解説

プラズマイオン注入・堆積法の新しい展開
行村建，WEI Ronghua１）（同志社大学工学部電気工学科，
１）Surface Engineering Section, Materials Engineering Department, Southwest Research Institute）

A New Trend of Plasma-Based Ion Implantation and Deposition
YUKIMURA Ken and WEI Ronghua1)
Department of Electrical Engineering, Doshisha University, Kyotanabe 610-0321, Japan
1)Surface Engineering Section, Materials Engineering Department, Southwest Research Institute, USA（Received 12 February 2004）

Plasma-Based Ion Implantation and Deposition (PBII&D) has been developed for surface modification of three
dimensional materials immersed in plasma. The ions are implanted into the material to which a train of pulsed voltage are directly applied so as to make an ion sheath around the surface of the material. During the ion implantation,
plasma species and their compound materials are simultaneously deposited on the materials. This is a cost-effective
and simple surface modification system. Conformal ion implantation can be carried out by this method. Metallic arcs
such as cathodic arc and gas discharges using organic metallic gas have been used. In addition to the negative bias
application system for extracting positive ions, positive pulse application system to extract electrons to heat thematerials and positive pulsed bias method have been also developed. As industrial applications, the surface modification of inside pipes by PBII&D is introduced.
Keywords:
Plasma-based ion implantation and deposition, ion sheath, surface modification, cathodic arc, PBII, PBII&D,
ion implantation, nitriding, ceramics

１．はじめにプラズマイオン注入と堆積を行うシステムをプラズマイオ

プラズマイオン注入法（PBII）は，１９８
０年代，Adler らにン注入・堆積法（PBII&D, Plasma-Based Ion Implantation

よってパルス真空アークによる金属イオン注入に端を発し

and Deposition）と称することにする．本解説では，前報たのが最初とされる．直後，J. Conrad らによって注入は金［１］のイオン注入を目的とする PBII 法に引き続いて，堆積属のみならずガスイオンも可能であることが見出され，三を伴うプラズマイオン注入・堆積法における技術を紹介

次元基材への均一，一様な注入実験とともに大きく発展しし，さらに堆積・注入の両者を持つ複合プロセスについてた．イオン注入はプラズマ中に浸された基材に負極性のパの技術の展開，応用の一端を述べる．

ルス電圧を印加し，基材の周囲に形成されるイオンシース
内でイオンを加速，注入される．従来は基材を設置する真２．高エネルギー表面改質と低エネルギー深部注入

空容器と別に設けた容器内にて発生したイオン源からのイ

本節では PBII による高エネルギーイオン注入および低オンを輸送して注入を行う方式であり，イオンの流れは一エネルギーイオン注入よる材料プロセス技術の２，３の例

次元である．これを視線（line of sight）入力という．プラを紹介し，プラズマイオン注入・堆積法プロセスの有効性

ズマイオン注入の場合，基材の周囲にイオンシースが形成を見ることにする．

され，三次元形状の基材が一括して表面処理される．

Fig. ［1 ２］は，高エネルギーイオン注入による工具用ドリ１９９
０年代において，高電圧の印加による注入のみでなルの耐摩耗性の改善例であり，注入電圧（イオンエネル

く，堆積を伴う複合プロセスが注目された．たとえば，基ギー）により改善が進展する．注入電圧は 50〜300 kV であ

材を金属プラズマあるいはカーボンプラズマ中に浸し，堆り，従来の視線入力および PBII（図中 PII と表記）法によ

積とともにイオン注入を併せ持つ技術として提案され，三る比較が行われた．図より，従来のイオンビーム法によっ次元基材への一括堆積・注入システムとしての簡易性およても同様の改善結果が得られるのがわかる．

び有効性が示された．さらに，基材を加熱して拡散を用い

50 kV では従来のイオン注入および PBII の両者においる低電圧深部注入も併せて提案された．その後，プロセスて，窒素イオンの注入ドーズは5×1016 N/cm2 であり，耐磨のシステム化が促進された．

耗時間の改善はみられない．100 kV の印加電圧では窒素イ

author’s e-mail: kyukimur@mail.doshisha.ac.jp, ronghua.wei@swri.org

２８１

J. Plasma Fusion Res. Vol.80, No.4 (2004)２
８１‐２８８

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.80, No.4 April 2004

Fig. 1

Variation of drill bit wear life with implantation voltage for PBII
and ion-beam implantation [2].

Fig. 2

AES (Auger Electron Spectroscopy) depth profiles ofnitrogen-implanted ( 1 keV) , gas-nitrided plasma-nitrided
AISI 304 SS at 400 ℃ all for 1hr) [7].

Fig. 3

Wear resistance as a function of ion energy for AISI 304 SS
implanted and nitrided at 400℃ [8].

オンの注入ドーズ量は 1.0×1017 N/cm2 であり，ドリルの耐磨耗時間が２−３倍改善される．一方，印加電圧を 200 kVにすると，耐磨耗時間は３−４倍とより改善されるが，300kV では 200 kV の場合とそれほどの違いはみられない．いずれにしても電圧を高電圧化し，加速エネルギーを増加させることによって磨耗特性が改善される．
同様に，ポリマーにおける耐摩耗性および硬度が高エネ
ルギー（300 kV），低ドーズにおいて著しい改善が見られた［３］．また，成膜により工具用ドリルの表面特性が改善された．95 kV の印加電圧によりあらかじめ TiN コーティング（厚さ 5 µm）が施されたドリルに 2.5×1017 N/cm2 の窒素イオンをドーズすることにより耐磨耗性が改善された．未処理材の寿命を１とすると，TiN コーティングにより４−５倍の寿命の改善が認められ，さらにイオン注入をすること
により，２２−３２倍の寿命の改善が確認された．
このように種々の材料において高エネルギーイオン注入
あるいは成膜にイオン注入を付加することにより耐磨耗性

ボロジー特性が，高エネルギー注入の場合に得られた結果や硬度などのトライボロジー特性が改善される．

ときわめて類似することを見出した［７，８］．室温で，1 keV

一方，高エネルギーイオンを扱うことによるいくつかのによりイオン注入を行った場合，注入深さは２−3 nmに過課題も生じる．第一に高電圧モジュレータ技術が上げられ

ぎない．この値は表面改質の深さとしては不十分である．

る．たとえば100 kVのモジュレータでは電流容量や立ち上

しかしながら，素材の温度を上げることにより熱拡散が起がり時間の問題も生じるが，絶縁の保持は重要である．第こり，高ドーズ量において窒素イオン注入すると１時間程

二に絶縁体にパルス電圧を印加することにより，電荷が蓄度のプロセス時間によっても窒化層の深さはFig. 2［７］に示積し，基材周囲へのアーク放電の発生による絶縁破壊の問すように 10 µm にも達することが示された．Fig. 3［８］は耐題がある．絶縁破壊は素材そのものを損傷させるのみでな

摩耗特性とイオンエネルギーの関係を示す．特性は 1 keV

く，設備機器への損傷ももたらす．第三に，高エネルギーの方が 60 keV の場合より優れている．

イオンの基材への衝突により二次電子が発生し，X 線が発基材の加熱を伴う低エネルギーイオンによる深部注入層生する．X 線シールドの方策も提案されている［３］が，実際の形成機構は次のように考えられる［９］．低エネルギーイのところ，システムの大きさや X 線の発生源の位置がそれオン注入における窒素イオンの多くは N２＋であるが，イオ

ぞれにおいて異なり解決は容易ではない．

ン同士の衝突により２つの原子に解離する．基材への衝突

高電圧印加による高エネルギーイオン注入の長所およびに伴い，窒素原子は表面から 1−2 nm の非常に薄い層にと短所を考えた場合，低電圧においても同等の改善効果が得

どまるが，高温下では速やかに基材の内部に拡散する．まられることが望ましい．１９９０年代の初頭より加熱された素

た，1 keV のエネルギーを持つイオンは表面にある酸化層材での低エネルギーイオン注入が実施された［２，４‐６］．Weiを除去するため多くの窒素イオンが基材に直接衝突し，素らはステンレスを加熱しておき，低エネルギーにより窒素材内に多くの欠陥部−空格子点（Vacancy）−が作られ，窒イオン注入した場合，ステンレス素材の微小構造やトライ

素の拡散は欠陥部を通して促進されると考えられる．従来
２８２

Commentary

A New Trend of Plasma-Based Ion Implantation and Deposition

K. Yukimura and R. Weiのプラズマ窒化では圧力の高い領域にて処理されるため，な電離による．金属イオン種はスポット部ではほぼ完全電N２＋イオンのエネルギーが低く窒素原子へ解離しないこ離の状態に あ り，引き出されるイオン電流密度は 1012と，注入はもとより酸化層の除去も行われないこと，加えA/m2に達する．５０種類近くの素材のプラズマ化が確認さて窒素分子の拡散速度は原子の場合に比べて遅いことかれ，イオン価数は２〜３価が多く，１価〜６価に分布する

ら，結果として，表面改質が十分に行われないことになる．

［１７］．陰極アークは 10−6 Torr の真空はもとより，10−4

イオンエネルギーが熱拡散に重要な因子であれば，高電

Torr 程度の低真空中にても発生させることができるので

圧イオン注入のほうが有利なように思える．確かに高電圧

窒素や酸素などの反応性ガスを用いることにより窒化チタによるイオン注入は注入深さが大きくなるが，その深さ

ンや酸化チタンなどのセラミックス膜も生成される．

は，50−100 keV に お い て も た か だ か 0.1 µm 程 度 で あ

金属イオン注入・堆積法により密着性に優れる成膜が可り，熱拡散深さに比べてはるかに小さい値である．一方，能である．磁気フィルタをもつエルビウム陰極アークをも高電圧とすることにより，低電圧の場合に比べてモジュ

ちいたスチール上へのエルビアの高密着皮膜プロセスが行

レータの電流容量を小さくせざるを得ないため，基材に到われた［１８］．標準的な手順は，スパッタによるクリーニン

達するイオンフラックスが少なくなり，拡散に寄与する窒グ，２回のイオン注入プロセス（注入 A，注入 B），成膜で

素原子密度が低下する．結果として Fig. 3 に示すように高ある．スパッタクリーニングは 13.56 MHz 信号を基材に印電圧下（例 60 kV）での耐摩耗特性がイオンフラックスの低加してアルゴンプラズマを形成し，基材の不純物や表面酸下により 1 kV 印加の場合より低くなる．

化層が除去される．注入 A はパルス幅 20 µs の基材バイア

以上のように，原子への解離による拡散の進展，酸化層スによる注入プロセスであり，陰極アーク（継続時間 50の除去による基材の直接的な改質，欠陥部の形成による熱µs）により生成されたイオンが引き出される．エルビウム

拡散の促進，多量のイオンフラックスによる緻密な改質がイオンの電荷は＋２および＋３であるので，注入エネル

行われ，低電圧深部注入による優位性が発揮される．

ギーは 20 kV の印加電圧にて 40 keV および 60 keV のエネ

1 keV 付近のエネルギー領域ではイオンによるスパッタ

ルギーをもつ．このステップはアークの安定な発生を意図

リング効果は著しい．スパッタリングは表面酸化層の除去

してアルゴン中にて行われた．注入 B は継続時間 500 µsに有効であるが，窒化層の厚さを減少させる効果も持つの 100 A パルスアークから引き出されたエルビウムイオン

［１０
‐１３］．

を高エネルギーにて注入し，稠密度の高い薄膜（厚さ 25

結果として拡散係数とスパッタ速度との比で注入の深さnm）を生成する．ここでは背後ガスとして酸素を用いておが決まることが示された．

り，注入および堆積が同時に行われた．成膜プロセスでは液滴の抑制を直線型磁気フィルタにて行いながら，パルス

３．金属プラズマ源と成膜

アーク（電流値 60 A，パルス幅 4 ms）により成膜が行われ窒素イオン注入による表面改質のみでなく，カーボンやた．

ボロンなど多様な金属種の注入および成膜法
［１４，
１５］も提

金属を蒸発させるためにプラズマ中にある電子を用い，案された．真空アーク（陰極アーク）などの金属プラズマ

金属プラズマが生成された．MPEES（Metal Plasma Elec-あるいは金属成分を含むガスプラズマとイオン注入の組み

tron Evaporation Source）と称される．MPEES の構造およ

合わせによる複合プロセスである．次いで PBIIをシステム

びシステムの概要をそれぞれFig. 4とFig. 5に示す．背後ガ化し，!注入と堆積を行うハイブリッド化を行うこと，"スとしてはアルゴンが用いられる．従来のイオン源と同様酸化層やプロセスの間に生成される不要な成膜層の除去をの高温のフィラメントと陽極がプロセス容器内に設置されプロセス中に行うことがあげられる．

ている．周囲に設けられたソレノイドはアルゴンプラズマ

イオン注入プロセスでは，トライボロジー特性の改善にの発生を促進する．ここで，固体金属が入れられたるつぼ

用いられるイオン種は窒素や炭素などに限られ，それ程多に正バイアスを印加すると，電子はるつぼに引き込まれ，

くない．この点から考えると，成膜は多目的の応用が考え

加熱により蒸発が起こる．この段階でアルゴンの流れを遮られ，数ミクロンから数十ミクロンの膜厚が得られ，適用断する．金属プラズマはサンプル台の上方におかれた RFの範囲がひろくなる．また，成膜は多くの機能性を付加す

電源により点弧，維持される．円盤状のサンプル台をプラることができることより，プラズマイオン注入・堆積法がズ源の周囲に設置し，負バイアスの印加によりイオンを引精力的に研究された．

き出し，注入する．結果として，テーブルから高さ 250

プラズマイオン注入・堆積法による成膜はプラズマ強化mm，半径 450 mm の範囲と同じ，きわめて均一なチタン成化学蒸着法（Plamsa Enhanced Chemeical Vapor Deposition,

膜が観測される．

PECVD）のひとつの手法として考えられ，非視線入力（non４．気体プラズマと複合型成膜および注入システム-line of sight）方式であること，スケーリングが容易である
ことが特徴として上げられる．

ガスプラズマの場合，メタン（CH４），アセチレン（C２H２），

堆 積 を も た ら す た め に は 固 体 種 が 必 要 で あ り，Al，

モノシラン（SiH４）やトリメチルシラン（3MS）や混合ガス

Ti，Y，Er などを含む有機金属ガスが用いられる［１６］．陰が反応の前段階ガスとして用いられ，イオン化により堆積

極アークは陰極材料の突沸的な気化とイオン化により，金される．ダイヤモンドライクカーボン（DLC），シリコン，

属種が提供される．陰極アークの特徴は，金属種の直接的

炭化シリコン（SiC）や窒化シリコン（SiNx）が成膜される．
２８３

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耗性に優れることがあげられる．また，潤滑性にも優れる．
摩擦係数は 0.01 以下であり［２１，２２］，テフロンより優れる．
さらに，DLC フィルムは多くの環境において不活性であり，反応しない点も特質としてあげられる．このように高硬度，低摩擦係数，不活性の性質も見られ，プラズマイオ
ン注入・堆積法による DLC 薄膜の生成に期待が寄せられている．すでに 2,000 個のピストンへの一括成膜が試みられた［２３］．
ガスプラズマ源を用いてパルスバイアスにより堆積されたDLC皮膜は密着力に欠ける．これはグラファイト層の形成が原因である．低エネルギーアルゴン衝撃を行い，グラ
ファイト層を取りのぞくことにより密着力の改善が示された．プロセスは!アルゴンプラズマによる表面酸化層の除Fig. 4去，"高エネルギーカーボンイオン注入による中間層の生Metal plasma electron evaporation source (MPEES) for
MePBII. Plasma source is about 150 cm in dia. × 150 cm tall.

成，#表面グラファイト層の除去，$低電圧によるアモル
ファスカーボン膜の成膜である［２４］．この方式によりアル
ミニウムやスチール上に厚さ 10 µm の DLC が皮膜された．

RF
Generator

アセチレンガスによる PGD により三次元基材への DLC
PIIIP Chamber

Plasma

皮膜が行われた［２５］．基材への印加電圧は−4〜−8 kV（パルス幅 15〜75 µs），繰り返し数 0.6〜4 kHz である．840 cm２のステージ上に置かれたシリコン基板（２０℃）にプラズマ
イオン注入・堆積法により成膜された．アセチレンの圧力
は 0.67〜4 Pa である．皮膜の厚さは 60 nm〜1.3 µm（成膜速Workpiece

High Voltage
Pulse Generator

度 0.07〜3.9 µm/h）である．水素含有量は２０−４０％であり，SolenoidPower
SupplyFilament Power
SupplyCrucible Power
Supply−8 kV ではスパッタリングが発生するため−4 kV のほう
Filament
Discharge
Power
Supplyが成膜速度はより大きい．

５．いろいろなプラズマイオン注入システム
Fig. 5MePBII schematic using the MPEES. Vacuum system is 1.2
m in dia. × 2.5 m long.

２つの示唆にとんだプロセスを紹介 す る．ひ と つ は
Plasma-Based Electron Bombardment（PBEB）［２６］であり，
もうひとつは Positive Pulse Bias Method（PPB）
［２
７，
２８］で

PBII と同様にプラズマイオン注入・堆積法においても，プある．

ラズマ発生用の電源は RF，マイクロ波，フィラメントを用

PBEB では三次元基材の均一な加熱が達成される．基材

いた熱電子放出源がみられる．

はプラズマ中にあり，正バイアスされ，PBII におけるイオ

プラズマイオン注入・堆積法では自己点弧型であるパルンの代わりに電子が基材の表面に引き出される．スチール

スグロー放電（Pulsed Glow Discharge, PGD）
［１８，
１９］も成膜

の焼きなまし（annealing）のような真空熱処理に用いられ源として利用される．PBII では自己点弧型のプラズマ源はる．Fig. 6 はギヤの半加工品の PBEB 処理を表す．30−50

用いられない．数〜数十 mTorr の高い圧力下において点弧

keV のエネルギーにより効率よく短時間（30−60 s）のうが可能であり，応用の範囲が広がる．基材にパルス電圧をちに高温に達する．さらに高いエネルギーあるいは高周波印加することにより真空容器内の自由電子とガス分子とのによる動作では基材は溶融し，合金が生成される．窒素あ

衝突をもたらし基材の周囲にプラズマを形成する．自らのるいはアルゴンガスプラズマが用いられる．ガス圧力は電圧により基材の周囲にプラズマが形成される．プラズマ

アーキングを防止するために 0.1 Pa 以下である．PBEB での発生条件は真空容器の大きさが電子の平均自由行程よりは加熱のエネルギー密度により３つのモードにわけられ大きいことである．大面積あるいは大量の基材の処理に適る．!短パルスで高電力密度（パルス時間 1−10 µs，電力

しているが，イオン注入も同一の電源により行うため，あ密度 105−106 Wcm−2），"バーストモードで中庸の電力密る程度のパルス幅が必要である．ウィスコンシン大学にお度（バースト時間 0.5−5 µs，電力密度 103−105 W cm−2），

いても同様の方式［２０］によりパイプ内外への DLC 成膜法#連続モードで低電力密度（電力密度１−102 W cm−2）でが提案されている．

ある．!では急速な表面の溶融と合金化，"では溶融と合DLC は堆積が容易なことや優れたトライボロジー特性

金化および局所的な加熱や硬化，#では素材のアニール，を有する．アセチレン（C２H２）やメタン（CH４）などのカー

溶融，合金化の表面全体への均一な処理が目的である．主ボンを含むガスのプラズマ化により成膜される．特徴としに自動車パーツでは後二者が用いられる．最大印加電圧はて10〜25 GPaの高硬度であり，摩擦抵抗が低いことや耐摩

100 kV，100 kW モジュレータが使用された．PBEB プロセ
２８４

Commentary

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K. Yukimura and R. Wei

積が行われた．最も簡単な方法はパイプ自体をバイアスし，媒質の圧力，バイアス電圧，印加パルス周波数などの放電パラメータを調整し成膜を行う．アスペクト比（パイプの長さと直径の比）が小さいときにはホロー陰極放電がパイプ内で発生する．このときの様子を Fig. 7 に示す．しかし，アスペクト比が大きくなると，電子−中性ガスの衝
突回数が減少し，プラズマはパイプ内では発生せず，プラズマの維持が困難となる．パイプ内に接地金属ロッドを挿入することによりこの問題は軽減される［２０］．
アスペクト比がさらに大きくなると，放電の発生は困難となる．Wei らは磁場強化プラズマ（Magnetic Field Enhanced Plasma, MFEP）に よ る 堆 積 法 を 開 発 し た［１６］．
Fig. 6

Fig. 8 に概要を示す．パイプの内部に適当に配された磁場

Plasma electron annealing of gear blanks. The gear blanks
are about 5 cm in dia. × 3 cm tall.

によりプラズマの生成を促進する．磁場はパイプ内で回転する．MFEP を用いることにより，Si，SiC，DLC がアスペ

スは単独使用のみならず PBII や従来の熱処理との組み合

クト比３７のパイプの内面に成膜された．Fig. 9(a)は回転機

わせも可能である．

構を持つ MFEP を示す．直径 1.9 cm×長さ 71 cm のパイプ

第二は正パルス電圧印加によるイオン注入法の提案であ内に DLC が成膜された．Fig, 9(b)は半分に切断された内面

る［２７，２８］．従来の PBIIでは基材に負パルス電圧を印加し，を示す．Fig. 10 は走査型顕微鏡による成膜の断面図であ正イオンが基材に抽出される．提案されている方法では基る．成膜は非常に密で，ピンホールも見られず基材への密材は接地されており，基材周囲のプラズマのポテンシャル

着性もよい．

を正バイアスにする．

パイプ内への注入および堆積が行われたのは J. Conrad

プラスバイアス法は，接地した基材に対してプラズマにの率いるウイスコンシン大学で行われた例［２０］が最初であ

正電圧パルスを加える．この結果，基材に負バイアスする

ろう．パイプの中心に円筒ロッドを挿入し，アンテナに RF

従来法と同等の表面処理効果が得られる．基材が接地され（13.56 MHz）信号を印加し，外筒に負極性の高電圧パルスているので，基材周囲における入射イオン束やエネルギーを印加する方法がとられた．ロッド材にチタンを採用し，の in-situ な測定が可能であり，制御性に優れることや成膜

窒素とアルゴンの混合ガス（９４％ Ar，６％ N２）プラズマを条件によっては基材の回転や移動機構の設置も容易である．結果として表面処理のスループットも向上する．
プラズマを基材に対し正バイアスするために新たに面積#$ の陽極を挿入する．陽極電位を $，基材と容器壁の面積をそれぞれ #'，#(，プラズマ電位を $" とすると，面積が#!，#% $#'"#( の非対称ダブルプローブにおける現象に類似する．この場合のプラズマバイアスの条件は，プラズ
マ電位が陽極電位以上になること，すなわち，$& &$ から，式（１）が成り立つ．
!
%*
##%
#% !
, +"
%
'%)
#$
""$

（１）

ここで，$：イオン衝撃による２次電子放出係数である．これを満たすように #%，#$ を選ぶ必要がある．#$ を過度にFig. 7大きくするとプラズマを乱し，またバイアス電流を抑制す
るため #% は極力小さくする．容器壁の一部（#%"）をセラ

Deposition of inner diameter of tubular structure using PBII
&D technology. The tube size is about 5 cm in dia. × 30 cm
long.

ミ ッ ク ス な ど の 絶 縁 物 で 覆 う こ と に よ り，式
（１）は
*
(
#
#( "#'+"#$ %%)と緩和される．高周波アルゴン"!#)

MagnetsS#$ とプラズマ電位，プラズ
プラズマを用いて，面積比 #%"Gas

マ電位分布とイオンシース形成，基材に入射するイオンの

Tube

N

N

エネルギー等が検討され上述の動作原理を支持する結果が得られている．

S

６．パイプへの注入・堆積

Fig. 8

プラズマイオン注入・堆積法を用いたパイプ内面への堆
２８５

Power
supplySchematic of magnetic field enhancement plasma deposition of bore of tubes.

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.80, No.4 April 2004

(a)Fig. 9(b)

Magnetic field enhanced plasma deposition of large aspectratio of tube bores. (a) MFEP device (〜75 cm tall), (b) DLC-coated tube (Tube ID 〜 1.9 cm, length 〜70 cm).

Fig. 11

Schematic presentation of the PBII coating process [35].

はパイプに沿って移動された．この場合，パイプには 20
kV（パルス幅 50 µs）が印加され，管内にほぼ一様に成膜され，窒素イオンの注入も各部にわたり確認された．
パイプの外部において発生されたプラズマ種も導入される．プラズマ密度分布の大幅な改善と密度の増加が達成された．また，ロッド材はスパッタされるので，金属イオンの供給も可能である．スパッタ現象により，自動車のピストンを想定した TiN コーティングが行われた［２９］．
窒素プラズマによる窒化［３１，３２］やチタン陰極アークによる TiN 成膜［３３］が行われた．いずれもパイプの中心に接地された導体が挿入されている．これはパイプにパルス電Fig. 10圧を印加した場合，パイプの内空間の半径方向に電界を発Cross-sectional SEM (Scanning Electron Microscope)
image of DLC coating on inner diameter of a tube.

生させイオンを径方向に駆動する．また，外部プラズマから電子を引き 込 み，パイプの内部で電離が促進 された生成し，両種のイオンを形成する．アルゴンイオンによっ［３２］．外部にてプラズマを生成させた場合には，パイプ内てチタンロッドがスパッタされ，パイプの内面に窒化チタにおいてプラズマ密度が大きく減少することが上げられ，ン（TiN）が成膜された．アセチレンガスを用いることによ

密度の測定があわせて行われた［２９］，［３４］．成膜分布の改り，内直径 10 mm，長さ 50 mm のパイプ内面に DLC が一

善策としては，上述のメッシュ電極の設置［２９］や複数のプ様に成膜された．成膜速度は約 1 µm/h である．中心ロッド

ラズマ源の設置も有効であることが示された［３２］．

は接地した場合，パイプに印加される高電圧パルスによシースの広がりを利用した成膜実験がみられる．パイプり，ターゲットの内面に PGD を生成し，成膜される．接地

内面への堆積である．パイプ内に堆積材（ターゲット）を

導体を同軸形にしてパイプの外側に設置し，パイプ外面の置き，イオンをシース内で加速し，パイプ内のターゲット成膜が行われた．

に衝突させ，スパッタにより堆積される［３５］．基本構成図

パイプ内に中心ロッドとは別に同軸にて接地メッシュ電を Fig. 11 に示す．ターゲットに負極性のパルス電圧（最大極が挿入され，ロッドにはRF電源が接続され，ロッドの近−50 kV）
が印加された．イオンシースの発展が抑制された傍に生成されたプラズマは接地メッシュ電極を通って管内状態（Fig. 11(a)）ではプラズマからのイオンはターゲットにを埋め尽くす［２９］．

衝突をせず，スパッタ現象は起こらない［３５，３６］．RF メタ

マイクロ波プラズマによってパイプ内面へのアモルファ

ンプラズマ（周波数 13.56 MHz，ガス圧力 0.1 Pa）中に内径

スカーボンが成膜された［３０］．パイプは内径 35 mm，長さ12〜20 mm，長さ 50〜150 mm のパイプを浸し，ターゲッ

1 m であり，真空容器内に収められている．マイクロ波（周トはパイプの底面に置かれ，広がったシースからのイオン

波数 2.45 GHz）はパイプ内に設置されたアンテナに供給さによりターゲットがスパッタされる．もともとの発想はイ

れ，真空容器外に設けられたコイルの発生する磁場によりオン源からのイオンビームをパイプ内に誘導し，ターゲッ

パイプ内に ECR条件を満足させ，アセチレンプラズマを作トに衝突させてスパッタを行うことからスタートしていり，成膜された．パイプ全体への一様成膜のためにコイル

る．ターゲットをパイプ内で移動（移動速度 5 mm/s）させ，
２８６

Commentary

A New Trend of Plasma-Based Ion Implantation and Deposition

K. Yukimura and R. Wei［１４］I.G. Brown, X. Godechot and K.M. Yu, Appl. Phys. Lett.
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［１７］I.G. Brown, Rev. Sci. Instrum. 65, 3061 (1994).
［１８］J.N. Matossian and R. Wei, Surf. Coat. Technol. 85, 92

一様な成膜が目的とされた［３７］．

７．むすび
プラズマ・イオン注入体積法は，イオン注入から発展
し，低エネルギー深部注入，成膜とイオン注入の併用へと進み，プロセス化が進んでおり，総合的な工学・学際領域にある開発課題を持つ．パイプのような比較的シンプルな形状を持つ基材に対してもいろいろな方法により均一な成(1996).
［１９］A. Anders, Ed., Handbook of Plasma Immersion Ion Implantation and Deposition (John Wiley & Sons, New York, 2000)
p.393.
［２０］S.M. Malik, R.P. Fetherston and J.R. Conrad, J. Vac. Sci.
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膜に対する試みがなされている．これらの例からもわかる
ように対象とする基材に対する最適な方式を組み立てる必要がある．派生して，電子ビーム応用を含めたビーム応用
も近未来的に多く展開すると考えられる．
応用については半導体におけるドーピング，医療応用として人工骨，生体融和材料，自動車や工業用駆動部品をはじめとする産業用部品など多岐にわたる．また素材についても，絶縁体から導体にいたるほぼすべてが対象となる．
紙面の都合上，これらの詳細については割愛した．先達の多くの研究例があるので，参照いただきたい．

参考文献［１］行村 建：プラズマ・核融合学会誌 75, 370 (1999).
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L.M. Stals, Surf. Coat. Technol. 99, 234 (1998).
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Journal of Plasma and Fusion Research Vol.80, No.4 April 2004

行 村

建

１
９
７
７年同志社大学大学院博士課程修了とともに工学博士（同志社大学），１９９２年同志社大学
工学部教授，現在に至る．現在，固体材料のプラズマ源の開発，それを用いた三次元イオ

ン注入・堆積技術，パルス電源による NOx の処理などパルスパ
ワー技術の研究に従事．その間，電気学会プラズマイオン高度
利用プロセス調査専門委員会委員長などに従事するとともに，
２００
２年度日本燃焼学会技術賞を受賞．プラズマ・核融合学会，
電気学会，応用物理学会，アメリカ電気学会，放電学会会員．

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けん

WEI Roughua

Ronghua Wei received his Ph.D. from Colorado
State University (Colorado, US) in MechanicalEngineering in 1990, M.S. from Graduate
School of University of Science and Technol-ogy of China (Beijing, China) in Electrical Engineering in 1981, andB.S. from Shenyang Polytechnical University (Shenyang, China)
in Electrical Engineering in 1976. He is a Staff Scientist at Southwest Research Institute, San Antonio, Texas, US. His current research interests include materials science and engineering,plasma science and engineering, surface engineering and tribology. His research is in the areas of plasma immersion ion implantation and deposition, magnetron sputtering, ion beam sputtering,high current density low pressure nitriding, and tribologicalevaluation of various materials and coatings. Before joining
Southwest Research Institute, he was a Senior Scientist at Hughes
Research Laboratories conducting research in the areas of plasma
immersion ion implantation, magnetron sputtering, plasma electron heat treatment and tribology. Before he came to the US, he
worked at the Space Science and Technology Center, Chinese
Academy of Sciences, Beijing, China as a Research Associate,
where he conducted research on pulsed plasma thrusters, ion
beam implantation and dynamic mixing.

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むら!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

ゆき!!!!!!!!!!!!!!!!!

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