(57)【要約】【課題】処理領域内で選択的にプラズマ密度を上げることで局所処理を可能とすること、及び処理領域内の処理ムラ改善を可能とするプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】第１開口部（１２）及び第２開口部（１３）を連通する連通路（Ｒ）を内部に形成する筒部（１１）を有し導電体からなるワーク（１０）の筒部の内面を処理するプラズマ処理方法は、ガス供給工程と、プラズマ処理工程と、を含む。ガス供給工程では、プラズマ生成ガスを減圧された筒部内に供給する。プラズマ処理工程では、負電圧電源（２３）によりワークに電圧を印加しつつ、マイクロ波電源（２５）によりワークの第１開口部及び第２開口部からマイクロ波を筒部内に導入し、少なくとも２つのマイクロ波を干渉させて合成波を形成し、筒部内に生成されたプラズマにより内面を処理する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１開口部（１２）及び第２開口部（１３）を連通する連通路（Ｒ）を内部に形成する筒部（１１）を有し導電体からなる被処理部材（１０）の前記筒部の内面を処理するプラズマ処理方法であって、
プラズマ生成ガスを減圧された前記筒部内に供給するガス供給工程（２００）と、
印加部（２３）により前記被処理部材に電圧を印加しつつ、マイクロ波供給部（２５）により前記被処理部材の前記第１開口部及び前記第２開口部からマイクロ波を前記筒部内に導入し、少なくとも２つのマイクロ波を干渉させて合成波を形成し、前記筒部内に生成されたプラズマにより前記内面を処理するプラズマ処理工程（３００）と、
を含むプラズマ処理方法。
【請求項２】
前記プラズマ処理工程では、前記マイクロ波の発振周波数、または前記マイクロ波の伝播長の少なくともいずれかを調整し、前記被処理部材の前記筒部内のプラズマ密度分布を制御する請求項１に記載のプラズマ処理方法。
【請求項３】
前記プラズマ処理工程では、前記発振周波数または前記伝播長の少なくともいずれかを、プラズマ処理の時間内で変更する請求項２に記載のプラズマ処理方法。
【請求項４】
前記プラズマは、パルス電圧発生器（２４）によりパルス電圧が前記被処理部材に印加され、マイクロ波パルス発生器（２６）によりマイクロ波パルスが前記筒部内に投入されることにより生成され、
前記プラズマ処理工程では、前記パルス電圧のデューティ比、または前記マイクロ波パルスのデューティ比の少なくともいずれかを調整し、前記合成波の波長が小さくなるように前記被処理部材の前記筒部内のプラズマ密度分布を制御する請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
【請求項５】
前記プラズマ処理工程では、前記処理容器内の雰囲気ガス圧力を、プラズマ生成の安定性に影響がない程度まで低く設定する請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
【請求項６】
第１開口部（１２）及び第２開口部（１３）を連通する連通路（Ｒ）を内部に形成する筒部（１１）を有し導電体からなる被処理部材（１０）に対して、前記筒部の内面を処理するプラズマ処理装置であって、
プラズマ生成用ガスを、前記被処理部材の前記筒部内に供給するガス供給部（２９）と、
前記被処理部材にバイアス電圧を印加する印加部（２３）と、
マイクロ波を供給するマイクロ波供給部（２５）と、
前記マイクロ波供給部により供給されるマイクロ波を、前記被処理部材の前記第１開口部から前記筒部内に伝播する第１導入部（３１）と、
前記マイクロ波供給部により供給されるマイクロ波を、前記被処理部材の前記第２開口部から前記筒部内に伝播する第２導入部（３２）と、
前記印加部の印加タイミング及び前記マイクロ波供給部のマイクロ波の供給タイミングを制御する制御部（３４）と、
を備え、前記制御部は、
前記印加部により前記被処理部材に電圧を印加しつつ、前記マイクロ波供給部により、前記第１導入部と前記第２導入部を介して前記第１開口部及び前記第２開口部からマイクロ波を前記被処理部材の前記筒部内に導入し、少なくとも２つのマイクロ波を干渉させて合成波を形成するよう、前記印加部及び前記マイクロ波供給部を制御するプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記被処理部材の前記第１開口部及び前記第２開口部のうち少なくともいずれかの開口部より外側に設けられ、前記マイクロ波の伝播長を可変とする可変部材（３３）をさらに備える請求項６に記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記被処理部材を内部に配置し、前記プラズマ生成用ガスが供給される処理容器（２１）をさらに備える請求項６または請求項７に記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒状の被処理部材に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ノズル、バルブ、及びシリンダーなどの円筒形部品の内面に、耐食性や摺動特性を付与するために、コーティングや熱処理を行う技術が研究されている。その中で、低圧プラズマを用いて表面処理等を行う技術が知られており、特許文献１には、プラズマ生成法としてＭＶＰ（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｖｏｌｔａｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）法による例が記載されている。
【０００３】
この特許文献に記載されるプラズマ処理方法は、チャンバ内で、マイクロ波導入部に石英窓を介して配置された金属部材に負のバイアス電圧を印加し、金属物体表面に沿って導入されるマイクロ波によりプラズマを生成する。生成されたプラズマは、金属物体表面に沿って分布する。これにより、金属部材の内表面に沿ってマイクロ波を伝播させ、生成されたプラズマにより内表面の処理を可能とするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−４７２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記技術ではマイクロ波の伝播方向に供給エネルギ及びプラズマ密度は減衰していくため、選択的に所定の位置のみプラズマ密度を上げるなど部分処理をすることは困難であった。また、被処理部材の全長が長かったり、Ｌ字形状に屈曲していたりする場合、伝播方向に対して供給エネルギは減衰していくことから均一処理の用途に使えないことが想定される。
【０００６】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、処理領域内で選択的にプラズマ密度を上げることで局所処理を可能とすること、及び処理領域内の処理ムラ改善を可能とするプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のプラズマ処理方法は、第１開口部（１２）及び第２開口部（１３）を連通する連通路（Ｒ）を内部に形成する筒部（１１）を有し導電体からなる被処理部材（１０）の筒部の内面を処理する。プラズマ処理方法は、ガス供給工程（２００）と、プラズマ処理工程（３００）と、を含む。
【０００８】
ガス供給工程では、プラズマ生成ガスを減圧された筒部内に供給する。プラズマ処理工程では、印加部（２３）により被処理部材に電圧を印加しつつ、マイクロ波供給部（２５）により被処理部材の第１開口部及び第２開口部からマイクロ波を筒部内に導入し、少なくとも２つのマイクロ波を干渉させて合成波を形成し、筒部内に生成されたプラズマにより内面を処理する。
【０００９】
本発明の構成によれば、連通する第１開口部と第２開口部とから導入された２つのマイクロ波の合成波において、強め合う腹に相当する位置においてはエネルギ供給量が増えることでプラズマ密度が高められ、処理が促進される。これにより、腹の位置での局所的な処理が可能となり、また、処理領域内での処理ムラを改善することができる。
【００１０】
さらに、プラズマ処理工程において、マイクロ波の発振周波数、またはマイクロ波の伝播長の少なくともいずれかを調整し、被処理部材の筒部内のプラズマ密度分布を制御するようにしても良い。この場合、発振周波数や伝播長を調整することで、合成波の腹の位置を所望に設定することができる。腹の位置と、局所的に処理を施したい部位とが一致するように調整することで、被処理部材の局所処理を容易に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態のプラズマ処理装置を模式的に示す全体図である。
【図２】プラズマ処理方法の工程をフローチャートに示す図である。
【図３】筒部内の表面処理量のイメージを模式的に示す図である。
【図４】筒部内のプラズマ密度分布をグラフに示す図である。
【図５】マイクロ波と合成波の振幅をグラフに示す図である。
【図６】マイクロ波の振幅をグラフに示す図であり、（ａ）はピーク電力が「大」の場合を示し、（ｂ）はピーク電力が「小」の場合を示す。
【図７】パルス電力のタイミングチャートを示す図である。
【図８】他の実施形態のワークを模式的に示す図である。
【図９】図８とは異なる、他の実施形態のワークを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〈第１実施形態〉
［構成］
本発明の第１実施形態のプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置について、図１〜図７を参照して説明する。まず、プラズマ処理装置１の構成について、図１を参照しつつ説明する。本実施形態のプラズマ処理装置１は、直管円筒形状のワーク１０に対し、ワーク１０の軸方向に貫通する細孔内面に成膜処理を施す装置である。
【００１３】
図１に示すように、被処理部材としてのワーク１０は、導電性を有する金属部材である。ワーク１０は、筒部１１を有する。筒部１１は、第１開口部１２及び第２開口部１３を連通する連通路Ｒを内部に形成する。第１開口部１２は、軸方向の一方側端部に位置し、第２開口部１３は、軸方向の他方側端部に位置する。
【００１４】
プラズマ処理装置１は、処理容器２１、真空ポンプ２２、負電圧電源２３、負電圧パルス発生器２４、マイクロ波電源２５、マイクロ波パルス発生器２６、第１マイクロ波発振器２７、第２マイクロ波発振器２８、ガス供給部２９、第１導入部３１、第２導入部３２、可変部材３３、及び制御部３４等を備えている。
【００１５】
処理容器２１は、その内部空間にワーク１０を保持する。真空ポンプ２２は、処理容器２１に形成された排気口より処理容器２１内部を真空吸引する。真空ポンプ２２は、処理容器２１内部の圧力を数Ｐａ程度まで減圧可能である。
【００１６】
ガス供給部２９は、ガス配管３５を通して処理容器２１に形成されたガス導入部３６よりプラズマ生成用ガスを処理容器２１内部へ供給する。プラズマ生成用ガスは、アルゴン等の不活性ガスや、メタンやアセチレンといった処理ガスを採用できる。
【００１７】
負電圧電源２３は、ワーク１０に負バイアスを印加するための直流電源であり、制御部３４からの指示に従い、負電圧パルス発生器２４に負電圧を供給する。負電圧電源２３は、印加部に相当する。負電圧パルス発生器２４は、負電圧電源２３から供給された負電圧により、負電圧パルスを発生する。発生された負電圧パルスは、処理容器２１内に保持されたワーク１０に供給される。
【００１８】
マイクロ波電源２５は、制御部３４からの信号に従い、マイクロ波パルス発生器２６に電力を供給する。マイクロ波電源２５は、マイクロ波供給部に相当する。マイクロ波パルス発生器２６は、マイクロ波電源２５から供給されたマイクロ波により、第１マイクロ波と第２マイクロ波を発生する。発生された第１マイクロ波は、第１マイクロ波発振器２７及び第１導入部３１を介して、ワーク１０の第１開口部１２から筒部１１内に伝播する。発生された第２マイクロ波は、第２マイクロ波発振器２８及び第２導入部３２を介して、ワーク１０の第２開口部１３から筒部１１内に伝播する。第２マイクロ波の発振周波数は、第１マイクロ波の発振周波数とは異なる。各マイクロ波の導入部３１，３２は、石英などのマイクロ波を透過する誘電体からなる。
【００１９】
可変部材３３は、ワーク１０の一方側端部の第１開口部１２より軸方向の外側であって、第１マイクロ波発振器２７と第１導入部３１との間に設けられている。可変部材３３は、伸縮可能な金属の管で形成されており、その長さに応じて第１マイクロ波の位相を調整することで、筒部１１内に伝播する第１マイクロ波の伝播長を可変する。
【００２０】
制御部３４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ等を中心とするマイクロコンピュータで構成されている。制御部３４は、負電圧電源２３、負電圧パルス発生器２４、マイクロ波電源２５、マイクロ波パルス発生器２６、ガス供給部２９、可変部材３３、及び真空ポンプ２２と電気的に接続しており、各機器を制御する。特に、制御部３４は、負電圧電源２３の印加タイミング制御やマイクロ波電源２５のマイクロ波の供給タイミング制御、及び、負電圧パルス発生器２４とマイクロ波パルス発生器２６によるパルス制御を実行する。
【００２１】
［作用・効果］
次に、本実施形態のプラズマ処理装置１によるプラズマ処理方法について説明する。本実施形態のプラズマ処理方法は、図２に示すように、ワーク設置工程１００と、ガス供給工程２００と、プラズマ処理工程３００とを含む。ワーク設置工程１００では、処理容器２１内にワーク１０が設置される。ガス供給工程２００では、プラズマ生成ガスが、ガス供給部２９から、減圧された筒部１１内に供給される。なお、図１では省略して示しているが、各マイクロ波導入部３１，３２には、ガス導入通路が分岐して形成され、処理容器２１内へ供給されたプラズマ生成ガスがワーク１０の筒部１１内まで供給されるようになっている。
【００２２】
プラズマ処理工程３００では、負電圧電源２３によりワーク１０に電圧を印加しつつ、マイクロ波電源２５によりワーク１０の第１開口部１２及び第２開口部１３からマイクロ波を筒部１１内に導入し、２つのマイクロ波を干渉させて合成波を形成する。すなわち、本実施形態では、発振周波数の異なる２種類のマイクロ波が、ワーク１０の軸方向の両端の各開口部１２，１３からワーク１０の筒部１１内に導入される。マイクロ波パルス及び負電圧パルスの少なくとも一部が同時に印加されるように制御されることにより、ワーク１０の筒部１１内に表面波プラズマが発生される。筒部１１内に生成されたプラズマにより内面が処理される。
【００２３】
以下、プラズマ処理方法に関してさらに詳しく説明する。筒部１１内に導入された各マイクロ波は、ワーク１０とプラズマの界面（シース部）を表面波として軸方向に伝播していく。このとき、図３に示すように、マイクロ波はプラズマに浸透することでエネルギを供給しながら伝播するため、必然的に伝播方向に減衰していく。このため、図４において破線で示す比較形態のように、例えば、ワーク１０の軸方向の一方（第１開口部１２）からのみマイクロ波を導入したのでは、軸方向の他方に向かうほどエネルギが減衰してしまい、ワーク１０の軸方向の他方側では十分な表面処理を行うことができず、処理が不均一となる。
【００２４】
しかし、本実施形態では、ワーク１０の軸方向の両端の開口部１２，１３からマイクロ波を導入しており、図３において実線で示すように、単一波におけるエネルギの減衰分が合成波により補われる。したがって、図４において実線で示すように、ワーク１０の軸方向におけるプラズマ密度分布が安定し、筒部１１内面の均一処理が可能となる。これにより長尺のワークの内面処理にも対応可能となる。
【００２５】
図５において細実線で囲んで示すように、合成波において腹に相当する位置Ｐ１，Ｐ２付近においては、エネルギ供給量が増えることでプラズマ密度が高められ処理が促進される。したがって、合成波の腹の位置を制御することでプラズマ分布を制御し、所望の箇所の部分処理が可能となる。合成波の腹の位置は、本実施形態では、各マイクロ波の発振周波数や、伝播長の設定により所望に調整される。伝播長による調整では、可変部材３３を伸張させて所望の長さに設定し、第１開口部１２から導入するマイクロ波の位相を調整することで、合成波の腹の位置調整を行う。
【００２６】
さらに、投入するマイクロ波の発振周波数または伝播長の少なくともいずれかを、プラズマ処理の時間内で変更すれば、処理工程内で、合成波の腹の位置が変化するため、より均一な処理が可能となる。
【００２７】
さらに、本実施形態では、合成波の腹の間隔、すなわち波長が小さくなるように制御している。これにより、さらなるプラズマ密度の均一化及び処理ムラの改善を図ることができる。図６（ａ）に示すように、ピーク電力を「大」としたときの波長λ１と、図６（ｂ）に示すように、ピーク電力を「小」としたときの波長λ２とでは、ピーク電力を「小」としたときの波長λ２の方が短い。したがって、合成波の波長を短くするには、図７に示すように、１回のパルスにおいて投入する電力を抑え、そのときの総投入電力が不足しないようデューティ比を上げることで対応する。
【００２８】
また、処理容器２１内の雰囲気ガス圧力を、プラズマ生成の安定性に影響がない程度に低く設定することで、合成波の波長を小さくすることも可能である。雰囲気ガス圧力は、プラズマ密度が変化する一つのパラメータである。通常、雰囲気ガス圧力が低いと、プラズマ密度は下がり、波長は短くなる。また、プラズマ粒子は拡散しやすく、より処理が均一になる。しかし、雰囲気ガス圧力が低すぎると、プラズマの発生が不安定となる領域が出てくる。「プラズマ生成の安定性に影響がない程度」とは、プラズマの発生頻度が極端に少なく、プラズマ生成が不安定になるその限界を意味する。
【００２９】
〈他の実施形態〉
上記実施形態では、異なる発振周波数のマイクロ波をワーク１０の両開口部１２，１３から導入するものとしたが、同じ周波数のマイクロ波を用いても良い。
【００３０】
上記実施形態では、ワーク１０は円筒形状としたが、ワーク１０は、筒状をなし、連通する複数の開口部を有していれば良く、円筒直管に限られない。例えば、断面が多角形状の管状部材でも良いし、図８に示すワーク１４のように、Ｌ字形状に屈曲していても良い。こうしたワーク１４の場合には、第１開口部１５から矢印Ａ１に示すように第１マイクロ波を導入し、第２開口部１６から矢印Ａ２に示すように第２マイクロ波を導入する。
【００３１】
また、図９に示すように、ワークは、Ｔ字形状をなす部材であっても良い。ワーク１７は、第１開口部１８と、第２開口部１９と、第３開口部２０とを有する。第１開口部１８と第３開口部２０とが直線的に連通する。こうしたＴ字形状のワーク１７の場合には、第１開口部１８から矢印Ａ３に示すように第１マイクロ波を導入し、第２開口部１９から矢印Ａ４に示すように第２マイクロ波を導入する。第３開口部２０は、図示しない蓋部材により閉塞しておく。または、第２開口部１９を閉塞して、第１開口部１８及び第３開口部２０からマイクロ波を導入しても良い。
【００３２】
上記ワーク１４，１７のいずれにおいても、複数のマイクロ波を異なる開口部から導入することで筒部内に合成波が形成され、発生したプラズマは筒部内に拡がり、筒部内全領域が表面処理される。従来、こうした形状のワーク１４，１７に対しては、プラズマによる表面処理自体が困難であったが、上記プラズマ処理方法によれば対応可能である。なお、装置側の構成は、ワークの開口部の位置に合わせてプラズマ導入口の配置を対応させることで実施可能である。さらに、３つ以上の複数の開口部を有するワークに対して、それぞれの開口部からマイクロ波を導入するようにしても良い。
【００３３】
上記実施形態では、処理容器２１内にワーク１０を収容し、処理容器２１内にプラズマ生成ガスを供給するようにしたが、処理容器２１は設けずに、ワーク１０の筒部１１内に直接プラズマ生成ガスを供給する構成として実施しても良い。この場合、例えば、マイクロ波導入部３１，３２に分岐して形成されたガス導入通路とガス供給部２９とを接続すれば良い。
【００３４】
上記実施形態では、伝播長を可変する可変部材３３を設ける構成としたが、マイクロ波の発振周波数のみを制御することで合成波の腹の位置調整を行う場合には、可変部材３３を設けなくてもよい。なお、可変部材３３と発振周波数との両方を用いて腹の位置調整を行うようにしても良い。
【００３５】
上記実施形態では、可変部材３３をワーク１０の一方側端部の第１開口部１２より軸方向の外側に設ける構成としたが、第２開口部１３より軸方向の外側に設けても良い。または、両方に設けるようにしても良い。
【００３６】
上記実施形態の可変部材３３は、伸縮可能な金属の管部材としたが、マイクロ波の伝播長を可変できるものであればその他の構成部材であっても良い。
【００３７】
上記実施形態では、パルス電圧がワーク１０に印加され、マイクロ波パルスが筒部１１内に投入されるものとしたが、電圧及びマイクロ波はパルス状でなくても良い。
【００３８】
上記実施形態では、本発明が適用される処理の一例として成膜処理を例に説明したが、浸炭や窒化等の熱処理やその他の表面処理に、上記プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を適用しても良い。
【００３９】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１      ・・・プラズマ処理装置
１０    ・・・ワーク（被処理部材）
１１    ・・・筒部
１２    ・・・第１開口部
１３    ・・・第２開口部
２３    ・・・負電圧電源（印加部）
２５    ・・・マイクロ波電源（マイクロ波供給部）
２００    ・・ガス供給工程
３００    ・・プラズマ処理工程
Ｒ      ・・・連通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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