特許 6063816 表面処理装置及び表面処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6063816

(24)【登録日】2016年12月22日

(45)【発行日】2017年1月18日

(54)【発明の名称】表面処理装置及び表面処理方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 16/50 20060101AFI20170106BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20170106BHJP

   H05H 1/24 20060101ALI20170106BHJP

   H05H 1/00 20060101ALI20170106BHJP

【ＦＩ】

   C23C16/50

   C23C14/06 J

   H05H1/24

   H05H1/00 A

【請求項の数】9

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-110660(P2013-110660)

(22)【出願日】2013年5月27日

(65)【公開番号】特開2014-227593(P2014-227593A)

(43)【公開日】2014年12月8日

【審査請求日】2015年8月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(73)【特許権者】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人名古屋大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】特許業務法人あいち国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】井邉 光隆

(72)【発明者】

【氏名】堀 勝

【審査官】 田中 則充

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−３３１４４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００３／００７７４０１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−０３６４３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／００３４３９３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２０１０−５２８１７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２９２８１２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−１９００５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０９４１３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２９２９３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３１４８４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２３Ｃ１６／００−１６／５６

Ｃ２３Ｃ１４／００−１４／５８

Ｈ０５Ｈ １／００

Ｈ０５Ｈ １／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも反応性ガスを含む気体が封入される反応室（５１）と、該反応室（５１）内において被処理物（６０）を保持する保持部（５２）とを有する反応部（５）と、
該反応部（５）の上記反応室（５１）内に電子ビーム（Ａ）を出力して上記反応性ガスをプラズマ化する電子ビーム出力部（２）と、
該電子ビーム出力部（２）から出力される電子ビーム（Ａ）を制御する制御部（７０）とを備え、
上記反応室（５１）は、物理的蒸着法及び化学的蒸着法の少なくとも一方を用いて、上記保持部（５２）に保持された上記被処理物（６０）の表面に硬質膜としてのｃＢＮ膜を形成することができるよう構成されており、
上記制御部（７０）は、上記反応室（５１）内での上記硬質膜の形成に最適なプラズマ状態となるように、上記電子ビーム出力部（２）から上記反応室（５１）内に出力される電子ビーム（Ａ）の出力波形を制御するよう構成されており、
また、上記反応室（５１）は、物理的蒸着法及び化学的蒸着法の少なくとも一方を用いて、上記保持部（５２）に保持された上記被処理物（６０）の表面に対して、上記硬質膜の密着性を向上させる中間処理を行うことができるよう構成されており、
上記制御部（７０）は、上記反応室（５１）内での上記中間処理に最適なプラズマ状態となるように、上記電子ビーム出力部（２）から上記反応室（５１）内に出力される電子ビーム（Ａ）の出力波形を制御するよう構成されていることを特徴とする表面処理装置（１）。

【請求項2】

請求項１に記載の表面処理装置（１）において、上記制御部（７０）は、上記電子ビーム出力部（２）から出力される電子ビーム（Ａ）の出力波形を直流状又はパルス状の波形に制御するよう構成されていることを特徴とする表面処理装置（１）。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の表面処理装置（１）において、上記電子ビーム出力部（２）は、上記反応室（５１）内に出力される電子ビーム（Ａ）の方向性を制御する電子ビーム制御手段を備えていることを特徴とする表面処理装置（１）。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面処理装置（１）において、上記反応部（５）は、上記反応室（５１）内で生成された上記反応性ガスのプラズマ密度を上記反応室（５１）内の予め規定された特定領域において制御するプラズマ制御手段を備えており、上記保持部（５２）は、上記被処理物（６０）が上記特定領域内に位置するように配置されていることを特徴とする表面処理装置（１）。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面処理装置（１）において、上記反応室（５１）内のプラズマ状態を検知するプラズマ状態検知手段をさらに備え、上記制御部（７０）は、上記プラズマ状態検知手段における検知結果に基づいて、上記電子ビーム出力部（２）から上記反応室（５１）内に出力される電子ビーム（Ａ）の出力波形を制御するよう構成されていることを特徴とする表面処理装置（１）。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれか１項に記載の表面処理装置（１）において、上記被処理物（６０）の表面状態を検知する表面状態検知手段（５５）をさらに備え、上記制御部（７０）は、上記表面状態検知手段（５５）における検知結果に基づいて、上記電子ビーム出力部（２）から上記反応室（５１）内に出力される電子ビーム（Ａ）の出力波形を制御するよう構成されていることを特徴とする表面処理装置（１）。

【請求項7】

少なくとも反応性ガスを含む気体が封入された反応室（５１）内に電子ビーム出力部（２）から電子ビーム（Ａ）を出力して上記反応性ガスをプラズマ化するプラズマ化工程と、
物理的蒸着法及び化学的蒸着法の少なくとも一方を用いて、上記反応室（５１）内に保持された被処理物（６０）の表面に硬質膜としてのｃＢＮ膜を形成する硬質膜形成工程とを有し、
該硬質膜形成工程では、上記反応室（５１）内での上記硬質膜の形成に最適なプラズマ状態となるように、上記電子ビーム出力部（２）から上記反応室（５１）内に出力される電子ビーム（Ａ）の出力波形を制御し、
上記硬質膜形成工程の前に、物理的蒸着法及び化学的蒸着法の少なくとも一方を用いて、上記被処理物（６０）の表面に対して、上記硬質膜の密着性を向上させる中間処理を行う中間処理工程を有し、
該中間処理工程では、上記反応室（５１）内での上記中間処理に最適なプラズマ状態となるように、上記電子ビーム出力部（２）から上記反応室（５１）内に出力される電子ビーム（Ａ）の出力波形を制御することを特徴とする表面処理方法。

【請求項8】

請求項７に記載の表面処理方法において、上記電子ビーム出力部（２）から上記反応室（５１）内に出力される電子ビーム（Ａ）の出力波形の制御は、上記反応室（５１）内のプラズマ状態を検知するプラズマ状態検知手段における検知結果に基づいて行うことを特徴とする表面処理方法。

【請求項9】

請求項７又は８に記載の表面処理方法において、上記電子ビーム出力部（２）から上記反応室（５１）内に出力される電子ビーム（Ａ）の出力波形の制御は、上記被処理物（６０）の表面状態を検知する表面状態検知手段（５５）における検知結果に基づいて行うことを特徴とする表面処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被処理物の表面に薄膜を形成するための表面処理装置及び表面処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、摺動部品等では、摺動特性を各段に飛躍させる新しい硬質膜の要求が高まっている。その中でも注目されているのがダイヤモンドやｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）といった軽元素からなる硬質膜である。通常、ダイヤモンドやｃＢＮは、高温高圧環境下で行われる焼成によってバルク材として得ることが可能である。しかし、このような手法では、ダイヤモンドやｃＢＮを薄膜として得ることが困難である。

【0003】

そこで、真空環境下においてプラズマを用いて成膜を行うプラズマＣＶＤ（化学的蒸着）法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＨＣＤ（ホロカソード）法等の従来技術を用い、上述したような硬質膜を薄膜化するための研究がなされている。しかし、これらの従来技術によって得られるプラズマ密度は比較的低いため、成膜反応性が低く、成膜速度が遅いといった課題がある。
このような課題に対し、従来、ヒータ等の加熱や外部エネルギーの導入等によって成膜反応性や成膜速度を改善した例がある。また、特許文献１には、電子ビームの照射によって低温環境下でプラズマ密度を高める技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７−３１４８４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来の改善例では、成膜温度が高くなりすぎるため、高温で軟化するような材料を被処理物として使用することができないといった使用材料の制限が生じてしまう。また、上記特許文献１は、窒化処理に特化した技術であるため、この技術をそのまま適用したとしても、被処理物に対して上述したような硬質膜を薄膜で形成することは困難である。

【0006】

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、被処理物を選ぶことなく、硬質膜を精度良く、効率的に、薄膜で形成することができる表面処理装置及び表面処理方法を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一の態様は、少なくとも反応性ガスを含む気体が封入される反応室と、該反応室内において被処理物を保持する保持部とを有する反応部と、
該反応部の上記反応室内に電子ビームを出力して上記反応性ガスをプラズマ化する電子ビーム出力部と、
該電子ビーム出力部から出力される電子ビームを制御する制御部とを備え、
上記反応室は、物理的蒸着法及び化学的蒸着法の少なくとも一方を用いて、上記保持部に保持された上記被処理物の表面に硬質膜としてのｃＢＮ膜を形成することができるよう構成されており、
上記制御部は、上記反応室内での上記硬質膜の形成に最適なプラズマ状態となるように、上記電子ビーム出力部から上記反応室内に出力される電子ビームの出力波形を制御するよう構成されており、
また、上記反応室は、物理的蒸着法及び化学的蒸着法の少なくとも一方を用いて、上記保持部に保持された上記被処理物の表面に対して、上記硬質膜の密着性を向上させる中間処理を行うことができるよう構成されており、
上記制御部は、上記反応室内での上記中間処理に最適なプラズマ状態となるように、上記電子ビーム出力部から上記反応室内に出力される電子ビームの出力波形を制御するよう構成されていることを特徴とする表面処理装置にある。

【0008】

本発明の他の態様は、少なくとも反応性ガスを含む気体が封入された反応室内に電子ビーム出力部から電子ビームを出力して上記反応性ガスをプラズマ化するプラズマ化工程と、
物理的蒸着法及び化学的蒸着法の少なくとも一方を用いて、上記反応室内に保持された被処理物の表面に硬質膜としてのｃＢＮ膜を形成する硬質膜形成工程とを有し、
該硬質膜形成工程では、上記反応室内での上記硬質膜の形成に最適なプラズマ状態となるように、上記電子ビーム出力部から上記反応室内に出力される電子ビームの出力波形を制御し、
上記硬質膜形成工程の前に、物理的蒸着法及び化学的蒸着法の少なくとも一方を用いて、上記被処理物の表面に対して、上記硬質膜の密着性を向上させる中間処理を行う中間処理工程を有し、
該中間処理工程では、上記反応室内での上記中間処理に最適なプラズマ状態となるように、上記電子ビーム出力部から上記反応室内に出力される電子ビームの出力波形を制御することを特徴とする表面処理方法にある。

【発明の効果】

【0009】

上記表面処理装置において、反応室は、物理的蒸着法及び化学的蒸着法の少なくとも一方を用いて、保持部に保持された被処理物の表面に硬質膜を形成することができるよう構成されている。そして、制御部は、反応室内での硬質膜の形成に最適なプラズマ状態となるように、電子ビーム出力部から反応室内に出力される電子ビームの出力波形を制御するよう構成されている。

【0010】

すなわち、電子ビーム出力部から反応室内に電子ビームを出力（照射）することにより、反応室内の反応性ガスをプラズマ化する。そして、制御部がその電子ビームの出力波形を制御することにより、反応室内のプラズマ状態を硬質膜の形成に最適な状態にすることができる。そのため、上記の蒸着法（物理的蒸着法、化学的蒸着法）を用いて硬質膜を成膜する際の成膜反応性や成膜速度を向上させることができる。

【0011】

これにより、反応室内において、所望の方法により、所望の硬質膜（ｃＢＮ膜）を精度良く、効率的に、薄膜で形成することができる。
また、成膜時の成膜反応性や成膜速度の向上を図ることができるため、従来困難であった低温環境下での硬質膜の成膜が可能となる。よって、被処理物として一般的な鋼材等を用いて硬質膜を成膜することも可能となる。

【0012】

上記表面処理方法は、上記プラズマ化工程と上記硬質膜形成工程とを有する。そして、該硬質膜形成工程では、反応室内での硬質膜の形成に最適なプラズマ状態となるように、電子ビーム出力部から反応室内に出力される電子ビームの出力波形を制御する。すなわち、電子ビームの出力波形を制御することにより、反応室内のプラズマ状態を硬質膜の形成に最適な状態にする。

【0013】

そのため、上記の蒸着法を用いて硬質膜を成膜する際の成膜反応性や成膜速度を向上させることができる。これにより、反応室内において、所望の方法により、所望の硬質膜を精度良く、効率的に、薄膜で形成することができる。また、従来困難であった低温環境下での硬質膜の成膜が可能となるため、被処理物として一般的な鋼材等を用いて硬質膜を成膜することも可能となる。

【0014】

このように、被処理物を選ぶことなく、硬質膜を精度良く、効率的に、薄膜で形成することができる表面処理装置及び表面処理方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施例１における、表面処理装置の構成を示す説明図。

【図2】実施例１における、電子ビーム出力部の構成を示す説明図。

【図3】実施例２における、表面処理装置の構成を示す説明図。

【発明を実施するための形態】

【0017】

また、上記反応室は、物理的蒸着法及び化学的蒸着法の少なくとも一方を用いて、上記保持部に保持された上記被処理物の表面に対して中間処理を行うことができるよう構成されており、上記制御部は、上記反応室内での上記中間処理に最適なプラズマ状態となるように、上記電子ビーム出力部から出力される電子ビームの出力波形を制御するよう構成されていてもよい。
この場合には、被処理物の表面に対する中間処理を精度良く、効率的に行うことができる。なお、ここでの中間処理とは、硬質膜を形成する前に予め被処理物に対して行う処理のことをいう。

【0018】

上記中間処理としては、例えば、被処理物の表面硬化、硬質膜の密着性向上のために行う窒化処理、炭化処理、ホウ化処理等の表面処理や、硬質膜の密着性向上のために金属、セラミック等からなる中間層を形成する中間層形成処理等が挙げられる。上記表面処理として窒化処理、炭化処理、ホウ化処理等を行うことにより、被処理物の表面に窒化膜、炭化膜、ホウ化膜等を形成することができる。また、上記中間層形成処理では、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ等の金属、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂等のセラミック等からなる中間層を形成することができる。なお、中間処理は、被処理物の表面に成膜する硬質膜に応じて選択することができる。

【0019】

また、上記制御部は、上記電子ビーム出力部から出力される電子ビームの出力波形を直流状又はパルス状の波形に制御するよう構成されていてもよい。
この場合には、電子ビーム出力部から出力される電子ビームの出力波形の制御や反応室内のプラズマ状態の調整を精度良く行うことができる。

【0020】

また、上記電子ビーム出力部は、パルス状の波形の電子ビームのデューティー比を設定するデューティー比設定手段を備えていてもよい。
この場合には、電子ビームのパルス状の波形（デューティー比）を調整することにより、反応室内の反応性ガスによるプラズマの量を調整することができる。これにより、反応室内での被処理物に対する硬質膜形成や中間処理をより一層効率的に行うことができる。

【0021】

また、上記電子ビーム出力部は、プラズマを生成する生成室と、電子ビームの出射方向に沿った電界を発生する電極を有し、上記生成室で生成されたプラズマ中の電子を加速させる加速室と、該加速室の上記電極に所定の電圧を印加する加速電源とを備えていてもよい。
この場合には、電子ビーム出力部から反応室内に向けて電子ビームを精度良く出力（照射）することができる。

【0022】

また、上記加速電源は、上記加速室の上記電極に印加するパルス電圧のパルス幅及びパルス印加周期の少なくとも一方を設定するパルス電圧設定手段を備えていてもよい。
この場合には、電子ビームのパルス状の波形（パルス幅、パルス印加周期）を調整することにより、反応室内の反応性ガスによるプラズマの量を調整することができる。これにより、反応室内での被処理物に対する硬質膜形成や中間処理をより一層効率良く行うことができる。

【0023】

また、上記電子ビーム出力部は、上記加速室の内圧が上記生成室の内圧よりも低くなるように上記加速室の内圧を制御する圧力制御手段を備えていてもよい。
この場合には、生成室で生成されたプラズマが加速室に流動しやすくなり、電子ビームを効率良く生成することができる。

【0024】

また、上記電子ビーム出力部は、上記反応室内に出力される電子ビームの方向性を制御する電子ビーム制御手段を備えていてもよい。
この場合には、電子ビームの方向性を制御することにより、反応室内の被処理物近傍のプラズマ状態の調整が容易となる。これにより、反応室内での被処理物に対する硬質膜形成や中間処理をより一層効率良く行うことができる。

【0025】

また、上記電子ビーム制御手段は、上記加速室での電子ビームの進行方向における上流の位置で、該電子ビームを上記反応室内の所定の方向に導く磁界を発生するように配置された上流側電磁石と、上記加速室での電子ビームの進行方向における下流の位置で、該電子ビームを上記反応室内の所定の方向に導く磁界を発生するように配置された下流側電磁石とを備えていてもよい。
この場合には、上流側電磁石及び下流側電磁石により発生する磁界によって、反応室内に出力される電子ビームの方向性の制御が容易となる。

【0026】

また、上記反応部は、上記反応室内で生成された上記反応性ガスのプラズマ密度を上記反応室内の予め規定された特定領域において制御するプラズマ制御手段を備えており、上記保持部は、上記被処理物が上記特定領域内に位置するように配置されていてもよい。
この場合には、反応室内の特定領域に被処理物が配置された状態でその特定領域におけるプラズマ密度を制御することにより、反応室内の特定領域のプラズマ状態の調整が容易となる。これにより、反応室内の特定領域での被処理物に対する硬質膜形成や中間処理を効率良く行うことができる。

【0027】

また、上記プラズマ制御手段は、上記反応室での電子ビームの進行方向における上流の位置で、該電子ビームを上記保持部に導く又は拡散する第１磁界を発生するように配置された第１電磁石と、上記反応室での電子ビームの進行方向における下流の位置で、上記第１磁界と同一方向又は該第１磁界の向きを反転させた第２磁界を発生するように配置された第２電磁石とを備え、上記第１電磁石と上記第２電磁石との間の領域を上記特定領域としてもよい。
この場合には、第１電磁石及び第２電磁石により発生する磁界によって、反応室内の特定領域におけるプラズマ密度の制御が容易となる。

【0028】

また、上記保持部には、上記保持部全体を回転させる保持部回転手段と、上記保持部に保持した上記被処理物を回転させる被処理物回転手段とが設けられていてもよい。
この場合には、保持部回転手段及び被処理物回転手段によって被処理物を移動・回転させることにより、被処理物に対する硬質膜形成や中間処理をムラなく均一に行うことができる。

【0029】

また、上記反応部は、上記被処理物の表面が活性化する活性化温度以上となるように該被処理物を加熱する加熱手段を備えていてもよい。
この場合には、被処理物の表面を活性化した状態とすることができ、硬質膜形成や中間処理を精度良く、効率的に行うことができる。

【0030】

また、上記表面処理装置は、上記反応室内のプラズマ状態を検知するプラズマ状態検知手段をさらに備え、上記制御部は、上記プラズマ状態検知手段における検知結果に基づいて、上記電子ビーム出力部から出力される電子ビームの出力波形を制御するよう構成されていてもよい。
この場合には、反応室内のプラズマ状態に応じて電子ビームの出力波形を制御することにより、反応室内のプラズマ状態を硬質膜形成や中間処理に最適な状態で維持することができる。これにより、常時、硬質膜形成や中間処理を精度良く、効率的に行うことができる。

【0031】

また、上記表面処理装置は、上記被処理物の表面状態を検知する表面状態検知手段をさらに備え、上記制御部は、上記表面状態検知手段における検知結果に基づいて、上記電子ビーム出力部から出力される電子ビームの出力波形を制御するよう構成されていてもよい。
この場合には、被処理物の表面状態（例えば、硬質膜の構造状態、中間処理が施された部分の状態）に応じて電子ビームの出力波形を制御することにより、反応室内のプラズマ状態を硬質膜形成や中間処理に最適な状態で維持することができる。これにより、常時、硬質膜形成や中間処理を精度良く、効率的に行うことができる。

【0032】

また、上記制御部は、上記プラズマ状態検知手段や上記表面状態検知手段における検知結果に基づいて、上記電子ビーム出力部の各部（例えば、上述のデューティー比設定手段、電極、加速電源、パルス電圧設定手段、圧力制御手段、電子ビーム制御手段等）、上記反応部の各部（例えば、上述のプラズマ制御手段等）を制御するよう構成されていてもよい。この場合にも、反応室内のプラズマ状態を硬質膜形成や中間処理に最適な状態で維持することができる。これにより、常時、硬質膜形成や中間処理を精度良く、効率的に行うことができる。

【0033】

上記表面処理方法は、上記硬質膜形成工程の前に、物理的蒸着法及び化学的蒸着法の少なくとも一方を用いて、上記被処理物の表面に対して中間処理を行う中間処理工程を有し、該中間処理工程では、上記反応室内での上記中間処理に最適なプラズマ状態となるように、上記電子ビーム出力部から上記反応室内に出力される電子ビームの出力波形を制御してもよい。
この場合には、被処理物の表面に硬質膜を形成する前に、予め被処理物の表面に対して中間処理を精度良く、効率的に行うことができる。

【0034】

また、上記電子ビーム出力部から上記反応室内に出力される電子ビームの出力波形の制御は、上記反応室内のプラズマ状態を検知するプラズマ状態検知手段における検知結果に基づいて行ってもよい。
この場合には、反応室内のプラズマ状態に応じて電子ビームの出力波形を制御することにより、反応室内のプラズマ状態を硬質膜形成や中間処理に最適な状態で維持することができる。これにより、常時、硬質膜形成や中間処理を精度良く、効率的に行うことができる。

【0035】

また、上記電子ビーム出力部から上記反応室内に出力される電子ビームの出力波形の制御は、上記被処理物の表面状態を検知する表面状態検知手段における検知結果に基づいて行ってもよい。
この場合には、被処理物の表面状態（例えば、硬質膜の構造状態、中間処理が施された部分の状態）に応じて電子ビームの出力波形を制御することにより、反応室内のプラズマ状態を硬質膜形成や中間処理に最適な状態で維持することができる。これにより、常時、硬質膜形成や中間処理を精度良く、効率的に行うことができる。

【実施例】

【0036】

（実施例１）
上記表面処理装置及びそれを用いた表面処理方法にかかる実施例について、図を用いて説明する。
図１、図２に示すように、本例の表面処理装置１は、反応性ガスを含む気体が封入される反応室５１と反応室５１内において被処理物６０を保持する保持部５２とを有する反応部５と、反応部５の反応室５１内に電子ビームＡを出力して反応性ガスをプラズマ化する電子ビーム出力部２と、電子ビーム出力部２から出力される電子ビームＡを制御する制御部７０とを備えている。

【0037】

同図に示すように、反応室５１は、物理的蒸着法を用いて、保持部５２に保持された被処理物６０の表面に硬質膜を形成することができるよう構成されている。また、制御部７０は、反応室５１内での硬質膜の形成に最適なプラズマ状態となるように、電子ビーム出力部２から反応室５１内に出力される電子ビームＡの出力波形を制御するよう構成されている。
以下、これを詳説する。

【0038】

図１、図２に示すように、表面処理装置１は、１つの容器１０を備えている。容器１０は、蓋部１１１を有すると共に電子ビーム出力部２の一部を収容し、円筒状に形成された円筒部１１と、底部１２１を有すると共に反応室５１を形成し、円筒部１１の径よりも大きな径の円筒状に形成されたチャンバー部１２とを備えている。円筒部１１とチャンバー部１２とは、一体的に形成されている。

【0039】

図２に示すように、電子ビーム出力部２は、希ガスプラズマを生成する生成部３と、生成部３で生成された希ガスプラズマから電子を抽出し、電子ビームＡとして導出する加速部４とを備えている。
生成部３は、加熱されることで熱電子を放出するフィラメント３１と、負電圧が印加される放電用陰極３２と、正電圧が印加される放電用陽極３３と、フィラメント３１に電圧を印加してフィラメント３１を加熱するフィラメント電源３４と、放電用陰極３２及び放電用陽極３３に電圧を印加する放電電源３５と、アルゴンガスを供給するための希ガス導入ポート３６とを備えている。

【0040】

容器１０の円筒部１１内には、蓋部１１１に近い位置からフィラメント３１、放電用陰極３２、放電用陽極３３の順にこれらが配置されている。円筒部１１の内壁と放電用陽極３３とで囲まれた部位には、生成室１３が形成されている。
希ガス導入ポート３６は、アルゴンガスが貯蔵された希ガス貯蔵タンク（図示略）に接続され、流量調整機構（図示略）によって生成室１３に流入されるアルゴンガスの量を調整可能に構成されている。

【0041】

フィラメント電源３４及び放電電源３５は、容器１０外に配置されている。この生成部３では、希ガス導入ポート３６を介して生成室１３に流入したアルゴンガスは、電圧が印加されたフィラメント３１から放出された熱電子が衝突することにより、プラズマ化してアルゴンイオンと電子とを生成する。

【0042】

同図に示すように、加速部４は、負電圧が印加される加速用陰極４１と、正電圧が印加される加速用陽極４２と、加速用陰極４１及び加速用陽極４２に電圧を印加する加速電源４３と、導出される電子ビームＡの方向性を制御するコイル状の電磁石４４（電子ビーム制御手段）と、真空ポンプが接続された加速室排気ポート４５とを備えている。

【0043】

容器１０の円筒部１１内には、放電用陽極３３に近い位置から加速用陰極４１、加速用陽極４２の順にこれらが配置されている。円筒部１１と放電用陽極３３と加速用陰極４１とで囲まれた部位には、中間室１４が形成されており、円筒部１１と加速用陰極４１と加速用陽極４２とで囲まれた部位には、加速室１５が形成されている。
加速室排気ポート４５には、加速室１５が生成室１３よりも低圧となるように加速室１５の内圧を調整する真空ポンプである加速室排気ポンプ（図示略）が接続されている。

【0044】

コイル状の電磁石４４は、加速室１５の外壁（円筒部１１）の中間室１４側端に巻き付けるように配置された上流側電磁石４４ａと、加速室１５の外壁（円筒部１１）の反応部３側端に巻き付けるように配置された下流側電磁石４４ｂとにより構成されている。上流側電磁石４４ａ及び下流側電磁石４４ｂにより、円筒部１１内に電子ビームＡの出射方向に沿った方向の磁力線を有した磁界を発生する。

【0045】

加速電源４３は、加速用陰極４１及び加速用陽極４２に直流状又はパルス状（直流パルス状）の電圧を出力するものである。また、加速電源４３は、パルス電圧のパルス幅及びパルス印加周期の少なくとも一方を設定することができるよう構成されている。これにより、パルス状の波形の電子ビームＡのデューティー比を設定することができる。

【0046】

なお、加速部４では、加速室１５が生成室１３よりも低圧に調整されているため、生成室１３で生成されたアルゴンプラズマ３９が中間室１４を経て加速室１５に流入する。そして、加速電源４３により、加速用陽極４２に正の電圧が印加されている期間では、アルゴンプラズマ３９から電子のみが引き出され、印加された電圧に応じたビーム強度を有した電子ビームＡが生成される。電子ビームＡは、コイル状の電磁石４４に電流を流すことにより発生した磁界により、ビーム状を維持したまま反応部５へと導かれる。

【0047】

図１に示すように、反応部５は、反応室５１内に配置されると共に被処理物６０を保持する保持部５２と、反応室５１内のプラズマを制御するコイル状の電磁石５３（プラズマ制御手段）と、保持部５２にバイアス電圧を印加するバイアス電源５４と、反応室５１内に発生するプラズマの状態及び被処理物６０の表面状態を測定する測定機器群５５と、測定機器群５５の一部が接続される測定用ポート５６と、反応性ガス等を供給するための反応性ガス導入ポート５７と、反応室５１の内圧を調整するための反応室排気ポート５８とを備えている。

【0048】

反応室５１内には、被処理物６０の表面を加熱するためのヒータ５１１が設けられている。被処理物６０が活性化する活性化温度以上となるように被処理物６０を加熱する加熱手段を備えていてもよい。
バイアス電源５４は、予め定められた周期で正負極性が切り替わる高周波電圧を出力するものである。

【0049】

反応性ガス導入ポート５７は、反応性ガスが貯蔵された反応性ガス貯蔵タンク（図示略）に接続され、流量調整機構（図示略）によって反応室５１に流入される反応性ガスの量を調整可能に構成されている。
反応室排気ポート５８には、反応室５１の内圧を調整する真空ポンプである反応室排気ポンプが接続されている。

【0050】

保持部５２は、導電材料によって形成され、チャンバー部１２の底部１２１に沿った平面、かつ、電子ビームＡの出射方向に沿った平面を移動するように構成されている。保持部５２は、全体を回転させることができるよう構成されている。また、保持部５２は、保持した被処理物６０を回転させることができるよう構成されている。また、保持部５２の被処理物６０を保持する保持面には、被処理物６０を加熱するヒータ（図示略）が設けられている。

【0051】

コイル状の電磁石５３は、反応室５１での電子ビームＡの出射方向の上流に配置された第１電磁石５３ａと、反応室５１での電子ビームＡの出射方向の下流に配置された第２コ電磁石５３ｂとにより構成されている。電磁石５３は、第１電磁石５３ａ及び第２電磁石５３ｂに予め定められた方向の電流を流すことで、荷電粒子をチャンバー部１２の底部１２１の方向へと導くための磁界を発生するように構成されている。

【0052】

また、反応部５において、反応性ガス導入ポート５７を介して反応室５１内に封入された反応性ガスは、電子ビーム出力部２から出力された電子ビームＡ（より正確には、電子ビームＡを形成する電子）が衝突することで、プラズマ化して、電子及びイオンが生成される。この電子及びイオンは、第１電磁石５３ａ及び第２電磁石５３ｂが発生する磁界により、被処理物６０の近傍に集束させられる。

【0053】

制御部７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びこれらを接続するバスからなる周知のマイクロコンピュータを中心に構成されている。制御部７０は、測定機器群５５で測定した結果に基づき、電子ビーム出力部２、反応部５の各部（具体的には、放電電源３５、希ガス導入ポート３６、加速電源４３、コイル状の電磁石４４（電子ビーム制御手段）、保持部５２、コイル状の電磁石５３（プラズマ制御手段）、バイアス電源５４、反応性ガス導入ポート５７等）を制御するよう構成されている。

【0054】

なお、表面処理装置１は、測定用ポート５６に接続されている測定機器群５５として、保持部５２の可動範囲内である予め規定された特定領域の反応性ガスによるイオンの量を計測する発光分光器、特定領域内に存在する反応性ガスの原子の密度を計測するラジカルモニタ、被処理物６０に対してエリプソメトリを行う構造解析機器、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）を用いて被処理物６０の表面を計測する表面モニタ等を備えている。そして、表面処理装置１は、その他の測定機器群５５として、被処理物６０の温度を計測する被処理物温度計測部を有している。

【0055】

次に、本例の表面処理方法について説明する。
ここでは、鉄基材（被処理物６０）の表面に、密着性向上のための窒化処理（中間処理）を行った後、ｃＢＮ膜（硬質膜）を形成する例について説明する。

【0056】

まず、被処理物６０を保持した保持部５２を真空排気された反応室５１内に設置し、保持部５２及び被処理物６０を回転させて位置を調整する。そして、反応室５１内に設けられたヒータ５１１の加熱により、保持部５２及び被処理物６０の表面の油分を除去する。

【0057】

次いで、反応室５１内が所定の圧力となるように、反応室５１内に窒素ガス（反応性ガス）を導入する。そして、コイル状の電磁石５３（第１電磁石５３ａ及び第２電磁石５３ｂ）に電流を流し、所定の磁場環境とする。

【0058】

次いで、電子ビーム出力部２から反応室５１内に電子ビームＡを出力する。そして、反応室５１内において窒素ガスをプラズマ化し、窒素プラズマを生成する。その後、バイアス電源５４から保持部５２及び被処理物６０にバイアス電圧を印加し、被処理物６０の表面に対して窒化処理を行う。これにより、被処理物６０の表面に窒化膜が形成される。

【0059】

次いで、反応室５１内が所定の圧力となるように、反応室５１内に窒素ガス、ジボラン等のホウ素系ガス（反応性ガス）を導入する。このとき、窒素ガスに対するホウ素系ガスの分圧割合が所定の割合となるように、窒素ガス及びホウ素系ガスの流量調整を行う。また、プラズマ生成及び成膜時のアシスト効果用として、反応室５１内にアルゴン等の希ガスを導入する。このとき、窒素ガス及びホウ素系ガスに対する希ガスの分圧割合が所定の割合となるように、希ガスの流量調整を行う。

【0060】

次いで、電子ビーム出力部２から反応室５１内に電子ビームＡを出力する。そして、反応室５１内において窒素ガス、ホウ素系ガス及び希ガスをプラズマ化し、窒素プラズマ、ホウ素プラズマ及び希ガスプラズマを生成する。その後、バイアス電源５４から保持部５２及び被処理物６０にバイアス電圧を印加し、被処理物６０の表面にｃＢＮ膜（硬質膜）を成膜する。

【0061】

以下に、実際に行った表面処理の条件と成膜状態の結果の一例を示す。
ｃＢＮ膜の成膜に当たり、反応室５１内に導入する、窒素ガス、ジボランガス、アルゴンガスの合計圧力が０．０５Ｐａとなるよう、それぞれのガス比率を
窒素ガス：ジボランガス：アルゴンガス＝１：１：０．５とした。

【0062】

また、反応室へ出力する電子ビームの電圧（加速電圧）を８５Ｖとした。放電用陰極３２と放電用陽極３３との間における放電電流は１５Ａとした。そして、加速電圧のデューティー比をそれぞれ２０％、５０％、８０％とした３つの条件で、電子ビームを出力して、窒素ガス，ジボランガス，アルゴンガスをプラズマ化した。
そして、膜中にｃＢＮを得るたにＲＦ（高周波）バイアス電力を６０Ｗ印加した。

【0063】

上記３つの条件（印加電圧のデューティー比）によってそれぞれｃＢＮ膜を成膜した。電子ビームの加速電圧のデューティー比を２０％とした場合に得られたｃＢＮ膜を試料１、デューティー比を５０％とした場合に得られたｃＢＮ膜を試料２、デューティー比を８０％とした場合に得られたｃＢＮ膜を試料３とした。
そして、各試料における膜中ｃＢＮ含有率を測定したところ、試料１は１０％、試料２は５０％、試料３は９５％であった。

【0064】

なお、反応室５１内のプラズマ密度をマイクロ波干渉計にて測定した。その結果、プラズマ密度は、電子ビームの加速電圧のデューティー比を２０％とした場合には、３．６（×１０¹¹／ｃｍ³）、デューティー比を５０％とした場合には、６．８（×１０¹¹／ｃｍ³）、デューティー比を８０％とした場合には、９．２（×１０¹¹／ｃｍ³）であった。
このように、電子ビームＡの出力波形を制御することで、反応室５１内のプラズマ状態を制御して、硬質膜（ｃＢＮ膜）の状態を制御することが可能である。

【0065】

次に、本例の作用効果について説明する。
本例の表面処理装置１において、反応室５１は、物理的蒸着法を用いて、保持部５２に保持された被処理物６０の表面に硬質膜を形成することができるよう構成されている。そして、制御部７０は、反応室５１内での硬質膜の形成に最適なプラズマ状態となるように、電子ビーム出力部２から反応室５１内に出力される電子ビームＡの出力波形を制御するよう構成されている。

【0066】

すなわち、電子ビーム出力部２から反応室５１内に電子ビームＡを出力（照射）することにより、反応室５１内の反応性ガスをプラズマ化する。そして、制御部７０がその電子ビームＡの出力波形を制御することにより、反応室５１内のプラズマ状態を硬質膜の形成に最適な状態にすることができる。そのため、物理的蒸着法を用いて硬質膜を成膜する際の成膜反応性や成膜速度を向上させることができる。

【0067】

これにより、反応室内において、所望の方法（物理的蒸着法）により、所望の硬質膜（ｃＢＮ膜）を精度良く、効率的に、薄膜で形成することができる。
また、成膜時の成膜反応性や成膜速度の向上を図ることができるため、従来困難であった低温環境下での硬質膜の成膜が可能となる。よって、被処理物６０として一般的な鋼材等を用いて硬質膜を成膜することも可能となる。

【0068】

また、本例において、反応室５１は、物理的蒸着法を用いて、保持部５２に保持された被処理物６０の表面に対して中間処理（本例では窒化処理）を行うことができるよう構成されており、制御部７０は、反応室５１内での中間処理に最適なプラズマ状態となるように、電子ビーム出力部２から出力される電子ビームＡの出力波形を制御するよう構成されている。そのため、被処理物６０の表面に対する中間処理を精度良く、効率的に行うことができる。

【0069】

また、制御部７０は、電子ビーム出力部２から出力される電子ビームＡの出力波形を直流状又はパルス状の波形に制御するよう構成されている。そのため、電子ビーム出力部２から出力される電子ビームＡの出力波形の制御や反応室５１内のプラズマ状態の調整を精度良く行うことができる。

【0070】

また、電子ビーム出力部２は、反応室５１内に出力される電子ビームＡの方向性を制御する電子ビーム制御手段（コイル状の電磁石４４）を備えている。そのため、電子ビームＡの方向性を制御することにより、反応室５１内のプラズマ状態の調整が容易となる。これにより、反応室５１内での被処理物６０に対する硬質膜形成や中間処理をより一層効率良く行うことができる。

【0071】

また、反応部５は、反応室５１内で生成された反応性ガスのプラズマ密度を反応室５１内の予め規定された特定領域において制御するプラズマ制御手段（コイル状の電磁石５３）を備えており、保持部５２は、被処理物６０が特定領域内に位置するように配置されている。そのため、反応室５１内の特定領域に被処理物６０が配置された状態でその特定領域におけるプラズマ密度を制御することにより、反応室５１内の特定領域のプラズマ状態の調整が容易となる。これにより、反応室５１内の特定領域での被処理物６０に対する硬質膜形成や中間処理を効率良く行うことができる。

【0072】

また、表面処理装置１は、反応室５１内のプラズマ状態を検知するプラズマ状態検知手段（測定機器群５５）をさらに備え、制御部７０は、プラズマ状態検知手段における検知結果に基づいて、電子ビーム出力部２から出力される電子ビームＡの出力波形を制御するよう構成されている。そのため、反応室５１内のプラズマ状態に応じて電子ビームＡの出力波形を制御することにより、反応室５１内のプラズマ状態を硬質膜形成や中間処理に最適な状態で維持することができる。これにより、常時、硬質膜形成や中間処理を精度良く、効率的に行うことができる。

【0073】

また、表面処理装置１は、被処理物６０の表面状態を検知する表面状態検知手段（測定機器群５５）をさらに備え、制御部７０は、表面状態検知手段における検知結果に基づいて、電子ビーム出力部２から出力される電子ビームＡの出力波形を制御するよう構成されている。そのため、被処理物６０の表面状態（例えば、硬質膜の構造状態、中間処理が施された部分の状態）に応じて電子ビームＡの出力波形を制御することにより、反応室５１内のプラズマ状態を硬質膜形成や中間処理に最適な状態で維持することができる。これにより、常時、硬質膜形成や中間処理を精度良く、効率的に行うことができる。

【0074】

このように、被処理物６０を選ぶことなく、硬質膜を精度良く、効率的に、薄膜で形成することができる表面処理装置１及びそれを用いた表面処理方法を提供することができる。

【0075】

（実施例２）
本例は、図３に示すように、鉄基材（被処理物６０）の表面に、密着性向上のためのチタン膜、窒化チタン膜を形成（中間処理）した後、ｃＢＮ膜（硬質膜）を形成する例について説明する。

【0076】

本例の表面処理装置１は、反応部５の反応室５１内にスパッタ蒸発源５１２が設けられている。スパッタ蒸発源５１２には、スパッタ電源５１３が接続されている。
その他の基本的な構成は、実施例１と同様である。また、実施例１と同様の構成については、同様の符号を付し、その説明を省略している。

【0077】

次に、本例の表面処理方法について説明する。
まず、被処理物６０を保持した保持部５２を真空排気された反応室５１内に設置し、保持部５２及び被処理物６０を回転させて位置を調整する。そして、反応室５１内に設けられたヒータ５１１の加熱により、保持部５２及び被処理物６０の表面の油分を除去する。

【0078】

次いで、反応室５１内が所定の圧力となるように、反応室５１内にアルゴン等の希ガス（反応性ガス）を導入する。そして、反応室５１内において希ガスのイオン化を行い、被処理物６０にバイアス電圧（負電圧）を印加することで、被処理物６０の表面に希ガスイオンを衝突させ被処理物６０の表面の酸化膜除去・新生面生成を行う。

【0079】

次いで、反応室５１内が所定の圧力となるように、反応室５１内にアルゴン等の希ガス（反応性ガス）を導入する。そして、チタンが備え付けられたスパッタ蒸発源５１２に直流又は交流電力を印加し、希ガスのイオン化及びスパッタ蒸発源５１２からのチタン放出を行う。このとき、チタンの放出量については、所定の放出量となるように電力を制御する。

【0080】

これと同時に、コイル状の電磁石５３（第１電磁石５３ａ及び第２電磁石５３ｂ）に電流を流し、チタン蒸発及びチタン膜生成に最適な磁場環境とする。また、電子ビーム出力部２から反応室５１内に電子ビームＡを出力する。そして、反応室５１内において窒素ガスをプラズマ化し、窒素プラズマを生成する。その後、バイアス電源５５から保持部５２及び被処理物６０にバイアス電圧を印加し、被処理物６０の表面にチタン膜を成膜する。

【0081】

次いで、反応室５１内が所定の圧力となるように、反応室５１内に窒素ガス、アルゴン等の希ガス（反応性ガス）を導入する。このとき、窒素ガスに対する希ガスの分圧割合が所定の割合となるように、窒素ガス及び希ガスの流量調整を行う。そして、スパッタ蒸発源５１２に直流又は交流電力を印加し、希ガスのイオン化及びスパッタ蒸発源５１２からのチタン放出を行う。このとき、チタンの放出量については、すでに成膜したチタン膜上に所望の窒化チタン膜を成膜することができるように電力を制御する。

【0082】

これと同時に、電子ビーム出力部２から反応室５１内に電子ビームＡを出力する。そして、反応室５１内においてチタン、窒素ガス及び希ガスをプラズマ化し、チタン、窒素及び希ガスによるプラズマを生成する。その後、バイアス電源５４から保持部５２及び被処理物６０にバイアス電圧を印加し、被処理物６０の表面に形成されたチタン膜上に窒化チタン膜を成膜する。

【0083】

その後、被処理物６０の表面に形成された窒化チタン膜上に、硬質膜であるｃＢＮ膜を成膜する。なお、硬質膜の形成は、上述した実施例１と同様の方法を用いて行う。
また、本例の表面処理装置１及びそれを用いた表面処理方法における基本的な作用効果は、実施例１と同様である。

【符号の説明】

【0084】

１ 表面処理装置
２ 電子ビーム出力部
５ 反応部
５１ 反応室
５２ 保持部
６０ 被処理物
７０ 制御部
Ａ 電子ビーム

【図1】

【図2】

【図3】