JP2871619B2

JP2871619B2 - ダイヤモンド様炭素薄膜堆積装置

Info

Publication number: JP2871619B2
Application number: JP25616096A
Authority: JP
Inventors: 雄一坂本; 重和多田; 博紀斉藤
Original assignee: NICHIMEN DENSHI KOKEN KK
Current assignee: NICHIMEN DENSHI KOKEN KK
Priority date: 1996-09-27
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 1999-03-17
Anticipated expiration: 2016-09-27
Also published as: JPH10101478A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、切削工具、金型、
磁気記録媒体等の被処理体の表面にダイヤモンド様炭素
薄膜を堆積させて、硬度の高い、摩擦係数の小さい、化
学的に安定な表面を形成し、被処理体の寿命を延ばし、
トライボロジー特性を改善するダイヤモンド様炭素薄膜
堆積装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記のような被処理体の表面の硬化なら
びに安定化は、従来、鋼の焼き入れ、窒化あるいはイオ
ン注入等の技術により行われていた。しかし、これら従
来の技術は、低融点材や脆弱な構造材には不向きであっ
た。このために、最近では、アモルファス炭素薄膜（ダ
イヤモンド様炭素）をプラズマを利用して被処理体の表
面に堆積する技術が多方面に使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この技術で
は、装置を長時間運転すると、プラズマを発生させるた
めの放電部、電気絶縁部、観察窓等の装置の要部（部
材）に、煤やポリマー膜が堆積して、運転が不可能にな
る。このために、度々装置を保守、点検して、上記不要
な堆積物を除去しなければならず、能率が悪いばかりで
はなく、除去作業も面倒である。

【０００４】従って、本発明は、装置の要部に、煤やポ
リマー膜が堆積するのを防止して、作業能率の向上と、
面倒な除去作業の低減を可能にするダイヤモンド様炭素
薄膜堆積装置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる請求項１
に記載のダイヤモンド様炭素薄膜堆積装置は、ハウジン
グと、このハウジング内に設けられ被処理体を支持する
支持手段と、被処理体の近くに炭化水素ガスを供給する
手段と、ハウジング内の煤の堆積を防止する部材近くに
水素ガスを供給する手段と、前記ハウジング内にマイク
ロ波を供給して、被処理体の近くで炭化水素ガスによる
プラズマと、前記部材近くに水素ガスによるプラズマと
を夫々発生させる手段と、前記支持手段よりもハウジン
グの周壁を高温にする温度制御手段とを具備することを
特徴とする。

【０００６】このような構成によれば、放電部、電気絶
縁部、観察窓等の装置の部材に、煤やポリマー膜が堆積
するのを防止できる。また、請求項２に記載のダイヤモ
ンド様炭素薄膜堆積装置は、請求項１に記載の要件に加
えて、支持手段は１５０Ｖないし５００Ｖの負バイアス
が印加されることにより、さらに堆積の効率が向上する
良くなる。

【０００７】

【実施の形態】以下に、添付図面を参照して、本発明の
一実施例に係わるダイヤモンド様炭素薄膜堆積装置を説
明する。図１中、符号１は、金属で形成され、垂直に延
びた円筒状のハウジグを示し、この上壁の内面には、ほ
ぼ全体に渡ってセラミック等の誘電体よりなる円板２が
取着されている。また、ハウジング１の上壁の中心部に
は、一端が図示しない高周波電源に接続された導波管３
の他端が取着されている。即ち、この上壁の中心には、
円形透孔が形成され、この内周面に、導波管３の外部導
体３ａの他端の外周面が取着されている。また、前記誘
電体の円板２の中心にも、前記上壁の透孔と同心的では
あるが、これよりも小径の透孔が形成されており、この
透孔には、導波管３の中心導体３ｂの他端が、貫通して
いる。なお、導波管３の他端部で、外部導体３ａと内部
導体３ｂとの間には、真空封止窓３ｃが形成されてい
る。

【０００８】前記中心導体３ｂの延出下端には、複数
（この実施の形態では８本）のバーアンテナ４の一端が
電気的に接続されている。これらバーアンテナ４は薄く
細長い金属板や金属棒等の導電体により形成されてお
り、円板２の下面に沿って中心より外周近くにまで放射
状に延びている。この結果、高周波源から発振されるマ
イクロ波は、導波管３並びにバーアンテナ４を介してハ
ウジング１内に供給される。尚、前記バーアンテナ４
は、円板２の下面に、密着されていることが好ましい。

【０００９】前記ハウジング１の上壁には、多数の永久
磁石５ａ，５ｂが、図２に示すような配列で埋設固定さ
れている。即ち、これら磁石は複数（この実施例では４
つ）の同心円上に互いに所定間隔を有して並べられ、１
列目と３列目との永久磁石５ａが下面がＮ極にそして上
面がＳ極に、また２列目と４列目の永久磁石５ｂが下面
がＳ極にそして上面がＮ極になるようにして配設されて
いる。

【００１０】この結果、極性の反対の隣合った永久磁石
５ａ，５ｂ相互は、一方の磁石５ａのＮ極から他方の磁
石５ｂのＳ極に向かって磁力線が発生されているミラー
磁界を形成している。そして、後述するプラズマ領域の
ほぼ中心面となるＥＣＲ面上で電子サイクロトロン共鳴
条件（マイクロ波周波数をｆ，電子の電荷と質量とをそ
れぞれｑ，ｍ，そして磁束密度をＢとしたときに、ｆ＝
ｑＢ／（２πｍ）が満たされるように、前記バーアンテ
ナ４を介して供給されるマイクロ波と、永久磁石５ａ，
５ｂにより発生される磁界の強さとが設定されている。

【００１１】前記ハウジング１内の下部には、金属等の
導電体で形成されたサセプタ６が、これの上面が前記誘
電体の円板２との間でプラズマ空間を規定するように、
所定間隔を有して対面するようにして設けられている。
被処理体７は、サセプタ６の上面に、例えば、吸引によ
り載置固定される。このサセプタ６は、これを、かくし
て、載置された被処理体７をほぼ常温に保つための冷却
手段が設けられている。この冷却手段は、成膜中に、発
生されたプラズマからのエネルギー入射束が高くて被処
理体が加熱されたときに場合に、駆動される。この好ま
しい例では、冷却手段は、冷却水が循環される水冷ジャ
ケット８により構成されている。

【００１２】また、このサセプタ６には、ハウジング１
の外に設けられた高周波発信器９に、整合器１０並びに
ブロッキング・コンデンサー１１を介して電気的に接続
されている。この高周波発信器９は、前記ハウジング１
にも電気的に接続されているか、ハウジング１自体が接
地されている。この結果、サセプタ６には所定の負バイ
アス電圧、好ましくは１５０Ｖないし５００Ｖの負バイ
アスが印加され得る。

【００１３】前記ハウジング１内には、外部に設けられ
た炭化水素ガス源並びに水素ガス源に一端が夫々接続さ
れた第１並びに第２のガス供給管１２，１３の他端側で
ある供給部１２ａ，１３ａが配置されている。上記炭化
水素源は、ダイヤモンド様炭素薄膜の原料となる炭化水
素ガス、例えば、ＣＨ₄ ガスを供給するガス源であり、
水素ガス源は、煤やポリマー膜等が装置の要部に堆積す
るのを防止するための水素プラズマを発生させる水素ガ
スを供給するガス源である。そして第１のガス供給管１
２の供給部１２ａは、被処理体７の上面近くで炭化水素
ガスをプラズマ空間に供給するように配設されており、
第２のガス供給管１３の供給部１３ａは、誘電体の円板
２並びにバーアンテナ４に向けて、もしくはこの近くに
水素ガスを噴射するように配設されている。この好まし
い例では、第１の供給部１２ａは、被処理体の上面とわ
ずかの間隔を有するようにして、サセプタの直径に沿っ
て延び、両側に多数の噴射口が直線状に配設された１本
の直線管により構成されている。一方、第２の供給部１
３ａは、バーアンテナ４とわずかの間隔を有するように
して、円板２の直径に沿って延び、少なくとも両側に多
数の噴射口が直線状に配設された１本の直線管により構
成されている。しかし、本発明においては、供給部１２
ａ，１３ａは、これら形状に限定されるものではなく、
例えば、サセプタ６と同心的で、これよりも小径もしく
は大径のリング状であっても良く。また互いに所定間隔
を有する複数の管で構成されていても良い。また、第２
の供給部１３ａは、例えば、ハウジング１の周壁に観察
窓が設けられているときには、これに水素ガスを噴射す
るように配設され得る。

【００１４】前記ハウジング１には、これの周壁を１５
０℃ないし２５０℃の温度に保つための加熱手段が設け
られている。この加熱手段は、周壁の外面に全周に渡っ
て接触して、周壁を直接加熱する環状の電気ヒータ１４
と、ハウジング１内に設けられ、周壁の内面に赤外線を
照射して、これを加熱する赤外線ランプ１５とにより構
成されている。勿論、この電気ヒータ１４と赤外線ラン
プ１５との駆動は、上記温度を周壁が維持するように、
図示しない温度センサーにより周壁の温度を感知するこ
とにより制御される。

【００１５】尚、図示していないが、上記ハウジング１
には、中を気密にするための底壁や、被処理体の出し入
れのためのゲートや、ハウジング１内を減圧し、排気す
るように真空ポンプに接続される排気ポート等この分野
で良く知られている手段が設けられている。

【００１６】次に、上記構成のダイヤモンド様炭素薄膜
堆積装置の動作を説明する。まず、サセプタ６上に、被
処理体７をこれの非処理面が上になるように載置させ
る。次に、ハウジング１内を所定圧力に、例えば、１０
ｍＴｏｒｒ以下に減圧すると共に、バーアンテナ４を介
してマイクロ波をプラズマ領域に供給する。そして、ハ
ウジング１の周壁を１５０℃ないし２５０℃の温度に保
つと共に、サセプタ６に１５０Ｖないし５００Ｖの負バ
イアスを印加する。この状態で、第１のガス供給管１２
により、炭化水素ガス、例えば、ＣＨ₄ ガスを被処理体
７近くに供給すると共に、第２のガス供給管１３によ
り、水素ガスを誘電体の円板２（ここ以外にも要部、例
えば観察窓）近くに供給する。この結果、被処理体７の
上面近くでＣＨ₄ ガスによるＥＣＲプラズマが発生され
る。尚、このプラズマ中には下記のような多種の荷電粒
子と中性ラジカルが発生される。

【００１７】ＣＨ₄ ＋ｅ → ｅ＋ＣＨ₃ ＋ＣＨ₃ ⁺ ＋
ＣＮ₂ ＋ＣＨ₂ ⁺ ＋ＣＨ＋ＣＨ⁺ ＋Ｃ＋Ｃ⁺ そして、このプラズマの発生に伴って、サセプタ６の温
度が常温より高くなるときには、冷却手段を運転して、
サセプタ６をほぼ常温に維持する。

【００１８】この結果、サセプタ６がハウジング１の周
壁よりも温度がかなり低く維持されているので、ラジカ
ルは集中的に被処理体７の上面に吸着される。そして、
サセプタ６には上記範囲の負バイアスが印加されている
ので、イオンは被処理体の上面に発生するシースで加速
されて前記吸着されたラジカルと衝突し、水素原子を放
出する。この結果、炭素膜が、効率良く被処理体の上面
に堆積して形成される。尚、このときの炭素原子はπ結
合とσ結合との混合した結合形態をとり、全体としては
アモルファス構造となる。ここで、σ結合とπ結合とは
夫々ダイヤモンド結合とグラファイト結合の基本となる
結合様式である。

【００１９】このような成膜処理の間、前記円板２等の
要部近くに供給された水素ガスにより、要部近くには水
素プラズマが発生されている。この結果、この要部に向
かう煤のもととなる炭素は、水素プラズマにより発生す
る水素原子と下記のように反応して気相により運ばれて
排気される。

【００２０】Ｃ＋４Ｈ →ＣＨ₄ このために、円板２、観察窓等の表面に煤やポリマーの
堆積が生じず、常時クリーニングされる。

【００２１】次に、マイクロ波放電を利用してプラズマ
を発生させる、他の実施の形態に係かわるダイヤモンド
様炭素薄膜堆積装置を図３を参照して説明する。尚、こ
の実施の形態で、前記図１に示す装置と実質的に同じ部
材は同じ参照符号を付して説明を省略する。

【００２２】ハウジング１の上壁には、サセプタ６と対
向するようにして、ほぼ同径の円形開口が形成されてお
り、また、この開口を閉塞するようにして、上壁の上面
には、誘電体窓２０が設けられている。そして、この誘
電体窓２０を収容するようにして、ハウジング１の上に
は、マイクロ波の反射器を構成する金属性の反射容器２
１が装着されている。この反射容器２１内には、誘電体
窓２０上に位置するようにして遅波回路２２が設けられ
ており、この一端には、一端が高周波源に接続された同
軸管２３の他端が接続されている。

【００２３】このような構成の装置においては、プラズ
マが、共鳴現象により発生されるのではなく、マイクロ
波放電により発生される以外は、前記実施の形態と同様
の作用効果を有する。

【００２４】前記実施の形態では、被処理体が基板状の
ものの場合に適しているが、被処理体がフイルム状であ
る場合には、図４に示すようにサセプタとして送りロー
ル３０を使用することが望ましい。この例では、ハウジ
ングの外に設けられた供給ローラ３１に巻回されたフイ
ルム状の被処理体７が送りロール３０に沿って連続的も
しくは間欠的に搬送され、このロール３０上でダイヤモ
ンド様炭素薄膜が形成されて、ハウジングの外に設けら
れた巻き取りローラ３２により順次巻き取られる。尚、
符号３３は、プラズマ空間を示し、ここに、ＥＣＲ共鳴
現象や放電現象により炭化水素を原料とするプラズマが
上記実施の形態と同様に発生される。

【００２５】

【発明の効果】請求項１に記載のダイヤモンド様炭素薄
膜堆積装置においては、放電部、電気絶縁部、観察窓等
の装置の部材に、煤やポリマー膜が堆積するのを防止で
きる。このために、堆積した煤やポリマー膜を除去する
作業を度々する必要がない。また、請求項２に記載のダ
イヤモンド様炭素薄膜堆積装置においては、被処理体に
はダイヤモンド様炭素薄膜のみを効率良く堆積させるこ
とが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係わるダイヤモンド様
炭素薄膜堆積装置を概略的に示す図である。

【図２】図１に示す装置の永久磁石の配列を示す図であ
る。

【図３】本発明の他の一実施の形態に係わるダイヤモン
ド様炭素薄膜堆積装置を概略的に示す図である。

【図４】本発明の実施の形態の変形例を説明するための
図である。

【符号の説明】

１…ハウジング、２…誘電体の円板、３…導波管、４…
バーアンテナ、５ａ，５ｂ…永久磁石、６…サセプタ、
７…被処理体、１２…第１のガス供給管。１３…第２の
ガス供給管、１４…電気ヒータ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ハウジングと、このハウジング内に設け
られ被処理体を支持する支持手段と、被処理体の近くに
炭化水素ガスを供給する手段と、ハウジング内の煤の堆
積を防止する部材近くに水素ガスを供給する手段と、前
記ハウジング内にマイクロ波を供給して、被処理体の近
くで炭化水素ガスによるプラズマと、前記部材近くに水
素ガスによるプラズマとを夫々発生させる手段と、前記
支持手段よりもハウジングの周壁を高温にする温度制御
手段とを具備することを特徴とするダイヤモンド様炭素
薄膜堆積装置。
【請求項２】前記支持手段は１５０Ｖないし５００Ｖ
の負バイアスが印加されることを特徴とする請求項１の
ダイヤモンド様炭素薄膜堆積装置。
【請求項３】前記温度制御手段は、ハウジングの周壁
を１５０℃ないし２５０℃の温度に保つ加熱手段と、前
記支持手段をほぼ常温に保つ手段とを有することを特徴
とする請求項１もしくは２のダイヤモンド様炭素薄膜堆
積装置。