JP6533913B2 - Plasma surface treatment system - Google Patents
Plasma surface treatment system Download PDFInfo
- Publication number
- JP6533913B2 JP6533913B2 JP2014219084A JP2014219084A JP6533913B2 JP 6533913 B2 JP6533913 B2 JP 6533913B2 JP 2014219084 A JP2014219084 A JP 2014219084A JP 2014219084 A JP2014219084 A JP 2014219084A JP 6533913 B2 JP6533913 B2 JP 6533913B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- plasma
- axis
- vacuum chamber
- opening
- surface treatment
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
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。 The present invention relates to a plasma surface treatment apparatus for performing predetermined treatment on the surface of an object using plasma.
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。
As this kind of plasma surface treatment apparatus, for example, one disclosed in
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。 Further, a plasma gun as a plasma generation means is provided substantially at the center on the wall portion forming the upper surface of the vacuum chamber. The plasma gun has a generally cylindrical housing that is generally smaller than the vacuum chamber and closed at both ends. This housing is made of, for example, stainless steel, and is concentric with the vacuum chamber, that is, with its central axis aligned with the central axis of the vacuum chamber and electrically insulated from the vacuum chamber. That is, it is coupled to the vacuum chamber in a state of being at an insulating potential (floating potential). Further, a substantially cylindrical aperture whose both ends are opened is provided substantially at the center of the wall portion forming the lower surface of the housing in a state where the central axis of itself is aligned with the central axis of the housing. And the inside of a case and the inside of a vacuum vessel are mutually connected via this aperture.
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。 A thermal cathode as a thermal electron emitting means and an anode as an anode means are provided in a housing of a plasma gun. Among them, the hot cathode is composed of linear tungsten (W) filaments, and on the central axis of the housing, it faces the aperture, and more specifically, orthogonally to the central axis of the housing. , Is provided. Then, direct current power is supplied as cathode power to the hot cathode from a direct current power supply device located outside the housing. On the other hand, the anode is a flat circular ring made of molybdenum (Mo), and it is described in detail so as to face the hot cathode at a position between the hot cathode and the aperture on the central axis of the housing. Is provided in a state in which the central axis of itself coincides with the central axis of the casing. The anode is connected to the ground potential, and the anode is supplied with DC power of positive potential based on the potential of the hot cathode as anode power from another DC power supply device outside the housing. Be done. Furthermore, a discharge gas supply port for supplying a discharge gas into the housing is provided at an appropriate position of the wall portion of the housing.
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。 On the other hand, a reflective electrode is provided in the vacuum chamber. The reflective electrode comprises a substantially circular dish-shaped metal container and metal wool contained in the container, but may be, for example, a simple disk-shaped metal body. . The reflective electrode faces the plasma gun at a position near the lower surface of the vacuum chamber on the central axis of the vacuum chamber, and more specifically, in a state in which the central axis of itself is aligned with the central axis of the vacuum chamber. It is provided. The reflective electrode is also electrically insulated as in the case of the plasma gun case. Furthermore, in the vicinity of the upper surface in the vacuum chamber, a disk-like plasma stabilizing electrode as blocking means is provided so as to entirely cover the upper surface in the vacuum chamber and not to interfere with the aperture. There is. The plasma stabilizing electrode is also made of metal and is electrically insulated.
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。 Then, in the vacuum chamber, a plurality of objects to be processed are disposed along the circumferential direction of a circle centered on the central axis of the vacuum chamber. Each object to be treated is supported by a holder as a support means, and moves in the circumferential direction of the circle, that is, it rotates around the central axis of the vacuum chamber, so to say, it revolves. At the same time, each object to be treated rotates about a vertical axis passing through itself, so to speak, to rotate.
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。 In addition, in the upper and lower portions outside the vacuum chamber, a pair of electromagnetic coils formed along the respective peripheral edges of the upper surface and the lower surface of the vacuum chamber are provided. The pair of electromagnetic coils receive supply of direct current to form a mirror magnetic field in the vacuum chamber and the plasma gun housing, and more specifically, along the central axis of the vacuum chamber and the central axis of the plasma gun housing Apply a magnetic field in the direction.
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。 In this prior art, when surface treatment is performed, first, an object to be treated is accommodated in a vacuum chamber, and then the inside of the vacuum chamber and the inside of the plasma gun housing are evacuated by a vacuum pump. Then, while the cathode power is supplied to the hot cathode, the anode power is supplied to the anode. Then, the hot cathode is heated and hot electrons are emitted from the hot cathode. Then, the thermoelectrons are accelerated toward the anode. In this state, when, for example, argon (Ar) gas as a discharge gas is supplied into the housing of the plasma gun, thermions accelerated from the hot cathode toward the anode collide with the argon gas particles. By the impact, argon gas particles are ionized to generate plasma. Furthermore, when a magnetic field is applied by the pair of electromagnetic coils described above, the thermal electrons spirally move to wind around the magnetic field. As a result, the number and probability of the thermal electrons colliding with the argon gas particles are increased, and the density of plasma is improved. Then, the plasma is supplied into the vacuum chamber along the magnetic field and hence through the aperture.
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。 The plasma supplied into the vacuum chamber flows toward the reflective electrode. However, since the reflective electrode is electrically insulated as described above, electrons in the plasma are reflected by the reflective electrode and folded back toward the plasma gun, but the case of the plasma gun is also Since the electrically isolated potential is set, electrons in the plasma reciprocate between the plasma gun and the reflective electrode, and so-called electric field oscillation occurs. Furthermore, since the above-mentioned magnetic field is applied in the vacuum chamber, the electrons in the plasma are generally beam-shaped so as to be concentrated along the magnetic field, that is, toward the central axis of the vacuum chamber. Be trapped. This further improves the density of the plasma. The plasma generation mechanism having such a configuration, that is, the plasma generation mechanism having a configuration in which an annular anode is disposed between the hot cathode and the reflective electrode and a magnetic field in a direction along these arrangement axes is applied is It is called PIG (Penning Ionization Gauge) discharge mechanism.
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。 Each object to be treated is disposed so as to surround this beam-like plasma, and the objects to be treated revolve around the plasma while rotating. As a result, the plasma acts evenly on the surface of each object to be treated, and a predetermined treatment using this plasma is uniformly applied over the entire surface of the object to be treated.
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。 As described above, the anode in the plasma gun housing is connected to the ground potential, and to this anode, direct-current power of positive potential based on the potential of the hot cathode is supplied as anode power. . Therefore, the space potential in the housing, that is, the space potential of the plasma is stabilized with reference to the ground potential.
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。 In addition, electrons in the plasma supplied from the plasma gun into the vacuum chamber try to flow into the wall of the vacuum chamber at the same potential (ground potential) as the anode, and in particular, the vacuum chamber to which the plasma gun is coupled Try to flow into the top part of the inside. However, since the upper surface portion in the vacuum chamber is covered by the plasma stabilizing electrode which is electrically insulated as described above, even if electrons in the plasma flow into the upper surface portion in the vacuum chamber, Its progress is blocked by the plasma stabilizing electrode. Therefore, the wall of the vacuum chamber including the upper surface portion in the vacuum chamber does not act as an anode (in other words, unintentionally), and the plasma is further stabilized.
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。 By the way, in the above-mentioned prior art, each object to be treated revolves around the beam-like plasma while rotating, so even if the number of the object to be treated is only one, the object to be treated is accommodated. As a vacuum chamber, one having a corresponding size, specifically, one having an inner diameter that allows the material to be treated to revolve around a beam-like plasma while rotating is required. Therefore, in particular, when trying to cope with a large object to be treated, specifically an object to be treated having a relatively large dimension in the radial direction of its own rotation shaft, a vacuum chamber having a correspondingly large inner diameter is required, and thus the vacuum The entire plasma surface treatment apparatus including the tank is enlarged. Also, of course, the manufacturing cost of the entire apparatus is increased. That is, in the prior art, in particular, there is a problem that it is difficult to cope with a large object to be treated.
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。 Therefore, an object of the present invention is to provide a plasma surface treatment apparatus that can easily and flexibly cope with a large-sized workpiece.
本発明は、真空槽を有し、この真空槽を通る第1軸に沿って上記真空槽内にプラズマをプラズマ供給手段が供給する。上記第1軸に直交する第2軸を中心として、上記第2軸の方向に長さを有する被処理物を上記真空槽内で被処理物保持回転手段が回転させる。上記プラズマ供給手段は、中空の筐体を有し、この筐体は、上記真空槽の外部に配置され、上記真空槽と連通部分を介して内部が連通している。筐体の内部を上記第1軸が通っている。上記筐体内に、電子放出電力の供給を受けて電子を放出する電子放出電極が設けられ、この電子放出電極は、上記第1軸線上で上記第2軸と平行に設けられた概略直線状である。上記筐体内における上記電子放出電極と上記連通部分との間に、上記電子放出電極と距離をおいて対向して電子加速電極が設けられている。この電子加速電極は、上記電子放出電極の電位を基準として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。放電用ガス供給手段が、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。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、上記第1軸に沿う方向の磁界を上記筐体内に磁界発生手段が印加する。上記電子加速電極は、概略直線状の開口部を有し、上記開口部は上記第1軸上で上記第2軸に平行な方向に延伸すると共に上記第1軸に沿う方向に貫通している。上記連通部分は、上記第1軸上で上記第2軸に平行な方向に延伸した概略直線状の開口部を有している。上記電子加速電極の開口部と上記連通部分の開口部とを、上記第1軸上の離れた位置から見たとき、上記電子加速電極開口部と上記連通部分の開口部とは、互いに重なって見え、かつ上記連通部分の開口部の周縁が、上記電子加速電極の開口部とほぼ同等以上の大きさである。上記磁界発生手段は、上記磁界が上記電子加速電極の開口部における第2軸に沿う2つの端部の一方から他方までの間を通過するように上記磁界を発生させる。The present invention has a vacuum chamber, and a plasma supply means supplies plasma into the vacuum chamber along a first axis passing through the vacuum chamber. The object holding and rotating means rotates the object to be processed having a length in the direction of the second axis around the second axis orthogonal to the first axis in the vacuum tank. The plasma supply means has a hollow case, and the case is disposed outside the vacuum chamber, and the inside is in communication with the vacuum chamber via a communicating portion. The first axis passes through the inside of the housing. The housing is provided with an electron emission electrode which receives supply of electron emission power and emits electrons, and the electron emission electrode has a substantially linear shape provided parallel to the second axis on the first axis. is there. An electron acceleration electrode is provided between the electron emission electrode and the communication portion in the housing, facing the electron emission electrode at a distance. The electron acceleration electrode accelerates the electrons by receiving supply of electron acceleration power which is direct current power of positive potential with reference to the potential of the electron emission electrode. A discharge gas supply unit supplies a discharge gas, which is discharged by the collision of the accelerated electrons, into the housing. A magnetic field generating means is provided for generating a magnetic field in a direction along the first axis so that the plasma generated by the discharge of the discharge gas is supplied into the vacuum chamber along the first axis. Apply. The electron acceleration electrode has a substantially linear opening, and the opening extends in a direction parallel to the second axis on the first axis and penetrates in the direction along the first axis. . The communication portion has a substantially linear opening extending in a direction parallel to the second axis on the first axis. When the opening of the electron acceleration electrode and the opening of the communication portion are viewed from the distant position on the first axis, the electron acceleration electrode opening and the opening of the communication portion overlap each other. The peripheral edge of the opening of the communication portion is approximately equal to or larger than the opening of the electron acceleration electrode. The magnetic field generating means generates the magnetic field such that the magnetic field passes between one of the two ends along the second axis at the opening of the electron accelerating electrode and the other.
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。 That is, according to the present invention, plasma is supplied into the vacuum chamber along the first axis passing through the vacuum chamber. The plasma is directly irradiated to the surface of the object stored in the vacuum chamber. Then, the object to be processed rotates about a second axis orthogonal to the first axis, that is, rotates about the second axis orthogonal to the plasma supply direction. Furthermore, the cross section of the plasma along a plane orthogonal to the first axis, that is, the cross section of the plasma along a plane orthogonal to the supply direction of the plasma, is substantially straight in parallel with the second axis which is the rotation axis of the object is there. In short, a substantially linear plasma elongated in the direction along the second axis is irradiated onto the surface of the object to be processed which rotates about the second axis from the direction along the first axis orthogonal to the second axis. Be done. As a result, the surface of the object to be treated is uniformly irradiated with plasma, and a predetermined treatment using this plasma is uniformly applied over the entire surface of the object to be treated. Here, for example, when the number of objects to be processed is only one, it is desirable that the objects to be processed be disposed on the second axis. In this case, the object to be treated is, as it were, autorotated, and in particular, unlike the above-mentioned prior art, it does not revolve around the plasma. Therefore, according to the present invention, unlike the prior art, it is not necessary for the object to be treated to have a size that allows the object to revolve around the plasma, as a vacuum chamber in which the object to be treated is accommodated. And can cope with large-sized objects easily and flexibly.
上記磁界発生手段は、上記筐体の周囲を取り囲むように設けられた概略矩形閉ループ状の電磁コイルを有するものとすることができる。このように構成することによって、磁界が上記電子加速電極の開口部における第2軸に沿う2つの端部の一方から他方までの間を通過するように上記磁界を発生させる。The magnetic field generating means may include a substantially rectangular closed loop electromagnetic coil provided so as to surround the periphery of the housing. By this configuration, the magnetic field is generated so that the magnetic field passes between one of the two ends along the second axis at the opening of the electron acceleration electrode and the other.
上記被処理物に対して上記電子加速電極の電位を基準として負の電位のバイアス電力を供給するバイアス電力供給手段を設けることもできる。 It is also possible to provide bias power supply means for supplying a bias power of a negative potential to the object with reference to the potential of the electron acceleration electrode.
また、上述の連通部分の周縁全周にわたって第1軸に沿う壁面を設けることもできる。これによって、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。 Moreover, the wall surface in alignment with a 1st axis can also be provided over the perimeter perimeter of the above-mentioned communicating part. By this, a distance is placed between the inside of the vacuum chamber and the inside of the housing of the plasma supply means, and it becomes possible, for example, to form a pressure difference between the two. In particular, by forming a state in which the pressure in the housing of the plasma supply means is higher than the pressure in the vacuum tank, the influence of the atmosphere in the vacuum tank in the housing of the plasma supply means is suppressed. For example, in a configuration in which a material gas to be described later is supplied into the vacuum chamber, there is concern that the material gas may flow into the case of the plasma supply means to contaminate the inside of the case. Such a concern is suppressed by forming a state in which the pressure in the housing of the plasma supply means is higher than the pressure of .
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。 In addition, the object holding and rotating means may hold a plurality of objects along the circumferential direction of a circle centered on the second axis. In this case, it is desirable that each object to be processed be rotated about a third axis which is orthogonal to the circumferential direction of the circle and parallel to the second axis. According to this configuration, a plurality of objects to be processed can be processed simultaneously.
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。 And, in the present invention, a plurality of plasma supply means may be provided. For example, the plurality of plasma supply means may be provided along the outer peripheral direction of the second axis. According to this configuration, since the plurality of plasmas are irradiated from the plurality of plasma supply means to the surface of the object to be treated, the speed of the processing applied to the surface of the object to be treated is achieved. In other words, the time required for the process can be shortened.
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。 Also, for example, a plurality of plasma supply means may be provided along the extension direction of the second axis. According to this configuration, in particular, it is possible to cope with an object having a relatively large dimension in the extending direction of the second axis. Furthermore, for example, by disposing a plurality of objects to be processed along the extension direction of the second axis, it is also possible to simultaneously process the plurality of objects to be processed.
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。 As a predetermined process said here, there exists a film-forming process which produces | generates insulating coating films, such as a diamond like carbon (Diamond-Like Carbon: it is hereafter called "DLC") film | membrane, on the surface of to-be-processed object.
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。 In this case, it is desirable that the material gas to be the material of the insulating film be supplied in the vicinity of the supply portion of the plasma from the plasma supply means in the vacuum chamber. According to this configuration, the decomposition efficiency of the material gas by plasma is improved, and as a result, the generation efficiency (film forming rate) of the insulating film is improved.
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。 As described above, according to the present invention, it is possible to easily and flexibly cope with a large object to be treated. That is, wider response is possible compared to the prior art in which it is difficult to cope with a large object to be treated.
本発明の一実施形態について、以下に詳しく説明する。 One embodiment of the present invention will be described in detail below.
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。
As shown in FIG. 1, the plasma
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。
An
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。
Further, a
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。
Focusing on the inside of the
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。
On the other hand, the
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。
Then, an
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。
Furthermore, a substantially rectangular closed loop
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。
Incidentally, the length dimension (effective length) Lf of the
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。
Subsequently, focusing on the inside of the
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。
That is, when the
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。
In addition, bias power from the pulse
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。
Also, magnetron sputtering is performed in the vicinity of a wall forming a side surface in the
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。
Furthermore, at an appropriate position in the
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(CH3)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(CH4)ガスやエチレン(C2H4)ガス,ベンゼン(C6H6)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(SiH4)ガスやメチルシラン(SiH3(CH3))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。
Although not shown in detail, a source gas supply path for supplying source gas is provided in the
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(H2)ガスおよび反応ガスとしての窒素(N2)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。
Further, although not shown in detail, a discharge gas supply passage for supplying a discharge gas is provided in the
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(O2)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。
Similarly, although not shown in detail, in order to supply an oxygen (O 2 ) gas as a contaminant removal gas to be described later into the
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。
In addition, in order to cover the entire area around the portion of the wall surface in the
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。
In particular, as shown in FIG. 2, the
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。
The plasma
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。
For this series of surface treatments, first, the object to be treated 100 is accommodated in the
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。
After the degassing process is performed for a predetermined period, the supply of the heater heating power to the electric heater is stopped, and then the discharge cleaning process is performed. In the discharge cleaning process, the cathode power Ec is supplied to the
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24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。
Then, when the power Em for applying a magnetic field is supplied to the
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。
In the
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、上述の如く接地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。
The
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。
Further, for example, even if the position of the
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。
Furthermore, electrons in the
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。
After the discharge cleaning process is performed for a predetermined period, the supply of hydrogen gas is stopped, and then the film forming process by the sputtering method for generating the above-described intermediate layer is performed. First, target power is supplied to the
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。
Subsequently, a film forming process by plasma CVD is performed to generate the above-described inclined layer. That is, acetylene gas and TMS gas as material gases are supplied into the
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。
And the film-forming process by plasma CVD method for producing | generating DLC film is performed. That is, supply of TMS gas into the
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。
When the DLC film of the required thickness is formed, the supply of acetylene gas into the
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。
By the way, although the
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。
As described above, the
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。
First, a Faraday cup (not shown) is installed at the center of the vacuum chamber 12 (the intersection of the central axis Xa and the horizontal axis Xb) in a state of facing the plasma gun 16 (the
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。
As shown in FIG. 7, the ion current density Js at the center of the
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。
In addition, although the
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。
First, the Faraday cup is installed at each of a plurality of different positions on the central axis Xa in the
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。
As shown in FIG. 8, as the coil current Im is larger, the ion current density Js at each position is larger. On the other hand, the larger the coil current Im, the more the difference in ion current density Js occurs between each position, and in particular, the ion current density Js near both ends (especially the position of 450 mm on the horizontal axis) is the ion current density Js near the center It becomes significantly smaller than that. This is because, as described with reference to FIG. 5, as the coil current Ib (power for applying magnetic field Em) increases, the diffusion angle θa of the
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。
Subsequently, the density of the
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。
As shown in FIG. 9, the larger the coil current Im, the larger the ion current density Js at each position. Then, at a position on the central axis Xa, the ion current density Js is the largest and shows a so-called peak, and the position farther from the central axis Xa, the smaller the ion current density Js. This means that the dimension of the
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。
Next, a DLC film was actually produced by the plasma
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。
First, a disc made of chromium molybdenum steel (SCM 415) having a diameter of 30 mm and a thickness dimension of 3 mm is prepared as the object to be treated 100. Then, a 50 mm × 50 mm × 500 mm prismatic jig is attached to each
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。
In this discharge cleaning process, the supply flow rate of argon gas is 50 mL / min, and the supply flow rate of hydrogen gas is 50 mL / min. Then, the pressure Pc in the
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。
In the film forming process for generating the intermediate layer, the flow rate of argon gas is set to 200 mL / min, and the pressure Pc in the
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。
In the film forming process for generating the inclined layer, the flow rate of argon gas is 50 mL / min. Then, the anode voltage Va is set to 50 V, and the discharge current Id is set to 10 A, that is, the output Wg of the
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。
In the film forming process for forming a DLC film, the flow rate of argon gas is 50 mL / min, and the flow rate of acetylene gas is 300 mL / min. In addition, oxygen gas is supplied at a flow rate of 20 mL / min. Then, the pressure Pc in the
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。 The surface treatment is repeated in the same manner as this, and only the bias voltage Vb is changed in the film forming process for forming the final DLC film. Specifically, the bias voltage Vb is set to -200V, -300V, -400V, -500V and -600. And, so-called tribological evaluation was performed on the DLC film generated under each condition. FIG. 10 shows the evaluation results of Knoop hardness. And the evaluation result of a specific abrasion loss is shown in FIG. In addition, evaluation of the specific abrasion loss which concerns on FIG. 11 was performed in air | atmosphere and under a non-lubricated environment using a reciprocating slide tester. The ball of this reciprocating sliding tester is made of 1/4 inch SUJ2, and the applied load on the ball is 1000 g. The sliding speed is 300 mm / min, and the stroke is 5 mm. In addition, the number of cycles is 10000 and the sliding time is 6 hours. And the contact stress of Hertz at the initial stage of sliding is 1.3 GPa.
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。 As shown in FIG. 10, the larger the bias voltage Vb (the absolute value thereof), the higher the Knoop hardness of the DLC film, that is, the higher the hardness of the DLC film is obtained. Then, as shown in FIG. 11, the larger the bias voltage Vb (the absolute value of the bias voltage Vb), the smaller the specific wear amount of the DLC film, that is, the DLC film having high wear resistance can be obtained. That is, it was confirmed that the hardness and the wear resistance of the DLC film were changed by the bias voltage Vb. Although illustration is omitted, when the coefficient of friction of the DLC film was evaluated, it was confirmed that the coefficient of friction was not changed by the bias voltage Vb. It was confirmed that the friction coefficient of this DLC film is approximately 0.13 to 0.15, that is, a DLC film having high lubricity can be obtained.
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。
Furthermore, after a plurality of
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。
As shown in FIG. 12, according to the present embodiment, in the range from the position of the holder of
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。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to generate a DLC film having a uniform film thickness distribution. Of course, not only the DLC film, but also when forming another film, uniform film thickness distribution can be obtained. Further, not only the film forming process, but also a surface process other than the film forming process such as a nitriding process, uniform treatment can be performed.
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。 Furthermore, according to the present embodiment, there are the following advantages as compared with the prior art.
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(=22)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。 For example, in the prior art, in order to increase the number of objects stored in the vacuum chamber, it is necessary to increase the diameter of the revolution path of the objects. In this case, it is necessary to increase the diameter (inner diameter) of the vacuum chamber. Further, along with this, the distance between the plasma and the object to be treated is increased, so the density of the plasma needs to be increased, that is, the output of the plasma gun needs to be increased. In particular, since the current density of ions incident on the object from the plasma is inversely proportional to the square of the distance between the plasma and the object, for example, when the distance is doubled, the output of the plasma gun is It needs to be increased by 4 (= 2 2 ) times. On the other hand, since the output of the plasma gun is limited, the distance between the plasma and the object can not be increased so much, that is, the number of objects contained in the vacuum chamber can not be increased so much. Can not. Separately from this, the height dimension in the vacuum chamber is increased to form a plurality of revolution paths of the object in the height direction (in other words, a plurality of objects are arranged along the height direction) Although the structure can be considered, in this case, in order to make the density of plasma in the height direction uniform, it is necessary to increase the diameter of the pair of electromagnetic coils provided above and below the vacuum chamber. However, this pair of electromagnetic coils is the most expensive of the components of the plasma surface treatment apparatus, and the cost thereof increases significantly as the diameter increases. Therefore, it is not realistic to increase the number of objects stored in the vacuum chamber by this alternative structure. That is, it is unreasonable to increase the number of objects to be processed contained in the vacuum chamber by the extension line of the prior art. This is because, in the prior art, the workpiece revolves around the plasma while rotating.
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。
On the other hand, in the present embodiment, in order to increase the number of the objects to be treated 100 stored in the
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。
Further, according to the present embodiment, it is possible to cope with a large-
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。
Further, for example, as shown in FIG. 14, a plurality of, for example, two,
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。
For example, as shown in FIG. 15, a plurality of, for example, two
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。 The present embodiment is a specific example of the present invention even if it gets tired, and does not limit the scope of the present invention. That is, the present invention may be realized by another form without being limited to the contents described in the present embodiment.
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
DESCRIPTION OF
Claims (9)
上記真空槽を通る第1軸に沿って上記真空槽内にプラズマを供給するプラズマ供給手段と、
上記第1軸に直交する第2軸を中心として、上記第2軸の方向に長さを有する被処理物を上記真空槽内で回転させる被処理物保持回転手段とを、
備え、
上記プラズマ供給手段は、
上記真空槽の外部に配置され、上記真空槽と連通部分を介して内部が連通し、上記内部を上記第1軸が通る中空の筐体と、
上記筐体内に、上記第1軸線上で上記第2軸と平行に設けられた概略直線状であって、電子放出電力の供給を受けて電子を放出する電子放出電極と、
上記筐体内における上記電子放出電極と上記連通部分との間に、上記電子放出電極と距離をおいて対向して設けられ、上記電子放出電極の電位を基準として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、上記第1軸に沿う方向の磁界を上記筐体内に印加する磁界発生手段とを、
備え、
上記電子加速電極は、概略直線状の開口部を有し、上記開口部は上記第1軸上で上記第2軸に平行な方向に延伸すると共に上記第1軸に沿う方向に貫通しており、
上記連通部分は、上記第1軸上で上記第2軸に平行な方向に延伸した概略直線状の開口部を有し、
上記電子加速電極の開口部と上記連通部分の開口部とを、上記第1軸上の離れた位置から見たとき、上記電子加速電極開口部と上記連通部分の開口部とは、互いに重なって見え、かつ上記連通部分の開口部の周縁が、上記電子加速電極の開口部とほぼ同等以上の大きさであり、
上記磁界発生手段は、上記磁界が上記電子加速電極の開口部における第2軸に沿う2つの端部の一方から他方までの間を通過するように上記磁界を発生させる
プラズマ表面処理装置。 With a vacuum chamber,
Plasma supply means for supplying plasma into the vacuum chamber along a first axis passing through the vacuum chamber;
An object holding and rotating means for rotating an object having a length in the direction of the second axis around the second axis orthogonal to the first axis in the vacuum chamber;
Equipped
The plasma supply means is
A hollow casing disposed outside the vacuum chamber, the inside communicating with the vacuum chamber via a communicating portion, and the first shaft passing through the inside;
An electron emitting electrode which is substantially straight and provided in the housing in parallel with the second axis on the first axis, the electron emitting electrode emitting an electron upon receiving the supply of the electron emitting power;
An electron acceleration is provided between the electron emitting electrode and the communicating portion in the housing, facing the electron emitting electrode at a distance, and is a DC power of positive potential based on the potential of the electron emitting electrode An electron acceleration electrode that receives the supply of power and accelerates the electrons;
A discharge gas supply means for supplying a discharge gas, which is discharged in response to the collision of the accelerated electrons, into the housing;
A magnetic field is generated to apply a magnetic field in a direction along the first axis so that the plasma generated by the discharge of the discharge gas is supplied into the vacuum chamber along the first axis. Means and
Equipped
The electron accelerating electrode has a substantially linear opening, and the opening extends in a direction parallel to the second axis on the first axis and penetrates in the direction along the first axis. ,
The communication portion has a substantially linear opening extending in a direction parallel to the second axis on the first axis,
When the opening of the electron acceleration electrode and the opening of the communication portion are viewed from the distant position on the first axis, the electron acceleration electrode opening and the opening of the communication portion overlap each other. Visible, and the peripheral edge of the opening of the communicating portion is substantially equal to or larger than the opening of the electron accelerating electrode,
The magnetic field generating means generates the magnetic field such that the magnetic field passes between one of the two ends along the second axis at the opening of the electron accelerating electrode and the other. apparatus.
プラズマ表面処理装置。 The plasma surface treatment apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the object holding and rotating unit holds a plurality of the objects to be processed along a circumferential direction of a circle centered on the second axis. A plasma surface treatment apparatus for further rotating each of the plurality of objects to be processed about a third axis orthogonal to the circumference of a circle and parallel to the second axis .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014219084A JP6533913B2 (en) | 2014-10-28 | 2014-10-28 | Plasma surface treatment system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014219084A JP6533913B2 (en) | 2014-10-28 | 2014-10-28 | Plasma surface treatment system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016084516A JP2016084516A (en) | 2016-05-19 |
JP6533913B2 true JP6533913B2 (en) | 2019-06-26 |
Family
ID=55972102
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014219084A Active JP6533913B2 (en) | 2014-10-28 | 2014-10-28 | Plasma surface treatment system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6533913B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR3082526B1 (en) | 2018-06-18 | 2020-09-18 | Hydromecanique & Frottement | PART COATED WITH A COATING OF HYDROGEN AMORPHIC CARBON ON AN UNDERLAYMENT CONTAINING CHROME, CARBON AND SILICON |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01100275A (en) * | 1987-10-09 | 1989-04-18 | Canon Inc | Functional deposit film-forming apparatus by microwave plasma cvd method |
JP2006169589A (en) * | 2004-12-16 | 2006-06-29 | Shinko Seiki Co Ltd | Surface treatment apparatus |
-
2014
- 2014-10-28 JP JP2014219084A patent/JP6533913B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2016084516A (en) | 2016-05-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6045667A (en) | Process and system for the treatment of substrates using ions from a low-voltage arc discharge | |
JP5355382B2 (en) | Sputtering equipment | |
JPWO2016203585A1 (en) | Film forming method and film forming apparatus | |
US20220181129A1 (en) | Magnetron plasma apparatus | |
JP4985490B2 (en) | Deposition equipment | |
KR101471269B1 (en) | Arc evaporation source having fast film-forming speed, film formation device and manufacturing method for coating film using the arc evaporation source | |
JP2004292934A (en) | Ion nitriding apparatus and deposition system using the same | |
JP6577804B2 (en) | Film forming apparatus and film forming method by magnetron sputtering method | |
JP6533913B2 (en) | Plasma surface treatment system | |
WO2014103318A1 (en) | Method for forming protective film using plasma cvd method | |
JP6005536B2 (en) | Plasma CVD apparatus with arc evaporation source | |
US20020148941A1 (en) | Sputtering method and apparatus for depositing a coating onto substrate | |
US20180023185A1 (en) | Plasma Process and Reactor for the Thermochemical Treatment of the Surface of Metallic Pieces | |
JP2007305336A (en) | Dc high-density plasma source, film-forming device, and manufacturing method of film | |
JP2021528815A (en) | Single beam plasma source | |
JP6396749B2 (en) | Hard coating, method for forming the same, and forming apparatus | |
JP4675617B2 (en) | Surface treatment equipment | |
JP2005272948A (en) | Plasma enhanced chemical vapor deposition system | |
JP6948049B2 (en) | Method of forming carbon nitride film | |
JP2006169589A (en) | Surface treatment apparatus | |
JPH1136063A (en) | Arc type evaporating source | |
US6423191B1 (en) | Sputtering method and apparatus for depositing a coating onto substrate | |
JP2004300536A (en) | Surface treatment apparatus and surface treatment method | |
JP3456964B2 (en) | Cubic boron nitride thin film deposition system | |
JP2017101265A (en) | Hydrogen-containing carbonized oxidized silicon film, and forming method thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170824 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20180426 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180508 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180702 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20181127 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20181130 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190402 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190418 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6533913 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |