JP4014982B2

JP4014982B2 - アーク蒸発源用のロッドターゲット、その製造方法及びアーク蒸着装置

Info

Publication number: JP4014982B2
Application number: JP2002273880A
Authority: JP
Inventors: 博文藤井; 僚次宮本; 克彦下島
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2002-09-19
Filing date: 2002-09-19
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2022-09-19
Also published as: US20040055884A1; EP1408136A1; KR20040025623A; JP2004107750A; EP1408136B1; KR100571900B1; US7029560B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削工具や機械部品等への耐摩耗性コーティング処理に使用されるアーク蒸発源用のロッドターゲット、その製造方法及びアーク蒸着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の真空アーク蒸着装置には、図１２に示すように、真空容器５１内にアーク蒸発源用のロッドターゲット５２とワーク５３とを配置し、ロッドターゲット５２にアーク電源５４の陰極を接続して、ロッドターゲット５４に電流を入力し、その電流バランスを変化させることにより、ロッドターゲット５４の外周面からターゲット材料を蒸発させて、その蒸発したターゲット材料をワーク５３に付着させるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０７−１７３６１７号公報
【特許文献２】
特開特開２０００−８０４６６号公報
【特許文献３】
特開２００１−５９１６５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実際には、従来技術で均一な膜厚を得るためには、ワーク５３の高さとターゲット５２の高さが比較的近い場合は、図１５に示すようにワーク５３の略全長にわたって均一な膜厚が得られるようにするには、図１３に示すように、ロッドターゲット５２の両端部からのターゲット材料の蒸発量を増やさねばならない。また、図１４に示すように、ロッドターゲット５２を長さ方向に均一に蒸発させた場合は、図１６に示すようにワーク５３に均一な膜厚が得られる領域は中央付近の非常に狭い範囲に限られる。従って、いずれにしてもロッドターゲット５２が無駄になって、非常に不経済であった。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑み、ワークに対して均一な膜厚を得ると共に、ロッドターゲットの利用率を向上させて、ターゲットが無駄にならないようにしたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この技術的課題を解決するための本発明の技術的手段は、外周面を蒸発面とするアーク蒸発源用のロッドターゲットにおいて、
長手方向両端部が、中央部側よりも太く形成されており、
中央部側の細い部分に対する長手方向両端部の太い部分の有効消耗断面積が、１．０倍よりも大で３．０倍以内に設定されている点にある。
また、本発明の他の技術的手段は、長手方向両端部の太い部分の長さが、それぞれ７５ｍｍ以上で２００ｍｍ以下に設定されている点にある。
【０００７】
また、本発明の他の技術的手段は、長手方向両端部の太い部分から中央部側の細い部分に向けて徐々に細くなるように、長手方向両端部の太い部分と中央部側の細い部分との境界部分を、段階的に太さを変化させるようにした点にある。
また、本発明の他の技術的手段は、長手方向両端部の太い部分から中央部側の細い部分に向けて徐々に径が小さくなるように、太い部分と細い部分との境界部分にテーパ部が設けられている点にある。
また、本発明の他の技術的手段は、請求項１〜６に記載のアーク蒸発源用のロッドターゲットの製造方法であって、
少なくとも長手方向両端部の太い部分と中央部側の細い部分とを別個に製作した後に、長手方向両端部の太い部分と中央部側の細い部分とが一体になるように組み立てた点にある。
【０００８】
また、本発明の他の技術的手段は、真空容器内にアーク蒸発源用のロッドターゲットとワークとが配置され、アーク蒸発源用のロッドターゲットの外周面からターゲット材料を蒸発させて、その蒸発したターゲット材料をワークに付着させるようにしたアーク蒸着装置において、
真空容器内に配置したアーク蒸発源用のロッドターゲットとして、前記請求項１〜６に記載のアーク蒸発源用のロッドターゲットが用いられている点にある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態に従って説明する。
図３において、真空アーク蒸着装置の真空容器１内に円筒状のアーク蒸発源用のロッドターゲット２とワーク３とが設けられている。
ロッドターゲット２は真空容器１の中央部に上下方向に配置されている。真空容器１の下部に回転テーブル５が設けられ、回転テーブル５は、ロッドターゲット２の軸心と略一致する縦軸廻りに回転自在に支持され、回転テーブル５上にワーク３が保持部材６を介して載置され、回転テーブル５の回転に伴ってワーク３はロッドターゲット２の周囲を公転すると共に、保持部材６と共に縦軸廻りに自転するように構成されている。
【００１０】
ロッドターゲット２内には磁石８が昇降自在に設けられている。ロッドターゲット２の上端にアーク電源１０の陰極が接続されている。真空容器１にアーク電源５の陽極が接続されている。
真空アーク蒸着装置によりワーク３上に皮膜を形成させるには、まず、図示省略の真空ポンプにより真空容器１内を排気して所定圧の真空状態を保つ。そして、図示省略の点火装置によりロッドターゲット２から真空アーク放電を発生させると、ロッドターゲット２の表面（外周面）にアーク電流が集中したアークスポットが現れる。この際、磁石８の昇降により、アークスポット位置を制御しながらロッドターゲット２の外周面からターゲット材料を蒸発させる。
【００１１】
蒸発したターゲット材料の蒸気は、真空容器１内に設置したワーク３に向かって移動し、ワーク３上に皮膜を形成する。ワーク３には、必要に応じて図示しない電源によって負の電圧（バイアス電圧）が印加され、前記蒸気の中のイオンを加速しながら皮膜成形が行われる。また、必要に応じて真空容器１内には窒素等の反応性のガスが導入され、ターゲット材料との化合物の皮膜を形成することもある。
前記アーク蒸発源用のロッドターゲット２は、図１及び図２に示すように、長手方向両端部が、中央部側よりも太く形成され、ロッドターゲット２の長手方向両端部に、太い部分（大径部）１３が設けられ、中央部側に細い部分（小径部）１４が形成されている。
【００１２】
長手方向両端部の太い部分１３の長さｘが、それぞれ７５ｍｍ以上で２００ｍｍ以下に設定され、望ましくは１００〜１５０ｍｍに設定されている。
中央部側の細い部分１４に対する長手方向両端部の太い部分１３の有効消耗断面積が、１．０倍よりも大で３．０倍以内に設定され、望ましくは１．５〜２．５倍に設定されている。
ここで、図２に示すように、ロッドターゲット２の大径部１３の外径をｙとし、小径部１４の外径をｚとし、ロッドターゲット２の内径（消耗限界）をｄとすると、大径部１３及び小径部１４の有効消耗断面積Ｓｙ、Ｓｚは次のよう式で表される。
【００１３】
Ｓｙ＝（ｙ／２）²・π−（ｄ／２）²・π
Ｓｚ＝（ｚ／２）²・π−（ｄ／２）²・π
従って、Ｓｙ／Ｓｚの関係は、次のような範囲に設定されている。
１．０＜Ｓｙ／Ｓｚ≦３．０
なお、図１において、Ｌはターゲット全長を示している。
上記実施の形態によれば、次のような作用効果を奏する。
（１）ワーク３に均一な膜厚分布を得るためにロッドターゲット２の端部からの蒸発量を増やす際に、ロッドターゲット２の利用率が向上し、無駄がなくなる。
（２）ロッドターゲット２の利用効率がより向上する。
【００１４】
即ち、通常要求される、ワーク３に形成される膜厚のバラツキが±５％になるのを達成するために、蒸発量を増やす必要のあるロッドターゲット２の端部の長さは限られており、かつターゲット全長には影響されない。つまり、必要十分な長さだけを太くすることにより、ロッドターゲット２の利用効率はより向上する。必要以上に大径部１３が長ければその部分は余り、逆に大径部１３が短ければ端部寄りが早期に消耗限界に達し、いずれにしても利用効率が落ちる。
（３）ロッドターゲット２の利用効率がより向上する。
【００１５】
即ち、上記（２）の場合と同様に、膜厚バラツキが±５％になるのを達成するために、ロッドターゲット２の端部で増やすべき蒸発量は限られており、必要十分な消耗量（ターゲット径）が確保されていれば、利用効率を上げ、同時に総蒸発源量（使用可能体積）を増やすことができる。それ以上に太い径では小径部１４が消耗限界に達したときに大径部１３が余って利用効率が下がり、逆に細ければ端部（大径部１３）が早期に消耗限界に達してしまい総蒸発源量が少なくなる。
【００１６】
図４〜図６は、それぞれ他の実施形態を示している。図４の場合は、ロッドターゲット２の長手方向両端部の太い部分１３と中央部側の細い部分１４との境界部分に、細かい多数の段部１６を設け、これにより、長手方向両端部の太い部分１３から中央部側の細い部分１４に向けて徐々に細くなるように、太い部分１３と細い部分１４との境界部分を、段階的に太さを変化させるようにしている。
図５の場合は、長手方向両端部の太い部分１３から中央部側の細い部分１４に向けて徐々に径が小さくなるように、太い部分１３と細い部分１４との境界部分に、テーパ部１７を設けている。
【００１７】
図６の場合は、図５の場合と同様にデーパ部１７を設けると共に、テーパ部１７の傾斜角度αを、３°以上で３０°以下に設定し、望ましくは５〜１５°に設定している。
上記図４〜図６の実施の形態によれば、上記（１）（２）（３）の作用効果の他にそれぞれ次のような作用効果を奏する。
（４）通常放電面に対して垂直な面からは、アノード（陽極）との位置関係が変わったり、アノードが見えづらくなったり、放電面に対する磁場形態が大きく変わるなどして、そこを長い距離にわたって放電させると失火しやすいので、段階的にターゲット径を変えることにより、アークスポットが径の異なる領域へ移行する際の失火を防止することができる。
【００１８】
また、急激な径の変化点では、図７に示すように、アーク放電の熱応力の集中によるロッドターゲット２の割れ等が生じやすく、段階的にロッドターゲット２の径を変えることで割れを防止することができる。
（５）アークスポットの径の異なる領域への移行がよりスムーズになり、またエッジ部への熱応力の集中を避けることにより割れもさらに生じにくくなる。
（６）異径の境界領域の消耗形状がなめらかになる。
スパッタリング法のようにターゲット全面から面放電するものと異なり、アーク蒸発源ではアークスポットがターゲット表面を不規則に移動する。このためアーク蒸発源では、径の変化点での失火や熱応力の集中という特有の問題が起こりやすいのであるが、図４〜６の実施形態によればそのような問題を起こすことがない。
【００１９】
即ち、図８に示すように、磁場を印加した場合のアークスポットの挙動は、ロッドターゲット２の放電面とそこを貫く磁力線の角度に強く依存するため、磁場を印加している場合は、傾斜角度αが大きいテーパ部１７（図８の太線部）ではアークスポットが特異な挙動を示してしまう。たとえば、テーパ部１７以外ではアークスポットがある範囲に均一に分布していたものが、テーパ部１７ではテーパ部１７のいずれか片端に集中してしまうなどの現象が見られる。
そこで、傾斜角度αを小さくして、磁力線と放電面の相対角度をテーパ部１７以外のそれに近づけることにより、望ましくないアーク挙動を避けることができる。この観点からすると傾斜角度αは小さいほど好ましいが、大径部１３の長さや径を最適とするために自ずと制約が生じる。
【００２０】
図９は他の実施の形態を示し、ロッドターゲット２を、少なくとも長手方向両端部の大径部１３と中央部側の小径部１４とを別個に製作した後に、長手方向両端部の大径部１３と中央部側の小径部１４とが一体になるように組み立てたものである。
図９の実施の形態によれば、上記（１）（２）（３）（４）（５）（６）の作用効果の他に次のような作用効果を奏する。
（７）ロッドターゲット２は、蒸発物質の粉末をＨＩＰ（熱間等方加圧）法により成形し、その後所望の最終形状に加工されることが一般的であるが、本発明のロッドターゲット２の場合、最終形状に近い形にＨＩＰ処理することは非常に困難である。理由はカプセル形状の設計が極めて難しいばかりでなく、ＨＩＰ処理中のカプセル破断などのリスクが非常に高いためである。したがって、大径部１３に径を合わせた単純円柱形状にＨＩＰ処理してから中央部を削らざるを得ず、破棄する部分が非常に多くなる。そこで、大径部１３、小径部１４をそれぞれ独立に単純円柱形状としてＨＩＰ処理し、所望の径に加工した後、大径部１３側と小径部１４とを一体に結合することで、無駄をなくすことができるのである。
【００２１】
なお、図９に示すロッドターゲット２の製造方法は、図１及び図２の実施の実施の形態のロッドターゲット２だけでなく、図４〜図６の各実施の形態のロッドターゲット２の製造にも適用実施することができる。この場合、大径部１３と小径部１４との他に、大径部１３と小径部１４との境界部分（段部１６、テーパ部１７）も別体に製作した後に、これらが一体になるように結合するようにしてもよい。
次に、本発明のロッドターゲット２について実施した試験結果を説明する。
〔試験例１〕
ターゲット全長Ｌが７００ｍｍ、小径部１４の外径ｚがφ１００ｍｍ、大径部１３の外径ｙがφ１２５ｍｍのロッドターゲットで、大径部１３の長さｘを変えた場合のターゲット消耗量（体積）および消費効率（寿命までに消費（蒸発）した体積÷初期体積（限界消耗まで）を表１に示す。膜厚分布はバラツキ±５％を維持し、ターゲット消耗限界はφ７０ｍｍとした。その結果、大径部１３の長さｘが１００〜１５０ｍｍの場合に、消費効率が良く、大径部１３の長さｘを１２５ｍｍとした場合に最も良かった。消費効率が最大となる大径部１３の長さｘは、ロッドターゲット２〜ワーク３間の距離などに若干左右されるもののほぼ同様の傾向であり、１５０ｍｍ前後が最適であった。
【００２２】
【表１】

【００２３】
〔試験例２〕
ロッドターゲット２について大径部１３の長さを１２５ｍｍに設定し、大径部１３の外径ｙを変えた場合の消費効率を表２に示している。
表２から分かるように、大径部１３の外径ｙが小さいほど消費効率が良かったが、１２０ｍｍより小さくなると効率は頭打ちとなる一方、当然消費できる量が急激に減少した。結局、小径部１４に対する大径部１３の有効消費断面積比を１．５〜２．５とすると高い消費効率を得ながら、消費量を最大化することができた。
【００２４】
【表２】

【００２５】
〔試験例３〕
ロッドターゲット２の初期状態を、図１０に示すように設定して、図１５の膜厚分布を得た場合のターゲット消耗形態は、図１１に示すようになった。
なお、前記実施の形態では、ロッドターゲット２は、円筒形のものを使用しているが、ロッドターゲット２の形状は円筒形のものに限定されず、中実の円柱状のものであってもよいし、楕円筒状又は楕円柱状のものであってもよい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、ワークに対して均一な膜厚分布を得ると共に、ロッドターゲットの利用率が向上し、ターゲット材料の無駄がなくなり、経済的になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示すロッドターゲットの正面図である。
【図２】同ロッドターゲットの正面断面図である。
【図３】同アーク蒸着装置の概略構成図である。
【図４】他の実施形態を示すロッドターゲットの正面図である。
【図５】他の実施形態を示すロッドターゲットの正面図である。
【図６】他の実施形態を示すロッドターゲットの正面図である。
【図７】作用効果説明用のロッドターゲットの斜視図である。
【図８】作用効果説明用のロッドターゲットの正面図である。
【図９】他の実施形態を示すロッドターゲットの正面図である。
【図１０】試験例を示す初期状態のロッドターゲットの正面図である。
【図１１】同消耗状態のロッドターゲットの正面図である。
【図１２】従来のアーク蒸着装置を示す概略構成図である。
【図１３】従来のロッドターゲットの正面図である。
【図１４】従来のロッドターゲットの正面図である。
【図１５】膜厚分布を示すグラフである。
【図１６】膜厚分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１真空容器
２ロッドターゲット
３ワーク
１３太い部分（大径部）
１４細い部分（小径部）
１７傾斜部

Claims

外周面を蒸発面とするアーク蒸発源用のロッドターゲットにおいて、
長手方向両端部が、中央部側よりも太く形成されており、
中央部側の細い部分に対する長手方向両端部の太い部分の有効消耗断面積が、１．０倍よりも大で３．０倍以内に設定されていることを特徴とするアーク蒸発源用のロッドターゲット。
長手方向両端部の太い部分の長さが、それぞれ７５ｍｍ以上で２００ｍｍ以下に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のアーク蒸発源用のロッドターゲット。
長手方向両端部の太い部分から中央部側の細い部分に向けて徐々に細くなるように、長手方向両端部の太い部分と中央部側の細い部分との境界部分を、段階的に太さを変化させるようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のアーク蒸発源用のロッドターゲット。
長手方向両端部の太い部分から中央部側の細い部分に向けて徐々に径が小さくなるように、太い部分と細い部分との境界部分にテーパ部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアーク蒸発源用のロッドターゲット。
前記テーパ部の傾斜角度が、３°以上で３０°以下に設定されていることを特徴とする請求項４に記載のアーク蒸発源用のロッドターゲット。
請求項１〜５に記載のアーク蒸発源用のロッドターゲットの製造方法であって、
少なくとも長手方向両端部の太い部分と中央部側の細い部分とを別個に製作した後に、長手方向両端部の太い部分と中央部側の細い部分とが一体になるように組み立てたことを特徴とするアーク蒸発源用のロッドターゲットの製造方法。
真空容器内にアーク蒸発源用のロッドターゲットとワークとが配置され、アーク蒸発源用のロッドターゲットの外周面からターゲット材料を蒸発させて、その蒸発したターゲット材料をワークに付着させるようにしたアーク蒸着装置において、
真空容器内に配置したアーク蒸発源用のロッドターゲットとして、前記請求項１〜５に記載のアーク蒸発源用のロッドターゲットが用いられていることを特徴とするアーク蒸着装置。