JPH03277768A - 高機能性薄膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は電気かみそり刃やその他の刃物に高硬度を有す
る材料の被膜を形成する方法、及び新機能を有する被膜
を形成する方法に関する。

（口）従来の技術 例えば、特開昭６１−１０６７６７号公報や、特開昭６
２−３８２号公報に、刃先に真空蒸着処理を施しながら
イオン注入処理を施し刃先表面に硬質の混合層を形成す
る技術が開示されている。

（ハ）発明が解決しようとする課題 ところが上記方法では、注入されるイオンによって真空
蒸着される金属原子が逆スパツタされてしまうので成膜
速度が遅くなるという間組点があった。

しかもこの方法では大きなエネルギーを有するイオンが
基板、若しくは母材に衝突するためその表面温度が高く
なり、これら基板成るいは母材の材料を制限するという
問題点もあった。

更に、従来の真空蒸着処理を施しながらイオン注入を施
すという方法で形成された被膜は、基板の種類によって
結晶性、配向性等の所謂膜質が決定され、又、これらの
膜質を制御するには、従来イオンビーム照射角やイオン
ビームエネルギー等のパラメータを変化させる方法しか
なく、制御が複雑で、且つ困難である欠点があった。

更に、低温化のみを考えると、単に常温で気体となる原
子の雰囲気中で金属原子を蒸発させたり、イオンビーム
等によりターゲット材料をスパッタして、高硬度材料を
形成する方法もあるが、この方法では基板と膜との密着
性が悪く、形成された膜にクラックや剥離が生じるとい
う欠点があった。

本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題
点に鑑み、基板との密着性を良好にした上、成膜速度を
上昇させると共に、基板表面の温度土性を抑える薄膜を
形成すること、及び該基板と薄膜との界面を制御するこ
とにより、膜質を変化させ、新しい機能をもった薄膜を
形成することである。

（ニ）課題を解決するための手段 第１の発明は薄膜を形成するための基板に向けて常温で
気体となる原子のイオンを照射すると同時に、蒸発源よ
り高硬度材料の原子を前記基板に向けて放射することに
よって、該基板の表面に前記イオンの作用を受けた高硬
度材料原子から成る第１薄膜層を形成する第１の工程と
、前記常温で気体となる原子の雰囲気中で前記蒸発源よ
り高硬度材料の原子を前記第１薄膜層に向けて放射する
ことによって該第１薄膜層の表面に第２薄膜層を形成す
る第２の工程と、よりなる高機能性薄膜の形成方法であ
る。

尚、望ましくは上記第１工程において、上記基板に到達
する常温で気体となる原子と高硬度材料の原子との到達
比を調整することによって上記第１薄膜層の膜質を制御
し、この第１薄膜層により上記第２薄膜層の膜質を制御
したり、成るいは上記第１工程と第２工程とをこの順序
で複数回繰り返し、上記基板表面に多層の薄膜を形成す
る。

（ホ）作用 第１工程において第１薄膜層の形成に用いられる方法は
、イオンのエネルギーを利用するため、真空蒸着される
原子が逆スパツタされ、成膜速度は遅くなり、長時間に
亘って実施すると基板の表面温度が異當に高くなってし
まうので、短時間で切り上げる。その代わりに第２工程
において、蒸発源のみを用いた第２薄膜層の形成方法を
用いて低温、且つ高速で膜を成長させる。この工程によ
り、第１薄膜層がアシストイオンエネルギーによって基
板と強固に密着する。

又、第１薄膜層と第２薄膜層とは同じ常温で気体となる
原子と高硬度材料原子とを用いて形成されるので剥離の
心配もなく、基板との密着性に関しても良好となる。

（へ）実施例 以下本発明の高機能薄膜の形成方法を電気かみそり刃に
対する窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）被膜の形成方法につ
いて図面を用いて詳細に説明する。

第１図は上記窒化ジルコニウムの薄膜を形成するための
真空蒸着及びイオン注入装置を示し、（１）は１０−’
　−１０−’Ｔｏｒｒに排気される真空チャンバ、（２
）は該真空チャンバ（１）内に配置され、図の矢印方向
に１０〜２０ｒｐｍの速度で回転可能にされた基板ホル
ダ、（３）は該ホルダ（２）に取り付けられたニッケル
（Ｎ１）の基板、（４）は電子ビームによってジルコニ
ウム（Ｚ　ｒ）原子を蒸発させ前記基板（３）に向けて
放射する蒸発源、（５）前記基板（３）の方向に窒素イ
オン（Ｎ゛）を放射するか、成るいは窒素ガス（Ｎ２）
を供給するかのいずれかを行うことができるアシストイ
オンガンである。

次に上記装置を用いて第２図に示すようなＮ１素材の表
面にＺｒＮ被膜を形成する本発明方法（以下Ｉ　ＣＶ　
Ｄ　＝　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　
ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法と略祢する）につい
て説明する。

先ず、真空チャンバ（］）内を１０−’　−１０−’Ｔ
ｏｒｒに排気し、アシストイオンガン（５）にＮ、ガス
を供給し、Ｎ′″イオンを取り出して、これを基板（３
）の表面に照射する。この時のＮ＋イオンの加速電圧は
、７００ｅＶ、イオン電流密度は０．３８ｍＡ／ｃｍ”
に設定した。

一方、Ｎ４イオンの照射と同時に蒸発源（４）を駆動し
、Ｚｒ原子を蒸発させて前記基板（３）の表面に放射す
る。この時のＺｒの蒸発速度は基板（３）上での成膜速
度に換算して６５０后ｍｉｎ、に設定−た。

以上の工程（第１工程）を３０秒から１程度度行い、基
板（３）の表面に膜厚０．０２５−０．０５ａｍのＺｒ
Ｎの第１薄膜層（６）を形成した。

次にＮ″１１イオン射を止めて、前記イオンガン（５）
よりＮ、ガスを前記チャンバ（１）内に供給すると共に
、このＮ、ガス雰囲気中で蒸発源（４）よりＺｒ原子を
基板（３）の表面に向かって放射した。この時のＺｒの
蒸発速度は基板（３）表面での成膜速度に換算して６５
０Ａ／ｍｉｎ、に設定した。

以上の工程（第２工程）を４分から４分３０秒程度行い
、前記ＺｒＮの第１薄膜層（６）の表面に、膜厚０．２
６〜０．２９ａｍを有するもう一層のＺｒＮの第２薄膜
層（７）を形成した。

以上の二つの工程の結果、基板（３）表面に成膜工程の
相異なる合計膜厚Ｏ１３ＩＩｍの２層のＺｒＮ被膜が形
成されることになる。

ところで、一般にアシストイオンを用いたときには基板
（３）での温度上昇が７℃／ｍｉｎ、、ガス雰囲気のみ
の利用では２℃／ｍｉｎ、である。

第３図に成膜時間に対応する基板（３）裏面温度を、特
定のエネルギーを持ったアシストイオンを継続して用い
て行う場合と、本発明の方法を用いて行う場合とに分け
てグラフ化した図を示す。

同図において、折線（１）はアシストイオンエネルギ９
００ｅＶ、折線（２）は７００ｅＶ、折線（３）は５０
０ｅＶ、折線（４）は２５０ｅＶで、全時間アシストイ
オンを供給しながらガラス基板に成膜した場合を示し、
折線（５）は本発明Ｉ　ＣＶＤ法を用いて最初の３０秒
−１分で７００ｅＶのアシストイオンを供給し、その後
はアシストイオンの供給を止めてガス雰囲気中で成膜し
た場合を示す。

このようにアシストイオンを継続して用いて形成する方
法と、本発明方法を比較すると、５分のプロセスで、基
板（３）の裏面では略２０℃の温度差が生じる。従って
本発明の方法によれば、基板（３）表面を低温に保持し
たまま成膜を行うことが可能となる。

又、第４図にアシストイオン（窒素）電流密度に対する
成膜速度、及びＮ／Ｚｒ組成比の関係を示す。この時の
窒素イオンエネルギーは７００ｅＶ、　Ｚ　ｒ蒸着速度
は６５０λ／ｍｉｎ、に設定した。

この図から成膜速度はガス雰囲気のみ、即ちアシストイ
オン電流密度がゼロの時の方がアシストイオンを用いた
方より大きいことが明らかであり、Ｎ／Ｚｒ組成比は、
アシストイオン電流密度の大きさにはさほど影響を受け
ないことが分かる。

また、アシストイオンを用いるとその大きなエネルギー
とイオン注入効果により、基板（３）と形成被膜との密
着性がガス雰囲気のみの利用に比べて良好である。

そして、第１薄膜層（６）を形成する際のアシストイオ
ンエネルギーや、蒸着原子とアシストイオンの到達比等
を制御することにより、第２薄膜層（７）の結晶性等を
変化させることができる。

第５図は第１薄膜層（６）（界面）の形成条件を変化さ
せて、本発明方法により形成したＺｒＮ被膜のＸ線回折
結果である。

同図において、曲線（ａ）は第１薄膜層（６）のＮ／Ｚ
ｒ到達比が０．３３、曲線（ｂ）は２．１ノ場合を示し
ている。

ここでＺｒＮ（１１１）とＺ　ｒＮ　（２００）、及び
ＺｒＮ（２２０）のピークは曲線（ａ）、（ｂ）で略同
じ２θの値で現れているが、そのピークの高さは曲線（
ａ）の方が曲線（ｂ）よりも高い。即ちＮ／Ｚｒの到達
比が小さいほどできた第１薄膜層（６）の結晶性が良く
なることが分かる。

第６図は第１工程で形成された第５図で示された曲！（
ａ）と曲線（ｂ）の特性を有する第１薄膜層（６）に、
第２工程によって第２薄膜層（７）を形成したときの第
１薄膜層（６）及び第２薄膜層（７）のトータルでのＺ
ｒＮ被膜のＸ線回折結果である。

この図において第２薄膜層（７）の形成条件は曲線（１
）（２）で同じであり、曲線（２）の方がＺｒＮ（１１
１）のピークの強度がシャープであり、このことにより
第１薄膜層（６）の結晶性が良いほどトータルとしての
ＺｒＮ被膜の結晶性は悪くなるということができる。

このように第１薄膜層（６）を調整させることにより、
同じ基板（３）を用いて同じ条件で第２薄膜層（７）を
形成しても、ＺｒＮ被膜の結晶性を制御することが可能
である。

以上の点から上記両工程をアシストイオンを用いる工程
では基板（３）の温度が余り上昇しないように極短時間
の工程として密着性のみを向上させ、ガス雰囲気を用い
る工程を相対的に長時間として成膜速度と結晶性を向上
させると同時に、低温で形成することにより、結果とし
て基板（３）との密着性、速い成膜速度、良好な結晶性
、及び低温形成の４拍子揃った形成方法となった。

更に、第１薄膜層（６）（界面）を調整することによっ
て結晶性、配向性等の膜質を変化させることができ、従
来にない薄膜の形成方法が得られた。

又、本発明の方法は、ＺｒＮ膜のみならず、ＴｉとＮ１
等の反応の容易な金属と常温で気体となる原子、成るい
はイオン全てにおいて形成可能な方法であることは言う
までもない。

そして上記第１の工程と第２の工程とをこの順序で繰り
返し行うことにより第７図に示すことによって基板（３
）の表面に膜厚の大きい（Ｏ１６ｕｍ以上）ＺｒＮ被膜
を形成することが可能となり各第１薄膜層（６）（６’
）と第２薄膜層（７）（７°）との密着性の良い被膜を
形成することができる。

（ト）発明の効果 本発明は以上の説明の如く、基板と被膜との密着性に優
れたアシストイオン利用の被膜成形方法と、成膜速度が
速くて結晶性のよい被膜が成形できるガス雰囲気利用の
被膜成形方法とを組み合わせることにより、基板と被膜
の密着性が良いと共に、低温で成膜速度が速く、且つ結
晶性にも優れた薄膜の形成方法が得られるという効果が
生まれる。

又、第１薄膜層（界面）の調整により従来にない新しい
機能をもった薄膜の形成も可能であるという効果も生ま
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するための装置を示す上面図、第
２図は成形された基板表面の被膜を示す断面図、第３図
は成膜時間に対する基板裏面温度の変化を示す図、第４
図はアシストイオン電流密度に対する成膜温度及びＮ／
Ｚｒ組成比の関係を示す図、第５図は第１薄膜層の形成
条件を変化させたときの第１薄膜層のＸ線回折結果を示
す図、第６図は第５図の曲線（１）（３）で形成された
第１薄膜層に同じ成膜条件で第２薄膜層を形成したとき
の夫々の被膜の全体としてのＸ線回折結果を示す図、第
７図は本発明により基板に厚みの大きい被膜を形成した
例を示す断面図である。 （１）・・・チャンバ （２）・基板ホルダー （３）・・基板、 （４）・・・蒸発源、 （５）・・・アシストイオンガン、 （６）・・第１薄膜層、 （７）・　第２薄膜層。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）薄膜を形成するための基板に向けて常温で気体と
   なる原子のイオンを照射すると同時に、蒸発源より高硬
   度材料の原子を前記基板に向けて放射することによって
   、該基板の表面に前記イオンの作用を受けた高硬度材料
   原子から成る第１薄膜層を形成する第１の工程と、前記
   常温で気体となる原子の雰囲気中で前記蒸発源より高硬
   度材料の原子を前記第１薄膜層に向けて放射することに
   よって該第１薄膜層の表面に第２薄膜層を形成する第２
   の工程と、よりなる高機能性薄膜の形成方法。
2. （２）上記第１工程において、上記基板に到達する常温
   で気体となる原子と高硬度材料の原子との到達比を調整
   することによって上記第１薄膜層の膜質を制御し、この
   第１薄膜層により上記第２薄膜層の膜質を制御すること
   を特徴とする上記請求項第１項記載の高機能性薄膜の形
   成方法。
3. （３）上記第１工程と第２工程とをこの順序で複数回繰
   り返し、上記基板表面に多層の薄膜を形成することを特
   徴とする高機能性薄膜の形成方法。