JPH0364467A - 炭素膜の合成方法及び合成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は　一部ダイヤモンド結合を含みダイヤモンドに
近い特性を示す硬質炭素膜（ダイヤモンド状薄庶１−Ｃ
ａｒｂｏａ　　とも称される）の合成方法及び合成装置
に関するものである。

従来の技術 最近では各種気相合成法で比較的低温低圧の条件でもダ
イヤモンドが合成されるようになり、その機械直　光学
白４１　　電気は　熱的特性を利用した応用展開が期待
されている。

現在合成されている膜に（よ　通常、ダイヤモンド薄膜
と称される多結晶質の薄膜と、ダイヤモンド状薄膜と称
される非晶質の硬質炭素膜とがある。

ダイヤモンド薄膜は１−２０μｍのダイヤモンド粒が集
積されたものであり、緒特性はダイヤモンドとほぼ同じ
値を示す力交　合成時の基体温度か高い（６００℃以上
）、大面積高速合成が困繁（基体との付着性が悪（＼　
等の理由から現状では工業的に利用されることは少な賎 一方硬質炭素膜は、非晶質ではあるものの硬度、比抵抗
等の特性がダイヤモンドに近い値を示す。

これは原子の結合に規則性はないが微視的にはダイヤモ
ンド結合（ＳＦ３）を含んでいるためと考えられている
。また基体温度や合成速度等のプロセス面での制約も比
較的少なく、実用性の高い膜と期待されている。硬質炭
素膜の合成方法については、炭素や炭化水素のイオンを
基体に衝突させる方法が報告されている（例えば時開Ｎ
ｏ［１Ｏ−２９９３ｆｉ号）。

図４に従来の硬質炭素膜の合成装置の代表例を示す。１
Ｏ−６Ｔｏｒｒ以上に真空引きした真空容器ｌに炭化水
素ガスを導入し、ＩＯ”Ｔｏｒｒの減圧で誘発する高周
波プラズマ空間で炭化水素イオンを生成させ、これを平
行平板の電極２間に加えた直流電界で加速して基体３に
衝突させることで硬質炭素膜が合成される。

発明が解決しようとする課題 しかしながらイオンを加速して基体に衝突させる従来の
方法では、イオンの衝突により基体が損傷するという課
題があった。特に有機薄膜等の軟質な基体やスパッタさ
れやすい基体の場合、この損傷は非常に大きな問題とな
る。

具体例として、複写機などに使用される感光体ドラムの
表面に硬質炭素膜を合成する場合を例に説明する。

感光体ドラムに使用される感光体材料の主流（よコスト
、安全性等の観点から、従来のＳｅ等の無機材料から有
機感光材料へと変わりつつある。

しかし有機感光体材料は摩耗し易いために頻繁に感光体
ドラムを交換しなければなら′？ｌ”、　　耐摩耗性の
向上が課題であった そこで有機感光体の保護膜に硬質炭素膜を応用してこの
課題を解決しようとする取り組みが行われている（時開
Ｎ○６０−１０７３２７号）。しかしながら有機感光体
材料は軟質であるたム　イオンを加速して衝突させる従
来の方法で硬質炭素膜を合成すると材質が変化して感光
体としての特性が劣化したり、衝突の条件によっては有
機感光体層が破壊してしまうという課題があった 本発明は　これら課題を解決して、絶縁性の基体や有機
感光体のような損傷を受けやずいｕ　＄１の上にもその
特性を劣化させることなく硬質炭素膜を合成することが
できる合成方法及び合成装置を提供するものである。

課題を解決するための手段 本発明（よ　炭化水素等の炭素原アイ：含むガスをプラ
ズマ化し　プラズマより低い１１１位のメ・・・シュ形
状電極を介して基体にこれを照１４シて炭素＋ＩＱを合
成する方法である。

ま瓢　本発明は　真空容器内と、その容器内で原料ガス
をプラズマ化するプラズマ発生手段と、プラズマ雰囲気
中に基体を保持する基体の保持部材と、前記保持部材に
保持される基体の周囲を覆うメツシュ形状電極を備えた
炭素膜の合成装置である。

また　本発明（よ　特にガスの流入口を備えた第１の空
間部とガスの流出口を備えた第２の空間部を有し　かつ
第１、第２の空間部は連通部によって連通した構造の真
空容器を有し　前記第１の空間でガスをプラズマ化し　
プラズマの流動経路である前記連通部近傍に基体を保持
する保持部刊を備えた炭素膜の合成装置である。

作用 プラズマ化した炭化水素ガスが基体に照射される時、プ
ラズマ中のイオンはプラズマより低電位のメツシュ形状
電極にトラップされ　ラジカル等の活性種を含んだ中性
粒子のみか基体に到達する。

このためイオンの衝突無しに膜が合成され　有機感光体
材料等の損傷し易い基体にも炭素膜を合成することがで
きる。

また上記のような装置構成により、基体は第１の空間部
と第２の空間部の連通部近傍に保持されるので、その結
果ガスが流入する第１の空間とガスが流出する第２の空
間で（よ　第１の空間内部の圧力の方が第２の空間部の
圧力よりも高くなる。

この圧力差により活性種を効率よく基体に照射すること
が可能となるのである。

実施例 第１図に本発明の第一の実施例を示す。以下、第１図の
構成をその動作と共に説明する。

真空容器Ｉの第１の空間部４に設けられた流入口４ａか
ら流入したガスは、コイル９、整合器１０．　　高周波
電源１１から構成されるプラズマ発生手段１２によって
、第１の空間４内でプラズマ化され、第１の空間部４と
第２の空間部５との連通部■３を経て、第２の空間部５
に設けられたガス流出口５ａから、真空容器１外へ流出
する。このプラズマの流動経路中に、メツシュ形状電極
８と、それより下流側に基体７が配設されている。基体
７は、その端部において、保持部材７ａの保持用凹部に
挿入して保持される。保持部材７ａは長穴７ｂにより、
連通部１３との距離が調整可能である。７Ｃは、保持部
材７ａを固定するボルトである。

メツシュ形状電極８には、電圧印加手段である直流電源
６により負電位が印加される。第１の空間部４の外周に
巻回されたコイル９には、整合器１０を介して高周波電
源１１から高周波電力が印加される。

真空容器１を１０−’Ｔｏｒｒ以上に真空引きした後、
第１の空間部４にＣＨａガスを導入する。

空間部４と５の圧力については、基体７と連通部１３と
の距離を調整してガスの流動抵抗を高めることにより空
間部４の圧力を空間部５の圧力よりも高く設定すること
が容易に行える。第１の空間部４の圧力（よ　第２の空
間部５の圧力より高い１Ｏ−３Ｔｏｒｒ台に保持する。

その後コイル９に高周波電力を印加してプラズマを発生
させる。プラズマ（よ　２つの空間部の圧力差によって
生じる流れにより、メツシュ形状電極８を介して基体７
に照射される力丈　プラズマ中のイオンは負電位が印加
されたメツシュ形状電極８で除去された状態で、基体７
に照射される。

表１の条件でガラス基体上に合成した膜の硬度、膜質を
評価すると、硬度はビッカース硬さ２５００ｋｇ／ｍｍ
２と硬く、またラマン分光分析の結果　従来から報告さ
れている良質の硬質炭素膜と同じラマンスペクトルが確
認された　さらに有機感光体層を備えたアルミニューム
基体表面への合成を試みたとこム　膜厚が３μｍまでは
付着性良く膜が合成され剥離やクラックは認められなか
った また第■の空間部４と第２の空間部５との間の圧力差が
２桁以上になるように基体を設置した場合、均一な膜（
膜厚ムラ上５％、硬度ムラ上１０％）が合成された。圧
力差が大きくなるにつれて均一性、特に膜厚の均一性が
向上する。圧力差がほとんどない状態では膜厚ムラは±
３０％程度である。

従って、膜厚の均一性が殆ど要求されない場合には、上
記圧力差は必要ではない。その場合においても、炭素膜
の付着性、クラックや剥離等の欠陥は生じない。

表１　合成条件 また、ある程度の膜厚の均一性が要求される場合は、２
つの空間部には少なくとも１桁以上の圧０ 力差が生じるよう流動抵抗を設定することが望ましく、
この圧力差はできるだけ大きい方が望まし１、％ 第２図に本発明の第二の実施例を示づ；　第一の実施例
と同じように　真空容器は　２つの空間部４．５を有す
る。第１の空間部内には相対する一組のメツシュ形状電
極１７ａ、　１７ｂが設置され　直流電源１６により、
図示の極性で直流電界が印加される。

第二の空間部５に（よ　基体として、アルミニューム粗
管の表面に有機感光体層を備えた感光体ドラム１４が設
置され　回転駆動機構（図示せず）により、そのドラム
中心軸まわりに必要に応じて回転できる構成となってい
る。

メツシュ形状電極１７ａｉ１　　連通部１３の領域で感
光体ドラム１４よりも若干大きな半径の円弧状に設定さ
し感光体ドラム１４と連通口１３との間の距離を調整す
ることでガスの流動抵抗を調整することで、第１図の場
合と同様に　空間部４の圧力を空間部５の圧力よりも高
くすることが容易に行える。

２つの空間部を１０−’Ｔｏｒｒ以」二に真空引きした
後、第一の空間部１２にＣｅＨｅガスを導入して圧力を
１Ｏ−３Ｔｏｒｒ台に保持する。その後直流電源１６に
よりメツシュ形状電極１７ａ、　１７ｂの間に直流電界
を印加して、Ｃｅ　Ｈｓガスをプラズマ化し　膜の合成
を開始する。

この時、プラズマ中のイオンはメツシュ形状電極１７ａ
により除去される。その結果、メツシュ形状電極１７ａ
よりも下流側にある感光ドラム１４に（上　このメツシ
ュ形状電極１７ａを通過して、活性種を含んだ中性のガ
スが照射され　感光層表面上に炭素膜を形成する。

有機感光体層を備えた感光体ドラムの表面に表２に示し
た条件で合成したとこ＆　有機感光体層に損傷や特性の
劣化を生じることなくビッカース硬さ２３００ｋｇ／ｍ
ｍ２の硬質炭素膜を合成することができた ２つの真空容器間に（よ　第一の実施例の場合と同じく
膜の均一化を図る上で少なくとも１桁以上の圧力差が生
じるようガスの流動抵抗を設定することが望ましい。

１ ２− 表２　合成条件 本実施例により、膜厚が０．５μｍの硬質炭素膜を表面
に合成した感光体ドラムについて寿命試験を行ったとこ
水　硬質炭素膜を備えていない感光体ドラムに比べて１
０倍以上の寿命を確認できた　有機感光体の保護膜とし
て硬質炭素膜を使用する場合、その膜厚は０．０２−２
μｍさらにはＯ，Ｏｌｌ　ｐ　ｍが望ましい。これは膜
厚が０．０２μｍ以下になると保護効果が弱まり、また
２μｍ以上になると硬質炭素膜の光の吸収によって有機
感光体層に照射される光量が低下するためである。

な抵　本実施例（上盛光体層は有機感光体層に限るもの
ではなく、Ｃｄ、　Ｈｇ、　Ｓｂ、　Ｓｉ、　Ｂｉ、　
Ｔｉ、　Ｓｅ、等の無機感光体層にも適応できることは
勿論である。まｆ−感光体は　ドラム状のものであった
力交　ベルト状のものであっても構わなし１　更に　第
２図で（よ　プラズマ発生手段として（よ　相対向する
メツシュ電極間の放電を用いた力支　勿施　第１図の発
生手段であってもよい 第３図に本発明の第三の実施例について示す。

基本的な構成は従来例と同じで、真空容器１８の中に一
組の平行平板電極２２．２３が配設され　これに高周波
電源２１により高周波電力が印加される。同時に直流電
源２０により両電極間には直流電界が印加される。電極
２３（ヨ　　基体２４の保持部材も兼ねており、基体２
４が設置される電極２３の周囲に（よ　電極２３と同電
位のメツシュ形状電極１９が設置される。

真空容器１８内ｌｅｔ、　　ＣＨ４ガスを導入して１Ｏ
−３Ｔｏｒｒ台に圧力を保持した後、電極２２．２３に
印加した高周波電力によりこれをプラズマ化する。プラ
ズマ中の３− ４ イオンは電極２２と電極２３との間の電位差で基体２４
方向に加速される力＼　基体２４に到達するまでにメツ
シュ形状電極１９て除去される。このため基体２４には
活性種を含む中性のガスのみが照射される。

真空容器中の圧カニ　　３ｘ　１０−”Ｔｏｒｒ、高周
波電力＝５０Ｗ、直流電界・　５００ｖ、の条件で膜を
合皮したとこ水　ガラスやポリエチレンプラスデックフ
ィルム等の絶縁基体上にもビッカース硬さ２０００ｋｇ
／ｍｍ２以上の硬質炭素膜を合成することができｔも　
　また有機感光体層を備えたＡＩ根板上の合皮にも成功
しほぼ同じ硬さの膜を有機感光体の特性を劣化させるこ
となしに台底することができ九 ここに示した実施例では原料ガスとしてＣＨ４及びＣｏ
　Ｈｅを使用した八　本発明ではこれらに限るものでは
なくいずれの炭化水素ガスでもかまわない。

また炭化水素ガスとＡｒ等の不活性ガスとの混合ガスで
もかまわなしも 本発明ではガスをプラズマ化する手段についても限定は
なく、実施例で示した高周波電力や直流電界をはじめと
してマイクロ波や熱電子などいずれの方法でもかまわな
し）。またプラズマの密度を高めるために磁場を併用し
てもかまわない。

な抵　メツシュ形状電極のメツシュ間隔について（よ　
それがプラズマ発生状態におけるデバイ長より大きいと
イオンの一部は電極にトラップされずにメツシュ間を通
過してしまうたム　特に軟質材料やスパッタされ易い材
料に炭素膜を形成する場合（よ　メツシュ間隔はデバイ
長以下にすることが有効である。

発明の効果 以上のように　本発明によれば絶縁性の基体や軟質でス
パッタされ易い基体上にもこれを損傷することなく硬質
炭素膜を合皮することかできるようになり、工業的な効
果は非常に大きい。

また　膜の合成速度を高めることができ、さらに合成域
の圧力が均一化され　膜限　膜質の均一化も図れる。

特に従来の方法では困難であった有機感光体層の表面に
硬質炭素膜を台底することができるようになったこと（
よ　有機感光体の寿命を飛躍的に改５− ６− 善して電子写真機器の発展に寄与すること極めて大きく
非常に有用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１は　第２＠　第３図（よ　それぞれ　本発明の第一
、第二　第三の実施例の概略は　第４図は従来例の概略
図である。 １・・・・真空容滑　４・・・・第１の空間訊　５・・
・・第２の空１”！　　６．　１６・・・・電圧印加手
段、７．２４・・・・基イ木７ａ・・・・保持部材、＆
　　１７ａ、１９・・・・メツシュ形状電極１２・・・
・プラズマ発生手段、１３・・・・連通敵１４・・・・
感光体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも炭化水素ガスを含む原料ガスをプラズ
   マ化し、プラズマ中のイオンの一部もしくは全てを除去
   し基体上に膜を合成する炭素膜の合成方法。
2. （２）炭化水素ガスを含む原料ガスをプラズマ化するプ
   ラズマ発生手段と、プラズマ雰囲気中に基体を保持する
   基体の保持部材と、前記保持部材に基体が保持された状
   態で、前記基体の周囲を覆うメッシュ形状電極と、前記
   メッシュ形状電極への電圧印加手段を備えた炭素膜の合
   成装置。
3. （３）ガスの流入口を有した第１の空間部およびガスの
   流出口を有し前記第１の空間と連通する第２の空間部を
   有する真空容器と、前記第１の空間部において前記ガス
   のプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、前記真空
   容器内においてプラズマの流動経路中に保持されるメッ
   シュ形状電極前記プラズマ流動経路中で前記メッシュ形
   状電極よりも下流側において基体を保持する基体の保持
   部材とを有する炭素膜の合成装置。
4. （４）真空容器内のプラズマの流動経路中に、メッシュ
   形状電極と、前記メッシュ形状電極の下流側に基体とを
   配設し、前記基体を境として、それよりも上流側の真空
   容器内の圧力は、下流側の真空容器内の圧力よりも１桁
   以上高くすると共に、前記メッシュ形状電極に電位を印
   加して前記プラズマ中のイオンの一部もしくは大部分を
   前記メッシュ形状電極において除去し、その結果得られ
   る、活性種を含むガスを基体に照射して、基体上に炭素
   膜を合成する、炭素膜の合成方法。
5. （５）メッシュ形状電極のメッシュ間隔は、プラズマ発
   生状態のデバイ長より短く、かつ基体は感光体である、
   請求項（４）記載の炭素膜の合成装置。