平滑厚膜DLC成膜装置の開発

一 般 論 文平滑厚膜DLC成膜装置の開発
Development of Smooth and Thick Diamond Like Carbon
Film Coating System岡崎尚登大城熊谷竜一高松長

南誠宏		

Okazaki Naoto

Kumagai Ryuuichi

竹彦

Ooshiro Takehiko

玄Takamatsu Hajime

Chonan Takahiro

概要
アークイオンプレーティング法で作製するダイヤモンドライクカーボン（DLC）膜は、耐久性において他のDLC膜より優れているが、膜が粗く摺動する相手材を摩耗させる場合があった。この度、膜の粗さを大幅に改善できるフィルタードアーク方式の成膜装置および成膜プロセスを開発し上市したので報告する。

Synopsis
Diamond like carbon（DLC）film produced by arc ion plating method, is superior in the durability
than the other DLC film. But because of its roughness, the scratch wear in the counterpart material wasseen. This time, we have developed the coating system that can improve the film roughness by using
filtered arc method and we took it into the market.

■₁．はじめに日本アイ・ティ・エフ株式会社（以下、当社）では、窒化チタン膜などの金属窒化膜およびダイヤモンドライクカーボン（以下、DLC）膜のコーティング受託加工サービス事業と、それらの膜の成膜装置の製造・販売の事業を展開している。受託加工サービス事業は、日本のみならずアジア（中国、タイ、インド、ベトナム）にも海外拠点を設け、グローバルなサービスを日本品質で、お客様に提供している。
カーボンニュートラルに代表されるような、低炭素社会の実現に向け、省エネルギー化や、自然エネルギーの活用、CO2を出さないエンジンなどの開発等に拍車がかかっている。摺動部の摩擦抵抗を下げる事で、エネルギーロスを低減できるDLC膜の表面処理は、上記の流れに沿う技術であり、今後益々需要が増えるも日新電機技報 Vol. 66, No. 2（2021.11）― 64 ―のと予想される。
本稿では、DLC膜の形成プロセスおよびその成膜装置「MF720」の開発について紹介する。

■₂．水素フリーDLC膜
DLC膜は、PVD（Physical Vapor Deposition）法またはCVD（Chemical Vapor Deposition）法のいずれでも形成する事ができる。PVD法で形成する水素原子を含まない水素フリーDLCは、切削工具や金型、機械部品、自動車部品などの過酷な摩擦環境で、耐摩耗性の効果をより長く発揮することができる。当社では、世界で初めて、アルミ加工用の一般切削工具に水素フリーDLC膜を適用（1）して以来、さまざまなニーズに向けてこの技術を適用してきた。

平滑厚膜DLC成膜装置の開発

PVD法の一種であるアークイオンプレーティング法（以下、アーク法）でDLCを成膜する場合、グラファ
イト材を陰極としてアーク放電を起こし、そのエネルギーでグラファイトを昇華させる。アーク法は、他の方法と比較してイオン化率が高いため、基材にマイナスの電圧を与える事によりイオン衝撃が発生し、緻密で高硬度の膜が形成できる。
一方、グラファイト材にアーク放電を起こすと、アークスポットと呼ばれる小さいエリアに、放電による大きなエネルギーが集中するため、昇華される原子と共に比較的粗大な粒子（マクロパーティクル）が、周辺の領域を破壊する事で放出される。昇華される原子と、マクロパーティクルとは同じ方向に飛び出し、その飛び出し方向に基材がある場合には、DLC膜が成膜されると同時にマクロパーティクルも取り込まれ、膜の平滑性を悪化させる。
前述のような、膜の平滑性が悪い水素フリーDLC膜
では、摺動する相手を摩耗させる場合があるため、成膜後に磨き加工を施すなど、後加工が必要となる場合が多い。
後加工をしない別な水素フリーDLC膜を形成する方法としては、フィルタードアーク方式（図₁）が過去（2）から試され 、一部工業的に利用される様になった。
当社でも過去に、その方式の装置を開発したが、成膜領域の狭さと成膜速度が遅い事から、量産には向かないものであった。て、跳ね返るマクロパーティクルの基材側への通過確率を下げる方法があるが、ダクト部分が大きくなる。それにより、成膜成分の通過率も低下するので、成膜速度が低下し、また、蒸発源を多数搭載する事ができないため、平滑性は向上するが生産性が悪化する。
本開発においては、そのトレードオフの関係にある平滑性と生産性を両立するために、強い磁場でカーボンイオンをコンパクトに曲げる事で、ダクト距離の短縮とダクト部分の小型化を図るとともに、内部のフィン配置の最適化を重点的に行った。
開発ツールとしては、三次元の衝突シミュレーション（図₂）や磁場解析ソフトなどを用いた。シミュレーションと実験とを繰り返した結果、効率良くマクロパーティクルを除去しつつ、成膜速度の速いフィルタードアーク方式の蒸発源が完成した。また、ダクト部分が小型化できたことにより、この新規フィルタードアーク蒸発源を、複数配置することで、広いコーティング面積を確保し、生産性の向上と良好な面粗度の両立を実現した。これを、マルチフィルタードアーク（MFA）蒸発源（図₃）と名付けた。図₄に、従来法とMFA法によるDLC膜の面粗度の比較写真を示す。MFA法では、大幅にマクロパーティクルが低減されていることがわかる。

図₂

図₁

三次元衝突シミュレーションの例

従来方式とフィルタードアーク方式の違い

₂．₁ 新規フィルタードアーク蒸発源の開発
グラファイトのマクロパーティクルは、ドロプレット（液滴）ではなく固体であるため、従来法で成膜時に真空チャンバ内壁で何度も跳ね返る。フィ
ルタードアーク方式であっても、何度も跳ね返るうちに一部は基材側に放出され、従来法ほどではないが平滑性を悪化させる。それを防ぐためには、ダクト経路をなるべく長くし、内側にフィンを配置し

図₃― 65 ―MFA蒸発源（複数の内の1台）概念図

日新電機技報 Vol. 66, No. 2（2021.11）

平滑厚膜DLC成膜装置の開発■₃．成膜装置

円柱形状の放電面が消耗した場合でも、最後まで平坦な放電面を維持する事に成功した。

当社では、前述のMFA蒸発源を5台搭載したMF720（図10）を開発し、2021年6月から販売を開始した。
MF720は、密着層形成用の機器やボンバード処理（基材の清浄化処理）を行うプラズマ源をも備えており、主な性能を表₁に示す。

₃．₂ 堆積するマクロパーティクルの処理
蒸発源の内部に堆積するマクロパーティクルは、導電性である事から、蒸発源内部の絶縁部に溜まった場合は、正常な放電が維持できない。数十μｍの厚膜を成膜する場合は、成膜中、絶縁性を維持しておくことが不可欠となるが、これについても検証を重ね解決できた。

■₄．まとめ

図10
表₁

MF720の外観写真

MF720の主な仕様、性能

項 目仕様・性能

装置型式

MF720

コーティングゾーン

φ720xH750（mm）

DLC成膜速度（自公転時）

0.7μｍ/h

蒸発源ユニット

MFA蒸発源 5台制御方式

自動運転設置スペース

W5000×D7000×H3000mmこの装置の開発のため、以下に述べる課題を解決した。
₃．₁ 平坦な放電面の維持
グラファイトを陰極としたアーク法は、前記の様に、ミクロな領域で破壊を伴う放電形態で、マクロパーティクルが多く発生する事もあり、金属の場合と比べて消耗速度が速い。数十μｍの膜厚が要求される製品分野では、陰極に一定の体積が必要である。
グラファイト材の場合、アークスポットが動きにくいという特徴もあり、細長い円柱形状の陰極として、消耗に応じて前進させる送り出し機構を備える事が一般的である。
しかし、アーク放電を続けると陰極の放電面に凸凹が生じていき、消耗に応じて陰極を前進させるので、部分的にしか消耗されなくなり、最後まで放電面の平坦性を維持するには、さまざまな対策が必要であった。
アーク放電を開始するには、トリガー電極を放電面に触れさせ、スパークを起こす事が必要であり、当社ではこのトリガーの動きに工夫を加え、細長いDLC膜の形成と本装置の開発においては、当初より安全性、実用性、性能、コストの検証を、チェックを行いながら進めた。
完成した装置の膜性能は、従来のDLC膜を性能で大きく上回っており、今後の当社の競争力となると確信する。今後は、さまざまなアプリケーションへの適用に挑戦していく所存である。

■₅．謝辞
本装置を開発するにあたり、三次元の衝突シミュレーションや磁場解析については、住友電気工業株式会社に多大なるご協力をいただいた。この場を借りてお礼を申し上げる。
参考文献（１） 大谷、岡崎 他：特許3718664号（２） 村上、三上 他：特許公開公報2002-105628号― 67 ―

日新電機技報 Vol. 66, No. 2（2021.11）

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執筆者紹介
岡崎

大城

尚登 Okazaki Naoto

竹彦 Ooshiro Takehiko

日本アイ・ティ・エフ株式会社

日本アイ・ティ・エフ株式会社

常務取締役 装置部長

開発部

熊谷高松

竜一 Kumagai Ryuuichi

グループ長

玄 Takamatsu Hajime

日本アイ・ティ・エフ株式会社

日本アイ・ティ・エフ株式会社

技術部

開発部

長南誠宏 Chonan Takahiro

日本アイ・ティ・エフ株式会社
開発部

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