硬質皮膜および硬質皮膜形成方法、硬質皮膜評価方法
【課題】硬質皮膜の摺動特性や耐磨耗性を改良するために、アークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法において、界面における酸素濃化を抑制し、密着性の良い硬質皮膜および硬質皮膜形成方法を提供するとともに、硬質皮膜の密着性を非破壊で容易に評価することができる硬質皮膜評価方法を提供する。
【解決手段】硬質皮膜形成装置１を用いた硬質皮膜形成方法は、アークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法であって、前記硬質皮膜の形成対象となるワーク１３・１３・・・と、ワーク１３・１３・・・に形成する硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下とする。
【解決手段】硬質皮膜形成装置１を用いた硬質皮膜形成方法は、アークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法であって、前記硬質皮膜の形成対象となるワーク１３・１３・・・と、ワーク１３・１３・・・に形成する硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アークイオンプレーティング法により形成する硬質皮膜と、その硬質皮膜の形成方法および評価方法の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車用部品を初めとして、多様な分野において摺動部品が用いられており、摺動部品の摺動特性の向上による装置の高効率化や、耐磨耗性の向上による装置の信頼性向上に対するニーズが高まっている。そのため、摺動部品の摺動面に硬質皮膜を形成し、摺動面の摺動特性および耐磨耗性等を向上させる技術が種々開発されており公知となっている。そして、摺動部品や治工具等の表面に硬質皮膜を形成する方法の一種として、アークイオンプレーティング法が知られている。
【０００３】
アークイオンプレーティング法は、真空アーク放電を利用してターゲットとなる固体材料を蒸発させるイオンプレーティング法の一種であり、蒸発した材料のイオン化率が高く、密着性に優れた硬質皮膜が形成でき、生産性が高いという特徴を有していることから、広く採用されている。アークイオンプレーティング法によって硬質皮膜を形成する技術は、例えば以下に示す特許文献１に開示されている。
【０００４】
ここで、従来のアークイオンプレーティング法による硬質皮膜の形成方法について、図６および図７を用いて説明する。図６は従来の硬質皮膜形成装置の全体構成を示す模式図、図７は従来のアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法のプロセスチャート図である。
【０００５】
図６に示す如く、従来のアークイオンプレーティング法に用いる硬質皮膜形成装置５１は、真空チャンバー５２、カソード５３、アノード５４、テーブル５５、アーク電源５６、バイアス電源５７およびヒーター５８等からなる構成としている。
【０００６】
真空チャンバー５２は密閉性のある筐体により構成され、ガス供給口６１および真空排気口６２が形成されている。ガス供給口６１は、硬質皮膜形成工程時等に不活性ガスを真空チャンバー５２内に供給するために設けられており、不活性ガスを供給するための配管設備（不図示）が接続される。真空排気口６２は、真空チャンバー５２内の残存気体を排気して真空度を高めるために設けられており、配管設備（不図示）によって真空ポンプ等の真空排気設備（不図示）と接続される。
【０００７】
カソード５３は、ターゲット（皮膜形成材料）となる材質（例えばチタン等）によって形成される陰極部であり、アーク電源５６と接続している。また、アノード５４（陽極部）もアーク電源５６と接続しており、アーク電源５６によって高電圧を印加することによって、カソード５３とアノード５４との間で真空アーク放電を発生させることができる。
【０００８】
テーブル５５は皮膜形成対象物であるワーク６３・６３・・・を支持する部位であり、回転可能な構成とし、真空アーク放電によってカソード５３から放出される金属イオンをワーク６３・６３・・・の表面にムラなく堆積させるようにしている。またテーブル５５はバイアス電源５７と接続しており、テーブル５５を介してワーク６３・６３・・・に対してバイアス電圧を印加することができる。
【０００９】
ヒーター５８は真空チャンバー５２内の温度を昇温させるものである。真空チャンバー５２内の温度を昇温させることによって、カソード５３の表面等真空チャンバー５２内の各部に吸着している余分なガス（吸着ガス）を放出させることができる。
【００１０】
ここで、従来のアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法を説明する。
（初期真空排気工程）
図７に示す如く、まず始めに、真空チャンバー５２内を真空排気して、真空チャンバー５２内の残存気体を減少させて真空度を高める。
【００１１】
（予熱工程）
次に、ヒーター５８によって予熱を行い、真空チャンバー５２内の温度を昇温させる。真空チャンバー５２内の温度が上昇すると、カソード５３の表面等に吸着しているガスが放出される。このとき、放出されたガス等に起因して真空チャンバー５２内の圧力が一旦は上昇に転じるが、真空チャンバー５２内の真空排気を継続して行うことにより、放出されたガスは真空チャンバー５２内から排出される。これにより、真空チャンバー５２内の真空度を再び高めている。
【００１２】
（中期真空排気工程）
次に、ヒーター５８による予熱を停止して、さらに継続して真空排気を行い、真空チャンバー５２内の圧力を、所望する真空度まで高める。
【００１３】
（金属イオンボンバード工程）
次に、カソード５３とアノード５４との間で真空アーク放電を発生させて、カソード５３の表面から皮膜形成材料を蒸発させてイオン化させる。これと同時に、バイアス電源５７によって、ワーク６３・６３・・・に負のバイアス電圧を印加する。これにより、カソード５３の表面から蒸発した正の金属イオンは、負の電位が付与されたワーク６３・６３・・・によって引き寄せられる。そして、金属イオンがワーク６３・６３・・・の表面に衝突し、ワーク６３・６３・・・の表面に金属イオンが堆積する。このように、硬質皮膜形成工程の前にワーク６３・６３・・・の表面に金属イオンを堆積させて活性化させる工程を金属イオンボンバード工程と呼んでいる。
【００１４】
（硬質皮膜形成工程）
次に、真空チャンバー５２内に、ガス供給口６１から不活性ガス（例えば窒素等）を供給し、真空チャンバー５２内を不活性ガス雰囲気とする。そして、不活性ガス雰囲気中でカソード５３とアノード５４との間で真空アーク放電を発生させて、カソード５３の表面から皮膜形成材料を蒸発させてイオン化させる。これと同時に、バイアス電源５７によって、ワーク６３・６３・・・に負のバイアス電圧を印加する。このとき、正の金属イオンは、負の電位が付与されたワーク６３・６３・・・によって引き寄せられるとともに、金属イオンを不活性ガスと反応させて硬質皮膜化させることにより、ワーク６３・６３・・・の表面に硬質皮膜を形成するようにしている。
【００１５】
尚、硬質皮膜形成工程においては、真空チャンバー５２内に残存気体が存在している場合、残存気体に含まれる酸素によって、真空チャンバー５２内で金属イオンの酸化物が生成されてしまう。この場合、ワーク６３・６３・・・の表面に硬質皮膜が形成されるのと同時に、金属イオンの酸化物もワーク６３・６３・・・の表面に堆積してしまう。ワーク６３・６３・・・の表面には硬質皮膜のみが堆積することが理想であるため、硬質皮膜を形成する各プロセスにおいて徐々に真空排気を行って、硬質皮膜形成工程においては真空チャンバー５２内の真空度を高める（即ち、残存気体が存在しない状態とする）ようにしているのである。
【００１６】
また、金属イオンボンバード工程においても、真空チャンバー５２内に残存気体が存在している場合、真空チャンバー５２内で金属イオンの酸化物が生成されてしまう。この場合、ワーク６３・６３・・・の表面に金属イオンが衝突しながら堆積してワーク６３・６３・・・の表面が活性化されるとともに、金属イオンの酸化物もワーク６３・６３・・・の表面に堆積する。つまり、金属イオンボンバード工程において、真空チャンバー５２に残存気体（特に酸素）が存在していると、ワーク６３・６３・・・と硬質皮膜の界面に金属イオンの酸化物が堆積することとなってしまい、界面における酸素濃度が上昇してしまうのである。
【００１７】
次に、従来のアークイオンプレーティング法によって形成する硬質皮膜の分析結果について、図８および図９を用いて説明する。図８（ａ）はＡＥＳ分析法による界面の組成の分析結果（剥離が発生する場合）を示す説明図、図８（ｂ）はＡＥＳ分析法による界面の組成の分析結果（剥離が発生しない場合）を示す説明図、図９は剥離の発生状況と界面の酸素濃度面積積分値との相関関係を示す説明図である。
【００１８】
従来のアークイオンプレーティング法によって硬質皮膜を形成すると、剥離が発生する場合があったが、剥離発生のメカニズムについては解明されていない部分が多い。
そこで、剥離発生の要因を究明するべく、本発明に至る過程において以下に示すような実験を行った。
【００１９】
硬質皮膜の一例として、皮膜形成材料にチタンを選定し、かつ、硬質皮膜形成工程時に供給する不活性ガスに窒素を選定し、窒化チタン（以後、ＴｉＮと記載する。）の硬質皮膜を形成するようにした。そして、径が２８φの鋼製シムに、膜厚２μｍのＴｉＮ硬質皮膜を形成した試料を複数準備する。尚、ＴｉＮ硬質皮膜の硬質皮膜形成工程においては、成膜条件（例えば、真空チャンバー内の真空度等）を種々変更しながらＴｉＮ硬質皮膜を形成し、各試料のＴｉＮ硬質皮膜の密着性にばらつきを与えるようにしている。
【００２０】
まず、準備した複数の試料に対してオージェ電子分光分析法（以下、ＡＥＳ分析法と記載する）による分析を施し、基材（即ち、鋼製シムを構成するＦｅ）とＴｉＮ硬質皮膜との界面における組成分析を行った。この分析結果は、例えば図８（ａ）・（ｂ）に示すようなグラフとして表される。
【００２１】
ここでは、界面における酸素濃度に着目し、界面における酸素濃度の上昇（所謂、酸素濃化）の度合を推し量る指標として酸素濃度面積積分値（図８（ａ）・（ｂ）に示す斜線部の面積）Ｘを求めるようにした。酸素濃度面積積分値Ｘの単位は、ａｔ％ｎｍとしている。さらに詳述すると、硬質皮膜側で酸素濃度のグラフが単調増加に転じる点Ｐを求め、かつ、基材側で酸素濃度のグラフが単調減少から増加に転じる点Ｑを求め、酸素濃度のグラフと線分ＰＱによって囲まれる部分の面積である酸素濃度面積積分値Ｘを求めるようにしている。
【００２２】
さらに、各試料に対して、ＴｉＮ硬質皮膜の表面にロックウェル硬さ計のダイヤモンド圧子を１５０ｋｇｆの力で押圧し、ＴｉＮ硬質皮膜が剥離するか否かと、剥離した場合の剥離面積を調査する実験を行った。その結果の一例として、図８（ａ）に示す分析結果を得た試料では剥離が発生し、図８（ｂ）に示す分析結果を得た試料では剥離が発生しなかった。
【００２３】
そして、各試料の剥離の状態と酸素濃度面積積分値Ｘとの関係をまとめると、図９のようになる。ここでは、代表として６個の試料をピックアップしてまとめた例を示している。図９からは、酸素濃度面積積分値Ｘが大きい（即ち、界面における酸素濃度が高い）ほど剥離面積が大きくなり、酸素濃度面積積分値Ｘが小さい（即ち、界面における酸素濃度が低い）ほど剥離面積が小さくなっていることが把握できる。
【００２４】
さらに言えば、鋼製シム（即ち、Ｆｅ製の基材）に対して、膜厚２μｍのＴｉＮ硬質皮膜を形成するという条件において、界面における酸素濃度面積積分値Ｘが２８０ａｔ％ｎｍ以下であれば、ＴｉＮ硬質皮膜の表面にロックウェル硬さ計のダイヤモンド圧子を１５０ｋｇｆの力で押圧しても、剥離が発生しなかった。即ち、図９に示す実験結果からは、界面における剥離の発生と酸素濃度面積積分値Ｘには相関関係があることが把握できる。
【００２５】
摺動部品に求められる性能（例えば、摺動特性や耐磨耗性等）を確保するためには、求められる性能に見合った摺動特性や耐磨耗性を有する材質の硬質皮膜を採用することが重要である。しかしそれだけでは不十分であり、それに加えて、摺動部品に求められる性能を十分に確保するためには、基材に対する硬質皮膜の密着性を確保することも重要となってくる。
【００２６】
しかしながら、従来のアークイオンプレーティング法では、硬質皮膜の形成対象となるワーク（基材）や、真空チャンバー内の状態等はバッチ毎に変動するものであるため、硬質皮膜の形成状態はバッチ毎に変動している。また、従来は硬質皮膜を形成する場合、界面における酸素濃化を抑制すれば硬質皮膜の密着性向上に寄与するということが意識されていなかったため、硬質皮膜の基材に対する密着性もバッチ毎に変動している状況であった。つまり、従来は硬質皮膜の基材に対する密着性は、成膜条件が異なると変動してしまう（密着性のロバスト性が低い）という問題点があった。
【００２７】
また、従来のアークイオンプレーティング法においても、真空排気（真空引き）を長時間にわたって行い真空チャンバー内の残存気体等を極限まで減らすことによって界面における酸素濃化を抑制することが可能であるが、生産時間の制約等から長時間にわたって真空チャンバー内の真空引きを行うことは現実的ではなく、一定の真空度で見切って硬質皮膜の形成を行っている状態であった。
このため、界面における酸素濃化を現実的に抑制するためには、短時間で容易に界面における酸素濃化を抑制する技術を開発する必要があった。
【００２８】
また、従来硬質皮膜の密着性を検査する場合、硬質皮膜の表面にダイヤモンド圧子等を押圧して剥離が発生するか否かを検査する方法（破壊検査）がとられており、非破壊の方法では密着性の検査ができず、硬質皮膜の密着性を評価することが容易でないという問題点もあった。また、検査方法も目視によって剥離の有無や剥離面積を調査する方法を採用しており、検査者の違いによって検査結果にばらつきが生じるおそれがある等の問題点もあった。このため、硬質皮膜の密着性を非破壊で容易に評価することができる技術の開発が望まれている状況であった。
【特許文献１】特開２００２−４７５５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
そこで本発明では、このような現状を鑑み、硬質皮膜の摺動特性や耐磨耗性を改良するために、アークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法において、界面における酸素濃化を容易に抑制し、密着性の良い硬質皮膜および硬質皮膜形成方法を提供するとともに、硬質皮膜の密着性を非破壊で容易に評価することができる硬質皮膜評価方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００３１】
即ち、請求項１においては、アークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法であって、前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下とするものである。
【００３２】
請求項２においては、前記硬質皮膜形成方法が備える金属イオンボンバード工程より以前に、前記基材を０Ｖ以上の電位に保持しつつ、アノードとカソードとの間で真空アーク放電を発生させて、前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下とするものである。
【００３３】
請求項３においては、前記真空アーク放電の発生中には、前記基材と前記カソードとの間に遮蔽物を配置するものである。
【００３４】
請求項４においては、前記基材に初期皮膜を形成する初期の金属イオンボンバード工程と、前記初期皮膜に対して不活性ガスを用いて行われるガスイオンボンバード工程と、前記ガスイオンボンバード工程の後に行われる後期の金属イオンボンバード工程とを備えた金属イオンボンバード工程を実施することにより、前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下とするものである。
【００３５】
請求項５においては、前記ガスイオンボンバード工程は、真空チャンバー内にフィラメントを設け、不活性ガス雰囲気の前記真空チャンバー内でフィラメントによる放電を発生させて行うものである。
【００３６】
請求項６においては、前記ガスイオンボンバード工程は、前記基材に負の高バイアス電圧を印加して、不活性ガス雰囲気の真空チャンバー内でグロー放電を発生させて行うものである。
【００３７】
請求項７においては、アークイオンプレーティング法によって形成する硬質皮膜であって、前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下としたものである。
【００３８】
請求項８においては、前記硬質皮膜を形成する際に実施される金属イオンボンバード工程より以前に、前記基材を０Ｖ以上の電位に保持しつつ、アノードとカソードとの間で真空アーク放電を発生させて、前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下としたものである。
【００３９】
請求項９においては、前記基材に初期皮膜を形成する初期の金属イオンボンバード工程と、前記初期皮膜に対して不活性ガスを用いて行われるガスイオンボンバード工程と、前記ガスイオンボンバード工程の後に行われる後期の金属イオンボンバード工程とを備えた金属イオンボンバード工程を実施することにより、前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下としたものである。
【００４０】
請求項１０においては、アークイオンプレーティング法によって形成する硬質皮膜であって、硬質皮膜の材質として窒化チタンを採用し、前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、２８０ａｔ％ｎｍ以下としたものである。
【００４１】
請求項１１においては、硬質皮膜の密着性を評価する硬質皮膜評価方法であって、前記硬質皮膜と基材との界面に存在する酸素の酸素濃度を計測し、該酸素濃度から酸素濃度面積積分値を求めて、該酸素濃度面積積分値によって硬質皮膜の密着性を評価するものである。
【００４２】
請求項１２においては、前記硬質皮膜と基材との界面に存在する酸素の酸素濃度の計測は、オージェ電子分光分析法により行うものである。
【発明の効果】
【００４３】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００４４】
請求項１においては、基準値に応じて成膜条件を整えることができ、容易に基材と硬質皮膜の密着性を確保することができる。
【００４５】
請求項２においては、アノードから吸着ガスを離脱させるとともに、発生する金属イオンによって真空チャンバー内の残存気体を捕集させることができる。これにより、真空チャンバー内の真空度を高めることができ、界面における酸素濃化およびコンタミネーションを低減することができる。
【００４６】
請求項３においては、初期段階の真空アーク放電によって、基材にドロップレットが付着することを防止できる。
【００４７】
請求項４においては、初期の金属イオンボンバードによる初期段階の真空アーク放電によって、アノードから吸着ガスを離脱させるとともに、その後のガスイオンボンバードによって、初期皮膜に含まれる金属酸化物を除去することができる。これにより、その後後期の金属イオンボンバードを行う際には、アノードや基材等からの吸着ガスの離脱が低減され、また、基材等からの吸着ガスの離脱も低減することができ、真空チャンバー内の真空度をより高めることができる。
【００４８】
請求項５においては、不活性ガスによるガスイオンボンバードを容易に行うことができる。
【００４９】
請求項６においては、不活性ガスによるガスイオンボンバードを容易に行うことができる。
【００５０】
請求項７においては、基材と硬質皮膜の密着性を確保することができる。
【００５１】
請求項８においては、アノードから吸着ガスを離脱させるとともに、発生する金属イオンによって真空チャンバー内の残存気体を捕集させることができる。これにより、真空チャンバー内の真空度を高めることができ、界面における酸素濃化およびコンタミネーションを低減することができる。
【００５２】
請求項９においては、真空アーク放電によって、基材にドロップレットが付着することを防止できる。
【００５３】
請求項１０においては、密着性の良いＴｉＮ硬質皮膜を形成することができる。
【００５４】
請求項１１においては、容易に基材と硬質皮膜の密着性を評価することができる。
【００５５】
請求項１２においては、非破壊で基材と硬質皮膜の密着性を評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
次に、発明の実施の形態を説明する。
まず始めに、本発明の第一実施例であるアークイオンプレーティング法による硬質皮膜の形成方法について、図１〜図３を用いて説明する。図１は本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成装置の全体構成を示す模式図、図２は本発明の第一実施例に係るアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法のプロセスチャート図、図３は本発明の第一実施例に係るアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法の金属イオンボンバード工程を示すプロセスチャート図である。
【００５７】
図１に示す如く、第一実施例に係るアークイオンプレーティング法に用いる硬質皮膜形成装置１は、真空チャンバー２、カソード３、アノード４、テーブル５、アーク電源６、バイアス電源７、ヒーター８およびシャッター９等からなる構成としている。
また、従来の真空チャンバー５２と同様に、真空チャンバー２は密閉性のある筐体により構成され、ガス供給口１１および真空排気口１２が形成されている。
このように、本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成装置１はシャッター９を有している点が従来の硬質皮膜形成装置５１と相違しており、シャッター９以外の他の構成要素が有する機能は従来の硬質皮膜形成装置５１と共通している。
【００５８】
シャッター９は、カソード３とテーブル５の間に設けられる板状部材であり、カソード３から放出されるドロップレット１０がワーク１３・１３・・・に到達しないように遮蔽する役目を果たしている。また、シャッター９は、後述する真空アーク放電を行う間に限定してカソード３とテーブル５の間に出現するように構成しており、金属イオンボンバード工程や硬質皮膜形成工程においては、カソード３から放出される金属イオンがワーク１３・１３・・・に到達することを妨げることがないようにしている。尚、シャッター９の幅はターゲットとなるカソード３の直径に比して１．５倍程度の幅を有する構成とし、カソード３から１００ｍｍ程度離間した位置にシャッター９を配置することが望ましい。
【００５９】
ここで、本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成装置１による硬質皮膜形成方法を説明する。
（初期真空排気工程）
図２に示す如く、まず始めに、真空チャンバー２内を真空排気して、真空チャンバー２内の残存気体を減少させて真空度を高めていく。ここで図３に示す如く、本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成方法では、初期真空排気工程の最中に、カソード３とアノード４の間で真空アーク放電を断続的に繰り返し行うようにしている。
またこのとき、ワーク１３・１３・・・にはバイアス電源７によって０Ｖまたは正の電圧を付与するようにしている。
【００６０】
真空アーク放電を断続的に繰り返して行うと、カソード３周辺の温度が上昇し、カソード３等に吸着されているガスが十分に放出される。このように、初期真空排気工程においてカソード３周辺の吸着ガスを十分に放出させておくことにより、後の金属イオンボンバード工程や硬質皮膜形成工程において、カソード３周辺から放出されるガスを抑制することができる。またこの時点では、ワーク１３・１３・・・は予熱されていないため、放出されたガスによってワーク１３・１３・・・が酸化されることもない。
【００６１】
真空アーク放電を行うと、真空チャンバー２内には金属イオンが放出される。初期真空排気工程のように真空チャンバー２内の残存空気の除去が十分でない状態では、真空チャンバー２内で金属イオンの酸化物が生成される。そこで、ワーク１３・１３・・・に０Ｖまたは正の電圧を付与することにより、初期真空排気工程においては金属イオンの酸化物がワーク１３・１３・・・に付着することを防止するようにしている。これにより、界面における酸素濃化を確実に抑制するようにしている。
【００６２】
また金属イオンを積極的に発生させると、金属イオンのゲッター効果によって残存気体やカソード３周辺からの放出ガスが金属イオンに取り込まれるため、効率よく残存気体等を排気することができる。その効果は図３に現れており、初期真空排気工程における真空チャンバー２内の到達真空度が従来に比して高められている。
つまり、初期真空排気工程において真空アーク放電を断続的に繰り返して行うことにより、界面における酸素濃化を抑制しつつ、真空チャンバー２内の残存気体を効率よく排気することが可能となるのである。
【００６３】
さらにこのとき、シャッター９がカソード３とテーブル５の間に出現し、真空アーク放電によってカソード３から放出されるドロップレット１０がワーク１３・１３・・・に付着することを防止している。
【００６４】
即ち、本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成方法においては、真空アーク放電の発生中には、ワーク１３・１３・・・とカソード３との間に遮蔽物となるシャッター９を配置する構成としている。
このような構成とすることにより、真空アーク放電を行っている最中に、ワーク１３・１３・・・にドロップレット１０が付着することを防止できるのである。
【００６５】
（予熱工程）
次に、ヒーター８に通電することによって予熱を行い、真空チャンバー２内の温度を昇温させる。真空チャンバー２内の温度が上昇すると、カソード３の周辺の他、真空チャンバー２内の各部（治具等）に吸着しているガスが放出される。これにより、予熱工程においてカソード３の周辺以外に吸着しているガスも十分に放出させておくことにより、後の金属イオンボンバード工程や硬質皮膜形成工程において、カソード３の周辺以外から放出されるガスも抑制することができる。そして、真空チャンバー２内の真空排気を継続して行うことにより、放出された吸着ガスは真空チャンバー２内から確実に排出される。これにより、真空チャンバー２内の真空度を再び高めている。
【００６６】
（中期真空排気工程）
次に、ヒーター８による予熱を停止して、さらに継続して真空排気を行い、真空チャンバー２内の圧力を、所望する真空度まで高めるようにしている。
【００６７】
（金属イオンボンバード工程）
次に、カソード３とアノード４との間で真空アーク放電を発生させて、カソード３の表面から皮膜形成材料を蒸発させてイオン化させる。これと同時に、バイアス電源７によって、ワーク１３・１３・・・に負のバイアス電圧を印加する。これにより、カソード３の表面から蒸発した正の金属イオンが、負の電位が付与されたワーク１３・１３・・・によって強力に引き寄せられる。そして、金属イオンがワーク１３・１３・・・の表面に衝突し、ワーク１３・１３・・・の表面に金属イオンが堆積する。
【００６８】
ここで、初期真空排気工程〜中期真空排気工程において、カソード３の周辺やカソード３の周辺以外に吸着しているガスを既に十分に放出させてあるため、金属イオンボンバード工程における新たな吸着ガスの放出が抑えられる。このため、真空チャンバー２内から残存気体が十分に除去された状態で金属イオンボンバード工程を行うことができる。これにより、金属イオンボンバード工程において、ワーク１３・１３・・・の表面に金属イオンの酸化物が堆積することが抑制され、界面における酸素濃化を抑制することができる。
【００６９】
尚、界面における酸素濃化をどの程度まで抑制すればよいかの指標となる基準値（即ち、酸素濃度面積積分値Ｘ）は選定する硬質皮膜材料に応じて異なってくるが、完成した硬質皮膜をＡＥＳ分析法によって分析し、界面の酸素濃度が基準値（即ち、酸素濃度面積積分値Ｘ）以下であるか否かを調査し、その硬質皮膜が形成された際の成膜条件と照合しながら、真空アーク放電の放電量や実施時間を調整することによって成膜条件を整えていくことができる。そして、調査により得られた基準値および成膜条件を守ることによって、容易に硬質皮膜の密着性を確保することができる。
【００７０】
例えば、硬質皮膜材料としてＴｉＮを選定した場合、酸素濃度面積積分値Ｘが２８０ａｔ％ｎｍ以下となるように真空アーク放電の実施時間を調整し成膜条件を整えれば、ロックウェル硬さ計のダイヤモンド圧子を１５０ｋｇｆの力で押圧しても剥離が発生しない硬質皮膜を形成することができ、硬質皮膜の密着性を容易に確保することができる。
【００７１】
即ち、本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成装置１を用いた硬質皮膜形成方法は、アークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法であって、前記硬質皮膜の形成対象となるワーク１３・１３・・・と、ワーク１３・１３・・・に形成する硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下としている。
これにより、選定した硬質皮膜材料に応じた酸素濃度面積積分値Ｘの基準値に応じて成膜条件を整えることができ、容易にワーク１３と硬質皮膜の密着性を確保することができるのである。
【００７２】
また、金属イオンボンバード工程より以前に、ワーク１３・１３・・・を０Ｖ以上の電位に保持しつつ、カソード３とアノード４との間で真空アーク放電を発生させて、硬質皮膜の形成対象となるワーク１３・１３・・・と、ワーク１３・１３・・・に形成する硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度（即ち、酸素濃度面積積分値Ｘ）以下としている。
これにより、カソード３から吸着ガスを離脱させるとともに、発生する金属イオンによって真空チャンバー２内の残存気体を捕集させることができるのである。またこれにより、真空チャンバー２内の真空度を高めることができ、界面における酸素濃化およびコンタミネーションの発生を低減することができるのである。
【００７３】
（硬質皮膜形成工程）
次に、真空チャンバー２内に、ガス供給口１１から不活性ガス（例えば窒素等）を供給し、真空チャンバー２内を不活性ガス雰囲気とする。そして、不活性ガス雰囲気中でカソード３とアノード４との間で真空アーク放電を発生させて、カソード３の表面から皮膜形成材料を蒸発させてイオン化させる。これと同時に、バイアス電源７によって、ワーク１３・１３・・・に負のバイアス電圧を印加する。このとき、正の金属イオンは、負の電位が付与されたワーク１３・１３・・・によって引き寄せられるとともに、金属イオンは不活性ガスと反応して硬質皮膜化するため、ワーク１３・１３・・・の表面に硬質皮膜が形成される。
【００７４】
ここで、初期真空排気工程〜金属イオンボンバード工程において、カソード３の周辺やカソード３の周辺以外に吸着しているガスを既に十分に放出させてあるため、硬質皮膜形成工程における新たな吸着ガスの放出が抑えられる。このため、真空チャンバー２内から残存気体が十分に除去された状態で硬質皮膜形成工程を行うことができる。これにより、硬質皮膜形成工程において、ワーク１３・１３・・・の表面に金属酸化物が堆積することが抑制される。
【００７５】
ここで、本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成装置１による硬質皮膜成形方法の適用例として、ターゲットに（即ち、カソード３の材質として）チタンを選定し、また硬質皮膜形成工程時に真空チャンバー２内に供給する不活性ガスとして窒素を選定して、ＴｉＮ硬質皮膜を形成する例について説明する。
【００７６】
この場合、初期真空排気工程において、１０〜２０秒間の真空アーク放電を８０〜９０分の間断続的に繰り返し行った（図３参照）。またそのとき、ワーク１３・１３・・・にはバイアス電源７によって１００Ｖの正のバイアス電圧を付与するようにした。これにより、初期真空排気工程においてはチタンイオンの酸化物がワーク１３・１３・・・に付着することを防止するようにし、界面における酸素濃化を確実に抑制するようにした。
【００７７】
その結果、その他の各工程を経て形成されたＴｉＮ硬質皮膜について、界面周辺の組成をＡＥＳ分析法により分析すると、界面における酸素濃度面積積分値Ｘを、２００ａｔ％ｎｍに抑えることができた。硬質皮膜材料としてＴｉＮを選定する場合、界面における酸素濃度面積積分値Ｘを、２８０ａｔ％ｎｍ以下とすれば剥離しないことが実験から判明しており、基準値を上回る十分な硬質皮膜の密着性を確保することができた。
【００７８】
次に、本発明の第二実施例であるアークイオンプレーティング法による硬質皮膜の形成方法について、図４および図５を用いて説明する。図４は本発明の第二実施例に係る硬質皮膜形成装置の全体構成を示す模式図、図５は本発明の第二実施例に係るアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法のプロセスチャート図である。
【００７９】
図４に示す如く、第二実施例に係るアークイオンプレーティング法に用いる硬質皮膜形成装置２１は、真空チャンバー２２、カソード２３、アノード２４、テーブル２５、アーク電源２６、バイアス電源２７、ヒーター２８およびフィラメント３０等からなる構成としている。
また、従来の真空チャンバー５２と同様に、真空チャンバー２２は密閉性のある筐体により構成され、ガス供給口３１および真空排気口３２が形成されている。
このように、本発明の第二実施例に係る硬質皮膜形成装置２１はフィラメント３０を有している点が従来の硬質皮膜形成装置５１と相違している。また、本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成装置１が有しているシャッター９のようなシャッターは有しておらず、フィラメント３０以外の他の構成要素が有する機能は従来の硬質皮膜形成装置５１と共通している。
【００８０】
フィラメント３０は、真空チャンバー２２内に設けられており、該フィラメント３０に通電することによって、真空チャンバー２２内でフィラメント放電を起こすことができるものである。
【００８１】
ここで、第二実施例に係るアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法を説明する。
（初期真空排気工程）
図５に示す如く、まず始めに、真空チャンバー２２内を真空排気して、真空チャンバー２２内の残存気体を減少させて真空度を高める。
【００８２】
（予熱工程）
次に、ヒーター２８によって予熱を行い、真空チャンバー２２内の温度を昇温させる。真空チャンバー２２内の温度が上昇すると、カソード２３の表面等に吸着しているガスが放出される。このとき、放出された吸着ガス等に起因して真空チャンバー２２内の圧力が一旦は上昇に転じるが、真空チャンバー２２内の真空排気を継続して行うことにより、放出された吸着ガスは真空チャンバー２２内から排出される。これにより、真空チャンバー２２内の真空度を再び高めている。
【００８３】
（中期真空排気工程）
次に、ヒーター２８による予熱を停止して、さらに継続して真空排気を行い、真空チャンバー２２内の圧力を、所望する真空度まで高める。
このように、第二実施例に係る硬質皮膜形成方法では、中期真空排気工程までは、従来の硬質皮膜形成方法と同様とすることができる。
【００８４】
（金属イオンボンバード工程）
次に、カソード２３とアノード２４との間で真空アーク放電を発生させて、カソード２３の表面から皮膜形成材料を蒸発させてイオン化させる。これと同時に、バイアス電源２７によって、ワーク３３・３３・・・に負のバイアス電圧を印加する。これにより、カソード２３の表面から蒸発した正の金属イオンが、負の電位が付与されたワーク３３・３３・・・によって強力に引き寄せられる。そして、金属イオンがワーク３３・３３・・・の表面に衝突し、ワーク３３・３３・・・の表面に金属イオンが堆積する。
【００８５】
ここで、本発明の第二実施例に係る硬質皮膜形成方法では、金属イオンボンバード工程を初期の段階で一旦中断し、金属イオンの初期皮膜が形成された時点でガスイオンボンバード工程を行うようにしている。従来、金属イオンボンバード工程は、５〜１０分程度行われるが、初期皮膜形成のために、３０〜６０秒程度で金属イオンボンバード工程を一旦中断するようにしている。このとき、金属イオンボンバード工程を行うことによって、カソード３周辺の吸着ガスは真空チャンバー２２内に放出されている。また、初期皮膜には金属酸化物が含まれた状態となっている。
【００８６】
ガスイオンボンバード工程は、まず真空チャンバー２２内に不活性ガス（例えば、Ａｒ（アルゴン）等）を供給し、真空チャンバー２２内を不活性ガス雰囲気とする。また、ワーク３３・３３には正のバイアス電圧を付与しておく。その後、真空チャンバー２２内の圧力を一定に保持しながらフィラメント３０に通電し、フィラメント放電を発生させる。このフィラメント放電により不活性ガスがイオン化し、ワーク３３・３３・・・にガスイオンを強力に吸着させることによってガスイオンボンバード工程を行うようにしている。
【００８７】
即ち、本発明の第二実施例に係る硬質皮膜形成方法では、ガスイオンボンバード工程は、真空チャンバー２２内にフィラメント３０を設け、不活性ガス雰囲気の真空チャンバー２内でフィラメント３０による放電を発生させて行っている。
これにより、不活性ガスによるガスイオンボンバード工程を容易に行うことができるのである。
【００８８】
また、硬質皮膜形成装置２１にフィラメント３０は設けずに、バイアス電源２７によってワーク３３・３３・・・に負の高バイアス電圧を印加して、グロー放電を発生させる構成とすることも可能である。この場合、グロー放電により不活性ガスがイオン化し、ワーク３３・３３・・・にガスイオンを吸着させることによってガスイオンボンバード工程を行うことができる。この場合、本発明の第二実施例に係る硬質皮膜形成装置２１の構成は従来の硬質皮膜形成装置５１と同様でよい。
【００８９】
即ち、本発明の第二実施例に係る硬質皮膜形成方法では、ガスイオンボンバード工程は、ワーク３３・３３・・・に負のバイアス電圧を印加して、不活性ガス雰囲気の真空チャンバー２内でグロー放電を発生させて行うこともできる。
この場合にも、不活性ガスによるガスイオンボンバード工程を容易に行うことができるのである。
【００９０】
そして、ガスイオンボンバード工程を行うことにより、初期皮膜から金属酸化物が除去され、ワーク３３・３３・・・の表面（即ち、界面）には金属酸化物を含まない純金属のみの中間層が形成される。これにより、界面における酸素濃化を抑制することができる。
【００９１】
また、ガスイオンボンバード工程を行うことにより、真空チャンバー２２内のワーク３３・３３・・・や、カソード２３の周辺およびその他治具等から吸着ガスが十分に放出される。これによって、ガスイオンボンバードの後に金属イオンボンバードを行う際に、真空チャンバー２２内のワーク３３・３３・・・や、カソード２３の周辺およびその他治具等から吸着ガスが放出されないため、残存気体が十分に除去された状態で金属イオンボンバード工程を行うことができる。
【００９２】
この場合、金属酸化物を含まない純金属のみの中間層に対して、残存気体が十分に除去された状態でその後の金属イオンボンバード工程を行うことができ、ワーク１３・１３・・・の表面に金属イオンの酸化物が堆積することが抑制され、界面における酸素濃化を抑制することができる。
【００９３】
尚、界面における酸素濃化をどの程度まで抑制すればよいかの指標となる基準値（即ち、酸素濃度面積積分値Ｘ）は選定する硬質皮膜材料に応じて異なってくるが、完成した硬質皮膜をＡＥＳ分析法によって分析し、界面の酸素濃度を基準値以下であるか否かを調査し、その硬質皮膜が形成された際の成膜条件と照合しながら、ガスイオンボンバード工程の実施時間等を調整することによって成膜条件を整えていくことができる。そして、調査により得られた基準値および成膜条件を守ることによって、容易に硬質皮膜の密着性を確保することができる。
【００９４】
例えば、硬質皮膜材料としてＴｉＮを選定した場合、酸素濃度面積積分値Ｘが２８０ａｔ％ｎｍ以下となるようにガスイオンボンバード工程の実施時間を調整し成膜条件を整えれば、ロックウェル硬さ計のダイヤモンド圧子を１５０ｋｇｆの力で押圧しても剥離が発生しない硬質皮膜を形成することができ、硬質皮膜の密着性を容易に確保することができる。
【００９５】
即ち、本発明の第二実施例に係る硬質皮膜形成装置２１による硬質皮膜形成方法は、アークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法であって、硬質皮膜の形成対象となるワーク３３・３３・・・と、ワーク３３・３３・・・に形成する硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下としている。
これにより、選定した硬質皮膜材料に応じた酸素濃度面積積分値Ｘの基準値に応じて成膜条件を整えることができ、容易に基材と硬質皮膜の密着性を確保することができるのである。
【００９６】
また、ワーク３３・３３・・・に初期皮膜を形成する初期の金属イオンボンバード工程と、前記初期皮膜に対して不活性ガスを用いて行われるガスイオンボンバード工程と、前記ガスイオンボンバード工程の後に行われる後期の金属イオンボンバード工程とを備えた金属イオンボンバード工程を実施することにより、硬質皮膜の形成対象となるワーク３３・３３・・・と、ワーク３３・３３・・・に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下としている。
【００９７】
これにより、初期の金属イオンボンバード工程における初期段階の真空アーク放電によって、カソード２３から吸着ガスを離脱させるとともに、その後のガスイオンボンバード工程によって、初期皮膜に含まれる金属酸化物を除去することができるのである。これにより、その後後期の金属イオンボンバード工程を行う際には、カソード２３やワーク３３・３３・・・等からの吸着ガスの離脱が低減され、また、３３・３３・・・等からの吸着ガスの離脱も低減することができ、真空チャンバー２２内の真空度をより高めることができるのである。
【００９８】
（硬質皮膜形成工程）
次に、真空チャンバー２２内に、ガス供給口３１から不活性ガス（例えば窒素等）を供給し、真空チャンバー２２内を不活性ガス雰囲気とする。そして、不活性ガス雰囲気中でカソード２３とアノード２４との間で真空アーク放電を発生させて、カソード２３の表面から皮膜形成材料を蒸発させてイオン化させる。これと同時に、バイアス電源２７によって、ワーク３３・３３・・・に負のバイアス電圧を印加する。このとき、正の金属イオンは、負の電位が付与されたワーク３３・３３・・・によって強力に引き寄せられるとともに、金属イオンは不活性ガスと反応して硬質皮膜化するため、ワーク３３・３３・・・の表面に硬質皮膜が形成される。
【００９９】
金属イオンボンバード工程において、カソード２３の周辺やカソード２３の周辺以外に吸着しているガスを既に十分に放出させてあるため、硬質皮膜形成工程における新たな吸着ガスの放出が抑えられる。このため、真空チャンバー２２内から残存気体が十分に除去された状態で硬質皮膜形成工程を行うことができる。これにより、硬質皮膜形成工程において、ワーク３３・３３・・・の表面に金属酸化物が堆積することが抑制される。
【０１００】
ここで、本発明の第二実施例に係る硬質皮膜形成装置２１による硬質皮膜成形方法の適用例として、ターゲットに（即ち、カソード２３の材質として）チタンを選定し、また硬質皮膜形成工程時に真空チャンバー２２内に供給する不活性ガスとして窒素を選定して、ＴｉＮ硬質皮膜を形成する例について説明する。
【０１０１】
この場合、金属イオンボンバード工程において、初期段階でチタンイオンによる金属イオンボンバード工程を３０〜６０秒で一旦中止し、チタンイオンの初期皮膜を形成するようにした。
【０１０２】
次に、真空チャンバー２２内にＡｒ（アルゴン）を供給し、真空チャンバー２２の内圧を１．３Ｐａに保持しつつ、Ａｒイオンによるガスイオンボンバード工程を行った。ガスイオンボンバード工程は、フィラメント３０に５Ａの放電電流を通電しつつ、バイアス電源２７によってワーク３３・３３・・・に５００Ｖの負の電圧を付与して行った（または、フィラメント３０によるフィラメント放電を行わずに、バイアス電源２７によってワーク３３・３３・・・に８００〜１０００Ｖの負の電圧を付与してグロー放電を発生させてもよい。）。これにより、金属イオンボンバード工程においてチタンイオンの酸化物がワーク３３・３３・・・に付着することを防止するようにし、界面において酸素濃化を確実に抑制するようにした。
【０１０３】
その結果、その他の各工程を経て形成されたＴｉＮ硬質皮膜について、界面周辺の組成をＡＥＳ分析法により分析すると、界面における酸素濃度面積積分値Ｘを、１５０ａｔ％ｎｍに抑えることができた。硬質皮膜材料としてＴｉＮを選定する場合、界面における酸素濃度面積積分値Ｘを、２８０ａｔ％ｎｍ以下とすれば剥離しないことが実験から判明しており、基準値を上回る十分な硬質皮膜の密着性を確保することができた。
【０１０４】
また、剥離が発生しない酸素濃度面積積分値Ｘの基準値を予め硬質皮膜の材質に応じて得ておくことによって、形成した硬質皮膜に対して、界面付近の組成をＡＥＳ分析法で分析することにより、非破壊で容易に硬質皮膜の密着性を評価することが可能となる。
つまり、本実施例では硬質皮膜の材質がＴｉＮである場合の、基材と硬質皮膜との密着性確保に必要な界面における酸素濃度面積積分値Ｘの基準値が２８０ａｔ％ｎｍであることを提示したが、その他の硬質皮膜の材質（例えば、ＴｉＡｌＮやＴｉＣＮ等）に対しても、剥離が発生しない酸素濃度面積積分値Ｘの基準値を予め得ておくことによって、特定の硬質皮膜の材質に限定されることなく容易に硬質皮膜の密着性を評価することができるのである。
【０１０５】
即ち、本発明の第一実施例および第二実施例に係る硬質皮膜形成方法により形成する硬質皮膜は、アークイオンプレーティング法によって形成する硬質皮膜であって、硬質皮膜の材質としてＴｉＮを採用し、硬質皮膜の形成対象となるワーク１３・１３・・・と、ワーク１３・１３・・・に形成する硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、２８０ａｔ％ｎｍ以下とするようにしている。
このように、ワーク１３・１３・・・と硬質皮膜の密着性を評価する基準を定めることにより、密着性の良いＴｉＮ硬質皮膜を形成することができるのである。
【０１０６】
また、本発明に係る硬質皮膜評価方法は、硬質皮膜の密着性を評価する硬質皮膜評価方法であって、硬質皮膜とワーク１３・１３・・・との界面に存在する酸素の酸素濃度を計測し、該酸素濃度から酸素濃度面積積分値Ｘを求めて、該酸素濃度面積積分値Ｘによって硬質皮膜の密着性を評価している。
これにより、容易に硬質皮膜の密着性を評価することができるのである。
【０１０７】
さらに、本発明に係る硬質皮膜評価方法は、硬質皮膜とワーク１３・１３・・・との界面に存在する酸素の酸素濃度の計測は、ＡＥＳ分析法（オージェ電子分光分析法）により行うようにしている。
これにより、非破壊で硬質皮膜の密着性を評価することができるのである。
【０１０８】
また、本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成方法と、第二実施例に係る硬質皮膜形成方法を組み合わせた硬質皮膜形成方法とすることも可能である。第一実施例に係る硬質皮膜形成方法と第二実施例に係る硬質皮膜形成方法を組み合わせることによって、より確実に硬質皮膜の密着性を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成装置の全体構成を示す模式図。
【図２】本発明の第一実施例に係るアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法のプロセスチャート図。
【図３】本発明の第一実施例に係るアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法の金属イオンボンバード工程を示すプロセスチャート図。
【図４】本発明の第二実施例に係る硬質皮膜形成装置の全体構成を示す模式図。
【図５】本発明の第二実施例に係るアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法のプロセスチャート図。
【図６】従来の硬質皮膜形成装置の全体構成を示す模式図。
【図７】従来のアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法のプロセスチャート図。
【図８】（ａ）ＡＥＳ分析法による界面の組成の分析結果（剥離が発生する場合）を示す説明図、（ｂ）ＡＥＳ分析法による界面の組成の分析結果（剥離が発生しない場合）を示す説明図。
【図９】剥離の発生状況と界面の酸素濃度面積積分値との相関関係を示す説明図。
【符号の説明】
【０１１０】
１ 硬質皮膜形成装置
２ 真空チャンバー
３ カソード
４ アノード
６ アーク電源
７ バイアス電源
９ シャッター
１３ ワーク
２６ アーク電源
２７ バイアス電源
３０ フィラメント
３３ ワーク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アークイオンプレーティング法により形成する硬質皮膜と、その硬質皮膜の形成方法および評価方法の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車用部品を初めとして、多様な分野において摺動部品が用いられており、摺動部品の摺動特性の向上による装置の高効率化や、耐磨耗性の向上による装置の信頼性向上に対するニーズが高まっている。そのため、摺動部品の摺動面に硬質皮膜を形成し、摺動面の摺動特性および耐磨耗性等を向上させる技術が種々開発されており公知となっている。そして、摺動部品や治工具等の表面に硬質皮膜を形成する方法の一種として、アークイオンプレーティング法が知られている。
【０００３】
アークイオンプレーティング法は、真空アーク放電を利用してターゲットとなる固体材料を蒸発させるイオンプレーティング法の一種であり、蒸発した材料のイオン化率が高く、密着性に優れた硬質皮膜が形成でき、生産性が高いという特徴を有していることから、広く採用されている。アークイオンプレーティング法によって硬質皮膜を形成する技術は、例えば以下に示す特許文献１に開示されている。
【０００４】
ここで、従来のアークイオンプレーティング法による硬質皮膜の形成方法について、図６および図７を用いて説明する。図６は従来の硬質皮膜形成装置の全体構成を示す模式図、図７は従来のアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法のプロセスチャート図である。
【０００５】
図６に示す如く、従来のアークイオンプレーティング法に用いる硬質皮膜形成装置５１は、真空チャンバー５２、カソード５３、アノード５４、テーブル５５、アーク電源５６、バイアス電源５７およびヒーター５８等からなる構成としている。
【０００６】
真空チャンバー５２は密閉性のある筐体により構成され、ガス供給口６１および真空排気口６２が形成されている。ガス供給口６１は、硬質皮膜形成工程時等に不活性ガスを真空チャンバー５２内に供給するために設けられており、不活性ガスを供給するための配管設備（不図示）が接続される。真空排気口６２は、真空チャンバー５２内の残存気体を排気して真空度を高めるために設けられており、配管設備（不図示）によって真空ポンプ等の真空排気設備（不図示）と接続される。
【０００７】
カソード５３は、ターゲット（皮膜形成材料）となる材質（例えばチタン等）によって形成される陰極部であり、アーク電源５６と接続している。また、アノード５４（陽極部）もアーク電源５６と接続しており、アーク電源５６によって高電圧を印加することによって、カソード５３とアノード５４との間で真空アーク放電を発生させることができる。
【０００８】
テーブル５５は皮膜形成対象物であるワーク６３・６３・・・を支持する部位であり、回転可能な構成とし、真空アーク放電によってカソード５３から放出される金属イオンをワーク６３・６３・・・の表面にムラなく堆積させるようにしている。またテーブル５５はバイアス電源５７と接続しており、テーブル５５を介してワーク６３・６３・・・に対してバイアス電圧を印加することができる。
【０００９】
ヒーター５８は真空チャンバー５２内の温度を昇温させるものである。真空チャンバー５２内の温度を昇温させることによって、カソード５３の表面等真空チャンバー５２内の各部に吸着している余分なガス（吸着ガス）を放出させることができる。
【００１０】
ここで、従来のアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法を説明する。
（初期真空排気工程）
図７に示す如く、まず始めに、真空チャンバー５２内を真空排気して、真空チャンバー５２内の残存気体を減少させて真空度を高める。
【００１１】
（予熱工程）
次に、ヒーター５８によって予熱を行い、真空チャンバー５２内の温度を昇温させる。真空チャンバー５２内の温度が上昇すると、カソード５３の表面等に吸着しているガスが放出される。このとき、放出されたガス等に起因して真空チャンバー５２内の圧力が一旦は上昇に転じるが、真空チャンバー５２内の真空排気を継続して行うことにより、放出されたガスは真空チャンバー５２内から排出される。これにより、真空チャンバー５２内の真空度を再び高めている。
【００１２】
（中期真空排気工程）
次に、ヒーター５８による予熱を停止して、さらに継続して真空排気を行い、真空チャンバー５２内の圧力を、所望する真空度まで高める。
【００１３】
（金属イオンボンバード工程）
次に、カソード５３とアノード５４との間で真空アーク放電を発生させて、カソード５３の表面から皮膜形成材料を蒸発させてイオン化させる。これと同時に、バイアス電源５７によって、ワーク６３・６３・・・に負のバイアス電圧を印加する。これにより、カソード５３の表面から蒸発した正の金属イオンは、負の電位が付与されたワーク６３・６３・・・によって引き寄せられる。そして、金属イオンがワーク６３・６３・・・の表面に衝突し、ワーク６３・６３・・・の表面に金属イオンが堆積する。このように、硬質皮膜形成工程の前にワーク６３・６３・・・の表面に金属イオンを堆積させて活性化させる工程を金属イオンボンバード工程と呼んでいる。
【００１４】
（硬質皮膜形成工程）
次に、真空チャンバー５２内に、ガス供給口６１から不活性ガス（例えば窒素等）を供給し、真空チャンバー５２内を不活性ガス雰囲気とする。そして、不活性ガス雰囲気中でカソード５３とアノード５４との間で真空アーク放電を発生させて、カソード５３の表面から皮膜形成材料を蒸発させてイオン化させる。これと同時に、バイアス電源５７によって、ワーク６３・６３・・・に負のバイアス電圧を印加する。このとき、正の金属イオンは、負の電位が付与されたワーク６３・６３・・・によって引き寄せられるとともに、金属イオンを不活性ガスと反応させて硬質皮膜化させることにより、ワーク６３・６３・・・の表面に硬質皮膜を形成するようにしている。
【００１５】
尚、硬質皮膜形成工程においては、真空チャンバー５２内に残存気体が存在している場合、残存気体に含まれる酸素によって、真空チャンバー５２内で金属イオンの酸化物が生成されてしまう。この場合、ワーク６３・６３・・・の表面に硬質皮膜が形成されるのと同時に、金属イオンの酸化物もワーク６３・６３・・・の表面に堆積してしまう。ワーク６３・６３・・・の表面には硬質皮膜のみが堆積することが理想であるため、硬質皮膜を形成する各プロセスにおいて徐々に真空排気を行って、硬質皮膜形成工程においては真空チャンバー５２内の真空度を高める（即ち、残存気体が存在しない状態とする）ようにしているのである。
【００１６】
また、金属イオンボンバード工程においても、真空チャンバー５２内に残存気体が存在している場合、真空チャンバー５２内で金属イオンの酸化物が生成されてしまう。この場合、ワーク６３・６３・・・の表面に金属イオンが衝突しながら堆積してワーク６３・６３・・・の表面が活性化されるとともに、金属イオンの酸化物もワーク６３・６３・・・の表面に堆積する。つまり、金属イオンボンバード工程において、真空チャンバー５２に残存気体（特に酸素）が存在していると、ワーク６３・６３・・・と硬質皮膜の界面に金属イオンの酸化物が堆積することとなってしまい、界面における酸素濃度が上昇してしまうのである。
【００１７】
次に、従来のアークイオンプレーティング法によって形成する硬質皮膜の分析結果について、図８および図９を用いて説明する。図８（ａ）はＡＥＳ分析法による界面の組成の分析結果（剥離が発生する場合）を示す説明図、図８（ｂ）はＡＥＳ分析法による界面の組成の分析結果（剥離が発生しない場合）を示す説明図、図９は剥離の発生状況と界面の酸素濃度面積積分値との相関関係を示す説明図である。
【００１８】
従来のアークイオンプレーティング法によって硬質皮膜を形成すると、剥離が発生する場合があったが、剥離発生のメカニズムについては解明されていない部分が多い。
そこで、剥離発生の要因を究明するべく、本発明に至る過程において以下に示すような実験を行った。
【００１９】
硬質皮膜の一例として、皮膜形成材料にチタンを選定し、かつ、硬質皮膜形成工程時に供給する不活性ガスに窒素を選定し、窒化チタン（以後、ＴｉＮと記載する。）の硬質皮膜を形成するようにした。そして、径が２８φの鋼製シムに、膜厚２μｍのＴｉＮ硬質皮膜を形成した試料を複数準備する。尚、ＴｉＮ硬質皮膜の硬質皮膜形成工程においては、成膜条件（例えば、真空チャンバー内の真空度等）を種々変更しながらＴｉＮ硬質皮膜を形成し、各試料のＴｉＮ硬質皮膜の密着性にばらつきを与えるようにしている。
【００２０】
まず、準備した複数の試料に対してオージェ電子分光分析法（以下、ＡＥＳ分析法と記載する）による分析を施し、基材（即ち、鋼製シムを構成するＦｅ）とＴｉＮ硬質皮膜との界面における組成分析を行った。この分析結果は、例えば図８（ａ）・（ｂ）に示すようなグラフとして表される。
【００２１】
ここでは、界面における酸素濃度に着目し、界面における酸素濃度の上昇（所謂、酸素濃化）の度合を推し量る指標として酸素濃度面積積分値（図８（ａ）・（ｂ）に示す斜線部の面積）Ｘを求めるようにした。酸素濃度面積積分値Ｘの単位は、ａｔ％ｎｍとしている。さらに詳述すると、硬質皮膜側で酸素濃度のグラフが単調増加に転じる点Ｐを求め、かつ、基材側で酸素濃度のグラフが単調減少から増加に転じる点Ｑを求め、酸素濃度のグラフと線分ＰＱによって囲まれる部分の面積である酸素濃度面積積分値Ｘを求めるようにしている。
【００２２】
さらに、各試料に対して、ＴｉＮ硬質皮膜の表面にロックウェル硬さ計のダイヤモンド圧子を１５０ｋｇｆの力で押圧し、ＴｉＮ硬質皮膜が剥離するか否かと、剥離した場合の剥離面積を調査する実験を行った。その結果の一例として、図８（ａ）に示す分析結果を得た試料では剥離が発生し、図８（ｂ）に示す分析結果を得た試料では剥離が発生しなかった。
【００２３】
そして、各試料の剥離の状態と酸素濃度面積積分値Ｘとの関係をまとめると、図９のようになる。ここでは、代表として６個の試料をピックアップしてまとめた例を示している。図９からは、酸素濃度面積積分値Ｘが大きい（即ち、界面における酸素濃度が高い）ほど剥離面積が大きくなり、酸素濃度面積積分値Ｘが小さい（即ち、界面における酸素濃度が低い）ほど剥離面積が小さくなっていることが把握できる。
【００２４】
さらに言えば、鋼製シム（即ち、Ｆｅ製の基材）に対して、膜厚２μｍのＴｉＮ硬質皮膜を形成するという条件において、界面における酸素濃度面積積分値Ｘが２８０ａｔ％ｎｍ以下であれば、ＴｉＮ硬質皮膜の表面にロックウェル硬さ計のダイヤモンド圧子を１５０ｋｇｆの力で押圧しても、剥離が発生しなかった。即ち、図９に示す実験結果からは、界面における剥離の発生と酸素濃度面積積分値Ｘには相関関係があることが把握できる。
【００２５】
摺動部品に求められる性能（例えば、摺動特性や耐磨耗性等）を確保するためには、求められる性能に見合った摺動特性や耐磨耗性を有する材質の硬質皮膜を採用することが重要である。しかしそれだけでは不十分であり、それに加えて、摺動部品に求められる性能を十分に確保するためには、基材に対する硬質皮膜の密着性を確保することも重要となってくる。
【００２６】
しかしながら、従来のアークイオンプレーティング法では、硬質皮膜の形成対象となるワーク（基材）や、真空チャンバー内の状態等はバッチ毎に変動するものであるため、硬質皮膜の形成状態はバッチ毎に変動している。また、従来は硬質皮膜を形成する場合、界面における酸素濃化を抑制すれば硬質皮膜の密着性向上に寄与するということが意識されていなかったため、硬質皮膜の基材に対する密着性もバッチ毎に変動している状況であった。つまり、従来は硬質皮膜の基材に対する密着性は、成膜条件が異なると変動してしまう（密着性のロバスト性が低い）という問題点があった。
【００２７】
また、従来のアークイオンプレーティング法においても、真空排気（真空引き）を長時間にわたって行い真空チャンバー内の残存気体等を極限まで減らすことによって界面における酸素濃化を抑制することが可能であるが、生産時間の制約等から長時間にわたって真空チャンバー内の真空引きを行うことは現実的ではなく、一定の真空度で見切って硬質皮膜の形成を行っている状態であった。
このため、界面における酸素濃化を現実的に抑制するためには、短時間で容易に界面における酸素濃化を抑制する技術を開発する必要があった。
【００２８】
また、従来硬質皮膜の密着性を検査する場合、硬質皮膜の表面にダイヤモンド圧子等を押圧して剥離が発生するか否かを検査する方法（破壊検査）がとられており、非破壊の方法では密着性の検査ができず、硬質皮膜の密着性を評価することが容易でないという問題点もあった。また、検査方法も目視によって剥離の有無や剥離面積を調査する方法を採用しており、検査者の違いによって検査結果にばらつきが生じるおそれがある等の問題点もあった。このため、硬質皮膜の密着性を非破壊で容易に評価することができる技術の開発が望まれている状況であった。
【特許文献１】特開２００２−４７５５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
そこで本発明では、このような現状を鑑み、硬質皮膜の摺動特性や耐磨耗性を改良するために、アークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法において、界面における酸素濃化を容易に抑制し、密着性の良い硬質皮膜および硬質皮膜形成方法を提供するとともに、硬質皮膜の密着性を非破壊で容易に評価することができる硬質皮膜評価方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００３１】
即ち、請求項１においては、アークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法であって、前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下とするものである。
【００３２】
請求項２においては、前記硬質皮膜形成方法が備える金属イオンボンバード工程より以前に、前記基材を０Ｖ以上の電位に保持しつつ、アノードとカソードとの間で真空アーク放電を発生させて、前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下とするものである。
【００３３】
請求項３においては、前記真空アーク放電の発生中には、前記基材と前記カソードとの間に遮蔽物を配置するものである。
【００３４】
請求項４においては、前記基材に初期皮膜を形成する初期の金属イオンボンバード工程と、前記初期皮膜に対して不活性ガスを用いて行われるガスイオンボンバード工程と、前記ガスイオンボンバード工程の後に行われる後期の金属イオンボンバード工程とを備えた金属イオンボンバード工程を実施することにより、前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下とするものである。
【００３５】
請求項５においては、前記ガスイオンボンバード工程は、真空チャンバー内にフィラメントを設け、不活性ガス雰囲気の前記真空チャンバー内でフィラメントによる放電を発生させて行うものである。
【００３６】
請求項６においては、前記ガスイオンボンバード工程は、前記基材に負の高バイアス電圧を印加して、不活性ガス雰囲気の真空チャンバー内でグロー放電を発生させて行うものである。
【００３７】
請求項７においては、アークイオンプレーティング法によって形成する硬質皮膜であって、前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下としたものである。
【００３８】
請求項８においては、前記硬質皮膜を形成する際に実施される金属イオンボンバード工程より以前に、前記基材を０Ｖ以上の電位に保持しつつ、アノードとカソードとの間で真空アーク放電を発生させて、前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下としたものである。
【００３９】
請求項９においては、前記基材に初期皮膜を形成する初期の金属イオンボンバード工程と、前記初期皮膜に対して不活性ガスを用いて行われるガスイオンボンバード工程と、前記ガスイオンボンバード工程の後に行われる後期の金属イオンボンバード工程とを備えた金属イオンボンバード工程を実施することにより、前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下としたものである。
【００４０】
請求項１０においては、アークイオンプレーティング法によって形成する硬質皮膜であって、硬質皮膜の材質として窒化チタンを採用し、前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、２８０ａｔ％ｎｍ以下としたものである。
【００４１】
請求項１１においては、硬質皮膜の密着性を評価する硬質皮膜評価方法であって、前記硬質皮膜と基材との界面に存在する酸素の酸素濃度を計測し、該酸素濃度から酸素濃度面積積分値を求めて、該酸素濃度面積積分値によって硬質皮膜の密着性を評価するものである。
【００４２】
請求項１２においては、前記硬質皮膜と基材との界面に存在する酸素の酸素濃度の計測は、オージェ電子分光分析法により行うものである。
【発明の効果】
【００４３】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００４４】
請求項１においては、基準値に応じて成膜条件を整えることができ、容易に基材と硬質皮膜の密着性を確保することができる。
【００４５】
請求項２においては、アノードから吸着ガスを離脱させるとともに、発生する金属イオンによって真空チャンバー内の残存気体を捕集させることができる。これにより、真空チャンバー内の真空度を高めることができ、界面における酸素濃化およびコンタミネーションを低減することができる。
【００４６】
請求項３においては、初期段階の真空アーク放電によって、基材にドロップレットが付着することを防止できる。
【００４７】
請求項４においては、初期の金属イオンボンバードによる初期段階の真空アーク放電によって、アノードから吸着ガスを離脱させるとともに、その後のガスイオンボンバードによって、初期皮膜に含まれる金属酸化物を除去することができる。これにより、その後後期の金属イオンボンバードを行う際には、アノードや基材等からの吸着ガスの離脱が低減され、また、基材等からの吸着ガスの離脱も低減することができ、真空チャンバー内の真空度をより高めることができる。
【００４８】
請求項５においては、不活性ガスによるガスイオンボンバードを容易に行うことができる。
【００４９】
請求項６においては、不活性ガスによるガスイオンボンバードを容易に行うことができる。
【００５０】
請求項７においては、基材と硬質皮膜の密着性を確保することができる。
【００５１】
請求項８においては、アノードから吸着ガスを離脱させるとともに、発生する金属イオンによって真空チャンバー内の残存気体を捕集させることができる。これにより、真空チャンバー内の真空度を高めることができ、界面における酸素濃化およびコンタミネーションを低減することができる。
【００５２】
請求項９においては、真空アーク放電によって、基材にドロップレットが付着することを防止できる。
【００５３】
請求項１０においては、密着性の良いＴｉＮ硬質皮膜を形成することができる。
【００５４】
請求項１１においては、容易に基材と硬質皮膜の密着性を評価することができる。
【００５５】
請求項１２においては、非破壊で基材と硬質皮膜の密着性を評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
次に、発明の実施の形態を説明する。
まず始めに、本発明の第一実施例であるアークイオンプレーティング法による硬質皮膜の形成方法について、図１〜図３を用いて説明する。図１は本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成装置の全体構成を示す模式図、図２は本発明の第一実施例に係るアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法のプロセスチャート図、図３は本発明の第一実施例に係るアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法の金属イオンボンバード工程を示すプロセスチャート図である。
【００５７】
図１に示す如く、第一実施例に係るアークイオンプレーティング法に用いる硬質皮膜形成装置１は、真空チャンバー２、カソード３、アノード４、テーブル５、アーク電源６、バイアス電源７、ヒーター８およびシャッター９等からなる構成としている。
また、従来の真空チャンバー５２と同様に、真空チャンバー２は密閉性のある筐体により構成され、ガス供給口１１および真空排気口１２が形成されている。
このように、本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成装置１はシャッター９を有している点が従来の硬質皮膜形成装置５１と相違しており、シャッター９以外の他の構成要素が有する機能は従来の硬質皮膜形成装置５１と共通している。
【００５８】
シャッター９は、カソード３とテーブル５の間に設けられる板状部材であり、カソード３から放出されるドロップレット１０がワーク１３・１３・・・に到達しないように遮蔽する役目を果たしている。また、シャッター９は、後述する真空アーク放電を行う間に限定してカソード３とテーブル５の間に出現するように構成しており、金属イオンボンバード工程や硬質皮膜形成工程においては、カソード３から放出される金属イオンがワーク１３・１３・・・に到達することを妨げることがないようにしている。尚、シャッター９の幅はターゲットとなるカソード３の直径に比して１．５倍程度の幅を有する構成とし、カソード３から１００ｍｍ程度離間した位置にシャッター９を配置することが望ましい。
【００５９】
ここで、本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成装置１による硬質皮膜形成方法を説明する。
（初期真空排気工程）
図２に示す如く、まず始めに、真空チャンバー２内を真空排気して、真空チャンバー２内の残存気体を減少させて真空度を高めていく。ここで図３に示す如く、本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成方法では、初期真空排気工程の最中に、カソード３とアノード４の間で真空アーク放電を断続的に繰り返し行うようにしている。
またこのとき、ワーク１３・１３・・・にはバイアス電源７によって０Ｖまたは正の電圧を付与するようにしている。
【００６０】
真空アーク放電を断続的に繰り返して行うと、カソード３周辺の温度が上昇し、カソード３等に吸着されているガスが十分に放出される。このように、初期真空排気工程においてカソード３周辺の吸着ガスを十分に放出させておくことにより、後の金属イオンボンバード工程や硬質皮膜形成工程において、カソード３周辺から放出されるガスを抑制することができる。またこの時点では、ワーク１３・１３・・・は予熱されていないため、放出されたガスによってワーク１３・１３・・・が酸化されることもない。
【００６１】
真空アーク放電を行うと、真空チャンバー２内には金属イオンが放出される。初期真空排気工程のように真空チャンバー２内の残存空気の除去が十分でない状態では、真空チャンバー２内で金属イオンの酸化物が生成される。そこで、ワーク１３・１３・・・に０Ｖまたは正の電圧を付与することにより、初期真空排気工程においては金属イオンの酸化物がワーク１３・１３・・・に付着することを防止するようにしている。これにより、界面における酸素濃化を確実に抑制するようにしている。
【００６２】
また金属イオンを積極的に発生させると、金属イオンのゲッター効果によって残存気体やカソード３周辺からの放出ガスが金属イオンに取り込まれるため、効率よく残存気体等を排気することができる。その効果は図３に現れており、初期真空排気工程における真空チャンバー２内の到達真空度が従来に比して高められている。
つまり、初期真空排気工程において真空アーク放電を断続的に繰り返して行うことにより、界面における酸素濃化を抑制しつつ、真空チャンバー２内の残存気体を効率よく排気することが可能となるのである。
【００６３】
さらにこのとき、シャッター９がカソード３とテーブル５の間に出現し、真空アーク放電によってカソード３から放出されるドロップレット１０がワーク１３・１３・・・に付着することを防止している。
【００６４】
即ち、本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成方法においては、真空アーク放電の発生中には、ワーク１３・１３・・・とカソード３との間に遮蔽物となるシャッター９を配置する構成としている。
このような構成とすることにより、真空アーク放電を行っている最中に、ワーク１３・１３・・・にドロップレット１０が付着することを防止できるのである。
【００６５】
（予熱工程）
次に、ヒーター８に通電することによって予熱を行い、真空チャンバー２内の温度を昇温させる。真空チャンバー２内の温度が上昇すると、カソード３の周辺の他、真空チャンバー２内の各部（治具等）に吸着しているガスが放出される。これにより、予熱工程においてカソード３の周辺以外に吸着しているガスも十分に放出させておくことにより、後の金属イオンボンバード工程や硬質皮膜形成工程において、カソード３の周辺以外から放出されるガスも抑制することができる。そして、真空チャンバー２内の真空排気を継続して行うことにより、放出された吸着ガスは真空チャンバー２内から確実に排出される。これにより、真空チャンバー２内の真空度を再び高めている。
【００６６】
（中期真空排気工程）
次に、ヒーター８による予熱を停止して、さらに継続して真空排気を行い、真空チャンバー２内の圧力を、所望する真空度まで高めるようにしている。
【００６７】
（金属イオンボンバード工程）
次に、カソード３とアノード４との間で真空アーク放電を発生させて、カソード３の表面から皮膜形成材料を蒸発させてイオン化させる。これと同時に、バイアス電源７によって、ワーク１３・１３・・・に負のバイアス電圧を印加する。これにより、カソード３の表面から蒸発した正の金属イオンが、負の電位が付与されたワーク１３・１３・・・によって強力に引き寄せられる。そして、金属イオンがワーク１３・１３・・・の表面に衝突し、ワーク１３・１３・・・の表面に金属イオンが堆積する。
【００６８】
ここで、初期真空排気工程〜中期真空排気工程において、カソード３の周辺やカソード３の周辺以外に吸着しているガスを既に十分に放出させてあるため、金属イオンボンバード工程における新たな吸着ガスの放出が抑えられる。このため、真空チャンバー２内から残存気体が十分に除去された状態で金属イオンボンバード工程を行うことができる。これにより、金属イオンボンバード工程において、ワーク１３・１３・・・の表面に金属イオンの酸化物が堆積することが抑制され、界面における酸素濃化を抑制することができる。
【００６９】
尚、界面における酸素濃化をどの程度まで抑制すればよいかの指標となる基準値（即ち、酸素濃度面積積分値Ｘ）は選定する硬質皮膜材料に応じて異なってくるが、完成した硬質皮膜をＡＥＳ分析法によって分析し、界面の酸素濃度が基準値（即ち、酸素濃度面積積分値Ｘ）以下であるか否かを調査し、その硬質皮膜が形成された際の成膜条件と照合しながら、真空アーク放電の放電量や実施時間を調整することによって成膜条件を整えていくことができる。そして、調査により得られた基準値および成膜条件を守ることによって、容易に硬質皮膜の密着性を確保することができる。
【００７０】
例えば、硬質皮膜材料としてＴｉＮを選定した場合、酸素濃度面積積分値Ｘが２８０ａｔ％ｎｍ以下となるように真空アーク放電の実施時間を調整し成膜条件を整えれば、ロックウェル硬さ計のダイヤモンド圧子を１５０ｋｇｆの力で押圧しても剥離が発生しない硬質皮膜を形成することができ、硬質皮膜の密着性を容易に確保することができる。
【００７１】
即ち、本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成装置１を用いた硬質皮膜形成方法は、アークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法であって、前記硬質皮膜の形成対象となるワーク１３・１３・・・と、ワーク１３・１３・・・に形成する硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下としている。
これにより、選定した硬質皮膜材料に応じた酸素濃度面積積分値Ｘの基準値に応じて成膜条件を整えることができ、容易にワーク１３と硬質皮膜の密着性を確保することができるのである。
【００７２】
また、金属イオンボンバード工程より以前に、ワーク１３・１３・・・を０Ｖ以上の電位に保持しつつ、カソード３とアノード４との間で真空アーク放電を発生させて、硬質皮膜の形成対象となるワーク１３・１３・・・と、ワーク１３・１３・・・に形成する硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度（即ち、酸素濃度面積積分値Ｘ）以下としている。
これにより、カソード３から吸着ガスを離脱させるとともに、発生する金属イオンによって真空チャンバー２内の残存気体を捕集させることができるのである。またこれにより、真空チャンバー２内の真空度を高めることができ、界面における酸素濃化およびコンタミネーションの発生を低減することができるのである。
【００７３】
（硬質皮膜形成工程）
次に、真空チャンバー２内に、ガス供給口１１から不活性ガス（例えば窒素等）を供給し、真空チャンバー２内を不活性ガス雰囲気とする。そして、不活性ガス雰囲気中でカソード３とアノード４との間で真空アーク放電を発生させて、カソード３の表面から皮膜形成材料を蒸発させてイオン化させる。これと同時に、バイアス電源７によって、ワーク１３・１３・・・に負のバイアス電圧を印加する。このとき、正の金属イオンは、負の電位が付与されたワーク１３・１３・・・によって引き寄せられるとともに、金属イオンは不活性ガスと反応して硬質皮膜化するため、ワーク１３・１３・・・の表面に硬質皮膜が形成される。
【００７４】
ここで、初期真空排気工程〜金属イオンボンバード工程において、カソード３の周辺やカソード３の周辺以外に吸着しているガスを既に十分に放出させてあるため、硬質皮膜形成工程における新たな吸着ガスの放出が抑えられる。このため、真空チャンバー２内から残存気体が十分に除去された状態で硬質皮膜形成工程を行うことができる。これにより、硬質皮膜形成工程において、ワーク１３・１３・・・の表面に金属酸化物が堆積することが抑制される。
【００７５】
ここで、本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成装置１による硬質皮膜成形方法の適用例として、ターゲットに（即ち、カソード３の材質として）チタンを選定し、また硬質皮膜形成工程時に真空チャンバー２内に供給する不活性ガスとして窒素を選定して、ＴｉＮ硬質皮膜を形成する例について説明する。
【００７６】
この場合、初期真空排気工程において、１０〜２０秒間の真空アーク放電を８０〜９０分の間断続的に繰り返し行った（図３参照）。またそのとき、ワーク１３・１３・・・にはバイアス電源７によって１００Ｖの正のバイアス電圧を付与するようにした。これにより、初期真空排気工程においてはチタンイオンの酸化物がワーク１３・１３・・・に付着することを防止するようにし、界面における酸素濃化を確実に抑制するようにした。
【００７７】
その結果、その他の各工程を経て形成されたＴｉＮ硬質皮膜について、界面周辺の組成をＡＥＳ分析法により分析すると、界面における酸素濃度面積積分値Ｘを、２００ａｔ％ｎｍに抑えることができた。硬質皮膜材料としてＴｉＮを選定する場合、界面における酸素濃度面積積分値Ｘを、２８０ａｔ％ｎｍ以下とすれば剥離しないことが実験から判明しており、基準値を上回る十分な硬質皮膜の密着性を確保することができた。
【００７８】
次に、本発明の第二実施例であるアークイオンプレーティング法による硬質皮膜の形成方法について、図４および図５を用いて説明する。図４は本発明の第二実施例に係る硬質皮膜形成装置の全体構成を示す模式図、図５は本発明の第二実施例に係るアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法のプロセスチャート図である。
【００７９】
図４に示す如く、第二実施例に係るアークイオンプレーティング法に用いる硬質皮膜形成装置２１は、真空チャンバー２２、カソード２３、アノード２４、テーブル２５、アーク電源２６、バイアス電源２７、ヒーター２８およびフィラメント３０等からなる構成としている。
また、従来の真空チャンバー５２と同様に、真空チャンバー２２は密閉性のある筐体により構成され、ガス供給口３１および真空排気口３２が形成されている。
このように、本発明の第二実施例に係る硬質皮膜形成装置２１はフィラメント３０を有している点が従来の硬質皮膜形成装置５１と相違している。また、本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成装置１が有しているシャッター９のようなシャッターは有しておらず、フィラメント３０以外の他の構成要素が有する機能は従来の硬質皮膜形成装置５１と共通している。
【００８０】
フィラメント３０は、真空チャンバー２２内に設けられており、該フィラメント３０に通電することによって、真空チャンバー２２内でフィラメント放電を起こすことができるものである。
【００８１】
ここで、第二実施例に係るアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法を説明する。
（初期真空排気工程）
図５に示す如く、まず始めに、真空チャンバー２２内を真空排気して、真空チャンバー２２内の残存気体を減少させて真空度を高める。
【００８２】
（予熱工程）
次に、ヒーター２８によって予熱を行い、真空チャンバー２２内の温度を昇温させる。真空チャンバー２２内の温度が上昇すると、カソード２３の表面等に吸着しているガスが放出される。このとき、放出された吸着ガス等に起因して真空チャンバー２２内の圧力が一旦は上昇に転じるが、真空チャンバー２２内の真空排気を継続して行うことにより、放出された吸着ガスは真空チャンバー２２内から排出される。これにより、真空チャンバー２２内の真空度を再び高めている。
【００８３】
（中期真空排気工程）
次に、ヒーター２８による予熱を停止して、さらに継続して真空排気を行い、真空チャンバー２２内の圧力を、所望する真空度まで高める。
このように、第二実施例に係る硬質皮膜形成方法では、中期真空排気工程までは、従来の硬質皮膜形成方法と同様とすることができる。
【００８４】
（金属イオンボンバード工程）
次に、カソード２３とアノード２４との間で真空アーク放電を発生させて、カソード２３の表面から皮膜形成材料を蒸発させてイオン化させる。これと同時に、バイアス電源２７によって、ワーク３３・３３・・・に負のバイアス電圧を印加する。これにより、カソード２３の表面から蒸発した正の金属イオンが、負の電位が付与されたワーク３３・３３・・・によって強力に引き寄せられる。そして、金属イオンがワーク３３・３３・・・の表面に衝突し、ワーク３３・３３・・・の表面に金属イオンが堆積する。
【００８５】
ここで、本発明の第二実施例に係る硬質皮膜形成方法では、金属イオンボンバード工程を初期の段階で一旦中断し、金属イオンの初期皮膜が形成された時点でガスイオンボンバード工程を行うようにしている。従来、金属イオンボンバード工程は、５〜１０分程度行われるが、初期皮膜形成のために、３０〜６０秒程度で金属イオンボンバード工程を一旦中断するようにしている。このとき、金属イオンボンバード工程を行うことによって、カソード３周辺の吸着ガスは真空チャンバー２２内に放出されている。また、初期皮膜には金属酸化物が含まれた状態となっている。
【００８６】
ガスイオンボンバード工程は、まず真空チャンバー２２内に不活性ガス（例えば、Ａｒ（アルゴン）等）を供給し、真空チャンバー２２内を不活性ガス雰囲気とする。また、ワーク３３・３３には正のバイアス電圧を付与しておく。その後、真空チャンバー２２内の圧力を一定に保持しながらフィラメント３０に通電し、フィラメント放電を発生させる。このフィラメント放電により不活性ガスがイオン化し、ワーク３３・３３・・・にガスイオンを強力に吸着させることによってガスイオンボンバード工程を行うようにしている。
【００８７】
即ち、本発明の第二実施例に係る硬質皮膜形成方法では、ガスイオンボンバード工程は、真空チャンバー２２内にフィラメント３０を設け、不活性ガス雰囲気の真空チャンバー２内でフィラメント３０による放電を発生させて行っている。
これにより、不活性ガスによるガスイオンボンバード工程を容易に行うことができるのである。
【００８８】
また、硬質皮膜形成装置２１にフィラメント３０は設けずに、バイアス電源２７によってワーク３３・３３・・・に負の高バイアス電圧を印加して、グロー放電を発生させる構成とすることも可能である。この場合、グロー放電により不活性ガスがイオン化し、ワーク３３・３３・・・にガスイオンを吸着させることによってガスイオンボンバード工程を行うことができる。この場合、本発明の第二実施例に係る硬質皮膜形成装置２１の構成は従来の硬質皮膜形成装置５１と同様でよい。
【００８９】
即ち、本発明の第二実施例に係る硬質皮膜形成方法では、ガスイオンボンバード工程は、ワーク３３・３３・・・に負のバイアス電圧を印加して、不活性ガス雰囲気の真空チャンバー２内でグロー放電を発生させて行うこともできる。
この場合にも、不活性ガスによるガスイオンボンバード工程を容易に行うことができるのである。
【００９０】
そして、ガスイオンボンバード工程を行うことにより、初期皮膜から金属酸化物が除去され、ワーク３３・３３・・・の表面（即ち、界面）には金属酸化物を含まない純金属のみの中間層が形成される。これにより、界面における酸素濃化を抑制することができる。
【００９１】
また、ガスイオンボンバード工程を行うことにより、真空チャンバー２２内のワーク３３・３３・・・や、カソード２３の周辺およびその他治具等から吸着ガスが十分に放出される。これによって、ガスイオンボンバードの後に金属イオンボンバードを行う際に、真空チャンバー２２内のワーク３３・３３・・・や、カソード２３の周辺およびその他治具等から吸着ガスが放出されないため、残存気体が十分に除去された状態で金属イオンボンバード工程を行うことができる。
【００９２】
この場合、金属酸化物を含まない純金属のみの中間層に対して、残存気体が十分に除去された状態でその後の金属イオンボンバード工程を行うことができ、ワーク１３・１３・・・の表面に金属イオンの酸化物が堆積することが抑制され、界面における酸素濃化を抑制することができる。
【００９３】
尚、界面における酸素濃化をどの程度まで抑制すればよいかの指標となる基準値（即ち、酸素濃度面積積分値Ｘ）は選定する硬質皮膜材料に応じて異なってくるが、完成した硬質皮膜をＡＥＳ分析法によって分析し、界面の酸素濃度を基準値以下であるか否かを調査し、その硬質皮膜が形成された際の成膜条件と照合しながら、ガスイオンボンバード工程の実施時間等を調整することによって成膜条件を整えていくことができる。そして、調査により得られた基準値および成膜条件を守ることによって、容易に硬質皮膜の密着性を確保することができる。
【００９４】
例えば、硬質皮膜材料としてＴｉＮを選定した場合、酸素濃度面積積分値Ｘが２８０ａｔ％ｎｍ以下となるようにガスイオンボンバード工程の実施時間を調整し成膜条件を整えれば、ロックウェル硬さ計のダイヤモンド圧子を１５０ｋｇｆの力で押圧しても剥離が発生しない硬質皮膜を形成することができ、硬質皮膜の密着性を容易に確保することができる。
【００９５】
即ち、本発明の第二実施例に係る硬質皮膜形成装置２１による硬質皮膜形成方法は、アークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法であって、硬質皮膜の形成対象となるワーク３３・３３・・・と、ワーク３３・３３・・・に形成する硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下としている。
これにより、選定した硬質皮膜材料に応じた酸素濃度面積積分値Ｘの基準値に応じて成膜条件を整えることができ、容易に基材と硬質皮膜の密着性を確保することができるのである。
【００９６】
また、ワーク３３・３３・・・に初期皮膜を形成する初期の金属イオンボンバード工程と、前記初期皮膜に対して不活性ガスを用いて行われるガスイオンボンバード工程と、前記ガスイオンボンバード工程の後に行われる後期の金属イオンボンバード工程とを備えた金属イオンボンバード工程を実施することにより、硬質皮膜の形成対象となるワーク３３・３３・・・と、ワーク３３・３３・・・に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、予め設定した基準濃度以下としている。
【００９７】
これにより、初期の金属イオンボンバード工程における初期段階の真空アーク放電によって、カソード２３から吸着ガスを離脱させるとともに、その後のガスイオンボンバード工程によって、初期皮膜に含まれる金属酸化物を除去することができるのである。これにより、その後後期の金属イオンボンバード工程を行う際には、カソード２３やワーク３３・３３・・・等からの吸着ガスの離脱が低減され、また、３３・３３・・・等からの吸着ガスの離脱も低減することができ、真空チャンバー２２内の真空度をより高めることができるのである。
【００９８】
（硬質皮膜形成工程）
次に、真空チャンバー２２内に、ガス供給口３１から不活性ガス（例えば窒素等）を供給し、真空チャンバー２２内を不活性ガス雰囲気とする。そして、不活性ガス雰囲気中でカソード２３とアノード２４との間で真空アーク放電を発生させて、カソード２３の表面から皮膜形成材料を蒸発させてイオン化させる。これと同時に、バイアス電源２７によって、ワーク３３・３３・・・に負のバイアス電圧を印加する。このとき、正の金属イオンは、負の電位が付与されたワーク３３・３３・・・によって強力に引き寄せられるとともに、金属イオンは不活性ガスと反応して硬質皮膜化するため、ワーク３３・３３・・・の表面に硬質皮膜が形成される。
【００９９】
金属イオンボンバード工程において、カソード２３の周辺やカソード２３の周辺以外に吸着しているガスを既に十分に放出させてあるため、硬質皮膜形成工程における新たな吸着ガスの放出が抑えられる。このため、真空チャンバー２２内から残存気体が十分に除去された状態で硬質皮膜形成工程を行うことができる。これにより、硬質皮膜形成工程において、ワーク３３・３３・・・の表面に金属酸化物が堆積することが抑制される。
【０１００】
ここで、本発明の第二実施例に係る硬質皮膜形成装置２１による硬質皮膜成形方法の適用例として、ターゲットに（即ち、カソード２３の材質として）チタンを選定し、また硬質皮膜形成工程時に真空チャンバー２２内に供給する不活性ガスとして窒素を選定して、ＴｉＮ硬質皮膜を形成する例について説明する。
【０１０１】
この場合、金属イオンボンバード工程において、初期段階でチタンイオンによる金属イオンボンバード工程を３０〜６０秒で一旦中止し、チタンイオンの初期皮膜を形成するようにした。
【０１０２】
次に、真空チャンバー２２内にＡｒ（アルゴン）を供給し、真空チャンバー２２の内圧を１．３Ｐａに保持しつつ、Ａｒイオンによるガスイオンボンバード工程を行った。ガスイオンボンバード工程は、フィラメント３０に５Ａの放電電流を通電しつつ、バイアス電源２７によってワーク３３・３３・・・に５００Ｖの負の電圧を付与して行った（または、フィラメント３０によるフィラメント放電を行わずに、バイアス電源２７によってワーク３３・３３・・・に８００〜１０００Ｖの負の電圧を付与してグロー放電を発生させてもよい。）。これにより、金属イオンボンバード工程においてチタンイオンの酸化物がワーク３３・３３・・・に付着することを防止するようにし、界面において酸素濃化を確実に抑制するようにした。
【０１０３】
その結果、その他の各工程を経て形成されたＴｉＮ硬質皮膜について、界面周辺の組成をＡＥＳ分析法により分析すると、界面における酸素濃度面積積分値Ｘを、１５０ａｔ％ｎｍに抑えることができた。硬質皮膜材料としてＴｉＮを選定する場合、界面における酸素濃度面積積分値Ｘを、２８０ａｔ％ｎｍ以下とすれば剥離しないことが実験から判明しており、基準値を上回る十分な硬質皮膜の密着性を確保することができた。
【０１０４】
また、剥離が発生しない酸素濃度面積積分値Ｘの基準値を予め硬質皮膜の材質に応じて得ておくことによって、形成した硬質皮膜に対して、界面付近の組成をＡＥＳ分析法で分析することにより、非破壊で容易に硬質皮膜の密着性を評価することが可能となる。
つまり、本実施例では硬質皮膜の材質がＴｉＮである場合の、基材と硬質皮膜との密着性確保に必要な界面における酸素濃度面積積分値Ｘの基準値が２８０ａｔ％ｎｍであることを提示したが、その他の硬質皮膜の材質（例えば、ＴｉＡｌＮやＴｉＣＮ等）に対しても、剥離が発生しない酸素濃度面積積分値Ｘの基準値を予め得ておくことによって、特定の硬質皮膜の材質に限定されることなく容易に硬質皮膜の密着性を評価することができるのである。
【０１０５】
即ち、本発明の第一実施例および第二実施例に係る硬質皮膜形成方法により形成する硬質皮膜は、アークイオンプレーティング法によって形成する硬質皮膜であって、硬質皮膜の材質としてＴｉＮを採用し、硬質皮膜の形成対象となるワーク１３・１３・・・と、ワーク１３・１３・・・に形成する硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、２８０ａｔ％ｎｍ以下とするようにしている。
このように、ワーク１３・１３・・・と硬質皮膜の密着性を評価する基準を定めることにより、密着性の良いＴｉＮ硬質皮膜を形成することができるのである。
【０１０６】
また、本発明に係る硬質皮膜評価方法は、硬質皮膜の密着性を評価する硬質皮膜評価方法であって、硬質皮膜とワーク１３・１３・・・との界面に存在する酸素の酸素濃度を計測し、該酸素濃度から酸素濃度面積積分値Ｘを求めて、該酸素濃度面積積分値Ｘによって硬質皮膜の密着性を評価している。
これにより、容易に硬質皮膜の密着性を評価することができるのである。
【０１０７】
さらに、本発明に係る硬質皮膜評価方法は、硬質皮膜とワーク１３・１３・・・との界面に存在する酸素の酸素濃度の計測は、ＡＥＳ分析法（オージェ電子分光分析法）により行うようにしている。
これにより、非破壊で硬質皮膜の密着性を評価することができるのである。
【０１０８】
また、本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成方法と、第二実施例に係る硬質皮膜形成方法を組み合わせた硬質皮膜形成方法とすることも可能である。第一実施例に係る硬質皮膜形成方法と第二実施例に係る硬質皮膜形成方法を組み合わせることによって、より確実に硬質皮膜の密着性を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の第一実施例に係る硬質皮膜形成装置の全体構成を示す模式図。
【図２】本発明の第一実施例に係るアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法のプロセスチャート図。
【図３】本発明の第一実施例に係るアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法の金属イオンボンバード工程を示すプロセスチャート図。
【図４】本発明の第二実施例に係る硬質皮膜形成装置の全体構成を示す模式図。
【図５】本発明の第二実施例に係るアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法のプロセスチャート図。
【図６】従来の硬質皮膜形成装置の全体構成を示す模式図。
【図７】従来のアークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法のプロセスチャート図。
【図８】（ａ）ＡＥＳ分析法による界面の組成の分析結果（剥離が発生する場合）を示す説明図、（ｂ）ＡＥＳ分析法による界面の組成の分析結果（剥離が発生しない場合）を示す説明図。
【図９】剥離の発生状況と界面の酸素濃度面積積分値との相関関係を示す説明図。
【符号の説明】
【０１１０】
１ 硬質皮膜形成装置
２ 真空チャンバー
３ カソード
４ アノード
６ アーク電源
７ バイアス電源
９ シャッター
１３ ワーク
２６ アーク電源
２７ バイアス電源
３０ フィラメント
３３ ワーク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法であって、
前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、
該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、
予め設定した基準濃度以下とする、
ことを特徴とする硬質皮膜形成方法。
【請求項２】
前記硬質皮膜形成方法が備える金属イオンボンバード工程より以前に、
前記基材を０Ｖ以上の電位に保持しつつ、
アノードとカソードとの間で真空アーク放電を発生させて、
前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、
該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、
予め設定した基準濃度以下とする、
ことを特徴とする請求項１記載の硬質皮膜形成方法。
【請求項３】
前記真空アーク放電の発生中には、
前記基材と前記カソードとの間に遮蔽物を配置する、
ことを特徴とする請求項２記載の硬質皮膜形成方法。
【請求項４】
前記基材に初期皮膜を形成する初期の金属イオンボンバード工程と、
前記初期皮膜に対して不活性ガスを用いて行われるガスイオンボンバード工程と、
前記ガスイオンボンバード工程の後に行われる後期の金属イオンボンバード工程とを備えた金属イオンボンバード工程を実施することにより、
前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、
該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、
予め設定した基準濃度以下とする、
ことを特徴とする請求項１記載の硬質皮膜形成方法。
【請求項５】
前記ガスイオンボンバード工程は、
真空チャンバー内にフィラメントを設け、
不活性ガス雰囲気の前記真空チャンバー内でフィラメントによる放電を発生させて行う、
ことを特徴とする請求項４に記載の硬質皮膜形成方法。
【請求項６】
前記ガスイオンボンバード工程は、
前記基材に負の高バイアス電圧を印加して、
不活性ガス雰囲気の真空チャンバー内でグロー放電を発生させて行う、
ことを特徴とする請求項４に記載の硬質皮膜形成方法。
【請求項７】
アークイオンプレーティング法によって形成する硬質皮膜であって、
前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、
該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、
予め設定した基準濃度以下とした、
ことを特徴とする硬質皮膜。
【請求項８】
前記硬質皮膜を形成する際に実施される金属イオンボンバード工程より以前に、
前記基材を０Ｖ以上の電位に保持しつつ、
アノードとカソードとの間で真空アーク放電を発生させて、
前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、
該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、
予め設定した基準濃度以下とした、
ことを特徴とする請求項７記載の硬質皮膜。
【請求項９】
前記基材に初期皮膜を形成する初期の金属イオンボンバード工程と、
前記初期皮膜に対して不活性ガスを用いて行われるガスイオンボンバード工程と、
前記ガスイオンボンバード工程の後に行われる後期の金属イオンボンバード工程とを備えた金属イオンボンバード工程を実施することにより、
前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、
該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、
予め設定した基準濃度以下とした、
ことを特徴とする請求項７記載の硬質皮膜。
【請求項１０】
アークイオンプレーティング法によって形成する硬質皮膜であって、
硬質皮膜の材質として窒化チタンを採用し、
前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、
該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、
２８０ａｔ％ｎｍ以下とした、
ことを特徴とする硬質皮膜。
【請求項１１】
硬質皮膜の密着性を評価する硬質皮膜評価方法であって、
前記硬質皮膜と基材との界面に存在する酸素の酸素濃度を計測し、
該酸素濃度から酸素濃度面積積分値を求めて、
該酸素濃度面積積分値によって硬質皮膜の密着性を評価する、
ことを特徴とする硬質皮膜評価方法。
【請求項１２】
前記硬質皮膜と基材との界面に存在する酸素の酸素濃度の計測は、
オージェ電子分光分析法により行う、
ことを特徴とする請求項１１記載の硬質皮膜評価方法。
【請求項１】
アークイオンプレーティング法による硬質皮膜形成方法であって、
前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、
該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、
予め設定した基準濃度以下とする、
ことを特徴とする硬質皮膜形成方法。
【請求項２】
前記硬質皮膜形成方法が備える金属イオンボンバード工程より以前に、
前記基材を０Ｖ以上の電位に保持しつつ、
アノードとカソードとの間で真空アーク放電を発生させて、
前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、
該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、
予め設定した基準濃度以下とする、
ことを特徴とする請求項１記載の硬質皮膜形成方法。
【請求項３】
前記真空アーク放電の発生中には、
前記基材と前記カソードとの間に遮蔽物を配置する、
ことを特徴とする請求項２記載の硬質皮膜形成方法。
【請求項４】
前記基材に初期皮膜を形成する初期の金属イオンボンバード工程と、
前記初期皮膜に対して不活性ガスを用いて行われるガスイオンボンバード工程と、
前記ガスイオンボンバード工程の後に行われる後期の金属イオンボンバード工程とを備えた金属イオンボンバード工程を実施することにより、
前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、
該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、
予め設定した基準濃度以下とする、
ことを特徴とする請求項１記載の硬質皮膜形成方法。
【請求項５】
前記ガスイオンボンバード工程は、
真空チャンバー内にフィラメントを設け、
不活性ガス雰囲気の前記真空チャンバー内でフィラメントによる放電を発生させて行う、
ことを特徴とする請求項４に記載の硬質皮膜形成方法。
【請求項６】
前記ガスイオンボンバード工程は、
前記基材に負の高バイアス電圧を印加して、
不活性ガス雰囲気の真空チャンバー内でグロー放電を発生させて行う、
ことを特徴とする請求項４に記載の硬質皮膜形成方法。
【請求項７】
アークイオンプレーティング法によって形成する硬質皮膜であって、
前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、
該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、
予め設定した基準濃度以下とした、
ことを特徴とする硬質皮膜。
【請求項８】
前記硬質皮膜を形成する際に実施される金属イオンボンバード工程より以前に、
前記基材を０Ｖ以上の電位に保持しつつ、
アノードとカソードとの間で真空アーク放電を発生させて、
前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、
該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、
予め設定した基準濃度以下とした、
ことを特徴とする請求項７記載の硬質皮膜。
【請求項９】
前記基材に初期皮膜を形成する初期の金属イオンボンバード工程と、
前記初期皮膜に対して不活性ガスを用いて行われるガスイオンボンバード工程と、
前記ガスイオンボンバード工程の後に行われる後期の金属イオンボンバード工程とを備えた金属イオンボンバード工程を実施することにより、
前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、
該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、
予め設定した基準濃度以下とした、
ことを特徴とする請求項７記載の硬質皮膜。
【請求項１０】
アークイオンプレーティング法によって形成する硬質皮膜であって、
硬質皮膜の材質として窒化チタンを採用し、
前記硬質皮膜の形成対象となる基材と、
該基材に形成する前記硬質皮膜との界面において存在する酸素濃度を、
２８０ａｔ％ｎｍ以下とした、
ことを特徴とする硬質皮膜。
【請求項１１】
硬質皮膜の密着性を評価する硬質皮膜評価方法であって、
前記硬質皮膜と基材との界面に存在する酸素の酸素濃度を計測し、
該酸素濃度から酸素濃度面積積分値を求めて、
該酸素濃度面積積分値によって硬質皮膜の密着性を評価する、
ことを特徴とする硬質皮膜評価方法。
【請求項１２】
前記硬質皮膜と基材との界面に存在する酸素の酸素濃度の計測は、
オージェ電子分光分析法により行う、
ことを特徴とする請求項１１記載の硬質皮膜評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−１９１３０８（Ｐ２００９−１９１３０８Ａ）
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２２３３（Ｐ２００８−３２２３３）
【出願日】平成２０年２月１３日（２００８．２．１３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１３日（２００８．２．１３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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