JP2016084516A - プラズマ表面処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 多数の被処理物や大型の被処理物にも容易かつ柔軟に対応することができるプラズマ表面処理装置を提供する。
【解決手段】 本発明に係るプラズマ表面処理装置１０によれば、真空槽１２の中心軸Ｘａに直交する水平軸Ｘｂに沿って、プラズマガン１６から当該真空槽１２内にプラズマ３００が供給される。このプラズマ３００は、水平軸Ｘｂに直交する平面において真空槽１２の中心軸Ｘａに沿う方向に延伸する概略直線状の形状をしている。真空槽１２内においては、被処理物１００が自身を通る鉛直線Ｘｃを中心として回転（自転）しながら真空槽１２の中心軸Ｘａを中心として回転（公転）する。これにより、被処理物１００の表面に満遍なくプラズマ３００が照射される。そして例えば、真空槽１２の内径を大きくすることによって、多数の被処理物１００や大型の被処理物１００に対応することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマを利用して被処理物の表面に所定の処理を施すプラズマ表面処理装置に関する。

この種のプラズマ表面処理装置として、従来、例えば特許文献１に開示されたものがある。この従来技術によれば、両端が閉鎖された概略円筒形の真空槽が、当該両端を上下に向けた状態で、つまり自身の中心軸を上下方向に延伸させた状態で、設置されている。この真空槽は、耐食性および耐熱性の高い金属製、例えばステンレス鋼製、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。また、真空槽の壁部の適宜位置には、排気口が設けられており、この排気口には、真空槽の外部にある排気手段としての真空ポンプが結合されている。

さらに、真空槽の上面を成す壁部上の略中央に、プラズマ発生手段としてのプラズマガンが設けられている。このプラズマガンは、真空槽よりも全体的に小さく、かつ、両端が閉鎖された、概略円筒形の筐体を有している。この筐体は、例えばステンレス鋼製であり、真空槽と同心状に、つまり自身の中心軸を真空槽の中心軸に一致させた状態で、かつ、真空槽と電気的に絶縁された状態で、言わば絶縁電位（フローティング電位）とされた状態で、当該真空槽に結合されている。また、この筐体の下面を成す壁部の略中央に、両端が開口された概略円筒形のアパーチャが、自身の中心軸を筐体の中心軸に一致させた状態で設けられている。そして、このアパーチャを介して、筐体の内部と真空槽の内部とが互いに連通している。

プラズマガンの筐体内には、熱電子放出手段としての熱陰極と、陽極手段としての陽極と、が設けられている。このうちの熱陰極は、直線状のタングステン（Ｗ）製フィラメントで構成されており、筐体の中心軸上において、アパーチャと対向するように、詳しくは当該筐体の中心軸と直交するように、設けられている。そして、この熱陰極には、筐体の外部にある直流電源装置から直流電力がカソード電力として供給される。これに対して、陽極は、モリブデン（Ｍｏ）製の扁平な円形の環状体であり、筐体の中心軸上における熱陰極とアパーチャとの間の位置において、熱陰極と対向するように、詳しくは自身の中心軸を当該筐体の中心軸に一致させた状態で、設けられている。この陽極は、接地電位に接続されており、併せて、当該陽極には、筐体の外部にある別の直流電源装置から熱陰極の電位を基準とする正電位の直流電力がアノード電力として供給される。さらに、筐体の壁部の適宜位置には、当該筐体内に放電用ガスを供給するための放電用ガス供給口が設けられている。

一方、真空槽内には、反射電極が設けられている。この反射電極は、概略円皿状の金属製の収容器と、この収容器内に収容された金属製ウールと、から成るものであるが、例えば単なる円板状の金属体であってもよい。この反射電極は、真空槽の中心軸上における当該真空槽の下面近傍の位置において、プラズマガンと対向するように、詳しくは自身の中心軸を当該真空槽の中心軸に一致させた状態で、設けられている。この反射電極もまた、プラズマガンの筐体と同様、電気的に絶縁電位とされている。さらに、真空槽内の上面近傍には、阻止手段としての円板状のプラズマ安定電極が、当該真空槽内の上面を全体的に覆うように、かつ、アパーチャと干渉しないように、設けられている。このプラズマ安定電極もまた、金属製であり、電気的に絶縁電位とされている。

そして、真空槽内において、当該真空槽の中心軸を中心とする円の円周方向に沿って複数の被処理物が配置される。それぞれの被処理物は、支持手段としてのホルダによって支持されており、当該円の円周方向に移動し、つまり真空槽の中心軸を中心として回転し、言わば公転する。併せて、それぞれの被処理物は、自身を通る鉛直な軸を中心として回転し、言わば自転する。

加えて、真空槽の外部の上下部分には、当該真空槽の上面および下面のそれぞれの周縁に沿うように形成された一対の電磁コイルが設けられている。この一対の電磁コイルは、直流電流の供給を受けて、真空槽内およびプラズマガンの筐体内にミラー磁場を形成し、詳しくは当該真空槽の中心軸およびプラズマガンの筐体の中心軸に沿う方向の磁界を印加する。

この従来技術において、表面処理が行われる際には、まず、真空槽内に被処理物が収容された上で、当該真空槽内およびプラズマガンの筐体内が真空ポンプによって排気される。そして、熱陰極にカソード電力が供給されると共に、陽極にアノード電力が供給される。すると、熱陰極が加熱されて、当該熱陰極から熱電子が放出される。そして、この熱電子は、陽極に向かって加速される。この状態で、プラズマガンの筐体内に放電用ガスとしての例えばアルゴン（Ａｒ）ガスが供給されると、熱陰極から陽極に向かって加速された熱電子が当該アルゴンガスの粒子に衝突する。その衝撃によって、アルゴンガスの粒子が電離して、プラズマが発生する。さらに、上述の一対の電磁コイルによって磁界が印加されると、熱電子は、この磁界に巻き付くように螺旋運動する。これにより、当該熱電子がアルゴンガス粒子に衝突する回数および確率が増大して、プラズマの密度が向上する。そして、このプラズマは、磁界に沿うようにして、ひいてはアパーチャを介して、真空槽内に供給される。

真空槽内に供給されたプラズマは、反射電極に向かって流れる。ただし、反射電極は、上述の如く電気的に絶縁電位とされているので、プラズマ内の電子は、この反射電極によって反射されて、プラズマガンに向かって折り返す、ところが、プラズマガンの筐体もまた、電気的に絶縁電位とされているので、プラズマ内の電子は、当該プラズマガンと反射電極との間を往復し、いわゆる電界振動する。さらに、真空槽内には、上述の磁界が印加されているので、プラズマ内の電子は、この磁界に沿うようにして、つまり真空槽の中心軸に向かって集中するように、概略ビーム状に閉じ込められる。これにより、プラズマの密度がさらに向上する。なお、このような構成のプラズマ発生機構、つまり熱陰極と反射電極との間に環状の陽極が配置されると共に、これらの配置軸に沿う方向の磁界が印加される構成のプラズマ発生機構は、ＰＩＧ（Penning Ionization Gauge）放電機構と呼ばれている。

各被処理物は、このビーム状のプラズマを中心としてこれを取り囲むように配置されることになり、それぞれの被処理物は、自転しながらプラズマの周りを公転する。この結果、それぞれの被処理物の表面に満遍なくプラズマが作用し、このプラズマを利用した所定の処理が当該被処理物の表面全体にわたって一様に施される。

なお上述したように、プラズマガンの筐体内にある陽極は、接地電位に接続されており、この陽極には、熱陰極の電位を基準とする正電位の直流電力がアノード電力として供給されている。従って、筐体内の空間電位は、つまりプラズマの空間電位は、接地電位を基準として安定化される。

また、プラズマガンから真空槽内に供給されたプラズマ内の電子は、陽極と同電位（接地電位）の当該真空槽の壁部に流れ込もうとし、特にプラズマガンが結合されている当該真空槽内の上面部分に流れ込もうとする。ところが、真空槽内の上面部分は、上述の如く電気的に絶縁電位とされたプラズマ安定電極によって覆われているので、プラズマ内の電子が当該真空槽内の上面部分に流れ込もうとしても、その進行はプラズマ安定電極によって阻止される。従って、真空槽内の上面部分を含む当該真空槽の壁部が陽極として（言わば不本意に）作用することはなく、プラズマがさらに安定化される、とされている。

特開２００６−１６９５６２号公報

ところで、上述の従来技術では、それぞれの被処理物が自転しながらビーム状のプラズマの周りを公転するため、たとえ当該被処理物の数が１つのみであるとしても、この被処理物が収容される真空槽として、それ相応の大きさを持つもの、詳しくは当該被処理物が自転しながらビーム状のプラズマの周りを公転することのできる程度の内径を持つもの、が必要とされる。従って特に、大型の被処理物、詳しくは自身の自転軸の径方向における寸法が比較的に大きな被処理物、に対応しようとすると、それ相応に内径の大きな真空槽が必要となり、ひいては当該真空槽を含むプラズマ表面処理装置全体が大型化する。また当然に、装置全体の製造コストが増大する。即ち、従来技術では特に、大型の被処理物に対応するのが困難である、という問題がある。

そこで、本発明は、大型の被処理物にも容易かつ柔軟に対応することができるプラズマ表面処理装置を提供することを、目的とする。

この目的を達成するために、本発明は、プラズマを利用して被処理物の表面に所定の処理を施すプラズマ表面処理装置において、内部に被処理物が収容される真空槽と、この真空槽内を通る第１軸に沿うように当該真空槽内にプラズマを供給するプラズマ供給手段と、真空槽内に供給されたプラズマが被処理物の表面に直接的に照射されるように当該被処理物を保持する被処理物保持回転手段と、を具備する。ここで、被処理物保持回転手段はさらに、第１軸に直交する第２軸を中心として被処理物を回転させる。その上で、本発明は、第１軸に直交する平面に沿うプラズマの断面が第２軸に平行な概略直線状であることを、特徴とする。

即ち、本発明によれば、真空槽内を通る第１軸に沿うように当該真空槽内にプラズマが供給される。このプラズマは、真空槽内に収容されている被処理物の表面に直接的に照射される。そして、被処理物は、第１軸に直交する第２軸を中心として回転し、つまりプラズマの供給方向に直交する当該第２軸を中心として回転する。さらに、第１軸に直交する平面に沿うプラズマの断面、つまりプラズマの供給方向に直交する平面に沿う当該プラズマの断面は、被処理物の回転軸である第２軸に平行な概略直線状である。要するに、第２軸を中心として回転する被処理物の表面に対して、当該第２軸に沿う方向に細長い概略直線状のプラズマが、当該第２軸に直交する第１軸に沿う方向から照射される。この結果、被処理物の表面に満遍なくプラズマが照射され、このプラズマを利用した所定の処理が当該被処理物の表面全体にわたって一様に施される。ここで例えば、被処理物の数が１つのみである場合には、当該被処理物は、第２軸上に配置されるのが、望ましい。この場合、被処理物は、言わば自転し、特に上述の従来技術とは異なり、プラズマの周りを公転することはない。従って、本発明によれば、従来技術とは異なり、被処理物が収容される真空槽として、当該被処理物がプラズマの周りを公転することのできる程度の大きさを持つ必要はなく、ゆえに、大型の被処理物に容易かつ柔軟に対応することができる。

なお、本発明において、プラズマ供給手段は、中空の筐体と、この筐体内に設けられた電子放出電極と、当該筐体内に設けられた電子加速電極と、当該筐体内に放電用ガスを供給する放電用ガス供給手段と、当該筐体内に磁界を印加する磁界印加手段と、を備えるものであってもよい。具体的には、このうちの筐体は、真空槽と結合されており、その内部は、当該真空槽内と連通している。そして、この筐体内と真空槽内との連通部分を介して、当該筐体内と真空槽内とが、第１軸に沿って直線状に連続している。電子放出電極は、概略直線状の細長いものであり、第１軸と直交し、かつ、第２軸と平行を成している。そして、この電子放出電極は、電子放出電力の供給を受けて、電子を放出する。電子加速電極は、電子放出電極と互いに距離を置いて対向するように設けられている。そして、この電子加速電極は、電子放出電極の電位を基準とする正電位の直流電力である電子加速電力の供給を受けて、当該電子を加速させる。放電用ガス供給手段は、筐体内に放電用ガスを供給する。すると、加速された電子が、当該放電用ガスの粒子に衝突する。その衝撃によって、放電用ガスの粒子が電離して、プラズマが発生する。さらに、磁界発生手段は、第１軸に沿う方向の磁界を筐体内に印加する。すると、プラズマが、この磁界の方向に沿って、つまり第１軸に沿って、真空槽内に供給される。ここで、電子加速電極は、概略直線状の開口部を有している。この開口部は、第１軸と直交しており、かつ、第２軸に平行な方向に延伸している。併せて、当該開口部は、第１軸に沿う方向に貫通している。プラズマは、この開口部と電子放出電極との形状に応じて、上述のような概略直線状に整形される。そして、この概略直線状のプラズマが、その形状を維持しながら真空槽内へ供給され、ひいては被処理物の表面に照射される。そのために、筐体内から真空槽内へのプラズマの供給部分である当該筐体内と真空槽内との連通部分は、電子加速電極の開口部と略同等以上の大きさとされている。厳密には、当該連通部分と開口部とを第１軸上の離れた位置から見たときの連通部分の周縁は、開口部の周縁と略同等以上の大きさとされている。

この構成において、電子放出電極は、電子加速電極よりも上述の連通部分から離れた位置、つまりプラズマが供給される方向とは反対側の位置、に設けられるのが、望ましい。即ち、電子放出電極は、上述の如く概略直線状の細長いものであるので、プラズマの影響や、当該プラズマを利用した表面処理の影響を受けて、損傷することがある。この損傷を抑制するために、電子放出電極は、プラズマが供給される方向とは反対側の位置に設けられるのが、望ましい。

また、上述の連通部分の周縁全周にわたって第１軸に沿う壁面を有するアパーチャが、設けられてもよい。このようなアパーチャが設けられることによって、真空槽内とプラズマ供給手段の筐体内との間に距離が置かれ、例えば両者間に圧力差を形成することが可能となる。とりわけ、真空槽内の圧力よりもプラズマ供給手段の筐体内の圧力が高い状態が形成されることによって、当該真空槽内の雰囲気がプラズマ供給手段の筐体内に影響するのが抑制される。例えば、後述する材料ガスが真空槽内に供給される構成においては、当該材料ガスがプラズマ供給手段の筐体内に流入して、当該筐体内が汚染されることが懸念されるが、真空槽内の圧力よりもプラズマ供給手段の筐体内の圧力が高い状態が形成されることによって、そのような懸念が抑制される。さらに、このアパーチャが設けられている連通部分の大きさ、言わば当該アパーチャの開口の大きさが、電子加速電極の開口部の大きさと略同等である場合には、このアパーチャは、概略直線状のプラズマの形状を維持する手段、言わばプラズマ形状維持手段、としても機能する。

加えて、被処理物保持回転手段は、第２軸を中心とする円の円周方向に沿って複数の被処理物を保持するものであってもよい。この場合、それぞれの被処理物は、当該円の円周方向と直交し、かつ、第２軸に平行な、第３軸を中心として、回転するのが、望ましい。この構成によれば、複数の被処理物を同時に処理することができる。

そして、本発明においては、複数のプラズマ供給手段が設けられてもよい。例えば、第２軸の外周方向に沿って当該複数のプラズマ供給手段が設けられてもよい。この構成によれば、被処理物の表面に複数のプラズマ供給手段から複数のプラズマが照射されるので、当該被処理物の表面に施される処理の高速化が図られる。言い換えれば、当該処理に要する時間の短縮化が図られる。

また例えば、第２軸の延伸方向に沿って複数のプラズマ供給手段が設けられてもよい。この構成によれば特に、第２軸の延伸方向に比較的に大きな寸法を有する被処理物に対応することができる。さらに例えば、第２軸の延伸方向に沿って複数の被処理物が配置されることによって、当該複数の被処理物を同時に処理することも可能となる。

ここで言う所定の処理としては例えば、被処理物の表面にダイヤモンドライクカーボン（Diamond‐Like Carbon：以下、「ＤＬＣ」と言う。）膜等の絶縁性の被膜を生成する成膜処理がある。

この場合、絶縁性被膜の材料となる材料ガスは、真空槽内におけるプラズマ供給手段からのプラズマの供給部分の近傍に供給されるのが、望ましい。この構成によれば、プラズマによる材料ガスの分解効率が向上し、ひいては絶縁性被膜の生成効率（成膜レート）が向上する。

上述したように、本発明によれば、大型の被処理物にも容易かつ柔軟に対応することができる。即ち、大型の被処理物に対応するのが困難な従来技術に比べて、より幅広い対応が可能となる。

本発明の一実施形態に係るプラズマ表面処理装置を横方から見た概略構成を示す図である。 同プラズマ表面処理装置を上方から見た概略構成を示す図である。 同実施形態におけるプラズマガンの外観を示す斜視図である。 同プラズマガンの概略構成を示す図である。 同プラズマガンが動作している状態を横方から見た図解図である。 同プラズマガンが動作している状態を上方から見た図解図である。 同実施形態における実験結果を示すグラフである。 図７とは別の実験結果を示すグラフである。 図８とはさらに別の実験結果を示すグラフである。 図９とはさらに別の実験結果を示すグラフである。 図１０とはさらに別の実験結果を示すグラフである。 図１１とはさらに別の実験結果を示すグラフである。 同実施形態の別の例を示す図解図である。 図１３とは別の例を示す図解図である。 図１４とはさらに別の例を示す図解図である。

本発明の一実施形態について、以下に詳しく説明する。

図１に示すように、本実施形態に係るプラズマ表面処理装置１０は、両端が閉鎖された概略円筒形の真空槽１２を備えている。この真空槽１２は、当該円筒形の両端に当たる部分を上下に向けた状態で、つまり当該円筒形の中心軸Ｘａを垂直方向に延伸させた状態で、設置されている。この真空槽１２の内径は、例えば約１１００ｍｍであり、当該真空槽１２内の高さ寸法は、例えば約８００ｍｍである。なお、この真空槽１２の形状や寸法は、飽くまでも一例であり、後述する被処理物１００の大きさや個数等の諸状況に応じて適宜に定められる。また、真空槽１２自体は、耐食性および耐熱性の高い金属製、例えばＳＵＳ３０４等のステンレス鋼製、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。

この真空槽１２の壁部の適宜位置、例えば下面を成す壁部の中央よりも僅かに外方寄り（図１における左寄り）の位置には、排気口１４が設けられている。そして、この排気口１４には、真空槽１２の外部において、図示しない排気管を介して、図示しない排気手段としての真空ポンプが結合されている。なお、真空ポンプは、真空槽１２内の圧力Ｐｃを制御する圧力制御手段としても機能する。また、排気管の途中には、図示しない自動圧力制御装置が設けられており、この自動圧力制御装置もまた、当該圧力制御手段として機能する。

さらに、真空槽１２の側面を成す壁部の外側の適宜位置（図１における右側）に、プラズマ供給手段としてのプラズマガン１６が結合されている。具体的には、図２を併せて参照して、このプラズマガン１６は、概略直方体状の筐体１８を有している。この筐体１８は、真空槽１２と同様、耐食性および耐熱性の高い金属製、例えばＳＵＳ３０４等のステンレス鋼製、であり、その内部は、真空槽１２内と連通している。ここで例えば、真空槽１２内の高さ方向における略中央位置で当該真空槽１２の中心軸Ｘａと直交する直線Ｘｂを仮想すると共に、この直線Ｘｂを水平軸と称すると、この水平軸Ｘｂが、筐体１８内と真空槽１２内との連通部分を介して、筐体１８内を通るように、当該筐体１８が真空槽１２に結合されている。言い換えれば、当該連通部分を介して、真空槽１２内と筐体１８内とが、水平軸Ｘｂに沿って直線状に連続している。なお、筐体１８は、概略矩形閉ループ状の絶縁部材２０を介して、真空槽１２と結合されており、つまり当該真空槽１２と電気的に絶縁されており、言わば絶縁電位とされている。因みに、図２においては、見易さを考慮して、図１に示されている構成要素のうち接地電位を含むいくつかの図示を省略してある。

筐体１８内に注目すると、当該筐体１８内には、電子放出電極としての熱陰極２２と、電子加速電極としての陽極２４と、が設けられている。このうちの熱陰極２２は、例えば直径が約１ｍｍの直線状のタングステン製フィラメントであり、自身の略中央部分において、上述の水平軸Ｘｂと直交しており、かつ、垂直方向に延伸するように、言い換えれば真空槽１２の中心軸Ｘａと平行を成すように、設けられている。そして、この熱陰極２２は、筐体１８（および真空槽１２）の外部において、電子放出用電源手段としての直流電源装置２６に接続されており、当該直流電源装置２６から電子放出電力としてのカソード電力Ｅｃの供給を受けて、２０００℃以上に加熱され、ひいては熱電子を放出する。なお、カソード電力Ｅｃは、直流電力に限らず、交流電力であってもよい。また、詳しい説明は省略するが、熱陰極２２は、予備のものを含め厳密には２本設けられており、稼働中に当該熱陰極２２が破損（断線）したときには、自動的に予備のものに切り換わるよう工夫されている。

一方、陽極２４は、高融点の金属製、例えばモリブデン製、の厚さ寸法が約３ｍｍ〜５ｍｍの概略矩形の平板体であり、上述の水平軸Ｘｂ上における熱陰極２２よりも真空槽１２に近い位置において、当該熱陰極２２と対向するように設けられている。具体的には、この陽極２４は、自身の両主面間を貫通する開口部２４ａを有している。この開口部２４ａは、陽極２４の長手方向に沿って延伸する細長い直線状の形状をしている。そして、この陽極２４は、当該開口部２４ａがその中央部分で水平軸Ｘｂと直交すると共に、当該開口部２４ａが垂直方向に延伸し、言い換えれば当該開口部２４ａが熱陰極２２と平行を成し、さらに、当該開口部２４ａが水平軸Ｘｂに沿う方向に貫通するように、設けられている。この陽極２４は、筐体１８の外部において、接地電位に接続されている。併せて、当該陽極２４は、筐体１８の外部において、電子加速用電源手段としての直流電源装置２８に接続されており、当該直流電源装置２８からアノード電力Ｅａとして熱陰極２２の電位を基準とする正電位の直流電力の供給を受けて、上述の熱電子を加速させる。

そして、筐体１８の真空槽１２内との連通部分には、水平軸Ｘｂに沿う壁面を有するアパーチャ３０が設けられている。具体的には、図３および図４を併せて参照して、アパーチャ３０は、水平軸Ｘｂに沿う方向に陽極２４の開口部２４ａを投影したような形状の開口３０ａを有しており、つまり当該陽極２４の開口部２４ａと同様の細長い直線状の開口３０ａを有している。このアパーチャ３０の開口３０ａの垂直方向における寸法、言わば長さ寸法Ｌａは、陽極２４の開口部２４ａの長さ寸法Ｌｂと同等以上（Ｌａ≧Ｌｂ）であり、好ましくは当該陽極２４の開口部２４ａの長さ寸法Ｌｂと略同等（Ｌａ≒Ｌｂ）である。そして、アパーチャ３０の開口３０ａの水平方向における寸法、言わば幅寸法Ｌｃは、陽極２４の開口部２４ａの幅寸法Ｌｄと同等以上（Ｌｃ≧Ｌｄ）であり、好ましくは当該陽極２４の開口部２４ａの長さ寸法Ｌｄと略同等（Ｌｃ≒Ｌｄ）である。また、アパーチャ３０の開口３０ａの水平軸Ｘｂに沿う方向における寸法、言わば奥行き寸法Ｌｅは、その時々の状況に応じて適宜に定められる。なお、このアパーチャ３０もまた、筐体１８と同様、耐食性および耐熱性の高い金属製、例えばＳＵＳ３０４等のステンレス鋼製、であり、電気的に絶縁電位とされている。

さらに、筐体１８の外部において、水平軸Ｘｂを中心として当該筐体１８の周囲を取り巻くように磁界印加手段としての概略矩形閉ループ状の電磁コイル３２が設けられている。この電磁コイル３２は、特に図４（ｄ）に示すように、水平軸Ｘｂに沿う方向において、自身の中心が熱陰極２２と陽極２４との間（厳密には各表面間）の中央に位置するように配置されている。そして、この電磁コイル３２は、筐体１８の外部にある図示しない磁界印加用電源手段としての直流電源装置に接続されており、当該直流電源装置から磁界印加用電力としての直流電力Ｅｍの供給を受けて、筐体１８内にミラー磁場を形成し、詳しくは水平軸Ｘｂに沿う方向の後述する磁界２００を印加する。この磁界２００は、筐体１８内のみに限らず、真空槽１２内にも作用する。なお、図３および図４においては、見易さを考慮して、電磁コイル３２を破線で示してある。

因みに、熱陰極２２の長さ寸法（実効長さ）Ｌｆは、例えば４００ｍｍである。そして、陽極２４の開口部２４ａの長さ寸法Ｌｂは、熱陰極２２の長さ寸法Ｌｆと略同等（Ｌｂ≒Ｌｆ）または当該熱陰極２２の長さ寸法Ｌｆよりも少し小さく（Ｌｂ＜Ｌｆ）、例えば４００ｍｍである。そして、陽極２４の開口部２４ａの幅寸法Ｌｄは、当該開口部２４ａの長さ寸法Ｌｂよりも遥かに小さく、比率Ｌｄ：Ｌｂとしては１：２〜１：２０程度であり、例えば３０ｍｍである。また、水平軸Ｘｂに沿う方向における熱陰極２２と陽極２４との間の距離Ｌｇは、例えば約８０ｍｍである。なお厳密に言えば、陽極２４の開口部２４ａは、その両端が円形のいわゆる長丸孔状であるが、これに限らず、細長いスリット状であればよく、例えば細長い矩形孔状であってもよい。このことは、アパーチャ３０の開口３０ａについても、同様である。また、図示は省略するが、熱陰極２２の下方端には、当該熱陰極２２が加熱されることによる変形（撓み）を吸収するべく、当該熱陰極２２の長さ方向に一定の張力を付与する張力付与手段としての錘が取り付けられている。

続いて、真空槽１２内に注目すると、当該真空槽１２内には、複数の被処理物１００，１００，…が配置されている。具体的には、各被処理物１００，１００，…は、真空槽１２の中心軸Ｘａを中心とする円の円周方向に沿って等間隔に配置されている。それぞれの被処理物１００は、例えばドリル刃等のような細長い円柱状のものであり、垂直方向に沿って延伸するように、つまり真空槽１２の中心軸Ｘａに沿う方向に延伸するように、保持手段としてのホルダ３４によって保持されている。それぞれのホルダ３４は、ギア機構３６を介して、円盤状の公転台３８の周縁近傍に結合されている。この公転台３８の中心は、真空槽１２の中心軸Ｘａ上に位置しており、当該公転台３８の中心には、真空槽１２の中心軸Ｘａに沿って延伸する回転軸４０の一方端が固定されている。そして、回転軸４０の他方端は、真空槽１２の外部において、回転駆動手段としてのモータ４２のシャフト４２ａに結合されている。

即ち、モータ４２が駆動して、当該モータ４２のシャフト４２ａが例えば図１に矢印４４で示す方向に回転すると、公転台３８が同方向に回転し、つまり図２に矢印４６で示す方向に回転する。これに伴って、それぞれの被処理物１００が真空槽１２の中心軸Ｘａを中心として回転し、言わば公転する。併せて、それぞれのギア機構３６による回転駆動力伝達作用によって、それぞれのホルダ３４が、自身を通る鉛直線Ｘｃを中心として例えば図１および図２のそれぞれに矢印４８に示す方向に回転する。そして、このホルダ３４自身の回転に伴って、被処理物１００もまた、同じ方向に回転し、言わば自転する。なお、被処理物１００の公転経路の直径（ＰＣＤ；Pitch Circle Diameter）は、例えば約６００ｍｍである。そして、被処理物１００の公転速度（公転台３８の回転速度）は、例えば０．５ｒｐｍ〜１ｒｐｍである。これに対して、被処理物１００の自転速度（ホルダ３４自身の回転速度）１００は、例えば３０ｒｐｍ〜６０ｒｐｍであり、つまり公転速度の６０倍である。

加えて、それぞれの被処理物１００には、ホルダ３４，ギア機構３６，公転台３８および回転軸４０を介して、真空槽１２の外部にあるバイアス電力供給手段としてのパルス電源装置５０からバイアス電力としての非対称パルス電力Ｅｂが供給される。この非対称パルス電力Ｅｂの電圧値は、＋３７Ｖのハイレベルと、−３７Ｖ以下のローレベルＶＬと、に交互に遷移し、このうちのローレベル電圧値については、任意に調整可能とされている。また、この非対称パルス電力Ｅｂの周波数およびデューティ比（１周期におけるハイレベル期間の比率）についても、任意に調整可能とされている。そして、この非対称パルス電力Ｅｂのローレベル電圧値，周波数およびデューティ比によって、当該非対称パルス電力Ｅｂの平均電圧値（直流換算値）、言わばバイアス電圧Ｖｂ、が任意に調整可能とされている。

また、真空槽１２内の側面を成す壁部の近傍であって、それぞれの被処理物１００の公転経路よりも外方の或る位置（図１および図２において左側の位置）に、マグネトロンスパッタカソード５２が配置されている。このマグネトロンスパッタカソード５２は、真空槽１２の中心軸Ｘａに向けて配置された平板状のターゲット５４と、このターゲット５４の背面（真空槽１２の中心軸Ｘａとは反対側に向いた面）に近接して設けられたマグネット５６と、ターゲット５４の表面（いわゆるスパッタ面）を露出させながら当該ターゲット５４およびマグネット５６を覆う保護カバー５８と、を有する。このうちのターゲット５４は、例えば純度が９９．９［％］以上のクロム（Ｃｒ）製であり、その高さ寸法は約７００ｍｍ、幅寸法は約１４０ｍｍ、厚さ寸法は約１０ｍｍである。そして、このターゲット５４には、真空槽１２の外部にある図示しないスパッタ用電源装置からターゲット電力として負電位の直流電力が供給される。また、マグネット５６は、ターゲット５４のスパッタ効率を向上させるためのものであり、詳しい図示は省略するが、永久磁石とヨークとが適宜に組み合わされたものである。そして、保護カバー５８は、ターゲット５４のスパッタ面以外の当該ターゲット５４およびマグネット５６を保護するためのものであり、やはり耐食性および耐熱性の高い金属製であり、例えばＳＵＳ３０４等のステンレス鋼製である。

さらに、真空槽１２内の適宜位置には、図示しない温度制御手段としての電熱ヒータが設けられている。この電熱ヒータは、それぞれの被処理物１００を含む真空槽１２内を加熱するためのものである。その加熱温度は、真空槽１２の外部にある図示しないヒータ加熱用電源装置から供給されるヒータ加熱電力によって制御される。

そして、詳しい図示は省略するが、真空槽１２内に、好ましくは上述したプラズマガン１６のアパーチャ３０の開口３０ａに近い位置に、材料ガスを供給するための材料ガス供給路が設けられている。ここで言う材料ガスとしては、例えば炭化水素系ガスおよびシリコン系ガスがあり、特にアセチレンガスおよびＴＭＳ（Tetra-Methyl Silane；Ｓｉ（ＣＨ_３）_４）ガスがある。そして、この材料ガス供給路には、当該供給路を開閉するための開閉手段としての開閉バルブと、当該供給路を流れる材料ガスの流量を制御するための流量制御手段としての例えばマスフローコントローラと、が設けられている。なお、炭化水素系ガスとしては、アセチレンガスの他に、メタン（ＣＨ_４）ガスやエチレン（Ｃ_２Ｈ_４）ガス，ベンゼン（Ｃ_６Ｈ_６）等があるが、安全性や費用の観点から、アセチレンガスが最も適当である。また、シリコン系ガスとしては、ＴＭＳガスの他に、シラン（ＳｉＨ_４）ガスやメチルシラン（ＳｉＨ_３（ＣＨ_３））等があるが、やはり安全性や費用の観点から、ＴＭＳガスが最も適当である。

また、詳しい図示は省略するが、プラズマガン１６の筐体１８内に、好ましくは熱陰極２２に近い位置に、放電用ガスを供給するための放電用ガス供給路が設けられている。ここで言う放電用ガスとしては、例えばアルゴンガスがある。そして、この放電用ガス供給路を利用して、後述する洗浄用ガスとしての水素（Ｈ_２）ガスおよび反応ガスとしての窒素（Ｎ_２）ガスも供給される。なお、この放電用ガス供給路にも、開閉手段としての開閉バルブと、流量制御手段としてのマスフローコントローラと、が設けられている。

同様に、詳しい図示は省略するが、プラズマガン１６の筐体１８内に、好ましくは熱陰極２２から離れた位置に、後述する汚染物除去用ガスとしての酸素（Ｏ_２）ガスを供給するための汚染物除去用ガス供給路が設けられている。そして、この汚染物除去用ガス供給路にも、開閉手段としての開閉バルブと、流量制御手段としてのマスフローコントローラと、が設けられている。

加えて、真空槽１２内の壁面のうちプラズマガン１６が結合されている部分の周辺一帯を覆うように、かつ、アパーチャ３０と干渉しないように（アパーチャ３０の開口３０ａを塞がないように）、プラズマ安定化手段としての概略板状のプラズマ安定化電極６０が設けられている。このプラズマ安定化電極６０は、耐食性および耐熱性が高く、しかも、比較的に軽量な金属製、例えばチタン（Ｔｉ）製またはアルミニウム（Ａｌ）合金製、であり、電気的に絶縁電位とされている。

なお特に、図２に示すように、真空槽１２の壁部のうちプラズマガン１６が結合されている部分１２ａについては、当該プラズマガン１６が結合されるのに適当な構造とされるのが、望ましい。この場合、当該部分１２ａについては、プラズマガン１６のメンテナンス時の作業性等を考慮して、引き戸や開き戸の如く開閉可能とされるのが、望ましい。このことは、真空槽１２の壁部のうちマグネトロンスパッタカソード５２が配置されている部分１２ｂについても、同様である。

このような構成のプラズマ表面処理装置１０は、例えば被処理物１００の表面にＤＬＣ膜を生成するのに用いられる。なお、被処理物１００の表面に直接的にＤＬＣ膜を生成するのは、特に密着性の点で難しいので、当該密着性を与えるために、中間層と傾斜層とがこの順番で生成された後、ＤＬＣ膜が生成される。とりわけ、中間層については、クロム層と窒化クロム（ＣｒＮ）層とクロム層とがこの順番で生成される、言わばサンドイッチ構造とされる。そして、傾斜層は、炭素（Ｃ）を主成分とし、シリコン（Ｓｉ）を含む、シリコン含有炭素（ＳｉＣｘ）層であり、被処理物１００の表面（中間層）から離れるに従ってシリコンの含有率が小さくなるように生成される。

この一連の表面処理のために、まず、真空槽１２内に被処理物１００が収容された上で、当該真空槽１２内が真空ポンプによって排気され、例えば当該真空槽１２内の圧力Ｐｃが２×１０^−３Ｐａ程度になるまで排気される。そして、このいわゆる真空引きの後、モータ４２が駆動されて、それぞれの被処理物１００の自公転が開始される。さらに、上述した電熱ヒータにヒータ加熱電力が供給され、真空槽１２内が例えば１２０℃程度にまで加熱される。これにより、それぞれの被処理物１００に含まれている不純物ガスが排出され、いわゆる脱ガス処理が行われる。

この脱ガス処理が所定期間にわたって行われた後、電熱ヒータへのヒータ加熱電力の供給が停止され、続いて、放電洗浄処理が行われる。この放電洗浄処理においては、熱陰極２２にカソード電力Ｅｃが供給されると共に、陽極２４にアノード電力Ｅａが供給される。すると、熱陰極２２が加熱されて、当該熱陰極２２から熱電子が放出され、この熱電子は、陽極２４に向かって加速される。この状態で、プラズマガン１６の筐体１８内に放電用ガスとしてのアルゴンガスが供給されると、加速された熱電子がアルゴンガスの粒子に衝突し、その衝撃によって、アルゴンガス粒子が電離して、プラズマ３００が発生する。さらに、プラズマガン１６の筐体１８内に洗浄用ガスとしての水素ガスが供給されると、この水素ガスの粒子もまた電離して、プラズマ３００となり、イオン化される。なお、アルゴンガスと水素ガスとの供給は、同時に行われてもよい。

そして、電磁コイル３２に磁界印加用電力Ｅｍが供給されると、プラズマガン１６の筐体１８内に上述のミラー磁場が形成され、詳しくは図５および図６に破線の矢印２００で示す如く水平軸Ｘｂに沿う方向の磁界が印加される。すると、熱電子は、この磁界２００に巻き付くように螺旋運動する。これにより、当該熱電子がアルゴンガス粒子および水素ガス粒子に衝突する回数および確率が増大して、プラズマ３００の密度が向上する。そして、このプラズマ３００は、磁界２００に沿って流れ、アパーチャ３０の開口３０ａを介して、真空槽１２内に供給される。このとき、プラズマ３００は、陽極２４の開口部２４ａを通過することによって、当該陽極３４の開口部２４ａに応じた形状となる。具体的には、水平軸Ｘｂに直交する平面において、当該プラズマ３００の断面が、垂直方向に延伸する細長い概略直線状となる。そして、この概略直線状のプラズマ３００は、アパーチャ３０の開口３０ａを通ることで、その形状を維持しつつ、真空槽１２内に供給される。ここで、アパーチャ３０に注目すると、当該アパーチャ３０は、上述の如く電気的に絶縁電位とされている。そして、このアパーチャ３０と熱陰極２２との間に閉ループ状の陽極２４が配置されている。さらに、これらの配置軸である水平軸Ｘｂに沿う方向に磁界２００が印加される。要するに、本実施形態におけるプラズマガン１６もまた、上述のＰＩＧ放電機構を構成する。

真空槽１２内においては、それぞれの被処理物１００が自公転しているので、当該真空槽１２内に供給されたプラズマ３００は、この自公転している被処理物１００の表面に直接的に照射される。しかも、被処理物１００の表面に照射されるプラズマ３００は、当該被処理物１００の自公転軸ＸａおよびＸｃと平行な概略直線状であるので、当該被処理物１００の表面全体にわたって満遍なく照射される。この状態で、被処理物１００にバイアス電力Ｅｂが供給されると、プラズマ３００内のアルゴンイオンと水素イオンとが当該被処理物１００の表面に積極的に入射される。そして、アルゴンイオンによるスパッタ作用と、水素イオンによる化学反応作用と、によって、被処理物１００の表面の不純物が取り除かれ、いわゆる放電洗浄処理が行われる。

なお、プラズマ３００の発生源であるプラズマガン１６の筐体１８内の陽極２４は、上述の如く設置電位に接続されている。そして、この陽極２４には、熱陰極２２の電位を基準とする正電位の直流のアノード電力Ｅａが供給されている。これにより、筐体１８内の空間電位、つまりプラズマ３００の電位は、接地電位を基準として安定化される。このプラズマ３００の強さ、言わばプラズマガン１６の出力Ｗｇは、熱陰極２２に供給されるカソード電力Ｅｃの大きさ（熱陰極２２の加熱温度）と、陽極２４に供給されるアノード電力Ｅａの大きさと、によって決まる。

また例えば、熱陰極２２の位置と陽極２４の位置とが互いに反対であっても、プラズマ３００は発生する。ただし、この場合は、アパーチャ３０の開口３０ａの近傍に、つまりプラズマ３００が供給される方向に、熱陰極２２が存在することになるため、細長い当該熱陰極２２の消耗が顕著になる。加えて、後述するＤＬＣ膜を生成するための成膜処理において、材料ガスとしてのアセチレンガスがアパーチャ３０の開口３０ａを介してプラズマガン１６の筐体１８内に流れ込むことで、このアセチレンに含まれる炭素成分によって熱陰極２２が炭化され、ひいては当該熱陰極２２が損傷する虞がある。これを抑制するために、熱陰極２２は、プラズマ３００が供給される方向とは反対側の位置に、つまり陽極２４よりもアパーチャ３０の開口３０ａから離れた位置に、設けられるのが、望ましい。

さらに、プラズマガン１６から真空槽１２内に供給されたプラズマ３００内の電子は、陽極２４と同電位（接地電位）の当該真空槽１２内の壁面に流れ込もうとし、特にプラズマガン１６が結合されている部分の周辺に流れ込もうとする。ところが上述したように、真空槽１２内の壁面のうちプラズマガン１６が結合されている部分の周辺一帯は絶縁電位とされたプラズマ安定化電極６０によって覆われているので、プラズマ３００内の電子が真空槽１２内の壁面に流れ込もうとしても、その進行は当該プラズマ安定化電極６０によって阻止される。従って、真空槽１２の壁面が電極として作用することはなく、この結果、プラズマ３００がより一層安定化される。

この放電洗浄処理が所定期間にわたって行われた後、水素ガスの供給が停止され、続いて、上述した中間層を生成するためのスパッタ法による成膜処理が行われる。まず、マグネトロンスパッタカソード５２のターゲット５４にターゲット電力が供給される。すると、このターゲット５４のスパッタ面にプラズマ３００内のアルゴンイオンが衝突して、その衝撃によって、当該スパッタ面からクロム粒子が叩き出される（スパッタされる）。叩き出されたクロム粒子は、被処理物１００の表面に衝突し、堆積する。これにより、被処理物１００の表面にクロム層が生成される。そして、必要な厚みの当該クロム層が生成された後、プラズマガン１６の筐体２０内に反応ガスとしての窒素ガスが供給される。すると、この窒素ガスの粒子が電離されて、窒素イオンが生成される。この窒素イオンは、被処理物１００の表面に衝突し、厳密には先に生成されたクロム層に衝突する。併せて、ターゲット５４から叩き出されたクロム粒子もまた、当該クロム層に衝突する。この結果、窒素とクロムとの化合物である窒化クロム層が、当該クロム層上に生成される。そして、このいわゆる反応性スパッタ法によって必要な厚みの当該窒化クロム層が生成された後、窒素ガスの供給が停止される。これにより、改めてクロム層が生成される。そして、必要な厚みの当該クロム層が生成されることで、中間層が完成し、その後、ターゲット５４へのターゲット電力の供給が停止される。

続いて、上述した傾斜層を生成するためのプラズマＣＶＤ法による成膜処理が行われる。即ち、真空槽１２内に材料ガスとしてのアセチレンガスおよびＴＭＳガスが供給される。すると、これらアセチレンガスおよびＴＭＳガスの粒子が電離されて、当該アセチレンガスの粒子から炭素イオンが生成されると共に、ＴＭＳガスの粒子からシリコンイオンが生成される。そして、これらの炭素イオンとシリコンイオンとは、被処理物１００の表面に衝突し、厳密には先に生成された中間層に衝突する。これにより、炭素とシリコンとの化合物であるシリコン含有炭素層が、当該中間層上に生成される。さらに、真空槽１２内に供給されるアセチレンガスの流量が時間の経過に従って徐々に増大されると共に、当該真空槽１２内に供給されるＴＭＳガスの流量が時間の経過に従って徐々に減少される。これにより、当該シリコン含有炭素層におけるシリコンの含有率が時間の経過に従って徐々に小さくなり、つまり被処理物１００の表面（中間層）から離れるに従って徐々に小さくなる。この結果、傾斜層が生成される。なお、この傾斜層におけるシリコンの含有率（Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｃ））は、例えば中間層側の最下層において原子数比で２０％〜４０％程度が適当であり、最上層において０％〜４％程度が適当である。

そして、ＤＬＣ膜を生成するためのプラズマＣＶＤ法による成膜処理が行われる。即ち、真空槽１２内へのＴＭＳガスの供給が停止されると共に、当該真空槽１２内にアセチレンガスが一定の流量で供給される。すると、アセチレンガスの粒子が電離されて、当該電離によって生成された炭素イオンが被処理物１００の表面に衝突し、厳密には先に生成された傾斜層に衝突する。これにより、当該傾斜層上に硬質炭素膜であるＤＬＣ膜が生成される。なお、このＤＬＣ膜は、アセチレンガスという炭化水素系ガスを材料とするため、必然的に水素を含む。このＤＬＣ膜の水素の含有率は、当該ＤＬＣ膜の生成時の条件（成膜条件）に依存し、特にプラズマガン１６の出力Ｗｇ，バイアス電力Ｅｂおよびアセチレンガスの流量に依存する。また、この水素の含有率は、ＤＬＣ膜の硬度と内部応力とに関係する。例えば、当該水素の含有率が低いほど、ＤＬＣ膜の硬度が高くなるが、その一方で、ＤＬＣ膜の内部応力が大きくなり、密着性が低下する。これとは反対に、水素の含有率が高いほど、ＤＬＣ層の内部応力が小さくなり、密着性が向上するが、ＤＬＣ膜の硬度が低くなる。これらのことから、ＤＬＣ膜の水素の含有率は、例えば原子数比で２０％〜４０％が適当であり、好ましくは２５％〜３５％が適当である。さらに、このＤＬＣ膜を生成するための成膜処理においては、アセチレンガスがプラズマガン１６の筐体１８内に流れ込むことで、当該筐体１８の内壁に炭素が堆積して、当該筐体１８内が汚染されることが、懸念される。この筐体１８内の汚染を抑制するために、当該筐体１８内に汚染物除去用ガスとしての酸素ガスが供給される。この酸素ガスは、筐体１８内に堆積した炭素と反応して酸化炭素となり、この酸化炭素は、真空ポンプによって外部に排出される。

必要な厚みのＤＬＣ膜が生成されると、真空槽１２内へのアセチレンガスの供給が停止されると共に、アルゴンガスの供給が停止される。併せて、熱陰極２２へのカソード電力Ｅｃの供給が停止されると共に、陽極２４へのアノード電力Ｅａの供給が停止される。さらに、被処理物１００へのバイアス電力Ｅｂの供給が停止され、また、電磁コイル３２への磁界印加用電力Ｅｍの供給が停止される。そして、真空槽１２内の圧力が大気圧に近くまで徐々に戻されながら、一定の冷却期間が置かれる。その後、モータ４２の駆動が停止されて、被処理物１００の自公転が停止される。その上で、真空槽１２内から被処理物１００が外部に取り出され、これをもって、一連の表面処理が完了する。

ところで、プラズマガン１６から真空槽１２内に供給されるプラズマ３００は、上述の如く水平軸Ｘｂに直交する平面において垂直方向に延伸する細長い概略直線状であるが、電磁コイル３２に供給される磁界印加用電力Ｅｍの大きさによって、当該プラズマ３００の形状が変わる。具体的には、磁界印加用電力Ｅｍが大きいほど、図５に示す垂直方向（厳密には水平軸Ｘｂを含む鉛直面）におけるプラズマ３００の拡散角度θａが小さくなり、また、図６に示す水平方向（厳密には水平軸Ｘｂを含む水平面）におけるプラズマ３００の拡散角度θｂも小さくなり、言わば当該プラズマ３００が絞られる。一方、磁界印加用電力Ｅｍが小さいほど、垂直方向および水平方向それぞれのプラズマ３００の拡散角度θａおよびθｂが大きくなり、言わば当該プラズマ３００が広がる。なお特に、水平方向におけるプラズマ３００の拡散角度θｂが比較的に大きい場合には、当該プラズマ３００は、概略直線状と言うよりも、概略矩形状となる。要するに、磁界印加用電力Ｅｍの大きさによって、プラズマ３００の形状を制御することが可能である。因みに、この電磁印加用電力Ｅｍの大きさによって、プラズマガン１６の筐体１８内の中心（水平軸Ｘｂ上の熱陰極２２と陽極２４との間の中心）における磁束密度Ｂは、例えば２０Ｇ〜１００Ｇの範囲で変化する。

上述したように、プラズマ３００は、アパーチャ３０の開口３０ａを介して、プラズマガン１６から真空槽１２内に供給されるが、その供給効率は、当該アパーチャ３０の開口３０ａの寸法Ｌａ×Ｌｃ×Ｌｅによって変わる。このことを検証するために、次のような実験を行った。

まず、真空槽１２内の中央（中心軸Ｘａと水平軸Ｘｂとの交点）に、図示しないファラデーカップをプラズマガン１６（アパーチャ３０の開口３０ａ）に対向させた状態で設置する。そして、真空槽１２内を真空引きした後、当該真空槽１２内（筐体１８内）にアルゴンガスを供給して、当該真空槽１２内の圧力Ｐｃを０．２Ｐａに維持する。その上で、熱陰極２２にカソード電力Ｅｃを供給すると共に、陽極２４にアノード電力Ｅａを供給し、さらに、電磁コイル３２に磁界印加用電力Ｅｍを供給することで、プラズマ３００を発生させる。そして、アノード電力Ｅａの電圧、言わばアノード電圧Ｖａを、５０Ｖ（一定）とする。併せて、磁界印加用電力Ｅｍの供給によって電磁コイル３２に流れる電流、言わばコイル電流Ｉｍを、１０Ａ（一定）とする。なお、この１０Ａというコイル電流Ｉｍによれば、プラズマガン１６の筐体１８の中心における磁束密度Ｂは約６０Ｇとなる。この状態で、カソード電力Ｅｃを適宜に変化させることによって、熱陰極２２から陽極２４（厳密には陽極２４および接地電位）に流れる電流、言わば放電電流Ｉｄ、を適宜に変化させて、このときのファラデーカップの出力に基づいて、真空槽１２内の中央におけるイオン電流密度Ｊｓを測定する。この測定を、開口３０の寸法Ｌａ×Ｌｃ×Ｌｅが互いに異なる４種類のアパーチャ３０について行った。その結果を、図７に示す。

この図７に示すように、４種類のアパーチャ３０のいずれについても、放電電流Ｉｄが大きいほど、真空槽１２内の中央におけるイオン電流密度Ｊｓが大きい。そして、放電電流Ｉｄが一定であれば、アパーチャ３０の開口３０ａの幅寸法Ｌｃが大きいほど、また、当該開口３０ａの奥行き寸法Ｌｅが小さいほど、イオン電流密度Ｊｓが大きい、つまりプラズマガン１６から真空槽１２内へのプラズマ３００の供給効率が高い、という結果が得られた。ただし、アパーチャ３０の開口３０ａの幅寸法Ｌｃが大きいほど、また、当該開口３０ａの奥行き寸法Ｌｅが小さいほど、真空槽１２内に材料ガスが供給されたときに、この材料ガスがプラズマガン１６の筐体１８内に流れ易く、当該材料ガスによる筐体１８内の汚染が顕著になることが、分かった。一方、アパーチャ３０の開口３０ａの幅寸法Ｌｃが小さいほど、また、当該開口３０ａの奥行き寸法Ｌｅが大きいほど、プラズマガン１６から真空槽１２内へのプラズマ３００の供給効率は低下するものの、例えば真空槽１２内とプラズマガン１６の筐体１８内との間に圧力差を形成することができる。特に、真空槽１２内の圧力Ｐｃよりもプラズマガン１６の筐体１８内の圧力Ｐｇが高い状態を形成することによって、真空槽１２内に材料ガスが供給されたときに、この材料ガスがプラズマガン１６の筐体１８内に流入するのを抑制することができ、ひいては当該材料ガスによる筐体１８内の汚染を抑制することができる。これらのことを総合的に考慮して、図７に示す実験結果によれば、アパーチャ３０の開口３０ａの寸法Ｌａ×Ｌｃ×Ｌｅは、例えば４００ｍｍ×３０ｍｍ×７５ｍｍが最も適当である、という結論に至った。

また、プラズマ３００は、上述の如く水平軸Ｘｂに直交する平面において垂直方向に延伸する細長い概略直線状であるが、これを検証するために、次のような実験を行った。

まず、真空槽１２内の中心軸Ｘａ上の互いに異なる複数の位置のそれぞれにファラデーカップをプラズマガン１６（アパーチャ３０の開口部３０ａ）側に水平に向けた状態で設置する。そして、上述の実験と同様、真空槽１２内を真空引きした後、当該真空槽１２内（筐体１８内）にアルゴンガスを供給して、当該真空槽１２内の圧力Ｐｃを０．２Ｐａに維持する。その上で、熱陰極２２にカソード電力Ｅｃを供給すると共に、陽極２４にアノード電力Ｅａを供給し、さらに、電磁コイル３２に磁界印加用電力Ｅｍを供給することで、プラズマ３００を発生させる。ここで、アノード電圧Ｖａを５０Ｖ（一定）とすると共に、放電電流Ｉｄを４０Ａ（一定）とし、つまりプラズマガン１６の出力Ｗｇを２ｋＷとする。そして、コイル電流Ｉｍを適宜に変化させて、このときの各ファラデーカップの出力に基づいて、真空槽１２内の中心軸Ｘａ上における各位置のイオン電流密度Ｊｓを測定した。その結果を、図８に示す。なお、図８の横軸は、ホルダ３４による被処理物１００の保持部を基点とする垂直方向（高さ方向）への距離によって、中心軸Ｘａ上における各位置を表している。このため、基点であるホルダ３４の保持部の近傍にファラデーカップを設置することができず、ゆえに、当該基点に最も近い位置が約９０ｍｍとなっている。

この図８に示すように、コイル電流Ｉｍが大きいほど、各位置におけるイオン電流密度Ｊｓが大きくなる。その一方で、コイル電流Ｉｍが大きいほど、各位置間でイオン電流密度Ｊｓに差が生じ、特に両端（とりわけ横軸の４５０ｍｍの位置）付近におけるイオン電流密度Ｊｓが中央付近におけるイオン電流密度Ｊｓに比べて顕著に小さくなる。これは、図５を参照しながら説明したように、コイル電流Ｉｂ（磁界印加用電力Ｅｍ）が大きいほど、垂直方向におけるプラズマ３００の拡散角度θａが小さくなること、つまり当該プラズマ３００が絞られること、に起因する、と考えられる。このことを含め、この図８に示す実験結果によれば、コイル電流Ｉｍが１０Ａ以下であれば、真空槽１２内の中心軸Ｘａ上におけるホルダ３４の保持部の位置から概ね４００ｍｍの位置までの範囲において、イオン電流密度Ｊｓが概ね一様である、つまりプラズマ３００の密度が概ね一様である、と推察される。なお、ここで言う４００ｍｍという寸法は、熱陰極２２の長さ寸法Ｌｆと同等であり、また、陽極２４の開口部２４ａの長さ寸法Ｌｂと同等である。即ち、垂直方向におけるプラズマ３００の密度は、熱陰極２２の長さ寸法Ｌｆおよび陽極２４の開口部２４ａの長さ寸法Ｌｂと同等の範囲にわたって概ね一様である、と言える。

続いて、水平方向におけるプラズマ３００の密度を検証する。まず、真空槽１２の中心軸Ｘａと直交し、かつ、上述の水平軸Ｘｂと直交する、直線を、仮想する。そして、この仮想直線上の互いに異なる複数の位置のそれぞれにファラデーカップをプラズマガン１６（アパーチャ３０の開口部３０ａ）側に水平に向けた状態で設置する。そして、上述と同様、真空槽１２内を真空引きした後、当該真空槽１２内（筐体１８内）にアルゴンガスを供給して、当該真空槽１２内の圧力Ｐｃを０．２Ｐａに維持する。その上で、熱陰極２２にカソード電力Ｅｃを供給すると共に、陽極２４にアノード電力Ｅａを供給し、さらに、電磁コイル３２に磁界印加用電力Ｅｍを供給することで、プラズマ３００を発生させる。そして、アノード電圧Ｖａを５０Ｖ（一定）とすると共に、放電電流Ｉｄを４０Ａ（一定）とし、つまりプラズマガン１６の出力Ｗｇを２ｋＷとする。この状態で、コイル電流Ｉｍを適宜に変化させて、このときのファラデーカップの出力に基づいて、真空槽１２内の当該仮想直線上における各位置のイオン電流密度Ｊｓを測定した。その結果を、図９に示す。図９の横軸は、中心軸Ｘａ（または水平軸Ｘｂ）を基点とする仮想直線に沿う水平方向（言わば左右方向）への距離によって、当該仮想直線上における各位置を表している。

この図９示すように、コイル電流Ｉｍが大きいほど、各位置におけるイオン電流密度Ｊｓが大きくなる。そして、中心軸Ｘａ上の位置において、イオン電流密度Ｊｓが最も大きく、いわゆるピークを示し、当該中心軸Ｘａから離れた位置ほど、イオン電流密度Ｊｓが小さい。これは即ち、仮想直線に沿う方向、言わば左右方向、においては、プラズマ３００の寸法が小さいことを、意味する。要するに、この図９に示す実験結果と、上述の図８に示す実験結果とから、プラズマ３００は、水平軸Ｘｂに直交する平面において垂直方向に延伸する細長い概略直線状であることが、確認された。

次に、本実施形態のプラズマ表面処理装置１０によって実際にＤＬＣ膜を生成し、このＤＬＣ膜についての評価を行った。

まず、被処理物１００として、直径が３０ｍｍ、厚さ寸法が３ｍｍのクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４１５）製の円板体を用意する。そして、それぞれのホルダ３０に、５０ｍｍ×５０ｍｍ×５００ｍｍの角柱状の治具を垂直方向に延伸するように装着し、この治具の長さ方向における略中央の側面に、被処理物１００の一方主面を貼り付ける。その上で、真空槽１２内を真空引きした後、上述の電熱ヒータを１２０℃程度まで加熱して、脱ガス処理を約３０分間にわたって行う。そして、電熱ヒータの加熱を停止して、続いて、放電洗浄処理を行う。

この放電洗浄処理においては、アルゴンガスの供給流量を５０ｍＬ／ｍｉｎとし、水素ガスの供給流量を５０ｍＬ／ｍｉｎとする。そして、真空槽１２内の圧力Ｐｃを０．２Ｐａに維持する。さらに、アノード電圧Ｖａを５０Ｖとし、放電電流Ｉｄを２０Ａとし、つまりプラズマガン１６の出力Ｗｇを１ｋＷとする。また、コイル電流Ｉｍを１０Ａとし、つまりプラズマガン１６の筐体１８内の中央における磁束密度Ｂを約６０Ｇとする。加えて、バイアス電圧Ｖｂを−６００Ｖとし、バイアス電力Ｅｂの周波数を１００ｋＨｚとし、当該バイアス電力Ｅｂのデューティ比を３０％とする。この条件で放電洗浄処理を行い、これを２０分間にわたって行う。そして、水素ガスの供給を停止して、続いて、中間層を生成するための成膜処理を行う。

中間層を生成するための成膜処理においては、アルゴンガスの流量を２００ｍＬ／ｍｉｎとし、真空槽１２内の圧力Ｐｃを０．５Ｐａに維持する。そして、マグネトロンスパッタカソード５２のターゲット５４に供給されるターゲット電力を８ｋＷとする。さらに、バイアス電圧Ｖｂを−１００Ｖとする。なお、バイアス電力Ｅｂの周波数およびデューティ比，アノード電圧Ｖａ，放電電流Ｉｄ，コイル電流Ｉｍについては、放電洗浄処理時と同じである。この条件でクロム層を生成し、これを１０分間にわたって行う。これにより、厚みが約０．１５μｍの当該クロム層が生成される。そして、窒素ガスを５０ｍＬ／ｍｉｎの流量で供給することで、窒化クロム層を生成し、これを４０分間にわたって行う。これにより、厚みが約０．７μｍの当該窒化クロム層が生成される。さらに、窒素ガスの供給を停止して、改めてクロム層を生成し、これを１０分間にわたって行う。これにより、厚みが約０．１５μｍの当該クロム層が生成される。即ち、クロム層と窒化クロム層とクロム層とから成る厚みが約１μｍの中間層が生成される。そして、ターゲット５４へのターゲット電力の供給を停止して、続いて、傾斜層を生成するための成膜処理を行う。

傾斜層を生成するための成膜処理においては、アルゴンガスの流量を５０ｍＬ／ｍｉｎとする。そして、アノード電圧Ｖａを５０Ｖとし、放電電流Ｉｄを１０Ａとし、つまりプラズマガン１６の出力Ｗｇを５００Ｗとする。さらに、バイアス電圧Ｖｂを−６００Ｖとする。なお、バイアス電力Ｅｂの周波数およびデューティ比，コイル電流Ｉｍについては、中間層を生成するための成膜処理時と同じである。そして、アセチレンガスを供給し、その流量を１５分間という時間を掛けて１５０ｍＬ／ｍｉｎから３００ｍＬ／ｍｉｎまで連続的（または段階的）に増大させる。併せて、ＴＭＳガスを供給し、その流量を当該１５分間という同じ時間を掛けて６０ｍＬ／ｍｉｎから３０ｍＬ／ｍｉｎまで連続的（または段階的）に減少させる。この間、真空槽１２内の圧力Ｐｃを０．３Ｐａに維持する。これにより、厚みが約０．３μｍの傾斜層が生成される。そして、ＴＭＳガスの供給を停止して、続いて、ＤＬＣ膜を生成するための成膜処理を行う。

ＤＬＣ膜を生成するための成膜処理においては、アルゴンガスの流量を５０ｍＬ／ｍｉｎとし、アセチレンガスの流量を３００ｍＬ／ｍｉｎとする。併せて、酸素ガスを２０ｍＬ／ｍｉｎの流量で供給する。そして、真空槽１２内の圧力Ｐｃを０．２Ｐａに維持する。さらに、アノード電圧Ｖａを５０Ｖとし、放電電流Ｉｄを４０Ａとし、つまりプラズマガン１６の出力Ｗｇを２ｋＷとする。そして、バイアス電圧Ｖｂを−１００Ｖとする。なお、バイアス電力Ｅｂの周波数およびデューティ比，コイル電流Ｉｍについては、傾斜層を生成するための成膜処理時と同じである。これにより、厚みが約３μｍのＤＬＣ膜が生成される。そして、一連の表面処理を終了する。

これと同じ要領で表面処理を繰り返し行い、最後のＤＬＣ膜を生成するための成膜処理において、バイアス電圧Ｖｂのみを変える。具体的には、バイアス電圧Ｖｂを−２００Ｖ，−３００Ｖ，−４００Ｖ，−５００Ｖおよび−６００とする。そして、それぞれの条件下で生成されたＤＬＣ膜について、いわゆるトライボロジー評価を行った。図１０に、ヌープ硬度の評価結果を示す。そして、図１１に、比摩耗量の評価結果を示す。なお、図１１に係る比摩耗量の評価は、往復摺動試験機を用いて、大気中かつ無潤滑の環境下で行った。この往復摺動試験機のボールは、１／４インチのＳＵＪ２製であり、当該ボールへの印加荷重は、１０００ｇである。そして、摺動速度は、３００ｍｍ／ｍｉｎであり、ストロークは、５ｍｍである。また、サイクル数は、１００００回であり、摺動時間は、６時間である。そして、摺動初期のヘルツの接触応力は、１．３ＧＰａである。

図１０に示すように、バイアス電圧Ｖｂ（の絶対値）が大きいほど、ＤＬＣ膜のヌープ硬度が高く、つまり高硬度なＤＬＣ膜が得られる。そして、図１１に示すように、バイアス電圧Ｖｂ（の絶対値）が大きいほど、ＤＬＣ膜の比摩耗量が少なく、つまり耐摩耗性の高いＤＬＣ膜が得られる。即ち、バイアス電圧Ｖｂによって、ＤＬＣ膜の硬度および耐摩耗性が変わることが、確認された。なお、図示は省略するが、ＤＬＣ膜の摩擦係数を評価したところ、当該摩擦係数については、バイアス電圧Ｖｂによって変わらないことが、確認された。このＤＬＣ膜の摩擦係数は、概ね０．１３〜０．１５であり、つまり潤滑性の高いＤＬＣ膜が得られることが、確認された。

さらに、上述の治具に、その長さ方向に沿って上述と同じ円板体の被処理物１００を複数貼り付けた上で、上述のトライボロジー評価時と同じ要領により一連の表面処理を行った。そして、この表面処理によって生成されたＤＬＣ膜について、治具の長さ方向、つまり垂直方向、における当該ＤＬＣ膜の膜厚分布を測定した。その結果を、図１２に示す。なお、最後のＤＬＣ膜を生成するための成膜処理におけるバイアス電圧Ｖｂは、−６００Ｖである。また、図１２における横軸は、上述の図８と同様、ホルダ３４の保持部を基点とする垂直方向への距離を示す。そして、図１２の縦軸は、ＤＬＣ膜の最も厚い部分の膜厚を１として正規化した膜厚を示す。さらに、この図１２には、比較対象用として、上述の従来技術によって生成されたＤＬＣ膜の膜厚分布も示している。

この図１２に示すように、本実施形態によれば、図８を参照しながら説明したホルダ３４の保持部の位置から４００ｍｍの位置までの範囲において、ＤＬＣ膜の膜厚がその均一性の目安である±１５％以内に十分に収まっていることが、確認された。この膜厚分布は、従来技術における膜厚分布よりも均一であることが、分かる。

以上のように、本実施形態によれば、均一な膜厚分布のＤＬＣ膜を生成することができる。勿論、ＤＬＣ膜に限らず、他の被膜を生成する場合にも、均一な膜厚分布を得ることができる。また、成膜処理に限らず、窒化処理等の当該成膜処理以外の表面処理においても、均一な処理を施すことができる。

さらに、本実施形態によれば、従来技術と比較して、次のような利点がある。

例えば、従来技術において、真空槽内に収容される被処理物の数を増やそうとすると、当該被処理物の公転経路の直径を大きくする必要がある。この場合、真空槽の直径（内径）を大きくする必要がある。また、これに伴い、プラズマと被処理物との間の距離が大きくなるので、当該プラズマの密度を高くする必要があり、つまりプラズマガンの出力を増大させる必要がある。特に、プラズマから被処理物に入射されるイオンの電流密度は、当該プラズマと被処理物との間の距離の２乗に反比例するため、例えば当該距離が２倍になると、プラズマガンの出力を４（＝２^２）倍に増大させる必要がある。その一方で、プラズマガンの出力には限界があるので、プラズマと被処理物との間の距離をそれほど大きくすることはできず、つまり真空槽内に収容される被処理物の数をそれほど増やすことはできない。これとは別に、真空槽内の高さ寸法を大きくして、被処理物の公転経路を当該高さ方向に複数形成する構造（言い換えれば当該高さ方向に沿って複数の被処理物を並べる構造）も考えられるが、この場合、当該高さ方向におけるプラズマの密度を均一化させるために、真空槽の上下に設けられる一対の電磁コイルの直径を大きくする必要がある。ところが、この一対の電磁コイルは、プラズマ表面処理装置の構成要素のうちで最も高価なものであり、そのコストは、直径が大きいほど顕著に高騰する。従って、この別の構造によって真空槽内に収容される被処理物の数を増やすのは、現実的ではない。即ち、従来技術の言わば延長線によって真空槽内に収容される被処理物の数を増やすのには、無理がある。これは、従来技術においては、被処理物が自転しながらプラズマの周りを公転することによる。

これに対して、本実施形態において、真空槽１２内に収容される被処理物１００の数を増やすには、例えば当該被処理物１００の公転経路の直径を大きくすればよく、つまり真空槽１２の直径（内径）を大きくすればよい。そうするだけで、本実施形態によれば、真空槽１２内に収容される被処理物１００の数を増やすことができ、つまりより数多くの被処理物１００を一度に処理することができ、より大規模な大量生産に対応することができる。このようなことができるのは、本実施形態によれば、被処理物１００がプラズマ３００の照射領域を自転しながら通過することによる。

また、本実施形態によれば、図１３に示すような大型の被処理物１００にも対応することができる。このような被処理物１００としては、例えば直径が４００ｍｍ〜６００ｍｍ、高さ寸法が３００ｍｍ〜４００ｍｍもあるような圧延ローラがある。従来技術では、このような大型の被処理物１００に対応し得ないことは、容易に理解できる。

さらに例えば、図１４に示すように、真空槽１２の中心軸Ｘａの外周方向に沿って複数の、例えば２台の、プラズマガン１６および１６が設けられてもよい。この構成によれば、被処理物１００の表面に２台のプラズマガン１６および１６からプラズマ３００および３００が照射されるので、表面処理の高速化が図られる。言い換えれば、当該表面処理に要する時間の短縮化が図られる。なお、図１４においては、プラズマガン１６の詳細な構成を含め、ここでの説明に不必要な要素を省略してある。この図１４に示す構成は、図１に示した構成の如く複数の被処理物１００，１００，…を一度に処理する場合にも、適用できる。勿論、プラズマガン１６の台数は、３台以上であってもよい。

また例えば、図１５に示すように、真空槽１２の中心軸Ｘａの延伸方向に沿って複数の、例えば２台のプラズマガン１６および１６が設けられてもよい。この構成によれば、当該図１５に示すようなより長い被処理物１００にも対応することができる。この場合、各プラズマガン１６および１６からのプラズマ３００，３００，…が互いに重複しないように、若しくは、適度に重複するように、当該各プラズマガン１６および１６の配置や出力Ｗｇ等が調整される。なお、図１５においても、図１４と同様、プラズマガン１６の詳細な構成を含め、ここでの説明に不必要な要素を省略してある。この図１５に示す構成は、図１３および図１４に示したような直径が大きい被処理物１００、特にその上でより長い被処理物１００、を処理する場合にも、適用できる。また、図１に示したような（図１５のものよりも短い）被処理物１００を真空槽１２の中心軸Ｘａの長さ方向に複数並べることによって（言い換えれば図１に示したようなホルダ３４とギア機構３６と公転台３８とから成る言わば自公転機構を真空槽１２の中心軸Ｘａの延伸方向に複数設けることによって）、より数多くの被処理物１００を一度に処理することができる。勿論この場合も、プラズマガン１６の台数は、３台以上であってもよい。

本実施形態は、飽くまでも本発明の一具体例であり、本発明の範囲を限定するものではない。即ち、本実施形態で説明した内容に限らず、別の形態によって、本発明を実現してもよい。

１０ プラズマ表面処理装置
１２ 真空槽
１６ プラズマガン
３４ ホルダ
３６ ギア機構
３８ 公転台
４０ 回転軸
４２ モータ
１００ 被処理物
３００ プラズマ

Claims (9)

1. プラズマを利用して被処理物の表面に所定の処理を施すプラズマ表面処理装置において、
   内部に上記被処理物が収容される真空槽と、
   上記真空槽内を通る第１軸に沿うように該真空槽内に上記プラズマを供給するプラズマ供給手段と、
   上記真空槽内に供給された上記プラズマが上記被処理物の表面に直接的に照射されるように該被処理物を保持すると共に上記第１軸に直交する第２軸を中心として該被処理物を回転させる被処理物保持回転手段と、
   を具備し、
   上記第１軸に直交する平面に沿う上記プラズマの断面が上記第２軸に平行な概略直線状であることを特徴とする、
   プラズマ表面処理装置。
2. 上記プラズマ供給手段は、
   内部が上記真空槽内と連通しており該内部と該真空槽内との連通部分を介して該内部を上記第１軸が通るように該真空槽と結合された中空の筐体と、
   上記筐体内において上記第１軸と直交しかつ上記第２軸と平行を成すように設けられており電子放出電力の供給を受けて電子を放出する概略直線状の電子放出電極と、
   上記筐体内において上記電子放出電極と互いに距離を置いて対向するように設けられており該電子放出電極の電位を基準とする正電位の直流電力である電子加速電力の供給を受けて上記電子を加速させる電子加速電極と、
   加速された上記電子の衝突を受けて放電する放電用ガスを上記筐体内に供給する放電用ガス供給手段と、
   上記放電用ガスが放電することによって発生した上記プラズマが上記第１軸に沿って上記真空槽内に供給されるように該第１軸に沿う方向の磁界を上記筐体内に印加する磁界印加手段と、
   を備え、
   上記電子加速電極は上記第１軸と直交しかつ上記第２軸に平行な方向に延伸すると共に該第１軸に沿う方向に貫通した概略直線状の開口部を有しており、
   上記連通部分と上記開口部とを上記第１軸上の離れた位置から見たときの該連通部分の周縁が該開口部の周縁と略同等以上の大きさである、
   請求項１に記載のプラズマ表面処理装置。
3. 上記電子放出電極は上記電子加速電極よりも上記連通部分から離れた位置に設けられている、
   請求項２に記載のプラズマ表面処理装置。
4. 上記連通部分の周縁の全周にわたって上記第１軸に沿う壁面を有するアパーチャをさらに備える、
   請求項２または３に記載のプラズマ表面処理装置。
5. 上記被処理物保持回転手段は上記第２軸を中心とする円の円周方向に沿って複数の上記被処理物を保持すると共に該円の円周と直交しかつ該第２軸に平行な第３軸を中心として該複数の被処理物のそれぞれをさらに回転させる、
   請求項１ないし４のいずれかに記載のプラズマ表面処理装置。
6. 上記第２軸の外周方向に沿って複数の上記プラズマ供給手段が設けられている、
   請求項１ないし５のいずれかに記載のプラズマ表面処理装置。
7. 上記第２軸の延伸方向に沿って複数の上記プラズマ供給手段が設けられている、
   請求項１ないし６のいずれかに記載のプラズマ表面処理装置。
8. 上記所定の処理は上記被処理物の表面に絶縁性被膜を生成する成膜処理を含む、
   請求項１ないし７のいずれかに記載のプラズマ表面処理装置。
9. 上記絶縁性被膜の材料となる材料ガスは上記真空槽内における上記プラズマ供給手段からの上記プラズマの供給部分の近傍に供給される、
   請求項８に記載のプラズマ表面処理装置。

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