JP4239445B2

JP4239445B2 - プラズマ処理方法

Info

Publication number: JP4239445B2
Application number: JP2001231431A
Authority: JP
Inventors: 博早田; 雅俊北川; 浩伸井上
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2021-07-31
Also published as: JP2003038950A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械部品などの表面にプラズマを用いて硬化処理などの表面処理を施すプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機械部品などは、一般に金属イオンを注入されることで、耐磨耗性、耐食性、硬度及び潤滑性などが向上することから、金属イオン注入技術は、近年、注目される技術の一つになっている。
【０００３】
以下、図６〜８を参照して、金属イオン注入に関する従来技術の説明を行う。
【０００４】
図６は金属イオン注入技術を実現するプラズマ処理装置の基本構成を示し、１は機械部品などの基体、２は基体１を搭載するための基体保持台、４及び５はガスを排供給する役割を果たすガス排気手段とガス供給手段、１０は真空を維持することが可能な真空槽、２０は基体１及び基体保持台２にバイアス電圧を印加する基体電極用電源、３１は金属イオンプラズマ源、４１は金属イオンプラズマ源３１にアーク電流を印加する金属イオンプラズマ源用電源である。
【０００５】
以下、上述した従来のプラズマ処理装置を用いて、基体１の表面処理を行う具体的な動作仕様を説明する。なお、本従来例では、アーク放電を用いて、プラズマ５０を発生させる方式で説明する。
【０００６】
まず、ガス供給手段５からアルゴンガスを導入し、同時にガス排気手段４により、真空槽１０内を排気する。続いて、金属イオンプラズマ源用電源４１より金属イオンプラズマ源３１にアーク電流を印加すると、真空槽１０内に金属イオン（本例ではチタンイオンとする）と電子からなるプラズマ５０が発生する。並行して、基体電極用電源２０から基体１及び基体保持台２にバイアス電圧を印加すると、プラズマ５０中のチタンイオンは、プラズマ５０と基体１の電位差分のエネルギーを得て基体１表面に衝突し、前記チタンイオンは基体１に注入される。
【０００７】
このような現象によって、基体１表面でのチタンイオンの濃度が増加し、基体１表面の硬度を高めることが可能となる。結果として、基体１の耐摩耗性を向上させることができる。
【０００８】
なお、金属イオンプラズマ源用電源４１から金属イオンプラズマ源３１へ供給されるアーク電流は、図７のように、定常形或いはパルス形のどちらの形でも供給可能である。これに対し、基体１或いは基体保持台２に供給されるバイアス電圧はパルス形で、プラズマ５０に影響を与えないように、印加時間が調整される。
【０００９】
このように金属イオンを用いて基体１の表面処理を行う場合、金属イオンは一般に、金属イオンプラズマ源３１からの距離に反比例して減少するため、表面積が大きな基体や複雑な形状の基体や多畳の基体に対して、均一に表面処理を施すことが非常に困難であった。
【００１０】
上記の課題に対し、特開平０８−２２２１７７及び特開平１１−３３５８３２号公報では、図８に示すように、１）金属イオンプラズマ源を複数配置させる方法や、２）基体保持台に回転運動を備える機構６０を設ける方法が開示されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような方法では、複数の金属イオンプラズマ源や回転機構を備えることで複雑な装置構成となり、メンテナンス性や信頼性が低くなるという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、大面積の基体や立体的な形状の基体に対しても均一にイオン注入することを可能とし、メンテナンス性が容易な上に、信頼性が高いプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のプラズマ処理方法は、パルス化されたプラズマ源から導入される金属イオンが、基体に到達した時刻から、１）前記基体に印加するバイアス電圧を増加させる、或いは、２）前記バイアス電圧のパルス幅を増加させる、或いは、３）バイアス電圧の周波数を増加させることを特徴とする。本発明のプラズマ処理方法によれば、プラズマ源からの距離による金属イオンの差をバイアス電圧によるイオン引き込み量で補正し、プラズマ源からの距離に関わらず一様な処理が行える。そのうえ、従来技術の如く複数のプラズマ源や回転機構を必要としないため、メンテナンス性や信頼性を高めることができるという利点を持つ。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１に本発明に係るプラズマ処理方法を実現するための一実施形態の装置構成を示す。なお、図６を用いて説明した従来技術と相違する個所のみ説明する。
【００１５】
７０は基体１や基体保持台２にチタンイオンが付着した際に発生するバイアス電流をモニタリングする電流計である。８０は金属イオン源用電源４１と基体電極用電源２０の出力レベルや出力タイミングを制御するコントローラである。また、本実施形態では、基体１と金属イオンプラズマ源３１との距離ＬがＬ＝２５０ｍｍであり、金属イオンプラズマ源３１と基体１の先端（金属イオンプラズマ源３１との距離が最も遠い基板１の位置）との距離Ｌ₂がＬ₂＝５００ｍｍのような位置関係にある場合を取り上げ、予備実験から得たデータを活用する方法で説明する。つまり、プラズマ５１中のチタンイオンが基体１に接触するまでの時間ｔ２や、基体１上からプラズマ５１が無くなるまでの時間ｔｐ３などのデータを予備実験により測定しておく。
【００１６】
以下、本実施形態における動作仕様を説明する。
【００１７】
まず、ガス供給手段５より真空槽１０内にアルゴンガスを導入し、同時にガス排気手段４により、真空槽１０内を排気する。続いて、電源４１からチタン材をターゲットとする金属イオンプラズマ源３１に６０Ａのアーク電流をパルス的に印加することで、チタンイオンと電子からなるパルスプラズマ５１が真空槽１０内に発生する。
【００１８】
このとき、基体１にプラズマ５１内のチタンイオンが到達するタイミングで、基体１へのバイアス電圧が増加するように印加する。
【００１９】
具体的には、図２に示すように、時刻ｔ１＝０で金属イオンプラズマ源３１にアーク電流を時刻ｔｐ１＝１０μｓｅｃのパルス幅で供給する。このとき、プラズマ５１中のチタンイオンは、基体１に時刻ｔ２＝１１０μｓｅｃで到達することが、予備実験によるデータから得られていることから、基体電極用電源２０は、このタイミング（ｔ２＝１１０μｓｅｃ）で、バイアス電圧をｔｐ２＝１μｓｅｃのパルス幅で印加する。
【００２０】
ｔｐ２のパルス幅で基体１に印加するバイアス電圧は、プラズマ５１が、基体１上を通過するまで繰り返される。予備実験データから、ｔｐ３＝１００μｓｅｃまでバイアス電流が検知されたことから、パルス幅ｔｐ２＝１μｓｅｃで周波数ｆｐ＝１×１０⁵Ｈｚ（周期ｔｐ４＝１０μｓｅｃ）で印加した場合、１０パルスを発生することとなる。
【００２１】
上述するように、パルス幅は一定（ｔｐ２＝１μｓｅｃ）とするが、基体１及び基体保持台２に印加するバイアス電圧は、−１１ｋｖから−４０ｋｖへと徐々に増加させる方法を採用している。具体的には、金属イオンプラズマ源３１により生じるプラズマ５１のプラズマ密度は、金属イオンプラズマ源３１からの距離の２乗に反比例することから、時間をパラメータとする２次関数で決定している。
【００２２】
本実施例では、時刻ｔ２＝１１０μｓｅｃを基点とした場合、つまり、チタンイオンが基板１或いは基体保持台２に到達し、バイアス電流が発生した時刻をｔ＝０とした場合、バイアス電圧Ｖ（ｔ）は、
Ｖ（ｔ）（ｋＶ）＝−０．００３ｔ²−１１（但し、０≦ｔ≦１００μｓｅｃ）… （式１）
と表現することができる。このようなプロセスを、所望のチタンイオン注入量が得られるまで繰り返す。
【００２３】
このとき、基体１上のバイアス電流を電流計７０でモニタリングし、バイアス電圧を基板１及び基板保持台２に印加する時刻を決定すれば、基体１近傍のチタンイオン量を安定化することができ、硬化処理の安定度を向上することが可能となる。つまり、図３のように、金属イオンプラズマ源３１に影響を及ぼさない程度のバイアス電圧、例えば−１ｋｖを印加しておき、基体１で発生するバイアス電流を電流計７０で検知した時刻からバイアス電圧を増加させる。具体的には、ｔ２＝１１０μｓｅｃでバイアス電圧を−１１ｋｖで印加させ、電流計７０でバイアス電流が検出されなくなる（つまり、プラズマ５１が基体１上から無くなる）まで、バイアス電圧を印加する。
【００２４】
上記のように、基体１に発生するバイアス電流に同期させて前記バイアス電圧を増加させる方法は、金属イオンプラズマ源３１で設置されるターゲットの表面状態など、プラズマ５１の発生に僅かではあるが不可避的な不確定性が含まれる場合に非常に有効である。また、バイアス電流を一定となるように、バイアス電圧を増加させる方法は更に望ましい。
【００２５】
なお、本実施形態では、パルス幅を一定にし、バイアス電圧を増加させる方法を示したが、チタンイオンが基体１に到達するまでの時刻が本実施形態より早い場合や、プラズマ５１に曝される側の基体１の表面が小さい場合には、パルスＯＮ時からＯＦＦ時までの間にバイアス電圧を増加させてもよい。
【００２６】
以上のように、基体１及び基体保持台２に印加するバイアス電圧のパルス幅を一定とし、前記バイアス電圧を増加させる方法では、金属イオンプラズマ源３１と基体１との距離による金属イオンの濃度差を、バイアス電圧によるイオン引き込み量で補正することで、表面処理を一様にすることが可能となる。また、複雑な機構を要さないため、メンテナンス性や信頼性が高めることが可能となる。
【００２７】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、基体１表面の硬化処理を行う場合、プラズマ５１が基体１に到達した時刻から、パルス幅を一定として、バイアス電圧を増加させる事例を示した。本実施形態では、基体１にプラズマ５１が到達した時刻から、バイアス電圧を一定とし、パルス幅を変化させる方法を説明する。
【００２８】
本実施形態は、第１の実施形態と同様の装置構成で実現できる。以下、図４を参照しながら、基体１に金属イオンを付着させる動作仕様を説明する。
【００２９】
第１の実施形態と同様、チタンイオンのプラズマ密度は、金属イオンプラズマ源３１からの距離の２乗に反比例することが予備実験データから知られており、バイアス電圧のパルス幅ｔｐ２を、プラズマ５１が通過するタイミングに合わせ、時間をパラメータとする２次関数で増加させる。具体的には、バイアス電圧を−１１ｋｖで固定にし、パルス幅ｔｐ２を１μｓｅｃから４μｓｅｃに増加させる方法である。
【００３０】
第１の実施形態と同様に、予備実験から得たデータを活用し、基体１に印加するバイアス電圧のパルス幅を増加させる方法を基本とするが、基体１上のバイアス電流を電流計７０でモニタリングし、バイアス電圧を基体１及び基体保持台２に印加する時刻を決定すれば、基体１近傍のチタンイオン量を安定化することができ、硬化処理の安定度を向上させることが可能となる。また、バイアス電流が一定となるように、バイアス電圧のパルス幅を増加させる方法は更に望ましい。
【００３１】
なお、第１の実施形態と本実施形態を比較した場合、前者は、高度な時間制御が不要なことが後者より優れており、一方、後者は、電圧の低いバイアス電源を使用できることが、前者に比べ優れている。
【００３２】
また、本実施形態では、パルス幅を例に説明をしたが、パルス電圧、パルス幅を一定としてパルス周波数ｆｐを増加させてもよい。
【００３３】
以上のように、基体１或いは基体保持台２に印加するバイアス電圧を一定とし、前記バイアス電圧のパルス幅を増加させる方法では、プラズマ源３１と基体１との距離による金属イオンの濃度差を、バイアス電圧の印加時間によるイオン引き込み量で補正することで、表面処理を一様にすることが可能となる。また、複雑な機構を要さないため、メンテナンス性や信頼性が高めることが可能となる。
【００３４】
（第３の実施形態）
第１或いは第２の実施形態では、基体にプラズマが到達した時刻から、バイアス電圧やパルス幅を増加させることで、基体１の効果的な表面処理が実現できる事例を示した。
【００３５】
本実施形態では、第１或いは第２の実施形態と、図５に示すように装置構成が異なり、基体１の周辺に位置し、基体１の金属イオンプラズマ源３１に対して近い位置に電極９１を設け、基体１の金属イオンプラズマ源３１に対して遠い位置にも電極９２を設けたことが相違する。
【００３６】
電極９１及び電極９２は、バイアス電圧を印加することが可能で、バイアス電流をモニタリングすることができる電源９０に接続されており、この電源９０が、コントローラ８０と接続されている。
【００３７】
上記装置構成において、金属イオンプラズマ源３１にアーク電流をパルスで印加させ、金属イオンプラズマ源３１から生じるプラズマ５１が基体１に到着した時刻から、バイアス電圧を増加するような動作仕様は、第１及び第２の実施形態と同様である。しかしながら、基体１に印加するバイアス電圧の増加量を、電極９１或いは電極９２に流れる電流信号に応じて変化させる点が第１及び第２の実施形態と相違する。
【００３８】
つまり、本実施形態は、同値な微量なバイアス電圧を、電極９１及び電極９２に印加した場合、双方の電極（電極９１及び電極９２）に流れるバイアス電流差により、金属イオンの減少量を計算し、計算結果に応じて、基体１及び基体保持台２に印加するバイアス電圧の増加量を決定する方法である。
【００３９】
第１の実施形態では、金属イオンがプラズマ源からの距離の２乗に反比例することにより、バイアス電圧の増加量を決定した。しかし、基体処理回数に応じて、金属イオンプラズマ源３１のターゲットが消耗するなど、金属イオンの減少度合いが変化する可能性があり、電源９０からの信号に応じて電圧増加量を決定する方が、より一層、表面処置を一様にすることが可能となる。
【００４０】
また、本実施の形態では、バイアス電圧を一例として取り上げたが、パルス幅、パルス周波数の増加量を制御する場合でも同様に実現可能である。なお、第１或いは第２の実施形態と本実施形態を比較した場合、本実施形態は、第１或いは第２の実施形態に比べ、長期に渡って安定した表面処理が行えることが優れている。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、金属イオンプラズマをパルス化し、ａ）バイアス電圧を増加させる方法、ｂ）バイアス電圧のパルス幅を増加させる方法、ｃ）基体近傍に設けた電極のバイアス電流差から、金属イオンの減少量を計算し、バイアス電圧の増加量を決定する方法のいずれかの方法を利用することで、表面積が大きな基体や立体的な形状の基体に対して、均一に加工処理を行うことが可能となる。
【００４２】
ａ）とｂ）を比較した場合、ａ）は高度な時間制御を不要とする点で、ｂ）より優れているが、一方、ｂ）は低いバイアス電圧を使用できる点でａ）より優れている。また、ａ）及びｂ）とｃ）とを比較した場合、ｃ）は長期に渡って安定した表面処理を実現できる点が優れているが、ａ）及びｂ）は、ｃ）よりもバイアス電圧の制御が容易である点が優れている。
【００４３】
以上のことから、複数の金属イオンプラズマ源を設置することや、基体保持台を回転させる機構を使用することなどで、複雑な構成にしなくとも、簡単な装置構成によって、基体表面に一様な表面加工が行え、更にプラズマ処理装置のメンテナンス性や信頼性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の基本構成図
【図２】バイアス電圧と時刻との関係を説明する相関図
【図３】バイアス電圧及びバイアス電流と時刻との関係を示す相関図
【図４】第２の実施形態におけるバイアス電圧と時刻との関係を示す相関図
【図５】第３の実施形態に係るプラズマ処理装置の基本構成図
【図６】従来例のプラズマ処理装置の基本構成図
【図７】従来例のバイアス電圧と時刻との関係を説明する図
【図８】従来例の回転機構を有するプラズマ処理装置の基本構成図
【符号の説明】
１基体
２基体保持台
４ガス排気手段
５ガス供給手段
１０真空槽
２０基体電極用電源
３１金属イオンプラズマ源
４１プラズマ源用電源
５１プラズマ
７０電流計
８０コントローラ

Claims

真空槽内にガスを供給しつつ排気し、所定の圧力に制御しながら、前記真空槽に設けられた金属イオンプラズマ源によりプラズマを発生させると共に、基体保持台にバイアス電圧を印加することで、前記基体保持台に載置される基体を処理するプラズマ処理方法であって、
金属イオンプラズマ源からパルス状にプラズマを発生させ、前記プラズマが前記基体近傍を通過して行くのに同期して前記基体にバイアス電流が検知された時刻から、基体保持台に印加するバイアス電圧を増加させ、かつ、前記プラズマが前記基体近傍を通過移動した後には前記基体上にプラズマが残らないこと
を特徴とするプラズマ処理方法。
バイアス電流をモニタリングすることで、バイアス電圧を増加させる時刻を決定すること
を特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
基体保持台に発生するバイアス電流を一定となるようバイアス電圧を増加させること
を特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理方法。
真空槽内にガスを供給しつつ排気し、所定の圧力に制御しながら、前記真空槽に設けられた金属イオンプラズマ源により、プラズマを発生させると共に基体保持台にバイアス電圧を印加することで、前記基体保持台に載置される基体を処理するプラズマ処理方法であって、
金属イオンプラズマ源からパルス状にプラズマを発生させ、前記プラズマが前記基体近傍を通過して行くのに同期して前記基体にバイアス電流が検知された時刻から、基体保持台に印加するバイアス電圧のパルス幅を増加させ、かつ、前記プラズマが前記基体近傍を通過移動した後には前記基体上にプラズマが残らないこと
を特徴とするプラズマ処理方法。
バイアス電流をモニタリングしてバイアス電圧のパルス幅を増加させる時刻を決定すること
を特徴とする請求項４記載のプラズマ処理方法。
基体保持台に発生するバイアス電流を一定となるようパルス幅を増加させること
を特徴とする請求項４または５記載のプラズマ処理方法。
真空槽内にガスを供給しつつ排気し、所定の圧力に制御しながら、前記真空槽に設けられた金属イオンプラズマ源により、プラズマを発生させると共に、基体保持台にバイアス電圧を印加することで、前記基体保持台に載置される前記基体を処理するプラズマ処理方法であって、
金属イオンプラズマ源からパルス状にプラズマを発生させ、前記プラズマが前記基体近傍を通過して行くのに同期して前記基体にバイアス電流が検知された時刻から、基体保持台に印加するバイアス電圧のパルス周波数を増加させ、かつ、前記プラズマが前記基体近傍を通過移動した後には前記基体上にプラズマが残らないこと
を特徴とするプラズマ処理方法。
バイアス電流をモニタリングしてバイアス電圧のパルス周波数を増加させる時刻を決定すること
を特徴とする請求項７記載のプラズマ処理方法。
基体保持台に発生するバイアス電流を一定となるようにパルス周波数を増加させること
を特徴とする請求項７または８記載のプラズマ処理方法。
基体の周辺に位置し、前記基体の金属イオンプラズマ源に対して近い位置と、基体の金属イオンプラズマ源に対して遠い位置に電圧を印加でき、電流をモニタリングできる電極を設け、前記電極に流れる電流信号に応じてバイアス電圧を印加するタイミングとバイアス電圧の増加量を決定すること
を特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
基体の周辺に位置し、前記基体の金属イオンプラズマ源に対して近い位置と、基体の金属イオンプラズマ源に対して遠い位置に電圧を印加でき、電流をモニタリングできる電極を設け、前記電極に流れる電流信号に応じてバイアス電圧を印加するタイミングとバイアス電圧のパルス幅の増加量を決定すること
を特徴とする請求項４記載のプラズマ処理方法。
基体の周辺に位置し、前記基体の金属イオンプラズマ源に対して近い位置と、基体の金属イオンプラズマ源に対して遠い位置に電圧を印加でき、電流をモニタリングできる電極を設け、前記電極に流れる電流信号に応じてバイアス電圧を印加するタイミングとバイアス電圧のパルス周波数の増加量を決定すること
を特徴とする請求項７記載のプラズマ処理方法。