(57)【要約】【課題】本発明の技術課題は、産業上安定して容易に成膜でき、しかもダイヤモンドに次ぐ高い硬度を示すといわれている立方晶BNを超える超高硬度を有しかつ非常に高い耐摩擦磨耗性を有する薄膜を得ることを目的とする。【解決手段】ＴｉおよびＣｒの中から選択される少なくとも１種の元素を合計量で１０原子％以上７０原子％以下と、０．１原子％以上２０原子％以下のＢおよび１０原子％以上７０原子％以下のＮにより薄膜を構成する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴｉおよびＣｒの中から選択される少なくとも１種の元素を合計量で１０原子％以上７０原子％以下と、０．１原子％以上２０原子％以下のＢおよび１０原子％以上７０原子％以下のＮから構成されることを特徴とする超高硬度薄膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超高硬度薄膜に関し、さらに詳しくは、基材に対する密着性が良好で、耐摩耗性に優れた超高硬度の硬質窒化物表面を有し、高強度材料、耐摩耗材料等として産業上の種々の用途に利用できる耐摩耗性硬質窒化物薄膜に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械部品や工具などが摩耗することを防ぐための高硬度耐摩耗コーティング材料としては、従来、ＴｉＮ，ＴｉＣ，ＷＣ，Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ系等の高硬度材料が用いられている。しかしながら、これらの従来薄膜の硬度はヌープ硬度で高くとも２０００程度であり、さらなる高硬度化による耐摩耗性向上が望まれている．
【０００３】
また，特開平０７−１８００３８に示されているように，Alとその他の金属からなる合金中に結晶質微粒子を分散した高硬度薄膜が提案されているが，このような薄膜でも２０００を超える高いヌープ硬度は示さず，さらなる高硬度化が実現できていないことが実状である．高硬度薄膜としては、ダイヤモンドに次ぐ硬度を示すといわれている立方晶BNがあるが、この薄膜はヌープ硬度で５０００程度の超高硬度を示すものの、製作が容易ではなく産業上の利用が困難である．
【特許文献１】特開平０７−１８００３８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、産業上容易に成膜でき、しかもダイヤモンドに次ぐ硬度を示すといわれている立方晶BN以上の超高硬度を有する薄膜を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、ＴｉおよびＣｒの中から選択される少なくとも１種の元素を合計量で１０原子％以上７０原子％以下と、０．１原子％以上２０原子％以下のＢおよび１０原子％以上７０原子％以下のＮから構成される薄膜であれば、イオンミキシング蒸着法などの物理的気相蒸着法により基材上に容易に成膜でき、極めて高い硬度および耐摩耗性を有することを見いだした。
【０００６】
以下、作用として本発明による各成分の数値限定の理由およびその効果を具体的に説明する。
【０００７】
（１）TiおよびCrの効果：ＴｉおよびＣｒはその一部あるいは全部が窒化物になることにより硬度が極めて上昇する元素である。ＴｉおよびＣｒのうち一種以上の元素の合計量が、薄膜を構成する物質中において１０原子％を下回ると、その硬度上昇効果が得られない。また、ＴｉおよびＣｒのうち一種以上の元素の合計量が、７０原子％を超えると、Ｎが結晶粒界に偏析することにより、極めて脆性的になり硬度は急激に低下する。すなわち、ＴｉおよびＣｒの中から選択される１種以上の元素を合計量で１０原子％以上７０原子％以下に制御する必要がある。
【０００８】
（２）Ｂの効果：当該薄膜が０．１原子％以上２０原子％以下のＢを含有する必要があるのは、この範囲のＢ原子を当該薄膜が含有することにより、ＢがＴｉおよびＣｒの窒化物結晶格子中に侵入固溶し、結晶内の数１０原子距離の範囲におよぶ高い局所応力場を形成するからである。この局所応力場の効果により当該薄膜の硬度は著しく上昇するとともに、基材と当該薄膜の界面において原子拡散を促進し両者の密着性を向上させるのである。このような硬度上昇効果を得るためには、少なくとも０．１原子％以上のＢが必要であり、またＢが２０原子％を超えると固溶しているＢがＮと化合し、硬度の低い六方晶ＢＮを析出してしまうため硬度の低下を招くので、Ｂの上限は２０原子％となる。
【０００９】
（３）Ｎの効果：当該薄膜が目的とする極めて高い硬度を有するためにはＴｉおよびＣｒの少なくとも一種以上の元素の一部あるいは全部を窒化する必要がある。そのためには１０原子％以上のＮが薄膜に含有されている必要があり、Ｎが７０原子％を超えるとＮが過剰となりＴｉおよびＣｒの少なくとも一種以上の元素が連続的に分布しなくなるため、脆性破壊が容易になるので硬度低下を招く。したがって、Ｎを当該薄膜中で１０原子％以上７０原子％以下の含有量に制御する必要がある。
【００１０】
以上述べてきた薄膜は、イオンミキシング蒸着法などの物理的気相蒸着法により基材上に容易に成膜できる。なお、本発明の薄膜は特にその基材の種類を限定されるものではなく、金属であっても有機化合物であっても構わない。但し、基材がわずかの力で容易に変形する場合は、当該薄膜が変形に追従できず破壊する可能性もあるので、金属を基材とすることが望ましい。また、当該薄膜は不可避的に存在する不純物を含んでいても効果は低下せず、むしろ不純物の固溶強化により不純物の侵入は望ましい効果を与える。
【００１１】
なお、本発明の薄膜は、美麗な金色を呈しており、硬度や耐摩耗性などに優れるばかりでなく、装飾用被覆膜としても有用である。
【発明の効果】
【００１２】
ＴｉおよびＣｒの中から選択される少なくとも１種の元素を合計量で１０原子％以上７０原子％以下と、０．１原子％以上２０原子％以下のＢおよび１０原子％以上７０原子％以下のＮから構成されることを特徴とする超高硬度薄膜は、超高硬度で優れた耐摩耗性を有し、機械部品や工具などが摩耗することを防ぐための極めて優れた超高硬度耐摩耗コーティング材料として社会に大きく寄与することが期待される。
【実施例】
【００１３】
本発明について実施例を示し具体的に説明するが、本発明が下記実施例に限定されるものではないことはもとよりである。
【００１４】
当該薄膜の作製はイオンミキシング蒸着装置を用いて行った．薄膜の成膜条件は、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｂの蒸発金属原子数の比と、基材として用いた(100)面の単結晶シリコンウエハ（φ50×t0.5mm）基板に照射するNイオン数とＴｉ，Ｃｒ，Ｂの蒸発金属合計原子数の比を制御し、Ｎイオンの加速電圧を2keV，加速電流9mA，アーク電圧80V，減速電圧1.5keVに制御した．成膜厚さは１μｍとした。また、同様の方法でＴｉＮ薄膜を比較のために作製した。
【００１５】
作製した薄膜の組成分析にはX線光電子分光（XPS）法を用いた。
【００１６】
薄膜の硬度については微小硬さ試験機を用いて、荷重49.0mNでヌープ硬度を測定することによって評価した。
【００１７】
また、耐摩耗性を評価するために摩擦摩耗試験を行った。当該薄膜を被覆した基板表面について、直径７mmのアルミナ球圧子を、膜表面で往復運動させることにより、薄膜が損耗し基板が露出するまでの往復回数を摩擦摩耗寿命とし、これにより耐摩耗性を評価した。なお、圧子を押しつける荷重は１４．７Ｎ、すべり速度は１mm/sとした。
【００１８】
その結果、表１に示すように、本発明例１〜３２では、極めて高いヌープ高度を示し、同時に良好な耐摩耗性を有することが明らかである。一方、比較例３３〜５１では、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｂ，Ｎの組成範囲が前述した当該発明の範囲からはずれており、ヌープ硬度は発明例に比べ著しく低く、耐摩耗性も満足できる結果ではない。従って、それらの比較例では本発明において目標とする性能を有していないことが明らかである。また、比較のために作製したＴｉＮ薄膜である実施番号５２についても、ヌープ硬度は発明例に比べ著しく低く、耐摩耗性も満足できる結果ではない。
【００１９】
【表１】
2005248266.tif 000002