JP2003277912A - 酸化銅薄膜の成膜方法 - Google Patents
酸化銅薄膜の成膜方法Info
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- JP2003277912A JP2003277912A JP2002086668A JP2002086668A JP2003277912A JP 2003277912 A JP2003277912 A JP 2003277912A JP 2002086668 A JP2002086668 A JP 2002086668A JP 2002086668 A JP2002086668 A JP 2002086668A JP 2003277912 A JP2003277912 A JP 2003277912A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 摩擦係数を制御可能とした酸化銅薄膜の成膜
方法を提供する。 【解決手段】 成膜用基板上に酸化銅薄膜をプラズマ成
膜する方法において、成膜用基板とターゲットまたは蒸
発源との相対位置を選択または変更することにより、Ｃ
ｕＯ、Ｃｕ2Ｏ、およびＣｕの含有組成比の異なる酸化
銅薄膜を成膜する。
方法を提供する。 【解決手段】 成膜用基板上に酸化銅薄膜をプラズマ成
膜する方法において、成膜用基板とターゲットまたは蒸
発源との相対位置を選択または変更することにより、Ｃ
ｕＯ、Ｃｕ2Ｏ、およびＣｕの含有組成比の異なる酸化
銅薄膜を成膜する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、酸化銅薄
膜の成膜方法に関するものである。さらに詳しくは、こ
の出願の発明は、空気中または超真空中の摩擦係数が制
御された酸化銅薄膜とこれを成膜するための新しい酸化
銅薄膜の成膜方法に関するものである。
膜の成膜方法に関するものである。さらに詳しくは、こ
の出願の発明は、空気中または超真空中の摩擦係数が制
御された酸化銅薄膜とこれを成膜するための新しい酸化
銅薄膜の成膜方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】高温、高湿中で高速回転す
るタービンや、宇宙ステーションの駆動装置等の極限環
境下で使用される機器や装置の場合には、これらを構成
する部材としては摩擦材料であることが望まれている
が、これらの環境下では、部材への原子状酸素の衝突に
ともなう摩擦係数の増大という問題がある。酸化劣化に
よる摩擦係数の増大である。
るタービンや、宇宙ステーションの駆動装置等の極限環
境下で使用される機器や装置の場合には、これらを構成
する部材としては摩擦材料であることが望まれている
が、これらの環境下では、部材への原子状酸素の衝突に
ともなう摩擦係数の増大という問題がある。酸化劣化に
よる摩擦係数の増大である。
【０００３】この問題点を解消するための方策として、
酸化物であって、しかも低摩擦性である材料を用いるこ
とが考慮されるが、実際には、このような酸化物材料は
ほとんど見出されていないのが実情である。
酸化物であって、しかも低摩擦性である材料を用いるこ
とが考慮されるが、実際には、このような酸化物材料は
ほとんど見出されていないのが実情である。
【０００４】たとえば、原材料が極めて安価で、取扱い
が容易でもある銅酸化物については、このものが大気中
ならびに真空中での摩擦係数が大きいため、低摩擦材料
としての利用は不可能であると考えられてきた。しかし
ながら、酸化物薄膜を用いた低摩擦材料が実現できれ
ば、極めて安価な原材料を用いることができ、しかも酸
化物であることから酸化による摩擦係数の増大の心配が
ないため、電力分野や航空・宇宙分野などの様々な分野
で応用できるものと期待される。
が容易でもある銅酸化物については、このものが大気中
ならびに真空中での摩擦係数が大きいため、低摩擦材料
としての利用は不可能であると考えられてきた。しかし
ながら、酸化物薄膜を用いた低摩擦材料が実現できれ
ば、極めて安価な原材料を用いることができ、しかも酸
化物であることから酸化による摩擦係数の増大の心配が
ないため、電力分野や航空・宇宙分野などの様々な分野
で応用できるものと期待される。
【０００５】そこで、この出願の発明は、以上の通りの
事情に鑑みてなされたものであり、低い摩擦係数を持つ
薄膜の形成を容易とすることのできる、新しい技術手段
を提供することを課題としている。
事情に鑑みてなされたものであり、低い摩擦係数を持つ
薄膜の形成を容易とすることのできる、新しい技術手段
を提供することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、第１に、成膜用基板上に
酸化銅薄膜をプラズマ成膜する方法において、成膜用基
板とターゲットもしくは蒸発源との相対位置の選択もし
くは変更により、ＣｕＯ、Ｃｕ2Ｏ、およびＣｕの含有
組成比の異なる酸化銅薄膜を成膜することを特徴とする
酸化銅薄膜の成膜方法を提供する。
の課題を解決するものとして、第１に、成膜用基板上に
酸化銅薄膜をプラズマ成膜する方法において、成膜用基
板とターゲットもしくは蒸発源との相対位置の選択もし
くは変更により、ＣｕＯ、Ｃｕ2Ｏ、およびＣｕの含有
組成比の異なる酸化銅薄膜を成膜することを特徴とする
酸化銅薄膜の成膜方法を提供する。
【０００７】また、この出願の発明は、第２に、所定範
囲の摩擦係数を有する酸化銅薄膜を成膜することを特徴
とする上記の酸化銅薄膜の成膜方法を提供し、第３に
は、ＣｕＯをターゲットとしてプラズマスパッタ成膜す
ることを特徴とする酸化銅薄膜の成膜方法を提供する。
囲の摩擦係数を有する酸化銅薄膜を成膜することを特徴
とする上記の酸化銅薄膜の成膜方法を提供し、第３に
は、ＣｕＯをターゲットとしてプラズマスパッタ成膜す
ることを特徴とする酸化銅薄膜の成膜方法を提供する。
【０００８】そして、この出願の発明は、第４には、プ
ラズマ成膜された酸化銅薄膜であって、ＣｕＯ、Ｃｕ2
ＯおよびＣｕの含有組成比によって摩擦係数が定められ
ていることを特徴とする酸化銅薄膜を提供し、さらに、
この出願の発明は、第５に、上記の酸化銅薄膜により摺
動面がコーティングされていることを特徴とする摺動装
置をも提供するものである。
ラズマ成膜された酸化銅薄膜であって、ＣｕＯ、Ｃｕ2
ＯおよびＣｕの含有組成比によって摩擦係数が定められ
ていることを特徴とする酸化銅薄膜を提供し、さらに、
この出願の発明は、第５に、上記の酸化銅薄膜により摺
動面がコーティングされていることを特徴とする摺動装
置をも提供するものである。
【０００９】従来、銅酸化物は大気中ならびに真空中に
おいて摩擦係数が大きく、低摩擦材料としては全く注目
されてこなかったが、この出願の発明者は、プラズマ成
膜においては摩擦係数を左右するＣｕＯ、Ｃｕ2Ｏ、Ｃ
ｕの３成分の組成比を変化させることが可能であること
を見出し、実際に、Ｘ線構造解析によって、結晶成長方
位、結晶性といった構造因子も変化させることが可能で
あることを明らかにした。この出願の発明は、このよう
な知見に基づきなされたものである。そして、この出願
の発明により、摩擦特性だけでなく電気特性や光学特性
などの諸特性を変化させることも可能となる。
おいて摩擦係数が大きく、低摩擦材料としては全く注目
されてこなかったが、この出願の発明者は、プラズマ成
膜においては摩擦係数を左右するＣｕＯ、Ｃｕ2Ｏ、Ｃ
ｕの３成分の組成比を変化させることが可能であること
を見出し、実際に、Ｘ線構造解析によって、結晶成長方
位、結晶性といった構造因子も変化させることが可能で
あることを明らかにした。この出願の発明は、このよう
な知見に基づきなされたものである。そして、この出願
の発明により、摩擦特性だけでなく電気特性や光学特性
などの諸特性を変化させることも可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】この出願の発明は、上記のとおり
の特徴をもつものであるが、以下に、その実施の形態に
ついて説明する。
の特徴をもつものであるが、以下に、その実施の形態に
ついて説明する。
【００１１】この出願の発明である酸化銅薄膜の成膜方
法においては、成膜用基板上に酸化銅薄膜をプラズマ気
相成膜する。そして、成膜用基板とターゲットもしくは
蒸発源との相対位置を選択、または変更することによ
り、生成される酸化銅薄膜におけるＣｕＯ、Ｃｕ2Ｏ、
およびＣｕの含有組成比をコントロールすることができ
る。
法においては、成膜用基板上に酸化銅薄膜をプラズマ気
相成膜する。そして、成膜用基板とターゲットもしくは
蒸発源との相対位置を選択、または変更することによ
り、生成される酸化銅薄膜におけるＣｕＯ、Ｃｕ2Ｏ、
およびＣｕの含有組成比をコントロールすることができ
る。
【００１２】プラズマ成膜は、従来から知られているス
パッタリング（スパッタ）やイオンプレーティング等
の、いわゆる減圧（真空）下での低温プラズマと呼ばれ
ている方法として実施することができる。たとえばマグ
ネトロンスパッタ、高周波励起イオンプレーティング等
の方法である。なお、蒸発源物質が用いられる場合に
は、これらは、抵抗加熱やイオンビーム照射等によって
蒸発させることができる。レーザーアブレーション法が
採用されてもよい。
パッタリング（スパッタ）やイオンプレーティング等
の、いわゆる減圧（真空）下での低温プラズマと呼ばれ
ている方法として実施することができる。たとえばマグ
ネトロンスパッタ、高周波励起イオンプレーティング等
の方法である。なお、蒸発源物質が用いられる場合に
は、これらは、抵抗加熱やイオンビーム照射等によって
蒸発させることができる。レーザーアブレーション法が
採用されてもよい。
【００１３】プラズマ成膜における成膜用基板とターゲ
ットまたは蒸発源との相対位置は、実際的には、距離と
して考えることができる。
ットまたは蒸発源との相対位置は、実際的には、距離と
して考えることができる。
【００１４】この出願の発明は、以上の特徴を持つもの
であるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明す
る。
であるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明す
る。
【００１５】
【実施例】ターゲットにＣｕＯを用いたマグネトロンス
パッタ蒸着を、汎用性のあるＳＵＳ３０４ステンレス鋼
鏡面研磨表面（表面粗さ約４０ｎｍ）に対して施した。
この際の条件は次のとおりとした。
パッタ蒸着を、汎用性のあるＳＵＳ３０４ステンレス鋼
鏡面研磨表面（表面粗さ約４０ｎｍ）に対して施した。
この際の条件は次のとおりとした。
【００１６】スパッタターゲット：ＣｕＯ ９９．９％
純度 真空度：約１×１０-4Ｐａ以下 Ａｒ：純度９９．９９９％、０．４Ｐａ ＲＦパワー：１００Ｗ 基板温度：３３３Ｋ 予備加熱時間：１５分 スパッタ時間：３０分 プラズマ中の基板の位置（ターゲット−基板間の距離）
を変化させて成膜を行った。材料の構造はＸ線構造解析
により評価した。さらに、大気から超高真空領域まで雰
囲気を変化させてＳＵＳ３０４銅摩擦力測定も行い、摩
擦の圧子材料依存性も測定した。図１に、ターゲット−
基板間の距離ごとのＸ線回折スペクトルを示す。図２お
よび図３に、それぞれステンレス、サファイア圧子を用
いた時の大気中の超高真空中での酸化銅薄膜の摩擦係数
の変化を示す。
純度 真空度：約１×１０-4Ｐａ以下 Ａｒ：純度９９．９９９％、０．４Ｐａ ＲＦパワー：１００Ｗ 基板温度：３３３Ｋ 予備加熱時間：１５分 スパッタ時間：３０分 プラズマ中の基板の位置（ターゲット−基板間の距離）
を変化させて成膜を行った。材料の構造はＸ線構造解析
により評価した。さらに、大気から超高真空領域まで雰
囲気を変化させてＳＵＳ３０４銅摩擦力測定も行い、摩
擦の圧子材料依存性も測定した。図１に、ターゲット−
基板間の距離ごとのＸ線回折スペクトルを示す。図２お
よび図３に、それぞれステンレス、サファイア圧子を用
いた時の大気中の超高真空中での酸化銅薄膜の摩擦係数
の変化を示す。
【００１７】図１より、ターゲット−基板間の距離を変
化させた場合、Ｘ線回折スペクトルが、それぞれ異なる
ことがわかる。図２にそれらのスペクトル強度比を示
す。
化させた場合、Ｘ線回折スペクトルが、それぞれ異なる
ことがわかる。図２にそれらのスペクトル強度比を示
す。
【００１８】図３において、横軸はターゲット−基板間
の距離を示しており、また、縦軸は摩擦係数を示してい
る。ターゲット−基板間の距離が４５ｍｍ、または、６
５ｍｍである薄膜においては、真空中での摩擦係数と大
気中での摩擦係数がほぼ等しいことがわかる。一方、タ
ーゲット−基板間の距離が６０ｍｍである場合には、真
空中の摩擦係数が大気中でのそれと比して低い値を示し
ていることがわかる。逆に、５５ｍｍでは、大気中より
も真空中において摩擦係数が非常に大きな値を示してい
る。このようにＣｕＯ、Ｃｕ2Ｏ、Ｃｕの組成比および
構造が、大気中および真空中での摩擦係数決定の主要因
になっていることが明らかとなった。
の距離を示しており、また、縦軸は摩擦係数を示してい
る。ターゲット−基板間の距離が４５ｍｍ、または、６
５ｍｍである薄膜においては、真空中での摩擦係数と大
気中での摩擦係数がほぼ等しいことがわかる。一方、タ
ーゲット−基板間の距離が６０ｍｍである場合には、真
空中の摩擦係数が大気中でのそれと比して低い値を示し
ていることがわかる。逆に、５５ｍｍでは、大気中より
も真空中において摩擦係数が非常に大きな値を示してい
る。このようにＣｕＯ、Ｃｕ2Ｏ、Ｃｕの組成比および
構造が、大気中および真空中での摩擦係数決定の主要因
になっていることが明らかとなった。
【００１９】図４において、横軸はターゲット−基板間
の距離を示しており、また、縦軸は摩擦係数を示してい
る。ターゲット−基板間の距離が４５ｍｍの薄膜以外
は、真空中で摩擦係数が増大し、４７３Ｋにて表面吸着
物を減少させた表面では、さらに大きな摩擦係数の増大
が見られる。これは、表面に吸着した水分子が摩擦の低
減を担っていると考えることができる。しかし、ターゲ
ット−基板間の距離を４５ｍｍとして成膜した薄膜にお
いては、これとは反対に真空中での吸着物の減少に伴
い、摩擦係数が減少することがわかった。これは、ター
ゲット−基板間の距離を４５ｍｍとして成膜した薄膜
が、真空中で非常に良好な低摩擦特性を示していると考
えられる。
の距離を示しており、また、縦軸は摩擦係数を示してい
る。ターゲット−基板間の距離が４５ｍｍの薄膜以外
は、真空中で摩擦係数が増大し、４７３Ｋにて表面吸着
物を減少させた表面では、さらに大きな摩擦係数の増大
が見られる。これは、表面に吸着した水分子が摩擦の低
減を担っていると考えることができる。しかし、ターゲ
ット−基板間の距離を４５ｍｍとして成膜した薄膜にお
いては、これとは反対に真空中での吸着物の減少に伴
い、摩擦係数が減少することがわかった。これは、ター
ゲット−基板間の距離を４５ｍｍとして成膜した薄膜
が、真空中で非常に良好な低摩擦特性を示していると考
えられる。
【００２０】
【発明の効果】この出願の発明によって、以上詳しく説
明したとおり、摩擦係数を制御可能とした酸化銅薄膜の
成膜方法が提供される。
明したとおり、摩擦係数を制御可能とした酸化銅薄膜の
成膜方法が提供される。
【００２１】この出願の発明である酸化銅薄膜の成膜方
法により、大気中および超高真空中において小さな摩擦
係数を有する酸化銅薄膜の成膜がはじめて実現され、ま
た、成膜される酸化銅薄膜の組成および構造を変化させ
ることで、摩擦係数を任意に制御することが容易に可能
となることから、タービン、真空遮断器や宇宙駆動材料
などの電力分野、航空・宇宙用部材のコーティング材料
の製造に貢献するものと考えられる。また、この出願の
発明の酸化銅薄膜は、酸化による摩擦係数の増大を回避
できるため長寿命な偲摩擦材料として利用でき、さらに
は、用途に応じて摩擦係数の異なるコーティングを施す
ことも可能であることから、コーティング材料として強
く実用化が期待される。
法により、大気中および超高真空中において小さな摩擦
係数を有する酸化銅薄膜の成膜がはじめて実現され、ま
た、成膜される酸化銅薄膜の組成および構造を変化させ
ることで、摩擦係数を任意に制御することが容易に可能
となることから、タービン、真空遮断器や宇宙駆動材料
などの電力分野、航空・宇宙用部材のコーティング材料
の製造に貢献するものと考えられる。また、この出願の
発明の酸化銅薄膜は、酸化による摩擦係数の増大を回避
できるため長寿命な偲摩擦材料として利用でき、さらに
は、用途に応じて摩擦係数の異なるコーティングを施す
ことも可能であることから、コーティング材料として強
く実用化が期待される。
【図１】ターゲット−基板間の距離ごとのＸ線回折スペ
クトルについて示したグラフである。
クトルについて示したグラフである。
【図２】ＣｕＯ、Ｃｕ2Ｏ、Ｃｕのスペクトル強度比を
示した図である。
示した図である。
【図３】ステンレス圧子を用いた時の大気中と超高真空
中での酸化銅薄膜の摩擦係数の変化について示したグラ
フである。
中での酸化銅薄膜の摩擦係数の変化について示したグラ
フである。
【図４】サファイア圧子を用いた時の大気中と超高真空
中での酸化銅薄膜の摩擦係数の変化について示したグラ
フである。
中での酸化銅薄膜の摩擦係数の変化について示したグラ
フである。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 土佐 正弘
茨城県つくば市千現一丁目２番１号 独立
行政法人物質・材料研究機構内
(72)発明者 吉原 一紘
茨城県つくば市千現一丁目２番１号 独立
行政法人物質・材料研究機構内
Ｆターム(参考） 4K029 BA43 BB00 BC00 BD04 CA00
CA01 CA05 DC05
Claims (5)
- 【請求項１】 成膜用基板上に酸化銅薄膜をプラズマ成
膜する方法において、成膜用基板とターゲットもしくは
蒸発源との相対位置の選択もしくは変更により、Ｃｕ
Ｏ、Ｃｕ2Ｏ、およびＣｕの含有組成比の異なる酸化銅
薄膜を成膜することを特徴とする酸化銅薄膜の成膜方
法。 - 【請求項２】 所定範囲の摩擦係数を有する酸化銅薄膜
を成膜することを特徴とする請求項１の酸化銅薄膜の成
膜方法。 - 【請求項３】 ＣｕＯをターゲットとしてプラズマスパ
ッタ成膜することを特徴とする請求項１または２の酸化
銅薄膜の成膜方法。 - 【請求項４】 プラズマ成膜された酸化銅薄膜であっ
て、ＣｕＯ、Ｃｕ2ＯおよびＣｕの含有組成比によって
摩擦係数が定められていることを特徴とする酸化銅薄
膜。 - 【請求項５】 請求項４の酸化銅薄膜により摺動面がコ
ーティングされていることを特徴とする摺動装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002086668A JP3837498B2 (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | 酸化銅薄膜の成膜方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002086668A JP3837498B2 (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | 酸化銅薄膜の成膜方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003277912A true JP2003277912A (ja) | 2003-10-02 |
| JP3837498B2 JP3837498B2 (ja) | 2006-10-25 |
Family
ID=29233188
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002086668A Expired - Lifetime JP3837498B2 (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | 酸化銅薄膜の成膜方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3837498B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004094687A1 (ja) * | 2003-04-24 | 2004-11-04 | National Institute For Materials Science | 酸化銅薄膜低摩擦材料とその成膜方法 |
-
2002
- 2002-03-26 JP JP2002086668A patent/JP3837498B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004094687A1 (ja) * | 2003-04-24 | 2004-11-04 | National Institute For Materials Science | 酸化銅薄膜低摩擦材料とその成膜方法 |
| EP1642997A1 (en) * | 2003-04-24 | 2006-04-05 | National Institute for Materials Science | Copper oxide thin film low-friction material and film-forming method therefor |
| JPWO2004094687A1 (ja) * | 2003-04-24 | 2006-07-13 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | 酸化銅薄膜低摩擦材料とその成膜方法 |
| EP1642997A4 (en) * | 2003-04-24 | 2008-04-02 | Nat Inst For Materials Science | FRAME-FREE COPPER OXIDE THIN-MATERIAL AND FILM-FORMING METHOD THEREFOR |
| US7713635B2 (en) | 2003-04-24 | 2010-05-11 | National Institute For Materials Science | Copper oxide thin film low-friction material and film-forming method therefor |
| JP4686360B2 (ja) * | 2003-04-24 | 2011-05-25 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | 酸化銅薄膜低摩擦材料とその成膜方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3837498B2 (ja) | 2006-10-25 |
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