电弧离子镀方法以及该方法中使用的靶材的制作方法

专利名称：：电弧离子镀方法以及该方法中使用的靶材的制作方法
技术领域：
：本发明涉及为了提高耐磨性而对切削工具、机械部件(滑动部件)形成硬质保护膜所使用的电弧离子镀方法以及该方法中使用的靶材。
背景技术：
：作为用于在被处理物上形成保护膜的方法，公知有电弧离子镀。在该电弧离子镀中，在真空气氛中，进行将由保护膜形成用的应该蒸发的材料构成的靶材作为阴极的真空电弧放电。该放电使所述靶材物质蒸发并且离子化。将该离子化后的靶材物质离子引导到^^皮处理物，并在其表面上形成保护膜。为了使用该电弧离子镀形成由金属的氮化物或金属的碳化物构成的硬质保护膜，在真空室内进行导入反应气体的反应性涂敷，例如，通过对由Cr构成的靶材导入N2气而形成CrN保护膜这样的反应性涂敷。以往，作为该电弧离子镀的一例，在专利文献1中公开了如下的电弧离子镀方法(真空电孤蒸镀方法)使用长度方向两端部形成得比中央部粗的圆筒状的棒状耙材(rodtarget)。使用图7~图IO说明该现有的电弧离子镀方法。图7是现有的用于实施电弧离子镀方法的装置的简要结构图，图8是图7的棒状靶材的主视图，图9是同一棒状靶材的正面截面图，图IO是用于说明棒状靶材的制造方法的图。在图7中，在真空室51内，在长度方向中心线彼此平行或基本平行的状态下配置棒状靶材52和被处理物(工件)53。对于所述棒状靶材52来说，构成在中途具有台阶差的圆筒状，并且在室51的中央部以在上下方向延伸的竖立姿势配置。在真空室51的下部设置旋转台55,该旋转台55以可围绕与棒状靶材52的轴心大致一致的纵轴自由旋转的方式被支持。在该旋转台55上在上下方向上延伸的被处理物53通过保持构件56以竖立姿势载置，并且，该被处理物53随着旋转台55的旋转在棒状靶材52的周围公转，并且与保持构件56—起围绕纵轴自转。在所述棒状靶材52内以自由升降的方式i殳置磁4失54。该装置还包括具有阳极和阴极的电弧电源57，其阴极连接到所述棒状耙材52的上端，阳极连接到所述真空室51。即，所述棒状靶材52设定为阴极，所述真空室51设定为阳极。如图8以及图9所示，所述棒状把材52具有长度方向两端部比中央部粗的形状。即，该棒状乾材52的长度方向两端部是大直径部(较粗的部分)521、521,中央部是小直径部(较细的部分)522。在该棒状靶材52的制作中，使用由HIP(热等静压)法对靶材物质的粉末进行加压的HIP处理。具体地说，如图IO所示，所述棒状靶材52是利用包括如下步骤的方法制作的使用所述HIP处理，将所述大直径部521、521以及所述小直径部522分别单独地形成为简单圆筒形状；以这些大直径部521、521以及小直径部522成为一体的方式进行组装。在该现有的电弧离子镀方法中，靶材52和被处理物53以长度方向中心线彼此平行或基本平行的状态配置，利用将靶材52作为阴极的真空电弧放电，将靶材物质离子引导到被处理物53，在其表面形成保护膜。所述耙材52使用具有由大直径部521、521构成的长度方向两端部和作为小直径部522的中央部的靶材，并且，根据磁铁54的升降来控制靶材表面的电弧斑点(arcspot)位置。对于该控制来说，使大直径部521、521的消耗速度比小直径部522的消耗速度大同时在被处理物53上形成保护膜，由此，能够得到在被处理物53的大致全长上膜厚偏差为±5%以内的均匀的膜厚分布。当在耙材的长度方向上耙材消耗速度(乾材材料蒸发量)均匀时，在被处理物53上得到均匀膜厚的区域限制在被处理物中心附近的范围内。因此，为了在被处理物的大致全长上得到均匀的膜厚，需要增加靶材两端部的消耗速度。因此，在该现有的电弧离子镀方法中，与为了得到所述均匀膜厚所需要的消耗速度的分布相对应地，使用长度方向两端部形成得比中央部粗的棒状粑材52。对于这种形状的棒状耙材52来说，利用效率比没有台阶差的圆筒状靶材高，靶材材料的浪费较少。但是，在所述现有的电弧离子镀方法中，存在所述棒状靶材52的制造效率较差的缺点。具体地说，该棒状靶材52被制约为其长度方向两端部比中央部粗的特殊形状。这使棒状耙材52的制造步骤变得复杂。此外，进一步要求降低制造耙材的成本。专利文献l:特开2004-107750号公报(图1~图3，图9)专利文献2:特开2003-301266号公报(图1)
发明内容因此，本发明的目的是提供能够得到在被处理物的大致全长上均匀的膜厚分布、并且与现有技术相比能够谋求靶材材料成品率的提高和靶材制造成本的降低的电弧离子镀方法以及其靶材。为了达到该目的，在本发明的电弧离子镀方法中，包括配置步骤，在真空室内配置靶材和被处理物；保护膜形成步骤，利用真空电弧放电使所述耙材蒸发、离子化而生成靶材物质离子，将由该靶材物质离子引导到所述被处理物，从而形成保护膜，其中，在该膜形成步骤中，控制扭材表面的电弧斑点位置以使靼材的长度方向两端部的消耗速度(平均单位时间的蒸发量)比靶材中央部的消耗速度快。该控制能够得到在被处理物的大致全长上均匀的膜厚分布。并且，在本发明的电弧离子镀方法中，作为所述靶材，配置至少能够分割为长度方向两端部和其以外的中央部，如上所述地进行使消耗速度变化的保护膜形成。此时，在靶材的至少中央部达到消耗极限之前，仅交换消耗速度较快的所述长度方向两端部。这样的部分的交换能够使构成所迷靶材的彼此可分割的各部分都使用到消耗极限。这样能够减少相对于靶材有效消耗量的靶材材料使用量并提高靶材材料的生产率，而与所述把材的形状无关。由此，能够谋求耙材的制造成本减小以及低价格化，并且可谋求膜形成品的低价格化。图l是示出用于实施本发明的一个实施方式的电弧离子镀方法的电弧离子镀装置的简要结构图。图2是用于说明图1的靶材的截面图。图3是用于说明本发明的靶材的交换顺序的图。图4是用于说明本发明的靶材的交换顺序的图。图5是用于说明本发明的靶材的交换顺序的图。图6是用于说明本发明的靶材的另一例的图。图7是现有的用于实施电弧离子镀方法的装置的简要结构图。图8是图7的棒状靶材的主视图。图9是同一棒状靶材的正面截面图。图IO是用于说明棒状靶材的制造方法的图。具体实施方式图l是示出用于实施本发明的一个实施方式的电弧离子镀方法的电弧离子镀装置的简要结构图。如图1所示，该装置具备真空室1,在该真空室1内配置被处理物(工件)2和耙材3。所述耙材3构成圆筒状，以在上下方向延伸的竖立姿势配置在所述真空室1内的中央部。在真空室1内的下部，设置被处理物搭载用的旋转台4,在该旋转台4上搭载多个被处理物(工件)2。在本实施方式中，各被处理物2构成在上下方向垂直延伸的圆筒状。但是，成为本发明的对象的被处理物不限于圆筒状。该被处理物也可以是排列有多个切削工具这样的小物体的被处理物、棒状被处理物或者板状被处理物。所述被处理物2具有与所述靶材3的长度方向尺寸(高度尺寸)比较接近的长度尺寸，随着所述旋转台4的旋转，相对于所述靶材3，以长度方向中心线彼此平行或基本平行的状态随着旋转台4的旋转在靶材3的周围公转，并且绕纵轴自转。在该被处理物2上连接用于将负偏置电压施加到该被处理物2上的未图示的直流偏置电源。在所述真空室1中，i殳置工艺气体(processgas)导入用的气体导入口la和与真空排气系统连接的真空排气口lb。该装置还包括具有阴极以及阳极的电弧电源7,该阴极连接到所述靶材3的上端侧部分，阳极连接到所述真空室1。因此，在该装置中，所述耙材3设定为阴极，所述真空室l设定为电弧电位的阳极。在所述电弧电源7的阳极侧通过电阻连接有具有触发针(triggerpin)的电弧点火机构8,该触发针与所述靶材3的外周面的瞬间接触产生真空电弧放电。该真空电弧放电的电弧斑点(放电斑点)在所述靶材3的外周面上移动。具体地说，该装置具备自由升降地设置在所述靶材3内的永磁铁5和使该永磁铁5升降的磁铁升降装置6，利用所述永磁铁5的升降，控制所述电弧斑点在所述扭材3的外周面上的位置。该控制能够使所述把材3的长度方向的消耗速度(平均单位时间的蒸发量)的分布产生变化。也能够利用永磁铁以外的方式例如电磁线圏进行该电弧斑点的位置控制。图2是用于说明图1中的靶材的截面图。如图2所示，所述圓筒状的靶材3具有构成靶材上端部的上靶材31、与上粑材31相同尺寸的构成靶材下端部的下扭材32、配置在其间的构成中央部的中央耙材33,能够分割为这三个部分，并且，这些部分由连结链10、IO彼此连接而一体化。即，所迷上靶材31以及所述下靶材32、所述中央靶材33彼此可分开地连结。另一方面，在真空室1的顶板上隔着圓环状的绝缘构件16安装有上凸缘11，在该上凸缘11上安装有在上下方向延伸的有底中空轴13,在该有底中空轴13的内部导入冷却水。在该有底中空轴13的下端部外周面形成阳螺钉，在该阳螺钉上安装靶材安装用的螺母14，并且，在该螺母14上配置下凸缘12。对于利用所述连结链IO、IO—体化后的靶材3来说，在嵌入到有底中空轴13外側的状态下，利用所述下凸缘12以及所述螺母14固定在上凸缘11上。安装有所述上凸缘ll的所述有底中空轴13兼用作对靶材3进行冷却用的冷却水的供给通路和电孤电流的供电路径。引导到该有底中空轴13内的冷却水通过设置在有底中空轴13的下端部的孔，流出到该有底中空轴13周围的靶材3内的冷却水排水通路15中，在该冷却水排出通路15内向上流动，并从靶材3内导出。所述图1示出的永磁铁5(在图2中省略图示)自由升降地设置在所述耙材3的冷却水排水通路15内。在所述上凸缘11上连接有与电弧电源7的阴极侧连接并流过电弧电流的电力电缆(powercable)17。接下来，对使用所述电弧离子镀装置进行的本实施方式的电弧离子镀方法进行说明。在本发明的电弧离子镀方法中，在真空室1内，在长度方向中心线彼此平行或基本平行的状态下，配置长度方向尺寸比较接近的把材3和被处理物2。利用真空电弧放电使所述耙材3蒸发、离子化，将由此生成的扭材物质离子引导到被处理物2，在其表面形成保护膜。形成该保护膜时，利用沿着靶材3内的冷却水排水通路15的永磁铁5的升降，控制耙材外周面上的电弧斑点位置。使永磁铁5的升降速度在电弧斑点位于中央靶材33上时比电弧斑点位于上、下靶材31、32上时快，由此，使上、下靶材31、32的消耗速度(平均单位时间的蒸发量)比中央靶材33的消耗速度高(例如，两倍的速度)。对于伴随着这种控制的针对被处理物2的保护膜的形成来说，能够在圆筒状的被处理物2的大致全长上得到均匀的膜厚分布。对每一批的多个被处理物2进行该保护膜形成。该保护膜形成重复N批(N是特定的自然数)时，消耗速度比中央靶材33快的上靶材31以及下耙材32比该中央耙材33先达到消耗极限。在该时刻，进行该到达消耗极限的靶材和未使用靶材的交换。所述上、下靶材31、32的消耗速度不限于是中央靶材33的消耗速度的2倍，例如，也可以是3倍或4倍等其他的整数倍速度。此外，上、下靶材31、32的交换时间也可以不一定同时。但是，以消耗速度较慢的中央靶材33的消耗极限导致的交换时间和先前交换的消耗速度较快的上、下靶材31、32的消耗极限导致的交换时间重叠的方式，调节适当的处理条件(例如，所述上、下把材31、32以及所述中央耙材33的各消耗极限量(厚度)，所述上、下靶材31、32以及所述中央靶材33的长度比率，所述上、下靶材31、32的消耗速度以及所迷中央靶材33的消耗速度)时，靶材的管理变得容易，并且靶材利用率提高。图3~5是用于说明本发明的靶材的交换顺序的图。如图3所示，对于由通过所述N批的处理达到消耗极限的上耙材31，以及下乾材32，和消耗了该N批后的中央耙材33，构成的靶材来说，从有底中空轴13拆卸下螺母14,从该有底中空轴13拔下。之后，如图4所示，将所述靶材分解，并且，代替达到消耗极限的上、下靶材31'、32，，将未使用的(新的)上、下靶材31、32连结到所述中央靶材33',由此，重新构筑包含该未使用的上、下靶材31、32的靶材3，。如图5所示，该靶材3，以嵌入到有底中空轴13外侧的状态下固定到上凸缘11上。在所述上靶材31的靠近所述中央靶材33，的部位(上靶材31的下端部)，形成使所述上靶材31与所述中央靶材33，连结位置的该上靶材31的直径和该中央耙材33，直径相同的前端较细形状的锥形部。该锥形部用于可靠地防止所述电弧斑点在所述耙材31、33，之间移动时由所述直径之间的差引起的电孤斑点的消弧，并且不一定需要其形成。同样地，在下靶材32的靠近所述中央靶材33，的部位(下靶材32的上端部)，形成使所述下粑材32与所述中央靶材33，连结位置的下靶材32的直径和该中央耙材33'的直径相同的前端较细形状的锥形部。该锥形部也用于可靠地防止所述电弧斑点在所述靶材32、33，之间移动时由所述直径之间的差引起的电孤斑点的消弧，并且不一定需要其形成。接着，重复与上次相同数量的N批保护膜形成，由此，所述中央靶材33，达到消耗极限的同时，先前(上次)交换的上、下靶材31、32也达到消耗极限。在该时刻，耙材整体更新为如图2所示的未使用的新的粑材3。这样，靶材整体交换为新乾材之前的长度方向两端部的交换频率并没有特别的限定。例如，在该中央部被交换一次期间，两端部可以交换两次，也可以交换三次以上。在以上所示的方法中，构成靶材3的能够分割的部分的上靶材31、下靶材32以及中央靶材33都能够使用到消耗极限，所以，与所述特开2004-107750号公报中公开的现有技术相比，能够谋求减少相对于靶材有效消耗量的把材材料使用量以及提高耙材材料的成品率。并且，由于耙材的形状没有特别的限制，所以，例如将该靶材的形状设定为和其长度方向正交的截面形状尺寸在靶材全长上均匀的形状，从而能够谋求靶材3的制造成本的降低，并且能够减少靶材3的成本。该效果在所述耙材3的制造中使用HIP成形的情况下特别显著。例如，如所述现有技术那样，在使用长度方向两端部比中央部粗的形状的棒状靶材的方法中，在使用HIP处理对该棒状靶材进行成形的情况下，作为该HIP处理用的靶材材料收存盒，必须准备多种盒直径不同的收存盒，在直径在长度方向整个区域均匀的扭材的制造中，其步骤以及设备被简化。在本发明的电弧离子镀方法中，可以根据需要将靶材的中央部(33)分割成多个。对于该分割来说，在靶材的尺寸非常长的情况(例如，靶材的全长为600mm以上的情况)下是有效的。在本发明的电弧离子镀方法中，用于使靶材的长度方向两端部(31、32)和中央部(33)的消耗速度改变的电弧斑点的位置控制不限于上述那样的由永磁铁5的位置控制来进行。也能够利用其以外的公知方法、例如阳极的位置控制的方法或阳极电流平衡的调节的方法来实施该电弧斑点的位置控制。本发明的电弧离子镀方法中所使用的靶材的未使用时的形状没有特别的限制。该形状可以是上述那样的圆筒形状以外的棱柱形状或如图6所示的平板形状。此外，该靶材不限于和其长度方向正交的截面形状在靶材全长上相同，也可以是未使用时两端部的直径比中央部的直径稍大的形状。在以上示出的电弧离子镀方法中包括配置步骤和保护膜形成步骤，该配置步骤在真空室内配置靶材和被处理物，该保护膜形成步骤利用真空电弧放电使所述靶材蒸发、离子化从而生成靶材物质离子，并且将靶材物质离子引导到所述处理物，进行保护膜的形成，在该保护膜形成步骤中，进行使靶材的长度方向两端部的消耗速度(平均单位时间的蒸发量)比该革巴材的中央部的消耗速度快的靶材表面的电弧斑点位置控制。该控制能够得到在被处理物的大致全长上均匀的膜厚分布。并且，在本发明的电弧离子镀方法中，作为所述靶材，配置至少能够分割为长度方向两端部和其以外的中央部的耙材，如上所述地进行使消耗速度变化的保护膜形成。此时，在靶材的至少中央部达到消耗极限之前，仅交换消耗速度较快的所述长度方向两端部。对于这样的部分的交换来说，能够使构成所述靶材的彼此能够分割的各部分都能使用到消耗极限。这能够与所述耙材的形状无关地使相对于靶材有效消耗量的靶材材料使用量减少并提高靶材材料的成品率。由此，能够谋求使靶材的制造成本减小以及低价格化，并且进一步谋求保护膜形成品的低价格化。在所述配置步骤中，优选使所述被处理物和具有与该被处理物的长度方向尺寸大致相同的长度尺寸的靶材，以该被处理物的长度尺寸和该靶材的长度尺寸为大致平行的姿势相对置。在所述配置步骤中，进一步优选配置与长度方向正交的方向的截面形状尺寸在乾材的全长上大致相同的靶材。这样的靶材制造容易，能够谋求成本的降低。另一方面，在所述保护膜形成步骤中，使所述靶材的中央部残留而仅交换长度方向两端部时，作为该长度方向两端部，可以将形成有前端较细锥形部的部件作为该长度方向两端部连结在所述中央部上，该形成有前端较细锥形部的部件使该长度方向两端部与所述中央部的各连结位置处的该长度方向两端部的直径和该中央部的直径相同。该锥形部防止所述各连结位置上的长度方向两端部的直径和中央部的直径的差引起的电孤斑点的消弧。在所述配置步骤中，配置能够分割成长度方向两端部和中央部的三个部分的靶材，在所述保护膜形成步骤中，进一步优选调节所述长度方向两端部的消耗速度和所述中央部的消耗速度并同时进行保护膜形成，使得所述中央部达到消耗极限的该中央部的交换时间和在该中央部的交换时间前已经交换的长度方向两端部达到消耗极限的该长度方向两端部的交换时间重叠。这样，所述中央部的交换时间和所述长度方向两端部的交换时间重叠，这使得能够与所述长度方向两端部同时交换所述中央部，容易进行靶材的管理。实施例使用上述图1中示出的装置，进行本发明的实施例和比较例(在上述特开2004-107750号公报中示出的现有技术)的电弧离子镀。被处理物2是圆筒形，外径0)90mm,长度L:500mm。实施例的耙材3的全长是700mm，构成圆筒形，构成两端部的上、下靶材31、32:外径O130mm，内径(D50mm,长度150mm,构成中央部的中央靶材33:外径(D130mm，内径050mm，长度400mm，消耗极限为外径070。此外，比较例的耙材的全长是700mm，构成具有台阶差的圆筒形，两端部外径O130mm,内径O50mm，长度150mm，中央部外径0>104.4mm，内径①50mm,长度400mm,消耗极限为外径070。并且，为了得到在被处理物2的大致全长上膜厚的偏差为±5%以内的均匀的膜厚分布，永磁铁5的升降速度在行程两端的50mm的区域设定为50mm/s,在其以外的中央部的区域，设定为100mm/s。即，上、下耙材31、32(在比较例中是两端部)的消耗速度设定为中央粑材33(在比较例中是中央部)的消耗速度的两倍的速度。由包含实验的经验上可知，虽然装置的规模也产生影响，但是，通常以该消耗速度比能够在最大范围内得到均匀的膜厚分布。在实施例和比较例中都使用由Cr构成的耗材，在真空室1内导入N2气体作为工艺气体，控制N2气体流量以将真空室1内的压力保持为3Pa,同时进4亍在电弧电流为1000A下的真空电弧;汶电。通过该方法，每一批对15个^L处理物2进行膜厚为10|iim的CrN保护膜的成膜。在本发明的实施例中，在108批，上、下耙材31、32达到消耗极限，仅将达到消耗极限的上、下靶材31、32交换为未使用的靶材。接着，进行CrN保护膜的形成，在下一个108批，中央靶材33达到消耗极限的同时，先前交换的上、下靶材31、32也达到消耗极限。即，靶材3整体达到消耗极限。在表l中示出该结果。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>*1在消耗速度比是两端部中央部=2:1的情况下，以两端部和中央部同时达到消耗极限的方式所算出的[根据(1302-702):(乂2-702)=2:1]'由表1可知，在本发明的实施例中，与比较例(所述现有技术)相比，可减少相对于靶材有效消耗量(b)的靶材材料使用量(a)、并且谋求提高靶材材料的成品率。并且，由于在耙材制造时的HIP成形时，与把材长度方向正交的截面形状尺寸在靶材的全长上可以相同，所以，能够谋求耙材3的制造成本的降低，并且能够谋求保护膜形成品的低价^f匕。权利要求1.一种用于使用靶材在被处理物的表面形成保护膜的电弧离子镀方法，其中，包括配置步骤，在真空室内配置至少能够分割为长度方向两端部和其以外的中央部的靶材、和被处理物；保护膜形成步骤，利用将所述靶材作为阴极的真空电弧放电，使构成该靶材的物质蒸发并且离子化，将由该离子化产生的靶材物质离子引导到所述被处理物，从而形成保护膜，在所述保护膜形成步骤中，以所述长度方向两端部的消耗速度比所述中央部的消耗速度快的方式控制所述靶材表面的电弧斑点位置，并且，在所述靶材的中央部达到消耗极限之前，在所述长度方向两端部的至少一个达到消耗极限的时刻，仅交换该端部，并继续进行保护膜形成。2.根据权利要求1的电弧离子镀方法，其中，在所述配置步骤中，使所述被处理物和具有与该被处理物的长度方向尺寸大致相同的长度方向尺寸的粑材以该被处理物的长度尺寸和该靶材的长度尺寸大致平行的姿势相对置。3.根据权利要求1的电弧离子镀方法，其中，在所述配置步骤中，配置与长度方向正交的方向上的截面形状尺寸在靶材全长上大致相同的靶材。4.根据权利要求3的电弧离子镀方法，其中，在所述保护膜形成步骤中，使所述靶材的中央部残留并仅交换长度方向两端部时，将形成有前端较细锥形部的部件作为该长度方向两端部连结在所述中央部上，该形成有前端较细锥形部的部件使该长度方向两端部与所述中央部的各连结位置处的该长度方向两端部的直径和该中央部的直径相同。5.根据权利要求1的电弧离子镀方法，其中，在所述配置步骤中，配置能够分割为长度方向两端部和中央部的三个部分的耙材，在所述保护膜形成步骤中，以如下方式进行保护膜形成，即所迷中央部达到消耗极限的该中央部的交换时间、和在该中央部的交换时间前已经交换的长度方向两端部达到消耗极限的该长度方向两端部的交换时间重叠。6.—种在权利要求1的电弧离子镀方法中使用的靶材，其中，具有长度方向两端部和配置在其间并且分别与所述长度方向两端部可分开地连结的中央部。全文摘要本发明提供电弧离子镀方法以及该方法中使用的靶材，能够得到在被处理物的大致全长上均匀的膜厚分布、并且能够谋求提高靶材材料成品率和降低靶材制造成本。因此，在真空室(1)内配置至少能够分割为长度方向两端部(31)、(32)和其以外的中央部(33)的靶材(3)和被处理物。在保护膜形成时，控制靶材表面的电弧斑点位置以使长度方向两端部(31)、(32)的消耗速度比中央部(33)的消耗速度快，并且靶材(3)的中央部(33)达到消耗极限之前，在长度方向两端部(31)、(32)的至少一个达到消耗极限的时刻，仅交换该端部并继续进行膜的形成。文档编号C23C14/32GK101405428SQ20078000996公开日2009年4月8日申请日期2007年3月6日优先权日2006年3月22日发明者藤井博文申请人:株式会社神户制钢所