石川県工業試験場

「特集　中性子産業利用の新展開」 中性子を用いたDLC膜の密度評価の検討

■機械金属部　安井治之　鷹合滋樹

緒　　言
　石川県では金属材料の表面改質の研究を1980年代からスタートし，「イオン」と「プラズマ」の2つのキーワードを基本として薄膜作りを行ってきた。この間，薄膜の評価を最先端の手法(加速器を用いた薄膜中の含有水素量，中性子を用いた膜密度)により検討を行ったが，地方公設試験研究機関においては，薄膜の評価手法について設備的に限界があるため，中央の研究機関(日本原子力研究開発機構，産業総合技術研究所，理化学研究所等)の協力を得ながら新しい評価手法を取り入れてきた。
　本稿では，その一例として石川県工業試験場で20年以上研究を継続しているダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜について「中性子」を用いた膜密度評価を行った事例に関して紹介する。

研究の背景
　近年，金属材料が過酷な条件で摺動し合う自動車部品や工具部品等は，耐摩擦性，耐剥離性，表面平滑性，高寿命化が要求され，その使用環境も高温下，腐食雰囲気下等，過酷になってきている。特に最近では，低摩擦によるエネルギーの低減，油不要のドライ加工等，環境問題にも配慮した薄膜の需要が高まっている。このような要求に対して，材料の硬度や耐摩擦・摩耗特性を改善し，部材の寿命を高めるために，フィルター機構付きのアークイオンプレーティング装置(FADシステム)による高密度DLC膜の開発を行ってきた。これまでDLC膜の密度評価については，膜表面の硬さやラマン分光による間接的な手法を用いてきたが，最近では薄膜の密度評価手法として， X線反射率法(XRR法)が有効であることがわかってきたが，XRR法では炭素等の軽元素についての感度は小さい。そこで，XRR測定に加えて中性子の利用を提案した。中性子を利用した反射率法の場合，X線同様に密度の定量測定ができ，X線に比べ水素や炭素等の軽元素に対する感度が高い。本研究では，DLC膜の密度をX線および中性子による反射率法によって測定を行い，両手法の有効性を検討した。

硬度を追求した高密度DLC膜の作製
　高密度DLC膜は，固体グラファイトを原料とし，FADシステムを用いて成膜した。このとき，膜中にグラファイトの粒(ドロップレット)の混入を極限まで下げた。その成膜条件は，超硬基板とSiウェハ基板を用い，圧力は0.02Pa以下，基板温度は150℃以下，基板バイアスはDC-100Vとした。なお，比較用の従来DLC膜は，C2H2ガスを用いたプラズマCVD法により成膜した。
　高密度DLC膜の基本的特性は，Hysitron製ナノインデンテーション試験機による硬さ測定，およびCSM製トライボメータによる摩擦係数測定により評価した。その結果，図1のように高密度DLC膜の硬さは90GPaと，従来DLC膜(約20GPa)の4倍以上の硬さを持ち，ダイヤモンド(約100GPa)に準じる硬さを示すことがわかった。また，アルミニウム合金(A5052)ボールとの摩擦係数測定の結果，摩擦係数は，高密度DLC膜が従来DLC膜より40%以上低い0.09であった。

（図1　高密度DLC膜の硬度測定結果）

中性子を用いた高密度DLC膜の密度評価
　前項で述べた高密度DLC膜について，中性子による密度評価を行った。中性子法は，反射率減少の開始点(臨界角)が明瞭であること，中性子が軽元素に対する反射の感度が高いこと，中性子の波長がX線よりも2倍近く長いこと等の特徴を有するので，高精度な膜密度測定が可能となるものと考えられる。
　この評価では，反射率法を用い，中性子反射率測定は，日本原子力研究開発機構東海研究所JRR-3内のSUIRENを使用した。また，従来のX線による反射率測定も併せて行った。X線による反射率測定は，X線回折装置(ブルカー製　D8DISCOVER Ultra GID)を用いた。
　図2に高密度DLC膜と従来DLC膜に対する中性子の回折角と反射率の測定結果を示す。臨界角の数値，および試料の表面状態等の各種パラメータ(粗さ，密度)を用いて，膜密度を計算することができる。膜密度の計算した値を表1に示す。その結果，高密度DLC膜の方が従来DLC膜より膜密度が高くなっており，また中性子反射法での測定結果は，X線回折法のそれと比較して，5〜6%大きい値が得られた。

（図2　中性子反射率法による高密度DLC膜とDLC膜の反射率と臨界角の関係の測定結果）
（表1　高密度DLC膜とDLC膜の密度評価結果）

結　　言
　原子炉から発生する中性子を利用した反射法により，DLC膜の臨界角度等から膜密度を測定することができた。その結果，従来DLC膜に対して高密度DLC膜は密度が高くなっていることが確認できた。今後のDLC膜の密度測定に対し，中性子反射率法が活用できると考えられる。しかしながら，中性子を用いた測定は，測定場所が限られているため，汎用装置であるX線反射率法と相補的に利用することが有用であると考えられる。

論文投稿
　放射線と産業. (財)放射線利用振興協会. 2011, no. 129, p. 15-20.