JP6474785B2 - 被処理部材を熱化学的に強化するプロセスおよび装置 - Google Patents

Description

本発明は、被処理部材を熱化学的に強化するプロセスおよび装置に関するものであり、当該プロセスは、可変の順序で：
−１回以上の炭化ステップを含み、各炭化ステップは、５０ｍｂａｒ未満の圧力を有する炭素含有ガス雰囲気中で行われ、前記被処理部材は、９００から１０５０℃の範囲の温度に保持され；
−随意であるが、１回以上の拡散ステップを含み、各拡散ステップは、１００ｍｂａｒ未満の圧力を有するガス雰囲気中で行われ；
−１回以上の窒化ステップを含み、各窒化ステップは、５０ｍｂａｒ未満の圧力を有する窒素含有ガス雰囲気中で行われ、被処理部材は８００から１０５０℃の範囲の温度に保持される。

本発明の目的は、被処理部材を、炭化処理および窒化処理により熱化学的に強化するプロセスおよび装置を提供することにあり、当該プロセスおよび装置は、以下の利点を有する：
−被処理部材の表面領域の炭素分布および窒素分布を正確に設定することができる；
−生産性が高まり、かつ搬送物をフレキシブルに搬送（ｃｈａｒｇｉｎｇ）できる；そして
−エネルギー消費量および環境汚染を減らすことができる。

この目的は、プロセスによって達成され、該プロセスは、可変の順序で：
−１回以上の炭化ステップを含み、各炭化ステップは、５０ｍｂａｒ未満の圧力を有する炭素含有ガス雰囲気中で行われ、前記被処理部材は９００〜１０５０℃の温度に保持され；
−随意であるが、１回以上の拡散ステップを含み、各拡散ステップは、１００ｍｂａｒ未満の圧力を有するガス雰囲気中で行われ；
−１回以上の窒化ステップを含み、各窒化ステップは、５０ｍｂａｒ未満の圧力を有する窒素含有ガス雰囲気中で行われ、前記被処理部材は８００〜１０５０℃の温度に保持され、前記窒素含有ガス雰囲気は、窒素分子（Ｎ_２）をドナーガスとして含み、かつ放電プラズマで励起され；
−前記プロセスは、２つの連続するプロセスステップの間の時間間隔が１５分よりも短く、かつ前記被処理部材が、３００ｍｂａｒ未満の圧力を有するガス雰囲気中に、これらの時間間隔の間に保持される。

本発明のプロセスの有利な実施形態は：
−２つの連続するプロセスステップの間の時間間隔が１０分よりも短く、好適には５分よりも短く、特に１分よりも短く；
−前記被処理部材が、２００ｍｂａｒ未満、好適には１００ｍｂａｒ未満の圧力を有するガス雰囲気中に、２つの連続するプロセスステップの間の時間間隔において保持され；
−２つの連続するプロセスステップの間の時間間隔における前記被処理部材の温度が、６００℃超、好適には７００℃超、特に８００℃超であり；
−前記プロセスは順番に：
−炭化／窒化ステップ；
−炭化／拡散／窒化ステップ；
−窒化／炭化／窒化ステップ；
−窒化／炭化／窒化／炭化ステップ；または
−窒化／炭化／拡散／窒化ステップ、を含み；
−放電プラズマは、２００〜１０００Ｖの随意のパルスＤＣ電圧、１０〜２００Ａの直流電流、および２〜２００ｋＶＡの直流電力で作用し；
−窒素含有ガス雰囲気は、前記窒化ステップ群のうちの１つ以上の窒化ステップにおいて、パルス直流放電プラズマを、好ましくは、火花放電インパルスと組み合わせることにより励起され；
−前記放電プラズマは、前記窒化ステップ群のうちの１つ以上の窒化ステップにおいて、活性グリッド電極を使用して発生させ；
−前記被処理部材は、１０〜４００Ｖ、好適には１０〜２００Ｖの絶対値を有する活性グリッド電極に対して負電位（バイアス電圧）に保持され；
−前記被処理部材は、前記活性グリッド電極に対して負電位（バイアス電圧）に保持され、前記被処理部材に印加される負電位の絶対値は、前記活性グリッド電極の負電位の絶対値の２〜１２倍であり；
−プラズマ浸漬イオン注入を、前記窒化ステップ群のうちの１つ以上の窒化ステップにおいて使用し；
−前記被処理部材は、８２０〜１０００℃、好適には９２０〜９８０℃の温度に、前記窒化ステップ群中に保持され；
−前記被処理部材は、９４０〜１０５０℃の温度に、前記炭化ステップ群中に保持され；
−前記窒化ステップ群における前記窒素含有ガス雰囲気は、Ｎ_２と、随意であるが、Ｈ_２およびアルゴンのような１種類以上のキャリアガスと、からなり；
−前記窒化ステップ群における前記窒素含有ガス雰囲気は、Ｎ_２と、ＣＯ_２またはＣＨ_４のような１種類以上の炭素含有ガスと、随意であるが、Ｈ_２およびアルゴンのような１種類以上のキャリアガスと、からなり；
−前記窒化ステップ群においてＮ_２に基づく炭素含有ガスの割合は、２〜２０体積％、好適には４〜１５体積％、特に４〜１０体積％であり；
−前記窒化ステップ群における前記窒素含有ガス雰囲気の圧力は、４０ｍｂａｒ未満、好適には３０ｍｂａｒ未満、特に２０ｍｂａｒ未満であり；
−前記炭化ステップ群における前記炭素含有ガス雰囲気は、Ｃ_２Ｈ_２，ＣＯ_２，およびＣＨ_４のような炭素を含む１種類以上のドナーガスと、随意であるが、Ｈ_２およびアルゴンのような１種類以上のキャリアガスと、からなり；
−前記炭化ステップ群における前記炭素含有ガス雰囲気の圧力は、４０ｍｂａｒ未満、好適には３０ｍｂａｒ未満、特に２０ｍｂａｒ未満であり；
−前記プロセスは、０．９〜２ｂａｒの圧力を有するＮ_２雰囲気中で行われる高圧拡散ステップを含む；かつ／または
−前記プロセスは、順番に：
−窒化／炭化／高圧拡散ステップ
を含むことを特徴とする。

更に、本発明の目的は、装置を提供することにあり、前記装置を利用して、被処理部材の表面領域における炭素分布および窒素分布を正確に設定することができ、かつエネルギー消費量を減らして高い生産性を実現し、搬送物をフレキシブルに搬送でき、環境を汚染することがない。

この目的は、装置によって達成され、該装置は：
−ｍ＝２，３，４，５，６，７，８，９，または１０とした場合のｍ個の低圧加熱チャンバと、
−前記低圧加熱チャンバ群に接続されるガス供給源であって、該ガス供給源が、前記低圧加熱チャンバ群に、Ｎ_２と、Ｃ_２Ｈ_２，ＣＯ_２，およびＣＨ_４のような炭素を含むドナーガスと、Ｈ_２およびアルゴンのようなキャリアガスと、からなるグループから選択される１種類以上のガスを供給するように構成される、前記ガス供給源と；
−前記低圧加熱チャンバ群の各低圧加熱チャンバ、および更には、ロックチャンバおよび急冷チャンバ、または２機能ロック−急冷チャンバの接続先の移送チャンバと；または、
−それぞれが可動であり、かつ前記低圧加熱チャンバ群の各低圧加熱チャンバに接続することができるロックチャンバおよび急冷チャンバと；または、
−可動であり、かつ前記低圧加熱チャンバ群の各低圧加熱チャンバに接続することができる２機能ロック−急冷チャンバとを備え；
前記低圧加熱チャンバ群のうちの１つ以上の低圧加熱チャンバは、電気エネルギー供給源に接続され、かつ放電プラズマを、Ｎ_２をドナーガスとして含む窒素含有ガス雰囲気中で、８００℃以上の温度で、かつ１００ｍｂａｒ未満の圧力で発生させるように構成される。

本発明の装置の有利な実施形態は：
−前記電気エネルギー供給源は、放電プラズマを、２００〜１０００ＶのＤＣ電圧、１０〜２００Ａの直流電流、および２〜２００ｋＶＡの直流電力で作用させるように構成され；
−前記電気エネルギー供給源は、パルスＤＣ電圧を、好ましくは火花放電インパルスと組み合わせて動作するように構成され；かつ／または、
−前記低圧加熱チャンバ群のうちの１つ以上の低圧加熱チャンバには、活性グリッド電極が設けられることを特徴とする。

本発明のプロセスは好適には、順番に：
−搬入／排気／炭化／窒化／急冷／搬出ステップ；
−搬入／排気／炭化／拡散／窒化／急冷／搬出ステップ；
−搬入／排気／窒化／炭化／窒化／急冷／搬出ステップ；
−搬入／排気／窒化／炭化／窒化／炭化／急冷／搬出ステップ；
または、
−搬入／排気／窒化／炭化／拡散／窒化／急冷／搬出ステップを含む。

排気が、ロックチャンバ内、または２機能ロック−急冷チャンバ内でもたらされる。更に、簡単な表現をすると、排気プロセスステップは、ロックチャンバについてのみ説明することとする。本発明によれば、２機能ロック−急冷チャンバ内で行われる他の方式の排気も全て、本発明に含まれる。

処理対象の被処理部材は、好ましくは、プレート状の搬送物移載装置、または網状の搬送物移載装置に直接収容され、かつ／または搬送ラック内に配置され、搬送ラックは随意であるが、搬送物移載装置に収納される。ギアボックスシャフトのような長尺の被処理部材は、宙吊り状態で搬送物移載装置内、または搬送ラック内に配置されることが好ましい。

本発明の装置は、１つ以上のモジュールにより構成される搬送物搬送システムを備え、各モジュールは、移送チャンバおよび／または１つ以上のロックチャンバ、急冷チャンバ、および低圧加熱チャンバに割り当てられる。搬送物搬送システムの各モジュールには、アクチュエータ群が配設され、これらのアクチュエータは、電気ケーブルを介して装置の中央制御システムに、例えばプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）に接続される。

本発明の装置の好適な実施形態は、固定の２機能ロック−急冷チャンバと、ｍ＝２，３，４，５，６，７，８，９，または１０とした場合に垂直方向に積み重なるｍ個の低圧加熱チャンバと、更には、移送チャンバとを備え、前記２機能ロック−急冷チャンバおよび前記低圧加熱チャンバ群は、前記移送チャンバに接続される。これらの低圧加熱チャンバの各低圧加熱チャンバには、真空スライドバルブまたは真空ドアが設けられ、該真空スライドバルブまたは該真空ドアを利用して、前記低圧加熱チャンバの内部空間を、前記移送チャンバの内部空間から気密遮断することができる。前記２機能ロック−急冷チャンバには、互いに反対側に配置される２つの真空スライドバルブまたは真空ドアが設けられる。

本発明による全ての装置では、垂直方向または水平方向に移動可能な真空スライドバルブおよび／または回動可能な真空ドアが、必要に応じて使用される。多種多様な開閉方式および寸法の真空スライドバルブおよび真空ドアが市販されている。

本発明の装置の別の好適な実施形態は、固定ロックチャンバと、固定急冷チャンバと、ｍ＝２，３，４，５，６，７，８，９，または１０とした場合に垂直方向に積み重なるｍ個の低圧加熱チャンバと、更には、移送チャンバとを備え、前記ロックチャンバ、前記急冷チャンバ、および前記低圧加熱チャンバ群は、前記移送チャンバに接続される。これらの低圧加熱チャンバの各低圧加熱チャンバには、真空スライドバルブまたは真空ドアが設けられ、前記真空スライドバルブまたは前記真空ドアを利用して、前記低圧加熱チャンバの内部空間を、前記移送チャンバの内部空間から気密遮断することができる。前記ロックチャンバおよび前記急冷チャンバにはそれぞれ、互いに反対側に配置される２つの真空スライドバルブまたは真空ドアが設けられる。

２つの上記装置では、前記搬送物搬送システムは基本的に、前記移送チャンバ内に配置され、かつ昇降機を備え、該昇降機は、伸縮自在機構と一体となって垂直方向に移動して、前記被処理部材を載せた搬送物移載装置および／または搬送ラックを収容して水平方向に移動させる。

本発明の装置の別の好適な実施形態は、固定ロックチャンバと、固定急冷チャンバと、ｍ＝２，３，４，５，６，７，８，９，または１０とした場合に水平姿勢で互いに隣接して円形状に配置されるｍ個の低圧加熱チャンバと、更には、移送チャンバとを備え、前記ロックチャンバ、前記急冷チャンバ、および前記低圧加熱チャンバ群は、前記移送チャンバに接続される。これらの低圧加熱チャンバの各低圧加熱チャンバには、真空スライドバルブまたは真空ドアが設けられ、前記真空スライドバルブまたは前記真空ドアを利用して、前記低圧加熱チャンバの内部空間を、前記移送チャンバの内部空間から気密遮断することができる。前記ロックチャンバおよび前記急冷チャンバにはそれぞれ、互いに反対側に配置される２つの真空スライドバルブまたは真空ドアが設けられる。このようにして構成される装置では、前記移送チャンバ内に配置される搬送物搬送システムは、伸縮自在機構と組み合わせた駆動回転プレートを備えることにより、前記被処理部材を載せた搬送物移載装置および／または搬送ラックを収容して水平方向に移動させる。

好適には、これらの低圧加熱チャンバを設けて、１〜１０個の水平階層、特に１，２，３，４，または５個の水平階層を有する積層搬送物として配置される被処理部材を熱化学的に強化し、複数の被処理部材はそれぞれ、互いに隣接配置されて、或る領域に亘って、好適には互いに距離を置いて水平階層に分散配置される。従って、これらの低圧加熱チャンバは、空の搬送物搬送容積が、或る幅と、当該幅に無関係のそれぞれ、４００〜１０００ｍｍ、好適には４００〜８００ｍｍの長さと、１００〜３００ｍｍ、好適には１００〜２００ｍｍの高さとを、前記搬送物搬送容積と前記低圧加熱チャンバの内壁との間の空き間隔に有し、更には、２０〜４０ｍｍの加熱部材を有するように寸法設定される。

これらの低圧加熱チャンバのうちの少なくとも１つの低圧加熱チャンバを設けて窒化処理を、放電プラズマを利用して行い、そして少なくとも１つの低圧加熱チャンバは電気エネルギー供給源に接続される。負電位を、被処理部材を載せた搬送物移載装置に印加することができるようにするために、前記低圧加熱チャンバには、或る面積を有する電気接点を設けることが好ましい。前記電気接点は、前記低圧加熱チャンバの接点から、または内部から、前記低圧加熱チャンバの壁を経て外部に至る電気導体に結合されて、前記電気エネルギー供給源に接続される。

基本的に、負電位をこれらの被処理部材に印加する必要はない。必要があるのではなく、これらの被処理部材は、低圧加熱チャンバの内壁から、高電位に基づいて、電気的に絶縁することができる、または放電プラズマ中に、自動的に形成される浮遊電位とすることができる。

しかしながら、前記被処理部材に対する負電位の印加は、本発明に関連して行われる。有利な実施形態では、前記搬送物移載装置は、４つの位置決め脚を有する支持プレートを備える。前記支持プレート、およびこれらの位置決め脚のうちの少なくとも１つの位置決め脚は、金属、金属合金、グラファイト、または炭素繊維強化グラファイト（ＣＦＣ）のような導電性材料により形成される。導電性位置決め脚を設けて、前記低圧加熱チャンバ内に或る面積を有する電気接点に位置決めする。

本発明の装置の別の実施形態は、モジュール群を有する搬送物搬送システムを備え、これらのモジュールは、ロックチャンバ内、急冷チャンバ内、低圧加熱チャンバ内、および随意であるが、移送チャンバ内に配置される。このような搬送物搬送システムに対応して構成される搬送物移載装置は、第１接続部材と、随意であるが、ローラ群とを下側領域に有する。ロックチャンバ内、急冷チャンバ内、低圧加熱チャンバ内、および随意の移送チャンバ内に配置される前記搬送物搬送システム、または搬送物搬送システムの種々のモジュールには、第２接続部材群が設けられ、これらの第２接続部材は、前記第１接続部材に嵌合するように構成され、かつ前記第１接続部材に脱着可能に接続することができる。前記搬送物搬送システムのこれらのモジュールは、被処理部材を載せた搬送物移載装置を、１つのチャンバから隣接するチャンバに、電動リニア駆動装置のようなアクチュエータを利用して搬送することができるように構成される。窒化処理に用いる前記低圧加熱チャンバ群の前記搬送物搬送システムの第２接続部材は、導電性である。例えば、前記第２接続部材は、金属、金属合金、グラファイト、または炭素繊維強化グラファイト（ＣＦＣ）のような導電性材料からなる。別の構成として、前記第２接続部材には、電気ケーブルが設けられ、かつ搬送物移載装置に接続されるように、または搬送物移載装置に配置される第１接続部材に接続されるように引き回されるケーブルに接続される電気接点が設けられる。前記電気接点は、バネ、摺動接点またはブラシ接点として構成されることが好ましい。

本発明の装置の有利な実施形態では、窒化処理用に設けられる前記低圧加熱チャンバ群には、回転駆動部が設けられる。前記回転駆動部により、前記被処理部材を載せた前記搬送物移載装置を放電プラズマ中で窒化処理中に継続的に回転させて、前記被処理部材を確実に前記放電プラズマで均一に（窒化処理の期間に亘って平均的に）処理することができる。前記被処理部材を載せた前記搬送物移載装置を回転させると、低圧加熱チャンバの３つ、または２つの側壁に沿ってのみ、かつ／または上面に沿ってのみ、延設される活性グリッド電極を使用して放電プラズマを発生させる場合に、特に有利であることが判明している。窒化処理のために低圧加熱チャンバに対して搬入搬出を行う場合、１つの開口部、または随意であるが、互いに反対側にある２つの開口部を有する活性グリッド電極を使用すると有利である。別の構成として、前記低圧加熱チャンバに対して搬入搬出を行う場合に、前記搬送物移載装置および前記被処理部材との衝突を回避するように、配置され、または調整される可動活性グリッド電極または折り曲げ活性グリッド電極が、本発明に関連して提供される。

第１搬入ステップでは、前記被処理部材を載せた前記搬送物移載装置をロックチャンバに導入する（または、２機能ロック−急冷チャンバに導入する）。前記ロックチャンバを閉じて、ポンプで真空気密状態になるように排気する。前記被処理部材を覆うガス雰囲気の圧力を３００ｍｂａｒ未満、好適には２００ｍｂａｒ未満、特に１００ｍｂａｒ未満の値に下げた後、本発明の装置の該当する構成によって異なるが、前記被処理部材を前記ロックチャンバから搬出して移送チャンバに搬入し、そして前記移送チャンバから搬出して低圧加熱チャンバに搬入する、または前記ロックチャンバを、既に排気されている低圧加熱チャンバの前面に配置して、真空気密状態を保ちながら、前記低圧加熱チャンバに接続する。

可動ロックチャンバを、真空気密状態を保ちながら、低圧加熱チャンバに接続するために、前記ロックチャンバ、および随意であるが、前記低圧加熱チャンバには、１個または２個の真空接続部からなる接続部材を設ける。有利には、前記真空接続部は、嵌合シール面を有する２つのフランジを有し、これらのフランジのうちの一方のフランジのシール面には、Ｏ−リングを設け、そしてこれらのフランジのうちの一方のフランジは、外周面突起を有し、この外周面突起は、これらのシール面を放熱から遮熱し、高温残留ガスを前記低圧加熱チャンバから遮断する。

前記被処理部材を載せた前記搬送物移載装置が低圧加熱チャンバに搬入されると直ぐに、前記低圧加熱チャンバを、真空気密状態を保って閉じて、５０ｍｂａｒ未満、４０ｍｂａｒ未満、３０ｍｂａｒ未満、好適には２０ｍｂａｒ未満の圧力まで排気する。前記低圧加熱チャンバは電気加熱され、そして前記被処理部材を載せた前記搬送物移載装置を搬入すると、６００℃超、好適には７００℃超、特に８００℃超の温度を有するようになる。生産工程（プロダクションラン）の第１搬送物を搬入すると、前記低圧加熱チャンバは、６００℃未満の温度を有することもできる。前記搬送物移載装置を搬入したときの初期温度に依存して、前記低圧加熱チャンバに、特定の時間長に亘って、一定量の電気エネルギー（ｋＷｈ）を供給して、前記被処理部材の温度を８００〜１０５０℃に設定して窒化処理を行う、９００〜１０５０℃に設定して炭化処理を行う、または８００〜１０５０℃に設定して拡散処理を行う。これらの低圧加熱チャンバの各低圧加熱チャンバが、パイロメータ、ボロメータ、または熱電対を備えることにより、前記被処理部材の温度を測定することが好ましい。前記被処理部材が所望の処理温度になってこの温度に所定の滞留時間に亘って保持された後、Ｎ_２，Ｃ_２Ｈ_２，ＣＨ_４，ＣＯ_２，Ｈ_２、アルゴンのような１種類以上のプロセスガスを制御性良く前記低圧加熱チャンバに継続的に導入して、窒化処理、炭化処理、または拡散処理に適するガス雰囲気を生成する。同時に、前記低圧加熱チャンバを１つ以上の真空ポンプで継続的に排気して、圧力を５０ｍｂａｒ未満、４０ｍｂａｒ未満、３０ｍｂａｒ、好適には２０ｍｂａｒ未満の所定の値に保持する。プロセスガス（複数種類のプロセスガス）が前記低圧加熱チャンバに短時間に流入する流入量は、１５００ｌ／ｈ（リットル／時間）以下、好適には１５０〜８００ｌ／ｈである。窒化処理チャンバでは、プロセスガスの最大流量は、１０００ｌ／ｈ、好適には２０〜６００ｌ／ｈ、２０〜４００ｌ／ｈ、特に２０〜３００ｌ／ｈである。

窒化ステップ、炭化ステップ、または拡散ステップの時間長さは、５〜１５０分の範囲である。次の窒化ステップ、炭化ステップ、または拡散ステップが行われる場合、このステップは、同じ低圧加熱チャンバ内、または異なる低圧加熱チャンバ内で行うことができる。本発明によれば、窒化ステップおよび炭化ステップを異なる低圧加熱チャンバ内で行って、特定の低圧加熱チャンバを窒化処理にのみ用いる、または炭化処理にのみ、および随意であるが、拡散処理にのみ用いることが好ましい。窒化ステップおよび炭化ステップを別々の低圧加熱チャンバ内で行うことにより、相互汚染による問題、例えばシアン化水素酸（ＨＣＮ）が生成される問題を極力回避することができる。更に、窒化プラズマが炭素で汚染されるのを回避することができる。

次の窒化ステップ、炭化ステップ、または拡散ステップが、異なる低圧加熱チャンバ内で、このプロセスステップに関して行われる場合、前記被処理部材を載せた前記搬送物移載装置を元の移送チャンバに搬入する、または元の可動ロックチャンバに搬入し、そしてこのチャンバから搬出して前記低圧加熱チャンバに搬入する。別の構成として、２つの低圧加熱チャンバが、互いに隣接して配置され、かつ互いに真空スライドバルブまたは真空ドアを有する開口部を介して接続することができる構成の装置が更に、本発明に関連して提供される。このような構成を有する装置では、第１低圧加熱チャンバを設けて、例えば炭化処理および／または拡散処理を行い、そして第２低圧加熱チャンバを設けて、拡散処理および／または窒化処理を行う。

全ての窒化ステップ、炭化ステップ、および拡散ステップを行った後、前記被処理部材を載せた前記搬送物移載装置を上述の通りに、急冷チャンバ（または、２機能ロック−急冷チャンバ）に搬入して、既知の方法で、好適にはガスを利用して急冷する。ガスを利用して急冷する別の方法として、オイルまたはポリマーを利用して急冷する方法が更に、本発明に関連して提供される。

本発明の装置は、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個，９個，または１０個の電気加熱可能な低圧加熱チャンバを備え、これらの低圧加熱チャンバはそれぞれ、ガス配管を介して別々のガス供給源に、または中央ガス供給源に接続される。これらのガス供給源は、複数のプロセスガス収納容器を備え、プロセスガスは、Ｎ_２、例えばＣ_２Ｈ_２，ＣＯ_２，およびＣＨ_４のような炭素を含むドナーガス、例えばＨ_２およびアルゴンのようなキャリアガスからなるグループから選択される。マスフローコントローラは、これらのガス配管内に配置されて、単位時間当たりに前記低圧加熱チャンバ群に導入されるガスの量を調整することができる。これらのマスフローコントローラは、電気ケーブルを介して装置の中央制御システム、例えばプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）に接続される。各低圧加熱チャンバには、１つ以上の加熱部材が設けられ、これらの加熱部材は、グラファイトまたは炭素繊維強化グラファイト（ＣＦＣ）からなることが好ましく、電気的に加熱される。各低圧加熱チャンバは、１つ以上の真空ポンプに、または中央ポンプに接続される。

ロックチャンバおよび急冷チャンバ、および更には、これらの低圧加熱チャンバ、および随意であるが、移送チャンバにはそれぞれ、圧力センサが設けられるので有利であり、これらの圧力センサは、電気ケーブルを介して装置の中央制御システム、例えばプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）に接続される。

これらの低圧加熱チャンバの各低圧加熱チャンバは、１つ、または２つの開口部と、更には、これらの低圧加熱チャンバの一方の端面、または互いに反対側にある２つの端面に配置される１つ、または２つの真空スライドバルブまたは真空ドアとを有する。

本発明の装置の別の実施形態では、これらの低圧加熱チャンバには、２つの反対側にある端面に位置するように、第１および第２開口部、ならびに第１および第２真空スライドバルブまたは第１および第２真空ドアが設けられる。これにより、被処理部材を載せた搬送物移載装置を、第１開口部を介して低圧加熱チャンバに搬入することができ、窒化ステップ、炭化ステップ、および拡散ステップを完了した後、第１開口部の反対側にある第２開口部を介して搬出することができる。本発明の装置の有利な実施形態は、１つ以上の固定または可動ロックチャンバと、１つ以上の固定または可動急冷チャンバとを備え、これらのチャンバは、これらの低圧加熱チャンバの反対側に配置される、または反対側で移動することができる。このような装置では、被処理部材を載せた搬送物移載装置を空間内で一方の方向にのみ移動させる、すなわちロックチャンバから第１開口部を介して搬出して低圧加熱チャンバに搬入し、窒化ステップ、炭化ステップ、または拡散ステップを完了した後、低圧加熱チャンバから第２開口部を介して通過させて、急冷チャンバに搬入する。このようにして材料を単一方向に移動させる構成の装置では、これらの低圧加熱チャンバに対する搬入および搬出は、互いに切り離して行われ、かつ本発明のプロセスの生産効率またはスループットの観点から、実質的に互いに独立して最適化することができる。

これらの低圧加熱チャンバは、チャンバ外壁またはチャンバ内壁、またはチャンバ外壁群またはチャンバ内壁群と、更には、チャンバ外壁とチャンバ内壁との間に配置される断熱材と、を備えているので有利である。チャンバ外壁は、金属材料からなり、特にスチール板からなり、そしてチャンバ外壁には、随意であるが、水冷手段が設けられる。チャンバ内壁は、グラファイトまたは炭素繊維強化グラファイト（ＣＦＣ）のような耐熱材料からなる。耐熱材料は、グラファイトフェルトからなることが好ましい。各低圧加熱チャンバには、１つ以上の加熱部材が設けられ、これらの加熱部材は、グラファイトまたは炭素繊維強化グラファイト（ＣＦＣ）からなることが好ましく、電気的に操作される。これらの加熱部材は、チャンバ内壁に近接する低圧加熱チャンバの上側領域に配置されることが好ましい。

これらの低圧加熱チャンバには随意であるが、モジュール式搬送物搬送システムのアクチュエータ群、例えば電動リニア駆動装置を設ける。低圧加熱チャンバにおける熱放射によるこれらのアクチュエータの過熱を回避するために、これらのアクチュエータは、好ましくは低圧加熱チャンバの下側領域の水冷断熱構造の内部に配置される。低圧加熱チャンバに、被処理部材を載せたプレート状の搬送物移載装置を搬入した後、搬送物移載装置は、更に別の遮熱構造として機能する。本発明の装置の有利な実施形態では、搬送物搬送システムのこれらの駆動装置は、これらの低圧加熱チャンバの外部に配置され、かつシャフトおよび真空フィードスルーを介して、これらの低圧加熱チャンバ内の機械式アクチュエータに接続される。

これらの低圧加熱チャンバのうちの少なくとも１つの低圧加熱チャンバは、窒化処理用に設けられ、かつ電気エネルギー供給源に接続される。電気エネルギー供給源は、ＤＣ電圧源を備え、ＤＣ電圧源の正極は、低圧加熱チャンバの導電性内壁に、または低圧加熱チャンバ内に配置されるアノードに電気接続される。ＤＣ電圧源の負極は、搬送物移載装置に設けられる電気接点に、低圧加熱チャンバ内に配置される活性グリッド電極に、または２つの取り出し端子を有する分圧器に望ましくは電気接続され、これらの取り出し端子に、活性グリッド電極、および搬送物移載装置用の電気接点が接続されて、ＤＣ電圧源が動作すると、搬送物移載装置および被処理部材が、活性グリッド電極に対して負の電位を有するようになる。

電気エネルギー供給源は、２００〜１０００ＶのＤＣ電圧、１０〜２００Ａの直流電流、および２〜２００ｋＶＡの直流電力を利用して動作するように構成される。電気エネルギー供給源は、数百ヘルツ〜１メガヘルツ、特に２００ヘルツ〜５キロヘルツの範囲で可変に調整可能なパルス周波数、および更には、１．０〜０．００１の範囲で可変に調整可能なパルスデューティファクタ（ｐｄｆ）を有するパルスＤＣ電圧を生成するように構成されることが好ましい。パルスデューティファクタ（ｐｄｆ）は、周期に対する、すなわちパルス時間長（ｐｄ）およびデッドタイム（ｄｔ）の和に対するパルス時間長（ｐｄ）の比であり、デッドタイム（ｄｔ）の間は、ＤＣ電圧が、ｐｄｆ＝ｐｄ／（ｐｄ＋ｄｔ）の関係に従って遮断される。パルス時間長（ｐｄ）は、１００μｓ以下であることが好ましいのに対し、デッドタイムは、１００μｓ以上であることが好ましい。特に好適な実施形態では、電気エネルギー供給源は更に、火花放電発生手段を備え、この火花放電発生手段は、通常パルスの開始時点では、数メガワットの高ピーク電力、および数マイクロ秒の短時間長を有する火花放電を発生させる。このような火花放電により、パルス放電プラズマが低圧加熱チャンバ内に形成され易くなる。上記種類の電気エネルギー供給源は、既知であり市販されている。このような電気エネルギー供給源は通常、マイクロコントローラを利用した電子制御システム、キャパシタ、および高速高出力スイッチ、好適にはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を有する。更に、電気エネルギー供給源は、保護回路を備えていると有利であり、この保護回路は、電気アークを、放電プラズマ中の電圧降下、および電流を利用して検出して、電源を短時間に亘って、通常１００マイクロ秒〜１ミリ秒の時間に亘って遮断する。

窒化処理用に設けられるこれらの低圧加熱チャンバのうちの１つ以上の低圧加熱チャンバが、最大１２００℃の温度に耐えられる導電性材料、特に金属、金属合金、グラファイト、または炭素繊維強化グラファイト（ＣＦＣ）からなる活性グリッド電極を備えることが好ましい。活性グリッド電極は、動作位置において、活性グリッド電極が、被処理部材を載せた搬送物移載装置を殆ど、または完全に取り囲むように構成される。動作位置では、活性グリッド電極は、例えば球面シェル、半球シェル、立方体の部分表面または全表面の形状を有する。活性グリッド電極は、トンネル状形状を有することが好ましく、かつ２つの側方グリッドが互いに対向し、１つの被覆グリッドが、これらの側方グリッドを連結する構成の矩形または半円形輪郭を有する。

本発明の装置の更に別の実施形態では、窒化処理用に設けられるこれらの低圧加熱チャンバは、プラズマ浸漬イオン注入を行うように構成される。この目的のために、これらの窒化処理用加熱チャンバは、電気パルス発生器に接続され、この電気パルス発生器を利用して、１〜３００ｋＶの振幅、および可変パルス時間長を有する負電圧パルスを被処理部材に印加することができる。更に、これらの窒化処理用加熱チャンバはプラズマ発生装置に接続される。プラズマ発生装置は、１０〜１００ＭＨｚ（無線周波数）または約１〜４ＧＨｚ（マイクロ波）の範囲の周波数で動作する。プラズマを発生させるために必要なエネルギーは、誘導的、容量的、または導波管を介して、窒化処理用加熱チャンバ内のガス内に導入される。プラズマ浸漬イオン注入用の種々の装置が、先行技術において既知になっている。

本発明は、これらの図を援用して以下に更に説明される。

中央に配置される移送チャンバを有する装置である。 垂直方向に積み重なる低圧加熱チャンバ群と、移送チャンバと、２機能固定ロック−急冷チャンバとを有する装置である。 水平方向に互いに隣接して配置される低圧加熱チャンバ群と、それぞれ水平方向に移動可能なロックチャンバおよび急冷チャンバとを有する装置である。 ペアで接続される低圧加熱チャンバ群と、それぞれ垂直方向に移動可能なロックチャンバおよび急冷チャンバとを有する装置である。 窒化処理用低圧加熱チャンバの断面図である。 活性グリッド電極の斜視図である。

図１は、本発明による第１装置１００の平面図を示しており、第１装置１００は、中央に配置される移送チャンバと、ロックチャンバ１０と、炭化処理および随意の拡散処理を行う２つの低圧加熱チャンバ２０と、窒化処理を行う２つの低圧加熱チャンバ３０と、更には、急冷チャンバ５０とを有する。チャンバ１０，２０，３０，および５０の各チャンバは、移送チャンバ７０に剛性結合される。チャンバ１０，２０，３０，および５０の内部空間は、移送チャンバ７０の内部空間から、真空スライドバルブまたは真空ドア１２，２１，３１，および５１のそれぞれにより、気密遮断することができる。移送チャンバ７０の反対側では、ロックチャンバ１０および急冷チャンバ５０にそれぞれ、真空スライドバルブまたは真空ドア１１および５２がそれぞれ設けられる。真空スライドバルブが開き、または真空ドア１１が開き、かつ真空スライドバルブが閉じた、または真空ドア１２が閉じた状態では、被処理部材を載せた搬送物移載装置はロックチャンバ１０に、３００ｍｂａｒ（ミリバール）未満、２００ｍｂａｒ未満、１００ｍｂａｒ未満、特に５０ｍｂａｒ未満の圧力を有する移送チャンバ７０内の真空度が劣化することなく搬入される。被処理部材を載せた搬送物移載装置をロックチャンバ１０に搬入した後、真空スライドバルブまたは真空ドア１１を閉じて、ロックチャンバ１０を３００ｍｂａｒ未満、２００ｍｂａｒ未満、１００ｍｂａｒ未満、特に５０ｍｂａｒ未満の圧力まで排気する。次に、真空スライドバルブまたは真空ドア１２を開いて、被処理部材を載せた搬送物移載装置を搬送物搬送システムにより移送チャンバ７０に搬入する。次に、被処理部材を載せた搬送物移載装置を移送チャンバ７０から搬出して、低圧加熱チャンバ２０または３０のうちの一方の低圧加熱チャンバに搬入することにより、炭化処理または窒化処理を行う。真空スライドバルブまたは真空ドア２１および３１は、移送チャンバ７０に搬入するとき、および移送チャンバ７０から該当する低圧加熱チャンバ２０または３０に搬入するとき、または逆に、移送チャンバ７０から搬出するとき、および該当する低圧加熱チャンバ２０または３０から移送チャンバ７０に搬入するときにのみ開くことが好ましく、それ以外のときは閉じて、低圧加熱チャンバ２０，３０への搬入時／低圧加熱チャンバ２０，３０からの搬出時の汚染および熱損失を最小限に抑え、更には、低圧加熱チャンバ２０，３０から熱が放射される結果として移送チャンバ７０が熱応力を受けるのを最小限に抑える。１つ以上の炭化ステップおよび窒化ステップ、および随意の拡散ステップがそれぞれ行われた後、被処理部材を載せた搬送物移載装置を、真空スライドバルブまたは真空ドア５１を開いた状態で、予め、３００ｍｂａｒ未満、２００ｍｂａｒ未満、１００ｍｂａｒ未満、特に５０ｍｂａｒ未満の圧力に排気されている急冷チャンバ５０に搬入する。真空スライドバルブまたは真空ドア５１を閉じて、被処理部材を、流体で、例えば最大２０ｂａｒの圧力まで圧縮されている濾過後の大気で急冷する。更に、最大２０ｂａｒの圧力まで圧縮されている窒素、ヘリウム、またはオイルのような流体を供給して急冷を行う。被処理部材を載せた搬送物移載装置を装置１００から取り出すために、真空スライドバルブまたは真空ドア５２を、真空スライドバルブを閉じた、または真空ドア５１を閉じた状態で、移送チャンバ７０内の真空を劣化させることなく開く。

材料の流れ、または被処理部材を載せた搬送物移載装置の移動は、図１の移動矢印１０１で指示される。

これらの図には図示されていない本発明による装置１００の別の実施形態では、チャンバ１０は、２機能ロック−急冷チャンバとして構成され、チャンバ５０は、炭化処理、窒化処理、または随意であるが、拡散処理を行う低圧加熱チャンバとして構成される。このようにして構成される装置では、被処理部材は、ロック−急冷チャンバを介して装置に搬入される／装置から搬出される。

図２は、炭化処理および随意の拡散処理と、窒化処理をそれぞれ行う垂直方向に積み重なる２つ（合計４つ）の低圧加熱チャンバ２０および３０をそれぞれ有する本発明による別の装置２００の模式側面図を示しており、これらの低圧加熱チャンバは、移送チャンバ７１に接続され、これらの低圧加熱チャンバの内部空間はそれぞれ、移送チャンバ７１の内部空間から、真空スライドバルブまたは真空ドア２１または３１のそれぞれで気密遮断することができる。更に、当該装置は、２機能ロック−急冷チャンバ１５を備え、２機能ロック−急冷チャンバ１５も同様に、移送チャンバ７１に接続され、かつ２つの真空スライドバルブまたは真空ドア１１および１２を、互いに反対側の端面に有する。２機能ロック−急冷チャンバ１５の内部空間は、移送チャンバ７１の内部空間から、真空スライドバルブまたは真空ドア１２で気密遮断することができる。

移送チャンバ７１には、垂直方向に移動可能な昇降機を備える搬送物搬送システム（図２には図示されず）が配設され、この昇降機に伸縮機構が取り付けられる。当該伸縮機構は、被処理部材を載せた搬送物移載装置および／または搬送ラックを収容して水平方向に移動させるように構成される。被処理部材を載せた搬送物移載装置および／または搬送ラックは、２機能ロック−急冷チャンバ１５から必要に応じて搬出されて、低圧加熱チャンバ２０および３０のうちの一方の低圧加熱チャンバに、搬送物搬送システムによって搬入される。更に、所定のプロセスによって異なるが、被処理部材を載せた搬送物移載装置および／または搬送ラックは、低圧加熱チャンバ２０，３０のうちの一方の低圧加熱チャンバから搬出されて、別の方の低圧加熱チャンバ２０，３０に搬入される。

被処理部材を載せた搬送物移載装置および／または搬送ラックを装置２００に搬入するために、搬送物移載装置および／または搬送ラックを、真空スライドが閉じた、または真空ドア１２が閉じ、かつ真空スライドバルブが開いた、または真空ドア１１が開いた状態の２機能ロック−急冷チャンバ１５内に収容する。真空スライドバルブまたは真空ドア１１を閉じて、２機能ロック−急冷チャンバ１５の内部空間をポンプで排気する。炭化処理、および随意の拡散処理および窒化処理の後続のプロセスステップは、装置１００および図１に関連して上に説明したプロセスステップと類似の方法で行われる。被処理部材を載せた搬送物移載装置および／または搬送ラックを急冷して搬出する場合、搬送物移載装置および／または搬送ラックを、低圧加熱チャンバ２０および３０のうちの一方の低圧加熱チャンバから搬出して、２機能ロック−急冷チャンバ１５に搬入する。

図３は、炭化処理および随意の拡散処理、または窒化処理をそれぞれ行う水平方向に互いに隣り合って配置される３つの低圧加熱チャンバ２０および３０をそれぞれ有する本発明による別の装置３００の平面図を示している。低圧加熱チャンバ２０および３０の各低圧加熱チャンバには、第１端面にある第１真空スライドバルブまたは第１真空ドア２１または３１のそれぞれを、そして第１端面とは反対側の第２端面にある第２真空スライドバルブまたは第２真空ドア２２または３２のそれぞれを設ける。更に、装置３００は、低圧加熱チャンバ２０，３０の第１端面に沿って水平方向に移動させることができるロックチャンバ１０Ａと、更には、低圧加熱チャンバ２０，３０の第２端面に沿って水平方向に移動させることができる急冷チャンバ５０Ａとを備える。ロックチャンバ１０Ａおよび急冷チャンバ５０Ａを移動させる場合、例えばレール状に構成されるリニアガイド１７および５７がそれぞれ設けられ、そして更には、図３には図示されていない駆動部が設けられる。

ロックチャンバ１０Ａおよび急冷チャンバ５０Ａの移動は、図３の移動矢印１０７および５０７のそれぞれで指示される。ロックチャンバ１０Ａおよび急冷チャンバ５０Ａには、第１端面にある第１真空スライドバルブまたは第１真空ドア１１または５１がそれぞれ設けられ、そして第１端面とは反対側の第２端面にある第２真空スライドバルブまたは第２真空ドア１２または５２がそれぞれ設けられる。第１真空スライドバルブが開いている状態、または第１真空ドア１１が開いている状態では、被処理部材を載せた搬送物移載装置は、ロックチャンバ１０Ａに搬入される。これらの真空スライドバルブまたは真空ドア１１および１２を閉じ、そしてロックチャンバ１０Ａを３００ｍｂａｒ未満、２００ｍｂａｒ未満、１００ｍｂａｒ未満、特に５０ｍｂａｒ未満の圧力に排気し、そして炭化処理または窒化処理を行うために、低圧加熱チャンバ２０の前面に配置し、この低圧加熱チャンバ２０は、被処理部材を収容しておらず、このロックチャンバ１０Ａに気密結合している。ロックチャンバ１０Ａの真空スライドバルブまたは真空ドア１２、およびロックチャンバ１０Ａに結合している低圧加熱チャンバ２０または３０の真空スライドバルブまたは真空ドア２１または３１をそれぞれ開いて、被処理部材を載せた搬送物移載装置を搬送物搬送システムによってロックチャンバ１０Ａから搬出して、ロックチャンバ１０Ａに結合している低圧加熱チャンバ２０または３０のそれぞれに搬入する。真空スライドバルブまたは真空ドア２１または３１をそれぞれ閉じて、これらの被処理部材に所定の順番で、１回以上の炭化ステップ、および随意の１回以上の拡散ステップ、および１回以上の窒化ステップを施す。例えば、これらの被処理部材をまず、低圧加熱チャンバ２０内で炭化処理し、そして随意であるが、拡散処理し、続いてロックチャンバ１０Ａを経由して低圧加熱チャンバ３０に搬入して、低圧加熱チャンバ３０内で窒化処理する。所定の炭化ステップ、拡散ステップ、および窒化ステップを施した後、これらの被処理部材を流体で、例えば最大２０ｂａｒの圧力まで圧縮されている濾過後の大気で急冷する。この目的のために、急冷チャンバ５０Ａを、該当する低圧加熱チャンバ２０または３０の前面に配置して、当該低圧加熱チャンバに気密結合させる。次に、低圧加熱チャンバ２０または３０の真空スライドバルブまたは真空ドア２２または３２、および急冷チャンバ５０Ａの真空スライドバルブまたは真空ドア５１を開いて、被処理部材を載せた搬送物移載装置を低圧加熱チャンバ２０または３０から搬出して、急冷チャンバ５０Ａに搬入する。真空スライドバルブまたは真空ドア５１を閉じて急冷ステップを行う。最後に、真空スライドバルブまたは真空ドア５２を開いて、被処理部材を載せた搬送物移載装置を装置３００から取り出す。

これらの図には図示されない本発明による装置３００の別の実施形態では、チャンバ１０Ａは、急冷チャンバ５０Ａを省いた２機能、可動、ロック−急冷チャンバとして構成される。このようにして構成される装置では、これらの被処理部材はロック−急冷チャンバを経由して装置に搬入されて、装置から搬出される。

図４は、複数ペアで水平方向に互いに隣り合って配置されて互いに結合する低圧加熱チャンバ２０および３０を有する本発明による更に別の装置４００を側面から見た断面図を示している。各ペアが低圧加熱チャンバ２０および低圧加熱チャンバ３０を有する構成の２ペア、３ペア、４ペア、またはそれよりも多くのペアを垂直方向に積み重ねる。別の構成として、本発明は、各ペアが低圧加熱チャンバ２０および低圧加熱チャンバ３０を有する構成の複数ペアが、水平方向に互いに隣り合って配置される構造を提供する。真空スライドバルブまたは真空ドア２３０は、１ペアの低圧加熱チャンバ２０と低圧加熱チャンバ３０との間に配置されて、低圧加熱チャンバ２０および低圧加熱チャンバ３０の内部空間を互いに分離することにより、被処理部材を搬送する場合にのみ開くようになっている。低圧加熱チャンバ群２０の各低圧加熱チャンバ２０には、真空スライドバルブまたは真空ドア２１が、真空スライドバルブまたは真空ドア２３０の反対側の端面に位置するように設けられる。類似の方法で、低圧加熱チャンバ群３０の各低圧加熱チャンバ３０には、真空スライドバルブまたは真空ドア３２が、真空スライドバルブまたは真空ドア２３０の反対側の端面に位置するように設けられる。

更に、装置４００は、垂直方向に、または随意であるが水平方向に移動することができ、かつ低圧加熱チャンバ群２０の各々の前面に配置することができるロックチャンバ１０Ａと、更には、垂直方向に、または随意であるが水平方向に移動することができ、かつ低圧加熱チャンバ群３０の各々の前面に配置することができる急冷チャンバ５０Ａとを備える。ロックチャンバ１０Ａには、真空スライドバルブまたは真空ドア１１および１２が、２つの反対側の端面に位置するように設けられる。急冷チャンバ５０Ａにも同様に、真空スライドバルブまたは真空ドア５１および５２が、２つの反対側の端面に位置するように設けられる。ロックチャンバ１０および急冷チャンバ５０Ａの垂直移動方向または随意であるが水平移動方向は、移動矢印１０７および５０７でそれぞれ指示される。ロックチャンバ１０Ａおよび急冷チャンバ５０Ａを移動させる場合、図４には図示されず、かつ例えば、レール状に構成されるリニアガイドが設けられ、そして更には、駆動部が設けられる。

装置４００は、装置３００および図３に関連して上に説明した態様に類似する態様で動作し、被処理部材を低圧加熱チャンバ２０から搬出して低圧加熱チャンバ３０に搬入する動作が、可動ロックチャンバ２０をこの目的のために必要とすることなく、直接行われるという点のみが異なっている。

図５は、窒化処理のために設けられ、かつチャンバ内壁３３と、チャンバ外壁３５と、チャンバ内壁３３とチャンバ外壁３５との間に配置される断熱材３４と、更には１つ以上の加熱部材７とを有する低圧加熱チャンバ３０の模式断面図を示している。チャンバ外壁３５は、金属材料、特にスチールからなることが好ましく、そして随意であるが、水冷手段（図５には図示されず）を備える。断熱材３４はグラファイトフェルトからなることが好ましい。チャンバ内壁３３および加熱部材７は、グラファイトまたは炭素繊維強化グラファイト（ＣＦＣ）からなることが好ましい。低圧加熱チャンバ３０には、搬送物移載装置用の支持体３，３Ａを設けることが好ましく、少なくとも一方の支持体３Ａは電気接点を有する、または金属、金属合金、グラファイト、または炭素繊維強化グラファイト（ＣＦＣ）のような導電性材料からなる。

更に、処理対象の被処理部材１を載せた搬送物移載装置２、および随意の活性グリッド電極５が図５に図示されている。搬送物移載装置２は好ましくは、プレート状またはグリッド状に構成され、かつ搬送物移載装置２の裏面には、位置決め脚４，４Ａが設けられ、これらの位置決め脚４Ａのうちの少なくとも１つの位置決め脚４Ａは導電性である。

支持体３，３Ａおよび位置決め脚４，４Ａは、互いに嵌合するように配置されて、導電接点が、支持体３Ａと位置決め脚４Ａとの間に形成されるようになる。

チャンバ内壁３３は、電気ケーブルを介して電気エネルギー供給源９０の正極に接続される。電気エネルギー供給源９０は好ましくは、パルス可能ＤＣ電圧源として設計され、かつ２００〜１０００ＶのＤＣ電圧、１０〜２００Ａの直流電流、および２〜２００ｋＶＡの直流電力で放電プラズマが作用するように構成される。本発明の特に有利な実施形態では、電気エネルギー供給源９０は火花放電発生手段を備える。

これらの低圧加熱チャンバに使用されるこれらの電気ケーブルは、タングステンまたはグラファイトのような耐熱材料からなる場合がある。別の構成として、セラミック材料からなる断熱板を有する銅ケーブルが使用される。

搬送物移載装置２または支持体３Ａ、および／または随意の活性グリッド電極５は、電気ケーブルを介して電気エネルギー供給源９０の負極に接続され、かつチャンバ内壁３３に対するカソードとして接続される。

活性グリッド電極５を使用する場合、活性グリッド電極５に対して負電位（バイアス電圧と表記される）となる電位を、被処理部材１に印加すると有利となり得る。従って、被処理部材１および活性グリッド電極５に対応する２つの出力端子または取り出し端子を有する随意の分圧器９１が設けられる。

図６は、有利に構成される活性グリッド電極５、および更には、被処理部材１を載せた搬送物移載装置２の斜視図を示している。活性グリッド電極５は、互いに対向する２つの側方部分を有するトンネル状構造と、２つの側方部分を接続する被覆部分とを有する。

搬送物移載装置２は随意であるが、図６には図示されていない回転駆動部に接続される。回転駆動部によって、搬送物移載装置２を、窒化処理中に継続的に回転させて、被処理部材１を確実に放電プラズマで非常に均一に処理することができる。搬送物移載装置２の回転は、図６の移動矢印２Ａで指示される。

１ 被処理部材
２ 搬送物移載装置
３，３Ａ 搬送物移載装置の支持体
４，４Ａ 搬送物移載装置の位置決め脚
５ 活性グリッド電極
１０ 固定ロックチャンバ
１０Ａ 可動ロックチャンバ
１５ ロック−急冷チャンバ
１７ 移動装置
２０ 炭化処理用低圧加熱チャンバ
３０ 窒化処理用低圧加熱チャンバ
３３ 低圧加熱チャンバの内壁
３４ 低圧加熱チャンバの断熱材
３５ 低圧加熱チャンバの外壁
５０ 固定急冷チャンバ
５０Ａ 可動急冷チャンバ
５７ 移動装置
７０ 移送チャンバ（水平）
７１ 移送チャンバ（垂直）
９０ 電気エネルギー供給源
１１，１２，２１，２２，３１，３２，５１，５２，２３０ 真空スライドバルブまたは真空ドア
９０ 電気エネルギー供給源
１００ 熱化学的強化装置
２００ 熱化学的強化装置
３００ 熱化学的強化装置
４００ 熱化学的強化装置

Claims (35)

1. 被処理部材を熱化学的に強化する装置であって、
   ｍ＝２，３，４，５，６，７，８，９，または１０とした場合のｍ個の低圧加熱チャンバと、
   前記低圧加熱チャンバ群に接続されるガス供給源であって、該ガス供給源が、前記低圧加熱チャンバ群に、Ｎ_２と、Ｃ_２Ｈ_２，ＣＯ_２，およびＣＨ_４のような炭素を含むドナーガスと、Ｈ_２およびアルゴンのようなキャリアガスとからなるグループから選択される１種類以上のガスを供給するように構成される、前記ガス供給源と、
   前記低圧加熱チャンバ群の各低圧加熱チャンバ、および更には、ロックチャンバおよび急冷チャンバ、または２機能ロック−急冷チャンバの接続先の移送チャンバと、
   それぞれが可動であり、かつ前記低圧加熱チャンバ群の各低圧加熱チャンバに接続することができるロックチャンバおよび急冷チャンバと、または
   可動であり、かつ前記低圧加熱チャンバ群の各低圧加熱チャンバに接続することができる２機能ロック−急冷チャンバとを備え、
   前記低圧加熱チャンバ群のうちの１つ以上の低圧加熱チャンバは、電気エネルギー供給源に接続され、かつ放電プラズマを、Ｎ_２をドナーガスとして含む窒素含有ガス雰囲気中で、８００℃以上の温度で、かつ１００ｍｂａｒ未満の圧力で発生させるように構成される、装置。
2. 前記電気エネルギー供給源は、放電プラズマが、２００〜１０００ＶのＤＣ電圧、１０〜２００Ａの直流電流、および２〜２００ｋＶＡの直流電力で動作するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記電気エネルギー供給源は、パルスＤＣ電圧により動作するように、あるいはパルスＤＣ電圧を火花放電インパルスと組み合わせて動作するように構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記低圧加熱チャンバ群のうちの１つ以上の低圧加熱チャンバには、活性グリッド電極が設けられることを特徴とする、請求項１乃至３の何れか１項に記載の装置。
5. 被処理部材を熱化学的に強化するプロセスであって、該プロセスは可変の順序で：
   １回以上の炭化ステップを含み、各炭化ステップは、５０ｍｂａｒ未満の圧力を有する炭素含有ガス雰囲気中で行われ、前記被処理部材は９００〜１０５０℃の温度に保持され；
   随意であるが、１回以上の拡散ステップを含み、各拡散ステップは、１００ｍｂａｒ未満の圧力を有するガス雰囲気中で行われ、
   １回以上の窒化ステップを含み、各窒化ステップは、５０ｍｂａｒ未満の圧力を有する窒素含有ガス雰囲気中で行われ、前記被処理部材は８００〜１０５０℃の温度に保持され、前記窒素含有ガス雰囲気は、窒素分子（Ｎ_２）をドナーガスとして含み、かつ放電プラズマで励起され；
   前記窒化ステップ群における前記窒素含有ガス雰囲気は、Ｎ_２と、随意として、Ｈ_２及びアルゴンのような１種類以上のキャリアガスとから成り、あるいは、Ｎ_２と、ＣＯ_２又はＣＨ_４のような１種類以上の炭素含有ガスと、随意として、Ｈ_２及びアルゴンのような１種類以上のキャリアガスとから成り、
   前記プロセスは、２つの連続するプロセスステップの間の時間間隔が、１５分よりも短く、かつ前記被処理部材が、これらの時間間隔の間に３００ｍｂａｒ未満の圧力を有するガス雰囲気中に保持されるように、請求項１乃至４の何れか１項による装置内で実行されることを含む、プロセス。
6. ２つの連続するプロセスステップの間の時間間隔は、１０分よりも短いことを特徴とする、請求項５に記載のプロセス。
7. ２つの連続するプロセスステップの前記時間間隔は、５分よりも短いことを特徴とする、請求項５に記載のプロセス。
8. ２つの連続するプロセスステップの前記時間間隔は、１分よりも短いことを特徴とする、請求項５に記載のプロセス。
9. 前記被処理部材は、２００ｍｂａｒ未満の圧力を有するガス雰囲気中に、２つの連続するプロセスステップの間の時間間隔の間に保持されることを特徴とする、請求項５乃至８の何れか１項に記載のプロセス。
10. 前記被処理部材が、二つの連続的なプロセスステップの間の時間間隔の間に１００ｍｂａｒ未満の圧力を有するガス雰囲気中に保持されることを特徴とする、請求項５乃至８の何れか１項に記載のプロセス。
11. 前記被処理部材の温度は、２つの連続するプロセスステップの間の時間間隔の間に、６００℃超であることを特徴とする、請求項５乃至１０の何れか１項に記載のプロセス。
12. 前記被処理部材の温度は、２つの連続するプロセスステップの間の時間間隔の間に、７００℃超であることを特徴とする、請求項５乃至１０の何れか１項に記載のプロセス。
13. 前記被処理部材の温度は、２つの連続するプロセスステップの間の時間間隔の間に、８００℃超であることを特徴とする、請求項５乃至１０の何れか１項に記載のプロセス。
14. 前記プロセスは、順番に：
    炭化／窒化ステップと、
    炭化／拡散／窒化ステップと、
    窒化／炭化／窒化ステップと、
    窒化／炭化／窒化／炭化ステップと、または
    窒化／炭化／拡散／窒化ステップと、
    を含むことを特徴とする、請求項５乃至１３の何れか１項に記載のプロセス。
15. 前記放電プラズマは、２００〜１０００Ｖの随意のパルスＤＣ電圧、１０から２００Ａの範囲の直流電流、および２〜２００ｋＶＡの直流電力で動作することを特徴とする、請求項５乃至１４の何れか１項に記載のプロセス。
16. 前記窒素含有ガス雰囲気は、前記窒化ステップ群のうちの１つ以上の窒化ステップにおいて、パルス直流放電プラズマにより励起され、あるいはパルス直流放電プラズマを火花放電インパルスと組み合わせることにより励起されることを特徴とする、請求項５乃至１５の何れか１項に記載のプロセス。
17. 前記放電プラズマを、前記窒化ステップ群のうちの１つ以上の窒化ステップにおいて、活性グリッド電極を使用して発生させることを特徴とする、請求項５乃至１６の何れか１項に記載のプロセス。
18. 前記被処理部材は、１０〜４００Ｖの絶対値を有する活性グリッド電極に対して負電位に保持されることを特徴とする、請求項１７に記載のプロセス。
19. 前記被処理部材は、１０〜２００Ｖの絶対値を有する活性グリッド電極に対して負電位に保持されることを特徴とする、請求項１７に記載のプロセス。
20. プラズマ浸漬イオン注入を、前記窒化ステップ群のうちの１つ以上の窒化ステップにおいて使用することを特徴とする、請求項５乃至１４の何れか１項に記載のプロセス。
21. 前記被処理部材は、８２０〜１０００℃の温度に、前記窒化ステップ群を行っている間に保持されることを特徴とする、請求項５乃至１４の何れか１項に記載のプロセス。
22. 前記被処理部材は、９２０〜９８０℃の温度に、前記窒化ステップ群を行っている間に保持されることを特徴とする、請求項５乃至２０の何れか１項に記載のプロセス。
23. 前記被処理部材は、９４０〜１０５０℃の温度に、前記炭化ステップ群を行っている間に保持されることを特徴とする、請求項５乃至２２の何れか１項に記載のプロセス。
24. 前記窒化ステップ群における前記窒素含有ガス内の炭素含有ガスの割合は、Ｎ_２に基づき、２〜２０体積％であることを特徴とする、請求項５乃至２３の何れか１項に記載のプロセス。
25. 前記窒化ステップ群における前記窒素含有ガス内の炭素含有ガスの割合は、Ｎ_２に基づき、４〜１５体積％であることを特徴とする、請求項５乃至２３の何れか１項に記載のプロセス。
26. 前記窒化ステップ群における前記窒素含有ガス内の炭素含有ガスの割合は、Ｎ_２に基づき、４〜１０体積％であることを特徴とする、請求項５乃至２３の何れか１項に記載のプロセス。
27. 前記窒化ステップ群における前記窒素含有ガス雰囲気の圧力は、４０ｍｂａｒ未満であることを特徴とする、請求項５乃至２６の何れか１項に記載のプロセス。
28. 前記窒化ステップ群における前記窒素含有ガス雰囲気の圧力は、３０ｍｂａｒ未満であることを特徴とする、請求項５乃至２６の何れか１項に記載のプロセス。
29. 前記窒化ステップ群における前記窒素含有ガス雰囲気の圧力は、２０ｍｂａｒ未満であることを特徴とする、請求項５乃至２６の何れか１項に記載のプロセス。
30. 前記炭化ステップ群における前記炭素含有ガス雰囲気は、Ｃ_２Ｈ_２，ＣＯ_２，およびＣＨ_４のような炭素を含む１種類以上のドナーガスと、随意であるが、Ｈ_２およびアルゴンのような１種類以上のキャリアガスと、からなることを特徴とする、請求項５乃至２９の何れか１項に記載のプロセス。
31. 前記炭化ステップ群における前記炭素含有ガス雰囲気の圧力は、４０ｍｂａｒ未満であることを特徴とする、請求項５乃至３０の何れか１項に記載のプロセス。
32. 前記炭化ステップ群における前記炭素含有ガス雰囲気の圧力は、３０ｍｂａｒ未満であることを特徴とする、請求項５乃至３０の何れか１項に記載のプロセス。
33. 前記炭化ステップ群における前記炭素含有ガス雰囲気の圧力は、２０ｍｂａｒ未満であることを特徴とする、請求項５乃至３０の何れか１項に記載のプロセス。
34. 前記プロセスは、０．９〜２ｂａｒの圧力を有するＮ_２雰囲気中で行われる高圧拡散ステップを含むことを特徴とする、請求項５乃至２９の何れか１項に記載のプロセス。
35. 前記プロセスは、順番に：
    窒化／炭化／高圧拡散ステップ
    を含むことを特徴とする、請求項３４に記載のプロセス。

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