JPH1072285A - ダイヤモンドライクカーボン薄膜形成装置および形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基材との密着性の良い、高硬度の、また平坦
性に優れた高品質のダイヤモンドライクカーボン（ＤＬ
Ｃ）薄膜を得る。 【解決手段】 真空槽１内で基材３を保持する基材ホル
ダー４と、基材３温度を調整する基材温度調整機構６
と、基材３に対向したガスイオン源１０と、基材３に電
圧を印加するバイアス手段５とを備え、上記ガスイオン
源１０は基材３に向かってオリフィスが設けられた反応
ガス導入室１１と熱電子放出手段１２と、熱電子引出し
電極１３と、加速電極１５とから成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ダイヤモンドラ
イクカーボン薄膜を形成する装置および形成方法に関す
るものであり、特にガスイオン源を用いたダイヤモンド
ライクカーボン薄膜形成装置および形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、金型、工具、摺動部材、光・
磁気ディスク装置の記録媒体などの表面を保護するハー
ドコーティング膜として、ダイヤモンドライクカーボン
（ＤＬＣ）薄膜の利用が図られている。図２１は、例え
ば特開昭６３−１８５８９３号公報に示された従来のマ
イクロ波プラズマを用いたＤＬＣ薄膜形成装置の断面図
である。図において、１は内部を真空に保つ真空槽、１
０１は真空槽１内で基材３を保持する基材ホルダー、６
は基材ホルダーに設けられて基材３を加熱するヒータ
ー、１０３、１０４は真空槽１内へ反応ガスを導入する
ための反応ガス導入口、１０２は真空槽１内へマイクロ
波を印加するための導波管、１０５は真空槽１内に磁界
を生じさせる電磁石である。

【０００３】次に動作について説明する。真空槽１内で
基材ホルダー１０１に基材３を保持させる。次いで、ヒ
ーター６により基材３を３００〜９００℃に加熱すると
ともに、真空槽１内の真空度を１０^-3〜１０^-5Ｔｏｒｒ
に保持する。続いて反応ガス導入口１０３および１０４
からＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₂などの反応ガスを真空槽１内に供給
し、電磁石１０５により真空槽１内に磁場を印加すると
ともに、導波管１０２から出力３００〜６００Ｗのマイ
クロ波を印加して真空槽１内にマイクロ波プラズマを発
生させ、励起炭素が基材３上に到達することにより、基
材３上にＤＬＣ薄膜を形成する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のプ
ラズマＣＶＤを用いたダイヤモンドライクカーボン（Ｄ
ＬＣ）薄膜形成装置および形成方法では、基材の熱変形
や変質を防止するために薄膜形成時の基材の温度を低く
した場合、膜質が悪くなったり、膜の付着強度が低くな
るという問題があった。また、基材との付着力を増すた
めに、基材とＤＬＣ薄の間に中間層として、Ｓｉ、Ｔ
ｉ、Ａｌ等の薄膜を形成する場合、別の装置により形成
する必要があり、そのとき、基材上に形成された中間層
は、一旦、大気に曝された後、ＤＬＣ薄膜を形成するこ
とになるため、中間層とＤＬＣ薄膜との付着力が低下す
るという問題があった。また従来の装置では真空槽全体
にガスを供給し、そこにマイクロ波を印加して薄膜を形
成するので、供給ガスなどの利用効率が悪かった。

【０００５】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、基材との密着性の良い、高硬度
の、また平坦性に優れた高品質のＤＬＣ薄膜を効率良く
形成できるＤＬＣ薄膜形成装置および形成方法を得るこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
るＤＬＣ薄膜形成装置は、真空槽内で基材を保持する基
材ホルダーと、上記基材の温度を調整する基材温度調整
機構と、真空槽内で基材に対向して設けられたガスイオ
ン源とを備え、このガスイオン源は基材に向かってオリ
フィスが設けられ、かつガスが導入される反応ガス導入
室と、この反応ガス導入室内に設けられた熱電子放出手
段と、この熱電子放出手段から熱電子を引出す熱電子引
出し電極と、基材に向けてイオンを加速する加速電極と
からなり、この加速電極に対して上記基材に電圧を印加
するバイアス手段を備えたものである。

【０００７】請求項２に係るＤＬＣ薄膜形成装置は、複
数のガスイオン源を備え、一つは解離された炭素と炭素
イオン、および解離された水素と水素イオンを発生させ
るとともに、他の一つは解離された水素と水素イオンを
発生させるものである。請求項３に係るＤＬＣ薄膜形成
装置は、加速電極および反応ガス導入室の材質としてグ
ラファイトを用いたものである。

【０００８】請求項４に係るＤＬＣ薄膜形成装置は、基
材ホルダーを真空槽内の下部に配置するとともに、ガス
イオン源を真空槽内の上部に、下向きないしは斜め下向
きに配置したものである。請求項５に係るＤＬＣ薄膜形
成装置は、基材ホルダーを真空槽内の側部に配置すると
ともに、ガスイオン源を反対側の側部に横向きないしは
斜め横向きに配置したものである。

【０００９】請求項６に係るＤＬＣ薄膜形成装置は、複
数のガスイオン源を備え、基材ホルダーを真空槽内の下
部に配置するとともに、ガスイオン源を真空槽内の上部
および側部に、下向きないし斜め下向き、および横向き
ないし斜め横向きに配置したものである。

【００１０】請求項７に係るＤＬＣ薄膜形成装置は、複
数のガスイオン源を備え、その中の一つを解離された金
属と金属イオンを発生させるガスイオン源としたもので
ある。請求項８に係るＤＬＣ薄膜形成装置は、金属蒸気
およびイオンを発生させる金属蒸気発生源を備えたもの
である。

【００１１】請求項９に係るＤＬＣ薄膜形成装置は、バ
イアス手段が、加速電極に対して基材に印加する電圧
を、時間の関数として与えることができるものである。

【００１２】請求項１０に係るＤＬＣ薄膜形成方法は、
基材の表面をクリーニング処理した後、基材の温度を１
００℃から２５０℃に制御しながらＤＬＣ薄膜を形成す
るものである。

【００１３】請求項１１に係るＤＬＣ薄膜形成方法は、
ＤＬＣ薄膜形成時にバイアス手段により基材に負電圧を
印加するものである。請求項１２に係るＤＬＣ薄膜形成
方法は、ＤＬＣ薄膜形成時にバイアス手段により、正と
負に交番する電圧を基材に印加するものである。

【００１４】請求項１３に係るＤＬＣ薄膜形成方法は、
基材に印加する正と負に交番する電圧の、負の時間が正
の時間よりも長いようにしたものである。請求項１４に
係るＤＬＣ薄膜形成方法は、基材に印加する正と負に交
番する電圧の、正の時間が負の時間よりも長いようにし
たものである。

【００１５】請求項１５に係るＤＬＣ薄膜形成方法は、
基材に中間層として金属の薄膜またはセラミックの薄膜
を形成した後、その中間層上にＤＬＣ薄膜を形成するも
のである。

【００１６】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．以下、この発明の一実施の形態を図につ
いて説明する。図１はこの発明の実施の形態１を示すダ
イヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）薄膜形成装置の断
面図である。図において、１は内部を真空に保持する真
空槽、２は真空槽１内の排気を行う排気系、３は表面に
ＤＬＣ薄膜が形成される例えば超硬合金のような基材、
４は真空槽１内で基材３をその蒸着面（薄膜形成面）を
下向きにして保持する基材ホルダー、５は後述の加速電
極１５に対して、基材ホルダー４を経由して基材３にバ
イアス電圧を印加するバイアス手段、６は基材ホルダー
４に設けられて基材３を加熱、冷却してその温度を調整
する基材温度調整機構、７は真空槽１と基材ホルダー４
の間を電気的に絶縁する絶縁セラミックである。

【００１７】１０は真空槽１内で基材３に対向してその
下方に設けられたガスイオン源、１１は内部に反応ガス
が導入される反応ガス導入室で、イオンなどを放出で
き、かつ流路抵抗を大きくして真空槽１との間に差圧が
与えられるように、基材３に向かってオリフィス（図示
せず）が設けられている。１２は反応ガス導入室１１内
に設けられて例えばタングステンワイヤで構成された熱
電子放出手段、１３は平行配置された細い金属線で構成
され、反応ガス導入室１１内に設けられた熱電子引出し
電極、１４は反応ガス導入室１１につながってその内部
に反応ガスを導入する反応ガス導入管、１５は反応ガス
導入室１１の外側に設けられて基材３に向けてイオンを
加速する加速電極であり、反応ガス導入室１１、熱電子
放出手段１２、熱電子引出し電極１３、反応ガス導入管
１４および加速電極１５でガスイオン源１０を構成して
いる。なお、バイアス手段５の一端、真空槽１、加速電
極１５は接地している。

【００１８】次に動作について説明する。まず、基材ホ
ルダー４に基材３を取り付け、排気系２により真空槽１
内を１×１０^-6Ｔｏｒｒ程度の真空度に排気した後、基
材温度調整機構６により基材３の温度を３００℃程度に
調整する。そして基材３の表面のクリーニング処理のた
めに、イオンクリーニングに適したガス、例えばアルゴ
ンガスを反応ガス導入管１４から反応ガス導入室１１へ
導入して、反応ガス導入室１１内の真空度を１×１０^-2
〜１×１０^-1Ｔｏｒｒにする。

【００１９】そして、熱電子放出手段１２を作動させ、
図示しない電源により熱電子放出手段１２に対して熱電
子引出し電極１３に＋５０〜８００Ｖ程度のバイアス電
圧を印加する。また、ガスイオン源１０からイオンを引
き出すために、加速電極１５に対し、つまり接地電位に
対して熱電子放出手段１２に＋２００〜５００Ｖ程度の
電圧を図示しない電源により印加しておく。熱電子放出
手段１２から放出された電子は熱電子引出し電極１３に
向けて加速されてイオンクリーニング用ガスをイオン化
し、そのイオンが基材３に向けて照射される。ガスはプ
ラスにイオン化されるので、このときバイアス手段５に
より基材３を接地電位に対して−１〜−３ｋＶ程度でバ
イアスを調整することにより、基材３へ照射するイオン
の量およびエネルギーを制御でき、クリーニング処理を
効果的に行うことができる。以上の処理により、基材３
表面の水分、油脂成分、表面酸化物などの不純物を除去
することができ、基材３とＤＬＣ薄膜の密着性が向上す
る。

【００２０】次に、ガスイオン源１０へのイオンクリー
ニング用ガスの供給を停止して、基材３表面のクリーニ
ング処理を終了するとともに、基材温度調整機構６によ
り基材３の温度を、後述の理由から１００℃〜２５０℃
に調整する。ここでは２００℃にした。そしてバイアス
手段５により基材３の電位を接地電位に対して、時間ｔ
の関数Ｖ（ｔ）として与える。図２に、基材３に与える
バイアス電圧波形の例を示す。図２（ａ）〜（ｃ）は直
流や、半波整流あるいは全波整流された負の電圧を印加
する場合を示す。電圧値は数ｋＶ以内とし、ここでは−
１ｋＶとした。また周波数は（ｂ）で数十Ｈｚ〜数十ｋ
Ｈｚ程度とし、ここでは６０Ｈｚおよび１ｋＨｚとし
た。このＶ（ｔ）の電圧値を制御することにより、イオ
ンに与えるエネルギーを調整することができる。これに
より、薄膜の付着強度、および硬度を制御することがで
きる。

【００２１】続いて、炭素（Ｃ）を含む炭化水素系のガ
スを反応ガス導入管１４から反応ガス導入室１１へ導入
し、反応ガス導入室１１内の真空度を１×１０^-2〜１×
１０^-1Ｔｏｒｒにする。このとき導入する反応ガスとし
ては、例えばベンゼンガスを用いる。そして熱電子放出
手段１２を作動させ、熱電子放出手段１２に対して熱電
子引出し電極１３に＋５０〜８００Ｖ程度のバイアス電
圧を印加する。熱電子放出手段１２には接地電位に対し
て＋２００〜５００Ｖ程度の電圧を印加する。熱電子放
出手段１２から放出された電子は、熱電子引出し電極１
３に向けて加速され、放電もしくは電子の照射により上
記炭化水素系のガスを励起、解離、およびイオン化し、
解離された炭素と炭素イオン、および解離された水素と
水素イオンが基材３に向けて照射され、基材３上にＤＬ
Ｃ薄膜を形成する。イオンは正電荷なので、加速電極１
５によりガスイオン源１０から加速して引き出されると
ともに基材３の負のバイアス電圧を制御することによ
り、イオンに与えるエネルギーを調整できる。

【００２２】図３は基材の温度をパラメータとした場合
のＤＬＣ薄膜のラマン分析結果を示す。基材３の温度が
２５０℃ではＤＬＣの典型的なスペクトルを示すのに対
して、基材３の温度を３００℃あるいは４００℃とした
場合にはグラファイトのスペクトルとなっている。この
ため基材３の温度は２５０℃以下にすべきであるが、一
方、別の理由から温度を低くしすぎるのは好ましくな
い。すなわち、１００℃より低いと基材３に対するＤＬ
Ｃ薄膜の付着力が弱くなる。そのため、基材温度調整機
構６を用いて、成膜中の基材３の温度を１００℃から２
５０℃に制御する。そうすることにより、ＤＬＣ薄膜の
グラファイト化を抑制することができ、高硬度で、高品
質のＤＬＣ薄膜が形成できる。なお、上記温度範囲が、
図２１で示した従来装置の温度範囲と異なるのは、装置
のタイプが相違するためである。

【００２３】また、図４に示すように、基材ホルダー４
に回転機構１００を設けて、成膜中に基材３を回転させ
ることにより、膜厚分布の均一化が図れるとともに、基
材３の端部などに対する付廻り性の向上、つまり面の向
きや位置による膜厚不均一を低減できる。

【００２４】実施の形態２．図５は、この発明の実施の
形態２を示すＤＬＣ薄膜形成装置の断面図である。図に
おいて、１０ａは第１のガスイオン源、１０ｂは第２の
ガスイオン源で、ともに図１で説明したガスイオン源１
０と同様の構成になっている。その他の部分は図１の場
合と同様であるので説明を省略する。

【００２５】次に動作について説明する。図１の場合と
同様にして、排気系２により、真空槽１内を１×１０^-6
Ｔｏｒｒ程度の真空度に排気した後、基材温度調整機構
６により基材３の温度を３００℃程度に調整する。次い
で、第１のガスイオン源１０ａを稼動させて、基材３表
面のクリーニング処理を実施する。その後、第１のガス
イオン源１０ａにより、炭化水素系のガスを放電もしく
は電子の照射により励起、解離、およびイオン化し、解
離された炭素と炭素イオン、および解離された水素と水
素イオンを基材３に照射して、ＤＬＣ薄膜を形成する。

【００２６】このＤＬＣ薄膜を形成中に、第２のガスイ
オン源１０ｂを稼動させて、水素元素を含むガス、例え
ばメタンガスを放電もしくは電子の照射により励起、解
離、およびイオン化して、解離された水素と水素イオン
を照射することにより、ＤＬＣ薄膜のグラファイト化を
抑制することができ、高硬度で、高品質のＤＬＣ薄膜が
得られる。ここで、この照射がグラファイト化抑制に効
果があるのは、解離された水素と水素イオンが、基材３
上でグラファイトを選択的にエッチングしてこれを除去
するからである。また、図６に示すように、基材ホルダ
ー４に回転機構１００を設けて、成膜中に基材３を回転
させることにより、膜厚分布の均一化が図れるととも
に、基材３の端部などに対する付廻り性の向上が図れ
る。

【００２７】実施の形態３．図７は、この発明の実施の
形態３を示すＤＬＣ薄膜形成装置の断面図である。図に
おいて、３０は真空槽１内で基材３に対向して設けられ
た、金属薄膜もしくはセラミック薄膜を形成できる電子
ビーム蒸発源、イオンプレーティング装置、金属イオン
源などの金属蒸気発生源であり、ここでは金属イオン源
を用いている。３１は金属の原料を入れるるつぼ、３２
はるつぼ３１を加熱するヒータ、３３は熱電子を放出す
る熱電子放出手段、３４は熱電子放出手段３３から熱電
子を引き出す熱電子引出し手段、３５はこれらを断熱す
る熱シールド、３６は金属蒸気発生源３０からイオンを
引き出す加速電極であり、金属蒸気発生源３０は、るつ
ぼ３１、ヒータ３２、熱電子放出手段３３、熱電子引出
し手段３４、熱シールド３５および加速電極３６で構成
されている。その他の部分は図１の場合と同様であるの
で説明を省略する。

【００２８】次に動作について説明する。図１の場合と
同様にして、排気系２により真空槽１内を１×１０^-6Ｔ
ｏｒｒ程度の真空度に排気した後、基材温度調整機構６
により基材３の温度を３００℃程度に調整する。次い
で、図１の場合と同様にして基材３表面のクリーニング
処理を行い、基材３表面の水分、油脂成分、表面酸化物
などを除去する。次に、ガスイオン源１０へのイオンク
リーニング用ガスの供給を停止して、基材３表面のクリ
ーニング処理を終了するとともに、バイアス手段５によ
り、接地電位に対して基材３に−０．５〜−３ｋＶ程度
の電圧を印加し、また、ヒータ３２によりるつぼ３１内
のＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗなどの金属を加熱して蒸気を発
生させるとともに、熱電子放出手段３３から放出された
熱電子を熱電子引出し手段３４により、引出し、加速し
て金属イオンを発生させ、これを基材３に照射してその
表面に中間層としてのＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗなどの金属
薄膜の形成を行う。

【００２９】なお、ここでガスイオン源１０で炭化水素
系のガスを励起、解離およびイオン化して解離された炭
素と炭素イオンを基材３に向けて照射しながら、もしく
は真空槽１内を炭化水素系のガス雰囲気にして、金属蒸
気発生源３０を上記のように稼動させることにより、基
材３表面に中間層として、ＳｉＣ、Ａｌ₄Ｃ₃、ＴｉＣ、
ＷＣなどのセラミック薄膜を形成するようにしてもよ
い。

【００３０】次に図１の場合と同様に、ガスイオン源１
０を作動させて、基材３表面の中間層上にＤＬＣ薄膜を
形成する。以上のように、同一真空槽１内に金属蒸気発
生源３０とガスイオン源１０とを設けたので、基材３表
面に中間層を形成後、大気開放することなしに連続して
ＤＬＣ薄膜が形成できるとともに、基材３表面に中間層
を形成することにより、基材３とＤＬＣ薄膜の密着性を
向上させることができる。また、図８に示すように、基
材ホルダー４に回転機構１００を設けて、成膜中に基材
３を回転させることにより、膜厚分布の均一化が図れる
とともに、基材３の端部などに付廻り性向上が図れる。

【００３１】実施の形態４．図９はこの発明の実施の形
態４を示すＤＬＣ薄膜形成装置の断面図である。基材ホ
ルダー４が真空槽１内でその下部に設けられ、基材ホル
ダー４上に基材３がその蒸着面を上向きにして取り付け
られている。ガスイオン源１０は、基材３に向かって下
向きにイオンを照射できるように、真空槽１内の上部に
設けられている。その他については、図１あるいは図４
の場合と同様であるので説明を省略する。動作について
も、図１あるいは図４の場合と同様であるが、この実施
の形態においては基材ホルダー４を真空槽１内の下部に
設けて、その上に基材３を保持するので、基材３が大
型、あるいは重量物である場合でも取付けが容易であ
り、作業性が向上する。

【００３２】また図１０は第１および第２の２つのガス
イオン源１０ａ、１０ｂを設けて、図５あるは図６の場
合と同様に動作させる場合を示し、この場合も、真空槽
１内下部の基材ホルダー４上に基材３が上向きに取り付
けられるとともに、第１、第２のガスイオン源１０ａ、
１０ｂが基材３に向かって下向きないしは斜め下向きに
イオンを照射できるように真空槽１内上部に設けられて
いるので、基材３が大型、あるいは重量物であっても取
付けが容易で、作業性が向上する。なお、第１、第２の
ガスイオン源１０ａ、１０ｂがともに図１または図４の
ガスイオン源１０に相当する動作をするようにしてもよ
い。

【００３３】実施の形態５．図１１はこの発明の実施の
形態５を示すＤＬＣ薄膜形成装置の断面図である。基材
ホルダー４が真空槽１内で一方の側部に設けられ、基材
ホルダー４に基材３がその蒸着面を横向きにして取り付
けられている。ガスイオン源１０は、基材３に向かって
横向きにイオンを照射できるように、真空槽１内で基材
３に対向して反対側の側部に設けられている。その他に
ついては、図１あるいは図４の場合と同様であるので説
明を省略する。動作についても、図１あるいは図４の場
合と同様であるが、この実施の形態においては基材ホル
ダー４により基材３を横向きに保持するので、基材３が
大型、あるいは重量物である場合でも取付けが容易であ
り、作業性が向上する。

【００３４】また図１２は第１および第２の２つのガス
イオン源１０ａ、１０ｂを設けて、図５あるいは図６の
場合と同様に動作させる場合を示し、この場合も基材ホ
ルダー４に基材３が横向きに取り付けられるとともに、
第１、第２のガスイオン源１０ａ、１０ｂが基材３に向
かって横向きないしは斜め横向きにイオンを照射するよ
うになっているので、基材３が大型あるいは重量物であ
っても取付けが容易で、作業効率が向上する。なお、第
１、第２のガスイオン源１０ａ、１０ｂがともに図１ま
たは図４のガスイオン源１０に相当する動作をするよう
にしてもよい。

【００３５】実施の形態６．図１３はこの発明の実施の
形態６を示すＤＬＣ薄膜形成装置の断面図である。基材
ホルダー４が真空槽１内でその下部に設けられ、基材ホ
ルダー４上に基材３が取り付けられている。この実施の
形態では基材３の上面と側面にＤＬＣ薄膜を形成する場
合を示す。真空槽１内には第１のガスイオン源１０ａ、
第２のガスイオン源１０ｂ、第３のガスイオン源１０
ｃ、第４のガスイオン源１０ｄが設けられている。その
中で第１、第２のガスイオン源１０ａ、１０ｂが基材３
の上面に向かって下向きないしは斜め下向きにイオンを
照射できるように、真空槽１内の上部に設けられてお
り、一方、第３、第４のガスイオン源１０ｃ、１０ｄが
基材３の側面に向かって横向きないしは斜め横向きにイ
オンを照射できるように、真空槽内の側部に設けられて
いる。その他については図１あるいは図４の場合と同様
であるので説明を省略する。

【００３６】動作については、図１あるいは図４の場合
と同様であるが、この実施の形態では、基材３に向かっ
て多方向からイオンが照射されるので、基材３が複雑な
形状であっても付廻り性良く、ＤＬＣ薄膜を形成でき
る。また、回転機構１００で基材３を回転させることに
より、基材３の側面などの膜厚などの均一化ができる。

【００３７】なお、基材３が小型あるいは軽量の場合
は、基材ホルダー４を真空槽１の上部に配置して基材３
を下向きに保持し、第１、第２のガスイオン源１０ａ、
１０ｂを真空槽１の下部に配置して基材３に向かって上
向きないしは斜め上向きにイオンを照射するとともに、
第３、第４のガスイオン源１０ｃ、１０ｄにより基材３
に向かって横向きないしは斜め横向きに照射するように
してもよい。また、第１のガスイオン源１０ａと第３の
ガスイオン源１０ｃが、図１０の第１のガスイオン源１
０ａに相当する動作を行い、そして第２のガスイオン源
１０ｂと第４のガスイオン源１０ｄが、図１０の第２の
ガスイオン源１０ｂに相当する動作を行うようにしても
よい。

【００３８】実施の形態７．図１４はこの発明の実施の
形態７を示すＤＬＣ薄膜形成装置の断面図である。図１
０における第２のガスイオン源１０ｂに代えて、第５の
ガスイオン源１０ｅが設けられている。第５のガスイオ
ン源１０ｅは基材３表面に中間層としてのＳｉ、Ｔｉ、
Ｗ、Ａｌ、Ｂなどの金属薄膜もしくはＳｉＣ、Ａｌ
₄Ｃ₃、ＴｉＣ、ＷＣなどのセラミック薄膜を形成できる
ガスイオン源である。その他は図１０の場合と同様であ
るので説明を省略する。

【００３９】次に動作について説明する。まず第１のガ
スイオン源１０ａを稼動させて、図１０の場合と同様
に、基材３表面のクリーニング処理を行う。次に、バイ
アス手段５により基材３の電位を接地電位に対して−
０．５〜−３ｋＶ程度与える。そして、第５のガスイオ
ン源１０ｅを稼動させて、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ａｌ、Ｂな
どの金属元素を含むガス、例えばＳｉＨ₄、ＴｉＣｌ₄、
ＷＦ₆、ＡｌＣｌ₃などを、放電もしくは電子の照射によ
り解離、およびイオン化して解離された金属と金属イオ
ンを基材３へ照射し、その表面に中間層としてのＳｉ、
Ａｌ、Ｔｉ、Ｗなどの金属薄膜の形成を行う。

【００４０】ここで、第１のガスイオン源１０ａで炭化
水素系のガスを励起、解離およびイオン化して解離され
た炭素と炭素イオンを基材３に向けて照射しながら、も
しくは真空槽１内を炭化水素系のガス雰囲気にして、第
５のガスイオン源１０ｅを上記のように稼動させること
により、基材３表面に中間層として、ＳｉＣ、Ａｌ
₄Ｃ₃、ＴｉＣ、ＷＣなどのセラミック薄膜を形成するよ
うにしてもよい。

【００４１】続いて、第１のガスイオン源１０ａによ
り、解離された炭素と炭素イオン、および解離された水
素と水素イオンを基材３に向けて照射し、ＤＬＣ薄膜を
形成する。以上により、ＤＬＣ薄膜の密着性向上のため
の中間層の形成を、大気開放することなしにＤＬＣ薄膜
形成と連続して行うことができるが、その中間層形成に
おいて、構成元素をガス状で供給するので、蒸着材料を
固体や液体で与える場合と比較して、第５のガスイオン
源１０ｅの配置上の制約が少なく、つまり自由度が大き
くなる。

【００４２】なお、実施の形態１〜７において、ガスイ
オン源の加速電極１５および反応ガス導入室１１の構成
材料として、グラファイトを用いることにより、反応生
成物であるカーボンが反応ガス導入室１１の内壁や加速
電極１５に付着した場合でも剥離しにくく、ダストの発
生を抑制することができる。

【００４３】実施の形態８．図２に基材３に与える電圧
としてのＶ（ｔ）の例を示したが、図２の代わりに以下
に示すような波形の電圧を用いてもよい。電圧値、周波
数は図２で説明したのと同様とし、電圧は正、負とも数
ｋＶ以内とする。図２および図１５〜２０に示す波形は
実施の形態１〜７で説明したいずれの装置にも適用する
ことができる。図１５にこの実施の形態におけるＶ
（ｔ）の波形例を示す。（ａ）は正弦波を示し、そして
（ｂ）〜（ｄ）はこれを負側にバイアスした波形を示
す。（ａ）、（ｂ）では電圧が正と負に交番するが、
（ｃ）、（ｄ）では時間ｔにより変化する負電圧になっ
ている。

【００４４】Ｖ（ｔ）が負の期間にはイオンにエネルギ
ーが与えられ、一方、Ｖ（ｔ）が正の期間には電子が引
き出され、基材３の薄膜上のチャージアップ対策、すな
わち基材３に電子を供給して、絶縁物であるＤＬＣ薄膜
上の電荷を中和する。薄膜上に電荷がたまれば、放電が
生じて膜の面が荒れ、平坦度が低下する。（ｃ）、
（ｄ）では電圧が正になる期間がないが、電子はガスイ
オン源１０内であるエネルギーを有しており、（ｅ）、
（ｄ）において負の電圧値が小さくなった期間に、その
電圧値と上記エネルギーの兼ね合いにより、基材３に電
子を供給することができる。

【００４５】図１６は図１５の正弦波に代えて矩形波を
用いた場合を示す。図１６（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ図
１５（ａ）〜（ｄ）に相当し、これらと同様の効果を奏
する。なお、波形を三角波などにしてもよい。

【００４６】実施の形態９．図１７はこの発明の実施の
形態におけるＶ（ｔ）の波形例を示す。正の半波および
負の半波はともに正弦波の半波形状であるが、負の期間
が正の期間に比べて長くなっている。したがって、主と
してイオンにエネルギーを与えるとともに、短い正の期
間に電子を基材３に供給してチャージアップ対策として
の効果も生じる。

【００４７】図１８は図１７の正弦波に代えて矩形波を
用いた場合を示す。図１８（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ図
１７（ａ）〜（ｄ）に相当し、これらと同様の効果を奏
する。なお、波形を三角波などにしてもよい。

【００４８】実施の形態１０．図１９はこの実施の形態
におけるＶ（ｔ）の波形例を示す。正の半波および負の
半波はともに正弦波の半波形状であるが、図１７の場合
とは反対に、正の期間が負の期間に比べて長くなってい
る。したがって、主として基材３に電子を供給するとと
もに、イオンにエネルギーを与えることもできる。その
ため、チャージアップ対策を十分に行うことができる。

【００４９】図２０は図１９の正弦波に代えて矩形波を
用いた場合を示す。図２０（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ図
１９（ａ）〜（ｄ）に相当し、これらと同様の効果を奏
する。なお、波形を三角波などにしてもよい。

【００５０】また、以上はＤＬＣ薄膜形成時に基材３に
印加する電圧波形について述べたが、基材３が絶縁物で
ある場合、クリーニング処理時にもチャージアップが生
じるので、基材ホルダー４に、例えば図１８（ｄ）の波
形の電圧を印加することにより、基材３表面に電子を供
給することができ、チャージアップ対策としての効果が
ある。

【００５１】

【発明の効果】この発明に係るＤＬＣ薄膜形成装置は、
基材に向かってオリフィスが設けられ、かつガスが導入
される反応ガス導入室を有するガスイオン源を真空槽中
に備えたので、ガスの使用量などで効率が向上する。さ
らに、別のイオン源を備えてこれを解離された水素と水
素イオンを発生させるガスイオン源とすることにより、
薄膜のグラファイト化を抑制して高硬度のＤＬＣ膜を得
ることができ、また、加速電極および反応ガス室の構成
材料としてグラファイトを用いることにより、ダストを
抑制して高品質のＤＬＣ膜を得ることができる。

【００５２】また、基材ホルダーを下部に配置するとと
もに、ガスイオン源を上部に下向きないしは斜め下向き
に配置することにより、基材が大型あるいは重量物であ
る場合に、作業性が向上する。また、基材ホルダーを側
部に配置するとともに、ガスイオン源を反対側の側部に
横向きないしは斜め横向きに配置することにより、同様
の効果を奏する。また、基材ホルダーを下部に配置する
とともに、複数のガスイオン源を上部および側部に、下
向きないしは斜め下向き、および横向きないしは斜め横
向きに配置することにより、基材が複雑な形状の場合に
も、付廻り性が良く、膜厚分布の均一性が向上する。

【００５３】また、複数のガスイオン源を備え、その中
の一つを解離された金属と金属イオンを発生させるガス
イオン源とすることにより、中間層を形成してＤＬＣ薄
膜の付着力を大きくでき、配置上の自由度も大きい。ま
た、金属蒸気およびイオンを発生させる金属蒸気発生源
を備えることにより、中間層を形成してＤＬＣ薄膜の付
着力を大きくできる。また、バイアス手段が時間の関数
として電圧を基材に印加することにより、イオンに与え
るエネルギーや、チャージアップを抑制する電子の量を
調整することができ、高品質のＤＬＣ薄膜が得られる。

【００５４】この発明に係るＤＬＣ薄膜形成方法は、上
記ＤＬＣ薄膜形成装置を用いて、基材をクリーニング処
理した後、基材温度を１００℃から２５０℃にしてＤＬ
Ｃ薄膜を形成するので、クリーニング処理と成膜とを同
一真空槽内で行うことができ、付着力が大で、高硬度の
ＤＬＣ薄膜を効率よく形成できる。

【００５５】さらに、ＤＬＣ膜形成時に基材に負電圧を
印加することにより、イオンにエネルギーを与え、付着
力が大きく、高硬度のＤＬＣ膜が得られる。また、正と
負に交番する電圧を基材に印加することにより、イオン
にエネルギーを与えるとともに、基材に電子を供給し、
付着力が大きく、高硬度で平坦性のよいＤＬＣ膜が得ら
れる。

【００５６】さらに、基材に印加する交番電圧の、負の
電圧を正の時間より長くすることにより、主としてイオ
ンにエネルギーを与えるとともに、基材に電子を供給す
ることができ、同様の効果を奏する。また、正の時間を
負の時間よりも長くすることにより、基材に供給する電
子量が多くなり、チャージアップ抑制を十分に行い、平
坦度のよいＤＬＣ膜を得ることができる。また、金属あ
るいはセラミックの薄膜を中間層として形成することに
より、ＤＬＣ膜の付着力が向上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１を示すＤＬＣ薄膜形
成装置の断面図である。

【図２】 この発明の実施の形態１において、バイアス
手段により印加する電圧の波形図である。

【図３】 この発明の実施の形態１のＤＬＣ薄膜形成装
置で形成された薄膜の成膜温度依存性を示すラマンスペ
クトル図である。

【図４】 この発明の実施の形態１を示すＤＬＣ薄膜形
成装置の断面図である。

【図５】 この発明の実施の形態２を示すＤＬＣ薄膜形
成装置の断面図である。

【図６】 この発明の実施の形態２を示すＤＬＣ薄膜形
成装置の断面図である。

【図７】 この発明の実施の形態３を示すＤＬＣ薄膜形
成装置の断面図である。

【図８】 この発明の実施の形態３を示すＤＬＣ薄膜形
成装置の断面図である。

【図９】 この発明の実施の形態４を示すＤＬＣ薄膜形
成装置の断面図である。

【図１０】 この発明の実施の形態４を示すＤＬＣ薄膜
形成装置の断面図である。

【図１１】 この発明の実施の形態５を示すＤＬＣ薄膜
形成装置の断面図である。

【図１２】 この発明の実施の形態５を示すＤＬＣ薄膜
形成装置の断面図である。

【図１３】 この発明の実施の形態６を示すＤＬＣ薄膜
形成装置の断面図である。

【図１４】 この発明の実施の形態７を示すＤＬＣ薄膜
形成装置の断面図である。

【図１５】 この発明の実施の形態８において、バイア
ス手段により印加する電圧の波形図である。

【図１６】 この発明の実施の形態８において、バイア
ス手段により印加する電圧の波形図である。

【図１７】 この発明の実施の形態９において、バイア
ス手段により印加する電圧の波形図である。

【図１８】 この発明の実施の形態９において、バイア
ス手段により印加する電圧の波形図である。

【図１９】 この発明の実施の形態１０において、バイ
アス手段により印加する電圧の波形図である。

【図２０】 この発明の実施の形態１０において、バイ
アス手段により印加する電圧の波形図である。

【図２１】 従来のＤＬＣ薄膜形成装置の断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 真空槽、３ 基材、４ 基材ホルダー、５ バイア
ス手段、６ 基材温度調整機構、１０ ガスイオン源、
１１ 反応ガス導入室、１２ 熱電子放出手段、１３
熱電子引出し電極、１５ 加速電極、３０ 金属蒸気発
生源、１０ａ〜１０ｅ 第１〜第５のガスイオン源。

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基材にダイヤモンドライクカーボン薄膜
   を形成する薄膜形成装置において、内部を所定の真空度
   に保持する真空槽と、この真空槽内で上記基材を保持す
   る基材ホルダーと、上記基材の温度を調整する基材温度
   調整機構と、上記真空槽内で上記基材に対向して設けら
   れ、解離された炭素と炭素イオン、および解離された水
   素と水素イオンを発生させるガスイオン源とを備え、こ
   のガスイオン源は、上記基材に向かってオリフィスが設
   けられ、かつガスが導入される反応ガス導入室と、この
   反応ガス導入室内に設けられて熱電子を放出する熱電子
   放出手段と、この熱電子放出手段から熱電子を引出す熱
   電子引出し電極と、上記反応ガス導入室の外側に設けら
   れ、上記基材に向けて上記イオンを加速する加速電極と
   からなり、この加速電極に対して上記基材に電圧を印加
   するバイアス手段を備えたことを特徴とするダイヤモン
   ドライクカーボン薄膜形成装置。
2. 【請求項２】 複数のガスイオン源を備え、その中の一
   つは解離された炭素と炭素イオン、および解離された水
   素と水素イオンを発生させるガスイオン源であり、他の
   一つは解離された水素および水素イオンを発生させるガ
   スイオン源であることを特徴とする請求項１記載のダイ
   ヤモンドライクカーボン薄膜形成装置。
3. 【請求項３】 加速電極および反応ガス導入室の構成材
   料として、グラファイトを用いたことを特徴とする請求
   項１記載のダイヤモンドライクカーボン薄膜形成装置。
4. 【請求項４】 基材ホルダーを真空槽内の下部に配置す
   るとともに、ガスイオン源を上記真空槽内の上部に配置
   して、基材に向かって下向きないし斜め下向きにイオン
   を照射するようにしたことを特徴とする請求項１から請
   求項３のいずれかに記載のダイヤモンドライクカーボン
   薄膜形成装置。
5. 【請求項５】 基材ホルダーを真空槽内の側部に配置す
   るとともに、これと反対側の側部にガスイオン源を配置
   して、基材に向かって横向きないし斜め横向きにイオン
   を照射するようにしたことを特徴とする請求項１から請
   求項３のいずれかに記載のダイヤモンドライクカーボン
   薄膜形成装置。
6. 【請求項６】 複数のガスイオン源を備え、基材ホルダ
   ーを真空槽の下部に配置するとともに、上記ガスイオン
   源を上記真空槽内の上部および側部に配置して、基材に
   向かって下向きないし斜め下向き、および横向きないし
   斜め横向きにイオンを照射するようにしたことを特徴と
   する請求項１から請求項３のいずれかに記載のダイヤモ
   ンドライクカーボン薄膜形成装置。
7. 【請求項７】 複数のガスイオン源を備え、その中の一
   つは解離された金属と金属イオンを発生させるガスイオ
   ン源であることを特徴とする請求項１から請求項６のい
   ずれかに記載のダイヤモンドライクカーボン薄膜形成装
   置。
8. 【請求項８】 金属蒸気およびイオンを発生させる金属
   蒸気発生源を備えたことを特徴とする請求項１から請求
   項３のいずれかに記載のダイヤモンドライクカーボン薄
   膜形成装置。
9. 【請求項９】 バイアス手段は、加速電極に対して基材
   に印加する電圧を、時間の関数として与えることができ
   ることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに
   記載のダイヤモンドライクカーボン薄膜形成装置。
10. 【請求項１０】 請求項１から９のいずれかに記載のダ
    イヤモンドライクカーボン薄膜形成装置を用い、そのガ
    スイオン源で発生させたイオンにより基材の表面をクリ
    ーニング処理した後、基材温度調整機構により基材の温
    度を１００℃から２５０℃に制御しながら、上記ガスイ
    オン源に炭化水素系のガスを導入して上記基材にダイヤ
    モンドライクカーボン薄膜を形成することを特徴とする
    ダイヤモンドライクカーボン薄膜形成方法。
11. 【請求項１１】 請求項９記載のダイヤモンドライクカ
    ーボン薄膜形成装置を用い、ダイヤモンドライクカーボ
    ン薄膜の形成時にバイアス手段により、加速電極に対し
    て基材に一定または時間の関数である負電圧を印加する
    ことを特徴とする請求項１０記載のダイヤモンドライク
    カーボン薄膜形成方法。
12. 【請求項１２】 請求項９記載のダイヤモンドライクカ
    ーボン薄膜形成装置を用い、ダイヤモンドライクカーボ
    ン薄膜の形成時にバイアス手段により、加速電極に対し
    て基材に正と負に交番する電圧を印加することを特徴と
    する請求項１０記載のダイヤモンドライクカーボン薄膜
    形成方法。
13. 【請求項１３】 正と負に交番する電圧は、負の時間が
    正の時間よりも長いことを特徴とする請求項１２記載の
    ダイヤモンドライクカーボン薄膜形成方法。
14. 【請求項１４】 正と負に交番する電圧は、正の時間が
    負の時間よりも長いことを特徴とする請求項１２記載の
    ダイヤモンドライクカーボン薄膜形成方法。
15. 【請求項１５】 請求項７または請求項８記載のダイヤ
    モンドライクカーボン薄膜形成装置を用い、発生した解
    離された金属および金属イオンにより、基材に中間層と
    してその金属の薄膜またはその金属を成分とするセラミ
    ックの薄膜を形成した後、基材の温度を１００℃から２
    ５０℃に制御しながら、ガスイオン源に炭化水素系のガ
    スを導入して上記基材の中間層上にダイヤモンドライク
    カーボン薄膜を形成することを特徴とするダイヤモンド
    ライクカーボン薄膜形成方法。