(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のアノード電極と、前記アノード電極の内部に配置されたカソード電極と、前記カソード電極とは離間して配置されたトリガ電極と、前記アノード電極と前記カソード電極の間に電圧を印加すると共に前記トリガ電極にトリガ電圧を印加して前記アノード電極と前記カソード電極の間にアーク放電を発生させ、前記カソード電極材料の金属イオンを発生させる放電電源とを有する複数台の注入装置と、前記アーク放電と同期して負のバイアス電圧がパルス的に印加され、前記金属イオンが注入される成膜対象物とが配置される注入室と、
ターゲットを有するスパッタリングカソードと、前記スパッタリングカソードにスパッタ電圧を印加するスパッタ電源とを有する複数台の成膜装置と前記成膜対象物とが配置される成膜室とを有し、
前記注入室と前記成膜室との間は、前記成膜対象物が双方向に移動可能に構成され、
前記注入装置の少なくとも一台のカソード電極と、前記成膜装置の少なくとも一台の前記ターゲットは、同じ第一の導電性材料で構成され、前記注入装置の少なくとも他の一台のカソード電極と、前記成膜装置の少なくとも他の一台の前記ターゲットは、前記第一の導電性材料とは異なる第二の導電性材料で構成されたコーティング装置。
【請求項２】
第１のトリガ電極と導電性の下地材料で構成された第１のカソード電極との間に第１のトリガ電圧を印加して第１のトリガ放電を発生させ、前記第１のカソード電極と第１のアノード電極の間に第１のアーク放電を発生させ、前記下地材料のイオンを真空槽内に放出させ、成膜対象物に前記第１のアーク放電と同期して負の第１のバイアス電圧をパルス的に印加し、前記下地材料のイオンを下地材料薄膜形成前の前記成膜対象物の表面に照射し、前記成膜対象物の内部表面に前記下地材料の注入層を形成し、
前記下地材料の注入層の表面に前記下地材料薄膜を形成した後、
第２のトリガ電極と導電性の離型性材料で構成された第２のカソード電極との間に第２のトリガ電圧を印加して第２のトリガ放電を発生させ、前記第２のカソード電極と第２のアノード電極の間に第２のアーク放電を発生させ、前記離型性材料のイオンを真空槽内に放出させ、前記下地材料薄膜を形成した前記成膜対象物に前記第２のアーク放電と同期して負の第２のバイアス電圧をパルス的に印加し、前記離型性材料のイオンを前記成膜対象物に照射し、前記下地材料薄膜の内部表面に前記離型性材料の注入層を形成し、
前記離型性材料の注入層の表面に、前記離型性材料の薄膜を形成するコーティング方法。
【請求項３】
前記離型性材料の薄膜の表面に前記離型性材料を照射し、前記離型性材料の薄膜の内部表面に前記離型性材料の注入層を形成する請求項２記載のコーティング方法。
【請求項４】
前記離型性材料には白金を用いる請求項２又は請求項３のいずれか１項記載のコーティング方法。
【請求項５】
前記下地材料にはクロムを用いる請求項２記載のコーティング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はコーティング装置の技術分野にかかり、特に、金型表面に密着性が高い薄膜を形成できるコーティング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の金型へのコーティングには、耐久性や離型性の効果をもたせるために、貴金属系の金属（白金、ルテニウム、レニウム）や、カーボン系の材料（ダイヤモンドやＤＬＣ）が成膜されてきた。貴金属性の材料を付着させる方法はスパッタやイオンビームスパッタやイオンプレーティング法とが挙げられるが、いずれの成膜手法にも一長一短がある。
【０００３】
スパッタ法については、単なるマグネトロンスパッタ法では高温に曝される金型の膜質としては不十分であり、非平衡スパッタ法が用いられるが、非平衡スパッタ法では、金型が大きくなった場合や生産量が増えた場合、ターゲットが均一にエロージョンされないために、ターゲットの交換頻度が多くなりランニングコストが高価になる。特に、金型に用いられる材料は貴金属材料であり、金型が大きくなると、スパッタターゲットも大きくなるので、ターゲットの使用効率は大きな問題である。
【０００４】
イオンビームスパッタでは、前記、ターゲットの使用効率はスパッタより高いが、装置がスパッタと比較して高いため、イニシャル（導入）のコストが高くなる。
イオンプレーティングは蒸着であることから、密着性で問題があり、プラズマ支援で基板にバイアス等印加しているものの、溶融材料の騰沸やガスの膜中に取り込まれることから、今後のμｍ以下の液滴を許容できない分野では使用できない場合がある。
金型表面に離型性材料を注入する技術は下記文献に記載されている。
【特許文献１】特開平６−６５７１８号公報
【特許文献２】特開２０００−１２９４４０号公報
【特許文献３】特開２００４−３１５８７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ランニングコストが安く、また密着性が高く、高温でも鋳物に耐えうる薄膜を金型表面に形成できるコーティング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明は、筒状のアノード電極と、前記アノード電極の内部に配置されたカソード電極と、前記カソード電極とは離間して配置されたトリガ電極と、前記アノード電極と前記カソード電極の間に電圧を印加すると共に前記トリガ電極にトリガ電圧を印加して前記アノード電極と前記カソード電極の間にアーク放電を発生させ、前記カソード電極材料の金属イオンを発生させる放電電源とを有する複数台の注入装置と、前記アーク放電と同期して負のバイアス電圧がパルス的に印加され、前記金属イオンが注入される成膜対象物とが配置される注入室と、ターゲットを有するスパッタリングカソードと、前記スパッタリングカソードにスパッタ電圧を印加するスパッタ電源とを有する複数台の成膜装置と前記成膜対象物とが配置される成膜室とを有し、前記注入室と前記成膜室との間は、前記成膜対象物が双方向に移動可能に構成され、前記注入装置の少なくとも一台のカソード電極と、前記成膜装置の少なくとも一台の前記ターゲットは、同じ第一の導電性材料で構成され、前記注入装置の少なくとも他の一台のカソード電極と、前記成膜装置の少なくとも他の一台の前記ターゲットは、前記第一の導電性材料とは異なる第二の導電性材料で構成されたコーティング装置である。
また、本発明は、第１のトリガ電極と導電性の下地材料で構成された第１のカソード電極との間に第１のトリガ電圧を印加して第１のトリガ放電を発生させ、前記第１のカソード電極と第１のアノード電極の間に第１のアーク放電を発生させ、前記下地材料のイオンを真空槽内に放出させ、成膜対象物に前記第１のアーク放電と同期して負の第１のバイアス電圧をパルス的に印加し、前記下地材料のイオンを下地材料薄膜形成前の前記成膜対象物の表面に照射し、前記成膜対象物の内部表面に前記下地材料の注入層を形成し、前記下地材料の注入層の表面に前記下地材料薄膜を形成した後、第２のトリガ電極と導電性の離型性材料で構成された第２のカソード電極との間に第２のトリガ電圧を印加して第２のトリガ放電を発生させ、前記第２のカソード電極と第２のアノード電極の間に第２のアーク放電を発生させ、前記離型性材料のイオンを真空槽内に放出させ、前記下地材料薄膜を形成した前記成膜対象物に前記第２のアーク放電と同期して負の第２のバイアス電圧をパルス的に印加し、前記離型性材料のイオンを前記成膜対象物に照射し、前記下地材料薄膜の内部表面に前記離型性材料の注入層を形成し、前記離型性材料の注入層の表面に、前記離型性材料の薄膜を形成するコーティング方法である。
また、本発明は、前記離型性材料の薄膜の表面に前記離型性材料を照射し、前記離型性材料の薄膜の内部表面に前記離型性材料の注入層を形成するコーティング方法である。
また、本発明は、前記離型性材料には白金を用いるコーティング方法である。
また、本発明は、前記下地材料にはクロムを用いるコーティング方法である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、成膜対象物にイオン注入され、注入層を形成する金属と同じ金属の薄膜が注入層と密着して形成されているから、界面に基材と注入金属の混合層が形成され、その間の密着性がよく、薄膜が剥離せず、耐久性が高くなる。
また、露出する金属薄膜表面に、その金属薄膜と同じ金属が注入され、注入層が形成されているので、金属薄膜の表面の密度が高くなり、離型性や耐久性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１の符号１は、本発明のコーティング装置を示している。
このコーティング装置１は、仕込室１０と、注入室３０と、成膜室５０と、取出室７０を有している。各室１０、３０、５０、７０は、それぞれ真空槽１１、３１、５１、７１を有している。各真空槽１１、３１、５１、７１には、真空排気系１８、３８、５８、７８が接続されており、各真空槽１１、３１、５１、７１を所定圧力まで真空排気できるように構成されている。
【０００９】
各真空槽１１、３１、５１、７１の間は真空バルブ９１〜９３によって接続されており、各真空槽１１、３１、５１、７１内の真空雰囲気を維持しながら、真空槽１１、３１、５１、７１間で成膜対象物を搬送できるように構成されている。
仕込室１０には、成膜対象物を搬送する搬送装置１３、５３が配置されている。取出室７０には、成膜対象物を取出室７０から取り出す搬送装置７３が配置されている。
【００１０】
図２を参照し、仕込室１０の真空槽１１には受渡装置１５が配置されている。
先ず、仕込室１０と他の室３０、５０の真空槽３１、５１との間の真空バルブ９１〜９３を閉じ、仕込室１０の真空槽１１を他の真空槽３１、５１、７１の内部雰囲気から分離した状態で、仕込室１０内に成膜対象物を仕込んだ後、真空排気系１８によって真空排気し、仕込室１０内を所定圧力に維持する。
注入室３０と成膜室５０の真空槽３１、５１の内部は、予め所定圧力に真空排気しておく。
【００１１】
次いで、搬送装置１３上に成膜対象物を乗せ、成膜対象物を受渡装置１５に保持させた後、真空バルブ９１を開け、成膜対象物を注入室３０の真空槽３１内に搬入する。
図２の符号３は、搬送装置１３上の成膜対象物を示している。このコーティング装置１で成膜される成膜対象物は主として金属製の金型である。
【００１２】
注入室３０の真空槽３１の内部には、保持装置４１が配置されている。この保持装置４１は、成膜対象物を一乃至複数個保持可能に構成されている。符号４ａ、４ｂは、未処理の成膜対象物であり、保持装置４１に保持されている。
注入室３０には、一乃至複数台(ここでは二台)の注入装置３２1、３２2が設けられている。
【００１３】
図５の符号３２は、このコーティング装置１で用いられる注入装置３２1、３２2の概略構成図である。
この注入装置３２は、アノード電極１０１と、カソード電極１０２と、トリガ電極１０３とを有している。
【００１４】
アノード電極１０１は筒状であり、一端が底板１１５に取りつけられている。他端は開放されている。カソード電極１０２とトリガ電極１０３は、アノード電極１０１の内部に配置されている。アノード電極１０１の中心軸線１０９上には、棒状のカソード配線１１１が配置されており、カソード電極１０２はカソード配線１１１の先端に取り付けられている。
【００１５】
カソード配線１１１は、絶縁筒１１２に挿通されており、トリガ電極１０３は絶縁筒１１２の周囲に配置されている。アノード電極１０１とカソード電極１０２と、トリガ電極１０３は互いに非接触である。
【００１６】
真空槽３１の外部には、放電電源３３(図２では符号３３1、３３2)が配置されており、アノード電極１０１と真空槽３１を接地電位に接続し、カソード電極１０２に負電圧を印加した状態で、トリガ電極１０３にカソード電極１０２に対して正のトリガ電圧を印加すると、絶縁筒１１２の表面で、トリガ電極１０３とカソード電極１０２との間にトリガ放電が発生する。
【００１７】
カソード電極１０２は、後述する成膜室５０内で形成される薄膜の材料と同じ金属材料で構成されており、トリガ放電によってカソード電極１０２から、その金属材料の蒸気が発生し、アノード電極１０１内に放出されるとアノード電極１０１の内部の圧力が上昇し、放電耐圧が低下し、アノード電極１０１とカソード電極１０２の間にアーク放電が誘起され、カソード電極１０２にアーク電流が流れる。
アーク電流は大電流であり、カソード電極１０２を構成する金属材料の蒸気と電子が多量に放出される。
【００１８】
カソード電極１０２とカソード配線１１１はアノード電極１０１の中心軸線１０９上に配置されており、アーク電流は、中心軸線１０９上を直線的に流れ、アノード電極１０１内に磁界を形成する。
アノード電極１０１内に放出された電子はアーク電流によって形成される磁界により、電流が流れる向きとは逆向きのローレンツ力を受け、放出口１１３から真空槽３１内に放出される。
【００１９】
カソード電極１０２から放出された蒸気にはイオン(荷電粒子)と中性粒子が含まれるが、電荷質量比の小さい(電荷が質量に比べて小さい)巨大荷電粒子や中性粒子は直進し、アノード電極１０１の壁面に衝突するが、電荷質量比の大きな金属イオンは、電子に引き付けられ、アノード電極１０１の放出口１１３から真空槽３１内に放出される。
【００２０】
真空槽３１内には磁石３４1、３４2とヨーク３５1、３５2が配置されており、磁石３４1、３４2とヨーク３５1、３５2が形成する磁界によって、真空槽３１内に放出された金属イオンは、その進行方向が保持装置４１に保持された成膜対象物４ａ、４ｂの方向に向って曲げられる。
【００２１】
放電電源３３内にはコンデンサが配置されており、アーク電流はコンデンサの放電によって供給されている。従って、コンデンサが放電し、電圧が低下するとアーク放電は停止し、金属イオンの放出は終了する。放電電源３３1、３３2により、コンデンサは再充電される。
【００２２】
コンデンサの充電後、トリガ放電が再度生成されると、アーク放電は再開され、金属イオンの放出も再開する。従って、所定間隔で複数回数トリガ電圧を印加すると、その数と同じ数だけトリガ放電とアーク放電が発生するので、放電回数を設定することで、所望量の金属イオンを成膜対象物内に注入することができる。ここではアーク電流は２μ秒流れ、２μ秒停止するようにされている。
【００２３】
真空槽３１の外部にはバイアス電源４３が配置されており、保持装置４１はバイアス電源４３に接続され、成膜対象物４ａ、４ｂには、保持装置４１を介して負のバイアス電圧をアーク放電に同期してパルス的に印加できるように構成されている。
また、保持装置４１の周囲にはヒータ４２が配置されており、保持装置４１に保持された成膜対象物４ａ、４ｂは、所望温度に加熱できるように構成されている。
【００２４】
成膜の際、予めヒータ４２によって成膜対象物４ａ、４ｂを加熱し、５００℃に昇温させておく。トリガ電極１０３にトリガ電圧を印加する際、バイアス電源４３により、成膜対象物４ａ、４ｂに負のバイアス電圧をアーク放電と同期してパルス的に印加し、アーク電流が流れる間、成膜対象物４ａ、４ｂに負電圧を印加すると、金属イオンはバイアス電圧によって加速され、成膜対象物４ａ、４ｂの表面に入射する。
【００２５】
金属イオンは飛行方向が磁界によって曲げられており、成膜対象物４ａ、４ｂの表面に垂直に入射し、成膜対象物４ａ、４ｂの内部に注入される。バイアス電圧は−１０ｋＶ〜−３０ｋＶで、パルス周波数を５０〜２５０ｋＨｚ（デューティー比を５０％とした場合のＯＮ時間は２〜１０μ秒）で印加する。
【００２６】
複数の注入装置３２1、３２2には、それぞれ同種又は別種の材料のカソード電極１０２を装着し、いずれか一台又は複数台の注入装置３２1、３２2から金属イオンを放出させることができる。
ここでは、下地材料から成るカソード電極１０２が装着された注入装置３２1と、下地材料とは異なる離型性材料から成るカソード電極１０２が装着された注入装置３２2が配置されている。下地材料と離型性材料は導電性物質である。
【００２７】
このコーティング装置１の操作手順について説明する。
先ず、下地材料から成るカソード電極１０２を有する注入装置３２1により、複数回数のトリガ電圧を印加すると共に、アーク放電と同期してバイアス電圧をパルス的に繰り返し印加し、アーク放電によって放出された下地材料のイオンを負のバイアス電圧で加速し、成膜対象物４ａ、４bの表面に所望量の下地材料を注入する。ここでは下地材料はクロムであり、後述する離型性材料は白金である。
【００２８】
図６(ｂ)の符号符号５ａ、５ｂは、注入された下地材料により、処理対象物の本体８０の内部表面に下地材料の注入層８１が形成された状態の成膜対象物を示している。
下地材料の注入層８１が形成された成膜対象物５ａ、５ｂは、搬送装置１３、５３によって、注入室３０の真空槽３１から成膜室５０の真空槽５１内に搬送される。
【００２９】
図３を参照し、成膜室５０の真空槽５１の内部には、保持装置６１が配置されており、真空槽５１内に搬入された成膜対象物５ａ、５ｂは保持装置６１に保持される。
保持装置６１は昇降可能に構成されており、真空槽５１の上方にはヒータ６２が配置されている。成膜対象物５ａ、５ｂの保持後、図４に示すように上昇させると、成膜対象物５ａ、５ｂはヒータ６２で囲まれる。
【００３０】
その状態の成膜対象物５ａ、５ｂの真下位置には、一乃至複数台(ここでは二台)のターゲットを有するスパッタリングカソード５２1、５２2と、それらにスパッタ電圧を印加するスパッタ電源５３1、５３2とを有する成膜装置が配置されている。
【００３１】
スパッタリングカソード５２1、５２2のターゲットは、注入装置３２1、３２2のカソード電極１０２とそれぞれ同じ材料で構成されており、ここでは、下地材料から成るターゲットを有するスパッタリングカソード５２1と離型性材料から成るターゲットを有するスパッタリングカソード５２2は交換可能に配置されている。
成膜室５０には、ガス導入系５９が接続されている。
【００３２】
搬送装置５３を真空槽５１内から退避させ、仕込室１０との間の真空バルブ９２を閉じた後、ガス導入系５９からスパッタリングガスを導入し、スパッタ電源５３1により、下地材料から成るターゲットを有するスパッタリングカソード５２1にスパッタ電圧(負電圧又は交流電圧)を印加すると、スパッタリングカソード５２1のターゲット表面がスパッタリングされ、下地材料がスパッタリング粒子となって飛出す。
【００３３】
成膜対象物５ａ、５ｂは下地材料の注入層８１が形成された表面がターゲットを有するスパッタリングカソード５２1に向けられており、スパッタリング粒子が成膜対象物５ａ、５ｂに到達すると、図６(ｂ)に示すように、下地材料の注入層８１の表面に下地材料の薄膜８２が形成される。下地材料の薄膜８２は、下地材料の注入層８１の表面に密着している。
【００３４】
この状態の成膜対象物６ａ、６ｂは、注入室３０に戻され、離型性材料から成るカソード電極１０２を有する注入装置３２2により、離型性材料の金属イオンが下地材料の薄膜８２に照射される。
【００３５】
このときも、成膜対象物６ａ、６ｂにはアーク放電と同期して負のバイアス電圧が周波数５０〜２５０ｋＨｚのパルスで２〜１０μ秒ずつのＯＮ時間で印加されており、照射された離型性材料の金属イオンが照射される間、成膜対象物６ａ、６ｂには負のバイアス電圧が印加されており、その結果、照射された離型性材料は、下地材料の薄膜８２の内部に注入される。所望回数トリガ電圧を印加し、その数だけアーク放電を発生させると、図６(ｃ)に示すように、下地材料の薄膜８２の内部表面に、離型性材料の注入層８３が形成される。
【００３６】
この状態の成膜対象物７ａ、７ｂを注入室３０から成膜室５０に移動させる。
成膜室５０内では、下地材料から成るターゲットを有するスパッタリングカソード５２1の替りに離型性材料から成るターゲットを有するスパッタリングカソード５２2が成膜対象物７ａ、７ｂと対向されており、スパッタ電源５３2によって離型性材料のターゲットを有するスパッタリングカソード５２2にスパッタ電圧を印加してスパッタリングし、離型性材料の注入層８３の表面に、離型性材料の薄膜８４を形成する。
【００３７】
図６(ｄ)の符号８ａ、８ｂは、離型性材料の薄膜８４が形成された状態の成膜対象物を示している。
この成膜対象物８ａ、８ｂは、成膜室５０の真空槽５１から注入室３０の真空槽３１内に移動される。注入室３０では、成膜対象物８ａ、８ｂには、アーク放電と同期した負のバイアス電圧がパルス的に印加されており、離型性材料の薄膜８４の表面に、同じ離型性材料が注入される。その結果、図６(ｅ)に示すように、離型性材料薄膜８４の内部表面に離型性材料が注入された表面注入層８５が形成される。
【００３８】
この成膜対象物９ａ、９ｂは、取出室７０に搬送された後、取出室７０から外部雰囲気に取出される。
取出しの際、取出室７０と注入室３０の間のバルブ９３は閉じられ、注入室３０内に大気が侵入しないようにされている。
【００３９】
なお、成膜室５０内のスパッタリングカソード５２1、５２2の各ターゲットの大きさは２インチであり、成膜対象物を配置するステージの大きさは直径２０ｃｍ〜３０ｃｍであるが、スパッタリングカソード５２1、５２2には揺動装置が設けられ、揺動して成膜対象物に対して移動するように構成されている。成膜の際には、スパッタリングカソード５２1、５２2のスパッタリングされるターゲット表面は、水平な状態で水平面内で揺動されており、複数の成膜対象物に第一又は離型性材料の薄膜８２、８４を均一に成膜できる。
【００４０】
本発明は、下地材料の薄膜と離型性材料の薄膜を用いたが、金型等の成膜対象物の内部表面に離型性材料の注入層を形成し、その表面に離型性材料の薄膜を形成してもよい。この場合も、離型性材料の薄膜の表面に離型性材料の注入層を形成することができる。例えば、金型等の成膜対象物の表面に白金を注入し、白金の注入層表面に白金の薄膜を形成してもよい。この場合、白金層表面に白金を注入し、白金の注入層を形成してもよい。
【００４１】
また、上記実施例では、下地材料と離型性材料として、それぞれクロムと白金を選択したが、本発明はそれに限定されるものではない。例えば離型性材料には白金の他、金、ルテニウム、レニウム、炭素を用いることができる。また、下地材料には炭素やパラジウムを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の金型コーティング装置を説明するための図面
【図２】仕込室と注入室を説明するための図面
【図３】成膜室を説明するための図面(１)
【図４】成膜室を説明するための図面(２)
【図５】注入装置を説明するための図面
【図６】(ａ)〜(ｅ)：成膜対象物の状態を説明するための図面
【符号の説明】
【００４３】
１……コーティング装置
４ａ〜９ａ、４ｂ〜９ｂ……成膜対象物
３０……注入室
３２、３２1、３２2……注入装置
３３、３３1、３３2……放電電源
４３……バイアス電源
５０……成膜室
５２1、５２2……スパッタリングカソード
５３、５３1、５３2……スパッタ電源
１０１……アノード電極
１０２……カソード電極
１０３……トリガ電極
【図１】
0005122757.tif 000002
【図２】
0005122757.tif 000003
【図３】
0005122757.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0005122757.tif 000007