JP3121435B2 - 薄膜形成方法 - Google Patents
薄膜形成方法Info
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- JP3121435B2 JP3121435B2 JP04124186A JP12418692A JP3121435B2 JP 3121435 B2 JP3121435 B2 JP 3121435B2 JP 04124186 A JP04124186 A JP 04124186A JP 12418692 A JP12418692 A JP 12418692A JP 3121435 B2 JP3121435 B2 JP 3121435B2
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、構造材料や機械部品な
どの表面に、耐摩耗性や耐食性に優れた窒化チタン薄膜
を形成するための方法に関するものである。
どの表面に、耐摩耗性や耐食性に優れた窒化チタン薄膜
を形成するための方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】材料の耐摩耗性や耐食性を向上させるた
めに、その表面に窒素イオンビームとチタン蒸着との併
用により窒化チタン薄膜を成膜させる試みは、例えば特
開平1ー168857号公報に於て、Ti2N結晶を含
む窒化チタン膜の形成方法として提案されている。
めに、その表面に窒素イオンビームとチタン蒸着との併
用により窒化チタン薄膜を成膜させる試みは、例えば特
開平1ー168857号公報に於て、Ti2N結晶を含
む窒化チタン膜の形成方法として提案されている。
【0003】しかしながら、Ti2N結晶は、定比性の
TiN結晶と比較すると熱的安定性に劣るために、Ti
2N結晶を含む窒化チタン膜を強い力が作用する摺動部
分、特に高速摺動部分などの苛酷な使用条件下に置かれ
る部分に適用した場合、摩擦により発生する熱によって
Ti2N結晶が不安定になり、薄膜の耐久性が劣化する
という欠点があった。また、特開平1ー168856号
公報には、TiN薄膜の形成条件について窒素イオン電
流密度、チタン蒸着速度、窒素イオン全投入量及びチタ
ン全蒸着量の範囲を規定したものが開示されているが、
その条件範囲が広く、実際には高品質のTiN薄膜を安
定に再現性良く得ることが困難であった。
TiN結晶と比較すると熱的安定性に劣るために、Ti
2N結晶を含む窒化チタン膜を強い力が作用する摺動部
分、特に高速摺動部分などの苛酷な使用条件下に置かれ
る部分に適用した場合、摩擦により発生する熱によって
Ti2N結晶が不安定になり、薄膜の耐久性が劣化する
という欠点があった。また、特開平1ー168856号
公報には、TiN薄膜の形成条件について窒素イオン電
流密度、チタン蒸着速度、窒素イオン全投入量及びチタ
ン全蒸着量の範囲を規定したものが開示されているが、
その条件範囲が広く、実際には高品質のTiN薄膜を安
定に再現性良く得ることが困難であった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記したよう
な従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、その主
な目的は、チタン蒸着と窒素イオンビーム照射とにより
窒化チタン薄膜を形成する方法に於て、苛酷な摺動環境
にも耐え得る定比性のTiN単相よりなる窒化チタン薄
膜を再現性良く安定に形成することが可能な薄膜形成方
法を提供することにある。
な従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、その主
な目的は、チタン蒸着と窒素イオンビーム照射とにより
窒化チタン薄膜を形成する方法に於て、苛酷な摺動環境
にも耐え得る定比性のTiN単相よりなる窒化チタン薄
膜を再現性良く安定に形成することが可能な薄膜形成方
法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上述の問題点を解決する
ために、発明者らは、チタン蒸着と窒素イオンビーム照
射とによる窒化チタン薄膜の形成条件について詳細な検
討を行った。その結果、被処理材に到達するチタン原子
と窒素イオンとの比率を正確に制御することで、定比性
のTiN単相よりなる窒化チタン薄膜を形成することが
できることがわかった。即ち、定比性の窒化チタンを形
成するために被処理材に到達するチタン原子と窒素イオ
ンとの比を例えば1対1に設定すると、チタンが窒素と
の反応性が非常に高いことから雰囲気から余分な窒素を
取り込んでしまう。従って、この取り込み窒素量を考慮
してチタン蒸着量を補正しないと定比性のTiN単相か
らなる窒化チタン薄膜が形成できない。また、逆にチタ
ンの蒸着量を大きくしすぎると、Ti2Nや金属チタン
が含まれる窒化チタン薄膜となってしまい、同様にTi
N単相の窒化チタン薄膜が形成できない。
ために、発明者らは、チタン蒸着と窒素イオンビーム照
射とによる窒化チタン薄膜の形成条件について詳細な検
討を行った。その結果、被処理材に到達するチタン原子
と窒素イオンとの比率を正確に制御することで、定比性
のTiN単相よりなる窒化チタン薄膜を形成することが
できることがわかった。即ち、定比性の窒化チタンを形
成するために被処理材に到達するチタン原子と窒素イオ
ンとの比を例えば1対1に設定すると、チタンが窒素と
の反応性が非常に高いことから雰囲気から余分な窒素を
取り込んでしまう。従って、この取り込み窒素量を考慮
してチタン蒸着量を補正しないと定比性のTiN単相か
らなる窒化チタン薄膜が形成できない。また、逆にチタ
ンの蒸着量を大きくしすぎると、Ti2Nや金属チタン
が含まれる窒化チタン薄膜となってしまい、同様にTi
N単相の窒化チタン薄膜が形成できない。
【0006】そこで、本発明ではチタン蒸着と窒素イオ
ンビーム照射との併用により窒化チタン薄膜を形成する
方法に於て、被処理材に到達するチタン原子の窒素イオ
ンに対する比率(Ti原子数/Nイオン数)を1.5以
上であって、かつ2.0以下となるようにチタン蒸着速
度と窒素イオン電流とを設定することにより、定比性の
TiN単相からなる窒化チタン薄膜を形成する。
ンビーム照射との併用により窒化チタン薄膜を形成する
方法に於て、被処理材に到達するチタン原子の窒素イオ
ンに対する比率(Ti原子数/Nイオン数)を1.5以
上であって、かつ2.0以下となるようにチタン蒸着速
度と窒素イオン電流とを設定することにより、定比性の
TiN単相からなる窒化チタン薄膜を形成する。
【0007】
【作用】本発明の詳細な構成を図面を用いて説明する。
図1は本発明に基づく装置構成の一例を示す。処理チャ
ンバー1には、試料ホルダー2、イオン源3、蒸着源4
が取付けられている。この試料ホルダー2に被処理材5
を取り付け、処理チャンバー1を真空排気し、所定の真
空度(代表的には1×10-6torr以下)に達したと
ころで成膜を開始する。このとき、成膜直前に窒素イオ
ンビームやアルゴンイオンビームによるイオンボンバー
ドメントなど、被処理材5の成膜前処理を行った後に窒
化チタン膜を成膜すると皮膜の密着性が更に向上する。
このイオンボンバードメント用のイオン源としては、イ
オン源3を用いても良いし、専用のイオン源を処理チャ
ンバー1に別途設置しても良い。
図1は本発明に基づく装置構成の一例を示す。処理チャ
ンバー1には、試料ホルダー2、イオン源3、蒸着源4
が取付けられている。この試料ホルダー2に被処理材5
を取り付け、処理チャンバー1を真空排気し、所定の真
空度(代表的には1×10-6torr以下)に達したと
ころで成膜を開始する。このとき、成膜直前に窒素イオ
ンビームやアルゴンイオンビームによるイオンボンバー
ドメントなど、被処理材5の成膜前処理を行った後に窒
化チタン膜を成膜すると皮膜の密着性が更に向上する。
このイオンボンバードメント用のイオン源としては、イ
オン源3を用いても良いし、専用のイオン源を処理チャ
ンバー1に別途設置しても良い。
【0008】次に、イオン源3および蒸着源4を起動
し、窒素イオンビームとチタン蒸気とを発生させる。こ
のとき、被処理材5に到達するチタン原子の窒素イオン
に対する比率(Ti原子数/Nイオン数)が1.5以上
であって、かつ2.0以下となるようにチタン蒸着速度
と窒素イオンビーム電流とを設定する。この理由は、チ
タンの窒素との反応性が非常に高く、イオン源3からリ
ークした窒素ガスが処理チャンバー1内に存在する状態
でチタン蒸着を行うと、チタン蒸気および皮膜は雰囲気
ガスから窒素を必ず取り込むため、この雰囲気から取り
込む窒素量を考慮しければならないためである。チタン
原子と窒素イオンとの比率が1.5未満では、雰囲気ガ
スからの窒素の取り込みのために、またイオンビームと
して供給される窒素原子数に対して蒸着で供給されるチ
タン原子数が少ないために、窒素を過剰に含む窒化チタ
ン膜が形成される。この余分な窒素原子は、窒化チタン
結晶の格子間位置や結晶粒界に入り込み、皮膜の機械的
特性を劣化させるため、皮膜は耐摩耗性が不十分なもの
となってしまう。また、チタン原子と窒素イオンとの比
率が2.0を超えると、イオンビーム及び雰囲気から供
給される窒素量が少なく、薄膜中のチタンが過剰にな
り、定比性の窒化チタン(TiN)の中に金属チタンや
Ti2Nが形成される。これら金属チタンやTi2Nが混
在すると、薄膜の摩擦係数の上昇や摺動中の凝着を引き
起こすばかりでなく、苛酷な摺動環境での耐久性を劣化
させる。
し、窒素イオンビームとチタン蒸気とを発生させる。こ
のとき、被処理材5に到達するチタン原子の窒素イオン
に対する比率(Ti原子数/Nイオン数)が1.5以上
であって、かつ2.0以下となるようにチタン蒸着速度
と窒素イオンビーム電流とを設定する。この理由は、チ
タンの窒素との反応性が非常に高く、イオン源3からリ
ークした窒素ガスが処理チャンバー1内に存在する状態
でチタン蒸着を行うと、チタン蒸気および皮膜は雰囲気
ガスから窒素を必ず取り込むため、この雰囲気から取り
込む窒素量を考慮しければならないためである。チタン
原子と窒素イオンとの比率が1.5未満では、雰囲気ガ
スからの窒素の取り込みのために、またイオンビームと
して供給される窒素原子数に対して蒸着で供給されるチ
タン原子数が少ないために、窒素を過剰に含む窒化チタ
ン膜が形成される。この余分な窒素原子は、窒化チタン
結晶の格子間位置や結晶粒界に入り込み、皮膜の機械的
特性を劣化させるため、皮膜は耐摩耗性が不十分なもの
となってしまう。また、チタン原子と窒素イオンとの比
率が2.0を超えると、イオンビーム及び雰囲気から供
給される窒素量が少なく、薄膜中のチタンが過剰にな
り、定比性の窒化チタン(TiN)の中に金属チタンや
Ti2Nが形成される。これら金属チタンやTi2Nが混
在すると、薄膜の摩擦係数の上昇や摺動中の凝着を引き
起こすばかりでなく、苛酷な摺動環境での耐久性を劣化
させる。
【0009】チタンの被処理材上での蒸着速度は、0.
5オングストローム/秒以上であって、かつ50オング
ストローム/秒以下とすると良い。蒸着速度が0.5オ
ングストローム/秒未満では、成膜時間が長くなり実用
的でないこと及び処理チャンバー1内に残存する不純物
の膜中への取り込みが相対的に大きくなり、膜質が低下
する。一方、50オングストローム/秒を超えるような
蒸着速度では安定な蒸着を行うことが困難であり、また
蒸着速度が50オングストローム/秒を超えると適正な
チタン原子と窒素イオンとの比を得るのに必要な窒素イ
オンビーム電流が大きくなることからビーム加熱による
被処理材の温度上昇を抑える必要が生じ、被処理材の温
度制御装置など複雑な機構が必要となる。
5オングストローム/秒以上であって、かつ50オング
ストローム/秒以下とすると良い。蒸着速度が0.5オ
ングストローム/秒未満では、成膜時間が長くなり実用
的でないこと及び処理チャンバー1内に残存する不純物
の膜中への取り込みが相対的に大きくなり、膜質が低下
する。一方、50オングストローム/秒を超えるような
蒸着速度では安定な蒸着を行うことが困難であり、また
蒸着速度が50オングストローム/秒を超えると適正な
チタン原子と窒素イオンとの比を得るのに必要な窒素イ
オンビーム電流が大きくなることからビーム加熱による
被処理材の温度上昇を抑える必要が生じ、被処理材の温
度制御装置など複雑な機構が必要となる。
【0010】成膜中の処理チャンバー1内の圧力は、1
×10-5torr以上であって、かつ1×10-4tor
r以下とする。処理チャンバー1内圧力が1×10-5t
orr未満では、吸着によって皮膜に取り込まれる窒素
量が減少するために、定比性の窒化チタン(TiN)を
形成するのにイオンビーム電流を大きくする必要があ
り、これは被処理材の温度上昇を引き起こすために望ま
しくない。また大電流・大面積のイオンビームを発生す
るのに一般に用いられるバケット型イオン源やカウフマ
ン型イオン源の安定動作圧力が1×10-5torr以上
であることも処理チャンバー1内圧力の下限の設定理由
である。処理チャンバー1内圧力が1×10-4torr
を超えると、雰囲気の窒素分圧が高すぎて吸着によって
薄膜に取り込まれる窒素原子の数が多くなり、適正なチ
タン原子数と窒素イオン数との比を満足させるためにイ
オンビーム電流を小さくする必要があるため、イオンビ
ーム照射効果が小さくなり、窒化チタン薄膜の緻密さと
均質性および薄膜の密着性を十分に確保できない。
×10-5torr以上であって、かつ1×10-4tor
r以下とする。処理チャンバー1内圧力が1×10-5t
orr未満では、吸着によって皮膜に取り込まれる窒素
量が減少するために、定比性の窒化チタン(TiN)を
形成するのにイオンビーム電流を大きくする必要があ
り、これは被処理材の温度上昇を引き起こすために望ま
しくない。また大電流・大面積のイオンビームを発生す
るのに一般に用いられるバケット型イオン源やカウフマ
ン型イオン源の安定動作圧力が1×10-5torr以上
であることも処理チャンバー1内圧力の下限の設定理由
である。処理チャンバー1内圧力が1×10-4torr
を超えると、雰囲気の窒素分圧が高すぎて吸着によって
薄膜に取り込まれる窒素原子の数が多くなり、適正なチ
タン原子数と窒素イオン数との比を満足させるためにイ
オンビーム電流を小さくする必要があるため、イオンビ
ーム照射効果が小さくなり、窒化チタン薄膜の緻密さと
均質性および薄膜の密着性を十分に確保できない。
【0011】成膜温度としては、100℃以上であっ
て、かつ400℃以下となるように制御すると良い。成
膜温度が100℃未満では、基板上でのチタン原子の移
動が不十分でイオンビーム照射を行っても皮膜が十分に
緻密にならず、高い硬度が実現されない。また成膜温度
が400℃を超えるとチタン蒸気の付着量が減少するた
め、上記チタン原子と窒素イオンとの比を達成するため
に、多量にチタンを蒸発させる必要があり、蒸着材料の
歩留りが悪くなる。
て、かつ400℃以下となるように制御すると良い。成
膜温度が100℃未満では、基板上でのチタン原子の移
動が不十分でイオンビーム照射を行っても皮膜が十分に
緻密にならず、高い硬度が実現されない。また成膜温度
が400℃を超えるとチタン蒸気の付着量が減少するた
め、上記チタン原子と窒素イオンとの比を達成するため
に、多量にチタンを蒸発させる必要があり、蒸着材料の
歩留りが悪くなる。
【0012】用いるイオンビームの加速エネルギーは、
1keV以上であって、かつ50keV以下とすると良
い。イオンビームの加速エネルギーが1keV未満で
は、成膜初期の被処理材と膜との界面部の混合層が十分
形成されないために皮膜の密着性が不十分となり、イオ
ンビームの加速エネルギーが50keVを超えるとイオ
ン源が大型化し産業用プロセスとして実用的でなくな
る。
1keV以上であって、かつ50keV以下とすると良
い。イオンビームの加速エネルギーが1keV未満で
は、成膜初期の被処理材と膜との界面部の混合層が十分
形成されないために皮膜の密着性が不十分となり、イオ
ンビームの加速エネルギーが50keVを超えるとイオ
ン源が大型化し産業用プロセスとして実用的でなくな
る。
【0013】尚、チタンの蒸着には、真空蒸着法、スパ
ッタリング蒸着法、クラスターイオン蒸着法のいずれを
用いても良い。
ッタリング蒸着法、クラスターイオン蒸着法のいずれを
用いても良い。
【0014】
【実施例】軸受け鋼(SUJ2)に窒化チタン膜を形成
し、X線回折による結晶解析、皮膜硬度および耐摩耗性
を評価した。皮膜硬度はマイクロビッカース硬度計によ
り測定荷重10gfで測定し、摩耗量および摩擦係数は
ピンオンディスク試験により、荷重:1kgf、摺動速
度:10mm/秒、摺動距離:10km、相手ピン材
質:SUS440C、相手ピン径:5mmの条件で評価
した。窒化チタンの成膜条件は、窒素イオンエネルギ
ー:20kV、窒素イオンビーム電流:0.44mA/
cm2、窒素イオンビームに含まれる種:N+50%及び
N2 +50%、イオンビーム照射角度:被処理材法線方向
に対して45°、処理チャンバー圧力:1×10-5to
rr、成膜温度:200℃とし、基板に到達するチタン
原子の窒素イオンに対する比率(Ti原子数/Nイオン
数)を1.0から3.0まで0.25きざみで変化させ
て2ミクロン2膜厚に成膜した。
し、X線回折による結晶解析、皮膜硬度および耐摩耗性
を評価した。皮膜硬度はマイクロビッカース硬度計によ
り測定荷重10gfで測定し、摩耗量および摩擦係数は
ピンオンディスク試験により、荷重:1kgf、摺動速
度:10mm/秒、摺動距離:10km、相手ピン材
質:SUS440C、相手ピン径:5mmの条件で評価
した。窒化チタンの成膜条件は、窒素イオンエネルギ
ー:20kV、窒素イオンビーム電流:0.44mA/
cm2、窒素イオンビームに含まれる種:N+50%及び
N2 +50%、イオンビーム照射角度:被処理材法線方向
に対して45°、処理チャンバー圧力:1×10-5to
rr、成膜温度:200℃とし、基板に到達するチタン
原子の窒素イオンに対する比率(Ti原子数/Nイオン
数)を1.0から3.0まで0.25きざみで変化させ
て2ミクロン2膜厚に成膜した。
【0015】
【表1】
【0016】X線回折により同定された結晶、皮膜硬
度、摩耗量、摩擦係数を表1に示す。本発明による薄膜
形成方法で形成した皮膜が、硬度および耐摩耗性に於て
優れていることは明らかである。
度、摩耗量、摩擦係数を表1に示す。本発明による薄膜
形成方法で形成した皮膜が、硬度および耐摩耗性に於て
優れていることは明らかである。
【0017】
【発明の効果】このように本発明によれば、高硬度で密
着性に優れた定比性のTiN単相からなる窒化チタン膜
を再現性良く安定に形成することが可能である。
着性に優れた定比性のTiN単相からなる窒化チタン膜
を再現性良く安定に形成することが可能である。
【図1】本発明が適用された薄膜形成装置の構成例を示
す図。
す図。
1 処理チャンバー 2 試料ホルダー 3 イオン源 4 蒸着源 5 被処理材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 14/00 - 14/58
Claims (1)
- 【請求項1】 チタン蒸着と窒素イオンビーム照射の
併用により窒化チタン薄膜を形成する方法に於て、 被処理材に到達するチタン原子の窒素イオンに対する比
率(Ti原子数/Nイオン数)を1.5以上であって、
かつ2.0以下となるようにチタン蒸着速度と窒素イオ
ンビーム電流とを制御し、更に薄膜形成時の圧力を1×
10-5torr以上であって、かつ1×10-4torr
以下に制御し、更に成膜温度を100℃以上であって、
かつ400℃以下となるように制御することにより、定
比性のTiN単相からなる窒化チタン薄膜を形成するこ
とを特徴とする薄膜形成方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP04124186A JP3121435B2 (ja) | 1992-04-17 | 1992-04-17 | 薄膜形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP04124186A JP3121435B2 (ja) | 1992-04-17 | 1992-04-17 | 薄膜形成方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05295516A JPH05295516A (ja) | 1993-11-09 |
JP3121435B2 true JP3121435B2 (ja) | 2000-12-25 |
Family
ID=14879117
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP04124186A Expired - Fee Related JP3121435B2 (ja) | 1992-04-17 | 1992-04-17 | 薄膜形成方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3121435B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100512180B1 (ko) * | 2003-07-10 | 2005-09-02 | 삼성전자주식회사 | 자기 랜덤 엑세스 메모리 소자의 자기 터널 접합 및 그의형성방법 |
JPWO2021074953A1 (ja) * | 2019-10-15 | 2021-11-04 | 学校法人東海大学 | 成膜方法及び成膜装置 |
-
1992
- 1992-04-17 JP JP04124186A patent/JP3121435B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Publication date |
---|---|
JPH05295516A (ja) | 1993-11-09 |
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Legal Events
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---|---|---|---|
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