(57)【要約】【課題】白層を生じないイオン窒化処理を、安全で、しかも簡単な構成かつ低コストで実現する。【解決手段】プラズマガン２０には、ガス供給口４４を介して、窒化用ガスとしての窒素ガスおよび水素ガスが１対１０の割合で供給される。そして、真空槽１２内の圧力は、真空ポンプ１６によって０．０１Ｐａ〜０．５Ｐａに維持され、プラズマ３８の発生による被処理物５８，５８，・・・の表面に対するイオン電流密度は、０．１ｍＡ／ｃｍ２〜５ｍＡ／ｃｍ２とされる。更に、被処理物５８，５８，・・・は、電熱ヒータ７８によって４５０℃〜５５０℃まで加熱され、これに、パルス電源装置７６から周波数が５０ｋＨｚ〜２５０ｋＨｚの非対称パルス電圧がバイアス電圧として印加される。かかる条件下でイオン窒化処理が行われると、白層を生じることなく硬質の拡散層が形成される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空槽と、上記真空槽内を排気する排気手段と、上記真空槽内に窒素ガスおよび水素ガスを供給するガス供給手段と、上記真空槽内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、上記真空槽内に配置される被処理物の温度を制御する温度制御手段と、上記被処理物にバイアス電圧を印加するバイアス印加手段と、を具備するイオン窒化装置において、
上記排気手段は上記真空槽内の圧力が０．０１Ｐａ乃至０．５Ｐａとなるように該真空槽内を排気し、
上記ガス供給手段は上記水素ガスの流量に対する上記窒素ガスの流量の比率を０．１乃至１．０とし、
上記プラズマ発生手段は上記被処理物の表面に対するイオン電流密度が０．１ｍＡ／ｃｍ２乃至５ｍＡ／ｃｍ２となるように上記プラズマを発生させ、
上記温度制御手段は上記被処理物の温度を４５０℃乃至５５０℃とすることを特徴とする、イオン窒化装置。
【請求項２】
上記バイアス電圧は周波数が５０ｋＨｚ乃至２５０ｋＨｚのパルス電圧である、請求項１記載のイオン窒化装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のイオン窒化装置を含む、成膜装置。
【請求項４】
被膜としてＤＬＣ膜を形成する、請求項３記載の成膜装置。
【請求項５】
真空槽内を排気する排気過程と、上記真空槽内に窒素ガスおよび水素ガスを供給するガス供給過程と、上記真空槽内にプラズマを発生させるプラズマ発生過程と、上記真空槽内に配置される被処理物の温度を制御する温度制御過程と、上記被処理物にバイアス電圧を印加するバイアス印加過程と、を具備するイオン窒化方法において、
上記排気過程で上記真空槽内の圧力が０．０１Ｐａ乃至０．５Ｐａとなるように該真空槽内を排気し、
上記ガス供給過程で上記水素ガスの流量に対する上記窒素ガスの流量の比率を０．１乃至１．０とし、
上記プラズマ発生過程で上記被処理物の表面に対するイオン電流密度が０．１ｍＡ／ｃｍ２乃至５ｍＡ／ｃｍ２となるように上記プラズマを発生させ、
上記温度制御過程で上記被処理物の温度を４５０℃乃至５５０℃とすることを特徴とする、イオン窒化方法。
【請求項６】
上記バイアス電圧は周波数が５０ｋＨｚ乃至２５０ｋＨｚのパルス電圧である、請求項５記載のイオン窒化方法。
【請求項７】
請求項５または６記載のイオン窒化方法を含む、成膜方法。
【請求項８】
被膜としてＤＬＣ膜を形成する、請求項７記載の成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、イオン窒化装置および成膜装置に関し、特にたとえば窒化用ガスとして窒素（Ｎ２）ガスと水素（Ｈ２）ガスとの混合ガスを用いる、イオン窒化装置およびこれを用いた成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のイオン窒化装置においては、一般に、真空槽内の圧力が１００［Ｐａ］〜５００［Ｐａ］とされた状態で、イオン窒化処理が行われる。かかるイオン窒化処理によれば、窒素イオンが被処理物の表面に衝突して、当該被処理物の表面部分（内側）に硬質の拡散層が形成されるが、これと同時に、窒素イオンが被処理物内に含まれる鉄（Ｆｅ）と反応し、これによって被処理物の表面上に白層と呼ばれる化合物層（γＦｅ４ＮまたはεＦｅ２−３Ｎ）が形成される。この白層は、硬くて脆いという性質を有するため、かかる白層を生じるイオン窒化処理の後に成膜処理を施す場合には、当該白層を除去する必要がある。白層の上にそのまま膜が形成されると、当該膜と被処理物との間に十分な密着性が得られないからである。
【０００３】
そこで、従来、白層を生じないイオン窒化処理技術として、特許文献１に開示されたものがある。この従来技術によれば、窒化用ガスとしてアンモニア（ＮＨ３）ガスおよび水素ガスが用いられる。そして、被処理物（金属部材）の温度、およびプラズマ（グロー放電）によって被処理物の表面に流れる電流の密度が、所定条件に設定される。かかる条件の下でイオン窒化処理が行われれば、厚くて均一な拡散層を得られることが開示されている。また、実施例として、イオン窒化処理の後に続いて窒化チタン膜の成膜処理が行われ、その結果、密着性および耐久性に優れた窒化チタン膜が形成されたことが開示されていることから、当該イオン窒化処理によって白層が生じないことが伺える。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−１１８８５０号公報（段落番号００１８〜００２４）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来技術では、劇物に指定されているアンモニアガスが用いられるため、その取り扱いには相当の注意を要する。また、使用済みのアンモニアガスを適切に廃棄するための専用の設備が必要となるため、その分、装置全体が大規模化し、かつ高コスト化するという問題がある。
【０００６】
それゆえに、この発明は、従来よりも安全で、しかも簡単な構成かつ低コストでありながら白層の発生を伴わないイオン窒化処理を実現できるイオン窒化装置を提供することを、目的とする。
【０００７】
また、イオン窒化処理から成膜処理までの一連の処理を連続して行うことのできる成膜装置を提供することも、この発明の目的とするところである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、真空槽と、この真空槽内を排気する排気手段と、真空槽内に窒素ガスおよび水素ガスを供給するガス供給手段と、真空槽内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、真空槽内に配置される被処理物の温度を制御する温度制御手段と、被処理物にバイアス電圧、具体的には連続的または断続的に負電圧となる電圧を印加するバイアス印加手段と、を具備する。そして、排気手段は真空槽内の圧力が０．０１Ｐａ乃至０．５Ｐａとなるように当該真空槽内を排気し、ガス供給手段は水素ガスの流量に対する窒素ガスの流量の比率を０．１乃至１．０とする。更に、プラズマ発生手段は被処理物の表面に対するイオン電流密度が０．１ｍＡ／ｃｍ２乃至５ｍＡ／ｃｍ２となるようにプラズマを発生させ、温度制御手段は被処理物の温度を４５０℃乃至５５０℃とすることを特徴とする、イオン窒化装置である。
【０００９】
この第１の発明では、真空槽内の圧力が、０．０１Ｐａ乃至０．５Ｐａに保持される。そして、水素ガスの流量に対する窒素ガスの流量の比率が、０．１乃至１．０とされると共に、プラズマの発生による被処理物の表面に対するイオン電流密度が、０．１ｍＡ／ｃｍ２乃至５ｍＡ／ｃｍ２とされる。更に、被処理物の温度が、４５０℃乃至５５０℃とされる。かかる条件の下でイオン窒化処理を行うと、白層を生じることなく硬質の拡散層を得られることが、実験によって確認された。つまり、窒化用ガスとして窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを用いても、白層を生じないイオン窒化処理を実現できる。
【００１０】
なお、バイアス電圧は周波数が５０ｋＨｚ乃至２５０ｋＨｚのパルス電圧とするのが、望ましい。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明のイオン窒化装置を含む成膜装置である。つまり、白層の発生を伴わない第１の発明のイオン窒化装置を用いることによって、イオン窒化処理の後、換言すれば成膜処理の前に、当該白層を除去する作業が不要となる。
【００１２】
この場合、被膜としてＤＬＣ膜（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）を形成してもよい。
【００１３】
第３の発明は、真空槽内を排気する排気過程と、この真空槽内に窒素ガスおよび水素ガスを供給するガス供給過程と、真空槽内にプラズマを発生させるプラズマ発生過程と、真空槽内に配置される被処理物の温度を制御する温度制御過程と、被処理物にバイアス電圧、具体的には連続的または断続的に負電圧となる電圧を印加するバイアス印加過程と、を具備する。そして、排気過程で真空槽内の圧力が０．０１Ｐａ乃至０．５Ｐａとなるように当該真空槽内を排気し、ガス供給過程で水素ガスの流量に対する窒素ガスの流量の比率を０．１乃至１．０とする。更に、プラズマ発生過程で被処理物の表面に対するイオン電流密度が０．１ｍＡ／ｃｍ２乃至５ｍＡ／ｃｍ２となるようにプラズマを発生させ、温度制御過程で被処理物の温度を４５０℃乃至５５０℃とすることを特徴とする、イオン窒化方法である。
【００１４】
つまり、この第３の発明は、第１の発明に対応する方法発明である。従って、第１の発明と同様の作用を奏する。この場合も、バイアス電圧は周波数が５０ｋＨｚ乃至２５０ｋＨｚのパルス電圧とするのが、望ましい。
【００１５】
第４の発明は、第３の発明のイオン窒化方法を含む成膜方法である。つまり、第２の発明に対応する方法発明であるので、当該第２の発明と同様の作用を奏する。そして、被膜としてＤＬＣ膜を形成してもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明を表面処理装置に適用した場合の一実施形態について、図１から図７を参照して説明する。図１に示すように、この実施形態の表面処理装置１０は、真空槽１２を備えている。この真空槽１２は、例えば直径が約１［ｍ］、高さ寸法が約０．８［ｍ］の概略円筒形のものであり、その壁部は、基準電位としての接地電位に接続されている。そして、この真空槽１２の底部（図１において下側の壁部）の周縁寄りの部分には、排気口１４が設けられており、この排気口１４は、図示しない排気管を介して、真空槽１２の外部に設置された排気手段としての真空ポンプ１６に結合されている。更に、真空槽１２の上部（図１において上側の壁部）の略中央には、開口部１８が設けられており、この開口部１８を覆うようにプラズマガン２０が設けられている。
【００１７】
プラズマガン２０は、後述する反射電極２２，１対の電磁コイル２４および２６と共に、熱陰極ＰＩＧ（Ｐｅｎｎｉｎｇ  Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ  Ｇａｕｇｅ）方式のプラズマ発生源を構成する。具体的には、プラズマガン２０は、概略円筒形の形状をしており、その壁部は、真空槽１２の壁部と電気的に絶縁されている。そして、このプラズマガン２０の底部（図１において下側の壁部）の略中央には、円形のプラズマ出力口２８が設けられており、上部（図１において上側の壁部）は、閉鎖されている。そして、その内部空間には、熱陰極３０，陽極３２および電子注入電極３４が設けられている。
【００１８】
このうち、熱陰極３０は、プラズマガン２０の上部の近傍に設けられている。この熱陰極３０は、直径が０．８［ｍｍ］〜１．０［ｍｍ］程度のタングステンフィラメントで構成されており、その両端は、プラズマガン２０の外部に設けられた直流電源装置３６に接続されている。熱陰極３０は、この直流電源装置３６からの直流電力の供給によって千数百［℃］〜二千数百［℃］に加熱され、熱電子を放出する。
【００１９】
一方、陽極３２は、モリブデン製の環状体であり、その中空部をプラズマ出力口２８に対向させた状態で、熱陰極３０の下方に設けられている。この陽極３２は、熱陰極３０から放出された熱電子を加速させるためのものであり、プラズマガン２０の外部に設けられた別の直流電源装置４０によって、熱陰極３０に対して＋４０［Ｖ］〜＋７０［Ｖ］の電位に維持される。この陽極３２の電位（陽極電圧）および当該陽極３２に流れる電流（放電電流：厳密には次に説明する電子注入電極３４に流れる電流を含む）の大きさによって、後述するプラズマ３８のパワー（プラズマガン出力）が決定される。この実施形態では、最大で３［ｋＷ］のプラズマガン出力が得られる。なお、プラズマガン出力は、熱陰極３０に供給される直流電力の大きさ（熱陰極３０の温度）にも依存する。
【００２０】
電子注入電極３４もまた、陽極３２と同様のモリブデン製の環状体であり、その中空部をプラズマ出力口２８に対向させた状態で、当該陽極３２の下方に設けられている。この電子注入電極３４は、プラズマガン２０内の空間電位を安定させ、ひいては真空槽１２内の異常放電を抑制するためのものであり、プラズマガン２０の外部に設けられた更に別の直流電源装置４２によって、陽極３２よりも１０［Ｖ］ほど低い電位に維持される。なお、この電子注入電極３４は、接地電位に接続されている。
【００２１】
更に、プラズマガン２０の側壁には、当該プラズマガン２０内にアルゴン（Ａｒ）ガス，水素ガスおよび窒素ガスを個別に導入するためのガス供給口４４が設けられている。すなわち、このガス供給口４４には、アルゴンガス導入用のガス供給管４６、水素ガス導入用のガス供給管４８、および窒素ガス導入用のガス供給手段が、並列に結合されている。そして、これらのガス供給管４６，４８および５０には、それぞれを流れるガスの流量を調整するための流量調整手段としてのマスフローコントローラ５２，５４および５６が設けられている。なお、ガス供給管４８および５０と、マスフローコントローラ５４および５６とで、ガス供給手段が構成される。
【００２２】
そして、プラズマガン２０と対向するように、真空槽１２内の底部側に、円盤状の反射電極２２が設けられている。この反射電極２２は、プラズマガン２０から流れてくる電子を反射させるためのものであり、電気的に絶縁電位とされている。
【００２３】
そして、真空槽１２の外部であって、当該真空槽１２の上方側に、一方の電磁コイル２４が、プラズマガン２０の周囲を取り巻くように設けられている。この電磁コイル２４は、プラズマガン２０内の放電を助長するためのもので、真空槽１２の外部に設けられた図示しない磁界発生用電源装置からの直流電力の供給によって、当該プラズマガン２０内に所定の磁界を発生する。この磁界は、真空槽１２内にも作用する。
【００２４】
他方の電磁コイル２６は、一方の電磁コイル２４と対向するように、真空槽１２の下方側に設けられている。この電磁コイル２６は、プラズマ３８を真空槽１２の中央にビーム状に閉じ込めるためのもので、真空槽１２の外部に設けられた別の磁界発生用電源装置からの直流電力の供給によって、上述の電磁コイル２４から発生される磁界と共に、真空槽１２内にミラー磁場を形成する。このようにプラズマ３８をビーム状に閉じ込めることで、当該プラズマ３８の高密度化が図られる。なお、これらの電磁コイル２４および２６によって真空槽１２の中央に発生する磁界の磁束密度は、２０［Ｇ］〜１００［Ｇ］の範囲で可変できる。
【００２５】
このような構成の熱陰極ＰＩＧ方式のプラズマ発生源によれば、真空ポンプ１６によって真空槽１２内およびプラズマガン２０内が減圧され、そして、ガス供給口４４を介してプラズマガン２０内にアルゴンガス，水素ガスまたは窒素ガスが導入された状態で、熱陰極３０，陽極３２，電子注入電極３４，電磁コイル２４および２６のそれぞれに直流電力が供給されると、熱陰極３０から熱電子が放出され、この熱電子は陽極３２に向かって加速される。この加速された熱電子は、プラズマガン２０内に導入されたガスの分子に衝突し、その衝撃によって当該ガス分子は電離する。つまり、プラズマ３８が発生する。
【００２６】
更に、プラズマ３８内の電子は、上述の熱電子と共に、電磁コイル２４および２６によって形成された磁界に案内されて反射電極２２に向かって流れる。しかし、反射電極２２は絶縁電位とされているため、当該反射電極２２に向かって流れる電子は、ここで反射されて、当該反射電極２２とプラズマガン２０との間で電界振動する。これによって、当該電子がガス分子と衝突する確率および回数が増大し、プラズマ３８の発生効率が向上する。この実施形態では、例えば真空槽１２内（プラズマガン２２内を含む）の圧力が０．１［Ｐａ］であるときに、１０１１［ｃｍ−３］台という高密度のプラズマ３８が得られる。なお、上述したように、プラズマガン２０内の空間電位は電子注入電極３４によって安定しているので、当該プラズマガン２０内、ひいては真空槽１２内での異常放電が抑制される。従って、上述の如く高密度でありながら、安定したプラズマ３８が得られる。
【００２７】
真空槽１２内において、ビーム状のプラズマ３８の外側、換言すれば放電領域外の位置に、被処理物５８，５８、・・・を支持するための複数（たとえば数個〜十数個）のホルダ６０，６０，・・・が設けられている。これらのホルダ６０，６０，・・・は、ギア機構６２，６２，・・・を介して、円盤状の公転台６４の周縁部分に結合されている。公転台６４の底面（図１において下側の面）の中央には、回転軸６６の一端が固定されている。そして、この回転軸６６の他端は、真空槽１２の外部に設けられたモータ６８のシャフト７０に結合されている。
【００２８】
つまり、モータ６８のシャフト７０が図１に矢印７２で示す方向に回転すると、公転台６４も同方向に回転し、これによって被処理物５８，５８，・・・がプラズマ３７の周囲を回転し、言わば公転する。更に、ギア機構６２，６２，・・・による回転伝達作用によって、被処理物５８，５８，・・・自体が図１に矢印７４，７４，・・・で示す方向に回転し、言わば自転する。このように被処理物５８，５８，・・・が自公転することで、当該被処理物５８，５８，・・・に対する後述のイオン窒化処理などの表面処理の均一化が図られる。
【００２９】
また、各被処理物５８，５８，・・・には、ホルダ６０，６０，・・・，ギア機構６２，６２，・・・，公転台６４および回転軸６６を介して、真空槽１２の外部に設けられたバイアス印加手段としてのパルス電源装置７６から、図２に示すような非対称パルス電圧が、バイアス電圧として印加される。この非対称パルス電圧の周波数ｆ，デューティ比（周期Ｔに対するパルス幅（Ｌ（ロー）レベル時の時間）Ｔａの比率），Ｌレベル電圧ＶａおよびＨ（ハイ）レベル電圧Ｖｂは、任意に可変できる。また、後述するように、周波数ｆ，デューティ比およびＨレベル電圧Ｖｂを一定として、Ｌレベル電圧Ｖａのみを変化させることで、平均電圧Ｖｃを任意の値に調整することも可能である。なお、このパルス電源装置７６の最大出力は、１０［ｋＷ］である。
【００３０】
更に、真空槽１２内の側壁の近傍であって、公転台６４の外周縁（被処理物５８，５８，・・・）よりも外側の或る位置に、温度制御手段としての電熱ヒータ７８が設けられている。この電熱ヒータ７８は、被処理物５８，５８，・・・を加熱するためのもので、その加熱温度は、真空槽１２の外部に設けられた図示しないヒータ用電源装置によって制御される。
【００３１】
また、真空槽１２内の側壁の近傍であって、電熱ヒータ７８と対向する位置に、クロム（Ｃｒ）製のスパッタカソード８０が配置されている。このスパッタカソード８０は、後述するスパッタリング処理においてターゲットとなるものであり、当該スパッタリング処理の際、このスパッタカソード８０には、真空槽１２の外部に設けられたスパッタ用電源装置から負電圧の直流電力が供給される。また、このスパッタカソード８０の背面（図１において右側の面）に近接して、当該スパッタリング処理におけるスパッタ効率を向上させるためのマグネット８２が、配置されている。
【００３２】
そして、真空槽１２の側壁には、後述するプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）処理において当該真空槽１２内に材料（反応）ガスとしてのＴＭＳ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ  ｓｉｌａｎｅ）ガスおよびアセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスを導入するためのガス供給口８４が設けられている。すなわち、このガス供給口８４には、ＴＭＳガスを導入するためのガス供給管８６と、アセチレンガスを導入するためのガス供給管８８とが、並列に結合されている。そして、これらのガス供給管８６および８８にも、流量調整手段としてのマスフローコントローラ９０および９２が設けられている。なお、このように上述したアルゴンガスなどとは別個に真空槽１２内に材料ガスを導入することとしたのは、当該材料ガスによってプラズマガン２０内の熱陰極３０が反応（炭化）するのを防止するためである。
【００３３】
このように構成された表面処理装置１０によれば、窒素ガスおよび水素ガスを用いてイオン窒化処理を行うことができる。そして、このイオン窒化処理において、真空槽１２内の圧力、窒化用ガスとしての窒素ガスおよび水素ガスの流量比（Ｎ２／Ｈ２）、プラズマ３８の発生によって被処理物５８，５８，・・・の表面に流れるイオンの電流密度、被処理物５８，５８，・・・の温度、および被処理物５８，５８，・・・に印加されるバイアス電圧が、所定条件に設定されたときに、上述した白層が発生しないことが、実験によって確認された。
【００３４】
なお、イオン電流密度は、プラズマガン出力、および真空槽１２内（プラズマガン２０内を含む）に導入されるガスの流量によって変化する。また、プラズマ３８から被処理物５８，５８，・・・までの距離によっても、当該イオン電流密度は変化する。ただし、この実施形態では、同一の（つまり一度真空槽内１２内に設置された）被処理物５８，５８・・・についてはプラズマ３８からの距離が一定なので、当該イオン電流密度は、プラズマガン出力およびガス流量によって決まる。このイオン電流密度は、被処理物５８，５８，・・・の近傍に図示しないファラデーカップを配置することによって測定できる。
【００３５】
さて、今、被処理物５８，５８，・・・として、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼から成る鏡面加工（表面粗さ：０．０１５［μｍ］）された工具部品が、ホルダ６０，６０，・・・に取り付けられているとする。そして、この被処理物５８，５８，・・・に対して、次のような手順でボンバード処理およびイオン窒化処理を施すとする。
【００３６】
すなわち、まず、真空ポンプ１６によって真空槽１２内を１０−３［Ｐａ］まで排気する。そして、電熱ヒータ７８によって、被処理物５８，５８，・・・を５００［℃］まで加熱する。更に、ガス供給管４６からプラズマガン２０内に放電用ガスとしてのアルゴンガスを４０［ｍＬ／ｍｉｎ］の流量で供給すると共に、ガス供給管４０からプラズマガン２０内に水素ガスを２０［ｍＬ／ｍｉｎ］の流量で供給する。この状態で、熱陰極３０，陽極３２，電子注入電極３４，電磁コイル２４および２６のそれぞれに直流電力を供給することで、プラズマ３８を発生させる。このとき、プラズマガン出力が１．８［ｋＷ］になるように、直流電源装置４０（または３６）を調整する。これによって、被処理物５８，５８，・・・に対するイオン電流密度は、０．３［ｍＡ／ｃｍ２］となる。また、真空槽１２の中央における磁束密度が２０［Ｇ］となるように、上述した磁界発生用電源装置を調整する。
【００３７】
更に、パルス電源装置７６によって、周波数ｆが１００［ｋＨｚ］，デューティ比（Ｔａ／Ｔ）が０．７，平均電圧Ｖｃが−５００［Ｖ］の非対称パルス電圧を、被処理物５８，５８，・・・に印加する。具体的には、図２において、周期Ｔが１０［μｓ］，パルス幅Ｔａが７［μｓ］，Ｌレベル電圧Ｖａが−７３０［Ｖ］，およびＨレベル電圧Ｖｂが＋３７［Ｖ］となるように、パルス電源装置７６を調整する。そして、モータ６８を駆動させて、被処理物５８，５８，・・・を１［ｒｐｍ］で公転させる。この公転に伴って、被処理物５８，５８，・・・は、１５［ｒｐｍ］で自転する。かかる条件によってボンバード処理が行われ、被処理物５８，５８，・・・の表面が洗浄される。そして、このボンバード処理を、１０分間継続して行う。
【００３８】
次に、ガス供給管４６からのアルゴンガスの供給を停止し、これに代えて、ガス供給管５０からプラズマガン２０内に窒素ガスを２０［ｍＬ／ｍｉｎ］の流量で供給する。そして、ガス供給管４８からプラズマガン２０内に供給される水素ガスの流量を２００［ｍＬ／ｍｉｎ］とする。つまり、水素ガスに対する窒素ガスの流量比を、０．１とする。また、真空槽１２内の圧力が０．１５［Ｐａ］に維持されるように真空ポンプ１６を制御すると共に、直流電源装置４０によってプラズマガン出力を２．４［ｋＷ］とする。これによって、イオン電流密度は、０．７［ｍＡ／ｃｍ２］となる。更に、パルス電源装置７６によって図２におけるＬレベル電圧Ｖａのみを変化させることで、被処理物５８，５８，・・・に印加されるバイアス電圧の平均電圧Ｖｃを−１００［Ｖ］に設定する。
【００３９】
なお、これ以外の条件、つまり電熱ヒータ７８による被処理物５８，５８，・・・の加熱温度，電磁コイル８８および９０による磁界の強さ（真空槽１２の中央における磁束密度），および被処理物５８，５８，・・・の自公転数は、上述のボンバード処理時と同様である。かかる条件によって、被処理物５８，５８，・・・の表面が徐々に窒化される。つまり、イオン窒化される。そして、このイオン窒化処理を、１２０分間継続して行う。
【００４０】
このイオン窒化処理によって、図３に示すような結果が得られた。すなわち、生地の硬度が約２００［ＨＫ］であるＳＵＳ３０４ステンレス鋼について、その表面を約１８００［ＨＫ］という硬度にまで硬化させることができた。また、表面から約２０［μｍ］を超える深さで、硬度が約２００［ＨＫ］となっていることから、当該２０［μｍ］という深さの拡散層が得られたことが判る。そして、図では表していないが、上述した白層の発生は見受けられなかった。
【００４１】
このＳＵＳ３０４ステンレス鋼に代えて、ＳＫＤ１１ダイス鋼製の被処理物５８，５８，・・・について、上述と全く同じ条件でボンバード処理およびイオン窒化処理を施した結果を、図４に示す。この図４から判るように、生地の硬度が約８５０［ＨＫ］のＳＫＤ１１ステンレス鋼についても、その表面を約１４００［ＨＫ］という硬度にまで硬化させることができた。また、このＳＫＤ１１ダイス鋼においては、表面から約４０［μｍ］という深さで、硬度が１０００［ＨＫ］を下回ることから、当該４０［μｍ］という深さの拡散層が得られたことが判る。そして、図には示さないが、このＳＫＤ１１ダイス鋼においても、白層の発生は見受けられなかった。
【００４２】
なお、ＳＫＨ４Ａステンレス鋼製の被処理物５８，５８，・・・について、上述と全く同じ条件でボンバード処理およびイオン窒化処理を施した場合も、ＳＫＤ１１ダイス鋼と同様の拡散層が得られた。そして、白層の発生も、見受けられなかった。
【００４３】
そこで、このＳＫＨ４Ａステンレス鋼製の被処理物５８，５８，・・・に対して上述の如くボンバード処理およびイオン窒化処理を行った後、これに続いて、同じ表面処理装置１０を用いてプラズマＣＶＤ処理を施すことで、珪素（Ｓｉ）を含有するＤＬＣ膜を形成する。ただし、珪素含有のＤＬＣ膜はＳＫＨ４Ａステンレス鋼などの鉄系合金に対して直接付着し難いため、この実施形態では、当該ＤＬＣ膜を形成する前に、中間層として図５に示すようにＤＬＣ膜と相性の良い（付着し易い）炭化珪素（ＳｉＣ）膜をプラズマＣＶＤ処理によって形成する。また、この炭化珪素膜は比較的に脆いという性質を有するため、当該炭化珪素膜を形成する前に、比較的に柔軟なクロム膜を形成することで、当該炭化珪素膜の脆さ（脆性）を補償する。なお、クロム膜については、スパッタリング処理によって形成する。
【００４４】
まず、上述のボンバード処理に続いて、イオン窒化処理を終えた後、ガス供給管４８および５０からの水素ガスおよび窒素ガスの供給を停止する。そして、プラズマ３８の発生を停止するべく、熱陰極３０，陽極３２，電子注入電極３４，電磁コイル２４および２６への直流電力の供給を停止する。更に、電熱ヒータ７８用の電源装置をオフして、被処理物５８，５８，・・・の温度を３００［℃］にまで下げる。このとき、ガス供給管４８から水素ガスを供給することによって、被処理物５８，５８，・・・を強制的に冷却してもよい。
【００４５】
そして、被処理物５８，５８，・・・の温度が３００［℃］にまで下がったら、ガス供給管４６からプラズマガン２０内に放電用ガスとしてのアルゴンガスを、８０［ｍＬ／ｍｉｎ］の流量で供給する。なお、上述の如く水素ガスの供給によって被処理物５８，５８，・・・の強制冷却を行った場合には、当該水素ガスの供給を停止する。そして、真空槽１２内の圧力が０．３［Ｐａ］に維持されるように真空ポンプ１６を制御する。更に、パルス電源装置７６によって図２におけるＬレベル電圧Ｖａのみを変化させることで、被処理物５８，５８，・・・に印加されるバイアス電圧の平均電圧Ｖｃを−５０［Ｖ］に設定する。そして、上述したスパッタ用電源装置からスパッタカソード８０に対して、−４００［Ｖ］，２０［Ａ］（すなわち８［ｋＷ］）の直流電力を供給する。なお、このときも、上述と同じ回転数で被処理物５８，５８，・・・を自公転させる。
【００４６】
かかる条件によって、真空槽１２内に浮遊するイオンがスパッタカソード８０に衝突して、その衝撃によって叩き出されたクロム分子（原子）が被処理物５８，５８，・・・の表面に付着し、堆積する。このスパッタリング処理を８分間継続して行うことで、厚さが１５０［ｎｍ］のクロム膜が形成された。なお、このクロム膜に代えて、チタン（Ｔｉ）膜を形成してもよい。この場合、スパッタカソード８０として、チタン製のものが用いられる。
【００４７】
このスパッタリング処理によるクロム膜の形成後、続いてプラズマＣＶＤ処理によって炭化珪素膜を形成するべく、スパッタカソード８０への直流電力の供給を停止する。そして、ガス供給管４６から供給されるアルゴンガスの流量を４０［ｍＬ／ｍｉｎ］とし、更に、ガス供給管４８からプラズマガン２０内に水素ガスを２００［ｍＬ／ｍｉｎ］という流量で供給する。また、ガス供給管８６から真空槽１２内に炭化珪素膜の原料となるＴＭＳガスを６０［ｍＬ／ｍｉｎ］という流量で供給する。そして、真空槽１２内の圧力を０．３［Ｐａ］とした後、熱陰極３０，陽極３２，電子注入電極３４，電磁コイル２４および２６のそれぞれに直流電力を供給することで、プラズマ３８を発生させる。なお、プラズマガン出力は、０．５［ｋＷ］とする。これによって、イオン電流密度は、０．３［ｍＡ／ｃｍ２］となる。
【００４８】
そして更に、パルス電源装置７０によって図２におけるＬレベル電圧Ｖａのみを変化させることで、被処理物５８，５８，・・・に印加されるバイアス電圧の平均電圧Ｖｃを−５００［Ｖ］とする。なお、このときも、上述と同じ回転数で被処理物５８，５８，・・・を自公転させる。
【００４９】
この条件によって、真空槽１２内に導入されたＴＭＳガスが電離して、ＴＭＳラジカルおよびＴＭＳイオンとなる。そして、これらのＴＭＳラジカルおよびＴＭＳイオンは、キャリアガスとしての水素ガスのイオンと反応しながら、被処理物５８，５８，・・・の表面に堆積する。かかるプラズマＣＶＤ処理を１０分間継続して行うことで、厚さが２００［ｎｍ］の炭化珪素膜が形成された。
【００５０】
この炭化珪素膜の形成後、更に上述したＤＬＣ膜を形成するべく、ガス供給管４８からの水素ガスの供給を停止し、これに代えて、ＴＭＳガスと共に当該ＤＬＣ膜の材料となるアセチレンガスを、ガス供給管８８から真空槽１２内に３００［ｍＬ／ｍｉｎ］という流量で供給する。そして、ＴＭＳガスの流量を３０［ｍＬ／ｍｉｎ］とする。なお、放電用ガスとしてのアルゴンガスについては、４０［ｍＬ／ｍｉｎ］という流量を維持する。そして、真空槽１２内の圧力を０．２［Ｐａ］とすると共に、プラズマガン出力を１．５［ｋＷ］とする。これによって、イオン電流密度は、０．３［ｍＡ／ｃｍ２］となる。これ以外の条件は、上述の炭化珪素膜を形成するときと同じである。
【００５１】
かかる条件において、真空槽１２内に導入されたアセチレンガスは、ＴＭＳガスと同様に電離して、Ｃ２Ｈ２ラジカルおよびＣ２Ｈ２イオンとなる。そして、これらのラジカルおよびイオンは、互いに反応しながら、被処理物５８，５８，・・・の表面に堆積する。かかるプラズマＣＶＤ処理を６０分間継続して行うことで、厚さが３［μｍ］の珪素含有ＤＬＣ膜が形成された。
【００５２】
このようにして珪素含有ＤＬＣ膜が形成された被処理物５８，５８，・・・に対して、ロックウェル圧痕試験を行った。その結果を、図６に示す。また、被処理物５８，５８，・・・に対してイオン窒化処理を施さずに直接（厳密にはクロム膜および炭化珪素膜を形成した後に）ＤＬＣ膜を形成し、これにも同様のロックウェル圧痕試験を行った。その結果を、図７に示す。
【００５３】
これら図６および図７を比較して明らかなように、イオン窒化処理が施されたものについては、圧痕周囲においてＤＬＣ膜にクラックが生じているものの、当該ＤＬＣ膜は剥離していない。一方、イオン窒化処理が施されていないものについては、圧痕周囲においてＤＬＣ膜が完全に剥離している。つまり、この実施形態によるイオン窒化処理を施すことによって、密着性および耐久性の優れたＤＬＣ膜を得られることが判る。
【００５４】
以上の説明から明らかなように、この実施形態の表面処理装置１０によれば、白層を生じずにイオン窒化処理を実現できる。また、イオン窒化処理の後に当該白層を除去する必要もないので、当該イオン窒化処理からＤＬＣ膜の成膜処理までの一連の処理を、連続して、換言すれば途中で被処理物５２，５２，を取り出すことなく、実施できる。従って、これらの一連の処理に係る作業の簡素化、ひいては当該処理によって生成された物品（製品）の低コスト化を実現できる。しかも、上述した従来技術とは異なり、窒化用ガスとしてアンモニアガスを用いないため、安全性が高い。また、使用済のアンモニアガスを排気するための特別な設備を必要としないので、その分、装置全体の構成を簡素化でき、かつ低コスト化できる。
【００５５】
なお、この実施形態においては、イオン窒化処理時の真空槽１２内の圧力を０．１５［Ｐａ］としたが、これに限らない。具体的には、当該イオン窒化処理時の真空槽１２内の圧力は、０．０１［Ｐａ］〜０．５［Ｐａ］の範囲内、より好ましくは０．０５［Ｐａ］〜０．３［Ｐａ］の範囲内であればよい。ただし、このような０．０１［Ｐａ］〜０．５［Ｐａ］という従来技術に比べて極めて低い圧力下でプラズマ３８を発生させるには、非常に強力なプラズマ発生手段が必要であり、これを実現するために、この実施形態においては、熱陰極ＰＩＧ方式のプラズマ発生源を採用していることを、説明として付け加えておく。勿論、可能であれば、高周波方式などの熱陰極ＰＩＧ方式以外のプラズマ発生源を用いてもよい。
【００５６】
また、イオン窒化処理時の窒素ガスと水素ガスとの流量比（Ｎ２／Ｈ２）を０．１としたが、当該流量比が０．１〜１．０の範囲内にあるときは白層が生じないことを実験によって確認した。なお、この効果の確実性を高めるためには、当該流量比は０．２〜０．５の範囲内であるのが、好ましい。
【００５７】
更に、イオン窒化処理時の被処理物５８，５８，・・・に対するイオン電流密度を０．７［ｍＡ／ｃｍ２］としたが、このイオン電流密度は、０．１［ｍＡ／ｃｍ２］〜５［ｍＡ／ｃｍ２］の範囲内であればよい。ただし、イオン電流密度が小さいほど、窒化速度は遅くなる。一方、イオン電流密度が大きいほど、窒化速度は速くなるが、その反面、イオンの衝撃によって被処理物５８，５８，・・・自体の温度が上昇するため、単に当該イオン電流密度が大きければよいというものでもない。従って、より好ましくは、イオン電流密度は０．３［ｍＡ／ｃｍ２］〜３［ｍＡ／ｃｍ２］の範囲内であるのがよい。
【００５８】
そして、イオン窒化処理時に電熱ヒータ７８によって被処理物５８，５８，・・・を５００［℃］まで加熱したが、これに限らない。ただし、被処理物５８，５８，・・・の温度が低いほど、窒化速度は遅くなる。具体的には、当該温度が４５０［℃］を下回ると、窒化速度は極端に遅くなり、４００［℃］以下になると、窒化されない。一方、被処理物５８，５８，・・・の温度が高いほど、窒化速度は速くなるが、当該温度が５５０［℃］を超えると、被処理物５８，５８，・・・自体（生地）の硬度が低下してしまう。従って、イオン窒化処理時の被処理物５８，５８，・・・の温度は、４５０［℃］〜５５０［℃］の範囲内、より好ましくは５００［℃］±３０［℃］とするのがよい。また、電熱ヒータ７８以外の加熱手段（温度制御手段）を用いてもよい。
【００５９】
更に、イオン窒化処理時にバイアス電圧として被処理物５８，５８，・・・に印加される非対称パルス電圧の周波数ｆを１００［ｋＨｚ］としたが、当該周波数ｆが５０［ｋＨｚ］〜２５０［ｋＨｚ］の範囲内にあるときにも、上述と同様の効果が得られた。なお、この非対象パルス電圧の周波数ｆ以外の要素、すなわち図２における各電圧Ｖａ，ＶｂおよびＶｃ、ディーティ比（Ｔａ／Ｔ）についても、適宜変更してもよい。また、イオン窒化処理時は、当該バイアス電圧として負の直流電圧を用いてもよい。ただし、一種の絶縁物であるＤＬＣ膜を形成するときは、このバイアス電圧はパルス電圧とするのが望ましい。直流電圧が印加された場合、当該ＤＬＣ膜にイオンが蓄積され、つまりチャージアップが発生する。そして、被処理物５８，５８，・・・にイオンが輸送されず、ひいては当該ＤＬＣ膜が堆積しなくなるからである。
【００６０】
そして、被処理物５８，５８，・・・は、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼やＳＫＤダイス鋼に限らず、高速度工具鋼や合金工具鋼，アルミニウムクロムモリブデン鋼などの他の鉄系合金製であってもよい。
【００６１】
また、イオン窒化処理の後に珪素を含有するＤＬＣ膜（中間層としてのクロム膜および炭化珪素膜を含む）を形成する場合について説明したが、珪素を含まないＤＬＣ膜を形成してもよいし、ＤＬＣ膜以外の被膜を形成してもよい。そして、プラズマＣＶＤ処理（スパッタリング処理）以外の方法によって、これらの膜を形成してもよい。
【００６２】
更に、放電用ガスとして、アルゴンガスを用いたが、ヘリウム（Ｈｅ）やキセノン（Ｘｅ）などの他の不活性ガスを用いてもよい。
【００６３】
【発明の効果】
第１の発明によれば、窒化用ガスとして窒素ガスと水素ガスとの混合ガスが用いられつつも、白層を生じることなく拡散層が得られる。つまり、窒化用ガスとしてアンモニアガスが用いられる上述した従来技術に比べて、安全で、しかも簡単な構成、かつ低コストで、白層を生じないイオン窒化処理を実現できる。
【００６４】
第２の発明によれば、イオン窒化処理後に白層を除去する必要がないので、当該イオン窒化処理から成膜処理までの一連の処理を連続して、換言すれば同じ真空槽で、行うことができる。従って、これらの一連の処理に係る作業の簡素化、ひいては当該処理によって生成される物品の低コスト化を実現できる。
【００６５】
第３の発明は、第１の発明に対応する方法発明であるので、この第３の発明によれば、第１の発明と同様の効果が得られる。
【００６６】
第４の発明は、第２の発明に対応する方法発明であるので、この第４の発明によれば、第２の発明と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】同実施形態において被処理物に印加されるバイアス電圧の形態を示す図解図である。
【図３】同実施形態における実験結果を示すグラフである。
【図４】図２とは異なる条件下での実験結果を示すグラフである。
【図５】同実施形態において一連の処理を施された被処理物の断面を拡大して示す図解図である。
【図６】同実施形態における実験結果を写真で示す図解図である。
【図７】図６の比較対象を示す図解図である。
【符号の説明】
１０  表面処理装置
１２  真空槽
１４  排気口
１６  真空ポンプ
２０  プラズマガン
２２  反射電極
２４，２６  電磁コイル
４４，８４  ガス供給口
４６，４８，５０，８６，８８  ガス供給管
５２，５４，５６，９０，９２  マスフローコントローラ
７６  パルス電源装置
７８  電熱ヒータ
【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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