JP4674091B2

JP4674091B2 - 内面コーティング方法および内面コーティング装置

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Publication number: JP4674091B2
Application number: JP2005010266A
Authority: JP
Inventors: 暢之寺山; 克康玉岡; 信行清水
Original assignee: Shinko Seiki Co Ltd
Current assignee: Shinko Seiki Co Ltd
Priority date: 2005-01-18
Filing date: 2005-01-18
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2025-01-18
Also published as: JP2006199980A

Description

この発明は、内面コーティング方法および内面コーティング装置に関し、特に例えば筒状の被処理物の内面（中空部の壁面）にプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって被膜を形成する内面コーティング方法および内面コーティング装置に関する。

パイプ等の筒状の被処理物の内面に被膜を形成する技術として、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、真空槽内に配置された試料（被処理物）の開口部中央に、接地電位（ＧＮＤ）に接続された棒状の補助電極が挿入される。そして、真空槽内が排気された後、当該真空槽内に炭素を含むガスが導入され、この状態で、試料に接地電位を基準とする高周波電圧または負の直流電圧が印加される。これによって、試料の開口部を含む真空槽内にプラズマが発生し、当該開口部の内面に硬質炭素膜（カーボン膜）が形成され、つまり内面コーティングが施される。また、開口部中央に補助電極が挿入されることで、ホロー放電（Hollow Cathode
Discharge Plasmas）と呼ばれる一種の異常放電の発生が抑制され、当該硬質炭素膜の密着性が良好になる旨が、開示されている。
特開２０００−１１９８５３号公報

しかし、上述の従来技術では、試料の開口部内面のみならず、補助電極にも炭素膜が付着する。この補助電極に付着する炭素膜は、軟質（Polymer
Like）であるため、密着性が低く、コーティング中に剥離することがある。この場合、剥離した炭素（粉）が、開口部内面に再付着し、当該開口部内面が汚染されてしまう。かかる不具合を防止するには、補助電極を適宜洗浄し、または新品に交換する必要があり、そのためのメンテナンスの手間および費用が掛かる、という問題がある。

また、従来技術では、補助電極（外周壁）と開口部内面との間にプラズマ形成領域としての隙間を設ける必要があり、当該隙間の大きさを５［ｍｍ］程度とするのが好ましい、とされている。つまり、開口部の直径（内径）は、少なくとも当該隙間の大きさ（５［ｍｍ］×２）と補助電極の直径（少なくとも数［ｍｍ］）とを足し合わせた寸法、例えば数十［ｍｍ］以上であることが必要とされる。従って、それよりも直径の小さい開口部にはコーティングを施すことができない、という問題もある。

そこで、この発明は、従来よりも簡単かつ安価に、しかも小さな内径の被処理物にも内面コーティングを施すことができる内面コーティング方法および内面コーティング装置を提供することを、目的とする。

かかる目的を達成するために、この発明は、筒状の被処理物の内面にプラズマＣＶＤ法により被膜を形成する内面コーティング方法であって、内部に被処理物が設置された真空槽の当該内部を排気する排気過程と、真空槽内に放電用ガスを導入する放電用ガス導入過程と、当該放電用ガスを放電させるための放電用電力を被処理物に供給する電力供給過程と、放電用ガスが放電することによって被処理物の中空部に当該中空部の両端間にわたって略均一な分布のホロー放電が生じるように真空槽内の圧力を制御する圧力制御過程と、被膜の材料となる材料ガスを真空槽内に導入する材料ガス導入過程と、を具備することを特徴とするものである。

即ち、この発明では、真空槽内に、筒状の被処理物が設置され、この真空槽内が、排気過程において排気される。そして、この排気後、放電用ガス導入過程において、真空槽内に放電用ガスが導入され、電力供給過程において、被処理物に放電用電力が供給される。これによって、放電用ガスの粒子（分子または原子）が放電（電離）し、プラズマが発生する。また、この放電に伴って、被処理物の中空部にホロー放電が生じる。このホロー放電は、一種の異常放電であるが、この発明では、当該ホロー放電を積極的に利用することで良好な内面コーティングを実現する。即ち、このたび、実験により、真空槽内の圧力を適宜制御することによって、被処理物の中空部に当該中空部の両端間にわたって略均一な分布（略一定の形状）の言わば安定したホロー放電を生じさせ得ることが、判明した。そこで、圧力制御過程において、かかる安定したホロー放電が生じるように、真空槽内の圧力が制御される。そして、材料ガス導入過程において、被膜の材料となる材料ガスが真空槽内に導入されると、被処理物の内面に被膜が形成され、つまり内面コーティングが施される。

なお、被処理物が、例えば円筒状のものである場合には、圧力制御過程において、当該被処理物の内径が小さいほど真空槽内の圧力を高くするのが、好ましい。

具体的には、被処理物の内径をｄ［ｍｍ］とし、真空槽内の圧力をＰ［Ｐａ］とすると、圧力制御過程において、当該圧力Ｐの下限をＰ＝ｋ・ｄ^−２として制御を行うようにする。ここで、ｋは、放電用ガスの種類によって決定される係数、言わば圧力制御系数である。この圧力制御係数ｋは、放電用ガスの分子量（質量）が大きいほど小さくなる傾向にある。

さらに具体的には、例えば放電用ガスがアルゴン（Ａｒ）ガスであるときは、上述の圧力制御係数ｋを１０００とする。そして、圧力制御過程において、当該圧力制御係数ｋ（＝１０００）と被処理物の内径ｄとによって導き出される圧力Ｐを下限として制御を行えば、被処理物の中空部に安定したホロー放電を生じさせることができる。

また、材料ガスとして、炭素を含むガス、例えばアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガス等の炭化水素系のガスを用いれば、被処理物の内面にＤＬＣ（Diamond
Like Carbon）膜等の非晶質硬質炭素膜を形成することができる。

この発明によれば、上述した従来技術における補助電極のようなものを必要とせず、ホロー放電を積極的に利用することで、内面コーティングが実現される。従って、当該補助電極を必要とする従来技術に比べて、簡単かつ安価に、しかも内径の小さい被処理物にも内面コーティングを施すことができる。

この発明の一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。

図１に示すように、この実施形態に係る内面コーティング装置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、当該円筒形の両端を、上下に位置させた状態、つまり上面および下面とした状態で、設置されている。なお、この真空槽１２の内部空間の直径（内径）は、例えば約６００［ｍｍ］であり、高さ寸法は、例えば約５００［ｍｍ］である。また、真空槽１２は、耐食性および耐熱性の高い金属、例えばＳＵＳ３０４等のステンレス製とされており、その壁部は、接地電位に接続されている。

そして、真空槽１２の壁部の適宜位置、例えば側壁の或る部分には、排気口１４が設けられており、この排気口１４には、図示しない排気管を介して、真空槽１２の外部に設けられた排気手段としての真空ポンプ１６が結合されている。なお、図には詳しく示さないが、当該真空ポンプ１６は、メカニカルブースタポンプとロータリポンプとで構成されている。

さらに、排気口１４と対向するように、真空槽１２の側壁には、当該真空槽１２内に放電用ガスおよび材料ガスを導入するためのガスノズル１８が設けられている。具体的には、放電用ガスとして、アルゴンガスおよび水素（Ｈ_２）ガスが用いられ、材料ガスとして、ＴＭＳ（Tetra
Methyl Silane；Ｓｉ（ＣＨ_３）_４）ガスおよびアセチレンガスが用いられる。そして、これらのガスは、それぞれ専用のガス配管２０，２２，２４および２６と当該ガスノズル１８とを介して、真空槽１２内に導入される。なお、図には示さないが、各ガス配管２０，２２，２４および２６には、それぞれを流通するガスの流量を調整するための流量調整手段、例えばマスフローコントローラと、当該各ガス配管２０，２２，２４および２６内を開閉する開閉手段、例えば開閉バルブとが、設けられている。

そしてさらに、真空槽１２内には、横方から見ると概略櫛形に形成された言わば櫛形電極２８が設けられており、この櫛形電極２８に、被処理物としての複数のパイプ３０，３０，…がセットされる。なお、各パイプ３０，３０，…は、両端が開放された円筒形のもの（円管）であり、互いに同一寸法とされている。

具体的に説明すると、櫛形電極２８は、１本の丸棒状の支柱３２と、この支柱３２に取り付けられた複数枚、例えば４枚の円板状の基板台３４，３４，…とで、構成されている。このうち、支柱３２は、その一端側が後述する高圧導入端子３６によって支持された状態で、真空槽１２内の略中央において垂直方向に延伸するように設けられている。なお、支柱３２は、耐食性および耐熱性に優れた金属、例えばステンレス製またはアルミニウム合金製とされている。そして、この支柱３２の長さ寸法、厳密には真空槽１２内の底面から支柱３２の上方端（他端）までの距離は、当該真空槽１２内の高さ寸法よりも少し小さく、例えば４００［ｍｍ］とされている。また、支柱３２の直径は、基板台３４の大きさやパイプ３０の個数等によって変わるが、例えば１０［ｍｍ］〜５０［ｍｍ］とされている。

一方、基板台３４，３４，…もまた、ステンレス製或いはアルミニウム合金製とされている。そして、これらの基板台３４，３４，…は、支柱３２を中心として同軸状に、かつ当該支柱３２の長さ方向（垂直方向）において互いに略一定の間隔Ｄを置いた状態で、取り付けられている。さらに、それぞれの基板台３４には、図２からも判るように、その両主面間を貫通する複数の円形の貫通孔３８，３８，…が設けられている。なお、各基板台３４，３４，…は、互いに同一寸法とされており、それぞれの直径は、セットされるパイプ３０の直径（外径）や個数等に応じて、例えば２００［ｍｍ］〜５００［ｍｍ］とされている。また、それぞれの基板台３４の厚さ寸法ｔは、パイプ３０の長さ寸法Ｌよりも小さく、例えば５［ｍｍ］〜１０［ｍｍ］とされている。さらに、各基板台３４，３４，…間の間隔Ｄは、パイプ３０の長さ寸法Ｌよりも大きく、例えば当該パイプ３０の長さ寸法Ｌの１．２倍〜１．５倍程度とされる。この間隔Ｄは、任意に調整可能とされているが、当該間隔Ｄが小さ過ぎるとガスの回り込みが悪くなって後述するホロー放電が発生せず、大き過ぎると１バッチ当たりのパイプ３０の処理数が減少する（生産性が低下する）。従って、間隔Ｄは、上述の如くパイプ３０の長さ寸法Ｌの１．２倍〜１．５倍程度が適当である。

そして、各貫通孔３８，３８，…のそれぞれに、パイプ３０が、当該貫通孔３８の上方から挿入された状態でセットされる。このため、貫通孔３８の直径は、パイプ３０の外径よりも少し、例えば１［ｍｍ］〜２［ｍｍ］ほど大きい。また、それぞれのパイプ３０の上方端には、その周縁から外方に向かって張り出した概略鍔状のフランジ４０が設けられており、このフランジ４０が貫通孔３８の周縁部分と干渉することで、当該パイプ３０は固定される。なお、フランジ４０の外径が貫通孔３８の直径よりも大きいことは、言うまでもない。

さらに、それぞれのパイプ３０には、基板台３４および支柱３２を介して、真空槽１２の外部に設けられた電力供給手段としてのパルス電源装置４２から、放電用電力としての非対称パルス電力が供給される。具体的には、パルス電源装置４２は、支柱３２の一端（下端）と接地電位との間に接続されている。そして、このパルス電源装置４２から支柱３２（櫛形電極２８）に対し、接地電位を基準とする非対称パルス電力、詳しくはハイレベル（Ｈレベル）の電圧値が＋３７［Ｖ］、ローレベル（Ｌレベル）の電圧値が−３７［Ｖ］以下の、いわゆる負パルス電力が、供給される。なお、この非対称パルス電力の周波数は、１０［ｋＨｚ］〜２５０［ｋＨｚ］の範囲で任意に調整可能とされている。また、当該非対称パルス電圧のデューティ比（１周期に対するハイレベル期間の比率）およびローレベルの電圧値も、任意に調整可能とされている。そして、これら周波数，デューティ比およびローレベル電圧値を調整することで、各パイプ３０，３０，…に供給される総合的な電力値が決定される。

なお、上述した高圧導入端子３６は、支柱３２と真空槽１２の壁部とを電気的に絶縁するためのいわゆる絶縁碍子であり、真空槽１２の下面の略中央において当該下面を貫通するように設けられている。そして、この高圧導入端子３６を介して、支柱３２（櫛形電極２８）とパルス電源装置４２とが接続される。勿論、この高圧導入端子３６と真空槽１２の下面との接触部分、および当該高圧導入端子３６と支柱３２との接触部分は、シール材により封止されている。

このように構成されたコーティング装置１０によれば、パイプ３０，３０，…の内面に被膜を形成するという内面コーティングを実現することができる。具体的には、真空槽１２内の圧力Ｐ［Ｐａ］を調整することで、パイプ３０，３０，…内（中空部）に安定したホロー放電を故意に発生させ、このホロー放電を利用することで、当該パイプ３０，３０，…の内面に良質な被膜を形成できることが、実験により確認された。

即ち、まず、真空槽１２内（櫛形電極２８）にパイプ３０，３０，…がセットされた状態で、当該真空槽１２内が真空ポンプ１６によって高真空状態、例えば２×１０^−３［Ｐａ］以下にまで排気される。そして、この排気後、真空槽１２内に放電用ガス、例えばアルゴンガスが、導入される。この状態で、パルス電源装置４２から櫛形電極２８に例えば１００［Ｗ］〜５００［Ｗ］の非対称パルス電力が供給されると、この非対称パルス電力の供給により真空槽１２内のアルゴンガスの粒子が電離して、当該真空槽１２内にプラズマが発生する。さらに、真空槽１２内の圧力Ｐが或る一定の条件を満足すると、各パイプ３０，３０，…内に濃いプラズマが発生する、つまり安定したホロー放電が生じることが、目視により確認された。なお、真空槽１２内の圧力Ｐは、例えば真空ポンプ１６を構成する上述のメカニカルブースタポンプによる排気速度を制御することで、調整される。

図３に、安定したホロー放電が生じている状態をデジタルカメラで撮影した画像を示す。この図３において、筒状に見える複数の物体がパイプ３０，３０，…である。そして、特に同図の（ａ）において、各パイプ３０，３０，…の内側に白っぽく見える部分が、安定したホロー放電（ホロープラズマ）を示す。

このように真空槽１２内の圧力Ｐを調整することで安定したホロー放電を発生させる、換言すれば当該ホロー放電を安定化させるという実験を、様々な内径ｄのパイプ３０，３０，…について行ったところ、図４に示すような結果が得られた。この図４は、内径ｄが６．００［ｍｍ］，９．５３［ｍｍ］，１９．０５［ｍｍ］，４２．７０［ｍｍ］，６０．５０［ｍｍ］および１００．００［ｍｍ］のパイプ３０，３０，…のそれぞれについて、安定したホロー放電が生じる圧力Ｐの下限値を測定した結果を表すグラフであり、同図において実線Ｘ（黒塗りの四角模様）で示される値が、放電用ガスとしてアルゴンガスが用いられたときの当該下限値を表す。なお、圧力Ｐは、上述した排気管内にバラトロン型の真空計を設けることで、測定した。

この図４の実線Ｘによれば、パイプ３０，３０，…の内径ｄが小さいほど、安定したホロー放電が生じる圧力Ｐの下限値が高くなる。そして、内径ｄが大きいほど、当該下限値は低くなることが、判る。

ここで、実線Ｘを数式で表すと、次の式１のようになる。

《式１》
Ｐ＝４２３４．９ｄ^{−２．０７１４}

さらに、この式１を近似式で表すと、次の式２のようになる。

《式２》
Ｐ＝ｋ・ｄ^−２

この式２において、ｋは、内径ｄと共に圧力Ｐを決める係数、言わば圧力制御係数であり、図４の実線Ｘによれば、放電用ガスがアルゴンガスである場合には、当該圧力制御係数ｋの値は、１０００、好ましくは２０００、より好ましくは３０００が、適当である。

つまり、放電用ガスとしてアルゴンガスが用いられる場合には、式２における圧力制御係数ｋに１０００、好ましくは２０００、より好ましくは３０００という値を代入し、その算出結果を下限として圧力Ｐを制御すれば、安定したホロー放電を生じさせることができる。なお、ここで言う安定したホロー放電とは、例えば図５に点線模様５０で示すように、それぞれのパイプ３０内の両端間にわたって略一様な分布（略一定の形状）となる概略円柱状の放電を言う。このように略一様な分布の安定したホロー放電が生じることは、後述する実施例１および実施例２において略均一な膜厚分布が得られることからも、推察される。

そして、かかる安定したホロー放電が生じている状態で、真空槽１２内に材料ガスが導入されると、当該材料ガスの種類に従う被膜がパイプ３０，３０，…の内面に形成され、つまり内面コーティングが施される。

なお、安定したホロー放電を生じさせるための圧力Ｐの上限値もまた、上述した式２により規定される。即ち、式２における圧力制御係数ｋとして１０^６、好ましくは５×１０^５、より好ましくは１０^５という値を代入し、その算出結果を当該圧力Ｐの上限値とする。そして、この上限値と上述した下限値との間で圧力Ｐを調整すれば、安定したホロー放電を生じさせることができる。

また、放電用ガスとして水素ガスが用いられた場合に、安定したホロー放電を生じさせるための圧力Ｐの下限値についても、測定してみた。その結果を、図４に点線Ｙで示す。

この点線Ｙから判るように、放電用ガスとして水素ガスが用いられた場合も、上述のアルゴンガスが用いられた場合（実線Ｘ）と同様に、パイプ３０，３０，…の内径ｄが小さいほど、安定したホロー放電が生じる圧力Ｐの下限値が高くなり、内径ｄが大きいほど、当該下限値は低くなる。ただし、いずれの内径ｄにおいても、水素ガスが用いられた場合の圧力Ｐの下限値は、アルゴンガスが用いられた場合よりも高くなる。

ここで、実線Ｙを数式で表すと、次の式３のようになる。

《式３》
Ｐ＝１４１１５１ｄ^{−１．７７１０}

そして、この式３もまた、上述した式２の近似式で表すことができる。この場合、圧力制御係数ｋの値は、例えば２×１０^５、好ましくは３×１０^５、より好ましくは４×１０^５が、適当である。

また、圧力Ｐの上限値も、当該式２によって規定される。即ち、圧力制御係数ｋとして、例えば２×１０^６、好ましくは３×１０^６、より好ましくは４×１０^６という値を代入し、その算出結果を圧力Ｐの上限値とする。そして、この上限値と上述の下限値との間で圧力Ｐを調整すれば、放電用ガスとして水素ガスが用いられた場合でも、安定したホロー放電を生じさせることができる。

さらに、参考までに、放電用ガスとして窒素（Ｎ_２）ガスが用いられたときの圧力Ｐの下限値についても、測定した。その結果を、図４に一点鎖線Ｚで示す。

この一点鎖線Ｚから判るように、放電用ガスとして窒素ガスが用いられた場合も、アルゴンガスまたは水素ガスが用いられた場合（実線Ｘおよび点線Ｙ）と同様に、パイプ３０，３０，…の内径ｄが小さいほど、安定したホロー放電が生じる圧力Ｐの下限値が高くなり、内径ｄが大きいほど、当該下限値は低くなる。そして、いずれの内径ｄにおいても、窒素ガスが用いられた場合の圧力Ｐの下限値は、アルゴンガスが用いられた場合よりも高く、水素ガスが用いられた場合よりも低くなる。

ここで、実線Ｚを数式で表すと、次の式４のようになる。

《式４》
Ｐ＝５９０８．８ｄ^{−１．７８７２}

そして、この式４もまた、式２の近似式で表すことができる。この場合、圧力制御係数ｋの値は、例えば５０００、好ましくは１０^４、より好ましくは２×１０^４が、適当である。

また、圧力Ｐの上限値も、式２によって規定される。即ち、圧力制御係数ｋとして、例えば２×１０^６、好ましくは１０^６、より好ましくは５×１０^５という値を代入し、その算出結果を当該圧力Ｐの上限値とする。そして、この上限値と上述の下限値との間で圧力Ｐを調整すれば、放電用ガスとして窒素ガスが用いられた場合にも、安定したホロー放電を生じさせることができる。

より具体的な実施例１として、真空槽１２内に、内径ｄが１００［ｍｍ］、長さ寸法Ｌが１００［ｍｍ］のステンレス製のパイプ３０を２本セットし、それぞれのパイプ３０の内面にＤＬＣ膜をコーティングする実験を行った。なお、このＤＬＣ膜のコーティングに先立って、それぞれのパイプ３０の内面を放電洗浄するという放電洗浄処理、および当該内面とＤＬＣ膜との密着性を向上させるべく中間層としての炭化珪素（ＳｉＣ）膜を形成するためのコーティング処理を、この順番で行う。

即ち、まず、真空ポンプ１６によって、真空槽１２内を２×１０^−３［Ｐａ］以下の高真空状態にまで排気する。そして、この排気後、真空槽１２内に５０［ＳＣＣＭ］の流量でアルゴンガスを導入すると共に、１００［ＳＣＣＭ］の流量で水素ガスを導入する。さらに、真空ポンプ１６によって、真空槽１２内の圧力Ｐを７［Ｐａ］（式２においてｋ＝７×１０^４の状態）に維持し、この状態で、パルス電源装置４２から櫛形電極２８に４００［Ｗ］の非対称パルス電力を供給する。すると、アルゴンガスおよび水素ガスの粒子が電離され、プラズマが発生する。そして、それぞれのパイプ３０内にも、安定したホロー放電が発生する。このホロー放電に含まれるアルゴンイオンおよび水素イオンは、パイプ３０の内面に衝突し、これによって当該内面が放電洗浄（エッチング）される。かかる放電洗浄処理を、２０分間にわたって行う。

そして、この放電洗浄処理の後、上述した中間層（炭化珪素膜）を形成するためのコーティング処理を行う。即ち、アルゴンガスおよび水素ガスに加えて、ＴＭＳガスを３０［ＳＣＣＭ］の流量で真空槽１２内に導入する。そして、真空槽１２内の圧力を８［Ｐａ］（式２においてｋ＝８×１０^４の状態）とする。さらに、非対称パルス電力の電力値を１００［Ｗ］とする。これによって、それぞれのパイプ３０内を含む真空槽１２内において、ＴＭＳガスもプラズマ化される。そして、パイプ３０の内面に、中間層としての炭化珪素膜が形成される。かかる中間層のコーティング処理を５分間にわたって行うことで、炭化珪素膜の膜厚は０．２［μｍ］となった。

続いて、ＤＬＣ膜のコーティング処理に入る。即ち、真空槽１２内への水素ガスの導入を停止すると共に、ＴＭＳガスの流量を５［ＳＣＣＭ］とする。さらに、アセチレンガスを５０［ＳＣＣＭ］の流量で導入する。そして、真空槽１２内の圧力を５［Ｐａ］（式２においてｋ＝５×１０^４の状態）とすると共に、非対称パルス電力の電力値を１５０［Ｗ］とする。これによって、それぞれのパイプ３０内を含む真空槽１２内において、アセチレンガスもプラズマ化される。そして、パイプ３０の内面に、ＤＬＣ膜、詳しくはシリコンが含有されたＤＬＣ膜が、形成される。そして、このＤＬＣ膜のコーティング処理を、２０分間にわたって行う。

当該ＤＬＣ膜のコーティング処理の終了後、非対称パルス電力の供給、および全てのガスの導入を、停止する。そして、約２０分間の冷却期間を置いた後、真空槽１２を開けて、それぞれのパイプ３０を取り出す。

ここで、それぞれのパイプ３０の内面に形成されたＤＬＣ膜の膜厚を測定したところ、両端（開口部）に近い部分の膜厚が２［μｍ］であり、中央部分の膜厚が１．８［μｍ］であった。つまり、当該内面に形成されたＤＬＣ膜の膜厚のバラツキ（膜厚の中間値に対する最大値と最小値との差の比率）は、±約５．３［％］であり、比較的に均一な膜厚分布が得られることが、証明された。また、成膜レートは、６［μｍ／ｈ］であり、ＤＬＣ膜のコーティングとしては比較的に高い成膜レートが得られた。さらに、ＤＬＣ膜の表面粗さを測定したところ、Ｒａ＝０．００５［μｍ］であり、例えばエンジン用部品として十分に適用可能な平滑さを得ることができた。

そしてさらに、当該ＤＬＣ膜の機械的特性を測定したところ、硬度は１８００［ＨＫ］であり、摩擦係数μは０．１であった。つまり、一般にＤＬＣ膜と呼ばれるのに必要とされる条件（硬度１０００［ＨＫ］以上、摩擦係数μ＝０．１以下）を、全て満足した。また、公知のボールオンディスク試験によって当該ＤＬＣ膜の剥離荷重を測定したところ、２００［ｋｇｆ］であった。つまり、上述のエンジン用部品として十分に適用可能な高い密着性を得ることができた。

次に、実施例２として、真空槽１２内に、内径ｄが８［ｍｍ］、長さ寸法Ｌが２０［ｍｍ］のステンレス製のパイプ３０を２００本セットし、それぞれのパイプ３０の内面にＤＬＣ膜をコーティングする実験を行った。なお、この実施例２においても、上述の実施例１と同様に、当該ＤＬＣ膜のコーティングに先立って、放電洗浄処理、および中間層としての炭化珪素膜を形成するためのコーティング処理を、この順番で行う。

即ち、まず、真空ポンプ１６によって、真空槽１２内を２×１０^−３［Ｐａ］以下の高真空状態にまで排気する。そして、この排気後、真空槽１２内に１００［ＳＣＣＭ］の流量でアルゴンガスを導入すると共に、１００［ＳＣＣＭ］の流量で水素ガスを導入する。さらに、真空ポンプ１６によって、真空槽１２内の圧力Ｐを１００［Ｐａ］（式２においてｋ＝３６００の状態）に維持し、この状態で、パルス電源装置４２から櫛形電極２８に３００［Ｗ］の非対称パルス電力を供給する。この条件による放電洗浄処理を、２０分間にわたって行う。

そして、放電洗浄処理の終了後、中間層を形成するためのコーティング処理を行う。即ち、アルゴンガスおよび水素ガスに加えて、ＴＭＳガスを１０［ＳＣＣＭ］の流量で真空槽１２内に導入する。そして、真空槽１２内の圧力を１２０［Ｐａ］（式２においてｋ＝４３２０の状態）とする。さらに、非対称パルス電力の電力値を２００［Ｗ］とし、この条件によるコーティング処理を５分間にわたって行う。

続いて、ＤＬＣ膜のコーティング処理に入る。即ち、真空槽１２内への水素ガスの導入を停止すると共に、ＴＭＳガスの流量を３［ＳＣＣＭ］とする。そして、アセチレンガスを３０［ＳＣＣＭ］の流量で導入する。さらに、真空槽１２内の圧力を８０［Ｐａ］（式２においてｋ＝２８８０の状態）に維持し、非対称パルス電力の電力値を３００［Ｗ］とする。そして、この条件によるＤＬＣ膜のコーティング処理を１０分間にわたって行う。

当該ＤＬＣ膜のコーティング処理の終了後、非対称パルス電力の供給、および全てのガスの導入を、停止する。そして、約２０分間の冷却期間を置いた後、真空槽１２を開けて、パイプ３０，３０，…を取り出す。

ここで、２００本のパイプ３０，３０，…のうちの１０本を無作為に選択し、この選択された１０本のパイプ３０，３０，…について膜厚測定をしたところ、いずれも、両端に近い部分の膜厚が１［μｍ］であり、中央部分の膜厚が１．２［μｍ］であった。つまり、膜厚のバラツキは、±約９．１［％］であり、比較的に均一な膜厚分布が得られることが、証明された。なお、この実施例２では、パイプ３０の内径ｄが８［ｍｍ］と小さいため、機械的特性については測定することができなかった。ただし、当該パイプ３０の内面を所定硬さの工具で削ったところ、実施例１のものと同様の感触を得た。つまり、内径ｄが８［ｍｍ］という比較的に細いパイプ３０についても、その内面に、実施例１と同様の機械的特性を有するＤＬＣ膜を形成することができた。

以上のように、この実施形態によれば、各パイプ３０，３０，…内にホロー放電を意図的に生じさせ、このホロー放電を積極的に利用することで、当該パイプ３０，３０，…への内面コーティングを実現する。そして、この方法により、良質なＤＬＣ膜を形成できることが、実験により証明された。従って、補助電極を必要とする上述した従来技術とは異なり、当該補助電極を必要としないので、その分、簡単かつ安価に、しかも内径ｄの小さいパイプ３０にも内面コーティングを施すことができる。

なお、この実施形態では、被処理物として円筒形のパイプ３０を用いる場合について説明したが、これに限らない。いわゆる角パイプのような円筒形以外のパイプを、被処理物として用いてもよい。

また、パイプ３０は、フランジ４０を有するものとしたが、当該フランジ４０は無くてもよい。この場合、例えばパイプ３０の周囲に針金のような線状物を捲着し、この線状物を上述した貫通孔３８の周縁部分に固定させることで、当該パイプ３０をセットするようにしてもよい。勿論、これ以外の方法で、パイプ３０をセットしてもよい。

さらに、パイプ３０の両端が上下に位置するように当該パイプ３０を言わば縦置きにセットしたが、これに限らない。例えば、パイプ３０の両端が水平方向に位置するように当該パイプ３０を言わば横置きに（横倒しの状態で）セットしてもよいし、斜めに傾けてセットしてもよい。

そしてさらに、櫛形電極２８を１つのみ設けたが、これを複数設けてもよい。また、当該櫛形電極２８を構成する基板台３４の枚数を４枚としたが、これ以外の枚数としてもよい。そして、櫛形電極２８以外の構造の電極を採用し、この電極によってそれぞれのパイプ３０を支持してもよい。ただし、それぞれのパイプ３０と真空槽１２の壁部との間には、少なくとも１００［ｍｍ］程度の空間を設けるのが、望ましい。

また、真空ポンプ１６を構成するメカニカルブースタポンプの排気速度を制御することで、真空槽１２内の圧力Ｐを調整したが、これに限らない。例えば、当該真空ポンプ１６を構成するロータリポンプの回転数により当該圧力Ｐを調整してもよい。また、このような真空ポンプ１６による制御ではなく、例えば上述したマスフローコントローラによってガスの流量を制御することにより、圧力Ｐを調整してもよい。さらに、上述した排気管にコンダクタンスバルブを設け、このコンダクタンスバルブによって当該圧力Ｐを調整してもよい。

そして、この実施形態においては、被膜としてＤＬＣ膜を形成する場合について説明したが、当該ＤＬＣ膜以外の被膜を形成する場合にも、この発明を適用することができる。
そして、かかる発明は、例えば耐食性が要求される配管や、耐摩耗性および低摩擦係数が要求されるエンジンシリンダライナや燃料供給インジェクタスリーブ等のエンジン用部品等への応用が、期待される。

さらに、被処理物である各パイプ３０，３０，…に対して非対称パルス電力を供給したが、これに代えて、例えば周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給してもよい。具体的には、被処理物がステンレス等の金属である場合には、非対象パイプ電力を供給し、被処理物がセラミックス等の絶縁物である場合には、高周波電力を供給する。なお、高周波電力を採用する場合には、被処理物との間でインピーダンスを整合させるためのマッチングボックスが必要となる。

また、上述した図３、特に同図（ｂ）によれば、各パイプ３０，３０，…の側面間の空間（隙間）も白っぽく見える。これは、当該空間にもホロー放電が生じていることを示す。このように各パイプ３０，３０，…間に生じているホロー放電は、内面コーティングに何ら寄与しないので、その分、ガスおよび電力等のエネルギが無駄に消費されることになる。そこで、例えば図６に示すように、各パイプ３０，０，…の側面が隠れるよう各基板台３４，３４，…の厚さ寸法ｔを大きく（パイプ３０の長さ寸法Ｌと略同等に）すれば、かかる無駄なエネルギの消費を抑制することができる。また、このように基板台３４，３４，…の厚さ寸法ｔを大きくするのではなく、各パイプ３０，３０，…間の空間を何らかの手段（物品）によって塞いでもよい。

なお、この実施形態における真空槽１２等の各構成要素の形状や寸法、材質等は、飽くまでこの発明を実現するための一例であって、ここで説明した内容に限定されるものではない。

この発明に係る内面コーティング装置の一実施形態の概略構成を示す図解図である。同実施形態における櫛形電極の外観を示す図解図である。同実施形態において真空槽内にプラズマが発生している状態を示す図解図である。同実施形態において安定したホロー放電が生じているときの被処理物の内径と真空槽内の圧力の下限値との関係を示すグラフである。同実施形態において被処理物の中空部に安定したホロー放電が生じている状態を示す図解図である。同実施形態の別の例を示す図解図である。

符号の説明

１０内面コーティング装置
１２真空槽
１６真空ポンプ
１８ガスノズル
２０，２２，２４，２６ガス配管
２８櫛形電極
３０パイプ
４２パルス電源装置

Claims

筒状の被処理物の内面にプラズマＣＶＤ法により被膜を形成する内面コーティング方法において、
内部に上記被処理物が設置された真空槽の該内部を排気する排気過程と、
上記真空槽の内部に放電用ガスを導入する放電用ガス導入過程と、
上記放電用ガスを放電させるための放電用電力を上記被処理物に供給する電力供給過程と、
上記放電用ガスが放電することによって上記被処理物の中空部に該中空部の両端間にわたって略均一な分布のホロー放電が生じるように上記真空槽の内部の圧力を制御する圧力制御過程と、
上記真空槽の内部に上記被膜の材料となる材料ガスを導入する材料ガス導入過程と、
を具備し、
上記被処理物は円筒状のものであり、
上記被処理物の内径をｄ［ｍｍ］とし、
上記圧力をＰ［Ｐａ］とし、
上記放電用ガスの種類によって決定される所定係数をｋとしたとき、
上記圧力制御過程において上記被処理物の内径ｄが小さいほど上記圧力Ｐを高くすると共に該圧力Ｐの下限をＰ＝ｋ・ｄ ^−２として制御を行うこと、
を特徴とする内面コーティング方法。
上記放電用ガスはアルゴンガスを含み、
上記所定係数ｋは１０００である、
請求項１に記載の内面コーティング方法。
上記材料ガスは炭素を含む、請求項１または２に記載の内面コーティング方法。