JP2916735B2 - プラズマ表面改質方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】この発明は、プラズマ表面改質方
法および装置に関し、さらに詳しくは、耐磨耗性，耐食
性，磁気特性，電気特性などを向上させるために、基体
の表面あるいは表面の一部をその基体を構成する元素を
含む化合物に変化させる表面改質処理を、ＥＣＲプラズ
マを利用して行うプラズマ表面改質方法およびプラズマ
表面改質装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】耐磨耗性，耐食性，磁気特性，電気特性
などを向上させるために、基体の表面あるいは表面の一
部をその基体を構成する元素を含む化合物に変化させる
表面改質方法としては、例えばイオン注入法，イオン窒
化法が知られている。しかし、この種の表面改質処理
を、ＥＣＲプラズマを利用して行う従来技術は知られて
いない。 【０００３】一方、表面改質処理ではないが、イオンプ
レーティングやスパッタリングのように基体の表面を基
体と異なる物質で覆う薄膜形成処理を、ＥＣＲプラズマ
を利用して行う技術は、例えば特開昭６２−１６７８７
８号公報や特開昭６３−２１３６６４号公報に開示され
ている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】上記のように、耐磨耗
性，耐食性，磁気特性，電気特性などを向上させるため
の表面改質処理を、ＥＣＲプラズマを利用して行う従来
技術は知られていない。また、上記特開昭６２−１６７
８７８号公報や特開昭６３−２１３６６４号公報に開示
の薄膜形成処理は表面改質処理とは全く異なる技術であ
り、その技術をそのまま表面改質処理に適用することは
実質的に不可能である。そこで、この発明の目的は、耐
磨耗性，耐食性，磁気特性，電気特性などを向上させる
ために、基体の表面あるいは表面の一部をその基体を構
成する元素を含む化合物に変化させる表面改質処理を、
ＥＣＲプラズマを利用して行うＥＣＲプラズマ表面理方
法および装置を提供することにある。 【０００５】 【課題を解決するための手段】第１の観点では、この発
明は、真空チャンバ内に被処理材としての基体を配置
し、その基体を表面改質用気体雰囲気下に置くと共に前
記真空チャンバ内でプラズマを発生することにより前記
基体の表面を改質する方法において、前記プラズマとし
てＥＣＲ（＝電子サイクロトロン共鳴）放電を用い、か
つ、前記基体に１ｋＶ以上、１０００ｋＶ以下の負電圧
を印加し、前記基体の表面あるいは表面の一部をその基
体を構成する元素を含む化合物に変化させることを特徴
とするプラズマ表面改質方法を提供する。 【０００６】第２の観点では、この発明は、被処理材と
しての基体を内部に配置できる真空チャンバと、その真
空チャンバ内を減圧する真空排気手段と、前記基体の近
傍に表面改質用気体を供給する表面改質用気体供給手段
と、真空チャンバ内でＥＣＲプラズマを発生させるＥＣ
Ｒプラズマ発生手段と、前記基体に１ｋＶ以上，１００
０ｋＶ以下の負電位を印加する直流バイアス印加手段と
を具備してなることを特徴とするプラズマ表面改質装置
を提供する。第３の観点では、この発明は、被処理材と
しての基体を内部に配置できる真空チャンバと、その真
空チャンバ内を減圧する真空排気手段と、前記基体の近
傍に窒素ガスを供給する窒素ガス供給手段と、真空チャ
ンバ内でＥＣＲプラズマを発生させるＥＣＲプラズマ発
生手段と、前記基体に１ｋＶ以上，１０００ｋＶ以下の
負電位を印加する直流バイアス印加手段とを具備し、前
記基体の表面あるいは表面の一部をその基体を構成する
元素を含む窒素化合物に変化させることを特徴とするプ
ラズマ表面改質装置を提供する。 【０００７】 【作用】この発明のプラズマ表面改質方法および装置で
は、真空チャンバ内に被処理材としての基体を配置し，
真空チャンバ内を減圧し、且つ、基体を表面改質用気体
雰囲気下に置く。そして、１ｋＶ以上，１０００ｋＶ以
下の負電位を基体に印加すると共に、真空チャンバ内に
ＥＣＲプラズマを発生させる。ＥＣＲプラズマは、電子
のスピン運動と磁場との共鳴作用による非常に高密度の
プラズマであるため、表面改質用気体の励起は高効率に
行われ、励起種の量は飛躍的に増加する。そして、その
励起種は、前記直流バイアスにより加速されて、基体の
表面に作用し、改質する。かくして、耐磨耗性，耐食
性，磁気特性，電気特性などを向上させることが出来
る。特に、表面改質用気体として窒素ガスを用いれば、
前記基体の表面あるいは表面の一部をその基体を構成す
る元素を含む窒素化合物に変化させることが出来る。 【０００８】 【実施例】以下、図に示す実施例によりこの発明をさら
に詳細に説明する。なお、これによりこの発明が限定さ
れるものではない。図１は、この発明の一実施例のプラ
ズマ表面改質装置の構成図である。このプラズマ表面改
質装置１は、真空チャンバ２を備えている。その真空チ
ャンバ２の壁は、金属などの導電性材料によって形成さ
れており、アース電位に保持されている。また、真空チ
ャンバ２は、プラズマ生成室２Ａとプラズマ処理室２Ｂ
とを備えている。 【０００９】真空チャンバ２の底部には、真空排気口
３，３が設けられている。それら真空排気口３，３は、
可変バルブ４を介して、真空ポンプ５に接続されてい
る。 【００１０】プラズマ処理室２Ｂの中央には、被処理物
Ｗの支持台を兼ねたＤＣ電極６が設けられている。その
ＤＣ電極６と真空チャンバ２の間は、絶縁物７で絶縁さ
れ、且つ、１ｋＶ以上，１０００ｋＶ以下の負電圧直流
バイアスをＤＣ電極６に印加する直流電源８が接続され
ている。 【００１１】プラズマ処理室２Ｂの側壁から中央に向け
て、表面改質用気体導入管９が延設されており、その先
端には、図２に示すように、被処理材Ｗを取り囲むリン
グ形状の表面改質用気体放出部９ａが取り付けられてい
る。その表面改質用気体放出部９ａには、多数の表面改
質用気体放出穴９ｂが穿設されている。表面改質用気体
導入管９の末端は、可変バルブ１０およびマスフローコ
ントローラ１１を介して、表面改質用気体ボンベ１２に
接続されている。なお、駆動装置（図示せず）により前
記表面改質用気体導入管９が被処理材Ｗに沿って移動す
るようにしてもよい。また、前記表面改質用気体放出部
９ａは、リング形状に限らず，被処理材Ｗの形状に合せ
た形状としてよい。さらに、表面改質用気体導入管を複
数本設置してもよい。 【００１２】プラズマ生成室２Ａの上部壁の中央部に
は、マイクロ波導波管１３が設けられている。プラズマ
生成室２Ａとマイクロ波導波管１３との連結部には、プ
ラズマ生成室２Ａの気密を保つために石英ガラス板１４
が嵌められている。マイクロ波は、石英ガラス板１４を
透過して、マイクロ波導波管１３からプラズマ生成室２
Ａに導入される。マイクロ波導波管１３の横には、プラ
ズマ原料ガス導入管１５が設けられている。このプラズ
マ原料ガス導入管１５は、バルブ１６およびマスフロー
コントローラ１７を介して、プラズマ原料ガスボンベ１
８に接続されている。 【００１３】プラズマ生成室２Ａの周囲には、ＥＣＲの
ための磁界発生用コイル１９が配設されている。プラズ
マ生成室２Ａ，プラズマ処理室２Ｂおよび磁界発生用コ
イル１９の中心軸は一致している。 【００１４】次に、動作を説明する。被処理材ＷをＤＣ
電極６の上に載置する。次に、真空ポンプ５にて真空チ
ャンバ２内を減圧する。真空チャンバ２内が所定の真空
度に到達したら、表面改質用気体導入管９より表面改質
用気体を導入し、可変バルブ１０により所定の圧力とす
る。次に、プラズマ生成室２Ａに、マイクロ波導波管１
３よりマイクロ波を導波すると共に、プラズマ原料ガス
導入管１５からプラズマ原料ガスを導入する。さらに、
磁界発生用コイル１９によりプラズマ生成室２Ｂ内を励
磁する。すると、前記プラズマ生成室２Ａ内にＥＣＲプ
ラズマが生成される。このＥＣＲプラズマは、磁界発生
用コイル１９が形成する発散磁界によって、プラズマ処
理室２Ｂへと流出する。 【００１５】一方、ＤＣ電極６を介して、被処理材Ｗに
１ｋＶ以上，１０００ｋＶ以下の負電圧直流バイアスを
印加する。すると、プラズマ生成室２Ａからプラズマ処
理室２Ｂへと流出してきたＥＣＲプラズマ中の励起種
は、直流電界により加速され、被処理材Ｗの表面に作用
する。かくして、被処理材Ｗの表面が改質され、耐磨耗
性，耐食性，磁気特性，電気特性などを向上させること
が出来る。 【００１６】以上のプラズマ表面改質装置１によれば、
直流電界でプラズマを加速して被処理材Ｗの表面に作用
させるため、イオン注入効果があり、窒素，酸素，炭素
などの任意の元素を効率良く被処理材Ｗの表面に含侵さ
せることが出来る。また、どのような形状の被処理材で
も均一に表面改質処理することが出来る。なお、上記プ
ラズマ表面改質装置１では、被処理材Ｗの加熱は行なっ
ていないが、ヒーターを別途設置し、加熱するようにし
てもよい。 【００１７】−製造例− ＤＣ電極６上に、外径１００ｍｍのアルミニウム製の円
柱状被処理材Ｗを載置した。そして、真空ポンプ５によ
り、真空チャンバ２内を１×１０^-7Ｔｏｒｒにまで減圧
した。次に、表面改質用気体導入管９から窒素を導入す
ると共に、可変バルブ１０により真空チャンバ２内の圧
力を１×１０^-3Ｔｏｒｒとした。この状態で、直流電源
８からＤＣ電極６に１０ｋＶの負電圧を印加した。次い
で、マイクロ波導波管１３から周波数２．４５ＧＨｚの
マイクロ波を導入すると共に、プラズマ原料ガス導入管
１５から窒素を導入し、さらに、所定の電流を磁界発生
用コイル１９に供給して励磁し、この状態で、被処理材
Ｗの窒化処理を１時間行った。その結果、被処理材Ｗの
表面が窒化された。このようにして表面が窒化された被
処理材Ｗを真空チャンバ２内から取り出し、その表面窒
化層の評価試験を行った。表面窒化層の厚さは、ＥＰＭ
Ａ(Ｅlectron Ｐrobe Ｍicro Ａnalysis）によると１μ
ｍ程度であった。また、表面硬度は、マイクロビッカー
ス硬度計によるとＨＶ５００程度であった。また、被処
理材Ｗの表面には、一切の剥離は認められなかった。な
お、直流バイアスが１ｋＶより小さいと、表面窒化層の
厚さ，硬度が不十分であった。また、直流バイアスが１
０００ｋＶより大きいと、放電が不安定となった。 【００１８】このようにして表面が窒化された被処理材
Ｗを真空チャンバ２内から取り出し、その表面処理層の
評価試験を行った。表面処理層の厚さは、ＥＰＭＡ(Ｅl
ectron Ｐrobe Ｍicro Ａnalysis）によると１μｍ程度
であった。また、表面硬度は、マイクロビッカース硬度
計によるとＨＶ５００程度であった。また、被処理材Ｗ
の表面には、一切の剥離は認められなかった。なお、直
流バイアスが１ｋＶより小さいと、表面処理層の厚さ，
硬度が不十分であった。また、直流バイアスが１０００
ｋＶより大きいと、放電が不安定となった。 【００１９】 【発明の効果】この発明のプラズマ表面改質方法および
装置によれば、耐磨耗性，耐食性，磁気特性，電気特性
などを向上させるために、基体の表面あるいは表面の一
部をその基体を構成する元素を含む化合物に変化させる
表面改質処理を、ＥＣＲプラズマを利用して行うことが
出来る。また、任意の元素を効率良く被処理材の表面に
含侵させることが出来る。さらに、どのような形状の被
処理材でも均一に表面改質処理することが出来る。

【図面の簡単な説明】 【図１】この発明の一実施例のプラズマ表面改質装置の
説明図である。 【図２】図１のプラズマ表面改質装置における表面改質
用気体放出部の説明図である。 【符号の説明】 １ プラズマ表面改質装置 ２ 真空チャンバ ２Ａ プラズマ生成室 ２Ｂ プラズマ処理室 ３ 排気口 ８ 直流電源 ９ 表面改質用気体導入管 ９ａ 表面改質用気体放出部 １２ 表面処理用気体ボンベ １３ マイクロ波導波管 １４ 石英ガラス板 １５ プラズマ原料ガス導入管 １９ 磁界発生用コイル Ｗ 被処理材

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項ｌ】 真空チャンバ内に被処理材としての基体
   を配置し、その基体を表面改質用気体雰囲気下に置くと
   共に前記真空チャンバ内でプラズマを発生することによ
   り前記基体の表面を改質する方法において、前記プラズ
   マとしてＥＣＲ（＝電子サイクロトロン共鳴）放電を用
   い、かつ、前記基体に１ｋＶ以上、１０００ｋＶ以下の
   負電圧を印加し、前記基体の表面あるいは表面の一部を
   その基体を構成する元素を含む化合物に変化させること
   を特徴とするプラズマ表面改質方法。 【請求項２】 被処理材としての基体を内部に配置でき
   る真空チャンバと、その真空チャンバ内を減圧する真空
   排気手段と、前記基体の近傍に表面改質用気体を供給す
   る表面改質用気体供給手段と、真空チャンバ内でＥＣＲ
   プラズマを発生させるＥＣＲプラズマ発生手段と、前記
   基体に１ｋＶ以上，１０００ｋＶ以下の負電位を印加す
   る直流バイアス印加手段とを具備してなることを特徴と
   するプラズマ表面改質装置。 【請求項３】 被処理材としての基体を内部に配置でき
   る真空チャンバと、その真空チャンバ内を減圧する真空
   排気手段と、前記基体の近傍に窒素ガスを供給する窒素
   ガス供給手段と、真空チャンバ内でＥＣＲプラズマを発
   生させるＥＣＲプラズマ発生手段と、前記基体に１ｋＶ
   以上，１０００ｋＶ以下の負電位を印加する直流バイア
   ス印加手段とを具備し、前記基体の表面あるいは表面の
   一部をその基体を構成する元素を含む窒素化合物に変化
   させることを特徴とするプラズマ表面改質装置。