JP2003013200A - 硬質炭素膜およびその製造方法 - Google Patents
硬質炭素膜およびその製造方法Info
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- JP2003013200A JP2003013200A JP2001199056A JP2001199056A JP2003013200A JP 2003013200 A JP2003013200 A JP 2003013200A JP 2001199056 A JP2001199056 A JP 2001199056A JP 2001199056 A JP2001199056 A JP 2001199056A JP 2003013200 A JP2003013200 A JP 2003013200A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 空気中での潤滑性を向上させ、さらに耐熱性
を向上させた硬質炭素膜を提供する。 【解決手段】 半導体もしくは金属を０．１〜３０原子
％含むアモルファス構造の炭素膜からなることを特徴と
する。半導体もしくは金属は、シリコン、アルミニウ
ム、クロムもしくはチタンのいずれかよりなる。成膜方
法には、イオンビーム蒸着法またはプラズマ蒸着法を用
いる。
を向上させた硬質炭素膜を提供する。 【解決手段】 半導体もしくは金属を０．１〜３０原子
％含むアモルファス構造の炭素膜からなることを特徴と
する。半導体もしくは金属は、シリコン、アルミニウ
ム、クロムもしくはチタンのいずれかよりなる。成膜方
法には、イオンビーム蒸着法またはプラズマ蒸着法を用
いる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、各種回転機械の軸
受やスライドなどの摺動部材や情報機器記憶装置等、耐
摩耗性を要求される部材への硬質炭素膜およびその製造
方法に関する。
受やスライドなどの摺動部材や情報機器記憶装置等、耐
摩耗性を要求される部材への硬質炭素膜およびその製造
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】硬質炭素膜は、１９７０年代後半から、
研究が開始され始めたｉ−カーボン膜と言われる硬質膜
である。この硬質炭素膜は、炭素原子の結合状態に短周
期の結晶性が見られる、アモルファス状の結合状態を有
するものである。
研究が開始され始めたｉ−カーボン膜と言われる硬質膜
である。この硬質炭素膜は、炭素原子の結合状態に短周
期の結晶性が見られる、アモルファス状の結合状態を有
するものである。
【０００３】前記硬質炭素膜の形成方法としては、例え
ば特開昭６４−３１９７４号公報に開示されているよう
な、プラズマ化学気相成長法が知られている。
ば特開昭６４−３１９７４号公報に開示されているよう
な、プラズマ化学気相成長法が知られている。
【０００４】硬質炭素膜の物性は、ビッカース硬度で３
０ＧＰａ前後と高硬度で、耐摩耗性や、潤滑性、絶縁性
や、耐薬品性等に優れた性質を有するため、工具、各種
機械摺動部品、電子部品へのコーティングに応用されて
いる。
０ＧＰａ前後と高硬度で、耐摩耗性や、潤滑性、絶縁性
や、耐薬品性等に優れた性質を有するため、工具、各種
機械摺動部品、電子部品へのコーティングに応用されて
いる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来法
で得られた硬質炭素膜は、真空中、窒素ガス雰囲気中で
は摩擦係数が０．１以下と低く、摩擦特性に優れている
ものの、空気中では摩擦係数が増加して潤滑性が低下す
ることが報告されている。特に、従来法で得られた硬質
炭素膜は、熱に弱く、加熱すると軟らかい黒鉛膜に変化
し、更に高温にすると燃焼し消滅してしまう。このた
め、使用温度は３００℃以下と制限されており、厳しい
環境で使用される工具、各種機械摺動部品には適用でき
ない問題があった。
で得られた硬質炭素膜は、真空中、窒素ガス雰囲気中で
は摩擦係数が０．１以下と低く、摩擦特性に優れている
ものの、空気中では摩擦係数が増加して潤滑性が低下す
ることが報告されている。特に、従来法で得られた硬質
炭素膜は、熱に弱く、加熱すると軟らかい黒鉛膜に変化
し、更に高温にすると燃焼し消滅してしまう。このた
め、使用温度は３００℃以下と制限されており、厳しい
環境で使用される工具、各種機械摺動部品には適用でき
ない問題があった。
【０００６】本発明は、空気中での潤滑性を向上させ、
さらに耐熱性を向上させた硬質炭素膜およびその製造方
法を提供しようとするものである。
さらに耐熱性を向上させた硬質炭素膜およびその製造方
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
は、半導体もしくは金属を０．１〜３０原子％含むアモ
ルファス構造の炭素膜からなることを特徴とするもので
ある。
は、半導体もしくは金属を０．１〜３０原子％含むアモ
ルファス構造の炭素膜からなることを特徴とするもので
ある。
【０００８】本発明によれば、炭素原子の結合状態に短
周期の結晶性が見られる、アモルファス状の結合状態を
有する炭素膜に特定量の半導体もしくは金属（好ましく
はシリコン、アルミニウム、クロムもしくはチタンのう
ちのいずれか）を含有させることによって、空気中での
潤滑性を向上させ、さらに耐熱性を向上させた硬質炭素
膜を得ることができる。
周期の結晶性が見られる、アモルファス状の結合状態を
有する炭素膜に特定量の半導体もしくは金属（好ましく
はシリコン、アルミニウム、クロムもしくはチタンのう
ちのいずれか）を含有させることによって、空気中での
潤滑性を向上させ、さらに耐熱性を向上させた硬質炭素
膜を得ることができる。
【０００９】本発明に係る硬質炭素膜の製造方法は、
（ａ）炭化水素と半導体もしくは金属を含む有機化合物
との混合ガス、（ｂ）炭化水素と半導体もしくは金属を
含む有機化合物と酸素との混合ガス、または（ｃ）炭化
水素と半導体もしくは金属および酸素を含む有機化合物
との混合ガスのイオンを発生させ、このイオンを加速し
て基材に照射する、イオンビーム蒸着法により硬質炭素
膜を被覆することを特徴とするものである。
（ａ）炭化水素と半導体もしくは金属を含む有機化合物
との混合ガス、（ｂ）炭化水素と半導体もしくは金属を
含む有機化合物と酸素との混合ガス、または（ｃ）炭化
水素と半導体もしくは金属および酸素を含む有機化合物
との混合ガスのイオンを発生させ、このイオンを加速し
て基材に照射する、イオンビーム蒸着法により硬質炭素
膜を被覆することを特徴とするものである。
【００１０】本発明に係る硬質炭素膜の製造方法におい
て、前記イオンの加速電圧を５０〜２０００Ｖに設定す
ることが好ましい。
て、前記イオンの加速電圧を５０〜２０００Ｖに設定す
ることが好ましい。
【００１１】本発明方法によれば、空気中での潤滑性を
向上させ、さらに耐熱性を向上させた硬質炭素膜を製造
することができる。
向上させ、さらに耐熱性を向上させた硬質炭素膜を製造
することができる。
【００１２】本発明に係る別の硬質炭素膜の製造方法
は、（ａ）炭化水素と半導体もしくは金属を含む有機化
合物との混合ガス、（ｂ）炭化水素と半導体もしくは金
属を含む有機化合物と酸素との混合ガス、または（ｃ）
炭化水素と半導体もしくは金属および酸素を含む有機化
合物との混合ガスのプラズマを発生させ、このプラズマ
中に曝した基材に対して負のパルス電圧を印加すること
を特徴とするものである。
は、（ａ）炭化水素と半導体もしくは金属を含む有機化
合物との混合ガス、（ｂ）炭化水素と半導体もしくは金
属を含む有機化合物と酸素との混合ガス、または（ｃ）
炭化水素と半導体もしくは金属および酸素を含む有機化
合物との混合ガスのプラズマを発生させ、このプラズマ
中に曝した基材に対して負のパルス電圧を印加すること
を特徴とするものである。
【００１３】本発明に係る別の硬質炭素膜の製造方法に
おいて、前記基材に印加するパルス電圧を−１ｋＶから
−１０ｋＶにすることが好ましい。
おいて、前記基材に印加するパルス電圧を−１ｋＶから
−１０ｋＶにすることが好ましい。
【００１４】本発明の別の方法によれば、空気中での潤
滑性を向上させ、さらに耐熱性を向上させた硬質炭素膜
を製造することができる。
滑性を向上させ、さらに耐熱性を向上させた硬質炭素膜
を製造することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る硬質炭素膜を
説明する。
説明する。
【００１６】この硬質炭素膜は、半導体もしくは金属を
０．１〜３０原子％含むアモルファス構造の炭素膜から
なる。
０．１〜３０原子％含むアモルファス構造の炭素膜から
なる。
【００１７】前記半導体もしくは金属は、シリコン、ア
ルミニウム、クロムもしくはチタンのうちのいずれかで
あることが好ましい。
ルミニウム、クロムもしくはチタンのうちのいずれかで
あることが好ましい。
【００１８】前記半導体もしくは金属の含有量を０．１
原子％未満にすると大気中での摩擦係数、耐熱性が従来
品を越える性能を有する硬質炭素膜を得ることが困難に
なる。一方、前記半導体もしくは金属の含有量が３０原
子％を超えると、炭素原子の結合状態に短周期の結晶性
が見られるアモルファス状の結合状態を有する硬質炭素
膜が、黒鉛とシリコン、アルミニウムのような半導体も
しくは金属の混合物となり、ビッカース硬度５ＧＰａ以
下の軟質な膜になり、硬質炭素膜本来の優れた性質が損
なわれる虞がある。
原子％未満にすると大気中での摩擦係数、耐熱性が従来
品を越える性能を有する硬質炭素膜を得ることが困難に
なる。一方、前記半導体もしくは金属の含有量が３０原
子％を超えると、炭素原子の結合状態に短周期の結晶性
が見られるアモルファス状の結合状態を有する硬質炭素
膜が、黒鉛とシリコン、アルミニウムのような半導体も
しくは金属の混合物となり、ビッカース硬度５ＧＰａ以
下の軟質な膜になり、硬質炭素膜本来の優れた性質が損
なわれる虞がある。
【００１９】次に、本発明に係る硬質炭素膜の製造方法
を図１を参照して詳細に説明する。
を図１を参照して詳細に説明する。
【００２０】図１は、本発明に係る硬質炭素膜を製造す
るための装置を示す概略図である。
るための装置を示す概略図である。
【００２１】真空容器１は、図示しない真空排気装置に
よって真空排気される。処理すべき基材２を保持するた
めのホルダ３は、前記真空容器１内に設けられている。
図示しない電源および温調器に接続された加熱ヒータ４
は、前記ホルダ３に内蔵されている。なお、前記ホルダ
３は必要に応じて回転機構を設けてもよい。
よって真空排気される。処理すべき基材２を保持するた
めのホルダ３は、前記真空容器１内に設けられている。
図示しない電源および温調器に接続された加熱ヒータ４
は、前記ホルダ３に内蔵されている。なお、前記ホルダ
３は必要に応じて回転機構を設けてもよい。
【００２２】イオン源５は、前記真空容器１に前記ホル
ダ３と対向するように取り付けられている。このイオン
源５は、ガス導入管６より導入した後述する混合ガスの
イオンを発生させるとともに、加速してそのイオンを前
記ホルダ３にイオンビーム７として照射する。前記イオ
ン源５は、膜質の均一性、生産性という点から、例えば
カウフマン型イオン源、バケット型イオン源等が適用さ
れる。
ダ３と対向するように取り付けられている。このイオン
源５は、ガス導入管６より導入した後述する混合ガスの
イオンを発生させるとともに、加速してそのイオンを前
記ホルダ３にイオンビーム７として照射する。前記イオ
ン源５は、膜質の均一性、生産性という点から、例えば
カウフマン型イオン源、バケット型イオン源等が適用さ
れる。
【００２３】硬質炭素膜は、次のような方法により製造
される。
される。
【００２４】まず、ホルダ３に基材２を取付け、真空容
器１を所定の真空度に真空排気する。つづいて、前記ホ
ルダ２に内蔵した加熱ヒータ４により前記基材１を所望
温度に加熱する。
器１を所定の真空度に真空排気する。つづいて、前記ホ
ルダ２に内蔵した加熱ヒータ４により前記基材１を所望
温度に加熱する。
【００２５】次いで、（ａ）炭化水素と半導体もしくは
金属を含む有機化合物との混合ガス、（ｂ）炭化水素と
半導体もしくは金属を含む有機化合物と酸素との混合ガ
ス、または（ｃ）炭化水素と半導体もしくは金属および
酸素を含む有機化合物との混合ガスをガス導入管６を通
してイオン源５（例えばカウフマンイオン源）に導入
し、前記真空容器１を所定の真空度に制御する。この状
態でイオン源５を作動させ、イオンビーム７を前記基材
２に照射し、アモルファス構造の硬質炭素膜８を成膜す
る。
金属を含む有機化合物との混合ガス、（ｂ）炭化水素と
半導体もしくは金属を含む有機化合物と酸素との混合ガ
ス、または（ｃ）炭化水素と半導体もしくは金属および
酸素を含む有機化合物との混合ガスをガス導入管６を通
してイオン源５（例えばカウフマンイオン源）に導入
し、前記真空容器１を所定の真空度に制御する。この状
態でイオン源５を作動させ、イオンビーム７を前記基材
２に照射し、アモルファス構造の硬質炭素膜８を成膜す
る。
【００２６】前記基材としては、例えばステンレス鋼、
工具鋼、軸受け鋼、超硬合金などからなる耐摩耗性が要
求される機械部材等を挙げることができる。
工具鋼、軸受け鋼、超硬合金などからなる耐摩耗性が要
求される機械部材等を挙げることができる。
【００２７】前記基材の加熱温度は、３０〜２００℃に
することが好ましい。
することが好ましい。
【００２８】前記イオン源５に導入される混合ガス中の
炭化水素としては、例えばメタン、エタン、アセチレ
ン、ベンゼン等の容易に気体として導入できる炭化水素
を用いればよいが、中でもベンゼンが好ましい。
炭化水素としては、例えばメタン、エタン、アセチレ
ン、ベンゼン等の容易に気体として導入できる炭化水素
を用いればよいが、中でもベンゼンが好ましい。
【００２９】前記半導体もしくは金属を含む有機化合物
において、前記半導体もしくは金属としてはシリコン、
アルミニウム、クロムもしくはチタンのうちのいずれか
であることが好ましい。
において、前記半導体もしくは金属としてはシリコン、
アルミニウム、クロムもしくはチタンのうちのいずれか
であることが好ましい。
【００３０】前記イオン源５に導入される混合ガス中の
半導体もしくは金属を含む有機化合物としては、例えば
ヘテロメチルジシロキサン（ＣＨ3）4Ｓｉ、トリエチル
アルミニウム（Ｃ2Ｈ5）3Ａｌ、ビスシクロペンタジエ
ニルクロニウム（Ｃ5Ｈ5）2Ｃｒ、シクロペンタジエニ
ルシクロオクタテトラエニイチタニウム（Ｃ5Ｈ5）（Ｃ
8Ｈ8）Ｔｉを用いることができる。
半導体もしくは金属を含む有機化合物としては、例えば
ヘテロメチルジシロキサン（ＣＨ3）4Ｓｉ、トリエチル
アルミニウム（Ｃ2Ｈ5）3Ａｌ、ビスシクロペンタジエ
ニルクロニウム（Ｃ5Ｈ5）2Ｃｒ、シクロペンタジエニ
ルシクロオクタテトラエニイチタニウム（Ｃ5Ｈ5）（Ｃ
8Ｈ8）Ｔｉを用いることができる。
【００３１】前記イオン源５に導入される混合ガス中の
半導体もしくは金属と酸素とを含む有機化合物として
は、例えばテトラメチルシラン（ＣＨ3）6Ｓｉ2Ｏ、ト
リス（アセチルアセトナト）アルミニウム（Ｃ5Ｈ
7Ｏ2）3Ａｌ）、トリス（アセチルアセトナト）クロニ
ウム（Ｃ5Ｈ7Ｏ2）3Ｃｒ）、テトラエトキシチタニウム
（ＯＣ 2Ｈ5）4Ｔｉ等を用いることができる。
半導体もしくは金属と酸素とを含む有機化合物として
は、例えばテトラメチルシラン（ＣＨ3）6Ｓｉ2Ｏ、ト
リス（アセチルアセトナト）アルミニウム（Ｃ5Ｈ
7Ｏ2）3Ａｌ）、トリス（アセチルアセトナト）クロニ
ウム（Ｃ5Ｈ7Ｏ2）3Ｃｒ）、テトラエトキシチタニウム
（ＯＣ 2Ｈ5）4Ｔｉ等を用いることができる。
【００３２】前記イオン源５でのイオン加速電圧は、５
０〜２０００Ｖにすることが好ましい。イオン加速電圧
を５０Ｖ未満にすると、膜中に水素が多く混入してポリ
マー状となり、軟質な膜となる虞がある。イオン加速電
圧が２０００Ｖを超えると膜の自己スパッタ効果が強く
なり極端に成膜速度が低くなる虞がある。より好ましい
イオン加速電圧は、１００〜１０００Ｖである。
０〜２０００Ｖにすることが好ましい。イオン加速電圧
を５０Ｖ未満にすると、膜中に水素が多く混入してポリ
マー状となり、軟質な膜となる虞がある。イオン加速電
圧が２０００Ｖを超えると膜の自己スパッタ効果が強く
なり極端に成膜速度が低くなる虞がある。より好ましい
イオン加速電圧は、１００〜１０００Ｖである。
【００３３】次に、本発明に係る別の硬質炭素膜の製造
方法を図２を参照して詳細に説明する。
方法を図２を参照して詳細に説明する。
【００３４】図２は、本発明に係る硬質炭素膜を製造す
るための別の成膜装置の概略図である。
るための別の成膜装置の概略図である。
【００３５】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、後述する混合ガ
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にそれ
ぞれ互いに対向して配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。
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、後述する混合ガ
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にそれ
ぞれ互いに対向して配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。
【００３６】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。
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。
【００３７】硬質炭素膜は、次のような方法により製造
される。
される。
【００３８】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。（ａ）炭
化水素と半導体もしくは金属を含む有機化合物との混合
ガス、（ｂ）炭化水素と半導体もしくは金属を含む有機
化合物と酸素との混合ガス、または（ｃ）炭化水素と半
導体もしくは金属および酸素を含む有機化合物との混合
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２０
ａ，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。
空容器１１を所定の真空度まで真空排気する。（ａ）炭
化水素と半導体もしくは金属を含む有機化合物との混合
ガス、（ｂ）炭化水素と半導体もしくは金属を含む有機
化合物と酸素との混合ガス、または（ｃ）炭化水素と半
導体もしくは金属および酸素を含む有機化合物との混合
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２０
ａ，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。
【００３９】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１
２に所望のパルス電圧を印加する。
ドスルー１４を介してバイアス電源１５から前記基材１
２に所望のパルス電圧を印加する。
【００４０】以上の工程により前記基材１２表面に硬質
炭素膜２１を成膜する。
炭素膜２１を成膜する。
【００４１】前記基材としては、例えばステンレス鋼、
工具鋼、軸受け鋼、超硬合金などからなる耐摩耗性が要
求される機械部材等を挙げることができる。
工具鋼、軸受け鋼、超硬合金などからなる耐摩耗性が要
求される機械部材等を挙げることができる。
【００４２】前記真空容器１１に導入される混合ガス中
の炭化水素としては、例えばメタン、エタン、アセチレ
ン、ベンゼン等の容易に気体として導入できる炭化水素
を用いれば良いが、中でもベンゼンが好ましい。
の炭化水素としては、例えばメタン、エタン、アセチレ
ン、ベンゼン等の容易に気体として導入できる炭化水素
を用いれば良いが、中でもベンゼンが好ましい。
【００４３】前記半導体もしくは金属を含む有機化合物
において、前記半導体もしくは金属としてはシリコン、
アルミニウム、クロムもしくはチタンのうちのいずれか
であることが好ましい。
において、前記半導体もしくは金属としてはシリコン、
アルミニウム、クロムもしくはチタンのうちのいずれか
であることが好ましい。
【００４４】前記真空容器１１に導入される混合ガス中
の半導体もしくは金属を含む有機化合物としては、例え
ばヘテロメチルジシロキサン（ＣＨ3）4Ｓｉ、トリエチ
ルアルミニウム（Ｃ2Ｈ5）3Ａｌ、ビスシクロペンタジ
エニルクロニウム（Ｃ5Ｈ5）2Ｃｒ、シクロペンタジエ
ニルシクロオクタテトラエニイチタニウム（Ｃ5Ｈ5）
（Ｃ8Ｈ8）Ｔｉを用いることができる。
の半導体もしくは金属を含む有機化合物としては、例え
ばヘテロメチルジシロキサン（ＣＨ3）4Ｓｉ、トリエチ
ルアルミニウム（Ｃ2Ｈ5）3Ａｌ、ビスシクロペンタジ
エニルクロニウム（Ｃ5Ｈ5）2Ｃｒ、シクロペンタジエ
ニルシクロオクタテトラエニイチタニウム（Ｃ5Ｈ5）
（Ｃ8Ｈ8）Ｔｉを用いることができる。
【００４５】前記真空容器１１に導入される混合ガス中
の半導体もしくは金属と酸素とを含む有機化合物として
は、例えばテトラメチルシラン（ＣＨ3）6Ｓｉ2Ｏ、ト
リス（アセチルアセトナト）クロニウム（Ｃ5Ｈ7Ｏ2）3
Ｃｒ）、テトラエトキシチタニウム（ＯＣ2Ｈ5）4Ｔｉ
等を用いることができる。
の半導体もしくは金属と酸素とを含む有機化合物として
は、例えばテトラメチルシラン（ＣＨ3）6Ｓｉ2Ｏ、ト
リス（アセチルアセトナト）クロニウム（Ｃ5Ｈ7Ｏ2）3
Ｃｒ）、テトラエトキシチタニウム（ＯＣ2Ｈ5）4Ｔｉ
等を用いることができる。
【００４６】前記基材に印加するパルス電圧は、−１ｋ
Ｖ〜−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、膜中に水素が
多く混入しポリマー状となり、軟質な膜になる虞があ
る。一方、前記基材に印加するパルス電圧が−１０ｋＶ
を超えると、膜の自己スパッタ効果が強くなり極端に成
膜速度が低くなる虞がある。
Ｖ〜−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、膜中に水素が
多く混入しポリマー状となり、軟質な膜になる虞があ
る。一方、前記基材に印加するパルス電圧が−１０ｋＶ
を超えると、膜の自己スパッタ効果が強くなり極端に成
膜速度が低くなる虞がある。
【００４７】
【実施例】以下、好ましい実施例を前述した図１および
図２を参照して詳細に説明する。
図２を参照して詳細に説明する。
【００４８】（実施例１〜３および比較例１）まず、ホ
ルダ３に高速度工具鋼（ＪＩＳ：ＳＫＨ５５）からなる
基材２を取付け、真空容器１内を１．５×１０-3Ｐａ以
下に真空排気した。
ルダ３に高速度工具鋼（ＪＩＳ：ＳＫＨ５５）からなる
基材２を取付け、真空容器１内を１．５×１０-3Ｐａ以
下に真空排気した。
【００４９】次いで、カウフマンイオン源５のガス導入
管６より原料ガスを供給した。前記原料ガスは、炭化水
素としてベンゼン（Ｃ6Ｈ6）、シリコンを含む有機化合
物としてヘテロメチルジシロキサン（ＣＨ3）4Ｓｉ、酸
素（Ｏ2）、シリコン及び酸素を含む有機化合物として
テトラメチルシラン（ＣＨ3）6Ｓｉ2Ｏ、アルミニウム
を含む有機化合物としてトリエチルアルミニウム（Ｃ2
Ｈ5）3Ａｌを用い、下記表１に示す混合ガスまたはベン
ゼン単独（比較例１）の形態でガス導入管６よりイオン
源５に供給した。すなわち、実施例１では導入ガスとし
てベンゼン、ヘテロメチルジシロキサン、酸素の混合ガ
スを用い、実施例２では導入ガスとしてベンゼン、テト
ラメチルシランの混合ガスを用い、実施例３では導入ガ
スとしてベンゼン、トリエチルアルミニウムの混合ガス
を用い、比較例１では導入ガスとしてベンゼンを用い
た。なお、各ガスは図示しない流量制御装置により下記
表１に示す設定したの流量比で混合すると共に流量を制
御し、ガス導入管６より供給した。この時、前記真空容
器１を７×１０-1Ｐａに制御した。
管６より原料ガスを供給した。前記原料ガスは、炭化水
素としてベンゼン（Ｃ6Ｈ6）、シリコンを含む有機化合
物としてヘテロメチルジシロキサン（ＣＨ3）4Ｓｉ、酸
素（Ｏ2）、シリコン及び酸素を含む有機化合物として
テトラメチルシラン（ＣＨ3）6Ｓｉ2Ｏ、アルミニウム
を含む有機化合物としてトリエチルアルミニウム（Ｃ2
Ｈ5）3Ａｌを用い、下記表１に示す混合ガスまたはベン
ゼン単独（比較例１）の形態でガス導入管６よりイオン
源５に供給した。すなわち、実施例１では導入ガスとし
てベンゼン、ヘテロメチルジシロキサン、酸素の混合ガ
スを用い、実施例２では導入ガスとしてベンゼン、テト
ラメチルシランの混合ガスを用い、実施例３では導入ガ
スとしてベンゼン、トリエチルアルミニウムの混合ガス
を用い、比較例１では導入ガスとしてベンゼンを用い
た。なお、各ガスは図示しない流量制御装置により下記
表１に示す設定したの流量比で混合すると共に流量を制
御し、ガス導入管６より供給した。この時、前記真空容
器１を７×１０-1Ｐａに制御した。
【００５０】このような状態でイオン源５を作動させ、
イオン加速電圧５００Ｖ、イオン電流密度１ｍＡ／ｃｍ
2でイオンビーム７を基材２上に照射し、厚さ１μｍの
硬質炭素膜８を成膜した。
イオン加速電圧５００Ｖ、イオン電流密度１ｍＡ／ｃｍ
2でイオンビーム７を基材２上に照射し、厚さ１μｍの
硬質炭素膜８を成膜した。
【００５１】
【表１】
【００５２】実施例１〜３および比較例１により得られ
た炭素膜について、ラマンスペクトル分析により調べ
た。その結果、いずれの炭素膜も１５００〜１６００ｃ
ｍ-1付近に広いピークを示し、アモルファス構造の硬質
炭素膜であることが確認できた。
た炭素膜について、ラマンスペクトル分析により調べ
た。その結果、いずれの炭素膜も１５００〜１６００ｃ
ｍ-1付近に広いピークを示し、アモルファス構造の硬質
炭素膜であることが確認できた。
【００５３】また、実施例１〜３および比較例１により
得られた炭素膜について、元素組成をＸ線光電子分光分
析により分析し、ビッカース硬度を測定した。さらに、
ボールオンディスク型摩擦試験機により前記炭素膜の摩
擦係数を調べた。摩擦試験の条件としては、相手材をス
テンレス鋼（ＪＩＳ：ＳＵＳ３０４）ボール、荷重を２
Ｎ、速度を０．１ｍ／ｓｅｃ、雰囲気を温度３０℃、お
よび４００℃とした。その結果を下記表２に示す。
得られた炭素膜について、元素組成をＸ線光電子分光分
析により分析し、ビッカース硬度を測定した。さらに、
ボールオンディスク型摩擦試験機により前記炭素膜の摩
擦係数を調べた。摩擦試験の条件としては、相手材をス
テンレス鋼（ＪＩＳ：ＳＵＳ３０４）ボール、荷重を２
Ｎ、速度を０．１ｍ／ｓｅｃ、雰囲気を温度３０℃、お
よび４００℃とした。その結果を下記表２に示す。
【００５４】
【表２】
【００５５】前記表２の結果から明らかなように、シリ
コンを含むアモルファス構造を有する実施例１、２の硬
質炭素膜、およびアルミニウムを含むアモルファス構造
を有する実施例３の硬質炭素膜は、温度３０℃の大気中
の摩擦試験にて、比較例１の硬質炭素膜に比べて１桁以
下の低い摩擦係数を示すことがわかる。特に注目すべき
点は、温度４００℃の大気中の摩擦試験においても、実
施例１〜３の硬質炭素膜は低い摩擦係数を示している点
である。比較例１の硬質炭素膜は、この温度で破損し、
高摩擦係数を示す。これは、実施例１〜３の硬質炭素膜
は耐熱性が大幅に向上していることを示している。
コンを含むアモルファス構造を有する実施例１、２の硬
質炭素膜、およびアルミニウムを含むアモルファス構造
を有する実施例３の硬質炭素膜は、温度３０℃の大気中
の摩擦試験にて、比較例１の硬質炭素膜に比べて１桁以
下の低い摩擦係数を示すことがわかる。特に注目すべき
点は、温度４００℃の大気中の摩擦試験においても、実
施例１〜３の硬質炭素膜は低い摩擦係数を示している点
である。比較例１の硬質炭素膜は、この温度で破損し、
高摩擦係数を示す。これは、実施例１〜３の硬質炭素膜
は耐熱性が大幅に向上していることを示している。
【００５６】なお、前述した実施例１〜３において、半
導体もしくは金属を含む有機化合物としてクロムを含む
有機化合物ガス（例えばビスシクロペンタジエニルクロ
ニウム；（Ｃ5Ｈ5）2Ｃｒ）、チタンを含む有機化合物
ガス（例えばシクロペンタジエニルシクロオクタテトラ
エニイチタニウム；（Ｃ5Ｈ5）（Ｃ8Ｈ8）Ｔｉ）、また
半導体もしくは金属と酸素とを含む有機化合物としてク
ロムを含む有機化合物ガス（例えばトリス（アセチルア
セトナト）クロニウム；（Ｃ5Ｈ7Ｏ2）3Ｃｒ）、チタン
を含む有機化合物ガス（例えばテトラエトキシチタニウ
ム；（ＯＣ2Ｈ5）4Ｔｉ）を用いても、実施例１〜３と
同等の性能を有する硬質炭素膜が製造することが可能で
あった。
導体もしくは金属を含む有機化合物としてクロムを含む
有機化合物ガス（例えばビスシクロペンタジエニルクロ
ニウム；（Ｃ5Ｈ5）2Ｃｒ）、チタンを含む有機化合物
ガス（例えばシクロペンタジエニルシクロオクタテトラ
エニイチタニウム；（Ｃ5Ｈ5）（Ｃ8Ｈ8）Ｔｉ）、また
半導体もしくは金属と酸素とを含む有機化合物としてク
ロムを含む有機化合物ガス（例えばトリス（アセチルア
セトナト）クロニウム；（Ｃ5Ｈ7Ｏ2）3Ｃｒ）、チタン
を含む有機化合物ガス（例えばテトラエトキシチタニウ
ム；（ＯＣ2Ｈ5）4Ｔｉ）を用いても、実施例１〜３と
同等の性能を有する硬質炭素膜が製造することが可能で
あった。
【００５７】（実施例４〜６および比較例２）まず、ホ
ルダ１３に高速度工具鋼（ＪＩＳ：ＳＫＨ５５）からな
る基材１２を取付け、真空容器１内を１×１０-3Ｐａ以
下に真空排気した。つづいて、原料ガスをガス導入管１
７を通して前記真空容器１１内に導入し、５×１０-2Ｐ
ａに制御した。前記原料ガスは、炭化水素としてベンゼ
ン（Ｃ6Ｈ6）、シリコンを含む有機化合物としてヘテロ
メチルジシロキサン（ＣＨ3）4Ｓｉ、酸素（Ｏ2）、シ
リコン及び酸素を含む有機化合物としてテトラメチルシ
ラン（ＣＨ3）6Ｓｉ2Ｏ、アルミニウムを含む有機化合
物としてトリエチルアルミニウム（Ｃ2Ｈ5）3Ａｌを用
い、下記表３に示す混合ガスまたはベンゼン単独（比較
例２）の形態でガス導入口６よりイオン源５に供給し
た。すなわち、実施例４では導入ガスとしてベンゼン、
ヘテロメチルジシロキサン、酸素の混合ガスを用い、実
施例５では導入ガスとしてベンゼン、テトラメチルシラ
ンの混合ガスを用い、実施例６では導入ガスとしてベン
ゼン、トリエチルアルミニウムの混合ガスを用い、比較
例２では導入ガスとしてベンゼンを用いた。なお、各ガ
スは図示しない流量制御装置により下記表３に示す設定
したの流量比で混合すると共に流量を制御し、ガス導入
管１７より供給した。
ルダ１３に高速度工具鋼（ＪＩＳ：ＳＫＨ５５）からな
る基材１２を取付け、真空容器１内を１×１０-3Ｐａ以
下に真空排気した。つづいて、原料ガスをガス導入管１
７を通して前記真空容器１１内に導入し、５×１０-2Ｐ
ａに制御した。前記原料ガスは、炭化水素としてベンゼ
ン（Ｃ6Ｈ6）、シリコンを含む有機化合物としてヘテロ
メチルジシロキサン（ＣＨ3）4Ｓｉ、酸素（Ｏ2）、シ
リコン及び酸素を含む有機化合物としてテトラメチルシ
ラン（ＣＨ3）6Ｓｉ2Ｏ、アルミニウムを含む有機化合
物としてトリエチルアルミニウム（Ｃ2Ｈ5）3Ａｌを用
い、下記表３に示す混合ガスまたはベンゼン単独（比較
例２）の形態でガス導入口６よりイオン源５に供給し
た。すなわち、実施例４では導入ガスとしてベンゼン、
ヘテロメチルジシロキサン、酸素の混合ガスを用い、実
施例５では導入ガスとしてベンゼン、テトラメチルシラ
ンの混合ガスを用い、実施例６では導入ガスとしてベン
ゼン、トリエチルアルミニウムの混合ガスを用い、比較
例２では導入ガスとしてベンゼンを用いた。なお、各ガ
スは図示しない流量制御装置により下記表３に示す設定
したの流量比で混合すると共に流量を制御し、ガス導入
管１７より供給した。
【００５８】
【表３】
【００５９】次いで、電磁コイル２０ａ，２０ｂに３０
０Ａの電流を流すことにより、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、導波管１８を介してマイクロ波電源１９から１０
００Ｗの出力のマイクロ波（周波数２．４５ＧＨｚ）を
真空容器１１内へ導入することによりプラズマを発生さ
せた。プラズマ発生と同時に、高絶縁フィードスルー１
４を介してバイアス電源１５から基材１２に電圧−２ｋ
Ｖ、デューティ（duty）比１％のパルス電圧を印加させ
ることにより硬質炭素膜２１を成膜した。
０Ａの電流を流すことにより、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、導波管１８を介してマイクロ波電源１９から１０
００Ｗの出力のマイクロ波（周波数２．４５ＧＨｚ）を
真空容器１１内へ導入することによりプラズマを発生さ
せた。プラズマ発生と同時に、高絶縁フィードスルー１
４を介してバイアス電源１５から基材１２に電圧−２ｋ
Ｖ、デューティ（duty）比１％のパルス電圧を印加させ
ることにより硬質炭素膜２１を成膜した。
【００６０】実施例４〜６および比較例２により得られ
た炭素膜について、ラマンスペクトル分析により調べ
た。その結果、いずれの炭素膜も１５００〜１６００ｃ
ｍ-1付近に広いピークを示し、アモルファス構造の硬質
炭素膜であることが確認できた。
た炭素膜について、ラマンスペクトル分析により調べ
た。その結果、いずれの炭素膜も１５００〜１６００ｃ
ｍ-1付近に広いピークを示し、アモルファス構造の硬質
炭素膜であることが確認できた。
【００６１】また、実施例４〜６および比較例２により
得られた炭素膜について、元素組成をＸ線光電子分光分
析により分析し、ビッカース硬度を測定した。さらに、
ボールオンディスク型摩擦試験機により前記炭素膜の摩
擦係数を調べた。摩擦試験の条件としては、相手材をス
テンレス鋼（ＪＩＳ：ＳＵＳ３０４）ボール、荷重を２
Ｎ、速度を０．１ｍ／ｓｅｃ、雰囲気を温度３０℃、お
よび４００℃とした。その結果を下記表４に示す。
得られた炭素膜について、元素組成をＸ線光電子分光分
析により分析し、ビッカース硬度を測定した。さらに、
ボールオンディスク型摩擦試験機により前記炭素膜の摩
擦係数を調べた。摩擦試験の条件としては、相手材をス
テンレス鋼（ＪＩＳ：ＳＵＳ３０４）ボール、荷重を２
Ｎ、速度を０．１ｍ／ｓｅｃ、雰囲気を温度３０℃、お
よび４００℃とした。その結果を下記表４に示す。
【００６２】
【表４】
【００６３】前記表４の結果から明らかなように、シリ
コンを含むアモルファス構造を有する実施例４、５の硬
質炭素膜、およびアルミニウムを含むアモルファス構造
を有する実施例６の硬質炭素膜は、温度３０℃の大気中
の摩擦試験にて、比較例２の硬質炭素膜に比べて１桁以
下の低い摩擦係数を示すことがわかる。特に注目すべき
点は、温度４００℃の大気中の摩擦試験においても、実
施例４〜６の硬質炭素膜は低い摩擦係数を示している点
である。比較例２の硬質炭素膜は、この温度で破損し、
高摩擦係数を示す。これは、実施例４〜６の硬質炭素膜
は耐熱性が大幅に向上していることを示している。
コンを含むアモルファス構造を有する実施例４、５の硬
質炭素膜、およびアルミニウムを含むアモルファス構造
を有する実施例６の硬質炭素膜は、温度３０℃の大気中
の摩擦試験にて、比較例２の硬質炭素膜に比べて１桁以
下の低い摩擦係数を示すことがわかる。特に注目すべき
点は、温度４００℃の大気中の摩擦試験においても、実
施例４〜６の硬質炭素膜は低い摩擦係数を示している点
である。比較例２の硬質炭素膜は、この温度で破損し、
高摩擦係数を示す。これは、実施例４〜６の硬質炭素膜
は耐熱性が大幅に向上していることを示している。
【００６４】なお、前述した実施例４〜６において、半
導体もしくは金属を含む有機化合物としてクロムを含む
有機化合物ガス（例えばビスシクロペンタジエニルクロ
ニウム；（Ｃ5Ｈ5）2Ｃｒ）、チタンを含む有機化合物
ガス（例えばシクロペンタジエニルシクロオクタテトラ
エニイチタニウム；（Ｃ5Ｈ5）（Ｃ8Ｈ8）Ｔｉ）、また
半導体もしくは金属と酸素とを含む有機化合物としてク
ロムを含む有機化合物ガス（例えばトリス（アセチルア
セトナト）クロニウム；（Ｃ5Ｈ7Ｏ2）3Ｃｒ）、チタン
を含む有機化合物ガス（例えばテトラエトキシチタニウ
ム；（ＯＣ2Ｈ5）4Ｔｉ）を用いても、実施例４〜６と
同等の性能を有する硬質炭素膜が製造することが可能で
あった。
導体もしくは金属を含む有機化合物としてクロムを含む
有機化合物ガス（例えばビスシクロペンタジエニルクロ
ニウム；（Ｃ5Ｈ5）2Ｃｒ）、チタンを含む有機化合物
ガス（例えばシクロペンタジエニルシクロオクタテトラ
エニイチタニウム；（Ｃ5Ｈ5）（Ｃ8Ｈ8）Ｔｉ）、また
半導体もしくは金属と酸素とを含む有機化合物としてク
ロムを含む有機化合物ガス（例えばトリス（アセチルア
セトナト）クロニウム；（Ｃ5Ｈ7Ｏ2）3Ｃｒ）、チタン
を含む有機化合物ガス（例えばテトラエトキシチタニウ
ム；（ＯＣ2Ｈ5）4Ｔｉ）を用いても、実施例４〜６と
同等の性能を有する硬質炭素膜が製造することが可能で
あった。
【００６５】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、大
気中での摩擦特性、耐熱性に優れ、産業機械、自動車、
航空宇宙機器の部品の性能と寿命を向上させることが可
能な硬質炭素膜およびその製造方法を提供することがで
きる。
気中での摩擦特性、耐熱性に優れ、産業機械、自動車、
航空宇宙機器の部品の性能と寿命を向上させることが可
能な硬質炭素膜およびその製造方法を提供することがで
きる。
【図１】本発明の硬質炭素膜の製造に用いられる成膜装
置を示す概略図。
置を示す概略図。
【図２】本発明の硬質炭素膜の製造に用いられる別の成
膜装置を示す概略図。
膜装置を示す概略図。
１，１１…真空容器、
２，１２…基材、
３…ホルダ、
５…イオン源、
７…イオンビーム、
８，２１…硬質炭素膜、
１４…高絶縁フィードスルー、
１５…バイアス電源、
１６…プラズマ、
１８…導波管、
１９…マイクロ波電源、
２０ａ，２０ｂ…電磁コイル。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 渡辺 俊哉
神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１
三菱重工業株式会社基盤技術研究所内
Ｆターム(参考） 4G046 CA02 CB03 CC06
4K029 AA02 BA34 BA64 BC00 BC10
BD04 CA03 CA13 DE02
4K030 AA06 AA09 AA11 BA02 BA06
BA18 BA27 BA29 FA01 LA23
Claims (6)
- 【請求項１】 半導体もしくは金属を０．１〜３０原子
％含むアモルファス構造の炭素膜からなることを特徴と
する硬質炭素膜。 - 【請求項２】 前記半導体もしくは金属は、シリコン、
アルミニウム、クロムもしくはチタンのうちのいずれか
からなることを特徴とする請求項１記載の硬質炭素膜。 - 【請求項３】 （ａ）炭化水素と半導体もしくは金属を
含む有機化合物との混合ガス、（ｂ）炭化水素と半導体
もしくは金属を含む有機化合物と酸素との混合ガス、ま
たは（ｃ）炭化水素と半導体もしくは金属および酸素を
含む有機化合物との混合ガスのイオンを発生させ、この
イオンを加速して基材に照射する、イオンビーム蒸着法
により硬質炭素膜を被覆することを特徴とする硬質炭素
膜の製造方法。 - 【請求項４】 前記イオンの加速電圧を５０〜２０００
Ｖに設定することを特徴とする請求項３記載の硬質炭素
膜の製造方法。 - 【請求項５】 （ａ）炭化水素と半導体もしくは金属を
含む有機化合物との混合ガス、（ｂ）炭化水素と半導体
もしくは金属を含む有機化合物と酸素との混合ガス、ま
たは（ｃ）炭化水素と半導体もしくは金属および酸素を
含む有機化合物との混合ガスのプラズマを発生させ、こ
のプラズマ中に曝した基材に対して負のパルス電圧を印
加することを特徴とする硬質炭素膜の製造方法。 - 【請求項６】 前記基材に印加するパルス電圧は、−１
ｋＶから−１０ｋＶであることを特徴とする請求項５記
載の硬質炭素膜の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001199056A JP2003013200A (ja) | 2001-06-29 | 2001-06-29 | 硬質炭素膜およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001199056A JP2003013200A (ja) | 2001-06-29 | 2001-06-29 | 硬質炭素膜およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003013200A true JP2003013200A (ja) | 2003-01-15 |
Family
ID=19036399
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001199056A Withdrawn JP2003013200A (ja) | 2001-06-29 | 2001-06-29 | 硬質炭素膜およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003013200A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007247038A (ja) * | 2006-03-20 | 2007-09-27 | Hitachi Ltd | 硬質炭素被膜 |
| JP2007316283A (ja) * | 2006-05-25 | 2007-12-06 | Matsushita Electric Works Ltd | 赤外線フィルタ及びその製造方法 |
| JP2009174039A (ja) * | 2008-01-28 | 2009-08-06 | Panasonic Electric Works Co Ltd | ダイヤモンド状炭素被膜の製造方法及び摺動部材 |
| US8178471B2 (en) | 2003-01-31 | 2012-05-15 | Japan Science And Technology Agency | Hydrogen storage materials and process for the preparation of the same |
-
2001
- 2001-06-29 JP JP2001199056A patent/JP2003013200A/ja not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8178471B2 (en) | 2003-01-31 | 2012-05-15 | Japan Science And Technology Agency | Hydrogen storage materials and process for the preparation of the same |
| JP2007247038A (ja) * | 2006-03-20 | 2007-09-27 | Hitachi Ltd | 硬質炭素被膜 |
| JP2007316283A (ja) * | 2006-05-25 | 2007-12-06 | Matsushita Electric Works Ltd | 赤外線フィルタ及びその製造方法 |
| JP2009174039A (ja) * | 2008-01-28 | 2009-08-06 | Panasonic Electric Works Co Ltd | ダイヤモンド状炭素被膜の製造方法及び摺動部材 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20080902 |