(57)【要約】【目的】プラズマプロセスにより成膜加工や浸炭、窒化、酸化、硼化加工などを行う時、イオン注入や各種ドライプロセスを重畳すると加工効果が向上する場合がある。また、被加工品を大気に曝すと加工目的を阻害する場合が多い。そこで、被加工品を一度も大気に曝すことなく、任意のプロセスを相互に重畳できる装置の構成を目的とした。【構成】Ｒｆ電源はイオンビーム生成用のソースプラズマ発生とその他各種加工用のプラズマ発生に共用できる。注入しようとするイオン種を含むソースプラズマを発生後、イオン引出電極系（７）が図示の位置にあって、シャッター板（８）がシャッターレバー（１１）により図上で右方へ移動した状態で、イオン引出電位が同電極に印加されるとイオンビームが被加工品（１）の方向へ射出される。その他のプロセスを実施するときは、主加工室に実施しようとする加工の作用プラズマを発生させるなどする。また、空芯コイルを作用させると電離度が増す。このような装置構成を課題の解決手段とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンプロセスやＰＶＤ，ＣＶＤ，イオンプレーチングなどの成膜被覆プラズマプロセスの他、浸炭、窒化、酸化処理等の拡散による表面直接改質プラズマプロセスの内、任意のプロセスを、被加工品を一度も大気に曝すことなく、任意の順に、重畳することができるところの複合ドライプロセス表面改質装置。
【請求項２】
イオン引出電極系を移動制御できる機構を設け、イオン注入プロセスも実施できるところの請求項１記載の複合ドライプロセス表面改質装置
【請求項３】
プラズマに磁場を加えることができる構成の請求項１記載の複合ドライプロセス表面改質装置。
【発明の詳細な説明】
「発明の目的」
プラズマプロセスにより成膜加工や浸炭、窒化、酸化、硼化加工などを行う時、イオン注入や各種ドライプロセスを重畳すると加工効果が向上する場合がある。また、被加工品を大気に曝すと加工目的を阻害する場合が多い。そこで、被加工品を一度も大気に曝すことなく、任意のプロセスを相互に重畳できる装置の構成を目的とした。また、小型安価で高能率、実用性を有する装置構成を目的に加えた。
「利用分野」
金属、非金属、有機物などの成膜、窒化・炭化処理など表面直接改質による表面硬度や耐熱性、耐久性向上、電気絶縁性付与などが材料に要求される輸送用機器、機械工具製造分野などに利用できる。
「従来の技術」
低エネルギーイオン注入を拡散相変態による表面改質と組み合わせて利用すると有効であるとの知見がある。表面改質法としてイオン注入は熱非平衡処理法として独自の特色を持つ。しかし、注入エネルギーを数１００ｋＶと上げても改質層は１μｍ以下であり、改質層が薄い、また、イオン加速器を必要とするため半導体分野以外では実用化の目途がないというのが一般的見方である。低エネルギーのイオン注入の場合、多く放射線物性研究用加速器のビームラインに被加工材料を置いて行い、同装置の真空を破って一旦空気中に取り出し、次の加工装置、例えば、炭化や窒化加工装置に装荷し直し、真空排気後、材料を昇温などした後、加工を施していた。その結果、材料表面の大気汚染、再装填の手間、真空引きの待ち時間などの問題があった。
「発明が解決しようとする課題」
材料を大気に曝すと、室内の水分や不純物の付着の他、表面酸化が生じ加工目的の阻害要因となることが多い。そこで、全加工を通して材料を真空容器から取り出すことなく、イオン注入法の他、各種ドライプロセスを独立に、或いは、相互に重畳して実施できる装置の開発を課題とした。
「発明の構成」
図１、図２に代表的な装置構成を掲げた。イオンビーム生成、及び成膜被覆用のイオン原料（４）が常温で気体ではなく固体の場合、図１のようにイオン原料をＥＢガン（５）により気化する形式と、図２のスパッタリングにより原子化する形式などがある。それら被イオン化ガス或いは粒子はソースプラズマ室（３）でＲＦコイル（６）を用いてプラズマ化される。プラズマ発生はＭＷ（μウエーブ）を導入する方法もある。ソースプラズマを発生後、イオン引出電極系（７）が図示の位置にあって、シャッター板（８）がシャッターレバー（１１）により図上で右方へ移動した状態で、イオン引出電位が同電極に印加されるとイオンビームが被加工品（１）の方向へ引出される。また、成膜加工はシャッターとイオン引出電極系を共に図上で右方へ移動しておきＲＦコイルと被加工品との間に後者を負電位とするバイアスを印加すると実施できる。拡散プロセス加工は、別途主加工室に作用ガスを導入しプラズマ化し、予め加工温度に昇温した被加工品に１ｋＶ程度の負電位を印加することにより実施できる。その際ソースプラズマ室でも所要プラズマを発生させ混合するとイオン密度が顕著に増大し加工効率は増加する。
次に図２の固体原料イオンをＲＦプラズマとスパッタリングにより得る方法を補足説明する。スパッタリング操作の前にまずソースプラズマ室（３）に、ＲＦ放電維持ガスとして、主加工が窒化なら窒素ガス、浸炭ならアセチレンガスなどを導入する。そして、ＲＦコイルに高周波を印加すると導入ガスが高電離プラズマとなる。このプラズマに対して１ｋＶ程度の負電位をイオン原料（４）に与えるとスパッタされた原料粒子がプラズマに混入して、所謂ソースプラズマが生成される。この状態でイオン引出電極系に負電位（電極開口寸法なども考慮した凡そ５〜３ＯｋＶ）を印加すると、放電維持ガス中の電離イオンとスパッタ粒子の内の電離されたイオンとの混合イオンビームが被加工品方向に射出され、イオン注入が遂行される。本イオン注入ではイオン種弁別磁場が省略されているので、全加工を通して加工目的を阻害しない放電維持ガス、例えば、不活性ガスなどを選択することがイオンプロセスの条件となる。
「作用」
被加工材料の組成に応じた特定のイオン種を最適量だけ注入すれば、引き続いて実施する加工材料の表面ポテンシャルを最適化することができることは分子動力学から推定でき、その場合主加工が窒化ならどのような注入条件が最適であるか凡その予測はできるはずである。しかし、計算パラメータは原子分子のレベルであり、合金などの微量組成や表面仕上げの異なる効果など現実材料に対しては実験により最適条件を求めざるを得ない。差し当り可能な手段として大気中に加工表面を晒すことなく、種々のプロセスが重畳できる機能を持つ装置を構成した。注入イオンのエネルギーと線量は注入イオンの表面分布に影響し、最適線量は材料とイオン種にもよるが凡そ１０１５〜１７ｃｍ−１のとき吸着への効果が多く最大となる。また、注入エネルギーは５０ｋｅＶ以下が良く、高くなり過ぎると表面ポテンシャルに影響力が低下する他、放射化を起こす作用があるので注意が必要である。
「効果」
イオン注入を前処理とする場合、イオン種、注入線量を最適化する時、成膜被覆加工品の界面での剥離抵抗が高くなる、直接改質では吸着効率が増し活性化エネルギーが低減する効果がある他、金属表面のメタルセラミックス化などにも効果がある場合がある。その他、被覆加工と拡散変態加工を重畳すると新しい被覆層が得られるなどの効果も示唆された。
「その他の実施例について」
イオン引出電極のイオン通過穴の形状は多孔式、或いは、多条（スリット）式があり、全体を矩形状にするとともに、ＲＦコイルを矩形状にする、或いは、ＥＢガンを複数個並べるなどすると、１ｍ程度のシート状軽イオンビームや金属イオンビームも形成することができる。従って、被加工材料が多数個、或いは、１ｍ幅の板状材料の場合も、連続、或いは、半連続加工ができる装置構成を本案を基に実現できる。
【図面の簡単な説明】
図１はＥＢガンを用いた複合ドライプロセス表面改質装置の概略断面図である。
図２はスパッタリングを用いた複合ドライプロセス表面改質装置の概略断面図である。
【符号の説明】１被加工品、２  主加工室、３  ソースプラズマ室、４  イオン原料、５  ＥＢガン（図１）、６  ＲＦコイル、７  イオン引出電極系、８シャッター、９  イオン電極絶縁材ガイド、１０  イオン電極レバー、１１  シャッターレバー、１２  コイル１、１３  コイル２、１４  コイル１端子、１５  コイル２端子、１６  イオン引出電極高圧端子、１７  昇温電極、１８  熱電対端子、１９  コイル支持棒，２０  真空排気口、２１  ガス導入口、２２  真空測定孔、２３  冷水管、２４  覗き窓、２５  ＥＢガン電源端子。
〔電気関係結線図〕
１―１７―――――［昇温電源］――――――Ｅ（接地）
１――――［被加工品バイアス電源］――――６（正電位）
４（図１）――――［ＥＢガン電源］――――Ｅ
４（図２）――――［スパッタ電源］――――６（正電位）
５―６――――――［ＲＦ電源］――――――Ｅ
７―１６―――――［イオン引出電源］―――Ｅ
１０、１１――――――――――――――――Ｅ
１２―１４、１３―１５――［コイル電源］―Ｅ
１８――――――［熱電対電源］――――――Ｅ
【図１】
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【図２】
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