JP2004076064A - スパッタリングターゲットおよびそれを用いた硬質被膜、硬質膜被覆部材 - Google Patents
スパッタリングターゲットおよびそれを用いた硬質被膜、硬質膜被覆部材 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】クロムを主成分とし、アルミニウム、けい素、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、タングステン、モリブデンおよびボロンから成る群より選択される少なくとも1種の元素を1〜50原子%含有する板状の合金ターゲット材から成り、相対密度が95.0%以上であり、かつ板状の合金ターゲット材の厚さ方向に延びる欠陥の高さがターゲット材の厚さの0.1以下であることを特徴とするスパッタリングターゲットである。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は硬質被膜形成用のスパッタリングターゲットに係り、特に長寿命でスパッタリング時に安定した放電特性が得られ、均一な特性を有する硬質被膜を効率的に形成できるスパッタリングターゲットに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から機械部品の表面には設計上必要な切欠きが存在したり、また摩擦力や曲げ応力が作用して部品表面において応力が最大になったりするなどの理由から、部品材料固有の強度を向上させるほかに、部品材料に表面硬化処理を施したり、材料表面に硬質皮膜を形成することにより、部品全体の耐疲れ性、耐ピッチング性、耐摩耗性、耐酸化性(耐食性)などを高める対策が採られている。
【0003】
例えば、自動車部品、成形機械部品、家電製品用部品、建設機械部品、車両用部品等の鉄系部品を、冷間、温間もしくは熱間で鍛造成形する際に使用される成形用金型では、使用中に金型表面が高温度になるために、金型表面の酸化による損傷劣化が進行しやすく、また繰り返しの熱応力による疲労亀裂の発生等が生じたり、成形品表面に肌荒れを生じたりして、表面性状が悪化する現象が起こり易い。この肌荒れは加工数の増大に伴って、さらに進行し成形品の寸法精度の維持が困難になる。
【0004】
このような成形金型の損傷を少しでも遅らせて寿命を伸ばすために、鍛造用金型等には、タフトライド処理(塩浴窒化処理)、ガス窒化処理、イオン窒化処理、浸硫窒化処理等を実施して表面に高硬度の窒化層を形成する表面硬化処理が幅広く実施されている。具体的には、これらの窒化処理の特徴は、鋼鉄からなる成形金型等の母材表面に窒素を主成分とする元素を拡散浸透させて、表面硬度の増大および表面圧縮応力の導入等を図ることにより、摩擦衝撃力や熱衝撃に対する金型表面の耐久性を向上させることにある。
【0005】
しかしながら、上記従来の窒化処理では、金型表面の耐酸化性を向上させることは不可能であるため、金型等の部品表面が早期に酸化され易く、この酸化層が成長して剥離した後に、再度の酸化が生じるという腐食のサイクルが繰返されることにより、金型等の部品表面全体が酸化により早期に損傷してしまうという問題点があった。
【0006】
上記のような窒化処理以外の表面処理法としては、化学的蒸着法(CVD法)や物理的蒸着法(PVD法)等により窒化クロム、炭化チタン、窒化チタン等から成る硬質被膜を部品の基材表面に一体に形成し硬質膜被覆部材として使用する方法も広く採用されている。上記硬質膜被覆部材の適用例としては、前記鍛造用の成形用金型の他に、切削工具、刃物、自動車部品等の量産工業品が挙げられる。
【0007】
上記窒化クロムから成る硬質被膜を形成する方法として、所定の被膜組成に対応する組成を有するクロム合金から成るターゲットを窒素ガス雰囲気中でスパッタリングすることにより、基材表面に窒化物の被膜を形成する方法も採用されている。
【0008】
例えば、特開平9−95751号公報には、Cr−1.2%Al−1.6%Siなる配合組成を有する原料粉末を高周波溶解炉により溶解した後に凝固せしめる溶製法によってスパッタリングターゲットを製造し、このターゲットをスパッタリングすることによりCr基合金薄膜から成るストレインゲージを製造する技術が開示されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公知例のように原料粉末を高周波溶解した後に凝固せしめる溶製法によって製造されたスパッタリングターゲットにおいては、溶解時にターゲットを構成する各成分の比重差によって一部の元素が分離沈降し易くなり、ターゲット全体でミクロ組織レベルまで均一な組成分布を得ることは困難であった。そのため、上記ターゲットをスパッタリングしても特性が均一なCr基合金薄膜を形成することが困難であるという問題点があった。
【0010】
さらに、溶解時に各成分の比重差や融点の差による影響を解消してターゲット全体の組成を均一に制御するためには、高度の技量とプロセスが要求され、ターゲットの製造コスト、ひいては成膜コストが大幅に増加してしまう問題点もあった。
【0011】
一方、粉末冶金法に従って原料粉末を均一に混合した後に、成形・焼結してスパッタリングターゲットを製造した場合においては、混合条件を厳格化することにより全体にわたって組成が均一なターゲットが容易に得られる。また、最終製品であるターゲットに近い状態に成形しやすいので研削加工等の手間を低減できることや、溶解法とは異なりCrの融点(1860℃)よりも低い温度で焼結できることから製造設備への負担やコストも低減できる。しかしながら、原料粉末表面に吸着付着していたガス成分がターゲット組織内に残留し焼結性を阻害するため、組織内に気孔や微小クラックや割れなどの欠陥が形成され易い。これらの欠陥は、ターゲットのスパッタリングによる成膜時に異常放電を発生せしめ、安定した効率的な成膜操作が困難になる。
【0012】
特に、ターゲットの厚さ方向に表面から裏面に延びるような欠陥が形成されている場合に、成膜操作の進行によってターゲットが減耗して厚さ方向に表面から裏面に連続した欠陥が露出したときには、アークの安定性がなくなり異常放電が顕著になって実質的に成膜操作は困難になり、高価なターゲットの交換を余儀なくされ、ターゲットの寿命が短縮され大きな損害が生じるという問題点もあった。
【0013】
また、上記のような従来のターゲットを使用して基材表面にCr基合金被膜が形成された鍛造用金型等の成形型においては、Cr基合金被膜の特性が不均一で安定していないため、早期に被膜が損傷し成形品に肌荒れを生じるなどの問題を引き起こし、いずれにしても成形用金型の耐久性が低いという問題点も指摘されていた。
【0014】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、特に長寿命でスパッタリング時に安定した放電特性が得られ、均一な特性を有する硬質被膜を効率的に形成できるスパッタリングターゲットを提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明者らは、Cr系合金ターゲットについて種々の観点から鋭意検討を行った。その結果、特に気孔等の欠陥を低減し相対密度が95%以上であり、かつターゲットの厚さ方向に延びる欠陥の高さを所定の範囲内に規制して表面から底面まで連続する欠陥が存在しないようなCr系合金製スパッタリングターゲット材を形成したときに、従来のターゲット材と比較して成膜時に安定した放電特性が得られ、効率よく硬質被膜を成膜することが可能となり、さらにはターゲット寿命も大幅に延伸でき長寿命化を達成できるという知見を得た。
【0016】
また、上記のようなターゲットを使用して硬質被膜を基材表面に一体に形成した硬質膜被覆部材としての成形金型などを調製した場合に、基材表面の平滑性、耐摩耗性、潤滑性、耐久性等に優れた硬質膜被覆部材が得られるという知見も得られた。本発明は上記知見に基づいて完成されたものである。
【0017】
すなわち、本発明に係るスパッタリングターゲットは、クロム(Cr)を主成分とし、アルミニウム(Al)、けい素(Si)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)およびボロン(B)から成る群より選択される少なくとも1種の元素を従成分として1〜50原子%含有する板状の合金ターゲット材から成り、相対密度が95.0%以上であり、かつ板状の合金ターゲット材の厚さ方向に延びる欠陥の高さがターゲット材の厚さの0.1以下であることを特徴とする。
【0018】
また、上記スパッタリングターゲットにおいて、前記合金ターゲット材は、アルミニウム(Al)およびけい素(Si)の少なくとも一方を必須の元素として含有し、このアルミニウムおよびけい素の合計含有量が5〜30原子%であることが好ましい。
【0019】
さらに、上記AlおよびSiの少なくとも一方を必須の元素として含有するスパッタリングターゲットにおいて、ターゲット材は、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)およびボロン(B)から成る群より選択される少なくとも1種の元素を0.1〜30原子%含有することが好ましい。
【0020】
また、上記スパッタリングターゲットにおいて、前記チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)およびボロン(B)から成る群より選択される少なくとも1種の元素の含有量が1〜20原子%であることがより好ましい。
【0021】
さらに、上記スパッタリングターゲットにおいて、前記合金ターゲット材の断面組織を観察したときに、形成された欠陥の最大幅が0.1mm以下であること、すなわち最大幅が0.1mmを超えるような欠陥が存在しないことが好ましい。
【0022】
また上記スパッタリングターゲットは、ガス含有雰囲気中でスパッタリングを実施して、基材表面にビッカース硬度(Hv0.05)が1000以上の硬質被膜を形成する用途に使用されることが望ましい。特に窒素ガスおよびメタンガスなどの炭化水素ガスを含有する雰囲気中でスパッタリングを実施することにより、窒化物または炭窒化物からなる硬質被膜を形成することができる。
【0023】
さらに上記スパッタリングターゲットは、真空蒸着法、スパッタリング法またはイオンプレーティング法に用いられて硬質被膜を形成する用途に使用されることが好ましい。
【0024】
また本発明に係る硬質被膜は、上記のスパッタリングターゲットを用いて成膜されたことを特徴とする。
【0025】
さらに、本発明に係る硬質膜被覆部材は、上記の硬質被膜を基材表面に一体に形成して構成される。
【0026】
本発明に係るスパッタリングターゲットは、Crを主成分とし、他にAl,Si,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,W,Mo,Bから成る群より選択される少なくとも1種の元素を従成分として1〜50原子%含有する板状の合金ターゲット材から成る。
【0027】
ターゲット材に上記従成分としての各元素を含有させることにより、従来のCrN膜と比較して、ターゲットをスパッタリングして形成する薄膜の耐酸化性(耐食性)、耐摩耗性、潤滑性などの膜特性が改善される。この含有量が1原子%未満の場合には、上記改善効果が不十分である一方、含有量が50原子%を超える場合には、Crの相対比率が低下し、Cr特有の高温安定性および耐食性が損なわれる。従って、上記従成分の含有量は1〜50原子%の範囲とされる。
【0028】
上記従成分のうち、SiおよびAlは、主として形成された膜の耐酸化性を向上させる成分であり、Ti、Zr、Hf、Mo、W、Bは、スパッタ雰囲気に存在する窒素ガスと結合して高硬度の窒化物を生成し、主として膜の耐摩耗性を高める成分である。またV、NbおよびTaは、膜の潤滑性を高めるために有効な成分である。
【0029】
特に、AlおよびSiの少なくとも一方を必須の元素としてターゲットに含有せしめることにより、耐酸化性および耐熱性に優れた薄膜を形成することができる。この場合、アルミニウム(Al)およびけい素(Si)の合計含有量は5〜30原子%の範囲であることがより好ましい。
【0030】
また上記のように、AlおよびSiの少なくとも一方を必須の元素としてターゲットに含有する場合において、前記Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、W,Mo及びBからなる群から選択された少なくとも1種の元素の含有量は0.1〜30原子%の範囲とすることが好ましい。上記元素の含有量が0.1原子%未満の場合は、薄膜の耐摩耗性および潤滑性を高める効果が十分ではない一方、含有量が30原子%を超える場合には、Cr特有の高温安定性および耐食性が損なわれる。従って、上記元素の含有量は0.1〜30原子%の範囲とされるが、1〜20原子%の範囲とすることがより好ましい。
【0031】
上記の各元素のどれを選択するか、またその組み合わせおよび各元素の存在比率等は、スパッタリングターゲットの具体的な目的ないし用途、そのターゲットから形成される膜の要求特性等に応じて適宜決定することができる。
【0032】
本発明に係るスパッタリングターゲットは、相対密度が95.0%以上であり、かつ板状の合金ターゲット材の厚さ方向に延びる欠陥の高さがターゲット材の厚さの0.1以下であることを特徴とする。すなわち、相対密度が95.0%以上となるように緻密であり、ターゲット組織に気孔や微小クラック、割れなどの欠陥が少なく、かつターゲットの表面から底面まで連続する欠陥が存在しないことを特徴とする。
【0033】
上記ターゲット材の厚さに対する厚さ方向に延びる欠陥の高さの比はターゲットの寿命および膜品質に大きく影響し、この欠陥の高さ比が0.1を超えた場合には、スパッタリング時の放電が不安定になり、均一な膜を効率的に形成できなくなる。特に、成膜操作の進行によってターゲットが減耗して厚さ方向に表面から裏面に連続した欠陥が露出したときには、アークの安定性がなくなり異常放電が顕著になって実質的に成膜操作は困難になり、高価なターゲットの交換を余儀なくされ、ターゲットの寿命が短縮され大きな損害が生じてしまう。
【0034】
上記ターゲットの相対密度が95%未満であったり、表面から底面まで連続するような欠陥があると、成膜中に異常放電等が起こったり、欠陥部が局部的に消耗したり、ターゲット材の強度劣化に繋がり、割れ等の問題が起こる。
【0035】
また、前記合金ターゲット材の断面組織を観察したときに、形成された欠陥の最大幅が0.1mm以下であることが好ましい。すなわち、スパッタリングターゲットの断面組織に、最大幅が0.1mmを超えるような空孔などの欠陥が存在しないことが好ましい。上記欠陥の最大幅は、欠陥の長手方向に配置した1対の平行線によって欠陥を挟んだ場合の平行線の間隔(幅)を意味する。上記最大幅が0.1mmを超えるような空孔などの欠陥が存在すると、スパッタ時の放電が不安定になり、膜厚分布が不均一になり劣化する等の問題が起こる。
【0036】
本発明に係るCr系合金ターゲットは、真空蒸着法、スパッタリング法またはイオンプレーティング法等の各種ドライプロセス蒸着操作用に好適に使用できる。これらの用途のうち、特にアークイオンプレーティング法に適用した場合には、膜の付着力が高くなり、気孔率、耐食性、絶縁性、硬度、弾性などの特性が優れるため、最も効果的である。
【0037】
本発明に係るスパッタリングターゲットは任意の方法によって製造することができる。例えば、混合粉末を用いて常圧焼結処理、ホットプレス(HP)処理、熱間静水圧(HIP)処理などを実施してターゲット焼結体を形成する粉末冶金法や、予め合金化した原料粉末を用いて上記の粉末冶金法に従って処理する方法や原料を溶解後凝固せしめる溶解法などが採用される。特に粉末冶金法の場合、本発明のように相対密度が95.0%以上であり、合金ターゲット材の厚さ方向に延びる欠陥の高さがターゲット材の厚さの0.1以下であるように、ターゲット材の表面から底面まで連続する欠陥がないスパッタリングターゲットを得るためには、原料混合粉末または原料合金粉末の粒径、脱ガス処理条件、焼結温度、焼結圧力等の製造条件を適切に制御する必要がある。
【0038】
使用する原料粉末に対しては、適宜篩分け操作などを実施して粒度分布毎に選別することにより、過度に粒径が小さい粒子あるいは過大な粒子は積極的には使用しないことが好ましい。原料粉末の好ましい粒径の範囲は50〜150μmである。
【0039】
特に、原料粉末の焼結性を向上させるためには、粒径が大きい粉末と小さい粉末を所定の比率で再混合して使用し、平均粒径として100μm以下にすることが好ましい。これは粗大な粉末粒子間に微細な粉末粒子が緻密に入り込む構造となり、欠陥の少ない焼結体組織が得られるからである。
【0040】
また、これらの原料粉末を例えばホットプレス法などによって焼結する場合には、焼結操作に入る前に、原料粉末を真空中(例えば真空度5×10−2Pa以下)で所定時間加熱して脱ガス処理を実施することが好ましい。この脱ガス処理は原料粉末に直接施してもよいし、原料粉末を所定のサイズに成形した成形体に施してもよい。また、この脱ガス処理が終了するまで原料粉末に予備加圧を付加せず(原料粉末を金型に入れたままの状態で加圧しない)、その加熱状態を所定時間維持することにより、原料粉末表面上に吸着されていたガス成分が十分に除去されて、焼結性を向上させることが可能となる(成形体に脱ガス処理を施す場合は、成形後の成形体に圧力を付加しない状態で行う)。その結果、最終的に焼結体として得られるスパッタリングターゲットの欠陥を効果的に低減することが可能になる。
【0041】
上記脱ガス処理は、200〜600℃の温度範囲、好ましくは400〜500℃の温度範囲で、1〜5時間実施することが好ましい。
【0042】
また、上記脱ガス処理および焼結処理に際して加熱を行う場合に、その加熱の昇温速度は10℃/分以下、好ましくは5℃/分以下にすることが好ましい。このような昇温速度を採用することにより、効率的に脱ガス処理および焼結処理を遂行することができる。昇温速度が前記上限値より速いときは、脱ガス効果が充分に達成されない場合があり好ましくない。
【0043】
次に、上記脱ガス処理した原料粉末を上記昇温速度で所定の焼結温度まで加熱しながら加圧力を作用せしめ、この状態において所定時間保持することにより、焼結操作を実施する。上記焼結温度を1100℃〜1500℃の範囲とする一方、焼結時間を2〜6時間とし、焼結圧力を20〜35MPaの範囲に設定することにより、緻密で欠陥が少ないターゲット焼結体が得られる。
【0044】
上記焼結温度が1100℃未満では焼結が十分行われず、1500℃を超えるとAlやSi等の低融点元素を含有したターゲットを作製する場合に不具合が生じやすいと共に、焼結温度があまり高いと金型への負担が大きくなる。また、焼結圧力が20MPa未満では緻密な焼結体が得難く、35MPaを超えて大きいと金型の耐久性が悪くなるので生産性が悪くなる。
【0045】
上記のように調製したターゲット焼結体を常法通り所定寸法に機械加工することにより本発明に係るスパッタリングターゲットが得られる。このような本発明で規定するスパッタリングターゲットは、ガス含有雰囲気中でスパッタリングを行うことによって基材表面に硬質窒化被膜等を再現性よく形成することが可能である。
【0046】
上記本発明に係るスパッタリングターゲットによれば、気孔等の欠陥が低減され相対密度が95%以上であり、かつターゲットの厚さ方向に延びる欠陥の高さを所定の範囲内に規制して表面から底面まで連続する欠陥が存在しないように構成されているため、従来のターゲット材と比較して成膜時に安定した放電特性が得られ、効率よく硬質被膜を成膜することが可能となり、さらには硬質被膜の寿命も大幅に延伸でき長寿命化を達成することができる。
【0047】
また、上記のようなターゲットを使用して硬質被膜を基材表面に一体に形成して硬質膜被覆部材を調製した場合には、基材表面の平滑性、耐摩耗性、潤滑性、耐久性等が優れているため、硬質膜被覆部材の耐久性および信頼性を大幅に改善することができる。なお、本発明の硬質膜被覆部材は、硬質被膜と基材表面の間に中間層が設けられているものであってもよい。
【0048】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係るスパッタリングターゲットの実施形態について以下の実施例に基づいて具体的に説明する。
【0049】
<実施例Aおよび比較例A>
表1に示す組成となるように、各電解粉末を配合してそれぞれ原料混合体を調製した。次に、各原料混合体を真空溶解して得た溶湯をガスアトマイズ法等により分散凝固せしめ、それぞれターゲット用の合金粉末を作製した。その後、得られた各合金粉末について篩分け操作を実施し、粒度選別を行った。
【0050】
次に、表1に示す粒径分布を有する合金粉末をカーボン成形型に充填し、焼成炉の真空度が2×10−2Pa以下になるまで排気した後に、昇温速度5℃/分以下で加熱し、温度500℃に達した時点で5時間保持することにより脱ガス処理を実施した。しかる後に、さらに表1に示す焼結温度まで加熱するとともに、表1に示す焼結圧力を付加してホットプレス処理を5時間実施しターゲット焼結体をそれぞれ調製した。得られた各ターゲット焼結体を機械加工して、直径5インチ×厚さ10mmである各実施例Aおよび比較例Aに係るスパッタリングターゲットをそれぞれ作成した。
【0051】
<実施例Bおよび比較例B>
表1に示す組成および粒径分布を有する金属原料粉末をアルゴン(Ar)ガス雰囲気中で24時間以上ボールミル混合を実施することにより、それぞれ各実施例および比較例用の原料混合粉末を調製した。次に、各原料混合粉末をカーボン成形型に充填し、焼成炉の真空度が2×10−2Pa以下になるまで排気した後に、昇温速度5℃/分以下で加熱し、温度500℃に達した時点で5時間保持することにより脱ガス処理を実施した。しかる後に、さらに表1に示す焼結温度まで加熱するとともに、表1に示す焼結圧力を付加してホットプレス処理を5時間実施しターゲット焼結体をそれぞれ調製した。得られた各ターゲット焼結体を機械加工して、直径5インチ×厚さ10mmである各実施例Bおよび比較例Bに係るスパッタリングターゲットをそれぞれ作製した。
【0052】
<比較例C>
脱ガス処理を行わない点以外は実施例A−1と同様に処理して比較例C−1とし、焼結温度が好ましい範囲を外れた点以外は実施例A−1と同様に処理して比較例C−2およびC−3とし、ターゲット組成が好ましい範囲を外れた点以外は実施例A−1と同様に処理して比較例C−4およびC−5として各ターゲットを作製した。
【0053】
なお、各実施例および比較例に用いた粒径50〜150μmの原料粉は、いずれも平均粒径100μm以下のものである。また、粒径150μmを超えたものは平均粒径200μm以上のものである。
【0054】
上記のように調製した各実施例および比較例に係るスパッタリングターゲットからターゲットの中心部(位置1)と、中心部を通り円周を均等に分割した4本の直線状の外周近傍位置(位置2〜9)及びその半径方向の1/2の距離の位置(位置10〜17)から、それぞれ高さ10mm×横10mm×厚さ10mmの寸法を有する試験片(サンプル)を採取し、相対密度を下記の要領で測定した。各サンプルについて、X線マイクロアナライザー(EPMA)により含有される元素の定性分析を実施し、検出された元素について、さらにICP発光分光法を実施して検出元素の重量分布をサンプル1〜17の平均値により求める。そして各元素の重量分布を比重で割った体積値を各元素について加算して、その組成を有するターゲット材の理論密度を求める。一方、ターゲット材の実際の密度(実測密度)をアルキメデス法によって測定(サンプル1〜17の平均値)し、上記理論密度に対する実測密度の比を100分率で表した値[(実測密度/理論密度)×100]を相対密度として算出した。その算出結果を平均値として表1に示す。本実施例ではサンプルのサイズを10mm×10mm×10mmとしたが、縦3mm×横3mm以上あれば特に問題はない(厚さはターゲットの厚さを採用する)。
【0055】
なお、上記相対密度の測定に際しては、表1に示す通り、一部の算出結果で相対密度が100%を超える場合も存在する。これは、Crとその他の成分が固溶または化合物を形成する割合が大きかったため実測密度が大きくなったものであると考えられる。
【0056】
また、各サンプルの厚さ方向の断面組織を観察して、形成されていた欠陥の最大幅を測定すると共に、板状の合金ターゲット材の厚さ方向に延びる欠陥の高さがターゲット材の厚さに占める割合(欠陥の高さ比)を測定した。その測定結果も表1に示す。
【0057】
また、各実施例および比較例に係るスパッタリングターゲットを用いて成膜した硬質被膜およびその硬質被膜を基材表面に一体に形成した硬質膜被覆部材の特性を評価するために、アークイオンプレーティング法によりCo含有ハイス鋼製の金型パンチ表面に被膜を形成し硬質膜被覆部材を作成した。このイオンプレーティング処理は、基材としての金型パンチを温度400℃に加熱し、反応N2ガス圧を1Paとし、−150Vのバイアス電圧を印加した状態でスパッタリング操作を実施し、膜厚が10μmになるまで継続して実施した。上記の成膜操作を合計100個の熱間用金型パンチについて繰返した。
【0058】
各実施例および比較例に係る硬質被膜を形成した硬質膜被覆部材としての熱間用金型パンチについて、その硬質被膜のビッカース硬度(Hv0.05)を測定して表1に示す結果を得た。
【0059】
さらに各実施例および比較例に係る硬質膜被覆部材としての熱間用金型パンチを実際に熱間鍛造用成形治具として使用した時の寿命評価を行った。寿命の判定は下記基準で行った。すなわち、各金型パンチを使用して連続的に熱間鍛造を実施したときに、パンチ表面に形成した硬質被膜が損傷して被加工材の寸法精度が規定の範囲から外れた時点までの連続加工回数(ショット数)として測定した。
【0060】
上記各測定結果および成膜中の放電状態の良否(安定性)も併せて下記表1に示す。
【0061】
【表1】
【0062】
上記の表1に示す結果から明らかなように、相対密度が95%以上であり、かつターゲットの厚さ方向に延びる欠陥の高さを所定の範囲内に規制して表面から底面まで連続する欠陥が存在しないように構成された各実施例に係るスパッタリングターゲットによれば、気孔等の欠陥が低減されているため、各比較例に示す従来のターゲット材と比較して成膜時に安定した放電特性が得られ、効率よく硬質被膜を成膜することが可能となり、さらには硬質被膜の寿命も大幅に延伸でき長寿命化を達成できることが判明した。また、相対密度が95%以上であり、かつ表面から底面まで連続する欠陥がない各実施例に係るスパッタリングターゲットをガス含有雰囲気中でスパッタリングすることによって、炭化コバルト、コバルト、ステンレスなどの金属表面に、硬質被膜を再現性良く連続的に形成することが可能であった。
【0063】
また、各実施例のターゲットを使用して硬質被膜を金型パンチ表面に一体に形成した場合には、金型パンチ表面の平滑性、耐摩耗性、潤滑性、耐久性等が優れているため、硬質被膜の劣化が少なく、金型パンチの耐久性および信頼性を大幅に改善することができた。
【0064】
さらに、粗大粒子と微細粒子とを含み粒径分布が50〜150μmと広い原料粉末を用いて製造した各実施例に係るターゲットにおいては、緻密で相対密度が高い焼結体が得られている。一方、粒径範囲が150μmを超える粗大な粒子のみから成る原料粉末または粒径範囲が50μm未満である過小な粒子のみから成る原料粉末を使用して製造した各比較例に係るターゲットにおいては、相対密度が低く欠陥が多い焼結体しか得られていない。
【0065】
【発明の効果】
以上の説明の通り、本発明に係るスパッタリングターゲットによれば、気孔等の欠陥が低減され相対密度が95%以上であり、かつターゲットの厚さ方向に延びる欠陥の高さを所定の範囲内に規制して表面から底面まで連続する欠陥が存在しないように構成されているため、従来のターゲット材と比較して成膜時に安定した放電特性が得られ、効率よく硬質被膜を成膜することが可能となり、さらには硬質被膜の寿命も大幅に延伸でき長寿命化を達成することができる。
【0066】
また、上記のようなターゲットを使用して硬質被膜を基材表面に一体に形成して硬質膜被覆部材を調製した場合には、基材表面の平滑性、耐摩耗性、潤滑性、耐久性等が優れているため、硬質膜被覆部材の耐久性および信頼性を大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るスパッタリングターゲットの相対密度、欠陥の最大幅および欠陥の高さを測定するための試験片の採取個所を示す模式図。
【符号の説明】
1〜17 試験片の採取個所または膜特性の測定個所
Claims (9)
- クロムを主成分とし、アルミニウム、けい素、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、タングステン、モリブデンおよびボロンから成る群より選択される少なくとも1種の元素を1〜50原子%含有する板状の合金ターゲット材から成り、相対密度が95.0%以上であり、かつ板状の合金ターゲット材の厚さ方向に延びる欠陥の高さがターゲット材の厚さの0.1以下であることを特徴とするスパッタリングターゲット。
- 前記合金ターゲット材は、アルミニウムおよびけい素の少なくとも一方を必須の元素として含有し、このアルミニウムおよびけい素の合計含有量が5〜30原子%であることを特徴とする請求項1記載のスパッタリングターゲット。
- 前記合金ターゲット材は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、タングステン、モリブデンおよびボロンから成る群より選択される少なくとも1種の元素を0.1〜30原子%含有することを特徴とする請求項2記載のスパッタリングターゲット。
- 前記チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、タングステン、モリブデンおよびボロンから成る群より選択される少なくとも1種の元素の含有量が1〜20原子%であることを特徴とする請求項3記載のスパッタリングターゲット。
- 前記合金ターゲット材の断面組織を観察したときに、形成された欠陥の最大幅が0.1mm以下であることを特徴とする請求項1記載のスパッタリングターゲット。
- ガス含有雰囲気中でスパッタリングを実施して、基材表面にビッカース硬度(Hv0.05)が1000以上の硬質被膜を形成させるものである請求項1〜5のいずれかに記載のスパッタリングターゲット。
- 真空蒸着法、スパッタリング法またはイオンプレーティング法に用いられて硬質被膜を形成する請求項1〜6のいずれかに記載のスパッタリングターゲット。
- 請求項1〜7のいずれかに記載のスパッタリングターゲットを用いて成膜したことを特徴とする硬質被膜。
- 請求項8記載の硬質被膜を基材表面に一体に形成したことを特徴とする硬質膜被覆部材。
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