電子エミッションを利用した薄膜コーティングの革新的破壊靭性評価技術の開発と高圧力プレス金型に対する高機能性コーティング適用への挑戦
名古屋大学 大学院工学研究科 マイクロ・ナノ機械理工学専攻
助教 村島 基之（2018 年度 奨励研究助成（若手研究者） AF-2018037-C2）
キーワード：電子エミッション，高機能性コーティング，破壊靭性

１．研究の目的と背景
近年，様々な表面微小形状が新しい機能性を発現することが明らかにされてきた 1-3)．このようなマイクロ・ナノテクスチャリングの工業製品への応用は数十ｃｍ四方に収まる小さい領域や微小な部品への適用から開始されてきたが，最近ではレーザーを用いたテクスチャリング加工技術の発展などにより広い面積への適用が始まっている．
マイクロ・ナノテクスチャリングの大面積への適応は加図１

シリコンウェハ上に成膜された DLC 膜のビッカー工の容易性や生産性の観点からレーザー加工により行わス圧子を用いた破壊靭性測定．(左)ta-C，(右)柱状構造をれるのが一般的であるが，より高速なテクスチャリング形有する ta-C 膜 4,5)．

成を実現する為にはプレス塑性加工の活用が望まれている．しかし，表面に微小パターニングを有する金型を用い一方で，シリコンウェハなどの脆性材料上に成膜するこてプレス塑性加工を行う場合は，パターンの頂上部に大きとで薄膜コーティングの破壊靭性値を測定する手法では，な応力が加わるため金型材料の摩耗が大きな問題となる．

一般的な機械部品に使用される炭素鋼とは異なる基材の一般的に金型の摩耗を防ぐためにはコーティングを施す上への成膜が必要となる．しかし，成膜プロセスにおいて対策が取られている．一方で微小形状が多数ある表面にお基材の導電性や表面エネルギーはコーティング膜の機械いては，凸部や角部に大きな引張応力が発生する為，引張特性や物性を左右する重要な因子であるため，この手法で強度や破壊靭性に優れたコーティングの開発が不可欠では本来測定したいコーティング薄膜特性を測定できていある．しかし，薄膜コーティングの破壊靭性を定量的に評ないことが懸念される．従って，実際の金型表面コーティ価する手法はこれまで確立されておらず，最適な薄膜選定ングの耐久性を測定するためには，実際に使用される金型のための新しい薄膜破壊時靭性評価手法の確立が求めら

材料表面に成膜されたコーティングを用いた破壊靭性値れている．

評価が必要であり，それを可能とする新しい手法の開発がム ヒ ュ デ ィ ン ら は ， 炭 素 系 硬 質 薄 膜 (diamond-like

強く求められている．

carbon; DLC)の耐摩耗性メカニズム解明のために，図１

材料の破壊により亀裂や破壊面が新たに作り出されるに示されるように異なる DLC 膜種の破壊靭性値の測定を際には，そこに蓄えられていた電子が放出されるという電実施した 4,5)．この手法では先ず，DLC 膜が成膜されたシ子エミッション(電子の飛び出し)が観測されることが報

リコンウェハにマイクロビッカース圧子を押し付けるこ告されている．従来この電子エミッションの測定はバルクとにより発生する亀裂の長さを測定する．その後，測定さ材料に対して行われ，セラミックスなどの材料強度を求めれた亀裂長さ，ナノインデンテーション法により測定されるヤング率および膜厚などの各パラメータを用いることにより DLC 膜自体の破壊靭性値が算出される．この破壊靭性値測定手法の優れた点は，薄膜コーティングと基材の破壊靭性値の切り分けが困難であった従来の四点曲げ試
験などによる欠点を，シリコンウェハという脆性材料上に成膜することで解決している点である 6)．この手法を用いた結果，ta-C 膜(tetrahedral amorphous carbon)の残留応力と破壊靭性の両方が耐摩耗特性に影響していることが明らかにされた

4,5)

．

図２

DLC 膜の摩擦時に観測された電子エミッション分布の様子 7)．

るためなどに使用されてきた．一方で近年，金型コーティ分力計の上方に存在するベローズを介してスライダーのングの一つである DLC 膜の摩擦中においてもそのような押し付け力を調整することで制御する．コーティングされ電子エミッションが観測されることが報告され(図２)，薄たフラット試験片は，ベローズを介して真空チャンバー外膜コーティングの破壊現象の観測においても電子エミッ部に設置されたモーターとスライダーにより水平方向にションが活用されることが期待される 7)．一方で，薄膜コしゅう動させられる．これらの機構を搭載した摩擦試験機

ーティングの破壊靭性値と電子エミッションを関連付けを図５のように設計した．そして，実際に図６に示すようた研究は現在までのところ実施されていない．そこで本研に装置を完成させた．

究では，薄膜コーティング破壊時に生じる電子エミッションを測定するという新しい装置の開発を実施し，将来的な破壊靭性値測定のための基礎的実験を実施する．

スライダー

２．実験方法2・1

カメラ

摩擦しゅう動時の薄膜コーティング破壊による電MCP

子エミッション検出装置の開発
本研究では，薄膜コーティングが施された試験片に対して摩擦しゅう動を与えることによりコーティング表面にTMP

RP

リークバルブ
高圧電源

6分力計

応力を発生させる破壊応力付加機構を構築した．コーティングに応力が与えられることで薄膜コーティングに亀裂の発生や進展が生じるが，その際に生じる電子エミッションを MCP(micro channel plate)装置を用いることで測定試験片(コーティングされている)する機構を構築した．MCP は，表面にマクロスケールの微小穴が無数に空いている構造を有している．この微小穴

図４の一つ一つの内面に高電圧を印加することで，電子が微小電子エミッションの測定装置概略．

摩擦しゅう動により薄膜コーティングから生じる穴側面に衝突した場合に衝突した電子よりも多くの電子が側面から放出される．この電子の増倍が繰り返されることで微量の電子エミッションを観測可能にするものがMCP 装置の概要である(図３)．本研究では，増倍された電子が MCP 装置に取り付けられた蛍光版に衝突する際に生じる発光を高感度カメラで捉えることで，摩擦時の応力に応じた電子エミッション放出量の測定を可能とした．電子エミッションは大気中分子と衝突することで消失するため，電子エミッションの計測系は 1.3×10-4 Pa 以下の高真空環境にする必要がある．従って MPC 装置や試験片は真空チャンバー内に配置されている(図４)．

図５

３Ｄ-ＣＡＤにより設計された電子エミッション測定摩擦装置．

荷重真空計

図３モーターMCP

MCP 装置の概略．

摩擦しゅう動による応力付加機構の概要を図４に示す．
薄膜コーティングに対する摩擦相手材には，曲率を有する試験片を用いる．この曲率を有する試験片は 6 分力計と直図６接接続されており，摩擦面に加わる垂直力としゅう動時にの外観写真．

発生する水平力が測定される．試験片に加わる垂直力は 6

実際に開発された電子エミッション測定摩擦装置

2・2

摩擦時電子エミッション測定実験

Graphitecathode電子エミッションを測定する為に，MCP 装置へ 5 kVArの高圧電圧を印加した．この電圧は，MPC 内の In-Out端子間に 2 kV，MCP-蛍光面間に 3 kV の電圧を印加する

AnodeTrigger

ことで，電子の増倍と蛍光面への電子の誘因を行った．真Ion beam

成により電子エミッションが観測されることが明らかに

Bias

Filtered arc
plasma beam

空チャンバー内の電離真空計から発生する電子を実際に測定した様子を図７に示す．この結果より，本実験装置構N2Specimen
Ductbias
Rotationされた．

Substrate

Dropletcollection part

CVRV

LV

MV
PLVCRYO
FVRP

図８

TMP

FCVA 法による ta-CNx の成膜．

電離真空計から発生する電子の MPC 装置を用いた

本実験においてもこの FCVA 法を用いることでドロッ測定結果．(左)電離真空計稼働時，(右)電離真空計停止時．

プレットが少なくかつ高硬度の ta-C を成膜した．また本

図７

実験では，アーク放電による炭素のイオン化と同時に，イ摩擦しゅう動試験においては，相手側摩擦球材料に窒化オンビームガンを用いた窒素イオンの照射により ta-C 膜ケイ素を用いた．しゅう動速度は 25 mm/s とし，往復時内に窒素原子をドープすることで ta-CNx を成膜した．本の加速度は 0.25 m/s2 とした．薄膜コーティング材料とし実験においては，すでに破壊靭性値が既知であるシリコンて，窒素含有 ta-C 膜(ta-CNx 膜)を用いた．また，しゅうウェハ上に ta-CNx 膜を成膜した．

動による電子エミッション観測に関する予備実験として，摩擦帯電を生じやすい樹脂材料である PTFE を用いた摩擦試験を実施した．

３．実験結果と考察
3・1

PTFE を用いた摩擦試験による電子エミッション測定実験
2・3

薄膜コーティング成膜試験

PTFE と窒化ケイ素球を用いた摩擦試験を荷重 3 水準

本研究では，FCVA 法(filtered cathodic vacuum arcで実施した(0.8 N，1.5 N，3.0 N)．また摩擦試験中に放deposition)を用いた ta-CNx 成膜を実施した．DLC 膜の出される電子エミッションを同時に測定した．それらの結成 膜 手 法 に は 大 別 し て CVD 法 (chemical vapor

果を図９に示す．結果として，荷重が 0.8 N から 3.0 N へdeposition)と PVD 法(physical vapor deposition)が存在増加するにしたがって摩擦係数が減少するという傾向がするが，一般的に PVD 法を用いた成膜方法により硬質な確認された．電子エミッションに関しては，いずれの試験DLC 膜を成膜できることが知られている．しかし，PVD荷重においても摩擦初期にはほとんど観測されなかった法においては炭素ターゲットよりドロップレットと呼ばが，摩擦サイクルが 350 秒程度を過ぎたあたりで多くのれるナノメートルからマイクロメートルスケールのクラ電子エミッションが観測され始めた．これは，摩擦によるスターが形成されてしまうことが知られている．このドロ帯電により PTFE 表面に電荷がチャージされ，それが摩ップレットは表面粗さの増加につながり，摩耗の起点，酸耗による破壊現象により放出されることで生じたと考え化の起点になるため，成膜時にそれを取り除く手法が望まられる．特に，垂直荷重が 0.8 N の試験においては摩擦サれる．そこで考案された手法が FCVA 法である．FCVA

イクル 400 秒以降に継続的な激しい電子エミッションが法では図８に示すように炭素ターゲットと成膜基盤が直確認された．

交する配置になっている．アーク放電によりイオン化され今回得られた電子エミッションカウント数の合計と，そた炭素原子はダクトに配置されたコイルが発生させる電の試験片における摩耗量を比較した結果を図１０に示す．

磁場により進行方向を曲げられ，最終的に成膜基盤へ到達

この結果より，電子エミッションが多く観察された試験片する．一方で，イオン化することなくターゲットから脱離ほど摩耗量が多いことが明らかにされた．通常摩耗量は試した炭素クラスターであるドロップレットはコイル電磁験後に表面を観察することでしか分析できないが，本試験場で曲げられることなく直進し，成膜基盤に到達すること手法を用いることで，摩擦が進行するに従いどのように摩なく回収される．

耗量が推移するかを測定することが可能となる可能性が1.00.9
0.80.70.60.50.40.30.2
0.105000100200300
time , sIn vacuum(5×10-5 Pa)
Si3N4 ball VS PTFE
Sliding speed 20mm/s
Normal load 1.5 N

400500600

250200150
100200300
time , sIn vacuum(5×10-5 Pa)
Si3N4 ball VS PTFE
Sliding speed 20mm/s
Normal load 3.0 N

400

500

150

7.0500

500

1000

1500

PTFE と窒化ケイ素を用いた摩擦試験における摩耗量と電子エミッションカウントの関係．
3・20400

7.2

図１０50300
time , s

7.4

Numberof times
Countof Luminance2002007.6600
250

100

100

7.8001008.0

6.8500Wear volume V, x10-2 mm3Luminance1501000

図９8.2200Luminance1.00.90.80.70.6
0.50.40.30.20.10250

In vacuum(5×10-5 Pa)
Si3N4 ball VS PTFE
Sliding speed 20mm/s
Normal load 0.8 N

Luminance

Friction coefficient μ

Friction coefficient μ

Friction coefficient μ

1.00.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.10ta-CNx を用いた摩擦試験による電子エミッション測定実験

600

図１１に ta-CNx を用いた場合の摩擦係数の推移とそ

PTFE と窒化ケイ素を用いた場合の摩擦係数の時の際の電子エミッション測定結果を示す．荷重が 0.75 Nの場合には，摩擦サイクル 100 秒までは平均 0.1 程度の摩間変化と検出された電子エミッション量．

擦係数を示したが，それ以降の急激な摩擦係数の増大が確示され，本研究で新しく開発された試験装置の別の利用可認された．この試験片の電子顕微鏡(SEM)を用いた表面観能性が示された．垂直荷重の増加により摩耗量も増加する察を実施したところ，ta-CNx 膜の摩滅が確認され，このというものが一般的な摩耗現象であるが，今回は最も小さ

摩擦係数の増大は基材のシリコンウェハと窒化ケイ素球い荷重である 0.8 N の条件において最も電子エミッショの摩擦に推移したために発現したと考えられる．また，摩ン量と摩耗量が大きくなることが示された．PTFE は自己擦係数の急激な増大の直前に電子エミッションの放出が潤滑性を有する低摩擦材料として知られているが，低摩擦確認されており，この瞬間に ta-CNx 膜とシリコンウェハ

荷重条件においては良好なトライボフィルムを形成しなの界面で剥離が生じ，電子エミッションが観察されたと考いことが知られている 8)．本研究においてもその現象によ察される．垂直荷重が 4.0 N の場合には，摩擦初期から非り，0.8 N の軽荷重においては潤滑性を有するトライボフ

常に大きな摩擦係数を示した．SEM 表面観察からは，垂ィルムが形成されず大きな摩耗が生じたと考えられる．

直荷重 0.75 N の時と同じようにしゅう動部におけるta-CNxFriction coefficient μ0.75 N 摩滅直前の電⼦エミッション
1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10

試験後SEM画像

1 μm

0100200300
time , s

400500100μm

摩滅後に検出された⼤きな電⼦エミッション
試験後SEM画像
1.0

Friction coefficient μ4.0 N
0.90.80.70.60.50.40.30.20.10

試験後断⾯形状2 μm0

図１１

試験後断⾯形状

100200300time , s400500100μm

ta-CNx 膜と窒化ケイ素を用いた摩擦試験における摩擦係数の推移，電子エミッション量，摩擦試験後の SEM

表面観察画像と摩耗痕の断面形状測定結果

ta-CNx 膜の摩滅が観察された．また，摩擦係数が最大の参考文献

値に漸近するタイミングで大きな電子エミッションの放1） Motoyuki MURASHIMA・Noritsugu UMEHARA,・Hiroyuki

出が観察された．従って，電子エミッションの計測は

KOUSAKA：Tribology Online，159-167 (2016)，11．

ta-CNx 膜が完全に摩滅する瞬間の測定に成功したと考え

2） 大山慎太郎・梅原徳次・上坂裕之・鄧興瑞・村島基之・られる．

堀江茂・松山洋介：日本機械学会論文集，1-10 (2017)，
83．

４．研究のまとめ

3） Motoyuki Murashima ・ Koki Hojo ・ Shigehiro Ito ・本研究は，薄膜コーティングに摩擦応力を与えることに

Noritsugu Umehara・Takayuki Tokoroyama・Tomonori

より微小破壊現象を生じさせ，その際の電子エミッション

Takahashi・Minoru Imaeda：Langmuir, (2021), in press．

を測定することで破壊靭性値を算出することを可能とす

4） Mohd Myhyiddin Bin Mustafa・Noritsugu Umehara・る装置を新しく開発した．開発された装置は，摩擦時に発Takayuki Tokoroyama・Motoyuki Murashima・Akinori

生する電子エミッションを測定することに成功した．

Shimata ・ Yoshiharu Utsumi ・ Hideki Moriguchi ：PTFE を用いた摩擦試験では，摩擦帯電と摩耗に起因すると考えられる電子エミッションの測定に成功した．また，Tribology Online，388-397 (2019)，14．
5） Mohd Myhyiddin Bin Mustafa・Noritsugu Umehara・

摩耗量と電子エミッション量が線形の関係を有すること

Takayuki Tokoroyama・Motoyuki Murashima・Akinori.

が明らかにされた．従って，電子エミッションカウント数

Shibata・Hideki Moriguchi：Tribology International，の経時変化を解析することで，摩擦試験後の表面観察以外

1-14 (2020)，147.

で測定することが難しい摩耗量の摩擦中推移を推定する

6） M. Nastasi・P. Kodali・K. C. Walter・J. D. Embury・ことが可能であるという新しい装置の応用可能性が明ら

R. Raj・Y. Nakamura：Journal of Materials Research，
2173-2180 (2011)，14．

かにされた．
ta-CNx を用いた摩擦試験では，摩擦係数が急激に増大

7） Alessandra Ciniero・Julian Le Rouzic・Lain Baikie・するタイミングでの電子エミッションが観察され，Tom Redyhoff：Wear, 133-199 (2017)，374-375．

ta-CNx 膜と基材間の剥離現象が電子エミッションにより

8） Yuan Xiang-Dong・Xiao-Jie Yang：Wear, 291-297(2010)，観察されていることが明らかにされた．

謝 辞
本研究は，公益財団法人天田財団の研究助成により実施されました．貴重なご支援に感謝いたします．

296．