JP2003147508A

JP2003147508A - 炭素膜、炭素膜の成膜方法、および炭素膜被覆部材

Info

Publication number: JP2003147508A
Application number: JP2001342218A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Oda; 一彦織田; Hisanori Ohara; 久典大原; Yoshiharu Uchiumi; 慶春内海
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2001-11-07
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2003-05-21

Abstract

(57)【要約】【課題】ダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜
に代わって、工具、金型、機械部品などの耐磨耗性およ
び耐久性を向上させるための炭素膜を提供する。【解決手段】密度が２．８〜３．３ｇ／ｃｍ³である炭
素膜であって、当該膜はスピン密度が１×１０¹⁸〜１×
１０２１spins／ｃｍ³、炭素濃度が９９．５原子％以
上、水素濃度が０．５原子％以下、希ガス元素濃度が
０．５原子％以下、ヌープ硬度が２０００〜６０００で
あることが好ましい。この炭素膜は、カソードアークイ
オンプレーティング法またはレーザーアブレーション法
で、固体炭素を原料とし、真空度０．０５Ｐａ以下の雰
囲気下で、水素および希ガス元素を含むガスを雰囲気に
導入しないことにより、成膜できる。この炭素膜が被覆
された炭素膜被覆部材は、耐磨耗性および耐久性に優れ
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高硬度の炭素膜、そ
の成膜方法、およびその炭素膜を被覆してなる部材に関
し、工具、金型、機械部品、電気・電子部品あるいは光
学部品などの被覆に適用される。

【０００２】

【従来の技術】炭素系被膜は、その機械的特性および化
学的安定性を利用して各種部材の耐磨耗性や耐久性を向
上するための被覆材料として用いられてきている。従
来、炭素からなる膜としては、ダイヤモンド膜、グラフ
ァイト膜あるいはダイヤモンド状炭素膜などが挙げら
れ、これらの製法や特徴は次のとおりである。ダイヤモ
ンド膜は、一般にフィラメントＣＶＤ法、マイクロ波プ
ラズマＣＶＤ法などで合成され、その合成温度は７００
℃以上の高温である。この合成は、１％前後のメタンな
どの炭化水素ガスに、９９％程度の多量の水素ガスを導
入することにより行われる。このように水素ガスを導入
するのは、多量の原子状水素を発生させ、合成される膜
中の非晶成分をこの原子状水素と反応させて除去するた
めである。

【０００３】ダイヤモンド膜の構造は立方晶系で、電子
線回折やＸ線回折では、ダイヤモンド構造を反映した回
折像が得られる。ラマン分光分析では、１３３３ｃｍ^-1
付近にダイヤモンド構造に対応する狭いピークが見られ
る。結晶質であるため、得られる膜は、結晶を反映した
凹凸の激しい表面となる。物性は、ヌープ硬度が９００
０以上、密度は３．５１ｇ／ｃｍ³以上である。一方、
グラファイト膜は、真空蒸着法や炭化水素ガスの熱分解
で得られる。前者は５００℃以下の低温で、後者は１０
００℃以上の高温で合成される。グラファイトの結晶構
造は、六方晶系での結晶質である。ヌープ硬度は２００
以下ときわめて軟質で、密度は約２．２５ｇ／ｃｍ³で
ある。

【０００４】ダイヤモンド状炭素膜は、ダイヤモンドと
グラファイトまたはダイヤモンドと炭素系樹脂との中間
をなすものとされるが、その範囲は明確ではない。その
製法には、プラズマＣＶＤ法、イオン化蒸着法、スパッ
タ法など種々の手法が存在するが、いずれも合成温度が
４００℃以下と低いことが共通する。プラズマＣＶＤ法
やイオン化蒸着法などでは、炭化水素ガスを原料とし、
膜質を制御するため水素ガスを添加することが多い。ま
た、スパッタ法などでは、スパッタ用にアルゴンなどの
希ガスを用い、膜質の制御のため水素や炭化水素ガスを
添加することが一般的である。その構造、組成および物
性は次のとおりである。

【０００５】その構造は非晶質で、ダイヤモンド構造を
反映したｓｐ３構造と、グラファイト構造を反映したｓ
ｐ２構造、水素との結合などが混ざったものであると考
えられている。電子線回折やＸ線回折では、非晶質構造
を反映したハローパターンが得られ、ラマン分光分析で
は１３００〜１６００ｃｍ^-1付近に広いピークと肩を持
った構造を示す。このように非晶質であるため、得られ
る膜は平滑である。その組成は、一般には水素を１０〜
４０原子％程度含有しており、例えば特公平５−５８０
６８号公報には水素含有量が２０〜３０原子％のものが
開示されている。さらに、硬度を向上させるなどの目的
で水素含有量数〜１０原子％程度まで低下させたものが
提案されており、特開平３−１５８４５５号公報や特開
平９−１２８７０８号公報には水素含有量数原子％のも
のが開示されている。水素以外にも各種元素の添加が試
みられており、金属や窒素、ハロゲン原子などを添加し
た例が報告されている。また、スパッタ法など固体炭素
を原料とする場合は、アルゴンなどの希ガス元素雰囲気
下で成膜が行われるため、膜中に希ガス元素が取り込ま
れる。さらに、特開２０００−８０４７３号公報では希
ガス元素を積極的に取り込ませて応力や硬度、耐磨耗性
などを制御する例を提示している。

【０００６】その物性に関しては、ヌープ硬度が一般に
１０００〜２０００、密度が１．５〜２．５ｇ／ｃｍ³
であって広い範囲を有する。例えば、特開平９−１２８
７０８号公報には密度１．５〜２．２ｇ／ｃｍ³のもの
が開示されている。前記した炭素系の膜のうち、ダイヤ
モンドやダイヤモンド状炭素膜は、耐磨耗性が高く、摩
擦係数が小さく、焼き付けが小さいという特徴を有して
おり、このために工具や金型、機械部品などへの適用が
試みられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ダイヤモンドやダイヤ
モンド状炭素膜を工具、金型、機械部品などに適用しよ
うとするとき、以下の点が問題になる。ダイヤモンド膜
に関する問題点としては、成膜温度が７００℃以上の高
温であること、また成膜したままの状態では表面粗さが
きわめて大きいことなどが挙げられる。処理温度が高い
ことは、適用できる部材の材料が限定されることであ
り、具体的にはセラミックスや超硬合金などに限定さ
れ、鉄系材料などの汎用的で安価な材料に適用できない
という問題がある。また、表面粗さが大きいため、工
具、金型、機械部品など多くの用途においてはそのまま
で使用することができず研磨工程が必要不可欠になる。

【０００８】ダイヤモンド状炭素膜に関しては、成膜温
度が低く、表面粗さが小さい点においてはダイヤモンド
膜よりも利用しやすいといえる。しかし、その一方で硬
度が十分に高くないこと、耐熱性が低いことなどが問題
点である。ダイヤモンド状炭素膜の一般的なヌープ硬度
は、前述のように約１０００〜２０００であって、ダイ
ヤモンドのヌープ硬度約１００００に比べて、１／１０
〜１／５である。耐磨耗性などを要求する場合、更なる
高硬度の材料が望まれている。また、ダイヤモンド状炭
素膜の大気中での耐熱性は、一般に３５０〜４５０℃の
範囲である。これより高い温度に曝されると、膜中の水
素が脱離したり、酸化が進んだりして、硬度が大幅に低
下する。従って、使用温度が高い工具や金型、機械部品
などに適用できないという問題がある。

【０００９】本発明の目的は、上記のように、ダイヤモ
ンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜にはその利用にあ
たって一長一短を有することから、これらに代わる新し
い炭素膜とその成膜方法、およびその炭素膜で被覆して
なる部材を提供しようとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段および発明の効果】本発明
者らは、上記課題を解決するために種々検討を重ねた結
果、以下の１）〜８）項に記載の発明を完成したもので
ある。１）密度が２．８ｇ／ｃｍ³以上３．３ｇ／ｃｍ³以下で
あることを特徴とする炭素膜。２）スピン密度が１×１０¹⁸spins／ｃｍ³以上１×１０
²¹spins／ｃｍ³以下であることを特徴とする上記１）項
記載の炭素膜。

【００１１】３）炭素濃度が９９．５原子％以上、水素
濃度が０．５原子％以下、希ガス元素濃度が０．５原子
％以下であることを特徴とする上記１）または２）項に
記載の炭素膜。４）実質的に炭素元素のみから形成されていることを特
徴とする上記１）から３）項のいずれかに記載の炭素
膜。５）ヌープ硬度が２０００以上６０００以下であること
を特徴とする上記１）から４）項のいずれかに記載の炭
素膜。

【００１２】６）カソードアークイオンプレーティング
法またはレーザーアブレーション法で、固体炭素を原料
とし、真空度０．０５Ｐａ以下の雰囲気下で、水素およ
び希ガス元素を含むガスを雰囲気に導入せずに、成膜を
行うことを特徴とする上記１）から５）項のいずれかに
記載の炭素膜の成膜方法。７）上記１）から５）項のいずれかに記載の炭素膜が被
覆されていることを特徴とする炭素膜被覆部材。

【００１３】８）上記６）項の製造方法で製造された炭
素膜が被覆されていることを特徴とする炭素膜被覆部
材。上記の本発明の炭素膜は、硬度が高く耐熱性があり、こ
の炭素膜で被覆した工具、金型、機械部品、電気・電子
部品あるいは光学部品などの本発明の炭素膜被覆部材は
優れた耐磨耗性と耐久性を有する。本発明の炭素膜は、
上記６）項記載の成膜方法によって成膜することができ
る。この方法によると比較的、低温下において成膜する
ことが可能であり、広範な被覆対象部材に工業的有利に
実施できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の炭素膜は、前記１）項の
とおり、密度が２．８ｇ／ｃｍ³以上３．３ｇ／ｃｍ³以
下であることを特徴とする。ダイヤモンドの密度は３．
５２９ｇ／ｃｍ³であり、その一方で一般のダイヤモン
ド炭素膜の密度は１．５〜２．５ｇ／ｃｍ³程度であ
る。本発明の炭素膜は、これらの中間領域の密度を有す
るものである。密度が本発明でいう範囲に達しないとき
すなわち２．８ｇ／ｃｍ³未満では十分な耐熱性や硬度
が得られず、一方密度が３．３ｇ／ｃｍ³を超えると数
百℃の前半という低温での合成が困難であり現実てきで
はない。耐熱性、硬度および生産の安定性等の観点から
みて、本発明の炭素膜は密度が２．９ｇ／ｃｍ³以上
３．２ｇ／ｃｍ³以下であることがより好ましい。

【００１５】本発明の炭素膜は、前記２）項のとおり、
スピン密度が１×１０¹⁸spins／ｃｍ³以上１×１０²¹sp
ins／ｃｍ³以下であることが好ましい。スピン密度とは
不対電子の密度に対応するパラメーターである。スピン
密度が大きいほど未結合手、すなわち欠陥が多いことを
示す。ダイヤモンドのスピン密度は一般に１×１０ ¹⁷sp
ins／ｃｍ³以下であり、このことは炭素原子１個につき
約５．７×１０^-7個以下の不対電子があることに対応す
る。本発明の炭素膜は、スピン密度が１×１０¹⁸spins
／ｃｍ³以上１×１０²¹spins／ｃｍ³以下であることが
好ましく、このことは密度が３．０ｇ／ｃｍ³の場合、
炭素原子１個につき約６．７×１０^-6以上６．７×１０
^-2個以下の不対電子を有することに対応する。スピン密
度は小さいほど高硬度で耐熱性も高くなるが、現実的に
はスピン密度が１×１０¹⁸spins／ｃｍ³に達しない炭素
膜は数百℃の前半という低温での合成が困難であり好ま
しくない。また、スピン密度が１×１０¹⁸spins／ｃｍ³
を超えた炭素膜は、不対電子が多く、すなわち欠陥が多
くなってくることになり、硬度が小さくなり耐熱性にも
劣ってくるので好ましくない。耐熱性、硬度および生産
の安定性等の観点からみて、本発明の炭素膜はスピン密
度が１×１０¹⁹spins／ｃｍ³以上８×１０ ²⁰spins／ｃ
ｍ³以下であることがより好ましい。

【００１６】本発明の炭素膜は、前記３）項のとおり、
炭素濃度が９９．５原子％以上、水素濃度が０．５原子
％以下、希ガス元素濃度が０．５原子％以下であること
が好ましい。一般のダイヤモンド状炭素膜は、水素が数
〜数十原子％含まれている。水素は1個の結合手しか持
たないため、炭素原子と結合するとそこで炭素原子同士
の結合の連続性が途切れてしまうことになる。こうした
水素と炭素との結合は、炭素膜の硬度低下と耐熱性の低
下につながる。

【００１７】また、炭素膜の合成中にアルゴン、ネオ
ン、ヘリウム、キセノンなどの希ガスを使用すると、希
ガス原子が膜中に多く取り込まれやすい。取り込まれた
希ガス原子は特に結合手は形成しないものの欠陥の原因
となりやすい。欠陥の存在は、硬度低下と耐熱性を下げ
る方向に作用する。以上のことから、水素や希ガス元素
含有量が少ないほど、炭素原子同士の結合が多く耐熱性
に強い膜となり得る。炭素濃度が９９．５原子％未満で
は不純物に起因する欠陥が増え、硬度、耐熱性が低下す
るので好ましくない。水素濃度が０．５原子％を超える
と炭素同士の結合の連続性が途切れる箇所が多くなり、
硬度、耐熱性が低下し好ましくない。希ガス元素濃度が
０．５原子％を超えると欠陥が形成され、硬度、耐熱性
が低下し好ましくない。本発明の炭素膜は、前記４）項
のとおり、実質的に炭素元素のみから形成されているこ
とが好ましい。すなわち、前記３）項でいう炭素膜をさ
らに特定したものであって、実質的に炭素のみからな
り、水素、希ガス元素が不純物レベルでしか検出されな
い炭素膜は極めて安定性が高くなる。ここでいう不純物
レベルとは不可避混入レベルを意味する。具体的には、
ｐｐｍオーダーの濃度をさす。実際には、成膜中に水素
や希ガス元素、あるいは水素を含む材料を積極的に導入
しないことによって得られるものである。

【００１８】本発明の炭素膜は、前記５）のとおり、ヌ
ープ硬度が２０００以上６０００以下であることが好ま
しい。炭素膜は、一般にグラファイト成分が増加すると
耐熱性は低下する。グラファイト成分が少ないための条
件としては、ヌープ硬度が２００以上であることが好ま
しい。一方、ヌープ硬度が６０００を超えるものは数百
℃の前半という低温では実質的得ることが困難であり好
ましくない。ここでいうヌープ硬度は、Ｓｉウエハ上に
膜厚１．０μｍ以上２．０μｍ以下の膜厚で被覆した炭
素膜を荷重５０ｇ以上１００ｇ以下で測定したときの値
とする。

【００１９】本発明の炭素膜は、前記６）項のとおり、
カソードアークイオンプレーティング法またはレーザー
アブレーション法により、原料炭素を固体炭素とし、真
空度０．０５Ｐａ以下の雰囲気下で、水素または希ガス
を含むガスを導入せずに、成膜することにより得られ
る。現在工業的に多く適用されている炭素膜の成膜方法
は、プラズマＣＶＤ法やイオンビーム蒸着法、スパッタ
リング法などにより行われている。これらの手法では、
原料や補助原料に、炭化水素や水素、希ガス元素などが
使用される。従って、膜中に水素や希ガス元素が取り込
まれやすい。一方、カソードアークイオンプレーティン
グ法またはレーザーアブレーション法は、固体炭素を原
料とする。従って、合成時に水素、希ガス元素、あるい
は水素を含む材料などを原料または補助原料として使用
せずに、真空度０．０５Ｐａ以下の雰囲気下で炭素膜の
合成を行うことにより、水素や希ガス元素を含まない炭
素膜を得ることができる。雰囲気が０．０５Ｐａより大
きいと、残留ガスに含まれる水などの成分が膜中に多く
取り込まれるので、所期目的の炭素膜が得られない。本
成膜方法で原料となる固体炭素は、例えば高純度化処理
を施した等方性グラファイト、ＣＶＤ法で合成された熱
分解炭素、熱硬化性樹脂などを炭素化したグラッシ―カ
ーボン、ダイヤモンド焼結体、樹脂等が用いられる。本
発明におけるカソードアークイオンプレーティング法に
よる成膜は、例えば、通常のカソードや、磁場収束型の
カソード、磁場偏向型カソードなどを用いて合成でき
る。合成温度１００〜３００℃、合成時間５〜１２０分
条件で実施できる。

【００２０】本発明におけるレーザーアブレーション法
による成膜は、例えばエキシマレーザーなどが適用でき
る。合成温度は１００〜３００℃、合成時間は５〜１２
０分の条件で実施できる。本発明の炭素膜は、前記７）
項のように、所望の部材に被覆することにより、硬度お
よび耐熱性を付与することができる。このような適用部
材の具体例としては、工具、各種金型、機械部品、電気
・電子部品などが挙げられる。

【００２１】本発明の炭素膜被覆部材における炭素膜の
厚みは、その対象部材などにより適宜決められるが、通
常は１０ｎｍ〜３μｍ、好ましくは０．０５μｍ〜２μ
ｍである。この膜厚が薄すぎると耐磨耗性の向上が不十
分になり耐久性を付与するための満足な効果が得られな
い。一方、あまりに厚すぎると膜の剥離が生じやすくな
り寿命の低下が起こることがある。

【００２２】

【実施例】次に、本発明を実施例および比較例によって
さらに具体的に説明する。＜実施例１〜８および比較例１〜６＞Ｓｉ基板上に、各
種手法で膜厚０．８〜１．１μｍの炭素膜を被覆し、密
度、スピン密度、炭素・水素・希ガス濃度と、ヌープ硬
度および硬度低下開始温度を測定した。成膜は、プラズ
マＣＶＤ法（比較例１、５）、レーザーアブレーション
法（実施例１、４、６、７）、カソードアークイオンプ
レーティング法（実施例２、３、５、８）、フィラメン
トＣＶＤ法（比較例２）、マイクロ波ＣＶＤ法（比較例
３）、イオンビーム蒸着法（比較例４）および非平衡型
マグネトロンスパッタリング法（比較例６）について、
それぞれ次のようにして行った。

【００２３】・プラズマＣＶＤ法では、原料にアセチレ
ンガスを適用した。すなわち、雰囲気中にアセチレンガ
スを導入し、１３．５６ＭＨｚの高周波を基板に印加し
て炭素膜の成膜を行った。成膜時間は８０分とした。・レーザーアブレーション法では、原料にグラッシーカ
ーボンを適用した。ターゲットにエキシマレーザーを照
射して、そのエネルギーで表面の炭素を蒸発・プラズマ
化し、負に印加した基板上に成膜した。成膜時間は５０
分とした。

【００２４】・カソードアークイオンプレーティング法
では、原料に等方性グラファイトを適用した。ターゲッ
トに負の電位を印加してアーク放電を発生させ、そのエ
ネルギーで炭素を蒸発・プラズマ化し、負に印加した基
板上に炭素膜を成膜した。成膜時間は３００分とした。・フィラメントＣＶＤ法では、１％メタン、９９％水素
を原料として適用した。Ｗフィラメントでメタンおよび
水素を分解させ、基板上に炭素膜（ダイヤモンド膜）を
析出させた。成膜時間は２００分とした。

【００２５】・マイクロ波ＣＶＤ法では、１％メタン、
９９％水素を原料として適用した。２．４５ＧＨｚのマ
イクロ波でメタンおよび水素を分解させ、基板上に炭素
膜（ダイヤモンド膜）を析出させた。・イオンビーム蒸着法では、ベンゼンガスを原料に適用
した。イオン化したベンゼンイオンを加速し基板に照射
して炭素膜を析出させた。成膜時間は６０分とした。

【００２６】・非平衡型マグネトロンスパッタリング法
では、原料に上記の炭素ターゲットを適用した。すなわ
ち、雰囲気中にはアルゴンガスを導入し、ターゲットに
負の直流電圧を印加して放電を派生させた。ターゲット
表面よりスパッタされプラズマ中で活性化した炭素イオ
ンが、負に印加した基板上に照射され炭素膜を形成し
た。成膜時間は６０分とした。炭素膜の物性等は、次の
方法により測定した。・密度：成膜前後の基材の重量変化と膜厚から導出し
た。・スピン密度：ＥＳＲ法で導出した。・炭素・水素・希ガス濃度：ＳＩＭＳ、ＨＦＳ、ＲＢＳ
法を適用した。・ヌープ硬度：荷重５０ｇまたは１００ｇで測定を行っ
た。・硬度低下開始温度：電気炉にて大気中で加熱し、所定
の温度で1時間保持した後、室温まで冷却し、２０％以
上の硬度低下が観測された温度を開始温度とした。

【００２７】測定結果を表１、表２および表３に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】

【表３】

【００３１】表１の結果から密度が高いほど、表２の結
果からスピン密度が小さいほど、表３の結果から水素お
よび希ガス濃度が小さいほど、硬度および耐熱性が大き
くなることを示している。＜実施例９〜１１および比較例７、８＞超硬合金製平板
に、プラズマＣＶＤ法（比較例７）、レーザーアブレー
ション法（実施例１０）、カソードアークイオンプレー
ティング法（実施例９、１１）および非平衡型マグネト
ロンスパッタリング法（比較例８）の各方法よって炭素
膜を被覆した。

【００３２】得られた各炭素膜について、ピン・オン・
ディスクタイプの摩擦磨耗試験機で磨耗量の比較試験を
実施した。ここで、ピンには先端径Ｒ３ｍｍのＳＵＪ２
を、ディスクには炭素膜を被覆した超硬合金を適用し、
荷重は１０Ｎ、回転速度は１００ｍｍ／ｓｅｃ、温度は
室温、雰囲気は大気とした。ディスクの磨耗量を相対値
で比較した。また、リング・オン・ディスクタイプの摩
擦磨耗試験機で耐久試験を実施した。ここで、相手材の
リングに外径５０ｍｍのＳＵＪ２を、プレートに炭素膜
を被覆した超硬合金を適用し、リングの外周の一点が常
時プレートの同じ場所にあるように配置しリングを回転
させて試験を行った。なお、荷重は５０Ｎ、回転速度は
３０００ｍｍ／ｓｅｃ、温度は摩擦熱の温度、雰囲気は
大気とした。摩擦抵抗をモニターし、抵抗値が大きく変
化する時点を膜のなくなった時点と判断して寿命比較を
相対値で比較した。

【００３３】さらに、同一ロットのテストピースで、密
度、スピン密度、各種元素濃度、ヌープ硬度を測定し
た。上記の測定結果等をまとめて表４に示す。

【００３４】

【表４】

【００３５】これらの結果から、実施例９〜１１の炭素
膜は、比較例７および８のものに比べて、耐磨耗性が高
くかつ耐久性に優れていることを示している。すなわ
ち、密度が高いほど、スピン密度が小さいほど、炭素濃
度が高く水素・希ガス元素濃度が小さいほど、また硬度
が高いほど、耐磨耗性が高く耐久性に優れていることが
わかる。＜実施例１２＞超硬合金製ドリルに、カソードアークイ
オンプレーティング法により、炭素膜を被覆した（本発
明）。この炭素膜は、密度を３．１１ｇ／ｃｍ³、スピ
ン密度を２．０×１０²⁰spins／ｃｍ³、炭素濃度を９
９．９原子％以上で水素および希ガス元素濃度はＨＦＳ
／ＲＢＳの検出限界以下、およびヌープ硬度１５００と
した。

【００３６】一方、同じ超硬合金製ドリルに、プラズマ
ＣＶＤ法で炭素膜を被覆した（対照）。この炭素膜は、
密度が２．０５ｇ／ｃｍ³、スピン密度が２．５×１０
²¹spins／ｃｍ³、炭素濃度が７１原子％、水素濃度が２
７原子％、希ガス元素濃度が０．５原子％以下、ヌープ
硬度が１５００であった。上記の各ドリルを、Ｓｉ１５
％含有アルミ合金の乾式穴あけ加工に供したところ、本
発明のドリルは未コートドリル寿命の１０倍もの時間に
わたって加工を行っても異常は見られなかった。これに
対して、対照のドリルは未コートドリル寿命の１．５倍
の時間、加工を行った時点で膜はほぼ完全に消失してい
た。

【００３７】＜実施例１３＞ＳＤＫ１１製のマグネシウ
ム合金による射出成型金型の成型面に、実施例１２にお
けると同様にして２種類の炭素膜を被覆して射出成型を
行った。未コートの金型では、毎回離型剤を塗布しなけ
ればマグネシウム合金が固着した。プラズマＣＶＤ法の
炭素膜を被覆した金型では、数回の成型は離型剤を塗布
しなくても固着なしに成型できたが、１０回成型した段
階では被膜はなくなっており固着が発生した。一方、本
発明によりカソードアークイオンプレーティング法の炭
素膜を被覆した金型では、１０００回の成型を終えても
被膜は残っており良好な成型特性を示した。

【００３８】＜実施例１４＞自動車エンジンのピストン
リングに、実施例１２におけると同様にして２種類の炭
素膜を被覆し、実車のエンジンに組み込んで走行試験を
行って耐久性を調査した。その結果、プラズマＣＶＤ法
の炭素膜を被覆したピストンリングは、1時間の走行試
験で炭素膜は完全に消失していた。一方、本発明により
カソードアークイオンプレーティング法の炭素膜を被覆
したピストンリングでは、５００時間の走行試験後も異
常はみられなかった。

【００３９】＜実施例１５＞カソードアークイオンプレ
ーティング法およびレーザーアブレーション法で成膜時
の雰囲気を変えてＤＬＣの成膜を行い、被膜部材の寿命
を調べた。カソードアークイオンプレーティング法にお
いて、真空度が０．００１Ｐａで特にガスを導入せずに
成膜した炭素膜は、密度３．０５ｇ／ｃｍ³、スピン密
度４×１０²⁰spins／ｃｍ³、炭素濃度９９．５原子％以
上、水素濃度と希ガス元素濃度５ｐｐｍ以下、およびヌ
ープ硬度１８００であった（本発明）。一方、アルゴン
を１０ｍＴｏｒｒ導入して被覆した炭素膜は、密度２．
４４ｇ／ｃｍ³、スピン密度３×１０²¹spins／ｃｍ³、
炭素濃度９９．５原子％以上、希ガス元素濃度０．５原
子％以下、およびヌープ硬度１８００であった（対
照）。これらの２種の炭素膜をそれぞれアルミ合金穴あ
けドリルに被覆して寿命を調べたところ、本発明の炭素
膜を被覆したドリルは対照被膜を被覆したものに比べて
５倍以上の寿命を示した。

【００４０】次に、レーザーアブレーション法におい
て、真空度が０．００３Ｐａで特にガスを導入せずに成
膜した炭素膜は、密度３．１３ｇ／ｃｍ³、スピン密度
６．２×１０²⁰spins／ｃｍ³、炭素濃度９９．５原子％
以上、水素濃度と希ガス元素濃度５ｐｐｍ以下、および
ヌープ硬度３８００であった（本発明）。一方、水素ガ
スを１０mTorr導入して被覆した炭素膜は、密度２．２
０ｇ／ｃｍ³、スピン密度２×１０²¹spins／ｃｍ³、炭
素濃度９４原子％以上、水素濃度６原子％以下、および
ヌープ硬度１６００であった（対照）。これらの２種の
炭素膜をそれぞれマグネシウム合金の射出成型金型の被
覆に適用したところ、本発明の炭素膜を被覆した金型は
対照被膜を被覆したものに比べて１５倍以上の寿命を示
した。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者内海慶春兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内Ｆターム(参考） 3C046 FF09 4K029 AA02 BA34 BC02 BD03 BD05 CA01 CA03 DB20 EA03 EA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】密度が２．８ｇ／ｃｍ³以上３．３ｇ／ｃ
ｍ³以下であることを特徴とする炭素膜。
【請求項２】スピン密度が１×１０¹⁸spins／ｃｍ³以上
１×１０²¹spins／ｃｍ³以下であることを特徴とする請
求項１記載の炭素膜。
【請求項３】炭素濃度が９９．５原子％以上、水素濃度
が０．５原子％以下、希ガス元素濃度が０．５原子％以
下であることを特徴とする請求項１または２に記載の炭
素膜。
【請求項４】実質的に炭素元素のみから形成されている
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の炭
素膜。
【請求項５】ヌープ硬度が２０００以上６０００以下で
あることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載
の炭素膜。
【請求項６】カソードアークイオンプレーティング法ま
たはレーザーアブレーション法で、固体炭素を原料と
し、真空度０．０５Ｐａ以下の雰囲気下で、水素および
希ガス元素を含むガスを雰囲気に導入せずに、成膜を行
うことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の
炭素膜の成膜方法。
【請求項７】請求項１から５のいずれかに記載の炭素膜
が被覆されていることを特徴とする炭素膜被覆部材。
【請求項８】請求項６の製造方法で製造された炭素膜が
被覆されていることを特徴とする炭素膜被覆部材。