顕微分光膜厚計におけるDLC膜の計測評価技術

1. はじめに
2. 顕微分光膜厚計『OPTM』
3. 測定・運用事例の紹介『形状ある実サンプルの測定』
4. 測定・運用事例の紹介『摩擦界面における摩擦メカニズムの解明』
5. まとめ

はじめに

DLCコーティングはその機能性から様々な分野・用途で使用されています。しかし、従来、その評価は接触したり破壊したりと試料にダメージを与える試験がほとんどでした。また試料の形状に制限があり、実サンプルではなく平坦なテストピースでしか評価できません、また、加工・前処理が必要なためコーティングから評価まで時間がかかりその場観察ができないなどの課題がありました。

今回、これらの問題の解決する顕微分光膜厚計『OPTM』を紹介するとともに、実際に測定・運用された事例を紹介します。

事例の1として形状のあるサンプルにDLCを成膜する工程で、従来、テストピースにて膜厚をカロテスト、硬さをナノインデンター、膜質をXPS等の電子線を用いた分析装置にて評価されていました。これをOPTMを用いることで実サンプルにおいて非破壊・非接触で測定できるようになった事例を紹介します。

事例の2として、DLC膜の摩擦界面における摩擦メカニズムをOPTMを用いたその場観察によって解明された事例を紹介する。特に事例の2は名古屋大学　梅原徳次先生およびその研究室の成果であり、今回ご許可を頂いた上でその論文の概要を紹介します。

顕微分光膜厚計『OPTM』

OPTMは大塚電子（当社）が扱ってきた従来機種FE-3000という装置の後継機種です。（図1）

OPTMは光干渉法により、試料の反射率・膜厚・nkおよびそれらから求まる粗さ・硬さ・膜質といった物性値を測定することが可能です。

光を用いて測定をするため、サンプルには可視光を中心とした近紫外・近赤外の光を照射するのみであり、サンプルにダメージを与えること無く非破壊・非接触での測定が可能です。

従来機に比べ高精度・高速化を実現し、特に測定時間は1秒以下/1点を実現しました。

顕微鏡光学系（図2）を採用しているためスポットサイズは最小3μm、観察画像より測定箇所を確認しながらの測定が可能です。

スポットサイズが微小であるため、形状のあるサンプル、仮に（図3）のようなレンズ状の試料を測定する場合、その頂点の近傍は水平とみなせるため、フラットなサンプルと同様に測定が可能です。また、頂点以外を測定する場合は試料を傾け、測定をしたい任意の箇所が頂点となるように試料を設置します。

OPTMは測定に必要な機能を全てヘッド部に集約している。試料の形状や測定したい状況によって下部のステージ部はカスタマイズが可能です。また、なんらかの製造装置・搬送装置にインテグレーションしたり、別の計測機器とコラボレーションした応用も容易です。

OPTMの採用する光干渉法について簡単に説明する。基板の上にある膜厚でコーティングされたサンプルに光を照射すると、膜表面で反射する光と一度膜の中に透過し基板界面で反射する光が干渉します。（図4）これをスペクトル（連続した波長）で確認すると膜厚が厚いと波が沢山、薄いと波が少ししか現れないといった変化を起こします。（図5）これを捉えるのが光干渉法のおおよその原理です。

同原理を用いた簡易的なものは波長方向の変化のみを捉え膜厚のみを測定するが、OPTMは絶対反射率（反射率の強度）も高精度に測定するため、膜厚に加え反射率、光学定数（nk：屈折率ｎと消衰係数k）、粗さや中間層といった構造が測定できます。後述する具体的な事例の中で詳しく述べますが、nkは膜種・膜質と呼ばれる物質由来によって決まる定数であり、nkが測定できるということは膜質を測定することに近いです。また、DLCの場合、ｎはSp²-Sp³の比率およびその硬さと相関があり、nkを測定するということは成膜条件により変化しやすいDLCの物性値が評価できると言えます。

測定・運用事例の紹介『形状ある実サンプルの測定』

（図6）はDLCコーティングがされたエンドミルをOPTMで測定している様子である。先端の一番に相手材と接触する部分を狙って測定しています。

従来、DLCコーティングをする際、チャンバーに平坦なテストピースをしかけ、そのテストピースに対し、カロテスト・ナノインデンター、スクラッチ試験をされていました。（図7,8,9）

しかし、チャンバーがいつも通りかを評価することはできても、実際にコーティングされた実サンプルには疑問がありました。また、形状があるため、サンプルの各部位それぞれにどのようなコーティングがされているかも不明でした。

また成膜時、チャンバー内のどの場所にしかけるか、場所によってコーティングの様子が変わることも懸念されていました。そのためテストピースはいつも同じ場所に仕掛けるとともに、複数のテストピースを評価する必要があり、手間がかかっていました。

これを、実サンプルをOPTMで測定することにより、実サンプルの各部位で膜厚が異なることが明らかになりました。（図10）

また、テストピースが不要、全数またはチャンバー内の指定の場所でコーティングされたサンプルを任意に測定可能であることから、簡便かつ短時間での測定で高品質なコーティングの保証ができ、また、トラブル発生時の調査・問題解決にも活用頂いています。

測定・運用事例の紹介『摩擦界面における摩擦メカニズムの解明』

DLCおよび窒素を含んだカーボン系膜であるCN_xの摩擦メカニズムを解明するためピン・オン・ディスク型の摩擦試験機とOPTMを組み合わせた試験機を作成された。摩擦試験機のディスクの材質を光が透過するサファイアにすることでディスク越しに摩擦界面を直接その場観察が可能です。（図11）のReflectance spectroscopyがOPTMです。

この試験機を用いて、CNx膜の油中おける摩擦中のリアルタイムなその場観察を行ったところ、0-400サイクルにかけて摩擦係数は0.052から0.028へ急激に減少しその後緩やかに減少しました。最後は0.022でした。（図12）

この時、OPTMでは、光学モデルを、Sapphire/油膜/粗さ/構造変化層/CN_ｘとし、油膜・構造変化層それぞれの厚みとnkおよび粗さを求めました。

また、OPTMで得たこれらの値から、CN_x膜の表面には構造変化層が存在し、その厚みは0.7nmから5.7nmまで変化すること、また、摩擦中のメカニズムとして、潤滑状態が境界潤滑：相手材と接しているまたは距離が極近い領域と流体潤滑：相手材との間に流体つまりオイルがある領域が0-200サイクルにかけて流体潤滑の比率が多くなります、また、構造変化層と油膜のnkから体積分極率を算出し、その変化によりファンデルワールス力が変化し、その結果、油膜分子が構造変化層極表面に吸着し、薄い吸着分子膜形成されることで境界潤滑領域部分の摩擦係数が減少したことがDLCおよびCN_ｘ膜が低摩擦を発揮するメカニズムであることを新たに発見・示唆されました。

特に構造変化層と油膜の体積分極率の変化を比較すると、油膜の体積分極率は0-200サイクルかけて1.1倍になり、それに対し、構造変化層の体積分極率は0-400サイクルにかけて1.3倍になり、摩擦を繰り返す度に摩擦係数が低下する様子との相関から、構造変化層がDLCの低摩擦の発揮に特に影響が大きいという発見・示唆は、摩擦中のメカニズム解明において非常に興味深く重要であると考えます。