JP2009041085A - Carbon film deposition method - Google Patents

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達也 廣瀬
Yoichi Saito
洋一 斎藤
Yoshikazu Kondo
慶和 近藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon film deposition method by which the generation of fine powder is suppressed by a simple process, and a carbon film of high quality having adhesion with a base material, surface smoothness, scratch resistance and low friction properties is deposited. <P>SOLUTION: The carbon film deposition method is provided for depositing the carbon film on the base material using plasma discharge under atmospheric pressure or under pressure in the vicinity of atmospheric pressure. The method comprises: a step where a discharge gas is introduced into a discharge space and excited; a step where the excited discharge gas and a raw material gas containing carbon are mixed in the vicinity of the base material outside the discharge space to be a secondarily excited gas; a thin film deposition step 1 where the base material is exposed to the secondarily excited gas thereby depositing the carbon film on the base material; and a step 2 where the carbon film deposited by the thin film deposition step 1 is exposed to an excitation gas. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、基材との密着性、表面粗さ特性、耐擦過性、摩擦特性及び平滑性に優れた炭素膜形成方法に関するものである。   The present invention relates to a carbon film forming method excellent in adhesion to a substrate, surface roughness characteristics, scratch resistance, friction characteristics and smoothness.

近年、様々な基材に強度、耐摩耗性、摩擦抵抗の低減、化学的安定性、酸素や水分の遮蔽性を付与する目的で、基材表面に機能膜を付与する方法が開発されている。   In recent years, methods for applying functional films to the surface of substrates have been developed for the purpose of imparting strength, wear resistance, frictional resistance reduction, chemical stability, and oxygen and moisture shielding properties to various substrates. .

これらの特性を備えた機能膜の一つとして、炭素膜(硬質炭素膜)が注目されている。この炭素膜は、例えば、アモルファスカーボン膜、水素化アモルファスカーボン膜、四面体アモルファスカーボン膜、窒素含有アモルファスカーボン膜、金属含有アモルファスカーボン膜等が挙げられ、その代表的な例が、ダイアモンドライクカカーボン(DLC)膜である。このダイヤモンドライクカーボン膜は、i−カーボン膜、非晶質(アモルファス)カーボン膜あるいは硬質炭素膜とも称され、表面が非常に平滑で、機械的、電気的および化学的特性に優れており、しかも低温で成膜できるため、高機能性膜として注目されている。   As one of functional films having these characteristics, a carbon film (hard carbon film) has attracted attention. Examples of the carbon film include an amorphous carbon film, a hydrogenated amorphous carbon film, a tetrahedral amorphous carbon film, a nitrogen-containing amorphous carbon film, a metal-containing amorphous carbon film, and the like. (DLC) film. This diamond-like carbon film is also called i-carbon film, amorphous carbon film or hard carbon film, has a very smooth surface, excellent mechanical, electrical and chemical properties, and Since it can be formed at a low temperature, it is attracting attention as a highly functional film.

一方、電子写真方式を利用した複写機、プリンタ、ファクシミリ等に適用されている画像形成装置において、第1のトナー画像担持体からトナー画像を一次転写され、転写されたトナー画像を担持し、更に記録紙等にトナー画像を二次転写する中間転写体を有する画像形成装置が知られている。   On the other hand, in an image forming apparatus applied to a copying machine, a printer, a facsimile, etc. using an electrophotographic system, a toner image is primarily transferred from a first toner image carrier, and the transferred toner image is carried. An image forming apparatus having an intermediate transfer member that secondarily transfers a toner image onto a recording sheet or the like is known.

このような中間転写体として、特開平9−212004号公報には中間転写体の表面にシリコン酸化物や酸化アルミニウム等を被覆させることにより、トナー画像の剥離性を向上させて、記録紙等への転写効率向上を図るものが提案されている。   As such an intermediate transfer member, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-212004 discloses that the surface of the intermediate transfer member is coated with silicon oxide, aluminum oxide or the like to improve the releasability of the toner image and to record paper or the like. There are proposals for improving the transfer efficiency.

しかし、中間転写体を有する画像形成装置は二次転写時にトナー画像を100%転写することは現時点では不可能に近く、例えば、中間転写体に残留したトナーを中間転写体からブレードで掻き落とすクリーニング装置を必要としている。   However, it is almost impossible for an image forming apparatus having an intermediate transfer body to transfer a toner image at the time of secondary transfer at the present time. For example, cleaning is performed by scraping off toner remaining on the intermediate transfer body from the intermediate transfer body with a blade. I need a device.

上記特許文献に記載された中間転写体は、二次転写時のトナー転写率が十分でなく、耐久性が十分でないという問題点、また、シリコン酸化物を蒸着により、酸化アルミニウム等をスパッタリングにより形成するため真空装置等の大がかりな設備を必要とするという問題点があった。   The intermediate transfer member described in the above patent document has a problem that the toner transfer rate at the time of secondary transfer is not sufficient and the durability is not sufficient, and silicon oxide is deposited by vapor deposition, and aluminum oxide or the like is formed by sputtering. Therefore, there is a problem that a large facility such as a vacuum apparatus is required.

上述の様な基材表面に炭素膜を形成する方法としては、真空蒸着法、スパッタ法、プラズマCDV法等の公知の薄膜化方法が知られている。例えば、無定形炭素薄膜を、真空型の平行平板型高周波プラズマCVD装置を用いて形成する方法が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。しかしながら、特許文献1に記載の方法では、炭素膜の製膜速度が低く、また、真空装置等の特別で大がかりな装置を必要とするため、生産効率が極めて低いものである。これに対し、真空装置に代えて、大気圧条件下で炭素膜を形成する方法の検討がなされている。例えば、大気圧低温プラズマ方法を用いて、プラスチックボトルの外表面または内表面に、炭化水素化合物膜(DLC)を形成する方法が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。しかしながら、特許文献2に記載の方法では、放電ガスとして高価なヘリウムガスを使用しており、また基材との密着性が十分であるとは言い難いのが現状である。また、大気圧条件下でトーチ方式により、シリコンウエハ上に硬質炭素膜を形成する方法が開示されている(例えば、非特許文献1参照。)。しかしながら、非特許文献1に記載されている方法は、炭素膜形成時の基材温度が高いため、耐熱性に課題を抱えている樹脂フィルム等を用いた製膜に適用することが難しく、また製膜速度も低く、一度の製膜可能な面積が小さく、放電ガスとして高価なヘリウム等を使用しているため、生産効率が低い。   As a method for forming a carbon film on the substrate surface as described above, a known thinning method such as a vacuum deposition method, a sputtering method, a plasma CDV method, or the like is known. For example, a method of forming an amorphous carbon thin film using a vacuum parallel plate type high-frequency plasma CVD apparatus is disclosed (for example, see Patent Document 1). However, the method described in Patent Document 1 has a very low production efficiency because the deposition rate of the carbon film is low and a special large-scale apparatus such as a vacuum apparatus is required. In contrast, a method for forming a carbon film under atmospheric pressure conditions instead of a vacuum apparatus has been studied. For example, a method of forming a hydrocarbon compound film (DLC) on the outer surface or inner surface of a plastic bottle using an atmospheric pressure low temperature plasma method is disclosed (for example, refer to Patent Document 2). However, in the method described in Patent Document 2, an expensive helium gas is used as the discharge gas, and it is difficult to say that the adhesion to the substrate is sufficient. In addition, a method of forming a hard carbon film on a silicon wafer by a torch method under atmospheric pressure conditions (for example, see Non-Patent Document 1). However, the method described in Non-Patent Document 1 is difficult to apply to film formation using a resin film or the like having a problem in heat resistance because the substrate temperature at the time of carbon film formation is high. The film forming speed is low, the area that can be formed once is small, and expensive helium or the like is used as a discharge gas, so that the production efficiency is low.

また、大気圧条件下で、対向する電極間に印加し、大気雰囲気とは遮断した放電空間で放電ガスと原料ガスにより励起ガスを形成し、この励起ガスを放電空間外で基材に晒して、硬質炭素膜等を形成する方法が開示されている(例えば、特許文献3参照。)。この方法によれば、製膜時に大気の影響、特に、形成膜への酸素等の不純物の影響を排除することで、均質の薄膜が形成できるとされている。しかしながら、特許文献3に記載されている方法では、放電空間に薄膜形成化合物を含む原料ガスを供給するため、薄膜形成化合物が直接放電空間に晒されるため、気相成長を抑制することが困難になり、その結果、放電空間内で成長した微粉末等により、ピンホールを含む炭素膜が形成され、完全に気相成長を抑制することができなかった。   Further, an excitation gas is formed by a discharge gas and a raw material gas in a discharge space that is applied between opposing electrodes under atmospheric pressure conditions and is cut off from the atmosphere, and the excitation gas is exposed to the substrate outside the discharge space. A method of forming a hard carbon film or the like is disclosed (for example, see Patent Document 3). According to this method, it is said that a homogeneous thin film can be formed by eliminating the influence of the atmosphere during film formation, particularly the influence of impurities such as oxygen on the formed film. However, in the method described in Patent Document 3, since a raw material gas containing a thin film forming compound is supplied to the discharge space, the thin film forming compound is directly exposed to the discharge space, so that it is difficult to suppress vapor phase growth. As a result, a carbon film containing pinholes was formed by fine powder or the like grown in the discharge space, and vapor phase growth could not be completely suppressed.

また、大気圧条件下で、対向電極間に、硬質炭素膜形成材料を含む原料ガスを供給し、プラズマ放電により励起した原料ガスに、放電空間内に基材を搬入して薄膜を形成する中間転写体の製造装置が開示されている(例えば、特許文献4参照。)。この方法に従えば、確かに、転写性が高く、クリーニング性、耐久性に優れた中間転写体を得ることができるが、基材との密着性及び摩擦特性には、未だ課題を残しているのが現状である。
特開平5−273425号公報 特開2001−158415号公報 特開平5−44041号公報 国際公開WO2006/129543号明細書 Japanese Journal of Applied Physics Vol.44,No.52,2005,pp.L1573−L1575
In addition, a raw material gas containing a hard carbon film forming material is supplied between the counter electrodes under atmospheric pressure conditions, and a thin film is formed by bringing the base material into the discharge space into the raw material gas excited by plasma discharge. An apparatus for manufacturing a transfer body is disclosed (for example, see Patent Document 4). According to this method, it is possible to obtain an intermediate transfer body having high transferability and excellent cleaning properties and durability, but there are still problems in adhesion and friction properties with the substrate. is the current situation.
JP-A-5-273425 JP 2001-158415 A JP-A-5-44041 International Publication WO2006 / 129543 Specification Japan Journal of Applied Physics Vol. 44, no. 52, 2005, pp. L1573-L1575

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、簡便な方法で、微粉の発生を抑制し、基材との密着性、表面平滑性、耐擦過性、低摩擦特性を備えた高品質の炭素膜を形成する炭素膜形成方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to suppress the generation of fine powders by a simple method, and to provide adhesion to a substrate, surface smoothness, scratch resistance, and low friction characteristics. Another object of the present invention is to provide a carbon film forming method for forming a high quality carbon film.

本発明の上記目的は、以下の構成により達成される。   The above object of the present invention is achieved by the following configurations.

1.大気圧または大気圧近傍の圧力下で、プラズマ放電を用いて基材上に炭素膜を形成する炭素膜形成方法において、放電ガスを放電空間に導入して励起する工程と、該励起した放電ガスと炭素を含有する原料ガスとを、放電空間外の基材近傍で混合させて二次励起ガスとする工程と、該二次励起ガスに基材を晒すことにより、該基材上に炭素膜を形成する薄膜形成工程1と、該薄膜形成工程1により形成された該炭素膜を励起ガスに晒す工程2とを有することを特徴とする炭素膜形成方法。   1. In a carbon film forming method of forming a carbon film on a substrate using plasma discharge under atmospheric pressure or a pressure near atmospheric pressure, a step of introducing a discharge gas into a discharge space and exciting the discharge gas, and the excited discharge gas And a source gas containing carbon in the vicinity of the substrate outside the discharge space to form a secondary excitation gas, and exposing the substrate to the secondary excitation gas to thereby form a carbon film on the substrate. A method for forming a carbon film, comprising: a thin film forming step 1 for forming a film; and a step 2 for exposing the carbon film formed in the thin film forming step 1 to an excitation gas.

2.記工程2で用いる励起ガスが、1)窒素ガス、2)希ガス、3)酸素ガス、二酸化炭素ガス、塩素ガス、水素ガス及び金属含有ガスから選ばれる少なくとも1種のガスを含む窒素ガス、または4)酸素ガス、二酸化炭素ガス、塩素ガス、水素ガス及び金属含有ガスから選ばれる少なくとも1種のガスを含む希ガスであることを特徴とする前記1に記載の炭素膜形成方法。   2. The excitation gas used in step 2 is nitrogen gas containing at least one gas selected from 1) nitrogen gas, 2) noble gas, 3) oxygen gas, carbon dioxide gas, chlorine gas, hydrogen gas and metal-containing gas, Or 4) The carbon film forming method as described in 1 above, which is a rare gas containing at least one kind of gas selected from oxygen gas, carbon dioxide gas, chlorine gas, hydrogen gas and metal-containing gas.

3.前記薄膜形成工程1で形成する炭素膜の厚さが、1nm以上、20nm以下であることを特徴とする前記1または2に記載の炭素膜形成方法。   3. 3. The carbon film forming method according to 1 or 2, wherein the thickness of the carbon film formed in the thin film forming step 1 is 1 nm or more and 20 nm or less.

4.前記炭素を含有する原料ガスが、炭化水素またはアルコールを含有するガスであることを特徴とする前記1〜3のいずれか1項に記載の炭素膜形成方法。   4). 4. The carbon film forming method according to any one of 1 to 3, wherein the carbon-containing source gas is a gas containing hydrocarbon or alcohol.

5.前記放電空間が、対向する電極間に高周波電圧を印加することにより形成されたものであることを特徴とする前記1〜4のいずれか1項に記載の炭素膜形成方法。   5). 5. The carbon film forming method according to any one of 1 to 4, wherein the discharge space is formed by applying a high frequency voltage between opposing electrodes.

6.前記高周波電圧が、周波数が10kHz以上、10GHz以下であることを特徴とする前記5に記載の炭素膜形成方法。   6). 6. The carbon film forming method as described in 5 above, wherein the high-frequency voltage has a frequency of 10 kHz or more and 10 GHz or less.

7.前記放電ガスが、1)窒素ガス、2)希ガス、3)酸素ガス、二酸化炭素ガス、塩素ガス、水素ガス及び金属含有ガスから選ばれる少なくとも1種のガスを含む窒素ガス、または4)酸素ガス、二酸化炭素ガス、塩素ガス、水素ガス及び金属含有ガスから選ばれる少なくとも1種のガスを含む希ガスであることを特徴とする前記1〜6のいずれか1項に記載の炭素膜形成方法。   7. The discharge gas is 1) nitrogen gas, 2) rare gas, 3) oxygen gas, carbon dioxide gas, chlorine gas, hydrogen gas and nitrogen gas containing at least one gas selected from metal-containing gas, or 4) oxygen 7. The carbon film forming method according to any one of 1 to 6, wherein the carbon film forming method is a rare gas containing at least one gas selected from gas, carbon dioxide gas, chlorine gas, hydrogen gas, and metal-containing gas. .

8.前記基材が、高分子フィルムまたは金属含有薄膜を最表層として有する高分子フィルムであることを特徴とする前記1〜7のいずれか1項に記載の炭素膜形成方法。   8). 8. The carbon film forming method according to any one of 1 to 7, wherein the base material is a polymer film or a polymer film having a metal-containing thin film as an outermost layer.

9.前記炭素を含有する原料ガスが、キャリアガスとして窒素ガスまたは希ガスを含有することを特徴とする前記1〜8のいずれか1項に記載の炭素膜形成方法。   9. 9. The carbon film forming method according to any one of 1 to 8, wherein the carbon-containing source gas contains nitrogen gas or rare gas as a carrier gas.

10.前記炭素膜が、水素原子含有量が30原子数%以上であることを特徴とする前記1〜9のいずれか1項に記載の炭素膜形成方法。   10. 10. The carbon film forming method according to any one of 1 to 9, wherein the carbon film has a hydrogen atom content of 30 atomic% or more.

11.前記炭素を含有する原料ガスを基材に対し水平に導入して、前記励起した放電ガスと放電空間外で会合させることを特徴とする前記1〜10のいずれか1項に記載の炭素膜形成方法。   11. 11. The carbon film formation according to any one of 1 to 10, wherein the carbon-containing source gas is introduced horizontally with respect to the substrate, and is associated with the excited discharge gas outside the discharge space. Method.

本発明により、簡便な方法で、微粉の発生を抑制し、基材との密着性、表面平滑性、耐擦過性、低摩擦特性を備えた高品質の炭素膜を形成する炭素膜形成方法を提供することができた。   According to the present invention, there is provided a carbon film forming method for forming a high-quality carbon film having a simple method that suppresses generation of fine powder and has adhesion to a substrate, surface smoothness, scratch resistance, and low friction characteristics. Could be provided.

以下、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail.

本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討を行った結果、大気圧または大気圧近傍の圧力下で、プラズマ放電を用いて基材上に炭素膜を形成する炭素膜形成方法において、放電ガスを放電空間に導入して励起する工程と、該励起した放電ガスと炭素を含有する原料ガスとを、放電空間外の基材近傍で混合させて二次励起ガスとする工程と、該二次励起ガスに基材を晒すことにより、該基材上に炭素膜を形成する薄膜形成工程1と、該薄膜形成工程1により形成された該炭素膜を励起ガスに晒す工程2とを有することを特徴とする炭素膜形成方法とすることにより、簡便な方法で、微粉の発生を抑制し、基材との密着性、表面平滑性、低摩擦特性を備えた高品質の炭素膜を形成する炭素膜形成方法を実現できることを見出し、本発明に至った次第である。   As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventors have found that in a carbon film forming method for forming a carbon film on a substrate using plasma discharge under atmospheric pressure or a pressure near atmospheric pressure, a discharge gas In the discharge space, exciting the excited discharge gas and a carbon-containing source gas in the vicinity of the substrate outside the discharge space to form a secondary excitation gas, and the secondary A thin film forming step 1 for forming a carbon film on the base material by exposing the base material to the excitation gas; and a step 2 for exposing the carbon film formed in the thin film forming step 1 to the excitation gas. Carbon that forms high-quality carbon films with low adhesion, surface smoothness, and low friction properties with a simple method that suppresses the generation of fine powders by adopting a carbon film formation method that is characterized As soon as it has been found that a film forming method can be realized, the present invention has been achieved. A.

上記の様に、本発明の炭素膜形成方法においては、対向電極間で放電ガスを励起した後、この放電空間には、炭素を含有する原料ガスを導入せずに、励起した放電ガスと、炭素を含有する原料ガスとを放電空間外で混合して二次励起ガスとし、この二次励起ガスに基材を晒すことにより、基材近傍の領域(放電空間外)で、炭素を含有する原料ガスが、励起された放電ガスと混合して励起されるため、空間領域で微粒子等に成長する気相成長を起こす前に、二次励起ガスが基材表面に到達するため、微粒子の粉塵の発生を効果的に防止することができる。しかしながら、上記方法だけでは、放電空間外で原料ガスを含む二次励起ガスを形成するため、付与できるエネルギーが、硬質炭素膜を形成する上ではやや不足した状況にある。これは、炭素膜における炭素原子と水素原子の結合力が高く、二次励起ガスだけではその結合を切断することができず、その結果、多くの水素原子が炭素膜中に残留した状態となっている。炭素膜中での水素原子比率が高くなると、形成された炭素膜の硬度が低下し、柔らかく、外圧に対する耐性が低くなる。本発明者らは、上記課題について、改良手段の検討を行った結果、水素原子を含む炭素膜を形成した後、第2次工程(工程2)として、形成した炭素膜に励起ガスを用いたプラズマ処理(後処理ともいう)を施すことで、炭素膜中の水素原子を除去して、硬度の高い炭素膜を形成するものである。   As described above, in the carbon film forming method of the present invention, after exciting the discharge gas between the counter electrodes, in this discharge space, without introducing the raw material gas containing carbon, the excited discharge gas, A carbon source gas is mixed outside the discharge space to form a secondary excitation gas, and the substrate is exposed to the secondary excitation gas, thereby containing carbon in the region near the substrate (outside the discharge space). Since the source gas is mixed with the excited discharge gas and excited, the secondary excitation gas reaches the substrate surface before vapor phase growth that grows into fine particles in the space region. Can be effectively prevented. However, since the secondary excitation gas including the source gas is formed outside the discharge space only by the above method, the energy that can be applied is slightly insufficient in forming the hard carbon film. This is because the bonding force between carbon atoms and hydrogen atoms in the carbon film is high, and the secondary excitation gas alone cannot break the bond, and as a result, many hydrogen atoms remain in the carbon film. ing. When the hydrogen atom ratio in the carbon film is increased, the hardness of the formed carbon film is lowered and soft, and the resistance to external pressure is reduced. As a result of investigating improvement means for the above problem, the present inventors used a excitation gas for the formed carbon film as a secondary process (step 2) after forming a carbon film containing hydrogen atoms. By performing plasma treatment (also referred to as post-treatment), hydrogen atoms in the carbon film are removed, and a carbon film with high hardness is formed.

以下、本発明の詳細について説明する。   Details of the present invention will be described below.

《炭素膜形成工程(工程1)》
〔大気圧プラズマ放電処理装置〕
はじめに、本発明の炭素膜形成方法に適用する大気圧プラズマ放電処理装置について説明する。
<< carbon film formation process (process 1) >>
[Atmospheric pressure plasma discharge treatment equipment]
First, an atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus applied to the carbon film forming method of the present invention will be described.

本発明の炭素膜形成方法に適用する大気圧プラズマ放電処理装置は、大気圧または大気圧近傍の圧力下で、放電ガスを放電空間に導入して励起する工程と、該励起した放電ガスと、炭素を含有する原料ガスとを、放電空間外の基材近傍で混合させて二次励起ガスとする工程と、該二次励起ガスに基材を晒すことにより、該基材上に炭素膜を形成する薄膜形成工程1と、更に、薄膜形成工程1により形成された該炭素膜を励起ガスに晒す工程2とを有する。   An atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus applied to the carbon film forming method of the present invention includes a step of exciting a discharge gas introduced into a discharge space under atmospheric pressure or a pressure near atmospheric pressure, the excited discharge gas, A step of mixing carbon-containing source gas in the vicinity of the substrate outside the discharge space to form a secondary excitation gas; and exposing the substrate to the secondary excitation gas to form a carbon film on the substrate. A thin film forming step 1 to be formed, and a step 2 in which the carbon film formed in the thin film forming step 1 is exposed to an excitation gas.

一般に、基材上に機能性薄膜を形成する方法としては、大別して、物理気相成長法及び化学気相成長法が挙げられ、物理的気相成長法は、気相中で物質の表面に物理的手法により目的とする物質(例えば、炭素膜等)の薄膜を堆積する方法であり、これらの方法としては、蒸着(抵抗加熱法、電子ビーム蒸着、分子線エピタキシー)法、また、イオンプレーティング法、スパッタ法等がある。一方、化学気相成長法は、基材上に、目的とする薄膜の成分を含む原料ガスを供給し、基板表面或いは気相での化学反応により膜を堆積する方法であり、また、化学反応を活性化する目的で、プラズマなどを発生させる方法などがあり、プラズマCVD(化学的気相成長法)法、大気圧プラズマCVD法等が挙げられる。   Generally, methods for forming a functional thin film on a substrate are roughly classified into physical vapor deposition and chemical vapor deposition. Physical vapor deposition is performed on the surface of a substance in the gas phase. This is a method of depositing a thin film of a target substance (for example, a carbon film) by a physical method. Examples of these methods include vapor deposition (resistance heating method, electron beam vapor deposition, molecular beam epitaxy), and ion plating. Such as a sputtering method and a sputtering method. On the other hand, the chemical vapor deposition method is a method in which a raw material gas containing a target thin film component is supplied onto a substrate, and a film is deposited by a chemical reaction on the substrate surface or in the gas phase. For the purpose of activating the plasma, there is a method of generating plasma or the like, and examples thereof include a plasma CVD (chemical vapor deposition method) method and an atmospheric pressure plasma CVD method.

本発明では、その中でも、大気圧プラズマ処理法(以下、大気圧プラズマCVD法ともいう)を適用することを特徴とするものである。   Among them, the present invention is characterized by applying an atmospheric pressure plasma treatment method (hereinafter also referred to as an atmospheric pressure plasma CVD method).

大気圧近傍でのプラズマCVD処理を行う大気圧プラズマ処理法は、真空下のプラズマCVD法に比べ、減圧にする必要がなく生産性が高いだけでなく、プラズマ密度が高密度であるために成膜速度が速く、更には通常のCVD法の条件に比較して、大気圧下という高圧力条件では、ガスの平均自由工程が非常に短いため、極めて均質の膜が得られる。   Compared with the plasma CVD method under vacuum, the atmospheric pressure plasma processing method, which performs plasma CVD processing near atmospheric pressure, does not require a reduced pressure and is not only highly productive, but also has a high plasma density. The film speed is high, and further, under a high pressure condition of atmospheric pressure as compared with the conditions of a normal CVD method, the gas mean free path is very short, so that a very homogeneous film can be obtained.

例えば、本発明に係る炭素を主成分とする炭素膜は、大気圧もしくはその近傍の圧力下で、高周波電界を発生させた放電空間に、炭素を含有する原料ガスを含有するガスを、励起した放電ガスと混合して二次励起ガスを形成し、基板をこの二次励起ガスに晒すことにより形成し、次いで形成した炭素膜を励起ガスに晒して、硬質炭素膜を形成する方法である。   For example, the carbon film mainly composed of carbon according to the present invention excites a gas containing a source gas containing carbon in a discharge space where a high-frequency electric field is generated under atmospheric pressure or a pressure in the vicinity thereof. In this method, a secondary excitation gas is formed by mixing with the discharge gas, the substrate is exposed to the secondary excitation gas, and then the formed carbon film is exposed to the excitation gas to form a hard carbon film.

本発明でいう大気圧もしくはその近傍の圧力とは、20kPa〜110kPa程度であり、本発明に記載の良好な効果を得るためには、93kPa〜104kPaが好ましい。   The atmospheric pressure or the pressure in the vicinity thereof in the present invention is about 20 kPa to 110 kPa, and 93 kPa to 104 kPa is preferable in order to obtain the good effects described in the present invention.

また、本発明でいう励起したガスとは、エネルギーを得ることによって、ガス中の分子の少なくとも一部が、今ある状態からより高い状態へ移ることをいい、励起ガス分子、ラジカル化したガス分子、イオン化したガス分子を含むガスがこれに該当する。   The excited gas as used in the present invention means that at least a part of the molecules in the gas move from the existing state to a higher state by obtaining energy. Excited gas molecules, radicalized gas molecules A gas containing ionized gas molecules corresponds to this.

すなわち、第1ステップとして、対向電極間(放電空間)を、大気圧もしくはその近傍の圧力とし、放電ガスを対向電極間に導入し、高周波電圧を対向電極間に印加して、放電ガスをプラズマ状態とし、続いてプラズマ状態になった放電ガスと原料ガスとを、放電空間外で混合させて、この混合ガス(二次励起ガス)に基材を晒して、基材上に炭素膜を形成する。次いで、第2ステップとして、形成した炭素膜を励起ガスに晒して、水素原子を除去することで、硬質炭素膜を形成する方法である。   That is, as a first step, the pressure between the counter electrodes (discharge space) is set to atmospheric pressure or a pressure near it, a discharge gas is introduced between the counter electrodes, a high frequency voltage is applied between the counter electrodes, and the discharge gas is converted into plasma. Then, the discharge gas and the raw material gas that are in the plasma state are mixed outside the discharge space, and the substrate is exposed to this mixed gas (secondary excitation gas) to form a carbon film on the substrate. To do. Next, as a second step, the hard carbon film is formed by exposing the formed carbon film to an excitation gas and removing hydrogen atoms.

以下、本発明に係る大気圧プラズマ放電処理装置について図を交えて説明する。なお、以下の説明には用語等に対する断定的な表現が含まれている場合があるが、本発明の好ましい例を示すものであって、本発明の用語の意義や技術的な範囲を限定するものではない。   Hereinafter, an atmospheric pressure plasma discharge processing apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, although the following description may include assertive expressions for terms and the like, they show preferred examples of the present invention and limit the meaning and technical scope of the terms of the present invention. It is not a thing.

従来知られている大気圧プラズマ放電処理装置としては、大きく分けて、以下の2つの方式が挙げられる。   Conventionally known atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatuses are roughly classified into the following two systems.

1つの方法は、ジェット型の大気圧プラズマ放電処理装置といわれる方法で、対向電極間に高周波電圧を印加し、その対向電極間に放電ガスを含むガスを供給して、該放電ガスをプラズマ化し、次いでプラズマ化した放電ガスと、原料ガスとを会合、混合した後、放電空間外で基板上に吹き付けて薄層を形成する方法である。   One method is a so-called jet-type atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus, in which a high-frequency voltage is applied between counter electrodes, a gas containing a discharge gas is supplied between the counter electrodes, and the discharge gas is converted into plasma. Then, after the plasmad discharge gas and the source gas are associated and mixed, they are sprayed on the substrate outside the discharge space to form a thin layer.

他方の方法は、ダイレクト型の大気圧プラズマ放電処理装置といわれる方法で、放電ガスを含む混合ガスと原料ガスとを混合した後、対向電極間に、基材を担持した状態で、その放電空間に上記混合ガスを導入し、対向電極間に高周波電圧を印加して、放電空間内で基板上に薄層を形成する方法である。   The other method is a so-called direct-type atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus, in which a mixed gas containing a discharge gas and a raw material gas are mixed, and then the discharge space in a state where a substrate is supported between the counter electrodes. The above mixed gas is introduced, a high frequency voltage is applied between the counter electrodes, and a thin layer is formed on the substrate in the discharge space.

本発明に係る大気圧プラズマ放電処理装置は、基本的には前者のジェット型の大気圧プラズマ放電処理装置を用いる方法である。   The atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus according to the present invention is basically a method using the former jet type atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus.

本発明に係る大気圧プラズマ放電処理装置を説明する前に、対向電極間の放電空間に原料ガス及び放電ガスの混合ガスを導入し、放電空間内で励起ガスを形成する従来型のダイレクト型大気圧プラズマ放電処理装置について説明する。   Before explaining the atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus according to the present invention, a conventional direct type large-sized gas is introduced in which a mixed gas of a source gas and a discharge gas is introduced into the discharge space between the counter electrodes to form an excitation gas in the discharge space. An atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus will be described.

図1は、放電空間に原料ガス及び放電ガスの混合ガスを導入し、放電空間内で励起ガスを形成する比較例のダイレクト型の大気圧プラズマ放電処理装置の一例を示す概略図である。   FIG. 1 is a schematic view showing an example of a direct atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus of a comparative example in which a mixed gas of a source gas and a discharge gas is introduced into a discharge space to form an excitation gas in the discharge space.

図1に示す2周波ジェット方式の大気圧プラズマ放電処理装置は、プラズマ放電処理装置、二つの電源を有する電界印加手段の他に、図1では図示してないが、ガス供給手段、電極温度調節手段を有している装置である。   The two-frequency jet type atmospheric pressure plasma discharge processing apparatus shown in FIG. 1 is not shown in FIG. 1 in addition to the plasma discharge processing apparatus and the electric field applying means having two power sources. A device having means.

大気圧プラズマ放電処理装置210は、第1電極211と第2電極212から構成されている対向電極を有しており、該対向電極間に、第1電極211には第1電源221からの周波数ω1、電界強度V1、電流I1の第1の高周波電界が印加され、また第2電極212には第2電源222からの周波数ω2、電界強度V2、電流I2の第2の高周波電界が印加されるようになっている。第1電源221は第2電源222より高い高周波電界強度(V1>V2)を印加出来、また第1電源221の第1の周波数ω1は第2電源222の第2の周波数ω2より低い周波数を印加出来る。 The atmospheric pressure plasma discharge processing apparatus 210 has a counter electrode composed of a first electrode 211 and a second electrode 212, and the frequency from the first power source 221 is provided between the counter electrodes between the counter electrode and the first electrode 211. A first high-frequency electric field of ω 1 , electric field strength V 1 , and current I 1 is applied, and a second frequency of ω 2 , electric field strength V 2 , and current I 2 from the second power source 222 is applied to the second electrode 212. A high frequency electric field is applied. The first power source 221 can apply a higher frequency electric field strength (V 1 > V 2 ) than the second power source 222, and the first frequency ω 1 of the first power source 221 is higher than the second frequency ω 2 of the second power source 222. A low frequency can be applied.

第1電極211と第1電源221との間には、第1フィルター223が設置されており、第1電源221から第1電極211への電流を通過しやすくし、第2電源222からの電流をアースして、第2電源222から第1電源221への電流が通過しにくくなるように設計されている。   A first filter 223 is installed between the first electrode 211 and the first power source 221, which facilitates the passage of current from the first power source 221 to the first electrode 211, and the current from the second power source 222. Is designed so that the current from the second power source 222 to the first power source 221 is less likely to pass through.

また、第2電極212と第2電源222との間には、第2フィルター224が設置されており、第2電源222から第2電極への電流を通過しやすくし、第1電源221からの電流をアースして、第1電源221から第2電源222への電流を通過しにくくするように設計されている。   In addition, a second filter 224 is installed between the second electrode 212 and the second power source 222 to facilitate passage of current from the second power source 222 to the second electrode, and from the first power source 221. It is designed to ground the current and make it difficult to pass the current from the first power source 221 to the second power source 222.

第1電極211と第2電極212との対向電極間(放電空間)213に、ガス供給手段から、放電ガスと薄膜形成のための原料化合物を含む原料ガスとの混合ガスMGを導入し、第1電極211と第2電極212から高周波電界を印加して放電を発生させ、混合ガスMGをプラズマ状態にした励起混合ガスMG′を、対向電極の下側(紙面下側)にジェット状に吹き出させて、対向電極下面と基材Fとで形成する処理空間をプラズマ状態のガスMG°で満たし、前工程から搬送して来る基材Fの上に、処理位置214付近で薄膜を形成させる方法である。薄膜形成中、電極温度調節手段から媒体が配管を通って電極を加熱または冷却する。プラズマ放電処理の際の基材の温度によっては、得られる薄膜の物性や組成等は変化することがあり、温度調節の媒体として蒸留水、油等の絶縁性材料を用いて温度制御がなされる。また、図1には、高周波電界強度(印加電界強度)と放電開始電界強度の測定に使用する測定器を示した。225及び226は高周波電圧プローブであり、227及び228はオシロスコープである。   A mixed gas MG of a discharge gas and a raw material gas containing a raw material compound for forming a thin film is introduced from the gas supply means into the space (discharge space) 213 between the counter electrodes of the first electrode 211 and the second electrode 212, A discharge is generated by applying a high-frequency electric field from the first electrode 211 and the second electrode 212, and the excited mixed gas MG 'in which the mixed gas MG is changed to a plasma state is jetted out to the lower side of the counter electrode (the lower side of the paper). Then, the processing space formed by the lower surface of the counter electrode and the base material F is filled with a plasma gas MG °, and a thin film is formed near the processing position 214 on the base material F conveyed from the previous process. It is. During the formation of the thin film, the medium heats or cools the electrode through the pipe from the electrode temperature adjusting means. Depending on the temperature of the substrate during the plasma discharge treatment, the physical properties and composition of the resulting thin film may change, and the temperature is controlled using an insulating material such as distilled water or oil as a temperature control medium. . FIG. 1 shows a measuring instrument used for measuring the high-frequency electric field strength (applied electric field strength) and the discharge starting electric field strength. 225 and 226 are high-frequency voltage probes, and 227 and 228 are oscilloscopes.

しかしながら、図1に記載の様な対向電極間(放電空間内)で、放電ガスと炭素膜形成用の炭素を含む原料化合物を含む原料ガスとを混合した混合ガスMGが、直接放電空間で印加を受けるため、原料ガスを含む混合ガスMGを励起してから、目的とする基材に到達するまでに、ある程度の時間を要することになる。この結果、放電空間で励起された混合ガスMG′内で、気相成長に伴う微粒子(粉塵)の発生を生じることになり、この粉塵が対向電極表面に付着して放電不良を起こしたり、あるいは基材表面に到達、沈着することで、ピンホール等の発生を誘発する要因となっている。   However, a mixed gas MG obtained by mixing a discharge gas and a raw material gas containing a raw material compound containing carbon for forming a carbon film is directly applied in the discharge space between the counter electrodes (in the discharge space) as shown in FIG. Therefore, a certain amount of time is required until the target base material is reached after the mixed gas MG containing the source gas is excited. As a result, in the mixed gas MG ′ excited in the discharge space, fine particles (dust) are generated due to vapor phase growth, and the dust adheres to the surface of the counter electrode, causing discharge failure, or By reaching and depositing on the surface of the substrate, it becomes a factor inducing the occurrence of pinholes and the like.

本発明では、上記課題を解決すべく検討を行った結果、大気圧または大気圧近傍の圧力下で、放電ガスを放電空間に導入して励起する工程と、該励起した放電ガスと、炭素を含有する原料ガスとを、放電空間外の基材近傍で混合させて二次励起ガスとする工程と、該二次励起ガスに基材を晒すことにより、該基材上に炭素膜を形成する基材上に炭素膜を形成する炭素膜形成工程1と、それに引き続き、形成した炭素膜を励起ガスに晒して、水素原子を除去する工程2とから構成される大気圧プラズマ放電処理装置を用いることを特徴とする。   In the present invention, as a result of investigations to solve the above problems, a step of introducing a discharge gas into a discharge space and exciting it under atmospheric pressure or a pressure near atmospheric pressure, the excited discharge gas, and carbon A step of mixing the raw material gas contained in the vicinity of the base material outside the discharge space to form a secondary excitation gas, and exposing the base material to the secondary excitation gas to form a carbon film on the base material An atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus comprising a carbon film forming step 1 for forming a carbon film on a substrate and a step 2 for subsequently removing the hydrogen atoms by exposing the formed carbon film to an excitation gas is used. It is characterized by that.

図2は、本発明に係るジェット型の大気圧プラズマ放電処理装置の一例を示す概略図である。   FIG. 2 is a schematic view showing an example of a jet type atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus according to the present invention.

図2において、大気圧プラズマ放電処理装置21は、電源31に接続した1対の電極41a、41bが、2対平行に併設されている。電極41a、41bは、各々少なくとも一方を誘電体42で被覆されており、その電極間で形成された放電空間43に、電源31により高周波電圧が印加される様になっている。   In FIG. 2, the atmospheric pressure plasma discharge processing apparatus 21 has two pairs of electrodes 41 a and 41 b connected to a power source 31 arranged in parallel. At least one of the electrodes 41a and 41b is covered with a dielectric 42, and a high frequency voltage is applied by a power source 31 to a discharge space 43 formed between the electrodes.

電極41a、41bの内部は中空構造44になっており、放電中は水、オイルなどによって放電により発生する熱をとり、かつ安定な温度に保てるよう熱交換ができるようになっている。   The inside of the electrodes 41a and 41b has a hollow structure 44, and during the discharge, heat generated by the discharge can be obtained by water, oil, etc., and heat exchange can be performed so as to maintain a stable temperature.

また、各ガス供給手段(不図示)により、放電に必要な放電ガス22が、流路24を通って放電空間43に供給され、この放電空間43に高周波電圧を印加してプラズマ放電が発生することにより、放電ガスを含むガス22はプラズマ化され、励起放電ガスG′となる。プラズマ化された励起放電ガスG′は、混合空間45に噴出させられる。   Further, by each gas supply means (not shown), the discharge gas 22 necessary for discharge is supplied to the discharge space 43 through the flow path 24, and a high frequency voltage is applied to the discharge space 43 to generate plasma discharge. As a result, the gas 22 containing the discharge gas is turned into plasma and becomes the excited discharge gas G ′. The plasma-induced excitation discharge gas G ′ is ejected into the mixing space 45.

一方、ガス供給手段(不図示)により供給された炭素膜の形成に必要な炭素を含むガスを含む原料ガス23は、流路25を通り、同じく混合空間45へ運ばれ、前記プラズマ化された励起放電ガスG′と合流、混合された二次励起ガスは、移動ステージ47に乗せられた透明基材あるいは最表面に透明基材を含む基材46上へ吹き付けられる。   On the other hand, a raw material gas 23 containing a gas containing carbon necessary for forming a carbon film supplied by a gas supply means (not shown) passes through the flow path 25 and is also transported to the mixing space 45 to be converted into the plasma. The secondary excitation gas merged and mixed with the excitation discharge gas G ′ is sprayed onto the transparent substrate placed on the moving stage 47 or the substrate 46 including the transparent substrate on the outermost surface.

プラズマ化された励起放電ガスG′と炭素膜形成用の原料ガスが混合された二次励起ガスは、プラズマのエネルギーにより活性化され化学的な反応を起こし、基材46上で炭素膜が形成される。   The secondary excitation gas in which the excitation discharge gas G ′ converted into plasma and the raw material gas for forming the carbon film is mixed is activated by the energy of the plasma to cause a chemical reaction, and a carbon film is formed on the substrate 46. Is done.

このジェット型大気圧プラズマ放電装置は、炭素膜の形成に必要なガスを含む原料ガスが活性化された放電ガスに挟まれる、もしくは囲まれる様な構造を有している。   This jet type atmospheric pressure plasma discharge apparatus has a structure in which a source gas containing a gas necessary for forming a carbon film is sandwiched or surrounded by an activated discharge gas.

基材が乗っている移動ステージ47は往復走査、もしくは連続走査が可能な構造を有しており、必要に応じて、基材の温度が保てる様に前記電極と同じような熱交換ができる構造になっている。   The moving stage 47 on which the base material is mounted has a structure capable of reciprocating scanning or continuous scanning, and can perform heat exchange similar to the above electrode so that the temperature of the base material can be maintained if necessary. It has become.

また、基材46上に吹き付けられたガスを排気する廃ガス排気流路48を必要に応じて付けることもできる。これにより空間中に成膜される不要な副生成物を速やかに放電空間45上、あるいは基材46上から除去できる。   In addition, a waste gas exhaust passage 48 for exhausting the gas blown onto the substrate 46 can be attached as necessary. Thereby, unnecessary by-products formed in the space can be quickly removed from the discharge space 45 or the substrate 46.

このプラズマジェット型大気圧プラズマ放電処理装置は、放電ガスをプラズマ化して活性化した後、炭素膜形成に必要なガスを含む原料ガスと合流する構造となっている。これにより、電極表面に成膜物が堆積することを防ぐことができ、更には、電極表面に汚れ防止フィルムなどを貼り合わせることにより、放電前に放電ガスと炭素膜の形成に必要なガスを混合させる構造とすることもできる。   This plasma jet type atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus has a structure in which a discharge gas is activated by being converted into plasma and then merged with a raw material gas containing a gas necessary for forming a carbon film. As a result, it is possible to prevent deposits from being deposited on the electrode surface. Furthermore, by attaching a dirt prevention film or the like to the electrode surface, the gas necessary for forming the discharge gas and the carbon film can be reduced before discharge. It can also be set as the structure to mix.

図3は、本発明に係るプラズマジェット型大気圧プラズマ放電処理装置の他の一例を示す概略図である。   FIG. 3 is a schematic view showing another example of a plasma jet type atmospheric pressure plasma discharge processing apparatus according to the present invention.

上記図2においては、放電ガスを含むガス22を供給する流路24と、炭素膜の形成に必要なガスを含む原料ガス23を供給する流路25は、それぞれ平行の設けられていたが、図3に示すように、放電ガスを含むガス22を供給する流路24を斜めに形成し、流路25より供給される原料ガス23との混合効率を高めた方法であっても良い。   In FIG. 2, the flow path 24 for supplying the gas 22 containing the discharge gas and the flow path 25 for supplying the source gas 23 containing the gas necessary for forming the carbon film are provided in parallel. As shown in FIG. 3, a method may be used in which the flow path 24 for supplying the gas 22 containing the discharge gas is formed obliquely and the mixing efficiency with the raw material gas 23 supplied from the flow path 25 is increased.

また、上記説明した図2、図3に示す装置では、高周波電源が1周波数帯で行っているが、例えば、特開2003−96569号公報に記載されている方法や、下記の図4に示す様に各々の電極に異なる周波数の電源を設置する方式で実施することもできる。   In the apparatus shown in FIGS. 2 and 3 described above, the high frequency power supply is performed in one frequency band. For example, the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-96569 or the following FIG. Similarly, it is also possible to implement by a method in which power sources of different frequencies are installed on each electrode.

図4は、本発明に有用な2周波のジェット方式の大気圧プラズマ放電処理装置の一例を示した概略図である。   FIG. 4 is a schematic view showing an example of a two-frequency jet type atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus useful for the present invention.

ジェット方式の大気圧プラズマ放電処理装置は、プラズマ放電処理装置、二つの電源を有する電界印加手段の他に、図4では図示してないが、ガス供給手段、電極温度調節手段を有している装置である。   The jet type atmospheric pressure plasma discharge processing apparatus has a gas supply means and an electrode temperature adjusting means (not shown in FIG. 4) in addition to the plasma discharge processing apparatus and the electric field applying means having two power sources. Device.

図4において、基本的な構成は、上記図2と同様であるが、電極41bには第2高周波フィルター101bと第2高周波電源31bを接続し、また電極41aは、第1高周波フィルター101aと第1高周波電源31aを接続し、それぞれ異なる2周波の高周波電圧が印加される様になっている。   In FIG. 4, the basic configuration is the same as in FIG. 2, but the second high frequency filter 101b and the second high frequency power supply 31b are connected to the electrode 41b, and the electrode 41a is connected to the first high frequency filter 101a and the first high frequency filter 101a. One high frequency power supply 31a is connected, and two different high frequency voltages are applied to each.

大気圧プラズマ放電処理装置21は、第1電極41aと第2電極41bから構成されている対向電極を有しており、該対向電極間に、第1電極41aからは第1電源31aからの周波数ω1、電界強度V1、電流I1の第1の高周波電界が印加され、また第2電極41bからは第2電源31bからの周波数ω2、電界強度V2、電流I2の第2の高周波電界が印加されるようになっている。第1電源31aは第2電源31bより高い高周波電界強度(V1>V2)を印加出来、また第1電源31aの第1の周波数ω1は第2電源31bの第2の周波数ω2より低い周波数を印加出来る。 The atmospheric pressure plasma discharge processing apparatus 21 has a counter electrode composed of a first electrode 41a and a second electrode 41b, and the frequency from the first power source 31a is transmitted from the first electrode 41a to the counter electrode. A first high-frequency electric field of ω 1 , electric field strength V 1 , and current I 1 is applied, and a second ω 2 , electric field strength V 2 , and second current I 2 from the second power source 31b are applied from the second electrode 41b. A high frequency electric field is applied. The first power source 31a can apply a higher frequency electric field strength (V 1 > V 2 ) than the second power source 31b, and the first frequency ω 1 of the first power source 31a is higher than the second frequency ω 2 of the second power source 31b. A low frequency can be applied.

第1電極41aと第1電源31aとの間には、第1フィルター101aが設置されており、第1電源31aから第1電極41aへの電流を通過しやすくし、第2電源31bからの電流をアースして、第2電源31bから第1電源41aへの電流が通過しにくくなるように設計されている。   A first filter 101a is installed between the first electrode 41a and the first power supply 31a, which facilitates the passage of current from the first power supply 31a to the first electrode 41a, and the current from the second power supply 31b. Is designed so that the current from the second power supply 31b to the first power supply 41a does not easily pass.

また、第2電極41bと第2電源31bとの間には、第2フィルター101bが設置されており、第2電源31bから第2電極41bへの電流を通過しやすくし、第1電源31aからの電流をアースして、第1電源31aから第2電源31bへの電流を通過しにくくするように設計されている。   In addition, a second filter 101b is installed between the second electrode 41b and the second power source 31b to facilitate passage of current from the second power source 31b to the second electrode 41b, and from the first power source 31a. Is designed so that the current from the first power supply 31a to the second power supply 31b is difficult to pass.

第1電極41aと第2電極42bとの対向電極間(放電空間)43に、ガス供給手段から放電ガス22を導入し、第1電極41aと第2電極41bから高周波電界を印加して放電を発生させ、放電ガス22をプラズマ状態にしながら対向電極の下側(紙面下側)にジェット状に吹き出させて、対向電極下面と基材Fとで作る処理空間をプラズマ状態の二次励起ガスで満たし、前工程から搬送して来る基材Fの上に炭素膜を形成させる。炭素膜形成中、電極温度調節手段から媒体が配管を通って電極を加熱または冷却する。プラズマ放電処理の際の基材の温度によっては、得られる炭素膜の物性や組成等は変化することがあり、これに対して適宜制御することが望ましい。温度調節の媒体としては、蒸留水、油等の絶縁性材料が好ましく用いられる。プラズマ放電処理の際、幅手方向あるいは長手方向での基材の温度ムラが出来るだけ生じないように電極の内部の温度を均等に調節することが望まれる。   The discharge gas 22 is introduced from the gas supply means between the opposing electrodes (discharge space) 43 between the first electrode 41a and the second electrode 42b, and a high frequency electric field is applied from the first electrode 41a and the second electrode 41b to discharge. The discharge gas 22 is blown out in a jet shape to the lower side of the counter electrode (the lower side of the paper) while the discharge gas 22 is in a plasma state, and the processing space formed by the lower surface of the counter electrode and the base material F is formed with a secondary excitation gas in a plasma state. A carbon film is formed on the substrate F that is filled and conveyed from the previous process. During the carbon film formation, the medium heats or cools the electrode through the pipe from the electrode temperature adjusting means. Depending on the temperature of the substrate during the plasma discharge treatment, the physical properties and composition of the resulting carbon film may change, and it is desirable to appropriately control this. As the temperature control medium, an insulating material such as distilled water or oil is preferably used. During the plasma discharge treatment, it is desirable to uniformly adjust the temperature inside the electrode so that the temperature unevenness of the base material in the width direction or the longitudinal direction does not occur as much as possible.

また、本発明に係る大気圧プラズマ放電処理装置においては、炭素を含有する原料ガスを基材に対し水平に導入して、励起した放電ガスと放電空間外で会合させる方法であることが好ましい。   Moreover, in the atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus according to the present invention, it is preferable that the raw material gas containing carbon is introduced horizontally with respect to the base material and is associated with the excited discharge gas outside the discharge space.

図5は、本発明に適用できる原料ガスを基材に水平に供給する大気圧プラズマ放電処理装置の一例を示す概略図である。   FIG. 5 is a schematic view showing an example of an atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus that horizontally supplies a source gas applicable to the present invention to a substrate.

図5に記載の大気圧プラズマ処理装置は、対向電極間に形成した放電空間に放電ガスのみを供給して励起ガスとし、一方、炭素膜形成材料を含む原料ガスを基材に平行した供給路より供給し、放電空間外で励起した放電ガスと、水平に供給された原料ガスとを会合、混合して、二次励起ガスとし、この二次励起ガスを瞬時に基材を晒すことで炭素膜を形成する方法である。   The atmospheric pressure plasma processing apparatus shown in FIG. 5 supplies only the discharge gas to the discharge space formed between the counter electrodes as an excitation gas, while supplying the source gas containing the carbon film forming material in parallel with the base material. The discharge gas excited outside the discharge space and the source gas supplied horizontally are combined and mixed to form a secondary excitation gas, and carbon is obtained by instantly exposing the substrate to the secondary excitation gas. This is a method of forming a film.

図5に示す大気圧プラズマ放電処理装置は、基本的な構成は前記図1に記載の構成と近似であるが、対向した位置に第1電源121に接続した第1電極103aと、第2電源122に接続した第2電極103bとが配置されている。この電極は少なくとも一方は誘電体で被覆されており、その電極間に形成された放電空間106に、電源121、122より高周波電圧を印加してプラズマ放電が発生する。   The basic configuration of the atmospheric pressure plasma discharge processing apparatus shown in FIG. 5 is similar to the configuration shown in FIG. 1, but the first electrode 103a connected to the first power source 121 and the second power source are opposed to each other. A second electrode 103 b connected to 122 is arranged. At least one of the electrodes is covered with a dielectric, and a plasma discharge is generated by applying a high frequency voltage from the power supplies 121 and 122 to the discharge space 106 formed between the electrodes.

この対向電極間(放電空間)106に、放電ガス供給手段105より放電ガスGを供給することにより、放電ガスGが励起されて励起放電ガスG′となり、放電空間外の原料ガスとの混合領域109に送られる。   By supplying the discharge gas G from the discharge gas supply means 105 to the space between the counter electrodes (discharge space) 106, the discharge gas G is excited to become the excited discharge gas G ', and the mixed region with the source gas outside the discharge space 109.

一方、炭素膜を形成する原料化合物を含む原料ガスMは、原料ガス供給手段107より、原料ガス供給路108に供給され、基材Fと平行な状態で混合領域109に送られ、上記励起放電ガスG′と放電空間外との混合されて、二次励起ガス110を形成する。この二次励起ガス110に基材Fを晒すことで、基材F上に炭素膜111を形成するものである。上記炭素膜の形成に用いられたガス112は、排ガス路113を経由して系外に排出される。   On the other hand, the raw material gas M containing the raw material compound for forming the carbon film is supplied from the raw material gas supply means 107 to the raw material gas supply path 108 and sent to the mixing region 109 in a state parallel to the base material F. The gas G ′ and the outside of the discharge space are mixed to form the secondary excitation gas 110. The carbon film 111 is formed on the base material F by exposing the base material F to the secondary excitation gas 110. The gas 112 used for forming the carbon film is discharged out of the system through the exhaust gas passage 113.

該対向電極間に設けた第1電極103aには第1電源121からの周波数ω1、電界強度V1、電流I1の第1の高周波電界が印加され、また第2電極103bには第2電源122からの周波数ω2、電界強度V2、電流I2の第2の高周波電界が印加されるようになっている。第1電源121は第2電源122より高い高周波電界強度(V1>V2)を印加出来、また第1電源121の第1の周波数ω1は第2電源122の第2の周波数ω2より低い周波数を印加出来る。 A first high-frequency electric field having a frequency ω 1 , an electric field strength V 1 , and a current I 1 from the first power source 121 is applied to the first electrode 103a provided between the counter electrodes, and a second high-frequency electric field is applied to the second electrode 103b. A second high frequency electric field of frequency ω 2 , electric field strength V 2 , and current I 2 from the power source 122 is applied. The first power supply 121 can apply a higher frequency electric field strength (V 1 > V 2 ) than the second power supply 122, and the first frequency ω 1 of the first power supply 121 is higher than the second frequency ω 2 of the second power supply 122. A low frequency can be applied.

第1電極103aと第1電源121との間には、第1フィルター123が設置されており、第1電源121から第1電極103aへの電流を通過しやすくし、第2電源122からの電流をアースして、第2電源122から第1電源121への電流が通過しにくくなるように設計されている。   A first filter 123 is installed between the first electrode 103a and the first power supply 121, and it is easy to pass current from the first power supply 121 to the first electrode 103a. Is designed so that the current from the second power supply 122 to the first power supply 121 does not easily pass.

また、第2電極103bと第2電源122との間には、第2フィルター124が設置されており、第2電源122から第2電極103bへの電流を通過しやすくし、第1電源121からの電流をアースして、第1電源121から第2電源122への電流を通過しにくくするように設計されている。図5には、高周波電界強度(印加電界強度)と放電開始電界強度の測定に使用する測定器を示した。125及び126は高周波電圧プローブであり、127及び128はオシロスコープである。   In addition, a second filter 124 is installed between the second electrode 103b and the second power source 122 to facilitate passage of current from the second power source 122 to the second electrode 103b. Is designed so that the current from the first power supply 121 to the second power supply 122 is difficult to pass. FIG. 5 shows a measuring instrument used for measuring the high-frequency electric field strength (applied electric field strength) and the discharge starting electric field strength. 125 and 126 are high-frequency voltage probes, and 127 and 128 are oscilloscopes.

各図にて説明した大気圧プラズマ放電処理装置に使用可能な高周波電源としては、例えば、神鋼電機製高周波電源(3kHz)、神鋼電機製高周波電源(5kHz)、神鋼電機製高周波電源(15kHz)、神鋼電機製高周波電源(50kHz)、ハイデン研究所製高周波電源(連続モード使用、100kHz)、パール工業製高周波電源(200kHz)、パール工業製高周波電源(800kHz)、パール工業製高周波電源(2MHz)、日本電子製高周波電源(13.56MHz)、パール工業製高周波電源(27MHz)、パール工業製高周波電源(150MHz)等を使用できる。また、433MHz、800MHz、1.3GHz、1.5GHz、1.9GHz、2.45GHz、5.2GHz、10GHzを発振する電源を用いてもよい。その中でも、本発明において適用する高周波電源としては、周波数が10kHz以上、10GHz以下である高周波電源を用いることが好ましく、更には周波数が1GHz以上、10GHz以下である高周波電源を用いることが好ましい。   Examples of the high-frequency power source that can be used in the atmospheric pressure plasma discharge processing apparatus described in each figure include a high-frequency power source (3 kHz) manufactured by Shinko Electric, a high-frequency power source (5 kHz) manufactured by Shinko Electric, a high-frequency power source (15 kHz) manufactured by Shinko Electric, Shinko Electric High Frequency Power Supply (50 kHz), Hayden Laboratory High Frequency Power Supply (continuous mode use, 100 kHz), Pearl Industrial High Frequency Power Supply (200 kHz), Pearl Industrial High Frequency Power Supply (800 kHz), Pearl Industrial High Frequency Power Supply (2 MHz), A high frequency power source (13.56 MHz) manufactured by JEOL Ltd., a high frequency power source manufactured by Pearl Industries (27 MHz), a high frequency power source manufactured by Pearl Industries (150 MHz), or the like can be used. Alternatively, a power source that oscillates at 433 MHz, 800 MHz, 1.3 GHz, 1.5 GHz, 1.9 GHz, 2.45 GHz, 5.2 GHz, or 10 GHz may be used. Among them, as a high frequency power source applied in the present invention, a high frequency power source having a frequency of 10 kHz or more and 10 GHz or less is preferably used, and a high frequency power source having a frequency of 1 GHz or more and 10 GHz or less is further preferably used.

本発明において、例えば、2周波方式の場合、第1及び第2の電源から対向する電極間に供給する電力は、固定電極21に1W/cm2以上の電力(出力密度)を供給し、放電ガスを励起してプラズマを発生させ、励起放電ガスとする。固定電極に供給する電力の上限値としては、好ましくは50W/cm2である。下限値は、好ましくは1.2W/cm2である。なお、放電面積(cm2)は、電極において放電が起こる範囲の面積のことを指す。 In the present invention, for example, in the case of the two-frequency system, the power supplied between the electrodes facing each other from the first and second power sources supplies power (output density) of 1 W / cm 2 or more to the fixed electrode 21 and discharges. A gas is excited to generate plasma, and an excited discharge gas is obtained. The upper limit value of the power supplied to the fixed electrode is preferably 50 W / cm 2 . The lower limit is preferably 1.2 W / cm 2 . The discharge area (cm 2 ) refers to an area in a range where discharge occurs in the electrode.

ここで高周波電界の波形としては、特に限定されない。連続モードと呼ばれる連続サイン波状の連続発振モードと、パルスモードと呼ばれるON/OFFを断続的に行う断続発振モード等があり、そのどちらを採用してもよいが、供給する高周波は連続サイン波の方がより緻密で良質な膜が得られるので好ましい。   Here, the waveform of the high-frequency electric field is not particularly limited. There are a continuous sine wave continuous oscillation mode called continuous mode and an intermittent oscillation mode called ON / OFF intermittently called pulse mode. Either of them can be used, but the supplied high frequency is the continuous sine wave This is preferable because a denser and better quality film can be obtained.

電極には前述したような強い電界を印加して、均一で安定な放電状態を保つことが出来る電極を採用することが好ましく、固定電極には強い電界による放電に耐えるため少なくとも一方の電極表面には下記の誘電体が被覆されている。   It is preferable to use an electrode that can maintain a uniform and stable discharge state by applying a strong electric field as described above to the electrode, and the fixed electrode has at least one electrode surface to withstand discharge by a strong electric field. Is coated with the following dielectric.

図6は、固定電極の一例を示す斜視図である。   FIG. 6 is a perspective view showing an example of the fixed electrode.

図6の(a)において、角筒柱型の固定電極221は金属等の導電性母材210cに対しセラミックスを溶射後、無機材料を用いて封孔処理したセラミック被覆処理誘電体210dを被覆した組み合わせで構成されている。また、図7の(b)に示す様に、角筒柱型の固定電極221′は金属等の導電性母材210Aへライニングにより無機材料を設けたライニング処理誘電体210Bを被覆した組み合わせで構成してもよい。   In FIG. 6A, a rectangular columnar fixed electrode 221 is coated with a ceramic coated dielectric 210d that is sealed with an inorganic material after thermal spraying of ceramic on a conductive base material 210c such as metal. It consists of a combination. Further, as shown in FIG. 7B, the prismatic fixed electrode 221 'is configured by combining a conductive base material 210A such as metal with a lining dielectric 210B provided with an inorganic material by lining. May be.

上記説明した本発明に適用可能な各種大気圧プラズマ放電処理装置を用いて、基材上に炭素膜を製膜する際、炭素膜の膜厚としては、特に制限はないが、1nm以上、20nm以下であることが好ましい。   When the carbon film is formed on the substrate using the various atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatuses applicable to the present invention described above, the film thickness of the carbon film is not particularly limited, but is 1 nm or more and 20 nm. The following is preferable.

〔炭素膜形成に用いる各種ガス、基材〕
次いで、大気圧プラズマ放電処理装置を用いた本発明の炭素膜形成方法で用いる各材料について説明する。
[Various gases and base materials used for carbon film formation]
Next, each material used in the carbon film forming method of the present invention using an atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus will be described.

(原料ガス)
本発明の炭素膜形成方法において、炭素膜を形成するための原料ガスとしては、常温で気体又は液体の有機化合物ガス、特に炭化水素ガスが用いられる。これら原料における相状態は常温常圧において必ずしも気相である必要はなく、原料ガスガス供給装置で加熱或いは減圧等により溶融、蒸発、昇華等を経て気化し得るものであれば、液相でも固相でも使用可能である。原料ガスとしての炭化水素ガスについては、例えば、CH4、C26、C38、C410等のパラフィン系炭化水素、C22、C24等のアセチレン系炭化水素、オレフィン系炭化水素、ジオレフィン系炭化水素、さらには芳香族炭化水素等全ての炭化水素を少なくとも含むガスが使用可能である。さらに炭化水素以外でも、例えば、アルコール類、ケトン類、エーテル類、エステル類、CO、CO2等少なくとも炭素元素を含む化合物であれば使用可能であり、本発明においては、特に炭化水素またはアルコール類を含有することが好ましい。また、原料ガスには、キャリアガスとして、窒素ガスまたは希ガスを含むことが好ましい。
(Raw material gas)
In the method for forming a carbon film of the present invention, a gas or liquid organic compound gas, particularly a hydrocarbon gas, is used as a raw material gas for forming the carbon film at room temperature. The phase state of these raw materials does not necessarily need to be a gas phase at normal temperature and normal pressure, and can be a liquid phase or a solid phase as long as it can be vaporized through heating, decompression, etc. through melting, evaporation, sublimation, etc. But it can be used. As for the hydrocarbon gas as the raw material gas, for example, paraffinic hydrocarbons such as CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 and C 4 H 10 , and acetylene carbonization such as C 2 H 2 and C 2 H 4 are used. Gases containing at least all hydrocarbons such as hydrogen, olefinic hydrocarbons, diolefinic hydrocarbons, and aromatic hydrocarbons can be used. Further, other than hydrocarbons, for example, alcohols, ketones, ethers, esters, CO, CO 2 and the like can be used as long as they are compounds containing at least a carbon element. In the present invention, hydrocarbons or alcohols are particularly preferable. It is preferable to contain. The source gas preferably contains nitrogen gas or a rare gas as a carrier gas.

本発明においては、上記原料ガスを用いて、アモルファスカーボン膜、水素化アモルファスカーボン膜、四面体アモルファスカーボン膜、窒素含有アモルファスカーボン膜、金属含有アモルファスカーボン膜等の硬質炭素膜を形成する。また、本発明に係る炭素膜においては、水素原子含有量が30原子数%以上であることが好ましい。   In the present invention, a hard carbon film such as an amorphous carbon film, a hydrogenated amorphous carbon film, a tetrahedral amorphous carbon film, a nitrogen-containing amorphous carbon film, or a metal-containing amorphous carbon film is formed using the source gas. Further, in the carbon film according to the present invention, the hydrogen atom content is preferably 30 atomic% or more.

(放電ガス)
放電ガスとは、対向電極間に印加した条件においてプラズマ励起される気体をいい、本発明において好ましく適用しうる放電ガスとしては、1)窒素ガス、2)アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン等の希ガス、3)酸素ガス、二酸化炭素ガス、塩素ガス、水素ガス及び金属含有ガスから選ばれる少なくとも1種のガスを含む窒素ガス、または4)酸素ガス、二酸化炭素ガス、塩素ガス、水素ガス及び金属含有ガスから選ばれる少なくとも1種のガスを含む希ガスなどが挙げられる。これらの中でも窒素、アルゴンが好ましく用いられる。
(Discharge gas)
The discharge gas refers to a gas that is plasma-excited under the conditions applied between the counter electrodes. Examples of the discharge gas that can be preferably applied in the present invention include 1) nitrogen gas, 2) argon, helium, neon, krypton, xenon, and the like. 3) Oxygen gas, carbon dioxide gas, chlorine gas, hydrogen gas and nitrogen gas containing at least one gas selected from metal-containing gas, or 4) oxygen gas, carbon dioxide gas, chlorine gas, hydrogen gas And a rare gas containing at least one gas selected from metal-containing gases. Of these, nitrogen and argon are preferably used.

(基材)
本発明の炭素膜形成方法において、本発明に係る炭素膜を形成する基材としては、特に制限はないが、高分子フィルムあるいは金属含有薄膜を最表層として有する高分子フィルムであることが好ましい。
(Base material)
In the carbon film forming method of the present invention, the substrate for forming the carbon film according to the present invention is not particularly limited, but a polymer film or a polymer film having a metal-containing thin film as the outermost layer is preferable.

本発明に適用しする高分子フィルムとしては、例えば、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂(ABS)、エチレン−酢酸ビニル樹脂(EVAC)、エチレン−ビニルアルコール樹脂(EVOH)、ポリアミド(PA)、ポリカーボネート(PC)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリメチルペンテン(PMP)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、スチレン−アクリロニトリル樹脂(SAN)、トリアセチルセルロース(TAC)、セルローストリアセテート、セルロースジアセテート、セルロースアセテートプロピオネートまたはセルロースアセテートブチレートのようなセルロースエステル等の高分子フィルムや、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフッ化ビニリデン、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、ポリアミド及びポリフェニレンサルファイド等のいわゆるエンジニアリングプラスチック材料を用いることができる。これらの高分子フィルムは、必要に応じて、導電剤等を添加することができる。導電剤としては、カーボンブラックを使用することができる。カーボンブラックとしては、特に制限なく使用することができ、中性カーボンブラックを使用しても構わない。   Examples of the polymer film applied to the present invention include polymethyl methacrylate (PMMA), acrylonitrile-butadiene-styrene resin (ABS), ethylene-vinyl acetate resin (EVAC), ethylene-vinyl alcohol resin (EVOH), and polyamide. (PA), polycarbonate (PC), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyethersulfone (PES), polymethylpentene (PMP), polypropylene ( PP), polystyrene (PS), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene chloride (PVDC), styrene-acrylonitrile resin (SAN), triacetyl cellulose (TAC), cellulose triacete Polymer films such as cellulose esters such as cellulose diacetate, cellulose acetate propionate or cellulose acetate butyrate, polyimide, polyetheretherketone, polyvinylidene fluoride, ethylenetetrafluoroethylene copolymer, polyamide and polyphenylene So-called engineering plastic materials such as sulfide can be used. These polymer films can be added with a conductive agent or the like as required. Carbon black can be used as the conductive agent. Carbon black can be used without particular limitation, and neutral carbon black may be used.

また、上述した高分子フィルム上に金属含有薄膜を有する形態であっても良い。これらの金属含有薄膜は、金属酸化物、金属窒化物または金属酸窒化物から構成される薄膜を挙げることができ、例えば、有機金属化合物、ハロゲン金属化合物、金属水素化合物等により形成される薄膜であり、酸化珪素、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、酸化窒化珪素、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ等を挙げられる。   Moreover, the form which has a metal containing thin film on the polymer film mentioned above may be sufficient. Examples of these metal-containing thin films include thin films composed of metal oxides, metal nitrides, or metal oxynitrides, such as thin films formed of organic metal compounds, halogen metal compounds, metal hydrogen compounds, and the like. Examples thereof include silicon oxide, silicon oxide, aluminum oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum oxynitride, magnesium oxide, zinc oxide, indium oxide, and tin oxide.

《炭素膜の励起ガスによる後処理工程(工程2)》
本発明の炭素膜形成方法においては、上記記載の大気圧プラズマ放電処理装置を用いて、薄膜形成工程1に従って基材上に炭素膜を形成した後、薄膜形成工程1により形成された炭素膜を励起ガスに晒す工程2で処理することを特徴とする。この高エネルギーの励起ガスを用いて炭素膜を処理することにより、炭素膜中の水素原子を除去して、硬度の高い炭素膜を形成するものである。
<< Post-treatment process of carbon film with excitation gas (process 2) >>
In the carbon film forming method of the present invention, the carbon film formed in the thin film forming step 1 is formed after forming the carbon film on the substrate according to the thin film forming step 1 using the atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus described above. The treatment is performed in the step 2 of exposing to an excitation gas. By treating the carbon film using this high energy excitation gas, hydrogen atoms in the carbon film are removed to form a carbon film with high hardness.

本発明に係る工程2の処理で適用可能な大気圧プラズマ放電処理装置としては、薄膜形成工程1において説明した図1〜図4に示す装置を用いることができる。これらの大気圧プラズマ放電処理装置を工程2で用いる場合には、対向電極間に構成する放電空間のみに励起ガスを導入して、高周波電圧を印加することで励起ガスをプラズマ状態にし、これプラズマ化した励起ガスに、炭素膜を晒すことで、脱水素処理により硬質炭素膜とすることができる。   As the atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus applicable in the process 2 of the present invention, the apparatus shown in FIGS. 1 to 4 described in the thin film formation process 1 can be used. When these atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatuses are used in step 2, the excitation gas is introduced into only the discharge space formed between the counter electrodes and a high frequency voltage is applied to bring the excitation gas into a plasma state. By exposing the carbon film to the converted excitation gas, a hard carbon film can be obtained by dehydrogenation treatment.

工程で用いることのできる励起ガス種としては、1)窒素ガス、2)希ガス、3)酸素ガス、二酸化炭素ガス、塩素ガス、水素ガス及び金属含有ガスから選ばれる少なくとも1種のガスを含む窒素ガス、4)酸素ガス、二酸化炭素ガス、塩素ガス、水素ガス及び金属含有ガスから選ばれる少なくとも1種のガスを含む希ガスであることが好ましい。   The excited gas species that can be used in the process includes at least one gas selected from 1) nitrogen gas, 2) noble gas, 3) oxygen gas, carbon dioxide gas, chlorine gas, hydrogen gas, and metal-containing gas. Nitrogen gas, 4) A rare gas containing at least one gas selected from oxygen gas, carbon dioxide gas, chlorine gas, hydrogen gas and metal-containing gas is preferable.

本発明に係る工程2は、炭素膜形成工程である薄膜形成工程1に引き続き、連続してオンライン方式で処理を行っても、あるいは工程1とは、分離した状態でオフライン方式で行っても良いが、生産効率を考慮すると、薄膜形成工程1用の大気圧プラズマ放電処理装置と工程2用の大気圧プラズマ放電処理装置とを直列に配置し、オンライン方式で処理を行うことが好ましい。   The step 2 according to the present invention may be performed continuously in an online manner following the thin film forming step 1 which is a carbon film forming step, or may be conducted in an offline manner in a state separated from the step 1. However, in consideration of production efficiency, it is preferable that the atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus for the thin film forming step 1 and the atmospheric pressure plasma discharge treatment apparatus for the step 2 are arranged in series and the treatment is performed on-line.

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、実施例において「部」あるいは「%」の表示を用いるが、特に断りがない限り「質量部」あるいは「質量%」を表す。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited thereto. In addition, although the display of "part" or "%" is used in an Example, unless otherwise indicated, "part by mass" or "mass%" is represented.

実施例1
《炭素膜形成試料の作製》
〔試料1の作製〕
(薄膜形成工程1)
基材として、厚さ100μmのポリエチレンナフタレートフィルム(帝人・デュポン社製フィルム、以下、PENと略記する)上に、図2に記載の単周波のプラズマジェット型大気圧プラズマ処理装置を用いて、下記のガス条件、放電条件で、厚さ200nmの炭素膜を形成して、試料1を得た。
Example 1
《Preparation of carbon film formation sample》
[Preparation of Sample 1]
(Thin film forming step 1)
As a base material, on a polyethylene naphthalate film having a thickness of 100 μm (a film made by Teijin DuPont Co., Ltd., hereinafter abbreviated as PEN), using a single frequency plasma jet type atmospheric pressure plasma processing apparatus shown in FIG. A sample 1 was obtained by forming a carbon film having a thickness of 200 nm under the following gas conditions and discharge conditions.

〈電源条件〉
電源:高周波側 27.12MHz 6W/cm2
〈電極条件〉
第1電極41a、第2電極41bの角形電極は、30mm角状の中空のチタンパイプに対し、誘電体としてセラミック溶射加工を行い製作した。
<Power supply conditions>
Power supply: High frequency side 27.12 MHz 6 W / cm 2
<Electrode conditions>
The square electrodes of the first electrode 41a and the second electrode 41b were manufactured by performing ceramic spraying as a dielectric on a 30 mm square hollow titanium pipe.

誘電体厚み:1mm
電極巾:300mm
印加電極温度:90℃
電極間スリットギャップ:1.0mm
〈ガス条件〉
放電ガス:Ar、100slm
原料ガス:C22、200sccm
図2に記載のプラズマジェット型大気圧プラズマ処理装置21を用いて、放電ガス22(Arガス)を放電ガス供給手段より、対向電極間(放電空間)43に供給し、対向電極間に電源31より高周波電圧を印加して、励起放電ガスG′とした。原料ガス(C22ガス)は、原料ガス供給手段より、原料ガス供給路25に供給し、励起放電ガスG′と放電空間外45で混合して、二次励起ガスとし、基材47を晒して、炭素膜46を形成した。
Dielectric thickness: 1mm
Electrode width: 300mm
Applied electrode temperature: 90 ° C
Slit gap between electrodes: 1.0mm
<Gas conditions>
Discharge gas: Ar, 100 slm
Source gas: C 2 H 2 , 200 sccm
Using the plasma jet type atmospheric pressure plasma processing apparatus 21 shown in FIG. 2, the discharge gas 22 (Ar gas) is supplied from the discharge gas supply means to the space between the counter electrodes (discharge space) 43, and the power source 31 is interposed between the counter electrodes. A higher frequency voltage was applied to form an excited discharge gas G ′. The source gas (C 2 H 2 gas) is supplied from the source gas supply means to the source gas supply path 25 and mixed with the excitation discharge gas G ′ outside the discharge space 45 to obtain a secondary excitation gas. As a result, a carbon film 46 was formed.

(工程2)
上記薄膜形成工程1で基材上に炭素膜を形成した試料を、図1に記載のプラズマジェット型大気圧プラズマ処理装置21を用いて、下記の条件にて、励起ガスによる処理を施して、試料1を作製した。
(Process 2)
The sample in which the carbon film is formed on the base material in the thin film forming step 1 is subjected to the treatment with the excitation gas under the following conditions using the plasma jet type atmospheric pressure plasma processing apparatus 21 shown in FIG. Sample 1 was prepared.

〈電源条件〉
第1電源:高周波側 27.12MHz 6W/cm2
第2電源:低周波側 100kHz 5W/cm2
〈電極条件〉
第1電極211、第2電極212の角形電極は、30mm角状の中空のチタンパイプに対し、誘電体としてセラミック溶射加工を行い製作した。
<Power supply conditions>
First power supply: high frequency side 27.12 MHz 6 W / cm 2
Second power source: low frequency side 100 kHz 5 W / cm 2
<Electrode conditions>
The square electrodes of the first electrode 211 and the second electrode 212 were manufactured by subjecting a 30 mm square hollow titanium pipe to ceramic spraying as a dielectric.

誘電体厚み:1mm
電極巾:300mm
印加電極温度:90℃
〈ガス条件〉
放電ガス:N2、100slm
〔試料2の作製〕
上記試料1の作製において、工程2の励起ガスをArガスに変更した以外は同様にして、試料2を作製した。
Dielectric thickness: 1mm
Electrode width: 300mm
Applied electrode temperature: 90 ° C
<Gas conditions>
Discharge gas: N 2 , 100 slm
[Preparation of Sample 2]
Sample 2 was produced in the same manner as in the production of Sample 1 except that the excitation gas in Step 2 was changed to Ar gas.

〔試料3の作製〕
上記試料1の作製において、薄膜形成工程1の放電ガスに更に反応ガスとして水素ガスを10sccm添加した以外は同様にして、試料3を作製した。
[Preparation of Sample 3]
Sample 3 was prepared in the same manner as Sample 1 except that 10 sccm of hydrogen gas was added as a reaction gas to the discharge gas in the thin film forming step 1.

〔試料4の作製〕
上記試料1の作製において、薄膜形成工程1の原料ガスとしてC22に代えてCH4を用いた以外は同様にして、試料4を作製した。
[Preparation of Sample 4]
Sample 4 was prepared in the same manner as Sample 1 except that CH 4 was used in place of C 2 H 2 as the raw material gas for thin film formation step 1.

〔試料5の作製〕
上記試料1の作製において、薄膜形成工程1のプラズマジェット型大気圧プラズマ処理装置として、図2に記載の装置に代えて図3に記載の装置を用いた以外は同様にして、試料5を作製した。
[Preparation of Sample 5]
In the production of Sample 1, Sample 5 was produced in the same manner except that the apparatus shown in FIG. 3 was used instead of the apparatus shown in FIG. 2 as the plasma jet type atmospheric pressure plasma processing apparatus in thin film forming step 1. did.

〔試料6の作製〕
上記試料1の作製において、薄膜形成工程1のプラズマジェット型大気圧プラズマ処理装置として、図2に記載の装置に代えて図4に記載の装置を用い、下記の放電条件に変更した以外は同様にして、試料6を作製した。
[Preparation of Sample 6]
In the preparation of the sample 1, the apparatus shown in FIG. 4 is used instead of the apparatus shown in FIG. 2 as the plasma jet type atmospheric pressure plasma processing apparatus in the thin film forming step 1, and the same discharge conditions are used. Thus, Sample 6 was produced.

(薄膜形成工程1)
基材として、厚さ100μmのポリエチレンナフタレートフィルム(帝人・デュポン社製フィルム)上に、図4に記載の2周波のプラズマジェット型大気圧プラズマ処理装置を用いて、下記のガス条件、放電条件で、厚さ200nmの炭素膜を形成した。
(Thin film forming step 1)
As a base material, on the polyethylene naphthalate film (film made by Teijin DuPont) with a thickness of 100 μm, the following gas conditions and discharge conditions were obtained using the two-frequency plasma jet type atmospheric pressure plasma processing apparatus shown in FIG. Thus, a carbon film having a thickness of 200 nm was formed.

〈電源条件〉
第1電源:高周波側 27.12MHz 6W/cm2
第2電源:低周波側 100kHz 5W/cm2
〈電極条件〉
第1電極41a、第2電極41bの角形電極は、30mm角状の中空のチタンパイプに対し、誘電体としてセラミック溶射加工を行い製作した。
<Power supply conditions>
First power supply: high frequency side 27.12 MHz 6 W / cm 2
Second power source: low frequency side 100 kHz 5 W / cm 2
<Electrode conditions>
The square electrodes of the first electrode 41a and the second electrode 41b were manufactured by performing ceramic spraying as a dielectric on a 30 mm square hollow titanium pipe.

誘電体厚み:1mm
電極巾:300mm
印加電極温度:90℃
〈ガス条件〉
放電ガス:N2、100slm
原料ガス:C22、200sccm
図4に記載のプラズマジェット型大気圧プラズマ処理装置2を用いて、放電ガス22(N2ガス)を放電ガス供給手段より、対向電極間(放電空間)43に供給し、対向電極間に高周波電圧を印加して、励起放電ガスG′とした。原料ガス(C22ガス)23は、原料ガス供給手段より、原料ガス供給路25に供給し、励起放電ガスG′と放電空間外45で混合して、二次励起ガスG′を形成し、この二次励起ガスG′に基材47を晒して、炭素膜46を形成した。
Dielectric thickness: 1mm
Electrode width: 300mm
Applied electrode temperature: 90 ° C
<Gas conditions>
Discharge gas: N 2 , 100 slm
Source gas: C 2 H 2 , 200 sccm
Using the plasma jet type atmospheric pressure plasma processing apparatus 2 shown in FIG. 4, the discharge gas 22 (N 2 gas) is supplied from the discharge gas supply means to the space between the counter electrodes (discharge space) 43, and the high frequency is generated between the counter electrodes. A voltage was applied to obtain an excited discharge gas G ′. Source gas (C 2 H 2 gas) 23 is supplied from source gas supply means to source gas supply path 25 and mixed with excitation discharge gas G ′ outside discharge space 45 to form secondary excitation gas G ′. The carbon film 46 was formed by exposing the base material 47 to the secondary excitation gas G ′.

(工程2)
試料1に記載の工程2と同様にして、励起ガスによる表面処理を行って、試料6を得た。
(Process 2)
In the same manner as in Step 2 described in Sample 1, surface treatment with excitation gas was performed to obtain Sample 6.

〔試料7の作製〕
上記試料6の作製において、薄膜形成工程1のプラズマジェット型大気圧プラズマ処理装置として、図4に記載の装置に代えて図5に記載の原料ガスを電極に対し水平に供給する方式の2周波のプラズマジェット型大気圧プラズマ処理装置を用いた以外は同様にして、試料7を作製した。
[Preparation of Sample 7]
In the production of the sample 6, as a plasma jet type atmospheric pressure plasma processing apparatus in the thin film forming step 1, a source gas shown in FIG. 5 is supplied horizontally to the electrode instead of the apparatus shown in FIG. Sample 7 was prepared in the same manner except that the plasma jet type atmospheric pressure plasma processing apparatus was used.

〔試料8の作製〕
上記試料1の作製において、薄膜形成工程1の放電ガスに更に反応ガスとして酸素ガスを10sccm添加した以外は同様にして、試料5を作製した。
[Preparation of Sample 8]
Sample 5 was prepared in the same manner as Sample 1 except that 10 sccm of oxygen gas was further added as a reaction gas to the discharge gas in the thin film forming step 1.

〔試料9の作製〕
上記試料6の作製において、図1に記載の2周波のプラズマジェット型大気圧プラズマ処理装置を用いて、放電ガス(Ar)、原料ガス(C22)とを混合して調製した混合ガスMGを、混合ガス供給手段より、対向電極間(放電空間)213に供給し、対向電極間に電源221、222より高周波電圧を印加して混合励起混合ガスMG′とし、この励起混合ガスMG′を基材に晒して、炭素膜を形成した以外は同様にして、試料9を作製した。
[Preparation of Sample 9]
A gas mixture prepared by mixing the discharge gas (Ar) and the source gas (C 2 H 2 ) using the two-frequency plasma jet atmospheric pressure plasma processing apparatus shown in FIG. MG is supplied between the opposing electrodes (discharge space) 213 from the mixed gas supply means, and a high frequency voltage is applied between the power sources 221 and 222 between the opposing electrodes to obtain a mixed excitation mixed gas MG '. This excitation mixed gas MG' Was exposed to a substrate to form a carbon film, and a sample 9 was produced in the same manner.

〔試料10〜18の作製〕
上記試料1〜9の作製において、工程2の励起ガスによる処理を行わなかった以外は同様にして、試料10〜18を作製した。
[Production of Samples 10 to 18]
Samples 10 to 18 were prepared in the same manner as in the preparation of Samples 1 to 9, except that the treatment with the excitation gas in Step 2 was not performed.

《各試料の評価》
上記作製した炭素膜を有する各試料について、下記の各評価を行った。
<< Evaluation of each sample >>
The following evaluations were performed on each sample having the carbon film prepared above.

〔スベリ性の評価:摩擦係数の測定〕
各試料の炭素膜表面の動摩擦係数を、JIS−K−7125−ISO8295に記載の方法に準じて測定した。各試料の炭素膜表面に、重さ300gのステンレス製の検体を載せ、検体の移動速度100mm/分、接触面積80mm×200mmの条件で検体を水平に引っ張り、検体が移動中の平均荷重(F)を測定し、下記式より動摩擦係数(μ)を求めた。
[Evaluation of sliding property: measurement of friction coefficient]
The dynamic friction coefficient of the carbon film surface of each sample was measured according to the method described in JIS-K-7125-ISO8295. A stainless steel specimen weighing 300 g is placed on the carbon film surface of each specimen, the specimen is pulled horizontally under the conditions of a specimen moving speed of 100 mm / min and a contact area of 80 mm × 200 mm, and the average load (F ) And the dynamic friction coefficient (μ) was determined from the following formula.

動摩擦係数=F(N)/重りの重さ(N)
上記方法で測定した動摩擦係数が、0.3未満であれば○、0.3以上、0.5未満であれば△、0.5以上であれば×と判定した。
Coefficient of dynamic friction = F (N) / weight of weight (N)
If the dynamic friction coefficient measured by the above method was less than 0.3, it was judged as ◯, 0.3 or more, less than 0.5, Δ, and 0.5 or more as x.

〔表面平滑性の評価:表面粗さRaの測定〕
各試料の炭素膜表面の表面粗さRa(nm)を、下記の方法に従って測定した。
[Evaluation of surface smoothness: measurement of surface roughness Ra]
The surface roughness Ra (nm) of the carbon film surface of each sample was measured according to the following method.

原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscopy:AFM)として、セイコーインスツル社/エスアイアイ・ナノテクノロジー社製 SPI3800Nプローブステーション及びSPA400多機能型ユニットを測定装置として使用し、カンチレバーは、同社製シリコンカンチレバーSI−DF20を使用した。DFMモード(Dynamic Force Mode)で、測定領域10μm角を測定し、得られた三次元データより、平均粗さRa(nm)を算出した。   As an atomic force microscope (AFM), the SPI3800N probe station and SPA400 multifunctional unit manufactured by Seiko Instruments Inc./SII Nanotechnology Co., Ltd. were used as measuring devices. DF20 was used. In the DFM mode (Dynamic Force Mode), a 10 μm square measurement area was measured, and the average roughness Ra (nm) was calculated from the obtained three-dimensional data.

〔耐擦過性の評価〕
上記作製した各炭素膜表面を、摩擦試験機HEIDON−14DRで、スチールウール(ボンスター #0000)を用い、荷重:40kPa、移動速度:10mm/分の条件で、10回の擦過処理を行った後、1cm×1cmの範囲をルーペで観察し、下記の基準に従って、耐擦過性の評価を行った。
[Evaluation of scratch resistance]
Each carbon film surface produced above was subjected to 10 rubbing treatments using a steel wool (Bonster # 0000) with a friction tester HEIDON-14DR under the conditions of load: 40 kPa and moving speed: 10 mm / min. A range of 1 cm × 1 cm was observed with a magnifying glass, and scratch resistance was evaluated according to the following criteria.

◎:全く擦り傷の発生が認められない
○:擦り傷の発生が1本以上、5本以下である
△:擦り傷の発生が6本以上、15本以下である
×:擦り傷の発生が16本以上、25本以下である
××:擦り傷の発生が25本以上である
〔密着性の評価〕
上記各試料について、JIS K5400に準拠した碁盤目試験を行った。各試料の炭素膜の表面に片刃のカミソリの刃を面に対して90度の切り込みを1.0mm間隔で縦横に22本ずつ入れ、1.0mm角の碁盤目を400個作製した。この上に市販のセロファンテープを貼り付け、その一端を手でもって垂直にはがし、切り込み線からの貼られたテープ面積に対する炭素膜の剥がされた面積の割合を測定し、下記の基準に従って密着性の評価を行った。
A: No generation of scratches is observed. O: Generation of scratches is 1 or more and 5 or less. Δ: Generation of scratches is 6 or more and 15 or less. X: Generation of scratches is 16 or more. It is 25 or less. XX: Generation of scratches is 25 or more [Evaluation of adhesion]
About each said sample, the cross cut test based on JISK5400 was done. On the surface of the carbon film of each sample, a single-edged razor blade was cut at 90 degrees with respect to the surface, 22 in length and width at intervals of 1.0 mm, to produce 400 1.0 mm square grids. A commercially available cellophane tape is affixed to this, and one end of the tape is peeled off vertically by hand, and the ratio of the peeled area of the carbon film to the affixed tape area from the score line is measured. Was evaluated.

◎:碁盤目の剥離が全く発生しない
○:剥離した碁盤目の面積比率が、1%未満
△:剥離した碁盤目の面積比率が、1%以上、5%未満
×:剥離した碁盤目の面積比率が、5%以上、10%未満
××:剥離した碁盤目の面積比率が、10%以上
以上により得られた結果を、表1に示す。
◎: No peeling of the grids occurred ○: The area ratio of the peeled grids was less than 1% △: The area ratio of the peeled grids was 1% or more and less than 5% ×: The area of the peeled grids The ratio is 5% or more and less than 10% XX: Table 1 shows the results obtained when the peeled grid area ratio is 10% or more.

Figure 2009041085
Figure 2009041085

表1に記載の結果より明らかな様に、本発明で規定する方法に従って炭素膜を形成した本発明の試料は、比較例に対し、形成した炭素膜が低摩擦係数で、表面平滑性に優れ、十分な耐擦過性を備えると共に、基材との密着性が良好であることが分かる。   As is apparent from the results shown in Table 1, the sample of the present invention in which the carbon film was formed in accordance with the method defined in the present invention was superior in surface smoothness to the comparative example in that the formed carbon film had a low friction coefficient. It can be seen that the film has sufficient scratch resistance and has good adhesion to the substrate.

実施例2
上記実施例1に記載の試料1、2、4〜9、10、11、13〜18の作製において、原料ガスとしてC22に代えてエチルアルコールを用いた以外は同様にして、炭素膜を形成し、実施例1と同様の方法でスベリ性、表面平滑性、耐擦過性及び密着性の評価を行った結果、本発明の方法に従って形成した試料は、表1と同様の結果を得ることができた。
Example 2
In the production of Samples 1, 2 , 4 to 9, 10, 11, 13 to 18 described in Example 1, the carbon film was formed in the same manner except that ethyl alcohol was used instead of C 2 H 2 as the source gas. As a result of evaluating the smoothness, surface smoothness, scratch resistance and adhesion in the same manner as in Example 1, the sample formed according to the method of the present invention obtains the same results as in Table 1. I was able to.

実施例3
上記実施例1に記載の試料1〜18の作製において、基材をPENに代えて、PEN上に酸化珪素膜を有する基材を用いた以外は同様にして、炭素膜を形成し、実施例1と同様の方法でスベリ性、表面平滑性、耐擦過性及び密着性の評価を行った結果、本発明の方法に従って形成した試料は、表1と同様の結果を得ることができた。
Example 3
In the preparation of Samples 1 to 18 described in Example 1 above, a carbon film was formed in the same manner except that the substrate was replaced with PEN and a substrate having a silicon oxide film on PEN was used. As a result of evaluating the smoothness, surface smoothness, scratch resistance and adhesion in the same manner as in No. 1, the sample formed according to the method of the present invention was able to obtain the same results as in Table 1.

実施例4
上記実施例1に記載の試料1〜8の作製において、原料ガスにキャリアガスとして窒素ガス、アルゴンガスをそれぞれ5体積%含有させて炭素膜を形成した以外は同様にして、炭素膜を形成し、実施例1と同様の方法でスベリ性、表面平滑性、耐擦過性及び密着性の評価を行った結果、表1の結果に対し更に良好な結果を得ることができた。
Example 4
In the preparation of Samples 1 to 8 described in Example 1, the carbon film was formed in the same manner except that the carbon film was formed by containing 5% by volume of nitrogen gas and argon gas as carrier gases in the source gas. As a result of evaluating the smoothness, surface smoothness, scratch resistance and adhesion in the same manner as in Example 1, better results than those shown in Table 1 could be obtained.

放電空間に原料ガス及び放電ガスの混合ガスを導入し、放電空間内で励起ガスを形成する比較例のダイレクト型の大気圧プラズマ放電処理装置の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the direct-type atmospheric pressure plasma discharge processing apparatus of the comparative example which introduces mixed gas of source gas and discharge gas in discharge space, and forms excitation gas in discharge space. 本発明に係るジェット型の大気圧プラズマ放電処理装置の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the jet type atmospheric pressure plasma discharge processing apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るプラズマジェット型大気圧プラズマ放電処理装置の他の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows another example of the plasma jet type atmospheric pressure plasma discharge processing apparatus which concerns on this invention. 本発明に有用な2周波のジェット方式の大気圧プラズマ放電処理装置の一例を示した概略図である。It is the schematic which showed an example of the 2 frequency jet type atmospheric pressure plasma discharge processing apparatus useful for this invention. 本発明に適用できる原料ガスを基材に水平に供給する大気圧プラズマ放電処理装置の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the atmospheric pressure plasma discharge processing apparatus which supplies the raw material gas applicable to this invention horizontally to a base material. 固定電極の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of a fixed electrode.

符号の説明Explanation of symbols

21 大気圧プラズマ放電処理装置
22、G 放電ガス
23、M 原料ガス
24、25 流路
31 電源
31a、121 第1電源
31b、122 第2電源
41a、103a 電極(第1電極)
41b、103b 電極(第2電極)
42 誘電体
43、106 放電空間
45 混合空間
46 基材
47 移動ステージ
48 廃ガス排気流路
101a 第1フィルター
101b 第2フィルター
105 放電ガス供給手段
107 原料ガス供給手段
109 混合領域
110 二次励起ガス
221 固定電極
G 放電ガス
G′ 励起放電ガス
21 Atmospheric pressure plasma discharge treatment device 22, G discharge gas 23, M source gas 24, 25 channel 31 power source 31a, 121 first power source 31b, 122 second power source 41a, 103a electrode (first electrode)
41b, 103b electrode (second electrode)
42 Dielectric 43, 106 Discharge space 45 Mixing space 46 Base material 47 Moving stage 48 Waste gas exhaust passage 101a First filter 101b Second filter 105 Discharge gas supply means 107 Raw material gas supply means 109 Mixing area 110 Secondary excitation gas 221 Fixed electrode G Discharge gas G 'Excited discharge gas

Claims (11)

大気圧または大気圧近傍の圧力下で、プラズマ放電を用いて基材上に炭素膜を形成する炭素膜形成方法において、放電ガスを放電空間に導入して励起する工程と、該励起した放電ガスと炭素を含有する原料ガスとを、放電空間外の基材近傍で混合させて二次励起ガスとする工程と、該二次励起ガスに基材を晒すことにより、該基材上に炭素膜を形成する薄膜形成工程1と、該薄膜形成工程1により形成された該炭素膜を励起ガスに晒す工程2とを有することを特徴とする炭素膜形成方法。 In a carbon film forming method of forming a carbon film on a substrate using plasma discharge under atmospheric pressure or a pressure near atmospheric pressure, a step of introducing a discharge gas into a discharge space and exciting the discharge gas, and the excited discharge gas And a source gas containing carbon in the vicinity of the substrate outside the discharge space to form a secondary excitation gas, and exposing the substrate to the secondary excitation gas to thereby form a carbon film on the substrate. A method for forming a carbon film, comprising: a thin film forming step 1 for forming a film; and a step 2 for exposing the carbon film formed in the thin film forming step 1 to an excitation gas. 前記工程2で用いる励起ガスが、1)窒素ガス、2)希ガス、3)酸素ガス、二酸化炭素ガス、塩素ガス、水素ガス及び金属含有ガスから選ばれる少なくとも1種のガスを含む窒素ガス、または4)酸素ガス、二酸化炭素ガス、塩素ガス、水素ガス及び金属含有ガスから選ばれる少なくとも1種のガスを含む希ガスであることを特徴とする請求項1に記載の炭素膜形成方法。 The excitation gas used in the step 2 is nitrogen gas containing at least one gas selected from 1) nitrogen gas, 2) noble gas, 3) oxygen gas, carbon dioxide gas, chlorine gas, hydrogen gas and metal-containing gas, Or 4) The carbon film forming method according to claim 1, wherein the carbon film forming method is a rare gas containing at least one gas selected from oxygen gas, carbon dioxide gas, chlorine gas, hydrogen gas, and metal-containing gas. 前記薄膜形成工程1で形成する炭素膜の厚さが、1nm以上、20nm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の炭素膜形成方法。 The carbon film forming method according to claim 1 or 2, wherein a thickness of the carbon film formed in the thin film forming step 1 is 1 nm or more and 20 nm or less. 前記炭素を含有する原料ガスが、炭化水素またはアルコールを含有するガスであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭素膜形成方法。 The carbon film forming method according to claim 1, wherein the source gas containing carbon is a gas containing hydrocarbon or alcohol. 前記放電空間が、対向する電極間に高周波電圧を印加することにより形成されたものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の炭素膜形成方法。 5. The carbon film forming method according to claim 1, wherein the discharge space is formed by applying a high-frequency voltage between electrodes facing each other. 前記高周波電圧が、周波数が10kHz以上、10GHz以下であることを特徴とする請求項5に記載の炭素膜形成方法。 6. The carbon film forming method according to claim 5, wherein the high-frequency voltage has a frequency of 10 kHz or more and 10 GHz or less. 前記放電ガスが、1)窒素ガス、2)希ガス、3)酸素ガス、二酸化炭素ガス、塩素ガス、水素ガス及び金属含有ガスから選ばれる少なくとも1種のガスを含む窒素ガス、または4)酸素ガス、二酸化炭素ガス、塩素ガス、水素ガス及び金属含有ガスから選ばれる少なくとも1種のガスを含む希ガスであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の炭素膜形成方法。 The discharge gas is 1) nitrogen gas, 2) rare gas, 3) oxygen gas, carbon dioxide gas, chlorine gas, hydrogen gas and nitrogen gas containing at least one gas selected from metal-containing gas, or 4) oxygen The carbon film formation according to any one of claims 1 to 6, wherein the carbon film is a rare gas containing at least one gas selected from gas, carbon dioxide gas, chlorine gas, hydrogen gas, and metal-containing gas. Method. 前記基材が、高分子フィルムまたは金属含有薄膜を最表層として有する高分子フィルムであることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の炭素膜形成方法。 The carbon film forming method according to claim 1, wherein the base material is a polymer film or a polymer film having a metal-containing thin film as an outermost layer. 前記炭素を含有する原料ガスが、キャリアガスとして窒素ガスまたは希ガスを含有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の炭素膜形成方法。 The carbon film forming method according to claim 1, wherein the carbon-containing source gas contains nitrogen gas or a rare gas as a carrier gas. 前記炭素膜が、水素原子含有量が30原子数%以上であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の炭素膜形成方法。 The carbon film formation method according to any one of claims 1 to 9, wherein the carbon film has a hydrogen atom content of 30 atomic% or more. 前記炭素を含有する原料ガスを基材に対し水平に導入して、前記励起した放電ガスと放電空間外で会合させることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の炭素膜形成方法。 11. The carbon film according to claim 1, wherein the carbon-containing source gas is introduced horizontally with respect to the base material and associated with the excited discharge gas outside the discharge space. Forming method.
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