JP2004269991A

JP2004269991A - 異なる環境において耐摩耗性に優れたダイアモンドライクカーボン多層膜

Info

Publication number: JP2004269991A
Application number: JP2003064272A
Authority: JP
Inventors: Uei Jiyan; ウェイジャン; Akihiro Tanaka; 章浩田中; Yoshinori Koga; 義紀古賀
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2004-09-30

Abstract

【課題】異なる環境においても高い密着力、低い摩擦係数、そして優れた耐摩耗性を示す被膜を提供する。
【解決手段】本発明による被膜は、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）多層膜であり、柔らかいＤＬＣ膜（Ｓ）と硬いＤＬＣ膜（Ｈ）が交互に積層されたものである。硬度が比較的低く、基板との密着性が良好な柔らかいＤＬＣ膜Ｓは、第１層として基板に付着され、次に硬いＤＬＣ膜Ｈを第１層の上に付着させる。このように柔らかいＤＬＣ薄層と硬いＤＬＣ薄層を順番に付着させて行き、厚さ約１μｍの多層膜が作られる。多層の構成単位である薄層の厚さは、５０から２５０ｎｍまで様々である。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性にすぐれたダイアモンドライク（ダイアモンド状）カーボン（本明細書では、ＤＬＣとも言う）多層膜に関するものである。
本発明によるＤＬＣ多層膜は、異なる環境や条件下における産業用あるいは家庭用使用を目的とした機械の摩擦性および耐摩耗性部品の潤滑膜や保護膜等として用いられる。この場合の部品には、例えば、採鉱あるいは掘削機械、油圧システム、自動車、磁気ハードディスク、ＭＥＭＳ、およびナノデバイスの部品などが包含される。
【０００２】
【従来の技術】
ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜は、過去２０年間において集中的研究課題であった。ＤＬＣ膜は、幅広い構造および組成を示すと共に、魅力的な機械、光学、電気、化学、そしてトライボロジー特性を有する。ＤＬＣ膜の構造ならびに特性は、水素の含量と二つの炭素結合（ｓｐ^２とｓｐ^３）の相対比率によって決まる。
ＤＬＣ膜は、表面が高度に円滑であり、高い化学的不活性と生体適合性を有するとともに、優れたトライボロジー特性（高い硬度、低い摩擦係数と比摩耗量）を示すが、この材料は、特殊な環境下におけるトライボロジー的適用に適した候補者としてこれまで求められてきた。しかしながら、通常数ＧＰａにも及ぶ大きな内部の圧縮ストレスが、特に鉄製基板への膜の良好な接着を妨げる。また、大きな圧縮ストレスのために比較的厚い（＞２μｍ）膜は破断し、大きな負荷が掛かるトライボロジー的用途には適用できない。さらに、摩擦係数の増大や摩耗は、ＤＬＣ膜のトライボロジー被膜としての利用を制限する。例えば、ＤＬＣ膜の摩擦や摩耗は、窒素中や極めて高い真空状態においては小さいが、酸素中や高湿度の環境下では大きくなる。摩擦係数や摩耗の環境感受性が高いと、早期の市場導入が妨げられる。
【０００３】
よって、ＤＬＣ膜の接着性ならびにトライボロジー特性の環境不応性を向上させることが、商業的利用への鍵となる。一部の研究者は、上記のようなＤＬＣ膜の欠点を金属あるいは非金属元素を混ぜることで克服しようとした。例えば、膜にＳｉ（シリコン）を加えると、ＤＬＣ膜の内部ストレスが１ＧＰａに下がり、湿度に対する摩擦係数の不応性が高まるが、それと同時に膜の耐摩耗性は低下する。
ＤＬＣ膜に良好な接着性と環境不応性を与えるもう一つの試みは、ダイアモンドライクナノコンポジットコーティング（ＤＬＮ）による成膜である。それによって内部ストレスが減って温度安定性が増すが、硬度と耐摩耗性は低下する。
【０００４】
最近の研究で、一部の好ましくない特性が多層膜構造にすることで解決できることが示された。例えば、特開平５−６５６２５号公報（特許文献１）では、硬いカーボン層と柔らかいバッファー層からなる多層膜が開発された。バッファー層は、シリコン、ゲルマニウム、炭化シリコン、窒化シリコン、二酸化シリコン、ガラス、そしてアルミナの中から一つを選択して作られている。厚さ２μｍの多層膜で、良好な接着性と小さい内部ストレスが示されている。また、ＵＳＮｏ．００３１３４６Ａ１／２００１（特許文献２）では、平均サイズが１ｎｍ以下のグラファイトクラスターを含む硬いカーボン層と平均サイズが２ｎｍ以上のグラファイトクラスターを含む柔らかいカーボン層からなるＤＬＣ多層膜が示された。その多層膜は、良好な耐摩耗性と小さい摩擦係数を持っていることも示されている。上記の報告に加え、別の研究グループもまた、多層カーボン膜の密着性と臨界負荷荷量の改善について報告している。
【０００５】
ＤＬＣ膜の特性はその構造に大きく影響される。上述の方法では、金属あるいは非金属元素をＤＬＣ膜に混ぜて膜の内部ストレスや環境不応性を減らすのには適しているが、膜の硬度と耐摩耗性も同時に低下させる。よって、ＤＬＣ膜に多層構造を導入するのが最も効果的な方法と思われる。それによって、内部ストレスが減り接着性が改善するばかりか、高い硬度と耐摩耗性を維持することができる。最近の研究では、成膜時の条件と薄層の厚さが多層ＤＬＣ膜のトライボロジー特性に大きく影響していることが示されている。また、トライボ試験時の環境ならびに条件も、明らかに膜の特性に影響すると思われる。これまで殆どのトライボロジー試験は、ある一定の条件下で行われていたが、この条件下ではＤＬＣ膜の真のトライボロジー特性を示すことはできない。他方、異なる環境（空気中、酸素中、および真空下）において安定な耐摩耗性（比摩耗量が１０^−８ｍｍ^３／Ｎｍ台）を示すＤＬＣ膜は、これまで作られていなかった。ＤＬＣ膜における摩擦係数の増大と摩耗が、本質的にＤＬＣ膜のトライボロジー分野への適用の主な障壁になっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−６５６２５号公報
【特許文献２】
ＵＳＮｏ．００３１３４６Ａ１／２００１
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これまでのこうした問題を考慮して完成されたもので、異なる環境においても良好な密着性、小さい内部ストレス、そして優れた低摩擦および耐摩耗性を有する被膜を提供することをその課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、以下に示すダイアモンドライクカーボン多層膜が提供される。
（１）熱電子励起型プラズマＣＶＤ装置を用いて基体上に形成されたダイアモンドライクカーボン多層膜であって、該基体上に柔らかい膜Ｓと硬い膜Ｈとが交互に積層されていることを特徴とするダイアモンドライクカーボン多層膜。
（２）該柔らかい膜Ｓ及び該硬い膜Ｈの膜厚が５０〜２５０ｎｍであり、該膜Ｈの該膜Ｓに対する比［Ｈ］／［Ｓ］が１〜２の範囲にあり、該多層膜全体の厚さが０．５〜１μｍの範囲にあることを特徴とする前記（１）に記載の多層膜。
（３）該多層膜の最表層が、硬い膜Ｈからなることを特徴とする前記（１）〜（２）のいずれかに記載の多層膜。
（４）該柔らかい膜Ｓがアルゴンを含有し、該硬い膜Ｈがアルゴンを含有しないことを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の多層膜。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のＤＬＣ多層膜は、熱電子励起型プラズマＣＶＤ装置を使って柔らかいＤＬＣ膜Ｓと硬いＤＬＣ膜Ｈを交互に基体上に積層したダイアモンライクカーボン（ＤＬＣ）多層膜である。比較的硬度が低く、密着性が良好で、小さな内部ストレスを有する柔らかいＤＬＣ層Ｓが、第１層として基体上に付着される。次に、比較的硬度が高く、大きな内部ストレスを有する硬いＤＬＣ膜Ｈを、第１層の上に付着する。このように不定形構造の柔らかい層Ｓと硬い層Ｈを、交互に順番に付着させてゆき、成膜する。
【００１０】
本発明のＤＬＣ多層膜において、柔らかいＤＬＣ層Ｓは内部ストレスが小さく、良好な密着性を有することが望ましい。よって、柔らかいＤＬＣ層Ｓは流量２０〜３０ｓｃｃｍでＡｒ（アルゴン）ガスを混入しながら、比較的高い負のバイアス電圧（−３ｋＶ）で基板に付着される。ＤＬＣ層Ｓはこのようにして調製されるため、ｓｐ^３結合炭素原子の割合は小さくなり、硬度と内部ストレスが低下すると思われる。さらに、高い基板のバイアス電圧と荷電したＡｒイオンの流れもまた、プラスイオンが相対的に早い速度で基板に付くのを促進し、膜の密度が上がるとともに基板と膜の境界面での原子混合効果を高める。その結果、柔らかいＤＬＣ層Ｓが基板に良好に接着するようになると思われる。
【００１１】
本発明のＤＬＣ多層膜において、硬いＤＬＣ層Ｈは比較的高い硬度と大きな内部ストレスを有することが望ましい。そこで、硬いＤＬＣ層は、Ａｒガスを混合することなく比較的低い負のバイアス電圧（−０．５ｋＶ）で付着されるので、ｓｐ^３結合炭素原子の割合は、柔らかいＤＬＣ層におけるものよりも明らかに大きくなる。
【００１２】
さらに、本発明のＤＬＣ多層膜において、多層の積層単位である薄層の厚さは、５０から２５０ｎｍの範囲であることが望ましい。すなわち、硬い層Ｈの厚さの柔らかい層Ｓの厚さに対する比率［Ｈ］／［Ｓ］が、１から２である。
【００１３】
本発明のＤＬＣ層膜において、最表面の層は硬いＤＬＣ層Ｈでできており、多層膜全体の厚さは０．５から１μｍに保たれていることが望ましい。
【００１４】
本発明のＤＬＣ多層膜は、前記した構成を有するもので、異なる環境下において優れた低摩擦および耐摩耗性を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明者は、ＤＬＣ膜のトライボロジー的特性および機械的特性が、膜の微細構造に大きく影響されると言う事実に注目した。そこで、ＤＬＣ多層膜の微細構造と機械的およびトライボロジー特性との関係を、それぞれ異なった微細構造を持つＤＬＣ層を機能的に積み重ねることで系統的に調べた。その結果、バイアス電圧と成膜の過程での混合ガスの流量を制御することで、また膜の厚さと比率において異なる２つのＤＬＣ層を積み重ねることで、異なる環境下においてもＤＬＣ膜に素晴らしい耐摩擦および摩耗性を持たせることができると言うことが分かり、本発明の完成に至った。
【００１６】
図１に示すように、本発明のＤＬＣ多層膜は、基体上に、比較的低いｓｐ^３結合炭素原子割合と内部ストレス、高い膜密度、そして良好な密着性を有する柔らかいＤＬＣ層Ｓと比較的高いｓｐ^３結合炭素原子割合と内部ストレス、そして低い膜密度を有する硬いＤＬＣ層Ｈを交互に積層させて作られている。層Ｓと層Ｈとの合計層数は、４〜４０、好ましくは４〜１０である。
【００１７】
使用可能な基体には、鉄系合金、チタン合金、そしてＳｉ（シリコン）などが含まれる。
【００１８】
柔らかい層Ｓと硬い層Ｈは、それぞれ不定形構造を成している。柔らかい層Ｓは、約１０％という比較的少ないｓｐ^３結合炭素原子割合を含む。さらに、柔らかい層における水素原子濃度は、高い負のバイアス電圧による成膜とＡｒ原子の混合により約２０％低下する。同時に、柔らかい下位層Ｓには、０．８％のアルゴンが取り込まれる。よって、薄膜の密度は、硬い層Ｈの密度よりも高く、内部ストレスは約０．９ＧＰａと非常に小さい。なお、柔らかい層は硬度が低く、多層膜の内部ストレスを和らげる層であると同時に、基板と多層膜間、および硬い層それぞれの間の良好な密着を保証する中間層としても働くため、内部ストレスが減り、厚いＤＬＣ多層膜においても高い密着性が得られる。なお、柔らかい層Ｓを付着させる時のＡｒガスの流量は、２０から３０ｓｃｃｍに調整する。Ａｒを取り込むことで、柔らかい薄層Ｓの硬度ならびに内部ストレスを減らすことができる。もし、Ａｒガスの流量が２０ｓｃｃｍ未満の場合、柔らかい層Ｓの内部ストレス緩和機能は十分には発揮されない。しかしながら、もし、Ａｒガスの流量が３０ｓｃｃｍを超える場合は、柔らかい層Ｓの硬度と内部ストレスが大きく低下し、柔らかい層Ｓのグラファイト化と架橋構造の減少が起きるため、多層膜全体の耐摩耗性が低下する。
一般的には、柔らかい膜（層）Ｓ中の水素濃度は１０〜２５％、好ましくは１５〜２０％の範囲に規定するのがよく、アルゴン濃度は５〜１０％、好ましくは２０〜３０％の範囲に規定するのがよい。また、膜（層）Ｓにおいて、その硬度は、１０〜２５ＧＰａ、好ましくは１５〜２０ＧＰａである。
【００１９】
一方、硬い層Ｈでは、Ａｒガスを混合することなく負のバイアス電圧を−０．５ｋＶに減らすと同時に層厚を調整することで、ｓｐ^３結合炭素原子割合は６０％以上へと明らかに増加する。さらに、硬い層Ｈにおける水素濃度は、約２７％と比較的高いため、膜は硬くなり、多層膜全体の耐久性が向上する。特に、ｓｐ^３‐結合炭素原子割合と水素濃度をある程度の値まで上げることで、温度安定性が向上するとともに環境感受性が低下するものと思われる。さらに、潤滑効果を有する移着層の形成が水素によって促進されることから、膜の摩擦係数も減らすことができる。よって、硬い層Ｈはまた、多層膜全体の環境感受性と摩擦係数を減らす働きがある。
一般的には、硬い膜（層）Ｈ中の水素濃度は２０〜４５％、好ましくは２５〜３５％の範囲に規定するのがよい。また、膜（層）Ｈにおいて、その硬度は２５〜４０ＧＰａ、好ましくは３０〜３５ＧＰａである。
柔らかい層Ｓと硬い層Ｈの厚さは、５０ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲内に納まるようにすることが望ましい。さらに、膜Ｈと膜Ｓとの層厚比［Ｈ］／［Ｓ］は、２〜１になるように調整するのが望ましい。
【００２０】
柔らかい層Ｓについて、もし層が薄すぎる（５０ｎｍ未満）と、内部ストレスを和らげる機能は低下し、多層膜の内部ストレスが相対的に大きくなって、基体との密着性は低下するものと思われる。その結果、多層膜に大きな負荷が掛かった場合の耐摩耗性が低下すると思われる。一方、もし層が厚すぎる（２５０ｎｍ超）と、多層膜の硬度は明らかに低下し、耐久性と耐摩耗性も低下するかもしれない。なお、柔らかい層Ｓの最適厚は、１００ｎｍ程度である。
【００２１】
もし、硬い薄層Ｈの厚さが５０ｎｍ未満であれば、ｓｐ^３結合炭素クラスターの大きさが減少するとともに水素濃度も低下するかもしれない。その結果、硬度が低く、高い摩擦係数と高い環境感受性を有する多層膜ができるに違いない。他方、もし層Ｈが厚過ぎて２５０ｎｍ以上の場合、大きな内部ストレスを持った多層膜ができるため、大きな負荷が掛かった時に多層膜の密着性が不良となり、耐摩耗性も低下することになる。なお、硬い層Ｈの最適厚は、１００ｎｍ程度である。
【００２２】
薄層単位の厚さ比［Ｈ］／［Ｓ］については、多層構造の界面効果、柔らかい層Ｓの内部ストレス緩和機能、そして硬い層Ｈのトライボロジー特性に対するｓｐ^３結合炭素および水素の影響も同時に考慮することになる。薄層厚の［Ｈ］／［Ｓ］比は、多層膜全体の硬度、内部ストレス、密着性、および摩擦係数と摩耗の間のバランスを確保できるように調整する。本発明において、薄層厚の［Ｈ］／［Ｓ］比は２から１に調整されるが、１に合わせるのがより望ましい。もし［Ｈ］／［Ｓ］比が１未満の場合、硬い層Ｈは比較的低い水素濃度を有する。そして、柔らかい層Ｓが比較的厚くなるため、多層膜の摩擦係数と環境感受性が高まることになる。しかしながら、［Ｈ］／［Ｓ］比が２を超えると、硬い層Ｈは比較的大きな内部ストレスを有することになる。そして、柔らかい層Ｓが相対的に薄くなるため、膜と基体の接着性が悪くなり、大きな負荷が掛かった時に多層膜の摩擦耐久性が低下することになる。
【００２３】
さらに、多層膜の最表層は、硬い層Ｈであるのが望ましい。また、多層膜全体の厚さは、５００ｎｍから１，０００ｎｍに調整するのが望ましい。柔らかい層Ｓに比べ、硬い層Ｈのｓｐ^３結合炭素原子割合および水素濃度は高いため、多層膜の摩擦ならびに摩耗の環境感受性は、抑制しなければならない。よって、硬い層Ｈが多層膜の最表層になるように調整するのが好ましい。
積層構造、硬い層Ｈにおける高いｓｐ^３−結合炭素原子割合、ならびに柔らかい層の内部ストレス緩和機能に加え、移着層の形成を促進する水素の機能により、異なる環境や摩擦条件においても素晴らしい耐摩耗性と摩擦性を維持することができる。
【００２４】
【実施例】
図２に示すように、本発明のＤＬＣ多層膜は、熱電子励起型ＣＶＤ装置を使って作られる。すなわち、ポンプシステム２を含むロータリーヘリカルグルーブ真空ポンプを使い、高度真空チャンバー１０内において成膜される。ＤＬＣ膜を張り付けるためのイオンソース１１は、ホットフィラメント４とアノード３より成る。５および６はそれぞれアノードとフィラメントの電源である。基体（基板）における負のバイアス電圧の電源７は、被膜基体（基板）１に繋がっている。Ａｒ（アルゴン）とベンゼンガスは、ガス注入孔８および９を通してチャンバー内に導入される。コーティングの過程で、ベンゼンガスはイオン源のプラズマ放電によって分離され、イオン化される。その結果プラスに荷電したイオンは、電気的に負にある基体１に引き付けられる。気相におけるイオン間の衝突でｓｐ^３とｓｐ^２の両炭素結合が形成された後、基体表面に付着する。成膜は、温度が２００℃以下で進行する。成膜の過程は、次に示す通りである。
【００２５】
まず、Ｎ_２硬化処理を行った硬いＳＵＳ４４０Ｃ基体は、アセトンとアルコールで脱脂した後、１０分間超音波洗浄を行う。基板は圧縮空気を注入して乾燥させた後、コーティングチャンバー内にセットする。続いて、コーティングチャンバー内が１×１０^−３Ｐａ以下の真空状態になるまで空気を抜く。次に、圧力が０．１Ｐａになるまで、Ａｒガスを流量１０ｓｃｃｍで真空チャンバー内に導入する。その後、アノードとフィラメントの電源を入れ、Ａｒプラズマが発生するように調整する。さらに、基体の負のバイアス電圧（−２ｋＶ）におけるアルゴン放電を使って、基体を１５分間スパッタ洗浄する。
【００２６】
その後、多層膜あるいは単層膜を、次の要領で基体上に付着させる。ＤＬＣ単層膜を作るには、５ｓｃｃｍのＣ_６Ｈ_６（ベンゼン）を一定の流量でチャンバー内に導入した後、基体ホルダーを介して、負のバイアス電圧を基体に加える。ＤＬＣ多層膜を作るには、基体における負のバイアス電圧を調整する。最初の柔らかいＤＬＣ層Ｓは、基体における負のバイアス電圧が−３ｋＶで、Ｃ_６Ｈ_６およびアルゴンの流量が一定の状態で基体上に付着させる。次に、硬いＤＬＣ層Ｈは、バイアス電圧が−０．５ｋＶ、そしてＣ_６Ｈ_６の流量が一定の状態で、柔らかい層Ｓの上に付着させる。このように厚さが約１μｍの多層ＤＬＣ膜を、柔らかい層Ｓと硬い層Ｈを順番に付着させて行き、成膜する。薄層の厚さと積層膜厚比は、薄層を付着させる時間を調整することで変わってくる。成膜の過程で、チャンバー内の圧は１０^−２〜１０^−１Ｐａに保たれる。表１は、１番から８番までの異なる多層膜における柔らかい層Ｓと硬い層Ｈの厚さ、積層膜厚比［Ｈ］／［Ｓ］、Ａｒガスの流量、そして積層したＤＬＣ膜の数を示している。
【００２７】
【表１】

【００２８】
多層膜の柔らかい層Ｓと硬い層Ｈのｓｐ^３結合炭素原子割合および水素濃度を分析した結果、約６０％と言う比較的大きなｓｐ^３結合炭素原子割合と約２７％の水素濃度が、硬い層Ｈで得られた。一方、柔らかい層Ｓでは、ｓｐ^３結合炭素分子割合は約１０％と比較的小さく、水素濃度は約２０％であった。
さらに、得られた各サンプルについて、膜の硬度、内部ストレス、臨界負荷荷量、摩擦係数、および比摩耗量を以下の方法で評価した。結果は、表２に示す通りである。
【００２９】
１）膜の硬度
膜の硬度は、ナノインデンター（超微小押し込み硬さ試験機）を使って評価した。各サンプルについて、同じ条件下で９回のインデンテーションを行った。この試験で使われたサンプルの厚さは、約０．５μｍであった。膜の硬度は、深さ５０ｎｍでの測定値を平均して評価した。
単層ＤＬＣ膜との比較から、ＤＬＣ多層膜の硬度は、硬い層Ｈの硬度よりも明らかに低いが、柔らかい層Ｓの硬度よりは高かった。ＤＬＣ多層膜の硬度は、薄層の厚さ、薄層厚の［Ｈ］／［Ｓ］比、そしてＡｒガスの流量に影響される。薄層が薄かったり、Ａｒガスの流量が多いと、ＤＬＣ多層膜の硬度は低下する。しかしながら、硬い薄層厚（Ｈ）の柔らかい薄層厚（Ｓ）に対する比［Ｈ］／［Ｓ］が上がると、ＤＬＣ多層膜の硬度も増した。
【００３０】
２）内部ストレス
膜の内部ストレスは、従来型のビームベンディング法を用いて測定した。膜内部のストレスによる基板の変形は、厚さが３８０ｎｍの薄いシリコンウェーハビームを基板として用い、ビームの曲率半径とストレスの大きさを計算して測定した。
【００３１】
【表２】

【００３２】
表２から明らかなように、膜の内部ストレスは、柔らかい層Ｓを多層構造に取り込むことで効果的に減少した。内部ストレスは、硬い単層膜Ｈの３．３Ｇｐａから多層膜では２．０ＧＰａに減少した。また、多層膜の内部ストレスは、膜の硬度と同様に変化する傾向が見られた。
【００３３】
３）臨界負荷荷量
ＤＬＣ膜の密着性は、マイクロスクラッチテスターを用いて測定した。なお、テストの条件は次の様に調整した。すなわち、速度は７．６ｍｍ／分、負荷率は２５Ｎ／分、そして最終負荷量は１０Ｎである。これにより、膜を剥がすのに必要な臨界負荷荷量（Ｌ_Ｃ）を調べた。
多層膜の臨界負荷荷量が、硬いＤＬＣ単層膜のものよりも高いのは明白である。実際、多層膜の臨界負荷荷量は、硬いＤＬＣ単層膜Ｈの６．４Ｎから最高９．７Ｎまで上がった。内部ストレスおよび膜の硬度は、膜の臨界負荷荷量に明らかに影響する。膜の硬度が高く内部ストレスが大きいと、臨界負荷荷量は小さくなる。例えば、表２に示すように、薄層厚の［Ｈ］／［Ｓ］比を上げると、膜の硬度と内部ストレスが上がり、多層膜の臨界負荷荷量は減少する。
【００３４】
４）摩擦係数と比摩耗量
異なる環境下におけるＤＬＣ膜の摩擦と耐摩耗性を調べるために、ボールオンディスクトライボメーターを用いた。トライボロジー試験は、相対湿度が４〜６％の乾いた空気中、酸素中、そして真空下の３種の異なる環境下で行われた。直径６ｍｍのＳｉＣ球を対材料とし、これを用いて１〜１０Ｎの負荷を膜に与えた。摺動速度は０．１ｍ／秒で、１０，０００回転摩擦した。チャンバー内の温度は、２３〜２６℃の範囲に制御した。また、膜の摩擦係数は、試験中連続的に記録した。なお、３次元粗さにより摩耗痕形状を測定し、膜が摩耗したかどうかを判断した。
【００３５】
ＤＬＣ多層膜の各サンプルにおいて、薄層の付着条件は摩擦係数に殆ど影響しなかった。ＤＬＣ多層膜の摩擦係数は、空気中で約０．０８、酸素中で約０．１１、そして真空下で約０．２１であった。しかしながら、多層膜の比摩耗量は摺動環境に対してより高い感受性を示した。薄層厚を１００−２５０ｎｍの範囲に維持し、薄層厚の［Ｈ］／［Ｓ］比を１から４の間に保ったことで、ＤＬＣ多層膜は空気中で素晴らしい耐摩耗性を示し、１０^−９ｍｍ^３／Ｎｍ台の比摩耗量が得られた。一方、酸素中での摺動に関しては、薄層厚が５０−２５０ｎｍ、薄層厚の［Ｈ］／［Ｓ］比が１：１、そしてＡｒガスの流量が２０−３０ｓｃｃｍの範囲に保たれていれば、多層膜は良好な耐摩耗性を示した。また、表２に示すように、どのような薄層の付着条件で成膜されても、ＤＬＣ多層膜は真空状態での摺動において常に良好な耐摩耗性を示した。よって、サンプル番号１，２，３，４、および５のように、もし、ＤＬＣ多層膜が本発明の範囲内で調製されたのであれば、摩擦環境に対して不応性である素晴らしく安定したトライボロジー特性を有するＤＬＣ多層膜が得られることになる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明のＤＬＣ多層膜は、異なる環境下においても、小さい内部ストレス、膜と基板間の良好な接着性、そして低い摩擦係数と素晴らしい耐摩耗性を示すものである。さらに、このＤＬＣ多層膜は、摩擦と摩耗の環境感受性が低いため、潤滑性あるいは耐摩耗性保護被膜としての利用に適しているものと思われる。それは例えば、採鉱あるいは掘削機械、油圧システム、および自動車などの各種スライド部分の被膜、そして磁気ハードディスク、ＭＥＭｓやナノデバイスなどの潤滑および保護膜としてである。
【図面の簡単な説明】
【図１】多層ＤＬＣ膜の概略図を示す。
【図２】多層ＤＬＣ膜の作製装置の概略図を示す。
【符号の説明】
（図１）
Ｓｕｂ基体
Ｓ柔らかいＤＬＣ薄膜
Ｈ硬いＤＬＣ薄膜
（図２）
１基体
２排気装置
３陽極
４フィラメント
５フィラメント電源
６陽極電源
７基体バイアス電源
８Ａｒガス導入口
９ベンゼンガス導入口
１０真空容器
１１イオン源

Claims

熱電子励起型プラズマＣＶＤ装置を用いて基体上に形成されたダイアモンドライクカーボン多層膜であって、該基体上に柔らかい膜Ｓと硬い膜Ｈとが交互に積層されていることを特徴とするダイアモンドライクカーボン多層膜。
該柔らかい膜Ｓ及び該硬い膜Ｈの膜厚が５０〜２５０ｎｍであり、該膜Ｈの該膜Ｓに対する厚さ比［Ｈ］／［Ｓ］が１〜２の範囲にあり、該多層膜全体の厚さが０．５〜１μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の多層膜。
該多層膜の最表層が、硬い膜Ｈからなることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の多層膜。
該柔らかい膜Ｓがアルゴンを含有し、該硬い膜Ｈがアルゴンを含有しないことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の多層膜。