JP2006307298A - Nitride film and film-forming method therefor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride film which has a high nitride content and is thick and dense, and to provide a method for easily forming the nitride film on a substrate. <P>SOLUTION: The method for forming the nitride film includes thermal-spraying a mixture substantially composed of a powder of a metallic element or a non-metallic element, which is a raw material for thermal spraying, and a powder of the nitride of the element. The method inhibits a nitriding reaction between element powders and the coagulation of the powders due to consequent crystal growth, by the existence of the nitride powder, and as a result, can easily provide the dense and thick nitride film. The film-forming method also includes previously mixing the nitride powder, thereby increases a nitride content in the film and simultaneously relatively decreases a ratio of an unreacted element powder, and consequently provides the thick film with the high nitride content. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、窒化物含有率が高く、かつ、厚くて緻密な窒化物膜と、そのような窒化物膜を基材上に容易に形成できる成膜方法とに関する。   The present invention relates to a thick and dense nitride film having a high nitride content, and a film forming method capable of easily forming such a nitride film on a substrate.

窒化物は種々の優れた特性から様々な分野で利用されている。例えば、窒化アルミニウムは、熱伝導性がアルミナに比べて約10倍優れているので、従来から半導体製造装置におけるヒーターの均熱版や放熱基板などに用いられている。   Nitride is used in various fields because of various excellent characteristics. For example, aluminum nitride has a thermal conductivity that is about 10 times better than that of alumina, so that it is conventionally used for a soaking plate of a heater or a heat dissipation board in a semiconductor manufacturing apparatus.

また、この窒化アルミニウムは絶縁性を有すると共に、ハロゲン系のプラズマに対して高い耐食性を有するので、例えば、特開平05−251365号公報(特許文献1)に記載されるように、半導体製造装置においてはプラズマ耐性部材としても用いることができる。   In addition, since this aluminum nitride has insulating properties and high corrosion resistance against halogen-based plasma, for example, in a semiconductor manufacturing apparatus as described in JP-A-05-251365 (Patent Document 1). Can also be used as a plasma resistant member.

一方で、窒化アルミニウム以外の窒化物も何らかの優れた特性を有している。例えば、窒化珪素は耐熱衝撃性などの点において優れ、窒化チタンは耐摩耗性などの点において優れ、窒化鉄は磁気特性などの点において優れている。   On the other hand, nitrides other than aluminum nitride also have some excellent characteristics. For example, silicon nitride is excellent in terms of thermal shock resistance, titanium nitride is excellent in terms of wear resistance, and iron nitride is excellent in terms of magnetic properties.

近年、上記のように優れた性質を有する窒化物をより幅広く利用する目的で、金属やセラミックスなどの基材の上に、窒化物含有率が高く(窒化物純度の高い)、かつ、耐久性の点から厚い窒化物膜を形成する(成膜する)技術への要望が高まっている。   In recent years, high nitride content (high nitride purity) and durability on base materials such as metals and ceramics for the purpose of more widely using nitrides having excellent properties as described above In view of the above, there is an increasing demand for a technique for forming (forming) a thick nitride film.

一般的には、窒化物純度の高いの窒化物膜を得るためにPVD法(物理蒸着法)やCVD法(化学蒸着法)が用いられている。しかし、これらの方法は、窒化物純度の高い窒化物膜を得ることができるが、得られるのは薄膜であり、耐久性の点において不十分なものであった。   Generally, a PVD method (physical vapor deposition method) or a CVD method (chemical vapor deposition method) is used to obtain a nitride film having a high nitride purity. However, these methods can obtain a nitride film having a high nitride purity, but a thin film is obtained, which is insufficient in terms of durability.

金属やセラミックスなどの基材上に厚膜を高速で成膜するのに適した方法の1つとして溶射法が知られている。この溶射法は、溶射原料を融解し、その融解された溶射原料を高速で基材に吹き付けて堆積させることによって成膜する方法である。   Thermal spraying is known as one of the methods suitable for forming a thick film on a substrate such as metal or ceramics at high speed. This thermal spraying method is a method of forming a film by melting a thermal spray raw material and spraying and depositing the melted thermal spray raw material on a substrate at a high speed.

しかし、窒化物膜形成のために溶射法を適用した場合、窒化物の多くが、融点よりも低い分解温度を有するために、溶射時に窒化物の分解が生じ、結果として、窒化物膜の形成が困難であるという一般的な問題があった。   However, when the thermal spraying method is applied to form a nitride film, most of the nitrides have a decomposition temperature lower than the melting point, so that the decomposition of the nitride occurs during the thermal spraying, resulting in the formation of the nitride film. There was a general problem that was difficult.

そこで、そのような問題を解決するため技術がいくつか提案されており、例えば、特開平06−49617号公報(特許文献2)には、結合助剤(バインダー)として機能する酸化物などを窒化珪素に混合したものを溶射原料とする溶射法によって窒化珪素を含む膜を成膜することができることが記載されている。   Thus, several techniques have been proposed to solve such problems. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 06-49617 (Patent Document 2), an oxide that functions as a binding aid (binder) is nitrided. It is described that a film containing silicon nitride can be formed by a thermal spraying method using a mixture of silicon as a thermal spraying raw material.

また、特開2004−83929号公報(特許文献3)には、溶射原料をアルミニウム粉末とし、そのアルミニウム粉末を、窒素を含む熱プラズマ中に供給することによって、基材上に窒化アルミニウム膜を形成する方法が記載されている。
特開平05−251365号公報 特開平06−49617号公報 特開2004−83929号公報
Japanese Patent Laid-Open No. 2004-83929 (Patent Document 3) discloses that an aluminum nitride film is formed on a substrate by supplying a thermal spray raw material into aluminum powder and supplying the aluminum powder into a thermal plasma containing nitrogen. How to do is described.
JP 05-251365 A Japanese Patent Laid-Open No. 06-49617 JP 2004-83929 A

しかしながら、特許文献2に記載される溶射膜は、溶射原料に酸化物などの添加物を含むので、当然、膜における窒化物(窒化珪素)含有率は低い。よって、窒化物含有率の高さを要求される状況下では、例え、厚膜が得られようとも、このような窒化物含有率の低さは重大な問題点であった。   However, since the sprayed film described in Patent Document 2 contains an additive such as an oxide in the spraying raw material, the nitride (silicon nitride) content in the film is naturally low. Therefore, under a situation where a high nitride content is required, even if a thick film is obtained, such a low nitride content is a serious problem.

一方、特許文献3に記載される方法により窒化アルミニウム膜を成膜した場合には、窒化物(窒化アルミニウム)含有率の比較的高い窒化物膜が得られるが、未反応のアルミニウムが膜中に混入するために、その窒化物含有率の高さはまだまだ不十分な高さであるという問題点があった。   On the other hand, when an aluminum nitride film is formed by the method described in Patent Document 3, a nitride film having a relatively high nitride (aluminum nitride) content is obtained, but unreacted aluminum is contained in the film. In order to mix in, there was a problem that the height of the nitride content was still insufficient.

また、この特許文献3に記載される方法を用いた場合、窒素を含む熱プラズマ中におけるアルミニウム粉末が窒化反応に伴う結晶成長により凝集体を形成し易いという問題点があった。よって、この方法によって得られた窒化物膜は、厚膜ではあるが、一見にして凝集体の形成を確認できる粗膜であり、わずかな摩擦によっても剥離してしまうという問題点があった。   Further, when the method described in Patent Document 3 is used, there is a problem that the aluminum powder in the thermal plasma containing nitrogen easily forms aggregates due to crystal growth accompanying the nitriding reaction. Therefore, although the nitride film obtained by this method is a thick film, it is a rough film that can be confirmed to form aggregates at a glance, and has a problem that it is peeled off even by slight friction.

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、窒化物含有率が高く、かつ、厚くて緻密な窒化物膜と、そのような窒化物膜を基材上に容易に形成できる成膜方法とを提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and has a high nitride content and a thick and dense nitride film, and such a nitride film can be easily formed on a substrate. An object of the present invention is to provide a film forming method that can be formed.

この目的を達成するために、請求項1記載の窒化物膜は、金属元素又は非金属元素の粉末とその元素の窒化物の粉末とから実質的に構成される混合物を溶射原料として用いる溶射法により成膜され、その膜厚が1μm以上、かつ、3mm以下であると共に、前記窒化物の含有率が25mol%(モル%)以上、かつ、100mol%以下である。   In order to achieve this object, the nitride film according to claim 1 is a thermal spraying method in which a mixture substantially composed of a powder of a metal element or a nonmetallic element and a nitride powder of the element is used as a thermal spraying raw material. The film thickness is 1 μm or more and 3 mm or less, and the nitride content is 25 mol% (mol%) or more and 100 mol% or less.

なお、特許請求の範囲及び以下の説明において、用語「窒化物膜」は、窒化物を主成分として含有する膜を意図し、窒化物のみで形成される膜であることを意図するものではない。   In the claims and the following description, the term “nitride film” intends a film containing nitride as a main component, and is not intended to be a film formed only of nitride. .

請求項2記載の成膜方法は、金属又は非金属元素の窒化物を含む窒化物膜を溶射法によって基材上に形成する方法であって、この方法では、窒素を含む熱プラズマを発生させ、その窒素を含む熱プラズマ中に、金属元素又は非金属元素の粉末とその元素の窒化物の粉末とから実質的に構成される混合物を溶射原料として供給することによって該混合物を溶射し、該基材上に前記窒化物膜を形成する。   The film forming method according to claim 2 is a method of forming a nitride film containing a nitride of a metal or a nonmetallic element on a substrate by a thermal spraying method, and in this method, thermal plasma containing nitrogen is generated. In the thermal plasma containing nitrogen, the mixture is sprayed by supplying a mixture substantially composed of a powder of a metal element or a non-metal element and a nitride powder of the element as a spraying raw material, The nitride film is formed on a substrate.

請求項3記載の成膜方法は、請求項2記載の成膜方法において、前記溶射は、熱プラズマを、前記基材上に形成された窒化物膜の表面と接触させつつ行う。   The film forming method according to claim 3 is the film forming method according to claim 2, wherein the thermal spraying is performed while bringing thermal plasma into contact with the surface of the nitride film formed on the substrate.

請求項4記載の成膜方法は、請求項3記載の成膜方法において、前記熱プラズマと前記窒化物膜の表面との接触部分の温度は、前記窒化物の分解温度以下又は分解温度未満である。   The film forming method according to claim 4 is the film forming method according to claim 3, wherein a temperature of a contact portion between the thermal plasma and the surface of the nitride film is equal to or lower than a decomposition temperature of the nitride or less than a decomposition temperature. is there.

請求項5記載の成膜方法は、請求項3又は4記載の成膜方法において、前記熱プラズマと前記窒化物膜の表面との接触部分の温度は、前記金属元素又は非金属元素の融点以上又は融点を超える。   The film forming method according to claim 5 is the film forming method according to claim 3 or 4, wherein a temperature of a contact portion between the thermal plasma and the surface of the nitride film is equal to or higher than a melting point of the metal element or the nonmetal element. Or the melting point is exceeded.

請求項6記載の成膜方法は、請求項2から5のいずれかに記載の成膜方法において、前記基材上に形成された窒化物膜を前記熱プラズマにさらに接触させる。   A film forming method according to a sixth aspect is the film forming method according to any one of the second to fifth aspects, wherein the nitride film formed on the substrate is further brought into contact with the thermal plasma.

請求項7記載の成膜方法は、請求項2から6のいずれかに記載の成膜方法において、前記金属元素又は非金属元素の粉末及びその元素の窒化物の粉末の粒径は、0.1μm以上、かつ、200μm以下である。   The film formation method according to claim 7 is the film formation method according to any one of claims 2 to 6, wherein a particle size of the powder of the metal element or the nonmetal element and the nitride powder of the element is 0.00. 1 μm or more and 200 μm or less.

請求項1記載の窒化物膜によれば、溶射法の溶射原料として、金属元素又は非金属元素の粉末とその元素の窒化物の粉末とから実質的に構成される混合物を用いるので、金属元素又は非金属元素の粉末が窒化反応に伴う結晶成長によって凝集することが抑制されるために膜が緻密であると共に、未反応の金属元素又は非金属元素の混入が抑制されるために膜中の窒化物含有率の高いという効果がある。   According to the nitride film according to claim 1, since a mixture substantially composed of a powder of a metal element or a non-metal element and a nitride powder of the element is used as a thermal spraying raw material for the thermal spraying method, the metal element In addition, the film is dense because the nonmetallic element powder is prevented from agglomerating due to crystal growth accompanying the nitriding reaction, and the contamination of the unreacted metallic element or nonmetallic element is suppressed in the film. There is an effect that the nitride content is high.

また、その膜厚が1μm以上であるので、摩耗などに対する耐久性に優れるという効果がある。一方で、膜厚が3mm以下であるので、市場では需要が高く、経済的であるという効果がある。   Further, since the film thickness is 1 μm or more, there is an effect that the durability against wear and the like is excellent. On the other hand, since the film thickness is 3 mm or less, there is an effect that demand is high and economical in the market.

さらに、溶射法により成膜された膜であるので、摩耗などに対する耐久性に優れる1μm以上の膜厚を有する膜が得られるという効果がある。   Furthermore, since it is a film formed by a thermal spraying method, there is an effect that a film having a film thickness of 1 μm or more which is excellent in durability against abrasion or the like can be obtained.

加えて、膜における窒化物含有率が25mol%以上、かつ、100mol%以下と高いので、窒化物が示す優れた特性を有効に発現し得るという効果がある。   In addition, since the nitride content in the film is as high as 25 mol% or more and 100 mol% or less, there is an effect that the excellent characteristics exhibited by the nitride can be effectively expressed.

請求項2記載の成膜方法によれば、溶射原料である金属元素又は非金属元素の粉末とその元素の窒化物の粉末とから実質的に構成される混合物が溶射され、それによって該基材上に窒化物膜が形成される。   According to the film forming method of claim 2, a mixture substantially composed of a powder of a metal element or a nonmetal element which is a spraying raw material and a nitride powder of the element is sprayed, whereby the base material is sprayed. A nitride film is formed thereon.

従って、金属元素又は非金属元素の粉末(以下、必要に応じて「元素粉末」と称することがある)とその元素の窒化物の粉末(以下、必要に応じて「窒化物粉末」と称することがある)とから実質的に構成される混合物を溶射材料とするので、窒化物粉末の存在によって、元素粉末の窒化反応に伴う結晶成長による凝集体の形成が抑制され、その結果として、緻密な厚膜を容易に得ることができるという効果がある。   Therefore, a powder of a metal element or a non-metal element (hereinafter sometimes referred to as “element powder” if necessary) and a nitride powder of the element (hereinafter referred to as “nitride powder” if necessary) Therefore, the presence of the nitride powder suppresses the formation of aggregates due to crystal growth associated with the nitridation reaction of the element powder. There is an effect that a thick film can be easily obtained.

また、窒化物粉末を予め混合しておくことにより、窒化物含有量を増大できると共に、相対的に未反応の元素粉末の割合を低減できるために、結果的に、窒化物含有率の高い厚膜を得ることができるという効果がある。   In addition, by mixing the nitride powder in advance, the nitride content can be increased and the proportion of the relatively unreacted element powder can be reduced. There is an effect that a film can be obtained.

請求項3記載の成膜方法は、請求項2記載の成膜方法の奏する効果に加えて、熱プラズマと基材上に形成された窒化物膜の表面とを接触させつつ溶射を行うので、基材上に形成された窒化物膜中に含まれる元素の窒化が促進され、その結果として、窒化物膜中の窒化物含有率が増加すると共に、緻密性を向上させることができるという効果がある。   In addition to the effect of the film forming method according to claim 2, the film forming method according to claim 3 performs thermal spraying while bringing thermal plasma into contact with the surface of the nitride film formed on the substrate. The nitridation of elements contained in the nitride film formed on the substrate is promoted, and as a result, the nitride content in the nitride film is increased and the denseness can be improved. is there.

請求項4記載の成膜方法によれば、請求項3記載の成膜方法の奏する効果に加えて、熱プラズマと窒化物膜の表面との接触部分において、その温度を窒化物の分解温度以下又は分解温度未満とするので、元素粉末の窒化反応により生成された窒化物の分解が抑制され、その結果、窒化物含有率が高く緻密な窒化物膜を基材上に形成させることができるという効果がある。また、形成された窒化物膜の表面をさらに熱プラズマと接触させた場合に、膜中の窒化物の分解を抑制できるという効果もある。   According to the film forming method of claim 4, in addition to the effect of the film forming method of claim 3, the temperature of the contact portion between the thermal plasma and the surface of the nitride film is equal to or lower than the decomposition temperature of the nitride. Alternatively, since the temperature is lower than the decomposition temperature, decomposition of the nitride generated by the nitriding reaction of the element powder is suppressed, and as a result, a dense nitride film having a high nitride content can be formed on the substrate. effective. Further, when the surface of the formed nitride film is further brought into contact with thermal plasma, there is an effect that the decomposition of the nitride in the film can be suppressed.

請求項5記載の成膜方法によれば、請求項3又は4記載の成膜方法の奏する効果に加えて、熱プラズマと窒化物膜の表面との接触部分において、その温度を溶射原料に含まれる金属元素又は非金属元素の融点以上又は融点を超えるようにするので、基材の表面又は窒化物膜の表面において元素粉末が確実に溶融される。その結果、窒化反応を確実に進行させることができるので、窒化物含有率が高く緻密な窒化物膜を得ることができるという効果がある。また、形成された窒化物膜の表面をさらに熱プラズマと接触させた場合に、膜中に残存する未反応の金属元素又は非金属元素の窒化を促進できるという効果もある。   According to the film forming method of claim 5, in addition to the effect of the film forming method of claim 3 or 4, the temperature is included in the thermal spray raw material at the contact portion between the thermal plasma and the surface of the nitride film. Therefore, the element powder is reliably melted on the surface of the base material or the surface of the nitride film. As a result, the nitriding reaction can surely proceed, so that there is an effect that a dense nitride film having a high nitride content can be obtained. Further, when the surface of the formed nitride film is further brought into contact with thermal plasma, there is an effect that nitridation of an unreacted metal element or nonmetal element remaining in the film can be promoted.

請求項6記載の成膜方法によれば、請求項2から5のいずれかに記載の成膜方法の奏する効果に加えて、基材上に形成された窒化物膜が、さらに、熱プラズマと接触されるので、膜中に残存する未反応の金属元素又は非金属元素が窒化され、その結果、より窒化物含有率の高い窒化物膜を得ることができるという効果がある。   According to the film-forming method of Claim 6, in addition to the effect which the film-forming method in any one of Claim 2 to 5 shows, the nitride film formed on the base material further includes thermal plasma and Since contact is made, the unreacted metal element or nonmetal element remaining in the film is nitrided, and as a result, there is an effect that a nitride film having a higher nitride content can be obtained.

請求項7記載の成膜方法によれば、請求項2から6のいずれかに記載の成膜方法の奏する効果に加えて、溶射原料である混合物に含まれる元素粉末(金属元素又は非金属元素の粉末)及び窒化物粉末(その元素の窒化物の粉末)の粒径が200μm以下とされるので、熱プラズマとの反応性が高く、その結果、窒化物含有率が高く緻密な窒化物膜を得ることができるという効果がある。   According to the film-forming method of Claim 7, in addition to the effect which the film-forming method in any one of Claim 2 to 6 shows, element powder (metallic element or non-metallic element) contained in the mixture which is a thermal spray raw material ) And nitride powder (nitride powder of the element) are 200 μm or less, so that the reactivity with thermal plasma is high, and as a result, the nitride content is high and the dense nitride film There is an effect that can be obtained.

一方で、元素粉末及び窒化物粉末の粒径が0.1μm以上とされるので、溶射原料の流動性に優れるため、簡易な溶射原料供給器を用いたとしても、容易に窒化物膜を形成させることができるという効果がある。   On the other hand, since the particle size of the element powder and nitride powder is 0.1 μm or more, the fluidity of the thermal spray raw material is excellent, so even if a simple thermal spray raw material feeder is used, a nitride film is easily formed. There is an effect that can be made.

以下に本発明を詳細に説明する。
[窒化物膜]
本発明の窒化物膜は、溶射法(特にプラズマ溶射法)により得られる膜であり、窒化物含有率の高い窒化物膜を得るために一般的に用いられているPVD法やCVD法などでは得ることができなかった厚い膜厚を有するものである。
The present invention is described in detail below.
[Nitride film]
The nitride film of the present invention is a film obtained by a thermal spraying method (especially a plasma spraying method). In the PVD method or the CVD method generally used for obtaining a nitride film having a high nitride content, It has a thick film thickness that could not be obtained.

ここで、本発明の窒化物膜の膜厚は、約1μm以上、かつ、約3mm以下であることが好ましく、約100μm以上、かつ、約1mm以下であることがより好ましい。なお、窒化物膜の膜厚が約1μm未満であると、膜が薄くて摩耗などに対する耐久性が不十分である。一方で、膜厚が約3mmを超える窒化物膜は、本発明の窒化物膜を利用する技術領域では一般的に要求されない上に、経済的ではない。   Here, the film thickness of the nitride film of the present invention is preferably about 1 μm or more and about 3 mm or less, and more preferably about 100 μm or more and about 1 mm or less. If the thickness of the nitride film is less than about 1 μm, the film is thin and durability against abrasion or the like is insufficient. On the other hand, a nitride film having a film thickness exceeding about 3 mm is not generally required and is not economical in the technical field using the nitride film of the present invention.

また、本発明の窒化物膜は、溶射法において、金属元素又は非金属元素の粉末とその元素の窒化物の粉末とから実質的に構成される混合物を溶射原料とするので、詳細は後述するが、溶射原料を元素粉末(アルミニウム粉末)のみとした場合(特許文献3の方法)では得ることができなかった緻密さを有する。なお、本発明の窒化物膜は、その緻密さを規定するための密度の値を特に限定するものではないが、空孔を有さない程度に緻密な膜であることが好ましく、空孔を有さない膜であることがより好ましい。   In addition, the nitride film of the present invention uses a mixture substantially composed of a powder of a metal element or a non-metal element and a nitride powder of the element in a thermal spraying method, and the details will be described later. However, when the spraying raw material is only element powder (aluminum powder) (the method of Patent Document 3), it has a denseness that cannot be obtained. The nitride film of the present invention does not particularly limit the density value for defining the density, but is preferably a film that is dense enough not to have vacancies. It is more preferable that the film does not have.

また、詳細は後述するが、金属元素又は非金属元素の粉末とその元素の窒化物の粉末とから実質的に構成される混合物を溶射原料とするために、本発明の窒化物膜は窒化物含有率が高い。   Although details will be described later, the nitride film of the present invention is a nitride in order to use a mixture substantially composed of a powder of a metal element or a non-metal element and a powder of a nitride of the element as a thermal spraying raw material. High content.

ここで、本発明の窒化物膜において、その窒化物含有率は、約25mol%以上、かつ、約100mol%以下であることが好ましく、これによって、膜に含まれる窒化物の優れた特性(例えば、窒化アルミニウムであれば熱伝導性や絶縁性や耐腐食性)を有効に活用することができる。また、より好ましい窒化物含有率は、約40mol以上、かつ、約100mol%以下であり、さらにより好ましくは、約90mol以上、かつ、約100mol%以下である。   Here, in the nitride film of the present invention, the nitride content is preferably not less than about 25 mol% and not more than about 100 mol%, whereby excellent characteristics of the nitride contained in the film (for example, In the case of aluminum nitride, thermal conductivity, insulation and corrosion resistance can be effectively utilized. A more preferable nitride content is about 40 mol or more and about 100 mol% or less, and still more preferably about 90 mol or more and about 100 mol% or less.

本発明の窒化物膜を構成する窒化物としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化クロム、窒化珪素、窒化鉄などが挙げられる。なお、本発明の窒化物膜が例えば窒化アルミニウム膜であるとした場合には、金属元素粉末としてのアルミニウム粉末と、その元素粉末の窒化物の粉末である窒化アルミニウム粉末とから実質的に構成される混合物が溶射原料として用いられることになる。一方で、例えば、本発明の窒化物膜を窒化珪素膜とした場合には、非金属元素粉末としての珪素粉末と、その元素粉末の窒化物の粉末である窒化珪素粉末とから実質的に構成される混合物が溶射原料として用いられる。   Examples of the nitride constituting the nitride film of the present invention include aluminum nitride, titanium nitride, chromium nitride, silicon nitride, and iron nitride. When the nitride film of the present invention is an aluminum nitride film, for example, it is substantially composed of an aluminum powder as a metal element powder and an aluminum nitride powder that is a nitride powder of the element powder. This mixture will be used as a thermal spray raw material. On the other hand, for example, when the nitride film of the present invention is a silicon nitride film, it is substantially composed of a silicon powder as a nonmetallic element powder and a silicon nitride powder that is a nitride powder of the element powder. The resulting mixture is used as a thermal spray raw material.

また、本発明の窒化物膜における窒化物以外の成分は、その構成元素のみである。即ち、本発明の窒化物膜は、溶射原料と反応性プラズマとの反応によって生じる窒化物と、その溶射原料に由来する成分(金属元素又は非金属元素自体やその酸化物など)のみを含む膜であり、例えば、特許文献2に記載される溶射膜に含まれる結合助剤のような添加剤に起因する異種成分を含まない膜である。その結果として、本発明の窒化物膜における窒化物含有率を高めることができるため、膜に含まれる窒化物の優れた特性を有効に活用することができるのである。   In addition, components other than nitride in the nitride film of the present invention are only constituent elements. That is, the nitride film of the present invention is a film containing only a nitride generated by a reaction between a thermal spraying raw material and reactive plasma and a component derived from the thermal spraying raw material (such as a metal element or a nonmetallic element itself or its oxide). For example, it is a film that does not contain a different component due to an additive such as a binding aid contained in the sprayed film described in Patent Document 2. As a result, since the nitride content in the nitride film of the present invention can be increased, the excellent characteristics of the nitride contained in the film can be effectively utilized.

[成膜方法]
本発明の窒化物膜の成膜方法は、熱プラズマを利用する溶射法を用いて基材上に窒化物膜を形成する方法である。ここで、図1及び図2を参照しつつ本発明の成膜方法について説明する。
[Film formation method]
The nitride film forming method of the present invention is a method of forming a nitride film on a substrate using a thermal spraying method using thermal plasma. Here, the film forming method of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1は、本発明の窒化物膜を基材上に形成する装置の一例として、減圧下で基材101上に溶射原料のプラズマ溶射を行う装置100を示す模式図である。   FIG. 1 is a schematic view showing an apparatus 100 for performing plasma spraying of a thermal spray material on a substrate 101 under reduced pressure as an example of an apparatus for forming a nitride film of the present invention on a substrate.

図1に示すように、装置100は、その内部に基材101を保持する基材ホルダ102等が設置された真空槽103と、その真空槽103の上方に隣接して設置され、その内部において熱プラズマ104を発生させる石英管113とから構成される。   As shown in FIG. 1, the apparatus 100 is installed adjacent to the vacuum chamber 103 in which the base material holder 102 etc. which hold | maintain the base material 101 etc. were installed in the inside of the vacuum chamber 103, and in the inside. It comprises a quartz tube 113 that generates thermal plasma 104.

石英管113には、プラズマガスライン109aが連通されており、このプラズマガスライン109aを介して、熱プラズマ104の発生源となる後述するプラズマガス109が石英管113内へ導入される。   A plasma gas line 109 a is communicated with the quartz tube 113, and a plasma gas 109 (to be described later) serving as a generation source of the thermal plasma 104 is introduced into the quartz tube 113 through the plasma gas line 109 a.

ここで、石英管113の周囲には高周波コイル110が設置されており、この高周波コイル110に高周波を印加することによって、石英管113内部へ導入されたプラズマガス109から熱プラズマ104を発生させる。   Here, a high frequency coil 110 is installed around the quartz tube 113, and thermal plasma 104 is generated from the plasma gas 109 introduced into the quartz tube 113 by applying a high frequency to the high frequency coil 110.

また、石英管113には、シースガスライン108aが連通されており、このシースガスラインを介して、熱プラズマ104の発生時に石英管113を保護するためのアルゴンガスなどのシースガス108が導入される。   Further, a sheath gas line 108 a is communicated with the quartz tube 113, and a sheath gas 108 such as argon gas for protecting the quartz tube 113 when the thermal plasma 104 is generated is introduced through the sheath gas line. .

さらに、石英管113には、溶射原料供給ライン112bが連通されている。そして、この溶射原料供給ライン112bの他端には、溶射原料(非図示:後述する図2における溶射原料Mに相当するもの)の入った溶射原料供給器111が設置されている。この溶射原料供給器111にキャリアガス112を導入管112aを通じて導入することによって、溶射原料供給ライン112bを介して、溶射原料(非図示)が石英管113に供給される。   Further, a thermal spray raw material supply line 112 b is communicated with the quartz tube 113. At the other end of the thermal spray raw material supply line 112b, a thermal spray raw material feeder 111 containing a thermal spray raw material (not shown: one corresponding to the thermal spray raw material M in FIG. 2 described later) is installed. By introducing the carrier gas 112 into the thermal spray raw material supplier 111 through the introduction pipe 112a, the thermal spray raw material (not shown) is supplied to the quartz tube 113 via the thermal spray raw material supply line 112b.

石英管113aに供給された溶射原料は、熱プラズマ104により溶融され、熱プラズマ104の気流によって、真空槽103内部に設置された基材ホルダ102上に保持された基材101上に吹き付けられ、その結果として、本発明では窒化物膜である溶射膜116(以下、必要に応じて「窒化物膜116」と称することがある)が基材101上に形成される。   The thermal spray raw material supplied to the quartz tube 113a is melted by the thermal plasma 104 and sprayed onto the base material 101 held on the base material holder 102 installed in the vacuum chamber 103 by the air flow of the thermal plasma 104, As a result, in the present invention, a sprayed film 116 that is a nitride film (hereinafter, may be referred to as “nitride film 116” if necessary) is formed on the substrate 101.

また、図1に示す装置100は、上記したように減圧下でプラズマ溶射を行う装置であるため、真空槽103には、その内部を減圧するロータリーポンプ107が連結されている。   Since the apparatus 100 shown in FIG. 1 is an apparatus that performs plasma spraying under reduced pressure as described above, a rotary pump 107 that reduces the pressure inside the vacuum chamber 103 is connected to the apparatus 100.

ここで、装置100で行われる減圧プラズマ溶射における圧力条件としては、ロータリーポンプ107によって装置100内を0.5Torr以下に減圧しておいてから、プラズマガス109及びシースガス108を装置100内に導入し、20〜150Torrの圧力として溶射膜100を成膜することなどが例示される。   Here, as a pressure condition in the low-pressure plasma spraying performed in the apparatus 100, the pressure in the apparatus 100 is reduced to 0.5 Torr or less by the rotary pump 107, and then the plasma gas 109 and the sheath gas 108 are introduced into the apparatus 100. For example, the sprayed film 100 is formed at a pressure of 20 to 150 Torr.

なお、本発明の窒化物膜を得るためのプラズマ溶射における圧力条件は特に限定されるものではなく、図1を参照しつつ上記した減圧プラズマ溶射であってもよいし、次に図2を参照しつつ説明する常圧(大気圧)でのプラズマ溶射であってもよいし、加圧プラズマ溶射であってもよい。   In addition, the pressure conditions in the plasma spraying for obtaining the nitride film of the present invention are not particularly limited, and may be the above-described reduced pressure plasma spraying with reference to FIG. 1, and then refer to FIG. However, it may be plasma spraying at normal pressure (atmospheric pressure) described below or pressurized plasma spraying.

図2は、本発明の窒化物膜を基材上に形成する装置の別の例として、常圧(大気圧)で基材25上に溶射原料のプラズマ溶射を行う装置200を示す模式図である。なお、図2に示す装置200において、上記した装置100(図1参照)と同一の部分には同一の符号を付して、その説明を省略する。   FIG. 2 is a schematic view showing an apparatus 200 for performing plasma spraying of a thermal spray material on the base material 25 at normal pressure (atmospheric pressure) as another example of the apparatus for forming the nitride film of the present invention on the base material. is there. In the apparatus 200 shown in FIG. 2, the same parts as those of the apparatus 100 (see FIG. 1) described above are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

図2に示すように、装置200は、常圧で熱プラズマを発生させる部位として、カソード20と、アノード21と、これらのカソード20とアノード21との間に電圧を印加するための電源27と、プラズマガス109を供給するためのプラズマガスライン109aと、非図示のキャリアガス(図1におけるキャリアガス112に相当するもの)によって非図示の原料供給器(図1における原料供給器111に相当するもの)から溶射原料Mを供給するための溶射原料供給ライン112bとを備えると共に、基材25を保持する基材ホルダ(非図示)を備えて構成される。   As shown in FIG. 2, the apparatus 200 includes a cathode 20, an anode 21, and a power supply 27 for applying a voltage between the cathode 20 and the anode 21 as a part for generating thermal plasma at normal pressure. , A plasma gas line 109a for supplying the plasma gas 109, and a carrier gas (not shown) corresponding to the carrier gas 112 in FIG. 1 (corresponding to the raw material supplier 111 in FIG. 1). And a thermal spray raw material supply line 112b for supplying the thermal spray raw material M from the one) and a base material holder (not shown) for holding the base material 25.

装置200では、常圧において、熱プラズマ104の発生源となる後述するプラズマガス109が、プラズマガスライン109aを介して導入し、カソード20とアノード21との間に電圧を印加することにより直流アークで熱プラズマ104を発生させる。   In the apparatus 200, a plasma gas 109, which will be described later, which is a generation source of the thermal plasma 104, is introduced through a plasma gas line 109 a at normal pressure, and a voltage is applied between the cathode 20 and the anode 21 to generate a direct current arc. The thermal plasma 104 is generated.

なお、この装置200では熱プラズマ104の発生方法を直流アークとした。一方で、図1を参照しつつ上記した装置100では、高周波によって熱プラズマ104を発生させた。このように、熱プラズマ104の発生方法は特に限定されるものではなく、この装置200における熱プラズマ104の発生方法である直流アークや、装置100(図1参照)における熱プラズマ104の発生方法である高周波以外にも、交流アークなどを利用することができる。   In this apparatus 200, the method of generating the thermal plasma 104 is a direct current arc. On the other hand, in the apparatus 100 described above with reference to FIG. 1, the thermal plasma 104 is generated by a high frequency. As described above, the generation method of the thermal plasma 104 is not particularly limited, and may be a direct current arc that is a generation method of the thermal plasma 104 in the apparatus 200 or a generation method of the thermal plasma 104 in the apparatus 100 (see FIG. 1). In addition to a certain high frequency, an AC arc or the like can be used.

上記のように熱プラズマ104を発生する一方で、溶射原料供給ライン112bから溶射原料Mを供給すると、熱プラズマ104によって溶融された溶射原料Mが基材101上に吹き付けられ、その結果として、本発明では窒化物膜である溶射膜116(窒化物膜116)が基材101上に形成される。   While the thermal plasma 104 is generated as described above, when the thermal spray raw material M is supplied from the thermal spray raw material supply line 112b, the thermal spray raw material M melted by the thermal plasma 104 is sprayed onto the substrate 101, and as a result, In the present invention, a sprayed film 116 (nitride film 116) that is a nitride film is formed on the substrate 101.

ここで、本発明の窒化物膜を得るための溶射原料(溶射原料M)は、金属元素又は非金属元素の粉末とその元素の窒化物とから実質的に構成される混合物である。本発明の窒化物膜を得るために使用できる金属元素又は非金属元素の粉末としては、アルミニウム、チタン、クロム、珪素、鉄などの粉末が挙げられる。   Here, the thermal spray raw material (thermal spray raw material M) for obtaining the nitride film of the present invention is a mixture substantially composed of a powder of a metallic element or a nonmetallic element and a nitride of the element. Examples of the metal element or nonmetal element powder that can be used to obtain the nitride film of the present invention include powders of aluminum, titanium, chromium, silicon, iron, and the like.

一方で、金属元素又は非金属元素の窒化物の粉末としては、上記列挙した元素の窒化物である、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化クロム、窒化珪素、窒化鉄などの粉末を用いることができる。   On the other hand, as a powder of a nitride of a metal element or a nonmetal element, a powder of aluminum nitride, titanium nitride, chromium nitride, silicon nitride, iron nitride, or the like, which is a nitride of the elements listed above, can be used.

溶射原料として、元素粉末にその元素の窒化物粉末を予め混合しておくことにより、窒化物含有量を増大できると共に、相対的に未反応の元素粉末の割合を低減できるために、結果的に、窒化物含有率の高い窒化物膜を得ることができる。   As a thermal spraying raw material, the nitride content of the element is previously mixed with the element powder, so that the nitride content can be increased and the ratio of the relatively unreacted element powder can be reduced. A nitride film having a high nitride content can be obtained.

また、窒化物粉末の存在により、溶射時における元素粉末の窒化反応に伴う結晶成長による凝集が抑制されるので、緻密な窒化物膜116を得ることができる。なお、本発明の成膜方法によれば、従来行われていたアルミニウム粉末のみを溶射原料とする方法(特許文献3に記載される方法)に比べ、容易に緻密な膜を形成することができる。   In addition, the presence of the nitride powder suppresses aggregation due to crystal growth accompanying the nitriding reaction of the element powder during spraying, so that a dense nitride film 116 can be obtained. In addition, according to the film forming method of the present invention, a dense film can be easily formed as compared with a conventional method using only aluminum powder as a thermal spray raw material (method described in Patent Document 3). .

なお、溶射原料となる混合物中における元素粉末と窒化物粉末との好ましい混合比は、プラズマガス109の流量や供給電力などの各種ファクターに依存して変化するが、広い範囲の混合比(例えば、元素粉末:窒化物粉末(重量比)=約2:約8〜約8:約2)において、窒化物含有量が高くかつ緻密な厚膜を形成することができる。   Note that the preferable mixing ratio of the element powder and the nitride powder in the mixture to be the spraying raw material varies depending on various factors such as the flow rate of the plasma gas 109 and the supply power, but a wide range of mixing ratios (for example, Element powder: nitride powder (weight ratio) = about 2: about 8 to about 8: about 2), a dense thick film having a high nitride content can be formed.

元素粉末と窒化物粉末との混合方法としては、2種類の粉末を1つの容器にいれて単純に混合する単純混合や、メカニカルアロイング法などの機械的混合などの混合法を用いることができる。ここで、単純混合は、混合が容易であるという利点があり、機械的混合は、粉末の角が取れて丸くなるために、溶射原料の供給が容易になるという利点がある。特に、メカニカルアロイング法による混合は、比重及び融点などが全く異なる2種類の粉末を均質に混合することができるので好ましい。   As a mixing method of the element powder and the nitride powder, a simple mixing method in which two kinds of powders are put in one container and simply mixed, or a mechanical mixing method such as a mechanical alloying method can be used. . Here, the simple mixing has an advantage that the mixing is easy, and the mechanical mixing has an advantage that the sprayed raw material can be easily supplied because the powder is rounded and rounded. In particular, mixing by the mechanical alloying method is preferable because two kinds of powders having completely different specific gravity and melting point can be mixed uniformly.

本発明の成膜方法では、溶射原料となる混合物における元素粉末及び窒化物粉末の粒径は、約0.1μm以上、かつ、約200μm以下であることが好ましく、約1μm以上、かつ、約200μm以下であることがより好ましい。なお、この「粒径」として平均粒径を利用することができ、その場合には、粒径を一般的な光透過型の粒度分布測定装置などにより測定することができる。   In the film forming method of the present invention, the particle sizes of the element powder and the nitride powder in the mixture that is the thermal spraying raw material are preferably about 0.1 μm or more and about 200 μm or less, and about 1 μm or more and about 200 μm. The following is more preferable. The average particle diameter can be used as the “particle diameter”, and in this case, the particle diameter can be measured by a general light transmission type particle size distribution measuring apparatus.

元素粉末及び窒化物粉末の粒径が約0.1μm未満になると、溶射原料供給器111の構造を工夫するなどしても溶射材料を装置100へ供給することが困難になるので、窒化物膜116の形成そのものが不可能となる。一方で、元素粉末及び窒化物粉末の粒径が約200μmを超えると、溶射原料と熱プラズマ104との反応性が悪くなり、その結果として、窒化物含有率の低下及び粗い窒化物膜が形成されてしまう。   If the particle size of the element powder and the nitride powder is less than about 0.1 μm, it is difficult to supply the sprayed material to the apparatus 100 even if the structure of the sprayed material supply device 111 is devised. The formation of 116 becomes impossible. On the other hand, when the particle size of the element powder and the nitride powder exceeds about 200 μm, the reactivity between the thermal spray raw material and the thermal plasma 104 is deteriorated. As a result, the nitride content is lowered and a coarse nitride film is formed. Will be.

ここで、溶射原料を装置100(石英管113)に供給する際の供給速度は一定であることが好ましい。溶射原料の供給速度を一定にすることによって、熱プラズマ中における元素粉末の窒化反応性を均一にすることができ、その結果、緻密な窒化物膜116を形成できると共に、均一な厚さの窒化物膜116を形成することができる。   Here, it is preferable that the supply rate when supplying the thermal spray raw material to the apparatus 100 (quartz tube 113) is constant. By making the supply rate of the thermal spray raw material constant, the nitridation reactivity of the element powder in the thermal plasma can be made uniform, and as a result, a dense nitride film 116 can be formed and nitriding with a uniform thickness can be performed. A material film 116 can be formed.

なお、本発明の成膜方法により、窒化物膜116によって被覆される基材101は、特に限定されるものではなく、ステンレスや炭素鋼などの金属基材、グラファイト基材、石英基材、セラミックス基材などの種々の基材を用いることができる。この基材101は、本発明の成膜方法により形成される窒化物膜116との密着性を高めるために、溶射前に、その表面をブラスト法などによって予め粗面化しておくことが好ましい。   The substrate 101 covered with the nitride film 116 by the film forming method of the present invention is not particularly limited, and is a metal substrate such as stainless steel or carbon steel, a graphite substrate, a quartz substrate, or a ceramic. Various base materials, such as a base material, can be used. In order to improve the adhesion of the base material 101 to the nitride film 116 formed by the film forming method of the present invention, it is preferable to roughen the surface in advance by a blast method or the like before spraying.

また、本発明の成膜方法では、熱プラズマ104中において元素粉末を窒化反応に供するために、熱プラズマ104には、窒素原子含有ガス(例えば、窒素ガスやアンモニウムガスなど)が含まれることが必須である。従って、プラズマガス109は少なくとも必須成分として窒素ガスやアンモニウムガス等の窒素原子含有ガスを含む。   In the film forming method of the present invention, since the elemental powder is subjected to the nitriding reaction in the thermal plasma 104, the thermal plasma 104 may contain a nitrogen atom-containing gas (for example, nitrogen gas or ammonium gas). It is essential. Therefore, the plasma gas 109 contains at least a nitrogen atom-containing gas such as nitrogen gas or ammonium gas as an essential component.

プラズマガス109には、必須成分である窒素原子含有ガス以外のガスとの混合ガスであってもよい。例えば、熱プラズマ104の安定性を向上させる作用のあるガス(例えば、アルゴンガスなど)を窒素ガスに混合してもよい。   The plasma gas 109 may be a mixed gas with a gas other than the nitrogen atom-containing gas which is an essential component. For example, a gas having an action of improving the stability of the thermal plasma 104 (for example, argon gas) may be mixed with nitrogen gas.

プラズマガス109に窒素含有ガス以外に混合するガスとしては、水素ガスが特に好ましい。プラズマガス109に水素ガスを混合することによって、生成された窒化物膜116中に含まれる元素(金属元素又は非金属元素)の表面に被覆された酸化物膜を除去することができる。よって、窒化物膜116に熱プラズマ104を接触させた場合に、窒化物膜116中の元素が窒化されやすくなり、その結果として、窒化物膜116中の窒化物含有率の増加を促進させることができる。   Hydrogen gas is particularly preferable as a gas mixed with the plasma gas 109 other than the nitrogen-containing gas. By mixing the hydrogen gas with the plasma gas 109, the oxide film coated on the surface of the element (metal element or non-metal element) contained in the generated nitride film 116 can be removed. Therefore, when the thermal plasma 104 is brought into contact with the nitride film 116, elements in the nitride film 116 are easily nitrided, and as a result, an increase in the nitride content in the nitride film 116 is promoted. Can do.

ここで、基材101上に窒化物膜116をする場合、窒素を含む熱プラズマ104を、窒化物膜116の表面に接触させつつ溶射を行うことが好ましい。窒素を含む熱プラズマ104と窒化物膜116の表面とを接触させつつ溶射を行うことによって、基材101上に形成された窒化物膜116中に含まれる元素(金属元素又は非金属元素)の窒化が促進され、その結果として、窒化物膜116中の窒化物含有率が増加すると共に、緻密性を向上させることができる。   Here, when the nitride film 116 is formed on the substrate 101, it is preferable to perform thermal spraying while bringing the thermal plasma 104 containing nitrogen into contact with the surface of the nitride film 116. By performing thermal spraying while contacting the thermal plasma 104 containing nitrogen and the surface of the nitride film 116, an element (metal element or non-metal element) contained in the nitride film 116 formed on the substrate 101. Nitriding is promoted, and as a result, the nitride content in the nitride film 116 increases, and the denseness can be improved.

なお、窒化物膜116の表面と熱プラズマ104とを接触させる場合には、窒化物膜116の表面に、熱プラズマ104におけるプラズマ密度が高く活性の高い高輝な部分を少なくとも接触させることがより好ましい。熱プラズマ104の高輝な部分が窒化物膜116の表面に接触されることによって、元素の窒化を特に促進できる。   Note that in the case where the surface of the nitride film 116 and the thermal plasma 104 are brought into contact with each other, it is more preferable that the surface of the nitride film 116 is brought into contact with at least a bright portion having high plasma density and high activity in the thermal plasma 104. . When the bright portion of the thermal plasma 104 is brought into contact with the surface of the nitride film 116, the nitridation of the element can be particularly promoted.

熱プラズマ104と窒化物膜116の表面とを接触させつつ溶射するためには、サングラス越しの目視観察によって熱プラズマ104の状態を確認しながら、熱プラズマ104の出口と基材101の表面との距離L(以下、この距離を「溶射距離L」と称する)を調整すればよい。なお、熱プラズマ104における高輝な部分とその周辺の低輝な部分との区別もまた、サングラス越しの目視観察によって確認することができるので、熱プラズマ104の高輝な部分と窒化物膜116の表面とを接触させる場合にもまた、溶射距離Lをサングラス越しに目視観察を行いつつ調整することができる。   In order to spray the thermal plasma 104 and the surface of the nitride film 116 in contact with each other, the state of the thermal plasma 104 is confirmed by visual observation through sunglasses, and the outlet of the thermal plasma 104 and the surface of the substrate 101 are observed. The distance L (hereinafter, this distance is referred to as “spraying distance L”) may be adjusted. In addition, since the distinction between the bright part in the thermal plasma 104 and the low bright part around it can also be confirmed by visual observation through sunglasses, the bright part of the thermal plasma 104 and the surface of the nitride film 116 are observed. Also, the thermal spray distance L can be adjusted while visually observing through sunglasses.

溶射距離Lの調整は、例えば、図1に示すように、基材ホルダ102を下方から支持する台座の一部として、高さ調整可能なスペーサ105を設け、そのスペーサ105の高さを適宜変更することによって行うことができる。なお、図1に示す装置100における溶射距離Lは、熱プラズマ104の出口と基材101の表面との距離である。   For example, as shown in FIG. 1, the spraying distance L is adjusted by providing a height-adjustable spacer 105 as a part of a pedestal that supports the substrate holder 102 from below, and appropriately changing the height of the spacer 105. Can be done. 1 is the distance between the outlet of the thermal plasma 104 and the surface of the substrate 101.

溶射距離Lは可能な限り短い方が、溶射膜116の表面に対し、熱プラズマ104を十分に接触させることができるので好ましい。   It is preferable that the spray distance L is as short as possible because the thermal plasma 104 can be sufficiently brought into contact with the surface of the sprayed film 116.

ここで、例えば、減圧プラズマ溶射を行う装置100(図1参照)の場合、溶射距離Lは、約10mm〜100mm程度であることが好ましく、約20mm〜60mm程度とすることがより好ましい。   Here, for example, in the case of the apparatus 100 (see FIG. 1) that performs low-pressure plasma spraying, the spraying distance L is preferably about 10 mm to 100 mm, and more preferably about 20 mm to 60 mm.

一方で、常圧でのプラズマ溶射を行う装置200(図2参照)の場合、溶射距離Lは、熱プラズマ104が基材101に接触する又は接触しないにかかわらず、約10mm〜300mm程度であることが好ましく、約20mm〜200mm程度とすることがより好ましい。   On the other hand, in the case of the apparatus 200 (see FIG. 2) that performs plasma spraying at normal pressure, the spraying distance L is about 10 mm to 300 mm regardless of whether the thermal plasma 104 is in contact with the substrate 101 or not. It is preferable that the thickness is about 20 mm to 200 mm.

しかし、好ましい溶射距離Lは、熱プラズマ104の発生方法やプラズマの条件や材料などの各種ファクターに応じて変化し得るので、本発明の成膜方法では、溶射距離Lは上記範囲に特に限定されるものではない。   However, since the preferred spraying distance L can vary depending on various factors such as the generation method of the thermal plasma 104, plasma conditions and materials, the spraying distance L is particularly limited to the above range in the film forming method of the present invention. It is not something.

窒素を含む熱プラズマ104を窒化物膜116の表面に接触させつつ溶射を行う場合、熱プラズマ104と成膜中の窒化物膜116の表面との接触部分において、窒化物膜116を構成する窒化物の分解温度以下又は分解温度未満の温度であることが好ましい。   When thermal spraying is performed while the thermal plasma 104 containing nitrogen is in contact with the surface of the nitride film 116, the nitridation that forms the nitride film 116 at the contact portion between the thermal plasma 104 and the surface of the nitride film 116 being formed. It is preferable that the temperature is lower than the decomposition temperature of the product or lower than the decomposition temperature.

このように、熱プラズマ104と成膜中の窒化物膜116の表面との接触部分における温度を、窒化物膜116を構成する窒化物の分解温度以下又は分解温度未満とすることによって、溶射による成膜中の窒化物、即ち、元素粉末の窒化反応により生成された窒化物の分解を抑制することができる。その結果として、窒化物含有率が高く緻密な窒化物膜116を得ることができる。   As described above, the temperature at the contact portion between the thermal plasma 104 and the surface of the nitride film 116 being formed is set to be equal to or lower than the decomposition temperature of the nitride constituting the nitride film 116 or less than the decomposition temperature. Decomposition of nitrides during film formation, that is, nitrides generated by nitriding reaction of elemental powder can be suppressed. As a result, a dense nitride film 116 having a high nitride content can be obtained.

また、成膜中の窒化物の分解を抑制するという点から、熱プラズマ104と成膜中の窒化物膜116の表面との接触部分だけでなく、基材101上に形成された窒化物膜116全体にわたって、その温度が窒化物の分解温度以下又は分解温度未満であることが好ましい。   Further, from the viewpoint of suppressing the decomposition of nitride during film formation, not only the contact portion between the thermal plasma 104 and the surface of the nitride film 116 during film formation, but also the nitride film formed on the substrate 101. Throughout 116, it is preferred that the temperature be below or below the decomposition temperature of the nitride.

一方で、窒素を含む熱プラズマ104を窒化物膜116の表面に接触させつつ溶射を行う際には、熱プラズマ104と成膜中の窒化物膜116の表面との接触部分において、溶射原料Mに含まれる金属元素又は非金属元素の融点以上又は融点を超える温度であることが好ましい。   On the other hand, when thermal spraying is performed while the thermal plasma 104 containing nitrogen is in contact with the surface of the nitride film 116, the thermal spray material M is formed at the contact portion between the thermal plasma 104 and the surface of the nitride film 116 being formed. It is preferable that the temperature be higher than or higher than the melting point of the metal element or non-metal element contained in the metal.

このように、熱プラズマ104と成膜中の窒化物膜116の表面との接触部分における温度を、溶射原料Mに含まれる金属元素又は非金属元素の融点以上又は融点を超えるようにすることによって、溶射による成膜中の元素粉末を確実に溶融させることができる。なお、元素の融点以下の固相状態で窒化反応が進む窒化物(例えば、窒化チタン)も一部存在するが、多くの窒化物膜に対しては、上記のように元素粉末を確実に溶融させることによって窒化反応を確実に進行させることができるので、窒化物含有率が高く緻密な窒化物膜116を得ることができるので有効である。   As described above, the temperature at the contact portion between the thermal plasma 104 and the surface of the nitride film 116 being formed is set to be equal to or higher than the melting point of the metal element or the non-metal element contained in the thermal spray raw material M. The element powder during film formation by thermal spraying can be reliably melted. There are some nitrides (for example, titanium nitride) in which the nitriding reaction proceeds in the solid state below the melting point of the element, but for many nitride films, the element powder is reliably melted as described above By doing so, the nitriding reaction can surely proceed, so that a dense nitride film 116 with a high nitride content can be obtained, which is effective.

また、成膜中に金属元素又は非金属元素の溶融を促進するという点から、熱プラズマ104と成膜中の窒化物膜116の表面との接触部分だけでなく、基材101上に形成された窒化物膜116全体にわたって、その温度が溶射原料Mに含まれる金属元素又は非金属元素の融点以上又は融点を超えることがより好ましい。   In addition, in order to promote melting of a metal element or a non-metal element during film formation, not only a contact portion between the thermal plasma 104 and the surface of the nitride film 116 during film formation, but also a substrate 101 is formed. Further, it is more preferable that the temperature of the entire nitride film 116 is equal to or higher than the melting point or higher than the melting point of the metal element or non-metal element contained in the thermal spray material M.

なお、窒化物膜116を構成する窒化物の分解温度が、溶射原料に含まれる金属元素又は非金属元素の融点以下又は融点より低い場合には、基材ホルダー102に冷却機能を持たせ、少なくとも基材101の表面の温度を窒化物の分解温度以下にすることが好ましい。   When the decomposition temperature of the nitride constituting the nitride film 116 is equal to or lower than the melting point or lower than the melting point of the metal element or non-metal element contained in the thermal spray raw material, the substrate holder 102 is provided with a cooling function, and at least It is preferable to set the temperature of the surface of the substrate 101 to be equal to or lower than the decomposition temperature of nitride.

上記した本発明の成膜方法によって基材101上に形成された窒化物膜116を、熱プラズマ104にさらに接触させてもよい。即ち、窒素を含む熱プラズマ104中に溶射原料Mを供給しつつ基材101上に窒化物膜116を形成した後、溶射原料Mを供給しない状態で、形成された窒化物膜116を熱プラズマ104にさらに接触させてもよい。   The nitride film 116 formed on the substrate 101 by the film forming method of the present invention described above may be further brought into contact with the thermal plasma 104. That is, after the nitride film 116 is formed on the substrate 101 while supplying the thermal spraying material M into the thermal plasma 104 containing nitrogen, the formed nitride film 116 is subjected to thermal plasma without supplying the thermal spraying material M. 104 may be further contacted.

このように、基材101上に形成された窒化物膜116に、窒素を含む熱プラズマ104をさらに接触させることにより、窒化物116中に残存する未反応の金属元素又は非金属元素を窒化反応に供することができ、その結果、窒化物膜116における窒化物含有率をより向上させることができる。この場合、熱プラズマ104における高輝な部分を少なくとも接触させると、元素の窒化が特に促進されるので、より好ましい。   In this way, the nitride film 116 formed on the base material 101 is further brought into contact with the thermal plasma 104 containing nitrogen, thereby nitriding the unreacted metal element or nonmetal element remaining in the nitride 116. As a result, the nitride content in the nitride film 116 can be further improved. In this case, it is more preferable to contact at least a bright portion in the thermal plasma 104 because nitriding of the element is particularly promoted.

なお、窒化物膜116をさらに熱プラズマ104に接触させる場合、上記した通り、窒化物膜116に含まれる窒化物の分解を抑制するという点から、熱プラズマ104と窒化物膜116の表面との接触部分において、窒化物膜116を構成する窒化物の分解温度以下又は分解温度未満の温度であることが好ましい。   Note that, when the nitride film 116 is further brought into contact with the thermal plasma 104, as described above, the decomposition of the nitride contained in the nitride film 116 is suppressed, so that the surface of the thermal plasma 104 and the nitride film 116 is reduced. In the contact portion, the temperature is preferably equal to or lower than the decomposition temperature of the nitride constituting the nitride film 116 or lower than the decomposition temperature.

同様に、上記した通り、金属元素又は非金属元素の溶融を促進することによって窒化反応を促進するという点から、熱プラズマ104と窒化物膜116の表面との接触部分の温度が、溶射原料Mに含まれる金属元素又は非金属元素の融点以上又は融点を超えることが好ましい。   Similarly, as described above, the temperature of the contact portion between the thermal plasma 104 and the surface of the nitride film 116 depends on the temperature of the thermal spray raw material M from the point of promoting the nitriding reaction by promoting the melting of the metal element or the nonmetal element. It is preferable that the melting point is higher than or higher than the melting point of the metal element or non-metal element contained in.

ここで、本発明の成膜方法により得られる窒化物膜116は、複数の溶射膜の堆積によって成膜されるものであってもよい。その場合、上記した本発明の成膜方法によって一層の溶射膜116を形成した後に、その表面を、溶射原料Mを供給しない状態で熱プラズマ104にさらに接触させて、窒化物膜116中に残存する未反応の金属元素又は非金属元素を窒化させてから、次の窒化物膜116の層を堆積させることが好ましい。   Here, the nitride film 116 obtained by the film forming method of the present invention may be formed by depositing a plurality of sprayed films. In that case, after forming the one-layer sprayed film 116 by the above-described film forming method of the present invention, the surface is further brought into contact with the thermal plasma 104 without supplying the spraying material M, and remains in the nitride film 116. It is preferable to nitride the unreacted metal element or non-metal element to be deposited, and then deposit the next nitride film 116 layer.

このように、各層の窒化物膜116の表面を、それぞれ、熱プラズマ104にさらに接触させることによって、窒化物含有率の極めて高い窒化物膜116の厚膜を得ることができる。   As described above, by further bringing the surface of the nitride film 116 of each layer into contact with the thermal plasma 104, a thick film of the nitride film 116 having an extremely high nitride content can be obtained.

あるいは、複数の窒化物膜116を堆積した後に、仕上げとして、その堆積された窒化物膜116の表面を、溶射原料Mを供給しない状態で熱プラズマ104にさらに接触させてもよい。   Alternatively, after the plurality of nitride films 116 are deposited, the surface of the deposited nitride film 116 may be further brought into contact with the thermal plasma 104 without supplying the thermal spray material M as a finish.

また、窒化物膜116を複数の溶射膜の堆積によって得る場合に、所謂「プラズマ−レーザハイブリッド溶射」を適用してもよい。即ち、装置100や装置200などのプラズマ溶射を行うための装置と高出力レーザを照射可能な装置とを組合わせて、一層毎に、溶射膜116の形成を行いつつ又は形成後に、形成された溶射膜116に対し、窒素ガスを用いたレーザ照射を行って、窒化物膜116の層を堆積させていくようにしてもよい。このように、形成された溶射膜116に対し、窒素ガスを用いたレーザ照射を行うことによって、窒化物膜116中に残存する未反応の金属元素又は非金属元素が溶融し、各層の密着性の向上、膜の緻密化、及び反応性の向上を図ることができる。なお、この場合、レーザ照射部の温度が、窒化物の分解温度以下又は分解温度未満の温度であることが好ましく、また、金属元素又は非金属の融点以上又は融点を超えることが好ましい。   In addition, when the nitride film 116 is obtained by depositing a plurality of sprayed films, so-called “plasma-laser hybrid spraying” may be applied. In other words, the plasma spraying apparatus such as the apparatus 100 and the apparatus 200 was combined with an apparatus capable of irradiating a high-power laser, and the sprayed film 116 was formed during or after the formation of the sprayed film 116 for each layer. A layer of the nitride film 116 may be deposited by irradiating the sprayed film 116 with a laser using nitrogen gas. Thus, by performing laser irradiation using nitrogen gas on the formed sprayed film 116, the unreacted metal element or nonmetal element remaining in the nitride film 116 is melted, and the adhesion of each layer is increased. Improvement, densification of the film, and improvement of reactivity can be achieved. In this case, the temperature of the laser irradiation part is preferably a temperature equal to or lower than the decomposition temperature of the nitride or lower than the decomposition temperature, and preferably higher than or higher than the melting point of the metal element or nonmetal.

なお、本発明の成膜方法では、溶射時において、基材101は、その位置が固定されていても、その位置が前後左右に移動されてもよい。溶射時に基材101を前後左右に移動させることにより、基材101全体に熱プラズマ104を照射できると共に、均一な溶射及び加熱ができるので、均一な窒化物膜116を基材101上に形成することができる。   In the film forming method of the present invention, at the time of thermal spraying, the position of the base material 101 may be fixed, or the position may be moved back and forth and right and left. By moving the base material 101 back and forth and right and left during thermal spraying, the entire base material 101 can be irradiated with the thermal plasma 104, and uniform thermal spraying and heating can be performed, so that a uniform nitride film 116 is formed on the base material 101. be able to.

以上説明したように、本発明の成膜方法によれば、金属元素又は非金属元素の粉末およびその元素の窒化物粉末からなる混合粉末を溶射原料とし、その溶射原料を窒素を含む熱プラズマ中に投入することによってプラズマ溶射を行うことにより、基材上に窒化物含有率が高くかつ緻密な上に厚い窒化物膜が得られる。   As described above, according to the film forming method of the present invention, a mixed powder composed of a powder of a metal element or a nonmetal element and a nitride powder of the element is used as a thermal spray raw material, and the thermal spray raw material is contained in a thermal plasma containing nitrogen. By performing plasma spraying by introducing into the substrate, a high nitride content and a dense nitride film can be obtained on the base material.

また、本発明の窒化物膜は、金属元素又は非金属元素の粉末およびその元素の窒化物粉末からなる混合粉末を溶射原料とするプラズマ溶射によって得られた膜であるので、窒化物含有率が高くかつ緻密な上に厚い膜である。そのため、窒化物が示す優れた特性を有効に発現し得ると共に、耐久性に優れている。   In addition, since the nitride film of the present invention is a film obtained by plasma spraying using a powder of a metal element or a non-metal element and a mixed powder composed of the nitride powder of the element as a spraying raw material, the nitride content is It is a high and dense film with a thick film. Therefore, the excellent characteristics exhibited by the nitride can be effectively expressed and the durability is excellent.

以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に基づいて限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]
図1に示した装置100を用いて、基材101としての石英基材上に、窒化物膜116として窒化アルミニウム溶射膜を成膜した。
[Example 1]
Using the apparatus 100 shown in FIG. 1, an aluminum nitride sprayed film was formed as a nitride film 116 on a quartz base material as the base material 101.

まず、ブラスト処理により表面を粗面化した20mm角の石英基材101を、真空槽103内の水冷式基材ホルダ102に装着した。溶射距離Lを60mmに予め調整した後、ロータリーポンプ107により0.5Torr以下まで真空引きした。   First, a 20 mm square quartz substrate 101 whose surface was roughened by blasting was mounted on a water-cooled substrate holder 102 in a vacuum chamber 103. After the spraying distance L was previously adjusted to 60 mm, the rotary pump 107 was evacuated to 0.5 Torr or less.

次いで、シースガス108及びプラズマガス109を導入し、圧力を60Torrとした。ここで、シースガス108及びプラズマガス109を導入する際、シースガス108としてのアルゴンガスの流量は10L/分であり、プラズマガス109としてのアルゴンガスの流量は10L/分であり、同じくプラズマガス109としての窒素ガスの流量は1L/分であった。   Next, a sheath gas 108 and a plasma gas 109 were introduced, and the pressure was set to 60 Torr. Here, when the sheath gas 108 and the plasma gas 109 are introduced, the flow rate of argon gas as the sheath gas 108 is 10 L / min, and the flow rate of argon gas as the plasma gas 109 is 10 L / min. The flow rate of nitrogen gas was 1 L / min.

シースガス108及びプラズマガス109の導入によって圧力を60Torrとした後、高周波コイル110に5kWの電力の高周波を印加して熱プラズマ104を発生させた。この条件で発生した熱プラズマ104は、石英基材101上に形成される溶射膜116に十分接触するものであった。   After introducing the sheath gas 108 and the plasma gas 109 to a pressure of 60 Torr, a high frequency with a power of 5 kW was applied to the high frequency coil 110 to generate the thermal plasma 104. The thermal plasma 104 generated under these conditions was in sufficient contact with the sprayed film 116 formed on the quartz substrate 101.

次いで、基材ホルダ102上の石英基材101に熱プラズマ104を照射した。この場合、水冷式の基材ホルダ102によって石英基材101は裏面から冷却されているので、予熱は行わなかった。   Next, the thermal plasma 104 was irradiated to the quartz substrate 101 on the substrate holder 102. In this case, since the quartz substrate 101 was cooled from the back surface by the water-cooled substrate holder 102, preheating was not performed.

次いで、粉末供給器111としてテクノサーブ社製の微粉末供給器を用い、キャリアガス112としてアルゴンガスを1L/分の流量で導入することによって、アルミニウム/窒化アルミニウム混合粉末を約1g/分で熱プラズマ104中に供給した。ここで、アルミニウム/窒化アルミニウム混合粉末は、平均粒径3μm程度のアルミニウム粉末および窒化アルミニウム粉末を重量比1:1で単純混合したものである。   Next, a fine powder feeder manufactured by Technoserve is used as the powder feeder 111, and argon gas is introduced at a flow rate of 1 L / min as the carrier gas 112, whereby the aluminum / aluminum nitride mixed powder is heated at about 1 g / min. The plasma 104 was supplied. Here, the aluminum / aluminum nitride mixed powder is obtained by simply mixing aluminum powder having an average particle diameter of about 3 μm and aluminum nitride powder at a weight ratio of 1: 1.

そして、上記条件で熱プラズマ104を移動させながら石英基材101上に溶射を繰り返し、10層の窒化物アルミニウム膜116の層を堆積させた。   Then, spraying was repeated on the quartz substrate 101 while moving the thermal plasma 104 under the above conditions, and 10 layers of the aluminum nitride film 116 were deposited.

得られた窒化アルミニウム膜116は、厚さ200μmであり、凝集体の形成は確認されなかった。また、得られた窒化アルミニウム膜116の組成を蛍光X線法により分析したところ、窒化アルミニウムが約75モル%含まれていた。また、X線回折による分析結果は、窒化アルミニウムのピークが主体であり、アルミニウムのピークも含むものであった。また、得られた窒化アルミニウム膜116の断面をSEM観察した結果、膜組織は緻密であった。   The obtained aluminum nitride film 116 had a thickness of 200 μm, and formation of aggregates was not confirmed. Further, when the composition of the obtained aluminum nitride film 116 was analyzed by a fluorescent X-ray method, it contained about 75 mol% of aluminum nitride. Further, the analysis result by X-ray diffraction was mainly composed of aluminum nitride peaks and also aluminum peaks. Further, as a result of SEM observation of the cross section of the obtained aluminum nitride film 116, the film structure was dense.

[実施例2]
溶射原料であるアルミニウム/窒化アルミニウム混合粉末におけるアルミニウムと窒化アルミニウムとの混合比を2:8(重量比)とした以外は、実施例1と同様の条件で窒化アルミニウム膜116を作製した。
[Example 2]
An aluminum nitride film 116 was produced under the same conditions as in Example 1 except that the mixing ratio of aluminum and aluminum nitride in the aluminum / aluminum nitride mixed powder as the thermal spraying raw material was 2: 8 (weight ratio).

得られた窒化アルミニウム膜116は、厚さ300μmであり、凝集体の形成は確認されなかった。また、得られた窒化アルミニウム膜116の組成を蛍光X線法により分析したところ、窒化アルミニウムが約94モル%含まれていた。また、X線回折による分析結果は、ほとんど窒化アルミニウムのピークであった。また、得られた窒化アルミニウム膜116の断面をSEM観察した結果、膜組織は緻密であった。   The obtained aluminum nitride film 116 had a thickness of 300 μm, and formation of aggregates was not confirmed. Further, when the composition of the obtained aluminum nitride film 116 was analyzed by the fluorescent X-ray method, it contained about 94 mol% of aluminum nitride. The analysis result by X-ray diffraction was almost the peak of aluminum nitride. Further, as a result of SEM observation of the cross section of the obtained aluminum nitride film 116, the film structure was dense.

以上、実施例に基づき本発明を説明したが、本発明は上述した実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変更が可能であることは容易に推察できるものである。   The present invention has been described above based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes can be easily made without departing from the spirit of the present invention. Can be inferred.

本発明の窒化物膜を基材上に形成する装置の一例として、減圧下で基材上に溶射原料のプラズマ溶射を行う装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the apparatus which plasma-sprays a thermal spray raw material on a base material under reduced pressure as an example of the apparatus which forms the nitride film of this invention on a base material. 本発明の窒化物膜を基材上に形成する装置の一例として、常圧で基材上に溶射原料のプラズマ溶射を行う装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the apparatus which performs the plasma spraying of the thermal spray raw material on a base material as an example of the apparatus which forms the nitride film of this invention on a base material.

符号の説明Explanation of symbols

101 基材
104 熱プラズマ
116 溶射膜(窒化物膜)
101 Substrate 104 Thermal plasma 116 Thermal spray film (nitride film)

Claims (7)

金属元素又は非金属元素の粉末とその元素の窒化物の粉末とから実質的に構成される混合物を溶射原料として用いる溶射法により成膜され、その膜厚が1μm以上、かつ、3mm以下であると共に、前記窒化物の含有率が25mol%以上、かつ、100mol%以下である窒化物膜。   The film is formed by a thermal spraying method using a mixture substantially composed of a powder of a metal element or a non-metal element and a nitride powder of the element as a thermal spray material, and the film thickness is 1 μm or more and 3 mm or less. A nitride film having a nitride content of 25 mol% or more and 100 mol% or less. 金属又は非金属元素の窒化物を含む窒化物膜を溶射法によって基材上に形成する成膜方法において、
窒素を含む熱プラズマを発生させ、その窒素を含む熱プラズマ中に、金属元素又は非金属元素の粉末とその元素の窒化物の粉末とから実質的に構成される混合物を溶射原料として供給することによって該混合物を溶射し、該基材上に前記窒化物膜を形成する成膜方法。
In a film forming method for forming a nitride film containing a nitride of a metal or a nonmetallic element on a substrate by a thermal spraying method,
Generating a thermal plasma containing nitrogen and supplying a mixture substantially composed of a powder of a metal element or a nonmetallic element and a powder of a nitride of the element as a thermal spray material in the thermal plasma containing nitrogen A film forming method in which the mixture is thermally sprayed to form the nitride film on the substrate.
前記溶射は、熱プラズマを、前記基材上に形成された窒化物膜の表面と接触させつつ行うことを特徴とする請求項2記載の成膜方法。   The film forming method according to claim 2, wherein the thermal spraying is performed while bringing thermal plasma into contact with a surface of a nitride film formed on the substrate. 前記熱プラズマと前記窒化物膜の表面との接触部分の温度は、前記窒化物の分解温度以下又は分解温度未満であることを特徴とする請求項3記載の成膜方法。   The film forming method according to claim 3, wherein a temperature of a contact portion between the thermal plasma and the surface of the nitride film is equal to or lower than a decomposition temperature of the nitride or less than a decomposition temperature. 前記熱プラズマと前記窒化物膜の表面との接触部分の温度は、前記金属元素又は非金属元素の融点以上又は融点を超えることを特徴とする請求項3又は4記載の成膜方法。   5. The film forming method according to claim 3, wherein the temperature of the contact portion between the thermal plasma and the surface of the nitride film is equal to or higher than or exceeds the melting point of the metal element or nonmetal element. 前記基材上に形成された窒化物膜を前記熱プラズマにさらに接触させることを特徴とする請求項2から5のいずれかに記載の成膜方法。   6. The film forming method according to claim 2, wherein the nitride film formed on the base material is further brought into contact with the thermal plasma. 前記金属元素又は非金属元素の粉末及びその元素の窒化物の粉末の粒径は、0.1μm以上、かつ、200μm以下であることを特徴とする請求項2から6のいずれかに記載の成膜方法。







7. The composition according to claim 2, wherein a particle size of the powder of the metal element or the non-metal element and the powder of the nitride of the element is 0.1 μm or more and 200 μm or less. Membrane method.







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