JP2789651B2 - Method for forming boron nitride film - Google Patents
Method for forming boron nitride filmInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、たとえば切削工具や研磨工具などの被覆
のためなどに用いられる窒化ホウ素膜の形成方法に関す
るものである。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a boron nitride film used for, for example, coating a cutting tool or a polishing tool.
窒化ホウ素は、結晶構造によって主に３種類に分けら
れる。それらは、六方晶窒化ホウ素（以下「ｈ−BN」と
いう。），六方最密充填窒化ホウ素，および立方晶窒化
ホウ素（以下「ｃ−BN」という。）である。このなか
で、ｃ−BNは、硬度および耐摩耗性に優れており、難削
材切削用基材および高速切削用基材に対する被覆材料と
して注目されている。Boron nitride is mainly classified into three types depending on the crystal structure. They are hexagonal boron nitride (hereinafter “h-BN”), hexagonal close-packed boron nitride, and cubic boron nitride (hereinafter “c-BN”). Among them, c-BN is excellent in hardness and abrasion resistance, and is attracting attention as a coating material for a substrate for cutting difficult-to-cut materials and a substrate for high-speed cutting.
基材表面を窒化ホウ素膜で被覆させる方法としては、
化学蒸着（CVD）法および物理蒸着（PVD）法がよく知ら
れている。しかしながら、CVD法では、作製した膜はｈ
−BNが主体となり、ｃ−BN主体の膜を形成するのが困難
であるとともに、膜と基材との間の密着性が悪いという
問題がある。As a method of coating the substrate surface with a boron nitride film,
Chemical vapor deposition (CVD) and physical vapor deposition (PVD) methods are well known. However, in the CVD method, the formed film is h
-BN is the main component, and it is difficult to form a film mainly composed of c-BN, and the adhesion between the film and the substrate is poor.
PVD法には、たとえばイオン化された原子を加速，減
速して基材表面に堆積させるイオンビーム・デポジショ
ン法、クラスターイオンを加速して基材上に堆積させる
クラスターイオンプレーティング法、その他イオンビー
ムスパッタリング法などがあるが、これらの方法によっ
てもやはりｃ−BN主体の膜を形成するのは困難である。
しかも、これらのPVD法では、基材に照射されるイオン
の運動エネルギーが数eV〜数百eVの比較的低い範囲にあ
り、このためイオン種の基材内部への注入は期待し得
ず、したがって膜と基材との密着性が悪いという問題が
ある。The PVD method includes, for example, an ion beam deposition method in which ionized atoms are accelerated and decelerated to deposit on a substrate surface, a cluster ion plating method in which cluster ions are accelerated and deposited on a substrate, and other ion beams. Although there are sputtering methods and the like, it is still difficult to form a c-BN-based film by these methods.
In addition, in these PVD methods, the kinetic energy of the ions applied to the substrate is in a relatively low range of several eV to several hundreds eV, and therefore, implantation of ion species into the substrate cannot be expected. Therefore, there is a problem that adhesion between the film and the substrate is poor.
そこで、近年ではエネルギーを数十〜数百keVとした
イオン種を用いて成膜を行うイオン注入法やイオンミキ
シング法が注目されている。とくに、ホウ素系の物質の
蒸着と同時または交互に数十〜数百keVに加速したイオ
ン種を基材に照射するようにして、基材表面に基材とホ
ウ素とイオンとの混合層を形成するようにしたイオンミ
キシング法では、ｃ−BNを多く含む膜を基材に対して強
固に密着させて形成できるという報告がなされている。Therefore, in recent years, attention has been paid to an ion implantation method and an ion mixing method for forming a film using ion species having an energy of several tens to several hundreds of keV. In particular, a mixed layer of boron and ions is formed on the surface of the substrate by irradiating the substrate with ion species accelerated to tens to hundreds of keV simultaneously or alternately with the deposition of the boron-based substance. According to the ion mixing method, it is reported that a film containing a large amount of c-BN can be firmly adhered to a substrate.
しかしながら、上記イオンミキシング法では、前記混
合層を形成して膜と基材との間の密着強度を高めるため
には、一般に数keV以上の高エネルギーのイオン種を照
射して、このイオン種を基材内部に侵入させなければな
らず、前記高エネルギーのイオンの照射によって、形成
された膜に損傷が生じることになる。すなわち、結晶性
が劣化したりなどして膜質が劣化する。このため、形成
された膜は、ｃ−BNを多く含むものであるにもかかわら
ず、硬度および耐摩耗性に関して所期の特性を得ること
ができない。However, in the above-described ion mixing method, in order to form the mixed layer and increase the adhesion strength between the film and the substrate, generally, a high energy ion species of several keV or more is irradiated, and this ion species is irradiated. The film must be penetrated into the substrate, and the irradiation of the high-energy ions causes damage to the formed film. That is, the film quality is deteriorated due to deterioration of crystallinity and the like. For this reason, although the formed film contains a large amount of c-BN, desired characteristics cannot be obtained with respect to hardness and abrasion resistance.
また、充分に高いエネルギーのイオンを照射して、基
材と膜との間に前記混合層を形成しても、この混合層の
働きのみによっては、切削工具や研磨工具などの使用に
耐え得る程の高い密着強度を望み得ない。また、工具の
使用中に、この工具が高温になると、その基材とホウ素
との反応により基材の劣化を招いたり、膜と基材との熱
膨張率の差によって膜の剥離が生じたりなどの事態が生
じる。In addition, even if the mixed layer is formed between the substrate and the film by irradiating ions of sufficiently high energy, it can withstand use of a cutting tool, a polishing tool, or the like depending only on the function of the mixed layer. It is not possible to expect a high adhesion strength. In addition, if the temperature of the tool becomes high during use of the tool, the reaction between the base material and boron may cause deterioration of the base material, or a difference in the coefficient of thermal expansion between the film and the base material may cause peeling of the film. Such a situation occurs.
この発明の目的は、上記の技術的課題を解決し、基材
に強固に密着するとともに、硬度および耐摩耗性に優れ
た窒化ホウ素膜およびその形成方法を提供することであ
る。An object of the present invention is to solve the above-mentioned technical problems and to provide a boron nitride film which is firmly adhered to a substrate and has excellent hardness and wear resistance, and a method for forming the same.
この発明の窒化ホウ素膜の形成方法は、基材表面に、
IV a族元素,V a族元素,VI a族元素，およびIV b族元素
のなかの少なくとも何れか一種の元素を含む物質の蒸着
と、不活性ガスイオン照射とを併用して中間層を形成
し、 この中間層上にホウ素を含む物質の蒸着と、窒素イオ
ン照射とを併用して窒化ホウ素層を形成することを特徴
とする。The method for forming a boron nitride film according to the present invention includes the steps of:
Intermediate layer is formed by vapor deposition of a substance containing at least one of the group IVa, group Va, group VIa, and group IVb elements and irradiation with inert gas ions Then, a boron nitride layer is formed on the intermediate layer by using both a deposition of a substance containing boron and irradiation with nitrogen ions.
第１図はこの発明の実施のために用いられる薄膜形成
装置の構成例を示す概念図である。窒化ホウ素膜を形成
すべき基材１はホルダ２表面に固定して配置され、この
基材１に対向して蒸発源３およびイオン源４が配置され
る。ホルダ2,蒸発源3,およびイオン源４などは図示しな
い真空槽内に収められており、この真空槽内は成膜に適
した圧力に保たれる。FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration example of a thin film forming apparatus used for carrying out the present invention. A substrate 1 on which a boron nitride film is to be formed is fixedly disposed on the surface of the holder 2, and an evaporation source 3 and an ion source 4 are disposed facing the substrate 1. The holder 2, the evaporation source 3, the ion source 4, and the like are housed in a vacuum chamber (not shown), and the vacuum chamber is maintained at a pressure suitable for film formation.
このような薄膜形成装置によって、先ず蒸発源３から
は、IV a族元素,V a族元素,VI a族元素，およびIV b族
元素のなかの少なくとも何れか一種の元素を含む物質が
蒸着させられる。この物質はたとえば、IV a族元素,V a
族元素,VI a族元素，およびIV b族元素のなかの１種の
元素のみを含むものであっても、IV a族元素,V a族元
素,VI a族元素，およびIV b族元素のなかの複数種の元
素を混合したものであってもよい。With such a thin film forming apparatus, first, a substance containing at least one of the group IVa element, the group Va element, the group VIa element and the group IVb element is deposited from the evaporation source 3. Can be This substance is, for example, a group IVa element, Va
Even if it contains only one of the group IV elements, group VIa elements, and group IVb elements, it is also possible to use group IVa, group Va, group VIa, and group IVb elements. A mixture of plural kinds of elements may be used.
そしてこのとき、イオン源４からは不活性ガスイオン
が基材１に向けて照射される。At this time, the inert gas ions are irradiated toward the substrate 1 from the ion source 4.
蒸発源３からの蒸発物の基材１への蒸着と、イオン源
４からのイオンの基材１への照射とは同時にまたは交互
に行われる。すなわち両者は併用される。これによっ
て、基材１表面には蒸発源３からの蒸発物とイオン源４
からのイオンとを含む中間層が形成される。The vapor deposition of the evaporant from the evaporation source 3 onto the substrate 1 and the irradiation of ions from the ion source 4 onto the substrate 1 are performed simultaneously or alternately. That is, both are used in combination. Thereby, the evaporant from the evaporation source 3 and the ion source 4
And an intermediate layer containing ions from the substrate.
この中間層の形成の後には、蒸発源３からは、ホウ素
またはホウ素を含む化合物が蒸発させられる。そしてイ
オン源４からは窒素イオンが照射される。蒸発源３から
の蒸発物の基材１への蒸着と、イオン源４からの窒素イ
オンの照射とは同時にまたは交互に行われる。このよう
にして、前記中間層上に窒化ホウ素層が形成される。After the formation of the intermediate layer, boron or a compound containing boron is evaporated from the evaporation source 3. Then, nitrogen ions are irradiated from the ion source 4. Evaporation of the evaporant from the evaporation source 3 onto the substrate 1 and irradiation of nitrogen ions from the ion source 4 are performed simultaneously or alternately. Thus, a boron nitride layer is formed on the intermediate layer.
上述のようにして、基材１の表面に中間層と窒化ホウ
素層とを備えた窒化ホウ素層が形成されることになる
が、たとえばIV a族元素であるTiやZrは活性度が高く、
金属とセラミックスとの接合などを強固にさせる働きを
有しており、このTiやZrを用いて前記中間層を形成すれ
ば、基材１と前記窒化ホウ素層との間の密着強度を高め
ることができる。As described above, a boron nitride layer including an intermediate layer and a boron nitride layer is formed on the surface of the base material 1. For example, Ti or Zr, which is a group IVa element, has high activity,
It has the function of strengthening the bonding between metal and ceramics, etc. If the intermediate layer is formed using Ti or Zr, the adhesion strength between the base material 1 and the boron nitride layer can be increased. Can be.
また、上述のように中間層形成の際には、不活性ガス
イオンの照射が併用されるので、この不活性ガスイオン
が蒸着源からの蒸発物（TiやZrを含むもの。）を基材１
内に押し込み、また不活性ガスイオンが基材１内に注入
されたりなどして、基材１の表面では、この基材１の材
料と蒸着源からの蒸発物と不活性ガスイオンとが混合さ
れた第１の混合層が形成されることになる。この第１の
混合層の働きによって、前記中間層の基材１表面への密
着がさらに強固なものとなる。In addition, as described above, irradiation of inert gas ions is also used in the formation of the intermediate layer, so that the inert gas ions are used as a base material for evaporating substances (including Ti and Zr) from a deposition source. 1
The inert gas ions are injected into the substrate 1 and the inert gas ions are mixed with the material of the substrate 1, the evaporant from the evaporation source, and the inert gas ions on the surface of the substrate 1. The first mixed layer thus formed is formed. Due to the function of the first mixed layer, the adhesion of the intermediate layer to the surface of the substrate 1 is further strengthened.
そして、窒化ホウ素層の形成の際には、ホウ素を含む
物質を蒸発源３から蒸発させ、イオン源４からは窒素イ
オンを照射するようにしているので、この窒化ホウ素層
と前記中間層のとの界面には、前記中間層の材料と窒素
とホウ素とを含む第２の混合層が形成され、この第２の
混合層の働きにより、両者を強固に密着させることがで
きる。When the boron nitride layer is formed, the substance containing boron is evaporated from the evaporation source 3 and the ion source 4 is irradiated with nitrogen ions. A second mixed layer containing the material of the intermediate layer, nitrogen and boron is formed at the interface, and the function of the second mixed layer allows the two to be firmly adhered to each other.
このようにして、中間層および窒化ホウ素層を備えた
窒化ホウ素膜は全体として基材１の表面に強固に密着す
ることになり、たとえばこのような窒化ホウ素膜を被覆
膜として用いた切削工具などでは、基材と被覆膜との間
の熱膨張率の差があっても、使用時の温度上昇によって
前記被覆膜が剥離などすることはない。このような効果
はIV a族元素に関して確認されているとともに、V a族
元素,VI a族元素，またはIV b族元素を上記中間層の形
成のために用いた場合にも同様であることが確認されて
いる。In this way, the boron nitride film provided with the intermediate layer and the boron nitride layer is firmly adhered to the surface of the substrate 1 as a whole. For example, a cutting tool using such a boron nitride film as a coating film In such a case, even if there is a difference in the coefficient of thermal expansion between the substrate and the coating film, the coating film does not peel off due to a temperature rise during use. Such effects have been confirmed for Group IVa elements, and may be the same when Group Va, Group VIa, or Group IVb elements are used to form the intermediate layer. Has been confirmed.
また、たとえば基材の表面に直接に窒化ホウ素を堆積
させる場合には、形成される窒化ホウ素膜は、基材との
結晶の格子サイズの違いによる影響を受け、窒化ホウ素
膜がアモルファス化したり、剥離が生じたり、または立
方晶の窒化ホウ素が形成されなかったりする。たとえ
ば、Ti（IV a族）,Nb（V a族）,Mo（VI a族），およびS
i（IV b族）元素などでは、これらと窒素元素との化合
物を形成すると、その結晶は立方晶型結晶構造となる。
この発明では、基材と窒化ホウ素層との間にIV a族元
素,V a族元素,VI a族元素，およびIV b族元素のなかの
少なくとも何れか一種の元素を含む中間層を介在させる
ようにしており、しかもこの中間層と窒化ホウ素層との
間には前記第２の混合層が形成されるので、この第２の
混合層は立方晶型結晶構造を有することができ、したが
ってこの第２の混合層上に堆積される窒化ホウ素層は立
方晶の結晶構造となりやすい。Further, for example, when boron nitride is directly deposited on the surface of the base material, the formed boron nitride film is affected by the difference in the crystal lattice size from the base material, and the boron nitride film becomes amorphous or Exfoliation occurs or cubic boron nitride is not formed. For example, Ti (Group IVa), Nb (Group Va), Mo (Group VIa), and S
In the case of the i (IV group) element and the like, when a compound of these and a nitrogen element is formed, the crystal has a cubic crystal structure.
In the present invention, an intermediate layer containing at least one of the group IVa element, group Va element, group VIa element and group IVb element is interposed between the base material and the boron nitride layer. And the second mixed layer is formed between the intermediate layer and the boron nitride layer, so that the second mixed layer can have a cubic crystal structure. The boron nitride layer deposited on the second mixed layer tends to have a cubic crystal structure.
なお、前記中間層の形成の際に、イオン源４から窒素
ガスイオンや酸素ガスイオンを照射することも考えられ
るが、窒素ガスや酸素ガスを用いると中間層が窒化物や
酸化物となり、たとえば中間層の形成にTiを用いるとき
にはこの中間層が窒化チタンや酸化チタンで構成される
ことになって、Tiの活性度が低下し、これによってこの
中間層と窒化ホウ素層との濡れ性の劣化を招き、結果と
して窒化ホウ素層と中間層との間で充分な密着強度を得
られなくなるおそれがある。In forming the intermediate layer, irradiation of nitrogen gas ions or oxygen gas ions from the ion source 4 may be considered. However, when nitrogen gas or oxygen gas is used, the intermediate layer becomes a nitride or an oxide. When Ti is used to form the intermediate layer, the intermediate layer is composed of titanium nitride or titanium oxide, which reduces the activity of Ti, thereby deteriorating the wettability between the intermediate layer and the boron nitride layer. As a result, sufficient adhesion strength between the boron nitride layer and the intermediate layer may not be obtained.
Ti以外の他の元素を中間層に用いるときも同様であっ
て、中間層の基材および窒化ホウ素層への拡散作用によ
って密着強度の向上を図るためには、中間層は化合物で
ないことが好ましい。そのためには、中間層の形成時
に、イオン源４からは不活性ガスイオンを照射させるこ
とが最適であり、また蒸発源３からの蒸発物も窒化物や
酸化物でないことが好ましい。The same applies when other elements other than Ti are used for the intermediate layer, and in order to improve the adhesion strength by the action of diffusing the intermediate layer into the base material and the boron nitride layer, the intermediate layer is preferably not a compound. . For this purpose, it is optimal to irradiate the inert gas ions from the ion source 4 when forming the intermediate layer, and it is preferable that the evaporation from the evaporation source 3 is not a nitride or an oxide.
また窒化ホウ素層の形成時に、イオン源４から照射さ
れる窒素イオンの加速エネルギーは5keV未満の範囲であ
ることが好ましく、これ以上の加速エネルギーでは、形
成された膜の結晶性が悪くなったり、窒素イオンによる
膜のスパッタ作用が大きくなったりして良質の膜が得ら
れなくなる可能性がある。なお窒化ホウ素層と中間層と
の間の密着強度は上記の加速エネルギー（5keV）で充分
大きくすることができる。このように、比較的低エネル
ギーの窒素イオンの照射によって、膜質の良好な窒化ホ
ウ素層を中間層上に強固に密着して形成することができ
る。In forming the boron nitride layer, the acceleration energy of the nitrogen ions irradiated from the ion source 4 is preferably in a range of less than 5 keV, and if the acceleration energy is higher than this, the crystallinity of the formed film may deteriorate, There is a possibility that a high quality film cannot be obtained due to an increase in the sputtering effect of the film due to nitrogen ions. Note that the adhesion strength between the boron nitride layer and the intermediate layer can be sufficiently increased by the above-described acceleration energy (5 keV). As described above, a boron nitride layer having good film quality can be formed firmly and tightly on the intermediate layer by irradiation with nitrogen ions of relatively low energy.
また窒化ホウ素層の形成時に、中間層上に蒸着される
ホウ素と照射される窒素イオンとの組成比（ホウ素／窒
素イオン粒子比）は、たとえば0.2〜20程度の範囲に選
ぶのが好ましい。In forming the boron nitride layer, the composition ratio (boron / nitrogen ion particle ratio) of boron deposited on the intermediate layer and irradiated nitrogen ions is preferably selected to be, for example, in the range of about 0.2 to 20.
〔実施例１〕 基材としてタングステン・カーバイドを主成分とする
超硬合金材料を用い、この基材に対してTiの蒸着と不活
性ガスイオンであるArイオン照射とを同時に行って約50
0Åの中間層を形成した。この中間層上にホウ素の蒸着
と窒化イオン照射とを同時に行って窒化ホウ素層を約１
μｍ堆積させた。このようにして形成した窒化ホウ素膜
の5g荷重ヌープ硬度は4000kg/mm2であった。Example 1 A cemented carbide material containing tungsten carbide as a main component was used as a base material, and Ti vapor deposition and Ar ion irradiation as an inert gas ion were simultaneously performed on the base material for about 50 minutes.
An intermediate layer of 0 ° was formed. On this intermediate layer, the deposition of boron and the irradiation of nitride ions are simultaneously performed to form a boron nitride layer of about 1 nm.
μm was deposited. The 5 g load Knoop hardness of the boron nitride film thus formed was 4000 kg / mm 2 .
中間層の形成の際のArイオンの加速エネルギーは20ke
Vとした。一般には0.1〜40keVの範囲に選ばれ、好まし
くは５〜20keVの範囲に選ぶとよい。このときのTiの蒸
着速度は、Arの加速エネルギーに対してそのスパッタ率
を考慮して適宜選ぶことができ、上述の例では約４Å／
秒とした。また、中間層の膜厚は10〜1000Åの範囲で適
宜選ばれる。The acceleration energy of Ar ions during the formation of the intermediate layer is 20 ke
V. Generally, it is selected in the range of 0.1 to 40 keV, preferably in the range of 5 to 20 keV. The deposition rate of Ti at this time can be appropriately selected in consideration of the sputtering rate with respect to the acceleration energy of Ar.
Seconds. The thickness of the intermediate layer is appropriately selected within the range of 10 to 1000 °.
上記中間層の形成に関する各パラメータは、成膜中に
注入されるArイオンの個数が、１×1010個/cm2〜１×10
20個/cm2となるように調整されることが望ましく、より
好ましくは上記注入されるArイオンの個数が１×1014個
/cm2〜１×1018個/cm2となるように上記各パラメータが
調整されるとよい。The parameters relating to the formation of the intermediate layer are as follows: the number of Ar ions implanted during film formation is 1 × 10 10 / cm 2 to 1 × 10
It is desirable to be adjusted to be 20 / cm 2, more preferably 10 14 the number of implanted Ar ions 1 ×
Each of the above parameters is preferably adjusted so as to be / cm 2 to 1 × 10 18 pieces / cm 2 .
またこの実施例において窒化ホウ素層の形成の際に
は、窒素イオンの加速エネルギーは0.2keVとし、組成比
（ホウ素／窒素粒子比）は１とした。In this example, when forming the boron nitride layer, the acceleration energy of nitrogen ions was 0.2 keV, and the composition ratio (boron / nitrogen particle ratio) was 1.
本件発明者らは、この実施例に従って作成された試料
と、同様な条件で中間層を設けずに窒化ホウ素膜を基材
上に形成した試料とに関して、各窒化ホウ素膜と基材と
の間の密着強度の比較のための引張試験を行っている。
この結果、中間層を設けない試料では密着強度が1kg/mm
2であったのに対し、この実施例に従って作成した試料
では窒化ホウ素膜の密着強度は6kg/mm2であった。この
結果から、この実施例によれば、窒化ホウ素膜の基材に
対する密着強度を格段に向上することができることが理
解される。The inventors of the present invention have found that a sample prepared according to this example and a sample in which a boron nitride film is formed on a substrate without providing an intermediate layer under the same conditions have a gap between each boron nitride film and the substrate. Are subjected to a tensile test for comparison of the adhesion strength.
As a result, the adhesion strength of the sample without the intermediate layer was 1 kg / mm.
In contrast to 2 , the adhesion strength of the boron nitride film was 6 kg / mm 2 in the sample prepared according to this example. From this result, it is understood that according to this example, the adhesion strength of the boron nitride film to the substrate can be remarkably improved.
〔実施例２〕 サーメット工具表面に、Cr（VI a族元素）の蒸着と、
不活性ガスイオン照射とを同時に行って上記サーメット
工具表面に中間層を形成し、この中間層上に上記実施例
１の場合と同様にして窒化ホウ素層を形成して、サーメ
ット工具を窒化ホウ素膜で被覆した。Example 2 Evaporation of Cr (Group VIa Element) on Cermet Tool Surface
Irradiation with inert gas ions is performed at the same time to form an intermediate layer on the surface of the cermet tool, and a boron nitride layer is formed on the intermediate layer in the same manner as in Example 1 above. Covered.
また、比較のために、上記中間層をCr蒸着のみによっ
て形成した第１の試料と、上記中間層をCrの蒸着と同時
に窒素イオンを照射して形成した第２の試料とを作製し
た。For comparison, a first sample in which the intermediate layer was formed only by Cr vapor deposition and a second sample in which the intermediate layer was formed by irradiating nitrogen ions simultaneously with the Cr vapor deposition were prepared.
そして、各サーメット工具に関して、窒化ホウ素膜の
密着強度の測定のための引張試験を行った。この結果、
この実施例に従って窒化ホウ素膜を形成したサーメット
工具では、前記窒化ホウ素膜の密着強度は6kg/mm2であ
ったのに対し、上記第１の試料では2kg/mm2であり、第
２の試料では1kg/mm2であった。これにより、中間層の
形成には不活性ガスイオンの照射の併用が効果的である
ことが判る。Then, for each cermet tool, a tensile test for measuring the adhesion strength of the boron nitride film was performed. As a result,
In the cermet tool formed with the boron nitride film according to this embodiment, the adhesion strength of the boron nitride film was 6 kg / mm 2 , while the first sample was 2 kg / mm 2 , and the second sample Was 1 kg / mm 2 . This indicates that the use of the inert gas ion irradiation is effective for the formation of the intermediate layer.
またこの実施例に従って形成した窒化ホウ素膜を被覆
膜とした工具では、その使用時の発熱にもかかわらず、
ホウ素の基材中への拡散による基材の脆化が観測され
ず、さらに無被覆品に比較して数倍の切削性能の向上が
観測された。Further, in the case of the tool having the boron nitride film formed as a coating film formed according to this embodiment, despite the heat generated during its use,
No embrittlement of the substrate due to the diffusion of boron into the substrate was observed, and an improvement in cutting performance several times higher than that of the uncoated product was observed.
この発明の窒化ホウ素膜の形成方法により形成された
窒化ホウ素膜によれば、窒化ホウ素層と基材との間に
は、IV a族元素,V a族元素,VI a族元素，およびIV b族
元素のなかの少なくとも何れか一種の元素を含む中間層
が形成され、この中間層は基材および窒化ホウ素層に対
して活性であって、この両者を強固に密着させるととも
に、発熱によりホウ素が基材中に拡散することを防い
で、基材が脆化することを防いでいる。このようにし
て、密着強度に優れ、基材の脆化を防ぐことができる窒
化ホウ素膜が実現され、このような窒化ホウ素膜は切削
工具などの被覆材として極めて有用である。According to the boron nitride film formed by the method for forming a boron nitride film of the present invention, a group IVa element, a group Va element, a group VIa element and a group IVb are provided between the boron nitride layer and the base material. An intermediate layer containing at least one of the group III elements is formed, and this intermediate layer is active with respect to the base material and the boron nitride layer. By preventing diffusion into the substrate, the substrate is prevented from becoming brittle. Thus, a boron nitride film having excellent adhesion strength and capable of preventing embrittlement of the base material is realized, and such a boron nitride film is extremely useful as a coating material for a cutting tool or the like.
とくに前記窒化ホウ素膜において、前記基材と前記中
間層との界面に、前記基材の材料と前記中間層の材料と
からなる第１の混合層を形成し、また前記中間層と前記
窒化ホウ素層との界面に、前記中間層の材料と窒素とホ
ウ素とを含む第２の混合層を形成しているため、基材と
中間層との間および中間層と窒化ホウ素層との間の各密
着強度をさらに向上することができるとともに、窒化ホ
ウ素層の結晶性を良好なものとして、窒化ホウ素層の硬
度の向上をも図ることができる。Particularly, in the boron nitride film, a first mixed layer made of the material of the base material and the material of the intermediate layer is formed at the interface between the base material and the intermediate layer, and the intermediate layer and the boron nitride Since the second mixed layer containing the material of the intermediate layer, nitrogen, and boron is formed at the interface with the layer, each of the layers between the base material and the intermediate layer and between the intermediate layer and the boron nitride layer is formed. The adhesion strength can be further improved, and the crystallinity of the boron nitride layer can be improved, so that the hardness of the boron nitride layer can be improved.
また、この発明の窒化ホウ素膜の形成方法によれば、
上記中間層はIV a族元素,V a族元素,VI a族元素，およ
びIV b族元素のなかの少なくとも何れか一種の元素を含
む物質の蒸着と、不活性ガスイオンの照射とを併用する
ようにして基材表面に形成されるので、その形成の際に
は基材表面において上記第１の混合層が形成され、この
第１の混合層の働きにより前記中間層は基材に対して強
固に密着することになる。According to the method for forming a boron nitride film of the present invention,
The intermediate layer uses a combination of vapor deposition of a substance containing at least one of group IVa, group Va, group VIa, and group IVb elements and irradiation with inert gas ions. Thus, the first mixed layer is formed on the surface of the base material during the formation, and the intermediate layer is formed on the base material by the action of the first mixed layer. It will adhere tightly.
そして、この中間層上に窒化ホウ素層を形成するとき
には、ホウ素を含む物質の蒸着と窒素イオンの照射と併
用されるので、中間層表面では上記第２の混合層が形成
され、この第２の混合層の働きによって前記窒化ホウ素
層は中間層に対して強固に密着することになる。このよ
うにして、中間層と窒化ホウ素層とで構成した窒化ホウ
素膜は基材に対して強固に密着する。When the boron nitride layer is formed on the intermediate layer, the second mixed layer is formed on the surface of the intermediate layer because the deposition of a substance containing boron and the irradiation of nitrogen ions are used in combination. By the function of the mixed layer, the boron nitride layer firmly adheres to the intermediate layer. Thus, the boron nitride film composed of the intermediate layer and the boron nitride layer firmly adheres to the base material.
さらに、前記中間層上に形成される第２の混合層に
は、窒素元素と、IV a族元素,V a族元素,VI a族元素，
およびIV b族元素のなかの少なくとも何れか一種の元素
との化合物が含まれており、この化合物は立方晶結晶構
造となるので、前記第２の混合層上に形成される窒化ホ
ウ素層には立方晶の窒化ホウ素を多く含ませることがで
きるようになる。しかも、窒化ホウ素層の形成の際に照
射される窒素イオンが比較的低エネルギーであっても、
活性な中間層の働きにより、この中間層と窒化ホウ素層
との間を強固に密着させることができ、したがって窒化
ホウ素層は良好な結晶性を有することができる。このよ
うにして、前記窒化ホウ素層は硬度および耐摩耗性にお
いて極めて優れたものとなる。Further, the second mixed layer formed on the intermediate layer includes a nitrogen element, a group IVa element, a group Va element, a group VIa element,
And a compound with at least one element of the group IVb elements, and since this compound has a cubic crystal structure, the boron nitride layer formed on the second mixed layer is A large amount of cubic boron nitride can be contained. Moreover, even if the nitrogen ions irradiated during the formation of the boron nitride layer have a relatively low energy,
Due to the function of the active intermediate layer, the intermediate layer and the boron nitride layer can be firmly adhered to each other, so that the boron nitride layer can have good crystallinity. Thus, the boron nitride layer is extremely excellent in hardness and wear resistance.
第１図はこの発明の実施のために用いられる薄膜形成装
置の構成例を示す概念図である。 １……基材、３……蒸発源、４……イオン源FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration example of a thin film forming apparatus used for carrying out the present invention. 1 ... substrate, 3 ... evaporation source, 4 ... ion source
フロントページの続き (72)発明者 村松 智 京都府京都市右京区梅津高畝町47番地 日新電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−164869（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−76662（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58Continuation of front page (72) Inventor Satoshi Muramatsu 47-Umezu Takaune-cho, Ukyo-ku, Kyoto-shi, Nissin Electric Co., Ltd. (56) References JP-A-62-164869 (JP, A) JP-A-61-76662 ( JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) C23C 14/00-14/58
Claims (1)
族元素，およびIV b族元素のなかの少なくとも何れか一
種の元素を含む物質の蒸着と、不活性ガスイオン照射と
を併用して中間層を形成し、 この中間層上にホウ素を含む物質の蒸着と、窒素イオン
照射とを併用して窒化ホウ素層を形成することを特徴と
する窒化ホウ素膜の形成方法。(1) a group IVa element, a group Va element, a group VIa
An intermediate layer is formed by a combination of vapor deposition of a substance containing at least one of the group IV elements and group IVb elements and irradiation with an inert gas ion, and forming a boron-containing substance on the intermediate layer. A method for forming a boron nitride film, comprising forming a boron nitride layer by using both vapor deposition and nitrogen ion irradiation.
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|---|---|
| JPH02236268A JPH02236268A (en) | 1990-09-19 |
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| JP (1) | JP2789651B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140088243A (en) * | 2012-12-28 | 2014-07-09 | 재단법인 포항산업과학연구원 | Injection mold including thin film having high adhesion and manufacturing method for the same |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1989
- 1989-03-07 JP JP1056675A patent/JP2789651B2/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140088243A (en) * | 2012-12-28 | 2014-07-09 | 재단법인 포항산업과학연구원 | Injection mold including thin film having high adhesion and manufacturing method for the same |
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| JPH02236268A (en) | 1990-09-19 |
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