JP5612574B2 - ワークピース上に反応ガス混合物から層を析出するためのｃｖｄ反応器 - Google Patents

Description

本発明は、ワークピース、むしろその表面上に被覆体、特に硬質材料被覆体を気相析出する際に使用するためのＣＶＤ（化学蒸着）反応器に関する。

一般に、「気相析出(Gasphasenabscheidung）」という概念と、「ＣＶＤ」（英語の概念「Chemical Vapor Depositon」（化学蒸着）」という概念とは同義に用いられる。これは、別の材料（基板）、例えば金属加工のためのワークピース（例えば切削チップ、鋸刃など）の表面上に層、特に薄層を生成する方法である。気相析出は、反応ガス中に含まれる化合物の化学反応が生じ、そして化学反応の所望の主生成物が基板の表面上に析出され、その場所で層もしくは被覆体を形成することを特徴とする。あらゆる事例の反応副生成物がガス状で発生し、層特性を保証するために、これらをガス混合物から遠ざけなければならない。このことは排ガス導管によって行われる。排ガス導管は、ガス洗浄器を介してガスを大気中に案内するか、或いは、真空ポンプを介してガスを中和処理に導く。真空における作業は、良好なプロセス制御とともに、迅速な反応をも可能にし、そして滞留時間が短いことにより、濃度低下（枯渇）に起因する、流れ方向における層厚減少を補償する。

本発明は、特に管反応器、この場合には特に高温壁反応器に関する。換言すれば、本発明は７２０℃を上回る（反応ガスの）温度で化学（例えば熱）反応を行うことができるＣＶＤ反応器に関する。析出温度は８００〜１２００℃であることが好ましい。従って、本発明のＣＶＤ反応器は、温度が大抵５００℃を下回る半導体被覆のための反応器とは異なる。

冒頭で述べた形式のＣＶＤ反応器は、従来技術においてよく知られている。本発明は、図３に示されているようなＣＶＤ反応器から出発する。図示のＣＶＤ反応器は、円筒形の鉛直方向の反応器室１０を有している。反応器室１０は、反応器壁１１並びに反応器床１２によって仕切られている。反応器壁１１はドーム状に形成されており、中空円筒状の区域と、反応器床とは反対側のドーム１４とを有している。反応器壁１１に沿って、複数の加熱器１〜４が設けられている。これらの加熱器によって反応器壁１１が加熱されるようになっている。上側及び下側の領域内には、相応の閉鎖体１５が位置している。反応器は従って基本的には均質に加熱された空間１６内に配置されている。

図示のＣＶＤ反応器はさらに、反応ガスを連続的に流入させるための中心の流入導管１７を含んでいる。中心の流入導管は、駆動装置１８によって回転可能な中心管によって形成されている。流入導管１７の、反応器床１２を貫通した個所の下流側には、予熱室１９が流入管内に組み込まれている。この予熱室１９は、流れ迂回路もしくはバッフル（図示せず）が内部に設けられた容器によって形成されている。予熱室１９の下流側における中心の流入導管内に、複数のガス出口２０が設けられている。

さらに、反応器室１０内には、中心に配置された多階層状のワークピース収容体２１が配置されている。このワークピース収容体は、互いに上下に配置された複数のトレイ状の収容部を含んでいる。それぞれ２つの収容部の間には階層が形成されている。中心の流入導管１７のガス出口２０はそれぞれ、１つの階層の高さに配置されていて、ワークピーストレイの上方でそれぞれの階層に開口している。それぞれの階層の半径方向外側の端部において、各階層は反応器室１０と流体接続されている。最上階層の上方には、さらに、閉鎖板２２が設けられている。

駆動装置１８によって回転可能な中心の流入管１７は、多階層状のワークピース収容体２１内に回転可能に支承されている。

さらに、流出導管２３は反応器床１２を貫通しており、反応器室１０からの使用済反応ガスのための出口を形成している。

このような手段にはいくつかの問題がある。一つには、予熱室１９の、流入する反応ガスと接触する表面積には限界がある。すなわち、予熱室自体を拡大するのでなければ、表面積の拡大はできるとしても難しく、流れを妨げる更なるバッフルを組み込むことを伴ってしか可能ではない。流入するガス量（反応ガス）を増やし、これにより被覆過程を短縮し、及び／又は反応器容積に対する層厚を狭い範囲内に保とうという努力が為されてはいる。しかしながらガス量が増えると、予熱室の熱容量も増大させなければならない。さらに内側表面では、反応ガス混合物の一部が時期尚早に消費されてしまう。

さらに、予熱室内の流れ迂回路によって、反応ガスの速度が低下する。これにより、予熱室内で既に、予熱室の表面上で或る程度の析出過程が行われるという問題点が増幅されて生じる。このことは特に、ルイス酸及びルイス塩基を含有する反応ガスの場合に問題である。ここでは、析出の問題にしばしば直面する。一つの例は、システムＴｉＣｌ４／ＣＨ３ＣＮである。回転可能な中心の流入管１７内に配置され、それ自体一緒に回転する予熱室は、取り外し及び分解に大きな手間がかかる。それというのも、時期尚早の被覆は室の部分を一緒に溶接してしまうので、予熱室の清浄化、すなわち予熱室内の堆積物の除去は問題をはらみ、多くの時間を費やすからである。反応性の高いガス混合物の場合には、局所的に厚い層形成を招き、このことは極端な場合には詰まりを引き起こす。

結局のところ、予熱室を用いても、予熱しようとするガスの温度を正確に調節して制御することは困難になる。更なる大きな欠点は、全ての反応ガスを、回転する予熱室の手前で混合しなければならないことである。

図３から判るように、反応器床１２に結合された固定のガス入口を介して、反応ガスは、中心の流入管１７内に供給される。中心の流入管１７は駆動装置１８によって回転させられる。これにより、固定のガス入口と中心の流入管１７との間には界面が生じる。このような界面は、反応器床１２の領域内に形成されており、反応ガスが前記界面で、ひいては反応器からも流出することを、特に所与の高い温度下でシール部材を保持していることに基づき、完全には回避することはできないという特にシーリングにおける顕著な問題をもたらす。このことは、特に出発材料が高反応性、特に腐食性である場合には深刻な問題である。

蒸気圧が低い出発生成物を使用する場合、このような個所は２００℃を上回る温度に加熱しなければならない。このことは、回転する貫通案内部分の高価で大きな手間のかかるシーリング技術を前提する。

公知のＣＶＤ反応器は、上記問題点に対して解決手段を提供していない。東ドイツ国特許ＤＤ１１１９３５号明細書には例えば、反応器蓋の領域で反応器室内に入る、ガス出口を備えた中心の流入管を介して、反応ガスを下降導入することが開示されている。さらにここでは、中心の流入管を冷却することが提案されている。後者は、反応器室内への導入前に反応ガスを予熱するための要件に対して著しく矛盾している。さらに、東ドイツ国特許ＤＤ１１１９３５号明細書には、反応器壁における析出速度が高まるのを回避するために、流れが中心流入管から外方に向かって反応器壁に達することが明示されている。

独国特許第１９７４３９２２号明細書には、反応器室内への反応ガス流を定常的に切り換えることが提案されている。反応ガスは、中心管の外側で、被覆しようとするワークピースと、中心管の、反応器床とは反対側の開口とを介して中心管内に流入し、そして反応器から流出するか、或いは、切換後には逆方向に、反応器床とは反対側の開口から中心管内を上昇して、そしてそこから下方に向かって、被覆しようとするワークピースを経由して反応器室から流出する。このために、高温に耐えなければならない比較的大きい手間のかかる二方向弁装置が設けられており、さらに、特に低い蒸気圧を有する反応物質がワークピースの被覆前に存在する場合には、ガス予熱及び混合の一体化は実現するのが困難である。それというのも、異なる弁位置に応じて異なる出口で予熱を行わなければならないことになるからである。

欧州特許出願公開第０１６４９２８号明細書は、縁部領域内で平行に延びる２つの流入導管もしくは流出導管を備えた、鉛直方向に立つ高温壁ＣＶＤ反応器に関する。これらの流入導管もしくは流出導管は、反応器の床を通って反応器室内に入り、そしてその場所から、多階層状のワークピース収容体の最上階層まで延びている。ワークピース収容体は回転可能に支承されている。ここでは被覆されるべき基板は、ワークピース収容体の回転軸の中心に、ひいては、流入導管と流出導管との間の丁度中間に位置決めされるようになっている。

米国特許出願公開第２００６／０１５９８４７号明細書は２つの流入管を有しており、これらの流入管はおそらく床を通り、そしてそこからワークピース収容体の最上階層まで延びている。ワークピース収容体自体は、回転可能ではない。それどころか、流入導管が３６０°だけ回転可能であり、ここでもワークピース収容体は入口と出口との間の中間に配置されていると述べられている。

米国特許出願公開第２００７／０２４６３５５号明細書にはやはり、床から最上階層まで延びる流入導管と、床の領域内に設けられた流出導管とが開示されている。さらに、回転可能なワークピース収容体が設けられている。

欧州特許第０２７０９９１号明細書に関しては、真ん中に、すなわち反応器室の中心に配置された固定の流入導管が、回転可能な流出導管によって取り囲まれている。

さらに、２つのワークピース収容体が、流入及び流出導管の左右に配置されており、そして内側反応器室内に収容されている。内側反応器室は外側反応器室によって取り囲まれている。中心流出導管は回転可能である。このような流出導管が回転させられると、これと一緒に基礎プレートが回転し、基礎プレートはワークピース収容体を連行するので、ワークピース収容体は流出導管を中心として回転する。このような回転により、及び固定の歯車に歯車が噛み合うことにより、ワークピース収容体自体はそれらの中心軸線を中心として回転する。

独国実用新案登録第７８２８４６６号は、ワークピース、特に工具の被覆に関する。この場合、中心の流入導管が回転するが、しかし固定のワークピース収容体は回転しない。

上記構成に鑑みて、本発明の課題は、図３に関連して冒頭で述べたＣＶＤ反応器を改善して、層特性が同じままであり、そして均質性（層厚）も同じままであるとして、より大量のガスを流入可能にすることにより、従来と比較してワークピースの均質でしかもより迅速な被覆を可能にし、またシーリングの問題を軽減することである。

このような課題は、請求項１の特徴を有するＣＶＤ反応器によって改善される。本発明の有利な構成は請求項２以下に述べられている。

本発明の根底を成す考えは、反応ガスを好ましくはほぼ平行に、しかしいずれの場合にも加熱された反応器壁の近くで、反応器室内に流入させるので、反応ガスの予熱のために反応器壁の大きい表面積を活用できることである。均質性及びその他の層特性を従来技術と比較して維持するために、さらに本発明によれば、多階層状のワークピース収容体が回転させられる。

本発明のＣＶＤ反応器は、少なくとも部分的に加熱可能な反応器壁と反応器床とによって仕切られた、細長い、鉛直方向に延びる反応器室を含んでいる。好ましくは、反応器室は、有利には円形横断面を有する円筒形である（八角形、多面形、又はその他の横断面も考えられる）。反応器壁は例えば中空円筒形部分と、中空円筒体の一方の端部を閉じるドームとから組み立てることができる。中空円筒体の他方の端部には、反応器床が設けられている。さらに、本発明によるＣＶＤ反応器は、反応ガスを反応器室内に流入させるため、特に連続的に流入させるための１つ又は２つ以上の流入導管を含んでいる。流入導管は、反応器床の領域内で、好ましくは反応器床を通って、反応器室内に入る。さらに、反応器室から使用済反応ガス（未反応抽出物も、反応生成物も含む）を好ましくは連続的に流出させるための好ましくは中心の流出導管が設けられている。この流出導管も反応器床の領域内で、好ましくは反応器床を通って反応器室から出る。さらに、反応器室内の好ましくは中心に、多階層状のワークピース収容体が配置されている。多階層状のワークピース収容体はその中心軸線の回りに、ここでは好ましくは、有利には中心に位置する流出導管の中心軸線、場合によっては反応器室の中心軸線の回りに配置されている。多階層状とはここでは、場合によっては鉛直方向に互いに上下にそれぞれ１つの階層を形成し、そして被覆されるべきワークピースを横にして置いた状態で収容する１つ又は２つ以上のトレイ又はテーブルが設けられていてよいことを意味する。しかしながら、これはワークピースを吊した状態で収容するフレームを意味することもできる。

このような配置関係から、流入導管は、中心の流出導管もしくは多階層状のワークピース収容体と、加熱可能な反応器壁との間に配置されることになるので、ガスは直接又は間接に反応器壁に沿って流れ、そして反応器壁から放射された熱によって十分に予熱される。このような配置関係によって、そして反応器壁の表面積が予熱室と比較して大きいことによって、予熱室を使用する場合と対照的に迅速な加熱を達成することができるので、より多くのガス量が流入可能であり、そしてこの場合バッフルもしくは迂回路を通ることによる流速の低下はない。上述のようにバッフルもしくは迂回路は、特にルイス酸及びルイス塩基が出発材料として存在する場合には、顕著なそれ自体の析出問題をもたらす。全体的に見て、より迅速な被覆を行うことができるという利点が得られる。特に、多階層状のワークピース収容体が回転することにより、均質性及びその他の層特性が従来技術と比較して、少なくとも同じままに保たれる。さらに、反応器壁の内面は、ほぼ平滑な表面である。この表面は予熱室と比較して良好にアクセスすることができ、ひいては良好に清浄化することができ、多くの時間と手間がかかる分解を必要とすることもない。容易に交換可能な「衝突板（Prallplatten）」を取り付けることにより、さらにＣＶＤ装置の時間的な利用可能性を改善することができる。それというのも、二つのバッチの間に清浄化のための長い時間が必要とならないからである。すなわち、清浄化時には、「衝突板」が容易に交換される。さらに、特に互いに別々に調節することができる複数の加熱素子が設けられている場合には、ＣＶＤ反応器の全高にわたる反応ガスの良好な温度制御が可能である。このことは、種々の階層内に配置されたワークピース全体にわたって、層分布をより均一且つより均質にする。冒頭で述べたように、それ自体回転する要素との界面をシーリングすることは難しく、ひいては多くの手間がかかる。本発明の場合、多階層状のワークピース収容体は回転し、これに対して中心の流出導管は固定されている。流入導管も固定されている。これにより、反応器床の領域内には、少なくとも一方が回転するガス案内要素の界面は実質的にない。

特に反応器壁における析出を減じるために、反応器壁の加熱可能な部分に対して平行に延びる管として、例えば反応器壁の中空円筒形部分の一区域、又は中空円筒形部分全体に対して平行に延びる管として、流入導管を形成することは、場合によっては多階層状ワークピース収容体の回転とは無関係に、特に有利である。管は、流入導管内に既にあるガスを予熱するために熱伝導性材料から形成されてよく、或いは断熱材料から形成されてもよい（後述個所参照）。

さらに、流入導管が反応器床からほぼワークピース収容体の最上階層まで、そして場合によってはさらに上まで、又は少なくとも最上階層近くまで延びていると有利である。このことは、流入管から出た後、被覆されるべきワークピースまでの反応ガスの経路を特に簡単にできるだけ小さく短縮し、それと同時に反応器壁との間隔を小さく保つことにより、予熱を最適にするのを可能にする。

このような構成に基づいて、いくつかの実施態様を提案する。これらは組み合わせることもできる。

例えば、ワークピース収容体の１階層当たり、それぞれの階層に対応して、流入導管内に少なくとも１つの開口が設けられており、そして反応ガスが流入導管の開口から半径方向に階層に沿って、すなわち、被覆されるべきワークピースの上方及び傍らを通って中心の流出導管に流動し得るように、階層が半径方向にアクセス可能である（反応器室と階層との間に流体接続が存在する）。

反応ガスが反応器壁に向かって流れ（流動可能であり）、付加的な予熱を施され、その後、最短距離で基板（ワークピース）に沿って出口導管に流れることができるように、開口は反応器壁に向けられていてよい。反応ガス混合物中の不純物との副反応から生じた望ましくない堆積物が、高温反応器壁又は「衝突板」に堆積される。これにより、高い表面品質を有する被覆体を形成することができる。

できる限り層状の流れ、ひいてはワークピースへの均一なガス付与を達成可能にするために、流出導管が、反応器床の中心から最上階層まで延びる管であり、そして管は、１階層当たり、それぞれの階層の高さに、使用済反応ガスを流出導管内に流入させるための少なくとも１つの開口を有していることがさらに好ましい。すなわち、流出管は、１階層当たり、少なくとも１つの開口を有することにより、階層と流出管との間に流体接続を形成する。

上記実施態様とは別に、又はこれに加えて、流入導管が、反応器床とは反対側の端部、すなわち最上階の領域内で開放していてよい。ワークピース収容体を反応器床とは反対側の端部で閉じる閉鎖板内に、好ましくは開口が設けられていることにより、反応ガスは流入導管の開口から、閉鎖板の開口を通って反応器床の方向に流れることができ、そして中心の流出導管を介して反応器室から流出することができる。このために、流出管は上記のように、流出管に開口が設けられている状態で反応器床から最上階層まで形成されていてよいが、しかしより短く、最下階層の領域で漏斗状に最下階層に続いて設けられることにより、その場所から反応器床に延びることもできる。

流出管は、同じ大きさで同じ間隔を有する孔もしくは開口、又は被覆処理にとって特異的に、流れを最適化するように適合された孔もしくは開口を備えてよい。

後者の構成の場合にのみ、反応ガスがドームの領域内でだけ、反応器壁と接触するとさらに有利である。こうなっていると、反応器ドームが例えば中空円筒形区域の反応器壁から取外し可能であることにより、この部分を別個に清浄化することができる。このような構成では、ワークピース収容体はやはり回転する。

図３を参照しながら説明したような予熱室を使用する場合には、以下のような更なる問題がある。多くのＣＶＤ法の場合、気相中の反応種は、より高い温度で初めて形成される。図３に示した反応器では、このことは予熱室内で行われ、特にバッフル及び迂回路上で、既に説明した析出の問題を伴う。従って本発明によれば、複数（特に２つ又は３つ）の上記流入導管を設け、これらを介して複数の種々異なる反応ガスが、反応器室内で混合することによって本来の反応ガスを形成するために、別々に反応器室内に流入可能であると有利である。すなわち、複数の反応ガスを混合して所定の反応ガスにすることは、反応器室内で初めて、すなわち流入導管を出た後で行われる。上述のように、流入導管とワークピースとの間の距離は小さいので、堆積物が形成され得る領域も小さい。混合することにより本来の反応ガスを形成するために、複数の流入導管を貫流するガスは、より正確には、混合することにより本来の反応ガスにされる「出発ガス」と呼ぶべきであるとしても、本明細書の範囲では便宜上「反応ガス」と呼ぶ。出発ガスはここでも再びガス混合物から成っていてよい。このガス混合物は例えばまた不活性ガス、例えば窒素又はアルゴンを含有している。しかし、適切な純度を有する単一ガスであることが好ましい。

流入導管が、断熱材料（例えばセラミック）から作られた複数の通路を有することができると有利である。このことは、ガス及び蒸気を比較的低温の状態で供給するのに続いて、被覆されるべき材料のすぐ近くの高温領域で急速に混合するのを可能にする。このようにすると、極めて良好な制御されたプロセスが保証される。このプロセスでは、望ましくない副反応が回避される。

従って、特に流入導管が反応器床とは反対側の端部で開放している構成の場合、反応器室内に混合空間を形成することが有利であり、この混合空間は、閉鎖板とドームとの間に形成されているので、所定の反応ガスを形成するための複数の反応ガス（出発ガス）をこの混合空間内で混合することができる。

流入管の長さに沿ってそれぞれの階層の高さに複数の開口を有する構成の場合、複数の流入管が同じ高さに相応の開口を有しており、そして流出する反応ガスが互いに衝突してガスの良好な混合と迅速な化合（反応ガス）とが行われ、しかもこの場合、ワークピースまでの距離が長くなるのに伴って望まれない表面上の析出の問題が生じることのないように、開口は方向付けされ、例えば互いに向き合うか、又は反応器壁又は衝突板の同一領域に向けられている。

ワークピース収容体を最も単純な機械形式で回転させることができるように、ワークピース収容体が反応器床の領域内に内側歯列を有しており、内側歯列には、ワークピース収容体を回転させるために、被駆動歯車が噛み合っていることが有利である。歯車は平歯車であってよく、そして内側歯列は輪歯車であってよい。しかしながら、他の構成及び他の駆動装置も考えられる。駆動装置として、好ましくは電気モータが使用される。電気モータの速度は無段階に調節可能であってよいので、多階層状のワークピース収容体は１〜１０回転／分の範囲で回転させることができる。回転方向を交互にすることにより、場合によっては生じる汚染物の凝集を予防するように、回転方向は逆転可能であってよい。

さらに有利には、１つ又は２つ以上の反応ガス発生器が反応器床の領域で、流入導管内に組み込まれ、そして反応器室内に配置されていてよい。このような反応ガス発生器は例えば気化ユニットであってよく、この気化ユニット内で、最初は液体状の出発生成物もしくは反応生成物が気化される。或いは、純然たる一例として、金属塩化物発生器を挙げることができる。この金属塩化物発生器の場合、例えばＨＣｌ又はＣｌ₂（又は金属ハロゲン化物ＭＸ_n）が金属中を貫流するので、金属塩化物が形成され、この金属塩化物は最終的には流入導管を介して反応器室内に導入される。このような気化ユニット又は金属塩化物発生器もしくは一般には反応ガス発生器を反応器室内に組み込むことにより、付加的なシーリング問題は生じないという利点がもたらされる。さらに、このような反応ガス発生器を別個に加熱して調節できることが有利である場合もある（反応器温度デカップリング）。

さらに、多階層状のワークピース収容体を中心の流出導管と一緒に、又は流出導管とは別個に反応器から取り外すことができることにより、プロセス終了後にワークピース収容体が、新たにワークピースが装備された新しいものと容易に交換され、そしてこれによってＣＶＤ反応器の休止時間が短く保たれるようにすることが好ましい場合がある。この場合、流出導管は例えば、取外し可能な結合手段を介して密に結合及び結合解離することができ、そして場合によっては、ワークピース収容体と反応器床との間のシーリングはラビリンス・シール部材、すなわち非接触シール部材を介して行うことができる。

さらに、流入導管及び／又は流出導管内の温度を測定することも有利な場合があるので、それぞれ１つのセンサがこれらの導管内に組み込まれていてよい。このような付加的な温度測定によって、プロセス制御がさらに改善される。

さらに、流入導管３４内には、反応器室１０内の反応のためのガス（例えば炭化水素、窒素炭素化合物、及び金属有機化合物）を***させ、分解し、及び／又は活性化するためのモジュールが組み込まれてよい。

本発明の更なる利点及び特徴は、好ましい実施態様の下記説明から明らかになる。

添付の図面を参照しながら、好ましい実施態様を説明する。

図１は、本発明によるＣＶＤ反応器の第１実施態様を示す概略図である。 図２は、本発明によるＣＶＤ反応器の第２実施態様を示す概略図である。 図３は、本発明のための出発点を形成するＣＶＤ反応器を示す概略図である。

種々の図面における同じ又は類似の要素には、便宜上同じ符号を付けている。

第１実施態様のＣＶＤ反応器は、図１に示されているように、円筒形の鉛直方向に立つ反応器室１０を含んでいる。このような反応器１０は、反応器床１２と反応器壁１１とによって仕切られる。反応器壁１１は、中空円筒形区域１３とドーム１４とから組み立てられる。

多階層状のワークピース収容体２１は、反応器室１０の中心に収容されており（反応器室及びワークピース収容体の中心軸線Ｍは合致している）、そして反応器壁１１の少なくとも中空円筒形区域１３のほぼ全高にわたって延びている。反応器室１０内に反応ガス発生器を備えた反応器構成の場合、ワークピース収容体と、後述する流出管３１とは偏心的に収容されていてもよい。多階層状のワークピース収容体は、平行且つ水平方向に配置された複数のトレイ状の収容部２５から組み立てられている。トレイ状の収容部２５上には、被覆されるべきワークピースもしくは基板が配置可能である。収容部２５のそれぞれは１つの階層を形成する。個々の収容部２５の間には、収容部２５同士を結合する環状壁２４が配置されている。それぞれの階層、もしくは隣接する２つの収容部２５間に形成された空間が反応器室と半径方向に流体接続するという条件で、後で説明するように流入開口２６を備えたこのような環状壁は、収容部２５を結合する個々のウェブと取り換えることもできる。最上階層の端部には閉鎖板２２が設けられている。この閉鎖板２２は、ワークピースを配置することができる最後の空間、つまり最上階層の収容部２５と閉鎖板２２との間の空間を形成する。最下階層に続いては、台２７が設けられている。台２７は、反応器床１２の領域内に、内側歯列を備えた輪歯車２８を有している。輪歯車２８のこれらの内側歯列には、平歯車２９の歯列が噛み合っている。平歯車２９は駆動装置１８によって駆動される。台２７は例えばセラミック滑り軸受け３０を介して、又はローラ又は球軸受けを介して反応器床１２上に回転可能に支承されている。後で説明する流出管３１の領域で更なる支承を行うことができるが、これは図１には示されていない。平歯車２９の回転、及び輪歯車２８の内側歯列内への平歯車２９の噛み合いによって、反応器室１０内の多階層状のワークピース収容体２１は、輪歯車２８の中心軸線Ｍを中心として回転することができる。回転数は特に、階層の外壁２４に設けられた流入開口２６の数に依存し、好ましくは１〜１０回転／分の範囲にあり、例えば４回転／分において１階層当たりの孔数は２である。好ましくは、駆動装置１８は無段階に調節することができるので、多階層状のワークピース収容体の回転速度は任意に適合させることができ、また同じ駆動装置の種々異なる構成に合わせて投入することもできる。

図示のＣＶＤ反応器の反応器壁１１は、加熱器によって取り囲まれている。加熱器は、加熱素子１〜４（４つの加熱素子が必ずしも設けられていなくてもよい。１つ未満であるか又は４つよりも多く設けられていてもよい）から組み立てられており、そして反応器壁１１を取り囲む空間１６を形成している。個々の加熱素子は別々に調節され得る。出力は加熱素子１から加熱素子４へ徐々に増大する。別々の調節によって、反応器室１０内の最適な温度分布、ひいては反応ガスの最適な予熱を調整することができる。

図１から明らかなように、多階層状のワークピース収容体２１の外周面と反応器壁１１との間には、狭い間隙が形成される。このような間隙には、ガス流入管３４が設けられている。ガス流入管３４は、中心軸線Ｍに対して半径方向外側に位置する反応器床１２の領域内で、反応器床１２を通って反応器室１０内に入る。ガス流入管３４の長さもしくは高さは、ワークピース収容体２１の最上階層まで、そしてこの最上階層を僅かに超えて延びるように形成されている。実質的に、流入管３４の上端部３５は閉鎖板２２の下面と整合している。流入管３４の長さに沿って、各階層に対応して、流出開口３６が設けられている。このような流出開口３６は、反応ガス流を示す図１の矢印から明らかなように、反応器壁１１に向けられているので、流出した反応ガスは反応器壁に衝突する。素子１〜４によって、反応器壁１１は加熱され昇温されるので、それは一方では熱を反応器室１０内に放射し、他方ではそれ自体が熱くなる。反応器壁１１に衝突する、開口３６から流出した反応ガスは、これにより所望の反応温度に予熱される。流入管３４は、固定されているので、反応器床１２を貫通する個所にはシーリングの問題が生じることはなく、単純なシーリングが可能である。流入管３４の横断面は、流入する反応ガスの速度が、流入管３４もしくはその内面における時期尚早の反応及び析出が阻止されるような速度になるように設定される。しかしこれと同時に前記速度は、反応器壁１１を加熱する加熱素子１〜４を介して、十分な予熱が行われるように選択されている。また、複数（例えば２つ又は３つ）の種々異なる反応ガス（出発ガス）を、互いに平行に延びることが望ましい相応数の別々の流入導管３４を介して、反応器室１０内に導入することも考えられる。このことは、特に、２００℃を上回る温度で混合することにより所定の反応ガスになるような複数のガスの場合に有利である。しかしこの混合は、被覆されるべきワークピースのすぐ前で初めて行われるべきである。この場合、複数の流入管３４の流出開口３６が互いに向き合っているか、もしくは反応器壁１１の同じ個所に向けられていると有利である。

反応器室１０の中心にはさらに流出管３１が配置されている（流出管の中心軸線Ｍは反応器室の中心軸線Ｍと合致する）。流出管３１はこの実施態様ではやはり固定されているので、反応器床１２を貫通する個所をシーリングすることは容易である。これを目的として、このような界面領域には、相応のシール部材（図示せず）が設けられている。流出管３１は反応器床１２から、その中心軸線が多階層状のワークピース収容体２１の中心軸線と合致した状態で、上方に向かって、最上階層内にまで、もしくは最上収容部２５と閉鎖板２２との間の空間内にまで延びている。上端部３３では、流出管３１は開放している。さらに、各階層には、少なくとも１つの、しかし好ましくは複数の開口３２（好ましくは少なくとも２つ）が流出管３１に設けられている。このような流入開口３２を通って、使用済反応ガス（未反応出発ガス、及び気相析出に基づく反応の副生成物を含有する）が、中心の流出管３１内に流入することができる。最上階層からは、使用済反応ガスは流出管３１の上側開口３３内に流入する。流出管３１を介して、使用済反応ガスは反応器室１０から流出する。

以下に、図１に示された実施態様の作動について説明する。反応ガスの流れ方向は図の矢印によって示されている。

流入する１つもしくは２つ以上の反応ガスは、流入管３４内に流入し、そして流入管３４に沿って流れる。加熱素子１〜４によって加熱された反応壁１１、特に中空円筒形区域１３は、流入管３４を加熱することになるので、流入管３４の貫流時にガスの予熱が既に行われる。さらに、反応ガスは流入管３４の流出開口３６から流出し、そして既に述べたように、反応器壁１１に衝突し、これにより、所要反応温度への更なる予熱が行われる。これについて念のために述べておくと、本発明によるＣＶＤ反応器の場合、化学析出のための反応ガスは好ましくは８００℃を上回る温度に達する。この場合、後で説明する例を検討することもできる。

反応器壁１１への衝突後、反応ガスは迂回させられ（衝突して戻ってくる）、そして反応器壁１１の内面から中心軸線Ｍに向かって半径方向で流れる。反応ガスは、隣接する２つの収容部２５の間に配置された、ワークピース収容体２１の外壁２４の開口２６を貫流し、そしてそれぞれの階層を形成して隣接する２つの収容部２５の間に形成された空間内に流入する。すなわち、反応ガスは、その（下側の収容部２５の）床上に、被覆されるべきワークピースが載置されている空間内に流入する。

気相析出によって、ガス状材料が反応ガスからワークピース、例えば切削用チップ、鋸刃などの表面上に析出され、そして所望の層を形成する。続いて、使用済反応ガスは、流出管３１の流入開口３２並びに流出管３１の端面開口３３を通って流出管３１内に入り、反応器室１０から流出する。このような連続的な流入・流出過程全体にわたって、多階層状のワークピース収容体２１は、歯車２９の駆動装置１８によって、輪歯車２８の中心軸線Ｍを中心として回転させられる。好ましい実施態様の場合、ワークピース収容体の壁２４の周囲には、２つの孔が設けられており、そしてワークピース収容体２１は４回転／分で回転させられる。

流入管３４の下側領域内の反応ガスの滞留時間、すなわち、反応温度に加熱されるための時間は、最上階層内のワークピースにガス付与するために最も上側の流出開口３６から流出するガスの滞留時間よりも短いので、相応の所要熱を供給可能にするための加熱素子４の出力は、加熱素子１の出力よりも大きい。加熱素子を別々に調節することにより、反応ガスを最適に加熱することができる。さらに、所望されない表面上への反応ガスの析出をできる限り僅かにするために、調節を行うことができる。このような析出は、流入管３４内の反応ガスの速度を適合することによっても、さらに制御される。本発明によるこのような構成により、均質性が同じままであり、そして層特性も同じままであるとして、同じ時間においてより多くのガス量を流入させること、ひいては被覆工程を加速することが可能になる。これにより、被覆コストが著しく軽減される。さらに、反応ガスは図示の実施態様の場合、選択された領域内でのみ、そしてその場所で短時間だけ、反応器壁１１と接触する。その他の点では、流出開口３６とワークピースとの間の距離が短く保たれているので、所望されない表面上、すなわち、被覆されるべきワークピース上ではない表面上、特に反応器壁１１における析出は低減される。流入管３４の内壁における付加的な析出は、流入管３４を貫流する時の反応ガスの「高い」流速に調節することによって制御することができる。反応ガスもしくは複数の出発ガスの流速は、本発明によれば層流範囲にあることが概ね好ましい。反応器内の反応ガスの滞留時間は通常、秒範囲にある。ワークピース収容体２１の回転はさらに、図３の実施態様と比較して、十分に均質な、層特性を維持する被覆をもたらす。

本発明の第２の実施態様が図２に示されている。同じ要素について改めて説明することは、繰り返しを避けるために省略する。さらに、ここでは、図１及び図２の実施態様を組み合わせることもできることに留意されたい。すなわち、図１の実施態様の流入管３４は、付加的に上端部３５で開放していてよく、そして閉鎖板２２は開口４０を有することができる。他方では、図２の実施態様において、図１のように構成された流入管内の付加的な流出開口３６、及びワークピース収容体２１の外壁２４における流入開口２６が設けられていてよい。

図２に示された実施態様の場合、流入管は図１と同じ構成を有するが、しかし端部３５だけが開放している。流出開口３６は設けられていない。

さらに、流出管３１は反応器床１２を通って、若干の距離だけ上方に向かってワークピース収容体２１の方向に延び、そして漏斗状空間４１内に開口する。この漏斗状空間４１は、ワークピース収容体２１の最下階層に続いて設けられており、すなわち、最も下側の収容部２５の下方に配置されている。個別の収容部２５は流体が貫流するように、例えば複数の開口を備えるか又は格子状に形成されている。収容部２５のこのような構成はもちろん図１の実施態様に適用することもできる。さらに、閉鎖板２２内に複数の開口４０が設けられており、そして閉鎖板２２の上面とドーム１４の下面との間には混合空間４２が形成されている。ワークピース収容体２１の回転によって、混合空間４２内の反応ガスの運動が支援もしくは引き起こされる。

以下に、図２のＣＶＤ反応器の作動について説明する。１つの反応ガス、又は別々に導入される場合には複数の反応ガスが、１つもしくは複数の流入管３４内に流入する。ここでガスは流入管３４内の開口３５にまで流れる。流入管３４の壁は、反応器壁１１から放射された熱によって加熱されるので、反応ガスも流動中に加熱される。反応器壁１１の加熱は、既に述べたように、加熱素子１〜４によって行われる。反応器床１２とは反対側で開いた端部３５で、反応ガスは流入管３４から出て混合空間４２内に流入する。複数のガスが別々に導入される場合には、これらのガスは混合空間４２内で混合される。他の場合には、このような領域では、所望の反応温度への反応ガスの付加的な最後の加熱が行われる。それというのも、このような領域も加熱素子１によって付加的に加熱されるからである。混合空間４２から、開口を通って反応ガス４０は流出し、そして最上階層から、ワークピース収容体２１の、個々のワークピースが載置された個々の収容部２５を通って、下方に向かって漏斗状空間４１の方向に流れる。このときに、三次元ワークピースが所望されたとおりに被覆される。最後に、使用済反応ガスは、流出管３１内に開口する漏斗状空間４１を介して、そして流出管３１を通して反応器室１０から流出する。この過程中、ワークピース収容体２１は連続的に又は間歇的に駆動装置１８によって回転させられる。

既に述べたように、図１及び２の実施態様を組み合わせることができ、前述のような種々の組み合わせ可能性が考えられる。

さらに言うまでもなく、前記のような流入管３４の構成は、ワークピース収容体２１を回転させなくても、特に望ましくない表面上の堆積を僅かにするという点では、前記利点をもたらす。換言すれば、加熱可能な反応器壁１１に沿った流入管の構成は、本発明の別個の態様であって、この態様は、多階層状のワークピース収容体の回転可能性とは無関係に変化させることもできる。これに関しては、流入管３４が、ワークピースへの流出前に反応ガスを十分に予熱できるような長さを有しており、そしてさらに、ワークピースまでの距離が可能な限り短いことだけが重要である。

このＣＶＤ反応器は７２０℃を上回る反応温度もしくは析出温度を可能にする。従ってこれは中温・高温ＣＶＤ反応器と呼ぶこともできる。本発明によるＣＶＤ反応器はこれに関しては、真空雰囲気中でも正圧雰囲気中でも、又は場合によっては大気圧でも作動することができる。さらに、反応器の構成要素は、これらが腐食性化合物（例えばＨＣｌ）の存在においても高温に耐えるように選択されている。このことは、特に材料の選択時、特にシール部材及び軸受けのための材料を選択する時に重要である。

本発明によるＣＶＤ反応器は、例えば種々様々なＣＶＤ被覆体、特にワークピース、例えば刃（特に切刃）及び鋸刃上への硬質材料被覆体の付与に適している。好適な硬質材料は、例えば遷移金属チタン、タンタル、タングステン、モリブデン及びクロムの炭化物、窒化物、炭窒化物、鉄金属（Ｎｉ及びＦｅ）のホウ化物、及びアルミニウム、ジルコニウム、ハフニウム及びケイ素の酸化物である。特に、本発明によるＣＶＤ反応器は、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、Ｃｒ７Ｃ３、Ｎｉ及びＦｅホウ化物、及びＡｌ２Ｏ３を個別に析出するか、又は段階的又は連続的な移行部を有する層として組み合わせて析出するために使用することができる。言うまでもなく、ここに挙げたものは確定的なものではなく、一例に過ぎない。

所望の被覆に応じて、当業者ならば適切な反応ガスを選択し、そしてこれを１つ流入導管３４を介して、又は複数の反応ガス（出発ガス）の形態で複数の流入導管３４を介して反応室１０内に流入させるだろう。ワークピース上にＴｉ（Ｃ，Ｎ）被覆体を発生させるために、例えばＴｉＣｌ４、アセトニトリル及び水素を含有する反応ガスを使用することができる。

更なる一例としてのパラメータ範囲及び使用事例を、確定的なものとしてではなく以下に挙げられる。

例：

キャリアガス及び反応ガス：
水素、窒素、炭化水素、（飽和、不飽和、芳香族）アミン、アンモニア、ヒドラジン、二酸化炭素、一酸化炭素、一酸化窒素、シラン、ボラン、ハロゲン化物、ＢＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＣｌ３ＣＨ３、ＷＦ６。

室温において流動性の出発材料：
ＴｉＣｌ４、ＢＢｒ３、ＣＨ３ＣＮ、ＣＨ３ＯＨ、金属有機化合物、例えばトリメチルアルミニウム、白金アセトニルアセトネート、ＶＣｌ４。

固形化合物（低い蒸気圧）：
ＣｒＣｌ２、ＭｏＣｌ５、ＴｉＪ４、ＡｌＣｌ３、ＨｆＣｌ４、ＮｂＣｌ５。

層：
単層、多層、勾配混合物、挿入体、マルチレイヤーとしての遷移金属、ＩＶＢ−ＶＩＩＢの炭化物、窒化物、酸化物、ホウ化物、ケイ化物、リン化物、並びにＳｉ、Ｎ、Ａｌ、Ｃ...の共有結合化合物。

ベース材料：
純金属、合金、鋼、硬質金属、超合金、セラミック、グラファイトなど。

Claims (15)

1. ワークピース上に反応ガスから層を析出するためのＣＶＤ反応器であって：
   反応器壁（１１）と反応器床（１２）とによって仕切られた、細長い、鉛直方向に延びる反応器室（１０）と、
   前記反応器床（１２）の領域内で前記反応器室（１０）内に入る、反応ガスを前記反応器室（１０）内に流入させるための流入導管（３４）と、
   前記反応器床の領域内で前記反応器室（１０）から出る、前記反応器室（１０）から使用済反応ガスを流出させるための流出導管（３１）と、
   前記反応器室（１０）内に配置されて中心軸線を中心として回転可能な多階層状のワークピース収容体（２１）であって、前記ワークピース収容体の中心軸線と、前記流出導管の中心軸線とが合致している、多階層状のワークピース収容体（２１）と、を具備しており、
   前記流出導管が固定されたものとして構築されていて、前記流入導管が前記ワークピース収容体と前記反応器壁との間に配設されていることを特徴とする、ＣＶＤ反応器。
2. 前記反応器壁（１１）が少なくとも部分的に加熱可能であり、そして前記流入導管（３４）が、前記反応器壁（１１）の加熱可能な部分に対して平行に延びる管である、請求項１に記載のＣＶＤ反応器。
3. 前記流入導管（３４）の長さは、これが前記ワークピース収容体のほぼ最上階層まで延びるように設定されている、請求項２に記載のＣＶＤ反応器。
4. 前記ワークピース収容体の１階層当たり、それぞれの階層に対応して、前記流入導管内に少なくとも１つの開口（３６）が設けられており、
   反応ガスが前記流入導管の前記開口（３６）から半径方向に前記階層に沿って中心の前記流出導管（３１）まで流動し得るように、前記階層が半径方向にアクセス可能（２６）である、請求項３に記載のＣＶＤ反応器。
5. 前記流出導管（３１）が、前記反応器床（１２）の中心から最上階層まで延びる管であり、そして前記管は、１階層当たり、それぞれの階層の高さに、使用済反応ガスを前記流出導管（３１）内に流入させるための少なくとも１つの開口（３６）を有している、請求項１から４までのいずれか１項に記載のＣＶＤ反応器。
6. 前記流入導管（３４）が、前記反応器床（１２）とは反対側の端部（３５）で開放しており、そして前記ワークピース収容体（２１）が、前記反応器床（１２）とは反対側の端部に、開口（４０）を備えた閉鎖板（２２）を有していることにより、反応ガスが、前記流入導管（３４）の開口（３５）から、前記閉鎖板（２２）の前記開口（４０）を通って前記反応器床（１２）の方向に流れることができ、そして中心の前記流出導管（３１）を介して前記反応器室（１０）から流出することができる、請求項２から５までのいずれか１項に記載のＣＶＤ反応器。
7. 前記閉鎖板（２２）の上方の領域に、前記反応器室（１０）内の混合空間（４２）が形成されており、前記混合空間内には反応ガスが流入することができる、請求項６に記載のＣＶＤ反応器。
8. 複数の流入導管（３４）が設けられており、前記複数の流入導管（３４）を介して、複数の異なる反応ガスが、前記反応器室（１０）内で混合することによって所定の反応ガスを形成するために、別々に前記反応器室（１０）内に流入することができる、請求項１から７までのいずれか１項に記載のＣＶＤ反応器。
9. 前記流入導管が、断熱材料から形成された複数の通路を有している、請求項８に記載のＣＶＤ反応器。
10. 前記流入導管（３４）内に形成された開口（３６）が、流出する反応ガスが互いに衝突するように方向付けされている、請求項８に記載のＣＶＤ反応器。
11. 前記ワークピース収容体（２１）が前記反応器床（１２）の領域内に内側歯列（２８）を有しており、前記内側歯列には、前記ワークピース収容体（２１）を回転させるために、被駆動歯車（２９）が噛み合っている、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のＣＶＤ反応器。
12. １つ又は２つ以上の反応ガス発生器が前記反応器床の領域で、前記流入導管内に組み込まれており、そして前記反応器室内に配置されている、請求項１から１１までのいずれか１項に記載のＣＶＤ反応器。
13. 前記反応器室（１０）内のガスを***させ、分解し、及び／又は活性化するためのモジュールが前記流入導管（３４）内に組み込まれている、請求項１から１２までのいずれか１項に記載のＣＶＤ反応器。
14. 前記流出導管（３１）及び／又は前記ワークピース収容体（２１）が中心に配置されている、請求項１から１３までのいずれか１項に記載のＣＶＤ反応器。
15. 前記ワークピース収容体がその中心軸線だけにたいして回転可能である、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のＣＶＤ反応器。

Images