(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被コーティング物を保持するためのホルダーが内部に配置されている真空チャンバーと、この真空チャンバー内に原料ガスを供給するための原料ガス供給手段と、前記の真空チャンバー内に供給された前記の原料ガスを直流放電によってプラズマ化するためのイオン源と、このイオン源によって生じたプラズ中のプラスイオンが前記のホルダー側もしくは該ホルダーによって保持された被コーティング物側に電気的に吸引されるように前記のホルダーもしくは該ホルダーによって保持された被コーティング物に負の直流パルス電圧を印加するためのパルス電源とを備え、
前記のイオン源は、底部を有する筒状の反射電極と、この反射電極内に該反射電極と電気的に絶縁されて設けられた熱電子放出用陰極と、この熱電子放出用陰極よりも前記の反射電極の開口端側に該反射電極と電気的に絶縁されて設けられた板状陽極とを有し、
成膜時における前記の反射電極，熱電子放出用陰極およびホルダーもしくは該ホルダーによって保持された被コーティング物それぞれの電位が前記の板状陽極の電位より低く、かつ、前記の熱電子放出用陰極の電位の方が前記の反射電極の電位より高く、前記の反射電極の電位の方が前記のホルダーもしくは該ホルダーによって保持された被コーティング物の電位より高くなるように設定され、しかも、前記のホルダーもしくは該ホルダーによって保持された被コーティング物には、前記のパルス電源から前記負の直流パルス電圧が周期的に印加される、
ことを特徴とするパルス放電型ＤＬＣ成膜装置。
【請求項２】
ホルダーもしくは該ホルダーによって保持された被コーティング物に、パルス電圧１．５ｋＶ，パルス幅１５０μ秒の負の直流パルス電圧を周波数２ｋＨｚで印加する、請求項１に記載のパルス放電型ＤＬＣ成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイヤモンドライクカーボン（以下、「ＤＬＣ」と略記する。」薄膜を成膜するためのＤＬＣ成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＬＣは、極めて高い硬度を有し、摩擦係数が低く、耐摩耗性、耐薬品性、熱伝導性等に優れているため、切削工具，刃物，金型，電子部品，光情報記録媒体等の表面保護膜や耐凝着耐摩耗膜等としての利用が図られている。
ＤＬＣ成膜装置としては種々のものが開発されているが、本件出願人は、直流放電によって原料ガスをプラズマ化する特定のイオン源を備えたＤＬＣ成膜装置について、既に特許（第２１０７７５３号）を受けている。
【０００３】
上記のＤＬＣ成膜装置は、底部を有する筒状の反射電極と、この反射電極内に当該反射電極と電気的に絶縁されて設けられた熱電子放出用陰極と、この熱電子放出用陰極よりも反射電極の開口端側に当該反射電極と電気的に絶縁されて設けられた板状陽極と、反射電極の内部空間に開口端を有する作動ガス（原料ガス）供給管とを少なくとも備え、成膜時に、板状陽極の電位を基準としたときの反射電極、熱電子放出用陰極および基板の各電位がそれぞれ負電位となるように、かつ、熱電子放出用陰極の電位の方が反射電極の電位より高く、反射電極の電位の方が基板の電位より高くなるように制御されるイオン源を備えたＤＬＣ成膜装置である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したＤＬＣ成膜装置によって被コーティング物の表面にＤＬＣ薄膜を成膜する場合、硬度が高く熱膨張係数が小さい材料からなる被コーティング物については、その表面に比較的高い密着力の下にＤＬＣ薄膜を成膜することができる。しかしながら、硬度が低く熱膨張係数が大きい材料からなる被コーティング物については、その表面に直接ＤＬＣ薄膜を成膜すると当該ＤＬＣ膜の密着性が低下するため、密着性を高めるうえから、被コーティング物の表面に予めＴｉ，Ｓｉ，Ａｌ等の中間層を形成しておくことが望まれる。
全く同じことが、従来の他のＤＬＣ成膜装置によって被コーティング物の表面にＤＬＣ薄膜を成膜する場合に広く当てはまる。
【０００５】
本発明の目的は、被コーティング物の表面により高い密着力の下にＤＬＣ薄膜を成膜することが可能なＤＬＣ成膜装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する本発明のＤＬＣ成膜装置は、被コーティング物を保持するためのホルダーが内部に配置されている真空チャンバーと、この真空チャンバー内に原料ガスを供給するための原料ガス供給手段と、前記の真空チャンバー内に供給された前記の原料ガスを直流放電によってプラズマ化するためのイオン源と、このイオン源によって生じたプラズ中のプラスイオンが前記のホルダー側もしくは該ホルダーによって保持された被コーティング物側に電気的に吸引されるように前記のホルダーもしくは該ホルダーによって保持された被コーティング物に負の直流パルス電圧を印加するためのパルス電源とを備え、前記のイオン源は、底部を有する筒状の反射電極と、この反射電極内に該反射電極と電気的に絶縁されて設けられた熱電子放出用陰極と、この熱電子放出用陰極よりも前記の反射電極の開口端側に該反射電極と電気的に絶縁されて設けられた板状陽極とを有し、成膜時における前記の反射電極，熱電子放出用陰極およびホルダーもしくは該ホルダーによって保持された被コーティング物それぞれの電位が前記の板状陽極の電位より低く、かつ、前記の熱電子放出用陰極の電位の方が前記の反射電極の電位より高く、前記の反射電極の電位の方が前記のホルダーもしくは該ホルダーによって保持された被コーティング物の電位より高くなるように設定され、しかも、前記のホルダーもしくは該ホルダーによって保持された被コーティング物には、前記のパルス電源から前記負の直流パルス電圧が周期的に印加される、ことを特徴とするパルス放電型ＤＬＣ成膜装置である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜装置の一例の模式図である。
同図に示したパルス放電型ＤＬＣ成膜装置１は、被コーティング物２を保持するためのホルダー（回転テーブルを含む。）３が内部に配置されている真空チャンバー４と、この真空チャンバー４内に原料ガスを供給するための原料ガス供給手段５と、前記の真空チャンバー４内に供給された前記の原料ガスを直流放電によってプラズマ化するためのイオン源６と、このイオン源６によって生じたプラズ中のプラスイオンが前記のホルダー３側へ電気的に吸引されるように前記のホルダー３もしくは当該ホルダー３によって保持された被コーティング物２に直流パルス電圧を印加するためのパルス電源７とを備えている。
【０００８】
なお、同図中の符号１０は、真空チャンバー４内を減圧するための真空ポンプを示しており、当該真空ポンプ１０と真空チャンバー４とは所定の配管１１によって接続されている。また、同図中の符号１２は、真空チャンバー４に設けられている窓１３を通してＤＬＣ薄膜の成膜状態を測定するための分光器を示しており、符号１４は前記の分光器１２用の集光レンズを示している。そして、同図中の符号１５は質量分析器を、符号１６はプラズマモニターを、符号１７は真空ゲージを示している。分光器１２，質量分析器１５，プラズマモニター１６および真空ゲージ１７それぞれによる測定結果は、電子計算機１８へ送られ、ここで処理されて表示装置１９に表示される。
【０００９】
図２は、パルス放電型ＤＬＣ成膜装置１が具備しているイオン源６の原理図である。当該イオン源６は、底部を有する筒状の反射電極（リフレクター）３０と、この反射電極３０内に当該反射電極３０と電気的に絶縁されて設けられた熱電子放出用陰極（フィラメント）３１と、この熱電子放出用陰極３１よりも反射電極３０の開口端側に当該反射電極３０と電気的に絶縁されて設けられた板状陽極（アノード）３２と、反射電極３０の内部空間に開口端を有する原料ガス供給管３３とを有しており、さらに、アノード電源３４，フィラメント電源３５，リフレクター電源３６および基板電源３７を有している。なお、図２中の二点鎖線は電気力線を示している。
【００１０】
イオン源６は、真空チャンバー内に供給された原料ガスを直流放電によってプラズマ化するためのものであるので、各電極３０，３１，３２の電位は、次のように設定される。すなわち、成膜時における反射電極（リフレクター）３０および熱電子放出用陰極（フィラメント）３１それぞれの電位が板状陽極（アノード）３２の電位より低く、かつ、熱電子放出用陰極（フィラメント）３１の電位の方が反射電極（リフレクター）３０の電位より高くなるように設定される。
【００１１】
そして、イオン源６によって生じたプラズマ中のプラスイオン（例えば炭素イオン）は基板３８（図２参照）側へ電気的に吸引される必要があるので、基板３８の電位は、成膜時における板状陽極（アノード）３２の電位より低く、かつ、反射電極（リフレクター）３０の電位より低くなるように設定される。
【００１２】
ただし、本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜装置においては、イオン源によって生じたプラズ中のプラスイオンがホルダー側もしくは当該ホルダーによって保持された被コーティング物側へ電気的に吸引されるように、前記のホルダーしくは当該ホルダーによって保持された被コーティング物に負の直流パルス電圧がパルス電源から印加される。このため、イオン源の実際の構成は、例えば図３に示すイオン源６におけるように、図２に示した構成から基板電源３７および基板３８を除いた構成となる。
【００１３】
そして、上記の構成を有するイオン源を備えた本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜装置によってＤＬＣ薄膜を成膜するに際しては、成膜時における板状陽極（アノード）の電位よりもホルダーもしくは当該ホルダーによって保持された被コーティング物の電位の方が低くなるように、かつ、反射電極（リフレクター）の電位の方がホルダーもしくは当該ホルダーによって保持された被コーティング物の電位より高くなるように設定される。しかも、成膜時においては、ホルダーもしくは当該ホルダーによって保持された被コーティング物に、パルス電源から負の直流パルス電圧が周期的に印加される。
【００１４】
成膜時においては、原料ガス供給手段によって原料ガス（例えばベンゼン（Ｃ6Ｈ6）ガス）が真空チャンバー内に供給され続け、この原料ガスは上述したイオン源によってプラズマ化される。成膜時の真空チャンバー内の雰囲気圧は、真空ポンプを作動させることで１０-4〜１０-3Torr台に保たれる。
【００１５】
原料ガスをプラズマ化することによって生じたプラスイオンは、負電位にあるホルダーもしくは当該ホルダーによって保持されている被コーティング物に電気的に吸引され、ホルダーおよび被コーティング物に衝突付着してＤＬＣ薄膜を形成する。
【００１６】
このとき、ホルダーもしくは当該ホルダーによって保持されている被コーティング物にはパルス電源から負の直流パルス電圧が周期的に印加されているので、当該負の直流パルス電圧が印加されているときには被コーティング物の周囲にプラズマシースが形成される。また、負の直流パルス電圧が印加されると、プラズマシース中のプラスイオンが瞬間的に加速されて、被コーティング物または当該被コーティング物表面の成長膜（成長途中のＤＬＣ薄膜）に注入される。
【００１７】
一方、ホルダーもしくは当該ホルダーによって保持されている被コーティング物にパルス電源から負の直流パルス電圧が印加されていないときには被コーティング物の周囲にプラズマシースが形成されないので、プラズマ中のプラスイオンは比較的緩やかにホルダーもしくは当該ホルダーによって保持されている被コーティング物に電気的に吸引されてその上に付着、堆積し、膜成長が進行する。
【００１８】
上記負の直流パルス電圧は、例えば１．５ｋＶ程度〜数十ｋＶの範囲で選択可能である。当該直流パルス電圧を例えば１．５ｋＶと低く設定しても、被コーティング物の表面に従来より遥かに高い密着力の下にＤＬＣ薄膜を成膜することが可能である。
【００１９】
本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜装置によってＤＬＣ薄膜を成膜した場合には、従来のＤＬＣ成膜装置を用いた場合に比べて、被コーティング物の表面により高い密着力の下にＤＬＣ薄膜を成膜することができる。ＤＬＣ薄膜の密着力の向上は、(1) ホルダーもしくは当該ホルダーによって保持されている被コーティング物に上記負の直流パルス電圧を周期的に印加することにより、プラスイオンによる被コーティング物または当該被コーティング物表面の成長膜（成長途中のＤＬＣ薄膜）の表面改質がなされ、特に、被コーティング物とＤＬＣ膜との界面に傾斜層（炭素イオン濃度からみた傾斜層）が形成されること、および、(2) 前記の表面改質とコーティング物上または当該被コーティング物表面の成長膜上における膜成長とが交互に行われること、によるものと推察される。ただし、イオン源として前述したイオン源以外のものを用いた場合には、ホルダーもしくは当該ホルダーによって保持されている被コーティング物に負の直流パルス電圧を周期的に印加しつつＤＬＣ薄膜を成膜したとしても、ＤＬＣ薄膜の密着力の向上はそれ程認められない。この理由は定かではない。
【００２０】
また、本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜装置では、成膜時に被コーティング物の周囲に周期的にプラズマシースが形成されるので、被コーティング物の形状が複雑であっても、当該被コーティング物の表面に均一なＤＬＣ薄膜を成膜することが可能である。
【００２１】
なお、本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜装置において被コーティング物を保持するために真空チャンバーの内部に配置されるホルダーには、図１に示したように、回転テーブルが含まれる。回転もしくは回動が可能なホルダーを用いることにより、固定されたホルダーを用いた場合よりも、被コーティング物の表面により均一なＤＬＣ薄膜を成膜することが可能になる。多数の被コーティング物の表面に均一なＤＬＣ膜を一度に成膜するという観点からは、例えば特公平７−９４７１１号公報に開示されている回転テーブルを用いることが好ましい。
【００２２】
また、図１に示したパルス放電型ＤＬＣ成膜装置１では、原料ガス供給手段５によって真空チャンバー４内に原料ガスを供給する以外に、イオン源６が有している原料ガス供給管３３を介して真空チャンバー４内に原料ガスを供給することも可能である。前記の原料ガス供給管３３を介して真空チャンバー４内に原料ガスを供給した方が成膜速度が速くなるが、良質のＤＬＣ薄膜を成膜するうえからは、イオン源６の配設箇所とは異なる箇所（例えば、図１に示したように、イオン源６が配設されてる側の壁面に対向する壁面側）に原料ガスの流出口が設けられている原料ガス供給手段５によって真空チャンバー４内に原料ガスを供給するようにした方が好ましい。したがって、イオン源は原料ガス供給管を有していなくてもよい。
さらに、パルス放電型ＤＬＣ成膜装置を構成するイオン源の数は１個に限定されるものではなく、２個以上の所望個数とすることができる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
実施例１
まず、被コーティング物としてダイス鋼（ＳＫＤ１１）製基板を、また、原料ガスとしてベンゼン（Ｃ6Ｈ6）ガスをそれぞれ用意した。
次いで、上記の被コーティング物を図１に示したパルス放電型ＤＬＣ成膜装置１におけるホルダー（回転テーブル）３上に装置し、当該被コーティング物の表面に膜厚０．５μｍのＤＬＣ薄膜を成膜した。
【００２４】
ＤＬＣ薄膜を成膜するにあたっては、成膜時の真空チャンバー４内の真空度（雰囲気圧）は２×１０-3Torrに、原料ガス（ベンゼン（Ｃ6Ｈ6）ガスの流量は２０sccmに、板状陽極（アノード）３２の電圧は７０Ｖ（アノード電流は０．６Ａ）に、反射電極（リフレクター）３０の電圧は２０Ｖ（リフレクター電流は０．０２Ａ）にそれぞれ設定した。一方、パルス電源７による負の直流パルス電圧のパルス電圧は１．５ｋＶ（基板電流は４０ｍＡ）に、そのパルス幅は１５０μｍに、当該負の直流パルス電圧の周波数は２ｋＨｚにそれぞれ設定した。また、成膜時間は３０分とした。
【００２５】
実施例２
被コーティング物としてハイス鋼（ＳＫＨ５１）製基板を用いた以外は実施例１と同条件の下に、当該被コーティング物の表面に膜厚０．５μｍのＤＬＣ薄膜を成膜した。
【００２６】
実施例３
被コーティング物として超硬材料（ＷＣ−Ｃｏ）製基板を用いた以外は実施例１と同条件の下に、当該被コーティング物の表面に膜厚０．５μｍのＤＬＣ薄膜を成膜した。
【００２７】
スクラッチ試験
実施例１〜実施例３で成膜した各ＤＬＣ膜の密着力を、ＡＥ（アコースティック・エミッション）センサー付自動スクラッチ試験機によって測定した。
このとき、圧子としてはダイヤモンド圧子（圧子半径２００μｍ）を用い、テーブル移動速度は１０ｍｍ／分、圧子への垂直荷重の負荷速度は１００Ｎ／分とした。
図４に実施例１で成膜したＤＬＣ膜についての試験結果を示す。また、図５に実施例２で成膜したＤＬＣ膜についての試験結果を示す。そして、図６に実施例３で成膜したＤＬＣ膜についての試験結果を示す。なお、いずれの図においても、符号Ａで指されている線はＡＥ（アコースティック・エミッション）強度の変化を示しており、符号Ｂで指されている線は摩擦力の変化を示している。
【００２８】
図４から明らかなように、実施例１で成膜したＤＬＣ膜においては、垂直荷重が概ね６８Ｎに達したときにＡＥ強度の急激な増加が生じ、これに続いて摩擦力の急激な増加が生じることから、このときにＤＬＣ薄膜の剥離が生じたものと認められる。同様に、実施例２で成膜したＤＬＣ膜においては、図５から明らかなように、垂直荷重が概ね６９Ｎに達したときにＤＬＣ薄膜が剥離したものと認められ、実施例３で成膜したＤＬＣ膜においては、図６から明らかなように、垂直荷重が概ね１４９Ｎに達したときにＤＬＣ薄膜が剥離したものと認められる。
【００２９】
従来のＤＬＣ薄膜成膜装置によってダイス鋼の表面やハイス鋼の表面にＤＬＣ薄膜を成膜し、これらのＤＬＣ薄膜について上記と同じスクラッチ試験を施すと、当該ＤＬＣ薄膜は、垂直荷重が２０〜３０Ｎ程度のときに剥離する。したがって、実施例１や実施例２で成膜したＤＬＣ薄膜の密着力は従来の２倍以上である。一方、従来のＤＬＣ薄膜成膜装置によってＷＣ−Ｃｏの表面にＤＬＣ薄膜を成膜し、このＤＬＣ薄膜について上記と同じスクラッチ試験を施すと、当該ＤＬＣ薄膜は、垂直荷重が７０Ｎ程度のときに剥離する。したがって、実施例３で成膜したＤＬＣ薄膜の密着力は、従来の２倍以上である。
【００３０】
なお、被コーティング物の表面に予めＴｉ，Ｓｉ，Ａｌ等の中間層を形成し、当該中間層の表面に本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜装置によってＤＬＣ薄膜を成膜した場合も、従来のＤＬＣ成膜装置を用いた場合に比べて、ＤＬＣ薄膜の密着力が向上する。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜装置によれば、被コーティング物の表面に従来より高い密着力の下にＤＬＣ薄膜を成膜することが可能になる。
したがって本発明によれば、切削工具，刃物，金型，電子部品，光情報記録媒体等の表面に、信頼性および耐久性が向上したＤＬＣ薄膜からなる表面保護膜や耐凝着耐摩耗膜等を成膜することが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜装置の一例を示す模式図である。
【図２】本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜装置を構成しているイオン源の原理を概略的に示す部分断面図である。
【図３】本発明のパルス放電型ＤＬＣ成膜装置を構成しているイオン源を概略的に示す部分断面図である。
【図４】実施例１で成膜したＤＬＣ薄膜について行ったスクラッチ試験の結果を示すグラフである。
【図５】実施例２で成膜したＤＬＣ薄膜について行ったスクラッチ試験の結果を示すグラフである。
【図６】実施例３で成膜したＤＬＣ薄膜について行ったスクラッチ試験の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１…パルス放電型ＤＬＣ成膜装置、  ２…被コーティング物、  ３…ホルダー（回転テーブル）、  ５…原料ガス供給手段、  ６…イオン源、  ７…パルス電源、  ３０…反射電極（リフレクター）、  ３１…熱電子放出用陰極、  ３２…板状陽極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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