JP5530962B2 - 炭素膜の成膜装置及び炭素膜の成膜方法 - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマＣＶＤ法による炭素膜の成膜装置及び炭素膜の成膜方法に関する。
炭素は、埋設量がほぼ無限であり、かつ無害であることから資源問題及び環境問題の面からも極めて優れた材料である。炭素材料は、原子間の結合形態が多様で、ダイヤモンドやダイヤモンドライクカーボン、グラファイト、フラーレン、カーボンナノチューブなど、様々な結晶構造が知られている。中でも、アモルファス炭素膜であるダイヤモンドライクカーボンは、耐摩耗性、固体潤滑性などの機械的特性に優れ、可視光／赤外光透過率、低誘電率、酸素バリア性などを合わせ持つ機能性材料として注目されており、各産業分野への応用が期待されている。
ダイヤモンドライクカーボン（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ ：ＤＬＣ）は、その結晶構造が非晶質（アモルファス）であり、通常、化学気相合成法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ：ＣＶＤ）により、基材（ワーク）上に非晶質の炭素が堆積した状態で得られる。化学気相合成法としては、特許文献１〜４に開示されたように、向かい合う２つの電極間に高周波電力を加えることによって生じるグロー放電を利用したプラズマＣＶＤ法が一般的である。具体的には、ワークを配置した高周波給電電極と、その高周波給電電極と平行に対向する接地電極との間に高周波電力を供給することにより、その間にグロー放電が生じる。このグロー放電を利用して電極間に導入した原料ガス（メタン、アセチレン等）を分解し、ワーク上にＤＬＣ薄膜を堆積させる。
プラズマＣＶＤ法には、プラズマを発生させる方法により区別され、直流プラズマＣＶＤ法，高周波プラズマＣＶＤ法のふたつがある。
直流プラズマＣＶＤ法は、ワーク（陰極）に供給されたマイナスの直流電圧によりプラズマを発生させ、原料ガス（炭化水素ガス）をイオン化し、ワーク表面にアモルファス炭素膜を成膜する方法である。
高周波プラズマＣＶＤ法は、ワーク（陰極）に供給した高周波電力によりプラズマを発生させ、炭化水素ガスをイオン化し、ワーク表面にアモルファス炭素膜を成膜する方法である。また、電極形状は平行平板型を用いている。
しかしながら、直流プラズマＣＶＤ法では、ワークに直流電圧を供給する際に、プラズマ電流によりワークの温度が上昇すると言う問題点が発生する。また、ワーク（電極）へアモルファス炭素膜が堆積すると導電性が低下して、プラズマが不安定になり、しいてはアーク放電が発生し、ワーク表面を損傷するという問題が発生する。
高周波プラズマＣＶＤ法では、高周波電力により発生するセルフバイアス電圧によりワーク温度が上昇するという問題点が発生する。また、高周波プラズマＣＶＤ法では平行平板型の電極を用いると、３次元形状の処理物（ワーク）に成膜した膜の膜厚差が大きくなる問題が発生する。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、膜厚の均一な炭素膜を、３次元形状の処理物（ワーク）に形成（成膜）する成膜装置を提供することを課題とする。また、炭素膜の成膜方法を提供することを課題とする。
本発明の炭素膜の成膜装置は、プラズマＣＶＤ法によってワークの表面に炭素膜を形成する炭素膜の成膜装置であって、真空槽と、真空槽の内部に配置され、ワークを保持する第一の電極と、第一の電極と間隔を隔てた位置にもうけられ、かつ第一の電極の外周に立設してもうけられ、原料ガスをイオン化する第二の電極と、第一の電極，第二の電極のそれぞれに独立して電力を供給する電源装置と、原料ガスを供給するノズルと、を有し、第二の電極は、第一の電極のワークを保持するワーク保持部よりも大きな円盤状の基部と、基部の外縁部にもうけられた棒状の立設部と、を有することを特徴とする。
本発明の炭素膜の成膜方法は、プラズマＣＶＤ法によってワークの表面に炭素膜を形成する炭素膜の成膜方法であって、ワークを保持した第一の電極と、第一の電極と間隔を隔てた位置にもうけられ、かつ第一の電極の外周に立設してもうけられた原料ガスをイオン化する第二の電極と、のそれぞれの電極に電力を供給して、ワークの表面に炭素膜を成膜するものであって、第二の電極は、第一の電極のワークを保持するワーク保持部よりも大きな円盤状の基部と、基部の外縁部にもうけられた棒状の立設部と、を有することを特徴とする。
本発明の炭素膜の成膜装置は、原料ガスをイオン化する第二の電極を有する構成となっている。このような構成となることで、ワークに成膜する炭素膜が均一なものとなり、膜厚分布特性が向上する。
また、本発明の炭素膜の成膜装置によれば、ワークの温度が２００℃以下でワークの表面に炭素膜を成膜することができる。
すなわち、本発明の炭素膜の成膜装置は、膜厚の均一な炭素膜を、３次元形状の処理物に、２００℃以下で成膜することができる。
本発明の炭素膜の成膜方法は、上記の成膜装置と同様に、原料ガスをイオン化する立設した第二の電極を有しており、ワークの表面に均一な炭素膜を成膜することができる。
本発明による炭素膜は、上記の成膜方法を用いて、又は上記の成膜装置を用いて成膜されたものであり、均一な膜厚分布を有するものとなっている。
以下に、本発明の炭素膜の成膜装置，炭素膜の成膜方法及び炭素膜の実施の形態を説明する。
［炭素膜の成膜装置］
本発明の炭素膜の成膜装置は、プラズマＣＶＤ法によってワークの表面に炭素膜を形成する炭素膜の成膜装置である。
本発明の炭素膜の成膜装置は、プラズマＣＶＤ法によってワークの表面に炭素膜を形成する炭素膜の成膜装置である。
そして、真空槽と、真空槽の内部に配置され、ワークを保持する第一の電極と、第一の電極と間隔を隔てた位置にもうけられ、かつ第一の電極の外周に立設してもうけられた原料ガスをイオン化する第二の電極と、第一の電極，第二の電極のそれぞれに独立して電力を供給する電源装置と、原料ガスを供給するノズルと、を有する。
真空槽は特に限定されるものではなく、従来公知の真空槽とすることができる。真空槽としては、たとえば、円筒状（断面円形形状），断面方形形状，６角形状等の断面多角形の真空槽をあげることができる。
第一の電極は、真空槽の内部に配置され、ワークを保持するものである。第一の電極は、その構成が特に限定されるものではない。たとえば、その上にワークを保持するワーク保持部と、ワーク保持部を真空槽内に固定する固定部材と、を有する構成とすることができる。ここで、ワーク保持部は、円盤状をなすことが好ましい。第一の電極は、真空槽の中心に配置されることが好ましい。
第二の電極は、第一の電極と間隔を隔てた位置にもうけられ、かつ第一の電極の外周に立設してもうけられ、原料ガスをイオン化するものである。第二の電極は、第一の電極の外周に立設して設けられた複数の立設部を備えていることが好ましい。第二の電極は、第一の電極のワークを保持するワーク保持部よりも大きな円盤状の基部と、基部の外縁部にもうけられた棒状の立設部と、を有することが好ましい。第二の電極の立設部は、ワーク及び／又はワーク保持部を包囲するように設けられていることが好ましい。立設部がワークを包囲するように設けられていることで、原料ガスのイオン化がより広範囲で生じるため、膜厚の均一な炭素膜を成膜することができる。
電源装置は、第一の電極，第二の電極のそれぞれに独立して電力を供給する装置である。つまり、電源装置は、本発明の炭素膜の成膜装置において、炭素膜の成膜に要する電力を供給する装置である。
本発明の炭素膜の成膜装置において、第二の電極は、高周波電源に接続されることが好ましい。第二の電極に高周波電源より電力を供給することで、プラズマを発生させ、原料ガスをイオン化することができる。
本発明の炭素膜の成膜装置において、第一の電極は、バイポーラ型パルス電源、直流電源、高周波電源等の電源に接続することができる。
ノズルは、原料ガスを供給する。ノズルが原料ガスを供給することで、原料ガスが第二の電極によりイオン化され、炭素膜がワークに成膜される。
ノズルから供給される原料ガスは、炭素膜の成膜に用いることができるガスであれば、限定されない。原料ガスは、メタン（ＣＨ４），ベンゼン（Ｃ６Ｈ６），アセチレン（Ｃ２Ｈ２），エタン（Ｃ２Ｈ６），プロパン（Ｃ３Ｈ８），ブタン（Ｃ４Ｈ１０），トルエン（Ｃ７Ｈ８），ピリジン（Ｃ５Ｈ５Ｎ），ピラジン（Ｃ４Ｈ４Ｎ２），ピロール（Ｃ４Ｈ５Ｎ），４フッ化炭素（ＣＦ４），６フッ化２炭素（Ｃ２Ｆ６），８フッ化３炭素（Ｃ３Ｆ８），６フッ化４炭素（Ｃ４Ｆ６），８フッ化４炭素（Ｃ４Ｆ８），６フッ化６炭素（Ｃ６Ｆ６）などの炭素含有ガスの１種以上を含有するガスをあげることができる。原料ガスは、テトラメチルシラン（ＴＭＳ：Ｓｉ（ＣＨ３）４）、シラン、ＳｉＣｌ４等のＳｉ含有ガスのうちの１種以上からなるガスとの混合ガスであってもよい。また、原料ガスは、水素，アルゴン，窒素，ヘリウム等の少なくとも１種からなる希釈ガスとの混合ガスであってもよい。
本発明の炭素膜の成膜装置において、ワークの表面に成膜する炭素膜は特に限定されるものではなく、プラズマＣＶＤ法によって成膜されるアモルファス炭素膜であることが好ましい。
［炭素膜の成膜方法］
本発明の炭素膜の成膜方法は、プラズマＣＶＤ法によってワークの表面に炭素膜を形成する炭素膜の成膜方法である。そして、ワークを保持した第一の電極と、第一の電極と間隔を隔てた位置にもうけられ、かつ第一の電極の外周に立設してもうけられた原料ガスをイオン化する第二の電極と、のそれぞれの電極に電力を供給して、ワークの表面に炭素膜を成膜する成膜方法である。
本発明の炭素膜の成膜方法は、プラズマＣＶＤ法によってワークの表面に炭素膜を形成する炭素膜の成膜方法である。そして、ワークを保持した第一の電極と、第一の電極と間隔を隔てた位置にもうけられ、かつ第一の電極の外周に立設してもうけられた原料ガスをイオン化する第二の電極と、のそれぞれの電極に電力を供給して、ワークの表面に炭素膜を成膜する成膜方法である。
本発明の炭素膜の成膜方法は、第一の電極にワークを保持した状態で、第一の電極の外周にもうけられた第二の電極と第一の電極に電力を供給して成膜する。第二の電極に電力を供給することで、原料ガスをイオン化する。第一の電極にも電圧が供給されており、イオン化した原料ガスが、第一の電極（に保持されたワーク）に向かって移動し、ワーク表面に付着してワーク表面に被膜を成膜する。
本発明の炭素膜の成膜方法は、立設した第二の電極の周囲で原料ガスがイオン化されており、より多くの原料ガスをイオン化することができるとともに、立設方向の広い範囲でイオン化した原料を発生することができる。そして、このイオン化した原料ガスがワークに炭素膜を形成する。このとき、立設部がワークを包囲するように設けられており、原料ガスのイオン化がより広範囲で生じる。このように、本発明の成膜方法は、原料ガスのイオン化がワークの外周の全面を覆うように広い範囲で生じるため、ワーク全体に均一な炭素膜を形成することができる。
なお、本発明の炭素膜の成膜方法は、ワークを保持した第一の電極と立設して設けられた第二の電極のそれぞれの電極に電力を供給して行うこと以外は、特に限定されるものではない。すなわち、従来公知の成膜条件、装置と同様にして成膜することができる。
また、本発明の炭素膜の成膜方法は、第一の電極，第二の電極に供給される電力は、特に限定されるものではなく、第二の電極には原料ガスをイオン化できる電力を、第一の電極にはイオン化した原料ガスが移動できる電力（電圧）を供給する。
本発明の炭素膜の成膜方法は、請求項１〜４のいずれかに記載の炭素膜の成膜装置を用いて成膜することが好ましい。請求項１〜４のいずれかに記載の成膜装置は、上記のように、均一な炭素膜を成膜することができる効果を発揮している。すなわち、本発明の成膜方法は、均一な炭素膜を成膜することができる効果を発揮する。
［炭素膜］
本発明による炭素膜は、請求項４〜５のいずれかに記載の炭素膜の成膜方法を用いて、又は請求項１〜３のいずれかに記載の炭素膜の成膜装置を用いて成膜される。本発明による炭素膜は、上記の成膜方法又は成膜装置を用いて成膜したものであり、上記の各効果を発揮する。すなわち、本発明による炭素膜は、均一な炭素膜となっている。
本発明による炭素膜は、請求項４〜５のいずれかに記載の炭素膜の成膜方法を用いて、又は請求項１〜３のいずれかに記載の炭素膜の成膜装置を用いて成膜される。本発明による炭素膜は、上記の成膜方法又は成膜装置を用いて成膜したものであり、上記の各効果を発揮する。すなわち、本発明による炭素膜は、均一な炭素膜となっている。
以下に、本発明の実施例を図を用いて説明する。図１は本実施例の炭素膜の成膜装置の構成を示す概略図であり、図２は図１の成膜装置のＩ−Ｉ断面での成膜炉を上方から見た断面図である。
（実施例１）
本実施例の炭素膜の成膜装置１は、真空槽１０、真空槽１０内で軸方向に伸び、ワークＷを保持する第一の電極２、ワークＷを包囲するように立設部３１がもうけられた第二の電極３、真空槽１０内に原料ガスを供給するガス供給系４、真空槽１０と連通して真空槽１０内の真空排気を行う排気系５、を有する。
本実施例の炭素膜の成膜装置１は、真空槽１０、真空槽１０内で軸方向に伸び、ワークＷを保持する第一の電極２、ワークＷを包囲するように立設部３１がもうけられた第二の電極３、真空槽１０内に原料ガスを供給するガス供給系４、真空槽１０と連通して真空槽１０内の真空排気を行う排気系５、を有する。
真空槽１０は、軸方向が鉛直方向となる略円筒状を有し、その内部にステンレス製の防着板１００を備えている。防着板１００は、第一の電極２及び第二の電極３の径方向外方に位置し、炭素膜の成膜時に、真空槽１０の内周面にイオン化した原料ガスが付着して炭素膜が形成されることを防止する。
第一の電極２は、略円筒状の真空槽１０の中心（断面における中心、円筒状の軸心）にもうけられ、固定部材２１にワークＷを接続した。ワークＷには、軸受け鋼（ＳＵＪ２）製のφ２０ｍｍ×４００ｍｍの略棒状の部材を用いた。
第一の電極２は、バイポーラ型パルス電源２５に接続される。バイポーラ型パルス電源２５は、第一の電極２に供給される電圧を調節できる。また、バイポーラ型パルス電源２５は、第一の電極２との間にフィルタ２６を介在させている。フィルタ２６は、高周波電力がバイポーラ型パルス電源２６へ流入することを防止する。
第二の電極３は、第一の電極２と間隔を隔てた位置にもうけられている。第二の電極３は、円盤状の基部３０と、基部３０の外縁部に等間隔にもうけられた複数の棒状の立設部３１と、を有する。
第二の電極３の基部３０は、円盤状の部材である。また、第二の電極３の基部３０は、第一の電極２の先端（下端）と間隔を隔てた位置に、円盤状の基部３０の中心がワーク保持部２０の軸方向の延長上に位置した状態で配置されている。また、円盤状の基部３０は、上面（第一の電極２との対向面）が、軸方向に垂直に広がるように配置されている。
第二の電極３の立設部３１は、円盤状の基部３０の外縁部に略等間隔で立設している。すなわち、基部３０の上面から、広がる方向に対して交差する方向（具体的には、上面に対して垂直な方向（軸方向に相当），図１で鉛直上方）にのびている。また、本実施例において、立設部３１は、同じ長さで複数本がもうけられている。立設部３１は、立設した先端が、第一の電極２の縮径した部分と軸方向の位置が重なるようにもうけられている。本実施例において立設部３１は、比較的細径の円柱状（棒状）の部材よりなる。図に示したように、第二の電極３の立設部３１は、第一の電極２を取り囲むようにもうけられている。
第二の電極３は、高周波電源３５に接続される。高周波電源３５は、第二の電極３に供給される電力を調節できる。また、高周波電源３５は、第二の電極３との間にマッチングボックス３６を介在させている。
ガス供給系４は、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）４０と、マスフローコントローラ４０からのガスを供給するガス供給弁４１と、真空槽１０内に開口したノズル４２と、を有する。ガス供給系４は、原料ガスと希釈ガスの混合ガスをマスフローコントローラ４０により流量を調整後、ガス供給弁４１を経て、ノズル４２より真空槽１０に供給する。ノズル４２は、ガス供給弁４１を通過した混合ガスを真空槽１０内に導入する。
排気系５は、真空槽１０内のガスを吸引する真空排気装置５０と、真空排気装置５０が吸引するガスの流量を調節する排気調節弁５１と、を有する。排気系５の真空排気装置５０は、油回転ポンプ、メカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプ、油拡散ポンプ等から選ばれるひとつ以上のポンプにより形成され、排気調節弁５１を調節することにより真空槽１０内の圧力を調整する。
（比較例）
本比較例は、第二の電極３が立設部３１を有していないこと以外は、実施例１の炭素膜の成膜装置と同様な構成の成膜装置である。本比較例の成膜装置の構成を、図３に示した。
本比較例は、第二の電極３が立設部３１を有していないこと以外は、実施例１の炭素膜の成膜装置と同様な構成の成膜装置である。本比較例の成膜装置の構成を、図３に示した。
（評価）
実施例１及び比較例の評価として、それぞれの成膜装置で炭素膜を成膜し、炭素膜の膜厚を測定した。
実施例１及び比較例の評価として、それぞれの成膜装置で炭素膜を成膜し、炭素膜の膜厚を測定した。
（炭素膜の成膜）
まず、排気系５により真空槽１０内を到達真空度が５×１０−３Ｐａまで排気し、真空槽１０内を真空状態にした。
まず、排気系５により真空槽１０内を到達真空度が５×１０−３Ｐａまで排気し、真空槽１０内を真空状態にした。
そして、ガス供給系４を用いて、真空槽１０に、水素ガス（Ｈ２）を５０ＳＣＣＭ，アルゴンガス（Ａｒ）を５０ＳＣＣＭの流量で導入した。その後、排気調節弁５１の開閉度を調節し、真空槽１０の処理圧を０．８Ｐａとした。
第一の電極２には−３６０Ｖの電圧を、第二の電極３には２６５Ｗの高周波電力を、それぞれ供給した。この電力の供給により、ワークＷの表面が清浄化された。
６０分間の電力の供給後、ガス供給系４を用いて、真空槽１０に、アルゴンガス（Ａｒ）を４５ＳＣＣＭ，ベンゼンガス（Ｃ６Ｈ６）を５５ＳＣＣＭの流量で導入した。その後、排気調節弁５１の開閉度を調節し、真空槽１０の処理圧を０．８Ｐａとした。
第一の電極２には−３７３Ｖの電圧を、第二の電極３には３００Ｗの高周波電力を、それぞれ供給した。なお、電力の供給時間は、２９０分であった。
この電力の供給により、第一の電極２に接続したワークＷの表面上に、炭素膜（アモルファス炭素膜）が成膜した。実施例１の成膜装置で成膜した炭素膜を実施例１の炭素膜とし、比較例の成膜装置で成膜した炭素膜を比較例の炭素膜とした。
（炭素膜の膜厚の測定）
第一の電極２側の先端からの距離が、０，１０，１００，２００，３００，４００ｍｍのそれぞれの位置において、ワークＷの表面に形成された炭素膜の膜厚を測定し、測定結果を図４，５に示した。図４は実施例１の炭素膜の測定結果を、図５は比較例の炭素膜の測定結果を、それぞれ示した。
第一の電極２側の先端からの距離が、０，１０，１００，２００，３００，４００ｍｍのそれぞれの位置において、ワークＷの表面に形成された炭素膜の膜厚を測定し、測定結果を図４，５に示した。図４は実施例１の炭素膜の測定結果を、図５は比較例の炭素膜の測定結果を、それぞれ示した。
図４に示したように、実施例の炭素膜は、ワークＷの長さ方向の全域にわたって、ほぼ均一な膜厚となっていることが確認できる。これに対し、図５に示したように、比較例の炭素膜は、ワークＷの先端（第二の電極３）に近づくほど炭素膜の膜厚が厚くなっていることが確認できる。つまり、比較例の成膜装置では、均一な膜厚の炭素膜が成膜できなかった。
上記したように、実施例１及び比較例の成膜装置では、第二の電極３に高周波電力を供給してベンゼンガスをイオン化し、第一の電極に供給された電圧により、イオン化したベンゼンガスが第一の電極に接続されたワークＷに向かって移動し、ワークＷの表面に堆積して炭素膜を成膜している。
実施例の成膜装置（成膜方法）では、第二の電極３が立設部３１を有する条件で炭素膜を成膜している。このとき、立設部３１を含む広い範囲でベンゼンガスのイオン化が発生する。イオン化したベンゼンの発生量が多くなるだけでなく、発生したベンゼンガスがワークＷの全体を覆うようになる。この状態で、ワークＷにイオン化したベンゼンガスが付着して堆積して炭素膜が成膜する。この結果、実施例の成膜装置（成膜方法）では、膜厚の均一な実施例の炭素膜を成膜することができた。対して、第二の電極３が立設部３１を有していない比較例では、ベンゼンガスのイオン化が基部３０に相当する部材のみで行われるため、イオン化したベンゼンガスの量が少なく、さらに第一の電極２方向に向かって移動するため、不均一な炭素膜となった。
（実施例２）
本実施例では、ワークＷに、炭素工具鋼（ＳＫ４）製のφ６ｍｍ×５０ｍｍの略棒状の部材を用い、実施例１の成膜装置で炭素膜の成膜を行った。成膜は、下記の成膜１〜３の各条件で行われた。
本実施例では、ワークＷに、炭素工具鋼（ＳＫ４）製のφ６ｍｍ×５０ｍｍの略棒状の部材を用い、実施例１の成膜装置で炭素膜の成膜を行った。成膜は、下記の成膜１〜３の各条件で行われた。
（炭素膜の成膜１）
まず、排気系５により真空槽１０内を到達真空度が５×１０−３Ｐａまで排気し、真空槽１０内を真空状態にした。
まず、排気系５により真空槽１０内を到達真空度が５×１０−３Ｐａまで排気し、真空槽１０内を真空状態にした。
そして、ガス供給系４を用いて、真空槽１０に、水素ガス（Ｈ２）を５０ＳＣＣＭ，アルゴンガス（Ａｒ）を５０ＳＣＣＭの流量で導入した。その後、排気調節弁５１の開閉度を調節し、真空槽１０の処理圧を０．８Ｐａとした。
第一の電極２には−３６０Ｖの電圧を、第二の電極３には２６５Ｗの高周波電力を、それぞれ供給した。この電力の供給により、ワークＷの表面が清浄化された。
６０分間の電力の供給後、ガス供給系４を用いて、真空槽１０に、アルゴンガス（Ａｒ）を５５ＳＣＣＭ，メタンガス（ＣＨ４）を４５ＳＣＣＭの流量で導入した。その後、排気調節弁５１の開閉度を調節し、真空槽１０の処理圧を０．８Ｐａとした。
第一の電極２には電圧（−１００，−２００，−３００，−３７３，−５００，−６５０Ｖ）を、第二の電極３には３００Ｗの高周波電力を、それぞれ供給した。なお、電力の供給時間は、２９０分であった。
この電力の供給により、第一の電極２に接続したワークＷの表面上に、炭素膜が成膜した。
（炭素膜の成膜２）
まず、排気系５により真空槽１０内を到達真空度が５×１０−３Ｐａまで排気し、真空槽１０内を真空状態にした。
まず、排気系５により真空槽１０内を到達真空度が５×１０−３Ｐａまで排気し、真空槽１０内を真空状態にした。
そして、ガス供給系４を用いて、真空槽１０に、水素ガス（Ｈ２）を５０ＳＣＣＭ，アルゴンガス（Ａｒ）を５０ＳＣＣＭの流量で導入した。その後、排気調節弁５１の開閉度を調節し、真空槽１０の処理圧を０．８Ｐａとした。
第一の電極２には−３６０Ｖの電圧を、第二の電極３には２６５Ｗの高周波電力を、それぞれ供給した。この電力の供給により、ワークＷの表面が清浄化された。
６０分間の電力の供給後、ガス供給系４を用いて、真空槽１０に、アルゴンガス（Ａｒ）を５５ＳＣＣＭ，メタンガス（ＣＨ４）を４５ＳＣＣＭの流量で導入した。その後、排気調節弁５１の開閉度を調節し、真空槽１０の処理圧を０．８Ｐａとした。
第一の電極２には−３７３Ｖの電圧を、第二の電極３には高周波電力（１００，３００、５００，１０００Ｗ）を、それぞれ供給した。なお、電力の供給時間は、２９０分であった。
この電力の供給により、第一の電極２に接続したワークＷの表面上に、炭素膜が成膜した。
（炭素膜の成膜３）
まず、排気系５により真空槽１０内を到達真空度が５×１０−３Ｐａまで排気し、真空槽１０内を真空状態にした。
まず、排気系５により真空槽１０内を到達真空度が５×１０−３Ｐａまで排気し、真空槽１０内を真空状態にした。
そして、ガス供給系４を用いて、真空槽１０に、水素ガス（Ｈ２）を５０ＳＣＣＭ，アルゴンガス（Ａｒ）を５０ＳＣＣＭの流量で導入した。その後、排気調節弁５１の開閉度を調節し、真空槽１０の処理圧を０．８Ｐａとした。
第一の電極２には−３６０Ｖの電圧を、第二の電極３には２６５Ｗの高周波電力を、それぞれ供給した。この電力の供給により、ワークＷの表面が清浄化された。
６０分間の電力の供給後、ガス供給系４を用いて、真空槽１０に、アルゴンガス（Ａｒ）を５５ＳＣＣＭ，メタンガス（ＣＨ４）を４５ＳＣＣＭの流量で導入した。その後、排気調節弁５１の開閉度を調節し、真空槽１０の処理圧を０．１，０．８，１０．０，４０．０，１００．０Ｐａとした。
第一の電極２には−３７３Ｖの電圧を、第二の電極３には３００Ｗの高周波電力を、それぞれ供給した。なお、電力の供給時間は、２９０分であった。
この電力の供給により、第一の電極２に接続したワークＷの表面上に、炭素膜が成膜した。
（評価）
実施例２の評価として、上記の成膜１〜３で炭素膜が成膜したワークＷの硬度を測定した。なお、硬度（ＨＲＣ）の測定は、ＪＩＳ Ｇ ０２０２に規定の方法を用いた。
実施例２の評価として、上記の成膜１〜３で炭素膜が成膜したワークＷの硬度を測定した。なお、硬度（ＨＲＣ）の測定は、ＪＩＳ Ｇ ０２０２に規定の方法を用いた。
ワークＷを形成するＳＫ４の、熱処理温度と硬度の関係を図６に示した。
上記の成膜１〜３で炭素膜を成膜したワークＷの硬度の測定結果を図７〜９に示した。図７には成膜１でのワークＷの硬度の測定結果を、図８には成膜２でのワークＷの硬度の測定結果を、図９には成膜３でのワークＷの硬度の測定結果を、それぞれ示した。なお、ワークＷの硬度の測定は、表面に炭素膜が成膜した状態で行った。ワークＷの表面の炭素膜は、硬度の測定結果に影響を及ぼすものではなく、炭素膜が無い状態と同じ測定結果を示す。
図６に示したように、ワークＷを形成するＳＫ４は、熱処理の処理温度が２００℃以上となると、硬度が変化（低下）する。
図７に示したように、電圧の負の値が３７３Ｖより大きくなると、ワークＷの硬度が変化（低下）していくことが確認できる。さらに、図６，７から、電圧の負の値が３７３Ｖより小さい条件で成膜を行うと、ワークＷの硬度を、２００℃未満の熱処理後の硬度と同程度の高い硬度とすることができることがわかる。
また、図８に示したように、高周波電力の値が３００Ｗより大きくなると、ワークＷの硬度が変化（低下）していくことが確認できる。さらに、図６，８から、高周波電力の値が３００Ｗより小さい条件で成膜を行うと、ワークＷの硬度を、２００℃未満の熱処理後の硬度と同程度のワークＷの硬度とすることができることがわかる。
また、図９に示したように、電力の供給時の真空槽１０内の混合ガスの圧力が１０Ｐａより大きくなると、ワークＷの硬度が変化（低下）していくことが確認できる。さらに、図６，９から、真空槽１０内の圧力が１０Ｐａより小さい条件で成膜を行うと、ワークＷの硬度を、２００℃未満の熱処理後の硬度と同程度のワークＷの硬度とすることができることがわかる。
上記のように、電圧の負の値を３７３Ｖ以下、高周波電力の値を３００Ｗ以下、成膜時の真空槽１０内の圧力を１０Ｐａ以下とすることで、ワークＷの温度が２００℃以上に上昇することを抑えることができることが確認できる。
すなわち、実施例の成膜装置（成膜方法）では、膜厚の均一な炭素膜を、３次元形状の処理物（ワーク）に成膜することができる効果を発揮する。さらに、電圧、高周波電力、真空槽内の混合ガスの圧力を調節することで、処理物の温度を２００℃以下で炭素膜を成膜することができる効果を発揮する。
（実施例の成膜装置の変形形態）
上記の実施例の成膜装置では、第一の電極２に接続したワークＷの表面に炭素膜を形成していた（ワークＷが第一の電極２と同様に機能していた）が、第一の電極２と第二の電極３との間にワークＷを配する場合でも、ワークＷの表面に炭素膜を形成することができる。
上記の実施例の成膜装置では、第一の電極２に接続したワークＷの表面に炭素膜を形成していた（ワークＷが第一の電極２と同様に機能していた）が、第一の電極２と第二の電極３との間にワークＷを配する場合でも、ワークＷの表面に炭素膜を形成することができる。
ワークＷは、第一の電極２に支持又は固定された状態で配することが好ましいが、ワークＷを配する形態については限定されるものではない。
たとえば、図１０に示したように第一の電極がワークＷを保持するワーク保持部を有していてもよい。この構成は、図１０に示したように、実施例の成膜装置の第一の電極２の先端（下端）に、その上にワークＷを保持する円盤状のワーク保持部２０を備えている。ワーク保持部２０は、その中心（円心）が第一の電極２の先端に固定されている。
ワーク保持部２０におけるワークＷの保持は、成膜装置１により成膜しているときに、ワーク保持部２０にワークＷを保持できる形態であればよく、ワーク保持部２０にワークＷを固定しても、ワーク保持部２０上にワークＷを載置しても、いずれでもよい。本実施例では、図１０に示したように、固定部材２１を用いてワークＷをワーク保持部２０に固定した。
ワーク保持部２０は、ワークＷの載置面がメッシュ状であってもよい。
また、ワークＷは、第一の電極に懸架して配してもよい。
これらの形態でも、ワークＷの表面に炭素膜を成膜することができる。このとき、上記の実施例の成膜装置での成膜と同様な効果を発揮する。
さらに、上記の実施例の成膜装置では、第二の電極３は、基部３０と立設部３１とを備えた構成をしているが、この構成のみに限定されない。
たとえば、立設した立設部３１は、その先端部が基端部に対して拡径又は縮径する（先端部が位置する円の径が基端部が位置する円の径に対して拡径又は縮径する）ように、鉛直方向に対して傾斜した状態でもうけられてもよい。また、立設部３１は、拡径と縮径を繰り返すように、湾曲した状態でもうけられていてもよい。さらに、複数の立設部３１を基部３０の上方で導電性の部材により接続していてもよい。
また、立設部３１は、メッシュ，パンチングメタルにより形成してもよい。たとえば、メッシュ，パンチングメタルを基部３０の外周形状に沿った筒状として、基部３０上に配置する形態でもよい。
１：炭素膜の成膜装置
１０：真空槽 １００：防着板
２：第一の電極
２０：ワーク保持部 ２１：固定部材
２５：バイポーラ型パルス電源 ２６：フィルタ
３：第二の電極
３０：基部 ３１：立設部
３５：高周波電源 ３６：マッチングボックス
４：ガス供給系
４０：マスフローコントローラ ４１：ガス供給弁
４２：ノズル
５：排気系
５０：真空排気装置 ５１：排気調節弁
Ｗ：ワーク
１０：真空槽 １００：防着板
２：第一の電極
２０：ワーク保持部 ２１：固定部材
２５：バイポーラ型パルス電源 ２６：フィルタ
３：第二の電極
３０：基部 ３１：立設部
３５：高周波電源 ３６：マッチングボックス
４：ガス供給系
４０：マスフローコントローラ ４１：ガス供給弁
４２：ノズル
５：排気系
５０：真空排気装置 ５１：排気調節弁
Ｗ：ワーク
Claims (5)
- プラズマＣＶＤ法によってワークの表面に炭素膜を形成する炭素膜の成膜装置であって、
真空槽と、
該真空槽の内部に配置され、該ワークを保持する第一の電極と、
該第一の電極と間隔を隔てた位置にもうけられ、かつ該第一の電極の外周に立設してもうけられた原料ガスをイオン化する第二の電極と、
該第一の電極，該第二の電極のそれぞれに独立して電力を供給する電源装置と、
原料ガスを供給するノズルと、
を有し、
該第二の電極は、
該第一の電極の該ワークを保持するワーク保持部よりも大きな円盤状の基部と、
該基部の外縁部にもうけられた棒状の立設部と、
を有することを特徴とする炭素膜の成膜装置。 - 前記第二の電極の前記立設部は、前記ワーク及び／又は前記ワーク保持部を包囲するようにもうけられている請求項１記載の炭素膜の成膜装置。
- 前記第二の電極は、高周波電源に接続される請求項１〜２のいずれかに記載の炭素膜の成膜装置。
- プラズマＣＶＤ法によってワークの表面に炭素膜を形成する炭素膜の成膜方法であって、
ワークを保持した第一の電極と、該第一の電極と間隔を隔てた位置にもうけられ、かつ該第一の電極の外周に立設してもうけられた原料ガスをイオン化する第二の電極と、のそれぞれの電極に電力を供給して、該ワークの表面に炭素膜を成膜するものであって、
該第二の電極は、
該第一の電極の該ワークを保持するワーク保持部よりも大きな円盤状の基部と、
該基部の外縁部にもうけられた棒状の立設部と、
を有することを特徴とする炭素膜の成膜方法。 - 請求項１〜３のいずれかに記載の炭素膜の成膜装置を用いて成膜する請求項４記載の炭素膜の成膜方法。
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