JP5956302B2 - プラズマ処理装置、ヘテロ膜の形成方法 - Google Patents
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Description
(2)比誘電率が9を超え、二次電子放電係数γが3以上であるセラミックス又はガラス;
(3)比誘電率が9.5以上、二次電子放電係数γが5以上のセラミックス
なお、絶縁性中空放電管を、絶縁体であり、比誘電率が大きく、真空下又は減圧下で沿面放電によりプラズマを発生可能な材料(セラミックスなどの無機材料)で形成すると、沿面放電によりプラズマが発生し、低電圧でプラズマを良好に生成できる。沿面放電の過程において放電管材質の誘電率が高いと、管壁表面の帯電状態により2次電子の発生が増加する。すなわち、誘電率が大きいと残留電荷が大きくなるためと考えられ、残留電荷の帯電電荷密度は、次式に従って減衰する。
(式中、Qは帯電電荷密度、Q0は初期帯電電荷密度、tは時間、τは減衰時定数を示す)
減衰時定数τは、絶縁物の誘電率と導電率(抵抗率)により決定される。すなわち、減衰時定数τが絶縁物の誘電率εと抵抗率ρとの積τ=ερで近似されることから、誘電率及び抵抗率の値が大きいほど、表面の帯電電荷の減衰時間が長くなり、大きな残留電荷により沿面放電が強く起こると考えられる。そこで、放電管材質の選定の基準として、比誘電率と抵抗率との積が3.5x109を越える材料を用いて絶縁性中空放電管を形成するのが望ましい。絶縁性中空放電管は、セラミックス又はガラスで構成された筒状中空成形体であってもよい。絶縁性中空放電管は、通常、セラミックスで構成できる。
(式中、Qは帯電電荷密度、Q0は初期帯電電荷密度、tは時間を示し、τは減衰時定数を示す)
において、減衰時定数τの大きな材料で形成されている。減衰時定数τは、絶縁物の誘電率εと導電率(抵抗率)ρとの積τ=ε・ρで近似され、誘電率、抵抗率が大きな絶縁物である程、表面が帯電して減衰するまでに時間がかかり、残留電荷が大きくなり沿面放電が強く起こる。放電管材質の選定基準として比誘電率と抵抗率との積τが、例えば、1×1012〜1×1017Ωcm(例えば、5×1012〜5×1016Ωcm)、好ましくは1×1013〜1×1016Ωcm、さらに好ましくは5×1013〜5×1015Ωcm程度の絶縁体を使用する場合が多い。
図1に示す装置を用いた。この装置において、中空電極にパルス化した高電圧を印加したときに放電によって発生する電流値を測定し、放電管の材質による電流値の相違を調べた。同一電圧の印加で発生する電流値が大きい方が2次電子の発生が多く、沿面放電で使用するのに適した放電管を構成する材料となる。沿面放電の原理から正極性、負極性共に2次電子放出係数の大きい材料であれば電流値が大きくなることから、この実験では、負極性の高電圧を用いた。高電圧をパルスで中空電極に印加し、放電の繰り返し数(パルス)を4Hzとした。プロセスガスとしてアルゴン(純度99.999%)、反応性ガスとして窒素ガス及び水素ガス(窒素/水素=97.5/2.5(v/v%))を用い、放電管(内径φ3mm、外径φ6mm、長さ158mm)として、石英(SiO2)製放電管とアルミナ(Al2O3)製放電管とマグネシア(MgO2)製放電管とをチャンバーの上部中央に設置した。チャンバーの真空到達度は5x10−4Paであった。中空電極に負極性の電圧3〜16kVを印加し、チャンバーをアースし、発生したプラズマでの印加電圧と放電電流との関係を調べた。
実験例1において、沿面放電に用いる最適な放電管材料として選ばれるマグネシア(MgO)製放電管(内径φ10mm、外径φ15mm、長さ3mm。但し、中空電極に埋設固定される部分の長さが20mmであり、中空電極の先端から突出した部分の長さが3mmである)を用い、中空電極にパルス300Hzで正極性の電圧5kVを印加し、基材(高速度鋼 SKH51、20mmX20mmX5mm)にバイアス電圧0〜−250Vを印加し、温度500℃、窒化時間4時間として試験したところ、図3に示す結果を得た。
中空電極にパルス300Hzで正極性の電圧3〜6kVを印加し、発生したプラズマ中のN2+イオン発光強度を測定するとともに、基材硬度を測定し、両者の関係を求めた。基材にはバイアス電圧−120V(一定)を印加するとともに、温度500℃、窒化時間4時間とした。図4に示すように、硬度900Hv以上とするためには、N2+イオン発光強度[a.u.]が2000以上(上限が明確ではないものの、図4からすると、2000〜3500程度)とする必要があるようである。
中空電極にパルス300Hzで正極性の電圧5kVを印加し、基材にバイアス電圧−120Vを印加するとともに、反応性ガスとしての窒素ガスと水素ガスとの割合を変える以外、実験例2と同様にして、水素ガス含有量とN2+イオン発光強度[a.u.]との関係を調べたところ、図5に示す結果を得た。図5から、N2+イオン発光強度[a.u.]を2000以上とするためには、水素ガス含有量を0〜40(vol%)程度とする必要がある。
中空電極にパルス300Hzで正極性の電圧3〜5kVを印加するとともに、それぞれの印加電圧に応じて安定に放電する圧力に調整し、その時発生するプラズマ中のN2+イオン発光強度を測定した。基材にバイアス電圧−120Vを印加するとともに、実験例2と同様にしてN2+イオン発光強度[a.u.]との関係を調べたところ、図6に示す結果を得た。図6から高い発光強度[a.u.]を得るためには3.5〜5Pa程度が適しており、印加電圧が大きくなるにつれて、発光強度[a.u.]も大きくなる。
中空電極にパルス300Hzで正極性の電圧5kVを印加し、基材にバイアス電圧−120Vを印加するとともに、チャンバー内部をヒーターにより加熱してチャンバー内の温度を代える以外、実験例2と同様にして、チャンバー内の温度と窒化膜の硬度との関係を調べた。図7に示されるように、硬度1000Hv以上の窒化膜を得るためには、465〜560℃程度が適しており、温度490〜530℃程度の範囲に硬度のピークがみられる。
中空電極にパルス300Hzで正極性の電圧5kVを印加し、基材にバイアス電圧−120Vを印加する以外、実験例2と同様にして窒化膜を形成し、生成した窒化膜をXRD(X線回析)、XPS(X線光電子分光)により分析した。なお、対照として、高速度鉄鋼SKH51を用いた。結果を図8(X線回析スペクトル)及び図9(X線光電子分光スペクトル)に示す。図8及び図9から、白層(FenN化合物)は認められなかった。
加する以外、実験例2反応ガスとして水素ガスを用いて、中空電極にパルス300Hzで正極性の電圧5kVを印加し、基材にバイアス電圧−120Vを印と同様にしてプラズマを生成させ、プラズマ中の水素ラジカルの分光強度スペクトルを測定した(測定装置など)。図10に示すように、水素ラジカル(Hα、Hβ)の発光が認められ、プラズマCVDに利用できることが示された。
中空電極にパルス300Hzで正極性の電圧5kVを印加し、基材にバイアス電圧−120Vを印加し、基材をタングステンとする以外、実験例2と同様にして窒化処理し、XPS(X線光電子分光)により分析した。図11に示されるように、窒化タングステンのピークが認められ、鉄系基材だけでなく、タングステン基材も窒化できる。タングステン金属は、空気中の酸素と反応して表面に酸化タングステンを生成しやすく、本実験でも分析の結果、酸化タングステンのピークが認められた。しかし、窒化された窒化タングステンの表面の分析により酸化タングステンのピークが検出されていない。このことは、本発明では、窒化に伴って表面の酸化膜がN2+イオンによりエッチングされた効果によると思われる。
2…予備室
2a…ガス導入口
4…中空電極
5…コンデンサ
6…放電管
8…電圧印加手段
9…真空チャンバー
10…導入路
11…基材
12…バイアス印加手段
13…アース手段
14…真空手段
Claims (12)
- プロセスガスが流通可能であり、かつパルス化した電圧を印加可能な中空電極と、この中空電極から延びる電気絶縁性中空放電管と、この電気絶縁性中空放電管を収容するための真空チャンバーと、この真空チャンバー内に反応性ガスを導入するための導入路と、前記真空チャンバー内に配設され、かつ発生した反応性ガスのプラズマで処理するための基材と、前記真空チャンバー内のガスを排気するための真空手段とを備えた装置であって、前記中空電極に正極性の前記電圧をパルスの形態で印加するための電圧印加手段と、接地された真空チャンバーを備え、前記絶縁性中空放電管が、沿面放電によりプラズマを発生可能な材料で形成されているプラズマ処理装置。
- 基材に中空電極とは逆の極性(負極性)のバイアス電圧を印加するためのバイアス印加手段を備えている請求項1記載のプラズマ処理装置。
- 電気絶縁性中空放電管が、下記(1)〜(3)のいずれかの材料で構成された筒状中空成形体である請求項1又は2に記載のプラズマ処理装置。
(1)比誘電率が3.5以上を越え、二次電子放電係数γが1以上であるセラミックス又はガラス;
(2)比誘電率が9を超え、二次電子放電係数γが3以上であるセラミックス又はガラス;
(3)比誘電率が9.5以上、二次電子放電係数γが5以上のセラミックス - 中空電極がコンデンサを備えている請求項1〜3のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 基材が金属又はセラミックスであり、反応性ガスが、水素、酸素、窒素、硫黄、ケイ素、及びホウ素から選択された少なくとも一種の元素を含むガスである請求項1〜4のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 真空チャンバー内で発生した反応性ガスのプラズマで処理して基材表面にヘテロ膜を形成する請求項1〜5のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 反応性ガスが少なくとも窒素を含み、真空チャンバー内で発生した窒素プラズマで処理して金属又はセラミックス基材の表面に窒化膜を形成する請求項1〜6のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 中空電極に正極性の電圧を印加するための電圧印加手段と、基材に負極性のバイアス電圧を印加するためのバイアス印加手段とを備え、反応性ガスが、窒素及び水素を含む請求項1〜7のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 真空下、プロセスガスが流通可能な中空電極に電圧を印加し、前記中空電極から延びる電気絶縁性中空放電管内でプロセスガスをプラズマ化して、接地された真空チャンバー内に導入された反応性ガスをプラズマ化し、前記真空チャンバー内に配設された基材とプラズマとを接触させ、前記基材表面がプラズマ処理された部材を製造する方法であって、前記中空電極に正極性の前記電圧をパルスの形態で印加し、前記絶縁性中空放電管を、沿面放電によりプラズマを発生可能な材料で形成し、真空チャンバー内で、前記基材の表面に反応性ガスのプラズマによるヘテロ膜を形成し、部材を製造する方法。
- 基材に中空電極とは逆の極性のバイアス電圧を印加する請求項9記載の方法。
- 絶縁性中空放電管を、比誘電率が9を超え、二次電子放電係数γが3以上であるセラミックスで形成し、基材に硬質ヘテロ膜を形成する請求項9又は10記載の方法。
- 金属又はセラミックスで構成され、切削刃を形成する基材と、窒素及び水素を含む反応性ガスとを用い、請求項9〜11のいずれかに記載の方法で表面に窒化膜が形成された切削刃を製造する方法。
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