JP5457132B2

JP5457132B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP5457132B2
Application number: JP2009240217A
Authority: JP
Inventors: 隆雄齊藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2014-04-02
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Description

本発明は、被処理物の表面を処理するプラズマ処理装置に関する。

プラズマ化した窒素ガスを被処理物の表面に作用させ被処理物の表面を窒化することが行われている。特許文献１，２は、その一例である。

特許文献１は、窒化処理が行われるときに、窒素ガスをプラズマ化すること、圧力を３００Ｔｏｒｒ以上に調整すること、窒素ガスと希ガスとを混合すること、交番パルスを電極対に印加すること、パルスの継続時間が０．５〜２００μ秒であること、周波数が０．５ｋＨｚ〜１ＭＨｚであること等に言及する。

特許文献２は、窒化処理が行われるときに、窒素ガスをプラズマ化すること、圧力を４Ｔｏｒｒに調整すること、被処理物を陰極とすること、直流パルスを印加すること、パルスの継続時間が１〜１０００μ秒であること、被処理物を３２０〜５５０℃に加熱すること等に言及する。

国際公開第２００５／０９３８１０号パンフレット特開２００６−２５７５５０号公報

被処理物の表面の一部を占める被処理領域を選択的に窒化することが望まれる場合がある。例えば、歯車（ギア）を窒化する場合、磨耗しやすい歯（ツース）の部分は窒化して硬度を向上し、残余の部分は窒化しないで靱性を維持することが望ましい。

しかし、従来の窒化処理においては、処理ガスの拡散を利用するため、被処理物の表面の一部を占める被処理領域に窒化される範囲を制限することが困難であった。本発明は、この問題を解決するためになされたもので、被処理物の表面の一部を占める被処理領域を選択的に窒化するプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するための手段を下述する。

本発明の第１の局面によれば、被処理物の表面を処理するプラズマ処理装置は、チャンバと、前記チャンバの内部に収容され、被処理物に接地電位を与える接地電極と、前記チャンバの内部に収容され、面積が１０ｃｍ²以下であって導電体が露出する対向面を有し、被処理物の表面の一部を占める被処理領域に前記対向面が対向させられた対向電極と、前記接地電極の電位より前記対向電極の電位が高くなる直流パルス電圧を前記接地電極と前記対向電極との間に繰り返し印加するパルス電源と、前記チャンバの内部の雰囲気を調整する雰囲気調整機構と、を備え、被処理領域を選択的に窒化する窒化処理が行われ、前記雰囲気調整機構は、窒化処理が行われるときに、窒素ガス又は窒素化合物ガスを含有する処理ガスを前記チャンバの内部へ供給し、圧力が５０Ｔｏｒｒ以上常圧以下となり窒素ガスの分圧が全圧の５０％以下となる状態に前記チャンバの内部の雰囲気を調整し、前記パルス電源は、前記窒化処理が行われるときに、前記接地電極と前記対向電極との間に直流パルス電圧を印加し、前記接地電極と前記対向電極との間隙にある処理ガスをプラズマ化する。

本発明の第２の局面によれば、第１の局面のプラズマ処理装置において、前記雰囲気調整機構は、窒化処理が行われるときに、処理ガスにヘリウムガスを含有させる。

本発明の第３の局面によれば、第１の局面又は第２の局面のプラズマ処理装置において、被処理領域に対して前記対向電極を被処理領域の延在方向に沿って相対移動させる相対移動機構、をさらに備える。

本発明の第４の局面によれば、第１の局面から第３の局面までのいずれかのプラズマ処理装置において、２個以上の前記対向電極が設けられる。

本発明の第５の局面によれば、第１の局面から第４の局面までのいずれかのプラズマ処理装置において、窒化処理が行われるときに被処理物を２００℃以上６００℃以下に加熱するヒータ、をさらに備える。

本発明の第６の局面によれば、第１の局面から第５の局面までのいずれかのプラズマ処理装置において、前記パルス電源は、パルス幅が半値全幅で３００ｎｓ以上５０００ｎｓ以下であってパルス周波数が１ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下の直流パルス電圧を印加する。

本発明の第７の局面によれば、第１の局面から第６の局面までのいずれかのプラズマ処理装置において、被処理領域にダイアモンドライクカーボン膜を形成するダイアモンドライクカーボン膜形成処理が窒化処理の後に行われ、前記雰囲気調整機構は、ダイアモンドライクカーボン膜形成処理が行われるときに、ダイアモンドライクカーボン膜の原料ガスを前記チャンバの内部へ供給し、前記パルス電源は、ダイアモンドライクカーボン膜形成処理が行われるときに、前記接地電極と前記対向電極との間に直流パルス電圧を印加し、前記接地電極と前記対向電極との間隙にある原料ガスをプラズマ化する。

本発明の第８の局面によれば、第７の局面のプラズマ処理装置において、水素原子を含有したアモルファスの炭化ケイ素膜を被処理領域に形成する炭化ケイ素膜形成処理が窒化処理の後であってダイアモンドライクカーボン膜形成処理の前に行われ、前記雰囲気調整機構は、炭化ケイ素膜形成処理が行われるときに、炭化ケイ素膜の原料ガスを前記チャンバの内部へ供給し、前記パルス電源は、炭化ケイ素膜形成処理が行われるときに、前記接地電極と前記対向電極との間に直流パルス電圧を印加し、前記接地電極と前記対向電極との間隙にある原料ガスをプラズマ化する。

本発明の第９の局面によれば、第１の局面から第８の局面までのいずれかのプラズマ処理装置において、前記対向面にガスの噴射孔が形成され、前記雰囲気調整機構は、前記噴射孔を経由して前記チャンバの内部へガスを供給する。

第１の局面の発明によれば、プラズマ化されたガスが発生する領域が狭くなるのに加えてプラズマ化されたガスの拡散が抑制され、被処理物の表面の一部を占める被処理領域が選択的に窒化される。

第２の局面の発明によれば、アーク放電の発生が抑制され、プラズマが安定する。

第３の局面の発明によれば、延在する被処理領域が連続して窒化され、窒化処理の効率が向上する。

第４の局面の発明によれば、１個の対向電極では処理することができない広がりを持つ被処理領域や散在する被処理領域も効率よく窒化される。

第５の局面の発明によれば、窒化処理が効率よく行われる。

第６の局面の発明によれば、アーク放電の発生が抑制され、窒化処理が効率よく行われる。

第７の局面の発明によれば、硬質化された被処理領域にダイアモンドライクカーボン膜が形成され、ダイアモンドライクカーボン膜の密着性が向上する。

第８の局面の発明によれば、硬質の下地膜が形成され、ダイアモンドライクカーボン膜の密着性が向上する。

第９の局面の発明によれば、ガスが被処理領域の近傍に供給されるので、被処理領域を選択的に窒化することが容易になる。

望ましい実施形態のプラズマ処理装置の断面図である。対向電極の斜視図である。対向電極の断面図である。複数の対向電極を設ける場合を説明する断面図である。パルス電源の回路図である。被処理物の処理の手順を示す流れ図である。

（概略）
望ましい実施形態のプラズマ処理装置は、被処理物の表面の一部を占める被処理領域にプラズマ化された処理ガスを作用させ、被処理領域を選択的に窒化する。当該プラズマ処理装置は、窒化により硬質化された被処理領域に、水素原子を含有したアモルファスの炭化ケイ素（ＳｉＣ）膜を形成し、その後に、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を形成する。被処理領域の窒化のみを行うために当該プラズマ処理装置を使用してもよい。当該プラズマ処理装置は、グロー状の放電を狭い範囲に発生させることによりプラズマ化されたガスを狭い範囲に発生させ、雰囲気の圧力を高くすることによりプラズマ化されたガスの拡散を抑制し、プラズマ化されたガスを被処理領域に選択的に作用させる。

（全体構造）
図１は、望ましい実施形態のプラズマ処理装置１００２の模式図である。図１は、プラズマ処理装置１００２のリアクタ１００４の断面を示すとともに、リアクタ１００４に接続される電気回路及び気体回路を示す。

図１に示すように、プラズマ処理装置１００２のリアクタ１００４は、被処理物ＰＯに接地電位を与える接地電極１０１０と、被処理物ＰＯの被処理領域ＰＲに対向する対向面１０１４を有する対向電極１０１２と、被処理物ＰＯを加熱するヒータ１０１６と、被処理物ＰＯを軸の周りに回転させる回転機構１０１８と、をチャンバ１０２０の内部の空間１０２２に収容した構造を有する。図１に示すプラズマ処理装置１００２においては、被処理物ＰＯは平歯車であり、被処理領域ＰＲは平歯車の歯の部分である。図１に示すプラズマ処理装置１００２には、被処理物ＰＯを処理する処理部が１個だけ設けられているが、２個以上の処理部が設けられてもよい。

リアクタ１００４には、接地電極１０１０と対向電極１０１２との間に直流パルス電圧を繰り返し印加するパルス電源１０２４と、空間１０２２へガスを供給するガス供給回路１０２６と、空間１０２２からガスを排出するガス排出回路１０２８と、が接続される。また、リアクタ１００４には、空間１０２２の圧力を測定する圧力センサ１０３０と、被処理物ＰＯの温度を測定する温度センサ１０３２と、が設けられる。

プラズマ処理装置１００２は、対向電極１０１２の対向面１０１４からガスを噴射しながら接地電極１０１０と対向電極１０１２との間に直流パルス電圧を印加することにより、被処理領域ＰＲと対向電極１０１２との間隙１０３４にあるガスをプラズマ化し、プラズマ化されたガスを被処理領域ＰＲに作用させ、被処理領域ＰＲを処理する。接地電極１０１０と対向電極１０１２との間に直流パルス電圧が印加されている間は、グロー状の放電が間隙１０３４に発生する。アーク放電に移行しなければ、ストリーマ放電が間隙１０３４に発生してもよい。

（接地電極１０１０）
接地電極１０１０は、導電体からなる。接地電極１０１０は、鉄、アルミニウム、鉄を主成分とする合金（例えば、ステンレス鋼、ダイス鋼、ハイスピード鋼等）又はアルミニウムを主成分とする合金からなることが特に望ましい。接地電極１０１０の表面をタングステン、クロム、ニッケル等で被覆してもよい。

接地電極１０１０は、パルス電源１０２４の負出力端に接続され、接地される。接地電極１０１０は、被処理物ＰＯに接触し、被処理物ＰＯに接地電位を与える。図１に示すプラズマ処理装置１００２においては、接地電極１０１０が被処理物ＰＯを保持する保持体を兼ねるが、被処理物ＰＯを保持する保持体と被処理物ＰＯに接地電位を与える接地電極とが別体であってもよい。接地電極１０１０は、被処理領域ＰＲの処理を妨げない場所において被処理物ＰＯに接触させられる。

（対向電極１０１２）
図２及び図３は、対向電極１０１２の模式図である。図２は、斜め下方から見た斜視図、図３は、対向面１０１４に垂直な断面を示す縦断面図である。

対向電極１０１２は、金属、合金等の導電体からなる。対向電極１０１２は、鉄、アルミニウム、鉄を主成分とする合金（例えば、ステンレス鋼、ダイス鋼、ハイスピード鋼等）又はアルミニウムを主成分とする合金からなることが特に望ましい。対向電極１０１２の表面をタングステン、クロム、ニッケル等で被覆してもよい。

対向電極１０１２は、パルス電源１０２４の正出力端に接続される。これにより、接地電極１０１０の電位より対向電極１０１２の電位が高くなる直流パルス電圧が接地電極１０１０と対向電極１０１２との間に印加される。

図２及び図３に示すように、対向電極１０１２は、円柱の底面の近傍の径を底面に向かって連続的に細くした立体形状を有する。図２及び図３には、平坦な底面が示されているが、底面が被処理物ＰＯの表面の形状に沿う形状を有していてもよい。先細り部分の先端は、対向面１０１４となっている。底面の近傍だけでなく全体を先細り構造としてもよい。円柱以外の柱体の先細り部分の先端を対向面としてもよいが、「円柱」であることは、鋭利な部分を減らし、電界の集中を緩和し、アーク放電を抑制することに寄与する。先細り部分をなくすことも許容される。

対向面１０１４は、被処理領域ＰＲに対向する。対向面１０１４の面積は１０ｃｍ²以下であることが望ましい。これにより、プラズマ化されたガスが発生する範囲が狭くなり、プラズマ化されたガスを被処理領域ＰＲに選択的に作用させることが容易になる。このことは、被処理領域ＰＲを選択的に処理することを容易にする。ただし、対向面１０１４の面積が０．１ｃｍ²より小さいと、対向面１０１４に電界が集中し、アーク放電が発生しやすくなるので、対向面１０１４の面積は０．５ｃｍ²以上であることが望ましい。

対向面１０１４と被処理領域ＰＲとの間隙１０３４の間隔は、１〜２０ｍｍであることが望ましい。間隔がこの範囲より狭くなるとアーク放電が発生しやすくなり、間隔がこの範囲より広くなるとグロー状の放電が発生しにくくなるからである。対抗面１０１４は、被処理領域ＰＲとの間隔がこの範囲に維持されるように設置され、被処理物ＰＯの表面に沿う形状を有する。

対向面１０１４は、誘電体バリアで被覆されず、導電体が露出した状態となっていることが望ましい。対向面１０１４を誘電体バリアで被覆すると、プラズマ化されたガスの中をイオンが移動することが妨げられ、被処理領域ＰＲの処理効率が低下するからである。対向面１０１４に導電体が露出すると、アーク放電が発生しやすくなるが、プラズマ処理装置１００２においては、接地電極１０１０と対向電極１０１２との間に印加する直流パルス電圧のパルス幅を十分に短くすることにより、アーク放電の発生を抑制している。

対向面１０１４と被処理領域ＰＲとの対向により、間隙１０３４には電界が印加され、電界によるイオン注入の効果も得られる。

図３に示すように、対向電極１０１２の内部には、ガスがたまるガスたまり１１０２と、ガスたまり１１０２から対向面１０１４へガスを導く流路１１０４と、非対向面１１０６からガスたまり１１０２へガスを導く流路１１０８と、が形成される。これにより、対向面１０１４には、ガスの噴射孔１１１０が形成され、非対向面１１０６には、ガスの供給孔１１１２が形成される。

対向面１０１４は、対向電極１０１２の表面のうち被処理領域ＰＲに最も近い平坦な面、非対向面１１０６は、対向電極１０１２の表面のうち対向面１０１４を除く残余の面である。

対向電極１０１２は、供給孔１１１２からガスの供給を受け、ガスたまり１１０２にガスを一時的にため、噴射孔１１１０からガスを被処理領域ＰＲへ向かって噴射する。

噴射孔１１１０の直径は、１〜４ｍｍであることが望ましい。直径がこの範囲より小さくなると、ガスの流れが悪くなる傾向があり、噴射の直径がこの範囲より大きくなると被処理領域ＰＲの処理が不均一になる傾向があるからである。

図１に示すプラズマ処理装置１００２においては、１個の対向電極１０１２が設けられているが、図４の模式図に示すように、２個以上の対向電極１０１２が設けられてもよい。これにより、１個の対向電極１０１２では処理することができない広がりを持つ被処理領域ＰＲや散在する被処理領域ＰＲも処理される。２個以上の対向電極１０１２を設ける場合、２個以上の対向電極１０１２の全部について直流パルス電圧を印加するパルス電源１０２４が共通化されていてもよいが、図４に示すように、２個以上の対向電極１０１２の各々に個別のパルス電源１０２４を設けてもよい。これにより、一の対向電極１０１２の対向面１０１４と被処理領域ＰＲとの間隙１０３４において偶発的にアーク放電が発生しても、他の対向電極１０１２と被処理領域ＰＲとの間隙におけるガスのプラズマ化には影響が出にくくなる。

（ガス供給回路１０２６）
ガス供給回路１０２６は、対向電極１０１２の供給孔１１１２に接続され、対向電極１０１２の噴射孔１１１０を経由してガスをチャンバ１０２０の内部の空間１０２２へ供給する。ガス供給回路１０２６が供給する供給ガスは、プラズマ処理装置１００２が行う処理によって変化する。

ガス供給回路１０２６は、供給するガス（以下では「供給ガス」という。）が含有する成分ガスが合流する成分ガス合流配管１２０２と、成分ガス合流配管１２０２から供給孔１１１２へ供給ガスを導く供給ガス配管１２０４と、成分ガスの供給源１２０６から成分ガス合流配管１２０２へ成分ガスを導く成分ガス配管１２０８と、供給ガス配管１２０４を供給ガスが流れることを許容又は阻止するバルブ１２１０と、成分ガス配管１２０８を成分ガスが流れることを許容又は阻止するバルブ１２１２と、成分ガス配管１２０８を流れる成分ガスの流量を制御する流量制御弁１２１４と、を備える。

供給ガス配管１２０４の一端は、供給孔１１１２に接続され、供給ガス配管１２０４の他端は、成分ガス合流配管１２０２に接続される。供給ガス配管１２０４には、バルブ１２１０が挿入される。

複数の成分ガス配管１２０８の各々の一端は、複数の供給源１２０６のいずれかに接続され、複数の成分ガス配管１２０８の各々の他端は、成分ガス合流配管１２０２に接続される。成分ガス配管１２０８の各々には、バルブ１２１２及び流量制御弁１２１４が挿入される。

成分ガスの供給源１２０６としては、窒素（Ｎ₂）ガス、テトラメチルシラン（Ｓｉ（ＣＨ₃）₄；ＴＭＳ）ガス、メタン（ＣＨ₄）及びヘリウム（Ｈｅ）ガスのボンベ、工場ガス配管等が準備される。もちろん、ケイ素（Ｓｉ）の原料となる成分ガスをテトラメチルシランガス以外のケイ素化合物のガスに変更してもよいし、炭素（Ｃ）の原料となる成分ガスをメタンガス以外の有機化合物のガスや液体に変更してもよい。必要に応じて他の成分ガスの供給源を準備してもよい。

図１に示すプラズマ処理装置１００２においては、対向電極１０１２を経由して空間１０２２へガスが供給されるが、成分ガスの全部又は一部が対向電極１０１２を経由しないで空間１０２２へ供給されてもよい。

（ガス排出回路１０２８）
ガス排出回路１０２８は、チャンバ１０２０の下面又は側面に設けられた排出口からドライポンプ１３０２の吸入口へ排ガスを導く排ガス配管１３０４と、チャンバ１０２０の下面又は側面に設けられた排出口から排ガス配管１３０４へ圧力制御弁１３０６を経由せずに排ガスを導く排ガス配管１３０８と、排ガスを吸入して排出するドライポンプ１３０２と、ドライポンプ１３０２の排出口から外部へ排ガスを導く排ガス配管１３１０と、排気ガスを希釈する希釈ガスを排ガス配管１３１０へ導く希釈ガス配管１３１２と、１次側の圧力を制御する圧力制御弁１３０６と、排ガス配管１３０８を排ガスが流れることを許容又は阻止するバルブ１３１４と、希釈ガス配管１３１２を希釈ガスが流れることを許容又は阻止するバルブ１３１６と、希釈ガス配管１３１２を流れる希釈ガスの流量を制御する流量制御弁１３１８と、を備える。

圧力制御弁１３０６は、排ガス配管１３０４に挿入され、バルブ１３１４は、排ガス配管１３０８に挿入される。バルブ１３１６及び流量制御弁１３１８は、希釈ガス配管１３１２に挿入される。

（チャンバ１０２０の内部の空間１０２２の雰囲気の調整）
チャンバ１０２０の内部の空間１０２２の雰囲気は、ガス供給回路１０２６及びガス排出回路１０２８により調整される。

ガス供給回路１０２６が供給ガスを供給する場合、供給ガスが含有する成分ガスが流れる成分ガス配管１２０８に挿入されたバルブ１２１２が開かれ、供給ガスが含有する成分ガスが流れる成分ガス配管１２０８に挿入された流量制御弁１２１４の開度が成分ガスの分圧が予定された分圧になるように調整される。これにより、空間１０２２の雰囲気における成分ガスの分圧が予定された分圧に調整される。

ガス排出回路１０２８が排ガスを急速に排出する場合、バルブ１３１４が開かれ、ドライポンプ１３０２が運転される。

ガス排出回路１０２８が空間１０２２の圧力を維持しながら排ガスを排出する場合、バルブ１３１４が閉じられ、圧力センサ１０３０により測定される空間１０２２の圧力が予定された圧力になるように圧力制御弁１３０６が調整され、ドライポンプ１３０２が運転される。

もちろん、ガス供給回路１０２６及びガス排出回路１０２８は、成分ガスの分圧、空間１０２２の圧力を調整することができるのであれば、どのように構成してもよい。

（ヒータ１０１６）
ヒータ１０１６は、例えば、被処理物ＰＯから離れて被処理物ＰＯに波長が３〜１０μｍを主体とする遠赤外線を照射し被処理物ＰＯを加熱するセラミックヒータである。セラミックヒータに代えて、被処理物ＰＯに接触して被処理物ＰＯを加熱するステージヒータ、シーズヒータ等を用いてもよい。被処理物ＰＯの温度は、温度センサ１０３２の測定結果を監視しながらヒータ１０１６の動作を制御することにより調整される。

（回転機構１０１８）
回転機構１０１８は、接地電極１０１０とともに被処理物ＰＯを軸の周りに回転させ、対向電極１０１２に対して被処理領域ＰＲを被処理領域ＰＲの延在方向に沿って相対移動させる。これにより、延在する被処理領域ＰＲが連続して処理され、処理の効率が向上する。対向電極１０１２を動かさずに被処理物ＰＯを動かすことに代えて、被処理物ＰＯを動かさずに対向電極１０１２を動かしてもよいし、被処理物ＰＯ及び対向電極１０１２の両方を動かしてもよい。被処理領域ＰＲが平歯車の歯の部分である場合のように被処理領域ＰＲが円周方向に延在する場合は、被処理物ＰＯが自転させられ、被処理領域ＰＲが周回運動させられるが、被処理領域ＰＲがラックの歯の部分である場合のように被処理領域ＰＲが直線方向に延在する場合は、被処理物ＰＯが直線運動させられ、被処理領域ＰＯも直線運動させられる。より一般的に言えば、プラズマ処理装置１００２には、対向電極１０１２に対して被処理領域ＰＲを相対移動させる相対移動機構が設けられる。

（パルス電源１０２４の形式）
パルス電源１０２４には、誘導性素子に磁界として蓄積されたエネルギーを短時間で放出し直流パルス電圧を発生する誘導エネルギー蓄積型電源（以下では「ＩＥＳ電源」という。）を採用することが望ましい。これは、ＩＥＳ電源は、容量性素子に電界の形で蓄積したエネルギーを短時間で放出する静電エネルギー蓄積型電源（以下では「ＣＥＳ電源」という。）と比較して、著しく大きいエネルギーを高い繰り返し頻度で出力できるからである。典型的には、負荷が同じならば、ＩＥＳ電源を採用した場合、プラズマを発生させる反応に使われる１パルスあたりの投入エネルギーは、ＣＥＳ電源を採用した場合よりも、概ね１桁大きくなる。ＩＥＳ電源とＣＥＳ電源とのこの相違は、ＩＥＳ電源が発生する直流パルス電圧は電圧の上昇が急激であるのに対して、ＣＥＳ電源が発生する直流パルス電圧は電圧の上昇が緩慢であることにより生じる。すなわち、ＩＥＳ電源を採用した場合、電圧が十分に上昇してから放電が始まり、１パルスあたりの投入エネルギーが十分に大きくなるとともに、面内の放電均一性が高くなるのに対して、ＣＥＳ電源を採用した場合、電圧が十分に上昇しないうちに放電が始まり、１パルスあたりの投入エネルギーが十分に大きくならないとともに、面内の放電均一性が必ずしも高くならない。

交流パルス電圧ではなく直流パルス電圧を用いるのは、交流パルス電圧を用いた場合、イオンが流れづらいことに加え、放電を発生させにくく、導電体が露出する電極で放電を発生させるとアーク放電となってしまうことが多いのに対して、直流パルス電圧を用いた場合、グロー状の放電を発生させることが容易であるからである。

（スイッチング素子）
ＩＥＳ電源において誘導性素子へ流れ込む電流をスイッチングするスイッチング素子は、ターンオン時間及びターンオフ時間が短い静電誘導サイリスタ（以下では「ＳＩサイリスタ」という。）であることが望ましい。これにより、パルス電源１０２４が立ち上がりの早い直流パルス電圧を発生する。ＩＥＳ電源の動作原理は、飯田克ニ、佐久間健著「ＳＩサイリスタによる極短パルス発生回路（ＩＥＳ電源）」（第１５回ＳＩデバイスシンポジウム講演論文集）等に記載されている。

（パルス電源１０２４の回路）
図５は、パルス電源１０２４の回路図である。図５に示すように、パルス電源１０２４は、直流電源１４０２と、コンデンサ１４０４と、パルストランス１４０６と、ＳＩサイリスタ１４０８と、ダイオード１４１０と、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）１４１２と、ゲート駆動回路１４１４と、を備える。

コンデンサ１４０４の一端は直流電源１４０２の正極に接続され、コンデンサ１４０４の他端は直流電源１４０２の負極に接続される。コンデンサ１４０４は、直流電源１４０２からの電流の供給を安定させる。

直流電源１４０２の正極とパルストランス１４０６の一次側の一端とが接続され、パルストランス１４０６の一次側の他端とＳＩサイリスタ１４０８のアノードとが接続され、ＳＩサイリスタ１４０８のカソードとＭＯＳＦＥＴ１４１２のドレインとが接続され、ＭＯＳＦＥＴ１４１２のソースと直流電源１４０２の負極とが接続される。

パルストランス１４０６は、エネルギーを磁界として蓄積する誘導性素子の一例である。パルストランス１４０６の二次側の一端は出力部１４１６の正出力端に接続され、パルストランス１４０６の二次側の他端は出力部１４１６の負出力端に接続される。

ダイオード１４１０のカソードは、パルストランス１４０６の一次側の一端（直流電源１４０２の正極）に接続され、ダイオード１４１０のアノードは、ＳＩサイリスタ１４０８のゲートに接続される。

ＭＯＳＦＥＴ１４１２のゲートとソースとの間には、ゲート駆動回路１４１４が接続される。

ゲート駆動回路１４１４からＭＯＳＦＥＴ１４１２のゲートとソースとの間へのオン信号の入力が始まると、ＭＯＳＦＥＴ１４１２のドレインとソースとの間が導通状態になり、パルストランス１４０６の一次側に電流が流れる。これにより、パルストランス１４０６には磁界の形でエネルギーが蓄積される。この状態において、ゲート駆動回路１４１４からＭＯＳＦＥＴ１４１２のゲートとソースとの間へのオン信号の入力が終わると、ＳＩサイリスタ１４０８のゲートから電荷が引き抜かれ、ＳＩサイリスタ１４０８のアノードとカソードとの間が短時間で非導通状態になる。これにより、パルストランス１４０６の２次側の両端に誘導起電力が発生し、出力部１４１６から直流パルス電圧が出力される。

パルス電源１０２４が出力する直流パルス電圧の強さは、インダクタ１２０２に蓄積されるエネルギーの大きさによって調整される。したがって、ゲート駆動回路１４１４からＭＯＳＦＥＴ１４１２へ入力するオン信号の長さを調整することにより、パルス電源１０２４が出力する直流パルス電圧の強さが調整される。

（被処理物ＰＯ）
被処理物ＰＯは特に制限されない。したがって、歯車以外の部品、工具等、特に、硬質化が望まれる摺動部、接触部を有する部品、工具等もプラズマ処理装置１００２により処理しうる。

被処理物ＰＯの材質も特に制限されない。ただし、プラズマ処理装置１００２は、体積抵抗率が小さい物質、例えば、半導体に用いられる高純度で体積抵抗率が小さいシリコンよりも体積抵抗率がさらに小さい金属又は合金から被処理物ＰＯがなる場合に好適に用いられる。半導体に用いられる高純度で体積抵抗率が小さいシリコンよりも体積抵抗率がさらに小さい金属又は合金の例は、鉄又は鉄を主成分とする合金、例えば、ステンレス鋼、ダイス鋼、ハイスピード鋼等である。ステンレス鋼には、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４２０、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４４０等があり、ダイス鋼には、ＳＫＤ１１、ＳＫＤ６１等があり、ハイスピード鋼には、ＳＫＨ５１、ＳＫＨ５５等がある。

この他、被処理物ＰＯの材質の他の例として、アルミニウム又は銅を主成分とする合金があげられる。

（被処理物ＰＯの処理）
図６は、被処理物ＰＯの処理の流れを示す流れ図である。プラズマ処理装置１００２の運転は、手動運転であってもよいし、コントローラによる自動運転であってもよいし、手動運転及びコントローラによる自動運転の混在であってもよい。なお、下述する処理以外の処理、例えば、窒化処理に先立つ洗浄処理等を行ってもよい。

（窒化処理）
被処理物ＰＯの処理においては、被処理物ＰＯの被処理領域ＰＲを窒化する窒化処理が行われる（工程Ｓ１０１）。

窒化処理が行われるときには、ガス供給回路１０２６により、窒素ガス又は窒素化合物ガスを含有する処理ガスがチャンバ１０２０の内部の空間１０２２へ供給される。ガス供給回路１０２６により、空間１０２２における窒素ガスの分圧は全圧の５０％以下に調整される。空間１０２２における窒素ガスの分圧は全圧の１％以上であればよい。

また、ガス排出回路１０２８により、空間１０２２の圧力（全圧）が５０Ｔｏｒｒ〜常圧に調整される。これにより、プラズマ化された処理ガスの拡散が抑制され、被処理領域ＰＲを選択的に窒化することが容易になる。このことは、窒化処理に要する時間の短縮や費用の低減にも寄与する。

さらに、ヒータ１０１６により、被処理物ＰＯが２００〜６００℃に加熱される。

加えて、回転機構１０１８により、被処理物ＰＯが回転させられる。

この状態において、パルス電源１０２４から接地電極１０１０と対向電極１０１２との間に直流パルス電圧が印加され、接地電極１０１０と対向電極１０１２との間隙１０３４にある処理ガスがプラズマ化される。直流パルス電圧のパルス幅は半値全幅（ＦＷＨＭ）で３００〜５０００ｎｓであることが望ましく、パルス周波数は１〜１００ｋＨｚであることが望ましい。これにより、アーク放電の発生が抑制され、窒化処理が効率的に行われる。

窒素ガスに加えてヘリウムガスを含有する処理ガスを空間１０２２へ供給することも望ましい。これにより、対向面１０１４に導電体が露出するというアーク放電が発生しやすい構造をプラズマ処理装置１００２が有しているにもかかわらず、アーク放電の発生が抑制され、プラズマが安定する。この安定性はヘリウムガスのペニング効果から得られ、５０Ｔｏｒｒ以上の圧力でプラズマを利用して局所的に窒化処理する場合に極めて有効である。

この窒化処理により被処理領域ＰＲが硬質化され、後に形成される硬質のＤＬＣ膜の密着性が向上する。

（ＳｉＣ膜形成処理）
窒化処理の後には、被処理物ＰＯの被処理領域ＰＲにＳｉＣ膜を形成するＳｉＣ膜形成処理が行われる（工程Ｓ１０２）。

ＳｉＣ膜形成処理が行われるときには、ガス供給回路１０２６により、テトラメチルシランガス及びヘリウムガスからなる原料ガスがチャンバ１０２０の内部の空間１０２２へ供給される。ガス供給回路１０２６により、空間１０２２におけるテトラメチルシランガスの分圧は全圧の０．１〜５％に調整される。

また、ガス排出回路１０２８により、空間１０２２の圧力（全圧）が５０〜３５０Ｔｏｒｒに調整される。空間１０２２の圧力がこの範囲を下回ると処理の効率が低下し、この範囲を上回るとアーク放電が発生しやすくなる。

さらに、ヒータ１０１６により、被処理物ＰＯが１５０〜４００℃に調整される。被処理物ＰＯの温度がこの範囲内であれば、被処理物ＰＯが損傷を受けることなく処理が十分に行われる。

この状態において、パルス電源１０２４から接地電極１０１０と対向電極１０１２との間に直流パルス電圧が印加され、接地電極１０１０と対向電極１０１２との間隙１０３４にある原料ガスがプラズマ化される。直流パルス電圧のパルス幅は半値全幅で１００〜５０００ｎｓであることが望ましく、周波数は１〜１００ｋＨｚであることが望ましい。これにより、アーク放電の発生が抑制され、ＳｉＣ膜形成処理が効率的に行われる。

このＳｉＣ膜形成処理により被処理領域ＰＲに硬質の下地膜が形成され、後に形成される硬質のＤＬＣ膜の密着性が向上する。

（ＤＬＣ膜形成処理）
ＳｉＣ膜形成処理の後には、被処理物ＰＯの被処理領域ＰＲにＤＬＣ膜を形成するＤＬＣ膜形成処理が行われる（工程Ｓ１０３）。

ＤＬＣ膜形成処理が行われるときには、ガス供給回路１０２６により、メタンガス、テトラメチルシランガス及びヘリウムガスからなる原料ガスがチャンバ１０２０の内部の空間１０２２へ供給される。ガス供給回路１０２６により、空間１０２２におけるメタンガスの分圧は全圧の０．１〜３０％、テトラメチルシランガスの分圧は全圧の０．１〜５％に調整される。

さらに、ヒータ１０１６により被処理物ＰＯの温度が１５０〜４００℃に調整される。被処理物ＰＯの温度がこの範囲内であれば、被処理物ＰＯが損傷を受けることなく処理が十分に行われる。

この状態において、パルス電源１０２４から接地電極１０１０と対向電極１０１２との間に直流パルス電圧が印加され、接地電極１０１０と対向電極１０１２との間隙１０３４にある原料ガスがプラズマ化される。印加される直流パルス電圧の半値全幅（ＦＷＨＭ）は１００〜５０００ｎｓであることが望ましく、周波数は１〜１００ｋＨｚであることが望ましい。これにより、ＤＬＣ膜形成処理が効率的に行われる。

このようにして形成されるＤＬＣ膜は、「ダイアモンド状炭素膜」「硬質炭素膜」「アモルファスカーボン膜」「ｉカーボン膜」等とも呼ばれる。

この発明は詳細に説明されたが、上述の説明は全ての局面において例示であって、この発明は上述の説明に限定されない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定されうる。

１００２プラズマ処理装置
１０１０接地電極
１０１２対向電極
１０１４対向面
１０１６ヒータ
１０１８回転機構
１０２０チャンバ
１０２４パルス電源
１０２６処理ガス供給回路
１０２８排ガス排出回路
ＰＯ被処理物
ＰＲ被処理領域

Claims

被処理物の表面を処理するプラズマ処理装置であって、
チャンバと、
前記チャンバの内部に収容され、被処理物に接地電位を与える接地電極と、
前記チャンバの内部に収容され、面積が１０ｃｍ²以下であって導電体が露出する対向面を有し、被処理物の表面の一部を占める被処理領域に前記対向面が対向させられた対向電極と、
前記接地電極の電位より前記対向電極の電位が高くなる直流パルス電圧を前記接地電極と前記対向電極との間に繰り返し印加するパルス電源と、
前記チャンバの内部の雰囲気を調整する雰囲気調整機構と、
を備え、
被処理領域を選択的に窒化する窒化処理が行われ、
前記雰囲気調整機構は、
窒化処理が行われるときに、窒素ガス又は窒素化合物ガスを含有する処理ガスを前記チャンバの内部へ供給し、圧力が５０Ｔｏｒｒ以上常圧以下となり窒素ガスの分圧が全圧の５０％以下となる状態に前記チャンバの内部の雰囲気を調整し、
前記パルス電源は、
前記窒化処理が行われるときに、前記接地電極と前記対向電極との間に直流パルス電圧を印加し、前記接地電極と前記対向電極との間隙にある処理ガスをプラズマ化する、
プラズマ処理装置。
請求項１のプラズマ処理装置において、
前記雰囲気調整機構は、
窒化処理が行われるときに、処理ガスにヘリウムガスを含有させる、
プラズマ処理装置。
請求項１又は請求項２のプラズマ処理装置において、
被処理領域に対して前記対向電極を被処理領域の延在方向に沿って相対移動させる相対移動機構、
をさらに備えるプラズマ処理装置。
請求項１から請求項３までのいずれかのプラズマ処理装置において、
２個以上の前記対向電極が設けられる、
プラズマ処理装置。
請求項１から請求項４までのいずれかのプラズマ処理装置において、
窒化処理が行われるときに被処理物を２００℃以上６００℃以下に加熱するヒータ、
をさらに備えるプラズマ処理装置。
請求項１から請求項５までのいずれかのプラズマ処理装置において、
前記パルス電源は、
パルス幅が半値全幅で３００ｎｓ以上５０００ｎｓ以下であってパルス周波数が１ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下の直流パルス電圧を印加する、
プラズマ処理装置。
請求項１から請求項６までのいずれかのプラズマ処理装置において、
被処理領域にダイアモンドライクカーボン膜を形成するダイアモンドライクカーボン膜形成処理が窒化処理の後に行われ、
前記雰囲気調整機構は、
ダイアモンドライクカーボン膜形成処理が行われるときに、ダイアモンドライクカーボン膜の原料ガスを前記チャンバの内部へ供給し、
前記パルス電源は、
ダイアモンドライクカーボン膜形成処理が行われるときに、前記接地電極と前記対向電極との間に直流パルス電圧を印加し、前記接地電極と前記対向電極との間隙にある原料ガスをプラズマ化する、
プラズマ処理装置。
請求項７のプラズマ処理装置において、
水素原子を含有したアモルファスの炭化ケイ素膜を被処理領域に形成する炭化ケイ素膜形成処理が窒化処理の後であってダイアモンドライクカーボン膜形成処理の前に行われ、
前記雰囲気調整機構は、
炭化ケイ素膜形成処理が行われるときに、炭化ケイ素膜の原料ガスを前記チャンバの内部へ供給し、
前記パルス電源は、
炭化ケイ素膜形成処理が行われるときに、前記接地電極と前記対向電極との間に直流パルス電圧を印加し、前記接地電極と前記対向電極との間隙にある原料ガスをプラズマ化する、
プラズマ処理装置。
請求項１から請求項８までのいずれかのプラズマ処理装置において、
前記対向面にガスの噴射孔が形成され、
前記雰囲気調整機構は、
前記噴射孔を経由して前記チャンバの内部へガスを供給する、
プラズマ処理装置。