JP3397835B2 - 硬質カーボン膜の被覆方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は炭化水素を含むガス雰囲
気中におけるプラズマ化学気相成長法（以下プラズマＣ
ＶＤ法と記載する）を用いた硬質カーボン膜の形成方法
に関し、さらに詳しくは多数個の板状基材上に効率よく
硬質カーボン膜を形成するための被覆方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】硬質カーボン膜は１９７０年代後半から
英国で研究され始めたｉ−カーボンと俗称される超硬質
炭素膜であり、炭素原子の結合状態に長周期の結晶性が
見られず、アモルファスシリコンと類似の結合状態を有
するものである。

【０００３】また、その硬質カーボン膜の物性は、ダイ
ヤモンドの物性と類似点が多く、高硬度、耐摩耗性、潤
滑性、絶縁性、耐薬品性などの優れた特性から工具をは
じめとして、各種機械や、電子部品への保護コーティン
グや、あるいは機能性デバイスへの応用が図られてい
る。

【０００４】この硬質カーボン膜の形成方法としては、
炭化水素ガスをプラズマ分解するプラズマＣＶＤ法が主
なものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
プラズマＣＶＤ法を用いて、硬質カーボン膜を板状基材
の表面に形成する場合、板状基材の一番広い面積である
上面と、狭い面積の側面とで、硬質カーボン膜の形成速
度に差が発生する。このため、板状基材の側面の硬質カ
ーボン膜の膜厚が、上面の膜厚に比べて薄くなる問題が
ある。

【０００６】この板状基材の側面と上面とで硬質カーボ
ン膜の膜厚が異なるのは、電圧を印加した板状基材が反
応室に対しカソード電位となるが、そのカソード電位が
均一でなく、板状基材の上面と側面で電位分布をもつこ
とによる。

【０００７】一般に、プラズマ中でカソード電位をもつ
基材の周辺には、イオンシースができる。このイオンシ
ースは、陰極暗部とも呼ばれる発光しない領域であるの
で、プラズマ中で容易に目視観察できる。

【０００８】このイオンシースは、基材のカソード電界
の及ぼす範囲に相当し、その厚さは基材のカソード電位
の大きさを反映している。

【０００９】すなわち基材のカソード電位が高ければ、
イオンシースの厚さは大きく、電位が低ければイオンシ
ースの厚さは小さい。

【００１０】硬質カーボン膜は、プラズマ中の炭素の正
イオンが、カソード電位の板状基材のつくるイオンシー
ス内で電界加速されて、高いエネルギー状態になり、板
状基材表面で反応して形成される。

【００１１】板状基材の側面においては、上面に比べて
電位が集中しやすいために、非常に高いカソード電位と
なっており、側面のイオンシースの厚さも大きくなる。

【００１２】そのため、プラズマ中の炭素の正イオン
は、非常に高い電位のイオンシース内で加速され、高い
エネルギーで板状基材の側面に衝突して、板状基材の側
面に被着した炭素イオンをたたきだす、いわゆるスパッ
タリング効果を起こし、側面の硬質カーボン膜の形成速
度を低下させる。

【００１３】その結果、板状基材の側面の硬質カーボン
膜の膜厚は、上面の膜厚に比べ薄くなってしまう。

【００１４】一般に膜の耐摩耗性に関しては、その膜厚
が薄いと、たとえ膜自身の硬度が硬くても、耐摩耗性に
劣ることが知られている。

【００１５】板状基材に硬質カーボン膜を形成する場
合、側面の膜厚が薄いことは、耐摩耗性に劣り好ましく
ない。

【００１６】本発明の目的は、上記課題を解決して、プ
ラズマＣＶＤ法を用いた硬質カーボン膜の形成方法にあ
って、板状基材の上面と側面とに、膜厚差なく、均一に
硬質カーボン膜を形成することが可能な被覆方法を提供
することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の硬質カーボン膜の被覆方法においては、下
記記載の手段を採用する。

【００１８】本発明の硬質カーボン膜の被覆方法は、炭
化水素を含有するガス雰囲気中に配置した板状基材に高
周波電源から高周波電力を印加し、高周波励起により発
生したプラズマにより炭化水素を含有するガスを分解し
て板状基材の表面に硬質カーボン膜を形成する方法にあ
って、複数個の板状基材を幅方向がそろうように一列に
並べ、かつその側面間距離を個々の板状基材の表面部の
つくるイオンシースの厚さの０．３〜２倍とすることに
より、隣接する複数個の板状基材を含む１つの連続的な
イオンシースを形成させ、板状基材に硬質カーボン膜を
形成することを特徴とする。

【００１９】本発明の硬質カーボン膜の被覆方法は、炭
化水素を含有するガス雰囲気中に配置した板状基材に直
流電源から直流電圧を印加し、発生したプラズマにより
炭化水素を含有するガスを分解して板状基材表面に硬質
カーボン膜を形成する方法にあって、複数個の板状基材
を幅方向がそろうように一列に並べ、かつその側面間距
離を個々の板状基材の表面部のつくるイオンシースの厚
さの０．３〜２倍とすることにより、隣接する複数個の
板状基材を含む１つの連続的なイオンシースを形成さ
せ、板状基材に硬質カーボン膜を形成することを特徴と
する。

【００２０】

【作用】複数個の板状基材を、幅方向がそろうように一
列に並べ、かつその側面間距離を個々の板状基材の上面
のつくるイオンシースの厚さの０．３〜２倍として、プ
ラズマＣＶＤ法により硬質カーボン膜を形成する。

【００２１】この手法によれば、板状基材の側面に高い
カソード電位が集中することがなくなり、個々の板状基
材の上面と側面との電位差が従来手法に比べてはるかに
軽減され、イオンシースの厚さも均一になる。

【００２２】その結果、前述した板状基材の側面での正
イオンのスパッタリング効果が無くなるので、側面の硬
質カーボン膜の膜厚が薄くなることは発生しない。

【００２３】また従来の硬質カーボン膜の形成方法で
は、イオンシースが個々の板状基材に分離して形成され
ていた。

【００２４】しかしながら、本発明の硬質カーボン膜の
形成方法では、複数個の板状基材全体を覆う、連続した
１つの大きなイオンシースを形成している。

【００２５】

【実施例】以下図面を用いて、本発明の実施例における
硬質カーボン膜の形成方法を説明する。本発明において
板状基材とは、厚さ寸法に対して幅寸法が数倍以上のも
のをいう。以下に説明する実施例においては、図１に示
すような幅ｗが２０ｍｍ、長さｌが８０ｍｍ、厚さｔが
２ｍｍの寸法を有する板状基材１１に硬質カーボン膜を
形成する例で説明する。

【００２６】

【実施例１】本発明の第１の実施例における硬質カーボ
ン膜の被覆方法を、図１から図５を使用して説明する。
図１は硬質カーボン膜を形成する板状基材を示す斜視図
であり、図２と図３とは板状基材の周辺に形成されたイ
オンシースの状態を示す側面図であり、図４は複数の板
状基材の側面間距離と膜厚比との関係を示すグラフであ
り、図５はプラズマＣＶＤ装置を示す断面図である。以
下図１から図５を交互に参照して説明する。

【００２７】プラズマＣＶＤ装置は、図５に示すように
金属からなる反応室２３内に配置した板状基材１１に、
高周波電源２５により高周波電圧を印加して、板状基材
１１をカソード電極とする。

【００２８】この反応室２３は接地されており、カソー
ド電極に対してアノード電極として機能する。

【００２９】この反応室２３内を、排気手段２７によっ
て真空度が１０^{- 5} ｔｏｒｒ台まで真空排気する。その
後、ガス導入口２９から炭化水素ガスとして、たとえば
メタン（ＣＨ₄ ）を導入し、反応室２３内を０．１ｔｏ
ｒｒの真空度になるように、メタンガスの流量を調整す
る。

【００３０】つぎに高周波電源２５の周波数１３．５６
ＭＨｚの高周波電圧を、カソード電極である板状基材１
１に、３００Ｗ程度の電力で印加して、反応室２３内に
プラズマを発生させ、板状基材１１に硬質カーボン膜を
たとえば膜厚１〜３μｍ形成させる。この硬質カーボン
膜の詳細な形成条件を以下に示す。

【００３１】原料ガス：メタン（ＣＨ₄ ） 励起法 ：高周波（１３．５６ＭＨｚ） 励起出力：３００Ｗ ガス流量：３００ｃｍ³ ／分 ガス圧 ：０．１ｔｏｒｒ 成膜速度：２０ｎｍ／分

【００３２】複数の板状基材１１の側面間距離Ｌを３０
ｍｍと５ｍｍとしたときのイオンシースの状態を、図２
および図３にそれぞれ示す。

【００３３】図２に示すように、複数の板状基材１１の
側面間距離Ｌが３０ｍｍでは、個々の板状基材１１にイ
オンシース２１が形成されている。

【００３４】そして、そのイオンシース２１の厚さは、
図２に示すように均一ではなく、側面１２のイオンシー
スの厚さｄ₁ が、上面１３のイオンシースの厚さｄ２に
比べて大きい。

【００３５】このことは、前述したように、側面１２の
カソード電位が上面１３のカソード電位に比べてはるか
に大きいことを意味している。

【００３６】なお、前述の条件での上面１３のイオンシ
ースの厚さｄ₂ は、約５ｍｍであった。

【００３７】これに対して側面間距離Ｌが５ｍｍでは、
図３に示すように、複数個の板状基材１１の全体を覆う
ような形で、１つの連続したイオンシース２２が形成さ
れている。

【００３８】図２および図３に示すイオンシースの状態
で形成された、硬質カーボン膜の膜厚を断面ＳＥＭ観察
法で測定した。側面間距離Ｌが３０ｍｍと５ｍｍとした
ときのそれぞれの硬質カーボン膜について、上面の膜厚
と、側面の膜厚と、上面膜厚と側面膜厚との膜厚比を以
下に示す。

【００３９】複数個の板状基材１１の側面間距離Ｌが３
０ｍｍのとき 上面膜厚：１．１μｍ 側面膜厚：０．６μｍ 膜厚比 ：０．５５

【００４０】複数個の板状基材１１の側面間距離Ｌが５
ｍｍのとき 上面膜厚：１．１μｍ 側面膜厚：１．０５μｍ 膜厚比 ：０．９５

【００４１】上記のように側面間距離Ｌが５ｍｍでは、
前述したように上面１３と側面１２との電位がほぼ等し
くなる。その結果、側面１２への正イオンによるスパッ
タリングがなくなるので、従来のように板状基材１１の
側面１２の硬質カーボン膜の膜厚減少が発生しない。

【００４２】つぎに図３に示すような、１つの連続した
イオンシース２２を形成する板状基材１１の配置条件を
説明する。

【００４３】板状基材１１に硬質カーボン膜を形成した
ときの、側面間距離Ｌによる上面と下面との膜厚比の変
化を測定した結果を図４のグラフに示す。

【００４４】図４に示すグラフの横軸は、側面間距離Ｌ
とイオンシースの厚さｄ２との比率を示し、縦軸は上面
１３と側面１２の硬質カーボン膜の膜厚比を示す。

【００４５】ここで硬質カーボン膜の、摩耗試験の結
果、耐摩耗性が良好な上面と側面の膜厚比は、０．８以
上であった。すなわち図４に示す一点鎖線３３より上側
が、耐摩耗性が良好となる領域である。

【００４６】この図４の結果と摩耗試験との結果から、
個々の板状基材の上面１３のイオンシースの厚さｄ₂ の
０．３〜２倍に、板状基材１１の側面間距離Ｌを設定す
れば、側面１２にも上面１３と同様に、充分な膜厚の硬
質カーボン膜が得られることが解る。

【００４７】イオンシースの大きさは、反応室２３内の
ガス圧や、板状基材１１に印加する高周波電圧などによ
って変動する。

【００４８】しかしながら、そのときも複数の板状基材
１１の側面間距離Ｌを、個々の板状基材１１の上面１３
のイオンシースの厚さｄ₂ の０．３〜２倍にすることに
より、側面１２に膜厚減少なく硬質カーボン膜を形成す
ることができる。

【００４９】

【実施例２】つぎにプラズマＣＶＤ装置として第１の実
施例と異なる装置を用いて、硬質カーボン膜を形成す
る、第２の実施例における硬質カーボン膜の被覆方法を
説明する。

【００５０】図６は本発明の第２の実施例における硬質
カーボン膜を形成するためのプラズマＣＶＤ装置を示す
断面図である。

【００５１】図６に示すように、ガス導入口２９と排気
手段２７とを備える反応室２３の壁面は、接地電位に接
続する。

【００５２】そして反応室２３内には、直流電源３１に
よって、負電位を印加する板状基材１１を配置する。す
なわち板状基材１１は、反応室２３に対してカソード電
位となる。

【００５３】この反応室２３内を排気手段２７によっ
て、真空度が１０^-5ｔｏｒｒ台まで真空排気する。その
後、ガス導入口２９から、炭化水素ガスとしてたとえば
メタン（ＣＨ₄ ）を導入して、反応室２３内を０．２ｔ
ｏｒｒ程度の真空度になるようにメタンガスの流量を調
整する。

【００５４】板状基材１１には直流電源３１から、マイ
ナス１０００Ｖ程度の負電位を印加する。この板状基材
１１に印加する直流の負電位によって、板状基材１１の
周辺にプラズマが発生し、前述のようにイオンシースが
発生する。すると、板状基材１１の周辺部のプラズマに
よって、メタンは正イオンと電子と中性励起種とに分解
される。

【００５５】この直流電源３１から板状基材１１に負電
位を印加したときに、プラズマが発生する機構は、以下
に記載するように考えられる。

【００５６】すなわち空間中の電子は、板状基材１１の
高い負電圧によって、電界加速されて引っ張られ、高速
で板状基材１１に向かって動きだす。ここで反応室２３
内の圧力は０．２ｔｏｒｒと、通常の直流スパッタリン
グなどと比べて２桁以上高いため、電子とメタンのガス
分子と衝突しやすいため、プラズマが発生する。

【００５７】ここで板状基材１１には、印加する直流電
位がプラズマと独立に制御可能な直流電源３１から負電
位が印加されている。このため直流電源３１の印加電圧
により、板状基材１１に衝突する正イオンのエネルギー
を、プラズマと独立に制御することができる。

【００５８】この図６に示すプラズマ装置を用いた硬質
カーボン膜の詳細な形成条件を以下に示す。

【００５９】原料ガス：メタン（ＣＨ₄ ） 励起法 ：直流電圧の印加 印加電圧：マイナス１０００Ｖ ガス流量：３００ｃｍ³ ／分 ガス圧 ：０．２ｔｏｒｒ 成膜速度：２０ｎｍ／分

【００６０】この図６に示すプラズマＣＶＤ装置を用い
たときも、第１の実施例と同じように、個々の板状基材
１１の上面１３がつくるイオンシースの厚さｄ₂ の０．
３から２倍に、板状基材１１の側面間距離Ｌを設定すれ
ば、図３に示すように、複数個の板状基材１１の全体を
被覆するような形状で、１つのイオンシース２２が形成
される。

【００６１】この結果、板状基材１１の上面１３と側面
１２とで膜厚差の発生がなく、硬質カーボン膜を形成す
ることができる。

【００６２】イオンシースの大きさは、反応室２３内の
ガス圧や、直流電源３１による板状基材１１に印加する
負の高電圧によって変動するが、そのときも、複数の板
状基材１１の上面１３のイオンシースの厚さｄ₂ の０．
３から２倍にすることにより、上面１３と側面１２とに
膜厚差が発生することなく、硬質カーボン膜を形成する
ことができる。

【００６３】以上の説明では、一般的な板状基材１１に
硬質カーボン膜を形成する例で説明したが、具体的な応
用例としては、時計用バンドや、織機部品などがある。

【００６４】なお、以上の説明では、メタンガスを用い
て硬質カーボン膜を形成したが、エチレン（Ｃ₂ Ｈ₄ ）
や、エタン（Ｃ₂ Ｈ₆ ）や、ベンゼン（Ｃ₆ Ｈ₆ ）など
の炭化水素系ガス、あるいは炭化フッ素系ガス、あるい
はそれらの混合ガスを用いても形成することができる。

【００６５】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
硬質カーボン膜の被覆方法により、個々の板状基材の上
面と側面との電位差を小さくして、複数個の板状基材全
体を１つの連続した大きなイオンシースで覆うことがで
きるので、板状基材の上面と側面とに均一な膜厚で硬質
カーボン膜を形成することが可能となる。したがって、
本発明を用いて硬質カーボン膜を被覆した板状基材は、
従来技術で硬質カーボン膜を被覆した板状基材に比べ格
段に耐摩耗性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における硬質カーボン膜を形成
する板状基材を示す斜視図である。

【図２】分離したイオンシースを示す側面図である。

【図３】本発明の硬質カーボン膜の被覆方法における連
続したイオンシースを示す側面図である。

【図４】複数の板状基材の側面間距離と、上面と側面と
の膜厚比との関係を示すグラフである。

【図５】本発明の第１の実施例における硬質カーボン膜
を形成するための装置を示す断面図である。

【図６】本発明の第２の実施例における硬質カーボン膜
を形成するための装置を示す断面図である。

【符号の説明】

１１ 板状基材 １２ 側面 １３ 上面 ２２ イオンシース ｄ₁ 側面１２のイオンシースの厚さ ｄ₂ 上面１３のイオンシースの厚さ Ｌ 側面間距離

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 16/00 - 16/56 C23C 14/00 - 14/58

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭化水素を含有するガス雰囲気中に配置
   した幅が２０ｍｍ、長さが８０ｍｍ、厚さが２ｍｍの寸
   法を有する板状基材に高周波電源から高周波電力を印加
   し、高周波励起により発生したプラズマにより炭化水素
   を含有するガスを分解して前記板状基材の表面に硬質カ
   ーボン膜を形成する方法にあって、複数個の前記板状基
   材を幅方向がそろうように一列に並べ、かつその側面間
   距離を個々の前記板状基材の表面部のつくるイオンシー
   スの厚さの０．３〜２倍とすることにより、隣接する複
   数個の前記板状基材を含む１つの連続的なイオンシース
   を形成させ、前記板状基材に硬質カーボン膜を形成する
   ことを特徴とする硬質カーボン膜の被覆方法。
2. 【請求項２】 炭化水素を含有するガス雰囲気中に配置
   した幅が２０ｍｍ、長さが８０ｍｍ、厚さが２ｍｍの寸
   法を有する板状基材に直流電源から直流電圧を印加し、
   発生したプラズマにより炭化水素を含有するガスを分解
   して前記板状基材表面に硬質カーボン膜を形成する方法
   にあって、複数個の前記板状基材を幅方向がそろうよう
   に一列に並べ、かつその側面間距離を個々の前記板状基
   材の表面部のつくるイオンシースの厚さの０．３〜２倍
   とすることにより、隣接する複数個の前記板状基材を含
   む１つの連続的なイオンシースを形成させ、前記板状基
   材に硬質カーボン膜を形成することを特徴とする硬質カ
   ーボン膜の被覆方法。