JP4123051B2

JP4123051B2 - Method for producing composite film-coated member

Info

Publication number: JP4123051B2
Application number: JP2003140618A
Authority: JP
Inventors: 暁裕近藤; 裕介田中
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2003-05-19
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2023-05-19
Also published as: JP2004339594A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば切削工具や耐摩耗工具等の各種工具として使用される基体の表面に、物理蒸着法（以下、ＰＶＤと称する。）によって窒化物皮膜または炭窒化物皮膜（以下、窒化物皮膜等と称する。）の上に酸化物皮膜が形成された複合皮膜が被覆された複合皮膜被覆部材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の複合皮膜被覆部材の製造方法としては、例えば特許文献１に、金属、合金またはセラミックス焼結体でなる基材の表面に、周期律表の４ａ，５ａ，６ａ族の金属およびＡｌの炭化物、窒化物、炭酸化物、窒酸化物等よりなる第１被膜と酸化アルミニウムの第２被膜とを、上記金属のターゲットおよび酸化アルミニウムを主成分とした焼結体のターゲットを用いてスパッタ法でもって被覆することが記載されている。また、特許文献２には、切削工具の基体に、チタンアルミニウムニトライド等のチタン−アルミニウム合金の第１の層と、この第１の層に直接付着されるアルミナの層とをＰＶＤまたはＣＶＤによってコーティングすることが記載されている。
【０００３】
さらに、特許文献３には、ＰＶＤ（特にマグネトロンスパッタリング）又はＣＶＤによるＴｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｖ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｃｒ，Ｗ及びＡｌの窒化物及び／又は炭化物の層と金属ターゲットのマグネトロンスパッタリングによるγ−Ａｌ_２Ｏ_３の層とを含む被膜を真空引きの中断なしに同じ被覆装置内で形成することが記載されている。また、特許文献４には、Ｃｒ_２Ｏ_３の酸化物皮膜の一方の面に酸化アルミニウム皮膜をＵＢＭＳ（アンバランスドマグネトロンスパッタ）法で、他方の面にＴｉ，Ｃｒ，ＶとＡｌの複合窒化皮膜をＡＩＰ（アークイオンプレーティング）法でそれぞれ形成した硬質皮膜について記載されており、特にＡＩＰ法とＵＢＭＳ法を組み合わせたＰＶＤ装置を使用して、まずチャンバ内を窒素ガス雰囲気として超硬合金チップまたは高速度鋼チップにＴｉ−Ａｌ合金ターゲットを用いてＡＩＰ法で窒化チタンアルミニウム硬質皮膜を形成し、続いてＣｒターゲットを用いてアルゴンと酸素の混合ガス雰囲気にてＵＢＭＳ法で酸化クロム皮膜を形成し、さらにＡｌターゲットを用いてアルゴンと酸素の混合ガス雰囲気にてＵＢＭＳ法で酸化アルミニウム皮膜を形成することが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−４１９６３号公報
【特許文献２】
特開平９−１９２９０６号公報
【特許文献３】
特表２００１−５２２７２５号公報
【特許文献４】
特開２００２−５３９４６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このうちまず特許文献１に記載のように、酸化物皮膜を生成するに際して、上記酸化アルミニウムを主成分とした焼結体のような酸化物ターゲットを使用した被覆では成膜速度が遅く、電子デバイスのような膜厚の薄い皮膜を形成する場合はまだしも、切削工具のように１μｍ以上の膜厚が必要とされる皮膜を、しかも大量に成膜する場合には、多大な時間を要する結果となる。また、特許文献２に記載のように、チタンアルミニウムニトライドの層とアルミナの層とをＰＶＤまたはＣＶＤによってコーティングするに際して、これらのコーティングを別バッチで処理して途中で真空引きを中断した場合には、窒化物皮膜（チタンアルミニウムニトライドの層）上に成膜した酸化物皮膜（アルミナの層）の密着力が十分ではなく、やはり切削工具のように皮膜に大きな荷重が作用するものにおいてはこの酸化物皮膜が剥離し易いという問題がある。
【０００６】
これらに対して、特許文献３、４に記載のように窒素ガス雰囲気中で窒化物皮膜を成膜した後に、真空引きの中断なしに同じ被覆装置（チャンバ）内で酸素ガス雰囲気に入れ替えてＡｌ金属ターゲットにより酸化アルミニウム皮膜を形成する場合には、特許文献１のように酸化物ターゲットによって酸化物皮膜を形成するのに比べて成膜速度が速く、また特許文献２のように真空引きが中断されることに起因する酸化物皮膜の密着力不足が生じることもない。ところが、その一方で、このような特許文献３、４記載の方法では、窒素雰囲気中で基体表面に窒化物皮膜を形成する際に、同じチャンバー内にあるＡｌ金属ターゲットの表面も窒化されてしまい、その後に酸素雰囲気中でこのＡｌ金属ターゲットにより酸化物皮膜を形成するときに放電が安定して行われず、未反応物質が中間層として窒化物皮膜の上に付着し、その上に酸化物皮膜が被覆されることとなるため、やはりこの酸化物皮膜の密着力が不十分となるのが避けられない。
【０００７】
ここで、このような、例えばＡｌターゲットを酸素雰囲気中でスパッタリングしてＡｌ酸化物を成膜するような、いわゆる反応性スパッタリング法においては、安定的な成膜の様相として「金属モード」と「反応性モード」の２つが存在することが、文献「Journal of Vacuum Science & Technology. (A5(2)(1987) 202-207」にS.Bergらにより「Modeling of reactive sputtering of compound materials」として記載されており、金属モードではカソード、基体ともに表面は完全には反応物が被覆していない状態であって成膜速度は速く、これに対して反応性モードではカソード、基体ともに全体にわたって反応物が被覆している状態で、成膜速度は金属モードと比べては遅いことが知られている。そして、本発明の発明者がこれら２つのモードについてさらに研究したところ、金属モードでは基体上に被覆された皮膜は脆弱であり、工具等の耐摩耗性皮膜としては使用できないものであるのに対し、反応性モードで基体上に被覆された皮膜は緻密となって、工具等の耐摩耗性皮膜として適したものとなり、また成膜速度も、金属モードよりは遅いものの、例えば特許文献１のようなＡｌ_２Ｏ_３ターゲットを使用したスパッタリングよりは圧倒的に速い成膜速度が得られるとの知見を得るに至った。従って、上記特許文献３、４のように基体の表面に窒化物皮膜等を形成し、その上に酸化物皮膜を形成するに際しては、この酸化物皮膜を上述の反応性モードで被覆することが重要となる。
【０００８】
本発明は、このような背景の下になされたもので、ＰＶＤにより窒化物皮膜等の上に酸化物皮膜が形成された複合皮膜を基体の表面に被覆するに際し、この酸化物皮膜をより速い成膜速度で、しかも高い付着強度で形成することができ、特に切削工具や耐摩耗工具等の各種工具として使用するのに好適な複合皮膜被覆部材の製造方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は、第１に、ＰＶＤによって窒化物皮膜等の上に酸化物皮膜が形成された複合皮膜が基体の表面に被覆された複合皮膜被覆部材の製造方法であって、チャンバー内に、上記基体と、窒化物皮膜等生成用カソードと、酸化物皮膜生成用カソードとを収容し、チャンバー内を窒素雰囲気として、上記酸化物皮膜生成用カソードと上記基体との間をシャッターによって遮蔽して、窒化物皮膜等生成用カソードにより基体の表面に窒化物皮膜等を形成し、次いで酸化物皮膜生成用カソードと基体との間をシャッターによって遮蔽した状態でチャンバー内を酸素雰囲気として酸化物皮膜生成用カソードの表面を酸化物で被覆し、しかる後にシャッターを開けて酸化物皮膜生成用カソードにより窒化物皮膜等の上に酸化物皮膜を形成することを特徴とする。従って、このような製造方法によれば、窒化物皮膜等が基体表面に形成されてからチャンバー内が酸素雰囲気とされた後も、酸化物皮膜生成用カソードの表面が酸化物で被覆されるまではシャッターは閉じられたままであるので、この酸化物皮膜生成用カソードの表面が窒化物皮膜等の形成時に窒化されても未反応物質が中間層として基体表面の窒化物皮膜等の上に付着することはなく、そして酸化物皮膜生成用カソード表面が酸化物で被覆された後は、上述の反応性モードにより窒化物皮膜等の上に高い付着強度の酸化物皮膜を速やかに形成することが可能となる。
【００１０】
また、本発明は、第２に、ＰＶＤによって窒化物皮膜等の上に酸化物皮膜が形成された複合皮膜が基体の表面に被覆された複合皮膜被覆部材の製造方法であって、チャンバー内に、上記基体と、窒化物皮膜等生成用カソードと、酸化物皮膜生成用カソードとを収容し、この酸化物皮膜生成用カソードの周囲をシャッターによって隔離した状態で、上記チャンバー内を窒素雰囲気として上記窒化物皮膜または炭窒化物皮膜生成用カソードにより上記基体の表面に上記窒化物皮膜または炭窒化物皮膜を形成するとともに、その間に、上記酸化物皮膜生成用カソードの周囲を酸素雰囲気として該酸化物皮膜生成用カソードの表面を酸化物で被覆し、次いでチャンバー内を酸素雰囲気とした後に、シャッターを開けて酸化物皮膜生成用カソードにより窒化物皮膜等の上に酸化物皮膜を形成することを特徴とする。従って、このような製造方法においては、窒化物皮膜等の形成時には酸化物皮膜生成用カソードの周囲がシャッターによって隔離された状態となっているため、この酸化物皮膜生成用カソードが窒化されることはなく、この隔離された酸化物皮膜生成用カソードの周囲を酸素雰囲気としてその表面を酸化物で被覆することができ、基体表面に窒化物皮膜等が形成された後はチャンバー内を酸素雰囲気としてシャッターを開けることにより、速やかに反応性モードによる酸化物皮膜の形成を行うことができるので、一層効率的な複合皮膜の形成を図ることができる。
【００１１】
さらに、本発明は、第３に、ＰＶＤによって窒化物皮膜等の上に酸化物皮膜が形成された複合皮膜が基体の表面に被覆された複合皮膜被覆部材の製造方法であって、チャンバー内をシャッターによって互いに隔絶された窒化物皮膜等生成用チャンバーと酸化物皮膜生成用チャンバーとに分割し、上記シャッターを閉じた状態で、上記基体と、窒化物皮膜等生成用カソードとを上記窒化物皮膜等生成用チャンバーに収容して、窒素雰囲気で基体の表面に窒化物皮膜等を形成する一方、上記酸化皮膜生成用チャンバーには酸化物皮膜生成用カソードを収容して、上記窒化物皮膜または炭窒化物皮膜生成用チャンバーで上記基体の表面に上記窒化物皮膜または炭窒化物皮膜を形成している間に、酸素雰囲気で該酸化物皮膜生成用カソードの表面を酸化物で被覆し、上記窒化物皮膜等が形成された後にシャッターを開いて基体を酸化物皮膜生成用チャンバーに移し、窒化物皮膜等の上に酸化物皮膜を形成することを特徴とする。従って、このような製造方法においても、窒化物皮膜等の形成時には酸化物皮膜生成用カソードは酸化物皮膜生成用チャンバーにあって、窒化物皮膜等生成用チャンバーとはシャッターによって隔絶された状態となっているため、この酸化物皮膜生成用カソードが窒化されることはなく、その表面を酸化物で被覆することができ、先に窒化物皮膜等生成用チャンバーで窒化物皮膜等が形成された基体をシャッターを開けて酸化物皮膜生成用チャンバーに移すことにより、速やかに反応性モードによってこの窒化物皮膜等の上に酸化物皮膜を形成することが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる複合皮膜被覆部材の製造装置を示すものである。この製造装置においては、図示されない真空ポンプに排気口１Ａが接続されて真空引き可能とされたチャンバー１内の中央に、回転軸２Ａによって垂直軸線回りに回転可能とされた回転テーブル２が配設され、この回転テーブル２上に基体３が載置される。また、このチャンバー１には、やはり図示されない供給源に接続されて窒素雰囲気ガスと酸素雰囲気ガスとをチャンバー１内に選択的に導入するガス導入口１Ｂが設けられている。
【００１３】
ここで、上記基体３としては、本実施形態の製造方法によって複合皮膜が被覆される部材が、例えば上述のような切削工具や耐摩耗工具等の各種工具、あるいは切削工具の切刃部材として用いられるスローアウェイチップなどである場合には、超硬合金や高速度工具鋼などのような材質が用いられる。また、このような基体３は、その大きさや形状により、図示のように垂直方向に間隔を開けて複数個重ねられたり、上記垂直軸線を中心とした円周上に間隔を開けて複数載置されたりする。そして、こうして回転テーブル２上に配設された基体３には、上記回転軸２Ａを介してバイアス電源４が接続される。
【００１４】
また、チャンバー１の一方の側（図１において右側）の内壁には、このように回転テーブル２上に配設される基体３側に臨んで対向するようにして、窒化物皮膜等の生成用カソード５が配設されている。この窒化物皮膜等生成用カソード５としては、例えば基体３の表面に窒化物皮膜等としてチタンアルミニウムニトライド（（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ）皮膜（窒化物皮膜）を形成する場合にはチタン−アルミニウム（Ｔｉ−Ａｌ）合金の金属ターゲットが用いられ、このほか形成する皮膜に応じてチタン、クロム等が使用される。また、形成する窒化物皮膜等が炭窒化物皮膜である場合も同様である。
【００１５】
さらに、この窒化物皮膜等生成用カソード５に対して上記回転テーブル２を挟んで反対のチャンバー１の他方の側（図１において左側）の内壁には、やはり回転テーブル２上に配設される上記基体３側に臨んで対向するようにして、酸化物皮膜生成用カソード６が配設されている。この酸化物皮膜生成用カソード６としては、基体３の表面に形成された上記チタンアルミニウムニトライド皮膜のような窒化物皮膜等の上に、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）皮膜を形成する場合には、アルミニウムの金属ターゲットが用いられ、このほか形成する酸化物皮膜に応じてチタン、クロム、ジルコニウム、あるいはそれら金属の合金等が使用される。
【００１６】
そして、この酸化物皮膜生成用カソード６の前方（チャンバー１の内側方向）には、該酸化物皮膜生成用カソード６と上記回転テーブル２上に配設された基体３との間を遮蔽可能なシャッター７が、図示されない開閉機構によって開閉可能に設置されている。ここで、このシャッター７は、例えばステンレス等の金属材料によって形成された平板状のものであって、図示のように上下に昇降させられて開閉可能とされており、このシャッター７が降下して酸化物皮膜生成用カソード６と基体３との間を遮蔽した状態では、基体３側から見て酸化物皮膜生成用カソード６の前面がシャッター７によって覆い隠されるように、また逆にシャッター７が上昇して酸化物皮膜生成用カソード６と基体３との間を開放した状態では、酸化物皮膜生成用カソード６の前面が基体３側から見て該シャッター７により遮蔽されないように構成されている。ただし、当該製造装置では、シャッター７が降下して酸化物皮膜生成用カソード６と基体３との間を遮蔽した状態でも、酸化物皮膜生成用カソード６の基体３と対向しない上下左右の周囲はチャンバー３内に開放された状態とされている。
【００１７】
次に、このように構成された製造装置を用いて、上述した反応性スパッタリング法により、窒化物皮膜等の上に酸化物皮膜が形成された複合皮膜を上記基体３の表面に被覆する場合の、本発明の複合皮膜被覆部材の製造方法の第１の実施形態について説明する。本実施形態では、まず回転テーブル２上に上述のように基体３を配置してチャンバー１を密閉し、上記真空ポンプによって排気口１Ａからチャンバー１内を真空引きする。次いで、回転テーブル２を回転させ、チャンバー１内に設置された図示されないヒーターによって、基体３を例えば４００℃に加熱する。その後、ガス導入口１Ｂからチャンバー１内にアルゴンガスを導入し、バイアス電源４によって基体３に例えば−８００Ｖのバイアス電圧を印加することで、アルゴンイオンによるエッチングを行うことにより、基体３表面を清浄化する。次に、窒素ガスとアルゴンガスの混合ガス（炭窒化物皮膜を形成する場合は、窒素ガスとアルゴンガスとメタンガスの混合ガス）を窒素雰囲気ガスとして導入してチャンバー１内を窒素雰囲気とし、回転テーブル２を回転させたまま、バイアス電源４によって基体３に例えば−５０Ｖのバイアス電圧を印加しつつ、窒化物皮膜等生成用カソード５に放電を生じさせることによってこの窒化物皮膜等生成用カソード５の金属と雰囲気ガスとを反応させて窒化物（または炭窒化物）を生成し、基体３の表面に付着させて窒化物皮膜等を形成する。なお、この窒化物皮膜等生成用カソード５による基体３表面への窒化物皮膜等の形成の間は、上記シャッター７が閉じられて酸化物皮膜生成用カソード６と基体３との間は遮蔽された状態とされている。
【００１８】
こうして、上記窒化物皮膜等生成用カソード５によって基体３の表面に窒化物皮膜等が形成されたなら、次にチャンバー１内を再び真空引きするとともに、ガス導入口１Ｂからアルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスを酸素雰囲気ガスとして導入して酸素雰囲気とし、やはり回転テーブル２を回転させるとともにバイアス電源４によって基体３に例えば−１００Ｖのバイアス電圧を印加しつつ、酸化物皮膜生成用カソード６に放電を生じさせることによってこの酸化物皮膜生成用カソード６と雰囲気ガス中の酸素とを反応させて酸化物を生成するのであるが、このとき酸化物皮膜生成用カソード６の表面は先の窒化物皮膜等の形成の際に窒化されていて安定した放電が行われずに未反応物質が生成されてしまうので、本実施形態では、この酸化物皮膜生成用カソード６に放電を生じさせてからの酸化物の生成開始当初は、上記シャッター７を閉じて酸化物皮膜生成用カソード６と基体３との間が遮蔽されたままの状態としておく。従って、このシャッター７が閉じている間は上記未反応物質が基体３に付着することはなく、この間に酸化物皮膜生成用カソード６の表面にはその酸化物が被覆されてゆく。
【００１９】
そして、このように酸化物皮膜生成用カソード５の表面全体に酸化物が被覆され、これに伴って放電が安定することにより未反応物質の生成がおさまったなら、上記シャッター７を開いて酸化物皮膜生成用カソード６と基体３との間を開放することにより、反応によって生成された酸化物を基体３に付着させて上記窒化物皮膜の上に酸化物皮膜を形成してゆき、これによって基体３の表面に窒化物皮膜等と酸化物皮膜とからなる複合皮膜を被覆して複合皮膜被覆部材を製造する。なお、こうして酸化物皮膜生成用カソード５の表面に全体的に酸化物が被覆されたかどうかは、例えば酸化物皮膜生成用カソード６の放電電圧を監視しておき、この電圧が反応性モード時に特有の値となっているかどうかで判別することが可能である。
【００２０】
従って、このような複合皮膜被覆部材の製造方法によれば、先の基体３への窒化物皮膜等の形成の際に酸化物皮膜生成用カソード６が窒化されることにより、この酸化物皮膜生成用カソード６による酸化物の生成開始当初に放電が不安定となって未反応物質が生成されても、この酸化物生成開始当初はシャッター７を閉じて基体３との間を遮蔽した状態としておくことにより、この未反応物質が中間層として基体３に付着してその後に形成される酸化物皮膜の密着力が損なわれるのを防ぐことができる。そして、こうしてシャッター７を閉じている間に、酸化物皮膜生成用カソード６の表面は全体的に酸化物によって被覆されて放電が安定し、これによって未反応物質の生成が防がれるとともに上記反応性モードとなるので、上記基体３の窒化物皮膜等の上に、特に工具の耐摩耗性皮膜として好適な緻密な酸化物皮膜を、中間層が形成されないこととも相俟ってより高い付着強度で、しかも酸化物ターゲットを用いた場合に比べては速い成膜速度で、効率的に形成することが可能となる。
【００２１】
また、本実施形態に係わる上記製造装置では、上記酸化物皮膜生成用カソード６が、基体３が載置される回転テーブル２を挟んで上記窒化物皮膜等生成用カソード５とは反対側のチャンバー１内壁に設けられており、このような製造装置を用いた本実施形態の製造方法では、この窒化物皮膜等生成用カソード５による基体３表面への窒化物皮膜等の形成時にも上記シャッター７が閉じられて、酸化物皮膜生成用カソード６と基体３との間が遮蔽された状態となっている。従って、この窒化物皮膜等の形成時には、窒化物皮膜等生成用カソード５と酸化物皮膜生成用カソード６との間もシャッター７によって遮蔽された状態となるので、本実施形態によれば、窒化物皮膜等生成用カソード５によって生成された窒化物が酸化物皮膜生成用カソード６の表面に付着するのを防ぐことができ、これによりこの酸化物皮膜生成用カソード６による酸化物生成開始当初の放電が安定するまでの時間を短縮することができて、一層効率的な酸化物皮膜の形成を図ることができる。さらに、この製造装置は、チャンバー１内にシャッター７が酸化物皮膜生成用カソード６の前方に開閉可能に設けられただけの構造であるので、本実施形態では、例えば上記特許文献４に記載されたような従来の製造装置のチャンバー内にシャッターとその開閉機構とを設置するだけで容易に実施が可能であるという利点も得ることができる。
【００２２】
次に、図２は、本発明の製造方法の第２の実施形態に係わる製造装置を示すものであり、図１に示した製造装置と共通する要素には同一の符号を配して説明を省略する。すなわち、この第２の実施形態に係わる製造装置では、窒化物皮膜等生成用カソード５が備えられたチャンバー１の一方の側の内壁に対して回転テーブル２を挟んで反対の他方の側の内壁に凹所１１が形成されており、酸化物皮膜生成用カソード６はこの凹所１１内に収容されるとともに、シャッター７はこの凹所１１の上記他方の側の内壁への開口部に開閉可能に設けられていて、このシャッター７を閉じることにより開口部が塞がれて、凹所１１内がチャンバー１内に対して気密に隔離された状態に維持可能とされている。また、この凹所１１には、チャンバー１の上記ガス導入口１Ｂとは別に、酸素雰囲気ガスを該凹所１１内に導入するガス導入口１１Ａが設けられている。
【００２３】
このような製造装置を用いた第２の実施形態の複合皮膜被覆部材の製造方法においては、まずチャンバー１内の回転テーブル２に基体３を載置してチャンバー１内を真空引きし、次いで回転テーブル２を回転させ、チャンバー１内に設置されたやはり図示されないヒーターによって基体３を例えば４００℃に加熱し、その後にガス導入口１Ｂからチャンバー１内にアルゴンガスを導入して、バイアス電源４によって基体３に例えば−８００Ｖのバイアス電圧を印加し、アルゴンイオンによるエッチングによって基体３表面を清浄化する。次に、シャッター７を閉じて酸化物皮膜生成用カソード６の周囲の凹所１１内をチャンバー１内とは隔離した状態で、チャンバー１内にはガス導入口１Ｂから窒素雰囲気ガスを導入するとともに、凹所１１内にはガス導入口１１Ａから酸素雰囲気ガスを導入する。そして、この凹所１１内では酸化物皮膜生成用カソード５の表面を酸化物で被覆して酸化物皮膜を形成する一方、チャンバー１内では回転テーブル２を回転させたまま、バイアス電源４によって基体３に例えば−５０Ｖのバイアス電圧を印加しつつ、窒化物皮膜等生成用カソード５に放電を生じさせることにより、この窒化物皮膜等生成用カソード５によって基体３の表面に窒化物皮膜等を形成してゆき、こうして所定の膜厚等の窒化物皮膜等が形成されたなら、チャンバー１内を再び真空引きした後にガス導入口１Ｂから酸素雰囲気ガスを導入して酸素雰囲気とし、バイアス電源４によって基体３に例えば−１００Ｖのバイアス電圧を印加し、しかる後に上記シャッター７を開けて酸化物皮膜生成用カソード６により上記窒化物皮膜等の上に酸化物皮膜を形成する。
【００２４】
従って、このような第２の実施形態によれば、窒化物皮膜等生成用カソード５によって基体３の表面に窒化物皮膜等が形成されている間は、酸化物皮膜生成用カソード６は凹所１１内にあってシャッター７によりチャンバー１内とは隔離された状態であるため、その表面が窒化されることはなく、よって放電が不安定となることもなく、しかもこの間に表面が酸化物によって被覆されるので、窒化物皮膜等の形成後にシャッター７が開けられたときには、速やかに上記反応性モードによる酸化物皮膜の形成を行うことができて、一層効率的な複合皮膜被覆部材の製造を行うことが可能となる。なお、本実施形態に係わる製造装置では、窒化物皮膜等の形成時に酸化物皮膜生成用カソード６の周囲をチャンバー１内と隔離した状態とするのに、このチャンバー１の上記他方の側の内壁に凹所１１を形成してその開口部をシャッター７で塞ぐようにしているが、例えば第１の実施形態に係わる製造装置と同様に酸化物皮膜生成用カソード６をこの他方の側の内壁に配設しておいて、その周囲を箱形に形成されたシャッター７によって気密に覆うようにしてチャンバー１内に対し隔離可能とすれば、やはり特許文献４に記載されたような従来の製造装置を利用して本実施形態を容易に実施することが可能となる。
【００２５】
さらに、図３は、本発明の製造方法の第３の実施形態に係わる製造装置を示すものであって、図１に示した製造装置と共通する要素にはやはり同一の符号を配して説明を省略する。すなわち、この第３の実施形態に係わる製造装置では、チャンバー１自体が、その一方の側の内壁と他方の側の内壁との略中央に設けられたシャッター７により、互いに気密に隔絶可能とされた窒化物皮膜等生成用チャンバー２１と酸化物皮膜生成用チャンバー２２とに分割されており、基体３が載置される回転テーブル２は図示されない移動機構によって回転軸２Ｂごとこれら窒化物皮膜等生成用チャンバー２１と酸化物皮膜生成用チャンバー２２との間を往復移動可能とされている。また、これらの窒化物皮膜等生成用チャンバー２１と酸化物皮膜生成用チャンバー２２には、それぞれに排気口２１Ａ，２２Ａとガス導入口２１Ｂ，２２Ｂとが備えられていて、窒化物皮膜等生成用チャンバー２１のガス導入口２１Ｂからは窒素雰囲気ガスが導入可能とされ、酸化物皮膜生成用チャンバー２２のガス導入口２２Ｂからは酸素雰囲気ガスが導入可能とされている。そして、窒化物皮膜等生成用チャンバー２１内に臨む上記一方の側のチャンバー１内壁には窒化物皮膜等生成用カソード５が、また酸化物皮膜生成用チャンバー２２内に臨む上記他方の側のチャンバー１内壁には酸化物皮膜生成用カソード６がそれぞれ配設されている。
【００２６】
このような製造装置を用いた第３の実施形態の複合皮膜被覆部材の製造方法においては、まず回転テーブル２が窒化物皮膜等生成用チャンバー２１側に位置させられていてシャッター７は閉じられており、この回転テーブル２に基体３を載置した後に、窒化物皮膜等生成用チャンバー２１内が真空引きされ、次いで回転テーブル２を回転させ、チャンバー１内のやはり図示されないヒーターによって基体３を例えば４００℃に加熱した後に、ガス導入口２１Ｂから窒化物皮膜等生成用チャンバー２１内にアルゴンガスを導入し、さらにバイアス電源４によって基体３に例えば−８００Ｖのバイアス電圧を印加してアルゴンイオンによるエッチングにより基体３表面を清浄化する。次に、この窒化物皮膜等生成用チャンバー２１内に上記ガス導入口２１Ｂから窒素雰囲気ガスを導入し、回転テーブル２を回転させたまま、バイアス電源４によって基体３に例えば−５０Ｖのバイアス電圧を印加しつつ、窒化物皮膜等生成用カソード５に放電を生じさせることにより、この窒化物皮膜等生成用カソード５によって基体３の表面に窒化物皮膜等を形成する。なお、この窒化物皮膜等生成用チャンバー２１で基体３の表面に窒化物皮膜等を形成している間に、予め酸化物皮膜生成用チャンバー２２で酸化物皮膜生成用カソード６の表面全体に酸化物を被覆しておく。そして、こうして窒化物皮膜等が所定の膜厚で形成されたなら、窒化物皮膜等生成用チャンバー２１内を再び真空引きするとともに酸化物皮膜生成用チャンバー２２内も真空引きし、シャッター７を開いて回転テーブル２ごと基体３を酸化物皮膜生成用チャンバー２２に移し、しかる後シャッター７を閉じて酸化物皮膜生成用チャンバー２２内に酸素雰囲気ガスを導入した後、バイアス電源４によって基体３に例えば−１００Ｖのバイアス電圧を印加して、基体３表面に先に形成された窒化物皮膜等の上にこの酸化物皮膜生成用カソード６により反応性モードで酸化物皮膜を形成する。
【００２７】
従って、このような第３の実施形態の製造方法においても、窒素雰囲気ガスが導入される窒化物皮膜等生成用チャンバー２１と酸化物皮膜生成用カソード６が配設される酸化物皮膜生成用チャンバー２２とがシャッター７によって隔絶された状態に保持可能であるので、第２の実施形態と同様に酸化物皮膜生成用カソード６の表面が窒化されることはなく、よって放電が不安定となることもなく、速やかに酸化物皮膜生成用カソード６の表面に酸化物を被覆させて、反応性モードにより基体３に緻密な酸化物皮膜を形成することができる。また、上述のように窒化物皮膜等生成用チャンバー２１で窒化物皮膜等を形成している間に酸化物皮膜生成用チャンバー２２内では酸化物皮膜生成用カソード６の表面全体に酸化物を被覆しておけば一層効率的な複合皮膜被覆部材の製造を図ることができ、さらにこれら窒化物皮膜等生成用チャンバー２１と酸化物皮膜生成用チャンバー２２との間を交互に移動可能な２つの回転テーブル２をチャンバー１に設けておけば、一方の回転テーブル２に載置された基体３に窒化物皮膜等を形成している間に他方の回転テーブル２に載置された基体３には酸化物皮膜を形成し、次いで上記一方の回転テーブル２を酸化物皮膜生成用チャンバー２２に移動させて先に形成された窒化物皮膜等の上に酸化物皮膜を形成する一方、他方の回転テーブル２は窒化物皮膜等生成用チャンバー２１に戻して次の基体３に窒化物皮膜等を形成するといった操作を行うことができ、すなわち窒化物皮膜等生成用チャンバー２１と酸化物皮膜生成用チャンバー２２とで別バッチの基体３に同時に窒化物皮膜等と酸化物皮膜とを被覆することが可能となって、より一層の効率化を促すことが可能となる。
【００２８】
なお、これら第１〜第３の実施形態では、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎのような窒化物皮膜等の上にＡｌ_２Ｏ_３のような酸化物皮膜を形成した２層の複合皮膜を基体３に被覆する場合について説明したが、これら窒化物皮膜等と酸化物皮膜との間や、窒化物皮膜等と基体３の表面との間、あるいは酸化物皮膜の表面に、必要に応じて単層または複数層の他の皮膜を形成したりしてもよく、また同種または異種の複数層の窒化物皮膜等や酸化物皮膜を交互に重ねたりするようにしてもよい。このような場合において、上記第１、第２の実施形態に係わる製造装置では、チャンバー１内に上記他の皮膜あるいは異種の窒化物皮膜等、酸化物皮膜生成用のカソードを、必要に応じてシャッター７により遮蔽、あるいは隔離可能に配設すればよく、また第３の実施形態に係わる製造装置では、皮膜を形成する順に合わせてチャンバー１を複数のシャッター７により上記他の皮膜あるいは異種の窒化物皮膜等、酸化物皮膜生成用チャンバーに互いに隔絶可能に分割して、これらのチャンバーにそれぞれ他の皮膜あるいは異種の窒化物皮膜等、酸化物皮膜生成用のカソードを配設したりすればよい。
【００２９】
また、これら第１〜第３の実施形態に係わる製造装置では、チャンバー１の一方の側の内壁に窒化物皮膜等生成用カソード５が、またこれとは回転テーブル２を挟んで反対の他方の側の内壁に酸化物皮膜生成用カソード６が、それぞれ１つずつ配設されているが、これら窒化物皮膜等生成用カソード５や酸化物皮膜生成用カソード６の配置や数は必要に応じて適宜設定することができ、例えば第１、第２の実施形態に係わる製造装置では、円筒状の内壁を有するチャンバー１内に複数ずつの窒化物皮膜等生成用カソード５と酸化物皮膜生成用カソード６とを周方向に交互に配設したりしてもよい。ただし、特にこのような場合において第１の実施形態に係わる製造装置では、周方向に隣接する窒化物皮膜等生成用カソード５で生成された窒化物の付着による窒化を抑えるため、酸化物皮膜生成用カソード６の前方にそれぞれ配設されるシャッター７は、この隣接する窒化物皮膜等生成用カソード５との間も遮蔽可能な形状寸法、例えば内壁側が開口した断面「コ」字状に形成されたりするのが望ましい。さらにまた、上記第１〜第３の実施形態では、窒化物皮膜等と酸化物皮膜とを反応性スパッタリング法によって形成する場合について説明したが、これらの一方あるいは双方をＡＩＰ法等による反応性イオンプレーティングによって形成するようにしてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１には、基体と酸化物皮膜生成用カソードとの間をシャッターによって遮蔽した状態で酸化物を生成し、この酸化物皮膜生成用カソードの表面が酸化物で被覆されたところでシャッターを開けて、先に基体表面に形成された窒化物皮膜等の上に酸化物皮膜を形成することにより、窒化物皮膜等の形成の際に酸化物皮膜生成用カソード表面が窒化されることによる未反応物質が基体に中間層として付着するのを防ぐことができ、反応性モードによる緻密で付着強度の高い酸化物皮膜を速やかに窒化物皮膜等の上に被覆することが可能となる。また第２には、酸化物皮膜生成用カソードの周囲をシャッターによって隔離し、さらに第３には、チャンバーをシャッターによって窒化物皮膜等生成用チャンバーと酸化物皮膜生成用チャンバーとに隔絶することにより、酸化物皮膜生成用カソードが窒化されること自体を防いでその表面全体を酸化物で被覆することができ、やはり反応性モードによって特に工具の耐摩耗性皮膜として好適な複合皮膜を被覆した部材を効率的に製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる複合皮膜被覆部材の製造装置を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係わる複合皮膜被覆部材の製造装置を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係わる複合皮膜被覆部材の製造装置を示す図である。
【符号の説明】
１チャンバー
２回転テーブル
３基体
５窒化物皮膜等生成用カソード
６酸化物皮膜生成用カソード
７シャッター
１１凹所
２１窒化物皮膜等生成用チャンバー
２２酸化物皮膜生成用チャンバー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a nitride film or carbonitride film (hereinafter referred to as a nitride film) by physical vapor deposition (hereinafter referred to as PVD) on the surface of a substrate used as various tools such as cutting tools and wear resistant tools. It is related with the manufacturing method of the composite-film coating | coated member with which the composite film in which the oxide film was formed was coat | covered.
[0002]
[Prior art]
As a method for manufacturing this type of composite film-coated member, for example, Patent Document 1 discloses that the surface of a base material made of a metal, an alloy, or a ceramic sintered body is coated with metals of Group 4a, 5a, 6a and Al A first coating made of carbide, nitride, carbonate, nitride oxide or the like and a second coating made of aluminum oxide are sputtered using the above-mentioned metal target and a sintered body target composed mainly of aluminum oxide. It is described that it is coated. Further, in Patent Document 2, a first layer of a titanium-aluminum alloy such as titanium-aluminum nitride and a layer of alumina directly attached to the first layer are formed on a base of a cutting tool by PVD or CVD. Coating is described.
[0003]
Further, Patent Document 3 discloses a TiN, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W and Al nitride and / or carbide layer and a metal target magnetron by PVD (particularly magnetron sputtering) or CVD. Γ-Al by sputtering ₂ O ₃ Are formed in the same coating apparatus without interruption of evacuation. Patent Document 4 discloses Cr. ₂ O ₃ An aluminum oxide film is applied to one side of the oxide film by UBMS (unbalanced magnetron sputtering), and a composite nitride film of Ti, Cr, V and Al is applied to the other side by AIP (arc ion plating). The formed hard coating is described, and in particular, using a PVD apparatus that combines the AIP method and the UBMS method, first, a Ti-Al alloy target is placed on a cemented carbide chip or a high-speed steel chip with a nitrogen gas atmosphere in the chamber. A titanium aluminum hard film is formed by the AIP method, a chromium oxide film is formed by the UBMS method in a mixed gas atmosphere of argon and oxygen using a Cr target, and an argon and oxygen film is further formed using an Al target. It is described that an aluminum oxide film is formed by a UBMS method in a mixed gas atmosphere. .
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-41963
[Patent Document 2]
JP-A-9-192906
[Patent Document 3]
JP-T-2001-522725
[Patent Document 4]
JP 2002-53946 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, among these, as described in Patent Document 1, first, when forming an oxide film, the coating using an oxide target such as a sintered body mainly composed of aluminum oxide has a low deposition rate, When forming a thin film such as an electronic device, it still takes a lot of time to form a film that requires a film thickness of 1 μm or more, such as a cutting tool. Result. In addition, as described in Patent Document 2, when coating a titanium aluminum nitride layer and an alumina layer by PVD or CVD, when these coatings are processed in separate batches and the evacuation is interrupted in the middle, In the case where the oxide film (alumina layer) deposited on the nitride film (titanium aluminum nitride layer) does not have sufficient adhesion, and a large load acts on the film like a cutting tool. There exists a problem that this oxide film is easy to peel.
[0006]
On the other hand, after forming a nitride film in a nitrogen gas atmosphere as described in Patent Documents 3 and 4, the film is replaced with an oxygen gas atmosphere in the same coating apparatus (chamber) without interruption of evacuation. In the case of forming an aluminum oxide film with a metal target, the film formation rate is higher than that of forming an oxide film with an oxide target as in Patent Document 1, and evacuation is interrupted as in Patent Document 2. Insufficient adhesion of the oxide film due to the formation of the film does not occur. However, in the methods described in Patent Documents 3 and 4, on the other hand, when a nitride film is formed on the substrate surface in a nitrogen atmosphere, the surface of the Al metal target in the same chamber is also nitrided. Then, when an oxide film is formed with this Al metal target in an oxygen atmosphere, the discharge is not stably performed, and an unreacted substance adheres as an intermediate layer on the nitride film, on which the oxide film is formed. Therefore, it is inevitable that the adhesion of the oxide film is insufficient.
[0007]
Here, in such a so-called reactive sputtering method in which, for example, an Al target is sputtered in an oxygen atmosphere to form an Al oxide film, “metal mode” and “ The existence of two “reactive modes” is described as “Modeling of reactive sputtering of compound materials” by S. Berg et al. In the document “Journal of Vacuum Science & Technology. (A5 (2) (1987) 202-207”). In the metal mode, the surface of both the cathode and the substrate is not completely coated with the reactants, and the film formation rate is fast. On the other hand, in the reactive mode, the reactants are entirely present in both the cathode and the substrate. It is known that the film deposition rate is slow compared with the metal mode in the coated state, and the inventors of the present invention further studied these two modes, On the other hand, the film coated on the substrate is fragile and cannot be used as a wear-resistant film such as a tool, whereas the film coated on the substrate in the reactive mode becomes dense, It becomes suitable as a wear-resistant film for tools and the like, and the film formation rate is slower than that in the metal mode. ₂ O ₃ It came to the knowledge that the deposition rate overwhelmingly faster than sputtering using a target was obtained. Therefore, when a nitride film or the like is formed on the surface of the substrate as in Patent Documents 3 and 4 and an oxide film is formed thereon, the oxide film may be coated in the reactive mode described above. It becomes important.
[0008]
The present invention has been made under such a background. When a composite film in which an oxide film is formed on a nitride film or the like by PVD is coated on the surface of a substrate, the oxide film is made faster. An object of the present invention is to provide a method for producing a composite film-coated member that can be formed at a film formation rate and with high adhesion strength, and that is particularly suitable for use as various tools such as cutting tools and wear-resistant tools.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems and achieve such an object, first, the present invention is such that a composite film in which an oxide film is formed on a nitride film or the like by PVD is coated on the surface of a substrate. A method for producing a composite film covering member, wherein the substrate, a cathode for generating a nitride film, and a cathode for generating an oxide film are accommodated in a chamber, and the inside of the chamber is made a nitrogen atmosphere. , Shielding between the cathode for generating the oxide film and the substrate by a shutter, A nitride film is formed on the surface of the substrate by a cathode for generating a nitride film, etc., and then the inside of the chamber is used as an oxygen atmosphere in a state where the space between the cathode for generating the oxide film and the substrate is shielded by a shutter. The cathode surface is coated with an oxide, and then the shutter is opened, and an oxide film is formed on the nitride film or the like by the oxide film-generating cathode. Therefore, according to such a manufacturing method, after the nitride film or the like is formed on the substrate surface, the surface of the cathode for generating the oxide film is coated with the oxide even after the inside of the chamber is in an oxygen atmosphere. Since the shutter remains closed, even if the surface of the cathode for forming the oxide film is nitrided during the formation of the nitride film or the like, unreacted substances adhere as an intermediate layer on the nitride film or the like on the substrate surface. In addition, after the cathode surface for generating the oxide film is coated with the oxide, it is possible to quickly form an oxide film with high adhesion strength on the nitride film or the like by the above-described reactive mode. It becomes.
[0010]
A second aspect of the present invention is a method for producing a composite film-coated member in which a composite film in which an oxide film is formed on a nitride film or the like by PVD is coated on the surface of a substrate. The base, the cathode for generating a nitride film, and the cathode for generating an oxide film are accommodated, and the periphery of the cathode for generating an oxide film is isolated by a shutter. The nitride film or carbonitride film forming cathode is formed on the surface of the substrate by the nitride film or carbonitride film forming cathode with the inside of the chamber being in a nitrogen atmosphere, and the oxide film forming cathode is formed therebetween. Around Covering the surface of the cathode for forming the oxide film with an oxide in an oxygen atmosphere And Next, after the inside of the chamber is in an oxygen atmosphere, the shutter is opened and an oxide film is formed on the nitride film or the like by the cathode for generating the oxide film. Therefore, in such a manufacturing method, when the nitride film or the like is formed, the periphery of the cathode for generating the oxide film is isolated by the shutter, so that the cathode for generating the oxide film is nitrided. The surface of the isolated cathode for generating an oxide film can be coated with an oxide with an oxygen atmosphere. After a nitride film or the like is formed on the surface of the substrate, the chamber has an oxygen atmosphere. By opening the shutter, it is possible to quickly form an oxide film in the reactive mode, so that a more efficient composite film can be formed.
[0011]
Furthermore, the present invention thirdly relates to a method for producing a composite film-coated member in which a composite film in which an oxide film is formed on a nitride film or the like by PVD is coated on the surface of a substrate, It is divided into a chamber for generating a nitride film and a chamber for generating an oxide film separated from each other by a shutter, With the shutter closed, The substrate and the cathode for generating a nitride film and the like are accommodated in the chamber for generating a nitride film and the like, and a nitride film and the like are formed on the surface of the substrate in a nitrogen atmosphere. Accommodating cathode for oxide film formation , While the nitride film or carbonitride film is formed on the surface of the substrate in the nitride film or carbonitride film generation chamber, The surface of the cathode for generating an oxide film is covered with an oxide in an oxygen atmosphere. After the nitride film or the like is formed, the shutter is opened and the substrate is transferred to the oxide film generating chamber. It is characterized by forming an oxide film. Therefore, even in such a manufacturing method, the oxide film generating cathode is in the oxide film generating chamber when the nitride film is formed, and is separated from the nitride film generating chamber by the shutter. Therefore, the oxide film generating cathode is not nitrided, and its surface can be coated with an oxide, and a nitride film or the like is first formed in the nitride film or the like generating chamber. By opening the shutter and moving the substrate to the oxide film generation chamber, it is possible to quickly form an oxide film on the nitride film or the like by the reactive mode.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows an apparatus for manufacturing a composite film covering member according to a first embodiment of the present invention. In this manufacturing apparatus, a rotary table 2 that is rotatable about a vertical axis by a rotary shaft 2A is disposed in the center of a chamber 1 that is connected to a vacuum pump (not shown) and can be evacuated. The base 3 is placed on the turntable 2. The chamber 1 is also provided with a gas inlet 1B that is connected to a supply source (not shown) and selectively introduces nitrogen atmosphere gas and oxygen atmosphere gas into the chamber 1.
[0013]
Here, as the base 3, a member coated with the composite film by the manufacturing method of the present embodiment is used as, for example, various tools such as the cutting tool and the wear-resistant tool as described above, or a cutting blade member of the cutting tool. In the case of a throw-away tip, a material such as cemented carbide or high-speed tool steel is used. Further, depending on the size and shape of the base 3, a plurality of bases 3 are stacked with a gap in the vertical direction as shown in the figure, or a plurality of bases 3 are placed on the circumference around the vertical axis. Or A bias power source 4 is connected to the base 3 arranged on the rotary table 2 in this way via the rotary shaft 2A.
[0014]
Further, the inner wall on one side (right side in FIG. 1) of the chamber 1 faces the base 3 side arranged on the turntable 2 in this way, and is used for producing a nitride film or the like. A cathode 5 is provided. As the cathode 5 for producing the nitride film or the like, for example, when a titanium aluminum nitride ((Ti, Al) N) film (nitride film) is formed as a nitride film or the like on the surface of the substrate 3, titanium-aluminum. A metal target of (Ti-Al) alloy is used, and titanium, chromium, etc. are used depending on the film to be formed. The same applies when the nitride film or the like to be formed is a carbonitride film.
[0015]
Furthermore, the inner wall of the other side (left side in FIG. 1) of the opposite chamber 1 across the turntable 2 with respect to the nitride film or the like production cathode 5 is also disposed on the turntable 2. The cathode 6 for generating an oxide film is disposed so as to face the substrate 3 and face it. As the cathode 6 for generating an oxide film, for example, an aluminum oxide (Al) is formed on a nitride film such as the titanium aluminum nitride film formed on the surface of the substrate 3. ₂ O ₃ ) In the case of forming a film, an aluminum metal target is used, and in addition, titanium, chromium, zirconium, or an alloy of these metals is used depending on the oxide film to be formed.
[0016]
In front of the oxide film generating cathode 6 (inward direction of the chamber 1), the gap between the oxide film generating cathode 6 and the substrate 3 disposed on the turntable 2 can be shielded. The shutter 7 is installed so as to be opened and closed by an opening / closing mechanism (not shown). Here, the shutter 7 is a flat plate formed of, for example, a metal material such as stainless steel, and can be opened and closed by being moved up and down as shown in the figure. In a state where the gap between the oxide film generating cathode 6 and the substrate 3 is shielded, the front surface of the oxide film generating cathode 6 is covered with the shutter 7 when viewed from the substrate 3 side. In the state where the cathode 6 for generating the oxide film and the substrate 3 are opened up, the front surface of the cathode 6 for generating the oxide film is not shielded by the shutter 7 when viewed from the substrate 3 side. . However, in the manufacturing apparatus, even when the shutter 7 is lowered and the space between the oxide film generating cathode 6 and the base 3 is shielded, the upper, lower, left, and right surroundings that do not face the base 3 of the oxide film generating cathode 6 are The chamber 3 is open.
[0017]
Next, in the case where the surface of the substrate 3 is coated with the composite film in which the oxide film is formed on the nitride film or the like by the reactive sputtering method described above using the manufacturing apparatus configured as described above. 1st Embodiment of the manufacturing method of the composite-film coating | coated member of this invention is described. In the present embodiment, first, the base 3 is disposed on the rotary table 2 as described above to seal the chamber 1, and the inside of the chamber 1 is evacuated from the exhaust port 1A by the vacuum pump. Next, the turntable 2 is rotated, and the base 3 is heated to, for example, 400 ° C. by a heater (not shown) installed in the chamber 1. Thereafter, argon gas is introduced into the chamber 1 from the gas inlet 1B, and a bias voltage of −800 V, for example, is applied to the substrate 3 by the bias power source 4 to perform etching with argon ions, thereby cleaning the surface of the substrate 3. Turn into. Next, a mixed gas of nitrogen gas and argon gas (in the case of forming a carbonitride film, a mixed gas of nitrogen gas, argon gas and methane gas) is introduced as a nitrogen atmosphere gas so that the inside of the chamber 1 is turned into a nitrogen atmosphere and rotated. While the table 2 is rotated, a bias voltage of, for example, −50 V is applied to the substrate 3 by the bias power source 4 and a discharge is generated in the cathode 5 for generating a nitride film or the like, thereby generating the cathode 5 for generating a nitride film or the like. A nitride (or carbonitride) is produced by reacting the metal and the atmospheric gas, and is deposited on the surface of the substrate 3 to form a nitride film or the like. During the formation of the nitride film or the like on the surface of the substrate 3 by the cathode 5 for generating the nitride film or the like, the shutter 7 is closed and the gap between the oxide film generating cathode 6 and the substrate 3 is shielded. It is supposed to be in a state.
[0018]
Thus, when a nitride film or the like is formed on the surface of the substrate 3 by the above-described cathode 5 for generating a nitride film or the like, the inside of the chamber 1 is evacuated again, and argon gas and oxygen gas are supplied from the gas inlet 1B. The gas mixture is introduced as an oxygen atmosphere gas to form an oxygen atmosphere. The rotary table 2 is also rotated, and a bias voltage of, for example, −100 V is applied to the substrate 3 by the bias power source 4 while discharging to the oxide film generating cathode 6. This causes the oxide film generating cathode 6 to react with oxygen in the atmospheric gas to generate an oxide. At this time, the surface of the oxide film generating cathode 6 is the previous nitride film. In this embodiment, this oxidation is caused by the fact that unreacted substances are generated without being stably discharged and being nitrided during the formation of etc. Generating beginning of oxide from causing discharge film generation for the cathode 6, between the oxide film generation for a cathode 6 and the substrate 3 closes the shutter 7 is kept as a state of being shielded. Therefore, while the shutter 7 is closed, the unreacted substance does not adhere to the substrate 3, and the oxide film is coated on the surface of the oxide film generating cathode 6 during this time.
[0019]
Then, when the oxide is coated on the entire surface of the oxide film generating cathode 5 and the discharge is stabilized accordingly, the generation of unreacted substances is stopped. By opening the gap between the cathode 6 for generating the film and the substrate 3, the oxide generated by the reaction is attached to the substrate 3 to form an oxide film on the nitride film, thereby forming the substrate. 3 is coated with a composite film composed of a nitride film or the like and an oxide film to produce a composite film-coated member. Whether or not the surface of the oxide film generating cathode 5 is entirely covered with the oxide is monitored by, for example, monitoring the discharge voltage of the oxide film generating cathode 6 and this voltage is unique in the reactive mode. It is possible to determine whether it is a value of.
[0020]
Therefore, according to such a method of manufacturing a composite film-coated member, the oxide film generation cathode 6 is nitrided when the nitride film or the like is formed on the substrate 3, so that the oxide film is formed. Even if the discharge becomes unstable and unreacted substances are generated at the beginning of the generation of oxide by the cathode 6, the shutter 7 is closed at the beginning of the generation of the oxide so as to shield the substrate 3. As a result, it is possible to prevent the unreacted substance from adhering to the substrate 3 as an intermediate layer and damaging the adhesion of the oxide film formed thereafter. And while the shutter 7 is closed in this way, the surface of the oxide film-generating cathode 6 is entirely covered with oxide to stabilize the discharge, thereby preventing the formation of unreacted substances and the above reaction. Therefore, a dense oxide film particularly suitable as a wear-resistant film for a tool is formed on the nitride film of the base 3 in combination with the fact that no intermediate layer is formed. In addition, the film can be efficiently formed at a higher film formation rate than when an oxide target is used.
[0021]
In the manufacturing apparatus according to the present embodiment, the cathode 6 for generating the oxide film is a chamber on the opposite side of the cathode 5 for generating the nitride film or the like across the turntable 2 on which the substrate 3 is placed. In the manufacturing method of this embodiment using such a manufacturing apparatus, the shutter 7 is formed even when a nitride film or the like is formed on the surface of the substrate 3 by the cathode 5 for generating the nitride film or the like. Is closed, and the space between the oxide film generating cathode 6 and the substrate 3 is shielded. Therefore, when the nitride film or the like is formed, the cathode 5 for generating the nitride film and the cathode 6 for generating the oxide film are also shielded by the shutter 7. It is possible to prevent the nitride generated by the cathode 5 for generating the oxide film from adhering to the surface of the cathode 6 for generating the oxide film. The time until the discharge is stabilized can be shortened, and a more efficient oxide film can be formed. Furthermore, this manufacturing apparatus has a structure in which the shutter 7 is simply provided in the chamber 1 so as to be openable and closable in front of the oxide film generating cathode 6. Such an advantage can be obtained that it can be easily implemented only by installing a shutter and its opening / closing mechanism in a chamber of a conventional manufacturing apparatus.
[0022]
Next, FIG. 2 shows a manufacturing apparatus according to the second embodiment of the manufacturing method of the present invention. Elements that are common to the manufacturing apparatus shown in FIG. Omitted. That is, in the manufacturing apparatus according to the second embodiment, the inner wall on the opposite side across the rotary table 2 with respect to the inner wall on one side of the chamber 1 provided with the cathode 5 for generating a nitride film or the like. The oxide film generating cathode 6 is accommodated in the recess 11 and the shutter 7 can be opened and closed at the opening to the inner wall on the other side of the recess 11. The opening is closed by closing the shutter 7 so that the recess 11 can be kept airtightly isolated from the chamber 1. In addition to the gas inlet 1 B of the chamber 1, the recess 11 is provided with a gas inlet 11 A for introducing an oxygen atmosphere gas into the recess 11.
[0023]
In the manufacturing method of the composite film covering member of the second embodiment using such a manufacturing apparatus, first, the substrate 3 is placed on the rotary table 2 in the chamber 1 and the inside of the chamber 1 is evacuated, and then rotated. The base 3 is heated to 400 ° C. by a heater (not shown) installed in the chamber 1 by rotating the table 2, and then argon gas is introduced into the chamber 1 from the gas inlet 1 B. For example, a bias voltage of −800 V is applied to the base 3 and the surface of the base 3 is cleaned by etching with argon ions. Next, in a state where the shutter 7 is closed and the recess 11 around the oxide film generating cathode 6 is isolated from the chamber 1, a nitrogen atmosphere gas is introduced into the chamber 1 from the gas inlet 1 B. The oxygen atmosphere gas is introduced into the recess 11 from the gas inlet 11A. In the recess 11, the surface of the cathode 5 for generating an oxide film is coated with an oxide to form an oxide film, while in the chamber 1, the rotating table 2 is rotated and the substrate is rotated by the bias power source 4. 3 is applied with a bias voltage of, for example, −50 V, and a discharge is generated in the cathode 5 for generating a nitride film or the like, whereby a nitride film or the like is formed on the surface of the substrate 3 by the cathode 5 for generating the nitride film or the like. If a nitride film having a predetermined film thickness is formed in this way, the chamber 1 is evacuated again and then an oxygen atmosphere gas is introduced from the gas inlet 1B to form an oxygen atmosphere. A bias voltage of, for example, −100 V is applied to the substrate 3, and then the shutter 7 is opened and the nitride film or the like is formed on the oxide film production cathode 6. Forming an oxide film.
[0024]
Therefore, according to such a second embodiment, while the nitride film or the like is formed on the surface of the base 3 by the nitride film or the like production cathode 5, the oxide film production cathode 6 is recessed. 11 is isolated from the inside of the chamber 1 by the shutter 7, so that the surface is not nitrided, so that the discharge does not become unstable, and the surface is made of oxide during this period. Since it is coated, when the shutter 7 is opened after the formation of the nitride film or the like, the oxide film can be quickly formed in the reactive mode, so that a more efficient composite film coated member can be produced. Can be done. In the manufacturing apparatus according to the present embodiment, the inner wall on the other side of the chamber 1 is used to isolate the periphery of the cathode 6 for generating the oxide film from the chamber 1 when a nitride film or the like is formed. The recess 11 is formed in the opening 11 so as to close the opening with the shutter 7. For example, as in the manufacturing apparatus according to the first embodiment, the oxide film generating cathode 6 is formed on the inner wall on the other side. If it is arranged and can be isolated from the inside of the chamber 1 so as to be hermetically covered by a shutter 7 formed in a box shape, the conventional manufacturing apparatus as described in Patent Document 4 is also used. This embodiment can be easily implemented using the above.
[0025]
Further, FIG. 3 shows a manufacturing apparatus according to the third embodiment of the manufacturing method of the present invention, and the elements common to the manufacturing apparatus shown in FIG. Is omitted. That is, in the manufacturing apparatus according to the third embodiment, the chamber 1 itself can be isolated from each other in an airtight manner by the shutter 7 provided at the approximate center between the inner wall on one side and the inner wall on the other side. The nitride film generation chamber 21 and the oxide film generation chamber 22 are divided, and the turntable 2 on which the substrate 3 is placed generates these nitride films and the like together with the rotating shaft 2B by a moving mechanism (not shown). It is possible to reciprocate between the chamber 21 and the oxide film generation chamber 22. The nitride film generation chamber 21 and the oxide film generation chamber 22 are provided with exhaust ports 21A and 22A and gas introduction ports 21B and 22B, respectively. A nitrogen atmosphere gas can be introduced from the gas introduction port 21 B of the chamber 21, and an oxygen atmosphere gas can be introduced from the gas introduction port 22 B of the oxide film generation chamber 22. The cathode 5 for generating a nitride film faces the inner wall of the chamber 1 on the one side facing the chamber 21 for generating a nitride film and the chamber on the other side facing the chamber 22 for generating an oxide film. A cathode 6 for generating an oxide film is disposed on each inner wall.
[0026]
In the manufacturing method of the composite film covering member of the third embodiment using such a manufacturing apparatus, first, the turntable 2 is positioned on the side of the chamber 21 for generating a nitride film and the shutter 7 is closed. After the substrate 3 is placed on the turntable 2, the inside of the chamber 21 for generating a nitride film or the like is evacuated, then the turntable 2 is rotated, and the substrate 3 is moved by, for example, a heater (not shown) in the chamber 1. After heating to 400 ° C., argon gas is introduced into the chamber 21 for generating a nitride film or the like from the gas inlet 21B, and a bias voltage of −800 V, for example, is applied to the substrate 3 by the bias power source 4 to perform etching with argon ions. To clean the surface of the substrate 3. Next, a nitrogen atmosphere gas is introduced into the nitride film or the like production chamber 21 from the gas inlet 21B, and a bias voltage of, for example, −50 V is applied to the substrate 3 by the bias power source 4 while the rotary table 2 is rotated. While applying voltage, a discharge is generated in the cathode 5 for generating a nitride film or the like, whereby a nitride film or the like is formed on the surface of the substrate 3 by the cathode 5 for generating a nitride film or the like. It should be noted that while the nitride film or the like is formed on the surface of the substrate 3 in the nitride film or the like production chamber 21, the entire surface of the oxide film production cathode 6 is oxidized beforehand in the oxide film production chamber 22 or the like. Cover the object. Then, when the nitride film or the like is formed in a predetermined film thickness in this way, the inside of the nitride film or the like generation chamber 21 is evacuated again, and the oxide film generation chamber 22 is also evacuated. And The shutter 7 is opened and the substrate 3 together with the turntable 2 is transferred to the oxide film generation chamber 22. After that, the shutter 7 is closed and oxygen atmosphere gas is introduced into the oxide film generation chamber 22. did Thereafter, a bias voltage of, for example, −100 V is applied to the substrate 3 by the bias power source 4 and oxidized in a reactive mode on the nitride film previously formed on the surface of the substrate 3 by the cathode 6 for generating the oxide film. Form a physical film.
[0027]
Therefore, also in the manufacturing method of the third embodiment, the oxide film generation chamber in which the nitride film generation chamber 21 into which the nitrogen atmosphere gas is introduced and the oxide film generation cathode 6 are disposed. 22 can be kept in a state of being isolated from each other by the shutter 7, so that the surface of the oxide film generating cathode 6 is not nitrided as in the second embodiment, and the discharge becomes unstable. However, the oxide film can be promptly coated on the surface of the cathode 6 for generating an oxide film, and a dense oxide film can be formed on the substrate 3 by the reactive mode. In addition, while the nitride film or the like is formed in the nitride film or the like production chamber 21 as described above, the oxide film is produced on the entire surface of the oxide film production cathode 6 in the oxide film production chamber 22. If this is done, a more efficient composite film covering member can be produced, and further, two rotations that can be alternately moved between the nitride film generating chamber 21 and the oxide film generating chamber 22. If the table 2 is provided in the chamber 1, the base 3 placed on the other rotary table 2 is oxidized while the nitride film or the like is formed on the base 3 placed on the one rotary table 2. An object film is formed, and then the one rotary table 2 is moved to the oxide film generating chamber 22 to form an oxide film on the previously formed nitride film or the like, while the other rotary table 2 is formed. Is It is possible to perform an operation of returning to the chemical film production chamber 21 and forming a nitride film or the like on the next substrate 3. That is, the nitride film production chamber 21 and the oxide film production chamber 22 are separated. It is possible to simultaneously coat the base 3 of the batch with a nitride film or the like and an oxide film, thereby further promoting efficiency.
[0028]
In the first to third embodiments, Al is formed on a nitride film such as (Ti, Al) N. ₂ O ₃ The case where the two-layer composite film formed with the oxide film as described above is coated on the substrate 3 has been described. However, between the nitride film and the oxide film, between the nitride film and the surface of the substrate 3, and the like. A single layer or a plurality of other layers may be formed on the surface of the oxide film as needed, or a nitride film or oxide film of the same or different layers may be formed. You may make it pile up alternately. In such a case, in the manufacturing apparatus according to the first and second embodiments, a cathode for generating an oxide film, such as the other film or a different kind of nitride film, is provided in the chamber 1 as necessary. What is necessary is just to arrange | position by the shutter 7 so that shielding or isolation is possible, and in the manufacturing apparatus concerning 3rd Embodiment, according to the order in which a film | membrane is formed, the chamber 1 is made into said other film | membrane or different nitriding by several shutters 7. For example, it may be divided into oxide film generation chambers such as a material film so as to be isolated from each other, and a cathode for generating an oxide film such as another film or a different kind of nitride film may be disposed in each chamber. .
[0029]
Further, in the manufacturing apparatus according to the first to third embodiments, the cathode 5 for generating a nitride film or the like is formed on the inner wall on one side of the chamber 1, and the other side opposite to this with the rotary table 2 interposed therebetween. One oxide film generating cathode 6 is disposed on the inner wall on the side, but the arrangement and number of these nitride film generating cathodes 5 and oxide film generating cathodes 6 are as required. For example, in the manufacturing apparatus according to the first and second embodiments, a plurality of nitride film generating cathodes 5 and oxide film generating cathodes are formed in a chamber 1 having a cylindrical inner wall. 6 may be alternately arranged in the circumferential direction. However, particularly in such a case, in the manufacturing apparatus according to the first embodiment, in order to suppress nitridation due to adhesion of nitrides generated in the cathode 5 for generating nitride films adjacent in the circumferential direction, an oxide film is generated. The shutters 7 respectively disposed in front of the cathodes 6 are formed in a shape and dimension capable of shielding between the adjacent cathodes 5 for generating nitride films and the like, for example, a cross-sectional “U” shape with an open inner wall side. Is desirable. Furthermore, in the first to third embodiments, the case where the nitride film or the like and the oxide film are formed by the reactive sputtering method has been described, but one or both of these are reactive ions by the AIP method or the like. It may be formed by plating.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, firstly, an oxide is generated in a state where the space between the substrate and the oxide film generating cathode is shielded by a shutter, and the surface of the oxide film generating cathode is formed. When the film is covered with oxide, the shutter is opened and an oxide film is formed on the nitride film previously formed on the surface of the substrate. It is possible to prevent unreacted substances from adhering to the substrate as an intermediate layer due to nitridation of the cathode surface, and to quickly deposit a dense oxide film with high adhesion strength on the nitride film etc. by the reactive mode. It becomes possible to coat. Secondly, the periphery of the cathode for generating the oxide film is isolated by a shutter, and thirdly, the chamber is separated into a chamber for generating a nitride film and the chamber for generating the oxide film by the shutter. In addition, it is possible to prevent the oxide film generating cathode itself from being nitrided, and to coat the entire surface with an oxide, which is also coated with a composite film that is particularly suitable as a wear-resistant film for tools by the reactive mode. Can be efficiently manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an apparatus for producing a composite film-coated member according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing an apparatus for producing a composite film-coated member according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view showing an apparatus for producing a composite film-coated member according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 chamber
2 Rotary table
3 Base
5 Cathode for producing nitride film, etc.
6 Cathode for generating oxide film
7 Shutter
11 recess
21 Nitride coating production chamber
22 Oxide film generation chamber

Claims

A method of manufacturing a composite film-coated member in which a composite film in which an oxide film is formed on a nitride film or carbonitride film by a physical vapor deposition method is coated on a surface of the substrate. The cathode for generating a nitride film or carbonitride film and the cathode for generating an oxide film are accommodated, the inside of the chamber is set to a nitrogen atmosphere , and the cathode between the oxide film generating cathode and the substrate is shielded by a shutter. to, the a nitride film or carbonitride film generation for a cathode to form the nitride film or carbonitride film on the surface of said substrate, then a shutter between said oxide film generation for a cathode and said substrate in a state in which the shield, the oxide film generation for the surface of the cathode of the chamber as an oxygen atmosphere is coated with an oxide by the above-mentioned thereafter The method of producing a composite film coating member, characterized in that opening the Potter forming the oxide film on the nitride film or carbonitride film by cathode the oxide film generation.

A method of manufacturing a composite film-coated member in which a composite film in which an oxide film is formed on a nitride film or carbonitride film by a physical vapor deposition method is coated on a surface of the substrate. The cathode for generating a nitride film or carbonitride film and the cathode for generating an oxide film are accommodated, and the inside of the chamber is made a nitrogen atmosphere in a state where the periphery of the cathode for generating an oxide film is isolated by a shutter. The nitride film or carbonitride film is formed on the surface of the substrate by the nitride film or carbonitride film forming cathode, and the oxide film is formed in an oxygen atmosphere around the oxide film forming cathode. the surface of the cathode film generation coated with oxide, and then after the inside of the chamber with the oxygen atmosphere, the oxide opening the shutter The method of producing a composite film coating member, characterized in that the cathode film produced forming the oxide film on the nitride film or carbonitride film.

A method for producing a composite film-coated member in which a composite film in which an oxide film is formed on a nitride film or carbonitride film by a physical vapor deposition method is coated on the surface of a substrate, and the chamber is separated from each other by a shutter. The nitride film or carbonitride film generation chamber is divided into an oxide film generation chamber and the shutter is closed, and the substrate and the nitride film or carbonitride film generation cathode are combined. The nitride film or carbonitride film is housed in the nitride film or carbonitride film generation chamber, and the nitride film or carbonitride film is formed on the surface of the substrate in a nitrogen atmosphere, while the oxide film generation chamber generates an oxide film. accommodates the use cathode, form the nitride film or carbonitride film the nitride film on the product chamber on the surface of the substrate or carbonitride coating While you are, the oxide film generation for the surface of the cathode is coated with an oxide in an oxygen atmosphere, the nitride film or the oxide above the substrate by opening the shutter after the carbonitride film formed The manufacturing method of the composite film coating | coated member which moves to the chamber for film production | generation, and forms the said oxide film on the said nitride film or carbonitride film | membrane.