JP2004292934A

JP2004292934A - Ion nitriding apparatus and deposition system using the same

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Publication number: JP2004292934A
Application number: JP2003090522A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Terayama; 暢之寺山; Akitaka Kashiwabara; 哲隆柏原; Nobuyuki Shimizu; 信行清水
Original assignee: Shinko Seiki Co Ltd
Current assignee: Shinko Seiki Co Ltd
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-21

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion nitriding apparatus which performs ion nitriding treatment safely with simple configuration at a low cost without generating white layers and a deposition system using the same. <P>SOLUTION: Gaseous nitrogen and gaseous hydrogen as nitriding gases are supplied at a ratio of 1:10 through a gas supply port 44 to a plasma gun 20. The pressure in a vacuum chamber 12 is maintained under 0.01 to 0.5 Pa by a vacuum pump 16 and the ion current density to the surface of treated objects 58 and 58 by generation of plasma 38 is specified to 0.1 to 5 mA/cm<SP>2</SP>. Further, the treated objects 58 and 58 are heated up to 450 to 550°C by an electric heater 78 and an asymmetric pulse voltage of 50 to 250 kHz in frequency is impressed thereto as a bias voltage from a pulse power source device 76. When the ion nitriding treatment is performed under such conditions, a rigid diffusion layer is formed without the generation of the white layers. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、イオン窒化装置および成膜装置に関し、特にたとえば窒化用ガスとして窒素（Ｎ_２）ガスと水素（Ｈ_２）ガスとの混合ガスを用いる、イオン窒化装置およびこれを用いた成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のイオン窒化装置においては、一般に、真空槽内の圧力が１００［Ｐａ］〜５００［Ｐａ］とされた状態で、イオン窒化処理が行われる。かかるイオン窒化処理によれば、窒素イオンが被処理物の表面に衝突して、当該被処理物の表面部分（内側）に硬質の拡散層が形成されるが、これと同時に、窒素イオンが被処理物内に含まれる鉄（Ｆｅ）と反応し、これによって被処理物の表面上に白層と呼ばれる化合物層（γＦｅ_４ＮまたはεＦｅ_２−３Ｎ）が形成される。この白層は、硬くて脆いという性質を有するため、かかる白層を生じるイオン窒化処理の後に成膜処理を施す場合には、当該白層を除去する必要がある。白層の上にそのまま膜が形成されると、当該膜と被処理物との間に十分な密着性が得られないからである。
【０００３】
そこで、従来、白層を生じないイオン窒化処理技術として、特許文献１に開示されたものがある。この従来技術によれば、窒化用ガスとしてアンモニア（ＮＨ_３）ガスおよび水素ガスが用いられる。そして、被処理物（金属部材）の温度、およびプラズマ（グロー放電）によって被処理物の表面に流れる電流の密度が、所定条件に設定される。かかる条件の下でイオン窒化処理が行われれば、厚くて均一な拡散層を得られることが開示されている。また、実施例として、イオン窒化処理の後に続いて窒化チタン膜の成膜処理が行われ、その結果、密着性および耐久性に優れた窒化チタン膜が形成されたことが開示されていることから、当該イオン窒化処理によって白層が生じないことが伺える。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−１１８８５０号公報（段落番号００１８〜００２４）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来技術では、劇物に指定されているアンモニアガスが用いられるため、その取り扱いには相当の注意を要する。また、使用済みのアンモニアガスを適切に廃棄するための専用の設備が必要となるため、その分、装置全体が大規模化し、かつ高コスト化するという問題がある。
【０００６】
それゆえに、この発明は、従来よりも安全で、しかも簡単な構成かつ低コストでありながら白層の発生を伴わないイオン窒化処理を実現できるイオン窒化装置を提供することを、目的とする。
【０００７】
また、イオン窒化処理から成膜処理までの一連の処理を連続して行うことのできる成膜装置を提供することも、この発明の目的とするところである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、真空槽と、この真空槽内を排気する排気手段と、真空槽内に窒素ガスおよび水素ガスを供給するガス供給手段と、真空槽内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、真空槽内に配置される被処理物の温度を制御する温度制御手段と、被処理物にバイアス電圧、具体的には連続的または断続的に負電圧となる電圧を印加するバイアス印加手段と、を具備する。そして、排気手段は真空槽内の圧力が０．０１Ｐａ乃至０．５Ｐａとなるように当該真空槽内を排気し、ガス供給手段は水素ガスの流量に対する窒素ガスの流量の比率を０．１乃至１．０とする。更に、プラズマ発生手段は被処理物の表面に対するイオン電流密度が０．１ｍＡ／ｃｍ^２乃至５ｍＡ／ｃｍ^２となるようにプラズマを発生させ、温度制御手段は被処理物の温度を４５０℃乃至５５０℃とすることを特徴とする、イオン窒化装置である。
【０００９】
この第１の発明では、真空槽内の圧力が、０．０１Ｐａ乃至０．５Ｐａに保持される。そして、水素ガスの流量に対する窒素ガスの流量の比率が、０．１乃至１．０とされると共に、プラズマの発生による被処理物の表面に対するイオン電流密度が、０．１ｍＡ／ｃｍ^２乃至５ｍＡ／ｃｍ^２とされる。更に、被処理物の温度が、４５０℃乃至５５０℃とされる。かかる条件の下でイオン窒化処理を行うと、白層を生じることなく硬質の拡散層を得られることが、実験によって確認された。つまり、窒化用ガスとして窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを用いても、白層を生じないイオン窒化処理を実現できる。
【００１０】
なお、バイアス電圧は周波数が５０ｋＨｚ乃至２５０ｋＨｚのパルス電圧とするのが、望ましい。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明のイオン窒化装置を含む成膜装置である。つまり、白層の発生を伴わない第１の発明のイオン窒化装置を用いることによって、イオン窒化処理の後、換言すれば成膜処理の前に、当該白層を除去する作業が不要となる。
【００１２】
この場合、被膜としてＤＬＣ膜（ＤｉａｍｏｎｄＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ）を形成してもよい。
【００１３】
第３の発明は、真空槽内を排気する排気過程と、この真空槽内に窒素ガスおよび水素ガスを供給するガス供給過程と、真空槽内にプラズマを発生させるプラズマ発生過程と、真空槽内に配置される被処理物の温度を制御する温度制御過程と、被処理物にバイアス電圧、具体的には連続的または断続的に負電圧となる電圧を印加するバイアス印加過程と、を具備する。そして、排気過程で真空槽内の圧力が０．０１Ｐａ乃至０．５Ｐａとなるように当該真空槽内を排気し、ガス供給過程で水素ガスの流量に対する窒素ガスの流量の比率を０．１乃至１．０とする。更に、プラズマ発生過程で被処理物の表面に対するイオン電流密度が０．１ｍＡ／ｃｍ^２乃至５ｍＡ／ｃｍ^２となるようにプラズマを発生させ、温度制御過程で被処理物の温度を４５０℃乃至５５０℃とすることを特徴とする、イオン窒化方法である。
【００１４】
つまり、この第３の発明は、第１の発明に対応する方法発明である。従って、第１の発明と同様の作用を奏する。この場合も、バイアス電圧は周波数が５０ｋＨｚ乃至２５０ｋＨｚのパルス電圧とするのが、望ましい。
【００１５】
第４の発明は、第３の発明のイオン窒化方法を含む成膜方法である。つまり、第２の発明に対応する方法発明であるので、当該第２の発明と同様の作用を奏する。そして、被膜としてＤＬＣ膜を形成してもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明を表面処理装置に適用した場合の一実施形態について、図１から図７を参照して説明する。図１に示すように、この実施形態の表面処理装置１０は、真空槽１２を備えている。この真空槽１２は、例えば直径が約１［ｍ］、高さ寸法が約０．８［ｍ］の概略円筒形のものであり、その壁部は、基準電位としての接地電位に接続されている。そして、この真空槽１２の底部（図１において下側の壁部）の周縁寄りの部分には、排気口１４が設けられており、この排気口１４は、図示しない排気管を介して、真空槽１２の外部に設置された排気手段としての真空ポンプ１６に結合されている。更に、真空槽１２の上部（図１において上側の壁部）の略中央には、開口部１８が設けられており、この開口部１８を覆うようにプラズマガン２０が設けられている。
【００１７】
プラズマガン２０は、後述する反射電極２２，１対の電磁コイル２４および２６と共に、熱陰極ＰＩＧ（ＰｅｎｎｉｎｇＩｏｎｉｚａｔｉｏｎＧａｕｇｅ）方式のプラズマ発生源を構成する。具体的には、プラズマガン２０は、概略円筒形の形状をしており、その壁部は、真空槽１２の壁部と電気的に絶縁されている。そして、このプラズマガン２０の底部（図１において下側の壁部）の略中央には、円形のプラズマ出力口２８が設けられており、上部（図１において上側の壁部）は、閉鎖されている。そして、その内部空間には、熱陰極３０，陽極３２および電子注入電極３４が設けられている。
【００１８】
このうち、熱陰極３０は、プラズマガン２０の上部の近傍に設けられている。この熱陰極３０は、直径が０．８［ｍｍ］〜１．０［ｍｍ］程度のタングステンフィラメントで構成されており、その両端は、プラズマガン２０の外部に設けられた直流電源装置３６に接続されている。熱陰極３０は、この直流電源装置３６からの直流電力の供給によって千数百［℃］〜二千数百［℃］に加熱され、熱電子を放出する。
【００１９】
一方、陽極３２は、モリブデン製の環状体であり、その中空部をプラズマ出力口２８に対向させた状態で、熱陰極３０の下方に設けられている。この陽極３２は、熱陰極３０から放出された熱電子を加速させるためのものであり、プラズマガン２０の外部に設けられた別の直流電源装置４０によって、熱陰極３０に対して＋４０［Ｖ］〜＋７０［Ｖ］の電位に維持される。この陽極３２の電位（陽極電圧）および当該陽極３２に流れる電流（放電電流：厳密には次に説明する電子注入電極３４に流れる電流を含む）の大きさによって、後述するプラズマ３８のパワー（プラズマガン出力）が決定される。この実施形態では、最大で３［ｋＷ］のプラズマガン出力が得られる。なお、プラズマガン出力は、熱陰極３０に供給される直流電力の大きさ（熱陰極３０の温度）にも依存する。
【００２０】
電子注入電極３４もまた、陽極３２と同様のモリブデン製の環状体であり、その中空部をプラズマ出力口２８に対向させた状態で、当該陽極３２の下方に設けられている。この電子注入電極３４は、プラズマガン２０内の空間電位を安定させ、ひいては真空槽１２内の異常放電を抑制するためのものであり、プラズマガン２０の外部に設けられた更に別の直流電源装置４２によって、陽極３２よりも１０［Ｖ］ほど低い電位に維持される。なお、この電子注入電極３４は、接地電位に接続されている。
【００２１】
更に、プラズマガン２０の側壁には、当該プラズマガン２０内にアルゴン（Ａｒ）ガス，水素ガスおよび窒素ガスを個別に導入するためのガス供給口４４が設けられている。すなわち、このガス供給口４４には、アルゴンガス導入用のガス供給管４６、水素ガス導入用のガス供給管４８、および窒素ガス導入用のガス供給手段が、並列に結合されている。そして、これらのガス供給管４６，４８および５０には、それぞれを流れるガスの流量を調整するための流量調整手段としてのマスフローコントローラ５２，５４および５６が設けられている。なお、ガス供給管４８および５０と、マスフローコントローラ５４および５６とで、ガス供給手段が構成される。
【００２２】
そして、プラズマガン２０と対向するように、真空槽１２内の底部側に、円盤状の反射電極２２が設けられている。この反射電極２２は、プラズマガン２０から流れてくる電子を反射させるためのものであり、電気的に絶縁電位とされている。
【００２３】
そして、真空槽１２の外部であって、当該真空槽１２の上方側に、一方の電磁コイル２４が、プラズマガン２０の周囲を取り巻くように設けられている。この電磁コイル２４は、プラズマガン２０内の放電を助長するためのもので、真空槽１２の外部に設けられた図示しない磁界発生用電源装置からの直流電力の供給によって、当該プラズマガン２０内に所定の磁界を発生する。この磁界は、真空槽１２内にも作用する。
【００２４】
他方の電磁コイル２６は、一方の電磁コイル２４と対向するように、真空槽１２の下方側に設けられている。この電磁コイル２６は、プラズマ３８を真空槽１２の中央にビーム状に閉じ込めるためのもので、真空槽１２の外部に設けられた別の磁界発生用電源装置からの直流電力の供給によって、上述の電磁コイル２４から発生される磁界と共に、真空槽１２内にミラー磁場を形成する。このようにプラズマ３８をビーム状に閉じ込めることで、当該プラズマ３８の高密度化が図られる。なお、これらの電磁コイル２４および２６によって真空槽１２の中央に発生する磁界の磁束密度は、２０［Ｇ］〜１００［Ｇ］の範囲で可変できる。
【００２５】
このような構成の熱陰極ＰＩＧ方式のプラズマ発生源によれば、真空ポンプ１６によって真空槽１２内およびプラズマガン２０内が減圧され、そして、ガス供給口４４を介してプラズマガン２０内にアルゴンガス，水素ガスまたは窒素ガスが導入された状態で、熱陰極３０，陽極３２，電子注入電極３４，電磁コイル２４および２６のそれぞれに直流電力が供給されると、熱陰極３０から熱電子が放出され、この熱電子は陽極３２に向かって加速される。この加速された熱電子は、プラズマガン２０内に導入されたガスの分子に衝突し、その衝撃によって当該ガス分子は電離する。つまり、プラズマ３８が発生する。
【００２６】
更に、プラズマ３８内の電子は、上述の熱電子と共に、電磁コイル２４および２６によって形成された磁界に案内されて反射電極２２に向かって流れる。しかし、反射電極２２は絶縁電位とされているため、当該反射電極２２に向かって流れる電子は、ここで反射されて、当該反射電極２２とプラズマガン２０との間で電界振動する。これによって、当該電子がガス分子と衝突する確率および回数が増大し、プラズマ３８の発生効率が向上する。この実施形態では、例えば真空槽１２内（プラズマガン２２内を含む）の圧力が０．１［Ｐａ］であるときに、１０^１１［ｃｍ^−３］台という高密度のプラズマ３８が得られる。なお、上述したように、プラズマガン２０内の空間電位は電子注入電極３４によって安定しているので、当該プラズマガン２０内、ひいては真空槽１２内での異常放電が抑制される。従って、上述の如く高密度でありながら、安定したプラズマ３８が得られる。
【００２７】
真空槽１２内において、ビーム状のプラズマ３８の外側、換言すれば放電領域外の位置に、被処理物５８，５８、・・・を支持するための複数（たとえば数個〜十数個）のホルダ６０，６０，・・・が設けられている。これらのホルダ６０，６０，・・・は、ギア機構６２，６２，・・・を介して、円盤状の公転台６４の周縁部分に結合されている。公転台６４の底面（図１において下側の面）の中央には、回転軸６６の一端が固定されている。そして、この回転軸６６の他端は、真空槽１２の外部に設けられたモータ６８のシャフト７０に結合されている。
【００２８】
つまり、モータ６８のシャフト７０が図１に矢印７２で示す方向に回転すると、公転台６４も同方向に回転し、これによって被処理物５８，５８，・・・がプラズマ３７の周囲を回転し、言わば公転する。更に、ギア機構６２，６２，・・・による回転伝達作用によって、被処理物５８，５８，・・・自体が図１に矢印７４，７４，・・・で示す方向に回転し、言わば自転する。このように被処理物５８，５８，・・・が自公転することで、当該被処理物５８，５８，・・・に対する後述のイオン窒化処理などの表面処理の均一化が図られる。
【００２９】
また、各被処理物５８，５８，・・・には、ホルダ６０，６０，・・・，ギア機構６２，６２，・・・，公転台６４および回転軸６６を介して、真空槽１２の外部に設けられたバイアス印加手段としてのパルス電源装置７６から、図２に示すような非対称パルス電圧が、バイアス電圧として印加される。この非対称パルス電圧の周波数ｆ，デューティ比（周期Ｔに対するパルス幅（Ｌ（ロー）レベル時の時間）Ｔａの比率），Ｌレベル電圧ＶａおよびＨ（ハイ）レベル電圧Ｖｂは、任意に可変できる。また、後述するように、周波数ｆ，デューティ比およびＨレベル電圧Ｖｂを一定として、Ｌレベル電圧Ｖａのみを変化させることで、平均電圧Ｖｃを任意の値に調整することも可能である。なお、このパルス電源装置７６の最大出力は、１０［ｋＷ］である。
【００３０】
更に、真空槽１２内の側壁の近傍であって、公転台６４の外周縁（被処理物５８，５８，・・・）よりも外側の或る位置に、温度制御手段としての電熱ヒータ７８が設けられている。この電熱ヒータ７８は、被処理物５８，５８，・・・を加熱するためのもので、その加熱温度は、真空槽１２の外部に設けられた図示しないヒータ用電源装置によって制御される。
【００３１】
また、真空槽１２内の側壁の近傍であって、電熱ヒータ７８と対向する位置に、クロム（Ｃｒ）製のスパッタカソード８０が配置されている。このスパッタカソード８０は、後述するスパッタリング処理においてターゲットとなるものであり、当該スパッタリング処理の際、このスパッタカソード８０には、真空槽１２の外部に設けられたスパッタ用電源装置から負電圧の直流電力が供給される。また、このスパッタカソード８０の背面（図１において右側の面）に近接して、当該スパッタリング処理におけるスパッタ効率を向上させるためのマグネット８２が、配置されている。
【００３２】
そして、真空槽１２の側壁には、後述するプラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）処理において当該真空槽１２内に材料（反応）ガスとしてのＴＭＳ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌｓｉｌａｎｅ）ガスおよびアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスを導入するためのガス供給口８４が設けられている。すなわち、このガス供給口８４には、ＴＭＳガスを導入するためのガス供給管８６と、アセチレンガスを導入するためのガス供給管８８とが、並列に結合されている。そして、これらのガス供給管８６および８８にも、流量調整手段としてのマスフローコントローラ９０および９２が設けられている。なお、このように上述したアルゴンガスなどとは別個に真空槽１２内に材料ガスを導入することとしたのは、当該材料ガスによってプラズマガン２０内の熱陰極３０が反応（炭化）するのを防止するためである。
【００３３】
このように構成された表面処理装置１０によれば、窒素ガスおよび水素ガスを用いてイオン窒化処理を行うことができる。そして、このイオン窒化処理において、真空槽１２内の圧力、窒化用ガスとしての窒素ガスおよび水素ガスの流量比（Ｎ_２／Ｈ_２）、プラズマ３８の発生によって被処理物５８，５８，・・・の表面に流れるイオンの電流密度、被処理物５８，５８，・・・の温度、および被処理物５８，５８，・・・に印加されるバイアス電圧が、所定条件に設定されたときに、上述した白層が発生しないことが、実験によって確認された。
【００３４】
なお、イオン電流密度は、プラズマガン出力、および真空槽１２内（プラズマガン２０内を含む）に導入されるガスの流量によって変化する。また、プラズマ３８から被処理物５８，５８，・・・までの距離によっても、当該イオン電流密度は変化する。ただし、この実施形態では、同一の（つまり一度真空槽内１２内に設置された）被処理物５８，５８・・・についてはプラズマ３８からの距離が一定なので、当該イオン電流密度は、プラズマガン出力およびガス流量によって決まる。このイオン電流密度は、被処理物５８，５８，・・・の近傍に図示しないファラデーカップを配置することによって測定できる。
【００３５】
さて、今、被処理物５８，５８，・・・として、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼から成る鏡面加工（表面粗さ：０．０１５［μｍ］）された工具部品が、ホルダ６０，６０，・・・に取り付けられているとする。そして、この被処理物５８，５８，・・・に対して、次のような手順でボンバード処理およびイオン窒化処理を施すとする。
【００３６】
すなわち、まず、真空ポンプ１６によって真空槽１２内を１０^−３［Ｐａ］まで排気する。そして、電熱ヒータ７８によって、被処理物５８，５８，・・・を５００［℃］まで加熱する。更に、ガス供給管４６からプラズマガン２０内に放電用ガスとしてのアルゴンガスを４０［ｍＬ／ｍｉｎ］の流量で供給すると共に、ガス供給管４０からプラズマガン２０内に水素ガスを２０［ｍＬ／ｍｉｎ］の流量で供給する。この状態で、熱陰極３０，陽極３２，電子注入電極３４，電磁コイル２４および２６のそれぞれに直流電力を供給することで、プラズマ３８を発生させる。このとき、プラズマガン出力が１．８［ｋＷ］になるように、直流電源装置４０（または３６）を調整する。これによって、被処理物５８，５８，・・・に対するイオン電流密度は、０．３［ｍＡ／ｃｍ^２］となる。また、真空槽１２の中央における磁束密度が２０［Ｇ］となるように、上述した磁界発生用電源装置を調整する。
【００３７】
更に、パルス電源装置７６によって、周波数ｆが１００［ｋＨｚ］，デューティ比（Ｔａ／Ｔ）が０．７，平均電圧Ｖｃが−５００［Ｖ］の非対称パルス電圧を、被処理物５８，５８，・・・に印加する。具体的には、図２において、周期Ｔが１０［μｓ］，パルス幅Ｔａが７［μｓ］，Ｌレベル電圧Ｖａが−７３０［Ｖ］，およびＨレベル電圧Ｖｂが＋３７［Ｖ］となるように、パルス電源装置７６を調整する。そして、モータ６８を駆動させて、被処理物５８，５８，・・・を１［ｒｐｍ］で公転させる。この公転に伴って、被処理物５８，５８，・・・は、１５［ｒｐｍ］で自転する。かかる条件によってボンバード処理が行われ、被処理物５８，５８，・・・の表面が洗浄される。そして、このボンバード処理を、１０分間継続して行う。
【００３８】
次に、ガス供給管４６からのアルゴンガスの供給を停止し、これに代えて、ガス供給管５０からプラズマガン２０内に窒素ガスを２０［ｍＬ／ｍｉｎ］の流量で供給する。そして、ガス供給管４８からプラズマガン２０内に供給される水素ガスの流量を２００［ｍＬ／ｍｉｎ］とする。つまり、水素ガスに対する窒素ガスの流量比を、０．１とする。また、真空槽１２内の圧力が０．１５［Ｐａ］に維持されるように真空ポンプ１６を制御すると共に、直流電源装置４０によってプラズマガン出力を２．４［ｋＷ］とする。これによって、イオン電流密度は、０．７［ｍＡ／ｃｍ^２］となる。更に、パルス電源装置７６によって図２におけるＬレベル電圧Ｖａのみを変化させることで、被処理物５８，５８，・・・に印加されるバイアス電圧の平均電圧Ｖｃを−１００［Ｖ］に設定する。
【００３９】
なお、これ以外の条件、つまり電熱ヒータ７８による被処理物５８，５８，・・・の加熱温度，電磁コイル８８および９０による磁界の強さ（真空槽１２の中央における磁束密度），および被処理物５８，５８，・・・の自公転数は、上述のボンバード処理時と同様である。かかる条件によって、被処理物５８，５８，・・・の表面が徐々に窒化される。つまり、イオン窒化される。そして、このイオン窒化処理を、１２０分間継続して行う。
【００４０】
このイオン窒化処理によって、図３に示すような結果が得られた。すなわち、生地の硬度が約２００［ＨＫ］であるＳＵＳ３０４ステンレス鋼について、その表面を約１８００［ＨＫ］という硬度にまで硬化させることができた。また、表面から約２０［μｍ］を超える深さで、硬度が約２００［ＨＫ］となっていることから、当該２０［μｍ］という深さの拡散層が得られたことが判る。そして、図では表していないが、上述した白層の発生は見受けられなかった。
【００４１】
このＳＵＳ３０４ステンレス鋼に代えて、ＳＫＤ１１ダイス鋼製の被処理物５８，５８，・・・について、上述と全く同じ条件でボンバード処理およびイオン窒化処理を施した結果を、図４に示す。この図４から判るように、生地の硬度が約８５０［ＨＫ］のＳＫＤ１１ステンレス鋼についても、その表面を約１４００［ＨＫ］という硬度にまで硬化させることができた。また、このＳＫＤ１１ダイス鋼においては、表面から約４０［μｍ］という深さで、硬度が１０００［ＨＫ］を下回ることから、当該４０［μｍ］という深さの拡散層が得られたことが判る。そして、図には示さないが、このＳＫＤ１１ダイス鋼においても、白層の発生は見受けられなかった。
【００４２】
なお、ＳＫＨ４Ａステンレス鋼製の被処理物５８，５８，・・・について、上述と全く同じ条件でボンバード処理およびイオン窒化処理を施した場合も、ＳＫＤ１１ダイス鋼と同様の拡散層が得られた。そして、白層の発生も、見受けられなかった。
【００４３】
そこで、このＳＫＨ４Ａステンレス鋼製の被処理物５８，５８，・・・に対して上述の如くボンバード処理およびイオン窒化処理を行った後、これに続いて、同じ表面処理装置１０を用いてプラズマＣＶＤ処理を施すことで、珪素（Ｓｉ）を含有するＤＬＣ膜を形成する。ただし、珪素含有のＤＬＣ膜はＳＫＨ４Ａステンレス鋼などの鉄系合金に対して直接付着し難いため、この実施形態では、当該ＤＬＣ膜を形成する前に、中間層として図５に示すようにＤＬＣ膜と相性の良い（付着し易い）炭化珪素（ＳｉＣ）膜をプラズマＣＶＤ処理によって形成する。また、この炭化珪素膜は比較的に脆いという性質を有するため、当該炭化珪素膜を形成する前に、比較的に柔軟なクロム膜を形成することで、当該炭化珪素膜の脆さ（脆性）を補償する。なお、クロム膜については、スパッタリング処理によって形成する。
【００４４】
まず、上述のボンバード処理に続いて、イオン窒化処理を終えた後、ガス供給管４８および５０からの水素ガスおよび窒素ガスの供給を停止する。そして、プラズマ３８の発生を停止するべく、熱陰極３０，陽極３２，電子注入電極３４，電磁コイル２４および２６への直流電力の供給を停止する。更に、電熱ヒータ７８用の電源装置をオフして、被処理物５８，５８，・・・の温度を３００［℃］にまで下げる。このとき、ガス供給管４８から水素ガスを供給することによって、被処理物５８，５８，・・・を強制的に冷却してもよい。
【００４５】
そして、被処理物５８，５８，・・・の温度が３００［℃］にまで下がったら、ガス供給管４６からプラズマガン２０内に放電用ガスとしてのアルゴンガスを、８０［ｍＬ／ｍｉｎ］の流量で供給する。なお、上述の如く水素ガスの供給によって被処理物５８，５８，・・・の強制冷却を行った場合には、当該水素ガスの供給を停止する。そして、真空槽１２内の圧力が０．３［Ｐａ］に維持されるように真空ポンプ１６を制御する。更に、パルス電源装置７６によって図２におけるＬレベル電圧Ｖａのみを変化させることで、被処理物５８，５８，・・・に印加されるバイアス電圧の平均電圧Ｖｃを−５０［Ｖ］に設定する。そして、上述したスパッタ用電源装置からスパッタカソード８０に対して、−４００［Ｖ］，２０［Ａ］（すなわち８［ｋＷ］）の直流電力を供給する。なお、このときも、上述と同じ回転数で被処理物５８，５８，・・・を自公転させる。
【００４６】
かかる条件によって、真空槽１２内に浮遊するイオンがスパッタカソード８０に衝突して、その衝撃によって叩き出されたクロム分子（原子）が被処理物５８，５８，・・・の表面に付着し、堆積する。このスパッタリング処理を８分間継続して行うことで、厚さが１５０［ｎｍ］のクロム膜が形成された。なお、このクロム膜に代えて、チタン（Ｔｉ）膜を形成してもよい。この場合、スパッタカソード８０として、チタン製のものが用いられる。
【００４７】
このスパッタリング処理によるクロム膜の形成後、続いてプラズマＣＶＤ処理によって炭化珪素膜を形成するべく、スパッタカソード８０への直流電力の供給を停止する。そして、ガス供給管４６から供給されるアルゴンガスの流量を４０［ｍＬ／ｍｉｎ］とし、更に、ガス供給管４８からプラズマガン２０内に水素ガスを２００［ｍＬ／ｍｉｎ］という流量で供給する。また、ガス供給管８６から真空槽１２内に炭化珪素膜の原料となるＴＭＳガスを６０［ｍＬ／ｍｉｎ］という流量で供給する。そして、真空槽１２内の圧力を０．３［Ｐａ］とした後、熱陰極３０，陽極３２，電子注入電極３４，電磁コイル２４および２６のそれぞれに直流電力を供給することで、プラズマ３８を発生させる。なお、プラズマガン出力は、０．５［ｋＷ］とする。これによって、イオン電流密度は、０．３［ｍＡ／ｃｍ^２］となる。
【００４８】
そして更に、パルス電源装置７０によって図２におけるＬレベル電圧Ｖａのみを変化させることで、被処理物５８，５８，・・・に印加されるバイアス電圧の平均電圧Ｖｃを−５００［Ｖ］とする。なお、このときも、上述と同じ回転数で被処理物５８，５８，・・・を自公転させる。
【００４９】
この条件によって、真空槽１２内に導入されたＴＭＳガスが電離して、ＴＭＳラジカルおよびＴＭＳイオンとなる。そして、これらのＴＭＳラジカルおよびＴＭＳイオンは、キャリアガスとしての水素ガスのイオンと反応しながら、被処理物５８，５８，・・・の表面に堆積する。かかるプラズマＣＶＤ処理を１０分間継続して行うことで、厚さが２００［ｎｍ］の炭化珪素膜が形成された。
【００５０】
この炭化珪素膜の形成後、更に上述したＤＬＣ膜を形成するべく、ガス供給管４８からの水素ガスの供給を停止し、これに代えて、ＴＭＳガスと共に当該ＤＬＣ膜の材料となるアセチレンガスを、ガス供給管８８から真空槽１２内に３００［ｍＬ／ｍｉｎ］という流量で供給する。そして、ＴＭＳガスの流量を３０［ｍＬ／ｍｉｎ］とする。なお、放電用ガスとしてのアルゴンガスについては、４０［ｍＬ／ｍｉｎ］という流量を維持する。そして、真空槽１２内の圧力を０．２［Ｐａ］とすると共に、プラズマガン出力を１．５［ｋＷ］とする。これによって、イオン電流密度は、０．３［ｍＡ／ｃｍ^２］となる。これ以外の条件は、上述の炭化珪素膜を形成するときと同じである。
【００５１】
かかる条件において、真空槽１２内に導入されたアセチレンガスは、ＴＭＳガスと同様に電離して、Ｃ_２Ｈ_２ラジカルおよびＣ_２Ｈ_２イオンとなる。そして、これらのラジカルおよびイオンは、互いに反応しながら、被処理物５８，５８，・・・の表面に堆積する。かかるプラズマＣＶＤ処理を６０分間継続して行うことで、厚さが３［μｍ］の珪素含有ＤＬＣ膜が形成された。
【００５２】
このようにして珪素含有ＤＬＣ膜が形成された被処理物５８，５８，・・・に対して、ロックウェル圧痕試験を行った。その結果を、図６に示す。また、被処理物５８，５８，・・・に対してイオン窒化処理を施さずに直接（厳密にはクロム膜および炭化珪素膜を形成した後に）ＤＬＣ膜を形成し、これにも同様のロックウェル圧痕試験を行った。その結果を、図７に示す。
【００５３】
これら図６および図７を比較して明らかなように、イオン窒化処理が施されたものについては、圧痕周囲においてＤＬＣ膜にクラックが生じているものの、当該ＤＬＣ膜は剥離していない。一方、イオン窒化処理が施されていないものについては、圧痕周囲においてＤＬＣ膜が完全に剥離している。つまり、この実施形態によるイオン窒化処理を施すことによって、密着性および耐久性の優れたＤＬＣ膜を得られることが判る。
【００５４】
以上の説明から明らかなように、この実施形態の表面処理装置１０によれば、白層を生じずにイオン窒化処理を実現できる。また、イオン窒化処理の後に当該白層を除去する必要もないので、当該イオン窒化処理からＤＬＣ膜の成膜処理までの一連の処理を、連続して、換言すれば途中で被処理物５２，５２，を取り出すことなく、実施できる。従って、これらの一連の処理に係る作業の簡素化、ひいては当該処理によって生成された物品（製品）の低コスト化を実現できる。しかも、上述した従来技術とは異なり、窒化用ガスとしてアンモニアガスを用いないため、安全性が高い。また、使用済のアンモニアガスを排気するための特別な設備を必要としないので、その分、装置全体の構成を簡素化でき、かつ低コスト化できる。
【００５５】
なお、この実施形態においては、イオン窒化処理時の真空槽１２内の圧力を０．１５［Ｐａ］としたが、これに限らない。具体的には、当該イオン窒化処理時の真空槽１２内の圧力は、０．０１［Ｐａ］〜０．５［Ｐａ］の範囲内、より好ましくは０．０５［Ｐａ］〜０．３［Ｐａ］の範囲内であればよい。ただし、このような０．０１［Ｐａ］〜０．５［Ｐａ］という従来技術に比べて極めて低い圧力下でプラズマ３８を発生させるには、非常に強力なプラズマ発生手段が必要であり、これを実現するために、この実施形態においては、熱陰極ＰＩＧ方式のプラズマ発生源を採用していることを、説明として付け加えておく。勿論、可能であれば、高周波方式などの熱陰極ＰＩＧ方式以外のプラズマ発生源を用いてもよい。
【００５６】
また、イオン窒化処理時の窒素ガスと水素ガスとの流量比（Ｎ_２／Ｈ_２）を０．１としたが、当該流量比が０．１〜１．０の範囲内にあるときは白層が生じないことを実験によって確認した。なお、この効果の確実性を高めるためには、当該流量比は０．２〜０．５の範囲内であるのが、好ましい。
【００５７】
更に、イオン窒化処理時の被処理物５８，５８，・・・に対するイオン電流密度を０．７［ｍＡ／ｃｍ^２］としたが、このイオン電流密度は、０．１［ｍＡ／ｃｍ^２］〜５［ｍＡ／ｃｍ^２］の範囲内であればよい。ただし、イオン電流密度が小さいほど、窒化速度は遅くなる。一方、イオン電流密度が大きいほど、窒化速度は速くなるが、その反面、イオンの衝撃によって被処理物５８，５８，・・・自体の温度が上昇するため、単に当該イオン電流密度が大きければよいというものでもない。従って、より好ましくは、イオン電流密度は０．３［ｍＡ／ｃｍ^２］〜３［ｍＡ／ｃｍ^２］の範囲内であるのがよい。
【００５８】
そして、イオン窒化処理時に電熱ヒータ７８によって被処理物５８，５８，・・・を５００［℃］まで加熱したが、これに限らない。ただし、被処理物５８，５８，・・・の温度が低いほど、窒化速度は遅くなる。具体的には、当該温度が４５０［℃］を下回ると、窒化速度は極端に遅くなり、４００［℃］以下になると、窒化されない。一方、被処理物５８，５８，・・・の温度が高いほど、窒化速度は速くなるが、当該温度が５５０［℃］を超えると、被処理物５８，５８，・・・自体（生地）の硬度が低下してしまう。従って、イオン窒化処理時の被処理物５８，５８，・・・の温度は、４５０［℃］〜５５０［℃］の範囲内、より好ましくは５００［℃］±３０［℃］とするのがよい。また、電熱ヒータ７８以外の加熱手段（温度制御手段）を用いてもよい。
【００５９】
更に、イオン窒化処理時にバイアス電圧として被処理物５８，５８，・・・に印加される非対称パルス電圧の周波数ｆを１００［ｋＨｚ］としたが、当該周波数ｆが５０［ｋＨｚ］〜２５０［ｋＨｚ］の範囲内にあるときにも、上述と同様の効果が得られた。なお、この非対象パルス電圧の周波数ｆ以外の要素、すなわち図２における各電圧Ｖａ，ＶｂおよびＶｃ、ディーティ比（Ｔａ／Ｔ）についても、適宜変更してもよい。また、イオン窒化処理時は、当該バイアス電圧として負の直流電圧を用いてもよい。ただし、一種の絶縁物であるＤＬＣ膜を形成するときは、このバイアス電圧はパルス電圧とするのが望ましい。直流電圧が印加された場合、当該ＤＬＣ膜にイオンが蓄積され、つまりチャージアップが発生する。そして、被処理物５８，５８，・・・にイオンが輸送されず、ひいては当該ＤＬＣ膜が堆積しなくなるからである。
【００６０】
そして、被処理物５８，５８，・・・は、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼やＳＫＤダイス鋼に限らず、高速度工具鋼や合金工具鋼，アルミニウムクロムモリブデン鋼などの他の鉄系合金製であってもよい。
【００６１】
また、イオン窒化処理の後に珪素を含有するＤＬＣ膜（中間層としてのクロム膜および炭化珪素膜を含む）を形成する場合について説明したが、珪素を含まないＤＬＣ膜を形成してもよいし、ＤＬＣ膜以外の被膜を形成してもよい。そして、プラズマＣＶＤ処理（スパッタリング処理）以外の方法によって、これらの膜を形成してもよい。
【００６２】
更に、放電用ガスとして、アルゴンガスを用いたが、ヘリウム（Ｈｅ）やキセノン（Ｘｅ）などの他の不活性ガスを用いてもよい。
【００６３】
【発明の効果】
第１の発明によれば、窒化用ガスとして窒素ガスと水素ガスとの混合ガスが用いられつつも、白層を生じることなく拡散層が得られる。つまり、窒化用ガスとしてアンモニアガスが用いられる上述した従来技術に比べて、安全で、しかも簡単な構成、かつ低コストで、白層を生じないイオン窒化処理を実現できる。
【００６４】
第２の発明によれば、イオン窒化処理後に白層を除去する必要がないので、当該イオン窒化処理から成膜処理までの一連の処理を連続して、換言すれば同じ真空槽で、行うことができる。従って、これらの一連の処理に係る作業の簡素化、ひいては当該処理によって生成される物品の低コスト化を実現できる。
【００６５】
第３の発明は、第１の発明に対応する方法発明であるので、この第３の発明によれば、第１の発明と同様の効果が得られる。
【００６６】
第４の発明は、第２の発明に対応する方法発明であるので、この第４の発明によれば、第２の発明と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】同実施形態において被処理物に印加されるバイアス電圧の形態を示す図解図である。
【図３】同実施形態における実験結果を示すグラフである。
【図４】図２とは異なる条件下での実験結果を示すグラフである。
【図５】同実施形態において一連の処理を施された被処理物の断面を拡大して示す図解図である。
【図６】同実施形態における実験結果を写真で示す図解図である。
【図７】図６の比較対象を示す図解図である。
【符号の説明】
１０表面処理装置
１２真空槽
１４排気口
１６真空ポンプ
２０プラズマガン
２２反射電極
２４，２６電磁コイル
４４，８４ガス供給口
４６，４８，５０，８６，８８ガス供給管
５２，５４，５６，９０，９２マスフローコントローラ
７６パルス電源装置
７８電熱ヒータ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ion nitriding apparatus and a film forming apparatus, and particularly to, for example, nitrogen (N ₂ ) Gas and hydrogen (H ₂ The present invention relates to an ion nitriding apparatus using a mixed gas with a gas and a film forming apparatus using the same.
[0002]
[Prior art]
In this type of ion nitriding apparatus, ion nitriding is generally performed in a state where the pressure in a vacuum chamber is set to 100 [Pa] to 500 [Pa]. According to the ion nitriding treatment, nitrogen ions collide with the surface of the object to be processed, and a hard diffusion layer is formed on the surface portion (inside) of the object to be processed. It reacts with the iron (Fe) contained in the object to be treated, thereby forming a compound layer called a white layer (γFe ₄ N or εFe _2-3 N) is formed. Since this white layer has a property of being hard and brittle, it is necessary to remove the white layer when performing a film forming process after the ion nitriding process for producing the white layer. This is because if the film is formed as it is on the white layer, sufficient adhesion between the film and the object cannot be obtained.
[0003]
In view of the above, there is a conventional ion nitriding treatment technique that does not generate a white layer, which is disclosed in Patent Document 1. According to this prior art, ammonia (NH ₃ ) Gas and hydrogen gas are used. The temperature of the object (metal member) and the density of the current flowing on the surface of the object due to plasma (glow discharge) are set to predetermined conditions. It is disclosed that if the ion nitriding treatment is performed under such conditions, a thick and uniform diffusion layer can be obtained. In addition, as an example, it is disclosed that a titanium nitride film is formed after the ion nitriding process, and as a result, a titanium nitride film having excellent adhesion and durability is formed. It can be seen that no white layer is formed by the ion nitriding treatment.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-7-118850 (paragraph numbers 0018 to 0024)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this conventional technique, since ammonia gas designated as a deleterious substance is used, considerable care is required for its handling. In addition, since dedicated equipment for properly disposing of used ammonia gas is required, there is a problem that the entire apparatus becomes large-scale and the cost increases accordingly.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide an ion nitriding apparatus which is safer than the conventional one, has a simple structure and is low in cost, and can realize an ion nitriding treatment without generation of a white layer.
[0007]
It is another object of the present invention to provide a film forming apparatus capable of continuously performing a series of processes from an ion nitriding process to a film forming process.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a vacuum chamber, an exhaust unit for exhausting the interior of the vacuum chamber, a gas supply unit for supplying a nitrogen gas and a hydrogen gas into the vacuum chamber, and a plasma generating unit for generating plasma in the vacuum chamber. Temperature control means for controlling the temperature of the processing object disposed in the vacuum chamber, and a bias application means for applying a bias voltage to the processing object, specifically, a voltage that continuously or intermittently becomes a negative voltage Is provided. The evacuation unit evacuates the vacuum chamber so that the pressure in the vacuum chamber becomes 0.01 Pa to 0.5 Pa, and the gas supply unit sets the ratio of the flow rate of the nitrogen gas to the flow rate of the hydrogen gas to 0.1 to 0.5 Pa. 1.0. Further, the plasma generation means has an ion current density of 0.1 mA / cm with respect to the surface of the object to be processed. ² ~ 5mA / cm ² Plasma is generated so that the temperature of the object to be processed is set to 450 ° C. to 550 ° C. in the ion nitriding apparatus.
[0009]
In the first aspect, the pressure in the vacuum chamber is maintained at 0.01 Pa to 0.5 Pa. The ratio of the flow rate of the nitrogen gas to the flow rate of the hydrogen gas is set to 0.1 to 1.0, and the ion current density with respect to the surface of the object to be processed due to generation of plasma is set to 0.1 mA / cm. ² ~ 5mA / cm ² It is said. Further, the temperature of the object to be processed is set to 450 ° C. to 550 ° C. Experiments have confirmed that a hard diffusion layer can be obtained without forming a white layer by performing ion nitriding under such conditions. That is, even when a mixed gas of a nitrogen gas and a hydrogen gas is used as the nitriding gas, it is possible to realize an ion nitriding treatment that does not generate a white layer.
[0010]
Note that the bias voltage is preferably a pulse voltage having a frequency of 50 kHz to 250 kHz.
[0011]
A second invention is a film forming apparatus including the ion nitriding apparatus of the first invention. That is, by using the ion nitriding apparatus according to the first aspect of the present invention, which does not involve the generation of a white layer, the operation of removing the white layer after the ion nitriding process, in other words, before the film forming process is not required.
[0012]
In this case, a DLC film (Diamond Like Carbon) may be formed as the coating.
[0013]
According to a third aspect of the present invention, there is provided an evacuation process for evacuating the vacuum chamber, a gas supply process for supplying nitrogen gas and hydrogen gas into the vacuum chamber, a plasma generation process for generating plasma in the vacuum chamber, And a bias application step of applying a bias voltage, specifically, a voltage that continuously or intermittently becomes a negative voltage to the object to be processed. . Then, the inside of the vacuum chamber is evacuated so that the pressure in the vacuum chamber becomes 0.01 Pa to 0.5 Pa in the evacuation process, and the ratio of the flow rate of the nitrogen gas to the flow rate of the hydrogen gas in the gas supply process is set to 0.1 to 1.0. Further, the ion current density with respect to the surface of the object to be processed during the plasma generation process is 0.1 mA / cm. ² ~ 5mA / cm ² The ion nitriding method is characterized in that plasma is generated such that the temperature of an object to be processed is set to 450 ° C. to 550 ° C. in a temperature control process.
[0014]
That is, the third invention is a method invention corresponding to the first invention. Therefore, the same operation as that of the first invention is achieved. Also in this case, it is desirable that the bias voltage be a pulse voltage having a frequency of 50 kHz to 250 kHz.
[0015]
A fourth invention is a film forming method including the ion nitriding method of the third invention. That is, since this is a method invention corresponding to the second invention, it has the same effect as the second invention. Then, a DLC film may be formed as a coating.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
One embodiment in which the present invention is applied to a surface treatment apparatus will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the surface treatment apparatus 10 of this embodiment includes a vacuum chamber 12. The vacuum chamber 12 is, for example, a substantially cylindrical one having a diameter of about 1 [m] and a height of about 0.8 [m], and its wall is connected to a ground potential as a reference potential. I have. An exhaust port 14 is provided at a portion near the periphery of the bottom portion (lower wall portion in FIG. 1) of the vacuum chamber 12, and the exhaust port 14 is evacuated through an exhaust pipe (not shown). It is connected to a vacuum pump 16 as an exhaust means provided outside the tank 12. Further, an opening 18 is provided substantially at the center of the upper portion of the vacuum chamber 12 (upper wall in FIG. 1), and a plasma gun 20 is provided so as to cover the opening 18.
[0017]
The plasma gun 20, together with a later-described reflective electrode 22, and a pair of electromagnetic coils 24 and 26, constitute a hot cathode PIG (Penning Ionization Gauge) type plasma source. Specifically, the plasma gun 20 has a substantially cylindrical shape, and its wall is electrically insulated from the wall of the vacuum chamber 12. A circular plasma output port 28 is provided substantially at the center of the bottom (lower wall in FIG. 1) of the plasma gun 20, and the upper part (upper wall in FIG. 1) is closed. ing. The hot cathode 30, the anode 32, and the electron injection electrode 34 are provided in the internal space.
[0018]
The hot cathode 30 is provided near the upper portion of the plasma gun 20. The hot cathode 30 is formed of a tungsten filament having a diameter of about 0.8 [mm] to 1.0 [mm], and both ends thereof are connected to a DC power supply device 36 provided outside the plasma gun 20. Have been. The hot cathode 30 is heated to a few hundreds [° C.] to 2,000 and several hundreds [° C.] by the supply of the DC power from the DC power supply 36 to emit thermoelectrons.
[0019]
On the other hand, the anode 32 is an annular body made of molybdenum, and is provided below the hot cathode 30 with its hollow portion facing the plasma output port 28. The anode 32 is for accelerating the thermoelectrons emitted from the hot cathode 30, and +40 [V] with respect to the hot cathode 30 by another DC power supply 40 provided outside the plasma gun 20. It is maintained at a potential of +70 [V]. Depending on the potential of the anode 32 (anode voltage) and the magnitude of the current flowing through the anode 32 (discharge current: strictly, the current flowing through the electron injection electrode 34 described below), the power of the plasma 38 (to be described later) Gun output) is determined. In this embodiment, a maximum plasma gun output of 3 [kW] is obtained. The plasma gun output also depends on the magnitude of the DC power supplied to the hot cathode 30 (temperature of the hot cathode 30).
[0020]
The electron injection electrode 34 is also a ring-shaped body made of molybdenum similar to the anode 32, and is provided below the anode 32 with its hollow portion facing the plasma output port 28. The electron injection electrode 34 is for stabilizing the space potential in the plasma gun 20 and for suppressing abnormal discharge in the vacuum chamber 12, and further includes another DC power supply device provided outside the plasma gun 20. 42 keeps the potential about 10 [V] lower than the anode 32. The electron injection electrode 34 is connected to the ground potential.
[0021]
Further, a gas supply port 44 for individually introducing an argon (Ar) gas, a hydrogen gas, and a nitrogen gas into the plasma gun 20 is provided on a side wall of the plasma gun 20. That is, a gas supply pipe 46 for introducing an argon gas, a gas supply pipe 48 for introducing a hydrogen gas, and a gas supply means for introducing a nitrogen gas are connected in parallel to the gas supply port 44. These gas supply pipes 46, 48 and 50 are provided with mass flow controllers 52, 54 and 56 as flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the gas flowing therethrough. The gas supply pipes 48 and 50 and the mass flow controllers 54 and 56 constitute gas supply means.
[0022]
A disk-shaped reflective electrode 22 is provided on the bottom side in the vacuum chamber 12 so as to face the plasma gun 20. The reflection electrode 22 is for reflecting electrons flowing from the plasma gun 20, and is electrically at an insulating potential.
[0023]
One electromagnetic coil 24 is provided outside the vacuum chamber 12 and above the vacuum chamber 12 so as to surround the periphery of the plasma gun 20. The electromagnetic coil 24 is for promoting discharge in the plasma gun 20, and is supplied to the inside of the plasma gun 20 by the supply of DC power from a power supply (not shown) for generating a magnetic field provided outside the vacuum chamber 12. A predetermined magnetic field is generated. This magnetic field also acts inside the vacuum chamber 12.
[0024]
The other electromagnetic coil 26 is provided below the vacuum chamber 12 so as to face the one electromagnetic coil 24. The electromagnetic coil 26 is for confining the plasma 38 in the form of a beam in the center of the vacuum chamber 12, and is supplied with DC power from another power supply for generating a magnetic field provided outside the vacuum chamber 12. A mirror magnetic field is formed in the vacuum chamber 12 together with the magnetic field generated from the electromagnetic coil 24. By confining the plasma 38 in a beam shape in this way, the density of the plasma 38 can be increased. The magnetic flux density of the magnetic field generated at the center of the vacuum chamber 12 by these electromagnetic coils 24 and 26 can be varied in the range of 20 [G] to 100 [G].
[0025]
According to the hot cathode PIG type plasma generation source having such a configuration, the inside of the vacuum chamber 12 and the inside of the plasma gun 20 are depressurized by the vacuum pump 16, and the argon gas is introduced into the plasma gun 20 through the gas supply port 44. When DC power is supplied to each of the hot cathode 30, the anode 32, the electron injection electrode 34, and the electromagnetic coils 24 and 26 in a state where hydrogen gas or nitrogen gas is introduced, thermoelectrons are emitted from the hot cathode 30. The thermoelectrons are accelerated toward the anode 32. The accelerated thermoelectrons collide with gas molecules introduced into the plasma gun 20, and the gas molecules are ionized by the impact. That is, the plasma 38 is generated.
[0026]
Further, the electrons in the plasma 38 flow toward the reflective electrode 22 while being guided by the magnetic field formed by the electromagnetic coils 24 and 26 together with the above-mentioned thermoelectrons. However, since the reflective electrode 22 is at an insulating potential, the electrons flowing toward the reflective electrode 22 are reflected here and vibrate in an electric field between the reflective electrode 22 and the plasma gun 20. As a result, the probability and the number of times that the electrons collide with the gas molecules are increased, and the generation efficiency of the plasma 38 is improved. In this embodiment, for example, when the pressure in the vacuum chamber 12 (including the inside of the plasma gun 22) is 0.1 [Pa], 10 ¹¹ [Cm ^-3 ] High-density plasma 38 is obtained. As described above, since the space potential in the plasma gun 20 is stabilized by the electron injection electrode 34, abnormal discharge in the plasma gun 20 and further, in the vacuum chamber 12 is suppressed. Therefore, a stable plasma 38 can be obtained while having a high density as described above.
[0027]
In the vacuum chamber 12, a plurality (for example, several to a dozen or more) for supporting the objects to be processed 58, 58,... At positions outside the beam-shaped plasma 38, that is, outside the discharge region. Are provided. These holders 60, 60,... Are coupled to the peripheral portion of a disk-shaped revolution table 64 via gear mechanisms 62, 62,. One end of a rotating shaft 66 is fixed to the center of the bottom surface (the lower surface in FIG. 1) of the revolution table 64. The other end of the rotating shaft 66 is connected to a shaft 70 of a motor 68 provided outside the vacuum chamber 12.
[0028]
That is, when the shaft 70 of the motor 68 rotates in the direction indicated by the arrow 72 in FIG. 1, the revolving table 64 also rotates in the same direction, whereby the workpieces 58, 58,. , So to speak. Further, the workpieces 58, 58,... Themselves rotate in the directions indicated by arrows 74, 74,. . By revolving the workpieces 58, 58,... In this manner, uniformity of a surface treatment such as an ion nitriding process to be performed on the workpieces 58, 58,.
[0029]
, A gear mechanism 62, 62,..., A revolution table 64, and a rotating shaft 66 are attached to the workpieces 58, 58,. An asymmetrical pulse voltage as shown in FIG. 2 is applied as a bias voltage from a pulse power supply 76 provided as an external bias applying means. The frequency f of the asymmetric pulse voltage, the duty ratio (the ratio of the pulse width (time at L (low) level) Ta to the cycle T) Ta, the L level voltage Va and the H (high) level voltage Vb can be arbitrarily varied. Further, as will be described later, the average voltage Vc can be adjusted to an arbitrary value by changing only the L level voltage Va while keeping the frequency f, the duty ratio, and the H level voltage Vb constant. The maximum output of the pulse power supply 76 is 10 [kW].
[0030]
Further, an electric heater 78 as a temperature control unit is provided at a position near the side wall in the vacuum chamber 12 and outside the outer peripheral edge of the revolution table 64 (the workpieces 58, 58,...). Is provided. The electric heater 78 is for heating the workpieces 58, 58,..., And its heating temperature is controlled by a heater power supply device (not shown) provided outside the vacuum chamber 12.
[0031]
A chromium (Cr) sputter cathode 80 is arranged near the side wall in the vacuum chamber 12 and at a position facing the electric heater 78. The sputtering cathode 80 is a target in a sputtering process to be described later. During the sputtering process, the sputtering cathode 80 is supplied with a negative DC power from a sputtering power supply device provided outside the vacuum chamber 12. Is supplied. Further, a magnet 82 for improving the sputtering efficiency in the sputtering process is disposed near the back surface (the right surface in FIG. 1) of the sputtering cathode 80.
[0032]
Then, on a side wall of the vacuum chamber 12, a TMS (tetramethyl silane) gas and a acetylene (C) gas as a material (reaction) gas in the vacuum chamber 12 in a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) process described later. ₂ H ₂ ) A gas supply port 84 for introducing gas is provided. That is, a gas supply pipe 86 for introducing TMS gas and a gas supply pipe 88 for introducing acetylene gas are connected in parallel to the gas supply port 84. These gas supply pipes 86 and 88 are also provided with mass flow controllers 90 and 92 as flow rate adjusting means. The reason that the material gas is introduced into the vacuum chamber 12 separately from the above-described argon gas or the like is that the hot cathode 30 in the plasma gun 20 reacts (carbonizes) with the material gas. This is to prevent it.
[0033]
According to the surface treatment apparatus 10 configured as described above, the ion nitriding treatment can be performed using the nitrogen gas and the hydrogen gas. In this ion nitriding treatment, the pressure in the vacuum chamber 12 and the flow rate ratio of nitrogen gas and hydrogen gas (N ₂ / H ₂ ), The current density of ions flowing on the surfaces of the processing objects 58, 58,... Due to the generation of the plasma 38, the temperature of the processing objects 58, 58,. It was confirmed by experiments that the above-mentioned white layer was not generated when the bias voltage applied to was set to a predetermined condition.
[0034]
The ion current density changes depending on the output of the plasma gun and the flow rate of the gas introduced into the vacuum chamber 12 (including the inside of the plasma gun 20). Also, the ion current density changes depending on the distance from the plasma 38 to the objects 58, 58,.... However, in this embodiment, the same object (that is, once installed in the vacuum chamber 12) has a constant distance from the plasma 38 for the processing object 58, 58. Depends on power and gas flow. This ion current density can be measured by arranging a Faraday cup (not shown) near the workpieces 58, 58,.
[0035]
Now, as the workpieces 58, 58,..., Mirror-finished (surface roughness: 0.015 [μm]) tool parts made of SUS304 stainless steel are attached to the holders 60, 60,. Assume that it is attached. Are subjected to bombardment and ion nitriding in the following procedure.
[0036]
That is, first, the inside of the vacuum chamber 12 is ^-3 Exhaust to [Pa]. Are heated to 500 ° C. by the electric heater 78. Further, an argon gas as a discharge gas is supplied from the gas supply pipe 46 into the plasma gun 20 at a flow rate of 40 [mL / min], and hydrogen gas is supplied from the gas supply pipe 40 into the plasma gun 20 at a flow rate of 20 [mL / min]. min]. In this state, plasma 38 is generated by supplying DC power to each of the hot cathode 30, the anode 32, the electron injection electrode 34, and the electromagnetic coils 24 and 26. At this time, the DC power supply 40 (or 36) is adjusted so that the plasma gun output becomes 1.8 [kW]. As a result, the ion current density for the workpieces 58, 58,... Is 0.3 mA / cm. ² ]. Further, the above-described power supply for generating a magnetic field is adjusted so that the magnetic flux density at the center of the vacuum chamber 12 becomes 20 [G].
[0037]
Further, the pulse power supply device 76 generates an asymmetric pulse voltage having a frequency f of 100 [kHz], a duty ratio (Ta / T) of 0.7, and an average voltage Vc of -500 [V], by applying an asymmetric pulse voltage to the workpieces 58, 58, ... is applied. Specifically, in FIG. 2, the period T is 10 [μs], the pulse width Ta is 7 [μs], the L level voltage Va is -730 [V], and the H level voltage Vb is +37 [V]. Next, the pulse power supply 76 is adjusted. Then, the motor 68 is driven to revolve the workpieces 58, 58,... At 1 [rpm]. Along with this revolution, the objects to be processed 58, 58, ... rotate at 15 [rpm]. The bombarding process is performed under such conditions, and the surfaces of the objects to be processed 58, 58,... Are cleaned. Then, the bombarding process is continuously performed for 10 minutes.
[0038]
Next, the supply of the argon gas from the gas supply pipe 46 is stopped, and instead, the nitrogen gas is supplied into the plasma gun 20 from the gas supply pipe 50 at a flow rate of 20 [mL / min]. Then, the flow rate of the hydrogen gas supplied from the gas supply pipe 48 into the plasma gun 20 is set to 200 [mL / min]. That is, the flow ratio of the nitrogen gas to the hydrogen gas is set to 0.1. Further, the vacuum pump 16 is controlled so that the pressure in the vacuum chamber 12 is maintained at 0.15 [Pa], and the plasma gun output is set to 2.4 [kW] by the DC power supply device 40. As a result, the ion current density becomes 0.7 [mA / cm ² ]. Further, the average voltage Vc of the bias voltage applied to the workpieces 58, 58,... Is set to -100 [V] by changing only the L level voltage Va in FIG. .
[0039]
, The heating temperature of the workpieces 58, 58,... By the electric heater 78, the strength of the magnetic field (magnetic flux density at the center of the vacuum chamber 12) by the electromagnetic coils 88 and 90, and the The number of revolutions of the objects 58, 58,... Is the same as that in the above-described bombard processing. By these conditions, the surfaces of the workpieces 58, 58,... Are gradually nitrided. That is, it is ion-nitrided. Then, this ion nitriding treatment is continuously performed for 120 minutes.
[0040]
The result shown in FIG. 3 was obtained by this ion nitriding treatment. That is, the surface of SUS304 stainless steel having a hardness of about 200 [HK] could be hardened to a hardness of about 1800 [HK]. Further, since the hardness is about 200 [HK] at a depth exceeding about 20 [μm] from the surface, it is understood that the diffusion layer having the depth of 20 [μm] is obtained. And although not shown in the figure, the occurrence of the above-mentioned white layer was not observed.
[0041]
The results of subjecting the workpieces 58, 58,... Made of SKD11 die steel in place of the SUS304 stainless steel to bombarding and ion nitriding under the same conditions as described above are shown in FIG. As can be seen from FIG. 4, the surface of the SKD11 stainless steel having a material hardness of about 850 [HK] could be hardened to a hardness of about 1400 [HK]. Further, in this SKD11 die steel, the hardness is less than 1000 [HK] at a depth of about 40 [μm] from the surface, and it is understood that a diffusion layer having the depth of 40 [μm] was obtained. . Then, although not shown in the figure, the generation of a white layer was not observed in this SKD11 die steel.
[0042]
Also, when the workpieces 58, 58,... Made of SKH4A stainless steel were subjected to the bombardment treatment and the ion nitriding treatment under exactly the same conditions as described above, a diffusion layer similar to that of the SKD11 die steel was obtained. Then, generation of a white layer was not observed.
[0043]
Are subjected to the bombardment treatment and the ion nitridation treatment as described above, followed by plasma CVD using the same surface treatment apparatus 10. By performing the treatment, a DLC film containing silicon (Si) is formed. However, since the silicon-containing DLC film is unlikely to directly adhere to an iron-based alloy such as SKH4A stainless steel, in this embodiment, the DLC film is formed as an intermediate layer before forming the DLC film as shown in FIG. A silicon carbide (SiC) film compatible with (easy to adhere to) is formed by a plasma CVD process. In addition, since the silicon carbide film has a relatively brittle property, a relatively soft chromium film is formed before the silicon carbide film is formed, so that the silicon carbide film is brittle (brittle). To compensate. Note that the chromium film is formed by a sputtering process.
[0044]
First, after the above-described bombardment process, after the ion nitriding process is completed, the supply of the hydrogen gas and the nitrogen gas from the gas supply pipes 48 and 50 is stopped. Then, the supply of DC power to the hot cathode 30, the anode 32, the electron injection electrode 34, and the electromagnetic coils 24 and 26 is stopped to stop the generation of the plasma 38. Further, the power supply for the electric heater 78 is turned off, and the temperature of the processing objects 58, 58,... Is reduced to 300 [° C.]. At this time, the workpieces 58, 58,... May be forcibly cooled by supplying hydrogen gas from the gas supply pipe 48.
[0045]
When the temperature of the workpieces 58, 58,... Drops to 300 ° C., argon gas as a discharge gas is supplied from the gas supply pipe 46 into the plasma gun 20 at 80 mL / min. Supply at a flow rate. When the workpieces 58, 58,... Are forcibly cooled by supplying the hydrogen gas as described above, the supply of the hydrogen gas is stopped. Then, the vacuum pump 16 is controlled so that the pressure in the vacuum chamber 12 is maintained at 0.3 [Pa]. Further, the average voltage Vc of the bias voltage applied to the workpieces 58, 58,... Is set to -50 [V] by changing only the L level voltage Va in FIG. . Then, a DC power of −400 [V] and 20 [A] (that is, 8 [kW]) is supplied from the above-described power supply device for sputtering to the sputtering cathode 80. Also at this time, the workpieces 58, 58,...
[0046]
Under these conditions, ions floating in the vacuum chamber 12 collide with the sputter cathode 80, and chromium molecules (atoms) blown out by the impact adhere to the surfaces of the workpieces 58, 58,. accumulate. By continuing this sputtering treatment for 8 minutes, a chromium film having a thickness of 150 [nm] was formed. Note that a titanium (Ti) film may be formed instead of the chromium film. In this case, a titanium cathode is used as the sputter cathode 80.
[0047]
After the formation of the chromium film by the sputtering process, the supply of DC power to the sputtering cathode 80 is stopped to form a silicon carbide film by the plasma CVD process. Then, the flow rate of the argon gas supplied from the gas supply pipe 46 is set to 40 [mL / min], and the hydrogen gas is further supplied from the gas supply pipe 48 into the plasma gun 20 at a flow rate of 200 [mL / min]. Further, a TMS gas serving as a raw material of the silicon carbide film is supplied from the gas supply pipe 86 into the vacuum chamber 12 at a flow rate of 60 [mL / min]. Then, after the pressure in the vacuum chamber 12 is set to 0.3 [Pa], DC power is supplied to each of the hot cathode 30, the anode 32, the electron injection electrode 34, and the electromagnetic coils 24 and 26 to generate the plasma 38. generate. The output of the plasma gun is 0.5 [kW]. Thereby, the ion current density becomes 0.3 [mA / cm ² ].
[0048]
Further, by changing only the L level voltage Va in FIG. 2 by the pulse power supply device 70, the average voltage Vc of the bias voltage applied to the workpieces 58, 58,... Is set to −500 [V]. . Also at this time, the workpieces 58, 58,...
[0049]
Under these conditions, the TMS gas introduced into the vacuum chamber 12 is ionized to become TMS radicals and TMS ions. These TMS radicals and TMS ions are deposited on the surfaces of the processing objects 58, 58,... While reacting with the ions of hydrogen gas as a carrier gas. By continuously performing such a plasma CVD process for 10 minutes, a silicon carbide film having a thickness of 200 [nm] was formed.
[0050]
After the formation of the silicon carbide film, the supply of hydrogen gas from the gas supply pipe 48 is stopped in order to further form the above-mentioned DLC film, and instead of this, acetylene gas which is a material of the DLC film together with the TMS gas is supplied. The gas is supplied from the gas supply pipe 88 into the vacuum chamber 12 at a flow rate of 300 [mL / min]. Then, the flow rate of the TMS gas is set to 30 [mL / min]. The flow rate of argon gas as a discharge gas is maintained at 40 [mL / min]. Then, the pressure in the vacuum chamber 12 is set to 0.2 [Pa] and the output of the plasma gun is set to 1.5 [kW]. Thereby, the ion current density becomes 0.3 [mA / cm ² ]. Other conditions are the same as those for forming the above-described silicon carbide film.
[0051]
Under these conditions, the acetylene gas introduced into the vacuum chamber 12 is ionized similarly to the TMS gas, ₂ H ₂ Radical and C ₂ H ₂ It becomes an ion. These radicals and ions are deposited on the surfaces of the workpieces 58, 58,... While reacting with each other. By continuously performing such a plasma CVD process for 60 minutes, a silicon-containing DLC film having a thickness of 3 [μm] was formed.
[0052]
The workpieces 58, 58,... On which the silicon-containing DLC film was formed were subjected to a Rockwell indentation test. The result is shown in FIG. Also, the DLC film is formed directly (strictly after forming the chromium film and the silicon carbide film) without subjecting the workpieces 58, 58,. A well indentation test was performed. The result is shown in FIG.
[0053]
As is clear from the comparison between FIGS. 6 and 7, in the case where the ion nitriding treatment was performed, although the DLC film had cracks around the indentation, the DLC film was not peeled off. On the other hand, for those not subjected to the ion nitriding treatment, the DLC film was completely peeled around the indentation. In other words, it can be seen that by performing the ion nitriding treatment according to this embodiment, a DLC film having excellent adhesion and durability can be obtained.
[0054]
As is clear from the above description, according to the surface treatment apparatus 10 of this embodiment, the ion nitriding treatment can be realized without generating a white layer. In addition, since it is not necessary to remove the white layer after the ion nitriding process, a series of processes from the ion nitriding process to the DLC film forming process are continuously performed, in other words, in the middle of the process, the process target 52, 52, without taking out. Therefore, it is possible to simplify the operations related to the series of processes, and to reduce the cost of an article (product) generated by the processes. In addition, unlike the above-described prior art, the safety is high because ammonia gas is not used as the nitriding gas. Further, since no special equipment for exhausting the used ammonia gas is required, the configuration of the entire apparatus can be simplified and the cost can be reduced accordingly.
[0055]
In this embodiment, the pressure in the vacuum chamber 12 during the ion nitriding treatment is set to 0.15 [Pa], but the pressure is not limited to this. Specifically, the pressure in the vacuum chamber 12 during the ion nitriding treatment is in the range of 0.01 [Pa] to 0.5 [Pa], more preferably 0.05 [Pa] to 0.3 [Pa]. Pa]. However, in order to generate the plasma 38 under a pressure very low as compared with the related art of 0.01 [Pa] to 0.5 [Pa], extremely powerful plasma generating means is required. In order to realize the above, it is added as an explanation that this embodiment employs a hot cathode PIG type plasma generation source. Of course, if possible, a plasma source other than the hot cathode PIG method such as a high frequency method may be used.
[0056]
Also, the flow rate ratio (N ₂ / H ₂ ) Was set to 0.1, but when the flow rate ratio was in the range of 0.1 to 1.0, it was confirmed by experiments that no white layer was formed. In order to increase the certainty of this effect, the flow rate ratio is preferably in the range of 0.2 to 0.5.
[0057]
Further, the ion current density for the workpieces 58, 58,. ² ], The ion current density was 0.1 [mA / cm ² ] To 5 [mA / cm ² ]. However, the lower the ion current density, the lower the nitriding speed. On the other hand, as the ion current density increases, the nitridation rate increases, but on the other hand, the temperature of the workpieces 58, 58,... Itself increases due to ion bombardment. Not even that. Therefore, more preferably, the ion current density is 0.3 [mA / cm ² ] To 3 [mA / cm ² ].
[0058]
Are heated to 500 ° C. by the electric heater 78 during the ion nitriding process, but the invention is not limited to this. However, the lower the temperature of the workpieces 58, 58,..., The lower the nitriding speed. Specifically, when the temperature falls below 450 [° C.], the nitriding speed becomes extremely slow, and when the temperature falls below 400 [° C.], nitriding is not performed. On the other hand, the higher the temperature of the workpieces 58, 58,..., The higher the nitridation rate. However, if the temperature exceeds 550 [° C.], the workpieces 58, 58,. Hardness is reduced. Therefore, the temperature of the workpieces 58, 58,... At the time of the ion nitriding treatment should be in the range of 450 ° C. to 550 ° C., more preferably 500 ° C. ± 30 ° C. Good. Further, a heating unit (temperature control unit) other than the electric heater 78 may be used.
[0059]
Further, the frequency f of the asymmetric pulse voltage applied to the workpieces 58, 58,... As the bias voltage during the ion nitriding treatment is set to 100 [kHz], but the frequency f is set to 50 [kHz] to 250 [kHz]. ], The same effect as described above was obtained. Elements other than the frequency f of the non-target pulse voltage, that is, the voltages Va, Vb and Vc in FIG. 2, and the duty ratio (Ta / T) may be changed as appropriate. In the ion nitriding process, a negative DC voltage may be used as the bias voltage. However, when forming a DLC film which is a kind of insulator, it is desirable that the bias voltage be a pulse voltage. When a DC voltage is applied, ions are accumulated in the DLC film, that is, charge-up occurs. Are not transported to the workpieces 58, 58,..., And the DLC film is not deposited.
[0060]
Are not limited to SUS304 stainless steel and SKD die steel, and may be made of other iron-based alloys such as high-speed tool steel, alloy tool steel, and aluminum chromium molybdenum steel. Good.
[0061]
In addition, although a case has been described where a DLC film containing silicon (including a chromium film and a silicon carbide film as an intermediate layer) is formed after the ion nitriding treatment, a DLC film containing no silicon may be formed, A film other than the DLC film may be formed. Then, these films may be formed by a method other than the plasma CVD process (sputtering process).
[0062]
Further, although an argon gas is used as a discharge gas, another inert gas such as helium (He) or xenon (Xe) may be used.
[0063]
【The invention's effect】
According to the first invention, a diffusion layer can be obtained without generating a white layer while using a mixed gas of nitrogen gas and hydrogen gas as the nitriding gas. That is, as compared with the above-described conventional technology in which ammonia gas is used as the nitriding gas, it is possible to realize a safe, simple configuration, low cost, and an ion nitriding process that does not generate a white layer.
[0064]
According to the second aspect, since it is not necessary to remove the white layer after the ion nitriding process, a series of processes from the ion nitriding process to the film forming process are performed continuously, in other words, in the same vacuum chamber. Can be. Therefore, simplification of the operations related to these series of processes and reduction in the cost of the articles generated by the processes can be realized.
[0065]
Since the third invention is a method invention corresponding to the first invention, according to the third invention, the same effect as that of the first invention can be obtained.
[0066]
Since the fourth invention is a method invention corresponding to the second invention, according to the fourth invention, the same effect as that of the second invention can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an illustrative view showing a form of a bias voltage applied to an object to be processed in the embodiment.
FIG. 3 is a graph showing experimental results in the same embodiment.
FIG. 4 is a graph showing experimental results under conditions different from those in FIG. 2;
FIG. 5 is an illustrative view showing an enlarged cross section of an object to be processed which has been subjected to a series of processes in the embodiment.
FIG. 6 is an illustrative view showing a photograph of an experimental result in the embodiment;
FIG. 7 is an illustrative view showing a comparison target of FIG. 6;
[Explanation of symbols]
10 Surface treatment equipment
12 vacuum chamber
14 Exhaust port
16 vacuum pump
20 plasma gun
22 reflective electrode
24,26 electromagnetic coil
44,84 Gas supply port
46,48,50,86,88 Gas supply pipe
52, 54, 56, 90, 92 Mass flow controller
76 pulse power supply
78 Electric Heater

Claims

A vacuum tank, exhaust means for exhausting the inside of the vacuum tank, gas supply means for supplying nitrogen gas and hydrogen gas into the vacuum tank, plasma generating means for generating plasma in the vacuum tank, and the vacuum tank Temperature control means for controlling the temperature of the processing object disposed in the, and a bias applying means for applying a bias voltage to the processing object, in an ion nitriding apparatus comprising:
The evacuation means evacuates the vacuum chamber so that the pressure in the vacuum chamber is 0.01 Pa to 0.5 Pa,
The gas supply means sets the ratio of the flow rate of the nitrogen gas to the flow rate of the hydrogen gas to 0.1 to 1.0,
The plasma generating means generates the plasma such that an ion current density with respect to the surface of the object to be processed is 0.1 mA / cm ^{2 to} 5 mA / cm ² ,
The temperature control means sets the temperature of the object to be processed to 450 ° C. to 550 ° C.

2. The ion nitriding apparatus according to claim 1, wherein the bias voltage is a pulse voltage having a frequency of 50 kHz to 250 kHz.

A film forming apparatus comprising the ion nitriding apparatus according to claim 1.

The film forming apparatus according to claim 3, wherein a DLC film is formed as a film.

An evacuation process for exhausting the vacuum chamber, a gas supply process for supplying nitrogen gas and hydrogen gas into the vacuum chamber, a plasma generation process for generating plasma in the vacuum chamber, A temperature control step of controlling the temperature of the object to be processed, and a bias application step of applying a bias voltage to the object to be processed,
In the evacuation process, the inside of the vacuum chamber is evacuated so that the pressure in the vacuum chamber becomes 0.01 Pa to 0.5 Pa,
In the gas supply process, the ratio of the flow rate of the nitrogen gas to the flow rate of the hydrogen gas is 0.1 to 1.0,
To generate the plasma so that the ion current density to the surface of the object to be treated by the plasma generation process is 0.1 mA / cm ² to 5 mA / cm ^2,
An ion nitriding method, wherein the temperature of the object to be processed is set to 450 ° C. to 550 ° C. in the temperature control process.

6. The ion nitriding method according to claim 5, wherein the bias voltage is a pulse voltage having a frequency of 50 kHz to 250 kHz.

A film forming method, comprising the ion nitriding method according to claim 5.

The film forming method according to claim 7, wherein a DLC film is formed as a film.