板組コイル陽極を用いた金属窒化物膜形成用フィルタードアーク蒸着装置の開発
| Project/Area Number |
23K22741
|
|---|
| Project/Area Number (Other) |
22H01470 (2022-2023)
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
|
| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
|---|
| Section | 一般 |
|---|
| Review Section |
Basic Section 21010:Power engineering-related
|
|---|
| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
|---|
Principal Investigator |
滝川 浩史 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90226952)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
|
| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
|
| Budget Amount *help |
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2023: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2022: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
|
|---|
| Keywords | ハードコーティング / 窒化物薄膜 / DLC膜 / フィルタードアーク蒸着 / 高速成膜 / ドロップレット抑制 / 磁気輸送 / フィルタード真空アーク蒸着 / 陽極コイル / ドロップレット / 硬さ / TiN膜 / AlCrN膜 / ダイヤモンドライクカーボン / 切削工具 / 精密加工 / 金属薄膜 |
|---|
| Outline of Research at the Start |
金属窒化物保護膜に適した新規のフィルタードアーク蒸着源（FAD）を開発する。新FADでは，陰極-被蒸着物間距離を短く保ちつつ，ドロップレットを効率的に除去しながらプラズマを輸送できる新規装置構造（プラズマ輸送磁界形成コイル兼ドロップレットフィルタ陽極）を導入する。これにより，成膜速度を保つ一方で，ドロップレット量の抑制が期待できる。ドロップレット量に直接的に寄与する陰極点の挙動の制御を実験的に検討すると共に，磁束密度分布を計測し，磁界と陰極点運動との関係の理解を深める。ノンフィルタに対してドロップレット数1/1000，成膜速度1/3確保を目標として，精密加工具（精密タップ等）などへの適用可能性を探る。
|
| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，陰極をTiそして導入ガスをN2としてTiN膜を形成し，その評価を進めた。特に(1)磁界構造による陰極点の安定性と運動特性の変化，(2)ドロップレット抑制の特性について調査した。 (1)については，陰極の背面に設置する背面磁石（永久磁石）およびアウターコイルが作る磁界を調整し，アーク放電が安定すると共に陰極点円運動が十分に駆動され，ドロップレットの放出量が抑制される条件を見出した。また，コイル形状の陽極（コイル陽極）にした場合とそうでない場合を比較し，コイル陽極を用いることで成膜速度が上昇することを確認した。コイル陽極により磁界が増大することで，プラズマがより効率的に輸送されたと考えられる。実際，磁気プローブにより磁界を計測したところ，コイル陽極によって磁界が増大していることが確認できた。加えて，成膜速度が上昇したことにより，膜厚あたりのドロップレット数を抑制できることを確認した。成膜したTiN膜に対してロックウェル圧痕試験を行ったところ，剥離がなく，密着性が良い膜が作成できていることがわかった。また，ナノインデンテーション試験により硬さを測定したところ，40GPa程度の硬い膜が作製されていることがわかった。ドロップレット数，膜質の観点から最適な成膜条件を見出したのち，実際に切削工具へ成膜し，成膜できることを確かめた。他にも，AlCr陰極や炭素陰極を用いた初期試験を行い，今後の指針を得た。今年度得られた知見を元に，さらなるフィルタード蒸着装置(FAD)の改良および試験を進める。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
印加磁界による陰極点の安定性・運動特性，ドロップレット数の変化，TiN膜の膜質の変化などについて，初年度は計画通りに分析を進めることができた。陰極点の運動を制御すると共に，アーク電流を利用した輸送磁界を用いることで，ドロップレット数を抑えつつ高速にTiN膜を成膜することができ，結晶構造や硬さなどの膜質の分析を進めた。テストピースへの成膜だけではなく，工具への成膜を行うことができた。AlCr陰極や炭素陰極による初期試験も行い，順調に評価が進んでいる。
|
| Strategy for Future Research Activity |
今後は，改良版の陰極・陽極を用い，陰極をTiからAlCrに変え，導入ガスをN2としてAlCrN膜を形成するとともに，改良版FADの動作確認を進める。特に(1)磁界構造による陰極点の安定性と運動特性の変化，(2)ドロップレット抑制の特性，の2点について，まず調査する。(1)については，陰極の背面に設置する背面磁石に加えて，アウターコイルが作る磁界により制御する。陰極点が長時間維持される磁界配位・圧力・ガス流量等を探索するともとに，ドロップレット放出量の抑制が期待できる円運動を伴う陰極点を維持可能な条件を探索する。(2)ドロップレット抑制の特性については，陰極から基板までの各地点において，ドロップレットのサイズごとの量を評価し，ドロップレットがフィルタされていることを確かめる。AlCrNは絶縁性であるため，放電の長期維持が課題となる。長期維持性を把握し，生産性に課題を見出し場合にはその解決策を検討する。陰極点・ドロップレットについて検討をするともに，発光分光計測により，プラズマに含まれるイオン種についても，理解を深める。
以上に加えて，基板(Siウェア，超硬)に製膜されたAlCrN膜の成膜速度，表面形状（異物，平坦性），膜質（密度，硬さ，耐摩擦摩耗性：トライボ特性），電気抵抗を評価する。これら膜質特性の圧力，ガス流量，バイアス，磁界構造に対する依存性を把握する。これらを踏まえて，更なる改良版の陽極を設計・製作する。
これらに並行して，黒鉛陰極を用いた水素フリーDLC膜の場合についても，装置の機能性を評価する。
|
Report
(1 results)
Research Products
(7 results)
