(57)【要約】【課題】中空体の内部表面及び外部表面の改質を同時に行って別々に行う場合に生じる二重手間を回避し、また、密着性に優れた膜を中空体の内部表面及び外部表面に同時に形成する。【解決手段】減圧状態のプラズマ発生用原料ガス雰囲気中に、少なくとも一端が開口された導電性の中空体２を設置し、該中空体２の内部及び外部にアンテナ４を中空体と絶縁状態で放電を生じない間隔をあけてそれぞれ設置し、高周波放電或いはマイクロ波放電によって上記中空体２の内外部にプラズマを発生させると共に、上記中空体２に接地電位に対し負の高電圧パルスを印加し、プラズマ雰囲気中のイオンを中空体２の内部表面及び外部表面に注入させる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧状態のプラズマ発生用原料ガス雰囲気中に、少なくとも一端が開口された導電性の中空体を設置し、該中空体の内部及び外部にグロー放電励起用のアンテナを中空体と絶縁状態で放電を生じない間隔をあけてそれぞれ設置し、高周波放電或いはマイクロ波放電によって上記中空体の内外部にプラズマを発生させると共に、上記中空体に接地電位に対し負の高電圧パルスを印加し、プラズマ雰囲気中のイオンを中空体の内部表面及び外部表面に注入させることを特徴とする中空体内外両表面へのイオン注入法。
【請求項２】
炭化水素系有機化合物ガスを含む減圧状態のプラズマ発生用原料ガス雰囲気中に、少なくとも一端が開口された導電性の中空体を設置し、該中空体の内部及び外部にグロー放電励起用のアンテナを中空体と絶縁状態で放電を生じない間隔をあけてそれぞれ設置し、高周波放電或いはマイクロ波放電によって上記中空体の内外部にプラズマを発生させると共に、上記中空体に接地電位に対し負の高電圧パルスを印加し、プラズマ雰囲気中の炭素イオンを中空体の内部表面及び外部表面に注入させることを特徴とする中空体内外両表面へのイオン注入法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、イオン注入法を用いて中空体の内部表面と外部表面の改質を同時に行う中空体内外両表面へのイオン注入法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリンダーなどの中空体内壁面に対し、耐摩耗性、摺動性などの機械的表面特性を付与すること、あるいは、中空体内壁面に優れた機能性を付与する技術開発は産業界から求められていた。
一方、プラズマに曝した被処理材に負の高電圧パルスを印加することを基本原理としたプラズマソースイオン注入法は、立体物全面へのイオン注入法および薄膜作製法として最近注目されている方法である。
プラズマソースイオン注入法は、数１０ｋｅＶ〜ＭｅＶに加速した粒子（イオン）を固体に照射し、固体内部に打ち込む技術である。イオンは、固体表面原子をスパッタリング効果によって弾き飛ばす作用もあるが、多くは固体内部につきささる。このような大きな運動エネルギーを持ったイオンが固体表面に衝突し侵入する際に、様々な物理的現象及び化学的現象が起こり、これを利用して固体表面の表層改質を図ることができるのである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、イオン注入法を用いて中空体の内部表面と外部表面の改質を別々に行うと、例えば中空体の内部表面の改質を先に行うと、内部表面の改質は良好に行えるが、外部表面の一部も少し改質されることがあり、しかもこの外部表面の一部改質は中途半端で不十分であるため、その後に、中空体の外部表面の改質を行う場合には、この中途半端に改質された部分の表面を一度スパッタクリーニングする必要があり、二重手間になる不都合があった。
【０００４】
この発明は、上記のような課題に鑑み、その課題を解決すべく創案されたものであって、その目的とするところは、中空体の内部表面及び外部表面の改質を同時に行って別々に行う場合に生じる二重手間を回避し、また、密着性に優れた膜を中空体の内部表面及び外部表面に同時に形成することのできる中空体内外両表面へのイオン注入法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、請求項１の発明は、減圧状態のプラズマ発生用原料ガス雰囲気中に、少なくとも一端が開口された導電性の中空体を設置し、該中空体の内部及び外部にグロー放電励起用のアンテナを中空体と絶縁状態で放電を生じない間隔をあけてそれぞれ設置し、高周波放電或いはマイクロ波放電によって上記中空体の内外部にプラズマを発生させると共に、上記中空体に接地電位に対し負の高電圧パルスを印加し、プラズマ雰囲気中のイオンを中空体の内部表面及び外部表面に注入させる手段よりなるものである。
【０００６】
また、請求項２の発明は、炭化水素系有機化合物ガスを含む減圧状態のプラズマ発生用原料ガス雰囲気中に、少なくとも一端が開口された導電性の中空体を設置し、該中空体の内部及び外部にグロー放電励起用のアンテナを中空体と絶縁状態で放電を生じない間隔をあけてそれぞれ設置し、高周波放電或いはマイクロ波放電によって上記中空体の内外部にプラズマを発生させると共に、上記中空体に接地電位に対し負の高電圧パルスを印加し、プラズマ雰囲気中の炭素イオンを中空体の内部表面及び外部表面に注入させる手段よりなるものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に記載の発明の実施の形態に基づいて、この発明をより具体的に説明する。
ここで、図１は装置の概略構成図、図２は中空体の内部表面及び外部表面にイオンが注入される概念図である。
【０００８】
図において、イオン注入装置１は、減圧状態のプラズマ発生用原料ガス雰囲気中の導電性の例えばステンレス管などの中空体２の内部表面及び外部表面に同時にイオンを注入させる装置である。中空体２は一端又は両端が開口されていて、中空体２の内部と外部とは開口された端部を通じて連通状態になっている。この実施の形態では、中空体２は両端が開口した円筒形の形状からなる。
【０００９】
このイオン注入装置１は、真空状態となる真空容器３、真空容器３の内部の中空体２の内部及び外部に非接触状態で設置されたアンテナ４、真空容器３の内部に設置され中空体２を保持する中空体ホルダー５、真空容器３内部の中空体２にマイナス電位のパルス電圧を印加する高電圧パルス電源６、真空容器３の内部にプラズマ発生用原料ガスを供給するプラズマ発生用原料ガス供給装置７、真空容器３の空気を排出して真空状態にする真空排気装置８などから構成されている。
【００１０】
真空容器３は、内部の空気を排出して真空状態にして、内部でプラズマａが発生する環境を造り出す場所である。真空容器３の内部には、プラズマ雰囲気のイオンが中空体２の内部表面及び外部表面に注入し易いように、中空体２の内部及び外部に内部表面及び外部表面と非接触状態で放電を生じない間隔をあけてアンテナ４が各々平行に設置されている。
【００１１】
中空体２の内部に設置される内部のアンテナ４は、円筒形中空体２の中心軸上に非接触状態で放電を生じない間隔をあけて設置され、その両端は中空体２の内部両端から外部に一部突出している。また、中空体２の外部に設置される外部のアンテナ４は、内部のアンテナ４を中心として円筒形中空体２の外周の円周方向に非接触状態で放電を生じない間隔をあけて等間隔で複数設置され、その両端は中空体２の両端から外部に一部突出している。
【００１２】
この円周方向に設置された複数の外部のアンテナ４はその一端が円形のリングホルダー４ａに接続され、リングホルダー４ａ及び内部のアンテナ４の一端はアンテナホルダー４ｂに接続されている。このアンテナホルダー４ｂは真空容器３の外部の高周波電源４ｃに電気的に接続されており、中空体２の内部及び外部に設置された各アンテナ４はリングホルダー４ａ及びアンテナホルダー４ｂを介して高周波電源４ｃに電気的に接続されている。また、内部のアンテナ４は絶縁材の例えばセラミック管４ｄによって被覆されていて、高電圧を印加したときに内部のアンテナ４と中空体２との間で放電を生じるのを防ぐためである。
【００１３】
中空体ホルダー５は、中空体２を保持するもので、真空容器３の内部に設置されている。中空体ホルダー５は真空容器３の内部壁面に例えばアルミナ絶縁板５ａを介して支持部材５ｂによって支持されている。中空体ホルダー５は中空体２の内部表面及び外部表面が内部及び外部に各々設置されたアンテナに平行になるように保持して、プラズマ雰囲気のイオンが内部表面及び外部表面に注入し易いようにしている。中空体ホルダー５は導電性の材料から造られている。
【００１４】
高電圧パルス電源６は、例えば、電圧−１２ｋＶ、周波数２００Ｈｚ、パルスオン時間２０μｓのパルス電圧を導電性の中空体ホルダー５を介して中空体２に印加するものであり、通常の電圧に比べて、少ない電気エネルギーで大きな電圧を得ることができる。高電圧パルス電源６の一端は真空容器３内に延設されて中空体ホルダー５に接続されている。高電圧パルス電源６には低電圧パルス電源６ａやオシロスコープ６ｂが接続されている
【００１５】
プラズマ発生用原料ガス供給装置７は、真空容器３の内部にプラズマ発生用原料ガスを供給する装置で、真空容器３に一端が接続されている。プラズマ発生用原料ガス供給装置７は複数の流量調整器（ＭＦＣ）７ａの切り替えを通じて、プラズマ発生用原料ガスとしての例えば窒素ガス、炭化水素系有機化合物ガスとしての例えばアセチレンガス等を適宜、真空容器３に供給することができるようになっている。
【００１６】
真空排気装置８は、真空容器３の内部の空気を排出して真空状態にする装置で、図示しない真空ポンプを装備している。真空排気装置８は真空容器３の内部を真空に近い状態まで減圧してプラズマａが発生し易い状態にする。
【００１７】
次に、上記発明の実施の形態の構成に基づく中空体内外両表面へのイオンの注入方法について以下説明する。
真空容器３に中空体２及びアンテナ４を入れ、中空体２の内部の中心軸上に内部のアンテナ４を設置し、円筒形中空体２の外部の円周方向に等間隔で複数のアンテナ４を設置する。そして中空体２を中空体ホルダー５に取り付けて保持させる。同様に内部のアンテナ４をアンテナホルダー４ｂに外部のアンテナ４をリングホルダー４ａを介してアンテナホルダー４ｂに取り付けて保持させる。この場合、中空体２と内部及び外部のアンテナ４とは、非接触状態でしかも放電しない距離に離してそれぞれ平行に設置する。
【００１８】
その後、真空排気装置８を作動して、真空容器３の空気を排出する。真空容器３の内部の空気は真空排気装置８の図示しない真空ポンプの作動により排出されて内部は真空状態になる。真空状態としては例えば１０−２パスカルの真空度である。
【００１９】
真空容器３を真空状態にした後、プラズマ発生用原料ガス供給装置７の流量調整器（ＭＦＣ）７ａを切り替え調整してプラズマ発生用原料ガスとしての例えば窒素ガスと炭化水素系有機化合物ガスの例えばアセチレンガスを真空容器３内に導入して、高周波電源４ｃから高周波電力を中空体２の内部及び外部に設置された各アンテナ４に給電して作動させると、内部及び外部に設置された各アンテナ４はプラズマ発生源となり、アンテナ４の周辺の窒素ガス及びアセチレンガスからプラズマａが発生する。発生したプラズマａは中空体２の内部及び外部をプラズマ雰囲気にする。
【００２０】
そして、中空体２の内部及び外部がプラズマ雰囲気になった後、高電圧パルス電源６により、接地電位に対してマイナスの電圧をかけて中空体２をマイナスの電位状態にする。
【００２１】
中空体２がマイナスの電位状態になると、中空体２と内部アンテナ４との間の内部のアセチレンガスのプラズマ雰囲気からプラスの電位状態のイオンは、マイナスの電位状態の中空体２の内部表面に吸引加速され、運動エネルギーを持ち中空体２の内部表面に衝突して、中空体２の内部表面に炭素が注入されて、中空体２の内部表面を炭素膜でコーティングする。
【００２２】
同様に、中空体２と外部アンテナ４との間の外部のアセチレンガスのプラズマ雰囲気からプラスの電位状態のイオンは、マイナスの電位状態の中空体２の外部表面に吸引加速され、運動エネルギーを持ち中空体２の外部表面に衝突して、中空体２の外部表面に炭素が注入されて、中空体２の外部表面を炭素膜でコーティングする。
【００２３】
また、中空体２の内外両表面の炭素膜の膜厚の調整は、炭化水素系有機化合物ガスの導入量を調整したり、作業時間で調整する。炭素の膜厚を厚くしたい場合には作業時間を長くする。中空体２の内外両表面に窒素イオンなどガスイオンのみを導入したい場合には窒素ガスのみを導入する。
【００２４】
本願発明は、真空容器３内に絶縁された中空体２を設置し、真空容器３内に所望のプラズマ発生用原料ガスを導入すると同時に減圧状態に維持し、高周波電力を中空体２の内部及び外部に設置した各アンテナ４に給電することによりプラズマを生成し、中空体２にマイナス電位のパルス電圧を繰り返し印加することによって中空体２の内部表面及び外部表面にプラズマ中の正イオンを引き込み、照射する手段よりなる。これにより中空体２の内外両表面にイオンを注入して内外両表面の改質を同時に達成すること、および原料ガスの一部として炭化水素を用いた場合、中空体２の内外両表面を同時に炭素膜のコーティングを行うことができる。
【００２５】
【実験例】
中空体２として両端開口の円筒形のステンレス管を使用した。
〔実験条件〕
ステンレス管サイズ：内径１００ｍｍ、長さ３００ｍｍ
導入ガス　　　　　：窒素ガス
窒素ガス圧力　　　：２．５パスカル
高周波電力　　　　：４０Ｗ
パルス電圧　　　　：−１２ＫＶ
パルス周波数　　　：２００Ｈｚ
パルス幅　　　　　：２０μｓ
処理時間　　　　　：１時間
〔実験結果〕
図４に、図３で図示する中空体２（ステンレス管）の内部表面の３箇所（Ａ、Ｂ、Ｃ）、中空体２（ステンレス管）の外部表面の３箇所（Ｄ、Ｅ、Ｆ）にシリコン基板を設置し、それぞれの窒素イオン注入深さ分布をＡＥＳ（オージェ電子分光分析）で測定した結果を示す。繰り返し窒素イオンが注入されることにより、中空体２（ステンレス管）の内部表面及び外部表面の全面に均一に注入されていることが図４からわかる。
【００２６】
なお、本願発明は上記発明の実施の形態に限定されるものではなく、本願発明の精神を逸脱しない範囲で種々の改変をなし得ることは勿論である。例えば前記発明の実施の形態では、高周波放電によって中空体２の内部及び外部にプラズマを発生させる場合で説明したが、高周波に代えてマイクロ波を使用してもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上の記載より明らかなように、請求項１、請求項２の発明に係る中空体内外両表面へのイオン注入法によれば、高周波放電或いはマイクロ波放電によって上記中空体の内外部にプラズマを発生させると共に、中空体に接地電位に対し負の高電圧パルスを繰り返し印加することによって、中空体の内部表面及び外部表面に同時にイオンを注入させることができ、中空体の内部表面及び外部表面の表層改質を同時に達成することができる。これにより、中空体の内部表面と外部表面との改質を別々に行う場合に比べて二重手間を回避することができる。また、本技術の応用としては、内燃機関などのシリンダー、機械金属部品、金型などが想定される。
また、請求項２の発明にあっては、中空体の内部表面及び外部表面へのイオン注入を併用した薄膜作製が可能になる等、極めて新規的有益なる効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す装置の概略構成図である。
【図２】この発明の実施の形態を示す中空体の内部表面及び外部表面にイオンが注入される概念図である。
【図３】この発明の実験例における中空体（ステンレス管）の内部表面３箇所と外部表面３箇所の各測定個所を示す模式図である。
【図４】図３の内部表面３箇所と外部表面３箇所の各測定個所におけるイオン注入深さ分布図である。
【符号の説明】
１　　イオン注入装置
２　　中空体
３　　真空容器
４　　アンテナ
４ａ　リングホルダー
４ｂ　アンテナホルダー
４ｃ　高周波電源
４ｄ　セラミック管
５　　中空体ホルダー
５ａ　アルミナ絶縁板
５ｂ　支持部材
６　　高電圧パルス電源
６ａ　低電圧パルス電源
６ｂ　オシロスコープ
７　　プラズマ発生用原料ガス供給装置
７ａ　流量調整器（ＭＦＣ）
８　　真空排気装置
ａ　　プラズマ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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