JPH0578844A

JPH0578844A - 固体潤滑性を有する非晶質薄膜およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0578844A
Application number: JP3270380A
Authority: JP
Inventors: Tatsumi Hioki; 辰視日置; Kazuyuki Oguri; 和幸小栗
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1991-09-20
Filing date: 1991-09-20
Publication date: 1993-03-30
Anticipated expiration: 2015-11-06
Also published as: US5266398A; JP3105962B2

Abstract

(57)【要約】【目的】低摩擦係数および固体潤滑性を有する非晶質
薄膜およびその製造方法を提供する。【構成】珪素（Ｓｉ）と、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）お
よび水素（Ｈ）とからなる固体薄膜であって、該薄膜の
組成が、Ｓｉ_x（Ｏ_m，Ｃ_n，Ｈ_1-m-n）_1-xで、か
つ、ｘ＝0.０３〜0.２０、ｍ＝0.０５〜0.５、ｎ＝0.１
〜0.９、0.６≦ｍ＋ｎ≦0.９５であることを特徴とする
固体潤滑性を有する非晶質薄膜およびその製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、潤滑性を有する非晶質
薄膜およびその製造方法に関し、さらに詳しくは、低摩
擦物質として知られているＳｉＯ₂薄膜の摩擦係数をさ
らに低減させるとともに該摩擦係数を大気中で安定的に
示す非晶質薄膜およびその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ＳｉＯ₂薄膜は、雰囲気中の
気体を吸着して摩擦係数が低下する、所謂コンタミネー
ション潤滑を示すことが報告されている（I.E.E.E Ｔra
ns.,MAG-18 (1982) 1215）。

【０００３】また、最近、Ｓｉ系セラミックスが水中で
低摩擦を示す現象が報告されており、摺動により生成さ
れるＳｉＯ₂が関与しているものと考えられる（潤滑，
33 (1988) 620)。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者で
は、摩擦係数は0.２程度とそれほど低くはなく、また、
後者では0.０１レベルの非常に低い値が報告されている
が、水潤滑という特殊な条件に限られている。

【０００５】なお、これら従来技術の低摩擦のメカニズ
ムに関しては、必ずしも明らかではないが、Ｓｉ酸化物
表面のＳｉ−ＯＨ基（シラノール基）にＨ₂Ｏ（水）が
吸着し、薄い水膜のようなものが形成されているためと
考えられる。

【０００６】そこで、本発明者らは、上述の如き従来技
術の問題点を解決すべく鋭意研究し、各種の系統的実験
を重ねた結果、本発明を成すに至ったものである。

【０００７】（発明の目的）本発明の目的は、低摩擦係
数および固体潤滑性を有する非晶質薄膜およびその製造
方法を提供するにある。すなわち、Ｓｉ系セラミックス
がＳｉＯ₂の作用で、水中に示すような0.０１レベルの
摩擦係数を、ＳｉＯ₂をベースとした薄膜により、無潤
滑状態で得ることにある。

【０００８】本発明者らは、上述の従来技術の問題に対
して、以下のことに着眼した。すなわち、先ず、低摩擦
を示す要因であるＳｉＯ₂をベースとした薄膜に着目し
た。これは、膜中にあらかじめＳｉＯ₂成分を含むこと
により、摺動初期より安定した低摩擦を得ることが可能
だからである。しかし、ＳｉＯ₂のみでは0.２程度の摩
擦係数しか得られない。そこで、これに摩擦係数の低減
や安定化を図る物質としてＣおよびＨを含む組成に着眼
した。すなわち、Ｃがダイヤモンドやグラファイトのよ
うに低摩擦を示す物質であるということを考慮に入れた
もので、また、Ｈを予め膜中に含むことにより、表面に
Ｓｉ−ＯＨ基を生成させ易くし、Ｈ₂Ｏの吸着を安定さ
せることを考え、本発明を成すに至った。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

【００１０】（第１発明）本第１発明の固体潤滑性を有
する非晶質薄膜は、珪素（Ｓｉ）と、酸素（Ｏ）、炭素
（Ｃ）および水素（Ｈ）とからなる固体薄膜であって、
該薄膜の組成が、Ｓｉ_x（Ｏ_m，Ｃ_n，Ｈ_1-m-n）_1-x
で、かつ、ｘ＝0.０３〜0.２０、ｍ＝0.０５〜0.５、ｎ
＝0.１〜0.９、0.６≦ｍ＋ｎ≦0.９５であることを特徴
とする。

【００１１】（第２発明）本第２発明の固体潤滑性を有
する非晶質薄膜の製造方法は、被処理材料を真空容器に
配設し、形成される蒸着膜の組成がＳｉ_x（Ｏ_m，
Ｃ_n，Ｈ_1-m-n）_1-xで、かつ、ｘ＝0.０２〜0.１５、
ｍ＝0.０５〜0.３、ｎ＝0.１〜0.６、0.４≦ｍ＋ｎ≦0.
６５となるように選択された実質的にＳｉ，Ｏ，Ｃ，Ｈ
を含む有機物質を真空雰囲気下で加熱蒸着すると同時
に、該被処理材料の表面に２ｋｅＶ以上のエネルギーを
有する気体元素のイオンを１×１０¹⁵個／cm²以上照射
することにより非晶質薄膜を形成することを特徴とす
る。

【００１２】（第３発明）本第３発明の固体潤滑性を有
する非晶質薄膜の製造方法は、被処理材料を真空容器に
配設し、珪素化合物ガスと，酸素化合物ガス，炭素化合
物ガスおよび水素化合物ガスとを主体とした薄膜形成ガ
ス雰囲気中で放電させることにより、前記被処理材料表
面に非晶質薄膜を形成することを特徴とする。

【００１３】

【作用】第１発明の固体潤滑性を有する非晶質薄膜、第
２発明および第３発明の該非晶質薄膜の製造方法が、優
れた効果を発揮するメカニズムについては、未だ必ずし
も明らかではないが、次のように考えられる。

【００１４】（第１発明の作用）本第１発明の非晶質薄
膜を鋼相手に摺動させたところ、摺動初期から0.０５程
度以下の低い摩擦係数が得られた。摺動後、鋼相手材の
付着物を組成および状態分析したところ、Ｓｉ酸化物、
水およびグラファイトライクＣが検出された。従って、
水（およびグラファイトライクＣ）の作用により0.０５
程度以下と低い摩擦係数が得られたものと考えられる。
さらに、ＳｉＯ₂表面に薄い水膜として吸着して存在
し、しかも低摩擦でかつ撥水性のグラファイトライクＣ
も混在しているために、摺動中低摩擦が持続されるもの
と思われる。

【００１５】本発明の非晶質薄膜において、Ｓｉ_xの成
分割合ｘは、ｘ＝0.０３〜0.２０である。本発明の非晶
質薄膜の低摩擦機構は、基本的には、Ｓｉ酸化物による
ものと考えられる。従って、Ｓｉは膜の主要構成元素で
あるが、摺動中に或る程度の量のＳｉＯ₂が生成されれ
ばＨ₂Ｏの吸着により低摩擦を発現するものと考えられ
るので、ｘ＝0.０３まで減少させることができる。ま
た、ＳｉＯ₂組成であれば、ｘは１／３となるが、0.０
５程度の低摩擦係数を安定して得るためには、Ｃおよび
Ｈを添加しなければならないのでｘの最大組成は0.２と
なる。

【００１６】また、Ｏ_mの成分割合ｍは、ｍ＝0.０５〜
0.５である。該薄膜の低摩擦機構は、上記のように摺動
中のＳｉＯ₂の生成によるものと考えられ、薄膜中に予
め該範囲内のＯを含有させることによりＳｉＯ₂の生成
を容易にし、摺動初期から安定した低摩擦を得ることが
できる。該組成中、Ｏのｍが0.０５未満の場合は、Ｏの
十分な添加効果が得られず、また、0.５を超える場合
は、ＣおよびＨの添加量が少なくなり、該元素の添加に
よる効果を十分に発揮できなくなるので、ともに本発明
の効果を得ることができない。

【００１７】また、Ｃ_nの成分割合ｎは、ｎ＝0.１〜0.
９である。低摩擦を示すＣ系物質を添加することによ
り、ＳｉＯ₂との相乗作用により低摩擦化を図る。ま
た、Ｃ系物質は撥水性を示すことにより、水が作用する
ＳｉＯ₂の低摩擦機構を助ける働きがあるものと考えら
れる。これらのＣ系物質の作用を発揮するためには、0.
１以上の含有が必要である。なお、該組成中、Ｃのｎが
0.１未満の場合は、十分な相乗効果が発揮されず、ま
た、他元素の組成との関係上、0.９を超える場合は、Ｏ
およびＨの含有量が減少してしまい、該元素の添加によ
る効果を十分に発揮できなくなるのでともに本発明の効
果を得ることができない。

【００１８】また、Ｈ_1-m-nの成分割合１−ｍ−ｎは、
0.０５≦１−ｍ−ｎ≦0.４、すなわち0.６≦ｍ＋ｎ≦0.
９５である。予め膜中に願範囲内のＨを含有させること
により、ＳｉＯ₂表面にＳｉ−ＯＨ基を生成させ易く
し、水の吸着を促進し、かつ吸着状態を安定にすること
により、摺動初期から安定した摩擦係数を得ることがで
きる。なお、該組成中、Ｈの（１−ｍ−ｎ）が0.０５未
満の場合は、十分な効果が発揮されず、また、0.４を超
える場合は、緻密な膜が形成されなくなるので、ともに
本発明の効果を得ることができない。

【００１９】また、ＣおよびＨを含有させることによ
り、ＳｉＯ₂単体では水中でしか得られない0.０５レベ
ルの低摩擦係数を大気中で、しかも無潤滑で実現するこ
とができたものと考えられる。

【００２０】（第２発明の作用）本第２発明では、被処
理材料を、実質的にＳｉ，Ｏ，Ｃ，Ｈを含む有機物質を
真空雰囲気下で加熱蒸着する。この有機物質蒸着処理に
より、Ｓｉ_x（Ｏ_m，Ｃ_n，Ｈ_1-m-n）_1-xで、かつ、
ｘ＝0.０２〜0.１５、ｍ＝0.０５〜0.３、ｎ＝0.１〜0.
６、0.４≦ｍ＋ｎ≦0.６５の蒸着膜が形成される。ま
た、該有機物質蒸着処理と同時に、該被処理材料の表面
に２ｋｅＶ以上のエネルギーを有する気体元素のイオン
を１×１０¹⁵個／cm²以上照射する。これより、或る程
度Ｈが脱離して固体状の非晶質薄膜を形成することがで
きる。これより得られる薄膜は、Ｈが或る程度減少する
だけでＳｉ、Ｏ、Ｃの組成は基本的に出発原料である有
機物の組成を反映している。従って、上記のように有機
物の組成を選択することにより、珪素（Ｓｉ）と、酸素
（Ｏ）、炭素（Ｃ）および水素（Ｈ）とからなる固体薄
膜であって、組成が、Ｓｉ_x（Ｏ_m，Ｃ_n，Ｈ_1-m-n）
_1-xで、かつ、ｘ＝0.０３〜0.２０、ｍ＝0.０５〜0.
５、ｎ＝0.１〜0.９、0.６≦ｍ＋ｎ≦0.９５であり低摩
擦を示す組成の非晶質薄膜を得ることができたものと考
えられる。

【００２１】（第３発明の作用）本第２発明では、先
ず、被処理材料を真空容器に配設し、次いで、珪素化合
物ガスと，酸素化合物ガス，炭素化合物ガスおよび水素
化合物ガスとを主体とした特殊薄膜形成ガス雰囲気中で
放電させる。このとき、Ｓｉ、Ｏ、ＣおよびＨを含む混
合ガス中で、プラズマを発生させることにより、該元素
からなる非晶質薄膜を得ることができる。得られる膜の
組成は、各ガスの組成や成膜温度により制御することが
できるので、それらの条件を選択することにより、低摩
擦を示す組成の非晶質薄膜を得ることができるものと考
えられる。

【００２２】

【発明の効果】

【００２３】（第１発明の効果）第１発明の非晶質薄膜
は、極めて低い摩擦係数を示し、かつ高硬度のため優れ
た耐摩耗性をも示す優れた薄膜である。

【００２４】（第２発明の効果）第２発明の非晶質薄膜
の製造方法により、極めて低い摩擦係数を示し、かつ高
硬度のため優れた耐摩耗性をも示す非晶質薄膜を得るこ
とができる。また、第２発明の非晶質薄膜の製造方法
は、イオン照射と有機物蒸着法とを併用することによ
り、基材の温度を室温以下に保つことができるので、基
材の適用範囲が広く、また、寸法精度が必要とされる基
材に好適な方法である。

【００２５】（第３発明の効果）第３発明の非晶質薄膜
の製造方法により、極めて低い摩擦係数を示し、かつ高
硬度のため優れた耐摩耗性をも示す非晶質薄膜を得るこ
とができる。また、第３発明の非晶質薄膜の製造方法に
より、数μｍ厚さの薄膜を均一性良く作製することがで
きる。従って、複雑形状物品等への適用が容易である。

【００２６】

【実施例】以下に、第１発明、第２発明、第３発明をさ
らに具体的にした具体例について説明する。

【００２７】先ず、本具体例の非晶質薄膜について説明
する。

【００２８】本具体例の非晶質薄膜は、厚さが0.１〜１
０μｍ程度であることが好ましい。これは、該薄膜の厚
さが0.１μｍ未満の場合、該薄膜の性能が十分に発揮さ
れず、また１０μｍを超える場合には、膜の剥離等の不
具合が生ずるからである。また、該薄膜中には、Ａｒ等
の希ガスや窒素、塩素等の元素が、本発明の効果を損な
わない程度に混入してもよい。また、該薄膜の表面は非
常に平坦であり、基材の表面粗さを全んど忠実に再現し
た表面を有する薄膜とすることができる。

【００２９】本具体例の非晶質薄膜は、0.０５以下の非
常に低い摩擦係数を示すことから、潤滑の不可能な摺動
部材の摺動部への適用に好適である。

【００３０】次に、第２発明の非晶質薄膜の製造方法の
具体例について、図１を用いて説明をする。

【００３１】図１に示されるように、薄膜被覆処理装置
１は、被覆処理用真空容器２と、イオンビーム発生装置
３と、部品ホルダー４と、炉５と、シャッター６とから
なる。被覆処理用真空容器２は、公知の高エネルギーの
イオンビーム発生装置２と接続され、該発生装置２より
発生されるイオンビーム７を前記真空容器２内に導入で
きるようになっている。部品ホルダー４は、被処理材８
の保持具であり、所定の位置に被処理材８を載置または
保持する。炉５は、蒸発源である有機物質９を加熱・蒸
着するためのものであり、真空容器１内において被処理
材８の表面が見える位置に取り付けられている。シャッ
ター６は、前記炉６内で加熱され蒸発した有機物質が炉
から真空容器内に拡大しないように設けられた遮蔽体で
ある。該シャッター６は、炉５が所定の温度にまで加熱
されたときに開くようになっており、該シャッター６が
開くと同時にイオンビーム７の照射が開始される。被処
理材８の表面に被覆される非晶質膜の厚さは、シャッタ
ー６を開いている時間により制御可能になっている。ま
た、一定時間内での全照射量の調節は、イオンビーム７
の電流密度を制御することにより可能となっている。

【００３２】本具体例において蒸発源として使用する有
機物質は、イオン照射を同時に行う必要から真空容器内
に配設される。イオン照射には、真空度が１０^-4 Torr
以上の高真空が必要である。このため、蒸発源のＳｉと
Ｏを含有する有機物質としては、室温での蒸気圧が１０
^-4 Torr 以下のものを使用しなければならない。このよ
うな有機物質としては、常温で液体状のものや固体状の
ものなど多くの種類のものがあが、シリコーン系オイル
が代表的である。とくに、メチルフェニルシロキサン、
ポリジメチルシロキサンやペンタフェニルトリメチルト
リシロキサン等は代表的であり、これらのものは、単独
でも、あるいは組み合わせて使用してもよく、形成され
る蒸着膜の組成がＳｉ_x（Ｏ_m，Ｃ_n，Ｈ_1-m-n）_1-x
で、かつ、ｘ＝0.０２〜0.１５、ｍ＝0.０５〜0.３、ｎ
＝0.１〜0.６、0.４≦ｍ＋ｎ≦0.６５となるように選択
する。

【００３３】照射すべきイオンビームとしては、有機物
質の分解・炭化を引き起こしうるものであればよく、Ｈ
ｅ以外の質量を有するイオン種が使用できる。しかし、
イオンビームの生成の容易さから気体元素、とくに、Ｈ
ｅ、Ｎ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅが望ましい。

【００３４】イオンのエネルギーは、有機物を十分に分
解・炭化できる程度であればよく、通常１ｋｅＶ以上で
あればよい。

【００３５】良好な固体潤滑性を有する非晶質膜を製造
するためには必要なイオンの照射量は、用いるイオンの
種類により異なるが、Ｈｅ⁺イオンの場合、１×１０¹⁶
個／cm²、その他のイオンの場合には、１×１０¹⁵個／
cm²が望ましい。照射量が上記値より少ないと、非晶質
の良好な密着性が得られない。

【００３６】次に、本第３発明の非晶質薄膜の製造方法
の具体的な一例を、図２を用いて簡単に説明する。

【００３７】先ず、プラズマＣＶＤ法で用いる真空容器
に被処理材を配設し、プラズマＣＶＤ法により、珪素化
合物ガスと、酸素化合物ガス、炭素化合物ガスおよび水
素化合物ガスを主体とした薄膜形成ガス雰囲気中で放電
させることにより、被処理材表面に潤滑性を有する非晶
質薄膜を形成する。

【００３８】この方法では、先ず、真空容器内のテーブ
ル上に被処理材を配設し、該真空容器内に残存する気体
を除去する。ここでは、例えば、１×１０^-4Torr以下ま
で排気する。

【００３９】次に、連続排気しながら水素（Ｈ₂)ガスな
どの昇温用ガスを導入し、直流放電または高周波放電等
により放電を開始し、プラズマエネルギーにより被処理
材を所定の温度に加熱する。なお、この時の加熱温度
は、膜質の良好な表面層を得るためには、５００℃程度
まで昇温するとよい。これにより、表面層中の塩素（Ｃ
ｌ）等の膜質低減物質の混入量を低下することができ
る。

【００４０】次に、真空容器内に珪素化合物ガスと、酸
素化合物ガス、炭素化合物ガスおよび水素化合物ガスを
主体とした薄膜形成ガス雰囲気中で放電させ、被処理材
表面に薄膜を成長させる。ここで用いる薄膜形成ガス
は、雰囲気ガスと膜化原料ガスとしての反応ガスとから
なる。雰囲気ガスは、水素（Ｈ₂)、アルゴン（Ａｒ）等
の一般的に用いるガスを用いることができる。

【００４１】反応ガスは、珪素化合物ガス、酸素化合物
ガス、炭素化合物ガスとからなる。なお、水素を雰囲気
ガスとして用いる場合、必要量の水素が雰囲気中に存在
すれば、特に別途水素化合物ガスを導入する必要はな
い。珪素化合物ガスとしては、四塩化珪素（ＳｉＣ
ｌ₄)、四フッ化珪素（ＳｉＦ₄)、トリクロルシリコン
（ＳｉＨＣｌ₃)、テトラメチルシリコン（ＴＭＳ、Ｓｉ
（ＣＨ₃)₄）などを用いる。また、酸素化合物ガスとし
ては、Ｏ₂、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏなど、炭素化合物ガ
スとしては、メタン（ＣＨ₄)、その他の炭化水素ガス
（Ｃ_mＨ_n）など、水素化合物ガスとしては、Ｈ₂、Ｈ
₂Ｏなどを用いる。なお、これらの各原料ガスは、Ｃ
Ｏ、Ｈ₂Ｏ、など複数の元素の供給源となるものも多
い。

【００４２】これらの薄膜形成ガスの組成は、原料ガ
ス、処理温度等により、適宜決定され、また、全体の流
量は真空容器の容積と排気量とのバランスで決定され
る。このうち、珪素化合物ガスとしてＳｉＣｌ₄、酸素
化合物ガスとしてＨ₂Ｏ、炭素化合物ガスとしてＣ
Ｈ₄、および水素化合物ガスとしてＨ₂、Ｈ₂Ｏ、ＣＨ
₄の少なくとも一種以上を用いた場合の代表的なガス組
成としては、流量比で、ＳｉＣｌ₄が１に対し、Ｈ₂Ｏ
が５〜５０、ＣＨ₄が５〜５０、Ｈ₂が５０〜５００お
よびＡｒが３０〜３００からなるものが挙げられる。な
お、薄膜形成ガスは、実質的に必要量の上記物質が雰囲
気中に存在していればよく、どのような形態で導入して
も、またどの様な雰囲気として形成してもよい。

【００４３】また、本工程における真空容器の圧力は、
１０^-2〜１０トールであることが好ましい。特に、放電
が直流放電による場合には、１０^-1〜１０トールが、高
周波放電による場合には、１０^-2〜１０トールがそれぞ
れ好ましい。これは、この圧力範囲外では放電が不安定
となるからである。このようにして、極めて低い摩擦係
数を有する本発明の非晶質薄膜を、容易に形成すること
ができる。

【００４４】以下に、本発明の実施例を説明する。

【００４５】第１実施例

【００４６】被処理材として高速度鋼材を用い、イオン
照射−有機物蒸着処理して該被処理材表面に非晶質薄膜
を形成し、該膜の性能評価試験を行った。なお、この処
理において用いた非晶質薄膜被覆処理装置を、図１に示
す。

【００４７】厚さ３mm、直径３０mmのディスク（円盤）
状の高速度鋼（JIS SKH51 焼入焼戻材）の表面（表面粗
さ：〜0.１μｍ）に、ペンタフェニルトリメチルトリシ
ロキサンを７０℃に加熱して蒸着しつつ、同時に１００
ｋｅＶのＡｒ⁺イオンを照射した（試料番号：１）。イ
オンの全照射量は１×１０¹⁶イオン数／cm²であった。

【００４８】得られた非晶質薄膜の厚さを、後方散乱法
と表面粗さ計を用いて測定した。両方の測定値とも、0.
１２±0.０２μｍであった。また、この組成は、Ｈ⁺イ
オンを用いた後方散乱分析により、Ｓｉ_0.07（Ｏ_0.05，
Ｃ_0.84，Ｈ_0.11）_0.93であった。

【００４９】この処理ディスクと、球状（直径５mmφ）
の鋼（JIS SUJ2 焼入焼戻材）ボールとの摩擦・摩耗特
性をボールオンディスク式摩擦試験機を用いて評価し
た。試験条件は、空気中、無潤滑、室温であり、ピンの
荷重は0.２kg、ディスク回転数は８０r.p.m.である。こ
の試験結果を、図３に示す。

【００５０】比較のために、電子ビーム蒸着法を用いて
黒鉛を溶解し、ディスクに厚さ0.１５μｍの炭素膜被膜
処理を施した場合（試料番号：Ｃ１）と、さらに電子ビ
ーム蒸着による0.１５μｍ厚の炭素膜被覆処理後１００
ｋｅＶのＡｒ⁺イオンを１×１０¹⁶イオン数／cm²照射
した場合（試料番号：Ｃ２）も調べた。この結果を、そ
れぞれ図３に併せて示す。

【００５１】図３より明らかのごとく、第１実施例の場
合、0.０２という非常に低い摩擦係数を示していること
が分かる。これに対し、比較例の炭素膜の場合は、Ｓｉ
およびＯが含まれていないので、一桁高い摩擦係数を示
していることが分かる。

【００５２】第２実施例

【００５３】被処理材として高速度鋼材を用い、プラズ
マ化学蒸着処理して該被処理材表面に非晶質炭素−水素
−酸素−珪素薄膜を形成し、該膜の性能評価試験を行っ
た。なお、この処理において用いたプラズマ化学蒸着処
理装置を、図２に示す。

【００５４】先ず、ステンレス製のプラズマ反応室１１
の中央に設けた基台１２の上に、被処理材料料１３とし
て外径２０mm×厚さ１０mmの高速度鋼（JIS SKH 51：試
料番号２）を、基台１２の中心から６０mmの間隔を置い
て５つ配置した。なお、基台１２の支持柱１４の内部に
は冷却水を送る冷却水管（図示せず）が取りつけられて
いる。

【００５５】次に、プラズマ反応室１１を密閉したの
ち、ガス導出管１５に接続された真空ポンプのロータリ
ーポンプ（図示せず）および拡散ポンプ（図示せず）に
より残留ガスが１×１０^-4トールになるまで減圧した。
なお、ガス導入管１６は、コントロールバルブを介して
各種ガスボンベ（共に図示せず）に連結している。

【００５６】次に、１×１０^-4トールまで減圧した炉内
に昇温用ガスとして水素ガスを導入し、同時に真空引き
しながら反応室１１の圧力を１トールに保つように調整
した。そして、反応室１１の内側に設けたステンレス製
陽極板１７と陰極（基台）１２の間に数百ボルトの直流
電圧を印加して放電を開始し、被処理材料表面が５５０
℃になるまでイオン衝撃による昇温を行った。ここで、
直流電源回路は、陽極１７と陰極１２により構成し、内
部の被処理材料の温度を測定する二色温度計（図示せ
ず）からの入力により電源制御され、被処理材料の温度
を一定に保つ働きをする。

【００５７】次に、反応室１１内に、四塩化珪素（Ｓｉ
Ｃｌ₄)ガスと、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）、メタン（ＣＨ₄)ガ
ス、水素（Ｈ₂)ガスおよびアルゴン（Ａｒ）ガスを、そ
れぞれ流量３、３０、５０、１０００、および７００cc
/minで導入して全圧力４トールの特殊薄膜形成雰囲気と
し、被処理材料の温度を５５０℃に保ちながら１時間の
直流放電を持続させることにより化学蒸着処理を行っ
た。

【００５８】化学蒸着処理の後、放電を止め、被処理材
料を減圧下（〜１０^-3トール）で冷却し、被処理材を反
応室１１より取り出し、調べたところ、該被処理材の表
面には２μｍ厚さの黒色の膜が形成されていた。

【００５９】この被処理材表面の黒色膜について、Ｘ線
回折法による物質同定試験を行った結果、被処理材から
の回折線の他に回折線が認められず、アモルファス状態
であることが分かった。また、ＥＰＭＡ分析および弾性
反跳粒子検出法により、組成を調べたところ、Ｓｉ_0.15
（Ｏ_0.3，Ｃ_0.4，Ｈ_0.3）_0.85であり、その他塩素等
を微量含むことがわかった。また、摩擦摩耗試験を、第
１実施例と同様にして行った。その結果を、図４示す。
また、摺動回数と摩擦係数との関係を図５に示す。

【００６０】比較のために、ＣＨ₄ガスを導入しない以
外は、前記第２実施例と同様の条件および方法によりプ
ラズマ化学蒸着処理を行った。その結果、比較用被処理
材料の表面には、干渉色を示す半透明の膜が２μｍ形成
されていた。この薄膜について、前記と同様に組成を調
べたところ、Ｓｉ_0.25（Ｏ_0.47，Ｈ_0.53）_0.75の組成の
非晶質膜であった。また、前記と同様に摩擦摩耗試験を
行った。その結果を、図４に併せて示す。

【００６１】図４より明らかのごとく、本第２実施例で
は、0.０３という非常に低い摩擦係数を示していること
が分る。また、図５より、本実施例により得られた非晶
質薄膜は、摺動初期から0.０３という非常に低い摩擦係
数が得られるとともに、摺動回数によらず摺動初期より
安定して低μが得られていることが分かる。さらに、本
実施例では、荷重や速度等の条件によらず、安定して低
μを得ることができることが確認された。

【００６２】これに対し、比較例（試料番号Ｃ３）で
は、摩擦係数のばらつきが大きく、また最低値も0.２と
高い値であった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本第２発明の非晶質薄膜の製造方法の一具体例
において用いる薄膜被覆処理装置の概略構成を示す説明
図である。

【図２】本第３発明の非晶質薄膜の製造方法の一具体例
において用いるプラズマ化学蒸着処理装置の概略構成を
示す説明図である。

【図３】本発明の第１実施例および比較例において得ら
れた薄膜の性能評価試験結果を示す図である。

【図４】本発明の第２実施例および比較例において得ら
れた薄膜の性能評価試験結果を示す図である。

【図５】本発明の第２実施例得られた薄膜の性能評価試
験結果を示し、摺動回数と摩擦係数との関係を示す線図
である。

【符号の説明】

１・・・薄膜被覆処理装置２・・・被覆処理用真空容器３・・・イオンビーム発生装置４・・・部品ホルダー５・・・炉６・・・シャッター７・・・イオンビーム８・・・被処理材料９・・・有機物質１１・・・プラズマ反応室１２・・・基台（陰極）１３・・・被処理材料１４・・・支持柱１５・・・ガス導出管１６・・・ガス導入管１７・・・ステンレス製陽極板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】珪素（Ｓｉ）と、酸素（Ｏ）、炭素
（Ｃ）および水素（Ｈ）とからなる固体薄膜であって、該薄膜の組成が、Ｓｉ_x（Ｏ_m，Ｃ_n，Ｈ_1-m-n）_1-x
で、かつ、ｘ＝0.０３〜0.２０、ｍ＝0.０５〜0.５、ｎ
＝0.１〜0.９、0.６≦ｍ＋ｎ≦0.９５であることを特徴
とする固体潤滑性を有する非晶質薄膜。
【請求項２】被処理材料を真空容器に配設し、形成さ
れる蒸着膜の組成がＳｉ_x（Ｏ_m，Ｃ_n，Ｈ_1-m-n）
_1-xで、かつ、ｘ＝0.０２〜0.１５、ｍ＝0.０５〜0.
３、ｎ＝0.１〜0.６、0.４≦ｍ＋ｎ≦0.６５となるよう
に選択された実質的にＳｉ，Ｏ，Ｃ，Ｈを含む有機物質
を真空雰囲気下で加熱蒸着すると同時に、該被処理材料
の表面に２ｋｅＶ以上のエネルギーを有する気体元素の
イオンを１×１０¹⁵個／cm²以上照射することにより非
晶質薄膜を形成することを特徴とする固体潤滑性を有す
る非晶質薄膜の製造方法。
【請求項３】被処理材料を真空容器に配設し、珪素化
合物ガスと，酸素化合物ガス，炭素化合物ガスおよび水
素化合物ガスとを主体とした薄膜形成ガス雰囲気中で放
電させることにより、前記被処理材料表面に非晶質薄膜
を形成することを特徴とする固体潤滑性を有する非晶質
薄膜の製造方法。