(57)【要約】【課題】処理室内の各所における原料ガス濃度を均一にすることができ、これにより、均一厚みの炭素膜を成膜することができる炭素膜成膜装置および炭素膜成膜方法を提供すること。【解決手段】炭素膜成膜装置としてのプラズマＣＶＤ成膜装置１は、処理室と、処理室内に収容され、基材を保持するための基台と、処理室内に原料ガスを吐出するための複数の吐出口４２、および各吐出口と連通するガス流通路３５を、内部に区画形成するガス導入配管３２を有するガス導入ノズル３１と、ガス導入配管３２に、メタンガス等の原料ガスを供給するための原料ガス供給手段（集合配管３０等を含む構成）とを含んでいる。ガス導入配管３２の鉛直部３４の管壁は、当該管壁の流路径Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３が、下流側ほど縮径になるように、階段状に形成されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面に炭素膜を形成するための炭素膜成膜装置であって、
処理室と、
前記処理室内に収容され、基材を保持するための基材保持手段と、
前記処理室内に原料ガスを吐出するための複数の吐出口、および各吐出口と連通するガス流通路を、内部に区画形成するガス導入配管を有するノズルと、
前記ガス導入配管に、炭素系化合物を含む原料ガスを供給するための原料ガス供給手段とを含み、
前記複数の吐出口の形成領域に対応する前記ガス導入配管の管壁は、当該管壁の流路径が、前記原料ガス供給手段による原料ガスの供給側から離れるほど縮径になるように、階段状に形成されていることを特徴とする、炭素膜成膜装置。
【請求項２】
前記ガス導入配管は、前記原料ガスの供給側に設けられて、水平に延びる水平部と、前記原料ガスの供給側とは反対側に設けられて、鉛直に延びる鉛直部とを含み、
前記鉛直部は前記複数の吐出口を有し、
前記水平部には、前記吐出口が形成されていないことを特徴とする、請求項１記載の炭素膜成膜装置。
【請求項３】
前記複数の吐出口は、前記ガス導入配管の管軸方向に垂直な所定の第１吐出方向に向けて、前記原料ガスを吐出するための第１吐出口と、前記管軸方向に垂直で、かつ前記第１吐出方向と異なる所定の第２吐出方向に向けて、前記原料ガスを吐出するための第２吐出口と有している、請求項１または２記載の炭素膜成膜装置。
【請求項４】
前記処理室は導電材料を用いて形成された隔壁を含み、
前記基材保持手段は基材を支持するための基台であって、導電材料を用いて形成された基台を含み、
前記炭素膜成膜装置は、前記隔壁と前記基台との間に直流電圧を生じさせて、処理室内に導入された前記原料ガスをプラズマ化させるためのプラズマ電源をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の炭素膜成膜装置。
【請求項５】
基材の表面に炭素膜を形成するための炭素膜成膜方法であって、
処理室内に収容された基材保持手段に前記基材を保持させる基材保持工程と、
前記処理室内で開口する複数の吐出口、および各吐出口と連通するガス流通路を、内部に区画形成するガス導入配管を有するノズルの前記ガス導入配管に、炭素系化合物を含む原料ガスを供給するための原料ガス供給工程とを含み、
前記複数の吐出口の形成領域に対応する前記ガス導入配管の管壁は、当該管壁の流路径が、前記原料ガス供給手段による原料ガスの供給側から離れるほど縮径になるように、階段状に形成されていることを特徴とする、炭素膜成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、基材の表面に、ＤＬＣ膜などの炭素膜を成膜するための炭素膜成膜装置および炭素膜成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＤＬＣ膜などの炭素膜を成膜する方法として、直流パルスプラズマＣＶＤ法や直流プラズマＣＶＤ法などのプラズマＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が知られている（たとえば特許文献１参照）。
プラズマＣＶＤ法は、たとえば、次に述べるようなプラズマＣＶＤ成膜装置によって実施される。プラズマＣＶＤ成膜装置は、たとえば、処理室と、処理室に収容された基台と、処理室内に原料ガスを導入するための原料ガス供給手段と、処理室内に導入された原料ガスをプラズマ化させるための直流電圧（直流パルス電圧）を発生させるプラズマ電源とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２５２１７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明者らは、このようなプラズマＣＶＤ成膜装置の原料ガス供給手段として、処理室内を上方から下方に向けて延びる長尺のガス導入配管を採用することを検討している。ガス導入配管の周面には、処理室内に原料ガスを吐出させるための吐出口が、ガス導入配管の長手方向に沿って配列されている。これら複数の吐出口は、ほぼ等密度で配置されている。
【０００５】
このようなガス導入配管が採用された前記のプラズマＣＶＤ成膜装置を用いて、本願発明者らが実験を行ったところ、処理室下部分に位置する基材下部分の表面の成膜速度は高いが、処理室上部分に位置する基材上部分の表面の成膜速度は低い、との知見を得た。そのため、基材の表面を、側方に向けて配置して成膜する場合には、基材下部分の膜厚が、基材上部分の膜厚よりも厚くなってしまうおそれがある。この原因として、処理室内の下部領域における原料ガス濃度は高濃度となっており、その半面、処理室内の上部領域の原料ガス濃度は低濃度となっていることが考えられる。換言すると、ガス導入配管の下流側の各吐出口からの原料ガスの吐出流量は多いが、その半面、ガス導入配管の上流側の各吐出口からの原料ガスの吐出流量が少ないことが原因になっていると考えられる。
【０００６】
そこで、この発明の目的は、処理室内の各所における原料ガス濃度を均一にすることができ、これにより、均一厚みの炭素膜を成膜することができる炭素膜成膜装置および炭素膜成膜方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載の発明は、基材（２００）の表面（２０１）に炭素膜（２１）を形成するための炭素膜成膜装置（１）であって、処理室（３）と、前記処理室内に収容され、基材を保持するための基材保持手段（５）と、前記処理室内に原料ガスを吐出するための複数の吐出口（４２）、および各吐出口と連通するガス流通路（３５）を、内部に区画形成するガス導入配管（３２）を有するノズル（３１）と、前記ガス導入配管に、炭素系化合物を含む原料ガスを供給するための原料ガス供給手段とを含み、前記複数の吐出口の形成領域に対応する前記ガス導入配管の管壁は、当該管壁の流路径（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３）が、前記原料ガス供給手段による原料ガスの供給側から離れるほど縮径になるように、階段状に形成されていることを特徴とする、炭素膜成膜装置である。
【０００８】
請求項２記載の発明は、前記ガス導入配管は、前記原料ガスの供給側に設けられて、水平に延びる水平部（３３）と、前記原料ガスの供給側とは反対側に設けられて、鉛直に延びる鉛直部（３４）とを含み、前記鉛直部は前記複数の吐出口を有し、前記水平部には、前記吐出口が形成されていないことを特徴とする、請求項１記載の炭素膜成膜装置である。
【０００９】
請求項３記載の発明は、前記複数の吐出口は、前記ガス導入配管の管軸方向に垂直な所定の第１吐出方向に向けて、前記原料ガスを吐出するための第１吐出口（４２Ａ）と、前記管軸方向に垂直で、かつ前記第１吐出方向と異なる所定の第２吐出方向に向けて、前記原料ガスを吐出するための第２吐出口（４２Ｂ）とを有している。なお、第１および第２吐出口は、前記管軸方向に交互に並置されていてもよい。
【００１０】
請求項４記載の発明は、前記処理室は導電材料を用いて形成された隔壁（２）を含み、前記基材保持手段は基材を支持するための基台（５）であって、導電材料を用いて形成された基台を含み、前記炭素膜成膜装置は、前記隔壁と前記基台との間に直流電圧（直流パルス電圧を含む）を生じさせて、処理室内に導入された前記原料ガスをプラズマ化させるためのプラズマ電源（８）をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の炭素膜成膜装置である。
【００１１】
請求項５記載の発明は、基材（２００）の表面（２０１）に炭素膜（２１）を形成するための炭素膜成膜方法であって、処理室（３）内に収容された基材保持手段（５）に前記基材を保持させる基材保持工程と、前記処理室内で開口する複数の吐出口（４２）、および各吐出口と連通するガス流通路（３５）を、内部に区画形成するガス導入配管（３２）を有するノズル（３１）の前記ガス導入配管に、炭素系化合物を含む原料ガスを供給するための原料ガス供給工程とを含み、前記複数の吐出口の形成領域に対応する前記ガス導入配管の管壁は、当該管壁の流路径（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３）が、前記原料ガス供給手段による原料ガスの供給側から離れるほど縮径になるように、階段状に形成されていることを特徴とする、炭素膜成膜方法である。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の構成によれば、吐出口の形成領域に対応するガス導入配管の管壁は、当該管壁の流路径が、原料ガスの供給側から離れるほど縮径になるように、階段状に形成されている。そのため、管壁の階段状をなす部分が、ガス流通路を流通する原料ガスに干渉する。その結果、原料ガスの供給側のガス流通路に原料ガスを溢れさせることができるとともに、原料ガスの供給側と反対側のガス流通路への原料ガスの供給が抑制される。したがってこれにより、各吐出口からの原料ガスの吐出流量を均一にすることができ、その結果、処理室内の各所における原料ガス濃度を均一にすることができる。これにより、基材の表面に均一厚みの炭素膜を成膜することができる。
【００１３】
請求項２の構成によれば、水平部には吐出口が形成されておらず、垂直部のみに吐出口が形成されている。水平部に吐出口が形成されていないので、垂直部の各所（とくに垂直部における原料ガスの供給側）における原料ガスの圧力を高く保つことができ、各吐出口から原料ガスを勢い良く吐出することができる。
請求項３の構成によれば、第１吐出方向に向けて原料ガスを吐出する第１吐出口と、第２吐出方向に向けて原料ガスを吐出する第２吐出口とが、ガス導入配管の管軸方向に交互に並んで配置されている。そのため、処理室内に収容配置されるガス導入配管の数が少なくても、処理室内の各所に原料ガスをまんべんなく行き渡らせることができる。これにより、処理室内の各所における原料ガス濃度をより一層均一化することができる。
【００１４】
請求項４の構成によれば、処理室内において原料ガスがプラズマ化させられることにより、プラズマＣＶＤ法による基材に対する成膜処理が実施される。処理室内の各所における原料ガス濃度が均一であるので、基材の表面に均一厚みの炭素膜を成膜することができる。
請求項５の発明の方法によれば、請求項１に関連して説明した作用効果と同等の作用効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るプラズマＣＶＤ成膜装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】図１にそれぞれ示すガス導入機構および基台の構成を示す斜視図である。
【図３】図１に示す切断面線III−IIIから見た図である。
【図４】図１に示すガス導入ノズルの構成を示す模式的な図である。
【図５】図１に示すプラズマＣＶＤ成膜装置のプラズマ電源から基材に印加される直流パルス電圧の波形の一例を示すグラフである。
【図６】被覆部材の表面の表層部分の断面図である。
【図７】比較例１のプラズマＣＶＤ成膜装置のガス導入ノズルの構成を示す模式的な図である。
【図８】実施例１および比較例１のプラズマＣＶＤ成膜装置で成膜したＤＬＣ膜の膜厚の基材高さ方向分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係るプラズマＣＶＤ成膜装置の構成を模式的に示す図である。プラズマＣＶＤ成膜装置１を用いて、直流パルスプラズマＣＶＤ法により基材２００の表面（周面）２０１にＤＬＣ膜を形成することにより、被覆部材２０（図６参照）を製造することができる。
【００１７】
プラズマＣＶＤ成膜装置１は、隔壁２で取り囲まれた直方体（または立方体）状をなす処理室３と、基材２００を下方から当接して支持するための基台（基材保持手段）５と、処理室３内に成分ガスである原料ガスを導入するためのガス導入機構６と、処理室３内を真空排気するための排気系７と、処理室３内に導入されたガスをプラズマ化させるための直流パルス電圧を発生させるプラズマ電源８とを備えている。プラズマＣＶＤ成膜装置１は、直流パルスプラズマＣＶＤ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を実施するための装置である。
【００１８】
基台５は、水平の載置面を有する円盤状のプレート９（図２および図３を併せて参照）と、上下に延びてプレート９を支持する支持軸１０とを備えている。図１では、基台５として、プレート９が１段だけの１段式のものが採用されているが、基台５として、上下に複数並んで配置された複数段式（たとえば２段式）のものを採用することもできる。基台５は、全体が鋼などの導電材料を用いて形成されている。基台５にはプラズマ電源８の負極が接続されている。基材２００は、プレート９上に載置される。
【００１９】
また、処理室３の隔壁２は、ステンレス鋼等の導電材料を用いて形成されている。隔壁２には、プラズマ電源８の正極が接続されている。また隔壁２はアース接続されている。また、隔壁２と基台５とは絶縁部材１１によって絶縁されている。そのため隔壁２はアース電位に保たれている。プラズマ電源８がオンされて直流パルス電圧が発生されると、隔壁２と基台５との間に電位差が生じる。
【００２０】
排気系７は、処理室３の内部にそれぞれ連通する第１排気管１３および第２排気管１４と、第１開閉バルブ１５、第２開閉バルブ１６および第３開閉バルブ１９と、第１ポンプ１７および第２ポンプ１８とを備えている。
第１排気管１３の途中部には、第１開閉バルブ１５および第１ポンプ１７が、処理室３側からこの順で介装されている。第１ポンプ１７としては、たとえば油回転真空ポンプ（ロータリポンプ）やダイヤフラム真空ポンプなどの低真空ポンプが採用される。油回転真空ポンプは、油によってロータ、ステータおよび摺動翼板などの部品の間の気密空間および無効空間の減少を図る容積移送式真空ポンプである。第１ポンプ１７として採用される油回転真空ポンプとしては、回転翼型油回転真空ポンプや揺動ピストン型真空ポンプが挙げられる。
【００２１】
また、第２排気管１４の先端は、第１排気管１３における第１開閉バルブ１５と第１ポンプ１７との間に接続されている。第２排気管１４の途中部には、第２開閉バルブ１６、第２ポンプ１８および第３開閉バルブ１９が、処理室３側からこの順で介装されている。第２ポンプ１８としては、たとえばターボ分子ポンプ、油拡散ポンプなどの高真空ポンプが採用される。
【００２２】
ガス導入機構６は、集合配管３０と、集合配管３０の上流側に接続された複数の成分ガス導入配管（図示しない）と、集合配管３０の下流端に分岐接続された複数（この実施形態では４つ）のガス導入ノズル（ノズル）３１とを備えている。集合配管３０は、円盤状のプレート９の中心軸線上に、当該中心軸線に沿って配置されている。各成分ガス導入配管には、対応する成分ガスの供給源（ガスボンベや液体を収容する容器等）からの当該成分ガスが供給されるようになっている。複数の成分ガスのうちの１つは、たとえば炭素系化合物を含むガスである。各成分ガス導入配管には、各供給源からの成分ガスの流量を調節するための流量調節バルブ（図示しない）等が設けられている。また、供給源のうち液体を収容する容器には、必要に応じて、液体を加熱するための加熱手段（図示しない）が設けられている。集合配管３０、複数の成分ガス導入配管（図示しない）、各成分ガスの供給源（図示しない）等が、特許請求の範囲の「原料ガス供給手段」に含まれる。
【００２３】
図２は、ガス導入機構６および基台５の構成を示す斜視図である。図３は、図１に示す切断面線III−IIIから見た図である。図４は、ガス導入ノズル３１の構成を示す模式的な図である。
複数のガス導入ノズル３１は、集合配管３０を中心として、互いに回転対称に設けられており、等角度間隔（たとえば９０°間隔）に設けられている。複数のガス導入ノズル３１は、同一の諸元を有している。
【００２４】
各ガス導入ノズル３１は、集合配管３０の下流端に接続された各ガス導入配管３２を備えている。各ガス導入配管３２は、集合配管３０の下流端に接続されて、当該下流端から基台５の径方向の外方（集合配管３０に離反する方向）に向けて水平に延びる水平部３３と、水平部３３の下流端（側方端）に接続されて、当該側方端から鉛直下方に向けて垂れ下がる鉛直部３４とを備え、全体として１８０°横転したＬ字状をなしている。換言すると、複数（たとえば４つ）の水平部３３は、集合配管３０の下流端から放射状に広がっている。
【００２５】
各ガス導入配管３２（各鉛直部３４および各水平部３３）は円筒状をなしている。各ガス導入配管３２の内部には、集合配管３０の内部と連通する円筒状のガス流通路３５が区画形成されている。各ガス流通路３５は、各鉛直部３４の下流端において閉塞されている。また、各水平部３３には、次に述べるような吐出口は形成されていない。
図３に示すように各鉛直部３４は、処理室３における平面視矩形の４つの隅部にそれぞれ配置されている。各ガス導入ノズル３１の下流端、すなわち各鉛直部３４の下流端は、基台５の側方に位置している。
【００２６】
鉛直部３４は、集合配管３０側（水平部３３側）から順に、互いに管径の異なる第１部分３６、第２部分３７および第３部分３８を備えている。第１、第２および第３部分３６，３７，３８のそれぞれの管璧の管径およびその厚みは、その管軸方向に関して一定である。第１部分３６の外径Ｄ１、第２部分３７の外径Ｄ２、および第３部分３８の外径Ｄ３の関係はＤ１＞Ｄ２＞Ｄ３である。換言すると、第１部分３６の管壁、第２部分３７の管壁、および第３部分３８の管壁は、下流側に向かうほど縮径になるように、階段状に形成されている。第１部分３６の下流端と第２部分３７の上流端とは、水平姿勢をなす円環状の第１段部（管壁の階段状をなす部分）３９によって接続されている。また、第２部分３７の下流端と第３部分３８の上流端とは、水平姿勢をなす円環状の第２段部（管壁の階段状をなす部分）４０によって接続されている。なお、第１部分３６、第２部分３７および第３部分３８のそれぞれの管軸方向長さＬ７，Ｌ８，Ｌ９は、ほぼ同等に設定されている。
【００２７】
図４に示すように、各鉛直部３４の周面には、原料ガスを吐出するための吐出口４２が複数個（たとえば８個）形成されている。具体的には、第１、第２および第３部分３６，３７，３８のそれぞれにおいて、管軸方向に沿って吐出口４２が配列されている。これら複数の吐出口４２はほぼ等密度で配置されており、各吐出口４２は互いにほぼ同じ大きさを有し、第１、第２および第３部分３６，３７，３８の管壁に開口している（管壁の内外を貫通している）。換言すると、吐出口４２がガス流通路３５と連通している。
【００２８】
吐出口４２は、所定の第１横方向（第１吐出方向）に向けて原料ガスを吐出する第１吐出口４２Ａと、第１横方向と円筒の鉛直部３４の周方向に９０°位相のずれた第２横方向（第２吐出方向）に向けて原料ガスを吐出する第２吐出口４２Ｂとを有している。第１横方向は、当該鉛直部３４が収容される隅部を構成する隔壁２の２つの側面の一方に沿う内向きの横方向（水平方向）であり、第２横方向は、当該鉛直部３４が収容される隅部を構成する隔壁２の２つの側面の他方に沿う内向きの横方向（水平方向）である。
【００２９】
鉛直部３４では、第１部分３６には、管軸方向の同じ位置に、第１吐出口４２Ａおよび第２吐出口４２Ｂからなる吐出口対４２Ａ，４２Ｂが配置されている。第１部分３６では、吐出口対４２Ａ，４２Ｂが上下に間隔Ｌ１を空けて２対配置されている。また、第２部分３７には、第１吐出口４２Ａが上流側に、第２吐出口４２Ｂが下流側に、互いに間隔Ｌ２を空けて配置されている。第３部分３８には、第１吐出口４２Ａが上流側に、第２吐出口４２Ｂが下流側、互いに間隔Ｌ３を空けて配置されている。
【００３０】
また、第１部分３６における上流側の吐出口対４２Ａ，４２Ｂは、水平部３３の下流端から間隔Ｌ４を空けて配置されており、第２部分３７における上流側の吐出口４２（第１吐出口４２Ａ）は、第１部分３６における下流側の吐出口対４２Ａ，４２Ｂから間隔Ｌ５を空けて配置されている。第３部分３８における上流側の吐出口４２（第１吐出口４２Ａ）は、第２部分３７における下流側の吐出口４２（第２吐出口４２Ｂ）から間隔Ｌ６を空けて配置されている。
【００３１】
鉛直部３４の管壁は、当該管壁の流路径が、原料ガスの供給側から離れるほど縮径になるように、階段状に形成されている。そのため、第１および第２段部３９，４０が、ガス流通路３５を流通する原料ガスに干渉する。その結果、ガス流通路３５の上流側にガスを溢れさせることができるとともに、ガス流通路３５の下流側への原料ガスの供給が抑制される。これにより、各吐出口４２からの原料ガスの吐出流量を均一にすることができ、その結果、処理室３内の各所における原料ガス濃度を均一にすることができる。ゆえに、基材２００の表面２０１に均一厚みのＤＬＣ膜２１を成膜することができる。
【００３２】
また、水平部３３には吐出口が形成されておらず、鉛直部３４のみに吐出口４２が形成されている。水平部３３に吐出口が形成されていないので、鉛直部３４の各所（とくに鉛直部３４の上流部分）における原料ガスの圧力を高く保つことができ、全ての吐出口４２から原料ガスを勢い良く吐出することができる。
さらに、吐出口４２として、吐出方向が互いに異なる第１および第２吐出口４２Ａ，４２Ｂが形成されているので、処理室３内に収容配置されるガス導入ノズル３１の数が少なくても、処理室３内の各所に原料ガスをまんべんなく行き渡らせることができる。これにより、処理室３内の各所における原料ガス濃度を、より一層均一化することができる。なお、このような吐出口４２の配置およびその吐出方向は一例であり、適宜変更することが可能である。
【００３３】
次に図１等を参照して、プラズマＣＶＤ成膜装置１を用いて基材２００の表面２０１に炭素膜の一例としてのＤＬＣ膜２１（図６参照）を形成して被覆部材２０（図６参照）を製造する処理について説明する。
まず、処理室３内に基材２００を搬入し、基材２００を、その表面２０１（周面）が側方を向いた姿勢で基台５のプレート９上に載置し、当該プレート９の上面上に支持させる（基材保持工程）。
【００３４】
次いで第１、第２および第３開閉バルブ１５，１６，１９が閉じられた状態で第１ポンプ１７が駆動させられた後、第１開閉バルブ１５が開かれることにより処理室３内が真空排気される。処理室３内が第１ポンプ１７によって所定の真空度まで真空排気された時点で第１開閉バルブ１５を閉じられるとともに第３開閉バルブ１９が開かれて第２ポンプ１８が駆動させられた後、第２開閉バルブ１６が開かれることにより、第１および第２ポンプ１７，１８によって処理室３内がさらに真空排気される。
【００３５】
処理室３内が所定の真空度に達した時点で第２開閉バルブ１６が閉じられ、第２ポンプ１８が停止させられ、第３開閉バルブ１９が閉じられるとともに第１開閉バルブ１５が開かれて第１ポンプ１７だけで排気を続けながら、供給源（図示しない）から集合配管３０を通して各ガス導入ノズル３１に原料ガスが供給され、この原料ガスが各吐出口４２を介して処理室３内に導入される。まず、処理室３内に導入される原料ガスは、たとえば、水素ガスおよびアルゴンガスである。水素ガスおよびアルゴンガスは、それぞれ、プラズマを安定化させる作用を有する。原料ガスは、水素ガスおよびアルゴンガスに限らず、アルゴンガスだけであってもよい。
【００３６】
次いで電源８がオンされて、負の直流パルス電圧（たとえば、−１０００Ｖ）が基台５に印加される。これにより、隔壁２と基台５との間に電位差が生じ、処理室３内にプラズマが発生する。このプラズマの発生により、処理室３内において原料ガスからイオンやラジカルが生成するとともに、このイオンやラジカルが電位差に基づいて基材２００の表面２０１に打ち付けられて、基材２００の表面２０１に微細な凹凸（原子レベルの凹凸）が形成される（スパッタ工程）。また、イオンやラジカルが基材２００の表面２０１に打ち付けられることにより、基材２００の表面２０１に吸着された異分子等をスパッタリング除去したり、表面２０１を活性化したり、原子配列等を改質したりできる（イオンボンバード処理）。
【００３７】
電源８がオンにされてから予め定める処理時間が経過すると、処理室３への原料ガス（水素ガスおよびアルゴンガス）の供給が停止させられる。次いで処理室３内を真空排気した状態で、供給源（図示しない）から集合配管３０を通して各ガス導入ノズル３１に原料ガスが供給され、この原料ガスが各吐出口４２を介して処理室３内に導入される。このとき処理室３内に導入される原料ガスは、たとえば、Ｓｉを含むガス（たとえば、Ｈ２、ＴＭＳ（テトラメチルシランガス、（Ｓｉ（ＣＨ３）４））、およびＣＨ４（メタン）の混合ガス）である。そして、この原料ガスを処理室３内に導入しながら、基台５に負の直流パルス電圧を印加させる。これにより、処理室３内にプラズマが発生し、これによって、基材２００の表面２０１を覆う中間層２２が形成される（中間層形成工程）。
【００３８】
電源８をオンにしてから予め定める処理時間が経過すると、処理室３への原料ガスの供給を停止する。次いで処理室３内を真空排気した状態で、供給源（図示しない）から集合配管３０を通して各ガス導入ノズル３１に原料ガスが供給され、この原料ガスが各吐出口４２を介して処理室３内に導入される（原料ガス供給工程）。このとき処理室３内に導入される原料ガスは、たとえば、炭素系化合物に、さらに水素ガス、およびアルゴンガス等を加えたものである。炭素系化合物としては、たとえばメタン（ＣＨ４）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、ベンゼン（Ｃ６Ｈ６）等の、常温、常圧下で気体ないし低沸点の液体である炭化水素化合物の１種または２種以上が挙げられる。
【００３９】
次いで、隔壁２と基台５との間に電位差を生じさせることにより、処理室３内にプラズマが発生する。このプラズマの発生により、処理室３内において原料ガスからイオンやラジカルが生成されるとともに、このイオンやラジカルが電位差に基づいて基材２００の表面２０１に引き付けられる。そして基材２００の表面２０１で化学反応が生じ、中間層２２の上にＤＬＣ膜２１が堆積される（ＤＬＣ膜形成工程）。これにより、基材２００の少なくとも一部がＤＬＣ膜２１で被覆された被覆部材２０が形成される。
【００４０】
図５は、プラズマ電源８から基材２００に印加される直流パルス電圧の波形の一例を示すグラフである。直流パルス電圧の設定電圧値は、たとえば１０００Ｖ程度の値に設定される。すなわちプラズマ電源８がオンされると、隔壁２と基台５との間に１０００Ｖの電位差が生じる。言い換えれば１０００Ｖの負極性の直流パルス電圧が、処理室３内に前述のようにセットされた基材２００に印加されている。波形がパルス状であるので、かかる高電圧が印加されても処理室３内に異常放電は生じず、基材２００の温度上昇を抑制して、処理温度をたとえば３００℃以下の低温に抑制することができる。
【００４１】
直流パルス電圧においては、そのパルス幅τを周波数ｆの逆数（１／ｆ）で表されるパルス周期で除算した値、つまり式（１）に示すようにパルス幅τを周波数ｆで乗算した値として求められるデューティー比を５％以上、特に１０％程度に設定するのが好ましい。また周波数ｆは２００Ｈｚ以上、２０００Ｈｚ以下、特に１０００Ｈｚ程度に設定するのが好ましい。
【００４２】
デューティー比＝τ×ｆ      ・・・（１）
ＤＬＣ膜形成工程を実施して、基材２００上に所定の膜厚を有するＤＬＣ膜２１が形成された時点で、プラズマ電源８がオフされるとともに、原料ガスの導入が停止された後、第１ポンプ１７による排気を続けながら常温まで冷却させられる。次いで第１開閉バルブ１５を閉じ、代わってリークバルブ（図示しない）を開いて処理室３内に外気を導入して処理室３内を常圧に戻した後、処理室３から基材２００が取り出される。これにより、基材２００の表面２０１の少なくとも一部がＤＬＣ膜２１によって被覆された被覆部材２０が製造される。
【００４３】
図６は、被覆部材２０の表面の表層部分の断面図である。
被覆部材２０は、たとえば、摺動部材や装飾品として用いられる。摺動部材としては、例えば、摩擦クラッチのクラッチプレート、ステアリング装置のウォーム（歯面にＤＬＣ膜２１を形成）、軸受の内外輪（軌道面にＤＬＣ膜２１を形成）または保持器、およびプロペラシャフト（駆動軸、雄スプライン部および／または雌スプライン部にＤＬＣ膜２１を形成）が挙げられる。
【００４４】
被覆部材２０は、基材２００と、基材２００の表面２０１を覆う中間層２２と、中間層２２の表面を覆うＤＬＣ膜２１とを含む。中間層２２およびＤＬＣ膜２１は、それぞれ、膜厚が数μｍ〜数十μｍ程度の薄膜である。ＤＬＣ膜２１の表面は、被覆部材２０の最表面の少なくとも一部を形成している。被覆部材２０が摺動部材として用いられる場合、ＤＬＣ膜２１の表面は、相手部材に摺動する摺動面として機能する。また、被覆部材２０が摺動部材として用いられる場合、基材２００の材質は、たとえば、鉄鋼材（工具鋼、炭素鋼、およびステンレス鋼）、合金、超硬等である。
【００４５】
また、中間層２２は、たとえば、ＣｒＮやＴｉＮなどの金属膜や、Ｓｉを含む薄膜である。
次に、実施例１および比較例１について説明する。
実施例１では、図１に示すプラズマＣＶＤ成膜装置１を用いて、鉄鋼材（たとえばＳＣＭ４１５）からなる基材２００の表面（周面）２０１に、前記のイオンボンバード処理を施すとともに、その後、中間層形成工程およびＤＬＣ膜形成工程をこの順で実行し、中間膜２２およびＤＬＣ膜２１を形成した。
【００４６】
実施例１では、第１、第２および第３部分３６，３７，３８の外径Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３（図４参照）、たとえばそれぞれ、１２．２５ｍｍ、９．６２ｍｍおよび６．３５ｍｍに設定されている。また、第１、第２および第３部分３６，３７，３８における管璧の厚み（図４参照）は、たとえば０．８ｍｍである。
また、間隔Ｌ１（図４参照）、間隔Ｌ２（図４参照）および間隔Ｌ３（図４参照）は、たとえばそれぞれ６０ｍｍ、５０ｍｍおよび５０ｍｍに設定されている。また、間隔Ｌ４（図４参照）、間隔Ｌ５（図４参照）および間隔Ｌ６（図４参照）は、たとえばそれぞれ６０ｍｍ、２５ｍｍおよび２５ｍｍに設定されている。さらに、管軸方向長さＬ７，Ｌ８，Ｌ９（図４参照）は、それぞれ１７０ｍｍ、１５０ｍｍおよび１５０ｍｍに設定されている。
【００４７】
比較例１では、次に述べるプラズマＣＶＤ成膜装置１０１を用いて、鉄鋼材（たとえばＳＣＭ４１５）からなる基材２００の表面（周面）２０１に、前記のイオンボンバード処理を施すとともに、その後、中間層形成工程およびＤＬＣ膜形成工程をこの順で実行し、中間膜およびＤＬＣ膜を形成した。
実施例１および比較例１では、イオンボンバード処理における原料ガスとして水素ガス、およびアルゴンガスの混合ガスを用い、水素ガスおよびアルゴンガスの２成分の流量比をそれぞれ１：１とした。
【００４８】
実施例１および比較例１では、中間層形成工程における原料ガスとして炭素系化合物としてのメタン、水素ガス、アルゴンガス、およびＳｉを含むガスとしてのＴＭＳの混合ガスを用い、メタン、水素ガス、アルゴンガスおよびＴＭＳの４成分の流量比をそれぞれ０．５〜１：０．５〜１：０．５〜１：０．０３〜０．０６とした。
実施例１および比較例１では、ＤＬＣ膜形成工程における原料ガスとして炭素系化合物としてのメタン、水素ガス、アルゴンガス、およびＳｉを含むガスとしてのＴＭＳの混合ガスを用い、メタン、水素ガス、アルゴンガスおよびＴＭＳの４成分の流量比をそれぞれ０．６：０．６：１：０．０３とした。
【００４９】
実施例１および比較例１の各工程における原料ガスの流量比を以下の表１に示す。
【００５０】
【表１】
2013163841.tif 000003
【００５１】
直流パルス電圧の設定電圧値はたとえば−１０００Ｖ、周波数ｆはたとえば１０００Ｈｚ、デューティー比はたとえば１０％にそれぞれ設定した。
図７は、比較例１のプラズマＣＶＤ成膜装置１０１のガス導入ノズル１３１の構成を示す模式的な図である。図７において、前述のプラズマＣＶＤ成膜装置１と共通する部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００５２】
比較例１のプラズマＣＶＤ成膜装置１０１は、集合配管３０を中心として、互いに回転対称に設けられた４つのガス導入ノズル１３１を備えている。各ガス導入ノズル１３１は、水平部１３３と鉛直部１３４とを有し、集合配管３０の下流端に接続されたガス導入配管１３２を備えている。各ガス導入配管１３２の内部には、集合配管３０の内部と連通する円筒状のガス流通路１３５が区画形成されており、各ガス流通路１３５は、鉛直部１３４の下流端において閉塞されている。各鉛直部１３４は、処理室３における平面視矩形の４つの隅部にそれぞれ配置されている。各ガス導入ノズル１３１の下端、すなわち、各鉛直部１３４の下端は、基台５の側方に位置している。鉛直部１３４の管径は、その管軸方向に関して一定であり、たとえば６．３５ｍｍである。
【００５３】
図７に示すように、各鉛直部１３４の周面には、原料ガスを吐出するための吐出口１４２が複数個（たとえば９個）形成されている。各水平部１３３の周面には、原料ガスを吐出するための吐出口１４２が複数個（たとえば４個）形成されている。これらの吐出口１４２は、各ガス導入配管１３２の管軸方向に沿って配列されている。
また、各水平部１３３では、吐出口１４２は所定間隔Ｌ１１（たとえば５０ｍｍ）を隔てて配置されている。各吐出口１４２は、水平部１３３の周面に、その周方向における最下位置に形成されている。水平部１３３における最も上流側の吐出口１４２と、集合配管３０の下流端との間の間隔Ｌ１４、および水平部１３３における最も下流側の吐出口１４２と、水平部１３３の下流端との間の間隔Ｌ１５は、たとえばそれぞれ、３５ｍｍおよび５０ｍｍである。
【００５４】
各鉛直部１３４では、吐出口１４２は所定間隔（図７に示すＬ１２の半分。たとえば５０ｍｍ）を隔てて配置されている。鉛直部１３４に形成される吐出口１４２は、所定の第１横方向に向けて原料ガスを吐出する第１吐出口１４２Ａと、第１横方向と円筒の鉛直部１３４の周方向に９０°位相のずれた第２横方向に向けて原料ガスを吐出する第２吐出口１４２Ｂとを有している。第１横方向は、当該鉛直部１３４が収容される隅部を構成する隔壁２の２つの側面の一方に沿う内向きの横方向（水平方向）であり、第２横方向は、当該鉛直部１３４が収容される隅部を構成する隔壁２の２つの側面の他方に沿う内向きの横方向（水平方向）である。
【００５５】
各鉛直部１３４の管軸方向に関して、第１吐出口１４２Ａと第２吐出口１４２Ｂとが交互に配置されている。鉛直部１３４における最も上流側の吐出口１４２と、水平部１３３の下流端との間の間隔Ｌ１６は、たとえば５０ｍｍである。
図８は、実施例１のプラズマＣＶＤ成膜装置１および比較例１のプラズマＣＶＤ成膜装置１０１で成膜したＤＬＣ膜の膜厚の基材高さ方向（プレート９（図１等参照）の上面に垂直な方向）分布を示す図である。図８の横軸は、基材２００（図１等参照）の下端（すなわち、プレート９の上面）からの基材高さ方向位置（距離）である。
【００５６】
図８より、実施例１では、ＤＬＣ膜２１（図６等参照）の厚みが、基材高さ方向にほぼ均一であることが理解される。
これに対し、比較例１では、基材２００の下端から離れるほど、ＤＬＣ膜の厚みが小さいことが理解される。
この発明の実施の形態の説明は以上であるが、この発明は、前述の実施形態の内容に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。
【００５７】
たとえば、鉛直部３４が３段状をなしている場合を例に挙げたが、鉛直部３４が２段状であってもよいし、４段状以上であってもよい。
また、前述の説明では水平部３３に吐出口４２を形成しないとしたが、水平部３３に吐出口４２を配置した構成であってもよい。しかしながら、鉛直部３４の各所（とくに鉛直部３４の上流部分）における原料ガスの圧力を高く保ち、鉛直部３４の各吐出口４２（とくに鉛直部３４の上流部分の各吐出口４２）から原料ガスを勢い良く吐出するためには、水平部３３に吐出口４２を形成しないことが望ましい。
【００５８】
また、前述の説明では、鉛直部３４の吐出口４２として、互いの吐出方向の異なる第１吐出口４２Ａおよび第２吐出口４２Ｂを設けた構成を例示したが、各吐出口４２の吐出方向が共通した構成であってもよい。しかしながら、処理室３内の各所に原料ガスをまんべんなく行き渡らせるためには、鉛直部３４の吐出口４２として第１および第２吐出口４２Ａ，４２Ｂの２種を設けることが望ましい。
【００５９】
また、各吐出口４２として、ガス導入配管３２の管壁に直接開口するものを例示したが、ガス導入配管３２に取り付けられたノズル（円筒ノズル等）の先端部に吐出口が形成されていてもよい。
また、炭素膜の一例としてＤＬＣ膜２１を例に挙げたが、他の炭素膜を採用することもできる。
【００６０】
プラズマＣＶＤ成膜装置１は、直流パルスプラズマＣＶＤ法により炭素膜を成膜するための成膜装置を例に挙げたが、直流プラズマＣＶＤ法により炭素膜を成膜するための成膜装置にも本発明を適用することもできる。さらに、それら以外の方法を用いて炭素膜を成膜するための成膜装置に本発明を適用することもできる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１…プラズマＣＶＤ成膜装置、２…隔壁、３…処理室、５…基台（基材保持手段）、８…プラズマ電源、２１…ＤＬＣ膜（炭素膜）、３１…ガス導入ノズル（ノズル）、３２…ガス導入配管、３３…水平部、３４…鉛直部、３５…ガス流通路、４２…吐出口、４２Ａ…第１吐出口、４２Ｂ…第２吐出口、２００…基材、２０１…表面、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３…流路径
【図１】
2013163841.tif 000004
【図２】
2013163841.tif 000005
【図３】
2013163841.tif 000006
【図４】
2013163841.tif 000007
【図５】
2013163841.tif 000008
【図６】
2013163841.tif 000009
【図７】
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【図８】
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