WO2015105177A1 - 化学蒸着装置、および化学蒸着方法 - Google Patents

化学蒸着装置、および化学蒸着方法 Download PDF

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健志 山口
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    • C23C16/45589—Movable means, e.g. fans

Definitions

  • the present invention relates to a chemical vapor deposition apparatus and a chemical vapor deposition method.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2014-003251 filed in Japan on January 10, 2014 and Japanese Patent Application No. 2014-259387 filed in Japan on December 22, 2014. , The contents of which are incorporated herein.
  • a cutting tool with a hard layer coated on the surface has been used conventionally.
  • a surface-coated cutting tool in which a WC base cemented carbide or the like is used as a base and a hard layer such as TiC or TiN is coated on the surface by a chemical vapor deposition method is known.
  • an apparatus for coating a hard layer on the surface of a cutting tool base for example, chemical vapor deposition apparatuses described in Patent Documents 1 to 3 are known.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a conventionally known reduced-pressure vertical chemical vapor deposition apparatus
  • 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.
  • the conventional reduced pressure type vertical chemical vapor deposition apparatus is composed of a base plate 1 and a bell-shaped reaction vessel 6, and a cutting tool base is loaded into a jig loaded in the space inside the reaction vessel 6. 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. 1 and 2, the gas introduction part 3 provided on the base plate 1 is provided.
  • Chemical vapor deposition such as coating treatment on the tool base by continuously introducing various mixed gases from the gas inlet 8 and exhausting the reacted gas from the gas outlet 4 and the gas outlet 9 I do.
  • the exhaust gas is forcibly exhausted from the reaction vessel 6 using a decompression pump.
  • the base plate 1 is provided with a gas introduction part 3, a gas introduction port 8, a gas exhaust part 4, and a gas exhaust port 9, but the inside of the container 6 after the cutting tool base is loaded in the reaction container 6.
  • a vacuum exhaust port is provided separately and the vacuum pump exhausts the air.
  • a through-hole for inserting a thermocouple isothermal sensor into the furnace may be provided in the base plate.
  • the mixed gas introduced into the gas introduction unit 3 and the gas introduction port 8 is introduced into a rotary gas introduction component 12 that is rotationally driven by the rotary drive device 2 in order to improve the uniformity of the coating.
  • the gas supply pipe 5 connected to the gas introduction component 12 is supplied from the rotating gas supply pipe 5 into the reaction vessel.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • one gas introduction part 3 is formed at the center of the base plate 1.
  • gas inlets 8 are provided at two (or two or more) side portions of the gas inlet provided at the center of the base plate, respectively.
  • a reduced-pressure vertical chemical vapor deposition apparatus that has been mounted by changing the vertical position of the vertical direction has also been proposed.
  • 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 the base plate It has been proposed to provide two or more gas exhaust ports.
  • a raw material gas is obtained by stacking a tray in which a cutting tool base is placed in a reaction vessel in a vertical direction and rotating a gas supply pipe extending in the vertical direction in the vicinity of the tray.
  • a gas supply pipe extending in the vertical direction in the vicinity of the tray.
  • two (or two) locations are provided on the base plate for the purpose of avoiding operational troubles due to gas inlet clogging and performing stable chemical vapor deposition.
  • a reduced-pressure vertical chemical vapor deposition apparatus provided with a gas inlet has also been proposed.
  • the raw material gas is likely to react in the supply path.
  • the reaction product generated by the reaction of the raw material gas may be deposited in the gas supply pipe or in the gas outlet, causing a problem in gas supply.
  • the reaction state of the gas varies, and the uniformity of the film quality for each cutting tool in the reaction vessel may be reduced.
  • An object of the present invention is to provide a chemical vapor deposition apparatus and a chemical vapor deposition method capable of forming a uniform film on a plurality of deposition objects.
  • the homogeneous film as used herein means that the film thickness is uniform, the film components are homogeneous, or the film thickness and the components are uniform.
  • the inventors of the present invention in the chemical vapor deposition apparatus, do not clog the gas supply pipe, and do not form deposits in the vicinity of the gas ejection port.
  • the following knowledge was obtained as a condition required to enable uniform film formation over the film region.
  • these gas species are not mixed in the gas supply pipe but separated and separated from the rotating gas supply pipe. It is necessary to blow out each of the gas made independent.
  • the independently jetted gas is then mixed in the space inside the reaction vessel and outside the gas supply pipe, and each of the separated gases is mixed.
  • 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.
  • the inventors of the present application investigated in detail the positional relationship between the two gas systems separated from each other when the gas was mixed after the gas was ejected from the rotating gas supply pipe.
  • the purpose of obtaining a uniform film over a large film forming region can be achieved by using a chemical vapor deposition apparatus that mixes in the vicinity of the surface of the tool base after the gas of the gas group of the system is ejected. .
  • the present invention has the following aspects in order to solve the above problems.
  • a reaction container in which a film-forming object is accommodated, a gas supply pipe provided in the reaction container, and a rotation driving device that rotates the gas supply pipe around a rotation axis in the reaction container.
  • the inside of the gas supply pipe is partitioned into a first gas circulation part and a second gas circulation part extending along the rotation axis, On the wall of the gas supply pipe, a first gas outlet for ejecting the first gas flowing through the first gas circulation part into the reaction vessel, and a second gas flowing through the second gas circulation part are provided.
  • a second gas jetting port to be jetted into the reaction vessel is disposed adjacent to the circumferential direction of the rotating shaft,
  • the chemical vapor deposition apparatus wherein the first gas ejection port and the plurality of second gas ejection ports form a pair on a plane having the rotation axis as a normal line.
  • a plurality of jet port pairs each including the first gas jet port and the second gas jet port adjacent to each other in the circumferential direction of the rotating shaft are provided in the axial direction of the gas supply pipe.
  • the distance between the center of the first gas jet port and the center of the second gas jet port forming the jet port pair is a first plane whose normal is the rotation axis including the jet port pair.
  • the chemical vapor deposition apparatus according to (2) which is shorter than a distance from a second plane that is adjacent in the axial direction of the gas supply pipe and includes another pair of injection ports.
  • the relative angle around the rotation axis of the first gas outlet and the second gas outlet in a plane having the rotation axis as a normal line is 150 ° or more and 180 ° or less (1)
  • a plurality of jet pairs each including the first gas jet port and the second gas jet port adjacent to each other in the circumferential direction of the rotating shaft are provided in the axial direction of the gas supply pipe.
  • the chemical vapor deposition apparatus and 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. More specifically, according to an aspect of the present invention, there are provided a chemical vapor deposition apparatus and a chemical vapor deposition method capable of forming a uniform film on a plurality of deposition objects.
  • the conventional decompression type vertical chemical vapor deposition apparatus it is a schematic side view of the base plate 1 provided with two gas inlets and its peripheral part.
  • the plane 23 having the normal axis of the rotation axis 22 of the gas supply pipe 5 intersects both the jet outlet A16 and the jet outlet B17 that form the pair 24. It is a schematic diagram which shows the case where a jet nozzle is provided. The arrangement / arrangement of the ejection ports outside the scope of the present invention, and the plane 23 having the rotation axis 22 of the gas supply pipe 5 as the normal line does not intersect both the ejection port A16 and the ejection port B17 that form the pair 24. It is a schematic diagram which shows a case.
  • gas supply pipe 5 in one embodiment concerning this invention, it is a schematic perspective view of gas supply pipe 5 at the time of seeing from visual field A, and jet outlet A has rotated ahead with respect to a rotation direction. It shows that the jet nozzle pair 25 is provided.
  • gas supply pipe 5 in one embodiment concerning this invention it is a schematic perspective view of gas supply pipe 5 at the time of seeing from visual field B, and spout B has rotated ahead with respect to a rotation direction. It shows that the jet nozzle pair 26 is provided.
  • the base plate 1 provided with two gas introduction ports 27, 28, the raw material gas group A and the raw material gas group B are introduced from the gas introduction ports 27, 28, and the raw material is introduced into the rotary gas introduction component 12.
  • 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 present invention apparatus”) according to one embodiment of the present invention has a base plate 1 and a bell-shaped reaction vessel 6 as shown in FIG. And an external heating heater 7.
  • 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.
  • the base plate 1 is provided with a source gas group A inlet 27, a source gas group B inlet 28 and a gas exhaust port 9 as shown in FIG.
  • the introduction pipe 29 is connected to the source gas group B introduction pipe 30 and the gas exhaust pipe 11.
  • 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 via a coupling. Has been.
  • the raw material gas group A inlet 27 and the raw material gas group B inlet 28 are provided on the side portion of the gas inlet portion protruding downward from the central portion of the base plate 1.
  • the source gas group A inlet 27 and the source gas group B inlet 28 are mounted with their height changed in the vertical direction, and the rotary type is introduced from a hole provided on the side surface of the rotary gas inlet part 12 inserted in the gas inlet. Gas is supplied to the center of the gas introduction component.
  • the raw material gas group A introduction port 27 and the raw material gas group B introduction port 28 are attached with the height changed in the vertical direction, and the raw material gas group A and the raw material gas group B are 2 in the rotary gas introduction component 12.
  • the gas supply pipe 5 has two divided regions, that is, a region A14 and a region B15, and the source gas group A is supplied to the region A14, The gas group B is supplied to the region B15.
  • the source gas group A ejected from the ejection port A16 provided in the region A14 and the source gas group B ejected from the ejection port B17 provided in the region B15 are mixed in the reaction vessel 6 outside the gas supply pipe 5. Then, a hard layer is formed on the surface of the substrate by chemical vapor deposition. As shown in FIGS.
  • a plurality of jet outlets A ⁇ b> 16 provided in the region A ⁇ b> 14 and jet nozzles B ⁇ b> 17 provided in the region B ⁇ b> 15 are provided in the longitudinal direction along the direction of the rotation axis 22 of the gas supply pipe 5. A place is formed.
  • a gas outlet provided in the gas supply pipe 5 having a rotation mechanism provided in the device of the present invention As shown in FIGS. 3 and 4, the gas supply pipe 5 having a rotation mechanism provided in the device of the present invention has two divided regions, that is, a region A14 and a region B15.
  • the gas injection is performed so that the source gas group A ejected from the ejection port A16 provided in the region A14 and the source gas group B ejected from the ejection port B17 provided in the region B15 are mixed in the region outside the gas supply pipe 5.
  • the nearest outlet of each outlet A16 provided in the region A14 is one of the outlets B17 provided in the region B15, and the nearest outlet of each outlet B17 provided in the region B15.
  • the contact outlet is one of the outlets A16 provided in the region A14.
  • the jet outlet A ⁇ b> 16 and the jet outlet B ⁇ b> 17, which are the nearest jet outlets, are present in pairs, as shown in FIGS. 7, 8 ⁇ / b> A, 8 ⁇ / b> B, and 8 ⁇ / b> C.
  • the spout is provided so that both the spout A16 and the spout B17 that form a pair intersect a plane 23 having the rotation axis 22 of the gas supply pipe 5 as a normal line.
  • the distance 20 between the nozzle A16 and the nozzle B17 that form the pair 24 is 2 to 30 mm. Is preferably 2 to 15 mm, and more preferably 3 to 8 mm.
  • the distance 20 of the jet port depends on the reactivity of the source gas group A and the source gas group B, but if the distance 20 is too close, a thick film is deposited only on the film-forming object near the gas jet port. As a result, the film thickness of the film-deposited material at a location away from the jet port becomes thin. On the other hand, when the distance 20 is too far, the film thickness of the film-forming object close to the gas outlet tends to be thin.
  • the jet outlet is provided such that an angle 21 obtained by projecting an angle formed by the center 18 of the outlet A16, the rotation axis center 13 of the gas supply pipe 5 and the center 19 of the jet outlet B17 onto a plane perpendicular to the rotation axis is 60 ° or less. More preferably, it is 40 degrees or less, More preferably, it is 20 degrees or less. Thereby, a uniform film can be obtained over a desired large area in the furnace.
  • the angle 21 depends on the reactivity of the raw material gas group A and the raw material gas group B. However, if the angle 21 is too large, gas mixing does not proceed near the gas outlet and the gas outlet does not proceed. There is a tendency that the film thickness of the near deposition object becomes thin.
  • the jet outlet A ⁇ b> 16 rotates in advance with respect to the rotation direction of the gas supply pipe 5 with respect to the jet outlet A ⁇ b> 16 and the jet outlet B ⁇ b> 17 as the pair 24 as the jet nozzles closest to each other.
  • the source gas group A and the source gas group B have high gas species and high reactivity. Although it depends on this, a phenomenon occurs in which the mixing degree and the reaction degree of the raw material gas group A and the raw material gas group B are different depending on the preceding outlet.
  • the precursor that the jet outlet A16 that is rotated in advance by the jet outlet A16 greatly contributes to the generation and the precursor that the jet outlet pair 26 that is rotated in advance by the jet outlet B17 greatly contributes to the generation.
  • a film is formed.
  • 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.
  • 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, still more preferably 30 to 60 revolutions / minute. It is to be a 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 raw material gas group A and the raw material gas group B are uniformly mixed by the swirl component due to the rotational movement of the gas supply pipe 5. 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.
  • the source gas group A uses at least one kind of gas selected from an inorganic source gas and an organic source gas containing no metal element and a carrier gas, and a source gas group B
  • a 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.
  • NH 3 and carrier gas (H 2 ) are selected as the raw material gas group A
  • TiCl is used as the raw material gas group B.
  • 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.
  • the above chemical vapor deposition apparatus is prepared. Then, a plurality of tool bases are inserted into the reaction vessel 6. The composition, pressure, and temperature of the gas in the reaction vessel 6 are controlled to conditions suitable for coating the hard film.
  • the source gas group A is supplied into the reaction vessel 6 through a region A which is a gas flow path provided in the gas supply pipe 5.
  • the source gas group B is supplied into the reaction vessel 6 through a region B which is a gas flow path provided in the gas supply pipe 5.
  • a partition wall that physically separates the region A and the region B is provided in the gas supply pipe 5.
  • the gas supply pipe 5 rotates around its axial direction.
  • the rotation direction and rotation speed of the gas supply pipe 5 are appropriately controlled in consideration of the properties of the hard film intended for film formation, the properties of the source gas group A, and the properties of the source gas group B.
  • the source gas group A is jetted into the reaction vessel 6 from the jet outlet A16.
  • the source gas group B is jetted into the reaction vessel 6 from the jet outlet B17.
  • the source gas group A and source gas group B ejected into the reaction vessel 6 are mixed outside the gas supply pipe, and a hard film is formed on the surface of the tool base by chemical vapor deposition.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the chemical vapor deposition apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing a gas supply pipe and a rotary drive device.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the gas supply pipe.
  • the chemical vapor deposition apparatus 110 is a CVD (Chemical Vapor Deposition) apparatus that forms a film on the surface of an object by reacting a plurality of source gases in a heated atmosphere.
  • the chemical vapor deposition apparatus 110 of this embodiment can be suitably used for manufacturing a surface-coated cutting tool that covers a hard layer on the surface of a cutting tool base made of a cemented carbide or the like.
  • Examples of the cutting tool base include WC-based cemented carbide, TiCN-based cermet, Si 3 N 4- based ceramics, Al 2 O 3- based ceramics, and cBN-based ultra-high pressure sintered body.
  • Examples of the hard layer include an AlTiN layer, a TiN layer, a TiCN layer, and the like.
  • the chemical vapor deposition apparatus 110 includes a base plate 101, a work storage unit 108 installed on the base plate 101, and a bell-type reaction that covers the work storage unit 108 and covers the base plate 101.
  • a container 106 and a box-shaped external heating heater 7 that covers the side surface and the upper surface of the reaction container 106 are provided.
  • the connection portion between the base plate 101 and the reaction vessel 106 is sealed, and the internal space of the reaction vessel 106 can be maintained in a reduced pressure atmosphere.
  • the external heating heater 107 raises and holds the inside of the reaction vessel 106 to a predetermined film forming temperature (for example, 700 ° C. to 1050 ° C.).
  • the work accommodating portion 108 is configured by vertically stacking a plurality of trays 108a on which cutting tool bases that are film formation objects are placed. Adjacent trays 108a are arranged with a sufficient gap for the source gas to circulate. All trays 108a of the work accommodating portion 108 have a through hole through which the gas supply pipe 105 is inserted.
  • the base plate 101 is provided with a gas introduction unit 103, a gas discharge unit 104, and a gas supply pipe 105.
  • the gas introduction unit 103 is provided through the base plate 101 and supplies two kinds of source gas groups A (first gas) and source gas group B (second gas) to the internal space of the reaction vessel 106.
  • the gas introduction part 103 is connected to the gas supply pipe 105 inside the base plate 101 (reaction vessel 106 side).
  • the gas introduction unit 103 includes a source gas group A introduction pipe 129 connected to the source gas group A source 141 and a source gas group B introduction pipe 130 connected to the source gas group B source 142.
  • the source gas group A introduction pipe 129 and the source gas group B introduction pipe 130 are connected to the gas supply pipe 105.
  • the gas introduction unit 103 is provided with a motor (rotary drive device) 102 that rotates the gas supply pipe 105.
  • the gas discharge unit 104 is provided through the base plate 101 and connects the vacuum pump 145 and the internal space of the reaction vessel 106.
  • the inside of the reaction vessel 106 is evacuated by the vacuum pump 145 through the gas discharge unit 104.
  • the gas supply pipe 105 is a tubular member extending vertically upward from the base plate 101.
  • the gas supply pipe 105 is installed so as to penetrate the central part of the work accommodating part 108 in the vertical direction. In the case of this embodiment, the upper end of the gas supply pipe 105 is sealed, and the raw material gas group is injected from the side surface of the gas supply pipe 105 to the outside.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing the base plate 101, the gas introduction part 103, and the gas discharge part 104.
  • the gas exhaust unit 104 includes a gas exhaust pipe 11 connected to a gas exhaust port 9 penetrating the base plate 101.
  • the gas exhaust pipe 11 is connected to the vacuum pump 145 shown in FIG.
  • the gas introduction part 103 is connected to the rotary gas introduction part 12 via the coupling 2a, a cylindrical support part 103a extending outside the base plate 101, a rotary gas introduction part 12 accommodated in the support part 3a.
  • the inside of the support portion 103a communicates with the inside of the reaction vessel 106.
  • the support portion 103a is provided with a source gas group A introduction pipe 129 and a source gas group B introduction pipe 130 that penetrate the side wall of the support portion 103a.
  • the source gas group A introduction pipe 129 is provided closer to the reaction vessel 106 than the source gas group B introduction pipe 130 in the vertical direction.
  • the source gas group A introduction pipe 129 has a source gas group A inlet 27 that opens to the inner peripheral surface of the support portion 103a.
  • the source gas group B introduction pipe 130 has a source gas group B inlet 28 that opens to the inner peripheral surface of the support portion 103a.
  • the rotary gas introduction component 12 has a cylindrical shape coaxial with the support portion 103a.
  • the rotary gas introduction component 112 is inserted into the support portion 103 a and is driven to rotate around the rotation shaft 122 by the motor 102 connected to the end portion (lower end portion) opposite to the reaction vessel 106.
  • the rotary gas introduction part 112 is provided with a through hole 112a that penetrates the side wall of the rotary gas introduction part 112 and a through hole 112b.
  • the through hole 112a is provided at the same height as the source gas group A introduction port 27 of the support portion 103a.
  • the through hole 112 b is provided at the same height as the source gas group B inlet 128.
  • a sealing portion 112c having a larger diameter than that of the other part is provided.
  • the sealing portion 112c contacts the inner peripheral surface of the support portion 103a and isolates the source gas group A flowing from the source gas group A inlet 27 and the source gas group B flowing from the source gas group B inlet 128. .
  • a partition member 135 is provided inside the rotary gas introduction component 112.
  • the partition member 135 partitions the inside of the rotary gas introduction component 112 into a source gas group A introduction path 131 and a source gas group B introduction path 132 that extend along the height direction (axial direction).
  • the source gas group A introduction path 131 is connected to the source gas group A introduction port 127 through the through hole 112a.
  • the source gas group B introduction path 132 is connected to the source gas group B introduction port 128 through the through hole 112b.
  • a gas supply pipe 105 is connected to the upper end of the rotary gas introduction part 112.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the gas supply pipe 105.
  • FIG. 15 is a partial perspective view of the gas supply pipe 105.
  • FIG. 16A to FIG. 16C are explanatory diagrams relating to the arrangement of the gas outlets.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view for explaining the arrangement of gas outlets.
  • 18A and 18B are perspective views for explaining the arrangement of the gas outlets.
  • the gas supply pipe 105 is a cylindrical pipe. Inside the gas supply pipe 105, a plate-like partition member 105a extending along the height direction (axial direction) is provided. The partition member 105a longitudinally cuts the gas supply pipe 105 in the diametrical direction so as to include the central axis (rotating shaft 122) of the gas supply pipe 105, and divides the inside of the gas supply pipe 105 into approximately two equal parts.
  • the interior of the gas supply pipe 105 is partitioned into a source gas group A circulation part (first gas circulation part) 114 and a source gas group B circulation part (second gas circulation part) 115 by the partition member 105a.
  • the source gas group A circulation part 114 and the source gas group B circulation part 115 respectively extend over the entire height direction of the gas supply pipe 105.
  • the lower end of the partition member 105 a is connected to the upper end of the partition member 135.
  • the source gas group A circulation section 114 is connected to the source gas group A introduction path 131
  • the source gas group B circulation section 115 is connected to the source gas group B introduction path 132. Therefore, the distribution path of the source gas group A supplied from the source gas group A source 141 and the distribution path of the source gas group B supplied from the source gas group B source 142 are partitioned by the partition member 135 and the partition member 105a.
  • the flow paths are independent from each other.
  • the gas supply pipe 105 includes a plurality of source gas group A outlets (first gas outlets) 116 penetrating the gas supply pipe 105 and a plurality of source gas group B jets, respectively.
  • An outlet (second gas outlet) 117 is provided.
  • the source gas group A outlet 116 jets the source gas group A from the source gas group A circulation part 114 into the internal space of the reaction vessel 106.
  • the source gas group B outlet 117 ejects the source gas group B from the source gas group B flow part 115 into the internal space of the reaction vessel 106.
  • a plurality of source gas group A outlets 116 and source gas group B outlets 117 are provided along the length direction (height direction) of the gas supply pipe 105, respectively (see FIGS. 15, 18A, and 18B). .
  • one source gas group A outlet 116 and one source gas group B outlet 117 are provided at approximately the same height.
  • the source gas group A outlet 116 and the source gas group B outlet 117 adjacent to each other in the circumferential direction form a pair, and form an outlet pair 124 as shown in FIG.
  • the gas supply pipe 105 is provided with a plurality of jet outlet pairs 124 in the height direction.
  • the height positional relationship between the source gas group A outlet 116 and the source gas group B outlet 117 constituting the outlet pair 124 is such that both the source gas group A outlet 116 and the source gas group B outlet 117 are the same.
  • the positional relationship intersects one plane 123 with the rotation axis 122 shown in FIG. 15 as the normal. Such a positional relationship is defined as a positional relationship “adjacent in the circumferential direction” in the present embodiment.
  • FIG. 16A the case where the source gas group A outlet 116 and the source gas group B outlet 117 constituting the outlet pair 124 are the same height, as shown in FIG. 16B. Further, when a part of the source gas group A outlet 116 and a part of the source gas group B outlet 117 constituting the outlet pair 124 have the same height, these outlets are “adjacent in the circumferential direction”. This corresponds to the “fit” position relationship.
  • FIG. 16C when the entire source gas group A outlet 116 and the entire source gas group B outlet 117 are provided at different heights, Not applicable.
  • the source gas group A outlet 116 and the source gas group B outlet 117 shown in FIG. 14 are outlets belonging to the same outlet pair 124.
  • the relative angle ⁇ around the axis of the source gas group A outlet 116 and the source gas group B outlet 117 is 180 °.
  • the relative angle ⁇ can be changed within a range of 150 ° to 180 °.
  • the relative angle ⁇ is equal to the center 118 of the outer peripheral side opening end of the source gas group A outlet 116 and the source gas around an axis centering on the center 113 (rotary shaft 122) of the gas supply pipe 105. It is defined as the angle formed with the center 119 of the outer peripheral side opening end of the group B outlet 117. Since the relative angle ⁇ is an angle around the axis, when the positions of the centers 118 and 119 in the height direction are different, the angles are obtained when the centers 118 and 119 are projected onto a plane orthogonal to the rotation axis 122.
  • the source gas group A outlet 116 and the source gas group B outlet 117 are alternately arranged in close proximity to each other. Yes.
  • the source gas group A outlets 116 communicating with the source gas group A circulation portion 114 are provided at two different angular positions in the circumferential direction of the gas supply pipe 105. Is preferred.
  • the source gas group B outlet 117 communicating with the source gas group B circulation part 115 is also preferably provided at two different angular positions in the circumferential direction of the gas supply pipe 105.
  • the source gas group A outlet 116 that communicates with the source gas group A circulation part 114 and the source gas group B outlet 117 that communicates with the source gas group B circulation part 115 there is one place in the height direction (axial direction).
  • the case where it is provided in an angular position and the case where it is provided in three or more different angular positions may be sufficient.
  • the relative angle ⁇ 1 around the axis between the two source gas group A outlets 116 shown in FIG. 17 is preferably 130 ° or more.
  • the relative angle ⁇ 2 around the axis of the two source gas group B outlets 117 is preferably 130 ° or more.
  • the gas supply pipe 105 has the jet group 125 (FIG. 18A) provided on the D101 side and the jet group 126 (FIG. 18B) provided on the D102 side shown in FIG.
  • the source gas group A outlet 116 and the source gas group B outlet 117 are alternately arranged in the height direction of the gas supply pipe 105.
  • the relative angle ⁇ 1 around the axis of the source gas group A outlet 116 and the source gas group B outlet 117 adjacent in the axial direction in the outlet group 125 is preferably 60 ° or less.
  • the relative angle ⁇ 2 around the axis between the source gas group A outlet 116 and the source gas group B outlet 117 adjacent in the axial direction in the outlet group 126 is preferably 60 ° or less.
  • the source gas group A source 141 and the source gas group B source 142 are supplied to the source gas group A and the source gas group B source 142 while rotating the gas supply pipe 105 around the rotation axis 122 by the motor 102.
  • the source gas group B is supplied to the gas introduction unit 103.
  • the rotation speed of the gas supply pipe 105 is preferably in the range of 10 rotations / minute to 60 rotations / minute. More preferably, it is the range of 20 rotations / minute or more and 60 rotations / minute or less, More preferably, it is the range of 30 rotations / minute or more and 60 rotations / minute or less.
  • the rotation speed of the gas supply pipe 105 is adjusted according to the gas types of the source gas group A and source gas group B and the height of reaction activity.
  • the rotational speed is set to a speed exceeding 60 revolutions / minute, since the source gas is mixed in the vicinity of the gas supply pipe 105, problems such as blockage of the ejection port are likely to occur.
  • the source gas group A one or more kinds of gases selected from inorganic source gases not containing metal elements and organic source gases and a carrier gas can be used.
  • the source gas group B one or more gases selected from an inorganic source gas and an organic source gas and a carrier gas can be used.
  • the source gas group B is a gas containing at least one metal.
  • NH 3 and carrier gas (H 2 ) are selected as the source gas group A, and TiCl 4 is used as the source gas group B.
  • a carrier gas (H 2 ) and performing chemical vapor deposition a surface-coated cutting tool having a hard layer of TiN layer can be produced.
  • CH 3 CN, N 2 and carrier gas (H 2 ) are selected as the source gas group A, and TiCl 4 , N 2 and carrier gas (H 2 ) are selected as the source gas group B, and chemical vapor deposition is performed.
  • a surface-coated cutting tool having a hard layer of a TiCN layer can be produced.
  • NH 3 and carrier gas (H 2 ) are selected as the source gas group A
  • TiCl 4 , AlCl 3 , N 2 and carrier gas (H 2 ) are selected as the source gas group B and chemical vapor deposition is performed.
  • H 2 carrier gas
  • the source gas group A supplied from the source gas group A source 141 passes through the source gas group A introduction pipe 129, the source gas group A inlet 127, the source gas group A introduction path 131, and the source gas group A distribution section 114. Then, the gas is ejected from the source gas group A outlet 116 into the internal space of the reaction vessel 106.
  • the source gas group B supplied from the source gas group B source 142 includes a source gas group B introduction pipe 130, a source gas group B inlet 128, a source gas group B introduction path 132, and a source gas group B distribution section 115. , From the source gas group B outlet 117 to the inner space of the reaction vessel 106.
  • the raw material gas group A and the raw material gas group B ejected from the gas supply pipe 105 are mixed in a reaction vessel 106 outside the gas supply pipe 105, and a hard layer is formed on the surface of the cutting tool base on the tray 108a by chemical vapor deposition. Is deposited.
  • the raw material gas group A and the raw material gas group B are separated without being mixed in the gas supply pipe 105, ejected from the rotating gas supply pipe 105, and then reacted.
  • the mixing is performed inside the container 106, it is possible to adjust the progress of gas mixing and the arrival time of the gas to the cutting tool substrate surface. Thereby, it can suppress that the inside of the gas supply pipe
  • the source gas group A and the source gas group B ejected from the gas supply pipe 105 have a relatively high concentration in the vicinity of the gas supply pipe 105 and are diffused to a uniform concentration as the distance from the gas supply pipe 105 increases in the radial direction. The Therefore, when the raw material gas group A and the raw material gas group B are mixed in the vicinity of the gas supply pipe 105 and the quality of the hard layer (film) formed when mixed at a position away from the gas supply pipe 105. Therefore, the film quality of the hard layer formed in the film will be different. If it does so, it becomes impossible to obtain the hard layer of uniform film quality over a desired large area area.
  • the relative angle ⁇ around the axis of the source gas group A outlet 116 and the source gas group B outlet 117 adjacent in the circumferential direction of the gas supply pipe 105 is set to 150 ° or more. .
  • the raw material gas group A and the raw material gas group B are ejected in a generally opposite direction in the radial direction of the gas supply pipe 105.
  • the raw material gas group A and the raw material gas group B are not mixed immediately after jetting, but are mixed after being diffused uniformly from the gas supply pipe 105 in the radial direction.
  • a homogeneous reaction occurs in the radial direction of the reaction vessel 106, and a hard layer can be formed with a uniform film quality on the plurality of cutting tool bases placed on the tray 108a.
  • the uniformity of the film quality of the hard layer also depends on the mutual reaction activity of the source gas group A and the source gas group B.
  • the contact distance between the source gas group A and the source gas group B can be controlled by adjusting the rotation speed of the gas supply pipe 105. Therefore, the uniformity of the film quality can be further improved by adjusting the rotational speed according to the type of the raw material gas group.
  • a plurality of pairs of jet ports 124 adjacent in the circumferential direction are provided in the height direction (axial direction) of the gas supply pipe 105.
  • the source gas group A outlet 116 and the source gas group in the height direction has a spout group 125 and a spout group 126 in which B spouts 117 are alternately arranged.
  • the source gas group A and the source gas group B can be suppressed from staying in a state of being separated from each other, and the uniformity of the film quality can be improved, which is more preferable.
  • the source gas group A outlet 116 that communicates with the source gas group A circulation part 114 and the source gas group B outlet 117 that communicates with the source gas group B circulation part 115 there is one place in the height direction (axial direction). The case where it is provided in an angular position and the case where it is provided in three or more different angular positions may be sufficient.
  • tube 105 was a cylindrical pipe
  • tube as shown in FIG. 19, you may use 105A of gas supply pipe
  • this embodiment apparatus a reduced-pressure chemical vapor deposition apparatus (hereinafter simply referred to as “this embodiment apparatus”) provided with a bell-shaped reaction vessel 6 and an external heating heater 7 shown in FIG. 1 was used.
  • the bell-shaped reaction vessel 6 has a diameter of 250 mm and a height of 750 mm, and the external heating heater 7 can heat the inside of the reaction vessel 6 to about 700 to 1050 ° C.
  • the apparatus of this embodiment includes at least the base plate 1, the rotary gas introduction component 12, the raw material gas group A introduction port 27, the raw material gas group B introduction port 28, the raw material gas group A introduction path 31 and the raw material gas shown in FIG.
  • a group B introduction path 32 is provided, and further, a gas supply pipe 5, a region A14, a region B15, a jet outlet A16, and a jet outlet B17 shown in FIGS. 3, 5, 7, and 8A are provided.
  • the distance 20 between the center of the jet outlet A and the center of the jet outlet B shown in FIG. 3 is set within a range of 2 to 30 mm, and the jet nozzle shown in FIG.
  • An angle 21 formed by projecting an angle formed by the center 18 of the 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.
  • a donut-shaped jig having an outer diameter of 220 mm, in which a central hole having a diameter of 65 mm, through which the gas supply pipe 5 can penetrate, is disposed in the bell-shaped reaction vessel 6.
  • a WC-based cemented carbide substrate having a shape of JIS standard CNMG120408 (80 mm diamond with a thickness of 4.76 mm ⁇ inscribed circle diameter: 12.7 mm) is mounted as an object to be deposited. I put it.
  • the film-formed objects made of the WC-based cemented carbide are placed at intervals of 20 to 30 mm along the radial direction of the jig, and at almost equal intervals along the circumferential direction of the jig. Placed.
  • various source gas groups A are supplied from the source gas group A inlet 27, and various source gas groups B are supplied from the source gas group B inlet 28 at predetermined rotational speeds.
  • the hard films of Examples 1 to 10 were formed by chemical vapor deposition on the surface of the film to be formed of the base 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.
  • the uniformity of the hard film formed was examined.
  • 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, etc.) in the source gas group B.
  • the chemical vapor deposition apparatus described in the aspect (6) of the present invention includes a reaction container in which an object to be deposited is accommodated, a gas supply pipe provided in the reaction container, and a gas supply pipe in the reaction container.
  • a rotation drive device that rotates around, and the inside of the gas supply pipe is partitioned into a first gas circulation part and a second gas circulation part extending along the rotation axis, and the pipe of the gas supply pipe On the wall, a first gas outlet for ejecting the first gas flowing through the first gas circulation part into the reaction container and a second gas flowing through the second gas circulation part are ejected into the reaction container.
  • a second gas jetting port that is arranged adjacent to the circumferential direction of the rotation shaft, and the first gas jetting port and the plurality of second gas jetting ports in a plane having the rotation axis as a normal line Forming a pair and the first gas jet outlet in a plane normal to the rotation axis
  • a chemical vapor deposition apparatus characterized by the relative angle around the rotation axis of the serial second gas orifice is less than 180 ° 150 ° or more.
  • the chemical vapor deposition apparatus 110 of the embodiment described with reference to FIGS. 12 to 19 (hereinafter simply referred to as “this example apparatus”) was used.
  • the bell-shaped reaction vessel 106 had a diameter of 250 mm and a height of 750 mm.
  • a heater that can heat the inside of the reaction vessel 106 to 700 ° C. to 1050 ° C. was used as the external heating heater 107.
  • the tray 108a As the tray 108a, a ring-shaped jig having an outer diameter of 220 mm in which a central hole having a diameter of 65 mm is formed at the center is used.
  • a WC-based cemented carbide substrate having a JIS standard CNMG120408 shape (thickness: 4.76 mm ⁇ inscribed circle diameter: 12.7 mm, 80 ° rhombus) as a film-formation object on a jig (tray 108a) was placed. It should be noted that the film-formed objects made of the WC-based cemented carbide substrate are placed at intervals of 20 mm to 30 mm along the radial direction of the jig (tray 108a), and are almost equally spaced along the circumferential direction of the jig. It mounted so that it might become.
  • various source gas groups A and source gas groups B are respectively supplied to the gas supply pipe 105 at predetermined flow rates, and the source gas group A and source gas group B are rotated while the gas supply pipe 105 is rotated.
  • Hard layers (hard films) of Examples 101 to 114 and Comparative Examples 105 to 108 were formed by chemical vapor deposition on the surface of the film-formed object made of the WC-based cemented carbide substrate.
  • Examples 111 to 114 are Comparative Examples 101 to 104 for the chemical vapor deposition apparatus described in the aspect (6) of the present invention.
  • Table 4 shows the components and compositions of the source gas group A and source gas group B used for chemical vapor deposition.
  • Table 5 shows various conditions of chemical vapor deposition in Examples 101 to 114 and Comparative Examples 105 to 108.
  • the relative angle ⁇ is a relative angle around the axis of the source gas group A outlet 116 and the source gas group B outlet 117 belonging to the same outlet pair 124.
  • the relative angle ⁇ 1 is a relative angle between the source gas group A outlets 116 at two outlet pairs 124 adjacent in the height direction.
  • the relative angle ⁇ 2 is a relative angle between the source gas group B outlets 117 in the two outlet pairs 124 adjacent in the height direction.
  • the relative angle ⁇ 1 is a relative angle around the axis of the source gas group A outlet 116 and the source gas group B outlet 117 adjacent in the height direction on one side surface (side surface D101) of the gas supply pipe 105.
  • the relative angle ⁇ 2 is a relative angle around the axis of the source gas group A outlet 116 and the source gas group B outlet 117 adjacent to each other in the height direction on one side surface (side surface D102) of the gas supply pipe 105.
  • the unit “SLM” shown in Table 5 is the standard flow rate L / min (Standard).
  • the standard flow rate is a volume flow rate per minute converted to 20 ° C. and 1 atmosphere (1 atm).
  • the unit “rpm” shown in Table 2 is the number of rotations per minute, and here, means the rotation speed of the gas supply pipe 105.
  • the residual chlorine amount was similarly measured for the 10 WC-based cemented carbide substrates placed on the outer peripheral side of the ring-shaped jig (tray 108a), and the average value of these was determined as “base on the outer side of the jig”.
  • the amount of residual chlorine in the film formed above was determined.
  • the difference between the “residual chlorine amount of the film formed on the substrate on the inner periphery side of the jig” and the “residual chlorine amount of the film formed on the substrate on the outer periphery side of the jig” It was calculated as “difference in residual chlorine amount on the outer peripheral side”. Table 6 shows the values obtained above.
  • the amount of residual chlorine measured in this example correlates with the film quality of the hard coating, and the smaller the amount of residual chlorine, the better the film quality. It is considered that the smaller the difference in the amount of residual chlorine between the inner peripheral side and the outer peripheral side, the smaller the difference in film quality between the inner peripheral side and the outer peripheral side.
  • the amount of residual chlorine shown in Table 3 corresponds to the superiority or inferiority of the film quality of the hard coating, and the magnitude of the difference in residual chlorine content between the substrates corresponds to the magnitude of the relative film quality difference between the hard coatings.
  • Examples 101, 103, and 105 to 110 include ammonia gas (NH 3 ) in the source gas group A, and the ammonia gas has a reactive activity with the metal chloride gas (TiCl 4 , AlCl 3, etc.) in the source gas group B.
  • NH 3 ammonia gas
  • TiCl 4 , AlCl 3, etc. metal chloride gas
  • the film formation using the gas species as shown in Examples 102 and 104 whose reaction activities are not so high as the source gas by setting each film formation condition, it is uniform over a wide range on the jig. A film with a film quality could be formed.
  • Examples 111 to 114 (Comparative Examples 101 to 104) in which the relative angle ⁇ was narrowed to 60 ° or 120 °, the “difference in residual chlorine amount on the inner peripheral side and outer peripheral side” was implemented based on the results in Table 6. Greater than Examples 101-110. Similarly, in the results of Table 7, the difference in the average content ratio of Al in the total amount of Al and Ti was larger than in Examples 101 to 110. From these results, it was confirmed that Examples 111 to 114 (Comparative Examples 101 to 104) were inferior in film quality uniformity as a composition as compared with Examples 101 to 110.
  • the relative angle ⁇ 1 between the source gas group A outlets 116 and the relative angle ⁇ 2 between the source gas group B outlets 117 are 130 °.
  • membrane of the uniform and outstanding film quality could be formed over the wide range on a jig
  • the relative angles ⁇ 1 and ⁇ 2 were 120 °
  • the difference between the inner and outer circumferences of the residual chlorine amount shown in Table 6 was relatively large
  • the relative angles ⁇ 1 and ⁇ 2 were 30 °
  • the average content ratio of Al shown was lower than that of the other examples.
  • the chemical vapor deposition apparatus and the chemical vapor deposition method of the present invention can form a uniform film over a large area even in the case of forming a film using gas species having high reaction activity in the raw material gas group that has been difficult in the past. Since it can be formed, it can sufficiently satisfy industrial use in terms of energy saving and cost reduction.
  • the chemical vapor deposition apparatus and chemical vapor deposition method of the present invention are not only very effective in the production of surface-coated cutting tools coated with a hard layer, but also press dies that require wear resistance, and sliding properties. Needless to say, it can be used for various types of film-forming objects depending on the type of film to be formed by vapor deposition, such as film formation on a machine part that requires the above.

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Abstract

　本願発明により提供される化学蒸着装置は、被成膜物が収容される反応容器と、前記反応容器内に設けられたガス供給管（５）と、前記反応容器内でガス供給管（５）を回転軸（２２）周りに回転させる回転駆動装置（２）と、を有し、前記ガス供給管（５）の内部は、前記回転軸（２２）に沿って延びる第１ガス流通部（１４）と第２ガス流通部（１５）とに区画され、前記ガス供給管（５）の管壁には、前記第１ガス流通部（１４）に流通する第１ガスを前記反応容器内に噴出させる第１ガス噴出口（１６）と、前記第２ガス流通部（１５）に流通する第２ガスを前記反応容器内に噴出させる第２ガス噴出口（１７）とが、前記回転軸（２２）の周方向に隣り合って配置され、前記回転軸（２２）を法線とする平面（２３）において、前記第１ガス噴出口（１６）と、前記複数の第２ガス噴出口（１７）とは対を形成する。

Description

化学蒸着装置、および化学蒸着方法
　本願発明は、化学蒸着装置、および化学蒸着方法に関する。
　本願は、２０１４年１月１０日に、日本に出願された特願２０１４－００３２５１号、および２０１４年１２月２２日に、日本に出願された特願２０１４－２５９３８７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　表面に硬質層が被覆された切削工具が従来から使用されている。例えば、ＷＣ基超硬合金等を基体とし、その表面にＴｉＣ、ＴｉＮ等の硬質層を化学蒸着法により被覆した表面被覆切削工具が知られている。切削工具基体の表面に硬質層を被覆処理する装置として、例えば特許文献１～３記載の化学蒸着装置が知られている。
　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。
　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、ベースプレート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、ベースプレート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。
　ベースプレート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ベ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。
　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。
　図１に示す減圧式縦型化学蒸着装置では、ベースプレート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、ベ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。
　例えば、特許文献３には、ベ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、ベ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。
日本国特開平５－２９５５４８号公報（Ａ） 日本国特表２０１１－５２８７５３号公報（Ａ） 日本国特開平９－３１０１７９号公報（Ａ）
　特許文献１、２に記載の化学蒸着装置では、反応容器内に切削工具基体を載置したトレイを鉛直方向に積層し、トレイ近傍で鉛直方向に延ばしたガス供給管を回転させることで原料ガスを分散させていた。また、特許文献３に記載の化学蒸着装置では、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、ベースプレートに、２か所（又は２か所以上）ガス導入口を設けた減圧式縦型化学蒸着装置も提案されている。しかし、互いに反応活性の高いガス種を用いた場合には、原料ガスが供給経路中で反応しやすくなる。その結果、原料ガスの反応によって生じた反応生成物がガス供給管の内部やガス噴出口に沈着し、ガス供給に不具合を生じることがあった。その結果、ガスの反応状態にばらつきを生じ、反応容器内の切削工具毎の膜質の均一性が低下することがあった。
　本願発明は、複数の被成膜物に均質な皮膜を形成することができる化学蒸着装置、及び化学蒸着方法を提供することを目的の一つとする。ここで言う均質な皮膜とは、膜の厚み均質であること、膜の成分が均質であること、または膜の厚みと成分とが合わせて均質であることを意味する。
　そこで、本願発明者らは、前述の観点から、化学蒸着装置について、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ようにするために必要とされる条件として、以下の知見を得た。
　第一に、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る必要がある。
　第二に、独立して噴出させたガスは、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する必要がある（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）。
　第三に、回転しているガス供給管については、その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ようにする必要がある。
　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。
　そこで、本願発明者らは、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。その結果、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。
　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。
　本願発明は前記課題を解決するために以下の態様を有する。
　（１）被成膜物が収容される反応容器と、前記反応容器内に設けられたガス供給管と、前記反応容器内でガス供給管を回転軸周りに回転させる回転駆動装置と、を有し、
　前記ガス供給管の内部は、前記回転軸に沿って延びる第１ガス流通部と第２ガス流通部とに区画され、
　前記ガス供給管の管壁には、前記第１ガス流通部に流通する第１ガスを前記反応容器内に噴出させる第１ガス噴出口と、前記第２ガス流通部に流通する第２ガスを前記反応容器内に噴出させる第２ガス噴出口とが、前記回転軸の周方向に隣り合って配置され、
　前記回転軸を法線とする平面において、前記第１ガス噴出口と、前記複数の第２ガス噴出口とは対を形成することを特徴とする化学蒸着装置。
　（２）前記回転軸の周方向に隣り合う前記第１ガス噴出口と前記第２ガス噴出口とからなる噴出口対が、前記ガス供給管の軸方向に複数設けられている、前記（１）に記載の化学蒸着装置。
　（３）前記噴射口対を形成する前記第１ガス噴出口の中心と前記第２ガス噴出口の中心との距離は、前記噴射口対を含む前記回転軸を法線とする第１平面と前記ガス供給管の軸方向に隣接し他の噴射口対を含む第２平面との距離よりも短い、前記（２）に記載の化学蒸着装置。
　（４）前記噴射口対を形成する前記第１ガス噴出口の中心と前記第２ガス噴出口の中心との距離が２～３０ｍｍである前記（３）に記載の化学蒸着装置。
　（５）前記回転軸を法線とする平面における、前記噴射口対を形成する前記第１ガス噴出口の中心と前記回転軸の中心と前記第２ガス噴出口の中心と、のなす角度が６０°以下である前記（３）又は（４）記載の化学蒸着装置。
　（６）前記回転軸を法線とする平面における、前記第１ガス噴出口と前記第２ガス噴出口との前記回転軸周りの相対角度が１５０°以上１８０°以下である、前記（１）に記載の化学蒸着装置。
　（７）前記回転軸の周方向に隣り合う前記第１ガス噴出口と前記第２ガス噴出口とからなる噴出口対が、前記ガス供給管の軸方向に複数設けられている、前記（６）に記載の化学蒸着装置。
　（８）前記回転軸の軸方向に隣り合う２組の噴出口対において、
　異なる前記噴出口対に属する前記第１ガス噴出口同士の前記回転軸周りの相対角度、及び異なる前記噴出口対に属する前記第２ガス噴出口同士の前記回転軸周りの相対角度が１３０°以上である、前記（７）に記載の化学蒸着装置。
　（９）前記回転軸の軸方向に隣り合う２組の噴出口対において、
　異なる前記噴出口対に属する前記第１ガス噴出口と前記第２ガス噴出口との前記回転軸周りの相対角度が６０°以下である、前記（７）又は（８）に記載の化学蒸着装置。
　（１０）前記（１）から（９）のいずれかひとつに記載の化学蒸着装置を用いて被成膜物の表面に皮膜を形成する、化学蒸着方法。
　（１１）前記ガス供給管を１０回転／分以上６０回転／分以下の回転速度で回転させる、前記（１０）に記載の化学蒸着方法。
　（１２）前記第１ガスとして金属元素を含まない原料ガスを用い、前記第２ガスとして金属元素を含む原料ガスを用いる、前記（１０）又は（１１）に記載の化学蒸着方法。
　（１３）前記第１ガスとしてアンモニア含有ガスを用いる、前記（１２）に記載の化学蒸着方法。
　本願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。
　より具体的には、本願発明の態様によれば、複数の被成膜物に均質な皮膜を形成することができる化学蒸着装置、及び化学蒸着方法が提供される。
従来の減圧式縦型化学蒸着装置の概略側面図である。 従来の減圧式縦型化学蒸着装置において、ガス導入口が２か所設けられているベースプレート１及びその周辺部の概略側面図である。 本願発明に係る一つの実施態様におけるガス供給管５の回転軸２２に垂直な断面の概略断面模式図である。 本願発明に係る他の実施態様におけるガス供給管５の回転軸２２に垂直な断面の概略断面模式図である。 本願発明に係る一つの実施態様におけるガス供給管５の概略斜視図である。 本願発明に係る他の実施態様におけるガス供給管５の概略斜視図である。 本願発明に係る一つの実施態様におけるガス供給管５の回転軸２２を法線とする平面２３を示す概略模式図である。 本願発明に係る一つの実施態様のガス供給管５において、ガス供給管５の回転軸２２を法線とする平面２３が、対２４となる噴出口Ａ１６と噴出口Ｂ１７の両方に交わるように、噴出口が設けられている場合を示す概略模式図である。 本願発明に係る一つの実施態様のガス供給管５において、ガス供給管５の回転軸２２を法線とする平面２３が、対２４となる噴出口Ａ１６と噴出口Ｂ１７の両方に交わるように、噴出口が設けられている場合を示す概略模式図である。 本願発明の範囲外の噴出口の配置・配列であって、ガス供給管５の回転軸２２を法線とする平面２３が、対２４となる噴出口Ａ１６と噴出口Ｂ１７の両方には交わらない場合を示す概略模式図である。 本願発明に係る一つの実施態様におけるガス供給管５の回転軸２２に対して垂直な断面について、２つの方向から見た視野Ａ及び視野Ｂの関係を表す概略模式図である。 本願発明に係る一つの実施態様におけるガス供給管５において、視野Ａから見た場合のガス供給管５の概略斜視図であり、回転方向に対して、噴出口Ａが先行して回転している噴出口対２５が設けられていることを示す。 本願発明に係る一つの実施態様におけるガス供給管５において、視野Ｂから見た場合のガス供給管５の概略斜視図であり、回転方向に対して、噴出口Ｂが先行して回転している噴出口対２６が設けられていることを示す。 ガス導入口２７、２８が２か所設けられているベースプレート１を用いて、ガス導入口２７、２８から、原料ガス群Ａと原料ガス群Ｂを導入し、回転式ガス導入部品１２内において原料ガス群Ａと原料ガス群Ｂを混合せず、ガス供給管５の分割された領域Ａ及び領域Ｂの２つの領域に、それぞれのガスを混合せずに供給するためのベースプレート１及びその周辺部の一例を示す概略側面図である。 実施形態に係る化学蒸着装置の断面図。 ガス供給管及び回転駆動装置を示す断面図。 ガス供給管の横断面図。 ガス供給管の部分斜視図。 ガス噴出口の配置に関する説明図。 ガス噴出口の配置に関する説明図。 ガス噴出口の配置に関する説明図。 ガス噴出口の配置を説明するための断面図。 ガス噴出口の配置を説明するための斜視図。 ガス噴出口の配置を説明するための斜視図。 ガス供給管の他の例を示す断面図。
（第１実施形態）
　以下に、本願発明の第１実施形態として、本願発明の一態様である化学蒸着装置及び化学蒸着方法（以下、それぞれを本願発明の化学蒸着装置及び本願発明の化学蒸着方法と称する）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。
　本願発明は、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。
　本願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「本願発明装置」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。
　本願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。
　本願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１１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。
　図１１に示すように、本願発明装置では、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３、図４に示すように、分割された２つの領域、即ち、領域Ａ１４及び領域Ｂ１５を有しており、原料ガス群Ａは領域Ａ１４に供給され、原料ガス群Ｂは領域Ｂ１５に供給される。
　領域Ａ１４に設けられた噴出口Ａ１６から噴出した原料ガス群Ａと、領域Ｂ１５に設けられた噴出口Ｂ１７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５、図６に示すように、領域Ａ１４に設けられた噴出口Ａ１６及び領域Ｂ１５に設けられた噴出口Ｂ１７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。
　本願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：
　本願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３、図４に示すように、分割された２つの領域、即ち、領域Ａ１４及び領域Ｂ１５を有している。
　領域Ａ１４に設けられた噴出口Ａ１６から噴出した原料ガス群Ａと、領域Ｂ１５に設けられた噴出口Ｂ１７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Ａ１４に設けられたそれぞれの噴出口Ａ１６の最近接の噴出口は領域Ｂ１５に設けられた噴出口Ｂ１７のうちの一つであり、しかも、領域Ｂ１５に設けられたそれぞれの噴出口Ｂ１７の最近接の噴出口は領域Ａ１４に設けられた噴出口Ａ１６のうちの一つである。
　そして、図５、図６に示すように、互いに最近接な噴出口となる噴出口Ａ１６と噴出口Ｂ１７が対をなすように存在し、図７、図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃに示すように、対となる噴出口Ａ１６と噴出口Ｂ１７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。
　図８Ａおよび図８Ｂに示すような、噴出口Ａ１６、噴出口Ｂ１７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Ａ１６と噴出口Ｂ１７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８Ｃに示すような噴出口Ａ１６、噴出口Ｂ１７の配列の場合、即ち、分離させたおのおののガスの噴出口Ａ１６、噴出口Ｂ１７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。
　更に、図３、図４に示すように、本願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Ａ１６と噴出口Ｂ１７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特に膜厚が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。
　更に、図８Ａおよび図８Ｂ中の符号２４として示した本願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Ａ１６と噴出口Ｂ１７において、図３、図４に示すように、噴出口Ａ１６の中心１８とガス供給管５の回転軸中心１３と噴出口Ｂ１７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。
　上記の互いに最近接な噴出口として、図１０Ａに示すように、対２４となる噴出口Ａ１６と噴出口Ｂ１７について、ガス供給管５の回転方向に対して、噴出口Ａ１６が先行して回転する噴出口対２５と、図１０Ｂに示すように、噴出口Ｂ１７ 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Ａ１６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Ｂ１７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。
　ガス供給管（５）の回転速度：
　本願発明装置により、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。
　原料ガス：
　本願発明装置により、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、本願発明装置を用いて、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。
　本実施形態の化学蒸着方法では、まず上記の化学蒸着装置を用意する。そして、複数の工具基体を前記反応容器６内に挿入する。前記反応容器６内のガスの組成、圧力、および温度は、硬質膜の被覆に適切な条件に制御する。原料ガス群Ａは、ガス供給管５内に設けられたガス流路である領域Ａを通じて反応容器６内へ供給される。原料ガス群Ｂは、ガス供給管５内に設けられたガス流路である領域Ｂを通じて反応容器６内へ供給される。ガス供給管５内には、領域Ａおよび領域Ｂを物理的に隔離する隔壁が設けられている。ガス供給管５は、その軸方向周りに回転運動する。ガス供給管５の回転方向、および回転速度は、成膜を意図する硬質膜の性質、原料ガス群Ａの性質、および原料ガス群Ｂの性質を考慮に入れ、適切に制御される。原料ガス群Ａは、前記噴出口Ａ１６より反応容器６内へ噴出される。原料ガス群Ｂは、前記噴出口Ｂ１７より反応容器６内へ噴出される。反応容器６内へ噴出された原料ガス群Ａおよび原料ガス群Ｂは、ガス供給管の外側で混合され、化学蒸着により、工具基体の表面に硬質膜が成膜される。
（第２実施形態）
　以下、本願発明の第２実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
　（化学蒸着装置）
　図１２は、本実施形態に係る化学蒸着装置の断面図である。図１３は、ガス供給管及び回転駆動装置を示す断面図である。図１４は、ガス供給管の横断面図である。
　本実施形態の化学蒸着装置１１０は、加熱雰囲気中で複数の原料ガスを反応させることにより被成膜物の表面に皮膜を形成するＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置である。本実施形態の化学蒸着装置１１０は、超硬合金等からなる切削工具基体の表面に硬質層を被覆する、表面被覆切削工具の製造に好適に用いることができる。
　切削工具基体としては、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、ｃＢＮ基超高圧焼結体等が例示される。硬質層としては、ＡｌＴｉＮ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層等が例示される。
　本実施形態の化学蒸着装置１１０は、図１２に示すように、ベースプレート１０１と、ベースプレート１０１上に設置されたワーク収容部１０８と、ワーク収容部１０８を覆ってベースプレート１０１に被せられるベル型の反応容器１０６と、反応容器１０６の側面及び上面を覆う箱形の外熱式加熱ヒーター７と、を備える。本実施形態の化学蒸着装置１１０では、ベースプレート１０１と反応容器１０６との接続部分が封止され、反応容器１０６の内部空間を減圧雰囲気に保持可能である。
　外熱式加熱ヒーター１０７は、反応容器１０６内を所定の成膜温度（例えば７００℃～１０５０℃）まで昇温、保持する。
　ワーク収容部１０８は、被成膜物である切削工具基体が載置される複数のトレイ１０８ａを鉛直方向に積層して構成される。隣り合うトレイ１０８ａ同士は、原料ガスが流通するのに十分な隙間を空けて配置される。ワーク収容部１０８の全てのトレイ１０８ａは、中央にガス供給管１０５が挿通される貫通孔を有する。
　ベースプレート１０１には、ガス導入部１０３と、ガス排出部１０４と、ガス供給管１０５とが設けられる。
　ガス導入部１０３は、ベースプレート１０１を貫通して設けられ、反応容器１０６の内部空間に２種類の原料ガス群Ａ（第１ガス）、原料ガス群Ｂ（第２ガス）を供給する。ガス導入部１０３はベースプレート１０１の内側（反応容器１０６側）においてガス供給管１０５に接続される。ガス導入部１０３は、原料ガス群Ａ源１４１に接続された原料ガス群Ａ導入管１２９と、原料ガス群Ｂ源１４２に接続された原料ガス群Ｂ導入管１３０とを有する。原料ガス群Ａ導入管１２９と原料ガス群Ｂ導入管１３０は、ガス供給管１０５に接続されている。ガス導入部１０３にはガス供給管１０５を回転させるモーター（回転駆動装置）１０２が設けられている。
　ガス排出部１０４は、ベースプレート１０１を貫通して設けられ、真空ポンプ１４５と反応容器１０６の内部空間とを接続する。ガス排出部１０４を介して真空ポンプ１４５により反応容器１０６内が排気される。
　ガス供給管１０５は、ベースプレート１０１から鉛直上方に延びる管状部材である。ガス供給管１０５は、ワーク収容部１０８の中央部を鉛直方向に貫いて設置される。本実施形態の場合、ガス供給管１０５の上端は封止され、ガス供給管１０５の側面から外側へ原料ガス群が噴射される。
　図１３は、ベースプレート１０１、ガス導入部１０３及びガス排出部１０４を示す断面図である。
　ガス排出部１０４は、ベースプレート１０１を貫通するガス排気口９に接続されるガス排気管１１を有する。ガス排気管１１は図１２に示した真空ポンプ１４５に接続される。
　ガス導入部１０３は、ベースプレート１０１の外側に延びる筒状の支持部１０３ａと、支持部３ａ内に収容された回転式ガス導入部品１２と、カップリング２ａを介して回転式ガス導入部品１２に連結されたモーター１０２と、カップリング２ａを摺動させつつ封止する摺動部３ｂと、を有する。
　支持部１０３ａの内部は反応容器１０６の内部と連通する。支持部１０３ａには、支持部１０３ａの側壁を貫通する原料ガス群Ａ導入管１２９と、原料ガス群Ｂ導入管１３０とが設けられる。原料ガス群Ａ導入管１２９は、鉛直方向において、原料ガス群Ｂ導入管１３０よりも反応容器１０６に近い側に設けられる。原料ガス群Ａ導入管１２９は支持部１０３ａの内周面に開口する原料ガス群Ａ導入口２７を有する。原料ガス群Ｂ導入管１３０は支持部１０３ａの内周面に開口する原料ガス群Ｂ導入口２８を有する。
　回転式ガス導入部品１２は、支持部１０３ａと同軸の円筒状である。回転式ガス導入部品１１２は支持部１０３ａ内に挿入され、反応容器１０６と反対側の端部（下側端部）に連結されたモーター１０２により回転軸１２２の軸周りに回転駆動される。
　回転式ガス導入部品１１２には、回転式ガス導入部品１１２の側壁を貫通する貫通孔１１２ａと、貫通孔１１２ｂとが設けられる。貫通孔１１２ａは、支持部１０３ａの原料ガス群Ａ導入口２７と同じ高さ位置に設けられる。貫通孔１１２ｂは原料ガス群Ｂ導入口１２８と同じ高さ位置に設けられる。回転式ガス導入部品１１２の外周面のうち、貫通孔１１２ａと貫通孔１１２ｂとの間には、他の部位と比較して大きな直径に形成された封止部１１２ｃが設けられる。封止部１１２ｃは支持部１０３ａの内周面に当接し、原料ガス群Ａ導入口２７から流入する原料ガス群Ａと、原料ガス群Ｂ導入口１２８から流入する原料ガス群Ｂとを隔離する。
　回転式ガス導入部品１１２の内部には、仕切部材１３５が設けられる。仕切部材１３５は、回転式ガス導入部品１１２の内部を高さ方向（軸方向）に沿って延びる原料ガス群Ａ導入路１３１と、原料ガス群Ｂ導入路１３２とに区画する。原料ガス群Ａ導入路１３１は貫通孔１１２ａを介して原料ガス群Ａ導入口１２７に接続される。原料ガス群Ｂ導入路１３２は貫通孔１１２ｂを介して原料ガス群Ｂ導入口１２８に接続される。回転式ガス導入部品１１２の上端に、ガス供給管１０５が接続される。
　以下、ガス供給管１０５の構成について詳細に説明する。
　図１４は、ガス供給管１０５の横断面図である。図１５はガス供給管１０５の部分斜視図である。図１６Ａから図１６Ｃは、ガス噴出口の配置に関する説明図である。図１７は、ガス噴出口の配置を説明するための断面図である。図１８Ａおよび図１８Ｂは、ガス噴出口の配置を説明するための斜視図である。
　ガス供給管１０５は円筒管である。ガス供給管１０５の内部には、高さ方向（軸方向）に沿って延びる板状の仕切部材１０５ａが設けられる。仕切部材１０５ａはガス供給管１０５の中心軸（回転軸１２２）を含むようにガス供給管１０５を直径方向に縦断し、ガス供給管１０５の内部をほぼ二等分する。仕切部材１０５ａによりガス供給管１０５の内部は原料ガス群Ａ流通部（第１ガス流通部）１１４と、原料ガス群Ｂ流通部（第２ガス流通部）１１５とに区画される。原料ガス群Ａ流通部１１４及び原料ガス群Ｂ流通部１１５は、それぞれガス供給管１０５の高さ方向の全体にわたって延びている。
　図１３に示すように、仕切部材１０５ａの下端は仕切部材１３５の上端に接続される。原料ガス群Ａ流通部１１４は原料ガス群Ａ導入路１３１に接続され、原料ガス群Ｂ流通部１１５は原料ガス群Ｂ導入路１３２に接続される。したがって、原料ガス群Ａ源１４１から供給される原料ガス群Ａの流通経路と、原料ガス群Ｂ源１４２から供給される原料ガス群Ｂの流通経路は、仕切部材１３５及び仕切部材１０５ａにより区画され、互い独立した流路である。
　ガス供給管１０５には、図１４及び図１５に示すように、それぞれガス供給管１０５を貫通する複数の原料ガス群Ａ噴出口（第１ガス噴出口）１１６と、複数の原料ガス群Ｂ噴出口（第２ガス噴出口）１１７とが設けられる。原料ガス群Ａ噴出口１１６は、原料ガス群Ａ流通部１１４から反応容器１０６の内部空間へ原料ガス群Ａを噴出する。原料ガス群Ｂ噴出口１１７は、原料ガス群Ｂ流通部１１５から反応容器１０６の内部空間へ原料ガス群Ｂを噴出する。原料ガス群Ａ噴出口１１６及び原料ガス群Ｂ噴出口１１７は、それぞれ、ガス供給管１０５の長さ方向（高さ方向）に沿って複数箇所設けられる（図１５、図１８Ａおよび図１８Ｂ参照）。
　本実施形態のガス供給管１０５では、図１４及び図１５に示すように、ほぼ同じ高さ位置に原料ガス群Ａ噴出口１１６と原料ガス群Ｂ噴出口１１７とが１つずつ設けられる。これら周方向に隣り合う原料ガス群Ａ噴出口１１６と原料ガス群Ｂ噴出口１１７とが対を成し、図１５に示すように、噴出口対１２４を構成する。ガス供給管１０５には、噴出口対１２４が高さ方向に複数箇所設けられる。
　噴出口対１２４を構成する原料ガス群Ａ噴出口１１６と原料ガス群Ｂ噴出口１１７との高さ位置関係は、上記の原料ガス群Ａ噴出口１１６と原料ガス群Ｂ噴出口１１７の両方が、図１５に示す回転軸１２２を法線とする１つの平面１２３に交わる位置関係とされる。このような位置関係を、本実施形態では「周方向に隣り合う」位置関係と定義する。
　具体例を示すと、図１６Ａに示すように、噴出口対１２４を構成する原料ガス群Ａ噴出口１１６と原料ガス群Ｂ噴出口１１７とが同じ高さである場合と、図１６Ｂに示すように、噴出口対１２４を構成する原料ガス群Ａ噴出口１１６の一部と原料ガス群Ｂ噴出口１１７の一部が同じ高さである場合には、これらの噴出口は「周方向に隣り合う」位置関係に該当する。一方、図１６Ｃに示すように、原料ガス群Ａ噴出口１１６の全体と原料ガス群Ｂ噴出口１１７の全体が異なる高さに設けられている場合は「周方向に隣り合う」位置関係には該当しない。
　図１４に示す原料ガス群Ａ噴出口１１６と原料ガス群Ｂ噴出口１１７は、同一の噴出口対１２４に属する噴出口である。図１５に示す構成では、原料ガス群Ａ噴出口１１６と原料ガス群Ｂ噴出口１１７との軸周りの相対角度αは１８０°である。相対角度αは、１５０°以上１８０°以下の範囲内で変更することができる。
　相対角度αは、本実施形態の場合、ガス供給管１０５の中心１１３（回転軸１２２）を中心とする軸周りに、原料ガス群Ａ噴出口１１６の外周側開口端の中心１１８と、原料ガス群Ｂ噴出口１１７の外周側開口端の中心１１９とのなす角度として定義される。相対角度αは軸周りの角度であるから、中心１１８、１１９の高さ方向の位置が異なる場合には、中心１１８、１１９を回転軸１２２と直交する面に投影したときの角度となる。
　図１８Ａおよび図１８Ｂに示すように、ガス供給管１０５の高さ方向（軸方向）において、原料ガス群Ａ噴出口１１６と原料ガス群Ｂ噴出口１１７とが互いに近接した状態で交互に並んでいる。本実施形態では、図１７に示すように、原料ガス群Ａ流通部１１４に連通する原料ガス群Ａ噴出口１１６は、ガス供給管１０５の周方向において、異なる２箇所の角度位置に設けられることが好ましい。また、原料ガス群Ｂ流通部１１５に連通する原料ガス群Ｂ噴出口１１７も、ガス供給管１０５の周方向において、異なる２箇所の角度位置に設けられることが好ましい。ただし、原料ガス群Ａ流通部１１４に連通する原料ガス群Ａ噴出口１１６及び原料ガス群Ｂ流通部１１５に連通する原料ガス群Ｂ噴出口１１７について、高さ方向（軸方向）に１箇所の角度位置に設けられている場合、及び異なる３箇所以上の角度位置に設けられている場合でもよい。
　図１７に示す２箇所の原料ガス群Ａ噴出口１１６同士の軸周りの相対角度β１は１３０°以上であることが好ましい。また、２箇所の原料ガス群Ｂ噴出口１１７同士の軸周りの相対角度β２は１３０°以上であることが好ましい。
　上記構成により、ガス供給管１０５は、図１７に示すＤ１０１側に設けられる噴出口群１２５（図１８Ａ）と、Ｄ１０２側に設けられる噴出口群１２６（図１８Ｂ）とを有する。噴出口群１２５及び噴出口群１２６のいずれにおいても、ガス供給管１０５の高さ方向に原料ガス群Ａ噴出口１１６と原料ガス群Ｂ噴出口１１７とが交互に配置される。
　噴出口群１２５において軸方向に隣り合う原料ガス群Ａ噴出口１１６と原料ガス群Ｂ噴出口１１７との軸周りの相対角度γ１は６０°以下であることが好ましい。また、噴出口群１２６において軸方向に隣り合う原料ガス群Ａ噴出口１１６と原料ガス群Ｂ噴出口１１７との軸周りの相対角度γ２は６０°以下であることが好ましい。
　（化学蒸着方法）
　化学蒸着装置１１０を用いた化学蒸着方法では、モーター１０２によってガス供給管１０５を回転軸１２２の軸周りに回転させながら、原料ガス群Ａ源１４１及び原料ガス群Ｂ源１４２から原料ガス群Ａ及び原料ガス群Ｂをガス導入部１０３へ供給する。
　ガス供給管１０５の回転速度は、１０回転／分以上６０回転／分以下の範囲とすることが好ましい。より好ましくは、２０回転／分以上６０回転／分以下の範囲であり、さらに好ましくは、３０回転／分以上６０回転／分以下の範囲である。これにより、反応容器１０６内の所定の大面積において均質な皮膜を得ることができる。これは、回転しているガス供給管１０５から原料ガス群が噴出された際、ガス供給管１０５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がそれぞれ攪拌されながら均一に拡散されるからである。ガス供給管１０５の回転速度は、原料ガス群Ａと原料ガス群Ｂのガス種や反応活性の高さに応じて調整される。回転速度を６０回転／分を超える速度とした場合、ガス供給管１０５の近傍で原料ガスが混合されるため、噴出口の閉塞などの不具合が生じやすくなる。
　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うち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る。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うち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る。原料ガス群Ｂは少なくとも一種以上の金属を含むガスとされる。
　例えば、化学蒸着装置１１０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、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、ＴｉＮ層の硬質層を有する表面被覆切削工具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、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、ＴｉＣＮ層の硬質層を有する表面被覆切削工具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、ＮＨ３とキャリアガス（Ｈ２）を選択し、原料ガス群Ｂとして、ＴｉＣｌ４とＡｌＣｌ３とＮ２とキャリアガス（Ｈ２）を選択して化学蒸着することにより、ＡｌＴｉＮ層の硬質層を有する表面被覆切削工具を作製することができる。
　原料ガス群Ａ源１４１から供給される原料ガス群Ａは、原料ガス群Ａ導入管１２９、原料ガス群Ａ導入口１２７、原料ガス群Ａ導入路１３１、及び原料ガス群Ａ流通部１１４を経由して原料ガス群Ａ噴出口１１６から反応容器１０６の内部空間に噴出される。また、原料ガス群Ｂ源１４２から供給される原料ガス群Ｂは、原料ガス群Ｂ導入管１３０、原料ガス群Ｂ導入口１２８、原料ガス群Ｂ導入路１３２、及び原料ガス群Ｂ流通部１１５を経由して原料ガス群Ｂ噴出口１１７から反応容器１０６の内部空間に噴出される。ガス供給管１０５から噴出された原料ガス群Ａ及び原料ガス群Ｂは、ガス供給管１０５の外側の反応容器１０６内で混合され、化学蒸着により、トレイ１０８ａ上の切削工具基体の表面に硬質層が成膜される。
　本実施形態の化学蒸着装置１１０では、原料ガス群Ａと原料ガス群Ｂとをガス供給管１０５内で混合させず分離しておき、回転しているガス供給管１０５から噴出させた後、反応容器１０６の内部で混合させる構成としたことで、ガス混合の進行と切削工具基体表面へのガスの到達時間を調整することができる。これにより、ガス供給管１０５の内部が反応生成物によって閉塞されたり、沈着した皮膜成分により噴出口が閉塞されたりすることを抑制することができる。
　しかし、ガス供給管１０５から噴出される原料ガス群Ａ及び原料ガス群Ｂは、ガス供給管１０５の近傍では比較的濃度が高く、ガス供給管１０５から径方向に離れるに従って均一な濃度に拡散される。そのため、ガス供給管１０５の近傍で原料ガス群Ａと原料ガス群Ｂとが混合されたときに形成される硬質層（皮膜）の膜質と、ガス供給管１０５から離れた位置で混合されたときに形成される硬質層の膜質とが異なってしまう。そうすると、所望の大面積領域にわたって均一な膜質の硬質層を得ることができなくなる。
　そこで本実施形態の化学蒸着装置１１０では、ガス供給管１０５の周方向に隣り合う原料ガス群Ａ噴出口１１６と原料ガス群Ｂ噴出口１１７との軸周りの相対角度αを１５０°以上とした。このような構成とすることで、原料ガス群Ａと原料ガス群Ｂとは、ガス供給管１０５の径方向に互いに概ね反対向きに噴出される。これにより、原料ガス群Ａと原料ガス群Ｂとは噴出後直ちに混合されず、それぞれがガス供給管１０５から径方向に均一に拡散した後に混合される。その結果、反応容器１０６の径方向において均質な反応が生じ、トレイ１０８ａ上に載置された複数の切削工具基体に対して、均一な膜質で硬質層を形成することができる。
　なお、硬質層の膜質の均一性は、原料ガス群Ａと原料ガス群Ｂとの互いの反応活性にも依存する。本実施形態の場合、ガス供給管１０５の回転速度を調整することで原料ガス群Ａ、原料ガス群Ｂの接触距離を制御できる。したがって原料ガス群の種類に応じて回転速度を調整することで、膜質の均質性をより向上させることができる。
　また本実施形態の化学蒸着装置１１０では、図１５に示すように、周方向に隣り合う噴出口対１２４が、ガス供給管１０５の高さ方向（軸方向）に複数設けられる。これにより、ワーク収容部１０８の各段（トレイ１０８ａ）において、原料ガス群Ａと原料ガス群Ｂがそれぞれ滞留することなく径方向に均一に拡散して混合されるので、トレイ１０８ａ上の広い領域で均質な硬質層を形成することができる。
　また本実施形態の化学蒸着装置１１０では、図１７、図１８Ａおよび図１８Ｂに示すように、ガス供給管１０５の側面Ｄ１０１、Ｄ１０２に、高さ方向に原料ガス群Ａ噴出口１１６と原料ガス群Ｂ噴出口１１７を交互に配置した噴出口群１２５と噴出口群１２６を有する。このような構成とすることで、側面Ｄ１０１、Ｄ１０２のいずれにおいても、原料ガス群Ａ及び原料ガス群Ｂは高さ方向において比較的近い位置に噴出される。これにより、原料ガス群Ａ及び原料ガス群Ｂが、互いに分離した状態で滞留するのを抑制することができ、膜質の均一性を向上させることができるため、より好ましい。
　ただし、原料ガス群Ａ流通部１１４に連通する原料ガス群Ａ噴出口１１６及び原料ガス群Ｂ流通部１１５に連通する原料ガス群Ｂ噴出口１１７について、高さ方向（軸方向）に１箇所の角度位置に設けられている場合、及び異なる３箇所以上の角度位置に設けられている場合でもよい。
　なお、本実施形態では、ガス供給管１０５が円筒管である場合について説明したが、図１９に示すように、断面矩形状の角形管からなるガス供給管１０５Ａを用いてもよい。また、断面矩形状に限らず、六角形状や八角形状の角形管からなるガス供給管を用いてもよい。
（第１実施例）
　つぎに、本願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。
　本願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３、図５、図７、図８Ａに示すガス供給管５、領域Ａ１４、領域Ｂ１５、噴出口Ａ１６、噴出口Ｂ１７を備える。
　そして、本実施例装置においては、図３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３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。
　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。
　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Ａ１４及び領域Ｂ１５へ、それぞれ所定の流量で導入し、噴出口Ａ１６及び噴出口Ｂ１７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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３に示す結果から、本願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、膜厚について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、本願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、本願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。
（第２実施例）
　第２実施例では、本願発明の態様（６）に記載の化学蒸着装置について、評価した。
　本願発明の態様（６）記載の化学蒸着装置は、被成膜物が収容される反応容器と、前記反応容器内に設けられたガス供給管と、前記反応容器内でガス供給管を回転軸周りに回転させる回転駆動装置と、を有し、前記ガス供給管の内部は、前記回転軸に沿って延びる第１ガス流通部と第２ガス流通部とに区画され、前記ガス供給管の管壁には、前記第１ガス流通部に流通する第１ガスを前記反応容器内に噴出させる第１ガス噴出口と、前記第２ガス流通部に流通する第２ガスを前記反応容器内に噴出させる第２ガス噴出口とが、前記回転軸の周方向に隣り合って配置され、前記回転軸を法線とする平面において、前記第１ガス噴出口と、前記複数の第２ガス噴出口とは対を形成し、前記回転軸を法線とする平面における、前記第１ガス噴出口と前記第２ガス噴出口との前記回転軸周りの相対角度が１５０°以上１８０°以下であることを特徴とする化学蒸着装置である。
　本実施例では、図１２～図１９を参照して説明した実施形態の化学蒸着装置１１０（以下、単に「本実施例装置」という。）を使用した。ベル型の反応容器１０６の径は２５０ｍｍ、高さは７５０ｍｍとした。外熱式加熱ヒーター１０７として反応容器１０６内を７００℃～１０５０℃に加熱することができるヒーターを用いた。トレイ１０８ａとして、中心部に直径６５ｍｍの中心孔が形成された外径２２０ｍｍのリング状の治具を用いた。
　治具（トレイ１０８ａ）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基超硬合金基体からなる被成膜物は、治具（トレイ１０８ａ）の径方向に沿って２０ｍｍ～３０ｍｍの間隔で載置し、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。
　本実施例装置を用いて、各種の原料ガス群Ａ及び原料ガス群Ｂをそれぞれ所定の流量でガス供給管１０５に供給し、ガス供給管１０５を回転させながら原料ガス群Ａ及び原料ガス群Ｂを反応容器１０６内へ噴出させた。これにより、ＷＣ基超硬合金基体からなる被成膜物の表面に、化学蒸着により、実施例１０１～実施例１１４、比較例１０５～１０８の硬質層（硬質皮膜）を形成した。
　なお、上記実施例１０１～１１４のうち、実施例１１１～１１４は、本願発明の態様（６）記載の化学蒸着装置に対しては、比較例１０１～１０４である。
　表４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。
　表５に、実施例１０１～１１４、比較例１０５～１０８における化学蒸着の諸条件を示す。
　なお、表５において、相対角度αは同一の噴出口対１２４に属する原料ガス群Ａ噴出口１１６と原料ガス群Ｂ噴出口１１７の軸周りの相対角度である。
　相対角度β１は、高さ方向に隣り合う２つの噴出口対１２４における原料ガス群Ａ噴出口１１６同士の相対角度である。相対角度β２は、高さ方向に隣り合う２つの噴出口対１２４における原料ガス群Ｂ噴出口１１７同士の相対角度である。
　相対角度γ１は、ガス供給管１０５の一側面（側面Ｄ１０１）において高さ方向に隣り合う原料ガス群Ａ噴出口１１６と原料ガス群Ｂ噴出口１１７の軸周りの相対角度である。相対角度γ２は、ガス供給管１０５の一側面（側面Ｄ１０２）において高さ方向に隣り合う原料ガス群Ａ噴出口１１６と原料ガス群Ｂ噴出口１１７の軸周りの相対角度である。
　表５に示す単位「ＳＬＭ」は、スタンダード流量Ｌ／ｍｉｎ（Ｓｔａｎｄａｒｄ）である。スタンダード流量とは、２０℃、１気圧（１ａｔｍ）に換算した１分間当たりの体積流量のことである。また、表２に示す単位「ｒｐｍ」は、１分間当たりの回転数のことであり、ここでは、ガス供給管１０５の回転速度を意味する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　実施例１０１～１１４、比較例１０５～１０８の各サンプルについて、成膜された硬質皮膜の膜質均一性を調べた。それぞれの条件について、リング状の治具（トレイ１０８ａ）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、表面に成膜された硬質皮膜の残留塩素量を、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－Ｐｒｏｂｅ－Ｍｉｃｒｏ－Ａｎａｌｙｓｅｒ）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皮膜の残留塩素量」として求めた。また、リング状の治具（トレイ１０８ａ）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、同様に残留塩素量を測定し、これらの平均値を「治具外周側の基体上に形成された皮膜の残留塩素量」として求めた。さらに、「治具内周側の基体上に形成された皮膜の残留塩素量」と「治具外周側の基体上に形成された皮膜の残留塩素量」との差を、「内周側と外周側の残留塩素量の差」として求めた。表６に上記で求めた各値を示す。
　本実施例で測定している残留塩素量は硬質皮膜の膜質と相関があり、残留塩素量が少ないほど膜質がよい。内周側と外周側の残留塩素量の差が小さいほど、内周側と外周側の膜質に差が無いことを意味すると考えられる。
　本実施例において、ＮＨ３ガスを含む原料ガス群Ａを用いる場合、反応性が高いため低温で硬質皮膜を形成できる一方、ＮＨ３ガスを含まない原料ガス群Ａを用いた場合よりも膜質が劣るために残留塩素量が多くなる傾向がある。したがって、表３に示す残留塩素量の高低は硬質皮膜の膜質の優劣に対応し、基体間の残留塩素量の差の大きさは硬質皮膜間の相対的な膜質の差の大きさに対応する。
　また、実施例１０５～１１０、実施例１１３（比較例１０３）、１１４（比較例１０４）、比較例１０７、比較例１０８のＡｌＴｉＮ皮膜について、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）分析を行い、皮膜中のＡｌとＴｉの合量に対するＡｌの含有割合（原子比）を導出した。結果を表７に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　表６の結果から、噴出口対１２４における原料ガス群Ａ噴出口１１６と原料ガス群Ｂ噴出口１１７との軸周りの相対角度αを１５０°以上とした実施例１０１～１１０では、原料ガス群として、互いに反応活性の高いガス種を用いる場合であっても、「内周側と外周側の残留塩素量の差」が０．０４原子％以下と極めて小さかった。したがって、反応容器１０６内に配置された治具（トレイ１０８ａ）のいずれの箇所に基体を載置したとしても均一な膜質の硬質皮膜が形成されることが確認された。また、表７の結果においても、実施例１０５～１１０はＡｌとＴｉの合量に占めるＡｌの平均含有割合が、内周側と外周側でほぼ差が無く、均一な膜質のＡｌＴｉＮ皮膜が形成されていた。
　特に実施例１０１、１０３、１０５～１１０は、原料ガス群Ａにアンモニアガス（ＮＨ３）を含み、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、ＴｉＮ皮膜、ＴｉＣＮ皮膜、ＡｌＴｉＮ皮膜を、治具上の広範囲で均一な膜質に形成可能であった。
　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１０２、１０４に示されるようなガス種を用いた成膜においても、それぞれ成膜条件を設定することにより、治具上の広範囲にわたって均一な膜質の皮膜を形成可能であった。
　一方、相対角度αを６０°又は１２０°と狭くした実施例１１１～１１４（比較例１０１～１０４）では、表６の結果から、「内周側と外周側の残留塩素量の差」が実施例１０１～１１０と比較して大きかった。また表７の結果においても同様に、実施例１０１～１１０と比較してＡｌとＴｉの合量に占めるＡｌの平均含有割合の差が大きかった。これらから、実施例１１１～１１４（比較例１０１～１０４）は、実施例１０１～１１０と比較して組成としての膜質の均質性が劣るものであったことが確認された。
　原料ガス群Ａ及び原料ガス群Ｂの流路を分離しなかった比較例１０５～１０８では、膜質の均質性が良好な条件もあったが、噴出口に皮膜成分が沈着し、ガス供給管に閉塞が生じた。また表７に示すように、実施例と比較してＡｌとＴｉの合量に占めるＡｌの平均含有割合の差が著しく大きく、ＡｌＴｉＮ皮膜の組成にばらつきが生じていることが確認された。
　また、表６及び表７の実施例１０１～１０６、１０８、１１０の結果から、原料ガス群Ａ噴出口１１６同士の相対角度β１、及び原料ガス群Ｂ噴出口１１７同士の相対角度β２を１３０°以上とすることで、治具上の広範囲にわたって均一かつ優れた膜質の皮膜を形成可能であった。一方、相対角度β１、β２を１２０°とした実施例１０７は表６に示す残留塩素量の内外周差が比較的大きく、相対角度β１、β２を３０°とした実施例１０９は、表７に示すＡｌの平均含有割合が他の実施例と比較して低い結果となった。
　前述のように、本願発明の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、大面積に均質な皮膜を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、本願発明の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の製造において、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。
　１　　ベースプレート
　２、１０２　　回転駆動装置（モーター）
　３　　ガス導入部
　４　　ガス排出部
　５、１０５、１０５Ａ　　ガス供給管
　６、１０６　　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、１１４　　領域Ａ（原料ガス群Ａ流通部（第１ガス流通部））
　１５、１１５　　領域Ｂ（原料ガス群Ｂ流通部（第２ガス流通部））
　１６、１１６　　噴出口Ａ（原料ガス群Ａ噴出口（第１ガス噴出口））
　１７、１１７　　噴出口Ｂ（原料ガス群Ｂ噴出口（第２ガス噴出口））
　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、１２２　　ガス供給管の回転軸（回転軸）
　２３　　ガス供給管の回転軸を法線とする平面
　２４、１２４　　対をなす噴出口Ａと噴出口Ｂ（噴出対）
　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
　１１０　　化学蒸着装置

Claims (13)

  1. 　被成膜物が収容される反応容器と、前記反応容器内に設けられたガス供給管と、前記反応容器内でガス供給管を回転軸周りに回転させる回転駆動装置と、を有し、
    　前記ガス供給管の内部は、前記回転軸に沿って延びる第１ガス流通部と第２ガス流通部とに区画され、
    　前記ガス供給管の管壁には、前記第１ガス流通部に流通する第１ガスを前記反応容器内に噴出させる第１ガス噴出口と、前記第２ガス流通部に流通する第２ガスを前記反応容器内に噴出させる第２ガス噴出口とが、前記回転軸の周方向に隣り合って配置され、
    　前記回転軸を法線とする平面において、前記第１ガス噴出口と、前記複数の第２ガス噴出口とは対を形成することを特徴とする化学蒸着装置。
  2. 　前記回転軸の周方向に隣り合う前記第１ガス噴出口と前記第２ガス噴出口とからなる噴出口対が、前記ガス供給管の軸方向に複数設けられている、請求項１に記載の化学蒸着装置。
  3. 　前記噴射口対を形成する前記第１ガス噴出口の中心と前記第２ガス噴出口の中心との距離は、前記噴射口対を含む前記回転軸を法線とする第１平面と前記ガス供給管の軸方向に隣接し他の噴射口対を含む第２平面との距離よりも短い、請求項２に記載の化学蒸着装置。
  4. 　前記噴射口対を形成する前記第１ガス噴出口の中心と前記第２ガス噴出口の中心との距離が２～３０ｍｍである請求項３に記載の化学蒸着装置。
  5. 　前記回転軸を法線とする平面における、前記噴射口対を形成する前記第１ガス噴出口の中心と前記回転軸の中心と前記第２ガス噴出口の中心と、のなす角度が６０°以下である請求項３又は４記載の化学蒸着装置。
  6. 　前記回転軸を法線とする平面における、前記第１ガス噴出口と前記第２ガス噴出口との前記回転軸周りの相対角度が１５０°以上１８０°以下である、請求項１記載の化学蒸着装置。
  7. 　前記回転軸の周方向に隣り合う前記第１ガス噴出口と前記第２ガス噴出口とからなる噴出口対が、前記ガス供給管の軸方向に複数設けられている、請求項６に記載の化学蒸着装置。
  8. 　前記回転軸の軸方向に隣り合う２組の噴出口対において、
    　異なる前記噴出口対に属する前記第１ガス噴出口同士の前記回転軸周りの相対角度、及び異なる前記噴出口対に属する前記第２ガス噴出口同士の前記回転軸周りの相対角度が１３０°以上である、請求項７に記載の化学蒸着装置。
  9. 　前記回転軸の軸方向に隣り合う２組の噴出口対において、
    　異なる前記噴出口対に属する前記第１ガス噴出口と前記第２ガス噴出口との前記回転軸周りの相対角度が６０°以下である、請求項７又は８に記載の化学蒸着装置。
  10. 　請求項１から９のいずれか１項に記載の化学蒸着装置を用いて被成膜物の表面に皮膜を形成する、化学蒸着方法。
  11. 　前記ガス供給管を１０回転／分以上６０回転／分以下の回転速度で回転させる、請求項１０に記載の化学蒸着方法。
  12. 　前記第１ガスとして金属元素を含まない原料ガスを用い、前記第２ガスとして金属元素を含む原料ガスを用いる、請求項１０又は１１に記載の化学蒸着方法。
  13. 　前記第１ガスとしてアンモニア含有ガスを用いる、請求項１２に記載の化学蒸着方法。
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