(57)【要約】  三官能性オルガノシラン処理層を含む耐摩耗性コーティングを開示する。さらに物品も開示し、当該物品は、本耐摩耗性コーティングが適用される表面を有する。さらに本耐摩耗性コーティングを適用する方法も開示する。いくつかの実施態様において、オルガノシランはトリメチルシランであり、本耐摩耗性コーティングは化学蒸着法によって適用され、続いて本耐摩耗性コーティングはトリメチルシランの存在下で熱処理される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トリメチルシラン処理層を含む、耐摩耗性コーティング。
【請求項２】
前記層が、分解したジメチルシランの成分を含む、請求項１に記載のコーティング。
【請求項３】
前記層が、分解したジメチルシランの酸化された成分を含む、請求項１に記載のコーティング。
【請求項４】
前記層が、分解したジメチルシランの官能化された成分を含む、請求項３に記載のコーティング。
【請求項５】
前記層が、ケイ素、酸素および炭素の濃度が実質的に安定している領域を有する、請求項１に記載のコーティング。
【請求項６】
前記コーティングが、化学蒸着法によって形成され、ここで該化学蒸着法は：
化学蒸着チャンバー中で基材を製造すること；
化学蒸着チャンバー中でジメチルシランを熱分解すること；
基材上に分解したジメチルシランの成分を堆積させること；および、
トリメチルシランの存在下で基材を加熱することによって、基材の少なくとも表面を処理すること、を含む、請求項１に記載のコーティング。
【請求項７】
前記熱分解した成分を酸化試薬で酸化することをさらに含む、請求項６に記載のコーティング。
【請求項８】
前記酸化試薬が、空気を含む、請求項７に記載のコーティング。
【請求項９】
前記空気が、ゼロ空気（zero air）である、請求項８に記載のコーティング。
【請求項１０】
前記酸化試薬が、窒素を含む、請求項７に記載のコーティング。
【請求項１１】
前記酸化試薬が、水を含む、請求項７に記載のコーティング。
【請求項１２】
前記酸化試薬が、空気、および、水を含む、請求項７に記載のコーティング。
【請求項１３】
前記コーティングが、約１３×１０−５ｍｍ３／Ｎｍ〜約０．５×１０−５ｍｍ３／Ｎｍの耐摩耗性を有する、請求項１に記載のコーティング。
【請求項１４】
前記コーティングが、約０．５８〜約０．０５の摩擦係数を有する、請求項１に記載のコーティング。
【請求項１５】
物品の表面摩耗を減らすために物品の少なくとも１つの表面に適用される耐摩耗性コーティングであって、該コーティングは、約１３×１０−５ｍｍ３／Ｎｍ〜約０．５×１０−５ｍｍ３／Ｎｍの耐摩耗性を有する、上記耐摩耗性コーティング。
【請求項１６】
耐摩耗性コーティングを有する物品であって、ここで該耐摩耗性コーティングは、トリメチルシラン処理層を含み、物品の少なくとも１つの表面に適用される、上記物品。
【請求項１７】
前記物品が、第二の物品と往復運動で接触している、請求項１６に記載の物品。
【請求項１８】
前記物品が、ピストンのヘッド、または、ピストンのシリンダーである、請求項１７に記載の物品。
【請求項１９】
前記物品が、流体の通路を定める流体が接触する表面を含み、ここで該流体が接触する表面に、前記耐摩耗性コーティングが適用される、請求項１６に記載の物品。
【請求項２０】
前記物品が、掘削用具である、請求項１６に記載の物品。
【請求項２１】
前記耐摩耗性コーティングが、ジメチルシランの熱分解による化学蒸着法によって適用される、請求項１６に記載の物品。
【請求項２２】
分解した前記ジメチルシランの成分が、トリメチルシラン処理前に酸化される、請求項２１に記載の物品。
【請求項２３】
分解した前記ジメチルシランの成分が、官能化される、請求項２２に記載の物品。
【請求項２４】
前記耐摩耗性コーティングが、約１００ｎｍ〜約１０，０００ｎｍの厚さを有する、請求項１６に記載の物品。
【請求項２５】
前記耐摩耗性コーティングが、約１３×１０−５ｍｍ３／Ｎｍ〜約０．５×１０−５ｍｍ３／Ｎｍの耐摩耗性を有する、請求項１６に記載の物品。
【請求項２６】
前記耐摩耗性コーティングが、約０．５８〜約０．０５の摩擦係数を有する、請求項１６に記載の物品。
【請求項２７】
前記耐摩耗性コーティングが、物品の動く表面に適用される、請求項１６に記載の物品。
【請求項２８】
前記耐摩耗性コーティングが、物品の静止している表面に適用される、請求項１６に記載の物品。
【請求項２９】
前記耐摩耗性コーティングが適用される物品の表面が、金属、セラミック、ガラスおよびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料で構築される、請求項１６に記載の物品。
【請求項３０】
前記耐摩耗性コーティングが、約１００ｎｍ〜約１０，０００ｎｍの範囲の厚さ、約１３×１０−５ｍｍ３／Ｎｍ〜約０．５×１０−５ｍｍ３／Ｎｍの範囲の耐摩耗性、および、約０．５８〜約０．０５の摩擦係数を有する、請求項１６に記載の物品。
【請求項３１】
物品のコーティング方法であって、該方法は：
基材を提供すること；
基材の表面に約６００℃未満の温度で耐摩耗性コーティングを適用すること；
三官能性オルガノシランの存在下で基材を加熱することによって、基材の少なくとも表面を処理すること、
を含む、上記方法。
【請求項３２】
前記提供する工程が、化学蒸着チャンバー中で基材を製造することを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記適用する工程が、熱化学蒸着法によって耐摩耗性コーティングを堆積させることを含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記堆積させる工程が、ジメチルシランを分解して、分解したジメチルシランの成分を基材の表面上に堆積させることを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記耐摩耗性コーティングを酸化することをさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
前記酸化工程が、空気、水、亜酸化窒素およびそれらの組み合わせからなる群より選択される酸化試薬の存在下で耐摩耗性コーティングを酸化することを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記耐摩耗性コーティングを官能化することをさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記官能化する工程が、酸化工程の後に行われる、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記官能化工程が、処理工程の後に行われる、請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記三官能性オルガノシランが、トリメチルシランである、請求項３１に記載の方法。
【請求項４１】
前記適用する工程が、約１００ｎｍ〜約１０，０００ｎｍの範囲の厚さに適用することを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項４２】
前記処理工程が、約３００℃〜６００℃の範囲温度で加熱することを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項４３】
前記処理工程が、約５〜１００ｐｓｉａの範囲の圧力で起こる、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記耐摩耗性コーティングが、自然発火性ではない材料を用いて適用される、請求項３１に記載の方法。
【請求項４５】
前記提供する工程が、ガラス、金属またはセラミック基材を提供することを含む、請求項３１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権
[0001]本願は、２０１０年１０月５日付けで出願された米国特許出願第６１／３８９，７７７号、および、２０１１年７月１４日付けで出願された米国特許出願第６１／５０７，６５０号の優先権および利益を主張する（これらはいずれも、参照によりその全体が本発明に組み入れられる）。
【０００２】
分野
[0002]本発明の開示は、コーティングを対象とする。より具体的に言えば、本開示は、ジメチルシランの分解によって基材に適用される耐摩耗性コーティングを対象とする。
【背景技術】
【０００３】
[0003]多くの場合において、基材表面は望ましい性能特性を備えていない。特定の望ましい性能特性を持たせることができないと、ある種の環境において表面分解が起こったり、ある種の性能要件を満たさなかったり、またはその両方が起こったりする恐れがある。例えば、ある種の環境において、金属表面、ガラス表面およびセラミック表面は、摩耗やその他の望ましくない表面活性、例えば化学吸着、触媒活性、腐食攻撃、酸化、副産物の蓄積またはスティクションおよび／またはその他の望ましくない表面活性に晒される可能性がある。
【０００４】
[0004]望ましくない表面活性は、他の分子の化学吸着、他の分子の可逆的および不可逆的な物理吸着、他の分子との触媒反応性、外来物質からの攻撃、表面の分子の分解、基材の物理的な損失、またはそれらの組み合わせを引き起こす可能性がある。
【０００５】
[0005]金属触媒の存在下でシリコンハイドライド表面と不飽和炭化水素試薬とを反応させることにより、特定の望ましい性能特性を付与することができる。このようなプロセスには、処理した系から触媒を完全に除去することがしばしば困難であること、触媒の存在によって望ましくない表面活性が再び導入される恐れがあることといった欠点がある。またアモルファスシリコン系の化学蒸着物質は高ｐＨの腐食性媒体で溶解しやすいため、このような環境における使用は制限される。
【０００６】
[0006]表面を望ましくない表面活性から保護するために、表面にコーティングを適用することができる。表面にコーティングを堆積させる既知の方法の一つは、化学蒸着法（また一般的にはＣＶＤとも称される）である。一般的には、化学蒸着法では、制御された雰囲気および温度条件下で蒸気から固体材料を所定時間蒸着させてコーティングを形成する。化学蒸着法は、一次処理、それに続いて所定の分子を付加するための官能化（表面反応）を含む場合がある。
【０００７】
[0007]しかしながら、先行技術においては化学蒸着法が一般的に使用されているが、ケイ素、炭素および水素などの分子は、これまで化学蒸着前駆体として使用するには望ましくないとみなされてきたか、または、プラズマおよびマイクロ波場のような追加の蒸着エネルギーの存在下で他の化学蒸着前駆体と共に適用されていた。従って、このような分子に関連する特性は、熱化学蒸着技術では未だ達成されていない。
【０００８】
[0008]さらに、既知の様々なコーティングでは十分な耐摩耗性が得られず、そのため表面の摩耗が起こる可能性があり、コーティングが適用された部材の運転寿命に影響を及ぼす。稼働環境は一般的に複雑であるため、部材表面の化学的な分解と物理的な分解の両方を防ぐようにコーティングが配合されることが望ましい。侵食的な環境で作動する部材の例は、石油ガス産業で使用される掘削用具である。このような用具は高い負荷、高い速度および摩擦を受けるため、結果的に高温になる。その他の例は、２つの表面間に生じた往復による摩耗に晒される部材である。これらの要因のために、部材表面が摩耗する可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
[0009]従って、既知のシステムに関連する上記の欠点やその他の欠点のうちいくつかまたは全てを克服することができる、現行の耐摩耗性コーティングの改良が望ましいと思われる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
[0010]本発明の開示の代表的な実施態様は、トリメチルシラン処理層を含む耐摩耗性コーティングに関する。
[0011]本発明の開示のその他の代表的な実施態様は、トリメチルシラン処理層を含む表面を有する物品に関する。
【００１１】
[0012]本発明の開示のその他の代表的な実施態様は、物品に耐摩耗性コーティングを適用し、続いて三官能性オルガノシランで処理する方法に関する。
[0013]いくつかの実施態様において、本耐摩耗性コーティングは化学蒸着法によって堆積される。
【００１２】
[0014]いくつかの実施態様において、三官能性オルガノシランは、トリメチルシランである。
[0015]いくつかの実施態様において、本耐摩耗性コーティングは、三官能性オルガノシランでの処理に加えて、酸化および／または官能化される。
【００１３】
[0016]本発明の実施態様の利点は、基材表面に、ケイ素、炭素および水素などのこれまで利用できなかった分子を適用できることである。
[0017]本発明の実施態様のその他の利点は、ＣＶＤによって予めジメチルシランコーティングが適用された基材を、トリメチルシランまたはその他の三官能性オルガノシランで処理することにより、不活性、耐食性、疎水性、ｐＨ耐性、耐摩耗性および硬度のうち１つまたはそれより多くにおいて、このようなコーティングの酸化および／または官能化されているが未処理のタイプのものに比べて改善をもたらし得ることである。
【００１４】
[0018]その他の利点は、上記処理を使用して、コーティングを抗スティクション性（anti-stiction）および抗コーキング（anti-coking）特性に関して調節できる点である。
[0019]本発明の実施態様のその他の利点は、改善された耐摩耗性を有する耐摩耗性コーティングを達成できる点である。
【００１５】
[0020]本明細書において本発明の実施態様のさらなる形態を開示する。当業者は、以下の図面および詳細な説明から、上記で考察したような特徴、加えてその他の本願の特徴および利点を認識し理解できるものと思われる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】[0021]図１は、本開示に係る基材上のカルボシランコーティングの代表的な実施態様を示す。
【図２】[0022]図２は、本開示に係る基材上に層を有するカルボシランコーティングの代表的な実施態様に関するオージェ電子分光法のプロットを示す。
【図３】[0023]図３は、本開示に係る基材上の官能化カルボシランコーティングの代表的な実施態様を示す。
【図４】[0024]図４は、本開示の代表的な実施態様に係る化学蒸着法を示す。
【図５】[0025]図５は、本開示に係る化学蒸着法における典型的な処理方法を示す。
【図６】[0026]図６は、本開示に係る化学蒸着法における典型的な熱分解を示す。
【図７】[0027]図７は、本開示に係る化学蒸着法における典型的な官能化工程を示す。
【図８】[0028]図８は、本開示の実施態様に係る化学蒸着法における典型的な水による酸化プロセスを示す。
【図９】[0029]図９は、本開示の実施態様に係る、化学蒸着法における典型的な水による酸化プロセス（water oxidation process）および官能化方法を示す。
【図１０】[0030]図１０は、ジメチルシランが堆積された官能化表面、および、ジメチルシランが堆積され、官能化されて水で酸化された表面のＦＴ−ＩＲプロットを示す。
【図１１】[0031]図１１は、本開示に係る基材上に水で酸化された層を有するコーティングの代表的な実施態様に関するオージェ電子分光法のプロットを示す。
【図１２】[0032]図１２は、本開示の代表的な実施態様に係る化学蒸着法を示す。
【図１３】[0033]図１３は、本開示の代表的な実施態様に係る空気酸化された材料を処理するプロセスを示す。
【図１４】[0034]図１４は、本開示に係る基材上のコーティングの代表的な実施態様に関するオージェ電子分光法のプロットを示す。
【図１５】図１５は、図１２で説明された処理された材料に関する様々な分析結果を示す。
【図１６】図１６は、図１２で説明された処理された材料に関する様々な分析結果を示す。
【図１７】図１７は、図１２で説明された処理された材料に関する様々な分析結果を示す。
【図１８】図１８は、図１２で説明された処理された材料に関する様々な分析結果を示す。
【図１９】図１９は、図１２で説明された処理された材料に関する様々な分析結果を示す。
【図２０】[0036]図２０は、コーティングが適用された摩耗表面を有するピストンを示しており、これは、摩耗表面が他の表面の上で移動するような用途を図示したものである。
【図２１】[0037]図２１は、コーティングが適用された摩耗表面を有するパイプを示しており、これは、摩耗表面が流体の動きに晒されるような用途を図示したものである。
【００１７】
[0038]可能な限り、全ての図面にわたり同じ部分を示すのに同じ参照番号を用いる。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
[0039]従来技術の欠点がないコーティング、コーティングされた物品、および、コーティング方法を提供する。例えば、本コーティング、物品および方法の実施態様において、ケイ素、炭素および水素などの分子の利用が可能である。一実施態様において、本方法は、余分な金属触媒を利用しないで使用することが可能であり、余分な触媒活性が残留しないように使用することが可能であり、および、それらを組み合わせて使用することが可能である。一実施態様において、本方法は、不活性、耐化学腐食性および／または他の望ましい特性を実質的に低減させることなく硬度を高める。本開示に従って形成された典型的なコーティングによれば、官能性、不活性、調節可能性（tailorability）、疎水性、抗腐食性および／または抗スティクション性、硬度、耐摩耗性またはそれらの組み合わせを改変することが可能である。
【００１９】
[0040]本コーティングは、主として化学蒸着で行われることを目的としており、ここで化学蒸着は、通常（ただし必ずしもその限りではないが）、プラズマを使用した方法ではなく、熱を適用することによってなされる。さらに当然のことながら、６００℃を超えないＣＶＤ以外の適用方法も使用することができる。
【００２０】
[0041]さらなる実施態様によれば、本コーティングは、トリメチルシランで処理されてもよい。一実施態様において、本コーティングは、酸化された後トリメチルシランで処理されてもよい。トリメチルシラン処理により、未処理の酸化および／または官能化コーティングに、不活性、耐食性、疎水性、ｐＨ耐性、耐摩耗性および硬度、ならびにそれらの組み合わせにおいて改善をもたらすことができる。加えて、または、その代わりに、本コーティングは、抗スティクション性および抗コーキング特性に関しても調節が可能である。
【００２１】
[0042]トリメチルシランは、ジメチルシランよりもコストが低く、且つ利用可能性が高いにもかかわらず、これまで化学蒸着法にとっては望ましくないと考えられてきた。一般的には、トリメチルシランを使用すると、例えば比較的高い分解温度（これは、標的とする基材の冶金学的性質に悪影響を与える可能性がある）などの望ましくない特性が生じると予想され、さらにそれが堆積時間が長期化につながると予想され、それによって生産処理能力に影響が出ると考えられてきた。
【００２２】
[0043]図１を参照すると、代表的な実施態様に係る基材１００は、基材１００に望ましい表面作用を付与する層１０２を制御しながら堆積させることによって達成された改善された表面特性を有する表面１０５、コーティング１０１、物品１０３、または、それらの組み合わせを含んでいてもよい。コーティング１０１は、化学蒸着（例えばカルボシランを形成する場合はジメチルシランの化学蒸着）、それに続いて酸化（例えばカルボキシシランを形成する場合は空気酸化）、および／または、官能化（例えば、官能化カルボキシシランを形成する場合はヒドロシランでの官能化）によって形成される。
【００２３】
[0044]上述の望ましい表面作用を付与すると、層１０２および／またはコーティング１０１が基材１００の表面１０５に拡散することにより表面１０５の性能を改善することができる。層１０２は、あらゆる適切な基材に適用することができる。例えば基材１００は、金属基材（第一鉄の基材、または、鉄を含まない基材）、ガラス基材、または、セラミック基材であってもよい。
【００２４】
[0045]代表的な実施態様において、層１０２は、ジメチルシランの熱分解によって形成される。ジメチルシランが熱分解されることによって、層１０２に、活性部位となり得るケイ素、炭素および水素原子などの分子が包含される。このような層１０２中の分子は、第一の部分１０４と第二の部分１０６とを含んでいてもよい。一般的に、第一の部分１０４と第二の部分１０６とを空間的に分割することは不可能である（例えば、第一の部分１０４および第二の部分１０６は、層１０２上に堆積された分子に応じて性質が決まり、これらの分子が層１０２全体にわたって点在している可能性がある）。さらにその上、「第一」および「第二」という用語が使用される場合、これら二つの部分が、何らかの連続性を有する量の差、サイズの差またはその他の区別を有することを意味するわけでなない。そうではなく、「第一」および「第二」という用語は、これら二つの部分の分子の構成を区別するために用いられる。例えば、一実施態様において、第一の部分１０４はケイ素を含み、第二の部分１０６は炭素を含む。一実施態様において、第一の部分１０４および第二の部分１０６は層１０２全体にランダムに結合している。
【００２５】
[0046]図２は、代表的な実施態様に係る基材１００への層１０２および／またはコーティング１０１の拡散を説明する図である。予め選択された表面にジメチルシランを適用することにより、非拡散コーティングに比べて改善された耐薬品性、改善された不活性、および、改善された付着力が得られた。図２は、炭素を含む第一の部分１０４とケイ素を含む第二の部分１０６とを有する層１０２について示された図である。具体的に言えば、図２は、層１０２のオージェ電子分光測定により、基材１００および／または物品１０３中の層１０２の組成を示したものである。
【００２６】
[0047]一実施態様において、ジメチルシランは熱分解し、１５時間にわたりアモルファスカルボシランとして堆積される。この実施態様において、層１０２は、約１３０ナノメートルの厚さを有し、拡散領域１０８部分を含んでおり、ここでこの拡散領域１０８部分は、Ｏ濃度の増加とＣおよびＳｉ濃度の減少に基づいて（例えば少なくとも４つの因子によって）確認可能である。層１０２の範囲は、約０．１マイクロメーター〜約３．０マイクロメーターであってもよい。拡散領域１０８は、約５ナノメートル〜５００ナノメートルであってもよい。一実施態様において、拡散領域１０８は、約２０ナノメートルである。当然のことながら、オージェ電子分光法による拡散層の正確な測定は、基材およびコーティングの表面粗さで相殺される可能性がある。それゆえに、オージェ電子分光法で測定されたような拡散領域は、絶対測定ではなく、上記プロセスによる拡散メカニズムを表示したものである。層１０２のＣ：Ｓｉ：Ｏの組成比は、約１：０．９５：０．１２である。それに対して、化学蒸着チャンバーに導入されるジメチルシランのＣ：Ｓｉの組成比は、約２：１である。ＣＨＸ（Ｘ＝０〜３）部分は保持されて、Ｓｉ−Ｃ結合は壊れると考えられ、従ってこれは、層１０２がＳｉ−Ｃ結合の無定形な配列を含むことを示す。無定形な配列は、例えば基材１００に引張力または圧縮力がかかった際の亀裂または剥落の減少、および／または、付着力の増加といったさらなる利点を提供する。一実施態様において、より厚い層を得るため、または、望ましい特性を得るために、多層のコーティング１０１または類似のコーティングが堆積される。
【００２７】
[0048]図３は、官能化層１１０を有する代表的な実施態様を示す。官能化層１１０は、シリコンハイドライド部分と不飽和炭化水素（例えば、式：Ｈ２Ｃ＝ＣＨ−Ｒ、および／または、ＨＣ≡Ｃ−Ｒで示されるもの）とを熱反応させることによって形成され、層１０２の第一の部分１０４の全部または一部に結合したＲ−基を含み、ここでＲ−基は、１種またはそれより多くの不飽和炭化水素基を有するあらゆる適切な有機試薬によって形成することもできる。Ｒ−基は、炭化水素、置換炭化水素（例えば、ハロゲン化炭化水素）、カルボニル、カルボキシル、エステル、エーテル、アミン、アミド、スルホン酸、有機金属錯体、および／または、エポキシドによって形成することもできる。
【００２８】
[0049]図４は、層１０２を形成するための典型的な化学蒸着法２００を示しており、この方法は、基材を製造する工程（工程２０２）、および、ジメチルシランを熱分解する工程（工程２０４）を含む。基材を製造する工程（工程２０２）は、あらゆる適切な処理方法によって行うことができる。例えば図５を参照すれば、基材を製造する工程（工程２０２）は、化学蒸着チャンバー中で基材を単離する工程（下位工程２０８）、基材を予熱する工程（下位工程２１０）、チャンバーを不活性ガスでフラッシングする工程（下位工程２１２）、および、チャンバーを排気する工程（下位工程２１４）を含んでいてもよい。
【００２９】
[0050]基材を単離する工程（下位工程２０８）は、チャンバー内で、不活性雰囲気中で行われる。チャンバー内のガスフローおよび／または真空を維持することにより、制御された雰囲気を達成することができる。基材表面から水分を脱着させ残存した汚染物質を除去するために、熱源によってチャンバー中の温度を制御してもよい（下位工程２１０）。例えば、処理しようとする表面を、管類が連結された化学蒸着チャンバー内に含ませて、化学蒸着チャンバーにガスフローが出入りできるようにしてもよい。このようなチャンバーは、複数のガスストリームを提供したり除去したりできるように設計された複数の制御された注入口および排出口を含んでいてもよい。１つまたはそれより多くの排出管に、真空室（vacuum）が連結されていてもよい。
【００３０】
[0051]基材の清浄度に応じて、基材は、約１００℃より高い温度、約１気圧未満の圧力で、数分〜約１５時間加熱する工程（下位工程２１０）によって製造してもよい。加熱温度は、一般的に、基材１００の特性に相応した温度である。一実施態様において、時間は、約０．５〜約１５時間である。その他の実施態様において、基材は、約４５０℃で約２時間加熱される。真空中でチャンバーを調整した後、不活性ガスでチャンバーを選択的にフラッシングし（下位工程２１２）、排気してもよい（下位工程２１４）。
【００３１】
[0052]方法２００は、ジメチルシランを熱分解する工程（工程２０４）を含む。一般的に、ジメチルシランは、需要が低いため入手が容易ではない。ジメチルシランは、炭素を含み、シランよりもかなり高価であるため、ある種の化学蒸着用途において望ましくないとみなされてきた。シラン、および、ジメチルシラン、メチルシランのモノメチル類似体はいずれも自然発火性であり、空気中で爆発する可能性がある。ジメチルシランは、可燃性ではあるが、自然発火性ではない。従って、ジメチルシランを使用することによって、安全性に関するリスクを減らすことができる。加えて、ジメチルシランを使用すればコーティングの不活性および／または耐薬品性を得ることができ、それによって基材表面を保護することができる。
【００３２】
[0053]図６を参照すると、ジメチルシランの熱分解（工程２０４）は、ジメチルシランを分解するのに十分な所定の圧力および温度でチャンバーにジメチルシランを導入する工程（下位工程２１６）、分解で生じた成分を、所定の厚さになるように所定の時間、基材１００に堆積させる工程（下位工程２１７）、基材をコーティングする工程（下位工程２１８）、および／または、ジメチルシランのチャンバーをパージする工程（下位工程２２０）を含む。米国特許第６，４４４，３２６号（その全体を参照により本明細書に組み入れる）で説明されているように、典型的なプロセス条件としては、約０．０１ｐｓｉａ〜約２００ｐｓｉａの圧力が挙げられる。温度は、約２００℃〜６００℃であってもよい。時間は、約１０分間〜約２４時間であってもよい。
【００３３】
[0054]一実施態様において、導入されるジメチルシラン（下位工程２１６）は、ジメチルシランをガス状で含む。一実施態様において、基材は、約１．０ｐｓｉａ〜約１００ｐｓｉａの圧力および約３００℃〜６００℃の温度で、約３０分〜約２４時間、ジメチルシランガスに晒される。代表的な実施態様において、基材１００は、ジメチルシランガスに、約４００℃〜約５００℃の温度で約１５時間晒される。ジメチルシランガスの圧力は、約５ｐｓｉａ〜約４０ｐｓｉａであってもよい。
【００３４】
[0055]続いてジメチルシランは、Ｈ、Ｃ、Ｓｉおよびそれらの組み合わせなどの分子レベルの断片に熱的に解離され、これらの成分が基材１００に堆積されることにより（下位工程２１７）、ジメチルシランの分解の結果生じたケイ素、炭素および水素などの物質でコーティング１００が形成される（下位工程２１８）。ジメチルシランガスは、減圧下で反応チャンバーに導入してもよいし、または、分圧希釈剤（pressure dilutant）として、例えば窒素、ヘリウムおよび／またはアルゴンなどの不活性ガスと共に導入してもよい。理論にこだわるつもりはないが、ジメチルシランが熱分解してカルボシリルフラグメントが形成され、これが再度組み合わされて基材表面に結合すると考えられる。基材表面上、加えてチャンバーの露出した表面上において、得られたコーティングは、炭素、ケイ素および水素を有するアモルファスカルボシランを含むと考えられる。また堆積された物質は、オージェ電子分光法の深さプロファイルで図示されているように（図２、拡散領域１０８）基材１００の表面１０５にも放散しており、すなわちこれは、基材１００への付着の様式を裏付けるものである。続いてチャンバーは、ジメチルシラン、および、揮発性の堆積されていないカルボシリルフラグメントでパージしてもよい（下位工程２２０）。より厚い堆積層が望ましい場合、堆積条件を変化させる。これは、温度、圧力、時間またはそれらの組み合わせを変化させることによって達成される。また、工程２０４を繰り返して適用して多層にしてもよい。
【００３５】
[0056]層１０２を形成する際に（図１および２を参照してさらに説明されたように）、追加の工程を行ってもよい。一実施態様において、以下の図７でさらに図示されているように、層１０２が続いて官能化され（工程２０６）、官能化層１１０が形成される。一実施態様において、以下の図８でさらに図説されているように、層１０２（例えばアモルファスカルボシラン）が酸化されると（工程２０５）、初めに酸化された層８０２（例えばアモルファスカルボキシシラン）が形成される。一実施態様において、以下の図９でさらに図説されているように、官能化層１１０（例えば官能化アモルファスカルボシラン）が水で酸化されると、官能化後に酸化された層８０４（例えば官能化されたアモルファスカルボキシシラン）が形成される。一実施態様において、酸化層８０２が官能化されると、酸化後に官能化された層が形成される（示さず）。本明細書で用いられる用語「酸化層」は、概して、初めに酸化された層８０２、官能化後に酸化された層８０４、および、酸化後に官能化された層（示さず）のいずれか１つまたはそれより多くを意味する。
【００３６】
[0057]一実施態様において、方法２００はさらに、図３を参照しながら上記で簡単に述べたように、基材１００の層１０２を官能化して、官能化層１１０を形成する工程（工程２０６）を含む。図７を参照すると、基材１００の層１０２を官能化する工程（工程２０６）は、最初のカルボシランの堆積の後に残存したシリコンハイドライド部分と反応させることによって行ってもよい（工程２０４）。基材上にカルボシランを堆積させた後（工程２０４）、このシステムを不活性ガスでパージし（これは、下位工程２２０のパージであってもよいし、または、別のパージ工程であってもよい）、ここで反応チャンバーを、所定の官能化温度に設定してもよい（下位工程２３２）。このようなパージにより、ガス状のカルボシラン部分および／または基材表面に結合していない未反応のジメチルシラン部分が除去される。パージおよび温度設定の後（下位工程２３２）、チャンバーを排気する（下位工程２３４）。
【００３７】
[0058]続いてチャンバーに、所定のチャンバー内の温度および圧力で結合剤を導入する（下位工程２３６）。一実施態様において、熱を駆動力として用いて、結合試薬が、カルボシリル表面と反応して、シリコンハイドライド部分を介してそこに結合する。結合剤の例は、エチレン、プロピレン、および、置換された不飽和有機分子である。シリコンハイドライドの残留した部分は、加熱条件下で（例えば約４００℃で）Ｈ２Ｃ＝Ｃ−Ｒ、および／または、ＨＣ≡Ｃ−Ｒと反応してもよい。Ｒ−基は、炭化水素、置換炭化水素（例えばハロゲン化炭化水素）、カルボニル、カルボキシル、エステル、エーテル、アミン、アミド、スルホン酸、有機金属錯体、および／または、エポキシドによって形成することもできる。
【００３８】
[0059]一実施態様において、結合剤分子は続いて、基材に結合する（下位工程２４０）。このようなコーティングは、Ｒ−基との炭素−ケイ素共有結合を含む可能性がある。Ｒ−基を修飾することにより、表面の特性を調節することができる。例えば、Ｒ−基を修飾して、表面の疎水性を調節することができる。表面の疎水性を調節するためには、Ｒ−基は、フッ素化炭化水素であってもよい。フッ素化炭化水素は、疎水性および／または疎油性（oleophobic）表面を形成することができる。加えて、または、その代わりに、Ｒ−基は、触媒性または殺菌性の特性を付与する有機金属化合物の置換基を含んでいてもよい。理論にこだわるつもりはないが、シリコンハイドライド部分は、ヒドロシリル化メカニズムによって不飽和炭化水素基と熱反応し、コーティングされた基材の表面に共有結合することができると考えられる。このようにして形成された反応チャンバー内の全ての露出した表面上にコーティングは、Ｒ−基と炭素、ケイ素および水素部分とを含む共有結合したＲ−基を含む。
【００３９】
[0060]一実施態様において、方法２００はさらに、上記で簡単に説明したような基材１００の層１０２を酸化する工程（工程２０５）を含む。所定の酸化条件下で層１０２に活性酸素種を供与することができるあらゆる適切な化学種に晒すことにより、層１０２は酸化されて、酸化された層（上記参照）が形成される。このような化学種としては、例えば、水、酸素、空気、亜酸化窒素、オゾン、過酸化物、および、それらの組み合わせが挙げられる。一般的に、酸化は、コーティング１０１の大部分に影響を与えるバルク反応である。このような酸化は、チャンバー内の温度、チャンバー内での曝露時間、希釈ガスのタイプおよび／または量、圧力、および／または、その他の適切なプロセス条件を増加または減少させることにより制御することができる。酸化を制御することにより、酸化の量および／または深さを増加または減少させることができ、従って表面の耐摩耗性および／または硬度を増加または減少させることができる。一実施態様において、層１０２は、水に晒される（例えば、不活性ガス中で、約１００〜２００ｐｓｉａの圧力で約４５０℃で約２時間）。一実施態様において、官能化層１１０は、水に晒される（例えば、不活性ガス中で、約１００〜２００ｐｓｉａの圧力で約４５０℃で約２時間）。
【００４０】
[0061]このような酸化は、第一鉄の金属表面、鉄を含まない金属表面および／またはガラス表面上の、カルボシランおよび官能化カルボシランベースの、酸化制御による化学蒸着法によって得られた物質の硬度および／または耐摩耗性を改善する。一実施態様において、図８を参照すると、層１０２は、カルボシランのアモルファス層であり、ここで層１０２は酸化されて、初めに酸化された層８０２としてカルボキシシランのアモルファス層が形成される。一実施態様において、図９を参照すると、官能化層１１０は、官能化カルボシランのアモルファス層であり、ここで官能化層１１０は酸化されて、官能化後に酸化された層８０４として官能化カルボキシシランのアモルファスの表面が形成される。
【００４１】
[0062]一実施態様において、酸化工程（工程２０５）は、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）を用いて行われる。具体的に言えば、Ｎ２Ｏは、カルボシランでコーティングされたサンプルを含む容器中で、加熱下（例えば約４５０℃）で、純粋なＮ２Ｏの所定圧力で、適用される。この実施態様において、酸化工程（工程２０５）で過剰な酸化が行われると、過剰な酸化により、接触角が約６０°になり、Ｎ−Ｈ、Ｓｉ−ＯＨおよび／またはＣ−ＯＨ基の量が増加し、比較的弱い耐スクラッチ性が得られ、耐酸性／耐食性が増加する。
【００４２】
[0063]一実施態様において、酸化工程（工程２０５）は、オゾンを用いて行われる。この実施態様において、酸化工程（工程２０５）は、耐摩耗性を低下させ、耐薬品性を低下させ、耐スクラッチ性を低下させ、硬度を低下させ、および、耐酸性／耐食性を増加させる。
【００４３】
[0064]一実施態様において、酸化工程（工程２０５）は、酸化試薬として水（単独）を（例えば約４５０℃の温度で）用いて行われる。この実施態様において、酸化工程（工程２０５）により、Ｓｉウェーハにおける接触角が約８６．６°になり、摩擦が（酸化試薬として空気および水を用いた場合と比較して）小さくなり、耐摩耗性が（例えば酸化試薬として空気と水を用いた場合と比較して）低くなり、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ基が形成される（図１０で説明されているように、９９５．２ｃｍ−１における水で官能化されていないピークと比較した１０２６．９ｃｍ−１におけるＳｉ−Ｏ−Ｓｉピークの成長によって示されている通り）。
【００４４】
[0065]その他の実施態様において、酸化工程（工程２０５）は、空気や水などの酸化試薬を用いて（例えば約４５０℃の温度で）行われる。この実施態様において、酸化工程（工程２０５）で過剰な酸化が行われると、Ｃ−Ｈ基の量が（例えば酸化試薬として水のみを用いた場合と比較して）減少し、Ｓｉ−Ｃ基の量が（例えば酸化試薬として水のみを用いた場合と比較して）減少し、および、Ｓｉ−ＯＨ／Ｃ−ＯＨ基の量が（例えば酸化試薬として水のみを用いた場合と比較して）増加する。
【００４５】
[0066]その他の実施態様において、酸化工程（工程２０５）は、空気（単独）を用いて行われる（例えば約４５０℃の温度で）。この実施態様において、酸化工程（工程２０５）により、摩擦が少なくなり（例えば酸化試薬として空気と水を用いた場合と比較して）、耐摩耗性が増加し（例えば酸化試薬として空気と水を用いた場合と比較して）、および、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ基が形成される。
【００４６】
[0067]一実施態様において、層１０２は、所定の接触角を示し（例えば約９８．３°の前進接触角）、官能化層１１０は、それよりも大きい接触角を示す（例えば約１００°の前進接触角）。一実施態様において、層１０２は、所定の接触角を示し（例えば約９５．６°の前進接触角）、官能化後に酸化された層８０４は、それよりも小さい接触角を示す（例えば約６５．９°の後退接触角）。この実施態様において、酸化工程（工程２０５）により、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ基が形成され、Ｓｉ−Ｈ基の量が減少する（例えば官能化層１１０と比較して）。
【００４７】
[0068]一実施態様において、酸化された層は、酸化されていない層１０２の摩擦係数（例えば約０．９７）よりも低い摩擦係数（例えば約０．８４）を有する。同様に、一実施態様において、酸化された層は、酸化されていない層１０２の摩耗率（例えば４．７３×１０−４ｍｍ３／Ｎ／ｍ）よりも低い摩耗率（例えば約６．７５×１０−５ｍｍ３／Ｎ／ｍ）を有する。
【００４８】
[0069]図１１は、酸化に水を用いた代表的な実施態様に係る基材１００（例えばステンレス鋼）への酸化された層の拡散を説明する図である。具体的に言えば、図１１は、オージェ電子分光法による、基材１００、コーティング１０１および物品１０３中の酸化層の組成を示す。示した通り、酸化は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を作るために酸化および除去を受けるＳｉ−Ｈ部分、加えて、除去される一部のＳｉ−Ｃおよび／または遊離の炭素種で説明される。一実施態様において、酸化層は、約１６００オングストロームの厚さを有し、拡散領域１０８を含んでおり、ここでこの拡散領域１０８は、約２５０オングストロームであり、これはＣおよびＳｉ濃度の減少に基づいて確認可能である。酸化層の範囲は、約０．１マイクロメーター〜約３，０マイクロメーターであってもよい。拡散領域１０８は、約５ナノメートル〜５００ナノメートルであってもよい。酸化層の組成は、約１．０：１．２２：０．９１（Ｃ：Ｓｉ：Ｏ）であり、元々基材１００にある酸化物層のために酸素が増加している。
【００４９】
[0070]また層１０２は、異なる酸化試薬の存在下で酸化されてもよい。一実施態様において、酸化試薬は、ゼロ空気（zero air）である。本明細書で用いられる用語「ゼロ空気」は、総炭化水素量が約０．１ｐｐｍ未満の大気の空気を意味する。一実施態様において、酸化試薬は、ガス状の試薬からなる。加工物質（例えばジメチルシランおよび／または窒素）は気相中でガス状で存在しているために、ガス状の酸化試薬を使用することにより、より簡単な製造のスケールアップ、より移動可能なプロセス、および、より経済的なプロセスが可能になる。
【００５０】
[0071]従って、ジメチルシランは、本開示の実施態様に従って使用すれば化学蒸着法にとって多数の利点がある。加えて熱化学蒸着法によってジメチルシランを堆積させた材料は、式：Ｈ２Ｃ＝ＣＨ−Ｒ、および／または、ＨＣ≡Ｃ−Ｒで示される不飽和炭化水素での表面の官能化に利用可能なＳｉ−Ｈ部分を有する。一方、カルボシラン材料を酸化してカルボキシシラン材料にすることにより材料の硬度と耐摩耗性に劇的な改善がもたらされることは知られているが、不活性や抗腐食性といった望ましい品質が犠牲になる。
【００５１】
[0072]さらに、本明細書に記載の酸化剤は多くの例において十分な性能を示し得るが、酸化試薬として水を使用すると、場合によっては様々な問題を示すこともある。圧力および腐食耐性という特性を達成するためには、必要なチャンバーのサイズと質量が極めて大きくなり、従って、安全上の危険が生じる可能性がある。チャンバーに水を安全に注入するには、かなりの冷却を要する。例えば、約３００℃よりも高温で稼動するチャンバーの場合、その系をまず約１００℃未満に冷却する。これにより、資源製造に要するエネルギーおよび／または時間を消耗してしまう可能性がある。また、水は液体であるため、チャンバーへの水の正確な分配も複雑で費用がかかるものになる可能性がある。
【００５２】
[0073]同様に、試薬として空気を使用する場合も、ある種の状況において様々な問題を示すこともある。このようにして形成されたコーティング済み材料には、分析やクロマトグラフィー用途において吸着を起こす−ＯＨ官能基が存在している可能性がある。このようにして形成された材料は、低周波で低インピーダンス値を示す可能性があり、これが劣った抗腐食性につながる。またこのようにして形成された材料は、水の接触角値が小さいか、または、高い親水性を示す可能性がある。
【００５３】
[0074]より簡単に言えば、酸化試薬として空気を使用すると、コーティングの材料特性が損なわれる可能性がある。例えば、一実施態様において、コーティング１０１には、分析やクロマトグラフィー用途において吸着を起こす−ＯＨ官能基が存在している可能性がある。一実施態様において、コーティング１０１は、低周波で低インピーダンス値を示し、これが劣った抗腐食性につながる。一実施態様において、コーティング１０１は、接触角値が小さいか、または、高い親水性を有する。
【００５４】
[0075]これらの特性は、空気を酸化試薬として使用することを望ましくないものにするようであるが、本発明者等は、図１２に示される方法３００などの代表的な実施態様によれば、堆積後にコーティング１０１またはコーティング１０１の一部をさらに処理することにより、ガス状の酸化試薬を使用する利点を維持しながら、改善された硬度および／または耐摩耗性を犠牲にすることなく劣った特性の作用を改善することができることを確認した。ただし、酸化試薬はこれまでに述べられたような代表的な実施態様に従って使用することもできる。
【００５５】
[0076]図１２を参照すると、一実施態様において、方法３００は、処理層８０６を形成するために、基材１００の層１０２を処理する工程（例えば、基材１００の層１０２の表面を加熱および／または修飾する工程）（工程２０７）を含む（さらに以下で図１３を参照しながら説明される）。方法３００は、図４に示される方法２００、および、このような処理工程（工程２０７）を含む。一実施態様において、このような酸化工程（工程２０５）、例えば初めに酸化された層８０２の酸化工程の後に、処理工程（工程２０７）が行われる。さらなる実施態様において、処理工程（工程２０７）の後に、官能化工程（工程２０９）が行われる。従って、一実施態様において、図１３で説明されているように、酸化層、例えば空気酸化層８０５を処理することにより（工程２０７）、処理層８０６（例えば、トリメチルシリルで処理したアモルファスカルボキシシラン層）が形成される。
【００５６】
[0077]図１３および１４を参照すると、処理層８０６は、ジメチルシランで形成された官能化層１１０および／または空気酸化層８０５よりも大きい耐摩耗性を有する可能性がある。そのようなものとして、方法３００の一実施態様において、処理工程（工程２０７）は、耐摩耗性を高める。例えば、一実施態様において、処理層８０６は、ジメチルシランで形成された官能化層１１０と比べて耐摩耗性が約３４倍改善した。処理層８０６（例えば、空気酸化されたカルボキシシラン層）は、（例えばケイ素上の−ＯＨ（ヒドロキシル）基（シラノール）と）反応させることによって縮合反応（例えばＳｉ−Ｈ（シラン）基との縮合反応）させることによって形成してもよい。一実施態様において、処理工程（工程２０７）は以下の反応を含む： 
Ｒ３Ｓｉ−ＯＨ＋Ｈ−ＳｉＲ’３→Ｒ３Ｓｉ−ＯＳｉＲ’３＋Ｈ２
（ＲおよびＲ’＝有機性基）
[0078]処理層８０６（例えば空気酸化されたカルボキシシラン層）の表面特性は、Ｒ’基を修飾して変化させることによって、または、ヒドロキシル反応が可能な他の分子を用いることによって調節される。例えば、一実施態様において、このような調節により、硬度および耐摩耗性、不活性、電気化学的インピーダンス、接触角ならびにそれらの組み合わせを増加または減少させることによって、処理工程、分析、ガス、石油および半導体産業分野で使用するための適応性および耐久性を高める物理的な性能特性が得られる。Ｒ基は、炭化水素、置換炭化水素、カルボニル、カルボキシル、エステル、エーテル、アミン、アミド、スルホン酸、有機金属錯体、および／または、エポキシドによって形成することができる。理論にこだわるつもりはないが、シリコンハイドライドの部分は、ヒドロシリル化メカニズムによって不飽和炭化水素基と熱反応して、コーティングされた基材の表面と共有結合を形成することができると考えられる。一実施態様において、反応チャンバー内の全ての露出した表面上のコーティング１０１は、Ｒ基、ならびに炭素、ケイ素および水素部分を含む共有結合したＲ基を含む。
【００５７】
[0079]図１４は、代表的な実施態様に係る基材１００（例えばステンレス鋼）への処理層８０６の拡散を説明する図である。具体的に言えば、図１４は、オージェ電子分光法によって示された基材１００および／または物品１０３中の処理層８０６の組成を示す。一実施態様において、処理（工程２０７）により、処理層８０６全体にわたり拡散層１０８に至るまで実質的に安定なＳｉ、ＯおよびＣ濃度が得られる。この実施態様において、Ｓｉ、ＯおよびＣ原子濃度は、それぞれ約４０％、３５％、および、２０％である。一実施態様において、処理層８０６は、約３５００オングストロームの厚さを有し、約４００オングストロームの拡散領域１０８を含み、この領域は、ＣおよびＳｉ濃度の減少およびスパイク、続いてＯの減少に基づいて確認可能である。処理層８０６の範囲は、約０．１マイクロメーター〜約３．０マイクロメーターであってもよい。拡散領域１０８は、約５ナノメートル〜５００ナノメートルであってもよい。処理層８０６の組成は、約１．０：２．２５：１．７５（Ｃ：Ｓｉ：Ｏ）である。
【００５８】
[0080]一実施態様において、処理工程（工程２０７）は、物品１００、コーティング１０１、層１０２、官能化層１１０、空気酸化層８０５またはそれらの組み合わせをオルガノシラン試薬に晒すことを含む実施態様の一つにおいて、オルガノシラン試薬は、一般式：ＲＲ’Ｒ”Ｓｉ−Ｈ（式中Ｒ、Ｒ’、Ｒ”はオルガノ官能基である）で示される三官能性オルガノシランである。オルガノ官能基の例は、アルキル、アリール、ハロゲン化アルキルおよびアリール、ケトン、アルデヒド、アシル、アルコール、エポキシ、および、ニトロ基を含む有機性基、ならびに有機金属化合物の官能基である。一実施態様において、オルガノシランは、トリメチルシランである。
【００５９】
[0081]熱、曝露時間、希釈ガスおよび圧力は、処理工程（工程２０７）の程度に影響を与えるように調節される。このようにして処理工程（工程２０７）の程度を制御することにより、望ましい特性が付与される。一実施態様において、酸化層は、約３００〜６００℃の温度、約１〜２４時間、および、約５〜１００ｐｓｉａの圧力、場合によっては約２５ｐｓｉａ、約２７ｐｓｉａ、約５４ｐｓｉａの圧力、または、それらの間のいずれか適切な範囲の圧力でオルガノシラン試薬に晒される。例えばアルゴンまたは窒素などの不活性希釈ガスは、反応を促進するように約１〜１００ｐｓｉａの分圧で用いられる可能性がある。
【００６０】
[0082]一実施態様において、空気酸化層８０５（例えば、層１０２を空気酸化することによって形成されたジメチルシランベースのカルボキシシラン層）は、トリメチルシランへの曝露（例えば４５０℃、１０時間、２５ｐｓｉａ）で処理される。この実施態様によれば、処理層８０６において、Ｓｉ−ＯＨ官能基が（図１５を参照すれば、３４１１．８ｃｍ−１における空気酸化層８０５と比較して）減少し、接触角の測定値が増加し（例えば、脱イオン水の場合、反応前が約５０．９°であったのに比べて、約９９．１°）、疎水性の存在が示され、優れたインピーダンスが示され（例えば、約１５．４Ｍオームの低周波（Ｚｌｆ）で（図１６および１７で示されるように、空気酸化層８０５のＺｌｆ＝約７．２７ｋオームからの増加）、および／または、図１８および１９で示されるように、ナイキストプロットからの約０．０７２の末端ＺＲ／Ｚｌ比で）、ならびにそれらの組み合わせが示される。
【００６１】
[0083]上記実施態様において、部材の表面の摩耗を防ぐのに十分な耐摩耗性を提供することが望ましく、ここでこのような表面の摩耗としては、コーティング１０１および／または層１０２が堆積される部材の摩耗（滑ったり回転する動きにおける表面の摩耗）、および、摩擦（接触する本体の相対的な動きに対する抵抗）が挙げられる。摩耗は、２つの表面または物質が、負荷がかかった状態で滑りまたは回転などの運動を受けるときに起こる。摩耗は、実質的には固体表面から物質が移動するプロセスであり、剥離、浸食、付着、表面の疲労および／または腐食によって引き起こされる可能性がある。図２０および２１に、摩耗が起こる用途の例を図説する。図２０で示される用途において、２つの表面９０１および９０２が接触しており、往復運動の際にそれぞれ相対的に移動する。示された代表的な実施態様において、表面は、ピストンのヘッド９０３とシリンダー９０４上の表面であるが、あらゆる移動する部品の表面であってもよい。図２１で示される用途において、表面９１０は移動する流体と接触する。示された代表的な実施態様において、表面は、ガスおよび／または液体などの流体がその中を矢印９１２で示されるように流動するパイプ９１１の内部であるが、表面は、流体の動きと接触していればどの部分の表面であってもよい。
【００６２】
[0084]適切な耐摩耗性を有していれば、表面の摩耗が低減されるため、効果的に部材の運転寿命を延ばすことができる。操作上の環境は一般的には複雑であるため、部材表面への化学的および物理的な劣化が防止されるようにコーティング１０１および／または層１０２を配合することが重要である。攻撃的な環境で作動する部材の適用例は、石油ガス産業で使用される掘削用具である。このような用具は高い負荷、高い速度および摩擦を受けるため、結果的に高温になる。これらの要因が、部材の表面の摩耗を引き起こす原因となる可能性がある。コーティング１０１および／または層１０２が有効になり得る攻撃を受けやすい環境または厳しい環境におけるその他の用途としては、これらに限定されないが、微粒子の流動および／または滑りによる摩耗を受けるシステムまたは部材が挙げられる。このような用途としては、これらに限定されないが、管類、フィッティング類、バルブ（回転式、ボール、スライドなど）、注入装置、ピストンリング、スライド式Ｏリング、シリンダー、調節器、混合システム、サンプリング器具、石油ガス産業、プロセスおよび分析機器で使用するための分析システム、内燃エンジン、半導体などが挙げられる。
【００６３】
[0085]コーティング厚さは、コーティングしようとする部分の構造と要求される仕上げのタイプに応じて決められるが、開示された方法に従って作製された代表的な実施態様において、コーティング１０１または層１０２は、約１００ｎｍ〜約１０，０００ｎｍの厚さを有し、または、より具体的には約２００ｎｍ〜約５，０００ｎｍの厚さを有し、または、さらにより具体的には約３００ｎｍ〜約１５００ｎｍの厚さを有する。耐摩耗性は、約１３×１０−５ｍｍ３／Ｎｍ〜約０．５×１０−５ｍｍ３／Ｎｍの範囲であり、または、より具体的には、約９×１０−５ｍｍ３／Ｎｍ〜約１×１０−５ｍｍ３／Ｎｍの範囲であり、または、さらにより具体的には、約６．２×１０−５ｍｍ３／Ｎｍ〜約１．３×１０−５ｍｍ３／Ｎｍの範囲である。摩擦係数は、約０．５８〜約０．０５の範囲であり、または、より具体的には、約０．５〜約０．０７５の範囲であり、または、さらにより具体的には約０．３８〜約０．１の範囲である。
【００６４】
[0086]本発明に従って適用されたコーティング１０１および／または層１０２は、合わさった表面の応力相互作用および変形特性によって引き起こされる剥離、接着および疲労などの摩耗に対する耐性を改善する。摩損（また、引掻き（scratching）、ガウジング（gouging）またはスコアリング（scoring）とも称される）は、物質がある表面から他のそれより硬い物質によって除去され、２つの表面間に屑の硬い粒子が残る場合に起こる。付着摩耗（かじりまたはスカフィングと呼ばれることが多い）は、加圧下で界面の粘着性の接合部分が互いに滑り合ったとき、それら２つの表面がかみ合うことにより起こる。標準圧力がかかると、表面の凸部における局所的な圧力が極めて高くなり、降伏応力を超えて表面の凸部を可塑的に変形させることが多い。疲労は、機械装置の定期的な動きが部材の表面に対する応力を引き起こす場合に起こる。これらの作用は、主として表面または表面下での応力の作用に基づいており、検討対象の表面が必ずしも物理的に直接接触していないこともある。２つの表面が互いに滑り合うと、表面からいくらか下方で最大の剪断応力が生じることにより微小なひび割れが入り、それが表面に拡がり、結果的に部材の不良が生じる。
【００６５】
[0087]加えて、コーティング１０１および／または層１０２は、部材表面の（固体と液体どちらもからの）浸食および腐食に対する耐性を改善する。（固体と液体どちらもからの）浸食は、粒子が部材の表面に衝突したり流れが接触したりすることにより発生する。腐食摩耗において、接触している表面が環境と反応して、表面の凸部上に反応生成物が形成される。続いて、物質の接触相互作用におけるひび割れの形成および／または剥離の結果として反応生成物の摩滅が起こる。
【００６６】
[0088]本発明に従って作製および適用されたコーティング１０１および／または層１０２は、コーティング１０１および／または層１０２の基材１００への付着を強くすることから、コーティング１０２および／または層１０２の摩耗特性を改善する。コーティング１０１および／または層１０２は硬く、それが結合している基材１００の表面にしっかりと付着する。それにより、基材１００が晒されて摩耗および／または浸食を受ける攻撃的な環境または厳しい環境でコーティング１０１および／または層１０２を使用することが可能になる。図２０に示される代表的な実施態様において、表面９０１、９０２のどちらかにコーティング１０１が適用されてもよい。あるいは表面９０１、９０２の両方にコーティングが適用されてもよい。図２１に示される代表的な実施態様において、表面９１０にコーティング１０１が適用されてもよい。加えて、部品９１１を運搬中のダメージ等から保護するために、外面９１３にコーティング１０１が適用されていてもよい。
【実施例】
【００６７】
実施例１
[0089]実施例１は、基材１００に、２時間、８ｐｓｉａのガスで、４５０℃でジメチルシランを導入して層１０２を形成することを含む。この実施例１において、層１０２は、鏡面研磨した３１６枚のステンレス鋼の（わずかに黄色の）切り取り試片上でほぼ検出不可能であった（すなわち、視覚的に確認することが極めて困難であった）。測定したところ、堆積処理前の水の接触角データが約６０°であることがわかった。ジメチルシランで堆積処理した後、接触角は約１０２°に増えた。層１０２は視覚的に確認できなかったが、そのデータから、表面１０５の層１０２上に有意な密度のカルボシリル材料が極めて薄く堆積されていることが示された。利用可能な分光分析技術でコーティングを検出するには感度が不十分であったため、層１０２の厚さは約１００オングストロームと推測した。
【００６８】
実施例２
[0090]実施例２は、基材１００に、１５時間、８ｐｓｉａのガスで、４５０℃でジメチルシランを導入して層１０２を形成することを含む。実施例２において、層１０２は、視覚的に確認できる光る虹状の色の列を有していた。測定したところ、鏡面仕上げした３１６個のステンレス鋼の表面、および、研磨されたシリコンウェーハ表面について約１００°の脱イオン水平均接触角データが示された。ＦＴ−ＩＲから、２９５０ｃｍ−１での測定値に基づきＣ−Ｈの存在、７９２ｃｍ−１での測定値に基づきＳｉ−Ｃの存在、および、２１０２ｃｍ−１での測定値に基づきＳｉ−Ｈ部分の存在が示された。層１０２の厚さは、スペクトロメーターにより約８００オングストロームと測定された。オージェ電子分光法を利用して追加の測定も行われた。その測定から、層１０２においてＳｉおよびＣ原子濃度の増加が示された。この測定からさらに、ＳｉおよびＣ原子濃度が拡散領域１０８に近づくに従って減少していることが示され、これは濃度Ｆｅ、ＣｒおよびＮｉ原子の増加によって説明される。この測定から、ＳｉおよびＣ原子濃度は拡散領域１０８を超えた地点で漸近的にゼロに近づくことが示された。この測定からさらに、拡散領域１０８は、Ｏ原子濃度が増加していることに基づいて確認できることも示された（堆積前の基材１００の表面１０５上の表面酸化物のため）。
【００６９】
実施例３
[0091]実施例３は、基材１００に、１５時間、８ｐｓｉａのガスで、４５０℃でジメチルシランを導入して層１０２を形成すること、続いて基材１００の層１０２を、不活性ガス中で、水で２時間、約１００〜２００ｐｓｉａのガス、４５０℃で酸化して酸化層８０２を形成することを含む。実施例３は、望ましくない結果を示した。例えばＦＴ−ＩＲデータから、表面の修飾化学について官能基部分（Ｓｉ−ＯＨまたはＳｉ−Ｈ）の存在がまったく検出されなかった。酸化層８０２は、８６．６°のＳｉウェーハ上の接触角、および、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ基の存在を示した。
【００７０】
実施例４
[0092]実施例４は、基材１００に、１５時間、８ｐｓｉａのガスで、４５０℃でジメチルシランを導入して層１０２を形成すること、続いて基材１００の層１０２を、酸化試薬混合物で、２時間、約１００〜２００ｐｓｉａのガス、３００℃で酸化して酸化層８０５を形成することを含む。酸化試薬混合物は、空気および水を含む。実施例４は、望ましくない結果を示した。ＦＴ−ＩＲデータによれば、酸化層８０５は過剰に酸化され、Ｃ−Ｈ基の減少（実施例３と比較して）、Ｓｉ−Ｃ基の減少（実施例３と比較して）、および、Ｓｉ−ＯＨ／Ｃ−ＯＨ基の増加（実施例３と比較して）を示した。
【００７１】
実施例５
[0093]実施例５は、基材１００に、１５時間、８ｐｓｉａのガスで、４５０℃でジメチルシランを導入して層１０２を形成すること、続いて基材１００上の層１０２を、空気で、２時間、約１００〜２００ｐｓｉａのガスで、３００℃で酸化して酸化層８０５を形成することを含む。実施例５で、ＦＴ−ＩＲデータ（幅広；３４１４ｃｍ−１）で観察された有意なＳｉ−ＯＨの伸長部分を有する酸化されたカルボシラン材料を製造した。接触角は、脱イオン水の場合、５０．９°と測定された。電気化学的インピーダンス分光分析で、低周波で、Ｚｌｆ＝約７．２７ｋオームのインピーダンスが示された。この材料の耐摩耗性を、摩擦計（ＣＳＭインスツルメンツ（CSM Instruments）Ｓ／Ｎ１８−３４３）を用いて、標準的な１００個のＣｒ６ボールを３．００ｃｍ／秒の線速度で回転させて０．５Ｎの力をかけて解析したところ、４．１４１×１０−３の摩耗（ｍｍ３／Ｎｍ）が示された。酸化層８０５は、より少ない摩擦（実施例３と比較して）、より多くの摩耗（実施例３と比較して）、および、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ基の存在を示した。
【００７２】
実施例６
[0094]実施例６は、実施例２で形成された層１０２をエチレンで官能化して官能化層１１０を形成することを含む。官能化層１１０は、９８．３°の水の前進接触角、および、８５．１°の水の後退接触角を示した。図１０で示されるように、ＦＴ−ＩＲデータから、Ｓｉ−ＯＳｉ基が存在しないこと（１０２７ｃｍ−１における伸長部分に基づき）、および、Ｓｉ−Ｈ基の量の減少（２０９１ｃｍ−１における伸長部分に基づき）に基づいてほとんど酸化が起こらなかったことが示された。
【００７３】
実施例７
[0095]実施例７は、実施例２で形成された層１０２をエチレンで官能化して官能化層１１０を形成することを含む。続いて、官能化層１１０を、チャンバーに添加された５ｍｌの脱イオン水（ＤＩ）で酸化した。チャンバーを数回の窒素のフラッシングと軽度の真空に晒し、密封容器から空気を除去した。チャンバー中の温度を４５０℃に約２時間保持し、その後室温に戻した。官能化層１１０を酸化したことにより官能化後に酸化された層８０４が形成され、この官能化後に酸化された層８０４の水の接触角データによれば、前進接触角は９５．６°、および、後退接触角は６５．９°であることが示された。図１０で示されるように、ＦＴ−ＩＲから、酸化により、実施例６で形成された官能化層１１０と比較して、Ｓｉ−ＯＳｉ基量の増加（１０２７ｃｍ−１における伸長部分に基づき）、および、Ｓｉ−Ｈ基量の減少（２０９１ｃｍ−１における伸長部分に基づき）が示された。
【００７４】
実施例８
[0096]実施例８は、層１０２（ジメチルシラン）にトリメチルシランを１５時間、８ｐｓｉａのガスで、４５０℃で導入することを含む。実施例８は、基材１００上のコーティングが視覚的に確認できない、または、分光分析で測定できない、または、分子コーティングの存在を示す指標がまったくみられない（例えば水の接触角値の有意な変化がない）といった望ましくない結果を示した。
【００７５】
実施例９
[0097]実施例９は、実施例５でトリメチルシランを用いて形成された酸化層８０５を処理して、処理層８０６を形成することを含む。具体的に言えば、材料を含む排気されたチャンバーに、４５０℃、２５ｐｓｉａでトリメチルシランを添加し、約１０時間反応させた。得られたＦＴ−ＩＲデータから、Ｓｉ−ＯＨ官能基の損失が示された（図１５を参照）。接触角を測定したところ、脱イオン水の場合９９．１°であり、これは、疎水性の存在を示唆している。電気化学的インピーダンスの分光分析から、低周波で１５．４Ｍオームのインピーダンス（Ｚｌｆ）が示された。また電気化学的インピーダンスの分光分析から、ボーデのプロットとナイキストプロットから０．０７２の末端のＺＲ／Ｚｌ比も示された（図１６〜１９を参照）。この材料の耐摩耗性を、摩擦計（ＣＳＭインスツルメンツＳ／Ｎ１８−３４３）を用いて、標準的な１００個のＣｒ６ボールを３．００ｃｍ／秒の線速度で回転させて０．５Ｎの力をかけて解析したところ、１．２２５×１０−４の摩耗（ｍｍ３／Ｎｍ）を示し、これは未処理の材料と比較して３４倍の増加であった。
【００７６】
[0098]本発明の所定の特徴および実施態様だけを示し説明したが、当業者にとっては、請求項に記載された主題の新規の教示および利点から著しく逸脱することなく、多くの改変および変更（例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造、形状および比率、パラメーター値（例えば温度、圧力など）、マウントする配置、材料の使用、色、配置などのバリエーション）を施すことが可能である。あらゆるプロセスまたは方法工程の順番または配置を、他の実施態様に従って変更または再配列させることが可能である。従って当然のことながら、添付の請求項は、このような全ての改変および変化が本発明の真の本質の範囲に含まれるようにすることを意図している。さらに、代表的な実施態様の簡潔な説明を示すために、実際に行われる実施の全ての特徴（すなわち、目下考慮された本発明の実施の最良の形態に関連しない特徴、または、特許請求された発明を実施可能にすることに関連しない特徴）を説明することはできない。当然のことながら、このような実際の実施の様々な開発において、あらゆる工学または設計案の場合と同様に、それぞれの実施に応じた固有の判断をなすことが可能である。このような開発努力は、複雑で時間がかかる場合があるが、この開示の利点を受ける当業者にとっては、余計な実験を要しない、慣例的な設計、組み立ておよび製造作業であると予想される。
【符号の説明】
【００７７】
１００  基材
１０１  コーティング
１０２  層
１０３  物品
１０４  第一の部分
１０５  表面
１０６  第二の部分
１０８  拡散領域
１１０  官能化層
２００  化学蒸着法
２０２、２０４、２０５、２０６、２０７、２０９  工程
２０８、２１０、２１２、２１４、２１６、２１７、２１８、２２０、２３２、２３４、２３６、２４０  下位工程
３００  方法
８０２  初めに酸化された層
８０４  官能化後に酸化された層
８０５  空気酸化層
８０６  処理層
９０１、９０２  表面
９０３  ピストンのヘッド
９０４  シリンダー
９１０  表面
９１２  矢印
９１１  部品、パイプ
９１３  外面
【図１】
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【図３】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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