JP2004339594A

JP2004339594A - Method of producing composite film-coated member

Info

Publication number: JP2004339594A
Application number: JP2003140618A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Kondou; 暁裕近藤; Yusuke Tanaka; 裕介田中
Original assignee: Mitsubishi Materials Kobe Tools Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Kobe Tools Corp
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2003-05-19
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2023-05-19
Also published as: JP4123051B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To deposit an oxide film at higher film deposition rate also with high adhesive strength when a composite film obtained by depositing the oxide film on a nitride film or the like by PVD (Physical Vapor Deposition) is applied to the surface of a substrate. <P>SOLUTION: A substrate 3, a cathode 5 for depositing a nitride film or the like, and a cathode 6 for depositing an oxide film are stored in the inside of a chamber 1. The inside of the chamber 1 is made into a nitrogen atmosphere, and the nitride film or the like are deposited on the surface of the substrate 3 by the cathode 5 for depositing the nitride film or the like. Next, in a state where the space between the cathode 6 for depositing an oxide film and the substrate 3 is shielded with a shutter 7, the inside of the chamber 1 is made into an oxygen atmosphere, and the surface of the cathode 6 for depositing the oxide film is coated with an oxide. Thereafter, the shutter 7 is opened to deposit the oxide film on the surface of the nitride film or the like by the cathode 6 for depositing the oxide film. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

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「ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶａｃｕｕｍＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．（Ａ５（２）（１９８７）２０２−２０７」にＳ．Ｂｅｒｇらにより「Ｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｒｅａｃｔｉｖｅｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｏｆｃｏｍｐｏｕｎｄｍａｔｅｒｉａｌｓ」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するとともに、チャンバー内を窒素雰囲気として上記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。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内も真空引きしておき、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、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させた後、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。なお、上記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ようにしてもよい。
【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]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a nitride film or a carbonitride film (hereinafter, nitride film) on a surface of a substrate used as various tools such as cutting tools and wear-resistant tools by a physical vapor deposition method (hereinafter, referred to as PVD). And the like.) The present invention relates to a method for producing a composite film-coated member on which an oxide film is formed.
[0002]
[Prior art]
As a method of manufacturing a composite coating member of this type, for example, Patent Document 1 discloses a method of forming a metal, an alloy, or a ceramic sintered body on a surface of a base material using a metal of Group 4a, 5a, or 6a of the periodic table and Al. The first coating made of carbide, nitride, carbonate, nitride oxide and the like and the second coating of aluminum oxide are formed by sputtering using the above metal target and a target of a sintered body containing aluminum oxide as a main component. Coating is described. Patent Document 2 discloses that a first layer of a titanium-aluminum alloy such as titanium aluminum nitride and a layer of alumina directly adhered to the first layer are formed on a substrate of a cutting tool by PVD or CVD. Coating is described.
[0003]
Further, Patent Document 3 discloses a magnetron of a nitride and / or carbide layer of Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W and Al by PVD (especially magnetron sputtering) or CVD and a metal target. Γ-Al by sputtering ₂ O ₃ Are formed in the same coating apparatus without interrupting the evacuation. Patent Document 4 discloses that Cr ₂ O ₃ The aluminum oxide film is coated on one side of the oxide film by UBMS (unbalanced magnetron sputtering), and the composite nitride film of Ti, Cr, V and Al is formed on the other side by AIP (arc ion plating). It describes a formed hard film, and in particular, using a PVD apparatus that combines the AIP method and the UBMS method, first, a Ti-Al alloy target is applied to a cemented carbide chip or a high-speed steel chip in a nitrogen gas atmosphere in a chamber. To form a titanium aluminum nitride hard film by the AIP method, then form a chromium oxide film by a UBMS method in a mixed gas atmosphere of argon and oxygen using a Cr target, and further form an argon and oxygen film using an Al target. It describes that an aluminum oxide film is formed by a UBMS method in a mixed gas atmosphere. .
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-7-41963
[Patent Document 2]
JP-A-9-192906
[Patent Document 3]
JP 2001-522725 A
[Patent Document 4]
JP-A-2002-53946
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, among them, first, as described in Patent Document 1, when forming an oxide film, the film forming rate is low in the case of coating using an oxide target such as a sintered body containing aluminum oxide as a main component, If a thin film such as an electronic device is to be formed, a long time is required if a film requiring a film thickness of 1 μm or more, such as a cutting tool, is to be formed in a large amount. Results. Further, as described in Patent Document 2, when coating a layer of titanium aluminum nitride and a layer of alumina by PVD or CVD, when these coatings are processed in separate batches and the evacuation is interrupted on the way, In the case where the oxide film (alumina layer) formed on the nitride film (titanium aluminum nitride layer) does not have sufficient adhesion, a large load acts on the film like a cutting tool. There is a problem that this oxide film is easily peeled.
[0006]
On the other hand, after a nitride film is formed in a nitrogen gas atmosphere as described in Patent Documents 3 and 4, the atmosphere is replaced with an oxygen gas atmosphere in the same coating apparatus (chamber) without interruption of evacuation. When an aluminum oxide film is formed using a metal target, the film formation rate is higher than when an oxide film is formed using an oxide target as in Patent Document 1, and the evacuation is interrupted as in Patent Document 2. Insufficient adhesion of the oxide film due to this is not caused. However, with the methods described in Patent Documents 3 and 4, when the 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 by the Al metal target in an oxygen atmosphere, discharge is not stably performed, and unreacted substances adhere to the nitride film as an intermediate layer, and the oxide film is formed thereon. Therefore, it is inevitable that the adhesion of the oxide film becomes insufficient.
[0007]
Here, in such a so-called reactive sputtering method in which an Al target is sputtered in an oxygen atmosphere to form an Al oxide, for example, the “metal mode” and “ The existence of the two types of "reactive modes" is described in "Journal of Vacuum Science & Technology. (A5 (2) (1987) 202-207") by S. Berg et al. As "Modeling of reactive spontaneous exchange". In the metal mode, the surface of both the cathode and the substrate is not completely covered with the reactant, and the deposition rate is high, whereas in the reactive mode, the reactant is entirely deposited on both the cathode and the substrate. Covered It is known that the film formation rate is slower than that of the metal mode when the metal mode is used, and the inventors of the present invention have further studied these two modes. Is fragile and cannot be used as a wear-resistant film for tools etc., whereas the film coated on the substrate in the reactive mode becomes dense and suitable as a wear-resistant film for tools etc. And the film formation rate is lower than that of the metal mode. ₂ O ₃ It has been found that an overwhelmingly higher film formation rate can be obtained than sputtering using a target. Therefore, when a nitride film or the like is formed on the surface of a substrate and an oxide film is formed thereon as in Patent Documents 3 and 4, it is necessary to coat the oxide film in the above-described reactive mode. It becomes important.
[0008]
The present invention has been made under such a background, and when coating a composite film in which an oxide film is formed on a nitride film or the like by PVD onto 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-forming speed and with high adhesive strength and 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, the present invention firstly provides a composite film in which an oxide film is formed on a nitride film or the like by PVD on the surface of a substrate. A method for producing a composite film-coated member, comprising: housing a substrate, a cathode for forming a nitride film and the like, and a cathode for generating an oxide film in a chamber; A nitride film or the like is formed on the surface of the substrate by the generation cathode, and then the surface of the oxide film generation cathode is exposed to an oxygen atmosphere in a state where the shutter is shielded between the oxide film generation cathode and the substrate. It is characterized in that it is coated with an oxide, and then the shutter is opened and an oxide film is formed on a nitride film or the like by an oxide film forming cathode. Therefore, according to such a manufacturing method, even after the nitride film or the like is formed on the substrate surface and the inside of the chamber is changed to an oxygen atmosphere, the surface of the oxide film forming cathode is coated with the oxide. Since the shutter remains closed, even if the surface of the cathode for forming an oxide film is nitrided when a nitride film or the like is formed, unreacted substances adhere to the nitride film or the like on the substrate surface as an intermediate layer. No, and after the oxide film-forming cathode surface is coated with oxide, it is possible to quickly form a high adhesion strength oxide film on nitride film etc. by the above-mentioned reactive mode. It becomes.
[0010]
Secondly, the present invention 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, The above-mentioned substrate, a cathode for forming a nitride film, etc., and a cathode for forming an oxide film are accommodated, and the periphery of the cathode for forming an oxide film is separated by a shutter to form an oxygen atmosphere to form an oxygen atmosphere. While coating the surface of the cathode with an oxide, setting the inside of the chamber to a nitrogen atmosphere, forming a nitride film or the like on the surface of the base with the above-described nitride film or the like forming cathode, and then setting the chamber to an oxygen atmosphere, then opening the shutter. It is characterized in that an oxide film is formed on a nitride film or the like by opening and using a cathode for forming an oxide film. Therefore, in such a manufacturing method, since the periphery of the oxide film forming cathode is isolated by the shutter when the nitride film or the like is formed, the oxide film forming cathode may be nitrided. However, the surface of the isolated oxide film forming cathode can be covered with an oxide in an oxygen atmosphere, and after the nitride film or the like is formed on the substrate surface, the inside of the chamber is changed to an oxygen atmosphere. By opening the shutter, the oxide film can be quickly formed in the reactive mode, so that a more efficient composite film can be formed.
[0011]
Furthermore, the present invention thirdly provides 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, wherein The chamber is divided into a chamber for generating a nitride film or the like and a chamber for generating an oxide film separated from each other by a shutter, and the base and the cathode for forming a nitride film or the like are housed in the chamber for forming a nitride film or the like. A nitride film or the like is formed on the surface of the substrate in a nitrogen atmosphere, while an oxide film forming cathode is accommodated in the oxide film forming chamber, and the surface of the oxide film forming cathode is oxidized in an oxygen atmosphere. After the nitride film and the like are formed, the shutter is opened and the substrate is moved to an oxide film forming chamber, and an oxide film is formed on the nitride film and the like. To. Therefore, even in such a manufacturing method, the cathode for forming the oxide film is in the chamber for forming the oxide film when the nitride film or the like is formed, and is separated from the chamber for forming the nitride film or the like by the shutter. As a result, the cathode for forming an oxide film is not nitrided, and its surface can be coated with an oxide, and a nitride film or the like is formed first in a chamber for generating a nitride film or the like. By opening the shutter and moving the substrate to the oxide film forming chamber, an oxide film can be quickly formed on the nitride film or the like in the reactive mode.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows an apparatus for manufacturing a composite coating member according to a first embodiment of the present invention. In this manufacturing apparatus, a rotary table 2 rotatable around a vertical axis by a rotary shaft 2A is provided in the center of a chamber 1 in which an exhaust port 1A is connected to a vacuum pump (not shown) and which can be evacuated. Then, the base 3 is placed on the turntable 2. Further, the chamber 1 is provided with a gas introduction port 1B which is connected to a supply source (not shown) and selectively introduces a nitrogen atmosphere gas and an oxygen atmosphere gas into the chamber 1.
[0013]
Here, as the substrate 3, a member coated with the composite film by the manufacturing method of the present embodiment is used as various tools such as the above-described cutting tool and wear-resistant tool, or a cutting blade member of the cutting tool. When the insert is a throw-away tip, a material such as a cemented carbide or high-speed tool steel is used. Depending on its size and shape, a plurality of such bases 3 may be stacked at intervals in the vertical direction as shown in the figure, or a plurality of bases 3 may be placed at intervals on a circumference centered on the vertical axis. Or be done. A bias power source 4 is connected to the base 3 thus disposed on the rotary table 2 via the rotary shaft 2A.
[0014]
Also, the inner wall on one side (the right side in FIG. 1) of the chamber 1 faces the side of the base 3 disposed on the turntable 2 as described above, and is opposed to the inner wall. A cathode 5 is provided. For example, when a titanium aluminum nitride ((Ti, Al) N) film (nitride film) is formed as a nitride film on the surface of the substrate 3, the titanium-aluminum A (Ti-Al) alloy metal target is used, and titanium, chromium, or the like is 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]
Further, on the inner wall on the other side (left side in FIG. 1) of the chamber 1 opposite to the cathode 5 for forming a nitride film or the like with the rotary table 2 interposed therebetween, the rotary table 2 is also provided. A cathode 6 for forming an oxide film is disposed so as to face the substrate 3 side. The oxide film forming cathode 6 is formed on a nitride film such as the titanium aluminum nitride film formed on the surface of the substrate 3 by, for example, aluminum oxide (Al). ₂ O ₃ When a film is formed, an aluminum metal target is used, and depending on the oxide film to be formed, titanium, chromium, zirconium, or an alloy of these metals is used.
[0016]
In front of the cathode 6 for forming an oxide film (inward of the chamber 1), the space between the cathode 6 for forming an oxide film and the substrate 3 disposed on the turntable 2 can be shielded. The shutter 7 is installed so that it can be opened and closed by an opening and closing mechanism (not shown). Here, the shutter 7 is a flat plate made of a metal material such as stainless steel, and can be opened and closed by being vertically moved up and down as shown in the figure. In a state where the gap between the cathode 6 for forming an oxide film and the base 3 is shielded, the front surface of the cathode 6 for forming an oxide film is covered by a shutter 7 when viewed from the side of the base 3, and conversely, the shutter 7 is In a state in which the space between the cathode 6 for forming an oxide film and the base 3 is opened to open, the front surface of the cathode 6 for forming an oxide film is not shielded by the shutter 7 when viewed from the base 3 side. . However, in the manufacturing apparatus, even when the shutter 7 is lowered and shields the gap between the cathode 6 for forming an oxide film and the base 3, the surroundings of the cathode 6 for forming an oxide film, which are not opposed to the base 3, are left and right. It is in a state opened into the chamber 3.
[0017]
Next, using the manufacturing apparatus configured as described above, the above-described reactive sputtering method is used to cover the surface of the substrate 3 with a composite film in which an oxide film is formed on a nitride film or the like. A first embodiment of the method for producing a composite coating member according to the present invention will be described. In the present embodiment, first, the base 3 is disposed on the rotary table 2 as described above, the chamber 1 is sealed, 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, for example, -800 V is applied to the substrate 3 by the bias power supply 4, thereby performing etching with argon ions to clean the surface of the substrate 3. Become 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, and the inside of the chamber 1 is set to a nitrogen atmosphere. While the table 2 is being rotated, a bias voltage of, for example, -50 V is applied to the substrate 3 by the bias power supply 4 and a discharge is generated in the cathode 5 for forming a nitride film or the like, thereby forming the cathode 5 for forming a nitride film or the like. Is reacted with the atmospheric gas to generate nitride (or carbonitride) and adhere to 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 forming a nitride film or the like, the shutter 7 is closed and the space between the cathode 6 for generating an oxide film and the substrate 3 is shielded. State.
[0018]
When a nitride film or the like is formed on the surface of the base 3 by the above-described cathode 5 for forming a nitride film or the like in this manner, the inside of the chamber 1 is evacuated again, and argon gas and oxygen gas are supplied through the gas inlet 1B. The mixed gas is introduced as an oxygen atmosphere gas into an oxygen atmosphere, and the turntable 2 is also rotated, and a bias voltage of, for example, -100 V is applied to the base 3 by the bias power supply 4 to discharge the oxide film to the cathode 6 for forming an oxide film. The oxide 6 is generated by reacting the oxide film-forming cathode 6 with oxygen in the atmosphere gas to generate an oxide. At this time, the surface of the oxide film-forming cathode 6 In the present embodiment, an unreacted substance is generated without performing a stable discharge because of being nitrided during the formation of 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 surface of the oxide film forming cathode 6 is coated with the oxide during this time.
[0019]
If the entire surface of the oxide film forming cathode 5 is coated with oxide and the discharge stabilizes and the generation of unreacted substances stops, the shutter 7 is opened to open the oxide film. By opening the space between the film-forming cathode 6 and the substrate 3, the oxide generated by the reaction is adhered to the substrate 3 to form an oxide film on the nitride film. 3 is coated with a composite coating composed of a nitride coating or the like and an oxide coating to produce a composite coating-coated member. Whether or not the entire surface of the oxide film forming cathode 5 is covered with oxide in this way is monitored, for example, by monitoring the discharge voltage of the oxide film forming cathode 6, and this voltage is unique in the reactive mode. Can be determined based on whether or not the value of
[0020]
Therefore, according to such a method for producing a composite film-coated member, the oxide film-forming cathode 6 is nitrided when the nitride film or the like is formed on the base 3, thereby forming the oxide film. Even if the discharge becomes unstable and the unreacted substance is generated at the beginning of the generation of the oxide by the use cathode 6, the shutter 7 is closed at the beginning of the generation of the oxide to keep the gap between the substrate and the base 3 at the beginning of the generation of the oxide. This can prevent the unreacted substance from adhering to the substrate 3 as an intermediate layer and impairing the adhesion of an oxide film formed thereafter. Then, while the shutter 7 is closed, the surface of the cathode 6 for forming an oxide film is entirely covered with the oxide to stabilize the discharge, thereby preventing the generation of unreacted substances and the above reaction. In this case, a dense oxide film, which is particularly suitable as a wear-resistant film for a tool, is formed on the nitride film or the like of the substrate 3 with a higher adhesion strength due to the absence of an intermediate layer. In addition, it is possible to efficiently form a film at a higher film forming rate than when an oxide target is used.
[0021]
Further, in the manufacturing apparatus according to the present embodiment, the cathode 6 for forming an oxide film is formed such that the cathode 6 for forming an oxide film is opposite to the cathode 5 for forming a nitride film or the like with the rotary table 2 on which the substrate 3 is placed. In the manufacturing method of the present embodiment using such a manufacturing apparatus, the shutter 7 is provided even when the nitride film or the like is formed on the surface of the substrate 3 by the nitride film or the like forming cathode 5. Is closed, and the space between the cathode 6 for forming an oxide film and the base 3 is shielded. Therefore, when the nitride film or the like is formed, the space between the cathode 5 for forming a nitride film or the like and the cathode 6 for generating an oxide film is also shielded by the shutter 7. It is possible to prevent nitrides generated by the cathode 5 for forming an oxide film from adhering to the surface of the cathode 6 for generating an oxide film, thereby preventing the oxide 6 from being initially generated by the cathode 6 for generating an oxide film. The time until the discharge is stabilized can be shortened, and the oxide film can be more efficiently formed. Further, since this manufacturing apparatus has a structure in which the shutter 7 is merely provided in the chamber 1 so as to be openable and closable in front of the cathode 6 for generating an oxide film, the present embodiment is described in, for example, Patent Document 4 described above. Another advantage is that it can be easily implemented simply by installing a shutter and its opening and closing mechanism in a chamber of such a conventional manufacturing apparatus.
[0022]
Next, FIG. 2 shows a manufacturing apparatus according to a second embodiment of the manufacturing method of the present invention. Elements common to those of the manufacturing apparatus shown in FIG. Omitted. That is, in the manufacturing apparatus according to the second embodiment, the inner wall on one side of the chamber 1 provided with the cathode 5 for forming a nitride film or the like is opposite to the inner wall on the other side with the rotary table 2 interposed therebetween. The cathode 6 for forming an oxide film is accommodated in the recess 11, and the shutter 7 can be opened and closed at the opening of the recess 11 on the other side of the inner wall. When the shutter 7 is closed, the opening is closed, so that the inside of the recess 11 can be maintained in an airtightly isolated state from the inside of the chamber 1. The recess 11 is provided with a gas inlet 11A for introducing an oxygen atmosphere gas into the recess 11 separately from the gas inlet 1B of the chamber 1.
[0023]
In the method for manufacturing a composite coating member according to the second embodiment using such a manufacturing apparatus, first, the base 3 is placed on the rotating table 2 in the chamber 1, and the inside of the chamber 1 is evacuated. The table 2 is rotated, the substrate 3 is heated to, for example, 400 ° C. by a heater (not shown) installed in the chamber 1, and then argon gas is introduced into the chamber 1 from the gas inlet 1 </ b> B. A bias voltage of, for example, -800 V is applied to the base 3 and the surface of the base 3 is cleaned by etching with argon ions. Next, while the shutter 7 is closed and the inside of the recess 11 around the cathode 6 for forming an oxide film is isolated from the inside of the chamber 1, a nitrogen atmosphere gas is introduced into the chamber 1 from the gas inlet 1B. An oxygen atmosphere gas is introduced into the recess 11 from the gas inlet 11A. In the recess 11, the surface of the oxide film forming cathode 5 is coated with an oxide to form an oxide film. In the chamber 1, while the turntable 2 is rotated, the substrate is A discharge is generated in the cathode 5 for forming a nitride film or the like while applying a bias voltage of, for example, −50 V to the cathode 3, thereby forming a nitride film or the like on the surface of the substrate 3 by the cathode 5 for forming a nitride film or the like. Then, when a nitride film or the like having a predetermined film thickness is formed, the inside of the chamber 1 is evacuated again, and then an oxygen atmosphere gas is introduced from the gas inlet 1B to make 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 cathode 6 for forming an oxide film is used to cover the nitride film or the like. Forming an oxide film.
[0024]
Therefore, according to the second embodiment, while the nitride film or the like is formed on the surface of the substrate 3 by the nitride film or the like forming cathode 5, the oxide film forming cathode 6 is 11 and is isolated from the chamber 1 by the shutter 7, so that the surface is not nitrided, so that the discharge is not unstable, and during this time, the surface is oxidized. When the shutter 7 is opened after the formation of the nitride film or the like, the oxide film can be formed in the above-described reactive mode promptly, so that a more efficient production of the composite film-coated member can be achieved. It is possible to do. In the manufacturing apparatus according to the present embodiment, when forming the nitride film or the like, the periphery of the oxide film forming cathode 6 is kept isolated from the inside of the chamber 1. The opening 11 is formed by closing the opening with a shutter 7. For example, similarly to the manufacturing apparatus according to the first embodiment, the cathode 6 for forming an oxide film is placed on the inner wall on the other side. A conventional manufacturing apparatus as described in Patent Literature 4 is also provided if it is disposed and can be isolated from the chamber 1 by hermetically covering the periphery with a shutter 7 formed in a box shape. This embodiment can be easily implemented by utilizing the above.
[0025]
FIG. 3 shows a manufacturing apparatus according to a third embodiment of the manufacturing method of the present invention. Elements common to those of 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 air-tightly isolated from each other by the shutter 7 provided substantially at the center between the inner wall on one side and the inner wall on the other side. The rotary table 2 on which the substrate 3 is placed is divided into a chamber 21 for forming a nitride film and the like and a chamber 22 for generating an oxide film. Reciprocating between the chamber 21 for forming an oxide film and the chamber 22 for forming an oxide film. The chamber 21 for generating a nitride film and the like and the chamber 22 for generating an oxide film 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 21B of the chamber 21, and an oxygen atmosphere gas can be introduced from the gas introduction port 22B of the oxide film generation chamber 22. A cathode 5 for forming a nitride film or the like is provided on the inner wall of the chamber 1 on one side facing the chamber 21 for forming a nitride film or the like, and the other chamber facing the chamber 22 for forming an oxide film. On the inner wall, an oxide film forming cathode 6 is provided.
[0026]
In the method of manufacturing a composite coating member according to the third embodiment using such a manufacturing apparatus, first, the rotary table 2 is positioned on the side of the chamber 21 for forming a nitride coating or the like, and the shutter 7 is closed. After the substrate 3 is placed on the turntable 2, the inside of the chamber 21 for forming a nitride film or the like is evacuated. Then, the turntable 2 is rotated, and the base 3 is heated by a heater (not shown) in the chamber 1. After heating to 400 ° C., an argon gas is introduced into the chamber 21 for forming a nitride film or the like from the gas inlet 21B, and a bias voltage of, for example, −800 V is applied to the substrate 3 by the bias power supply 4 to perform etching with argon ions. Cleans the surface of the substrate 3. Next, a nitrogen atmosphere gas is introduced into the chamber 21 for forming a nitride film or the like from the gas introduction port 21B, and a bias voltage of, for example, -50 V is applied to the base 3 by the bias power supply 4 while rotating the rotary table 2. By causing a discharge to occur in the cathode 5 for forming a nitride film or the like while applying the voltage, a nitride film or the like is formed on the surface of the substrate 3 by the cathode 5 for forming a nitride film or the like. When the nitride film or the like is formed in a predetermined thickness in this way, the inside of the chamber 21 for forming a nitride film and the like is evacuated again, and the inside of the chamber 22 for forming an oxide film is evacuated again. Is opened, and the substrate 3 together with the turntable 2 is transferred to the oxide film forming chamber 22. Thereafter, the shutter 7 is closed and an oxygen atmosphere gas is introduced into the oxide film forming chamber 22, and the oxide film forming cathode 6 is opened. After the oxide is coated on the entire surface of the substrate 3, a bias voltage of, for example, -100 V is applied to the substrate 3 by the bias power supply 4, and the oxide film is formed on the nitride film or the like previously formed on the surface of the substrate 3. The production cathode 6 forms an oxide film in a reactive mode. While the nitride film or the like is formed on the surface of the substrate 3 in the nitride film or the like forming chamber 21, the entire surface of the oxide film forming cathode 6 is oxidized in advance in the oxide film forming chamber 22. An object may be covered.
[0027]
Therefore, also in the manufacturing method of the third embodiment, the oxide film generating chamber in which the nitride film generating chamber 21 into which the nitrogen atmosphere gas is introduced and the oxide film generating cathode 6 are disposed. 22 can be maintained in a state of being isolated by the shutter 7, so that the surface of the oxide film forming cathode 6 is not nitrided as in the second embodiment, so that the discharge becomes unstable. In addition, the oxide can be quickly coated on the surface of the oxide film forming cathode 6 to form a dense oxide film on the substrate 3 in the reactive mode. While the nitride film or the like is formed in the nitride film or the like forming chamber 21 as described above, the entire surface of the oxide film forming cathode 6 is coated with the oxide in the oxide film forming chamber 22 in the oxide film forming chamber 22. If this is done, it is possible to manufacture a more efficient composite film-coated member, and furthermore, two rotations that can be alternately moved between the chamber 21 for generating a nitride film and the like and the chamber 22 for generating an oxide film. If the table 2 is provided in the chamber 1, the substrate 3 mounted on the other rotary table 2 is oxidized while the nitride film or the like is formed on the substrate 3 mounted on one rotary table 2. An oxide film is formed, and then the one turntable 2 is moved to the oxide film generation chamber 22 to form an oxide film on the nitride film or the like formed previously, while the other turntable 2 is formed. Is It is possible to perform an operation of returning to the chamber 21 for forming a nitride film or the like and forming a nitride film or the like on the next substrate 3, that is, separate operations for the chamber 21 for generating a nitride film or the like and the chamber 22 for generating an oxide film. It is possible to simultaneously coat the nitride film or the like and the oxide film on the substrate 3 of the batch, and it is possible to promote further efficiency.
[0028]
In the first to third embodiments, an Al film is formed on a nitride film such as (Ti, Al) N. ₂ O ₃ A case has been described in which a two-layer composite film having an oxide film formed thereon is coated on the substrate 3, but between the nitride film and the oxide film, and between the nitride film and the surface of the substrate 3 and the like. Between the layers or on the surface of the oxide film, if necessary, a single layer or a plurality of other layers may be formed. You may make it overlap 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. The manufacturing apparatus according to the third embodiment may be disposed so as to be shielded or separable by the shutter 7, and in the manufacturing apparatus according to the third embodiment, the chamber 1 may be formed by a plurality of shutters 7 in accordance with the order of forming the coating. It is only necessary to divide the chamber into oxide film forming chambers such as an oxide film so as to be separable from each other, and to install a cathode for forming an oxide film such as another film or a different kind of nitride film in each of these chambers. .
[0029]
In the manufacturing apparatus according to the first to third embodiments, a cathode 5 for forming a nitride film or the like is provided on the inner wall on one side of the chamber 1, and the other cathode 5 is disposed on the other side of the rotating table 2. On the inner wall on the side, one cathode 6 for forming an oxide film is provided, and the arrangement and number of the cathodes 5 for forming a nitride film and the like and the number of the cathodes 6 for generating an oxide film are determined as necessary. For example, in the manufacturing apparatuses according to the first and second embodiments, a plurality of cathodes 5 for generating a nitride film and the like and a plurality of cathodes for generating an oxide film are provided in a chamber 1 having a cylindrical inner wall. And 6 may be arranged alternately in the circumferential direction. However, particularly in such a case, in the manufacturing apparatus according to the first embodiment, in order to suppress the nitridation due to the adhesion of the nitride generated at the circumferentially adjacent cathode 5 for generating a nitride film or the like, an oxide film is formed. The shutters 7 respectively provided in front of the cathodes 6 are formed so as to have a shape and dimensions capable of shielding the adjacent cathodes 5 for forming a nitride film or the like, for example, to have a U-shaped cross section with an open inner wall. Is desirable. Further, in the first to third embodiments, the case where the nitride film and the like and the oxide film are formed by the reactive sputtering method has been described. It may be formed by plating.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, first, an oxide is generated in a state where the shutter is shielded between the substrate and the oxide film forming cathode, and the surface of the oxide film forming cathode is formed. When the oxide film is formed on the substrate, the shutter is opened and an oxide film is formed on the nitride film etc. previously formed on the substrate surface. Unreacted substances due to nitridation of the cathode surface can be prevented from adhering to the substrate as an intermediate layer, and a dense and high-strength oxide film in a reactive mode can be quickly formed on a nitride film or the like. It becomes possible to coat. Second, by isolating the periphery of the cathode for forming an oxide film by a shutter, and thirdly, by isolating the chamber into a chamber for generating a nitride film and the like and a chamber for generating an oxide film by a shutter. A member coated with a composite coating which is capable of coating the entire surface with oxide while preventing the cathode for oxide coating formation from being nitrided, and which is also suitable as a wear-resistant coating particularly for tools by a reactive mode. Can be manufactured efficiently.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing an apparatus for manufacturing a composite coating member according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing an apparatus for manufacturing a composite coating member according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view showing an apparatus for manufacturing a composite coating member according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 chamber
2 Rotary table
3 Substrate
5 Nitride coating etc. cathode
6 Cathode for oxide film formation
7 Shutter
11 recess
21 Chamber for forming nitride film etc.
22 Oxide film formation chamber

Claims

物理蒸着法によって窒化物皮膜または炭窒化物皮膜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、窒化物皮膜または炭窒化物皮膜生成用カソードと、酸化物皮膜生成用カソードとを収容し、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し、次いで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た状態で、上記チャンバー内を酸素雰囲気として上記酸化物皮膜生成用カソードの表面を酸化物で被覆し、しかる後に上記シャッターを開けて上記酸化物皮膜生成用カソードにより上記窒化物皮膜または炭窒化物皮膜の上に上記酸化物皮膜を形成することを特徴とする複合皮膜被覆部材の製造方法。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 a carbonitride film by physical vapor deposition is coated on the surface of a substrate. A cathode for forming a nitride film or a carbonitride film, and a cathode for forming an oxide film, and the inside of the chamber is set to a nitrogen atmosphere, and the cathode for forming a nitride film or a carbonitride film is used to cover the surface of the substrate. The above-mentioned nitride film or carbonitride film is formed, and then, while the space between the above-mentioned oxide film forming cathode and the above-mentioned substrate is shielded by a shutter, the inside of the above-mentioned chamber is made into an oxygen atmosphere and the above-mentioned oxide film forming cathode is formed. The surface is coated with oxide, and then the shutter is opened and the nitride film or carbonitride film is formed with the oxide film forming cathode. The method of producing a composite film coating member characterized by forming the oxide film on the top.

物理蒸着法によって窒化物皮膜または炭窒化物皮膜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、窒化物皮膜または炭窒化物皮膜生成用カソードと、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するとともに、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し、次いで上記チャンバー内を酸素雰囲気とした後に、上記シャッターを開けて上記酸化物皮膜生成用カソードにより上記窒化物皮膜または炭窒化物皮膜の上に上記酸化物皮膜を形成することを特徴とする複合皮膜被覆部材の製造方法。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 a carbonitride film by physical vapor deposition is coated on the surface of a substrate. , A cathode for forming a nitride film or a carbonitride film, and a cathode for forming an oxide film are housed, and the periphery of the cathode for forming an oxide film is separated by a shutter to form an oxygen atmosphere to form the oxide film. The surface of the cathode is coated with an oxide, and the inside of the chamber is set to a nitrogen atmosphere, and the nitride film or the carbonitride film is formed on the surface of the substrate by the nitride film or the carbonitride film-forming cathode. After setting the inside of the chamber to an oxygen atmosphere, the shutter is opened and the nitride film or carbonitride is formed by the oxide film forming cathode. The method of producing a composite film coating member characterized by forming the oxide film on the object film.

物理蒸着法によって窒化物皮膜または炭窒化物皮膜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または炭窒化物皮膜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、上記基体と、窒化物皮膜または炭窒化物皮膜生成用カソードとを上記窒化物皮膜または炭窒化物皮膜生成用チャンバーに収容して窒素雰囲気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、上記窒化物皮膜または炭窒化物皮膜が形成された後に上記シャッターを開いて上記基体を上記酸化物皮膜生成用チャンバーに移し、上記窒化物皮膜または炭窒化物皮膜の上に上記酸化物皮膜を形成することを特徴とする複合皮膜被覆部材の製造方法。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 a carbonitride film by physical vapor deposition is coated on the surface of a substrate, wherein a chamber is separated from each other by a shutter. Divided into a chamber for forming a nitride film or a carbonitride film and a chamber for forming an oxide film, and the base and the cathode for forming a nitride film or a carbonitride film are separated from each other by the nitride film or the carbonitride. The nitride film or the carbonitride film is formed on the surface of the substrate in a nitrogen atmosphere while being housed in a film formation chamber, while the oxide film formation cathode is housed in the oxide film formation chamber in an oxygen atmosphere. The surface of the cathode for forming an oxide film is coated with an oxide, and after the nitride film or the carbonitride film is formed, the shutter is opened and the upper surface is opened. The substrate was transferred to the oxide film generation chamber, method of producing a composite film coating member characterized by forming the oxide film on the nitride film or carbonitride film.