(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基体の表面を保護する絶縁性保護膜であって、上記絶縁性基体側に形成され、Ｓｉを含有する絶縁体薄膜からなり膜厚が０．１μｍ〜６．０μｍの中間層と、この中間層上面に積層形成されるＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）薄膜からなる表面層の２層構造を有していることを特徴とする絶縁性基体用保護膜。
【請求項２】
上記Ｓｉを含有する絶縁体薄膜が、ＳｉＯ2 膜またはＳｉＮ膜からなり、膜厚が０．３μｍ〜３．０μｍである請求項１記載の絶縁性基体用保護膜。
【請求項３】
薄膜センサまたは電子部品の表面保護用として使用される請求項１または２記載の絶縁性基体用保護膜。
【請求項４】
絶縁性基体上に、金属薄膜を形成し、その表面を覆う絶縁性保護膜を設けた薄膜積層体であって、上記絶縁性保護膜として請求項１または２記載の保護膜を用いることを特徴とする薄膜積層体。
【請求項５】
絶縁性基体上に、検出膜および配線膜を形成し、その表面を覆う絶縁性保護膜を設けた薄膜センサであって、上記絶縁性保護膜として請求項１または２記載の保護膜を用いることを特徴とする薄膜センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁性基体上に形成した薄膜積層体よりなる薄膜センサや電子部品の表面を保護する保護膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２は薄膜センサの一般的構成を示すもので、絶縁性のガラス基板１上に、金属ゲージ等よりなる検出膜２と配線膜３を形成し、これらの膜を覆う保護膜６を形成してなる。保護膜６としては、従来より基板との密着性が良好なＳｉＯ2 膜が用いられている。ところで、薄膜センサ、例えば、圧力センサや流量センサ等は、表面に被検出体からの圧力を常に受けている状態で使用されることから、その表面を保護する保護膜には、基板との密着強度に加え、耐磨耗性、摺動性に優れることが要求される。これは、電気接点のように、表面に他部品が接触した状態で使用される電子部品も同様であり、保護膜の耐磨耗性、摺動性をより高めて、薄膜センサや電子部品の耐久性を、さらに向上させることが望まれている。
【０００３】
一方、高硬度で、摩擦係数の低い膜として、ＤＬＣ膜（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ膜）が知られ、従来より、刃具等の金属（導体）表面のコーティング膜として用いられている。そこで、このＤＬＣ膜を、薄膜センサや電子部品用の保護膜に利用することが考えられるが、絶縁性基体上へ成膜する場合には、次のような問題があった。
【０００４】
ＤＬＣ膜を、刃具等の金属（導体）表面に成膜する場合、その密着強度を高めるために、一般に、▲１▼成膜時に直流のバイヤス電圧を印加する、▲２▼成膜時に中間膜としてＳｉ膜を形成する、の２つの方法が行われている。しかしながら、▲１▼の方法は、導体である刃具自体がバイヤス電圧を印加するための電極の役割を果すことによって可能となる。つまり、基板が絶縁性である薄膜センサや電子部品の場合は、電極の役割を果すことができず、バイヤス電圧を印加することができない。また、▲２▼の方法では、中間膜となるＳｉ膜が半導体であるため、絶縁性の確保ができない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ＤＬＣ膜は金属（導体）表面への成膜には適しているものの、絶縁性基体上への成膜では密着強度が低く、絶縁性基体上に形成される薄膜センサや電子部品用の保護膜に適用することは難しかった。そこで、ＤＬＣ膜の絶縁性基体上への密着性を高め、耐磨耗性、摺動性と密着強度とを両立させることが望まれている。
【０００６】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、絶縁性の基体を有する薄膜センサや電子部品に適用されて、耐磨耗性、摺動性を向上させ、かつ高い密着強度を有する保護膜を実現すること、そして、この保護膜を用いた薄膜センサや電子部品の耐久性を向上させることを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の発明は、絶縁性基体の表面を保護する絶縁性保護膜であって、中間層と、表面層の２層構造を有している。中間層は、上記絶縁性基体側に形成され、膜厚が０．１μｍ〜６．０μｍのＳｉを含有する絶縁体膜よりなる。表面層は、この中間層上面に積層形成されるＤＬＣ膜からなっている。
【０００８】
本発明の保護膜は、表面層がＤＬＣ膜からなり、高硬度で摩擦係数が小さいので、耐磨耗性、摺動性に優れる。また、絶縁性基体側となる中間層は、絶縁性基体との密着性の良いＳｉを含有する絶縁体膜であり、ＳｉがＤＬＣ膜の構成元素であるＣと同族元素であるので表面層との密着性も高い。この中間層を設けることで、保護膜の絶縁性基体への密着強度が大幅に向上し、耐磨耗性、摺動性と高い密着強度を兼ね備えた絶縁性基体用の保護膜を実現できる。
【０００９】
請求項２のように、具体的には、上記Ｓｉを含有する絶縁体膜として、膜厚が０．３μｍ〜３．０μｍのＳｉＯ2 膜またはＳｉＮ膜を用いることができる。これら膜を中間層とする上記保護膜は、請求項３のように、薄膜センサや電子部品の表面保護用として好適に使用され、その耐久性を向上させる。
【００１０】
請求項４の発明は、上記保護膜を用いた薄膜積層体で、絶縁性基体上に、金属薄膜を形成し、その表面を覆う絶縁性保護膜として、上記請求項１または２記載の保護膜を用いる。このような薄膜積層体は、薄膜センサや電子部品の主要部を構成する。
【００１１】
具体的には、請求項５のように、上記保護膜を薄膜センサに適用し、絶縁性基体上に、検出対象に応じた種々の検出膜と、配線膜を形成し、その表面を覆う絶縁性保護膜として、請求項１または２記載の保護膜を用いる。このような薄膜センサを、例えば、圧力センサのように表面の耐磨耗性、摺動性が要求される用途に利用することで、耐久性を大きく向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明を適用した薄膜センサの概略構成を示すもので、ここでは、圧力検出用の薄膜センサとして説明する。図中、１は絶縁性基体としてのガラスディスクで、このガラスディスク１上に、金属薄膜からなる圧力検出膜２および配線膜３が形成され、これら金属薄膜２および配線膜３の上面に、ガラスディスク１のほぼ全面を覆って保護膜４が形成してある。ガラスディスク１の端縁部において、保護膜４から露出する配線膜３の一部は、リード線を取り出すための電極５を構成している。
【００１３】
検出膜２は、金属系の歪抵抗材料を公知の圧力ゲージ形状に成膜してなる。歪抵抗材料は、圧力を受けて歪が生じると抵抗値が変化するため、検出膜２が受ける圧力を、抵抗値の変化として検出できる。配線膜３としては、通常、Ａｌ、Ｃｕ等の比抵抗が小さく、圧力感度が小さいものが好適に使用される。
【００１４】
本発明の特徴部分である保護膜４は、中間層４１と表面層４２の二層構造を有する。ガラスディスク１側の中間層４１は、ＳｉＯ2 、Ｓｉ3 Ｎ4 等のＳｉを含有する絶縁性セラミックス薄膜からなり、ガラスディスク１との密着性を向上させる。この中間層４１の上面に積層され、薄膜センサの最表面層となる表面層４２は、ＤＬＣ膜からなる。ＤＬＣ膜は、ダイヤモンドと比較可能な高い硬度を有し、摩擦係数が低く、平滑性が高い等、優れた性質を有しており、薄膜センサ表面の耐磨耗性、摺動性を大きく向上させる。
【００１５】
表面層４２の膜厚は、通常、０．１μｍ〜１．０μｍ、好ましくは、０．３μｍ〜０．５μｍの範囲とするのがよい。膜厚が０．１μｍ未満では保護膜としての効果が得られず、１．０μｍを越えると膜が剥がれやすくなる。また、中間層４１の膜厚は、通常、０．１μｍ〜６．０μｍとすることが好ましい。膜厚が、０．１μｍ未満では密着性を高める効果が得られず、６．０μｍを越えると膜応力のために逆に剥がれやすくなる。好ましくは、０．３μｍ〜３．０μｍの範囲とするのがよい。
【００１６】
上記構成の薄膜センサを製造する場合には、例えば、ガラスディスク１を通常の方法で洗浄した後、その上面の所定部位に、配線膜３と検出膜２を、例えばスパッタ蒸着法にて順次積層形成する。この時、配線膜３と検出膜２は、それぞれメタルマスクやホトマスク等を用いて所望の形状にパターニングを行い、互いにコンタクトが取れるようにする。次いで、電極５となる配線膜３の端部の一部を除いて、これらガラスディスク１の表面を覆うように、中間層４１と、表面層４２を積層して、保護膜４とすればよい。
【００１７】
中間層４１の成膜には、通常、スパッタ蒸着法またはＣＶＤ法が用いられる。例えば、中間層４１となるＳｉＯ2 膜をスパッタ蒸着法で成膜する場合は、アルゴンガス雰囲気中で、ＳｉＯ2 をターゲットとしてスパッタを行うことにより、ＣＶＤ法で成膜する場合は、ＳｉＨ4 ガスとＯ2 ガスを原料ガスとしてＣＶＤ装置に導入することにより、基板上にＳｉＯ2 膜を成膜することができる。
【００１８】
表面層４２となるＤＬＣ膜の成膜は、通常、イオンプレーティング法またはＣＶＤ法によって行うことができる。イオンプレーティング法による場合は、例えば、ベンゼンガスを、ＣＶＤ法による場合は、例えば、メタンガスを成膜原料として用い、これら原料ガスを装置内に導入して、中間層４１となるＳｉＯ2 膜の上にＤＬＣ膜を積層形成する。
【００１９】
上記構成によれば、保護膜４を２層構造として、その表面層４２を高硬度かつ低摩擦係数のＤＬＣ膜としたので、薄膜センサ表面の耐磨耗性、摺動性が大幅に改善される。一方、ガラスディスク１側の中間層４１は、ガラス材料との密着性に優れるＳｉＯ2 等よりなり、絶縁体であるので、絶縁性も確保される。また、中間層４１に含有されるＳｉとＤＬＣ膜の構成元素であるＣは同族元素で、共有結合を形成して、中間層４１と表面層４２の密着力を向上させる。よって、絶縁性基体上に形成した薄膜センサの保護膜４として用いられて、絶縁性を確保しつつ、密着強度と耐磨耗性、摺動性を両立させ、耐久性に優れた薄膜センサを実現することができる。
【００２０】
なお、上記実施の形態では、圧力検出用の薄膜センサの例を説明したが、圧力センサに限らず、歪センサ、加速度センサ、流量センサ等、同様の構成を有する他の薄膜センサに適用することももちろんできる。また、薄膜センサに限らず、電気接点等の電子部品等、絶縁性基体上に金属薄膜を形成し、その表面を覆う保護膜を形成した薄膜積層体よりなるものであれば、いずれにも適用でき、同様の効果が得られる。
【００２１】
【実施例】
（実施例１、比較例１〜３）
本発明の効果を確認するために、図３（ａ）に示すように、本発明の保護膜を絶縁性基板上に形成した評価用サンプル（実施例１）を作製して、その剥離試験を行った。まず、ホウケイ酸ガラスよりなるガラス基板表面をアセトン洗浄した後、その上に、中間層となるＳｉＯ2 膜をスパッタ蒸着法により成膜した。成膜は、アルゴンガス雰囲気中で、ＳｉＯ2 をターゲットとして行い、膜厚２．０μｍのＳｉＯ2 膜を形成した。次いで、ＳｉＯ2 膜の上面に、表面層となるＤＬＣ膜をＣＶＤ法によって成膜した。成膜原料であるＣＨ4 （メタン）ガスを導入して、膜厚０．５μｍのＤＬＣ膜を形成した。
【００２２】
一方、比較のため、図３（ｂ）に示すように、ガラス基板上にＳｉＯ2 膜を形成した後、ＤＬＣ膜を導体に成膜する際に用いられているＳｉ膜を中間層として使用したサンプルを作成した（比較例１）。ここで、ガラス基板上に形成されるＳｉＯ2 膜は絶縁性を確保するためである。ＳｉＯ2 膜（膜厚２．０μｍ）、ＤＬＣ膜（膜厚０．５μｍ）の成膜は、上記実施例１と同様にして行い、Ｓｉ膜（膜厚０．１μｍ）は、スパッタ蒸着法にて、Ｓｉをターゲットとして行った。また、図３（ｃ）に示すように、中間層を形成せず、ガラス基板上に直接ＤＬＣ膜（膜厚０．５μｍ）を成膜したサンプル（比較例２）と、さらに図３（ｄ）に示すように、保護膜として従来から用いられているＳｉＯ2 膜（膜厚２．０μｍ）をガラス基板上に直接成膜したサンプル（比較例３）を作成した。比較例２のＤＬＣ膜、比較例３のＳｉＯ2 膜は、上記したのと同様の方法で成膜した。
【００２３】
これらサンプルの剥離試験には、島津製作所（株）製のスクラッチテスタ（ＳＳＴ−１０１形）を用いた。図４にその測定メカニズムを示すと、スクラッチテスタは、スタイラスの一端側にコイル内に挿通される磁石を、他端側にサンプルの表面に押し付けられるダイヤモンド製接点を有している。このスタイラスを、接点に印加される荷重を増加させながら、サンプル上を掃引し、この時のスタイラスの振動を一端側に発生する電流により検出することで、剥離状態を判断することができる。ここでは、膜が剥離するときの荷重を剥離荷重とし、実施例１と比較例１〜３の剥離試験結果を図５に示した。
【００２４】
図５の結果を比較して明らかなように、ＤＬＣ膜のみの比較例２では、従来のＳｉＯ2 膜を保護膜とする比較例３に比べて、剥離荷重が約３００ｍＮと小さい。これに対し、ＤＬＣ膜に中間層を付加することによって、比較例３より剥離荷重が大きくなっており、特に、ＳｉＯ2 膜を中間層とする実施例１では８００ｍＮを越えている。Ｓｉ膜を中間層とする比較例１では、剥離荷重が６００ｍＮと実施例１より小さく、また、絶縁性を確保するためのＳｉＯ2 膜を必要とするため膜厚が厚くなる。以上より、ＤＬＣ膜を表面層としＳｉＯ2 膜を中間層とすることで、絶縁性を確保しつつ密着強度を向上して剥離のしにくい保護膜が得れらる。
【００２５】
（実施例２、比較例４）
次に、上記図１に示した構成の薄膜センサを実際に製作し（実施例２）、その耐久性試験を行った。まず、ホウケイ酸ガラスよりなるガラスディスク１表面をアセトン洗浄した後、上面の複数箇所に配線膜３となるＡｌ配線膜、検出膜２となる金属ゲージ膜を成膜した。成膜はスパッタ蒸着法により、アルゴンガス雰囲気中で行い、金属ゲージ膜はターゲットをＰｔ、Ａｌ配線膜はターゲットをＡｌとして、それぞれ成膜した。保護膜４は、まず、電極５となるＡｌ配線膜の一部を除くガラスディスク１表面を覆って、中間層４１となるＳｉＯ2 膜を成膜した。ＳｉＯ2 膜の成膜は、ＳｉＯ2 をターゲットとしてスパッタ蒸着法で行い、膜厚２．０μｍのＳｉＯ2 膜を形成した。さらに、その上面に表面層４２となるＤＬＣ膜を、ＣＨ4 ガスを成膜原料としてＣＶＤ法により成膜した。ＤＬＣ膜の膜厚は０．５μｍとした。
【００２６】
また、比較のため、上記図２に示したＳｉＯ2 膜よりなる保護膜６を有する従来構成の薄膜センサを製作した（比較例４）。薄膜センサの製造方法は、本発明の保護膜４の代わりに、保護膜６となるＳｉＯ2 膜（膜厚２．０μｍ）をスパッタ蒸着法で形成した以外は、実施例２と同様にして行った。さらに、比較例４と同じ構成で、ＳｉＯ2 膜の膜厚を６．０μｍとした薄膜センサを製作した（比較例５）。
【００２７】
このようにして製作した各薄膜センサの耐久性を、図６に示す装置を用いて調べた。耐久試験は、薄膜センサの保護膜４の表面に所定の荷重を印加した状態で、ガラスディスク１を回転させ、剥離が生じるまでの時間を測定した。その結果、従来構造の比較例４は耐久荷重６ｋｇで耐久時間が５分間であり、ＳｉＯ2 膜の膜厚を厚くした比較例５でも耐久荷重６ｋｇで耐久時間が１０分間と、大きな差異が見られなかったのに対し、実施例２の本発明の構成（図１）では、耐久荷重１０ｋｇで耐久時間が１００分間以上と、耐久性が著しく向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した圧力検出用の薄膜センサの部分拡大断面図である。
【図２】従来の圧力検出用の薄膜センサの部分拡大断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）実施例で用いたサンプル（実施例１、比較例１〜３）の構成をそれぞれ示す断面図である。
【図４】実施例の剥離試験で用いた装置の概略構成図である。
【図５】実施例における剥離試験の結果を示す図である。
【図６】実施例の耐久試験で用いた装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１  ガラスディスク（絶縁性基体）
２  圧力検出膜（金属薄膜）
３  配線膜
４  保護膜
４１  中間層
４２  表面層
５  電極
【図１】
0003756373.tif 000002
【図２】
0003756373.tif 000003
【図３】
0003756373.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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