J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.8 (2011) 548‐555

研究技術ノート

PIG プラズマ CVD 法による DLC コーティング技術寺山暢之
神港精機株式会社 装置事業部 真空装置技術部 開発課（原稿受付：２０１
１年４月６日／原稿受理：２０１１年６月２２日）

ダイヤモンド結合とグラファイト結合を併せ持つ DLC（Diamond Like Carbon）膜は，高硬度・高耐摩耗・低摩擦・低い相手攻撃性・耐焼きつき性・高絶縁性・赤外透過性・高ガスバリア性・生体適合性などの優れた特長を兼ね備えている．DLC コーティングはプラズマ・イオンを利用した PVD 法と CVD 法が用いられている．
我々は低エネルギーで大電流イオンが容易に得られる PIG（Penning Ionization Gauge）タイプのプラズマガンを独自開発し，これを CVD 装置に採用し，PIG プラズマ CVD 装置として商品化してきた．本稿では装置の特長と得られた DLC 膜のトライボロジー特性について報告する．
Keywords:
diamond like carbon, penning ionization gaurge discharge type plasma CVD, tirbology

１．DLC 膜の構造および物性削減をめざして燃費改善，異音防止，オイル低減化，耐久DLC（Diamond Like Carbon）はグラファイトとダイヤ性向上を図っている．ここでは示していないが，ガスバリモンドの中間的な物性をもつ非晶質のカーボン膜であり，ア性を活かして，ペットボトルの内面にDLCコーティング

硬度を比較するとダイヤモンドの性質に近い硬い膜であを行い，酸素や水分の透過を抑えて長期間の品質を維持しる．１９７０年代にイオンビーム蒸着法を用い，初めて作製さ図２れて以来，各種のコーティング法が開発されてきた．図１，図２はそれぞれ DLC の構造と物性を示す．DLC はダイヤモンド構造とグラファイト構造の両者が混在した非晶質のグラファイト
六方晶2.26
1004×10−32.15

結晶系
密度（g/cm３）
硬度（HV）
比抵抗（Ω・cm）
屈折率
光学ギャップ（eV）
ヤング率（GPa）
熱伝導率（W/cm・K）
酸化開始温度（℃）

皮膜である．ここでは構成元素として炭素と水素を示したが，製法によっては水素フリーのDLCや金属元素をドープしたメタルドープの DLC など，用途に応じて様々な DLCが実用化されている．最近では硬度 1000 HV 以上であればDLC と呼んでおり，これよりも軟らかい皮膜はアモルファスカーボンと呼び，それぞれ区別している．
DLC 皮膜の特長と工業的用途を図３に示す［１］．低摩物性比較．

0.4〜2.1
600

DLC
非晶質
1.5〜2.5
1000〜5000
107〜1014
2〜2.4
1〜2100〜500
0.2
300〜400

ダイヤモンド立方晶
3.52
8000〜10000
1013〜1016
2.42
5.5
1150
6〜20600

擦，低相手攻撃性を活かして自動車分野をはじめとする摺動部品への適用が圧倒的に多い．昨今の地球環境や CO2図１
グラファイト
六方晶᠁േㇱຠDLC の構造比較．
DLC
非晶質⿒ᄖ✢䍜䍻䍙䍎㪠㪩䍸䍻䍛䍼

ダイヤモンド立方晶㜞⎬ᐲૐ៺ᡂଥᢙ䋽㪇㪅㪈⋧ᚻ᡹᠄ᕈૐ䈇శቇㇱຠ䍩䍽䍛䍢䍻䇮䍩䍽䍛䍢䍻䍩䍽䍻䇮䍩䍽䍛䍢䍻䍶䍻䍖䍼䍔䍯䍚䍊䍪䍢䇮䍨䍼䍷䍪䍼䍶䍪䍞䍎Άᢱྃ኿䍧䍛䍼䍷䇮䍙䍛䍫䍽䍻䍚䍌䍻⏛᳇䍫䍍䍢䍼䇮䍕䍼䍲䇮☳૕ャㅍ▤❫⛽ᯏ᪾ㇱຠ䇮ḡ᳓ᷙวᩖ⏛᳇៝ㅍ᧼䇮䈜䈼䉍ゲฃ䈔Άᢱ䍬䍽䍻䍪䍽䍗䍎䍛䇮䍸䍕䍼䍋䍸䍎䍞ㇱຠ⿒ᄖㅘㆊᕈዮ᛬₸䋽㪉⴫㕙ᐔṖᕈಾ೥Ꮏౕ䇮㊄ဳ㪛㪣㪚⤑䈱↪ㅜ㕒㔚䍟䍊䍍䍖䍶䍎䍢䍼䍪䍸䍎䍯㪠㪚ၮ᧼㔚᳇ㇱຠ䌈ක≮䇮㘩ຠ↪ㅜ䍛䍡䍻䍢䇮䍫䍽䍍䍢䍬䍼䍢䍷

図３
DLC Coating Technology by PIG-Plasma CVD Method
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DLC 膜の特長と用途．

author’s e-mail: n-terayama@shinko-seiki.com

５４８!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchResearch and Technology Note

DLC Coating Technology by PIG-Plasma CVD Method

N. Terayama

要である．成膜速度を向上するには，基板に入射するラジている例もある．

カル・イオンの量を上げることが必須であり，具体的には

２．DLC のコーティング方法以下の２点に絞られる．
① 反応室に材料ガスを多量に供給する

DLC コーティング手法は固体の炭素からスパッタリングや陰極アーク放電を利用して成膜する方法（PVD 法）と② 高密度のプラズマをつくる

CH4 や C2H2 等の炭化水素系ガスをプラズマ化して成膜す

従来，DLC コーティングには高周波プラズマ CVD 装置る方法（CVD 法）の２種に大別される．図４は各種コーが使用されてきたが，得られるプラズマ密度が 1010 /cm3

ティング方法と成膜特性の一例を示す．スパッタリング法台と低いため成膜レートは 0.5 μm/h であった．摺動部品にでは水素を含有しない皮膜ができるが，CVD法では材料ガ要求される 3 μm の膜厚を得ようとするとコーティング工スに炭化水素系ガスを使用しているので，必然と水素を含程だけで６時間もかかってしまう．そこで我々は低電圧−

む DLC ができる．最近では，スパッタ法においても成膜中大電流放電を特長とする PIG プラズマに着目し，1011 /cm3に CH4 ガスを流して反応性スパッタにより水素含有 DLC台のプラズマ密度を得ることで 3 μm/h 以上の高速成膜がのコーティングを行い，皮膜特性に幅をもたしてきている．

できる PIG プラズマ CVD 装置を開発した．

機械部品のトライボコーティング膜として DLC に要求

図６は PIG プラズマと RF プラズマの電子密度を比較しされる性能は，厚膜，高密着，表面平滑性，低温処理，低たものである．放電ガスは Ar で圧力は 4 Pa である．電子コストである．DLC が良好なトライボロジー特性を発揮す

密度の測定は Langmuir プローブ法を用いた．両者とも放るには，表面粗度が小さいことが肝要である．膜表面が粗電出力が大きくなると，電子密度は上がる傾向にあるが，いと，自分自身の摩耗粉でアブレッシブ摩耗が起こり，耐同じ放電出力で比較すると，PIGプラズマはRFプラズマよ摩耗性が低下する．また摺動相手に対する攻撃性も高くなりも密度が１桁高く，効率が良い．

る．PVD 法では固体カーボンからのクラスター飛散，ドロップレットがあり表面粗度が大きい．一方，CVD 法はガスを原料として用いているので，ドロップレットの心配がなく，比較的平滑な表面が得られる．

３．プラズマ CVD 法の原理と高速成膜の手法
プラズマ CVD 法における皮膜堆積の過程を図５に示す［２］．材料ガスに電離電圧以上のエネルギーを持つ電子を衝撃させることで，化学的に活性なラジカル・イオンが生成される．これらの粒子は基板表面に拡散していき，シースと呼ばれる空間電荷層に到達したとき，イオンは基板表面に向かって加速される．一方，ラジカルは中性であるので速度の変化はない．基板表面に到達したラジカル・イオンは表面拡散，吸着，表面反応を経て薄膜が成長すると考えられている．

図５

厚膜・低コストの観点から，成膜速度を上げることが肝
図４
成 膜 法

原皮膜堆積の過程．

各種コーティング方法と成膜特性．

スパッタ法

RF プラズマ CVD 法

イオン化蒸着法

PIG プラズマ CVD 法

固体カーボン〜250 ℃
0.5 μm/h
5 μm
水素フリー
1000〜3500 HK△

CH4〜200 ℃
0.5 μm/h
1 μm
30〜40 at%1500〜2000 HK○C6H6〜３00 ℃
0.7 μm/h
1 μm〜15 at%
2000〜2500 HK○

C2H2〜250 ℃
3 μm/h20 μm
20〜30 at%
1000〜2500 HK
○理

成膜原料
処理温度
成膜速度
最大膜厚
水素含有量
硬度
表面粗さ５４９Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.8 August 2011㪈㪇㪇㪈㪅㪇㪜㪂㪈㪉䍔䍎䍬䍼䍻⊹⤑䈱ᚑ⤑䍸䍎䍢㩿㫅㫄㪆㫄㫀㫅㪀㔚ሶኒᐲ䋨㪺㫄 㵥㪊 㪀P(Ar)=4Pa㪧㪠㪞䊒䊤䉵䊙㪈㪅㪇㪜㪂㪈㪈㪩㪝䊒䊤䉵䊙㪈㪅㪇㪜㪂㪈㪇㪏㪇㪨㩿㪚㪉㪟㪉㪀㪔㪈㪇㪇㫄㪣㪆㫄㫀㫅㪍㪇㪋㪇㪨㩿㪚㪉㪟㪉㪀㪔㪍㪇㫄㪣㪆㫄㫀㫅㪉㪇㪨㩿㪚㪉㪟㪉㪀㪔㪊㪇㫄㪣㪆㫄㫀㫅㪇㪈㪅㪇㪜㪂㪇㪐㪇

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図６㪈㪇㪇᡼㔚಴ജ㩿㪮㪀㪊㪇㪇

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図７

電子密度の比較．

放電出力と成膜速度の関係．

PIG プラズマによる放電出力と成膜レートの関係を図７に示す．材料ガスはアセチレンを用いた．成膜レートは放電出力が大きくなるにしたがい増加するが，900 W 以上で飽和する．またC2H2 ガス流量が多いほど成膜レートは大きい．したがって成膜レートを向上するには，材料ガスの多量供給と，これに見合った放電出力を投入すればよい．導入したガス流量の積算質量と基板に堆積した皮膜の質量を比較したところ，ガスの使用効率は８０％以上であった．
C2H2 ガスを多量に導入できるように，H2 に対して排気速度の大きい高背圧型の油拡散ポンプからなる排気系を用いた．炭化水素系のガスをプラズマで分解させるとチャンバー内で水素が発生する．発生した水素を効率良く排気し

図８ないと，チャンバー内の圧力が上昇してしまい，安定な成PIG プラズマ CVD 装置の構成．

膜ができない．ガス種に対する油拡散ポンプの排気速度は1/2（分子量）に逆比例するので，H2 に対する排気速度は N2やC2H2 の３倍程度大きい．ターボ分子ポンプに代表されるような機械的なポンプでは，水素に対する圧縮比が小さいため多量に発生した水素を排気できない．このような理由から高真空領域で H2 に対する排気速度の大きい油拡散ポンプを使用した．

４．PIG プラズマ CVD 装置の原理
PIG プラズマ CVD 装置の構成および生産装置の外観を
図９

それぞれ図８，図９に示す［３］．本装置はマグネトロンス生産装置の外観．

パッタ法によりメタル中間層を形成後，プラズマ CVD 法で DLC 膜を積層する複合システムとなっている．

ら放出された熱電子はプラズマガンと反射電極との空間で成膜室の上部にプラズマガンを配置し，成膜室の中央に往復振動を行い，ガスを効率的にイオン化させる．0.05〜

閉じ込められた高密度プラズマの周囲に基板が配置され1 Pa の低圧においても低電圧大電流（50 V，60 A）の放電をる．膜厚分布の確保および立体物への均一成膜を目的とし維持し，かつプラズマを閉じ込め高密度化させる目的で，て，基板はプラズマを中心として自公転する．カソード

成膜室の外周に一対の電磁コイルを設けている．プラズマ

フィラメントの保護と材料ガスの有効な消費を目的としガンと反射電極の軸方向に１〜10 mT 程度のミラー磁場をて，プラズマガンには Ar，H2 ガスを導入し，成膜室に C2形成して，いわゆる PIG（Penning Ionization Gauge）構造とH2，TMS（テトラメチルシラン：Si（CH3）4）ガスを導入しした［４，５］．緻密な皮膜を得る目的で，基板には周波数５０〜ている．

250 kHz の非対称パルス電圧を印加している．

電離に寄与する電子を有効利用する目的で，カソードDLC のような絶縁皮膜を再現性良くコーティングを行

フィラメントに対向して成膜室にフローティング電位の反うには，チャンバーのアース面積がバッチ間で変わらない射電極を設けている．これによりカソードフィラメントかことが大事である．プラズマはアースであるチャンバーの５５０Research and Technology Note

DLC Coating Technology by PIG-Plasma CVD Method

N. Terayama

中に生成されているので，チャンバーも電極の一部となラズマは白い放電色を有している．ミラー磁界によりプラる．コーティング時間の経過とともにチャンバー内壁が絶ズマはチャンバー中央に閉じ込められ，プラズマの径とし縁膜に覆われてくると，アース電位であるチャンバーに流ては !100 mm 程度である．基板はプラズマに暴露されな入する電子電流が減少し，放電出力を同一にしても基板にいので，処理温度の低温化が図れる．
成膜は全自動でコンピュータによるレシピ設定とロギン

入射するイオン量が低下し，再現性が得られない．本装置

グデータ管理を行い，皮膜品質の安定化を図っている．

では PIG プラズマガン本体を絶縁電位に維持し，ミラー磁場によってプラズマをプラズマガンと反射電極の軸上に閉５．PIG プラズマのイオン量と質じ込め，プラズマ電子が径方向に散逸することを防いでいる．また，図８に示していないが，PIGプラズマガンの下部

DLC 皮膜で最も大事な膜質は膜密度である．膜密度は硬にはフローティング電位の防着板を配置して，チャンバー度，ヤング率，水素含有量，内部応力，屈折率，光透過性に流入する電子を防いでいる．このような工夫を行うことなどに影響を及ぼす．緻密な膜ほど硬度は高く，水素含有で，プ ラ ズ マ の ア ー ス は PIG プ ラ ズ マ ガ ン の ア ノー ド

量は少なく，屈折率は高く，光透過性は下がる傾向にある．

（アースに結合）に限定され，コーティングの再現性が得ら

膜密度を制御する方法は，基板に負のバイアスを印加しれている．て，皮膜成長面にイオン衝撃を行うことが通常よく用いら成膜室には基板に対向してスパッタターゲットが設けられる．また負バイアスが同じであっても，基板に入射するれており，Ti，Cr，CrN 等のメタル中間層を形成して基板イオン量が多いほど，イオン衝撃効果が大きくあらわれと DLC の密着力を確保する．

る．PIG プラズマ CVD 装置による DLC 成膜では，基板に入射するイオン量は PIG ガン出力で制御し，基板に入射す成膜速度は C2H2 ガス流量と PIG プラズマガンの出力で調整し，皮膜硬度および処理温度は基板に印加するパルス

るイオンエネルギーは負バイアスで調整する．

電圧でコントロールする．DLC の成膜速度と膜質，処理温

図１２はファラデーカップをプラズマの中心から径方向に度は独立して制御できることが特長であり，金属基板から距離 !!100〜300 mm に配置し，イオン電流密度のプラズ樹脂基板まで幅広く対応可能である．なおDLCの成膜速度マガン出力依存性を示したものである．イオン電流密度ははガス流量に比例し，最大 5.5 μm/h のレートが得られる．
図１０は PIG プラズマガンの内部構造を示す．カソードフィラメントはワンタッチで取り外し可能なフィラメントブロックに２本取り付けられている．カソードフィラメン
トが成膜途中に断線しても，自動的に予備フィラメントに切り替わることで，一連の工程を大気開放せずに終了でき，生産に支障をきたさない．フィラメント寿命は DLC
膜厚 3 μm プロセスで２０バッチ程度である．アノードの上部に酸素ガスノズルが設けられているが，これは成膜室から逆流した C2H2 ガスがプラズマで分解，解離することによって堆積するカーボン膜を除去するものである．わずかな酸素供給によりプラズマガン内部に堆積するカーボン膜を抑えて，メンテナンス周期の長期化を図っている．
DLC コーティング時の放電写真を図１１に示す．C2H2 プ
図１
１ DLC 成膜状況．

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図１０ PIG ガンの構造．

図１２ イオン電流密度の PIG ガン出力依存性．

５５１

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Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.8 August 2011

プラズマガンの出力に比例し，径方向に離れるほど小さく必須である．DLC は比抵抗 108〜1012 Ω・cmを有する絶縁膜）の径方向距離依存性を詳細になる．イオン電流密度（ "#であるので，基板に直流の負電圧を印加すると，正電荷蓄調べた結果，磁場強度に影響を受けるが，"#は距離の２乗積によるチャージアップが起こり，安定にイオンを基板方〜３乗に反比例する．バッチあたりの生産量および膜質の向に加速することができない．通常，絶縁膜のコーティン関係から，基板は径方向に距離 200〜350 mm の位置に配置

グ装置では基板に 13.56 MHz の高周波を使用するが，負荷される．

によりマッチング調整が必要であること，電源価格が高い

基板に入射するイオンエネルギーは PIG プラズマの空間等の課題がある．そこで本装置ではマッチングボックスが電位と基板に印加する負電圧の絶対値を加えた値となる．

不要で，低価格の周波数可変型（ $!50 kHz〜250 kHz）バ

したがって，必要とするイオンエネルギーを細かくコント

イポーラパルス電源を採用している．図１５は成膜時におけロールするには，イオンのエネルギー幅が小さいことが望る基板パルス電圧波形を示す．基板は接地電位に対して正まれる．図１３に示す４枚グリッドの静電アナライザーを用

電圧が 2 μs の期間印加され，負電圧が 8 μs の期間印加されいて，イオンのエネルギー幅を調べた結果を図１４に示す．

る．基板電位が負のとき，Ar および C2H2 等のイオンが膜

なお，グリッドはステンレス製で 300 mesh/inch を用いた．

成長面に加速される．基板電位が正のとき，熱化されたプ

アナライザーグリッドに正の電圧（#!）を印加し，イオンをラズマ電子が膜成長面に加速され，成膜面に滞在している減速させてコレクターに流れるイオン電流（!
をプロット"）

イオンと衝突することで電荷中和が起きる．このような電した．これを微分することでイオンのエネルギー分布を得

荷中和プロセスにより，正電荷蓄積によるチャージアップた．PIG プ ラ ズ マ 中 の イ オ ン エ ネ ル ギ ー の ピ ー ク 値 はを防止して，イオンを安定に膜成長表面に加速，輸送する

14 eV であり，Langmuir プローブ法で求めた空間電位とほことができ，皮膜の硬度を調整することが可能となる［６］．
図１６は基板バイアスと硬度の関係を示す．基板バイアスぼ一致した．また，エネルギー分散（半値幅）は 10 eV であり，比較的単色性のあるイオンが生成されている．

が大きくなるにしたがい皮膜硬度は高くなる．図示していないが，膜密度についても基板バイアスが大きくなると1.5 g/cm3→2.5 g/cm3 に向上する．硬度と膜密度は比例関

６．基板のバイアス方法

係にあり，膜密度が高いほど皮膜は硬い．皮膜成長面への高硬度のDLCを得るためには，成長面でのイオン衝撃がイオン衝撃エネルギーが高いほど，緻密で硬いDLCが得ら
Entrance gridElectron repeller grid

10᷈sAnalyzer gridᵎᵴ
PlasmaIon collectorᵐᵎᵎᵴAVaIc

図１３ ４枚グリッドの静電アナライザー．
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図１５ パルス電圧波形．

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図１４ イオンのエネルギー幅．

図１
６ 基板バイアスと硬度の関係．

５５２

Research and Technology Note

DLC Coating Technology by PIG-Plasma CVD Method

れる．

N. Terayamaのガス流量比を調整することで制御し，含有量は数 at％程

図１７は水素含有量と硬度および内部応力の関係を示す．

度である．DLC にシリコンを含有させることで，ドライ環

図の◆DLC は 炭 素と 水 素 の み で 構 成 さ れ る DLC，□Si

境で摩擦係数 !を 0.15→0.05 に下げることができる．図１９（3 at％）
‐DLC は炭素と水素に加えて３％のシリコンを含に CrN/DLC 複合皮膜の断面 SEM 像を示す．

有したDLC，▲Si（6 at％）
‐DLCは炭素と水素に加えて６％

図２０は DLC 膜厚 3 μm コーティングにおける成膜工程をのシリコンを含有したDLCを表している．いずれにおいて示す．タクトタイムは 3.5〜4 h である．以下，各工程に関も硬い皮膜ほど水素含有量は少なくなり，内部応力（圧縮）して詳細を述べる．

は大きくなる．イオン衝撃により，皮膜成長面からの水素排気＋加熱工程脱離が起こっていると考えられる．

ワーク（処理物）を自公転する基板台に装着 後，1×10−3 Pa まで真空排気を行う．そして，脱ガス目的で加熱を７．DLC コーティング技術行う．通常，鉄系基材では内部に水分を含んでおり，真空

図１８は皮膜構成の一例を示す．基板とDLCの間に高硬度中で 100〜150℃ のベーキングを行うことで，これを放出さの CrN 皮膜を１〜2 μm 形成している．その上に TMS ガスせる．

を使用して非晶質の SiCx 層を傾斜させ，最後に DLC 層をボンバード工程積層させる．硬い中間層の上に DLC を積層することで，負Ar と H2 を導入し，圧力 0.2 Pa にて PIG プラズマを形成

荷による DLC の変形が抑えられて高面圧まで耐えられる．

してボンバード（放電洗浄）を行う．機械加工後の金属表

通常 DLC は一般的な鉄系材料に直接コーティングするこ

面には酸化物層や吸着ガス層，汚染層がトータルで 20 nmとはできない．鉄との濡れ性が低く，界面に炭化物層ができにくいため，容易に剥がれてしまう．DLC がダイレクトにコーティングできる基板はシリコン，ゲルマニウム，炭化シリコン等に限られている．
トップコート層は摺動部品用途によって DLC あるいはDLC

シリコン含有 DLC（Si-DLC と略す）のどちらかを適宜選択する．耐摩耗重視の用途では DLC を，低摩擦重視の用途では Si-DLC を選択している．シリコン含有量は TMS と C2H2

CrN
Si(3at%)-DLCSi(6at%)-DLC

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図１９ 断面 SEM 像．

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図１７ 水素含有量と硬度および内部応力の関係．

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図１８ 積層皮膜の構成．

図２０ 成膜工程．

５５３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.8 August 2011

程度あり，これをアルゴンイオンと水素イオンの衝撃で除去する．アルゴンイオン衝撃は物理的なエッチング効果があり，水素イオン衝撃は酸化物の還元作用による化学的なエッチング効果がある．加熱工程とボンバード工程はコーティング前の脱ガスと表面清浄化を行い，皮膜の密着力を確保するうえで最も大事な工程である．
スパッタ膜形成工程（PVD 法）次に H2 ガスの導入を止めて Ar のみで PIG プラズマを形成し，スパッタターゲット（Cr）に負の直流電圧を印加してCr をスパッタさせる．ターゲットの裏面には環状の永久磁石が付いており，アルゴンイオン衝撃によって発生した二P=0.2Pa䍞䍎䍗䍼䍍䍢಴ജ=10kW次電子を環状の磁界で閉じ込め，ターゲット表面にリング状の高密度プラズマを形成し，いわゆるマグネトロンスパッタ法にてCrをスパッタさせている．スパッタ時の圧力

図２
１ マグネトロンスパッタ放電．

は 0.1〜0.5 Pa の範囲で調整する．図２１はスパッタ時の放電
写真を示す．矩形のCrターゲット表面に環状のマグネトロ

本傾斜層はスパッタ Cr 膜とトップコートの DLC 層の密着ン放電が形成されている様子がうかがえる．

力を確保するための層である．傾斜層の膜厚は 500 nm 程

Cr 膜を成膜後，N2 ガスを導入して反応性スパッタによ度である．

り CrN 層を形成させる．CrN 層形成後，N2 ガスを止めてDLC 層コーティング工程（CVD 法）Cr 層を形成する．メタル中間層の構成は Cr/CrN/Cr の３

最後にトップコートの DLC層はArとC2H2 ガスで形成す層構造になっており，第１層目のCrは鉄系基材との密着力る．またシリコン含有 DLC 層の場合はこれに TMS を添加を得るための層，第２層目のCrNは負荷によるDLCの変形する．シリコン含有量 4 at％の DLC を得るには，TMS の流を抑え，耐摩耗性を向上するための補強層である．第３層量は C2H2 ガ ス 流 量 の お よ そ 10％ 程 度 に 調 整 す れ ば 良の Cr は後述する傾斜層との密着力を確保するための層で

い．シリコン含有量は TMS 流量と C2H2 ガス流量の比で制ある．

御でき，0〜16 at％の範囲で調整できる．

傾斜層コーティング工程（CVD 法）

８．PVD-DLC と CVD-DLC のトライボロジー比較

スパッタターゲット出力をオフ後，アルゴンの PIG プラズマを形成し，かつ基板にパルスバイアスを印加した状態

プラズマ CVD 法で形成したDLCはPVD法と比較して表で，TMS と C2H2 を同時に供給する．TMS 流量は初期に多面が平滑である．図２２は PVD 法と当社 PIG-PECVD 法で作く導入し，時間とともに減少させる．一方，C2H2 流量は初製した DLC 膜の表面状態，粗さ，トライボロジー特性の比期に少量で，時間とともに増加させる．ガス流量の傾斜導較を示している．当社皮膜の硬度は PVD 法（A）の半分しか入により，Cr 界面ではシリコン濃度の高い SiCx を形成し，ないのにもかかわらず，比摩耗量は 1/7 と小さく耐摩耗性

DLC 層側ではシリコン濃度の低い SiCx を積層させている．

が高い．また相手攻撃性についても 4/1000 と小さい．PVD

図２
２ PVD-DLC と CVD-DLC の比較．
PVD 法（A）

PVD 法（B）

PIG-PECVD 法

SEM 写真（×１万倍）

粗さ：Ra（nm）
硬度（HK）
摩擦係数：μ比摩耗量（mm3/Nm）
相手攻撃性（mm3）

56.7
4400
0.32
3.5×10−737×10−413.5
35000.17
1.5×10−71.6×10−4５５４6㱘m
400nm

600nm

AFM 像エリア 20 μm 角6㱘m
400nm

6㱘m

6.6
2200
0.15
0.5×10−7
0.16×10−4

Research and Technology Note

DLC Coating Technology by PIG-Plasma CVD Method

N. Terayama

法（A）の表面粗さ Ra は 56.7 nm に対して PIG-PECVD 法で求される皮膜仕様によって最適な手法と装置が選択されては 6.6 nm である．表面粗さの差がこれらのトライボロジーいるのが実情である．今後，コーティング装置は大型化，特性に影響を及ぼしている．固体潤滑皮膜に求められる性インライン化の方向に進み，皮膜の性能向上と低コスト化

能は，低摩擦であること，自分自身が摩耗しないこと，そが実現して，DLC が広く産業界に利用されていくと思われして相手も摩耗させないことであり，これらの観点からる．

コーティング膜の表面粗さは小さいほうが良い［７］．
PIG プラズマ CVD 法は高密度のプラズマ生成および材

参考文献

料ガスの多量供給を可能にした排気システムを採用したこ［１］寺山暢之：コンバーテック 439, 81 (2009).
［２］斉藤秀俊，大竹尚登，中東孝浩：DLC 膜ハンドブック（エヌ・ティー・エス，２００６）80.
［３］池永 勝：高機能化のための DLC 成膜技術（日刊工業新聞社，２００７）１２６．
［４］寺山暢之，巽由佳，中曽根正美：真空 38, 653 (1995).
［５］寺山暢之，中曽根正美：第４回粒子線の先端的応用技術に関するシンポジウム，２７（１９９３）．
［６］鈴木秀人，池永 勝：事例で学ぶ DLC 成膜技術（日刊工業新聞社，２００３）１２５．
［７］寺山暢之：月刊トライボロジー 265, 20 (2009).とで，高成膜速度で表面が平滑な DLC ができる．また，基板に入射するイオン量とエネルギーをそれぞれ独立してコントロールできるため，膜質の異なる DLC が容易に得られ，摺動条件に最適な皮膜を選択するためにも有効な手法と考えられる．

９．おわりにDLC は摺動部品の耐久性，信頼性向上に寄与し，昨今の環境問題から省エネ，低燃費に欠かせない皮膜となりつつある．DLC は各種手法で成膜されているが，用途および要５５５