JPH04198471A - 高機能薄膜の形成方法 - 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に係り、特に表面の色調の
制御に関する。

（ロ）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。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問題
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大き
くなり、これら基板あるいは母材の耐熱性を要求される
という材料上の制限が生じる問題点もあった。

さらに、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、また、これ
らの特性を制御するには従米イオンビーム照射やイオン
ビームエネルギー等のパラメータを変化する方法しかな
く、制御が複雑で、且つ困難である欠点があった。

−・方低温化のみを考えると、単に気体ガス雰囲気中で
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
。

（ハ）発明が解決しようとする課題 以」二の如〈従来の方法では成膜速度、剥離の改善、膜
質の制御等に主眼を置いたものがほとんどである。

ところがどの方法を採っても、硬度や密着性等の緒特性
は向上するものの、膜表面の色調を出すのが困難であっ
た。

本発明は斯かる点に鑑み、早い成膜速度、高い密着性、
高硬度を保ちながら、膜表面の色調調整を行い、より付
加価値のある膜の形成方法を提供することを目的とする
。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明は、常温で気体となる原子のイオンを薄膜に形成
するための基板に向けて照射すると同時に、蒸発源より
高硬度材料原子を前記基板にむ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薄膜層を形成すると共に、前記気体
の雰囲気中で１’ｌｉｉ記蒸発源より高硬度材料原子を
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薄膜層を形成し、さらに前記イオンを
前記第２薄膜層に向けて照射し、前記高硬度材料原子を
該第２薄膜層に向けて放射することによって、この第２
薄膜層の表面に０．０５〜０．１５μｍの厚み寸法を有
する第３薄膜層を形成するものである。

（ホ）作用 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、真空蒸着原子が逆スパツタされ、成
膜速度が遅くなるとともに、長時間に亘って実施すると
基板の表面温度以」−に高くなってしまうので、短時間
で切りＬげる。

その代わりに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薄膜層がイオンエネルギーによって基板と強
固に密着する。

さらに、色調を調整することが可能な相対的に薄い膜を
０．０５〜０．１５μｍの厚み寸法で、第２薄膜層の表
面に形成することにより、所望の色を呈した高機能性被
膜の形成が可能となる。

（へ）実施例 以下本発明の高機能性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１０−５〜１
０−’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１０〜２０ｒ
ｐｍの速度で回転可能にされた基板ホルダ、３はニッケ
ル（Ｎ１）の基板、４は電子ビームによってジルコニウ
ム（Ｚｒ）原子を蒸発させ前記基板３に向けて放射する
蒸発源、５は前記基板３の方−・１　−− 向に窒素イオン（Ｎ＋）を放射するか、あるいは窒素ガ
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Ｎｉ素Ｈの表
面にＺｒＮ被膜を形成する方法について説明する。

まず、真空チャンバ１内を１０−５−１０−’Ｔｏｒｒ
に排気し、アシストイオンガン５にＮ２ガスを供糸合し
、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、Ｎ＋イオンの照射と同時に蒸発源４を駆動し、Ｚ
ｒ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
６５０Ａ／ｍｉｎ、に設定した。

以上の工程を３０秒から１分程度行い、基板３の表面に
膜厚０．０２５−０．０５μｍのＺｒＮの第１薄膜層６
を形成した。

次にＮ＋イオンの照射を止めて、前記イオンガン５より
イオン化されていないＮ２ガスを前記チャンバ１内に供
給するとともに、このＮ２雰囲気中で蒸発源４よりＺｒ
Ｎ原子を基板３上の前記第１薄膜層６表面に向かって放
射した。この時のＺｒの蒸発速度は第１薄膜層６表面で
の成膜速度に換算して６５０人／ｍｉｎ、に設定した。

以上の工程を４分から４分３０秒程度行い、前記ＺｒＮ
の第１薄膜層６表面に、膜厚０．２６−０．２層ｍを有
するらう１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表面に膜厚０．３μｍ
ｃｒ）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ての温度」二昇が７℃／ｍｉｎ、、ガス雰囲気のみの
利用では２℃／ｍｉｎ、である。

さらに第１薄膜層６を形成したときと同じ方法を用いて
前記第２薄膜層７の表面に膜厚０．０５〜０．１５μｍ
の第３薄膜層８を形成した。この時の成膜時間は１分か
ら２分程度が望ましい。またイオンエネルギーは７００
ｅＶ、イオン電流密度は０３８ｍＡ／ｃｍ’が望ましい
。

また第３図に成膜時間に対する基板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ー
９００ｅＶ、折線（２）は７００ｅ〜ｌ、折線（３）は
５００ｅＶ、折線（４）は２５０ｅＶて、ガラス基板に
成膜した場合を示し、折線（５）は本発明を用いて成膜
した場合を示す。

同じイオンエネルギー（７００ｅＶ）を用いたの場合の
折線（２）と折線（５）を比較すると、アシストイオン
を用いて形成する方法と、本発明方法では、５分間のプ
ロセスで、基板３の裏面において略２０℃の温度差が生
じる。従って本発明方法によれば、基板３を低温に保持
したまま成膜を行うことが可能となる。

また、窒素イオンエネルギーは７００ｅＶ、　Ｚｒ蒸着
速度は６５０Ａ／ｍｉｎに設定したときのアシストイオ
ン（窒素）電流密度に対する成膜速度、及びＮ／Ｚｒ組
成比の関係を第・１図（ａ）（ｂ）に夫々示す。

この図から成膜速度はガス雰囲気のみの方がアシストイ
オンを用いた方より大きいことが明らかであり、Ｎ／Ｚ
ｒ組成比は、アシストイオン電流密度の大きさには差は
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））、基板３と形成被膜との密着
性がガス雰囲気に比べて良好である。

さらに、結晶性の点ではアシストイオンを用いたものは
余り良くなく、ガス雰囲気を用いたものの方が良好であ
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＼／Ｚｒ到
達比が０．３３、曲線（ｂ）は２．１の場合を示してい
る。ここでＺｒＮ（１１１）とＺｒＮ（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］薄膜層６の結晶性が良くなるこ
とが分かる。

第６図は先の第５図で示された曲線（ａ）と曲線（ｂ）
の特性を有する第１薄膜層６に、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
ＺｒＮ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ＰＩは曲線（１）
（２）で同じであり、曲線（２）の方がＺｒＮ（１１１
）のピーク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を変化させることにより、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
、Ｚｒ人・被膜の配向性を調整することが可能である。

以上の点から上記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」二昇しないように極短時間の工
程として密着性のみを向−１−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、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。

さらに、第１薄膜層６　（界面）を制御することによっ
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。

−・方、第３薄膜層８は被膜表面の色調を変化させるの
に有効である。第７図は縦軸に色調の変化（暗い金色−
明るい金色）を取り、横軸に膜厚を取った特性図である
。膜厚が厚くなればなるほど表面の色は鮮やかな金色に
なるが、分厚い膜になるほど成膜時間が長くなり、基板
３の表面温度は高くなる。第７図中の斜めの直線は膜厚
に対する基板表面温度の変化を示したものであり、膜厚
が０．１５μｍで８０℃にも達する。また膜厚０１０５
μｍ以上では被膜表面の色調の変化は飽和する。このこ
とより、第３薄膜層８の膜厚は０．０５〜０．１５μｍ
にするのが望ましいと言える。

また、本発明方法は、ＺｒＮ膜のみならず、Ｔ１と＼２
等の反応の容易な金属と気体原子、あるいはイオン全て
において形成可能な方法であることは菖うまでもない。

（ト）発明の効果 本発明は以」二の説明の如く、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形成方法と、成膜速度
が早くて結晶性の良い被膜が形成できるガス雰囲気利用
の被膜成形方法とをわ１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、低温で成膜速度が早く、且
つ結晶性にも優れた薄膜の形成方法が得られ、さらに膜
表面の色調を自由に変化させることのできる効果が期待
できる。

【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・１図
（ａ）（ｂ）は夫々アシストイオン電流密度に対する成
膜温度及び＼／Ｚｒ組成比の関係を示す図、第５図は第
１薄膜層の形成条＝　　１１　− 件を変化させたときのＸ線回折結果を示す図、第６図は
同じく第１薄膜層と第２薄膜層とのｌ・−タルでの被膜
のＸ線回折結果を示す図、第７図は第３薄膜層の厚みと
表面の色調との関係を示す図である。 １　・チャンバ、２・　基板ホルダ、 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、８　・第３薄膜層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）常温で気体となる原子のイオンを薄膜に形成する
   ための基板に向けて照射すると同時に、蒸発源より高硬
   度材料の原子を前記基板にむ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薄膜層を形成すると共に、前記気体の
   雰囲気中で前記蒸発源より高硬度材料原子を前記第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薄膜層を形成し、さらに前記イオンを前記第２薄
   膜層に向けて照射し、前記高硬度材料原子を該第２薄膜
   層に向けて放射することによって、この第２薄膜層の表
   面に０．０５〜０．１５μｍの厚み寸法を有する第３薄
   膜層を形成することを特徴とする高機能薄膜の形成方法
   。