JPH04236760A - Formation of titanium nitride film - Google Patents

Formation of titanium nitride film

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JPH04236760A
JPH04236760A JP273491A JP273491A JPH04236760A JP H04236760 A JPH04236760 A JP H04236760A JP 273491 A JP273491 A JP 273491A JP 273491 A JP273491 A JP 273491A JP H04236760 A JPH04236760 A JP H04236760A
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JP
Japan
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titanium
base material
film
nitride film
test piece
Prior art date
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JP273491A
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Japanese (ja)
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Satoshi Aoyama
智 青山
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Abstract

PURPOSE:To enhance the adhesive strength of the titanium nitride film formed by ion mixing treatment to the base material. CONSTITUTION:Titanium (total charge of 2X10<17>-4X10<17> ions/cm<2>) is accelerated and injected into the titanium film (0.1-0.2mum thick) formed on the surface of a base material to form mixing layer of the base material and titanium between the base material and titanium film. At this time, an accelerating voltage (200-400kV) is impressed for almost the average intrusion length of titanium to reach the boundary region between the base material surface and the titanium film. Titanium is further vapor-deposited, and nitrogen ion is implanted to form a titanium nitride film in 3mum thickness. The peel load of the titanium nitride film is increased to 80-100N.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は密着強度を高めた窒化チ
タン膜の形成方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a titanium nitride film with increased adhesion strength.

【0002】0002

【従来の技術】近年、イオン注入処理と真空成膜処理と
を併せて行うイオンミキシング処理が母材の表面を改質
する技術として開発されている。イオンミキシング処理
では、イオン注入される窒素、酸素、水素などのガスイ
オンと蒸着金属とが結合して強い密着力をもつ膜が形成
される。この膜の密着力が強いのは、母材表面と膜との
境界域にミキシング層が形成されること、高エネルギー
のガスイオンの衝突のエネルギーにより反応が加速され
ること、ガスイオンを非平衡下で注入できる等のためで
あると推察されている。
2. Description of the Related Art In recent years, ion mixing treatment, which combines ion implantation treatment and vacuum film formation treatment, has been developed as a technique for modifying the surface of a base material. In the ion mixing process, ion-implanted gas ions such as nitrogen, oxygen, and hydrogen combine with the deposited metal to form a film with strong adhesion. The reason for the strong adhesion of this film is that a mixing layer is formed in the boundary area between the base material surface and the film, the reaction is accelerated by the energy of high-energy gas ion collisions, and the gas ions are unbalanced. It is speculated that this is because it can be injected from below.

【0003】このイオンミキシング処理を用いて窒化チ
タン膜を形成する方法として、特開平1−168856
号公報に開示されているように、圧延用ロール、軸受、
金型等の表面に窒化チタン膜を形成する方法が知られて
いる。この方法は、圧延ロールなどに窒化チタン膜を形
成するにあたり最適条件を見出したものであり、ガスイ
オンとして窒素イオン、蒸着金属としてチタンを用い、
窒素イオン加速電圧が10〜40kv、窒素イオン電流
密度が0.5〜2.0mA/cm2 、Tiの蒸着速度
が5オングストローム/s以上、窒素イオン全投入量が
1018ions/cm2 、Ti全蒸着量が5×10
18ions/cm2 の条件下で窒化チタン膜を成膜
する。
[0003] A method for forming a titanium nitride film using this ion mixing process is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 1-168856.
As disclosed in the publication, rolling rolls, bearings,
A method of forming a titanium nitride film on the surface of a mold or the like is known. This method found the optimal conditions for forming a titanium nitride film on rolling rolls, etc., and uses nitrogen ions as the gas ions and titanium as the vapor-deposited metal.
The nitrogen ion acceleration voltage is 10 to 40 kV, the nitrogen ion current density is 0.5 to 2.0 mA/cm2, the Ti deposition rate is 5 angstroms/s or more, the total nitrogen ion input is 1018 ions/cm2, and the total Ti deposition amount is 5×10
A titanium nitride film is formed under conditions of 18 ions/cm2.

【0004】ところで上記したイオンミキシング処理で
形成された窒化チタン膜は、前記したようにミキシング
層が形成されている等の理由で、母材に対する密着強度
が高いとされている。しかし産業界では、上記した窒化
チタン膜の密着強度の一層の向上が要請されている。
By the way, the titanium nitride film formed by the above-mentioned ion mixing process is said to have high adhesion strength to the base material because of the mixing layer formed therein as described above. However, in industry, there is a demand for further improvement in the adhesion strength of the titanium nitride film described above.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記した実情
に鑑み開発されたものであり、その目的は、母材の表面
とチタン膜との境界域にほぼ平均侵入深さがくるような
加速電圧でチタン膜にチタンまたは母材原子を注入する
ことにより、窒化チタン膜の密着強度の一層の向上を図
る窒化チタン膜の形成方法を提供することにある。
[Problems to be Solved by the Invention] The present invention was developed in view of the above-mentioned circumstances, and its purpose is to accelerate acceleration so that the average penetration depth is approximately at the boundary area between the surface of the base material and the titanium film. An object of the present invention is to provide a method for forming a titanium nitride film in which the adhesion strength of the titanium nitride film is further improved by implanting titanium or base material atoms into the titanium film using a voltage.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明者は、窒化チタン
膜の製造方法について更に鋭意研究を重ねた。そして、
本発明者は母材の表面に所要厚みのチタン膜を積層し、
母材の表面とチタン膜との境界域にほぼ平均侵入深さが
くるような加速電圧でチタン膜にチタンまたは母材原子
を注入すれば、窒化チタン膜の密着強度が一層向上する
ことを知見し、かかる知見から本発明方法を開発したも
のである。
[Means for Solving the Problems] The inventors of the present invention have conducted further intensive research into a method of manufacturing a titanium nitride film. and,
The inventor laminated a titanium film of the required thickness on the surface of the base material,
It has been found that the adhesion strength of the titanium nitride film can be further improved if titanium or base material atoms are implanted into the titanium film at an accelerating voltage such that the average penetration depth is approximately at the boundary between the surface of the base material and the titanium film. However, based on this knowledge, the method of the present invention was developed.

【0007】即ち、本発明の窒化チタン膜の形成方法は
、イオンミキシング処理により金属製の母材に窒化チタ
ン膜を形成する方法であって、成膜処理により母材の表
面にチタン膜を積層する第1工程と、母材の表面とチタ
ン膜との境界域にほぼ平均侵入深さがくるような加速電
圧でチタン膜にチタンまたは母材原子を注入し、母材の
表面とチタン膜との境界域にチタンと母材原子とのミキ
シング層を形成する第2工程と、ミキシング層をもつチ
タン膜に、チタンを蒸着するとともに窒素イオンを注入
し窒化チタン膜を積層する第3工程とを順に実施するこ
とを特徴とするものである。
That is, the method for forming a titanium nitride film of the present invention is a method of forming a titanium nitride film on a metal base material by an ion mixing process, and the titanium film is laminated on the surface of the base material by the film forming process. In the first step, titanium or base material atoms are implanted into the titanium film at an accelerating voltage such that the average penetration depth is approximately at the boundary between the surface of the base material and the titanium film. a second step of forming a mixing layer of titanium and base material atoms in the boundary area of It is characterized by being carried out in sequence.

【0008】本発明で用いる母材として炭素鋼、ステン
レス鋼などの合金鋼などの鋼系、WC−Co系の超硬合
金系、場合によってはアルミニウム系、シリコン系、銅
系、チタン系、マグネシウム系を用いることができる。 鋼系の場合には例えば、フエライト系、パーライト系、
オーステナイト系、マルテンサイト系、ベイナイト系の
少なくとも1種を含む組織を採用できる。
The base material used in the present invention may be carbon steel, steel such as alloy steel such as stainless steel, cemented carbide such as WC-Co, or in some cases aluminum, silicon, copper, titanium, or magnesium. system can be used. In the case of steel, for example, ferrite, pearlite,
A structure containing at least one of austenite, martensite, and bainite can be used.

【0009】第1工程では、成膜処理により金属製の母
材の表面にチタン膜を積層する。成膜処理は粒子を母材
に堆積させて母材表面に膜を形成する方法であり、真空
中でチタンを蒸発させて堆積させる真空蒸着、スパッタ
リングが代表的なものである。第1工程ではチタン膜の
厚み、成膜速度は必要に応じて適宜選択できるが、例え
ば厚みは0.03〜0.8μm、特に0.05〜0.3
μmとすることができる。
In the first step, a titanium film is laminated on the surface of a metal base material by a film forming process. The film forming process is a method of depositing particles on a base material to form a film on the surface of the base material, and typical examples include vacuum evaporation and sputtering, in which titanium is evaporated and deposited in a vacuum. In the first step, the thickness of the titanium film and the film formation rate can be appropriately selected as necessary, but for example, the thickness is 0.03 to 0.8 μm, particularly 0.05 to 0.3 μm.
It can be μm.

【0010】第2工程では、母材の表面とチタン膜との
境界域にほぼ平均侵入深さがくるような加速電圧でチタ
ン膜にチタンまたは母材原子を注入し、母材の表面とチ
タン膜との境界域に、チタンと母材原子とのミキシング
層を形成する。イオン注入では、注入イオンの深さ分布
は通常、ガウス分布又はガウス分布に近似した形態とな
り、また、注入イオンの平均侵入深さは基本的に加速電
圧に関係する。そのため本発明では平均侵入深さが母材
の表面とチタン膜との境界域にくるような加速電圧を設
定する。第2工程では、チタンを注入する場合にはチタ
ンの加速電圧は一般的に50〜400kVとすることが
でき、第2工程におけるチタンの全注入量は例えば5×
1015〜7×1017ions/cm2 とすること
ができる  。母材が鉄鋼系の場合には、チタンに代え
て、母材成分である鉄を注入することもできるが、この
場合、鉄の加速電圧は一般的に50〜400kVとする
ことができ、第2工程における鉄の全注入量は例えば5
×1015  〜7×1017ions/cm2 とす
ることができる。 第2工程では母材を所望温度に加熱して元素の拡散を図
ることが好ましく、この場合加熱温度は200〜600
°Cとすることができる。
In the second step, titanium or base material atoms are implanted into the titanium film at an accelerating voltage such that the average penetration depth is approximately at the boundary between the surface of the base material and the titanium film. A mixing layer of titanium and base material atoms is formed in the boundary region with the film. In ion implantation, the depth distribution of implanted ions usually has a Gaussian distribution or a shape approximating a Gaussian distribution, and the average penetration depth of implanted ions is fundamentally related to the accelerating voltage. Therefore, in the present invention, the accelerating voltage is set so that the average penetration depth is in the boundary area between the surface of the base material and the titanium film. In the second step, when titanium is implanted, the acceleration voltage of titanium can generally be 50 to 400 kV, and the total amount of titanium implanted in the second step is, for example, 5×
It can be set to 1015 to 7×1017 ions/cm2. If the base material is steel, iron, which is a component of the base material, can be injected instead of titanium, but in this case, the acceleration voltage of iron can generally be 50 to 400 kV, and the The total amount of iron injected in the second step is, for example, 5
×1015 to 7×1017 ions/cm2. In the second step, it is preferable to heat the base material to a desired temperature to diffuse the elements, and in this case, the heating temperature is 200 to 600.
°C.

【0011】第3工程は、窒素イオンを注入する注入処
理とチタンを成膜する真空成膜処理とを併せて行うイオ
ンミキシング処理を行う工程である。イオンミキシング
処理はダイナミカルミキシング処理、イオンビームアシ
スト蒸着とも呼ばれる。前記した注入処理は真空中でイ
オン化した窒素を静電界などで加速して高エネルギ粒子
とし母材に非平衡下で注入する手段である。なお窒素イ
オンは原子状イオンN+ だけの形態、原子状イオンN
+ 、分子状イオンN2 + を含む形態でもよい。第
3工程における真空成膜処理は真空中でチタン粒子を堆
積させる手段であり、第1工程の場合と同様に、電子ビ
ームをチタンにあててチタンを蒸発させて堆積させる真
空蒸着、スパッタリングが代表的なものである。
[0011] The third step is an ion mixing process in which an implantation process for injecting nitrogen ions and a vacuum film formation process for forming a titanium film are performed together. Ion mixing processing is also called dynamic mixing processing or ion beam assisted deposition. The above-mentioned implantation process is a means of accelerating ionized nitrogen in a vacuum using an electrostatic field or the like to transform it into high-energy particles and implanting them into the base material under non-equilibrium conditions. Note that the nitrogen ion is in the form of only the atomic ion N+, and the atomic ion N
+ or a form containing molecular ion N2 + . The vacuum film forming process in the third step is a means of depositing titanium particles in a vacuum, and as in the first step, vacuum evaporation and sputtering are typical methods in which titanium is evaporated and deposited by applying an electron beam to the titanium, as in the first step. It is something like that.

【0012】ここで第3工程では、チタンと窒素イオン
との母材への到達比N/Tiは、実質的に1とするが、
第3工程の初期または中期では窒素イオンが次第に増加
するように、チタンと窒素イオンとの母材への到達比N
/Tiを設定できる。ここで、到達比とは、単位時間に
おいて投入される膜形成の構成原子イオンまたは構成原
子が母材表面に到達する割合を意味する。
In the third step, the ratio N/Ti of titanium and nitrogen ions reaching the base material is substantially 1.
At the beginning or middle stage of the third step, the ratio of titanium to nitrogen ions reaching the base material is N, so that nitrogen ions gradually increase.
/Ti can be set. Here, the arrival ratio means the rate at which constituent atomic ions or constituent atoms for film formation that are introduced per unit time reach the surface of the base material.

【0013】第3工程では、窒素イオン全注入量は適宜
選択できるが、例えば1×1017〜10×1017i
ons/cm2 とすることができる。第3工程におけ
るチタンの蒸着速度は例えば1〜30オングストローム
/secとすることができる。チタン全投入量は適宜選
択できるが、例えば1×1017〜10×1017io
ns/cm2 とすることができる。
In the third step, the total amount of nitrogen ions to be implanted can be selected as appropriate; for example, 1×1017 to 10×1017i.
ons/cm2. The titanium deposition rate in the third step can be, for example, 1 to 30 angstroms/sec. The total titanium input amount can be selected as appropriate, but for example, 1 x 1017 to 10 x 1017 io
It can be set to ns/cm2.

【0014】ここで窒素イオン全注入量は数式1によっ
て算出した。ここで、数式1において、D1は窒素イオ
ン(原子状イオンN+ 、分子状イオンN2 + )の
投入量(ions/cm2 )、Iは電流密度(A/c
m2 )、注入時間はT(sec)とし、(3/2)は
補正係数であり、窒素イオンのうちN+ が50%、N
2 + が50%であると推定したとき、N+ が1個
、N2 + が1個の存在下で、電荷が2つであるのに
対して窒素原子が3個含まれてるいることを考慮したも
のである。またチタン全投入量は数式2によって算出し
た。ここで、数式2において、D2はチタンの投入量(
個/cm2 )、Mは蒸着速度(オングストローム/s
ec)、dはチタンの比重(4.6グラム/cm3 )
、投入時間はT(sec)とする。
[0014] Here, the total amount of nitrogen ion implantation was calculated using Equation 1. Here, in Equation 1, D1 is the input amount (ions/cm2) of nitrogen ions (atomic ions N+, molecular ions N2+), and I is the current density (A/c
m2), the implantation time is T (sec), (3/2) is the correction coefficient, and N+ is 50% of the nitrogen ions, N
When we estimate that 2 + is 50%, we take into account that in the presence of one N+ and one N2 + , there are two charges but three nitrogen atoms. It is something. Further, the total amount of titanium input was calculated using Equation 2. Here, in Equation 2, D2 is the input amount of titanium (
pieces/cm2), M is the deposition rate (angstroms/s
ec), d is the specific gravity of titanium (4.6 g/cm3)
, the input time is T (sec).

【0015】[0015]

【数1】 D1=I×(1/1.6×10−19 )×(3/2)
×T
[Math. 1] D1=I×(1/1.6×10-19)×(3/2)
×T

【0016】[0016]

【数2】 D2=M×{d×10−8(cm)/47.9}×6.
02×1023×Tなお{d×10−8(cm)/47
.9}は1オングストローム×1cm×1cmあたりの
チタンのモル数を意味する。ところで、母材温度は一般
にイオン注入の際に増速拡散などに影響を与えることが
知られており、そのため本発明の第3工程では母材温度
は例えば100〜500°Cとすることができる。なお
、成膜中における真空度は窒素流量により変動するが、
一般的には1.0×10−5〜5×10 −6 Tor
rとすることができる。
[Math. 2] D2=M×{d×10-8 (cm)/47.9}×6.
02×1023×T {d×10-8(cm)/47
.. 9} means the number of moles of titanium per 1 angstrom x 1 cm x 1 cm. By the way, it is known that the base material temperature generally affects accelerated diffusion etc. during ion implantation, so in the third step of the present invention, the base material temperature can be set to, for example, 100 to 500°C. . Note that the degree of vacuum during film formation varies depending on the nitrogen flow rate,
Generally 1.0×10-5 to 5×10-6 Tor
It can be r.

【0017】[0017]

【作用】本発明の窒化チタン膜が密着している構造を断
面でみると、内部から表層にかけて、母材の金属表面、
母材の金属原子とチタンとの金属−金属の組合わせから
なるミキシング層、窒化チタン膜と連続的に変化してい
る。
[Operation] When looking at the cross section of the structure in which the titanium nitride film of the present invention is in close contact, from the inside to the surface layer, the metal surface of the base material,
It changes continuously from a mixing layer consisting of a metal-metal combination of metal atoms of the base material and titanium to a titanium nitride film.

【0018】[0018]

【実施例】以下本発明の一実施例を示す。本実施例では
イオンミキシング装置を用いた。イオンミキシング装置
は反応室である真空チャンバ、ガスをイオン化するバケ
ット型のイオン源、イオン源にガスを送るガス供給源、
試料ホルダー(水冷方式)、チタンの蒸着を行う電子ビ
ーム加熱蒸発部、真空チャンバ内を排気する真空排気系
、水晶発振式膜厚計をもつ。この装置では原子状イオン
N+、分子状イオンN2 + がほぼ50%づつ生成さ
れる。
[Example] An example of the present invention will be shown below. In this example, an ion mixing device was used. The ion mixing device consists of a vacuum chamber that is a reaction chamber, a bucket-shaped ion source that ionizes gas, a gas supply source that sends gas to the ion source,
It has a sample holder (water-cooled), an electron beam heating evaporation unit that performs titanium deposition, a vacuum exhaust system that exhausts the inside of the vacuum chamber, and a crystal oscillation type film thickness meter. In this device, atomic ions N+ and molecular ions N2 + are generated in approximately 50% each.

【0019】また試験片として炭素鋼(JIS  S4
5C)を用い、実施例にかかるNO.1〜NO.6を形
成した。この炭素鋼の組成は、炭素0.45%、シリコ
ン0.20%、マンガン0.70%、リン0.02%、
イオウ0.02%である。またこの炭素鋼の組織はフェ
ライトとパーライトとを含む混合組織である。本実施例
では各試験片の表面はいずれもバフで研磨し、アセトン
で洗浄した。各試験片の表面の表面粗さは1.0〜0.
1μRZである。
[0019] Carbon steel (JIS S4
5C) according to the example. 1~NO. 6 was formed. The composition of this carbon steel is 0.45% carbon, 0.20% silicon, 0.70% manganese, 0.02% phosphorus,
The sulfur content is 0.02%. Further, the structure of this carbon steel is a mixed structure containing ferrite and pearlite. In this example, the surfaces of each test piece were polished with a buff and washed with acetone. The surface roughness of each test piece was 1.0 to 0.
It is 1 μRZ.

【0020】そして、試料ホルダーに試験片を保持した
後、真空チャンバー内を初期排気し、真空度を2.5×
10−6Torrにした。この状態で、前処理として、
試験片の表面に窒素イオンを照射してスパッタクリ−ニ
ングを行った。スパッタクリーニングは加速電圧が5k
V、ビーム電流密度が0.5mA/cm2 、照射時間
が30秒間の条件下で行った。
After holding the test piece in the sample holder, the inside of the vacuum chamber is initially evacuated and the degree of vacuum is increased to 2.5×.
It was set to 10-6 Torr. In this state, as a pretreatment,
Sputter cleaning was performed by irradiating the surface of the test piece with nitrogen ions. Accelerating voltage for sputter cleaning is 5k.
The experiment was carried out under conditions of V, beam current density of 0.5 mA/cm2, and irradiation time of 30 seconds.

【0021】次に第1工程において、1.0×10−5
Torr〜1.0×10−6Torrの真空下で電子ビ
ーム加熱によりチタンを試料片の表面に真空蒸着し、所
定の厚みのチタン膜を試験片の母材表面に積層した。第
1工程において積層した各試験片におけるチタン膜の厚
みを表1に示す。試験片NO.1及び試験片NO.2で
0.1μm、試験片NO.3及び試験片NO.4で0.
15μm、試験片NO.5及び試験片NO.6で0.2
μmとした。
Next, in the first step, 1.0×10-5
Titanium was vacuum-deposited on the surface of the specimen by electron beam heating under a vacuum of Torr to 1.0×10 −6 Torr, and a titanium film of a predetermined thickness was laminated on the surface of the base material of the specimen. Table 1 shows the thickness of the titanium film in each test piece laminated in the first step. Test piece No. 1 and test piece No. 2, 0.1 μm, test piece No. 3 and test piece No. 4 and 0.
15 μm, test piece No. 5 and test piece No. 0.2 at 6
It was set as μm.

【0022】その後、第2工程において、母材の表面と
チタン膜との境界域にほぼ平均侵入深さがくるような所
定の加速電圧でチタンを加速してチタン膜に注入した。 このとき試験片をヒータ装置で400°Cに加熱し、元
素の熱拡散を図った。この第2工程により母材の表面と
チタン膜との境界域に、チタンと母材原子とのミキシン
グ層を形成した。第2工程における加速電圧の値を表1
に示す。表1に示すように試験片NO.1及びで試験片
NO.2で200kV、試験片NO.3及び試験片NO
.4で300kV、試験片NO.5及び試験片NO.6
で400kVとした。第2工程におけるチタン全注入量
も表1に示す。表1に示すように試験片NO.1で2×
1017ions/cm2 、試験片NO.2で4×1
017ions/cm2 、試験片NO.3で2×10
17ions/cm2 、試験片NO.4で4×101
7ions/cm2 、試験片NO.5で2×1017
ions/cm2 、試験片NO.6で4×1017i
ons/cm2 とした。
Thereafter, in a second step, titanium was accelerated and implanted into the titanium film at a predetermined acceleration voltage such that the average penetration depth was approximately at the boundary between the surface of the base material and the titanium film. At this time, the test piece was heated to 400°C using a heater device to achieve thermal diffusion of the elements. Through this second step, a mixing layer of titanium and base material atoms was formed in the boundary area between the surface of the base material and the titanium film. Table 1 shows the acceleration voltage values in the second step.
Shown below. As shown in Table 1, test piece No. 1 and test piece No. 2 at 200kV, test piece No. 3 and test piece no.
.. 4, 300kV, test piece No. 5 and test piece No. 6
The voltage was set to 400kV. Table 1 also shows the total amount of titanium implanted in the second step. As shown in Table 1, test piece No. 1 in 2x
1017 ions/cm2, test piece No. 2 = 4 x 1
017 ions/cm2, test piece No. 2x10 in 3
17 ions/cm2, test piece No. 4 x 101
7 ions/cm2, test piece No. 5 = 2 x 1017
ions/cm2, test piece No. 4×1017i in 6
ons/cm2.

【0023】次に第3工程では、ミキシング層をもつチ
タン膜に、チタンを蒸着するとともに窒素イオンを加速
電圧10kVで注入し、これにより窒化チタン膜を積層
した。第3工程では、チタンの蒸着速度は10オングス
トローム/secとした。チタンの蒸着速度は試験片近
くの水晶発振式膜厚計で測定した。なお膜厚計には窒素
イオンが当たらぬようにしてある。また第3工程では、
窒素イオンの電流密度を0からスタートさせ、次第に増
加し、最終的にチタンと窒素イオンとの到達比N/Ti
が実質的に1となるようにした。即ち第3工程では、最
終的な窒素イオンの電流密度は0.95mA/cm2 
であり、この値になるまで0.01mA/cm2 ・s
ecづつ増加させた。そして、窒素イオンのビーム電流
を0.95mA/cm2 で一定とし、各試験片ともに
3μmの厚みの窒化チタン膜を形成した。
Next, in the third step, titanium was deposited on the titanium film having the mixing layer and nitrogen ions were implanted at an accelerating voltage of 10 kV, thereby laminating a titanium nitride film. In the third step, the titanium deposition rate was 10 angstroms/sec. The deposition rate of titanium was measured using a crystal oscillation type film thickness meter near the test piece. Note that nitrogen ions were not allowed to hit the film thickness meter. Also, in the third step,
The current density of nitrogen ions starts from 0 and gradually increases until the ratio of titanium and nitrogen ions reaches N/Ti.
is set to substantially equal to 1. That is, in the third step, the final nitrogen ion current density is 0.95 mA/cm2.
0.01mA/cm2・s until this value is reached.
Increased by ec. Then, the nitrogen ion beam current was kept constant at 0.95 mA/cm2, and a titanium nitride film with a thickness of 3 μm was formed on each test piece.

【0024】かかる第3工程において、ビーム電流のイ
オンビームサイズは150mm×150mm、窒素ガス
流量は10〜20sccm、試験片の母材温度200〜
300°Cであり、母材温度は熱電対で測定した。なお
本実施例では、試験片の母材表面の法線に対する入射角
は窒素イオンが0°、Tiが45°である。上記のよう
に製造した本実施例にかかる試験片では、母材成分と膜
成分との混合層つまり鉄とチタンとの混合層であるミキ
シング層が母材とチタン膜との間に介在している。
In the third step, the ion beam size of the beam current is 150 mm x 150 mm, the nitrogen gas flow rate is 10 to 20 sccm, and the base material temperature of the test piece is 200 to 200 sccm.
The temperature was 300°C, and the base material temperature was measured with a thermocouple. In this example, the incident angle with respect to the normal to the surface of the base material of the test piece is 0° for nitrogen ions and 45° for Ti. In the test piece according to this example manufactured as described above, a mixing layer of the base material component and the film component, that is, a mixed layer of iron and titanium, was interposed between the base material and the titanium film. There is.

【0025】そして実施例にかかる試験片についてオー
トスクラツチテスター(CSEM製)を用い密着力を試
験した。試験条件は、ダイヤモンドチップ径が0.1m
m、スクラツチスピードが0.5mm/min、ローデ
ィングレイトが100N/minとした。試験結果を表
1に示す。表1に示す様に実施例にかかる試験片NO.
1〜NO.6では良好な結果が得られた。即ち、試験片
NO.1では剥離荷重は81Nであり、試験片NO.2
では剥離荷重は88Nであり、更に、試験片NO.3〜
試験片NO.6では荷重が100Nでも剥離しなかった
[0025] The adhesion strength of the test piece according to the example was tested using an auto-scratch tester (manufactured by CSEM). The test conditions were a diamond tip diameter of 0.1m.
m, the scratch speed was 0.5 mm/min, and the loading rate was 100 N/min. The test results are shown in Table 1. As shown in Table 1, test piece NO.
1~NO. 6 gave good results. That is, test piece No. 1, the peeling load was 81N, and test piece No. 1 had a peeling load of 81N. 2
In this case, the peeling load was 88N, and furthermore, the peeling load was 88N. 3~
Test piece No. No. 6 did not peel off even under a load of 100N.

【0026】[0026]

【表1】   次に試験片NO.4を用い、ミキシング層の化学組
成の深さ分布をAES(オ−ジェ電子分光分析法)で調
べた。具体的には、AES装置(日本電子製、オージェ
スコープJAMP−30)を用い、測定室を10−8P
a以下まで排気した後、電子ビーム電圧が10kV、ビ
ーム電流が5×10−7A、測定面積0.01mm2 
の条件下で、オ−ジェ電子を検出することにより調べた
。構成元素の濃度は各深さにおけるピーク強度を感度係
数により補正し、測定された元素の総量を100%とし
て算出した。
[Table 1] Next, test piece No. 4, the depth distribution of the chemical composition of the mixing layer was investigated by AES (Auger electron spectroscopy). Specifically, an AES device (manufactured by JEOL Ltd., Augescope JAMP-30) was used, and the measurement room was set at 10-8P.
After evacuation to below a, the electron beam voltage was 10 kV, the beam current was 5 x 10-7 A, and the measurement area was 0.01 mm2.
This was investigated by detecting Auger electrons under these conditions. The concentration of the constituent elements was calculated by correcting the peak intensity at each depth using a sensitivity coefficient and setting the total amount of the measured elements as 100%.

【0027】その結果を図1に示す。図1では横軸は窒
化チタン膜の表面からの深さ、縦軸は濃度を示す。図1
に示すように深さ2μmあたりから窒素が次第に減少し
、P1域からP2域にかけてチタン100%となり、更
に、深さ2.2μmあたりからチタンが減少するととも
に鉄が増加し、その後、鉄は次第に増加し、深さ2.4
μmあたりから鉄は100%となる。図1から理解でき
るように、本実施例にかかる窒化チタン膜が密着してい
る構造を断面でみると、内部から表層にかけて、母材の
金属表面、母材の金属原子(鉄)とチタンとの金属−金
属の組合わせからなるミキシング層、チタン層、窒化チ
タン膜と連続的に変化している。
The results are shown in FIG. In FIG. 1, the horizontal axis represents the depth from the surface of the titanium nitride film, and the vertical axis represents the concentration. Figure 1
As shown in Figure 2, nitrogen gradually decreases from around 2 μm in depth, and becomes 100% titanium from P1 to P2.Furthermore, from around 2.2 μm in depth, titanium decreases and iron increases, and then iron gradually decreases. increase, depth 2.4
Iron becomes 100% from around μm. As can be understood from FIG. 1, when looking at the cross section of the structure in which the titanium nitride film according to this example is in close contact, from the inside to the surface layer, the metal surface of the base material, the metal atoms (iron) of the base material and the titanium It changes continuously from a mixing layer consisting of a metal-metal combination, a titanium layer, and a titanium nitride film.

【0028】そして比較例についても同様に試験した。 比較例においては、チタン膜の厚みは試験片NO.7で
0.1μm、試験片NO.8で0.2μmであり、また
試験片NO.9ではチタン膜を積層しなかった。そして
、比較例にかかる試験片NO.7〜NO.9についても
、上記した実施例の第3工程と基本的に同様の条件でイ
オンミキシング処理を実施し、窒化チタン膜を形成した
Comparative examples were also tested in the same manner. In the comparative example, the thickness of the titanium film was that of test piece No. 7, 0.1 μm, test piece No. 8 and 0.2 μm, and test piece No. In No. 9, no titanium film was laminated. Then, test piece No. 1 according to the comparative example. 7~NO. For Example No. 9 as well, ion mixing treatment was performed under basically the same conditions as in the third step of the above-described example, and a titanium nitride film was formed.

【0029】上記した比較例についても前述と同様にオ
ートスクラツチテスターを用い、密着力を試験した。試
験結果を表1に示す。表1に示す様に試験片NO.7で
は剥離荷重は15Nであり、更に、試験片NO.8では
剥離荷重は19Nであり、試験片NO.9では剥離荷重
は40Nであった。このように比較例では窒化チタン膜
の密着強度が低い。
The adhesion of the comparative example described above was also tested using an auto-scratch tester in the same manner as described above. The test results are shown in Table 1. As shown in Table 1, test piece No. In specimen No. 7, the peeling load was 15 N, and in addition, in specimen No. 7, the peeling load was 15 N. In test piece No. 8, the peeling load was 19 N. In No. 9, the peeling load was 40N. As described above, in the comparative example, the adhesion strength of the titanium nitride film is low.

【0030】(適用例)本発明にかかる窒化チタン膜は
密着強度が高いので、耐摩耗性や耐焼付性を要求される
部材に適用できる。例えば自動車部品では、ピストンリ
ング、エンジンバルブ、ピニオンシャフト、ピストンピ
ンに適用できる。
(Application Example) Since the titanium nitride film according to the present invention has high adhesion strength, it can be applied to members that require wear resistance and seizure resistance. For example, in automotive parts, it can be applied to piston rings, engine valves, pinion shafts, and piston pins.

【0031】[0031]

【発明の効果】本発明の窒化チタン膜の形成方法によれ
ば、上記した試験結果から明らかなように、母材に対す
る密着力が一層高い窒化チタン膜を得ることができる。
According to the method for forming a titanium nitride film of the present invention, it is possible to obtain a titanium nitride film with even higher adhesion to the base material, as is clear from the above test results.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】AESによる濃度分布を示すグラフである。FIG. 1 is a graph showing concentration distribution by AES.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  イオンミキシング処理により金属製の
母材に窒化チタン膜を形成する方法であって、成膜処理
により該母材の表面にチタン膜を積層する第1工程と、
該母材の表面と該チタン膜との境界域にほぼ平均侵入深
さがくるような加速電圧で該チタン膜にチタンまたは母
材原子を注入し、該母材の表面と該チタン膜との境界域
にチタンと母材原子とのミキシング層を形成する第2工
程と、該ミキシング層をもつ該チタン膜に、チタンを蒸
着するとともに窒素イオンを注入し窒化チタン膜を積層
する第3工程とを順に実施することを特徴とする窒化チ
タン膜の形成方法。
1. A method for forming a titanium nitride film on a metal base material by ion mixing treatment, the method comprising: a first step of laminating a titanium film on the surface of the base material by film formation treatment;
Titanium or base material atoms are implanted into the titanium film at an accelerating voltage such that the average penetration depth is approximately at the boundary between the surface of the base material and the titanium film, and the interface between the surface of the base material and the titanium film is a second step of forming a mixing layer of titanium and base material atoms in the boundary region, and a third step of depositing titanium and implanting nitrogen ions into the titanium film having the mixing layer to stack a titanium nitride film. 1. A method for forming a titanium nitride film, comprising sequentially carrying out the following steps.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0754149A (en) * 1993-08-18 1995-02-28 Toutsuu:Kk Formation of oxide thin film

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH0754149A (en) * 1993-08-18 1995-02-28 Toutsuu:Kk Formation of oxide thin film

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