JP2015131984A - Pressure reduction type vertical chemical vapor deposition device and chemical vapor deposition method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、減圧式縦型化学蒸着装置及びこの装置を用いた化学蒸着方法に関し、特に、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金、炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメット、窒化ケイ素（以下、Ｓｉ３Ｎ４で示す）基セラミックス、酸化アルミニウム（以下、Ａｌ２Ｏ３で示す）基セラミックスあるいは立方晶窒化ホウ素（以下、ｃＢＮで示す）基超高圧焼結体を基体とし、その表面に硬質層を被覆した表面被覆切削工具を製造する際に好適な減圧式化学蒸着装置および化学蒸着方法に関するものである。 The present invention relates to a reduced-pressure vertical chemical vapor deposition apparatus and a chemical vapor deposition method using this apparatus, and in particular, tungsten carbide (hereinafter referred to as WC) -based cemented carbide, titanium carbonitride (hereinafter referred to as TiCN) -based cermet. Silicon nitride (hereinafter referred to as Si 3 N 4 ) based ceramics, aluminum oxide (hereinafter referred to as Al 2 O 3 ) based ceramics or cubic boron nitride (hereinafter referred to as cBN) based ultra high pressure sintered body The present invention relates to a reduced-pressure chemical vapor deposition apparatus and a chemical vapor deposition method suitable for producing a surface-coated cutting tool having a hard layer coated on the surface thereof.
従来、例えば、ＷＣ基超硬合金等を基体とし、その表面に単層または多重層で構成された硬質層を化学蒸着法により被覆した表面被覆切削工具は、優れた切削性能を備えた切削工具として広く一般に使用されている。
そして、切削工具基体の表面に硬質層を被覆処理するための装置としては、特許文献１〜３にも示されるように減圧式縦型化学蒸着装置が知られている。
Conventionally, for example, a surface-coated cutting tool in which a WC-based cemented carbide or the like is used as a base and a hard layer composed of a single layer or multiple layers is coated on the surface by a chemical vapor deposition method is a cutting tool having excellent cutting performance. As widely used as.
As a device for coating a hard layer on the surface of a cutting tool base, a reduced pressure type vertical chemical vapor deposition device is known as shown in Patent Documents 1 to 3.
図１に、従来から知られている減圧式縦型化学蒸着装置の概略側面図を示し、また、図２には、減圧式縦型化学蒸着装置に使用されるベースプレート及びその周辺部の一例の概略側面図を示す。 FIG. 1 shows a schematic side view of a conventionally known reduced-pressure vertical chemical vapor deposition apparatus, and FIG. 2 shows an example of a base plate used in the reduced-pressure vertical chemical vapor deposition apparatus and its peripheral portion. A schematic side view is shown.
図１、図２を用いて、従来の減圧式縦型化学蒸着装置の概略を説明する。
従来の減圧式縦型化学蒸着装置は、図１に示すように、べースプレート（１）とベル型の反応容器（６）で構成され、反応容器（６）内の空間に装入された治具に切削工具基体が装填され密閉される。この反応容器（６）の外壁に外熱式加熱ヒーター（７）をかぶせて反応容器（６）内を約７００〜１０５０°Ｃに加熱し、図１、図２に示すように、べースプレート（１）に設けたガス導入部（３）、ガス導入口（８）から各種の混合ガスを連続的に導入し、反応後のガスをガス排出部（４）、ガス排気口（９）より排気する操作を行うことによって、工具基体への被覆処理等の化学蒸着を行う。
この時、反応容器（６）内の圧力を減圧にするとともに減圧状態を維持するため反応容器（６）内から排気ガスを減圧ポンプを用いて強制的に排気する。
べースプレート（１）に、ガス導入部（３）、ガス導入口（８）と、ガス排出部（４）、ガス排気口（９）はそれぞれ１か所設けられているが、切削工具基体を反応容器（６）内に装填した後に容器（６）内の空気を取り除き真空にするため、真空引き用の排気口を別に設けて真空ポンプで排気する場合もある。
さらに、反応容器（６）内の温度を確認する必要があるときは熱電対等温度センサーを炉内に挿入するための貫通口をべースプレートに設けるときもある。
また、ガス導入部（３）、ガス導入口（８）へと導入された混合ガスは、被覆の均一性を高めるため、回転駆動装置（２）により回転駆動される回転式ガス導入部品（１２）内に導入され、回転式ガス導入部品（１２）に連結されたガス供給管（５）を通して、回転しているガス供給管（５）より、反応容器内に供給するようにしている。
An outline of a conventional reduced pressure type vertical chemical vapor deposition apparatus will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, a conventional reduced pressure type vertical chemical vapor deposition apparatus is composed of a base plate (1) and a bell-shaped reaction vessel (6), and is a furnace charged in a space in the reaction vessel (6). The tool is loaded with a cutting tool base and sealed. An external heating heater (7) is placed on the outer wall of the reaction vessel (6) to heat the inside of the reaction vessel (6) to about 700 to 1050 ° C., and as shown in FIGS. Various mixed gases are continuously introduced from the gas inlet (3) and the gas inlet (8) provided in 1), and the reacted gas is exhausted from the gas outlet (4) and the gas outlet (9). By performing this operation, chemical vapor deposition such as coating treatment on the tool base is performed.
At this time, in order to reduce the pressure in the reaction vessel (6) and maintain the reduced pressure state, the exhaust gas is forcibly exhausted from the reaction vessel (6) using a pressure reduction pump.
The base plate (1) is provided with a gas introduction part (3), a gas introduction port (8), a gas discharge part (4), and a gas exhaust port (9), respectively. In order to remove the air in the container (6) after the reaction container (6) is loaded and to make a vacuum, there is a case in which a vacuum exhaust port is provided separately and exhausted by a vacuum pump.
Furthermore, when it is necessary to check the temperature in the reaction vessel (6), a through-hole for inserting a thermocouple isothermal sensor into the furnace may be provided in the base plate.
Further, the mixed gas introduced into the gas introduction part (3) and the gas introduction port (8) is rotated by a rotary drive device (2) to improve the uniformity of the coating. ) And is supplied into the reaction vessel from the rotating gas supply pipe (5) through the gas supply pipe (5) connected to the rotary gas introduction component (12).
以上述べた図１、図２に示される減圧式縦型化学蒸着装置を用いて、化学蒸着法により切削工具基体の表面に硬質層が被覆されるが、被覆に用いられる混合ガスとしては、例えば、ＴｉＣ１４、ＡｌＣ１３ の少なくとも１種の塩化物ガスとＣＨ４ 、Ｎ２ 、Ｈ２ 、ＣＨ３ＣＮ、ＣＯ２、ＣＯ、ＨＣｌ、Ｈ２Ｓ等の１種以上のガスの混合ガスが用いられ、この混合ガスを反応性ガスとした化学蒸着を行うことにより、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、Ａｌ２Ｏ３等の硬質層を被覆できることが知られている。 A hard layer is coated on the surface of the cutting tool base by the chemical vapor deposition method using the reduced pressure type vertical chemical vapor deposition apparatus shown in FIGS. 1 and 2 described above. As a mixed gas used for the coating, for example, , A mixture of at least one chloride gas of TiC1 4 and AlC1 3 and one or more gases such as CH 4 , N 2 , H 2 , CH 3 CN, CO 2 , CO, HCl, H 2 S, etc. In addition, it is known that a hard layer such as TiC, TiCN, TiN, or Al 2 O 3 can be coated by performing chemical vapor deposition using the mixed gas as a reactive gas.
図１に示す減圧式縦型化学蒸着装置では、べースプレート（１）の中心部にガス導入部（３）が１か所形成されていたが、ガス導入口の閉塞による操業上のトラブルを回避し、安定的な化学蒸着を行うことを目的として、図２に示されるように、べースプレートの中心部に設けたガス導入部の側部に、２か所（又は２か所以上）にガス導入口（８）を、それぞれの上下方向高さ位置を変えて取り付けた減圧式縦型化学蒸着装置も提案されている。 In the reduced-pressure vertical chemical vapor deposition apparatus shown in FIG. 1, one gas introduction part (3) is formed in the central part of the base plate (1), but operational troubles due to blockage of the gas introduction port are avoided. For the purpose of performing stable chemical vapor deposition, as shown in FIG. 2, gas is provided at two (or two or more) sides of the gas introduction part provided at the center of the base plate. A reduced-pressure vertical chemical vapor deposition apparatus in which the introduction port (8) is attached by changing the height position in the vertical direction has also been proposed.
例えば、特許文献３には、べースプレートの中心部に設けたガス導入部の側部に、２か所又は２か所以上ガス導入口を、それぞれの上下方向高さ位置を変えて取り付けるとともに、べースプレートにガス排気口を２か所又は２か所以上設けることが提案されている。 For example, in Patent Document 3, two or more gas inlets are attached to the side part of the gas inlet provided in the center of the base plate while changing the vertical position of each, and It has been proposed to provide two or more gas exhaust ports on the base plate.
従来から、通常使用されている化学蒸着装置では、大面積の領域に均一に皮膜を蒸着形成させるために、回転しているガス供給管を反応容器内に設け、原料ガスを事前に予熱して被成膜物に到達させるようにしているため、原料ガス群として、互いに反応活性の高いガス種を用いて成膜する場合には、ガス供給管内で反応が進み、ガス供給管内部に厚く成膜され、ガス噴出口近傍にも沈着し、ガス供給管が閉塞してしまうという問題が生じやすく、また、回転機構に反応生成物が挟まり回転運動を困難にすることも起こることから、大面積の成膜領域に亘って均一な皮膜形成を行うという目的が十分に達成されないことがあった。 Conventionally, in a chemical vapor deposition apparatus usually used, a rotating gas supply pipe is provided in a reaction vessel in order to deposit a film uniformly in a large area, and the raw material gas is preheated in advance. When the film is formed using gas species having high reaction activity as the source gas group, the reaction proceeds in the gas supply pipe, and the gas supply pipe is thickened. Since the film is deposited and deposited in the vicinity of the gas outlet, the gas supply pipe is likely to be clogged, and the reaction product is caught in the rotation mechanism, making it difficult to rotate. In some cases, the purpose of forming a uniform film over the film forming region is not sufficiently achieved.
そこで、本発明者らは、前述の観点から、原料ガス群として互いに反応活性の高いガス種を用いて成膜する場合、それらのガス種をガス供給管内では混合させず、分離しておき、回転しているガス供給管から分離させたガスのそれぞれを独立して噴出させ、その後、反応容器内の空間であって、かつ、ガス供給管より外側の空間でガスを混合させるようにし、なおかつ、分離させたおのおののガスの噴出口の少なくとも一部が、回転しているガス供給管の回転軸を法線とする平面と交わるようにし（即ち、分離させたおのおののガスの噴出口は、ガス供給管の回転軸にほぼ直交する平面に形成する）、回転速度を適宜調整できるようにすることでガス混合の進行とガスの工具基体表面への到達時間を調整できる化学蒸着装置とすることにより、ガス供給管が閉塞してしまうことなく、また、ガス噴出口近傍に沈着物が形成されることもなく、大面積の成膜領域に亘って均一に成膜することができるという知見を得た。 Therefore, the present inventors, from the viewpoint described above, when forming a film using gas species having high reaction activity as a raw material gas group, these gas species are not mixed in the gas supply pipe but separated. Each of the gases separated from the rotating gas supply pipe is jetted independently, and then the gas is mixed in the space inside the reaction vessel and outside the gas supply pipe, and , At least a portion of each separated gas outlet intersects a plane normal to the rotation axis of the rotating gas supply pipe (ie, each separated gas outlet is A chemical vapor deposition apparatus that can adjust the progress of gas mixing and the arrival time of the gas on the tool base surface by adjusting the rotation speed as appropriate. By Obtained the knowledge that the gas supply pipe can be uniformly formed over a large area without the gas supply pipe being clogged and without deposits being formed near the gas outlet. .
しかし、例え互いに反応活性の高いガス種をガス供給管内で混合させずに分離しておき、回転しているガス供給管からガスを噴出させた後にガスが混合するようにしても、工具基体表面へのガスの到達時間よりも、互いに反応活性の高いガス種の混合の進行が早ければ、ガス噴出口に近い被成膜物だけに厚く膜が堆積されて、所望の大面積領域に亘って均一な成膜を得る事が出来ない。一方で、工具基体表面へのガスの到達時間よりも、互いに反応活性の高いガス種の混合の進行が遅ければ、ガス噴出口に近い被成膜物には膜がほとんど堆積せず、この場合も所望の大面積領域に亘っての均一な成膜を得る事が出来ない。 However, even if the gas species having high reaction activity are separated without mixing in the gas supply pipe, and the gas is mixed after the gas is ejected from the rotating gas supply pipe, the tool base surface If the mixing of the gas species having a high reaction activity with each other is faster than the arrival time of the gas to the gas, a thick film is deposited only on the deposition object close to the gas outlet, over the desired large area region. Uniform film formation cannot be obtained. On the other hand, if the progress of the mixing of the gas species having high reaction activity is slower than the arrival time of the gas on the tool base surface, almost no film is deposited on the film formation near the gas ejection port. However, uniform film formation over a desired large area cannot be obtained.
そこで、本発明者らは、回転しているガス供給管からガスが噴出した後にガスが混合する際の分離された２系統のガス群の噴出口の位置関係を詳細に調べた結果、ガスが噴出した後、拡散によって混合するに任せるだけでは、大面積に均一な皮膜を得る目的を達成する事が出来ず、ガス供給管の回転運動による旋回成分によって、分離された２系統のガス群のガスが噴出後、工具基体表面の近傍において混合するような化学蒸着装置とすることにより、大面積の成膜領域に亘って均一な皮膜を得る目的が達せられることを見出した。 Therefore, the present inventors have investigated in detail the positional relationship between the two gas systems of the separated two gas groups when the gas is mixed after the gas is ejected from the rotating gas supply pipe. The purpose of obtaining a uniform coating over a large area cannot be achieved simply by leaving it to mix by diffusion after jetting, and the two gas groups separated by the swirl component due to the rotational motion of the gas supply pipe cannot be achieved. It has been found that by using a chemical vapor deposition apparatus that mixes in the vicinity of the tool base surface after gas ejection, the object of obtaining a uniform film over a large film forming region can be achieved.
そして、前述のような構成の化学蒸着装置を用いて大面積に均一な皮膜を得る目的を達するために、噴出口間の位置関係を規定する距離、角度およびガス供給管の回転速度等の条件には、最適範囲が存在する事を見出した。 Then, in order to achieve the purpose of obtaining a uniform film over a large area using the chemical vapor deposition apparatus having the above-described configuration, conditions such as the distance, angle, and rotation speed of the gas supply pipe that define the positional relationship between the ejection ports Has found that there is an optimal range.
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（ａ）被成膜物の表面に化学蒸着により皮膜を形成する減圧式縦型化学蒸着装置において、回転駆動装置（２）により回転駆動されるガス供給管（５）が前記減圧式縦型化学蒸着装置内部に設けられ、該ガス供給管（５）は、その内部が領域Ａ（１４）及び領域Ｂ（１５）の２つの領域に分割され、かつ、領域Ａ（１４）及び領域Ｂ（１５）には、ガス供給管（５）の回転軸方向に沿って、それぞれ、複数の噴出口Ａ（１６）及び複数の噴出口Ｂ（１７）が設けられ、領域Ａ（１４）に設けられた複数の噴出口Ａ（１６）から噴出した原料ガス群Ａと領域Ｂ（１５） に設けられた複数の噴出口Ｂ（１７）から噴出した原料ガス群Ｂが、ガス供給管（５）の外側の反応容器（６）内で混合され、
領域Ａ（１４）に設けられたそれぞれの噴出口Ａ（１６）の最近接の噴出口は、領域Ｂ（１５） に設けられた複数の噴出口Ｂ（１７）のうちの一つであり、
また、領域Ｂ（１５） に設けられたそれぞれの噴出口Ｂ（１７）の最近接の噴出口は、領域Ａ（１４）に設けられた複数の噴出口Ａ（１６） のうちの一つであり、
互いに最近接な噴出口となる噴出口Ａ（１６）と噴出口Ｂ（１７）が対（２４）となって存在し、かつ、上記ガス供給管（５）の回転軸（２２）を法線とする平面（２３）が、前記対（２４）となる噴出口Ａ（１６）と噴出口Ｂ（１７）の両方に交わるように、ガス供給管（５）に噴出口が設けられていることを特徴とする化学蒸着装置。
（ｂ）前記の互いに最近接な噴出口として、対となる噴出口Ａ（１６）の中心（１８）と噴出口Ｂ（１７）の中心（１９）間の距離（２０）が２〜３０ｍｍとなるようにガス供給管（５）に噴出口が設けられていることを特徴とする（ａ）に記載の化学蒸着装置。
（ｃ）前記の互いに最近接な噴出口として対となる噴出口Ａ（１６）と噴出口Ｂ（１７）において、噴出口Ａ（１６）の中心（１８）とガス供給管（５）の回転軸中心（１３）と噴出口Ｂ（１７）の中心（１９）のなす角度を回転軸と垂直な面に投影した角度（２１）が、６０°以下となるようにガス供給管（５）に噴出口が設けられたことを特徴とする（ａ）または（ｂ）に記載の化学蒸着装置。
（ｄ）前記の互いに最近接な噴出口として、対となる噴出口Ａ（１６）と噴出口Ｂ（１７）について、ガス供給管（５）の回転方向に対して、噴出口Ａ（１６）が先行して回転する噴出口対と噴出口Ｂ（１７） が先行して回転する噴出口対がそれぞれ一対以上ガス供給管（５）に設けられていることを特徴とする（ａ）乃至（ｃ）のいずれかに記載の化学蒸着装置。
（ｅ）（ａ）乃至（ｄ）のいずれかに記載の減圧式縦型化学蒸着装置により、被成膜物の表面に皮膜を形成することを特徴とする化学蒸着方法。
（ｆ）（ａ）乃至（ｄ）のいずれかに記載の減圧式縦型化学蒸着装置により、被成膜物の表面に皮膜を形成するに際し、ガス供給管（５）を回転速度１０〜６０回転／分で回転させることを特徴とする化学蒸着方法。
（ｇ）（ａ）乃至（ｄ）のいずれかに記載の減圧式縦型化学蒸着装置により、被成膜物の表面に皮膜を形成するに際し、原料ガス群Ａとして、金属元素を含まない無機原料ガス及び有機原料ガスの内から選ばれる一種以上のガスとキャリアガスを用い、また、原料ガス群Ｂとして、無機原料ガス及び有機原料ガスの内から選ばれる一種以上のガスとキャリアガスを用い、前記原料ガス群Ｂには少なくとも一種の金属元素を含むことを特徴とする化学蒸着方法。
（ｈ）（ｆ）に記載の化学蒸着方法において、原料ガス群Ａとして、金属元素を含まない無機原料ガス及び有機原料ガスの内から選ばれる一種以上のガスとキャリアガスを用い、原料ガス群Ｂとして、無機原料ガス及び有機原料ガスの内から選ばれる一種以上のガスとキャリアガスを用い、前記原料ガス群Ｂには少なくとも一種の金属元素を含むことを特徴とする化学蒸着方法。
（ｉ）（ｇ）または（ｈ）に記載の化学蒸着方法において、前記原料ガス群Ａは、少なくともアンモニアガスを含むことを特徴とする（ｇ）または（ｈ）に記載の化学蒸着方法。」
に特徴を有するものである。
The present invention has been made based on the above findings,
“(A) In a reduced pressure type vertical chemical vapor deposition apparatus for forming a film by chemical vapor deposition on the surface of an object to be deposited, the gas supply pipe (5) that is rotationally driven by a rotation drive device (2) is provided in the reduced pressure type vertical type. Provided inside the chemical vapor deposition apparatus, the gas supply pipe (5) is divided into two regions, region A (14) and region B (15), and region A (14) and region B ( 15), a plurality of jet outlets A (16) and a plurality of jet outlets B (17) are provided along the direction of the rotation axis of the gas supply pipe (5), and are provided in the region A (14). The source gas group A ejected from the plurality of ejection ports A (16) and the source gas group B ejected from the plurality of ejection ports B (17) provided in the region B (15) are connected to the gas supply pipe (5). Mixed in the outer reaction vessel (6),
The closest outlet of each outlet A (16) provided in the region A (14) is one of the plurality of outlets B (17) provided in the region B (15).
The closest outlet of each outlet B (17) provided in the region B (15) is one of the plurality of outlets A (16) provided in the region A (14). Yes,
A jet outlet A (16) and a jet outlet B (17) which are jet nozzles closest to each other exist as a pair (24), and the rotation axis (22) of the gas supply pipe (5) is normal. The gas supply pipe (5) is provided with a jet port so that the plane (23) that intersects with both the jet port A (16) and the jet port B (17) to be the pair (24). A chemical vapor deposition apparatus characterized by
(B) The distance (20) between the center (18) of the pair of outlets A (16) and the center (19) of the outlet B (17) is 2 to 30 mm as the above-mentioned closest outlets. The chemical vapor deposition apparatus according to (a), wherein the gas supply pipe (5) is provided with a jet outlet.
(C) Rotation of the center (18) of the jet outlet A (16) and the gas supply pipe (5) at the jet outlet A (16) and the jet outlet B (17) which are paired as the closest jet outlets. In the gas supply pipe (5), an angle (21) obtained by projecting an angle formed by the axis center (13) and the center (19) of the outlet B (17) onto a plane perpendicular to the rotation axis is 60 ° or less. The chemical vapor deposition apparatus according to (a) or (b), wherein a jet port is provided.
(D) As the jet port closest to each other, the jet port A (16) and the jet port B (17) that are paired with respect to the rotation direction of the gas supply pipe (5) (A) thru | or (a) thru | or (a) thru | or (1) to which the jet nozzle pair which precedes and the jet nozzle pair which jet nozzle B (17) precedes and each pair are provided in the gas supply pipe (5) The chemical vapor deposition apparatus according to any one of c).
(E) A chemical vapor deposition method characterized in that a film is formed on the surface of an object to be deposited by the reduced pressure type vertical chemical vapor deposition apparatus according to any one of (a) to (d).
(F) When forming a film on the surface of the film to be deposited by the reduced pressure type vertical chemical vapor deposition apparatus according to any one of (a) to (d), the gas supply pipe (5) is rotated at a rotational speed of 10-60. A chemical vapor deposition method characterized by rotating at a rate of rotation / minute.
(G) When forming a film on the surface of an object to be deposited by the reduced-pressure vertical chemical vapor deposition apparatus according to any one of (a) to (d), the source gas group A is an inorganic material that does not contain a metal element. One or more gases and carrier gases selected from among source gases and organic source gases are used, and one or more gases and carrier gases selected from among inorganic source gases and organic source gases are used as source gas group B. The chemical vapor deposition method, wherein the source gas group B contains at least one metal element.
(H) In the chemical vapor deposition method described in (f), as the source gas group A, a source gas group is used by using one or more gases selected from an inorganic source gas not containing a metal element and an organic source gas and a carrier gas. A chemical vapor deposition method characterized in that as B, one or more gases selected from inorganic source gases and organic source gases and a carrier gas are used, and the source gas group B contains at least one metal element.
(I) The chemical vapor deposition method according to (g) or (h), wherein the raw material gas group A contains at least ammonia gas in the chemical vapor deposition method according to (g) or (h). "
It has the characteristics.
本発明の化学蒸着装置及び化学蒸着方法について、以下に、図面と共に詳細に説明する。
なお、各図面において、同一の装置構成部材については、同一の符号で示す。
The chemical vapor deposition apparatus and chemical vapor deposition method of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
In addition, in each drawing, the same apparatus structural member is shown with the same code | symbol.
本発明は、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、Ｓｉ３Ｎ４基セラミックス、Ａｌ２Ｏ３基セラミックスあるいはｃＢＮ基超高圧焼結体を基体とし、その表面に硬質層を被覆した表面被覆切削工具等を製造するための減圧式化学蒸着装置および化学蒸着方法に適用することができる。
本発明の一つの実施の態様の減圧式化学蒸着装置（以下、単に「本発明装置」ともいう）は、基本的な装置構成として、図１に示すようなベースプレート（１）、ベル型の反応容器（６）及び外熱式加熱ヒーター（７）を備える。
本発明装置の反応容器（６）の内部には切削工具を装填する治具が装着される空間が形成される。
前記反応容器（６）の外壁には、反応容器（６）内を約７００〜１０５０°Ｃに加熱するための外熱式加熱ヒーター（７）が取り付けられている。
本発明装置の一つの実施の態様において、ベースプレート（１）には、図７に示すような原料ガス群Ａ導入口（２７）と原料ガス群Ｂ導入口（２８）とガス排気口（９）を設け、それぞれ原料ガス群Ａ導入管（２９）と原料ガス群Ｂ導入管（３０）とガス排気管（１１）に接続されている。
前記ベースプレート（１）の中心部下部には、導入ガスに回転運動を与えるための回転式ガス導入部品（１２）と前記回転式ガス導入部品（１２）を回転させるための回転駆動装置（２）がカップリングを介して連設されている。
The present invention is a surface-coated cutting in which a WC-based cemented carbide, TiCN-based cermet, Si 3 N 4- based ceramics, Al 2 O 3- based ceramics or cBN-based ultra-high pressure sintered body is used as a base and a hard layer is coated on the surface. The present invention can be applied to a reduced pressure chemical vapor deposition apparatus and a chemical vapor deposition method for manufacturing a tool or the like.
A reduced-pressure chemical vapor deposition apparatus (hereinafter also simply referred to as “the apparatus of the present invention”) according to one embodiment of the present invention has a base apparatus (1) as shown in FIG. A container (6) and an external heating heater (7) are provided.
A space in which a jig for loading a cutting tool is mounted is formed inside the reaction vessel (6) of the apparatus of the present invention.
An external heating heater (7) for heating the inside of the reaction vessel (6) to about 700 to 1050 ° C. is attached to the outer wall of the reaction vessel (6).
In one embodiment of the apparatus of the present invention, the base plate (1) has a source gas group A inlet (27), a source gas group B inlet (28) and a gas outlet (9) as shown in FIG. Are connected to the source gas group A introduction pipe (29), the source gas group B introduction pipe (30), and the gas exhaust pipe (11), respectively.
At the lower part of the center of the base plate (1), there are a rotary gas introduction component (12) for imparting a rotational motion to the introduced gas and a rotary drive device (2) for rotating the rotary gas introduction component (12). Are connected through a coupling.
図７に示すように、本発明装置では、原料ガス群Ａ導入口（２７）と原料ガス群Ｂ導入口（２８）は、ベースプレート（１）の中心部に下方に突き出して設けたガス導入部の側部に、前記原料ガス群Ａ導入口（２７）と原料ガス群Ｂ導入口（２８）を上下方向に高さを変えて取り付けており、ガス導入部に挿入された回転式ガス導入部品（１２）の側面に設けた孔から回転式ガス導入部品の中心部にガスが供給される。この際、原料ガス群Ａ導入口（２７）と原料ガス群Ｂ導入口（２８）が上下方向に高さを変えて取り付けてあり、回転式ガス導入部品（１２）内でも原料ガス群Ａと原料ガス群Ｂは２つに分離された空間に導入され、それぞれ、原料ガス群Ａ導入路（３１）と原料ガス群Ｂ導入路（３２）を通って、回転式ガス導入部品（１２）に連結された、ガス供給管（５）に導入されるように構成されている。
そして、ガス供給管（５）は、図３Ａ、図３Ｂに示すように、分割された２つの領域、即ち、領域Ａ（１４）及び領域Ｂ（１５）を有しており、原料ガス群Ａは領域Ａ（１４）に供給され、原料ガス群Ｂは領域Ｂ（１５）に供給される。
領域Ａ（１４）に設けられた噴出口Ａ（１６）から噴出した原料ガス群Ａと、領域Ｂ（１５） に設けられた噴出口Ｂ（１７）から噴出した原料ガス群Ｂが、ガス供給管（５）の外側の反応容器（６）内で混合され、化学蒸着により、基体の表面に硬質層が成膜される。
また、図４Ａ、図４Ｂに示すように、領域Ａ（１４）に設けられた噴出口Ａ（１６）及び領域Ｂ（１５） に設けられた噴出口Ｂ（１７）は、ガス供給管（５）の回転軸（２２）方向に沿って、縦方向に複数箇所形成される。
As shown in FIG. 7, in the apparatus of the present invention, the gas inlet part (27) and the gas source group B inlet (28) are provided in a gas introducing part protruding downward in the center of the base plate (1). The source gas group A introduction port (27) and the source gas group B introduction port (28) are attached to the side portion of the gas introduction portion at different heights, and the rotary gas introduction component is inserted into the gas introduction portion. Gas is supplied to the central part of the rotary gas introduction component from the hole provided in the side surface of (12). At this time, the raw material gas group A introduction port (27) and the raw material gas group B introduction port (28) are attached at different heights in the vertical direction. The source gas group B is introduced into a space separated into two, and passes through the source gas group A introduction path (31) and the source gas group B introduction path (32) to the rotary gas introduction component (12), respectively. It is configured to be introduced into a connected gas supply pipe (5).
As shown in FIGS. 3A and 3B, the gas supply pipe (5) has two divided regions, that is, a region A (14) and a region B (15). Is supplied to the region A (14), and the source gas group B is supplied to the region B (15).
The source gas group A ejected from the outlet A (16) provided in the region A (14) and the source gas group B ejected from the outlet B (17) provided in the region B (15) A hard layer is formed on the surface of the substrate by mixing in a reaction vessel (6) outside the tube (5) and by chemical vapor deposition.
4A and 4B, the jet outlet A (16) provided in the region A (14) and the jet outlet B (17) provided in the region B (15) are connected to the gas supply pipe (5 ) In the longitudinal direction along the direction of the rotation axis (22).
本発明装置内部に設けられた回転機構を有するガス供給管（５）に設けられたガス噴出口：
本発明装置内部に設けられた回転機構を有するガス供給管（５）は、図３Ａ、図３Ｂに示すように、分割された２つの領域、即ち、領域Ａ（１４）及び領域Ｂ（１５）を有している。
領域Ａ（１４）に設けられた噴出口Ａ（１６）から噴出した原料ガス群Ａと、領域Ｂ（１５） に設けられた噴出口Ｂ（１７）から噴出した原料ガス群Ｂがガス供給管（５）の外の領域で混合するようにガス噴出口が設けられている。
領域Ａ（１４）に設けられたそれぞれの噴出口Ａ（１６）の最近接の噴出口は領域Ｂ（１５） に設けられた噴出口Ｂ（１７）のうちの一つであり、しかも、領域Ｂ（１５） に設けられたそれぞれの噴出口Ｂ（１７）の最近接の噴出口は領域Ａ（１４）に設けられた噴出口Ａ（１６） のうちの一つである。
そして、図４Ａ、図４Ｂに示すように、互いに最近接な噴出口となる噴出口Ａ（１６）と噴出口Ｂ（１７）が対をなすように存在し、図５Ａ、図５Ｂに示すように、対となる噴出口Ａ（１６）と噴出口Ｂ（１７）の両方（２４）が、ガス供給管（５）の回転軸（２２）を法線とする平面（２３）に交わるように噴出口が設けられる。
A gas outlet provided in a gas supply pipe (5) having a rotation mechanism provided in the apparatus of the present invention:
As shown in FIGS. 3A and 3B, the gas supply pipe (5) having a rotation mechanism provided in the apparatus of the present invention has two divided regions, that is, a region A (14) and a region B (15). have.
A source gas group A ejected from an outlet A (16) provided in the region A (14) and a source gas group B ejected from an outlet B (17) provided in the region B (15) are gas supply pipes. A gas outlet is provided to mix in the region outside (5).
The nearest outlet of each outlet A (16) provided in the region A (14) is one of the outlets B (17) provided in the region B (15). The nearest outlet of each outlet B (17) provided in B (15) is one of the outlets A (16) provided in region A (14).
And as shown to FIG. 4A and FIG. 4B, the jet outlet A (16) and jet outlet B (17) which become the jet nozzle nearest to each other exist so that it may become a pair, and as shown to FIG. 5A and FIG. 5B Furthermore, both the jet outlet A (16) and the jet outlet B (17) (24) that make a pair intersect with a plane (23) that is normal to the rotation axis (22) of the gas supply pipe (5). A spout is provided.
図５Ｂの（ａ）、（ｂ）に示すような、噴出口Ａ（１６）、噴出口Ｂ（１７）のこのような対（２４）の配列により、反応活性の高いガス種を用いて成膜する場合においても、装置内の所望の大面積に均一な成膜を得る事が出来る。
噴出口Ａ（１６）と噴出口Ｂ（１７）が対（２４）となって設けられていない場合には、原料ガス群Ａと原料ガス群Ｂが、反応容器（６）内部で滞留した後、混合し反応するため、気相での反応が促進され、それにより、気相で形成された核の堆積により成膜されるため、装置内の所望の大面積に均一な成膜を得る事が出来ない。
また、対（２４）となっていても、図５Ｂ（ｃ）に示すような噴出口Ａ（１６）、噴出口Ｂ（１７）の配列の場合、即ち、分離させたおのおののガスの噴出口Ａ（１６）、噴出口Ｂ（１７）の少なくとも一部が、回転しているガス供給管（５）の回転軸（２２）を法線とする平面（２３）と交わるように設けられていない場合、ガス供給管（５）の回転運動による旋回成分による原料ガス群Ａと原料ガス群Ｂを混合させる効果が得にくく、装置内の所望の大面積に均一な成膜を得る事が出来ない。
As shown in (a) and (b) of FIG. 5B, the arrangement of the pair (24) of the jet outlet A (16) and the jet outlet B (17) makes it possible to use a gas species having a high reaction activity. Even in the case of forming a film, a uniform film can be obtained over a desired large area in the apparatus.
When the spout A (16) and the spout B (17) are not provided as a pair (24), after the source gas group A and the source gas group B stay inside the reaction vessel (6) The reaction in the gas phase is promoted by mixing and reacting, so that the film is formed by the deposition of nuclei formed in the gas phase, so that a uniform film can be obtained over a desired large area in the apparatus. I can't.
Even in the case of the pair (24), in the case of the arrangement of the jet outlet A (16) and the jet outlet B (17) as shown in FIG. 5B (c), that is, the jet outlet of each separated gas. A (16) and at least a part of the jet outlet B (17) are not provided so as to intersect with a plane (23) whose normal is the rotation axis (22) of the rotating gas supply pipe (5). In this case, it is difficult to obtain the effect of mixing the raw material gas group A and the raw material gas group B due to the swirling component due to the rotational movement of the gas supply pipe (5), and it is not possible to obtain a uniform film formation over a desired large area in the apparatus. .
更に、図３Ａ、図３Ｂに示すように、本発明の上記の互いに最近接な噴出口として、対（２４）となる噴出口Ａ（１６）と噴出口Ｂ（１７）の距離（２０）を２〜３０ｍｍであるように噴出口間隔を設けることが好ましく、より好ましくは、２〜１５ｍｍ、更に好ましくは、３〜８ｍｍとすることである。
それにより、装置内の所望の大面積に均一な成膜を得る事が出来る。
この噴出口の距離（２０）は原料ガス群Ａと原料ガス群Ｂの反応性の高さにも依存するが、距離（２０）が近すぎると、ガス噴出口に近い被成膜物だけに厚く膜が堆積されて、噴出口から離れた箇所の被成膜物は膜厚が薄くなってしまう。
一方で、距離（２０）が離れ過ぎると、ガス噴出口に近い被成膜物の膜厚が薄くなってしまう傾向がある。
Further, as shown in FIGS. 3A and 3B, the distance (20) between the jet outlet A (16) and the jet outlet B (17) as a pair (24) is set as the above-mentioned closest jet outlet of the present invention. It is preferable to provide a spout interval so that it may be 2-30 mm, More preferably, it is 2-15 mm, More preferably, it is 3-8 mm.
Thereby, a uniform film can be obtained over a desired large area in the apparatus.
The distance (20) of the jet port depends on the reactivity of the raw material gas group A and the raw material gas group B, but if the distance (20) is too close, only the film formation close to the gas jet port. A thick film is deposited, and the film-forming object at a location away from the ejection port becomes thin.
On the other hand, if the distance (20) is too large, the film thickness of the film-forming object close to the gas outlet tends to be thin.
更に、図５Ｂ（ａ）、（ｂ）中の符号（２４）として示した本発明の上記の互いに最近接な噴出口として対（２４）となる噴出口Ａ（１６）と噴出口Ｂ（１７）において、図３Ａ、図３Ｂに示すように、噴出口Ａ（１６）の中心（１８）とガス供給管（５）の回転軸中心（１３）と噴出口Ｂ（１７）の中心（１９）のなす角度を回転軸と垂直な面に投影した角度（２１）が、６０°以下であるように噴出口が設けることが好ましく、より好ましくは、４０°以下、更に好ましくは、２０°以下とすることである。
それにより、炉内の所望の大面積に均一な成膜を得る事が出来る。
上記角度（２１）は原料ガス群Ａと原料ガス群Ｂの反応性の高さにも依存するが、上記角度（２１）が大きすぎると、ガス噴出口の近くではガスの混合が進まずにガス噴出口に近い被成膜物の膜厚が薄くなってしまう傾向がある。
Further, the jet outlet A (16) and the jet outlet B (17) that form a pair (24) as the above-mentioned closest jet outlets of the present invention shown as reference numeral (24) in FIGS. 5B (a) and (b). 3A and 3B, the center (18) of the jet outlet A (16), the rotation axis center (13) of the gas supply pipe (5), and the center (19) of the jet outlet B (17). Preferably, the jet outlet is provided such that the angle (21) projected on the plane perpendicular to the rotation axis is 60 ° or less, more preferably 40 ° or less, and still more preferably 20 ° or less. It is to be.
Thereby, a uniform film can be obtained over a desired large area in the furnace.
The angle (21) also depends on the reactivity of the raw material gas group A and the raw material gas group B, but if the angle (21) is too large, gas mixing does not proceed near the gas outlet. There exists a tendency for the film thickness of the to-be-deposited object near a gas jet port to become thin.
上記の互いに最近接な噴出口として、図６Ｂ（ａ）に示すように、対（２４）となる噴出口Ａ（１６）と噴出口Ｂ（１７）について、ガス供給管（５）の回転方向に対して、噴出口Ａ（１６）が先行して回転する噴出口対（２５）と、図６Ｂ（ｂ）に示すように、噴出口Ｂ（１７） が先行して回転する噴出口対（２６）が設けられている場合、原料ガス群Ａと原料ガス群Ｂのガス種や反応性の高さにも依存するが、先行する噴出口によって原料ガス群Ａと原料ガス群Ｂの混合度合や反応度合が異なるという現象が生じる。
この現象を利用して、従来の化学蒸着装置では、困難であった、ナノレベルでの組織構造をもった皮膜が形成可能である。
噴出口Ａ（１６）が先行して回転する噴出口対（２５）が生成に大きく寄与する前駆体と噴出口Ｂ（１７）が先行して回転する噴出口対（２６）が生成に大きく寄与する前駆体という質の異なる前駆体により成膜されるためである。これにより、例えば、ナノコンポジット構造の形成が可能となる。また、２種の前駆体が存在することにより、堆積時の被成膜物の表面においてエネルギー的に不安定な状態が生まれ、表面拡散による自己組織化を誘発することにより、より切削工具用皮膜としてより強靭な皮膜を形成することが可能である。
As shown in FIG. 6B (a), the rotation direction of the gas supply pipe (5) for the jet outlet A (16) and the jet outlet B (17) as a pair (24) as the jet nozzles closest to each other. On the other hand, as shown in FIG. 6B (b), the jet pair (25) in which the jet A (16) is rotated in advance, and the jet pair (in which the jet B (17) is rotated in advance as shown in FIG. 26), the degree of mixing of the raw material gas group A and the raw material gas group B is determined by the preceding jet port, depending on the type of gas and the high reactivity of the raw material gas group A and the raw material gas group B. And the phenomenon that the degree of reaction is different.
By utilizing this phenomenon, it is possible to form a film having a nano-level structure, which is difficult with a conventional chemical vapor deposition apparatus.
The precursor pair (25) that the jet outlet A (16) rotates in advance leads to the generation and the precursor pair (26) in which the jet outlet B (17) rotates and contributes greatly to the generation. This is because the film is formed by precursors having different qualities. Thereby, for example, a nanocomposite structure can be formed. In addition, the presence of the two precursors creates an energetically unstable state on the surface of the film during deposition, and induces self-organization due to surface diffusion, resulting in a coating for a cutting tool. It is possible to form a tougher film.
ガス供給管（５）の回転速度：
本発明装置により、化学蒸着するに際し、ガス供給管（５）を回転速度１０〜６０回転／分で回転させることが好ましく、より好ましくは、２０〜６０回転／分、更に好ましくは、３０〜６０回転／分とすることである。これにより、炉内の所望の大面積に均一な成膜を得る事が出来る。これは、回転しているガス供給管（５）からガスが噴出した際、ガス供給管（５）の回転運動による旋回成分によって、原料ガス群Ａと原料ガス群Ｂが均一に混合することによるものである。これは、原料ガス群Ａと原料ガス群Ｂのガス種や反応性の高さにも依存する。
Rotation speed of gas supply pipe (5):
When chemical vapor deposition is performed by the apparatus of the present invention, the gas supply pipe (5) is preferably rotated at a rotational speed of 10 to 60 revolutions / minute, more preferably 20 to 60 revolutions / minute, and still more preferably 30 to 60. Rotation / minute. Thereby, a uniform film can be obtained on a desired large area in the furnace. This is because when the gas is ejected from the rotating gas supply pipe (5), the source gas group A and the source gas group B are uniformly mixed by the swirl component due to the rotational movement of the gas supply pipe (5). Is. This also depends on the gas types and the high reactivity of the raw material gas group A and the raw material gas group B.
原料ガス：
本発明装置により、化学蒸着するに際し、原料ガス群Ａとしては、金属元素を含まない無機原料ガス及び有機原料ガスの内から選ばれる一種以上のガスとキャリアガスを用い、また、原料ガス群Ｂとしては、無機原料ガス及び有機原料ガスの内から選ばれる一種以上のガスとキャリアガスを用いることができ、前記原料ガス群Ｂには少なくとも一種の金属元素を含むものである。
例えば、本発明装置を用いて、切削工具基体の表面に硬質層を形成するに際し、原料ガス群Ａとして、ＮＨ３とキャリアガス（Ｈ２）を選択し、また、原料ガス群Ｂとして、ＴｉＣｌ４とキャリアガス（Ｈ２）を選択して化学蒸着することにより、大面積にわたり化学蒸着で形成されたＴｉＮ層の層厚均一性に優れた表面被覆切削工具（表１実施例１参照）を作製することができる。
また、例えば、原料ガス群Ａとして、ＣＨ３ＣＮとＮ２及びキャリアガス（Ｈ２）を選択し、また、原料ガス群Ｂとして、ＴｉＣｌ４とＮ２及びキャリアガス（Ｈ２）を選択して化学蒸着することにより、大面積にわたり化学蒸着で形成されたＴｉＣＮ層の層厚均一性に優れた表面被覆切削工具（表１実施例４参照）を作製することができる。
Source gas:
When chemical vapor deposition is performed by the apparatus of the present invention, the source gas group A uses one or more gases and carrier gases selected from inorganic source gases and organic source gases not containing metal elements, and source gas group B As the above, one or more gases selected from inorganic source gases and organic source gases and a carrier gas can be used, and the source gas group B contains at least one metal element.
For example, when forming the hard layer on the surface of the cutting tool base using the apparatus of the present invention, NH 3 and carrier gas (H 2 ) are selected as the source gas group A, and TiCl is used as the source gas group B. 4 and a carrier gas (H 2 ) are selected and chemically vapor-deposited to provide a surface-coated cutting tool excellent in layer thickness uniformity of a TiN layer formed by chemical vapor deposition over a large area (see Table 1, Example 1). Can be produced.
Further, for example, CH 3 CN and N 2 and carrier gas (H 2 ) are selected as the source gas group A, and TiCl 4 and N 2 and carrier gas (H 2 ) are selected as the source gas group B. By performing chemical vapor deposition, a surface-coated cutting tool (see Example 4 in Table 1) having excellent layer thickness uniformity of the TiCN layer formed by chemical vapor deposition over a large area can be produced.
本発明の化学蒸着装置及び化学蒸着方法によれば、従来困難であった原料ガス群として互いに反応活性の高いガス種を用いて成膜する場合においても、ガス供給管の閉塞、ガス噴出口近傍での沈着物の生成を抑制し得るとともに、大面積の成膜領域に亘って、均一な皮膜形成をすることができる。 According to the chemical vapor deposition apparatus and the chemical vapor deposition method of the present invention, even in the case of forming a film using gas species having high reaction activity as a raw material gas group, which has been difficult in the past, the gas supply pipe is blocked, in the vicinity of the gas outlet The formation of deposits can be suppressed, and a uniform film can be formed over a large-area film formation region.
つぎに、本発明の化学蒸着装置及び化学蒸着方法について、図面を参照しつつ、実施例により具体的に説明する。 Next, the chemical vapor deposition apparatus and the chemical vapor deposition method of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
本発明の実施例においては、図１に示すベル型の反応容器（６）及び外熱式加熱ヒーター（７）を備える減圧式化学蒸着装置（以下、単に、「本実施例装置」という。）を使用した。
ここで、ベル型の反応容器（６）の径２５０ｍｍ、高さ７５０ｍｍであり、外熱式加熱ヒーター（７）は、反応容器（６）内を約７００〜１０５０°Ｃに加熱することができる。
また、本実施例装置は、少なくとも、図７に示すベースプレート（１），回転式ガス導入部品（１２），原料ガス群Ａ導入口（２７），原料ガス群Ｂ導入口（２８），原料ガス群Ａ導入路（３１），原料ガス群Ｂ導入路（３２）を備え、さらに、図３Ａ，図４Ａ，図５Ａ，図５Ｂ（ａ）に示すガス供給管（５），領域Ａ（１４），領域Ｂ（１５），噴出口Ａ（１６），噴出口Ｂ（１７）を備える。
そして、本実施例装置においては、図３Ａに示す対をなす噴出口Ａの中心と噴出口Ｂの中心との距離（２０）を２〜３０ｍｍの範囲内に設定し、さらに、同じく図３Ａに示す噴出口Ａの中心（１８）とガス供給管（５）の回転軸中心（１３）と噴出口Ｂの中心（１９）とのなす角度を回転軸と垂直な面に投影した角度（２１）を６０°以下の範囲内に設定した。
In an embodiment of the present invention, a reduced pressure chemical vapor deposition apparatus (hereinafter simply referred to as “the present embodiment apparatus”) provided with a bell-shaped reaction vessel (6) and an external heating heater (7) shown in FIG. It was used.
Here, the diameter of the bell-shaped reaction vessel (6) is 250 mm and the height is 750 mm, and the external heating heater (7) can heat the inside of the reaction vessel (6) to about 700 to 1050 ° C. .
In addition, the apparatus of this embodiment has at least a base plate (1), a rotary gas introduction component (12), a raw material gas group A introduction port (27), a raw material gas group B introduction port (28), a raw material gas shown in FIG. A group A introduction path (31) and a source gas group B introduction path (32) are provided, and further, a gas supply pipe (5) and a region A (14) shown in FIGS. 3A, 4A, 5A, and 5B (a). , Region B (15), spout A (16), spout B (17).
In the apparatus of the present embodiment, the distance (20) between the center of the jet outlet A and the center of the jet outlet B shown in FIG. 3A is set within a range of 2 to 30 mm. An angle (21) obtained by projecting an angle formed by the center (18) of the jet outlet A, the rotational axis center (13) of the gas supply pipe (5), and the center (19) of the jet outlet B onto a plane perpendicular to the rotational axis. Was set within a range of 60 ° or less.
上記本実施例装置を用いて、ベル型の反応容器（６）内に、中心部にガス供給管（５）が貫通可能な直径６５ｍｍの中心孔が形成された外径２２０ｍｍのドーナツ状の治具を配置し、この治具上に、被成膜物として、ＪＩＳ規格ＣＮＭＧ１２０４０８の形状（厚さ：４．７６mm×内接円直径：１２．７ｍｍの８０°菱形）をもったＷＣ基超硬合金基体を載置した。
なお、ＷＣ基超硬合金からなる被成膜物は、治具の径方向に沿って２０〜３０ｍｍの間隔で載置し、また、治具の周方向に沿ってほぼ等間隔となるように載置した。
Using the apparatus of this example, a donut-shaped treatment with an outer diameter of 220 mm, in which a central hole with a diameter of 65 mm through which the gas supply pipe (5) can penetrate, is formed in the center of a bell-shaped reaction vessel (6). WC-based cemented carbide with a JIS standard CNMG120408 shape (thickness: 4.76 mm x inscribed circle diameter: 12.7 mm, 80 ° rhombus) on this jig An alloy substrate was placed.
In addition, the film-forming objects made of WC-base cemented carbide are placed at intervals of 20 to 30 mm along the radial direction of the jig, and are arranged at almost equal intervals along the circumferential direction of the jig. Placed.
上記本実施例装置を使用して、各種の原料ガス群Ａを原料ガス群Ａ導入口（２７）から、また、各種の原料ガス群Ｂを原料ガス群Ｂ導入口（２８）から、それぞれ、所定の回転速度で回転しているガス供給管（５）の領域Ａ（１４）及び領域Ｂ（１５）へ、それぞれ所定の流量で導入し、噴出口Ａ（１６）及び噴出口Ｂ（１７）から、原料ガス群Ａ及び原料ガス群Ｂをそれぞれ噴出させて、ＷＣ基超硬合金基体からなる被成膜物表面に、化学蒸着により、実施例１〜１０の硬質皮膜を形成した。
表１に、化学蒸着に使用した原料ガス群Ａ、原料ガス群Ｂの成分・組成を示す。
また、表２には、実施例１〜１０における化学蒸着の諸条件を示す。
Using the apparatus of the present embodiment, various source gas groups A are fed from the source gas group A inlet (27), and various source gas groups B are fed from the source gas group B inlet (28), respectively. It introduce | transduces into the area | region A (14) and area | region B (15) of the gas supply pipe (5) rotating at the predetermined | prescribed rotational speed with a respectively predetermined | prescribed flow volume, and the jet outlet A (16) and the jet outlet B (17) Then, the raw material gas group A and the raw material gas group B were respectively ejected, and the hard coatings of Examples 1 to 10 were formed by chemical vapor deposition on the surface of the film formed from the WC-based cemented carbide substrate.
Table 1 shows the components and compositions of the source gas group A and source gas group B used for chemical vapor deposition.
Table 2 shows conditions for chemical vapor deposition in Examples 1 to 10.
上記実施例１〜１０について、成膜された硬質皮膜の均一性を調べた。
まず、ドーナツ状治具の中心孔に近い内周側に載置した１０箇所のＷＣ基超硬合金基体について、その上に成膜された硬質皮膜の膜厚を、基体に垂直な方向の断面を、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）により測定し、これらの平均値を、「治具内周側の基体上に形成された平均膜厚Ｔ１」として求めた。
また、ドーナツ状治具の外周側に載置した１０箇所のＷＣ基超硬合金基体について、同様に、その上に成膜された硬質皮膜の膜厚を測定し、これらの平均値を、「治具外周側の基体上に形成された平均膜厚Ｔ２」として求めた。
次いで、「治具内周側の基体上に形成された平均膜厚Ｔ１」と、「治具外周側の基体上に形成された平均膜厚Ｔ２」との差を「内周側と外周側の平均膜厚差｜Ｔ１−Ｔ２｜」として求めるとともに、「内周側と外周側の平均膜厚差の割合（｜Ｔ１−Ｔ２｜）×１００／Ｔ１」を求めた。
表３に、上記で求めた値を示す。
About the said Examples 1-10, the uniformity of the hard film formed into a film was investigated.
First, with respect to ten WC-based cemented carbide substrates placed on the inner peripheral side near the center hole of the donut-shaped jig, the thickness of the hard coating formed thereon is shown in a cross section perpendicular to the substrate. Was measured with a scanning electron microscope (magnification 5000 times), and the average value thereof was determined as “average film thickness T1 formed on the substrate on the inner periphery side of the jig”.
Further, for 10 WC-based cemented carbide substrates placed on the outer peripheral side of the donut-shaped jig, the thickness of the hard film formed on the WC-based cemented carbide substrate was measured in the same manner, The average film thickness T2 formed on the substrate on the outer periphery side of the jig ”was obtained.
Next, the difference between the “average film thickness T1 formed on the jig inner peripheral base” and the “average film thickness T2 formed on the jig outer peripheral base” is expressed as “inner peripheral side and outer peripheral side”. The average film thickness difference | T1−T2 | ”and“ the ratio of the average film thickness difference between the inner periphery and the outer periphery (| T1−T2 |) × 100 / T1 ”.
Table 3 shows the values obtained above.
表３に示す結果から、本発明の減圧式縦型化学蒸着装置を用いた化学蒸着方法によれば、原料ガスとして、互いに反応活性の高いガス種を含む場合であっても、「内周側と外周側の平均膜厚差の割合（｜Ｔ１−Ｔ２｜）×１００／Ｔ１」が１５％以下であって、平均膜厚差が非常に小さいことから、装置内に配置された治具のいずれの箇所に基体を載置するかという載置箇所に関わらず、均一性の高い皮膜が形成されたことが分かる。
特に、実施例１、３、５〜１０は、原料ガス群Ａにアンモニアガス（ＮＨ３）を含み、そして、アンモニアガスは原料ガス群Ｂの金属塩化物ガス（ＴｉＣｌ４，ＡｌＣｌ３等）と反応活性が高いにも関わらず、成膜膜種であるＴｉＮ皮膜、ＴｉＣＮ皮膜、ＡｌＴｉＮ皮膜を炉内大面積に均一性高く成膜することが可能であった。
従来の化学蒸着装置及び化学蒸着方法においては、これらの原料ガスのような互いに反応活性の高いガス種を含む場合、ガス供給管内で反応が進み、ガス供給管内部に厚く成膜され、また、ガス噴出口近傍にも沈着が生じ、ガス供給管が閉塞してしまうという問題が生じていたが、本発明の化学蒸着装置及び化学蒸着方法によれば、このような問題が発生することは防止された。
また、原料ガスとして、互いに反応活性がそれほど高くない実施例２、４に示されるようなガス種を用いた成膜においても、本発明の減圧式縦型化学蒸着装置及び化学蒸着方法によれば、最適な成膜条件を設定することにより、炉内の大面積の成膜領域に亘って、より均一に成膜することが可能であった。
From the results shown in Table 3, according to the chemical vapor deposition method using the reduced pressure type vertical chemical vapor deposition apparatus of the present invention, even when the source gas contains gas species having high reaction activity, And the ratio of the average film thickness difference (| T1-T2 |) × 100 / T1 ”on the outer peripheral side is 15% or less, and the average film thickness difference is very small. It can be seen that a highly uniform film was formed regardless of the place where the substrate is placed.
In particular, Examples 1, 3, 5 to 10 include ammonia gas (NH 3 ) in the source gas group A, and the ammonia gas is a metal chloride gas (TiCl 4 , AlCl 3 or the like) in the source gas group B. Despite the high reaction activity, it was possible to deposit the TiN film, the TiCN film, and the AlTiN film, which are film types, on the large area in the furnace with high uniformity.
In the conventional chemical vapor deposition apparatus and chemical vapor deposition method, when the gas species having high reaction activity such as these raw material gases are included, the reaction proceeds in the gas supply pipe, and a thick film is formed in the gas supply pipe. Although there was a problem that deposition also occurred in the vicinity of the gas outlet and the gas supply pipe was blocked, according to the chemical vapor deposition apparatus and chemical vapor deposition method of the present invention, such a problem is prevented from occurring. It was done.
Further, even in the film formation using the gas species as shown in Examples 2 and 4 whose reaction activities are not so high as the source gas, according to the reduced pressure vertical chemical vapor deposition apparatus and the chemical vapor deposition method of the present invention, By setting optimum film forming conditions, it was possible to form a film more uniformly over a large film forming region in the furnace.
前述のように、本発明の減圧式縦型化学蒸着装置及び化学蒸着方法は、従来困難を伴った原料ガス群に互いに反応活性の高いガス種を用いて成膜する場合においても、大面積を均一に皮膜形成することが可能であることから、省エネ化、さらに低コスト化の面において産業上利用に十分に満足に対応できるものである。
また、本発明の減圧式縦型化学蒸着装置および化学蒸着方法は、硬質層を被覆した表面被覆切削工具を製造において、大変有効であるばかりでなく、耐摩耗性を必要とするプレス金型や、摺動特性を必要とする機械部品への成膜等、蒸着形成する膜種によって各種の被成膜物で使用することも勿論可能である。
As described above, the reduced-pressure vertical chemical vapor deposition apparatus and the chemical vapor deposition method of the present invention have a large area even in the case of forming a film by using gas species having high reactivity with each other in the raw material gas group that has been difficult in the past. Since it is possible to form a uniform film, it can sufficiently satisfy industrial use in terms of energy saving and cost reduction.
The reduced-pressure vertical chemical vapor deposition apparatus and chemical vapor deposition method of the present invention are not only very effective in manufacturing a surface-coated cutting tool coated with a hard layer, but also a press mold that requires wear resistance, Of course, it is possible to use various kinds of deposition objects depending on the type of film to be deposited, such as film formation on mechanical parts that require sliding characteristics.
１ ベースプレート
２ 回転駆動装置
３ ガス導入部
４ ガス排出部
５ ガス供給管
６ 反応容器
７ 外熱式加熱ヒーター
８ ガス導入口
９ ガス排気口
１０ ガス導入管
１１ ガス排気管
１２ 回転式ガス導入部品
１３ ガス供給管の回転軸中心
１４ 領域Ａ
１５ 領域Ｂ
１６ 噴出口Ａ
１７ 噴出口Ｂ
１８ 噴出口Ａの中心
１９ 噴出口Ｂの中心
２０ 対をなす噴出口Ａの中心と噴出口Ｂの中心との距離
２１ 対をなす噴出口Ａと噴出口Ｂにおいて、噴出口Ａの中心とガス供給管の回転軸中心と噴出口Ｂの中心とのなす角度を回転軸と垂直な面に投影した角度
２２ ガス供給管の回転軸
２３ ガス供給管の回転軸を法線とする平面
２４ 対をなす噴出口Ａと噴出口Ｂ
２５ 噴出口Ａが先行して回転する噴出口対
２６ 噴出口Ｂが先行して回転する噴出口対
２７ 原料ガス群Ａ導入口
２８ 原料ガス群Ｂ導入口
２９ 原料ガス群Ａ導入管
３０ 原料ガス群Ｂ導入管
３１ 原料ガス群Ａ導入路
３２ 原料ガス群Ｂ導入路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base plate 2 Rotation drive device 3 Gas introduction part 4 Gas discharge part 5 Gas supply pipe 6 Reaction container 7 External heating type heater 8 Gas introduction port 9 Gas exhaust port 10 Gas introduction pipe 11 Gas exhaust pipe 12 Rotary gas introduction component 13 Center 14 of rotation axis of gas supply pipe
15 Area B
16 Spout A
17 Spout B
18 Center of spout A 19 Center of spout B
20 Distance between the center of the spout A and the center of the spout B 21 In the spout A and the spout B that form a pair, the center of the spout A, the center of the rotation axis of the gas supply pipe, and the center of the spout B An angle 22 projected onto a plane perpendicular to the rotation axis 22 A rotation axis 23 of the gas supply pipe A plane 24 having the rotation axis of the gas supply pipe as a normal line 24 A pair of jet outlet A and jet outlet B
25 Outlet pair 26 in which the spout A rotates first 26 Outlet pair 27 in which the spout B rotates first Source gas group A inlet 28 Source gas group B inlet 29 Source gas group A inlet pipe 30 Source gas Group B introduction pipe 31 Raw material gas group A introduction path 32 Raw material gas group B introduction path
Claims (9)
領域Ａ（１４）に設けられたそれぞれの噴出口Ａ（１６）の最近接の噴出口は、領域Ｂ（１５） に設けられた複数の噴出口Ｂ（１７）のうちの一つであり、
また、領域Ｂ（１５） に設けられたそれぞれの噴出口Ｂ（１７）の最近接の噴出口は、領域Ａ（１４）に設けられた複数の噴出口Ａ（１６） のうちの一つであり、
互いに最近接な噴出口となる噴出口Ａ（１６）と噴出口Ｂ（１７）が対（２４）となって存在し、かつ、上記ガス供給管（５）の回転軸（２２）を法線とする平面（２３）が、前記対（２４）となる噴出口Ａ（１６）と噴出口Ｂ（１７）の両方に交わるように、ガス供給管（５）に噴出口が設けられていることを特徴とする化学蒸着装置。 In a reduced-pressure vertical chemical vapor deposition apparatus that forms a film by chemical vapor deposition on the surface of an object to be deposited, a gas supply pipe (5) that is rotationally driven by a rotation drive device (2) is provided inside the reduced-pressure vertical chemical vapor deposition apparatus. The gas supply pipe (5) is divided into two areas, an area A (14) and an area B (15), and the area A (14) and the area B (15) A plurality of jet outlets A (16) and a plurality of jet outlets B (17) are provided along the rotation axis direction of the gas supply pipe (5), respectively, and a plurality of jets provided in the region A (14) are provided. The source gas group A ejected from the outlet A (16) and the source gas group B ejected from the plurality of outlets B (17) provided in the region B (15) are the reaction vessels outside the gas supply pipe (5). Mixed in (6),
The closest outlet of each outlet A (16) provided in the region A (14) is one of the plurality of outlets B (17) provided in the region B (15).
The closest outlet of each outlet B (17) provided in the region B (15) is one of the plurality of outlets A (16) provided in the region A (14). Yes,
A jet outlet A (16) and a jet outlet B (17) which are jet nozzles closest to each other exist as a pair (24), and the rotation axis (22) of the gas supply pipe (5) is normal. The gas supply pipe (5) is provided with a jet port so that the plane (23) that intersects with both the jet port A (16) and the jet port B (17) to be the pair (24). A chemical vapor deposition apparatus characterized by
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