JPH0225571A - 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
用いられる膜質の優れた硬質炭素膜合成方法に係る。

従　　来　　の　　技　　術 硬質炭素膜はアモルファス構造を持ち、高硬度、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
可能な被覆材料として注目されている。

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、プラズマＣＶＤ法等があげられるが、゛
これらの方法はそれぞれ欠点を持っている。例えば、イ
オンブレーティング法は成膜速度が遅く、膜形成可能な
面積が狭いため実用に適しておらず、また、スパッタ法
は護中に金属や不活性ガス等の不純物を取り込みやすい
という欠点がある。プラズマＣＶＤ法には２種類あり、
内部対向電極型と無電極誘導結合型である。このうち内
部対向電極型は時間とともに電極が汚染され放電が不安
定になり形成膜の膜質も時間とともに劣化するという欠
点がある。

無電極誘導結合型は上記の如き欠点のない方法であり膜
形成には良い方法である。しかし、プラズマは一般に原
料ガス、ガス圧力、ガス流場、投入電力等多くの条件に
より変わり、また、これらの条件を独立に制御すること
は難かしい。

このため、多くの利点を持つプラズマＣＶＤ法であるが
しばしば異なった膜質の膜が形成してしまい、再現性に
乏しいという問題があった。

発明が解決しようとする課題 本発明はこれらの問題を解決することを目的とし、具体
的には、無電楊誘導結合型プラズマＣｖＤ装置により、
高硬度で優れた潤滑性を有する硬質炭素膜を再現性よく
、しかも、安定して得られる硬質炭素膜合成方法を提案
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、本発明は炭化水素化合物を含む原料ガスを無
電極プラズマ放電により分解し基体上にｆｉｌ！賀炭素
展を合成する際に、前記無電極プラズマ放電中の少なく
とも１つの発光種の発光強度分布を観測し、その発光強
度分布に基づいて前記基体の位置を決定することを特徴
とする。

そこで、これらの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。

本発明者等は無電極誘導結合型プラズマＣＶＤ装置によ
る硬質炭素膜を合成する際に、炭素膜の膜質の制御が困
難で高硬度で優れた潤滑性を有する硬質炭素膜の再現性
が十分でなく、また、安定して得られない理由について
検討したところ、無電極誘導゛結合型ＣｖＤ法では場所
により放電状態が変化し、それは原料ガスの流れ方向に
プラズマ反応が進むためであることがわかった。

また、膜質とプラズマ反応とを関係づけるものとしてプ
ラズマ発光種の発光強度が有効であることも判明した。

更に進んで、プラズマＣｖＯに置による硬質炭素膜の合
成条件について研究し、この研究結果に基づいて本発明
法は成立したものである。

本発明者等の研究結果によれば、プラズマ放電空間中の
プラズマ発光種の発光強度をモニターし適当な位ａに基
体を設置すれば従来の問題が解決することが可能である
こと、更に、具体的には、炭化水素を含む原料ガスを無
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、前記無電橋プラズマ放電中の発光種を観
測することにより前記基体の位置を決定するようにすれ
ば硬質炭素膜を再現性よ（合成することができる。

以下、図面により本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明法を実施する際に用いられる無電極誘導
結合型ＣｖＯ装置の一例を示す説明図である。

符号１は原料ガス、２は添加ガス、３．４はマスフロー
コントローラ、５．６．７はバルブ、８は反応容器、９
は高周波誘導コイル、１０は高周波発振器、１１は基体
、１２は基体ホルダー、１３は基体ホルダー駆動装置、
１４は発光種観測窓、１５は光ファイバー、１６は発光
分光分析装置、１７はデータ処理装置、１８は排気口を
示す。

まず、第１図に示すように無電極誘導結合型ＧｖＤ装置
はプラズマ反応部と、この反応部に原料ガスを供給する
原料供給機構と前記反応部にエネルギーを供給する機構
と、前記反応部のプラズマ反応状態を検出し、１ｌｉｌ
ｌｌｉｌするＩｉＩ１ｗ機構とから構成されている。

プラズマ反応部は反応容器８からなり、この容器８には
容器内を真空状態とする真空装置（図丞せず）に接続さ
れる排気口１８と駆動装置１３により上下方向に移動自
在に設けた基体ホルダー１２とからなる。

原料供給機構は原料ガスである炭化水素ガス１と添加ガ
ス２の供給量をそれぞれ調整する原料ガスのマスフロー
コントローラ３．４と前記原料ガスの流れを制御するバ
ルブ５．６．７とからなる。

エネルギー供給機構は反応容器８の側部外側を囲むよう
に設けた高周波誘導コイル９とこれに出力を与える高周
波発振器１０とからなる。

制ｔ！ＩＩ機構は反応容器８の側部外側に設けた発光種
観測窓１４と反応容器８のプラズマ反応状態を光ファイ
バー１５を介して分析する発光分光分析装置１６とこの
分析装置１６からの信号を設定値と比較し、処理するデ
ータ処理装置１７とこのデ−タ処理装置１１の信号によ
り基体１１を適正位置に配置させる基体１１の駆動装置
１１３とからなる。

次に、この装置を用いて硬質炭素膜を基体上に合成する
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た後
、原料ガス１を反応容器８内に導入する。なお、原料ガ
ス１に添加ガス２を必要に応じて添加することができる
。

次に、高周波発振器１０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、反応容器８内のＨ％Ｈ２、ＯＨ，Ｃ，Ｃ２等の発
光種の発光強度を光ファイバー１５で観測し、発光分光
分析装Ｍ１６で分析する。

この分析装置１６から出力される出力信号をデー・夕処
理装置１７で処理すると共に、データ処理装置１７から
の出力信号により基体ホルダー駆動装置１３を作動させ
、基体１１が所定の発光強度が得られる位・置に配置す
るように制御すると、所望の硬質炭素膜が基体１１の上
に合成される。

以上本発明を実施する際に用いられる装置の一例の概要
を説明したが、本発明に用いられる装置はこれに限られ
るものではなく、無電極誘導結合型のＣＶＤ装置と同様
の機能を具えたものであれば何れも使用可能である。

次に、上記装置により炭素膜を合成する条件について説
明す゛る。

本発明において用いる炭化水素化合物としてはメタン、
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があげられるが、これらの中
取り扱いやすさの点からすると、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。

また、炭化水素に添加するガスとしては水素、アルゴン
、ヘリウム等がある。また、炭化水素に対する添加ガス
の比率は０〜１０００であり１０００超では炭素膜は形
成しない。成膜速度上の点から好ましくは０〜１００の
範囲である。添加ガスの効果としては水素を添加すると
炭素膜中の水素含有世は減少し、アルゴン等の不活性ガ
スを添加すると成膜速度は向上する。無電極プラズマは
公知のプラズマ放電手段が用いられるが、例えば、１０
４〜１０’　Ｈ２の高周波の交流電場による？！！離、
１０９〜１０”ｌ（Ｚのマイクロ波の電磁波による電離
があげられる。これらの中で取り扱いやすさの点からす
ると高周波の交流電場による高周波プラズマ放電が好ま
しい。

基体としてはプラズマ放電により分解されたり破屓した
りしないものが望ましく、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、サファイア、ジルコ
ニア等の酸化物などである。また、基体の形状に制約は
なく、基体に電圧を加えてもよい。基体温度は実用的に
は７温が望ましいが、基体が損傷しない範囲で上げるこ
とができる。ガス圧力はプラズマ放電が可能な範囲でな
ければならない。成膜速度、基体温度等考慮すると０．
０１〜１００Ｔｏｒｒが望ましい。放電電圧及びガス流
量は使用する装置に依存するため限定することはできな
い。

本発明法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、プラズマ中の発光種を観測しこの結果によ
り基体を適当な位置に移動させるプラズマ処理をすれば
よい。つまり、膜質が変化するのはプラズマ中の反応が
反応条件、時間、場所により変化するためであるからプ
ラズマ中の反応状態を表わしている発光種をモニターし
、最適の場所に基体を置くことにより。

常にｍｖｉの良い硬質炭素膜を得ることが可能となる。

プラズマ中の観測すべき発光種はＨ１＋１２．０Ｈ１Ｃ
％Ｃ２であるが、発光強度の強いＣＨの４３０ｍｍの発
光線が好ましい。しかし、これに限られるものではなく
、前記の発光種の中から２つ以上の発光種をモニターし
てもよい。発光種をｍ測するための窓は発光を観測でき
る大きさを持ち、原料ガスの流れる方向に複数ならんで
付いているのが好ましく、その間隔は例えば上下方向に
１〜２ｃａ＋が望ましい。また、窓が縦方向に一本にな
っている形状であってもよい。基体を移動させる方向は
原料ガスの流れる方向が望ましいが、発光種の発光強度
によりどの方向に移動させてもよい。

実施例 第１図に示すプラズマＣＶＤ装置を用いて基体上に炭素
膜を合成した。

ます、反応容器８を１０＝ＴＯｒｒ付近にまで排気した
後、パルプ５．１を開はマスフａ−メータ３を通してメ
タンをａ１５３ｃｃＭで反応容器８内に導入した後、高
周波発振器１０の出力をｓｏｏｗに設定し、反応容器８
内にプラズマを発生させた。この時のガス圧力はｏ、ｔ
ＴＯｒ’ｒ’に調整した。この時のＣ旧うジカル）の発
光強度を光ファイバー１５で観測し、発光分光分析装置
！１６で分析すると共に、基体１１を基体ホルダー駆動
装［１３によりＢｏｆ：ｉに移動させ炭素膜を合成した
。その基体位置と発光強度分布、膜質との関係を第２図
のグラフに示した。

第２図における８０点に基体を位置させ成膜を行なった
ところ、高硬度の潤滑性のよい膜が合成された。

なお、実験は３回行なったが、そのたびに発光プロファ
イルは動いたが、Ｃａ１（ラジカル）の発光プロファイ
ルの８０点に当たる部分に基体を位置させたところ、同
じ硬度を持つ躾が形成され、再現性がよいという結果を
得た。

上記実施例に対する比較例として、基体１１を第２図の
８１に相当する位置に位置させ炭素膜の合成を行なフた
。

第１表に実施例と比較例で得られた膜の成膜速度、物性
値を示した。

第１表から明らかなように基体をＣ）ｌ（ラジカル）の
発生プロファイルの８点から８１に相当する位置に位置
させると、実施例と同じ物質値の成膜を再現できないこ
とがわかる。

〈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む
原料ガスを無電極プラズマ放電により分解し、基体上に
ＴｉＩ！質炭Ｊ！１ｌＷ１４を合成する際に、前記無電
極プラズマ放電中の少なくとも１つの発光種の発光強度
分布をＩＩ側し、その発光強度分布に基づいて前記基体
の位置を決定することｔＶｆ徴とするものである。

従って、本発明によれば従来困難であった膜質の制■が
容易になり、再現性も非常に良くなり寅用土の価値は大
きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施する際に用いる装置の一例を示す
説明図、第２図は基体位置と発光強度分布、ＩＩ質との
関係を示すグラフである。 符号１・・・・・・原料ガスボンベ ２・・・・・・添加ガス ３．４・・・・・・マスフローコントローラ５．６．１
・・・・・・パルプ ８・・・・・・反応容器 ９・・・・・・高周′！１誘導コイル １０・・・・・・高周波発振器 １１・・・・・・基体・ １２・・・・・・基体ホルダー １３・・・・・・基体ホルダー駆動装置１４・・・・・
・発光種Ｉ！測窓 １５・・・・・・光ファイバー １６・・・・・・発光分光分析装置 １７・・・・・・データ処理装置 １８・・・・・・排気口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）炭化水素化合物を含む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、
   前記無電極プラズマ放電中の少なくとも１つの発光種の
   発光強度分布を観測し、その発光強度分布に基づいて前
   記基体の位置を決定することを特徴とする硬質炭素膜合
   成方法。 ２）発光種がＣＨである請求項１記載の硬質炭素膜合成
   方法。