JPH0225570A - 硬質炭素膜合成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は硬質炭素膜の合成方法に係り、詳しくはディス
ク、磁気ヘッド、切削工具等のコーティング材料として
使用される不純物の少ない膜質の潰れた硬質炭素膜の合
成方法に係る。

従　　来　　の　　茂　　術 硬質炭素膜はアモルファス構造を待ち、高硬度であり、
優れた潤滑性、耐摩耗性、耐薬品性を有し、種々の用途
に利用できるる被覆材料として；１目されている。

硬質炭素膜の合成方法としては、イオンブレーティング
法、スパッタ法、内部対向電極型プラズマｃｖｏ２、等
が知られている。しかしこれらの方法はそれぞれ下記の
ような欠点を持っている。

イオンブレーティング法は、成膜速度が遅いため実用に
適さない。またスパッタ法は膜中に金属や不活性ガ・ス
等の不純物を取り込み易い。

また内部対向電極型プラズマＧｖＤ法は時間とともに電
極が汚染され放電が不安定になり、合成膜の膜質も時間
とともに劣化する等である。これらの方法の他にダイヤ
モンドの合成方法としてＮ電極型プラズマＣＶｂ去があ
る（（例えば１９８５年発行のジャーナルオブマテリア
ルズサイエンス　レターズ誌（ＪｏＭＡＴＥＲＩＡＬＳ
　５ＣＩＥＮＣＥ　ＬＥＴＴＥＲ３）１９１３５年第４
巻６００〜６０２頁）。この方法は、上記のごとき欠点
がない優れた膜合成法であるが、この方法により炭素膜
を合成したところ、形成された硬質炭素膜は膜質の点で
潤滑性や硬度が低（、実用的なものが得られないという
問題があった。

以上要するに、現在までに提案されてきた硬質炭素膜の
合成方法では、膜質の傳れた実用的なものＩｆｌ！られ
す、実用的に使用できる高硬度で慣れた潤滑性を有する
硬質炭素膜の合成方法の出現が望まれている。

発明が解決しようとする！！ｉ！題 本発開本発明の問題点を解決することを目的とし、具体
的には、［！種型プラズマ反応部内により硬質炭素膜を
合成する際に、基体に負の電位を持たせることにより潤
滑性の良い硬質炭素膜を合成する方法を提案する。

課題を解決するための 手段ならびにその作用 すなわち本発明は、炭素化合物を含有する原料ガスを無
電極プラズマ放電により分解し、基体上に硬質炭素膜を
合成する際に、前記基体に負の電位を持たせることを特
徴とする。

そこで、これら手段たる構成ならびにその作用について
、更に具体的に説明すると次の通りである。

本発明者等は、潤滑性のよい硬質炭素膜を合成する方法
について研究を行なった結果、気相反応の制御とともに
、イオン等の荷電粒子（イオン種）が基体上に衝突する
時のエネルギーを１ｉｌｌ　ｔｉｌｌすることが必要で
あることが判った。

更に進んで、このようなエネルギ−１１ｊｔｌｌ１条件
を研究し、この研究にもとずいて本発明は成立したもの
である。

以下図面を参照しながら本発明を説明する。

なお第１図は本発明方法を実施する際に用いる装置の一
例の説明図であって、符号１は原料ガス、２は添加ガス
、３，４はマスフロメータ１．５゜６．７はバルブ、８
は反応容器、９は基体、１０は基体ホルダー、１１は高
電圧電源、１２は高周波誘導コイル、１３は高周波発撮
器、１４は排気口を示す。

まず、第１図の無電穫型プラズマＣｖＤ装置は、プラズ
マ反応部とプラズマ反応部に原料を供給する原料供袷礪
構と前記、プラズマ反応部にエネルギーを供給するエネ
ルギー供給機構と、前記プラズマ反応部内の基体に高電
圧を印加し角の電位を持たせる高電圧電源１１とから構
成されている。

プラズマ反応部は反応容器８から成り、この容器には容
器内を真空状態とする真空装置（図示せず）に接続され
た排気口１４と、基体９を載置する上下方向に移動自在
な基体ホルダー１０とが設けられている。

原料供給ｎ横は原料ガス１と添加ガス２とをそれぞれ反
応容器８内に供給するマスフローメータ３．４と原料ガ
ス、添加ガスを制御するバルブ５、Ｇ、７とからなり、
原料ガス１！１１独又は原料がス１と添加ガス２との混
合ガスを反応容器８の上部から反応容器８内に供給する
ようになっている。エネルギー供給ｉ構は高置’ｔｆｆ
ｔ発振器１３と高周波誘導コイル１２とから成り、この
コイルは反応容器８の側部外側を囲むように設けられて
いる。

高７８圧電源は基体ホルダー１０上の基体９に負の電位
を持たせるため反応容器８の外側に設けられ、高電圧電
源１１からの電圧が基体９に印加されるように設けられ
ている。

次に、この装置を用いて硬質炭素膜を合成する方法につ
いて説明すると次の通りである。

反応容器８内を真空装置により排気し、減圧状態としだ
後％原料ガス１を反応容器８内に導入する。

次に、高層；皮発振器１３から出力し、反応容器８内に
プラズマを発生させると共に反応容器８内のガス圧力を
調整し、基体ホルダー１０に支持された基体９に高電圧
電）［９１１より角になるように電圧を印加すると基体
上に高硬度の不純物がない潤滑性の良好な炭素膜が合成
される。

以上無電極型プラズマＣＶＤ″Ｉ装置の一例を説明した
が、本発明法に用いられる装置はこれに限られるもので
はなく、例えばマイクロ波プラズマ装置等、上記したは
能を有する装置であれば使用可能である口とは云うまで
もない。

次に、上記の装置により硬質炭素膜を合成する条件につ
いて説明する。

原料ガスとして用いる炭化水素化合物はメタン、エタン
、プロパン、ブタン等の飽和炭化水素、エチレン、プロ
ピレン等の三重結合炭素を持たない不飽和炭化水素、シ
クロペンタン、アダマンタン、シクロヘキサン等の脂環
式炭化水素、ベンゼン、トルエン、ナフタレン等の芳香
族炭化水素等の炭化水素化合物をあげることができるが
、取り扱いが容易なことからメタン、エタン等の炭素数
の少ない飽和炭化水素が好ましい。

、圭だ、炭化水素化合物に添加するガスとしては水素、
アルゴン、ヘリウム等があげられる。

また、炭化水素化合物に対する添加ガスの比率はＯ〜１
０００で、１０００超では膜は形成しない。成膜速度と
いう点から好ましくは０〜１００のｌ！！囲である。添
加ガスの効果としては、水素を添加すると膜中の水素含
有機は減少し、またアルゴン簀の不活性ガスを添加する
と成膜速度が向上する。無電極プラズマ放電は、例ｔば
前記した装置を用い、公知のプラズマ放電手段、例えば
１０４〜１０’　Ｈｚの高周波の交流電場による電離、
１０Ｑ〜１０１２Ｈｚのマイクロ波の電１！波による電
離などにより作られる。これらの中、取り扱いが容易で
あるという点から高周波の交流電場による高周波プラズ
マが好ましい。

基体としては、プラズマ放電により分解されたり破損し
たりしないものが望ましい。例えば、シリコン、石英、
炭化ケイ素等のケイ素化合物、黒鉛、ダイヤモンド等の
炭素物質、鉄、モリブデン等の金属、サフアイヤ、アル
ミナ等の酸化物などがあげられる。また基体の形状に制
約はない。

基体温度は実用的には至温か望ましいが、基体が損傷し
ない範囲で変えることができる。

ガス圧力はプラズマ＠電が可能な範囲でなければならな
いが、成膜速度、基体温度等考慮すると、０．Ｏ１〜ｔ
００Ｔｏｒｒが望ましい。

放電電圧、ガス流量は使用する装置に依存するので規定
することは困難である。

本発明は上記のような条件で硬質炭素膜を合成するが、
この場合、基体に負の電位を持たせるようにする。基体
に負の電位を持たせると、プラズマ中のイオン種がある
程度のエネルギーを待って基体と衝突する。このイオン
種の衝突により膜は硬化し、潤滑性は増加し成膜速度も
向上する。

また本発明法によれば、プラズマ反応と基体へのイオン
衝突を別々に制御することができるため、Ｉｌ！ｉ！質
の制御が容易となる。

基体に持たせる電位は基体に負の電位を加えるごとによ
り得られる。基体が絶ａ基体の場合、樋体ホルダーへの
イオン種の衝突により発生する２次電子により基体表面
は負の電位になる。

カロえる電位として、導電性基体と同じ効果が得られる
。電位は一１０Ｖ〜−ＩＫＶの範囲が有効であり、好ま
しくは−１００〜−５００ｖである。−１００ｖ超では
膜の硬度が低くなり、−５００Ｖ未満では膜が黒鉛化す
る可能性がある。

実施例 実施例１゜ 第１図に示すＶＡ置により硬質の炭素膜を基体上に合成
した。

反応容器８内をｔｏ−’Ｔｏｒｒ付近にまで排気した後
バルブ５．１を開け、メタン１００％の原料ガス１をマ
ス７０−メータ３を通じてメタンＦＥｆｆｉ５ＳＣＣＭ
で反応容器８内に導入した。次いで、高周波発振器１３
の出力を５００ｗにし、高層ＸＸ導コイルによりプラズ
マを発生させた。この時ガス圧力は０、　ＩＴｏｒｒに
調整した。基体ホルダー１０に支持されたシリコン製基
体９に高電圧電源１１により４００Ｖになるように電圧
を印加した。なお、温度は特にｉ！ＩＩＪ御しなかった
が、約１００℃であった。

上記の条件でシリコン基体上に高硬度の祭神物のない潤
滑性の良い膜が合成された。その条件及び結果を第１表
に示す。

実施例２゜ 基体上に一２００ｖの電圧を印加した以外は実施例１と
同様に行なった。この条件及び結果を第１表に示す。

比較例 ４体上にＯＶの電圧を印加した以外は天施例１と同様に
行なった。この条件及び結果を第１表に示した。

第１表 第１表から明らかなように、実施例１．２は比較例のも
のに比べて成膜速度、硬度及び１ｍ擦係数いずれも優れ
ている。

従って、本発明法による炭素膜は実用的価値は大きく、
被覆材料として広く使用可能である。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明は炭化水素化合物を含有する
原料ガスをＮ電極プラズマ放電により分解し、基体上に
硬質炭素膜を合成する際に、前記基体に負の電位を持た
せることを特徴とする。

本発明によれば、従来の方法では得られなかつた不純物
が少なく、硬度の高い、潤滑性の良い炭素膜が得られる
ようになった。

また、プラズマ中の気相反応と基体上のイオン衝撃とを
別々に制御できるため膜質のコントロールが容易になり
、その工業的価値は大きい。

４、図面のｌ１Ｊｌｔｌな説明 第１図は本発明を実施する際に用いられる装置の一例の
説明図である。

符号１・・・・・・原料ガス ２・・・・・・添加ガス ３．４・・・・・・マスフローメータ ５．６．７・・・・・・バルブ ８・・・・・・反応容器 ９・・・・・・基体 １０・・・・・・基体ホルダー １１・・・・・・高電圧電源 １２・・・・・・高周波誘導コイル １３・・・・・・高周波発振器 １４・・・・・・排気口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）炭化水素化合物を含有する原料ガスを無電極プラズ
   マ放電により分解し、基体上に硬質炭素膜を合成する際
   に、前記基体に負の電位を持たせることを特徴とする硬
   質炭素膜合成方法。