JP4010201B2

JP4010201B2 - Ion implantation into both hollow and external surfaces

Info

Publication number: JP4010201B2
Application number: JP2002217831A
Authority: JP
Inventors: 恒明馬場
Original assignee: Nagasaki Prefectural Government
Current assignee: Nagasaki Prefectural Government
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2022-07-26
Also published as: JP2004059972A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、イオン注入法を用いて中空体の内部表面と外部表面の改質を同時に行う中空体内外両表面へのイオン注入法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリンダーなどの中空体内壁面に対し、耐摩耗性、摺動性などの機械的表面特性を付与すること、あるいは、中空体内壁面に優れた機能性を付与する技術開発は産業界から求められていた。
一方、プラズマに曝した被処理材に負の高電圧パルスを印加することを基本原理としたプラズマソースイオン注入法は、立体物全面へのイオン注入法および薄膜作製法として最近注目されている方法である。
プラズマソースイオン注入法は、数１０ｋｅＶ〜ＭｅＶに加速した粒子（イオン）を固体に照射し、固体内部に打ち込む技術である。イオンは、固体表面原子をスパッタリング効果によって弾き飛ばす作用もあるが、多くは固体内部につきささる。このような大きな運動エネルギーを持ったイオンが固体表面に衝突し侵入する際に、様々な物理的現象及び化学的現象が起こり、これを利用して固体表面の表層改質を図ることができるのである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、イオン注入法を用いて中空体の内部表面と外部表面の改質を別々に行うと、例えば中空体の内部表面の改質を先に行うと、内部表面の改質は良好に行えるが、外部表面の一部も少し改質されることがあり、しかもこの外部表面の一部改質は中途半端で不十分であるため、その後に、中空体の外部表面の改質を行う場合には、この中途半端に改質された部分の表面を一度スパッタクリーニングする必要があり、二重手間になる不都合があった。
【０００４】
この発明は、上記のような課題に鑑み、その課題を解決すべく創案されたものであって、その目的とするところは、中空体の内部表面及び外部表面の改質を同時に行って別々に行う場合に生じる二重手間を回避し、また、密着性に優れた膜を中空体の内部表面及び外部表面に同時に形成することのできる中空体内外両表面へのイオン注入法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、請求項１の発明は、減圧状態のプラズマ発生用原料ガス雰囲気中に、少なくとも一端が開口された導電性の中空体を設置し、該中空体の内部及び外部にグロー放電励起用のアンテナを中空体と絶縁状態で放電を生じない間隔をあけてそれぞれ設置し、高周波放電或いはマイクロ波放電によって上記中空体の内外部にプラズマを発生させると共に、上記中空体に接地電位に対し負の高電圧パルスを印加し、プラズマ雰囲気中のイオンを中空体の内部表面及び外部表面に注入させる手段よりなるものである。
【０００６】
また、請求項２の発明は、炭化水素系有機化合物ガスを含む減圧状態のプラズマ発生用原料ガス雰囲気中に、少なくとも一端が開口された導電性の中空体を設置し、該中空体の内部及び外部にグロー放電励起用のアンテナを中空体と絶縁状態で放電を生じない間隔をあけてそれぞれ設置し、高周波放電或いはマイクロ波放電によって上記中空体の内外部にプラズマを発生させると共に、上記中空体に接地電位に対し負の高電圧パルスを印加し、プラズマ雰囲気中の炭素イオンを中空体の内部表面及び外部表面に注入させる手段よりなるものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に記載の発明の実施の形態に基づいて、この発明をより具体的に説明する。
ここで、図１は装置の概略構成図、図２は中空体の内部表面及び外部表面にイオンが注入される概念図である。
【０００８】
図において、イオン注入装置１は、減圧状態のプラズマ発生用原料ガス雰囲気中の導電性の例えばステンレス管などの中空体２の内部表面及び外部表面に同時にイオンを注入させる装置である。中空体２は一端又は両端が開口されていて、中空体２の内部と外部とは開口された端部を通じて連通状態になっている。この実施の形態では、中空体２は両端が開口した円筒形の形状からなる。
【０００９】
このイオン注入装置１は、真空状態となる真空容器３、真空容器３の内部の中空体２の内部及び外部に非接触状態で設置されたアンテナ４、真空容器３の内部に設置され中空体２を保持する中空体ホルダー５、真空容器３内部の中空体２にマイナス電位のパルス電圧を印加する高電圧パルス電源６、真空容器３の内部にプラズマ発生用原料ガスを供給するプラズマ発生用原料ガス供給装置７、真空容器３の空気を排出して真空状態にする真空排気装置８などから構成されている。
【００１０】
真空容器３は、内部の空気を排出して真空状態にして、内部でプラズマａが発生する環境を造り出す場所である。真空容器３の内部には、プラズマ雰囲気のイオンが中空体２の内部表面及び外部表面に注入し易いように、中空体２の内部及び外部に内部表面及び外部表面と非接触状態で放電を生じない間隔をあけてアンテナ４が各々平行に設置されている。
【００１１】
中空体２の内部に設置される内部のアンテナ４は、円筒形中空体２の中心軸上に非接触状態で放電を生じない間隔をあけて設置され、その両端は中空体２の内部両端から外部に一部突出している。また、中空体２の外部に設置される外部のアンテナ４は、内部のアンテナ４を中心として円筒形中空体２の外周の円周方向に非接触状態で放電を生じない間隔をあけて等間隔で複数設置され、その両端は中空体２の両端から外部に一部突出している。
【００１２】
この円周方向に設置された複数の外部のアンテナ４はその一端が円形のリングホルダー４ａに接続され、リングホルダー４ａ及び内部のアンテナ４の一端はアンテナホルダー４ｂに接続されている。このアンテナホルダー４ｂは真空容器３の外部の高周波電源４ｃに電気的に接続されており、中空体２の内部及び外部に設置された各アンテナ４はリングホルダー４ａ及びアンテナホルダー４ｂを介して高周波電源４ｃに電気的に接続されている。また、内部のアンテナ４は絶縁材の例えばセラミック管４ｄによって被覆されていて、高電圧を印加したときに内部のアンテナ４と中空体２との間で放電を生じるのを防ぐためである。
【００１３】
中空体ホルダー５は、中空体２を保持するもので、真空容器３の内部に設置されている。中空体ホルダー５は真空容器３の内部壁面に例えばアルミナ絶縁板５ａを介して支持部材５ｂによって支持されている。中空体ホルダー５は中空体２の内部表面及び外部表面が内部及び外部に各々設置されたアンテナに平行になるように保持して、プラズマ雰囲気のイオンが内部表面及び外部表面に注入し易いようにしている。中空体ホルダー５は導電性の材料から造られている。
【００１４】
高電圧パルス電源６は、例えば、電圧−１２ｋＶ、周波数２００Ｈｚ、パルスオン時間２０μｓのパルス電圧を導電性の中空体ホルダー５を介して中空体２に印加するものであり、通常の電圧に比べて、少ない電気エネルギーで大きな電圧を得ることができる。高電圧パルス電源６の一端は真空容器３内に延設されて中空体ホルダー５に接続されている。高電圧パルス電源６には低電圧パルス電源６ａやオシロスコープ６ｂが接続されている
【００１５】
プラズマ発生用原料ガス供給装置７は、真空容器３の内部にプラズマ発生用原料ガスを供給する装置で、真空容器３に一端が接続されている。プラズマ発生用原料ガス供給装置７は複数の流量調整器（ＭＦＣ）７ａの切り替えを通じて、プラズマ発生用原料ガスとしての例えば窒素ガス、炭化水素系有機化合物ガスとしての例えばアセチレンガス等を適宜、真空容器３に供給することができるようになっている。
【００１６】
真空排気装置８は、真空容器３の内部の空気を排出して真空状態にする装置で、図示しない真空ポンプを装備している。真空排気装置８は真空容器３の内部を真空に近い状態まで減圧してプラズマａが発生し易い状態にする。
【００１７】
次に、上記発明の実施の形態の構成に基づく中空体内外両表面へのイオンの注入方法について以下説明する。
真空容器３に中空体２及びアンテナ４を入れ、中空体２の内部の中心軸上に内部のアンテナ４を設置し、円筒形中空体２の外部の円周方向に等間隔で複数のアンテナ４を設置する。そして中空体２を中空体ホルダー５に取り付けて保持させる。同様に内部のアンテナ４をアンテナホルダー４ｂに外部のアンテナ４をリングホルダー４ａを介してアンテナホルダー４ｂに取り付けて保持させる。この場合、中空体２と内部及び外部のアンテナ４とは、非接触状態でしかも放電しない距離に離してそれぞれ平行に設置する。
【００１８】
その後、真空排気装置８を作動して、真空容器３の空気を排出する。真空容器３の内部の空気は真空排気装置８の図示しない真空ポンプの作動により排出されて内部は真空状態になる。真空状態としては例えば１０^-2パスカルの真空度である。
【００１９】
真空容器３を真空状態にした後、プラズマ発生用原料ガス供給装置７の流量調整器（ＭＦＣ）７ａを切り替え調整してプラズマ発生用原料ガスとしての例えば窒素ガスと炭化水素系有機化合物ガスの例えばアセチレンガスを真空容器３内に導入して、高周波電源４ｃから高周波電力を中空体２の内部及び外部に設置された各アンテナ４に給電して作動させると、内部及び外部に設置された各アンテナ４はプラズマ発生源となり、アンテナ４の周辺の窒素ガス及びアセチレンガスからプラズマａが発生する。発生したプラズマａは中空体２の内部及び外部をプラズマ雰囲気にする。
【００２０】
そして、中空体２の内部及び外部がプラズマ雰囲気になった後、高電圧パルス電源６により、接地電位に対してマイナスの電圧をかけて中空体２をマイナスの電位状態にする。
【００２１】
中空体２がマイナスの電位状態になると、中空体２と内部アンテナ４との間の内部のアセチレンガスのプラズマ雰囲気からプラスの電位状態のイオンは、マイナスの電位状態の中空体２の内部表面に吸引加速され、運動エネルギーを持ち中空体２の内部表面に衝突して、中空体２の内部表面に炭素が注入されて、中空体２の内部表面を炭素膜でコーティングする。
【００２２】
同様に、中空体２と外部アンテナ４との間の外部のアセチレンガスのプラズマ雰囲気からプラスの電位状態のイオンは、マイナスの電位状態の中空体２の外部表面に吸引加速され、運動エネルギーを持ち中空体２の外部表面に衝突して、中空体２の外部表面に炭素が注入されて、中空体２の外部表面を炭素膜でコーティングする。
【００２３】
また、中空体２の内外両表面の炭素膜の膜厚の調整は、炭化水素系有機化合物ガスの導入量を調整したり、作業時間で調整する。炭素の膜厚を厚くしたい場合には作業時間を長くする。中空体２の内外両表面に窒素イオンなどガスイオンのみを導入したい場合には窒素ガスのみを導入する。
【００２４】
本願発明は、真空容器３内に絶縁された中空体２を設置し、真空容器３内に所望のプラズマ発生用原料ガスを導入すると同時に減圧状態に維持し、高周波電力を中空体２の内部及び外部に設置した各アンテナ４に給電することによりプラズマを生成し、中空体２にマイナス電位のパルス電圧を繰り返し印加することによって中空体２の内部表面及び外部表面にプラズマ中の正イオンを引き込み、照射する手段よりなる。これにより中空体２の内外両表面にイオンを注入して内外両表面の改質を同時に達成すること、および原料ガスの一部として炭化水素を用いた場合、中空体２の内外両表面を同時に炭素膜のコーティングを行うことができる。
【００２５】
【実験例】
中空体２として両端開口の円筒形のステンレス管を使用した。
〔実験条件〕
ステンレス管サイズ：内径１００mm、長さ３００mm
導入ガス：窒素ガス
窒素ガス圧力：２．５パスカル
高周波電力：４０Ｗ
パルス電圧：−１２ＫＶ
パルス周波数：２００Ｈｚ
パルス幅：２０μｓ
処理時間：１時間
〔実験結果〕
図４に、図３で図示する中空体２（ステンレス管）の内部表面の３箇所（Ａ、Ｂ、Ｃ）、中空体２（ステンレス管）の外部表面の３箇所（Ｄ、Ｅ、Ｆ）にシリコン基板を設置し、それぞれの窒素イオン注入深さ分布をＡＥＳ（オージェ電子分光分析）で測定した結果を示す。繰り返し窒素イオンが注入されることにより、中空体２（ステンレス管）の内部表面及び外部表面の全面に均一に注入されていることが図４からわかる。
【００２６】
なお、本願発明は上記発明の実施の形態に限定されるものではなく、本願発明の精神を逸脱しない範囲で種々の改変をなし得ることは勿論である。例えば前記発明の実施の形態では、高周波放電によって中空体２の内部及び外部にプラズマを発生させる場合で説明したが、高周波に代えてマイクロ波を使用してもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上の記載より明らかなように、請求項１、請求項２の発明に係る中空体内外両表面へのイオン注入法によれば、高周波放電或いはマイクロ波放電によって上記中空体の内外部にプラズマを発生させると共に、中空体に接地電位に対し負の高電圧パルスを繰り返し印加することによって、中空体の内部表面及び外部表面に同時にイオンを注入させることができ、中空体の内部表面及び外部表面の表層改質を同時に達成することができる。これにより、中空体の内部表面と外部表面との改質を別々に行う場合に比べて二重手間を回避することができる。また、本技術の応用としては、内燃機関などのシリンダー、機械金属部品、金型などが想定される。
また、請求項２の発明にあっては、中空体の内部表面及び外部表面へのイオン注入を併用した薄膜作製が可能になる等、極めて新規的有益なる効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す装置の概略構成図である。
【図２】この発明の実施の形態を示す中空体の内部表面及び外部表面にイオンが注入される概念図である。
【図３】この発明の実験例における中空体（ステンレス管）の内部表面３箇所と外部表面３箇所の各測定個所を示す模式図である。
【図４】図３の内部表面３箇所と外部表面３箇所の各測定個所におけるイオン注入深さ分布図である。
【符号の説明】
１イオン注入装置
２中空体
３真空容器
４アンテナ
４ａリングホルダー
４ｂアンテナホルダー
４ｃ高周波電源
４ｄセラミック管
５中空体ホルダー
５ａアルミナ絶縁板
５ｂ支持部材
６高電圧パルス電源
６ａ低電圧パルス電源
６ｂオシロスコープ
７プラズマ発生用原料ガス供給装置
７ａ流量調整器（ＭＦＣ）
８真空排気装置
ａプラズマ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ion implantation method for both the inside and outside surfaces of a hollow body in which the inner surface and the outer surface of the hollow body are simultaneously modified using the ion implantation method.
[0002]
[Prior art]
The industry has sought to provide mechanical surface characteristics such as wear resistance and slidability to hollow body wall surfaces such as cylinders, or to provide excellent functionality to hollow body wall surfaces. .
On the other hand, a plasma source ion implantation method based on applying a negative high voltage pulse to a material exposed to plasma is a method that has recently attracted attention as an ion implantation method for a three-dimensional object and a thin film production method. It is.
The plasma source ion implantation method is a technique in which particles (ions) accelerated to several tens of keV to MeV are irradiated onto a solid and implanted inside the solid. Ions also have the action of flipping off solid surface atoms by the sputtering effect, but many are located inside the solid. When ions with such large kinetic energy collide and invade the solid surface, various physical and chemical phenomena occur, which can be used to modify the surface of the solid surface. is there.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, if the modification of the inner surface and the outer surface of the hollow body is performed separately using the ion implantation method, for example, if the modification of the inner surface of the hollow body is performed first, the modification of the inner surface can be performed satisfactorily. In addition, a part of the outer surface may be slightly modified, and this partial modification of the outer surface is halfway and insufficient, so that the outer surface of the hollow body is subsequently modified. However, the surface of the modified portion needs to be once sputter-cleaned, resulting in inconvenience of double labor.
[0004]
In view of the above-mentioned problems, the present invention was devised to solve the problems. The object of the present invention is to separately modify the inner surface and the outer surface of the hollow body separately. The present invention provides an ion implantation method to both the inside and outside surfaces of a hollow body that can avoid the double labor that occurs when performing the process and can simultaneously form a film having excellent adhesion on the inner surface and the outer surface of the hollow body. is there.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention of claim 1 is characterized in that a conductive hollow body having at least one end opened in a reduced pressure plasma generating raw material gas atmosphere, and the inside and outside of the hollow body An antenna for glow discharge excitation is installed in the hollow body at an interval so as not to generate a discharge in an insulated state, and plasma is generated inside and outside the hollow body by high frequency discharge or microwave discharge, It comprises means for applying a negative high voltage pulse with respect to the ground potential and injecting ions in the plasma atmosphere into the inner surface and the outer surface of the hollow body.
[0006]
In the invention of claim 2, a conductive hollow body having at least one end opened in a reduced pressure plasma generating raw material gas atmosphere containing a hydrocarbon-based organic compound gas is provided. An antenna for glow discharge excitation is installed outside the hollow body at an interval that does not generate a discharge in an insulated state, and plasma is generated inside and outside the hollow body by high-frequency discharge or microwave discharge. And a means for applying a negative high voltage pulse to the ground potential and injecting carbon ions in the plasma atmosphere into the inner surface and the outer surface of the hollow body.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on the embodiments of the invention described in the drawings.
Here, FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the apparatus, and FIG. 2 is a conceptual diagram in which ions are implanted into the inner surface and the outer surface of the hollow body.
[0008]
In the figure, an ion implantation apparatus 1 is an apparatus for simultaneously implanting ions into the inner surface and the outer surface of a hollow body 2 such as a stainless steel tube in a reduced pressure plasma generating source gas atmosphere. One end or both ends of the hollow body 2 are opened, and the inside and the outside of the hollow body 2 are in communication with each other through the opened end. In this embodiment, the hollow body 2 has a cylindrical shape with both ends opened.
[0009]
The ion implantation apparatus 1 includes a vacuum vessel 3 in a vacuum state, an antenna 4 installed in a non-contact state inside and outside the hollow body 2 inside the vacuum vessel 3, and a hollow body 2 installed inside the vacuum vessel 3. A hollow body holder 5 for holding the plasma, a high voltage pulse power source 6 for applying a pulse voltage with a negative potential to the hollow body 2 inside the vacuum vessel 3, and a plasma generating source gas for supplying a plasma generating source gas to the inside of the vacuum vessel 3 A supply device 7 and an evacuation device 8 for discharging the air from the vacuum vessel 3 to bring it into a vacuum state are constructed.
[0010]
The vacuum vessel 3 is a place for creating an environment in which the plasma a is generated inside by discharging the air inside to be in a vacuum state. Inside the vacuum vessel 3, discharge is generated inside and outside the hollow body 2 in a non-contact state with the inner and outer surfaces so that ions in the plasma atmosphere can be easily injected into the inner and outer surfaces of the hollow body 2. The antennas 4 are installed in parallel with no gap.
[0011]
The internal antenna 4 installed inside the hollow body 2 is installed on the central axis of the cylindrical hollow body 2 at a distance that does not generate a discharge in a non-contact state. A part protrudes to the outside. In addition, the external antenna 4 installed outside the hollow body 2 is equidistant from the internal antenna 4 at intervals that do not cause discharge in a non-contact state in the circumferential direction of the outer periphery of the cylindrical hollow body 2. A plurality of both ends are protruded from both ends of the hollow body 2 to the outside.
[0012]
One end of each of the plurality of external antennas 4 installed in the circumferential direction is connected to a circular ring holder 4a, and one end of each of the ring holder 4a and the internal antenna 4 is connected to the antenna holder 4b. The antenna holder 4b is electrically connected to a high frequency power source 4c outside the vacuum vessel 3, and each antenna 4 installed inside and outside the hollow body 2 is connected to the high frequency power source via the ring holder 4a and the antenna holder 4b. 4c is electrically connected. Further, the internal antenna 4 is covered with an insulating material, for example, a ceramic tube 4d, so as to prevent discharge between the internal antenna 4 and the hollow body 2 when a high voltage is applied.
[0013]
The hollow body holder 5 holds the hollow body 2 and is installed inside the vacuum vessel 3. The hollow body holder 5 is supported on the inner wall surface of the vacuum vessel 3 by a support member 5b via, for example, an alumina insulating plate 5a. The hollow body holder 5 holds the inner surface and the outer surface of the hollow body 2 in parallel with the antennas installed inside and outside, respectively, so that ions in the plasma atmosphere can be easily injected into the inner surface and the outer surface. ing. The hollow body holder 5 is made of a conductive material.
[0014]
The high voltage pulse power source 6 applies, for example, a pulse voltage having a voltage of −12 kV, a frequency of 200 Hz, and a pulse-on time of 20 μs to the hollow body 2 through the conductive hollow body holder 5, and compared with a normal voltage, A large voltage can be obtained with little electric energy. One end of the high voltage pulse power supply 6 is extended in the vacuum vessel 3 and connected to the hollow body holder 5. A low voltage pulse power source 6a and an oscilloscope 6b are connected to the high voltage pulse power source 6.
The plasma generation source gas supply device 7 is a device for supplying a plasma generation source gas into the vacuum vessel 3, and one end of the plasma generation source gas supply device 7 is connected to the vacuum vessel 3. The plasma generating raw material gas supply device 7 appropriately converts, for example, nitrogen gas as the plasma generating raw material gas, acetylene gas as the hydrocarbon-based organic compound gas, or the like as appropriate through the switching of a plurality of flow rate regulators (MFC) 7a. 3 can be supplied.
[0016]
The vacuum evacuation device 8 is a device that discharges air inside the vacuum vessel 3 to bring it into a vacuum state, and is equipped with a vacuum pump (not shown). The vacuum evacuation device 8 reduces the pressure inside the vacuum vessel 3 to a state close to vacuum so that plasma a is easily generated.
[0017]
Next, a method for implanting ions into both the outer and outer surfaces of the hollow body based on the configuration of the embodiment of the present invention will be described below.
The hollow body 2 and the antenna 4 are placed in the vacuum container 3, the internal antenna 4 is installed on the central axis inside the hollow body 2, and a plurality of antennas 4 are arranged at equal intervals in the circumferential direction outside the cylindrical hollow body 2. Is installed. Then, the hollow body 2 is attached to and held by the hollow body holder 5. Similarly, the internal antenna 4 is attached to the antenna holder 4b and the external antenna 4 is attached to and held on the antenna holder 4b via the ring holder 4a. In this case, the hollow body 2 and the internal and external antennas 4 are installed in parallel in a non-contact state and at a distance that does not discharge.
[0018]
Thereafter, the vacuum exhaust device 8 is operated to discharge the air in the vacuum container 3. The air inside the vacuum vessel 3 is exhausted by the operation of a vacuum pump (not shown) of the vacuum exhaust device 8 and the inside becomes a vacuum state. The vacuum state is, for example, a vacuum degree of 10 ⁻² Pascal.
[0019]
After the vacuum vessel 3 is evacuated, the flow rate regulator (MFC) 7a of the plasma generation source gas supply device 7 is switched and adjusted, for example, for example, nitrogen gas and hydrocarbon-based organic compound gas as the plasma generation source gas. When acetylene gas is introduced into the vacuum vessel 3 and high frequency power is supplied from the high frequency power source 4c to the antennas 4 installed inside and outside the hollow body 2 and operated, each antenna installed inside and outside 4 is a plasma generation source, and plasma a is generated from nitrogen gas and acetylene gas around the antenna 4. The generated plasma a brings the inside and outside of the hollow body 2 into a plasma atmosphere.
[0020]
Then, after the inside and the outside of the hollow body 2 are in a plasma atmosphere, the high voltage pulse power supply 6 applies a negative voltage to the ground potential to bring the hollow body 2 into a negative potential state.
[0021]
When the hollow body 2 is in a negative potential state, ions in a positive potential state from the plasma atmosphere of the acetylene gas between the hollow body 2 and the internal antenna 4 are applied to the inner surface of the hollow body 2 in the negative potential state. It is accelerated by suction, has kinetic energy, collides with the inner surface of the hollow body 2, carbon is injected into the inner surface of the hollow body 2, and the inner surface of the hollow body 2 is coated with a carbon film.
[0022]
Similarly, positive potential ions from the external acetylene gas plasma atmosphere between the hollow body 2 and the external antenna 4 are attracted and accelerated to the outer surface of the hollow body 2 in the negative potential state and have kinetic energy. Colliding with the outer surface of the hollow body 2, carbon is injected into the outer surface of the hollow body 2, and the outer surface of the hollow body 2 is coated with a carbon film.
[0023]
The film thicknesses of the carbon films on both the inner and outer surfaces of the hollow body 2 are adjusted by adjusting the introduction amount of the hydrocarbon-based organic compound gas or by the working time. When it is desired to increase the film thickness of carbon, the working time is lengthened. When only gas ions such as nitrogen ions are to be introduced into both the inner and outer surfaces of the hollow body 2, only nitrogen gas is introduced.
[0024]
In the present invention, the insulated hollow body 2 is installed in the vacuum vessel 3, a desired plasma generating raw material gas is introduced into the vacuum vessel 3 and maintained at a reduced pressure at the same time, and high frequency power is supplied to the inside of the hollow body 2 and Plasma is generated by supplying power to each antenna 4 installed outside, and positive ions in the plasma are drawn into the inner surface and the outer surface of the hollow body 2 by repeatedly applying a negative pulse voltage to the hollow body 2, It consists of means for irradiating. In this way, ions are implanted into both the inner and outer surfaces of the hollow body 2 to simultaneously improve the inner and outer surfaces, and when hydrocarbon is used as part of the source gas, both the inner and outer surfaces of the hollow body 2 are simultaneously Carbon film coating can be performed.
[0025]
[Experimental example]
As the hollow body 2, a cylindrical stainless steel tube having both ends opened was used.
[Experimental conditions]
Stainless steel tube size: ID 100mm, length 300mm
Introduction gas: Nitrogen gas Nitrogen gas pressure: 2.5 Pascal high frequency power: 40W
Pulse voltage: -12KV
Pulse frequency: 200Hz
Pulse width: 20 μs
Processing time: 1 hour [experimental result]
4, three locations (A, B, C) on the inner surface of the hollow body 2 (stainless steel tube) illustrated in FIG. 3 and three locations (D, E, F) on the outer surface of the hollow body 2 (stainless steel tube). The result of having measured the nitrogen ion implantation depth distribution by AES (Auger electron spectroscopy analysis) is shown. It can be seen from FIG. 4 that nitrogen ions are uniformly injected over the entire inner surface and outer surface of the hollow body 2 (stainless steel tube) by repeatedly injecting nitrogen ions.
[0026]
The present invention is not limited to the embodiment of the invention described above, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the embodiment of the present invention, the case where plasma is generated inside and outside of the hollow body 2 by high frequency discharge has been described, but microwaves may be used instead of high frequency.
[0027]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the ion implantation method to both the inside and outside surfaces of the hollow body according to the inventions of claims 1 and 2, plasma is generated inside and outside of the hollow body by high frequency discharge or microwave discharge. In addition, by repeatedly applying a negative high voltage pulse with respect to the ground potential to the hollow body, ions can be simultaneously implanted into the inner surface and the outer surface of the hollow body. Surface modification can be achieved simultaneously. Thereby, compared with the case where the modification | reformation of the internal surface of a hollow body and an external surface is performed separately, a double effort can be avoided. Further, the application of the present technology is assumed to be a cylinder such as an internal combustion engine, a mechanical metal part, a mold or the like.
In addition, the invention of claim 2 has extremely novel and beneficial effects such as enabling the production of a thin film using ion implantation into the inner surface and the outer surface of the hollow body.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an apparatus showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram in which ions are implanted into an inner surface and an outer surface of a hollow body according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing measurement points at three locations on the inner surface and three locations on the outer surface of a hollow body (stainless steel tube) in an experimental example of the present invention.
4 is a distribution diagram of ion implantation depth at each of the measurement locations at three locations on the inner surface and three locations on the outer surface in FIG. 3;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ion implantation apparatus 2 Hollow body 3 Vacuum container 4 Antenna 4a Ring holder 4b Antenna holder 4c High frequency power source 4d Ceramic tube 5 Hollow body holder 5a Alumina insulating plate 5b Support member 6 High voltage pulse power source 6a Low voltage pulse power source 6b Oscilloscope 7 Plasma generation Raw material gas supply device 7a Flow controller (MFC)
8 Vacuum exhaust device a Plasma

Claims

A conductive hollow body having at least one end opened is installed in a plasma generation source gas atmosphere in a reduced pressure state, and an antenna for glow discharge excitation is discharged in an insulated state from the hollow body inside and outside the hollow body. Installed at intervals that do not occur, and generates plasma inside and outside the hollow body by high-frequency discharge or microwave discharge, and applies a negative high-voltage pulse to the hollow body with respect to the ground potential in a plasma atmosphere. An ion implantation method to both the inside and outside surfaces of a hollow body, wherein the ions are implanted into the inner surface and the outer surface of the hollow body.

A conductive hollow body having at least one open end is placed in a reduced pressure plasma generating source gas atmosphere containing a hydrocarbon-based organic compound gas, and an antenna for glow discharge excitation is provided inside and outside the hollow body. Installed at a distance from the hollow body so as not to generate a discharge in an insulated state, and plasma is generated inside and outside the hollow body by high-frequency discharge or microwave discharge. A method of implanting ions into both the outer and outer surfaces of a hollow body, wherein a pulse is applied and carbon ions in a plasma atmosphere are implanted into the inner surface and the outer surface of the hollow body.