JP2017101329A

JP2017101329A - 皮膜付筒部材

Info

Publication number: JP2017101329A
Application number: JP2017009312A
Authority: JP
Inventors: 一樹滝澤; Kazuki Takizawa
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2017-01-23
Filing date: 2017-01-23
Publication date: 2017-06-08

Abstract

【課題】筒形状の部材において筒形状の延在方向の位置によって異なる特性を持たせることができる皮膜付筒部材を提供する。【解決手段】一方向に延在した筒形状の内壁面に皮膜が形成された皮膜付筒部材は、前記筒形状の延在方向の同じ位置において、前記内壁面の周上の前記皮膜の組成は一定であり、前記皮膜の組成は、前記延在方向の位置に応じて変化している。【選択図】図２

Description

本発明は、皮膜付筒部材に関する。

３次元の立体形状の部材に皮膜を形成するために、プラズマイオン注入法を用いる技術が知られている。プラズマイオン注入法では、プラズマ中のイオンを、高電圧のパルス電圧を印加した処理対象部材の表面に衝突させ、物体表面に形成された薄膜にイオンを注入させる方法である。従来のイオンビームに比べて複雑な３次元形状の部材であっても皮膜を形成することができる点で優れている。

従来から知られているプラズマイオン注入法を用いた管内表面の表面処理（皮膜形成）方法及び装置（特許文献１）では、真空容器内に少なくとも内壁が導電性である管形状物を配置し、前記管形状物と前記真空容器の内壁の間に絶縁性材料を配置する。管内表面の表面処理時、真空容器内に所望のイオン発生原料ガスを導入すると同時に減圧状態に維持し、マイクロ波あるいは高周波放電によって管内にプラズマを生成し、管軸方向に磁力線を形成し、管内壁に負電位のパルス電圧を繰り返し印加することによって、管内壁にプラズマ中の正イオンを引き込み、照射する。このとき、管の中心軸に沿ってアンテナを管全長にわたって配置し、アンテナの片端からマイクロ波あるいは高周波電力を供給する。さらに、磁力線を形成する手段は管軸方向に移動可能となっている。

特許第３４３７７７２号公報

上記管内表面の表面処理の方法では、管の中心軸に沿ってアンテナを管全長にわたって配置し、磁力線を形成する手段である電磁コイルを管軸方向に移動させることにより、管内の内壁全面に均一にイオン注入することができるとされている。しかし、上記表面処理の方法では、アンテナはモノポールアンテナであり、このアンテナを、高い周波数の電力が必要であるＥＣＲプラズマ源として用いるため、アンテナに供給された電力は減衰し易くアンテナの先端の方向に十分な電力が行き届かず、管軸方向において十分に均一な厚さの皮膜を形成することは難しい。

そこで、本発明は、筒形状の部材において筒形状の延在方向の位置によって異なる特性を持たせることができる皮膜付筒部材を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、一方向に延在した筒形状の内壁面に皮膜が形成された皮膜付筒部材であって、
前記筒形状の延在方向の同じ位置において、前記内壁面の周上の前記皮膜の組成は一定であり、
前記皮膜の組成は、前記延在方向の位置に応じて変化している、ことを特徴とする。

本発明の一形態によれば、
前記皮膜は、炭素及び水素を含み、
前記水素の組成比率が、前記延在方向の位置に応じて変化することが好ましい。

本発明の一形態によれば、前記水素の組成比率が、前記延在方向において、徐々に小さくなることが好ましい。

本発明の一形態によれば、前記皮膜は酸素を含まないことが好ましい。

本発明の一形態によれば、前記皮膜の厚さは、前記延在方向の同じ位置の周上において、及び前記延在方向において一定であることが好ましい。

皮膜付筒部材は、筒形状の延在方向の位置によって異なる特性を持たせることができる。

本実施形態の皮膜形成装置の概略の装置構成を説明する図である。本実施形態の皮膜形成装置におけるプラズマの局部的形成を説明する図である。（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の皮膜形成装置におけるモノポールアンテナ素子への給電と処理対象部材へのパルス電圧の付与のタイミングの一例を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の皮膜形成装置、皮膜形成方法、及び皮膜付筒部材について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態である皮膜形成装置１０の概略の装置構成を説明する図である。図２は、本実施形態の皮膜形成装置におけるプラズマの局部的形成を説明する図である。

図１に示す皮膜形成装置１０は、プラズマを用いて処理対象部材１１に皮膜を形成する装置である。
皮膜形成装置１０は、処理容器１２と、モノポールアンテナ素子であるプラズマ生成素子１４と、高周波電源１６と、パルス電源１８と、制御部２０と、クロック信号発生器２２とを主に備える。

処理容器１２は、アルミニウム等の材質で形成され、処理対象部材１１を配置した処理空間を囲む。処理容器１２の側壁には、皮膜形成用の原料ガスであり、プラズマの生成用ガスとなるガスを導入する導入口２３が設けられ、さらに、導入口２３の設けられた側壁に対して対向する、処理容器１２の他方の側壁には排気口２５が設けられている。導入口２３は、図示されない原料ガスのガス源と接続され、排気口２５は図示されない排気装置と接続されている。処理空間は、概略１０^−３Ｐａの減圧状態に維持できるように処理容器１２は構成されている。処理容器１２が囲む処理空間には、処理対象部材１１が配置されている。処理対象部材１１は、一方向に延在した筒形状の部材である。本実施形態では、この筒形状の部材の内壁面に皮膜を形成する。
本実施形態では、処理対象部材１１の内壁面に例えばダイヤモンドライクカーボンの皮膜や窒化炭素の皮膜を形成する。ダイヤモンドライクカーボンの皮膜を形成する場合、原料ガスは、炭素成分を含んだガスであり、例えばアセチレンガス、メタンガスを含む。また、原料ガスは必要に応じて水素を含む。窒化炭素の皮膜を形成する場合、原料ガスは、炭素成分及び窒素成分のガスを含み、例えば，アセチレン及び、窒素ガスまたはアンモニアガスを必要に応じて含む。

処理容器１２の側壁には、処理容器１２の処理空間の真ん中に向かって延びる誘電体管２６が設けられており、誘電体管２６内にプラズマ生成素子１４が配されている。すなわち、誘電体管２６は、プラズマ生成素子１４の周囲を覆い、処理空間の内部と外部を分けるように処理容器１２に固定されている。これにより、プラズマ生成素子１４は、処理空間の外部に設けられる。誘電体管２６は、石英あるいは酸化アルミニウムからなる管である。形成する皮膜に酸素が含まれないことが望ましい場合には、後述するプラズマＰによる誘電体管２６のスパッタリングによって酸素が皮膜に含まれることを抑制する点から、誘電体管２６として酸化アルミニウムからなる管が好適に用いられる。

プラズマ生成素子１４は、具体的には、処理容器１２内の処理対象部材１１の延在方向に移動可能に設けられている。プラズマ生成素子１４は、処理対象部材１１に薄膜を形成するために、処理空間内の、処理対象部材１１の延在方向の一部分の周りの局部領域に、電力の供給を受けてプラズマを形成する。プラズマ生成素子１４は、処理対象部材１１の筒形状の中心軸上に設けられることが、皮膜を筒形状の内壁面の周上に一様に形成することができる点で好ましい。

プラズマ生成素子１４は、処理容器１２の外側に設けられたインピーダンス整合器２８と接続されている。インピーダンス整合器２８は、キャパシタやインダクタ等のインピーダンス調整用素子を含み、プラズマ生成素子１４のインピーダンスとマッチングするようにキャパシタンスやインダクタンス等の素子を自動調整する。
プラズマ生成素子１４は、インピーダンス整合器２８を介して高周波電源１６から給電を受ける。高周波電源１６は、高周波発振器３２とアンプ３４とを含む。高周波発振器３２は、後述する制御部２０からの制御によって所定の周波数の高周波（例えば１〜１００ＭＨｚ）電力を発振する。アンプ３４は、高周波を例えば１００〜３０００Ｗの電力となるように増幅する。

制御部２０は、高周波電源１６によるプラズマ生成素子１４への電力の供給のタイミングと、パルス電源１８による処理対象部材１１へのパルス電圧の付与のタイミングと、後述する移動台（移動機構）３０によるプラズマ生成素子１４の移動と、を制御する。制御部２０は、クロック信号発生器２２から供給されるクロック信号に基づいて、上記電力の供給のタイミングと、パルス電圧の付与のタイミングと、プラズマ生成素子１４の移動とを制御する。クロック信号は例えば０．５〜１０ｋＨｚの周波数であり、この周波数の周期ごとに、パルス電圧が処理対象部材１１に印加される。

パルス電源１８は、制御部２０の制御に応じて、すなわち、クロック信号に同期して０．５〜４ｋＶのパルスを処理対象部材１１に付与する。これにより、処理対象部材１１の筒形状の内壁面に形成された薄膜に、処理空間内にプラズマ生成素子１４によって作られたプラズマ中のイオンを引き寄せて注入させることができる。

処理対象部材１１は、載置台３６から突設した突起３８上に支持される一方、パルス電源１８から延びる電線と接続されている。処理対象部材１１の筒形状の中心軸上にプラズマ生成素子１４が位置するように構成されている。

ここで、プラズマ生成素子１４は、インピーダンス整合器２８に、電気的に接続され、機械的に固定されている。インピーダンス整合器２８は、移動台（移動機構）３０に固定されている。移動台３０は、図示されないレール等に載せられて、処理容器１２に対して近づく方向、遠ざかる方向に自在に移動することができる。したがって、移動台３０の移動によって、インピーダンス整合器２８及びこれに接続したプラズマ生成素子１４は、移動可能になっている。特に、プラズマ生成素子１４は、この移動により、誘電体管２６内の管内部に挿入される長さを自在に変え、誘電体管２６内を移動する。これにより、プラズマ生成素子１４の先端は、処理対象部材１１の一方の端から他方の端まで移動することができる。移動台３０の移動は、制御部２０からの制御信号によって制御される。

プラズマ生成素子１４は、基本的には、処理空間内でプラズマを生成するとき、プラズマ生成素子１４の長さ及び誘電体管２６の比誘電率に応じて定まる周波数でプラズマ生成素子１４を共振させてプラズマ生成素子１４の先端に大きな電圧を発生させる。この電圧によって処理空間内でプラズマを形成することができる。したがって、図２に示すように、プラズマ生成素子１４の先端近傍付近の処理空間内に密度の高いプラズマＰが形成される。このように、プラズマ生成素子１４を用いたときに形成される密度の高いプラズマＰは、局部領域に形成される。このため、本実施形態では、局部領域に形成される密度の高いプラズマＰを処理対象部材１１の延在方向の各位置で発生するように、プラズマ生成素子１４を処理対象部材１１の延在方向に沿って移動する。そして、プラズマＰを用いて形成された薄膜に、プラズマＰによって形成されたイオンを注入することによりダイヤモンドライクカーボンの皮膜を形成する。

プラズマ生成素子１４は、誘電体管２６内に配されているので、プラズマＰによって損傷を受けることはない。また、プラズマ生成素子１４を被覆するように誘電体管２６を設けることにより、放射する電波エネルギーを効率よく周囲に放出することが可能となる。

プラズマ生成素子１４が誘電体管２６内を移動するとき、この移動に伴って、プラズマ生成素子１４の誘電体管２６によって覆われる部分の長さが変化し、この長さの変化によってプラズマ生成素子１４のインピーダンスは変化する。したがって、インピーダンス整合器２８は、プラズマ生成素子１４の移動に応じてインピーダンス整合を行うことが、給電した電力が効率よくプラズマの形成に用いられるようにする点で好ましい。

また、処理容器１２の導入口２３は、薄膜の形成中、処理空間に原料ガスを導入しつつ、排気口２５は、原料ガスを処理空間から排気し、これにより、処理対象部材１１の周りには原料ガスの流れが形成されている。このとき、プラズマ生成素子１４の先端は、プラズマ素子１４の後端（プラズマ生成素子１４のインピーダンス整合器２８側の基部）に比べて上記原料ガスの流れの上流側に位置するようにプラズマ生成素子１４は設けられていることが好ましい。プラズマ生成素子１４の先端で原料ガスがプラズマ状態になるので、原料ガスの流れの上流側にプラズマ生成素子１４の先端が位置するようにプラズマ生成素子１４を設けることにより、プラズマ生成素子１４の先端に常に十分な原料ガスが供給される。このため、プラズマ生成素子１４の先端においてプラズマ状態になる原料ガスが枯渇することは少なくなる。原料ガスの流れの上流側にプラズマ生成素子１４の後端が位置するようにプラズマ生成素子１４を設けた場合、筒形状内を流れる原料ガスの流れがプラズマ生成素子によって阻害されやすくなり、プラズマ生成素子１４の先端に十分な原料ガスが供給されにくい。

このように、プラズマ生成素子１４では、プラズマ生成素子１４の先端の周りの局所領域にプラズマＰを形成させるので、処理対象部材１１の筒形状の内側でプラズマＰの形成に用いられる原料ガスが枯渇することを防止できる。また、原料ガスの枯渇を防止できるので、従来に比べて長い時間プラズマＰを形成することができ、安定した皮膜を形成することができる。

この皮膜形成装置１０では、まず、処理容器１２内の処理空間が略１０^−３Ｐａに減圧された状態で、原料ガス、例えばアセチレンガスやメタンガス、場合によってはさらに水素ガスが導入口２３から導入される。原料ガスの導入とともに、原料ガスの排気を行なう。これにより処理空間内に一定の圧力（０．１〜１０Ｐａ）で原料ガスが存在し、処理空間内の処理対象部材１１の内壁面に沿って原料ガスの流れが生じるようにする。この状態で、図３（ａ），（ｂ）に示すように、制御部２０は、クロック信号の立ち上がりと同時に一定期間、高周波発振器３２に一定の高周波を発振させ、この電流信号を増幅させてプラズマ生成素子１４に供給する。図３（ａ）は、クロック信号のタイミングチャートの一例であり、図３（ｂ）は、プラズマ生成素子１４に供給される高周波電力のタイミングチャートの一例であり、図３（ｃ）は、処理対象部材１１に付与されるパルス電圧のタイミングチャートの一例である。

プラズマ生成素子１４に高周波電力を供給するとき、プラズマ生成素子１４の先端は、誘電体管２６の最も奥に位置し、筒形状の処理対象基板１１の端に対応する中心軸上の位置にある。この状態で、インピーダンス整合器２８によるインピーダンス整合が行われる。これにより、電力は反射されることなくプラズマ生成素子１４に給電される。すなわち、処理空間内の、処理対象部材１１の延在方向の一部分の周りの領域に、プラズマ生成素子１４を用いてプラズマＰを形成させる。具体的には、プラズマ生成素子１４の先端において密度の高いプラズマＰが形成されるので、このプラズマＰによって処理対象基板１１の端を含む端近傍の内壁面に薄膜が形成される。この薄膜形成は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）による薄膜形成と同じである。プラズマＰの形成時間、すなわち、プラズマ生成素子１４への給電時間は、例えば１０〜５００μ秒であり、供給される電力は例えば１００〜３０００Ｗである。

プラズマ生成素子１４への電力の供給は一定期間行われた後、図３（ｃ）に示すように、パルス電源１８はパルス電圧を処理対象部材１１に付与する。すなわち、プラズマＰの形成開始後に、処理対象部材１１にパルス電圧を印加することにより、処理対象部材１１の内壁面に形成された薄膜に、プラズマＰによって処理空間内のガスからつくられたイオンを注入させて処理対象部材１１の内壁面にダイヤモンドライクカーボンの皮膜を形成する。パルス幅は例えば０．１〜５００μ秒であり、例えば０．５〜４ｋＶのパルス電圧が処理対象部材１１に印加される。

本実施形態では、プラズマＰの形成中にパルス電圧を処理対象部材１１に付与してもよいし、プラズマＰの形成終了後、すなわちプラズマＰの消滅後に、パルス電圧を処理対象部材１１に付与してもよい。図３（ｃ）に示す例では、プラズマＰの形成後にパルス電圧を処理対象部材１１に付与している。パルス電圧の処理対象部材１１への付与は、少なくともプラズマＰの形成開始後であればよい。パルス電圧の付与をプラズマＰの消滅後に行う場合、プラズマＰが消滅してもイオンは突然消失するわけではなく、処理空間中にイオンは残る。しかし、イオンのイオンエネルギは低くなるが、イオンは均一に拡散しようとする。したがって、イオンエネルギは低くなるが、より均一に拡散したイオンを薄膜に注入することができる。このイオンエネルギはプラズマＰの消滅後の時間の経過とともに低下するので、注入するイオンのイオンエネルギを変えるために、プラズマＰの消滅時点からパルス電圧を付与するまでの時間を変えることにより、形成する皮膜の特性や組成も変えることができる。また、処理対象部材１１に付与するパルス電圧の大きさを変えることにより注入するイオンのイオンエネルギを変えることもでき、形成する皮膜の特性や組成も変えることができる。処理対象部材１１の筒形状の延在方向において、皮膜の組成を変化させる場合、プラズマＰの消滅時点からパルス電圧を付与するまでの時間、あるいは、パルス電圧の大きさを変化させるとよい。

この後、制御部２０の指示に従って、移動台３０を移動させることにより、プラズマ生成素子１４を筒形状の処理対象部材１１の延在方向に移動する。これにより、プラズマ生成素子１４の先端の位置を、筒形状の処理対象部材１１の端から少し内側に入った位置に移動してプラズマＰを形成する位置を変える。この後、図３（ａ）、（ｂ）に従ったタイミングチャートで、上述したように高周波電源１６はプラズマ生成素子１１に給電してプラズマＰを形成させる。さらに、図３（ｃ）に従ったタイミングチャートで、上述したように、パルス電源１８はパルス電圧を処理対象部材１１に付与する。これにより、イオンの注入が行われる。こうして、プラズマＰの形成と、イオンの注入と、プラズマ生成素子１４の延在方向への移動と、を繰り返す。これにより、処理対象部材１１の一方の端から他方の端までの内壁面に、均一な厚さの皮膜を形成することができる。なお、プラズマＰの形成と、イオンの注入を複数回繰り返し行った後、プラズマ生成素子１４を移動してもよい。本実施形態では、原料ターゲット材５０及びプラズマ生成素子１４は、プラズマ生成素子１４の先端の側から後端（基部）の側へ移動するが、プラズマ生成素子１４の後端（基部）の側から先端の側へ移動することもできる。

薄膜の形成中、処理空間に原料ガスを導入しつつ、原料ガスを処理空間から排気するように、処理対象部材１１の周りには原料ガスの流れが形成されるが、このとき、プラズマ生成素子１４の先端がプラズマ生成素子１４の後端（基部）に比べて上記流れの上流側に位置するようにプラズマ生成素子１４は設けられることが好ましい。これにより、原料ガスが枯渇してプラズマＰの形成が十分にできないことを防止できる。
また、プラズマ生成素子１４の移動によって誘電体管２６に覆われるプラズマ生成素子１４の部分の長さが変化する度に、この部分の長さによって変化するインピーダンスに適合するように、インピーダンス整合器２８はインピーダンス整合を行うことが好ましい。これにより、一定の電力をプラズマ生成素子１４に供給することができ、位置に拠らず一定のプラズマ密度を持ったプラズマＰを形成することができ、処理対象部材１１の延在方向に沿ってより均一な厚さの皮膜を形成することができる。
なお、プラズマ生成素子１４の延在方向への移動は、プラズマＰの形成と、イオンの注入を行った後に行う場合の他に、プラズマＰの形成とイオンの注入の実行中にプラズマ生成素子１４を移動することによって、プラズマＰの形成される位置を変えてもよい。この場合、プラズマＰによって形成された薄膜に、このプラズマＰによって作られたイオンの注入が行われるように、プラズマ生成素子１４の移動速度は低速に調整される。

本実施形態では、処理対象部材１１は筒形状の部材であるが、必ずしも筒形状である必要はなく、一方向に長く延在した部材であればよい。この場合においても局部領域にプラズマＰを発生させ、プラズマＰの発生位置を延在方向に移動することにより、均一な厚さの皮膜を形成することができる。しかし、筒形状の内壁面に皮膜を形成する場合、本実施形態は均一な厚さの皮膜を極めて効率よく形成することができる。

本実施形態のプラズマ生成素子１１は、モノポールアンテナ素子であるが、モノポールアンテナ素子に限定されない。例えば、小さな電極板を用いて磁界を発生させ、この磁界によってプラズマを処理空間の局部領域に発生させるプラズマ生成素子を用いることもできる。少なくとも、プラズマＰを局部領域に発生させるものであればよい。

本実施形態ではプラズマ生成素子１４は、処理対象部材１１の筒形状の中心軸上に設けられるが、中心軸上に設けられなくてもよい。しかし、筒形状の内壁面の周上に沿って均一な厚さの皮膜を形成する点で、筒形状の中心軸上にプラズマ生成素子１４を設けることが好ましい。本実施形態では、筒形状の内壁面に皮膜を形成するが、内壁面に限定されず、外壁面であってもよい。

処理容器１２には、プラズマ生成素子１４の周囲を覆う誘電体管２６が処理空間の内部と外部を分けるように固定されており、処理空間の外部でプラズマ生成素子１４は移動することが好ましい。プラズマ生成素子１４を処理空間の外部、すなわち大気圧空間上に設けることで、プラズマ生成素子１４及びインピーダンス整合器２８等の装置構成を簡略化することができる。

本実施形態では、プラズマ生成素子１４の位置に応じて、プラズマＰの消滅時点からパルス電圧を付与するまでの時間を変えることにより、あるいは、パルス電圧の大きさを変化させることにより、あるいは、原料ガスの種類や２種類以上の原料ガスの比率を変えることにより、処理対象部材１１の筒形状の延在方向において、皮膜の組成を変化させることができる。このため、一方向に延在した筒形状の内壁面に皮膜が形成された皮膜付筒部材であって、筒形状の延在方向の同じ位置の内壁面の周上では、組成は一定であるが、延在方向の位置に応じて組成が変化している皮膜が形成された皮膜付筒部材を作製することができる。この場合、筒形状の延在方向の同じ位置においても、さらに延在方向のいずれの位置においても、皮膜の厚さを一定にすることができる。
例えば、処理対象部材１１の筒形状の内壁面のうち、筒形状の延在方向の同じ位置において周上における皮膜の組成を一定にしつつ、延在方向に沿って組成を変化させる、あるいは組成を徐々に変化させることができる。より具体的には、筒形状の処理対象部材１１の内壁面の延在方向の同じ位置では、カーボンと水素の組成比が略同一である一方、延在方向において徐々に水素含有量の比率が小さくなるダイヤモンドライクカーボン皮膜を、筒形状の内壁面に形成することができる。皮膜の組成に応じて皮膜の特性（Rockwell-C硬度、スクラッチテスト、耐摩耗性）は変化するので、筒形状の延在方向の位置によって異なる特性を皮膜に持たせることができる。勿論、延在方向において均一の組成を持つ皮膜を形成することもできる。

以上、本発明の皮膜形成装置、皮膜形成方法、及び皮膜付筒部材について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態および例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

１０皮膜形成装置
１１処理対象部材
１２処理容器
１４プラズマ生成素子
１６高周波電源
１８パルス電源
２０制御部
２２クロック信号発生器
２３導入口
２５排気口
２６誘電体管
２８インピーダンス整合器
３０移動台
３２高周波発振器
３４アンプ
３６載置台
３８突起

Claims

一方向に延在した筒形状の内壁面に皮膜が形成された皮膜付筒部材であって、
前記筒形状の延在方向の同じ位置において、前記内壁面の周上の前記皮膜の組成は一定であり、
前記皮膜の組成は、前記延在方向の位置に応じて変化している、ことを特徴とする、皮膜付筒部材。
前記皮膜は、炭素及び水素を含み、
前記水素の組成比率が、前記延在方向の位置に応じて変化する、請求項１に記載の皮膜付筒部材。
前記水素の組成比率が、前記延在方向において、徐々に小さくなる、請求項２に記載の皮膜付筒部材。
前記皮膜は、酸素を含まない、請求項１〜３のいずれか１項に記載の皮膜付筒部材。
前記皮膜の厚さは、前記延在方向の同じ位置の周上において、及び前記延在方向において一定である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の皮膜付筒部材。