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JPH0515787B2 - - Google Patents
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JPH0515787B2 - - Google Patents

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JPH0515787B2
JPH0515787B2 JP59034104A JP3410484A JPH0515787B2 JP H0515787 B2 JPH0515787 B2 JP H0515787B2 JP 59034104 A JP59034104 A JP 59034104A JP 3410484 A JP3410484 A JP 3410484A JP H0515787 B2 JPH0515787 B2 JP H0515787B2
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JP
Japan
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metal
chamber
coating
hydrogen
reaction
Prior art date
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JP59034104A
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JPS60149777A (en
Inventor
Jabitsudo Hakimu Mohametsudo
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RIBAADEI ENG Ltd
Original Assignee
RIBAADEI ENG Ltd
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Publication date
Application filed by RIBAADEI ENG Ltd filed Critical RIBAADEI ENG Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は元素のチタン低級の化合物(TiCl2
TiCl3)の化学的蒸着に関し、更に元素のバナジ
ウム低級化合物及びクロム低級化合物に対して
も、選択された基体上に低温で被覆として適用す
ることに関する。 そのような被覆は基体に適用すると、種々の用
途をもつことができる。例えばチタン低級化合物
の被覆は、金属加工用工具に対し、その工具の有
効寿命を増大するのに望ましい。窒化ニオブ被覆
の如き他のものは、超伝導性材料として有用であ
る。 被覆をつける目的用途或は被覆をつける基体に
依り、被覆を付着できる温度は重要であろう。限
界温度、即ちその温度より高くなると基体の性質
が変化する温度が含まれることが屡々ある。 ドリルや機械工具を元素のチタン低級の化合物
で被覆して工具の有効寿命を長くするためには、
チタン金属の窒化物、炭化物及び炭窒化物が望ま
しい被覆である。窒化チタンの如き化合物は、約
1000℃以上の温度で化学的蒸着(CVD)により
被覆として付着することができる。 しかしほとんどの工具鋼は硬化され、焼戻され
る。もし焼戻し温度を超えた温度が用いられる
と、工具はその靭性(temper)を失い、再加熱
処理をしなければならない。再加熱処理をする
と、変形が問題になり、工具の耐久性に悪影響を
与える。従つてどの被覆蒸着も、工具鋼の靭性に
悪影響を与えないように、工具金属の軟化点より
下の温度で行うのが好ましい。 金属化合用工具を窒化チタンで被覆すること
は、被覆の低温付着が望ましい被覆状態の典型的
な例である。現在の方法は四塩化チタン、窒素及
び水素を約1000℃以上の温度で基体上に通して化
学的蒸着をすることにより窒化チタンを付着させ
る。やはり1000℃の範囲で操作される他の現在の
方法では、メタンの如き炭化水素ガスを添加し、
被覆付着物中に炭化チタンを含有させている。之
等の温度は工具鋼の靭性に有害な影響を与える。
靭性を再び上げるために再加熱処理をすることは
耐久性(tolerance)に有害な影響を与える。例
えば焼戻しされた工具は500°〜600℃で靭性を失
い、ステンレス鋼は550℃より上で安定性を失い、
ニツケル基超合金は600℃より上で過度の老化を
起す。 付着反応で、問題の金属の低級ハロゲン化物
(lower−halide)を用いることにより、上で論じ
た種類の金属化合物被覆を付着させるのに、それ
ら金属の焼戻し温度より低い蒸着温度を用いるこ
とができることが見出された。金属低級ハロゲン
化物という言葉は、金属が、その金属に対して知
られている最大原子価状態より低い原子価状態
(酸化状態)をとつている金属ハロゲン化物のこ
とを指す。例えばチタンの最大原子価は4である
から、TiCl4である。従つてチタンが3及び2の
原子価を夫々とつているTiCl3及びTiCl2のハロ
ゲン化化合物はチタン低級ハロゲン化物であり、
特に、チタン低級塩化物である。同様に最大原子
価状態が5である金属の場合、その金属が5より
小さい原子価をとつているその金属のハロゲン化
化合物は、その金属の低級ハロゲン化合物という
ことになる。 カナダ特許第1087041号には、化学的蒸着によ
つて炭化ハフニウム及び窒化ハフニウムの被覆を
付着させることが記載されている。その頃は典型
的には1300℃の付近の温度が、化学的蒸着により
ハフニウム被覆を生成させるのに必要であつた。
その特許には、その蒸着工程でハフニウムの低級
ハロゲン化物を使用することが記載されており、
それによつて付着反応で900℃位の低い温度を使
用できるようにしている。しかし上で論じた如
く、900℃では被覆したい多くの合金にとつて靭
性を失う点より未だ高い。 900℃より低い付着温度、例えば890℃の温度を
用いて、良好な付着速度で良好な付着性、組織及
び純度特性をもつ良好な被覆を、金属低級ハロゲ
ン化物を用い、望ましい低い温度で許容できる反
応速度を与える適切な反応速度論的及び熱力学的
状態が容易に得られるように反応物の流速及び分
圧を適切に調整することにより、形成することが
できることが判明した。 好ましい具体例として、約400体積の水素と約
10体積の塩化水素を調節した速度で、約500℃に
加熱したチタン金属粒子床上に通し、得られた水
素・塩化チタンと、100体積の水素と150体積の窒
素とを混合し、そのガス状混合物を約600℃に加
熱した基体上に通すことにより、基体上に窒化チ
タン被覆を生成させる。 本方法を更に改良及び修正したものとして、窒
素と水素とを混合した後に、その混合物をチタン
金属粒子上に通し、その水素・窒素混合物とアン
モニアガスとを混合してから、それを基体上へ導
入する。基体上を通過するガス状混合物の圧力を
変え、基体の周りの混合ガスの圧力を約4mmHg
以下の圧力に維持することにより、更に別の改良
及び修正が行える。圧力の選択はガスのクヌーセ
ンの流れを生ずるように行われる。「クヌーセン
の流れ」とは「分子流」として当業界では周知の
流れであり、クヌーセン数K(K=l/d;ただ
しdは流れの代表的長さ、lは平均自由行路)の
値がK>1.1となる圧力にガス状混合物を維持す
ることにより達成される。ここで流れの代表的長
さdとは、例えば円形断面の管の場合には直径が
これに相当する。 熱力学的分析から、チタンの低級ハロゲン化物
(即ち亜ハロゲン化物)、特に二塩化チタン
(TiCl2)及び三塩化チタン(TiCl3)(チタンの
低級塩化物)は反応の一層大きな負の自由エネル
ギー値を与え、従つて低温でCVDによりTiNを
付着させることを含む反応のための一層大きなポ
テンシヤルを与えることが示されている。実際、
二塩化チタンと三塩化チタンが気相環境中で窒素
及び水素と反応して窒化チタンを付着させるポテ
ンシヤルは0〓に到る迄増大し続ける。それにも
かかわらず反応速度のため低い温度では窒化チタ
ンの付着が阻害される。しかしTiCl2とTiCl3
窒化チタンを形成するための反応のポテンシヤル
は、250℃〜850℃の範囲の反応温度を用いて窒素
と水素を含む蒸気雰囲気中で有効に働かせること
ができることが判明した。不適切な反応速度を克
服するために用いられる付着条件に依り、もつと
低い被覆温度も可能であるが、用いられる温度
は、被覆される工具基体又は物品の靭性又は硬度
(hardeness)の損失をもたらすことのない温度
で被覆速度が適切である利点を充分利用できるよ
うに考える。チタンの場合、窒化チタンの反応及
び付着が行われる温度がこの温度範囲内に維持さ
れるように、反応の自由エネルギーを予め定めら
れた負の値又はその近くに保つことが必須であ
る。 特に、反応の平衡定数(Kp)が高くなる程、
反応の自由エネルギー値は低くなるであろう。従
つて反応物の分圧及び流速は、その反応が希望の
温度範囲で遂行されるように注意深く調節された
水準に維持される。更に化学的蒸着段階でアンモ
ニアを使用すると、平衡定数を一層高く維持し、
被覆速度と品質を高くするのに役立つ。 従つて、窒化チタンは、二塩化チタン及び(又
は)三塩化チタンを、水素と窒素、任意成分とし
ていくらかのアンモニアと、基体の性質に有害な
影響を与えない適切な温度で、反応物TiCl2及び
TiCl3の分圧を比較的高い水準に維持する流速を
用いて反応させることにより、化学的蒸着により
付着される。その場合、希望の温度で窒化チタン
を付着させるのに適切な熱力学的及び反応速度論
的因子が用いられる。 二塩化チタンと三塩化チタンは、それらの反応
の熱力学的特性のため、窒化チタンを付着させる
反応で重要な成分である。二塩化チタンと三塩化
チタンは四塩化チタンの還元によつて製造するこ
とができるが、そのような還元は、両方共TiN
の付着を適切な高い速度で行うのに必要な量より
も少ない量でしか生じない。 勿論二塩化チタンと三塩化チタンは他の源から
得ることができ、単にそれらを窒化チタン付着用
の化学的蒸着室へ送つてもよい。別法として、本
発明の第二の具体例では、塩化水素をチタン金属
上に通すことによりチタン低級塩化物を製造する
ためのその場での予備的工程を含んでいる。その
ような反応で、二塩化チタン、三塩化チタン及び
四塩化チタンを生ずるであろうが、ガス反応混合
物中のそれらの相対的比率は、温度、水素及び塩
化水素の如き塩素化剤の分圧といつたチタン金属
塩素化条件を操作することにより変えることがで
きる。 ガス反応混合物中の、TiCl4より揮発性の低い
TiCl2及びTiCl3の濃度を増大するために、その
場でのチタン金属の塩素化とTiN付着を二段階
法で、やはり低圧で行うことができる。塩素化工
程で圧力を低下すると、TiCl4より高い気化温度
をもつ低級塩化物の気化を促進する。そのことが
今度は塩素化を一層低い温度で遂行できるように
し、そのことが今度は低級塩化物の生成を促進す
る。その方法の第二段階即ち窒化チタンの付着段
階では、4mmHgの近辺の低い圧力が使用され、
基体上への窒化チタンの付着に好適な反応速度因
子を改善することにより操作が促進される。 本発明は図面を参照した以下の例を参考にする
ことにより一層よく理解されるであろう。 第1図はチタン塩化物を用いたCVD被覆法で
得られる可能な反応について求めた熱力学的値を
含み、どの希望の温度範囲でどの反応物が反応に
好ましいかを示している。特に第1図は以下の反
応1、2及び3に対する標準自由エネルギー対温
度の関係を示している。 TiCl4(8)+1/2N2(8)+2H2(8) →TiN(s)+4HCl(8) (1) TiCl3(8)+1/2N2(8)+3/2H2(8)→TiNs+3HCl(8) (2) TiCl2(8)+1/2N2(8)+H2(8) →TiNs+2HCl(8) (3) 第1図は−273℃(0〓)〜1627℃(1900〓)
の範囲の反応温度でのこれらの反応の標準自由エ
ネルギー値(ΔG°)を示している。図示の如く、
自由エネルギー値が低くなる程、反応のポテンシ
ヤルは大きくなるが、或る点を越えると反応速度
が不適切になるためこのポテンシヤルを有効に働
かせることが困難になるような点が存在する。 第1図に示したグラフは、TiCl4は727℃
(1000〓)以上の温度ではTiNの付着に有効であ
ることができるが、−273℃(0〓)へ反応温度が
下つてくると、TiCl3とTiCl2が上記反応及び
TiN付着反応に関与してくる能力を有すること
を示している。それら二者の反応に対する蓋然性
は、大きな負の自由エネルギー変化を伴う反応(2)
及び(3)による。TiCl2又はTiCl3からのTiNの形
成は、温度が低下する程都合よくなつてくる。そ
れにもかかわらず−273℃(絶対0〓)では、ど
の反応も反応速度が不適切なため非常に限定され
るであろう。更に、どの温度でも反応を引き起す
ためには、圧力や流速の如き物理的工程変数(即
ち反応速度変数)や、反応の自由エネルギー値の
構成要因である平衡定数(Kp)の如き熱力学的
値を操作する必要がある。反応速度因子や熱力学
的値を変ることにより、異なつた温度で起きる反
応をもたらすであろう。このことは一つには、自
由エネルギー値を制御する因子、特に自由エネル
ギーと平衡定数(Kp)との関係を考慮すること
により一層よく理解できるであろう。表には27
℃〜1627℃の範囲内の温度での反応(1)、(2)及び(3)
の平衡定数(Kp)が列挙されている。
The present invention is based on lower compounds of the element titanium (TiCl 2 ,
This invention relates to the chemical vapor deposition of TiCl 3 ), and also to lower compounds of the elements vanadium and chromium, applied as coatings at low temperatures on selected substrates. Such coatings can have a variety of uses when applied to a substrate. For example, coatings of lower titanium compounds are desirable for metalworking tools to increase the useful life of the tools. Others, such as niobium nitride coatings, are useful as superconducting materials. Depending on the intended use for applying the coating or the substrate on which the coating is applied, the temperature at which the coating can be applied may be important. Often there is a critical temperature, ie, a temperature above which the properties of the substrate change. Coating drills and mechanical tools with a lower grade compound of elemental titanium to extend the useful life of the tool.
Nitride, carbide and carbonitride of titanium metal are preferred coatings. Compounds such as titanium nitride have approximately
It can be applied as a coating by chemical vapor deposition (CVD) at temperatures above 1000°C. However, most tool steels are hardened and tempered. If temperatures above the tempering temperature are used, the tool loses its temper and must be reheated. When reheating, deformation becomes a problem and adversely affects the durability of the tool. Therefore, any coating deposition is preferably carried out at a temperature below the softening point of the tool metal so as not to adversely affect the toughness of the tool steel. Coating metal compounding tools with titanium nitride is a typical example of a coating situation where low temperature deposition of the coating is desirable. Current methods deposit titanium nitride by chemical vapor deposition by passing titanium tetrachloride, nitrogen, and hydrogen onto a substrate at temperatures above about 1000°C. Other current methods, also operating in the 1000°C range, involve the addition of a hydrocarbon gas such as methane;
Titanium carbide is contained in the coating deposit. These temperatures have a detrimental effect on the toughness of tool steel.
Reheating to re-increase toughness has a detrimental effect on tolerance. For example, tempered tools lose toughness between 500° and 600°C, stainless steel loses stability above 550°C,
Nickel-based superalloys undergo excessive aging above 600°C. By using lower-halides of the metals in question in the deposition reaction, deposition temperatures lower than the tempering temperatures of those metals can be used to deposit metal compound coatings of the type discussed above. was discovered. The term metal lower halide refers to metal halides in which the metal has a valence state (oxidation state) lower than the highest known valence state for the metal. For example, the maximum valence of titanium is 4, so it is TiCl 4 . Therefore, the halogenated compounds of TiCl 3 and TiCl 2 in which titanium has a valence of 3 and 2 , respectively, are titanium lower halides;
In particular, titanium lower chlorides. Similarly, in the case of a metal whose maximum valence state is 5, a halogenated compound of the metal in which the metal has a valence of less than 5 is a lower halogenated compound of the metal. Canadian Patent No. 1087041 describes the application of hafnium carbide and hafnium nitride coatings by chemical vapor deposition. At that time, temperatures typically around 1300°C were required to produce hafnium coatings by chemical vapor deposition.
The patent describes the use of lower halides of hafnium in the deposition process,
This makes it possible to use temperatures as low as 900°C for the adhesion reaction. However, as discussed above, 900°C is still above the point of loss of toughness for many alloys that may be coated. Good coatings with good adhesion, texture and purity properties at good deposition rates using deposition temperatures lower than 900°C, e.g. temperatures of 890°C, are acceptable at the desired lower temperatures using metal lower halides. It has been found that by appropriately adjusting the flow rates and partial pressures of the reactants, suitable kinetic and thermodynamic conditions giving the reaction rate can be easily obtained. In a preferred embodiment, about 400 volumes of hydrogen and about
10 volumes of hydrogen chloride are passed at a controlled rate over a bed of titanium metal particles heated to about 500°C, and the resulting hydrogen/titanium chloride is mixed with 100 volumes of hydrogen and 150 volumes of nitrogen, and the gaseous A titanium nitride coating is produced on the substrate by passing the mixture over the substrate heated to about 600°C. Further improvements and modifications to the method include mixing nitrogen and hydrogen, passing the mixture over titanium metal particles, and mixing the hydrogen-nitrogen mixture with ammonia gas before passing it onto the substrate. Introduce. Varying the pressure of the gaseous mixture passing over the substrate, the pressure of the gas mixture around the substrate is approximately 4 mmHg.
Further improvements and modifications can be made by maintaining pressures below. The selection of pressure is made to produce a Knudsen flow of gas. "Knudsen flow" is a flow well known in the industry as "molecular flow", and the value of Knudsen number K (K = l/d; where d is the typical length of the flow and l is the mean free path) is This is achieved by maintaining the gaseous mixture at a pressure such that K>1.1. Here, the typical length d of the flow corresponds to the diameter in the case of a pipe with a circular cross section, for example. Thermodynamic analysis shows that lower halides (i.e., subhalides) of titanium, especially titanium dichloride (TiCl 2 ) and titanium trichloride (TiCl 3 ) (lower chlorides of titanium), have a greater negative free energy of reaction. It has been shown to provide higher potential for reactions involving deposition of TiN by CVD at low temperatures, thus providing greater potential for reactions involving deposition of TiN by CVD at low temperatures. actual,
The potential for titanium dichloride and titanium trichloride to react with nitrogen and hydrogen in a gas phase environment to deposit titanium nitride continues to increase until it reaches zero. Nevertheless, the reaction rate inhibits the deposition of titanium nitride at low temperatures. However, it was found that the reaction potential of TiCl 2 and TiCl 3 to form titanium nitride can be worked effectively in a steam atmosphere containing nitrogen and hydrogen using reaction temperatures ranging from 250 °C to 850 °C. . Depending on the deposition conditions used to overcome inadequate reaction rates, lower coating temperatures are possible, but the temperatures used may result in loss of toughness or hardness of the tool substrate or article being coated. The idea is to take full advantage of the advantage of suitable coating speeds at temperatures that do not occur. In the case of titanium, it is essential to keep the free energy of the reaction at or near a predetermined negative value so that the temperature at which the reaction and deposition of titanium nitride takes place is maintained within this temperature range. In particular, the higher the equilibrium constant (K p ) of the reaction,
The free energy value of the reaction will be low. The partial pressures and flow rates of the reactants are thus maintained at carefully controlled levels so that the reaction is carried out over the desired temperature range. Furthermore, the use of ammonia in the chemical vapor deposition step maintains the equilibrium constant even higher,
Helps increase coating speed and quality. Titanium nitride is therefore made by combining titanium dichloride and/or titanium trichloride with hydrogen and nitrogen, optionally some ammonia, and the reactant TiCl 2 at a suitable temperature that does not deleteriously affect the properties of the substrate. as well as
It is deposited by chemical vapor deposition by reacting with a flow rate that maintains the partial pressure of TiCl 3 at a relatively high level. In that case, appropriate thermodynamic and kinetic factors are used to deposit titanium nitride at the desired temperature. Titanium dichloride and titanium trichloride are important components in the reaction to deposit titanium nitride because of the thermodynamic properties of their reactions. Titanium dichloride and titanium trichloride can be produced by reduction of titanium tetrachloride, but both such reductions
occurs in an amount less than that required to achieve suitably high rates of deposition. Of course, titanium dichloride and titanium trichloride can be obtained from other sources or simply sent to a chemical vapor deposition chamber for titanium nitride deposition. Alternatively, a second embodiment of the invention includes an in-situ preliminary step to produce titanium lower chloride by passing hydrogen chloride over titanium metal. Such reactions will yield titanium dichloride, titanium trichloride, and titanium tetrachloride, but their relative proportions in the gaseous reaction mixture will depend on the temperature, hydrogen, and partial pressure of the chlorinating agent, such as hydrogen chloride. can be varied by manipulating the titanium metal chlorination conditions. Less volatile than TiCl4 in gas reaction mixtures
To increase the concentration of TiCl2 and TiCl3 , in situ titanium metal chlorination and TiN deposition can be performed in a two-step process, also at low pressure. Reducing the pressure during the chlorination process promotes the vaporization of lower chlorides, which have a higher vaporization temperature than TiCl4 . This in turn allows chlorination to be carried out at lower temperatures, which in turn promotes the formation of lower chlorides. In the second step of the method, the titanium nitride deposition step, lower pressures in the vicinity of 4 mm Hg are used;
Operation is facilitated by improving the kinetic factors suitable for the deposition of titanium nitride onto a substrate. The invention will be better understood with reference to the following examples with reference to the drawings. Figure 1 contains thermodynamic values determined for possible reactions obtained with CVD coating methods using titanium chloride, indicating which reactants are preferred for reaction at which desired temperature ranges. In particular, Figure 1 shows the standard free energy versus temperature relationship for reactions 1, 2, and 3 below. TiCl 4 (8)+1/2N 2 (8)+2H 2 (8) →TiN(s)+4HCl(8) (1) TiCl 3 (8)+1/2N 2 (8)+3/2H 2 (8)→TiN s +3HCl(8) (2) TiCl 2 (8)+1/2N 2 (8)+H 2 (8) →TiN s +2HCl(8) (3) Figure 1 shows the range from −273℃ (0〓) to 1627℃ ( 1900〓)
Typical free energy values (ΔG°) for these reactions at reaction temperatures in the range of are shown. As shown,
The lower the free energy value, the greater the reaction potential, but beyond a certain point the reaction rate becomes inappropriate and there is a point at which it becomes difficult to make effective use of this potential. The graph shown in Figure 1 shows that TiCl 4 is at 727°C.
Temperatures above (1000〓) can be effective for the adhesion of TiN, but when the reaction temperature drops to -273℃ (0〓), TiCl 3 and TiCl 2 will undergo the above reaction and
This indicates that it has the ability to participate in the TiN adhesion reaction. The probability of these two reactions is a reaction with a large negative free energy change (2)
and (3). The formation of TiN from TiCl 2 or TiCl 3 becomes more convenient as the temperature decreases. Nevertheless, at -273°C (absolute 0〓) any reaction would be very limited due to inadequate reaction rates. Furthermore, in order to cause a reaction at any temperature, physical process variables such as pressure and flow rate (i.e., reaction rate variables) and thermodynamics such as the equilibrium constant (K p ), which is a component of the free energy value of the reaction, are required. It is necessary to manipulate the target value. Varying the reaction rate factors and thermodynamic values will result in reactions occurring at different temperatures. This may be better understood, in part, by considering the factors that control free energy values, particularly the relationship between free energy and the equilibrium constant (K p ). 27 in the table
Reactions (1), (2) and (3) at temperatures within the range of °C to 1627 °C
The equilibrium constants (K p ) of are listed.

【表】 KpとG゜Tは次の関係を有する〔例示する目的か
ら反応(3)を用いる〕。 (KpT=(P−HCl)2×(P−TiN)/P−TiCl2×(
P−N2)1/2×P−H2(4) ここでP−HClは、反応温度TでのHClの分圧
を表す。 ΔG゜T=−PTIn(KpT (5) 式中、Rは気体定数、Tは反応速度、In(KpT
は(KpTの自然対数である。 式(5)から分るように、自由エネルギー変化
(ΔG゜T)は平衡定数の負に比例している。従つ
て、平衡定数が大きくなる程、自由エネルギー変
化の負の値は大きくなり、反応のポテンシヤルは
大きくなる。 従つて第1図からTiCl3を用いて、約500℃の
温度でTiCl3が反応(2)で関与するためには、自由
エネルギー値はTiN1モル当り−14Kcalの範囲に
ある必要がある。之等の自由エネルギー及び温度
値を用いて、次に式(5)によりその温度で定まる
Kp値を求め、この一連の分圧からその反応の反
応物についての組合せが得られる。更に以下に論
ずるように、反応(2)及び(3)でTiNの付着速度を
増大するため、TiCl2とTiCl3の反応へアンモニ
アを導入するのが有利であることが見出されてい
る。 TiN付着を行うための方法装置を以下に記述
し、次に工程変数を変化及び操作することにより
希望の反応温度で基体にTiN被覆を付着させる
実施例を記述する。 第2図は二つの基本的反応室即ち、第一塩素化
室1とその下流にあつてそれと一体的に連続され
た被覆室2を有する方法装置を示している。塩素
化室は従来の抵抗加熱炉4によつて加熱される。
工具基体3は被覆室2内に取りけられ、室2は従
来の抵抗加熱機構5を用いて加熱される。更に別
法として、基体3は従来の抵抗加熱カートリツジ
ヒーター6を用いて被覆室中で独立に加熱され
る。 室1中で、抵抗加熱炉4はチタン(Ti)金属
チツプを150℃〜1100℃へ加熱し、HClとH2を流
量計7を通して送り、加熱したチタン8上に通
し、TiCl2とTiCl3と水素を次の綜合的反応に従
つて生成する。 xHCl(8)+Ti(s)→TiCl(w)+x/2H2 (6) (x=2又は3) この反応は或る量のTiCl4も生ずるかも知れな
い。しかしこの反応の因子を、HClの低い分圧を
与え、TiCl3とTiCl2を優勢に生ずる方へ反応を
向けるように反応温度及びH2及びHClの相対的
流速の適切な組み合せを用いることにより調節す
る。 TiCl2とTiCl3ガスは水素又はヘリウムの如き
キヤリアーガスによつて塩素化室1から被覆室2
へ運び、その後者の室へ水素及び窒素を流量計を
通して送り、反応(2)及び(3)を進行させる。水素と
窒素は室2に達する前に、反応室1の周りの環状
室中の炉4を通過させることにより予熱する。上
で論じた如く、250℃〜850℃の範囲内の温度で希
望の反応(2)及び(3)のためのKp値を式(5)によつて
熱力学的に定め、流量及び分圧値の範囲を決定す
ることができる。選択された流速が反応速度に影
響を与えるであろうことは認められるであろう。
次の実施例は全て第2図に全体的に例示した型の
装置で行い、TiN被覆を生成した。但し特に指
示しない限りその装置は1気圧で操作された。
[Table] K p and G゜T have the following relationship [reaction (3) is used for illustrative purposes]. (K p ) T = (P-HCl) 2 × (P-TiN)/P-TiCl 2 × (
P- N2 )1/2xP- H2 (4) Here, P-HCl represents the partial pressure of HCl at the reaction temperature T. ΔG゜T = -PTIn(K p ) T (5) where R is the gas constant, T is the reaction rate, and In(K p ) T
is the natural logarithm of (K p ) T . As can be seen from equation (5), the free energy change (ΔG゜T ) is proportional to the negative equilibrium constant. Therefore, as the equilibrium constant becomes larger, the negative value of the free energy change becomes larger, and the reaction potential becomes larger. Therefore, using TiCl 3 from FIG. 1, in order for TiCl 3 to participate in reaction (2) at a temperature of about 500° C., the free energy value needs to be in the range of −14 Kcal per mole of TiN. Using these free energies and temperature values, the temperature is then determined by equation (5).
The K p value is determined and this set of partial pressures gives the combination of reactants for the reaction. Further, as discussed below, it has been found advantageous to introduce ammonia into the reaction of TiCl 2 and TiCl 3 to increase the rate of TiN deposition in reactions (2) and (3). A method apparatus for performing TiN deposition is described below, followed by examples for depositing TiN coatings on substrates at desired reaction temperatures by varying and manipulating process variables. FIG. 2 shows a process apparatus having two basic reaction chambers, a first chlorination chamber 1 and a coating chamber 2 downstream thereof and integrally connected thereto. The chlorination chamber is heated by a conventional resistance heating furnace 4.
The tool substrate 3 is placed in a coating chamber 2, and the chamber 2 is heated using a conventional resistance heating mechanism 5. Still alternatively, the substrate 3 is heated independently in the coating chamber using a conventional resistance heated cartridge heater 6. In chamber 1, a resistance heating furnace 4 heats titanium (Ti) metal chips from 150°C to 1100°C and sends HCl and H2 through a flow meter 7 and over the heated titanium 8 to form TiCl2 and TiCl3. and hydrogen are produced according to the following synthetic reaction. xHCl(8)+Ti(s)→TiCl(w)+x/2H 2 (6) (x=2 or 3) This reaction may also produce some amount of TiCl 4 . However, this reaction factor can be reduced by providing a low partial pressure of HCl and using an appropriate combination of reaction temperature and relative flow rates of H 2 and HCl to direct the reaction towards producing predominantly TiCl 3 and TiCl 2 . Adjust. TiCl 2 and TiCl 3 gases are transferred from chlorination chamber 1 to coating chamber 2 by a carrier gas such as hydrogen or helium.
and hydrogen and nitrogen are fed into the latter chamber through a flow meter to allow reactions (2) and (3) to proceed. Before reaching the chamber 2, the hydrogen and nitrogen are preheated by passing through the furnace 4 in an annular chamber around the reaction chamber 1. As discussed above, the K p values for the desired reactions (2) and (3) at temperatures within the range of 250°C to 850°C are determined thermodynamically by equation (5), and the flow rates and fractions are determined thermodynamically by equation (5). A range of pressure values can be determined. It will be appreciated that the flow rate selected will affect the reaction rate.
The following examples were all carried out in equipment of the type generally illustrated in FIG. 2 to produce TiN coatings. However, unless otherwise specified, the apparatus was operated at 1 atm.

【表】【table】

【表】【table】

【表】 更に、付着物の品質や上記CVD反応中のTiN
の付着速度が、ガス反応混合物へアンモニアを添
加することによつて改良することができることが
見出されている。次の実施例中、銅、ステンレス
鋼及びニツケル基超合金の如き基体材料は、それ
らをカートリツジヒーターに乗せることにより被
覆室で独立に加熱される。カートリツジヒーター
の温度は、温度調節器を用いて調節された。銅、
ステンレス鋼及びニツケル基超合金の基体材料の
温度は、それらの表面に取付けられた別の熱電対
を用いて監視される。被覆室の壁は、表及び
中の前の実施例のように、抵抗加熱炉の装置を用
いて一定温度に維持される。勿論、被覆室及びそ
の壁を、気相中に金属低級ハロゲン化物を保持
し、壁に何ら凝集を起さないようにするのに充分
な高い温度に維持することが常に重要である。 1時間の被覆時間及び1気圧の操作圧が、表
に要約した全ての被覆実験に対して用いられた。
表に与えた実施例の全てに於て、室1中の同じ
塩素化工程は500℃、HClの流量10ml/分、H2
流量400ml/分で行われた。用いられた付着条件
の詳細は表に示されている。 アンモニアを使用することに関連した前記実施
例から、アンモニアは、実施例1と4の比較から
分るように、TiNの付着を増大するのに熱力学
的に効果的であるのみならず、実施例3と1、
2、4の比較からも例示されるように、TiNの
付着速度を改善することが表に与えられた結果
から分る。 表に示された実施例は、被覆が起きる室中及
び塩素化工程で圧力を減少させると有利であるこ
とを例示している。表から、被覆室の圧力を2
mmHgにし、表示された流速を用い、アンモニア
を添加することにより良好な被覆が得られること
が分るであろう。表は亦、第3の例で、塩素化
中の工程の第一段階で窒素を導入した場合の効果
を例示している。第3例では流量は水素20ml、
HCl6ml、N220mlで室の圧力は1.5mmHgで、適切
な被覆を得ることができた。 表は減圧で操作した例を例示しているが、第
一段階で窒素を導入することも大気圧では実際的
であることが認められている。 次に、表の第1例に特に関連して被覆に用い
られた手順を詳細に記述する。 装置は、全ての導入ガス流を止めて、排気装置
により或る程度真空にした。全装置中に他の材料
とは反応しない水素又はヘリウムの如きガスを勢
いよく流した(以下フラツシユという)。フラツ
シユは装置から水蒸気と酸素を除去する迄続け
た。 チタンの温度を炉4により500℃へ上昇させ、
基体3の温度を加熱機構5によつて600℃へ上昇
させた。之等の温度は適当に配置した熱電対によ
り測定した。 装置内の圧力を減少させた。40/12の体積比で
水素と塩化水素をチタン上に流し、20/10/3の
体積比の水素と窒素とアンモニアを、第一段階か
ら得られたガスと混合した。 混合されたガスは室2中へ流れ、約2mmHgの
全圧が維持された。温度、ガス流量及び圧力を適
当な時間、例えば1時間維持した。 工程が終つた時、装置を冷却し、ガス流を不活
性ガスに戻し、加工物品を取り出す。室2を開け
て大気が入る前に、装置の段階(1)の部分を少なく
とも部分的に密封し、それによつて次のフラツシ
ユ工程を簡単にするのが好ましい。 上記記述は単に例としてTiN被覆を取り扱つ
たのであることは分るであろう。上で述べた低温
付着原理は、窒化ジルコニウム、チタン、及びジ
ルコニウムの炭化物及び炭窒化物、バナジウム、
ニオブ、タンタル(金属のバナジウム低級化合
物)及びクロム、モリブデン、タングステン(金
属の低級クロム)の窒化物、炭化物及び炭窒化物
の付着にも同等に適用できる。実際、本発明は第
B族、第B族及び第B族のそれら金属に対
して適用される。なぜならそれら金属は種々の原
子価をもち、金属ハロゲン化物を形成した時、一
層低い形成の自由エネルギーをもつ原子価状態を
利用することができるからである。炭化物被覆の
場合には、付着反応中の反応物ガスはCH4の如き
炭化水素とH2と金属低級ハロゲン化物である。
炭窒化物被覆の場合には、付着反応中の反応物ガ
スはCH4の如き炭化水素と、H2とN2及び(又は)
NH3と、金属低級ハロゲン化物である。本明細
書中で言及された基体は例であつて、それだけで
はない。他の既知の基体も本発明の方法及び装置
を用いて被覆することができる。他の既知の不活
性ガスを用いることもできる。
[Table] Furthermore, the quality of deposits and TiN during the above CVD reaction
It has been found that the deposition rate of can be improved by adding ammonia to the gaseous reaction mixture. In the following examples, substrate materials such as copper, stainless steel, and nickel-based superalloys are heated independently in a coating chamber by placing them on cartridge heaters. The temperature of the cartridge heater was regulated using a temperature controller. copper,
The temperature of the stainless steel and nickel-based superalloy substrate materials is monitored using separate thermocouples attached to their surfaces. The walls of the coating chamber are maintained at a constant temperature using a resistance furnace arrangement, as in the previous examples above and below. Of course, it is always important to maintain the coating chamber and its walls at a sufficiently high temperature to keep the metal lower halide in the gas phase and prevent any agglomeration from occurring on the walls. A coating time of 1 hour and an operating pressure of 1 atmosphere were used for all coating experiments summarized in the table.
In all of the examples given in the table, the same chlorination step in chamber 1 was carried out at 500° C. with a HCl flow rate of 10 ml/min and a H 2 flow rate of 400 ml/min. Details of the deposition conditions used are shown in the table. From the above examples relating to the use of ammonia, ammonia is not only thermodynamically effective in increasing TiN deposition, as can be seen from the comparison of Examples 1 and 4, but also Examples 3 and 1,
It can be seen from the results given in the table that it improves the deposition rate of TiN, as also illustrated by the comparison of 2 and 4. The examples given in the table illustrate that it is advantageous to reduce the pressure in the chamber where coating occurs and during the chlorination process. From the table, the pressure in the coating chamber is 2
It will be seen that good coverage can be obtained by adding ammonia to mmHg and using the indicated flow rates. The table also illustrates, in a third example, the effect of introducing nitrogen in the first step of the process during chlorination. In the third example, the flow rate is 20ml of hydrogen,
Adequate coverage was obtained with 6 ml of HCl, 20 ml of N 2 and a chamber pressure of 1.5 mmHg. Although the table illustrates examples operated at reduced pressure, it is recognized that introducing nitrogen in the first stage is also practical at atmospheric pressure. The procedure used for the coating will now be described in detail with particular reference to the first example of the table. The apparatus was evacuated to some extent by an exhaust system with all inlet gas flows turned off. A gas such as hydrogen or helium, which does not react with other materials, was flushed through the entire apparatus (hereinafter referred to as flash). Flushing continued until water vapor and oxygen were removed from the apparatus. Raise the temperature of titanium to 500℃ using furnace 4,
The temperature of the substrate 3 was raised to 600° C. by the heating mechanism 5. These temperatures were measured by appropriately placed thermocouples. The pressure inside the device was reduced. Hydrogen and hydrogen chloride were flowed over the titanium in a volume ratio of 40/12, and hydrogen, nitrogen and ammonia in a volume ratio of 20/10/3 were mixed with the gas obtained from the first stage. The mixed gases flowed into chamber 2 and a total pressure of approximately 2 mmHg was maintained. Temperature, gas flow and pressure were maintained for a suitable period of time, for example 1 hour. At the end of the process, the equipment is cooled, the gas stream is changed back to inert gas, and the workpiece is removed. Before chamber 2 is opened to admit atmospheric air, it is preferred to at least partially seal off part of stage (1) of the apparatus, thereby simplifying the subsequent flashing step. It will be appreciated that the above description deals with TiN coatings by way of example only. The low temperature deposition principle described above applies to zirconium nitride, titanium, and zirconium carbides and carbonitrides, vanadium,
It is equally applicable to the deposition of nitrides, carbides and carbonitrides of niobium, tantalum (metallic vanadium lower compounds) and chromium, molybdenum, tungsten (metallic lower chromium). In fact, the invention applies to those metals of Group B, Group B and Group B. This is because these metals have different valences, and when forming metal halides, valence states with lower free energies of formation can be utilized. In the case of carbide coatings, the reactant gases during the deposition reaction are hydrocarbons such as CH 4 and H 2 and metal lower halides.
In the case of carbonitride coatings, the reactant gases during the deposition reaction are hydrocarbons such as CH 4 and H 2 and N 2 and/or
NH 3 and metal lower halides. The substrates mentioned herein are examples and not the only ones. Other known substrates can also be coated using the method and apparatus of the present invention. Other known inert gases can also be used.

【表】 * 第3番で、被覆工程の全1時間
のうち最初の5分間だけア
ンモニアを流し、その後は止めた

[Table] * In step 3, only the first 5 minutes of the entire 1-hour coating process are activated.
I flushed the ammonia and then stopped it.

【表】
きる塩素なし。
2 500 25 6 − 1 600
20 10 − 上と同じ。
3 500 20 6 20 1.5 600 20
− − 上と同じであるが一層薄

く、被覆速度はわずかに

低下した。
【table】
No chlorine.
2 500 25 6 − 1 600
20 10 − Same as above.
3 500 20 6 20 1.5 600 20
− − Same as above but thinner

coating speed is slightly

decreased.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 基体上にチタン、ジルコニウム、バナジウム
ム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン及び
タングステンの金属群の中の少なくとも一つの金
属化合物被覆を形成する方法において、 (a) 反応室において基体の存在で、水素と窒素;
水素と窒素とアンモニア;水素と炭化水素;水
素と窒素と炭化水素;水素と窒素とアンモニア
及び/又は炭化水素;からなるガス状混合物と
金属低級ハロゲン化物のガス状混合物とを反応
させ、 (b) 基体と反応室の反応温度を250°〜800℃に維
持する ことからなり、それによつて金属窒化物、金属炭
化物又は金属炭窒化物の被覆を基体に付着させる
金属化合物被覆形成法。 2 金属低級ハロゲン化物が金属低級塩化物であ
る、特許請求の範囲第1項に記載の方法。 3 金属低級ハロゲン化物がチタン低級塩化物で
あり、ガス状混合物が水素と窒素からなり、基体
に付着させる被覆が窒化チタンである、特許請求
の範囲第1項に記載の方法。 4 ガス状混合物が水素と窒素とアンモニアから
なる特許請求の範囲第3項に記載の方法。 5 反応温度が250°〜650℃の範囲内にある特許
請求の範囲第3項に記載の方法。 6 反応温度が380°〜800℃の範囲内にある特許
請求の範囲第3項に記載の方法。 7 反応温度が400°〜610℃の範囲内にある特許
請求の範囲第3項又は第4項に記載の方法。 8 ガス反応物を連続的に反応室中へ流し、然も
ガス反応物の初期流れ中にアンモニアガスを含ま
せ、一度び付着が始まつたらすべてのアンモニア
ガスの流れを止める付加的工程を含む特許請求の
範囲第3項に記載の方法。 9 基体が銅、ステンレス鋼又はニツケル基超合
金を含む特許請求の範囲第2項に記載の方法。 10 基体上にチタン、ジルコニウム、バナジウ
ム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン及び
タングステンの金属群の中の少なくとも一つの金
属化合物被覆を形成する方法において、 反応室中、付着反応より上流にある反応領域で
金属低級塩化物を生ずる付加的前段工程で、 (a) ガス状の塩化水素と水素を前記反応流域中の
金属上に通し、 (b) 前記反応領域を150°〜1100℃の温度範囲内に
維持し、 (c) 水素と塩化水素の流速度と分圧を、塩化水素
の分圧を与えて金属低級塩化物の生成を促進す
るように維持する ことからなる前段工程を有し、次いで付着工程で (d) 反応室において基体の存在で、水素と窒素;
水素と窒素とアンモニア;水素と炭化水素;水
素と窒素と炭化水素;水素と窒素とアンモニア
と炭化水素;からなるガス状混合物群の中の一
混合物と金属低級ハロゲン化物のガス状混合物
とを反応させ、 (e) 基体と反応室の反応温度を250°〜800℃に維
持する ことからなり、それによつて金属窒化物、金属炭
化物又は金属炭窒化物の被覆を基体に付着させる
金属化合物被覆形成法。 11 反応領域が500°〜850℃の温度範囲内に維
持される特許請求の範囲第10項に記載の方法。 12 金属がチタンである、特許請求の範囲第1
0項に記載の方法。 13 付加的前段工程は (a) 少なくともハロゲン化水素を反応領域中の金
属上に通し、 (b) 前記反応領域を150°〜1100℃の温度範囲内に
維持し、 (c) 金属上のハロゲン化水素の流れを調節し、金
属低級ハロゲン化物の生成を促進するように維
持する ことからなる工程である、特許請求の範囲第10
項に記載の方法。 14 金属低級ハロゲン化物が生成されつつある
反応領域中の工程中へ窒素ガスを導入することを
更に含む特許請求の範囲第13項に記載の方法。 15 初期被覆工程中の限られた時間、被覆室及
びガス状混合物中へアンモニアを導入することを
更に含む特許請求の範囲第13項に記載の方法。 16 付加的前段工程は 約40体積の水素と約12体積の塩化水素からなる
調節された流れを、約500℃に加熱されたチタン
金属粒子床上に通すことからなり、 付着工程は 20体積の水素と10体積の窒素を、得られた水素
と塩化チタンガスとを混合し、 前記ガス状混合物を約600℃に加熱した基体上
に通すことからなり、それによつて窒化チタン被
覆を基体に付着させる、特許請求の範囲第13項
に記載の方法。 17 約4mmHg以下の圧力で基体を取り巻くガ
ス状混合物を維持することを更に含む特許請求の
範囲第16項に記載の方法。 18 クヌーセン数K(K=l/d;ただし、l
は平均自由行路、dは流れの代表的長さ)の値が
K>1.1となる圧力にガス状混合物を維持するこ
とを更に含む特許請求の範囲第16項に記載の方
法。 19 初期被覆工程中、限定された時間被覆室及
びガス状混合物中へアンモニアを導入することを
更に含む特許請求の範囲第16項に記載の方法。 20 ガス入口機構とガス出口機構、および基体
を低級ハロゲン化金属被覆温度まで加熱するため
の基体加熱機構を有する被覆室;ハロゲン化ガス
入口機構およびガス状金属低級ハロゲン化物を生
成する反応を起こすための反応加熱機構を有する
被覆室の中で被覆室と結合しているハロゲン化
室;被覆室の中で被覆室とハロゲン化室の間の結
合を、被覆工程の始めと終わりで中断するための
分離機構であつて、開いている時に金属ハロゲン
化物と他の処理ガスの混合を促進し、しかも取り
外し可能で、被覆温度に加熱可能である分離機
構;ハロゲン化室内にあつて、被覆室より下にあ
る金属粒子容器;および反応室のための出入り機
構からなる金属化合物被覆製造装置。 21 ハロゲン化室は被覆室の下にある、特許請
求の範囲第20項に記載の装置。 22 金属粒子容器はチタン、ジルコニウム、バ
ナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデ
ン又はタングステンの金属粒子を有する、特許請
求の範囲第20項に記載の装置。 23 金属粒子はチタニウムあるいはジルコニウ
ムである、特許請求の範囲第22項に記載の装
置。 24 被覆室が流れ調節機構を含む、特許請求の
範囲第20項に記載の装置。 25 ハロゲン化室は流れ調節機構を含む、特許
請求の範囲第20項に記載の装置。 16 ハロゲン化室は圧力調節機構を含む、特許
請求の範囲第20項に記載の装置。 27 被覆室は基体を支持するための棚機構を含
む、特許請求の範囲第20項に記載の装置。 28 被覆室は真空ポンプ機構を含む、特許請求
の範囲第20項に記載の装置。 29 真空ポンプ機構は、ピストンポンプ、ブロ
ワー、フイルターおよびスクラバーを含む、特許
請求の範囲第28項に記載の装置。 30 真空ポンプ機構は、電気空気圧弁により被
覆室から分離されている、特許請求の範囲第28
項に記載の装置。 31 分離機構は金属円盤である、特許請求の範
囲第20項に記載の装置。 32 金属円盤はハロゲン化室の主軸の方向に沿
つて移動可能である、特許請求の範囲第31項に
記載の装置。 33 ハロゲン化室は石英ガラスライナー管を含
む、特許請求の範囲第20項に記載の装置。 34 被覆室とハロゲン化室は円筒形である、特
許請求の範囲第20項に記載の装置。 35 被覆室とハロゲン化室は軸方向に並んでい
る特許請求の範囲第34項に記載の装置。 36 キヤリアーガス入口機構とガス出口機構、
および基体を低級ハロゲン化金属被覆温度まで加
熱するための基体加熱機構を有する被覆室; ハロゲン化ガス入口機構、およびガス状低級ハ
ロゲン化金属を生成する反応を起こすための反応
加熱機構を有する被覆室の中で被覆室と結合して
いるハロゲン化室; ハロゲン化室、およびキヤリアーガス入口機構
と結合しているガス分配機構を含む被覆室; ハロゲン化室に位置する金属粒子容器;および
反応室のための出入り機構、からなる金属被覆製
造装置。 37 被覆室とガス分配機構は軸方向に並んでい
る、特許請求の範囲第36項に記載の装置。 38 ガス分配機構は1組の分配管から成り、前
記分配管の1つはハロゲン化室に結合しており、
他の管はキヤリアーガス入口機構に結合してい
る、特許請求の範囲第36項に記載の装置。 39 分配管はさん孔してある、特許請求の範囲
第38項に記載の装置。 40 前記装置はいく組かの分配管を含む、特許
請求の範囲第38項に記載の装置。 41 ハロゲン化室およびキヤリアーガス入口機
構は隔壁によつて分離してある、特許請求の範囲
第38項に記載の装置。 42 ハロゲン化室とキヤリアーガス入口機構は
同軸である、特許請求の範囲第41項に記載の装
置。
[Scope of Claims] 1. A method for forming a coating of at least one metal compound from the group of metals titanium, zirconium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum and tungsten on a substrate, comprising: (a) in a reaction chamber; In the presence of a substrate, hydrogen and nitrogen;
A gaseous mixture consisting of hydrogen, nitrogen and ammonia; hydrogen and hydrocarbons; hydrogen, nitrogen and hydrocarbons; hydrogen, nitrogen and ammonia and/or hydrocarbon; and a gaseous mixture of metal lower halides are reacted, (b ) A method of forming a metal compound coating comprising maintaining the reaction temperature of the substrate and reaction chamber between 250° and 800°C, thereby depositing a metal nitride, metal carbide or metal carbonitride coating on the substrate. 2. The method according to claim 1, wherein the metal lower halide is a metal lower chloride. 3. The method of claim 1, wherein the metal lower halide is a titanium lower chloride, the gaseous mixture consists of hydrogen and nitrogen, and the coating deposited on the substrate is titanium nitride. 4. The method according to claim 3, wherein the gaseous mixture consists of hydrogen, nitrogen and ammonia. 5. The method according to claim 3, wherein the reaction temperature is within the range of 250° to 650°C. 6. The method according to claim 3, wherein the reaction temperature is within the range of 380° to 800°C. 7. The method according to claim 3 or 4, wherein the reaction temperature is within the range of 400° to 610°C. 8 Continuously flowing the gaseous reactants into the reaction chamber, but including the additional step of including ammonia gas in the initial flow of gaseous reactants and stopping the flow of all ammonia gas once deposition has begun. A method according to claim 3. 9. The method of claim 2, wherein the substrate comprises copper, stainless steel or a nickel-based superalloy. 10. A method for forming a coating of at least one metal compound from the group of metals titanium, zirconium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum and tungsten on a substrate, in a reaction zone upstream of the deposition reaction in a reaction chamber. An additional step to produce metal lower chlorides comprises: (a) passing gaseous hydrogen chloride and hydrogen over the metal in said reaction zone; (b) subjecting said reaction zone to a temperature in the range of 150° to 1100°C; (c) maintaining flow rates and partial pressures of hydrogen and hydrogen chloride in a manner that provides a partial pressure of hydrogen chloride to promote formation of metal lower chlorides; (d) in the presence of a substrate in the reaction chamber, hydrogen and nitrogen;
Reacting a gaseous mixture of metal lower halides with a mixture from a group of gaseous mixtures consisting of hydrogen, nitrogen, and ammonia; hydrogen and hydrocarbons; hydrogen, nitrogen, and hydrocarbons; hydrogen, nitrogen, ammonia, and hydrocarbons. (e) maintaining the reaction temperature of the substrate and the reaction chamber between 250° and 800°C, thereby depositing a metal nitride, metal carbide or metal carbonitride coating on the substrate; Law. 11. The method of claim 10, wherein the reaction zone is maintained within a temperature range of 500° to 850°C. 12 Claim 1 in which the metal is titanium
The method described in item 0. 13 The additional preliminary steps include (a) passing at least hydrogen halide over the metal in the reaction zone, (b) maintaining said reaction zone within a temperature range of 150° to 1100°C, and (c) passing the halogen on the metal. Claim 10 is a process comprising regulating and maintaining the flow of hydrogen hydride in a manner that promotes the formation of metal lower halides.
The method described in section. 14. The method of claim 13, further comprising introducing nitrogen gas into the process in the reaction zone where the metal lower halide is being formed. 15. The method of claim 13, further comprising introducing ammonia into the coating chamber and into the gaseous mixture for a limited time during the initial coating step. 16 The additional pre-step consists of passing a regulated stream of about 40 volumes of hydrogen and about 12 volumes of hydrogen chloride over a bed of titanium metal particles heated to about 500°C, and the deposition step consists of passing a regulated stream of about 40 volumes of hydrogen and about 12 volumes of hydrogen chloride over a bed of titanium metal particles heated to about 500°C. and 10 volumes of nitrogen, mixing the resulting hydrogen with titanium chloride gas and passing said gaseous mixture over a substrate heated to about 600°C, thereby depositing a titanium nitride coating on the substrate. , the method according to claim 13. 17. The method of claim 16, further comprising maintaining the gaseous mixture surrounding the substrate at a pressure of about 4 mm Hg or less. 18 Knudsen number K (K=l/d; however, l
17. The method of claim 16, further comprising maintaining the gaseous mixture at a pressure such that the mean free path and d is the representative length of the flow are K > 1.1. 19. The method of claim 16, further comprising introducing ammonia into the coating chamber and into the gaseous mixture for a limited time during the initial coating step. 20 A coating chamber having a gas inlet mechanism, a gas outlet mechanism, and a substrate heating mechanism for heating the substrate to a lower metal halide coating temperature; a halide gas inlet mechanism and a coating chamber for causing a reaction to produce a gaseous metal lower halide. A halogenation chamber is connected to the coating chamber within the coating chamber and has a reaction heating mechanism; a separation mechanism which, when open, promotes mixing of the metal halide and other process gases and which is removable and capable of being heated to the coating temperature; A metal compound coating manufacturing apparatus consisting of a metal particle container located in a chamber; and an access mechanism for a reaction chamber. 21. Apparatus according to claim 20, wherein the halogenation chamber is below the coating chamber. 22. The apparatus of claim 20, wherein the metal particle container comprises metal particles of titanium, zirconium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum or tungsten. 23. The device according to claim 22, wherein the metal particles are titanium or zirconium. 24. The apparatus of claim 20, wherein the coating chamber includes a flow regulation mechanism. 25. The apparatus of claim 20, wherein the halogenation chamber includes a flow control mechanism. 16. The apparatus of claim 20, wherein the halogenation chamber includes a pressure regulation mechanism. 27. The apparatus of claim 20, wherein the coating chamber includes a shelving mechanism for supporting the substrate. 28. The apparatus of claim 20, wherein the coating chamber includes a vacuum pump mechanism. 29. The apparatus of claim 28, wherein the vacuum pump mechanism includes a piston pump, a blower, a filter, and a scrubber. 30. The vacuum pump mechanism is separated from the coating chamber by an electro-pneumatic valve.
The equipment described in section. 31. The device of claim 20, wherein the separation mechanism is a metal disk. 32. Apparatus according to claim 31, wherein the metal disk is movable along the direction of the main axis of the halogenation chamber. 33. The apparatus of claim 20, wherein the halogenation chamber comprises a fused silica liner tube. 34. The apparatus of claim 20, wherein the coating chamber and the halogenation chamber are cylindrical. 35. The apparatus according to claim 34, wherein the coating chamber and the halogenation chamber are aligned in the axial direction. 36 Carrier gas inlet mechanism and gas outlet mechanism,
and a coating chamber having a substrate heating mechanism for heating the substrate to the lower metal halide coating temperature; a coating chamber having a halide gas inlet mechanism and a reaction heating mechanism for causing a reaction to produce a gaseous lower metal halide. a halogenation chamber coupled to the coating chamber within the halogenation chamber; a coating chamber including the halogenation chamber and a gas distribution mechanism coupled to the carrier gas inlet mechanism; a metal particle container located in the halogenation chamber; Metal cladding manufacturing equipment consisting of an ingress and egress mechanism for. 37. The apparatus of claim 36, wherein the coating chamber and the gas distribution mechanism are axially aligned. 38. The gas distribution mechanism consists of a set of distribution pipes, one of said distribution pipes being coupled to the halogenation chamber;
37. The apparatus of claim 36, wherein the other tube is coupled to a carrier gas inlet mechanism. 39. The apparatus of claim 38, wherein the distribution pipe is perforated. 40. The apparatus of claim 38, wherein the apparatus includes several sets of distribution tubes. 41. The apparatus of claim 38, wherein the halogenation chamber and carrier gas inlet mechanism are separated by a partition. 42. The apparatus of claim 41, wherein the halogenation chamber and carrier gas inlet mechanism are coaxial.
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