(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ層構造を持ち、非結晶質で水素を含むダイヤモンド状カーボンフィルムであって、前記ｎの値は６〜３０であって、各層の成分は、カーボン、水素及びＸ元素を含むダイヤモンド状カーボンであって、前記Ｘは、クロム、チタニウム、クロムとチタンの合金、又は窒化クロムの一つであって、且つ第一層から第ｎ層まで、各層のＸ成分の原子パーセンテージは上側の層ほど減少しており、前記ダイヤモンド状カーボンフィルムの各層の中で、Ｘ成分の原子パーセンテージは０．２％〜１％であることを特徴とするダイヤモンド状カーボンフィルム。
【請求項２】
前記ダイヤモンド状カーボンフィルムの第ｍ層の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：（ｎ−ｍ＋１）Ｘであって、ｍの値は、１〜ｎであることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド状カーボンフィルム。
【請求項３】
前記ダイヤモンド状カーボンフィルムの各層の厚さは０．１ｎｍ〜３０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド状カーボンフィルム。
【請求項４】
前記ダイヤモンド状カーボンフィルムの厚さは、０．６ｎｍ〜９００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド状カーボンフィルム。
【請求項５】
前記ダイヤモンド状カーボンフィルムは、鋳型、又はカッターの表面に用いられることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド状カーボンフィルム。
【請求項６】
前記ダイヤモンド状カーボンフィルムの各層の厚さは、１ｎｍ〜３０ｎｍであることを特徴とする請求項５に記載のダイヤモンド状カーボンフィルム。
【請求項７】
前記ダイヤモンド状カーボンフィルムの厚さは、６ｎｍ〜９００ｎｍであることを特徴とする請求項５に記載のダイヤモンド状カーボンフィルム。
【請求項８】
前記ダイヤモンド状カーボンフィルムは、磁気記録媒体の表面に用いられることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド状カーボンフィルム。
【請求項９】
前記ダイヤモンド状カーボンフィルムの各層の厚さは、０．２ｎｍ〜０．５ｎｍであることを特徴とする請求項８に記載のダイヤモンド状カーボンフィルム。
【請求項１０】
前記ダイヤモンド状カーボンフィルムの厚さは、１．２〜１５ｎｍであることを特徴とする請求項８に記載のダイヤモンド状カーボンフィルム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層フィルム構造に関するものであり、特に鋳型、カッター或は磁気記録媒体に用いられるダイヤモンド状カーボンフィルムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンド状カーボン（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ，ＤＬＣ）は、十九世紀七十年代初期にＡｉｓｅｎｂｅｒｇ等の人物によってイオン・ビームをスパッタ堆積する技術を使って製造された。また、ダイヤモンド状カーボンの性質及び応用に関する研究が前後して展開された。
【０００３】
知られているように、カーボン同素体（Ａｌｌｏｔｒｏｐｅｓ）の化学結合として、ＳＰ１鎖状構造、ＳＰ２石墨層状構造及びＳＰ３共有結合のダイヤモンド立方構造などの３種類の形式を持っているので、カーボンは、多種の結晶及び非結晶の固体形式がある。換言すれば、それは、多種の単純結合又は混合結合から構成されるカーボン材料を持ち、且つ異なる結合の混合は、カーボン材料の電気的、光学的、化学的及び機械的性質に影響する。ダイヤモンド状カーボンと言われるものは、ＳＰ1、ＳＰ2、ＳＰ3結合がランダム混合的に配列された一連の非晶態カーボンであって、その中でＳＰ3結合の含有量は割合に高く、且つ依然としてダイヤモンドの特性を持つ。その水素原子含有量に基づいて、それを非結晶質で水素を含むダイヤモンド状カーボン（Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎｅｒａｔｅｄ  Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ，略記ａ−Ｃ：Ｈ）と、非結晶質ダイヤモンド状カーボン（Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ，略記ａ−Ｃ）に分けることができる。その中で、ａ−Ｃ：Ｈは、水素原子を２０〜６０％含む。さらに、ａ−Ｃの中で、ＳＰ3結合含有量が割合に高い非結晶質ダイヤモンド状カーボンを四面体非結晶質ダイヤモンド状カーボン（ｔｅｔｒａｈｅｄｒａｌ  Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ，略記ｔａ−Ｃ）と呼ぶ。各種カーボンフィルムの構造は大きく異なるから、従って、その性能も大きく異なる。
【０００４】
研究者たちは、ダイヤモンド状カーボンフィルムがダイヤモンドのような優れた特性を持っているのを発見した。例えば、高い硬度、高い熱伝導性、幅広い光学透過範囲、優れた電学性能、高い表面平滑度及び優れた磨損に耐える性能などであって、且つダイヤモンドに比べて、それは割合に低い温度（例えば室温）でフィルムになることができるので、フィルムになることを、いっそう容易に行なえる。だから、ダイヤモンド状カーボンは、最も良好に磨損に耐える材料の一つとして、光学的、電子的、機械的工程などの領域全体において、割合に高い応用背景が有って、例えば、鋳型、カッター、歯車及び光学記録媒体（例えば、ハードディスク、ディスクケット）などの摩擦しやすい部材において摩擦に耐える層に用いられる。
【０００５】
前記部材の摩擦に耐える性能、耐久性及び信頼性を高めるために、従来の方法は、基材の表面に、ダイヤモンド状カーボンフィルムを一層スパッタリングして保護層とする。しかし、ダイヤモンド状カーボンフィルムと基材の間は、堅く結び付けることができず、脱落しやすい。それには二つの原因がある。一つの原因は、ダイヤモンド状カーボンフィルムの性能は安定で、あらゆる基材と全て化学反応が発生せず、前記ダイヤモンド状カーボンフィルムと基材の間の連接は分子間の力に属しており、付着力は弱い。もう一つの原因は、前記ダイヤモンド状カーボンフィルムと基材の間の熱膨張係数は大きく異なるから、基材とダイヤモンド状カーボンフィルムの間に応力を残留し及びダイヤモンド状カーボンフィルムの高い内部応力を引き起こす。これは、ダイヤモンド状カーボンフィルムをさらに応用することを制限する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、前記課題を解決し、基材と堅く結び付けることができ、磨損に耐えることができ、腐食に耐えることができる多層フィルム構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明に係るダイヤモンド状カーボンフィルムは、ｎ層構造を持ち、非結晶質で水素を含むダイヤモンド状カーボンフィルムであって、前記ｎの値は６〜３０であって、各層の成分は、カーボン、水素及びＸ元素を含むダイヤモンド状カーボンであって、前記Ｘは、クロム、チタニウム、クロムとチタンの合金、又は窒化クロムの一つであって、且つ第一層から第ｎ層まで、各層のＸ成分の原子パーセンテージは上側の層ほど減少しており、前記ダイヤモンド状カーボンフィルムの各層の中で、Ｘ成分の原子パーセンテージは０．２％〜１％である。前記ダイヤモンド状カーボンフィルムの第ｍ層の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：（ｎ−ｍ＋１）Ｘであって、ｍの値は、１〜ｎである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のダイヤモンド状カーボンフィルムの第ｎ層は、Ｘが金属又はその合金を代表するため、その磨損に耐える性能、腐食に耐える性能は、ダイヤモンド状カーボンより非常に低いが、それは多層フィルム構造を強めることができる強度を持つため、金属又は合金を含まないダイヤモンド状カーボンフィルムに比べて、其の強度は高く、且つ其の含有量は少ないほど、磨損に耐える性能、腐食に耐える性能はもっと優れるから、使用寿命を延長することができる。多層フィルム構造の第一層の金属の含有量が高ければ、多層フィルム構造と基材との結合力を増やすことに有利で、それは脱落し難いことになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明のダイヤモンド状カーボンフィルム１０の構成を示す図である。該ダイヤモンド状カーボンフィルム１０は、多層構造を持ち、非結晶質で水素を含むダイヤモンド状カーボンフィルムである。該ダイヤモンド状カーボンフィルム１０の層数はｎで表示されており、ｎの値は６〜３０の整数であって、各層の成分は、全て他の層と異なる。その中で、基材と結び付ける一端は第一層１１と設定されており、それと相対する別の一端は第ｎ層１６と設定する。ある一層を第ｍ層、且つｍは１−ｎの整数と設定すれば、第ｍ層の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：（ｎ−ｍ＋１）Ｘである。換言すれば、第一層１１の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：ｎＸであって、第二層１２の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：（ｎ−１）Ｘであって、第三層１３の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：（ｎ−２）Ｘであって、……、第ｎ−２層１４の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：３Ｘであって、第ｎ−１層１５の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：２Ｘであって、第ｎ層１６の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：Ｘである。前記表現式から、第一層１１から第ｎ層１６まで、各層のＸ成分の原子パーセンテージは次第に減少していることを見出すことができ、換言すれば、第一層１１の中のＸ成分の原子パーセンテージは最も多く、第ｎ層１６の中のＸ成分の原子パーセンテージは最も少ない。
【００１０】
本実施形態において、前記Ｘは、クロム、又はチタニウム、又はクロムとチタンの合金、又は窒化クロムを表しており、第一層から第ｎ層に向かって、各層のＸ成分の原子パーセンテージは次第に減少して、０．２％〜１％である。
【００１１】
前記Ｘは、金属又はその合金を代表するため、その磨損に耐える性能、腐食に耐える性能は、ダイヤモンド状カーボンに比べて非常に低いが、それはダイヤモンド状カーボンフィルム１０を強めることができる強度を持つため、金属又は合金を含まないダイヤモンド状カーボンに比べて、其の強度は高く、且つ其の含有量は少ないほど、磨損に耐える性能、腐食に耐える性能はもっと優れるから、使用寿命を延長することができる。だから、Ｘ含有量が最も少ない第ｎ層１６は、加工対象となる部品と通常直接的に接触する。
【００１２】
第一層１１のＸ成分の原子パーセンテージは最も多く、基材は通常では金属であるから、ダイヤモンド状カーボンフィルムの金属の含有量が高ければ、ダイヤモンド状カーボンフィルムと基材との結合力を増やすことに有利で、それは脱落し難いことになる。
【００１３】
前記ダイヤモンド状カーボンフィルム１０において、各層の厚さは全て０．１ｎｍ〜３０ｎｍである。全体の厚さは、０．６ｎｍ〜９００ｎｍである。且つ異なる基材材質に基いて、各層の厚さは異なる。例えば、もし基材がディスクなどの磁気記録媒体ならば、各層の厚さは０．２〜０．５ｎｍであって、多層ナノ構造から構成されるダイヤモンド状カーボンフィルムの全体の厚さは、１．２〜１５ｎｍであって、良ければ１．５〜３ｎｍである。前記磁気記録媒体の磨損に耐える性能、腐食に耐える性能及び結合力を増やすのを条件として、ダイヤモンド状カーボンフィルムの厚さは薄いほど、磁気記録機能はもっと強くなる。もし基材が、鋳型又はカッターであるならば、各層のナノ構造の厚さは１〜３０ｎｍであって、多層ナノ構造から構成されるダイヤモンド状カーボンフィルムの全体の厚さは、６ｎｍ〜９００ｎｍであって、良ければ３０〜４５０ｎｍである。
【００１４】
前記ダイヤモンド状カーボンフィルムの第１の実施形態として、該ダイヤモンド状カーボンフィルムは６層構造であって、第一層の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：６Ｘであって、第二層の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：５Ｘであって、第三層の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：４Ｘであって、第四層の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：３Ｘであって、第五層の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：２Ｘであって、第六層の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：Ｘである。前記ダイヤモンド状カーボンフィルムは、ディスク表面の保護フィルムとして用いられ、各層の厚さは０．２ｎｍであって、ダイヤモンド状カーボンフィルムの総括的な厚さは、１．２ｎｍである。
【００１５】
前記ダイヤモンド状カーボンフィルムの第２の実施形態として、該ダイヤモンド状カーボンフィルムは３０層構造であって、第一層の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：３０Ｘであって、第二層の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：２９Ｘであって、第三層の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：２８Ｘであって、……、第二十八層の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：３Ｘであって、第二十九層の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：２Ｘであって、第三十層の成分は、ａ−Ｃ：Ｈ：Ｘである。前記ダイヤモンド状カーボンフィルムは、鋳型表面の保護フィルムとして用いられ、各層の厚さは３０ｎｍであって、ダイヤモンド状カーボンフィルムの総括的な厚さは、９００ｎｍである。
【００１６】
本実施形態において、前記ダイヤモンド状カーボンフィルムは、他の部品、例えば、ディスク、カッター、鋳型などの保護フィルムとして用いられることができ、それは上述の最適化設計を経った多層構造であって、最適化設計の目的は、多層フィルム構造としての整体性能を向上するためである。
【００１７】
図２は、ダイヤモンド状カーボンフィルムをディスクなどの磁気記録媒体、カッター、鋳型などの基材に用いられることの第１の実施形態を示す図である。ダイヤモンド状カーボンフィルム１０は、基材２０の表面に付着されており、基材を保護することに用いられる。
【００１８】
前記基材２０は、鋳型、カッターなどでもよく、ディスクなどの磁気記録媒体でもよい。
【００１９】
前記ダイヤモンド状カーボンフィルム１０の第一層１１は、基材２０に最も接近しており、第ｎ層１６は、基材２０から最も遠い。
【００２０】
前記Ｘは、金属又はその合金を表しており、基材２０の材質も金属又は半導体であるから、基材２０に近いダイヤモンド状カーボンのＸ成分の含有量が多ければ、ダイヤモンド状カーボンフィルム１０と基材２０の結合力を増やすことに有利で、両者は強金属結合で結び付けられ、従って、ダイヤモンド状カーボンフィルム１０は、脱落し難いことになる。
【００２１】
基材２０から遠く離れた第ｎ層１６は、表層に位置されており、加工しようとする部品と直接的に接触する。ダイヤモンド状カーボンは、高い摩擦係数、優れた磨損に耐える性能、高い腐食に耐える性能などの優れた特性を持つため、且つＸから代表する金属又は合金成分が適量的に存在するため、金属成分を全く含まないダイヤモンド状カーボンに比べて、その強度は高められる。だから、第ｎ層１６の中に含むＸ成分の原子パーセンテージは割合に少なく、基材と加工しようとする部品の表層の摩擦性能、腐食に耐える性能及び強度は全て高まる。
【００２２】
上述したように、ダイヤモンド状カーボンフィルム１０は、優れた磨損に耐える性能、腐食に耐える性能を持ち、さらに、連続的な生産に適合されており、且つ基材２０との結合力は強く、脱落し難いことになる。
【００２３】
もし基材２０が磁気記録媒体ならば、各層のナノ構造のダイヤモンド状カーボンの厚さは０．２〜０．５ｎｍであって、多層ナノ構造のダイヤモンド状カーボンから構成されるダイヤモンド状カーボンフィルム１０の総括的な厚さは、１．２〜１５ｎｍであって、良ければ１．５〜３ｎｍである。ダイヤモンド状カーボンフィルムの厚さは薄いほど、磁気記録機能はさらに強くなる。もし基材２０は鋳型又はカッターならば、各層のナノ構造のダイヤモンド状カーボンの厚さは１〜３０ｎｍで有って、多層ナノ構造のダイヤモンド状カーボンから構成されるダイヤモンド状カーボンフィルムの総括的な厚さは、６ｎｍ〜９００ｎｍであって、良ければ３０〜４５０ｎｍである。
【００２４】
図３は、ダイヤモンド状カーボンフィルムをディスクなどの磁気記録媒体、鋳型、カッターなどの基材に用いられることの第２の実施形態を示す図である。本実施形態において、前記ダイヤモンド状カーボンフィルム１０及び基材２０の間に中間介在層３０を設けることができる。
【００２５】
前記中間介在層３０は各種機能性物質であってもよく、具体的に言えば、もし基材２０が磁気記録媒体であるならば、前記中間介在層３０は磁性層であって、成分は、コバルト-クロム-タンタル（ＣｏＣｒＴａ）、コバルト-クロム-プラチナ-タンタル（ＣｏＣｒＰｔＴａ）などの合金である。もし基材２０が鋳型又はカッターであるならば、前記中間介在層３０は鏡面研磨層であって、成分は、鉄、クロム、炭素、モリブデン、ケイ素、バナジウムなどの合金である。
【００２６】
だから、前記中間介在層３０は、それぞれダイヤモンド状カーボンフィルム１０及び基材２０と強い結合力で、例えば、金属結合で結び付けられ、多層フィルム４０と基材２０がしっかり結び付けることに有利である。同時に、鋳型、カッター領域において、前記中間介在層３０から形成された金属的緻密な構造は、生産過程中で基材２０が加工成型製品の中に拡散して入ることを防止することができる。
【００２７】
同時に、前記ダイヤモンド状カーボンフィルム１０の特別な構造は、表面の磨損に耐える性能、腐食に耐える性能を高めることができ、従来のダイヤモンド状カーボンに比べても、その性能は大幅に高められる。
【００２８】
前記ダイヤモンド状カーボンフィルム１０は、マルチターゲット平行スパッタシステムによって、スパッタリングを完成することができる。図４と図５を同時に参照されたい。これらの図は、マルチターゲット平行スパッタシステム（Ｍｕｌｔｉ−ｔａｒｇｅｔ  Ｃｏ−ｓｐｕｔｔｅｒ  Ｓｙｅｓｔｅｍ）の構成を示す図である。前記マルチターゲット平行スパッタシステム１００を真空環境に置いて、それはイオン源１１０と、回転台座１３０及びダイヤモンド状カーボンフィルム１２２を堆積しようとする基材１２０とを備え、前記回転台座１３０は回転軸ａを備え、前記回転台座１３０は回転軸ａを中心として回転することができ、前記回転台座１３０は、三つのターゲットを積載されており、第一ターゲット１３２及び第二ターゲット１３６は、全てカーボン材料であって、第三ターゲット１３４はＸターゲットであって、Ｘは、クロム、又はチタン、又はクロムとチタンの合金、又は窒化クロムを代表する。その中、イオン源１１０から生じるイオンは、ターゲットに衝突することにより、スパッタ粒子（原子又は分子）を生じる。各ターゲット１３２、１３４、１３６の外部にリング１４０を全て直接にかぶせて、前記環状物は、複数の拡散孔１４２を備え、前記拡散孔１４２は、特定な気体が前記ターゲットを巡らせることに用いられ、特定の気体とスパッタ粒子が一緒に反応性プラズマを形成させ、基材１２０の表面にスパッタ堆積されており、従って、ダイヤモンド状カーボンフィルム１２２を堆積することができる。
【００２９】
第一ターゲット１３２及び第二ターゲット１３６にとって、スパッタリング気体は、アルゴンガスとメタンの混合気体（その中で、メタンの体積含有量は５％〜２０％である）でもよく、アルゴンガスと水素ガスの混合気体（その中で、水素ガスの体積含有量は５％〜２０％である）でもよく、アルゴンガスとエタンの混合気体（その中で、エタンの体積含有量は５％〜２０％である）でもよく、クリプトン気体とメタンの混合気体（その中で、メタンの体積含有量は５％〜２０％である）でもよく、クリプトン気体と水素ガスの混合気体（その中で、水素ガスの体積含有量は５％〜２０％である）又はクリプトン気体とエタンの混合気体（その中で、エタンの体積含有量は５％〜２０％である）でもよい。
【００３０】
第三ターゲット１３４にとって、スパッタリング気体は、アルゴンガスでもよく、又はアルゴンガスと窒素の混合気体（その中で、窒素の体積含有量は３％〜１５％である）でもよい。
【００３１】
製造する時、ダイヤモンド状カーボンフィルム１２２を堆積しようとする基材１２０を指定された位置に置いて、背景圧力を６×１０−６ Ｔｏｒｒまで引き出した後、それぞれ上述の特定気体流を入れることにより、真空度を０．６〜５ｍＴｏｒｒに調製されており、カーボンを含む空気流量は、テストを通じて必要な要求に達した場合、スパッタリングを行って、スパッタリングエネルギーを制御することにより、成分が漸進的に変化する多層フィルム構造のダイヤモンド状カーボンフィルムを獲得することができる。具体的な実施形態として、例えば、カーボンを含む空気流量は０．４標準的ミリリットル／分（ｓｃｃｍ）、基材の温度は室温である。
【００３２】
また、まず基材２０の表面に中間介在層３０を堆積することができ、それから、前記中間介在層３０が堆積された基材を図４に示す基材１２０の位置に置いて、さらに上述の同じ方法で、ダイヤモンド状カーボンフィルム１２２を堆積することができる。
【００３３】
直流マグネトロンスパッタリング、交流マグネトロンスパッタリング、又は無線周波マグネトロンスパッタリングによって、前記中間介在層３０を基材２０の表面に形成することができる。
【００３４】
従来の技術に比べて、前記ダイヤモンド状カーボンフィルムは、第一層のＸと表示する金属又は合金成分の原子パーセンテージが割合に多いことから、前記ダイヤモンド状カーボンフィルムと基材及び中間介在層の付着力を高めることに有利で、脱落を防止する。しかし、第ｎ層のＸと表示する金属又は合金成分の原子パーセンテージが割合に少ないことから、多層フィルム構造の硬度と強度を増やすことができるとともに、磨損に耐える性能、腐食に耐える性能を高めることができる。前記多層フィルム構造は、鋳型、カッター、磁気記録媒体などの領域に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の多層フィルム構造の構成を示す図である。
【図２】本発明の多層フィルム構造を、鋳型、カッター、磁気記録媒体に用いられる場合の第１の実施形態の構成を示す図である。
【図３】本発明の多層フィルム構造を、鋳型、カッター、磁気記録媒体に用いられる場合の第２の実施形態の構成を示す図である。
【図４】本発明のマルチターゲット平行スパッタシステムの構成を示す図である。
【図５】図４に示すマルチターゲット平行スパッタシステムにおいて、ターゲットと回転台座の相対位置を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０、１２２  ダイヤモンド状カーボンフィルム
１１  第一層
１２  第二層
１３  第三層
１４  第ｎ−２層
１５  第ｎ−１層
１６  第ｎ層
２０、１２０  基材
３０  中間介在層
ａ    回転軸
１００  マルチターゲット平行スパッタシステム
１３０  回転台座
１１０  イオン源
１３２  第一ターゲット
１３４  第三ターゲット
１３６  第二ターゲット
１４０  リング
１４２  拡散孔
【図１】
0005179743.tif 000002
【図２】
0005179743.tif 000003
【図３】
0005179743.tif 000004
【図４】
0005179743.tif 000005
【図５】
0005179743.tif 000006