JP4356078B2

JP4356078B2 - 保護膜

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Publication number: JP4356078B2
Application number: JP2006275698A
Authority: JP
Inventors: 尚登大竹; 佑一青木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-10-06
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2021-11-07
Also published as: JP2007083726A

Description

本発明は保護膜に関し、さらに詳しくは基材上に形成された、耐摩耗性を有する保護膜に関する。

従来、基材と保護膜との付着力を改善するために、基材と保護膜との間に中間層を設けることが行われている。たとえば具体的には、
（１）保護膜が付着しやすいような元素を基材表面にイオン注入し、注入層を中間層としてその上に保護膜を堆積させる；
（２）基材および保護膜の双方と付着性のよい第３の材料を中間層として基材上に堆積させ、その上に保護膜を堆積させる。中間層は組成を厚さ方向に連続的または非連続的に複数層に変化させる場合もある、ダイヤモンド様炭素（ＤＬＣ）膜の場合にはＳｉまたはＴｉが用いられることが多い；
（３）基材と保護膜の組成を基材の組成１００％から保護膜の組成１００％に連続的に変化させた中間層を堆積させる、
ことが挙げられる。これらの方法は、基材のひずみの小さい場合に基材と保護膜との付着力を増大させるのに効果がある。しかし、基材が大きい弾性変形や塑性変形を受ける場合には保護膜にひずみが加えられるためにいかに硬度や剛性の大きい膜でも必ず割れが生じ、そこを起点としてアブレッシブ摩耗（破壊した薄膜が摩擦剤となって薄膜を攻撃して摩耗を促進させる）の生ずる問題があった。

さらに、ゴム上にＤＬＣ等の硬質膜を一面に堆積することも行われている。これらの硬質膜により、基材の耐摩耗性は大きく改善される。しかし、これらは高硬度・高剛性である脆性材料のため、基材自体が変形して膜に大きなひずみが与えられた場合に簡単に膜が破壊・剥離してしまう難点がある。

この発明は、上述の課題、すなわち基材に耐摩耗性向上のために硬質膜が堆積されている部材において、基材自体が変形して硬質膜に大きなひずみが加えられても硬質膜が基材から剥離しにくい部材を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、セグメントに分割して形成されるように膜を堆積してなるセグメント形態の保護膜を基材上に形成させる際に、隣接するセグメント間の間隔部分に対応する大きさ、形状で基材をマスキングした後に、膜を堆積し、ついでマスキング部分を物理的に除去してセグメント間の間隔を形成することを特徴とする保護膜の製造方法にある。

本発明によれば、基材に耐摩耗性向上のために硬質膜が堆積されている部材において、基材自体が変形して硬質膜に大きなひずみが加えられても硬質膜が基材から剥離しにくい部材が得られる。

本発明において用いられる基材としては、特に制限されず、たとえばアルミニウム、マグネシウム、これらの合金、鉄鋼等の金属；プラスチック；ゴム；セラミック；およびこれらの複合材料等が挙げられ、目的により適宜選択しうる。

本発明においては、このような基材上にセグメントに分割して形成された膜が堆積される。この堆積法としては気相法が好適であり、たとえば直流、交流もしくは高周波等を電源とするプラズマＣＶＤまたはマグネトロンスパッタもしくはイオンビームスパッタ等のスパッタ法が挙げられる。これらの方法により堆積される膜は好適には耐摩耗性を付与しうるものであり、たとえば、ダイヤモンドもしくはダイヤモンド状炭素；Ｔｉ，ＳｉもしくはＣｒ等の窒化物、炭化物等が挙げられる。これらの窒化物としてはＴｉＮ，ＴｉＡｌＮ，ＳｉＮ、ＣｒＮ，ＴｉＡｌＢＮ等、さらに炭化物としてはＴｉＣ，ＳｉＣ等、あるいはこれらを複合化したものであってもよい。ダイヤモンドもしくはダイヤモンド状炭素またはＴｉもしくはＳｉを含む膜が好適に使用される．これらの膜厚は通常１ｎｍ〜２００μｍから選択される。

本発明の保護膜においては、これらの膜が、セグメントに分割して堆積してなるセグメント形態にあることを必要とする。セグメントの形状は特に制限されず、三角形、四角形、円形等を適宜選択しうる。このセグメントの大きさは１辺または外径１μｍ〜３ｍｍから選ばれるのが通常である。隣接するセグメントの間隔は通常０．１μｍ〜１ｍｍである。またセグメントの膜厚は上記の通り１ｎｍ〜２００μｍであるのが通常である。本発明の保護膜のヤング率は、通常６０ＧＰａ以上、好ましくは２００ＧＰａ以上である。さらに、本発明においてはこれらのセグメントの間に露出している基材に溝を形成させることにより耐摩耗性を一層向上させることができる。この溝の幅は、上記の隣接するセグメントの間隔０．１μｍ〜１ｍｍの範囲から選択される。この溝の断面形状は任意であり、たとえばＶ字型、Ｕ字型等が選ばれる。

本発明においては、保護膜を基材上に形成させる際に、所定の形態のセグメントを得られるように上記間隔部分に対応する大きさ、形状で基材をマスキングした後に、上記の方法により膜の堆積を行うのが好適である。たとえば、タングステン線等の金網を用いてマスキングすることにより金網の目に相当するセグメントが並んだ格子状のセグメント膜が得られ、金網部分、すなわち線径が隣接するセグメント間の間隔を構成する。

さらに、上述の基板における溝はセグメント膜の堆積の前もしくは後に、所定の切れ込みを形成させることにより得られる。

本発明により、基材上に、セグメントに分割して形成された膜を堆積してなるセグメント形態の保護膜は耐摩耗性を要求される耐摩耗性部材として、従来と同様な用途、さらには従来、上述の破壊・剥離のために使用し得なかった用途にも好適に使用しうる。

実施例１
ダイヤモンド状炭素膜（ＤＬＣ膜）をアルミニウム基板上に合成した。合成条件は次のとおりである。

ＲＦ電源周波数１３．５６ＭＨｚ
基板バイアス電圧 −６０〜−３５０Ｖ
メタン流量５．５ｃｍ³ ／分
圧力１２Ｐａ
合成時間１５分
膜厚約１μｍ
ＤＬＣ合成前に基板をスパッタエッチングした。これは基板上の不純物を取り除くとともに、アルミニウム表面の酸化被膜を取り除くためである。スパッタガスにはＡｒを用い、Ａｒの流量１０ｓｃｃｍ，圧力１１Ｐａ、出力５０Ｗで１０分間処理した。その後ＤＬＣ膜とアルミニウムの密着力を高めるためにＤＬＣ膜とアルミニウムの間に中間層としてＳｉ層をマグネトロンスパッタ法により厚さ約１００〜２００ｎｍ堆積した。

セグメント構造のＤＬＣは、成膜時にタングステン線の金網をアルミニウム基板（１）上に少し間隔をあけて設置し、格子状にマスキングすることにより、セグメント形状に膜を合成した（図１）。セグメント（２）のサイズは、１ｍｍ×１ｍｍでタングステンの線径にφ０．１ｍｍを使用し、セグメント間隔（３）が０．１ｍｍ程度になるようにした。タングステン線は成膜時には電気的に浮いている状態にした。

合成時の圧力は、いずれも１２Ｐａで合成時間は２０分である。（ａ）Ｓｉの中間層を形成していないもの、（ｂ）Ｓｉを中間層としたＡｌ−Ｓｉ−ＤＬＣ構造のもの、さらに（ｃ）１日間たった後、および（ｄ）は３日間たったＡｌ−Ｓｉ−ＤＬＣのものについて、（（ｂ）では比較のために基板の半分にＷ線のマスキングをし、残り半分はマスキングなしでＤＬＣ膜を合成した。）。（ｂ）と（ｃ）、（ｄ）を比較するとセグメント構造になっていない部分は徐々にＤＬＣ膜が剥離しており（ｄ）では、完全に剥離してしまっているのに対し、セグメント部が剥離せず、残存していた。すなわち、セグメント構造にすることにより、膜の残留応力で膜が無負荷状態で剥離するのを防止できることが示された。

成膜したＤＬＣ膜のラマンスペクトルを図２に示す。成膜時の圧力は１２Ｐａで合成時間は２０分とした。比較のためにセグメントでない単一膜のＤＬＣ膜のラマンスペクトルも示す（図２のｃ）。Ｇピーク（１５００ｃｍ^-1付近）がグラファイトピークよりも低周波数側にシフトしていて、ピークが強く、Ｄピーク（１３５０ｃｍ^-1付近）も小さいことから、ｓｐ^３性の高い膜ができていると考えられる。また、Ｗ線でマスクしたことによりその近傍で膜質が変化しているかをセグメントの中央部（図１のＡ）と端部（図１のＢ）のラマンスペクトルを調べ、Ｗ線なしの膜のラマンスペクトルと比較すると、ほとんど同じスペクトルであることから、マスクを用いても膜質はほとんど変化していないことがわかる。すなわち、本方法によりセグメント形態のＤＬＣを合成した場合もセグメントでない場合と同様の膜が形成できることが明らかになった。

合成されたＡｌ−Ｓｉ−ＤＬＣの膜についてセグメント構造とそうでない単一膜のＤＬＣ膜についてボールオンディスク試験を行った。垂直荷重は０．７１Ｎで試験時間は５０００ｓである。その結果、通常の膜が５０００回転程度で膜が剥離してしまったのに対し、セグメント構造の膜では、１２０００回転程度まで耐えることができた。

この実験の結果から、セグメント構造はＤＬＣ膜のトライボロジー（摩擦摩耗）特性を向上させ剥離を防止するのに有効である。トライボロジー特性が向上したのは、セグメント構造のいくつかの特徴による。一つには、摩耗粉によるアブレッシブ摩耗の抑制である。この技術は実際、砥石などで応用されている。あえて摩耗粉を取り込むことができる隙間を作り、アブレッシブ摩耗を抑える方法である。二つ目として、膜の剥離の進展が抑えられることである。セグメント間で膜が切れていることにより一つのセグメントで膜が剥離してきても隣のセグメントはその影響を受けない点である。これにより剥離の進展を抑え、膜の寿命を長くしている。そして最後に密着力の向上である。前述のとおり、時間経過によりセグメント構造と通常の膜では密着力に明らかに差のあることがわかる。

密着力の向上がセグメント構造の特徴であり、その主要な理由として基板の変形に伴う膜に与えられる大きなひずみを回避できる点が挙げられる。これはセグメント間で変形を受け持つことができるからであり、それにより膜に加わるせん断応力を減少させる。

さらに、ＤＬＣ膜のセグメント間に露出している基材に深さ１ｍｍの切込みを形成させたところ、耐摩耗性はさらに１．５倍程度向上した。これは、切込みを付与することにより膜にかかる応力が減少するためである。切込みの効果は１Ｎ以下の比較的低荷重の場合に大きく、φ６ｍｍの球で垂直荷重が１Ｎ以上の場合には切込みのない方が有効となる。これは切込みを加えたことにより基材自身が変形するためである。

実施例１により作製されたＤＬＣセグメント膜の概略図。本発明によりセグメントに分割して成膜したＤＬＣ膜のラマンスペクトル。

符号の説明

１基材
２セグメント
３間隔

Claims

セグメントに分割して形成されるように膜を堆積してなるセグメント形態の保護膜を基材上に形成させる際に、隣接するセグメント間の間隔部分に対応する大きさ、形状で基材をマスキングした後に、膜を堆積し、ついでマスキング部分を物理的に除去してセグメント間の間隔を形成することを特徴とする保護膜の製造方法。
膜のヤング率が６０ＧＰａ以上である請求項１記載の保護膜の製造方法。
膜がダイヤモンドもしくはダイヤモンド状炭素である請求項１記載の保護膜の製造方法。
膜がＴｉもしくはＳｉを含む請求項１記載の保護膜の製造方法。
膜が気相堆積法により形成される請求項１記載の保護膜の製造方法。
気相堆積法がプラズマＣＶＤもしくはスパッタ法である請求項５記載の保護膜の製造方法。
セグメントの大きさが１辺または外径１μｍ〜３ｍｍである請求項１記載の保護膜の製造方法。
隣接するセグメントの間隔が０．１μｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の保護膜の製造方法。
セグメントの膜厚が１ｎｍ〜２００μｍであることを特徴とする請求項１記載の保護膜の製造方法。
セグメントの間に露出している基材に溝を形成させてなる請求項１記載の保護膜の製造方法。
溝の幅が０．１μｍ〜１ｍｍである請求項１０記載の保護膜の製造方法。