フィルタードアーク蒸着によるガラスレンズ金型用 DLC 離型膜の開発
豊橋技術科学大学大学院 工学研究科 電気・電子情報工学系教授

滝川浩史（平成 22 年度一般研究開発助成 AF-2010004）

キーワード： クリーンカーボンプラズマビーム，多軸多モーションワークテーブル，ビーム制御，均一成膜

る 2, 3, 5-15)。

１．研究の目的と背景
ガラスレンズモールドプレス用成形用金型には硬くてフィルタードアークにおいて，陰極-陽極間で発生した高温耐久性に優れた超硬（タングステンカーバイド：WC）

プラズマは，磁界を用いてビーム状に収束されてチャンが用いられる。しかし，WC はガラスと融着し易い。そバへ輸送され，直進的に基材に到達する。そのため，金のため，金型表面にガラス離型性の保護膜（離型膜）が型のような曲面を有する形状をしている基材に対しては，必要である。離型膜には，プラチナなどの貴金属系と，単純にチャンバ内に配置するだけでは均一な膜を得るこ

ダイヤモンドライクカーボン（diamond-like carbon：DLC）とが困難である。そこで，本研究では，まず，蒸着装置系とがある。後者は，除膜が可能で金型本体を再利用でを高機能化するため，3 軸 4 運動（自転，公転，回転，きる，貴金属系と比べてガラスと融着しにくい，という振子）の基板固定台（ワークテーブル）を開発すること特徴がある。従って，工業生産上は後者の要求が高い。とした。また，高温加熱前後で，DLC 膜の高温劣化特性

一般に，ダイヤモンド構造リッチな DLC はテトラヘドについて検討した。

ラルアモルファスカーボン（ta-C）と呼ばれ，グラファイト構造リッチのアモルファスカーボン（a-C）と区別さ２．3 軸 4 運動ワークテーブルの開発とプラズマビームの制御れる。によって，，また，それらに水素を含む DLC は，それぞれ，ta-C:H，a-C:H と分類されるこれらの中で ta-C

半球面状金型へ均一膜厚の DLC 膜を形成するために膜は最も硬く，ハードディスクドライブのスライダの表設計・開発した 3 軸 4 運動ワークテーブルを図 2 に示す。

面保護膜の他，アルミニウム合金ドライ加工用ドリルや基材を上下に振子運動させるとともに，基材中心軸に対1)高温金型などの保護膜として注目されている 。ta-C 膜して回転できるようにした。また，複数の基材を同一バは，密度が高いほど高温耐久性が高い 1)。同膜を工業的ッチで処理することができるように，公転運動も備えた。に生産性よく形成できる方法として，真空アーク蒸着法

テーブル上のユニットを交換（回転・振子機構を取り除1, 3-6, 14, 15)がある。しかしながら，この手法では，陰極点

き，公転テーブルにポストを立てる）ことで，通常と同から多量の陰極材料微粒子（ドロップレット）が放出さじような自公転テーブルとして利用できる。これらの運れ，これが生成膜に付着すると膜の均質性や耐久性の低動は，3 台のモータで 3 軸を制御することで，個々に利下を招くという欠点がある。この問題を解決する手法の用または組み合わせて利用することが可能である。なお，

一 つ に ， フ ィ ル タ ー ド ア ー ク 蒸 着 法 （ filtered arc

3 軸に連結しているギヤがそれぞれの運動に対して独立deposition：FAD）がある

3-5)。同法の一タイプとして，筆していないため，相互干渉を考慮したプログラミングを者らは，T 字状フィルタードアーク蒸着装置（T-shape行った。今回製作したワークテーブルの機能を表 1 にまfiltered arc deposition：T-FAD）（図 1）の開発を進めていとめて示す。

ー 11 ー

振子運動している半球面状基材に対し，プラズマビームをその形状に沿って常に垂直に照射させるためには，プラズマビームも上下にスキャンする必要がある。図 3に，T-FAD 装置の上面図および側面図を示す。同装置は，真空アークプラズマビームを，T 字状プラズマ輸送ダクトの外部に配置した電磁コイルで発生させた磁界とダクトに印加した電界によって，プロセスチャンバ方向へ輸
図 1 T 字状フィルタードアーク蒸着装置送するものである。陰極から発生したドロップレットのほとんどは，電磁界の影響を受けないため直進し，陰極正面の T 字状ダクトの延長部内で捕集される。
図 4 に，プラズマビームスキャン用の電磁コイルの配置と制御回路を示す。T-FAD モジュールと真空チャンバとの接続部の外側に，上下左右 4 個の電磁コイルを配置し，対向する 2 個を直列接続した。上下コイル対 CS1-3と左右コイル対 CS2-4 とを用いれば，ダクト内に回転磁界を印加することができる。コイルへの入力は，ファン(a) イメージ図

クションジェネレータ（NF 回路設計ブロック，WF1943B）
からの 2 チャンネル交流信号（周波数：60 Hz，位相差：90°，正弦波）を PWM-DC アンプで増幅して行った。また，上下コイル対 CS1-3 には，直流オフセット電流を重畳し，上方向への偏向磁界を印加した。スキャン用コイ
ルとダクトとの間に収束用コイル C6 を配置した。磁束密度はテスラメータ（F.W.BELL，5080）で計測した。磁束密度は，CS1-3 コイル対または C6 コイルを単独で用いた場合のダクトの中心磁束密度で示す。CS1-3 コイル対および CS2-4 コイル対の形成する磁界の方向は，図 4 に(b) 現有機示す向きを正とした。プラズマビームは紙面から手前に

図 2 3 軸 4 運動ワークテーブル 6-11)進行する場合である。C6 コイルの形成する磁界の方向は，
表1
ユニット

振回公転

3 軸 4 運動ワークテーブルのユニット別運動パターン，モータ回転方向，および連結の関係
公転

○
○
○
○

運動パターン
振子 回転
○
○
○
○

自転

○
○
○

○
○

自公転

○
○

○

モータ M1

モータ M2

モータ M3連結（図 2（a））

正転
逆正転
逆正転
逆転
逆転
正逆転
正逆転
逆転
正転
正転

停止
正逆転
正逆転
正転
正転
正逆転
正逆転
正転
逆転
正転

正転
逆正転
正逆転
逆転
正転
逆正転
正逆転
停止
停止
停止

実線＋破線
実線＋点線＋破線
実線＋点線＋破線
実線＋点線＋破線
実線＋点線＋破線
実線＋点線＋破線
実線＋点線＋破線
実線＋点線
実線＋点線
実線＋点線

ー 12 ー表 2 チャンバ内のプラズマビームの写真 7)
DC power supply
C1Trigger

Ion current monitor
Ion gage& shutter
CameraGas

CathodeAnode
C7

Plasma beam

C8

Substrate table

700

C2C3
Duct bias

AC4C5C6Scanner
coil
Droplets
Bias
T-FAD module

700

VacuumPlasma beam

C8700

C7

T-FAD C5C6module Scanner
coil

図3700

T-FAD 装置の概略図（上図：上面，下図：側面）

BS13
Plasma beam

CS3
DuctCS2CS1Function
generator

PWM-DC amplifier
PWM-DC amplifier

CS4C6BS24

図 5スキャナコイル部におけるビーム偏向のための印加磁界の説明図 7)

CS1CS3CS2CS4の偏向磁界を印加した場合，(c)および(d)で，プラズマビームはダクト中心軸より上方に約 15 度偏向していることが確認できた。

図 4 スキャナコイル（上図）と 制御系（下図）

偏向磁界と偏向角との関係を以下に考察してみる。今
回，収束用コイル C6 のスキャナ部中心の磁束密度を 5mT とした。C6 コイルの磁束密度 BC6 と CS1-3 コイルのプラズマビームの向きと同じ向きを正としている。
表 2 に，CS1-3 コイル対および CS2-4 コイル対で回転磁束密度 BS13 とはほぼ直行するとすれば，図 5 に示すよ

磁界および偏向磁界を印加した場合のプラズマビームのうに，プラズマビームはそのベクトル和の方向に進行す様相を示す。図中の点線は，特に発光している領域をプることになる。この場合，偏向角S は次式で表せる。

ラズマビームの輪郭として示したものである。 (a)は回 S  tan 1

転磁界および偏向磁界を印加していない場合であり，プBC6BS13・・・ (1)ラズマビーム中心部の発光が強く，ダクトの中心軸と同このことから，プラズマビームの偏向角は垂直方向の磁軸方向に直進しながら拡散している。 (b)は約 0.8 mT の束密度の大きさで制御でき，基材に合わせて磁束密度を回転磁界のみを印加した場合であり，(a)よりも発光領域制御すればよいことがわかる。

が広がっている。これは，スキャン速度が写真撮影速度回転磁界を印加したプラズマビームで Si 基板に成膜よりも速いため，見かけの結果である。一方，約 1.3 mTした DLC 膜の表面の SEM 写真を図 6 に示す。写真中，ー 13 ー図 7 半球面を模擬したテストサンプル写真
Rotation frot(a)Scanner coil
T-FAD module

βup
βdown

Upper

β αSwing

fswg
Lower

Deflecting beam

θdefScanning beamθswp, fswp

(Side-view)

図 8 T-FAD 装置と基材振子回転運動
表 3 ビームと基材との関係を示すパラメータ 9)(b)
図 6 Si 基板上の DLC 膜の SEM 写真(a) 基板回転：有り; ビーム偏向：無し， (b) 基板回転：有り; ビーム偏向：有り 8)

白い点がドロップレットである。ビーム偏向なしの場合，同図(a)に示すように，基板表面に少量のドロップレットが観察された。偏向ありの場合，同図(b)に示すように，ドロップレットはほとんど観察されず，ビーム偏向成膜の有用性が確認できた。これは，ダクトの直視方向で成基材を下側に向けた。基材外周部を成膜する場合は，基膜すると，ダクト壁で炸裂したドロップレットなどがダ材を上側に向けた。ビームと基材との関係を示すパラメクトを通過して付着するためであり，ダクトの直視方向ータを表 3 にまとめた。この可変範囲の中で，θdef，θswp，から外れた位置で成膜を行えばよいことを意味している。

fswp，β（βup，βdown）は一定条件とした。
基材を上向きおよび下向きで回転させ成膜した場合の３．DLC 膜均一成膜と耐熱評価成膜速度分布を図 9 に示す。基材上向きの場合は，基材３．１ 半球面基材への DLC 膜の均一成膜中心部の成膜速度が高く，基材下向きの場合は，基材外テスト基板には，超硬基板（20mm×20mm，2mm 厚）周部の成膜速度が高かった。曲率に合わせて，選択的にを用いた。それを，半球面を模擬した治具（φ90）に複成膜速度を変えるべく，各基板位置における成膜速度が数個取付けた。その様子を図 7 に示す。

同じとなるように Dswg を計算したところ，80%であった。

成膜時における T-FAD のプラズマビーム運動と基材Dswg は，成膜時間に対して基材が上向きになっている時振子回転運動との関係を図 8 に示す。ビームは，基材中間の割合である。この条件で成膜したところ，ほぼ均一心に合わせて偏向させた。また，必要な成膜範囲を確保な成膜速度が得られた。以上から，半球面形状を模擬しするために回転掃引させた。成膜範囲と基材角度との関た基材へ DLC 膜の均一成膜が実現できた。

係は次のとおりとした。基材中心部を成膜する場合は，ー 14 ーィルタ型ガス分析計（ULVAC，REGA-101）とを組み合わせたものである。昇温速度は 5ºC/min 一定とし，到達温 度 を 200 ～ 1000ºC の 範 囲 で 変 化 さ せ た 。 圧 力 は2.0×10-4 Pa 以下とした。試料として，n 型 Si（100）基板（10 mm×10 mm，厚さ 525±25 μm，抵抗率 2~10 Ω･cm）
上に T-FAD 装置で作製した 4 種の DLC（a-C:H，ta-C:H，a-C および ta-C）膜を用いた。4 種の DLC の作り分け成膜条件は従来どおり(3)とした。加熱前後の膜に関し，シート抵抗測定器（NPS，Σ-5）およびレーザ顕微ラマン分光光度計（JASCO，NRS-1000；レーザ波長 532 nm）を用いて分析した。
図 10 に，水素を含む DLC 膜から放出される H2 および
図 9 様々な振子運動パターンにおける膜厚分布(○:振CH3 の脱ガススペクトル，ラマン分光分析，およびシー子運動なし, 基板角度=40°；△: 振子運動なし,ト抵抗の加熱到達温度依存性を示す。脱ガススペクトル

振子角度=0°；□: 振子運動あり, 振子角度=0°～の結果から，加熱するにつれて膜から水素と炭化水素が40°) 9-11)放出されていることがわかった。ラマン分光分析結果のID/IG 比に着目してみると，全ての DLC 膜において，加熱到達温度が上がるにつれ，増加していく傾向であった。
ID/IG 比の増加は，膜がグラファイト化していくことを示唆している 1)。a-C:H，ta-C:H および ta-C についてシー
ト抵抗を計測したところ，加熱前は絶縁性または高抵抗性であったがそれぞれ加熱到達温度 600ºC，700ºC および800 ºC で低抵抗へと変化した。一方，a-C 膜のシート抵抗は，加熱前後において基板の抵抗と同じであり，加熱の有無によらず導電性であった。以上のことから，DLC膜は高温においてグラファイト化が進み，水素含有 DLC膜については水素脱離が生じることがわかった。

４．まとめ
本研究で得られた結果を以下にまとめる。
(1) 半球面状基材に対して均一膜厚の DLC 膜を得るために，3 軸 4 運動のワークテーブルを開発し，ほぼ均図 10

一な膜厚を得ることができた。

シート抵抗および脱ガススペクトルの加熱到達
温度依存性 12, 13)(2) スキャナ部で偏向磁界を印加するとプラズマビームを偏向できる。偏向角は磁束密度の大きさに比例す

３．２ 種々の DLC 膜の耐熱性る。回転磁界を印加した状態でも偏向できる。

種々の DLC 膜に関し，耐熱性を把握するため，昇温脱(4) 偏向磁界を印加し，ダクト中心軸よりも上方で成膜離質量（TDS）分析を行った。TDS は自作のもので，集すると，基板に付着するドロップレット数を減少で光照射式赤外真空炉（サーモ理工，IVF298W）とマスフき，ほぼドロップレットフリーの DLC 膜が得られる。

ー 15 ー(5) 水素フリーDLC 膜は加熱に伴ってグラファイト化が太一郎，須田善行，滝川浩史，長谷川祐史，瀧真，進み，水素含有 DLC 膜は加熱に伴って水素の脱離と辻信広，石川剛史，安井治之：「フィルタードアーともにグラファイト化する。

クプラズマビームの回転スキャンおよび偏向制御」，平成 22 年度電気関係学会東海支部連合大会，

謝 辞I5-2 (2010)

本研究の一部は公益財団法人天田財団の一般研究開発

9) H. Okuda, T. Kashiwagi, H. Tanoue, Y. Suda, H.

助成（AF-2010004）により遂行された。ここに記して深Takikawa, M. Kamiya, Y. Hasegawa, M. Taki, N. Tsuji,

甚な謝意を表します。また，研究の遂行にあたり多大な

T. Ishikawa: “Uniform Coating of High-Quality

協力を頂いた研究室スタッフおよび学生諸子に感謝致し

Tetrahedral Amorphous Carbon (ta-C) film on Si Wafer

ます。

byCarbon

PlasmaBeam”,

The

Asia-PacificInterdisciplinary Research Conference 2011, 18PP-72

参考文献(2011)

1) J. Robertson: Diamond-like amorphous carbon, Mater.

10) 奥田浩史，柏木大幸，田上英人，神谷雅男，柳田Sci. Eng. R, 37, 129-281 (2002)

太一郎，須田善行，滝川浩史，長谷川裕史，瀧真，

2) M. Kamiya, H. Tanoue, H. Takikawa, M. Taki, Y.

辻信広，石川剛史，安井治之：「フィルタードアー

Hasegawa, M. Kumagai: Preparation of various DLC

クによる半球面均一 DLC 成膜に向けた基板回転機

films by T-shaped filtered arc deposition and the effect

構の開発」，2011 年第 123 回表面技術協会講演大会，of heat treatment on film properties, Vacuum, 83,

17D-29 (2011)510-514 (2009)11) 奥田浩史，柏木大幸，田上英人，須田善行，滝川

3) H. Takikawa and H. Tanoue: Review of cathodic arc

浩史，神谷雅男，瀧真，長谷川裕史，辻信広，石deposition for preparing droplet-free thin Films, IEEE川剛史：「フィルタードアークプラズマビームを用Trans. Plasma Sci., 35, 4, 992-999 (2007)

いた半球面状金型への ta-C 均一成膜」，平成 23 年

4) I. I. Aksenov, V. E. Strel’nitskij, V. V. vasilyev, D. Yu.
Zaleskij: Efficiency of magnetic plasma filters, Surf.

度電気関係学会東海支部連合大会，N4-4 (2011)12) 角口公章，奥田浩史，柏木大幸，田上英人，須田

Coat. Technol., 163-165, 118-127 (2003)

善行，滝川浩史，神谷雅男，瀧真，長谷川祐史，

5) H. Takikawa, K. Izumi, R. Miyano, T. Sakakibara: DLC

石川剛史，辻信広：「水素含有および水素フリー

thin film preparation by cathodic arc deposition with a

DLC 膜の加熱に伴う構造変化」，第 59 回応用物理

super droplet-free system, Surf. Coat. Technol.,

学関係連合講演会，17p-F3-11（2012）13) T. Kadoguchi, H. Tanoue, Y. Suda, H. Takikawa, M.

163-164, 368-373 (2003)

Kamiya, M. Taki, Y. Hasegawa, N. Tsuji, T. Ishikawa:6) 滝川浩史，：「光学薄膜の最適設計・成膜技術と膜厚・膜質・光学特性の制御

第４章光学薄膜の成“Thermal Stability of Hydrogenated and Hydrogen Free

膜技術と膜厚・膜質の制御

第１５節真空アークDLCFilmsbyElevatedHeating”,

The34thInternational Symposium on Dry Process, P-47 (2012)

蒸着法による光学薄膜の成膜技術と膜質・膜厚の14) 田上英人，滝川浩史，須田善行：「ピュアカーボン制御」，技術情報協会，299-305（2013）7) 奥田浩史, 神谷雅男, 田上英人, 須田善行, 滝川浩

プラズマビームを用いた超硬質 DLC 膜の合成と応史：「フィルタードアークプラズマビームの磁界制御によるドロップレットフリーDLC 膜の形成」，プ用」化学工業，63，34-40（2012）15) 滝川浩史：「フィルタードアーク蒸着で形成したDLC 膜の概要と応用」，月刊トライボロジー，305，

ラズマ応用科学，18，2，159-164（2010）8) 奥田浩史，柏木大幸，田上英人，神谷雅男，柳田ー 16 ー38-40（2012）