JP6511798B2 - 化学蒸着装置、化学蒸着方法 - Google Patents

Description

本発明は、化学蒸着装置、化学蒸着方法に関する。

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。

特開平５−２９５５４８号公報 特表２０１１−５２８７５３号公報 特開平９−３１０１７９号公報

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、べースプレートに、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。

本発明の一態様によれば、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°以下であり、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、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、化学蒸着装置が提供される。

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°以上である構成としてもよい。

本発明の一態様によれば、上記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、化学蒸着方法が提供される。

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方法としてもよい。
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方法としてもよい。
前記第１ガスとしてアンモニア含有ガスを用いる方法としてもよい。

本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。

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。 ガス供給管の他の例を示す断面図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

（化学蒸着装置）
図１は、実施形態に係る化学蒸着装置の断面図である。図２は、ガス供給管及び回転駆動装置を示す断面図である。図３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１０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１０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、Ｓｉ_３Ｎ_４基セラミックス、Ａｌ_２Ｏ_３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１０は、図１に示すように、ベースプレート１と、ベースプレート１上に設置されたワーク収容部８と、ワーク収容部８を覆ってベースプレート１に被せられるベル型の反応容器６と、反応容器６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１０では、ベースプレート１と反応容器６との接続部分が封止され、反応容器６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７は、反応容器６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８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８ａを鉛直方向に積層して構成される。隣り合うトレイ８ａ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８の全てのトレイ８ａは、中央にガス供給管５が挿通される貫通孔を有する。

ベースプレート１には、ガス導入部３と、ガス排出部４と、ガス供給管５とが設けられる。
ガス導入部３は、ベースプレート１を貫通して設けられ、反応容器６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３はベースプレート１の内側（反応容器６側）においてガス供給管５に接続される。ガス導入部３は、原料ガス群Ａ源４１に接続された原料ガス群Ａ導入管２９と、原料ガス群Ｂ源４２に接続された原料ガス群Ｂ導入管３０とを有する。原料ガス群Ａ導入管２９と原料ガス群Ｂ導入管３０は、ガス供給管５に接続されている。ガス導入部３にはガス供給管５を回転させるモーター（回転駆動装置）２が設けられている。

ガス排出部４は、ベースプレート１を貫通して設けられ、真空ポンプ４５と反応容器６の内部空間とを接続する。ガス排出部４を介して真空ポンプ４５により反応容器６内が排気される。
ガス供給管５は、ベースプレート１から鉛直上方に延びる管状部材である。ガス供給管５は、ワーク収容部８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５の上端は封止され、ガス供給管５の側面から外側へ原料ガス群が噴射される。

図２は、ベースプレート１、ガス導入部３及びガス排出部４を示す断面図である。
ガス排出部４は、ベースプレート１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１に示した真空ポンプ４５に接続される。

ガス導入部３は、ベースプレート１の外側に延びる筒状の支持部３ａ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２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３ａの内部は反応容器６の内部と連通する。支持部３ａには、支持部３ａの側壁を貫通する原料ガス群Ａ導入管２９と、原料ガス群Ｂ導入管３０とが設けられる。原料ガス群Ａ導入管２９は、鉛直方向において、原料ガス群Ｂ導入管３０よりも反応容器６に近い側に設けられる。原料ガス群Ａ導入管２９は支持部３ａ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３０は支持部３ａ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３ａと同軸の円筒状である。回転式ガス導入部品１２は支持部３ａ内に挿入され、反応容器６と反対側の端部（下側端部）に連結されたモーター２により回転軸２２の軸周りに回転駆動される。

回転式ガス導入部品１２には、回転式ガス導入部品１２の側壁を貫通する貫通孔１２ａと、貫通孔１２ｂとが設けられる。貫通孔１２ａは、支持部３ａ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１２ｂは原料ガス群Ｂ導入口２８と同じ高さ位置に設けられる。回転式ガス導入部品１２の外周面のうち、貫通孔１２ａと貫通孔１２ｂ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１２ｃが設けられる。封止部１２ｃは支持部３ａ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２８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１２の内部には、仕切部材３５が設けられる。仕切部材３５は、回転式ガス導入部品１２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３１と、原料ガス群Ｂ導入路３２とに区画する。原料ガス群Ａ導入路３１は貫通孔１２ａを介して原料ガス群Ａ導入口２７に接続される。原料ガス群Ｂ導入路３２は貫通孔１２ｂを介して原料ガス群Ｂ導入口２８に接続される。回転式ガス導入部品１２の上端に、ガス供給管５が接続される。

以下、ガス供給管５の構成について詳細に説明する。
図３は、ガス供給管５の横断面図である。図４はガス供給管５の部分斜視図である。図５は、ガス噴出口の配置に関する説明図である。図６は、ガス噴出口の配置を説明するための断面図である。図７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５は円筒管である。ガス供給管５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５ａが設けられる。仕切部材５ａはガス供給管５の中心軸（回転軸２２）を含むようにガス供給管５を直径方向に縦断し、ガス供給管５の内部をほぼ二等分する。仕切部材５ａによりガス供給管５の内部は原料ガス群Ａ流通部（第１ガス流通部）１４と、原料ガス群Ｂ流通部（第２ガス流通部）１５とに区画される。原料ガス群Ａ流通部１４及び原料ガス群Ｂ流通部１５は、それぞれガス供給管５の高さ方向の全体にわたって延びている。

図２に示すように、仕切部材５ａの下端は仕切部材３５の上端に接続される。原料ガス群Ａ流通部１４は原料ガス群Ａ導入路３１に接続され、原料ガス群Ｂ流通部１５は原料ガス群Ｂ導入路３２に接続される。したがって、原料ガス群Ａ源４１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４２から供給される原料ガス群Ｂの流通経路は、仕切部材３５及び仕切部材５ａにより区画され、互い独立した流路である。

ガス供給管５には、図３及び図４に示すように、それぞれガス供給管５を貫通する複数の原料ガス群Ａ噴出口（第１ガス噴出口）１６と、複数の原料ガス群Ｂ噴出口（第２ガス噴出口）１７とが設けられる。原料ガス群Ａ噴出口１６は、原料ガス群Ａ流通部１４から反応容器６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１７は、原料ガス群Ｂ流通部１５から反応容器６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１６及び原料ガス群Ｂ噴出口１７は、それぞれ、ガス供給管５の長さ方向（高さ方向）に沿って複数箇所設けられる（図４及び図７参照）。

本実施形態のガス供給管５では、図３及び図４に示すように、ほぼ同じ高さ位置に原料ガス群Ａ噴出口１６と原料ガス群Ｂ噴出口１７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１６と原料ガス群Ｂ噴出口１７とが対を成し、図４に示すように、噴出口対２４を構成する。ガス供給管５には、噴出口対２４が高さ方向に複数箇所設けられる。

噴出口対２４を構成する原料ガス群Ａ噴出口１６と原料ガス群Ｂ噴出口１７との高さ位置関係は、上記の原料ガス群Ａ噴出口１６と原料ガス群Ｂ噴出口１７の両方が、図４に示す回転軸２２を法線とする１つの平面２３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５（ａ）に示すように、噴出口対２４を構成する原料ガス群Ａ噴出口１６と原料ガス群Ｂ噴出口１７とが同じ高さである場合と、図５（ｂ）に示すように、噴出口対２４を構成する原料ガス群Ａ噴出口１６の一部と原料ガス群Ｂ噴出口１７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５（ｃ）に示すように、原料ガス群Ａ噴出口１６の全体と原料ガス群Ｂ噴出口１７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３に示す原料ガス群Ａ噴出口１６と原料ガス群Ｂ噴出口１７は、同一の噴出口対２４に属する噴出口である。図４に示す構成では、原料ガス群Ａ噴出口１６と原料ガス群Ｂ噴出口１７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５の中心１３（回転軸２２）を中心とする軸周りに、原料ガス群Ａ噴出口１６の外周側開口端の中心１８と、原料ガス群Ｂ噴出口１７の外周側開口端の中心１９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１８、１９の高さ方向の位置が異なる場合には、中心１８、１９を回転軸２２と直交する面に投影したときの角度となる。

図７に示すように、ガス供給管５の高さ方向（軸方向）において、原料ガス群Ａ噴出口１６と原料ガス群Ｂ噴出口１７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６に示すように、原料ガス群Ａ流通部１４に連通する原料ガス群Ａ噴出口１６は、ガス供給管５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１５に連通する原料ガス群Ｂ噴出口１７も、ガス供給管５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１４に連通する原料ガス群Ａ噴出口１６及び原料ガス群Ｂ流通部１５に連通する原料ガス群Ｂ噴出口１７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６に示す２箇所の原料ガス群Ａ噴出口１６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１７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５は、図６に示すＤ１側に設けられる噴出口群２５（図７（ａ））と、Ｄ２側に設けられる噴出口群２６（図７（ｂ））とを有する。噴出口群２５及び噴出口群２６のいずれにおいても、ガス供給管５の高さ方向に原料ガス群Ａ噴出口１６と原料ガス群Ｂ噴出口１７とが交互に配置される。

噴出口群２５において軸方向に隣り合う原料ガス群Ａ噴出口１６と原料ガス群Ｂ噴出口１７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２６において軸方向に隣り合う原料ガス群Ａ噴出口１６と原料ガス群Ｂ噴出口１７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１０を用いた化学蒸着方法では、モーター２によってガス供給管５を回転軸２２の軸周りに回転させながら、原料ガス群Ａ源４１及び原料ガス群Ｂ源４２から原料ガス群Ａ及び原料ガス群Ｂをガス導入部３へ供給する。

ガス供給管５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６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５から原料ガス群が噴出された際、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５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５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１０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ＮＨ_３とキャリアガス（Ｈ_２）を選択し、原料ガス群Ｂとして、ＴｉＣｌ_４とキャリアガス（Ｈ_２）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、ＣＨ_３ＣＮとＮ_２及びキャリアガス（Ｈ_２）を選択し、原料ガス群Ｂとして、ＴｉＣｌ_４とＮ_２及びキャリアガス（Ｈ_２）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、ＮＨ_３とキャリアガス（Ｈ_２）を選択し、原料ガス群Ｂとして、ＴｉＣｌ_４とＡｌＣｌ_３とＮ_２とキャリアガス（Ｈ_２）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４１から供給される原料ガス群Ａは、原料ガス群Ａ導入管２９、原料ガス群Ａ導入口２７、原料ガス群Ａ導入路３１、及び原料ガス群Ａ流通部１４を経由して原料ガス群Ａ噴出口１６から反応容器６の内部空間に噴出される。また、原料ガス群Ｂ源４２から供給される原料ガス群Ｂは、原料ガス群Ｂ導入管３０、原料ガス群Ｂ導入口２８、原料ガス群Ｂ導入路３２、及び原料ガス群Ｂ流通部１５を経由して原料ガス群Ｂ噴出口１７から反応容器６の内部空間に噴出される。ガス供給管５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５の外側の反応容器６内で混合され、化学蒸着により、トレイ８ａ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１０では、原料ガス群Ａと原料ガス群Ｂとをガス供給管５内で混合させず分離しておき、回転しているガス供給管５から噴出させた後、反応容器６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５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５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５の近傍では比較的濃度が高く、ガス供給管５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５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５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１０では、ガス供給管５の周方向に隣り合う原料ガス群Ａ噴出口１６と原料ガス群Ｂ噴出口１７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５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５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６の径方向において均質な反応が生じ、トレイ８ａ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５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１０では、図４に示すように、周方向に隣り合う噴出口対２４が、ガス供給管５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８の各段（トレイ８ａ）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８ａ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１０では、図６及び図７に示すように、ガス供給管５の側面Ｄ１、Ｄ２に、高さ方向に原料ガス群Ａ噴出口１６と原料ガス群Ｂ噴出口１７を交互に配置した噴出口群２５と噴出口群２６を有する。このような構成とすることで、側面Ｄ１、Ｄ２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１４に連通する原料ガス群Ａ噴出口１６及び原料ガス群Ｂ流通部１５に連通する原料ガス群Ｂ噴出口１７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５が円筒管である場合について説明したが、図８に示すように、断面矩形状の角形管からなるガス供給管５Ａ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。

本実施例では、図１〜図７を参照して説明した実施形態の化学蒸着装置１０（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６の径は２５０ｍｍ、高さは７５０ｍｍとした。外熱式加熱ヒーター７として反応容器６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８ａ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８ａ）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８ａ）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５に供給し、ガス供給管５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６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１〜実施例１０、比較例１〜８の硬質層（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。
表２に、実施例１〜１０、比較例１〜８における化学蒸着の諸条件を示す。

なお、表２において、相対角度αは同一の噴出口対２４に属する原料ガス群Ａ噴出口１６と原料ガス群Ｂ噴出口１７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２４における原料ガス群Ａ噴出口１６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２４における原料ガス群Ｂ噴出口１７同士の相対角度である。
相対角度γ１は、ガス供給管５の一側面（側面Ｄ１）において高さ方向に隣り合う原料ガス群Ａ噴出口１６と原料ガス群Ｂ噴出口１７の軸周りの相対角度である。相対角度γ２は、ガス供給管５の一側面（側面Ｄ２）において高さ方向に隣り合う原料ガス群Ａ噴出口１６と原料ガス群Ｂ噴出口１７の軸周りの相対角度である。
表２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５の回転速度を意味する。

実施例１〜１０、比較例１〜８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８ａ）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８ａ）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３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、ＮＨ_３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、ＮＨ_３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５〜１０、比較例３、４、７、８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４に示す。

表３の結果から、噴出口対２４における原料ガス群Ａ噴出口１６と原料ガス群Ｂ噴出口１７との軸周りの相対角度αを１５０°以上とした実施例１〜１０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６内に配置された治具（トレイ８ａ）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４の結果においても、実施例５〜１０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１、３、５〜１０は、原料ガス群Ａにアンモニアガス（ＮＨ_３）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（ＴｉＣｌ_４、ＡｌＣｌ_３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２、４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°と狭くした比較例１〜４では、表３の結果から、「内周側と外周側の残留塩素量の差」が実施例と比較して大きかった。また表４の結果においても同様に、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大きかった。これらから、比較例１〜４は、実施例１〜１０と比較して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５〜８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４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３及び表４の実施例１〜６、８、１０の結果から、原料ガス群Ａ噴出口１６同士の相対角度β１、及び原料ガス群Ｂ噴出口１７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７は表３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９は、表４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。

５，５Ａ…ガス供給管、６…反応容器、１０…化学蒸着装置、２２…回転軸、２４…噴出口対、２…モーター（回転駆動装置）、１４…原料ガス群Ａ流通部（第１ガス流通部）、１５…原料ガス群Ｂ流通部（第２ガス流通部）、１６…原料ガス群Ａ噴出口（第１ガス噴出口）、１７…原料ガス群Ｂ噴出口（第２ガス噴出口）

Claims (6)

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°以下であり、
   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、
   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、化学蒸着装置。
2. 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１に記載の化学蒸着装置。
3. 請求項１または２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。
4. 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３に記載の化学蒸着方法。
5. 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３又は４に記載の化学蒸着方法。
6. 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５に記載の化学蒸着方法。

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