JPH1087396A - Hard carbon film - Google Patents

Hard carbon film

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JPH1087396A
JPH1087396A JP26244596A JP26244596A JPH1087396A JP H1087396 A JPH1087396 A JP H1087396A JP 26244596 A JP26244596 A JP 26244596A JP 26244596 A JP26244596 A JP 26244596A JP H1087396 A JPH1087396 A JP H1087396A
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carbon
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graphite
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章 山口
Masaru Kosho
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栄子 松村
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一彦 織田
Haruyo Fukui
治世 福井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a hard amorphous carbon film having an improved sliding characteristics and releasability. SOLUTION: This hard carbon film consists essentially of carbon and hydrogen, has <=0.5μm surface roughness Rmax without polishing and is very smooth. It is preferable that this hard carbon film has an amorphous structure from the standpoint of X-ray diffraction crystallography and is made of a cluster mixture having diamond and graphite structures. The number of the constituent carbon atoms of each cluster having a diamond structure is preferably 100-2,000 on average and that of each cluster having a graphite structure is preferably 100-2,000 on average.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、炭素、水素からな
る非晶質薄膜に関するものである。特に硬度が高く摩擦
係数が低く、摺動特性に優れた非晶質薄膜に関する。本
発明は、工具、金型などの耐摩耗部品、産業用、一般家
庭用の機械部品、摺動部品、電子・電気部品、赤外線光
学部品などに用いられる硬質炭素被膜に利用できる。な
かでも、表面の平滑性が大きく影響する、摺動部材、離
形性部材への利用に極めて効果的である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an amorphous thin film made of carbon and hydrogen. In particular, the present invention relates to an amorphous thin film having high hardness, low friction coefficient, and excellent sliding characteristics. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to hard carbon coatings used for wear-resistant parts such as tools and dies, industrial and general mechanical parts, sliding parts, electronic / electric parts, infrared optical parts, and the like. Above all, it is extremely effective for use in sliding members and releasable members where the smoothness of the surface greatly affects.

【0002】[0002]

【従来の技術】硬質炭素膜は、アモルファス状の炭素膜
或いは水素化炭素膜である。a−C:H、i−C、DL
C(ダイヤモンド状カーボン)などと表記されることも
ある。アモルファス状の硬質炭素膜はヌープ硬度が10
00〜3000であって高硬度の材料である。多くの相
手材料に対する無潤滑での摩擦係数が0.1〜0.2で
極めて低い。軟質金属との離形性が良い。
2. Description of the Related Art A hard carbon film is an amorphous carbon film or a hydrogenated carbon film. aC: H, iC, DL
It may be written as C (diamond-like carbon) or the like. An amorphous hard carbon film has a Knoop hardness of 10
It is a material having a hardness of 00 to 3000 and a high hardness. The coefficient of friction with many mating materials without lubrication is extremely low at 0.1 to 0.2. Good releasability from soft metals.

【0003】電気抵抗は106 〜1014Ωcmであり、
高い絶縁性を有する。赤外線に対して高い透過性を有す
るなどダイヤモンドに近似した優れた特性を数多く持っ
ている。アモルファス炭素膜は、これらの優れた性質を
持つので、種々の分野への応用が期待されている。例え
ば、耐摩耗性部品、摺動部品、電気・電子部品、赤外線
光学部品、成型・成形部品などへの硬質炭素膜のコ−テ
ィングに関し開発、応用が進んでいる。
The electric resistance is 10 6 to 10 14 Ωcm,
Has high insulation properties. It has many excellent properties similar to diamond, such as high transmittance to infrared rays. Since the amorphous carbon film has these excellent properties, application to various fields is expected. For example, the development and application of coating of a hard carbon film on wear-resistant parts, sliding parts, electric / electronic parts, infrared optical parts, molded / molded parts, and the like are progressing.

【0004】特に、ビデオ部品やビデオテープの潤滑
性、対擦傷性を向上させるための保護コ−ティングに利
用されている。各種回転軸、バルブ類の摩擦係数低減の
ための潤滑性コ−ティングなどにも用いられる。さらに
は半田やアルミなどの軟質金属の溶着防止のための離形
性コ−ティングなどにも実用化されている。
In particular, it is used for protective coating for improving the lubricity and scratch resistance of video components and video tapes. It is also used for lubricity coating for reducing the friction coefficient of various rotating shafts and valves. Further, it has been put to practical use in releasable coating for preventing welding of soft metals such as solder and aluminum.

【0005】このように低摩擦係数、高硬度、離形性な
どの特質を巧みに利用してアモルファス炭素膜は広い分
野に応用されている。硬質炭素膜(アモルファス炭素
膜)はいくつかの方法によって作られる。炭化水素ガス
をプラズマによって分解して成膜するプラズマCVD
法、炭素又は炭化水素イオンを用いるイオンビ−ム蒸着
法、固体炭素源からスパッタリングやア−ク放電によっ
て炭素を気化し、基体上に成膜する手法等の気相合成法
が用いられる。対象となる基材や用途、処理数などによ
りこれらの手法は使い分けられている。
[0005] As described above, the amorphous carbon film is applied to a wide range of fields by skillfully utilizing such characteristics as a low coefficient of friction, high hardness, and releasability. Hard carbon films (amorphous carbon films) are made by several methods. Plasma CVD for decomposing hydrocarbon gas by plasma to form a film
A gas phase synthesis method such as an ion beam evaporation method using carbon or hydrocarbon ions, a method of vaporizing carbon from a solid carbon source by sputtering or arc discharge, and forming a film on a substrate is used. These methods are properly used depending on the target substrate, application, number of treatments, and the like.

【0006】炭素を主成分とする非晶質の膜といっても
多様な構造が有り得る。非晶質であるから広い範囲でも
結晶構造を持たない。しかし狭い範囲では、結晶に類似
した構造を取るはずである。微細な構造体をクラスター
と呼ぶ。炭素のみからなる結晶として、ダイヤモンドと
グラファイトが代表的である。非晶質の場合、この構造
体からなるクラスターによって構成される。
[0006] An amorphous film containing carbon as a main component may have various structures. Since it is amorphous, it does not have a crystal structure even in a wide range. However, in a narrow range, it should have a structure similar to a crystal. A fine structure is called a cluster. Diamond and graphite are typical examples of a crystal composed of only carbon. In the case of amorphous, it is composed of clusters composed of this structure.

【0007】ダイヤモンドはSP3 混成軌道をもつ。S
3 ハイブリダイゼーションという。これは2s軌道と
3つの2p軌道がつくる4つ軌道からなる結合である。
相互の挟角が109゜をなすダイヤモンドの4つの共有
結合の手を与える軌道である。ダイヤモンドは三次元的
な広がりを持つ。ダイヤモンドクラスターも三次元の広
がりを持つ。
[0007] Diamond has a SP 3 hybrid orbital. S
P 3 that hybridization. This is a combination of four orbitals created by 2s orbitals and three 2p orbitals.
These are orbits giving four covalent hands of diamond whose included angles are 109 °. Diamond has a three-dimensional spread. Diamond clusters also have a three-dimensional spread.

【0008】グラファイトは2s軌道と、ふたつの2p
軌道からなる軌道であり、結合の手のなす角度は120
゜である。平面的な広がりをもつ。三次元なものではな
い。非晶質膜の組成構造として多くの可能性がある。グ
ラファイト構造のクラスターのみからなるということも
ある。その場合でもクラスターの大きさがパラメータと
して指定されなければならない。ダイヤモンド構造のク
ラスターのみからなるということも有り得る。その場合
もクラスターの大きさがパラメータとして指定されなけ
ればならない。
[0008] Graphite has a 2s orbit and two 2p orbits.
It is a trajectory consisting of orbits, and the angle made by the joints is 120
゜. It has a planar spread. It is not three-dimensional. There are many possibilities for the composition structure of the amorphous film. It may consist of only graphite-structured clusters. Even then, the size of the cluster must be specified as a parameter. It is possible that it may consist only of diamond-structured clusters. In this case, the size of the cluster must be specified as a parameter.

【0009】さらにダイヤモンド構造のクラスターと、
グラファイト構造のクラスターが混在する場合もありう
る。その場合は、ダイヤモンド構造のクラスターの大き
さ、グラファイト構造の大きさ、さらにはダイヤモンド
構造とグラファイト構造の数の比がパラメータとなる。
Further, a cluster having a diamond structure,
Clusters of graphite structure may be mixed. In that case, the size of the cluster of the diamond structure, the size of the graphite structure, and the ratio of the number of the diamond structure to the number of the graphite structure are parameters.

【0010】図4はこのような非晶質構造の概略を示
す。楕円枠の中にSP2 構造と書いて有るのがグラファ
イトクラスターである。楕円枠の中にSP3 と有るのが
ダイヤモンド構造のクラスターである。
FIG. 4 schematically shows such an amorphous structure. Graphite clusters are described as SP 2 structures in the elliptical frame. Of there and SP 3 in the elliptical frame is a cluster of diamond structure.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】硬質炭素膜は一般に表
面粗さが小さい。ために摩擦が小さく離形性が良く溶着
を防ぐことができるのである。表面粗さの小さいという
長所を生かして摺動材、溶着防止材としてのコ−ティン
グの応用が進められている。
The surface roughness of a hard carbon film is generally small. Therefore, the friction is small, the releasability is good, and the welding can be prevented. Taking advantage of the small surface roughness, coatings have been applied as sliding materials and welding prevention materials.

【0012】しかし、近年潤滑膜、離形性膜への要求水
準がさらに厳しく高くなってきている。さらに潤滑性が
良く、離形性に優れた膜が要求されるようになってき
た。確かに硬質炭素膜は低摩擦係数、高硬度、高離形性
という特徴があるが、現状を越える厳しい要求が寄せら
れている。
However, in recent years, the required level of a lubricating film and a releasable film has become more severe. Further, a film having good lubricity and excellent releasability has been required. Certainly, the hard carbon film is characterized by a low coefficient of friction, a high hardness, and a high releasability.

【0013】潤滑性、離形性は、被膜の表面粗さが強く
関係している。潤滑性、離形性、低摩擦が優れていると
いっても具体的な定数で表現できなければ評価ができな
い。ここではアモルファス炭素膜を評価するために表面
の粗さRmaxを用いる。従来のアモルファス炭素膜は
Rmaxが0.5μmより大きかった。
The lubricity and releasability are strongly related to the surface roughness of the coating. Even if it is excellent in lubricity, releasability and low friction, it cannot be evaluated unless it can be expressed by specific constants. Here, the surface roughness Rmax is used to evaluate the amorphous carbon film. Rmax of the conventional amorphous carbon film was larger than 0.5 μm.

【0014】Rmaxが大きい程、摩擦係数が大きくな
り潤滑性が悪く離形性が劣る。従来作られた数多くの膜
の表面粗さが全て計測された訳ではないがいずれも0.
5μm以上の粗さであった。このように表面粗さが大き
いとより潤滑性、離形性、摩擦係数などの点でさらに厳
しくなる新たな要求を満足することができない。
The larger the Rmax, the larger the coefficient of friction, the poorer the lubricity and the lower the releasability. Although not all surface roughness of many conventional films have been measured, all of them have a surface roughness of 0.1.
The roughness was 5 μm or more. When the surface roughness is large as described above, it is not possible to satisfy new requirements that are more severe in terms of lubricity, releasability, friction coefficient, and the like.

【0015】さらに摺動特性や離形性を改善するために
は表面粗さがRmax0.5μm以下でなければならな
い。ここで表面粗さによって薄膜の性質を特定するが、
これは摩擦係数、潤滑性、離形性、摺動特性などを統一
的数量的に表現するパラメータのひとつである。
In order to further improve the sliding characteristics and releasability, the surface roughness must be Rmax 0.5 μm or less. Here, the properties of the thin film are specified by the surface roughness,
This is one of the parameters for expressing the coefficient of friction, lubricity, releasability, sliding characteristics, and the like in a uniform and quantitative manner.

【0016】アモルファス炭素膜(DLC膜)の表面粗
さを改善するということは十分にはなされていない。表
面粗さがアモルファス炭素膜の性質に強い拘りがあると
いうことが知られていないのが一つの原因であろう。さ
らには表面粗さを減少させるにはどうすれば良いのか?
がはっきりしないということもある。摺動特性、離形性
を改善したアモルファス炭素膜を提供する事が本発明の
ひとつの目的である。さらに表面粗さの小さい非晶質炭
素膜を製造する方法を提供する事が本発明の第2の目的
である。表面粗さの小さい炭素膜の構造を明らかにしそ
のような構造を実現するための方途を明らかにするのが
本発明の第3の目的である。
It has not been sufficiently improved to improve the surface roughness of an amorphous carbon film (DLC film). One of the reasons is that it is not known that the surface roughness strongly affects the properties of the amorphous carbon film. And how can you reduce surface roughness?
Sometimes it is not clear. It is an object of the present invention to provide an amorphous carbon film having improved sliding characteristics and releasability. It is a second object of the present invention to provide a method for producing an amorphous carbon film having a small surface roughness. It is a third object of the present invention to clarify the structure of a carbon film having a small surface roughness and to clarify a method for realizing such a structure.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明者は、摺動性、離
形性に優れた炭素膜を求めて鋭意検討を行った。その結
果、下記のものが摺動性に特に優れ、溶着の起きにくい
卓越した離形性をもたらす事が分かった。
Means for Solving the Problems The present inventor has conducted intensive studies in search of a carbon film having excellent slidability and releasability. As a result, it was found that the following were particularly excellent in slidability and provided excellent releasability in which welding was less likely to occur.

【0018】本発明の硬質炭素膜はつぎのように定義で
きる。第1に炭素、水素を主成分とし研磨しないでも表
面粗さがRmax0.5μm以下であるものである。第
2に本発明の硬質炭素膜はX線回折結晶学的には非晶質
構造をもち原子レベルではダイヤモンド構造のクラスタ
ーと、グラファイト構造のクラスターとの混合体であ
る。第3にはダイヤモンド構造のクラスターの平均炭素
原子数ndが100個〜2000個の範囲にある。第4
にグラファイト構造のクラスターの平均炭素原子数ng
が100〜2000個の範囲にある。第5に一定体積中
のグラファイト構造のクラスターの数をMgとし、一定
体積中のダイヤモンド構造のクラスターの数をMdとし
て、グラファイト・ダイヤモンド比αをα=Mgng/
Mdndによって定義するとき、0.3<α<3.0で
ある。
The hard carbon film of the present invention can be defined as follows. First, it is mainly composed of carbon and hydrogen and has a surface roughness of Rmax 0.5 μm or less without polishing. Second, the hard carbon film of the present invention has an amorphous structure by X-ray diffraction crystallography, and is a mixture of a cluster having a diamond structure and a cluster having a graphite structure at an atomic level. Third, the average number of carbon atoms nd of the diamond-structure cluster is in the range of 100 to 2000. 4th
The average number of carbon atoms in the graphite cluster is ng
Is in the range of 100 to 2000. Fifth, assuming that the number of clusters having a graphite structure in a given volume is Mg, and the number of clusters having a diamond structure in a given volume is Md, the graphite / diamond ratio α is α = Mngng /
When defined by Mdnd, 0.3 <α <3.0.

【0019】気相成長させた膜そのものがRmax50
0nm以下の表面粗さを持つ。研磨したものであればそ
のような粗さを持つ場合もありうる。しかし本発明の言
うのは非研磨であってもRmax500nm以下の粗さ
のものである。研磨すればもっと粗さは減る。それは勿
論である。ここでは粗さを物質の定義に使っている。
The film itself grown by vapor phase has an Rmax 50
It has a surface roughness of 0 nm or less. If it is polished, it may have such roughness. However, the present invention refers to a material having a roughness of Rmax 500 nm or less even if it is not polished. Polishing reduces roughness even more. That is, of course. Here, roughness is used to define the material.

【0020】図5は本発明の非晶質膜の構造を定義する
パラメータ説明する。炭素と水素よりなりSP3 軌道に
ある炭素結合(ダイヤモンド構造)よりなるものとSP
2 軌道にある炭素結合(グラファイト構造)よりなるも
のの混合である事を示す。
FIG. 5 explains parameters defining the structure of the amorphous film of the present invention. Made from carbon bond (diamond structure) in the SP 3 orbit consists of carbon and hydrogen and SP
It indicates that it is a mixture of two orbital carbon bonds (graphite structure).

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】材料の表面粗さは、機械部品や工
具逃げ面などの摺動時の摩擦係数、摩耗量、摩耗に伴う
ダストの発生量などに強く拘る。表面粗さが大きいと摩
耗が甚だしくダストの量も多くなる。表面がより平滑で
ある程摺動材料として優れている。平滑であれば摩擦が
小さく摩耗も少ない。また表面粗さは、離型性が最も重
要な金型において離型性に影響する。表面粗さが大きい
と凹凸の有る部分に溶着が発生し、以後ここを起点とし
て溶着が広がる。表面粗さが小さいということが離型性
を高揚するためには重要である。このように、機械部
品、工具、金型において材料の表面粗さの小さい事、平
滑な事が望まれる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The surface roughness of a material strongly depends on the friction coefficient, the amount of abrasion, the amount of dust generated due to abrasion, and the like when sliding a mechanical part or a flank of a tool. If the surface roughness is large, abrasion is severe and the amount of dust increases. The smoother the surface, the better the sliding material. If it is smooth, friction is small and wear is small. In addition, the surface roughness affects the releasability of a mold whose releasability is most important. If the surface roughness is large, welding occurs in a portion having irregularities, and thereafter, the welding spreads from here. It is important that the surface roughness is small to enhance the releasability. Thus, it is desired that the surface roughness of the material is small and smooth in the machine parts, tools and dies.

【0022】一般の耐摩耗部品でも、凹凸があると、凸
部が脱落し摩耗が進行する。その他電気・電子部品にお
いても、凹凸が著しいと絶縁不良などの動作不良の原因
となる。光学部品、光学製品においても表面に凹凸が著
しいと光の散乱の原因になる。機械部品、工具、金型、
耐摩部品、電気部品、光学部品などにおいて表面粗さが
大きいと様々の困難を引き起こす。
Even with general wear-resistant parts, if there are irregularities, the convex parts fall off and wear proceeds. Also in other electric and electronic parts, if the unevenness is remarkable, it causes operation failure such as insulation failure. In optical parts and optical products, if the surface is extremely uneven, light scattering may occur. Machine parts, tools, molds,
If the surface roughness is large in abrasion-resistant parts, electric parts, optical parts, etc., various difficulties are caused.

【0023】本発明が提案する硬質炭素膜は表面粗さが
Rmax0.5μm以下であり極めて平滑である。表面
粗さが小さいから、高硬度、耐摩耗性、低摺動抵抗、低
摩擦など、アモルファス炭素膜の本来の特性を十分に発
揮できるようになる。
The hard carbon film proposed by the present invention has a surface roughness of Rmax 0.5 μm or less and is extremely smooth. Since the surface roughness is small, the original characteristics of the amorphous carbon film, such as high hardness, wear resistance, low sliding resistance, and low friction, can be sufficiently exhibited.

【0024】本発明のアモルファス炭素膜の低表面粗さ
による利点は、結晶質の素材例えばダイヤモンドと比較
すると理解し易い。気相合成によってダイヤモンドを作
製できる。しかしこれは多結晶で有るから結晶の自形
(結晶ごとの本来の形状)表面にも現れる。ために表面
には多くの凹凸、波形状が現れる。ダイヤモンド膜は極
めて大きい表面粗さをもつ。とてもそのままでは使用に
耐えない。かならず研磨をしなければならない。ダイヤ
モンドは最強の硬さをもつから、研磨は容易でない。時
間をかけてダイヤモンド砥石によって”共削り”をしな
ければならない。
The advantage of the amorphous carbon film of the present invention due to the low surface roughness is easier to understand as compared with a crystalline material such as diamond. Diamond can be made by gas phase synthesis. However, since this is polycrystalline, it also appears on the crystal's self-shaped (original shape of each crystal) surface. Therefore, many irregularities and wave shapes appear on the surface. Diamond films have very high surface roughness. It cannot be used as it is. It must be polished. Polishing is not easy because diamond has the strongest hardness. You must "co-cut" with a diamond whetstone over time.

【0025】ところが本発明の硬質炭素膜はX線回折結
晶学的には非晶質であり”結晶の自形”というものがな
い。だから凹凸が少ない。おのずから平坦になる。研磨
しないが表面粗さは小さい。それだけではない。
However, the hard carbon film of the present invention is amorphous by X-ray diffraction crystallography and does not have a "crystal self-form". Therefore there are few irregularities. It becomes flat naturally. No polishing but low surface roughness. That is not all.

【0026】本発明の硬質炭素膜は、ダイヤモンド構造
のクラスターを含む。そのためにダイヤモンドの特性を
も合わせ持つのである。クラスターの平均のサイズは1
00原子〜2000原子で小さいものである。その他に
グラファイト構造のクラスターをも含む。本発明の硬質
炭素膜はダイヤモンドクラスターとグラファイトクラス
ターの集合である。グラファイトクラスターもそのサイ
ズは100原子〜2000原子よりなる小さなクラスタ
ーである。これら同じ程度の小さいダイヤモンドクラス
ター、グラファイトクラスターからなる複合体である。
サイズが小さいので表面に大きい凹凸が現れない。
The hard carbon film of the present invention contains a diamond-structured cluster. For that reason, it also has the characteristics of diamond. The average cluster size is 1
It is as small as 00 to 2000 atoms. In addition, it includes clusters of graphite structure. The hard carbon film of the present invention is an aggregate of diamond clusters and graphite clusters. Graphite clusters are also small clusters of 100 to 2000 atoms in size. It is a composite composed of these same small diamond clusters and graphite clusters.
Since the size is small, no large irregularities appear on the surface.

【0027】さらに、クラスターを構成する炭素原子の
数が近似しており、クラスター自体の数も近いので、相
互に異常成長がおこるのを阻止することができる。異常
成長がおこらないので表面に凹凸ができない。表面の平
坦平滑性は、ダイヤモンドクラスター、グラファイトク
ラスターが比較的小さいこと、その比が(0.3〜3)
で拮抗していることなどから由来する。従来の炭素膜
は、ダイヤモンドが主流であって、しかもクラスターが
大きい(クラスターを構成する炭素原子数が多い)の
で、Rmax500nm以下にはできなかった。
Furthermore, since the number of carbon atoms constituting the cluster is similar and the number of clusters themselves is also close, mutual abnormal growth can be prevented. No irregularities can be formed on the surface because abnormal growth does not occur. The flatness of the surface is such that the diamond cluster and the graphite cluster are relatively small, and the ratio is (0.3 to 3).
Derived from antagonism. Since the conventional carbon film is mainly composed of diamond and has a large cluster (the number of carbon atoms constituting the cluster is large), the Rmax cannot be reduced to 500 nm or less.

【0028】[0028]

【実施例】JIS規格K10の組成を持つ超硬合金を基
材として準備した。20mm×20mm×2mmの平板
状である。基材表面を鏡面研磨しRmax0.1μm、
Ra0.03μmの平坦な表面にした。この超硬合金基
材の上に、容量結合式の平行平板電極を用いた高周波プ
ラズマCVD法によって、硬質炭素膜を成長させた。高
周波プラズマCVD法というのは、真空にひくことので
きるチャンバに上下ふたつの平板電極を平行に対向させ
両方の電極間に高周波電力を印加することによって原料
ガスを励起しプラズマとし気相反応を起こさせるもので
ある。
EXAMPLE A cemented carbide having a composition of JIS K10 was prepared as a substrate. It is a flat plate of 20 mm × 20 mm × 2 mm. The base material surface is mirror-polished and Rmax 0.1 μm,
The surface was made flat with Ra of 0.03 μm. A hard carbon film was grown on the cemented carbide substrate by a high-frequency plasma CVD method using a capacitively coupled parallel plate electrode. The high-frequency plasma CVD method is a method in which a raw material gas is excited by applying high-frequency power between two upper and lower plate electrodes in parallel to a chamber capable of being evacuated, and a gas-phase reaction occurs. It is to let.

【0029】ここでは上側の電極は接地し、下側の電極
の上に基材を戴置する。電極間には13.5MHzの高
周波を印加する。チャンバには炭化水素ガスと水素ガス
の混合ガス、または炭化水素ガスのみを導入する。高周
波プラズマCVD装置において、異なる条件で表面粗さ
の異なるいくつかの硬質炭素膜を合成した。条件という
のは炭化水素の流量、水素ガス流量、圧力、基材温度、
高周波電力などである。
Here, the upper electrode is grounded, and the substrate is placed on the lower electrode. A high frequency of 13.5 MHz is applied between the electrodes. A mixed gas of hydrocarbon gas and hydrogen gas or only hydrocarbon gas is introduced into the chamber. In a high-frequency plasma CVD apparatus, several hard carbon films having different surface roughness were synthesized under different conditions. Conditions are hydrocarbon flow rate, hydrogen gas flow rate, pressure, substrate temperature,
RF power.

【0030】さらに方法を変え、イオンビ−ム蒸着法に
よっても同じ素材寸法の基材の上に硬質炭素膜を合成し
た。接地された電極に基材を戴置しこれに向かって炭化
水素のイオンビ−ムを照射し基材の上に炭素膜を成長さ
せる。イオンビ−ムの電流、加速電圧、真空度、基材温
度などが条件を決めるパラメータとなる。これらの硬質
炭素膜について、表面粗さ、相手材をSUJ2ピンとす
るピンオンディスク法による摩擦係数、相手材摩耗量、
相手材をハンダのピンとするピンオンディスク法による
ハンダ溶着量の比較をおこなった。
The method was further changed, and a hard carbon film was synthesized on a base material having the same material dimensions by an ion beam evaporation method. A substrate is placed on a grounded electrode and irradiated with hydrocarbon ion beams to grow a carbon film on the substrate. Ion beam current, acceleration voltage, degree of vacuum, substrate temperature, etc. are parameters that determine conditions. For these hard carbon films, the surface roughness, the friction coefficient by the pin-on-disk method using the SUJ2 pin as the mating material, the mating material wear amount,
The amount of solder welded by the pin-on-disk method using the counterpart material as a solder pin was compared.

【0031】[0031]

【表1】 [Table 1]

【0032】まず熱分析によって、本発明の実施例と比
較例の熱的な安定性を検討した。その結果本発明及び比
較例に於ける膜は540℃或いは610℃まで、発生ガ
スが殆ど検出されず熱的に安定であった。このことか
ら、本発明の実施例、及び比較例における非晶質薄膜に
は熱的に不安定な長鎖炭化水素の結合は存在しない事が
分かる。また膜内に吸着された水素分子は全く存在しな
いか無視し得る程度にしか存在しないという事がわか
る。
First, the thermal stability of Examples and Comparative Examples of the present invention was examined by thermal analysis. As a result, the films of the present invention and the comparative examples were thermally stable up to 540 ° C. or 610 ° C. with almost no generated gas detected. This indicates that the amorphous thin films in the examples and comparative examples of the present invention have no thermally unstable long-chain hydrocarbon bonds. Also, it can be seen that the hydrogen molecules adsorbed in the film do not exist at all or exist only to a negligible extent.

【0033】さらにこれらの膜は大気中で安定であるこ
とを確かめた。大気中で安定なので、ラジカルなどの活
性な末端も殆ど存在していないと推定される。
Further, it was confirmed that these films were stable in the atmosphere. Since it is stable in the atmosphere, it is presumed that there is almost no active terminal such as a radical.

【0034】長鎖炭化水素、水素分子、ラジカルがない
ということから、本発明及び比較例の非晶質膜は、炭素
および水素からなるグラファイト構造とダイヤモンド構
造のクラスターが混合したものである事が分かる。従っ
て原子レベルでの構造を決定するには、 1.グラファイト構造の平均クラスターサイズng 2.ダイヤモンド構造の平均クラスターサイズnd 3.クラスターの存在比Mg/Md を求める必要がある。
Since there are no long-chain hydrocarbons, hydrogen molecules and radicals, the amorphous films of the present invention and the comparative example may be a mixture of a graphite structure composed of carbon and hydrogen and a diamond structure cluster. I understand. Therefore, to determine the structure at the atomic level: 1. ng average cluster size of graphite structure 2. Average cluster size nd of diamond structure It is necessary to determine the cluster abundance Mg / Md.

【0035】ダイヤモンド構造のクラスターの大きさを
どのようにして決めれば良いのか?これが一つの問題で
ある。一つのクラスターの内部には炭素原子がダイヤモ
ンド結合している。クラスターの境界には何があるのか
?隣接するクラスターとは化学結合がないと仮定する
と、ここで炭素のボンドを終端させる炭素原子以外のも
のが必要である。これは水素原子以外には考えられな
い。実際はクラスタ−の界面において炭素原子同士の結
合もあると考えられがその割合は小さい。クラスターの
最外殻の炭素の大部分は水素によって終端されていると
考えられる。
How should the size of a diamond-structured cluster be determined? This is one problem. Carbon atoms are diamond-bonded inside one cluster. What are at the boundaries of the cluster? Assuming that there is no chemical bond with the adjacent cluster, something other than a carbon atom that terminates a carbon bond is needed here. This cannot be considered other than a hydrogen atom. Actually, it is considered that there is also a bond between carbon atoms at the interface of the cluster, but the ratio is small. Most of the outermost carbon in the cluster is thought to be terminated by hydrogen.

【0036】しかしそれが分かったとしてもなおクラス
ターの大きさを決めることは容易でない。水素原子によ
って囲まれる一つのクラスターの炭素原子数を直接に数
えることが難しいからである。そこで水素と炭素の比に
よってクラスターの寸法を推定できないかと考える。ク
ラスターの最外部が1層の水素によって囲まれていると
すれば一つのクラスターにおいてサイズが大きければ水
素の比率が減り、サイズが小さければ水素の比率が増え
るはずである。
However, even if this is known, it is not easy to determine the size of the cluster. This is because it is difficult to directly count the number of carbon atoms in one cluster surrounded by hydrogen atoms. Therefore, we consider whether the size of the cluster can be estimated based on the ratio of hydrogen to carbon. Assuming that the outermost part of the cluster is surrounded by one layer of hydrogen, the proportion of hydrogen in one cluster should decrease if the size is large, and the proportion of hydrogen should increase if the size is small.

【0037】ダイヤモンド構造型の電子配位をもつ最も
小さいクラスターはメタンであるが、これはH=4、C
=1で、H/C=4である。これに対して無限に大きい
クラスターではH/C=0となる。従って有限の大きさ
のダイヤモンドクラスターでは、H/Cが、0<H/C
<4の値を取るはずである。そして最外部が水素によっ
て被われていると仮定しても、クラスターサイズndと
H/Cの関係は一様でない。ダイヤモンド構造は三次元
構造をもち炭素数と水素数が単純な比にならない。
The smallest cluster having a diamond-structured electron configuration is methane, which is H = 4, C
= 1 and H / C = 4. On the other hand, for an infinitely large cluster, H / C = 0. Therefore, for a diamond cluster of finite size, H / C is 0 <H / C
It should take a value of <4. Even if it is assumed that the outermost part is covered with hydrogen, the relationship between the cluster size nd and H / C is not uniform. The diamond structure has a three-dimensional structure, and the carbon number and the hydrogen number do not have a simple ratio.

【0038】炭素と水素の数に関して、より分かりやす
い関係がグラファイトクラスターについても成り立つ。
つまりngはH/Cの値によって推定される。さらにC
とH/Cの関係が一義的である。ここで、グラファイト
構造のクラスターに属する水素、炭素のDLCに対する
割合をHg、Cg、ダイヤモンド構造クラスターに属す
る水素、炭素のDLCに対する割合をHd、Cdとす
る。先述の理由からngはHg/Cgから決まる。
A more straightforward relationship for the numbers of carbon and hydrogen also holds for graphite clusters.
That is, ng is estimated by the value of H / C. Further C
And the relationship between H / C is unique. Here, the ratio of hydrogen and carbon belonging to the graphite structure cluster to DLC is Hg and Cg, and the ratio of hydrogen and carbon belonging to the diamond structure cluster to DLC is Hd and Cd. Ng is determined from Hg / Cg for the reason described above.

【0039】図2はグラファイト構造の炭素を示す。小
さいクラスター炭素原子が24個並んでいる構造C24
は、12個の水素原子をもっている。C42、C54、
C72、C84のクラスターを示している。いずれも二
重結合と一重結合三つの結合をもつ炭素原子が内側にあ
り、最外部の炭素は水素によって余分な一つの結合の手
を終端している。C84の場合は水素の数は24個であ
る。このようにグラファイトクラスターの場合2次元的
な構造をもち炭素数が決まると水素原子数も決まる。
FIG. 2 shows carbon having a graphite structure. Structure C24 in which 24 small cluster carbon atoms are arranged
Has 12 hydrogen atoms. C42, C54,
The C72 and C84 clusters are shown. In each case, a carbon atom having three bonds, a double bond and a single bond, is inside, and the outermost carbon terminates one extra bond by hydrogen. In the case of C84, the number of hydrogen is 24. As described above, the graphite cluster has a two-dimensional structure, and the number of hydrogen atoms is determined when the number of carbon atoms is determined.

【0040】とはいうものの、炭素数は任意の整数全て
を取るという訳ではない。可能な炭素数は決まってい
る。対称性の良いのはここに示すような6の倍数のクラ
スターである。しかし必ずしも6の倍数でないクラスタ
ーも可能である。C54の場合つぎに大きいクラスター
はC57である。C42に場合は次に大きいのはC44
である。ただし、同じ炭素数でも対称性のちがう2以上
のクラスターも可能である。しかしその場合水素数が違
う。違うがその違いは1個である。
Nevertheless, the number of carbon atoms does not always take any whole number. The possible carbon numbers are fixed. Good symmetry is a cluster of a multiple of 6 as shown here. However, clusters that are not necessarily a multiple of 6 are possible. In the case of C54, the next largest cluster is C57. In the case of C42, the next largest is C44
It is. However, two or more clusters having different symmetry are possible even with the same carbon number. But in that case the hydrogen numbers are different. Different, but the difference is one.

【0041】このようなわけで、グラファイトの場合、
適当な炭素数Cに対して水素数Hがきまり、それらに対
して水素/炭素比(H/C)がわかる。グラファイトク
ラスターの炭素数は後で述べるがラマン散乱のスペクト
ルから求めることができる。ダイヤモンドクラスターは
そのように簡単でない。三次元の大きさをもち、CとH
/Cの関係が複雑である。さらにラマン散乱のピークが
一つしかないから、ラマン散乱のピーク強度からCを求
めるというようにはゆかない。それでダイヤモンドクラ
スターについてはそのような計算をしない。
Thus, in the case of graphite,
The hydrogen number H is determined with respect to the appropriate carbon number C, and the hydrogen / carbon ratio (H / C) is found for them. As will be described later, the carbon number of the graphite cluster can be determined from the spectrum of Raman scattering. Diamond clusters are not that simple. 3D size, C and H
The relationship of / C is complicated. Furthermore, since there is only one Raman scattering peak, C is not determined from the Raman scattering peak intensity. So we don't do that for diamond clusters.

【0042】本発明の非晶質膜はダイヤモンドクラスタ
ーとグラファイトクラスターが混在する。このような炭
素膜を定義し限定しなければならない。クラスターの存
在比Mg/Mdは
In the amorphous film of the present invention, diamond clusters and graphite clusters are mixed. Such a carbon film must be defined and limited. Cluster abundance Mg / Md

【0043】 Mg/Md=(Hg+Cg)/(Hd+Cd) の関係によって表される。Mg / Md = (Hg + Cg) / (Hd + Cd)

【0044】本発明及び比較例の膜の構造を原子レベル
で解析するには、これら4つの変数の比を決める必要が
ある。これら4つの変数の比を求めるために以下の4つ
の関係式を立てて、計算機シミューレション及び分析実
験によって導いた。
In order to analyze the structures of the films of the present invention and the comparative example at the atomic level, it is necessary to determine the ratio of these four variables. The following four relational expressions were established to determine the ratio of these four variables, and were derived by computer simulation and analytical experiments.

【0045】Hg/Cg=a……(1)ラマン散乱スペ
クトル及び計算機シミュレーションにより決定 Hg/Hd=b……(2)赤外線スペクトルの測定によ
り決定 (Hg+Hd)/(Cg+Cd)=c…(3)ガス分析
により決定 Hg+Cg+Hd+Cd=1…(4)膜全体を1として
各成分の組成比を表す。
Hg / Cg = a (1) Determined by Raman scattering spectrum and computer simulation Hg / Hd = b (2) Determined by measurement of infrared spectrum (Hg + Hd) / (Cg + Cd) = c (3) Determined by gas analysis Hg + Cg + Hd + Cd = 1 (4) The composition ratio of each component is expressed assuming that the entire film is 1.

【0046】まずaの値を知るために、ラマン散乱のス
ペクトルおよび計算機シミュレーションを行った。本発
明の非晶質薄膜のラマン散乱スペクトル分析の結果を図
1に示す。1500cm-1と1300cm-1にピークが
現れる。1500cm-1に現れるピークはGバンドと呼
ばれる。1300cm-1に現れるピークはDバンドと呼
ばれる。Gバンドは、エッジモードと呼ばれるグラファ
イトの端部の振動に帰属される。DバンドはE2gの振動
モードを持つグラファイトの骨格振動に帰属される。
First, in order to know the value of a, a Raman scattering spectrum and computer simulation were performed. FIG. 1 shows the results of Raman scattering spectrum analysis of the amorphous thin film of the present invention. Peak in 1500cm -1 and 1300cm -1 appear. The peak appearing at 1500 cm -1 is called the G band. The peak appearing at 1300 cm -1 is called the D band. The G band is attributed to vibrations at the edges of the graphite, called edge modes. The D band is assigned to the skeletal vibration of graphite having a vibration mode of E 2g .

【0047】このふたつのピーク(Gバンド、Dバン
ド)のピーク強度比は、グラファイトクラスターの大き
さと関係が有る。そこで、分子軌道法によってラマンス
ペクトルをシミュレーションすることによりグラファイ
トの平均的な大きさが分かるはずである。
The peak intensity ratio between the two peaks (G band and D band) is related to the size of the graphite cluster. Therefore, by simulating the Raman spectrum by the molecular orbital method, the average size of graphite should be known.

【0048】まず、図2に示す大きさの異なるグラファ
イトクラスターのモデル(C24、C42、C54、C
72、C84)に付いて分子軌道法により振動計算を行
う。分子軌道法計算プログラムMOPAC93を用い、
PM3のパラメータを使用した。
First, graphite cluster models (C24, C42, C54, C54) of different sizes shown in FIG.
72, C84), the vibration calculation is performed by the molecular orbital method. Using the molecular orbital method calculation program MOPAC93,
PM3 parameters were used.

【0049】計算の手順としては、まずグラファイト構
造の大まかな構造を入力し、キーワードEFで構造を最
適化した後、FORCEキーワードで振動解析計算を行
った。得られた振動モードの内、E2gのモードを選び、
各ピークを半値幅(FWHM)150cm-1のガウス関
数に近似して積分した。これによってグラファイト構造
のモデルのラマン分光の強度を得る。
As a calculation procedure, first, a rough structure of a graphite structure was input, the structure was optimized by a keyword EF, and a vibration analysis calculation was performed by a FORCE keyword. Select the mode of E 2g from the obtained vibration modes,
Each peak was integrated by approximating a Gaussian function with a full width at half maximum (FWHM) of 150 cm -1 . Thereby, the intensity of Raman spectroscopy of the model of the graphite structure is obtained.

【0050】1500cm-1と1300cm-1に得られ
たふたつのピークの強度比と各モデルの炭素数をプロッ
トしたものを、図3に示す。横軸は炭素数。縦軸はピー
ク強度比である。5つの点しかないがこれらの点をつな
いで炭素数・ピーク強度比を線形近似する。本発明の非
晶質膜を実測したところ、ラマン散乱の1500cm-1
と1300cm-1のふたつのピーク強度比は約1.7で
あった。図3からこれを与える炭素数は150である。
つまり本発明の実施例の非晶質膜のグラファイト構造の
平均的な炭素数は150個である。150個の炭素数に
対応するグラファイト型クラスターの水素数は30であ
る。だから(1)式のa=0.2である。
The 1500 cm -1 and two which obtained 1300 cm -1 of the intensity ratio and the model of the peaks a plot of the number of carbon atoms is shown in FIG. The horizontal axis is carbon number. The vertical axis is the peak intensity ratio. Although there are only five points, these points are connected to linearly approximate the carbon number / peak intensity ratio. When the amorphous film of the present invention was actually measured, it was found that the Raman scattering was 1500 cm -1.
And the peak intensity ratio between the two peak intensities at 1300 cm -1 was about 1.7. From FIG. 3, the carbon number which gives this is 150.
That is, the average carbon number of the graphite structure of the amorphous film of the embodiment of the present invention is 150. The number of hydrogen atoms in the graphite cluster corresponding to 150 carbon atoms is 30. Therefore, a = 0.2 in equation (1).

【0051】また、グラファイト型炭素に結合する水素
Hgと、ダイヤモンド型炭素に結合する水素Hdの量比
Hg/Hdは赤外線吸収スペクトルの積分強度比より得
られる。試料に赤外線を照射すると様々の波長において
赤外線が吸収されるが、水素による吸収線の波長が、グ
ラファイト炭素につく水素と、ダイヤモンド炭素につく
水素によって異なる。それぞれの吸収線の積分値を吸収
の強さとしこれの比と水素の比Hg/Hdが同一である
とする。吸収強度の比は0.25であった。すまり、H
g/Hd=b=0.25である。
The ratio Hg / Hd of hydrogen Hg bonded to graphite type carbon and hydrogen Hd bonded to diamond type carbon is obtained from the integrated intensity ratio of the infrared absorption spectrum. When a sample is irradiated with infrared light, infrared light is absorbed at various wavelengths, but the wavelength of the absorption line due to hydrogen differs depending on hydrogen attached to graphite carbon and hydrogen attached to diamond carbon. It is assumed that the integral value of each absorption line is the intensity of absorption, and that the ratio between these and the hydrogen ratio Hg / Hd is the same. The ratio of the absorption intensities was 0.25. Close, H
g / Hd = b = 0.25.

【0052】さらにガス分析より、非晶質薄膜に於ける
炭素量及び水素の量を求め(3)式のc=0.45を得
た。 (1)〜(4)の連立方程式を解いて、DLCを構成し
ている各原子の比 Hg=0.0621 Cg=0.3103 Hd=0.2483 Cd=0.3793 を得た。
Further, the amount of carbon and the amount of hydrogen in the amorphous thin film were determined by gas analysis, and c = 0.45 in the equation (3) was obtained. By solving the simultaneous equations (1) to (4), the ratio Hg = 0.0621 Cg = 0.3103 Hd = 0.2483 Cd = 0.793 of each atom constituting the DLC was obtained.

【0053】ダイヤモンドクラスターのHd/Cd=
0.6546という値から、ダイヤモンド型クラスター
の平均炭素数は約180となる。水素数の平均は118
である(nd=298)。グラファイトクラスターの方
は炭素数平均値が150であり、水素の平均値は30個
である(ng=180)。以上の結果から、この非晶質
薄膜は炭素数が約180前後のダイヤモンド構造を持つ
クラスターと、炭素数が約150前後のグラファイト構
造を持つクラスターが約1:1の粒子数比で構成されて
いるものと推定される。
Hd / Cd of diamond cluster =
From the value of 0.6546, the average carbon number of the diamond cluster is about 180. The average number of hydrogen is 118
(Nd = 298). The graphite cluster has an average carbon number of 150 and an average of 30 hydrogen atoms (ng = 180). From the above results, this amorphous thin film is composed of a cluster having a diamond structure having about 180 carbon atoms and a cluster having a graphite structure having about 150 carbon atoms in a particle number ratio of about 1: 1. It is estimated that there is.

【0054】比較例として、イオンビ−ム蒸着法により
作成した、非晶質薄膜の構造を示す。本発明の非晶質薄
膜は比較例に対してクラスターの大きさが小さく、ダイ
ヤモンド型クラスターとグラファイト型クラスターの数
比が1:1と比較例に比べグラファイト構造がより多く
なっている。
As a comparative example, the structure of an amorphous thin film formed by an ion beam evaporation method is shown. The amorphous thin film of the present invention has a smaller cluster size than the comparative example, and the number ratio between the diamond type cluster and the graphite type cluster is 1: 1 and the graphite structure is larger than that of the comparative example.

【0055】この実施例は、グラファイトクラスターの
炭素数が150であるが、一般に本発明の非晶質膜にお
いて、グラファイト構造クラスターの炭素数は100個
〜2000個程度である。ダイヤモンド構造の炭素数は
100個〜2000個である。これはクラスターの炭素
数としては小さいものである。
In this embodiment, the carbon number of the graphite cluster is 150. In general, in the amorphous film of the present invention, the carbon number of the graphite structure cluster is about 100 to 2,000. The diamond structure has 100 to 2,000 carbon atoms. This is a small number of carbon atoms in the cluster.

【0056】クラスターの内部の炭素数は、高周波プラ
ズマCVD法によって非晶質膜を作成するときにセルフ
バイアスの値を変える事によって調整される。図6はこ
れを説明するためのグラフである。横軸はセルフバイア
ス(V)である。縦軸はグラファイトラマン散乱測定に
おいて、SP3 ピーク(Gバンド)とSP2 ピーク(D
バンド)の比SP3 /SP2 をしめす。試料を置いた電
極は高周波を掛け、対向電極は接地するから、試料電極
は負に自己バイアスされる。自己バイアスを−160V
とすると、SP3 /SP2 は1.7程度になる。これが
図3の実施例に対応し、炭素数が150を与えた。しか
し自己バイアスを増やすと、比の値が1.7より増え、
−300Vで比が2を越える。−380Vで比SP3
SP2 が2.2以上になる。これでクラスター炭素数は
200個以上になる。
The number of carbon atoms inside the cluster is adjusted by changing the value of the self-bias when forming an amorphous film by a high-frequency plasma CVD method. FIG. 6 is a graph for explaining this. The horizontal axis is the self-bias (V). The vertical axis indicates the SP 3 peak (G band) and the SP 2 peak (D
Band) SP 3 / SP 2 . Since the electrode on which the sample is placed receives high frequency and the counter electrode is grounded, the sample electrode is negatively self-biased. -160V self bias
Then, SP 3 / SP 2 becomes about 1.7. This corresponds to the example of FIG. 3 and gave 150 carbon atoms. However, increasing the self-bias increases the ratio value beyond 1.7,
The ratio exceeds 2 at -300V. Ratio at -380V SP 3 /
SP 2 becomes 2.2 or more. With this, the number of cluster carbons becomes 200 or more.

【0057】[0057]

【発明の効果】本発明の非晶質薄膜は、グラファイト構
造のクラスターと、ダイヤモンド構造のクラスターが、
大体同じ程度に含まれ、クラスターの構成炭素数は10
0〜2000個の程度である。グラファイトクラスター
とダイヤモンドクラスターが混在している。非晶質薄膜
であるからどのような凹凸のある基材の上にも形成する
ことができる。ダイヤモンドとグラファイトの混合物で
あるから両方の長所を合わせ持っている。クラスターが
比較的小さいので表面の凹凸が小さく非研磨でRmax
500nm以下の平滑さを実現できる。クラスターの量
的な比が1に近い(0.3〜3)ので異常成長が起こら
ず、表面は平滑で基材との密着性が優れ、剥離しない。
The amorphous thin film of the present invention has a graphite structure cluster and a diamond structure cluster.
Approximately the same level, and the number of carbon
It is on the order of 0 to 2000 pieces. Graphite clusters and diamond clusters are mixed. Since it is an amorphous thin film, it can be formed on any uneven substrate. Since it is a mixture of diamond and graphite, it has both advantages. Since the cluster is relatively small, the unevenness of the surface is small and it is not polished.
Smoothness of 500 nm or less can be realized. Since the quantitative ratio of the clusters is close to 1 (0.3 to 3), abnormal growth does not occur, the surface is smooth, the adhesion to the substrate is excellent, and the cluster does not peel.

【0058】本発明の非晶質薄膜は、硬度が高く、摺動
特性に特に優れ、耐摩耗性も良い。ダイヤモンドは硬度
が高く耐摩耗性も良い。本発明の非晶質薄膜はダイヤモ
ンドをかなりの割合で含むので、高硬度、高耐摩耗性と
いう優れた特性を備える。摺動特性、基材への密着性は
グラファイトが混在することによって向上したものであ
る。
The amorphous thin film of the present invention has high hardness, particularly excellent sliding properties, and good wear resistance. Diamond has high hardness and good wear resistance. Since the amorphous thin film of the present invention contains a considerable amount of diamond, it has excellent properties of high hardness and high wear resistance. The sliding characteristics and the adhesion to the substrate are improved by the mixture of graphite.

【0059】温水バルブの弁棒、弁座、シール材、その
ほか耐摩耗性を要求される素材の表面を被覆する材料に
最適である。これらの部材に耐摩耗性を賦与し、卓越し
た摺動特性を与えることができる。また硬度が高いので
傷つきにくいから長寿命である。
It is most suitable for a valve rod, a valve seat, a sealing material of a hot water valve, and a material covering the surface of a material requiring abrasion resistance. By imparting wear resistance to these members, excellent sliding characteristics can be imparted. Also, since the hardness is high, it is hard to be damaged, so that the life is long.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】グラファイトクラスターの炭素をラマン散乱測
定した時に現れる1500cm-1にピークをもつGバン
ドと、1300cm-1にピークをもつDバンドが現れる
ことを示すラマン散乱分布図。
[1] and G band with a peak at 1500 cm -1 which appears when the carbon of the graphite cluster was Raman scattering measurement, Raman scattering distribution diagram showing that D band appears having a peak at 1300 cm -1.

【図2】C24、C42、C54、C72、C84のグ
ラファイトクラスターの構造図。ラマン散乱のDバン
ド、Gバンドの強度比と炭素数が一義的な関係を持ち、
Dバンド、Gバンド強度比により炭素数つまりグラファ
イトクラスターの大きさが分かるということを説明する
ための図。
FIG. 2 is a structural diagram of graphite clusters C24, C42, C54, C72, and C84. The intensity ratio of D band and G band of Raman scattering and carbon number have a unique relationship,
The figure for demonstrating that the carbon number, ie, the magnitude | size of a graphite cluster, can be known by D band and G band intensity ratio.

【図3】グラファイトクラスターにおいて、ラマン散乱
測定を行う時に、1500cm-1の近傍に出現するGバ
ンドと、1300cm-1の近傍に現れるDバンドの強度
比を定まった炭素数をもつグラファイトクラスターにつ
いて計算し、炭素数と、強度比に線形関係をもたせ、実
際に製造した非晶質膜のラマン散乱スペクトルから強度
比を求め炭素数を決めることができることを示すため
の、炭素数・強度比のグラフ。
In Figure 3 graphite cluster, when performing Raman scattering measurement, the G band appearing in the vicinity of 1500 cm -1, the graphite cluster with the number of carbon definite intensity ratio of D band appearing in the vicinity of 1300 cm -1 calculation Then, the number of carbon atoms and the intensity ratio have a linear relationship, and the graph of the number of carbon atoms and the intensity ratio to show that the intensity ratio can be determined from the Raman scattering spectrum of the actually manufactured amorphous film and the number of carbon atoms can be determined. .

【図4】本発明の非晶質膜がグラファイトクラスターと
ダイヤモンドクラスターが混在しているということ示す
説明図。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing that the amorphous film of the present invention contains a mixture of graphite clusters and diamond clusters.

【図5】本発明の非晶質膜を同定するために、グラファ
イトクラスターについてラマン散乱のピーク強度から炭
素数を求めるという本発明の測定方法を説明するための
図。
FIG. 5 is a view for explaining a measurement method of the present invention in which a carbon number is determined from a peak intensity of Raman scattering for a graphite cluster in order to identify an amorphous film of the present invention.

【図6】高周波プラズマCVD法によって本発明の非晶
質膜を作成するとき、セルフバイアスとSP3 /SP2
の比率の関係を実測したものを示すグラフ。
FIG. 6 shows the self-bias and SP 3 / SP 2 when forming the amorphous film of the present invention by the high frequency plasma CVD method.
7 is a graph showing the measured relationship of the ratios of FIG.

フロントページの続き (72)発明者 織田 一彦 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 (72)発明者 福井 治世 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Continued on the front page (72) Inventor Kazuhiko Oda 1-1-1, Koyokita, Itami-shi, Hyogo Sumitomo Electric Industries, Ltd. Itami Works (72) Inventor Haruyo Fukui 1-1-1, Koyo-Kita, Itami-shi, Hyogo No. Sumitomo Electric Industries, Ltd. Itami Works

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 炭素、水素を主成分とし、表面粗さがR
max0.5μm以下であることを特徴とする硬質炭素
膜。
1. A method comprising carbon and hydrogen as main components and having a surface roughness of R
A hard carbon film having a maximum of 0.5 μm or less.
【請求項2】 X線回折結晶学的に非晶質構造であっ
て、その構成要素がダイヤモンド構造およびグラファイ
ト構造のクラスターの混合体であることを特徴とする請
求項1に記載の硬質炭素膜。
2. The hard carbon film according to claim 1, wherein the hard carbon film has an amorphous structure in X-ray diffraction crystallography, and its constituent element is a mixture of clusters having a diamond structure and a graphite structure. .
【請求項3】 ダイヤモンド構造のクラスターの炭素原
子数が平均で100〜2000であることを特徴とする
請求項1又は2に記載の硬質炭素膜。
3. The hard carbon film according to claim 1, wherein the number of carbon atoms of the diamond structure cluster is 100 to 2,000 on average.
【請求項4】 グラファイト構造のクラスターの炭素原
子数が平均で100〜2000の大きさをもつことを特
徴とする請求項1または2或いは3に記載の硬質炭素
膜。
4. The hard carbon film according to claim 1, wherein the number of carbon atoms of the graphite structure cluster is 100 to 2,000 on average.
【請求項5】 ダイヤモンド構造のクラスターの炭素原
子数が平均で100〜2000でありグラファイト構造
のクラスターの炭素原子数が平均で100〜2000の
大きさをもち、一定体積中のグラファイトクラスターの
個数をMg,一定体積中のダイヤモンドクラスターの個
数をMd、グラファイト構造のクラスターの平均炭素数
をng、ダイヤモンド構造のクラスターの平均炭素原子
数をndとして、グラファイトとダイヤモンドの比αを
α=Mgng/Mdndによって定義したとき、αが
0.3<α<3を満足することを特徴とする請求項1ま
たは2に記載の硬質炭素膜。
5. The diamond structure cluster has an average of 100 to 2,000 carbon atoms and the graphite structure cluster has an average of 100 to 2,000 carbon atoms. Mg, the number of diamond clusters in a given volume is Md, the average carbon number of the graphite structure clusters is ng, and the average number of carbon atoms of the diamond structure clusters is nd. 3. The hard carbon film according to claim 1, wherein α satisfies 0.3 <α <3 when defined.
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