(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームをターゲットに照射して発生させたアブレーションプラズマを、基板を加熱することなく、基板上に堆積させて、結晶質の硬質薄膜を形成する際に、基板とターゲットの距離を変化させることで硬質薄膜の表面粗さを制御することを特徴とするイオンビームを用いた硬質薄膜作製法。
【請求項２】
硬質薄膜が、炭化物、窒化物、酸化物からなる膜であることを特徴とする請求項１記載のイオンビームを用いた硬質薄膜作製法。
【請求項３】
硬質薄膜が、炭化ホウ素薄膜であることを特徴とする請求項１または２記載のイオンビームを用いた硬質薄膜作製法。
【請求項４】
マスクを用いることで基板の一部に成膜することを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載のイオンビームを用いた硬質薄膜作製法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、イオンビームを用いた硬質薄膜作製法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、基板の形状および温度特性に関わらず、硬質の結晶質薄膜を高速で作製でき、膜の表面粗さが制御可能な、イオンビームを用いた新規な硬質薄膜作製法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
ホウ化物、炭化物、窒化物等の硬質材料は、従来より、工業をはじめとする様々な分野で広く利用されている。なかでも、炭化ホウ素（Ｂ4Ｃ）は、ＨV（ビッカース硬さ）が〜５０００程度とダイヤモンドに次ぐ硬さを有し、耐摩耗性および高温安定性をも兼ね備えた優れた超高質材料である。そのため、炭化ホウ素の切削工具等の摺動部材等への応用が期待されており、炭化ホウ素の薄膜化に関する研究が進められている。
【０００３】
炭化ホウ素等のホウ化物の薄膜化の技術としては、これまでに、たとえば、イオンビームを併用した化学気相成長（ＣＶＤ）法が報告（T.Hu, et al., Thin solid Films, 332(1998)80-86）されている。しかしながら、このＣＶＤ法では、得られた炭化ホウ素薄膜の表面粗さが数μｍと粗く、平坦な薄膜の作製や複雑な形状の基板への成膜ができないという欠点があった。また、レーザー照射を併用したマグネトロンスパッタリング法による炭化ホウ素薄膜の形成が報告（O.Conde, A.J.Silvestre and J.C.Oliveria, Surface and Coatings Technology, 125 (2000) 141-146）されてもいる。しかし、このマグネトロンスパッタリング法によると、得られる膜は化学量論組成から外れた非晶質のＢ−Ｃ薄膜であり、結晶化した炭化ホウ素薄膜を得るには基板を高温にまで加熱する必要があった。そのため、たとえば、この方法で焼入鋼等に成膜すると、鋼材が焼き戻されてしまうという欠点があった。
【０００４】
このように、従来の炭化ホウ素薄膜等の硬質薄膜の作製は満足できるものではなく、実用には至っていないのが現状であった。
【０００５】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、基板の形状および温度特性に関わらず、硬質の結晶質薄膜を高速で作製でき、膜の表面粗さが制御可能な、イオンビームを用いた新規な硬質薄膜作製法を提供することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、以下の通りの発明を提供する。
【０００７】
すなわち、まず第１には、この出願の発明は、イオンビームをターゲットに照射して発生させたアブレーションプラズマを、基板を加熱することなく、基板上に堆積させて、結晶質の硬質薄膜を形成する際に、基板とターゲットの距離を変化させることで硬質薄膜の表面粗さを制御することを特徴とするイオンビームを用いた硬質薄膜作製法を提供する。
【０００８】
そして、この出願の発明は、第２には、上記第１の出願の発明において、硬質薄膜が、炭化物、窒化物、酸化物からなる膜であることを特徴とするイオンビームを用いた硬質薄膜作製法を、第３には、硬質薄膜が、炭化ホウ素薄膜であることを特徴とするイオンビームを用いた硬質薄膜作製法を、第４には、マスクを用いることで基板の一部に成膜することを特徴とするイオンビームを用いた硬質薄膜作製法を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記の通りの特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１０】
まず、この出願の第１の発明が提供するイオンビームを用いた硬質薄膜作製法は、イオンビームをターゲットに照射して発生させたアブレーションプラズマを、基板を加熱することなく、基板上に堆積させて、結晶質の硬質薄膜を形成するものである。
【００１１】
アブレーションプラズマは、目的とする硬質薄膜の膜源であるターゲットに、大強度の軽イオンビームをパルス照射することにより発生される。大強度の軽イオンビームは、パルス幅数十ｎｓｅｃ程度で照射されると伝導および放射による熱損失が少なくなるため、ターゲットの表面のみを加熱して、高温で高密度のアブレーションプラズマを発生させる。軽イオンビームとしては、たとえば、水素イオンビーム等を利用することができ、この水素イオンビームは、磁気絶縁型イオンビームダイオード等により発生させることができる。
【００１２】
このように発生されたアブレーションプラズマは、約１０-4Ｔｏｒｒ以下の真空中で断熱的に膨張し、ターゲット近傍に設置した基板上に堆積する。これによって、基板を加熱することなく、また、成膜後の熱処理を必要とせずに、結晶質の硬質薄膜を形成することができる。
【００１３】
この出願の第２の発明が提供するイオンビームを用いた硬質薄膜作製法は、上記第１の発明において、硬質薄膜が、炭化物、窒化物、酸化物からなる膜であることを特徴としている。この出願の発明により薄膜化できる硬質材料としては、たとえば、ＴｉＣ，ＳｉＣ，ＷＣ等の炭化物、ＢＮ，ＡｌＮ，ＴｉＮ，Ｓｉ3Ｎ4等の窒化物、ＺｒＯ2等の酸化物を例示することができる。そして、この出願の第３の発明においては、さらには、硬質薄膜である炭化ホウ素（Ｂ4Ｃ）をもその対象とすることができる。
【００１４】
従来の硬質薄膜の作製方法では、室温では炭化ホウ素薄膜は非晶質のＢ−Ｃ薄膜として得られ、結晶化した炭化ホウ素薄膜を得るには基板を高温にまで加熱する必要があった。この出願の発明の方法によって、基板を加熱することなく、ＨV２３００程度の硬質な結晶質の炭化ホウ素薄膜を得ることが可能となる。そのため、たとえば、この出願の発明の方法では、基板として焼入鋼等を用いた場合であっても、鋼材が焼き戻されることなく成膜することができるようになる。
【００１５】
この出願の第４の発明が提供するイオンビームを用いた硬質薄膜作製法は、上記第１ないし３いずれかの発明において、マスクを用いることで基板の一部に成膜することを特徴としている。
【００１６】
この出願の発明において、アブレーションプラズマは、真空中で断熱的に膨張して成膜チャンバー内に拡散される。したがって、拡散されたアブレーションプラズマは、たとえば、基板が平板の場合、ターゲットと対向する基板表面にも堆積するが、基板の裏側にも回り込みんで基板の側面および裏面等にも堆積させることができる。また、基板が、たとえば、凹凸を有した複雑な形状であっても、その凸部はもちろん凹部にまで成膜が可能である。すなわち、この出願の発明の方法によると、基板の形状に関わらず、その全面に硬質薄膜を成膜することができる。
【００１７】
しかしながら、様々な材料からなるマスクや基板ホルダー等を有効に利用することで、たとえば基板の片面のみや、基板の一部に、部分的に成膜することもできる。
【００１８】
この出願の第５の発明が提供するイオンビームを用いた硬質薄膜作製法は、上記いずれかの発明において、基板とターゲットの距離を変化させることで硬質薄膜の表面粗さを制御することを特徴としている。
【００１９】
この出願の発明においては、ターゲットと基板との間隔を小さく設定することで、アブレーション過程にターゲットより放出された微粒子がドロップレットの状態で基板に多く堆積し、得られる硬質薄膜の表面を粗くすることができる。逆に、ターゲットと基板との間隔を大きく設定することで、基板に到達するドロップレットを少なくし、得られる硬質薄膜の表面を極めて平滑にすることができる。作製する膜の材料等によっても異なってくるが、たとえば、ターゲット−基板間距離を７０〜１００ｍｍ程度の範囲で変化させることで、硬質薄膜の表面粒子の大きさ（表面粗さ）を約５０μｍ〜１０ｎｍ程度の範囲で所望の粗さに制御することが可能である。
【００２０】
たとえば、炭化ホウ素薄膜をハードコーティング材として実用化する場合等には、膜の表面が粗いと、その個所に荷重が大きく集中し、耐摩耗性が低下してしまう。そのため、このような用途には、炭化ホウ素薄膜の表面を平滑にすることが好ましい。また、炭化ホウ素薄膜の表面を粗くすることで、研磨あるいは切削等の目的で利用することができ、粗い硬質薄膜でのコーティングを行うこと等も可能となる。
【００２１】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００２２】
【実施例】
（実施例１）
図１に示す装置を用いて、結晶質Ｂ4Ｃ硬質薄膜を作製した。この装置は、イオンビームを発生するダイオードチャンバー（１）と、基板上への成膜を行う成膜チャンバー（２）とから構成されている。
【００２３】
ダイオードチャンバー（１）には、水素イオンビームを発生するための磁気絶縁型イオンビームダイオード（ＭＩＤ）（３）が備えられている。ＭＩＤ（３）は、厚さ１．５ｍｍでポリエチレン製のスラッシュボードをイオン源とする陽極（４）と、ビーム引き出しのためのスリット（図示せず）が設けられた陰極（５）から構成され、陽極−陰極間距離を１０ｍｍに設定したものである。陽極（４）は、水素イオンビームをターゲット（７）上に収束させるために、曲率半径１６０ｍｍの凹面状に加工してある。陰極（５）は、単巻きのθピンチコイルとしても動作するように、外部電源より電流を供給するようになっている。
【００２４】
成膜チャンバー（２）内には、Ｂ4Ｃ焼結体ターゲット（７）とＳｉ基板（６）がそれぞれホルダーにより設置されている。陽極（４）表面からターゲット（７）までの距離は１８０ｍｍ、ターゲット（７）と基板（６）の距離は１００ｍｍとした。なお、成膜中には、基板（６）の近傍が１０-4Ｔｏｒｒ以下の真空となるように調整している。
【００２５】
まず、陰極（５）に電流を流してＭＩＤ（３）の陽極−陰極間に横磁場（〜１Ｔ）を発生させ、続いて１．３ＭＶの高電圧パルスを印加し、陽極（４）表面のフラッシュボードにより表面フラッシュオーバーを生じさせて陽極プラズマを発生させた。この陽極プラズマ中のイオンは、陽極−陰極間の電界によって加速され、陰極（５）のスリットを通過して、イオンビームとして成膜チャンバー（２）に引き出された。なお、このイオンビームは、８０％以上の水素イオンからなる水素イオンビームであった。
【００２６】
成膜チャンバー（２）に引き出された上記１．３ＭｅＶの水素イオンビームは、ターゲット（７）に照射し、Ｂ4Ｃアブレーションプラズマを発生させた。Ｂ4Ｃアブレーションプラズマはほぼ進行方向と直交するように設置されたＳｉ基板（６）の（１００）面に到達し、堆積した。成膜中のＳｉ基板（６）の温度は約２５℃程度であり、成膜後の熱処理は行わなかった。
【００２７】
堆積物として得られた薄膜の結晶性をＸ線回折装置で、化学結合状態をフーリエ変換赤外線吸収分光光度計で、表面状態を走査型電子顕微鏡で、硬度をビッカース硬度計で評価した。
【００２８】
図２に得られた薄膜のＸ線回折図形を示した。全てのピークの位置および強度比が、Ｂ4Ｃ結晶のものと一致することが確認された。図３に得られた薄膜の赤外線吸収分光スペクトルを示した。Ｂ−Ｃ結合に起因するピークが観察され、Ｂ−Ｃ結合が薄膜中に存在していることが判明した。これらの実験事実より、得られた薄膜が、結晶質Ｂ4Ｃ薄膜であることが示された。
【００２９】
図４に、得られた結晶質Ｂ4Ｃ薄膜のＳＥＭ像を示した。膜表面は平滑であることがわかった。得られた結晶質Ｂ4Ｃ薄膜は、厚さ３．６μｍの部分のビッカース硬度が２３００であった。
（実施例２）
実施例１と同じ実験装置を用い、成膜室における基板の設定位置を図５に示したＡとＢの２ヶ所とし、その他は同様の条件でＢ4Ｃ薄膜の作成を行った。なお、基板Ａは、ターゲット−基板間距離が７０ｍｍでターゲットに対向するように設置し、基板Ｂは、基板Ａの奥でターゲット−基板間距離が９２ｍｍの位置に設置した。
【００３０】
各基板上に得られた薄膜Ａおよび薄膜Ｂの膜表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。図６の（Ａ）（Ｂ）に、薄膜Ａおよび薄膜ＢのＳＥＭ像を示した。
【００３１】
薄膜Ａには最大５０μｍ程度の粒子が見られ、実施例１で作製した膜と比較して、ターゲット−基板間距離を調整することで、膜表面の粗さを制御できることが示された。
【００３２】
薄膜Ｂには大きな粒子はなく、基板全面に平滑な膜が得られたことが確認された。基板Ｂが基板Ａの奥に設置されているにもかかわらず均質な薄膜Ｂが得られたことから、アブレーションプラズマが基板の細部や裏にまで回り込むことが確認された。
【００３３】
この薄膜Ａと薄膜Ｂのビッカース硬度は、それぞれ１８００、１５００であった。
【００３４】
これらのことから、高硬度結晶質薄膜を、複雑形状を有する基板にも、薄膜の表面粗さを制御しつつ作製できることが示された。
（実施例３）
膜源であるターゲットを変化させ、実施例１と同様の装置を用いて硬質薄膜の作製を行なった。
【００３５】
その結果、ＣＮ（窒化炭素），ＡｌＮ（窒化アルミニウム），ＢＮ（窒化ホウ素），ＺｒＯ２（酸化ジルコニウム）等の結晶質の薄膜を、表面粗さを制御して、得ることができた。
【００３６】
もちろん、この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この発明によって、基板の形状および温度特性に関わらず、硬質の結晶質薄膜を高速で作製でき、膜の表面粗さが制御可能な、イオンビームを用いた新規な硬質薄膜作製法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例におけるこの出願の発明の方法による硬質薄膜作製に用いた装置の断面概略図である。
【図２】実施例において得られた薄膜のＸ線回折分析の結果を例示した図である。
【図３】実施例において得られた薄膜の赤外線吸収分光スペクトルを例示した図である。
【図４】実施例において得られた結晶質Ｂ4Ｃ薄膜のＳＥＭ像を例示した図である。
【図５】実施例における基板の設定位置を示した図である。
【図６】実施例において得られた（Ａ）薄膜Ａ、および（Ｂ）薄膜ＢのＳＥＭ像を例示した図である。
【符号の説明】
１  ダイオードチャンバー
２  成膜チャンバー
３  磁気絶縁型イオンビームダイオード（ＭＩＤ）
４  陽極
５  陰極
６  基板
７  ターゲット
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003986243.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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