(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体の表面に前記基体を構成する元素とは異なる元素を含有する表面改質材料を導入して前記基体の表面を改質する表面改質方法であって、
真空中で固体状の表面改質材料をるつぼから上方に蒸発させる工程と、
前記るつぼに対して表面改質材料の蒸発方向の上方に、前記蒸発した表面改質材料をイオン化してプラズマ領域を形成する工程と、
前記プラズマ領域から離間され、前記プラズマ領域より下方向に存在し、かつ、前記るつぼから蒸発した前記表面改質材料が蒸発する方向とは逆の方向に設置した基体と、前記プラズマ領域との間に電界を形成し、前記電界により前記プラズマ領域中に存在するイオン化された表面改質材料を前記基体に照射する工程とを有する表面改質方法。
【請求項２】
基体が設置された電極に負の電圧パルスを印加することによりプラズマ領域中に存在するイオン化された表面改質材料を前記プラズマ領域から引き出すことを特徴とする請求項１に記載の表面改質方法。
【請求項３】
連続的に表面改質材料をプラズマ化してプラズマ領域を形成することを特徴とする請求項２に記載の表面改質方法。
【請求項４】
基体、前記基体の表面に前記基体を構成する元素とは異なる元素を含有する個体状の表面改質材料、および前記表面改質材料を保持するるつぼを導入して前記基体の表面の改質を行う表面改質装置であって、
真空槽と、
前記真空槽内に、
前記表面改質材料を前記るつぼから上方に蒸発させる手段と、
前記るつぼに対して表面改質材料の蒸発方向の上方に、前記蒸発した前記表面改質材料をイオン化してプラズマ領域を形成する手段と、
前記プラズマ領域から離間され、前記プラズマ領域より下方向に存在し、かつ、前記るつぼから蒸発した前記表面改質材料が蒸発する方向とは逆方向に基体を設置する手段と、
前記プラズマ領域と前記基体との間に電界を形成し、前記電界により前記プラズマ領域中に存在するイオン化された表面改質材料を前記基体に照射する手段とを有する表面改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基体の表面に基体を構成する元素と異なる元素を含有する物質を導入することにより基体表面の性質を向上させる表面改質方法と表面改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、金型、工具またはシリンダー等を構成する鋼やアルミの表面の改質を行うことにより、表面の耐磨耗性や耐食性を向上する研究開発が活発化している。この分野に関しては、例えば１９９３．１１．１５に発行されたＮＩＫＫＥＩ  ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ  Ｐ１６〜２９のＳｐｅｃｉａｌ  Ｒｅｐｏｒｔの中で「熱変形のない表面改質」という内容で様々な表面改質技術が紹介されている。そこで以下では、上記の文献中で紹介されている、イオンプレーティングを用いた表面改質及びプラズマＣＶＤを用いた表面改質という２つの技術について説明する。
【０００３】
まず最初に、１つ目のイオンプレーティングを行うイオンプレーティング装置の概略断面図を図３に示す。イオンプレーティングとは、基体の表面に基体とは異なる表面改質材料の膜を薄く形成して基体表面の特性の改質を行う技術の一種である。
【０００４】
図３において、３１はイオンプレーティングを行う反応容器であり、この反応容器３１内には表面改質材料の薄膜を形成する対象物（言い換えれば表面改質を行う対象物）である基体３２を保持する基体ホルダー３３、及びイオンプレーティングにより基体３２上に形成される薄膜の材料となる蒸着物質３４を保持し、陽極となるるつぼ３５が設置されている。また、３６はるつぼ３５内の蒸着物質３４を加熱する加熱手段を示している。
【０００５】
この図３に示したイオンプレーティング装置を用いたイオンプレーティングによる表面改質は、具体的には例えば以下のように行われる。
【０００６】
すなわち、まず最初に反応容器３１内にＡｒガスを導入した後、直流グロー放電によって基体３２（負電位）をＡｒ+衝撃により清浄化する。次に、るつぼ３５内の蒸着物質３４を加熱手段３６により加熱することにより蒸発させるわけであるが、その際、同時に基体３２を陰極、るつぼ３５を陽極として電圧を印加することにより反応容器３１内にプラズマを発生させる。すると、蒸発した表面改質材料からなる薄膜形成材料はイオン化された後、基体３２をとりまいているグロー放電領域３７中の陰極暗部３８の強い電界で加速され、高いエネルギーをもって基体３２へと向かい、薄膜形成材料が基体３２上に形成される。
【０００７】
次に、２つ目のプラズマＣＶＤを行うプラズマＣＶＤ装置の概略断面図を図４に示す。プラズマＣＶＤによる表面改質も、上記のイオンプレーティング技術と同様に、基体の表面に基体とは異なる表面改質材料を薄く形成することにより行われる。
【０００８】
図４において、４１はプラズマＣＶＤを行う反応容器であり、この反応容器４１内には表面改質材料の薄膜を形成する対象物（言い換えれば表面改質を行う対象物）である基体４２を設置する基体テーブル４３が設置されている。また、４４は反応容器４１内にプラズマＣＶＤにより形成される薄膜の材料となる反応ガスを供給する反応ガス供給手段であり、４５は反応容器４１内を真空に排気する真空排気手段である。
【０００９】
この図４に示したプラズマＣＶＤ装置を用いたプラズマＣＶＤは以下のように行われる。
【００１０】
すなわち、まず最初に反応ガス供給手段４４により、反応容器４１内に反応ガスが供給され、その後反応ガスは反応容器４１の外側に設置されている高周波コイル４６により高周波電力を印加され、プラズマ状態となってプラズマ４７が発生する。そして、上記のプラズマ４７は加熱手段４８によって加熱されている基体４２に供給され、基体４２上に所望の薄膜が形成される。
【００１１】
しかしながら上記の図３及び図４に示した２つの表面改質技術には下記のような課題が存在する。
【００１２】
イオンプレーティング技術とプラズマＣＶＤ技術のいずれも基本的には基体上に薄膜を形成して基体の表面を改質しようとするものである。すなわち、上記の２つの技術はそもそも鋼などの材料で構成されている切削工具の表面を改質しようとするものであり、薄膜を形成して多少切削工具そのものの形状（大きさ）等に変化が生じても顕著な悪影響を及ぼさないものを対象とするものである。しかしながら、表面を改質したい物質が上記のイオンプレーティング技術やプラズマＣＶＤ技術により堆積された薄膜の厚みにより形状変化してしまうと致命的な悪影響を及ぼすものであった場合には、この技術を用いることは不可能となってしまう。
【００１３】
これに対し、上記のイオンプレーティングやプラズマＣＶＤを用いない表面改質技術として、プラズマ及びイオンビームを用いて基体の表面付近に基体とは異なる元素を注入することにより基体の表面改質を行う技術が存在する。薄膜堆積ではなく注入により基体の表面改質を行えば、表面改質工程における基体のディメンジョン変化（形状変化）を著しく抑制することが可能となる。そこで、以下では図５を参照しながら、プラズマ及びイオンビームを用いた注入による表面改質方法について説明する。
【００１４】
図５は、従来のプラズマ及びイオンビームを用いた注入を行う装置の概略図を示したものである。図５において、５１はプラズマを用いた注入を行う反応容器であり、この反応容器５１内には表面改質を行う対象物である基体５２、基体５２の表面改質を行うために基体５２の表面付近に注入される表面改質材料５３、及びプラズマを発生させるためのアノード電極５４が設置されている。また、５５は実際に基体５２の表面改質を行う際にイオンビームを基体５２に照射する手段を示している。
【００１５】
この図５に示したプラズマを用いた注入による表面改質は以下のように行われる。
【００１６】
すなわち、まず表面改質材料５３をガス化させるとともに表面改質材料のプラズマを発生させる。具体的には、アノード電極５４に対して表面改質材料５３がカソード電極となり、電界を与えることにより表面改質材料５３のプラズマ領域５６が形成される。図５から明らかなように、表面改質を行う基体５２はプラズマ領域５６中に存在する状態となる。その後、基体５２表面に表面改質材料５３を注入する際には、イオンビームがイオンビーム照射手段５４により照射されるわけであるが、この時、基体５２の表面に沿ってプラズマシースが形成される。このようにプラズマシースを形成すると、このプラズマシースを通してプラズマ中のイオンが加速され、基体５２に対してほぼ垂直に表面改質材料５３を注入して基体５２の表面改質を行うことができる。
【００１７】
なお、上記の図５に示したプラズマを用いた注入による表面改質方法以外に、いわゆるイオン注入による表面改質方法も存在するが、このイオン注入による表面改質方法はイオン源で発生させたイオンを真空中で加速、偏向して表面改質を行いたい基体の表面に一方向から照射するものであり、基体そのものを回転させる等の操作を付加しなければ、基体表面に一様に表面改質材料を注入することは不可能であり、またイオン電流も図５に示した表面改質方法よりも低くなるため、処理時間も長くなってしまう。従って、ここではイオン注入による表面改質方法についての詳細な説明は省略する。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した図５に示す装置を用いた表面改質方法においても、なお下記に示すような問題点が存在する。
【００１９】
図５に示した表面改質方法では確かにプラズマを発生させ、さらにプラズマシースによりイオンを加速しているため、基体の表面付近に表面改質材料を注入することができるため、上記のイオンプレーティング技術やプラズマＣＶＤ技術と比較すると基体の形状変化の度合いを抑制することができるものの、この方法においても量は図３や図４に示す場合に比較すると少ないものの、基体の表面に膜が堆積されてしまうことが判明した。
【００２０】
これは、表面改質を行う基体がプラズマ領域中に存在していることに起因すると本発明者は考えた。すなわち、プラズマ領域内には確かにイオンが存在するが、イオン以外にも表面改質材料の中性粒子も同時に存在し、この中性粒子はプラズマシースにより加速することは不可能であるため、表面改質を行う基体の表面付近に注入できる程の大きなエネルギーを有しておらず、結果として基体表面に膜として形成されてしまうのである。
【００２１】
そこで本発明は上記の問題点に鑑み、表面改質を行いたい対象物が表面改質を行うことによって形状が変化してしまうと困るようなものであっても、容易に表面改質を行える表面改質方法及び表面改質装置を提供することを目的とする。
【００２２】
【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表面改質方法は、基体の表面に基体を構成する元素と異なる元素を含有する表面改質材料を導入して基体の表面を改質する表面改質方法であって、
真空中で固体状の表面改質材料をるつぼから上方に蒸発させる工程と、
前記るつぼに対して表面改質材料の蒸発方向の上方に、前記蒸発した表面改質材料をイオン化してプラズマ領域を形成する工程と、
前記プラズマ領域から離間され、前記プラズマ領域より下方向に存在し、かつ、前記るつぼから蒸発した前記表面改質材料が蒸発する方向とは逆の方向に設置した基体と、前記プラズマ領域との間に電界を形成し、前記電界により前記プラズマ領域中に存在するイオン化された表面改質材料を前記基体に照射する工程とを有する表面改質方法である。
【００２３】
この方法により、るつぼから蒸発した表面改質材料が蒸発する方向とは逆方向に基体を設置しているため、中性粒子が基体に導入されるのを抑制することができる。そして、電界により加速させることの可能なイオン化された表面改質材料のみを加速させて基体表面付近に照射することができるため、表面改質材料のみからなる薄膜を形成することなく基体表面の特性を改質することができる。
【００２４】
上記の表面改質方法のイオン化された表面改質材料の基体への照射工程において、プラズマ領域中からイオン化された表面改質材料のみを引き出すための方法としては、電界を用い、基体が設置された電極に負の電圧パルスを印加するか、または、プラズマ領域と基体が設置された電極間に設けられた絶縁体に正の電圧パルスを印加する。
【００２５】
この時、表面改質材料を常時プラズマ化しておくことができるため、表面改質処理を行っている際には、プラズマ発生工程に関しては特に制御を行う必要はなく、プラズマ領域中からイオン化された表面改質材料を引き出す工程の制御さえ行えば容易に多数の基体の表面改質処理を行うことができる。
【００２６】
なお、高温の熱の寄与に基づく基体への悪影響の発生を防止するという点では、プラズマ領域中に存在するイオン化された表面改質材料をプラズマ領域から引き出して基体表面に照射する際に、基体を冷却しておくことが望ましい。
【００２７】
また、上記の表面改質を行う本発明の表面改質装置は、
基体、前記基体の表面に前記基体を構成する元素とは異なる元素を含有する個体状の表面改質材料、および前記表面改質材料を保持するるつぼを導入して前記基体の表面の改質を行う表面改質装置であって、
真空槽と、
前記真空槽内に、
前記表面改質材料を前記るつぼから上方に蒸発させる手段と、
前記るつぼに対して表面改質材料の蒸発方向の上方に、前記蒸発した前記表面改質材料をイオン化してプラズマ領域を形成する手段と、
前記プラズマ領域から離間され、前記プラズマ領域より下方向に存在し、かつ、前記るつぼから蒸発した前記表面改質材料が蒸発する方向とは逆方向に基体を設置する手段と、
前記プラズマ領域と前記基体との間に電界を形成し、前記電界により前記プラズマ領域中に存在するイオン化された表面改質材料を前記基体に照射する手段とを有する表面改質装置である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態における表面改質方法及び表面改質装置について説明する。
【００３０】
本発明は、上記した従来の技術による表面改質方法において、薄膜が堆積される原因がプラズマ化された粒子のうちの電気的に中性な中性粒子が基体に照射されて堆積することに起因していることに着眼して改良を行ったものである。そして、本発明者は、プラズマ化された粒子のうちの中性粒子が表面改質を行いたい基体に照射されないようにするとともに、プラズマ化された粒子のうちのイオン化された粒子のみをプラズマ領域から引き出した後、このイオンを加速させて基体の表面付近に導入して表面を改質してやれば、基体の表面に基体を構成する物質とは異なる別の物質を堆積することがなくなり、基体の形状変化を最小限に抑えて基体の表面改質を行えることを見いだした。
【００３１】
そこで以下では、具体例に基づいて本発明の実施の形態における表面改質方法及び表面改質装置について図面を参照しながら説明する。
【００３２】
なお、本実施の形態では、表面改質を行う対象として耐磨耗性に優れていることが要求されるモータを取り上げて説明することとする。モータは近年耐磨耗性などの特性改善の要求が強く、また微小なサイズのモータも多数存在しているため、モータを例にとって説明することとした。また、表面改質を施したいモータの基体を構成する物質をＡｇＰｄとし、表面改質を行うために基体に導入される物質をＭｏとして以下説明を行う。なお、表面改質を行うために導入される物質としては、Ｍｏ以外にＮｂ、ＴｉＣなどを用いてもよく、他の例としては高速度鋼にＮやＣを導入して表面改質を行うことも可能である。
【００３３】
まず図１に本発明の表面改質を行う表面改質装置の概略断面図を示す。
図１において、１１は表面改質処理を行う反応容器であり、この反応容器１１内には、表面改質を行う対象物である基体１２（具体的にはモータ）を設置する試料台１３、表面改質を行うべく基体１２表面に導入される表面改質材料１４を保持するるつぼ１５、及び表面改質材料を蒸発させるための加熱手段１６が存在する。また上記の反応容器１１には蒸発した表面改質材料１４をプラズマ化するプラズマ発生手段（ここでは電子を供給する手段を例に挙げている）１７、及び反応容器１１内を排気する排気手段１８が接続されている。
【００３４】
次に上記した図１に示す表面改質装置を用いた表面改質方法について詳細に説明する。
【００３５】
まず、加熱手段１６により表面改質物質であるモリブデンは加熱蒸発され、蒸発したモリブデンは図面の上方へ向かって拡散するわけであるが、ここでプラズマ発生手段１７により蒸発したモリブデンはプラズマ化され、活性化されたモリブデンの粒子の存在するプラズマ領域１９を形成する。このプラズマ領域１９には活性化された粒子として、イオン化されたモリブデン粒子とともに中性粒子のモリブデン粒子が存在する。
【００３６】
次に本発明では、形成されたプラズマ領域１９の中からイオン化されたモリブデン粒子１１０を試料台１３上に載置された基体１２表面に導くことにより、基体１２の表面にモリブデン粒子を導入（注入）して表面改質を行う。本発明の最大の特徴はこの工程である。すなわち、モリブデンの中性粒子１１１が照射されない領域に基体１２を設置し（具体的にはプラズマ領域と離間した領域に基体１２を設置する）、この状態で基体１２に対して、プラズマ領域１９中からイオン化されたモリブデン粒子１１０を選択的に引き出した後、このイオン化された粒子を加速して基体１２表面に導くわけである。本実施の形態では、表面改質を行う基体１２がプラズマ領域１９と確実に接しないように、絶縁体１１２により分離を行っており、また、蒸発したモリブデン粒子のうちの中性粒子１１１が基体１２に確実に照射されないように、基体１２をモリブデンが蒸発する方向とは逆の方向（図面における下方）に設置している。
【００３７】
このように、本発明では表面改質材料１４を一旦プラズマ発生手段１７によりプラズマ化した後、プラズマ領域１９中からイオン化されたモリブデン粒子１１０のみを引き出して加速し、基体であるモータの材料であるＡｇＰｄの表面付近にモリブデンを導入している。従って、電界により加速することが不可能なプラズマ領域１９中のモリブデンの中性粒子１１１が基体１２に照射されることはなく、基体１２上にモリブデン膜が堆積されることを防止できるため、基体の形状変化の発生を防止しつつ、耐磨耗性の向上などの基体表面の改質を行うことができる。また、本発明では、通常のイオン注入とは異なり、大面積の基体に対して一度に表面処理を行うことができる。
【００３８】
次に以下では、上記したプラズマ領域１９中からイオン化されたモリブデン粒子を選択的に取り出して基体１２に照射し、導入する方法について詳細に説明する。図１において、プラズマ領域１９からイオン化されたモリブデン粒子１１０を引き出す工程は、図１中の試料台１３に電圧を与える電圧発生手段１１３により行われ、実際にはパルス波形を有する負の電圧を印加することにより電界を発生させている。この電界により、プラズマ領域中に存在するモリブデンの正イオンがプラズマ領域１９中から基体１２の方向へ流れるわけである。しかしながら、本発明の主旨から言えば、プラズマ領域１９中に存在するイオン化された表面改質材料粒子が電界により基体１２側に流れるようにすればよいわけで、電圧発生手段により負のパルスを試料第１３に与える代わりに、例えば、試料台１３を接地しておいて、絶縁体１１２やプラズマ領域１９横の真空容器１１に正の電圧（好ましくはパルス電圧）を印加してやってもよい。
【００３９】
また、イオン化された表面改質粒子を基体に照射する場合のパルス電圧の与え方としては、例えば電圧は１００ＫｅＶとし、パルスにより電圧を与えている時間を電圧を与えていない時間の１／５（具体的には１秒のパルス電圧を与える期間と５秒の電圧を与えない期間を交互に繰り返す等）としてやればよい。ここで、パルス電圧の値を１００ＫｅＶとしたのは、表面改質材料を基体に導入（注入）するためであり、この値は通常の薄膜堆積の場合と比較すると非常に大きな値であり、本発明のように表面改質材料を基体表面に導入しようと思えば、少なくとも３０ＫｅＶ以上のパルス電圧を与えてやる必要性がある。
【００４０】
上記のように、パルスにより電圧を与えると、基体の温度は図２（ａ）に示すようなサイクルを繰り返し、基体の温度上昇を抑制することができる。これは、電界によりイオン化された粒子を基体に引き込んでいない期間において、基体に一切粒子が照射されないことになり、この期間基体を冷却できることに起因している。もし、図５に示した従来のようにプラズマ領域内に基体を設置すると、基体には何らかの形で常に粒子が照射されることになり、図２（ｂ）に示すように温度はどんどん上昇してしまう。但し、本発明においてより確実に表面改質を行う基体の温度上昇を抑制しようと思えば、基体を冷却してやることが望ましく、また基体を冷却する手段を備えていれば、表面処理そのもののスループットを向上させることも可能となる。
【００４１】
さらに本実施の形態によれば、表面改質材料１４を常時プラズマ化させ、いつでも基体１２表面に導入できるようにしておき、電圧印加手段１１３による負の電圧パルス発生のタイミングを制御しさえすれば表面改質を行うことができるというように、プラズマ発生工程と表面改質工程とを独立して制御してやることが可能となる。従って、一旦プラズマの発生を開始すると負のパルスの発生する時間などの簡単な制御のみで表面改質条件をコントロールすることができる。
【００４２】
また、表面改質材料が化合物の場合などは、蒸発源を複数設置するだけでよく、極めて容易に化合物による表面改質を行うことができる。
【００４３】
さらに、本実施の形態では、具体例としてモータの表面にモリブデンを導入することにより耐磨耗性を向上させるという表面改質を取り上げたが、これ以外にも、例えば微小な製品を形成するための金型の表面改質を行って離型性を高める等の用途にも用いることができる。
【００４４】
また本発明では下記のような構成とすることにより、表面改質装置をイオンプレーティング装置としても利用することができる。
【００４５】
すなわち、図１に示すように、表面改質装置のるつぼ１５内の表面改質材料の代わりに薄膜形成用材料を入れ、加熱により薄膜形成用材料が飛び出す方向（図面における上方）に基体１１４が保持された試料保持手段１１５を設置してやれば、プラズマ領域１９中のイオン化された粒子とともに中性粒子をも利用して薄膜を形成することができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、基体の表面に個体状表面改質材料を導入して基体の表面を改質するにあたり、るつぼから蒸発した表面改質材料をプラズマ化してプラズマ領域を形成した後、プラズマ領域中に存在するイオン化された表面改質材料をプラズマ領域から蒸発方向から逆方向に引き出して基体表面に照射することにより、電界により加速させることの可能なイオン化された表面改質材料のみを加速させて基体表面付近に照射することができるため、表面改質材料のみからなる薄膜を形成することなく耐磨耗性等の基体表面の特性を改質することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における表面改質装置の概略を示す断面図
【図２】本発明の実施の形態における表面改質を行った際の基体の温度変化を示す図
【図３】従来の表面改質を行うイオンプレーティング装置の概略を示す断面図
【図４】従来の表面改質を行うプラズマＣＶＤ装置の概略を示す断面図
【図５】従来の表面改質を行うプラズマとイオンビームを用いた装置の概略を示す断面図
【符号の説明】
１１  反応容器
１２  基体
１３  試料台
１４  表面改質材料
１５  るつぼ
１６  加熱手段
１７  プラズマ発生手段
１８  排気手段
１９  プラズマ領域
１１０  イオン化されたモリブデン粒子
１１１  モリブデンの中性粒子
１１２  絶縁体
１１３  電圧発生手段
１１４  基体
１１５  試料保持手段
３１  反応容器
３２  基体
３３  基体ホルダー
３４  蒸着物質
３５  るつぼ
３６  加熱手段
３７  グロー放電領域
３８  陰極暗部
４１  反応容器
４２  基体
４３  基体テーブル
４４  反応ガス供給手段
４５  真空排気手段
４６  高周波コイル
４７  プラズマ
４８  加熱手段
５１  反応容器
５２  基体
５３  表面改質材料
５４  アノード電極
５５  イオンビーム照射手段
５６  プラズマ領域
【図１】
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【図２】
0003726423.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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