JP4653964B2 - DLC film forming method and DLC film-formed product - Google Patents
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Description
本発明は、試作用金型、工具、ハードディスク、半導体製造部品および自動車部品等の産業用部品を基材として、その表面にダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜を成膜する方法およびダイヤモンドライクカーボンの成膜物に関し、より詳細にはパルスプラズマイオン注入・成膜法(Plasma−Based Ion Implantation and Deposition; PBIID)に基づくものである。 The present invention relates to a method for forming a diamond-like carbon (DLC) film on the surface of an industrial part such as a prototype mold, a tool, a hard disk, a semiconductor manufacturing part and an automobile part, and the formation of the diamond-like carbon. More specifically, the film material is based on a pulsed plasma ion implantation and deposition method (PBIID).
DLCは、低摩擦性、耐磨耗性および耐食性等の特性を有することから、試作用金型、工具、ハードディスクおよび自動車における各種摺動部品等の保護皮膜として広く使用されるようになってきている。 Since DLC has characteristics such as low friction, wear resistance, and corrosion resistance, it has been widely used as a protective coating for various molds, tools, hard disks and various sliding parts in automobiles. Yes.
そして、従来、DLCを成膜する方法としては、一般にプラズマCVD法が用いられ、該方法は、真空チャンバー内に原料ガスを導入した後、高周波放電(容量結合型プラズマ励起方式と誘導結合型プラズマ励起方式等)やマイクロ波放電により活性なラジカルやイオンを生じさせて、基材にDLC膜を成膜するものである。 Conventionally, as a method of forming a DLC film, a plasma CVD method is generally used. In this method, a raw material gas is introduced into a vacuum chamber, and then a high frequency discharge (a capacitively coupled plasma excitation method and an inductively coupled plasma) is used. The DLC film is formed on the substrate by generating active radicals and ions by an excitation method or the like or microwave discharge.
より具体的には、例えば高周波放電を用いたプラズマCVD法では、図10に示すように、チャンバー51の両側壁51aに互いに対向する凹所52を設け、該凹所52内に電極53・54を配置し、その一側の電極54にプラズマ発生用高周波電源55を接続する一方、チャンバー51の上壁51b中央に取り付けたフィードスルー56から導体57を垂下させて、その先端に基材58を取り付けることにより、前記両電極53・54間に基材58を配し、次に、前記フィードスルー56に高電圧パルス発生用電源59を接続した上、真空装置61によりバルブ62を介してチャンバー51内を真空状態とした後、ガス供給装置63からバルブ64を介して原料ガスをチャンバー51内に導入し、プラズマ発生用高周波電源55より電極54に高周波電力を印加してチャンバー51内にプラズマを発生させる一方、高電圧パルス発生用電源59より導体57を介して基材58に負の高電圧パルスを印加することにより、最終的に基材58表面にDLC膜を成膜していた。
More specifically, for example, in the plasma CVD method using high-frequency discharge, as shown in FIG. 10, recesses 52 facing each other are provided on both side walls 51 a of the chamber 51, and the electrodes 53 and 54 are provided in the recess 52. The plasma generating high frequency power supply 55 is connected to the electrode 54 on one side thereof, while the conductor 57 is suspended from the feedthrough 56 attached to the center of the upper wall 51b of the chamber 51, and the base material 58 is attached to the tip thereof. By attaching, a base material 58 is arranged between the electrodes 53, 54, and then a high voltage pulse generating power source 59 is connected to the feedthrough 56, and a chamber 51 is connected via a valve 62 by a vacuum device 61. After the inside is evacuated, the source gas is introduced into the chamber 51 from the gas supply device 63 via the valve 64, and the
しかしながら、前述したDLC成膜の場合、プラズマはチャンバー51一側の電極54付近に発生し、基材58から離れた位置でプラズマが発生することとなる。そのため、プラズマを基材58の位置まで輸送する手段が別途必要になる上、輸送途中でプラズマが発散してプラズマ密度が低下する結果、プラズマによるイオン注入効率が低いという問題があった。 However, in the case of the DLC film formation described above, plasma is generated in the vicinity of the electrode 54 on one side of the chamber 51, and plasma is generated at a position away from the base material 58. Therefore, a separate means for transporting the plasma to the position of the base material 58 is required, and as a result of the plasma diverges during the transport and the plasma density is lowered, there is a problem that the ion implantation efficiency by the plasma is low.
更に、基材58が凹所58aを有するホロー形状である場合には、プラズマが電極(アンテナ)53・54から拡散到達するので、該プラズマは基材58の形状に沿って均一に分布せず、また基材58の内側にはプラズマが拡散侵入し難い。そして、プラズマを基材58の内側へ強引に侵入させようとすると、プラズマ生成が連続であるので、ガス圧やパルス電圧値・パルス幅の条件によって、所謂ホローカソード現象に移行し、前記凹所58a内におけるプラズマ密度が基材58外側周辺のプラズマ密度よりも非常に高くなることから、図11に示すように、特に凹所58aの底部においてDLC膜60が厚く成膜される一方、凹所58aの側壁部分ではDLC膜60が薄く成膜され、内側内周・外側形状ともに均一なDLC成膜が行えないという問題があった。
Furthermore, when the base material 58 has a hollow shape having the recess 58a, the plasma diffuses and reaches from the electrodes (antennas) 53 and 54, so that the plasma is not uniformly distributed along the shape of the base material 58. Moreover, it is difficult for plasma to diffuse and penetrate inside the base material 58. If the plasma is forced to enter the inside of the base material 58, the plasma generation is continuous. Therefore, depending on the gas pressure, pulse voltage value, and pulse width, the so-called hollow cathode phenomenon occurs, and the recess Since the plasma density in 58a is much higher than the plasma density around the outside of the substrate 58, as shown in FIG. 11, the
この他、プラズマCVDによるDLC膜の密着性を高めるために、基材とDLC膜との間に、単一または複数成分よりなる中間層を設けたり、或いは基材に別途熱処理やスパッタリングによる微細な凹凸表面加工等を施すことも行われているが、これらの方法では、成膜工程が複雑になると共に成膜に長時間を要する他、DLC膜自体を厚くするのが難く、また厚く成膜した場合には膜中の残留応力によってDLC膜が剥離し易いという欠点があった。 In addition, in order to improve the adhesion of the DLC film by plasma CVD, an intermediate layer composed of a single component or a plurality of components is provided between the substrate and the DLC film, or a fine heat treatment or sputtering is separately performed on the substrate. Although uneven surface processing or the like is also performed, in these methods, the film formation process becomes complicated and it takes a long time to form the film, and it is difficult to thicken the DLC film itself, and the film is thickly formed. In this case, there is a drawback that the DLC film is easily peeled off due to the residual stress in the film.
更にまた、基材が亜鉛合金やアルミニウム合金等の低融点合金である場合には、補助加熱やプラズマ発生に伴う温度上昇によって、基材自体が変質・変形(歪み)するおそれもあった。 Furthermore, when the base material is a low melting point alloy such as a zinc alloy or an aluminum alloy, the base material itself may be altered or deformed (strained) due to a temperature increase accompanying auxiliary heating or plasma generation.
そして、従来のDLC成膜では、基材表面にDLC膜を均一に成膜するために、成膜中に基材を適当に回転させる必要があり、また基材へのイオン注入とDLC成膜をそれぞれ別々の装置で行うため、イオン注入後に基材をDLC成膜用の装置に移す必要があることから、DLC成膜に多くの手間と時間がかかるという問題があった。 In the conventional DLC film formation, in order to uniformly form the DLC film on the surface of the base material, it is necessary to appropriately rotate the base material during the film formation. Also, ion implantation to the base material and DLC film formation are required. Therefore, there is a problem that it takes a lot of time and labor to form the DLC film because it is necessary to transfer the base material to the DLC film forming apparatus after the ion implantation.
この他、炭化水素を含有するガス雰囲気中におけるプラズマ重合処理によりDLC膜を被覆した金属部材において、クロムまたはチタンを主体とする下層と、シリコンまたはゲルマニウムを主体とする上層とからなる中間層を前記金属部材と前記DLC膜との間に介在させた金属部材が知られている。 In addition, in a metal member coated with a DLC film by plasma polymerization in a gas atmosphere containing hydrocarbon, an intermediate layer composed of a lower layer mainly composed of chromium or titanium and an upper layer mainly composed of silicon or germanium A metal member interposed between a metal member and the DLC film is known.
しかしながら、前記金属部材における中間層を介したDLC膜の場合、バイアス電圧が低く、イオンエネルギーを有効に利用していないため、基材となる金属部材と中間層とDLC膜とが明確な積層構造となり、そのため基材である金属部材に対するDLC膜の被覆強度が低く、従って、金属部材をピストン等の摺動部品に使用した場合にはDLC膜が破損して金属部材から剥離するおそれがあった。 However, in the case of the DLC film through the intermediate layer in the metal member, since the bias voltage is low and ion energy is not effectively used, the metal member, the intermediate layer, and the DLC film as a base material have a clear laminated structure. Therefore, the coating strength of the DLC film on the metal member as the base material is low. Therefore, when the metal member is used for a sliding part such as a piston, the DLC film may be damaged and peeled off from the metal member. .
本願の出願人は、先に、共通のフィードスルーを介してプラズマ発生用電源と高電圧パルス発生用電源とにより、基材に高周波パルスと負の高電圧パルスとを重畳的に印加する表面改質装置および改質方法を開発している。 The applicant of the present application previously applied surface modification by applying a high-frequency pulse and a negative high-voltage pulse to a substrate in a superimposed manner by a plasma generation power source and a high-voltage pulse generation power source through a common feedthrough. We are developing quality equipment and reforming methods.
そして、前記特許出願は、基材の外形に沿ってプラズマを発生させる一方、該基材に負の高電圧パルスを印加することにより、前記プラズマ中のイオンを誘引させて基材に注入する誘引注入および基材に薄膜を形成する誘引堆積並びに基材をスパッタクリーニングする誘引衝突を行うものであるが、本発明は前記特許出願における装置を用いて、基材表面にDLC膜を高密着で厚く成膜すると共に膜内の残留応力を低減させることができるDLC膜の成膜方法およびDLC成膜物を提供することを目的とするものである。
請求項1記載のDLC膜の成膜方法は、少なくとも一以上の炭化水素系ガスを用いて、パルスプラズマによる、イオン注入プロセスと成膜プロセスとを組み合わせた複合プロセスによって、基材表面にDLC膜を成膜することを技術的特徴とするものである。
The method for forming a DLC film according to
本明細書において、「DLC」とはダイヤモンドライクカーボンを意味する。 In this specification, “DLC” means diamond-like carbon.
前記基材には、DLC成膜が必要なあらゆる完成品や部品等が含まれ、具体的には試作用金型、工具、ハードディスク、半導体製造用部品、ゴルフクラブヘッドおよび自動車部品等が挙げられる。 The base material includes all finished products and parts that require DLC film formation, and specifically include prototype molds, tools, hard disks, semiconductor manufacturing parts, golf club heads, automobile parts, and the like. .
また、基材は、金属等の導電性材料の他、プラスチック、ゴムおよびセラミックス等の絶縁性材料であっても良い。 The base material may be an insulating material such as plastic, rubber, and ceramics in addition to a conductive material such as metal.
請求項2記載のDLC膜の成膜方法は、前記請求項1記載の成膜方法について、その複合プロセスの前にパルスプラズマによる表面調整プロセスを設けるものである。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a DLC film forming method according to the first aspect, wherein a surface adjustment process using pulsed plasma is provided before the combined process.
請求項3記載のDLC膜の成膜方法は、プラズマ発生用高周波電源と高電圧パルス発生用電源とを、共通のフィードスルーを介してチャンバー内の基材に接続しておき、前記プラズマ発生用高周波電源から基材に高周波パルスを印加して基材の外形に沿って周囲にプラズマを発生させ、そのプラズマ中またはアフターグロープラズマ中に高電圧パルス発生用電源から基材に負の高電圧パルスを少なくとも1回印加し、且つこれら高周波パルスの印加と高電圧パルスの印加とを繰り返し行うことにより、前記請求項1記載のパルスプラズマによるイオン注入プロセスおよび成膜プロセス、或いは更に請求項2記載の表面調整プロセスを実行することを特徴とするものである。
The DLC film forming method according to
なお、前記高周波パルスの印加と高電圧パルスの印加との繰り返し数は、例えば100回/秒〜5000回/秒程度である。 The number of repetitions of the application of the high frequency pulse and the application of the high voltage pulse is, for example, about 100 times / second to 5000 times / second.
請求項4記載のDLC膜の成膜方法は、前記請求項3記載の成膜方法について、高周波パルス幅を2〜200μsの短パルスとし、高電圧パルス幅を0.2〜50μsの短パルスとし、且つ前記高周波パルスの印加中または印加直後から300μsまでの間に高電圧パルスを印加するものであるが、更に請求項5記載の通り、高周波パルス幅を5〜20μsの短パルスとし、高電圧パルス幅を1〜5μsの短パルスとし、且つ前記高周波パルスの印加直後から100μsまでの間に高電圧パルスを印加するのがより好適である。
The DLC film forming method according to
請求項6記載のDLC膜の成膜方法は、前記請求項3〜請求項5のうちのいずれか一項記載の成膜方法について、パルスプラズマによるイオン注入プロセスおよび初期成膜段階での高電圧パルスの電圧を初期成膜段階以後の成膜段階における高電圧パルスの電圧よりも高く設定し、且つ前記高周波パルスと高電圧パルスの印加の繰り返し数を、前記初期成膜段階後の成膜段階でより多くすることを技術的特徴とするものである。
The DLC film formation method according to
請求項7記載の成膜方法は、前記請求項6記載の成膜方法について、パルスプラズマイオン注入プロセスおよび初期成膜段階における高電圧パルスの電圧を20kVに設定し、それ以後の成膜段階における前記電圧を10kVに設定することを特徴とするものである。
The film forming method according to
請求項8記載のDLC膜の成膜方法は、前記請求項6または請求項7記載の成膜方法について、少なくともパルスプラズマイオン注入プロセスの後期から初期成膜段階の前期にかけて、不純物としてシランカップリング用剤を加えることを特徴とするものである。シランカップリング用剤としては、例えばアルコキシド系のものが挙げられ、ヘキサメチルジシロキサン(HMDSO)、テトラメチルシラン(TMS)、テトラエトオキシシリコン(TEOS)等が挙げられるが、特に前記ヘキサメチルジシロキサンが最も好適であり、またこの場合、成膜プロセスにおける初期成膜段階でのチャンバー内のガス圧を0.3〜0.5Paとし、その後の成膜段階でのガス圧を0.8〜3Paとするのが好ましい。
A method for forming a DLC film according to
請求項10記載のDLC膜の成膜方法は、前記請求項2〜請求項9のうちのいずれか一項記載の成膜方法について、その表面調整用ガスとしてアルゴンとメタン或いは更に水素を含む混合ガスを用い、パルスプラズマイオン注入用ガスとしてメタンガスを用い、成膜用ガスとしてアセチレン、プロパン、ブタン、ヘキサン、ベンゼン、クロルベンゼン、トルエンからなる群より選ばれた一以上のガスを用いることを特徴とするものである。
A method for forming a DLC film according to
すなわち、前記表面調整用ガスのうち、分子量の大きいアルゴンガスにおける分子衝突により基材表面をクリーニングすると共に、メタンガスにおける炭素原子および水素原子の基材表面への付着により、表面調整を行う。 That is, the surface adjustment is performed by cleaning the substrate surface by molecular collision in the argon gas having a high molecular weight among the surface adjustment gases, and by attaching carbon atoms and hydrogen atoms in the methane gas to the substrate surface.
そして、パルスプラズマイオン注入用ガスとしてメタンガスを用いて、炭素単原子を基材に注入した後、成膜用ガスとしてアセチレン、プロパン等の炭素2原子分子以上を基材に衝突させて成膜するのである。 Then, methane gas is used as a pulse plasma ion implantation gas, and carbon single atoms are injected into the substrate, and then a film is formed by colliding two or more carbon atoms such as acetylene and propane with the substrate as a film forming gas. It is.
請求項11記載のDLC膜の成膜方法は、請求項2〜請求項10のうちのいずれか一項記載の成膜方法について、パルスプラズマイオン注入用ガスとしてメタンガスを用いる前に窒素ガスを用いることを特徴とするものである。この場合、基材に注入された窒素原子は、その後に注入される炭素原子が基材中に拡散するのを防止する機能を有する。
The DLC film forming method according to claim 11 is the film forming method according to any one of
請求項12記載のDLC膜の成膜方法は、前記請求項1〜請求項11のうちのいずれか一項記載の成膜方法について、基材を低融点合金とするものである。本発明の成膜方法では、基本的にパルスプラズマによって、イオン注入およびDLC成膜の各プロセスを行うため、成膜中における基材の温度を低く抑えることが可能となり、低融点合金へのDLC成膜が実現し得る。
The film forming method of the DLC film according to claim 12 is the film forming method according to any one of
請求項13記載のDLC膜の成膜方法は、前記請求項1〜請求項12のうちのいずれか一項記載の成膜方法について、基材が絶縁性材料である場合に、該基材を導電性材料からなるホルダーに保持した状態で各処理を行うことを特徴とするものである。
The method for forming a DLC film according to claim 13 is the film forming method according to any one of
請求項14記載のDLC成膜物は、基材の表面にDLC膜が直接成膜されたDLC成膜物であって、基材の表面から所定深さまでに炭素原子が注入され、基材とDLC膜との界面には注入原子と炭素原子との傾斜層が形成され、前記基材中の注入原子とDLC膜の炭素原子とが共有結合されており、DLC膜中の炭素原子が整列されているものである。 The DLC film-formed product according to claim 14 is a DLC film-formed product in which a DLC film is directly formed on the surface of the substrate, and carbon atoms are injected from the surface of the substrate to a predetermined depth, An inclined layer of implanted atoms and carbon atoms is formed at the interface with the DLC film, and the implanted atoms in the base material and the carbon atoms in the DLC film are covalently bonded to align the carbon atoms in the DLC film. It is what.
請求項15記載のDLC成膜物は、前記請求項14記載の成膜物について、基材を、亜鉛合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金または鉄としたものである。
The DLC film-formed product according to
請求項16記載の本発明は、前記請求項3記載のDLC膜の成膜方法について、パルスプラズマによるイオン注入プロセスと成膜プロセスとを用いて、基材の表面に、チタンセラミック膜を介してDLC膜を成膜する方法であって、チタンセラミック膜形成用ガスとして有機チタンアルコシドを用い、基材にチタンを注入した後、基材表面にチタンセラミック膜を成膜し、次にDLC膜形成用ガスとして炭化水素系ガスを用い、前記チタンセラミック膜中に炭素を注入した後、前記チタンセラミック膜上にDLC膜を成膜することを特徴とするものである。 According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided a method for forming a DLC film according to the third aspect, wherein an ion implantation process using a pulse plasma and a film forming process are used, and a titanium ceramic film is interposed on the surface of the substrate. A method for forming a DLC film, in which an organic titanium arcoside is used as a titanium ceramic film forming gas, titanium is injected into a base material, and then a titanium ceramic film is formed on the surface of the base material, and then the DLC film A hydrocarbon gas is used as a forming gas, carbon is injected into the titanium ceramic film, and then a DLC film is formed on the titanium ceramic film.
前記炭化水素系ガスとしては、メタン、エチレン、アセチレン、プロパン、ブタン、ヘキサン、ベンゼン、クロルベンゼン、トルエン等からなる群より選ばれた一以上のガスが挙げられる。 Examples of the hydrocarbon gas include one or more gases selected from the group consisting of methane, ethylene, acetylene, propane, butane, hexane, benzene, chlorobenzene, toluene, and the like.
請求項17記載の本発明は、前記請求項3記載のDLC膜の成膜方法について、パルスプラズマによるイオン注入プロセスと成膜プロセスとを用いて、基材の表面にチタンセラミック膜およびシリコンセラミック膜を介してDLC膜を成膜する方法であって、チタンセラミック膜形成用ガスとして有機チタンアルコシドを用い、基材にチタンを注入した後、基材表面にチタンセラミック膜を成膜し、次に、シリコンセラミック膜形成用ガスとしてシランカップリング用剤を用い、前記チタンセラミック膜中にシリコンを注入した後、前記チタンセラミック膜上にシリコンセラミック膜を成膜し、その後、DLC膜形成用ガスとして炭化水素系ガスを用い、前記シリコンセラミック膜に炭素を注入した後、前記シリコンセラミック膜上にDLC膜を成膜することを特徴とするものである。
The present invention according to claim 17 is the method for forming a DLC film according to
請求項18記載の本発明は、請求項16または請求項17記載のDLC膜の成膜方法について、パルスプラズマによるイオン注入プロセスおよび初期成膜段階での高電圧パルスの電圧を初期成膜段階以後の成膜段階における高電圧パルスの電圧よりも高く設定し、且つ前記高周波パルスと高電圧パルスの印加の繰り返し数を、前記初期成膜段階後の成膜段階でより多くすることを特徴とするものである。 The present invention described in claim 18 relates to the method for forming a DLC film according to claim 16 or claim 17, wherein the voltage of the high voltage pulse in the ion implantation process by the pulse plasma and the initial film formation stage is set after the initial film formation stage. The voltage is set higher than the voltage of the high voltage pulse in the film formation stage, and the repetition number of the application of the high frequency pulse and the high voltage pulse is increased in the film formation stage after the initial film formation stage. Is.
請求項19記載の本発明は、前記請求項16〜請求項18のうちのいずれか一項記載のDLC膜の成膜方法について、基材へのチタン注入前に窒素注入を行うことを特徴とするものである。 The present invention according to claim 19 is characterized in that in the method for forming a DLC film according to any one of claims 16 to 18, nitrogen is implanted before titanium is implanted into the substrate. To do.
請求項20記載の本発明は、前記請求項16〜請求項19のうちのいずれか一項記載のDLC膜の成膜方法について、有機チタンアルコシドが、テトライソプロポキシチタンであることを特徴とするものである。
The present invention according to
また、有機チタンアルコシドとして、前述したテトライソプロポキシチタンの他、テトラ−n−ブトキシチタン等も好適である。 In addition to the tetraisopropoxytitanium described above, tetra-n-butoxytitanium and the like are also suitable as the organic titanium alkoxide.
請求項21記載の本発明は、前記請求項16〜請求項20のうちのいずれか一項記載のDLC膜の成膜方法について、シランカップリング用剤がテトラメチルシランまたはヘキサメチルジシロキサンであることを特徴とするものである。
The present invention according to
請求項22記載の本発明は、基材の表面に、チタンセラミック膜を介してDLC膜が成膜されたDLC成膜物であって、基材中から基材表面にかけてチタンセラミック膜が傾斜状に成膜され、該チタンセラミック膜中からその表面にかけてDLC膜が傾斜状に成膜され、且つ前記基材から前記DLC膜にかけて炭素原子が傾斜状に存在するものである。
The present invention according to
請求項23記載の本発明は、前記請求項22記載のDLC成膜物について、チタンセラミック膜がTiOCXであることを特徴とするものである。 According to a twenty-third aspect of the present invention, in the DLC film-formed product according to the twenty-second aspect, the titanium ceramic film is TiOCx.
請求項24記載の本発明は、基材の表面に、チタンセラミック膜およびシリコンセラミック膜を介してDLC膜が成膜されたDLC成膜物であって、基材中から基材表面にかけてチタンセラミック膜が傾斜状に成膜され、該チタンセラミック膜中からその表面にかけてシリコンセラミック膜が傾斜状に成膜され、該シリコンセラミック膜中からその表面にかけてDLC膜が傾斜状に成膜され、且つ前記基材から前記DLC膜にかけて炭素原子が傾斜状に存在するものである。 The present invention according to claim 24 is a DLC film-formed product in which a DLC film is formed on a surface of a base material via a titanium ceramic film and a silicon ceramic film. A film is formed in an inclined shape, a silicon ceramic film is formed in an inclined shape from the titanium ceramic film to the surface thereof, a DLC film is formed in an inclined shape from the silicon ceramic film to the surface thereof, and Carbon atoms are present in an inclined manner from the substrate to the DLC film.
請求項25記載の本発明は、前記請求項24記載のDLC成膜物について、チタンセラミック膜がTiOCXであり、シリコンセラミック膜がSiOCXであることを特徴とするものである。 According to a twenty-fifth aspect of the present invention, the DLC film according to the twenty-fourth aspect is characterized in that the titanium ceramic film is TiOCx and the silicon ceramic film is SiOCx.
請求項26記載の本発明は、前記請求項22〜請求項25のうちのいずれか一項記載のDLC成膜物について、基材が銅、真鍮、高炭素鋼、浸炭鋼、マグネシウム合金またはアルミニウム合金であることを特徴とするものである。
The present invention according to claim 26 is the DLC film-formed product according to any one of
本発明に係るDLC膜の成膜方法は、基材の外形に沿って周囲に高密度の高周波パルスプラズマを発生させ、そのプラズマ中またはアフターグロープラズマ中に負の高電圧パルスを少なくとも1回印加し、且つこれら高周波パルスの印加と高電圧パルスの印加とを繰り返し行うことにより、基材に連続的にイオン注入およびDLC成膜を行うようにしたものであるため、従来のDLC成膜方法に比べて、効率的にDLC成膜が行え、また前記パルスプラズマを用いることにより、アルミニウム合金、亜鉛合金等の低融点合金へのDLC成膜も容易に行える。 The DLC film deposition method according to the present invention generates a high-density high-frequency pulse plasma around the outer shape of the substrate, and applies a negative high-voltage pulse at least once in the plasma or in the afterglow plasma. In addition, since the high frequency pulse and the high voltage pulse are repeatedly applied, ion implantation and DLC film formation are continuously performed on the base material. In comparison, the DLC film can be formed efficiently, and by using the pulse plasma, the DLC film can be easily formed on a low melting point alloy such as an aluminum alloy or a zinc alloy.
更に、本発明のDLC成膜方法によれば、基本的に基材を回転させることなく、しかも一つの装置で連続的にイオン注入および成膜が行えるため、従来のDLC成膜方法に比べて、作業能率を大幅に向上させることが可能となる。 Furthermore, according to the DLC film forming method of the present invention, ion implantation and film formation can be performed continuously with one apparatus without rotating the substrate, compared with the conventional DLC film forming method. As a result, work efficiency can be greatly improved.
この他、本発明のDLC成膜方法は、短パルスによるイオン注入および成膜であるため、凹所を有する基材であっても、ホローカソード現象が生じ難く、均一なDLC膜形成が行える。 In addition, since the DLC film formation method of the present invention is ion implantation and film formation by a short pulse, even a base material having a recess hardly causes a hollow cathode phenomenon and can form a uniform DLC film.
また、少なくともパルスプラズマ注入プロセスの後期から初期成膜段階の前期にかけて、不純物としてヘキサメチルジシロキサンを加える本発明のDLC成膜方法によれば、−C−Si−O−結合によって、DLC膜の基材への密着性を更に向上させることができる。 In addition, according to the DLC film forming method of the present invention in which hexamethyldisiloxane is added as an impurity at least from the latter stage of the pulse plasma injection process to the first stage of the initial film forming stage, the DLC film is formed by —C—Si—O— bonds. The adhesion to the substrate can be further improved.
この他、前記イオン注入用ガスとして、メタンガスを用いる前に窒素ガスを用いる本発明によれば、基材中への窒素原子の注入により、その後に注入される炭素原子の基材内方への拡散が有効に防止され得る。 In addition, according to the present invention in which nitrogen gas is used before the methane gas is used as the ion implantation gas, by injecting nitrogen atoms into the base material, carbon atoms subsequently injected into the base material Diffusion can be effectively prevented.
また、請求項1〜請求項13記載のDLC成膜方法によれば、基材とDLC膜との間に中間層を形成することなく、基材表面に直接、DLC膜を強固に形成することができ、しかも該DLC膜の残留応力も従来方法に比べて非常に低くすることが可能となるため、DLC膜が剥離し難い。 Moreover, according to the DLC film-forming method of Claims 1-13, forming a DLC film firmly directly on the base-material surface, without forming an intermediate | middle layer between a base-material and a DLC film. In addition, since the residual stress of the DLC film can be made very low as compared with the conventional method, the DLC film is hardly peeled off.
請求項14および請求項15記載のDLC成膜物は、基材の表面から所定深さまでに炭素原子が注入され、基材とDLC膜との界面には注入原子と炭素原子(DLC膜成分)との傾斜層が形成され、前記基材中の注入原子とDLC膜の炭素原子とが共有結合されており、且つDLC膜中の炭素原子が整列された構造であるため、前記共有結合によって、DLC膜の高密着性が得られ、且つ前記炭素原子の整列によって、DLC膜の残留応力が低下されることから、試作用金型や各種摺動部品等としての幅広い利用が期待できる。
In the DLC film according to claim 14 and
請求項16〜請求項21記載のDLC成膜方法によれば、特に鉄系金属へのDLC成膜を強固に行うことができ、また従来非常に困難とされた高炭素鋼、浸炭鋼、或いは銅、真鍮、マグネシウム合金等へのDLC成膜も容易且つ強固に行えるという格別の利点がある。 According to the DLC film forming method of claims 16 to 21, particularly DLC film formation on an iron-based metal can be performed firmly, and high carbon steel, carburized steel, or There is a special advantage that DLC film formation on copper, brass, magnesium alloy or the like can be performed easily and firmly.
請求項22〜請求項26記載のDLC成膜物によれば、基材に対して、チタンセラミック膜、或いは更にシリコンセラミック膜、そしてDLC膜が順次傾斜状に成膜されているため、基材に対するDLC膜の接着強度が非常に高い。
According to the DLC film-formed product of
また、請求項23および請求項25記載のDLC成膜物では、TiOCXやSiOCXという酸素の結合力を利用した強固なDLC膜の性能が期待できる。 Further, in the DLC film-formed product according to claim 23 and claim 25, a strong DLC film performance utilizing the bonding force of oxygen such as TiOCX and SiOCX can be expected.
次に、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
先ず、DLC膜の成膜を行う装置の構成について説明する。 First, the configuration of an apparatus for forming a DLC film will be described.
図1に示すように、DLC膜の成膜を行う装置は、基材1を収容するチャンバー2と、チャンバー2の下壁2aに接続されたガス供給用パイプ3と、ガス供給用パイプ3の先端寄り部分に取り付けられたガス導入用バルブ4と、チャンバー2の一側壁2bに接続された排気用パイプ5と、排気用パイプ5の先端寄り部分に取り付けられた排気用バルブ6と、チャンバー2の上壁10に取り付けられ、導体7を介して基材1に接続されたフィードスルー8と、フィードスルー8の上部に接続された後述する重畳装置9と、重畳装置9に接続されたプラズマ発生用電源11および高電圧パルス発生用電源12と、プラズマ発生用電源(高周波電源)11および高電圧パルス発生用電源12を制御するCPU13とを有する。
As shown in FIG. 1, an apparatus for forming a DLC film includes a
前記排気用パイプ5の基端側にはチャンバー2内を真空にするための真空装置14が接続されている。
A vacuum device 14 for evacuating the
前記ガス供給用パイプ3の基端側にはガス供給槽15が接続されており、ガス供給槽15内には後述するDLC成膜に必要な種々のガスが個別に貯蔵されている。また、ガス供給槽15からのガス供給はマスフローコントロール(図示せず)を用いて行う。
A
図2に示すように、重畳装置9は、フィードスルー8と高電圧パルス発生用電源12との間を結合すると共に、プラズマ発生用電源11と高電圧パルス発生用電源12との相互干渉を阻止する結合・相互干渉阻止回路16と、プラズマ発生用電源11と基材1とのインピーダンスを整合する整合回路部17とから構成されている。
As shown in FIG. 2, the superimposing
結合・相互干渉阻止回路部16は、高電圧パルスによりアーク放電を生じさせ、回路を導通するためのギャップG1、プラズマ発生用電源11からの高周波電力が高電圧パルス発生用電源12に影響するのを阻止するためのダイオードDおよびコイルL1、更に高電圧パルス発生用電源12の高電圧パルスが、プラズマ発生用電源11に影響しないようにするための抵抗Rおよび保護ギャップG2を有する。なお、前記ギャップG1は、パルス印加電圧が低い場合には、短絡して使用することがある。この重畳装置9における結合・相互干渉阻止回路部16は、ダイオードDのカソード側が高電圧パルス発生用電源12に接続されている。また、抵抗Rの非接地側端が同軸ケーブル18により、プラズマ発生用電源11に接続されている。また、前記ダイオードDは省略しても良い。
The coupling / mutual interference blocking circuit unit 16 causes arc discharge by a high voltage pulse, and the gap G1 for conducting the circuit and the high frequency power from the plasma generating power source 11 affect the high voltage pulse generating power source 12. The diode D and the coil L1 for preventing the high voltage pulse, and the resistor R and the protective gap G2 for preventing the high voltage pulse of the high voltage pulse generating power source 12 from affecting the plasma generating power source 11 are provided. The gap G1 may be short-circuited when the pulse application voltage is low. In the coupling / mutual interference blocking circuit unit 16 in the
整合回路部17は、共振用可変コンデンサC1と、インピーダンス変換用コンデンサC2と、高耐圧コンデンサC3と、コイルL2とから構成されている。前記コンデンサC2は前記抵抗Rに並列に接続されているので、非接地側端がやはり同軸ケーブル18により、プラズマ発生用電源11に接続されている。 The matching circuit unit 17 includes a resonance variable capacitor C1, an impedance conversion capacitor C2, a high voltage capacitor C3, and a coil L2. Since the capacitor C2 is connected in parallel with the resistor R, the non-grounded end is also connected to the plasma generating power supply 11 through the coaxial cable 18.
高耐圧コンデンサC3のギャップG1側における端子は、フィードスルー8および基材1側のギャップG1導体に接続されている。
The terminal on the gap G1 side of the high voltage capacitor C3 is connected to the
前記プラズマ発生用電源11は、CPU13による制御に基づいて基材1に高周波パルスを印加するものである。また高電圧パルス発生用電源12は、CPU13による制御に基づいて基材1に負の高電圧パルスを印加するものである。
The plasma generating power source 11 applies a high frequency pulse to the
(実施形態1) (Embodiment 1)
前述した成膜装置を用いて、亜鉛合金からなる基材1の表面にDLC成膜を行う場合の一実施形態を説明する。
An embodiment in which DLC film formation is performed on the surface of a
ステップ1: 先ず、真空装置14によりチャンバー2内を高真空状態とした後、該チャンバー2内にガス供給槽15よりアルゴンとメタンが50%ずつ混合されたガスを導入する。
Step 1: First, after the inside of the
次に、パルス幅25μsの高周波パルスを基材1に印加した後、その印加直後から65μsまでの間に、パルス幅5μsの高電圧パルスを10kVの電圧で基材1に一回印加する(図3参照)ことを約2000回/秒繰り返し、そして、この操作を約15分間行うことにより、基材1表面を調整する。
Next, after applying a high frequency pulse with a pulse width of 25 μs to the
ステップ2: 次に、ガス供給槽15よりチャンバー2内(真空度0.3Pa)に窒素ガスを導入する。
Step 2: Next, nitrogen gas is introduced into the chamber 2 (the degree of vacuum is 0.3 Pa) from the
その後、パルス幅25μsの高周波パルスを基材1に印加した後、その印加直後から65μsまでの間に、パルス幅5μsの高電圧パルスを20kVの電圧で基材1に一回印加することを約1000回/秒繰り返し、そして、この操作を約20分間行うことにより、基材1中の所定深さに窒素原子を注入する。
Then, after applying a high frequency pulse with a pulse width of 25 μs to the
ステップ3: 次に、ガス供給槽15よりチャンバー2内(真空度0.4Pa)にメタンガスを導入する。
Step 3: Next, methane gas is introduced into the chamber 2 (vacuum degree 0.4 Pa) from the
その後、パルス幅25μsの高周波パルスを基材1に印加した後、その印加直後から65μsまでの間に、パルス幅5μsの高電圧パルスを20kVの電圧で基材1に一回印加することを約1000回/秒繰り返し、そして、この操作を約30分間行うことにより、基材1中に先に注入された窒素原子の後に炭素原子を注入する。
Then, after applying a high frequency pulse with a pulse width of 25 μs to the
また、前記操作の終了10分前ごろからチャンバー2内にガス状とされたヘキサメチルジシロキサンを導入する。
In addition, about 10 minutes before the end of the operation, gaseous hexamethyldisiloxane is introduced into the
ステップ4の1: 次に、ガス供給槽15よりチャンバー2内(真空度0.4Pa)にアセチレンガスを導入する。
その後、パルス幅25μsの高周波パルスを基材1に印加した後、その印加直後から65μsまでの間に、パルス幅5μsの高電圧パルスを20kVの電圧で基材1に一回印加することを約1000回/秒繰り返し、そして、この操作を約30分間行うことにより、基材1表面に直鎖状炭素原子を衝突させて、そのイオン衝撃に伴う熱スパイク効果により、前記直鎖状炭素原子と前記ステップ3で基材1内に注入された炭素原子とを共有結合させる。
Then, after applying a high frequency pulse with a pulse width of 25 μs to the
また、本ステップの開始から約10分間ヘキサメチルジシロキサンを導入する。すなわち、ヘキサメチルジシロキサンは、前記ステップ3の終了10分前から本ステップの開始後10分間導入される。
In addition, hexamethyldisiloxane is introduced for about 10 minutes from the start of this step. That is, hexamethyldisiloxane is introduced for 10 minutes after the start of this step from 10 minutes before the end of
そして、このヘキサメチルジシロキサンの導入により、−C−Si−O−結合による基材と炭素原子との強固な結合が行われる。 And by the introduction of this hexamethyldisiloxane, a strong bond between the substrate and the carbon atom by the —C—Si—O— bond is performed.
ステップ4の2: その後、前記ステップ4の1と同様、ガス供給槽15よりチャンバー2内(真空度0.7Pa)にアセチレンガスを導入した上、パルス幅25μsの高周波パルスを印加すると共に、その印加直後から65μsまでの間に、パルス幅5μsの高電圧パルスを10kVの電圧で基材1に一回印加することを約2000回/秒繰り返し、そして、この操作を20分間行うことにより、基材1の表面にDLC成膜を行う。
Step 4-2: Subsequently, as in Step 4-1 above, acetylene gas was introduced into the chamber 2 (vacuum degree 0.7 Pa) from the
ステップ5: 次に、ガス供給槽15よりチャンバー2内(真空度0.9Pa)にアセチレンとトルエンとが50%ずつ混合されたガスを導入し、パルス幅25μsの高周波パルスを基材1に印加した後、その印加直後から65μsまでの間に、パルス幅5μsの高電圧パルスを10kVの電圧で基材1に一回印加することを約4000回/秒繰り返し、そして、この操作を3時間行うことにより、DLC膜を構成する炭素原子に適度のイオン衝撃を与えて炭素原子を整列させつつ、DLC膜の厚さを急速に増加させることにより、最終的に基材1表面に残留応力が少なく且つ厚い(10〜100μm)DLC膜を強固に成膜する。
Step 5: Next, a gas in which 50% of acetylene and toluene are mixed is introduced from the
本実施形態における前記各ステップでは、高周波パルスの印加直後から所定のタイミングで高電圧パルスを一回だけ印加したが、図4に示すように、高電圧パルスを複数回印加する場合もある。また、前記高電圧パルスの印加も高周波パルスの印加直後でなく、印加中に行うこともある。 In each step in the present embodiment, the high voltage pulse is applied only once at a predetermined timing immediately after the application of the high frequency pulse. However, as shown in FIG. 4, the high voltage pulse may be applied a plurality of times. Further, the application of the high voltage pulse may be performed during the application, not immediately after the application of the high frequency pulse.
〔評価試験〕 〔Evaluation test〕
スクラッチ試験: 亜鉛合金からなる板状の基材表面に、前記実施形態と同様のDLC成膜を行った試料について、スクラッチ速度10mm/min、負荷100N/min、ダイヤモンド針の先端半径0.2mmで実施したところ、図5に示すように、アコースティックエミッションの信号が増大する臨界荷重Lcは、10Nであった。この数値自体は高いものとは言えないが、当該スクラッチ試験後の試料表面をCCDカメラで観察したところ、試料表面のDLC膜は試料の基材表面から剥離せずに削り取られた状態となっており、DLC膜が強固に基材表面に密着していることが認められた。したがって、前記測定した臨界荷重の数値が高くなかったのは、試料の基材が柔らかい亜鉛合金であったため、当該スクラッチ試験の際、基材自体が変形した結果であると考えられる。 Scratch test: A sample in which a DLC film was formed on the surface of a plate-like base material made of a zinc alloy in the same manner as in the above embodiment, at a scratch speed of 10 mm / min, a load of 100 N / min, and a tip radius of the diamond needle of 0.2 mm As a result, as shown in FIG. 5, the critical load Lc at which the acoustic emission signal increases was 10N. Although this numerical value itself is not high, when the surface of the sample after the scratch test was observed with a CCD camera, the DLC film on the surface of the sample was scraped without peeling off from the surface of the sample substrate. It was confirmed that the DLC film was firmly adhered to the substrate surface. Therefore, the reason why the measured critical load value was not high is considered to be a result of deformation of the substrate itself during the scratch test because the sample substrate was a soft zinc alloy.
膜厚試験: 亜鉛合金からなる板状の基材表面の一部に、ポリイミドフィルムテープ(商品名:カプトン)を貼着し、前記実施形態と同様にDLC成膜を行った試料について、前記テープが貼着されてDLC成膜がなされなかった部分とそれ以外のDLC成膜がなされた部分との段差を段差計により測定したところ、図6に示すように、数μmの厚いDLC膜が測定された。 Film thickness test: A polyimide film tape (trade name: Kapton) was adhered to a part of the surface of a plate-shaped substrate made of a zinc alloy, and the tape was subjected to DLC film formation in the same manner as in the above embodiment. As shown in FIG. 6, a thick DLC film with a thickness of several μm was measured when the level difference between the part where the DLC film was deposited and the other part where the DLC film was formed was measured with a step gauge. It was done.
前記スクラッチ試験および膜圧試験の結果から、前記実施形態におけるパルスプラズマイオン注入プロセスおよび初期成膜段階では、高いイオンエネルギーによって、基材中にイオンを注入すると共に基材とDLC膜との界面に、イオン衝突に伴う加熱により注入原子とDLC膜を構成する炭素原子との傾斜層が形成され、成膜プロセスの初期成膜段階以後においては、それ以前よりも低下したイオンエネルギーの衝撃に伴う熱スパイクにより残留応力を抑制した高速成膜が行なわれ、最終的に図7のような構造のDLC成膜が行われたものと考えられる。 From the results of the scratch test and the film pressure test, in the pulse plasma ion implantation process and the initial film formation stage in the above embodiment, ions are implanted into the substrate with high ion energy and at the interface between the substrate and the DLC film. In addition, a gradient layer of implanted atoms and carbon atoms constituting the DLC film is formed by heating accompanying ion collision. After the initial film-forming stage of the film-forming process, the heat generated by the impact of ion energy that is lower than before is obtained. It is considered that the high-speed film formation in which the residual stress was suppressed by the spike was performed, and the DLC film formation having a structure as shown in FIG. 7 was finally performed.
残留応力試験: 石英ガラスからなる短冊状の基材をホルダーで支持し、前記実施形態と同様の成膜装置を用いて、アセチレンガスとトルエンガスによるパルスプラズマを用いてDLC成膜を行った試料について、片持ち梁法により残留応力を計測した。 Residual stress test: Sample in which a DLC film was formed using pulsed plasma of acetylene gas and toluene gas using a film forming apparatus similar to that of the above embodiment, with a strip-shaped substrate made of quartz glass supported by a holder. The residual stress was measured by the cantilever method.
具体的には、図8に示すように、試料21を湾曲させて残留応力を計測したが、この場合、試料21の表面におけるDLC膜22が凸弧状に変形されるため、圧縮応力を計測することとなる。
Specifically, as shown in FIG. 8, the residual stress was measured by bending the
そして、前記残力応力試験の結果は図9に示した通りであり、トルエンガスを用いたDLC膜の残留応力は、高電圧パルスの設定電圧の変化に影響され難く、残留応力値は大体0.35GPa程度であり、また、アセチレンガスを用いたDLC成膜の残留応力は、高電圧パルスの設定電圧を高くするほど減少することが認められ、設定電圧を15kVにした場合には、大体0.2GPa程度まで低下した。これは、従来の化学蒸着法(CVD)や物理的蒸着法(PVD)によって得られたDLC膜の残量応力が10GPa以上であることから、前記試験結果による残留応力は、10分の1以下と言える。 The result of the residual stress test is as shown in FIG. 9. The residual stress of the DLC film using toluene gas is hardly affected by the change in the set voltage of the high voltage pulse, and the residual stress value is approximately 0. It is recognized that the residual stress of the DLC film formation using acetylene gas decreases as the set voltage of the high voltage pulse is increased. When the set voltage is set to 15 kV, the residual stress is approximately 0. It decreased to about 2 GPa. This is because the residual stress of the DLC film obtained by the conventional chemical vapor deposition method (CVD) or physical vapor deposition method (PVD) is 10 GPa or more, and the residual stress according to the test result is 1/10 or less. It can be said.
(実施形態2) (Embodiment 2)
本実施形態は、高炭素鋼、浸炭鋼等の鉄系金属、或いは銅、真鍮、マグネシウム合金等からなる基材の表面にDLC膜を成膜するものである。 In the present embodiment, a DLC film is formed on the surface of a base material made of iron-based metal such as high carbon steel or carburized steel, or copper, brass, magnesium alloy or the like.
ステップ1: 先ず、真空装置14によりチャンバー2内を真空状態とした後、該チャンバー2内にガス供給槽15よりアルゴンと水素との混合ガスを導入する。
Step 1: First, after the
その後、パルス幅100μsの高周波パルスを基材1に印加した後、その印加直後から50μsまでの間に、パルス幅10μsの高電圧パルスを10kvの電圧で基材1に一回印加する(図3参照)ことを約2000回/秒繰り返し、そして、この操作を約30分間行うことにより、基材1表面の調整を行った。
Thereafter, a high frequency pulse having a pulse width of 100 μs is applied to the
ステップ2の1: 次に、ガス供給槽15よりチャンバー2内にメタンガスをキャリアガスとしてテトライソプロポキシチタンを導入した。
その後、パルス幅30μsの高周波パルスを基材1に印加した後、その印加直後から40μsまでの間に、パルス幅10μsの高電圧パルスを15kvの電圧で基材1に一回印加する(図3参照)ことを約1000回/秒繰り返し、そして、この操作を約30分間行った。
Thereafter, a high frequency pulse having a pulse width of 30 μs is applied to the
ステップ2の2: 次に、前記ステップ2の1と同様に、ガス供給槽15よりチャンバー2内にメタンガスをキャリアガスとしてテトライソプロポキシチタンを導入した。
Step 2-2: Next, similarly to Step 2-1 above, tetraisopropoxytitanium was introduced from the
その後、パルス幅30μsの高周波パルスを基材1に印加した後、その印加直後から100μsまでの間に、パルス幅10μsの高電圧パルスを10kvの電圧で基材1に一回印加する(図3参照)ことを約2000回/秒繰り返し、そして、この操作を約50分間行った。
Thereafter, a high frequency pulse having a pulse width of 30 μs is applied to the
ステップ3の1: 次に、ガス供給槽15よりチャンバー2内に、ヘキサメチルジシロキサンと水素との混合ガスを導入した。
その後、パルス幅30μsの高周波パルスを基材1に印加した後、その印加直後から40μsまでの間に、パルス幅3μsの高電圧パルスを20kvの電圧で基材1に一回印加する(図3参照)ことを約1000回/秒繰り返し、そして、この操作を約30分間行った。
Thereafter, a high frequency pulse having a pulse width of 30 μs is applied to the
ステップ3の2: 次に、ガス供給槽15よりチャンバー2内に、ヘキサメチルジシロキサンとメタンおよびアセチレンの混合ガスを導入した。
Step 3-2: Next, a mixed gas of hexamethyldisiloxane, methane and acetylene was introduced into the
その後、パルス幅30μsの高周波パルスを基材1に印加した後、その印加直後から40μsまでの間に、パルス幅10μsの高電圧パルスを5kvの電圧で基材1に一回印加する(図3参照)ことを約2000回/秒繰り返し、そして、この操作を約50分間行った。
Thereafter, a high frequency pulse having a pulse width of 30 μs is applied to the
ステップ4の1: 前記ステップ3の2と並行して、ガス供給槽15よりチャンバー2内に、トルエンとメタンおよびアセチレンの混合ガスを導入した。
その後、パルス幅30μsの高周波パルスを基材1に印加した後、その印加直後から100μsまでの間に、パルス幅10μsの高電圧パルスを15kvの電圧で基材1に一回印加する(図3参照)ことを約4000回/秒繰り返し、そして、この操作を約30分間行った。
Thereafter, a high frequency pulse having a pulse width of 30 μs is applied to the
ステップ4の2: その後、高電圧パルスの印加電圧を10kvに下げて、前記ステップ4の1と同様の操作を約60分間行った。 Step 4-2: Thereafter, the application voltage of the high voltage pulse was lowered to 10 kv, and the same operation as in Step 4-1 was performed for about 60 minutes.
本実施形態における前記各ステップでは、高周波パルスの印加直後から所定のタイミングで高電圧パルスを一回だけ印加したが、図4に示すように、高電圧パルスを複数回印加する場合もある。また、前記高電圧パルスの印加も高周波パルスの印加直後でなく、印加中に行うこともある。 In each step in the present embodiment, the high voltage pulse is applied only once at a predetermined timing immediately after the application of the high frequency pulse. However, as shown in FIG. 4, the high voltage pulse may be applied a plurality of times. Further, the application of the high voltage pulse may be performed during the application, not immediately after the application of the high frequency pulse.
また、本実施形態において、各ステップの時間は、任意に変更されるものであり、各ステップは、チャンバー2内で単独で行われる場合もあるし、前後のステップが並行して行われることもある。これらは、最終的に得られるDLC成膜物の所望の傾斜構造に対応するものである。
Moreover, in this embodiment, the time of each step is arbitrarily changed, and each step may be performed independently in the
本実施形態によれば、図12に示すように、基材の表面調整の後、先ず基材にチタンが注入されると共に、基材表面にチタンセラミック膜が傾斜状に成膜され、次にシリコンが注入されると共にシリコンセラミック膜が傾斜状に成膜され、最終的に炭素が注入されると共にDLC膜が傾斜状に成膜され、また基材から前記DLC膜にかけて炭素が傾斜状に存在している。従って、DLC成膜物全体としては、前述したアナログ的な傾斜構造となっているため、最終的に基材に対して密着強度の高いDLC成膜が行われる。 According to this embodiment, as shown in FIG. 12, after the surface adjustment of the base material, titanium is first injected into the base material, and a titanium ceramic film is formed on the base material surface in an inclined manner, When silicon is injected, a silicon ceramic film is formed in an inclined shape, finally carbon is injected and a DLC film is formed in an inclined shape, and carbon exists in an inclined shape from the base material to the DLC film. is doing. Accordingly, since the DLC film as a whole has the above-described analog inclined structure, DLC film with high adhesion strength is finally formed on the substrate.
本実施形態では、ステップ4によるDLC成膜の前に、ステップ3において、ヘキサメチルジシロキサンを用いたシリコンの注入およびシリコンセラミック膜の成膜を行ったが、該ステップ3を省略し、ステップ2の後にステップ4を行うこともある。
In this embodiment, before the DLC film formation in
この場合でも、図13に示すように、アルミニウム合金製の基材について、その深さ方向の元素分析を行ったが、炭素、酸素、チタン、酸素等がそれぞれ前述した傾斜構造を裏付けるような形で分布している。 Even in this case, as shown in FIG. 13, the elemental analysis in the depth direction was performed on the base material made of aluminum alloy. However, the shape in which carbon, oxygen, titanium, oxygen, etc. each support the above-described inclined structure. Distributed by.
[評価試験] [Evaluation test]
本実施形態に関し、銅および真鍮を基材としたDLC成膜物について、その密着強度を調べるため、スクラッチ試験を実施した結果、臨界荷重Lcは、銅では10N、真鍮では12Nであった。超硬合金等の硬質基材におけるDLC成膜等に比べると、数値的には高くないが、基材が軟質金属である銅や真鍮であることから、密着強度としては十分な臨界荷重の数値であると言える。 With respect to the present embodiment, as a result of conducting a scratch test to examine the adhesion strength of the DLC film-formed material based on copper and brass, the critical load Lc was 10N for copper and 12N for brass. Compared to DLC film formation on hard base materials such as cemented carbide, it is not numerically high, but since the base material is copper or brass, which is a soft metal, numerical values of sufficient critical load as adhesion strength It can be said that.
また、真鍮を基材としたDLC成膜物について、膜剥離試験を実施した結果、図14に示すように、チタンセラミック膜を介さずにDLC膜を基材に直接成膜したDLC成膜物の場合、中央の圧痕からその周辺にかけてDLC膜が基材に追従できず、広範囲で剥離が発生した。一方、チタンセラミック膜を介してDLC膜を成膜した本発明のものでは、図15に示すように、中央の圧痕の周縁で細かいひび割れが発生しただけで、前記のようなDLC膜自体の剥離はなく、基材にDLC膜が十分に密着していることが確認された。 Further, as a result of performing a film peeling test on a DLC film-formed product based on brass, as shown in FIG. 14, a DLC film-formed material obtained by directly forming a DLC film on a base material without using a titanium ceramic film. In this case, the DLC film could not follow the substrate from the central indentation to the periphery thereof, and peeling occurred in a wide range. On the other hand, in the present invention in which the DLC film is formed through the titanium ceramic film, as shown in FIG. 15, only the fine crack is generated at the periphery of the central indentation, and the DLC film itself is peeled off. It was confirmed that the DLC film was sufficiently adhered to the substrate.
1: 基材
2: チャンバー
7: 導体
8: フィードスルー
9: 重畳装置
11: プラズマ発生用電源
12: 高電圧パルス発生用電源
13: CPU
14: 真空装置
15: ガス供給槽
1: Substrate 2: Chamber 7: Conductor 8: Feedthrough 9: Superimposing device 11: Power source for generating plasma 12: Power source for generating high voltage pulse 13: CPU
14: Vacuum device 15: Gas supply tank
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