(57)【要約】【課題】膜の硬度と密着性を向上させた上に、成膜速度を速くすることが可能な硬質炭素膜の形成方法を提供することを目的とする。【解決手段】被処理材の表面に硬質炭素膜を形成するための方法であって、処理室内において、ホローカソード放電を利用して、生成プラズマをコイル磁場で収束しつつ、原料炭素類を加熱、昇華させ、前記被処理材の表面に硬質炭素膜を蒸着形成することを特徴とする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理材の表面に硬質炭素膜を形成するための方法であって、処理室内において、ホローカソード放電を利用して、生成プラズマをコイル磁場で収束しつつ、原料炭素類を加熱、昇華させ、前記被処理材の表面に硬質炭素膜を蒸着形成することを特徴とする硬質炭素膜の形成方法。
【請求項２】
前記コイル磁場は、原料炭素類を収容するハースの周囲に配置されるコイルによって生成されるものであることを特徴とする請求項１記載の硬質炭素膜の形成方法。
【請求項３】
前記コイルに通電するコイル電流を１００〜３００Ａとしたことを特徴とする請求項１または２記載の硬質炭素膜の形成方法。
【請求項４】
前記被処理材に、ＤＣ０〜−２００Ｖの範囲で、コイル電流に応じた最大バイアス電圧をかけながら、前記被処理材の表面に硬質炭素膜を蒸着形成することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の硬質炭素膜の形成方法。
【請求項５】
前記ホローカソード放電のホローカソード電流を１５０〜３００Ａとしたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の硬質炭素膜の形成方法。
【請求項６】
前記硬質炭素膜はダイヤモンド状炭素膜であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の硬質炭素膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性、摺動性、装飾などの目的でダイヤモンド状炭素膜等の硬質炭素膜を形成する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のダイヤモンド状炭素膜等の硬質炭素膜を形成する方法としては、プラズマを利用して炭化水素を分解し、被処理材に負電圧をかけて堆積させるイオン化蒸着法や、同様に炭化水素を分解し、被処理材の表面上での化学反応を用いて堆積させるＣＶＤ法や、固体炭素を原料とするスパッタ法等が挙げられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来法の場合は、何れの方法の場合も、膜の硬さを維持しつつ成膜速度を速くすることは困難であり、その成膜速度は概ね１０〜１００ｎｍ／ｍｉｎ程度であった。
本発明者等は、成膜速度の向上を計るべく、処理室内において、ホローカソード放電を利用して、原料炭素類を加熱、昇華させ、前記被処理材の表面に硬質炭素膜を蒸着形成する硬質炭素膜の形成方法を完成し、成膜速度の向上に成功したが、硬質炭素膜の硬度と、密着性については、更なる、向上が望まれている。
そこで、本発明は、膜の硬度と密着性を向上させた上に、成膜速度を速くすることが可能な硬質炭素膜の形成方法を提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するため、本発明者等は鋭意検討の結果、真空排気系に連なる処理室内において、固体黒鉛等の原料炭素類をホローカソード放電を利用して、生成プラズマをコイル磁場で収束しつつ、大電流の電子ビームで加熱、昇華させ、被処理材の表面に炭素皮膜を蒸着形成することで、膜の硬度と密着性を向上させた上に、成膜速度を速くすることができることを知見した。
本発明の硬質炭層膜の形成方法は、かかる知見に基づきなされたもので、請求項１記載の通り、被処理材の表面に硬質炭素膜を形成するための方法であって、処理室内において、ホローカソード放電を利用して、生成プラズマをコイル磁場で収束しつつ、原料炭素類を加熱、昇華させ、前記被処理材の表面に硬質炭素膜を蒸着形成することを特徴とする。
また、請求項２記載の硬質炭素膜の形成方法は、請求項１記載の硬質炭素膜の形成方法において、前記コイル磁場は、原料炭素類を収容するハースの周囲に配置されるコイルによって生成されるものであることを特徴とする。
また、請求項３記載の硬質炭素膜の形成方法は、請求項１または２記載の硬質炭素膜の形成方法において、前記コイルに通電するコイル電流を１００〜３００Ａとしたことを特徴とする。
また、請求項４記載の硬質炭素膜の形成方法は、請求項１乃至３の何れかに記載の硬質炭素膜の形成方法において、前記被処理材にＤＣ０〜−２００Ｖの範囲で、コイル電流に応じた最大バイアス電圧をかけながら、前記被処理材の表面に硬質炭素膜を蒸着形成することを特徴とする。
また、請求項５記載の硬質炭素膜の形成方法は、請求項１乃至４の何れかに記載の硬質炭素膜の形成方法において、前記ホローカソード放電のホローカソード電流を１５０〜３００Ａとしたことを特徴とする。
また、請求項６記載の硬質炭素膜の形成方法は、請求項１乃至５の何れかに記載の硬質炭素膜の形成方法において、前記硬質炭素膜はダイヤモンド状炭素膜であることを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の硬質炭素膜の形成方法は、例えば、緻密なダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）膜のような硬質炭素膜の形成を、膜の硬度と密着性を向上させた上に、高い成膜速度で実現できるようにしたものであり、ガラス、金属、セラミックス、半導体等からなる任意の被処理材の表面にアモルファス構造の硬質炭素膜を高い成膜速度で形成できるようにしたものである。
【０００６】
本発明では、成膜速度を上げるため、大電流の電子ビームで原料の固体黒鉛などの炭素類を加熱、昇華させ、被処理材の表面に蒸着させるために、ホローカソード放電を利用するようにしたものである。
このホローカソード放電では、真空排気系に連通させて所定の圧力に設定した処理室内において、例えば、タンタル製のホローカソード放電ガンより、銅製水冷ハース内の原料固体黒鉛に対してアルゴンガスを流し込み、このアルゴンガスを前記ホローカソード放電ガンと前記水冷ハース間にかけた直流電圧によりイオン化することで大電流を得、原料固体黒鉛を加熱、昇華させるようにしたものである。このホローカソード放電の大電流により炭素のイオン化が促進され、高い成膜速度が実現できるようになったものである。
前記ホローカソード放電では、３０〜４０Ｖの低電圧で、１００〜１０００Ａの大電流の電子ビームが得られるが、原子のイオン化が最大値をとる電離電圧（１００Ｖ近傍）の電圧に近く、また、大電流であるため、原子と電子の衝突確率が極めて大きく、そのため、蒸発材料のイオン化が極めて大きい。従って、ホローカソード電流が大きいほど、成膜速度は大きくなるが、あまり大きすぎると、得られる硬質炭素膜の表面が粗くなるため、ホローカソード放電を利用した蒸着で硬質炭素膜を成膜するには、ホローカソード電流は１５０〜３００Ａが適切である。
【０００７】
また、本発明の特徴とするハース周囲に配置されるコイルによる磁場によって、生成プラズマが収束され、炭素、アルゴン、任意に添加ガスのイオン化が促進され、形成された硬質炭素膜は密着性に優れ、硬度も増大することとなり、膜の硬度と密着性を向上させた上に、成膜速度を速くすることができる。
尚、イオン化されたアルゴンガスを被処理材に印加した電場で加速衝突させることで、被処理材表面のクリーニング効果を高めることができる。
【０００８】
前記コイル磁場は、原料炭素類を収容するハースの周囲に配置されるコイルによって生成されるようにすることが好ましく、この場合、前記コイルに通電するコイル電流を１００〜３００Ａとすることが好ましい。このコイル電流値は５０〜１５０Ｏｅの磁場に相当し、プラズマの収束の効果が高い。これ以上の電流値ではコイルの発熱により装置が損傷することとなる。
【０００９】
被処理物は、浮遊電位、接地電位、或いは、外部からの電位を印加した状態においてもよく、外部から電位を印加する場合は、直流、高周波、或いは、低周波の任意の電位を用いることができる。
この場合、直流では、−２００Ｖ、１〜２Ａ、商用周波数の交流では２００Ｖ、２〜３Ａ、高周波電位の場合の電力は１００〜５００Ｗである。
尚、前記被処理物にバイアス電圧をかけながら、その表面に硬質炭素膜を蒸着形成する場合、膜の硬度が直線的に向上する。ただし、余りバイアス電圧をかけすぎると、膜の硬度が軟質化し、例えば、コイル電流が１４０Ａの場合、０〜−２００Ｖ程度までＨＶ２４００〜２８００程度まで直線的に硬度が増し、３００Ｖを越えるとＨＶ１８００程度に軟質化する。また、コイル電流が２００Ａの場合、０〜−５０Ｖ程度までＨＶ２４００〜２７００程度まで直線的に硬度が増し、１００Ｖを越えるとＨＶ１８００程度に軟質化する。
このように、被処理材に、バイアス電圧をかけると、ＤＣ０〜−２００Ｖの範囲では、コイル電流に応じた最大バイアス電圧までは硬度が直線的に増してゆくので、コイル電流に応じた最大バイアス電圧を予め求めておき、この最大バイアス電圧をかけながら、前記被処理材の表面に硬質炭素膜を蒸着形成することが好ましい。
【００１０】
また、前記バイアス電圧をかけた場合、バイアス電圧が高いほど、密着性が向上する。
例えば、バイアス電圧０Ｖの際には、臨界荷重が２１Ｎで、バイアス電圧を−５０Ｖとした際には、臨界荷重が３０Ｎというように、密着性が向上する。
【００１１】
また、硬さ、摺動性の向上目的のため、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、エチレン、アセチレン、ベンゼン、トルエンのような炭化水素ガスや、窒素ガスを導入しながら前記被処理材の表面に硬質炭素膜を蒸着形成することも好ましい。
前記炭化水素ガスの導入量は、ガス種によっても異なるが、１０〜１００ｓｃｃｍ程度が好ましい。
【００１２】
図１は本発明硬質炭素膜の形成装置の一実施の形態を示すもので、図中１はステンレス製の処理室を示し、この処理室１は図略の真空排気系に連通され、処理室１内を所望の圧力（真空度）に調整自在とされている。
処理室１内の底部には、銅製水冷ハース２が設けられ、該ハース２内に原料の固体黒鉛Ｃなどを収容できるようになっている。
この水冷ハース２の直上にはアルゴン供給管３に連通されるタンタル製のホローカソード放電ガン（以下、「ＨＣＤガン」という。）４が配置されている。これら水冷ハース２とＨＣＤガン４とはＨＣＤガン電源５に連通されている。
かくして、ＨＣＤガン４より、水冷ハース２内の原料固体黒鉛Ｃに対してアルゴンガスを流し込みながら、ＨＣＤガン電源５からの通電により、このアルゴンガスを、前記ＨＣＤガン４と前記水冷ハース２間にかけた直流電圧によりイオン化することで大電流を得、原料固体黒鉛を加熱、昇華させることができるようになっている。
【００１３】
また、前記水冷ハース２の周囲にコイル用電源６に連通されるコイル７が配置され、前記イオン化せれたアルゴンガスのプラズマを収束できるようになっている。
【００１４】
また、処理室１内の天井部には被処理材ホルダー８が設けられ、被処理材Ａを支持自在とされ、この被処理材ホルダー８の背面に設けられたヒータ９で被処理材Ａを所定温度に加熱自在とされている。
前記基板は加熱しても、或いは、加熱せずに室温状態でも硬質炭素（ダイヤモンド状炭素）膜が得られるが、硬質炭素膜と基板の密着性を向上させるためには、加熱することが好ましく、この場合、４００℃以下に加熱するのが好ましい。
【００１５】
また、被処理材ホルダー８には被処理材バイアス電源１０が連通され、必要に応じ、直流、高周波、低周波などの任意のバイアスをかけることができるようになっている。
【００１６】
【実施例】
次に本発明硬質炭素膜の形成方法の具体的実施例について説明する。
（実施例１）
被処理材としてＳｉを設置し、図１の処理室を１０−３Ｐａ程度に排気した後、タンタル製ＨＣＤガンからアルゴンガスを導入し、２０Ｐａの圧力に調整した。
その後、ＨＣＤガン−ハース間に５０Ｖの電圧と、それに重畳し、高周波電圧を印加し、アルゴンガスのグロー放電を起こさせた。アルゴンガスのプラズマを収束させるためにコイルに約１００Ａの電流を流し、ガンとハース間の放電を促進するためにガンに併設した補助電極とガンの間に最大３５０Ｖの電圧をかけた。ガン−ハース間のアーク放電が点火した後、アルゴンガスの流量を変えずに、処理室を油拡散ポンプで排気し、０．１Ｐａ程度の圧力にした。
第一段階として、被処理材のクリーニングを以下の条件で行った。即ち、ＨＣＤガン電流１００Ａ、アルゴンガス流量５０ｓｃｃｍ、コイル電流１８０Ａ、被処理材−接地間電圧−８００Ｖ、クリーニング時間５分間とした。
次に、第二段階で、炭素膜の蒸着を行った。即ち、クリーニングの条件から１分間で以下のように装置の条件を変えていった。
ＨＣＤガン電流１５０Ａ、アルゴンガス流量１０ｓｃｃｍ、コイル電流２００Ａ、被処理材への電位印加なしとして、１５分間で厚さ約１μｍのＤＬＣ膜が得られた。
成膜速度は６６ｎｍ／ｍｉｎで、得られた膜のビッカース硬さは１８００（被処理材硬さ１４００）、スクラッチ試験の臨界荷重は１５Ｎであった。
【００１７】
（比較例１）
コイルに磁場をかけないこと以外は実施例１と同様にしてＤＬＣ膜を形成した。
成膜速度は６６ｎｍ／ｍｉｎで、得られた膜のビッカース硬さは１５００（被処理材硬さ１４００）、スクラッチ試験の臨界荷重は９Ｎであった。
【００１８】
（実施例２）
実施例１の被処理材をＳｉを超硬チップ（タングステンカーバイド）に代え、実施例と同様の第一段階のクリーニングを行い、第二段階での硬質炭素膜の蒸着を、ＨＣＤガン電流２００Ａ、アルゴンガス流量１０ｓｃｃｍ、コイル電流１８０Ａ、被処理材への電位印加なしとして、１０分間で厚さ約１．６μｍのＤＬＣ膜が得られた。
成膜速度は１６０ｎｍ／ｍｉｎで、得られた膜のビッカース硬さは２４００（被処理材硬さ２１００）、スクラッチ試験の臨界荷重は３０Ｎであった。
【００１９】
（比較例２）
コイルに磁場をかけないこと以外は実施例２と同様にしてＤＬＣ膜を形成した。
成膜速度は１６００ｎｍ／ｍｉｎで、得られた膜のビッカース硬さは２０００（被処理材硬さ２１００）、スクラッチ試験の臨界荷重は１０Ｎであった。
【００２０】
このように、実施例１、２と比較利例１、２より、本発明によれば、膜の硬度と密着性を向上させた上に、成膜速度を速くすることができることが確認できた。
【００２１】
図２は、前記被処理物にバイアス電圧をかけながら、その表面に硬質炭素膜を蒸着形成する場合の、膜硬度とバイアス電圧の関係を示したものである。
成膜条件は、コイル電流を１４０Ａとして、ＨＤＣ電流を１５０Ａ、アルゴンガス流量を１０ｓｃｃｍ、成膜時間を１５分とした例を示すもので、バイアス電圧が０〜−２００Ｖ程度まで硬度がＨＶ２４００〜２８００程度まで直線的に増し、−３００ＶではＨＶ１８００程度に軟質化する。
また、図３に示すように、コイル電流が２００Ａの場合、それ以外の条件を前記と同じ条件で成膜した場合、バイアス電圧が０〜−５０Ｖ程度まで硬度がＨＶ２４００〜２７００程度まで直線的に増し、−１００ＶではＨＶ１８００程度に軟質化する。
このように、図２、図３から明らかなように、被処理材に、バイアス電圧をかけると、ＤＣ０〜−２００Ｖの範囲では、コイル電流に応じた最大バイアス電圧までは硬度が直線的に増してゆくので、コイル電流に応じた最大バイアス電圧を予め求めておき、この最大バイアス電圧をかけながら、前記被処理材の表面に硬質炭素膜を蒸着形成することが好ましい。
【００２２】
【発明の効果】
このように、本発明によれば、生成プラズマをコイル磁場で収束させながらのホローカソード放電蒸着を利用して、膜の硬度と密着性を向上させた上に、成膜速度を速くすることが可能な硬質炭素膜の形成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明硬質炭素膜の形成装置の一実施の形態の説明線図
【図２】硬質炭素膜形成時の被処理物にかけるバイアス電圧と膜の硬度の関係を示す特性線図
【図３】硬質炭素膜形成時の被処理物にかけるバイアス電圧と膜の硬度の関係を示す特性線図
【符号の説明】
１　処理室
２　銅製水冷ハース
３　アルゴン供給管
４　ホローカソード放電（ＨＣＤ）ガン
５　ＨＣＤガン電源
６　コイル用電源
７　コイル
８　被処理材ホルダー
９　ヒータ
１０　被処理材バイアス電源
Ａ　被処理材
Ｃ　黒鉛
【図１】
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【図２】
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【図３】
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