PVDコーティングとは

CVD

 

薄膜の役割、特に表面処理におけるそれは大きく、大面積表示素子などの分野における薄膜の重要性が顕著です。薄膜技術は、真空にした反応容器内を、窒化物・炭化物、金属や金属酸化物などをイオン化・ガス化して物表面に蒸着する技術です。PVD、CVDなど多様な手法が活用されています。ハーフミラーや導電性ITO膜、超硬質皮膜を付加できて、半導体製造で不可欠な技術です。

 

今回は、このような背景を踏まえて薄膜作製技術の中で大きな役割を果たしてきたPVD法に焦点を当てて解説します。

 

1.   薄膜技術

薄膜技術は、さまざまな産業分野を支える基幹技術です。各種の薄膜作製装置で必要な薄膜作製が行えますが、新規条件で成膜を行う場合、必要な特性を有する薄膜を得るためには、各種薄膜作製が膜質におよぼす影響を考慮して条件選択する必要があります。

 

薄膜作製プロセスで遭遇するトラブルを解決するためには、その原因を分析し、適切に対処する薄膜作製技術に関する系統的な知識が必要です。

 

2.   物理気相成長(PVD)法とは

 

PVD法は物理的な成膜方式で、高真空状態において薄膜となる成膜物質を加熱・スパッタリング・イオンビーム照射・レーザー照射などで原子・分子状態に蒸発・飛散させ、基材表面に付着・堆積させる方法です。次に各方式の特徴を述べます。

 

【蒸着法】

真空中、膜化したい材料を蒸発させて、その蒸気が基板に到着して堆積することで皮膜を形成する方法で、基板のダメージが少なく、純度の高い皮膜が形成できます。それは、基板に電気的印加がなく、気化材料がそのまま基板に到達するためです。

 

【スパッタリング】

プラズマにより高エネルギーの粒子を材料に衝突させます。そして、この衝撃で材料の成分をたたき出して、粒子の膜を堆積させることで皮膜形成する方法です。これは、合金成分がそのまま基板上 に堆積します。

 

【イオンプレーティング】

これは蒸着法とほぼ同じ原理です。蒸着法との違いは、基板にマイナス電荷を印加する一方で、プラズマ中を通過させた粒子にプラス電荷を帯させて皮膜を形成させます。蒸着法より密着性の強い皮膜が形成されます。

 

3.   化学気相成長(CVD)法とは

これは膜としたい元素を含むガスをプラズマにより励起(れいき)や分解をさせて皮膜を形成する方法です。プラズマを用いるため、PVD法と比べても非常につき周りが良い特徴があります。次にCVDとPVDの比較を述べます。

 

4.   PVD(物理蒸着:Physical Vapor Deposition)およびCVD(化学蒸着:Chemical Vapor Deposition)

 

PVDは衝突エネルギーによる蒸着です。一方、CVDは化学反応による結合です。

 

【PVD】

 

PVDは、物理蒸着法を意味して500℃程度の処理で、寸法変化や歪みが皆無で、徐膜や再処理も可能です。

 

水を沸かすと容器内に水滴が付着するという原理のことを物理蒸着と言い、この原理を応用して、金属表面の耐久力を強化し、保護するのがPVDコーティングです。窒化チタンや窒化アルミニウムを用います。このコーティングにより、耐凝着性、離型性、耐摩耗性、耐食性などで金属の性能を高めることができます。メッキと異なり、表面への固着ではがれることが少ないのもPVDコーティングの特徴です。

 

物理蒸着は蒸発源を気化させやすくするため、真空で行う方法は真空蒸着と呼びます。気化物質が付着し冷却される事で固化して被膜形成されます。この方法は純金属の蒸着を行う際に使用されます。CDがこの方法で蒸着して作られています。

 

気化した金属をイオン化する事で蒸着するイオンプレーティングという方法は、密着性が高く工具などを蒸着する際に使用されます。

 

【CVD】

 

CVDは、高温(1000℃くらい)処理を行い密着性が高いという特徴があります。内深部まで膜が生成します。一方、高温度で寸法変化が発生することがあります。

 

【PVDとCVD】

 

PVDとCVDは、広範囲で利用されています。レンズやフィルタなどを対象とした光学特性への付加、圧電素子やコンデンサを対象とした電気的特性付加など、膜の機能性を利用する際に多く用いられます。切削工具や金型、機械部品にも多く用いられ、PV...

CVD

 

薄膜の役割、特に表面処理におけるそれは大きく、大面積表示素子などの分野における薄膜の重要性が顕著です。薄膜技術は、真空にした反応容器内を、窒化物・炭化物、金属や金属酸化物などをイオン化・ガス化して物表面に蒸着する技術です。PVD、CVDなど多様な手法が活用されています。ハーフミラーや導電性ITO膜、超硬質皮膜を付加できて、半導体製造で不可欠な技術です。

 

今回は、このような背景を踏まえて薄膜作製技術の中で大きな役割を果たしてきたPVD法に焦点を当てて解説します。

 

1.   薄膜技術

薄膜技術は、さまざまな産業分野を支える基幹技術です。各種の薄膜作製装置で必要な薄膜作製が行えますが、新規条件で成膜を行う場合、必要な特性を有する薄膜を得るためには、各種薄膜作製が膜質におよぼす影響を考慮して条件選択する必要があります。

 

薄膜作製プロセスで遭遇するトラブルを解決するためには、その原因を分析し、適切に対処する薄膜作製技術に関する系統的な知識が必要です。

 

2.   物理気相成長(PVD)法とは

 

PVD法は物理的な成膜方式で、高真空状態において薄膜となる成膜物質を加熱・スパッタリング・イオンビーム照射・レーザー照射などで原子・分子状態に蒸発・飛散させ、基材表面に付着・堆積させる方法です。次に各方式の特徴を述べます。

 

【蒸着法】

真空中、膜化したい材料を蒸発させて、その蒸気が基板に到着して堆積することで皮膜を形成する方法で、基板のダメージが少なく、純度の高い皮膜が形成できます。それは、基板に電気的印加がなく、気化材料がそのまま基板に到達するためです。

 

【スパッタリング】

プラズマにより高エネルギーの粒子を材料に衝突させます。そして、この衝撃で材料の成分をたたき出して、粒子の膜を堆積させることで皮膜形成する方法です。これは、合金成分がそのまま基板上 に堆積します。

 

【イオンプレーティング】

これは蒸着法とほぼ同じ原理です。蒸着法との違いは、基板にマイナス電荷を印加する一方で、プラズマ中を通過させた粒子にプラス電荷を帯させて皮膜を形成させます。蒸着法より密着性の強い皮膜が形成されます。

 

3.   化学気相成長(CVD)法とは

これは膜としたい元素を含むガスをプラズマにより励起(れいき)や分解をさせて皮膜を形成する方法です。プラズマを用いるため、PVD法と比べても非常につき周りが良い特徴があります。次にCVDとPVDの比較を述べます。

 

4.   PVD(物理蒸着:Physical Vapor Deposition)およびCVD(化学蒸着:Chemical Vapor Deposition)

 

PVDは衝突エネルギーによる蒸着です。一方、CVDは化学反応による結合です。

 

【PVD】

 

PVDは、物理蒸着法を意味して500℃程度の処理で、寸法変化や歪みが皆無で、徐膜や再処理も可能です。

 

水を沸かすと容器内に水滴が付着するという原理のことを物理蒸着と言い、この原理を応用して、金属表面の耐久力を強化し、保護するのがPVDコーティングです。窒化チタンや窒化アルミニウムを用います。このコーティングにより、耐凝着性、離型性、耐摩耗性、耐食性などで金属の性能を高めることができます。メッキと異なり、表面への固着ではがれることが少ないのもPVDコーティングの特徴です。

 

物理蒸着は蒸発源を気化させやすくするため、真空で行う方法は真空蒸着と呼びます。気化物質が付着し冷却される事で固化して被膜形成されます。この方法は純金属の蒸着を行う際に使用されます。CDがこの方法で蒸着して作られています。

 

気化した金属をイオン化する事で蒸着するイオンプレーティングという方法は、密着性が高く工具などを蒸着する際に使用されます。

 

【CVD】

 

CVDは、高温(1000℃くらい)処理を行い密着性が高いという特徴があります。内深部まで膜が生成します。一方、高温度で寸法変化が発生することがあります。

 

【PVDとCVD】

 

PVDとCVDは、広範囲で利用されています。レンズやフィルタなどを対象とした光学特性への付加、圧電素子やコンデンサを対象とした電気的特性付加など、膜の機能性を利用する際に多く用いられます。切削工具や金型、機械部品にも多く用いられ、PVD・CVD共通の目的は、摺動特性・耐摩耗性の付与です。

 

5.硬質膜の開発動向

 

硬質膜に最も期待されていることは、摺動特性・耐摩耗性向上です。硬質膜は機械部品・自動車部品に適用されています。そして硬質膜は、耐食性・耐熱性・耐反応性の向上が期待できるため、過酷な使用条件の金型や自動車用エンジン部品まで適用範囲は広がっています。

 

PVD・CVDによる硬質膜の需要は、工具が大半を占めています。それは、PVD・CVDの特徴が、工具・金型を使用している加工業界の技術課題と深く関わっているためです。今後もこの技術課題の解決を目的に新たな硬質膜技術が生まれることでしょう。

 

 

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この記事の著者

大岡 明

改善技術(トヨタ生産方式(TPS)/IE)とIT,先端技術(IoT,IoH,xR,AI)の現場活用を現場実践指導、社内研修で支援しています。

改善技術(トヨタ生産方式(TPS)/IE)とIT,先端技術(IoT,IoH,xR,AI)の現場活用を現場実践指導、社内研修で支援しています。


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