Residual stress control of boroncarbon nitride coatings by bipolar-HiPIMS

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01674
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
• Research Institution: Tokyo Metropolitan University
• Principal Investigator: Shimizu Tetsuhide 東京都立大学, システムデザイン研究科, 准教授 (70614543)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 徳田 祐樹 地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター, 研究開発本部機能化学材料技術部プロセス技術グループ, 主任研究員 (30633515) ; BRITUN Nikolay 名古屋大学, 低温プラズマ科学研究センター, 特任准教授 (70899971)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: イオン化物理蒸着 / 炭窒化ホウ素膜 / 立方晶窒化ホウ素 / バイポーラ型HiPIMS / プラズマ発光分光法 / イオン質量分析 / FTIR / イオン運動エネルギー

Outline of Final Research Achievements

This study aims to elucidate the influencing factors on the cubic phase formation in boron carbon nitride (BCN) film growth by bipolar HiPIMS discharge toward the PVD process development to realize the stress-free cubic BN films. To elucidate the plasma dynamics of bipolar HiPIMS discharge, time- and space-resolved plasma diagnostics using optical emission spectroscopy imaging and ion mass spectrometry were performed. A systematic film growth experiments based on these diagnostic data revealed the factors related to c-BN nucleation and growth. At the same time, the effect of selective ion acceleration by bipolar discharge on the film growth and stress reduction was discussed. Finally, amorphous BCN films with a maximum hardness of 45 GPa were demonstrated through this study.

Free Research Field

薄膜工学、プラズマ工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究により、HiPIMS放電を用いたBCN膜の立方晶形成に対する基板への入射粒子の関連因子について、プラズマ分析に基づいた系統的な検証による原理解明が進められた。これにより多岐にわたるHiPIMSプロセスパラメータのそれぞれの位置づけが明確化されると共に、立方晶相形成に向けたHiPIMSプロセス設計指針の礎が構築された。さらにバイポーラ型HiPIMSによる自己イオン衝撃の効果が明らかにされ、立方晶BN膜の残留応力低減に向けた方向性を示すことができた。これらは我が国におけるHiPIMS技術への産業的な要望を先導するものであり、今後当該技術の国内における産業化に大きく貢献できるものである。