JPH05193916A - 窒化チタン薄膜 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高硬度で耐摩耗性が大きい、新らしい結晶構
造を有する窒化チタン薄膜を得ること。 【構成】 格子定数が０．４１４ｎｍから０．４２２ｎ
ｍの範囲にある面心立方晶構造のＴｉＮの結晶粒子を含
有することを特徴とする窒化チタン薄膜。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、硬質で耐摩耗性に優れ
て各種用途に使用することができる窒化チタン薄膜及び
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】材料の耐摩耗性または耐食性を高めるた
めに、その表面にセラミックスコーティングを施すこと
が広く行われている。そのセラミックスコーティングに
使用される材質としては、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｓｉ₂ Ｎ
₃ 、ｃ−ＢＮ、ＨｆＮ、ＣｒＮなどが挙げられる。これ
らの中でも、ＴｉＮ、ＴｉＣはすでに広く工業化され、
硬質耐摩耗性皮膜として金型、工具、機械部品等に応用
されている。従来、前記のコーティングを形成させるの
に使用することができるコーティング技術としては、イ
オンプレーティング法、スパッタ蒸着法等に代表される
ＰＶＤ法、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、レーザＣＶＤ、
イオン注入技術等による種々の成膜方法が検討されてい
る。なかでも、イオン注入と金属蒸着を同時に併用する
ダイナミックミキシング法は、基板との密着性に優れる
と同時に、基板の材質及びその結晶構造とは無関係に、
窒化物系、酸化物系および炭化物系の薄膜を作製するこ
とが可能な技術として注目されている。

【０００３】また、前記セラミックスコーティングの材
質のうちで、工業化されているものの一つであるＴｉＮ
は、侵入型化合物を形成する代表的物質であり、面心立
方晶の結晶構造で、格子定数が０．４２４ｎｍであるこ
とが知られている。ＴｉＮは、Ｔｉの格子にＮが侵入固
溶体として入り、Ｂ１型（ＮａＣｌ型）結晶構造とな
る。ＴｉＮｘの組成領域は、０．８＜ｘ＜１．１６と広
くとりえる。この組成領域内で、ｘを変化させた場合、
ＴｉＮの格子定数が、０．４２３から０．４２５の範囲
内で変化することが知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、窒化チ
タン薄膜に関する研究を行ってきたが、一般にＴｉＮの
格子定数が、０．４２３から０．４２５ｎｍの範囲内で
あると、ビッカース硬度が８００から１６００程度の硬
さにとどまり、耐摩耗性が不十分であることが知られて
いる。本発明は、セラミックスコーティングとして実用
しうるに十分である硬度と耐摩耗性を有する窒化チタン
薄膜を得ること、及びそのような窒化チタンを製造する
ことができる製造方法を提供することを目的とするもの
である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、下記手段によ
り前記の目的を達成した。 （１）格子定数が０．４１４ｎｍから０．４２２ｎｍの
範囲にある面心立方晶構造をしたＴｉＮの結晶粒子を含
有することを特徴とする窒化チタン薄膜。 （２）前記結晶粒子のＴｉＮの結晶方位が（１１１）面
に配向したことを特徴とする（１）項記載の窒化チタン
薄膜。 前記の面心立方晶構造であるＴｉＮを含有する窒化チタ
ン薄膜は、種々の結晶の条件を併せ持ちうるが、その中
でもＴｉＮの結晶定数が、０．４１４ｎｍから０．４２
２ｎｍである結晶粒子を含有するとき、及び窒化チタン
薄膜に含有するＴｉＮの結晶粒子の大きさが最適な範囲
内であるときに、前記の目的が達成される。本発明で得
られた窒化チタン薄膜は、ＴｉＮ結晶粒子の大きさが１
０ｎｍから１００ｎｍであるが、本発明は、この範囲に
限定されるものではない。

【０００６】本発明の窒化チタン薄膜は、種々の基板の
上に形成することができ、例えば、金属、セラミック
ス、半導体等が挙げられる。形成する窒化チタン薄膜の
厚さは、その用途によって種々の厚さとすることがで
き、そのセラミックスコーティングが備えるべき性質に
よって選択する。また、本発明の窒化チタン薄膜の製造
方法では、基板温度、チタンの蒸着速度、窒素イオンビ
ームの加速電圧、電流密度、成膜室内の真空度等によっ
ても多少変動があるので、これらの条件を勘案して、最
適な条件を選定することが好ましい。

【０００７】

【作 用】本発明の窒化チタン薄膜は、高硬度で、耐摩
耗性が大きいのは、ＴｉＮ結晶構造の格子定数が小さい
ことによってもたらされるものではないようである。ま
た、その窒化チタン薄膜の成膜中の基板の温度、窒素イ
オンビームの照射角度、加速電圧、電流密度、成膜室の
真空度等を制御することで、前記の格子定数の範囲をも
った窒化チタン薄膜が得られるが、その作用機構は解明
されていない。

【０００８】

【実施例】以下、実施例によって、本発明を具体的に説
明する。ただし、本発明は、この実施例のみに限定され
るものではない。 実施例１ 以下実施例を示し、本発明の特徴とするところにより一
層明らかにする。基板として、ＪＩＳ規格のＳＵＳ４４
０Ｃのステンレス鋼板片を用いた。この基板は、焼き入
れ温度：１０５０℃で１ｈｒ保持、焼き戻し温度：４０
０℃で１ｈｒ保持する条件で熱処理した。基板の硬度
は、ロックウェル硬度で５５〜５７（ビッカース硬度：
５５０〜６５０）である。この基板を処理面の平均粗さ
が０．５μｍ以下の鏡面となるまで研磨し、アセトンを
もちいて超音波洗浄したものを、図１に示す薄膜形成装
置に装着した。ただし、図１は、前記装置の概略図を作
用的な面を含めて模式的に示したものである。

【０００９】この装置において、到達圧力は、４．０×
１０^-6torr以下で、イオン源に窒素ガスを導入して成膜
室内の圧力を２〜３×１０^-5torr以下とし、イオン化し
て基板に照射を行うようにする。イオンビーム照射によ
る基板１の温度上昇を防ぐため、銅製の基板ホルダー２
を水冷パイプ３で冷却している。基板温度の制御は、通
常赤外線ヒーターまたは電熱ヒータ板をとりつけても可
能であるが、本実施例では、基板温度の影響を適切な断
熱材４を基板１と基板ホルダーとの間設置することによ
りなくすようにした。窒化チタンのコーティングにさい
して、最初に加速電圧１０ｋＶ、イオン電流密度：０．
２ｍＡ／ｃｍ² 、照射角度９０度で、窒素イオンによる
スパッタークリーニングを行った。次に、水晶発振式膜
厚計にてモニターしながら、所定の速度でチタン５を蒸
着しつつ、同時に窒素イオンビーム６を所定の電流密度
で照射し、窒化チタンを成膜した。そのさい、各設定条
件を変え、２μｍの窒化チタン薄膜を形成した。なお、
イオンビームに含まれるイオン種は、Ｎ⁺ 及びＮ₂ ⁺ で
あり、その個数の比は、２：３である。

【００１０】窒化チタン薄膜を表１に示す条件で成膜し
た。各種窒化チタン薄膜の同定をＣｕＫα線によるＸ線
回折で調べた結果を図２ないし図４に示す。図２、図３
の回折パターンは、ＴｉＮの（１１１）面に高配向した
窒化チタン薄膜であることを示す。図４の回折パターン
は、αＴｉ（００２）面に高配向した窒化チタン薄膜で
あることを示す。なお、図中に表記した窒化チタン薄膜
中のＮ／Ｔｉ原子比は、ＥＰＭＡの定量分析から実測し
た値である。 表 １ チタンの蒸着速度：〜５０（Å／ｓ） イオンビームの照射角度：９０° 加速電圧：１０〜３０（ｋＶ） 電流密度：０．１０〜０．４０（ｍＡ／ｃｍ² ） 基板の投入電力 ：〜１０（Ｗ／ｃｍ² ） 基板温度 ：１８０〜４１０（℃） 成膜室内の圧力 ：３×１０^-5以下（ｔｏｒｒ）

【００１１】本実験で得られた各種窒化チタン薄膜につ
いて、ブラックの公式から求めた格子面の間隔ｄと窒化
チタン薄膜中のＮ／Ｔｉ原子比との関係を図５に示す。
Ｘ線回折の詳細な分析結果から、図中の面間隔ｄ＝２．
３７Å及びｄ＝２．３６Åは、ｈｃｐ結晶構造のαＴｉ
（００２）面の間隔に対応し、面間隔が２．３９Åから
２．４６Åの範囲ものは、面心立方晶のＴｉＮ（１１
１）面の面間隔に対応していることがわかった。得られ
た各種窒化チタン薄膜の硬度Ｈｖと面間隔ｄとの関係を
図６に示す。図中の硬度は、マイクロビッカース硬度計
（５ｇ荷重）で測定した。上記の膜中のＮ／Ｔｉ原子
比、イオンビームから基板に供給される単位面積当りの
電力（Ｗ／ｃｍ² ）、基板温度の制御等の成膜条件を最
適化することで、ＴｉＮ（１１１）面の面間隔をある範
囲内で制御することを見い出した。

【００１２】

【発明の効果】本発明の窒化チタン薄膜は、高硬度で、
耐摩耗性にすぐれており、各種基板の上に形成させるこ
とができる。また、この窒化チタン薄膜は、ＩＣ等にお
ける拡散防止膜等として使用することができる。さら
に、本発明は、Ｔｉを蒸着しながら窒素イオンビームを
照射することにより窒化チタン薄膜を形成するさいに基
板の温度、窒素イオンビームの加速電圧、電流密度、成
膜室の真空度等を制御することにより、格子定数が０．
４１９ｎｍから０．４２２ｎｍの範囲にある面心立方晶
構造のＴｉＮ結晶粒子を含有する窒化チタン薄膜を再現
性よく得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１で使用した膜形成装置の概略
図を示す。

【図２】Ｎ／Ｔｉの原子比が１．１である窒化チタン薄
膜のＣｕＫα線によるＸ線回折パターンを示す。

【図３】Ｎ／Ｔｉの原子比が０．８である窒化チタン薄
膜のＣｕＫα線によるＸ線回折パターンを示す。

【図４】ＴｉＮの（１１１）面に高配向した窒化チタン
薄膜のＸ線回折パターンを示す。

【図５】格子の面間隔と窒化チタン薄膜中のＮ／Ｔｉ原
子比との関係を示す。

【図６】各種窒化チタン薄膜の原子網の面間隔とマイク
ロビッカース硬度との関係を示す。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 基板ホルダー ３ 水冷パイプ ４ 断熱材 ５ チタン蒸気 ６ 窒素イオンビーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤井 兼栄 兵庫県川辺郡猪名川町松尾台２丁目１−６ −Ｋ401 (72)発明者 堀野 裕治 大阪府池田市五月丘３丁目４−８ 大工試 宿舎254号 (72)発明者 木内 正人 奈良県奈良市東紀寺１−60−143 (72)発明者 茶谷原 昭義 大阪府池田市五月丘３丁目４−13 大工試 宿舎112号 (72)発明者 長坂 浩志 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 格子定数が０．４１４ｎｍから０．４２
   ２ｎｍの範囲にある面心立方晶構造をしたＴｉＮの結晶
   粒子を含有することを特徴とする窒化チタン薄膜。
2. 【請求項２】 前記結晶粒子のＴｉＮの結晶方位が（１
   １１）面に配向したことを特徴とする請求項１記載の窒
   化チタン薄膜。