JP2009293131A - 微細結晶硬質皮膜の形成方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】立方晶岩塩型構造を有する硬質皮膜層A と、立方晶岩塩型構造以外の結晶構造を有する硬質皮膜層B とが交互に積層された構造の結晶皮膜を形成する際、磁場印加機構を有するアーク蒸発源とスパッタリング蒸発源とが各々1台以上具備された成膜装置によって、前記硬質皮膜層A の構成成分をアーク蒸発源にて蒸発させるとともに、前記硬質皮膜層B を特定の化合物として、これら硬質皮膜層B の構成成分をスパッタリング蒸発源で蒸発させ、基板上に硬質皮膜層A とB とを交互に順次積層していく。
【選択図】図1
Description
(硬質皮膜層A の結晶粒径の制御)
スパッタリングやイオンプレーティングで形成した、切削工具や耐摩耗摺動部品向けに多用されているTiN 、CrN あるいはTiAlN などの、通常の硬質皮膜層A は、図2に皮膜結晶の成長形態を模式的に示すように、基板上から核発生後、柱状に成長し、かつその柱状粒子の幅は成長と共に広がる傾向を示す。
硬質皮膜層A の膜厚>硬質皮膜層B の膜厚としたのは、層B の膜厚を層A を超えて形成した場合、硬質皮膜層A の結晶粒子の微細化はされるが、形成された皮膜の特性において、硬質皮膜層B の特性が支配的になるためである。立方晶岩塩型構造を有する硬質皮膜層A は、基本的に耐摩耗性を具備する主相であり、立方晶岩塩型構造以外の結晶構造を有する硬質皮膜層B は、硬質ではあっても、その耐摩耗性は硬質皮膜層A に比して劣る。したがって、硬質皮膜として優れた耐摩耗性を有するためには、硬質皮膜として、立方晶岩塩型構造を有する硬質皮膜層A の特性が支配的になる厚みを確保する必要がある。このため、本発明では、硬質皮膜層A の膜厚>硬質皮膜層B の膜厚とした。
一層当たりの硬質皮膜層A の厚み (膜厚) は2 〜200nm とすることが好ましい。層A の厚みが2 nm未満では、層A の積層数を増しても、硬質皮膜として、立方晶岩塩型構造を有する硬質皮膜層A の特性が支配的になる厚みを確保できない可能性がある。
本発明硬質皮膜の層の構成としては、基本的には、前記図1に示したような、層A/層B/層A/層B なる、硬質皮膜層A と硬質皮膜層B との交互の積層(層A/層B )を一つの単位として、この単位を複数(多数)繰り返しての積層(多層化)が好ましい。ただ、第三の硬質皮膜層C として、立方晶岩塩型構造を有するが、別の成分組成からなる硬質皮膜層 (別の物質) を選択し、この硬質皮膜層C を間に介在させて、例えば、層A/層B/層C あるいは層B/層A/層B/層C などを一つの単位として、これらの単位を各々組み合わせて積層を行っても良い。また、これ以上の複数の物質を選択しての積層も同様である。これらの単位を各々組み合わせて積層を行っても良い。層A と層B とを一つの単位とする、これら単位の積層数は目的とする硬質皮膜の厚みに合わせて、20〜1000など任意の積層数が選択できる。
本発明硬質皮膜の主相である硬質皮膜層A の成分組成は、岩塩構造型結晶構造をとり、高硬度かつ耐摩耗性を有する物質を選択する必要がある。この点、岩塩構造型結晶構造をとる硬質皮膜として、例えば、切削工具や耐摩耗摺動部品向けに多用されているTiN 、CrN あるいはTiAlN などの、Ti、Cr、Al、V のいずれかを含んだ立方晶岩塩型構造を有する窒化物、炭窒化物、炭化物のいずれかの化合物が適用できる。また、これら以外でも、4A、5A、6A及びAl、Siの1種以上より選ばれる元素と、B 、C 、N の1種以上より選ばれる元素との化合物であれば適用可能である。これらの化合物はいずれも結晶系として立方晶岩塩型構造を有し、かつ高硬度で耐摩耗性に優れる。なお、硬質皮膜層A の結晶構造が岩塩型構造を保つ範囲内で、層A に酸素を10% 以下 (原子比で0.1 以下) の微量添加することにより、硬質皮膜層A を、4A、5A、6A及びAl、Siの1種以上より選ばれる元素の酸窒化物や酸炭窒化物層等、あるいは、これら酸窒化物や酸炭窒化物を含んだ層とでき、これにより特性を改善できる場合があり、これらも本発明の範囲に含まれる。
硬質皮膜層B としては、基本的には、岩塩型立方晶構造を有しない結晶構造の物質であれば、上記した結晶粒微細化効果は発現できる。しかし、本発明硬質皮膜が、切削工具などの高温化で使用される場合や、摺動部品としての要求特性を考慮すると、耐熱性なり、耐磨耗性を有する、B あるいはSiを含有する化合物である、BN、BCN 、SiN 、SiC 、SiCN、B-C あるいはCu、CuN 、CuCNが適している。
2 、3 :スパッタリング蒸発源、4:シャッター、5 、6 :電子ビーム蒸発源
7:電子ビーム、8:チャンバ、9:回転盤、10: 磁場、11: 磁場印加機構
Claims (3)
- 立方晶岩塩型構造を有する硬質皮膜層A と、立方晶岩塩型構造以外の結晶構造を有する硬質皮膜層B とが交互に積層された皮膜構造を有し、硬質皮膜層A の厚みを硬質皮膜層B の厚みよりも厚くした微細結晶皮膜を、磁場印加機構を有するアーク蒸発源とスパッタリング蒸発源とが各々1台以上具備された成膜装置で形成する方法であって、前記硬質皮膜層A の構成成分をアーク蒸発源にて蒸発させるとともに、前記硬質皮膜層B をBN、BCN 、SiN 、SiC 、SiCN、B-C 、Cu、CuN 、またはCuCNとして、この硬質皮膜層B の構成成分をスパッタリング蒸発源で蒸発させ、基板上に硬質皮膜層A とB とを交互に順次積層していくことを特徴とする微細結晶硬質皮膜の形成方法。
- 一層当たりの前記硬質皮膜層A の厚みが2 〜200nm の範囲であり、一層当たりの前記硬質皮膜層B の厚みが0.5nm 以上で、かつ一層当たりの前記硬質皮膜層A の厚みの1/2 以下である請求項1に記載の微細結晶硬質皮膜の形成方法。
- 前記成膜装置は、前記アーク蒸発源とスパッタリング蒸発源との、隣り合う前記蒸発源同士の磁力線が互いにつながるように前記磁場印加機構が構成され、同一成膜チャンバ内の磁場が閉じた状態となっている請求項1または2に記載の微細結晶硬質皮膜の形成方法。
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