(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系ガスプラズマ中に曝された処理部材に対し、負の直流電圧を印加すると同時に、パルス状の負の電圧を印加することを特徴とする硬質炭素膜被覆部材の製造方法。
【請求項２】
前記処理部材に印加する直流電圧は、−０．２ｋＶ〜−２ｋＶであることを特徴とする請求項１記載の硬質炭素膜被覆部材の製造方法。
【請求項３】
前記処理部材に印加するパルス電圧は、−１ｋＶ〜−１０ｋＶであることを特徴とする請求項１記載の硬質炭素膜被覆部材の製造方法。
【請求項４】
前記処理部材に印加するパルス電圧の効率比を１〜５０％にすることを特徴とする請求項１記載の硬質炭素膜被覆部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種回転機器の軸受けやスライド等の摺動部材や情報機器記憶装置等、耐摩耗性の要求される部材に適用される硬質炭素膜被覆部材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンビームを利用した成膜技術は、イオンビームの持つエネルギーにより常温常圧では不安定な非平衡物質の合成に有効な手法である。例えば、ダイヤモンドの次に硬く、ダイヤモンドより熱的安定な立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ；cubic Boron Nitride）やアモルファス構造であるものの硬質で摩擦特性に優れたダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ；Diamond like Carbon）等が挙げられる。
【０００３】
しかしながら、イオンビームを用いた成膜技術を用い、立体形状、複雑形状の部材表面を処理する場合、イオンビームの指向性から処理部材へのイオンビームの照射角度により、成膜速度やエッチング速度が異なるため、曲率を有する箇所に均一に成膜することは非常に困難である。現状では、処理部材に対して均一成膜条件が維持できるようなマスク、ワークの回転、揺動運動が不可欠となり、処理時間、処理コストが高く生産性が低いという問題があった。
【０００４】
イオンビームを用いた成膜技術に関し、前記課題を克服する成膜方法として、プラズマイオン注入法（ＰＢＩＩ；Plasma Based Ion Implantation ）が注目されている。これは、１９８６年にアメリカから提唱された成膜方法であり、プラズマ中に曝した処理部材に対し、負のパルス電圧を印加し、処理部材の周囲に存在するプラズマ中のイオンを均一に処理部材に照射する方法であり、窒化処理等の表面改質（表面硬化）への研究が盛んに行われている。
【０００５】
【発明が解決しょうとする課題】
前述したプラズマイオン注入法は、希ガス等のイオン注入を行なう場合にはパルス電圧が印加されていない間は、処理部材表面はプラズマに曝された状態でも何も変化がないために問題は生じない。しかしながら、反応性プラズマ中の処理により処理部材上に膜を堆積する場合には、パルス電圧が印加されていない間に膜が堆積し、その膜の性質が全体の膜の特性に大きな影響を与える。一般的に、パルス電圧が印加されていない間に生成する膜は機械的に脆弱であり、より摩擦特性等、機械的特性の優れた硬質膜を得ようとする場合、大きな問題となる。
【０００６】
本発明は、立体形状、複雑形状の処理部材に対する密着性、膜の特性（硬さ、摩擦特性）、成膜速度を向上した硬質炭素膜被覆部材の製造方法を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る硬質炭素膜被覆部材の製造方法は、炭化水素系ガスプラズマ中に曝された処理部材に対し、負の直流電圧を印加すると同時に、パルス状の負の電圧を印加することを特徴とするものである。
【０００８】
本発明によれば、プラズマイオン注入法で成膜する際、処理部材への負のパルス電圧印加と同時に、負の直流電圧を印加することにより、パルス電圧印加のみと比較し、密着性、膜の特性（硬さ、摩擦特性）、成膜速度等を向上した硬質炭素膜被覆部材を製造することができる。
【０００９】
すなわち、パルス電圧が印加されていない間、処理部材表面に機械的に脆弱な膜が成膜されるため、パルス電圧を印加していない間、常に一定の負の直流電圧を印加し、前記処理部材表面に炭化水素系ガスプラズマ中のイオンを積極的に引き込むことによって、前記処理部材表面の硬質炭素膜の膜質およびその成膜速度を向上することが可能になる。
【００１０】
本発明に係る硬質炭素膜被覆部材の製造方法において、前記処理部材に印加する直流電圧は−０．２ｋＶ〜−２ｋＶであることが好ましい。
【００１１】
本発明に係る硬質炭素膜被覆部材の製造方法において、前記処理部材に印加するパルス電圧は−１ｋＶ〜−１０ｋＶであることが好ましい。
【００１２】
本発明に係る硬質炭素膜被覆部材の製造方法において、前記処理部材に印加するパルス電圧の効率比を１〜５０％にすることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を図１を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る硬質炭素膜被覆部材を製造するための成膜装置の概略図である。
【００１５】
真空容器１１は、図示しない真空排気装置により真空排気される。処理部材である基材１２を設置するホルダ１３は、高絶縁フィードスルー１４を介して、負の直流電圧及びパルス電圧を印加できるバイアス電源１５に接続されている。プラズマ１６は、前記真空容器１１内に発生されている。このプラズマ１６は、炭化水素系ガスをガス導入管１７から前記真空容器１１内に導入し、かつマイクロ波をマイクロ波を電源１９から導波管１８を介して真空容器１１に導入し、前記真空容器１１の中心に対して左右に対向して設置した一対の電磁コイル２０ａ，２０ｂにより前記基材１２付近に導入された前記マイクロ波を最も効率的に吸収する磁場を形成することによって発生させる。
【００１６】
なお、このような構造によるプラズマの発生以外に、高周波プラズマやヘリコンプラズマ、誘導結合プラズマ等種々のプラズマ源を用いてもよい。
【００１７】
次に、硬質炭素膜被覆部材の製造方法を前述した図１の成膜装置を用いて説明する。
【００１８】
まず、ホルダ１３に基材１２を設置し、真空容器１１を所定の真空度まで真空排気する。所望の炭化水素系の原料ガスをガス導入管１７を通して前記真空容器１１内に導入し、所望の圧力に設定する。一対の電磁コイル２０ａ，２０ｂに所望の電流を流すことにより、前記真空容器１１内の所望の箇所においてマイクロ波を効率的に吸収可能な磁場を形成する。この状態で、所望の出力のマイクロ波をマイクロ波電源１９から導波管１８を介して前記真空容器１１内に導入することによりプラズマ１６を発生させる。
【００１９】
前記プラズマ発生と同時に、高絶縁フィードスルー１４を介してバイアス電源１５から前記基材１２に所望の電圧の直流電圧と所望の電圧および効率比のパルス電圧をそれぞれ印加する。
【００２０】
以上の工程により前記基材１２表面に硬質炭素膜を成膜して硬質炭素膜被覆部材を製造する。
【００２１】
前記基材に印加する直流電圧は、−０．２ｋＶ〜−２ｋＶにすることが好ましい。この基材に印加する直流電圧を−０．２ｋＶ未満にすると、イオンのエネルギーが低く直流電圧を印加しない場合と差がなく、直流電圧の印加効果を十分に達成することが困難になる虞がある。一方、前記基材に印加する直流電圧が−２ｋＶを超えると、照射するイオンのエッチング効果により成膜速度が著しく減少する虞がある。
【００２２】
前記基材に印加するパルス電圧は、−１ｋＶ〜−１０ｋＶとすることが好ましい。この基材に印加するパルス電圧を−１ｋＶ未満にすると、イオンが膜に注入されず表面に堆積することにより、パルス電圧が印加されていない間に堆積する炭素膜の改質を行うことが困難になる。一方、前記基材に印加するパルス電圧が−１０ｋＶを超えると、パルス電圧が印加されていない間に堆積する炭素膜を注入されるイオンが突き抜けてしまうため、効果的に炭素膜の改質を行うことが困難になる。
【００２３】
前記基材に印加するパルス電圧の効率比を１〜５０％にすることが好ましい。この基材に印加するパルス電圧の効率比を１％未満にすると、パルス電圧が印加されていない間に堆積する炭素膜を改質するために必要なイオンが不足して、十分に硬質な膜を前記基材表面に成膜することが困難になる。一方、前記基材に印加するパルス電圧の効率比が５０％を超えると、パルス電圧が印加されていない間に堆積する炭素膜のエッチングにより成膜速度が著しく減少したり、イオン照射過多により得られる膜が多孔質化して硬質な膜が得られなくなったり、さらに基材と真空容器間で異常放電が起こり安定した動作が保証されなくなる虞がある。
【００２４】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を前述した図１に示す成膜装置を用いて詳細に説明する。
【００２５】
（実施例１）
まず、真空容器１１内のホルダ１３にステンレス鋼（ＪＩＳ：ＳＵＳ３０４）からなる基材１２を設置し、真空容器１１を１×１０-3Ｐａ以下の真空度まで真空排気した。原料ガスとしてメタンをガス導入管１７を通して前記真空容器１１内に導入し、その容器１１内の圧力を５×１０-2Ｐａに制御した。その後、一対の電磁コイル２０ａ，２０ｂに３００Ａの電流を流すことにより、前記真空容器１１内の中心部から１００ｍｍ離れた箇所においてマイクロ波を効率的に吸収可能な磁場（８７５ガウス）を形成した。この状態で、１ｋＷの出力のマイクロ波（周波数２．４５ＧＨｚ）をマイクロ波電源１９から導波管１８を介して真空容器１１内に導入することによりプラズマ１６を発生させた。プラズマ発生と同時に、電圧−０．２ｋＶの直流電圧と電圧−２ｋＶ、効率比１％のパルス電圧をバイアス電源１５から高絶縁フィードスルー１４を通して前記基材１２にそれぞれ印加し、前記基材１２に硬質炭素膜を成膜することにより硬質炭素膜被覆部材を製造した。この時の成膜速度は、２０μｍ／分であった。
【００２６】
得られた硬質炭素膜の構造をラマンスペクトル分析により調べた。その結果、１５２０ｃｍ-1付近のメインピークと１３８０ｃｍ-1付近のショルダーバンドからなるブロードなピークが検出され、硬質炭素膜であるダイヤモンドライクカーボン膜の合成が確認された。
【００２７】
また、ボールオンディスク型摩擦試験機により前記硬質膜の摩擦特性を調べた。摩擦試験の条件としては、相手材をＳｉＣボール、荷重を１Ｎ、速度を０．１ｍ／ｓｅｃ、雰囲気を乾燥空気中、温度を室温とした。その結果、この硬質炭素膜の摩擦係数は０．０２であった。なお、直流電圧およびバイアス電圧を印加しない以外、前述したのと同様な条件で成膜した炭素膜の摩擦係数は０．４であった。電圧−２ｋＶ、効率比１％のパルス電圧のみを印加した以外、前述したのと同様な条件で成膜した炭素膜の摩擦係数は０．０８であった。
【００２８】
したがって、実施例１で成膜された硬質炭素膜はより小さな摩擦係数を有し、摩擦特性が大幅に改善されることがわかる。
【００２９】
さらに、実施例１で成膜された硬質炭素膜はボールオンディスク型摩擦試験機による荷重２０Ｎでの摩擦試験にも剥離することなく摩擦係数０．０２を示し、密着性、耐久性も大幅に向上されていることが確認された。
【００３０】
（実施例２）
まず、ホルダ１３に高速度工具鋼（ＪＩＳ：ＳＫＨ５１）からなる基材１２を設置し、真空容器を１×１０-3Ｐａ以下の真空度まで真空排気した。原料ガスとしてアセチレンをガス導入管１７を通して前記真空容器１１内に導入し、その容器１１内の圧力を５×１０-2Ｐａに制御した。その後、一対の電磁コイル２０ａ，２０ｂに２５０Ａの電流を流すことにより、前記真空容器１１内の中心部から１５０ｍｍ離れた箇所においてマイクロ波を効率的に吸収可能な磁場（８７５ガウス）を形成した。この状態で、７００Ｗの出力のマイクロ波（周波数２．４５ＧＨｚ）をマイクロ波電源１９から導波管１８を介して真空容器１１内に導入することによりプラズマ１６を発生させた。プラズマ発生と同時に、電圧−０．５ｋＶの直流電圧と電圧−５ｋＶ、効率比１０％のパルス電圧をバイアス電源１５から高絶縁フィードスルー１４を通して前記基材１２にそれぞれ印加し、前記基材１２に硬質炭素膜を成膜することにより硬質炭素膜被覆部材を製造した。この時の成膜速度は、３０μｍ／分であった。
【００３１】
得られた硬質炭素膜の構造をラマンスペクトル分析により調べた。その結果、１５２０ｃｍ-1付近のメインピークと１３８０ｃｍ-1付近のショルダーバンドからなるブロードなピークが検出され、硬質炭素膜であるダイヤモンドライクカーボン膜の合成が確認された。
【００３２】
また、ボールオンディスク型摩擦試験機により前記硬質膜の摩擦特性を調べた。摩擦試験の条件としては、相手材をＳｉＣボール、荷重を１Ｎ、速度を０．１ｍ／ｓｅｃ、雰囲気を乾燥空気中、温度を室温とした。その結果、この硬質炭素膜の摩擦係数は０．０３であった。なお、直流電圧およびバイアス電圧を印加しない以外、前述したのと同様な条件で成膜した炭素膜の摩擦係数は０．５であった。電圧−５ｋＶ、効率比１０％のパルス電圧のみを印加した以外、前述したのと同様な条件で成膜した炭素膜の摩擦係数は０．０９であった。
【００３３】
したがって、実施例２で成膜された硬質炭素膜はより小さな摩擦係数を有し、摩擦特性が大幅に改善されることがわかる。
【００３４】
さらに、実施例２で成膜された硬質炭素膜はボールオンディスク型摩擦試験機による荷重２０Ｎでの摩擦試験にも剥離することなく摩擦係数０．０３を示し、密着性、耐久性も大幅に向上されていることが確認された。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば硬質で摩擦特性の優れた硬質炭素膜を基材に対して良好に密着させることができる。また、イオンビームを用いた成膜方法の中で複雑形状の部材へ処理可能な方法で、かつ成膜速度を向上できるため、従来の製造方法と比較し短時間に低コストで製造することができる。
【００３６】
したがって、本発明によれば工具、軸受け等の産業機械、エンジン、宇宙機器等への性能、寿命向上に寄与する硬質炭素膜被覆部材の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る硬質炭素膜被覆部材を製造するための成膜装置の概略図
【符号の説明】
１１…真空容器、
１２…基材、
１３…ホルダ、
１５…バイアス電源、
１６…プラズマ、
１９…マイクロ波電源、
２０ａ，２０ｂ…電磁コイル、
【図１】
0004779090.tif 000002