(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小ルーターを取り付け具に載せ、常態下において電子ビームによる洗浄と乾燥を行う工程と、前記微小ルーターを載せた取り付け具を真空炉内に入れて、真空状態にし、120〜380℃まで加熱する工程と、前記微小ルーター表面をイオンで洗浄する工程と、低温PVD法で前記微小ルーター表面を被覆し、イオン補助装置とフィルターを利用してZr／Hf合金ターゲットから打ち出されたイオンを微細化して、微小ルーターに薄膜を形成する工程と、C2H2気体を通す工程と、窒素雰囲気中で前記微小ルーターを冷却する工程と、を含むことを特徴とするZrxHfxCxNx複合薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記微小ルーターの素材をサーメット(cermet)、前記ターゲットをZr／Hf合金とすることを特徴とする請求項１に記載のZrｘHfxCxNx複合薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記微小ルーターの素材を炭化タングステン合金、前記ターゲットをZr／Hf合金とすることを特徴とする請求項１に記載のZrｘHfxCxNx複合薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温PVD（Physical  Vapor  Deposition）、イオン洗浄、イオン被覆の原理を利用し、多元素の超微細イオン顆粒を微小ルーター（Router）表面に被覆して薄膜を形成する方法に関するもので、特にジルコニウム(Zr)、ハフニウム（Hf）、炭素(C)、窒素(N)の多元素を微小ルーターに被覆する多元素被覆薄膜の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微小ルーターは通常、旋盤に設置され、プリント基板（PCB）材料のカッティングに使用され、オートメーション化されたカッティング作業が行われる。近代化された旋盤を操作する工場では、生産力を増加することが要求されている。さらに、これらの工場は、コストが高くなるため機械設備を増やすことなく、生産力を向上することを望んでいる。PCB用微小ルーター業界では、カッティングの性能、硬度、耐摩耗性が高く、寿命が長い微小ルーターが強く求められているため、微小ルーターに付着力が高い薄膜を形成することで、硬度を高め、高速回転に耐えさせ、カッティング速度を高めて生産効率を向上しようとしている。
【０００３】
しかしながら、微小ルーターに付着力が高い薄膜を形成する方法は、これまでのところ開発されていない。本発明者らは、微小ルーターに超微細イオン顆粒の多元素薄膜を被覆する方法を検討した。
【０００４】
PVD法を利用して、炭化タングステンのような大型ルーターなどの被覆物上にTiN、TiCNなどの薄膜を形成する方法がよく知られている。このように工具の硬度とカッティング性能を高め、使用寿命を延ばすことができるが、微小ルーターに付着力が高い薄膜を形成する方法は開発されていない。従来の薄膜形成処理は先ず大気中で被覆物の洗浄を行い、次に被覆物に真空の環境で膜を形成する。しかし、薄膜形成においては、ターゲットから打ち出されるイオンに対して、イオン補助装置を用いて微細化したり、イオンを微細化するその他処理を行ったりしていない。薄膜形成の後工程においては、被覆物を室温で自然冷却している。
【０００５】
被覆物、は大気中で冷却するため、被覆物表面は酸化物による汚染が容易に発生する。そのため、従来のPVD法で薄膜を形成すると、付着物質の顆粒が大きくなり、付着力が低い。また、被覆物に薄膜を形成した後も、表面の硬度が十分に高くなく、内部の剛性も低い。さらに、耐摩耗性の向上も少なく、被覆物の使用寿命も大幅に延長することができない。さらにまた、重要なことは、微小ルーター上に付着力が高い薄膜を形成できないことである。
【０００６】
従来のCVP（Chemical  Vapor  Deposition）法は、ほとんどが950度の高温で処理されるため、被覆物の剛性や硬度が低下してしまい、微小ルーター上の薄膜形成には適さない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこれらの事情に鑑みてなされたもので、微小ルーター表面にZrxHfxCxNxという多元素薄膜を形成する方法を提供するを目的としている。また、本発明は、付着物質の顆粒が小さく、付着力が高く、このため、ルーターが壊れるまで薄膜が脱落せず、さらに製造時間が短く、薄膜を形成したルーターは表面が固く、内部の剛性が高く、耐摩耗性が大幅に向上でき、熱発散に優れ、外観のサイズが変わらず、使用寿命が延長された多元素被覆薄膜の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は低温PVD法により、微小ルーターを大気中において電子ビームで洗浄した後、真空下において加温し、イオンで微小ルーター表面を洗浄する。さらに低温で薄膜を形成する。アークソース(ARC Source) 装置で陽イオンを打ち出し、フィルターを通して顆粒（クラスター）が比較的小さいイオンだけを選び、さらにイオン補助装置で陽イオンの微細化を行う。微小ルーターを被覆する元素物質は顆粒（クラスター）が小さく、付着力が高い。このため、薄膜作成後のルーターは表面が硬く、内部の剛性が高いという長所を持ち、カッティング速度、耐摩耗性、そしてカッティングの精度や耐変形率が向上でき、使用寿命を延長することができる。同時に製造期間が短縮され、従来のPVD法、CVP法では微小ルーター上に付着力が高い薄膜を形成できなルーター問題を克服できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、低温PVD、イオン洗浄、イオン被覆の原理を利用し、微小ルーター上にZrxHfxCxNxの多元素膜を形成する方法を示す。微小ルーターの直径は0.2〜3.175mmで、素材は炭化タングステン合金またはサーメット（Cermet）である。本発明によると、ZrHfCN多元素を微小ルーターに被覆する際、３〜４μmの薄膜が形成され、薄膜を形成されたルーターは表面の硬度と内部の剛性が高いという長所を持つ。
【００１０】
本発明の実施の形態において、薄膜形成の方法（図１を参照）は以下の通りに行う。
【００１１】
a.  被覆物を取り付け具に装着し、常態において電子ビームで洗浄、乾燥する。
【００１２】
b.    前記取り付け具を真空炉内に装着し、真空状態にして、120〜380度に加熱する。
【００１３】
c.    イオン装置を利用して、イオンを打ち出し、前記被覆物の表面を洗浄する。このイオン装置をイオン・ソースとすることができる。
【００１４】
d.  薄膜作成：
(i)アーク・ソースを利用して、ターゲットから微小イオンを打ち出す。さらにイオン・ソースでもう一度微細化を行う。
【００１５】
(ii)ターゲットと被覆物の間で、金属フィルターを用いて濾過を行い、小さいイオンだけを通過させ、大きいイオンは除去する。本フィルターは絶縁セラミックで隔絶し、電極の形成を防ぎ、微小イオンの通過を有利にする。前記微小イオンは再びイオン・ソースでさらに微小化され、被覆物に被覆される。
【００１６】
e.C2H2気体の通過
f.窒素中で被覆物を冷却
薄膜形成前に、被覆物（微小ルーター）を円錐形取り付け具７（図１を参照）に取り付ける。本発明の実施の形態は円錐形取り付け具７を用いて、真空炉内の引力が物質にに及ぼす影響を克服している。薄膜形成前に、室温常圧において、電子ビームを用いて微小ルーターの表面、さらにはルーター内部の汚物まで洗浄し、微小ルーターを徹底的に洗浄する。洗浄と乾燥を行った後、工具を取り付け具と一緒に真空炉に置く。真空炉を真空にし、加温を始める。一定の温度に達した後、イオン清浄装置を用い、イオンを被覆物表面に打ち出し、被覆物表面の汚れと酸化物を除去する。この酸化物は被覆物の洗浄後に、大気と接触して発生したものである。被覆物表面は徹底的にクリーンな状態となり、汚染物がなく、良好な付着条件を提供できる。
【００１７】
イオン洗浄を行った後、薄膜作成作業に入る。この作業は真空、低温下で行われる。アーク・イオン設備（図１）で金属イオンをターゲットから打ち出す。アーク・ソースが打ち出したイオンには比較的大きな分子顆粒が含まれるため、本発明ではイオン補助装置で金属イオンを微細化し、顆粒をさらに小さくする。アーク・ソースで打ち出された微小金属イオンはイオン補助装置で補助され、イオン・ソースでさらに小さくされる。この時金属イオンはアーク・ソースで打ち出されたイオンの１/20となる。イオンがさらに小さく、さらに容易に付着することで、その他の必要な元素イオンと一緒に壊れにくい多元素薄膜を形成することが容易となる。膜層の表面は平滑で、硬度が高く、付着性が良好で、密度も高い。このため、イオン補助は不可欠だといえる。
【００１８】
このほか、図２に示す通り、ターゲット（陽イオン出口）と被覆物の間に被覆物のサイズによって異なる空隙サイズのフィルター13を設置し、イオンを濾過して、金属イオン（陽イオン）11の速度を低下し、イオン補助装置が金属イオン11を分離するに十分な時間を提供する。小さいイオンを通過させ、大きなイオンはフィルター13で除去し、微小ルーターに付着するのは同じような超微小顆粒となり、このため、緊密に被覆物に付着することができる。このように、被覆物表面の平滑度を維持し、カッティング性能を高めることができる。フィルターは通常金属材料とし、金属のフィルターの周囲はセラミックのような絶縁体で絶縁するため、フィルターが電極を形成することがなく、微小イオンが容易にフィルターを通過し、被覆物上に被覆される。薄膜作成温度は120〜380℃で、これは比較的低温での処理に属する。本発明にはイオン洗浄、イオン補助などの処理工程があるため、低温で行うことができる。ゆえに、ルーターの剛性が低下することなく、被覆後は２倍以上の硬度を得ることができる。薄膜は密着性と耐摩耗性に優れている。
【００１９】
円錐形取り付け具７は被覆物を公転方向９に回転させるほか、被覆物を自転方向８にも回転する必要がある。さらに重要なことは、設計時において公転および自転方向は、いずれも時計方向とするか、いずれも反時計方向としなければならない。このようにして、ルーターの刃と背のコーディングの厚さを自由に制御できる。
【００２０】
薄膜の後工程において、窒素下において急速冷却するため、被覆物の付着に対する影響がなく、表面の硬度と内部の剛性が高いという目的を達成できるほか、工程時間を短縮できる。本発明の製造工程によると、薄膜作成作業は２〜2.5時間で完了でき、従来の方法より短い。このほか、ルーター表面に付着した物質の顆粒が小さく、表面が平滑で、付着力が高く、これらは本発明の長所となっている。通常、薄膜の厚みは３〜４μmで、ルーターの外観サイズに影響を及ぼさない。
【００２１】
現在、最も普及している微小電子ルーター材料はＷＣ（炭化タングステン）、Co（コバルト）、TaＣ（炭化タンタル）、TiＣ（炭化チタン）などの非常に硬い金属合金である。TiＣを主成分とし、ＷＣ、TiＮ（窒化チタン）、TaＣ、Coを添加したサーメットは、耐熱性、耐破損性がその他合金より優れている。本発明において利用した微小ルーターは炭化タングステン合金とサーメットを素材としている。被覆層がわずか３〜４μmのため、すべてのカッティング特性は被覆層だけに依存することができず、これらサーメットの素材特性もルーターの性能に大きな影響を与える。すべての被覆物の特性を理解した後、特性によって被覆のターゲット元素を選択してこそ、最良の微小ルーターを得ることができる。本発明では、ルーター（微小ルーター）の素材を炭化タングステン合金およびサーメットとしているため、ターゲットにはチタンと同族のZrとHfの合金材料を用いた。
【００２２】
本発明の実施の形態が提供する薄膜作成方法は、多種の材料で塗布を行うことができる。以下の実施例で、本発明をさらに説明するが、本発明の精神と権利の範囲を制限するものではない。
【００２３】
実施例１
被覆物を微小ルーターとし、その素材をサーメットとする。直径1.5mm、有効刃長は8mm。ここではコスモス（Cosmos）微小ルーターと呼ぶ。本発明の製造方法において、ターゲットをZr／Hf合金とし、薄膜作成温度を120〜380℃とする。
【００２４】
薄膜完成後の元素分析結果は、ジルコニウムZr65wt％、ハフニウム15wt％、炭素8wt％、窒素12wt％。この被覆されたルーターを被覆コスモス微小ルーターと呼ぶ。薄膜の厚みは３〜４μm。被覆コスモス微小ルーターの硬度は素材の２倍以上で、耐摩耗性も大幅に向上した。熱発散性と外観サイズは変化していない。使用寿命も延長している。これにより旋盤の生産能力を向上し、ルーターの生産コストを削減できた。
【００２５】
［微小ルーター測定報告］
通常、微小ルーターは旋盤上に用いられ、３つの重要なパラメーターがある。
【００２６】
1.  回転速度：ルーター回転速度で、カッティング速度を示すもの。
【００２７】
2.  前進速度：ルーターの前進速度で、カッティング量を示すもの。
【００２８】
3.  使用寿命：ルーターの最高使用量で、通常は刃が折れるまでにカッティングした量で示される。
【００２９】
市場で売られているＵブランドの微小ルーターを本発明の方法で被覆した物、被覆しない物およびコスモス微小ルーターを本発明の方法で被覆した物、しない物を試験サンプルとした。前記微小ルーターの直径は1.5mm、有効刃長は8mm。前記微小ルーターは「立嵩（日立の軸）」LS-3BとLS-4Bを試験機器とし、FR（Glass  Fiber  Rubber）-4カッティング板（厚み1.6mm、サイズ16×18、南亜塑膠社製）で各微小ルーターの最良条件を測定し、その他の作業効率および寿命と比較した。結果は以下の通りである。
【００３０】
1.  被覆していないＵブランド微小ルーター：
回転速度28〜30krpm、前進速度14〜16mm/sの条件において、使用寿命は20〜40m。
【００３１】
2.  被覆しているＵブランド微小ルーター：
回転速度28〜32krpm、前進速度18〜22mm/sの条件において、使用寿命は60〜80m。
【００３２】
3.  被覆していないコスモス微小ルーター：
回転速度28〜30krpm、前進速度16〜20mm/sの条件において、使用寿命は40〜60m。
【００３３】
4.  被覆しているＵブランド微小ルーター：
回転速度30〜34krpm、前進速度24〜32mm/sの条件において、使用寿命は80〜100m。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明が提供した低温PVD法による薄膜形成方法には以下の長所がある。
【００３５】
1.  低温での被覆：本発明のPVD法薄膜形成方法は、比較的低温（120〜380℃）で処理されるため、高温による付着物剛性の低下を避け、さらに被覆後のルーターの硬度は２倍以上に向上し、密着性と耐摩耗性も増加することができる。このような状況において、その他各種元素にさらに被覆された場合、その付着力はさらに向上し、常態下においても、大気の影響を受けて脱落する現象がみられない。
【００３６】
2.  イオン補助の利用：アーク・ソースが打ち出す微小イオンは、イオン・ソースの補助で、さらに微細なイオン化処理を行うことができる。得られたイオンはアーク・ソースから得られたイオンの1/20となっている。イオンがさらに微細化されることで、容易に付着すると同時に、その他被覆に必要な元素イオンとも容易に共存でき、硬い多元素薄膜を形成し、その表面は平滑で、硬度が高く、付着性に優れ、密度も高い。
【００３７】
3.  熱発散：本発明は熱を被覆物の下端に導いて発散させる（つまりカッティング機能を持つ部分で熱を発散しない）ため、ルーターの先端が熱の発散点となり、被覆物素材に熱応力の集中がみられ、被覆物の先端部分で付着不良による薄膜の脱落現象が発生することを避けることができる。
【００３８】
4.  電子ビーム洗浄の利用：薄膜作成の前、常態下で物理電子ビームを利用してルーター表面、さらにはルーター内部の汚れを洗浄し、ルーターを徹底的に洗浄することができる。
【００３９】
5.  適用範囲が広い：付着物の材料やルーターの形状が異なる場合、特別な条件が必要となるため、薄膜作成時に注意しなければならない。付着物の材料が異なる場合は、温度を調整しなければならない。さらにカッティングする物質が異なる場合も、さらに多くの調整が必要となる。本発明ではさまざまな材質特性に関する資料収集と実験を行っており、多くのルーターの素材や付着物に対して広く応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の低温PVD法システム図
【図２】本発明の実施の形態の作業原理図
【符号の説明】
(1) アーク・パワー・サプライ
(2) バイアス・パワー・サプライ
(3) トリジスター（Trigistor）
(4) ターゲット
(5) 反応気体
(6) ポンプ（拡散ポンプと機械ポンプ）
(7) 円錐形取り付け具
(8) 取り付け具の自転方向
(9) 工作フレームの公転方向
(10)       陽極
(11)       金属イオン
(12)       蒸発金属原子
(13)       フィルター
(14)       プラズマ区
(15)       イオン・ソース
(16)       微小液滴
【図１】
0003871491.tif 000002
【図２】
0003871491.tif 000003