SE501109C2 - Kropp belagd med kubisk bornitrid - Google Patents

Description

501 109 2 matas till en kropp som skall beläggas, och en reak- tionsgas, såsom kvävgas eller gas av en väte- eller kväveförening ("hydronitrogen gas"), och en urladdnings- basgas ("discharge base gas"), såsom argon, blandas 5 och införes i vakuumkammaren via aktiveringsdysan eller införes samtidigt däri.

I både det ovan beskrivna andra förfarandet (47472/1987) och det ovan beskrivna tredje förfarandet (77454/1987) matas förspänningen till den gasinförande 10 dysan så att plasma med hög densitet bildas intill den gasinförande dysans öppna parti, medan rf-förspän- ningen matas till den kropp som skall beläggas, och joner injiceras i kroppen från högdensitetsplasmat för att bilda en kubisk bornitridfilm på kroppen. 15 Förutom de ovan beskrivna förfarandena är ett sputtringsförfarande, ett jonstráleavsättningsförfa- rande och ett jonpläteringsförfarande välkända för bil- dande av en kubisk bornitridfilm.

Ett röntgendiffraktionsförfarande används för 20 att bedöma filmens struktur. Det rapporterades att bildandet av den kubiska bornitridfilmen bedömdes av det faktum att endast en topp erhölls nästan vid diffraktionsvinkeln 29=43° inom området 20° till 50°, såsom visas i fig 1. g 25 Strukturen hos den bornitridfilm som bedömdes som kubiskt kristallin av det faktum att maxtoppen enligt röntgendiffraktionsmetoden erhölls nästan vid diffraktionsvinkeln 2G=43°, klassificeras emellertid i tvá typer enligt metoden med infrarött absorptions- 30 spektrum. En av de två typerna uppvisar absorptionstop- parna vid vågtalen ca 1400 cm_1 och 800 cm_1, såsom visas i fig 2. Den andra av de tvá typerna uppvisar absorptionstoppen vid vågtalet ca l050 cm-1. Vickers- hårdheten för filmen med den senare egenskapen är 35 5000-6000 kg/mmz. Det basmaterial som belagts med en sådan film och som kräver hög nötningshärdighet och hög hårdhet kan ha en ytterligare längre livslängd. 10 15 20 25 30 35 0501 109 3 Hittills uppvisar de bornitridfilmer som genom röntgendiffraktionsmetoden bedömdes som kubiskt kristal- lina, absorptionstoppar vid vágtalen ca 1400 cm_l och 800 cm_1 enligt mätningen av röntgenabsorptions- spektrat. Deras Vickershårdhet är 2000-4000 kg/cmz.

Således anses de innefatta väsentligen grafitstruk- tur (hexagonal bornitrid). 0e kan inte bedömas som kubiskt kristallina från mätresultaten för det infra-g röda absorptionsspektrat. Å andra sidan bekräftades både genom röntgen- diffraktionsmätmetoden och metoden med infrarött absorp- tionsspektrum att den bornitridfilm som bildades genom det förfarande som beskrivs i 47472/1987 eller 77454/1987 var kubiskt kristallin.

Filmen, som är några få hundra Å tjock, har emel- lertid grafitstruktur (h-BN-film) nära gränsytan, vilket uppvisar absorptionstopparna vid vàgtalen ca 1400 cm-1 och 800 cm_¥ tionsspektrummätningen, och även det basmaterial som är belagt med den kubiska bornitridfilmen har grafit- struktur och uppvisar absorptionstoppen vid vågtalet ca 1050 cm-1 är instabil för fukt i atmosfären. Vidhäftningsstyrkan enligt den infraröda absorp- Gränsytan mellan basmaterialet och filmen mellan dem är väsentligen låg. Man har funnit att är belagt med en sådan film skalas filmen lätt av från då det basmaterial som får ligga i atmosfären av filmens inre spänningar. bornitridfilmen med boröverskott basmaterialet på grund Å andra sidan har (B/N>l) grafitstruktur mätningen. Filmstyrkan enligt den infraröda absorptions- kan emellertid förbättras, eftersom B-B-bindningar existerar däri. Då en sådan film med boröverskott placeras som ett mellanskikt mellan den kubiska bornitridfilmen och basmaterialet kan filmens vidhäftningsstyrka förbättras. Då den kubiska bornitridfilmens tjocklek ökas för praktisk användning uppträder emellertid avskalningseffekten vid gränsytan mellan bornitridfilmen med boröverskott och den kubiska bornitridfilmen. Således kan den inte användas i praktiken. 5(J1» 10 15 20 25 30 35 1(J9 Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma en kropp som är belagd med kubisk bornitridfilm, vars filmstyrka kan förbättras och vara så stabil i atmo- sfären att vidhäftningsstyrkan kan förbättras.

I enlighet med en aspekt av uppfinningen innefattar en kropp som är belagd med kubisk bornitrid: (A) ett bas- 'material;f(B) ett första mellanskikt av nitrid eller borid, med en inblandning av en nitrid eller borid av åtminstone ett tillsatsgrundämne i grupp IVb, IIIb, Vb, IVa, Va och VIa i periodiska systemet med en total in- blandningsgrad av 0,01 atom% till 10 atom% med en absorp- 1 till 1150 cm-1 enligt det infraröda absorptionsspektrat, vilket första mellanskikt tionstopp vid vägtalet 950 cmf är bildat på nämnda basmaterial; och (C) en kubisk bor- nitridfilm, som uppvisar maximal absorptionstopp vid våg- talet 9,50 auf-l :in 1150 cm* tionsspektrat och som är bildad på det första mellanskik- tet.

Föregående och andra ändamål, egenskaper och fördelar enligt det infraröda absorp- med föreliggande uppfinning kommer att förstås bättre vid betraktande av följande detaljerade beskrivning av de föredragna utföringsformerna av uppfinningen tillsammans med de bifogade ritningarna. F Fig 1 är en graf som visar resultaten av röntgen- diffraktionsmätningen för den bornitridfilm som fram- ställts medelst det kända ¶Fig 2 är en graf som infraröda absorptionsspektrummätningen för den bor- förfarandet. visar resultaten av den nitridfilm som framställts medelst det kända förfarandet.

Fig 3 är en graf som visar det infraröda absorp- tionsspektrat för den kubiska bornitridfilmen.

Fig 4 är en förstorad vy av ett parti av en kropp som är belagd med kubisk bornitrid enligt föreliggande uppfinning. 10 15 20 25 30 35 501 109 5 Fig S är en graf som visar ett exempel på en komposition av ett mellanskikt enligt föreliggande uppfinning.

Fig 6 är en graf för förklaring av anordningen enligt föreliggande uppfinning. ' Fig 7 är en schematisk vy av en apparat för bil- dande av filmen enligt föreliggande uppfinning.

Fig 8 är en graf som visar ett annat exempel på mellanskiktets komposition enligt föreliggande upp- finning._ Fig 4 visar strukturen hos den kropp som är belagd med kubisk bornitrid enligt föreliggande uppfinning.

I fig 4 är ett basmaterial l gjort av t ex kisel, WC (volframkarbid) eller Al 0 . Ett mellanskikt 2, 2 3 innefattar grundämne från grupp Ivb, IIIb, Vb, IVa, SOITI Va och VIa med förmåga att bilda förening med bor och kväve, är bildat på basmaterialet l. En kubisk bornitridfilm eller -skikt 3 är bildat på mellanskiktet 2. Mellanskiktet 2 och den kubiska bornitridfilmen 3 bildas medelst den apparat som visas i fig 7 och som delvis visas i de japanska "Patent Opening Gazette" nr 47472/1987 och 77454/1987. Nedan kommer apparaten i fig 7 att beskrivas.

En första förångningskälla 12, som innehåller kisel, och en andra förångningskälla 13, som innehåller Elektronstrå- lar EB, som visas med streckade linjer, värmer och bor, är anordnade i en vakuumkammare ll. förångar kisel och bor i källorna 12 och 13. En mellan- vägg 14 är anordnad mellan källorna 12 och 13. Slutare 21 och 22 är anordnade mittför källorna 12 och 13.

Ett substrat eller basmaterial 18 som skall beläggas placeras rakt över källorna 12 och 13. En slutare 20 är anordnad under substratet 18. 4 En värmeavgivare 23 som består av W (volfram)- filament är anordnad intill vakuumtankens ll ena sido- vägg; En växelströmskälla 24 är ansluten via en trans- formator 25 till värmeavgivaren 23. En rf-effektkälla 501 10 15 20 25 30 35 109 6 29 är ansluten via en anpassningskrets, som består av kondensatorer och en induktionsspole, till substratet 18. En halogenlampa 19 för uppvärmning av substratet 18 är anordnad ovanför substratet 18.

En aktiveringsdysa 15 är fäst vid den andra sido- väggen. Argongas och kvävgas matas via en ventil 16 in i aktiveringsdysan 15. De blandas och införes i vakuumtanken ll från aktiveringsdysan 15. De kan också* införas samtidigt fràn aktiveringsdysan 15. En lik- strömskälla 26 är ansluten till aktiveringsdysan 15 och till transformatorn 25. En utloppsöppning 17 är utformad vid den andra sidoväggen och är ansluten till en icke visad diffusionspump eller en pump av typen fälla.

Tjockleksmonitorer 27 och 28 i form av kvarts- oscillatorer är anordnade på båda sidor om substratet 18. Förángningshastigheten för kisel och bor från källorna 12 och 13 mäts medelst monitorerna 27 resp 28. Även om så inte visas är monitorernas 27 och 28 utgàngsuttag anslutna till källorna 12 och 13. En áterkopplingsstyrning är anordnad för erhållande av förbestämda föràngningshastigheter. Fig 5 visar ett exempel på det mellanskikt 2 som erhålles medelst apparaten i fig 7, där kisel (Si) används som ett tilläggsgrundämne. Ett skikt (A) närmast_basmateria1et l består av nitrid av Si3N4 och är 0,3 um tjockt.

Kompositionen av skikten (B) och (C) övergår fràn Si3N4 till BN via BxSiyNz (som Si3N4 -> BxSiyNz -> BN), där x, y och z representerar blandningsförhàllanden för grundämnena B, Si resp N. Kompositionsförhållandena för tillsatsgrundämnet (Si) minskar i riktning mot ytan i mellanskikten (B) och (C). Minskningsgradienten för skiktet (C) är mindre än den för skiktet (B).

Kompositionen av kväve (N) är utesluten i fig 5, Fig 6 visar ett parameteromràde där den kubiska bornitridfilmen är bildad enligt föreliggande uppfinning 10 '15 20 25 30 35 501 109 7 med användning av de förfaranden som beskrivs i de japanska "Patent Opening Gazette“ nr 47472/1987 och 77454/1987, eller med användning av apparaten i fig 7. Såsom framgår av fig 6 kan den kubiska bornitriden bildas i omrâdet ovanför tröskelvärdena för RF-effekten och aktiveringsdysströmmen. RF-effekten matas som en förspänning till basmaterialet 1.

Fig 8 visar ett annat exempel på det mellanskikt 2 som erhålls medelst apparaten i fig 7, där kisel (Si) på liknande sätt används som ett tilläggsgrundämne.

I fig 8 är förångningshastigheten för Si-förángnings- källan konstant i skiktet (A'), som består av kiselnit- rid och är 0,2 pm tjockt. I skiktet (B') startar uppvärm- ningen av borföràngningskällan, medan förångningshastig- heten för Si-förángningskällan minskar. Minskningsgra- dienten för Si och ökningsgradienten för bor är förutbe- stämd i fig 8. Skiktet (B') innehåller en blandning av kiselnitrid och bornitrid och är 0,2 um tjockt. I skiktet (C') blir minskningsgradienten för Si-förángning mindre än i skiktet (B'), medan ökningsgradienten för borföràngning blir mindre än i skiktet (B').

I tabell I visas mätresultaten av vidhäftnings- styrka för de kubiska bornitridfilmerna (C-BN) i atmosfär, i jämförelse med de tidigare kända. De kubiska filmerna är bildade via mellanskiktet 2 på Si-substratet respektive WC-Co spetsen vid de olika tjocklekarna. Mellanskikten 2 har den struktur som visas i fig 5. 0501 10 15 420 25 30 35 109 8 Tabell I Filmkonstruktion C-BN-filmtjocklek 0,5 pm l pm 3 pm . C-BN/mellanskikt/Si o o _ o C-BN/mellanskikt/ O O O WC-Co spets Känd teknik x x x I tabell I betecknar o bra vidhäftning, medan x beteck- nar dálig vidhäftning. Enligt den kända tekniken skala- des filmerna av på mycket kort tid i atmosfären. Mät- ningar gjordes för att utröna vilket grundämne, förutom kisel, som var effektivt för förbättring av filmens vidhäftningsstyrka vid användning som tilläggsgrundämne.» Tabell II visar mätresultaten för kubiska bornitrid- filmer pà de olika tilläggsgrundämnena. Tjockleken hos mellanskiktet 2 är konstant vid 2000 Å, och kompo- sitionsförhållandet för tilläggsgrundämnet minskar från basmaterialet (Si) i riktning mot den kubiska bornitridfilmen.

Tabell II C-BN-film- Tilläggsgrundämne till mellanskiktet tjocklek gnn;>Ib (pump ID9 gnq¶>IIDo grmq>IVb Cu Zn Al C Si Ge 0,1 pm x x o o o o 0,3 pm I x x o o o A 10 15 20 25 30 35 "S01 '1Û9r 9 Tabell II §ššïšf:âm_ Tilläggsgrundämne till mellanskiktet 9fUPP QIUPP QIUPP QIUPP QIUPP Vb IVa Va VIa VIIa P Ti Nb Cr Ni 0,1 um o o o o x 0,3 um A o _ A A x I tabell II betecknar o bra vidhäftning, A betecknar ysämre vidhäftning och x betecknar dålig vidhäftning.

Filmerna med beteckningen A skalas delvis av på mycket kort tid i atmosfären. Filmerna med beteckningen x skalas av fullständigt på mycket kort tid i atmosfären.

Det bekräftas av tabell II att grundämnena i grupp IIIb, IVb, Vb, IVa, Va och VIa i periodiska systemet är effektiva för förbättring av filmens vid- häftningsstyrka.

Tabell III visar de experimentella resultaten för vidhäftningar på de olika strukturerna för mellanskik- ten.

Tabell III Basmaterial Si skiva WS 2:: A1203 bas P spets Iïïrllmanswulfjkhâšt B c c/B c/B/A B c/B c/B/A B c/B c/B/A c vidhäftning Aoo of AA o Ao o o I tabell III är betydelserna för o och A samma som i tabell II. Betydelserna av skikten A, B och C är lika med de för skikten (A), (B) resp (C) i fig 5.

B och C representerar enkelskiktstrukturen av (B) resp (C). C/B representerar att skiktet (B) är bildat pà basmaterialet, och skiktet (C) är bildat på skiktet (B). 501 109 10 15 20 25 30 35 10 C/B/A är lika med strukturen (A) (B) (C) som visas i fig 5. Tjockleken av mellanskikten A, B resp C är ZOOOÅ. Den kubiskt kristallina filmens tjocklek är 1 um. Grundämnet Si användes som tilläggsgrundämne.

Allmänt definierat är mellanskiktet A lika med det nitridskikt eller boridskikt som innehåller åtminstone en typ av grundämnena i grupp IVb, IIIb, Vb, IVa, Va och VIa i det periodiska systemet. Mellanskiktet B är lika med det nitridskikt eller boridskikt med vilket åtminstone en typ av grundämnena i grupp IVb, IIIb, Vb, IVa, Va och VIa i det periodiska systemet är blandad, och i vilket kompositionsförhàllandet för nämnda typ av grundämnen minskar från basmaterialet i riktning mot ytan. Mellanskiktet C är lika med det nitridskikt eller boridskikt med vilket åtminstone en av grupperna IVb, IIIb, Vb, IVa, Va och VIa i periodiska systemet är blandad med den totala blandningsgraden av 0,01 atom% till l0 atom%, och vilket har absorptionstoppen vid vàgtaiet 950 cm* till 1150 amd.

Såsom framgår av tabell III kan den goda vidhäft- ningen erhållas genom lämpligt val av mellanskikts- struktur i enlighet med typen av basmaterial. Såsom beskrivits ovan, enligt denna uppfinning, tillsätts åtminstone en av grupperna IVb,'IIIb, Vb, IVa, Va och VIa i periodiska systemet för att bilda de tredimen- sionella bindningarna i gränsytans grafitstruktur. Även då basmaterialet är belagt med en tjock, kubisk bornitridfilm kan denna film således tillräckligt motstå den inre spänningen, och vidhäftningen kan förbättras kraftigt. Följaktligen är uppfinningen mycket användbar för partier eller verktyg som erford- rar korrosionshärdighet, nötningshärdighet och hög hårdhet. j Även om den föredragna utföringsformen har beskri- vits kommer variationer inom omfattningen av förelig- gande uppfinning, såsom den beskrivs i de efterföljande kraven, att bli uppenbara för fackmannen på området.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 'tionstopp vid vàgtalet 950 cm'1 501 109 11 PATENTKRAV

1. Kropp belagd med kubisk bornitrid, k ä n n e - t e c k n a d av (A) ett basmaterial: (B) ett första mellanskikt av nitrid eller borid, med en inblandning av en nitrid eller borid av åtminstone ett tillsatsgrundämne i grupp IVb, IIIb, Vb, periodiska systemet med en total inblandningsgrad av 0,01 atom% till 10 atom%, och med en absorptionstopp vid vàgtalet 950 cm'l till 1150 cm'1 enligt det infraröda ab- sorptionsspektrat, vilket första mellanskikt är bildat pá nämnda basmaterial; och (C) en kubisk bornitridfilm, som uppvisar maximal absorp- till 11so cm'1 enligt det infraröda absorptionsspektrat och som är bildad pà det första mellanskiktet.

2. Kropp enligt krav 1, ett andra mellanskikt av nitrid eller borid, med en inblandning av en nitrid eller borid av åtminstone ett tillsatsgrundämne i grupp IVb, IIIb, Vb, IVa, Va och VIa i periodiska systemet, varvid kompositionsförhàllandet för nitriden eller boriden av nämnda tillsatsgrundämne minskar i riktning mot ytan, vilket andra mellanskikt är bildat på basmaterialet, mellan detta och det första mellanskiktet. k ä n n e t e c k n a d av;

3. Kropp enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av; ett tredje mellanskikt av nitrid eller borid, med en inblandning av en nitrid eller borid av åtminstone ett tillsatsgrundämne i grupp IVb, IIIb, Vb, IVa, Va och VIa i periodiska systemet, vilket tredje mellanskikt är bildat pà basmaterialet, mellan detta och det andra mellanskik- tet . '

4. Kropp enligt krav 1, 2 eller 3, k ä n n e - t e c k n a d av att kompositionsförhàllandet för nitri- den eller boriden av nämnda tillsatsgrundämne minskar i riktning mot ytan i det första mellanskiktet. IVa, Va och VIa i 501 10 15 20 25 30 35 109 12

5. Kropp enligt krav 4, klä n n e t e c k n a d av att minskningsgradienten för kompositionsförhållandet för nitriden eller boriden av nämnda grundämne i det andra mellanskiktet är större än den i det första mellanskiktet.

6. Kropp enligt krav 2 eller 3, k ä n n e t e c k - n a d av att förhållandet mellan grundämnena bor och kväve ökar i riktning mot ytan i det andra mellanskiktet.

7. Kropp enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att förhållandet mellan grundämnena bor och kväve ökar i riktning mot ytan i det första mellanskiktet.

8. Kropp enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att ökningsgradienten för nämnda förhållande i det andra mellanskiktet är större än den i det första mellanskiktet.

9. Kropp enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att tjockleken hos det första respektive andra skiktet är 0,01 pm - 3 pm.

10. Kropp enligt krav 3, att tjockleken hos det första, andra respektive tredje skiktet är 0,02 pm - 3 pm. k ä n n e t e c k n a d av