JP2002322555A

JP2002322555A - ダイヤモンドライクカーボン多層膜

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Publication number: JP2002322555A
Application number: JP2001126827A
Authority: JP
Inventors: Eiji Iwamura; 栄治岩村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2001-04-25
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2002-11-08
Anticipated expiration: 2021-04-25
Also published as: JP3995900B2

Abstract

(57)【要約】【課題】耐摩耗性に優れ、しかも摩擦係数が低く、優
れた摺動特性を有するダイヤモンドライクカーボン多層
膜を提供する。【解決手段】膜密度の低いダイヤモンドライクカーボ
ンで形成された低密度炭素層４と、膜密度の高いダイヤ
モンドライクカーボンで形成された高密度炭素層５とが
交互に積層される。前記低密度炭素層４は平均の膜密度
が２．２ｇ/cm³以下であり、一方前記高密度炭素層５は
平均の膜密度が２．３〜３．２ｇ/cm³である。前記高密
度炭素層５は膜中に含まれる水素成分が５at％以下であ
る。前記低密度炭素層４の層厚Ｔ１は０．４〜３０ｎｍ
であり、前記高密度炭素層５の層厚Ｔ２は０．４〜１０
ｎｍであり、Ｔ１／Ｔ２が５〜０．２とされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は工具，金型などの耐
摩耗性部材、自動車用部品，家電部品に代表される産業
用もしくは一般家庭用の機械部材・摺動部材、カードや
チケットの自動読み取り機やプリンターなどの書き込み
／読み取りヘッドの保護膜などに用いられ、特に耐摩耗
性と高い摺動特性とが要求される表面保護膜として好適
なダイヤモンドライクカーボン多層膜に関する。

【０００２】

【従来の技術】硬質炭素膜は、一般的にダイヤモンドラ
イクカーボン（以下、ＤＬＣと略記する場合がある。）
膜と呼ばれる。ＤＬＣは、硬質非晶質炭素、無定形炭
素、硬質無定形炭素、ｉ−カーボン、ダイヤモンド状炭
素など様々な呼称が用いられているが、これらの用語に
特に明確な区別はない。このようなさまざまな用語が使
われるＤＬＣの本質は、構造的にタイヤモンドとグラフ
ァイトが混ざり合った両者の中間の構造を有しているこ
とにあり、ダイヤモンドと同様に、硬度、耐摩耗性、固
体潤滑性、熱伝導性、化学的安定性等に優れていること
から、例えば摺動部材、金型、切削工具類、耐摩耗性機
械部品、研磨材、磁気・光学部品等の各種部材の表面保
護膜として利用されつつある。

【０００３】ＤＬＣ膜の特質として、鉄、アルミ等の金
属や、ガラス等のセラミックスなどのさまざまな相手材
料との接触において摩擦係数（以下、μと記載する場合
がある。）が小さいことが挙げられる。しかし、ＤＬＣ
膜の摩擦係数は測定環境や相手材により大きく変化する
ことが知られており、一般的に、例えば鉄系の相手材の
場合には大気中では０．１５〜０．４、真空中や乾燥窒
素雰囲気では０．１以下となる。ＤＬＣ膜の低μ化機構
については数多くの研究がなされているが、一般的には
ＤＬＣ膜より相手材に炭素原子が付着し、これがグラフ
ァイト化し、グラファイトのｃ面（π結合面）で滑り変
形し、自己潤滑材として働くことによって低μ化するも
のと考えられている。

【０００４】ＤＬＣ膜を硬質コーティング膜として実用
に供する場合、鉄系相手材に対して０．１程度の低摩擦
係数の実現、耐摩耗性を左右する薄膜硬度の確保、コー
ティングの信頼性に関わる基材との密着性の確保はそれ
ぞれ必須の条件であり、これらの条件に関して多くの提
案がなされている。特に有力な手投としては、ＤＬＣへ
の合金元素の添加と、膜の積層構造化が挙げられる。合
金元素の添加については、例えばＳｉを添加した場合、
μは０．１〜０．１５であり、硬度は３０ＧＰａ程度で
あることが報告されている。ＤＬＣの積層構造化は内部
応力の低減や密着度の改善、厚膜化による耐久性の向
上、耐腐食性の向上に寄与し、また電気抵抗を制御する
有力な手段として認識されており、例えば、以下の技術
が知られている。

【０００５】(1) 特開平５−６５６２５号公報には、基
板上に硬質炭素膜と、硬質炭素膜との親和性の高い材料
である、シリコン、ゲルマニウム、炭化ケイ素、窒化ケ
イ素、二酸化ケイ素、ガラス、アルミナから選ばれた１
種類以上のバッファ層とを交互に積層し、最外層を硬質
炭素膜とする積層体が記載されている。 (2) 特開平１０−２３７８２７号公報には、硬質炭素膜
もしくは少なくとも１種類以上の金属元素が添加された
硬質炭素膜と、少なくとも１種類以上の金属または金属
炭化物または金属窒化物または金属炭窒化物が繰り返し
交互に積層された積層体、もしくは異なる種類の金属元
素または異なる添加量の金属元素が添加された少なくと
も２種類以上の硬質炭素膜が繰り返し交互に積層された
積層体が記載されている。 (3) 特開平１０−２２６８７４号公報には、電気抵抗率
が少なくとも２桁相違する硬質炭素膜が交互に積層され
た積層体が記載されている。 (4) 特開平１１−１０１３号公報には、サーマルヘッド
の保護膜として、炭素を主成分とする炭素層と、Ｓｉ、
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏおよび
Ｗからなる群より選択される少なくとも１種以上または
少なくとも２種以上からなる半金属または金属の合金を
主成分とする金属層との積層膜が記載されている。 (5) 特開平１０−７２２８８号公報には、真空状態下
で、炭素化合物ガスを含む成膜用原料ガスを電圧印加に
よりプラズマ化し、薄膜状炭素層および微粒子状炭素層
からなる炭素層単位が１つあるいは２つ以上形成された
炭素膜により応力を低減し、密着性の改善と厚膜化によ
り耐久性を改善することが記載されている。 (6) 特開平９−２９８０９７号公報には、ＤＬＣ積層膜
において、導電性膜およびその導電性膜に比して硬度の
高い膜を交互に、少なくとも３層以上積層し、最外層を
導電性膜とする積層体が記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ＤＬＣに代表される硬
質炭素膜の高い摺動特性は、それに含まれる、もしくは
摺動中に摺動界面に形成されるグラファイト結晶のπ結
合面のすべりによる自己潤滑に起因するものと考えられ
ている。よって、グラファイト自体は変形しやすく、硬
質炭素膜自体に微粒子状のグラファイトを含むような膜
では、摩擦係数は低く摺動性は良好となるが、膜硬度自
体が低いため、摺動による摩耗が激しい。すなわち、低
摩擦係数を得ようとすると高硬度が得られない、もしく
は低摩擦係数でも低硬度であれば耐摩耗性が不十分とな
り、いずれにしてもコーティング膜としては耐久性が不
足するという問題が生じる。逆に、ＤＬＣ膜中のグラフ
ァイト成分を少なくした場合には、膜硬度は増加して耐
摩耗性を確保できるが、グラファイトの自己潤滑性によ
る低摩擦係数化は十分に達成されない。このため、従来
の単層構造のＤＬＣや、積層構造のものでも、少なくと
も実用上必要とされる０．１〜０．１５程度の低摩擦係
数が安定的に実現され、かつ高耐摩耗性を備えたＤＬＣ
膜は得られていない。

【０００７】また、硬質コーティング膜材料として従来
から使われているＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮなどの金
属窒化物の場合には、成膜時に生じるマクロパーティク
ルと呼ばれる飛沫粉や、相手材との摩擦により相手材を
攻撃して、あるいは相手材に攻撃されることで生じる摩
耗粉を潤滑材として利用することで摩擦係数を低減させ
ている。しかし、かかる硬質材料を用いる場合、摺動部
材の消耗、摩擦係数の経時的な増加、摩耗粉による目詰
まりなどのトラブルが生じる。

【０００８】本発明はかかる問題に鑑みなされたもの
で、耐摩耗性に優れ、かつ摩擦係数が低く、しかも相手
材に対する攻撃性が低い、優れた摺動特性を有するダイ
ヤモンドライクカーボン膜を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ＤＬＣの
微細構造によって摩擦係数や薄膜硬度の発現が大きく影
響を受けることに注目し、微細構造の異なるＤＬＣ超薄
膜を機能的に積層させ、微細構造と摺動特性との関係を
調べた。その結果、ＤＬＣ膜の膜密度を制御し、膜密度
が異なる２種類のＤＬＣ膜を適当な膜厚、周期にて積層
させることで優れた耐摩耗性と摺動特性が得られること
を知見し、本発明を完成するに至った。

【００１０】すなわち、本発明によるダイヤモンドライ
クカーボン多層膜は、膜密度の低いダイヤモンドライク
カーボンで形成された低密度炭素層と、膜密度の高いダ
イヤモンドライクカーボンで形成された高密度炭素層と
が交互に積層され、前記低密度炭素層は平均の膜密度が
２．２ｇ/cm³以下であり、一方前記高密度炭素層は平均
の膜密度が２．３〜３．２ｇ/cm³であり、前記高密度炭
素層は膜中に含まれる水素成分が５at％以下であり、前
記低密度炭素層の層厚が０．４〜３０ｎｍであり、前記
高密度炭素層の層厚が０．４〜１０ｎｍであり、前記低
密度炭素層の層厚Ｔ１と高密度炭素層の層厚Ｔ２の比Ｔ
１／Ｔ２が５〜０．２とされたものである。前記多層膜
において、好ましくは最外層を前記低密度炭素層で形成
し、その層厚を２〜２００ｎｍとするのがよい。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態にかかるＤＬＣ
多層膜は、図１に示すように、基材１の表面に中間層２
を介して積層形成された多層膜３であって、膜密度の低
いＤＬＣによって形成された低密度炭素層４と、膜密度
の高いＤＬＣによって形成された高密度炭素層５とが交
互に積層された積層部７を有し、さらにその上に前記層
４と同様の低密度炭素層で形成された最上層６が形成さ
れている。

【００１２】ここで、多層膜３においてＤＬＣで形成さ
れた炭素層の密度を変えて積層する技術的意義について
詳しく説明する。ＤＬＣ膜において、耐摩耗性の向上を
図るには、摩擦面における膜の塑性変形を避けることが
必要である。すなわち、塑性指数を小さくすることが望
しく、この塑性指数は材料表面の形状とともに材料の性
質である弾性定数Ｅ、膜硬度Ｈおよびこれらの比Ｅ／Ｈ
に強く依存するものであり、材料的にはＥ，Ｈが大き
く、Ｅ／Ｈの小さな材料が良いとされる（『薄膜トライ
ポロジー』、榎本，三宅著、東京大学出版会発行、ｐ５
８）。金属材料の場合、Ｅ／Ｈは種類によらずほぼ一定
であるが、金属に比してＥ／Ｈの小さなセラミックスで
は耐摩耗性が高く、硬質コーティング膜として好適な所
以である。また、材料の摩耗率はＨに反比例する。一
方、摩擦係数は摩擦面でのせん断応力に対する抵抗力に
依存し、これはコーティング膜表面の硬度と密接な相関
を持つ。例えば、固体潤滑膜として用いられるグラファ
イト、ニ硫化モリブデン、銀、インジウムなどは硬度が
低く、せん断カに対する抵抗力が小さいため、摩擦係数
は低い値をとる。

【００１３】上記説明より、ＤＬＣ膜であっても、単一
の材質である限り、耐摩耗性と低摩擦係数とを同時に実
現することは本質的に不可能である。一方、本発明者
は、ＤＬＣ膜の機械的特性およびそれに相関した耐摩耗
性や摺摺動特性について鋭意研究した結果、これらの特
性はＤＬＣ膜の膜密度と密接な関係を持ち、膜密度とい
うマクロ的なパラメータにより制御が可能であることを
知見した。そこで、炭素層を形成する過程で、膜密度に
所定差を付けて、摩擦係数の低減による摺動性に寄与す
る低密度炭素層と、耐摩耗性が高いことで摩擦耐久性の
向上に寄与する高密度炭素層とを所定条件の下で連続的
に交互に多層化して形成させることによって、両特性を
満足するＤＬＣ膜を得ることに成功した。以下、必要と
される膜密度についてさらに説明する。

【００１４】前記低密度炭素層４のＤＬＣの平均の膜密
度は、２．２ｇ/cm³以下とし、好ましくは２．０ｇ/cm³
以下とするのがよい。平均膜密度を２．２ｇ/cm³以下と
することで、弾性定数が２００ＧＰａより小さく、さら
に膜硬度も３０ＧＰａより小さくなり、摩擦面でのせん
断応力に対して変形し易く、摩擦係数を小さくすること
ができる。一方、前記高密度炭素層の平均の膜密度は
２．３ｇ/cm³以上、好ましくは２．５ｇ/cm³以上とする
のがよい。平均膜密度を２．３ｇ/cm³以上とすることに
より、弾性定数が３００ＧＰａより大きく、さらに膜硬
度も５０ＧＰａより大きくなり、十分な耐摩耗性を備え
るようになる。もっとも、膜密度が高くなり過ぎると、
膜の固有応力も過大となり、使用時の負荷応力による変
形能が低下し、剥離や膜破壊などの問題が生じるように
なるので、３．２ｇ/cm³以下、好ましくは３．０ｇ/cm³
以下、より好ましくは２．７ｇ/cm³以下に止めるのがよ
い。

【００１５】前記膜密度は炭素層における平均値を意味
するものであり、炭素層の厚さ方向における密度分布の
形態を問わない。例えば、図２に示すように、各炭素層
における膜密度が一定の形態（Ａ）に限らず、膜密度が
層内で厚さ方向に傾斜状に変化する形態（Ｂ）または
（Ｃ）をとってもよい。なお、膜密度は、ラザフォード
バックスキャッタリング（ＲＢＳ）法やＸ線反射率法、
もしくはSink-Float法（ＡＳＴＭＤ７２９）やDensity
Gradient Column法（ＡＳＴＭＤ１５０５）などによっ
て測定することができる。

【００１６】前記高密度炭素層５における水素含有量は
少ない程良く、５at％以下に止めることが望ましい。不
純物である水素を５at％以下に抑制することによって、
高膜密度下における膜硬度、弾性定数を容易に高めるこ
とができ、耐摩耗性をより向上させることができる。炭
素層の膜密度とその中に含まれる水素との関係について
は、Scheibeらが報告（IEEE Tran. On Plasma Sci., vo
l 25(1997),p685）しているように、ＤＬＣの膜密度は
弾性定数Ｅおよび膜硬度Ｈに密接に相関することが知ら
れている。すなわち、膜密度が高いとＥおよびＨがとも
に大きくなり、膜密度が低いとＥおよびＨがともに低く
なる。これはＤＬＣに含まれる不純物元素によって増減
率が異なるが、特に水素が５at％より少なく含まれる場
合、その相関度が大きくなり、高膜密度の下ではＥおよ
びＨがともに大きな値をとるため、塑性指数が小さくな
って耐摩耗性をより向上させることができる。

【００１７】前記低密度炭素層４の層厚は、０．４ｎｍ
以上、３０ｎｍ以下とすることが好ましく、前記高密度
炭素層５の層厚は０．４ｎｍ以上、１０ｎｍ以下とする
ことが好ましい。低密度炭素層４、高密度炭素層５が各
々０．４ｎｍ未満では各層がその特性を維持することが
困難になる。また、低密度炭素層４が３０ｎｍ超では、
この層はせん断応力に対する抵抗が低いため、摩擦によ
る消耗量が増大し、トラブルの原因となる。一方、高密
度炭素層５が１０ｎｍ超では、摩擦面や摺動面に露出し
た部分において、この層での摩擦が全体の摺動特性に影
響するようになり、またこの層はせん断応力に対する抵
抗性が大きいために、摩擦係数が増大するようになる。

【００１８】また、前記低密度炭素層４の層厚をＴ１、
前記高密度炭素層５の層厚をＴ２としたとき、層厚比Ｔ
１／Ｔ２を５〜０．２とすることが望ましい。層厚比の
決定に際しては、低密度炭素層４は厚すぎず、高密度炭
素層５は薄すぎず、コーティング膜全体の摩擦のせん断
応力に対する抵抗力がバランスするようにすることが必
要である。層厚比Ｔ１／Ｔ２が５超となり、低密度炭素
層４が高密度炭素層５に比して著しく厚くなると、低密
度炭素層４は摩擦に対する抵抗力が小さいために変形量
が大きくなり、また高密度炭素層５が相対的に薄くなる
ことと相まって、耐摩耗性の低下を招く。一方、比Ｔ１
／Ｔ２が０．２未満となり、高密度炭素層５が低密度炭
素層４に比して著しく厚くなると、摩擦に対する変形量
が小さくなり、摩擦係数の上昇をまねく。

【００１９】また、前記最外層６は必ずしも必要とされ
るものではないが、最外層６として低密度炭素層を設け
ることにより、摺動初期における表面の変形が容易にな
り、さらに相手材への炭素原子の付着を促進することが
でき、特に摺動試験初期において摩擦係数の低減を実現
することができる。もっとも、最外層６の厚さが２ｎｍ
未満では前記作用が過少であり、一方２００ｎｍを超え
ると摩擦による消耗量が増大し、摺動部分での摩耗粉の
発生により、摩擦が滑らかに起こらないようになり、す
なわち摩擦係数が不安定になり、さらに摩擦量が増加す
るなどのトラブルの原因となるので、最外層６の厚さは
２〜２００ｎｍとするのがよい。

【００２０】また、低密度炭素層４と高密度炭素層５と
の１組の層さ方向の繰り返し周期は３０ｎｍ以下、好ま
しくは１０ｎｍ以下にすることが望ましい。積層膜を３
０ｎｍ以下の超薄膜とすることにより、両層の特性が効
率的に摺動面での摩擦現象に対して発揮され、優れた耐
摩耗性と低い摩擦係数を安定的に実現することができ
る。また、最外層６を設ける場合、最外層６より内側の
積層部７の厚さを最外層６より少なくとも５００ｎｍ以
上とすることが好ましい。なお、最外層６を積層部７に
おける低密度炭素層４の層厚よりも厚く形成する場合、
前記Ｔ１、Ｔ２、Ｔ１／Ｔ２、繰り返し周期の数値につ
いては積層部７における低密度炭素層４、高密度炭素層
５についての推奨値を意味する。

【００２１】前記多層膜３を積層形成する基材１として
は、超硬合金、鉄系合金、チタン系合金、アルミ系合
金、銅系合金、ガラス，アルミナなどのセラミックス、
Ｓｉ、樹脂材料等の適宜の金属材、非金属材を用いるこ
とができる。また、前記基材１と多層膜３との間に設け
られる中間層２は、基材１と多層膜３との密着性を確保
する役目をなすものであり、かかる作用を有するタング
ステン等の金属や、例えば特開平１０−２９７１８号公
報に記載された金属と炭素の混合物、あるいは基材の保
護等のための金属もしくは半金属の炭化物、または金属
もしくは半金属の窒化物、または金属もしくは半金属の
炭窒化物を用いることができる。なお、中間層２は単層
に限らず、複層とすることもできる。

【００２２】本発明の多層膜の形成方法には特に制限は
ないが、固体炭素を蒸発源（ターゲット）として、スバ
ッタリングにより形成する方法は、ナノメートル（ｎ
ｍ）オーダーでの層厚や膜密度の制御を容易に行うこと
ができるので好ましい。また、炭素膜中の水素を低減さ
せるという観点からも、成膜原料ガスとしてメタン等の
炭化水素ガスを用いて炭素膜を成膜する手法は不適当で
あり、固体炭素をターゲットとするスパッタリングが好
ましい。

【００２３】低密度炭素層４を形成する場合は特に基板
に負のバイアス電圧を印加する必要はないが、高密度炭
素層５を形成する場合は負のバイアス電圧を印加するこ
とが好ましい。すなわち、基板に負の直流電圧、直流パ
ルス電圧もしくは高周波バイアス電圧を印加し、その印
加電圧により成膜時に膜の堆積と同時にイオンを照射す
るようにして、イオン打ち込み効果で膜密度を上げるよ
うに制御することが好ましい。一般に通常のスパッタリ
ングでは、バイアス電圧の印加による手法では膜密度が
２．６ｇ/cm³を超える硬質炭素膜を形成することは難し
いが、誘導結合プラズマ（ＩＰＣ）法や高周波プラズマ
（ｒｆ）法をスバッタリングに付加したり、もしくはア
ークイオンプレーティングやレーザーアプレーション等
を付加することによって、炭素のイオン化率を高めるこ
とでスパッタリングによっても２．６ｇ/cm³を超える硬
質炭素膜を容易に形成することができる。

【００２４】ところで、既述の通り、前記特開平１０−
２２６８７４号公報には電気抵抗率が少なくとも２桁相
違する２種類の硬質炭素膜が交互に積層されたＤＬＣ膜
が記載されているが、本質的に電気抵抗率と膜密度とは
関係がない。また、同公報に記載された実施例１，２お
よび４のように炭化水素ガスを原料ガスとして成膜する
と、例え密度が高くなっても、水素を多量に含み、弾性
率Ｅや硬度Ｈが高くならず、耐摩耗性を向上させること
ができない。また、実施例３のようにカソードアークイ
オンプレーティング法では基板電圧を６００Ｖから６０
Ｖに変化させても２．１ｇ/cm³以下の低密度膜を成膜す
ることはできないものと推測される。また、前記特開平
１０−７２２８８号公報には薄膜状炭素層と微粒子状炭
素層とを交互に積層されたＤＬＣ膜が記載されている
が、本発明では粒子状炭素層は必須ではなく、またこれ
らの炭素層は炭化水素ガスを成膜用原料ガスとして用い
ることが記載されており、前記と同様、かかる炭化水素
ガスを原料ガスとして成膜する限り、本発明にかかる耐
摩耗性の良好な高密度炭素層を形成することは困難であ
る。また、特開平９−２９８０９７号公報には導電性膜
とそれより硬度の高い絶縁性膜とを交互に積層したＤＬ
Ｃ膜が記載されているが、前記絶縁性膜はソースガスと
してメタンガスを用いて成膜するものであり、上記の通
り、かかる炭化水素ガスをソースガスとして用いる限
り、本発明にかかる耐摩耗性の良好な高密度炭素層を形
成することは困難である。

【００２５】次に実施例を挙げて本発明をより具体的に
説明するが、本発明は下記実施例によって制限的に解釈
されるものではない。

【００２６】

【実施例】まず、摩擦係数・耐摩耗性測定用として直径
５０ｍｍ、厚さ約８ｍｍのＳＫＨ（高速度鋼）基材、膜
密度・膜中水素量測定用として２インチ径、厚さ約２０
０μm のＳｉウエハー基材を準備した。これら基材を成
膜前処理としてアセトンにて脱脂し、２０分間超音波洗
浄した後、圧縮空気を噴射して十分に乾燥させた。こう
した処理を施した基材を、スパッタチャンバー内にセッ
トして、３×１０^-6torr以下に真空引きした。その後、
動作ガスとしてＡｒガスを３ mtorr圧までチャンバー内
に導入し、高周波電源を印加してＡｒプラズマを生成さ
せ、Ａｒイオンによる基材表面のスバッタエッチングを
ｒｆパワー２００Ｗにて５分間実施した。

【００２７】摩擦係数・耐摩耗性測定用試料として、前
記ＳＫＨ基材の表面に下記の要領にて図１に示す多層膜
あるいは単層膜をコーティングした。多層膜の場合、最
外層６を低密度炭素層で形成するようにした。最外層を
除く積層部７を構成する低密度炭素層４の層厚Ｔ１、高
密度炭素層５の層厚Ｔ２、層厚比Ｔ１／Ｔ２、積層数お
よび最外層６の層厚を表１に示す。表１には層４と層５
とを一組とする積層周期、積層数も併記した。 (1) 試料No. ２３以外ＳＫＨ基材に対して、まず第１中間層としてＷメタル層
を厚さ約５０ｎｍで形成し、さらに回転成膜により第２
中間層としてＷ−炭素混合非晶質層を厚さ約２００ｎｍ
形成した。さらにその上に低密度炭素層４および高密度
炭素層５を交互に形成し、最後に最外層６を成膜した。 (2) 試料No. ２３ＳＫＨ基材の上に、まずアークイオンプレーティング成
膜装置にて下地中間層としてＴｉＡｌＮ層を１μm 形成
し、その上にスバッタリング法にて第１中間層のＴｉメ
タル層を厚さ約５０ｎｍ形成し、さらに回転成膜により
第２中間層であるＴｉ−炭素混合非晶質層を厚さ約２０
０ｎｍで形成した。さらにその上に低密度炭素層４およ
び高密度炭素層５を交互に形成し、最後に最外層６を成
膜した。

【００２８】前記中間層、低密度炭素層、高密度炭素層
および最外層はいずれも島津製作所製ＨＳＭ−７５２ス
パッタリングシステムによるｄｃマグネトロンスパッタ
リングにより行った。共通する成膜条件として、ターゲ
ット／基材間距離は５５ｍｍ、基材温度は室温、金属タ
ーゲットに対しては通常のカソード構造（以下ＣＭと略
す。）を用い、カーボンターゲットにはＵＢＭ（アンバ
ランスドマグネトロン）カソード構造を用いて成膜し
た。成膜パワーは第１中間層が５００Ｗ、第２中間層で
は金属ターゲットについてパワーを５００Ｗから０Ｗに
滑らかに減少させた。また、カーボンターゲットにおい
てはパワーを０Ｗから１ｋＷに滑らかに増加させて、組
成が連続的に変化する傾斜層を設けた。低密度炭素層４
（最外層６を含む。）の形成においては基材にはバイア
ス電圧を印加することなく、一方高密度炭素層５の形成
においては所定のｄｃバイアス電圧を印加した。さら
に、No. １６〜１８および３４では高密度炭素層の成膜
時に結合誘導プラズマを付加して積層部の成膜を実施し
た。また、No. ２０〜２２では、低密度炭素層４につい
て水素化の悪影響がないことを確かめるため、低密度炭
素層４の成膜時のみメタンガスをチャンバー内に導入
し、Ａｒガスに対するメタンガスの分圧を５〜２０％と
して低密度炭素層４を水素化した。

【００２９】一方、膜密度・膜中水素量測定用試料とし
て、Ｓｉウエハー基材に中間層を形成することなく、前
記多層膜の各層を成膜する際と同条件により、単層の低
密度炭素層あるいは高密度炭素層を成膜した。

【００３０】

【表１】

【００３１】作製された試料について、下記の方法によ
って、摩擦係数、耐摩耗性並びに膜密度および水素含有
量を測定評価した。 (1) 摩擦係数ＨＥＩＤＯＮ式往復摺動試験機を用いて摩擦係数を測定
した。このとき試料はステージに固定し、直径約８ｍｍ
のＳＵＪ２製鋼球を用いて試料表面に負荷４．９Ｎ、摺
動速度２０ｍｍ／sec 、摺動幅１０ｍｍで摺動試験をお
こない、積算摺動距離０〜５ｍ、５０〜１５０ｍ、１５
０〜２００ｍでの平均摩擦係数と、積層摺動距離が１ｋ
ｍに達した時の摩擦係数を測定した。試験環境は大気中
で、気温２０〜２６℃、湿度４０〜８０％に制御した。 (2) 耐摩耗性上記ＨＥＩＤＯＮ式往復摺動試験の後、摺動痕の部分の
深さを触針式の表面粗さ計にて測定し、摩耗した体積を
測定し、摺動距離と荷重に対する比摩耗量を計算し、耐
摩耗性を評価した。 (3) 膜密度および水素含有量Ｓｉウエハー基材に成膜した単層の低密度炭素層あるい
は高密度炭素層に対してラザフォードバックスキャッタ
リング（ＲＢＳ）法によって膜密度および層中の水素含
有量を測定した。上記測定結果を表２に示す。同表には
水素含有量については示されていないが、低密度炭素層
の水素含有量はNo. ２０が６at％、No. ２１および２２
が各々１０at％、他の試料は１at％未満であった。高密
度炭素層についても１at％未満であった。

【００３２】

【表２】

【００３３】表２より、発明例のＤＬＣ硬質多層膜（N
o. １〜２６）によれば、摺動初期の摩擦係数はやや高
いものの、その後は安定的に０．１５以下の摩擦係数が
得られ、耐摩耗性にも優れており、相手材への攻撃性も
非常に小さいことがわかる。もっとも、No. ２６のよう
に、最外層が３００ｎｍと厚過ぎると、摩耗量が増大
し、摩擦係数が不安定になる。

【００３４】一方、高密度炭素層のみの単層膜（No. ３
１）あるいは低密度単層膜のみの単層膜（No. ３２）で
は、摺動初期の摩擦係数が０．２を越えたり、摺動距離
が増えるに伴い摩擦係数が上昇するなどの問題があり、
また比摩耗量が大きく、耐久性に問題が生じることがわ
かる。また、ＤＬＣ多層膜であっても、No. ３３〜４０
のように各硬質炭素層の平均膜密度、層厚、層厚比、最
外層の層厚が発明条件外となると、安定的に０．１５以
下の良好な摩擦係数が得られなかったり、耐摩耗性が不
足し、高耐摩耗性と高摺動性の両立に欠ける多層膜とな
ることがわかる。

【００３５】

【発明の効果】本発明のＤＬＣ硬質多層膜は、０．１〜
０．１５程度の低摩擦係数が安定的に得られ、かつ耐摩
耗性に優れ、しかも相手材への攻撃性も小さいため、各
種摺動部材、特に自動車部品、工具、機械部品等の保護
膜や、カードやチケットの自動読取機やプリンターなど
の磁気ヘッドの保護膜などに好適に利用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態にかかるＤＬＣ多層膜を備え
た部材の要部断面を示す模式図である。

【図２】平均膜密度の意味を明らかにするための厚さ方
向の密度分布形態を示す図である。

【符号の説明】

１基材２中間層３多層膜４低密度炭素層５高密度炭素層６最外層７積層部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】膜密度の低いダイヤモンドライクカーボ
ンで形成された低密度炭素層と、膜密度の高いダイヤモ
ンドライクカーボンで形成された高密度炭素層とが交互
に積層されたダイヤモンドライクカーボン多層膜であっ
て、前記低密度炭素層は平均の膜密度が２．２ｇ/cm³以下で
あり、一方前記高密度炭素層は平均の膜密度が２．３〜
３．２ｇ/cm³であり、前記高密度炭素層は膜中に含まれ
る水素成分が５at％以下であり、前記低密度炭素層の層
厚が０．４〜３０ｎｍであり、前記高密度炭素層の層厚
が０．４〜１０ｎｍであり、前記低密度炭素層の層厚Ｔ
１と高密度炭素層の層厚Ｔ２の比Ｔ１／Ｔ２が５〜０．
２である、ダイヤモンドライクカーボン多層膜。
【請求項２】最外層が前記低密度炭素層で形成され、
その層厚が２〜２００ｎｍである請求項１に記載のダイ
ヤモンドライクカーボン多層膜。