(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉した成膜容器内に軟質基材を配置し、該容器内に炭素を含有するガスとして分子記号がＣx Ｈy Ｏz （ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ１以上の整数）で表されるガスを導入し、該ガスをプラズマ化するための手段によって該ガスをプラズマ化し、該プラズマの下に該軟質基材表面に、亀裂によって複数領域に分割され、且つ、該亀裂によって囲まれる各領域の平均面積が０．１５×１０-3ｍｍ2 から２０×１０-3ｍｍ2 の範囲内のものである、炭素を主成分とする炭素膜を形成することを特徴とする炭素膜の形成方法。
【請求項２】
前記ガスはＣＨ3 ＯＨ（メタノール）ガス、Ｃ2 Ｈ5 ＯＨ（エタノール）ガス、ＣＨ3 ＣＯＣＨ3 （アセトン）ガスのうちいずれかのガスである請求項１記載の炭素膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゴムやプラスチックのような軟質基材表面への炭素膜（例えば、低摩擦係数・低摩耗性など様々な特性を有し、機械部品の摺動部などに利用される炭素膜）の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素膜は、硬度が高いことから、工具や自動車部品などの高い硬度が求められる金属基材の表面に被覆されることが多い。
【０００３】
しかし、炭素膜はこの他にゴムやプラスチックのような軟質基材の表面に被覆されることもある。かかる場合、炭素膜を軟質基材の表面に被覆することにより、軟質基材の柔軟性を維持したまま、表面の摩擦抵抗を低減させたり高硬度化できるという利点がある。このことから、炭素膜を軟質基材の表面に被覆するための研究開発が最近急速に進められている。
【０００４】
軟質基材の表面に炭素膜を被覆する場合、例えば、密閉した成膜容器内に軟質基材を配置し、該容器内に炭素を含有するガスを導入し、該ガスをプラズマ化するための手段（例えば高周波放電などの手段）によって該ガスをプラズマ化し、該プラズマの下に該軟質基材表面に炭素を主成分とする炭素膜を形成する。
【０００５】
このように炭素膜を形成した軟質基材は摺動部材などとして用いられることがある。例えば摺動部材では、炭素膜を被覆した軟質基材が圧力下に他物品と摺動される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、炭素膜被覆基材が摺動部材などに用いられるといっても、摺動部材等の使用環境は様々である。例えば摺動部材では、軟質基材上の炭素膜表面に所定の圧力が加えられるが、このとき摺動部材としての機能を維持できるように、炭素膜の摩擦係数が低いことが要求される。しかし、例えば、軟質基材上の炭素膜表面に加えられる圧力がある値以下のときはその炭素膜の摩擦係数が低く、好ましいものであっても、その値より大きい圧力下では、炭素膜の摩擦係数が高くなることがあり、摺動部材としての機能を維持できないことがある。
【０００７】
また、同じ圧力下においても、摩擦係数が低く抑えられる場合と、高くなる場合とがある。
【０００８】
そこで本発明は、軟質基材の表面への、炭素を主成分とする炭素膜の形成方法であって、摩擦係数を低く抑えることができる炭素膜の形成方法を提供することを課題とする。
【００１０】
また本発明は、軟質基材の表面への、炭素を主成分とする炭素膜の形成方法であって、炭素膜表面に加えられるべき圧力に応じて摩擦係数が低く抑えられている炭素膜を得ることができる炭素膜の形成方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明者は研究を重ね、以下の知見を得た。
【００１２】
すなわち、軟質基材の表面に形成された、炭素を主成分とする炭素膜においては、該膜は亀裂によって複数領域に分割されている。この炭素膜は、例えば次の炭素膜形成装置によって作製することができる。
【００１３】
図３にメタンガスを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法による従来の炭素膜形成装置の一例を示す。
【００１４】
この炭素膜形成装置は、成膜容器１と、成膜容器１内を真空排気できる真空排気装置２と、真空排気装置２により真空排気された成膜容器１内に炭素を含有するガス（ここではメタンガス）を導入できるシャワープレート３と、シャワープレート３により成膜容器１内に導入されたガスをプラズマ化するための手段（ここではマッチングボックス７を介して高周波電源８に接続された高周波電極５）とを備えている。なお、高周波電極５は軟質基材４を載置でき、高周波電源８からマッチングボックス７を介して高周波電圧を印加できる。これにより容器１内に導入されたガスがプラズマ化され、図中６で示す位置にプラズマが形成される。
【００１５】
図３に示す炭素膜形成装置では、成膜容器１内の高周波電極５上に軟質基材４を配置し、容器１内を密閉する。密閉した容器１内を真空排気装置２で真空排気しながら、原料ガスとしてシャワープレート３からメタン（ＣＨ4 ）ガスを導入し、容器１内を所望の成膜圧力に維持する。通常、真空容器１内の圧力は０．１Ｐａ〜１０Ｐａの圧力範囲内のものとする。ここで軟質基材４を載置している高周波電極５に高周波電圧を印加する。このとき、成膜容器１内にメタンガスプラズマ６が形成される。そしてメタンの構成要素である炭素が軟質基材４上に堆積される。かくして軟質基材４上に炭素膜が形成される。なお、原料ガスとして、ここではメタンガスが用いているが、軟質基材上に炭素膜を形成する場合、原料ガスとしては、メタンガスの他、ベンゼンガス（Ｃ6 Ｈ6 ）が一般的に用いられている。
【００１６】
図４に原料ガスとしてメタンガス或いはベンゼンガスを用いて成膜した炭素膜の一例の表面状態の拡大模式図を示す。
【００１７】
成膜後の炭素膜表面を電子顕微鏡などで観察すると、図４に示すように、膜に無数の亀裂Ａが入り、該膜が亀裂Ａによって複数領域Ｂに細かく分かれていることがわかる。ここで炭素膜の亀裂Ａで囲まれた各領域Ｂを「ブロック」と呼ぶことにする。
【００１８】
原料ガスとしてメタンガスやベンゼンガスを用いた従来の炭素膜の成膜プロセスにおいては、軟質基板に炭素膜を形成するにあたり、成膜中の投入電力などの条件を変えることによって、ブロックＢの平均面積を変えることができる。このブロックＢの平均面積の範囲は、メタンガスを原料ガスとして用いた場合で０．０１×１０-3ｍｍ2 〜０．１×１０-3ｍｍ2 程度であり、ベンゼンガスを原料ガスとして用いた場合で０．０６×１０-3ｍｍ2 〜０．１２×１０-3ｍｍ2 程度である。
【００１９】
本発明者の研究によると、成膜室内に導入する原料ガスとして、炭素を含有しベンゼン等よりも高分子のガス（例えばベンゼン等より高分子の炭化水素ガス）を用いたり、酸素原子を含み炭素を含有するガス、炭素を含有するガスに酸素原子を含むガスを添加したガスを用いることによって、ブロックＢの平均面積を制御でき、より大きなブロックＢの平均面積の炭素膜を得ることができることがわかった。
【００２０】
そこで本発明者は、さらに研究を重ねブロックＢの平均面積と炭素膜の摩擦係数との関係を調べたところ、これらの間に密接な相関関係があり、ブロックＢの平均面積が０．１５×１０-3ｍｍ2 程度より小さいときは炭素膜表面の荒れが大きく、２０×１０-3ｍｍ2 程度より大きいときには各ブロックＢにおいて炭素膜が圧力下に細かく割れて炭素膜表面荒れが生じる結果となり、いずれにしても炭素膜の摩擦係数は大きい傾向にあるが、ブロックＢの平均面積が０．１５×１０-3ｍｍ2 〜２０×１０-3ｍｍ2 程度とすると、炭素膜の摩擦係数を低く抑えることができることがわかった。換言すれば、炭素膜表面に加えられる圧力に応じてブロックＢの平均面積の範囲を０．１５×１０-3ｍｍ2 〜２０×１０-3ｍｍ2 程度から選択することで、炭素膜の摩擦係数を低く抑え得ることが分かった。
【００２１】
原料ガスとしてメタンガスやベンゼンガスを用いた従来の炭素膜の成膜プロセスでは、ブロックＢの平均面積の制御範囲がメタンガスの場合で０．０１×１０-3ｍｍ2 〜０．１×１０-3ｍｍ2 程度、ベンゼンガスの場合で０．０６×１０-3ｍｍ2 〜０．１２×１０-3ｍｍ2 程度と狭いため、炭素膜の摩擦係数を低く抑えるという効果を十分に引き出すことができないが、炭素膜の成膜プロセスにおいて、成膜室内に導入する原料ガスとして、炭素を含有しベンゼンよりも大きな分子量のガス（例えばベンゼンより高分子の炭化水素ガス）を用いたり、酸素原子を含み炭素を含有するガス、炭素を含有するガスに酸素原子を含むガスを添加したガスを用いることによって、より大きなブロックの平均面積（すなわち０．１５×１０-3ｍｍ2 〜２０×１０-3ｍｍ2 程度の平均面積）の炭素膜を得ることができ、従って、摩擦係数が低く抑えられている炭素膜を得ることができる。
【００２２】
前記知見に基づき本発明は、次の炭素膜及び炭素膜の形成方法を提供する。
（１）炭素膜
軟質基材の表面に形成された、炭素を主成分とする炭素膜であって、該膜は亀裂によって複数領域に分割されており、且つ、該亀裂によって囲まれた各領域の平均面積が０．１５×１０-3ｍｍ2 から２０×１０-3ｍｍ2 の範囲内のものである炭素膜。
（２）炭素膜の形成方法
密閉した成膜容器内に軟質基材を配置し、該容器内に炭素を含有するガスを導入し、該ガスをプラズマ化するための手段によって該ガスをプラズマ化し、該プラズマの下に該軟質基材表面に、亀裂によって複数領域に分割され、且つ、該亀裂によって囲まれる各領域の平均面積が０．１５×１０-3ｍｍ2 から２０×１０-3ｍｍ2 の範囲内のものである、炭素を主成分とする炭素膜を形成する炭素膜の形成方法。
【００２３】
本発明に係る炭素膜及びその形成方法において、前記の亀裂によって囲まれる各領域（ブロック）の平均面積は次のようにして求めるものである。
【００２４】
すなわち、炭素膜における任意に選んだ、同じ面積（５００μｍ×５００μｍ＝０．２５ｍｍ2 ）の５箇所の部分のそれぞれについて、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で２５０倍に拡大観察し、その面積部分におけるブロックの個数を数え、該部分の面積（０．２５ｍｍ2 ）をそのブロック個数で除してブロック面積を求め、このようにして求めた５箇所の部分におけるブロック面積の平均値を求め、これをブロック平均面積とする。
【００２５】
本発明に係る炭素膜によると、前記亀裂によって囲まれた各領域の平均面積は０．１５×１０-3ｍｍ2 から２０×１０-3ｍｍ2 の範囲内のものであるので、炭素膜の摩擦係数が低く抑えられている。さらに言えば、油等の潤滑剤を用いない炭素膜と他物品との相互の乾式摺動でも摩擦係数が低く抑えられる。
【００２６】
前記軟質基材は、圧力下に、或いはさらに、油等の潤滑剤を介在させない乾式条件下に、他物品と摺動されるべきものであってもよい。この場合、前記亀裂によって囲まれた各領域の平均面積の、炭素膜表面に加えられるべき圧力に応じて炭素膜の摩擦係数が低く抑えられている最適な範囲としては、前記軟質基材が８×１０5 Ｐａより小さい圧力下に他物品と摺動されるべきものであるときは０．１５×１０-3ｍｍ2 〜２０×１０-3ｍｍ2 程度を例示でき、前記軟質基材が８×１０5 Ｐａ以上４×１０6 Ｐａ以下の圧力下に他物品と摺動されるべきものであるときは０．１５×１０-3ｍｍ2 〜４×１０-3ｍｍ2 程度を例示でき、さらに前記軟質基材が４×１０6 Ｐａより大きい圧力下に他物品と摺動されるべきものであるときは０．１５×１０-3ｍｍ2 〜２×１０-3ｍｍ2 程度を例示できる。
【００２７】
本発明に係る炭素膜の形成方法は、本発明に係る炭素膜を作製することができる。本発明の炭素膜の形成方法により作製される炭素膜に関しても、前記本発明の炭素膜に関して述べたことと同様のことが言える。
【００２８】
本発明に係る炭素膜の形成方法では、密閉した成膜容器内に軟質基材を配置し、該容器内に炭素を含有するガスを導入し、該ガスをプラズマ化するための手段によって該ガスをプラズマ化し、該プラズマの下に該軟質基材表面に、前記亀裂によって囲まれる各領域の平均面積が０．１５×１０-3ｍｍ2 から２０×１０-3ｍｍ2 の範囲内のものである炭素膜を形成する。
【００２９】
本発明に係る炭素膜の形成方法によると、形成される炭素膜の前記亀裂によって囲まれる各領域の平均面積は０．１５×１０-3ｍｍ2 から２０×１０-3ｍｍ2 の範囲内のものであるので、摩擦係数が低く抑えられている炭素膜を得ることができる。
【００３０】
本発明に係る炭素膜の形成方法では、前記炭素を含有するガスとして、次の（ａ）から（ｃ）に例示するガスのうちのいずれかのガスを用いることができる。これにより、前記亀裂によって囲まれる各領域の平均面積が０．１５×１０-3ｍｍ2 〜２０×１０-3ｍｍ2 程度の範囲内のものである炭素膜を得ることができる。
（ａ）ベンゼンより高分子量の炭化水素ガス例として、分子記号がＣX ＨY （Ｘ≧６、且つ、Ｙ≧７）で表されるガス、具体的にはＣ6 Ｈ12（シクロヘキサン）ガス、Ｃ6 Ｈ14（ヘキサン）ガス、Ｃ8 Ｈ18（オクタン）ガスなどを例示できる。
（ｂ）酸素原子及び炭素原子を含むガス例として、分子記号がＣx Ｈy Ｏz で表されるガスを例示できる。ここでｘ、ｙ、ｚはそれぞれ１以上の整数である。より具体例として、ｘ≧１、且つ、ｙ≧２、且つ、ｚ≧１を挙げることができる。具体的にはＣＨ3 ＯＨ（メタノール）ガス、Ｃ2 Ｈ5 ＯＨ（エタノール）ガス、ＣＨ3 ＣＯＣＨ3 （アセトン）ガスなどを例示できる。
（ｃ）炭素含有ガスに酸素原子を含むガスを添加したガスの例として、炭素を含有する原料ガスと、金属酸化物を主成分とするガス又はシリコン酸化物を主成分とするガスとの混合ガス、具体的にはＣＨ4 （メタン）ガス又はＣ6 Ｈ6 （ベンゼン）ガスとＴｉＯ2 （酸化チタン）を主成分とするガスとの混合ガス、ＣＨ4 （メタン）ガス又はＣ6 Ｈ6 （ベンゼン）ガスとＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を主成分とするガスとの混合ガスなどを例示できる。なお、この場合、炭素を含有するガスとして、メタンガスやベンゼンガスに代えてＣX ＨY （Ｘ≧６、且つ、Ｙ≧７）のガスを用いてもよい。
【００３１】
本発明に係る炭素膜及び本発明に係る炭素膜の形成方法のいずれにおいても、前記軟質基材としては、それには限定されないが、例えばシリコンラバーなどのゴム基材、プラスティック基材などを挙げることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００３３】
図１は本発明に係る炭素膜の一例を形成した軟質基材の一部の概略断面図である。また図２は図１に示す炭素膜の表面状態の拡大模式図である。
【００３４】
図１に示す炭素膜Ｃは炭素を主成分とする膜であり、軟質基材４（ここではシリコンラバー）の表面に形成されている。炭素膜Ｃを形成した軟質基材４は、ここでは摺動部材として用いられる。
【００３５】
炭素膜Ｃは、図２に示すように亀裂Ａによって複数領域Ｂに分割されている。また、亀裂Ａによって囲まれた各領域Ｂ（以下、ブロックという）の平均面積は所定の範囲内のものである。
【００３６】
ブロックＢの平均面積は、炭素膜Ｃにおける任意に選んだ、同じ面積（５００μｍ×５００μｍ＝０．２５ｍｍ2 ）の５箇所の部分のそれぞれについて、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で２５０倍に拡大観察し、その面積部分におけるブロックの個数を数え、該部分の面積（０．２５ｍｍ2 ）をそのブロック個数で除してブロック面積を求め、このようにして求めた５箇所の部分におけるブロック面積の平均値を求めたものである。
【００３７】
既述のとおり、亀裂Ａによって囲まれたブロックＢの平均面積と炭素膜の摩擦係数との間に密接な相関関係がある。
【００３８】
図５（Ａ）にブロックＢの平均面積が比較的小さい炭素膜Ｃ１を形成した軟質基材４が他物品９（ここでは剛体球）と摺動される例の概略断面図を示し、図５（Ｂ）にブロックＢの平均面積が比較的大きい炭素膜Ｃ２を形成した軟質基材４が他物品９（ここでは剛体球）と摺動される例の概略断面図を示す。
【００３９】
図５（Ａ）に示すように、ブロックＢの平均面積が比較的小さいとき、剛体球９は軟質基材４に沈み込むため、ブロックＢの平均面積が小さいほど剛体球と炭素膜との接触面積が大きく、また抵抗となる亀裂Ａも多い。その結果炭素膜Ｃ１の摩擦抵抗が大きくなってしまう。これに対して、図５（Ｂ）に示すように、ブロックＢの平均面積が大きいとき、ブロックＢの平均面積が大きいほど摩擦抵抗が小さくなり、炭素膜Ｃ２は摺動部材の被覆膜としては良い膜ということになる。しかし、平均面積があまり大きすぎると剛体球９からの荷重によっては炭素膜Ｃ２が割れてしまい、亀裂Ａが増え逆に炭素膜Ｃ２の摩擦係数が上がってしまう。これを具体的に言うと、ブロックＢの平均面積が０．１５×１０-3ｍｍ2 程度より小さいとき、及び２０×１０-3ｍｍ2 程度より大きいときには、炭素膜の摩擦係数は大きくなる傾向にあるが、ブロックＢの平均面積を０．１５×１０-3ｍｍ2 〜２０×１０-3ｍｍ2 程度から選択することで、炭素膜表面に加えられるべき圧力に応じて炭素膜の摩擦係数を低く抑えることができる。
【００４０】
さらに言えば、ブロックＢの平均面積の、炭素膜表面に加えられるべき圧力に応じて炭素膜の摩擦係数が低く抑えられる最適な範囲は、軟質基材４が８×１０5 Ｐａより小さい圧力下に剛体球９と摺動されるべきものであるときは０．１５×１０-3ｍｍ2 〜２０×１０-3ｍｍ2 程度であり、軟質基材４が８×１０5 Ｐａ以上４×１０6 Ｐａ以下の圧力下に剛体球９と摺動されるべきものであるときは０．１５×１０-3ｍｍ2 〜４×１０-3ｍｍ2 程度であり、さらに軟質基材４が４×１０6 Ｐａより大きい圧力下に剛体球９と摺動されるべきものであるときは０．１５×１０-3ｍｍ2 〜２×１０-3ｍｍ2 程度である。
【００４１】
ここでは炭素膜ＣにおけるブロックＢの平均面積は０．１５×１０-3ｍｍ2 〜２０×１０-3ｍｍ2 の範囲内のものであり、炭素膜Ｃの摩擦係数が低く抑えられている。
【００４２】
次に、本発明に係る炭素膜の形成方法について説明する。本発明に係る炭素膜の形成方法は、本発明に係る炭素膜Ｃ、すなわち亀裂Ａによって複数領域Ｂに分割されており、且つ、亀裂Ａによって囲まれた各領域Ｂ（ブロック）の平均面積は０．１５×１０-3ｍｍ2 〜２０×１０-3ｍｍ2 の範囲内のものである炭素膜Ｃを作製することができる。
【００４３】
本発明方法を実施する成膜装置として、例えば、図３に示す炭素膜形成装置において、原料ガスとして従来のガス（メタンガスやベンゼンガス）に代えて炭素を含有しベンゼンよりも高分子量のガスを用いたり、酸素原子を含み炭素を含有するガス、炭素を含有するガスに酸素原子を含むガスを添加したガスを用いる成膜装置を採用することができる。
【００４４】
この成膜装置では、炭素を含有するガスとして、次の（ａ）から（ｃ）のガスのうちのいずれかのガスを用いる。これにより、ブロックＢの平均面積を０．１５×１０-3ｍｍ2 〜２０×１０-3ｍｍ2 程度の範囲に制御することができる。
（ａ）分子記号がＣX ＨY （Ｘ≧６、且つ、Ｙ≧７）で表されるガス、具体的にはＣ6 Ｈ12（シクロヘキサン）ガス、Ｃ6 Ｈ14（ヘキサン）ガス、Ｃ8 Ｈ18（オクタン）ガス。
（ｂ）分子記号がＣx Ｈy Ｏz （ｘ≧１、且つ、ｙ≧２、且つ、ｚ≧１）で表されるガス、具体的にはＣＨ3 ＯＨ（メタノール）ガス、Ｃ2 Ｈ5 ＯＨ（エタノール）ガス、ＣＨ3 ＣＯＣＨ3 （アセトン）ガス。
（ｃ）炭素を含有する原料ガスと、金属酸化物を主成分とするガス又はシリコン酸化物を主成分とするガスとの混合ガス、具体的にはＣＨ4 （メタン）ガス又はＣ6 Ｈ6 （ベンゼン）ガスとＴｉＯ2 （酸化チタン）を主成分とするガスとの混合ガス、ＣＨ4 （メタン）ガス又はＣ6 Ｈ6 （ベンゼン）ガスとＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を主成分とするガスとの混合ガス。
【００４５】
この成膜装置では、図３に示すように、成膜容器１内の高周波電極５上に軟質基材４を配置し、容器１内を密閉する。密閉した容器１内を真空排気装置２で真空排気しながら、原料ガスとしてシャワープレート３から前記（ａ）から（ｃ）のガスのうちのいずれかのガスを導入し、容器１内を所定の成膜圧力に維持する。真空容器１内の圧力は、ここでは０．１Ｐａ〜１０Ｐａの圧力範囲内のものである。ここで軟質基材４を載置している高周波電極５に高周波電圧を印加する。このとき、ガスが分解され、成膜容器１内にガスプラズマ６が形成される。そしてガス分子の構成要素である炭素が軟質基材４上に堆積される。かくして軟質基材４上に、亀裂Ａによって複数領域に分割され、且つ、亀裂Ａによって囲まれる各領域Ｂ（ブロック）の平均面積が０．１５×１０-3ｍｍ2 〜２０×１０-3ｍｍ2 の範囲内のものである低摩擦係数の炭素膜Ｃが形成される。
【００４６】
次に、図３の装置を用いて本発明の炭素膜を軟質基材に形成した具体的実験例及びその結果得られた炭素膜の例について、比較実験例とともに以下に説明する。
【００４７】
軟質基材としてシリコンラバー（ヤング率１×１０6 Ｐａ、厚さ２ｍｍ）を複数用意し、各軟質基材に対して、原料ガスの種類を変えて、膜厚１μｍの炭素膜を各軟質基材表面にそれぞれ形成した。各軟質基材表面に形成された炭素膜の表面状態をそれぞれ観察し、該炭素膜のブロックの平均面積をそれぞれ計測した。ブロック平均面積の計測は炭素膜における任意に選んだ、同じ面積（５００μｍ×５００μｍ＝０．２５ｍｍ2 ）の５箇所の部分のそれぞれについて、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で２５０倍に拡大観察し、その面積部分におけるブロックの個数を数え、該部分の面積（０．２５ｍｍ2 ）をそのブロック個数で除してブロック面積を求め、このようにして求めた５箇所の部分におけるブロック面積の平均値を求めることで行った。
【００４８】
なお、以下の実験例１〜８では、原料ガスとして、それぞれＣ6 Ｈ12（シクロヘキサン）ガス、Ｃ6 Ｈ14（ヘキサン）ガス、Ｃ8 Ｈ18（オクタン）ガス、ＣＨ3 ＯＨ（メタノール）ガス、Ｃ2 Ｈ5 ＯＨ（エタノール）ガス、ＣＨ3 ＣＯＣＨ3 （アセトン）ガス、ＣＨ4 （メタン）ガスとＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を主成分とするガスとの混合ガス、Ｃ6 Ｈ6 （ベンゼン）ガスとＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を主成分とするガスとの混合ガスを用いた。
【００４９】
また比較実験例１、２では、原料ガスとして、それぞれＣＨ4 （メタン）ガス、Ｃ6 Ｈ6 （ベンゼン）ガスを用いた。
【００５０】
計測結果を以下に示す。
【００５１】
0003985444.tif 000002
比較実験例１、２のように原料ガスとしてＣＨ4 （メタン）ガス、Ｃ6 Ｈ6 （ベンゼン）ガスを用いて炭素膜を形成した場合と比較して、実験例１〜３のように原料ガスとして炭素を含有しベンゼンよりも高分子材料のガスであるＣ6 Ｈ12（シクロヘキサン）ガス、Ｃ6 Ｈ14（ヘキサン）ガス、Ｃ8 Ｈ18（オクタン）ガスを用いて炭素膜を形成した場合、ブロックの平均面積が大きい。これは、原料ガス中に含まれる炭素が、プラズマ中での解離の度合いが小さく十分に分解していない状態で（すなわち、炭素がいくつかくっついた、ネットワークの大きい状態で）膜中に取り込まれるためと考えられる。
【００５２】
実験例４〜６のように原料ガスとして酸素原子を含んだＣＨ3 ＯＨ（メタノール）ガスなどのアルコールガス類を用いて炭素膜を形成した場合、及び実験例７、８のように原料ガスとして炭素を含有するガスにＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）のようなシリコン酸化物を含むガスを添加したガスを用いて炭素膜を形成した場合もブロックの平均面積の値は比較実験例１、２の場合より大きな値を示している。これは原料ガス中に含まれる炭素が酸素を介在した結合状態で膜中に取り込まれるためと考えられる。
【００５３】
次に、実験例１〜８で得られた炭素膜について、回転摺動評価装置を用い、それぞれの炭素膜に５ｇ、２０ｇ、１００ｇの負荷で剛体球（Ｚｒボール）を円を描くように摺動させ、所定時間摺動後の炭素膜の摩擦係数を測定した。測定に用いた装置及び測定条件は以下のとおりである。
【００５４】
0003985444.tif 000003
ブロックの平均面積を横軸に、炭素膜の摩擦係数を縦軸に取ったところ、図６に示すような結果が得られた。
【００５５】
図６に示すように、例えば剛体球を２０ｇ程度の負荷で摺動させた場合、ブロックの平均面積が２×１０-3ｍｍ2 程度まではブロックの平均面積が大きいほど炭素膜の摩擦係数は低減しており、ブロックの平均面積が４×１０-3ｍｍ2 程度までは摩擦係数の低い最適な条件が維持されている。ところがブロックの平均面積が５×１０-3ｍｍ2 以上では逆に炭素膜の摩擦係数は上昇している。このときの炭素膜表面を観察したところ、前述したように炭素膜の剛体球との摺動部分に多くの亀裂が発生していることがわかった。
【００５６】
剛体球をこれより軽負荷の５ｇなどの負荷で摺動させた場合、ブロックの平均面積が８×１０-3ｍｍ2 以下の広い範囲で、炭素膜の摩擦係数の低い最適な条件が維持されている（低い摩擦係数を示している）。しかし、ブロックの平均面積が８×１０-3ｍｍ2 より大きいと、やはり炭素膜の摩擦係数が上昇している。
【００５７】
また、剛体球を１００ｇ程度の重い荷重で摺動させた場合では、全体的に炭素膜の摩擦係数が大きいものの前述した場合と同様の傾向が現れていることがわかる。
【００５８】
なお、剛体球を２０ｇ、１００ｇの荷重で摺動させた場合の摺動幅は、いずれも０．５ｍｍ程度であった。すなわち荷重２０ｇ、１００ｇはそれぞれ約８×１０5 Ｐａ、約４×１０6 Ｐａに相当する。
【００５９】
以上のように、本発明に係る炭素膜では、該炭素膜を形成した軟質基材が摺動部材として利用される場合、ブロックの平均面積を所定の範囲内のものにすることにより、最適な摩擦・摺動特性が得られる。
【００６０】
また原料ガスとしてメタンガスやベンゼンガスを用いた従来の炭素膜の成膜プロセスでは、既述のとおりブロックの平均面積の制御範囲が狭いため、炭素膜の摩擦係数を低く抑えるという効果を十分に引き出すことができなかったが、本発明に係る炭素膜の形成方法では、原料ガスとして炭素を含有しベンゼン等よりも大きな高分子材料のガスを用いたり、酸素原子を含み炭素を含有するガス、炭素を含有するガスに酸素原子を含むガスを添加したガスを用いるので、より大きなブロックの平均面積（すなわち０．１５×１０-3ｍｍ2 〜２０×１０-3ｍｍ2 程度の平均面積）の炭素膜を得ることができ、従って最適な摩擦・摺動特性を得ることができる炭素膜が得られる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると、軟質基材の表面への、炭素を主成分とする炭素膜の形成方法であって、摩擦係数を低く抑えることができる炭素膜の形成方法を提供することができる。
【００６３】
また本発明によると、軟質基材の表面への、炭素を主成分とする炭素膜の形成方法であって、炭素膜表面に加えられるべき圧力に応じて摩擦係数が低く抑えられている炭素膜を得ることができる炭素膜の形成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る炭素膜の一例を形成した軟質基材の一部の概略断面を示す図である。
【図２】図１に示す炭素膜の表面状態の拡大図を模式的に表した図である。
【図３】メタンガスを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法による従来の炭素膜形成装置の一例の概略構成を示す側面図である。
【図４】原料ガスとしてメタンガス或いはベンゼンガスを用いて成膜した炭素膜の一例の表面状態の拡大図を模式的に表した図である。
【図５】図（Ａ）はブロックの平均面積が比較的小さい炭素膜を形成した軟質基材が他物品（ここでは剛体球）と摺動される例を示す概略断面図であり、図（Ｂ）はブロックの平均面積が比較的大きい炭素膜を形成した軟質基材が他物品（ここでは剛体球）と摺動される例を示す概略断面図である。
【図６】実験例１〜８で得られた炭素膜について、回転摺動評価装置（フリクションプレーヤー）を用い、それぞれの炭素膜に５ｇ、２０ｇ、１００ｇの負荷で剛体球（Ｚｒボール）を円を描くように摺動させ、１時間摺動後の炭素膜の摩擦係数を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
１  成膜容器
２  真空排気装置
３  シャワープレート
４  軟質基材
５  高周波電極
６  ガスプラズマ
７  マッチングボックス（整合器）
８  高周波電源
９  剛体球
Ａ  炭素膜の亀裂
Ｂ  炭素膜の亀裂Ａで囲まれた各領域（ブロック）
Ｃ、Ｃ１、Ｃ２  炭素膜
【図１】
0003985444.tif 000004
【図２】
0003985444.tif 000005
【図３】
0003985444.tif 000006
【図４】
0003985444.tif 000007
【図５】
0003985444.tif 000008
【図６】
0003985444.tif 000009