CN105899710A - 化学蒸镀装置及化学蒸镀方法 - Google Patents

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Abstract

本申请发明所提供的化学蒸镀装置，其具有：反应容器，容纳被成膜物；气体供给管(5)，设置于所述反应容器内；旋转驱动装置(2)，在所述反应容器内使气体供给管(5)绕旋转轴(22)旋转，所述气体供给管(5)的内部划分为沿所述旋转轴(22)延伸的第1气体流通部(14)及第2气体流通部(15)，所述气体供给管(5)的管壁中，第1气体喷出口(16)及第2气体喷出口(17)沿所述旋转轴(22)的圆周方向相邻配置，所述第1气体喷出口(16)使在所述第1气体流通部(14)流通的第1气体喷出至所述反应容器内，所述第2气体喷出口(17)使在所述第2气体流通部(15)流通的第2气体喷出至所述反应容器内，在将所述旋转轴(22)作为法线的平面(23)上，所述第1气体喷出口(16)及所述多个第2气体喷出口(17)形成一对。

Description

化学蒸镀装置及化学蒸镀方法
技术领域
本申请发明涉及一种化学蒸镀装置及化学蒸镀方法。
本申请根据2014年1月10日在日本提出的专利申请2014-003251号、及2014年12月22日在日本提出的专利申请2014-259387号要求优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
一直以来使用表面包覆有硬质层的切削工具。例如，已知有将WC基硬质合金等作为基体，并通过化学蒸镀法对其表面包覆TiC、TiN等硬质层的表面包覆切削工具。作为对切削工具基体的表面包覆处理硬质层的装置，例如已知有专利文献1～3所记载的化学蒸镀装置。
图1中示出以往公知的减压式立式化学蒸镀装置的概略侧视图，并且，图2中示出减压式立式化学蒸镀装置中所使用的底板及其周边部的一例的概略侧视图。
利用图1、图2对以往的减压式立式化学蒸镀装置的概略进行说明。
如图1所示，以往的减压式立式化学蒸镀装置由底板1与钟型的反应容器6构成，且在装入于反应容器6内的空间的夹具上装载切削工具基体并进行密封。在该反应容器6的外壁套上外热式加热器7并将反应容器6内加热至约700～1050℃，如图1、图2所示，进行由设置于底板1的气体导入部3、气体导入口8连续性地导入各种混合气体，并将反应后的气体由气体排出部4、气体排气口9排气的操作，从而进行对工具基体的包覆处理等化学蒸镀。
此时，为了使反应容器6内的压力得到减压并维持减压状态，利用减压泵从反应容器6内强制性地对排气气体进行排气。
在底板1中各设置有1处气体导入部3、气体导入口8、及气体排出部4、气体排气口9，但由于将切削工具基体装载于反应容器6内后，去除容器6内的空气并设为真空，因此有时也另设真空抽气用排气口，利用真空泵进行排气。
而且，需确认反应容器6内的温度时，有时也在底板设置用于将热电偶温度传感器插入于炉内的贯穿口。
并且设为如下，即为了提高包覆的均匀性，导入至气体导入部3、气体导入口8的混合气体被导入至通过旋转驱动装置2进行旋转驱动的旋转式气体导入部件12内，并通过连结于旋转式气体导入部件12的气体供给管5，由旋转的气体供给管5供给至反应容器内。
已知有利用以上所述的图1、图2所示的减压式立式化学蒸镀装置，通过化学蒸镀法在切削工具基体的表面包覆硬质层，但作为包覆中所使用的混合气体，例如可使用TiCl4、AlCl3中的至少1种氯化物气体与CH4、N2、H2、CH3CN、CO2、CO、HCl、H2S等中的1种以上的气体的混合气体，通过进行将该混合气体作为反应性气体的化学蒸镀，能够包覆TiC、TiCN、TiN、Al2O3等硬质层。
图1所示的减压式立式化学蒸镀装置中，在底板1的中心部形成有1处气体导入部3，但以避免因气体导入口的堵塞所引起的操作上的问题，并进行稳定的化学蒸镀为目的，如图2所示，还提出有如下减压式立式化学蒸镀装置，即在底板的中心部上设置的气体导入部的侧部的两处(或两处以上)，改变各自的上下方向高度位置而安装气体导入口8。
例如，专利文献3中提出有如下内容，即在设置于底板的中心部的气体导入部的侧部，改变各自的上下方向高度位置而安装两处或两处以上气体导入口，并且，在底板设置两处或两处以上气体排气口。
专利文献
专利文献1：日本特开平5-295548号公报(A)
专利文献2：日本特表2011-528753号公报(A)
专利文献3：日本特开平9-310179号公报(A)
专利文献1、2所记载的化学蒸镀装置中，通过将反应容器内载置有切削工具基体的托盘沿铅垂方向层叠，并使在托盘附近沿铅垂方向延伸的气体供给管旋转来分散原料气体。并且，专利文献3所记载的化学蒸镀装置中，以避免因气体导入口的堵塞所引起的操作上的问题，并进行稳定的化学蒸镀为目的，还提出有在底板上设置两处(或两处以上)气体导入口的减压式立式化学蒸镀装置。但是，当使用彼此间反应活性较高的气体种类时，原料气体在供给路径中变得容易反应。其结果，由于原料气体的反应所产生的反应生成物沉淀于气体供给管的内部及气体喷出口，有时发生气体供给不良的问题。其结果，在气体的反应状态中发生不均，有时发生反应容器内各切削工具的膜质均匀性的降低。
发明内容
本申请发明的目的之一在于，提供一种能够在多个被成膜物上形成均质的皮膜的化学蒸镀装置及化学蒸镀方法。在此所说的均质的皮膜是指膜的厚度均质、膜的成分均质、或膜的厚度与成分都均质。
因此，本申请发明人从前述的观点出发，关于化学蒸镀装置，作为为了能够在大面积的成膜区域中均匀地成膜，且不会发生气体供给管的堵塞，也不会在气体喷出口附近形成沉淀物而所需的条件，得到以下见解。
第一、使用彼此间反应活性较高的气体种类作为原料气体组而成膜时，所需的条件如下：在气体供给管内不混合这些气体种类，而是将它们分离，并使所分离的各气体从旋转的气体供给管独立地喷出。
第二、之后，关于独立喷出的气体，所需的条件如下：在反应容器内的空间且为比气体供给管更靠外侧的空间使气体混合，并且，使所分离的每个气体的喷出口的至少一部分与平面相交，所述平面将旋转的气体供给管的旋转轴作为法线(即，所分离的每个气体喷出口形成于几乎与气体供给管的旋转轴正交的平面)。
第三、关于旋转的气体供给管，所需的条件如下：通过能够适当调整该旋转速度，能够调整气体混合的进行及气体到达工具基体表面的时间。
但是，即使设为在气体供给管内不混合彼此间反应活性较高的气体种类而将它们分离，并使气体从旋转的气体供给管喷出之后混合气体，但只要彼此间反应活性较高的气体种类的混合的进行早于气体到达工具基体表面的时间，则仅在离气体喷出口较近的被成膜物较厚地堆积膜，无法在所期望的大面积区域中获得均匀的成膜。另一方面，若彼此间反应活性较高的气体种的混合的进行晚于气体到达工具基体表面的时间，则在离气体喷出口较近的被成膜物几乎不堆积膜，这种情况下也无法在所期望的大面积区域中获得均匀的成膜。
因此，本申请发明人对气体从旋转的气体供给管喷出之后气体进行混合时的所分离的两个系统的气体组的喷出口的位置关系进行了详细的调查。其结果，发现气体喷出之后，仅交由通过扩散而进行混合，并不能达到在大面积获得均匀的皮膜的目的，而是设为如以下的化学蒸镀装置，才能达到在大面积的成膜区域中获得均匀的皮膜的目的。该化学蒸镀装置通过基于气体供给管的旋转运动的旋回分量，使得所分离的两个系统的气体组的气体在喷出之后在工具基体表面的附近进行混合。
而且，发现为了达到使用如前述的结构的化学蒸镀装置在大面积获得均匀的皮膜的目的，在用于规定喷出口之间的位置关系的距离、角度及气体供给管的旋转速度等条件中，存在最佳范围。
为了解决所述课题，本申请发明具有以下方式。
(1)一种化学蒸镀装置，其特征在于，具有：
反应容器，容纳被成膜物；气体供给管，设置于所述反应容器内；旋转驱动装置，在所述反应容器内使气体供给管绕旋转轴旋转，
所述气体供给管的内部划分为沿所述旋转轴延伸的第1气体流通部及第2气体流通部，
所述气体供给管的管壁中，第1气体喷出口及第2气体喷出口沿所述旋转轴的圆周方向相邻配置，所述第1气体喷出口使在所述第1气体流通部流通的第1气体喷出至所述反应容器内，所述第2气体喷出口使在所述第2气体流通部流通的第2气体喷出至所述反应容器内，
在将所述旋转轴作为法线的平面上，所述第1气体喷出口及所述多个第2气体喷出口形成一对。
(2)根据所述(1)所述的化学蒸镀装置，其中，沿所述气体供给管的轴向设置有多个由沿所述旋转轴的圆周方向相邻的所述第1气体喷出口与所述第2气体喷出口构成的喷出口对。
(3)根据所述(2)所述的化学蒸镀装置，其中，形成所述喷射口对的所述第1气体喷出口的中心与所述第2气体喷出口的中心的距离比包含所述喷射口对的将所述旋转轴作为法线的第1平面与在所述气体供给管的轴向上邻接且包含其他喷出口对的第2平面的距离短。
(4)根据所述(3)所述的化学蒸镀装置，其中，形成所述喷出口对的所述第1气体喷出口的中心与所述第2气体喷出口的中心的距离为2～30mm。
(5)根据所述(3)或(4)所述的化学蒸镀装置，其中，将所述旋转轴作为法线的平面上的形成所述喷出口对的所述第1气体喷出口的中心、所述旋转轴的中心、以及所述第2气体喷出口的中心所呈的角度为60°以下。
(6)根据所述(1)所述的化学蒸镀装置，其中，将所述旋转轴作为法线的平面上的所述第1气体喷出口与所述第2气体喷出口绕所述旋转轴的相对角度为150°以上且180°以下。
(7)根据所述(6)所述的化学蒸镀装置，其中，沿所述气体供给管的轴向设置有多个由沿所述旋转轴的圆周方向相邻的所述第1气体喷出口与所述第2气体喷出口构成的喷出口对。
(8)根据所述(7)所述的化学蒸镀装置，其中，
沿所述旋转轴的轴向相邻的2组喷出口对中，
属于不同的所述喷出口对中的所述第1气体喷出口彼此间绕所述旋转轴的相对角度、及属于不同的所述喷出口对中的所述第2气体喷出口彼此间绕所述旋转轴的相对角度为130°以上。
(9)根据所述(7)或(8)所述的化学蒸镀装置，其中，
沿所述旋转轴的轴向相邻的2组喷出口对中，
属于不同的所述喷出口对中的所述第1气体喷出口与所述第2气体喷出口绕所述旋转轴的相对角度为60°以下。
(10)一种化学蒸镀方法，其使用所述(1)至(9)中任一个所述的化学蒸镀装置在被成膜物的表面形成皮膜。
(11)根据所述(10)所述的化学蒸镀方法，其中，使所述气体供给管以10圈/分钟以上且60圈/分钟以下的旋转速度旋转。
(12)根据所述(10)或(11)所述的化学蒸镀方法，其中，使用不含金属元素的原料气体作为所述第1气体，使用含有金属元素的原料气体作为所述第2气体。
(13)根据所述(12)所述的化学蒸镀方法，其中，使用含有氨的气体作为所述第1气体。
根据本申请发明的化学蒸镀装置及化学蒸镀方法，即使在以往较难实现的使用彼此间反应活性较高的气体种类作为原料气体组而成膜的情况下，也能够抑制气体供给管的堵塞、在气体喷出口附近的沉积物的生成，并且能够在大面积的成膜区域中形成均匀的皮膜。
更具体而言，根据本申请发明的方式，提供一种能够在多个被成膜物上形成均质的皮膜的化学蒸镀装置及化学蒸镀方法。
附图说明
图1是以往的减压式立式化学蒸镀装置的概略侧视图。
图2是以往的减压式立式化学蒸镀装置中，设置有两处气体导入口的底板1及其周边部的概略侧视图。
图3是本申请发明所涉及的一种实施方式中的与气体供给管5的旋转轴22垂直的剖面的概略剖面示意图。
图4是本申请发明所涉及的另一实施方式中的与气体供给管5的旋转轴22垂直的剖面的概略剖面示意图。
图5是本申请发明所涉及的一种实施方式中的气体供给管5的概略立体图。
图6是本申请发明所涉及的另一实施方式中的气体供给管5的概略立体图。
图7是表示本申请发明所涉及的一种实施方式中的将气体供给管5的旋转轴22作为法线的平面23的概略示意图。
图8A是表示本申请发明所涉及的一种实施方式中的气体供给管5中，以将气体供给管5的旋转轴22作为法线的平面23与成为一对24的A喷出口16及B喷出口17这两个相交的方式设置有喷出口的情况的概略示意图。
图8B是表示本申请发明所涉及的一种实施方式中的气体供给管5中，以将气体供给管5的旋转轴22作为法线的平面23与成为一对24的A喷出口16及B喷出口17这两个相交的方式设置有喷出口的情况的概略示意图。
图8C是本申请发明的范围外的喷出口的配置/排列，表示将气体供给管5的旋转轴22作为法线的平面23与成为一对24的A喷出口16及B喷出口17这两个不相交的情况的概略示意图。
图9是表示从两个方向观察本申请发明所涉及的一种实施方式中的相对于气体供给管5的旋转轴22垂直的剖面的视野A及视野B的关系的概略示意图。
图10A是本申请发明所涉及的一种实施方式中的气体供给管5中，从视野A观察时的气体供给管5的概略立体图，表示设置有相对于旋转方向A喷出口先行旋转的喷出口对25。
图10B是本申请发明所涉及的一种实施方式中的气体供给管5中，从视野B观察时的气体供给管5的概略立体图，表示设置有相对于旋转方向B喷出口先行旋转的喷出口对26。
图11是表示底板1及其周边部的一例的概略侧视图，该底板1设置有两处气体导入口27、28，利用该底板1，由气体导入口27、28导入原料气体组A及原料气体组B，且在旋转式气体导入部件12内不对原料气体组A及原料气体组B进行混合，将各气体不进行混合地供给至气体供给管5的被分割的A区域及B区域这2个区域。
图12是实施方式所涉及的化学蒸镀装置的剖视图。
图13是表示气体供给管及旋转驱动装置的剖视图。
图14是气体供给管的横剖视图。
图15是气体供给管的局部立体图。
图16A是关于气体喷出口的配置的说明图。
图16B是关于气体喷出口的配置的说明图。
图16C是关于气体喷出口的配置的说明图。
图17是用于说明气体喷出口的配置的剖视图。
图18A是用于说明气体喷出口的配置的立体图。
图18B是用于说明气体喷出口的配置的立体图。
图19是表示气体供给管的另一例子的剖视图。
具体实施方式
(第1实施方式)
以下，作为本申请发明的第1实施方式，对本申请发明的一方式即化学蒸镀装置及化学蒸镀方法(以下，分别称为本申请发明的化学蒸镀装置及申请发明的化学蒸镀方法)，在以下结合附图进行详细说明。
另外，在各附图中，对于相同的装置结构部件，使用相同的附图标记来表示。
本申请发明能够适用于减压式化学蒸镀装置及化学蒸镀方法，该装置及方法用于制造将WC基硬质合金、TiCN基金属陶瓷、Si3N4基陶瓷、Al2O3基陶瓷或cBN基超高压烧结体作为基体，且在其表面包覆有硬质层的表面包覆切削工具等。
本申请发明的一种实施方式的减压式化学蒸镀装置(以下，也简称为“本申请发明装置”)具备如图1所示的底板1、钟型的反应容器6及外热式加热器7作为基本的装置结构。
本申请发明装置的反应容器6的内部形成有安装夹具的空间，所述夹具装载切削工具。
所述反应容器6的外壁安装有用于将反应容器6内加热至约700～1050℃的外热式加热器7。
本申请发明装置的一种实施方式中，底板1中设置如图11所示的原料气体组A导入口27、原料气体组B导入口28及气体排气口9，并分别连接于原料气体组A导入管29、原料气体组B导入管30及气体排气管11。
在所述底板1的中心部下部经由联轴器连接设置有用于对导入气体赋予旋转运动的旋转式气体导入部件12、及用于使所述旋转式气体导入部件12旋转的旋转驱动装置2。
如图11所示，本申请发明装置中，关于原料气体组A导入口27及原料气体组B导入口28，在底板1的中心部向下方突出设置的气体导入部的侧部，沿上下方向改变高度地安装有所述原料气体组A导入口27及原料气体组B导入口28，且将气体从孔供给至旋转式气体导入部件的中心部，所述孔设置于插入于气体导入部的旋转式气体导入部件12的侧面。此时，构成为如下，即沿上下方向改变高度地安装有原料气体组A导入口27及原料气体组B导入口28，即使在旋转式气体导入部件12内，原料气体组A及原料气体组B也被导入至分离成2个的空间，并分别通过原料气体组A导入通道31及原料气体组B导入通道32导入至连结于旋转式气体导入部件12的气体供给管5。
并且，如图3、图4所示，气体供给管5具有被分割的2个区域、即A区域14及B区域15，原料气体组A供给至A区域14、原料气体组B供给至B区域15。
从设置于A区域14的A喷出口16喷出的原料气体组A、及从设置于B区域15的B喷出口17喷出的原料气体组B在气体供给管5的外侧的反应容器6内进行混合，通过化学蒸镀，在基体的表面成膜硬质层。
并且，如图5、图6所示，沿着气体供给管5的旋转轴22方向，设置于A区域14的A喷出口16及设置于B区域15的B喷出口17沿纵向形成多处。
在设置于本申请发明装置内部的具有旋转机构的气体供给管5上设置的气体喷出口：
如图3、图4所示，设置于本申请发明装置内部的具有旋转机构的气体供给管5具有被分割的2个区域、即A区域14及B区域15。
以从设置于A区域14的A喷出口16喷出的原料气体组A及从设置于B区域15的B喷出口17喷出的原料气体组B在气体供给管5的外部区域进行混合的方式设置有气体喷出口。
设置于A区域14的各A喷出口16的最接近的喷出口为设置于B区域15的B喷出口17中的一个，且设置于B区域15的各B喷出口17的最接近的喷出口为设置于A区域14的A喷出口16中的一个。
并且，如图5、图6所示，互为最接近的喷出口的A喷出口16及B喷出口17以构成一对的方式存在，如图7、图8A、图8B及图8C所示，以成为一对的A喷出口16及B喷出口17这两个喷出口24与将气体供给管5的旋转轴22作为法线的平面23相交的方式设置喷出口。
通过如图8A及图8B所示的A喷出口16、B喷出口17这种一对24的排列，即使在使用反应活性较高的气体种类进行成膜时，能够在装置内所期望的大面积获得均匀的成膜。
在未设置成A喷出口16及B喷出口17成为一对24的情况下，原料气体组A及原料气体组B在反应容器6内部停留之后，进行混合及反应，因此在气相中的反应得到促进，由此，通过在气相中形成的核堆积而成膜，因此无法在装置内所期望的大面积获得均匀的成膜。
并且，即使成为一对24，在如图8C所示的A喷出口16、B喷出口17的排列情况下，即、在未设置成所分离的各气体的A喷出口16、B喷出口17中的至少一部分与将正在旋转的气体供给管5的旋转轴22作为法线的平面23相交的情况下，难以得到通过基于气体供给管5的旋转运动的旋回分量使原料气体组A及原料气体组B进行混合的效果，无法在装置内所期望的大面积获得均匀的成膜。
而且，如图3、图4所示，作为本申请发明的上述的彼此最接近的喷出口，优选以成为一对24的A喷出口16与B喷出口17的距离20为2～30mm的方式设置喷出口间隔，更优选为2～15mm，进一步优选为3～8mm。
由此，在装置内所期望的大面积尤其能够获得膜厚均匀的成膜。
该喷出口的距离20还依赖于原料气体组A与原料气体组B的反应性的高低，但若距离20过近，则仅在离气体喷出口较近的被成膜物较厚地堆积膜，远离喷出口处的被成膜物的膜厚变薄。
另一方面，若距离20过远，则具有离气体喷出口较近的被成膜物的膜厚变薄的倾向。
而且，在作为由图8A及图8B中的附图标记24表示的本申请发明的上述的彼此最接近的喷出口成为一对24的A喷出口16及B喷出口17中，如图3、图4所示，优选以将A喷出口16的中心18、气体供给管5的旋转轴中心13、及B喷出口17的中心19所呈的角度投影到与旋转轴垂直的面的角度21为60°以下的方式设置喷出口，更优选为40°以下，进一步优选为20°以下。
由此，能够在炉内所期望的大面积获得均匀的成膜。
上述角度21还依赖于原料气体组A与原料气体组B的反应性的高低，但若上述角度21过大，则具有在气体喷出口的附近不进行气体的混合，从而在离气体喷出口较近的被成膜物的膜厚变薄的倾向。
作为上述的彼此最接近的喷出口，如图10A所示，关于成为一对24的A喷出口16及B喷出口17，相对于气体供给管5的旋转方向，设置有A喷出口16先行旋转的喷出口对25及如图10B所示的B喷出口17先行旋转的喷出口对26时，虽然也依赖于原料气体组A及原料气体组B的气体种类及反应性的高低，但根据先行的喷出口，产生原料气体组A及原料气体组B的混合程度及反应程度不同的现象。
利用该现象，能够形成以往的化学蒸镀装置难以实现的具有纳米级组织结构的皮膜。
这是因为使用两个不同性质的前驱体来成膜，其中一个前驱体的生成受到A喷出口16先行旋转的喷出口对25的较大帮助，另一个前驱体的生成受到B喷出口17先行旋转的喷出口对26的较大帮助。由此，例如可形成纳米复合结构。并且，由于存在2种前驱体，在堆积时的被成膜物的表面产生能量上不稳定的状态，并且诱发基于表面扩散的自己组织化，进而作为切削工具用皮膜可形成更强韧的皮膜。
气体供给管(5)的旋转速度：
利用本申请发明装置进行化学蒸镀时，使气体供给管5优选以旋转速度10～60圈/分钟进行旋转，更优选为20～60圈/分钟，进一步优选为30～60圈/分钟。由此，能够在炉内的所期望的大面积获得均匀的成膜。这是由于从正在旋转的气体供给管5喷出气体时，通过基于气体供给管5的旋转运动的旋回分量，原料气体组A与原料气体组B均匀地进行混合。这还依赖于原料气体组A及原料气体组B的气体种类及反应性的高低。
原料气体：
利用本申请发明装置进行化学蒸镀时，作为原料气体组A，可使用选自不含金属元素的无机原料气体及有机原料气体中的一种以上的气体及载气，并且，作为原料气体组B，可使用选自无机原料气体及有机原料气体中的一种以上的气体及载气，所述原料气体组B中包含至少一种金属元素。
例如，利用本申请发明装置在切削工具基体的表面形成硬质层时，作为原料气体组A可选择NH3及载气(H2)，并且，作为原料气体组B，可选择TiCl4及载气(H2)来进行化学蒸镀，从而制作通过化学蒸镀所形成的TiN层的层厚均匀性在大面积中优异的表面包覆切削工具(参考表1实施例1)。
并且，例如作为原料气体组A可选择CH3CN、N2及载气(H2)，并且，作为原料气体组B可选择TiCl4、N2及载气(H2)来进行化学蒸镀，从而制作通过化学蒸镀所形成的TiCN层的层厚均匀性在大面积中优异的表面包覆切削工具(参考表1的实施例4)。
本实施方式的化学蒸镀方法中，首先准备上述的化学蒸镀装置。然后，将多个工具基体插入所述反应容器6内。将所述反应容器6内的气体的组成、压力及温度控制在适合硬质膜的包覆的条件。原料气体组A通过设置于气体供给管5内的气体流路即A区域供给至反应容器6内。原料气体组B通过设置于气体供给管5内的气体流路即B区域供给至反应容器6内。气体供给管5内设置有物理隔离A区域及B区域的隔壁。气体供给管5绕其轴向进行旋转运动。在考虑意图成膜的硬质膜的性质、原料气体组A的性质及原料气体组B的性质的基础上适当控制气体供给管5的旋转方向及旋转速度。原料气体组A通过所述A喷出口16喷出至反应容器6内。原料气体组B通过所述B喷出口17喷出至反应容器6内。喷出至反应容器6内的原料气体组A及原料气体组B在气体供给管的外侧进行混合，通过化学蒸镀，在工具基体的表面成膜硬质膜。
(第2实施方式)
以下，参考附图对本申请发明的第2实施方式进行说明。
(化学蒸镀装置)
图12是本实施方式所涉及的化学蒸镀装置的剖视图。图13是表示气体供给管及旋转驱动装置的剖视图。图14是气体供给管的横剖视图。
本实施方式的化学蒸镀装置110为加热气氛下使多个原料气体进行反应，从而在被成膜物的表面形成皮膜的CVD(Chemical Vapor Deposition)装置。本实施方式的化学蒸镀装置110能够适宜地使用于在由硬质合金等构成的切削工具基体的表面包覆硬质层的表面包覆切削工具的制造。
作为切削工具基体，可例示WC基硬质合金、TiCN基金属陶瓷、Si3N4基陶瓷、Al2O3基陶瓷、cBN基超高压烧结体等。作为硬质层，可例示AlTiN层、TiN层、TiCN层等。
如图12所示，本实施方式的化学蒸镀装置110具备底板101、设置于底板101上的工件容纳部108、覆盖工件容纳部108且被底板101盖住的钟型的反应容器106、覆盖反应容器106的侧面及上表面的箱型的外热式加热器7。本实施方式的化学蒸镀装置110中，底板101与反应容器106的连接部分被密封，可将反应容器106的内部空间保持为减压气氛。
外热式加热器107将反应容器106内升温至规定的成膜温度(例如700℃～1050℃)并保持。
工件容纳部108构成为将载置被成膜物即切削工具基体的多个托盘108a沿铅垂方向层叠。相邻的托盘108a彼此隔着供原料气体充分流通的间隙而配置。工件容纳部108的所有托盘108a的中央具有插穿有气体供给管105的贯穿孔。
底板101上设置有气体导入部103、气体排出部104及气体供给管105。
气体导入部103被设置成贯穿底板101，并将两种气体即原料气体组A(第1气体)、原料气体组B(第2气体)供给至反应容器106的内部空间。气体导入部103在底板101的内侧(反应容器106侧)与气体供给管105连接。气体导入部103具有连接于原料气体组A源141的原料气体组A导入管129及连接于原料气体组B源142的原料气体组B导入管130。原料气体组A导入管129及原料气体组B导入管130连接于气体供给管105。气体导入部103上设置有使气体供给管105旋转的马达(旋转驱动装置)102。
气体排出部104被设置成贯穿底板101，并连接真空泵145与反应容器106的内部空间。经由气体排出部104并通过真空泵145，反应容器106内得到排气。
气体供给管105为从底板101沿铅垂上方延伸的管状部件。气体供给管105被设置成将工件容纳部108的中央部沿铅垂方向贯通。本实施方式的情况下，气体供给管105的上端被密封，从气体供给管105的侧面向外侧喷射原料气体组。
图13是表示底板101、气体导入部103及气体排出部104的剖视图。
气体排出部104具有与贯穿底板101的气体排气口9连接的气体排气管11。气体排气管11连接于图12所示的真空泵145。
气体导入部103具有：筒状的支承部103a，沿底板101的外侧延伸；旋转式气体导入部件12，容纳于支承部3a内；马达102，经由联轴器2a连结于旋转式气体导入部件12；滑动部3b，使联轴器2a滑动且密封。
支承部103a的内部与反应容器106的内部连通。支承部103a上设置贯穿支承部103a的侧壁的原料气体组A导入管129及原料气体组B导入管130。原料气体组A导入管129在铅垂方向上设置于比原料气体组B导入管130更靠近反应容器106的一侧。原料气体组A导入管129具有向支承部103a的内周面开口的原料气体组A导入口27。原料气体组B导入管130具有向支承部103a的内周面开口的原料气体组B导入口28。
旋转式气体导入部件12为与支承部103a同轴的圆筒状。旋转式气体导入部件112插入于支承部103a内，通过连结在与反应容器106相反一侧的端部(下侧端部)的马达102被驱动，从而绕旋转轴122这一轴进行旋转。
旋转式气体导入部件112设置有贯穿旋转式气体导入部件112的侧壁的贯穿孔112a及贯穿孔112b。贯穿孔112a设置在与支承部103a的原料气体组A导入口27相同高度的位置。贯穿孔112b设置在与原料气体组B导入口128相同高度的位置。在旋转式气体导入部件112的外周面中，贯穿孔112a与贯穿孔112b之间设置有与其他的部位相比形成为较大的直径的密封部112c。密封部112c抵接于支承部103a的内周面，隔离从原料气体组A导入口27流入的原料气体组A及从原料气体组B导入口128流入的原料气体组B。
在旋转式气体导入部件112的内部设置有分隔部件135。分隔部件135将旋转式气体导入部件112的内部划分为沿高度方向(轴向)延伸的原料气体组A导入通道131及原料气体组B导入通道132。原料气体组A导入通道131经由贯穿孔112a连接于原料气体组A导入口127。原料气体组B导入通道132经由贯穿孔112b连接于原料气体组B导入口128。在旋转式气体导入部件112的上端连接气体供给管105。
以下，对于气体供给管105的结构进行详细说明。
图14是气体供给管105的横剖视图。图15是气体供给管105的局部立体图。图16A至图16C是关于气体喷出口的配置的说明图。图17是用于说明气体喷出口的配置的剖视图。图18A及图18B是用于说明气体喷出口的配置的立体图。
气体供给管105为圆筒管。在气体供给管105的内部设置有沿高度方向(轴向)延伸的板状的分隔部件105a。分隔部件105a以包含气体供给管105的中心轴(旋转轴122)的方式沿直径方向纵向截断气体供给管105，对气体供给管105的内部大致进行二等分。通过分隔部件105a，气体供给管105的内部划分为原料气体组A流通部(第1气体流通部)114及原料气体组B流通部(第2气体流通部)115。原料气体组A流通部114及原料气体组B流通部115分别在整个气体供给管105的高度方向延伸。
如图13所示，分隔部件105a的下端与分隔部件135的上端连接。原料气体组A流通部114与原料气体组A导入通道131连接，原料气体组B流通部115与原料气体组B导入通道132连接。因此，从原料气体组A源141供给的原料气体组A的流通路径与从原料气体组B源142供给的原料气体组B的流通路径由分隔部件135及分隔部件105a划分，为彼此独立的流路。
如图14及图15所示，气体供给管105中设置有分别贯穿气体供给管105的多个原料气体组A喷出口(第1气体喷出口)116及多个原料气体组B喷出口(第2气体喷出口)117。原料气体组A喷出口116从原料气体组A流通部114向反应容器106的内部空间喷出原料气体组A。原料气体组B喷出口117从原料气体组B流通部115向反应容器106的内部空间喷出原料气体组B。沿气体供给管105的长度方向(高度方向)分别设置有多处原料气体组A喷出口116及原料气体组B喷出口117(参考图15、图18A及图18B)。
如图14及图15所示，本实施方式的气体供给管105中，在大致相同的高度位置各设置1个原料气体组A喷出口116及原料气体组B喷出口117。这些沿圆周方向相邻的原料气体组A喷出口116及原料气体组B喷出口117构成一对，如图15所示，构成喷出口对124。气体供给管105上沿高度方向设置有多处喷出口对124。
构成喷出口对124的原料气体组A喷出口116与原料气体组B喷出口117的高度位置关系设为上述的原料气体组A喷出口116及原料气体组B喷出口117这两个喷出口与图15所示的将旋转轴122作为法线的1个平面123相交的位置关系。在本实施方式中，将这种位置关系定义为“沿圆周方向相邻”的位置关系。
若示出具体例，则如图16A所示，构成喷出口对124的原料气体组A喷出口116与原料气体组B喷出口117在相同高度时、以及如图16B所示，构成喷出口对124的原料气体组A喷出口116的一部分与原料气体组B喷出口117的一部分在相同高度时，这些喷出口符合“沿圆周方向相邻”的位置关系。另一方面，如图16C所示，如整个原料气体组A喷出口116与整个原料气体组B喷出口117设置于不同的高度时，不符合“沿圆周方向相邻”的位置关系。
图14所示的原料气体组A喷出口116及原料气体组B喷出口117为属于相同的喷出口对124的喷出口。在图15所示的结构中，原料气体组A喷出口116与原料气体组B喷出口117绕轴的相对角度α为180°。相对角度α可在150°以上且180°以下的范围内进行变更。
本实施方式的情况下，相对角度α被定义为绕以沿气体供给管105的中心113(旋转轴122)为中心的轴，原料气体组A喷出口116的外周侧开口端的中心118与原料气体组B喷出口117的外周侧开口端的中心119所呈的角度。相对角度α为绕轴的角度，因此当中心118、119的高度方向的位置不同时，相对角度α为将中心118、119投影到与旋转轴122正交的面时的角度。
如图18A及图18B所示，在气体供给管105的高度方向(轴向)上，原料气体组A喷出口116及原料气体组B喷出口117以相互接近的状态交替排列。如图17所示，本实施方式中与原料气体组A流通部114连通的原料气体组A喷出口116在气体供给管105的圆周方向上优选设置于两处不同的角度位置。并且，与原料气体组B流通部115连通的原料气体组B喷出口117在气体供给管105的圆周方向上也优选设置于两处不同的角度位置。但是，与原料气体组A流通部114连通的原料气体组A喷出口116及与原料气体组B流通部115连通的原料气体组B喷出口117，也可沿高度方向(轴向)设置于1处的角度位置，也可设置于3处以上不同的角度位置。
图17所示的两处的原料气体组A喷出口116彼此绕轴的相对角度β1优选为130°以上。并且，两处的原料气体组B喷出口117彼此绕轴的相对角度β2优选为130°以上。
通过上述结构，气体供给管105具有图17所示的设置于D101侧的喷出口组125(图18A)、及设置于D102侧的喷出口组126(图18B)。喷出口组125及喷出口组126中，在气体供给管105的高度方向上均交替配置有原料气体组A喷出口116及原料气体组B喷出口117。
喷出口组125中，沿轴向相邻的原料气体组A喷出口116与原料气体组B喷出口117绕轴的相对角度γ1优选为60°以下。并且，喷出口组126中，沿轴向相邻的原料气体组A喷出口116与原料气体组B喷出口117绕轴的相对角度γ2优选为60°以下。
(化学蒸镀方法)
在使用化学蒸镀装置110的化学蒸镀方法中，通过马达102使气体供给管105绕旋转轴122这一轴进行旋转，并且将原料气体组A及原料气体组B从原料气体组A源141及原料气体组B源142供给至气体导入部103。
气体供给管105的旋转速度优选设定为10圈/分钟以上且60圈/分钟以下的范围。更优选为20圈/分钟以上且60圈/分钟以下的范围，进一步优选为30圈/分钟以上且60圈/分钟以下的范围。由此，能够在反应容器106内的规定的大面积中获得均质的皮膜。这是由于从正在旋转的气体供给管105喷出原料气体组时，通过基于气体供给管105的旋转运动的旋回分量，原料气体组A与原料气体组B分别被搅拌且均匀地扩散。气体供给管105的旋转速度根据原料气体组A及原料气体组B的气体种类及反应活性的高低来调整。将旋转速度设为超过60圈/分钟的速度时，在气体供给管105的附近原料气体发生混合，因此容易发生喷出口的堵塞等不良情况。
作为原料气体组A，可使用选自不含金属元素的无机原料气体及有机原料气体中的一种以上的气体及载气。作为原料气体组B，可使用选自无机原料气体及有机原料气体中的一种以上的气体及载气。原料气体组B包含至少一种以上的金属。
例如，使用化学蒸镀装置110在切削工具基体的表面形成硬质层时，作为原料气体组A可选择NH3及载气(H2)，作为原料气体组B可选择TiCl4及载气(H2)来进行化学蒸镀，从而制作具有TiN层这一硬质层的表面包覆切削工具。
并且例如，作为原料气体组A可选择CH3CN、N2及载气(H2)，作为原料气体组B可选择TiCl4、N2及载气(H2)来进行化学蒸镀，从而制作具有TiCN层这一硬质层的表面包覆切削工具。
并且例如，作为原料气体组A可选择NH3及载气(H2)，作为原料气体组B可选择TiCl4、AlCl3、N2及载气(H2)来进行化学蒸镀，从而制作具有AlTiN层这一硬质层的表面包覆切削工具。
由原料气体组A源141供给的原料气体组A经由原料气体组A导入管129、原料气体组A导入口127、原料气体组A导入通道131及原料气体组A流通部114，从原料气体组A喷出口116喷出至反应容器106的内部空间。并且，由原料气体组B源142供给的原料气体组B经由原料气体组B导入管130、原料气体组B导入口128、原料气体组B导入通道132及原料气体组B流通部115，从原料气体组B喷出口117喷出至反应容器106的内部空间。从气体供给管105喷出的原料气体组A及原料气体组B在气体供给管105的外侧的反应容器106内进行混合，通过化学蒸镀在托盘108a上的切削工具基体的表面成膜硬质层。
本实施方式的化学蒸镀装置110中，通过设为将原料气体组A及原料气体组B在气体供给管105内不进行混合而分离，并从正在旋转的气体供给管105喷出之后，在反应容器106的内部进行混合的结构，能够调整气体混合的进行及气体到达切削工具基体表面的时间。由此，能够抑制气体供给管105的内部被反应生成物堵塞或因所沉积的皮膜成分而喷出口被堵塞的情况。
但是，从气体供给管105喷出的原料气体组A及原料气体组B在气体供给管105的附近浓度较高，并随着沿径向远离气体供给管105，扩散为均匀的浓度。因此，在气体供给管105的附近，原料气体组A及原料气体组B进行混合时所形成的硬质层(皮膜)的膜质与在远离气体供给管105的位置进行混合时所形成的硬质层的膜质不同。如此一来，无法在所期望的大面积区域中获得均匀膜质的硬质层。
因此，本实施方式的化学蒸镀装置110中，将气体供给管105的沿圆周方向相邻的原料气体组A喷出口116及原料气体组B喷出口117绕轴的相对角度α设为150°以上。通过设为这种结构，原料气体组A及原料气体组B在气体供给管105的径向上朝彼此大致相反的方向喷出。由此，原料气体组A及原料气体组B在喷出后不会立刻进行混合，而是分别从气体供给管105沿径向均匀地扩散之后进行混合。其结果，沿反应容器106的径向发生均质的反应，对于载置在托盘108a上的多个切削工具基体，能够以均匀的膜质形成硬质层。
另外，硬质层的膜质的均匀性也依赖于原料气体组A与原料气体组B彼此的反应活性。本实施方式的情况下，通过调整气体供给管105的旋转速度，能够控制原料气体组A、原料气体组B的接触距离。因此，通过根据原料气体组的种类来调整旋转速度，能够进一步提高膜质的均质性。
并且，如图15所示，本实施方式的化学蒸镀装置110中，沿气体供给管105的高度方向(轴向)设置有多个沿圆周方向相邻的喷出口对124。由此，工件容纳部108的各段(托盘108a)中，原料气体组A及原料气体组B不会分别停留而是沿径向均匀地扩散并混合，因此能够在托盘108a上的广阔区域形成均质的硬质层。
并且，如图17、图18A及图18B所示，本实施方式的化学蒸镀装置110中，在气体供给管105的侧面D101、D102具有沿高度方向交替配置有原料气体组A喷出口116及原料气体组B喷出口117的喷出口组125及喷出口组126。通过设为这种结构，不管在侧面D101、D102中的哪一侧，原料气体组A及原料气体组B喷出至在高度方向上比较近的位置。由此，能够抑制原料气体组A及原料气体组B在相互分离的状态下停留，能够提高膜质的均匀性，因此更优选。
但是，与原料气体组A流通部114连通的原料气体组A喷出口116及与原料气体组B流通部115连通的原料气体组B喷出口117，可沿高度方向(轴向)设置于1处的角度位置，也可设置于3处以上不同的角度位置。
另外，本实施方式中对气体供给管105为圆筒管的情况进行了说明，但如图19所示，也可使用由剖面为矩形的多边形管构成的气体供给管105A。并且，不仅限于剖面为矩形，也可使用由六边形或八边形的多边形管构成的气体供给管。
(第1实施例)
接着，参考附图，通过实施例对本申请发明的化学蒸镀装置及化学蒸镀方法进行具体说明。
本申请发明的实施例中，使用了具备图1所示的钟型的反应容器6及外热式加热器7的减压式化学蒸镀装置(以下，简称为“本实施例装置”)。
在此，钟型的反应容器6的直径为250mm、高度为750mm，外热式加热器7能够将反应容器6内加热至约700～1050℃。并且，本实施例装置至少具备图7所示的底板1、旋转式气体导入部件12、原料气体组A导入口27、原料气体组B导入口28、原料气体组A导入通道31及原料气体组B导入通道32，还具备图3、图5、图7及图8A所示的气体供给管5、A区域14、B区域15、A喷出口16及B喷出口17。
并且，本实施例装置中，将图3所示的构成一对的A喷出口的中心与B喷出口的中心的距离20设定为2～30mm的范围内，而且，同样地将图3所示的A喷出口的中心18、气体供给管5的旋转轴中心13、及B喷出口的中心19所呈的角度投影到与旋转轴垂直的面的角度21设定为60°以下的范围内。
使用上述本实施例装置，在钟型的反应容器6内配置外径220mm的面包圈状的夹具，所述夹具在中心部形成有气体供给管5可贯穿的直径65mm的中心孔。在该夹具上载置具有JIS标准CNMG120408的形状(厚度：4.76mm×内切圆直径：12.7mm的80°菱形)的WC基硬质合金基体作为被成膜物。
另外，由WC基硬质合金构成的被成膜物沿夹具的径向以20～30mm的间隔载置，并且沿夹具的圆周方向以大致成为等间隔的方式载置。
使用上述本实施例装置，由原料气体组A导入口27以规定的流量将各种原料气体组A导入至以规定的旋转速度旋转的气体供给管5的A区域14，并且，由原料气体组B导入口28以规定的流量将各种原料气体组B导入至以规定的旋转速度旋转的气体供给管5的B区域15，由A喷出口16喷出原料气体组A，由B喷出口17喷出原料气体组B，通过化学蒸镀，在由WC基硬质合金基体构成的被成膜物表面形成实施例1～10的硬质皮膜。
表1中示出化学蒸镀中所使用的原料气体组A、原料气体组B的成分/组成。
并且，表2中示出实施例1～10中的化学蒸镀的各种条件。
[表1]
[表2]
(注1)是指气体供给管5的旋转速度。
(注2)是指最接近的构成一对的A喷出口16的中心18与B喷出口17的中心19的距离20。
(注3)是指将最接近的构成一对的A喷出口16与B喷出口17中的A喷出口16的中心18、气体供给管5的旋转轴中心13、及B喷出口17的中心19所呈的角度投影到与旋转轴垂直的面的角度21。
对上述实施例1～10，对所成膜的硬质皮膜的均匀性进行调查。
首先，对载置在离面包圈状夹具的中心孔较近的内周侧的10处的WC基硬质合金基体，用扫描型电子显微镜(倍率5000倍)测定其上所成膜的硬质皮膜的膜厚、以及与基体垂直的方向的剖面，求出这些的平均值作为“形成于夹具内周侧的基体上的平均膜厚T1”。
并且，对载置于面包圈状夹具的外周侧的10处的WC基硬质合金基体，以相同的方式，测定在其上所成膜的硬质皮膜的膜厚，求出这些的平均值作为“形成于夹具外周侧的基体上的平均膜厚T2”。
接着，求出“形成于夹具内周侧的基体上的平均膜厚T1”与“形成于夹具外周侧的基体上的平均膜厚T2”之差作为“内周侧与外周侧的平均膜厚差|T1-T2|”，并且求出“内周侧与外周侧的平均膜厚差的比例(|T1-T2|)×100/T1”。
表3中示出在上述所求的值。
[表3]
从表3所示的结果可得知，根据使用本申请发明的减压式立式化学蒸镀装置的化学蒸镀方法，即使在将彼此间反应活性较高的气体种类作为原料气体包含的情况下，“内周侧与外周侧的平均膜厚差的比例(|T1-T2|)×100/T1”为15％以下，平均膜厚差非常小。由此可知，与表示将基体载置在配置于装置内的夹具中的哪一处的载置处无关，形成了膜厚的均匀性较高的皮膜。
尤其在实施例1、3、5～10中，原料气体组A中包含氨气(NH3)，并且，尽管氨气与原料气体组B的金属氯化物气体(TiCl4，AlCl3等)的反应活性较高，但能在炉内大面积均匀性较高地成膜作为成膜的膜种类的TiN皮膜、TiCN皮膜、AlTiN皮膜。
以往的化学蒸镀装置及化学蒸镀方法中，包含如这些原料气体之类的彼此间反应活性较高的气体种类的情况下，在气体供给管内进行反应，并在气体供给管内部较厚地成膜，并且，在气体喷出口附近也发生沉积，发生气体供给管堵塞的问题，但根据本申请发明的化学蒸镀装置及化学蒸镀方法，防止了发生这些问题。
并且，使用了彼此间反应活性并不太高的如实施例2、4所示的气体种类作为原料气体的成膜中，根据本申请发明的减压式立式化学蒸镀装置及化学蒸镀方法，通过设定最佳的成膜条件，也能在炉内的大面积的成膜区域中更均匀地成膜。
(第2实施例)
第2实施例中，对本申请发明的方式(6)中所记载的化学蒸镀装置进行评价。
本申请发明的方式(6)所记载的化学蒸镀装置的特征在于，具有：反应容器，容纳被成膜物；气体供给管，设置于所述反应容器内；旋转驱动装置，在所述反应容器内使气体供给管绕旋转轴旋转，所述气体供给管的内部划分为沿所述旋转轴延伸的第1气体流通部及第2气体流通部，所述气体供给管的管壁中，第1气体喷出口及第2气体喷出口沿所述旋转轴的圆周方向相邻配置，所述第1气体喷出口使在所述第1气体流通部流通的第1气体喷出至所述反应容器内，所述第2气体喷出口使在所述第2气体流通部流通的第2气体喷出至所述反应容器内，在将所述旋转轴作为法线的平面上，所述第1气体喷出口及所述多个第2气体喷出口形成一对，将所述旋转轴作为法线的平面上的所述第1气体喷出口与所述第2气体喷出口绕所述旋转轴的相对角度为150°以上且180°以下。
本实施例中，使用了参考图12～图19进行说明的实施方式的化学蒸镀装置110(以下，简称为“本实施例装置”)。钟型的反应容器106的直径设为250mm、高度设为750mm。作为外热式加热器107，使用了能够将反应容器106内加热至700℃～1050℃的加热器。作为托盘108a，使用了在中心部形成有直径65mm的中心孔的外径220mm的环状的夹具。
在夹具(托盘108a)上载置具有JIS标准CNMG120408的形状(厚度：4.76mm×内切圆直径：12.7mm的80°菱形)的WC基硬质合金基体作为被成膜物。
另外，由WC基硬质合金基体构成的被成膜物沿夹具(托盘108a)的径向，以20mm～30mm的间隔载置，沿夹具的圆周方向以大致成为等间隔的方式载置。
使用本实施例装置将各种原料气体组A及原料气体组B分别以规定的流量供给至气体供给管105，使气体供给管105旋转且将原料气体组A及原料气体组B喷出至反应容器106内。由此，通过化学蒸镀在由WC基硬质合金基体构成的被成膜物的表面形成实施例101～实施例114、比较例105～108的硬质层(硬质皮膜)。
另外，上述实施例101～114中，相对于本申请发明的方式(6)所记载的化学蒸镀装置，实施例111～114为比较例101～104。
表4中示出化学蒸镀中所使用的原料气体组A、原料气体组B的成分/组成。
表5中示出实施例101～114、比较例105～108中的化学蒸镀的各种条件。
另外，表5中，相对角度α为属于相同的喷出口对124的原料气体组A喷出口116与原料气体组B喷出口117绕轴的相对角度。
相对角度β1为沿高度方向相邻的2个喷出口对124中的原料气体组A喷出口116彼此间的相对角度。相对角度β2为沿高度方向相邻的2个喷出口对124中的原料气体组B喷出口117彼此间的相对角度。
相对角度γ1为在气体供给管105的一侧面(侧面D101)上沿高度方向相邻的原料气体组A喷出口116与原料气体组B喷出口117绕轴的相对角度。相对角度γ2为气体供给管105的一侧面(侧面D102)上沿高度方向相邻的原料气体组A喷出口116与原料气体组B喷出口117绕轴的相对角度。
表5所示的单位“SLM”为标准流量L/min(Standard)。标准流量为在20℃、1气压(1atm)换算的每1分钟的体积流量。并且，表2所示的单位“rpm”为每1分钟的旋转圈数，在此是指气体供给管105的旋转速度。
[表4]
(注1)比较例105～108中，不将原料气体分离成两个系统，而由1根气体供给管供给至反应容器内。
[表5]
(注1)是指气体供给管105的旋转速度。
(注2)各角度α、β1、β2、γ1、γ2是指绕气体供给管105的中心113(旋转轴122)为中心的轴，将各喷出口的中心所呈的角度投影到与旋转轴垂直的面的角度。
(注3)关于比较例105～108，不将原料气体分离成两个系统，而由1根气体供给管供给至反应容器106内。因此，喷出口116与喷出口117无区别，不存在成对。
对实施例101～114、比较例105～108的各试样，调查所成膜的硬质皮膜的膜质均匀性。关于各条件，对载置在离环状的夹具(托盘108a)的中心孔较近的内周侧的10处的WC基硬质合金基体，通过电子探针(EPMA，Electron-Probe-Micro-Analyser)测定在表面所成膜的硬质皮膜的残余氯量，并作为“形成于夹具内周侧的基体上的皮膜的残余氯量”求出这些的平均值。并且，对载置于环状的夹具(托盘108a)的外周侧的10处的WC基硬质合金基体，以相同的方式测定残余氯量，并作为“形成于夹具外周侧的基体上的皮膜的残余氯量”求出这些的平均值。而且，求出“形成于夹具内周侧的基体上的皮膜的残余氯量”与“形成于夹具外周侧的基体上的皮膜的残余氯量”之差作为“内周侧与外周侧的残余氯量之差”。在表6中示出上述所求出的各值。
本实施例中所测定的残余氯量与硬质皮膜的膜质有关联，残余氯量越少膜质越优。可认为内周侧与外周侧的残余氯量之差越小，表示内周侧与外周侧的膜质越没有差异。
本实施例中，当使用包含NH3气体的原料气体组A时，因反应性较高，因此能够在低温形成硬质皮膜，另一方面，与使用不含NH3气体的原料气体组A的情况相比，因膜质较差，因此存在残余氯量变多的倾向。因此，表3所示的残余氯量的高低与硬质皮膜的膜质的优劣相对应，基体间残余氯量之差的大小与硬质皮膜间相对膜质之差的大小相对应。
并且，对实施例105～110、实施例113(比较例103)、114(比较例104)、比较例107、及比较例108的AlTiN皮膜进行EPMA(电子探针)分析，并导出Al相对于皮膜中的Al与Ti的总量的含有比例(原子比)。将其结果示于表7。
[表6]
[表7]
从表6的结果得出，将喷出口对124中的原料气体组A喷出口116与原料气体组B喷出口117绕轴的相对角度α设为150°以上的实施例101～110中，即使在使用彼此间反应活性较高的气体种类作为原料气体组的情况下，“内周侧与外周侧的残余氯量之差”为0.04原子％以下，极小。因此，确认到不管在配置于反应容器106内的夹具(托盘108a)的哪一处载置基体，都形成均匀膜质的硬质皮膜。并且，表7的结果中也得出，实施例105～110中Al在Al与Ti的总量中所占的平均含有比例在内周侧及外周侧几乎没有差异，形成了均匀膜质的AlTiN皮膜。
尤其是实施例101、103、105～110中，原料气体组A中包含氨气(NH3)，尽管氨气与原料气体组B的金属氯化物气体(TiCl4、AlCl3等)的反应活性较高，但是也能在夹具上的广范围中将TiN皮膜、TiCN皮膜、AlTiN皮膜形成为均匀的膜质。
并且，即使在使用了彼此间反应活性并不太高的如实施例102、104中所示的气体种类作为原料气体的成膜中，通过设定各成膜条件，能够在夹具上的广范围中形成均匀膜质的皮膜。
另一方面，将相对角度α狭小地设成60°或120°的实施例111～114(比较例101～104)中，从表6的结果得出“内周侧与外周侧的残余氯量之差”比实施例101～110大。并且表7的结果中也同样得出与实施例101～110相比，Al在Al与Ti的总量中所占的平均含有比例之差较大。综上，可确认到与实施例101～110相比，实施例111～114(比较例101～104)作为组成的膜质的均质性较差。
未分离原料气体组A及原料气体组B的流路的比较例105～108中，也存在膜质的均质性良好的条件，但皮膜成分沉积于喷出口，气体供给管发生堵塞。并且如表7所示，确认到与实施例相比较，Al在Al与Ti的总量中所占的平均含有比例之差明显较大，AlTiN皮膜的组成中发生不均。
并且，从表6及表7的实施例101～106、108、110的结果得出，通过将原料气体组A喷出口116彼此间的相对角度β1、及原料气体组B喷出口117彼此间的相对角度β2设为130°以上，在夹具上的广范围中能够形成均匀且优异的膜质的皮膜。另一方面，得出如下结果，即将相对角度β1、β2设为120°的实施例107中，表6所示的残余氯量的内外周差较大，将相对角度β1、β2设为30°的实施例109中，表7所示的Al的平均含有比例与其他实施例相比较低。
产业上的可利用性
如前述，即使在以往伴有难度的将彼此间反应活性较高的气体种类使用于原料气体组而成膜的情况下，本申请发明的化学蒸镀装置及化学蒸镀方法也能在大面积形成均质的皮膜，因此在产业上利用时能够充分满足节能化以及低成本化方面的要求。
并且，本申请发明的化学蒸镀装置及化学蒸镀方法不仅在包覆有硬质层的表面包覆切削工具的制造上非常有效，还根据蒸镀形成的膜种，例如在需要耐磨损性的冲压模具及需要滑动特性的机械部件上的成膜等，当然也能够在各种被成膜物上使用。
附图标记说明
1-底板，2、102-旋转驱动装置(马达)，3-气体导入部，4-气体排出部，5、105、105A-气体供给管，6、106-反应容器，7-外热式加热器，8-气体导入口，9-气体排气口，10-气体导入管，11-气体排气管，12-旋转式气体导入部件，13-气体供给管的旋转轴中心，14、114-A区域(原料气体组A流通部(第1气体流通部))，15、115-B区域(原料气体组B流通部(第2气体流通部))，16、116-A喷出口(原料气体组A喷出口(第1气体喷出口))，17、117-B喷出口(原料气体组B喷出口(第2气体喷出口))，18-A喷出口的中心，19-B喷出口的中心，20-构成一对的A喷出口的中心与B喷出口的中心的距离，21-构成一对的A喷出口及B喷出口中，将A喷出口的中心、气体供给管的旋转轴中心、及B喷出口的中心所呈的角度投影到与旋转轴垂直的面的角度，22、122-气体供给管的旋转轴(旋转轴)，23-将气体供给管的旋转轴作为法线的平面，24、124-构成一对的A喷出口及B喷出口(喷出对)，25-A喷出口先行旋转的喷出口对，26-B喷出口先行旋转的喷出口对，27-原料气体组A导入口，28-原料气体组B导入口，29-原料气体组A导入管，30-原料气体组B导入管，31-原料气体组A导入通道，32-原料气体组B导入通道，110-化学蒸镀装置。

Claims (13)

1.一种化学蒸镀装置，其特征在于，具有：
反应容器，容纳被成膜物；气体供给管，设置于所述反应容器内；旋转驱动装置，在所述反应容器内使气体供给管绕旋转轴旋转，
所述气体供给管的内部划分为沿所述旋转轴延伸的第1气体流通部及第2气体流通部，
所述气体供给管的管壁中，第1气体喷出口及第2气体喷出口沿所述旋转轴的圆周方向相邻配置，所述第1气体喷出口使在所述第1气体流通部流通的第1气体喷出至所述反应容器内，所述第2气体喷出口使在所述第2气体流通部流通的第2气体喷出至所述反应容器内，
在将所述旋转轴作为法线的平面上，所述第1气体喷出口及所述多个第2气体喷出口形成一对。
2.根据权利要求1所述的化学蒸镀装置，其中，
沿所述气体供给管的轴向设置有多个由沿所述旋转轴的圆周方向相邻的所述第1气体喷出口与所述第2气体喷出口构成的喷出口对。
3.根据权利要求2所述的化学蒸镀装置，其中，
形成所述喷射口对的所述第1气体喷出口的中心与所述第2气体喷出口的中心的距离比包含所述喷射口对的将所述旋转轴作为法线的第1平面与在所述气体供给管的轴向上邻接且包含其他喷射口对的第2平面的距离短。
4.根据权利要求3所述的化学蒸镀装置，其中，
形成所述喷射口对的所述第1气体喷出口的中心与所述第2气体喷出口的中心的距离为2～30mm。
5.根据权利要求3或4所述的化学蒸镀装置，其中，
将所述旋转轴作为法线的平面上的形成所述喷射口对的所述第1气体喷出口的中心、所述旋转轴的中心、以及所述第2气体喷出口的中心所呈的角度为60°以下。
6.根据权利要求1所述的化学蒸镀装置，其中，
将所述旋转轴作为法线的平面上的所述第1气体喷出口与所述第2气体喷出口绕所述旋转轴的相对角度为150°以上且180°以下。
7.根据权利要求6所述的化学蒸镀装置，其中，
沿所述气体供给管的轴向设置有多个由沿所述旋转轴的圆周方向相邻的所述第1气体喷出口与所述第2气体喷出口构成的喷出口对。
8.根据权利要求7所述的化学蒸镀装置，其中，
沿所述旋转轴的轴向相邻的2组喷出口对中，
属于不同的所述喷出口对中的所述第1气体喷出口彼此间绕所述旋转轴的相对角度、及属于不同的所述喷出口对中的所述第2气体喷出口彼此间绕所述旋转轴的相对角度为130°以上。
9.根据权利要求7或8所述的化学蒸镀装置，其中，
沿所述旋转轴的轴向相邻的2组喷出口对中，
属于不同的所述喷出口对中的所述第1气体喷出口与所述第2气体喷出口绕所述旋转轴的相对角度为60°以下。
10.一种化学蒸镀方法，其使用权利要求1至9中任一项所述的化学蒸镀装置在被成膜物的表面形成皮膜。
11.根据权利要求10所述的化学蒸镀方法，其中，
使所述气体供给管以10圈/分钟以上且60圈/分钟以下的旋转速度旋转。
12.根据权利要求10或11所述的化学蒸镀方法，其中，
使用不含金属元素的原料气体作为所述第1气体，使用含有金属元素的原料气体作为所述第2气体。
13.根据权利要求12所述的化学蒸镀方法，其中，
使用含有氨的气体作为所述第1气体。
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