PVDコーティングとは？方式・種類・用途・最新技術を解説

PVDコーティングは表面処理技術の一つで、耐摩耗性や耐食性、摺動性などの機能を付加できることから、切削工具や金型、機械部品など幅広い産業分野で活用されています。本記事では、PVDコーティングの概要から、真空蒸着・スパッター・イオンプレーティングといった方式ごとの特徴や用途、さらに次世代の成膜技術として注目されるHiPIMSまで詳しく解説します。

PVDコーティングとは？

PVDコーティングとは、「Physical Vapor Deposition（物理蒸着）」と呼ばれる表面処理技術の一つです。真空状態の中で金属などの材料を蒸発・イオン化させ、対象となる製品の表面に薄い膜を形成します。一般的なめっき処理とは異なり、薬液を使用せずに成膜できることが特徴です。

形成されたコーティング膜は、耐摩耗性や耐食性、摺動性などの表面特性を向上させることができます。そのため、切削工具や金型、機械部品、自動車部品など、耐久性や高い機能性が求められるさまざまな産業分野で活用されています。

また、PVDコーティングは膜の種類や成膜条件を調整することで、用途に応じた特性を付加できる点も大きな特徴です。製品の長寿命化や摩擦・摩耗の低減、表面機能の向上などを目的として採用されています。

PVDコーティングの方式について

PVDコーティングの代表的な方式には、「真空蒸着」「スパッター」「イオンプレーティング」があります。それぞれの方式ついて詳しく説明します。

真空蒸着とは

真空蒸着は真空容器中で皮膜材料を蒸発させて対象物に付着させる成膜法です。真空中で行うため、大気の影響が無く、平滑性が高く均質な膜を付けることが出来ます。蒸発した微粒子が表面に付着し堆積していくため、密着力は低く、機械的耐久性もありません。

スパッターとは

スパッターは真空容器中でグロー放電を起こしてイオン化した気体分子（主としてアルゴン：Ar）を被膜材料に衝突させて微粒子として弾き出し（スパッタ）、その微粒子を対象物に付着させる成膜法です。微粒子が高い運動エネルギーを持ち、放電によって生じたプラズマによってイオン化するため、作られる膜は真空蒸着よりも高い密着力を持ちます。大別して直流スパッターとマグネトロンスパッターの二種類がありますが、放電効率の良さと対象物に独立した電圧印加（バイアス）が掛けられる特徴のため、現在はマグネトロンスパッターが一般的に使われています。

イオンプレーティングとは

イオンプレーティングは真空容器中で放電を起こしてイオン化した気体分子を被膜材料に衝突させることはスパッターと同じですが、より高温・高密度の放電（異常グロー放電やアーク放電）によって、被膜材料微粒子をイオン化させるため高い密着力を持たせることと、添加されたガスによって化合物膜を作ることが可能な方式です。放電方法によって様々な方式がありますが、現在主流なのは被膜材料にアーク放電（正確には異常グロー放電）を起こして成膜するアークイオンプレーティングです。よく用いられる被膜はTiN、TiAlN、CrN、AlCrNなど窒化物系が多く、この他DLC（ta-C、a-C）も成膜可能です。比較的低温（＜500℃）で成膜出来ますが、欠点として、ドロップレットと呼ばれる微粒子が膜に混入し欠陥となる問題があります。このため、現在のイオンプレーティング装置にはドロップレット減少のための様々な工夫が施されるようになっています。

PVDコーティングの種類ごとの用途

PVDコーティングは様々な用途で使用されています。種類ごとの用途を紹介いたします。

真空蒸着の用途

真空蒸着は、アルミ蒸着は食品包装の紫外線・酸素遮蔽や樹脂成型品への金属光沢付与などに用いられています。

スパッターの用途

スパッターは、主として半導体関連の成膜に用いられています。

イオンプレーティングの用途

イオンプレーティングは、比較的低温（＜500℃）で成膜出来るため、半導体関連だけではなく工業用途（切削工具、金型、軸受・摺動部）に広く用いられています。

最新のPVDコーティング「HiPIMS」とは？

密着度や成膜速度でイオンプレーティング法に及ばないスパッター法ですが、近年、HiPIMSと呼ばれる新型のスパッター方式が登場しました。HiPIMS（Hi-Power Impulse Magnetron Sputter）は、常時放電させるのではなく、瞬間の高電圧パルスを印加して高密度プラズマを発生させ、スパッタさせる方法です。高密度プラズマによる高いイオン化効果で膜の密着度がイオンプレーティング並みかそれ以上で、ドロップレットが発生しにくく均質で平滑性の高い膜を作ることが出来ます。スパッターとイオンプレーティングのいいとこどりのようなHiPIMSは、登場して間もないことや高額な装置のため、導入はまだ進んでいませんですが、今後、利用が進むと考えられます。