JP2004031461A - プラズマ表面処理方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来法と同等の表面処理効果を有し、被処理物から放出される２次電子による強いＸ線の発生の軽減と電力効率の良いプラズマ表面処理法及び装置を提供する。
【解決手段】接地された真空容器１１の内部に、プラズマ発生用電源１６、プラズマ発生用アンテナ又は電極１５によってプラズマ１２を発生させる。接地電位にある導電性の支持体又は運動・移動機構１９に支持された被処理物１０がこのプラズマ１２の中に浸される。真空容器１１内に正パルスバイアスを印加するための電極（陽極）２０を真空フィードスルー１７を介して挿入する。更に、陽極２０はパルス発生器１８に接続される。パルス発生器１８から被処理物１０に対して正のパルス電圧を印加すると、プラズマ１２と被処理物１０の間にイオンシース１３が形成され、被処理物１０の表面全体をほぼ一様に覆い、プラズマ内の正イオン１４はシース内の電界で加速され、被処理物１０の表面に達する。
【選択図】 図２
【解決手段】接地された真空容器１１の内部に、プラズマ発生用電源１６、プラズマ発生用アンテナ又は電極１５によってプラズマ１２を発生させる。接地電位にある導電性の支持体又は運動・移動機構１９に支持された被処理物１０がこのプラズマ１２の中に浸される。真空容器１１内に正パルスバイアスを印加するための電極（陽極）２０を真空フィードスルー１７を介して挿入する。更に、陽極２０はパルス発生器１８に接続される。パルス発生器１８から被処理物１０に対して正のパルス電圧を印加すると、プラズマ１２と被処理物１０の間にイオンシース１３が形成され、被処理物１０の表面全体をほぼ一様に覆い、プラズマ内の正イオン１４はシース内の電界で加速され、被処理物１０の表面に達する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は被処理物の表面物性を物理的ないし化学的に改質するプラズマ表面処理法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプラズマ表面処理手段について、図１１にその原理の概要を説明する。また、図１２は図１１の真空容器と被処理物との間の電位分布を模式的に表したものである。図１１において、接地された真空容器２の内部に、別に設けられたプラズマ発生用電源７及びプラズマ発生用アンテナ又は電極６によってプラズマ３を発生させる。プラズマ発生法としては、熱陰極を用いた直流アーク放電、高周波容量結合放電、高周波誘導結合放電、マイクロ波放電、ＥＣＲ放電等が用いられる。
【０００３】
導電性の支持体に支持された被処理物１がこのプラズマの中に浸される。支持体は被処理物に電圧電流を供給するための真空フィードスルー８を介して真空容器外のパルス発生器９に接続される。パルス発生器９は、パルスの振幅、時間幅、繰り返し周波数が可変であり、負電圧パルスを連続して発生することができる。更に、パルスの立ち上がり時間ないしは立ち下がり時間等の波形を制御することも行われる。
【０００４】
真空フィードスルー８は真空容器壁を貫通して、内部の被処理物１と支持体を支えるのに必要十分な強度と電気伝導性を有するものであり、かつプラズマ３ないし真空容器２とは電気的絶縁を保つために、絶縁処理が施されているものである。
【０００５】
パルス発生器９から被処理物１に対して負のパルス電圧を印加すると、プラズマ３と被処理物１の間にイオンシース４が形成される。イオンシース４は被処理物１の表面全体をほぼ一様に覆うことを特徴とする。プラズマ中の電荷Ｑクーロンの正イオン５はイオンシース４内の電界で加速され、印加された電圧Ｖボルトにほぼ等しい運動エネルギーＱＶジュールを持って被処理物１の表面に達する。
【０００６】
ここで、印加パルス電圧が数百ボルト乃至数千ボルトのときは、正イオン５は被処理物１の表面に堆積して被膜を形成し、被処理物１の表面を改質する。これをイオンプレーティング法と呼んでいる。印加パルス電圧が２０キロボルト乃至１００キロボルトのときは、正イオン５が被処理物１の内部に注入され、被処理物１の表面を改質する。これをプラズマイオン注入法と呼んでいる。イオンプレーティング法とプラズマイオン注入法とを合わせてプラズマ表面処理法と称する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１１に示されるように、真空フィードスルー８及び支持体を介して被処理物１に、直接、負バイアスを加える従来法は、真空容器２内の被処理物１を外部から運動又は移動させることが困難であった。従って、表面処理が終了するごとに真空を破って（容器内を大気圧に戻して）被処理物１を取り出し、次の未処理物を設置して真空排気する、所謂、バッチ処理形態が主であって、連続一貫処理形態でないために表面処理の生産性が低かった。（課題１）
【０００８】
また、被処理物１の表面や内部にイオンエネルギーあるいはイオン照射量等を計測する測定器を設置すること、又は被処理物１の表面、内部あるいは周辺に異なるイオン種を発生するための補助プラズマ源を設置することについては、前者においては、表面処理過程を監視あるいは制御して処理品質を保証するために、後者においては、複数のイオンを用いた表面処理を可能にする等のために、極めて有用であるが、従来法では、被処理物１に、直接、負のパルスバイアスを印加し、従って被処理物１の電位が時間的に変動するので、これらのことは極めて困難であった。（課題２）
【０００９】
従来法のうち、被処理物１に対して２０キロボルト乃至１００キロボルトの負のパルスバイアスを加えるプラズマイオン注入法では、イオンの衝撃によって、被処理物１の表面から１乃至１０の２次電子が発生し、これらの２次電子はシースの電界で印加電圧に対応する運動エネルギーまで加速され、真空容器２の壁を衝撃し、強いＸ線と熱を発生した。このＸ線は作業環境の安全上極めて有害であった。米国ジェッセ・エヌ・マトッシアンの発明（特開平７ー１６９４３７号公報参照）では、被処理物と容器壁との間に導電性の包囲体を設け、被処理物と同じ負パルスバイアスを印加する。そして、発生した２次電子を包囲体で反射してＸ線の発生を防止する。しかしながら、大型の包囲体を真空中に固定して、しかも高電圧パルスが印加できるように絶縁処理を施すことは、実用装置としてはいかにも煩雑である。（課題３）
【００１０】
そして、上記課題３で発生する２次電子は、同時に、負電圧パルス発生器が供給する電力の内、多くの割合を消費し、かつ２次電子が消費するこれらの電力は、何ら表面処理効果に寄与しないので、表面処理法及び装置全体の電力効率を著しく低下させる問題があった。（課題４）
【００１１】
そこで本発明は、上記課題を解決するために、被処理物を常に接地電位に保ちながら、従来法と同等の表面処理効果を得ることができ、同時に被処理物から放出される２次電子による強いＸ線の発生及び電力効率の低下を著しく軽減することのできる、プラズマ正パルスバイアスを特徴とするプラズマ表面処理法及び装置（以下、「正パルスバイアス法及び装置」と略称する）を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るプラズマ表面処理法は、接地電位に保たれた被処理物の周囲に正電位にバイアスされたプラズマを発生させ、前記被処理物とプラズマとの間にパルス電圧を加えることにより前記被処理物とプラズマとの間にイオンシースを形成させ、プラズマ内の正イオンをイオンシース内の電界によって加速し、前記被処理物の表面に堆積させることにより、あるいは前記被処理物の内部にイオン注入させることによって、被処理物の表面物性を物理的ないし化学的に改質するように構成した。
【００１３】
こうして、被処理物を常に接地電位に保ち、プラズマを正電位にパルスバイアスすることによって、従来法と同等の処理効果を確保しながら、新規な有用効果を発現させることができるものであり、被処理物が容器と同じ接地電位にあるので、支持機構を大いに簡素化できるので、装置の設計・製作・維持が容易になる。また、被処理物の表面や内部にイオンエネルギー又はイオン照射量等を計測する測定器を設置することが可能になる。更に、被処理物の表面、内部又は周辺に異なるイオン種を発生するための補助プラズマ源を設置することが可能になる。
【００１４】
本発明の請求項２に係るプラズマ表面処理法は、接地電位に保たれた被処理物の周囲に正電位にバイアスされたプラズマを発生させ、前記被処理物とプラズマとの間にパルス電圧を加えることにより前記被処理物とプラズマとの間にイオンシースを形成させ、プラズマ内の正イオンをイオンシース内の電界によって加速し、前記被処理物の表面に堆積させることにより、あるいは前記被処理物の内部にイオン注入させることによって、被処理物の表面物性を物理的ないし化学的に改質し、前記被処理物の周囲に接地電位の包囲体を設けて、Ｘ線の抑制と前記被処理物の表面処理の電力効率を向上するように構成した。
【００１５】
本発明の請求項３に係るプラズマ表面処理法は、接地電位に保たれた被処理物の周囲に正電位にバイアスされたプラズマを発生させ、前記被処理物とプラズマとの間にパルス電圧を加えることにより前記被処理物とプラズマとの間にイオンシースを形成させ、プラズマ内の正イオンをイオンシース内の電界によって加速し、前記被処理物の表面に堆積させることにより、あるいは前記被処理物の内部にイオン注入させることによって、被処理物の表面物性を物理的ないし化学的に改質し、前記被処理物の周囲に接地電位の包囲体を設け、かつ前記包囲体の一部又は全部を絶縁体とするか、又は包囲体の一部又は全部に絶縁処理を施すことにより、Ｘ線の抑制と前記被処理物の表面処理の電力効率を向上するように構成した。
【００１６】
こうして、被処理物の周囲に接地電位の包囲体を設けることにより、被処理物の表面から放出される２次電子の量やエネルギーを減少させる効果があるため、有害なＸ線の発生量を低く抑えることができると共に、２次電子はパルス発生器が供給する電力のかなりの部分を消費し、電力効率を低下させる問題があったが、この電力効率の改善にも寄与することができる。
【００１７】
本発明の請求項４に係るプラズマ表面処理法は、請求項１乃至請求項３記載のプラズマ表面処理において、真空容器内に設置された接地電位の移送手段により、一方から未処理物を連続的に供給し、中間部で当該プラズマ表面処理を施し、他方から既処理物を連続的に取り出され、連続一貫プラズマ表面処理を行なうように構成した。
【００１８】
こうして、被処理物を移送する手段と、被処理物の段階に応じた処理を導入することによって、連続一貫プラズマ表面処理プロセスを構成することが容易になる。
【００１９】
本発明の請求項５に係るプラズマ表面処理装置は、接地された真空容器と、該真空容器の内部に導電性の支持体又は運動・移動機構に支持されて配置され接地電位にある被処理物と、前記真空容器の内部に正電位にバイアスされたプラズマを発生させるプラズマ発生用電源及びプラズマ発生用アンテナ又は電極とから構成した。
【００２０】
こうして、被処理物を常に接地電位に保ち、プラズマを正電位にパルスバイアスすることによって、従来法と同等の処理効果を確保できるものであり、被処理物が容器と同じ接地電位にあるので、支持機構を大いに簡素化できるので、装置の設計・製作・維持が容易になる。また、被処理物の表面や内部にイオンエネルギー又はイオン照射量等を計測する測定器を設置することが可能になる。更に、被処理物の表面、内部又は周辺に異なるイオン種を発生するための補助プラズマ源を設置することが可能になる。
【００２１】
本発明の請求項６に係るプラズマ表面処理装置は、接地された真空容器と、該真空容器の内部に導電性の支持体又は運動・移動機構に支持されて配置され接地電位にある被処理物と、前記真空容器の内部に正電位にバイアスされたプラズマを発生させるプラズマ発生用電源及びプラズマ発生用アンテナ又は電極とからなり、前記被処理物の周囲を覆う接地電位の導電性包囲体を設けた構成した。
【００２２】
本発明の請求項７に係るプラズマ表面処理装置は、接地された真空容器と、該真空容器の内部に導電性の支持体又は運動・移動機構に支持されて配置され接地電位にある被処理物と、前記真空容器の内部に正電位にバイアスされたプラズマを発生させるプラズマ発生用電源及びプラズマ発生用アンテナ又は電極とからなり、前記被処理物の周囲を覆う接地電位の絶縁性の包囲体を設けた構成した。
【００２３】
こうして、被処理物の周囲に接地電位の包囲体を設けることにより、被処理物の表面から放出される２次電子の量やエネルギーを減少させる効果があるため、有害なＸ線の発生量を低く抑えることができると共に、２次電子はパルス発生器が供給する電力のかなりの部分を消費し、電力効率を低下させる問題があったが、この電力効率の改善にも寄与することができる。
【００２４】
本発明の請求項８に係るプラズマ表面処理装置は、被処理物の据え付け用、処理用、取り出し用の３つの接地された真空容器と、該各真空容器の内部に前記被処理物を移送する移送機構、前記被処理物を前記各真空容器中に接地電位の状態で支持する導電性の支持機構と、前記真空容器の内部に正電位にバイアスされたプラズマを発生させるプラズマ発生用電源及びプラズマ発生用アンテナ又は電極とからなり、連続一貫プラズマ表面処理を行なうように構成した。
【００２５】
こうして、被処理物を移送する手段と、被処理物の段階に応じた処理を導入することによって、連続一貫プラズマ表面処理プロセス装置を構成することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本願発明者は、上述の課題を解決するために鋭意研究の結果、プラズマ内に適切な面積を有する電極（以下、「陽極」という）を新たに挿入し、これに正のパルス電圧を印加すると、プラズマ電位が陽極電圧とともに上昇し、接地電位にある被処理物との間にイオンシースが形成されること、その結果、プラズマ内の正イオンが被処理物表面に向かって加速され、従来技術と同等の表面処理効果が達成されること、一方、本発明の方式では、上述の課題１乃至４が原理的に解決されることを知見し、この知見に基づいて本発明のプラズマ表面処理方法及び装置を達成したものである。
【００２７】
即ち、本発明は、被処理物の周囲にプラズマを発生させ、更に被処理物とプラズマとの間にパルス電圧を加え、それによって被処理物とプラズマとの間にイオンシースを形成させ、プラズマ内の正イオンをイオンシース内の電界によって加速して、被処理物の表面に堆積させることにより、あるいは電圧が十分高い場合には、被処理物の内部にイオン注入させることによって、被処理物の表面物性を物理的ないしは化学的に改質するプラズマ表面処理法及び装置に関し、特に、被処理物を常に接地電位（ゼロボルト）に保ち、プラズマを正電位にバイアスすることによって、従来法と同等の処理効果を確保しながら、同時に新規な有用効果を発現させることを特徴とする表面処理方法及び装置を提供するものである。
【００２８】
まず、本願発明の基礎となる、プラズマ正パルスバイアスの理論モデル及び正パルスバイアス印加の条件について説明する。図１は、面積ＳＡ（厳密には、プラズマに接する面積）の陽極と、面積ＳＫ（同様に、プラズマに接する面積）の陰極をプラズマ内に配置し、両電極間に直流電圧Ｖを加えた時の電極間の電位分布Ｖ（ｚ）（上図）と回路に流れる電流Ｉ（下図）を示したものである。
【００２９】
図１は、プラズマ診断の際に多用される静電プローブの中でも、非対称ダブルプローブのモデルと等価であることに注目すべきである。この時、プラズマ電位Ｖｐ は陽極電圧Ｖと同等か、又はその電圧Ｖよりも電子温度Ｔｅ（但し、電圧に換算したもの）の数倍程度高くなる傾向がある。同時に、陰極の前面にイオンシースが形成され、電源電圧の殆ど全てがこのイオンシースにかかる傾向がある（これを特に陰極降下という）。電極近傍を除くプラズマ全体は、等しい電位Ｖｐ になる傾向がある。その理由は電子がイオンに比べて極めて質量が小さく、かつ移動性が高いことによる。即ち、プラズマの特性に基づいている。
【００３０】
陽極電流ＩＡ（Ａ）は、電子の流入によるもので、電子電流密度Ｊｅ（Ａ／ｍ２）、プラズマ密度ｎ（ｍ−３）、電子の平均速度ｖｅ（ｍ／ｓ）、ボルツマン定数ｋ＝１．３８×１０−２３Ｊ／Ｋ、電子温度Ｔｅ（Ｋ）、電子電荷ｅ（Ｃ）、電子質量ｍ（ｋｇ）、電子飽和電流Ｉｅｓ（Ａ）を用いて次の（１）式のように、
【数１】
と表される。
【００３１】
また、陰極電流ＩＫ は、正イオンの流入とイオンの衝撃によって陰極から放出される２次電子流とから成り、イオン飽和電流密度Ｊｉｓ（Ａ／ｍ２）、２次電子電流密度Ｊｓｅ 、被処理物の２次電子放出係数γ、イオン質量ｍｉ（ｋｇ）、ボーム速度ｕＢ（ｍ／ｓ）を用いて、（２）式のように、
【数２】
ＩＫ ＝ＳＫ（Ｊｉｓ＋Ｊｓｅ）＝ＳＫ（１＋γ）Ｊｉｓ＝ＳＫ（１＋γ）０．６ｅｎｕＢ ・・（２）
と表される。
【００３２】
ここで、γはイオンの種類とエネルギーＥ（ｅＶ）、そして被処理物の材質や表面状態で変わるが、エネルギーが概ね１ｋＶを超えると、
【数３】
γｏαＥ１／２ ・・・・（３）
と近似できる。γの例は文献（例えば、Ｍ．Ｍ． Ｓｈａｍｉｎ， Ｊ．Ｔ． Ｓｃｈｅｕｅｒ， Ｒ．Ｐ． Ｆｅｔｈｅｒｔｏｎ ａｎｄ Ｊ．Ｒ． Ｃｏｎｒａｄ： Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．， ７０，４７５６（１９９１））に記されている。
【００３３】
回路の電流連続から、
【数４】
ＩＡ ＝ＩＫ ＝Ｉ ・・・・（４）
である。
【００３４】
従って、式（１），（２）を式（４）に代入すると、
【数５】
が導かれる。
【００３５】
プラズマ電位Ｖｐが陽極電圧Ｖより常に高くなる条件は、Ｖｐ−Ｖ＞０、から、
【数６】
又は、
【数７】
と求められる。こうして、正パルスバイアスを印加するための陽極面積ＳＡ の下限が決定された。
【００３６】
次に、本発明を実施するための基本構成と動作を、前述の従来技術（図１１及び図１２を参照）と対比させて、図２の装置構成とび図３の被処理物の周囲のイオンシース形成と電位分布図を用いて説明する。図２において、接地された真空容器１１の内部に、別に設けたプラズマ発生用電源１６及びプラズマ発生用アンテナ又は電極１５によってプラズマ１２を発生させる。プラズマ発生法は、熱陰極を用いた直流アーク放電、高周波容量結合放電、高周波誘導結合放電、マイクロ波放電、ＥＣＲ放電等が用いられる。
【００３７】
導電性の支持体又は運動・移動機構１９に支持されるか、直接容器の底部に置かれた被処理物１０がこのプラズマ１２の中に浸される。被処理物１０及び支持体等１９は接地電位にある。被処理物１０のプラズマに接する面積をＳＴ、真空容器壁のプラズマに接する面積をＳＷ と表すと、陰極面積はＳＫ は、
【数８】
ＳＫ ＝ＳＴ ＋ＳＷ ・・・・（８）
と表される。（尚、被処理物１０と真空容器１１の間に、接地電位の導電性包囲体を設ける場合がある。この時は、包囲体のプラズマに接する面積がＳＷ となる。更に、真空容器壁又は包囲体の一部が絶縁体で覆われるとき、覆われていない残りの面積がＳＷ となる。）
【００３８】
次に、真空容器１１内に正パルスバイアスを印加するための電極（陽極）２０を真空フィードスルー１７を介して挿入する。陽極面積ＳＡ は式（６）又は式（７）を満たすように設定される。更に、陽極２０は真空容器１１外で正の電圧パルスを発生するパルス発生器１８に接続される。パルス発生器１８は、パルスの振幅、時間幅、繰り返し周波数が可変であり、正電圧パルスを連続して発生することができる。更に、パルスの立ち上がり時間あるいは立ち下がり時間等の波形を制御することも行われる。
【００３９】
パルス発生器１８から被処理物１０に対して正のパルス電圧を印加すると、プラズマ１２と被処理物１０の間にイオンシース１３が形成される。イオンシース１３は被処理物１０の表面全体をほぼ一様に覆うことを特徴とする。プラズマ内の電荷Ｑの正イオン１４はイオンシース内の電界で加速され、印加された電圧Ｖにほぼ等しい運動エネルギーＱＶを持って被処理物１０の表面に達する。
【００４０】
ここで、印加パルス電圧が数百ボルト乃至数千ボルトの時は、正イオン１４は被処理物１０の表面に堆積して被膜を形成し、被処理物１０の表面を改質する、所謂、イオンプレーティング法となり、印加パルス電圧が２０キロボルト乃至１００キロボルトの時は、正イオン１４が被処理物１０の内部に注入され、被処理物１０の表面を改質する、所謂、プラズマイオン注入法となる。
【００４１】
本願発明によって、上述の課題１乃至課題４がどのように解決されるかを説明する。正パルスバイアス法および装置では、被処理物１０は真空容器１１と同じ接地電位におかれるので、まず課題１及び課題２が解決する。真空容器１１内に設置された、これも接地電位の運動・移動機構１９を利用して、一方から未処理物を連続的に供給し、中間部で当該プラズマ表面処理を施し、他方から既処理物を連続的に取り出され、連続一貫プラズマ表面処理プロセスが構成できる。これによって表面処理の生産性が著しく向上する。
【００４２】
本願発明による方式では、接地電位の被処理物の表面から放出された２次電子は、同じく接地電位の真空容器の壁にほぼ速度ゼロで吸収されるか、あるいは反射されてプラズマ中を往復運動する。この間、２次電子はプラズマ内の電子やイオンと衝突を繰り返し、徐々に減速する。２次電子が発生するＸ線の強度は極めて弱いものになる。
【００４３】
従って、Ｘ線の遮蔽等は全く必要なくなるか、あるいは軽微なもので良いことになる。こうして、上記課題３は解決される。前記したマトッシアン特許では、被処理物と同じに負パルスバイアスされた包囲体を導入するが、本願発明では真空容器自体がすでに包囲体となって、Ｘ線の発生を抑止する。しかし、被処理物の周囲に接地電位の包囲体を設置すればさらに有効である。何故ならば、このとき式（８）より、面積ＳＷ と面積ＳＫ が減少するので、正パルスバイアス印加のための条件、式（６）又は式（７）が容易に満たされるようになり、同時に、回路電流が減少するので、表面処理の電力効率が向上する。
【００４４】
更に、包囲体の一部又は全部を絶縁体（セラミックスなど）に置き換えるか、又は包囲体の一部又は全部に絶縁処理（セラミックスコーティングなど）を施せば、ＳＷ をいっそう減少させることができるので、Ｘ線の抑制効果および電力効率はさらに高まる。こうして、上記課題４が解決される。
【００４５】
次に本発明の第１の実施形態について図４を参照して説明する。これはプラズマ正パルスバイアス法の原理を実証するために実施した、基礎実験の構成である。ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製真空容器（接地電位）の下部から直径６ｃｍの円板ターゲット陰極（ＳＵＳ３０４，ＳＴ＝２８ｃｍ２ ）を挿入する。真空容器の上部には、直径７ｃｍの石英管が取り付けられている。
【００４６】
マスフローコントローラ（図示せず）を介してアルゴンガスが導入され、バラトロン真空計（図示せず）で常に０．１ｐａの圧力に調整される。石英管の外側にはループアンテナが巻かれ、１４０ＭＨｚ、２０Ｗの高周波電力を供給して、アルゴンの誘導放電プラズマが生成される。石英管の上部には、真空フィードスルーを介して直径３ｃｍの陽極（ＳＡ＝７ｃｍ２）が導入される。陽極もＳＵＳ３０４製で、裏面はセラミックスで絶縁されている。
【００４７】
常にプラズマに接する陽極表面には、しばしば絶縁性の酸化膜が形成されることがある。酸化膜が形成されると、陽極面積が減少するので正パルスバイアスがかかりにくくなるので、陽極材料を選ぶことは重要である。金や白金などを蒸着すると、表面が酸化されにくくなる。あるいは、正電圧パルス発生器に−３００Ｖ乃至−５００Ｖの直流電圧を重畳すると、パルスとパルスの間に陽極に負電圧がかかって、正イオン（ここでは、アルゴンイオン）が陽極表面を衝撃し、スパッタリング作用によって酸化膜を除去するか、膜の堆積を抑止することができる。
【００４８】
正パルスバイアス印加の条件を実験的に調べるには、面積ＳＷ を変化できることが重要がある。そのために、真空容器内面の一部又は全部を絶縁材のマイラーで覆った。絶縁材で覆われた面には電流が流れないので、これを除く残りの面がＳＷ を決める。
【００４９】
そして、ＳＷ は次のようにして求められる。式（４）は式（９）のように、
【数９】
Ｉ＝ＩＡ ＝ＩＫ ＝ＩＴ＋ＩＷ ＝ＳＴＪｉｓ ＋ＳＷＪｉｓ ・・・・（９）
と書き換えられる。ＩＡ，ＩＴは同時に測定できるので、ＩＷ がＩＷ ＝ＩＡ−ＩＴとして求まる。ＳＴ は既知であるから、結局、ＳＷ ＝ＳＴ（ＩＷ／ＩＴ）としてＳＷ が求まる。
【００５０】
本実施例では、２つのケースを比較した。ケース１は、ＳＫ ＝３１１ｃｍ２，ＳＫ／ＳＡ＝４４であり、ケース２は、絶縁材を全て除去した場合で、ＳＫ ＝２５８０ｃｍ２，ＳＫ／ＳＡ＝３６８である。一方、正パルスバイアスが印加されるための理論的条件は、式（６）から、１０ｋｅＶのアルゴン正イオン（Ａｒ＋）として、経験値を用いると、
【数１０】
ＳＫ ／ＳＡ ＜４５ ・・・・（１０）
となり、ケース１は条件を満たすが、ケース２は満たさないことになる。
【００５１】
図５は、上記ケース１（図５Ａ），ケース２（図５Ｂ）について、１０ｋＶ，５μｓの正電圧パルスを印加した場合の高電圧パルスモジュレータ出力、陽極電圧、プラズマ内（ターゲット面から１３ｃｍ）のフローティング電位の測定結果を示したものである。
【００５２】
ケース１では、陽極に１０ｋＶの電圧が印加され、プラズマ中のフローティング電位も８．５ｋＶに達している。プラズマ電位はフローティング電位より常に正になることを考慮すると、プラズマに正パルスバイアスが印加されていることがわかる。一方、ケース２では、陽極電圧、フローティング電位ともに小さい。
【００５３】
また、このとき陽極に大電流が観測されている。即ち、ケース２ではプラズマにブレークダウン（絶縁破壊）が発生し、パルスバイアスが印加できない。このことは、面積比をいくつか変化させた実験において、正パルスバイアス印加の条件として、式（６）又は式（７）の妥当性が証明されている。
【００５４】
次に、ターゲット陰極表面からの距離とフローティング電位の関係を図６に示す。プラズマ中では電位が一定で、陰極付近にのみ電位勾配がある。ここにイオンシースが形成されていることがわかる。図７は陽極への正パルス入力電圧とフローティング電位の関係で，電位は入力電圧に比例して増加している．
【００５５】
次に、本発明の第２の実施形態を図８に示す。図中、図２と同一物には同じ符号を付している。この実施形態は、被処理物１０の周囲を接地電位の導電性包囲体２１で覆い、被処理物１０からの２次電子を反射して、結果的にＸ線の発生量を減少させ、かつ電力効率を向上させた例である。
【００５６】
また、本発明の第３の実施形態を図９に示す。図中、図８と同一物には同じ符号を付している。この実施形態は、被処理物１０の周囲を絶縁性の包囲体（セラミックスなど）２２で覆い、Ｘ線の発生量と電力効率を第２の実施形態のものより更に向上させた例である。
【００５７】
但し、金属元素によるイオンプレーティングやイオン注入処理の場合、これらが包囲体にも付着すると表面は導電性となるが、この場合でも、包囲体全体は容器壁から絶縁されているので（あるいは絶縁されるような設計が十分可能なので）、Ｘ線の抑制効果、電力効率の向上を期待できる。
【００５８】
更に、本発明の第４の実施形態を図１０に示す。図中、１０ａは未処理物（原料）、１０ｂは被処理物（表面処理中）、１０ｃは既処理物（製品）、１１ａは真空容器（据え付け・粗排気用）、１１ｂは真空容器（処理室）、１１ｃは真空容器（取り出し用）、１２はプラズマ、１５はプラズマ発生用アンテナ又は電極、１６はプラズマ発生用電源、１７は真空フィードスルー、１８は正電圧パルス発生器又は正電圧パルスモジュレータ、２０は正パルスバイアス印加電極（陽極）、２３は移送機構、２４は支持機構、２５ａは据え付け室ハッチ、２５ｂは処理室入口ハッチ、２５ｃは処理室出口ハッチ、２５ｄは取り出し室ハッチ、２６は真空ポンプである。
【００５９】
この実施形態は、真空容器１１内に被処理物１０の運動機構又は移送機構２３を導入して、処理を順次に行なうことにより、連続一貫プラズマ表面処理プロセスを構成する実施形態である。このことによりプラズマ表面処理の著しい生産性向上を期待できる。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように本発明のプラズマ表面処理方法及び装置は、被処理物を常に接地電位に保ち、プラズマを正電位にパルスバイアスすることによって、従来法と同等の処理効果を確保しながら、同時に新規な有用効果を発現させることができるものであり、被処理物が容器と同じ接地電位にあるので、支持機構を大いに簡素化できるので、装置の設計・製作・維持が容易になる。また、被処理物を運動又は移送する機構を導入することによって、連続一貫プラズマ表面処理プロセスを構成することが容易になる。
【００６１】
また、被処理物の表面や内部にイオンエネルギー又はイオン照射量等を計測する測定器を設置することが可能になる。更に、被処理物の表面、内部又は周辺に異なるイオン種を発生するための補助プラズマ源を設置することが可能になる。
【００６２】
また、被処理物の表面から放出される２次電子の量やエネルギーを減少させる効果があるため、有害なＸ線の発生量を低く抑えることができると共に、２次電子は、パルス発生器が供給する電力のかなりの部分を消費し、電力効率を低下させる問題があったが、この電力効率の改善にも寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】非対称ダブルプローブの電圧電流と電位分布を説明する図。
【図２】本発明の正パルスバイアス法および装置の構成と原理を説明する図。
【図３】本発明の正パルスバイアス法および装置における被処理物の周囲のイオンシース形成と電位分布を示す図。
【図４】プラズマ正パルスバイアス法の原理を実証する第１の実施形態。
【図５】高電圧パルスモジュレータ出力、陽極電圧、フローティング電位の比較。
【図６】フローティング電位のターゲット陰極表面からの距離依存性。
【図７】フローティング電位の正パルス入力電圧依存性。
【図８】被処理物の周囲を接地電位の導電性包囲体で覆った第２の実施形態。
【図９】被処理物の周囲を絶縁性の包囲体で覆った第３の実施形態。
【図１０】連続一貫プラズマ表面処理プロセスを構成する第４の実施形態。
【図１１】従来技術（負パルスバイアス）の構成と原理を説明する図。
【図１２】従来技術における被処理物の周囲のイオンシース形成と電位分布を示す図。
【符号の説明】
１，１０ 被処理物
２，１１ 真空容器（導電性）
３，１２ プラズマ
４，１３ イオンシース
５，１４ 正イオン
６，１５ プラズマ発生用アンテナ又は電極
７，１６ プラズマ発生用電源
８，１７ 真空フィードスルー及び支持体
９ 負電圧パルス発生器又は負電圧パルスモジュレータ
１８ 正電圧パルス発生器又は正電圧パルスモジュレータ
１９ 支持体又は運動・移動機構（接地電位）
２０ 正パルスバイアス印加電極（陽極）
２１ 接地電位の導電性包囲体
２２ 絶縁性包囲体
２３ 移送機構
２４ 支持機構
２５ ハッチ
２６ 真空ポンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は被処理物の表面物性を物理的ないし化学的に改質するプラズマ表面処理法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプラズマ表面処理手段について、図１１にその原理の概要を説明する。また、図１２は図１１の真空容器と被処理物との間の電位分布を模式的に表したものである。図１１において、接地された真空容器２の内部に、別に設けられたプラズマ発生用電源７及びプラズマ発生用アンテナ又は電極６によってプラズマ３を発生させる。プラズマ発生法としては、熱陰極を用いた直流アーク放電、高周波容量結合放電、高周波誘導結合放電、マイクロ波放電、ＥＣＲ放電等が用いられる。
【０００３】
導電性の支持体に支持された被処理物１がこのプラズマの中に浸される。支持体は被処理物に電圧電流を供給するための真空フィードスルー８を介して真空容器外のパルス発生器９に接続される。パルス発生器９は、パルスの振幅、時間幅、繰り返し周波数が可変であり、負電圧パルスを連続して発生することができる。更に、パルスの立ち上がり時間ないしは立ち下がり時間等の波形を制御することも行われる。
【０００４】
真空フィードスルー８は真空容器壁を貫通して、内部の被処理物１と支持体を支えるのに必要十分な強度と電気伝導性を有するものであり、かつプラズマ３ないし真空容器２とは電気的絶縁を保つために、絶縁処理が施されているものである。
【０００５】
パルス発生器９から被処理物１に対して負のパルス電圧を印加すると、プラズマ３と被処理物１の間にイオンシース４が形成される。イオンシース４は被処理物１の表面全体をほぼ一様に覆うことを特徴とする。プラズマ中の電荷Ｑクーロンの正イオン５はイオンシース４内の電界で加速され、印加された電圧Ｖボルトにほぼ等しい運動エネルギーＱＶジュールを持って被処理物１の表面に達する。
【０００６】
ここで、印加パルス電圧が数百ボルト乃至数千ボルトのときは、正イオン５は被処理物１の表面に堆積して被膜を形成し、被処理物１の表面を改質する。これをイオンプレーティング法と呼んでいる。印加パルス電圧が２０キロボルト乃至１００キロボルトのときは、正イオン５が被処理物１の内部に注入され、被処理物１の表面を改質する。これをプラズマイオン注入法と呼んでいる。イオンプレーティング法とプラズマイオン注入法とを合わせてプラズマ表面処理法と称する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１１に示されるように、真空フィードスルー８及び支持体を介して被処理物１に、直接、負バイアスを加える従来法は、真空容器２内の被処理物１を外部から運動又は移動させることが困難であった。従って、表面処理が終了するごとに真空を破って（容器内を大気圧に戻して）被処理物１を取り出し、次の未処理物を設置して真空排気する、所謂、バッチ処理形態が主であって、連続一貫処理形態でないために表面処理の生産性が低かった。（課題１）
【０００８】
また、被処理物１の表面や内部にイオンエネルギーあるいはイオン照射量等を計測する測定器を設置すること、又は被処理物１の表面、内部あるいは周辺に異なるイオン種を発生するための補助プラズマ源を設置することについては、前者においては、表面処理過程を監視あるいは制御して処理品質を保証するために、後者においては、複数のイオンを用いた表面処理を可能にする等のために、極めて有用であるが、従来法では、被処理物１に、直接、負のパルスバイアスを印加し、従って被処理物１の電位が時間的に変動するので、これらのことは極めて困難であった。（課題２）
【０００９】
従来法のうち、被処理物１に対して２０キロボルト乃至１００キロボルトの負のパルスバイアスを加えるプラズマイオン注入法では、イオンの衝撃によって、被処理物１の表面から１乃至１０の２次電子が発生し、これらの２次電子はシースの電界で印加電圧に対応する運動エネルギーまで加速され、真空容器２の壁を衝撃し、強いＸ線と熱を発生した。このＸ線は作業環境の安全上極めて有害であった。米国ジェッセ・エヌ・マトッシアンの発明（特開平７ー１６９４３７号公報参照）では、被処理物と容器壁との間に導電性の包囲体を設け、被処理物と同じ負パルスバイアスを印加する。そして、発生した２次電子を包囲体で反射してＸ線の発生を防止する。しかしながら、大型の包囲体を真空中に固定して、しかも高電圧パルスが印加できるように絶縁処理を施すことは、実用装置としてはいかにも煩雑である。（課題３）
【００１０】
そして、上記課題３で発生する２次電子は、同時に、負電圧パルス発生器が供給する電力の内、多くの割合を消費し、かつ２次電子が消費するこれらの電力は、何ら表面処理効果に寄与しないので、表面処理法及び装置全体の電力効率を著しく低下させる問題があった。（課題４）
【００１１】
そこで本発明は、上記課題を解決するために、被処理物を常に接地電位に保ちながら、従来法と同等の表面処理効果を得ることができ、同時に被処理物から放出される２次電子による強いＸ線の発生及び電力効率の低下を著しく軽減することのできる、プラズマ正パルスバイアスを特徴とするプラズマ表面処理法及び装置（以下、「正パルスバイアス法及び装置」と略称する）を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るプラズマ表面処理法は、接地電位に保たれた被処理物の周囲に正電位にバイアスされたプラズマを発生させ、前記被処理物とプラズマとの間にパルス電圧を加えることにより前記被処理物とプラズマとの間にイオンシースを形成させ、プラズマ内の正イオンをイオンシース内の電界によって加速し、前記被処理物の表面に堆積させることにより、あるいは前記被処理物の内部にイオン注入させることによって、被処理物の表面物性を物理的ないし化学的に改質するように構成した。
【００１３】
こうして、被処理物を常に接地電位に保ち、プラズマを正電位にパルスバイアスすることによって、従来法と同等の処理効果を確保しながら、新規な有用効果を発現させることができるものであり、被処理物が容器と同じ接地電位にあるので、支持機構を大いに簡素化できるので、装置の設計・製作・維持が容易になる。また、被処理物の表面や内部にイオンエネルギー又はイオン照射量等を計測する測定器を設置することが可能になる。更に、被処理物の表面、内部又は周辺に異なるイオン種を発生するための補助プラズマ源を設置することが可能になる。
【００１４】
本発明の請求項２に係るプラズマ表面処理法は、接地電位に保たれた被処理物の周囲に正電位にバイアスされたプラズマを発生させ、前記被処理物とプラズマとの間にパルス電圧を加えることにより前記被処理物とプラズマとの間にイオンシースを形成させ、プラズマ内の正イオンをイオンシース内の電界によって加速し、前記被処理物の表面に堆積させることにより、あるいは前記被処理物の内部にイオン注入させることによって、被処理物の表面物性を物理的ないし化学的に改質し、前記被処理物の周囲に接地電位の包囲体を設けて、Ｘ線の抑制と前記被処理物の表面処理の電力効率を向上するように構成した。
【００１５】
本発明の請求項３に係るプラズマ表面処理法は、接地電位に保たれた被処理物の周囲に正電位にバイアスされたプラズマを発生させ、前記被処理物とプラズマとの間にパルス電圧を加えることにより前記被処理物とプラズマとの間にイオンシースを形成させ、プラズマ内の正イオンをイオンシース内の電界によって加速し、前記被処理物の表面に堆積させることにより、あるいは前記被処理物の内部にイオン注入させることによって、被処理物の表面物性を物理的ないし化学的に改質し、前記被処理物の周囲に接地電位の包囲体を設け、かつ前記包囲体の一部又は全部を絶縁体とするか、又は包囲体の一部又は全部に絶縁処理を施すことにより、Ｘ線の抑制と前記被処理物の表面処理の電力効率を向上するように構成した。
【００１６】
こうして、被処理物の周囲に接地電位の包囲体を設けることにより、被処理物の表面から放出される２次電子の量やエネルギーを減少させる効果があるため、有害なＸ線の発生量を低く抑えることができると共に、２次電子はパルス発生器が供給する電力のかなりの部分を消費し、電力効率を低下させる問題があったが、この電力効率の改善にも寄与することができる。
【００１７】
本発明の請求項４に係るプラズマ表面処理法は、請求項１乃至請求項３記載のプラズマ表面処理において、真空容器内に設置された接地電位の移送手段により、一方から未処理物を連続的に供給し、中間部で当該プラズマ表面処理を施し、他方から既処理物を連続的に取り出され、連続一貫プラズマ表面処理を行なうように構成した。
【００１８】
こうして、被処理物を移送する手段と、被処理物の段階に応じた処理を導入することによって、連続一貫プラズマ表面処理プロセスを構成することが容易になる。
【００１９】
本発明の請求項５に係るプラズマ表面処理装置は、接地された真空容器と、該真空容器の内部に導電性の支持体又は運動・移動機構に支持されて配置され接地電位にある被処理物と、前記真空容器の内部に正電位にバイアスされたプラズマを発生させるプラズマ発生用電源及びプラズマ発生用アンテナ又は電極とから構成した。
【００２０】
こうして、被処理物を常に接地電位に保ち、プラズマを正電位にパルスバイアスすることによって、従来法と同等の処理効果を確保できるものであり、被処理物が容器と同じ接地電位にあるので、支持機構を大いに簡素化できるので、装置の設計・製作・維持が容易になる。また、被処理物の表面や内部にイオンエネルギー又はイオン照射量等を計測する測定器を設置することが可能になる。更に、被処理物の表面、内部又は周辺に異なるイオン種を発生するための補助プラズマ源を設置することが可能になる。
【００２１】
本発明の請求項６に係るプラズマ表面処理装置は、接地された真空容器と、該真空容器の内部に導電性の支持体又は運動・移動機構に支持されて配置され接地電位にある被処理物と、前記真空容器の内部に正電位にバイアスされたプラズマを発生させるプラズマ発生用電源及びプラズマ発生用アンテナ又は電極とからなり、前記被処理物の周囲を覆う接地電位の導電性包囲体を設けた構成した。
【００２２】
本発明の請求項７に係るプラズマ表面処理装置は、接地された真空容器と、該真空容器の内部に導電性の支持体又は運動・移動機構に支持されて配置され接地電位にある被処理物と、前記真空容器の内部に正電位にバイアスされたプラズマを発生させるプラズマ発生用電源及びプラズマ発生用アンテナ又は電極とからなり、前記被処理物の周囲を覆う接地電位の絶縁性の包囲体を設けた構成した。
【００２３】
こうして、被処理物の周囲に接地電位の包囲体を設けることにより、被処理物の表面から放出される２次電子の量やエネルギーを減少させる効果があるため、有害なＸ線の発生量を低く抑えることができると共に、２次電子はパルス発生器が供給する電力のかなりの部分を消費し、電力効率を低下させる問題があったが、この電力効率の改善にも寄与することができる。
【００２４】
本発明の請求項８に係るプラズマ表面処理装置は、被処理物の据え付け用、処理用、取り出し用の３つの接地された真空容器と、該各真空容器の内部に前記被処理物を移送する移送機構、前記被処理物を前記各真空容器中に接地電位の状態で支持する導電性の支持機構と、前記真空容器の内部に正電位にバイアスされたプラズマを発生させるプラズマ発生用電源及びプラズマ発生用アンテナ又は電極とからなり、連続一貫プラズマ表面処理を行なうように構成した。
【００２５】
こうして、被処理物を移送する手段と、被処理物の段階に応じた処理を導入することによって、連続一貫プラズマ表面処理プロセス装置を構成することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本願発明者は、上述の課題を解決するために鋭意研究の結果、プラズマ内に適切な面積を有する電極（以下、「陽極」という）を新たに挿入し、これに正のパルス電圧を印加すると、プラズマ電位が陽極電圧とともに上昇し、接地電位にある被処理物との間にイオンシースが形成されること、その結果、プラズマ内の正イオンが被処理物表面に向かって加速され、従来技術と同等の表面処理効果が達成されること、一方、本発明の方式では、上述の課題１乃至４が原理的に解決されることを知見し、この知見に基づいて本発明のプラズマ表面処理方法及び装置を達成したものである。
【００２７】
即ち、本発明は、被処理物の周囲にプラズマを発生させ、更に被処理物とプラズマとの間にパルス電圧を加え、それによって被処理物とプラズマとの間にイオンシースを形成させ、プラズマ内の正イオンをイオンシース内の電界によって加速して、被処理物の表面に堆積させることにより、あるいは電圧が十分高い場合には、被処理物の内部にイオン注入させることによって、被処理物の表面物性を物理的ないしは化学的に改質するプラズマ表面処理法及び装置に関し、特に、被処理物を常に接地電位（ゼロボルト）に保ち、プラズマを正電位にバイアスすることによって、従来法と同等の処理効果を確保しながら、同時に新規な有用効果を発現させることを特徴とする表面処理方法及び装置を提供するものである。
【００２８】
まず、本願発明の基礎となる、プラズマ正パルスバイアスの理論モデル及び正パルスバイアス印加の条件について説明する。図１は、面積ＳＡ（厳密には、プラズマに接する面積）の陽極と、面積ＳＫ（同様に、プラズマに接する面積）の陰極をプラズマ内に配置し、両電極間に直流電圧Ｖを加えた時の電極間の電位分布Ｖ（ｚ）（上図）と回路に流れる電流Ｉ（下図）を示したものである。
【００２９】
図１は、プラズマ診断の際に多用される静電プローブの中でも、非対称ダブルプローブのモデルと等価であることに注目すべきである。この時、プラズマ電位Ｖｐ は陽極電圧Ｖと同等か、又はその電圧Ｖよりも電子温度Ｔｅ（但し、電圧に換算したもの）の数倍程度高くなる傾向がある。同時に、陰極の前面にイオンシースが形成され、電源電圧の殆ど全てがこのイオンシースにかかる傾向がある（これを特に陰極降下という）。電極近傍を除くプラズマ全体は、等しい電位Ｖｐ になる傾向がある。その理由は電子がイオンに比べて極めて質量が小さく、かつ移動性が高いことによる。即ち、プラズマの特性に基づいている。
【００３０】
陽極電流ＩＡ（Ａ）は、電子の流入によるもので、電子電流密度Ｊｅ（Ａ／ｍ２）、プラズマ密度ｎ（ｍ−３）、電子の平均速度ｖｅ（ｍ／ｓ）、ボルツマン定数ｋ＝１．３８×１０−２３Ｊ／Ｋ、電子温度Ｔｅ（Ｋ）、電子電荷ｅ（Ｃ）、電子質量ｍ（ｋｇ）、電子飽和電流Ｉｅｓ（Ａ）を用いて次の（１）式のように、
【数１】
【００３１】
また、陰極電流ＩＫ は、正イオンの流入とイオンの衝撃によって陰極から放出される２次電子流とから成り、イオン飽和電流密度Ｊｉｓ（Ａ／ｍ２）、２次電子電流密度Ｊｓｅ 、被処理物の２次電子放出係数γ、イオン質量ｍｉ（ｋｇ）、ボーム速度ｕＢ（ｍ／ｓ）を用いて、（２）式のように、
【数２】
ＩＫ ＝ＳＫ（Ｊｉｓ＋Ｊｓｅ）＝ＳＫ（１＋γ）Ｊｉｓ＝ＳＫ（１＋γ）０．６ｅｎｕＢ ・・（２）
と表される。
【００３２】
ここで、γはイオンの種類とエネルギーＥ（ｅＶ）、そして被処理物の材質や表面状態で変わるが、エネルギーが概ね１ｋＶを超えると、
【数３】
γｏαＥ１／２ ・・・・（３）
と近似できる。γの例は文献（例えば、Ｍ．Ｍ． Ｓｈａｍｉｎ， Ｊ．Ｔ． Ｓｃｈｅｕｅｒ， Ｒ．Ｐ． Ｆｅｔｈｅｒｔｏｎ ａｎｄ Ｊ．Ｒ． Ｃｏｎｒａｄ： Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．， ７０，４７５６（１９９１））に記されている。
【００３３】
回路の電流連続から、
【数４】
ＩＡ ＝ＩＫ ＝Ｉ ・・・・（４）
である。
【００３４】
従って、式（１），（２）を式（４）に代入すると、
【数５】
【００３５】
プラズマ電位Ｖｐが陽極電圧Ｖより常に高くなる条件は、Ｖｐ−Ｖ＞０、から、
【数６】
【数７】
【００３６】
次に、本発明を実施するための基本構成と動作を、前述の従来技術（図１１及び図１２を参照）と対比させて、図２の装置構成とび図３の被処理物の周囲のイオンシース形成と電位分布図を用いて説明する。図２において、接地された真空容器１１の内部に、別に設けたプラズマ発生用電源１６及びプラズマ発生用アンテナ又は電極１５によってプラズマ１２を発生させる。プラズマ発生法は、熱陰極を用いた直流アーク放電、高周波容量結合放電、高周波誘導結合放電、マイクロ波放電、ＥＣＲ放電等が用いられる。
【００３７】
導電性の支持体又は運動・移動機構１９に支持されるか、直接容器の底部に置かれた被処理物１０がこのプラズマ１２の中に浸される。被処理物１０及び支持体等１９は接地電位にある。被処理物１０のプラズマに接する面積をＳＴ、真空容器壁のプラズマに接する面積をＳＷ と表すと、陰極面積はＳＫ は、
【数８】
ＳＫ ＝ＳＴ ＋ＳＷ ・・・・（８）
と表される。（尚、被処理物１０と真空容器１１の間に、接地電位の導電性包囲体を設ける場合がある。この時は、包囲体のプラズマに接する面積がＳＷ となる。更に、真空容器壁又は包囲体の一部が絶縁体で覆われるとき、覆われていない残りの面積がＳＷ となる。）
【００３８】
次に、真空容器１１内に正パルスバイアスを印加するための電極（陽極）２０を真空フィードスルー１７を介して挿入する。陽極面積ＳＡ は式（６）又は式（７）を満たすように設定される。更に、陽極２０は真空容器１１外で正の電圧パルスを発生するパルス発生器１８に接続される。パルス発生器１８は、パルスの振幅、時間幅、繰り返し周波数が可変であり、正電圧パルスを連続して発生することができる。更に、パルスの立ち上がり時間あるいは立ち下がり時間等の波形を制御することも行われる。
【００３９】
パルス発生器１８から被処理物１０に対して正のパルス電圧を印加すると、プラズマ１２と被処理物１０の間にイオンシース１３が形成される。イオンシース１３は被処理物１０の表面全体をほぼ一様に覆うことを特徴とする。プラズマ内の電荷Ｑの正イオン１４はイオンシース内の電界で加速され、印加された電圧Ｖにほぼ等しい運動エネルギーＱＶを持って被処理物１０の表面に達する。
【００４０】
ここで、印加パルス電圧が数百ボルト乃至数千ボルトの時は、正イオン１４は被処理物１０の表面に堆積して被膜を形成し、被処理物１０の表面を改質する、所謂、イオンプレーティング法となり、印加パルス電圧が２０キロボルト乃至１００キロボルトの時は、正イオン１４が被処理物１０の内部に注入され、被処理物１０の表面を改質する、所謂、プラズマイオン注入法となる。
【００４１】
本願発明によって、上述の課題１乃至課題４がどのように解決されるかを説明する。正パルスバイアス法および装置では、被処理物１０は真空容器１１と同じ接地電位におかれるので、まず課題１及び課題２が解決する。真空容器１１内に設置された、これも接地電位の運動・移動機構１９を利用して、一方から未処理物を連続的に供給し、中間部で当該プラズマ表面処理を施し、他方から既処理物を連続的に取り出され、連続一貫プラズマ表面処理プロセスが構成できる。これによって表面処理の生産性が著しく向上する。
【００４２】
本願発明による方式では、接地電位の被処理物の表面から放出された２次電子は、同じく接地電位の真空容器の壁にほぼ速度ゼロで吸収されるか、あるいは反射されてプラズマ中を往復運動する。この間、２次電子はプラズマ内の電子やイオンと衝突を繰り返し、徐々に減速する。２次電子が発生するＸ線の強度は極めて弱いものになる。
【００４３】
従って、Ｘ線の遮蔽等は全く必要なくなるか、あるいは軽微なもので良いことになる。こうして、上記課題３は解決される。前記したマトッシアン特許では、被処理物と同じに負パルスバイアスされた包囲体を導入するが、本願発明では真空容器自体がすでに包囲体となって、Ｘ線の発生を抑止する。しかし、被処理物の周囲に接地電位の包囲体を設置すればさらに有効である。何故ならば、このとき式（８）より、面積ＳＷ と面積ＳＫ が減少するので、正パルスバイアス印加のための条件、式（６）又は式（７）が容易に満たされるようになり、同時に、回路電流が減少するので、表面処理の電力効率が向上する。
【００４４】
更に、包囲体の一部又は全部を絶縁体（セラミックスなど）に置き換えるか、又は包囲体の一部又は全部に絶縁処理（セラミックスコーティングなど）を施せば、ＳＷ をいっそう減少させることができるので、Ｘ線の抑制効果および電力効率はさらに高まる。こうして、上記課題４が解決される。
【００４５】
次に本発明の第１の実施形態について図４を参照して説明する。これはプラズマ正パルスバイアス法の原理を実証するために実施した、基礎実験の構成である。ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製真空容器（接地電位）の下部から直径６ｃｍの円板ターゲット陰極（ＳＵＳ３０４，ＳＴ＝２８ｃｍ２ ）を挿入する。真空容器の上部には、直径７ｃｍの石英管が取り付けられている。
【００４６】
マスフローコントローラ（図示せず）を介してアルゴンガスが導入され、バラトロン真空計（図示せず）で常に０．１ｐａの圧力に調整される。石英管の外側にはループアンテナが巻かれ、１４０ＭＨｚ、２０Ｗの高周波電力を供給して、アルゴンの誘導放電プラズマが生成される。石英管の上部には、真空フィードスルーを介して直径３ｃｍの陽極（ＳＡ＝７ｃｍ２）が導入される。陽極もＳＵＳ３０４製で、裏面はセラミックスで絶縁されている。
【００４７】
常にプラズマに接する陽極表面には、しばしば絶縁性の酸化膜が形成されることがある。酸化膜が形成されると、陽極面積が減少するので正パルスバイアスがかかりにくくなるので、陽極材料を選ぶことは重要である。金や白金などを蒸着すると、表面が酸化されにくくなる。あるいは、正電圧パルス発生器に−３００Ｖ乃至−５００Ｖの直流電圧を重畳すると、パルスとパルスの間に陽極に負電圧がかかって、正イオン（ここでは、アルゴンイオン）が陽極表面を衝撃し、スパッタリング作用によって酸化膜を除去するか、膜の堆積を抑止することができる。
【００４８】
正パルスバイアス印加の条件を実験的に調べるには、面積ＳＷ を変化できることが重要がある。そのために、真空容器内面の一部又は全部を絶縁材のマイラーで覆った。絶縁材で覆われた面には電流が流れないので、これを除く残りの面がＳＷ を決める。
【００４９】
そして、ＳＷ は次のようにして求められる。式（４）は式（９）のように、
【数９】
Ｉ＝ＩＡ ＝ＩＫ ＝ＩＴ＋ＩＷ ＝ＳＴＪｉｓ ＋ＳＷＪｉｓ ・・・・（９）
と書き換えられる。ＩＡ，ＩＴは同時に測定できるので、ＩＷ がＩＷ ＝ＩＡ−ＩＴとして求まる。ＳＴ は既知であるから、結局、ＳＷ ＝ＳＴ（ＩＷ／ＩＴ）としてＳＷ が求まる。
【００５０】
本実施例では、２つのケースを比較した。ケース１は、ＳＫ ＝３１１ｃｍ２，ＳＫ／ＳＡ＝４４であり、ケース２は、絶縁材を全て除去した場合で、ＳＫ ＝２５８０ｃｍ２，ＳＫ／ＳＡ＝３６８である。一方、正パルスバイアスが印加されるための理論的条件は、式（６）から、１０ｋｅＶのアルゴン正イオン（Ａｒ＋）として、経験値を用いると、
【数１０】
ＳＫ ／ＳＡ ＜４５ ・・・・（１０）
となり、ケース１は条件を満たすが、ケース２は満たさないことになる。
【００５１】
図５は、上記ケース１（図５Ａ），ケース２（図５Ｂ）について、１０ｋＶ，５μｓの正電圧パルスを印加した場合の高電圧パルスモジュレータ出力、陽極電圧、プラズマ内（ターゲット面から１３ｃｍ）のフローティング電位の測定結果を示したものである。
【００５２】
ケース１では、陽極に１０ｋＶの電圧が印加され、プラズマ中のフローティング電位も８．５ｋＶに達している。プラズマ電位はフローティング電位より常に正になることを考慮すると、プラズマに正パルスバイアスが印加されていることがわかる。一方、ケース２では、陽極電圧、フローティング電位ともに小さい。
【００５３】
また、このとき陽極に大電流が観測されている。即ち、ケース２ではプラズマにブレークダウン（絶縁破壊）が発生し、パルスバイアスが印加できない。このことは、面積比をいくつか変化させた実験において、正パルスバイアス印加の条件として、式（６）又は式（７）の妥当性が証明されている。
【００５４】
次に、ターゲット陰極表面からの距離とフローティング電位の関係を図６に示す。プラズマ中では電位が一定で、陰極付近にのみ電位勾配がある。ここにイオンシースが形成されていることがわかる。図７は陽極への正パルス入力電圧とフローティング電位の関係で，電位は入力電圧に比例して増加している．
【００５５】
次に、本発明の第２の実施形態を図８に示す。図中、図２と同一物には同じ符号を付している。この実施形態は、被処理物１０の周囲を接地電位の導電性包囲体２１で覆い、被処理物１０からの２次電子を反射して、結果的にＸ線の発生量を減少させ、かつ電力効率を向上させた例である。
【００５６】
また、本発明の第３の実施形態を図９に示す。図中、図８と同一物には同じ符号を付している。この実施形態は、被処理物１０の周囲を絶縁性の包囲体（セラミックスなど）２２で覆い、Ｘ線の発生量と電力効率を第２の実施形態のものより更に向上させた例である。
【００５７】
但し、金属元素によるイオンプレーティングやイオン注入処理の場合、これらが包囲体にも付着すると表面は導電性となるが、この場合でも、包囲体全体は容器壁から絶縁されているので（あるいは絶縁されるような設計が十分可能なので）、Ｘ線の抑制効果、電力効率の向上を期待できる。
【００５８】
更に、本発明の第４の実施形態を図１０に示す。図中、１０ａは未処理物（原料）、１０ｂは被処理物（表面処理中）、１０ｃは既処理物（製品）、１１ａは真空容器（据え付け・粗排気用）、１１ｂは真空容器（処理室）、１１ｃは真空容器（取り出し用）、１２はプラズマ、１５はプラズマ発生用アンテナ又は電極、１６はプラズマ発生用電源、１７は真空フィードスルー、１８は正電圧パルス発生器又は正電圧パルスモジュレータ、２０は正パルスバイアス印加電極（陽極）、２３は移送機構、２４は支持機構、２５ａは据え付け室ハッチ、２５ｂは処理室入口ハッチ、２５ｃは処理室出口ハッチ、２５ｄは取り出し室ハッチ、２６は真空ポンプである。
【００５９】
この実施形態は、真空容器１１内に被処理物１０の運動機構又は移送機構２３を導入して、処理を順次に行なうことにより、連続一貫プラズマ表面処理プロセスを構成する実施形態である。このことによりプラズマ表面処理の著しい生産性向上を期待できる。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように本発明のプラズマ表面処理方法及び装置は、被処理物を常に接地電位に保ち、プラズマを正電位にパルスバイアスすることによって、従来法と同等の処理効果を確保しながら、同時に新規な有用効果を発現させることができるものであり、被処理物が容器と同じ接地電位にあるので、支持機構を大いに簡素化できるので、装置の設計・製作・維持が容易になる。また、被処理物を運動又は移送する機構を導入することによって、連続一貫プラズマ表面処理プロセスを構成することが容易になる。
【００６１】
また、被処理物の表面や内部にイオンエネルギー又はイオン照射量等を計測する測定器を設置することが可能になる。更に、被処理物の表面、内部又は周辺に異なるイオン種を発生するための補助プラズマ源を設置することが可能になる。
【００６２】
また、被処理物の表面から放出される２次電子の量やエネルギーを減少させる効果があるため、有害なＸ線の発生量を低く抑えることができると共に、２次電子は、パルス発生器が供給する電力のかなりの部分を消費し、電力効率を低下させる問題があったが、この電力効率の改善にも寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】非対称ダブルプローブの電圧電流と電位分布を説明する図。
【図２】本発明の正パルスバイアス法および装置の構成と原理を説明する図。
【図３】本発明の正パルスバイアス法および装置における被処理物の周囲のイオンシース形成と電位分布を示す図。
【図４】プラズマ正パルスバイアス法の原理を実証する第１の実施形態。
【図５】高電圧パルスモジュレータ出力、陽極電圧、フローティング電位の比較。
【図６】フローティング電位のターゲット陰極表面からの距離依存性。
【図７】フローティング電位の正パルス入力電圧依存性。
【図８】被処理物の周囲を接地電位の導電性包囲体で覆った第２の実施形態。
【図９】被処理物の周囲を絶縁性の包囲体で覆った第３の実施形態。
【図１０】連続一貫プラズマ表面処理プロセスを構成する第４の実施形態。
【図１１】従来技術（負パルスバイアス）の構成と原理を説明する図。
【図１２】従来技術における被処理物の周囲のイオンシース形成と電位分布を示す図。
【符号の説明】
１，１０ 被処理物
２，１１ 真空容器（導電性）
３，１２ プラズマ
４，１３ イオンシース
５，１４ 正イオン
６，１５ プラズマ発生用アンテナ又は電極
７，１６ プラズマ発生用電源
８，１７ 真空フィードスルー及び支持体
９ 負電圧パルス発生器又は負電圧パルスモジュレータ
１８ 正電圧パルス発生器又は正電圧パルスモジュレータ
１９ 支持体又は運動・移動機構（接地電位）
２０ 正パルスバイアス印加電極（陽極）
２１ 接地電位の導電性包囲体
２２ 絶縁性包囲体
２３ 移送機構
２４ 支持機構
２５ ハッチ
２６ 真空ポンプ
Claims (8)
- 接地電位に保たれた被処理物の周囲に正電位にバイアスされたプラズマを発生させ、前記被処理物とプラズマとの間にパルス電圧を加えることにより前記被処理物とプラズマとの間にイオンシースを形成させ、プラズマ内の正イオンをイオンシース内の電界によって加速し、前記被処理物の表面に堆積させることにより、あるいは前記被処理物の内部にイオン注入させることによって、被処理物の表面物性を物理的ないし化学的に改質することを特徴とするプラズマ表面処理法。
- 前記被処理物の周囲に接地電位の包囲体を設けて、Ｘ線の抑制と前記被処理物の表面処理の電力効率を向上することを特徴とする請求項１記載のプラズマ表面処理方法。
- 前記包囲体の一部又は全部を絶縁体とするか、又は包囲体の一部又は全部に絶縁処理を施すことにより、Ｘ線の抑制と前記被処理物の表面処理の電力効率を向上することを特徴とする請求項２記載のプラズマ表面処理方法。
- 真空容器内に設置された接地電位の移送手段により、一方から未処理物を連続的に供給し、中間部で当該プラズマ表面処理を施し、他方から既処理物を連続的に取り出され、連続一貫プラズマ表面処理を行なうことを特徴とする請求項１乃至請求項３記載のプラズマ表面処理方法。
- 接地された真空容器と、該真空容器の内部に導電性の支持体又は運動・移動機構に支持されて配置され接地電位にある被処理物と、前記真空容器の内部に正電位にバイアスされたプラズマを発生させるプラズマ発生用電源及びプラズマ発生用アンテナ又は電極とからなることを特徴とするプラズマ表面処理装置。
- 前記被処理物の周囲を覆う接地電位の導電性包囲体を設けたことを特徴とする請求項５記載のプラズマ表面処理装置。
- 前記被処理物の周囲を覆う接地電位の絶縁性の包囲体を設けたことを特徴とする請求項５記載のプラズマ表面処理装置。
- 被処理物の据え付け用、処理用、取り出し用の３つの接地された真空容器と、該各真空容器の内部に前記被処理物を移送する移送機構、前記被処理物を前記各真空容器中に接地電位の状態で支持する導電性の支持機構と、前記真空容器の内部に正電位にバイアスされたプラズマを発生させるプラズマ発生用電源及びプラズマ発生用アンテナ又は電極とからなり、連続一貫プラズマ表面処理を行なうことを特徴とするプラズマ表面処理装置。
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2002
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