KR20030073623A - Hybrid Method of AIP and Sputtering for Superhard coatings Ti-Si-N - Google Patents

Hybrid Method of AIP and Sputtering for Superhard coatings Ti-Si-N Download PDF

Info

Publication number
KR20030073623A
KR20030073623A KR1020020013274A KR20020013274A KR20030073623A KR 20030073623 A KR20030073623 A KR 20030073623A KR 1020020013274 A KR1020020013274 A KR 1020020013274A KR 20020013274 A KR20020013274 A KR 20020013274A KR 20030073623 A KR20030073623 A KR 20030073623A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
chamber
tool
coating film
gas
mold
Prior art date
Application number
KR1020020013274A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR100461980B1 (en
Inventor
김광호
최성룡
윤순영
Original Assignee
김광호
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 김광호 filed Critical 김광호
Priority to KR10-2002-0013274A priority Critical patent/KR100461980B1/en
Publication of KR20030073623A publication Critical patent/KR20030073623A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100461980B1 publication Critical patent/KR100461980B1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/16Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
    • C23C14/165Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon by cathodic sputtering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24Vacuum evaporation
    • C23C14/32Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325Electric arc evaporation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34Sputtering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/50Substrate holders
    • C23C14/505Substrate holders for rotation of the substrates

Abstract

PURPOSE: A method for three-dimensionally depositing Ti-Si-N based rigid coating film on mold, high speed steel tool or hard metal tool through hybrid process of arc ion plating and sputtering is provided. CONSTITUTION: In a method for depositing a Ti-Si-N based rigid coating film on the surface of mold and tool through arc ion plating and sputtering, the method for depositing the Ti-Si-N based rigid coating film comprises first step (S12,S13) of evacuating a chamber in which the mold and tool are installed, and heating the chamber; second step (S14) of cleaning the mold and tool by flowing Ar gas into the chamber and impressing bias to the Ar gas; third step (S15) of blocking inflow of Ar gas into the chamber, applying vacuum into the chamber and heating the chamber again; fourth step (S16) of flowing Ar gas and N2 gas into the chamber and impressing bias to the Ar gas and N2 gas; and fifth step (S17) of depositing a Ti-Si-N based rigid coating film on the surface of the mold and tool by impressing power supply to Ti target using the arc ion plating and Si target using the sputtering respectively.

Description

Ti-Si-N계 경질코팅막의 증착방법{Hybrid Method of AIP and Sputtering for Superhard coatings Ti-Si-N}Hybrid Method of AIP and Sputtering for Superhard coatings Ti-Si-N}

본 발명은 Ti-Si-N계 경질코팅막의 증착방법에 관한 것이며, 특히, 아크 이온 플래팅(Arc Ion Plating ; 이하 'AIP'라 칭함)법과 스퍼터(sputter)법의 하이브리드(hybrid) 공정을 통해 3차원 입체적으로 고속도공구나 초경합금공구 등에 Ti-Si-N계 경질코팅막을 증착하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a Ti-Si-N-based hard coating film deposition method, in particular, through a hybrid process of the arc ion plating (hereinafter referred to as 'AIP') method and the sputter method (sputter method) The present invention relates to a method of depositing a Ti-Si-N-based hard coating film in a three-dimensional three-dimensional high speed tool, a cemented carbide tool, or the like.

Ti-Si-N계 경질코팅막이란 TiN에 Si가 0~30at%의 범위 내에서 첨가된 물질을 말하는 것이며, 나노 결정구조(nano crystal structure)의 TiN을 비정질상 α-Si3N4가 둘러쌈으로써 초고경도를 갖도록 하는 보호피막재료로서, 공구 등을 코팅하는 선진 산업기술에 이용된다.The Ti-Si-N-based hard coating film refers to a material in which Si is added to TiN within a range of 0 to 30 at%. The Ti-Si-N-based hard coating film surrounds TiN in a nano crystal structure by amorphous α-Si 3 N 4 . As a protective film material having an extremely high hardness, it is used in advanced industrial technology for coating tools and the like.

현대산업사회의 기술이 고도화 및 고정밀화됨에 따라 다양한 제조 및 가공 산업분야에서도 생산성을 높이기 위한 노력들이 계속되고 있다. 이에 따라 고속도공구나 초경합금공구 등의 절삭공구, 금형 및 기계부품 등에는 표면처리를 통해 우수한 내마모성, 내산화성, 인성, 고온 안정성 및 내구성을 갖도록 하는 보호경질피막의 적용이 불가피하게 되었다. 즉, 제품의 표면에 TiN, TiCN 또는 TiAlN 등의 경질피막을 형성함으로써 내마모성을 도모하고 있다.As the technology of modern industrial society is advanced and high precision, efforts are being made to increase productivity in various manufacturing and processing industries. As a result, it is inevitable to apply a protective hard coating film having excellent wear resistance, oxidation resistance, toughness, high temperature stability and durability through surface treatment to cutting tools such as high-speed tools or cemented carbide tools. That is, wear resistance is aimed at by forming hard films, such as TiN, TiCN, or TiAlN, on the surface of a product.

1970년대 이후 상용화되기 시작한 TiN 코팅막은 우수한 기계적 성질을 가짐에도 불구하고 고온의 산화 분위기에서 쉽게 산화됨에 따라 응용에 제한을 받았다. 그래서, 현재에는 TiN 박막의 내산화성 및 기계적 성질을 보다 향상시키기 위하여 복합 성분 물질에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있으며, 또한, 고경도 재료를 절삭하거나 고속절삭에 대응하여 고온 내산화 특성이 우수한 경질피막으로 스퍼터법, AIP법 등을 통해 TiAlN 박막 코팅된 제품들을 생산하고 있다.TiN coating film, which has been commercialized since the 1970s, has been limited in its application as it is easily oxidized in a high temperature oxidizing atmosphere despite its excellent mechanical properties. Therefore, in order to further improve the oxidation resistance and mechanical properties of TiN thin films, studies on composite component materials are being actively conducted. Also, a hard coating having excellent high temperature oxidation resistance in response to cutting of high hardness materials or high-speed cutting It is producing TiAlN thin film coated products through sputtering method and AIP method.

한 걸음 더 발전된 경질피막의 개발은 TiAlN과 같은 3원계 복합재료에 그치지 않고, 4원계 복합재료를 통한 기술개선도 제안되고 있다. 3원계 복합재료 중에서 Ti-Si-N계 경질코팅막은 TiN 및 TiAlN 코팅막보다 월등한 초고경도의 특성을 지니면서도 TiN에 비해 높은 온도에서 내산화성이 우수하여 주목을 받고 있다.Further development of hard coatings is not only ternary composite materials such as TiAlN, but technology improvement through ternary composite materials has also been proposed. Among the ternary composite materials, the Ti-Si-N-based hard coating film has attracted attention because of its superior superhardness characteristics compared to TiN and TiAlN coating films and superior oxidation resistance at higher temperatures than TiN.

절삭공구를 코팅하는 방법에는 수많은 방법들이 있지만, 이들 방법들은 각기 다른 큰 특징들을 갖기 때문에, 증착되는 박막의 특성과 용도 등에 맞는 최적의 박막제작법을 선택하는 것이 중요하다.There are a number of methods for coating cutting tools, but these methods have different characteristics, so it is important to select the optimum thin film manufacturing method according to the characteristics and application of the thin film to be deposited.

1950년대 CVD(Chemical Vapor Deposition)법에 의한 TiC 코팅이 개발된 이후, CVD법은 1970년대 중반부터 널리 보급되기 시작하여 시작초기 단층막 코팅에서 현재는 다층막 코팅에 많이 사용되고 있다. 그리고, 1000℃ 이상의 고온에서 이루어지는 증착공정을 보완해 플라즈마를 이용한 PACVD(Plasma Assistance Chemical Vapor Deposition)법이 개발되어 상용화되고 있다.Since the TiC coating was developed by the Chemical Vapor Deposition (CVD) method in the 1950s, the CVD method began to be widely used in the mid-1970s and is now widely used in multilayer coatings in early stage single layer coatings. In addition, PACVD (Plasma Assistance Chemical Vapor Deposition) using plasma has been developed and commercialized by supplementing the deposition process performed at a high temperature of 1000 ° C. or higher.

그리고, CVD 장치는 PVD(Physical Vapor Deposition) 장치와 비교해 보면, 그 구성이 간단하고, 매우 많은 물질에 쉽게 적용이 가능하며, 매우 높은 생산 수율을 갖는다는 장점이 있다. 그러나, 아직까지도 CVD법은 다른 공정에 비해 비교적 높은 증착 온도로 인하여 저융점 기판에 대한 적용이 어렵고, 더욱이 원자가 기판으로 확산되는 현상과 상온으로 냉각하였을 때 열응력이 발생하는 등의 문제가 있다. 게다가 공정온도의 상승은 실제 산업현장에서 원가상승을 초래한다.In addition, the CVD apparatus has advantages in that its structure is simple, can be easily applied to a large number of materials, and has a very high production yield compared to a PVD (Physical Vapor Deposition) apparatus. However, the CVD method is still difficult to apply to a low melting point substrate due to a relatively higher deposition temperature than other processes, and furthermore, there are problems such as atom diffusion into the substrate and thermal stress when cooled to room temperature. In addition, an increase in process temperature leads to a cost increase in actual industrial sites.

PVD법은 1980년 TiN 단층막 코팅을 시작으로 단속절삭 및 예리한 날에 처음 적용하여 뛰어난 성능을 발휘한 기술이다. PVD기법 중 대표적인 방법은 스퍼터(sputter)법인데, 스퍼터법 중 마그네트론 스퍼터법의 개발로 인해 저온·고속의 박막증착이 가능해지면서 보다 우수한 박막제작이 가능하게 되었다.PVD is a technology that showed excellent performance by applying TiN single layer coating in 1980 and applied for the first time in interrupted cutting and sharp day. The representative method of PVD technique is sputter method, and the development of magnetron sputter method among sputter methods enables thin film at low temperature and high speed, and thus makes excellent thin film production.

그리고, 스퍼터법은 고융점 재료 또는 활성 재료의 조성 및 특성 등을 엄밀히 제어하면서 제작할 수 있고, CVD법에 비해 불순물에 의한 오염이 적다는 장점이 있다. 하지만, 스퍼터법은 자성체를 타겟으로 사용할 경우 타겟표면에서 나오는 누설자속의 악화로 인해 전자를 효율적으로 포획할 수 없고, 또한 타겟 침식이 균일하지 않기 때문에 이용효율이 크게 떨어지는 단점이 있다. 또한, 스퍼터법은 더욱 빠른 증착속도와 실용상의 특성이 요구되고 있는 현재 상황에서 기존의 모든 요구를 만족시키면서도 박막의 조성제어나 가스압력 조절, 다층막의 제작, 막의 고품질화 등의 과제를 해결하기 위한 개선이 필요하다.In addition, the sputtering method can be manufactured while strictly controlling the composition and properties of the high melting point material or the active material, and has the advantage of less contamination by impurities compared to the CVD method. However, the sputtering method has a disadvantage in that the use efficiency of the magnetic material cannot be captured efficiently due to the deterioration of the leakage magnetic flux from the target surface and the target erosion is not uniform. In addition, the sputtering method is an improvement to solve the problems such as controlling the composition of the thin film, controlling the gas pressure, manufacturing the multilayer film, and improving the quality of the film while satisfying all existing requirements in the current situation where faster deposition speed and practical characteristics are required. This is necessary.

또한, 상기 CVD법 및 PVD법은 모재와의 부착성이 낮음으로 인해 실용화에 걸림돌이 되고 있다.In addition, the CVD method and the PVD method are obstacles to practical use due to the low adhesion with the base material.

그리고, 이온 플래팅(ion plating)법은 근래까지 산업 현장에서 주된 상용화 기술로 사용되었으나, 새로운 AIP(Arc ion plating)법의 등장으로 대체되고 있는 실정이다. AIP법은 코팅공정 부분에 있어 앞서 언급한 CVD법, 스퍼터법 및 이온 플래팅법들의 단점을 충분히 보완한 것으로서, 저온에서의 높은 증착율로 인해 다양한 모재에 적용할 수 있다. 또한, AIP법은 이온 및 파티클 범바드먼트(particle bombardment)로 인해 우수한 부착성을 갖는다. 또한, AIP법은 높은 이온화율과 이온들의 높은 운동 에너지에 의한 치밀화(density)가 탁월하며, 복잡한 형상의 모재에도 표면 도포성 및 균일성이 아주 양호하여 현재 코팅산업에서 각광받고 있다. 이렇듯, AIP법은 다른 공정에 비해 많은 장점을 갖고 있음에도 불구하고 Si(세라믹) 타겟에 적용하기가 힘들다. 그로 인해, AIP법을 통해서는 Ti-Si-N계 경질코팅막을 증착하지 못하고 있는 실정이다.And, the ion plating method (ion plating) has been used as the main commercialization technology in the industry until recently, but the situation is being replaced by the emergence of a new ARC (Arc ion plating) method. The AIP method sufficiently compensates the disadvantages of the CVD, sputtering and ion plating methods mentioned above in the coating process, and can be applied to various base materials due to the high deposition rate at low temperature. In addition, the AIP method has excellent adhesion due to ions and particle bombardment. In addition, the AIP method is excellent in density due to high ionization rate and high kinetic energy of ions, and is well received in the coating industry because of its excellent surface coating property and uniformity even in a complicated base material. As such, the AIP method is difficult to apply to Si (ceramic) targets, although it has many advantages over other processes. Therefore, the Ti-Si-N type hard coat film cannot be deposited by AIP method.

B. Rother《Surface and coating technology 142-144 (2001) 402-405》는 그의 논문에서 Ti와 Si의 합성 타겟을 AIP법에 적용하여 Ti-Si-N 박막을 증착하는 기술을 개발하였다. 그러나, 이 기술은 합성 타겟을 AIP법에 적용한 것으로서, 박막의 증착시에 조성변화를 조절할 수 없고, 공정 진행 중에 Ti와 Si의 이온화율의 차이로 인해 불균일한 조성의 박막이 증착될 수 있다. 이로 인한 재현성 저하로 제품 양산에 큰 어려움이 있다.B. Rother 《Surface and coating technology 142-144 (2001) 402-405》 developed a technique for depositing Ti-Si-N thin films by applying Ti and Si composite targets to the AIP method. However, this technique is a synthetic target applied to the AIP method, it is not possible to control the composition change during the deposition of the thin film, due to the difference in the ionization rate of Ti and Si during the process can be deposited a thin film of non-uniform composition. As a result, there is a great difficulty in mass production due to the decrease in reproducibility.

대한민국 특허등록 제323991호(발명의 명칭 - 박막제조방법 및 제조장치)에는 하나의 장비를 이용하여 진공증착 및 스퍼터, 이온 플래팅, 이온주입, UV코팅 및 플라즈마 에칭 등과 같은 여러 가지 박막 제조기술 및 장치를 동시 또는 이들 기술의 복합적인 조합을 통해 박막을 제조한다는 기술이 공개되어 있다.Korean Patent Registration No. 323991 (Invention name: thin film manufacturing method and manufacturing apparatus) uses a single equipment to manufacture various thin film manufacturing technologies such as vacuum deposition and sputtering, ion plating, ion implantation, UV coating, and plasma etching. Techniques have been disclosed for producing thin films simultaneously or in combination of these techniques.

상기 특허등록 제323991호에서 사용하는 이온 플래팅법은 일반적으로 액상 증발원을 사용하기 때문에, 증발은 항상 아래서 위로 발생하고, 그로 인해 장비를 설계함에 있어 한 방향으로만 코팅할 수 있도록 설계되어, 복잡한 형상을 갖는 공구의 코팅에는 적용이 힘들다는 단점이 있다. 또한, 특허등록 제323991호의 기술은 모든 건(gun)들이 중앙에 설치되고 시편홀더가 그 주위를 도는 형태로 제작되어 3차원 입체코팅이 어렵다는 단점이 있다.Since the ion plating method used in Patent Registration No. 323991 generally uses a liquid evaporation source, evaporation always occurs up and down, thereby designing the equipment to be coated in only one direction in designing a complicated shape. The coating of the tool having the disadvantage is difficult to apply. In addition, the technology of the Patent No. 323991 has a disadvantage that all the gun (gun) is installed in the center and the specimen holder is made around the three-dimensional three-dimensional coating is difficult.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 아크 이온 플래팅법과 스퍼터법의 하이브리드 공정을 통해 3차원 입체적으로 금형, 고속도공구나 초경합금공구 등에 Ti-Si-N계 경질코팅막을 증착하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, Ti-Si-N in three-dimensional three-dimensional mold, high-speed coating or cemented carbide tools through a hybrid process of the arc ion plating method and sputtering method It is an object of the present invention to provide a method of depositing a hard coating film.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 Ti-Si-N계 경질코팅막의 증착방법의 블록도이고,1 is a block diagram of a deposition method of a Ti-Si-N-based hard coating film according to an embodiment of the present invention,

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 Ti-Si-N계 경질코팅막의 증착장치의 구성요소들을 도시한 정면도 및 측면도이고,2a and 2b is a front view and a side view showing the components of the deposition apparatus of the Ti-Si-N-based hard coating film according to the present invention,

도 3은 도 2a에 도시된 증착장치의 챔버를 개략적으로 도시한 개략도이고,3 is a schematic diagram schematically showing a chamber of the deposition apparatus shown in FIG. 2A,

도 4a는 도 3에 도시된 챔버내의 지지홀더를 회전시키는 유성기어의 구조를 개략적으로 도시한 평면도이고,4A is a plan view schematically illustrating the structure of the planetary gear for rotating the support holder in the chamber shown in FIG. 3;

도 4b는 도 4a에 도시된 유성기어를 선 A-A를 따라 절취한 단면도이고,4B is a cross-sectional view of the planetary gear shown in FIG. 4A taken along line A-A.

도 5는 본 발명에서 Si 전류에 대한 Ti-Si-N계 경질코팅막내의 Si함량을 나타낸 그래프이고,5 is a graph showing the Si content in the Ti-Si-N-based hard coating film with respect to Si current in the present invention,

도 6은 본 발명에서 Ti-Si-N계 경질코팅막내의 Si의 첨가량에 따른 X선 회절분석결과를 나타낸 그래프이고,6 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis according to the amount of Si added in the Ti-Si-N-based hard coating film in the present invention,

도 7은 본 발명에서 Ti-Si-N계 경질코팅막내의 Si의 결합형태를 XPS를 통해 분석한 결과로 나타낸 그래프이다.Figure 7 is a graph showing the results of analyzing the bonding form of Si in the Ti-Si-N-based hard coating film in the present invention through XPS.

도 8은 종래의 경질코팅막과 본 발명에 따른 Ti-Si-N계 경질코팅막의 미세경도를 비교하여 나타난 도면이며,8 is a view showing a comparison of the microhardness of the conventional hard coating film and the Ti-Si-N-based hard coating film according to the present invention,

도 9은 본 발명에 의해 증착된 Ti-Si-N계 경질코팅막내의 Si 첨가함량에 따른 미세경도 변화를 나타난 그래프이다.9 is a graph showing the change in the microhardness according to the content of Si in the Ti-Si-N-based hard coating film deposited by the present invention.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠♠ Explanation of symbols on the main parts of the drawing ♠

21 : 챔버 22 : 구동모터21: chamber 22: drive motor

23 : 회전축 24 : 로터리 펌프23: rotating shaft 24: rotary pump

25 : 러핑밸브 26 : 가스 주입구25: roughing valve 26: gas inlet

27 : 클라이요 펌프 28 : 메인 밸브27: Cliyo Pump 28: Main Valve

31 : 지지홀더 32 : 스퍼터 건31: support holder 32: sputter gun

33 : 아크 건 40 : 유성기어33: arc gun 40: planetary gear

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 증착방법은, 금형, 공구 등이 설치된챔버내에 진공을 가하고 가열하는 제1 단계와, 상기 챔버내에 Ar가스를 유입하고 바이어스를 인가하여 상기 금형, 공구 등을 세정하는 제2 단계와, 상기 챔버내로의 Ar가스 유입을 차단하고 상기 챔버내를 재차 진공을 가하고 가열하는 제3 단계와, 상기 챔버내에 Ar가스 및 N2가스를 유입하고 바이어스를 인가하는 제4 단계 및, 상기 AIP법을 사용하는 Ti 타겟과 상기 스터퍼법을 사용하는 Si 타겟에 전원을 각각 인가하여 상기 금형, 공구 등의 표면에 Ti-Si-N계 경질코팅막을 증착하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The vapor deposition method of the present invention for achieving the above object, the first step of applying a vacuum in the chamber in which the mold, tool and the like is installed, cleaning the mold, tool and the like by introducing Ar gas into the chamber and applying a bias A second step of blocking the inflow of Ar gas into the chamber and applying a vacuum and heating the chamber again, and a fourth step of introducing Ar gas and N 2 gas into the chamber and applying a bias to the chamber; And a fifth step of depositing a Ti-Si-N-based hard coating film on the surface of the mold and the tool by applying power to the Ti target using the AIP method and the Si target using the stuffer method, respectively. It is characterized by.

본 발명은 AIP법 및 스퍼터법의 하이브리드 공정을 통해 금형, 고속도공구나 초경합금공구 등에 적어도 3원계(Ti-Si-N계) 이상의 경질코팅막을 증착하는 것이다. 즉, 본 발명은 기존의 PACVD법, 스퍼터법 또는 Ti, Si 합성 타겟을 이용한 AIP법을 각각 이용하여 금형, 고속도공구나 초경합금공구 등에 Ti-Si-N계 경질코팅막을 증착하던 것을, AIP법 및 스퍼터법의 하이브리드 공정을 통해 고속도공구나 초경합금공구 등에 Ti-Si-N계 경질코팅막을 증착하는 것이다.The present invention is to deposit a hard coating film of at least ternary (Ti-Si-N) or the like into a mold, a high-speed coating tool, or a cemented carbide tool through a hybrid process of the AIP method and the sputtering method. That is, in the present invention, the Ti-Si-N-based hard coating film is deposited on a mold, a high-speed coating tool, or a cemented carbide tool by using a conventional PACVD method, a sputtering method, or an AIP method using a Ti or Si composite target, respectively. Through a sputtering hybrid process, Ti-Si-N-based hard coating films are deposited on high-speed coatings or cemented carbide tools.

상기와 같이 본 발명은 공구의 코팅막 증착에 큰 장점을 갖는 AIP법을 도입함과 아울러, Si 타겟을 AIP법에 적용하기 곤란한 점에 착안하여 스퍼터법으로 Si 타겟을 적용한 것이다. 즉, 본 발명은 Ti 타겟에 AIP법을 사용하고, Si 타겟에 스퍼터법을 사용하여 금형, 고속도공구나 초경합금공구 등에 Ti-Si-N계 경질코팅막을 증착하는 것이다.As described above, the present invention introduces the AIP method having a great advantage in the coating film deposition of the tool, and focuses on the difficulty in applying the Si target to the AIP method, and applies the Si target by the sputtering method. That is, in the present invention, the Ti-Si-N-based hard coating film is deposited on a mold, a high-speed coating tool, a cemented carbide tool, or the like by using the AIP method for the Ti target and the sputtering method for the Si target.

본 발명에 적용되는 AIP법은 액상 증발원이 불필요하고 그에 따라 증발원을저장하는 저장소가 없기 때문에 챔버내에 AIP 건(gun)과 스퍼터 건을 장착함에 있어, 그 장착위치에 제약을 받지 않으면서 챔버의 벽면, 상부 또는 하부 등등 원하는 위치에 건들을 장착할 수 있다. 그러므로, AIP법을 사용하여 금형, 고속도공구나 초경합금공구 등을 코팅함에 있어, 그 형상이 복잡한 3차원 형상을 갖더라도 균일한 코팅이 가능하다.The AIP method applied to the present invention does not require a liquid evaporation source, and thus there is no reservoir for storing the evaporation source, so that the AIP gun and the sputter gun are mounted in the chamber, and the wall surface of the chamber is not restricted by the mounting position. The guns can be mounted in the desired position, top or bottom. Therefore, in coating a mold, a high speed tool, a cemented carbide tool, etc. using the AIP method, even if the shape has a complicated three-dimensional shape, uniform coating is possible.

또한, AIP법을 사용함에 있어서, 필요에 따라 AIP 건과 스퍼터 건의 상대 개수를 조정할 수 있으므로, 박막 증착시 증착성분(Ti 및 Si)의 함량제어가 더욱 용이할 뿐만 아니라 다원계 박막증착이 가능하다. 또한, AIP법을 사용함에 있어서, 고속도공구나 초경합금공구 등을 지지하는 지지홀더를 공전 및 자전을 각각 또는 동시에 하도록 구성하고, 그 회전속도를 조절할 수 있도록 함으로써 균일한 3차원 입체코팅이 가능하다.In addition, in using the AIP method, the relative number of the AIP gun and the sputter gun can be adjusted as necessary, so that the content control of the deposition components (Ti and Si) can be more easily controlled when the thin film is deposited. . In addition, in using the AIP method, a support holder for supporting a high speed tool, a cemented carbide tool, or the like can be configured to rotate or rotate independently or simultaneously, and the rotational speed thereof can be adjusted to enable uniform three-dimensional coating.

아래에서, 본 발명에 따른 Ti-Si-N계 경질코팅막의 증착방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings a preferred embodiment of the Ti-Si-N-based hard coating film deposition method according to the present invention will be described in detail.

본 발명의 증착방법은 통상의 증착장치를 본 발명에 적합하게 적용할 수 있도록 개조한 도 2a 내지 도 3과 같이 구성된 증착장치를 통해 이루어진다.The deposition method of the present invention is made through a deposition apparatus configured as shown in Figures 2a to 3 adapted to suitably apply the conventional deposition apparatus to the present invention.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 Ti-Si-N계 경질코팅막의 증착방법의 블록도이고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 Ti-Si-N계 경질코팅막의 증착장치의 구성요소들을 도시한 정면도 및 측면도이며, 도 3은 도 2a에 도시된 증착장치의 챔버를 개략적으로 도시한 개략도이다.1 is a block diagram of a deposition method of the Ti-Si-N-based hard coating film according to an embodiment of the present invention, Figures 2a and 2b is a configuration of the deposition apparatus of the Ti-Si-N-based hard coating film according to the present invention Front and side views showing the elements, FIG. 3 schematically showing a chamber of the deposition apparatus shown in FIG. 2A.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 증착방법은, 먼저 금형, 고속도공구나 초경합금공구 등(이하, '시편'이라 함)을 도 3에 도시된 지지홀더(31)에 장착한다. 그런 다음, 시편이 장착된 지지홀더(31)를 공전과 자전이 동시에 가능하도록 하는 기판에 고정한다. 그로 인해, 시편은 공전과 자전이 동시에 가능하게 된다.As shown in Figures 1 to 3, in the deposition method of the present invention, first, a mold, a high speed tool, a cemented carbide tool, or the like (hereinafter referred to as a specimen) is mounted on the support holder 31 shown in FIG. . Then, the support holder 31 on which the specimen is mounted is fixed to the substrate to allow both revolution and rotation. As a result, the specimen is capable of both rotating and rotating at the same time.

상기와 같이 시편이 공전 및 자전이 가능하게 장착되면, 챔버문을 닫고 챔버(21)를 밀폐시킨다. 그런 다음, 컨트롤 장치의 공전 및 자전스위치를 켠다(on). 그러면, 챔버(21)의 외부에 위치하는 구동모터(22)의 동력을 전달받는 회전축(23)을 통해 기판이 공전 및 자전한다. 이로 인해, 지지홀더(31) 및 시편 또한 공전 및 자전한다(S11).As described above, when the specimen is mounted to be capable of rotating and rotating, the chamber door is closed and the chamber 21 is sealed. Then, the idle and rotating switches of the control unit are turned on. Then, the substrate revolves and rotates through the rotating shaft 23 receiving the power of the driving motor 22 located outside the chamber 21. For this reason, the support holder 31 and the specimen also rotate and rotate (S11).

그리고, 컨트롤 장치의 로터리 펌프 스위치를 켜서 로터리 펌프(24)를 작동시키고, 러핑밸브(25)를 열어 챔버(21)내의 진공이 10-2토르(torr)가 될 때까지 기다린다(S12). 이렇게 하여 챔버(21)내의 진공이 10-2토르가 되면, 컨트롤 장치의 히터스위치를 켜서 챔버(21)내의 발열부를 가동시킨다. 이 때, 챔버(21)내의 온도가 200℃까지 상승할 수 있도록 컨트롤 장치의 온도 설정스위치를 조작하여 세팅한다. 그리고, 컨트롤 장치는 챔버(21)내의 온도가 200℃ 이상일 경우에는 발열부에 가해지는 전원을 자동으로 차단하고, 그 이하의 온도에서는 다시 전원을 공급하는 방식으로 챔버(21)내의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 구성된다(S13).Then, the rotary pump switch of the control device is turned on to operate the rotary pump 24, and the roughing valve 25 is opened to wait until the vacuum in the chamber 21 becomes 10 −2 torr (S12). In this way, when the vacuum in the chamber 21 reaches 10 -2 Torr, the heater switch of the control device is turned on to activate the heat generating portion in the chamber 21. At this time, it sets by operating the temperature setting switch of a control apparatus so that the temperature in the chamber 21 may rise to 200 degreeC. When the temperature in the chamber 21 is 200 ° C. or more, the control device automatically cuts off the power applied to the heat generating unit, and supplies the power again at a temperature below that, so that the temperature in the chamber 21 is kept constant. It is configured to be maintained (S13).

이렇게 챔버(21)내의 온도가 200℃를 유지한 상태에서 컨트롤 장치의 컨트롤 단자의 전원을 켜고, Ar유량 컨트롤 단자를 조절하여 주입하고자 하는 Ar가스의 양을 설정한다. 그런 다음, 컨트롤 장치의 가스주입 밸브 스위치를 열어주면, Ar가스가 챔버(21)내로 주입된다. 즉, 가스통에서 배출되는 Ar가스가 유량계를 통해 그 양이 조절되어 가스 주입구(26)를 통해 챔버(21)내로 주입된다.With the temperature in the chamber 21 maintained at 200 ° C., the power of the control terminal of the control device is turned on, and the Ar flow rate control terminal is adjusted to set the amount of Ar gas to be injected. Then, when the gas injection valve switch of the control device is opened, Ar gas is injected into the chamber 21. That is, the amount of Ar gas discharged from the gas cylinder is adjusted through a flow meter and injected into the chamber 21 through the gas inlet 26.

그런 다음, 컨트롤 장치의 바이어스 파워공급장치의 전원을 켠 후, 바이어스 파워공급장치에 있는 제어판에서 바이어스인가 스위치를 켠다. 그리고, 바이어스 전압조절 스위치를 -600V로 세팅한다. 이 때, 바이어스 파워공급장치에서 인가된 전압은 공전 및 자전하는 기판을 거쳐 시편홀더(31) 및 시편에 인가된다. 이렇게 Ar이 주입되고 바이어스가 인가되면, 시편과 기판에 플라즈마가 형성되며, Ar 이온들에 의한 시편의 전처리(세정)가 실시된다(S14).Then turn on the bias power supply of the control device and then turn on the biasing switch on the control panel of the bias power supply. Then set the bias voltage adjusting switch to -600V. At this time, the voltage applied from the bias power supply device is applied to the specimen holder 31 and the specimen through the substrate to rotate and rotate. When Ar is injected and a bias is applied, plasma is formed on the specimen and the substrate, and pretreatment (cleaning) of the specimen by Ar ions is performed (S14).

이렇게 Ar 이온들에 의한 시편의 전처리가 끝나면, 바이어스 전원을 먼저 차단한 다음 Ar가스의 유입을 차단한다. 이 때에도 로터리 펌프(24)는 계속적으로 작동하여 챔버(21)의 압력이 10-2토르의 진공상태를 유지하도록 한다. 이 상태에서 러핑밸브(25)를 폐쇄하고 로터리 펌프의 스위치를 끈다(off). 그런 다음, 클라이요 펌프(27 ; cryo pump)와 연결된 메인 밸브(28)를 개방하고, 챔버(21)의 내부가 10-6토르의 진공이 될 때까지 클라이요 펌프(27)를 작동시킨다. 그리고, 컨트롤 장치의 온도 설정스위치를 다시 조작하여 200℃로 세팅된 온도를 300℃로 다시 세팅한다. 그런 다음, 챔버(21)내의 온도가 300℃가 될 때까지 기다린다(S15).After the pretreatment of the specimen by Ar ions, the bias power is first cut off and then Ar gas is blocked. At this time, the rotary pump 24 continues to operate so that the pressure in the chamber 21 is maintained at a vacuum of 10 −2 torr. In this state, the roughing valve 25 is closed and the rotary pump is switched off. Then, the main valve 28 connected to the cryo pump 27 is opened and the cryo pump 27 is operated until the interior of the chamber 21 is a vacuum of 10 −6 torr. Then, the temperature setting switch of the control device is operated again to set the temperature set at 200 ° C to 300 ° C. Then, it waits until the temperature in the chamber 21 becomes 300 degreeC (S15).

이렇게 하여 챔버(21)내의 온도가 300℃가 되면, 컨트롤 장치를 조작하여 Ar가스 및 N2가스의 유량을 각각 설정한다. 그런 다음, Ar가스 및 N2가스 주입스위치를 조작하여 밸브를 개방하여 챔버(21)내에 Ar가스 및 N2가스를 주입한다. 그리고, 컨트롤 장치의 바이어스 전압조절 스위치를 조작하여 바이어스를 -100V로 조절하여 시편과 기판에 바이어스 전압을 인가한다(S16).Thus when the temperature in the chamber (21) 300 ℃, by the operation control device sets the flow rate of the Ar gas and N 2 gas respectively. Then, operating the Ar gas and N 2 gas inlet switch to open the valve to inject the Ar gas and N 2 gas into the chamber (21). Then, the bias voltage control switch of the control device is operated to adjust the bias to -100V to apply a bias voltage to the specimen and the substrate (S16).

그런 다음, 컨트롤 장치의 스퍼터 파워공급장치와 아크 파워공급장치의 전원스위치를 켜고, 스퍼터 파워공급장치의 제어판을 조절하여 적당한 파워를 인가한다. 또한, 아크 파워공급장치의 제어판을 조절하여 적당한 파워를 인가한다. 그러면, 스퍼터 건(32)과 아크 건(33)에 전원이 인가되면서 플라즈마가 형성되어, 시편에 Ti-Si-N계(나노-TiN/α-Si3N4) 경질코팅막을 증착시킨다(S17).Then, turn on the power switch of the sputter power supply and the arc power supply of the control device, and adjust the control panel of the sputter power supply to apply proper power. Also, the control panel of the arc power supply device is adjusted to apply proper power. Then, a plasma is formed while power is applied to the sputter gun 32 and the arc gun 33, thereby depositing a Ti-Si-N-based (nano-TiN / α-Si 3 N 4 ) hard coating film on the specimen (S17). ).

이렇게 시편에 증착되는 Ti-Si-N계 경질코팅막을 구성하는 가장 중요한 Ti와 Si의 함량은 스퍼터 건(32)과 아크 건(33)을 구성하는 개수와, 각각의 타겟에 인가되는 전류세기를 조절함으로써 제어된다. 그러므로, 아크 건(33)을 통해 인가되는 Ti 전류를 고정하고, 스퍼터 건(32)을 통해 인가되는 Si 전류를 조절함으로써, Ti-Si-N계 경질코팅막내의 Si 함량을 제어할 수 있다. 그리고, 본 발명을 통해 다원계 박막을 증착할 경우에는 각 타겟의 전류를 미세하게 제어함으로써, 각 성분들의 함량을 제어할 수 있다.The most important content of Ti and Si constituting the Ti-Si-N-based hard coating film deposited on the specimen is the number of constituting the sputter gun 32 and the arc gun 33 and the current strength applied to each target. Controlled by adjustment. Therefore, the Si content in the Ti-Si-N-based hard coat film can be controlled by fixing the Ti current applied through the arc gun 33 and adjusting the Si current applied through the sputter gun 32. And, when depositing a multi-element thin film through the present invention, by controlling the current of each target finely, it is possible to control the content of each component.

도 4a는 도 3에 도시된 챔버내의 지지홀더를 회전시키는 유성기어의 구조를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 유성기어를 선 A-A를 따라 절취한 단면도이다.4A is a plan view schematically illustrating the structure of the planetary gear for rotating the support holder in the chamber illustrated in FIG. 3, and FIG. 4B is a cross-sectional view of the planetary gear illustrated in FIG. 4A taken along line A-A.

도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 유성기어(40)는 최외각에 위치하며 일정 치형을 갖는 내접기어(41)와, 모터(도시안됨)의 동력을 전달받는 회전축(46)이 중앙에 연결되어 태양기어의 기능을 동시에 행하는 행성 운반자(43) 및, 행성 운반자(43)와 함께 공전함과 더불어 내접기어(41)와 맞물려 행성 운반자(43)의 표면을 따라 자전할 수 있으며 상기 기판의 역할을 하는 다수의 행성기어(42)로 구성된다.As shown in FIGS. 4A and 4B, the planetary gear 40 is located at the outermost side and has an internal gear 41 having a predetermined tooth and a rotation shaft 46 which receives power from a motor (not shown). Connected to the planet carrier 43 to simultaneously perform the function of the sun gear, and the planet carrier 43 and the interlocking with the internal gear 41 can be rotated along the surface of the planet carrier 43 and the It is composed of a plurality of planetary gears 42 to play a role.

그리고, 상기 행성기어(42)와 행성 운반자(43)의 사이에는 마찰력을 최소화하면서 행성기어(42)가 행성 운반자(43)의 표면을 따라 자전할 수 있도록 베어링 역할을 하는 세라믹 볼(44)이 삽입되어 있다. 그러므로, 행성기어(42)는 행성 운반자(43)가 회전함에 따라 행성 운반자(43)와 함께 공전하면서, 내접기어(41)와 맞물려 회전함에 따라 세라믹 볼(44)을 통해 행성 운반자(43)의 표면을 따라 자전한다.And, between the planet gear 42 and the planet carrier 43 is a ceramic ball 44 which serves as a bearing so that the planet gear 42 can rotate along the surface of the planet carrier 43 while minimizing friction It is inserted. Therefore, the planet gear 42 revolves with the planet carrier 43 as the planet carrier 43 rotates, and engages with the internal gear 41 to rotate the planet carrier 43 through the ceramic ball 44. Rotate along the surface.

또한, 본 발명의 기판은 상기와 같은 유성기어의 구조를 통해 공전과 자전이 동시에 가능하도록 구성되나, 통상적인 방법을 통해 공전 또는 자전이 각각 가능하도록 구성될 수도 있다. 그로 인해, 시편은 공전과 자전이 동시에 가능하거나, 공전 또는 자전이 각각 가능하게 된다.In addition, the substrate of the present invention is configured to allow both revolution and rotation at the same time through the structure of the planetary gear as described above, it may also be configured to enable each of the revolution or rotation through a conventional method. As a result, the specimen can be rotated and rotated at the same time, or can be rotated or rotated respectively.

도 5는 본 발명에서 Si 전류에 대한 Ti-Si-N계 경질코팅막내의 Si함량을 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명에서 Ti-Si-N계 경질코팅막내의 Si의 첨가량에 따른 X선 회절분석결과를 나타낸 그래프이다. 그리고, 도 7은 본 발명에서 Ti-Si-N계 경질코팅막내의 Si의 결합형태를 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)로 분석한 결과로 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the Si content in the Ti-Si-N-based hard coating film with respect to Si current in the present invention, Figure 6 is an X-ray according to the addition amount of Si in the Ti-Si-N-based hard coating film in the present invention It is a graph showing the diffraction analysis results. And, Figure 7 is a graph showing the results of analyzing the bonding form of Si in the Ti-Si-N-based hard coating film in the present invention by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy).

도 5 내지 도 7에서 알 수 있듯이, 증착된 박막의 Si 전류에 따른 Si의 함량변화는 EPMA(Electron Probe Microanalysis)를 통해 분석한 결과와, XRD(X-ray Diffractometer)를 통해 분석한 결과 및, XPS를 통해 분석한 결과를 토대로 적정량의 Si(Si 함유 ; 0~30at%Si)가 TiN조직에 비정질의 α-Si3N4로 첨가됨을 알 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, Si 전류가 증가함에 따라 Ti-Si-N계 경질코팅막내의 Si함량 또한 증가함을 알 수 있다. 그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 종래의 AIP방법으로 증착된 TiN은 (111), (222)면에서 2개의 회절 피크(peak)를 가지지만, 본 발명의 방법을 통해 Si를 첨가할 경우에는 그 첨가량에 따라 결정 성장 거동이 (111), (200), (220), (311), (222) 등 다배향성을 가지며, 그 때에 최고의 경도치를 갖는다. 그리고, 도 7에 도시된 바와 같이, Si의 첨가량의 증가에도 불구하고 TiN내에 순수 Si로 존재하지 않고 비정질의 α-Si3N4상으로 존재하고 있음을 알 수 있다. Ti-Si-N계 경질코팅막내의 순수 Si의 존재는 경도를 감소시키는 원인이 된다.As can be seen in Figures 5 to 7, the change in the content of Si according to the Si current of the deposited thin film is analyzed by EPMA (Electron Probe Microanalysis), the result of XRD (X-ray Diffractometer), Based on the results analyzed through XPS, it can be seen that an appropriate amount of Si (Si containing; 0-30 at% Si) is added to the TiN structure as amorphous α-Si 3 N 4 . That is, as shown in Figure 5, it can be seen that the Si content in the Ti-Si-N-based hard coating film also increases as the Si current increases. And, as shown in Figure 6, TiN deposited by the conventional AIP method has two diffraction peaks on the (111), (222) plane, but when adding Si through the method of the present invention The crystal growth behavior has a multi-orientation such as (111), (200), (220), (311), and (222) depending on the amount of the addition, and has the highest hardness value at that time. And, as shown in Figure 7, it can be seen that despite the increase in the amount of addition of Si is present in the amorphous α-Si 3 N 4 phase instead of pure Si in TiN. The presence of pure Si in the Ti-Si-N-based hard coat film causes a decrease in hardness.

도 8은 종래의 경질코팅막과 본 발명에 따른 Ti-Si-N계 경질코팅막의 미세경도를 비교하여 나타난 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 종래의 PACVD 및 스퍼터, AIP법으로 증착된 TiN의 평균 미세경도는 1500~2300Kg/mm2이고, TiAlN의 미세경도는 3000Kg/mm2인데 비하여, 본 발명에 의해 증착된 나노-TiN/α-Si3N4코팅막은 4500Kg/mm2이상의 초고경도를 갖는 것을 알 수 있다.8 is a view showing a comparison of the microhardness of the conventional hard coating film and the Ti-Si-N-based hard coating film according to the present invention. As shown in FIG. 8, the average microhardness of TiN deposited by conventional PACVD, sputtering, and AIP methods is 1500-2300 Kg / mm 2 , and the microhardness of TiAlN is 3000 Kg / mm 2, which is deposited by the present invention. It can be seen that the nano-TiN / α-Si 3 N 4 coating film has an ultra high hardness of 4500 Kg / mm 2 or more.

도 9은 본 발명에 의해 증착된 Ti-Si-N계 경질코팅막내의 Si 첨가함량에 따른 미세경도 변화를 나타난 그래프이다. 도 9에 도시된 바와 같이, Ti-Si-N계 경질코팅막내에 첨가되는 Si함량이 8at%까지는 그 경도가 증가하지만, 그 이상일 경우에는 경도가 감소함을 할 수 있다. 그러므로, Ti-Si-N계 경질코팅막을 증착함에 있어, 가장 적합한 Si 전류세기를 선정함으로써 가장 이상적인 경도값을 갖는 Ti-Si-N계 경질코팅막을 증착할 수 있다.9 is a graph showing the change in the microhardness according to the content of Si in the Ti-Si-N-based hard coating film deposited by the present invention. As shown in FIG. 9, the hardness of Si added to the Ti-Si-N-based hard coat film is increased up to 8at%, but when it is higher, the hardness may be decreased. Therefore, in depositing the Ti-Si-N-based hard coat film, it is possible to deposit the Ti-Si-N-based hard coat film having the most ideal hardness value by selecting the most suitable Si current strength.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 증착방법은 AIP법과 스퍼터법의 하이브리드 공정을 통해 복잡한 형상을 갖는 금형, 고속도공구나 초경합금공구 등에 균일한 표면 도포성을 갖는 초고경도의 Ti-Si-N계 경질코팅막을 증착할 수 있다.As described in detail above, the deposition method of the present invention is an ultra-hard Ti-Si-N-based hard coating film having a uniform surface coating property such as a mold, a high speed tool, or a cemented carbide tool having a complex shape through the hybrid process of the AIP method and the sputter method. Can be deposited.

또한, 본 발명의 증착방법은 AIP법에 적용하기 어려운 세라믹 타겟을 스퍼터법에 사용하고 다른 타겟을 AIP법에 사용함으로써 다원계 및 다층박막 합성도 가능하다.In addition, the vapor deposition method of the present invention is also possible to synthesize a multi-element and multilayer thin film by using a ceramic target, which is difficult to be applied to the AIP method, in the sputtering method and another target in the AIP method.

또한, 본 발명의 증착방법은 금형, 고속절삭공구, 베어링, 바이트, 드릴, 엔드밀 등 복잡한 형상의 표면에 초고경도의 Ti-Si-N계 경질코팅막을 증착함으로써 공구의 수명을 연장함과 아울러, 다방면의 고부가가치 기술산업에 적용할 수 있다.In addition, the deposition method of the present invention extends the life of the tool by depositing a very hard Ti-Si-N-based hard coating film on complex surfaces such as molds, high-speed cutting tools, bearings, bites, drills, and end mills. It can be applied to various high value-added technology industries.

이상에서 본 발명의 Ti-Si-N계 경질코팅막의 형성방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.The technical details of the Ti-Si-N-based hard coating film of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings. However, the exemplary embodiments of the present invention have been described by way of example and are not intended to limit the present invention.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구의 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications and imitations within the scope of the appended claims without departing from the scope of the technical idea of the present invention.

Claims (4)

아크 이온 플래팅(arc ion plating)법과 스퍼터(sputter)법을 통해 금형, 공구 등의 표면에 Ti-Si-N계 경질코팅막을 증착하는 방법에 있어서,In the method of depositing the Ti-Si-N-based hard coating film on the surface of the mold, tool, etc. by the arc ion plating method and the sputter method, 상기 공구, 장비 등이 설치된 챔버내에 진공을 가하고 가열하는 제1 단계와,A first step of applying and heating a vacuum in a chamber in which the tool, equipment, etc. are installed; 상기 챔버내에 Ar가스를 유입하고 바이어스를 인가하여 상기 금형, 공구 등을 세정하는 제2 단계와,A second step of introducing Ar gas into the chamber and applying a bias to clean the mold, the tool, and the like; 상기 챔버내로의 Ar가스 유입을 차단하고 상기 챔버내를 재차 진공을 가하고 가열하는 제3 단계와,A third step of blocking Ar gas inflow into the chamber and vacuuming and heating the chamber again; 상기 챔버내에 Ar가스 및 N2가스를 유입하고 바이어스를 인가하는 제4 단계 및,A fourth step of introducing Ar gas and N 2 gas into the chamber and applying a bias; 상기 아크 이온 플래팅법을 사용하는 Ti 타겟(target)과 상기 스터퍼법을 사용하는 Si 타겟에 전원을 각각 인가하여 상기 금형, 공구 등의 표면에 Ti-Si-N계 경질코팅막을 증착하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 Ti-Si-N계 경질코팅막의 증착방법.A fifth step of depositing Ti-Si-N-based hard coating film on the surface of the mold and tool by applying power to the Ti target using the arc ion plating method and the Si target using the stuffer method, respectively Ti-Si-N-based hard coating film deposition method comprising a. 제1항에 있어서, 상기 금형, 공구 등이 상기 챔버내에서 공전 및 자전을 동시에 행하는 상태에서 상기 제1 단계 내지 상기 제5 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 Ti-Si-N계 경질코팅막의 증착방법.The Ti-Si-N-based hard coating film according to claim 1, wherein the first to fifth steps are performed in a state in which the mold, the tool, and the like simultaneously perform revolution and rotation in the chamber. Way. 제1항에 있어서, 상기 금형, 공구 등이 상기 챔버내에서 공전 또는 자전하는 상태에서 상기 제1 단계 내지 상기 제5 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 Ti-Si-N계 경질코팅막의 증착방법.The method of claim 1, wherein the first to fifth steps are performed in a state in which the mold, the tool, and the like revolve or rotate in the chamber. 제1항에 있어서, 상기 제5 단계에서, 상기 챔버내에 설치된 금형, 공구 등의 다방향에서 상기 Ti 타겟 및 상기 Si 타겟에 전원을 인가하여 3차원 입체코팅을 행하는 것을 특징으로 하는 Ti-Si-N계 경질코팅막의 증착방법.2. The Ti-Si-A method according to claim 1, wherein in the fifth step, three-dimensional three-dimensional coating is performed by applying power to the Ti target and the Si target in multiple directions such as a mold and a tool installed in the chamber. Deposition method of N-based hard coating film.
KR10-2002-0013274A 2002-03-12 2002-03-12 Hybrid Method of AIP and Sputtering for Superhard coatings Ti-Si-N KR100461980B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2002-0013274A KR100461980B1 (en) 2002-03-12 2002-03-12 Hybrid Method of AIP and Sputtering for Superhard coatings Ti-Si-N

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2002-0013274A KR100461980B1 (en) 2002-03-12 2002-03-12 Hybrid Method of AIP and Sputtering for Superhard coatings Ti-Si-N

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20030073623A true KR20030073623A (en) 2003-09-19
KR100461980B1 KR100461980B1 (en) 2004-12-14

Family

ID=32224432

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2002-0013274A KR100461980B1 (en) 2002-03-12 2002-03-12 Hybrid Method of AIP and Sputtering for Superhard coatings Ti-Si-N

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100461980B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101293106B1 (en) * 2011-05-26 2013-08-12 한국세라믹기술원 Complex nitride coating film with excellent hardness and abration resistance and method of manufacturing the same

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04300227A (en) * 1991-03-28 1992-10-23 Central Glass Co Ltd Glass coated with thin tisin film
JP2892231B2 (en) * 1992-09-16 1999-05-17 健 増本 Ti-Si-N-based composite hard film and method for producing the same
KR100323991B1 (en) * 1999-11-16 2002-02-16 이경희 Thin layer film fabrication method and it's fabrication machine

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101293106B1 (en) * 2011-05-26 2013-08-12 한국세라믹기술원 Complex nitride coating film with excellent hardness and abration resistance and method of manufacturing the same

Also Published As

Publication number Publication date
KR100461980B1 (en) 2004-12-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7790003B2 (en) Method for magnetron sputter deposition
US20030035894A1 (en) Method to increase wear resistance of a tool or other machine component
WO1997004142A1 (en) Methods for deposition of molybdenum sulphide
CN107130213B (en) Multicomponent alloy laminated film Preparation equipment and preparation method
EP1116801B1 (en) Method of applying a coating by physical vapour deposition
USH1933H1 (en) Magnetron sputter-pulsed laser deposition system and method
CN108998758B (en) Drill bit with coating
Lackner Industrially-scaled large-area and high-rate tribological coating by pulsed laser deposition
KR20090052174A (en) Diffusion thinfilm deposition method and apparatus the same
KR100505003B1 (en) Deposition method for hard coating membrane in Ti-Al-Si-N field
US5750207A (en) System and method for depositing coating of modulated composition
JP2003268571A (en) Composite hard film, its manufacturing method, and film deposition apparatus
JP2989746B2 (en) Steel-based composite surface-treated product and its manufacturing method
KR102036974B1 (en) MANUFACTURING METHOD FOR HIGHLY CORROSION RESISTIVE CrAlSiN HARD COATINGS BY INSERTING CrAlSiON LAYER USING OXYGEN SUPPLY AND DIE CASTING MOLD THEREBY
KR100461980B1 (en) Hybrid Method of AIP and Sputtering for Superhard coatings Ti-Si-N
EP1541707B1 (en) METHOD FOR PREPARING ALUMNA COATING FILM HAVING a-TYPE CRYSTAL STRUCTURE AS PRIMARY STRUCTURE
KR20190136771A (en) A deposition apparatus having a rotator rotating interlockingly
KR20060020415A (en) Method for depositing superhard cr-si-n nanocomposite film
EP3926070A1 (en) Unit for rotating workpiece retaining part, and vacuum processing device
WO2002070776A1 (en) Deposition process
KR101926881B1 (en) Coating layer with nano multi-layer, method and apparatus for forming the smae
WO2020166167A1 (en) Method for manufacturing film formation product and sputtering method
JP4142370B2 (en) Method for producing alumina film mainly composed of α-type crystal structure
KR101054298B1 (en) Diffusion thinfilm deposition method
JP2005036276A (en) Method and system for producing composite-structural film

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
N231 Notification of change of applicant
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee