JPH11350140A - Device for forming thin film of carbon nitride and its method - Google Patents

Device for forming thin film of carbon nitride and its method

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JPH11350140A
JPH11350140A JP15725698A JP15725698A JPH11350140A JP H11350140 A JPH11350140 A JP H11350140A JP 15725698 A JP15725698 A JP 15725698A JP 15725698 A JP15725698 A JP 15725698A JP H11350140 A JPH11350140 A JP H11350140A
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JP
Japan
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plasma
film
substrate
nitrogen
negative
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JP15725698A
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Japanese (ja)
Inventor
Nobuki Yamashita
信樹 山下
Toshiya Watanabe
俊哉 渡辺
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an objective composition and structure of a film of carbon nitride and to improve an adhesive strength of the film of carbon nitride and a base material. SOLUTION: A base material 5 is located in a vacuum vessel 1. A plasma of a gaseous material which is nitrogen or contains nitrogen is supplied into the vacuum vessel 1 with a plasma generating device 6 and simultaneously a plasma of a gaseous material containing carbon is supplied into the vacuum vessel 1 with a plasma generating device 8. Subsequently a negative pulsative highly biased voltage is applied to the base material 5 with a pulsative high voltage source 11 to insert ion 14 into the base material 5 with high energy and to form a mixed layer of the film of carbon nitride and the base material. Afterwards a low negative DC biased voltage is applied to the base material 5 to insert ion 14 into the base material 5 with low energy and to form the film of carbon nitride film.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、各種回転機械の軸
受けやスライドなどの摺動部材、工具等、耐摩耗性を要
求される部材へ、窒化炭素膜を良好に成膜することので
きる窒化炭素膜の薄膜製造装置及びその製造方法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of forming a carbon nitride film on a member requiring wear resistance, such as a sliding member such as a bearing or a slide of various rotary machines, a tool, or the like. The present invention relates to an apparatus and a method for manufacturing a thin film of a carbon film.

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化炭素(Carbon Nitride;以下CNと
略す)は、β−C3 4 構造を取るときダイヤモンドを
凌ぐ硬度を有すると計算により予測されている。また、
CNはβ−C3 4 構造以外の組成、構造においても潤
滑性、熱的安定性、化学的安定性にも優れていると予想
されていることより、各種回転機械の軸受けやスライド
等の摺動部材、工具等への応用が期待されている。
2. Description of the Related Art Carbon nitride (Carbon Nitride; hereinafter abbreviated as CN) is predicted by calculation to have a hardness exceeding that of diamond when it has a β-C 3 N 4 structure. Also,
CN is expected to have excellent lubricity, thermal stability, and chemical stability even in compositions and structures other than the β-C 3 N 4 structure. Application to sliding members, tools, etc. is expected.

【0003】そこでCN膜を合成するために、幾つかの
方法で合成が試みられている。その方法としてはスパッ
タ法、プラズマCVD法、レーザー蒸着法等があるが、
未だβ−C3 4 構造のCN膜合成の確認例はない。
[0003] In order to synthesize a CN film, synthesis has been attempted by several methods. As the method, there are a sputtering method, a plasma CVD method, a laser evaporation method, and the like.
There is no confirmed example of synthesis of a CN film having a β-C 3 N 4 structure.

【0004】また、膜中の組成比だけに注目した場合
も、CN膜中の炭素/窒素組成比もβ−C3 4 の化学
量論組成比(窒素:炭素=3:4)が得られておらず、
全ての膜で、組成は炭素過剰で窒素含有率は最大でも3
0%となっている。
When attention is paid only to the composition ratio in the film, the stoichiometric composition ratio of β-C 3 N 4 (nitrogen: carbon = 3: 4) is obtained also in the carbon / nitrogen composition ratio in the CN film. Has not been
For all films, the composition is excess carbon and the nitrogen content is at most 3
It is 0%.

【0005】また、合成されたCN膜の性質も殆ど明ら
かになっていないとともに、十分な密着性を有するCN
膜も合成されていない。
Further, the properties of the synthesized CN film are hardly clarified, and the CN film having a sufficient adhesion
Neither is the film synthesized.

【0006】また、スパッタ法、レーザー蒸着法等の物
理的蒸着法では、供給材料粒子の指向性が強く、各種回
転機械の軸受けやスライド等の摺動部材、工具等の立体
複雑形状部材へのCN膜の合成は非常に困難である。
Further, in the physical vapor deposition method such as the sputtering method and the laser vapor deposition method, the directivity of the supply material particles is strong, and it is applied to a sliding member such as a bearing or a slide of various rotary machines, or a three-dimensional complicated member such as a tool. Synthesis of CN films is very difficult.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】前述の通り、従来の製
造方法では、目的とするCN膜の組成及び構造が得られ
ていないが、その理由としては、炭素と窒素の反応性が
非常に低いこと及びβ−C3 4 が非平衡物質であるた
め組成、構造の制御が非常に困難なことが挙げられる。
As described above, the desired composition and structure of the CN film cannot be obtained by the conventional manufacturing method, because the reactivity between carbon and nitrogen is very low. And that it is very difficult to control the composition and structure because β-C 3 N 4 is a non-equilibrium substance.

【0008】また、CNが非平衡物質であるため、膜中
に蓄積された内部応力が大きく十分な密着性が得られな
い。従って、β−C3 4 合成のためには、炭素と窒素
の反応性を向上させるとともにCN膜と基材との密着性
を向上させる必要がある。
Further, since CN is a non-equilibrium substance, the internal stress accumulated in the film is large and sufficient adhesion cannot be obtained. Therefore, in order to synthesize β-C 3 N 4 , it is necessary to improve the reactivity between carbon and nitrogen and to improve the adhesion between the CN film and the substrate.

【0009】さらに各種回転機械の軸受けやスライド等
の摺動部材、工具等の立体複雑形状部材へのCN膜の合
成に対し、対応可能とする必要がある。
Further, it is necessary to be able to cope with the synthesis of the CN film on sliding members such as bearings and slides of various rotary machines, and three-dimensional complicated members such as tools.

【0010】本発明は上記従来技術に鑑み、目的とする
CN膜の組成及び構造が得られ、しかも、CN膜と基材
との密着性の高い窒化炭素膜の薄膜製造装置及びその製
造方法を提供することを目的とする。
In view of the above prior art, the present invention provides an apparatus and a method for producing a thin film of a carbon nitride film which can obtain a desired composition and structure of a CN film and which has high adhesion between the CN film and a substrate. The purpose is to provide.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の構成は、真空容器と、この真空容器に対して絶縁状
態で基材を前記真空容器内に保持する基材ホルダーと、
窒素または窒素を含む材料ガスをプラズマ化して前記真
空容器内に供給する第1のプラズマ発生装置と、炭素を
含む材料ガスをプラズマ化して前記真空容器内に供給す
る第2のプラズマ発生装置と、前記真空容器の電位を基
準として負のパルス状高バイアス電圧を印加するパルス
高電圧電源と、前記真空容器の電位を基準として低い負
の直流バイアス電圧を印加する直流電源とを有すること
を特徴とする。
According to the present invention, there is provided a vacuum container, a substrate holder for holding a substrate in the vacuum container in an insulated state with respect to the vacuum container,
A first plasma generator that converts nitrogen or a material gas containing nitrogen into plasma and supplies the same into the vacuum vessel, a second plasma generator that converts a material gas containing carbon into plasma and supplies the same into the vacuum vessel, A pulse high-voltage power supply that applies a negative pulse-like high bias voltage with reference to the potential of the vacuum vessel, and a DC power supply that applies a low negative DC bias voltage with reference to the potential of the vacuum vessel. I do.

【0012】また本発明の構成は、真空空間中に配置し
た基材に対して、窒素または窒素を含む材料ガスのプラ
ズマと、炭素を含む材料ガスのプラズマとを同時に供給
し、まず、負のパルス状高バイアス電圧を前記基材に印
加して、プラズマ中のイオンを高エネルギーで加速して
前記基材にイオンを引き込み、窒化炭素膜と基材との混
合層を形成し、次に、低い負の直流バイアス電圧を前記
基材に印加して、プラズマ中のイオンを低エネルギーで
加速して前記混合層上に窒化炭素膜を合成することを特
徴とする。
Further, according to the structure of the present invention, a plasma of a material gas containing nitrogen and a plasma of a material gas containing carbon are simultaneously supplied to a substrate placed in a vacuum space. Applying a pulsed high bias voltage to the substrate, accelerating the ions in the plasma with high energy to pull the ions into the substrate, forming a mixed layer of the carbon nitride film and the substrate, A low negative DC bias voltage is applied to the substrate to accelerate ions in the plasma with low energy to synthesize a carbon nitride film on the mixed layer.

【0013】また本発明の構成は、前記負のパルス状高
バイアス電圧は、5kV以上,200kV以下であり、
前記負の直流バイアス電圧は0.1kV以上,5kV未
満であることを特徴とする。
In the configuration of the present invention, the negative pulsed high bias voltage is 5 kV or more and 200 kV or less,
The negative DC bias voltage is 0.1 kV or more and less than 5 kV.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態に係る
窒化炭素膜の薄膜製造装置及びこの装置を用いた窒化炭
素膜の薄膜製造方法を、図面に基づき詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An apparatus for manufacturing a thin film of a carbon nitride film according to an embodiment of the present invention and a method for manufacturing a thin film of a carbon nitride film using the apparatus will be described in detail with reference to the drawings.

【0015】図1は、本発明の実施の形態に係る窒化炭
素膜の薄膜製造装置を示す。同図に示すように、本装置
では、真空排気装置2によって真空排気される真空容器
1を備えている。この真空容器1の中心部には、真空容
器1に対し絶縁体4で絶縁された基材ホルダー3が設置
されている。この基材ホルダー3には、基材5が取り付
けられる。
FIG. 1 shows an apparatus for manufacturing a thin film of a carbon nitride film according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the present apparatus includes a vacuum vessel 1 evacuated by an evacuation apparatus 2. At the center of the vacuum vessel 1, a substrate holder 3 insulated from the vacuum vessel 1 by an insulator 4 is provided. The substrate 5 is attached to the substrate holder 3.

【0016】また、この基材ホルダー3には、スイッチ
13を介して、パルス高電圧電源11と直流電源12と
が選択的に接続される。つまり、スイッチ13のスイッ
チングにより、基材ホルダー3とパルス高電圧電源11
とが接続されると、基材ホルダー3ひいては基材5に
は、負のパルス状高バイアス電圧が印加される。また、
スイッチ13のスイッチングにより、基材ホルダー3と
直流電源12とが接続されると、基材ホルダー3ひいて
は基材5には、低い負の直流バイアス電圧が印加され
る。なお、ここでは、真空容器1の電位を基準(零電
位)として、電圧の正負を決めている。
A pulse high voltage power supply 11 and a DC power supply 12 are selectively connected to the substrate holder 3 via a switch 13. That is, the switching of the switch 13 causes the base material holder 3 and the pulse high-voltage power supply 11
Is connected, a negative pulsed high bias voltage is applied to the substrate holder 3 and thus the substrate 5. Also,
When the substrate holder 3 and the DC power supply 12 are connected by the switching of the switch 13, a low negative DC bias voltage is applied to the substrate holder 3 and thus the substrate 5. Here, the polarity of the voltage is determined based on the potential of the vacuum vessel 1 as a reference (zero potential).

【0017】また、真空容器1の上部には、窒素または
窒素を含む材料ガスをプラズマ化する第1のプラズマ発
生装置6が設置されている。このプラズマ発生装置6
は、材料ガス導入口7より導入された窒素または窒素を
含む材料ガスを、熱フィラメントによる電子励起、高周
波放電等でプラズマ化し、窒素または窒素を含む材料ガ
スからなるプラズマを、真空容器1内に供給する。
A first plasma generator 6 for converting nitrogen or a material gas containing nitrogen into plasma is provided above the vacuum vessel 1. This plasma generator 6
Converts the nitrogen or nitrogen-containing material gas introduced from the material gas inlet 7 into a plasma by means of electronic excitation by a hot filament, high-frequency discharge, or the like, and places a plasma of the nitrogen or nitrogen-containing material gas into the vacuum vessel 1. Supply.

【0018】また同様に、真空容器1の上部には、炭素
を含む材料ガスをプラズマ化する第2のプラズマ発生装
置8が設置されている。このプラズマ発生装置8は、材
料ガス導入口9より導入された炭素を含む材料ガスを、
熱フィラメントによる電子励起、高周波放電等でプラズ
マ化し、炭素を含む材料ガスからなるプラズマを、真空
容器1内に供給する。
Similarly, a second plasma generator 8 for converting a material gas containing carbon into plasma is provided above the vacuum vessel 1. The plasma generator 8 converts the material gas containing carbon introduced from the material gas inlet 9 into
Plasma is generated by electron excitation by a hot filament, high-frequency discharge, or the like, and plasma made of a material gas containing carbon is supplied into the vacuum chamber 1.

【0019】このようなプラズマ発生装置6,8によ
り、基材5の周囲に窒素または窒素を含む材料ガス及び
炭素を含む材料ガスからなるプラズマ10を形成する。
By the plasma generators 6 and 8, a plasma 10 composed of nitrogen or a material gas containing nitrogen and a material gas containing carbon is formed around the substrate 5.

【0020】次に、図1に示す窒化炭素膜の薄膜製造装
置を用いて、CN膜を合成する方法を説明する。
Next, a method for synthesizing a CN film using the apparatus for manufacturing a thin film of a carbon nitride film shown in FIG. 1 will be described.

【0021】まず、形状50×50×50mm立方体
(例えば高速度工具鋼)からなる基材5を、有機溶媒
(例えばアセトン)で超音波洗浄を施した後、真空容器
1内の基材ホルダー3に設置する。この状態で、真空排
気装置2を作動させて、真空容器1内の圧力が5×10
-5torr以下となるように予備排気する。
First, the substrate 5 made of a cube (for example, high speed tool steel) having a shape of 50 × 50 × 50 mm is subjected to ultrasonic cleaning with an organic solvent (for example, acetone). Installed in In this state, the evacuation device 2 is operated so that the pressure in the vacuum vessel 1 is 5 × 10
Pre-evacuate to -5 torr or less.

【0022】次にプラズマ発生装置6の材料ガス導入口
7より窒素ガスを導入する。プラズマ発生装置6内には
熱電子発生用の熱フィラメントが内蔵してあり、電子励
起により窒素ガスをプラズマ化する。また、これと同時
に、プラズマ発生装置8のガス導入口9よりエタン(C
2 6 )ガスを導入する。プラズマ発生装置8内にも熱
電子発生用の熱フィラメントが内蔵してあり、電子励起
によりエタンガスをプラズマ化する。この結果、基材5
の周囲には、窒素及びエタンを材料ガスとしたプラズマ
10が発生する。
Next, nitrogen gas is introduced from the material gas inlet 7 of the plasma generator 6. A thermal filament for generating thermoelectrons is built in the plasma generator 6, and nitrogen gas is turned into plasma by electronic excitation. At the same time, ethane (C
2 H 6 ) gas is introduced. A thermal filament for generating thermoelectrons is also built in the plasma generator 8, and ethane gas is turned into plasma by electronic excitation. As a result, the substrate 5
Is generated in the vicinity of the plasma 10 using nitrogen and ethane as material gases.

【0023】この際の真空容器1内の圧力は5×10-4
torrで、熱フィラメントには50Aの電流を流した。ま
た、窒素ガスとエタンガスの流量比はそれぞれ、20体
積%と80体積%である。
At this time, the pressure in the vacuum vessel 1 is 5 × 10 -4.
At torr, a current of 50 A was passed through the hot filament. The flow rates of the nitrogen gas and the ethane gas are 20% by volume and 80% by volume, respectively.

【0024】次にこの状態で、スイッチ13のスイッチ
ングにより、基材ホルダー3とパルス高電圧電源11と
を接続し、基材ホルダー3ひいては基材5に、負のパル
ス状高バイアス電圧を印加する。基材5に負のパルス状
高バイアス電圧を印加することにより、プラズマ10中
に生成しているイオン14を高エネルギーに加速し、基
材5に引き込む。このとき、パルス高電圧電源11の電
圧は70kV、パルス幅は10μs、繰返し周波数は5
00Hz、処理時間は15分である。この処理により、
窒化炭素膜と基材5との混合層が、基材5の表面に形成
される。この混合層は、その上に形成される窒化炭素膜
の密着性を向上させる効果がある。
Next, in this state, by switching the switch 13, the substrate holder 3 and the pulse high voltage power supply 11 are connected, and a negative pulsed high bias voltage is applied to the substrate holder 3 and thus the substrate 5. . By applying a negative pulsed high bias voltage to the substrate 5, the ions 14 generated in the plasma 10 are accelerated to high energy and are drawn into the substrate 5. At this time, the voltage of the pulse high voltage power supply 11 is 70 kV, the pulse width is 10 μs, and the repetition frequency is 5
00 Hz and processing time is 15 minutes. With this process,
A mixed layer of the carbon nitride film and the substrate 5 is formed on the surface of the substrate 5. This mixed layer has the effect of improving the adhesion of the carbon nitride film formed thereon.

【0025】この後に、スイッチ13のスイッチングに
より、基材ホルダー3と直流電源12とを接続し、基材
ホルダー3ひいては基材5に、低い負の直流バイアス電
圧を印加する。具体的には、直流電源12から基材5
に、0.1kVの負の直流バイアス電圧を印加し、プラズ
マ10中のイオン14を基材5に低エネルギーで引き込
み、CN膜の成膜を開始する。成膜時間は60分であ
る。この処理により、前記混合層の上に、CN膜が成膜
される。
Thereafter, the switching of the switch 13 connects the substrate holder 3 and the DC power supply 12, and applies a low negative DC bias voltage to the substrate holder 3 and thus to the substrate 5. Specifically, the DC power supply 12 sends the
Then, a negative DC bias voltage of 0.1 kV is applied to draw the ions 14 in the plasma 10 into the base material 5 with low energy to start the formation of the CN film. The film formation time is 60 minutes. By this processing, a CN film is formed on the mixed layer.

【0026】以上の方法で作製したCN膜を光電子分光
分析法により調べた結果、炭素と窒素の結合が認めら
れ、CN膜が合成されていることが確認できた。
When the CN film produced by the above method was examined by photoelectron spectroscopy, a bond between carbon and nitrogen was recognized, and it was confirmed that the CN film was synthesized.

【0027】図2にプラズマ源に対する基材5の向きを
示す。また、表1にA面(プラズマ源に面した面)、B
面及びC面(A面に垂直な面)に形成した、CN膜の炭
素/窒素組成比を示す。3面ともほぼ同一の炭素/窒素
組成比1に近い値を示した。また、同表1にA、B、C
面でのCN膜の膜厚を示す。ほぼ同一の膜厚を示してい
る。
FIG. 2 shows the orientation of the substrate 5 with respect to the plasma source. Table 1 shows the surface A (the surface facing the plasma source) and the surface B
The graph shows the carbon / nitrogen composition ratio of the CN film formed on the plane and the C plane (the plane perpendicular to the A plane). All three surfaces showed almost the same carbon / nitrogen composition ratio of 1. Table 1 shows A, B, C
4 shows the thickness of the CN film on the surface. It shows almost the same film thickness.

【0028】[0028]

【表1】 [Table 1]

【0029】次に、図3にCN膜の密着力の比較を示
す。密着力はスクラッチ試験により行い、CN膜が基材
5から剥離するときの力により評価した。A、B、C面
ともほぼ同等の値を示した。また比較のために、パルス
状高バイアス電圧の印加なしに、負の直流バイアス電圧
を印加し、CN膜の成膜を行った試料の値も示す。
Next, FIG. 3 shows a comparison of the adhesion of the CN film. The adhesive force was determined by a scratch test, and evaluated by the force when the CN film was peeled off from the substrate 5. A, B, and C planes showed almost the same value. For comparison, a value of a sample in which a negative DC bias voltage is applied without applying a pulsed high bias voltage and a CN film is formed is also shown.

【0030】この結果より、パルス状高バイアス電圧を
印加し作製したCN膜の方が約3倍の密着力を有してい
ることがわかる。また、A、B、C面に作製した、CN
膜とSUSボールとの摺動試験の結果、摩擦係数が基材
である高速度工具鋼よりも低く、摩耗幅も小さいという
結果が得られ、耐摩耗性に優れていることも確認され
た。
From this result, it can be seen that the CN film formed by applying a pulsed high bias voltage has about three times the adhesion. In addition, CN prepared on A, B, and C surfaces
As a result of a sliding test between the film and the SUS ball, a result was obtained in which the coefficient of friction was lower than that of the high-speed tool steel as the base material and the wear width was small, and it was also confirmed that the wear resistance was excellent.

【0031】なお、負のパルス状高バイアス電圧は約5
kV以上、200kV以下であれば、それぞれの原料ガ
ス導入量、プラズマ発生源に導入する電力を調整するこ
とにより、密着性を向上させる混合層を形成することが
できる。これは、負のパルス状高バイアス電圧が5kV
以下のときは密着性を向上させるに十分な混合層が形成
できず、また、負のパルス状高バイアス電圧が200k
V以上のときはイオンが基材内部深くへ注入されるため
基材表面に混合層が形成できないためである。またパル
ス状電圧とした理由は、高電圧印加で発生し易い、基材
5と真空容器1との間でのブレークダウンを防止するた
めである。
Incidentally, the negative pulsed high bias voltage is about 5
If it is not less than kV and not more than 200 kV, a mixed layer for improving the adhesion can be formed by adjusting the amount of each source gas introduced and the power introduced into the plasma generation source. This is because the negative pulsed high bias voltage is 5 kV.
In the following cases, a mixed layer sufficient to improve the adhesion cannot be formed, and the negative pulse-like high bias voltage is 200 kV.
When the voltage is V or more, ions are implanted deep inside the substrate, so that a mixed layer cannot be formed on the surface of the substrate. The reason why the pulse voltage is used is to prevent a breakdown between the substrate 5 and the vacuum vessel 1 which is likely to occur when a high voltage is applied.

【0032】また、CN膜成膜時の負の直流バイアス電
圧は0.1kV以上5kV未満であれば、同様に、それぞ
れの原料ガス導入量、プラズマ発生源に導入する電力を
調整することにより、炭素/窒素組成比1のCN膜を成
膜することができる。これは、0.1kV未満では、窒素
と炭素が反応せず、CN膜は合成できず、また、5kV
を超えると膜合成よりも、混合層の形成が進むためであ
る。
If the negative DC bias voltage at the time of forming the CN film is 0.1 kV or more and less than 5 kV, similarly, by adjusting the amount of each source gas introduced and the power introduced to the plasma generation source, A CN film having a carbon / nitrogen composition ratio of 1 can be formed. This is because at less than 0.1 kV, nitrogen and carbon do not react, a CN film cannot be synthesized, and 5 kV
This is because, when the ratio exceeds 3, the formation of the mixed layer proceeds more than the film synthesis.

【0033】窒素または窒素を含むガスとしては、窒素
ガス以外にも、窒素とアルゴン、ネオン等の希ガスとの
混合ガス、アンモニアを用いても、炭素を含むガスとし
ては、メタン、アセチレン、ベンゼン蒸気を用いても、
同性能のCN膜が合成可能である。
Nitrogen or a gas containing nitrogen, other than nitrogen gas, a mixed gas of nitrogen and a rare gas such as argon or neon, or ammonia may be used. As a gas containing carbon, methane, acetylene, benzene or the like may be used. Even with steam,
A CN film having the same performance can be synthesized.

【0034】さらに、材料ガスの励起手段としては、熱
フィラメントによる電子励起以外にも、13.56MHz
の高周波を用いた高周波放電、マイクロ波を用いたマイ
クロ波放電を用いても、同性能のCN膜が合成可能であ
る。
As means for exciting the material gas, besides the electronic excitation by the hot filament, 13.56 MHz
Even if a high-frequency discharge using a high frequency or a microwave discharge using a microwave is used, a CN film having the same performance can be synthesized.

【0035】上述したように、基材に、低いエネルギー
の窒素を含むイオンの供給と炭素を含むイオンの供給を
同時に行う本発明方法は、非平衡物質合成に有効な手段
であり、炭素と窒素の反応性を向上させることが可能で
ある。
As described above, the method of the present invention in which the supply of low-energy nitrogen-containing ions and the supply of carbon-containing ions to the substrate at the same time is an effective means for non-equilibrium material synthesis. Can be improved in reactivity.

【0036】また、基材への窒素を含むイオンと炭素を
含むイオンの供給量を変化させることにより、CN膜中
の炭素/窒素組成比を変化させることができる。
Further, by changing the supply amounts of the ions containing nitrogen and the ions containing carbon to the base material, the composition ratio of carbon / nitrogen in the CN film can be changed.

【0037】また、供給イオンのエネルギーを十分高く
することにより、その運動エネルギーによりCN膜と基
材の混合層が形成され、この混合層上に、低エネルギー
でCN膜を合成することにより、CN膜/基材間の密着
性を向上させることができる。
By increasing the energy of the supplied ions sufficiently, a kinetic energy forms a mixed layer of the CN film and the base material. By synthesizing the CN film at a low energy on this mixed layer, The adhesion between the film and the substrate can be improved.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上実施の形態と共に具体的に説明した
ように発明では、真空容器と、この真空容器に対して絶
縁状態で基材を前記真空容器内に保持する基材ホルダー
と、窒素または窒素を含む材料ガスをプラズマ化して前
記真空容器内に供給する第1のプラズマ発生装置と、炭
素を含む材料ガスをプラズマ化して前記真空容器内に供
給する第2のプラズマ発生装置と、前記真空容器の電位
を基準として負のパルス状高バイアス電圧を印加するパ
ルス高電圧電源と、前記真空容器の電位を基準として低
い負の直流バイアス電圧を印加する直流電源とを有する
構成とした。
As described above in detail with the embodiments, in the invention, a vacuum container, a substrate holder for holding a substrate in the vacuum container in an insulated state with respect to the vacuum container, A first plasma generator for converting a material gas containing nitrogen into plasma and supplying the same into the vacuum container; a second plasma generator for converting a material gas containing carbon into plasma and supplying the same into the vacuum container; A pulse high-voltage power supply for applying a negative pulse-like high bias voltage based on the potential of the container and a DC power supply for applying a low negative DC bias voltage based on the potential of the vacuum container are provided.

【0039】また本発明では、真空空間中に配置した基
材に対して、窒素または窒素を含む材料ガスのプラズマ
と、炭素を含む材料ガスのプラズマとを同時に供給し、
まず、負のパルス状高バイアス電圧を前記基材に印加し
て、プラズマ中のイオンを高エネルギーで加速して前記
基材にイオンを引き込み、窒化炭素膜と基材との混合層
を形成し、次に、低い負の直流バイアス電圧を前記基材
に印加して、プラズマ中のイオンを低エネルギーで加速
して前記混合層上に窒化炭素膜を合成する構成とした。
In the present invention, the plasma of the material gas containing nitrogen and the plasma of the material gas containing carbon are simultaneously supplied to the base material arranged in the vacuum space,
First, a negative pulsed high bias voltage is applied to the base material, ions in the plasma are accelerated with high energy to attract the ions to the base material, and a mixed layer of the carbon nitride film and the base material is formed. Next, a configuration is adopted in which a low negative DC bias voltage is applied to the base material, ions in the plasma are accelerated with low energy, and a carbon nitride film is synthesized on the mixed layer.

【0040】このように本発明では、窒素を含むイオン
と炭素を含むイオンの供給を同時に行うことにより、炭
素と窒素の反応性を向上させて、非平行物質である窒化
炭素膜の合成を迅速に行うことができる。また、窒素を
含むイオンと炭素を含むイオンの供給量を変化させるこ
とにより、窒化炭素膜中の炭素/窒素組成比を変化させ
ることができる。
As described above, in the present invention, by simultaneously supplying nitrogen-containing ions and carbon-containing ions, the reactivity between carbon and nitrogen is improved, and the synthesis of a carbon nitride film, which is a non-parallel substance, is rapidly performed. Can be done. Also, by changing the supply amounts of the ions containing nitrogen and the ions containing carbon, the composition ratio of carbon / nitrogen in the carbon nitride film can be changed.

【0041】また、最初は負のパルス状高バイアス電圧
を基材に印加して供給イオンのエネルギーを十分高くす
ることにより、その運動エネルギーにより窒化炭素膜と
基材との混合層が形成でき、その後は、低い負の直流バ
イアス電圧を基材に印加することにより、低いエネルギ
ーで窒化炭素膜を合成できる結果、窒化炭素膜と基材間
の密着性を向上させることができる。
Further, by initially applying a negative pulsed high bias voltage to the substrate to sufficiently increase the energy of the supplied ions, a mixed layer of the carbon nitride film and the substrate can be formed by its kinetic energy, Thereafter, by applying a low negative DC bias voltage to the base material, the carbon nitride film can be synthesized with low energy, so that the adhesion between the carbon nitride film and the base material can be improved.

【0042】また本発明では、前記負のパルス状高バイ
アス電圧は、5kV以上,200kV以下であり、前記
負の直流バイアス電圧は0.1kV以上,5kV未満で
ある構成とした。このようにしたため、基材表面に混合
層を形成できると共に、窒化炭素膜の合成が良好に進
む。
Further, in the present invention, the negative pulsed high bias voltage is not less than 5 kV and not more than 200 kV, and the negative DC bias voltage is not less than 0.1 kV and less than 5 kV. Thus, a mixed layer can be formed on the surface of the base material, and the synthesis of the carbon nitride film proceeds favorably.

【0043】結局、本発明による窒化炭素膜の薄膜製造
装置及びその製造方法は、炭素と窒素の化合物膜合成を
可能とするもので、高い密着力を有し耐摩耗性に優れた
窒化炭素膜を形成できる。また、立体複雑形状部材への
窒化炭素膜の成膜に対しても対応可能で、各種回転機械
の軸受けやスライドなどの摺動部材、工具等、耐摩耗性
を要求される部材への窒化炭素膜の製造に用いることが
できる。
Finally, the apparatus and method for manufacturing a carbon nitride thin film according to the present invention enable the synthesis of a compound film of carbon and nitrogen, and have a high adhesion and a high wear resistance. Can be formed. It can also handle the formation of a carbon nitride film on three-dimensionally complex shaped members, and can be used for sliding members such as bearings and slides of various rotating machines, tools, etc. It can be used for the production of membranes.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態に係る窒化炭素膜の薄膜製
造装置を示す概略構造図。
FIG. 1 is a schematic structural view showing an apparatus for manufacturing a thin film of a carbon nitride film according to an embodiment of the present invention.

【図2】プラズマ源に対する基材の向きを示す説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a direction of a substrate with respect to a plasma source.

【図3】スクラッチ試験による窒化炭素膜(CN膜)の
密着力の比較を表わす特性図である。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a comparison of the adhesion of a carbon nitride film (CN film) by a scratch test.

【符合の説明】[Description of sign]

1 真空容器 2 真空排気装置 3 基材ホルダー 4 絶縁体 5 基材 6,8 プラズマ発生装置 7,9 材料ガス導入口 10 プラズマ 11 パルス高電圧電源 12 直流電源 13 スイッチ 14 イオン DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum container 2 Vacuum exhaust device 3 Substrate holder 4 Insulator 5 Substrate 6,8 Plasma generator 7,9 Material gas inlet 10 Plasma 11 Pulse high voltage power supply 12 DC power supply 13 Switch 14 Ion

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 真空容器と、 この真空容器に対して絶縁状態で基材を前記真空容器内
に保持する基材ホルダーと、 窒素または窒素を含む材料ガスをプラズマ化して前記真
空容器内に供給する第1のプラズマ発生装置と、 炭素を含む材料ガスをプラズマ化して前記真空容器内に
供給する第2のプラズマ発生装置と、 前記真空容器の電位を基準として負のパルス状高バイア
ス電圧を印加するパルス高電圧電源と、 前記真空容器の電位を基準として低い負の直流バイアス
電圧を印加する直流電源とを有することを特徴とする窒
化炭素膜の薄膜製造装置。
1. A vacuum container, a substrate holder for holding a substrate in the vacuum container in an insulated state with respect to the vacuum container, and converting nitrogen or a material gas containing nitrogen into a plasma and supplying it into the vacuum container A first plasma generator that converts a material gas containing carbon into a plasma and supplies the material gas into the vacuum vessel; and applying a negative pulsed high bias voltage based on the potential of the vacuum vessel. And a DC power supply for applying a negative DC bias voltage that is low with respect to the potential of the vacuum vessel.
【請求項2】 前記負のパルス状高バイアス電圧は、5
kV以上,200kV以下であり、前記負の直流バイア
ス電圧は0.1kV以上,5kV未満であることを特徴
とする請求項1の窒化炭素膜の薄膜製造装置。
2. The method according to claim 1, wherein the negative pulsed high bias voltage is 5
2. The apparatus according to claim 1, wherein the negative DC bias voltage is not less than 0.1 kV and less than 5 kV.
【請求項3】 真空空間中に配置した基材に対して、窒
素または窒素を含む材料ガスのプラズマと、炭素を含む
材料ガスのプラズマとを同時に供給し、 まず、負のパルス状高バイアス電圧を前記基材に印加し
て、プラズマ中のイオンを高エネルギーで加速して前記
基材にイオンを引き込み、窒化炭素膜と基材との混合層
を形成し、 次に、低い負の直流バイアス電圧を前記基材に印加し
て、プラズマ中のイオンを低エネルギーで加速して前記
混合層上に窒化炭素膜を合成することを特徴とする窒化
炭素膜の薄膜製造方法。
3. A plasma of a material gas containing nitrogen or a nitrogen-containing material gas and a plasma of a material gas containing carbon are simultaneously supplied to a base material placed in a vacuum space. Is applied to the substrate, ions in the plasma are accelerated with high energy to attract the ions to the substrate, forming a mixed layer of the carbon nitride film and the substrate, and then a low negative DC bias is applied. A method for producing a thin film of a carbon nitride film, comprising applying a voltage to the base material, accelerating ions in plasma with low energy, and synthesizing a carbon nitride film on the mixed layer.
【請求項4】 前記負のパルス状高バイアス電圧は、5
kV以上,200kV以下であり、前記負の直流バイア
ス電圧は0.1kV以上,5kV未満であることを特徴
とする請求項3の窒化炭素膜の薄膜製造方法。
4. The method according to claim 1, wherein the negative pulsed high bias voltage is 5
4. The method according to claim 3, wherein the negative DC bias voltage is 0.1 kV or more and less than 5 kV.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010010477A (en) * 2008-06-27 2010-01-14 Sumitomo Heavy Ind Ltd Dechucking mechanism, vacuum device, dechucking method, and component for dechucking
WO2015110117A3 (en) * 2014-01-23 2016-03-10 Kevin Jablonka Method for producing a polymeric carbon nitride catalyst

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