JPH01201095A - ダイヤモンド状炭素膜とその製造方法 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ロケットからかみそりまで、各種製品のトッ
プコート膜として使用てきるダイヤモンド状炭素膜とそ
の製造方法に関する。

［従来の技術］ 近年、低圧領域て気相から薄膜状のダイヤモンド状炭素
膜か合成されるようになり、ダイヤモンド状炭素の有す
る各種特性を活かして切削工具。

耐摩耗性間滑脱、スピーカ材料、光学部品あるいはエレ
クトロニクス材料等として種々の分野て応用か期待され
ている。

このうち、ダイヤモンド状炭素の硬度の高さ。

化学的安定性、７１！ｌ滑性等を活かした利用法として
、磁気記録媒体の耐斥耗性潤滑膜、切削工具の耐庁耗用
膜などのように、母材の表面にトップコート膜としてコ
ーチインクする方法かある。

［解決すべき問題点コ しかしながら、ダイヤモンド状炭素膜をトップコート膜
として、金属、セラミックス、プラスチック等からなる
母材上に直接コーティングすると、母材とダイヤモンド
状炭素膜の硬度１弾性係数、熱膨張係数の差によって応
力か生し、膜剥離や、クラックを発生するという欠点か
あった。

このため、ダイヤモンド状炭素膜は高硬度でトップコー
ト膜に適しているという特長を有しながら、トップコー
ト膜として実用化できないという問題点を有していた。

本発明は上記の問題点にかんがみてなされたものて、第
一に、金属、セラミックス、プラスチック等からなる母
材との密着性を良くして、膜剥離やクラックの発生を防
止し、トップコート膜として実用的に用いることのでき
るタイヤモンド状炭素膜の提供を目的とし、第二に、ト
ップコート膜として実用化可能な上記ダイヤモンド状炭
素膜の容易なる製造方法の提供を目的とする。

［問題点の解決手段］ 上記目的を達成するため、本発明のダイヤモンド状炭素
膜は、膜中の結合水素量を、段階的もしくは連続的に異
ならせた構成としである。

また、本発明のダイヤモンド状炭素膜の製造方法は、膜
合成時の反応条件を一定時間づつ段階的に変化させ、結
合水素量の異なる膜を段階的に積層して製造する方法、
および膜合成時の反応条件を連続的に変化させ、結合水
素量を連続的に異ならせて製造する方法としである。

以下、本発明を図面を参照して説明する。

第１図は本発明ダイヤモンド状炭素膜をトップコート膜
として用いた場合の概念図を示す、同図において、ｌは
被コーテイング材としての母材、コーテイング材として
の２はダイヤモンド状炭素膜である。

コーティングを必要とする母材ｌとしては、ロケットか
らかみそりまで種々の製品か該当し、その材質も金属、
セラミックス、プラスチック等種々のものを用いること
かできる。

母材ｌをコーティングするダイヤモンド状炭素膜は、母
材ｌの表面に１００Ａ以上、好ましくは４００Ａ以上の
厚みて形成する。

このダイヤモンド状炭素膜２は、ＲＦプラズマＣＶＤ法
、ＤＣプラズマＣＶＤ法、イオンブレーティング法ある
いはスパッタリング法等の低圧気相合成法によって形成
する。

例えば、ＲＦ（高周波）プラズマＣＶＤ法によってダイ
ヤモンド状炭素膜２を形成する場合は、炭素源ガスまた
は炭素源ガスとキャリヤガスとの混合ガスを、母材ｌを
配置した反応室内へ供給し、母材ｌを加熱しつつ、陰極
に高周波を印加して陽極との間でグロー放電を生じさせ
ることによって炭素源ガスまたは混合ガスを励起してプ
ラズマを発生させ、これにより、母材ｌの表面にダイヤ
モンド状炭素膜２を形成する。

この場合、炭素源ガスとしては、例えば、メタン、エタ
ン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサンなどのアル
カン類、エチレン、プロピレン。

ブテン、ペンテン、ブタジェンなどのアルケン類、アセ
チレンなどのアルキン類、ベンゼン、トルエン、キシレ
ン、インデン、ナフタリン、フェナントレンなどの芳香
族炭化水素類、シクロプロパン、シクロヘキサンなどの
シクロパラフィン類、シクロペンテン、シクロヘキセン
などのシクロオレフィン類などを用いる。

また、炭素源ガスとして、−酸化炭素、二酸化炭素、メ
チルアルコール、エチルアルコールなどの含酸素炭素化
合物、メチルアミン、エチルアミン、アニリンなどの含
窒素炭素化合物なども使用することかできる。さらに、
単体ではないか、ガソリンなどの消防法危険物第４類、
第１類、ケロシン、テレピン油、樟脳油、松根油等の第
２石油類、重油などの第２石油類、ギヤー油、シリンダ
油等の第４石油類も有効に使用することかできる。また
、前記各種の炭素化合物を混合して使用することもでき
る。

上記の炭素源ガスの中でもメタン、−酸化炭素、二酸化
炭素などが好ましい。

前記キャリヤガスは、炭素源ガスをプラズマ反応系に導
入するキャリヤとして重要であるばかりてなく、プラズ
マを安定に発生させ、持続させる上で重要である。この
ようなキャリヤガスとしては、水素ガス、アルゴンガス
、ネオンガス、ヘリウムガス、キセノンガス、窒素ガス
などを用いる。

これらは、一種単独で用いてもよいし、二種以上を組合
せてもよい。

上記キャリヤガスの中ても水素ガス、窒素ガス、アルゴ
ンガスなどが好ましい。

このダイヤモンド状炭素膜２は、その内部における結合
水素量を、母材ｌ側より表面側に段階的もしくは連続的
に減少させた構成としである。

すなわち、膜中の結合水素量が多いときには膜の硬度か
低くなって内部応力も小さくなり、逆に、膜中の結合水
素量か少ないときには膜の硬度か高くなって内部応力も
大きくなることから、母材ｌ側における結合水素量を多
くし、表面側における結合水素量を少なくした構成とし
である。これにより、トップコート膜の表面側の硬度を
高めるとともに、母材ｌと接触する側の応力を小さくし
て密着性を高め、弾性係数、熱膨張係数等の差に起因す
る剥離、クラックの発生を防止している。

第２図は、膜中の結合水素１が段階的に異なるダイヤモ
ンド状炭素膜を、母材１のトップコート膜として用いた
場合の断面図を示しており、母材ｌ側より結合水素量の
異なる薄膜層２−１゜２−２．２−３　（結合水素量：
　２−１＞２−２＞２−３）を複数形成しである。この
場合、薄膜層の数は、母材ｌの使用目的あるいは母材ｌ
の材質、厚さ等に応し二層以−Ｌの適宜な数とする。

また第３図は、膜中における結合水素量か連続的に異な
るダイヤモンド状炭素膜２を母材ｌのトップコート膜と
して用いた場合の断面図を示している。この場合、結合
水素量の連続的に変化する割合は均一てなくてもよく、
例えば、中間部における変化率を大きくすることもでき
る。

段階的あるいは連続的に変化（減少）させる結合水素量
は、約３０原子％から数原子％の範囲内において行なう
ことか回旋である。

次に、ダイヤモンド状炭素膜の製造方法について説明す
る。

ダイヤモンド状炭素膜２を合成する際の反応条件の制御
は、例えば、ＲＦプラズマＣＶＤ法によるときは、反応
ガス濃度、圧力、母材温度および／または高周波投入電
力を変えることにより行なう。

すなわち、ＲＦプラズマＣＶＤ法によって結合水素量か
段階的に変化するダイヤモンド状炭素膜を製造する場合
は、第一段階て、結合水素量の多くなるような反応ガス
濃度、圧力、母材温度および／または高周波投入電力の
条件を設定し、任意の時間合成を行なう０次いて第二段
階で、第一段階より結合水素量の少なくなるような条件
を設定して任意の時間合成を行ない、その後さらに、第
三段階で第二段階より結合水素量の少なくなるような条
件を設定して任意の時間合成を行なう、これにより、結
合水素量の異なる薄膜層２−１゜２−２．２−３　（結
合本Ｘ量：　２−１＞２−２＞２−３）を積層して形成
することかできる。

また、結合水素量か連続的に変化するダイヤモンド状炭
素膜を製造する場合は、膜合成中に、反応ガス濃度、圧
力　母材温度および／または高周波投入電力の設定条件
を、結合水素量か順次減少するように連続的に変化させ
ることにより行なう。

なお、ＲＦプラズマＣＶＤ法による場合、炭素源ガスは
、例えば０，１〜５００　ｃｃ／分の流量て供給し、ま
た、キャリヤガスは１〜１，０００　ｃｃ／分の流量て
供給する。また、反応応力、すなわち反応室内の圧力は
、通常１Ｏ−５〜ｌＯコＴｏｒｒ　、好ましくは、１０
−３〜ｌＯ”Ｔｏｒｒである。この反応圧力か１０−’
Ｔｏｒｒよりも低い場合には、ダイヤモンド状炭素膜の
生成速度か著しく遅くなることかある。一方、１０’Ｔ
ｏｒｒよりも高い場合には、ダイヤモンド状炭素膜か形
成されないことかある。

さらに、母材ｌの加熱温度は、通常、室温〜１．０００
°Ｃ１好ましくは、室温〜９００℃である。この温度か
室温よりも低い場合には、ダイヤモンド状炭素膜か形成
されないことかある。また、高周波投入電力はＩＫＷす
ることか好ましい、高周波投入電力かＩＫＷを越えても
それに相当する効果を得られないことかあるからである
。

［実施例］ 実施例と比較例の結果を以下に示す。

・母材：Ａ１基板 ・ダイヤモンド状炭素層：ＣＨ，＋Ｈ２のＲＦブラズマ
ＣＶＤ法により形成。

（条件）・反応圧カニ　１０−’Ｔｏｒｒ・基板温度、
１００°Ｃ ・ＲＦパワー＋　１２０　Ｗ 実施例 三層の薄膜層を下記の条件て合成し、全体として母材ｌ
側から表面側に結合水素量の減少するダイヤモンド状炭
素膜を形成した（各層の厚み比較例１ ダイヤモンド状炭素膜を、上記実施例における“母材側
層”と同じ反応条件て形成した以外、実施例と同じ条件
て形成した（ダイヤモンド状炭素膜厚さ６０００Ａ）。

比較例２ ダイヤモンド状炭素膜を、上記実施例における“表面側
層”と同じ条件て形成した以外、実施例と同し条件て形
成したくダイヤモンド炭素膜厚さ６０００Ａ　）　。

虹−ス 表面硬度をヌープ硬度計て、剥離状態を光学顕微鏡でそ
れぞれ測定した結果を下表に示す。

この結果、実施例のものは、表面硬度が十分で、しかも
クラックおよび膜剥離も発生しなかった。これに対し、
比較例１のものは、クラックおよび膜剥離を発生しない
か、表面硬度が十分でなく、傷の付きやすい状態であっ
た。さらに比較例２のものは、表面硬度は十分であるか
、クラックおよび膜剥離か発生した。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、ダイヤモンド状炭素膜中
の水素量を変化させることにより、密着性を高めて膜剥
離を防止し、機械的強度を向上させることができる。こ
れによりダイヤモンド状炭素膜を各種製品のトップコー
ト膜として実用化てきる。

また、通常の低圧気相合成技術を用いてこれらのダイヤ
モンド状炭素膜を容易に合成できるといった効果かある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のダイヤモンド状炭素膜をトップコート
膜として用いた場合の概念図、第２図は結合水素量を段
階的に変化させた本発明の第一実施例の断面図、第３図
は結合水素量を連続的に変化させた本発明の第二実施例
の断面図を示す。 ｌ：母材 ２、ダイヤモンド状炭素膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）膜中の結合水素量を、段階的もしくは連続的に異
   ならせた構成としたことを特徴とするダイヤモンド状炭
   素膜。
2. （２）膜合成時の反応条件を一定時間づつ段階的に変化
   させ、結合水素量の異なる膜を段階的に積層して製造す
   ることを特徴とするダイヤモンド状炭素膜の製造方法。
3. （３）膜合成時の反応条件を連続的に変化させ、結合水
   素量を連続的に異ならせて製造することを特徴とするダ
   イヤモンド状炭素膜の製造方法。