(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部が排気される真空槽と、
上記真空槽内に配置され被膜材料が収容された蒸発源と、
上記蒸発源を加熱することによって上記被膜材料を蒸発させる加熱手段と、
直流電圧が印加され蒸発した上記被膜材料をイオン化するイオン化電極と、
イオン化された上記被膜材料と反応させて被処理物表面に被膜を形成するための反応ガスのみを上記真空槽内に導入する気体導入路と、
上記イオン化された被膜材料の上記被処理物表面に対する衝突を促進させるための被処理物電力を上記被処理物に供給する被処理物用電源と、を備えたイオンプレーティング装置において、
上記被処理物用電源が、上記被処理物に対して、上記被処理物電力を供給時間領域と休止時間領域とから成るパルス状の状態で断続的に供給すると共に、上記供給時間領域と上記休止時間領域との比が１対２よりも休止時間領域の割合が大きくなる状態に構成されたことを特徴とするイオンプレーティング装置。
【請求項２】
上記被処理物電力が直流電力で供給されると共に、該直流電力の電圧値が接地電位を基準にして−５０乃至−３００Ｖであることを特徴とする請求項１に記載のイオンプレーティング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、真空中において加熱蒸発させた被膜材料をイオン化し、このイオン化された被膜材料を被処理物表面上に衝突させ、凝固させることによって、被処理物表面上に被膜を生成するイオンプレーティング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、イオンプレーティングによって、例えば窒化チタン（ＴｉＮ）膜、炭化チタン（ＴｉＣ）膜、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）膜等の高硬度被膜を基板に生成する場合、基板に電圧を連続的に印加することによって、この基板に対するイオン化された被膜材料の衝突エネルギを増大させ、これによって、上記高硬度被膜を生成することができることが知られている。例えば、チタン（Ｔｉ）を蒸発させてイオン化し、窒素（Ｎ２  ）ガスと反応させてＴｉＮ膜を生成する際、基板に対して電圧を印加しない場合では被膜のビッカス硬さはＨＶ１８００より小さい値しか得られないが、基板に対して−５０Ｖの直流電圧を連続的に印加することによって、ビッカス硬さＨＶ１８００という非常に高硬度な被膜を生成することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来技術においては、被膜生成の際、基板に直流電圧を連続的に印加することによって、基板表面に対してイオン化された被膜材料を常に高いエネルギで衝突させているが、このイオンの衝突によって基板自体が加熱されてしまう。特に、上記のような高硬度被膜を生成する場合は、一般に、その膜厚として３μｍ以上という比較的厚い膜厚が要求されるため、被膜の生成に比較的長い時間が掛かってしまい、これによって、上記のような基板の加熱状態が続くため、基板の温度が高温になってしまうという問題がある。例えば、上述したビッカス硬さＨＶ１８００という非常に高硬度なＴｉＮ膜を厚さ３μｍの膜厚に生成する場合、その基板温度は２５０℃にも達してしまう。即ち、上記従来技術では、２００℃を越える温度で変形又は変質してしまうような物質、例えば冷間加工金型や焼き戻し温度の低い合金工具鋼（ＳＫＤ）、及びアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）等で構成される低融点合金に対しては、上記のような非常に高硬度な被膜を、例えば３μｍ以上という比較的厚い膜厚で生成することができなかった。
【０００４】
一方、基板に印加する直流電圧値を上記−５０Ｖよりも小さい値、例えば−２０Ｖにすることによって、成膜時における基板到達温度を２００℃以下に抑えながら、３μｍという比較的厚い膜厚の被膜を生成することができるが、この場合、生成された被膜のビッカス硬さはＨＶ１８００に達しない。即ち、基板到達温度を例えば２００℃以下の比較的低温に抑えながら、例えばビッカス硬さＨＶ１８００以上の高硬度な被膜を、例えば膜厚３μｍ以上という比較的厚い膜厚で生成することができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、基板到達温度を比較的低温度、例えば２００℃以下に抑えながら、高硬度被膜、例えばビッカス硬さＨＶ１８００以上の硬度を有する被膜を生成することができるイオンプレーティング装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明のイオンプレーティング装置は、内部が排気される真空槽と、この真空槽内に配置され被膜材料が収容された蒸発源と、この蒸発源を加熱することによって被膜材料を蒸発させる加熱手段と、直流電圧が印加され当該蒸発した被膜材料をイオン化するイオン化電極と、イオン化された被膜材料と反応させて被処理物表面に被膜を形成するための反応ガスのみを真空槽内に導入する気体導入と、イオン化された被膜材料（蒸発原子）の被処理物表面に対する衝突を促進させるための被処理物電力を被処理物に供給する被処理物用電源と、を備えている。そして、被処理物用電源が、上記被処理物に対して、上記被処理物電力を供給時間領域と休止時間領域とから成るパルス状の状態で断続的に供給すると共に、上記供給時間領域と上記休止時間領域との比が１対２よりも休止時間領域の割合が大きくなる状態に構成されたことを特徴とするものである。
【０００７】
第２の発明のイオンプレーティング装置は、第１の発明のイオンプレーティング装置において、上記被処理物電力が直流電力で供給されると共に、該直流電力の電圧値が接地電位を基準にして−５０乃至−３００Ｖであることを特徴とするものである。
【０００８】
【作用】
第１の発明によれば、被処理物用電源が、被処理物に対して被処理物電力を供給する際、その供給時間と休止時間との比が１対２よりも休止時間の割合が大きくなるように断続的に供給している。従って、被処理物電力が供給されている間、被処理物に対してイオン化された被膜材料が高エネルギで衝突することによって被処理物の温度が上昇しても、その後すぐにこの供給時間よりも２倍以上長い時間において被処理物電力の供給が休止されるため、即ちイオン衝突が休止されるため、この間、被処理物は自然冷却状態になり、その結果、被処理物の温度は低下する。つまり、被処理物電力の供給時間において、被処理物に対して被処理物電力をより大きくすることによってより高いエネルギでイオン化された被膜材料を被処理物に対して衝突させても、被処理物電力の休止時間、即ち冷却時間の割合を大きくすることによって、被処理物の温度上昇を比較的低く抑えることができる。
【０００９】
第２の発明によれば、接地電位を基準にして−５０乃至−３００Ｖという比較的に高い電圧の直流電力が被処理物に対して供給されるので、イオン化された被膜材料が被処理物に対して比較的に高いエネルギで衝突する。なお、この場合、被処理物に生成する被膜は導電性被膜とする。
【００１０】
【実施例】
本発明に係るイオンプレーティング装置の一実施例を図１を参照して説明する。このイオンプレーティング装置は、同図に示すように、真空槽１を有しており、この真空槽１の内部は、真空ポンプ２によって排気される。そして、この真空槽１内には、気体導入路３を介してイオンボンバードの際に用いる気体、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスや水素（Ｈ２  ）ガス等がその供給源（図示せず）から供給される。また、気体導入路４を介して反応性ガス、例えば窒素（Ｎ２  ）ガスや炭素（Ｃ）ガス等がその供給源（図示せず）から供給される。なお、各気体導入路３及び４は主弁３ａ及び４ａによって開閉されると共に、各気体供給源からの気体の流量は可変コンダクタンスバルブ３ｂ及び４ｂによって調整可能とされている。
【００１１】
そして、真空槽１内には、蒸発源５が設けられており、この蒸発源５に、例えばチタン（Ｔｉ）等の被膜材料６が収容されている。また、この蒸発源５には、加熱ヒータ７が付設されており、この加熱ヒータ７をヒータ加熱用電源（図示せず）で加熱することによって、蒸発源５が加熱され、被膜材料６が蒸発する。更に、蒸発源５に近接した斜め上方に、イオン化電極８が設けられており、このイオン化電極８は、イオン化電源９の陽極端子に接続されている。なお、このイオン化電源９の陰極端子は接地されている。
【００１２】
また、真空槽１内には、夫々対向した状態で被処理物である複数、例えば２つの基板１０、１０が蒸発源５を挟んで配置されており、この基板１０、１０は、ホルダ１１、１１に固定されている。このホルダ１１、１１は、ベース１２の端部に結合されており、このベース１２の中央は、シャフト１３を介してモータ１４の回転軸に結合されている。従って、このモータ１４を駆動させて、シャフト１３を例えば矢印１３ａの方向に回転させると、ホルダ１１、１１、ひいては基板１０、１０が蒸発源５の周囲を回転（公転）する。また、ホルダ１１、１１は、このモータ１４の回転駆動力を利用して、基板１０、１０自体を例えば矢印１１ａ、１１ａの方向に回転（自転）させる機能を備えている。このように、基板１０、１０を自公転させることによって、基板１０、１０に対する各処理の均一性を向上させるように構成されている。
【００１３】
更に、基板１０、１０は、基板電源１５に電気的に接続されている。この基板電源１５は、接地電位を基準にして負電位の直流電圧を出力する直流電源１７と、接地電位を基準にして負電位のパルス電圧を周期的に出力するパルス電源１８と、この直流電源１７とパルス電源１８との出力を切り換える切換スイッチ１６とを備えている。ここで、直流電源１７は、出力する直流電圧の電圧値を、接地電位を基準にして例えば０乃至−１０００Ｖの範囲で可変することができる。従って、切換スイッチ１６が直流電源１７側に接続されると、基板１０、１０には、接地電位を基準にして負電位の直流電力が連続的に供給される。
【００１４】
一方、パルス電源１８は、図２に示すようなパルス電圧を周期Ｔで周期的に出力しており、このパルス電圧の電圧値Ｅを、接地電位を基準にして例えば−５０乃至−３００Ｖの範囲で可変することができる。また、このパルス電圧の出力時間、即ちパルス幅ｔＯＮを例えば５乃至１００ｍｓの範囲で可変することができると共に、パルス電圧の出力時間ｔＯＮと非出力時間ｔＯＦＦ  との比率ｔＯＮ：ｔＯＦＦ  を１：２よりも非出力時間ｔＯＦＦ  の割合が大きくなるように、例えば１：２乃至１：２０になるように可変することができる。即ち、切換スイッチ１６がパルス電源１８側に接続されると、負電位の直流電力が、基板１０、１０に対して、ｔＯＮの時間だけ供給され、ｔＯＦＦ  の時間だけ休止されるというように、断続的に供給される。
【００１５】
上記のように構成されたイオンプレーティング装置によって、例えば合金工具鋼ＳＫＤ１２上に窒化チタン（ＴｉＮ）膜を生成する場合について説明する。まず、被膜生成の前に、基板１０、１０である合金工具鋼ＳＫＤ１２の表面に対する被膜の密着強度を向上させるために、基板１０、１０の表面を清浄するためのイオンボンバードを行う。これは、まず、真空ポンプ２を作動させることによって真空槽１内を例えば１×１０−３Ｐａまで排気し、この状態を維持する。その後に、モータ１４を駆動させることによって基板１０、１０を自公転させると共に、主弁３ａを開くことによって気体導入路３からアルゴン（Ａｒ）ガスと水素（Ｈ２  ）ガスとを導入する。そして、基板電源１５の切換スイッチ１６を直流電源１７側に接続することによって、この直流電源１７から切換スイッチ１６を介して例えば−６５０Ｖの直流電圧を基板１０、１０に印加し、この状態を２０分間維持する。これによって、イオン化したアルゴンと水素とが基板１０、１０の表面に衝突し、この衝突によって基板１０、１０の表面が清浄され、即ちイオンボンバードが行われる。
【００１６】
次に、主弁３ａを閉じることによって気体導入路３からの気体の導入を停止し、再度、真空槽１内を真空ポンプ２によって１×１０−３Ｐａまで排気し、この状態を維持する。そして、イオン化電源９からイオン化電極８に約４０Ｖの直流電圧を印加した後、蒸発源加熱ヒータ７を加熱することによって、蒸発源５に収容されている被膜材料６、即ちチタン（Ｔｉ）を蒸発させ、この蒸発したチタンをイオン化する。そして、直流電源１７の出力電圧を例えば−５００Ｖにし、切換スイッチ１６を介してこの−５００Ｖの直流電圧を基板１０、１０に印加し、この状態を５分間維持する。これによって、今度は、イオン化したチタンが基板１０、１０の表面に衝突し、この衝突によって基板１０、１０の表面は更に清浄され、即ち更にイオンボンバードが行われる。なお、これらのイオンボンバードについては、一般に知られている技術である。
【００１７】
そして、上記２度のイオンボンバードの後、被膜生成工程に入る。即ち、直流電源１５の切換スイッチ１６をパルス電源１８側に切り換えると同時に、主弁４ａを開くことによって気体導入路４から反応性ガス、即ち窒素（Ｎ２  ）ガスを真空槽１内に供給し、これによって、窒化チタン膜の生成を行う。ここで、このパルス電源１８から出力されるパルス電圧の出力時間、即ちパルス幅ｔＯＮを５乃至１００ｍｓ、好ましくは５乃至１０ｍｓ、より好ましくは１０ｍｓとし、このときの出力電圧Ｅを−５０乃至−３００Ｖ、好ましくは−１００乃至−２００Ｖ、より好ましくは−２００Ｖとすることによって、例えば５Ａの直流電流を基板１０、１０に流す。そして、パルス電圧の出力時間ｔＯＮと非出力時間ｔＯＦＦ  との比率ｔＯＮ：ｔＯＦＦ  を１：２乃至１：２０、好ましくは１：９乃至１：２０、より好ましくは１：９とすることによって、パルス電圧の非出力時間ｔＯＦＦ  を９０ｍｓとする。即ち、基板１０、１０に対して、−２００Ｖ／５Ａの直流電力を１０ｍｓ間供給し、９０ｍｓ間停止するというように、ｔＯＮ：ｔＯＦＦ  ＝１：９の割合で断続的に供給した。そして、この状態を９０ｍｉｎ間維持する、即ち成膜時間を９０ｍｉｎ間として生成された窒化チタン膜の膜厚は３μｍ、ビッカス硬さは従来のＨＶ１８００よりも硬いＨＶ２２００から２５００であり、基板到達温度は従来の２５０℃よりも低い約１９０℃であった。
【００１８】
また、上記と同様な手法で、上記反応性ガスとして窒素ガスに替えてアセチレン（Ｃ２  Ｈ２  ）ガスを使用することによって炭化チタン（ＴｉＣ）膜を生成したとき、膜厚は３．６μｍ、ビッカス硬さは更に硬いＨＶ３２００から３５００となり、基板到達温度は上記と同様の約１９０℃であった。
【００１９】
このように、本実施例のイオンプレーティング装置は、基板１０、１０に対して直流電力を断続的に供給し、その供給時間ｔＯＮと休止時間ｔＯＦＦ  との比が１対２よりも休止時間ｔＯＦＦ  の割合が大きくなるように構成されている。このように構成されているので、供給時間ｔＯＮにおいて直流電力が供給されることによって基板１０、１０の温度が上昇しても、休止時間ｔＯＦＦ  、即ち冷却時間がこの供給時間ｔＯＮよりも２倍以上も長いので、基板１０、１０の温度上昇を抑えることができる。従って、従来よりも高硬度な被膜を生成するために、供給時間ＯＮにおいて、−２００Ｖという従来よりも遙かに大きい直流電圧を基板１０、１０に印加しても、休止時間ｔＯＦＦ  の割合をより大きくすることによって基板１０、１０の温度上昇を従来よりも低く抑えることができる。即ち、本実施例のイオンプレーティング装置によって窒化チタン膜や炭化チタン膜等の高硬度被膜を生成すると、基板到達温度を２００℃以下に抑えながらも、従来よりも遙かに硬質な被膜を３μｍ以上という比較的厚い膜厚で生成することができる。
【００２０】
なお、本実施例において、基板１０、１０に対してパルス電源１８から直流電力を断続的に供給したが、生成する被膜が絶縁物の場合は、成膜時におけるチャージアップを防止するために、例えば周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波電力を断続的に供給する。また、この場合、断続的な高周波電力の供給に限らず、例えば周波数が２．４５ＧＨｚのマイクロ波を断続的に供給してもよい。
そして、パルス電源１８から供給するパルス電力については、上記パルス幅及び周期、電圧／電流値に限らず、生成する被膜の種類や基板１０、１０の種類に応じて変化させてもよい。
また、基板１０、１０の数については、１以上であれば、２つに限ることはない。
更に、蒸発源５の加熱手段については、加熱ヒータ７による加熱に限らず、電子ビーム加熱やレーザ加熱、誘導加熱等、他の手段を用いてもよい。
【００２１】
【発明の効果】
第１の発明のイオンプレーティング装置は、被処理物に対して被処理物電力を供給する際、その供給時間と休止時間との比が１対２よりも休止時間、即ち冷却時間の割合が大きくなるように構成されているので、供給時間における被処理物電力を比較的大きくしても、休止時間の割合を大きくすることによって被処理物の温度上昇を比較的低く抑えることができる。つまり、供給時間において、被処理物電力を従来よりも大きくすることによって、イオン化された被膜材料の基板表面に対する衝突エネルギを従来よりも増大させても、休止時間の割合をより大きくすることによって被処理物の温度上昇を従来よりも低く抑えることができる。従って、被処理物の温度上昇を従来よりも低く抑えながら、従来よりも高硬度な被膜を生成することができるという効果がある。また、従来技術では実現することができなかった、冷間加工金型や焼き戻し温度の低い合金工具鋼（ＳＫＤ）、及びアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）等で構成される低融点合金に対する比較的厚い膜厚での高硬度被膜の生成を、本発明によって実現することができるという効果がある。
【００２２】
第２の発明のイオンプレーティング装置は、接地電位を基準にして−５０乃至−３００Ｖという従来よりも高い電圧の直流電力を被処理物に対して供給することによって、イオン化された被膜材料の被処理物に対する衝突エネルギを従来よりも大きくしているため、従来よりも高硬度な導電性の被膜を生成することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るイオンプレーティング装置の一実施例を示す概略構成図である。
【図２】同実施例のパルス電源の出力波系を示す図である。
【符号の説明】
１  真空槽
２  真空ポンプ
３、４  気体導入路
５  蒸発源
６  被膜材料
８  イオン化電極
１０  基板
１５  基板電源
１６  切換スイッチ
１７  直流電源
１８  パルス電源
【図１】
0003571764.tif 000002
【図２】
0003571764.tif 000003