特開 2024-110736 炭素膜構造体及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024110736

(43)【公開日】2024-08-16

(54)【発明の名称】炭素膜構造体及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C01B 32/05 20170101AFI20240808BHJP

【ＦＩ】

C01B32/05

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023015503

(22)【出願日】2023-02-03

(71)【出願人】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100100011

【弁理士】

【氏名又は名称】五十嵐 省三

(72)【発明者】

【氏名】赤坂 大樹

(72)【発明者】

【氏名】原田 大

(72)【発明者】

【氏名】青野 祐子

【テーマコード（参考）】

4G146

【Ｆターム（参考）】

4G146AA05

4G146AB07

4G146AD26

4G146BA12

4G146BC09

4G146CB16

(57)【要約】

【課題】二層構造の炭素膜構造体及びその製造方法を提供する。
【解決手段】始めに、プラズマＣＶＤ工程において、プラズマＣＶＤ装置を用いてシリコン基板４０１上にＤＬＣ層４０２を成長させる。プラズマＣＶＤ工程において、プラズマＣＶＤ装置を用いてガラス基板８０１上にＤＬＣ層８０２を成長させる。次に、レーザ照射工程において、シリコン基板４０１、ガラス基板８０１が外側になるようにＤＬＣ層４０２、８０２を重ね合わせて密着させ、レーザ照射装置を用いてガラス基板８０１側からＤＬＣ層４０２、８０２の境界面Ｂにレーザ照射する。デフォーカス量ＤＦ＝５ｍｍとし、レーザ間隔距離Ｉはガルバノ走査型ミラー２０２で調整する。この結果、最適化されたレーザ光Ｌによって境界面Ｂが消滅したＤＬＣ層８０３のガラス基板８０１側に半球状凸部Ｈが形成されると共に、ガラス基板８０１は剥離される。シリコン基板４０１側に凹部Ｒが形成される。
【選択図】 図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の炭素膜層と、
前記第１の炭素膜層の上面全体に設けられた第２の炭素膜層と
を具備し、
前記第１の炭素膜層の上面と前記第２の炭素膜層の下面との境界面の少なくとも一部はレーザ溶着された炭素膜構造体。

【請求項2】

前記第２の炭素膜層の下面の前記レーザ溶着された部分の該第２の炭素膜層の上面は半球凸状をなしている請求項１に記載の炭素膜構造体。

【請求項3】

前記第２の炭素膜層の前記レーザ溶着された一部は格子状に配列された請求項１に記載の炭素膜構造体。

【請求項4】

第１の炭素膜層と、
前記第１の炭素膜層の上面の一部に設けられた第２の炭素膜層と
を具備し、
前記第１の炭素膜層の上面の一部と前記第２の炭素膜層の下面とはレーザ溶着された炭素膜構造体。

【請求項5】

前記第２の炭素膜層の上面は半球凸状をなしている請求項４に記載の炭素膜構造体。

【請求項6】

前記第１の炭素膜層の上面の一部は凹んでいる請求項４に記載の炭素膜構造体。

【請求項7】

第１の基板上に第１の炭素膜層を成長させるための第１の炭素膜層成長工程と、
前記第１の基板と同一大きさの光透過性の第２の基板上に第２の炭素膜層を成長させるための第２の炭素膜層成長工程と、
前記第１、第２の基板が外側になるように前記第１、第２の炭素膜層を重ね合わせて密着させ、前記第２の基板側から前記第１、第２の炭素膜層の境界面の一部にレーザを照射するためのレーザ照射工程と
を具備する炭素膜構造体の製造方法。

【請求項8】

前記レーザはデフォーカスレーザである請求項７に記載の炭素膜構造体の製造方法。

【請求項9】

前記第２の炭素膜層の前記レーザ溶着された一部は格子状に配列された請求項７に記載の炭素膜構造体の製造方法。

【請求項10】

第１の基板上に第１の炭素膜層を成長させるための第１の炭素膜層成長工程と、
光透過性の第２の基板上に前記第１の炭素膜層より小さい第２の炭素膜層を成長させるための第２の炭素膜層成長工程と、
前記第１、第２の基板が外側になるように前記第１、第２の炭素膜層を重ね合わせて密着させ、前記第２の基板側から前記第１、第２の炭素膜層の境界面にレーザを照射するためのレーザ照射工程と
を具備する炭素膜構造体の製造方法。

【請求項11】

前記レーザはデフォーカスレーザである請求項１０に記載の炭素膜構造体の製造方法。

【請求項12】

前記第２の炭素膜層に対抗する前記第１の炭素膜層の上面の一部は凹んでいる請求項１０に記載の炭素膜構造体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は炭素膜構造体たとえばＤＬＣ構造体及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

顕著な摩擦特性、耐摩耗性を有する自己固体潤滑剤の炭素膜構造体として、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）構造体が知られている。

【0003】

ＤＬＣ構造体は、ダイヤモンドのｓｐ^３結合成分及びグラファイトのｓｐ^２結合成分を有するが、ｓｐ^２結合成分を多く含むのでアモルファス炭素（ａ－Ｃ）である。従って、ＤＬＣ構造体はダイヤモンドの耐摩耗性を有すると共に、グラファイトの潤滑性を有する。この場合、ｓｐ^２比率の比較的高いものをアモルファス炭素（ａ－Ｃ）と呼び、製造時に水素を含まずｓｐ^３比率の比較的高いものをテトラヘドラルアモルファス炭素（ｔａ－Ｃ）と呼ぶ。また、水素含有量が５％～５０％と高いものを水素化アモルファス炭素（ａ－Ｃ：Ｈ）又は水素化テトラヘドラルアモルファス炭素（ｔａ－Ｃ：Ｈ）と呼ぶ。水素を含むか否かは製造方法に依存する。たとえば、アセチレン等の炭化水素ガスを原料とする化学的気相成長（ＣＶＤ）法を用いた場合、ａ－Ｃ：Ｈ、ｔａ－Ｃ：Ｈとなり、グラファイトを原料とする物理的気相成長（ＰＶＤ）法を用いた場合、ａ－Ｃ、ｔａ－Ｃとなる。

【0004】

従来のＤＬＣ構造体は一旦堆積後に他のＤＬＣ構造体を接合、積層できなかった。つまり、２つのＤＬＣ層を接合する技術は存在しなかった。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Dai Harada et al., “Investigation of the structure and tribological properties of laser-irradiated hydrogenated amorphous carbon films”, Diamond & Related Materials 131 (2023) 109573

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上述の一層構造の従来のＤＬＣ構造体に他のＤＬＣ層を接合してＤＬＣ構造体を厚くすることは不可能であるという課題があった。また、ＤＬＣ構造体が損傷した場合には選択的に他のＤＬＣ構造体を接合してＤＬＣ構造体を補修することも不可能であり、この場合、ＤＬＣ構造体全体をエッチング除去し、ＤＬＣ構造体を再生しなければならないという課題があった。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述の課題を解決するために、本発明に係る炭素膜構造体は、第１の炭素膜層と、第１の炭素膜層の上面全体に設けられた第２の炭素膜層とを具備し、第１の炭素膜層の上面と第２の炭素膜層の下面との境界面の少なくとも一部はレーザ溶着されたものである。

【0008】

また、本発明に係る炭素膜構造体の製造方法は、第１の基板上に第１の炭素膜層を成長させるための第１の炭素膜層成長工程と、第１の基板と同一大きさの光透過性の第２の基板上に第２の炭素膜層を成長させるための第２の炭素膜層成長工程と、第１、第２の基板が外側になるように第１、第２の炭素膜層を重ね合わせて密着させ、第２の基板側から第１、第２の炭素膜層の境界面の一部にレーザを照射するためのレーザ照射工程とを具備するものである。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、二層構造の炭素膜構造体を実現でき、従って、炭素膜構造体を厚くできると共に、炭素膜構造体が損傷した場合に容易に補修できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明に係るＤＬＣ構造体の製造に用いられるプラズマＣＶＤ装置を示す概略図である。

【図2】本発明に係るＤＬＣ構造体の製造に用いられるレーザ照射装置を示す概略図である。

【図3】従来の一層構造ＤＬＣ構造体の製造方法を説明するためのフローチャートである。

【図4】図３のフローチャートを補足説明するための断面図である。

【図5】図４の（Ｄ）におけるＤＬＣ層の表面の光学顕微鏡写真及び高さ分布を示す図である。

【図6】図４の（Ｄ）におけるＤＬＣ層の表面の動摩擦係数を説明するためのグラフである。

【図7】本発明に係るＤＬＣ構造体の製造方法の第１の実施の形態を説明するためのフローチャートである。

【図8】図７のフローチャートを補足説明するための断面図である。

【図9】図８の（Ｄ）におけるＤＬＣ層のガラス基板側表面の光学顕微鏡写真及び高さ分布を示す図である。

【図10】図８の（Ｄ）におけるＤＬＣ層のガラス基板側表面の光学顕微鏡写真及び高さ分布を示す図である。

【図11】図８の（Ｄ）におけるＤＬＣ層のシリコン基板側表面の光学顕微鏡写真及び高さ分布を示す図である。

【図12】図８の（Ｄ）におけるＤＬＣ構造体の走査型顕微鏡（ＳＥＭ）断面写真である。

【図13】本発明に係るＤＬＣ構造体の製造方法の第２の実施の形態を説明するためのフローチャートである。

【図14】図１３のフローチャートを補足説明するための断面図である。

【図15】本発明に係るＤＬＣ構造体の製造方法の第３の実施の形態を説明するためのフローチャートである。

【図16】図１５のフローチャートを補足説明するための断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図１は本発明に係るＤＬＣ構造体の製造に用いられるプラズマＣＶＤ装置を示す概略図である。

【0012】

図１において、たとえば３Ｐａの真空チャンバ１０１内に電極Ｅ_１、Ｅ_２が設けられ、電極Ｅ_１側にはたとえば１４ｋＨｚの４ｋＶのピーク電圧Ｖ_ｐ－ｐの高周波パルス電圧を印加するためのパルス電源ユニット１０２が設けられ、他方、電極Ｅ_２側にはＤＬＣを成長させるための基台１０２が設けられる。ガス吸入口１０３には炭化水素たとえばアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスが供給され、真空ポンプに接続されたガス排出口１０４から処理後のガスが排出される。このように、電極Ｅ_１、Ｅ_２間にプラズマＰが発生して基台１０２上にＤＬＣが成長する。

【0013】

図２は本発明に係るＤＬＣ構造体の製造に用いられるレーザ照射装置を示す概略図である。

【0014】

図２において、たとえば１０６４ｎｍのイッテルビウム（Ｙｂ）ファイバパルスユニット２０１からのレーザ光Ｌはガルバノ走査型ミラー２０２によって反射され、ＤＬＣターゲット２０３に照射される。その際、レーザ光Ｌは焦点Ｆからターゲット２０３上でたとえばＤＦ＝５ｍｍにデフォーカスされる。

【0015】

従来の一層構造ＤＬＣ構造体の製造方法を図３、図４を参照して説明する（参照：非特許文献１）。

【0016】

始めに、図３のプラズマＣＶＤ工程３０１において、図１のプラズマＣＶＤ装置を用いて図４の（Ａ）のシリコン基板４０１上に厚さ１．１μｍのＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層４０２を成長させる。この場合の成長時間は６０分である。このときのＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層４０２の表面の光学顕微鏡写真及び高さ分布を図５の（Ａ）に示す。

【0017】

次に、図３のレーザ照射工程３０２において、図２のレーザ照射装置を用いて図４の（Ｂ）に示すごとくシリコン基板４０１と反対側からＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層４０２にレーザ照射する。この場合、デフォーカス量（焦点はずし量）ＤＦ＝５ｍｍとし、レーザ間隔距離Ｉはガルバノ走査型ミラー２０２で調整する。この結果、図４の（Ｃ）に示すごとく、ＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層４０２に熱膨張による半球状凸部Ｈが形成される。このときのＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層４０２の表面の光学顕微鏡写真及び高さ分布は図５の（Ｂ－１）、（Ｂ－２）に示し、この場合、図５の（Ｂ－１）はレーザ間隔距離Ｉ＝２００μｍの場合を示し、図５の（Ｂ－２）はレーザ間隔距離Ｉ＝１００μｍの場合を示す。

【0018】

図３、図４に示す製造方法によって製造されたＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層４０２の表面の動摩擦係数μｅは、図６に示すように小さくなる。従って、摩擦特性つまり摺動特性は向上する。特に、半球状凸部Ｈの面積率が大きい程、摺動特性は向上することが分る。

【0019】

しかし、図３、図４に示す製造方法によるＤＬＣ構造体は一層ＤＬＣ構造である。従って、上述の課題がある。

【0020】

本発明に係る第１の実施の形態として二層構造ＤＬＣ構造体の製造方法を図７、図８を参照して説明する。

【0021】

始めに、図７のプラズマＣＶＤ工程７０１において、図１のプラズマＣＶＤ装置を用いて図８の（Ａ）のシリコン基板４０１上に厚さ１．１μｍのＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層４０２を成長させる。この場合の成長時間は６０分である。

【0022】

他方、図７のプラズマＣＶＤ工程７０２において、図１のプラズマＣＶＤ装置を用いて図８の（Ｂ）のガラス基板８０１上に厚さ０．７μｍのＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層８０２を成長させる。この場合の成長時間は３０分である。

【0023】

次に、図７のレーザ照射工程７０３において、シリコン基板４０１、ガラス基板８０１が外側になるようにＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層４０２、８０２を重ね合わせて密着させ、図２のレーザ照射装置を用いて図８の（Ｃ）に示すごとくガラス基板８０１側からＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層４０２、８０２の境界面にレーザ照射する。この場合、レーザパワー及びデフォーカス量ＤＦを最適化する。レーザパワーが大き過ぎると、ＤＬＣが破壊されたり、溶融、炭化等のアブレーションを起こす。また、デフォーカス量ＤＦが小さ過ぎると、レーザ照射領域が小さくなる。たとえば、デフォーカス量（焦点はずし量）ＤＦ＝５ｍｍとし、レーザ間隔距離Ｉはガルバノ走査型ミラー２０２で調整する。この結果、最適化されたレーザ光Ｌによって図８の（Ｄ）に示すごとく、境界面Ｂが消滅したＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層８０３のガラス基板８０１側に半球状凸部Ｈが形成されると共に、ガラス基板８０１は剥離される。また、図８の（Ｄ）に示すごとく、境界面Ｂが消滅したＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層８０３のシリコン基板４０１側に凹部Ｒが形成される。このときのＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層８０３のガラス基板側表面の光学顕微鏡写真及び高さ分布は図９の（Ａ）、（Ｂ－１）、（Ｂ－２）及び図１０の（Ａ）、（Ｂ）に示され、シリコン基板４０１側の光学顕微鏡写真及び高さ分布は図１１に示され、いずれも、レーザ間隔距離Ｉ＝２００μｍの場合を示す。

【0024】

図１２は図８の（Ｄ）におけるＤＬＣ構造体のＳＥＭ断面写真である。

【0025】

図１２に示すように、レーザ照射されて半球状凸部Ｈが生じた領域のＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層８０３には、キャビティが発生しているが、これはレーザ照射工程前においてＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層４０２、８０２の境界面が存在していた痕跡である。

【0026】

図７、図８に示す製造方法によって製造されたＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層４０２、８０２、８０３の表面の動摩擦係数μｅも、小さくなる。従って、摩擦特性つまり摺動特性は向上する。

【0027】

このように、図７、図８に示す製造方法によるＤＬＣ構造体は二層ＤＬＣ構造であり、ＤＬＣ構造自体を厚くすることができる。

【0028】

本発明に係る第２の実施の形態として二層構造ＤＬＣ構造体の製造方法を図１３、図１４を参照して説明する。

【0029】

始めに、図１３のプラズマＣＶＤ工程７０１において、図１のプラズマＣＶＤ装置を用いて図１４の（Ａ）のシリコン基板４０１上に厚さ１．１μｍのＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層４０２を成長させる。この場合の成長時間は６０分である。

【0030】

他方、図１３のプラズマＣＶＤ工程７０２’において、図１のプラズマＣＶＤ装置を用いて図１４の（Ａ）のシリコン基板４０１より小さい図１４の（Ｂ）のガラス基板８０１’上に厚さ０．７μｍのＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層８０２’を成長させる。この場合の成長時間は３０分である。

【0031】

次に、図１３のレーザ照射工程７０３において、シリコン基板４０１、ガラス基板８０１’が外側になるようにＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層４０２、８０２’を重ね合わせて密着させ、図２のレーザ照射装置を用いて図１３の（Ｃ）に示すごとくガラス基板８０１’側からＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層４０２、８０２’の境界面にレーザ照射する。この場合も、レーザ光Ｌを最適化する。たとえばデフォーカス量ＤＦ＝５ｍｍとし、レーザ間隔距離Ｉはガルバノ走査型ミラー２０２で調整する。この結果、図１４の（Ｄ）に示すごとく、境界面が消滅したＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層８０３に半球状凸部Ｈが形成されると共に、凹部Ｒが形成される。

【0032】

図１３、図１４に示す製造方法によって製造されたＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層４０２、８０２、８０３の表面の動摩擦係数μｅも、小さくなる。従って、摩擦特性つまり摺動特性は向上する。

【0033】

このように、図１３、図１４に示す製造方法によるＤＬＣ構造体は二層ＤＬＣ構造であり、ＤＬＣ構造の半球状凸部Ｈを厚くすることができる。

【0034】

本発明に係る第３の実施の形態として二層構造ＤＬＣ構造体の製造方法を図１５、図１６を参照して説明する。

【0035】

始めに、図１５の準備工程１５０１において、損傷したＤＬＣ構造体を準備する。つまり、図１６の（Ａ）のシリコン基板４０１上に厚さ１．１μｍのＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層４０２を成長させたＤＬＣ構造体に損傷して凹み１６０１があるものとする。

【0036】

他方、図１５のプラズマＣＶＤ工程１５０２において、図１のプラズマＣＶＤ装置を用いて図１６の（Ａ）のシリコン基板４０１より小さい図１６の（Ｂ）のガラス基板８０１’上に厚さ０．７μｍのＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層８０２’を成長させる。この場合の成長時間は３０分である。

【0037】

次に、図１５のレーザ照射工程１５０３において、シリコン基板４０１、ガラス基板８０１’が外側になるようにＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層４０２、８０２’を重ね合わせて密着させ、図２のレーザ照射装置を用いて図１６の（Ｂ）に示すごとくガラス基板８０１’側からＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層４０２、８０２’の境界面にレーザ照射する。この場合も、レーザ光Ｌを最適化する。たとえばデフォーカス量ＤＦ＝５ｍｍとし、レーザ間隔距離Ｉはガルバノ走査型ミラー２０２で調整する。この結果、図１６の（Ｄ）に示すごとく、境界面が消滅したＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層８０３’に半球状凸部Ｈが形成されると共に、凹部Ｒが形成される。

【0038】

図１５、図１６に示す製造方法によって製造されたＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層８０３’の表面の動摩擦係数μｅは、小さくなる。従って、摩擦特性つまり摺動特性は向上する。

【0039】

このように、図１５、図１６に示す製造方法によるＤＬＣ構造体は二層ＤＬＣ構造であり、ＤＬＣ構造に損傷凹み１６０１がある場合、損傷を補修することができる。

【0040】

尚、上述の実施の形態においては、ＤＬＣ構造体のＤＬＣとしてａ－Ｃ：Ｈを用いたが、ａ－Ｃ、ｔａ－Ｃ又はｔａ－Ｃ：Ｈを用いることもできる。

【0041】

また、上述の実施の形態のＤＬＣ構造体においては、第１のＤＬＣ層上に第２のＤＬＣ層を重ねているが、第１のＤＬＣ層自身が二層構造のＤＬＣ構造体でもよい。つまり、本発明に係るＤＬＣ構造体は三層以上のＤＬＣ層よりなり得る。また、ＤＬＣ層の表面に半球状凸部Ｈが形成されるが、半球状でない凸部が形成されることもあり、また、凸部自体が形成されないことがある。

【0042】

さらに、本発明はＤＬＣ構造体以外の炭素膜構造体にも適用できる。

【0043】

さらにまた、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲でいかなる変更にも適用できる。

【産業上の利用可能性】

【0044】

本発明に係る炭素膜構造体は耐摩耗性及び摩擦特性が要求される摺動部品たとえば自動車部品等に利用できる。

【符号の説明】

【0045】

１０１：真空チャンバ
１０２：パルス電源ユニット
１０３：ガス吸入口
１０４：ガス排出口
Ｐ：プラズマ
２０１：Ｙｂファイバパルスレーザユニット
２０２：ガルバノ走査型ミラー
２０３：基台
Ｆ：焦点
ＤＦ：デフォーカス距離
４０１：シリコン基板
４０２：ＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層
Ｈ：半球状凸部
Ｒ：凹部
Ｉ：レーザ間隔距離
８０１：ガラス基板
８０２：ＤＬＣ（ａ－Ｃ：Ｈ）層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【手続補正書】

【提出日】2023-02-09

【手続補正1】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図3】

【手続補正2】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図7】

【手続補正3】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図13】

【手続補正4】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図15】