(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバ内にガスを導入しつつ排気し、前記真空チャンバ内に配置された貫通穴を有した電極に電圧を印加することで、前記電極上に配置されたワークの貫通穴の内部にイオンを導入し、このイオンを前記貫通穴の内側表面に衝突させて処理する表面処理方法であって、
前記ワークの貫通穴のうちイオン導入端に背反する一端あるいは一端寄り部分を絶縁物で閉塞した状態で、イオンを前記イオン導入端から導入し、前記絶縁物を移動させながら、前記貫通穴の内側表面を処理することを特徴とする表面処理方法。
【請求項２】
絶縁物をイオン導入端に背反する穴部の一端から挿入し、穴部の軸芯方向に沿って移動させることを特徴とする請求項１記載の表面処理方法。
【請求項３】
真空チャンバ内にガスを導入しつつ排気し、前記真空チャンバ内に配置された電極に電圧を印加することで、前記電極上に配置されたワークの穴部の内部にイオンを導入し、このイオンを前記穴部の内側表面に衝突させて処理する表面処理方法であって、
前記ワークの穴部の内部を予め絶縁物で埋め込み、エッチングガスにより前記イオン導入端側から前記絶縁物をエッチングする工程と、エッチングにより開口した穴部内に窒素イオンを導入して穴部の内側表面を表面処理する工程とを交互に行うことを特徴とする表面処理方法。
【請求項４】
穴部内を埋め込む絶縁物をプラズマ重合により生成し、前記穴部内を埋め込んだ絶縁物をドライエッチングすることを特徴とする請求項３記載の表面処理方法。
【請求項５】
ガス導入系および排気系を備えた真空チャンバと、前記真空チャンバ内に配置された貫通穴を有した電極と、前記電極に電圧を印加するバイアス電源と、前記電極上に配置されたワークの貫通穴のうち前記電圧の印加によって導入されるイオンの導入端に背反する一端あるいは一端寄り部分を閉塞する絶縁物と、前記絶縁物を保持し移動させる絶縁物保持手段とを備えたことを特徴とする表面処理装置。
【請求項６】
絶縁物保持手段は、絶縁物をワークの穴部内に挿入し、穴部の軸芯方向に沿って移動させるように構成したことを特徴とする請求項５記載の表面処理装置。
【請求項７】
ガス導入系および排気系を備えた真空チャンバと、前記真空チャンバ内に配置された電極と、前記電極に電圧を印加するバイアス電源と、前記電極上に配置されたワークの穴部内に埋め込まれた絶縁物をエッチングするためのエッチングガス導入系とを備え、
前記絶縁物をドライエッチングする工程と、エッチングにより開口した穴部の内側表面を前記電圧の印加によって導入されるイオンで表面処理する工程とを交互に行うように構成したことを特徴とする表面処理装置。
【請求項８】
ガス導入系および排気系を備えた真空チャンバと、前記真空チャンバ内に配置された電極と、前記電極に電圧を印加するバイアス電源と、前記電極上に配置されたワークの穴部内を埋め込む絶縁物をプラズマ重合により生成する材料ガス導入系およびプラズマ発生手段と、前記絶縁物をエッチングするためのエッチングガス導入系とを備え、
前記絶縁物を生成する絶縁物生成工程の後、前記絶縁物をドライエッチングする工程と、エッチングにより開口した穴部の内側表面を前記電圧の印加によって導入されるイオンで表面処理する工程とを交互に行なうように構成したことを特徴とする表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸受け等の部品に形成された穴部の内側表面に硬化処理などの改質処理を施す表面処理方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、小型モーターの軸受けやインクジェットノズルなど、穴部を持った部品の前記穴部に臨む内側表面を改質する技術が種々、実用化されている。たとえば、軸受けの場合は窒素等のイオンを照射することで表面を硬化させて耐摩耗性を向上させることができ、インクジェットノズルの場合はフッ素等のイオンを照射することで吐出性を向上させることができる。
【０００３】
このような表面処理のうち、イオンビームを使用する方法は一般に生産性が低いことから利用頻度が少なく、プラズマ中のイオンを使用する方法が多く見受けられる。そこで、以下にプラズマを用いる方法を例に挙げて表面処理を説明する。
【０００４】
図５は従来の表面処理装置の構成を示す。排気ライン１とガス供給ライン２とを備えた真空チャンバ３の内部に、処理対象の穴部４ａを持った基体（ワーク）４を載置する支持台５と、誘導結合方式のプラズマ源（以下、「ＩＣＰ」と称す）としてのコイル６とが設置されている。真空チャンバ３の外部には、前記支持台５にバイアス電圧をかけるバイアス電源７と、コイル６に高周波電力を供給する高周波電源８とが設けられている。ここで、基体４は鉄系合金で作製され摺動部に用いられる機械部品であり、穴部４ａの内側表面４ｂの耐摩耗性を向上させることを目的として処理される。
【０００５】
このような表面処理装置において、ガス供給ライン２よりたとえば窒素ガスを導入しつつ、排気ライン１より排気することによって、真空チャンバ３内を所定の圧力に保つ。この状態において、高周波電源８よりコイル６に電力を供給して窒素イオンと電子とからなるプラズマ９を発生させるとともに、バイアス電源７により支持台５を介して基体４にバイアス電圧を印加する。
【０００６】
このことにより、プラズマ９中の窒素イオンは、基体４に印加されたバイアス電圧によってプラズマ９から引き出され、基体４とプラズマ９間のシース電界によって基体４の外側表面に対して垂直に加速され、穴部４ａのほぼ深さ方向にそった速度方向を持って穴部４ａの内部に侵入する。その際に、窒素イオンはプラズマ９と基体４との電位差に基づくエネルギーを持っているため、基体４の内側表面４ｂに衝突した場合にはその内側表面４ｂに注入され、基体４の成分と反応して内側表面４ｂを硬化させる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の表面処理方法および装置では、上記したようにイオンが穴部４ａの深さ方向にほぼ沿った速度方向を持つため、イオンの大部分が穴部４ａを通過したり、穴部４ａの一端が閉塞されている場合にはその閉塞部に注入されてしまい、内側表面４ｂの処理効率が非常に悪いという問題があった。この問題はイオンビームを用いる方法でも同様である。
【０００８】
この問題を解消すべく、特開平０５−１３１１３２号公報、特開昭６３−１９９８６５号公報、特開昭６１−１７０５６７号公報に記載された発明には、電極やイオン源を穴の内部に設けることが開示されているが、微細な穴を扱うような場合には事実上利用不可能である。
【０００９】
また特開平０４−４８６３５号公報や特開昭６２−２２２５５８号公報に記載された発明には、イオンビームに対して基体を傾斜させて保持し、傾斜した基体を回転させる方法が開示されているが、高アスペクトの穴に対しては２軸の回転機構が必要であり、装置構成が複雑になるという問題があった。またプラズマを使用する方法では、シース電界が基体とともに移動するので、このような方法でイオンの入射角度を変えることはできない。
【００１０】
更に特開昭６１−１３３３７７号公報に記載された発明には、穴部の内部に正電極を配置しておき、穴部内に入ってきたイオンを正電極と基体がつくる電界で曲折させて内側表面に衝突させる方法が開示されている。しかし、このときの正電極の電位は予備実験によって決められた値に固定されているため、イオン源やプラズマ源の経時変化やチャンバ雰囲気の変化によってイオンのエネルギーが変化した場合に、処理の再現性がなくなるという問題があった。その対策として、これらの変化を考慮して予備実験することも考えられるが、いくつもの変化要因があるため事実上不可能であることが、本発明者らの度重なる実験から導出されている。
【００１１】
本発明は上記問題を解決するもので、小型モータの軸受けなどの部品に形成された穴部の内側表面をイオンを用いて改質する表面処理を簡易に、また効率的かつ安定して行うことができる表面処理方法および装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の本発明は、真空チャンバ内にガスを導入しつつ排気し、前記真空チャンバ内に配置された貫通穴を有した電極に電圧を印加することで、前記電極上に配置されたワークの貫通穴の内部にイオンを導入し、このイオンを前記貫通穴の内側表面に衝突させて処理する表面処理方法であって、前記ワークの貫通穴のうちイオン導入端に背反する一端あるいは一端寄り部分を絶縁物で閉塞した状態で、イオンを前記イオン導入端から導入し、前記絶縁物を移動させながら、前記貫通穴の内側表面を処理することを特徴とする。
【００１３】
この方法によれば、イオンは穴部の深さ方向にほぼ沿った速度方向を持って入射してきて絶縁物の表面に蓄積し、蓄積したイオンの電荷による電界が大きくなると、新たに入射してきたイオンは絶縁物の表面近傍まで到達してから内側表面へと導かれるので、微小な穴部であってもイオンを用いて内側表面を効率よく表面処理できる。その際に、イオン源やプラズマ源の経時変化やワーク周囲の雰囲気の変化によってイオンのエネルギーが変化しても、それに応じた電荷蓄積量となるので、変化に対応して安定した表面処理を実現できる。
【００１４】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の表面処理方法において、絶縁物をイオン導入端に背反する穴部の一端から挿入し、穴部の軸芯方向に沿って移動させることを特徴とする。
【００１５】
この方法によれば、絶縁物の移動によりその表面が変位するので、穴部内に入射してきたイオンはその時点での表面位置の近傍まで到達してから内側表面へと導かれることになり、穴部が深い場合も一様に効率よく表面処理できる。
【００１６】
請求項３記載の本発明は、真空チャンバ内にガスを導入しつつ排気し、前記真空チャンバ内に配置された電極に電圧を印加することで、前記電極上に配置されたワークの穴部の内部にイオンを導入し、このイオンを前記穴部の内側表面に衝突させて処理する表面処理方法であって、前記ワークの穴部の内部を予め絶縁物で埋め込み、エッチングガスにより前記イオン導入端側から前記絶縁物をエッチングする工程と、エッチングにより開口した穴部内に窒素イオンを導入して穴部の内側表面を表面処理する工程とを交互に行うことを特徴とする。
【００１７】
この方法によれば、上記した各方法と同様に、穴部の内側表面を安定して、効率よく、かつ一様に表面処理できるだけでなく、貫通していない穴部であっても安定して表面処理を行うことができる。
【００１８】
請求項４記載の本発明は、請求項３記載の表面処理方法において、穴部内を埋め込む絶縁物をプラズマ重合により生成し、前記穴部内を埋め込んだ絶縁物をドライエッチングすることを特徴とする。
この方法によれば、表面処理を行なうチャンバ内で、プラズマ重合、ドライエッチングとも行なえるので、処理効率を向上できる。
【００１９】
請求項５記載の本発明は、ガス導入系および排気系を備えた真空チャンバと、前記真空チャンバ内に配置された貫通穴を有した電極と、前記電極に電圧を印加するバイアス電源と、前記電極上に配置されたワークの貫通穴のうち前記電圧の印加によって導入されるイオンの導入端に背反する一端あるいは一端寄り部分を閉塞する絶縁物と、前記絶縁物を保持し移動させる絶縁物保持手段とを備えたことを特徴とする。
この装置によれば、穴部の内側表面を安定して、効率よく表面処理できる。
【００２０】
この装置によれば、穴部の内側表面を安定して、効率よく表面処理できる。しかも従来のような回転機構がないシンプルな構成であるため、高い信頼性およびメンテ性を実現できる。
【００２１】
請求項６記載の本発明は、請求項５記載の表面処理装置において、絶縁物保持手段は、絶縁物をワークの穴部内に挿入し、穴部の軸芯方向に沿って移動させるように構成したことを特徴とする。
この装置によれば、穴部が深い場合も一様に効率よく表面処理することができる。回転機構がないシンプルな構成であるため、高い信頼線およびメンテ性を実現できる。
【００２２】
請求項７記載の本発明は、ガス導入系および排気系を備えた真空チャンバと、前記真空チャンバ内に配置された電極と、前記電極に電圧を印加するバイアス電源と、前記電極上に配置されたワークの穴部内に埋め込まれた絶縁物をエッチングするためのエッチングガス導入系とを備え、前記絶縁物をドライエッチングする工程と、エッチングにより開口した穴部の内側表面を前記電圧の印加によって導入されるイオンで表面処理する工程とを交互に行うように構成したことを特徴とする。
【００２３】
この装置によれば、穴部の内側表面を安定して、効率よく、かつ一様に表面処理できる。また、貫通していない穴部であっても、安定して表面処理を行うことができる。
【００２４】
請求項８記載の本発明は、ガス導入系および排気系を備えた真空チャンバと、前記真空チャンバ内に配置された電極と、前記電極に電圧を印加するバイアス電源と、前記電極上に配置されたワークの穴部内を埋め込む絶縁物をプラズマ重合により生成する材料ガス導入系およびプラズマ発生手段と、前記絶縁物をエッチングするためのエッチングガス導入系とを備え、前記絶縁物を生成する絶縁物生成工程の後、前記絶縁物をドライエッチングする工程と、エッチングにより開口した穴部の内側表面を前記電圧の印加によって導入されるイオンで表面処理する工程とを交互に行なうように構成したことを特徴とする。
【００２５】
この装置によれば、表面処理を行なう真空チャンバ内で、プラズマ重合、ドライエッチングとも行なえるので、処理効率を向上できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における表面処理装置の概略構成を示す。この実施の形態１の表面処理装置は先に図５を用いて説明した従来のものとほぼ同様の構成を有しているので、同様の作用を有する部材に図５と同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
【００２７】
この表面処理装置が従来のものと相違するのは、ワーク４に貫設された穴部４ａの内部に挿入可能な絶縁物１０の基部を保持し、穴部４ａの軸芯方向に沿って移動させる絶縁物移動機構１１を、イオン導入端と背反する穴部の一端部に備えている点である。絶縁物移動機構１１は詳細には、絶縁物１０の基部を摺動自在に収容した支持台５の穴部５ａと、絶縁物１０を出退させる駆動部１２とで構成されている。
【００２８】
この表面処理装置による表面処理方法を説明する。
同図に示すように、イオン導入端と背反する穴部の一端部に絶縁物１０を挿入した状態とする。そして、ガス供給ライン２より窒素ガスを導入しつつ、排気ライン１より排気することによって、真空チャンバ３内を所定の圧力に保つ。この状態において、高周波電源８よりコイル６に電力を供給して窒素イオンと電子とからなるプラズマ９を発生させるとともに、バイアス電源７により支持台５を介して基体４にバイアス電圧を印加する。
【００２９】
このことにより、プラズマ９中の窒素イオンが、基体４に印加されたバイアス電圧によってプラズマ９から引き出され、基体４とプラズマ９間のシース電界によって基体４の外側表面に対して垂直に加速され、穴部４ａ内にその深さ方向にほぼ沿った速度方向を持って入射される。
【００３０】
この穴部４ａの深さ方向の速度方向を持った窒素イオンは穴部４ａの底部に集中するが、この底部には図２(a) にも示すように絶縁物１０が挿入されているため、窒素イオンは電荷を失うことはなく、図２(b) のようにワーク４の内側表面４ｂに蓄積される。このような窒素イオンの蓄積は、蓄積した電荷が作る電界が新たに入射してくる窒素イオンを反発するまで起こる。
【００３１】
窒素イオンの入射が反発されるようになると、窒素イオンは絶縁物１０の表面近傍まで達してから内側表面４ｂに導かれるようになり、内側表面４ｂへの衝突率が高まる。内側表面４ｂに衝突した窒素イオンはこの内側表面４ｂ部に注入され、基体４の成分と反応して内側表面４ｂ部を硬化させる。その結果、内側表面４ｂの耐摩耗性が向上する。
【００３２】
なお、このとき、絶縁物１０の表面では、イオン源やプラズマ源の経時変化や真空チャンバ３の雰囲気の変化によってイオンのエネルギーが変化した場合も、それに応じた電荷蓄積量となるので、変化に対応した、安定した表面硬化処理を実現できる。
【００３３】
また、穴部４ａ内に絶縁物１０を挿入する長さは、表面処理しようとする領域に応じて決めればよく、図示したよりも下方まで表面処理する場合には、イオンを導入しつつ、絶縁物１０を連続的にあるいは一定時間間隔で移動させる。このようにすることにより、穴部４ａが深い場合も内側表面４ｂに一様に効率よく表面処理を施すことができる。穴部４ａの深さによっては、絶縁物１０を内部に挿入せず、一端部を閉塞するように配置するだけでも十分である。
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における表面処理装置の概略構成を示す。この実施の形態２の表面処理装置は先に図５を用いて説明した従来のものとほぼ同様の構成を有しているので、同様の作用を有する部材に図５と同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
【００３４】
この表面処理装置が従来のものと相違するのは、プラズマ重合によって絶縁物を生成可能な材料ガスを導入する材料ガス導入系１３と、前記材料ガスで生成された絶縁物１０をドライエッチング可能なエッチングガスを導入するエッチングガス導入系とが設けられている点である。
【００３５】
以下、上記した表面処理装置を利用した表面処理方法を説明する。
支持台５上に基体４を設置した後、材料ガス導入系１３より材料ガス（例えばＣＨＦ3）を導入しつつ、排気系１から排気することによって、真空チャンバ３内を所定の圧力に保つ。この状態において、高周波電源８よりコイル６に電力を供給することによりプラズマ９を発生させる。
【００３６】
このことにより、材料ガスが分解され、拡散し、分解ガスの重合が起こり、重合生成物である絶縁物１０で穴部４内が埋められて、図４(a) に拡大図示した状態となる。
【００３７】
次に、エッチングガス導入系１４よりエッチングガス（たとえばＳＦ6）を導入しつつ、排気系１から排気することによって、真空チャンバ３内を所定の圧力に保つ。この状態において、高周波電源８よりコイル６に電力を供給することによってプラズマ９を発生させる。
【００３８】
このことにより、エッチングガスからラジカルやイオンが発生し、そのラジカルやイオンによって絶縁物１０がエッチングされるので、図４(b) に示すごとく絶縁物１０の一部がエッチングされた状態で、このエッチングプロセスを停止する。
【００３９】
次に、ガス供給ライン２より窒素ガスを導入しつつ、排気ライン１より排気することによって、真空チャンバ３内を所定の圧力に保つ。この状態において、高周波電源８よりコイル６に電力を供給して窒素イオンと電子とからなるプラズマ９を発生させるとともに、バイアス電源７により支持台２５介して基体４にバイアス電圧を印加する。
【００４０】
このことにより、プラズマ９中の窒素イオンは、基体４に印加されたバイアス電圧によってプラズマ９から引き出され、基体４とプラズマ９間のシース電界によって基体４の外側表面に対して垂直に加速され、穴部４ａの深さ方向にほぼ沿った速度方向を持って穴部４ａ内に入射される。
【００４１】
その結果、上記した実施の形態１と同様にして、絶縁物１０の表面近傍まで到達した窒素イオンが内側表面４ｂに導かれ、内側表面４ｂに衝突して注入され、基体４の成分と反応して内側表面４ｂ部を硬化させる。これにより図４(c) に示すごとく硬化部分が形成されるので、予め決めた適当な時点で、この表面処理プロセスを停止する。
【００４２】
次に、上記と同様にしてエッチングプロセスを行い、図４(d) に示すごとく絶縁物１０の一部がエッチングされた状態で、このエッチングプロセスを停止する。次に、上記と同様にして表面処理プロセスを行い、図４(e) に示すごとく内側表面４ｂの一部をイオンで表面処理する。
【００４３】
このようにして、エッチングプロセスと表面処理プロセスとを交互に繰り返すことにより、図４(f) に示すごとく内側表面４ｂの全体を処理する。これらのプロセスの繰り返し回数は、穴部４ａの形状や表面処理の種類やプラズマ状態によって異なることになる。
【００４４】
この表面処理方法においても、絶縁物１０の表面では、イオン源やプラズマ源の経時変化やチャンバ雰囲気の変化によりイオンのエネルギーが変化した場合も、それに応じた電荷蓄積量となるので、変化に対応した、安定した表面硬化処理を実現できる。
【００４５】
上記した方法に代えて、穴部４ａへの絶縁物１０の埋め込みを、基体４をチャンバ３内に設置する前に樹脂を流し込むようなウエットプロセスによって行ってもよい。ただし、上記したプラズマ重合を用いるプロセスの方が生産性の点で有利である。
【００４６】
なお、実施の形態２の方法は、実施の形態１の方法に比べて、貫通していない穴部４をも表面処理できる点で有利である。一方、実施の形態１の方法は、実施の形態２の方法に比べて、絶縁物１０の埋め込みプロセスが不要な点で有利である。
【００４７】
実施の形態１，実施の形態２では、プラズマを用いてイオン照射する表面処理について説明したが、上述したようなイオンビームを使用する表面処理においても、絶縁物を利用して好適に処理可能である。
【００４８】
イオン照射する表面処理としては他に、炭素イオンによる金型の離型性向上処理、Ｔａイオン，Ｗイオンによるプラント部材の耐食性向上処理、Ｃａイオン，Ｐイオンによる人工骨の人体親和性向上処理などがある。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、穴部の内側表面をイオンを用いて改質する表面処理の際に、穴部の内部あるいは一端に絶縁物を配置することにより、絶縁物の表面に電荷を蓄積させてイオンの流れ方向を内側表面に導くことができ、効率的に表面処理することが可能になる。また荷電蓄積量はプラズマやイオン源の状態にあわせた量となるので、安定した表面処理を実現することができ、従来のような回転機構を要さないため信頼性も高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における表面処理装置の概略構成図
【図２】図１の表面処理装置による表面処理の原理を示す模式図
【図３】本発明の実施の形態２における表面処理装置の概略構成図
【図４】図３の表面処理装置による表面処理の工程断面図
【図５】従来の表面処理装置の概略構成図
【符号の説明】
１    排気ライン
２    ガス供給ライン
３    真空チャンバ
４    基体（ワーク）
4a    穴部
4b    内側表面
５    支持台
９    プラズマ
10    絶縁物
11    絶縁物移動機構
13    材料ガス導入系
14    エッチングガス導入系
【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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