JPH06172967A

JPH06172967A - 窒化ホウ素含有膜被覆基体とその製造方法

Info

Publication number: JPH06172967A
Application number: JP32187792A
Authority: JP
Inventors: Satoru Nishiyama; 哲西山; Akinori Ebe; 明憲江部; Naoto Kuratani; 直人鞍谷; Kiyoshi Ogata; 潔緒方
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1992-12-01
Filing date: 1992-12-01
Publication date: 1994-06-21

Abstract

(57)【要約】【構成】 VIａ族元素を含有する膜上にさらに窒化ホウ
素を含有する膜が被覆された窒化ホウ素含有膜被覆基体
であって、前記VIａ族元素を含有する膜と基体との界面
に前記VIａ族元素を含有する膜と基体を構成する原子よ
り成る混合層が形成されている窒化ホウ素含有膜被膜基
体。【効果】化学的活性度が高く、各種基体との密着性に
優れた膜を得ることができるとともに、ＢＮ膜と基体と
の密着性が著しく向上する。つまり、VIａ族元素と該膜
の上に形成されるＢＮ膜との格子定数、熱膨脹係数の差
が緩和され、該ＢＮ膜内に誘起される内部応力が少ない
ものとなり、該ＢＮ膜の密着性の長期安全性を確保する
ことができる。従って、切削工具、金型、磁気ヘッドあ
るいは各種の摺動部品といった基体の摩擦・摩耗・潤滑
性能等の性能が向上し、高硬度で優れた摺動性を有する
窒化ホウ素含有膜被覆基体を得ることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は窒化ホウ素含有膜被覆基
体とその製造方法に関し、より詳細には耐摩耗性、摺動
性、あるいは化学的安定性を改善するために窒化ホウ素
膜が被覆された基体であり、さらには該膜の硬度、密着
性が優れた窒化ホウ素含有膜被覆基体とその製造方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】窒化ホウ素（ＢＮ）は、結晶構造によっ
て立方晶系閃亜鉛鉱型のもの（ｃ−ＢＮ）、六方晶系の
グラファイトと類似した構造のもの（ｈ−ＢＮ）、ある
いは六方晶系のウルツ鉱型のもの（ｗ−ＢＮ）等に大別
される。なかでもｃ−ＢＮはダイヤモンドに次ぐ高硬度
を有しており、熱的・化学的安定性にも優れていること
から、切削工具といった耐摩耗性を必要とする分野に応
用されており、また、絶縁性や高熱伝導率を有する特徴
を活かしてヒートシンク用材料として利用されている。
ｗ−ＢＮもｃ−ＢＮより硬度は劣るが、他の窒化物より
優れた硬度、熱伝導性を有していることにより、ｃ−Ｂ
Ｎと同じく前記応用に用いることが期待されている。

【０００３】しかし、ｃ−ＢＮやｗ−ＢＮは高温・高圧
下で合成され得るものであり、これまでその膜合成を低
温下で行うことは困難であった。近年、真空蒸着とイオ
ン照射とを併用し、蒸発原子とイオンとの衝突により該
蒸発原子を励起化させ、非熱平衡過程によって低温下で
もｃ−ＢＮ膜を合成できる手法が盛んに試みられる様に
なった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ｃ−ＢＮ、ｗ
−ＢＮは各種基体、例えば樹脂や金属との濡れ性に乏し
く、金属基体上に形成させた場合、膜の密着性に乏しく
実用されにくい欠点があった。この欠点を補うため、Ｂ
Ｎ膜と基体との界面にVIａ族元素からなる物質を中間層
として形成して、該VIａ族元素の化学的活性度の高さを
利用して、ＢＮ膜の密着性を向上させようとする試みが
なされている。

【０００５】しかし、前記手法では、膜の密着強度は向
上するものの、該VIａ族元素より成る膜とＢＮ膜との格
子定数や熱膨脹係数の違いにより、該膜上に形成される
ＢＮ膜内に誘起される内部応力が高くなり、ＢＮ膜の密
着性の長期安全性が保たれないという欠点を生じてい
る。本発明は前記問題点を鑑み、密着性に優れた窒化ホ
ウ素含有膜被覆基体とその製造方法を提供することを目
的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、VIａ族
元素を含有する膜上にさらに窒化ホウ素を含有する膜が
被覆された窒化ホウ素含有膜被覆基体であって、前記VI
ａ族元素を含有する膜と基体との界面に前記VIａ族元素
を含有する膜と基体を構成する原子より成る混合層が形
成されている窒化ホウ素含有膜被膜基体が提供される。

【０００７】また、VIａ族元素を含有する膜を、真空蒸
着またはスパッタとイオン照射とを併用することによっ
て形成する窒化ホウ素含有膜被覆基体の製造方法が提供
される。本発明における窒化ホウ素含有膜被覆基体に用
いられる基体は特に限定されるものではなく、通常基体
として用いられるもの、例えば、各種金属、セラミッ
ク、樹脂等を用いることができる。また、この基体上に
被覆されるVIａ族元素を含有する膜としては、Ｃｒ、Ｍ
ｏ、Ｗの単体、酸化物、窒化物等を含有する膜が挙げら
れる。さらに、VIａ族元素を含有する膜上に、窒化ホウ
素を含有する膜が被覆される。そして、VIａ族元素を含
有する膜と基体との界面には、VIａ族元素を含有する膜
と基体とを構成する原子より成る混合層が形成されてい
る。

【０００８】本発明を実施するための膜形成装置は、蒸
発源及びイオン源等を具備するものであり、例えば、図
２に示したような膜形成装置を用いることができる。図
２において、１は基体、６は基体ホルダー、７ａ及び７
ｂは蒸発源、８はイオン源であり、それらは真空容器９
内に納められている。真空容器９は排気装置１２によっ
て所定の真空度に排気され、保持されている。なお、７
ａ及び７ｂの蒸発源は電子ビーム、抵抗や高周波によっ
てVIａ又はIVｂ族元素を含有する物質及びホウ素含有物
質を加熱させ蒸気化させるもので、他にスパッタリング
等、任意の手法を用いることができる。また、８のイオ
ン源の方式も特に限定されず、カウフマン型やバケット
型等を適宜用いることができる。また、基体ホルダー６
近傍には基体１への蒸着原子の蒸着量をモニターするこ
とができる膜厚モニター１０が、また、基体１へのイオ
ンの照射量をモニターすることができるイオン電流測定
器１１が配設されている。これら膜厚モニター１０及び
イオン電流測定器１１の方式は特に限定されるものでは
なく、例えば、膜厚モニター１０としては水晶振動子を
用いたもの、イオン電流測定器１１としてはファラデー
カップ等を適宜用いることができる。

【０００９】本発明を実施するにあたっては、まず、基
体を基体ホルダーに設置し、真空容器内に納め、例えば
１×１０^-6torr以下の真空度に排気した後、蒸発源より
VIａ族元素を含有する物質を加熱し、蒸気化させること
によって基体上にVIａ族元素を含有する物質を蒸着させ
る。蒸気化させるVIａ族元素含有物質としては、Ｃｒ、
Ｍｏ、Ｗの単体、酸化物、窒化物等を用いることができ
る。そして、該物質の蒸着と同時、交互、または蒸着後
に、イオン源よりイオンを基体に照射する。

【００１０】用いるイオン種は不活性ガスイオンや窒素
イオン、あるいは両者の混合された物を用いることがで
きるが、ＢＮ膜とVIａ族元素よりなる膜との濡れ性を良
くするために窒素イオンを用いて、前記VIａ族元素より
なる膜の窒化物を形成するのが好ましい。但し、基体界
面との混合層の形成を容易にするために、VIａ族元素よ
りなる膜の形成の初期にはＮｅ、Ａｒ、Ｋｒ、およびＸ
ｅイオンといった原子量の大きなイオンを用い、VIａ族
元素よりなる膜の表面近傍ではＢＮ膜との濡れ性を良く
するために窒素イオンを用いるなどを行なってもよい。

【００１１】この際の、照射イオンの加速エネルギーは
特に限定されず、基体の耐熱性を考慮して適宜選択され
る。例えば、金属などの耐熱性の良い基体の場合には、
加速エネルギーが２ＫｅＶ以上のものを用い、例えば樹
脂の様な耐熱性の良くないものは、加速エネルギーが２
ＫｅＶ以下のものを用いることが好ましい。窒素イオン
あるいは不活性ガスイオンを照射する際の照射量は、形
成される膜内に窒素イオンあるいは不活性ガスイオンが
１×１０¹³個／ｃｍ²以上、１×１０²⁰個／ｃｍ²以下
となるのが好ましい。照射量が１×１０¹³個／ｃｍ²未
満の場合には、イオン照射による混合層の形成が充分に
されず、１×１０²⁰個／ｃｍ ²以上の場合には、イオン
照射による膜や基体への損傷が過大になるので好ましく
ない。

【００１２】また、VIａ族元素よりなる膜を形成する際
のVIａ族元素の原子数と照射されるイオン数との比率は
特に限定されない。例えば、前記樹脂の様な基体を用い
る場合には、照射するイオンの加速エネルギーは小さく
しなければならず、従ってVIａ族元素よりなる膜／基体
界面の混合層の厚みが大きくとれなくなる。このような
場合であって、かつ窒素イオンを照射する場合は、膜／
基体界面でVIａ族元素の原子数が多くなり、それらの化
学的活性度の高さを利用して密着強度を上げるととも
に、膜表面近傍でＢＮ膜との格子定数や熱膨脹係数の差
を少なくするために、膜内に含有される窒素の原子数が
多くなるようにすれば良い。

【００１３】更に膜厚も特に限定されるものではない
が、約５ｎｍ〜１０００ｎｍに形成することが好まし
い。この範囲を逸脱すると、該膜の密着性に及ぼす効果
が充分に出なくなる。また、本発明では、上記工程を経
た後、当該膜の上に窒化ホウ素（ＢＮ）を含有する膜を
形成する。この場合の手法は特に限定されるものではな
いが、例えば、VIａ族元素を含有する膜を形成したもの
と同じ装置を利用して、即ち真空蒸着またはスパッタと
イオン照射とを併用する手法によって形成すれば、基体
を真空容器外へ取り出す事なくＢＮ含有膜が形成できる
ので、膜への不純物の混入、あるいは成膜工程の少ない
膜の形成方法となるので好ましい。

【００１４】具体的に述べれば、ＢＮ膜を形成するにあ
たっては、前記VIａ族元素を含有する膜を形成した後、
それを真空容器外に取り出すことなく、真空容器内を真
空に保持したままで、蒸発源よりホウ素元素を含有する
物質１４、例えばＢの単体、酸化物、窒化物が基体上に
真空蒸着されると同時、交互または膜形成後に、イオン
源よりイオンを基体に照射する。

【００１５】この際の、照射イオンの加速エネルギーは
特に限定されるものではなく、基体の耐熱性を考慮して
適宜選択される。例えば、金属などの耐熱性の良い基体
の場合には、加速エネルギーが２ＫｅＶ以上のものを用
い、例えば樹脂の様な耐熱性の良くないものは、加速エ
ネルギーが２ＫｅＶ以下のものを用いる。この際に用い
るイオン種は不活性ガスイオンや窒素イオン、あるいは
両者の混合されたものを用いる。不活性ガスイオンは、
蒸発Ｂ原子と不活性ガスイオンが衝突することにより、
当該Ｂ原子がより一層励起化し、ｃ−ＢＮの形成に有利
になる。

【００１６】また、窒化ホウ素含有膜を形成する際、基
体に到達するＢの原子と窒素イオンの数との比率（Ｂ／
Ｎ輸送比）は特に限定されないが、０．５以上４０以下
が好ましい。０．５未満であると、イオンによるＢ原子
のスパッタが過剰になり、膜が形成されず、また、４０
を越えた場合には、膜内に窒素と結合しないホウ素が過
剰に含有され、膜の特性が劣化するので好ましくない。

【００１７】さらに、このＢＮを含有する膜を形成する
際、イオン照射を用いるので、前記VIａ族元素を含有す
る膜とＢＮを含有する膜の界面には、両者の構成原子か
らなる混合層が形成されるので、VIａ族元素を含有する
膜とＢＮを含有する膜の密着性は良好なものとなる。ま
た、本発明において、熱的なダメージを極端に避けなけ
ればならない基体を用いる場合には、基体ホルダーを水
冷により冷却させながら成膜を行うのが好ましい。

【００１８】

【作用】本発明の窒化ホウ素含有膜被膜基体によれば、
VIａ族元素を含有する膜上にさらに窒化ホウ素を含有す
る膜が被覆された窒化ホウ素含有膜被覆基体であって、
前記VIａ族元素を含有する膜と基体との界面に前記VIａ
族元素を含有する膜と基体を構成する原子より成る混合
層が形成されているので、化学的活性度が高く、各種基
体との密着性に優れた膜が形成されるとともに、ＢＮ膜
と基体との密着性が著しく向上する。つまり、VIａ族元
素と該膜の上に形成されるＢＮ膜との格子定数、熱膨脹
係数の差が緩和され、該ＢＮ膜内に誘起される内部応力
が少ないものとなり、該ＢＮ膜の密着性の長期安全性が
確保される。

【００１９】また、VIａ族元素を含有する膜を、真空蒸
着またはスパッタとイオン照射とを併用することによっ
て形成するので、照射イオンは蒸着原子と衝突して蒸着
原子を基体に押し込み、あるいは基体を構成する原子を
はじき出す。従って、基体とVIａ族元素よりなる膜の界
面に、基体と膜との構成原子からなる混合層が形成さ
れ、その結果、前記化学的活性度を利用したものよりも
一層、基体に対して優れた密着性を有する膜が得られ
る。

【００２０】

【実施例】本発明による窒化ホウ素含有膜被覆基体は、
図１に示すように、基体１上にVIａ族元素を含有する膜
２及び窒化ホウ素含有膜３が順次形成されており、基体
１とVIａ族元素を含有する膜２との間には、それらの構
成元素を含有する混合層４が形成されている。

【００２１】以下、窒化ホウ素含有膜被覆基体の製造方
法について説明する。実施例１図２に示す装置を用いて、高速度工具綱（ＳＫＨ５１）
よりなる基体１を基体ホルダー６に設置し、１×１０^-6
torrの真空度に真空容器９を保持した。その後、純度9
9.999％のＣｒペレットを電子ビーム蒸発源７ａを用い
て気化させ、基体１上にVIａ族元素を含有する膜２であ
るＣｒ膜を形成すると同時に、イオン源８に純度５Ｎの
窒素ガスを真空容器９内が５×１０^-5torrになるまで導
入し、イオン源８内にてイオン化させ、基体１に１０Ｋ
ｅＶの加速エネルギーで照射した。この時のＣｒ／Ｎの
組成比は３／１になるように、原子の蒸発量と窒素イオ
ンの照射量を調整した。なお、イオン源８はカスプ磁場
を用いたバケット型イオン源を用いた。

【００２２】このようにしてＣｒ−Ｎ元素よりなる膜を
５０ｎｍ形成したのち、純度９９．７％のホウ素ペレッ
トを電子ビーム蒸発源７ｂを用いて気化し、基体１上に
ホウ素膜を成膜すると同時に、イオン源８に純度５Ｎの
窒素ガスを真空容器９内が５×１０^-5torrになるまで導
入し、イオン化させ、基体１に０．５ＫｅＶの加速エネ
ルギーで照射した。その際、Ｂ／Ｎの組成比が１になる
ように、ホウ素原子の蒸発量と窒素イオンの照射量とを
調整し、約１μｍの膜厚で窒化ホウ素含有膜３を成膜し
た。

【００２３】実施例２実施例１と同じ基体１を基体ホルダー６に設置した後、
真空容器９に納め、該容器９を１×１０^-6torr以下の真
空度に保った。その後、純度99.999％のＣｒペレットを
電子ビーム蒸発源７ａを用いて気化させ、基体１上にVI
ａ族元素を含有する膜２であるＣｒ膜を形成すると同時
に、イオン源８に純度５Ｎの窒素ガスを真空容器９内が
２×１０^-5torrになるまで導入し、イオン源８内にてイ
オン化させ、基体１に２ＫｅＶの加速エネルギーで照射
した。この時のＣｒ／Ｎの組成比は５／１になるよう
に、原子の蒸発量と窒素イオンの照射量を調整した。

【００２４】このようにしてＣｒ−Ｎ元素よりなる膜を
１００ｎｍ形成したのち、実施例１と同様に約１μｍの
膜厚で窒化ホウ素含有膜３を成膜した。実施例３実施例１と同じ基体１を基体ホルダー６に設置した後、
真空容器９に納め、該容器９を１×１０^-6torr以下の真
空度に保った。その後、純度99.999％のＣｒペレットを
電子ビーム蒸発源７ａを用いて気化させ、基体１上にVI
ａ族元素を含有する膜２であるＣｒ膜を５０ｎｍ蒸着し
た。その後、イオン源８に純度５Ｎの窒素ガスを真空容
器９内が２×１０^-5torrになるまで導入し、イオン源８
内にてイオン化させ、基体１に２０ＫｅＶの加速エネル
ギーで照射した。この時のイオンの照射量は１×１０¹⁶
個／ｃｍ²であった。次いで、Ｃｒ−Ｎ元素よりなる膜
上に実施例１と同様に約１μｍの膜厚で窒化ホウ素含有
膜３を成膜した。

【００２５】比較例１実施例１と同じ基体１を基体ホルダー６に設置した後、
真空容器９に納め、該容器９を１×１０^-6torr以下の真
空度に保った。その後、純度99.99 ％のホウ素を電子ビ
ーム蒸発源７ａを用いて気化させ、基体１上にホウ素膜
を蒸着すると同時に、イオン源８に純度５Ｎの窒素ガス
を真空容器９内が２×１０^-5torrになるまで導入し、イ
オン源８内にてイオン化させ、基体１に０．５ＫｅＶの
加速エネルギーで照射した。この時のＢ／Ｎの組成比は
１／１になるように、原子の蒸発量と窒素イオンの照射
量を調整した。なお、それ以外のＢＮ膜の形成方法は実
施例１と同様であった。

【００２６】上記実施例１〜３、比較例１において膜が
形成された基体について、５ｇ荷重ビッカース硬度によ
り膜の硬度を測定した。さらに前記膜被覆基体に関し
て、ＡＥセンサ付きスクラッチ試験機によって、膜の密
着強度を測定した結果、表１の様になった。密着性は、
ダイヤモンド圧子でＯＮから連続的に荷重を増加させな
がら、膜を引っかき、モニターしているＡＥ信号が急激
に立ち上げる荷重を膜の剥離荷重とし、その荷重の大き
さで密着強度を表わすようにした。

【００２７】

【表１】表から明らかなように、実施例、比較例はいずれも、優
れた硬度を有していたが、比較例のもののＢＮ膜は、実
施例のものに比べると膜の密着性に劣っていた。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、VIａ族元素を含有する
膜上にさらに窒化ホウ素を含有する膜が被覆された窒化
ホウ素含有膜被覆基体であって、前記VIａ族元素を含有
する膜と基体との界面に前記VIａ族元素を含有する膜と
基体を構成する原子より成る混合層が形成されているの
で、化学的活性度が高く、各種基体との密着性に優れた
膜を得ることができるとともに、ＢＮ膜と基体との密着
性が著しく向上する。つまり、VIａ族元素と該膜の上に
形成されるＢＮ膜との格子定数、熱膨脹係数の差が緩和
され、該ＢＮ膜内に誘起される内部応力が少ないものと
なり、該ＢＮ膜の密着性の長期安全性を確保することが
できる。

【００２９】また、VIａ族元素を含有する膜を、真空蒸
着またはスパッタとイオン照射とを併用することによっ
て形成するので、照射イオンは蒸着原子と衝突して蒸着
原子を基体に押し込み、あるいは基体を構成する原子を
はじき出す。従って、基体とVIａ族元素よりなる膜の界
面に、基体と膜との構成原子からなる混合層を形成する
ことができ、その結果、前記化学的活性度を利用したも
のよりも一層、基体に対して優れた密着性を有する膜を
得ることができる。

【００３０】従って、切削工具、金型、磁気ヘッドある
いは各種の摺動部品といった基体の摩擦・摩耗・潤滑性
能等の性能が向上し、高硬度で優れた摺動性を有する窒
化ホウ素含有膜被覆基体を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる窒化ホウ素含有膜被覆基体を示
す概略断面図である。

【図２】本発明の窒化ホウ素含有膜被覆基体を製造する
際に用いられる膜形成装置の要部の概略断面図である。

【符号の説明】

１基体２ VIａ族元素を含有する膜３窒化ホウ素含有膜４混合層

フロントページの続き (72)発明者緒方潔京都市右京区梅津高畝町47番地日新電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 VIａ族元素を含有する膜上にさらに窒化
ホウ素を含有する膜が被覆された窒化ホウ素含有膜被覆
基体であって、前記VIａ族元素を含有する膜と基体との
界面に前記VIａ族元素を含有する膜と基体を構成する原
子より成る混合層が形成されていることを特徴とする窒
化ホウ素含有膜被膜基体。
【請求項２】 VIａ族元素を含有する膜を、真空蒸着ま
たはスパッタとイオン照射とを併用することによって形
成する特許請求の範囲第１項記載の窒化ホウ素含有膜被
覆基体の製造方法。