JP4110175B2 - アークイオンプレーティング方法 - Google Patents

Description

本発明は、耐摩耗性向上のために切削工具、機械部品（摺動部品）への硬質皮膜の形成に用いるアークイオンプレーティング方法に関するものである。

アークイオンプレーティングは、真空雰囲気中にて、皮膜形成用の蒸発されるべき材料よりなるターゲットを陰極として真空アーク放電を発生させ、これによってターゲット物質を蒸発させるとともにイオン化し、ターゲット物質イオンを被処理物に導いて、被処理物上に皮膜形成を行うものである。なお、前記皮膜としては金属の窒化物や金属の炭化物よりなる硬質皮膜であることから、アークイオンプレーティングでは、真空チャンバ内に反応ガスを導入し、例えばＣｒよりなるターゲットに対してＮ_２ガスを導入し、これによりＣｒＮ皮膜を形成するというような反応性コーティングが行われている。

従来、このアークイオンプレーティングの一例として、長手方向両端部が中央部側よりも太く形成されている円筒状のロッドターゲットをターゲットとして用いて、被処理物（ワーク）に皮膜形成を行うようにしたアークイオンプレーティング方法（真空アーク蒸着方法）が知られている（特許文献１）。この従来のアークイオンプレーティング方法を図６〜図９を用いて説明する。図６は従来のアークイオンプレーティング方法を実施するための装置の概略構成図、図７は図６におけるロッドターゲットの正面図、図８は同ロッドターゲットの正面断面図、図９はロッドターゲットの製造方法を説明するための図である。

図６において、真空チャンバ５１内に段差を持つ円筒状のロッドターゲット５２と被処理物（ワーク）５３とが互いに長手方向中心線が平行又はほぼ平行となる状態で配置されている。ロッドターゲット５２はチャンバ５１の中央部に上下方向に延びる起立姿勢で配置されている。真空チャンバ５１の下部に設けられた回転テーブル５５は、ロッドターゲット５２の軸心と略一致する縦軸廻りに回転自在に支持されている。この回転テーブル５５上に上下方向に延びる被処理物５３が保持部材５６を介して起立姿勢で載置され、回転テーブル５５の回転に伴って被処理物５３がロッドターゲット５２の周囲を公転するとともに、保持部材５６とともに縦軸廻りに自転するように構成されている。ロッドターゲット５２内には磁石５４が昇降自在に設けられている。ロッドターゲット５２の上端にアーク電源５７の陰極側が接続される一方、真空チャンバ５１にアーク電源５７の陽極側が接続されており、陰極であるロッドターゲット５２に対して真空チャンバ５１が陽極をなしている。

前記ロッドターゲット５２は、図７及び図８に示すように、長手方向両端部が中央部側よりも太く形成されており、ロッドターゲット５２の長手方向両端部に、大径部（太い部分）５２１，５２１が形成され、中央部側に小径部（細い部分）５２２が形成されている。

このロッドターゲット５２の製作には、ターゲット物質の粉末をＨＩＰ（熱間等方加圧）法により成形するＨＩＰ処理が用いられる。ロッドターゲット５２は、図９に示すように、大径部５２１，５２１、小径部５２２をそれぞれ独立に単純円筒形状としてＨＩＰ処理して製作した後、大径部５２１，５２１側と小径部５２２とが一体になるように組み立てられる。

そして、この従来のアークイオンプレーティング方法は、ターゲット５２と被処理物５３とが互いに長手方向中心線が平行又はほぼ平行となる状態で配置され、ターゲット５２を陰極とする真空アーク放電によってターゲット物質イオンを被処理物５３に導いて皮膜形成を行うに際し、ターゲットとして、長手方向両端部に大径部５２１，５２１が形成され、中央部側に小径部５２２が形成されているターゲット５２を用い、磁石５４の昇降によってターゲット表面のアークスポット位置を制御することで大径部５２１，５２１の消耗速度を小径部５２２の消耗速度より大きくして被処理物５３に皮膜形成を行うことにより、被処理物５３の略全長にわたって膜厚のバラツキが±５％以内の均一な膜厚分布を得るようにしている。なお、ターゲット長手方向にわたってターゲット消耗速度（ターゲット材料蒸発量）を均一にした場合には、被処理物５３に均一な膜厚が得られる領域は被処理物中央付近の範囲に限られるので、被処理物の略全長にわたって均一な膜厚が得られるようにするには、ターゲット両端部での消耗速度を増やさねばならない。

このように、この従来のアークイオンプレーティング方法は、長手方向両端部が中央部側よりも太く形成されているロッドターゲット５２を用いることにより、段差のない円筒状のターゲットに比べてロッドターゲット５２の利用効率を向上させて、ターゲット材料の無駄を減らすようにしている。
特開２００４−１０７７５０号公報（図１〜図３，図９） 特開２００３−３０１２６６号公報（図１）

しかし前述した従来のアークイオンプレーティング方法では、長手方向両端部が中央部側よりも太く形成されているロッドターゲット５２を用いるようにしたものであるから、ロッドターゲット５２の製造に際し、前記ＨＩＰ処理に用いるターゲット材料収容カプセルとしてカプセル径が異なるものを複数種類用意しなければならず、ロッドターゲット５２の製造効率が悪いという欠点があった。また、さらなるターゲットのコスト低減が要請されている。

そこで本発明の課題は、被処理物の略全長にわたって均一な膜厚分布を得ることができるとともに、従来技術に比べてターゲット材料歩留まりの向上とターゲットの製造コストの低減を図ることができるようにした、アークイオンプレーティング方法及びそのターゲットを提供することにある。

前記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。

請求項１の発明は、真空チャンバ内に円筒状のターゲットと被処理物とを配置し、前記ターゲットを陰極とする真空アーク放電によってターゲット物質を蒸発させるとともにイオン化し、ターゲット物質イオンを前記被処理物に導いて皮膜形成を行うアークイオンプレーティング方法において、前記ターゲットが、少なくとも長手方向両端部とそれ以外の中央部とに分割可能に構成されており、ターゲット表面のアークスポット位置を制御することで前記長手方向両端部の消耗速度を前記中央部の消耗速度より速くして被処理物に皮膜形成を行うに際して、未使用時における長手方向に垂直方向の断面形状寸法がターゲット全長にわたって略同一とされたターゲットでアークイオンプレーティングを行った後、該ターゲットの少なくとも中央部が消耗限界に達するまでは、消耗速度の速い前記長手方向両端部のみを、前記中央部と前記長手方向両端部を同径にて連結可能なように、前記長手方向両端部に先細りテーパ部が形成されたものと交換して皮膜形成を行うことを特徴とするアークイオンプレーティング方法である。

請求項２の発明は、請求項１記載のアークイオンプレーティング方法において、前記ターゲットの長手方向両端部と中央部とが、該ターゲットを内側から連結する連結リングによって互いに連結されることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１又は２記載のアークイオンプレーティング方法において、前記ターゲットが、シャフトの外側に嵌められるとともに上下のフランジに挟まれた状態で、前記シャフトの下端に取り付けられるナットによって固定されることを特徴とするものである。

請求項４の発明は、請求項３記載のアークイオンプレーティング方法において、前記シャフトが、下端部に孔を備えた有底中空状であり、前記ターゲットを冷却する冷却水が、前記有底中空状のシャフトに導かれて下方に流れ、前記孔を通って上方に流れることで、前記円筒状のターゲットを内側から冷却することを特徴とするものである。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のアークイオンプレーティング方法において、前記ターゲットを長手方向両端部と中央部との３つの部分に分割可能に構成し、長手方向両端部の消耗速度を中央部の消耗速度の整数倍に設定し、消耗速度の遅い中央部の消耗限界による交換時期と先に交換された消耗速度の速い長手方向両端部の消耗限界による交換時期とが重なるようにすることを特徴するものである。

本発明のアークイオンプレーティング方法は、真空チャンバ内に円筒状のターゲットと被処理物とを配置し、真空アーク放電によって蒸発・イオン化されたターゲット物質イオンを前記被処理物に導いて皮膜形成を行うに際し、ターゲット表面のアークスポット位置を制御することでターゲットの長手方向両端部の消耗速度（単位時間当たりの蒸発量）を該ターゲットの中央部の消耗速度より速くして被処理物に皮膜形成を行うようにしている。したがって、被処理物の略全長にわたって均一な膜厚分布を得ることができる。

また、本発明のアークイオンプレーティング方法は、前記ターゲットが、少なくとも長手方向両端部とそれ以外の中央部とに分割可能に構成されており、このようなターゲットを用いて前記のように消耗速度を変化させる前記皮膜形成を行うに際し、未使用時における長手方向に垂直方向の断面形状寸法がターゲット全長にわたって略同一とされたターゲットでアークイオンプレーティングを行った後、該ターゲットの少なくとも中央部が消耗限界に達するまでは、消耗速度の速い前記長手方向両端部のみを交換するようにしている。したがって、ターゲットを構成する分割可能な部分がいずれも消耗限界まで使用できるので、従来技術に比べて、ターゲット有効消耗量に対するターゲット材料使用量が少なくてすみターゲット材料歩留まりの向上を図ることができ、かつ、ターゲット製造時のＨＩＰ成形に際し長手方向に垂直方向の断面形状寸法がターゲット全長にわたって同一でよく、ターゲットの製造コストの低減を図ることができ、これによりターゲットの低価格化、ひいては皮膜形成品の低価格化を図ることができる。

図１は本発明の一実施形態によるアークイオンプレーティング方法を実施するためのアークイオンプレーティング装置を示す概略構成図である。

図１に示すように、真空チャンバ１内の中央部に円筒状のターゲット３が上下方向に垂直に延びる起立姿勢で配置されている。真空チャンバ１内の下部に被処理物搭載用の回転テーブル４が設けられている。この回転テーブル４上に、本実施形態では、上下方向に垂直に延びる円筒状の複数個の被処理物（ワーク）２が搭載されている。ここで、被処理物２とターゲット３は、長手方向寸法（高さ寸法）が比較的近いものである。被処理物２は、ターゲット３に対して互いに長手方向中心線が平行又はほぼ平行となる状態にて、回転テーブル４の回転に伴ってターゲット３の周囲を公転するとともに、縦軸廻りに自転するようになっている。被処理物２には、図示しない直流バイアス電源によって負のバイアス電圧が印加されるようになっている。真空チャンバ１には、プロセスガス用のガス導入口１ａと真空排気系に連絡する真空排気口１ｂが設けられている。なお、本発明が対象とする被処理物としては、円筒状のものに限らず、切削工具のような小物を多数並べたようなもの、棒状のもの、板状のものであってもよい。

また、ターゲット３の上端側にアーク電源７の陰極側が接続される一方、真空チャンバ１にアーク電源７の陽極側が接続されており、陰極であるターゲット３に対して真空チャンバ１がアース電位の陽極をなしている。アーク電源７の陽極側に抵抗を介して接続されたアーク点火機構８のトリガピンを一瞬ターゲット３外周面に接触させると、真空アーク放電が起こり、ターゲット３外周面にアークスポット（放電スポット）がかけめぐることになる。ターゲット３内には永久磁石５が昇降自在に設けられており、磁石昇降装置６による永久磁石５の昇降によってターゲット３外周面のアークスポットの位置が制御され、これによってターゲット３の長手方向における消耗速度（単位時間当たりの蒸発量）を変化させることができるようになっている。なお、アークスポットの位置制御は、本実施形態では永久磁石を用いて行っているが、電磁コイル等の他の手段を用いて行ってもよい。

図２は図１におけるターゲットを説明するための断面図である。

図２に示すように、円筒状をなすターゲット３は、ターゲット上端部を構成する上ターゲット３１と、この上ターゲット３１と同一寸法であってターゲット下端部を構成する下ターゲット３２と、その間の中央部を構成する中央ターゲット３３との３つの部分に分割可能になされており、これらが連結リング１０，１０によって連結されることで一体化されている。一方、真空チャンバ１の天板には円環状の絶縁部材１６を介して上フランジ１１が取り付けられており、この上フランジ１１には冷却水が導かれる上下方向に延びる有底中空シャフト１３が取り付けられている。有底中空シャフト１３の下端面には、ターゲット取付け用のナット１４を装着するための雄ネジが取り付けられている。そして、連結リング１０，１０によって一体化されたターゲット３は、有底中空シャフト１３の外側に嵌められた状態で、下フランジ１２とナット１４により上フランジ１１に固定されている。

上フランジ１１が取り付けられた前記有底中空シャフト１３は、ターゲット３を冷却するための冷却水の供給路とアーク電流の給電経路を兼ねている。有底中空シャフト１３へ導かれた冷却水は、有底中空シャフト１３の下端部に設けられた孔を通ってターゲット３内の冷却水排水路１５を上方へ流れ、ターゲット３内から導出されるようになっている。上フランジ１１には、アーク電源７の陰極側に連絡してアーク電流を流すパワーケーブル１７が接続されている。なお、ターゲット３内の冷却水排水路１５中には前記永久磁石５（図２では図示省略）が昇降自在に設けられている。

次に、前記アークイオンプレーティング装置を用いて行う本実施形態のアークイオンプレーティング方法について説明する。

本実施形態によるアークイオンプレーティング方法では、真空チャンバ１内に長手方向寸法が比較的近いターゲット３と被処理物２とが互いに長手方向中心線が平行又はほぼ平行となる状態で配置され、真空アーク放電によって蒸発・イオン化されたターゲット物質イオンを被処理物２に導いて皮膜形成を行うに際し、ターゲット３内の通路（冷却水排水路１５）に沿って永久磁石５を昇降させてターゲット外周面のアークスポット位置を制御することで上・下ターゲット３１，３２の消耗速度（単位時間当たりの蒸発量）を中央ターゲット３３の消耗速度より速くし、例えば２倍にして、被処理物２に皮膜形成を行うようにしている。これにより、円筒状の被処理物２の略全長にわたって均一な膜厚分布を得ることができる。

そして、１バッチ当り複数個の被処理物２に対してこのような皮膜形成を行い、これをＮバッチ繰り返すことにより、中央ターゲット３３に比べて消耗速度が速い上・下ターゲット３１，３２が消耗限界に達すると、その消耗限界に達したものと未使用のものとの交換が行われる。

なお、この例では、上・下ターゲット３１，３２の消耗速度を中央ターゲット３３の消耗速度の２倍としているが、３倍や４倍などの他の整数倍としてもよい。要は、上・下ターゲット３１，３２の消耗速度を中央ターゲット３３の消耗速度の整数倍とすることで、消耗速度の遅い中央ターゲット３３と先に交換される消耗速度の速い上・下ターゲット３１，３２との消耗限界による交換時期が重なるようになり、ターゲットの管理が容易で、ターゲット利用効率が向上する。

図３〜図５は本発明に係るターゲットの交換手順を説明するための図である。

消耗限界に達した上・下ターゲット３１’，３２’とＮバッチ分だけ消耗した中央ターゲット３３’とからなるターゲットは、図３に示すように、ナット１４が外されて有底中空シャフト１３から抜き取られ、しかる後に図４に示すように分解されて、消耗限界に達した上・下ターゲット３１’，３２’に代えて未使用（新規）の上・下ターゲット３１，３２が取り付けられる。次いで、図５に示すように、未使用の上・下ターゲット３１，３２が装着されたターゲット３’は、有底中空シャフト１３の外側に嵌められた状態で上フランジ１１に固定される。

なお、上ターゲット３１の中央ターゲット３３’寄りの部位（上ターゲット３１の下端部）には、中央ターゲット３３’とこれに同一径にて連結するように先細り状のテーパ部が設けられている。このテーパ部は、ターゲット３１，３３’間を移行する際のアークスポットの消弧を確実に防止するためのものであり、必ずしもテーパ部は設ける必要はない。同様に、下ターゲット３２の中央ターゲット３３’寄りの部位（下ターゲット３２の上端部）には、中央ターゲット３３’とこれに同径にて連結するように先細り状のテーパ部が設けられている。このテーパ部は、ターゲット３２，３３’間を移行する際のアークスポットの消弧を確実に防止するためのものである。

そして、引き続き皮膜形成を行い、これを前回と同じ数のＮバッチ繰り返すことにより、中央ターゲット３３’が消耗限界に達し、同時に、先に（前回）交換された上・下ターゲット３１，３２が消耗限界に達して、図２に示されるような、ターゲット全体として未使用の新規なターゲット３に更新される。なお、ターゲット全体を新規なターゲットに交換する頻度は、中央部１回に対して両端部を２回としてもよいし、中央部１回に対して両端部を３回以上の頻度としてもよい。

このように、ターゲット３を構成する分割可能な部分（３１，３２，３３）がいずれも消耗限界まで使用できるので、従来技術（特許文献１）に比べて、ターゲット有効消耗量に対するターゲット材料使用量が少なくてすみターゲット材料歩留まりの向上を図ることができ、かつ、ターゲット製造時のＨＩＰ成形に際し長手方向に垂直方向の断面形状寸法がターゲット全長にわたって同一でよく、ターゲット３の製造コストの低減を図ることができ、ターゲット３のコストを下げることができる。

なお、本発明のアークイオンプレーティング方法では、ターゲットが６００ｍｍ以上と相当に長尺の場合、必要に応じてターゲットの中央部（３３）を複数個に分割することも可能である。また、本発明のアークイオンプレーティング方法では、ターゲットの長手方向両端部（３１，３２）と中央部（３３）との消耗速度を変化させるためのアークスポットの位置制御方法として、前記実施形態では永久磁石５の位置制御による方法を用いたが、これに限らず、アノードの位置制御による方法、アノード電流バランスによる方法など公知の方法を用いることが可能である。

前記図１に示す装置を用いて、本発明の実施例と比較例（従来技術：特許文献１）とによるアークイオンプレーティングを行った。

被処理物２は円筒形であって、外径：φ９０ｍｍ，長さＬ：５００ｍｍである。実施例のターゲット３は、全長が７００ｍｍで円筒形をなし、両端部を構成する上・下ターゲット３１，３２：外径φ１３０ｍｍ，内径φ５０ｍｍ，長さ１５０ｍｍ、中央部を構成する中央ターゲット３３：外径φ１３０ｍｍ，内径φ５０ｍｍ，長さ４００ｍｍであり、消耗限界が外径φ７０である。また、比較例のターゲットは、全長が７００ｍｍで段差を持つ円筒形をなし、両端部：外径φ１３０ｍｍ，内径φ５０ｍｍ，長さ１５０ｍｍ、中央部：外径φ１０４．４ｍｍ，内径φ５０ｍｍ，長さ４００ｍｍであり、消耗限界が外径φ７０である。

そして、被処理物２の略全長にわたって膜厚のバラツキが±５％以内の均一な膜厚分布を得るために、永久磁石５の昇降速度は、ストローク両端５０ｍｍで５０ｍｍ／ｓとし、それ以外の中央部で１００ｍｍ／ｓとした。よって、上・下ターゲット３１，３２（比較例では両端部）の消耗速度は、中央ターゲット３３（比較例では中央部）の消耗速度の２倍となる。装置の規模にも影響されるものの、通常、この消耗速度比にて最も広範囲に均一な膜厚分布が得られることが実験を含む経験上からわかっている。

実施例及び比較例のターゲットはＣｒからなり、真空チャンバ１内にプロセスガスとしてＮ_２ガスを導入し、真空チャンバ１内の圧力を３Ｐａに保持するようにＮ_２ガス流量を制御しながら、アーク電流１０００Ａにて真空アーク放電し、１バッチ当り１５個の被処理物２に対して、膜厚１０μｍのＣｒＮ皮膜の成膜を行った。

その結果、１０８バッチで上・下ターゲット３１，３２が消耗限界に達し、この消耗限界に達した上・下ターゲット３１，３２のみを未使用のものと交換してから、引き続きＣｒＮ皮膜の形成を行い、次の１０８バッチにて、中央ターゲット３３が消耗限界に達し、同時に、先に交換された上・下ターゲット３１，３２が消耗限界に達して、ターゲット３全体が消耗限界に達した。この結果を表１に示す。

表１からわかるように、本発明の実施例では、従来技術（特許文献１）に比べて、ターゲット有効消耗量（ｂ）に対するターゲット材料使用量（ａ）が少なくてすみターゲット材料歩留まりの向上を図ることができ、かつ、ターゲット製造時のＨＩＰ成形に際し長手方向に垂直方向の断面形状寸法がターゲット全長にわたって同一でよく、ターゲット３の製造コストの低減を図ることができ、皮膜形成品の低価格化を図ることができる。

本発明の一実施形態によるアークイオンプレーティング方法を実施するためのアークイオンプレーティング装置を示す概略構成図である。 図１におけるターゲットを説明するための断面図である。 本発明に係るターゲットの交換手順を説明するための図である。 本発明に係るターゲットの交換手順を説明するための図である。 本発明に係るターゲットの交換手順を説明するための図である。 従来のアークイオンプレーティング方法を実施するための装置の概略構成図 である。 図６におけるロッドターゲットの正面図である。 同ロッドターゲットの正面断面図である。 ロッドターゲットの製造方法を説明するための図である。

符号の説明

１…真空チャンバ
１ａ…ガス導入口
１ｂ…真空排気口
２…被処理物（ワーク）
３，３’…ターゲット
３１，３１’…上ターゲット
３２，３２’…下ターゲット
３３，３３’…中央ターゲット
４…回転テーブル
５…永久磁石
６…磁石昇降装置
７…アーク電源
８…アーク点火機構
１０…連結リング
１１…上フランジ
１２…下フランジ
１３…有底中空シャフト
１４…ナット
１５…冷却水排水路
１６…絶縁部材
１７…パワーケーブル

Claims (5)

1. 真空チャンバ内に円筒状のターゲットと被処理物とを配置し、前記ターゲットを陰極とする真空アーク放電によってターゲット物質を蒸発させるとともにイオン化し、ターゲット物質イオンを前記被処理物に導いて皮膜形成を行うアークイオンプレーティング方法において、前記ターゲットが、少なくとも長手方向両端部とそれ以外の中央部とに分割可能に構成されており、ターゲット表面のアークスポット位置を制御することで前記長手方向両端部の消耗速度を前記中央部の消耗速度より速くして被処理物に皮膜形成を行うに際して、未使用時における長手方向に垂直方向の断面形状寸法がターゲット全長にわたって略同一とされたターゲットでアークイオンプレーティングを行った後、該ターゲットの少なくとも中央部が消耗限界に達するまでは、消耗速度の速い前記長手方向両端部のみを、前記中央部と前記長手方向両端部を同径にて連結可能なように、前記長手方向両端部に先細りテーパ部が形成されたものと交換して皮膜形成を行うことを特徴とするアークイオンプレーティング方法。
2. 前記ターゲットの長手方向両端部と中央部とが、該ターゲットを内側から連結する連結リングによって互いに連結されることを特徴とする請求項１記載のアークイオンプレーティング方法。
3. 前記ターゲットが、シャフトの外側に嵌められるとともに上下のフランジに挟まれた状態で、前記シャフトの下端に取り付けられるナットによって固定されることを特徴とする請求項１又は２記載のアークイオンプレーティング方法。
4. 前記シャフトが、下端部に孔を備えた有底中空状であり、前記ターゲットを冷却する冷却水が、前記有底中空状のシャフトに導かれて下方に流れ、前記孔を通って上方に流れることで、前記円筒状のターゲットを内側から冷却することを特徴とする請求項３記載のアークイオンプレーティング方法。
5. 前記ターゲットを長手方向両端部と中央部との３つの部分に分割可能に構成し、長手方向両端部の消耗速度を中央部の消耗速度の整数倍に設定し、消耗速度の遅い中央部の消耗限界による交換時期と先に交換された消耗速度の速い長手方向両端部の消耗限界による交換時期とが重なるようにすることを特徴する請求項１〜４のいずれか１項に記載のアークイオンプレーティング方法。

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