JP2013053340A - Method for forming inorganic film having segment structure on friction contact surface - Google Patents

Method for forming inorganic film having segment structure on friction contact surface Download PDF

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Masaya Takasaki
正也 高▲崎▼
Takeya Ishikawa
雄也 石川
Naoto Otake
尚登 大竹
Mai Takashima
舞 高島
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for forming an inorganic film constituted of segments each having a uniform shape and height, and a round edge part, on a friction contact surface.SOLUTION: The method for forming an inorganic film constituted of segments includes: a step of forming a metal layer 40 for forming a mask on a film deposition surface; a step of forming projection parts of the metal layer 40 at respective groove positions partitioning segments by applying etching to the metal layer 40; a step of mounting on a substrate holder constituting a negative electrode so that the film deposition surface, on which the projection parts 40 are formed, may be exposed, and depositing an inorganic film composed of segments 7 whose edge parts opposing to the projection parts 40 are round, on the film deposition surface between the projection parts 40 by using a plasma CVD method; and a step of removing the projection parts 40. Since the edge part of each segment is round, when being brought into contact with a preloaded contact member, the contact pressure is made uniform over whole segment, and breakage does not occur at the edge part.

Description

本発明は、摩擦接触する面にダイヤモンド状炭素(diamond−like carbon:DLC)などの無機質膜をセグメント形状に形成する方法に関し、摩擦接触面の耐摩耗性の向上を図るものである。   The present invention relates to a method of forming an inorganic film such as diamond-like carbon (DLC) in a segment shape on a surface in frictional contact, and is intended to improve the wear resistance of the frictional contact surface.

超音波モータは、超音波で励振したステータにスライダを接触させて、スライダを駆動する摩擦駆動型のモータであり、カメラのAF駆動用モータ等に広く利用されている。
図7は、超音波モータの一種である弾性表面波リニアモータの構成を模式的に示している。このモータでは、圧電体からなる基板10がステータを構成しており、基板10上の交差指電極11に高周波電圧が印加されると、基板10上に弾性表面波12が励振され、基板10表面が楕円軌道に沿って振動する。この基板10上にスライダ20を接触させると、振動の水平成分が摩擦力を介してスライダ20に伝わり、スライダ20は、弾性表面波12の進行方向と逆向きの駆動力22を得る。
スライダ20が受ける摩擦力(駆動力)をより大きくするため、スライダ20には予圧21が付加され、また、図8に示すように、スライダ20に、基板10との接触面に直径10μm程度の多数の突起23が形成されたシリコン製のスライダが使われる。
The ultrasonic motor is a friction drive type motor that drives a slider by bringing the slider into contact with a stator excited by ultrasonic waves, and is widely used as an AF driving motor for a camera.
FIG. 7 schematically shows a configuration of a surface acoustic wave linear motor which is a kind of ultrasonic motor. In this motor, the substrate 10 made of a piezoelectric material constitutes a stator, and when a high frequency voltage is applied to the interdigitated electrode 11 on the substrate 10, the surface acoustic wave 12 is excited on the substrate 10, and the surface of the substrate 10. Vibrates along an elliptical orbit. When the slider 20 is brought into contact with the substrate 10, the horizontal component of vibration is transmitted to the slider 20 via a frictional force, and the slider 20 obtains a driving force 22 opposite to the traveling direction of the surface acoustic wave 12.
In order to increase the frictional force (driving force) applied to the slider 20, a preload 21 is applied to the slider 20, and the slider 20 has a contact surface with the substrate 10 having a diameter of about 10 μm as shown in FIG. A silicon slider having a large number of protrusions 23 is used.

しかし、摩擦駆動型の超音波モータでは、ステータとスライダとの摩擦接触面(摩擦駆動面)における摩耗がモータの寿命を短くすると言う問題がある。
この摩耗を減らすために、耐摩耗性材料のDLC膜の使用が検討されている。DLC膜は、アモルファス炭素膜の中でも高硬度を有し、低摩擦係数・耐摩耗性など優れたトライボロジー特性を備えており、機械部品の保護膜として需要が拡大している。
しかし、図9(a)に示すように、基材に被着した単一のDLC膜は、基材が変形すると、クラックが生じ、剥離し易いため、図9(b)に示すように、碁盤の目のように縦横の溝で複数のセグメントに細分化された構造のDLC膜(この構造の膜を“セグメント構造DLC(segment structured DLC:S−DLC)膜”と言う。)を形成する必要がある。
However, in the friction drive type ultrasonic motor, there is a problem that wear on the friction contact surface (friction drive surface) between the stator and the slider shortens the life of the motor.
In order to reduce this wear, the use of a DLC film of wear resistant material has been studied. The DLC film has high hardness among amorphous carbon films, and has excellent tribological characteristics such as a low friction coefficient and wear resistance, and the demand for the DLC film is expanding as a protective film for mechanical parts.
However, as shown in FIG. 9 (a), the single DLC film deposited on the base material is cracked when the base material is deformed, and is easy to peel off. A DLC film having a structure divided into a plurality of segments by vertical and horizontal grooves like a grid pattern (this structure film is referred to as a “segment structured DLC (S-DLC) film”) is formed. There is a need.

下記特許文献1には、図10に示すように、タングステン線の金網を“メッシュマスク”に用いて超音波モータのステータやスライダにS−DLC膜を形成する方法が開示されている。この方法では、タングステン線の金網をメッシュ電極(陰極)30とし、この金網の上にステータ(またはスライダ)122の成膜面を下向きにして搭載し、支持部31a、31b、31cを用いてプラズマCVD装置の内部に陽極と対向するように配置してプラズマCVDを実行し、ステータやスライダの摩擦駆動面にS−DLC膜を形成する。   Patent Document 1 below discloses a method of forming an S-DLC film on a stator or slider of an ultrasonic motor using a tungsten wire wire mesh as a “mesh mask” as shown in FIG. In this method, a wire mesh of tungsten wire is used as a mesh electrode (cathode) 30, and a film formation surface of a stator (or slider) 122 is mounted on the wire mesh, and plasma is generated using support portions 31a, 31b, and 31c. Plasma CVD is carried out by placing it inside the CVD apparatus so as to face the anode, and an S-DLC film is formed on the friction drive surface of the stator or slider.

図11(a)は、非接触粗さ測定器を用いて測定した、この方法で形成したS−DLC膜の形状を示し、図11(b)は、その断面形状を示している。
図12に誇張して示すように、このS−DLC膜のセグメントに相当する突起70は、高さや形状が不均一であり、そのため、スライダ20とステータ10との接触面積が減少し、スライダ20に作用する摩擦力(駆動力)が低下するという問題がある。
この突起の形状及び高さが不均一になる原因は、ステータ10とメッシュマスク30とを密着させる際にマスクのワイヤーが撓み、マスクの位置によりステータとワイヤーとの距離に差が生じるためと考えられる。
Fig.11 (a) shows the shape of the S-DLC film | membrane formed with this method measured using the non-contact roughness measuring device, and FIG.11 (b) has shown the cross-sectional shape.
As exaggeratedly shown in FIG. 12, the protrusions 70 corresponding to the segments of the S-DLC film are not uniform in height and shape. Therefore, the contact area between the slider 20 and the stator 10 is reduced, and the slider 20 There is a problem that the frictional force (driving force) acting on the lowering is reduced.
The reason why the shape and height of the protrusions are non-uniform is considered to be that when the stator 10 and the mesh mask 30 are brought into close contact with each other, the mask wire bends, and the distance between the stator and the wire varies depending on the position of the mask. It is done.

そこで、本発明の発明者等は、メッシュマスクを用いずに、フォトリソグラフィプロセスでS−DLC膜を形成する方法を開発した。
この方法では、図13に示すように、まず、圧電体(LiNbO3)基板10の上に、DLCとの密着性を高めるCr層を中間層13として蒸着し、さらに、交差指電極を形成するためのAl層14を形成し、その上にフォトレジスト層15を形成する(図13(a))。次に、露光・現像してフォトレジスト15の不要部分を除去し、フォトレジストで覆われていないAl層14及びCr層13をエッチングで除去する(図13(b))。次に、フォトレジストを有機溶剤で除去し、S−DLC膜を形成する成膜面のAl層をエッチングで除去し、中間層13だけを残す(図13(c))。次に、成膜面にDLC膜を成膜する(図13(d))。この成膜で中間層13の上に載るDLC膜71がセグメントを構成するS−DLC膜が得られる。
Accordingly, the inventors of the present invention have developed a method for forming an S-DLC film by a photolithography process without using a mesh mask.
In this method, as shown in FIG. 13, first, a Cr layer that enhances adhesion to DLC is vapor-deposited as an intermediate layer 13 on a piezoelectric (LiNbO 3 ) substrate 10 to further form a cross finger electrode. For this purpose, an Al layer 14 is formed, and a photoresist layer 15 is formed thereon (FIG. 13A). Next, unnecessary portions of the photoresist 15 are removed by exposure and development, and the Al layer 14 and the Cr layer 13 not covered with the photoresist are removed by etching (FIG. 13B). Next, the photoresist is removed with an organic solvent, and the Al layer on the film formation surface on which the S-DLC film is formed is removed by etching, leaving only the intermediate layer 13 (FIG. 13C). Next, a DLC film is formed on the film formation surface (FIG. 13D). With this film formation, an S-DLC film in which the DLC film 71 placed on the intermediate layer 13 constitutes a segment is obtained.

この方法で形成したS−DLC膜を、以下、“S−Cr/DLC膜”と表記する。
図14(a)は、非接触粗さ測定器を用いて測定したS−Cr/DLC膜の形状を示し、図14(b)は、その断面形状を示している。図14から明らかなように、S−Cr/DLC膜のセグメントに相当する突起の高さ及び形状は均一である。
The S-DLC film formed by this method is hereinafter referred to as “S-Cr / DLC film”.
Fig.14 (a) shows the shape of the S-Cr / DLC film | membrane measured using the non-contact roughness measuring device, and FIG.14 (b) has shown the cross-sectional shape. As is clear from FIG. 14, the height and shape of the protrusions corresponding to the segments of the S-Cr / DLC film are uniform.

また、下記特許文献2には、一般の基材上にフォトリソグラフィプロセスを用いてS−DLC膜を含むセグメント構造の無機質膜を精度良く形成する方法が開示されている。
この方法では、図15に示すように、基材2上にフォトレジスト層5を形成し(図15(a))、露光・現像して、セグメントに相当する領域のフォトレジストを除去し、セグメントを区画する溝に相当する位置の基材2上にフォトレジストの突起部6を形成する(図15(b))。次に、プラズマCVD法等の方法で基材2上にDLC膜7を形成する。このとき、DLC膜7は、露出している基材2の上面並びに突起部6の頂面及び側面に成膜する(図15(c))。次に、この基材2を市販のレジスト剥離液や有機溶剤などに浸漬し、レジストの突起部6を除去する。レジストは、これらの液で膨潤、破壊あるいは溶解されて除去される。突起部6の跡には溝4が形成されている(図15(d))。
Patent Document 2 below discloses a method of accurately forming an inorganic film having a segment structure including an S-DLC film on a general substrate using a photolithography process.
In this method, as shown in FIG. 15, a photoresist layer 5 is formed on the substrate 2 (FIG. 15A), exposed and developed to remove the photoresist in the region corresponding to the segment, and the segment Photoresist protrusions 6 are formed on the base material 2 at positions corresponding to the grooves that define (FIG. 15B). Next, the DLC film 7 is formed on the base material 2 by a method such as a plasma CVD method. At this time, the DLC film 7 is formed on the exposed upper surface of the substrate 2 and the top and side surfaces of the protrusion 6 (FIG. 15C). Next, this base material 2 is immersed in a commercially available resist stripping solution, an organic solvent, or the like to remove the resist protrusions 6. The resist is removed by swelling, destruction or dissolution with these solutions. A groove 4 is formed in the trace of the protruding portion 6 (FIG. 15D).

図16は、こうして形成された基材2上のS−DLC膜を示しており、セグメント3の周囲を溝4が囲んでいる。また、図17は、溝4の断面を示している。レジストの突起部6を除去するとき、突起部6の側面に成膜したDLC膜が基材2上に成膜したDLC膜との境界で分離されるため、セグメント3の側面が、傾斜角αを持つようになる。   FIG. 16 shows the S-DLC film on the substrate 2 formed in this way, and the groove 4 surrounds the periphery of the segment 3. FIG. 17 shows a cross section of the groove 4. When the resist protrusion 6 is removed, the DLC film formed on the side surface of the protrusion 6 is separated at the boundary with the DLC film formed on the substrate 2, so that the side surface of the segment 3 has an inclination angle α To have.

特開2007−236094号公報JP 2007-236094 A 特開2010−7112号公報JP 2010-7112 A

しかし、図19(a)に示すように、S−Cr/DLC膜のセグメントを構成する突起71は、図12のS−DLC膜の突起70に比べて、形状や高さが均一であり、スライダ20とステータ10との間に安定した接触面積を確保できるが、突起71先端の角部は、突起70のように丸みを帯びていない。これは、図11と図14とを比較すれば明らかである。   However, as shown in FIG. 19 (a), the protrusion 71 constituting the segment of the S-Cr / DLC film has a uniform shape and height compared to the protrusion 70 of the S-DLC film in FIG. Although a stable contact area can be ensured between the slider 20 and the stator 10, the corner of the tip of the protrusion 71 is not round like the protrusion 70. This is clear when FIG. 11 and FIG. 14 are compared.

このように、摩擦接触面に形成した無機質膜のセグメントのエッジ部分が角張っている場合は、図18に示すように、セグメント80の面に接触する接触部材90に高い接触予圧が加わると(b)、セグメント80の端部が大きく弾性変形し、セグメント80の端部に応力が集中して接触圧力が高くなり(c)、セグメント80端部の破損などの原因になる。   Thus, when the edge part of the segment of the inorganic film formed on the friction contact surface is angular, as shown in FIG. 18, when a high contact preload is applied to the contact member 90 that contacts the surface of the segment 80 (b ), The end portion of the segment 80 is greatly elastically deformed, and stress is concentrated on the end portion of the segment 80 to increase the contact pressure (c), which may cause damage to the end portion of the segment 80.

また、超音波モータでは、S−DLC膜の突起のエッジ部分が丸みを帯びていないと、図19(b)に示すように(丸で囲んだ箇所)、突起71のエッジ側面にスライダ20の端部が接触し、駆動方向と逆向きの力がスライダ20に作用するため、超音波モータの駆動特性が低下する原因になる。
また、図17に記載されているように、セグメント3の側面が傾斜し、セグメント3が台形状の断面を有している場合でも、スライダは、その端部がセグメント3のエッジ部分に接触し、駆動方向と逆向きの力を受けるため、超音波モータの駆動特性の低下は避けられない。
Further, in the ultrasonic motor, if the edge portion of the projection of the S-DLC film is not rounded, the slider 20 is placed on the edge side surface of the projection 71 as shown in FIG. Since the end portions come into contact with each other and a force in the direction opposite to the driving direction acts on the slider 20, the driving characteristics of the ultrasonic motor are deteriorated.
Further, as shown in FIG. 17, even when the side surface of the segment 3 is inclined and the segment 3 has a trapezoidal cross section, the end portion of the slider contacts the edge portion of the segment 3. Since a force in the direction opposite to the driving direction is received, a reduction in driving characteristics of the ultrasonic motor is inevitable.

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、摩擦接触面に、形状や高さが均一で、エッジ部分が丸みを帯びたセグメントで構成されるセグメント構造の無機質膜を形成する方法を提供することを目的としている。   The present invention was devised in view of such circumstances, and a method for forming an inorganic film having a segment structure composed of segments having a uniform shape and height and rounded edges on a frictional contact surface. The purpose is to provide.

本発明は、摩擦接触面の成膜面に、セグメントのエッジ部分が丸みを帯びたセグメント構造の無機質膜を形成する方法であって、成膜面に、導電性金属から成るマスク形成用の金属層を形成する金属層形成ステップと、金属層にエッチングを施して、セグメントを区画する溝となる位置に金属層の突起部を形成するマスク形成ステップと、金属層の突起部を形成した成膜面が露出するように、電極を構成する基板ホルダ上に載置し、物理気相成長法または化学気相成長法を用いて、突起部の間の成膜面に、突起部に対向するエッジ部分が所定形状の丸みを帯びる厚さの無機質の膜を成膜する成膜ステップと、金属層の突起部を除去するマスク除去ステップと、を備えることを特徴とする。
マスク用突起部が形成された面に物理気相成長法または化学気相成長法で無機質膜を被着するとき、突起部に近い箇所では入射プラズマの立体角が小さくなるため、突起部に近い箇所に到達する炭素イオンの量は、突起部から離れた箇所に到達する炭素イオンの量よりも少なくなる。その結果、形成されたセグメントのエッジ部は丸みを帯びる。この丸みの曲率は、被着した無機質膜の厚さによって変わってくる。
The present invention relates to a method for forming an inorganic film having a segment structure in which the edge portion of a segment is rounded on a film-forming surface of a frictional contact surface, the mask-forming metal comprising a conductive metal on the film-forming surface. A metal layer forming step for forming a layer, a mask forming step for etching the metal layer to form a protrusion of the metal layer at a position to become a groove for partitioning the segment, and a film formation in which the protrusion of the metal layer is formed Place the electrode on the substrate holder that constitutes the electrode so that the surface is exposed, and use the physical vapor deposition method or the chemical vapor deposition method to form the edge facing the projection on the film-forming surface between the projections It is characterized by comprising a film forming step for forming an inorganic film having a rounded portion with a predetermined shape, and a mask removing step for removing protrusions of the metal layer.
When an inorganic film is deposited on the surface on which the mask protrusion is formed by physical vapor deposition or chemical vapor deposition, the solid angle of the incident plasma is reduced near the protrusion, so that it is close to the protrusion. The amount of carbon ions reaching the location is less than the amount of carbon ions reaching the location away from the protrusion. As a result, the edge of the formed segment is rounded. The curvature of this roundness varies depending on the thickness of the deposited inorganic film.

また、本発明の無機質膜形成方法では、無機質膜がDLC膜でも良い。
この形成方法で、形状・高さが均一で、エッジ部分が丸みを帯びたセグメントから成るS−DLC膜が得られる。
In the inorganic film forming method of the present invention, the inorganic film may be a DLC film.
By this forming method, an S-DLC film composed of segments having a uniform shape and height and rounded edges is obtained.

また、本発明の無機質膜形成方法では、成膜ステップで、プラズマCVD法を用いて無機質の膜を成膜することが望ましい。
金属層から成るマスク用突起部は、プラズマCVD法を実施する際に補助電極の役割を果たし、プラズマの安定化に寄与する。
In the inorganic film forming method of the present invention, it is desirable to form an inorganic film using a plasma CVD method in the film forming step.
The mask protrusion made of the metal layer serves as an auxiliary electrode when the plasma CVD method is performed, and contributes to the stabilization of the plasma.

また、本発明の無機質膜形成方法では、金属層の厚さを変え、突起部の高さを変えて、突起部に対向するエッジ部分の丸みの曲率を変えることができる。
金属マスクの突起部で囲まれた穴に進入したイオンは、近傍に金属層(電極)が存在すると、金属層の方に引っ張られるため、金属層近傍でのイオン入射の有効な立体角が狭くなり、金属層に近づくほど生成される膜が薄くなる。この「イオン入射の有効な立体角」は、突起部の高さが高くなる程、狭くなるため、突起部の高さ(金属層の厚さ)を大きくすることで、セグメントのエッジ部分の丸みの曲率が増大する。
Further, in the inorganic film forming method of the present invention, the curvature of the roundness of the edge portion facing the protrusion can be changed by changing the thickness of the metal layer and changing the height of the protrusion.
Since ions entering the hole surrounded by the protrusion of the metal mask are pulled toward the metal layer when a metal layer (electrode) exists in the vicinity, the effective solid angle of ion incidence near the metal layer is narrow. Thus, the closer to the metal layer, the thinner the generated film. This “effective solid angle for ion incidence” becomes narrower as the height of the protrusion becomes higher. Therefore, by increasing the height of the protrusion (thickness of the metal layer), the edge of the segment is rounded. The curvature of increases.

また、本発明の無機質膜形成方法では、マスク形成用の金属層としてCuまたはAlを用いることができる。   In the inorganic film forming method of the present invention, Cu or Al can be used as a metal layer for mask formation.

また、本発明の無機質膜形成方法では、金属層形成ステップに先立ち、成膜面に、無機質膜との密着性が高い中間層を形成することが望ましい。
中間層が介在すると、形成された無機質膜のセグメントが成膜面に強固に付着する。
In the inorganic film forming method of the present invention, it is desirable to form an intermediate layer having high adhesion to the inorganic film on the film forming surface prior to the metal layer forming step.
When the intermediate layer is interposed, the segment of the formed inorganic film is firmly attached to the film formation surface.

また、本発明の無機質膜形成方法では、S−DLC膜を形成する場合、中間層としてCr層を形成することが望ましい。
Cr層は、DLC膜の付着力を向上させる。
Moreover, in the inorganic film forming method of the present invention, when forming the S-DLC film, it is desirable to form a Cr layer as an intermediate layer.
The Cr layer improves the adhesion of the DLC film.

また、本発明の無機質膜形成方法は、超音波モータの固定子または移動子の摩擦駆動面にS−DLC膜を形成する方法として適している。
このS−DLC膜は、超音波モータの駆動力を損なわずに、超音波モータの耐摩耗性を高めることができ、超音波モータの長寿命化が可能になる。
In addition, the inorganic film forming method of the present invention is suitable as a method for forming an S-DLC film on the friction drive surface of the stator or mover of the ultrasonic motor.
This S-DLC film can improve the wear resistance of the ultrasonic motor without impairing the driving force of the ultrasonic motor, and can extend the life of the ultrasonic motor.

本発明の形成方法により、摩擦接触面に、形状・高さが均一で、エッジ部分が丸みを帯びたセグメントから成るセグメント構造の無機質膜を形成することができる。この無機質膜は、セグメントの端部に応力が集中しないため、セグメントの端部が破損し難く、強い耐久性を有している。   By the forming method of the present invention, an inorganic film having a segment structure composed of segments having a uniform shape and height and rounded edges can be formed on the friction contact surface. Since this inorganic film does not concentrate stress on the end portion of the segment, the end portion of the segment is hardly damaged and has high durability.

本発明のS−DLC膜の形成工程を示す図The figure which shows the formation process of the S-DLC film | membrane of this invention 図1(d)のDLC膜形成の環境を示す図The figure which shows the environment of DLC film formation of FIG.1 (d) 図1の方法で形成されたS−DLC膜のセグメントの形状及び断面図を示す図The figure which shows the shape and sectional drawing of the segment of the S-DLC film | membrane formed by the method of FIG. 図1の方法で形成されたセグメントのエッジ部分が丸みを帯びる理由を説明する図The figure explaining the reason why the edge part of the segment formed by the method of FIG. 1 is rounded 摩耗実験の実験結果を示す図Figure showing the results of wear experiments エッジ部分が丸みを帯びたセグメントと接触部材との接触状態を示す図The figure which shows the contact state of the segment with which the edge part was round, and a contact member 弾性表面波リニアモータの構成を示す図Diagram showing the structure of a surface acoustic wave linear motor スライダの摩擦駆動面を示す図Diagram showing friction drive surface of slider S−DLC膜の説明図Illustration of S-DLC film 従来のS−DLC膜の形成方法を示す図The figure which shows the formation method of the conventional S-DLC film | membrane 図10の方法で形成されたS−DLC膜のセグメントの形状及び断面図を示す図The figure which shows the shape and sectional drawing of the segment of the S-DLC film | membrane formed by the method of FIG. 図10の方法で形成されたS−DLC膜のセグメントとスライダとの接触状態を示す図The figure which shows the contact state of the segment of the S-DLC film | membrane formed by the method of FIG. 10, and a slider. 従来のS−Cr/DLC膜の形成方法を示す図The figure which shows the formation method of the conventional S-Cr / DLC film | membrane 図13の方法で形成されたS−Cr/DLC膜のセグメントの形状及び断面図を示す図The figure which shows the shape and sectional drawing of the segment of the S-Cr / DLC film | membrane formed by the method of FIG. 従来のフォトリソグラフィプロセスを用いたS−DLC膜の形成方法を示す図The figure which shows the formation method of the S-DLC film | membrane using the conventional photolithography process 図15の方法で形成されたS−DLC膜を示す図The figure which shows the S-DLC film | membrane formed by the method of FIG. 図15の方法で形成されたS−DLC膜の溝の断面図Sectional drawing of the groove | channel of the S-DLC film | membrane formed by the method of FIG. エッジ部分が角張ったセグメントと接触部材との接触状態を示す図The figure which shows the contact state of the segment with which the edge part was square, and a contact member 図13の方法で形成されたS−Cr/DLC膜のセグメントとスライダとの接触状態を示す図The figure which shows the contact state of the segment of the S-Cr / DLC film | membrane formed by the method of FIG. 13, and a slider.

図1は、本発明の無機質膜形成方法を用いて、超音波モータのステータの圧電体(LiNbO3)基板にS−DLC膜を形成する手順について示している。
まず、基板10上に、DLC膜との密着性が高いクロム(Cr)層から成る中間層13を蒸着等で形成し、その上に銅(Cu)層から成るマスク形成用金属層40を蒸着等で形成した。ここでは、中間層13の膜厚を約0.1μm、マスク形成用金属層40の膜厚を約4μmに設定している。マスク形成用金属層40の上には、フォトレジスト層15をスピンコートで形成した(図1(a))。
FIG. 1 shows a procedure for forming an S-DLC film on a piezoelectric (LiNbO 3 ) substrate of a stator of an ultrasonic motor using the inorganic film forming method of the present invention.
First, an intermediate layer 13 made of a chromium (Cr) layer having high adhesion to the DLC film is formed on the substrate 10 by vapor deposition or the like, and a mask forming metal layer 40 made of a copper (Cu) layer is vapor deposited thereon. Etc. Here, the thickness of the intermediate layer 13 is set to about 0.1 μm, and the thickness of the mask forming metal layer 40 is set to about 4 μm. On the mask forming metal layer 40, a photoresist layer 15 was formed by spin coating (FIG. 1A).

次に、露光・現像して、セグメント間の溝に相当する部分のフォトレジスト15を残し、セグメントに相当する領域のフォトレジスト15を除去した。そして、フォトレジスト15が除かれて露出した金属層40のCu層部分をエッチングで除去した(図1(b))。
残存する金属層40の上のフォトレジスト15を除去すると、メッシュ状の金属層(突起部)40から成るマスクが形成されている(図1(c))。
Next, exposure and development were performed to leave a portion of the photoresist 15 corresponding to the groove between the segments, and to remove the photoresist 15 in the region corresponding to the segments. Then, the Cu layer portion of the metal layer 40 exposed by removing the photoresist 15 was removed by etching (FIG. 1B).
When the photoresist 15 on the remaining metal layer 40 is removed, a mask made of a mesh-like metal layer (projection) 40 is formed (FIG. 1C).

次に、プラズマCVD法により、炭化水素ガスをプラズマ放電でイオン化し、炭素イオンを電界で加速して、陰極を兼ねる基板ホルダ上に載置された基板10の成膜面、即ち、マスク金属層(突起部)40が形成された面、に衝突させ、約0.4μmのDLC膜7を形成した(図1(d))。
このDLC膜7の詳しい形成条件は、図2に示している。
なお、マスク金属層40は、プラズマCVDの際に補助電極の役割を果たし、プラズマの安定化に寄与している。
Next, a hydrocarbon gas is ionized by plasma discharge by plasma CVD, carbon ions are accelerated by an electric field, and a film formation surface of the substrate 10 placed on a substrate holder that also serves as a cathode, that is, a mask metal layer The DLC film 7 having a thickness of about 0.4 μm was formed by colliding with the surface on which the (projection) 40 was formed (FIG. 1D).
The detailed formation conditions of the DLC film 7 are shown in FIG.
The mask metal layer 40 serves as an auxiliary electrode during plasma CVD, and contributes to plasma stabilization.

次に、第二塩化鉄水溶液によるウェットエッチングでメッシュ状の金属層40と、金属層に付着するDLC膜7とを除去し、エッジ部分が丸みを帯びたセグメント7から成るS−DLC膜を得た(図1(e))。
図3(a)は、非接触粗さ測定器を用いて測定した、この方法で形成したS−DLC膜の形状を示し、図3(b)は、その断面形状を示している。
Next, the mesh-like metal layer 40 and the DLC film 7 adhering to the metal layer are removed by wet etching with a ferric chloride aqueous solution, and an S-DLC film composed of segments 7 with rounded edges is obtained. (FIG. 1 (e)).
FIG. 3A shows the shape of the S-DLC film formed by this method measured using a non-contact roughness measuring instrument, and FIG. 3B shows the cross-sectional shape thereof.

この方法では、フォトリソグラフィプロセスにより、基板10上に(中間層13を介して)密着する金属層40のマスクを形成し、このマスクを用いてS−DLC膜を形成しているため、図3から明らかなように、S−DLC膜の各セグメントの形状及び高さは均一である。   In this method, a mask of the metal layer 40 that is in close contact with the substrate 10 (via the intermediate layer 13) is formed by a photolithography process, and the S-DLC film is formed using this mask. As can be seen from the above, the shape and height of each segment of the S-DLC film are uniform.

また、図4(a)に示すように、金属層の突起部40で囲まれたセグメントの形成領域では、領域の中央部分の入射プラズマの立体角α1に比べて、突起部40に隣接する位置での入射プラズマの立体角α2が小さい。しかも、セグメントの形成領域面に入射するプラズマの入射角度が直角から外れる程、プラズマの入射量が減る傾向にあるから、この形成領域に到達する炭素イオンの量は、突起部40の隣接位置で急激に減少する。 In addition, as shown in FIG. 4A, in the segment formation region surrounded by the protrusion 40 of the metal layer, it is adjacent to the protrusion 40 as compared to the solid angle α 1 of the incident plasma at the center of the region. The solid angle α 2 of the incident plasma at the position is small. In addition, since the incident amount of plasma tends to decrease as the angle of incidence of plasma incident on the surface of the segment formation region deviates from a right angle, the amount of carbon ions reaching this formation region is the position adjacent to the protrusion 40. Decreases rapidly.

また、金属層の突起部40で囲まれたセグメントの形成領域に進入したイオンは、近傍に金属層(電極)40が存在すると、金属層40の方に引っ張られるため、金属層近傍での入射プラズマの有効な立体角は、図4(a)に示す立体角α2よりも狭くなり、金属層40に近づくほど生成される膜が薄くなる。この「入射プラズマの有効な立体角」は、突起部40の高さが高くなる程、狭くなる。 Further, since ions entering the segment formation region surrounded by the protrusions 40 of the metal layer are pulled toward the metal layer 40 when the metal layer (electrode) 40 exists in the vicinity, the ions enter the vicinity of the metal layer. The effective solid angle of plasma is narrower than the solid angle α 2 shown in FIG. 4A, and the generated film becomes thinner as the metal layer 40 is approached. This “effective solid angle of the incident plasma” becomes narrower as the height of the protrusion 40 becomes higher.

そのため、図4(b)に示すように、セグメント81のエッジ部分は、丸みを帯び、この丸みは、セグメント82、83の厚みが増すごとに顕著になる。
このエッジ部分の丸みは、図4(c)に拡大して示すように、突起部40や突起部40に付着したDLC膜84を除去した後も、セグメント83に残る。
また、イオンが金属層(電極)に引っ張られることで生じる「入射プラズマの有効な立体角」は、突起部40の高さが高くなる程、狭くなるため、突起部の高さ(金属層の厚さ)を制御して、セグメントのエッジ部分の丸みの曲率を変えることができる。
Therefore, as shown in FIG. 4B, the edge portion of the segment 81 is rounded, and this roundness becomes more noticeable as the thickness of the segments 82 and 83 increases.
The roundness of the edge portion remains in the segment 83 even after the protrusion 40 and the DLC film 84 attached to the protrusion 40 are removed, as shown in an enlarged view in FIG.
Further, the “effective solid angle of incident plasma” generated when ions are pulled by the metal layer (electrode) becomes narrower as the height of the protrusion 40 becomes higher. (Thickness) can be controlled to change the curvature of the roundness of the edge portion of the segment.

図5は、セグメント構造DLC膜の摩耗状態を調べる実験の結果について示している。
この実験では、摩擦駆動を模擬するため、摩擦駆動面にセグメント構造DLC膜を形成したステータに、シリコンウエハから切り出したスライダを強制的に擦り合わせて、セグメント構造DLC膜の変化の様子を観察した。スライダへの予圧を一定(10N)に設定し、スライダを200回直線運動させた後のセグメント構造DLC膜の状態を観察している。
図5(a)は、図1の方法で得たS−DLC膜の実験後の状態(汚れをクリーニングした後の状態)を示し、図5(b)は、S−Cr/DLC膜の実験後の状態(汚れをクリーニングした後の状態)を示している。
図5から明らかなように、図1の方法で形成したS−DLC膜は、S−Cr/DLC膜に比べて、傷及び摩耗量が共に少ない。
FIG. 5 shows the results of an experiment for examining the wear state of the segment structure DLC film.
In this experiment, in order to simulate friction drive, a slider cut out from a silicon wafer was forcibly rubbed against a stator having a segment structure DLC film formed on the friction drive surface, and the state of change in the segment structure DLC film was observed. . The state of the segment structure DLC film after the slider is linearly moved 200 times while the preload on the slider is set to be constant (10 N) is observed.
FIG. 5A shows a state after the experiment of the S-DLC film obtained by the method of FIG. 1 (state after cleaning the dirt), and FIG. 5B shows an experiment of the S-Cr / DLC film. The subsequent state (the state after cleaning the dirt) is shown.
As can be seen from FIG. 5, the S-DLC film formed by the method of FIG. 1 has less scratches and wear than the S-Cr / DLC film.

また、図6は、セグメント83のエッジ部分に丸みを帯びたS−DLC膜が形成された摩擦接触面と接触部材90とが接触する状態を示している(a)。この場合、接触部材90を高い接触予圧で摩擦接触面に接触させても(b)、セグメント83の端部の弾性変形が抑えられ、セグメント全体で接触圧力が均一になる(c)。そのため、セグメント83の破損が回避できる。   FIG. 6 shows a state where the contact member 90 is in contact with the frictional contact surface on which the rounded S-DLC film is formed on the edge portion of the segment 83 (a). In this case, even if the contact member 90 is brought into contact with the friction contact surface with a high contact preload (b), the elastic deformation of the end portion of the segment 83 is suppressed, and the contact pressure becomes uniform throughout the segment (c). Therefore, breakage of the segment 83 can be avoided.

このように、本発明の無機質膜の形成方法は、形状及び高さが均一で、エッジ部分に丸みを帯びたセグメントから成るS−DLC膜などの無機質膜を形成することができる。この方法で形成したS−DLC膜のセグメントは、S−Cr/DLC膜のセグメントに比べて、スライダの駆動を妨げないため、超音波モータの駆動力は損なわれず、また、摩耗による損傷も少ない。   As described above, the inorganic film forming method of the present invention can form an inorganic film such as an S-DLC film having a uniform shape and height and having a rounded segment at the edge portion. The segment of the S-DLC film formed by this method does not hinder the driving of the slider as compared with the segment of the S-Cr / DLC film, so that the driving force of the ultrasonic motor is not impaired, and damage due to wear is small. .

なお、ここでは、超音波モータのステータやスライダの摩擦駆動面にS−DLC膜を形成する例を示したが、本発明は、摩擦接触面を有する無段変速機などにS−DLC膜を形成する場合にも適用でき、また、各種の摩擦接触面に形成するSiO2やAl23などの無機質膜をセグメント構造に成形する場合にも適用できる。 In this example, the S-DLC film is formed on the friction drive surface of the stator or slider of the ultrasonic motor. However, in the present invention, the S-DLC film is applied to a continuously variable transmission having a friction contact surface. The present invention can also be applied to the formation, and can also be applied to the case where inorganic films such as SiO 2 and Al 2 O 3 formed on various friction contact surfaces are formed into a segment structure.

また、ここでは、マスク形成用金属層の素材にCuを使用したが、アルミニウム(Al)を使用しても良い。
また、ここでは、DLC膜の密着性を高める中間層としてCr層を用いたが、TiやSi等を用いても良い。また、中間層を設けなくても良い。
また、ここでは、プラズマCVD法を用いてDLC膜を成膜したが、無機質膜の成膜には、その他の物理気相成長法や化学気相成長法を用いても良い。
Here, although Cu is used as the material for the mask-forming metal layer, aluminum (Al) may be used.
Here, the Cr layer is used as the intermediate layer for improving the adhesion of the DLC film, but Ti, Si, or the like may be used. Further, the intermediate layer may not be provided.
Here, the DLC film is formed by plasma CVD, but other physical vapor deposition or chemical vapor deposition may be used for forming the inorganic film.

本発明の無機質膜形成方法は、摩擦接触面に耐久性の強いセグメント構造の無機質膜を形成することができ、超音波モータや無段変速機など、摩擦接触面を有する多くの製品に広く利用することができる。   The inorganic film forming method of the present invention can form a highly durable segment structure inorganic film on the friction contact surface, and is widely used in many products having a friction contact surface such as an ultrasonic motor and a continuously variable transmission. can do.

2 基材
3 セグメント
4 溝
5 フォトレジスト
6 フォトレジストの突起部
7 DLC膜
10 圧電体基板(ステータ)
11 交差指電極
12 弾性表面波
13 中間層
14 Al層
15 フォトレジスト
20 スライダ
21 予圧
22 駆動力
23 突起
30 メッシュ電極
31a 支持部
31b 支持部
31c 支持部
40 マスク形成用金属層
70 突起
71 DLC膜の突起
81 セグメント
82 セグメント
83 セグメント
84 突起部に付着したDLC膜
90 接触部材
122 ステータ(またはスライダ)
2 Base material 3 Segment 4 Groove 5 Photoresist 6 Photoresist protrusion 7 DLC film 10 Piezoelectric substrate (stator)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Cross finger electrode 12 Surface acoustic wave 13 Intermediate layer 14 Al layer 15 Photoresist 20 Slider 21 Preload 22 Driving force 23 Protrusion 30 Mesh electrode 31a Support part 31b Support part 31c Support part 40 Metal layer for mask formation 70 Protrusion 71 DLC film Projection 81 Segment 82 Segment 83 Segment 84 DLC film adhering to projection 90 Contact member 122 Stator (or slider)

Claims (8)

摩擦接触面の成膜面に、セグメントのエッジ部分が丸みを帯びたセグメント構造の無機質膜を形成する方法であって、
前記成膜面に、導電性金属から成るマスク形成用の金属層を形成する金属層形成ステップと、
前記金属層にエッチングを施して、前記セグメントを区画する溝となる位置に前記金属層の突起部を形成するマスク形成ステップと、
前記金属層の突起部を形成した前記成膜面が露出するように、電極を構成する基板ホルダ上に載置し、物理気相成長法または化学気相成長法を用いて、前記突起部の間の成膜面に、前記突起部に対向するエッジ部分が所定形状の丸みを帯びる厚さの無機質の膜を成膜する成膜ステップと、
前記金属層の突起部を除去するマスク除去ステップと、
を備えることを特徴とする無機質膜形成方法。
A method of forming an inorganic film having a segment structure in which the edge portion of a segment is rounded on a film formation surface of a friction contact surface,
A metal layer forming step of forming a metal layer for mask formation made of a conductive metal on the film-forming surface;
A mask forming step of etching the metal layer to form a protrusion of the metal layer at a position to be a groove partitioning the segment;
It is placed on a substrate holder that constitutes an electrode so that the film-forming surface on which the protrusion of the metal layer is formed is exposed, and the protrusion of the protrusion is formed using physical vapor deposition or chemical vapor deposition. A film forming step of forming an inorganic film having a thickness in which an edge portion facing the protrusion is rounded in a predetermined shape on a film forming surface in between;
A mask removing step of removing the protrusion of the metal layer;
An inorganic film forming method comprising:
請求項1に記載の無機質膜形成方法であって、前記無機質膜がDLC膜であることを特徴とする無機質膜形成方法。   The inorganic film forming method according to claim 1, wherein the inorganic film is a DLC film. 請求項1または2に記載の無機質膜形成方法であって、前記成膜ステップで、プラズマCVD法を用いて前記無機質の膜を成膜することを特徴とする無機質膜形成方法。   3. The inorganic film forming method according to claim 1, wherein the inorganic film is formed using a plasma CVD method in the film forming step. 請求項1から3のいずれかに記載の無機質膜形成方法であって、前記金属層の厚さを変え、前記突起部の高さを変えて、前記突起部に対向するエッジ部分の丸みの曲率を変えることを特徴とする無機質膜形成方法。   4. The method of forming an inorganic film according to claim 1, wherein the thickness of the metal layer is changed, the height of the protrusion is changed, and the curvature of the edge portion facing the protrusion is rounded. A method for forming an inorganic film, characterized in that: 請求項1から4のいずれかに記載の無機質膜形成方法であって、前記金属層としてCuまたはAlを用いることを特徴とする無機質膜形成方法。   5. The inorganic film forming method according to claim 1, wherein Cu or Al is used as the metal layer. 請求項1から5のいずれかに記載の無機質膜形成方法であって、前記金属層形成ステップに先立ち、前記成膜面に、無機質膜との密着性が高い中間層を形成することを特徴とする無機質膜形成方法。   6. The inorganic film forming method according to claim 1, wherein an intermediate layer having high adhesion to the inorganic film is formed on the film formation surface prior to the metal layer forming step. An inorganic film forming method. 請求項6に記載の無機質膜形成方法であって、前記無機質膜がDLC膜である場合に、前記中間層としてCr層を形成することを特徴とする無機質膜形成方法。   7. The inorganic film forming method according to claim 6, wherein a Cr layer is formed as the intermediate layer when the inorganic film is a DLC film. 請求項2に記載の無機質膜形成方法であって、DLC膜が形成される前記摩擦接触面が超音波モータの固定子または移動子の摩擦駆動面であることを特徴とする無機質膜形成方法。   The inorganic film forming method according to claim 2, wherein the friction contact surface on which the DLC film is formed is a friction driving surface of a stator or a mover of an ultrasonic motor.
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