JP2007314838A - 炭素膜の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属基材側ほど金属成分濃度が高く、炭素膜側ほど非金属成分濃度が高くなるような濃度勾配を有する中間層を介して、金属基材上に設けられた炭素膜の製造方法において、該中間層を物理的気相成長法と化学的気相成長法との組み合わせにより調製する。
【選択図】 なし
Description
すなわち、この出願により、以下の発明が提供される。
(1)金属基材側ほど金属成分濃度が高く炭素膜側ほど非金属成分濃度が高くなるような濃度勾配を有する中間層を介して金属基材上に設けられた炭素膜の製造方法において、該中間層を物理的気相成長法と化学的気相成長法との組み合わせにより作成することを特徴とする炭素膜材料の製造方法。
(2)金属基材にバイアスを印加することを特徴とする上記(1)に記載の炭素膜の製造方法。
(3)物理的気相成長法と化学的気相成長法が並行して行われることを特徴とする上記(1)又は(2)の記載の炭素膜の製造方法。
また、本発明方法で得られた炭素膜は、空気や水環境下における炭素膜の耐剥離性が向上されたものであり、機械の摺動機構が存在する箇所、特に、水環境下で摺動部の潤滑や保護材料として広く応用することができる。現在、炭素膜の固体潤滑膜としての応用は用途が限られており、基材との密着性など多くの課題を抱えているが、本発明の炭素膜は基材との密着性や耐剥離性に優れており、またより多くの基材が使用可能であり、更には省資源、省エネルギーに寄与し、また環境への悪影響を抑制するものであり、環境保全にも役立つものである。
前者のPVD法により単体金属成分が、後者のCVD法により金属成分と非金属成分との化合物や複合物が当該基材上に堆積されるが、この場合、金属基材側ほど金属成分濃度が高く炭素膜側ほど非金属成分濃度が高くなるような濃度勾配となるように調製される。本発明においては、物理的気相成長法(PVD法)と化学的気相成長法(CVD法)とが併用されるが、前者の方法を先行させ、ついで後者の方法を行ってよく、あるいは、両者の方法を並行して行ってもよいが、並行して実施する方法が好ましい。
物理的気相成長法(PVD法)と化学的気相成長法(CVD法)を併用せず、化学的気相成長法(CVD法)のみによる中間層の調製では、基材との密着性が低く、炭素膜が剥離しやすいといった問題が発生し、本発明の所期の目的を達成することが困難となる。
これらの単体金属成分は、クロム、チタン、タングステン、コバルト、鉄あるいはステンレス鋼のような鉄系合金をターゲットとして、PVD法により、金属基材上に作成される
これらの成分は、原料ガスとして、テトラメチルシランやヘキサメチルジシロキサンのようなシリコン有機化合物、メタン、エチレン、ベンゼン、トルエンのような炭化水素化合物を用い、CVD法により、金属基材上に作成される。シリコン有機化合物としてヘキサメチルジシロキサン、炭化水素化合物としてメタンとトルエンが好ましい。
また、本発明で用いるCVD法としては、熱CVD法、レーザーCVD法、プラズマCVD法などを挙げることができるが、密着性の良さ、低温成膜の可能性、複雑形状基材への付きまわり性などの観点からみて、プラズマCVD法を用いることが好ましい。
なお、本発明でいう炭素膜とは、物理的気相成長法(PVD法)あるいは化学的気相成長法(CVD法)により作成される比較的硬度の大きい炭素を主成分とする被膜を意味し、このような炭素膜としてはダイヤモンド膜、グラファイト膜、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜の炭素膜の他、窒化炭素膜等のように炭素と共に窒素や金属などの異種原子を含む炭素膜等が包含される。本発明で好ましく用いられる炭素膜はダイヤモンドライクカーボン(DLC)である。
℃以下である。
図1において、1は基材、2は回転機構が付いている基材ホルダーである。これにより、基材の向きを変更することができる。すなわち、中間層を作成する時は基材をターゲットに、DLC膜を作成するときは基材をイオンガンに向くように向きを変更する。3はターゲット、4はマグネトロンスパッタ電源であり、発生する高周波により導入したアルゴン等のガスをプラズマ化し、さらにターゲット金属をプラズマ化にする電源である。5はアルゴンや原料ガスの導入口、6はイオンガンであり、熱電子を発生するフィラメントユニット7と熱電子を引き出すとともに電子にエネルギーを与えるアノードユニット8で構成されている。9は基材にパルスまたはDCバイアスを印加する電源であり、プラズマを基材へ引き込む。
装置として、図1に示す成膜装置を用いた。中間層の作成は、まず、ターゲットとしてクロムを用い、アルゴンガス雰囲気中でRF励起型PVD法により、洗浄した5 mm厚のステンレスSUS 630基材上にクロムを15 minコーティングした。そして、ヘキサメチルジシロキサン(HMDS)を導入した。HMDSの導入は少ない量から、少しずつ5段階で増やしていき、各段階で10 min保った。HMDSを導入するときから、基材に-120 Vの直流バイアスを印加した。中間層作成時の圧力は10 Pa以下であり、温度は100℃以下であった。このように、PVD法とCVD法を併用し、クロムおよびシリコンとカーボンの量を傾斜化した約0.7μ厚の中間層を作成した。
つぎに、この中間層の上に、電子励起型CVD法により、原料ガスとしてトルエンを用い、カーボン系薄膜のDLC膜を作成した。膜全体の厚さは5.0μmであった。
このDLC膜の耐剥離性を、室温で、ボールオンディスク型往復摩擦試験機を用い、精製水中での摩擦試験により評価した。相手として3/16インチのSUS 440Cボールを用いた。摩擦条件は、荷重が100 N、ストロークが10 mm、往復速度が60 cycles/min、摩擦時間が120 minでとした。その結果を図2(a)に示す。
なお、別途シリコンウェハー上に同条件で成膜した中間層上に、さらに0.2μmのシリコン含有炭素膜を作成し、XPSによる中間層の分析を行なった。この中間層は、図3のXPS分析結果から、中間層深さ方向の元素組成は、基材側でほぼ純クロムでできており、表層側にいくにつれ、クロムの量が減少するとともに、カーボンとシリコンの量が増加していることがわかった。本中間層は金属基材から、表層のSi-DLCとの間に明らかな界面が存在しておらず、化学的な組成変化を緩和する役目を果たしていると考えられる。また、図4のXPS分析結果、ある程度エッチングした後の中間層内部のXPS分析結果では、本発明のクロム・シリコン・カーボン系中間層は炭素系材料と金属炭化物との複合材料になっていることがわかった。
比較のため、熱電子励起CVD法により作成したSi-DLC系中間層を用いた以外は実施例1と同様にして炭素膜(DLC薄膜)を作成し、実施例1と同様な耐剥離性試験に供した。ただし、荷重は40 Nとした。その結果を図2(b)に示す
実施例1において、SUS 630ステンレス鋼基材に作成した中間層上にさらに約0.2μm厚のSi-DLC膜を成膜した以外は同様にして、DLC膜を作成した。ただし、中間層作成時のバイアス電圧は-110 Vであり、電流は39 mAであった。このDLC膜は、空気中において、40 Nの荷重、水中では110 Nの荷重下でも膜の剥離が起こらず、優れた密着性を示している。
実施例1において、基材をアルミニウム・マグネシウム合金(AZ91D)に代え、最上層炭素膜の厚さを2/3にした以外は同様にしてDLC膜を作成した。ただし、中間層作成時のバイアス電圧は-160 Vであり、電流は40 mAであった。このDLC膜も耐剥離性に優れたものであった。
実施例1において、ターゲットであるクロムをチタンに代えた以外は同様にしてDLC膜を作成した。ただし、中間層作成時のバイアス電圧は-150 Vであり、電流は35 mAであった。このDLC膜も耐剥離性に優れたものであった。
実施例1において、原料ガスをトルエンに代え、4段階に導入した以外は同様にしてDLC膜を作成した。ただし、中間層作成時のバイアス電圧は-110 Vであり、電流は37 mAであった。このDLC膜も水中において110 Nの荷重下でも膜の剥離が起こらず、優れた密着性を示している。
2 回転機構が付いている基材ホルダー
3 ターゲット
4 マグネトロンスパッタ電源
5 アルゴンや原料ガスの導入口
6 イオンガン
7 フィラメントユニット
8 アノードユニット
9 基材にパルスまたはDCバイアスを印加する電源
Claims (3)
- 金属基材側ほど金属成分濃度が高く、炭素膜側ほど非金属成分濃度が高くなるような濃度勾配を有する中間層を介して、金属基材上に設けられた炭素膜の製造方法において、該中間層を物理的気相成長法と化学的気相成長法との組み合わせにより作成することを特徴とする炭素膜の製造方法。
- 金属基材にバイアスを印加することを特徴とする請求項1に記載の炭素膜の製造方法。
- 物理的気相成長法と化学的気相成長法が並行して行われることを特徴とする請求項1又は2の記載の炭素膜の製造方法。
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