(57)【要約】      （修正有）【課題】より低い基板温度によって生成されたコーティング皮膜を生成することが可能なアーク放電コーティング方法の提供。【解決手段】真空チャンバにおける基板のアーク放電コーティングまたはアーク放電イオンめっきコーティングのためのコーティング方法であって、アーク蒸発器を用いて、陰極として機能する固体材料を蒸発させ、アーク蒸着中に、固体材料表面上の陰極スポットの移動は、固体材料表面からの大量のマクロ粒子または小滴の放出を回避するために、磁界を用いて加速され、アーク蒸発から結果として生じる負の荷電粒子が陰極から陽極に流れ、陰極から陽極への負の荷電粒子の移動は、基本的に陰極と陽極との間の電位差の絶対値のさらなる増大を引起さず、コーティング中において基板温度のより低い増分を可能にすることにより特徴付けられる、方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバにおける基板のアーク放電コーティングまたはアーク放電イオンめっきコーティングのためのコーティング方法であって、アーク蒸発器を用いて、陰極として機能する固体材料を蒸発させ、アーク蒸着中に、前記固体材料表面上の陰極スポットの移動は、前記固体材料表面からの大量のマクロ粒子または小滴の放出を回避するために、磁界を用いて加速され、アーク蒸発から結果として生じる負の荷電粒子が前記陰極から陽極に流れ、前記陰極から前記陽極への前記負の荷電粒子の移動は、基本的に前記陰極と前記陽極との間の電位差の絶対値のさらなる増大を引起さず、コーティング中において基板の温度のより低い増分を可能にすることにより特徴付けられる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、滑らかな面および優れた機械的特性を呈する薄膜を生成するための低温アーク放電イオンめっき（ＡＩＰ）成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現状技術
ＡＩＰ技術は、真空状態（使用圧力：約１０−２〜１０−４ｍｂａｒ）におけるコーティング材料の蒸着のために陰極のアーク源を用いることによって特徴付けられる、最も一般的な物理蒸着（ＰＶＤ）コーティングプロセスの１つである。陰極のアーク成膜により、ターゲット（材料源）で放電された高パワー電気アークは、いくらかのターゲット材料の蒸発を結果として生じ、したがって、非常にイオン化された蒸気が基板上に成膜されるよう与えられる。
【０００３】
ＩＰ（イオンめっき）という語は、コーティングプロセス中における、エネルギのある、正に帯電されたイオンでの、コーティングされるべき基板の衝撃を指し、それは基板においてバイアス電圧を印加することによって達成することが可能である。それは、基板において高密度コーティングの濃縮を促進する。加えて、窒素、アセチレンまたは酸素のような反応性ガスも蒸着中に真空チャンバに導入して、蒸発しイオン化された材料と反応性ガスとの間の反応から結果として生じる異なる化合物を含むコーティングを成膜してもよい。
【０００４】
ＡＩＰ成膜されたコーティングは、通常、既に上述された高密度に加えて、さらに、基板への非常に十分な接着（コーティングと基板との間の強い接合）、および特に物理的、構造的、および摩擦学的特性に関して一般的に高い品質を呈する。これらのコーティングは、現在、高い硬度および非常に良い切断性能も呈する。
【０００５】
ＡＩＰ技術を用いることの別の重要な利点は、マグネトロンスパッタリングイオンめっき（ＭＳＩＰ）コーティング成膜のような他の競合するＰＶＤ技術と比較しての、高いコーティング成膜速度の達成である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、アーク蒸着プロセスの１つの不利な面は、陰極スポットが蒸発点にとどまる時間が長すぎる場合、それは大量のマクロ粒子または小滴を放出し得る、ということである。これらの小滴はコーティングの性能に有害であり、なぜならば、それらは不十分に付着し、コーティングを通過して延在し得るからである。陰極スポットが１つのターゲット位置にとどまる時間が長すぎないようにすることによって、コーティング皮膜における小滴の数を低減することが可能である。したがって、磁界を用いてアークの動きを制御する。
【０００７】
ＡＩＰプロセスは、コーティングプロセスによって達成される相対的な高い基板温度（３００℃より高温）のため、プラスチック材料およびステンレス鋼のような温度感受性基板のコーティングに対しては用いられないことがよくある。
【０００８】
現状技術によれば、いくつかのコーティングプロセスパラメータまたはコーティング条件を以下のように修正することによって、低温（３００℃以下の温度）においてアーク放電イオンめっきプロセスを達成することが可能である。
【０００９】
・コーティングプロセス中に、ターゲットにおけるアーク電流を低減するか、またはより少ない数のターゲットを動作させる。この行為は、コーティング成膜速度の、関連した、避けられない低減を伴い、不利である。
【００１０】
・コーティングプロセス中に基板においてバイアス電圧を印加しないかまたは低減されたバイアス電圧を印加する。この行為も不利であり、なぜならば、生成されたコーティングは、より低い密度、および、一般に、劣った機械的特性を呈するからである。
【００１１】
・コーティングプロセス中に基板から熱エネルギを継続的に除去する。この場合、基板から過剰な熱エネルギまたは望ましくない熱エネルギを抽出するために、コーティングプロセス中における冷却剤と基板との間の必要な伝熱のために、能動的な冷却システムをコーティング機に設置しなければならない。この行為は非常に複雑で費用がかかり得る。
【００１２】
・磁界を用いないか、または弱い磁界もしくはかなり低い磁界強度を用いる。このようにすることにより、等価な、熱間コーティングプラズマよりも低い電位、および該プラズマと同じ電流によって特徴付けられ、その結果、より低い電力を有する、冷間コーティングプラズマを用いて、コーティングプロセスを実行することが可能である。それは、コーティングプロセス中の基板への熱エネルギの発生量を低減することを助ける。この行為は、陰極スポットが、ターゲット表面上をより遅く移動し、結果的に、各蒸発点においてより長い時間の間とどまり、それは、より大量のマクロ粒子または小滴の放出に至る、という欠点を伴う。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の目的
本発明の目的は、上記の現状技術の欠点を克服する、温度感受性基板をコーティングするための低温アーク放電イオンめっき成膜方法を提供することである。特に、低温アーク放電イオンめっき成膜方法は、基板温度がコーティング中において３５０℃の下、好ましくは３００℃の下、またはさらに必要であれば、１００℃と３００℃以下との間に維持されることを可能にする。さらに、本発明に従う低温アーク放電イオンめっきコーティング方法によって生成された薄膜は、より高い基板温度において成膜された等価な薄膜と比較して、滑らかな面および優れた機械的特性またはむしろ同様のコーティング品質を呈する。さらに、本発明に従うコーティング方法は、より高い基板温度による等価なコーティング皮膜の成膜によって達成されるコーティング成膜速度に等しいコーティング成膜速度を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の記載
本発明は、請求項１に記載されるアーク放電イオンめっきコーティング成膜方法に関する。
【００１６】
本発明を、次に、より詳細に説明する。
最初に、現状技術による状況を、本発明のよりよい理解を得るために再度分析する。
【００１７】
より高いコーティング成膜速度は、コーティングプロセスにより、増大したアーク電流を用いることによって、および／またはより多数のターゲットを動作させることによって、一般的に達成されるが、より高いアーク電流は、より高いプラズマ放電電力に強制的に
関連付けられ、結果的に、上述したようなより高い基板温度に強制的に関連付けられる。
【００１８】
同様に、特定のコーティングシステムの場合にさえ著しく増大したコーティング硬度を含む、より高いコーティング密度および増強された機械的特性は、確定的なバイアス電圧の印加によって得ることが可能である。この理由のため、より低い基板温度を得るために、バイアス電圧なしに、または低減されたバイアス電圧を用いて、コーティングプロセスを達成することは、結果として、通常、より高温において成膜された等価なコーティングと比較して、劣ったコーティング品質をもたらす。
【００１９】
その上、基板の冷却のための能動的な冷却システムの利用は、さらに、それと関連して複雑さおよび高い経費を余儀なくされるため、望ましくない。
【００２０】
さらに、高い磁界強度は、小滴の量およびサイズが低減されたアーク成膜コーティング皮膜を生成するために、言いかえれば、より低い粗さを呈する、アーク成膜コーティング皮膜を生成するために、特に良い。しかしながら、高い磁界強度は処理ガスの高いイオン化に至り、それは、結果として、増大したプラズマ放電電圧、およびより高いプラズマ放電電子温度を生じる。このプラズマ状態は、次いで、基板への、より大きな熱エネルギの発生量をもたらし、結果的により高い基板温度に至る。
【００２１】
上に記載された局面をすべて考慮して、本発明者らは、コーティングプラズマ放電の生成を提案するが、ただし、それは、既に公知の高温ＡＩＰコーティングプロセスによって用いられる、特に、アーク電流、活性化されるターゲットの数、バイアス電圧および磁界強度に関して、まさに同じコーティングパラメータを用いて生成され得るような態様で提案され、しかしながら、典型的に生成される、より熱間のコーティングプラズマ放電と比較して、かなりより低い電位、および結果的にかなりより低い電力を呈する。そうすることにおいて、より高い基板温度によって生成されたコーティング皮膜と同じかまたは本質的に同じコーティング成膜速度、および、同じかまたは本質的に同じであるコーティング品質を有するが、しかしこの場合においてはかなりより低い基板温度（約１００℃〜３００℃またはそれより低温）によって生成されたコーティング皮膜を生成することが可能であろう。
【００２２】
本発明者らは、基本的に、高い磁界強度を用いることによって引起される電位のさらなる増分の防止を提案する。
【００２３】
本発明の概念をよりよく理解するために、高い磁界強度が用いられるときに生じる、現状技術による典型的な事例（図１を参照）が、さらにより詳細に分析される。
【００２４】
アーク蒸発プロセスによって生成された負の荷電粒子１０７が、ターゲット（陰極）から放出され、陽極に向けられる。陽極は、通常、陰極から離れて配置され、たとえばチャンバ１０３であり得る。高い磁界強度が用いられるとき（約４０ガウス〜５００ガウス）、陽極に流れる負の荷電粒子は、それらが陽極（この事例ではチャンバ壁１０３）に達するまで、陰極から磁界を横切って螺旋運動軌道１０９で流れるような態様で、磁力線（図１には図示せず）によって影響を受ける。この現象は、処理ガスのイオン化のようないくつかの物理的な相互作用を伴い、それは、結果として、陰極の前における電位上昇、ならびに結果的にコーティングプラズマ放電における電位および電力の増分を生じ、それは、したがって、結果として、基板への熱エネルギの発生量の増大、およびその後の基板温度の増分を生じさせる。
【００２５】
これらの要素をすべて考慮に入れて、本発明者らは第１の好ましい実施の形態を提案し、そこでは、本発明に従うコーティング方法は、陽極が陰極に可能な限り接近して配置さ
れるステップを含む。
【００２６】
本発明に従うコーティング方法のさらなる好ましい実施の形態は、磁力線または磁力線の少なくとも大多数が、陰極から陽極に直接向けられるステップを含む。
【００２７】
本発明に従うコーティング方法の、１つの、より好まれる実施の形態は、陰極に対しての陽極位置および形状は、磁力線が表面陽極と基本的に垂直に出会うか、または少なくとも陽極表面に対して少なくとも４５度の角度を形成する（図２を参照）ことを可能にすることを考慮する。
【００２８】
本発明に従うコーティング方法の他の好ましい実施の形態においては、陰極２０９に関しての陽極２０１の位置および形状は、磁力線（図２において図示されるが、番号は付されず）および表面陽極と出会う電界線２０７が本質的に平行となるように選択される（図２を参照）。
【００２９】
上に言及される本発明のすべての実施の形態は、陰極から基板に流れることによる荷電粒子の顕著な螺旋運動を回避することを助ける。
【００３０】
以下のいくつかの例および図は、本発明のより多くの局面について説明するために記載される。本発明の核心はこれらの例および図によって限定されなくてもよい。
【００３１】
図１は、以下のものを含む、現状技術に従うアークコーティングシステム１００の図を示す。
【００３２】
１００：現状技術に従うアークコーティング装置
１０１：アーク蒸発器
１０３：コーティングチャンバ
１０５：基板固定具、および／またはコーティングされる基板
１０７：蒸発荷電粒子が形成される蒸発点
１０９：ターゲットまたは固体材料源の蒸発によって陰極から陽極に流れることにより生成される負の荷電粒子の軌道
１１０：バイアス電圧の供給のための電源ユニット
図２は、以下のものを含む、本発明に従う方法を用いてコーティングするためのアーク蒸発器の図を示す。
【００３３】
２００：本発明に従うアーク蒸発器
２０１：本発明に従って置かれる陽極
２０３：蒸発荷電粒子が形成される蒸発点
２０５：磁界の形成のための磁気的手段
２０７：ターゲットまたは固体材料源の蒸発によって陰極から陽極に流れることにより生成される負の荷電粒子の軌道
２０９：蒸発されるべきターゲットまたは固体材料
図３は、本発明に従い、以下のものを含む実施例１に記載される発明の事例２に対応するアークコーティングシステム３００の図を示す。
【００３４】
３００：本発明に従うコーティング方法に従ってコーティングするためのアークコーティング装置
３０１：本発明に従うアーク蒸発器
３０３：コーティングチャンバ
３０５：基板固定具、および／またはコーティングされる基板
３０７：蒸発荷電粒子が形成される蒸発点
３１０：バイアス電圧の供給のための電源ユニット
図４は、本発明に従い、以下のものを含む実施例１に記載される発明の事例３に対応するアークコーティングシステム４００の図を示す。
【００３５】
４００：本発明に従うコーティング方法に従ってコーティングするためのアークコーティング装置
４０１：本発明に従うアーク蒸発器
４０３：コーティングチャンバ
４０５：基板固定具、および／またはコーティングされる基板
４０７：蒸発荷電粒子が形成される蒸発点
４１０：バイアス電圧の供給のための電源ユニット
実施例１：
本発明者らは、生成されたコーティングプラズマ放電の電位値を比較するために、同じコーティングプロセスの３つの変形を達成した。以下のコーティングプロセスパラメータが、３つの分析されたコーティングプロセス変形のすべてによって、固定され、一定に維持された：
・処理ガス：Ｎ２
・ターゲット組成：Ｔｉ：Ａｌ  ５０：５０ ａｔ％
・ターゲットでのアーク電流（ＩＡＲＣ）：２００Ａ
・コーティングによる活性化されたターゲットの数：１
使用された磁界の強度は約６０ガウスであった
・バイアス電圧：０Ｖ
・処理ガス流およびバイアス電圧は、他のプロセス変形に対して等しく、すべての事例において、コーティングプロセス中において一定に維持された。
【００３６】
陰極と陽極との間の電位差（ＵＡＲＣ）、および冷却流体に伝達される熱エネルギの全体的な発生量（ＱＴＯＴＡＬ）が、測定された。コーティングプロセスにおいて導入された全電力（ＰＴＯＴＡＬ）は、ＵＡＲＣとＩＡＲＣとの乗算（ＰＴＯＴＡＬ＝ＵＡＲＣ×ＩＡＲＣ）によって計算された。冷却流体に伝達された熱エネルギの全発生量は、ターゲット冷却板（ｑＣＡＴＨＯＤＥ）、チャンバ壁冷却システム（ｑＣＨＡＭＢＥＲ）および陽極冷却システム（ｑＡＮＯＤＥ）における冷却流体（これらの事例においては水）において分配された熱エネルギ発生量の和の結果である。実質的により低い熱エネルギ（ｑＰＬＡＳＭＡ）またはかなり実質的により低い電力（ＰＰＬＡＳＭＡ）を呈する、より冷間のコーティングプラズマ放電を、本発明に従って生成することが可能であることが証明された。驚いたことに、本発明に従う方法を用いることは、１０倍より大きい係数においてプラズマにおける熱エネルギを減じることが可能であった（表１を参照）。
【００３７】
【表１】
2019023351.tif 000002
【００３８】
３つのコーティングプロセス変形は、陰極に関する陽極の配置においてのみ変動する。第１の分析されたコーティングプロセス変形が、図１に図示され、コーティングチャンバ１０５が陽極として用いられる、一般に用いられる現状技術変形に対応する。第２および第３の分析されたコーティングプロセス変形が、図３および図４にそれぞれ図示され、本発明に従う変形に対応している。第２の分析されたコーティングプロセス変形は、図３に示された構成に対応し、陽極は、基板に非常に接近して置かれ、磁力線または磁力線の大多数（図３においては図示せず）は、ターゲット（陰極）から陽極に直接向けられる。第３の分析されたコーティングプロセス変形は、図４に示された構成に対応し、この事例では、陽極は事例２（図３）の場合と同様に配置されているが、陽極およびコーティングチャンバの両方が同じ電位にあり、結果的に陽極になるように、陽極はさらにコーティングチャンバに電気的に接続される。言いかえれば、事例３では、陽極＋コーティングチャンバは、ともに、同じ陽極として機能する。
【００３９】
実施例２：
２つの種類のＡｌＣｒＮコーティング皮膜を、同じコーティングパラメータを用いることによって成膜したが、ただし、１回目は、現状技術に従って構成された陽極を用い、２回目は、本発明に従って構成された陽極を用いた。両方のコーティング皮膜とも、非常に良いコーティング品質、および本質的に同じコーティング特性を呈した。唯一の明らかな違いは、これらのコーティングプロセスによって達成された基板温度であった。第１の事例においては、コーティングによって達成された最大の基板温度は約４７５℃であり、その一方で、第２の事例におけるコーティングによっては、２１０℃の最大のコーティング温度が達成された。それは、図５に示されるように、基板温度の驚くべき減少を証明した。
【００４０】
両方の事例１および２においては、１つのターゲット当たり、１５０Ａの一定のアーク電流がコーティング中に用いられた。
【００４１】
バイアス電圧も、両方の事例１および２において同一であった。コーティングプロセスが本発明に従って達成されるときにこのパラメータの影響を分析するために、図６に示されるように、２つの異なるバイアス電圧値が、コーティング中に設定された。
【００４２】
本発明によるコーティング方法を用いるカソード電圧の減少は、図７に示されるように、証明されるかもしれない。
【００４３】
驚いたことに、図８に示されるように、ターゲットでのバイアス電流のかなりの減少も、本発明による方法を用いて得られた。
【００４４】
コーティング硬度、ヤング率、基板に対する接着、およびＸ線スペクトルに関する、すべての関係のある違いが、現状技術に従って高温（約３５０℃〜５００℃）によって成膜されたコーティングと、同じコーティングパラメータを用いることによって低温（約１００℃〜３００℃またはそれより低温）によって成膜されたコーティングとの間において観察された。
【００４５】
図９に、現状技術に従って約４００℃〜４５０℃の基板温度によって成膜されたＡｌＣｒＮコーティング（上側）、および同じコーティングパラメータによって、ただし本発明に従って成膜されたＡｌＣｒＮコーティング（下側）に対応する、２つのＸ線スペクトルが示される。
【図１】
2019023351.tif 000003
【図２】
2019023351.tif 000004
【図３】
2019023351.tif 000005
【図４】
2019023351.tif 000006
【図５】
2019023351.tif 000007
【図６】
2019023351.tif 000008
【図７】
2019023351.tif 000009
【図８】
2019023351.tif 000010
【図９】
2019023351.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成30年10月16日(2018.10.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバにおける基板のアーク放電コーティングまたはアーク放電イオンめっきコーティングのためのコーティング方法であって、アーク蒸発器に配置され固体材料からなるターゲットが陰極として機能し蒸発されるように前記アーク蒸発器を用いてコーティングプラズマ放電が生成され、アーク蒸着中に、前記固体材料表面上の陰極スポットの移動は、前記固体材料表面からの大量のマクロ粒子または小滴の放出を回避するために、所定の磁界強度を有する磁界を用いて加速され、アーク蒸発から結果として生じる負の荷電粒子が前記陰極から陽極に流れ、
前記磁界強度を用いることによって生じるコーティングプラズマの電位のさらなる増分は、
・前記陰極の長手方向の表面の接線に沿って見たとき、前記陽極の少なくとも一部が前記陰極の少なくとも一部と重なるように前記陽極（２０１）および前記陰極（２０９）を配置し、かつ
・磁力線または磁力線の少なくとも大多数を前記陰極（２０９）から前記陽極（２０１）に直接方向づける
ことにより防止され、これにより、前記陰極から前記陽極への流れによる前記負の荷電粒子の螺旋運動は回避され、この際、コーティング中において基板の温度のより低い増分が達成されることにより特徴付けられる、方法。
【請求項２】
使用される磁界の強度は、４０ガウスから５００ガウスの高い磁界強度であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記陰極に対する前記陽極の位置および形状は、磁力線が、前記陽極の表面と基本的に垂直に交わるか、または少なくとも前記陽極の表面に対して少なくとも４５°の角度を形成するように選択されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記陰極に対する前記陽極の位置および形状は、前記磁力線および前記陽極の表面と交わる電界線（２０７）が本質的に平行となるように選択されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
前記基板の温度は、１００℃から３００℃の間またはそれより低温であることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項６】
前記ターゲットは、アルミニウムを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項７】
前記ターゲットは、チタンおよび／またはクロムを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項８】
使用される磁界の強度は、６０ガウスであることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項９】
プラズマにおける熱エネルギは、１０倍より大きい係数において減じられることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
前記陰極の電圧は減じられることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項１１】
コーティング中のバイアス電流は、同じコーティングパラメータが用いられるがコーティングチャンバ（１０５）が陽極として用いられるコーティングプロセスと比較して低いことを特徴とする、請求項２または１０に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
【図１】現状技術に従うアークコーティングシステムの図である。
【図２】本発明の１つの実施の形態に従う方法を用いてコーティングするためのアーク蒸着器の図である。
【図３】本発明の別の実施の形態に従う方法を用いてコーティングするためのアーク蒸着器の図である。
【図４】本発明の別の実施の形態に従う方法を用いてコーティングするためのアーク蒸着器の図である。
【図５】現状技術および本発明について、温度を時間の関数として示す図である。
【図６】現状技術および本発明について、バイアスを時間の関数として示す図である。
【図７】現状技術および本発明について、カソード電圧を時間の関数として示す図である。
【図８】現状技術および本発明について、ターゲットでのバイアス電流を時間の関数として示す図である。
【図９】ＡｌＣｒＮコーティング成膜に対応する２つのＸ線スペクトルを示す図である。
【外国語明細書】
2019023351000001.pdf