JP5839318B2 - 炭素膜の形成方法、炭素膜の形成装置、及び炭素膜 - Google Patents
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また、本発明の請求項6は、上記炭素原料基板を炭素含有量が99%以上の純粋炭素板のものとする他、炭素含有量を70〜90%の範囲に設定し、残余の含有元素をクロムとした請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の炭素膜の形成方法としている。
上記基板電圧印加手段を、基板に対してパルス電圧を出力するパルス電源とし、該出力するパルス電圧は、プラズマ発生源のパルス電源より炭素原料基板に出力される調整電力におけるパルス電圧と同期、または1nsec〜60μsecの範囲で遅延させる印加タイミングの調整手段を備えることを特徴とする炭素膜の形成装置としたものである。
さらに、本発明の請求項1によれば、極めて高硬度で特性に優れた炭素膜を提供することができるという効果がある。
また、本発明の請求項6によれば、上記炭素原料基板を炭素含有量が99%以上の純粋炭素板のものとする他、炭素含有量を70〜90%の範囲に設定し、残余の含有元素をクロムにしたため、被加工材の表面に形成される炭素膜の性質を任意に変更することが可能となり、より確実に良好かつ高品位な炭素膜を提供できることとなる。
さらに、本発明の請求項9によれば、上記基板電圧印加手段を、基板に対してパルス電圧を出力するパルス電源とし、該出力するパルス電圧は、プラズマ発生源のパルス電源より炭素原料基板に出力される調整電力におけるパルス電圧と同期、または1nsec〜60μsecの範囲で遅延させる印加タイミングの調整手段を備えることとしたため、こうした手段により確実に良好かつ高品位な炭素膜を形成することが可能となる。
図4に示す中間層の成膜は、インジウム(In)、タングステン(W)、タングステンカーバイト(WC)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)及び珪素(Si)、炭化ケイ素(SiC)、テトラメチルシラン(TMS)、ヘキサメチルジシロキサン(TEOS)からなる群から選ばれる一種又は二種以上からなる元素を被加工材4の表面に被着して行われる。中間層の形成としは、プラズマCVD法、スパッタリング法、イオン化蒸着法、蒸着法、印刷法またはメッキによって行うことが可能とされるが、プラズマCVD法又はスパッタリング法が好適である。
Hardness)(HIT)があり、投影接触面積Apと最大荷重Fmaxから下記式(1)のように示される。
測定条件
測定装置 :NEC 社製3S-R10、CEA 社製RBS-400
測定手法 :RBS (Rutherford Backscattering
Spectrometry)
HFS (Hydrogen
Forwardscattering Spectrometry)
入射イオン :2.275
MeV 4He++ (RBS,
HFS)
ビーム径 :1〜2 mmφ
RBS検出角度
:Normal Angle 160°
HFS検出角度
:Grazing Angle 30°
atomic %未満となり,目標の水素を含有しない高硬度の炭素膜(真性カーボン膜)が成膜可能となった。なお、HFS(RBS)により各層の状況と水素含有量の分析を行ったところ、最表層の200Å程度にある水素は表面吸着した元素であり膜中の水素含有量から除外した。
測定方法 :高分解能X線反射率測定(XRR)
X線発生部 :対陰極
Cu
出力 50 kV
300 mA
入射側分光条件
Ge(111)非対称 ビーム圧縮結晶
図13は実施例2により形成された炭素膜の深さ方向に対する水素含有量を示すグラフである。図14は実施例3により形成された炭素膜の深さ方向に対する水素含有量を示すグラフである。図15は実施例4により形成された炭素膜の深さ方向に対する水素含有量を示すグラフである。加えて図16は比較例としての通常のDLC膜の深さ方向に対する水素含有量を示すグラフである。これらの結果から明らかなように本発明による成膜法で形成された炭素膜では、実施例1〜4のすべてにおいて、表面に対する深さ方向での水素含有量が存在せず、または存在しても極めて少量の水素しか検出されない目標の水素を含有しない高硬度の炭素膜(真性カーボン膜)が成膜可能された事が確認できた。
日立ハイテクノロジーズ社製 S-5500 電界放出形走査電子顕微鏡(FE-SEM)
加速電圧: 2.0 kV
撮影方法: 二次電子像
加工装置:日立製作所製 FB2000A
最終仕上げ加速電圧:30
kV
観察装置:日立製作所製 HF-2000透過電子顕微鏡
加速電圧:200 kV
観察倍率:20,000倍、100,000倍
総合倍率:60,000倍、300,000倍
電子線回折測定領域:約1nm径
2:基板
3:基板電圧印加手段
4:被加工材
5:炭素原料基板
6:電極基板
7:パルス電源
8:ガス導入ポート
9:コントローラ
Claims (10)
- 所定の真空度に減圧可能とされる真空チャンバ内に、
被加工材を保持し、基板電圧印加手段により所定の電圧に印加される基板と、
上記基板に対向配置される炭素原料基板上で、上記真空チャンバ内に導入される放電発生用の媒体ガスをパルス電源より上記炭素原料基板に出力される調整電力に基づきプラズマ化し、上記炭素原料基板から上記基板に保持される上記被加工材に向けて炭素原料とともに放電するプラズマ発生源と、
を備え、
上記被加工材の表面に炭素膜を加工形成する炭素膜の形成方法であって、
上記基板電圧印加手段により上記基板に印加される電圧を0〜−300Vの範囲に設定し、
上記パルス電源より上記炭素原料基板に出力される調整電力を、79.6KW/m2〜3,184KW/m2の範囲に、調整電力におけるパルス電圧の印加時間を1nsec〜60μsecの範囲に設定し、
上記基板電圧印加手段により上記基板に印加される電圧を0〜−300Vの範囲に設定し、
上記パルス電源より上記炭素原料基板に出力される調整電力を79.6KW/m2〜3,184KW/m2の範囲に、調整電力におけるパルス電圧の印加時間を1nsec〜60μsecの範囲に設定することにより、上記被加工材の表面に形成される炭素膜を、密度2.4g/cm3〜2.7g/cm3、ビッカース換算硬度HV2,000〜HV4,000、換算熱伝導率1.0〜1.5W(m・K)、電気抵抗率0.01Ω・cm〜10Ω・cm、水素含有量1%以下に設定したことを特徴とする炭素膜の形成方法。 - 上記真空チャンバ内は、室温〜80°Cの範囲に設定調整した請求項1に記載の炭素膜の形成方法。
- 上記基板電圧印加手段は、上記基板に対してパルス電圧を出力するパルス電源とされ、該出力するパルス電圧は、上記プラズマ発生源の上記パルス電源より上記炭素原料基板に出力される調整電力におけるパルス電圧と同期、または1nsec〜60μsecの範囲で遅延させることとした請求項1又は請求項2に記載の炭素膜の形成方法。
- 上記真空チャンバ内に導入される放電加工用の媒体ガスは、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンのいずれか、あるいはこれらを任意に混合したものである請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の炭素膜の形成方法。
- 上記炭素原料基板には、炭素含有料が99%以上の純粋炭素板の他、炭素含有量を70〜90%の範囲に設定し、残余の含有元素をシリコン、ボロン、リン、リチウム、マグネシウム、白金、タングステン、タングステンカーバイトのいずれか、またはこれらを混合させたものである請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の炭素膜の形成方法。
- 上記炭素原料基板には、炭素含有量が99%以上の純粋炭素板の他、炭素含有量を70〜90%の範囲に設定し、残余の含有元素をクロムとした請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の炭素膜の形成方法。
- 上記真空チャンバ内に導入される放電加工用の媒体ガスに加えて、窒素、酸素、二酸化炭素、炭化フッ素のいずれかを含むドーピングガスを上記真空チャンバ内に導入することを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の炭素膜の形成方法。
- 上記基板に保持される被加工材は、合成樹脂、紙、繊維、不織布のいずれかである請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の炭素膜の形成方法。
- 所定の真空度に減圧可能とされる真空チャンバ内に、
被加工材を保持し、基板電圧印加手段により所定の電圧に印加される基板と、
上記基板に対向配置される炭素原料基板上で、上記真空チャンバ内に導入される放電発生用の媒体ガスをパルス電源より上記炭素原料基板に出力される調整電力に基づきプラズマ化し、上記炭素原料基板から上記基板に保持される上記被加工材に向けて炭素原料とともに放電するプラズマ発生源と、
を備え、
上記被加工材の表面に炭素膜を加工形成する炭素膜の形成装置であって、
上記基板電圧印加手段により上記基板に印加される電圧を0〜−300Vの範囲に
設定し、
上記パルス電源より上記炭素基板に出力される調整電力を79.6KW/m2〜3,184KW/m2の範囲に、調整電力におけるパルス電圧の印加時間を1nsec〜60μsecの範囲に設定調整するコントローラを備え、
上記基板電圧印加手段は、上記基板に対してパルス電圧を出力するパルス電源とされ、該出力するパルス電圧は、プラズマ発生源のパルス電源より炭素原料基板に出力される調整電力におけるパルス電圧と同期、または1nsec〜60μsecの範囲で遅延させる印加タイミングの調整手段を備えることとしたことを特徴とする炭素膜の形成装置。 - 被加工材の表面上の炭素膜であって、密度2.4g/cm 3 〜2.7g/cm 3 であり、ビッカース換算硬度HV2,000〜HV4,000であり、換算熱伝導率1.0〜1.5W(m・K)であり、電気抵抗率0.01Ω・cm〜10Ω・cmであり、水素含有量1%以下であることを特徴とする炭素膜。
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