(57)【要約】【課題】ワークＷの内面を均一に加工処理する。【解決手段】ワークＷを真空槽１１内に保持し、真空槽１１に導入する原料ガスを間欠的に電離させてプラズマを生成し、ワークＷ内にプラズマを存在させながら、ワークＷ内の電極１４とワークＷとの間にバイアス電圧Ｖを印加する。  バイアス電圧Ｖは、プラズマ中のイオンをワークＷの内面に向けて加速する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空ワークの内面を加工処理するに際し、ワークを真空槽内に保持し、真空槽に導入する原料ガスを間欠的に電離させてプラズマを生成し、ワーク内にプラズマを存在させながら、ワーク内に配設する電極とワークとの間にバイアス電圧を印加することを特徴とする中空ワークの内面加工方法。
【請求項２】
原料ガスをワーク内で電離させてプラズマを生成することを特徴とする請求項１記載の中空ワークの内面加工方法。
【請求項３】
原料ガスをワーク外で電離させ、生成するプラズマをワーク内に流入させることを特徴とする請求項１記載の中空ワークの内面加工方法。
【請求項４】
バイアス電圧は、ワーク側に対して電極側を正とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか記載の中空ワークの内面加工方法。
【請求項５】
電極は、ワークを貫通し、ワークの前後に突出することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか記載の中空ワークの内面加工方法。
【請求項６】
電極は、電力発生源に接続することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか記載の中空ワークの内面加工方法。
【請求項７】
電極は、接地することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか記載の中空ワークの内面加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パイプ材のような中空ワークの内面を均一に加工処理することができる中空ワークの内面加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空槽内にワークを保持し、適切な原料ガスを真空槽内に導入してプラズマ化させると、ワークの近傍にイオンリッチなイオンシースが形成され、イオンシースを介してイオンがワークの表面に向けて加速されるため、ワークの表面に対してエッチング処理、ドーピング処理、コーティング処理などの加工処理をすることができる。
【０００３】
なお、このとき、原料ガスを間欠的に電離させるとともに、ワークに適切なバイアス電圧を印加することにより、複雑形状のワークの表面に対して均一な加工処理をすることができる（特許文献１）。原料ガスを間欠的に電離させることにより、プラズマをワークの周囲に均一に生成させることができ、バイアス電圧を介してイオンシース内のイオンをさらに加速することができるからである。
【特許文献１】特開平１１−２９７４９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
かかる従来技術によるときは、ワークがパイプ材のような中空ワークである場合、ワークの内面を均一に加工処理することが必ずしも容易でないという問題があった。中空ワークの内部では、プラズマが不安定であり、均一な加工処理の進行が妨げられるからである。
【０００５】
そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、ワーク内に棒状の電極を配設することによって、パイプ材のような中空ワークの内面を均一に加工処理することができる中空ワークの内面加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる目的を達成するためのこの発明の構成は、中空ワークの内面を加工処理するに際し、ワークを真空槽内に保持し、真空槽に導入する原料ガスを間欠的に電離させてプラズマを生成し、ワーク内にプラズマを存在させながら、ワーク内に配設する電極とワークとの間にバイアス電圧を印加することをその要旨とする。
【０００７】
なお、原料ガスをワーク内で電離させてプラズマを生成することができ、または、原料ガスをワーク外で電離させ、生成するプラズマをワーク内に流入させることができる。
【０００８】
また、バイアス電圧は、ワーク側に対して電極側を正としてもよく、電極は、ワークを貫通し、ワークの前後に突出させてもよい。
【０００９】
さらに、電極は、電力発生源に接続してもよく、接地してもよい。
【発明の効果】
【００１０】
かかる発明の構成によるときは、真空槽内の原料ガスを電離させて生成するプラズマをワーク内に存在させながら、ワーク内に配設する電極とワークとの間にバイアス電圧を印加することにより、バイアス電圧を介してプラズマ中のイオンを積極的にワークの内面に向けて加速することができ、ワークの内面を均一に加工処理することができる。なお、原料ガスは、各種の有機金属化合物やハロゲン化金属などの他、いわゆるＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｕｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）技術、エッチング技術などに適用可能な任意の単体ガスまたは混合ガスが使用可能である。また、原料ガスを電離させるには、原料ガス中に所定の電力密度以上の高周波電力またはマイクロ波電力を投入すればよい。ただし、この発明の加工対象は、鋼などの金属製のパイプ材または貫通孔付きの中空ワークであって、パイプ材の内面または貫通孔の内面を加工処理するものとする。
【００１１】
原料ガスは、ワーク内に導入し、ワーク内で電離させてプラズマを生成することにより、プラズマの利用率を向上させることができる。なお、このとき、ワークまたはワーク内の電極の一方を電力投入用のアンテナとして使用するものとする。また、原料ガスをワーク外で電離させ、生成するプラズマをワーク内に流入させる場合、一般的な誘導結合、容量結合、導波管結合などを介して必要な電力を原料ガスに投入することができる。
【００１２】
バイアス電圧は、ワーク側に対して電極側を正とすることにより、ワークの内面と電極との間に電界を形成し、プラズマ中のイオンをワークの内面に向けて加速することができる。なお、バイアス電圧用の電源は、電極が直流的に接地レベルにある場合、ワークに対してマイナス電圧を印加し、ワークが直流的に接地レベルにある場合、電極に対してプラス電圧を印加するものとする。
【００１３】
電極は、ワークを貫通し、ワークの前後に突出させることにより、ワークの内部に均一な電界を作り、ワークの内面の加工処理を一層均一化することができる。なお、電極は、丸棒材とし、ワークの軸心またはワークの貫通孔の軸心上に置くことが好ましい。また、電極は、ワークの内面との間に少なくとも１０mm以上の隙間を設けることが好ましい。隙間が小さいと、ワーク内のプラズマが不安定になり、円滑な加工処理ができなくなるからである。
【００１４】
電極は、電力発生源に接続することにより、ワーク内で原料ガスを電離させ、プラズマを生成させることができる。また、電極は、それを接地することにより、ワークに負のバイアス電圧を印加してワーク内にイオン加速用の電界を作ることができる。ただし、前者の場合の電極は、それを直流的に接地レベルとし、バイアス電圧印加用の電極として共用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
中空ワークの内面加工方法は、真空槽１１、電力発生源２１、バイアス電源２３、原料ガス源３１を備える加工処理装置において実施する（図１）。
【００１７】
真空槽１１には、排出弁１２を介して真空ポンプ１３が付設されている。なお、真空槽１１は、電気的に接地されている。パイプ材のワークＷは、図示しない絶縁性のスタンドを介して真空槽１１内に保持されており、ワークＷ内には、電極１４が貫通して配設されている。また、真空槽１１内には、ワークＷを加熱するヒータ１５が配設されている。
【００１８】
電力発生源２１の出力は、整合回路２２を介して真空槽１１に導入され、電極１４の一端に接続されている。なお、整合回路２２は、可変コンデンサＣ1 、Ｃ2 を逆Ｌ形に接続して構成されている。電極１４の他端は、抵抗またはインダクタンスによるインピーダンス素子１６を介して接地されている。すなわち、電極１４は、インピーダンス素子１６を介して直流的に接地レベルになっている。また、バイアス電源２３の出力は、真空槽１１に導入され、ワークＷに接続されている。
【００１９】
原料ガス源３１は、微調整弁３１ａ、開閉弁３３を介し、真空槽１１に導入するノズル３４に接続されている。なお、ノズル３４の先端は、ワークＷの入口側に向けて開口している。また、開閉弁３３の上流側には、キャリヤガス源３２が付設されている。
【００２０】
電極１４は、丸棒材であり、ワークＷの軸心Ｃ上に置かれている（図２）。電極１４は、ワークＷを前後に貫通し、ワークＷの前後に突出している。電極１４の全長Ｌ、直径Ｄ、ワークＷの全長Ｌw 、内径Ｄw として、Ｌ＝Ｌw ＋Ｌa ＋Ｌb 、Ｄ＜Ｄw 、δ＝（Ｄw −Ｄ）／２である。ただし、Ｌa 、Ｌb は、それぞれワークＷの入口側、出口側に突出する電極１４の突出長さであり、δは、電極１４とワークＷの内面との隙間である。
【００２１】
図１において、電力発生源２１は、整合回路２２を介して高周波電力Ｐを電極１４に供給する。すなわち、電極１４は、高周波電力Ｐを投入するアンテナとして作動している。また、バイアス電源２３は、負のバイアス電圧Ｖを出力することにより、ワークＷ側に対して電極１４側を正とするバイアス電圧ＶをワークＷと電極１４との間に印加することができる。電極１４は、インピーダンス素子１６を介し、直流的に接地レベルにあるからである。
【００２２】
一方、原料ガス源３１からの原料ガス、キャリヤガス源３２からのキャリヤガスは、ノズル３４を介してワークＷに導入される。そこで、電力発生源２１からの高周波電力Ｐは、ワークＷ内で原料ガスまたはキャリヤガスを電離させてプラズマを生成し、バイアス電源２３からのバイアス電圧Ｖは、プラズマ中のイオンをワークＷの内面に向けて加速し、ワークＷの内面を加工処理することができる。なお、高周波電力Ｐをパルス状にすることにより、ワークＷ内の原料ガス等を間欠的に電離させ、パルスプラズマを生成することができる。
【実施例１】
【００２３】
図１において、ステンレス鋼製のワークＷの全長Ｌw ＝１２０mm、内径Ｄw ＝６０mmとし、電極１４の全長Ｌ＝２５０mm、直径Ｄ＝１０mm、入口側の突出長さＬa ＝３０mm、出口側の突出長さＬb ＝１００mmとして、電極１４とワークＷとの隙間δ＝２５mmとした。ヒータ１５を介してワークＷを３００℃に加熱しながら、真空槽１１内を５×１０-3Ｐa にまで真空引きした後、キャリヤガス源３２からＡr ガスを注入して真空槽１１内を１Ｐa に維持し、電力発生源２１から１３．５６MHz ５００Ｗの高周波電力Ｐを連続出力させるとともに、バイアス電源２３から−１ｋＶ、デューティ比３％、繰返し周波数ｆ2 ＝１／Ｔ2 ＝３kHz （図３（Ｂ））のパルス状のバイアス電圧Ｖを印加した。これを３０分間継続し、ワークＷの内面をアルゴンボンバードによりクリーニングした。
【００２４】
つづいて、バイアス電圧Ｖを−４ｋＶ、デューティ比３％、繰返し周波数ｆ2 ＝３kHz とし、高周波電力Ｐを出力３００Ｗ、デューティ比５０％、繰返し周波数ｆ1 ＝１／Ｔ1 ＝１kHz （図３（Ａ））のパルス状とし、原料ガス源３１からＴＤＭＡＴ（テトラジメチルアミノチタン）ガス０．１５ｃｃ／min を注入するとともに、キャリヤガス源３２からＮ2 ガス１００ｃｃ／min 、ＣＨ4 ガス２００ｃｃ／min を注入し、真空槽１１内を３．５Ｐa に維持しながら１時間コーティング処理し、ワークＷの内面にＴi ＣＮ膜を生成させた。
【実施例２】
【００２５】
実施例１において、ワークＷの全長Ｌw ＝１２０mm、内径Ｄw ＝３０mmとした。
【実施例３】
【００２６】
実施例１において、アルゴンボンバードによるクリーニングと、その後のコーティング処理中のバイアス電圧Ｖを直流−１ｋＶとした。
【比較例１】
【００２７】
実施例１において、ワークＷの全長Ｌw ＝１２０mm、内径Ｄw ＝２０mmとして、電極１４とワークＷとの隙間δ＝５mmとした。
【比較例２】
【００２８】
実施例１において、コーティング処理中の高周波電力Ｐを３００Ｗ連続とした。
【００２９】
実施例１〜３、比較例１、２によって生成されたワークＷの内面のＴi ＣＮ膜の膜厚（μｍ）と、スクラッチテスト法による膜の密着力（Ｎ）とのデータを図４にまとめて示す。ただし、膜厚は、ワークＷの入口付近、中心部、出口付近のデータである。実施例１〜３では、均一な高密着力のＴi ＣＮ膜がワークＷの内面に生成されているが、比較例１、２では、膜厚が不均一であり、密着力も不十分である。
【他の実施の形態】
【００３０】
図１の加工処理装置は、整合回路２２を介して電力発生源２１から十分大きな高周波電力ＰをワークＷ内の原料ガス、キャリヤガスに投入し得る限り、インピーダンス素子１６を省略し、電極１４の出口側の先端を直接接地してもよい。
【００３１】
また、バイアス電源２３からの負のバイアス電圧Ｖは、低域フィルタ２４を介し、電力発生源２１からの高周波電力Ｐとともに、真空槽１１内のワークＷに供給してもよい（図５）。ただし、図５において、キャリヤガス源３２、開閉弁３３は、図示が省略されており、電極１４は、直接接地されている。
【００３２】
さらに、バイアス電源２３からの正のバイアス電圧Ｖは、低域フィルタ２４を介し、電力発生源２１からの高周波電力Ｐとともに、電極１４に供給してもよい（図６）。ただし、図６において、ワークＷは、直接接地されている。
【００３３】
真空槽１１の上部には、プラズマ生成用のキャビティ１７を付設することができる（図７）。キャビティ１７は、たとえば石英ガラスのような耐熱耐圧性の絶縁材料により形成され、キャビティ１７の上部外周には、整合回路２２を介して電力発生源２１に接続するヘリカルアンテナ２５が配置されている。また、キャビティ１７の頂部には、キャリヤガス源３２からのキャリヤガスが開閉弁３２ａを介して注入され、ヘリカルアンテナ２５の下部には、原料ガス源３１からの原料ガスが微調整弁３１ａを介して注入される。なお、ワークＷは、絶縁材料からなる仕切り壁１７ａを介してキャビティ１７の下部に上下方向に保持されており、ワークＷ内の電極１４は、直接接地されている。また、ワークＷには、バイアス電源２３からの負のバイアス電圧Ｖが印加されている。
【００３４】
キャリヤガス源３２からのキャリヤガスは、キャビティ１７の上部において、パルス状の高周波電力Ｐにより間欠的に電離されてプラズマ化する。すなわち、キャビティ１７の上部には、ヘリカルアンテナ２５に対応するプラズマ生成領域ＰＲが形成されている。そこで、原料ガス源３１からの原料ガスは、プラズマ生成領域ＰＲからのキャリヤガスのプラズマと混合して電離し、プラズマ流を形成しながらワークＷに流入することにより、ワークＷの内面を加工処理することができる。
【００３５】
以上の説明において、電力発生源２１は、高周波電力Ｐを発生するに代えて、マイクロ波電力を発生してもよい。ただし、このときの整合回路２２、アンテナとしての電極１４、ヘリカルアンテナ２５は、適当な導波管回路などを使用するものとする。また、この発明は、原料ガス、キャリヤガスを適切に選定し、ワークＷの加熱温度を含む操業パラメータを適切に設定することにより、ワークＷの内面に対し、各種のコーティング処理、ドーピング処理、エッチング処理などを施すことができる。なお、ワークＷが貫通孔付きのワークの場合、電極１４を貫通孔に貫通させることにより、貫通孔の内面を加工処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】加工処理装置の全体模式構成図
【図２】図１の要部詳細説明図
【図３】動作説明線図
【図４】実施データ説明図
【図５】他の実施の形態を示す図１相当図（１）
【図６】他の実施の形態を示す図１相当図（２）
【図７】他の実施の形態を示す図１相当図（３）
【符号の説明】
【００３７】
Ｗ…ワーク
Ｖ…バイアス電圧
１１…真空槽
１４…電極
２１…電力発生源
特許出願人          フジタ技研株式会社
石川県
代理人  弁理士          松  田  忠  秋
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005158601.tif 000005
【図４】
2005158601.tif 000006
【図５】
2005158601.tif 000007
【図６】
2005158601.tif 000008
【図７】
2005158601.tif 000009