JPH04214850A - 膜構造とその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基材上の膜構造および
その製造方法に関し、特に基材上に基材と熱膨張係数の
異なる被膜を形成した膜構造およびその製造方法に関す
る。

【０００２】以下、ダイヤモンドコーティングを例にと
って説明するが、本発明はダイヤモンドコーティングに
限定されるものではない。ダイヤモンドはその硬度、熱
伝導率、化学的安定性を始めとして、多くの優れた特性
を有するため、表面改質のためのコーティング材として
大きな注目を集めている。たとえば、ドリル等の工具や
、ＴＡＢボンディングツール等ヘのコーティングが期待
されている。

【０００３】

【従来の技術】ダイヤモンドは、上述のような優れた特
性のため、コーティング材として注目されている。ダイ
ヤモンド膜の形成方法として、近年ＣＶＤが開発されて
いる。メタン等のＣを含む原料ガスをエッチングガスと
して働くＨを含むガス等と共に供給し、プラズマガス中
で基材上に結晶成長を行なう。ダイヤモンドと共に、グ
ラファイト、非晶質カーボン等も堆積するが、堆積と同
時にエッチングを行なうことにより、グラファイトや非
晶質カーボンはエッチング除去され、結合力の強いダイ
ヤモンドのみが残る。このようにしてダイヤモンド膜を
得ることができる。

【０００４】ダイヤモンド膜をコーティングできる基材
としては、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｗ、ＷＣ等が知られている。鉄
（Ｆｅ）等の材料の上にもダイヤモンド膜をコーティン
グすることが強く望まれている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、ダイヤ
モンド膜をコーティングできる基材は、少数の材料に限
定されている。その他の一般的な基材上へのダイヤモン
ド膜の成長が困難な理由は、核形成を含む成膜機構およ
びダイヤモンドの熱膨張係数が一般的な材料の熱膨張係
数よりも大幅に小さいことにあると考えられる。後者の
原因によれば、ダイヤモンドが仮に８００〜１０００℃
の成膜温度で成膜されても、室温に降温した時剥離した
り、クラックが生じるという結果になる。このような熱
膨張係数の違いによる応力をなんらかの手段で緩和する
ことが望まれる。

【０００６】本発明の目的は、基材と熱膨張係数が異な
る目的物質の被膜を基板上に容易に形成することのでき
る膜構造を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理説明
図である。左側の部分においては、基材１の上に、基材
の物質よりも延性の大きな材料の第１の中間層３が形成
されており、その上に目的物質の被膜２が形成されてい
る。

【０００８】また、図中中央部分に示すように、目的物
質の被膜２の下に、目的物質２の成膜を促進させる材料
の第２の中間層４を形成してもよい。また、図中右側部
分に示すように、基材１、第１の中間層３、第２の中間
層４、目的物質の被膜２の間のいずれかに、隣接する両
層の材料の固溶体で形成された固溶体層７、８、９を配
置してもよい。

【０００９】

【作用】基材１よりも延性の大きな第１の中間層３が目
的物質の被膜２の下に配置されると、基材１と目的物質
の被膜２との間に生じる熱膨張係数の差による応力が第
１の中間層３中で吸収され、緩和される。

【００１０】また、第１の中間層と目的物質の被膜３の
中間に目的物質の成膜を促進させる材料で形成された第
２の中間層４を配置すると、目的物質の被膜２の成長が
容易にされる。

【００１１】また、基材１、第１の中間層３、第２の中
間層４、被膜２の間に隣接層の材料の固溶体で形成され
た固溶体層７、８、９を形成すると、それらの層間の密
着力が増大する。

【００１２】固溶体層を組成勾配層で形成すれば、密着
力は大幅に増大する。

【００１３】

【実施例】以下、成膜が極めて困難な例として、鉄（Ｆ
ｅ）の基材上にダイヤモンドをコーティングする場合を
説明するが、同様の構成を他の材料の組合せに対しても
採用することができることは当業者に自明であろう。

【００１４】図２に本発明の実施例による膜構造を示す
。Ｆｅ基板１１の上に、Ｆｅ−Ｔｉ組成勾配層１２が形
成され、その上にＴｉ層１３が形成されている。Ｆｅ−
Ｔｉ組成勾配層１２は、Ｆｅ基板１１側でＦｅ成分が高
く、Ｔｉ１３側でＴｉ成分が高い組成を有する。Ｔｉ層
１３は、Ｆｅよりも延性の大きな材料で形成された層で
ある。このＴｉ層１３が上にダイヤモンド膜をコーティ
ングした際、ダイヤモンドとＦｅとの間の熱膨張係数の
差による応力を吸収する役目を果す。

【００１５】ダイヤモンドは核形成を含む成膜機構が複
雑な材料であり、成膜の容易な下地材料と成膜の困難な
下地材料とがある。Ｔｉ下地の上にはダイヤモンドを直
接成膜することは困難である。このため、ダイヤモンド
を成膜するためには、Ｔｉ層１３の上にダイヤモンドの
成膜を行ない易いＳｉ、Ｍｏ、Ｗ、ＷＣ等の材料の層を
形成することが好ましい。そこで、本実施例においては
、Ｍｏ層１５が形成されている。ＴｉとＭｏとの性質の
差を緩和し、密着性を高めるため、これら両層の間にＴ
ｉ−Ｍｏ組成勾配層１４を配置する。このＴｉ−Ｍｏ組
成勾配層１４はＴｉ層１３側でＴｉ成分が高く、Ｍｏ層
１５側でＭｏ成分が高くなるようにする。また、Ｍｏ１
５の上に直接ダイヤモンド膜をコーティングすることも
できるが、ダイヤモンド膜の密着度を増強させるため、
中間にＭｏ−ダイヤモンド組成勾配層１６を配置し、そ
の上にダイヤモンド層１７を形成する。この組成勾配層
１６もＭｏ層１５側でＭｏ成分が高く、ダイヤモンド層
１７側でダイヤモンド成分が高くなるようにする。

【００１６】このような構成とすると、ダイヤモンド層
１７はＭｏ−ダイヤモンド組成勾配層１６を介してＭｏ
層１５の上に堅固に成膜される。このＭｏ層１５は、Ｔ
ｉ−Ｍｏ組成勾配層１４を介して延性の大きな材料であ
るＴｉ層１３に強固に結合される。Ｔｉは延性の大きな
材料であり、ダイヤモンド層１７が発生する応力を吸収
し、緩和する機能を果す。Ｔｉ層１３はＦｅ−Ｔｉ組成
勾配層１２を介してＦｅ基板１１に強固に結合される。

【００１７】なお、延性の大きな材料の層は基板１１の
材料よりも大きな延性を有することが必要であり、好ま
しくは延性が大きな金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（
Ｔｉ）のいずれか、またはそれらの組合せで形成する。 ダイヤモンド層１７の代りにより成膜の容易な材料を目
的物質とする場合には、目的物質の成膜を容易にするた
めの第２の中間層１５は省略することもできる。また、
基材１１、延性の大きな層１３、成膜を容易にするため
の層１５、目的物質の層１７の間の組成勾配層１２、１
４、１６は、目的とする用途、材料の組合せ等に応じて
任意に省略してもよい。

【００１８】以下に具体例を説明する。Ｆｅ基板として
厚さ約０．５ｍｍのＦｅ基板を用いた。この基板を、図
３に示すようなプラズマトーチ装置内にセットした。な
お、基板１１は図示しないが、水冷された基板ホルダの
上に載置した。プラズマトーチ装置はプラズマトーチ２
０を含む。プラズマトーチ２０はカソード２１の周囲を
アノード２２が取り囲み、その間にプラズマガス供給路
２４を形成する。このプラズマガス供給路２４にプラズ
マ形成ガス、たとえばＡｒを供給する。ダイヤモンド成
膜時には、プラズマ形成ガスとして、たとえばＣＨ４と
Ｈ２の混合ガスを供給する。また、カソード２１、アノ
ード２２の間に直流電源２３を接続し、両電極間に直流
電圧を印加して直流ガスプラズマを発生させる。このよ
うにして、プラズマトーチ２０の出射口からプラズマジ
ェット２８を噴出させる。プラズマの噴出口の近傍に、
所望数の粉末供給路２５、２６を設ける。これらの粉末
供給路には、たとえばＦｅ粉末、Ｔｉ粉末を供給する。 Ａｒプラズマの場合、これらの粉末がプラズマ中で溶け
、基板上に溶射される。

【００１９】図示の場合、粉末供給路２５にＦｅ粉末を
供給し、粉末供給路２６にＴｉ粉末を供給している。な
お、他にＭｏ粉末供給路も設けられている。これらのＦ
ｅおよびＴｉの量を調整することにより、Ｆｅ基板１１
の上に組成をＦｅからＴｉに徐々に変化させたＦｅ−Ｔ
ｉ組成勾配層１２を形成する。図２のＦｅ−Ｔｉ組成勾
配層１２として、組成がＦｅから徐々にＴｉに変化した
厚さ約１０μｍの層を形成した。

【００２０】次に、Ｆｅの供給を断って、Ｔｉのみを供
給し、図２のＴｉ層１３を同じプラズマ溶射で形成し、
厚さ約２５μｍの層を形成した。この層の厚さは、目的
とするダイヤモンド層とＦｅ基板との間の応力を十分緩
和することのできる厚さに選ぶ。

【００２１】次に、上述の組成勾配層の形成と同様の方
法により、図２のＴｉ−Ｍｏ組成勾配層１４を形成する
。この例においては、組成がＴｉからＭｏに徐々に変化
する厚さ１０μｍのＴｉ−Ｍｏ組成勾配層１４を形成し
た。

【００２２】この上に、同様のプラズマ溶射でＭｏのみ
で形成された厚さ約１５μｍのＭお層を形成し、図２の
Ｍｏ層１５を形成した。次に、プラズマガス供給路２４
にＡｒの代りにメタン（ＣＨ４）と水素（Ｈ２）を流し
、プラズマジェットを発生させ、同時に粉末供給路から
Ｍｏを供給した。最初、Ｍｏの量を多く流し、徐々に減
らした。こうすることにより、図２のＭｏとダイヤモン
ドの組成勾配層１６が形成される。厚さ約１０μｍのＭ
ｏ−ダイヤモンド組成勾配層１６を形成した。

【００２３】最後に、Ｍｏ粉末の供給を止め、メタンと
水素の混合ガスからなるプラズマジェットをＦｅ基板に
吹き付けることにより、図２のダイヤモンドのみで形成
されたダイヤモンド層１７を厚さ約５０μｍ成長した。 この時の基板温度は８００℃であった。このようにして
形成したＦｅ基板上のダイヤモンド層はダイヤモンドの
剥離やクラックもなく、また基板の反りも生じなかった
。製造後引っ掻き試験を行なったが、全くダイヤモンド
の剥離は生じず、密着性も問題ないことが立証された。

【００２４】なお、溶射材料の供給を粉末でなく線材で
行なうこともできる。成分制御は線材の方が行ない易い
。以上、Ｆｅ基板の上にダイヤモンド層を形成する場合
を説明したが、基板とコーティング層との間の熱膨張係
数の違いが大きな他の組合せにも同様の構成、製造方法
が適用できる。基板、第１の中間層、第２の中間層、目
的物質の被膜の各々の間に組成勾配層を配置したが、こ
れらの組成勾配層の代りに単一組成の固溶体を用いても
多くの場合十分高い密着力を得ることができる。もちろ
ん、組成勾配層を用いることにより密着性をさらに高め
ることは可能である。また、Ｍｏ層とダイヤモンド層の
間の組成勾配層ないしは固溶体層を省略してもダイヤモ
ンド層の密着性は大幅に低下することはない。また、必
要とされる密着性を満たすには、他の場所に形成された
組成勾配層ないしは固溶体層を省略できる場合も多くあ
る。熱膨張係数の異なる基板材料と目的物質の層との組
合せにより、目的物質の成膜を容易にするための第２の
中間層を省略できる場合もある。

【００２５】以上、実施例に沿って本発明を説明したが
、本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば
、種々の変更、改良、組合せ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
基材とコーティング材との間に延性の大きな材料の中間
層を導入することにより、熱膨張係数の異なる基材上へ
のコーティングが可能となる。

【００２７】中間層とコーティング材の間にコーティン
グ材の成膜を容易にする材料の層を挿入することにより
、コーティング材の成膜が容易になる。また、これらの
層の間に組成勾配層を挿入すれば、密着性も大幅に向上
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】　本発明の膜構造を説明するための原理説明図
である。

【図２】本発明の実施例による膜構造を説明するための
概略断面図である。

【図３】本発明の実施例による膜構造を製造するための
製造プロセスを説明する概略図である。

【符号の説明】

１　　基材 ２　　被膜 ３　　第１の中間層 ４　　第２の中間層 ７、８、９　　固溶体層 １１　　Ｆｅ基板 １３　　Ｔｉ層 １５　　Ｍｏ層 １７　　ダイヤモンド層 １２、１４、１６　　組成勾配層

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基材（１）上に基材と熱膨張係数が異
   なる目的物質の被膜（２）を形成した膜構造であって、
   基材（１）と被膜（２）との間に基材の物質より延性の
   大きな材料の第１の中間層（３）を介在させたことを特
   徴とする膜構造。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の膜構造であって、前記
   第１の中間層（３）と前記被膜（２）との間に配置され
   、前記被膜の成膜を促進させる材料で形成された第２の
   中間層（８）を有することを特徴とする膜構造。
3. 【請求項３】　　請求項１ないし２記載の膜構造であっ
   て、さらに前記基材（１）、中間層（３、４）、被膜（
   ２）の内、少なくとも一対の隣接するものの間に配置さ
   れ、両者の材料の固溶体で形成された固溶体層（７、８
   、９）を有することを特徴とする膜構造。
4. 【請求項４】　　請求項３記載の膜構造であって、前記
   固溶体層（７、８、９）の少なくとも１つが厚さ方向に
   組成勾配を有することを特徴とする膜構造。
5. 【請求項５】　　基材（１）上に基材と熱膨張係数が異
   なる目的物質の被膜（２）を形成する膜構造の製造方法
   であって、基材（１）上に目的物質より延性の大きな材
   料の中間層（３）を形成する工程と、その後、中間層（
   ３）上に目的物質の被膜（２）を形成する工程とを含む
   膜構造の製造方法。