JP2005326378A

JP2005326378A - 薄膜の硬度または弾性率測定方法

Info

Publication number: JP2005326378A
Application number: JP2004146900A
Authority: JP
Inventors: Masaru Konno; 大金野; Takeshi Saito; 剛齋藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2005-11-24

Abstract

【課題】ＣＶＤ法やＰＶＤ法などによって基材の表面に形成された炭素系硬質膜等の薄膜の硬度と弾性率を正確に測定することのできる薄膜の硬度及び弾性率測定方法を提供する。
【解決手段】基材の表面に形成された薄膜に圧子を押込み、その押込み深さから前記薄膜の硬度と弾性率を測定するに際して、前記圧子の押込み深さを前記薄膜の膜厚に対して２〜５０％の範囲内に規定して前記薄膜の硬度と弾性率を測定することを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、基材の表面に形成された薄膜の硬度もしくは弾性率を測定する方法に関する。

近年、金属製機械部品の摩耗や表面損傷を防ぐために、機械部品の表面に例えばチタン複合膜、ダイヤモンドライクカーボン膜（以下「ＤＬＣ膜」と称す）等の硬質薄膜がＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、イオンビーム形成法、イオン化蒸着法、スパッタリング等の方法によって形成されることがある。このような硬質薄膜の硬度や弾性率を測定して薄膜の物性を評価する場合、例えばＪＩＳ（日本工業規格）で規定されているロックウェル硬さ測定法やビッカース硬さ測定法を用いて硬質薄膜の硬度を測定した場合には、圧子の先端が薄膜を突き抜けたりすることがあり、基材の影響を受け易いという問題がある。また、圧子の押込み深さを薄膜の膜厚範囲内にするためには、圧子への押込み荷重を軽荷重にする必要があるが、圧子の形状を光学顕微鏡で測定することができないという問題もある。そこで、圧子にローディングされる荷重を準静的に変化させ、そのときの圧子の位置（変位）と荷重との関係から薄膜の硬度と弾性率を測定する方法が下記文献１に開示されている。
特開２００１−３４９８１５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、圧子先端部の形状の差異によってローディング時とアンローディング時の仕事量を正確に求めることが極めて難しいという問題があった。
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、ＣＶＤ法やＰＶＤ法などによって基材の表面に形成された炭素系硬質膜等の薄膜の硬度もしくは弾性率を正確に測定することのできる薄膜の硬度または弾性率測定方法を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明に係る薄膜の硬度または弾性率測定方法は、基材の表面に形成された薄膜に圧子を押込み、その押込み深さから前記薄膜の硬度もしくは弾性率を測定するに際して、前記圧子の押込み深さを前記薄膜の膜厚に対して２〜５０％の範囲内とすることを特徴とする。
本発明に係る薄膜の硬度または弾性率測定方法において、前記圧子の押込み深さは前記薄膜の膜厚に対して２〜３０％の範囲内であることが好ましい。また、前記圧子はダイヤモンド圧子であって、その形状がビッカース型圧子またはベルコビッチ型圧子であることが好ましい。さらに、シリコン単結晶〔１００〕面上における前記圧子の押込み量は５０〜６０ｎｍ（荷重：１ｍＮ時）であることが好ましい。

また、前記薄膜は炭素系硬質膜であってもよく、測定する薄膜の膜厚は０．２〜５μｍの範囲内であることが望ましい。ここで、測定する薄膜の膜厚を０．２μｍ以上に限定した理由は、現状の測定装置では０．２μｍより薄い膜厚を正確に測定することが困難だからであり、５μｍ以下とした理由は、５μｍより膜厚が厚ければ他の方法でも測定が可能だからである。

また、本発明の方法で使用する測定装置としては、エリオニクス社超微少硬度試験機ＥＮＴ−１１００ａのほか、株式会社島津製作所ダイナミック硬度計ＤＵＨ−２００などが挙げられる。若しくはそれらに準ずるようなフィッシャー社製微小硬度測定装置；フィッシャースコープＨ１００Ｖを用いても可能で、この場合はビッカース圧子を用いて同様に硬度と弾性率を求めることができる。いずれの装置においても分解能がμＮ、押込み深さの分解能がｎｍであることが望ましい。

本発明に係る薄膜の硬度または弾性率測定方法によれば、圧子の押込み深さを薄膜の膜厚に対して２〜５０％の範囲内としたことで、ＣＶＤ法やＰＶＤ法などによって基材の表面に形成された炭素系硬質膜等の薄膜の硬度もしくは弾性率を正確に測定することができる。また、硬質薄膜の物性を精度良く測定することが可能になるので、耐久性に優れた機械部品用硬質薄膜を作成することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明に係る薄膜の硬度または弾性率測定方法では、図１または図２に示す形状のダイヤモンド圧子１を用い、このダイヤモンド圧子１に荷重を加えて試料内部への圧子の押込み深さを測定する。そして、図３に示すような荷重−押込み深さ曲線を得、得られた荷重−押込み深さ曲線を解析することにより、薄膜の硬度と弾性率を次式（１）及び（２）から求められる。
Ｈ＝Ｐmax／Ａ ‥‥‥（１）
Ｅ＝（ｐ／２Ａ）^1/2ｄＰ／ｄｈ ‥‥‥（２）
Ｈ；薄膜の硬度（ＧＰａ）
Ｅ；薄膜の弾性率（ＧＰａ）
ｈ；圧子の変位量（押込み深さ）
ｄＰ／ｄｈ；アンローディング曲線の最大荷重時の傾き

なお、図１に示す圧子は三角錐形のダイヤモンド圧子（Berkvich）であり、その側面の三角形の稜線間角度が１１５°である。また、図２に示す圧子は対面角が１３６°のダイヤモンド四角錘圧子（Vickers）であり、この圧子で試験面に窪みを付けたとき、用いた試験荷重を永久窪みの対角線長さから求めた永久窪みの表面積（ｍｍ^-2）で除した値は、JISZ 2244で規定されるビッカース硬度になる。

本発明においては、圧子に荷重を負荷した時（ローディング時）と圧子から荷重を除荷した時（アンローディング時）の両サイクルで押込み深さを測定するが、１μｍ程度の微小領域でも測定できるため、硬質被膜の応用にはたいへん有効である。
圧子先端部の加工精度に極めて敏感であるので、ナノインデンテーションで超微小硬さを正確に測定する際の重要な要因の一つである。
ナノインデンテーションを使用した硬度および弾性率の測定は、公知の文献でも紹介されているが、本発明はその詳細な測定法を開示することで硬質薄膜の、より信頼性の高い物性値を得ることができる。

（実施例１）
ＳＵＳ４４０Ｃからなる供試体の表面に硬質薄膜としてＤＬＣを成膜し、ＤＬＣ膜の硬度及び弾性率を微小硬度計で測定した場合の実施例を以下に説明する。
この実施例１では、図４に示すように、ＳＵＳ４４０Ｃからなる供試体２の表面に次の手法でＤＬＣ膜３を３．２μｍの厚みで成膜した。このときの供試体２の表面粗さは０．０１μｍＲａ、母材の表面硬さは１５ＧＰａであった。

ＤＬＣ膜３の成膜方法は、マグネトロンスパッタリング装置を使用し、供試体２の油分を洗浄後、アルゴンプラズマによるスパッタリング法を用いてボンバード処理を１５分行った。その後、クロムターゲットから供試体に中間層のクロムを成膜した。この中間層の厚みは０．５μmである。連続して、第二層に形成させるカーボン層は、カーボンターゲットのスパッタ効率を増加させ、供試体２には負のバイアス電圧を印加しながら成膜した。この層の厚みは２．７μｍである。

硬度と弾性率は、供試体２に付加するバイアス電圧を制御すること、あるいは導入するガスの分圧の制御を行いながら変化させることが可能である。膜厚はスパッタ時間でコントロールでき、ＤＬＣ膜３の膜厚をコントロールすることが可能である。さらに、導入するガス（アルゴンや水素あるいはＣＨ４などの炭化水素系ガス）の種類や分圧比を制御すれば、さらにＤＬＣ膜３の表面弾性率を目的にあった物性にすることができる。

上記の成膜方法で作成したＤＬＣ膜３の表面に窪み４を圧子１で形成し、窪み４の表面硬度をエリオニクス社製超微少硬度試験機ＥＮＴ−１１００ａで測定した。そして、その測定硬度を図５に示すグラフにプロットした。
図５に示すように、圧子１の押込み深さｄとＤＬＣ膜３の膜厚ｔとの比率が２％を下回ると、超微小硬度計の測定値がばらつくことがわかる。したがって、ＤＬＣ膜３の硬度を超微小硬度計で測定するときには、圧子１の押込み深さｄとＤＬＣ膜３の膜厚ｔとの比率を２％以上とすることが望ましい。

（実施例２）
図４に示した供試体２に実施例１と同様の成膜装置を用いてＤＬＣ膜３を１．１μｍの厚さで成膜した。そして、上記の成膜方法で作成したＤＬＣ膜３の表面に窪み４を圧子１で形成し、窪み４の表面硬度をエリオニクス社製超微少硬度試験機ＥＮＴ−１１００ａで測定した。そして、その測定硬度を図６に示すグラフにプロットした。

図６に示すように、圧子１の押込み深さｄとＤＬＣ膜３の膜厚ｔとの比率が５０％を上回ると、超微小硬度計の測定値がばらつくことがわかる。したがって、ＤＬＣ膜３の硬度を超微小硬度計で測定するときには、圧子１の押込み深さｄとＤＬＣ膜３の膜厚ｔとの比率を５０％以下とすることが望ましい。
供試体２に付加するバイアス電圧を少なくし、かつ導入するメタンガスの分圧を高めて小さい弾性率を得た。膜厚はスパッタ時間を短くし、実施例１の約１／３の膜厚で成膜した。

図７に、弾性率の測定例を示す。同図に示すように、圧子１の押込み深さｄとＤＬＣ膜３の膜厚ｔとの比率が２．５％〜７０％の範囲内を外れると、超微小硬度計の測定値がばらつくことがわかる。したがって、ＤＬＣ膜３の弾性率を超微小硬度計で測定するときには、圧子１の押込み深さｄとＤＬＣ膜３の膜厚ｔとの比率を２．５％〜７０％の範囲内とすることが望ましい。また、硬度と弾性率の測定は、押込み抵抗が最小になる表面を有するバーコビッチ型圧子あるいはビッカース圧子を付帯した微小硬度計が望ましい。

また、膜厚によって押込み荷重条件を適宜変えて、荷重−除荷曲線から求めることができる押込み深さを前述の膜厚に対する比率内にすることができる。１μ以下の薄膜を測定するときは、押込み荷重を０．４〜２０ｍＮに適宜設定することが望ましく、膜厚の厚い場合や硬度が大きい場合は、押込み深さを深くするため、５０００ｍＮ以上の押込み荷重を与えることが望ましい。

（実施例３）
Berkvich型の圧子形状であっても圧子先端の摩耗によって、薄膜の物性に差が現れる。さらに、使用するダイヤモンド圧子の先端の形状も重要である。その検証方法は補正係数を用いることもできるが、圧子先端の摩耗などの検出は、図８に示すように、シリコンの単結晶の表面において、押込み荷重１ｍＮの条件で押込んだとき５０〜６０ｎｍの押込み深さが確保できること、あるいは５０ｍＮの押込み荷重を負荷したとき０．４５〜０．５５μｍの押込み深さが確保できる条件が望ましい。

上述のように、基材（供試体２）の表面に０．２〜５μｍの膜厚で形成された薄膜にベルコビッチ型ダイヤモンド圧子またはビッカース型ダイヤモンド圧子を押し込み、その押込み深さを超微小硬度計で測定する際に、圧子の押込み深さを２〜５０％、好ましくは２〜３０％の範囲内とすることで、薄膜の硬度と弾性率を精度良く測定することが可能になるので、耐久性に優れた機械部品用硬質薄膜を作成することができる。

ベルコビッチ型ダイヤモンド圧子の形状を示す図である。ビッカース型ダイヤモンド圧子の形状を示す図である。圧子に負荷される荷重と押込み深さとの関係を示す図である。本発明の実施例を説明するための図である。ＤＬＣ膜の塑性変形硬さと圧子押込み深さ／ＤＬＣ膜厚との関係を示す図である。ＤＬＣ膜の塑性変形硬さと圧子押込み深さ／ＤＬＣ膜厚との関係を示す図である。ＤＬＣ膜の弾性率と圧子押込み深さ／ＤＬＣ膜厚との関係を示す図である。シリコン単結晶表面の塑性変形硬さと圧子の押込み深さとの関係を示す図である。

符号の説明

１圧子
２供試体
３ＤＬＣ膜
４窪み

Claims

基材の表面に形成された薄膜に圧子を押込み、その押込み深さから前記薄膜の硬度もしくは弾性率を測定するに際して、前記圧子の押込み深さを前記薄膜の膜厚に対して２〜５０％の範囲内とすることを特徴とする薄膜の硬度または弾性率測定方法。
前記圧子の押込み深さを前記薄膜の膜厚に対して２〜３０％の範囲内とすることを特徴とする請求項１記載の薄膜の硬度または弾性率測定方法。
前記圧子がダイヤモンド圧子であって、その形状がビッカース型圧子またはベルコビッチ型圧子であることを特徴とする請求項１または２記載の薄膜の硬度または弾性率測定方法。
請求項１〜３のいずれか一項記載の薄膜の硬度または弾性率測定方法において、シリコン単結晶〔１００〕面上における前記圧子の押込み量を５０〜６０ｎｍ（荷重：１ｍＮ時）としたことを特徴とする薄膜の硬度または弾性率測定方法。
前記薄膜が炭素系硬質膜であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の薄膜の硬度または弾性率測定方法。