JP2012522887A - SiC層で被覆された物体およびこの製造方法 - Google Patents

SiC層で被覆された物体およびこの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】単一のSiC超硬合金層、または少なくとも1つのSiC超硬合金層を含むSiC多層構造体で被覆された物体、および物体を単一のSiC超硬合金層、または少なくとも1つのSiC超硬合金層を含むSiC多層構造体で被覆する方法を提供する。
【解決手段】単一のSiC層は、ハロゲン元素を含むナノ結晶3C−SiCから、SiC多層構造体は、ハロゲン元素を含むナノ結晶3C−SiCおよび非晶質SiCの混合物、またはハロゲン元素を含むナノ結晶3C−SiCおよび非晶質炭素の混合物から形成する。被覆は、H2および/または1種もしくは複数種の不活性ガス、一般式Sin2n、Sin2n+2もしくはSinyz(ここで、Xはハロゲン元素、n≧2)で表される1種または複数種のハロゲン化ポリシラン、ならびに1種もしくは複数種の炭化水素を含む混合ガスを用いて、熱CVDプロセスを介して行う。
【選択図】図1

Description

本発明は、単一のSiC超合金層、またはSiC超合金層を含む多層構造体で被覆された物体およびこの製造方法に関する。
ナノ結晶3C−SiCと非晶質SiCとの混合物からなる層は、種々の組成を有し、ミクロ電子工学や太陽電池への応用、酸化防止膜としての使用等について、種々の文献に記載されている。このようなSiC層には、立方晶構造のSiC層(β−SiC層または3C−SiC層と呼ばれる)の外に、1300℃以上の高温でしか得られないα−SiC層もあるが(非特許文献1参照)、このような高温での結晶変態は、ミクロ電子工学の分野へ応用する場合にのみ問題となる。
ナノ結晶となりうる3C−SiC層として、水素を含む3C−SiC層が知られている。水素を含むミクロ結晶(μc−SiC:H)を用いる半導体デバイスは、特許文献1に記載されている。
また、水素を含むナノ結晶(nc−SiC:H)は、ヘテロ接合太陽電池の窓層として応用されている(非特許文献2参照)。このような窓層は、水素の含有率が高いことが特徴であるが、500℃を超える温度下においては、耐摩耗層として使用することができない(非特許文献3参照)。
水素を含まないSiCは、高い耐酸化性を有し、酸化防止膜として使用されている(非特許文献4参照)。
一方、SiCは、工具や構造部材の耐摩耗層としてはほとんど使用されていない。その理由は、高い脆性(非特許文献5参照)と、被覆される鉄と高温下での反応性が高いこと(非特許文献6参照)にある。
結晶質SiCおよび非晶質SiCからなる混合層が、耐摩耗層として使用しうる可能性に触れているのは、特許文献2およびこの特許文献で紹介されている2つの文献だけである。これらの文献には、無機基板上にβ−SiC層を製造する方法が記載されている。ここで、β−SiC層は塩素を含まないため、出発物質には塩素を含まないものが使用されている。一方、結晶質SiCおよび非晶質SiCからなる混合層の耐摩耗層としての使用例として紹介されているのは、非常に特殊な構造部材(例えばレコード針)についてのものに限られている。なお、β−SiC層の正確な構造や特性ついては、記載がない。
超硬合金(WC/Co等)からなる基板上に、厚さが0.3μmを超える結晶質3C−SiC層を形成する方法としては、1000℃の温度下でメチルトリクロロシランを用いるCVD(化学蒸着)法がある(非特許文献7参照)。しかし、蒸着温度が高い場合には、有害なケイ化コバルトが生じたり、接着強度が不十分であったりするため、基板上に直接SiC層を形成することはできない。この場合には、コストはかかるが、拡散に対する障壁として働く中間層を使わなければならない。
超硬合金基板上に純度の高い非晶質SiC層を形成し、700℃までの温度下で、摩擦計で摩耗の程度を測った結果を記載している文献もある(非特許文献8参照)。
非特許文献9には、DC−プラズマジェット−CVD法で、大きさが50〜500nmの焼結させた粒子または塊からなり、不均質な構造と組成を有するナノ結晶SiCおよび非晶質SiCからなる混合層を形成した例が記載されている。しかし、この方法においては、トリメチルクロロシランやトリクロロメチルシラン等の塩素を含む標準的な出発物質を用いると、SiC層中の塩素濃度がきわめて高くなるため、スチールや金属製の基板を被覆する際には不利になる。塩素濃度は、特に基板とSiC層の境界付近で非常に高くなる。
欧州特許出願公開第1950810号明細書 米国特許第3011912号明細書
C.H.Carter, V.F.Tsvetkov, R.C.Glass, D.Henshall, M.Brady, St.G.Mueller, O.Kordina, K.Irvine, J.A.Edmond, H.S.Kong, R.Sing, S.T.Allen, J.W.Palmour, Materials Science and Engineering B61-62 (1999) 1-8 S.Miyajima, M.Sawamura, A.Yamada, M.Konagai, Journal of Non-Crystalline Solids 354 (2008) 2350-2354 A.K.Costa, S.S.Camargo, Surface and Coatings Technology 163-164 (2003) 176-180 H.Jian-Feng, L.Miao, W.Bo, C.Li-Yun, X. Chang-Kui, W.Jian-Peng, Carbon 47 (2009) 1189-1206 H.O.Pierson, Handbook of Refractory Carbides and Nitrides, NOYES Publications Westwood, ニュージャージー州,米国,1996年 R.C.Schiepers, J.A.van Beek, F.J.J.van Loo, G. de With, Journal of the European Ceramic Society 11 (1993) 211-218 G.Giunta, M.Fiorini, V.Vittori, G.Marchesano, Surface and Coatings Tchnology 49 (1991) 174-180 A.K. Costa, S.S.Camargo, Surface and Coatings Technology 163-164 (2003) 176-180 J.Wilden, A.Wank, Galvanotechnik 91 (2000) Nr.8, 2250-2256
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、粒子状部分のない、無孔性の構造を有し、硬度が高く、他方、脆性は低く、さらに接着性と耐酸化性が強く、ひび割れも成長しにくいSiC層で被覆された成形体を提供することを目的とする。
上記の課題は、特許請求の範囲に記載した特徴を有する本発明(従属請求項の組み合わせを含む)の物体によって解決される。
本発明によれば、物体は、単一のSiC層、または少なくとも1つのSiC層を含むSiC多層構造体で被覆される。ここで、SiC層は、ハロゲン元素を含むナノ結晶3C−SiC、またはハロゲン元素を含むナノ結晶3C−SiCと非晶質SiCとの混合物、もしくはハロゲン元素を含むナノ結晶3C−SiCと非晶質炭素との混合物からなる。
前記SiC層は、塊状部分を有しない、均質な構造を有する。これは、本発明に係るSiC層が、従来のSiC層に見られる、生成方法と関連して生じる粒界を含む、塊や粒子よりも大きな組織(J.Wilden, A.Wank, Galvanotechnik 91 (2000) Nr. 8, 2250-2256参照)を有しないことを意味する。本発明に係るSiC層は、このような塊状部分のない構造を有するため、望ましくない不均一な組成(粒界が生じる場合には避け得ない)は回避される。
本発明に係るSiC層は、塊状部分がない均質な構造および/または無孔性で稠密な構造を有する。
前記SiC層は、ハロゲン元素を含むナノ結晶3C−SiCから、周期的または連続的に変化する比で、非晶質SiCまたは非晶質炭素へと組成が変わるようになっているのが好ましい。
前記SiC層に含まれるハロゲン元素は、Cl、F、Brおよび/またはIとするのが好ましい。
本発明の好ましい態様によれば、前記SiC層中におけるハロゲン元素の含有量は、0.0001〜2原子百分率である。
前記非晶質SiCを含む混合物中の非晶質SiCの含有量は、0.5〜99.5重量%であるのが好ましい。
前記非晶質SiC層におけるC:Siの原子数比は、1〜1.2であるのが好ましい。
前記ナノ結晶3C−SiCは、0〜10重量%の非晶質炭素を含むのが好ましい。
前記ナノ結晶3C−SiCの結晶粒径は、200nmよりも小さいのが好ましい。
前記SiC層の厚さは、0.1〜100μmであるのが好ましい。
前記SiC多層構造体は、複数のSiC層、または少なくとも1つのSiC層ならびにTiN,TiCN,TiC,Al23およびダイヤモンドからなる群より選択される材料から形成される1つもしくは複数の層からなるのが好ましい。
前記SiC層は、中間層を介在させることなく、直に物体を被覆することもできる。
前記単一のSiC層またはSiC多層構造体層は、金属、超硬合金、陶性合金またはセラミックスからなる物体を、耐摩耗層もしくは酸化防止層として被覆することができる。この外、これら単一のSiC層またはSiC多層構造体層は、ミクロ電子工学もしくは太陽電池への応用のために、適当な基板を被覆することもできる。
本発明によれば、物体を、単一のSiC層、または少なくとも1つのSiC層を含むSiC多層構造体で被覆する方法であって、前記物体は、H2および/またはは1種もしくは複数種の不活性ガス、一般式Sin2n、Sin2n+2またはSinyz(ここで、Xはハロゲン元素、n≧2)で表される1種または複数種のハロゲン化ポリシラン、ならびに1種または複数種の炭化水素を含む混合ガスを使用する熱CVDプロセスを介して、被覆されるようになっていることを特徴とする方法も提供される。この外、前記混合ガスは、H2および/または1種もしくは複数種の不活性ガス、ならびに一般式Sinyzおよび/またはSinxyz(ここで、Xはハロゲン元素、n≧2,z>0,y≧1であり、一般式Sinyzの場合には、化学量論的な関係は、2n+2=y+zまたは2n=y+zであり、一般式Sinxyzの場合には、化学量論的な関係は、2n+2=x+y+zまたは2n=x+y+zである)で表される有機置換基Rで置換された1種または複数種のハロゲン化ポリシランを含むものとすることもできる。
前記1種または複数種のハロゲン化ポリシランは、Si26,Si38,Si48,Si410,Si510,Si512,およびSi612(X=Cl,F,Brおよび/またはIである)からなる群より選択するのが好ましい。
前記熱CVDプロセスを介する被覆は、好ましくは600〜950℃、より好ましくは600〜800℃の温度下で行うのがよい。
前記有機置換基Rは、CH3基であるのが好ましい。
前記混合ガス中の有機置換基Rで置換された1種または複数種のハロゲン化ポリシランは、(CH3)2Si2Cl4および/または(CH3)4Si2Cl2であるのが好ましい。
前記炭化水素は、アルカン、アルケンまたはアルキンであるのが好ましい。
前記炭化水素は、CH4,C24またはC22であるのが好ましい。
前記混合ガスを使用する被覆は、ホットウォールCVDリアクタ中で、1〜101.3kPaの圧力下で行うのが実用的である。
前記物体は、金属、超硬合金、陶性合金およびセラミックスからなる群より選択し、この物体の被覆は、耐摩耗層もしくは酸化防止層を形成するため、またはミクロ電子工学もしくは太陽電池への応用のために行うのが好ましい。
本発明に係るSiC超硬合金層は、いくつかの非常に好ましい特性を有している。
本発明に係るSiC層は、ナノ結晶SiCのみ、またはナノ結晶SiCと非晶質領域(結晶領域とは明確に区別される)からなる。非晶質領域には、生成方法と関連して生じる粒界を含む、塊や粒子よりも大きな組織は見られない。本発明に係るSiC層は、このような塊状部分のない構造を有するため、望ましくない不均一な組成(粒界が生じる場合には避け得ない)は回避される。SiC層は、硬度と接着性が高く、脆性は小さい。また、中間層を介在させることなく、物体を被覆することができる。
本発明に係るSiC層は、稠密かつ均質であるのが好ましい。ナノ結晶SiC構造、または非晶質SiCもしくは非晶質炭素の領域を含むナノ結晶SiC構造からなる被覆層は、工具の鋭利な刃先をも、きわめて良好に被覆することができる。
本発明のSiC被覆層は、上記のような構造を有するため、被覆層の表面から基板まで、粒界が連続的に続く組成は回避することができる。したがって、本発明のSiC層で被覆した工具は、機械加工のように作業時の温度が高くても、良好な耐酸化性、およびひび割れの成長に対する抵抗性を示す。
驚くことに、本発明に係るSiC層は、軟質な非晶質SiCまたは非晶質炭素の領域が存在しても、純粋な3C−SiC層に比して硬度が低下することはなかった。また、本発明に係るSiC層は、ナノ複合体構造を有するため、一定の範囲内において、硬度が増大または安定化する
本発明に係るナノ結晶3C−SiC層を、基板との接着層として用いると、基板と被覆層(接着層)との接着強度が増す。また、本発明に係るナノ結晶3C−SiC層は、この後にセラミック(例えばSi34)製の物体に形成される被覆層の接着強度を高めたり、この後に形成されるダイヤモンド層に対する接着強度を確実なものにしたりすることができる。これらは、本発明に係るSiC層の熱膨張係数が低いことと、そのナノ結晶構造により実現される。本発明のSiC多層構造体として特に好ましいのは、ナノ結晶SiC層とナノ結晶ダイヤモンド層との積層体である。この積層体によれば、鋭利な刃先を被覆する場合でも、高機能の多層構造体となる。
最適な範囲にわたってハロゲン元素を含む、ナノ結晶3C−SiC層、またはナノ結晶3C−SiCと非晶質SiCもしくは非晶質炭素からなるSiC層は、耐摩耗層として使用できるが、このようなSiC層は、本発明の方法に従って製造することができる。すなわち、本発明の方法によれば、ハロゲン化ポリシラン、または置換されたハロゲン化ポリシランを用いることにより、広い温度範囲において、最適なハロゲン含量を実現することができるという効果が生まれる。
本発明の方法においては、SiC層を形成する際の前駆体、ハロゲン化ポリシランを用いるが、こうすると、SiCl4やトリクロロメチルシランのような公知の前駆体と比較して。蒸着温度を低くすることができる。また、基板材料と前駆体との間の化学反応も、回避することができる。したがって、物体が金属である場合、これに直に被覆層を形成することができる。
本発明に係るSiC被覆層は良好な特性を有し、製造も容易であるため、ミクロ電子工学に応用することもできる。
本発明の第1の実施形態に係るナノ結晶3C−SiC単一層のX線回折スペクトル図である。 本発明の第2の実施形態に係る、ナノ結晶3C−SiCおよび非晶質SiCからなる混合層のX線回折スペクトル図である。 同じく、ラマンスペクトル図である。 本発明の第3の実施形態に係る、ナノ結晶3C−SiCおよび非晶質炭素からなる混合層のX線回折スペクトル図である。 同じく、ラマンスペクトル図である。
以下に本発明の実施形態を詳細に説明する。
〔実施例1〕
Si34セラミックス製切削用インサートの表面に、CVD法により、厚さ約1μmのTiN接着層、ついで本発明によるSiC層を蒸着させた。このコーティングプロセスは、内径75mmのホットウォールCVDリアクタ中で進行させた。0.3容量%のSi3Cl8、97.7容量%のH2,2.0容量%のC24からなる混合ガスを使用し、900℃の温度および9kPaの圧力下で、120分間蒸着させたところ、厚さ3.5μmのSiC層が得られた。
得られたSiC層の構造を、入射角を調整しつつ、X線回折にかけて解析した。図1(スペクトル図)は、(111)面が3C−SiC層であることを示している。シェーラー (Scherrer)の式から、3C−SiCの平均粒径は、50nmと算出された。
波長分散X線分光法(WDX)により解析したところ、3C−SiC層の塩素含有量は、0.03原子百分率であることが分かった。
微小硬さ計で計測したビッカース硬さは、3850HV[0.01]であった。
以上の結果から、この実施形態におけるSiC層は、滑らかで均質な表面およびナノ結晶構造を有し、高強度であることが分かる。
〔実施例2〕
予め厚さ1μmのTiN接着層と厚さ2μmのTiN接着層を形成してあるWC/Co超硬合金製切削用インサートの表面に、CVD法により、本発明によるSiC層を蒸着させた。このコーティングプロセスは、内径75mmのホットウォールCVDリアクタ中で進行させた。0.3容量%のSi3Cl8、93.7重量%のH2および6.0容量%のC24からなる混合ガスを使用し、800℃の温度および9kPaの圧力下で、厚さ0.5μm/hの蒸着速度で蒸着させた。
得られたSiC層の構造を、入射角を調整しつつ、X線回折にかけて解析した(図2参照)。図2(スペクトル図)には、3C−SiCのブロードなスペクトルが観察される。シェーラーの式から、3C−SiCの平均粒径は、1nmと算出された。
図3に示すラマンスペクトルにおいては、3C−SiCの780cm-1と890cm-1のピークは、分かれては観察されず、800cm-1付近においてブロードなピークが見られる。これは非晶質SiCによる散乱である。この中で低波長側に認められる第1のピークは、結晶化の初期の状態にあることを示す。この実施形態に係るSiC層は、1300〜1600cm-1の波数領域にピークが認められないため、自由原子としての炭素は含んでいない。これらX線回折とラマンスペクトルの解析結果から、この実施形態に係るSiC層は、ナノ結晶3C−SiCと非晶質SiCの混合物からなっていることが分かる。
波長分散X線分光法(WDX)により解析したところ、3C−SiC層の塩素含有量は、0.05原子百分率であることが分かった。
微小硬さ計で計測したビッカース硬さは、3600HV[0.01]であった。
以上の結果から、この実施形態におけるSiC層は、ナノ結晶3C−SiCと非晶質SiCの混合物からなり、滑らかで均質な表面を有し、高強度であることが分かる。
〔実施例3〕
Si34セラミックス製切削用インサートの表面に、CVD法により、本発明によるSiC層を直接蒸着させた。このコーティングプロセスは、内径75mmのホットウォールCVDリアクタ中で進行させた。0.3容量%のSi3Cl8、93.7重量%のH2および6.0容量%のC24からなる混合ガスを使用し、900℃の温度および9kPaの圧力下で、120分間蒸着させたところ、厚さ3.6μmのSiC層が得られた。
得られたSiC層の構造を、入射角を調整しつつ、X線回折にかけて解析した(図4参照)。図4(スペクトル図)には、3C−SiCのシャープなスペクトルが認められる。このスペクトルの強度は、実施例2のそれよりもきわめて強い。シェーラーの式から、3C−SiCの平均粒径は、20nmと算出された。
この実施例に係るラマンスペクトル(図5)は、実施例2のそれに比べて、780cm-1と890cm-1において、3C−SiCの十分明瞭なピークを有している。また、1300〜1600cm-1の波数領域にブロードなピークが認められるが、これは、本発明に係る3C−SiC層が、非晶質ではあるが、ナノ結晶3C−SiCに近い、六方晶化した炭素を含んでいることを示している。
波長分散X線分光法(WDX)により解析したところ、3C−SiC層の塩素含有量は、0.16原子百分率であることが分かった。
微小硬さ計で計測したビッカース硬さは、3650HV[0.01]であった。
以上の結果から、この実施形態におけるSiC層は、ナノ結晶3C−SiCと非晶質炭素の混合物からなり、滑らかで均質な表面を有し、高強度であることが分かる。

Claims (24)

  1. 単一のSiC層、または少なくとも1つのSiC層を含むSiC多層構造体で被覆された物体であって、前記SiC層は、ハロゲン元素を含むナノ結晶3C−SiC、またはハロゲン元素を含むナノ結晶3C−SiCと非晶質SiCとの混合物、もしくはハロゲン元素を含むナノ結晶3C−SiCと非晶質炭素との混合物からなることを特徴とする物体。
  2. 前記SiC層は、塊状部分を有しない、均質な構造を有することを特徴とする請求項1に記載の物体。
  3. 前記SiC層は、無孔性で稠密な構造を有することを特徴とする請求項1に記載の物体。
  4. 前記混合物からなるSiC多層構造層は、ハロゲン元素を含むナノ結晶3C−SiCから、周期的または連続的に変化する比で、非晶質SiCまたは非晶質炭素へと組成が変わる構造を有することを特徴とする請求項1に記載の物体。
  5. 前記ハロゲン元素は、Cl、F、Brおよび/またはIであることを特徴とする請求項1に記載の物体。
  6. 前記SiC層におけるハロゲン元素の含有量は、0.0001〜2原子百分率であることを特徴とする請求項1に記載の物体。
  7. 前記非晶質SiCを含む混合物中における非晶質SiCの含有量は、0.5〜99.5重量%であることを特徴とする請求項1に記載の物体。
  8. 前記非晶質SiC層におけるC:Siの原子数比は、1〜1.2であることを特徴とする請求項1に記載の物体。
  9. 前記ナノ結晶3C−SiCは、0〜10重量%の非晶質炭素を含むことを特徴とする請求項1に記載の物体。
  10. 前記ナノ結晶3C−SiCの結晶粒径は、200nmよりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の物体。
  11. 前記SiC層の厚さは、0.1〜100μmであることを特徴とする請求項1に記載の物体。
  12. 前記SiC多層構造体は、複数のSiC層、または少なくとも1つのSiC層ならびにTiN,TiCN,TiC,Al23およびダイヤモンドからなる群より選択される材料から形成される1つもしくは複数の層からなることを特徴とする請求項1に記載の物体。
  13. 中間層を介在させることなく、直に前記SiC層が被覆されていることを特徴とする請求項1に記載の物体。
  14. 前記単一のSiC層またはSiC多層構造体層は、耐摩耗層もしくは酸化防止層として、またはミクロ電子工学もしくは太陽電池への応用のために被覆されている、金属、超硬合金、陶性合金またはセラミックスからなることを特徴とする請求項1に記載の物体。
  15. 物体を、単一のSiC層、または少なくとも1つのSiC層を含むSiC多層構造体で被覆する方法であって、前記SiC層は、ハロゲン元素を含むナノ結晶3C−SiC、またはハロゲン元素を含むナノ結晶3C−SiCと非晶質SiCとの混合物、もしくはハロゲン元素を含むナノ結晶3C−SiCと非晶質炭素との混合物からなる方法において、
    前記物体は、H2および/もしくは1種もしくは複数種の不活性ガス、一般式Sin2n、Sin2n+2もしくはSinyz(ここで、Xはハロゲン元素、n≧2)で表される1種もしくは複数種のハロゲン化ポリシラン、ならびに1種もしくは複数種の炭化水素を含む混合ガス、またはH2および/もしくは1種もしくは複数種の不活性ガス、ならびに一般式Sinyzおよび/もしくはSinxyz(ここで、Xはハロゲン元素、n≧2,z>0,y≧1であり、一般式Sinyzの場合には、化学量論的な関係は、2n+2=y+zまたは2n=y+zであり、一般式Sinxyzの場合には、化学量論的な関係は、2n+2=x+y+zまたは2n=x+y+zである)で表される有機置換基Rで置換された1種もしくは複数種のハロゲン化ポリシランを含む混合ガスを使用する熱CVDプロセスを介して、被覆されるようになっていることを特徴とする方法。
  16. 前記1種または複数種のハロゲン化ポリシランは、Si26,Si38,Si48,Si410,Si510,Si512,およびSi612(X=Cl,F,Brおよび/またはIである)からなる群より選択することを特徴とする請求項15に記載の方法。
  17. 前記熱CVDプロセスを介する被覆は、600〜950℃の温度下で行うことを特徴とする請求項15に記載の方法。
  18. 前記熱CVDプロセスを介する被覆は、600〜800℃の温度下で行うことを特徴とする請求項17に記載の方法。
  19. 前記有機置換基Rは、CH3基であることを特徴とする請求項15に記載の方法。
  20. 前記混合ガス中の有機置換基Rで置換された1種または複数種のハロゲン化ポリシランは、(CH3)2Si2Cl4および/または(CH3)4Si2Cl2であることを特徴とする請求項15に記載の方法。
  21. 前記炭化水素は、アルカン、アルケンまたはアルキンであることを特徴とする請求項15に記載の方法。
  22. 前記炭化水素は、CH4,C24またはC22であることを特徴とする請求項15に記載の方法。
  23. 前記混合ガスを使用する被覆は、ホットウォールCVDリアクタ中で、1〜101.3kPaの圧力下で行うことを特徴とする請求項15に記載の方法。
  24. 前記物体を、金属、超硬合金、陶性合金およびセラミックスからなる群より選択し、耐摩耗層もしくは酸化防止層を形成するため、またはミクロ電子工学もしくは太陽電池への応用のために被覆することを特徴とする請求項15に記載の方法。
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