JPH0940494A - Hard carbon film and its formation - Google Patents
Hard carbon film and its formationInfo
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- JPH0940494A JPH0940494A JP9551496A JP9551496A JPH0940494A JP H0940494 A JPH0940494 A JP H0940494A JP 9551496 A JP9551496 A JP 9551496A JP 9551496 A JP9551496 A JP 9551496A JP H0940494 A JPH0940494 A JP H0940494A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に形成され
る硬質炭素被膜及びその形成方法に関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a hard carbon film formed on a substrate and a method for forming the hard carbon film.
【0002】[0002]
【従来の技術】硬質炭素被膜は、ダイヤモンドと同様
に、硬度、抵抗率、化学的安定性等に優れているため、
表面改質のためのコーティング材料などとして大きな期
待を集めている。しかしながら、このような硬質炭素被
膜を、密着性よく直接に形成できる基板としては、シリ
コンやガラス等の限られた基板に限定されていた。従っ
て、金属基板やセラミック基板などの基板上には、密着
性よく硬質炭素被膜を形成することができなかった。2. Description of the Related Art Hard carbon coatings, like diamond, have excellent hardness, resistivity, chemical stability, etc.
It holds great promise as a coating material for surface modification. However, the substrates on which such a hard carbon coating can be directly formed with good adhesion have been limited to limited substrates such as silicon and glass. Therefore, a hard carbon coating could not be formed on a substrate such as a metal substrate or a ceramic substrate with good adhesion.
【0003】このような問題を解消するため、セラミッ
クス基板などの基板と、硬質炭素被膜との間にシリコン
等の中間層を設け、密着性を改良する方法が提案されて
いる(特開平1−317197号公報)。In order to solve such a problem, a method has been proposed in which an intermediate layer of silicon or the like is provided between a substrate such as a ceramic substrate and a hard carbon film to improve the adhesion (Japanese Patent Laid-Open No. 1-1999). 317197).
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】上述の中間層を設ける
方法によれば、基板と硬質炭素被膜との密着性を向上さ
せることができるが、硬質炭素被膜の構成元素である炭
素と異なる材料を中間層の原料として用いるため、製造
プロセスが複雑になるという問題があった。また、基板
と硬質炭素被膜の間に中間層を設ける場合においても、
さらに密着性を向上させたいという要望があった。特に
膜硬度の高い硬質炭素被膜を形成すると、良好な密着性
が得られにくいという問題があった。According to the above-mentioned method of providing the intermediate layer, the adhesion between the substrate and the hard carbon coating can be improved, but a material different from carbon, which is a constituent element of the hard carbon coating, can be used. Since it is used as a raw material for the intermediate layer, there is a problem that the manufacturing process becomes complicated. Also, when providing an intermediate layer between the substrate and the hard carbon coating,
There was a demand to further improve the adhesion. In particular, when a hard carbon film having a high film hardness is formed, it is difficult to obtain good adhesion.
【0005】本発明の目的は、このような従来の問題点
を解消し、高い膜硬度を有し、かつ基板に対する密着性
に優れた硬質炭素被膜及びその形成方法を提供すること
にある。An object of the present invention is to provide a hard carbon film having a high film hardness and excellent adhesion to a substrate, and a method for forming the same, which solves the conventional problems.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明の硬質炭素被膜
は、基板上に形成される硬質炭素被膜であり、基板との
界面近傍、すなわち基板側と、被膜の表面近傍、すなわ
ち表面側とで被膜の組成を厚み方向に変化させることを
特徴としており、基板側の組成を密着性の良好な組成と
し、被膜表面側の組成を、密着性は良好でないが硬度等
の性質に優れた組成としている。このような厚み方向の
被膜の組成の変化は、水素濃度として表すことができ
る。また、このような組成の変化により、内部応力、硬
度、導電率、及び屈折率等が変化する。従って、本発明
の硬質炭素被膜は、これらの特性を特定することによっ
て表すことができる。The hard carbon coating of the present invention is a hard carbon coating formed on a substrate, which is formed near the interface with the substrate, that is, on the substrate side, and near the surface of the coating, that is, the surface side. Characterized by changing the composition of the coating in the thickness direction, the composition on the substrate side is a composition with good adhesion, and the composition on the coating surface side is a composition with excellent adhesion and other properties such as hardness. There is. Such a change in the composition of the coating film in the thickness direction can be expressed as a hydrogen concentration. Further, such changes in composition cause changes in internal stress, hardness, conductivity, refractive index, and the like. Therefore, the hard carbon coating of the present invention can be represented by specifying these properties.
【0007】本発明の第1の局面に従う硬質炭素被膜
は、基板との界面近傍における水素濃度が60〜40%
であり、被膜の表面近傍における水素濃度が30〜10
%であるように被膜の組成をその厚み方向に変化させた
ことを特徴としている。The hard carbon coating according to the first aspect of the present invention has a hydrogen concentration of 60 to 40% near the interface with the substrate.
And the hydrogen concentration near the surface of the coating is 30 to 10
%, The composition of the film is changed in the thickness direction.
【0008】本発明の第2の局面に従う硬質炭素被膜
は、基板との界面近傍における内部応力が5〜6GPa
であり、被膜の表面近傍における内部応力が7〜8GP
aであるように被膜の組成をその厚み方向に変化させた
ことを特徴としている。The hard carbon coating according to the second aspect of the present invention has an internal stress of 5 to 6 GPa in the vicinity of the interface with the substrate.
And the internal stress near the surface of the coating is 7 to 8 GP.
It is characterized in that the composition of the coating is changed in the thickness direction thereof as indicated by a.
【0009】本発明の第3の局面に従う硬質炭素被膜
は、基板との界面近傍における硬度が500〜2000
Hvであり、被膜の表面近傍における硬度が3000〜
3400Hvであるように被膜の組成をその厚み方向に
変化させたことを特徴としている。The hard carbon coating according to the third aspect of the present invention has a hardness of 500 to 2000 near the interface with the substrate.
Hv, and hardness near the surface of the coating is 3000 to
It is characterized in that the composition of the coating is changed in the thickness direction so as to be 3400 Hv.
【0010】本発明の第4の局面に従う硬質炭素被膜
は、基板との界面近傍における導電率が10-4〜10-7
(Ωcm)-1であり、被膜の表面近傍における導電率が
10-1 0 〜10-11 (Ωcm)-1であるように被膜の組
成をその厚み方向に変化させたことを特徴としている。The hard carbon coating according to the fourth aspect of the present invention has a conductivity of 10 −4 to 10 −7 near the interface with the substrate.
([Omega] cm) is -1, it is characterized in that the conductivity in the vicinity of the surface of the film has changed the composition of the coating in the thickness direction such that 10 -1 0 ~10 -11 (Ωcm) -1.
【0011】本発明の第5の局面に従う硬質炭素被膜
は、基板との界面近傍における屈折率が1.0〜1.5
であり、被膜の表面近傍における屈折率が2.0〜2.
5であるように被膜の組成をその厚み方向に変化させた
ことを特徴としている。The hard carbon coating according to the fifth aspect of the present invention has a refractive index of 1.0 to 1.5 near the interface with the substrate.
And the refractive index near the surface of the coating is 2.0 to 2.
No. 5, the composition of the coating is changed in the thickness direction.
【0012】水素濃度の%は原子%を示しており、例え
ば2次イオン質量分析(SIMS)により測定すること
ができる。また内部応力は、基板の変形量から測定する
ことができる。薄い基板の上に応力のかかった状態で膜
を形成すると、基板はその形と弾性定数によって決まる
たわみを示すので、このたわみ量を検出することにより
内部応力を評価することができる。このたわみ法につい
ては、例えば「応力物理」第66巻,第7号(198
7),923〜924頁に説明されている。ここでは、
ニュートン環法により求めた基板のたわみの曲率半径か
ら内部応力を算出している。The% of hydrogen concentration represents atomic%, and can be measured by, for example, secondary ion mass spectrometry (SIMS). The internal stress can be measured from the amount of deformation of the substrate. When a film is formed on a thin substrate in a stressed state, the substrate exhibits a flexure determined by its shape and elastic constant. Therefore, the internal stress can be evaluated by detecting this flexure amount. This flexure method is described, for example, in "Stress Physics" Vol. 66, No. 7 (198).
7), pages 923-924. here,
The internal stress is calculated from the radius of curvature of the flexure of the substrate obtained by the Newton ring method.
【0013】膜の硬度は、ビッカース硬度であり、導電
率は、膜上に形成した2個の金属電極間の電圧/電流特
性により算出することができる。また屈折率は、透過率
及び反射率の測定値より算出することができる。The hardness of the film is Vickers hardness, and the conductivity can be calculated from the voltage / current characteristics between two metal electrodes formed on the film. The refractive index can be calculated from the measured values of the transmittance and the reflectance.
【0014】本発明における基板は、特に限定されるも
のではなく、シリコン基板やガラス基板も用いることが
できるが、特に従来密着性が問題となっていたNi基
板、Al基板、ステンレス鋼基板、セラミックス鋼基
板、あるいはNi、Al、ステンレス鋼などの合金から
なる基板に対して有用である。The substrate in the present invention is not particularly limited, and a silicon substrate or a glass substrate can be used, but Ni substrates, Al substrates, stainless steel substrates, ceramics, which have been particularly problematic in conventional adhesion, have been used. It is useful for steel substrates or substrates made of alloys such as Ni, Al and stainless steel.
【0015】また、本願明細書の特許請求の範囲で用い
ている「基板」の言葉は、下地層などが形成された基板
をも含むものである。従って、例えばNi合金基板の上
にシリコン層を形成したものも基板として含められてい
る。このような場合、「基板との界面近傍」は、シリコ
ン層などの下地層との界面近傍を意味する。Further, the term "substrate" used in the claims of the present specification includes a substrate having an underlayer and the like formed thereon. Therefore, a substrate having a silicon layer formed on a Ni alloy substrate is also included as a substrate. In such a case, “near the interface with the substrate” means near the interface with the underlying layer such as a silicon layer.
【0016】本発明の硬質炭素被膜は、その厚み方向に
被膜の組成を変化させたことを特徴としている。このよ
うな被膜の組成の変化は、少なくとも2層構造となるよ
うな多層構造により段階的に変化させてもよいし、傾斜
構造により連続的に変化させてもよい。The hard carbon coating of the present invention is characterized in that the composition of the coating is changed in the thickness direction. Such a change in the composition of the coating film may be changed stepwise by a multi-layer structure having at least a two-layer structure, or may be continuously changed by an inclined structure.
【0017】本発明の硬質炭素被膜の形成方法は、特に
限定されるものではないが、例えば、CVD法により形
成することができる。例えば、プラズマCVD法を用
い、基板ホルダーに高周波電圧を印加し、これによって
基板ホルダーに発生する自己バイアス電圧を被膜の形成
の進行とともに変化させることによって、硬質炭素被膜
の組成をその厚み方向に変化させることができる。The method of forming the hard carbon coating of the present invention is not particularly limited, but it can be formed by, for example, the CVD method. For example, by using a plasma CVD method, a high frequency voltage is applied to the substrate holder, and the self-bias voltage generated in the substrate holder is changed as the film formation progresses, thereby changing the composition of the hard carbon film in the thickness direction. Can be made.
【0018】すなわち、本発明の製造方法は、基板ホル
ダーに設置した基板上に上記本発明の硬質炭素被膜を形
成する方法であり、硬質炭素被膜の原料となる反応ガス
を含むプラズマを発生させ、このプラズマを照射する基
板ホルダーに発生する自己バイアス電圧を被膜形成の進
行とともに変化させることによって、被膜の組成をその
厚み方向に変化させることを特徴としている。That is, the manufacturing method of the present invention is a method of forming the hard carbon coating of the present invention on a substrate placed on a substrate holder, and generating plasma containing a reaction gas as a raw material of the hard carbon coating, The composition of the film is changed in the thickness direction by changing the self-bias voltage generated in the substrate holder that irradiates the plasma with the progress of the film formation.
【0019】基板ホルダーに発生する自己バイアス電圧
は、基板との界面近傍部分の被膜を形成するとき、すな
わち被膜形成の初期から、被膜の表面近傍、すなわち被
膜形成の終了時点までの間に、例えば0〜−150Vま
で変化させることによって、被膜の組成を変化させるこ
とができる。The self-bias voltage generated in the substrate holder is, for example, from when the film is formed in the vicinity of the interface with the substrate, that is, from the beginning of the film formation to the vicinity of the surface of the film, that is, the end of the film formation. The composition of the coating can be changed by changing the voltage from 0 to -150V.
【0020】プラズマCVD法におけるプラズマ発生手
段としては、電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズ
マCVD装置を用いることができ、このような装置を用
いることによりプラズマの密度をさらに上げることがで
き、低温で高品質の被膜を形成することができる。An electron cyclotron resonance (ECR) plasma CVD apparatus can be used as a plasma generating means in the plasma CVD method. By using such an apparatus, the plasma density can be further increased, and high quality can be obtained at low temperature. Can be formed.
【0021】作用 本発明の硬質炭素被膜においては、被膜の組成をその厚
み方向に変化させており、基板との界面近傍では密着性
の良好な被膜組成とし、被膜の表面近傍においては、硬
度、導電率、及び化学的安定性等の硬質炭素被膜に要求
される特性が良好な組成としている。従って、本発明の
硬質炭素被膜は、基板との密着性が良好であるととも
に、膜硬度等の必要な特性を有した硬質炭素被膜とする
ことができる。[0021] In the hard carbon film of action the present invention, and by changing the composition of the coating in the thickness direction, in the vicinity of the interface between the substrate and good film composition of adhesion near the surface of the coating, the hardness, The composition has good properties such as electrical conductivity and chemical stability required for the hard carbon coating. Therefore, the hard carbon coating of the present invention can be a hard carbon coating having good adhesion to the substrate and having necessary characteristics such as film hardness.
【0022】[0022]
【実施例】図1は、本発明に従う一実施例の硬質炭素被
膜を示す断面図である。図1に示す実施例では、基板2
0の上に、硬質炭素被膜21が形成されている。硬質炭
素被膜21は、基板20から被膜21の表面に向けて連
続的にその組成が変化する傾斜構造を有するように形成
されている。すなわち、界面近傍21aから、被膜の表
面近傍21bに向けて水素濃度が低くなるように形成さ
れている。また、同様にして、内部応力、膜硬度、屈折
率が高くなるように形成されており、導電率が低下する
ように形成されている。FIG. 1 is a sectional view showing a hard carbon coating of an embodiment according to the present invention. In the embodiment shown in FIG. 1, the substrate 2
A hard carbon film 21 is formed on the surface of the film. The hard carbon coating 21 is formed so as to have an inclined structure whose composition continuously changes from the substrate 20 toward the surface of the coating 21. That is, the hydrogen concentration is formed so as to decrease from the interface vicinity 21a toward the film surface vicinity 21b. Similarly, the internal stress, the film hardness, and the refractive index are increased, and the conductivity is decreased.
【0023】図2は、本発明に従う硬質炭素被膜の他の
実施例を示す断面図である。図2に示す実施例では、基
板20の上に硬質炭素被膜22が形成されている。硬質
炭素被膜22は、被膜層22a及び22bの2層構造に
より形成されている。被膜層22aは、基板20との密
着性の良好な被膜組成とされており、被膜層22bと比
較して、相対的に水素濃度及び導電率が高く、内部応
力、硬度、屈折率は相対的に低くなるように形成されて
いる。FIG. 2 is a cross-sectional view showing another embodiment of the hard carbon coating according to the present invention. In the embodiment shown in FIG. 2, a hard carbon coating 22 is formed on the substrate 20. The hard carbon coating 22 has a two-layer structure including coating layers 22a and 22b. The coating layer 22a has a coating composition having good adhesion to the substrate 20, has a relatively high hydrogen concentration and conductivity, and has a relatively high internal stress, hardness, and refractive index as compared with the coating layer 22b. It is formed to be low.
【0024】本発明における硬質炭素被膜は、図2に示
すような2層構造であってもよく、さらには3層以上の
多層構造であってもよい。層の数を増やしていくと、究
極的には、図1に示すような組成が連続的に変化した傾
斜構造となる。The hard carbon coating in the present invention may have a two-layer structure as shown in FIG. 2, or may have a multi-layer structure of three or more layers. Ultimately, as the number of layers is increased, a graded structure in which the composition continuously changes as shown in FIG. 1 is obtained.
【0025】図3は、本発明の実施例の硬質炭素被膜を
形成することができるECRプラズマCVD装置の一例
を示す概略断面図である。図3を参照して、真空チャン
バ8の内部には、プラズマ発生室4と、基板13が設置
される反応室が設けられている。プラズマ発生室4に
は、導波管2の一端が取り付けられており、導波管2の
他端には、マイクロ波供給手段1が設けられている。マ
イクロ波供給手段1で発生したマイクロ波は、導波管2
及びマイクロ波導入窓3を通って、プラズマ発生室4に
導かれる。プラズマ発生室4には、プラズマ発生室4内
にアルゴン(Ar)ガス等の放電ガスを導入させるため
の放電ガス導入管5が設けられている。また、プラズマ
発生室4の周囲には、プラズマ磁界発生装置6が設けら
れている。FIG. 3 is a schematic sectional view showing an example of an ECR plasma CVD apparatus capable of forming a hard carbon film according to the embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, inside vacuum chamber 8, plasma generation chamber 4 and a reaction chamber in which substrate 13 is installed are provided. One end of the waveguide 2 is attached to the plasma generation chamber 4, and the microwave supply means 1 is provided at the other end of the waveguide 2. The microwave generated by the microwave supply means 1 is transmitted to the waveguide 2
And, it is guided to the plasma generation chamber 4 through the microwave introduction window 3. The plasma generation chamber 4 is provided with a discharge gas introduction pipe 5 for introducing a discharge gas such as argon (Ar) gas into the plasma generation chamber 4. A plasma magnetic field generator 6 is provided around the plasma generation chamber 4.
【0026】真空チャンバ8内の反応室には、ドラム状
の基板ホルダー12が、図3の紙面に垂直な回転軸のま
わりを回転自在となるように設置されており、該基板ホ
ルダー12には、図示省略するモーターが連結されてい
る。基板ホルダー12の外周面には、複数(本実施例で
は24個)のNi合金基板13が等しい間隔で装着され
ている。基板ホルダー12には、高周波電源10が接続
されている。A drum-shaped substrate holder 12 is installed in the reaction chamber in the vacuum chamber 8 so as to be rotatable about a rotation axis perpendicular to the paper surface of FIG. A motor (not shown) is connected. A plurality of (24 in this embodiment) Ni alloy substrates 13 are mounted on the outer peripheral surface of the substrate holder 12 at equal intervals. The high frequency power supply 10 is connected to the substrate holder 12.
【0027】基板ホルダー12の周囲には、金属製の筒
状のシールドカバー14が基板ホルダー12から約5m
mの距離隔てて設けられている。このシールドカバー1
4は、接地電極に接続されている。このシールドカバー
14は、被膜を形成するときに、基板ホルダー12に印
加される高周波(RF)電圧によって被膜形成箇所以外
の基板ホルダー12と真空チャンバ8との間の放電が発
生するのを防止するために設けられている。A metal cylindrical shield cover 14 is provided around the substrate holder 12 about 5 m from the substrate holder 12.
It is provided at a distance of m. This shield cover 1
4 is connected to the ground electrode. This shield cover 14 prevents a discharge between the substrate holder 12 and the vacuum chamber 8 other than the film forming location from occurring due to a radio frequency (RF) voltage applied to the substrate holder 12 when forming a film. It is provided for.
【0028】シールドカバー14には、開口部15が形
成されている。この開口部15を通って、プラズマ発生
室4から引き出されたプラズマが、基板ホルダー12に
装着された基板13に放射されるようになっている。真
空チャンバ8内には、反応ガス導入管16が設けられて
いる。この反応ガス導入管16の先端は、開口部15の
上方に位置する。An opening 15 is formed in the shield cover 14. Plasma drawn from the plasma generation chamber 4 through the opening 15 is radiated to the substrate 13 mounted on the substrate holder 12. A reaction gas introduction pipe 16 is provided in the vacuum chamber 8. The tip of the reaction gas introduction pipe 16 is located above the opening 15.
【0029】図4は、この反応ガス導入管16の先端部
分近傍を示す平面図である。図4を参照して、反応ガス
導入管16は、外部から真空チャンバ内にCH4 ガスを
導入するガス導入部16aと、このガス導入部16aに
対し垂直方向に接続されたガス放出部16bとから構成
されている。ガス放出部16bは、基板ホルダー12の
回転方向Aに対して垂直方向に配置され、かつ開口部1
5の上方の回転方向の上流側に位置するように設けられ
ている。ガス放出部16bには、下方に向けて約45度
の方向に複数の孔17が形成されている。本実施例で
は、8個の孔17が形成されている。孔17の間隔は、
中央から両側に向かうに従い徐々に狭くなるように形成
されている。このような間隔で孔17を形成することに
より、ガス導入部16aから導入されたCH4 ガスがそ
れぞれ孔17からほぼ均等に放出される。FIG. 4 is a plan view showing the vicinity of the tip of the reaction gas introducing pipe 16. Referring to FIG. 4, the reaction gas introducing pipe 16 includes a gas introducing portion 16a for introducing CH 4 gas into the vacuum chamber from the outside, and a gas releasing portion 16b connected to the gas introducing portion 16a in a vertical direction. It consists of The gas releasing portion 16b is arranged in a direction perpendicular to the rotation direction A of the substrate holder 12, and the opening 1
It is provided so as to be located on the upstream side in the rotation direction above 5. A plurality of holes 17 are formed in the gas releasing portion 16b in a direction of about 45 degrees downward. In this embodiment, eight holes 17 are formed. The distance between the holes 17 is
It is formed so that it gradually narrows from the center toward both sides. By forming the holes 17 at such intervals, the CH 4 gas introduced from the gas introducing portion 16a is released substantially uniformly from the holes 17.
【0030】上記の被膜形成装置を用いてNi合金基板
上に、図1に示すような硬質炭素被膜を形成する実施例
について以下具体的に説明する。まず、真空チャンバ8
内を10-5〜10-7Torrに排気して、基板ホルダー
12を約10rpmの速度で回転させる。次に、放電ガ
ス導入管5からArガスを5.7×10-4Torrで供
給するとともに、マイクロ波供給手段1から2.45G
Hz、100Wのマイクロ波を供給して、プラズマ発生
室4内に形成されたArプラズマを基板13の表面に放
射する。これと同時に、反応ガス管16からCH4 ガス
を1.3×10-3Torrで供給しながら、高周波電源
10から13.56MHzのRF電力を基板ホルダー1
2に印加する。この基板ホルダー12へのRF電力の印
加を、図5に示すように、基板に発生する自己バイアス
電圧が成膜初期において0Vであり、成膜終了時の15
分後において−150VとなるようにRF電力を調整し
て印加した。An example of forming a hard carbon film as shown in FIG. 1 on a Ni alloy substrate using the above film forming apparatus will be specifically described below. First, the vacuum chamber 8
The inside is evacuated to 10 −5 to 10 −7 Torr, and the substrate holder 12 is rotated at a speed of about 10 rpm. Next, Ar gas is supplied from the discharge gas introduction pipe 5 at 5.7 × 10 −4 Torr and the microwave supply means 1 to 2.45 G.
A microwave of 100 W at a frequency of 100 Hz is supplied to irradiate the surface of the substrate 13 with the Ar plasma formed in the plasma generation chamber 4. At the same time, while supplying CH 4 gas at 1.3 × 10 −3 Torr from the reaction gas pipe 16, RF power of 13.56 MHz is supplied from the high frequency power source 10 to the substrate holder 1.
2 When RF power is applied to the substrate holder 12, as shown in FIG. 5, the self-bias voltage generated on the substrate is 0 V at the initial stage of film formation and 15 at the end of film formation.
The RF power was adjusted and applied so as to be −150 V after a minute.
【0031】以上の工程により、Ni合金基板上に、膜
厚1200Åの硬質炭素被膜を形成した。図6は、基板
ホルダーに発生する自己バイアス電圧と、該自己バイア
ス電圧のときに形成される硬質炭素被膜の屈折率、導電
率、硬度、内部応力、及び水素濃度との関係を示す図で
ある。これらの測定値は、図3に示す装置において、基
板ホルダーに発生する自己バイアス電圧を一定にした条
件で硬質炭素被膜を形成し、得られた硬質炭素被膜の各
特性を測定することにより得た数値である。図6は、自
己バイアス電圧を変化させて被膜を形成し各特性値を測
定することによって、これらの関係を求めて作製したも
のである。Through the above steps, a hard carbon coating having a film thickness of 1200Å was formed on the Ni alloy substrate. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the self-bias voltage generated in the substrate holder and the refractive index, conductivity, hardness, internal stress, and hydrogen concentration of the hard carbon film formed at the self-bias voltage. . These measured values were obtained by forming a hard carbon coating on the apparatus shown in FIG. 3 under the condition that the self-bias voltage generated in the substrate holder was constant, and measuring each characteristic of the obtained hard carbon coating. It is a numerical value. FIG. 6 shows the relationship between these characteristics obtained by forming a film by changing the self-bias voltage and measuring the characteristic values.
【0032】図6から明らかなように、自己バイアス電
圧が0Vのとき、屈折率は1.0程度であり、導電率は
10-4(Ωcm)-1程度であり、硬度は850Hv程度
であり、内部応力は5GPa程度であり、水素濃度は6
0%程度であることがわかる。また自己バイアス電圧が
−150Vのときには、屈折率は2.5程度であり、導
電率は10-11 (Ωcm)-1程度であり、硬度は340
0Hv程度であり、内部応力は8GPa程度であり、水
素濃度は10%程度であることがわかる。As is apparent from FIG. 6, when the self-bias voltage is 0 V, the refractive index is about 1.0, the conductivity is about 10 −4 (Ωcm) −1 , and the hardness is about 850 Hv. , The internal stress is about 5 GPa, and the hydrogen concentration is 6
It turns out that it is about 0%. When the self-bias voltage is −150 V, the refractive index is about 2.5, the conductivity is about 10 −11 (Ωcm) −1 , and the hardness is 340.
It can be seen that it is about 0 Hv, the internal stress is about 8 GPa, and the hydrogen concentration is about 10%.
【0033】従って、被膜形成の進行とともに、自己バ
イアス電圧を0から−150Vに変化させた上記実施例
の硬質炭素被膜においては、図6に示すような各特性の
変化がその厚み方向で生じているものと考えられる。従
って、硬質炭素被膜21の基板20との界面近傍21a
においては、硬度は小さいが内部応力も小さい組成とな
っており、基板20に対する密着性が優れた組成となっ
ていることがわかる。また被膜表面近傍21bでは、硬
度等が高くなっており、硬質炭素被膜として所望される
高い硬度を有した組成となっていることがわかる。Therefore, with the progress of film formation, in the hard carbon film of the above example in which the self-bias voltage was changed from 0 to -150 V, changes in the respective characteristics as shown in FIG. 6 occurred in the thickness direction. It is believed that Therefore, the vicinity 21a of the interface between the hard carbon film 21 and the substrate 20 is
In Table 3, the composition has a small hardness but a small internal stress, and it can be seen that the composition has excellent adhesion to the substrate 20. Further, it is understood that the hardness and the like are high in the vicinity 21b of the coating surface, and the composition has a high hardness desired as a hard carbon coating.
【0034】上記図1に示すような傾斜構造を有する硬
質炭素被膜(実施例1)に加えて、さらに図2に示すよ
うな2層構造の硬質炭素被膜を形成した。被膜の形成条
件は自己バイアス電圧以外の条件は上記実施例1と同様
にして行った。自己バイアス電圧は、図7に示すよう
に、成膜開始から5分後までの5分間を0Vとし、その
後の15分後までの間の10分間は−150Vとなるよ
うにした。このような工程により、Ni合金基板上に、
膜厚1200Åの硬質炭素被膜を形成した。自己バイア
ス電圧0Vで形成した被膜が図2に示す被膜層22aの
部分となり、自己バイアス電圧−150Vで形成した被
膜が被膜層22bに相当する部分となっている。In addition to the hard carbon coating having a graded structure as shown in FIG. 1 (Example 1), a hard carbon coating having a two-layer structure as shown in FIG. 2 was further formed. The conditions for forming the film were the same as in Example 1 except for the self-bias voltage. As shown in FIG. 7, the self-bias voltage was set to 0 V for 5 minutes from the start of film formation to −150 V for 10 minutes until 15 minutes thereafter. By such a process, on the Ni alloy substrate,
A hard carbon coating having a film thickness of 1200Å was formed. The coating film formed with the self-bias voltage of 0 V is the portion of the coating layer 22a shown in FIG. 2, and the coating film formed with the self-bias voltage of -150 V is the portion corresponding to the coating layer 22b.
【0035】また、比較として、基板ホルダーに発生す
る自己バイアス電圧を被膜形成の間−150Vと一定に
し、それ以外は上記実施例1及び2と同様の条件で硬質
炭素被膜を形成した(比較例1)のものと、被膜形成の
間自己バイアス電圧を0Vとなるように一定にして硬質
炭素被膜を形成した(比較例2)のものを作製した。For comparison, a hard carbon film was formed under the same conditions as in Examples 1 and 2 except that the self-bias voltage generated in the substrate holder was kept constant at -150 V during film formation (Comparative Example). 1) and a hard carbon coating (Comparative Example 2) were prepared by keeping the self-bias voltage constant at 0 V during the coating formation.
【0036】以上のようにして得られた実施例1及び2
並びに比較例1及び2の硬質炭素被膜について、密着性
の評価試験を行った。密着性の評価は、ビッカース圧子
を用いた一定荷重(荷重=1kg)の押し込み試験によ
り行った。サンプル数を50個とし、Ni合金基板上の
硬質炭素被膜に剥離が発生した個数を数えて評価した。
評価結果を表1に示す。Examples 1 and 2 obtained as described above
In addition, the hard carbon coatings of Comparative Examples 1 and 2 were evaluated for adhesion. The evaluation of the adhesion was performed by an indentation test with a constant load (load = 1 kg) using a Vickers indenter. The number of samples was set to 50, and the number of peeled hard carbon coatings on the Ni alloy substrate was counted and evaluated.
Table 1 shows the evaluation results.
【0037】[0037]
【表1】 [Table 1]
【0038】表1から明らかなように、本発明に従う実
施例1及び実施例2の硬質炭素被膜は、比較例1の硬質
炭素被膜よりも大幅に剥離発生数が減少していることが
わかる。従って、本発明に従うことにより基板に対する
密着性に優れた硬質炭素被膜となることがわかる。As is clear from Table 1, the hard carbon coatings of Examples 1 and 2 according to the present invention have a significantly smaller number of peeling occurrences than the hard carbon coating of Comparative Example 1. Therefore, it can be seen that according to the present invention, a hard carbon film having excellent adhesion to the substrate can be obtained.
【0039】また、上記実施例1及び2並びに比較例1
及び2の硬質炭素被膜の硬度を測定し、その結果を表2
に示した。Further, the above Examples 1 and 2 and Comparative Example 1
The hardness of the hard carbon coatings Nos. 2 and 2 were measured, and the results are shown in Table 2.
It was shown to.
【0040】[0040]
【表2】 [Table 2]
【0041】表2から明らかなように、本発明に従う実
施例1及び2の硬質炭素被膜は、比較例1と同等の高い
硬度を有していることがわかる。比較例2の硬質炭素被
膜は、表1に示されるように剥離発生数が少なく密着性
には優れているが、膜硬度が非常に低いことがわかる。As is clear from Table 2, the hard carbon coatings of Examples 1 and 2 according to the present invention have high hardness equivalent to that of Comparative Example 1. As shown in Table 1, the hard carbon film of Comparative Example 2 has a small number of peeling occurrences and is excellent in adhesion, but it is understood that the film hardness is very low.
【0042】以上の結果、本発明に従う硬質炭素被膜
は、膜硬度が十分に高く、密着性に優れた硬質炭素被膜
であることがわかる。上記実施例においては、ECRプ
ラズマCVD装置を用いて硬質炭素被膜を形成したが、
本発明の硬質炭素被膜はこのような形成方法に限定され
るものではない。From the above results, it can be seen that the hard carbon coating according to the present invention is a hard carbon coating having a sufficiently high film hardness and excellent adhesion. In the above example, the hard carbon film was formed using the ECR plasma CVD apparatus,
The hard carbon coating of the present invention is not limited to such a forming method.
【0043】また、上記実施例では基板上に直接硬質炭
素被膜を形成した実施例を示したが、さらに密着性を良
好にするために、基板上にシリコン層などの下地層を形
成したものを基板として用い、この上に硬質炭素被膜を
形成したものであってもよい。In the above embodiment, the hard carbon film is directly formed on the substrate. However, in order to further improve the adhesiveness, a base layer such as a silicon layer is formed on the substrate. It may be used as a substrate on which a hard carbon coating is formed.
【0044】[0044]
【発明の効果】本発明に従えば、硬度、抵抗率、化学的
安定性等硬質炭素被膜が有する所望の特性を有し、かつ
基板に対する密着性に優れた硬質炭素被膜とすることが
できる。According to the present invention, it is possible to obtain a hard carbon coating having desired properties such as hardness, resistivity and chemical stability that the hard carbon coating has and having excellent adhesion to the substrate.
【0045】また本発明の硬質炭素被膜は、従来密着性
よく形成することができなかったNi合金等の基板の上
にも直接形成して、密着性の良好な被膜とすることがで
きる。従って、製造プロセスが複雑化することなく、密
着性の良好な硬質炭素被膜を形成することができる。Further, the hard carbon coating of the present invention can be directly formed on a substrate such as a Ni alloy which could not be formed with good adhesion in the past, to obtain a coating with good adhesion. Therefore, it is possible to form a hard carbon coating having good adhesion without complicating the manufacturing process.
【図1】本発明に従う一実施例の硬質炭素被膜を示す断
面図。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a hard carbon coating of an embodiment according to the present invention.
【図2】本発明に従う他の実施例の硬質炭素被膜を示す
断面図。FIG. 2 is a sectional view showing a hard carbon coating of another embodiment according to the present invention.
【図3】本発明に従う実施例において用いられるECR
プラズマCVD装置を示す概略断面図。FIG. 3 ECR used in an embodiment according to the present invention
The schematic sectional drawing which shows a plasma CVD apparatus.
【図4】図3に示すECRプラズマCVD装置の開口部
近傍を示す平面図。4 is a plan view showing the vicinity of the opening of the ECR plasma CVD apparatus shown in FIG.
【図5】本発明に従う実施例における成膜時間と自己バ
イアス電圧との関係を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a film forming time and a self-bias voltage in an example according to the present invention.
【図6】自己バイアス電圧と、屈折率、導電率、硬度、
内部応力、水素濃度との関係を示す図。FIG. 6 shows the self-bias voltage, refractive index, conductivity, hardness,
The figure which shows the relationship with internal stress and hydrogen concentration.
【図7】本発明に従う実施例における成膜時間と自己バ
イアス電圧との関係を示す図。FIG. 7 is a diagram showing a relationship between a film forming time and a self-bias voltage in an example according to the present invention.
20…基板 21…硬質炭素被膜 21a…硬質炭素被膜の基板との界面近傍部分 21b…硬質炭素被膜の表面近傍部分 22…硬質炭素被膜 22a…基板側の被膜層 22b…表面側の被膜層 20 ... Substrate 21 ... Hard carbon coating 21a ... Portion of hard carbon coating near interface with substrate 21b ... Hard carbon coating near surface 22 ... Hard carbon coating 22a ... Substrate side coating layer 22b ... Surface side coating layer
フロントページの続き (72)発明者 木山 精一 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内Front page continuation (72) Inventor Seiichi Kiyama 2-5-5 Keihan Hondori, Moriguchi City, Osaka Sanyo Electric Co., Ltd.
Claims (7)
て、基板との界面近傍における水素濃度が60〜40%
であり、被膜の表面近傍における水素濃度が30〜10
%であるように、被膜の組成をその厚み方向に変化させ
たことを特徴とする硬質炭素被膜。1. A hard carbon coating formed on a substrate, wherein the hydrogen concentration in the vicinity of the interface with the substrate is 60 to 40%.
And the hydrogen concentration near the surface of the coating is 30 to 10
%, The hard carbon coating is characterized in that the composition of the coating is changed in the thickness direction.
て、基板との界面近傍における内部応力が5〜6GPa
であり、被膜の表面近傍における内部応力が7〜8GP
aであるように、被膜の組成をその厚み方向に変化させ
たことを特徴とする硬質炭素被膜。2. A hard carbon coating formed on a substrate, wherein the internal stress in the vicinity of the interface with the substrate is 5 to 6 GPa.
And the internal stress near the surface of the coating is 7 to 8 GP.
The hard carbon coating characterized in that the composition of the coating is changed in the thickness direction as shown in (a).
て、基板との界面近傍における硬度が500〜2000
Hvであり、被膜の表面近傍における硬度が3000〜
3400Hvであるように、被膜の組成をその厚み方向
に変化させたことを特徴とする硬質炭素被膜。3. A hard carbon coating formed on a substrate, wherein the hardness in the vicinity of the interface with the substrate is 500 to 2000.
Hv, and hardness near the surface of the coating is 3000 to
A hard carbon coating characterized in that the composition of the coating is changed in the thickness direction so that it is 3400 Hv.
て、基板との界面近傍における導電率が10-4〜10-7
(Ωcm)-1であり、被膜の表面近傍における導電率が
10-10 〜10-11 (Ωcm)-1であるように、被膜の
組成をその厚み方向に変化させたことを特徴とする硬質
炭素被膜。4. A hard carbon film formed on a substrate, having a conductivity of 10 −4 to 10 −7 near an interface with the substrate.
(Ωcm) −1 , and the hardness of the coating composition is changed in the thickness direction so that the electrical conductivity in the vicinity of the surface of the coating is 10 −10 to 10 −11 (Ωcm) −1. Carbon coating.
て、基板との界面近傍における屈折率が1.0〜1.5
であり、被膜の表面近傍における屈折率が2.0〜2.
5であるように、被膜の組成をその厚み方向に変化させ
たことを特徴とする硬質炭素被膜。5. A hard carbon coating formed on a substrate, wherein the refractive index in the vicinity of the interface with the substrate is 1.0 to 1.5.
And the refractive index near the surface of the coating is 2.0 to 2.
5 is a hard carbon coating characterized in that the composition of the coating is changed in its thickness direction.
鋼、セラミックス、及びこれらの合金から選ばれる少な
くとも1種からなる請求項1〜5に記載の硬質炭素被
膜。6. The hard carbon coating according to claim 1, wherein the substrate is made of at least one selected from Ni, Al, stainless steel, ceramics, and alloys thereof.
項1〜6のいずれか1項に記載の硬質炭素被膜を形成す
る方法であって、 前記硬質炭素被膜の原料となる反応ガスを含むプラズマ
を発生させ、このプラズマを照射する前記基板ホルダー
に発生する自己バイアス電圧を被膜形成の進行とともに
変化させることによって、被膜の組成をその厚み方向に
変化させることを特徴とする硬質炭素被膜の形成方法。7. A method for forming a hard carbon coating according to claim 1 on a substrate placed on a substrate holder, comprising a reaction gas as a raw material of the hard carbon coating. Formation of a hard carbon coating characterized by changing the composition of the coating in the thickness direction by generating plasma and changing the self-bias voltage generated in the substrate holder irradiating the plasma with the progress of coating formation. Method.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9551496A JPH0940494A (en) | 1995-05-19 | 1996-04-17 | Hard carbon film and its formation |
US08/649,180 US5901021A (en) | 1995-05-19 | 1996-05-17 | Thin-film magnetic head |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7-121234 | 1995-05-19 | ||
JP12123495 | 1995-05-19 | ||
JP9551496A JPH0940494A (en) | 1995-05-19 | 1996-04-17 | Hard carbon film and its formation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JPH0940494A true JPH0940494A (en) | 1997-02-10 |
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ID=26436734
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP9551496A Pending JPH0940494A (en) | 1995-05-19 | 1996-04-17 | Hard carbon film and its formation |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JPH0940494A (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007046115A (en) * | 2005-08-10 | 2007-02-22 | Fuji Electric Device Technology Co Ltd | Protective film forming method and magnetic recording medium provided with the protective film |
JP2008081630A (en) * | 2006-09-28 | 2008-04-10 | Brother Ind Ltd | Sliding member |
EP2000560A1 (en) | 1999-07-08 | 2008-12-10 | Sumitomo Electric Industries, Ltd | Hard coating and coated member |
JP2009012039A (en) * | 2007-07-04 | 2009-01-22 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Powder mold, molded body and sintered body molded using the powder mold |
US8182883B2 (en) | 2008-08-27 | 2012-05-22 | Fuji Electric Co., Ltd. | Method of forming a protective film for a magnetic recording medium, a protective film formed by the method and a magnetic recording medium having the protective film |
US8334028B2 (en) | 2008-12-22 | 2012-12-18 | Fuji Electric Co., Ltd. | Method of forming a protective film |
-
1996
- 1996-04-17 JP JP9551496A patent/JPH0940494A/en active Pending
Cited By (7)
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