(57)【要約】【課題】優れた摺動性能及び耐摩耗性能を有する膜形成部材、この薄膜形成部材を形成することができる成膜装置、及びこの薄膜形成部材を形成する成膜方法を提供する。【解決手段】膜形成部材における膜は、炭素とシリコンを膜成分として含み、かつ膜が形成されている部材の成分を含み，前記炭素の全体の含有量に対する、ＳＰ２混成軌道の炭素の含有量の比率が０ａｔ％以上６０ａｔ％未満である。膜形成部材の作製では、まず、成膜用飛散粒子をターゲット材から生成し、成膜用ガスを成膜室に供給する。前記飛散粒子の雰囲気中、前記成膜用ガスを用いてプラズマを生成する。前記プラズマの発生中、前記基材を保持する保持台に、電圧を間欠的に印加する。前記プラズマの発生中、前記ガスに由来する原子の発光と前記飛散粒子に由来する原子の発光とを計測する。前記原子それぞれの発光の強度に基づいて、前記ターゲット材と膜を形成する基材との離間距離を調整する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、前記基材の表面に形成された膜と、を備えた膜形成部材であって、
前記膜は、炭素とシリコンを膜成分として含み、
前記膜における表面において、炭素とシリコン以外の前記基材の成分を含む、ことを特徴とする膜形成部材。
【請求項２】
前記膜の炭素の全体量に対する、ＳＰ２混成軌道の割合は０ａｔ％以上６０ａｔ％未満である、請求項１に記載の膜形成部材。
【請求項３】
前記膜の膜硬度は、１０ＧＰａ以上である、請求項１または２に記載の膜形成部材。
【請求項４】
前記炭素とシリコンの含有量を１００ａｔ％としたとき、前記シリコンの含有量は、１０ａｔ％〜３０ａｔ％である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜形成部材。
【請求項５】
前記基材は、樹脂材である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の膜形成部材。
【請求項６】
前記膜におけるシリコンの含有量が、前記膜と前記基材の境界面から離れるに連れ、段階的にあるいは連続的に多くなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の膜形成部材。
【請求項７】
基材の表面に膜を形成する成膜装置であって、
形成しようとする膜の成分の一部となる飛散粒子を生成するためのターゲット材と、
前記ターゲット材に対向する位置に基材が配置される成膜室を備える成膜容器と、
形成しようとする膜の成分の一部となる原子を有するガスを前記成膜室に供給するガス源と、
前記飛散粒子と前記ガスを用いて基材の表面に膜を形成するために、前記飛散粒子の雰囲気中で、前記ガスを用いてプラズマを生成するプラズマ源と、
前記プラズマの生成中、前記基材を保持する保持台に、電圧を間欠的に印加する電源と、
前記プラズマの発生中に、前記ガスに由来する原子の発光と前記飛散粒子に由来する原子の発光とを計測する計測ユニットと、
前記原子それぞれの発光の強度に基づいて、前記ターゲット材と前記基材との離間距離を調整する制御ユニットと、を備えることを特徴とする成膜装置。
【請求項８】
前記制御ユニットは、さらに、前記原子それぞれの発光の強度に基づいて、前記成膜室内の圧力を調整する、請求項７に記載の成膜装置。
【請求項９】
前記制御ユニットは、前記ガスの供給量あるいは、前記成膜室から前記成膜室内のガスを排出する排出量を調整することにより、前記成膜室内の圧力の調整を行う、請求項８に記載の成膜装置。
【請求項１０】
前記ターゲット材は炭素を含み、
前記ガスはシリコンを含む、請求項７〜９のいずれか１項に記載の成膜装置。
【請求項１１】
基材の表面に膜を形成する成膜方法であって、
形成しようとする膜の成分の一部となる飛散粒子を、基材に対向した位置にあるターゲット材から生成するステップと、
形成しようとする膜の成分の一部となる原子を有するガスを成膜室に供給するステップと、
前記飛散粒子と前記ガスを用いて基材の表面に膜を形成するために、前記飛散粒子の雰囲気中で、前記ガスを用いてプラズマを生成するステップと、
前記プラズマの発生中、前記基材を保持する保持台に、電圧を間欠的に印加するステップと、
前記プラズマの発生中、前記ガスに由来する原子の発光と前記飛散粒子に由来する原子の発光とを計測するステップと、
前記原子それぞれの発光の強度に基づいて、前記ターゲット材と前記基材との離間距離を調整するステップと、を備えることを特徴とする成膜方法。
【請求項１２】
前記離間距離を調整するとき、さらに、前記原子それぞれの発光の強度に基づいて、前記成膜室内の圧力を調整する、請求項１１に記載の成膜方法。
【請求項１３】
前記成膜室内の圧力を、前記ガスの供給量あるいは、前記成膜室から前記成膜室内のガスを排出する排出量を調整することにより行う、請求項１２に記載の成膜方法。
【請求項１４】
前記ターゲット材は炭素を含み、
前記ガスはシリコンを含む、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材の表面に膜が形成された膜形成部材、基材の表面に膜を形成する成膜装置、及び基材の表面に膜を形成する成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の燃費向上のために軽量な部品を用いることが多く、エンジン等の内燃機関には、軽量な部品として樹脂材料が一般的に広く用いられる。樹脂材料は、室温〜５０℃の温度雰囲気では摺動性能は優れているが、１００℃程度の高温になると摺動性能は低下する。
ＰＥＥＫ（ポリエーテル  エーテル  ケトン）樹脂は、高温でも比較的優れた摺動性能を有するが、高価であるため、エンジン等の内燃機関に多量に用いることは難しい。このため、安価で摺動性能が優れた軽量な摺動材料が求められている。
【０００３】
一般的に、エンジンを構成するピストンや動弁系部品等の摺動部材における摺動性能を高める被膜としてＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜が好適に用いられる。このＤＬＣ膜は、非晶質炭素膜であって、耐摩耗性、固体潤滑性等の機械的特性に優れている。  しかし、ＤＬＣ膜は、低荷重の摺動条件の割に摩耗量が多く、耐摩耗性が充分とはいえない。この点を考慮して、厚膜化が可能であり、かつ、耐摩耗性に優れたＤＬＣ膜を提供する技術が知られている（特許文献１）。
【０００４】
すなわち、耐摩耗性に優れた上記ＤＬＣ膜は、炭素の全体量を１００ａｔ％とした場合に、６０ａｔ％以上９０ａｔ％以下のＳＰ２混成軌道を持つ炭素を含む主成分としての炭素と、非晶質炭素膜全体を１００ａｔ％とした場合に、０．１ａｔ％以上１０ａｔ％以下のケイ素と、を含有する膜である。
当該ＤＬＣ膜によれば、摩擦係数が０．２〜０．０５であり、摩擦係数が０．６０のＳＵＳ４４０Ｃに較べて小さい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許５０５１４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、摩擦係数がさらに低下した摺動性能を備え、優れた耐摩耗性能を有するＤＬＣ膜を提供できることが、優れた摺動部材を実現する点から好ましい。
【０００７】
そこで、本発明は、従来に比べて摩擦係数がさらに低下した摺動性能を備えた膜形成部材、この薄膜形成部材を形成することができる成膜装置、及びこの薄膜形成部材を形成する成膜方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、基材と、前記基材の表面に形成された膜と、を備えた膜形成部材であって、
前記膜は、炭素とシリコンを膜成分として含み、
前記膜における表面において、炭素とシリコン以外の前記基材の成分を含む。
【０００９】
前記基材の成分は、例えば、硫黄、酸素、あるいはフッ素を含む。
ここで、前記基材は、硫黄を成分として含む材料が用いられることが好ましい。
前記膜の炭素の全体量に対する、ＳＰ２混成軌道の割合は０ａｔ％以上６０ａｔ％未満である、ことが好ましい。
【００１０】
前記膜の膜硬度は、１０ＧＰａ以上である、ことが好ましい。
【００１１】
前記炭素とシリコンの含有量を１００ａｔ％としたとき、前記シリコンの含有量は、１０ａｔ％〜３０ａｔ％である、ことが好ましい。
前記基材は、樹脂材である、ことが好ましい。
【００１２】
前記膜におけるシリコンの含有量が、前記膜と前記基材の境界面から離れるに連れ、段階的にあるいは連続的に多くなる、ことが好ましい。
【００１３】
本発明の他の一態様は、基材の表面に膜を形成する成膜装置であって、
形成しようとする膜の成分の一部となる飛散粒子を生成するためのターゲット材と、
前記ターゲット材に対向する位置に基材が配置される成膜室を備える成膜容器と、
形成しようとする膜の成分の一部となる原子を有するガスを前記成膜室に供給するガス源と、
前記飛散粒子と前記ガスを用いて基材の表面に膜を形成するために、前記飛散粒子の雰囲気中で、前記ガスを用いてプラズマを生成するプラズマ源と、
前記プラズマの生成中、前記基材を保持する保持台に、電圧を間欠的に印加する電源と、
前記プラズマの発生中に、前記ガスに由来する原子の発光と前記飛散粒子に由来する原子の発光とを計測する計測ユニットと、
前記原子それぞれの発光の強度に基づいて、前記ターゲット材と前記基材との離間距離を調整する制御ユニットと、を備える。
【００１４】
前記制御ユニットは、さらに、前記原子それぞれの発光の強度に基づいて、前記成膜室内の圧力を調整する、ことが好ましい。
【００１５】
前記制御ユニットは、前記ガスの供給量あるいは、前記成膜室から前記成膜室内のガスを排出する排出量を調整することにより、前記成膜室内の圧力の調整を行う、ことが好ましい。
【００１６】
前記ターゲット材は炭素を含み、
前記ガスはシリコンを含む、ことが好ましい。
【００１７】
本発明のさらに他の一態様は、基材の表面に膜を形成する成膜方法であって、
形成しようとする膜の成分の一部となる飛散粒子を、基材に対向した位置にあるターゲット材から生成するステップと、
形成しようとする膜の成分の一部となる原子を有するガスを成膜室に供給するステップと、
前記飛散粒子と前記ガスを用いて基材の表面に膜を形成するために、前記飛散粒子の雰囲気中で、前記ガスを用いてプラズマを生成するステップと、
前記プラズマの発生中、前記基材を保持する保持台に、電圧を間欠的に印加するステップと、
前記プラズマの発生中、前記ガスに由来する原子の発光と前記飛散粒子に由来する原子の発光とを計測するステップと、
前記原子それぞれの発光の強度に基づいて、前記ターゲット材と前記基材との離間距離を調整するステップと、を備える。
【００１８】
前記離間距離を調整するとき、さらに、前記原子それぞれの発光の強度に基づいて、前記成膜室内の圧力を調整する、ことが好ましい。
【００１９】
前記成膜室内の圧力を、前記ガスの供給量あるいは、前記成膜室から前記成膜室内のガスを排出する排出量を調整することにより行う、ことが好ましい。
【００２０】
前記ターゲット材は炭素を含み、
前記ガスはシリコンを含む、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
上述の膜形成部材によれば、膜形成部材は、従来に比べて摩擦係数が低下した摺動性能を備え、優れた耐摩耗性能を有する。
また、上述の成膜装置、及び成膜方法によれば、上述の成膜装置、及び成膜方法は、従来に比べて摩擦係数が低下した摺動性能を備え、優れた耐摩耗性能を有する膜形成部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態の膜形成部材の断面の一例を示す図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は、本実施形態の成膜装置の一例の構成を示す図である。
【図３】ターゲット材からの距離に対する、プラズマ中の炭素及びシリコンの発光強度の分布の一例を示す図である。
【図４】本実施形態の膜形成部材を含む計測試料の動摩擦係数の一例を示す図である。
【図５】本実施形態の成膜装置で形成された膜のラマンスペクトルの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の薄膜製造方法、成膜装置、及び薄膜形成材の一実施形態について詳細に説明する。
【００２４】
（膜形成部材）
本実施形態の膜形成部材は、基材にＤＬＣ膜が形成された部材である。図１は、膜形成部材１の断面の一例を示す図である。膜形成部材１は、基材２と、基材２の表面に形成された膜３と、を備える。
【００２５】
基材２は、樹脂材料、金属材料、及びセラミック材料のいずれを用いることができるが、樹脂材料を用いることが部材を軽量化できる点から好ましい。樹脂材料として、高価なＰＥＥＫ樹脂を用いることもできるが、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂を用いることが、安価で優れた摺動部材を提供することができる点から好ましい。樹脂材料として、この他に、ＰＯＭ（ポリアセタール）やＰＡ（ポリアミド）やＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））を用いることができるが、摺動性能の点からＰＰＳが特に好ましい。
【００２６】
膜３は、炭素とシリコンを膜成分として含む、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜である。膜３における表面には、炭素とシリコン以外の基材２の成分を含んでいる。例えば、基材２の成分、例えばＳ（硫黄）やＯ（酸素）やＦ（フッ素）を含んでいる。膜３の厚さは、例えば、０．１〜３μｍである。膜３における、炭素の全体量に対する、ＳＰ２混成軌道の炭素の含有量の比は０ａｔ％以上６０ａｔ％未満である。このような比を有する膜３は、往復摺動方式による摩擦係数を、０．０５未満にすることができる。この摩擦係数は、従来のＤＬＣ膜の摩擦係数よりも低い。このため、本実施形態の膜３は、優れた摺動性能を有する。
炭素の含有量が多くて密度が高い程、ＤＬＣ膜としての硬度は高くなる。ＤＬＣ膜にシリコンを含ませることにより、ＤＬＣ膜の硬度は変化して靭性が上がる。さらに、ＤＬＣ膜にシリコンを含ませることにより、シリコン自体がＳＰ３混成軌道を形成するため，全体的にＳＰ３混成軌道の割合が多くなり、膜全体としてみたＤＬＣ膜の耐熱性も向上する。一般に、シリコンを含んだＤＬＣ膜は大気中の水分などと反応し、表面（摺動面）にシラノール（ＳｉＯＨ）を含む低せん断層が形成されるため摩擦係数が低下する。一方、ＰＰＳにシリコンを多量に含んだ基材２に、摺動部材の表面の膜としてＤＬＣ膜を形成したときには、予滑りによるなじみ過程において、表面（摺動面）においてＤＬＣ膜の摩耗が進行することにより、ＰＰＳに含まれるＳ（硫黄）とシリコンが硫化物を形成することにより硫化物を含んだ、摩擦係数を低下させる低せん断層が形成される。また、後述する成膜のときにイオン注入を行っているので膜の界面付近にミキシングレイヤーが形成されて基材２の下地の成分であるＳ（硫黄）が含まれ、このＳ（硫黄）とシリコンの硫化物を含んだ摩擦係数を低下させる低せん断層が形成される。そのため、水分を含まない雰囲気中においても低い摩擦係数が得られるようになる。したがって、硫化物を含んだ低せん断層を形成するには、基材２として硫黄を含んだ材料を用いることが好ましい。
基材２は、Ｓ（硫黄）以外の成分を含んだ基材であってもよく、例えば、酸素やフッ素を含んだ基材２であってもよく、酸素やフッ素を含んだ摩擦係数を低下させる低せん断層を形成させることができる。
したがって、膜３における表面では、Ｓ（硫黄）以外に、Ｏ（酸素）やＦ（フッ素）を含んでもよい。
このように膜３の表面にシリコンや炭素以外の基材２の成分が含まれることは、光電子分光法で確認される。
炭素の全体量に対するＳＰ２混成軌道の炭素の含有量の比率は０ａｔ％以上６０ａｔ％未満であることが好ましい。
【００２７】
膜３の膜硬度は、上記比率を調整し、かつ、シリコンの含有量を調整することにより、１０ＧＰａ以上、好ましくは１２ＧＰａ以上とすることができる。このような膜硬度を有するＤＬＣ膜は、摺動部材に好適に用いることができる。
なお、膜３に含まれる炭素とシリコンの含有量を１００ａｔ％としたとき、シリコンの含有量は、１０ａｔ％〜３０ａｔ％であることが、低い摩擦係数を実現する点から好ましい。このシリコンの含有量は、１０ａｔ％〜２０ａｔ％であることがより好ましく、ある程度のＤＬＣ膜の耐摩耗性を保ちながら低せん断層を形成できる点で特に優れている。
さらに、膜３におけるシリコンの含有量が、膜３と基材２の境界面から離れるに連れ、段階的にあるいは連続的に多くなることが、膜３の表面において低い摩擦係数を有し、膜３の内部に進むほど言い換えると上記境界面に近い程、硬い構造にできる点から好ましい。すなわち、優れた摺動特性を有する硬い摺動部材を提供することができる。
【００２８】
このような膜３は、以下に示すように、ターゲット材をパルスレーザによりターゲット粒子を生成して膜を形成する処理(以降、ＰＬＤ（Pulsed Laser deposition）という)と、プラズマを用いた化学積層により膜を形成する処理（以降、Ｐ-ＣＶＤ(Plasma-enhanced chemical deposition)という）とにより、作製することができる。
【００２９】
（成膜装置）
図２（ａ），（ｂ）は、基材２の表面に膜３を形成することができる成膜装置１０の一例の構成を示す図である。図２（ａ）は成膜装置１０の主要部の構成を上方から見た図であり、図２（ｂ）は成膜装置１０の主要部の構成を側面から見た図である。
【００３０】
成膜装置１０は、ターゲット材１２と、成膜容器１４と、ガス源１６と、プラズマ源１８と、計測ユニット２０と、制御ユニット２２と、を主に有する。
【００３１】
成膜装置１０は、ターゲット材１２に付随して、固定台１２ａ，回転モータ１２ｂ，及びレーザ光源１２ｃを備える。ターゲット材１２に対向する位置には、基材２が配置されるように構成されている。レーザ光源１２ｃは、ターゲット材１２にレーザ光を照射することにより、ターゲット材１２から、形成しようとする膜３の成分の一部となる飛散粒子を生成する。ターゲット材１２は、金属材料等の、スパッタリングやレーザアブレーション等に用いてプラズマを形成することができる公知の材料が用いられる。ターゲット材１２は、ＤＬＣ膜を膜３として形成する場合、例えば炭素の素となるグラファィトが用いられる。
固定台１２ａは、ターゲット材１２を固定支持する台である。回転モータ１２ｂは、固定台１２ａを回転させることにより、ターゲット材１２を回転させる。これにより、スパッタ材１２の表面から生成される飛散粒子を空間内に均一に飛散させることができる。レーザ光源１２ｃは、ターゲット材１２ａからレーザアブレーションにより粒子を生成することができる程度に強度の高い、パルス状のレーザ光を射出するものであればいずれのものでもよい。レーザ光源１２ｃに、例えばＹＡＧレーザ（イットリウム・アルミニウム・ガーネットを用いた固体レーザ）を好適に用いることができる。レーザ光源１２ｃは、例えば１０Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲で、成膜処理速度の観点から高い周波数が好ましいが，加熱された基材２のダメージの観点では低い周波数が好ましい。基材２の材質の耐熱性に応じて決定された周波数でターゲット材１２に繰り返し照射することにより、ターゲット材１２の表面の周りにあるいは近傍に飛散粒子を含むプラズマＰを生成する。
本実施形態では、レーザアブレーションを用いるが、ＤＣマグネトロンスパッタリング等のスパッタリングやカソードアーク法を用いることも好ましい。
【００３２】
成膜容器１４は、ターゲット材１２に対向する位置に基材２が配置される成膜室１４ａを備える。成膜容器１４の側壁には、ガラスで構成された窓１４ｂ，１４ｃが設けられている。窓１４ｂを通して、レーザ光源１２ｃから出射したレーザ光が、ターゲット材１２に照射される。窓１４ｃは、後述するプラズマＰの発光を計測するための計測用窓として用いられる。成膜室１４ａは、所定の圧力に減圧するために、排気管１４ｄが接続されている。排気管１４ｄは、成膜室１４ａ内のガスを外気に排出する排気ユニット１４ｅと接続されている。排気ユニット１４ｅの排気により、成膜室１４ａ内の圧力は０．１Ｐａ〜１．０Ｐａ、好ましくは０．２〜０．８Ｐａ、より好ましくは０．３〜０．７Ｐａに維持される。
【００３３】
ガス源１６は、形成しようとする膜３の成分の一部となる原子を有する成膜用ガスを、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）１６ａ及びガス供給管１６ｂを通して成膜室１４ａに供給する。ガス源１６が供給する成膜用ガスは、例えばシリコンを含有するＤＬＣ膜を形成する場合、シリコンを含んだガス、例えば、テトラメチルシラン（ＴＭＳ）が挙げられる。
この他に、成膜室１４ａにキャリアガスを供給するために、ガス源１７が設けられている。ガス源１７は、マスフローコントローラ１７ａ及びガス供給管１７ｂを通してキャリアガスを成膜室１４ａに供給する。ガス源１７が成膜室１４ａに供給するキャリアガスは、アルゴンや水素等が好適に用いられる。キャリアガスは、成膜用ガスを安定して成膜室１４ａに供給し拡散させるとともに、排出を効率よく行うために用いられる。さらに、後述するプラズマ源１６を用いて効率よくプラズマＰを生成するために用いられる。
成膜室１４ａ内で、シリコンを含んだ膜３を形成する場合、アルゴン等のキャリアガスを３０〜７０ｓｃｃｍ、好ましくは４０〜６０ｓｃｃｍ、テトラメチルシラン等の成膜用ガスを０．２〜０．７ｓｃｃｍ、好ましくは０．３〜０．６ｓｃｃｍ、成膜室１４ａに供給する。一方、成膜室１４ａ内のガスの排気により、成膜室１４ａ内の圧力が０．１Ｐａ〜１．０Ｐａとなるように、排気ユニット１４ｅの排気が制御される。
マスフローコントローラ１６ａ，１７ａを通過するガスの流量は、後述する制御ユニット２２によって調整される。また、排気ユニット１４ｅの排気のための駆動も、後述する制御ユニット２２によって調整される。
【００３４】
プラズマ源１８は、ターゲット材１２から生成された飛散粒子と、ガス源１６から供給された成膜用ガスを用いて基材２の表面に膜を形成するために、飛散粒子の雰囲気中で、成膜用ガスを用いてプラズマＰを生成する。プラズマ源１８は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を生成するための電極板１８ａと、マッチングボックス１８ｂと、高周波電源１８ｃと、を主に備える。
【００３５】
電極板１８ａは、電極板１８ａの各面のうち面積の最も大きい主表面が成膜室１４ａの側に向くように配置されている。電極板１８ａの主表面は成膜室１４ａに沿って延在し、延在方向の一端は電力が供給される給電端となっており、他端は接地される接地端となっている。電極板１８ａは、マッチングボックス１８ｂを介して高周波電源１８ｃと接続されている。マッチングボックス１８ｂは、プラズマ源１８のインピーダンスを整合させるために用いられる。電極板１８ａの周囲には、成膜容器１４の隔壁と絶縁するための図示されない絶縁部材が設けられている。一方、電極板１８ａの成膜室１４ａに面する側には、図示されない誘電体が設けられ電極板１８ａの成膜室１４ａに面する面を覆っている。この誘電体には、例えば石英板が用いられる。
【００３６】
高周波電源１８ｃは、例えば１〜１００ＭＨｚの範囲の高周波（例えば１３．５６ＭＨｚ）を出力する。したがって、電極板１８ａの一端に電力が給電されると、電極板１８ａの主表面に沿って電流が流れ、この電流により成膜室１４ａ内に高周波の磁場が形成され、この磁場によって、成膜用ガス、キャリアガス、及び飛散粒子を含む雰囲気において誘導結合プラズマが発生する。
【００３７】
本実施形態のプラズマ源１８は、誘導結合プラズマを生成する電極板１８ａを用いたプラズマ源であるが、平行平板電極間にプラズマを生成させる方式やモノポールアンテナにて高周波電力を共振させ電磁波を生成させることによりプラズマを生成させる方式のプラズマ源であってもよい。
【００３８】
計測ユニット２０は、プラズマＰの発生中に、成膜用ガスに由来する原子の発光とターゲット材１２から生成される飛散粒子に由来する原子の発光とを計測する。計測ユニット２０は、計測結果を制御ユニット２２に送る。計測ユニット２０は、例えばイメージング分光器が好適に用いられる。計測ユニット２０には、集光レンズ２０ａ及びファイバ群２０ｂを介してプラズマＰの光が入射する。例えば、膜３が、シリコンを含んだＤＬＣ膜の場合、成膜用ガスに由来する原子と飛散粒子に由来する原子は、シリコンと炭素を含むので、炭素（炭素原子）の発光とシリコン（シリコン原子）の発光を計測するように、所定の波長の光を計測対象とする。より具体的には、計測ユニット２０は、キャリアガスの所定の波長の光強度に対する、炭素の所定の波長の光強度の比、及び、キャリアガスの所定の波長の光強度に対する、シリコンの所定の波長の光強度の比を計測する。例えば、キャリアガスがアルゴンである場合、７５０．４ｎｍのアルゴンの発光強度に対する２４７．８６ｎｍの炭素の発光強度の比を計測し、７５０．４ｎｍのアルゴンの発光強度に対する２８８．１６ｎｍの炭素の発光強度の比を計測する。この計測により、計測ユニット２０は、プラズマＰ中の活性化された炭素とシリコンの量を特定することができる。これにより、現在形成されるＤＬＣ膜中のシリコン含有量を知ることができる。
【００３９】
制御ユニット２２は、上述した成膜用ガスに由来する原子とターゲット材１２から生成される飛散粒子に由来する原子（この原子は、成膜用ガスに由来する原子と異なる種類の原子である）それぞれの発光強度に基づいて、ターゲット材１２と基材２との離間距離を調整する。
基材２は、保持台２４ａに固定されている。保持台２４ａは、アクチュエータ２４ｂと機械的に接続されており、アクチェータ２４ｂの駆動により、保持台２４ａがターゲット材１２に近づいたり、ターゲット材１２から離れたりする。したがって、アクチュエータ２４ｂを制御することにより、ターゲット材１２と基材２との離間距離を調整することができる。制御ユニット２２は、アクチェータ２４ｂの駆動を、上記発光強度に基づいて制御する。
例えば、ターゲット材１２と基材２との離間距離が１８ｍｍの場合、２〜６ｍｍの範囲内で離間距離を変化させることが好ましい。また、ターゲット材１２と基材２との間の離間距離を、この変化前の離間距離の１０％〜４０％の範囲内で変化させることが好ましい。
【００４０】
なお、保持台２４ａは、ステンレス等の導電性材料で構成されている。保持台２４ａには、パルス電圧源２４ｃと接続されており、パルス状のバイアス電圧が所定の周期で繰り返し印加される。これによって、基材２の周りのイオン化したプラズマＰ中の原子が基材２に吸引され、密度の高い膜３を形成させる効果を得ることができる。基材２が絶縁体材料である樹脂材料であっても、バイアス電圧の立下り、あるいは立ち上がり時に、樹脂材料の中に変位電流が流れることにより、基材２あるいは形成途中の膜３の表面にもバイアス電圧による上記効果が発生する。バイアス電圧は、例えば絶対値で１〜１０ｋＶであることが好ましく、２〜６ｋＶであることがより好ましい。印加するバイアス電圧の印加周波数は、例えば１〜２ｋＨｚであることが好ましい。
【００４１】
図３は、ターゲット材１２からの距離（ｍｍ）に対する、プラズマＰ中の炭素及びシリコンの発光強度の分布の一例を示す図である。図３は、プラズマＰ中の炭素及びシリコンの発光強度を計測ユニット２０で計測した結果である。図３中の“◆”及び“◇”は、上述したターゲット材１２ａからパルス状のレーザを用いたレーザアブレーションにより飛散粒子とともに発生するプラズマＰを用いた成膜処理（“ＰＬＤ”）におけるプラズマＰ中の炭素とシリコンの上述の発光強度の計測結果である。図３中の“■”及び“□”は、電極板１８ａに高周波を印加して発生する誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を上記ＰＬＤによるプラズマに加えたプラズマＰ（“ＰＬＤ＋Ｐ-ＣＶＤ”）内の炭素とシリコンの上述の発光強度の計測結果である。ここで、上記Ｐ-ＣＶＤは、保持台２４ａにパルス状のバイアス電圧を所定の周期で繰り返し印加することも含む。
【００４２】
図３によると、ＰＬＤにおけるプラズマ中の活性した炭素及びシリコンの量は、ターゲット材１２から離れるにつれて低下することが示されているが、ＰＬＤ＋Ｐ-ＣＶＤにおけるプラズマ中の活性化した炭素及びシリコンの量は、ターゲット材１２から離れても低下し難い。その低下量は、ＰＬＤにおけるプラズマに較べて少ない。これは、ＰＬＤにおけるプラズマ中の炭素が、さらに、Ｐ-ＣＶＤで生成されたプラズマによってクラスター化することなく活性化された状態を維持するからであり、あるいは、炭素が一旦クラスター化してもＰ-ＣＶＤで生成されたプラズマによって再度活性化した炭素が生成されるから、である。特に、活性化したシリコンの量は、ターゲット材１２から離れても低下しにくい。
ターゲット材１２からの離間距離（ｍｍ）に応じて活性化した炭素の量と活性化したシリコンの量は，成膜中変化するので、成膜中、計測ユニット２０で、炭素及びシリコンの発光強度の計測結果を見ながら、ターゲット材１２から基材２までの距離（ｍｍ）を調整することにより、所望のシリコンの含有量を有する膜３を形成することができる。これにより、膜３におけるシリコンの含有量を、膜厚方向で一定にすることもできるし、基材２と膜３の境界面から、膜３の表面に向かうに連れて徐々にあるいは段階的に多くすることもできる。
【００４３】
また、制御ユニット２２は、プラズマＰ中の炭素やシリコン等の原子それぞれの発光の強度に基づいて、成膜室１４ａ内の圧力を調整することも好ましい。この場合、制御ユニット２２は、成膜用ガス及びキャリアガスの供給量あるいは、成膜室１４ａから成膜室１４ａ内のガスを排出する排出量を調整することにより、成膜室１４ａ中の圧力の調整を行うことが好ましい。
マスフローコントローラ１６ａ，１７ａを制御することにより、成膜用ガスあるいはキャリアガスを成膜室１４ａに供給する量を調整することができる。これにより、基材２の表面におけるプラズマＰ中のシリコンと炭素の量を、上述したターゲット材１２と基材２との間の距離を変化させるだけでは所望の量に十分に調整することができない場合の調整手段とすることができる。成膜質１４ａ内の圧力が高くなれば、ガスと衝突する頻度が大きくなることによりターゲット１２ａから飛散した飛散粒子のクラスタリングの反応を促進し、膜３の膜質の低下につながり易い。炭素及びシリコンの発光強度を計測することで成膜用ガスの流量を変えて最適な成膜のプロセス条件を得ることができる。例えば，ＤＬＣ膜の良好な膜質を得るために、活性化した原子状の炭素が基材２の表面に存在していることを上述した発光強度の計測により知ることができ、原子状の炭素が基材２の表面に十分存在していない場合、成膜室１４ａ内の圧力を低下させる。
また、例えば、炭素の量に対するシリコンの量の比が目標とする比に較べて小さい場合、シリコンを含んだ成膜用ガスの供給量を増やす。また、シリコンの量と炭素の量の全体を増やす場合、プラズマＰの強度を高くするために、キャリアガスであるアルゴンガスの供給量を一定範囲内で増やす。膜３中のシリコンの量が多いと形成されるＤＬＣ膜の硬度は低くなり、シリコンの量が少ないと形成されるＤＬＣ膜の硬度は高くなる。
【００４４】
このようにして形成される膜３は、成膜終了時点で、あるいは、成膜終了後行う予滑りによる摺動面のなじみプロセスの終了時点で、炭素とシリコンを膜成分として含み、膜３における表面において、炭素とシリコン以外の基材２の成分、例えばＳ（硫黄）を含む。この場合、膜３の表面には、硫化物を含んだ摩擦係数を低下させる低せん断層が形成される。さらに、シリコンの含有量を調整することにより、炭素の全体量に対するＳＰ２混成軌道の炭素の含有量の比を０ａｔ％以上６０ａｔ％未満とすることができる。すなわち、本実施形態における膜３は、上述のＰＬＤ＋Ｐ-ＣＶＤの処理によってはじめて形成される結果物である。成膜用ガスとしてＴＭＳを用いる場合、成膜される膜３には、水素が、例えば、炭素の含有量の５ａｔ％〜３０ａｔ％で含まれていることが好ましく、より好ましくは、炭素の含有量の１５ａｔ％〜２０ａｔ％で含まれている。
【００４５】
本実施形態の膜３（ＰＬＤ＋Ｐ-ＣＶＤ）の動摩擦係数を、往復摺動摩擦摩耗試験装置を用いて(試験条件：湿度２％以下、無潤滑、窒素雰囲気）計測した。図４は、膜形成部材１を含む計測試料の動摩擦係数の一例を示す図である。横軸は、時間軸である。計測した試料の温度は８０℃とした。従来例として、膜３を形成していないＰＥＥＫ（ポリエーテル  エーテル  ケトン）樹脂及びＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂を用い（図４では、“ＰＥＥＫ”，“ＰＰＳ”と表示している）、比較例として、ターゲット材１２ａからレーザアブレーションにより飛散粒子を生成することにより発生するプラズマＰによる成膜（ＰＬＤ）で形成したＤＬＣ膜を用いた（図４では、“ＰＰＳ＋ＤＬＣ（ＰＬＤ）”と表示している）。本実施形態として、レーザアブレーションによるプラズマとプラズマ源１８による誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を含むプラズマＰによる成膜（ＰＬＤ＋Ｐ-ＣＶＤ）で形成したＤＬＣ膜を用いた（図４では、“ＰＰＳ＋ＤＬＣ（ＰＬＤ＋Ｐ-ＣＶＤ）”と表示している）。図４によると、本実施形態の“ＰＰＳ＋ＤＬＣ（ＰＬＤ＋Ｐ-ＣＶＤ）”の動摩擦係数は、略０．０３を一定に維持している。
これより、本実施形態の膜３は、従来に比べて摩擦係数が低下した摺動性能を備える。また、ＤＬＣ膜であるので優れた耐摩耗性能を有する。
【００４６】
図５は、本実施形態の成膜装置１０により形成された膜、具体的には樹脂材料の基材２に形成されたＤＬＣ膜（図５では、“ＰＬＤ＋Ｐ-ＣＶＤ”と表示している）のラマンスペクトルの一例を示す図である。図５は、比較例として、ターゲット材１２ａからレーザアブレーションにより発生するプラズマＰにより成膜した膜（図５では“ＰＬＤ”と表示している）のラマンスペクトルも示している。図５には、炭素材料に特有のＧバンドが示されている。本実施形態の“ＰＬＤ＋Ｐ-ＣＶＤ”のＧバンドのピーク位置（１４８９．３ｃｍ−１）は、“ＰＬＤ”のＧバンドのピーク位置（１５１８．８ｃｍ−１）に較べて低い。また、本実施形態の“ＰＬＤ＋Ｐ-ＣＶＤ”の、ピーク位置両側の背景のレベルは、“ＰＬＤ”の背景のレベルに較べて高くなっている。このことから、膜３には、“ＰＬＤ”に較べてシリコンが多く含まれることにより、炭素の一部が樹脂の形態で含まれているといえる。このような形態により、ダイヤモンド構造を構成するＳＰ３軌道の炭素の量に対する、樹脂構造を構成するＳＰ２軌道の炭素の量の比が、“ＰＬＤ”より増えているといえる。
【００４７】
このような膜３は、上述した成膜装置１０を用いて以下の成膜方法により作製することができる。
（１）形成しようとする膜３の成分の一部となる飛散粒子を、基材２に対向した位置にあるターゲット材１２から生成する。このとき、レーザ光を用いたレーザアブレーション法が用いられる。
（２）ガス源１６は、形成しようとする膜３の成分の一部となる原子を有する成膜用ガスを成膜室１４ａに供給する。
（３）プラズマ源１８は、飛散粒子と成膜ガスを用いて基材２の表面に膜３を形成するために、飛散粒子の雰囲気中で、成膜用ガスを用いてプラズマＰを生成する。
（４）パルス電圧源２４ｃは、プラズマＰの発生中、基材２を保持する保持台２４ａに、パルス状の電圧を間欠的に印加する。
（４）計測ユニット２０は、プラズマＰの発生中、成膜用ガスに由来する原子の発光とターゲット材１２から生成した飛散粒子に由来する原子の発光とを計測する。
（５）制御ユニット２２は、上記計測結果である、発光の強度に基づいて、ターゲット材１２と基材２との離間距離を調整する。
【００４８】
制御ユニット２２がターゲット材１２と基材２との離間距離を調整するとき、さらに、計測した発光の強度に基づいて、成膜室１４ａ内の圧力を調整してもよい。
このとき、成膜室１４ａ内の圧力を、成膜用ガスあるいはキャリアガスの供給量あるいは、成膜室１４ａから成膜室１４ａ中のガスを排出する排出量を調整することにより行うことが小好ましい。
また、ターゲット材１４ａは炭素を含み、成膜用ガスはシリコンを含むことにより、シリコンを含むＤＬＣ膜を作製することができる。
【００４９】
以上、本発明の膜形成部材、成膜装置、及び成膜方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００５０】
１  膜形成部材
２  基材
３  膜
１０  成膜装置
１２  ターゲット材
１２ａ  固定台
１２ｂ  回転モータ
１２ｃ  レーザ光源
１４  成膜容器
１４ａ  成膜室
１４ｂ，１４ｃ  窓
１４ｄ  排気管
１４ｅ  排気ユニット
１６，１７  ガス源
１６ａ，１７ａ  マスフローコントローラ
１６ｂ，１７ｂ  ガス供給管
１８  プラズマ源
１８ａ  電極板
１８ｂ  マッチングボックス
１８ｃ  高周波電源
２０  計測ユニット
２０ａ  集光レンズ
２０ｂ  ファイバ群
２２  制御ユニット
２４ａ  保持台
２４ｂ  アクチュエータ
２４ｃ  パルス電圧源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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