電弧離子鍍裝置的製作方法

2023-12-03 17:29:16 5

專利名稱：電弧離子鍍裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過電弧放電使蒸發源離子化並在エ件上成膜的電弧離子鍍裝置。
背景技術：
電弧離子鍍裝置為如下裝置，即在真空中將金屬材料或陶瓷材料的蒸發源作為陰極(負極)產生電弧放電，由此使蒸發源蒸發的同時作為離子放出，另ー方面，對エ件(被塗物)外加負偏壓，並對該エ件表面加速供給離子來進行成膜。作為蒸發源廣泛使用鈦或鉻，並利用於為了提高耐磨性例如在由高速鋼或硬質合金、金屬陶瓷等構成的切削工具的表面形成Ti、TiAl、CrAl等硬質皮膜的技術中。這種電弧離子鍍裝置中，電弧電流集中在蒸發源表面的微小區域，由此該微小區域成為電弧斑點而使蒸發源熔化蒸發。若該電弧斑點滯留，則其滯留部附近的材料不蒸發而熔化並飛散，所以在蒸發源的背部設置磁鐵來促進電弧斑點的移動。在專利文獻I中，作為其磁場推薦蒸發源的蒸發麵上的磁場強度為5mT(毫特斯拉)以上，電弧電流值為200A以上。並且，推薦磁力線相對於蒸發麵上的法線的最大角度0為60。以下。另外，專利文獻2中，記載有如下內容，即通過形成從蒸發麵的中心沿蒸發麵的徑向的任意線段上的磁通量密度的最小值為4. 5mT以上、平均值為SmT以上、標準偏差為3以下的磁場，從而能夠提高陰極(負極)的利用效率。專利文獻3中，記載有如下內容，即在靶背面中心配置第I磁鐵，在背面的外周部以均等間隔配置磁場為相反極性且具有第I磁鐵的磁力的0. 5 I倍磁力的6個以上第2磁鐵，另外鄰接配置與第2磁鐵同軸且大致相同外徑的環狀電磁線圈，控制電弧斑點的可動區域，從而擴大腐蝕區域，並提高靶的壽命。專利文獻I :日本專利第4034563號公報專利文獻2 :日本專利公開2009-144236號公報然而，發現在放電中電弧斑點進入蒸發源表面部以外的現象，由此導致電源停止等，發生無法穩定地放電的問題。另外，中心部的磁力小於靶的周邊部，因此電弧斑點集中在中心部而易產生熔滴，成為損壞薄膜表面的平滑性的原因。若為了解決這個問題而加大磁力，則存在如下趨勢，即エ件附近的磁力也變大而來自蒸發源的離子粒子的射程變大，在這期間離子粒子的價數上升，被引人工件的力變大，薄膜的殘餘應カ變大。此時，可以考慮降低施加於エ件的偏壓即可，但是由於磁力較大，所以即使降低偏壓也難以降低殘餘應カ。

發明內容
本發明是鑑於這種情況而完成的，其目的在於提供一種電弧離子鍍裝置，其可防止電弧斑點進入蒸發源表面部以外的現象，進行穩定的放電，並且提高表面平滑性，形成殘餘應カ的控制性較高的薄膜。本發明的電弧離子鍍裝置，其特徵在於，蒸發源中不包括從端面向內部預定寬度的端部區域的內側區域表面的磁通量密度為10 15mT，所述端部區域表面的磁通量密度大於所述內側區域表面的磁通量密度，並且從所述蒸發源的表面到エ件的距離為120 300mm,該距離之間的磁通量密度的絕對值的累計值為260mT mm以下。產生於蒸發麵的電弧斑點為電子的放出點，所以為了提高蒸發源的利用效率，使電弧斑點在蒸發麵的整個區域均衡地來回移動很重要。本發明中，電弧斑點能夠在將蒸發麵的磁通量密度設為10 15mT的內側區域表面上高速且任意地來回移動。另外，為了得 到將電弧斑點封入其放電區域的效果，作為磁通量密度需在IOmT以上。若磁通量密度超過15mT，則有電弧斑點的存在本身明顯受限，導致成膜速度明顯下降的問題。另外，還產生電弧放電的電壓值比通常時上升的問題。另ー方面，由於在蒸發源的端部區域中磁通量密度大於內側區域表面，所以即使內側區域表面的電弧斑點欲朝向端部區域，也被端部區域的較強的磁場反彈，返回至內側區域。因此，能夠防止電弧斑點從端部區域進入表面部以外的現象並使其在封入到大致內側區域內的狀態下移動。作為預定寬度優選為距端面Icm的寬度。由此，能夠使蒸發源在面內均勻地蒸發，並提高薄膜表面的平滑性。另外，由於減小從蒸發源到エ件之間的磁通量密度的絕對值的累計值，並使エ件附近的磁通量密度變小，所以能夠縮短蒸發源的離子粒子的射程。因此，能夠抑制離子的價數上升，並降低因對エ件的偏壓而引起的離子牽制效應，其結果，輕鬆控制薄膜的殘餘應力。在本發明的電弧離子鍍裝置中，在所述蒸發源的背面以相比於周邊部使蒸發源的表面的磁通量密度集中於中央部並變大的方式設置中央磁鐵，在蒸發源的半徑方向外側設置極性相反的雙層環狀磁鐵即可。配置中央磁鐵和環狀磁鐵，通過中央磁鐵加大蒸發源中央部的磁通量密度，由此能夠使蒸發源表面的磁通量密度在面內均勻，並極性相反且雙重地配置環狀磁鐵，由此能夠相互抵消至エ件為止的空間的磁場，並減小累計值。在本發明的電弧離子鍍裝置中，所述端部區域表面中的磁通量密度比所述內側區域表面的磁通量密度大3mT以上即可。為了不使電弧斑點從端部區域向外移動，使端部區域表面的磁通量密度比內側區域表面的磁通量密度至少大3mT很重要。更優選相對於10 15mT的內側區域表面的磁通量密度，將端部區域表面的磁通量密度設為18mT以上即可。在本發明的電弧離子鍍裝置中，所述蒸發麵上的磁力線相對於所述蒸發麵的法線的角度e為0° < 0 <20°，並在所述端部區域表面向所述內側區域傾斜即可。若磁力線相對於蒸發麵的法線設定為上述角度，則有將電弧斑點封入蒸發麵的效果。另外，移動電弧斑點的力由磁場中平行於蒸發麵的分量與垂直於蒸發麵的分量各自的大小決定，其方向成為與平行於蒸發麵的分量垂直的方向和與平行的分量相同的方向的合成方向。因此，若使磁場中的與蒸發麵平行的分量朝向蒸發麵的內側區域，則即使電弧斑點欲向端部區域表面移動，也會向返回至蒸發麵的內側區域的方向施力，防止從端部區域向外飛出。在本發明的電弧離子鍍裝置中，所述內側區域的磁通量密度的標準偏差為3以下即可。在蒸發麵的內側區域中，通過消除局部集中而使電弧斑點在整體上均等地移動，從而蒸發源均等地消耗，利用效率變好。根據本發明的電弧離子鍍裝置，能夠使電弧斑點在蒸發源的表面高速且任意地移動，並且防止電弧斑點進入表面部以外的現象，從而產生穩定的放電，井能夠提高薄膜表面的平滑性。另外，由於減小從蒸發源到エ件之間的磁通量密度的絕對值的累計值，所以能夠降低因對エ件的偏壓而引起的離子牽制效應，輕鬆控制薄膜的殘餘應力。


圖I是示意地表示本發明的電弧離子鍍裝置的ー實施方式的水平截面圖。圖2是圖I的縱截面圖。圖3是表示蒸發麵上的磁力線的矢量的示意圖。圖4是說明電弧斑點基於蒸發麵上的磁力線的移動原理的示意圖。圖5是表示蒸發麵上的磁通量密度、磁力線的角度分布的圖表。[符號說明]I-電弧離子鍍裝置，2-真空腔室，3-エ件，4-工作檯，5-蒸發源，6_支承棒，7_氣體導入ロ，8-排氣ロ，9-加熱器，11-蒸發麵，12-正極電極，13-電弧電源，14-偏壓電源，15-中央磁鐵，16AU6B-環狀磁鐵。
具體實施例方式以下，參考附圖對本發明的電弧離子鍍裝置的ー實施方式進行說明。如圖I及圖2所示，該實施方式的電弧離子鍍裝置I在真空腔室2內設置保持エ件(被塗物)3的工作檯4，並且通過該工作檯4在兩側分別設置作為負極的蒸發源5。エ作臺4具有在其上面沿周向隔著間隔立設多條保持多個エ件3的支承棒6且如圖I的箭頭所示水平旋轉這些支承棒6的機構，成為本身也通過迴轉機構(省略圖示)水平迴轉的旋轉臺。而且為使保持於支承棒6的エ件3自轉的同時公轉的結構。另外，真空腔室2中設置有向內部導入反應氣體的氣體導入口 7和從內部排出反應氣體的排氣ロ 8，並且為了加熱工作檯4上的エ件3來提高被膜的粘附力，在工作檯4的後方設置有加熱器9。圖示例中的蒸發源5形成為圓板狀，並使其一個面朝向工作檯4上的エ件3 (與エ作臺4的半徑方向正交)來配置，且配置成朝向工作檯4的面成為蒸發麵11。而且，朝向該蒸發源5的蒸發麵11的適當部位配置正極電極12，將蒸發源5設為負扱，正極電極12與蒸發源5之間連接有施加負偏壓的電弧電源13。另外，工作檯4上也連接有對保持於該工作檯的エ件3施加負偏壓的偏壓電源14。另外，在蒸發源5的背面中央部設置中央磁鐵15，並且在蒸發源5的半徑方向外側位置以圍繞蒸發源5的外周面的方式設置有2個環狀磁鐵16A、16B。這些磁鐵15、16A、16B為永久磁鐵。蒸發源5背部的中央磁鐵15形成為中央部的厚度大於周邊部的圓錐狀，並配置成使其圓錐面朝向蒸發源5的狀態。換言之，中央磁鐵15的極點表面(圓錐面)成為中央部最靠近蒸發源5的背面井隨著朝向周邊部逐漸遠離的配置。因此，相比於周邊部使蒸發源5表面的磁通量密度集中於中央部並變大。另ー方面，設置於蒸發源5的外側的ー組環狀磁鐵16A、16B相對於蒸發源5的中心配置成雙層環狀，並且成為相互相反的極性。另外，其內側的磁鐵16A為相對於中央磁鐵15的極也成為相反極的配置。圖示例中成為如下配置，即中央磁鐵15朝向蒸發源5的前方的ー側的極成為N極，環狀磁鐵中內側的磁鐵16A朝向蒸發源5的前方的ー側的極成為S極，外側的磁鐵16B朝向蒸發源5的前方的ー側的極成為N扱。根據設為這種磁鐵配置，磁力線通過中央磁鐵15集中在蒸發源5表面的中央，中 央的磁通量密度變大，並且各磁鐵15、16A、16B的磁場的一部分以相互重疊的方式發揮作用。環狀磁鐵16A、16B的磁力線均在蒸發源5的外周部集中，而在蒸發源5的中央部變弱，但是由於極性相反並雙重地配置，因此這些磁力線成為相反方向，以相互抵消的方式發揮作用。而且，通過適當地設定這種多個磁鐵15、16A、16B的磁通量密度，這些被合成的磁場作用於蒸發源5的表面。該蒸發源5的表面上的磁通量密度在蒸發源5中不包括從外周端面向內部Icm寬度的環狀的端部區域E的內側區域C表面上為10 15mT (毫特斯拉)，標準偏差為3以下，在環狀的端部區域E表面上大於內側區域C表面的磁通量密度，成為15mT以上。另外，通過蒸發源5的磁力線形成為相對於其蒸發麵11的法線的角度0成為0°
<0 <20°且在環狀的端部區域E表面其角度朝向內側區域C傾斜。如圖3中示意地示出蒸發麵11上的磁力線的矢量，如以虛線所示，在內側區域C中，相對於蒸發麵11的法線的角度成為0° < 0 <20°，如以實線表示，在端部區域E中，磁通量密度比內側區域C的磁力線更大的磁力線相對於蒸發麵11的法線的角度成為0°
<0 <20°，但是形成為朝向內側區域C傾斜的狀態。對利用這樣構成的電弧離子鍍裝置I在エ件3上成膜的方法進行說明。首先，將エ件3保持於工作檯4的支承棒6上，對真空腔室2內進行真空抽取之後，從氣體導入口 7導入Ar等，通過濺射來去除蒸發源5和エ件3上的氧化物等雜質。而且，再次對真空腔室2內進行真空抽取之後，從氣體導入口 7導入氮氣等反應氣體，把朝向蒸發源5的正極電極12作為觸發器來產生電弧放電，由此使構成蒸發源5的物質等離子化並與反應氣體反應，在工作檯4上的エ件3表面成膜氮化膜等。該成膜エ序中在蒸發源5的蒸發麵11上放電電流集中在微小區域，高溫下產生極其活性的直徑為數U m的電弧斑點，在蒸發麵11上以10m/S以上的速度任意地來回移動的同時，使蒸發源5瞬間熔化蒸發，並且作為離子放出。此時，蒸發源5的蒸發麵11上通過前述的磁鐵15、16A、16B產生磁場，通過該磁場的作用控制電弧斑點的移動。具體而言，在蒸發源5中除了外周的端部區域E之外的內側區域C的表面，磁通量密度成為10 15mT，因此在該內側區域C的表面產生的電弧斑點被封入該內側區域C。另夕卜，通過前述的2個磁鐵15、16的相互作用，蒸發麵11上的磁力線相對於蒸發麵11的法線的角度9成為0° < 0 <20°，因此發揮作用以將電弧斑點封入蒸發麵11。另外，將該內側區域C的磁通量密度的標準偏差設在3以下是為了均等地消耗蒸發源5。另ー方面，在蒸發源5的端部區域E中，磁通量密度設定為大於內側區域C表面，因此即使內側區域C表面的電弧斑點欲朝向端部區域E，也被端部區域E的較強的磁場反彈，從而返回至內側區域C。作為該端部區域E的磁通量密度，設定為比內側區域C的磁通量密度大3mT以上就能夠使其發揮使電弧斑點返回至內側區域C的效果。另外，磁力線相對於蒸發麵11的法線的角度在端部區域E中形成為朝向內側區域C傾斜，因此有使電弧斑點朝向內側區域C返回的效果。根據Robson等(Springer社，Cathodic arcs, p. 140),關於在蒸發麵11上產生的磁場作用於電弧斑點的力，若舉出圖4的B所示的磁場作為例子，則平行於蒸發麵11的磁場分量BH成為相對於該磁場分量傾斜90°的方向的力AH,而垂直於蒸發麵11的磁場分量BV起到與平行的磁場分量BH相同方向的力AV的作用。而且，電弧斑點A通過從這些磁場起作用的力AH、AV的合成力移動。因此，通過使磁力線相對於蒸發麵11的法線的角度0朝向內側區域C，能夠使從磁場作用於電弧斑點A的力AV的方向朝向內側區域C。另外，通過增大垂直於蒸發麵11的磁場分量BV,能夠增大力AV的大小，並能夠增大使電弧斑點A返回至內側區域C的力。通過增大所述端部區域E的磁通量密度及使其磁力線朝向內側區域C傾斜，由此如圖3中以箭頭表示，電弧斑點A欲向端部區域E移動時被返回而返回至內側區域C。而且，這樣將電弧斑點A封入內側區域C內，並限制其超過端部區域E，因此可以防止電弧斑點進入蒸發源表面部以外的現象，能夠維持穩定的放電。另外,通過中央磁鐵15和ー組環狀磁鐵16A、16B,在蒸發源5的表面設為較大的磁通量密度，且隨著遠離蒸發源5而磁通量密度變小，因此能夠減小從蒸發源5到エ件之間的磁通量密度的絕對值的累計值，尤其是エ件附近的磁通量密度變小，能夠縮短蒸發源5的離子粒子的射程。因此，能夠抑制離子價數的上升，並降低因對エ件的偏壓而引起的離子牽制效應，其結果輕鬆控制薄膜的殘餘應カ。[實施例]對為了確認本發明的效果而進行的實施例進行說明。使用直徑為100mm、厚度為16_的TiAl (Ti Al = 50 50)作為蒸發源。並且，蒸發源的外側的ー組環狀磁鐵及蒸發源背面的中央磁鐵均為永久磁鐵的釹磁鐵，矯頑カ設為2000kA/m，表面磁通量密度設為1150mT。作為比較例，在蒸發源的外側設為I個環狀磁鐵、釹磁鐵，矯頑カ設為2000kA/m，表面磁通量密度設為1150mT。蒸發源的背面中央的磁鐵為鐵氧體磁鐵，矯頑カ設為250kA/m，表面磁通量密度設為350mT。在安裝有這種磁鐵的電弧離子鍍裝置中配置蒸發源，測定蒸發麵的磁場時，呈圖5 所示的狀態。在圖5中，虛線為實施例，實線為比較例。所有橫軸均將蒸發源的中心設為0，左右表示離中心的距離，左右兩端為外周端。如該圖5所示，在實施例中，從蒸發源的中心開始在比較寬的範圍存在大致恆定的區域，在外周端部附近變得大於15mT以上。在不包括端部區域的內側區域部分，磁通量密度的標準偏差為3以下。另外，磁力線與蒸發麵的法線所成的角度(傾斜角)在整個面成為0° < 0 <20°的範圍。另外，由於該角度比較小，因此幾乎未產生磁通量密度的絕對值與垂直分量之差。
與此相対，比較例中，蒸發源的外周端部也為15mT以上，但是中心部附近的磁場成為7mT以下非常小的值。包括內側區域在內的整個區域中磁通量密度的偏差也較大。另外，磁力線與蒸發麵的法線所成的角度(傾斜角)在蒸發麵的中心部附近為0° < 0<20°的範圍，但在外周端部附近超過了 20°。另外，關於磁通量密度以磁通量計在蒸發源表面中通過蒸發源表面的中心的直線上進行測定。在蒸發源的表面上，以IOmm間隔設定測定部位，在各測定點測定蒸發源表面的垂直方向及平行方向的磁通量密度。另外，根據這些測定值計算在各測定點上的磁通量密度及磁力線與蒸發麵的法線所成的角度(傾斜角)。另外，關於蒸發源表面上的磁通量密度的標準偏差，根據端部區域中不包括磁通量密度較大的部分的磁通量密度的數值計算標準偏差。接著，如表I及表2所示，在各種條件下成膜，測定從蒸發源到エ件的累計磁力和膜的殘餘應力。使用氮氣作為反應氣體。關於累計磁力，以磁通量計在從蒸發源表面中心到エ件的直線上以IOmm間隔求出磁通量密度，並從蒸發源到エ件為止累計該磁通量密度來求出。殘餘應カ通過利用X射線衍射的2 0 - sin2cp法求出。表I表不比較例,表2表不實施例。[表I]
權利要求
1.一種電弧離子鍍裝置，其特徵在幹， 蒸發源中不包括從端面向內部預定寬度的端部區域的內側區域表面的磁通量密度為10 15mT，所述端部區域表面的磁通量密度大於所述內側區域表面的磁通量密度，並且從所述蒸發源的表面到エ件的距離為120 300mm，該距離之間的磁通量密度的絕對值的累計值為260mT mm以下。
2.如權利要求I所述的電弧離子鍍裝置，其特徵在幹， 在所述蒸發源的背面以相比於周邊部使蒸發源的表面的磁通量密度集中於中央部並變大的方式設置中央磁鐵，在蒸發源的半徑方向外側設置極性相反的雙層環狀磁鐵，並且中央磁鐵和雙層環的內側的極性相反。
3.如權利要求I或2所述的電弧離子鍍裝置，其特徵在幹， 所述端部區域表面的磁通量密度比所述內側區域表面的磁通量密度大3mT以上。
4.如權利要求I或2所述的電弧離子鍍裝置，其特徵在於， 所述蒸發麵上的磁力線相對於所述蒸發麵的法線的角度0為0° < 0 <20°，在所述端部區域表面朝向所述內側區域傾斜。
5.如權利要求3所述的電弧離子鍍裝置，其特徵在幹， 所述蒸發麵上的磁力線相對於所述蒸發麵的法線的角度e為0° < 0 <20°，在所述端部區域表面朝向所述內側區域傾斜。
6.如權利要求I或2所述的電弧離子鍍裝置，其特徵在於， 所述內側區域的磁通量密度的標準偏差為3以下。
7.如權利要求3所述的電弧離子鍍裝置，其特徵在幹， 所述內側區域的磁通量密度的標準偏差為3以下。
8.如權利要求4所述的電弧離子鍍裝置，其特徵在幹， 所述內側區域的磁通量密度的標準偏差為3以下。
9.如權利要求5所述的電弧離子鍍裝置，其特徵在幹， 所述內側區域的磁通量密度的標準偏差為3以下。
全文摘要
本發明提供一種電弧離子鍍裝置，其可防止電弧斑點進入蒸發源的表面部以外的現象，進行穩定的放電，並且提高表面平滑性，形成殘餘應力的控制性較高的薄膜。本發明中，蒸發源中不包括從端面向內部預定寬度的端部區域的內側區域表面的磁通量密度為10～15mT，端部區域表面的磁通量密度比內側區域表面的磁通量密度大3mT以上，從蒸發源的表面到工件的距離為120～300mm，該距離之間的磁通量密度的絕對值的累計值為260mT·mm以下，蒸發麵上的磁力線相對於蒸發麵的法線的角度θ為0°＜θ＜20°並在端部區域表面向內側區域傾斜，內側區域的磁通量密度的標準偏差為3以下。
文檔編號C23C14/32GK102650041SQ201210023630
公開日2012年8月29日 申請日期2012年2月3日 優先權日2011年2月28日
發明者仙北屋和明, 田中裕介 申請人:三菱綜合材料株式會社