JP2760399B2 - 表面改質装置および表面改質方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、荷電粒子を照射することによつて、試料表
面の性質を変える表面改質装置に係り、特に、大型構造
物の表面を部分的に改質するために用いて好適な表面改
質装置および表面改質方法に関する。

［従来の技術］ 荷電粒子を照射することにより、試料の表面の性質を
変える表面改質装置に関する従来技術として、例えば、
ジヤーナル オブ バキユーム サイエンス アンド
テクノロジー,A4（３），（1986年），第784頁〜第787
頁（Journal of Vacuum Science ＆ Technology A4
（３），（1986）,pp784〜787）等に記載された技術が
知られている。この従来技術は、イオン源からの荷電粒
子と電子ビーム蒸発装置から蒸発した金属ガスによつ
て、容器内に配置した試料表面に、蒸発金属と荷電粒子
との化合物による膜を形成するものである。

［発明が解決しようとする課題］ 前記従来技術は、試料が小さく試料を真空容器内に収
納できる場合には、その試料に荷電粒子ビームを照射し
て、試料の表面改質を行うことができるが、試料が大き
く、真空容器に収納できない場合には、その試料の表面
改質を行うことができないものであつた。

一般に、荷電粒子を照射するためには、荷電粒子の飛
行領域、すなわち、前述の従来技術における真空容器の
内部は、その圧力が10^-3〜10^-5Torrの真空状態である必
要があり、真空排気できない状態では、荷電粒子照射を
用いて表面改質を行う方法は採用することができないと
考えられていた。そのため、試料は、真空容器の中に納
められるものという考え方が一般的であつた。

例えば、水力発電機用水車は、土砂を含んだ高速の水
流にさらされるため、その水車の羽根の上流側先端部近
傍のみが摩耗してしまうという問題があり、これを解決
するため、現在は、溶射，部分焼入れ、溶融などの方法
で部分的な表面硬化を実施して耐摩耗性の向上を図つて
いる。

前述のような用途に荷電粒子照射による表面改質、前
述の例では、耐摩耗性の向上への表面改質を行うことが
できれば非常に有効である。しかし、従来、大型構造物
の一部分に荷電粒子照射を実施する方法は知られていな
かつた。

本発明の目的は、大型構造物のように全体を真空容器
内に収納することが困難な対象物についてその一部分に
荷電粒子、あるいは電子ビームの照射を可能にし、その
表面改質を行うことを可能にした表面改質装置および表
面改質方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、前記目的は、表面改質を行うべき大
型試料自身の一部分が真空容器の一部となるように、試
料自身の改質すべき表面と表面改質装置の真空容器との
間で真空封止を保持し、真空容器側の試料表面に荷電粒
子を照射可能にすることにより達成される。

［作用］ 表面改質の対象物である試料の一部と、表面改質装置
の真空容器とで構成された気密容器部分は、真空排気装
置により排気される。表面改質装置の真空容器側に備え
られる荷電粒子照射装置は、真空排気された容器内で、
対象物表面に荷電粒子を照射し、対象物表面の性質を変
化させることができる。

これにより、大型構造物に対しても、部分的な表面改
質を施すことが可能となる。

［実施例］ 以下、本発明による表面改質装置及び表面改質方法の
実施例を図面により詳細に説明する。

第１図は本発明の第１の実施例の構成を示す断面図で
ある。第１図において、１は真空容器、２は真空排気装
置、３は容器内雰囲気、４は荷電粒子照射装置、５はフ
イラメント、６は荷電粒子照射装置の容器、７は引出し
電極、７−１はプラズマ室側電極、７−２は真空容器側
電極、８は永久磁石群、９はるつぼ、10は金属、11は金
属粒子、12は大型構造物、13は真空シール装置、14,16
はシール部、15はフレキシブル構造体、17は真空容器の
端面、19はガス導入口である。

第１図に示す本発明の第１の実施例は、真空排気装置
２と荷電粒子照射装置４とが取り付けられた真空容器１
及びこの真空容器１の端面17と被加工物である大型構造
物12との間を真空シールする真空シール装置13とにより
構成される。

真空容器１は、真空排気装置２に接続され、その容器
内雰囲気３が10^-6Torr程度まで排気される。荷電粒子照
射装置４は、フイラメント５、フイラメント５に対して
陽極となる容器６により構成され、荷電粒子照射装置４
の容器６内にプラズマを生成する。容器６と真空容器１
との間には引出し電極７が設けられている。この引出し
電極７は、プラズマ室側電極７−１、真空容器側電極７
−２の２枚のメツシユ状電極により構成されており、電
極７−１に対して電極７−２を負の電位となるような電
圧が印加され、これにより、容器６内のプラズマから正
電荷イオンを真空容器１側に引出す。荷電粒子照射装置
４の容器６の外周には、永久磁石群８が磁極の向きが放
射方向となるよう、かつ、隣り合う極性が交互に変化す
るように配置されている。真空容器１内には、例えば、
チタン等の金属が入れられたるつぼ９が置かれており、
金属10は、電子ビームによつて加熱され金属粒子11とな
つて蒸発し、真空容器１内に拡散する。

被加工物である大型構造物12は、例えば、図示の場合
のようにタービン翼等であつてよく、その先端部分等の
被加工部のみが容器内雰囲気３にさらされるように、フ
レキシブル構造の真空シール装置13によつて支持され、
大型構造物12の一部を内面に有する真空容器１の内部全
体が気密に保持される。真空シール装置13は、試料（被
加工物）となる大型構造物12の表面に沿う形のシール部
14と、大型構造物12と真空容器１との間をある程度の自
由度をもつて連結するためのフレキシブル構造体15、例
えば、ベローズ構造の部材と、真空容器１の端面17と気
密結合させるためのシール部16とにより構成される。

前述のように構成された本発明による表面改質装置に
よつて、大型構造物12の一部分、図に示す太い実線で示
した部分18を、耐摩耗性の高い性質に変える場合の方法
を以下に説明する。

まず、大型構造物12と真空容器１を気密に連結し、真
空排気装置２により容器内雰囲気を10^-6Torr程度まで充
分に排気する。その後、ガス導入口19から窒素ガスを導
入し、容器内圧力10^-3〜10^-4Torrの状態で、フイラメン
ト５に電流を流すと同時に、フイラメント５と容器６と
の間に直流電圧を印加することにより、フイラメント５
から発生する熱電子を加速し、容器６内に窒素ガスプラ
ズマを生成させる。他方、るつぼ９内の金属10であるチ
タン等を蒸発させ、容器内雰囲気３内にチタン蒸発を発
生させる。この状態で、引出し電極７の２枚の電極７−
1,7−２間に、10KV〜20KV程度の電圧を印加すると、荷
電粒子照射装置４の容器６内に生成しているプラズマか
ら正電荷イオンが、真空容器１の容器内雰囲気３内に引
出され、大型構造物12の表面を照射する。このとき、正
電荷イオンすなわち窒素イオンは、容器内雰囲気３内に
ある金属粒子11すなわちチタン粒子と結合し、窒化チタ
ンとなり、この窒化チタンが、大型構造物12の表面に密
着性よく堆積する。

前述した本発明の第１の実施例によれば、加工対象と
なる大型構造物全体を真空容器内に入れる必要がないの
で、表面改質装置は小型のものでよく、また、大型構造
物を固定した状態で、構造物の所要の部分のみの表面改
質を行うことが可能となる。

また、本発明の第１の実施例による表面改質装置を用
いる方法は、金属の蒸着とイオンの照射を同時に実施し
ているので、加工の対象となる大型構造物の温度を上げ
ることなく、大型構造物の表面に充分密着性のよい膜を
形成することができるので、すでに熱処理等のプロセス
を経た構造体についても、構造体の状態を変化させるこ
となく加工を実施することができ、この加工によつて、
熱応力等が発生することもない。すなわち、前述の本発
明の第１の実施例によれば、大型構造体として機械加
工，熱処理等が完了し、組立てられている状態のもので
あつても、その構造体の表面改質を行うことが可能とな
る。

第２図は本発明の第２の実施例の構成を示す断面図で
ある。第２図において、21は平面状の大型構造体、22は
第２の荷電粒子照射装置、23は表面改質部であり、他の
符号は第１図の場合と同一である。

第２図に示す本発明の第２の実施例は、加工対象とす
る大型構造物が平面である場合に本発明を適用した例で
あり、第１図に示すと同様な荷電粒子照射装置４と、第
１の荷電粒子照射装置４とは別に第２の荷電粒子照射装
置22とを備え、第１の荷電粒子照射装置４とは異なる種
類の荷電粒子を照射可能としている。また、この実施例
では、大型構造物21を平面構造としているので、第１の
実施例のようなフレキシブル構造の真空シール装置が不
要となり、本発明による表面改質装置は、単に、大型構
造物12の平面上の表面改質を実施する部分に置かれた状
態で使用され、その間の真空シールは、公知のＯリング
等により行うことが可能である。

真空容器１は、平面上の大型構造体21の一部を利用し
て容器内雰囲気３を構成しており、真空排気装置２によ
つて排気される。第１の荷電粒子照射装置４は、第１図
に示すものと同一の構造を有しており、第２図にはその
詳細を省略して図示していない。この第１の荷電粒子照
射装置４は、窒素イオン等の常温で気体である物質のイ
オンを照射する。他方、第２の荷電粒子照射装置22は、
金属イオン等の常温で固体の物質のイオンを照射するた
めに用いられる。金属イオン照射装置としては、たとえ
ば、シン ソリツド フイルムズ（Thin Solid Films）
第９巻（1982），第１頁〜第９頁に記載されたクラスタ
ーイオンビーム発生装置等を用いることができる。

第２図に示す本発明の第２の実施例を用いる大型構造
物21に対する表面改質は、次のようにして実施される。

真空容器１を真空封止状態として大型構造体21に取り
付け、真空排気装置２で容器内雰囲気３を10^-6Torrまで
排気する。その後、ガス導入口19から、例えば、窒素ガ
スを導入し、容器６内でガスをプラズマに生成し、引出
し電極７により窒素イオンを容器内雰囲気中に引出し、
大型構造物21の容器内雰囲気３に面した部分に、この窒
素イオンをイオンビームとして照射する。また、前述と
同様に、第２の荷電粒子照射装置22から、例えば、チタ
ンや硼素等をイオン化して、比較的低い電圧（数100V〜
数KV）で容器内雰囲気中に引出し、大型構造物21にイオ
ンビームとして照射する。これにより、大型構造物21の
所定部分の表面改質部23に、窒化チタンあるいは窒化硼
素等の膜が形成される。

前述において、荷電粒子照射装置４から荷電粒子を引
出すときの加速電圧あるいは荷電粒子照射装置22から照
射されるイオン量等を制御することにより、大型構造物
12の表面改質部23に形成される膜の接着強度、結晶構
造，配向性等を制御することが可能である。これによ
り、大型構造物の一部分に硬度や耐蝕性，耐摩耗性に優
れた特性を有する膜を形成することができる。

前述した本発明の第２の実施例は、加工対象となる大
型構造物が平面上の場合であり、第１図に示した第１の
実施例のようなフレキシブル構造の真空シール装置を不
要とすることができ、また、真空容器１を大型構造物21
の上面上で、真空シール状態を保持したまま走行できる
ようにすることが可能であり、大型構造物21の表面改質
部分23を連続的に延長することが可能となる。従つて、
本発明によれば、大面積を有する平面上の大型構造物の
広い面についても表面改質を施すことができる。

第３図は本発明の第３の実施例の構成を示す断面図で
ある。第３図において、31は大型構造物、33は第３の荷
電粒子照射装置、34は表面改質部であり、他の符号は第
１図の場合と同一である。

第３図に示す本発明の第３の実施例は、荷電粒子照射
装置を３個設けた例であり、第２図に示した本発明の第
２の実施例に対して、被加工物の表面改質の過程で、第
１の荷電粒子照射装置４とは異なる加速エネルギーの荷
電粒子、正イオンビームに限らず、電子ビーム等をも照
射可能としたものである。この本発明の第３の実施例
は、真空容器１、真空排気装置２、大型構造物31、フレ
キシブル構造の真空シール装置13、第１の荷電粒子照射
装置４、第２の荷電粒子照射装置22、第３の荷電粒子照
射装置33によつて構成され、大型構造物31の一部に表面
改質部34を形成するものである。

この第３の実施例において、第１の荷電粒子照射装置
４は、窒素あるいは酸素等のイオンビームを比較的高エ
ネルギー（10KV〜50KV程度）で照射し、この照射中、第
２の荷電粒子照射装置22は、チタンや硼素等のイオンビ
ームを比較的低いエネルギー（数100V〜数KV程度）で照
射し、大型構造物31の所定の部分に表面改質部34を形成
する。この方法は、第２図により説明した方法と同一で
ある。そして、この実施例における第３の荷電粒子照射
装置33は、大型構造物31の表面改質部34に、電子ビーム
あるいはアルゴン等の不活性ガスのイオンビームを照射
する。この第３の荷電粒子照射装置33により照射される
荷電粒子のビームは、大型構造物34の表面に形成される
表面改質部34の性質を変えるために利用することができ
る。例えば、このビームは、熱的作用を行うことがで
き、第１の荷電粒子照射装置４からの高エネルギー粒子
によつて、大型構造物34の表面改質部に発生した応力を
緩和することができる。また、このビームは、第1,第２
の荷電粒子照射装置からの正イオン照射による大型構造
物31表面への正電荷の残留を中和して、残留正電荷を無
くすことができる。一般に、大型構造物表面等への正電
荷の残留は、腐食の要因となるので、第３の荷電粒子照
射装置33より、電子ビームを照射すれば、表面を中性化
して、耐腐食性を向上させることができる。

前述の本発明の第３の実施例によれば、大型構造物の
一部に、例えば、窒化チタン，窒化硼素等の耐摩耗性に
優れ、さらに、耐腐食性に優れた緻密な膜による残留応
力による歪のない表面改質部34を形成することができ
る。

この本発明の第３の実施例においては、第３の荷電粒
子照射装置33を用いて、対象物である大型構造物の表面
改質部に電子ビームを照射し、表面の活性度を低下さ
せ、耐蝕性を向上させるようにしているが、第１図，第
２図に示す本発明の第1,第２の実施例においても、大型
構造物に表面改質部形成後、第１の荷電粒子照射装置４
の引出し電極７の２つの電極７−1,7−２に印加する電
圧を逆極性とすることにより、荷電粒子照射装置の容器
６内に生成されたプラズマから電子を引出して、同様な
作用を行わせることができる。

第４図は本発明の第４の実施例の構成を示す断面図で
ある。第４図において、42は電子源、43は電子加速電
極、44は電子収束電極、45は偏向電極であり、他の符号
は第３図の場合と同一である。

この本発明の第４の実施例は、真空容器１内に電子源
42と、電子源42からの電子を制御するための電極43〜45
を設け、電子ビームにより大型構造物31の表面改質を行
うものである。

この実施例において、真空排気装置２が容器内雰囲気
３を充分に低い圧力まで排気すると、電子源42により発
生した電子は、電極43,44により加速，収束されてビー
ム状に形成され、偏向電極45に印加する電圧を制御する
ことにより、大型構造物34の表面の所定の範囲内を走査
する。収束した電子ビームを照射することにより、大型
構造物の表面改質部34は、加熱，溶融され、大型構造物
の表面近傍の特性が変質する。

前述の本発明の第４の実施例は、真空容器１内に電子
源と、該電子源からの電子を制御する電極を備えるのみ
であるので、真空容器１を小型にできるという効果を有
する。特に、所要の表面改質部の面積が小さい場合に有
効である。また、真空排気装置２をプラグイン方式に構
成し、フレキシブル構造の真空装置13を、ゴム状の弾性
体で構成し、大型構造体に押し付ける程度で真空シール
が確保できる形状とすれば、ハンデイな小型な表面改質
装置を提供することが可能となる。また、前述した本発
明の第3,第４の実施例において、大型構造物31の表面の
凹凸が少ない場合には、真空容器１内を真空状態に保持
したまま、真空容器１を大型構造物の表面上で移動させ
ることが可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、大型構造物に
対して、荷電粒子を照射する方法により、その一部の表
面の性質を改善することができるので、大型構造物の耐
摩耗性や耐蝕性を要求される部分のみを改質，強化する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図，第３図及び第４図はそれぞれ本発明の
第1,第2,第３及び第４の実施例の構成を示す断面図であ
る。 １……真空容器、２……真空排気装置、３……容器内雰
囲気、4,22,33……荷電粒子照射装置、５……フイラメ
ント、６……荷電粒子照射装置の容器、７……引出し電
極、７−１……プラズマ室側電極、７−２……真空容器
側電極、８……永久磁石群、９……るつぼ、10……金
属、11……金属粒子、12,21,31……大型構造物、13……
真空シール装置、14,16……シール部、15……フレキシ
ブル構造体、17……真空容器の端面、18,23,34……表面
改質部、19……ガス導入口、42……電子源、43……電子
加速電極、44……電子収束電極、45……偏向電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 C23F 4/04

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空排気装置により大気圧より低い圧力に
   封止可能な真空容器と、該真空容器に取り付けられた少
   なくとも１個の荷電粒子照射装置または電子ビーム照射
   装置とを備え、試料表面に前記真空容器内の荷電粒子ま
   たは電子ビームを照射する表面改質装置において、改質
   すべき前記試料の一部が前記真空容器の一部となるよう
   に構成したことを特徴とする表面改質装置。
2. 【請求項２】前記試料と前記真空容器との間が、試料表
   面に沿うシール部と、真空容器に対するシール部と、前
   記両シール部間を接合する可撓性部材とにより構成され
   るフレキシブル構造の真空シール装置で結合されること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の表面改質装
   置。
3. 【請求項３】前記試料と前記真空容器との間が、前記フ
   レキシブル構造の真空シール装置を用いることなく結合
   されることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の表
   面改質装置。
4. 【請求項４】前記真空容器は、その内部が真空状態に保
   持されたままで、前記試料の面上を移動可能であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項，第２項または第３
   項記載の表面改質装置。
5. 【請求項５】前記真空容器内に少なくとも１個の蒸発装
   置を備え、前記荷電粒子照射装置からの荷電粒子の照射
   と、前記蒸発装置からの物質の蒸発とを同時に行うこと
   を特徴とする前記特許請求の範囲第１項ないし第４項の
   うち１項記載の表面改質装置。
6. 【請求項６】前記荷電粒子照射装置が複数個備えられる
   場合、それぞれの荷電粒子照射装置は、種類の異なる荷
   電粒子を照射することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項ないし第５項のうち１項記載の表面改質装置。
7. 【請求項７】前記荷電粒子照射装置は、荷電粒子引出し
   用の電極を備え、該電極に印加する電圧の極性を変える
   ことにより、電子ビームの照射が可能であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項ないし第６項のうち１項記
   載の表面改質装置。