(57)【要約】【課題】凹部の内部を窒化しやすい窒化処理装置及び窒化処理方法を提供すること。【解決手段】処理対象物（２１）を収容可能な処理室（３）と、前記処理室内で高濃度の窒素原子を含むプラズマを発生させるプラズマ発生ユニット（５）と、前記処理室内で前記処理対象物と対向配置され、導電性材料から成る網状部材（１９）と、前記網状部材及び前記処理対象物に、前記プラズマの電位より低い電位を印加する電位印加ユニット（１６）と、を備えることを特徴とする窒化処理装置（１）。【選択図】 図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理対象物を収容可能な処理室と、
前記処理室内で高濃度の窒素原子を含むプラズマを発生させるプラズマ発生ユニットと、
前記処理室内で前記処理対象物と対向配置され、導電性材料から成る網状部材と、
前記網状部材及び前記処理対象物に、前記プラズマの電位より低い電位を印加する電位印加ユニットと、
を備えることを特徴とする窒化処理装置。
【請求項２】
前記プラズマ発生ユニットは、電子ビーム励起プラズマ法により前記プラズマを発生させることを特徴とする請求項１に記載の窒化処理装置。
【請求項３】
前記プラズマ発生ユニットは、マイクロ波励起プラズマ法により前記プラズマを発生させることを特徴とする請求項１に記載の窒化処理装置。  
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化処理装置を用いて前記処理対象物を窒化処理することを特徴とする窒化処理方法。
【請求項５】
前記処理対象物の表面のうち、凹部の底面を含む領域を窒化処理することを特徴とする請求項４に記載の窒化処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化処理装置及び窒化処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子ビームを照射することで窒素プラズマを生成し、その窒素プラズマにより処理対象物の表面を窒化する窒化処理が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−５２３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１記載の技術では、処理対象物の表面が凹部（例えば、孔、スリット等）を有する場合、その凹部の内部を窒化することは困難であった。本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、凹部の内部を窒化しやすい窒化処理装置及び窒化処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の窒化処理装置は、処理対象物を収容可能な処理室と、前記処理室内で高濃度の窒素原子を含むプラズマを発生させるプラズマ発生ユニットと、前記処理室内で前記処理対象物と対向配置され、導電性材料から成る網状部材と、前記網状部材及び前記処理対象物に、前記プラズマの電位より低い電位を印加する電位印加ユニットと、を備えることを特徴とする。本発明の窒化処理装置によれば、処理対象物が凹部を有する場合でも、その凹部の内部を窒化することができる。
【０００６】
本発明の窒化処理方法は、上述した窒化処理装置を用いて処理対象物を窒化処理することを特徴とする。本発明の窒化処理方法によれば、処理対象物が凹部を有する場合でも、その凹部の内部を窒化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】窒化処理装置１の構成を表す説明図である。
【図２】図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃは、それぞれ、網状部材１９の構成を表す平面図である。
【図３】小型電子ビーム源５の構成を表す説明図である。
【図４】処理対象物２１の構成を表す斜視図である。
【図５】図４におけるＶ−Ｖ断面での断面図である。
【図６】比較例における窒化処理装置Ｒ１の構成を表す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
＜第１の実施形態＞
１．窒化処理装置１の構成
窒化処理装置１の構成を図１〜図３に基づき説明する。窒化処理装置１は、図１に示すように、処理室３と、小型電子ビーム源５と、金属製カバー７と、試料台９と、加熱用ヒータ１１と、窒素供給配管１３と、排気配管１５と、電位印加ユニット１６と、を備える。
【０００９】
処理室３は円筒型の容器である。小型電子ビーム源５は、電子ビーム１７を生成し、その電子ビーム１７を処理室３内に導入する。小型電子ビーム源５の詳しい構成は後述する。金属製カバー７は、中空箱型の形状を有する金属製の部材である。金属製カバー７は、処理室３内に設けられ、より詳しくは、試料台９の上に載置される。金属製カバー７と試料台９とは電気的に導通している。金属製カバー７の上面は、金属製の網状部材１９である。網状部材１９は、図２Ａに示すように、金属製の線材２０が、一定の間隔をおいて格子状に配置された構造を有する。金属製カバー７の下面は開口している。
【００１０】
金属製カバー７は、その内部に処理対象物２１を収容可能である。金属製カバー７の下面は開口しているため、金属製カバー７に収容した処理対象物２１と試料台９とは当接する。そのため、処理対象物２１が導電性材料から成る場合、処理対象物２１は、金属製カバー７、及び試料台９と電気的に導通する。網状部材１９と処理対象物２１とは、所定の間隔をおいて対向する。
【００１１】
試料台９は、処理室３内に設けられた金属製の台である。試料台９は、電位印加ユニット１６によって、プラズマ電位より低い負電位を印加される。なお、上述したように、金属製カバー７及び処理対象物２１は試料台９と電気的に導通しているので、金属製カバー７及び処理対象物２１も、電位印加ユニット１６により負電位を印加される。
【００１２】
加熱用ヒータ１１は、処理室３内を加熱する。窒素供給配管１３は、処理室３内に、窒素を主成分とするガスを供給する。窒素供給配管１３には図示しないマスフローコントローラが設けられており、ガスの供給量を適宜調整可能である。
【００１３】
排気配管１５の下流側は図示しない真空ポンプに接続している。排気配管１５には、図示しない開閉バルブが設けられている。その開閉バルブの開口率を調整することで、処理室３内の圧力を適宜設定できる。
【００１４】
次に、図３に基づき、小型電子ビーム源５の構成を説明する。小型電子ビーム源５は、筐体２５と、カソード２７と、予備アノード２９と、アノード３１と、加速電極３３と、アルゴン供給配管３４と、を備える。
【００１５】
筐体２５は円筒型の中空容器である。カソード２７、予備アノード２９、アノード３１、及び加速電極３３は筐体２５内に、その順序で配置されている。以下では、筐体２５の内部のうち、カソード２７とアノード３１との間の領域を放電領域３５とする。さらに、放電領域３５のうち、カソード２７と予備アノード２９との間の領域を第１放電領域３５Ａとし、予備アノード２９とアノード３１との間の領域を第２放電領域３５Ｂとする。また、筐体２５の内部のうち、アノード３１と加速電極３３との間の領域を加速領域３７とする。
【００１６】
予備アノード２９は中央に小孔２９Ａを有する。第１放電領域３５Ａと第２放電領域３５Ｂとは小孔２９Ａにより連通している。アノード３１及び加速電極３３はそれぞれ網状の形状を有する。アルゴン供給配管３４は、第１放電領域３５Ａにアルゴンガスを供給する。
【００１７】
小型電子ビーム源５は、以下のようにして電子ビーム１７を生成する。まず、アルゴン供給配管３４から第１放電領域３５Ａにアルゴンガスを供給し、カソード２７と予備アノード２９との間で直流放電を発生させる。その後、カソード２７とアノード３１との間に放電を移行し、安定したアルゴンプラズマ３９を生成する。このアルゴンプラズマ３９から、加速領域３７における加速電圧（アノード３１と加速電極３３との間の電圧）により、電子のみを取り出し、電子ビーム１７を生成する。電子ビーム１７は、加速電極３３の網目を通り、処理室３内に導入される。なお、小型電子ビーム源５は、プラズマ発生ユニットの一例である。
【００１８】
２．窒化処理装置１を用いる窒化処理方法
窒化処理装置１を用いる窒化処理方法を説明する。窒化処理を行う対象として、図４及び図５に示す処理対象物２１を用意した。処理対象物２１の材質は、鋼材（ＳＫＤ６１）である。処理対象物２１は、底板４３と、一対の側板４５、４７と、端部材４９、５１とから成る。
【００１９】
側板４５、４７は、底板４３の上面に幅１ｍｍの間隔をおいて互いに平行となるように立設されている。端部材４９、５１は、側板４５、４７間の隙間のうち、両端部を埋めている。側板４５、４７の高さは２０ｍｍである。
【００２０】
処理対象物２１は、上記の構造により、側板４５、４７、及び端部材４９、５１で周囲を囲まれた凹部５３を有する。凹部５３は、処理対象物２１の上面で開口し、底板４３に至っている。凹部５３の幅は１ｍｍ、深さは２０ｍｍである。
【００２１】
この処理対象物２１を、窒化処理装置１の金属製カバー７内に収容した。このとき、処理対象物２１の底板４３が試料台９に接し、凹部５３の開口部が、網状部材１９と対向するようにした。
【００２２】
次に、窒化処理装置１を動作させ、処理室３内で高濃度の窒素原子を含むプラズマ５４を発生させ、窒化処理を行った。このときの動作条件は以下のようにした。
小型電子ビーム源５へのアルゴンガスの供給量：毎分４０ｃｃ
処理室３への窒素ガスの供給量：毎分８０ｃｃ
処理室３への水素ガスの供給量：毎分５ｃｃ
処理室３内のガス圧力：０．２Ｐａ
電子ビーム１７の加速電圧：８０Ｖ
電子ビーム１７の電流値：９．３Ａ
プラズマ電位：０Ｖ
網状部材１９の電位：−１００Ｖ
処理対象物２１の電位：−１００Ｖ
処理室３内の温度：４８５℃
窒化処理時間：１０時間
このとき、以下の機序により、窒化処理が進行すると推測される。加速電圧が８０Ｖである低エネルギーの電子ビーム１７を大電流にて処理室３へ入射することにより、処理室３内で効率よく窒素原子が生成し、同時に、窒素プラズマも発生する。すなわち、電子ビーム励起プラズマ法により、処理室３内で窒素プラズマが発生する。
【００２３】
窒素プラズマ中には、窒素原子のイオン（Ｎ＋イオン）が高濃度に存在する。プラズマ中のＮ＋イオンは、プラズマ電位と網状部材１９の電位との電位差（−１００Ｖ）により網状部材１９の方向に加速され、網状部材１９を通過する。網状部材１９と処理対象物２１とは同電位であるため、網状部材１９を通過したＮ＋イオンは、いわゆる「エッジ効果」を受けることなく、処理対象物２１に向って直進する。このとき、Ｎ＋イオンの一部は電荷交換反応により窒素中性粒子（Ｎ）ビームに変化する。Ｎ＋イオンとＮビームは、ともに、処理対象物２１に到達し、窒化処理を進行させる。
【００２４】
Ｎ＋イオンとＮビームとは、上記の電位差により処理対象物２１の方向に加速されているので、凹部５３の内部まで侵入し、内部でも窒化処理を進行させる。
窒化処理の終了後、処理対象物２１を窒化処理装置１から取り出し、部品ごとに分解した。底板４３のうち、凹部５３に臨む部分４３Ａ（図５参照）の表面硬度を、微小硬度計（ビッカース硬度計）を用いて測定した。測定の結果、表面硬度は１１５５Ｈｖであった。この表面硬度は、窒化処理前の値である６７２Ｈｖに比べて、顕著に向上していた。
【００２５】
３．窒化処理装置１が奏する効果
（１Ａ）窒化処理装置１、及びそれを用いた窒化処理方法は、凹部の内部（例えば凹部の底面、内側面等）についても、窒化処理を進行させ、硬度を向上させることができる。
【００２６】
（１Ｂ）窒化処理装置１は、電子ビーム励起プラズマ法により窒素プラズマを発生させる。そのことにより、窒化処理に好適な窒素プラズマを容易に発生させることができる。
＜比較例＞
図６に示すように、窒化処理装置１と基本的には同様の構成を有するが、一部において異なる窒化処理装置Ｒ１を用意した。窒化処理装置Ｒ１は、金属製カバー７（図１参照）を備えず、代わりに、石英ガラスからなる絶縁板５５を試料台９上に備える。また、窒化処理装置Ｒ１は、電位印加ユニット１６を備えない。
【００２７】
この窒化処理装置Ｒ１を用いて、処理対象物２１に対し、以下のようにして窒化処理を行った。まず、処理対象物２１を、絶縁板５５上に載置した。このとき、処理対象物２１と試料台９とは、電気的に絶縁されている。処理対象物２１は前記第１の実施形態と同様のものであり、底板４３が絶縁板５５と接する向きで載置した。
【００２８】
次に、窒化処理装置Ｒ１を動作させ、処理室３内で高濃度の窒素原子を含むプラズマを発生させ、窒化処理を行った。このときの動作条件は、基本的には前記第１の実施形態と同様である。ただし、処理対象物２１には負の電位は印加されない。本比較例では、処理対象物２１の表面において通常のアトム窒化が進行すると推測される。
【００２９】
窒化処理の終了後、処理対象物２１を窒化処理装置Ｒ１から取り出し、部品ごとに分解した。底板４３のうち、凹部５３に臨む部分４３Ａの表面硬度を、微小硬度計（ビッカース硬度計）を用いて測定した。測定の結果、表面硬度は８３１Ｈｖであった。この表面硬度は、前記第１の実施形態における窒化処理後の測定値に比べて、顕著に低い値であった。すなわち、本比較例では、凹部５３の内部における窒化を十分に進行させることはできなかった。
＜その他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得る。
【００３０】
（１）窒化処理装置１は、電子ビーム励起プラズマ法に代えて、マイクロ波励起プラズマ法によりプラズマを発生させてもよい。
（２）網状部材１９は、図２Ｂに示すように、金属板５７に複数の貫通孔５９を設けたものであってもよいし、図２Ｃに示すように、金属板６１に複数のスリット６３を設けたものであってもよい。
【００３１】
（３）処理室３に供給するガスは、窒素以外の成分を実質的に含まないガスであってもよい。
（４）処理対象物２１の電位は、プラズマ電位より低い範囲内で適宜設定できる。例えば、処理対象物２１の電位は、網状部材１９より高い電位であってもよいし、網状部材１９より低い電位であってもよい。
【００３２】
（５）網状部材１９の材料は、金属以外の導電性材料（例えば導電性カーボン等）であってもよい。  
（６）処理対象物２１の形状は適宜選択できる。例えば、処理対象物２１は、断面が円形、楕円形等の孔（凹部の一例）を備えていてもよいし、スリット（凹部の一例）を備えていてもよい。また、処理対象物２１は、凹部を備えていなくてもよい。
【００３３】
（７）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。
【００３４】
（８）上述した窒化処理装置の他、当該窒化処理装置を構成要素とするシステム等、種々の形態で本発明を実現することもできる。
【符号の説明】
【００３５】
１…窒化処理装置、３…処理室、５…小型電子ビーム源、７…金属製カバー、９…試料台、１１…加熱用ヒータ、１３…窒素供給配管、１５…排気配管、１６…電位印加ユニット、１７…電子ビーム、１９…網状部材、２０…線材、２１…処理対象物、２５…筐体、２７…カソード、２９…予備アノード、２９Ａ…小孔、３１…アノード、３３…加速電極、３４…アルゴン供給配管、３５…放電領域、３５Ａ…第１放電領域、３５Ｂ…第２放電領域、３７…加速領域、３９…アルゴンプラズマ、４３…底板、４５、４７…側板、４９、５１…端部材、５３…凹部、５４…プラズマ、５５…絶縁板、５７…金属板、５９…貫通孔、６１…金属板、６３…スリット、Ｒ１…窒化処理装置
【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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