(57)【要約】【課題】アーク放電を利用してプラズマを発生させ、イオンプレーティングにより、たとえば、鋼板の表面処理や構造材料等の表面積の大きい材料の表面に長時間、たとえば１５０ｈ以上にわたって安定してセラミック被膜を被成できるアーク放電方式によるイオンプレーティング装置を提供する。【解決手段】真空チヤンバ内に少なくとも１個の成膜粒子蒸発源が設けられており、アーク放電によって前記蒸発源から成膜粒子を蒸発させてプラズマ中でイオン化し、イオン化した成膜粒子を加速して真空チヤンバー内のコーティング対象物へ付着させるアーク放電方式のイオンプレーティング装置において、前記成膜粒子の蒸発源を棒状体とするとともに該棒状体のアーク放電に伴う消耗量を補償するための棒状体移動手段を備えている。【選択図】          図１
2004353023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チヤンバー内に少なくとも１個の成膜粒子蒸発源が設けられており、アーク放電によって前記蒸発源から成膜粒子を蒸発させてプラズマ中でイオン化し、イオン化した成膜粒子を加速して真空チヤンバー内のコーティング対象物へ付着させるアーク放電方式のイオンプレーティング装置において、
前記成膜粒子の蒸発源を棒状体とするとともに該棒状体のアーク放電に伴う消耗量を補償するための棒状体移動手段を備えていることを特徴とするアーク放電方式のイオンプレーティング装置。
【請求項２】
成膜粒子の蒸発源である棒状体の先端部を取り囲む回転磁界発生手段を配置してなることを特徴とする請求項１記載のアーク放電方式のイオンプレーティング装置。
【請求項３】
前記回転磁界発生手段は、長手方向端部に磁極を有する複数の永久磁石をＮ極とＳ極が交互に位置するように配置した円筒体を設け、該円筒体とその中心部に配置した成膜粒子の蒸発源である棒状体との間に相対回転を行わせるものであることを特徴とする請求項２記載のアーク放電方式のイオンプレーティング装置。
【請求項４】
コーティング対象物を挟んで成膜粒子の蒸発源である棒状体に対向するように回転磁界発生手段を配置してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアーク放電方式のイオンプレーティング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオンプレーティング法によりコーティング対象物（基板）上にセラミック被膜を形成する方法及び装置に係り、特にアーク放電を利用してプラズマを発生させて、たとえば、鋼板の表面処理や構造材料等の表面積の大きい材料の表面に連続的イオンプレーティングによりセラミック被膜を被成する装置に関する。なお、本発明においてアーク放電方式というときは、真空チャンバー中に複数の陰極を有するマルチアーク放電方式を含むものである。
【０００２】
イオンプレーティング法は金属などの基板上に密着性よくＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＣｒＮ等のセラミック被膜を形成する手段として広く活用されており、ＨＣＤ法、ＡＲＥ法、高周波イオンプレーティング法、クラスターイオンプレーティング法、アーク放電方式イオンプレーティング法等種々の方法が工業的に利用されている。
【０００３】
中でもアーク放電方式イオンプレーティング法（以下単に「アーク放電方式」という）は、固体の金属から直接イオン化率の高い金属蒸気流を得ることができるため、他の手段に比べて省エネルギーによるコーティングができるという利点がある。また、イオン化率の高い金属の蒸気が得られるため、他の手段に比べて密着性の優れたセラミック被膜の被成が可能であるとされている。また、成膜速度が０．１〜０．５μｍ／ｍｉｎ程度と極めて小さいという問題があったが、近年ではマルチアーク放電方式の採用など種々の努力により０．５〜５．０μｍ／ｍｉｎ程度まで向上している。
【０００４】
しかしながら、アーク放電方式には、なお、連続成膜時間が２０ｈ程度と比較的短時間であるという難点があり、そのため、アーク放電方式の利用は、工具類や装飾品等に限られ、表面積の大きい材料等、たとえば鋼板の表面処理や構造材料の高機能化には殆ど応用されていないのが実情である。
【０００５】
このような連続操業時間の制限は、たとえば、Ｔｉを陰極としてアーク放電する場合にアーク放電のドリフトやアークスポットの偏りが生じアーク放電が安定して持続しなくなることに由来するものとみられ、その対策として、図６に示すように陰極（カソード）３０の周縁に陰極材と同一材の堰堤３１を設け、アーク放電のドリフトやアークスポットの偏りがなくアーク放電が持続可能なようにして使用する方法が提案されている。
【０００６】
また、特許文献１には、陰極の背面側に永久磁石あるいは電磁コイルを設置して磁界を確立するとともに該磁界の強さを電気アークが前記磁界によって定められる閉じたアーク軌道を描くようにし、それによりアーク放電を持続可能とするとともにドロップレットの発生を抑制する方法が開示されている。
【０００７】
特許文献２には、マルチアーク放電方式のイオンプレーティング装置において、プラズマを収束させた後に拡散させるような磁界を、真空チヤンバー内における複数の蒸発源の前方に形成する磁界形成手段を備えているマルチアーク放電方式のイオンプレーティング装置が開示されており、これにより、コーティング対象物の設置位置に関係なく、コーティング対象物の表面に略同じ混合比の合金膜をコーティングすることができるマルチアーク放電方式のイオンプレーティング装置が提供できるとされている。また、従来に比べてドロップレットの低減を図ることができ、成膜表面粗さを改善することができるとされている。
【０００８】
特許文献３には、磁場によって基板に到達する溶融粒子の数を減少させることができると共に、アークスポットの発生の偏りを減少させることを目的として、アーク放電の陰極となる蒸発物質と、当該蒸発物質の蒸発面と略垂直に交差する磁力線のみを発生するように前記蒸発物質を取り囲む磁場発生源と、を備えた真空アーク蒸着装置が提案されている。
【０００９】
【特許文献１】
特公平５−４８２９８号公報
【特許文献２】
特開平７−１８００４３号公報
【特許文献３】
特開２０００−２０４４６６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記各先行特許文献に記載のように、金属陰極の周辺に適当な磁場を配置することにより、ドロップレットの発生を抑制し、緻密で密着性のよい被膜の形成が可能になる。また、これらの手段により、アーク放電する場合に陰極上に起こるアーク放電のドリフトやアークスポットの偏りをある程度抑制してアーク放電を安定して持続させることも期待できる。しかしながら、これらの手段によってもなお、連続成膜時間は高々２０ｈ程度であり、たとえば鋼板の表面処理や構造材料等の表面積の大きい材料の表面に連続成膜するには適さない。本発明は、アーク放電を利用してプラズマを発生させ、イオンプレーティングにより、たとえば、鋼板の表面処理や構造材料等の表面積の大きい材料の表面に長時間、たとえば１５０ｈ以上にわたって安定してセラミック被膜を被成できるアーク放電方式によ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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来のアーク放電方式について考察を加え、陰極を構成している成膜粒子蒸発源が一般に２０ｍｍ程度の比較的薄い板状体で構成されているため、その寿命が本質的に短いこと、また、当該成膜粒子蒸発源が固定されているためアークスポットの偏在等により陽極と陰極との距離が変動したときアークが不安定になりやすく陰極の早期の交換を余儀なくされることなどが連続成膜時間を短くしている原因であることをつきとめた。本発明は、上記知見に基づき完成されたものであって、以下のように構成することにより、所期の目的を達成する。
【００１２】
すなわち、本発明では、真空チヤンバー内に少なくとも１個の成膜粒子蒸発源が設けられており、アーク放電によって前記蒸発源から成膜粒子を蒸発させてプラズマ中でイオン化し、イオン化した成膜粒子を加速して真空チヤンバー内のコーティング対象物へ付着させるアーク放電方式のイオンプレーティング装置において、前記成膜粒子の蒸発源を棒状体とするとともに、該棒状体のアーク放電に伴う消耗量を補償するための棒状体移動手段を備えている。
【００１３】
上記発明において、成膜粒子の蒸発源である棒状体は、真空チャンバーの外部から真空チャンバー内に挿入され、かつ棒状体移動手段１１により移動可能とされていることとするのが望ましい。
【００１４】
また、成膜粒子の蒸発源である棒状体の先端部を取り囲む回転磁界発生手段を配置することができ、それによりアークスポットの偏在等を抑制することができる。
【００１５】
上記の回転磁界発生手段は、長手方向端部に磁極を有する複数の永久磁石をＮ極とＳ極が交互に位置するように配置した円筒体を設け、該円筒体とその中心部に配置した成膜粒子の蒸発源である棒状体との間に相対回転を行わせるものとすることができる。
【００１６】
さらに、本発明では、コーティング対象物を挟んで成膜粒子の蒸発源である棒状体に対向するように回転磁界発生手段を配置することができる。これにより、イオン化した成膜粒子流のコーティング対象物への流れをより均一化することができ、被膜の均一化と密着性の向上を図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施例に係るイオンプレーティング装置の概念図である。この例のイオンプレーティング装置では、真空チャンバー１の底部から成膜粒子蒸発源３が挿入されている。この成膜粒子蒸発源３は比較的長い棒状体であり、その下面側には棒状体移動手段１１が付設されている。棒状体移動手段１１は、たとえば、支持棒５に接続されたシリンダー１３とその制御手段１０によって構成することができる。
【００１８】
前記棒状体からなる成膜粒子蒸発源３には、アーク電源６の負極が接続され、また成膜粒子蒸発源３の上面に対向して前記アーク電源の正極につなぎ込まれた陽極（トリガー）８が設置されている。また、真空チャンバー１内には、公知のようにコーティング対象物４が、たとえばガスシール機構（図示しない）を通して通過するようになっており、これにはバイアス電源の負極がつなぎ込まれている。さらに、上記真空チャンバーには公知の手段により、真空系につながる排気口２及び反応ガス導入口１２が備えられている。
【００１９】
したがって、上記構成のイオンプレーティング装置を用い、トリガー８と成膜粒子蒸発源３の間でアーク放電を行なわせることによって、アーク放電方式により、固体の金属から直接イオン化率の高い金属蒸気流を得、これを反応ガスと反応させてコーティング対象物（たとえば帯状鋼板）の上に連続的に成膜することができる。
【００２０】
その際、本発明では、成膜粒子蒸発源３が棒状体で構成されており、かつ該棒状体は、棒状体移動手段１１によって前進・後退が可能なようになっている。したがって、アーク放電の進行に伴い成膜粒子蒸発源３のアーク放電面が陽極８から後退しても、その量に応じて棒状体である成膜粒子蒸発源３を前進させることができる。これにより、陰極である成膜粒子蒸発源３の放電面を所定の位置にあるように調整することができる。また、必要に応じ、陽極８と成膜粒子蒸発源３の放電面との間の距離、又は後述する回転磁界発生手段と成膜粒子蒸発源３の放電面との間の距離をほぼ一定に保つことができる。
【００２１】
ここで棒状体は直径５０〜２００ｍｍ、長さ５０〜３００ｍｍとすることが好ましい。直径５０ｍｍ未満ではアークスポットの放電領域が小さくなりすぎ異常放電が多発するためであり、２００ｍｍ超では後述する回転磁界の制御が困難になるからである。また、長さが５０ｍｍ未満では、長時間の連続成膜が困難になるからである。一方、３００ｍｍ超ではイオンプレーティング装置が大きくなりすぎ経済的でなくなるからである。
【００２２】
このような放電面の位置調整は、種々の手段によって棒状体３の先端部の位置を測定し、それに応じてシリンダー１３によって棒状体である成膜粒子蒸発源の挿入量を調整すればよい。本例では、センサー９が備えられ、それによって棒状体先端部までの距離を測定し、その情報を演算制御装置１０に入力し、これを所定の位置と対比してそれに応じてシリンダーを駆動するようにしている。なお、センサー９としては棒状体３の先端部中心位置を検出できるものであればよく、その制御は棒状体３の先端部、特にその中心位置がイオンプレーティング中に変化しないように制御できるものであれば、その形式は問わない。
【００２３】
このようにして、本発明ではアーク放電に伴い後退した分だけ成膜粒子蒸発源を前進させることができ、しかも成膜粒子蒸発源が比較的長い棒状体で構成されているのでイオンプレーティング操業を長時間にわたり継続することができる。
【００２４】
図２に示す例では、図１に示した棒状体のアーク放電に伴う消耗量補償機構をそのまま利用し、さらに成膜粒子蒸発源（棒状体）３の先端部近傍に、該棒状体３を取り囲む回転磁界発生手段２０が配置されている。この回転磁界発生手段２０は、たとえば、図４に示すように、円筒体を６分割しその長手方向端部に磁極があるセグメント状永久磁石２１、２２をＮ極とＳ極が交互に位置するように組み合わせて円筒体となし、そのほぼ中心位置に成膜粒子の蒸発源である棒状体３を配置して構成することができる。これらを相対回転することによって棒状体３の回りに回転磁界を発生させることができる。
【００２５】
回転磁界を発生させる範囲は、成膜粒子蒸発源（棒状体）３の最先端から長さ５０ｍｍ程度を含む部分とするのがよい。また、この先端部を取り囲む回転磁界発生手段（円筒体）は、その内面が棒状体の外面より５〜５０ｍｍ離れるように位置させることが好ましい。この距離が５ｍｍより小さいと棒状体の変形があったときに回転磁界発生手段と棒状体とが物理的に接触する可能性が生ずる。一方、５０ｍｍ超では回転磁界発生手段から与えられる磁界が弱くなるため、後述する効果が得られ難くなる。
【００２６】
このように棒状体の先端部近傍に回転磁界を配置して陰極でアーク放電を行わせると、陰極表面上に作用するＪ×Ｂ（Ｊ：アーク電流、Ｂ：磁界）効果によってローレンツ力を受け、陰極表面のアーク放電位置において複雑な螺旋運動が形成される。このため、アーク放電の位置が移動し、局所的な陰極の消耗がなくなり、結果として陰極表面の均一性が維持されるようになる。また、陰極表面の微細溶融化、さらには粗大ドロップレットの形成が抑制されるという効果も得られる。このような効果は、回転磁界発生手段を配置することによって得られる。特に、多数の磁極によりマルチポール磁界を形成させると、複雑な荷電粒子の螺旋運動が加速されるためにその効果が増強されるのでさらに好ましい。
【００２７】
上述の回転磁界発生手段２０の配置効果は上記に留まらず、アーク放電によって生ずるプラズマ中のイオン化率向上にも現れる。たとえば、図１に示す例の場合（棒状体の先端部に回転磁界を配置しない場合）のプラズマ中のイオン化率は６０％であり、静止磁場を棒状体の先端近傍に配置した場合はプラズマ中のイオン化率が７０％であるのに対し、図２に示す例ではプラズマ中のイオン化率が８０％以上に向上する。
【００２８】
図４に示す例では、永久磁石２１、２２が配置された円筒体が、成膜粒子の蒸発源である棒状体３の周囲を回転するようにして構成されている。これをたとえば図５に示すように、円筒体を固定し、蒸発源棒状体３を円筒体に対して回転させ、相対的に回転磁界を発生させるようにしてもよい。永久磁石を電磁石とすることや電磁石の極性を順次変更して回転磁界とすることは任意に実施できる。
【００２９】
図３に示す例では、図２に示した例に加えて、さらにコーティング対象物４を挟んで成膜粒子の蒸発源である棒状体３に対向するように回転磁界発生手段２４が配置されている。これによってコーティング対象物４の近傍においても、荷電粒子の螺旋運動が複雑に加速され、被膜の均一性と密着性に優れたセラミック膜が得られるようになる。
【００３０】
この場合においては、回転磁界発生手段２４はコーティング対象物４に対して向かう荷電加速粒子（プラズマ流）に対して影響を及ぼすことが重要である。そのため、たとえば、先に述べたように構成した永久磁石セグメントをＮ極とＳ極が交互に位置するように配置した円筒体を支持体２５によって吊り下げ、コーティング対象物４の表面に近接させた状態で回転させるようにする。この場合、コーティング対象物と回転磁界発生手段との距離は３０〜１５０ｍｍとすることが好ましい。３０ｍｍ未満では、コーティング対象物の変形により両者が接する事故が生ずる可能性があり、一方、１５０ｍｍ超では前述の効果を得ることが困難になるためである。
【００３１】
【実施例】
（実施例１）
図１に示す装置を組み立て、Ｃ：０．０３ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．２５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．１６ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１２ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０１１ｍａｓｓ％、Ｃｒ：１６．７ｍａｓｓ％、残部Ｆｅからなる０．２５ｍｍ厚のステンレス鋼板ＳＵＳ４３０、ＢＡ（Ｂｒｉｇｈｔ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）処理材を３５０ｍ×３５０ｍｍに切断し、コーティング対象物とした。これに対してアーク放電方式によりＴｉＮコーティングを施した。その結果、コーティング中の異常放電もなく安定して１５０ｈ連続運転を行うことが可能であった。なお、装置及び処理条件の概要は表１に示すとおりである。
【００３２】
【表１】
2004353023.tif 000003
【００３３】
（実施例２）
図４に示す回転磁界発生手段を配置して図２に示す装置を組み立て、実施例１と同一のコーティング対象物と真空チャンバーを用いて、アーク放電方式によりＴｉＮコーティングを施した。その結果、コーティング中の異常放電もなく安定して２００ｈ連続運転を行うことが可能であった。なお、表２に示す条件以外は実施例１と同一である。
【００３４】
【表２】
2004353023.tif 000004
【００３５】
（実施例３）
図３に示す形式のアーク放電方式のイオンプレーティング装置を用い、実施例１と同一のコーティング対象物と真空チャンバーを用いて、アーク放電方式によりＴｉＮコーティングを施した。陰極材を取り囲む第１回転磁界発生手段及びコーティング対象物に近接する第２回転磁界発生手段の形式は図４に示すものとした。また、第２回転磁界発生手段のコーティング対象物との距離は７０ｍｍ、回転速度は０．３ｒｐｍとした。その他の処理条件は実施例２の場合と同様である。その結果、コーティング中の異常放電もなく安定して２００ｈ連続運転を行うことが可能であった。また、形成されたＴｉＮ被膜の厚み均一性が実施例２の場合に比較して優れていた。
【００３６】
以上、本発明の実施形態を基本的な実施例に基づいて説明したが、本発明の実施形態はこれらに限られるものではない。たとえば、上記各実施形態では成膜粒子の蒸発源である棒状体は真空チャンバーの底面側に取りつけられ、コーティング対象物は成膜粒子の蒸発源に対向して配置されているが、アーク放電を円滑に行うことができ、発生した陽イオンを反応ガスと反応させてコーティング対象物上に付着させることができる限りこれらの取り付け位置等は特に制限がない。
【００３７】
【発明の効果】
本発明により、アーク放電を利用してプラズマを発生させるイオンプレーティングにより、たとえば、鋼板の表面処理や構造材料等の表面積の大きい材料の表面に長時間、たとえば１５０ｈ以上にわたって安定してセラミック被膜を被成できる。特に成膜粒子の蒸発源である棒状体の先端部を取り囲む回転磁界発生手段を配置することにより、上記効果とともに、アーク放電の際に陰極表面が均一化され、また、陰極表面の微細溶融化、さらには粗大ドロップレットの形成が抑制されるという効果が得られる。
【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第１実施形態に係る概念図である。
【図２】本発明に係るイオンプレーティング装置の第２実施形態に係る概念図である。
【図３】本発明に係るイオンプレーティング装置の第３実施形態に係る概念図である。
【図４】成膜粒子蒸発源（棒状体）と回転磁界発生手段についての実施形態を示す模式的説明図である。
【図５】成膜粒子蒸発源（棒状体）と回転磁界発生手段についての他の実施形態を示す模式的説明図である。
【図６】従来の陰極材の形状を示す断面図である。
【符号の説明】
１：真空チャンバー
２：排気口
３：成膜粒子蒸発源（棒状体）
４：コーティング対象物
５：支持棒
６：アーク電源
７：バイアス電源
８：陽極（トリガー）
９：センサー
１０：演算制御装置
１１：棒状体移動手段
１２：反応ガス導入口
１３：シリンダー
２０：回転磁界発生手段
２１：Ｎ極を棒状体のアーク発生面近傍に位置せしめた永久磁石
２２：Ｓ極を棒状体のアーク発生面近傍に位置せしめた永久磁石
２３：永久磁石のＮ極とＳ極が交互に位置するように配置された円筒体
２４：（成膜粒子の蒸発源である棒状体に対向する）回転磁界発生手段
２５：支持体
３０：陰極
３１：堰堤
【図１】
2004353023.tif 000005
【図２】
2004353023.tif 000006
【図３】
2004353023.tif 000007
【図４】
2004353023.tif 000008
【図５】
2004353023.tif 000009
【図６】
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