WO2013118822A1 - 炭素膜成膜装置および炭素膜成膜方法 - Google Patents

炭素膜成膜装置および炭素膜成膜方法 Download PDF

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film forming
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雅裕 鈴木
和芳 山川
齊藤　利幸
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株式会社ジェイテクト
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Definitions

  • the present invention relates to a carbon film forming apparatus and a carbon film forming method for forming a carbon film such as a DLC (Diamond-Like Carbon) film on the surface of a base material.
  • a carbon film such as a DLC (Diamond-Like Carbon) film
  • a plasma CVD (plasma chemical vapor deposition) method such as a direct-current pulse plasma CVD method or a direct-current plasma CVD method is known (see, for example, Patent Document 1).
  • the plasma CVD method is performed by, for example, a plasma CVD film forming apparatus as described below.
  • the plasma CVD film forming apparatus for example, converts a processing chamber, a base housed in the processing chamber, source gas supply means for introducing source gas into the processing chamber, and source gas introduced into the processing chamber into plasma And a plasma power source for generating a DC voltage (DC pulse voltage).
  • the inventors of the present application are considering adopting a long gas introduction pipe extending from the upper side to the lower side in the processing chamber as a raw material gas supply means of such a plasma CVD film forming apparatus.
  • discharge ports for discharging the source gas into the processing chamber are arranged along the longitudinal direction of the gas introduction pipe.
  • the plurality of discharge ports are arranged with substantially equal density.
  • the film forming speed of the surface of the lower part of the substrate located in the lower part of the processing chamber is Although it was high, it was found that the film formation rate on the surface of the upper part of the substrate located in the upper part of the processing chamber was low. Therefore, when forming the film by arranging the surface of the base material sideways, the film thickness of the lower part of the base material may be thicker than the film thickness of the upper part of the base material. As a cause of this, the source gas concentration in the lower region in the processing chamber is high, and on the other hand, the source gas concentration in the upper region in the processing chamber may be low.
  • the discharge flow rate of the raw material gas from each discharge port on the downstream side of the gas introduction pipe is large, but on the other hand, the discharge flow rate of the raw material gas from each discharge port on the upstream side of the gas introduction pipe is small. It is thought that it has become.
  • an object of the present invention is to provide a carbon film forming apparatus and a carbon film forming method capable of making the raw material gas concentration uniform in various places in the processing chamber and thereby forming a carbon film having a uniform thickness. Is to provide.
  • a carbon film forming apparatus for forming a carbon film on a surface of a base material, comprising: a processing chamber; and a base for holding the base material that is accommodated in the processing chamber.
  • a material holding means for discharging a raw material gas into the processing chamber, and a nozzle having a gas introduction pipe for defining a gas flow passage communicating with each of the discharge ports, and the gas introduction pipe
  • a source gas supply means for supplying a source gas containing a carbon-based compound, and the pipe wall of the gas introduction pipe corresponding to the formation region of the plurality of discharge ports has a channel diameter of the pipe wall
  • a carbon film forming apparatus is provided, which is formed in a stepped shape so that the diameter decreases as the distance from the source gas supply side by the source gas supply means increases.
  • a carbon film forming method for forming a carbon film on a surface of a substrate, wherein the substrate is held by a substrate holding means accommodated in a processing chamber.
  • a carbon-based compound is included in the gas introduction pipe of the nozzle having a holding step, a plurality of discharge openings that open in the processing chamber, and a gas introduction pipe that defines a gas flow passage communicating with each of the discharge openings.
  • a source gas supply step for supplying source gas from a source gas supply means, and a pipe wall of the gas introduction pipe corresponding to a formation region of the plurality of discharge ports has a flow path diameter of the pipe wall
  • a carbon film forming method characterized by being formed in a stepped shape so that the diameter decreases as the distance from the source gas supply side by the gas supply means increases.
  • the carbon gas film forming apparatus and the carbon film film forming apparatus that can make the raw material gas concentration uniform in various places in the processing chamber and thereby form a carbon film having a uniform thickness.
  • a method can be provided.
  • FIG. 3 is a diagram viewed from a section line III-III shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram viewed from a section line III-III shown in FIG.
  • FIG. 6 is a schematic diagram which shows the structure of the gas introduction nozzle shown in FIG.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a configuration of a gas introduction nozzle of a plasma CVD film forming apparatus of Comparative Example 1.
  • FIG. It is a figure which shows the base material height direction distribution of the film thickness of the DLC film formed into a film by the plasma CVD film-forming apparatus of Example 1 and Comparative Example 1.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a plasma CVD film forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the covering member 20 (see FIG. 6) can be manufactured by forming a DLC film on the surface (circumferential surface) 201 of the substrate 200 by the direct-current pulse plasma CVD method using the plasma CVD film forming apparatus 1.
  • the plasma CVD film forming apparatus 1 includes a processing chamber 3 having a rectangular parallelepiped (or cubic) shape surrounded by a partition wall 2 and a base (base material holding means) 5 for contacting and supporting the base material 200 from below.
  • the gas introduction mechanism 6 for introducing the raw material gas as the component gas into the processing chamber 3, the exhaust system 7 for evacuating the inside of the processing chamber 3, and the gas introduced into the processing chamber 3 into plasma
  • a plasma power source 8 for generating a direct-current pulse voltage.
  • the plasma CVD film forming apparatus 1 is an apparatus for performing a direct current pulse plasma CVD (Direct-Current-Plasma-Chemical-Vapor-Deposition) method.
  • the base 5 includes a disk-shaped plate 9 (see also FIG. 2 and FIG. 3) having a horizontal mounting surface, and a support shaft 10 that extends vertically and supports the plate 9.
  • a single-stage plate 5 having only one plate 9 is adopted as the base 5, but a multiple-stage type (for example, a two-stage type) is arranged as a plurality of bases 5. It is also possible to adopt.
  • the base 5 is entirely formed using a conductive material such as steel.
  • a negative electrode of a plasma power source 8 is connected to the base 5.
  • the substrate 200 is placed on the plate 9.
  • the partition wall 2 of the processing chamber 3 is formed using a conductive material such as stainless steel.
  • a positive electrode of a plasma power source 8 is connected to the partition wall 2.
  • the partition wall 2 is grounded.
  • the partition wall 2 and the base 5 are insulated by an insulating member 11. Therefore, the partition wall 2 is kept at the ground potential.
  • the exhaust system 7 includes a first exhaust pipe 13 and a second exhaust pipe 14 that communicate with the inside of the processing chamber 3, a first on-off valve 15, a second on-off valve 16, a third on-off valve 19, and a first pump 17. And a second pump 18.
  • a first opening / closing valve 15 and a first pump 17 are interposed in this order from the processing chamber 3 side in the middle of the first exhaust pipe 13.
  • a low vacuum pump such as an oil rotary vacuum pump (rotary pump) or a diaphragm vacuum pump is employed.
  • the oil rotary vacuum pump is a positive displacement vacuum pump that reduces an airtight space and an ineffective space between components such as a rotor, a stator, and a sliding blade with oil.
  • Examples of the oil rotary vacuum pump adopted as the first pump 17 include a rotary blade type oil rotary vacuum pump and a swing piston type vacuum pump.
  • the tip of the second exhaust pipe 14 is connected between the first opening / closing valve 15 and the first pump 17 in the first exhaust pipe 13.
  • a second opening / closing valve 16, a second pump 18, and a third opening / closing valve 19 are interposed in this order from the processing chamber 3 side in the middle of the second exhaust pipe 14.
  • a high vacuum pump such as a turbo molecular pump or an oil diffusion pump is employed.
  • the gas introduction mechanism 6 includes a collective pipe 30, a plurality of component gas introduction pipes (not shown) connected to the upstream side of the collective pipe 30, and a plurality (in this embodiment) branch-connected to the downstream end of the collective pipe 30. 4) gas introduction nozzles (nozzles) 31 are provided.
  • the collective piping 30 is disposed on the central axis of the disk-shaped plate 9 along the central axis.
  • Each component gas introduction pipe is supplied with the component gas from a corresponding component gas supply source (such as a gas cylinder or a container containing a liquid).
  • One of the plurality of component gases is a gas containing a carbon-based compound, for example.
  • Each component gas introduction pipe is provided with a flow rate adjustment valve (not shown) for adjusting the flow rate of the component gas from each supply source.
  • the container which accommodates the liquid among supply sources is provided with the heating means (not shown) for heating a liquid as needed.
  • the collecting pipe 30, a plurality of component gas introduction pipes (not shown), the supply sources (not shown) of each component gas, and the like are included in an example of the “raw material gas supply means”.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the gas introduction mechanism 6 and the base 5.
  • FIG. 3 is a view taken along the section line III-III shown in FIG.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the gas introduction nozzle 31.
  • the plurality of gas introduction nozzles 31 are provided so as to be rotationally symmetric with respect to the collecting pipe 30 and are provided at equiangular intervals (for example, 90-intervals).
  • the plurality of gas introduction nozzles 31 have the same specifications.
  • Each gas introduction nozzle 31 includes each gas introduction pipe 32 connected to the downstream end of the collective pipe 30.
  • Each gas introduction pipe 32 is connected to the downstream end of the collective pipe 30, and extends horizontally from the downstream end toward the outside in the radial direction of the base 5 (in the direction away from the collective pipe 30).
  • a vertical portion 34 that is connected to the downstream end (side end) of the horizontal portion 33 and hangs vertically downward from the side end, and has an L shape that is 180-overturned as a whole.
  • the plurality of (for example, four) horizontal portions 33 are radially spread from the downstream end of the collecting pipe 30.
  • Each gas introduction pipe 32 (each vertical portion 34 and each horizontal portion 33) has a cylindrical shape.
  • a cylindrical gas flow passage 35 communicating with the inside of the collecting pipe 30 is defined in each gas introduction pipe 32.
  • Each gas flow passage 35 is closed at the downstream end of each vertical portion 34.
  • each horizontal portion 33 is not formed with a discharge port as described below.
  • each vertical portion 34 is disposed at each of four corners of the processing chamber 3 that are rectangular in plan view.
  • the downstream end of each gas introduction nozzle 31, that is, the downstream end of each vertical portion 34 is located on the side of the base 5.
  • the vertical portion 34 includes a first portion 36, a second portion 37, and a third portion 38 having different tube diameters in order from the collecting pipe 30 side (horizontal portion 33 side).
  • the tube diameter and the thickness of each tube wall of the first, second and third portions 36, 37, 38 are constant with respect to the tube axis direction.
  • the relationship between the outer diameter D1 of the first portion 36, the outer diameter D2 of the second portion 37, and the outer diameter D3 of the third portion 38 is D1> D2> D3.
  • the tube wall of the first portion 36, the tube wall of the second portion 37, and the tube wall of the third portion 38 are formed in a stepped shape so that the diameter decreases toward the downstream side.
  • the downstream end of the first portion 36 and the upstream end of the second portion 37 are connected by an annular first step portion (portion that forms a stepped shape of the tube wall) 39 having a horizontal posture. Further, the downstream end of the second portion 37 and the upstream end of the third portion 38 are connected by an annular second stepped portion (portion forming a stepped shape of the tube wall) 40 in a horizontal posture.
  • the tube-axis direction lengths L7, L8, and L9 of the first portion 36, the second portion 37, and the third portion 38 are set substantially equal.
  • a plurality of (for example, eight) discharge ports 42 for discharging the source gas are formed on the peripheral surface of each vertical portion 34.
  • the discharge ports 42 are arranged along the tube axis direction in each of the first, second and third portions 36, 37 and 38.
  • the plurality of discharge ports 42 are arranged with substantially equal density, and each discharge port 42 has substantially the same size as each other, and is open to the tube walls of the first, second and third portions 36, 37, 38. (It penetrates the inside and outside of the tube wall). In other words, the discharge port 42 communicates with the gas flow passage 35.
  • the discharge port 42 has a first discharge port 42A that discharges a source gas in a predetermined first lateral direction (first discharge direction), and a 90-phase in the circumferential direction of the first horizontal direction and the vertical portion 34 of the cylinder. And a second discharge port 42B that discharges the source gas toward the shifted second lateral direction (second discharge direction).
  • the first lateral direction is an inward lateral direction (horizontal direction) along one of the two side surfaces of the partition wall 2 constituting the corner portion in which the vertical portion 34 is accommodated
  • the second lateral direction is the vertical portion.
  • 34 is an inward lateral direction (horizontal direction) along the other of the two side surfaces of the partition wall 2 constituting the corner portion in which 34 is accommodated.
  • the first portion 36 is provided with discharge port pairs 42A and 42B including a first discharge port 42A and a second discharge port 42B at the same position in the tube axis direction.
  • two pairs of discharge port pairs 42 ⁇ / b> A and 42 ⁇ / b> B are arranged vertically with a gap L ⁇ b> 1.
  • the first discharge port 42A is disposed on the upstream side
  • the second discharge port 42B is disposed on the downstream side, with an interval L2 therebetween.
  • the first discharge port 42A is disposed on the upstream side
  • the second discharge port 42B is disposed on the downstream side, with an interval L3 therebetween.
  • the upstream discharge port pair 42A, 42B in the first portion 36 is disposed at a distance L4 from the downstream end of the horizontal portion 33, and the upstream discharge port 42 (first discharge port 42 in the second portion 37).
  • the outlet 42A) is disposed at a distance L5 from the downstream discharge port pair 42A, 42B in the first portion 36.
  • the upstream discharge port 42 (first discharge port 42A) in the third portion 38 is disposed at a distance L6 from the downstream discharge port 42 (second discharge port 42B) in the second portion 37.
  • the pipe wall of the vertical portion 34 is formed in a stepped shape so that the diameter of the flow path of the pipe wall decreases as the distance from the source gas supply side increases. Therefore, the first and second step portions 39 and 40 interfere with the raw material gas flowing through the gas flow passage 35. As a result, the gas can overflow to the upstream side of the gas flow passage 35 and the supply of the raw material gas to the downstream side of the gas flow passage 35 is suppressed. Thereby, the discharge flow rate of the raw material gas from each discharge port 42 can be made uniform, and as a result, the raw material gas concentration in each place in the processing chamber 3 can be made uniform. Therefore, the DLC film 21 having a uniform thickness can be formed on the surface 201 of the substrate 200.
  • no discharge port is formed in the horizontal portion 33, and a discharge port 42 is formed only in the vertical portion 34. Since no discharge port is formed in the horizontal portion 33, the pressure of the raw material gas at each position of the vertical portion 34 (particularly the upstream portion of the vertical portion 34) can be kept high, and the raw material gas is vigorously supplied from all the discharge ports 42. It can be discharged. Furthermore, since the first and second discharge ports 42A and 42B having different discharge directions are formed as the discharge ports 42, the processing can be performed even if the number of gas introduction nozzles 31 accommodated in the processing chamber 3 is small. The source gas can be distributed evenly throughout the room 3. Thereby, the raw material gas concentration in each place in the processing chamber 3 can be made more uniform.
  • the arrangement of the discharge ports 42 and the discharge direction thereof are merely examples, and can be changed as appropriate.
  • a DLC film 21 (see FIG. 6) as an example of a carbon film is formed on the surface 201 of the substrate 200 using the plasma CVD film forming apparatus 1 to form a covering member 20 (FIG. 6).
  • the process for manufacturing the reference will be described.
  • the base material 200 is carried into the processing chamber 3, and the base material 200 is placed on the plate 9 of the base 5 with the surface 201 (circumferential surface) facing sideways. It is made to support on an upper surface (base material holding process).
  • the first on-off valve 15 is opened to evacuate the inside of the processing chamber 3. Is done. After the processing chamber 3 is evacuated to a predetermined degree of vacuum by the first pump 17, the first opening / closing valve 15 is closed and the third opening / closing valve 19 is opened to drive the second pump 18. When the second opening / closing valve 16 is opened, the inside of the processing chamber 3 is further evacuated by the first and second pumps 17 and 18.
  • a raw material gas is supplied from a supply source (not shown) to the gas introduction nozzles 31 through the collecting pipe 30, and this raw material gas enters the processing chamber 3 through the discharge ports 42.
  • source gases introduced into the processing chamber 3 are, for example, hydrogen gas and argon gas. Hydrogen gas and argon gas each have an action of stabilizing the plasma.
  • the source gas is not limited to hydrogen gas and argon gas, but may be only argon gas.
  • the power supply 8 is turned on, and a negative DC pulse voltage (for example, ⁇ 1000 V) is applied to the base 5.
  • a potential difference is generated between the partition wall 2 and the base 5, and plasma is generated in the processing chamber 3.
  • ions and radicals are generated from the raw material gas in the processing chamber 3, and these ions and radicals are struck against the surface 201 of the base material 200 based on the potential difference.
  • Unevenness is formed (sputtering process).
  • ions and radicals are bombarded on the surface 201 of the substrate 200, so that different molecules adsorbed on the surface 201 of the substrate 200 are removed by sputtering, the surface 201 is activated, and the atomic arrangement is modified. (Ion bombarding).
  • the source gas (hydrogen gas and argon gas) to the processing chamber 3 is stopped.
  • a raw material gas is supplied from a supply source (not shown) to each gas introduction nozzle 31 through the collecting pipe 30, and this raw material gas passes through each discharge port 42 in the processing chamber 3.
  • the source gas introduced into the processing chamber 3 is, for example, a gas containing Si (for example, a mixture of H 2 , TMS (tetramethylsilane gas, (Si (CH 3 ) 4 )), and CH 4 (methane). Gas).
  • the supply of the raw material gas to the processing chamber 3 is stopped.
  • a raw material gas is supplied from a supply source (not shown) to each gas introduction nozzle 31 through the collecting pipe 30, and this raw material gas passes through each discharge port 42 in the processing chamber 3. (Raw material gas supply step).
  • the raw material gas introduced into the processing chamber 3 is, for example, a carbon-based compound added with hydrogen gas, argon gas, or the like.
  • carbon-based compound for example, one kind of hydrocarbon compound which is a gas or a low boiling point liquid under normal temperature and normal pressure, such as methane (CH 4 ), acetylene (C 2 H 2 ), benzene (C 6 H 6 ), etc. Or 2 or more types are mentioned.
  • plasma is generated in the processing chamber 3 by generating a potential difference between the partition wall 2 and the base 5. Due to the generation of the plasma, ions and radicals are generated from the source gas in the processing chamber 3, and the ions and radicals are attracted to the surface 201 of the substrate 200 based on the potential difference. Then, a chemical reaction occurs on the surface 201 of the substrate 200, and the DLC film 21 is deposited on the intermediate layer 22 (DLC film forming step). Thereby, the covering member 20 in which at least a part of the substrate 200 is covered with the DLC film 21 is formed.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of a waveform of a direct-current pulse voltage applied to the substrate 200 from the plasma power supply 8.
  • the set voltage value of the DC pulse voltage is set to a value of about 1000V, for example. That is, when the plasma power supply 8 is turned on, a potential difference of 1000 V is generated between the partition wall 2 and the base 5.
  • a negative DC pulse voltage of 1000 V is applied to the substrate 200 set in the processing chamber 3 as described above. Since the waveform is pulse-like, abnormal discharge does not occur in the processing chamber 3 even when such a high voltage is applied, and the temperature rise of the substrate 200 is suppressed, and the processing temperature is suppressed to a low temperature of, for example, 300 ° C. or lower. be able to.
  • a value obtained by dividing the pulse width ⁇ by a pulse period represented by the reciprocal (1 / f) of the frequency f that is, a value obtained by multiplying the pulse width ⁇ by the frequency f as shown in Equation (1).
  • the frequency f is preferably set to 200 Hz or more and 2000 Hz or less, particularly about 1000 Hz.
  • Duty ratio ⁇ ⁇ f (1)
  • the plasma power source 8 is turned off and the introduction of the source gas is stopped. While continuing to exhaust by one pump 17, it is cooled to room temperature.
  • the first opening / closing valve 15 is closed, and instead, a leak valve (not shown) is opened to introduce outside air into the processing chamber 3 to return the processing chamber 3 to normal pressure. It is taken out. Thereby, the covering member 20 in which at least a part of the surface 201 of the substrate 200 is covered with the DLC film 21 is manufactured.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the surface layer portion of the surface of the covering member 20.
  • the covering member 20 is used as, for example, a sliding member or a decorative article.
  • the sliding member include a clutch plate of a friction clutch, a worm of a steering device (a DLC film 21 is formed on a tooth surface), inner and outer rings of a bearing (a DLC film 21 is formed on a raceway surface) or a cage, and a propeller shaft.
  • DLC film 21 is formed on the drive shaft, male spline portion and / or female spline portion).
  • the covering member 20 includes a base material 200, an intermediate layer 22 that covers the surface 201 of the base material 200, and a DLC film 21 that covers the surface of the intermediate layer 22.
  • the intermediate layer 22 and the DLC film 21 are thin films each having a thickness of about several ⁇ m to several tens of ⁇ m.
  • the surface of the DLC film 21 forms at least a part of the outermost surface of the covering member 20.
  • the covering member 20 is used as a sliding member
  • the surface of the DLC film 21 functions as a sliding surface that slides on the counterpart member.
  • the material of the base material 200 is, for example, a steel material (tool steel, carbon steel, and stainless steel), an alloy, cemented carbide, or the like.
  • the intermediate layer 22 is, for example, a metal film such as CrN or TiN or a thin film containing Si.
  • Example 1 and Comparative Example 1 will be described.
  • the surface (circumferential surface) 201 of the base material 200 made of a steel material (for example, SCM415) is subjected to the ion bombardment treatment, and then The intermediate layer forming step and the DLC film forming step were executed in this order, and the intermediate film 22 and the DLC film 21 were formed.
  • the outer diameters D1, D2, and D3 (see FIG. 4) of the first, second, and third portions 36, 37, and 38 are set to, for example, 12.25 mm, 9.62 mm, and 6.35 mm, respectively. ing.
  • the thickness (refer FIG. 4) of the tube wall in the 1st, 2nd and 3rd part 36,37,38 is 0.8 mm, for example.
  • the interval L1 (see FIG. 4), the interval L2 (see FIG. 4), and the interval L3 (see FIG. 4) are set to 60 mm, 50 mm, and 50 mm, respectively, for example.
  • the tube axis direction lengths L7, L8, and L9 are set to 170 mm, 150 mm, and 150 mm, respectively.
  • Comparative Example 1 the surface (circumferential surface) 201 of the base material 200 made of a steel material (for example, SCM415) is subjected to the ion bombarding process using a plasma CVD film forming apparatus 101 described below, and thereafter, the intermediate The layer forming step and the DLC film forming step were executed in this order, and an intermediate film and a DLC film were formed.
  • a mixed gas of hydrogen gas and argon gas was used as the source gas in the ion bombardment process, and the flow ratio of the two components of hydrogen gas and argon gas was set to 1: 1, respectively.
  • Example 1 and Comparative Example 1 a mixed gas of methane, hydrogen gas, argon gas, and TMS as a gas containing Si was used as a raw material gas in the intermediate layer forming step, and methane, hydrogen gas, argon The flow ratio of the four components of gas and TMS was set to 0.5 to 1: 0.5 to 1: 0.5 to 1: 0.03 to 0.06, respectively.
  • Example 1 and Comparative Example 1 a mixed gas of methane as a carbon-based compound, hydrogen gas, argon gas, and TMS as a gas containing Si is used as a raw material gas in the DLC film forming step, and methane, hydrogen gas, argon
  • the flow ratio of the four components of gas and TMS was 0.6: 0.6: 1: 0.03, respectively.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of the gas introduction nozzle 131 of the plasma CVD film forming apparatus 101 of the first comparative example.
  • the same reference numerals are given to portions common to the above-described plasma CVD film forming apparatus 1, and description thereof is omitted.
  • the plasma CVD film forming apparatus 101 of Comparative Example 1 includes four gas introduction nozzles 131 that are provided rotationally symmetrically with respect to the collecting pipe 30.
  • Each gas introduction nozzle 131 includes a horizontal portion 133 and a vertical portion 134 and includes a gas introduction pipe 132 connected to the downstream end of the collective pipe 30.
  • a cylindrical gas flow passage 135 communicating with the inside of the collecting pipe 30 is defined in each gas introduction pipe 132, and each gas flow path 135 is closed at the downstream end of the vertical portion 134.
  • Each vertical portion 134 is disposed at each of four corners of the processing chamber 3 in a rectangular shape in plan view.
  • the lower end of each gas introduction nozzle 131, that is, the lower end of each vertical portion 134 is located on the side of the base 5.
  • the tube diameter of the vertical portion 134 is constant with respect to the tube axis direction, and is 6.35 mm, for example.
  • a plurality of (for example, nine) discharge ports 142 for discharging the source gas are formed on the peripheral surface of each vertical portion 134.
  • a plurality of (for example, four) discharge ports 142 for discharging the source gas are formed on the peripheral surface of each horizontal portion 133.
  • These discharge ports 142 are arranged along the tube axis direction of each gas introduction pipe 132.
  • the discharge outlet 142 is arrange
  • Each discharge port 142 is formed on the circumferential surface of the horizontal portion 133 at the lowest position in the circumferential direction.
  • the interval L14 between the most upstream discharge port 142 in the horizontal portion 133 and the downstream end of the collecting pipe 30 and the most downstream discharge port 142 in the horizontal portion 133 and the downstream end of the horizontal portion 133 The distance L15 is, for example, 35 mm and 50 mm, respectively.
  • the discharge ports 142 are arranged at a predetermined interval (half of L12 shown in FIG. 7; for example, 50 mm).
  • the discharge port 142 formed in the vertical part 134 includes a first discharge port 142A that discharges a source gas in a predetermined first lateral direction, and a 90-phase in the circumferential direction of the first horizontal direction and the cylindrical vertical part 134. And a second discharge port 142B for discharging the source gas toward the second lateral direction.
  • the first lateral direction is an inward lateral direction (horizontal direction) along one of the two side surfaces of the partition wall 2 constituting the corner portion in which the vertical portion 134 is accommodated
  • the second lateral direction is the vertical portion.
  • 134 is an inward lateral direction (horizontal direction) along the other of the two side surfaces of the partition wall 2 constituting the corner portion in which 134 is accommodated.
  • each vertical portion 134 With respect to the tube axis direction of each vertical portion 134, the first discharge ports 142A and the second discharge ports 142B are alternately arranged.
  • 8 shows the DLC film thickness formed by the plasma CVD film forming apparatus 1 of Example 1 and the plasma CVD film forming apparatus 101 of Comparative Example 1 in the substrate height direction (see the plate 9 (see FIG. 1 etc.)). It is a figure which shows a distribution perpendicular
  • the horizontal axis of FIG. 8 is the base material height direction position (distance) from the lower end (that is, the upper surface of the plate 9) of the base material 200 (see FIG. 1 and the like).
  • Example 1 the thickness of the DLC film 21 (see FIG. 6 and the like) is substantially uniform in the substrate height direction.
  • Comparative Example 1 it is understood that the thickness of the DLC film decreases as the distance from the lower end of the substrate 200 increases.
  • the vertical portion 34 may have a two-stage shape, or may have a four-stage shape or more.
  • the discharge port 42 is not formed in the horizontal portion 33, but the discharge port 42 may be arranged in the horizontal portion 33.
  • the pressure of the raw material gas is maintained high at various locations of the vertical portion 34 (particularly the upstream portion of the vertical portion 34), and the raw material gas is discharged from the discharge ports 42 of the vertical portion 34 (particularly, the discharge ports 42 of the upstream portion of the vertical portion 34). It is desirable not to form the discharge port 42 in the horizontal portion 33 in order to discharge the water with vigor.
  • first discharge port 42A and the second discharge port 42B having different discharge directions are illustrated as the discharge ports 42 of the vertical portion 34.
  • the discharge directions of the discharge ports 42 are different from each other.
  • a common configuration may be used.
  • each discharge port 42 the one directly opening in the tube wall of the gas introduction pipe 32 is illustrated, but the discharge port is formed at the tip of a nozzle (cylindrical nozzle or the like) attached to the gas introduction pipe 32. Also good.
  • the DLC film 21 was mentioned as an example as an example of a carbon film, another carbon film can also be employ
  • the plasma CVD film forming apparatus 1 has been exemplified by a film forming apparatus for forming a carbon film by a DC pulse plasma CVD method, but is also applied to a film forming apparatus for forming a carbon film by a DC plasma CVD method.
  • the present invention can also be applied.
  • the present invention can also be applied to a film forming apparatus for forming a carbon film using a method other than those methods.
  • various design changes can be made within the scope of matters described in the claims.
  • a first aspect of an embodiment of the present invention is a carbon film forming apparatus (1) for forming a carbon film (21) on a surface (201) of a substrate (200), which is a processing chamber (3).
  • a base material holding means (5) for holding the base material accommodated in the processing chamber, a plurality of discharge ports (42) for discharging the source gas into the processing chamber, and communication with each discharge port
  • a nozzle (31) having a gas introduction pipe (32) for defining a gas flow passage (35) therein, and a raw material gas supply means for supplying a raw material gas containing a carbon-based compound to the gas introduction pipe
  • the pipe wall of the gas introduction pipe corresponding to the formation area of the plurality of discharge ports has a flow path diameter (D1, D2, D3) of the pipe wall of the source gas supply side by the source gas supply means It is formed in a step shape so that the diameter decreases as the distance from the And wherein a carbon film forming apparatus.
  • the gas introduction pipe is provided on the source gas supply side, and is provided on the opposite side of the horizontal portion (33) extending horizontally and the source gas supply side.
  • the plurality of discharge ports include a first discharge port (42A) for discharging the source gas in a predetermined first discharge direction perpendicular to a tube axis direction of the gas introduction pipe. And a second discharge port (42B) for discharging the source gas in a predetermined second discharge direction that is perpendicular to the tube axis direction and different from the first discharge direction.
  • the first and second discharge ports may be alternately arranged in the tube axis direction.
  • the processing chamber includes a partition wall (2) formed using a conductive material
  • the base material holding means is a base (5) for supporting the base material.
  • the carbon film forming apparatus includes a base formed using the raw material introduced into the processing chamber by generating a direct current voltage (including a direct current pulse voltage) between the partition and the base. 4.
  • the carbon film forming apparatus according to any one of the first to third aspects, further including a plasma power source (8) for converting the gas into plasma.
  • the fifth aspect is a carbon film forming method for forming a carbon film (21) on the surface (201) of the substrate (200), the substrate holding means accommodated in the processing chamber (3).
  • a base material holding step for holding the base material in (5), a plurality of discharge ports (42) opened in the processing chamber, and a gas flow passage (35) communicating with each of the discharge ports are partitioned and formed inside.
  • a raw material gas supply step for supplying a raw material gas containing a carbon-based compound from a raw material gas supply means to the gas introduction pipe of a nozzle (31) having a gas introduction pipe (32),
  • the pipe wall of the gas introduction pipe corresponding to the formation region is such that the flow path diameter (D1, D2, D3) of the pipe wall decreases as the distance from the source gas supply side by the source gas supply means increases.
  • a carbon film characterized by being formed in steps. Is a film forming method.
  • the pipe wall of the gas introduction pipe corresponding to the formation region of the discharge port has a reduced diameter as the flow path diameter of the pipe wall becomes farther from the source gas supply side. It is formed in steps. Therefore, the stepped portion of the tube wall interferes with the raw material gas flowing through the gas flow passage. As a result, the source gas can overflow into the gas flow passage on the source gas supply side, and the supply of the source gas to the gas flow passage on the side opposite to the source gas supply side is suppressed. Therefore, the discharge flow rate of the source gas from each discharge port can be made uniform, and as a result, the source gas concentration in each place in the processing chamber can be made uniform. Thereby, a carbon film having a uniform thickness can be formed on the surface of the substrate.
  • the discharge port is not formed in the horizontal part, but the discharge port is formed only in the vertical part. Since the discharge port is not formed in the horizontal portion, the pressure of the source gas at each portion of the vertical portion (particularly, the source gas supply side in the vertical portion) can be kept high, and the source gas is discharged from each discharge port vigorously. be able to.
  • the first discharge port that discharges the source gas in the first discharge direction and the second discharge port that discharges the source gas in the second discharge direction are gas introductions. They are arranged alternately in the pipe axis direction of the pipe. Therefore, even if the number of gas introduction pipes accommodated in the processing chamber is small, the raw material gas can be distributed evenly throughout the processing chamber. Thereby, the raw material gas concentration in each place in the processing chamber can be made more uniform.
  • the film-forming process with respect to the base material by plasma CVD method is implemented by making raw material gas into plasma in a process chamber. Since the concentration of the source gas at each location in the processing chamber is uniform, a carbon film having a uniform thickness can be formed on the surface of the substrate. According to the method of the said 5th aspect, there exists an effect equivalent to the effect demonstrated in relation to the said 1st aspect.

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Abstract

　炭素膜成膜装置は、処理室内に原料ガスを吐出するための複数の吐出口、および各吐出口と連通するガス流通路を、内部に区画形成するガス導入配管を有するノズルを有する。複数の吐出口の形成領域に対応するガス導入配管の管壁は、当該管壁の流路径が、原料ガス供給手段による原料ガスの供給側から離れるほど縮径になるように、階段状に形成されている。

Description

炭素膜成膜装置および炭素膜成膜方法
　この発明は、基材の表面に、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ－Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）膜などの炭素膜を成膜するための炭素膜成膜装置および炭素膜成膜方法に関する。
　従来から、ＤＬＣ膜などの炭素膜を成膜する方法として、直流パルスプラズマＣＶＤ法や直流プラズマＣＶＤ法などのプラズマＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が知られている（たとえば特許文献１参照）。
　プラズマＣＶＤ法は、たとえば、次に述べるようなプラズマＣＶＤ成膜装置によって実施される。プラズマＣＶＤ成膜装置は、たとえば、処理室と、処理室に収容された基台と、処理室内に原料ガスを導入するための原料ガス供給手段と、処理室内に導入された原料ガスをプラズマ化させるための直流電圧（直流パルス電圧）を発生させるプラズマ電源とを備えている。
日本国特開２０１１－２５２１７９号公報
　本願発明者らは、このようなプラズマＣＶＤ成膜装置の原料ガス供給手段として、処理室内を上方から下方に向けて延びる長尺のガス導入配管を採用することを検討している。ガス導入配管の周面には、処理室内に原料ガスを吐出させるための吐出口が、ガス導入配管の長手方向に沿って配列されている。これら複数の吐出口は、ほぼ等密度で配置されている。
　このようなガス導入配管が採用された前記のプラズマＣＶＤ成膜装置を用いて、本願発明者らが実験を行ったところ、処理室下部分に位置する基材下部分の表面の成膜速度は高いが、処理室上部分に位置する基材上部分の表面の成膜速度は低い、との知見を得た。そのため、基材の表面を、側方に向けて配置して成膜する場合には、基材下部分の膜厚が、基材上部分の膜厚よりも厚くなってしまうおそれがある。この原因として、処理室内の下部領域における原料ガス濃度は高濃度となっており、その半面、処理室内の上部領域の原料ガス濃度は低濃度となっていることが考えられる。換言すると、ガス導入配管の下流側の各吐出口からの原料ガスの吐出流量は多いが、その半面、ガス導入配管の上流側の各吐出口からの原料ガスの吐出流量が少ないことが原因になっていると考えられる。
　そこで、この発明の目的は、処理室内の各所における原料ガス濃度を均一にすることができ、これにより、均一厚みの炭素膜を成膜することができる炭素膜成膜装置および炭素膜成膜方法を提供することである。
　本発明の一つの態様によれば、基材の表面に炭素膜を形成するための炭素膜成膜装置であって、処理室と、前記処理室内に収容され、基材を保持するための基材保持手段と、前記処理室内に原料ガスを吐出するための複数の吐出口、および各吐出口と連通するガス流通路を、内部に区画形成するガス導入配管を有するノズルと、前記ガス導入配管に、炭素系化合物を含む原料ガスを供給するための原料ガス供給手段とを含み、前記複数の吐出口の形成領域に対応する前記ガス導入配管の管壁は、当該管壁の流路径が、前記原料ガス供給手段による原料ガスの供給側から離れるほど縮径になるように、階段状に形成されていることを特徴とする、炭素膜成膜装置が提供される。
　本発明の他の態様によれば、基材の表面に炭素膜を形成するための炭素膜成膜方法であって、処理室内に収容された基材保持手段に前記基材を保持させる基材保持工程と、前記処理室内で開口する複数の吐出口、および各吐出口と連通するガス流通路を、内部に区画形成するガス導入配管を有するノズルの前記ガス導入配管に、炭素系化合物を含む原料ガスを原料ガス供給手段から供給するための原料ガス供給工程とを含み、前記複数の吐出口の形成領域に対応する前記ガス導入配管の管壁は、当該管壁の流路径が、前記原料ガス供給手段による原料ガスの供給側から離れるほど縮径になるように、階段状に形成されていることを特徴とする、炭素膜成膜方法が提供される。
　上記本発明の態様によれば、処理室内の各所における原料ガス濃度を均一にすることができ、これにより、均一厚みの炭素膜を成膜することができる炭素膜成膜装置および炭素膜成膜方法を提供することができる。
本発明の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置の構成を模式的に示す図である。 図１にそれぞれ示すガス導入機構および基台の構成を示す斜視図である。 図１に示す切断面線III－IIIから見た図である。 図１に示すガス導入ノズルの構成を示す模式的な図である。 図１に示すプラズマＣＶＤ成膜装置のプラズマ電源から基材に印加される直流パルス電圧の波形の一例を示すグラフである。 被覆部材の表面の表層部分の断面図である。 比較例１のプラズマＣＶＤ成膜装置のガス導入ノズルの構成を示す模式的な図である。 実施例１および比較例１のプラズマＣＶＤ成膜装置で成膜したＤＬＣ膜の膜厚の基材高さ方向分布を示す図である。
　以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
　図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置の構成を模式的に示す図である。プラズマＣＶＤ成膜装置１を用いて、直流パルスプラズマＣＶＤ法により基材２００の表面（周面）２０１にＤＬＣ膜を形成することにより、被覆部材２０（図６参照）を製造することができる。
　プラズマＣＶＤ成膜装置１は、隔壁２で取り囲まれた直方体（または立方体）状をなす処理室３と、基材２００を下方から当接して支持するための基台（基材保持手段）５と、処理室３内に成分ガスである原料ガスを導入するためのガス導入機構６と、処理室３内を真空排気するための排気系７と、処理室３内に導入されたガスをプラズマ化させるための直流パルス電圧を発生させるプラズマ電源８とを備えている。プラズマＣＶＤ成膜装置１は、直流パルスプラズマＣＶＤ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を実施するための装置である。
　基台５は、水平の載置面を有する円盤状のプレート９（図２および図３を併せて参照）と、上下に延びてプレート９を支持する支持軸１０とを備えている。図１では、基台５として、プレート９が１段だけの１段式のものが採用されているが、基台５として、上下に複数並んで配置された複数段式（たとえば２段式）のものを採用することもできる。基台５は、全体が鋼などの導電材料を用いて形成されている。基台５にはプラズマ電源８の負極が接続されている。基材２００は、プレート９上に載置される。
　また、処理室３の隔壁２は、ステンレス鋼等の導電材料を用いて形成されている。隔壁２には、プラズマ電源８の正極が接続されている。また隔壁２はアース接続されている。また、隔壁２と基台５とは絶縁部材１１によって絶縁されている。そのため隔壁２はアース電位に保たれている。プラズマ電源８がオンされて直流パルス電圧が発生されると、隔壁２と基台５との間に電位差が生じる。
　排気系７は、処理室３の内部にそれぞれ連通する第１排気管１３および第２排気管１４と、第１開閉バルブ１５、第２開閉バルブ１６および第３開閉バルブ１９と、第１ポンプ１７および第２ポンプ１８とを備えている。
　第１排気管１３の途中部には、第１開閉バルブ１５および第１ポンプ１７が、処理室３側からこの順で介装されている。第１ポンプ１７としては、たとえば油回転真空ポンプ（ロータリポンプ）やダイヤフラム真空ポンプなどの低真空ポンプが採用される。油回転真空ポンプは、油によってロータ、ステータおよび摺動翼板などの部品の間の気密空間および無効空間の減少を図る容積移送式真空ポンプである。第１ポンプ１７として採用される油回転真空ポンプとしては、回転翼型油回転真空ポンプや揺動ピストン型真空ポンプが挙げられる。
　また、第２排気管１４の先端は、第１排気管１３における第１開閉バルブ１５と第１ポンプ１７との間に接続されている。第２排気管１４の途中部には、第２開閉バルブ１６、第２ポンプ１８および第３開閉バルブ１９が、処理室３側からこの順で介装されている。第２ポンプ１８としては、たとえばターボ分子ポンプ、油拡散ポンプなどの高真空ポンプが採用される。
　ガス導入機構６は、集合配管３０と、集合配管３０の上流側に接続された複数の成分ガス導入配管（図示しない）と、集合配管３０の下流端に分岐接続された複数（この実施形態では４つ）のガス導入ノズル（ノズル）３１とを備えている。集合配管３０は、円盤状のプレート９の中心軸線上に、当該中心軸線に沿って配置されている。各成分ガス導入配管には、対応する成分ガスの供給源（ガスボンベや液体を収容する容器等）からの当該成分ガスが供給されるようになっている。複数の成分ガスのうちの１つは、たとえば炭素系化合物を含むガスである。各成分ガス導入配管には、各供給源からの成分ガスの流量を調節するための流量調節バルブ（図示しない）等が設けられている。また、供給源のうち液体を収容する容器には、必要に応じて、液体を加熱するための加熱手段（図示しない）が設けられている。集合配管３０、複数の成分ガス導入配管（図示しない）、各成分ガスの供給源（図示しない）等が、「原料ガス供給手段」の一例に含まれる。
　図２は、ガス導入機構６および基台５の構成を示す斜視図である。図３は、図１に示す切断面線III－IIIから見た図である。図４は、ガス導入ノズル３１の構成を示す模式的な図である。
　複数のガス導入ノズル３１は、集合配管３０を中心として、互いに回転対称に設けられており、等角度間隔（たとえば９０ー間隔）に設けられている。複数のガス導入ノズル３１は、同一の諸元を有している。
　各ガス導入ノズル３１は、集合配管３０の下流端に接続された各ガス導入配管３２を備えている。各ガス導入配管３２は、集合配管３０の下流端に接続されて、当該下流端から基台５の径方向の外方（集合配管３０に離反する方向）に向けて水平に延びる水平部３３と、水平部３３の下流端（側方端）に接続されて、当該側方端から鉛直下方に向けて垂れ下がる鉛直部３４とを備え、全体として１８０ー横転したＬ字状をなしている。換言すると、複数（たとえば４つ）の水平部３３は、集合配管３０の下流端から放射状に広がっている。
　各ガス導入配管３２（各鉛直部３４および各水平部３３）は円筒状をなしている。各ガス導入配管３２の内部には、集合配管３０の内部と連通する円筒状のガス流通路３５が区画形成されている。各ガス流通路３５は、各鉛直部３４の下流端において閉塞されている。また、各水平部３３には、次に述べるような吐出口は形成されていない。
　図３に示すように各鉛直部３４は、処理室３における平面視矩形の４つの隅部にそれぞれ配置されている。各ガス導入ノズル３１の下流端、すなわち各鉛直部３４の下流端は、基台５の側方に位置している。
　鉛直部３４は、集合配管３０側（水平部３３側）から順に、互いに管径の異なる第１部分３６、第２部分３７および第３部分３８を備えている。第１、第２および第３部分３６，３７，３８のそれぞれの管壁の管径およびその厚みは、その管軸方向に関して一定である。第１部分３６の外径Ｄ１、第２部分３７の外径Ｄ２、および第３部分３８の外径Ｄ３の関係はＤ１＞Ｄ２＞Ｄ３である。換言すると、第１部分３６の管壁、第２部分３７の管壁、および第３部分３８の管壁は、下流側に向かうほど縮径になるように、階段状に形成されている。第１部分３６の下流端と第２部分３７の上流端とは、水平姿勢をなす円環状の第１段部（管壁の階段状をなす部分）３９によって接続されている。また、第２部分３７の下流端と第３部分３８の上流端とは、水平姿勢をなす円環状の第２段部（管壁の階段状をなす部分）４０によって接続されている。なお、第１部分３６、第２部分３７および第３部分３８のそれぞれの管軸方向長さＬ７，Ｌ８，Ｌ９は、ほぼ同等に設定されている。
　図４に示すように、各鉛直部３４の周面には、原料ガスを吐出するための吐出口４２が複数個（たとえば８個）形成されている。具体的には、第１、第２および第３部分３６，３７，３８のそれぞれにおいて、管軸方向に沿って吐出口４２が配列されている。これら複数の吐出口４２はほぼ等密度で配置されており、各吐出口４２は互いにほぼ同じ大きさを有し、第１、第２および第３部分３６，３７，３８の管壁に開口している（管壁の内外を貫通している）。換言すると、吐出口４２がガス流通路３５と連通している。
　吐出口４２は、所定の第１横方向（第１吐出方向）に向けて原料ガスを吐出する第１吐出口４２Ａと、第１横方向と円筒の鉛直部３４の周方向に９０ー位相のずれた第２横方向（第２吐出方向）に向けて原料ガスを吐出する第２吐出口４２Ｂとを有している。第１横方向は、当該鉛直部３４が収容される隅部を構成する隔壁２の２つの側面の一方に沿う内向きの横方向（水平方向）であり、第２横方向は、当該鉛直部３４が収容される隅部を構成する隔壁２の２つの側面の他方に沿う内向きの横方向（水平方向）である。
　鉛直部３４では、第１部分３６には、管軸方向の同じ位置に、第１吐出口４２Ａおよび第２吐出口４２Ｂからなる吐出口対４２Ａ，４２Ｂが配置されている。第１部分３６では、吐出口対４２Ａ，４２Ｂが上下に間隔Ｌ１を空けて２対配置されている。また、第２部分３７には、第１吐出口４２Ａが上流側に、第２吐出口４２Ｂが下流側に、互いに間隔Ｌ２を空けて配置されている。第３部分３８には、第１吐出口４２Ａが上流側に、第２吐出口４２Ｂが下流側、互いに間隔Ｌ３を空けて配置されている。
　また、第１部分３６における上流側の吐出口対４２Ａ，４２Ｂは、水平部３３の下流端から間隔Ｌ４を空けて配置されており、第２部分３７における上流側の吐出口４２（第１吐出口４２Ａ）は、第１部分３６における下流側の吐出口対４２Ａ，４２Ｂから間隔Ｌ５を空けて配置されている。第３部分３８における上流側の吐出口４２（第１吐出口４２Ａ）は、第２部分３７における下流側の吐出口４２（第２吐出口４２Ｂ）から間隔Ｌ６を空けて配置されている。
　鉛直部３４の管壁は、当該管壁の流路径が、原料ガスの供給側から離れるほど縮径になるように、階段状に形成されている。そのため、第１および第２段部３９，４０が、ガス流通路３５を流通する原料ガスに干渉する。その結果、ガス流通路３５の上流側にガスを溢れさせることができるとともに、ガス流通路３５の下流側への原料ガスの供給が抑制される。これにより、各吐出口４２からの原料ガスの吐出流量を均一にすることができ、その結果、処理室３内の各所における原料ガス濃度を均一にすることができる。ゆえに、基材２００の表面２０１に均一厚みのＤＬＣ膜２１を成膜することができる。
　また、水平部３３には吐出口が形成されておらず、鉛直部３４のみに吐出口４２が形成されている。水平部３３に吐出口が形成されていないので、鉛直部３４の各所（とくに鉛直部３４の上流部分）における原料ガスの圧力を高く保つことができ、全ての吐出口４２から原料ガスを勢い良く吐出することができる。
　さらに、吐出口４２として、吐出方向が互いに異なる第１および第２吐出口４２Ａ，４２Ｂが形成されているので、処理室３内に収容配置されるガス導入ノズル３１の数が少なくても、処理室３内の各所に原料ガスをまんべんなく行き渡らせることができる。これにより、処理室３内の各所における原料ガス濃度を、より一層均一化することができる。なお、このような吐出口４２の配置およびその吐出方向は一例であり、適宜変更することが可能である。
　次に図１等を参照して、プラズマＣＶＤ成膜装置１を用いて基材２００の表面２０１に炭素膜の一例としてのＤＬＣ膜２１（図６参照）を形成して被覆部材２０（図６参照）を製造する処理について説明する。
　まず、処理室３内に基材２００を搬入し、基材２００を、その表面２０１（周面）が側方を向いた姿勢で基台５のプレート９上に載置し、当該プレート９の上面上に支持させる（基材保持工程）。
　次いで第１、第２および第３開閉バルブ１５，１６，１９が閉じられた状態で第１ポンプ１７が駆動させられた後、第１開閉バルブ１５が開かれることにより処理室３内が真空排気される。処理室３内が第１ポンプ１７によって所定の真空度まで真空排気された時点で第１開閉バルブ１５を閉じられるとともに第３開閉バルブ１９が開かれて第２ポンプ１８が駆動させられた後、第２開閉バルブ１６が開かれることにより、第１および第２ポンプ１７，１８によって処理室３内がさらに真空排気される。
　処理室３内が所定の真空度に達した時点で第２開閉バルブ１６が閉じられ、第２ポンプ１８が停止させられ、第３開閉バルブ１９が閉じられるとともに第１開閉バルブ１５が開かれて第１ポンプ１７だけで排気を続けながら、供給源（図示しない）から集合配管３０を通して各ガス導入ノズル３１に原料ガスが供給され、この原料ガスが各吐出口４２を介して処理室３内に導入される。まず、処理室３内に導入される原料ガスは、たとえば、水素ガスおよびアルゴンガスである。水素ガスおよびアルゴンガスは、それぞれ、プラズマを安定化させる作用を有する。原料ガスは、水素ガスおよびアルゴンガスに限らず、アルゴンガスだけであってもよい。
　次いで電源８がオンされて、負の直流パルス電圧（たとえば、－１０００Ｖ）が基台５に印加される。これにより、隔壁２と基台５との間に電位差が生じ、処理室３内にプラズマが発生する。このプラズマの発生により、処理室３内において原料ガスからイオンやラジカルが生成するとともに、このイオンやラジカルが電位差に基づいて基材２００の表面２０１に打ち付けられて、基材２００の表面２０１に微細な凹凸（原子レベルの凹凸）が形成される（スパッタ工程）。また、イオンやラジカルが基材２００の表面２０１に打ち付けられることにより、基材２００の表面２０１に吸着された異分子等をスパッタリング除去したり、表面２０１を活性化したり、原子配列等を改質したりできる（イオンボンバード処理）。
　電源８がオンにされてから予め定める処理時間が経過すると、処理室３への原料ガス（水素ガスおよびアルゴンガス）の供給が停止させられる。次いで処理室３内を真空排気した状態で、供給源（図示しない）から集合配管３０を通して各ガス導入ノズル３１に原料ガスが供給され、この原料ガスが各吐出口４２を介して処理室３内に導入される。このとき処理室３内に導入される原料ガスは、たとえば、Ｓｉを含むガス（たとえば、Ｈ2、ＴＭＳ（テトラメチルシランガス、（Ｓｉ（ＣＨ3）4））、およびＣＨ4（メタン）の混合ガス）である。そして、この原料ガスを処理室３内に導入しながら、基台５に負の直流パルス電圧を印加させる。これにより、処理室３内にプラズマが発生し、これによって、基材２００の表面２０１を覆う中間層２２が形成される（中間層形成工程）。
　電源８をオンにしてから予め定める処理時間が経過すると、処理室３への原料ガスの供給を停止する。次いで処理室３内を真空排気した状態で、供給源（図示しない）から集合配管３０を通して各ガス導入ノズル３１に原料ガスが供給され、この原料ガスが各吐出口４２を介して処理室３内に導入される（原料ガス供給工程）。このとき処理室３内に導入される原料ガスは、たとえば、炭素系化合物に、さらに水素ガス、およびアルゴンガス等を加えたものである。炭素系化合物としては、たとえばメタン（ＣＨ4）、アセチレン（Ｃ2Ｈ2）、ベンゼン（Ｃ6Ｈ6）等の、常温、常圧下で気体ないし低沸点の液体である炭化水素化合物の１種または２種以上が挙げられる。
　次いで、隔壁２と基台５との間に電位差を生じさせることにより、処理室３内にプラズマが発生する。このプラズマの発生により、処理室３内において原料ガスからイオンやラジカルが生成されるとともに、このイオンやラジカルが電位差に基づいて基材２００の表面２０１に引き付けられる。そして基材２００の表面２０１で化学反応が生じ、中間層２２の上にＤＬＣ膜２１が堆積される（ＤＬＣ膜形成工程）。これにより、基材２００の少なくとも一部がＤＬＣ膜２１で被覆された被覆部材２０が形成される。
　図５は、プラズマ電源８から基材２００に印加される直流パルス電圧の波形の一例を示すグラフである。直流パルス電圧の設定電圧値は、たとえば１０００Ｖ程度の値に設定される。すなわちプラズマ電源８がオンされると、隔壁２と基台５との間に１０００Ｖの電位差が生じる。言い換えれば１０００Ｖの負極性の直流パルス電圧が、処理室３内に前述のようにセットされた基材２００に印加されている。波形がパルス状であるので、かかる高電圧が印加されても処理室３内に異常放電は生じず、基材２００の温度上昇を抑制して、処理温度をたとえば３００℃以下の低温に抑制することができる。
　直流パルス電圧においては、そのパルス幅τを周波数ｆの逆数（１／ｆ）で表されるパルス周期で除算した値、つまり式（１）に示すようにパルス幅τを周波数ｆで乗算した値として求められるデューティー比を５％以上、特に１０％程度に設定するのが好ましい。また周波数ｆは２００Ｈｚ以上、２０００Ｈｚ以下、特に１０００Ｈｚ程度に設定するのが好ましい。
　デューティー比＝τ×ｆ　　　・・・（１）
　ＤＬＣ膜形成工程を実施して、基材２００上に所定の膜厚を有するＤＬＣ膜２１が形成された時点で、プラズマ電源８がオフされるとともに、原料ガスの導入が停止された後、第１ポンプ１７による排気を続けながら常温まで冷却させられる。次いで第１開閉バルブ１５を閉じ、代わってリークバルブ（図示しない）を開いて処理室３内に外気を導入して処理室３内を常圧に戻した後、処理室３から基材２００が取り出される。これにより、基材２００の表面２０１の少なくとも一部がＤＬＣ膜２１によって被覆された被覆部材２０が製造される。
　図６は、被覆部材２０の表面の表層部分の断面図である。
　被覆部材２０は、たとえば、摺動部材や装飾品として用いられる。摺動部材としては、例えば、摩擦クラッチのクラッチプレート、ステアリング装置のウォーム（歯面にＤＬＣ膜２１を形成）、軸受の内外輪（軌道面にＤＬＣ膜２１を形成）または保持器、およびプロペラシャフト（駆動軸、雄スプライン部および／または雌スプライン部にＤＬＣ膜２１を形成）が挙げられる。
　被覆部材２０は、基材２００と、基材２００の表面２０１を覆う中間層２２と、中間層２２の表面を覆うＤＬＣ膜２１とを含む。中間層２２およびＤＬＣ膜２１は、それぞれ、膜厚が数μｍ～数十μｍ程度の薄膜である。ＤＬＣ膜２１の表面は、被覆部材２０の最表面の少なくとも一部を形成している。被覆部材２０が摺動部材として用いられる場合、ＤＬＣ膜２１の表面は、相手部材に摺動する摺動面として機能する。また、被覆部材２０が摺動部材として用いられる場合、基材２００の材質は、たとえば、鉄鋼材（工具鋼、炭素鋼、およびステンレス鋼）、合金、超硬等である。
　また、中間層２２は、たとえば、ＣｒＮやＴｉＮなどの金属膜や、Ｓｉを含む薄膜である。
　次に、実施例１および比較例１について説明する。
　実施例１では、図１に示すプラズマＣＶＤ成膜装置１を用いて、鉄鋼材（たとえばＳＣＭ４１５）からなる基材２００の表面（周面）２０１に、前記のイオンボンバード処理を施すとともに、その後、中間層形成工程およびＤＬＣ膜形成工程をこの順で実行し、中間膜２２およびＤＬＣ膜２１を形成した。
　実施例１では、第１、第２および第３部分３６，３７，３８の外径Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３（図４参照）、たとえばそれぞれ、１２．２５ｍｍ、９．６２ｍｍおよび６．３５ｍｍに設定されている。また、第１、第２および第３部分３６，３７，３８における管壁の厚み（図４参照）は、たとえば０．８ｍｍである。
　また、間隔Ｌ１（図４参照）、間隔Ｌ２（図４参照）および間隔Ｌ３（図４参照）は、たとえばそれぞれ６０ｍｍ、５０ｍｍおよび５０ｍｍに設定されている。また、間隔Ｌ４（図４参照）、間隔Ｌ５（図４参照）および間隔Ｌ６（図４参照）は、たとえばそれぞれ６０ｍｍ、２５ｍｍおよび２５ｍｍに設定されている。さらに、管軸方向長さＬ７，Ｌ８，Ｌ９（図４参照）は、それぞれ１７０ｍｍ、１５０ｍｍおよび１５０ｍｍに設定されている。
　比較例１では、次に述べるプラズマＣＶＤ成膜装置１０１を用いて、鉄鋼材（たとえばＳＣＭ４１５）からなる基材２００の表面（周面）２０１に、前記のイオンボンバード処理を施すとともに、その後、中間層形成工程およびＤＬＣ膜形成工程をこの順で実行し、中間膜およびＤＬＣ膜を形成した。
　実施例１および比較例１では、イオンボンバード処理における原料ガスとして水素ガス、およびアルゴンガスの混合ガスを用い、水素ガスおよびアルゴンガスの２成分の流量比をそれぞれ１：１とした。
　実施例１および比較例１では、中間層形成工程における原料ガスとして炭素系化合物としてのメタン、水素ガス、アルゴンガス、およびＳｉを含むガスとしてのＴＭＳの混合ガスを用い、メタン、水素ガス、アルゴンガスおよびＴＭＳの４成分の流量比をそれぞれ０．５～１：０．５～１：０．５～１：０．０３～０．０６とした。
　実施例１および比較例１では、ＤＬＣ膜形成工程における原料ガスとして炭素系化合物としてのメタン、水素ガス、アルゴンガス、およびＳｉを含むガスとしてのＴＭＳの混合ガスを用い、メタン、水素ガス、アルゴンガスおよびＴＭＳの４成分の流量比をそれぞれ０．６：０．６：１：０．０３とした。
　 実施例１および比較例１の各工程における原料ガスの流量比を以下の表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　直流パルス電圧の設定電圧値はたとえば－１０００Ｖ、周波数ｆはたとえば１０００Ｈｚ、デューティー比はたとえば１０％にそれぞれ設定した。
　図７は、比較例１のプラズマＣＶＤ成膜装置１０１のガス導入ノズル１３１の構成を示す模式的な図である。図７において、前述のプラズマＣＶＤ成膜装置１と共通する部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
　比較例１のプラズマＣＶＤ成膜装置１０１は、集合配管３０を中心として、互いに回転対称に設けられた４つのガス導入ノズル１３１を備えている。各ガス導入ノズル１３１は、水平部１３３と鉛直部１３４とを有し、集合配管３０の下流端に接続されたガス導入配管１３２を備えている。各ガス導入配管１３２の内部には、集合配管３０の内部と連通する円筒状のガス流通路１３５が区画形成されており、各ガス流通路１３５は、鉛直部１３４の下流端において閉塞されている。各鉛直部１３４は、処理室３における平面視矩形の４つの隅部にそれぞれ配置されている。各ガス導入ノズル１３１の下端、すなわち、各鉛直部１３４の下端は、基台５の側方に位置している。鉛直部１３４の管径は、その管軸方向に関して一定であり、たとえば６．３５ｍｍである。
　図７に示すように、各鉛直部１３４の周面には、原料ガスを吐出するための吐出口１４２が複数個（たとえば９個）形成されている。各水平部１３３の周面には、原料ガスを吐出するための吐出口１４２が複数個（たとえば４個）形成されている。これらの吐出口１４２は、各ガス導入配管１３２の管軸方向に沿って配列されている。
　また、各水平部１３３では、吐出口１４２は所定間隔Ｌ１１（たとえば５０ｍｍ）を隔てて配置されている。各吐出口１４２は、水平部１３３の周面に、その周方向における最下位置に形成されている。水平部１３３における最も上流側の吐出口１４２と、集合配管３０の下流端との間の間隔Ｌ１４、および水平部１３３における最も下流側の吐出口１４２と、水平部１３３の下流端との間の間隔Ｌ１５は、たとえばそれぞれ、３５ｍｍおよび５０ｍｍである。
　各鉛直部１３４では、吐出口１４２は所定間隔（図７に示すＬ１２の半分。たとえば５０ｍｍ）を隔てて配置されている。鉛直部１３４に形成される吐出口１４２は、所定の第１横方向に向けて原料ガスを吐出する第１吐出口１４２Ａと、第１横方向と円筒の鉛直部１３４の周方向に９０ー位相のずれた第２横方向に向けて原料ガスを吐出する第２吐出口１４２Ｂとを有している。第１横方向は、当該鉛直部１３４が収容される隅部を構成する隔壁２の２つの側面の一方に沿う内向きの横方向（水平方向）であり、第２横方向は、当該鉛直部１３４が収容される隅部を構成する隔壁２の２つの側面の他方に沿う内向きの横方向（水平方向）である。
　各鉛直部１３４の管軸方向に関して、第１吐出口１４２Ａと第２吐出口１４２Ｂとが交互に配置されている。鉛直部１３４における最も上流側の吐出口１４２と、水平部１３３の下流端との間の間隔Ｌ１６は、たとえば５０ｍｍである。
　図８は、実施例１のプラズマＣＶＤ成膜装置１および比較例１のプラズマＣＶＤ成膜装置１０１で成膜したＤＬＣ膜の膜厚の基材高さ方向（プレート９（図１等参照）の上面に垂直な方向）分布を示す図である。図８の横軸は、基材２００（図１等参照）の下端（すなわち、プレート９の上面）からの基材高さ方向位置（距離）である。
　図８より、実施例１では、ＤＬＣ膜２１（図６等参照）の厚みが、基材高さ方向にほぼ均一であることが理解される。
　これに対し、比較例１では、基材２００の下端から離れるほど、ＤＬＣ膜の厚みが小さいことが理解される。
　この発明の実施の形態の説明は以上であるが、この発明は、前述の実施形態の内容に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。
　たとえば、鉛直部３４が３段状をなしている場合を例に挙げたが、鉛直部３４が２段状であってもよいし、４段状以上であってもよい。
　また、前述の説明では水平部３３に吐出口４２を形成しないとしたが、水平部３３に吐出口４２を配置した構成であってもよい。しかしながら、鉛直部３４の各所（とくに鉛直部３４の上流部分）における原料ガスの圧力を高く保ち、鉛直部３４の各吐出口４２（とくに鉛直部３４の上流部分の各吐出口４２）から原料ガスを勢い良く吐出するためには、水平部３３に吐出口４２を形成しないことが望ましい。
　また、前述の説明では、鉛直部３４の吐出口４２として、互いの吐出方向の異なる第１吐出口４２Ａおよび第２吐出口４２Ｂを設けた構成を例示したが、各吐出口４２の吐出方向が共通した構成であってもよい。しかしながら、処理室３内の各所に原料ガスをまんべんなく行き渡らせるためには、鉛直部３４の吐出口４２として第１および第２吐出口４２Ａ，４２Ｂの２種を設けることが望ましい。
　また、各吐出口４２として、ガス導入配管３２の管壁に直接開口するものを例示したが、ガス導入配管３２に取り付けられたノズル（円筒ノズル等）の先端部に吐出口が形成されていてもよい。
　また、炭素膜の一例としてＤＬＣ膜２１を例に挙げたが、他の炭素膜を採用することもできる。
　プラズマＣＶＤ成膜装置１は、直流パルスプラズマＣＶＤ法により炭素膜を成膜するための成膜装置を例に挙げたが、直流プラズマＣＶＤ法により炭素膜を成膜するための成膜装置にも本発明を適用することもできる。さらに、それら以外の方法を用いて炭素膜を成膜するための成膜装置に本発明を適用することもできる。
　その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
　本発明の実施形態の第１の態様は、基材（２００）の表面（２０１）に炭素膜（２１）を形成するための炭素膜成膜装置（１）であって、処理室（３）と、前記処理室内に収容され、基材を保持するための基材保持手段（５）と、前記処理室内に原料ガスを吐出するための複数の吐出口（４２）、および各吐出口と連通するガス流通路（３５）を、内部に区画形成するガス導入配管（３２）を有するノズル（３１）と、前記ガス導入配管に、炭素系化合物を含む原料ガスを供給するための原料ガス供給手段とを含み、前記複数の吐出口の形成領域に対応する前記ガス導入配管の管壁は、当該管壁の流路径（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３）が、前記原料ガス供給手段による原料ガスの供給側から離れるほど縮径になるように、階段状に形成されていることを特徴とする、炭素膜成膜装置である。
　第２の態様は、前記ガス導入配管は、前記原料ガスの供給側に設けられて、水平に延びる水平部（３３）と、前記原料ガスの供給側とは反対側に設けられて、鉛直に延びる鉛直部（３４）とを含み、前記鉛直部は前記複数の吐出口を有し、前記水平部には、前記吐出口が形成されていないことを特徴とする、上記第１の態様に記載の炭素膜成膜装置である。
　第３の態様は、前記複数の吐出口は、前記ガス導入配管の管軸方向に垂直な所定の第１吐出方向に向けて、前記原料ガスを吐出するための第１吐出口（４２Ａ）と、前記管軸方向に垂直で、かつ前記第１吐出方向と異なる所定の第２吐出方向に向けて、前記原料ガスを吐出するための第２吐出口（４２Ｂ）とを有している。なお、第１および第２吐出口は、前記管軸方向に交互に並置されていてもよい。
　第４の態様は、前記処理室は導電材料を用いて形成された隔壁（２）を含み、前記基材保持手段は基材を支持するための基台（５）であって、導電材料を用いて形成された基台を含み、前記炭素膜成膜装置は、前記隔壁と前記基台との間に直流電圧（直流パルス電圧を含む）を生じさせて、処理室内に導入された前記原料ガスをプラズマ化させるためのプラズマ電源（８）をさらに含む、上記第１～３の態様のいずれかに記載の炭素膜成膜装置である。
　第５の態様は、基材（２００）の表面（２０１）に炭素膜（２１）を形成するための炭素膜成膜方法であって、処理室（３）内に収容された基材保持手段（５）に前記基材を保持させる基材保持工程と、前記処理室内で開口する複数の吐出口（４２）、および各吐出口と連通するガス流通路（３５）を、内部に区画形成するガス導入配管（３２）を有するノズル（３１）の前記ガス導入配管に、炭素系化合物を含む原料ガスを原料ガス供給手段から供給するための原料ガス供給工程とを含み、前記複数の吐出口の形成領域に対応する前記ガス導入配管の管壁は、当該管壁の流路径（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３）が、前記原料ガス供給手段による原料ガスの供給側から離れるほど縮径になるように、階段状に形成されていることを特徴とする、炭素膜成膜方法である。
　上記第１の態様の構成によれば、吐出口の形成領域に対応するガス導入配管の管壁は、当該管壁の流路径が、原料ガスの供給側から離れるほど縮径になるように、階段状に形成されている。そのため、管壁の階段状をなす部分が、ガス流通路を流通する原料ガスに干渉する。その結果、原料ガスの供給側のガス流通路に原料ガスを溢れさせることができるとともに、原料ガスの供給側と反対側のガス流通路への原料ガスの供給が抑制される。したがってこれにより、各吐出口からの原料ガスの吐出流量を均一にすることができ、その結果、処理室内の各所における原料ガス濃度を均一にすることができる。これにより、基材の表面に均一厚みの炭素膜を成膜することができる。
　上記第２の態様の構成によれば、水平部には吐出口が形成されておらず、垂直部のみに吐出口が形成されている。水平部に吐出口が形成されていないので、垂直部の各所（とくに垂直部における原料ガスの供給側）における原料ガスの圧力を高く保つことができ、各吐出口から原料ガスを勢い良く吐出することができる。
　上記第３の態様の構成によれば、第１吐出方向に向けて原料ガスを吐出する第１吐出口と、第２吐出方向に向けて原料ガスを吐出する第２吐出口とが、ガス導入配管の管軸方向に交互に並んで配置されている。そのため、処理室内に収容配置されるガス導入配管の数が少なくても、処理室内の各所に原料ガスをまんべんなく行き渡らせることができる。これにより、処理室内の各所における原料ガス濃度をより一層均一化することができる。
　上記第４の態様の構成によれば、処理室内において原料ガスがプラズマ化させられることにより、プラズマＣＶＤ法による基材に対する成膜処理が実施される。処理室内の各所における原料ガス濃度が均一であるので、基材の表面に均一厚みの炭素膜を成膜することができる。
　上記第５の態様の方法によれば、上記第１の態様に関連して説明した作用効果と同等の作用効果を奏する。
１…プラズマＣＶＤ成膜装置、２…隔壁、３…処理室、５…基台（基材保持手段）、８…プラズマ電源、２１…ＤＬＣ膜（炭素膜）、３１…ガス導入ノズル（ノズル）、３２…ガス導入配管、３３…水平部、３４…鉛直部、３５…ガス流通路、４２…吐出口、４２Ａ…第１吐出口、４２Ｂ…第２吐出口、２００…基材、２０１…表面、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３…流路径

Claims (5)

  1. 　基材の表面に炭素膜を形成するための炭素膜成膜装置であって、
    　処理室と、
    　前記処理室内に収容され、基材を保持するための基材保持手段と、
    　前記処理室内に原料ガスを吐出するための複数の吐出口、および各吐出口と連通するガス流通路を、内部に区画形成するガス導入配管を有するノズルと、
    　前記ガス導入配管に、炭素系化合物を含む原料ガスを供給するための原料ガス供給手段とを含み、
    　前記複数の吐出口の形成領域に対応する前記ガス導入配管の管壁は、当該管壁の流路径が、前記原料ガス供給手段による原料ガスの供給側から離れるほど縮径になるように、階段状に形成されていることを特徴とする、炭素膜成膜装置。
  2. 　前記ガス導入配管は、前記原料ガスの供給側に設けられて、水平に延びる水平部と、前記原料ガスの供給側とは反対側に設けられて、鉛直に延びる鉛直部とを含み、
    　前記鉛直部は前記複数の吐出口を有し、
    　前記水平部には、前記吐出口が形成されていないことを特徴とする、請求項１記載の炭素膜成膜装置。
  3. 　前記複数の吐出口は、前記ガス導入配管の管軸方向に垂直な所定の第１吐出方向に向けて、前記原料ガスを吐出するための第１吐出口と、前記管軸方向に垂直で、かつ前記第１吐出方向と異なる所定の第２吐出方向に向けて、前記原料ガスを吐出するための第２吐出口と有している、請求項１または２記載の炭素膜成膜装置。
  4. 　前記処理室は導電材料を用いて形成された隔壁を含み、
    　前記基材保持手段は基材を支持するための基台であって、導電材料を用いて形成された基台を含み、
    　前記炭素膜成膜装置は、前記隔壁と前記基台との間に直流電圧を生じさせて、処理室内に導入された前記原料ガスをプラズマ化させるためのプラズマ電源をさらに含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の炭素膜成膜装置。
  5. 　基材の表面に炭素膜を形成するための炭素膜成膜方法であって、
    　処理室内に収容された基材保持手段に前記基材を保持させる基材保持工程と、
    　前記処理室内で開口する複数の吐出口、および各吐出口と連通するガス流通路を、内部に区画形成するガス導入配管を有するノズルの前記ガス導入配管に、炭素系化合物を含む原料ガスを原料ガス供給手段から供給するための原料ガス供給工程とを含み、
    　前記複数の吐出口の形成領域に対応する前記ガス導入配管の管壁は、当該管壁の流路径が、前記原料ガス供給手段による原料ガスの供給側から離れるほど縮径になるように、階段状に形成されていることを特徴とする、炭素膜成膜方法。
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