JP4686360B2 - 酸化銅薄膜低摩擦材料とその成膜方法 - Google Patents

Description

この出願の発明は、酸化銅薄膜低摩擦材料とそ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、大気中または超高真空中の摩擦係数が低く制御された酸化銅薄膜低摩擦材料とその成膜方法に関するものである。

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駆動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低摩擦材料であることが必要であるが、これらの環境下では、高温、高湿環境暴露にともなう部材酸化や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。

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。

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、表面酸化により形成した酸化銅の場合でも、このものが大気中ならびに真空中での摩擦係数がおよそ０．２以上と大きいため、低摩擦材料としての利用は困難であると考えられてきた。これまでに報告されているものでは、摩擦係数は、大気中で１．６、真空中で０．４と大きいのが実情である（非特許文献１）。

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。

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にすることのできる、新しい技術手段を提供することを課題としている。
Ｊ．Ｒ．Ｗｈｉｔｅｈｅａｄ，Ｐｒｏｃ．Ｒｏｙ．Ｓｏｃ．，Ａ２１０（１９５０）１０９

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、ＣｕＯをターゲットとして、１×１０^−４Ｐａ〜１×１０^−６Ｐａの真空減圧下で、８５％以下の分圧の酸素ガスを含有する、希ガス・酸素ガスの混合ガスまたは希ガスのみを導入してプラズマスパッタ成膜し、その組成としてＣｕＯを主とし、大気中および３×１０^−５Ｐａの真空減圧下のいずれにおいても摩擦係数が０．０６以下となる薄膜を形成することを特徴とする酸化銅薄膜低摩擦材料の成膜方法を提供する。

また、この出願の発明は、第２に、酸化銅薄膜は結晶配向させることを特徴とする成膜方法を提供する。

そして、この出願の発明は、第３には、基板上の酸化銅薄膜であって、その組成においてＣｕＯを主として、大気中および３×１０^−５Ｐａの真空減圧中のいずれにおいても摩擦係数が０．０６以下であることを特徴とする酸化銅薄膜低摩擦材料を提供し、さらに、この出願の発明は、第４に、プラズマ成膜された薄膜であることを特徴とする酸化銅薄膜低摩擦材料を、第５には、酸化銅薄膜は結晶配向されていることを特徴とする酸化銅薄膜低摩擦材料を、そして第６には、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。

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ＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏ、Ｃｕの３成分の組成の変化と、Ｘ線構造解析による結晶成長方位、結晶性といった構造因子の変化を摩擦特性との関係から詳細に検討してきた。この出願の発明は、このような詳細な検討の結果から得られた知見に基づいてなされたものである。この出願の発明によって、従来の知識や経験からは全く予期し得ない、低摩擦係数を有する酸化銅薄膜が提供される。この酸化銅薄膜について特筆されることは、大気中においても、また宇宙空間等の超高真空環境においても極めて低レベルの、たとえば０．０６以下の摩擦係数をもつものとして提供されることである。このような低い摩擦係数を有する酸化銅薄膜は、精密機器や宇宙関連機器等の摺動面のコーティングとして極めて有用である。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。

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。
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ＣｕＯを主とする酸化銅薄膜をプラズマ気相成膜する。

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。

この出願の発明の酸化銅薄膜の成膜方法では、たとえば以上のプラズマ成膜の手段を採用し、真空減圧下で成膜する。この際の真空減圧下については、通常は、１×１０^−３Ｐａ〜１×１０^−６Ｐａの範囲が、より好適には、１×１０^−４Ｐａ〜１×１０^−６Ｐａの真空減圧下とすることが考慮される。

プラズマ成膜用の真空槽内を上記のとおりの真空減圧下とした後に、プラズマ成膜のために、希ガス、もしくは希ガスと酸素ガスとの混合ガスを導入してプラズマ放電を行う。プラズマ成膜の際の上記の真空減圧下や混合ガス中の酸素ガスの濃度、さらにはプラズマ生成のためのＲＦ（高周波）電力、基板とターゲット間の距離、基板強度等の操作条件は、ＣｕＯを主とする酸化銅薄膜をプラズマ成膜するとのことにおいて適宜に定めることができる。より好適には、これらの条件は、成膜された酸化銅薄膜の大気中および真空減圧中での摩擦係数が０．１を超えない範囲とする。摩擦係数が０．１以上になると、特に真空減圧下での摩擦係数の観点から好ましくない。

酸素濃度は０％、すなわち希ガス１００％であってもよいが、たとえば、後述の実施例の場合のように、大気中と真空減圧下、特に、指標として示すことのできる１×１０^−５Ｐａの真空下のいずれにおいても摩擦係数が０．０６以下となり、両者の場合での摩擦係数の差異が最も小さくなる、酸素濃度３〜２０％分圧の範囲とすることが好ましく例示される。

このように優れた低摩擦係数の、この出願の発明における酸化銅簿膜は、その組成においては、ＣｕＯを主としている。Ｃｕ_２Ｏ、Ｃｕが混入されていてもよいが、その組成において、ＣｕＯが９０モル％以上の、さらには実質的にＣｕＯのみによって構成される。
そして、この出願の発明のＣｕＯ薄膜で特徴的なことは、その結晶構造が異方性を有し、基板配向性を有していることである。

酸素ガスとともに真空槽内に導入される希ガスについては、アルゴン、ヘリウム、キセノン、クリプトン等であってよい。

また、この出願の発明における基板は、導電体、絶縁体、半導体のうちの各種のものであってよく、その形態も平板状、曲面状、凹凸異形状、その他各種のものとすることができる。

具体的に好適な方法としてはプラズマスパッタ法が例示され、その際のターゲットとしてはＣｕＯが例示される。

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。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。

なお、この出願の発明においては、以下の実施例の説明においても、摩擦係数の測定方法は、Ｍ．Ｇｏｔｏ，ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ａ２０（
４）（２００２）１４５８に記載の公知の方法に依拠している。

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。

スパッタターゲット：ＣｕＯ ９９．９％ 純度
真空度：１×１０^−５Ｐａ
ＲＦパワー：１００Ｗ
基板温度：３００Ｋ
プレスパッタ時間：５分
スパッタ時間：３０分
以上の条件において、アルゴンと酸素との混合ガス中における酸素ガス濃度を０〜１００％分圧の範囲で変化させ、各々の場合について酸化銅薄膜を成膜した。

図１には、酸化濃度（分圧％）が、（ａ）０％、（ｂ）６％、（ｃ）３５％、（ｄ）１００％の場合のＸ線回折スペクトルを例示した。また図２および図３には、ステンレス圧子並びにサファイア圧子の各々を用いた時の大気中および超高真空中での酸化銅薄膜の摩擦係数の変化を例示した。図中の真空中（３×１０^−５Ｐａ）の表示は、摩擦係数測定時の真空度を示している。

図１および図２、そして図３より、酸素濃度によってＣｕＯの結晶構造が相違し、基板配向性の異方性の発現によって、摩擦係数が顕著に低いものとなることがわかる。

図４および図５ステンレス圧子並びにサファイア圧子の各々を用いた時の、１０回の摩擦サイクル試験の平均値としての摩擦係数をスパッタガス（Ａｒ＋Ｏ_２）中のＯ_２濃度との相関性として例示したものである。図中の真空中（３×１０^−５Ｐａ）の表示は、摩擦係数測定時の真空度を示している。

図４ないし図５によって、Ｏ_２ガス８５％分圧以下において、大気中および１×１０^−５Ｐａの真空中のいずれにおいても摩擦係数は０．０６以下であること、そして、特に、３〜２０％分圧の範囲においては、大気中および真空中の摩擦係数の差がほとんどないことがわかる。

この出願の発明によって、以上詳しく説明したとおり、摩擦係数を顕著に低く制御可能とした酸化銅薄膜の成膜方法が提供される。

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低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。

酸素濃度を変化させた場合のＸ線回折スペクトルである。 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を例示した図である。 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を例示した図である。 ステンレス圧子の場合の１０回の摩擦サイクル試験の平均値としての摩擦係数を酸素濃度との相関として例示した図である。 サファイア圧子の場合の１０回の摩擦サイクル試験の平均値としての摩擦係数を酸素濃度との相関として例示した図である。

Claims (6)

1. 成膜用基板上に、ＣｕＯをターゲットとして、１×１０^−４Ｐａ〜１×１０^−６Ｐａの真空減圧下で、８５％以下の分圧の酸素ガスを含有する、希ガス・酸素ガスの混合ガスまたは希ガスのみを導入してプラズマスパッタ成膜し、その組成としてＣｕＯを主とし、大気中および３×１０^−５Ｐａの真空減圧下のいずれにおいても摩擦係数が０．０６以下となる薄膜を形成することを特徴とする酸化銅薄膜低摩擦材料の成膜方法。
2. 酸化銅薄膜は結晶配向させていることを特徴とする請求項１の成膜方法。
3. 基板上の酸化銅薄膜低摩擦材料であって、その組成においてＣｕＯを主として、大気中および３×１０^−５Ｐａの真空減圧中のいずれにおいても摩擦係数が０．０６以下であることを特徴とする酸化銅薄膜低摩擦材料。
4. プラズマ成膜された薄膜であることを特徴とする請求項３の酸化銅薄膜低摩擦材料。
5. 酸化銅薄膜は結晶配向されていることを特徴とする請求項３または４の酸化銅薄膜低摩擦材料。
6. 請求項３ないし５のいずれかの酸化銅薄膜低摩擦材料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。

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