体潤滑膜等の、機械的衝撃に常時さらされる用途で
の、長期間の使用に耐え得る、十分な密着性を有し、且
つ緻密な薄膜を形成するための薄膜形成方法と、この薄
膜形成方法を実施するために適した薄膜形成装置とを提
供することを目的としている。

〈課題を解決するための手段〉 上記課題を解決するための、この発明の薄膜形成方法（
以下「本発明方法」という）は、イオンビームを基体表
面に照射して、当該基体表面に薄膜を堆積させるに先立
って、照射イオンを基体中に注入し、次いで、イオンビ
ームの加速電圧を下げて、基体表面に薄膜を堆積させる
ことを特徴とし、この発明の薄膜形成装置（以下「本発
明装置」という）は、所定原料からイオンビームを発生
するイオン源と、イオンビームを加速する加速器と、加
速されたイオンビームを基体に照射する照射室とを具備
し、上記加速器によるイオンビームの加速電圧を、基体
中にイオンを注入し得る電圧範囲（以下「注入電圧範囲
」という）と、基体表面に薄膜を堆積し得る電圧範囲（
以下「堆積電圧範囲」という）との間で変化させる加速
電圧調整手段を備えることを特徴としている。

〈作用〉 上記本発明方法によれば、イオンビーム照射による薄膜
の堆積に先立ち、比較的高い加速電圧でイオンビームを
照射して、照射イオンを基体中に注入しているので、基
体の表面近傍に、薄膜を構成する元素と、基体を構成す
る元素との混合層が形成され、基体と薄膜とがこの混合
層を介して連続的に形成される。

また、本発明装置によれば、加速電圧調整手段によって
イオンビームの加速電圧を調整することにより、−イオ
ンの基体中への注入と、基体表面への堆積とを連続して
行うことができる。

〈実施例〉 以下、本発明を、装置の一実施例を表す第１図に基づい
て説明する。

同図に示す薄膜形成装置（Ａ）は、所定原料からイオン
ビーム（Ｂ）を発生させるイオン源（１）と、イオンビ
ーム（Ｂ）から所定質量以外の粒子（例えば、イオン化
していない粒子や不純物粒子）を除去する質量分離器（
２）と、質量分離後のイオンビーム（Ｂ）に必要なエネ
ルギーを付与して加速する加速器（３）と、加速された
イオンビーム（Ｂ）を照射室（５）の所定範囲に走査さ
せる走査器（４）と、基体（図示せず）を保持手段（５
１）によって保持しつつ、イオンビーム（Ｂ）を基体に
照射させる照射室■とを備えている。また、加速器（３
）には、イオンビーム（Ｂ）の加速電圧を調整する加速
電圧調整手段（６）が接続されている。

イオン源（１）は、イオンビーム（Ｂ）の元になる固体
原料を加熱、蒸発させるための蒸発源（１１）と、この
蒸発源（１１）から供給された原料蒸気をイオン化して
、イオンビーム（Ｂ）として引き出すビーム引出器（１
２）とを備えている。蒸発源（１１）としては、固体原
料の種類によって、抵抗加熱、電子ビーム加熱等が用い
られ、基体表面に複数の原料からなるＨ　ＩＩ！を形成
する場合や、それぞれ異なる原料からなる複数種の薄膜
を積層する場合には、使用する原料の数だけの蒸発源（
１１）が配置される。

また、イオン源（１）には、アルゴン、キセノン等の不
活性ガス、混合ガス、またはアシストガス等を供給する
ための、ガスボンベ（１３ａ＞と流量制御弁（１３ｂ）
とからなるガス供給系（１３）が接続されている。なお
、本発明方法は、上記ガス供給系（１３）から供給され
る不活性ガス、或いは混合ガス等のガスを全く使用せず
に、蒸発源（１１）から供給される原料蒸気のイオンビ
ームだけで実施することも、もちろん可能である。

質量分離器Ｑ）は、上記イオン源（１）から引き出され
たイオンビーム（Ｂ）に所定強度の電磁場をかけて、ビ
ームを構成する粒子の軌道を、各粒子の質量に応じて湾
曲させ、所定角度湾曲した成分のイオンビームのみを分
離器外へ取り出すことで、前記イオン化していない粒子
や不純物粒子等の、所定質量以外の粒子をイオンビーム
（Ｂ）から分離、除去するために用いられる。なお、上
記電磁石は、電磁場の強度を変更することにより、種々
の原料のイオンビーム（Ｂ）に対応し得るように構成さ
れている。

質量分離器（２）で所定質量以外の粒子が除去されたイ
オンビーム（Ｂ）は、加速器（３）において、加速電圧
調整手段（６）により設定された加速電圧に加速される
。

加速電圧調整手段（６）により設定されるイオンビーム
（Ｂ）の加速電圧は、工程初期においては、前記注入電
圧範囲（イオンの種類にもよるが、通常、数＋ＫｅＶ以
上）であり、この注入電圧範囲で所定時間経過後、前記
堆積電圧節ｖＥ（通常、数十ｅＶ以下）に下げられて所
定時間の堆積が行われるようになっている。

加速電圧調整手段（６）による加速電圧の調整は、上記
注入電圧範囲でのイオン注入後、徐々に加速電圧を下げ
て上記堆積電圧範囲にする場合や、イオン注入終了後、
直ちに堆積電圧範囲に切り替える場合等が考えられ、特
に、前者の場合には、前述した基体と薄膜との連続層に
おける、薄膜を構成する元素と、基体を構成する元素と
の分布を連続的に変化させることができ、より緻密で、
且つより密着性の良い薄膜を形成できるという利点があ
る。

なお、上記加速電圧調整手段（６）による加速電圧の調
整は、手動により行っても良く、また、タイマー等を用
いて、自動的に行っても良い。

加速器（３）で加速されたイオンビーム（Ｂ）は、走査
器（４）において、Ｘ偏向電極（４１）およびＹ偏向電
極（４２）によって偏向されることで、照射室（５）の
所定範囲に走査され、照射室（５）の保持手段（５１）
に保持された基体に照射される。

基体が転がり軸受の転動体である場合には、保持手段（
５１）としては、第２図（ａＪに示すように、内部に転
動体を収容して回転する全網製のバレル等、立体物の全
面に薄膜を形成する際に用いられる、従来公知の種々の
構造の保持手段を使用することができる。

また、第２口重）に示すように、転動体（“Ｓ）・・・
を支持するための周溝（Ｃ）を有し、微少な振動が加え
られる受は治具（５１ａ）と、図中矢印で示すように、
上記受は治具（５１ａ）上で水平方向に揺動される、受
は治具（５１ａ）とは逆電位に接続された開閉器（５１
ｂ）とを備えた保持手段（５１）を用いることもできる
。この保持手段（５１）は、受は治具（５１ａ）を振動
させると共に、開閉器（５１ｂ）を受は治具（５１ａ）
上で揺動させて、転動体同土間および転動体と受は治具
（５１ａ）との間に電荷の不均衡を発生させることで、
転動体（Ｓ）を周溝（Ｃ）上で自公転させて、転動体（
Ｓ）の全面に固体潤滑膜を形成するように構成されてい
る。

なお、これまでは、本発明方法および本発明装置につい
て、図に示した実施例に基づいてのみ説明してきたが、
本発明は、上記実施例に限定されるものではない。

例えば、上記実施例の装置には、質量分離器（２）およ
び走査器（４）が設けられていたが、これらの機器は、
この発明に必ずしも必要なものではない。

また、本発明方法を実施するための装置は、上記実施例
のものに限定されず、例えば、イオンビームを注入電圧
範囲に加速するものと、堆積電圧範囲に加速するものの
２つの加速器を備えた装置等を使用することもできる。

しかし、その場合には、装置が大掛かりになるため、本
発明方法を実施する装置としては、本発明装置に係る、
上記実施例の装置等を使用することが好ましい。

その他の部分についても同様であって、この発明の要旨
を変更しない範囲で種々の変更を施すことができる。

く具体例〉 以下に、この発明を、具体例に基づいて説明する。

（具体例１） 第１図に示す薄膜形成装置（Ａ）を使用して、装置内真
空度的Ｉ　Ｘ　１０−６ｔｏｒｒ、加速電圧１５０にｅ
Ｖの条件で、直径３．９８８７５　ｍｔａ　（５／３２
１ｎ）の鋼球に銀のイオンビームを照射し、鋼球表面に
おける銀の濃度が１０　”　〜１０２’　ａｔｏｍｓ／
ｃｕｔになるまで照射を続けた。次いで、３０分間かけ
て加速電圧を３０ｅＶまで下げた後、この加速電圧を維
持しつつ約３分間照射して、鋼球の表面に、厚み約１０
００Ａの銀製の固体潤滑膜を形成した。

（比較例１） 直流イオンブレーティング装置を使用して、到達真空度
的５　Ｘ　１０　”−６ｔｏｒｒ％導入アルゴンガス圧
力約Ｉ　Ｘ　１０−２ｔｏ、ｒｒの条件で、直径３．９
６８７５ａｓ　（５／３２１ｎ）の鋼球と蒸発源との間
に３．ＯＫＶの直流電圧を印加してグロー放電を発生さ
せ、蒸発源から銀を蒸発させて、鋼球の表面に、厚み約
ＩＱＯＯＡの銀製の固体潤滑膜を形成した。

（比較例２） ３つの蒸発源を有する直流イオンブレーティング装置を
使用して、到達真空度的５ｘｉｏ−ｓｔｏｒｒ％導入ア
ルゴンガス圧力約Ｉ　Ｘ　１０−２ｔｏｒｒの条件で、
直径３．９８８７５　ａｍ　（５７３２Ｉｎ）の鋼球と
蒸発源との間に３．ＯＫＶの直流電圧を印加してグロー
放電を発生させ、各蒸発源からニッケル、銅、銀を順次
蒸発させて、鋼球の表面に、厚み約１００へのニッケル
膜、厚み約ｔｏｏ　Ａの銅膜、厚み約１００ＯＡのＮ１
Ｍを積層し、複層型の固体潤滑膜を形成した。

（耐用試験） 上記具体例並びに比較例で製造された、表面に固体潤滑
膜を有する鋼球を、呼び番号＃　６０８ＳＴの総玉軸受
に装若し、下記条件で回転させて、固体潤滑膜の寿命を
測定した。結果を次表に示す。試験条件： 雰　　囲　　気　　温　　度・・・室温真　　　　空　
　　　度・・・ｌＸｌ０−５　ｔｏｒｒ以下回　　　転
　　　速　　　度・・・２０Ｏｒ、ｐ、ｍ。

アキシャル荷重Ｒａ−１５ｋｇ１’ ラジモ （以下余白） 上記表の結果より、具体例１の鋼球を用いた総玉軸受は
、比較例１．２のものに比べて長寿命であり、このこと
から、具体例１における固体潤滑膜は、十分な密着性を
有するものであることが判明した。

〈発明の効果〉 本発明方法は以上のように構成されており、イオンビー
ム照射による薄膜の堆積に先立って、照射イオンを基体
中に注入することにより、基体の表面近傍に、薄膜を構
成する元素と、基体を構成する元素との混合層が形成さ
れるので、基体と薄膜とは、この連続層を介して連続的
に構成、され、薄膜は、従来の薄膜よりも密着性に優れ
、且つ緻密な薄膜となる。

また、本発明装置によれば、加速電圧調整手段によって
イオンビームの加速電圧を調整することにより、イオン
の基体中への注入と、基体表面への堆積とを連続して行
うことができるので、本発明方法を実施するために好適
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例の概略を示す説明図、第
２図（Ｊ山）は、実施例の装置に用いられる基体として
の転動体を保持するための保持手段を示す斜視図である
。 （＾）・・・薄膜形成装置、（１）・・・イオン源、（
３）・・・加速器、　　　　（５）・・・照射室、（６
）・・・加速電圧調整手段、（Ｂ）・・・イオンビーム
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、イオンビームを基体表面に照射して、当該基体表面
   に薄膜を堆積させる薄膜形成方法において、基体表面へ
   の薄膜の堆積に先立って照射イオンを基体中に注入し、
   次いで、イオンビームの加速電圧を下げて、基体表面に
   薄膜を堆積させることを特徴とする薄膜形成方法。 ２、所定原料からイオンビームを発生するイオン源と、
   イオンビームを加速する加速器と、加速されたイオンビ
   ームを基体に照射する照射室とを具備する薄膜形成装置
   において、上記加速器によるイオンビームの加速電圧を
   、基体中にイオンを注入し得る電圧範囲と、基体表面に
   薄膜を堆積し得る電圧範囲との間で変化させる加速電圧
   調整手段を備えることを特徴とする薄膜形成装置。