製造碳薄膜的方法和碳薄膜塗覆體的製作方法

2023-10-18 06:07:39 1

專利名稱：製造碳薄膜的方法和碳薄膜塗覆體的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於在基材上形成類金剛石(DLC )塗層(硬質碳薄膜) 的製造碳薄膜的方法和通過該製造方法形成的碳薄膜塗覆體。
背景技術：
由於類金剛石碳塗層的高的硬度和低的摩擦係數，所以將類金剛石 碳塗層(下文稱為DLC塗層)施用到滑動部分可有效地增強耐久性和 降低摩擦損失。近年來，這種DLC塗層經常用做各種滑動構件、工具、 磁記錄介質、磁頭等的保護膜。
由於上述特點，如圖10所示，DLC塗層1用於例如進行精細液壓 控制而因此多次致動的液壓閥2的閥軸3。由於液壓閥2多次致動，所 以如果不將DLC塗層1應用於閥軸3，則由於閥軸3和閥座4的彼此 相對滑動可能出現磨損或過熱。此外，由油的高速流動產生的氣泡引起 的部件表面的侵蝕可造成氣穴損傷。根據情況，這種損傷可降低液壓閥 2的密封性能，甚至造成其功能喪失。為了避免這種情況，如上所述， 如圖10所示的液壓閥2的閥軸3塗覆有DLC塗層1。在圖10中，DLC 塗層1形成於閥軸3的表面上。
然而，在上述實例中，由於DLC塗層1從閥軸3剝離造成的DLC 塗層1的損失可導致液壓洩漏，因此期望提高DLC塗層1和閥軸3之 間的粘附性。當在閥軸3的表面上形成DLC塗層1時，閥軸3用作沉 積DLC塗層1時的基材，並且將DLC塗層1沉積到基材頂上。這兩個 部件基材和DLC塗層1在下文中將適當時稱為碳薄膜塗覆體7。同樣， 還包括插入基材和DLC塗層1之間的中間層的結構在下文中也將合適 地稱為碳薄膜塗覆體7。
一種可想到的提高粘附性的方法是在基材5和DLC塗層1之間提 供由金屬製成的中間層6 (參見日本專利申請公開No. 2004-183699 (JP-A-2004-183699 ))。然而，當碳薄膜塗覆體7包括中間層6時，如
上述設置和如圖12所述的，DLC塗層1的剝離經常從中間層6的開裂 起點擴展。因此，碳薄膜塗覆體7不能在粘附性方面表現出令人滿意的 特性，仍然具有一些改進的空間。
作為另 一 相關技術，日本專利申請乂>開No 2002-88465 (JP-A-2002-88465)描述了一種技術，其中將基材(工件)固定於非 平衡磁控濺射裝置的轉臺上，提供將偏壓施加到基材(工件)上的工件 夾具(參見JP-A-2002-88465的"0030"段和圖3)，並且在沉積中間層 時，通過將約-0到-50 V的電壓作為偏壓施加到工件夾具(由此施加到 基材)上將中間層沉積到基材(工件)的表面上(參見JP-A-2002-88465 的"0054"段和圖6)。
根據該沉積技術，在進行沉積，直至將中間層沉積到預定的膜厚度 之後，通過濺射電源施加到其電極的電壓隨時間逐步減小供給到中間層 的蒸發源的電功率，並且同時隨時間逐步增加供給到碳蒸發源的電功 率，由此在中間層頂上沉積具有梯度結構的層，在所述具有梯度結構的 層中，中間層的金屬和硬質碳塗層的碳的組成隨跨越膜厚度的位置逐步 變化。然後，在施加於中間層的蒸發源的電功率變為0W時，將施加於 基材(工件)的偏壓設定為約-50 V到-700 V，在該條件下形成硬質碳 塗層(DLC塗層)，直至達到預定的膜厚度(參見JP-A-2002-88465的 "0054"段和圖6)。根據該沉積技術，在沉積中間層時，通過在開始沉 積中間層之後立即用高負壓的偏壓(約-500 V到-2000 V的高負壓作為 偏壓)進行沉積、然後將偏壓逐步降低到較低的負壓(約-0 V到-50 V 是期望的最終負壓)可以提高粘附性(參見JP-A-2002-88465的"0046" 段和"0047"段)。
對於JP-A-2004-183699中描述的技術，通過該沉積技術獲得的碳薄 膜塗覆體也易於發生DLC塗層1的剝離，所述DLC塗層1的剝離從如 圖12所示的中間層6的開裂起點擴展。因此，JP-A-2002-88465中描述 的沉積技術也在粘附性增強方面具有改進的空間。

發明內容
本發明提供可獲得增強粘附性的製造碳薄膜的方法。本發明還提供 具有令人滿意的粘附性的碳薄膜塗覆體。
本發明的第 一方面涉及製造碳薄膜的方法，包括在基材表面上沉積 中間層，和在該中間層的表面上形成類金剛石碳塗層。在製造碳薄膜的
方法中，在所述中間層的沉積期間將0到-30 V的偏壓施加到基材上。
根據上述配置，防止了中間層過度硬化，由此表現出增強的延展性， 這導致減輕由沉積在中間層頂上的類金剛石碳塗層施加的外力和應力 的能力增強，由此抑制在中間層內形成可導致剝離的裂紋。
在根據上述方面的製造碳薄膜的方法中，還可以將施加於基材的偏 壓設定為0到-30V範圍內的固定值。
在根據上述方面的製造碳薄膜的方法中，中間層的所述表面可以是 與基材相反側的表面。
在上述製造碳薄膜的方法中，可以利用PVD (物理氣相沉積)法、 尤其是磁控濺射法進行中間層的沉積。
可以利用PVD法或CVD (化學氣相沉積)法形成類金剛石碳塗層。
本發明的第二方面涉及使用上述方法製造的碳薄膜塗覆體，該碳薄 膜塗覆體包括在基材表面上形成的中間層和在該中間層的表面上形成 的類金剛石碳塗層。根據上述配置，防止了中間層過度硬化並因此使中 間層表現出增強的延展性，這防止在中間層內形成裂紋並由此防止類金 剛石碳塗層開裂，從而獲得增強的粘附性。
在根據上述方面的碳薄膜塗覆體中，中間層可以包含鉻(Cr)。並且， 中間層還可以包4^碳化鎢(WC)。在中間層中，WC與Cr的重量比可隨 著到所U材的距離的增加而增加。
在根據上述方面的碳薄膜塗覆體中，中間層可以具有690 DH的硬度。


參照附圖，從以下示例性實施方案的說明中，本發明的前述和其它 特徵和優點將變得顯而易見，附圖中使用相似的附圖標記表示類似的要 素，附圖中
圖1A、圖1B和圖1C顯示根據本發明一個實施方案的製造碳薄膜 的方法，其中圖1A顯示清潔步驟，圖IB顯示沉積中間層的步驟，圖 1C顯示沉積硬質碳薄膜(DLC塗層)的步驟；
圖2A和圖2B顯示圖1A、圖1B和圖1C中所示的碳薄膜的製造中 所用的磁控濺射裝置，其中圖2A是示意性顯示其結構的部分橫截面的 平面圖，圖2B是示意性顯示其結構的部分橫截面的側視圖3是顯示圖1A、圖1B和圖1C所示碳薄膜的製造中所用的磁控 濺射裝置在清潔基材步驟中的狀態的視圖4A是顯示圖1A、圖1B和圖1C所示碳薄膜的製造中所用的磁 控濺射裝置在沉積中間層的步驟中的狀態的視圖，圖4B是顯示沉積中 間層的步驟中偏壓和靶輸出特性的圖5是顯示圖1A、圖1B和圖1C所示碳薄膜的製造中所用的磁控 濺射裝置在沉積DLC層的步驟中的狀態的視圖6A是示意性顯示通過圖1A、圖1B和圖1C所示的步驟獲得的 碳薄膜塗覆體的橫截面圖，圖6B是顯示使用圖6A所示的碳薄膜塗覆體 時施加的外力和應力的視圖7A是示出根據本發明一個實施方案的粘附性檢查的流程圖，圖7B 是示意性顯示已經通過圖7A中的視覺檢查確定為存在缺陷的碳薄膜塗覆 體的照片的視圖8是顯示根據本發明一個實施方案的偏壓和通過粘附性檢查獲得的 粘附缺陷率之間的關係的圖9A是顯示根據本發明一個實施方案的包含通過橫截面檢查獲得 的DLC剝離部位的碳薄膜塗覆體的照片的特徵的示意圖，圖9B是顯示 中間層的現變測量結果的偏壓-中間層現復特性圖10是顯示才艮據本發明一個實施方案的塗覆有DLC塗層的液壓閥的 橫截面圖11是顯示在基材和DLC塗層之間插入中間層的相關技術的一個實 例的橫截面視圖；以及
圖12是示意性顯示DLC剝離如何從中間層的開裂起點擴展的橫截 面視圖。
具體實施例方式
下面將參照圖1A、圖1B和圖1C到圖6A和圖6B來描述根據本發明 一個實施方案的製造碳薄膜的方法。在圖1A到圖1C中，附圖標記5表示 由不鏽鋼製成的基材，6表示通過磁控濺射法層疊在基材5的表面上的中 間層，1表示層疊在中間層6與基材5相反側上的表面上的類金剛石碳塗 層(DLC塗層)。在下文中，基材5、中間層6和DLC塗層1的組合適合 地稱為碳薄膜塗覆體7。中間層6包含Cr和WC。
用圖2A和圖2B中所示的磁控濺射裝置10生產碳薄膜塗覆體7。在 圖2A和圖2B中，磁控'減射裝置10包括真空室11。蒸發源12布置在真 空室11內部的周邊側上的四個位置處。支持大量基材5的基材架13設置 在真空室11的中央。在四個位置處的蒸發源12中，由Cr形成的靶14(在 下文中稱為Cr靶14A)設置在兩個沿對角線設置的蒸發源12中的每一個 中，由WC形成的靶14 (在下文中稱為WC靶14B )設置在兩個剩餘沿 對角線設置的蒸發源12的每一個中。每個靶14( Cr靶14A和WC靶14B) 與布置在真空室11外側的濺射電源16連接，並且供給有負偏壓。
基材架13包括轉臺17,所述轉臺17在例如由驅動裝置的驅動下如圖 2A所示沿順時針方向轉動。多個(在該實施方案中為8個)旋轉軸18布 置在轉臺17的外周上，所述旋轉軸18如圖2A和2B所示在驅動裝置的驅 動下以順時針方向轉動。每個旋轉軸18包括軸體18a和從軸體18a向外伸 出的多個(在該實施方案中為9個)基本盤狀的基材放置部18b。基材放 置部18b沿軸體18a的縱向設置。多個基材5分別放置在基材放置部18b 上。如上所述，隨著轉臺17和旋轉軸18轉動，放置在基材放置部18b上 的各個基材5在繞自身的軸轉動的同時圍繞轉臺17的軸轉動。此外，偏壓 電源19連接至基材架13，從而將包括0 V的負偏壓施加到基材架13和由 基材架13夾持的基材5。
真空室11設置有用於從真空室11排放空氣的排放口 20、用於將Ar 氣引入真空室11中的Ar氣入口 21、和用於將烴氣體引入真空室11中的 烴氣體入口 22。排放口 20、 Ar氣入口 21和經^口 22分別連接至真空 泵、Ar氣源和烴氣體源。此外，Ar氣電離裝置23設置在真空室11內部，
在清潔步驟時使用。
在執行以下步驟後獲得碳薄膜塗覆體7時沉積過程結束用於抽空真 空室11的抽空步驟ST1、加熱/脫氣步驟ST2、基材清潔步驟ST3、中間 層沉積步驟ST4、 DLC層沉積步驟ST5和冷卻步驟ST6。現在，將參照 與上述步驟對應的圖1A到1C和圖3到圖5，按上述步驟描述根據該實施 方案的操作。
在將基材5放置在基材放置部18b上和執行上述抽空步驟ST1和加熱 /脫氣步驟ST2之後，如圖3所示，在基材清潔步驟ST3中，從偏壓電源 19將"-100 V到-400 V"的偏壓施加到基材架13，同時還致動Ar氣電 離裝置23。因此，如圖1A所示，Ar氣被電離，電離的Ar氣被偏壓吸引 到基材5上，由此通過轟擊的撞擊作用除去基材5上的汙染物和氧化物膜。
隨後，在中間層沉積步驟ST4中，如圖1B和圖4A所示的，從偏壓電 源19將具有"0V到-30V"範圍內的固定值的偏壓施加到基材架13。在 該步驟的初始階段期間，如圖4B所示，將功率僅供給到Cr靶14A,然後 逐漸增加供給到WC靶14B上的功率並減小供給到Cr靶14A的功率，使 得在該步驟的最後階段中，供給到Cr靶14A的功率為零。其間，在各個 靶14之間產生等離子體，並且如圖1B所示，與物質粒子(Cr、 WC)(圖 1B中由Me表示) 一起也釋放Ar離子。應該注意，圖4B顯示負偏壓的 絕對值沿箭頭的方向增加。
當如上所述將功率供給到各個耙14時，分別將Cr原子和WC原子從 Cr靼14A和WC耙14B中擊出。擊出的Cr原子和WC原子被引向基材 5，並且在混合在一起的同時沉積在基材5上，從而形成含有Cr成分和 WC成分的中間層6。此時，已經釋放Ar離子，有助於中間層6的有效形 成。此外，如圖4B所示，根據經過的時間，減小供給到Cr耙14A的功 率，同時增加供給到WC靶14B的功率。由此，形成中間層6的組成，同 時該組成關於Cr成分和WC成分逐漸變化，使得WC成分沿膜厚度增加 的方向增加，換言之，使得在中間層6中WC與Cr的重量比隨著到基材 5的距離的增加而增加。應該注意，圖6A示意性顯示中間層6的組成的這 種梯度變化，其中WC成分沿中間層6膜厚度增加的方向增加。
隨後，在DLC層沉積步驟ST5中，如圖1C和圖5所示，從偏壓電源 19將具有"-600 V到-800 V"範圍內的固定值的電壓施加到基材架13，
以在基材架13周圍產生等離子體。引入真空室中的烴氣體由等離子體分解 以沉積DLC塗層(等離子體CVD法)。因此，如圖6A所示，完成了沉積， 形成碳薄膜塗覆體7。隨後，在冷卻步驟ST6中，冷卻碳薄膜塗覆體7， 使其準備好用於運輸。
由於通過將施加到基材5的偏壓"&定為"0V到-30V"範圍內的固定 值來沉積碳薄膜塗覆體7的中間層6，因此中間層6不過度硬化，並表現 出高的逸艮性。此外，如圖6B所示，在^_用時，中間層6在減輕由沉積 在中間層6頂上的DLC塗層1施加的外力和應力方面的能力增強。因此， 抑制了可導致碳薄膜塗覆體7剝離的中間層6內的開裂的發生，並由此使 得碳薄膜塗覆體7表現出碳薄膜塗層與基材5之間的優異粘附性。
為了避免在如上所述(中間層沉積步驟ST4、 DLC層沉積步驟ST5 和冷卻步驟ST6)獲得碳薄膜塗覆體7之後將粘附性有缺陷的碳薄膜塗覆 體7的缺陷件(缺陷粘附件)傳遞到後續步驟，如圖7A所示，進行滾筒 拋光(粘附檢查)(滾筒拋光步驟ST7 )和視覺檢查(視覺檢查步驟ST8 )， 並且只運輸在上述兩個步驟滾筒拋光步驟ST7和視覺檢查步驟ST8中確定 為"無缺陷的"那些碳薄膜塗覆體7工件(運輸步驟ST9)。在圖7A中， 步驟ST1到ST6 —起表示為DLC塗層步驟。
在滾筒拋光步驟ST7中，將待檢查的碳薄膜塗覆體7和例如球形的大 量磨石充填到滾筒中並攪動，利用滾筒拋光技術拋光碳薄膜塗覆體7，並 且通過拋光力使缺陷的粘附部位顯現出來。在滾筒拋光步驟ST7之後的視 覺檢查步驟ST8中，通過視覺觀察確定剝離部位是否等於或超過預定尺寸。 圖7B是示意性顯示已經由於其低粘附性而確定為具有缺陷的碳薄膜塗覆 體7的照片的視圖。在附圖中，附圖標記30代表出現剝離的部位。由於圖 7B中所示的碳薄膜塗覆體7具有低的粘附性，所以由於滾筒拋光施加的力 而出現剝離。也就是說，通過在滾筒拋光步驟ST7中進行的滾筒拋光檢查 碳薄膜塗覆體7的粘附性。
由於對經過中間層6沉積在基材5上的類金剛石碳塗層(DLC塗層1) 的粘附性進行了深入的研究，通過以下檢查結果發現在中間層6沉積期間 施加於基材5的偏壓和DLC塗層1的粘附性之間存在密切的聯繫，並且 發現如果通過將施加到基材5的偏壓設定為從0 V到-30 V範圍內的固定 值進行中間層6的沉積，則DLC塗層1的粘附性提高。
通過將施加於基材5的偏壓設定為各種值(具體地，0 V、 -30 V、 -40 V、 -50￥和-150￥)沉積中間層6，然後以與上述實施方案中相同的方式沉積 DLC塗層1以獲得大量的碳薄膜塗覆體7的樣品。具體地，相對於每個設 定電壓獲得200件碳薄膜塗覆體7用於檢查。然後利用上述滾筒拋光法檢 查它們的粘附性。作為這種檢查的結果，如圖8所示，對於具有通過將-150 V的偏壓施加到基材5沉積的中間層6的碳薄膜塗覆體7的工件而言，確 定具有缺陷粘附的工件的比例(缺陷粘附發生率)為約40%。同樣，對於 其中間層6在施加到基材5的-50 V、 -40V、 -30V和0V的偏壓下沉積的各 個碳薄膜塗覆體7的工件，它們的缺陷粘附發生率分別為約10%、約10%、 約1%和約1%。
然後，如圖8明顯可見的，可理解的是在當通過將絕對值大於-30 V的 絕對值的負偏壓施加於基材5沉積中間層6時，DLC塗層1的粘附性不良。 然而，當通過將0 V到-30 V範圍內的固定偏壓施加到基材5沉積中間層6 時，提高了 DLC塗層1的粘附。
此外，為了確定在沉積中間層6時通過以上述方式設定偏壓(設定為 在0V到-30V內的固定偏壓)實現的缺陷粘附減少的原因，本發明人對通 過上述檢查確定為具有缺陷的碳薄膜塗覆體7的DLC剝離部位的橫截面 進行研究，並且測量通過將偏壓設定為-150 V到0 V獲得的碳薄膜塗覆體 7的中間層6的M。如圖9A所示，橫截面研究結果表明裂^fr碳薄膜塗 覆體7的中間層6內擴展，並且已經發生剝離(出現剝離的部位稱為DLC 剝離部位)。在橫截面研究中，拍攝了包括DLC剝離部位的碳薄膜塗覆體 7的照片。圖9A是所拍攝內容的特徵的示意性圖示。
圖9B所示的結果得自中間層6的狄測量。此外，如圖9B所示，得 到了如下發現(i)和(ii): (i)當偏壓為-150V時，中間層6是硬的(硬 度為1170 (DH))並且;U晚性的，因此易於開裂；和(ii)當偏壓為0 V 時，中間層6是軟的(現變為6卯(DH))並且表現出a特性，這抑制 了斷裂開始的發生。本發明是基於從上述檢查結果(圖8)、橫截面研究(圖 9A )、中間層6的現變測量(圖9B)獲得的發現而做出的，並且如上所述 增強粘附性。
雖然在該實施方案中施加到基材5的偏壓為0 V到-30 V範圍內的固定 電壓，但是本發明不限於此。可以改變偏壓，只要其在0V到-30V的範圍 內即可。
雖然上文描述了本發明的示例性實施方案，但是應當理解，本發明不 限於所述實施方案的細節，而是可以具有各種變化、修改或改進地實施， 這是本領域的技術人員可以想到的並不脫離本發明的範圍。
權利要求
1.一種製造碳薄膜的方法，其特徵在於包括在基材(5)的表面上沉積中間層(6)；在所述中間層的表面上形成類金剛石碳塗層(1)；和其中在所述中間層的沉積期間對所述基材施加0V到-30V的偏壓。
2. 根據權利要求l所述的製造碳薄膜的方法，其中將施加到所述基材 的所述偏壓設定為在0 V到-30 V範圍內的固定值。
3. 根據權利要求l所述的製造碳薄膜的方法，其中所述中間層的所述 表面為與所述基材相反側上的表面。
4. 根據權利要求1所述的製造碳薄膜的方法，其中通過PVD方法進 行所述中間層的所述沉積。
5. 根據權利要求4所述的製造碳薄膜的方法，其中所述PVD方法為 磁控濺射法。
6. 根據權利要求l所述的製造碳薄膜的方法，其中通過選自PVD方 法和CVD方法中的一種形成所述類金剛石碳塗層。
7. —種利用根據權利要求1 ~ 6中任一項所述的製造碳薄膜的方法制 造的碳薄膜塗覆體，其特徵在於包括在基材表面上形成的所述中間層；和在所述中間層的表面上形成的所述類金剛石碳塗層。
8. 根據權利要求7所述的碳薄膜塗覆體，其中所述中間層包含Cr。
9. 根據權利要求8所述的碳薄膜塗覆體，其中所述中間層還包含WC。
10. 根據權利要求9所述的碳薄膜塗覆體，其中在所述中間層中，WC 與Cr的重量比隨著到所述基材的距離的增加而增加。
11. 根據權利要求7所述的碳薄膜塗覆體，其中所述中間層具有6卯DH 的硬度。
全文摘要
一種製造碳薄膜的方法，所述方法包括在基材(5)表面上沉積中間層(6)，和在中間層(6)的表面上形成類金剛石碳塗層(1)。在製造碳薄膜的方法中，在中間層(6)的沉積期間將0V到-30V的偏壓施加到基材(5)上。
文檔編號C23C14/06GK101363111SQ20081013507
公開日2009年2月11日 申請日期2008年7月25日 優先權日2007年7月26日
發明者七原正輝, 下田健二, 大森直之, 金澤孝明, 鈴木奉努 申請人:豐田自動車株式會社;愛信精機株式會社;株式會社東研薩莫技術