JP2002088465A

JP2002088465A - 金属基材への硬質炭素膜の成膜方法

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Publication number: JP2002088465A
Application number: JP2000275444A
Authority: JP
Inventors: Osamu Yamada; 修山田; Takashi Hirao; 孝平尾
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-09-11
Filing date: 2000-09-11
Publication date: 2002-03-27

Abstract

(57)【要約】【課題】金属基材３０と硬質炭素膜（ＤＬＣ）３３との
密着性の向上と、基材を硬化させることで、硬質炭素膜
の保護膜としての効果をより高める。【解決手段】ボンバード時において、不活性ガスに窒素
ガスを添加することで、ボンバードと同時に窒化物処理
を行い金属基材３０の硬化を行う。また、中間層３１も
窒化物を生成可能な金属を用い、窒素を介して金属基材
３０と中間層３１の結合を図り、密着性の向上を図る。
中間層３１と硬質炭素膜（ＤＬＣ）３３との間には傾斜
構造体32を形成してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属基材上にダイ
アモンドライクカーボン（ＤＬＣ）と呼ばれる硬質炭素
膜を成膜するための方法に関する。特に、磁気ディスク
記録装置、光ディスク記録装置に用いられるスピンドル
モータの動圧軸受けの摺動部品における耐摩耗性を向上
させるための、炭素硬質膜の成膜技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】硬質炭素膜（ＤＬＣ）は非常に硬度が高
いため、摩耗に強く、また、自己潤滑性に富み、表面粗
さも非常に小さくため、摩擦係数が非常に少ない。さら
に、物質的に安定であり、化学的な耐久性も高い。その
ため、磁気ディスク記録装置の記録面および記録ヘッド
表面やスピンドルモータの軸受け摺動部においる保護膜
として有望視されている。

【０００３】例えば、特開平11-125243号公報では、ECR
プラズマＣＶＤ装置を用いて、動圧軸受の回転軸および
軸受に硬質炭素膜を成膜している。その中で、硬質炭素
膜は、高硬度で耐摩耗性が高く、潤滑性が高いために、
モータの起動時の負荷を低減できることが記載されてい
る。しかし、硬質炭素膜は金属基材に対して基本的に密
着性が悪く、剥離等の問題を抱えている。特に、動圧軸
受の基材には、加工性の面から、アルミニウム、真鍮、
ステンレス等が用いられており、これらの金属は、硬質
炭素膜との密着性が良好でないものが多い。

【０００４】また、硬質炭素膜の密着性を改善する例と
して、特開平10-203896号公報では、基材と硬質炭素膜
の間に2層以上の中間層を成膜する方法、中間層と硬質
炭素膜の間に中間層の金属と硬質炭素膜の炭素の比率が
段階的に変化する層を成膜する方法、さらに、基材と中
間層の境界面を無くするイオン注入やイオンミキシング
法等が用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】硬質炭素膜膜は、基本
的にアルミニウム、真鍮、ステンレス等に直接成膜する
と密着性が良好でなく、中間層を成膜することで密着性
を改善している。しかし、中間層が１層の場合は密着性
が十分ではなく、２層以上の中間層を用いる場合や，イ
オン注入や，イオンミキシング法等は、磁気ディスク記
録装置や光ディスク装置等の動圧軸受け等においては、
コストの面から用いることは難しい。

【０００６】また、これらの金属は硬質炭素膜の基材と
して、十分な硬度とは言えない。例えば、硬質炭素膜の
一点に集中的荷重を受けた場合、基材そのものが塑性変
形を起こし、傷等が発生しやすく、保護膜としての機能
を十分に果たせない。

【０００７】そこで、本発明は、一般のＰＶＤ装置を用
いて、従来の成膜プロセスを変更することで、基材と中
間層、および、中間層と硬質炭素膜膜との密着性の向上
を図り、さらに、基材を硬化させることで硬質炭素膜の
保護膜としての機能をより高めることを目的としたもの
である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の金属基材への硬質炭素膜の成膜方法（第1
番目の方法）は、真空曹内部にプラズマを発生可能なＰ
ＶＤ（Pyhysical VaporDeposition）装置により、窒素
化合物を生成可能な金属を含む金属基材上に、硬質炭素
膜の成膜を行うに際して、前記真空曹内部の不活性ガス
と窒素ガスを混合し、予め基材を窒化可能な温度まで加
熱する第1の工程と、バイアス電圧を基材に印加し、前
記真空曹内部にプラズマを発生させ、同プラズマ中の不
活性ガスイオンと窒素イオンにより、前記金属基材表面
へのボンバードと窒化処理を行う第２の工程と、その
後、前記硬質炭膜膜を成膜する第３の工程とを含むこと
を特徴とする。

【０００９】前記方法においては、前記第2の工程と第3
の工程の間に、さらに、窒素化合物を生成可能な金属を
含む中間層を形成することが好ましい（以下第２番目の
方法）。

【００１０】次に本発明の第３番目の方法は、真空曹内
部にプラズマを発生可能なＰＶＤ装置により、金属基材
上に中間層を介して、硬質炭素膜の成膜を行うに際し
て、真空曹内部にプラズマを発生させ、蒸発源より前記
中間層の成膜粒子を蒸発させ、前記金属基材に印加する
バイアス電圧を制御して、前記金属基材の表面に前記成
膜粒子による前記中間層の成膜と不活性ガスおよび成膜
粒子のスパッタと注入を同時に行う第１の工程と、前記
バイアス電圧の電圧を段階的に下げて、前記金属基材の
表層に成膜粒子による中間層の成膜を行う第２の工程
と、中間層の表面に硬質炭素膜を成膜する第３の工程と
を含むことを特徴とする。

【００１１】次に本発明の第４番目の方法は、真空曹内
部にプラズマを発生可能なＰＶＤ装置により、窒素化合
物を生成可能な金属を含む金属基材上に、前記中間層を
介して硬質炭素膜の成膜を行うに際して、前記真空曹内
部の不活性ガスと窒素ガスを混合し、予め基材を窒化可
能な温度まで加熱する第1の工程とバイアス電圧を基材
に印加し、前記真空曹内部にプラズマを発生させ、同プ
ラズマ中の不活性ガスイオンと窒素イオンにより、前記
金属基材表面へのボンバードと窒化処理を行う第２の工
程と、蒸発源より前記中間層の成膜粒子を蒸発させ、前
記金属基材に印加するバイアス電圧を制御して、前記金
属基材の表面に前記成膜粒子による、中間層の成膜と不
活性ガスおよび成膜粒子のスパッタと注入を同時に行う
第３の工程と、前記バイアス電圧の電圧を段階的に下げ
て、前記金属基材の表層に成膜粒子による中間層の成膜
作用を行う第４の工程と、中間層の表面に硬質炭素膜を
成膜する第５の工程とを含むことを特徴とする。

【００１２】前記方法においては、中間層が窒素化合物
を生成可能な金属を含むことが好ましい（以下第５番目
の方法）。

【００１３】次に本発明の第６番目の方法は、真空曹内
部にプラズマが発生可能なＰＶＤ装置により、金属基材
上に中間層と、前記中間層の金属と硬質炭素の比率が段
階的に変化する傾斜構造層を介して、硬質炭素膜の成膜
を行うに際して、前記真空曹内部に不活性ガスを導入し
をプラズマを発生させ、第１の蒸発源より前記中間層の
成膜粒子を蒸発させ、前記中間層の成膜を行う第１の工
程と、成膜時間により段階的に前記中間層の成膜粒子の
蒸発量を減少させると同時に第２の蒸発源より前記硬質
炭素膜の成膜粒子の蒸発量を増加させ、前記傾斜構層を
成膜する第２の工程と、前記中間層の成膜粒子の蒸発が
停止した後に、前記真空曹内部に窒素ガスを導入し、前
記不活性ガスと混合させ、硬質炭素膜を成膜する第３の
工程とを含むことを特徴とする。

【００１４】次に本発明の第７番目の方法は、真空曹内
部にプラズマが発生可能なＰＶＤ装置により、金属基材
上に中間層と、前記中間層の金属と硬質炭素の比率が段
階的に変化する傾斜構造層を介して、硬質炭素膜の成膜
を行うに際して、真空曹内部にプラズマを発生させ、蒸
発源より前記中間層の成膜粒子を蒸発させ、前記金属基
材に印加するバイアス電圧を制御して、前記金属基材の
表面に前記成膜粒子による前記中間層の成膜と不活性ガ
スおよび成膜粒子のスパッタと注入を同時に行う第１の
工程と、前記バイアス電圧の電圧を段階的に下げて、前
記金属基材の表層に成膜粒子による中間層の成膜を行う
第２の工程と、成膜時間により段階的に前記中間層の成
膜粒子の蒸発量を減少させると同時に、第２の蒸発源よ
り前記硬質炭素膜の成膜粒子の蒸発量を増加させ、前記
傾斜構層を成膜する第３の工程と、前記中間層の成膜粒
子の蒸発が停止した後に、前記真空曹内部に窒素ガスを
導入し、前記不活性ガスと混合させ、硬質炭素膜を成膜
する第４の工程とを含むことを特徴とする。

【００１５】次に本発明の第８番目の方法は、真空曹内
部にプラズマが発生可能なＰＶＤ装置により、窒素化合
物を生成可能な金属を含む金属基材上に、中間層と、中
間層の金属と硬質炭素の比率が段階的に変化する傾斜構
造層を介して、硬質炭素膜の成膜を行うに際して、前記
真空曹内部の不活性ガスと窒素ガスを混合し、予め基材
を窒化可能な温度まで加熱する第1の工程とバイアス電
圧を基材に印加し、前記真空曹内部にプラズマを発生さ
せ、同プラズマ中の不活性ガスイオンと窒素イオンによ
り、前記金属基材表面へのボンバードと窒化処理を行う
第２の工程と、蒸発源より前記中間層の成膜粒子を蒸発
させ、前記金属基材に印加するバイアス電圧を制御し
て、前記金属基材の表面に前記成膜粒子による、中間層
の成膜と不活性ガスおよび成膜粒子のスパッタと注入を
同時に行う第３の工程と、前記バイアス電圧の電圧を段
階的に下げて、前記金属基材の表層に成膜粒子による中
間層の成膜作用を行う第４の工程と、成膜時間により段
階的に前記中間層の成膜粒子の蒸発量を減少させると同
時に、第２の蒸発源より前記硬質炭素膜の成膜粒子の蒸
発量を増加させ、前記傾斜構層を成膜する第５の工程
と、前記中間層の成膜粒子の蒸発が停止した後に、前記
真空曹内部に窒素ガスを導入し、前記不活性ガスと混合
させ、硬質炭素膜を成膜する第６の工程とを含むことを
特徴とする。

【００１６】前記方法においては、中間層が窒素化合物
を生成可能な金属を含むことが好ましい（以下第９番目
の方法）。

【００１７】

【発明の実施形態】本発明によれば、ＰＶＤ装置を用い
た、金属基材上へ中間層と傾斜構造層と硬質炭素膜の成
膜法において、密着性の高い硬質炭素膜の成膜と金属基
材の硬化を同時に行うことができる。

【００１８】本発明の第1番目の方法は、不活性ガスと
窒素ガスを混合させてボンバードを行うことにより、基
材のクリーニングと同時に窒化を行い、基材の硬度を高
くし、炭素系保護膜の耐摩耗性の効果を高める作用を有
する。

【００１９】本発明の第2番目の方法は、不活性ガスと
窒素ガスを混合させてボンバードを行うことにより、基
材のクリーニングと同時に窒化を行い、基材の硬度を高
くし、炭素系保護膜の耐摩耗性の効果を高める作用を有
する。さらに、中間層が窒化物を生成可能な金属を含む
ため、窒素を介して中間層と基材との結合を図ること
で、密着性を高める作用を有する。

【００２０】本発明の第3番目の方法は、不活性ガスイ
オンおよび中間層の成膜粒子イオンにより、基材表面お
よび中間層のスパッタ作用およびイオンの注入を起こ
し、基材と中間層との界面の拡散を促進し、密着性を高
める作用を有する。

【００２１】本発明の第4番目の方法は、不活性ガスと
窒素ガスを混合させてボンバードを行うことで、基材の
クリーニングと同時に窒化を図ることで基材の硬度を高
くし、炭素系保護膜の耐摩耗性の効果を高める作用を有
する。さらに、不活性ガスイオンおよび中間層の成膜粒
子イオンにより、基材表面および中間層のスパッタ作用
およびイオンの注入が起こり、基材と中間層との界面の
拡散を促進し、密着性を高める作用を有する。

【００２２】本発明の第5番目の方法は、前記第4番目の
方法において、中間層が窒素化合物を生成可能な金属を
含むことで、不活性ガスと窒素ガスを混合させてボンバ
ードを行い、基材のクリーニングと同時に窒化を行うこ
とができる。これにより、基材の硬度を高くし、炭素系
保護膜の耐摩耗性の効果を高める作用を有する。また、
不活性ガスイオンおよび中間層の成膜粒子イオンによ
り、基材表面および中間層のスパッタ作用およびイオン
の注入が起こり、基材と中間層との界面の拡散を促進
し、密着性を高める作用を有する。さらに、中間層が窒
化物を生成可能な金属を含むため、窒素を介して中間層
と基材との結合を図ることで、密着性を高める作用を有
する。

【００２３】本発明の第6番目の方法は、傾斜構造層と
炭素系保護膜の密着性を高くする作用を有する。

【００２４】本発明の第7番目の方法は、不活性ガスイ
オンおよび中間層の成膜粒子イオンにより、基材表面お
よび中間層のスパッタ作用およびイオンの注入が起こ
り、基材と中間層との界面の拡散を促進し、密着性を高
める作用を有する。さらに、傾斜構造層と炭素系保護膜
の密着性を高くする作用を有する。

【００２５】本発明の第8番目の方法は、不活性ガスと
窒素ガスを混合させてボンバードを行うことで、基材の
クリーニングと同時に窒化を図ることで基材の硬度を高
くし、炭素系保護膜の耐摩耗性の効果を高める作用を有
するものである。さらに、不活性ガスイオンおよび中間
層の成膜粒子イオンにより、基材表面および中間層のス
パッタ作用およびイオンの注入が起こり、基材と中間層
との界面の拡散を促進し、密着性を高める作用を有す
る。また、傾斜構造層と炭素系保護膜の密着性を高くす
る作用を有する。

【００２６】本発明の第9番目の方法は、不活性ガスと
窒素ガスを混合させてボンバードを行うことにより、基
材のクリーニングと同時に窒化を図り、基材の硬度を高
くし、炭素系保護膜の耐摩耗性の効果を高める作用を有
する。さらに、不活性ガスイオンおよび中間層の成膜粒
子イオンにより、基材表面および中間層のスパッタ作用
およびイオンの注入が起こり、基材と中間層との界面の
拡散を促進し、密着性を高める作用を有する。また、傾
斜構造層と炭素系保護膜の密着性を高くする作用を有す
る。また、中間層が窒化物を生成可能な金属を含むた
め、窒素を介して中間層と基材との結合を図ることで、
密着性を高める作用を有する。

【００２７】本発明において、中間層の好ましい膜厚は
１００〜５００nmの範囲であり、このうち傾斜構造膜が
存在する場合、その好ましい膜厚は１００〜１０００nm
の範囲であり、硬質炭素膜の好ましい膜厚は１００〜４
０００nmの範囲である。

【００２８】以下に、本発明の実施形態を図１から図６
を用いて説明する。また、本発明に用いる成膜用装置と
しては、スパッタ装置、イオンプレーティング装置等を
用いることができるが、以下実施の形態１から３には、
非平衡型マグネトロンスパッタリング装置を用いた例に
ついて説明する。

【００２９】（実施の形態１）本発明の第１番目の方法
および第２番目の方法に関する第１の実施形態につい
て、図１から図４を用いて説明する。

【００３０】まず、装置の概略について説明する。図３
に示す装置は、本発明に用いる非平衡マグネトロンスパ
ッタリング装置の概略を示す。図４は蒸発源および周辺
の詳細を示す。排気するための排気口１を備えた真空槽
２と、この真空槽２内の所定の位置の４個所に配置され
た蒸発源３と、蒸発源３に接続されたスパッタ用電源２
２と、スパッタ放電用ガスの導入口５と、不活性ガスと
窒素および水素等の流入ガス量を調整する調整用バルブ
６と、回転テーブル８上の所定位置に、ワーク７を保持
し、バイアス電源９よりバイアス電圧を印可するための
ワークホルダー１０を備えている。

【００３１】蒸発源３および４は全部で４個あり、蒸発
源３には、中間層に用いる金属からなるターゲット１２
を設置し、それ以外の蒸発源４には硬質炭素膜の成膜用
の炭素からなるターゲット１２を設置する。中間層の蒸
発源３と炭素の蒸発源４の個数は、１個対３個になって
いるが、中間層の成膜レートが遅い場合や、中間層の膜
厚を厚く成膜する場合は、中間層の蒸発源の割合を増や
してもよい。

【００３２】蒸発源３および４は、非平衡型マグネトロ
ンスパッタ型で、スパッタ用電極１１と、ターゲット１
２と、マグネット１３、１４からなる。また、蒸発源３
および４は、ボンバード時にプラズマを発生させるため
の熱陰極としてのフィラメント１８と、それに接続され
たフィラメント用電源１６および加熱用電源１７を有
し、また、ボンバード時にターゲットを保護するシャッ
ター１８を備えている。

【００３３】磁力線２３は、マグネット１３とマグネッ
ト１４が相対的な磁力が非平衡となっており、また、補
助磁極１５を真空槽２内の蒸発源３および４の間で、回
転テーブル９の近傍に配置することで、ワーク７近くま
で伸ばすことが可能となり、ワーク７近傍のイオン密度
を高くすることができる。これにより、ワーク７の基材
表面および成膜表面を、イオンにより叩き、ボンバード
作用の促進および緻密な成膜等が可能となる。

【００３４】次に工程について説明する。図２は、工程
の流れと各工程での温度、ガス濃度、フィラメントの電
圧を示す。また、図１に成膜断面図を示す。ここで、基
材３０は、ワーク７の成膜を行なう部分の下地である。

【００３５】まず、真空槽２の内部のワークホルダー１
０に、通常の真空装置成膜用の洗浄を行ったワーク７を
設置する。ワーク７の基材３０として、アルミ合金、ス
テンレス、ＳＫ等の窒化可能な金属を含む物質が使用で
きる。

【００３６】次に、排気口１より排気を行い、真空槽内
２の圧力を所定の初期到達圧力１．３３×１０^-3Paまで
減圧する。減圧後、ヒータ２０により、真空曹２内部を
４００℃から５００℃に加熱して洗浄を行う。その後、
回転テーブル９を回転させ、ガス導入口５より調整用バ
ルブ６を調整して不活性ガスであるアルゴンガスと窒素
ガスを所定の比率に混合させながら真空曹内部に導入
し、真空度が、４．３９×１０^-1Paになるようにする。
ここで、アルゴンと窒素の混合ガスを用いているのは、
窒素ガスのスパッタ効果がアルゴンに比べて、約１０分
の１程の効果しかなく、窒素ガスのみでボンバードする
場合は、アルゴンガスのみの場合に比較して、１０倍程
の時間を要する。そこで、アルゴンガスと窒素ガスに混
合することで、ボンバードの時間の短縮を図る。また、
ボンバード中は、ターゲット１２を保護するためシャッ
ター１９により遮断をしておく。

【００３７】その後、ヒータ２０を用いて、温度モニタ
ー２１によるフィードバック制御をしながら、ボンバー
ド時の設定温度になるまで加熱する。この温度は、ワー
ク７の窒化可能な温度以上であり、かつ、ワーク７の加
熱後の変形が、必要な寸法精度を確保できる温度以下で
ある必要があり、事前に確認をして設定する。ステンレ
スの場合、約３００℃以上から５５０℃以下が望まし
い。加熱完了後、フィラメント１８を加熱し、さらにフ
ィラメント電源１６より負電圧を印可することで、真空
曹２内部にプラズマを発生させる。また、ワーク７を保
持しているワークホルダー１０にバイアス電圧として約
−３００〜−１０００Ｖ程度の負電圧を印可する。これ
により、基材３０近傍のアルゴンイオンおよび窒素イオ
ンが、バイアス電圧により加速され、基材３０の表面に
衝突し不純物や酸化膜を叩き出すことで、活性状態の高
い金属基材表面を露出させる。いわゆるプラズマクリー
ニングであり、ボンバード処理と呼ばれる。さらに、窒
素イオンは、基材３０の表面に、窒素化合物を生成し、
内部に拡散していくことで、基材３０の硬度を高めるこ
とが出来る。また、ボンバードによる基材３０の過加熱
を防止するために、放電と停止をそれぞれ所定の時間間
隔で規定の回数繰り返す。通常の場合、放電時間と停止
（冷却）が１サイクルとして、１サイクル約２分から７
分で、５から５０回繰り返す。放電時間と停止時間の比
率は、温度の上昇状況を確認しながら設定する。

【００３８】ボンバードの終了後、ガス量を調整する調
整用バルブ６を操作して、アルゴンガスのみを真空曹２
の内部に導入する。また、基材３０が中間層の成膜温度
になるように、再度、ヒータ２０の温度を設定する。真
空曹２の内部の温度が、設定温度になり、窒素ガスが排
気口１より十分排気された時点で、蒸発源３のターゲッ
ト１２を遮断しているシャッター１９を開く。そして、
ターゲット１２を取り付けてある電極１１にスパッタ用
電源２２より電圧を印可し、スパッタを開始する。一定
時間、基材３０上に中間層３１を成膜し、所定の膜厚に
なった時点で成膜を停止する。

【００３９】その後、中間層の成膜方法と同様の手順に
て、蒸発源４を用いて硬質炭素膜３３を成膜する。

【００４０】中間層３１は、一般に炭素の化合物を生成
できる金属であり、Ti、W、Si、Mo、Cr、Al等を用いる
ことができる。特に、Ti、Cr、Al等の窒化物を成膜でき
る金属を中間層に成膜すると、基材３０表面の窒素化合
物の窒素原子が、中間層３１の金属とも化合物を形成
し、接着剤のように機能することで密着性が向上する。
また、アルゴンだけでなく窒素によるボンバードによ
り、アルゴンだけの場合と比較して、表面粗度が大きく
なり、この効果による密着性の向上も図れる。

【００４１】また、基材３０と硬質炭素膜３３との密着
性が良好な場合、例えば、超硬などの場合は、中間層３
１を成膜せず、直接に硬質炭素膜３３を成膜することも
可能である。

【００４２】また、ボンバード処理によるプラズマクリ
ーニングと窒化を同じに行なう方法について記載した
が、ワーク７とスパッタの蒸発源の電気極性を逆にす
る、逆スパッタによるプラズマ発生法を用いても良い。
さらに、ガスとしては、アルゴン等の不活性ガスと窒素
ガスの混合ガスを用いる方法を記載したが、アルゴン等
の不活性ガスによりボンバードをした後に、窒素ガス等
を混合して窒化を行ってもよい。

【００４３】（実施の形態２）本発明の第3〜５番目の
方法に関する第２の実施形態について、図１〜５を用い
て説明する。なお、成膜用装置は実施の形態１で示した
装置と同じである。まず、図3に示す真空槽２の内部の
ワークホルダー１０に、通常の真空装置の成膜を行なう
ための洗浄を行ったワーク７を設置する。ワーク７の材
質として、真鍮、アルミ合金、ステンレス、炭素工具
鋼、合金工具鋼等の窒化可能な金属を含むものが使用で
きる。

【００４４】図５に中間層の膜厚と成膜時のワーク７に
印加するバイアス電圧の表を示す。

【００４５】図3に示す排気口１より排気を行い、真空
槽内２の圧力を所定の初期到達圧力１．３３×１０^-3Pa
まで減圧する。減圧後、実施の形態１の加熱による洗浄
とボンバードを行うことも可能である。その後、回転テ
ーブル９を回転させ、ガス導入口５より調整用バルブ６
を調整して不活性ガスであるアルゴンガスを真空槽内部
に導入し、真空度を４．３９×１０^-1Paになるようにす
る。その後、ヒータ２０を用いて、温度モニター２１に
よるフィードバック制御をしながら、成膜時の設定温度
になるまで加熱する。この温度は、ワーク７の加熱後の
変形が、必要な寸法精度を確保できる温度以下である必
要があり、事前に確認をして設定する。

【００４６】次に、ワーク７を保持しているワークホル
ダー１０に第１のバイアス電圧として−５００〜−２０
００Ｖ程度の高負電圧を印可する。そして、中間層用の
蒸発源３の電極１１にスパッタ用電源２２より電圧を印
可することにより、真空曹２内にプラズマを発生させ、
ターゲット１２から成膜粒子を発生させる。図５のＡで
示す部分である。プラズマ中のアルゴンイオンおよび成
膜粒子は、一部がイオン化され、ワーク７のバイアス電
圧により加速され、ワーク７の基材３０表面に衝突す
る。プラズマ中のイオンの持つエネルギーレベルは広範
囲にわたるため、基材３０に衝突したアルゴンおよび中
間層の成膜粒子のイオンは、一部は中間層３１として成
膜され、一部は基材３０および中間層３１をスパッタ
し、一部は基材３０の内部に注入される。また、表面に
細かい凹凸が発生する。これにより、中間層３１は、密
着性の弱い部分が叩きだされ、また中間層の金属粒子が
基材に拡散した形となり、さらに、表面に細かな凹凸が
発生することで、基材３０と中間層３１との密着性を向
上させることが可能となる。

【００４７】ワーク７に印加するバイアス電圧が高負電
圧の状態では、成膜レートが大きく低下し、また、ワー
ク７の温度が急激に上昇するため、一定時間成膜を行な
った時点で、段階的にバイアス電圧を低下させ、最終的
に成膜のみ起こるバイアス電圧の状態にする。最終的な
バイアス電圧は約−０Ｖ〜−５０Ｖ程度が望ましい。図
５のＢで示す。これにより中間層３１を所定の厚さに成
膜する。

【００４８】その後、蒸発源３に印加しているスパッタ
用電源２２を切り、炭素の蒸発源４にスパッタ用電源２
２より印加すると同時に、ワーク７へ印加しているバイ
アス電圧を硬質炭素膜の成膜に最的な電圧に設定する。
その後、所定の時間成膜を行い、硬質炭素膜を中間層の
上部に成膜する。

【００４９】また、ワーク７の基材３０が窒化物を生成
可能な金属を含む場合、実施の形態１で示した、ボンバ
ードを行うことで窒化層を基材表面近傍に拡散させ基材
の硬度を向上させ、硬質炭素膜の耐摩耗性の特性をより
生かすことができる。

【００５０】さらに、中間層３１も窒化物を生成できる
金属を含むことで、窒素介在させてより密着性を向上さ
せることが出来る。

【００５１】（実施の形態３）本発明の第6〜９番目の
方法に関する第３の実施形態について、図１、図２およ
び図６を用いて説明する。

【００５２】まず、真空槽２内部のワークホルダー１０
に金属基材からなるワーク７を設置する。ワーク７は、
真鍮、アルミ合金、ステンレス、ＳＫ等が使用できる。

【００５３】まず、排気口１より排気を行い、真空槽内
２の圧力を所定の初期到達圧力１．３３×１０^-3Paまで
減圧する。減圧後、加熱による洗浄とボンバードを行な
う。その後、回転テーブル９を回転させ、ガス導入口５
より調整用バルブ６を調整して不活性ガスであるアルゴ
ンガスを真空槽内部に導入し、真空度を４．３９×１０
^-1Paになるようにする。その後、ヒータ２０により、真
空槽２内部に設けた温度モニター２１によるフィードバ
ック制御をしながら、設定温度になるまで加熱する。こ
の温度は、ワーク７の加熱後の変形が、必要な寸法精度
を確保できる温度以下である必要があり、事前に確認を
して設定する。

【００５４】次に、ワーク７を保持しているワークホル
ダー１０にバイアス電圧として負電圧を印可する。そし
て、中間層用のターゲット３の電極１２にスパッタ用に
電圧を印可する。バイアス電圧は−０〜−５０Ｖ程度に
設定する。これにより、真空槽２内にプラズマを発生さ
せ、蒸発源３から成膜粒子を発生させる。プラズマ中の
アルゴンイオンおよび成膜粒子は、一部がイオン化さ
れ、ワーク７の近傍のイオンシース内に引き込まれると
負電圧による電圧勾配により加速され、ワーク７の基材
表面に衝突し中間層が成膜される。中間層３１が所定の
膜厚になるまで、成膜を行なった後、中間層の蒸発源３
の電力を時間と共に段階的に下げると同時に、炭素の蒸
発源４の電極１１にスパッタ用電源２２より印加すると
同時に時間と共に段階的に電力を増加させる。これによ
り中間層の金属と硬質炭素膜の炭素の組成が膜厚の位置
により、段階的に変化するような傾斜構造層３２を中間
層３１の上部に成膜することができる。最終的に中間層
の蒸発源３に印加している電力が０Ｗになった時点で、
真空槽２内部に窒素を１〜１０vol.％程度添加し、ワー
ク７に印可するバイアス電圧を、−５０から−７００Ｖ
程度に設定する。この条件で所定の膜厚になるまで硬質
炭素膜３３を形成する。場合により、水素等を添加する
こともできる。一般に硬質炭素膜は、硬度が高い反面、
内部応力も高く、密着性の低下の原因となる。そこで、
硬質炭素膜中に、窒素または水素を混入させることで、
内部応力を低下させ密着性を向上させることができる。
但し、傾斜構造層の成膜時においては、窒素ガスをアル
ゴン等のスパッタガスに混入させると、逆に密着性が低
下する。

【００５５】また、ボンバードの方法として実施の形態
１の方法を用いても良い。ワーク７の基材が窒化物を生
成可能な金属を含む場合、実施の形態１で示した、ボン
バードを行うことで窒化層を基材表面近傍に拡散させ基
材の硬度を向上させ、硬質炭素膜の特性をより生かすこ
とができる。

【００５６】また、中間層を成膜する場合、実施の形態
２で示した、中間層の成膜開始直後を高負電圧のバイア
スで成膜し、段階的に低負電圧のバイアスとすることで
更に密着性を向上させることが出来る。

【００５７】さらに、中間層も窒化物を生成できる金属
を用いることで、窒素を介在させてより密着性を向上さ
せることが出来る。

【００５８】

【実施例】次に本発明の具体例を説明する。

【００５９】ワークの基材として、テンレスＳＵＳ４２
０に、中間層をＴｉとして、硬質炭素膜を成膜した実施
例について説明する。

【００６０】（実施例１）通常の表面処理を行う場合の
前洗浄工程を経た基材であるステンレスＳＵＳ４２０か
らなるワーク７に、非平衡型蒸発源を有するもつスパッ
タリング装置のワークホルダー１０に設置した。真空槽
２内部を６．６５×１０^-5Paまで真空引きした後、回転
テーブル９の回転を開始し、ワーク７（基材３０）を約
４００℃まで加熱した。この状態を一定時間保持し、真
空槽２内部の洗浄を行った。

【００６１】その後、温度調整して、基材３０を約３０
０℃に加熱した。アルゴンガスおよび窒素ガスを所定の
流量比である５０対５０に調整して、ガス導入口５より
導入した。ここでガス圧力が４．３９×１０^-1Paになっ
たことを確認して、バイアス電源９よりワークホルダ１
０を通して、ワーク７に−７００Ｖ印可した。同時に、
フィラメント１８を加熱用電源で加熱し、フィラメント
用電源１６から負電圧を印可し熱電子を供給した。これ
により、真空層２内部にプラズマが発生し、ワーク７が
ボンバードされた。ボンバードと停止を１周期５分と
し、約３０回繰り返した。その後、窒素ガスとアルゴン
ガスの流量比を０対１００とし、ワーク７の温度を約２
５０℃に調整した。その後、中間層３１であるＴｉを蒸
発源３より蒸発させ成膜を行った。ワーク７のバイアス
電圧は約−５０Ｖで、中間層３１を１００nm成膜した。
そして、バイアス電圧を−２００Ｖにし、ターゲットと
して炭素を取り付けてある蒸発源４より炭素を蒸発さ
せ、中間層３１上に硬質炭素膜３３を５００ｎｍの膜厚
で成膜した。

【００６２】上記条件で成膜したサンプルについて、ボ
ンバード時に窒素とアルゴンを混合したことによる密着
性への効果を、スクラッチ試験により評価した結果を表
1に示す。これにより、ボンバード時に窒素を添加する
ことで、硬質炭素膜３３の基材３０への密着性を向上さ
せることが確認できた。

【００６３】

【表1】

【００６４】（実施例２）通常の表面処理を行う場合の
前洗浄工程を経た基材であるステンレスＳＵＳ４２０
を、非平衡型蒸発源を有するスパッタリング装置のワー
クホルダ１０に設置した。真空槽２内部を６．６５×１
０^-5Pa台まで真空引きした後、回転テーブル９の回転を
開始し、ワーク７を約４００℃まで加熱した。この状態
を保持して、真空槽２内部の洗浄を行った。

【００６５】所定時間の後、ワーク温度を再調整して、
約３００℃に加熱した。アルゴンガスを所定の流量に調
整して、ガス導入口５より導入した。ここでスパッタ圧
力が６．６５×１０^-5Paになったことを確認して、ワー
ク７に−７００Ｖ印可し、ワークをボンバードした。ボ
ンバードと停止を１周期５分とし、約２０回繰り返し
た。その後、ワーク温度を約２５０℃に再設定し、約１
０分間保持した後、中間層Ｔｉを成膜した。ワーク７の
初期バイアス電圧を約−５００から−１５００Ｖに設定
した。中間層Ｔｉは、電力は約２ＫＷで、６分間成膜
し、その後、ワーク７のバイアス電圧を−５０Ｖまで低
下させ、約２４分成膜した。これにより。約１００nm膜
厚の中間層３１を成膜した。最後に、硬質炭素膜３３
を、ワークの７バイアス電圧を−２００Ｖに、そして、
炭素の蒸発源４の電力を２ＫＷとして、中間層３１の上
に硬質炭素膜３３を５００ｎｍの膜厚で成膜した。

【００６６】この条件で成膜し、中間層３１の成膜時
に、高負電圧のバイアス電圧が密着性に与える影響を、
スクラッチ試験で評価した結果を表2に示す。

【００６７】

【表2】

【００６８】このように、中間層の成膜開始時に−５０
０から−１０００Ｖの高負電圧のバイアスをワーク７
（基材３０）に印可することで、密着性を向上させるこ
とが確認できた。

【００６９】（実施例３）通常の表面処理を行う場合の
前洗浄工程を経た基材であるステンレスＳＵＳ４２０
を、非平衡型蒸発源を有するもつスパッタリング装置の
ワークホルダー１０に設置した。真空槽２内部を６．６
５×１０^-5Pa台まで真空引きした後、回転テーブル９の
回転を開始し、ワーク７を約４００℃まで加熱した。こ
の状態を保持して、真空槽２内部の洗浄を行った。

【００７０】所定時間の後、ワーク温度を再調整して、
約３００℃に加熱した。アルゴンガスを所定の流量に調
整して、ガス導入口５より導入した。ここでスパッタ圧
力が６．６５×１０^-5Paになったことを確認して、ワー
ク７に−７００Ｖ印可し、ワークをボンバードした。ボ
ンバードと停止を１周期５分とし、約２０回繰り返し
た。その後、ワーク７を約２５０℃に再設定し、約１０
分間保持した。その後、中間層３１としてＴｉを成膜し
た。ワーク７のバイアス電圧を約−５０Ｖに設定した。
中間層３１は、電力は約２ＫＷで、１２分間成膜した。
その後、炭素を取り付けてある蒸発源４の電力を０．５
ＫＷとして、炭素をスパッタさせた。その後、１７分か
け、Ｔｉ蒸発源３の電力を徐々に低下させると同じに、
炭素の蒸発源４の電力を最終的に２ＫＷとして徐々に増
加させ、中間層３１上にＴｉと硬質炭素膜の傾斜構造層
３２を成膜した。この時点においては窒素ガスを導入口
５より導入しなかった。中間層３１の膜厚は100nmであ
り、硬質炭素膜の傾斜構造層３２の膜厚は150nmであっ
た。そしてＴｉの蒸発源の電力が０ＫＷとなった時点
で、ワーク７のバイアス電圧を−２００Ｖにし、窒素ガ
スを導入口５より、約５％の流量で導入し硬質炭素膜を
５００ｎｍの膜厚まで成膜した。

【００７１】この条件で成膜したサンプルを用いて、傾
斜構造層の成膜時および硬質炭素膜の成膜時における、
窒素ガスの添加による密着性への影響について、スクラ
ッチ試験による評価した結果を表3に示す。

【００７２】

【表3】

【００７３】このように、傾斜構造層の成膜時には、窒
素を混入させず、硬質炭素膜の成膜開始時に窒素を混入
させ成膜することで、密着性を向上させることが確認で
きた。

【００７４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、基材のボ
ンバード時に、不活性ガスに窒素ガスを添加すること
で、基材のクリーニングと同時に窒化層を形成し、基材
の硬化を図ることが可能となる。さらに、中間層も窒化
物を生成可能な金属であれば、窒素を介して基材との結
合を図り、中間層と基材との密着性を高めることが可能
となる。さらに、中間層の成膜開始の一定時間のみ、ワ
ークに印加するバイアス電圧を高くすることで、不活性
ガスおよび金属のイオンが、基材表面への成膜および、
スパッタおよび、イオンの注入を起こし、密着性の低い
中間層の除去と、基材中へ中間層の金属の拡散を行な
い、密着性を高めることが可能となる。さらに、炭素系
保護膜に窒素を混入させることで内部応力を緩和し、さ
らに、傾斜構造中に窒素を添加しないことで、炭素と中
間層の金属との密着性を高くすることが可能となる。こ
れらの、幾つかの効果を組みあわせせることで、総合的
に基材と炭素系保護膜との密着性を更に高めることが可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態1により形成された成膜部
の断面図

【図２】本発明の実施の形態１〜３におけるボンバード
の工程図

【図３】本発明の実施の形態１〜３で使用した非平衡型
マグネトロンスパッタリング装置の概略図

【図４】本発明の実施の形態１〜３で使用した非平衡型
マグネトロンスパッタリング装置の蒸発源の概略図

【図５】本発明の実施の形態２の成膜部断面図とバイア
ス電圧の関係図

【図６】本発明の実施の形態３の成膜部断面図と添加ガ
ス濃度の関係図

【符号の説明】

１排気口２真空曹３蒸発源（中間層）４蒸発源（炭素）５導入口６調整用バルブ７ワーク８回転テーブル９バイアス電源１０ワークホルダー１１電極１２ターゲット１３マグネット（強）１４マグネット（弱）１６フィラメント用電源１７加熱用電源１８フィラメント１９シャッター２０ヒータ２１温度モニター２２スパッタ用電源（中間層）２３スパッタ用電源（炭素）２４磁力線２５成膜粒子２６ガスイオン２７加熱用電源２８プラズマ領域３０ワーク（基材）３１中間層３２傾斜構造層３３硬質炭素膜３４窒化物

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空曹内部にプラズマを発生可能なＰＶＤ
（Pyhysical Vapor Deposition）装置により、窒素化合
物を生成可能な金属を含む金属基材上に、硬質炭素膜の
成膜を行うに際して、前記真空曹内部の不活性ガスと窒素ガスを混合し、予め
基材を窒化可能な温度まで加熱する第1の工程と、バイアス電圧を基材に印加し、前記真空曹内部にプラズ
マを発生させ、同プラズマ中の不活性ガスイオンと窒素
イオンにより、前記金属基材表面へのボンバードと窒化
処理を行う第２の工程と、その後、前記硬質炭膜膜を成膜する第３の工程とを含む
ことを特徴とする金属基材への硬質炭素膜の成膜方法。
【請求項２】前記第2の工程と第3の工程の間に、さら
に、窒素化合物を生成可能な金属を含む中間層を形成す
る請求項1に記載の金属基材への硬質炭素膜の成膜方
法。
【請求項３】真空曹内部にプラズマを発生可能なＰＶＤ
装置により、金属基材上に中間層を介して、硬質炭素膜
の成膜を行うに際して、真空曹内部にプラズマを発生させ、蒸発源より前記中間
層の成膜粒子を蒸発させ、前記金属基材に印加するバイ
アス電圧を制御して、前記金属基材の表面に前記成膜粒
子による前記中間層の成膜と不活性ガスおよび成膜粒子
のスパッタと注入を同時に行う第１の工程と、前記バイアス電圧の電圧を段階的に下げて、前記金属基
材の表層に成膜粒子による中間層の成膜を行う第２の工
程と、中間層の表面に硬質炭素膜を成膜する第３の工程とを含
むことを特徴とする金属基材への硬質炭素膜の成膜方
法。
【請求項４】真空曹内部にプラズマを発生可能なＰＶＤ
装置により、窒素化合物を生成可能な金属を含む金属基
材上に、前記中間層を介して硬質炭素膜の成膜を行うに
際して、前記真空曹内部の不活性ガスと窒素ガスを混合し、予め
基材を窒化可能な温度まで加熱する第1の工程とバイア
ス電圧を基材に印加し、前記真空曹内部にプラズマを発
生させ、同プラズマ中の不活性ガスイオンと窒素イオン
により、前記金属基材表面へのボンバードと窒化処理を
行う第２の工程と、蒸発源より前記中間層の成膜粒子を蒸発させ、前記金属
基材に印加するバイアス電圧を制御して、前記金属基材
の表面に前記成膜粒子による、中間層の成膜と不活性ガ
スおよび成膜粒子のスパッタと注入を同時に行う第３の
工程と、前記バイアス電圧の電圧を段階的に下げて、前記金属基
材の表層に成膜粒子による中間層の成膜作用を行う第４
の工程と、中間層の表面に硬質炭素膜を成膜する第５の工程とを含
むことを特徴とする金属基材への硬質炭素膜の成膜方
法。
【請求項５】中間層が窒素化合物を生成可能な金属を含
む請求項4に記載の金属基材への硬質炭素膜の成膜方
法。
【請求項６】真空曹内部にプラズマが発生可能なＰＶＤ
装置により、金属基材上に中間層と、前記中間層の金属
と硬質炭素の比率が段階的に変化する傾斜構造層を介し
て、硬質炭素膜の成膜を行うに際して、前記真空曹内部に不活性ガスを導入しをプラズマを発生
させ、第１の蒸発源より前記中間層の成膜粒子を蒸発さ
せ、前記中間層の成膜を行う第１の工程と、成膜時間により段階的に前記中間層の成膜粒子の蒸発量
を減少させると同時に第２の蒸発源より前記硬質炭素膜
の成膜粒子の蒸発量を増加させ、前記傾斜構層を成膜す
る第２の工程と、前記中間層の成膜粒子の蒸発が停止した後に、前記真空
曹内部に窒素ガスを導入し、前記不活性ガスと混合さ
せ、硬質炭素膜を成膜する第３の工程とを含むことを特
徴とする金属基材への硬質炭素膜の成膜方法。
【請求項７】真空曹内部にプラズマが発生可能なＰＶＤ
装置により、金属基材上に中間層と、前記中間層の金属
と硬質炭素の比率が段階的に変化する傾斜構造層を介し
て、硬質炭素膜の成膜を行うに際して、真空曹内部にプラズマを発生させ、蒸発源より前記中間
層の成膜粒子を蒸発させ、前記金属基材に印加するバイ
アス電圧を制御して、前記金属基材の表面に前記成膜粒
子による前記中間層の成膜と不活性ガスおよび成膜粒子
のスパッタと注入を同時に行う第１の工程と、前記バイアス電圧の電圧を段階的に下げて、前記金属基
材の表層に成膜粒子による中間層の成膜を行う第２の工
程と、成膜時間により段階的に前記中間層の成膜粒子の蒸発量
を減少させると同時に、第２の蒸発源より前記硬質炭素
膜の成膜粒子の蒸発量を増加させ、前記傾斜構層を成膜
する第３の工程と、前記中間層の成膜粒子の蒸発が停止した後に、前記真空
曹内部に窒素ガスを導入し、前記不活性ガスと混合さ
せ、硬質炭素膜を成膜する第４の工程とを含むことを特
徴とする金属基材への硬質炭素膜の成膜方法。
【請求項８】真空曹内部にプラズマが発生可能なＰＶＤ
装置により、窒素化合物を生成可能な金属を含む金属基
材上に、中間層と、中間層の金属と硬質炭素の比率が段
階的に変化する傾斜構造層を介して、硬質炭素膜の成膜
を行うに際して、前記真空曹内部の不活性ガスと窒素ガスを混合し、予め
基材を窒化可能な温度まで加熱する第1の工程とバイア
ス電圧を基材に印加し、前記真空曹内部にプラズマを発
生させ、同プラズマ中の不活性ガスイオンと窒素イオン
により、前記金属基材表面へのボンバードと窒化処理を
行う第２の工程と、蒸発源より前記中間層の成膜粒子を蒸発させ、前記金属
基材に印加するバイアス電圧を制御して、前記金属基材
の表面に前記成膜粒子による、中間層の成膜と不活性ガ
スおよび成膜粒子のスパッタと注入を同時に行う第３の
工程と、前記バイアス電圧の電圧を段階的に下げて、前記金属基
材の表層に成膜粒子による中間層の成膜作用を行う第４
の工程と、成膜時間により段階的に前記中間層の成膜粒子の蒸発量
を減少させると同時に、第２の蒸発源より前記硬質炭素
膜の成膜粒子の蒸発量を増加させ、前記傾斜構層を成膜
する第５の工程と、前記中間層の成膜粒子の蒸発が停止した後に、前記真空
曹内部に窒素ガスを導入し、前記不活性ガスと混合さ
せ、硬質炭素膜を成膜する第６の工程とを含むことを特
徴とする金属基材への硬質炭素膜の成膜方法。
【請求項９】中間層が窒素化合物を生成可能な金属を含
む請求項8に記載の金属基材への硬質炭素膜の成膜方
法。