JPH1068069A

JPH1068069A - 金属ホウ化物膜の形成方法

Info

Publication number: JPH1068069A
Application number: JP24433396A
Authority: JP
Inventors: Satoru Nishiyama; 哲西山; Eiji Takahashi; 英治高橋; Kiyoshi Ogata; 潔緒方
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1996-08-26
Filing date: 1996-08-26
Publication date: 1998-03-10

Abstract

(57)【要約】【課題】膜の結晶構造の制御が容易であり、硬度、靱
性および化学的安定性に優れた金属ホウ化物膜を基体表
面に形成することができ、しかも蒸発源配置の自由度が
高い、金属ホウ化物膜の形成方法を提供する。【解決手段】アーク放電によって陰極を加熱して陰極
物質１４を蒸発させるアーク式蒸発源１０であって、元
素周期表の４Ａ、５Ａまたは６Ａ族に属する金属のホウ
化物から成る陰極１２を有するものを用いる。そして、
真空容器２内に不活性ガス１８を導入すると共に基体４
にバイアス電源８から負のバイアス電圧を印加しなが
ら、アーク式蒸発源１０から陰極物質１４を蒸発させて
それを基体４に蒸着させることによって、当該基体４の
表面に前記金属のホウ化物から成る膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば工具、金
型等の基体の耐摩耗性、耐食性等を向上させるために、
基体の表面に、元素周期表の４Ａ、５Ａまたは６Ａ族に
属する金属のホウ化物から成る膜を形成する方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】元素周期表の４Ａ、５Ａまたは６Ａ族に
属する金属のホウ化物（これをこの明細書では、単に金
属ホウ化物と呼ぶ場合がある）は、高硬度で化学的安定
性に優れていることから、それを基体表面に薄膜にして
被覆することによって、当該基体の耐摩耗性および耐食
性を向上させる試みが従来から成されている。

【０００３】例えば、特開昭６３−２６３４７号公報に
は、４Ａ、５Ａ、６Ａ族金属またはその合金とホウ素を
原料とするイオンプレーティング法によって、上記金属
のホウ化物膜を基体表面に形成する方法が提案されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記方法は、前記金属
とホウ素とを電子ビームによって加熱溶融し蒸発させ
て、基体表面で金属ホウ化物膜を合成する方法である
が、膜の硬度や化学的安定性を良好なものにするために
は、形成される膜中の金属とホウ素との組成比を厳密に
制御する必要がある。しかし、金属とホウ素とは互いに
融点が大きく異なるため、両物質に加えられる熱を別個
に制御しなければ、それぞれの物質における所望の蒸発
速度が得られない。特に前記金属はいわゆる高融点金属
と呼ばれているけれども比較的融点が低いのに対して、
ホウ素は非常に高融点物質であり、従って蒸発速度の制
御によって膜の組成比を厳密に調整するためには、蒸発
源の複雑な制御が要求され、非常に難しい。

【０００５】また、上記方法で用いる電子ビーム式蒸発
源では、原料物質を電子ビームによって溶融させて蒸発
させるので、蒸発源から溶融した原料物質がこぼれ出さ
ないように、蒸発源は基体の下方にしか設置することが
できない。従って、立体的な基体の側面に均一に成膜す
るには、基体を保持するホルダに複雑な動きをさせる必
要が生じ、生産性の低下や装置に要するコストが高くな
る等の欠点が生じる。

【０００６】更に、前記金属のホウ化物膜は、硬度は高
いけれども脆い（靱性が低い）といった欠点を有してい
る。このため、膜が被覆された基体を実際に使用してい
る際に、膜が欠けたり割れたりして所望の特性を得るこ
とができない場合が多い。これを解決するためには、形
成される膜の結晶構造をうまく制御する必要があるが、
そのためには上述したように膜の組成比の厳密な調整を
要し、これには蒸発源の複雑な制御が要求されるので、
現状では困難である。

【０００７】そこでこの発明は、膜の結晶構造の制御が
容易であり、硬度、靱性および化学的安定性に優れた金
属ホウ化物膜を基体表面に形成することができ、しかも
蒸発源配置の自由度が高い、金属ホウ化物膜の形成方法
を提供することを主たる目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の金属ホウ化物
膜の形成方法は、アーク放電によって陰極を加熱して陰
極物質を蒸発させるアーク式蒸発源であって元素周期表
の４Ａ、５Ａまたは６Ａ族に属する金属のホウ化物から
成る陰極を有するものを用いて、真空容器内に不活性ガ
スを導入すると共に基体に負のバイアス電圧を印加しな
がら、前記アーク式蒸発源から陰極物質を蒸発させてそ
れを基体に蒸着させることによって、当該基体の表面に
前記金属のホウ化物から成る膜を形成することを特徴と
する。

【０００９】金属ホウ化物は昇華性物質であり、このよ
うなものを電子ビーム式蒸発源において電子ビームで加
熱すると、スプラッシュ（パチパチはじけること）が生
じて安定な蒸発速度が得られない。これに対して、アー
ク式蒸発源では、アークによって陰極表面に局所的に集
中してエネルギーを供給することができるので、金属ホ
ウ化物から成る陰極をスプラッシュを生じさせることな
く安定して蒸発させることができる。

【００１０】この発明では、アーク式蒸発源から金属ホ
ウ化物そのものを蒸発させてそれを基体表面に蒸着させ
て金属ホウ化物膜を形成することができるので、金属と
ホウ素とを別々に蒸発させる場合と違って、組成比の制
御を必要としない。金属ホウ化物そのものの蒸発速度
を、アーク電流によって容易に制御することができ、従
来例のように融点の異なる複数の物質を同時に溶解させ
るといった複雑な工程を要しない。従って、組成比が良
好で化学的安定性に優れた金属ホウ化物膜を、簡単な制
御で容易に形成することができる。

【００１１】また、上記のようにして形成される膜の結
晶構造は、真空容器内に導入する不活性ガスのガス圧
や、基体に印加するバイアス電圧によって、容易に制御
することができる。これを詳述すると、真空容器内に導
入されたガスが、アーク式蒸発源において生じさせたア
ーク放電によってプラズマ化し、そのプラズマ中を蒸発
物質が通過することで、当該蒸発物質が励起あるいはイ
オン化される。その際、ガス圧を変化させると、前記プ
ラズマの状態や密度が変化し、その結果蒸発物質の励起
状態やイオン化状態が変化する。これらが変化すると、
膜の結晶構造が変化する。従って、不活性ガスのガス圧
によって、形成される膜の結晶構造を制御することがで
きる。更に、基体に印加するバイアス電圧は、前記プラ
ズマによってイオン化された蒸発物質が基体に飛来し付
着する際の運動エネルギーを与える。この運動エネルギ
ーの大小によって、膜の結晶構造が変化する。従って、
バイアス電圧によって、当該運動エネルギーを変化させ
ることで、形成される膜の結晶構造を制御することがで
きる。更に、バイアス電圧は、基体上の膜の密着性を制
御する際にも有効に作用する。

【００１２】このような結晶構造の制御は、次のような
作用効果を奏する。即ち、前述したように、金属ホウ化
物膜は高硬度ながら脆いという欠点があるが、結晶化度
を下げてアモルファス状の膜にすると、硬度は低下する
けれども脆さは改善される（即ち靱性が向上する）。一
方、結晶化度を高めた膜は、脆さは改善されないけれど
も高硬度が得られる傾向にある。このような特性を生か
して、膜の結晶化度を制御したり、アモルファス状と結
晶化度が高いものとを積層したりすることで、硬度と靱
性とを両立させることができる。

【００１３】更に、金属ホウ化物は昇華性物質であるけ
れども、アーク式蒸発源では、金属ホウ化物から成る陰
極をアーク放電によって気化させるため、蒸発原料が蒸
発源からこぼれ落ちることがない。そのため、蒸発源配
置の自由度が非常に高く、基体の下方のみでなく側方お
よび上方にも自由に配置することができる。従って、立
体的な形状の基体に対する成膜にも簡単に対応すること
ができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、この発明に係る金属ホウ
化物膜の形成方法を実施する装置の一例を示す断面図で
ある。この装置は、図示しない真空排気装置によって真
空排気される真空容器２と、この真空容器２内に設けら
れていて基体４を保持するホルダ６と、このホルダ６上
の基体４に向くように真空容器２の壁面に取り付けられ
たアーク式蒸発源１０とを備えている。更にこの例で
は、ホルダ６上の基体４にイオン２４を照射するイオン
源２２を備えている。

【００１５】ホルダ６およびそれに保持された基体４に
は、直流のバイアス電源８から、真空容器２の電位（こ
の例では接地電位）を基準にして、負のバイアス電圧が
印加される。７は絶縁物である。

【００１６】アーク式蒸発源１０は、陰極１２と陽極兼
用の真空容器２との間のアーク放電によって陰極１２を
加熱して陰極物質１４を蒸発させるものである。陰極１
２と真空容器２との間には、直流のアーク電源２０か
ら、前者を負側にして、例えば数十Ｖ〜数百Ｖ程度のア
ーク放電電圧が印加される。１５は絶縁物である。な
お、アーク起動用のトリガ電極等は図示を省略してい
る。

【００１７】上記陰極１２は、元素周期表の４Ａ族金属
（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）、５Ａ族金属（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）
または６Ａ族金属（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ）のホウ化物、例え
ばＺｒＢ_x、ＴｉＢ_x、ＣｒＢ_x、ＴａＢ_x等から成
る。よく用いられる物は、ｘ＝１〜２である。

【００１８】真空容器２内には、その壁面に設けたガス
導入口から不活性ガス１８を導入しても良いけれども、
この例では、ガスライン１６からアーク式蒸発源１０の
陰極１２の近傍に不活性ガス１８を供給することによっ
て、真空容器２内に不活性ガス１８を導入するようにし
ている。但し両者を併用しても良い。不活性ガス１８
は、例えば、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｋｒガ
ス、Ｘｅガス、Ｒｎガスまたはこれらの混合ガスであ
る。

【００１９】このような装置を用いて、真空容器２内を
例えば１０^-6Ｔｏｒｒ程度以上の高真空に真空排気した
後、真空容器２内に不活性ガス１８を導入すると共に、
基体４に負のバイアス電圧を印加しながら、アーク式蒸
発源１０においてアーク放電を行わせる。このアークに
よって陰極１２が局所的に加熱されて陰極１２から陰極
物質１４が蒸発させられる。このとき、陰極１２の近傍
では、上記アーク放電によって、不活性ガス１８がプラ
ズマ化されており、そのプラズマ中を陰極物質１４が通
過することで、当該陰極物質１４がかなりの割合で励起
あるいはイオン化される。従って、前述した従来技術の
ように、わざわざ別の放電機構を真空容器内に設ける必
要がない。

【００２０】このようにして励起あるいはイオン化され
た陰極物質１４は、基体４に印加された負のバイアス電
圧によって基体４に向けて加速され、当該バイアス電圧
に応じた運動エネルギーで基体４に衝突して被着する。
それによって、基体４の表面に、陰極１２と同じ金属ホ
ウ化物、即ち元素周期表の４Ａ、５Ａまたは６Ａ族に属
する金属のホウ化物から成る膜（金属ホウ化物膜）が形
成される。

【００２１】その場合、上記例のように不活性ガス１８
をガスライン１６によって陰極１２の近傍に供給する
と、陰極１２の近傍のプラズマ密度を高めることがで
き、それによって、陰極物質１４が気化する際に発生し
易い粗大粒子（いわゆるドロップレット）の分解が促進
される等の作用が生じて、粗大粒子が基体４に被着する
のを抑制することができるので、表面粗度の良好な（即
ち表面の平滑性の高い）膜を形成することができる。不
活性ガス１８は、ガスライン１６から陰極１２の前面
（基体４に向かう面）に向けて吹き付けても良い。その
ようにすれば、アーク放電の陰極点が陰極表面に多数生
じて陰極１２の表面近傍でアーク分岐が生じる等の作用
によって、陰極表面での粗大な溶融部の形成が抑制さ
れ、粗大粒子の飛散が一層抑制される。

【００２２】膜形成時に基体４に印加するバイアス電圧
は、−１０Ｖ〜−５ｋＶの範囲内にするのが好ましい。
バイアス電圧が−１０Ｖより小さい（絶対値が小さいこ
と。以下同じ）と、イオン化された陰極物質１４を基体
４に向けて加速する加速エネルギーが小さ過ぎて、基体
４に対する膜の密着性が劣化する。バイアス電圧が−５
ｋＶより大きい（絶対値が大きいこと。以下同じ）と、
イオン化された陰極物質１４の加速エネルギーが大きく
なり過ぎて、基体４の損傷が過大になったり、膜の表面
がスパッタリングによって荒れて平滑性（表面粗度）が
悪化する。

【００２３】また、このバイアス電圧によって、基体４
への膜の密着性および膜の結晶構造を制御することがで
きる。即ち、バイアス電圧が大きければ、イオン化され
た陰極物質１４に与えられる加速エネルギーが大きくな
るので、基体４への膜の密着性は向上するけれども、膜
の結晶化度はバイアス電圧が小さい方が向上し、その結
果膜の硬度も高いものとなる。これは、イオン化された
陰極物質１４に与えられる加速エネルギーが小さい方
が、膜に与えるダメージが小さくなって結晶化度が良く
なるからである。

【００２４】従って例えば、基体４に印加するバイアス
電圧の大きさを、膜形成の途中で変化させることによっ
て、密着性および硬度に優れた金属ホウ化物膜を容易に
形成することができる。例えば、基体４と膜との界面付
近での膜形成時は、即ち膜形成の初期には、バイアス電
圧を大きくして成膜し、その後、連続的または断続的に
バイアス電圧を小さくすれば良い。これによって、密着
性に優れた膜が基体４との界面付近に形成され、その上
に硬度に優れた膜が形成される。その結果、密着性およ
び硬度に優れた膜が得られる。また、膜の表面粗度も向
上する。

【００２５】膜形成時の真空容器２内の不活性ガス１８
のガス圧は、１×１０^-6Ｔｏｒｒ〜１×１０^-1Ｔｏｒｒ
の範囲内にするのが好ましい。ガス圧が１×１０^-6Ｔｏ
ｒｒより低い（即ち真空度が高い）と、アーク式蒸発源
１０の陰極１２におけるアーク放電が安定しないので、
安定した蒸発速度が得られなくなる。ガス圧が１×１０
^-1Ｔｏｒｒより高い（即ち真空度が低い）と、イオンの
平均自由行程が短くなり過ぎ、イオン化された陰極物質
１４が基体４に到達しにくくなるので、成膜速度が低下
する。

【００２６】また、このガス圧によって、膜の結晶化度
を制御することができる。即ち、ガス圧を低くすれば、
形成される膜は結晶化度に優れ硬度に優れるが靱性に劣
るようになる。これは、ガス圧が低いと、陰極１２にお
けるアーク放電のアークが集中して陰極物質１４のイオ
ン化がより促進され、高励起状態で膜が形成されて膜の
結晶化がより促進されるからであると考えられる。一方
ガス圧が高いと、形成される膜はアモルファス化して靱
性に優れたものとなる。これは、ガス圧が高いと、上記
とは反対の作用で、陰極１２におけるアーク分岐が進ん
で陰極物質１４のイオン化作用が低下し、イオン化して
いない陰極物質１４は単にその蒸発時のエネルギーで基
体４に堆積するだけであり、イオン化している陰極物質
１４もその平均自由行程が短くなって基体到達時の運動
エネルギーが小さくなり、そのために膜は結晶化せずア
モルファス化するからであると考えられる。

【００２７】従って例えば、真空容器２内のガス圧を、
膜形成時の途中で変化させることによって、硬度および
靱性に優れた金属ホウ化物膜を容易に形成することがで
きる。例えば、基体４と膜との界面付近での膜形成時
は、即ち膜形成の初期には、ガス圧を高くして成膜し、
その後、連続的または断続的にガス圧を低くすれば良
い。これによって、靱性に優れ剪断応力に対して強い膜
が基体４との界面付近に形成され、その上に結晶化度に
優れ硬度の高い膜が形成される。その結果、硬度および
靱性に優れた膜が得られる。

【００２８】更に、上記のようにバイアス電圧を変化さ
せることとガス圧を変化させることとを組み合わせても
良い。例えば、基体４と膜との界面付近での膜形成時
は、即ち膜形成の初期には、ガス圧を低く、かつバイア
ス電圧を大きくして成膜することによって、結晶化度の
高い膜を運動エネルギーの高い状態で成膜することがで
きるので、硬度に優れた膜を密着性良く形成することが
できる。その後、ガス圧を高くすることで、膜をアモル
ファス化して、靱性に優れた膜を表層部に形成すること
ができる。これによって、表層部は靱性に優れ、下地は
硬度および基体への密着性に優れた膜を形成することが
できるので、摺動性に優れた膜被覆物を得ることができ
る。またその際、膜の最表層部形成時のバイアス電圧を
小さくする、ガス圧を低くする、または両者を併用する
ことを更に採用しても良く、そのようにすれば、膜最表
層部の結晶化度を向上させて、膜最表層部の硬度を向上
させることも可能である。

【００２９】また、上記アーク式蒸発源１０による蒸着
と、イオン源２２から加速して引き出したイオン２４を
基体４に照射することとを併用しても良い。即ち、イオ
ン照射によって成膜前に基体４をクリーニングしたり加
熱したりすることができ、それによって基体４への膜の
密着性を高めることができる。また、成膜中の（即ち蒸
着と同時または交互の）イオン照射によって、イオンが
蒸着物質を基体４の中へ押し込む作用をするので、基体
４への膜の密着性をより一層高めることができる。ま
た、イオン照射によって蒸着物質に運動エネルギーを与
えることができるので、成膜中のイオン照射によって、
基体表面に形成される膜の結晶の配向性を制御すること
ができる。また、陰極物質１４がアーク放電プラズマ中
を通過することによる陰極物質１４の励起作用に加え
て、イオン２４と陰極物質１４との衝突によっても陰極
物質１４の励起作用を奏するので、成膜中のイオン照射
によって、膜の結晶構造を制御することができる。即
ち、イオン照射を併用することによって、膜の結晶構造
の制御性および配向性の制御性を一段と高めることがで
きる。

【００３０】イオン照射の併用の仕方のより具体例を示
すと、特に良好な表面粗度が要求されたり、低温下で成
膜しなければならないような場合は、陰極物質１４の運
動エネルギーを小さくする必要があるので、基体４に印
加するバイアス電圧を高めることができず、そのために
膜の密着性が劣る結果となる。この場合、イオン照射を
併用して照射イオンによる蒸着物質の基体４中への押し
込み作用を利用することで、膜の密着性を補うことがで
きる。

【００３１】上記イオン源２２には、プラズマ閉じ込め
に多極磁場（より具体的にはカスプ磁場）を用いたバケ
ット型イオン源を用いるのが好ましい。バケット型イオ
ン源は、大面積で均一性の高いイオンビームを引き出す
ことができるので、大面積処理が可能であり、これを用
いれば、スループットを向上させて製造コストを低減さ
せる効果が大きい。

【００３２】基体４に照射するイオン２４には、その運
動エネルギーだけを利用するものであるから、基体表面
に蒸着される陰極物質１４と反応しないイオン、即ちＡ
ｒ、Ｋｒ等の不活性ガスイオンを用いるのが好ましい。

【００３３】基体４に照射するイオン２４の加速エネル
ギーは、１０ｅＶ〜４０ｋｅＶの範囲内にするのが好ま
しい。１０ｅＶ未満ではイオン照射の効果が不十分にな
り、４０ｋｅＶを超えると基体４に与える損傷が過大に
なるので、いずれも好ましくない。

【００３４】膜形成時には基体４を加熱または冷却して
も良い。いずれにするかは、即ち、成膜中の基体４の温
度をどのようにするかは、基体４の種類に応じて決めれ
ば良い。

【００３５】上記アーク式蒸発源１０を、例えば図２に
示す例のように、複数台配置しても良く、そのようにす
れば、立体的な形状の基体４に対してもより均一に成膜
することができると共に、成膜速度（スループット）を
より向上させることができる。このアーク式蒸発源１０
は、前述したように配置の自由度が非常に高いので、ホ
ルダ６上の基体４の側方だけでなく、図２に示す例のよ
うに上方に配置することも可能である。また、基体４を
保持したホルダ６は、例えば矢印Ａで示すように回転さ
せても良く、そのようにすれば、基体４に対する成膜の
均一性が一層向上する。

【００３６】

【実施例】

〈実施例１〉図１に示した装置において、基体４として
超硬合金（Ｋ１０種）を用い、アーク式蒸発源１０の陰
極１２としてＺｒＢ₂を用い、真空容器２内を一旦１０
^-6Ｔｏｒｒ以上の高真空に排気した後、真空容器２内に
ガスライン１６からＡｒガスを真空容器２内が１×１０
^-4Ｔｏｒｒになるように導入し、アーク式蒸発源１０に
おいてアーク放電を生じさせて陰極物質１４を蒸発させ
て、基体４の表面にＺｒＢ₂膜を厚さ１０００ｎｍ形成
した。その際、膜厚が５００ｎｍまでは基体４に印加す
るバイアス電圧を−５００Ｖとし、その後バイアス電圧
を−２００Ｖにして厚さ５００ｎｍを成膜した。

【００３７】〈実施例２〉図１に示した装置において、
基体４として超硬合金（Ｋ１０種）を用い、アーク式蒸
発源１０の陰極１２としてＣｒＢ₂を用い、真空容器２
内を一旦１０^-6Ｔｏｒｒ以上の高真空に排気した後、真
空容器２内にガスライン１６からＡｒガスを真空容器２
内が１×１０^-3Ｔｏｒｒになるように導入し、アーク式
蒸発源１０においてアーク放電を生じさせて陰極物質１
４を蒸発させて、しかも基体４に印加するバイアス電圧
を−５００Ｖにして、基体４の表面にＣｒＢ₂膜を厚さ
５００ｎｍ形成した。その後、真空容器２内のガス圧を
１×１０^-4Ｔｏｒｒにし、バイアス電圧を−２００Ｖに
して厚さ５００ｎｍを成膜した。

【００３８】〈実施例３〉図１に示した装置において、
基体４として超硬合金（Ｋ１０種）を用い、アーク式蒸
発源１０の陰極１２としてＴｉＢ₂を用い、真空容器２
内を一旦１０^-6Ｔｏｒｒ以上の高真空に排気した後、真
空容器２内にガスライン１６からＡｒガスを真空容器２
内が５×１０^-5Ｔｏｒｒになるように導入し、アーク式
蒸発源１０においてアーク放電を生じさせて陰極物質１
４を蒸発させて、しかも基体４に印加するバイアス電圧
を−５００Ｖにして、基体４の表面にＴｉＢ₂膜を厚さ
１０００ｎｍ形成した。しかもこの成膜と同時に、イオ
ン源２２からＡｒイオンを加速エネルギー５００ｅＶで
引き出してそれを基体４に照射した。

【００３９】〈実施例４〉図１に示した装置において、
基体４として超硬合金（Ｋ１０種）を用い、アーク式蒸
発源１０の陰極１２としてＺｒＢ₂を用い、真空容器２
内を一旦１０^-6Ｔｏｒｒ以上の高真空に排気した後、ま
ずイオン源２２からＡｒイオンを加速エネルギー１ｋｅ
Ｖで引き出してそれを基体４に照射してクリーニングを
行った。その後、真空容器２内にガスライン１６からＡ
ｒガスを真空容器２内が５×１０^-5Ｔｏｒｒになるよう
に導入し、アーク式蒸発源１０においてアーク放電を生
じさせて陰極物質１４を蒸発させて、しかも基体４に印
加するバイアス電圧を−２００Ｖにして、基体４の表面
にＺｒＢ₂膜を厚さ１０００ｎｍ形成した。この成膜時
にイオン照射は行わなかった。

【００４０】〈比較例〉図３に示した装置を用いて、基
体４として超硬合金（Ｋ１０種）を用い、Ｔｉペレット
とＢペレットとを電子ビーム式蒸発源３２、３４にそれ
ぞれ納め、真空容器２内を１×１０^-6Ｔｏｒｒ以上の高
真空に排気した後、ホルダ６および基体４に−５００Ｖ
のバイアス電圧を印加すると共に、両蒸発源３２、３４
の上方に配置されたバイアスプローブ３０に４０Ｖの電
圧を印加して、バイアスプローブ３０とホルダ６間で放
電を生じさせると同時に、両蒸発源３２、３４からＴｉ
とＢとをそれぞれ蒸発させて、イオンプレーティング法
によって基体４の表面にＴｉＢ₂膜を厚さ１０００ｎｍ
形成した。これは、前述した特許公報に記載された技術
に従った成膜方法である。

【００４１】上記の各方法によって形成された膜の硬
度、密着性および靱性を測定した結果を表１に示す。硬
度は、荷重が１０ｇのヌープ硬度を示す。密着性は、Ａ
Ｅセンサー付スクラッチ試験機において、０Ｎからスク
ラッチ荷重を漸次増加し、膜が剥離した時の荷重を測定
した値である。靱性は、スクラッチ痕周辺の膜のクラッ
ク発生状態で判断した。

【００４２】

【表１】

【００４３】上記表からも分かるように、実施例の膜は
いずれも、硬度、密着性および靱性に優れていたが、比
較例の膜は、硬度には優れているものの、１５Ｎのスク
ラッチ荷重で膜が割れてしまい、靱性に劣っていた。従
って実用化には不適である。また、実施例の膜は空気中
で６００℃まで加熱した後も、表１に示した特性を安定
に保持しており、化学的に安定なことも確かめられた。
また、比較例の方法では、電子ビーム式蒸発源３２、３
４は基体４の下方にしか設置できないので、立体的な基
体４への成膜が困難であることは前述のとおりである。

【００４４】

【発明の効果】この発明は、上記のとおり構成されてい
るので、次のような効果を奏する。

【００４５】請求項１記載の発明によれば、アーク式蒸
発源から金属ホウ化物そのものを蒸発させて基体上に金
属ホウ化物膜を形成することができるので、困難な組成
比の制御を必要とせず、組成比が良好で化学的安定性に
優れた金属ホウ化物膜を容易に形成することができる。
しかも、形成される膜の結晶構造を、真空容器内に導入
する不活性ガスのガス圧や、基体に印加するバイアス電
圧によって容易に制御することができるので、硬度と靱
性とを両立させて、両者に優れた金属ホウ化物膜を容易
に形成することができる。従って、簡単な方法で、基体
の耐摩耗性、摺動性および耐食性等を向上させることが
できる。更に、アーク式蒸発源では蒸発原料が蒸発源か
らこぼれ落ちることがないため、蒸発源配置の自由度が
非常に高く、基体の下方のみでなく側方および上方にも
自由に配置することができる。従って、立体的な形状の
基体に対する成膜も簡単に対応することができる。従っ
て、この発明の成膜方法は、工業的生産にも適してい
る。

【００４６】請求項２記載の発明によれば、真空容器内
のガス圧および基体に印加するバイアス電圧を上記範囲
内にすることによって、基体への密着性、表面の平滑性
等に優れた金属ホウ化物膜を、大きな成膜速度で安定し
て形成することができる。

【００４７】請求項３記載の発明によれば、ガスライン
からアーク式蒸発源の陰極近傍に不活性ガスを供給する
ので、陰極近傍のプラズマ密度を高めることができ、そ
れによって粗大粒子が基体に被着するのを抑制すること
ができるので、表面の平滑性の一層良好な金属ホウ化物
膜を形成することができる。

【００４８】請求項４記載の発明によれば、イオン照射
を併用することで、形成される金属ホウ化物膜の結晶構
造の制御、配向性の制御および密着性の向上等を行うこ
とができる。

【００４９】請求項５記載の発明によれば、バイアス電
圧の大きさを膜形成の途中で変化させることによって、
密着性および硬度に優れた金属ホウ化物膜を容易に形成
することができる。

【００５０】請求項６記載の発明によれば、真空容器内
のガス圧を膜形成の途中で変化させることによって、硬
度および靱性に優れた金属ホウ化物膜を容易に形成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る金属ホウ化物膜の形成方法を実
施する装置の一例を示す断面図である。

【図２】この発明に係る金属ホウ化物膜の形成方法を実
施する装置の他の例を示す断面図である。

【図３】従来のイオンプレーティング装置の一例を示す
断面図である。

【符号の説明】

２真空容器４基体６ホルダ８バイアス電源１０アーク式蒸発源１２陰極１４陰極物質１６ガスライン１８不活性ガス２２イオン源２４イオン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アーク放電によって陰極を加熱して陰極
物質を蒸発させるアーク式蒸発源であって元素周期表の
４Ａ、５Ａまたは６Ａ族に属する金属のホウ化物から成
る陰極を有するものを用いて、真空容器内に不活性ガス
を導入すると共に基体に負のバイアス電圧を印加しなが
ら、前記アーク式蒸発源から陰極物質を蒸発させてそれ
を基体に蒸着させることによって、当該基体の表面に前
記金属のホウ化物から成る膜を形成することを特徴とす
る金属ホウ化物膜の形成方法。
【請求項２】膜形成時の真空容器内のガス圧を１×１
０^-6Ｔｏｒｒ〜１×１０^-1Ｔｏｒｒにし、かつ基体に印
加するバイアス電圧を−１０Ｖ〜−５ｋＶにする請求項
１記載の金属ホウ化物膜の形成方法。
【請求項３】前記真空容器内に不活性ガスを導入する
ことを、ガスラインから前記アーク式蒸発源の陰極近傍
に不活性ガスを供給することによって行う請求項１また
は２記載の金属ホウ化物膜の形成方法。
【請求項４】前記アーク式蒸発源による蒸着と、加速
されたイオンを基体に照射することとを併用する請求項
１、２または３記載の金属ホウ化物膜の形成方法。
【請求項５】前記バイアス電圧の大きさを、膜形成の
途中で変化させる請求項１、２、３または４記載の金属
ホウ化物膜の形成方法。
【請求項６】前記真空容器内のガス圧を、膜形成の途
中で変化させる請求項１、２、３、４または５記載の金
属ホウ化物膜の形成方法。