JP4984562B2 - TiN film forming method and TiN continuous film forming apparatus on metal strip surface - Google Patents

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Description

本発明は、CVD(化学気相析出)法を用いた、連続ラインでの、金属ストリップ表面へのTiN成膜方法およびTiN連続成膜装置に関し、特に従来数%程度と極めて低かった原料ガス利用効率の有利な向上を図ろうとするものである。   The present invention relates to a TiN film forming method on a metal strip surface and a TiN continuous film forming apparatus in a continuous line using a CVD (chemical vapor deposition) method. It is intended to improve efficiency.

硬度が高く耐摩耗性に優れた窒化チタン(TiN)は、従来からプレス金型や刃物等の工具鋼の寿命を改善するための表面被覆材として広く利用されてきた。このTiNは、極めて融点の高い窒化物系セラミックスであるため、通常は物理蒸着法(PVD法)または化学気相析出法(CVD法)のような気相合成を利用して工具鋼表面に被覆される。
これらの方法では、一般的に高温または真空状態に保持した反応炉内に工具鋼をセットし、四塩化チタンや窒素などの原料ガスを一定時間供給することによって、工具鋼表面にTiNが被覆される。
Titanium nitride (TiN), which has high hardness and excellent wear resistance, has been widely used as a surface coating material for improving the life of tool steel such as press dies and blades. Since this TiN is a nitride ceramic with a very high melting point, it is usually coated on the tool steel surface using vapor phase synthesis such as physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD). Is done.
In these methods, TiN is coated on the surface of the tool steel by generally setting the tool steel in a reactor maintained at a high temperature or in a vacuum state and supplying a raw material gas such as titanium tetrachloride or nitrogen for a certain period of time. The

さらに、近年では、連続ラインで金属ストリップの表面をTiNで被覆する試みもなされている。
例えば特許文献1によれば、方向性電磁鋼板の磁気特性向上のために、絶縁被膜としてDLC(ダイヤモンドライクカーボン)を被覆する際、密着性改善の予備処理としてTiNを鋼板表面に被覆する例が開示されている。
Furthermore, in recent years, attempts have been made to coat the surface of the metal strip with TiN in a continuous line.
For example, according to Patent Document 1, when DLC (diamond-like carbon) is coated as an insulating coating to improve the magnetic properties of a grain-oriented electrical steel sheet, an example of coating TiN on the steel sheet surface as a pretreatment for improving adhesion is disclosed. It is disclosed.

また、連続ラインの高温に保持された反応帯において、方向性電磁鋼板にTiNを被覆して室温まで冷却する際、TiN膜との熱収縮差により鋼板に生じる張力を利用して磁気特性を改善しようとする試みもなされており、例えば特許文献2では、CVD連続ラインでガスノズルから原料ガス(四塩化チタン)を供給することによってTiNを被覆する方法が、また特許文献3では、ノズル供給するガスと雰囲気供給するガス中の原料ガス(四塩化チタン)の濃度を適正化することにより、比較的高速で密着性の良いTiN膜を被覆する方法が開示されている。   In addition, in a reaction zone maintained at a high temperature in a continuous line, when TiN is coated on a grain-oriented electrical steel sheet and cooled to room temperature, the magnetic properties are improved by utilizing the tension generated in the steel sheet due to the thermal contraction difference with the TiN film. For example, Patent Document 2 discloses a method of coating TiN by supplying a raw material gas (titanium tetrachloride) from a gas nozzle in a CVD continuous line, and Patent Document 3 discloses a gas supplied by a nozzle. And a method of coating a TiN film with good adhesion at a relatively high speed by optimizing the concentration of the source gas (titanium tetrachloride) in the gas supplied to the atmosphere.

特表2005−500435号公報Special table 2005-500435 gazette 特開2005−256075号公報JP 2005-256075 A 特開2005−264213号公報JP 2005-264213 A

PVD法やCVD法でセラミックス被膜を合成する方法は、工具鋼や半導体の分野で広く利用されている。しかしながら、これらの手法は、小片サンプルを密閉式の反応容器に装入して一定時間処理した後に取り出す形式であり、数千メートルにも及ぶ金属ストリップの表面に短時間でセラミックス被膜を合成する手法としては不適である。   A method of synthesizing a ceramic film by a PVD method or a CVD method is widely used in the field of tool steel and semiconductor. However, these methods are a method in which a small sample is placed in a sealed reaction vessel, treated for a certain period of time, and then taken out. A method for synthesizing a ceramic coating on the surface of a metal strip of several thousand meters in a short time. As inappropriate.

例えば、特許文献1には、連続ラインでDLCおよびTiN被覆を行うための装置が図例されている。しかしながら、PVD法は、高真空が必要とされる成膜方法であるにもかかわらず、この点に関して連続ラインに適用するための具体的な対策は何ら示されておらず、またCVD法については、具体的なガス条件およびガス供給方法等について何ら開示されていない。   For example, Patent Document 1 illustrates an apparatus for performing DLC and TiN coating on a continuous line. However, although the PVD method is a film forming method that requires a high vacuum, no specific measures for applying to a continuous line in this respect are shown, and the CVD method is not described. No specific gas conditions and gas supply method are disclosed.

この点、特許文献2,3には、連続ラインにTiN法を適用するための具体的な手法が記されている。しかしながら、このような構成の装置で金属ストリップ表面にTiNを被覆したとしても、被覆に費やされるTiの割合は、供給した原料ガス(四塩化チタン)のうち高々10%程度であり、残りのTiは金属ストリップ表面以外の場所に付着したり、窒素と結合してTiNを生成することなく反応帯から外に排出されてしまう。   In this regard, Patent Documents 2 and 3 describe specific methods for applying the TiN method to continuous lines. However, even if TiN is coated on the surface of the metal strip with the apparatus configured as described above, the proportion of Ti consumed for coating is at most about 10% of the supplied source gas (titanium tetrachloride), and the remaining Ti Adheres to a place other than the surface of the metal strip or is discharged from the reaction zone without forming TiN by combining with nitrogen.

このように、原料ガスの利用効率は極めて低く、製造コストの増加を招いていた。また、排出された未反応ガスは、排ガス処理設備のアルカリ液で中和されるが、供給したガスのほとんどが未反応のまま排出されるため、排ガス処理に大きな負担がかかる。さらに、反応帯から排ガス処理設備に至るまでの配管中で未反応ガスが冷却されて凝結することにより、排気系のトラブルを生じる可能性がある。このようなトラブルを生じた場合、TiNの連続成膜は中断せざるを得ず、生産効率は著しく低下してしまう。
従って、原料ガスの利用効率を向上させることは、連続ラインで工業的に金属ストリップ表面へTiN膜を被覆するために不可欠である。
As described above, the utilization efficiency of the raw material gas is extremely low, resulting in an increase in manufacturing cost. In addition, the discharged unreacted gas is neutralized with the alkali solution of the exhaust gas treatment facility. However, since most of the supplied gas is discharged without being reacted, a large burden is imposed on the exhaust gas treatment. Further, the unreacted gas is cooled and condensed in the piping from the reaction zone to the exhaust gas treatment facility, which may cause trouble in the exhaust system. When such a trouble occurs, the continuous film formation of TiN must be interrupted, and the production efficiency is significantly reduced.
Therefore, improving the utilization efficiency of the raw material gas is indispensable for industrially coating the TiN film on the metal strip surface in a continuous line.

本発明は、上記の要望に応えるべく、様々なガス供給方法について鋭意検討を重ねた結果開発されたもので、金属ストリップ表面へのTiN膜の被覆に際し、従来に比べて原料ガスの利用効率を格段に向上させた金属ストリップ表面へのTiN成膜方法を提案することを目的とする。   The present invention was developed as a result of intensive studies on various gas supply methods in order to meet the above-mentioned demands. When coating a TiN film on the surface of a metal strip, the utilization efficiency of the raw material gas is improved as compared with the conventional case. It is an object of the present invention to propose a TiN film forming method on the surface of a metal strip that has been improved significantly.

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
(1)金属ストリップの連続処理ラインにおいて、反応炉内にチタン塩化物を含む反応性のガスを供給して金属ストリップの表面にTiN膜を連続的に成膜するに際し、該反応炉内に、金属ストリップの進行方向に沿って複数個のガスノズルを配置し、これら複数個のガスノズルのうち、前段からチタン塩化物を含有するガスを金属ストリップの表面に吹き付けて、その吹き付け位置にTiNを生成させ、一方後段からはチタン塩化物を含有しないガスを金属ストリップの表面に吹き付けることを特徴とする、金属ストリップ表面へのTiN成膜方法。
That is, the gist configuration of the present invention is as follows.
(1) In a continuous treatment line of a metal strip, when a reactive gas containing titanium chloride is supplied into a reaction furnace to continuously form a TiN film on the surface of the metal strip, A plurality of gas nozzles are arranged along the traveling direction of the metal strip, and among these gas nozzles, a gas containing titanium chloride is sprayed on the surface of the metal strip from the previous stage to generate TiN at the spraying position. while wherein the blowing gas containing no titanium chloride on the surface of the metallic strip from a subsequent stage, TiN film formation method of the metal strip surface.

(2)金属ストリップの連続処理ラインにおいて、反応炉内にチタン塩化物を含む反応性のガスを供給して金属ストリップの表面にTiN膜を連続的に成膜するに際し、該反応炉内に、金属ストリップの進行方向に沿って複数個のガスノズルを配置し、これら複数個のガスノズルのうち、チタン塩化物を含有するガスを吹き付ける1個のガスノズルとそれに続くチタン塩化物を含有しないガスを吹き付ける1個または複数個のガスノズルを1セットとして、このセットを金属ストリップの進行方向に沿って複数セット設置し、上記チタン塩化物を含有するガスを金属ストリップの表面に吹き付けて、その吹き付け位置にTiNを生成させるとともに、上記チタン塩化物を含有しないガスを金属ストリップの表面に吹き付けることを特徴とする、金属ストリップ表面へのTiN成膜方法。 (2) In the continuous treatment line of the metal strip, when a reactive gas containing titanium chloride is supplied into the reaction furnace to continuously form a TiN film on the surface of the metal strip, A plurality of gas nozzles are arranged along the traveling direction of the metal strip, and among these gas nozzles, one gas nozzle for spraying a gas containing titanium chloride and a subsequent gas not containing titanium chloride are blown 1 One or a plurality of gas nozzles are set as one set, and a plurality of sets are installed along the traveling direction of the metal strip, and the gas containing titanium chloride is sprayed on the surface of the metal strip, and TiN is applied to the spraying position. Characterized in that a metal that does not contain titanium chloride is blown onto the surface of the metal strip. TiN film forming method on strip surface.

(3)前記チタン塩化物を含有しないガスが、窒素ガス、水素ガスまたはその他TiN成膜反応を妨げないガスのうちから選んだ1種または2種以上であることを特徴とする上記(1)または(2)記載のTiN成膜方法。 (3) The above-mentioned (1), wherein the gas not containing titanium chloride is one or more selected from nitrogen gas, hydrogen gas, and other gases that do not interfere with the TiN film forming reaction. Or the TiN film-forming method of (2) description.

(4)前記チタン塩化物を含有しないガスの吹き付け速度が0.5〜50 m/sであることを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載のTiN成膜方法。 (4) The TiN film forming method as described in any one of (1) to (3) above, wherein a spray speed of the gas not containing titanium chloride is 0.5 to 50 m / s.

(5)金属ストリップの連続処理ラインにおいて、反応炉内にチタン塩化物を含む反応性のガスを供給して金属ストリップの表面にTiN膜を連続的に成膜するTiN連続成膜装置であって、該反応炉内に、金属ストリップの進行方向に沿って複数個のガスノズルを配置するものとし、これら複数個のガスノズルのうち、前段はチタン塩化物を含有するガスを金属ストリップの表面に吹き付けて、その吹き付け位置にTiNを生成させるガスノズルとし、一方後段はチタン塩化物を含有しないガスを金属ストリップの表面に吹き付けるガスノズルとすることを特徴とする、金属ストリップ表面へのTiN連続成膜装置。 (5) A TiN continuous film forming apparatus for continuously forming a TiN film on the surface of a metal strip by supplying a reactive gas containing titanium chloride into a reaction furnace in a continuous processing line of the metal strip. In the reactor, a plurality of gas nozzles are arranged along the traveling direction of the metal strip. Among these gas nozzles, a gas containing titanium chloride is sprayed on the surface of the metal strip in the first stage. An apparatus for continuously forming TiN on the surface of a metal strip, characterized in that a gas nozzle for generating TiN is formed at the spraying position, and a gas nozzle for spraying a gas not containing titanium chloride on the surface of the metal strip is used in the subsequent stage.

(6)金属ストリップの連続処理ラインにおいて、反応炉内にチタン塩化物を含む反応性のガスを供給して金属ストリップの表面にTiN膜を連続的に成膜するTiN連続成膜装置であって、該反応炉内に、金属ストリップの進行方向に沿って複数個のガスノズルを配置するものとし、これら複数個のガスノズルのうち、チタン塩化物を含有するガスを金属ストリップの表面に吹き付けて、その吹き付け位置にTiNを生成させる1個のガスノズルとそれに続くチタン塩化物を含有しないガスを金属ストリップの表面に吹き付ける1個または複数個のガスノズルを1セットとして、このセットを金属ストリップの進行方向に沿って複数セット設置することを特徴とする、金属ストリップ表面へのTiN連続成膜装置。 (6) A TiN continuous film forming apparatus for continuously forming a TiN film on the surface of a metal strip by supplying a reactive gas containing titanium chloride into a reaction furnace in a continuous processing line of the metal strip. In the reactor, a plurality of gas nozzles are arranged along the traveling direction of the metal strip, and a gas containing titanium chloride is sprayed on the surface of the metal strip among the plurality of gas nozzles. One gas nozzle for generating TiN at the spray position and one or more gas nozzles for spraying a gas not containing titanium chloride on the surface of the metal strip are set as one set, and this set is set along the traveling direction of the metal strip. A TiN continuous film forming apparatus on a metal strip surface, wherein a plurality of sets are installed.

本発明により、これまでTiNを成膜する際、原料ガスであるチタン塩化物について、特に数%程度に止まっていた四塩化チタン(TiCl4)の利用効率が著しく向上し、かつ成膜速度を高めることもできる。その結果、連続ラインでのTiN成膜コストを格段に低減することができ、また排ガス処理の負荷も軽減されるため製造安定性も大幅に向上する。 According to the present invention, when TiN is deposited, the utilization efficiency of titanium tetrachloride (TiCl 4 ), which has been limited to a few percent, has been remarkably improved, and the deposition rate has been improved. It can also be increased. As a result, the TiN film formation cost in the continuous line can be remarkably reduced, and the load of exhaust gas treatment is reduced, so that the manufacturing stability is greatly improved.

以下、原料ガスのチタン塩化物として、四塩化チタンを用いた例により、本発明を具体的に説明する。
四塩化チタンと水素と窒素を用いてCVD法でTiN膜を合成する際、原料ガス供給口のごく近傍においては比較的高い成膜速度が得られるが、そこから離れるにつれて成膜速度は低下する。これは、文献「伊藤他、金属表面技術 54 (1984) vol.135, No.12」に記載されているように、TiNの生成と共に発生するHClがTiN成膜を阻害する作用を有するためと考えられる。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to an example in which titanium tetrachloride is used as the titanium chloride of the source gas.
When synthesizing a TiN film by CVD using titanium tetrachloride, hydrogen, and nitrogen, a relatively high deposition rate can be obtained in the immediate vicinity of the source gas supply port, but the deposition rate decreases as the distance from the source gas supply port increases. . This is because, as described in the literature “ITO et al., Metal Surface Technology 54 (1984) vol.135, No.12”, HCl generated along with the generation of TiN has an action of inhibiting TiN film formation. Conceivable.

通常、被処理材にTiN膜を被覆する場合、原料ガス供給口付近で生じる急激な被膜形成を避けるため、ガス供給から離れた位置に被処理材をセットする。この場合、膜の均一性に優れる反面、成膜速度は高々0.1μm/min程度と極めて低いため、処理に長時間を必要とする。また、原料ガスであるTiCl4の利用効率も多くの場合1%未満と極めて低い。 Usually, when a TiN film is coated on a material to be treated, the material to be treated is set at a position away from the gas supply port in order to avoid abrupt film formation that occurs in the vicinity of the source gas supply port. In this case, although the uniformity of the film is excellent, the film forming speed is as low as about 0.1 μm / min at the most, so that a long time is required for the processing. In addition, the utilization efficiency of the raw material gas TiCl 4 is often extremely low, less than 1%.

一方、金属ストリップのような数千mにも及ぶ板を通板させながら連続的にTiN膜を被覆する場合は、数分間で1μm程度のTiN膜を成膜する必要があり、そのためにはガス供給口付近の成膜速度の高い領域を利用することが望ましい(図1(a)参照のこと)。
しかしながら、原料ガス供給口から排ガス出口までの比較的広範な領域で成膜速度の平均値をとると、その値は極めて低くなってしまう。また、原料ガス利用率も高々数%程度にすぎない。
On the other hand, when a TiN film is continuously coated while passing a plate of several thousand meters such as a metal strip, it is necessary to form a TiN film of about 1 μm in several minutes. It is desirable to use an area near the supply port where the film formation rate is high (see FIG. 1A).
However, if the average value of the film formation rate is taken in a relatively wide range from the source gas supply port to the exhaust gas outlet, the value becomes extremely low. Also, the raw material gas utilization rate is only about several percent at most.

また、図1(b)に示すように、原料ガスをノズルで吹き付けるようにした場合には、ノズル直下で成膜速度が飛躍的に上昇する。
しかしながら、その吹き付け位置から離れるに従い、反応副生成物であるHClの影響で TiNの成膜速度は急速に低下してしまう。また、原料ガス吹き付けノズルを金属ストリップの進行方向に複数個並べて成膜した場合、成膜速度は若干上昇するが、末反応のTiCl4が残留している状態で次々に後段ノズルから新たなTiCl4を追加供給することになるため、反応炉内のTiCl4濃度が必要以上に高まり、原料ガス利用効率は著しく悪化してしまう。さらに、TiCl4は腐食性の強いガスであるため、その供給配管およびノズルを複数設置するには多額の設備コストが必要となる。
In addition, as shown in FIG. 1B, when the source gas is blown by the nozzle, the film forming speed is dramatically increased immediately below the nozzle.
However, as the distance from the spray position increases, the TiN film formation rate rapidly decreases due to the reaction byproduct HCl. In addition, when a plurality of source gas spray nozzles are arranged in the direction of travel of the metal strip, the deposition rate is slightly increased, but new TiCl from the subsequent nozzle is successively added while the final reaction TiCl 4 remains. Since 4 will be additionally supplied, the TiCl 4 concentration in the reactor will increase more than necessary, and the raw material gas utilization efficiency will be significantly deteriorated. Furthermore, since TiCl 4 is a highly corrosive gas, a large amount of equipment cost is required to install a plurality of supply pipes and nozzles.

そこで、発明者らは、TiNの成膜速度を高め、さらにTiCl4等のチタン塩化物の利用効率を向上させる適切なガス供給方法について、鋭意検討を重ねた。
その結果、チタン塩化物の利用効率を高めるためには、図1(c)に示すように、金属ストリップの進行方向に複数個並べたノズルのうち、前段のノズル(この例で最初のノズル)でチタン塩化物含有ガスを鋼板に吹き付け、後段のノズル(この例で2,3番目のノズル)ではチタン塩化物を含有しないガスを吹き付けることにより、未反応のチタン塩化物を効率よくTiNへ反応させ得ることを突き止め、本発明を完成させるに至ったのである。
Therefore, the inventors have conducted intensive studies on an appropriate gas supply method for increasing the deposition rate of TiN and further improving the utilization efficiency of titanium chloride such as TiCl 4 .
As a result, in order to increase the utilization efficiency of titanium chloride, as shown in FIG. 1 (c), among the nozzles arranged in the traveling direction of the metal strip, the preceding nozzle (the first nozzle in this example) The titanium chloride-containing gas is sprayed onto the steel plate with the latter nozzle (in this example, the second and third nozzles), and the non-reacted titanium chloride is efficiently reacted to TiN by blowing a gas that does not contain titanium chloride. As a result, the present invention has been completed.

図2に、後段ノズルでArガスを吹き付けた場合の鋼板各位置におけるTiN膜厚の分布を示す。同図に示したとおり、TiN膜厚はArガスを吹き付けた位置で増加していることが分かる。
本来、TiCl4を吹き付けた最初のノズル位置からガスの下流側に行くに従い、図2中に点線で示したようにTiN膜厚は減少していくため、TiNとして利用されるTiは供給したTiCl4の数%と極めて低い値に止まっていた。ところが、ガスの下流側で反応に寄与しないはずのArガスを吹き付けることによって、未反応で残っていたTiCl4を再びTiNに反応させることが可能であることが確認された。
これは、TiCl4等のチタン塩化物の利用効率を大幅に向上させる重要な知見である。
FIG. 2 shows the distribution of the TiN film thickness at each position of the steel plate when Ar gas is blown by the latter stage nozzle. As shown in the figure, the TiN film thickness increases at the position where Ar gas is sprayed.
Originally, the TiN film thickness decreases as it goes to the downstream side of the gas from the first nozzle position where TiCl 4 was sprayed, as shown by the dotted line in FIG. 2, so Ti used as TiN is supplied TiCl It remained at a very low value of 4 %. However, it was confirmed that the unreacted TiCl 4 can be reacted with TiN again by blowing Ar gas that should not contribute to the reaction downstream of the gas.
This is an important finding that greatly improves the utilization efficiency of titanium chloride such as TiCl 4 .

また、後段ノズルから吹き付けるガスの種類を水素ガスや窒素ガスとした場合も、Arガスの場合と同様、吹き付けた位置の近傍で膜厚の増加が確認された。
この方法によれば、下流側のノズルから吹き付けるガスが、チタン塩化物ではなく、水素ガスや窒素ガス、さらにはArガスといった金属ストリップの焼鈍ラインで通常用いられているガス種で良いため、特殊なガス供給配管やノズルを必要とせずに、最初に供給したチタン塩化物の利用効率を効果的に高めることができる。
Further, when the type of gas blown from the rear nozzle was changed to hydrogen gas or nitrogen gas, as in the case of Ar gas, an increase in film thickness was confirmed in the vicinity of the blown position.
According to this method, the gas blown from the nozzle on the downstream side is not a titanium chloride, but may be a gas type normally used in an annealing line of metal strip such as hydrogen gas, nitrogen gas, and Ar gas. The use efficiency of the initially supplied titanium chloride can be effectively increased without the need for a gas supply pipe or nozzle.

なお、チタン塩化物は、それ単独で供給しても、また窒素ガスや水素ガスをキャリアーガスとして供給しても、さらには雰囲気ガスと混合して供給しても良い。すなわち、チタン塩化物を含有するガスとして供給すれば良い。このときのチタン塩化物の濃度は3%以上程度とすることが好ましい。ここに、チタン塩化物としては、前述の四塩化チタンの他、三塩化チタン、二塩化チタン等が利用できる。
また、後段ノズル吹き付けに用いるガス種は、チタン塩化物を含有しないガス、具体的には、実質的にTiN生成反応を阻害しないガスであればいずれもが使用可能であり、具体的には窒素ガス、水素ガス、Arガス、その他ヘリウムガス等が挙げられる。
しかしながら、成膜速度や原料ガス利用効率等を勘案すると、単独では窒素ガス、2種以上のガスの組合せでは(窒素+水素)ガスを用いることがとりわけ有利である。
The titanium chloride may be supplied alone, or nitrogen gas or hydrogen gas may be supplied as a carrier gas, or may be supplied in a mixture with atmospheric gas. That is, it may be supplied as a gas containing titanium chloride. At this time, the concentration of titanium chloride is preferably about 3% or more. Here, as the titanium chloride, titanium trichloride, titanium dichloride and the like can be used in addition to the above-mentioned titanium tetrachloride.
Further, as the gas type used for spraying the latter stage nozzle, any gas that does not contain titanium chloride, specifically, any gas that does not substantially inhibit the TiN formation reaction can be used. Examples thereof include gas, hydrogen gas, Ar gas, and other helium gas.
However, in consideration of the film formation rate, the raw material gas utilization efficiency, etc., it is particularly advantageous to use a nitrogen gas alone or a (nitrogen + hydrogen) gas in a combination of two or more gases.

後段ノズルからチタン塩化物を含有しないガスを吹き付けることによって、原料ガスであるチタン塩化物の利用効率が上昇する原理については、まだ明確に解明されたわけではないが、通常はTiN成膜反応によって発生したHClが鋼板表面に滞留してガス下流側の成膜を著しく阻害していたものが、後段ノズルから窒素ガスや水素ガス、Arガスなどを鋼板表面に向けて吹き付けることによりHClが飛ばされ、その結果TiN生成の阻害要因が取り除かれて、成膜速度が向上したものと考えられる。とくにTiNの構成元素を含む窒素ガス、または窒素ガスをチタン塩化物の還元を促進させる水素ガスと混合して吹き付けた場合に、より顕著な成膜反応が生じたものと考えられる。従って、後段から吹き付けるガスには水素ガスを含ませることがとりわけ好適である。   The principle of increasing the utilization efficiency of titanium chloride, which is a raw material gas, by blowing a gas that does not contain titanium chloride from the latter nozzle has not been clearly clarified yet, but is usually generated by a TiN film formation reaction. The HCl that stayed on the surface of the steel sheet significantly inhibited film formation on the downstream side of the gas, but the HCl was blown off by blowing nitrogen gas, hydrogen gas, Ar gas, etc. from the rear nozzle toward the steel sheet surface, As a result, it is considered that the inhibition factor of TiN generation has been removed and the film formation rate has been improved. In particular, it is considered that a more remarkable film formation reaction occurred when nitrogen gas containing a constituent element of TiN or nitrogen gas was mixed and sprayed with hydrogen gas that promotes reduction of titanium chloride. Therefore, it is particularly preferable to include hydrogen gas in the gas blown from the subsequent stage.

本発明において、後段ノズルからのガス吹き付けを活用するに当たり、その吹き付け速度も重要な因子である。すなわち、後段ノズルのガス吹き付け速度が0.5 m/sに満たないと明確な薄膜増加が認められず、一方50 m/sを超えると鋼板近傍のチタン塩化物濃度が極端に低下するため、TiN薄厚は薄くなってしまう。従って、原料ガスの利用効率向上のためには吹き付け速度は0.5〜50 m/s程度とすることが好ましい。   In the present invention, when utilizing the gas spray from the latter nozzle, the spray speed is also an important factor. That is, when the gas spray speed of the rear nozzle is less than 0.5 m / s, no clear increase in the thin film is observed, whereas when it exceeds 50 m / s, the titanium chloride concentration in the vicinity of the steel sheet is extremely reduced. Will become thinner. Therefore, the spraying speed is preferably about 0.5 to 50 m / s for improving the utilization efficiency of the raw material gas.

また、本発明に従うTiN連続成膜装置の好適例を図3に示す。なお、この例では、チタン塩化物を含有するガスを吹き付ける前段ノズルおよび利用効率改善のためにチタン塩化物を含有しないガスを吹き付ける後段ノズルをそれぞれ1個配置した場合について示したが、本発明はこれだけに限るものではなく、前段ノズル1個に対して、後段ノズルを1〜5個程度配置することができる。   Moreover, the suitable example of the TiN continuous film-forming apparatus according to this invention is shown in FIG. In addition, in this example, although it showed about the case where the front stage nozzle which blows the gas containing a titanium chloride, and the back | latter stage nozzle which blows the gas which does not contain a titanium chloride for utilization efficiency improvement were each shown, this invention is shown. It is not restricted to this, About 1-5 back | latter stage nozzles can be arrange | positioned with respect to 1 front | former stage nozzle.

さらに、本発明では、図4に示すように、チタン塩化物吹き付けノズルとその後に続く利用効率改善のための吹き付けノズルを1セットとして、これを炉内ガス流れ方向に複数セット設置するようにしても良い。
この場合も、1セット中のチタン塩化物吹き付けノズルの設置台数1個に対して、利用効率改善のための吹き付けノズルの設置台数を1〜5個程度とするのが好適である。
Furthermore, in the present invention, as shown in FIG. 4, a set of titanium chloride spray nozzles and subsequent spray nozzles for improving the utilization efficiency are set in the furnace gas flow direction. Also good.
Also in this case, it is preferable that the number of spray nozzles installed for improving the use efficiency is about 1 to 5 with respect to the number of titanium chloride spray nozzles installed in one set.

実施例1
図3に示す構成になる反応炉に、炉内ガスの流れ方向に沿って長尺の鋼板をセットし、炉温:1100℃で上流側の前段ノズルから水素ガスをキャリアガスとしてTiCl4を吹き付けて成膜を行った。この成膜の際、ガス下流側の後段ノズルでは、ガスを供給しない場合と窒素ガスを9m/sで吹き付けた場合で比較を行った。ここで、TiCl4は雰囲気ガス組成の約1.0%となるように供給した。2分間の成膜後、試料を取り出し、炉内各位置におけるTiN膜厚の分布について調査した。
得られた結果を図5に示す。
Example 1
A long steel plate is set in the reactor shown in Fig. 3 along the flow direction of the gas in the furnace, and TiCl 4 is blown from the upstream nozzle on the upstream side at a furnace temperature of 1100 ° C using hydrogen gas as the carrier gas. A film was formed. At the time of this film formation, a comparison was made between the case where no gas was supplied and the case where nitrogen gas was blown at 9 m / s at the downstream nozzle on the downstream side of the gas. Here, TiCl 4 was supplied to be about 1.0% of the atmospheric gas composition. After film formation for 2 minutes, a sample was taken out, and the TiN film thickness distribution at each position in the furnace was investigated.
The obtained results are shown in FIG.

同図から明らかなように、後段ノズルからのガス吹き付けがない場合は、TiCl4を供給する前段ノズルから下流側にかけて膜厚は単調に減少した。
これに対し、後段ガスノズルから窒素ガスを吹き付けた場合は、後段ノズル直下で膜厚の大幅な増加が認められた。
反応ガス入口から出口までの成膜区間で平均をとると、後段ノズルからのガス吹き付けがない場合は、成膜速度:0.31μm/minでTiCl4利用効率:12%であったのに対し、窒素ガスを吹き付けた場合には、成膜速度:0.57μm/minでTiCl4利用効率:20.3%と明確な改善効果が認められた。
As is clear from the figure, the film thickness monotonously decreased from the upstream nozzle supplying TiCl 4 to the downstream side when no gas was blown from the downstream nozzle.
On the other hand, when nitrogen gas was blown from the rear stage nozzle, a significant increase in film thickness was observed immediately below the rear stage nozzle.
Taking the average in the film formation section from the reaction gas inlet to the outlet, when there was no gas blowing from the latter nozzle, the film formation rate was 0.31 μm / min and the TiCl 4 utilization efficiency was 12%, When nitrogen gas was sprayed, a clear improvement effect was observed, with a film formation rate of 0.57 μm / min and a TiCl 4 utilization efficiency of 20.3%.

実施例2
図3に示す構成になる反応炉に、炉内ガスの流れ方向に沿って長尺の鋼板をセットし、炉温:1100℃で上流側の前段ノズルから水素または窒素ガスをキャリアガスとしてTiCl4を吹き付け、またガス下流側の後段ノズルでは、ガスを供給しない場合と窒素ガス、水素ガス、Arガスの単独またはこれら2種の混合ガスを種々の速度で吹き付ける条件で成膜を行った。雰囲気全体の平均濃度は、TiCl4:1.0%、水素ガス:49%、Nガス:50%でほぼ一定とした。
また、図4に示す構成になる反応炉に、炉内ガスの流れ方向に沿って長尺の鋼板をセットし、炉温:1100℃で1セット中の前段ノズルから水素または窒素ガスをキャリアガスとしてTiCl4を吹き付け、また1セット中の後段ノズルからは窒素ガス、水素ガス、Arガスの単独またはこれら2種の混合ガスを種々の速度で吹き付ける条件で成膜を行った。雰囲気全体の平均濃度は、図3の場合と同様、TiCl4:1.0%、水素ガス:49%、Nガス:50%のほぼ一定とした。
各条件毎、鋼板試料の長手方向TiN膜厚分布を測定し、膜厚平均値から反応区間内の平均成膜速度を求めた。また、同様にTiN膜厚データからTiCl4の利用効率を算出した。
得られた結果を表1に示す。
Example 2
A long steel plate is set in the reactor shown in FIG. 3 along the flow direction of the gas in the furnace, and TiCl 4 with hydrogen or nitrogen gas as a carrier gas from the upstream nozzle at the furnace temperature: 1100 ° C. In the downstream nozzle on the downstream side of the gas, the film was formed under the conditions where no gas was supplied and nitrogen gas, hydrogen gas, Ar gas alone or a mixed gas of these two kinds was blown at various speeds. The average concentration of the entire atmosphere was substantially constant at TiCl 4 : 1.0%, hydrogen gas: 49%, and N gas: 50%.
In addition, a long steel plate is set in the reactor shown in FIG. 4 along the flow direction of the gas in the furnace, and hydrogen or nitrogen gas is supplied from the front nozzle in one set at a furnace temperature of 1100 ° C. as a carrier gas. TiCl 4 was sprayed as a film, and film formation was performed under conditions where nitrogen gas, hydrogen gas, Ar gas alone or a mixed gas of these two kinds was sprayed at various speeds from the rear nozzle in one set. As in the case of FIG. 3, the average concentration of the entire atmosphere was set to be substantially constant, that is, TiCl 4 : 1.0%, hydrogen gas: 49%, and N gas: 50%.
For each condition, the longitudinal TiN film thickness distribution of the steel sheet sample was measured, and the average film formation rate in the reaction zone was determined from the film thickness average value. Similarly, the utilization efficiency of TiCl 4 was calculated from the TiN film thickness data.
The obtained results are shown in Table 1.

Figure 0004984562
Figure 0004984562

同表に示したとおり、図3の反応炉および図4の反応炉のいずれを用いた場合でも、後段ノズルのガス吹き付けに用いるガス種としては、窒素ガスが有効で、とくに窒素ガスと水素ガスを混合して吹き付けた場合に、効果が最も大きかった。また、吹き付け速度に関しては、0.5〜50 m/sの範囲にある場合に良好な結果が得られた。   As shown in the table, nitrogen gas is effective as the gas type used for blowing the nozzle of the latter stage nozzle, regardless of whether the reactor shown in FIG. 3 or the reactor shown in FIG. 4 is used. In particular, nitrogen gas and hydrogen gas are used. When mixing and spraying, the effect was the greatest. As for the spraying speed, good results were obtained when it was in the range of 0.5 to 50 m / s.

ガスの供給方法を変化させた場合における成膜状況の変化を示した図である。It is the figure which showed the change of the film-forming condition at the time of changing the gas supply method. 後段ノズルでArガスを吹き付けた場合の鋼板各位置におけるTiN膜厚の分布状態を示した図である。It is the figure which showed the distribution state of the TiN film thickness in each position of the steel plate at the time of spraying Ar gas with a back | latter stage nozzle. 本発明に従うTiN連続成膜装置の好適例を示した図である。It is the figure which showed the suitable example of the TiN continuous film-forming apparatus according to this invention. 本発明に従うTiN連続成膜装置の別例を示した図である。It is the figure which showed another example of the TiN continuous film-forming apparatus according to this invention. 後段ノズルでガスを供給しない場合とN2ガスを吹き付けた場合の鋼板各位置におけるTiN膜厚の分布状態を比較して示した図である。Is a diagram comparatively showing distribution of TiN thickness in the steel sheet each position in the case where blowing case and N 2 gas without supplying a gas at a later stage nozzle.

Claims (6)

金属ストリップの連続処理ラインにおいて、反応炉内にチタン塩化物を含む反応性のガスを供給して金属ストリップの表面にTiN膜を連続的に成膜するに際し、該反応炉内に、金属ストリップの進行方向に沿って複数個のガスノズルを配置し、これら複数個のガスノズルのうち、前段からチタン塩化物を含有するガスを金属ストリップの表面に吹き付けて、その吹き付け位置にTiNを生成させ、一方後段からはチタン塩化物を含有しないガスを金属ストリップの表面に吹き付けることを特徴とする、金属ストリップ表面へのTiN成膜方法。 In the continuous processing line of the metal strip, when a reactive gas containing titanium chloride is supplied into the reaction furnace and a TiN film is continuously formed on the surface of the metal strip, A plurality of gas nozzles are arranged along the traveling direction, and among these gas nozzles, a gas containing titanium chloride is sprayed on the surface of the metal strip from the front stage to generate TiN at the spraying position , while the rear stage wherein the blowing gas containing no titanium chloride on the surface of the metallic strip from, TiN film formation method of the metal strip surface. 金属ストリップの連続処理ラインにおいて、反応炉内にチタン塩化物を含む反応性のガスを供給して金属ストリップの表面にTiN膜を連続的に成膜するに際し、該反応炉内に、金属ストリップの進行方向に沿って複数個のガスノズルを配置し、これら複数個のガスノズルのうち、チタン塩化物を含有するガスを吹き付ける1個のガスノズルとそれに続くチタン塩化物を含有しないガスを吹き付ける1個または複数個のガスノズルを1セットとして、このセットを金属ストリップの進行方向に沿って複数セット設置し、上記チタン塩化物を含有するガスを金属ストリップの表面に吹き付けて、その吹き付け位置にTiNを生成させるとともに、上記チタン塩化物を含有しないガスを金属ストリップの表面に吹き付けることを特徴とする、金属ストリップ表面へのTiN成膜方法。 In the continuous processing line of the metal strip, when a reactive gas containing titanium chloride is supplied into the reaction furnace and a TiN film is continuously formed on the surface of the metal strip, A plurality of gas nozzles are arranged along the advancing direction, and one or a plurality of gas nozzles that spray a gas containing titanium chloride and a gas that does not contain titanium chloride are subsequently blown out of the plurality of gas nozzles. A set of gas nozzles is used, and a plurality of sets are installed along the traveling direction of the metal strip, and the gas containing titanium chloride is sprayed on the surface of the metal strip to generate TiN at the spraying position. A gas stream containing no titanium chloride is blown onto the surface of the metal strip. A TiN film forming method on the surface of the cup. 前記チタン塩化物を含有しないガスが、窒素ガス、水素ガスまたはその他TiN成膜反応を妨げないガスのうちから選んだ1種または2種以上であることを特徴とする請求項1または2記載のTiN成膜方法。   3. The gas according to claim 1, wherein the gas not containing titanium chloride is one or more selected from nitrogen gas, hydrogen gas, and other gases that do not interfere with the TiN film forming reaction. TiN film formation method. 前記チタン塩化物を含有しないガスの吹き付け速度が0.5〜50 m/sであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のTiN成膜方法。   The TiN film forming method according to any one of claims 1 to 3, wherein a spray speed of the gas not containing titanium chloride is 0.5 to 50 m / s. 金属ストリップの連続処理ラインにおいて、反応炉内にチタン塩化物を含む反応性のガスを供給して金属ストリップの表面にTiN膜を連続的に成膜するTiN連続成膜装置であって、該反応炉内に、金属ストリップの進行方向に沿って複数個のガスノズルを配置するものとし、これら複数個のガスノズルのうち、前段はチタン塩化物を含有するガスを金属ストリップの表面に吹き付けて、その吹き付け位置にTiNを生成させるガスノズルとし、一方後段はチタン塩化物を含有しないガスを金属ストリップの表面に吹き付けるガスノズルとすることを特徴とする、金属ストリップ表面へのTiN連続成膜装置。 A continuous TiN film forming apparatus for continuously forming a TiN film on a surface of a metal strip by supplying a reactive gas containing titanium chloride into a reaction furnace in a continuous processing line of the metal strip, A plurality of gas nozzles are arranged in the furnace along the traveling direction of the metal strip. Among these gas nozzles, a gas containing titanium chloride is sprayed on the surface of the metal strip in the previous stage , and then sprayed. An apparatus for continuously forming TiN on the surface of a metal strip, characterized in that a gas nozzle for generating TiN at a position is provided, and a gas nozzle for spraying a gas not containing titanium chloride on the surface of the metal strip is provided in the subsequent stage. 金属ストリップの連続処理ラインにおいて、反応炉内にチタン塩化物を含む反応性のガスを供給して金属ストリップの表面にTiN膜を連続的に成膜するTiN連続成膜装置であって、該反応炉内に、金属ストリップの進行方向に沿って複数個のガスノズルを配置するものとし、これら複数個のガスノズルのうち、チタン塩化物を含有するガスを金属ストリップの表面に吹き付けて、その吹き付け位置にTiNを生成させる1個のガスノズルとそれに続くチタン塩化物を含有しないガスを金属ストリップの表面に吹き付ける1個または複数個のガスノズルを1セットとして、このセットを金属ストリップの進行方向に沿って複数セット設置することを特徴とする、金属ストリップ表面へのTiN連続成膜装置。 A continuous TiN film forming apparatus for continuously forming a TiN film on a surface of a metal strip by supplying a reactive gas containing titanium chloride into a reaction furnace in a continuous processing line of the metal strip, In the furnace, a plurality of gas nozzles are arranged along the traveling direction of the metal strip. Among these gas nozzles, a gas containing titanium chloride is sprayed on the surface of the metal strip , and the sprayed position is reached. One gas nozzle for generating TiN and one or more gas nozzles for spraying a gas not containing titanium chloride on the surface of the metal strip are set as one set, and this set is set along the traveling direction of the metal strip. A TiN continuous film forming device on the surface of a metal strip, characterized by being installed.
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