JP2004018908A

JP2004018908A - ワークの表面処理方法と、その装置

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Publication number: JP2004018908A
Application number: JP2002173337A
Authority: JP
Inventors: Yuji Hasegawa; 長谷川　祐史
Original assignee: ONWARD GIKEN KK; Onward Giken Co Ltd
Current assignee: ONWARD GIKEN KK; Onward Giken Co Ltd
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2002-06-13
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-13
Also published as: JP4151000B2

Abstract

【課題】長尺のワークＷの表面を均一に改質処理する。
【解決手段】縦長の真空槽１１と、真空槽１１に原料ガスを供給するガス供給手段２０と、真空槽１１内に上下複数段に配列するループアンテナ３１、３１…と、電力供給手段３５と、ワークＷを吊下するハンガ４１、４１…とを設ける。
電力供給手段３５は、ループアンテナ３１、３１…に高周波電力を供給し、真空槽１１内の原料ガスをプラズマ化して、長尺のワークＷの全長に亘り、たとえば均一な薄膜を形成することができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、長尺のワークの表面を均一に改質処理することができるワークの表面処理方法と、その装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワークの表面にダイヤモンドライクカーボン膜やチタン系化合物膜などの薄膜を形成し、材料の硬度、表面平滑性、耐摩耗性、耐腐食性などの機能性を向上させる改質処理技術が知られている。
【０００３】
ダイヤモンドライクカーボン膜などの薄膜は、原料ガスをプラズマ化し、プラズマ中のイオンやラジカルなどをワークの表面に照射して成膜することができる。なお、原料ガスをプラズマ化するために、誘導結合プラズマ装置を使用することがある。誘導結合プラズマ装置は、真空槽を内圧１Ｐａ程度にし、真空槽内に設置するアンテナを介して原料ガスに高周波電力を投入し、原料ガスをプラズマ化してプラズマ中のイオンやラジカルなどをワークに照射し、ワークの表面に薄膜を形成することができる。なお、真空槽内において、アンテナは、適当な台上のワークの上方に設置し、原料ガスは、ワークの近傍に導入してワークの周囲に拡散させ、アンテナからの高周波電力によりプラズマ化する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来技術によるときは、アンテナからの高周波電力は、ワークの近傍の原料ガスをプラズマ化するだけであるから、小形のワークの場合はよいとしても、長尺のワークに適用することができず、長尺のワークの全長に亘り、その表面を均一に改質処理することが極めて難しいという問題があった。
【０００５】
そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、縦長の真空槽内に上下複数段に配列するループアンテナに高周波電力を供給することによって、長尺のワークの表面を均一に改質処理することができるワークの表面処理方法と、その装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためのこの出願に係る第１発明の構成は、真空槽に収容する長尺のワークを表面処理するに際し、縦長の真空槽の上部から原料ガスを供給し、真空槽内に上下複数段に配列するループアンテナに高周波電力を供給して原料ガスをプラズマ化し、真空槽の上部から吊下してループアンテナの周囲に配置するワークを改質処理することをその要旨とする。
【０００７】
なお、ループアンテナの周囲に複数のワークを配置してもよく、ワークを回転させてもよい。
【０００８】
第２発明の構成は、縦長の真空槽と、真空槽に原料ガスを供給するガス供給手段と、真空槽内に上下複数段に配列するループアンテナと、ループアンテナに高周波電力を供給する電力供給手段と、真空槽の上部から長尺のワークを吊下してループアンテナの周囲に配置するハンガとを備えてなり、ループアンテナからの高周波電力により原料ガスをプラズマ化してワークを改質処理することをその要旨とする。
【０００９】
なお、真空槽内には、ループアンテナとワークとの間に介装するグリッドを設けることができる。
【００１０】
また、電力供給手段は、高周波電力を間欠的に供給することができ、電力供給手段、ループアンテナの間には、ループアンテナの両端の対地電圧を均等に揃える整合回路を介装することができる。
【００１１】
【作用】
かかる第１発明の構成によるときは、ワークは、縦長の真空槽の上部から吊下され、ループアンテナの周囲に配置されている。一方、真空槽の上部から供給される原料ガスは、上下複数段に配列するループアンテナからの高周波電力によりプラズマ化され、真空槽の高さ方向、すなわちワークの長手方向に均一なプラズマ密度のバルクプラズマ容積を形成し、プラズマ中のイオンやラジカルなどをワークの表面に照射してワークを均一に改質処理することができる。なお、真空槽内の各ループアンテナは、真空槽と同軸状に配置し、たとえば真空槽の内径８００ｍｍに対して直径２００〜４００ｍｍ程度の１ターンのループアンテナとすることにより、高周波抵抗を抑えて原料ガスに対する高周波電力の伝達効率を向上させることができる。なお、各段のループアンテナの間隔は、ループアンテナの直径の約１．２〜１．５倍以下に設定することにより、ワークの長手方向のプラズマ密度を実質的に均一にすることができる。高周波電力の周波数は、放電開始電圧が低下し始めるＭＨｚ　オーダとし、１３．５６ＭＨｚ　または２７．１２ＭＨｚ　が好適である。ただし、３０ＭＨｚ　を超えても、プラズマ密度の向上に貢献することがない。
【００１２】
ループアンテナには、たとえば繰返し周波数０．１〜１０ｋＨｚ　ごとに高周波電力を間欠的に供給するのがよい。高周波電力を間欠的に供給すると、プラズマ中の電子温度を低くしてプラズマポテンシャルを抑えながらプラズマ密度を高く維持することができ、ワークのエッジ部や尖鋭端部などに対するイオンの集中やサイドエッチングなどを防止して、膜の付き回り性を向上させるとともにワークの局部的な異常加熱を防止し、膜の密着力の低下や膜質の劣化などを防止することができる。プラズマ中の電子温度は、高周波電力が喪失すると急速に低下する一方、イオンやラジカルは、励起分子の寿命時間相当だけ永く存続し、時間平均的なプラズマ密度を高くしてプラズマポテンシャルを低く抑えることができるからである。なお、プラズマポテンシャルは、ループアンテナの高周波抵抗を小さくするとともに、ループアンテナの両端の対地電圧を均等にすることにより、一層小さくすることができる。
【００１３】
原料ガスは、真空槽の上部から導入し、下部から排出することにより、重力によって真空槽内に一様に拡散し、真空槽内のプラズマ密度を均一にすることができる。また、ワークは、真空槽内に吊下することにより、重力による撓みや変形などを生じるおそれがない。
【００１４】
ループアンテナの周囲に複数のワークを配置すれば、複数のワークを一挙に改質処理することができる。ただし、このときのワークは、ループアンテナと同軸の同心円状に配列するものとする。
【００１５】
ワークを回転させれば、ワークの全表面を均等にループアンテナに対向させることができ、ワークの表面を均一に改質することができる。
【００１６】
第２発明の構成によるときは、ガス供給手段は、原料ガスを真空槽に供給し、電力供給手段は、ループアンテナに高周波電力を供給して原料ガスを一様なプラズマ密度にプラズマ化することができ、ハンガを介して真空槽内に吊下するワークの全表面を均一に改質処理することができる。
【００１７】
電力供給手段は、高周波電力を間欠的にループアンテナに供給することにより、プラズマ密度を高くしてプラズマポテンシャルを低くすることができる。
【００１８】
真空槽内に設けるグリッドは、ループアンテナとワークとの間に介装され、ワークに到達するプラズマ中の電子温度の高い電子をトラップし、ワークの近傍における実質的なプラズマポテンシャルを低くするとともに、電磁シールドとしてアンテナからの電磁界がワークに及ぶことを防止し、付き回り性の向上を図ることができる。なお、グリッドは、真空槽とともに接地電位に保つものとし、導電性のメッシュ材やスリットを有する金属板などを使用する他、多数の金属棒を一定間隔ごとに柵状に立て並べるなどの任意の形態に形成することができる。ただし、グリッドは、ループアンテナと同軸の同心円状に形成して真空槽内に組み込むものとする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
ワークの表面処理装置は、縦長の真空槽１１と、真空槽１１に原料ガスを供給するガス供給手段２０と、真空槽１１内に上下複数段に配列するループアンテナ３１、３１…と、整合回路３６を介してループアンテナ３１、３１…に高周波電力を供給する電力供給手段３５と、真空槽１１の上部から長尺のワークＷ、Ｗ…を吊下するハンガ４１、４１…とを備えてなる（図１、図２）。
【００２１】
真空槽１１は、縦長の密閉円筒状に形成されている。真空槽１１の下部には、たとえばコンダクタンスバルブ形の絞り弁１２、開閉弁１３を介して真空ポンプ１４が連結されている。そこで、真空槽１１は、絞り弁１２、開閉弁１３を開いて真空ポンプ１４を作動させると、内部を十分な真空度に排気することができる。すなわち、絞り弁１２、開閉弁１３、真空ポンプ１４は、真空槽１１の排気系を形成している。
【００２２】
ループアンテナ３１、３１…は、それぞれ１ターンのコイル状に形成されている。ループアンテナ３１、３１…は、たとえば真空槽１１の内径ｄ＝８００ｍｍに対し、それぞれの直径Ｄ＝２５０ｍｍ、上下の間隔Ｌ＝３００ｍｍとして、真空槽１１の軸方向に等間隔に配列されている。なお、真空槽１１内には、ループアンテナ３１、３１…の外周を囲むようにして導電性のグリッド１６が組み込まれており、グリッド１６は、真空槽１１とともに接地電位に保たれている。
【００２３】
真空槽１１の上部には、ハンガ４１、４１…が搭載されている。ただし、図１において、ハンガ４１、４１…は、２個のみが図示されている。各ハンガ４１は、絶縁性のシール材４２を介して真空槽１１の上面を回転自在に、しかも気密に貫通し、真空槽１１の外部においてモータＭに連結されている。また、各ハンガ４１には、たとえば図示しないスリップリングを介して電源装置５０の出力が分岐接続されている。そこで、各ハンガ４１は、真空槽１１の上部から長尺のワークＷを真空槽１１内に吊下し、グリッド１６の外側においてループアンテナ３１、３１…の周囲にワークＷを配置するとともに、モータＭを介してワークＷを回転させることができる（図２の各矢印方向）。また、各ハンガ４１に吊下するワークＷには、電源装置５０からの正または負のバイアス電圧Ｖを印加することができる。なお、各ハンガ４１は、図２に拘らず、正逆に各１回転以上ずつ交互に回転させてもよいものとする。
【００２４】
ガス供給手段２０は、原料ガス用のボンベ２１にマスフローコントローラ２２が接続されており、マスフローコントローラ２２の出口側は、開閉弁２３、供給管路２４を介して真空槽１１の上部に接続されている。そこで、ガス供給手段２０は、開閉弁２３を開いてマスフローコントローラ２２を作動させることにより、真空槽１１の上部にボンベ２１からの原料ガスを供給することができる。すなわち、真空槽１１は、ガス供給手段２０からの原料ガスを上部から導入し、絞り弁１２、開閉弁１３、真空ポンプ１４を介して下部から排出することができる。
【００２５】
電力供給手段３５は、高周波発生器３５ａにパルス信号発生器３５ｂを付設して構成されている。高周波発生器３５ａの出力は、整合回路３６を介し、真空槽１１内のループアンテナ３１、３１…に並列接続されている。なお、高周波発生器３５ａの出力は、たとえば同軸ケーブルを介して整合回路３６に接続され、整合回路３６は、真空槽１１と一体に接地電位に接続するシールドボックス３６ａに収納されている。
【００２６】
整合回路３６は、コイルＬ１　、コンデンサＣ１　、Ｃ２　による逆Ｌ形のインピーダンスマッチング回路に対し、ループアンテナ３１、３１…の戻り側のコンデンサＣ３　を付設して構成されている。すなわち、整合回路３６は、コイルＬ１　、コンデンサＣ１　、Ｃ２　を介して高周波発生器３５ａ、ループアンテナ３１、３１…のインピーダンス整合を図るとともに、コンデンサＣ１　、Ｃ３　を介し、ループアンテナ３１、３１…の両端の対地電圧を均等に揃えることができる。一方、電力供給手段３５は、パルス信号発生器３５ｂにより高周波発生器３５ａを間欠的に作動させ、ループアンテナ３１、３１…に高周波電力を間欠的に供給して、真空槽１１内の原料ガスをプラズマ化する。
【００２７】
真空槽１１内の原料ガスは、ループアンテナ３１、３１…により間隔Ｌごとに高周波電力が投入され、真空槽１１の高さ方向Ｈに対して一様なプラズマ密度ｎを実現することができる（図３の曲線２）。ただし、図３において、曲線１、１は、間隔Ｌだけ離れた上下のループアンテナ３１、３１によるプラズマ密度ｎを示しており、曲線２は、曲線１、１の和相当のプラズマ密度ｎを示している。なお、ループアンテナ３１、３１…は、それぞれ１ターンのループアンテナにして高周波抵抗を小さくし、整合回路３６のコンデンサＣ１　、Ｃ３　を介してそれぞれの両端の対地電圧を小さくして均等に揃えることにより、真空槽１１内のプラズマのプラズマポテンシャルを低く抑えることができる。なお、真空槽１１内のグリッド１６は、プラズマ中の電子を捕獲し、ワークＷ、Ｗ…の近傍のプラズマポテンシャルを一層低くすることができる。
【００２８】
電力供給手段３５は、たとえば間欠周期Ｔ（繰返し周波数１／Ｔ≒０．１〜１０ｋＨｚ　）ごとに、作動期間Ｔａ　＝０．２５Ｔ、停止期間Ｔｂ　＝０．７５Ｔにより高周波電力を間欠的にループアンテナ３１、３１…に供給する（図４）。作動期間Ｔａ　は、プラズマポテンシャルが過大にならないように設定し、停止期間Ｔｂ　は、プラズマ中のイオンの消滅時間より短く、プラズマ中の電子の消滅時間より長く設定する。
【００２９】
かかるワークの表面処理装置は、たとえば次のようにして作動する。
【００３０】
真空槽１１内のハンガ４１、４１…にそれぞれ長さ１ｍの軟鋼材のワークＷを吊下し、ガス供給手段２０からのアルゴン（Ａｒ　）、テトラメチルシラン（Ｓｉ　（ＣＨ_３　）_４　、ＴＭＳ）、アセチレン（Ｃ_２　Ｈ_２　）を切り替えて、原料ガスとして真空槽１１に導入する（図５）。ただし、アルゴンを導入する期間、テトラメチルシランだけを導入する期間、テトラメチルシランをアセチレンに切り替える期間、アセチレンだけを導入する期間をそれぞれ第１工程Ｓ１　、第２工程Ｓ２　、第３工程Ｓ３　、第４工程Ｓ４　とする。なお、第１工程Ｓ１　〜第４工程Ｓ４　において、真空槽１１の到達真空度１．０×１０^−３Ｐａ、電力供給手段３５からの高周波電力１００Ｗ、間欠周期Ｔ＝０．１ｍｓ（繰返し周波数１／Ｔ＝１０ｋＨｚ　）とし、電源装置５０からのバイアス電圧Ｖ＝−２．５ｋＶとする。また、各ワークＷは、対応するハンガ４１を介し、連続的に回転させておく。
【００３１】
第１工程Ｓ１　において、原料ガスとしてアルゴン４０ｓｃｃｍを真空槽１１内に導入し、真空槽１１の内圧０．３Ｐａに維持すると、真空槽１１内においてアルゴンがプラズマ化され、アルゴンイオンボンバードにより、ワークＷの表面の腐食層などを除去するとともに、ワークＷの加熱脱ガスを行なうことができる。
【００３２】
第２工程Ｓ２　において、真空槽１１内に導入する原料ガスをテトラメチルシラン３０ｓｃｃｍに変更し、真空槽１１の内圧０．３Ｐａにすると、ワークＷの表面にＳｉ　Ｃの中間層Ｆ１　を形成することができる（図６）。
【００３３】
第３工程Ｓ３　において、テトラメチルシランをアセチレンに段階的に切り替える。ただし、テトラメチルシランは、たとえば１分ごとに５ｓｃｃｍずつ減少させ、アセチレンは、１分ごとに１５ｓｃｃｍずつ増加させ、最終的にテトラメチルシラン０ｓｃｃｍ、アセチレン９０ｓｃｃｍとする。なお、テトラメチルシラン、アセチレンは、それぞれ連続的に減少させ、増加させてもよい。このとき、ワークＷの中間層Ｆ１　上には、シリコン組成比Ｓｉ　／Ｃが漸減する転位層Ｆ２　を形成することができる。
【００３４】
第４工程Ｓ４　において、真空槽１１にアセチレン１５０ｓｃｃｍを導入し、真空槽１１の内圧０．４Ｐａにすると、ワークＷの転位層Ｆ２　上に非晶質のダイヤモンドライクカーボン膜Ｆ３　を形成することができる。
【００３５】
このように、第１工程Ｓ１　〜第４工程Ｓ４　を経ると、ワークＷの表面に中間層Ｆ１　、転位層Ｆ２　、ダイヤモンドライクカーボン膜Ｆ３　からなる薄膜Ｆを形成することができる。なお、薄膜Ｆの品位の一例を図７にまとめて示す。すなわち、ワークＷの長手方向において、薄膜Ｆの膜厚の差異は１５％以下であり（図７（Ａ））、薄膜Ｆの硬度の偏差は殆どなく（同図（Ｂ））、ワークＷの全長に亘って均一な薄膜Ｆを形成することができた。ただし、同図において、第ｉ軸（ｉ＝１、２…）とは、図２の各ハンガ４１を指している。
【００３６】
なお、第１工程Ｓ１　において、バイアス電圧Ｖ＞０とすれば、アルゴンイオンボンバードに代えて、電子照射によるワークＷのクリーニング、脱ガス処理が可能である。ただし、このときのバイアス電圧Ｖは、直流に代えて、パルス状とすることにより、電子照射効果を向上させることができる。
【００３７】
【他の実施の形態】
真空槽１１は、間隔Ｌ≦１．２〜１．５Ｄごとに多数のループアンテナ３１、３１…を上下多段に収納することにより、全長を任意に大きくして一層長尺のワークＷに対応させることができる（図８）。なお、このときの真空槽１１には、上部の原料ガスの供給管路２４、絞り弁１２、開閉弁１３、真空ポンプ１４からなる下部の排気系に加えて、これらの組を中間の高さ位置にも付加することによって、真空槽１１の高さ方向、すなわちワークＷの長手方向のプラズマ密度の均一性を向上させることができる。また、ループアンテナ３１、３１…は、並列接続する一群の最大距離Ｌｍ　＝（ａ−１）Ｌ≦λ／１０となるようにグループ分けし、個別の整合回路３６に対応させることが好ましい。最大距離Ｌｍ　＞λ／１０になると、共通の整合回路３６に並列接続する各ループアンテナ３１の励振位相を実質的に同一に揃えることが難しくなるからである。ただし、上式において、ａは、並列接続する一群のループアンテナ３１、３１…の個数、λは、電力供給手段３５からの高周波電力の波長であり、図８は、ａ＝６として図示されている。
【００３８】
なお、図８において、電力供給手段３５は、整合回路３６ごとに高周波発生器３５ａを設けている。高周波発生器３５ａ、３５ａは、位相差検出回路３５ｃを介して整合回路３６、３６の出力側の位相差δを検出することにより、位相差δ＝０となるようにそれぞれが発生する高周波電力の位相合せ制御が行なわれている。
【００３９】
以上の説明において、原料ガスは、ワークＷに加える改質処理内容によって、任意に選定することができる。すなわち、この発明は、長尺のワークＷに対する任意の膜厚、膜質のコーティング処理の他、窒化、浸炭等を含む任意の改質処理に適用することができ、ワークＷの表面形状に拘らず、ワークＷの全長に亘って均一な改質処理を実現することができる。
【００４０】
なお、真空槽１１内のグリッド１６は、電力供給手段３５からの高周波電力をループアンテナ３１、３１…に間欠的に供給することにより、必要十分に大きなプラズマ密度、小さいプラズマポテンシャルが得られるときは、これを省略することができる。図８の中間の高さ位置の原料ガスの供給管路２４、排気系の組についても、全く同様であり、その一部または全部を省略することが可能である。
【００４１】
また、この発明は、処理中のワークＷの温度上昇を極少に抑えることができるため、軟鋼材やステンレス材の改質処理にも極めて好適である。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、この出願に係る第１発明によれば、縦長の真空槽内に上下複数段に配列するループアンテナに高周波電力を供給し、真空槽の上部から供給する原料ガスをプラズマ化し、真空槽の上部から吊下するワークを改質処理することによって、真空槽内の高さ方向のプラズマ密度を均一にすることができるから、長尺のワークの全長に亘り、その表面を均一に改質処理することができるという優れた効果がある。
【００４３】
第２発明によれば、縦長の真空槽と、ガス供給手段と、複数のループアンテナと、電力供給手段と、ワークを吊下するハンガとを設けることによって、第１発明を容易に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】全体構成模式系統図
【図２】図１の要部横断面図
【図３】動作説明線図（１）
【図４】動作説明線図（２）
【図５】動作説明線図（３）
【図６】薄膜の構成断面図
【図７】薄膜の品位データ図表
【図８】他の実施の形態を示す図１相当図
【符号の説明】
Ｗ…ワーク
１１…真空槽
１６…グリッド
２０…ガス供給手段
３１…ループアンテナ
３５…電力供給手段
３６…整合回路
４１…ハンガ

Claims

真空槽に収容する長尺のワークを表面処理するに際し、縦長の真空槽の上部から原料ガスを供給し、真空槽内に上下複数段に配列するループアンテナに高周波電力を供給して原料ガスをプラズマ化し、真空槽の上部から吊下してループアンテナの周囲に配置するワークを改質処理することを特徴とするワークの表面処理方法。
ループアンテナの周囲に複数のワークを配置することを特徴とする請求項１記載のワークの表面処理方法。
ワークを回転させることを特徴とする請求項１または請求項２記載のワークの表面処理方法。
縦長の真空槽と、該真空槽に原料ガスを供給するガス供給手段と、前記真空槽内に上下複数段に配列するループアンテナと、該ループアンテナに高周波電力を供給する電力供給手段と、前記真空槽の上部から長尺のワークを吊下して前記ループアンテナの周囲に配置するハンガとを備えてなり、前記ループアンテナからの高周波電力により原料ガスをプラズマ化してワークを改質処理することを特徴とするワークの表面処理装置。
前記真空槽内には、前記ループアンテナとワークとの間に介装するグリッドを設けることを特徴とする請求項４記載のワークの表面処理装置。
前記電力供給手段は、高周波電力を間欠的に供給することを特徴とする請求項４または請求項５記載のワークの表面処理装置。
前記電力供給手段、ループアンテナの間には、該ループアンテナの両端の対地電圧を均等に揃える整合回路を介装することを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか記載のワークの表面処理装置。