JP2000143221A - パルス放電型ｄｌｃ成膜装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 硬度が低く熱膨張係数が大きい材料からなる
被コーティング物の表面に直接ＤＬＣ薄膜を成膜する場
合の密着性向上。 【解決手段】 真空チャンバー内に供給された原料ガス
を直流放電によってプラズマ化するためのイオン源と、
パルス放電型ＤＬＣ成膜装置を用い、前記のイオン源に
おける反射電極，熱電子放出用陰極および前記のホルダ
ーもしくは当該ホルダーによって保持された被コーティ
ング物それぞれの電位が前記の板状陽極の電位より低
く、かつ、前記の熱電子放出用陰極の電位の方が前記の
反射電極の電位より高く、前記の反射電極の電位の方が
前記のホルダーもしくは当該ホルダーによって保持され
た被コーティング物の電位より高くなるように設定し、
前記のホルダーもしくは当該ホルダーによって保持され
た被コーティング物に前記のパルス電源から前記負の直
流パルス電圧が周期的に印加されるように設定して、Ｄ
ＬＣ薄膜を成膜する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ダイヤモンドライ
クカーボン（以下、「ＤＬＣ」と略記する。」薄膜を成
膜するためのＤＬＣ成膜装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＤＬＣは、極めて高い硬度を有し、摩擦
係数が低く、耐摩耗性、耐薬品性、熱伝導性等に優れて
いるため、切削工具，刃物，金型，電子部品，光情報記
録媒体等の表面保護膜や耐凝着耐摩耗膜等としての利用
が図られている。ＤＬＣ成膜装置としては種々のものが
開発されているが、本件出願人は、直流放電によって原
料ガスをプラズマ化する特定のイオン源を備えたＤＬＣ
成膜装置について、既に特許（第２１０７７５３号）を
受けている。

【０００３】上記のＤＬＣ成膜装置は、底部を有する筒
状の反射電極と、この反射電極内に当該反射電極と電気
的に絶縁されて設けられた熱電子放出用陰極と、この熱
電子放出用陰極よりも反射電極の開口端側に当該反射電
極と電気的に絶縁されて設けられた板状陽極と、反射電
極の内部空間に開口端を有する作動ガス（原料ガス）供
給管とを少なくとも備え、成膜時に、板状陽極の電位を
基準としたときの反射電極、熱電子放出用陰極および基
板の各電位がそれぞれ負電位となるように、かつ、熱電
子放出用陰極の電位の方が反射電極の電位より高く、反
射電極の電位の方が基板の電位より高くなるように制御
されるイオン源を備えたＤＬＣ成膜装置である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したＤＬＣ成膜装
置によって被コーティング物の表面にＤＬＣ薄膜を成膜
する場合、硬度が高く熱膨張係数が小さい材料からなる
被コーティング物については、その表面に比較的高い密
着力の下にＤＬＣ薄膜を成膜することができる。しかし
ながら、硬度が低く熱膨張係数が大きい材料からなる被
コーティング物については、その表面に直接ＤＬＣ薄膜
を成膜すると当該ＤＬＣ膜の密着性が低下するため、密
着性を高めるうえから、被コーティング物の表面に予め
Ｔｉ，Ｓｉ，Ａｌ等の中間層を形成しておくことが望ま
れる。全く同じことが、従来の他のＤＬＣ成膜装置によ
って被コーティング物の表面にＤＬＣ薄膜を成膜する場
合に広く当てはまる。

【０００５】本発明の目的は、被コーティング物の表面
により高い密着力の下にＤＬＣ薄膜を成膜することが可
能なＤＬＣ成膜装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明のＤＬＣ成膜装置は、被コーティング物を保持する
ためのホルダーが内部に配置されている真空チャンバー
と、この真空チャンバー内に原料ガスを供給するための
原料ガス供給手段と、前記の真空チャンバー内に供給さ
れた前記の原料ガスを直流放電によってプラズマ化する
ためのイオン源と、このイオン源によって生じたプラズ
中のプラスイオンが前記のホルダー側もしくは該ホルダ
ーによって保持された被コーティング物側に電気的に吸
引されるように前記のホルダーもしくは該ホルダーによ
って保持された被コーティング物に負の直流パルス電圧
を印加するためのパルス電源とを備え、前記のイオン源
は、底部を有する筒状の反射電極と、この反射電極内に
該反射電極と電気的に絶縁されて設けられた熱電子放出
用陰極と、この熱電子放出用陰極よりも前記の反射電極
の開口端側に該反射電極と電気的に絶縁されて設けられ
た板状陽極とを有し、成膜時における前記の反射電極，
熱電子放出用陰極およびホルダーもしくは該ホルダーに
よって保持された被コーティング物それぞれの電位が前
記の板状陽極の電位より低く、かつ、前記の熱電子放出
用陰極の電位の方が前記の反射電極の電位より高く、前
記の反射電極の電位の方が前記のホルダーもしくは該ホ
ルダーによって保持された被コーティング物の電位より
高くなるように設定され、しかも、前記のホルダーもし
くは該ホルダーによって保持された被コーティング物に
は、前記のパルス電源から前記負の直流パルス電圧が周
期的に印加される、ことを特徴とするパルス放電型ＤＬ
Ｃ成膜装置である。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明のパ
ルス放電型ＤＬＣ成膜装置の一例の模式図である。同図
に示したパルス放電型ＤＬＣ成膜装置１は、被コーティ
ング物２を保持するためのホルダー（回転テーブルを含
む。）３が内部に配置されている真空チャンバー４と、
この真空チャンバー４内に原料ガスを供給するための原
料ガス供給手段５と、前記の真空チャンバー４内に供給
された前記の原料ガスを直流放電によってプラズマ化す
るためのイオン源６と、このイオン源６によって生じた
プラズ中のプラスイオンが前記のホルダー３側へ電気的
に吸引されるように前記のホルダー３もしくは当該ホル
ダー３によって保持された被コーティング物２に直流パ
ルス電圧を印加するためのパルス電源７とを備えてい
る。

【０００８】なお、同図中の符号１０は、真空チャンバ
ー４内を減圧するための真空ポンプを示しており、当該
真空ポンプ１０と真空チャンバー４とは所定の配管１１
によって接続されている。また、同図中の符号１２は、
真空チャンバー４に設けられている窓１３を通してＤＬ
Ｃ薄膜の成膜状態を測定するための分光器を示してお
り、符号１４は前記の分光器１２用の集光レンズを示し
ている。そして、同図中の符号１５は質量分析器を、符
号１６はプラズマモニターを、符号１７は真空ゲージを
示している。分光器１２，質量分析器１５，プラズマモ
ニター１６および真空ゲージ１７それぞれによる測定結
果は、電子計算機１８へ送られ、ここで処理されて表示
装置１９に表示される。

【０００９】図２は、パルス放電型ＤＬＣ成膜装置１が
具備しているイオン源６の原理図である。当該イオン源
６は、底部を有する筒状の反射電極（リフレクター）３
０と、この反射電極３０内に当該反射電極３０と電気的
に絶縁されて設けられた熱電子放出用陰極（フィラメン
ト）３１と、この熱電子放出用陰極３１よりも反射電極
３０の開口端側に当該反射電極３０と電気的に絶縁され
て設けられた板状陽極（アノード）３２と、反射電極３
０の内部空間に開口端を有する原料ガス供給管３３とを
有しており、さらに、アノード電源３４，フィラメント
電源３５，リフレクター電源３６および基板電源３７を
有している。なお、図２中の二点鎖線は電気力線を示し
ている。

【００１０】イオン源６は、真空チャンバー内に供給さ
れた原料ガスを直流放電によってプラズマ化するための
ものであるので、各電極３０，３１，３２の電位は、次
のように設定される。すなわち、成膜時における反射電
極（リフレクター）３０および熱電子放出用陰極（フィ
ラメント）３１それぞれの電位が板状陽極（アノード）
３２の電位より低く、かつ、熱電子放出用陰極（フィラ
メント）３１の電位の方が反射電極（リフレクター）３
０の電位より高くなるように設定される。

【００１１】そして、イオン源６によって生じたプラズ
マ中のプラスイオン（例えば炭素イオン）は基板３８
（図２参照）側へ電気的に吸引される必要があるので、
基板３８の電位は、成膜時における板状陽極（アノー
ド）３２の電位より低く、かつ、反射電極（リフレクタ
ー）３０の電位より低くなるように設定される。

【００１２】ただし、本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜
装置においては、イオン源によって生じたプラズ中のプ
ラスイオンがホルダー側もしくは当該ホルダーによって
保持された被コーティング物側へ電気的に吸引されるよ
うに、前記のホルダーしくは当該ホルダーによって保持
された被コーティング物に負の直流パルス電圧がパルス
電源から印加される。このため、イオン源の実際の構成
は、例えば図３に示すイオン源６におけるように、図２
に示した構成から基板電源３７および基板３８を除いた
構成となる。

【００１３】そして、上記の構成を有するイオン源を備
えた本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜装置によってＤＬ
Ｃ薄膜を成膜するに際しては、成膜時における板状陽極
（アノード）の電位よりもホルダーもしくは当該ホルダ
ーによって保持された被コーティング物の電位の方が低
くなるように、かつ、反射電極（リフレクター）の電位
の方がホルダーもしくは当該ホルダーによって保持され
た被コーティング物の電位より高くなるように設定され
る。しかも、成膜時においては、ホルダーもしくは当該
ホルダーによって保持された被コーティング物に、パル
ス電源から負の直流パルス電圧が周期的に印加される。

【００１４】成膜時においては、原料ガス供給手段によ
って原料ガス（例えばベンゼン（Ｃ₆Ｈ₆）ガス）が真空
チャンバー内に供給され続け、この原料ガスは上述した
イオン源によってプラズマ化される。成膜時の真空チャ
ンバー内の雰囲気圧は、真空ポンプを作動させることで
１０^-4〜１０^-3Torr台に保たれる。

【００１５】原料ガスをプラズマ化することによって生
じたプラスイオンは、負電位にあるホルダーもしくは当
該ホルダーによって保持されている被コーティング物に
電気的に吸引され、ホルダーおよび被コーティング物に
衝突付着してＤＬＣ薄膜を形成する。

【００１６】このとき、ホルダーもしくは当該ホルダー
によって保持されている被コーティング物にはパルス電
源から負の直流パルス電圧が周期的に印加されているの
で、当該負の直流パルス電圧が印加されているときには
被コーティング物の周囲にプラズマシースが形成され
る。また、負の直流パルス電圧が印加されると、プラズ
マシース中のプラスイオンが瞬間的に加速されて、被コ
ーティング物または当該被コーティング物表面の成長膜
（成長途中のＤＬＣ薄膜）に注入される。

【００１７】一方、ホルダーもしくは当該ホルダーによ
って保持されている被コーティング物にパルス電源から
負の直流パルス電圧が印加されていないときには被コー
ティング物の周囲にプラズマシースが形成されないの
で、プラズマ中のプラスイオンは比較的緩やかにホルダ
ーもしくは当該ホルダーによって保持されている被コー
ティング物に電気的に吸引されてその上に付着、堆積
し、膜成長が進行する。

【００１８】上記負の直流パルス電圧は、例えば１．５
ｋＶ程度〜数十ｋＶの範囲で選択可能である。当該直流
パルス電圧を例えば１．５ｋＶと低く設定しても、被コ
ーティング物の表面に従来より遥かに高い密着力の下に
ＤＬＣ薄膜を成膜することが可能である。

【００１９】本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜装置によ
ってＤＬＣ薄膜を成膜した場合には、従来のＤＬＣ成膜
装置を用いた場合に比べて、被コーティング物の表面に
より高い密着力の下にＤＬＣ薄膜を成膜することができ
る。ＤＬＣ薄膜の密着力の向上は、(1) ホルダーもしく
は当該ホルダーによって保持されている被コーティング
物に上記負の直流パルス電圧を周期的に印加することに
より、プラスイオンによる被コーティング物または当該
被コーティング物表面の成長膜（成長途中のＤＬＣ薄
膜）の表面改質がなされ、特に、被コーティング物とＤ
ＬＣ膜との界面に傾斜層（炭素イオン濃度からみた傾斜
層）が形成されること、および、(2) 前記の表面改質と
コーティング物上または当該被コーティング物表面の成
長膜上における膜成長とが交互に行われること、による
ものと推察される。ただし、イオン源として前述したイ
オン源以外のものを用いた場合には、ホルダーもしくは
当該ホルダーによって保持されている被コーティング物
に負の直流パルス電圧を周期的に印加しつつＤＬＣ薄膜
を成膜したとしても、ＤＬＣ薄膜の密着力の向上はそれ
程認められない。この理由は定かではない。

【００２０】また、本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜装
置では、成膜時に被コーティング物の周囲に周期的にプ
ラズマシースが形成されるので、被コーティング物の形
状が複雑であっても、当該被コーティング物の表面に均
一なＤＬＣ薄膜を成膜することが可能である。

【００２１】なお、本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜装
置において被コーティング物を保持するために真空チャ
ンバーの内部に配置されるホルダーには、図１に示した
ように、回転テーブルが含まれる。回転もしくは回動が
可能なホルダーを用いることにより、固定されたホルダ
ーを用いた場合よりも、被コーティング物の表面により
均一なＤＬＣ薄膜を成膜することが可能になる。多数の
被コーティング物の表面に均一なＤＬＣ膜を一度に成膜
するという観点からは、例えば特公平７−９４７１１号
公報に開示されている回転テーブルを用いることが好ま
しい。

【００２２】また、図１に示したパルス放電型ＤＬＣ成
膜装置１では、原料ガス供給手段５によって真空チャン
バー４内に原料ガスを供給する以外に、イオン源６が有
している原料ガス供給管３３を介して真空チャンバー４
内に原料ガスを供給することも可能である。前記の原料
ガス供給管３３を介して真空チャンバー４内に原料ガス
を供給した方が成膜速度が速くなるが、良質のＤＬＣ薄
膜を成膜するうえからは、イオン源６の配設箇所とは異
なる箇所（例えば、図１に示したように、イオン源６が
配設されてる側の壁面に対向する壁面側）に原料ガスの
流出口が設けられている原料ガス供給手段５によって真
空チャンバー４内に原料ガスを供給するようにした方が
好ましい。したがって、イオン源は原料ガス供給管を有
していなくてもよい。さらに、パルス放電型ＤＬＣ成膜
装置を構成するイオン源の数は１個に限定されるもので
はなく、２個以上の所望個数とすることができる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。 実施例１ まず、被コーティング物としてダイス鋼（ＳＫＤ１１）
製基板を、また、原料ガスとしてベンゼン（Ｃ₆Ｈ₆）ガ
スをそれぞれ用意した。次いで、上記の被コーティング
物を図１に示したパルス放電型ＤＬＣ成膜装置１におけ
るホルダー（回転テーブル）３上に装置し、当該被コー
ティング物の表面に膜厚０．５μｍのＤＬＣ薄膜を成膜
した。

【００２４】ＤＬＣ薄膜を成膜するにあたっては、成膜
時の真空チャンバー４内の真空度（雰囲気圧）は２×１
０^-3Torrに、原料ガス（ベンゼン（Ｃ₆Ｈ₆）ガスの流量
は２０sccmに、板状陽極（アノード）３２の電圧は７０
Ｖ（アノード電流は０．６Ａ）に、反射電極（リフレク
ター）３０の電圧は２０Ｖ（リフレクター電流は０．０
２Ａ）にそれぞれ設定した。一方、パルス電源７による
負の直流パルス電圧のパルス電圧は１．５ｋＶ（基板電
流は４０ｍＡ）に、そのパルス幅は１５０μｍに、当該
負の直流パルス電圧の周波数は２ｋＨｚにそれぞれ設定
した。また、成膜時間は３０分とした。

【００２５】実施例２ 被コーティング物としてハイス鋼（ＳＫＨ５１）製基板
を用いた以外は実施例１と同条件の下に、当該被コーテ
ィング物の表面に膜厚０．５μｍのＤＬＣ薄膜を成膜し
た。

【００２６】実施例３ 被コーティング物として超硬材料（ＷＣ−Ｃｏ）製基板
を用いた以外は実施例１と同条件の下に、当該被コーテ
ィング物の表面に膜厚０．５μｍのＤＬＣ薄膜を成膜し
た。

【００２７】スクラッチ試験 実施例１〜実施例３で成膜した各ＤＬＣ膜の密着力を、
ＡＥ（アコースティック・エミッション）センサー付自
動スクラッチ試験機によって測定した。このとき、圧子
としてはダイヤモンド圧子（圧子半径２００μｍ）を用
い、テーブル移動速度は１０ｍｍ／分、圧子への垂直荷
重の負荷速度は１００Ｎ／分とした。図４に実施例１で
成膜したＤＬＣ膜についての試験結果を示す。また、図
５に実施例２で成膜したＤＬＣ膜についての試験結果を
示す。そして、図６に実施例３で成膜したＤＬＣ膜につ
いての試験結果を示す。なお、いずれの図においても、
符号Ａで指されている線はＡＥ（アコースティック・エ
ミッション）強度の変化を示しており、符号Ｂで指され
ている線は摩擦力の変化を示している。

【００２８】図４から明らかなように、実施例１で成膜
したＤＬＣ膜においては、垂直荷重が概ね６８Ｎに達し
たときにＡＥ強度の急激な増加が生じ、これに続いて摩
擦力の急激な増加が生じることから、このときにＤＬＣ
薄膜の剥離が生じたものと認められる。同様に、実施例
２で成膜したＤＬＣ膜においては、図５から明らかなよ
うに、垂直荷重が概ね６９Ｎに達したときにＤＬＣ薄膜
が剥離したものと認められ、実施例３で成膜したＤＬＣ
膜においては、図６から明らかなように、垂直荷重が概
ね１４９Ｎに達したときにＤＬＣ薄膜が剥離したものと
認められる。

【００２９】従来のＤＬＣ薄膜成膜装置によってダイス
鋼の表面やハイス鋼の表面にＤＬＣ薄膜を成膜し、これ
らのＤＬＣ薄膜について上記と同じスクラッチ試験を施
すと、当該ＤＬＣ薄膜は、垂直荷重が２０〜３０Ｎ程度
のときに剥離する。したがって、実施例１や実施例２で
成膜したＤＬＣ薄膜の密着力は従来の２倍以上である。
一方、従来のＤＬＣ薄膜成膜装置によってＷＣ−Ｃｏの
表面にＤＬＣ薄膜を成膜し、このＤＬＣ薄膜について上
記と同じスクラッチ試験を施すと、当該ＤＬＣ薄膜は、
垂直荷重が７０Ｎ程度のときに剥離する。したがって、
実施例３で成膜したＤＬＣ薄膜の密着力は、従来の２倍
以上である。

【００３０】なお、被コーティング物の表面に予めＴ
ｉ，Ｓｉ，Ａｌ等の中間層を形成し、当該中間層の表面
に本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜装置によってＤＬＣ
薄膜を成膜した場合も、従来のＤＬＣ成膜装置を用いた
場合に比べて、ＤＬＣ薄膜の密着力が向上する。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のパルス放
電型ＤＬＣ成膜装置によれば、被コーティング物の表面
に従来より高い密着力の下にＤＬＣ薄膜を成膜すること
が可能になる。したがって本発明によれば、切削工具，
刃物，金型，電子部品，光情報記録媒体等の表面に、信
頼性および耐久性が向上したＤＬＣ薄膜からなる表面保
護膜や耐凝着耐摩耗膜等を成膜することが容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜装置の一例を
示す模式図である。

【図２】本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜装置を構成し
ているイオン源の原理を概略的に示す部分断面図であ
る。

【図３】本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜装置を構成し
ているイオン源を概略的に示す部分断面図である。

【図４】実施例１で成膜したＤＬＣ薄膜について行った
スクラッチ試験の結果を示すグラフである。

【図５】実施例２で成膜したＤＬＣ薄膜について行った
スクラッチ試験の結果を示すグラフである。

【図６】実施例３で成膜したＤＬＣ薄膜について行った
スクラッチ試験の結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１…パルス放電型ＤＬＣ成膜装置、 ２…被コーティン
グ物、 ３…ホルダー（回転テーブル）、 ５…原料ガ
ス供給手段、 ６…イオン源、 ７…パルス電源、 ３
０…反射電極（リフレクター）、 ３１…熱電子放出用
陰極、 ３２…板状陽極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G046 CB03 CC09 4K030 AA09 BA27 BB05 CA02 EA03 FA01 JA17 KA15 KA17

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被コーティング物を保持するためのホル
   ダーが内部に配置されている真空チャンバーと、この真
   空チャンバー内に原料ガスを供給するための原料ガス供
   給手段と、前記の真空チャンバー内に供給された前記の
   原料ガスを直流放電によってプラズマ化するためのイオ
   ン源と、このイオン源によって生じたプラズ中のプラス
   イオンが前記のホルダー側もしくは該ホルダーによって
   保持された被コーティング物側に電気的に吸引されるよ
   うに前記のホルダーもしくは該ホルダーによって保持さ
   れた被コーティング物に負の直流パルス電圧を印加する
   ためのパルス電源とを備え、 前記のイオン源は、底部を有する筒状の反射電極と、こ
   の反射電極内に該反射電極と電気的に絶縁されて設けら
   れた熱電子放出用陰極と、この熱電子放出用陰極よりも
   前記の反射電極の開口端側に該反射電極と電気的に絶縁
   されて設けられた板状陽極とを有し、 成膜時における前記の反射電極，熱電子放出用陰極およ
   びホルダーもしくは該ホルダーによって保持された被コ
   ーティング物それぞれの電位が前記の板状陽極の電位よ
   り低く、かつ、前記の熱電子放出用陰極の電位の方が前
   記の反射電極の電位より高く、前記の反射電極の電位の
   方が前記のホルダーもしくは該ホルダーによって保持さ
   れた被コーティング物の電位より高くなるように設定さ
   れ、しかも、前記のホルダーもしくは該ホルダーによっ
   て保持された被コーティング物には、前記のパルス電源
   から前記負の直流パルス電圧が周期的に印加される、 ことを特徴とするパルス放電型ＤＬＣ成膜装置。
2. 【請求項２】 ホルダーもしくは該ホルダーによって保
   持された被コーティング物に、パルス電圧１．５ｋＶ，
   パルス幅１５０μ秒の負の直流パルス電圧を周波数２ｋ
   Ｈｚで印加する、請求項１に記載のパルス放電型ＤＬＣ
   成膜装置。