JPH02173264A

JPH02173264A - 高硬度多層膜

Info

Publication number: JPH02173264A
Application number: JP32857188A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Oimizu; 利明生水
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1988-12-26
Filing date: 1988-12-26
Publication date: 1990-07-04

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】〔産業上の利用分野〕本発明は、高硬度多層膜に関する。

〔従来の技術〕

一般に、ダイヤモンド薄膜や立方晶系窒化ホウ素（ｃＢ
Ｎ）薄膜は極めて高硬度でかつ電気的特性や熱伝導性に
優れているため、広い用途を有している。特に、これら
薄膜は、切削工具、プレス金型等に通用することにより
、長寿命化を図ることができる点で期待されている。

このような高硬度、高耐性を有する薄膜は種々の合成法
によって創成されており、例えばダイヤモンド薄膜およ
びｃＢＮｌ膜の形成技術に関しては、精密工学会誌第５
３＠第１０号（通５６３４号、１９８７年１０月）に超
硬質薄膜形成技術として具体的内容が開示されている。

上記学会誌の中で、ダイヤモンドｍ１ｌｌの合成方法と
しては、原料ガスとして炭化水素と水素または含酸素有
機化合物と水素を使いかつ加熱したフィラメントを用い
て混合ガスを分解して成膜する熱フイラメントＣＶＤ法
、原料ガスとしてメタンおよび水素を用いてマイクロ波
プラズマ中で成膜するマイクロ波ＣＶＤ法、原料ガスの
分解、励起のために電子を加速させて成膜する電子衝撃
ＣＶＤ法、イオンビームをグラファイトターゲットに照
射して炭素をスパッタさせ成膜するイオンビームスパッ
タ法または粒子をイオン化させて蒸着を行って成膜する
イオン蒸着法などが掲げられている。

一方、ｃＢＮの合成方法としては、原料ガスとしてジボ
ラン、アンモニアおよび水素を用いて高周波プラズマと
熱フイラメント加熱により成膜するＲＦプラズマＣＶＤ
法、高出力ＣＯ，レーザをｈＢＮ母材に照射し、蒸発さ
せ、基板を窒素イオンで照射しながら成膜するレーザＰ
ＶＤ法、窒素ガスフロー雰囲気中でホロカソード放電蒸
発源と電子ビーム蒸発源を用いて成膜する活性化反応蒸
着法または３０〜４０ＫｅＶで加速した窒素イオンを基
板上に照射し、電子銃でホウ素を蒸発させて成膜するＩ
ＶＤ法などが掲げられている。

従来、上記ＩＷＡ形成技術によって基板上に成膜された
ダイヤモンド薄膜やｃＢＮ薄膜は、それぞれ単一層で形
成されていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来のように、ダイヤモンド１Ｊｆｆｌｌまた
はｃＢＮ薄膜の単一層で構成したものでは、それぞれ長
所を有するものの、短所も有しており、満足できるもの
ではなかった。すなわち、硬度に関しては、ダイヤモン
ド薄膜の方がｃＢＮ薄膜より優れており、耐熱性に関し
てはｃＢＮＥｉ膜の方がダイヤモンド薄膜より優れてい
る。また、ダイヤモンド薄膜は主として非鉄金属に適し
ており、ｃＢＮ薄膜は鉄系材料に適していて実用価値が
大きい、さらに、ダイヤモンド薄膜、ｃＢＮ薄膜ともに
、単一層では、膜応力の影響により基材との密着性が悪
いという問題点があった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので
、硬度および耐熱性に優れており、基材との密着性に優
れた高硬度多層膜を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段］上記目的を達成するために、本発明は、立方晶系窒化ホ
ウ素薄膜とダイヤモンド薄膜とを交互に基板上に積層し
、各薄膜の膜厚をそれぞれ１０〜１００　ｎ−とじ、全
積層数を４層以上にして高硬度多層膜を構成した。

本発明において、各薄膜の膜厚を１０〜１１００ｎとし
たのは、Ｉ！ｌｙｉ、がＩｏｎ―未満であると膜として
の成膜時の制御が困難となり、一方膜厚が１１００ｎを
越えると膜の応力が太き（なってしまい、剥離し易（な
ってしまうからである、また、全積層数を４層以上とし
たのは３層以下であると摩耗が早くなってしまうととも
に、硬度や耐熱性等の機能を発揮できなくなってしまう
からである。

本発明の高硬度多層膜を製造するには、ホウ素含有ガス
と窒素含有ガスとの混合ガス、炭化水素と水素とを混合
させたまものを交互にマイクロ波プラズマ中に通過させ
て励起状態にし、５００〜１２００℃に加熱した基板上
にｃＢＮｌ膜とダイヤモンド薄膜とを交互に積層し、成
膜を行うものである。

ｃＢＮを合成するホウ素含有ガス及び窒素含有ガスとダ
イヤモンドを合成する炭化水素及び水素とは、それぞれ
コンビエータによって精度良く制御された電磁パルプに
より、原料ガスが瞬時に切り換えられるようにする。ま
た、各原料ガスはマス・フロー・コントローラによって
正確にｉｔを制御し、減圧した反応管の中に導入する。

安定なプラズマ状態を維持するには、反応管内の圧力を
０、１Ｔｏｒｒ〜１００Ｔｏｒｒの範囲内に設定するの
が好ましい、この範囲外では、安定したプラズマ状態を
維持するのが困難となる。

次に、ｃＢＮ薄膜とダイヤモンド薄膜とを積層する手順
について説明する。

まず、反応管内をｌＸｌ０−’↑ｏｒｒ以下まで真空排
気する。　　Ｉ　Ｘｌ０−’Ｔｏｒｒ以下に圧力が達し
た時点で、パージ用窒素ガスを３０分間流し続ける。こ
の時には、マイクロ波電源を投入し、プラズマ状態とし
ておく、管内パージが完了したら、ｃＢＮ合成に必要な
ホウ素含有ガスおよび窒素含有ガスを反応管内に流して
マイクロ波プラズマ中でｃＢＮＩＩＩｉを成膜する。所
望の膜厚に達した時点で原料ガスの供給を瞬時に停止さ
せ、パージ用窒素を１分以上流す、パージが完了したら
、今度はダイヤモンド合成に必要な炭化水素及び水素を
反応管内に流してマイクロ波プラズマ中でダイヤモンド
合成膜を成膜する。所望の膜厚に達した時点で原料ガス
の供給を瞬時に停止させ、パージ用窒素を流す。以降、
この作業＠繰り返し、所望の層数まで成膜を行う。

（作用〕上記構成の本発明の高硬度多層膜によれば、ダイヤモン
ド薄膜とｃＢＮ薄膜との両者の特性が得られ、十分な硬
度および耐熱性を発揮するとともに、基板と良好に密着
する。

〔実施例〕

（第１実施例）図は、本実施例において使用した成膜装置を示すもので
、反応管１には、ホウ素含有ガスタンク２、窒素含有ガ
スタンク３、炭化水素タンク４、水素タンク５およびパ
ージ用窒素タンク６がそれぞれ連通接続されている。ま
た、反応管ｌには排気ポンプ７が接続されており、反応
管ｌ内を所望の圧力に排気できるようになっている。さ
らに、反応管ｌの外周には、マイクロ波発振器８が配設
されている。９は反応管１内に設けられた基板である。

このような構成の成膜装置を用いて４層構造の高硬度多
層膜を形成した。

基板９としてシリコン・ウェハを使用し、ｃＢＮ用原料
ガスとしてＢ　ｇ　Ｈ＆およびＮ　Ｈｘをそれぞれ１０
ｃｃ／ｗｉｎおよび２０ｃｃ／ｗｉｎの割合で流し、ダ
イヤモンド用原料ガスとしてＣＨ，およびＨ！をそれぞ
れ４　ｃｃ／ｗｉｎおよび２００ｃｃ／ｗｉｎの割合で
流した。

反応管ｌ内圧力は２０Ｔｏｒｒに調整し、マイクロ波出
力６００Ｗで基板温度８００°Ｃとし、ｃＢＮ薄膜−層
を１１００ｎ、ダイヤモンド薄膜−層を１１００ｎとし
て、基板９側からｃＢＮ薄膜、ダイヤモンド薄膜の繰り
返しで成膜を行い、ｃＢＮｌｌｌｌ、ダイヤモンド薄膜
を交互に積層し、最上層をダイヤモンド薄膜とする４層
構成の高硬度子Ｎ膜を作成した。

作成した膜を分析したところ、ラマンスペクトルにより
ダイヤモンドが、赤外吸収スペクトルよりｃＢＮがそれ
ぞれ合成されていることを確認できた。

この第１実施例の条件で、超硬合金製の切削チップに高
硬度多層膜のコーティングを行った。また、同様の超硬
合金製の切削チップにダイヤモンド膜単層をコーティン
グしたもの（従来品１）、ｃＢＮＷｉ、単層をコーティ
ングしたもの（従来品２）を作成した。そして、これら
の切削チップを用いて、同一条件で切削テストを行った
。その結果、本実施例に係る切削チップは、単層コーテ
イング品である従来品ｌおよび２に比べて、約３倍の寿
命であった。

（第２実施例）第１実施例と同様の成膜装置を用いた。基板９としてシ
リコン・ウェハを使用し、ｃＢＮ用原料ガスとしてＢＣ
ｆｆｉ、およびＮ２をそれぞれ５　ｃｃ／ｓｉｎおよび
１０ｃｃ／Ｉ＋ｉｎの割合で流し、ダイヤモンド用原料
ガフ、としてＣ，）（、およびＨｌをそれぞれｌｃｃ／
−ｉｎおよび５０ｃｃ／ｓｉｎの割合で流した０反応管
１内圧力は４０Ｔｏｒｒに調整し、　マイクロ洩出カフ
００Ｗで基板温度９００’Ｃとし、ｃＢＮ薄膜−層を１
Ｏｎ＋ｓ、ダイヤモンド薄膜−層をＩｏｎｍとして、基
板９側からｃＢＮ薄膜、ダイヤモンド薄膜の繰り返しで
成膜を行い、最上層をダイヤモンド薄膜とする３０層構
成の高硬度子Ｎ膜を作成した。

この第２実施例の条件で、超硬合金製の切削チップに高
硬度多層膜のコーティングを行った。また、同様の超硬
合金製の切削チップにダイヤモンド膜単層をコーティン
グしたもの（従来品１）、ｃＢＮｌｌ単層をコーティン
グしたもの（従来品２）を作成した。そして、これらの
切削チップを用いて、同一条件で切削テストを行った。

その結果、本実施例に係る切削チップは、単層コーテイ
ング品である従来品１および２に比べて、約５倍の寿命
であった。

（第３実施例）第１実施例と同様成膜装置を用いた。基板９としてシリ
コン・ウェハを使用し、ｃＢＮ用原料ガスとしてＢＢｒ
ｓおよびＮ８をそれぞれ５　ｃｃ／ｍ１１１および１５
ｃｃ／ａ＋ｉｎの割合で流し、ダイヤモンド用原料ガス
としてＣＨａおよびＨ！をそれぞれ２　ｃｃ／５ｉｉｎ
および１００ｃｃ／ｓｉｎの割合で流した０反応管１内
圧力は５０Ｔｏｒｒに調整し、マイクロ波出力６００Ｗ
で基板温度８００°Ｃとし、ｃＢＮ薄膜−層を２０ｎｍ
、ダイヤモンド１ｗＡ−層を３Ｏｎ−として、基板９側
からｃＢＮ’ａｍ、ダイヤダイヤモンド単体に積層し、
最上層をダイヤモンド薄膜とする２０層構成の高硬度多
層膜を作成した。

この第３実施例の条件で、超硬合金製の切削チップに高
硬度多層膜のコーティングを行った。また、同様の超硬
合金製の切削チップにダイヤモンド膜単層をコーティン
グしたもの（従来品１）、ｃＢＮ膜単層をコーティング
したもの（従来品２）を作成した。そして、これらの切
削チップを用いて、同一条件で切削テストを行った。そ
の結果、本実施例に係る切削チップは、単層コーテイン
グ品である従来品ｌおよび２に比べて、約３倍の寿命で
あった。

上記各実施例で作成した高硬度多層膜は、ｃＢＮ、ダイ
ヤモンド単体の膜に比べて基材への密着性は大幅に高め
られ、耐熱、耐摩耗性に関しても優れた特性を有してい
た。なお、両方の膜の特長を出すためには、少なくとも
４Ｎ以上の積層が必要となり、膜厚に関しても１０〜１
００ｒ＋ａの間に維持することが膜応力を緩和する上で
重要である。

Ｉ１２厚がこの範囲外であると、膜の耐久性は低下する
。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明の高硬度多層膜によれば、ｃＢＮ
薄膜とダイヤモンド薄膜とを交互に基板上に積層し、各
薄膜の膜厚をそれぞれ１０〜１００ｎｔｓにするととも
に、全積層数を４７Ｊ以上としたので、硬度および耐熱
性に優れるとともに、従来の単層膜に比して基材との密
着性が極めて良好となり、各種切削用工具および耐摩耗
用工具、高温にさらされるプレス金型等の長寿命化を図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の実施例で使用した成膜装置を示す概略構成
図である。１・・・反応管２・・・ホウ素含有ガスタンク３・・・窒素含有ガスタンク４・・・度化水素タンク５・・・水素タンク６・・・パージ用窒素タンク９・・・基板

Claims

【特許請求の範囲】

（１）立方晶系窒化ホウ素薄膜とダイヤモンド薄膜とを
交互に基板上に積層し、各薄膜の膜厚がそれぞれ１０〜
１００ｎｍであるとともに、全積層数が４層以上である
ことを特徴とする高硬度多層膜。