JP2017214629A - リング部材の成膜方法および成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のピストンリングの内周面および上面および下面を効率的に同時に成膜処理を行うこと目的とする。
【解決手段】成膜装置１は、複数のリング部材５１によって円筒状リング集合体６０が形成されるように、当該複数のリング部材５１を互いに当該リング部材５１の軸方向に沿って所定の間隔δで離間して支持する支持部３を備えている。前記間隔δは、複数のリング部材５１に電圧を印加したときに前記円筒状リング集合体６０の内部空間６１においてホローカソード放電が発生して当該ホローカソード放電によってホローカソードプラズマＰ１が生成されるように、設定される。ホローカソードプラズマＰ１の密度は、円筒状リング集合体６０の外部空間６２において生成される外部プラズマＰ２の密度よりも高い。
【選択図】図１

Description

本発明は、ピストンリングなどのリング部材の成膜方法および成膜装置に関する。

従来、ピストンリングなどの円環形状を有するワーク、すなわち、リング部材に関する成膜処理が種々行われている。例えば、ピストンリングは、自動車のエンジンの燃焼圧をシールする重要な部品であり、その耐久性や摺動特性を向上するために、各種の表面処理が施される。ピストンリングの外周面（図４の外周面５３参照）は、エンジンのシリンダーの内面に接触しながら移動するので、当該外周面における耐摩耗性、耐焼き付き性および低摩擦化は重要な課題である。そのため、ＣｒＮ（窒化クロム）やＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）などの硬質皮膜を当該外周面にコーティングすることが一般的に行われている。

一方、上記と異なる観点で、ピストンリングの内周面や当該内周面の上側および下側の縁につながる上面および下面（図４の内周面５２、上面５４、および下面５５参照）、あるいは、これら内周面と上面または下面との間のコーナー部への保護膜の形成も検討されている。

ピストンリングは、ピストンの外周面に形成された溝に嵌合された状態で使用されるので、ピストンリングの上記の内周面、上面、および下面は、溝の内壁に接触した位置、または当該内壁に接触可能な非常に近い位置にある。したがって、エンジンの駆動中に、これら内周面、上面、および下面の箇所とピストンの内壁とが擦れ合うことにより、これらの接触部分において焼き付きや凝着、更にはピストン側の摩耗が生じるおそれがある。特に、ピストンがアルミ合金などで作られる場合には、焼き付き等の問題が生じやすい。

そこで、これらの焼き付き等を抑制する目的で、ピストンの内周面、上面および下面にＤＬＣ膜やＳｉ（シリコン）を含有するＤＬＣ膜が形成されることが提案される。そのようなピストンリングの内周面、上面および下面の成膜に関する技術は、以下の特許文献１〜２に開示されている。

特許文献１には、特定の潤滑油下で使用するピストンリングの少なくとも摺動面におけるＤＬＣ膜の形成が開示されている。特に、特許文献１には、プラズマＣＶＤ（化学気相成長）法などの成膜方法によって、内周面とそれに隣接する上面および下面の一方の面との間の面取りコーナー部の成膜を行うことが開示されている。このコーナー部への成膜により、ピストンリングがピストンの外周面に形成されたピストンリング溝に嵌合された構成では、ピストンがピストンリング溝の内壁に対して摺動することによるピストンリング溝の内壁の摩耗が低減される。

特許文献２では、プラズマＣＶＤ法などの成膜方法によって、ピストンリングの内周面を含めた全表面に成膜することが開示されている。この特許文献２には、複数個のピストンリングを一定の間隔で互いに離間した状態で複数の支持棒によって当該ピストンリングの内周側から支持した状態で、プラズマＣＶＤ法によりピストンリングの全表面（すなわち、外周面、側面および内周面）に非晶質硬質炭素膜の形成を行うことが開示されている。

上記の特許文献１〜２に記載されるプラズマＣＶＤ法を用いた成膜方法では、一般的に、ピストンリングに電圧を印加してピストンリングとチャンバ内壁との間で放電させることによってピストンリングの内部および外部を両方覆うプラズマを一様に発生させ、ピストンリングの表面がプラズマで分解や活性化された原料ガスに曝されることにより、ピストンリングの外周面、側面および内周面に均一な厚さで皮膜が形成される。

特許５０１３４４５号公報 特開２００２−９７５７３号公報（００２２段落および図６）

しかしながら、上記の特許文献１〜２記載の成膜方法では、いずれもプラズマＣＶＤ法においてピストンリングの内部および外部を両方覆うプラズマを一様に発生させ、ピストンリングの全表面に均一な膜厚で皮膜が形成されるので、複数のピストンリングの全表面のうち内周面および上面および下面を効率的に成膜処理することが難しいという問題がある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、複数のピストンリングの内周面および上面および下面を効率的に同時に成膜処理を行うことが可能な成膜装置および成膜方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明のリング部材の成膜装置は、複数のリング部材の成膜処理を行う成膜装置であって、前記複数のリング部材が収容可能な空間部を有する真空容器と、前記複数のリング部材によって円筒状リング集合体が形成されるように、当該複数のリング部材を互いに当該リング部材の軸方向に沿って所定の間隔で離間して支持する少なくとも１つの支持部と、成膜原料となる原料ガスを含むプロセスガスを前記空間部に供給するプロセスガス供給部と、前記支持部を介して前記複数のリング部材に電圧を印加するプラズマ発生電源とを備えており、前記間隔は、前記プラズマ発生電源が前記支持部を介して前記複数のリング部材に電圧を印加したときに前記円筒状リング集合体の内部空間においてホローカソード放電が発生して当該ホローカソード放電によってホローカソードプラズマが生成されるように、設定され、前記ホローカソードプラズマの密度は、前記複数のリング部材に電圧を印加したときに前記円筒状リング集合体の外部空間において生成される外部プラズマの密度よりも高い、ことを特徴とする。

かかる構成によれば、真空容器内部では、成膜処理される複数のリング部材は、支持部によって、互いに当該リング部材の軸方向に沿って所定の間隔で離間して支持される。それによって、これら複数のリング部材によって円筒状リング集合体が形成される。複数のリング部材の間隔は、複数のリング部材によって形成された円筒状リング集合体の内部空間にホローカソード放電を発生することが可能な間隔に設定されているので、プラズマ発生電源が支持部を介して複数のリング部材に電圧を印加することにより、円筒状リング集合体の内部空間にホローカソード放電を発生させることが可能である。このホローカソード放電により、円筒状リング集合体の内部空間には円筒状リング集合体の外部空間に生成される外部プラズマと比較して密度の高いホローカソードプラズマが生成される。

円筒状リング集合体の内部空間では、このホローカソードプラズマによって、プロセスガス供給部から真空容器に供給されるプロセスガスに含まれる原料ガスが分解し、プロセスガスが活性化される。このため内部空間を取り囲むリング部材の内周面には効率的に皮膜が形成される。また、複数のリング部材は互いに離間して配置されているので、円筒状リング集合体内部で生成されたホローカソードプラズマによって分解や活性化された原料ガスおよび活性化したプロセスガスは、リング部材間の隙間を通って円筒状リング集合体の外部空間に拡散する。したがって、その隙間に露出するリング部材の上面および下面にも効果的に皮膜が形成される。このように、複数のリング部材が集合して一つの円筒状リング集合体が形成され、その円筒状リング集合体の内部空間においてホローカソード放電によってホローカソードプラズマが生成されるので、当該共通のホローカソードプラズマによって複数のリング部材の成膜処理を同時に行うことが可能である。その結果、複数のピストンリングの内周面および上面および下面を効率的に同時に成膜処理を行うことが可能である。

また、前記支持部は、前記円筒状リング集合体の中心軸が水平方向を向くように、前記複数のリング部材を支持するように構成されているのが好ましい。

かかる構成によれば、前記複数のリング部材が支持部によって支持されることによって、水平方向に延びる円筒状リング集合体を形成することが可能であり、成膜されるリング部材の数を増やしても成膜装置の高さを低く抑えることが可能である。

さらに、前記支持部は、水平方向に延びる棒状の本体部を有し、前記本体部は、前記複数のリング部材の内部に挿入された状態で各リング部材の内周面に当接することにより、前記リング部材を当該本体部に吊るした状態で支持するのが好ましい。

かかる構成によれば、複数のリング部材を水平方向に延びる支持部の棒状の本体部に吊るすことにより、水平方向に延びる円筒状リング集合体を容易に形成することが可能である。

また、前記リング部材は、一部が欠損して隙間を有する円弧形状を有しており、前記本体部は、前記隙間の幅よりも大きい幅を有しており、前記本体部は、前記リング部材における前記隙間の両側の端部にそれぞれ当接することにより、前記リング部材を吊るした状態で支持するのが好ましい。

かかる構成によれば、リング部材が互いに離間する一対の端部を有する形状、例えば、ピストンリングのように円環の一部が欠損して隙間（合い口）を有している形状の場合などであっても、棒状の本体部が一対の端部において当該リング部材の内周面に当接することにより、前記リング部材を吊るした状態で支持することが可能である。これにより、リング部材の内周面が支持部の棒状の本体部に重なり合う部分が減少するので、リング部材の内周面における成膜厚さのばらつきを抑えることが可能である。

さらに、前記本体部は、当該本体部の長手方向において前記間隔で離間して配置され、前記リング部材に係合可能な複数の係合部を有するのが好ましい。

かかる構成によれば、棒状の本体部の長手方向において前記間隔で離間した複数の係合部にリング部材をそれぞれ係合させることにより、複数のリング部材を前記間隔に離間して容易かつ正確に配置することが可能である。
また、前記係合部は、前記本体部に形成された溝であるのが好ましい。

かかる構成によれば、棒状の本体部に溝を形成することによってリング部材の係合部を容易に形成することが可能である。また、リング部材を溝に係合させるだけで当該リング部材の配置を容易かつ正確に行うことが可能である。

さらに、前記間隔は、１〜５ｍｍの範囲内であるのが好ましい。

かかる構成によれば、この範囲であれば、リング部材の間にプラズマによって分解や活性化された原料ガスが通ってリング部材の上面および下面に成膜を十分に行うことが可能であり、かつ、成膜処理可能なリング部材の個数の減少を抑えることが可能である。

また、前記プロセスガス供給部は、前記円筒状リング集合体の内部空間へ向けて前記プロセスガスを供給するのが好ましい。

かかる構成によれば、円筒状リング集合体の内部空間へ円滑にプロセスガスを供給することが可能である。

さらに、前記プロセスガス供給部は、前記円筒状リング集合体の外部空間に配置されていてもよい。

かかる構成によれば、プロセスガス供給部を円筒状リング集合体内部で発生したホローカソードプラズマから離して配置することが可能であり、プロセスガス供給部の表面における皮膜の形成を抑えることが可能である。

また、前記プラズマ発生電源は、パルス直流電圧または交流電圧を前記複数のリング部材に印加するのが好ましい。

かかる構成によれば、直流電圧をリング部材に印加する場合と比較して、リング部材に形成される皮膜における異常放電の発生を抑えることが可能である。

さらに、複数の前記支持部のそれぞれは、前記複数のリング部材を支持するのが好ましい。

かかる構成によれば、複数の支持部のそれぞれに複数のリング部材が支持されることにより、複数の円筒状リング集合体が形成され、各円筒状リング集合体の内部空間においてホローカソード放電を利用した成膜を行うことが可能になり、より効率よくリング部材の成膜を行うことが可能である。

また、前記複数の前記支持部は、第１の群および第２の群のいずれかに属し、前記プラズマ発生電源の一方の電極は、前記第１の群に属する前記支持部に接続され、前記プラズマ発生電源の他方の電極は、前記第２の群に属する前記支持部に接続され、前記プラズマ発生電源は、前記一方の電極と前記他方の電極との間に交流電圧を印加するのが好ましい。

かかる構成によれば、第１の群に属する支持部と第２の群に属する支持部との間に交流電圧を印加することにより、真空容器にプラズマ発生電源を接続しない状態で、第１の群および第２の群に属する支持部にそれぞれ支持されたリング部材の成膜を行うことが可能である。その結果、真空容器の内壁における皮膜の形成を抑えることが可能である。

本発明のリング部材の成膜方法は、複数のリング部材の成膜処理を行う成膜方法であって、前記複数のリング部材を、所定の間隔で互いに離間して配置することによって円筒状リング集合体を形成する工程であって、前記間隔は、前記円筒状リング集合体に電圧を印加したときに当該円筒状リング集合体の内部空間にホローカソード放電が発生することが可能な間隔である、工程と、前記円筒状リング集合体が真空容器の内部に配置された状態で、成膜原料となる原料ガスを含むプロセスガスを前記真空容器の内部に供給する工程と、前記円筒状リング集合体に電圧を印加することにより、当該円筒状リング集合体の内部空間にホローカソード放電を発生させることによりプラズマを生成し、前記プラズマにより前記原料ガスを分解や活性化して前記リング部材の内周面および上面および下面に付着させることによって皮膜を形成する工程とを含むことを特徴とする。

かかる特徴によれば、複数のリング部材を互いに離間して配置されることによってホローカソード放電が発生可能な円筒状リング集合体を形成しておき、当該円筒状リング集合体に電圧を印加することによって、円筒状リング集合体の内部にホローカソード放電を発生させて円筒状リング集合体の内部に高い密度のプラズマを生成させることが可能である。この高密度のプラズマを用いて、原料ガスを分解や活性化してリング部材の内周面および上面および下面に付着させて皮膜を形成することが可能である。その結果、複数のリング部材の内周面および上面および下面に効率よく成膜処理を行うことが可能である。

以上説明したように、本発明のリング部材の成膜装置および成膜方法によれば、複数のピストンリングの内周面および上面および下面を効率的に同時に成膜処理を行うことができる。

本発明の実施形態に係るリング部材の成膜装置のシステム構成図である。 図１の真空容器の内部を矢印Ｂの方向から見た図である。 本発明の他の実施形態に係るリング部材の成膜装置のシステム構成図である。 成膜されるリング部材の一例であるピストンリングの斜視図である。 図４のピストンリングのＶ‐Ｖ線断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の成膜装置および成膜方法の実施形態についてさらに詳細に説明する。

成膜装置１は、図１〜２に示されるように、複数のリング部材の成膜処理を行う装置であり、本実施形態では、成膜対象であるリング部材の一例として複数のピストンリング５１の成膜を一括して行う。各ピストンリング５１は、図４に示されるように、円筒状の内周面５２を有する円環状の部材である。具体的には、ピストンリング５１は、一部が欠損して隙間５１ｃを有する円弧状のリング本体５１ａを有する。リング本体５１ａは、隙間５１ｃの両側において一対の端部５１ｂを有する。

成膜装置１は、真空容器２と、複数のピストンリング５１を支持する支持部３と、プロセスガス供給部４と、プラズマ発生電源５とを備えている。

真空容器２は、密閉性の高い容器であり、複数のピストンリング５１が収容可能な広さを有する空間部６を有する。

支持部３は、複数のピストンリング５１によって円筒状リング集合体６０（以下、円筒６０という）が形成されるように、当該ピストンリング５１の軸方向（本実施形態では水平方向Ａ）に沿って所定の間隔δで当該複数のピストンリング５１を互いに離間して支持することが可能な構成を有する。

本実施形態の支持部３は、円筒６０の中心軸Ｃが水平方向Ａを向くように、複数のピストンリング５１を支持するように構成されている。具体的には、支持部３は、水平方向Ａに延びる棒状の本体部３ａと、当該本体部３ａが水平方向Ａに向いた状態で当該本体部３ａを真空容器２の側壁に固定する絶縁体からなる固定部３ｂとを有する。

本体部３ａは、ピストンリング５１の隙間５１ｃの幅よりも大きい幅Ｗ（図２参照）を有しているので、当該ピストンリング５１の一対の端部５１ｂがそれぞれ当該本体部３ａに係合することが可能である。

本体部３ａは、ピストンリング５１に係合可能な複数の係合部として、本体部３ａに形成された複数の溝３ｃを有する。複数の溝３ｃは、当該本体部３ａの長手方向（本実施形態では水平方向Ａ）において前記間隔δで離間して配置されている。溝３ｃは、ピストンリング５１の一対の端部５１ｂの少なくとも下部がそれぞれ挿入可能な深さおよび長さを有する。

本体部３ａは、複数のピストンリング５１の内部に挿入された状態で各ピストンリング５１の内周面５２に当接することにより、ピストンリング５１を当該本体部３ａに吊るした状態で支持する。具体的には、本体部３ａは、ピストンリング５１の一対の端部５１ｂが溝３ｃに係合することにより、ピストンリング５１を吊るした状態で支持する。

ピストンリング５１の間隔δは、プラズマ発生電源５が支持部３を介して複数のピストンリング５１に電圧を印加したときに円筒６０の内部空間６１においてホローカソード放電が発生して当該ホローカソード放電によってホローカソードプラズマＰ１が生成されるように、設定されている。ホローカソード放電によって発生するホローカソードプラズマＰ１の密度は、複数のピストンリング５１に電圧を印加したときに円筒６０の外部空間６２において生成される外部プラズマＰ２（図２参照）の密度よりも高くなる。そのため、この高密度のホローカソードプラズマＰ１を用いて、複数のピストンリング５１の内周面５２および上面５４および下面５５の成膜処理を行い、これら内周面５２および上面５４および下面５５に対して皮膜５７、５８、５９（図５参照）をそれぞれ形成することが可能である。

円筒６０内部に円筒６０外部よりも密度の高いホローカソードプラズマＰ１を生成するためには、軸方向に互いに離間するピストンリング５１同士の間隔δがある閾値より小さいことが必要である。間隔δが閾値より大きくなるとホローカソード放電が発生しなくなり、円筒６０の内外でのプラズマ密度に大きな差は無くなる。このような状態では、ピストンリング５１の全表面に一様な厚さの被覆が成されるため、ピストンリング５１の内周面５２および上面５４および下面５５に重点的に成膜することができなくなる。この閾値は、ピストンリング５１の形状、サイズや圧力等の条件で異なる。ピストンリング５１の間隔δがこの閾値より小さければ、円筒６０の内部でホローカソード放電が発生して高密度のホローカソードプラズマＰ１が生成されるので、閾値を容易に判別することが可能である。

前記間隔δは、１〜５ｍｍの範囲内であるのが好ましい。この範囲内であれば、ピストンリング５１の間にプラズマによって分解や活性化された原料ガスが通ってピストンリング５１の上面５４および下面５５に成膜を十分に行うことが可能であり、かつ、成膜処理可能なピストンリング５１の個数の減少を抑えることが可能である。δが５ｍｍ以下の理由は、δが５ｍｍを超えると高密度のホローカソードプラズマが生成できなくなったり、成膜処理可能なピストンリングの個数が減少したりするからである。δが１ｍｍ以上とする理由は、１ｍｍ未満だと間隔δを通る分解・活性化された原料ガスの量が減り、特に上面下面の成膜ができにくくなるからである。

例えば、自動車用のピストンリング５１は、図４に示される外径Ｄが５０〜２００ｍｍ、厚さｔが１〜４ｍｍ程度の範囲にあるので、上記のように間隔δを１〜５ｍｍ程度にすれば、上面５４および下面５５の領域に成膜が十分に広がり、かつ、一括して成膜処理が可能なピストンリング５１の個数の減少を抑える効果を確実に発揮することが可能である。

プロセスガス供給部４は、ＤＬＣなどの皮膜を成膜するための原料となる原料ガス（例えばメタンなど）を含むプロセスガスをタンク７から真空容器２の空間部６に供給する。

プロセスガス供給部４は、プロセスガスを空間部６の内部に導入する導入部４ａを有している。導入部４ａは、複数のピストンリング５１で構成される円筒６０の外部空間６２に配置されている。

プロセスガス供給部４は、円筒６０の外部空間６２に配置されている。これにより、プロセスガス供給部４を円筒６０内部で発生したホローカソードプラズマＰ１から離して配置することが可能であり、プロセスガス供給部４の表面における皮膜の形成を抑えることが可能である。プロセスガス供給部４の導入部４ａから円筒６０の外部空間６２へ導入されたプロセスガスは、ピストンリング５１の隙間６３や円筒６０の両端を通って、円筒６０の内部空間６１において拡散することが可能である。

プラズマ発生電源５は、支持部３を介して複数のピストンリング５１に電圧を印加する。プラズマ発生電源５の陰極は、支持部３に接続され、陽極は真空容器２に接続されている。

プラズマ発生電源５から円筒６０に印加される電圧は、円筒６０の内部にホローカソード放電が発生して高密度のホローカソードプラズマＰ１が生成されることが可能な電圧であればよい。そのような電圧は、例えば、直流電圧であれば、３００〜２０００Ｖの範囲の負の直流電圧、またはその範囲のパルス直流電圧（周波数１０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚ程度）である。または、円筒６０に印加される電圧は、高周波（１~３０ＭＨｚ、一般的には１３．５６ＭＨｚ）電圧、あるいは、低周波〜中間周波数（１０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚ）の交流電圧であってもよく、その場合も高密度のホローカソードプラズマＰ１は生成可能である。プラズマ発生電源５は、パルス直流電圧または交流電圧を複数のピストンリング５１に印加するのが好ましく、その場合、ピストンリング５１に形成される皮膜において異常放電が生じにくくなる。実用的には、パルス直流電圧を印加する方式が好ましい。

以上のように構成された成膜装置１を用いて複数のピストンリング５１の成膜を行う場合、以下の手順で行う。

まず、複数のピストンリング５１を、所定の間隔δで互いに離間して配置することによって、当該円筒６０を形成する。具体的には、支持部３の本体部３ａが真空容器２の外部において水平方向に延びるように配置された状態で、ピストンリング５１の一対の端部５１ｂを本体部３ａの溝３ｃにそれぞれ係合させることにより、複数のピストンリング５１は、本体部３ａに吊り下げられた状態で、上記の所定の間隔δで互いに離間して配置される。この間隔δは、前記のように円筒６０に電圧を印加したときに当該円筒６０の内部空間６１にホローカソード放電が発生することが可能な間隔に設定されている。

例えば、図４における外径Ｄ：１００ｍｍ、厚さｔ：３．４ｍｍ、高さＨ：２．５ｍｍの寸法を有するピストンリング５１が４０本用意される。その４０本のピストンリング５１は、図１に示されるように、２．５ｍｍの間隔δで支持部３に水平方向Ａに並ぶように取り付けられ、長さ約２００ｍｍの円筒６０が構成される。

ついで、複数のピストンリング５１によって形成された円筒６０は、真空容器２の内部に配置される。具体的には、支持部３の本体部３ａは、複数のピストンリング５１を円筒６０の形状を維持するように支持しながら、真空容器２の内部に搬送され、固定部３ｂを介して真空容器２の側壁に水平方向に延びた状態で、固定される。

ついで、真空容器２の空間部６の空気は、図示しない真空ポンプによって排出され、空間部６は真空に近い圧力まで減圧された高真空の状態にされる。

つぎに、ピストンリング５１は、成膜前にイオンボンバード処理が施される。具体的には、プロセスガス供給部４などからＡｒ（アルゴン）等の不活性ガスが真空容器２の内部に導入され、真空容器２の内部を３Ｐａ程度の圧力にした状態で、プラズマ発生電源５によって支持部３と真空容器２との間にパルス直流電圧が５００Ｗの電力で５分間印加される。これにより、ピストンリング５１の表面に断続的な放電（グロー放電）が発生し、ピストンリング５１の全表面がエッチングされて清浄化される。

その後、円筒６０が真空容器２の内部に配置された状態で、成膜原料となる原料ガス（アセチレンなど）を含むプロセスガスをプロセスガス供給部４によって真空容器２の内部に供給する。具体的には、原料ガスとして、アセチレンが２Ｐａの圧力で真空容器２の内部に導入される。

そして、プラズマ発生電源５が支持部３を介して円筒６０に電圧を印加（例えば７５０Ｖ程度のパルス直流電圧を３０分間印加）することにより、当該円筒６０の内部空間６１にホローカソード放電が発生し、当該内部空間６１に高密度のホローカソードプラズマＰ１が生成される。このホローカソードプラズマＰ１により原料ガスが分解や活性化され、ピストンリング５１の内周面５２に付着することにより、ＤＬＣなどの皮膜５７（図５参照）が形成される。それとともに、分解や活性化された原料ガスはピストンリング５１間の隙間６３を通って円筒６０の外部空間６２に拡散するので、その隙間６３に露出するピストンリングの上面５４および下面５５に付着することによって、上記皮膜５７と同様に、ＤＬＣなどの皮膜５８、５９（図５参照）が形成される。

成膜処理が完了後、プラズマ発生電源５による電圧印加およびプロセスガス供給部４によるプロセスガスの導入が停止される。そして、ピストンリング５１の温度が所定の温度まで低下した後に、成膜後のピストンリング５１が真空容器２から取り出される。

実験によれば、上記の条件の成膜方法によって得られたピストンリング５１の表面に成膜された皮膜５７、５８、５９（図５参照）は、黒色であり、ピストンリング５１の内周面５２に形成された皮膜５７の厚さは２．５μｍであり、上面５４および下面５５の皮膜５８、５９の厚さは１．６μｍであることが確認されている。

上記のピストンリング５１の成膜方法では、複数のピストンリング５１によって形成された円筒６０の内部にホローカソード放電を発生させて円筒６０の内部に高い密度のプラズマを生成させることが可能である。この高密度のプラズマを用いて、原料ガスを分解や活性化してピストンリング５１の内周面５２および上面５４および下面５５に付着させて皮膜を形成することによって、複数のピストンリング５１の内周面５２および上面５４および下面５５に効率よく成膜処理を行うことが可能である。

また、上記のピストンリング５１の成膜を行う場合、プロセスガスとして種々の成分のガスを用いることが可能である。例えば、プロセスガスとして、ＨＭＤＳＯ（ヘキサメチルジシロキサン）からなる原料ガスと酸素ガスとを真空容器２の空間部６に導入して成膜を行ってもよい。その場合には、例えば、原料ガスであるＨＭＤＳＯは、円筒６０の外部空間６２に向けて供給され、酸素ガスは円筒６０内部空間６１に向けて供給されればよい。ＨＭＤＳＯと酸素ガスは、これらの流量比が１：１の状態で２．５Ｐａの圧力で真空容器２の空間部６に導入される。プラズマ発生電源５は、パルス直流電圧（例えば１ｋＷのパルス電力の条件下のパルス直流電圧）を支持部３を介して円筒６０に印加することにより、ホローカソード放電を円筒６０内部に発生させ、高密度のホローカソードプラズマＰ１を発生させる。それにより、上記の成膜方法と同様に、ピストンリング５１の基材の内周面５２および上面５４および下面５５に皮膜が形成される。この場合、ピストンリング５１の表面には、２μｍのＳｉ、Ｃ、Ｏ、およびＨを成分とする皮膜が形成される。当該皮膜は、撥水性を有し、たとえば粘着性の樹脂の付着等があっても、簡単に除去できる特性を有している。このように皮膜に付着させた粘着テープは、高圧で噴射された水によって、簡単に剥離可能である。

その他にも、皮膜材料に関わる好ましい実施の形態として、以下のプロセスガスが挙げられる。

（１）プロセスガスとしては、アセチレン、メタン、ベンゼン、トルエン、エタン、またはエチレンなどの炭化水素ガスを含むガスが真空容器２内に供給されてもよい。このガスを用いれば、皮膜として、ＤＬＣなどの水素含有の炭素膜がピストンリング５１の表面に形成される。

（２）プロセスガスとして、アセチレン、メタン、ベンゼン、トルエン、エタン、またはエチレンなどの炭化水素ガスと、シラン、ＴＭＳ、ＨＭＤＳＯ，またはＨＭＤＳＮ等を含むガスとの混合ガスが用いられた場合には、シリコン含有ＤＬＣなどのＣ、Ｓｉ、およびＨを必須の元素として含む皮膜が形成される。

（３）プロセスガスとして、アセチレン、メタン、ベンゼン、トルエン、エタン、またはエチレンなどの炭化水素ガスを主成分として含み、これに金属を含むガス（ＴＭＳ、ＴＴＩＰ等）を添加成分として含むガスが用いられた場合には、Ｍｅ：ＤＬＣなどと呼ばれる金属元素含有の炭素膜が形成される。

（４）プロセスガスとして、ＴＭＳ、ＨＭＤＳＯ、またはＨＭＤＳＮなどのＳｉを必須元素として含む有機シラン系のガスを含むガスが用いられた場合には、Ｓｉ、Ｃ、およびＨを必須の元素として含む保護皮膜が形成される。

（５）プロセスガスとして、シラン、ＴＭＳ、ＨＭＤＳＯ、またはＨＭＤＳＮなどのＳｉを必須元素として含む有機シラン系のガスと、酸化作用を有するガス（酸素など）とが混合されたガスが用いられた場合には、Ｓｉ、Ｏ、Ｃ、およびＨを必須の元素として含む保護皮膜が形成される。

（６）プロセスガスとして、シラン、ＴＭＳ、ＨＭＤＳＯ，またはＨＭＤＳＮなどのＳｉを必須元素として含む有機シラン系のガスと、窒素を含有するガス（窒素ガス、アンモニアなど）とが混合されたガスが用いられた場合には、Ｓｉ、Ｎ、Ｃ、およびＨを必須の元素として含む保護皮膜が形成される。

（本実施形態の特徴）
（１）
本実施形態の成膜装置１は、複数のピストンリング５１によって円筒６０が形成されるように、当該複数のピストンリング５１を互いに当該ピストンリング５１の軸方向（上記実施形態では図１の水平方向Ａ）に沿って所定の間隔δで離間して支持する支持部３を備えている。したがって、真空容器２内部では、成膜処理される複数のピストンリング５１は、支持部３によって、互いに当該ピストンリング５１の軸方向（図１の水平方向Ａ）に沿って所定の間隔δで離間して支持される。それによって、これら複数のピストンリング５１によって円筒６０が形成される。複数のピストンリング５１の間隔δは、複数のピストンリング５１によって形成された円筒６０の内部空間６１にホローカソード放電を発生することが可能な間隔δに設定されているので、プラズマ発生電源５が支持部３を介して複数のピストンリング５１に電圧を印加することにより、円筒６０の内部空間６１にホローカソード放電を発生させることが可能である。このホローカソード放電により、円筒６０の内部空間６１には円筒６０の外部空間６２に生成される外部プラズマＰ２と比較して密度の高いホローカソードプラズマＰ１が生成される。

円筒６０の内部空間６１では、このホローカソードプラズマＰ１によって、プロセスガス供給部４から真空容器２に供給されるプロセスガスに含まれる原料ガスが分解や活性化し、プロセスガスの活性化が発生する。このため内部空間６１を取り囲むピストンリング５１の内周面５２には効率的に皮膜が形成される。また、複数のピストンリング５１は互いに離間して配置されているので、円筒６０内部で生成されたホローカソードプラズマＰ１によって分解や活性化された原料ガスおよび活性化したプロセスガスは、ピストンリング５１間の隙間６３を通って円筒６０の外部空間６２に拡散する。したがって、その隙間６３に露出するピストンリング５１の上面５４および下面５５にも効果的に皮膜が形成される。このように、複数のピストンリング５１が集合して一つの円筒６０が形成され、その円筒６０の内部空間６１においてホローカソード放電によってホローカソードプラズマＰ１が生成されるので、当該共通のホローカソードプラズマＰ１によって複数のピストンリング５１の成膜処理を同時に行うことが可能である。その結果、複数のピストンリングの内周面５２および上面５４および下面５５を効率的に同時に成膜処理を行うことが可能である。

（２）
本実施形態の成膜装置１によれば、支持部３が円筒６０の中心軸Ｃが水平方向Ａを向くように、複数のピストンリング５１を支持するように構成されている。これにより、複数のピストンリング５１が支持部３によって支持されることによって、水平方向Ａに延びる円筒６０を形成することが可能であり、成膜されるピストンリング５１の数を増やしても成膜装置１の高さを低く抑えることが可能である。

（３）
本実施形態の成膜装置１によれば、複数のピストンリング５１を水平方向Ａに延びる支持部３の棒状の本体部３ａに吊るすことにより、水平方向Ａに延びる円筒６０を容易に形成することが可能である。

なお、本発明は円筒６０の向きについて水平方向に限定されるものではなく、垂直方向や斜め方向であってもよい。

（４）
本実施形態の成膜装置１によれば、支持部３の棒状の本体部３ａは、ピストンリング５１の隙間５１ｃの幅よりも大きい幅Ｗを有しており、ピストンリング５１の隙間５１ｃの両側の端部５１ｂにそれぞれ当接することにより、ピストンリング５１を吊るした状態で支持するように構成されている。

したがって、ピストンリング５１が円環の一部が欠損して隙間５１ｃ（合い口）を有している形状の場合などであっても、棒状の本体部３ａがピストンリング５１の一対の端部５１ｂにおいて当該ピストンリング５１の内周面５２に当接することにより、ピストンリング５１を吊るした状態で支持することが可能である。これにより、ピストンリング５１の内周面５２が支持部３の棒状の本体部３ａに重なり合う部分が減少するので、ピストンリング５１の内周面５２における成膜厚さのばらつきを抑えることが可能である。

（５）
本実施形態の成膜装置１によれば、支持部３の棒状の本体部３ａは、当該本体部３ａの長手方向において前記間隔δで離間して配置され、ピストンリング５１に係合可能な複数の係合部として溝３ｃを有する。したがって、棒状の本体部３ａの長手方向において前記間隔δで離間した複数の溝３ｃにピストンリング５１をそれぞれ係合させることにより、複数のピストンリング５１を前記間隔δに離間して容易かつ正確に配置することが可能である。
（６）
本実施形態の成膜装置１によれば、棒状の本体部３ａに溝を形成することによってピストンリング５１の係合部を容易に形成することが可能である。また、ピストンリング５１を溝に係合させるだけで当該ピストンリング５１の配置を容易かつ正確に行うことが可能である。

なお、係合部は、ピストンリング５１などのリング部材に係合可能な構成であればよく、本発明では係合部を溝に限定しない。係合部は、溝以外の形態、例えば突起などでもよい。

（７）
本実施形態の成膜装置１によれば、ピストンリング５１の間隔δは、１〜５ｍｍの範囲内であるので、ピストンリング５１の間にプラズマによって分解や活性化された原料ガスが通ってピストンリング５１の上面５４および下面５５に成膜を十分に行うことが可能であり、かつ、成膜処理可能なピストンリング５１の個数の減少を抑えることが可能である。

（８）
本実施形態の成膜装置１によれば、プロセスガス供給部４が、円筒６０の外部空間６２に配置されている。したがって、プロセスガス供給部４を円筒６０内部で発生したホローカソードプラズマＰ１から離して配置することが可能であり、プロセスガス供給部４の表面における皮膜の形成を抑えることが可能である。

（９）
本実施形態の成膜装置１によれば、プラズマ発生電源５が、パルス直流電圧または交流電圧を複数のピストンリング５１に印加するので、定常的な直流電圧をピストンリング５１に印加する場合と比較して、ピストンリング５１に形成される皮膜における異常放電の発生を抑えることが可能である。

（１０）
本実施形態の成膜方法によれば、複数のピストンリング５１を互いに離間して配置されることによってホローカソード放電が発生可能な円筒６０を形成しておき、当該円筒６０に電圧を印加することによって、円筒６０の内部にホローカソード放電を発生させて円筒６０の内部に高い密度のプラズマを生成させることが可能である。この高密度のプラズマを用いて、原料ガスを分解や活性化してピストンリング５１の内周面５２および上面５４および下面５５に付着させて皮膜を形成することによって、複数のピストンリング５１の内周面５２および上面５４および下面５５に効率よく成膜処理を行うことが可能である。

（変形例）
（Ａ）
本発明のリング部材は、円筒６０の内部でホローカソード放電が発生可能な形状として、例えば円弧状の内周面を有するものであればよく、円弧状にはとくに限定されない。上記の実施形態では、本発明のリング部材の一例として、一部が欠損した円弧状のピストンリングを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、隙間５１ｃを有しない連続した円環形状の部材であってもよい。

（Ｂ）
本発明ではプロセスガス供給部４の位置については特に限定されるものではない。よって、本発明の他の変形例として、プロセスガス供給部４は、図１の２点鎖線に示されるように、円筒６０の内部空間６１へ向けて前記プロセスガスを供給してもよい。この場合、円筒６０の内部空間６１へ円滑にプロセスガスを供給することが可能である。

このような円筒６０の内部空間６１へ向けて前記プロセスガスを供給する場合、その他の成膜条件を上記の実施形態（外部空間６２へ向けて供給した場合）の成膜方法と同じ条件にして成膜処理を行った実験によれば、ピストンリング５１の内周面５２に形成された皮膜５７の厚さは４．５μｍであり、上面５４および下面５５の皮膜５８、５９の厚さは２．１μｍであることが確認されている。この結果より、円筒６０の内部空間６１へ向けてプロセスガスを供給した場合には、上記の実施形態のように外部空間６２へ向けて供給した場合（皮膜５７の厚さは２．５μｍであり、皮膜５８、５９の厚さは１．６μｍである）よりも皮膜５７〜５９の厚さが若干大きくなり、成膜速度が向上することが理解される。

（Ｃ）
本発明の成膜方法では、円筒６０が真空容器２の内部に配置された状態でプロセスガスを真空容器２の内部に供給して成膜を行うことができればよい。したがって、上記の実施形態の成膜方法では、円筒６０を真空容器２の外部で形成後、真空容器２の内部に移動させて当該内部に配置するようにしているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、真空容器２の内部において、複数のリング部材（例えばピストンリング５１）が支持部３によって支持されることによって円筒６０を形成するようにしてもよい。

（Ｄ）
上記の実施形態では、１個の支持部３を備えた成膜装置１が示されているが、本発明では、支持部３は少なくとも１つあればよい。

したがって、本発明の他の変形例として、図３に示されるように複数（図３では２個）の支持部３を備えた成膜装置１であってもよい。すなわち、図３に示されるように、成膜装置１は、複数の支持部３のそれぞれが複数のピストンリング５１を支持する形態を有していてもよい。

この場合、複数の支持部３のそれぞれに複数のピストンリング５１が支持されることにより、複数の円筒６０が形成され、各円筒６０の内部空間６１においてホローカソード放電を利用した成膜を行うことが可能になり、より効率よくピストンリング５１の成膜を行うことが可能である。

図３に示されるように、１つの真空容器２の内部に、複数の円筒６０を配置して同時に処理を行う構成では、各円筒６０毎に別個のプラズマ発生電源５が接続されても良いが、１個の共通のプラズマ発生電源５が複数の円筒６０に接続されてもよい。その場合、プラズマ発生電源５の増加を抑えることが可能である。

（Ｅ）
さらに、図３に示されるように複数の支持部３を有する成膜装置１の場合には、プラズマ発生電源５を交流電源として、その両極を複数の円筒６０に接続して交流電圧を印加するようにしてもよい。

具体的な構成としては、複数の支持部３は、第１の群および第２の群のいずれかに属し、交流のプラズマ発生電源５の一方の電極は、第１の群に属する支持部３に接続され、交流のプラズマ発生電源５の他方の電極は、前記第２の群に属する支持部３に接続され、プラズマ発生電源５は、一方の電極と他方の電極との間に交流電圧を印加するようにしてもよい。

例えば、図３では、第１の群に属する支持部３によって複数のピストンリング５１が支持されることにより、第１の群に属する円筒６０Ａが形成される。一方、第２の群に属する支持部３によって複数のピストンリング５１が支持されることにより、第２の群に属する円筒６０Ｂが形成される。

このような構成では、第１の群および第２の群にそれぞれ属する支持部３によって支持された複数のピストンリング５１の成膜を行う場合には、プラズマ発生電源５によって、第１の群に属する支持部３と第２の群に属する支持部３との間に交流電圧（例えば、１０〜２００ｋＨｚ程度の中間周波数領域の交流電圧）が印加される。これにより、真空容器２にはプラズマ発生電源からの電気的接続が無い状態で、第１の群および第２の群に属する支持部３にそれぞれ支持された複数のピストンリング５１、すなわち、円筒６０Ａおよび円筒６０Ｂを構成する各ピストンリング５１に電圧を印加することにより、円筒６０Ａ、円筒６０Ｂの内部において、ホローカソード放電を発生させ、高密度のホローカソードプラズマＰ１を生成することが可能である。そのため、ホローカソードプラズマＰ１を用いて、円筒６０Ａおよび円筒６０Ｂを構成するピストンリング５１の内周面５２および上面５４および下面５５（図１参照）の成膜を行うことが可能である。その結果、真空容器２にはプラズマ発生電源５からの電力の供給が無いので、内壁における皮膜の形成を抑えることが可能である。また、真空容器２の内壁が電極として用いられないので、当該内壁の皮膜の有無がホローカソード放電に影響せず、よって、当該放電の安定性を向上させることが可能である。

１ 成膜装置
２ 真空容器
３ 支持部
４ プロセスガス供給部
５ プラズマ発生電源
６ 空間部
５１ ピストンリング（リング部材）
５２ 内周面
５３ 外周面
５４ 上面
５５ 下面
６０ 円筒状リング集合体（円筒）
６１ 内部空間
６２ 外部空間

Claims (13)

1. 複数のリング部材の成膜処理を行う成膜装置であって、
   前記複数のリング部材が収容可能な空間部を有する真空容器と、
   前記複数のリング部材によって円筒状リング集合体が形成されるように、当該複数のリング部材を互いに当該リング部材の軸方向に沿って所定の間隔で離間して支持する少なくとも１つの支持部と、
   成膜原料となる原料ガスを含むプロセスガスを前記空間部に供給するプロセスガス供給部と、
   前記支持部を介して前記複数のリング部材に電圧を印加するプラズマ発生電源と
   を備えており、
   前記間隔は、前記プラズマ発生電源が前記支持部を介して前記複数のリング部材に電圧を印加したときに前記円筒状リング集合体の内部空間においてホローカソード放電が発生して当該ホローカソード放電によってホローカソードプラズマが生成されるように、設定され、
   前記ホローカソードプラズマの密度は、前記複数のリング部材に電圧を印加したときに前記円筒状リング集合体の外部空間において生成される外部プラズマの密度よりも高い、
   ことを特徴とする成膜装置。
2. 前記支持部は、前記円筒状リング集合体の中心軸が水平方向を向くように、前記複数のリング部材を支持するように構成されている、
   請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記支持部は、水平方向に延びる棒状の本体部を有し、
   前記本体部は、前記複数のリング部材の内部に挿入された状態で各リング部材の内周面に当接することにより、前記リング部材を当該本体部に吊るした状態で支持する、
   請求項２に記載の成膜装置。
4. 前記リング部材は、一部が欠損して隙間を有する円弧形状を有しており、
   前記本体部は、前記隙間の幅よりも大きい幅を有しており、
   前記本体部は、前記リング部材における前記隙間の両側の端部にそれぞれ当接することにより、前記リング部材を吊るした状態で支持する、
   請求項３に記載の成膜装置。
5. 前記本体部は、当該本体部の長手方向において前記間隔で離間して配置され、前記リング部材に係合可能な複数の係合部を有する、
   請求項３または４に記載の成膜装置。
6. 前記係合部は、前記本体部に形成された溝である、
   請求項５に記載の成膜装置。
7. 前記間隔は、１〜５ｍｍの範囲内である、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の成膜装置。
8. 前記プロセスガス供給部は、前記円筒状リング集合体の内部空間へ向けて前記プロセスガスを供給する、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の成膜装置。
9. 前記プロセスガス供給部は、前記円筒状リング集合体の外部空間に配置されている、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の成膜装置。
10. 前記プラズマ発生電源は、パルス直流電圧または交流電圧を前記複数のリング部材に印加する、
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の成膜装置。
11. 複数の前記支持部のそれぞれは、前記複数のリング部材を支持する、
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の成膜装置。
12. 前記複数の前記支持部は、第１の群および第２の群のいずれかに属し、
    前記プラズマ発生電源の一方の電極は、前記第１の群に属する前記支持部に接続され、
    前記プラズマ発生電源の他方の電極は、前記第２の群に属する前記支持部に接続され、
    前記プラズマ発生電源は、前記一方の電極と前記他方の電極との間に交流電圧を印加する、
    請求項１１に記載の成膜装置。
13. 複数のリング部材の成膜処理を行う成膜方法であって、
    前記複数のリング部材を、所定の間隔で互いに離間して配置することによって円筒状リング集合体を形成する工程であって、前記間隔は、前記円筒状リング集合体に電圧を印加したときに当該円筒状リング集合体の内部空間にホローカソード放電が発生することが可能な間隔である、工程と、
    前記円筒状リング集合体が真空容器の内部に配置された状態で、成膜原料となる原料ガスを含むプロセスガスを前記真空容器の内部に供給する工程と、
    前記円筒状リング集合体に電圧を印加することにより、当該円筒状リング集合体の内部空間にホローカソード放電を発生させることによりプラズマを生成し、前記プラズマにより前記原料ガスを分解や活性化して前記リング部材の内周面および上面および下面に付着させることによって皮膜を形成する工程と
    を含むことを特徴とするリング部材の成膜方法。

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