Aparato de recubrimiento iónico por arco.

Un aparato de recubrimiento iónico por arco, que comprende:

una cámara de vacío (1);

un miembro móvil (2) para mover un sustrato cargado dentro de dicha cámara de vacío (1), estando dichomiembro móvil (2) provisto dentro de dicha cámara de vacío (1);

una fuente de evaporación por arco para bombardeo (9A) para irradiar iones metálicos evaporados mediantedescarga en arco con la superficie de dicho sustrato para limpiar la superficie, estando dicha fuente deevaporación por arco para bombardeo (9A) provista dentro de dicha cámara de vacío (1);

una pluralidad de fuentes de evaporación por arco para deposición (7A) para depositar iones metálicosevaporados mediante descarga en arco sobre la superficie de dicho sustrato, estando dichas fuentes deevaporación por arco para deposición (7A) provistas dentro de dicha cámara de vacío (1),

caracterizado por que

dicha fuente de evaporación por arco para bombardeo (9A) está formada de modo que el área de superficie deevaporación de la misma sea mayor que el área de superficie de evaporación de una fuente de evaporación porarco para deposición (7A) que tiene el área de superficie de evaporación más grande entre una pluralidad dedichas fuentes de evaporación por arco para deposición (7A).

Aparato de recubrimiento iónico por arco

Antecedentes de la invención (Campo de la invención)

La presente invención se refiere a un aparato de recubrimiento iónico por arco con estabilidad de bombardeo de iones metálicos mejorada.

(Descripción de la técnica relacionada)

En los últimos años, la deposición de película dura (TiN, TiAlN, CrN, etc.) mediante PVD (deposición física en fase de vapor) se ha realizado en un sustrato (objeto de deposición de película) con el fin de mejorar la resistencia al desgaste de una herramienta de corte o la mejora de las características tribológicas de una superficie deslizante de una parte mecánica. La técnica industrial usada habitualmente para dicha deposición de película dura es el recubrimiento iónico por arco (en lo sucesivo en este documento denominado como “AIP”) que evapora un material de deposición de película mediante descarga de arco en vacío para formar una película sobre la superficie de un sustrato, y un aparato para realizar dicha deposición de película se denomina un aparato de recubrimiento iónico por arco (en lo sucesivo en este documento denominado como “aparato de AIP”) .

El aparato de AIP comprende, tal como se muestra en la figura 10, una cámara de vacío 1 y una mesa rotatoria 2 dispuesta sobre la parte inferior de la cámara de vacío 1, de modo que la superficie superior de la mesa sea horizontal. A la mesa rotatoria 2 le hace girar un árbol giratorio 3, y una pluralidad de árboles planetarios 4 que sobresalen desde la superficie superior de la mesa rotatoria 2 también giran alrededor de su propio eje mediante un mecanismo de engranaje planetario provisto en la mesa rotatoria 2. Un soporte del sustrato 5 para soportar a un sustrato está montado de forma que pueda desprenderse en cada árbol planetario 4. Por lo tanto, cada soporte del sustrato 5 gira alrededor de su propio eje mientras es movido horizontalmente por la rotación de la mesa rotatoria 2, y el sustrato tal como una herramienta, un troquel o una parte mecánica sujeta por este soporte del sustrato 5 gira alrededor de su propio eje por la rotación del soporte del sustrato 5 mientras da vueltas por la rotación de la mesa rotatoria 2. Se aplica un voltaje negativo a la mesa rotatoria 2 mediante una fuente de energía de polarización (no se muestra) , y este voltaje negativo se aplica, a través del soporte del sustrato 5, al sustrato cargado sobre él.

Un grupo de fuentes de evaporación por arco para deposición 7 compuesto por tres fuentes de evaporación 7A dispuestas en línea a intervalos sustancialmente fijos en la dirección de la altura de la cámara de vacío 1 está provisto en la superficie interna de la pared lateral de la cámara de vacío 1, y las fuentes de evaporación 7A están conectadas a electrodos negativos de fuentes de energía de arco 8, respectivamente, con los electrodos positivos de las mismas conectados a la cámara de vacío 1. En la figura 10 (B) , indicado en 21 hay un orificio de bombeo para evacuar la cámara de vacío, 22 es una tubería de suministro de gas para suministrar un gas del proceso tal como nitrógeno u oxígeno (omitida en la figura 10 (A) ) , y 23 es una puerta de apertura y cierre de la cámara de vacío.

Un procedimiento para formar una película funcional sobre la superficie de un sustrato que usa el aparato de AIP se describirá brevemente. El sustrato se carga en el soporte del sustrato 5 y se coloca sobre la mesa rotatoria 2, la 45 cámara de vacío 1 es evacuada, el sustrato es calentado por un calefactor (no se muestra) provisto dentro de la cámara de vacío 1 y, a continuación, se realiza bombardeo de iones metálicos (en lo sucesivo en este documento denominado simplemente como “bombardeo”) para mejorar la adhesión de la película a formar. El bombardeo es un proceso para irradiar el sustrato aplicado con un voltaje negativo de no menos de varios cientos de V (generalmente, de 600 a 1000 V) con iones metálicos evaporados de las fuentes de evaporación 7A para decapar la capa superficial del sustrato mediante irradiación iónica de alta energía o para formar una capa mixta de iones de irradiación y el sustrato.

Una vez finalizado el bombardeo, se genera vapor de iones metálicos desde las fuentes de evaporación 7A y es irradiado al sustrato, y el voltaje a aplicar al sustrato se ajusta a aproximadamente de 0 a -300 V, con lo cual se inicia 55 la deposición de la película. Dado que una película a formar mediante el AIP generalmente está constituida por un compuesto de un metal tal como TiN, TiCN, CrN, TiAlN, TiC o CrON con nitrógeno, carbono, oxígeno o similares, gases del proceso tales como nitrógeno, oxígeno e hidrocarburo se introducen en la cámara de vacío 1 individualmente o en combinación de los mismos durante la deposición de la película. Por ejemplo, la introducción de nitrógeno con evaporación de Ti da como resultado la deposición de una película de TiN (nitruro de titanio) .

Dado que el sustrato cargado en el soporte del sustrato 5 realiza revolución y rotación mediante rotación de la mesa rotatoria 2 en el bombardeo y la deposición de la película, puede realizarse una irradiación iónica uniforme a todo el sustrato.

Después de la deposición de la película, se realiza refrigeración, la cámara de vacío 1 se abre, y el sustrato con una película formada sobre él es extraído con el soporte del sustrato 5 para recuperar el sustrato con la película formada después de la deposición de la película.

Aunque el aparato de AIP mencionado anteriormente realiza el bombardeo y la deposición de la película funcional mediante el uso del grupo de fuentes de evaporación por arco para deposición 7, la patente japonesa abierta a inspección pública Nº Hei 4-276062 describe un aparato de AIP que comprende una fuente de evaporación por arco para deposición y una fuente de evaporación por arco para bombardeo de la misma forma que ésta, que están provistas dentro de una cámara de vacío. De acuerdo con este aparato, dado que puede usarse metal de alto punto de fusión o metal de gran masa como el material de evaporación para la fuente de evaporación por arco para bombardeo uniforme, en uso de metal de bajo punto de fusión (por ejemplo, aleación de TiAl) como el material de evaporación para la fuente de evaporación por arco para deposición, el problema de que el metal de bajo punto de fusión inhabilita el tratamiento por bombardeo eficaz debido a su reducida relación de ionización, y el problema de la deposición de gotas sobre la superficie del sustrato puede resolverse.

Se sabe que hay una corriente de arco mínima para hacer funcionar de forma estable la fuente de evaporación por

arco para deposición y la fuente de evaporación por arco para bombardeo, independientemente del tamaño de la superficie de evaporación. Esta corriente mínima varía dependiendo del material de evaporación y la atmósfera de gas. Cuando se usa un material tal como Ti o aleación de TiAl como el material de evaporación para deposición de película dura, generalmente, una corriente de al menos aproximadamente 80 A se necesita en un entorno en el cual el gas apenas se introduce o en un entorno para realizar bombardeo, y un valor de corriente más pequeño que éste hace a la descarga en arco inestable. En el proceso de bombardeo, se generan iones metálicos a partir de una fuente de evaporación en un estado en el que un voltaje negativo de no menos de varios cientos de V (en general, de aproximadamente -600 a -1000 V) se aplica al sustrato. Sin embargo, dado que el límite inferior de la corriente de arco a la fuente de evaporación está definido para funcionamiento estable tal como se ha descrito anteriormente, la cantidad de irradiación de iones metálicos también alcanza inevitablemente una cierta cantidad.

Por lo tanto, existe el siguiente problema en el bombardeo.

La descarga en arco estable requiere una mayor cantidad de entrada de energía al sustrato incluso con un valor de corriente mínimo y, particularmente, en un sustrato con pequeña capacidad térmica tal como una broca con diámetro pequeño, la temperatura del sustrato se eleva rápidamente. Para prevenir dicho aumento excesivo de la temperatura, las condiciones del proceso deben estar controladas en una unidad a corto plazo, de modo que el tiempo de bombardeo se ajuste a un corto periodo para repetir el bombardeo con intervalo de refrigeración. Por lo tanto, la controlabilidad es mala, y la productividad se reduce consecuentemente.

Además, como fuente de evaporación por arco, frecuentemente se usan dos o más fuentes de evaporación de tamaño relativamente pequeño con un diámetro de aproximadamente 50 a 180 mm, típicamente... [Seguir leyendo]

1. Un aparato de recubrimiento iónico por arco, que comprende:

una cámara de vacío (1) ; un miembro móvil (2) para mover un sustrato cargado dentro de dicha cámara de vacío (1) , estando dicho miembro móvil (2) provisto dentro de dicha cámara de vacío (1) ; una fuente de evaporación por arco para bombardeo (9A) para irradiar iones metálicos evaporados mediante descarga en arco con la superficie de dicho sustrato para limpiar la superficie, estando dicha fuente de evaporación por arco para bombardeo (9A) provista dentro de dicha cámara de vacío (1) ; una pluralidad de fuentes de evaporación por arco para deposición (7A) para depositar iones metálicos evaporados mediante descarga en arco sobre la superficie de dicho sustrato, estando dichas fuentes de evaporación por arco para deposición (7A) provistas dentro de dicha cámara de vacío (1) ,

caracterizado por que dicha fuente de evaporación por arco para bombardeo (9A) está formada de modo que el área de superficie de evaporación de la misma sea mayor que el área de superficie de evaporación de una fuente de evaporación por arco para deposición (7A) que tiene el área de superficie de evaporación más grande entre una pluralidad de dichas fuentes de evaporación por arco para deposición (7A) .

2. El aparato de recubrimiento iónico por arco de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la longitud de dicha fuente de evaporación por arco para bombardeo (9A) en la dirección de la altura de la cámara de vacío (1) es más larga que la longitud de dicha fuente de evaporación por arco para deposición (7A) en la dirección de la altura de la cámara de vacío (1) .

3. El aparato de recubrimiento iónico por arco de acuerdo con la reivindicación 2, en el que la longitud de dicha fuente de evaporación por arco para bombardeo (9A) en la dirección de la altura de dicha cámara de vacío (1) es tres veces mayor que la longitud de dicha fuente de evaporación por arco para deposición (7A) en la dirección de la altura de dicha cámara de vacío (1) .

4. El aparato de recubrimiento iónico por arco de acuerdo con la reivindicación 2 ó 3, en el que la longitud de dicha fuente de evaporación por arco para bombardeo (9A) en la dirección de la altura de dicha cámara de vacío (1) es de 0, 5 a 2, 0 m.

5. El aparato de recubrimiento iónico por arco de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el área de superficie de

evaporación de dicha fuente de evaporación por arco para bombardeo (9A) es tres veces mayor que el área de superficie de evaporación de dicha fuente de evaporación por arco para deposición (7A) que tiene el área de superficie de evaporación más grande entre una pluralidad de dichas fuentes de evaporación por arco para deposición (7A) .

6. El aparato de recubrimiento iónico por arco de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho miembro móvil (2) mueve al sustrato, que está cargado de modo que la dirección de la longitud del substrato corresponde a la dirección de la altura de dicha cámara de vacío (1) , en una dirección rectangular a la dirección de la altura de dicha cámara de vacío (1) ; dicha fuente de evaporación por arco para bombardeo (9A) constituye un grupo de fuentes de evaporación por arco 45 para bombardeo (9) compuesto por dicha fuente de evaporación por arco para bombardeo (9A) dispuesta en oposición a dicho sustrato sin solaparse mutuamente en la dirección de la altura de dicho canal de vacío (1) , y dicha fuente de evaporación por arco para deposición (7A) constituye un grupo de fuentes de evaporación por arco para deposición (7) compuesto por una pluralidad de dichas fuentes de evaporación por arco para deposición (7A) dispuestas en oposición a dicho sustrato sin solaparse mutuamente en la dirección de la altura de dicha cámara de vacío (1) .

7.El aparato de recubrimiento iónico por arco de acuerdo con la reivindicación 6, en el que dichas fuentes de evaporación por arco para bombardeo (9A) que constituyen dicho grupo de fuentes de evaporación por arco para bombardeo (9) tienen sustancialmente las mismas dimensiones, y dichas fuentes de evaporación por arco para 55 deposición (7A) que constituyen dicho grupo de fuentes de evaporación por arco para deposición (7) tienen sustancialmente las mismas dimensiones.

8. El aparato de recubrimiento iónico por arco de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha fuente de evaporación por arco para bombardeo (9A) tiene una diana formada por un material de evaporación, y una bobina electromagnética formada a lo largo de la dirección de la altura de dicha cámara de vacío (1) está unida al reverso de dicha diana.

9. El aparato de recubrimiento iónico por arco de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho grupo de fuentes de evaporación por arco para bombardeo (9) está compuesto por una pluralidad de fuentes de evaporación por arco

para bombardeo (9A) dispuestas en oposición a dicho sustrato sin solaparse mutuamente en la dirección de la altura de dicha cámara.

10. El aparato de recubrimiento iónico por arco de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho grupo de fuentes de evaporación por arco para bombardeo (9) está compuesto por una fuente de evaporación opuesta a dicho sustrato.