JP2001195994A - プラズマ発生装置及び皮膜形成方法 - Google Patents

プラズマ発生装置及び皮膜形成方法

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JP2001195994A
JP2001195994A JP2000001783A JP2000001783A JP2001195994A JP 2001195994 A JP2001195994 A JP 2001195994A JP 2000001783 A JP2000001783 A JP 2000001783A JP 2000001783 A JP2000001783 A JP 2000001783A JP 2001195994 A JP2001195994 A JP 2001195994A
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plasma
chamber
cathode
gas
film
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JP2000001783A
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Masaki Moronuki
正樹 諸貫
Masaya Iwaki
正哉 岩木
Moritake Tanba
護武 丹波
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Riken Corp
RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
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Riken Corp
RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 カーボンカソードから生じた多価
イオンを含む高密度カーボンプラズマを直接基板に照射
すると基板温度が上昇し、高硬度にして低摩擦係数の膜
が形成できる。 【解決手段】 アノード(5)とカソード(6)
との間に真空アーク放電を発生させ、高密度カーボンプ
ラズマを発生させ、このプラズマにガス導入口(8)よ
り炭化水素ガスを供給する。これによりプラズマ密度を
下げる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、摺動部品の摺動面
に硬質カーボン皮膜を形成するのに有効な高密度プラズ
マ発生装置とその成膜方法に関する。
【0002】
【従来の技術】多価電離イオンの割合の高いイオンビー
ムの連続的な発生方法が特開平8−102278号公報
に開示されている。図3は特開平8−102278号公
報で開示されたイオンビーム発生装置の全体構成図であ
る。このイオンビーム発生装置20は仕切り板21でそ
の内部空間を第1チャンバー22と第2チャンバー23
に区分された真空容器24と、仕切り板21が仕切り板
21を貫通する開口孔25を有し、さらに、正の電圧が
印加されるアノード26と、第1チャンバー22の内の
開口孔25の中心軸上にアノード26に対向して配設さ
れかつ負電圧を印加されるカソード27と、チャンバー
内に発生したプラズマを閉じ込める磁場発生装置30と
を備えている。尚、図3において、28はマイクロ波導
入部、29はアークプラズマ、30aは永久磁石、30
bと30cは空心コイル、31は真空アーク放電、32
はイオン抽出電極、33aと33bはイオン抽出電源、
34はアーク電源を示す。図3の装置によれば、第1の
真空チャンバー内でアノードとカソード間に真空アーク
放電を発生させてカソード物質の金属プラズマを形成
し、磁場発生装置による磁場により金属プラズマを一時
的に封じ込め、かつマイクロ波により金属プラズマを加
熱して多価電離イオンの割合を増加させ、イオン抽出電
極による電界により金属プラズマからイオンを抽出する
ことにより、多価電離イオンの割合が高いイオンビーム
を発生させることができる。
【0003】図4は図3のイオンビーム発生装置を利用
した硬質カーボン皮膜を形成するための装置の例であ
る。図4に示された硬質カーボン皮膜形成装置では真空
チャンバー40内に取り付けられカソード27にアーク
電源41(図3のアーク電源34相当)が接続される。
イオン源46より発生したプラズマ42は基板44が取
り付けられ、バイアス電源45により負電圧を印加され
たホルダー43に向かって照射される。尚、ホルダー4
3は図示されていないが、プラズマによる温度上昇を防
止するため水冷されている。ここでカソード27の材料
としてカーボンを使用すると基板44の表面に硬質カー
ボン皮膜が形成される。
【0004】これとは別に、硬質カーボン皮膜はRFプ
ラズマCVD法をはじめとしていくつかの方法により成
膜することが可能であるが、プラズマ密度が低いために
成膜速度が遅い。また、高密度プラズマによる硬質カー
ボン皮膜の成膜方法には電子ビーム励起プラズマ(EBEP
: Electron Beam Excited Plasma)がある。これはW
フィラメントへの通電により発生した熱電子により反応
性ガスを励起してプラズマ化するものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】DLC(ダイヤモンド
・ライク・カーボン)に代表される硬質カーボン皮膜に
は大別してメタン、アセチレンなどの炭化水素ガスを用
いたプラズマを利用して成膜する方法と固体カーボンの
アーク放電によるプラズマを利用した成膜方法の2つが
ある。炭化水素ガスを材料とした場合にはC−H結合に
より水素を数10%含むために得られた膜の硬度が低い
という問題がある。一方で固体カーボンを用いたアーク
放電による硬質カーボン膜は水素を含まないために高硬
度であるが、膜の内部応力(圧縮)が非常に大きく膜表
面が波打ったりして密着性の良い膜を形成することが困
難である。
【0006】図4に示したような装置を用いてカーボン
カソードから生じた多価イオンを含む高密度カーボンプ
ラズマを直接ワークに照射すると基板温度が上昇し、摺
動部品に好適な高硬度で低摩擦係数のDLC膜(ダイヤ
モンド・ライク・カーボン)を基板上に密着性良く形成
することができないという問題があった。
【0007】電子ビーム励起プラズマ(EBEP)ではWフ
ィラメントへの通電により熱電子を発生させるためにW
フィラメントの消耗が激しいという問題がある。またこ
の方法により硬質カーボン皮膜を形成しようとする場合
には膜中に含まれる水素量は材料ガス中のH/C比と解
離度により決まってしまうため任意に設定することが困
難である。
【0008】本発明は係る問題点を解決すべくなされた
もので、本発明の目的は、連続して発生する多価イオン
を含む高密度プラズマにより水素を含むガスを励起する
プラズマ発生装置を提供し、これにより膜中の水素濃度
を任意に設定し、任意の硬度で高密着性の硬質カーボン
皮膜を高速に形成する装置及び方法を提供することにあ
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
すべくなされたもので、第1の実施例に対応する図1で
説明すると、本発明によるプラズマ発生装置は仕切り板
1で第1チャンバー2と第2チャンバー3とに区切られ
た真空容器100と、前記仕切り板は、該仕切り板を貫
通する開口孔4を有し、正電圧を印加されるアノード5
と、前記開口孔の中心軸上にアノードと対向して配設さ
れかつ負電圧を印加されるカソード6と、第1チャンバ
ー外周に配設された磁場発生装置7とガス導入口8を備
えている。
【0010】また、図2は第2の実施例を示し、この例
は第1の実施例のプラズマ発生装置の第2チャンバー3
の外周に磁場発生装置9を備えているものである。図1
または図2に示したようなプラズマ発生装置を用いて皮
膜を形成することができる。例えばカソードに固体カー
ボンを用い、導入ガスに水素含有ガスを用いると硬質カ
ーボン皮膜を形成することができる。また、Si、T
i、W、WC、Taのうち1以上の元素を含むカソード
を用いるとこうした金属元素を含んだ硬質カーボン皮膜
を形成することができる。
【0011】本発明の装置および方法によれば、第1チ
ャンバー内でアノード−カソード間にアーク電源を用い
て真空アーク放電を発生させ、カソード物質を蒸発させ
多価電離イオンを含んだ高密度プラズマを発生させる。
発生したプラズマは、外周部に配設した磁場発生装置に
よる磁場により閉じ込められ第2チャンバーへと引き出
される。第2チャンバーへ引き出された高密度プラズマ
はガス導入口より供給される水素を含んだガスと衝突し
てガスをプラズマ化する。このようにしてカソードから
発生した高密度金属プラズマにより励起されたガスプラ
ズマは一体となって基板に向かって照射される。このと
き基板には基板ホルダーを介してバイアス電源から負電
圧を印加しておく。プラズマ中のイオンは基板に印加さ
れた負電圧により引き寄せられるため基板上に皮膜が形
成される。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、図面に示す実施例について
さらに詳細に説明する。 (実施例1)図1は、本発明による実施例について示し
たもので仕切り板1で第1チャンバー2と第2チャンバ
ー3とに区切られた真空容器100と、仕切り板1は仕
切り板1を貫通する開口孔4を有し、さらに、正電圧を
印加されるアノード5と、開口孔4の中心軸上にアノー
ド5と対向して配設されかつ負電圧を印加されるカソー
ド6と、第1チャンバー2の外周に配設された磁場発生
装置7と、及び第2チャンバー3内に開口しかつ形成さ
れた高密度プラズマ中にガスを供給するためのガス導入
口8を備えている。
【0013】カソード材料に固体カーボンを使用し、真
空容器100内を10−6torrまで排気する。その後一
旦Arガスを導入して数mtorr程度の圧力とし、アーク
電源13より80V、40A(定電流)程度の電力を供
給し、グロー放電を発生させる。次に10−4torr程度
の圧力まで真空排気してアーク放電に移行させる。こう
して高密度カーボンプラズマを発生させておいてガス導
入口8よりメタン、アセチレンなどの炭化水素ガスを導
入する。
【0014】基板10には基板ホルダー11を介してバ
イアス電源12より直流の負電圧バイアスあるいはRF
バイアス(13.56MHz)を印加しておくと基板10
上に硬質カーボン皮膜が形成される。従来の固体カーボ
ンだけのプラズマの場合には熱による影響が大きく膜が
グラファイト化してしまうが、本発明の炭化水素ガスを
用いる方法によればプラズマ密度が下がり熱的な影響が
軽減され安定に硬質カーボン皮膜を作ることができる。
さらに炭化水素ガスの分圧を変えることにより成膜され
る硬質カーボン皮膜中の水素濃度を任意に変えることが
でき、それにより膜硬度を制御することが可能である。
【0015】(実施例2)図2は、本発明による実施例
について示したもので、図1に示す装置に加えて第2チ
ャンバー3の外周に磁場発生装置9を備えている。実施
例1と同様の条件で操作することにより基板10上に硬
質カーボン皮膜を形成することができる。皮膜形成の際
に磁場発生装置9により第2チャンバー中央部にプラズ
マを閉じ込め、外周部に基板10を配置して成膜を行う
ことができる。
【0016】(実施例3)カソード6にCとC以外の元
素、例えばSiの粉末を成形したものを使用するとCイ
オンとSiイオンからなる高密度プラズマが生成され、
メタンガスと反応してC−H結合、Si−C結合を含ん
だ硬質カーボン皮膜が形成される。ここではカソードに
Si等の添加元素を入れる方法について述べたが、金属
元素を含む有機金属材料、例えばテトラメチルシランな
どを炭化水素ガスと一緒に使用することによっても同様
の金属元素が添加された硬質カーボン皮膜を形成するこ
とができる。
【0017】このように本発明によれば、従来の固体カ
ーボンからの多価イオンを含んだ高密度プラズマでは密
着性の良い硬質カーボン皮膜を形成することは不可能で
あったものが、形成された高密度プラズマ中に水素を含
むガスを導入することによりプラズマ密度を少し下げ、
C−H結合を含む硬質カーボン皮膜とすることにより膜
の内部応力を緩和することにより高密着性の硬質カーボ
ン皮膜を形成することができる。また、カーボン以外の
金属元素を含んだカソードを用いることにより金属元素
が添加された硬質カーボン皮膜を形成することができ
る。
【0018】本発明によるプラズマ発生装置及び皮膜形
成方法を用いることにより摺動部品に好適なDLC皮膜
などの硬質カーボン皮膜を密着性良く金属基板上に形成
することができる。導入する水素を含んだガスの量を制
御することにより硬質カーボン皮膜中の水素含有量を任
意に調整することができるため、硬質カーボン皮膜の硬
度を制御することができる。また、プラズマ密度が従来
のRF−PCVD法などに比べて高いため高速成膜が可
能である。さらにカソードに使用する金属元素を選択す
ることにより金属元素を含有した硬質カーボン皮膜を形
成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるプラズマ発生装置を利用した皮膜
形成装置の構成図である(実施例1に対応)。
【図2】本発明によるプラズマ発生装置を利用した皮膜
形成装置の構成図である(実施例2に対応)。
【図3】従来のプラズマ発生装置の全体構成図である。
【図4】従来のプラズマ発生装置を利用した皮膜形成装
置の構成図である。
【符号の説明】
1 仕切り板 2 第1チャンバー 3 第2チャンバー 4 開口孔 5 アノード 6 カソード 7 磁場発生装置 8 ガス導入口 9 磁場発生装置 10 基板 11 基板ホルダー 12 バイアス電源 13 アーク電源
フロントページの続き (72)発明者 岩木 正哉 埼玉県和光市広沢2番1号 理化学研究所 内 (72)発明者 丹波 護武 埼玉県和光市広沢2番1号 理化学研究所 内 Fターム(参考) 4K030 AA10 AA17 BA28 CA12 FA02 KA14 KA20 KA30 LA23 5C030 DD04 DD05 DD06 DE01 DG02 DG09 5C034 CC01

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内部空間を仕切り板で第1チャンバーと
    第2チャンバーとに区切られた真空容器と、前記仕切り
    板が該仕切り板を貫通する開口孔を有し、さらに正電圧
    を印加するアノードと、前記開口孔の中心軸上に前記ア
    ノードと対向して配設されかつ負電圧が印加されるカソ
    ードと、第1チャンバー外周に配設された磁場発生装置
    と、及び形成された高密度プラズマ中にガスを供給する
    ためのガス導入口とを備えたことを特徴とするプラズマ
    発生装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のプラズマ発生装置であっ
    て、前記第2チャンバーの外周に磁場発生装置を備えた
    ことを特徴とするプラズマ発生装置。
  3. 【請求項3】 請求項2記載のプラズマ発生装置であっ
    て、前記カソードに固体カーボンを用い、導入ガスに水
    素含有ガスを用いたことを特徴とするプラズマ発生装
    置。
  4. 【請求項4】 請求項3記載のプラズマ発生装置であっ
    て、C、Si、Ti、W、WC、Taから選択された1
    以上の元素を含むカソードを用いたことを特徴とするプ
    ラズマ発生装置。
  5. 【請求項5】 請求項3又は4記載のプラズマ発生装置
    により発生させたガスプラズマを負電圧に印加された基
    板ホルダー上の基板に照射させて基板に皮膜を生成する
    ことを特徴とする皮膜形成方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013541167A (ja) * 2010-10-25 2013-11-07 フラウンホーファー−ゲゼルシャフト ツル フェルデルング デル アンゲヴァンテン フォルシュング エー ファウ 電子ビームを形成するための装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013541167A (ja) * 2010-10-25 2013-11-07 フラウンホーファー−ゲゼルシャフト ツル フェルデルング デル アンゲヴァンテン フォルシュング エー ファウ 電子ビームを形成するための装置

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