(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を洗浄する段階、
前記洗浄された基板を真空設備に装着し、前記真空設備の内部を真空させる段階、
前記基板を清浄させる段階、
前記基板に斜角に斜角コーティング層を形成する段階、および
前記斜角コーティング層の形成後にバイアス電圧を印加し、前記基板と垂直に前記斜角コーティング層上に垂直コーティング層を形成する段階、
を含む、硬質コーティング層形成方法。
【請求項２】
前記斜角コーティング層および垂直コーティング層は、多層で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の硬質コーティング層形成方法。
【請求項３】
前記斜角コーティング層は、傾いた方向が２回以上反対方向に変わることを特徴とする、請求項１に記載の硬質コーティング層形成方法。
【請求項４】
前記斜角コーティング層および垂直コーティング層は、窒化チタニウムで形成されることを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の硬質コーティング層形成方法。
【請求項５】
前記基板は、アルコールとアセトンによって超音波洗浄されることを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の硬質コーティング層形成方法。
【請求項６】
前記真空設備の内部の真空は、１０−６ｔｏｒｒ以下にすることを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の硬質コーティング層形成方法。
【請求項７】
前記斜角コーティング層および垂直コーティング層の形成は、アルゴンガスを前記真空設備に注入し、真空度が２×１０−２ｔｏｒｒ〜２×１０−４ｔｏｒｒに達するときに実行されることを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の硬質コーティング層形成方法。
【請求項８】
前記斜角の大きさは１０〜８０°であることを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の硬質コーティング層形成方法。
【請求項９】
前記バイアス電圧は２００Ｖ以下の範囲で行われることを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の硬質コーティング層形成方法。
【請求項１０】
基板上に前記基板に傾いた方向に形成される斜角コーティング層、および前記斜角コーティング層上に前記基板に垂直に形成される垂直コーティング層が形成され、前記斜角コーティング層と前記垂直コーティング層との間は界面で分離される、硬質コーティング層。
【請求項１１】
前記斜角コーティング層および垂直コーティング層は、多層で形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の硬質コーティング層。
【請求項１２】
前記斜角コーティング層は、傾いた方向が２回以上反対方向に変わることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の硬質コーティング層。
【請求項１３】
前記斜角コーティング層および垂直コーティング層は、窒化チタニウムで形成されることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の硬質コーティング層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質コーティング層とその形成方法に関し、より詳細には、斜角にコーティング層を形成した後に垂直にコーティング層を形成した柱状構造を有する硬質コーティング層とその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、硬質コーティングは、窒化物、炭化物、酸化物などコーティング層の組成を変化させたり異種物質を添加したりして機械的特性を向上させる技術である。また、コーティング層内にナノサイズの結晶構造を形成させたり、数ｎｍの厚さで互いに異なる組成を有する物質によって多層のコーティング層を形成して機械的特性を向上させる方法が、最近になって脚光を浴びている。
【０００３】
しかし、このような方法は、コーティング工程が容易でなく、工程変数の制御が困難であるという問題があり、硬度が向上しても簡単に壊れてしまうという短所があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、硬質コーティング層の構造を変化させ、機械的特性を向上させた形態が変化した硬質コーティング層を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つまたは多数の実施形態によれば、基板を洗浄する段階、前記洗浄された基板を真空設備に装着し、前記真空設備の内部を真空させる段階、前記基板を清浄させる段階、前記基板に斜角に斜角コーティング層を形成する段階、および前記斜角コーティング層の形成後にバイアス電圧を印加し、前記基板と垂直に前記斜角コーティング層上に垂直コーティング層を形成する段階を含む、硬質コーティング層形成方法が提供されてもよい。
【０００６】
本発明の１つまたは多数の実施形態では、斜角コーティング層および垂直コーティング層は多層で形成されてもよく、前記斜角コーティング層は傾いた方向が２回以上反対方向に変わってもよく、前記斜角コーティング層および垂直コーティング層は窒化チタニウムで形成されてもよい。
【０００７】
本発明の１つまたは多数の実施形態では、基板はアルコールとアセトンによって超音波洗浄されてもよく、前記真空設備内部の真空度は１０−６ｔｏｒｒ以下にすることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の１つまたは多数の実施形態では、斜角コーティング層および垂直コーティング層の形成は、アルゴンガスを前記真空設備に注入し、真空度が２×１０−２ｔｏｒｒ〜２×１０−４ｔｏｒｒに達するときに実行されることを特徴とし、前記斜角の大きさは１０〜８０°であってもよく、前記バイアス電圧は２００Ｖ以下の範囲で行われることを特徴とする。
【０００９】
本発明の１つまたは多数の実施形態では、基板上に前記基板に傾いた方向に形成される斜角コーティング層、および前記斜角コーティング層上に前記基板に垂直に形成される垂直コーティング層が形成され、前記斜角コーティング層と前記垂直コーティング層との間は界面で分離される硬質コーティング層が提供されてもよい。
【００１０】
本発明の１つまたは多数の実施形態では、斜角コーティング層および垂直コーティング層は多層で形成されてもよく、前記斜角コーティング層は傾いた方向が２回以上反対方向に変わってもよく、前記斜角コーティング層および垂直コーティング層は窒化チタニウムで形成されてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態によれば、基板上に硬質コーティング層を斜角に形成すると同時に垂直に形成させることにより、硬質コーティング層が高硬度の機械的物性を有するようにできる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る基板に形成された硬質コーティング層の断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る硬質コーティング層の構造による硬度測定結果を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態に係る硬質コーティング層の工程フローチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係る真空コーティング設備の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように、本発明の実施形態を中心に説明する。
【００１４】
このような実施形態は、本発明に係る一実施形態であって、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が多様に相違した形態に実現することができるため、本発明の権利範囲は、以下で説明する実施形態に限定されるものではない。
【００１５】
本発明に係る実施形態は、基板に斜角コーティング層と垂直コーティング層を形成することによって硬度を向上させるものであるが、以下では図３および図４を参照しながら説明する。
【００１６】
図３は、本発明の実施形態に係る硬質コーティング層の工程フローチャートである。図４は、本発明の実施形態に係る真空コーティング設備の概略図である。
【００１７】
本発明に係る実施形態において、硬質コーティング層を形成するためには、まず、基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）１０を洗浄（Ｓ１０）し、前記洗浄した基板１０を真空設備１００に装着し、前記真空設備１００の内部を真空に生成（Ｓ２０）した後、基板１０を清浄（Ｓ３０）させる。この後、前記清浄された基板１０上にコーティングを形成するが、本発明に係る実施形態では、基板１０上に傾くように基板ホルダー１２０を回転させてコーティングを実施する。
【００１８】
前記コーティングによって基板１０上に斜角コーティング層２０が形成（Ｓ４０）され、前記斜角コーティング層２０の形成が完了すればバイアス電圧を印加し、前記基板１０と垂直に前記斜角コーティング層２０上に垂直コーティング層３０が形成（Ｓ５０）されるようにする。すなわち、前記斜角コーティング層２０上に垂直コーティング層３０を形成することによって構造を変化させる。前記垂直コーティングはヤング率（Ｙｏｕｎｇ’ｓ  Ｍｏｄｕｌｕｓ）と硬度を向上させるための目的として実施し、斜角コーティングは脆性（ｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓ）を向上させて壊れにくくする目的として実施する。
【００１９】
このとき、前記斜角コーティング層２０と垂直コーティング層３０は多層で形成されてもよく、特に、前記斜角コーティング層２０は、ジグザグ（ｚｉｇｚａｇ）形状または＜形状のように、斜角コーティング層２０の傾いた方向が２回以上反対方向に変わるように形成してもよいが、前記ジグザグ形状または＜形状は、基板１０を支持する基板ホルダー１２０を回転させることによって可能となる。
【００２０】
本発明に係る実施形態において、斜角コーティング層２０と垂直コーティング層３０で形成する理由は、バイアス電圧を印加することによって組織が異なるようにするためである。また、斜角コーティング層２０と垂直コーティング層３０を２回以上繰り返して形成してもよいが、前記斜角コーティング層２０と垂直コーティング層３０の積層形態は、図１および図２に示されている。図１は、本発明の実施形態に係る基板に硬質コーティング層が形成された様子を示すものである。図２は、本発明の実施形態に係る多数の硬質コーティング層およびこれらの硬度を示すグラフである。
【００２１】
本発明に係る実施形態では、コーティング層の物質として窒化チタニウム（ＴｉＮ）を用いたが、これは一例に過ぎず、ジルコニウム、ＴｉＡｌ、窒化物および炭化物なども使用が可能である。
【００２２】
本発明に係る実施形態では、コーティング工程前に基板１０を洗浄するために、アルコールとアセトンによって超音波洗浄を実施し、コーティング前に前記真空設備１００の内部を真空にする場合、真空度は１０−６ｔｏｒｒ以下にする。真空設備１００の内部を真空にした後には、コーティング層を形成するために、アルゴンガスを真空設備１００内に注入して真空度を高める。本発明に係る実施形態では、２×１０−２ｔｏｒｒ〜２×１０−４ｔｏｒｒの範囲の真空度になればコーティングを実施する。もし、真空度が２×１０−２ｔｏｒｒよりも低い場合には、アーク（ａｒｃ）によって発生したメタルイオンが他のイオンなどの障害物によって妨害されて基板１０に到達できなくなり、蒸着率（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｒａｔｅ）が低くなる。また、真空度が２×１０−４ｔｏｒｒよりも高ければ、ガス分子の数字が少なくなるためスパッタリングが起こる可能性が減るようになり、プラズマまたはアークが発生しなくなる。
【００２３】
また、本発明に係る実施形態の斜角コーティング層２０を形成するためのバイアス電圧は２００Ｖ以下が好ましいが、２００Ｖよりも大きければ、イオンガスが試片に加速することによってリスパッタリング（ｒｅｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、すなわち、コーティングではなくスパッタリングが起こるため、２００Ｖ以下にすることが好ましい。
【００２４】
斜角の大きさ（α）は鋭角であればよく、特に制限されることはないが、１０〜８０°が好ましい。前記コーティング層は、シャドーイング効果（ｓｈａｄｏｗｉｎｇ  ｅｆｆｅｃｔ）によって水平への成長は抑制されるため、普通は１０°以上のコーティング層が形成され、前記斜角の大きさが８０°よりも大きければ、斜角コーティング層２０の傾斜角が垂直に近づいて硬度向上効果が微小となるため、斜角の大きさを前記範囲で限定する。
【００２５】
以下、本発明の実施形態について、より具体的に説明する。
【００２６】
本発明に係る実施形態では、基板表面と垂直にコーティング層が形成される従来工程とは異なり、斜角コーティングとして傾いたコーティング層を形成する。前記斜角コーティングは、コーティング層の構造を制御し、多様な形態のコーティング層構造を形成するのに利用されている。斜角コーティングとして可能な構造としては、ジグザグ、螺旋、傾いた柱などが代表的であるが、このような構造は一般的なコーティング層に比べて比表面積が広いため、ガスセンサなどの応用分野への適用が可能である。本発明に係る実施形態では、コーティング層の構造が前記構造を有さず、傾いた柱状構造に近い。このようなコーティング層の構造的変化と多層構造のコーティング層形成から、コーティング層の物理的特性の変化を期待することができる。
【００２７】
本発明に係る実施形態は、硬質コーティング層の形態設計と真空コーティング方法を利用してコーティング層を形成することができる工程によって構成されるが、本発明に係る実施形態において、基板１０はステンレス鋼板を使用した。前記基板１０をアルコールとアセトンによって超音波洗浄した後に真空設備１００に装着し、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）１５０とロータリーベインポンプ（ＲＶＰ）１６０を利用して真空排気を１０−６ｔｏｒｒまで実施した。真空排気後、アルゴン（Ａｒ）ガスを真空設備１００の内部に注入し、真空度が７×１０−４ｔｏｒｒに達すれば、チタニウムターゲット１４０が装着されている負極アークソース１３０に直流電源を印加してアークを発生させ、基板１０に約４００Ｖの電圧を印加して試片清浄を実施する。
【００２８】
基板１０の清浄工程が終了すれば、アルゴンガスと共に窒素ガスを注入し、基板１０清浄と同じ圧力で窒化チタニウム（ｔｉｔａｎｉｕｍ  ｎｉｔｒｉｄｅ、ＴｉＮ）コーティング層を形成する。ＴｉＮコーティング層の形成時、基板１０と負極アークソース１３０は、垂直を形成せずに斜角をなすように基板ホルダー１２０を回転させた後にコーティングを実施する。斜角（α）の大きさは４５°を利用した。所望する厚さに斜角コーティングが終了すれば、基板ホルダー１２０は傾いた状態で、基板１０に約１００Ｖの電圧を印加して最上層をコーティングした。所望する厚さの最上層がコーティングされれば、工程を終了する。
【００２９】
本発明に係る実施形態では、図２に示すように、多様な形態のコーティング層を形成したが、比較例として基板１０上に単純に垂直コーティング層３０のみを形成した場合には２６ＧＰａ程度の低い硬度を有する反面、基板１０上にジグザグに斜角コーティング層２０を形成した後に垂直コーティング層３０を形成した場合（サンプナンバー４）の硬度は３４ＧＰａ程度の硬度を有することから、サンプルナンバー４の硬度が極めて高いことが分かる。また、斜角コーティング層２０と垂直コーティング層３０を繰り返して２回積層した場合（サンプルナンバー６）にも、３０ＧＰａを越える硬度が得られることが分かる。前記サンプルナンバー６の場合と斜角コーティング層２０と垂直コーティング層３０の積層を１回のみ繰り返した場合（サンプルナンバー２）と比較するとき、２回繰り返して積層したサンプルナンバー６の場合が、より硬度が向上することが分かった。
【００３０】
一般的に、窒化チタニウムのコーティング層の硬度が３０ＧＰａを越えるようにすることは容易ではないが、本発明に係る実施形態では、コーティング層の硬度が３０ＧＰａを超える窒化チタニウムのコーティング層を形成することができた。
【００３１】
本発明に係る実施形態では、基板１０を傾けて斜角コーティングを実施する間に、基板１０に電場を印加することにより、傾いて成長していたコーティング層が基板１０に垂直に成長するようにする。斜角コーティング法と電場印加を利用することによって多様な形態の硬質コーティング層を形成することができ、特性を分析した結果、斜角コーティング法によってコーティング層を形成し、最上層は電場を印加して垂直なコーティング層構造を形成すれば、硬度のようにコーティング層の機械的特性が向上することが分かる。
【００３２】
以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の実施形態から当該発明が属する技術分野において通常の知識を有する者によって容易に変更され、均等であると認められる範囲のすべての変更を含む。
【符号の説明】
【００３３】
１０：基板
２０：斜角コーティング層
３０：垂直コーティング層
１００：真空設備
１２０：基板ホルダー
１３０：負極アークソース
１４０：チタニウムターゲット
１５０：ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）
１６０：ロータリーベインポンプ（ＲＶＰ）
【図１】
0005961029.tif 000002
【図２】
0005961029.tif 000003
【図３】
0005961029.tif 000004
【図４】
0005961029.tif 000005