(57)【要約】  加工物が陰極として機能するようにバイアス電圧（２０及び４７）を接続すると共に、加工物のそれぞれの開口部に陽極（２２及び２４）を接続することにより、加工物の内部表面のコーティングを実現している。真空源（３２）を出口の開口部に接続した状態で、ソースガス（１６及び１８）を入口の開口部から導入する。加工物内の圧力を監視し（３４）、この結果得られた圧力情報を、中空陰極効果を示す状態を維持するべく使用する。任意選択により、炭化水素混合物を導入すると共に加工物に対して負のバイアスを印加することによって、アルゴンガス（１６）を使用して加工物から汚染物質をスパッタリングし、事前浄化（５２）を提供することが可能である。又、アルゴンガスをコーティングプロセスにおいて導入し、コーティングを再スパッタリングすることにより、加工物の長さに沿った均一性を改善することも可能である。このコーティングは、イオン照射エネルギーの制御によって決定される特性を具備したＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）材料であってよい。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性加工物の内部表面をコーティングする方法において、
前記導電性加工物からの陽極の電気的な絶縁を維持しつつ、前記導電性加工物の開口部に前記陽極を装着する段階であって、前記開口部は、少なくとも１つの入口と少なくとも１つの出口を含んでいる、段階と、
前記導電性加工物が陰極として機能するように、バイアスシステムを接続する段階と、
真空源を前記導電性加工物のそれぞれの前記出口に結合する段階と、
前記導電性加工物のそれぞれの前記入口にガス源を結合することにより、コーティング材料を含むガスを導入する段階と、
を有する方法。
【請求項２】
前記真空源を結合する段階は、内部に安定した圧力を生成するべく、前記ガスを導入する前に前記導電性加工物の前記内部を低圧にポンピングする段階を含んでおり、前記バイアスシステムは、プラズマが前記内部に生成されるように、前記導電性加工物と前記陽極の間に電圧バイアスを印加するべく構成されている請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記内部のプラズマ強度が前記バイアスシステムの変化によって調節可能である状態を維持するべく、前記内部の圧力が前記導電性加工物の内部直径に関係した状態に留まるように、前記ガス源と前記真空源を調節する段階を更に有しており、前記状態は、中空陰極効果を確立している請求項２記載の方法。
【請求項４】
光学又はラングミュア検出器を使用して前記状態を監視することにより、前記コーティング材料の前記内部表面への導入を起動する制御システムに対してフィードバックするための情報を生成する段階を更に有する請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記バイアスシステムを接続する段階は、
前記導電性加工物の内部に生成された中空陰極プラズマ内の正のソースガスイオンが前記内部表面に吸着され、化学的に反応して前記内部表面をコーティングするように、前記電圧が「オン」である際に、負の電圧が前記導電性加工物に対して印加され
前記電圧が「オフ」である際には、前記内部表面をコーティングする段階において均一性を提供するべく、前記内部に前記正のソースガスイオンが十分に補充される、
ように選択されたデューティサイクルを具備する負のパルス化ＤＣ電圧を印加する段階を含む請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記デューティサイクルは、前記内部表面のコーティング段階の結果として前記内部表面に沿った正の電荷の消散を実現するべく更に選択されており、この場合に、前記コーティング材料は、絶縁体である請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記ガス源を結合する段階は、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）からなる前記コーティング材料を具備する炭化水素のソースガスを供給する段階を含む請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記ガス源を結合する段階は、メタン、アセチレン、及びトルエンの中のいずれかを供給する段階を含む請求項１記載の方法。
【請求項９】
スパッタリング原子を具備するガスを使用すると共に、負のバイアスを前記導電性加工物に対して印加して前記内部表面から汚染物質をスパッタリングすることにより、前記内部表面を事前浄化する段階を更に有する請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記事前浄化に使用される前記ガスは、アルゴン又はアルゴン／炭化水素混合物のいずれかである請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記ガスは、前記コーティングの再スパッタリングを提供するべく前記内部表面をコーティングする際にも導入され、これにより、前記内部表面の長さに沿った前記コーティングの均一性を改善する請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記導電性加工物に対して負のバイアスを印加すると共に、炭化水素ガスを導入することによって予備的な炭素注入レイヤを提供し、これにより、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）からなる前記コーティング材料への接着性を改善する段階を更に有する請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記バイアスシステムを接続する段階は、ＤＣパルス化バイアスを印加してイオン照射エネルギーを設定する段階を含んでおり、且つ、前記ＤＣパルス化バイアスの大きさを変化させることによってＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）からなる前記コーティングの特性を制御する段階を含んでいる請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記特性を制御する段階は、異なる炭素含有量のレベルを具備したソースガスを同時に又は連続的に導入する段階を更に含む請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記ガス源の前記結合段階の前に前記導電性加工物を組み立てる段階を更に有しており、前記組立段階は、複数のコンポーネントを１つに溶接する段階を含んでいる請求項１記載の方法。
【請求項１６】
前記バイアスシステムは、前記導電性加工物上の誘導負バイアスを伴う高周波（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：ＲＦ）電圧源である請求項１記載の方法。
【請求項１７】
前記バイアスシステムは、前記導電性加工物上の重畳された負のＤＣパルス化電圧を伴うＲＦ源である請求項１記載の方法。
【請求項１８】
導電性加工物の内部表面をコーティングするシステムにおいて、
前記加工物から電気的に絶縁された状態において前記加工物の開口部に結合された陽極と、
前記加工物を陰極として確立するべく前記加工物に接続されたバイアスシステムと、
前記加工物からガスを排出するべく少なくとも１つの前記開口部に接続された真空源と、
コーティング材料を含むガスを導入するべく少なくとも１つの前記開口部に接続されたガス源と、
を有するシステム。
【請求項１９】
前記バイアスシステムは、前記加工物内にプラズマが生成されるように、電圧バイアスを印加するべく構成されている請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
プラズマ強度が前記バイアスシステムの変化によって調節可能である中空陰極効果を示す状態を前記加工物の内部の圧力が確立するように、前記真空源及び前記ガス源を調節するべく構成された制御システムを更に有する請求項１８記載のシステム。
【請求項２１】
前記プラズマ強度を監視すると共に、前記プラズマ強度を示すフィードバック情報を生成するべく配置された検出器を更に有する請求項２０記載のシステム。
【請求項２２】
前記バイアスシステムは、負のパルス化ＤＣ電圧を前記加工物に対して印加し、
前記電圧は、
前記電圧が「オン」である際に、中空陰極プラズマ内の正のソースイオンが前記加工物の前記内部表面に吸着され、これと反応するように、負のバイアスが前記加工物に対して印加され、
前記電圧が「オフ」である際には、前記内部表面の長さに沿ってコーティングの均一性を提供するべく前記加工物内に前記正のソースイオンが十分に補充される、
ように選択されたデューティサイクルを具備している請求項１８記載のシステム。
【請求項２３】
前記ガス源は、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）である前記コーテリング材料を具備した炭化水素を供給する請求項２２記載のシステム。
【請求項２４】
前記バイアスシステムは、ＲＦ電圧源と、負のバイアスを前記加工物に対して印加する手段と、を含んでいる請求項１８記載のシステム。
【請求項２５】
前記バイアスシステムは、ＲＦ電圧源と、負のＤＣパルス化電圧を前記加工物上に重畳する手段と、を含んでいる請求項１８記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、プラズマ化学気相堆積システムに関するものであり、更に詳しくは、配管システムを現場においてコーティングする方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
配管システムの様々なコンポーネントの組立作業は、しばしば、配管に使用されている材料の特性に対して悪影響を及ぼす。例えば、半導体製造装置にプロセスガスを供給するのに使用されている高純度の３１６Ｌステンレス鋼配管の溶接作業は、このステンレス鋼の特性を変化させる可能性を有している。この変化は、加熱と蒸気柱現象（ｖａｐｏｒ  ｐｌｕｍｅ  ｅｆｆｅｃｔ）に起因するものであり、この結果、通常、ガスラインに腐食性のガス（例えば、ＳｉＣｌ2Ｈ2）が充填された際に、熱の影響を受けたゾーン（溶接された領域）が腐食障害を示す可能性が高い。ポンプから洗浄機に至る経路を形成している排気配管についても、これは当て嵌まる。
【０００３】
成分のレベルを正確に定義すると共に（例えば、３１６Ｌ  ＳＳの場合には、１６〜１８％のＣｒ）、溶解と精製の後に残留する不純物のレベルを低減することにより（例えば、３１６Ｌ  ＳＳの場合には、０．０３％未満のＳ及びＣ）、例えば、ステンレス鋼などの特殊金属合金の腐食耐性を改善しようとする多くの試みが実行されている。これは、ＶＯＤ（Ｖａｃｕｕｍ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ）、ＶＩＭ（Ｖａｃｕｕｍ  Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｍｅｌｔｉｎｇ）、及びＶＡＲ（Ｖａｃｕｕｍ  ＡｒｃＲｅｍｅｌｔｉｎｇ）などの専用の鋼の製造法を必要としており、この結果、追加の費用が発生することになる。低不純物鋼に伴う更なる問題点は、機械加工性、硬度、及びその他の関連する考慮すべき事柄に対して悪影響を与える可能性があるという点である。業界団体（特に、ＳＥＭＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ））によって規定されている硬度及び表面粗度の要件を充足するべく、しばしば、後処理としてバニシ仕上げや電解研磨などの費用を要する機械加工を実行しなければならない。これらの問題点に対する１つの解決策は、望ましい機械的、電気的、及び光学的な特性（例えば、高度な硬度や腐食耐性）を具備した高品質のコーティング材料により、相対的に低品質の基材をコーティングする方法である。通常、これらのタイプの特性は、金属、セラミック、又はダイアモンド状のコーティングに見出されることになろう。
【０００４】
ＨａｓｔｅｌｌｏｙやＩｎｃｏｎｅｌ（これらは、いずれも、ＨｕｎｔｉｎｇｔｏｎＡｌｌｏｙｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社の連邦登録商標である）などのその他の高価な特殊合金は、半導体産業のみならず、一般の化学処理産業における排気配管に一般的に使用されている。これらの合金は、高温強度及び腐食耐性を有している。この場合にも、腐食性の環境に露出する内部表面に対して適切な表面コーティングを施すことにより、相対的に廉価な基材を使用することが可能である。
【０００５】
腐食耐性のために高品質の金属又は金属コーティングを使用する際の基本的な懸念事項の１つが、高純度の金属コンポーネントの組立作業に、しばしば、様々なコンポーネントの溶接作業が含まれているということである。前述のように、溶接プロセスに関連した熱により、鋼又はコーティングの化学的な性質が変化する可能性がある。様々なコンポーネントの蒸気圧が相違している結果、いくつかの材料は、気化し、下流の表面上に再堆積することになる。この化学的な性質における変化は、腐食耐性を付与するべく鋼の製造において傾注された努力を無効にする可能性を有しており、これは、粒子及び汚染の問題を引き起こす腐食障害の主要な原因であることが判明しており、この結果、最終的に、漏れの結果として、システム障害と健康及び安全性の問題が発生する可能性を有している。
【０００６】
従来技術によるコーティング法には、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、プラズマスプレー、電気鍍金、及びゾルゲルが含まれている。これらの方法の中で、ＣＶＤ及びＰＶＤは、純度、接着性、均一性、及びその他の特性の観点において最高品質の薄膜を提供するものである。これらの技法は、いずれも、専用の真空チャンバの使用を必要としており、組立が完了したコンポーネントをコーティングするのは困難である。腐食性の物質を搬送する配管の場合には、腐食性の物質と接触する内部表面をコーティングしなければならない。ＰＶＤなどの非常に低圧の技法の場合には（この場合には、圧力は、分子流領域未満又はこの近傍である）、内部表面のコーティングは、直径が大きく、且つ、長さが短い（小さなアスペクト比の）チューブにのみ限定されている。同様に、ＣＶＤ法の場合にも、化学反応のための熱を供給するというニーズに起因し、熱の影響を受けやすい基材は損傷可能であることから、そのアプリケーションが限定されている。ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  ＣＶＤ）を使用することにより、反応に必要な温度を引き下げることは可能であるが、この場合には、パイプ内における均一なプラズマの維持と、ソースガスがパイプ内を流れ下る際のソースガスの減少防止に難点がある。
【０００７】
ＰＩＩＩＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ  Ｉｏｎ  Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法は、複雑な形状の外部表面をコーティングするのに有用であるとされている。ＰＩＩＩＤは、加工物に対して負のバイアスを印加することによって実行され、プラズマシースが等角である場合には、この結果、正イオンが加工物に向かって引き付けられることになる。加工物のイオン照射により、接着性や薄膜密度などの薄膜特性に対して付与可能な改善も存在している。
【０００８】
適用するソース材料をチューブ内に挿入した後に、これをチューブ上にスパッタリング又はアーキングするというチューブの内部表面をコーティングする方法が開示されている。例えば、Ｗｅｓｅｍｅｙｅｒ他に付与された米国特許第５，０２６，４６６号は、チューブ内に陰極を挿入し、陰極材料をチューブの内部にアーキングする方法について記述している。Ｈｅｎｓｈａｗ他に付与された米国特許第４，４０７，７１２号は、チューブ内に挿入された高気化温度金属ソースを有する中空陰極について記述しており、この場合には、陰極アークにより、中空陰極からソース材料を除去し、チューブの内部表面にコーティングしている。このタイプの構成は、（コーティング対象であるチューブ内に、関連する熱遮蔽及び冷却チューブを有する中空陰極チューブを挿入しなければならないことに起因して）大きな直径のチューブのみに制限されるという点と、チューブを通じた陽極及び中空陰極の動きのための複雑な構成の要件と、陰極アークによるマクロ粒子の生成と、を含むいくつかの欠点を具備している。
【特許文献１】米国特許第５，０２６，４６６号
【特許文献２】米国特許第４，４０７，７１２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
既知のタイプの方法は、離れた場所において専用の真空チャンバ内において実行しなければならないという欠点を具備している。この結果、溶接が完了した後に、一連の腐食性ガスライン又は排気配管の溶接セクションのすべてをコーティングすることはできない。Ａｕｗｅｒｄａ他に付与された米国特許第４，７１４，５８９号は、プラズマによるガス混合物の堆積によるチューブ内部のコーティングについて記述しているが、この方法は、電気絶縁性を有するチューブ及びコーティングに限定されており、且つ、チューブの外部に沿ってマイクロ波源を移動させるための複雑なシステムをも必要としている。もっと簡単な方法が求められている。
【特許文献３】米国特許第４，７１４，５８９号
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による方法によれば、加工物自体を堆積チャンバとして使用することにより、パイプ又はチューブ（「加工物」）の内部表面のコーティングを現場において（その本来の場所において）実行することができる。加工物は、コーティング材料を適用する前に、その加工物が機能することになる上位レベルの配管システムのその他のコンポーネント（例えば、隣接するパイプやチューブ）に対して溶接又は組み付け可能である。尚、「現場において」という文言は、本明細書においては、コーティング対象である加工物の製造場所から離れており、且つ、配管システムのその他のコンポーネントへの加工物の組み付け場所に近い場所として定義されている。
【００１１】
本方法は、完成した配管システムの入口において第１陽極に接続されたガス供給サブシステムからソースガスを導入する段階を含んでいる。又、本方法は、溶接された配管システムの排気端部において第２陽極にポンピングサブシステムを接続する段階と、陽極が絶縁性のスペーサによって導電性の配管から分離された状態において、加工物が負にバイアスされると共に陽極が接地されるように電圧バイアスシステムを接続する段階と、をも含んでいる。電圧バイアスの印加に伴い、加工物内の圧力によって加工物内に中空陰極が提供されるように、ガスフローとポンピング速度を調節している。この圧力は、電子平均自由飛程がチューブの直径をわずかに下回ることにより、チューブを跨って電子を発振させ、この結果、多数のイオン化衝突と相対的に強力なプラズマが得られるようになっている。本方法は、プラズマが加工物の外部において生成される結果、ガスがチューブを流れる際にイオン化の損失が発生し、この結果、加工物から出口に向かって薄膜の堆積が減少する従来技術によるＰＥＣＶＤ法に対する改善を提供している。これと比べて、本発明は、加工物の長さに沿って相対的に均一にイオン化されたプラズマを実現し、これにより、相対的に均一な堆積を提供している。
【００１２】
ガス注入口及びポンプ端部における陽極接続には、光学検出器とラングミュアプローブが提供されている。これらの検出器を使用してプラズマの強度を監視することにより、中空陰極プラズマの強度レベルに関する情報を制御システムに対してフィードバックしている。
【００１３】
本方法によれば、遠隔地の真空堆積チャンバ内において相対的に小さなセクションをコーティングするのと比較し、現場又はコーティングサービス場所において格段に容易且つ安価なコストでパイプ又はチューブの内部表面のコーティングを実行することができる。又、本方法は、加工物内にソース金属電極を挿入するという要件や、チューブ又は陰極の移動のための複雑な構成に対するニーズを伴うことなしに、実行可能である。好適な実施例においては、本方法は、加工物をＰＥＣＶＤ堆積チャンバとして使用することによって実現されている。このコーティング法に先立ち、加工物を、意図する配管システムの隣接するコンポーネントに対して溶接又は組み付ける必要がある（この場合に、これらの隣接しているコンポーネントもコーティングする必要性を有しているか、或いは、この組立プロセスが加工物の加熱（例えば、溶接）を必要としている）。
【００１４】
基本的に、硬度及び腐食耐性における望ましい特性を具備している任意の金属、セラミック、又はＤＬＣコーティングを適用することが可能である（例えば、ＴｉＮ、ＣｒＮなど）。但し、コーティングを現場で適用する場合には、非中毒性のガスが利用される。好適な実施例においては、メタン、アセチレン、又はトルエンなどのＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）プレカーソルをソースガスとして使用している。ＤＬＣは、硬く、腐食耐性を有し、且つ、低摩擦性のコーティングを提供するとされている。この薄膜の特性は、薄膜内のｓｐ３（ダイアモンド）、ｓｐ２（グラファイト）、及びｓｐ１（リニア）ボンディングハイブリダイゼーション比率を調節することによって適合可能である。水素の含有量も薄膜の特性に影響を与えることになる。通常、最高のｓｐ３比率（最もダイアモンド状である）は、メタンによって得られるが、この結果、相対的に大きな炭素グラム分子と比べて、相対的に小さな堆積速度と相対的に大きな圧縮応力が生成されることになり、薄膜の厚さが約５０００Åに制限される。ＤＬＣマトリックスに対して特定のドーパント（例えば、シリコン又はシリコン酸化物）を付加することにより、熱安定性が改善され、圧縮応力が低減され得る。ヘキサメチルジシロキサン（Ｃ6Ｈ18Ｓｉ2Ｏ）などの有機物に基づいたプレカーソルを１つ又は複数の炭化水素プレカーソルと混合することにより、これらのドーパントを導入することができる。
【００１５】
従って、プレカーソルガスの選択によって薄膜特性を適合することが可能であり、或いは、複数の積層薄膜を堆積することも可能である。例えば、特定のプロセス（例えば、非常に粗い溶接）において、厚く堆積されたコーティングを具備することが必要である場合には、メタンに基づいた薄いレイヤの堆積と、これに後続する堆積速度が相対的に大きく応力が相対的に小さいプレカーソル（例えば、トルエン）の使用により、或いは、接着性を向上させると共にストレスを低減するための相対的に大きなエネルギーのイオン照射により、前述のプロセスを変更することができる。望ましい機械的、電気的、又は光学的な薄膜特性と、堆積速度と、所与のプレカーソル及びボンディングハイブリダイゼーションにおけるストレスと、の間のトレードオフを所与のプロセスについて最適化することができる。
【００１６】
本発明の利点は、前述のＰＩＩＩＤ法のイオン照射の利点を使用することにより、薄膜の接着性及び密度を改善することができるという点にある。好適な実施例においては、接地された陽極との関係において加工物に対して負のパルス化ＤＣバイアスを印加することにより、これを実現している。ＤＬＣコーティングは絶縁体であるため、短いパルス（１〜２０マイクロ秒）を使用することにより、コーティング上の過剰な正電荷の蓄積を防止している。この電荷は、オフサイクルにおいてプラズマシースが崩壊する際に相殺される。加工物内の中空陰極によって生成される強力な正イオンにより、加工物又はコーティング表面を照射している。このイオンのエネルギーは、印加電圧の大きさと圧力によって制御可能である（圧力が高いほど、多くの衝突が発生し、この結果、所与の電圧におけるエネルギーが低下することになる）。
【００１７】
本発明の更なる利点は、多段階プロセスを使用することにより、溶接された加工物の内部表面上に堆積される薄膜の品質を適合することが可能であるという点にある。本方法の第１段階におけるＡｒなどのスパッタリングガスの導入と、これに後続する１ｘ１０-3Ｔｏｒｒ（好ましくは、１ｘ１０-4Ｔｏｒｒ）の圧力へのポンプダウンにより、加工物の表面を事前浄化することも可能である。加工物の内部表面上の汚染物質は、負のＤＣパルスが印加された際にスパッタリングによって除去される。次いで、炭素の注入を使用して第２段階を実行することにより、鋼の内部に炭素レイヤを形成することができる。このレイヤは、ＤＬＣの接着性を改善する。これは、バイアスの大きさを５ｋＶ超に増大させることによって実行される。この段階においては、プラズマシースのサイズがチューブの半径を上回らないように、小さな直径のチューブに対して注意を払わなければならない。シースがオーバーラップしないシリンダの最小半径の式は、次のとおりである。
【００１８】
【数１】
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【００１９】
ここで、Ｖは、電圧の大きさであり、ｎは、プラズマ密度である。
【００２０】
この注入段階に続いて、前述のメタン、アセチレン、又はトルエンプレカーソルを使用してＤＬＣの堆積段階を実行する。このプロセス段階においては、ＤＣパルス電圧を低減することにより（例えば、１００Ｖ〜１０ｋＶ）、注入の代わりに、薄膜堆積を提供する。これらのコーティング段階においては、アルゴンも炭素含有プレカーソルと混合している。本発明の一実施例においては、スパッタリング対堆積速度を制御し、これにより、相対的に均一なコーティングをチューブに提供するべく、コーティング材料をチューブの入口部分から継続的にスパッタリングし、スパッタリングされた材料を流速によってチューブの後端に向かって引き込んでいる。又、均一性は、パルスが「オフ」である際にソースガスが補充されてチューブ内を流れ下ることができるように、ＤＣパルスのデューティサイクルによっても制御されている。当業者であれば、均一性が、ガスの流速とポンピング速度の選択によっても制御されることを理解するであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１を参照すれば、導電性の配管（即ち、「加工物」）１０が、ガス供給サブシステム１２及びプロセス制御サブシステム１４を含むシステムに接続された状態で示されている。尚、加工物は、単一片として示されているが、これは、複数のチューブ又はパイプのアセンブリであってもよい。このアセンブリは、すべての溶接及び組立段階が完了した状態にある必要があり、且つ、後述するコーティングプロセスに先立って、漏れ試験を実施する必要がある。メタンやアセチレンなどの容易に入手可能な非中毒性の炭素含有ガスを、第１ガス供給コンテナ１６から供給する。このガスを使用することにより、加工物の内部にＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）コーティングを形成する。アルゴン（又は、その他のスパッタリングガス）を第２ガス供給コンテナ１８から供給することにより、パイプ表面のプラズマによる「事前浄化」と、Ａｒと炭素含有ガスの混合を実現している。
【００２２】
ＤＣパルス化電源２０を使用することにより、負のバイアスを加工物１０に対して印加する。このバイアスを使用することにより、（ａ）陰極と、接地された陽極との間にプラズマを生成し、（ｂ）コーティング対象である表面にイオン化された反応ガスを引き付け、（ｃ）密度及び応力レベルなどの薄膜特性を改善するべく薄膜のイオン照射を実現すると共に、（ｄ）デューティサイクルを調節し、サイクルの「オフ」部分におけるソースガスの補充を可能にすることによって薄膜の均一性の制御を実現している。この場合に、加工物は、陰極として機能しており、加工物の反対側の両端に接地された陽極２２及び２４が存在している。入口の絶縁体２６が加工物から入口の陽極２２を分離しており、出口の絶縁体２８が、出口端部において、接地された陽極２４から加工物を電気的に絶縁している。
【００２３】
ターボポンプ３０及び真空ポンプ３２が、出口端部を通じて加工物１０の内部からガスを引き出している。圧力コントローラ３４が、光学プローブ及びラングミュアプローブから情報を受信しており、これらのプローブは、光学プローブがプラズマ内への視野方向を具備し、且つ、ラングミュアプローブがプラズマと接触するように、配置されている。２つのプローブは、プラズマの強度を検知し、この強度レベルを示す情報を生成している。コントローラは、この情報を使用することにより、調節可能なフロー部材４０（これは、弁であってよい）用の適切な設定を判定する。この設定は、電子平均自由飛程が加工物の内部直径をわずかに下回ることにより、「中空陰極」効果によって電子発振とイオン化衝突の増大を引き起こす状態を加工物１０内の圧力が確立するようになっている必要がある。この結果、相対的に強力なプラズマが加工物内に生成されることになる。電子平均自由飛程は、圧力の低下に伴って増大するため、パイプの直径の増大に伴って圧力を低減する必要がある。例えば、１／４インチ（６．３５ミリメートル）の直径のガスラインは、約２００ｍＴｏｒｒの圧力において中空陰極プラズマを生成し、４インチ（１０１．６ミリメートル）の直径のポンプ排気ダクトは、約１２ｍＴｏｒｒの圧力においてプラズマを生成することになろう。但し、これらは、直径が大きいほど圧力が低いという一般的な傾向を示すための概略値であり、圧力レンジは、これらの値から大幅に変化可能であり、依然として中空陰極プラズマを維持することができる。
【００２４】
加工物内へのプラズマシースにおいて加速されるのは、イオン化されたガスのみであるため、ＰＩＩＩＤ法を有効なものにするには、イオン化又はプラズマ強度の程度が重要である。中空陰極効果は、ＤＣ又はＲＦプラズマ内においてその他の方法によって得ることができるものよりも強力なプラズマを提供する。この強度の増大は、（特に、「現場における」アプリケーションの場合に）内部表面に実装するのが非常に困難である磁石やマイクロ波プラズマ源などの強力なプラズマを生成するためのその他の手段の複雑性を伴うことなしに、入手可能である。又、本プロセスは、加工物１０を別途加熱するというニーズをも除去している。強力な中空陰極が適切に生成される時点を監視するべく、光学及びラングミュアプローブが陽極の端部接続に配置されている。
【００２５】
コンピュータソフトウェア制御部４２が、ＤＣパルス化電源２０及び圧力コントローラ３４に接続された状態で示されている。このコンピュータソフトウェアによる制御部により、動作を制御するべく、制御信号を生成し、これをインターフェイスケーブル４４を介してガス供給サブシステム１２に対して伝送することも可能である。
【００２６】
図２には、本発明の別の実施例が示されている。この場合には、システムは、ＲＦパワーによって動作するべく変更されており、加工物１０は、ＲＦ遮蔽４８を有する絶縁体ブランケット４６内に格納されている。コンポーネントが同一である図２のシステムには、図１の参照符号が適用されている。図１のパルス化電源は、ＲＦ供給装置４７によって置換されており、陽極領域が陰極よりも大きくなるように、陽極の構成を変更しなければならない。又、（整合回路内の）阻止コンデンサを追加することにより、陰極上の誘導負電圧を許容しなければならない。この電圧は、Ｖp／Ｖg＝（Ａg／Ａp）ｑという式によって決定され、この場合に、添え字ｐは、パワー電極（加工物１０）を表し、添え字ｇは、接地された陽極２２及び２４を表しており、ここで、ｑは、１．２５〜２．５の間において変化する。或いは、この代わりに、ＤＣパルスをＲＦパワー上に重畳することにより、陰極上における誘導負電圧に対するニーズを除去することも可能であろう。
【００２７】
図１及び図３を参照し、プロセスフローの一実施例について説明することとする。内部コーティングプロセスが完了した後に加工物を加熱する必要がないように、段階５０において、加工物を配管システムのその他のコンポーネントに対して組み付けている。この結果、コーティング材料を加工物の内部に適用するべく、加工物に伴うすべての溶接段階が完了することになる。前述のように、加工物は、単一のチューブであるものとして示されているが、加工物は、複数のチューブ又は部品のアセンブリであってよい。又、図示のごとくの単一の入口と単一の出口を有する単純な加工物ではなく、加工物を通じて複数の経路が存在していてもよい。
【００２８】
段階５２において、事前浄化を実行している。事前浄化は、第１ガス供給コンテナ１６からのアルゴンなどのスパッタリングガスの導入であってよい。事前浄化は、１ｘ１０-3Ｔｏｒｒ（又は、好ましくは、１ｘ１０-4Ｔｏｒｒ未満）にポンプダウンした後に開始可能である。加工物の内部表面上の汚染物質は、電源２０によって負のＤＣパルスが印加された際に、スパッタリングによって除去される。
【００２９】
いくつかのアプリケーションで、炭素を注入する任意選択の段階５４を使用することができる。炭素の注入により、加工物の材料（これは、ステンレス鋼であってよい）内に炭素レイヤが形成される。このレイヤは、ＤＬＣ及びその他の材料への接着性を改善する。炭素の注入は、コーティングプロセスのその他の段階において印加されるものよりも大きなバイアスによって提供される。適当なバイアスは、５ｋＶを上回るものである。小さな直径のチューブに対してこの段階では、プラズマシースのサイズが加工物の半径よりも大きくならないように注意を払わなければならない。
【００３０】
任意選択の炭素注入段階５４に続いて、段階５６において、少なくとも１つのプレカーソルを加工物１０内に導入する。条件を満たすプレカーソルには、メタン、アセチレン、又はトルエンが含まれる。このプロセス段階においては、注入ではなく、薄膜堆積を提供するべく、ＤＣパルス化電圧を低減する。このＤＣパルス化電圧の印加は、図３の段階５８に示されている。コーティング段階においては、段階６０に示されているように、アルゴンを炭素含有プレカーソルと混合することができる。
【００３１】
段階６２において、コーティングプロセスにおけるコーティングパラメータを動的に調節している。様々なパラメータをそれらの許容レンジ内に維持するべくコンピュータソフトウェア制御部４２及び圧力コントローラ３４が使用可能な情報は、プローブから供給される。この結果、必要に応じて加工物内の圧力を決定するファクタを調節することが可能であり、或いは、必要ならば、パルス化バイアスの大きさとデューティサイクルを調節することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施例による現場実施型のコーティング装置の機能図である。
【図２】本発明による現場実施型のコーティング装置の第２実施例の機能図である。
【図３】本発明を実装する各段階のプロセスフローを示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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