JP5521197B2 - Method for forming wire-like projections on metal material surface, and metal material provided with the wire-like projections - Google Patents

Method for forming wire-like projections on metal material surface, and metal material provided with the wire-like projections Download PDF

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Description

本発明は、スパッタエッチングにより金属材料表面にワイヤ状突起物を形成する方法、及び該ワイヤ状突起物を備える金属材料に関する。   The present invention relates to a method of forming a wire-like projection on the surface of a metal material by sputter etching, and a metal material including the wire-like projection.

電気二重層キャパシタ等の電極に使用される材料として、中空状を呈するカーボンナノチューブが知られている。カーボンナノチューブは、例えば、不活性ガス雰囲気中でアーク放電によりカーボンを蒸発させた後、凝集させることで製造される(特許文献1)。   As a material used for an electrode such as an electric double layer capacitor, a hollow carbon nanotube is known. Carbon nanotubes are produced, for example, by evaporating carbon by arc discharge in an inert gas atmosphere and then aggregating them (Patent Document 1).

電極を金属材料から構成する場合には、大きな電気容量を確保するために、金属材料の表面積が大きいことが望まれる。これを実現するためには、スパッタエッチング等により、金属材料の表面に突起物を形成することが有効であると考えられる。本願発明者らは、アルゴンイオンを用いてスパッタエッチングを行うことで、金属材料の表面に、円錐状の突起物が形成されることを確認している(特許文献2)。   When the electrode is made of a metal material, it is desirable that the surface area of the metal material be large in order to ensure a large electric capacity. In order to realize this, it is considered effective to form protrusions on the surface of the metal material by sputter etching or the like. The inventors of the present application have confirmed that conical protrusions are formed on the surface of a metal material by performing sputter etching using argon ions (Patent Document 2).

特開平6−280116号公報JP-A-6-280116 特開2006−63390号公報JP 2006-63390 A

ところで、特許文献2に開示される円錐状の突起物は、高さが低いためアスペクト比が大きくなく、金属材料の表面積を大きく増加させるためには、よりアスペクト比の大きな突起物を金属材料の表面に形成する必要がある。   By the way, the conical protrusion disclosed in Patent Document 2 has a low height and therefore does not have a large aspect ratio. To increase the surface area of the metal material greatly, a protrusion having a larger aspect ratio is made of the metal material. It needs to be formed on the surface.

また特許文献1に開示される方法は、カーボンナノチューブを単体として得るものであり、材料の表面積を増加させる技術ではない。   In addition, the method disclosed in Patent Document 1 is to obtain carbon nanotubes as a simple substance, and is not a technique for increasing the surface area of the material.

本発明は、こうした状況に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、金属材料の表面積を大きく増加させることのできる金属材料表面へのワイヤ状突起物の形成方法、及び該ワイヤ状突起物を備える金属材料を提供することである。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for forming a wire-like protrusion on a metal material surface capable of greatly increasing the surface area of the metal material, and the wire-like protrusion. It is to provide a metal material comprising an object.

上記目的を達成するため、本発明の第1の観点にかかる金属材料表面へのワイヤ状突起物の形成方法は、
不活性ガスをチャンバ内に導入しながら、高周波電力の出力により前記チャンバ内にプラズマを発生して、前記チャンバ内に設置された金属材料の表面のスパッタエッチングを行う第1スパッタ工程と、
前記第1スパッタ工程の後に、前記不活性ガスに加えて、水或いは水素を前記チャンバ内に導入しながら、前記高周波電力の出力により前記チャンバ内にプラズマを発生して、前記金属材料の表面のスパッタエッチングを行う第2スパッタ工程と、
を有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method for forming a wire projection on a metal material surface according to the first aspect of the present invention includes:
A first sputtering step of generating a plasma in the chamber by introducing high-frequency power while introducing an inert gas into the chamber, and performing sputter etching on the surface of the metal material installed in the chamber;
After the first sputtering step, while introducing water or hydrogen into the chamber in addition to the inert gas, plasma is generated in the chamber by the output of the high frequency power, and the surface of the metal material is A second sputtering step for performing sputter etching;
It is characterized by having.

好ましくは、前記金属材料は、時効性金属材料であることを特徴とする。   Preferably, the metal material is an aging metal material.

好ましくは、前記第1,2スパッタ工程では、前記高周波電力が同一の大きさで出力され、
前記第2スパッタ工程で前記スパッタエッチングを行う時間を、前記第1スパッタ工程で前記スパッタエッチングを行う時間で除した値は、0.2以上0.3以下であることを特徴とする。
Preferably, in the first and second sputtering steps, the high-frequency power is output with the same magnitude,
A value obtained by dividing the time for performing the sputter etching in the second sputtering step by the time for performing the sputter etching in the first sputtering step is 0.2 or more and 0.3 or less.

本発明の第2の観点にかかる金属材料は、第1の観点にかかる方法で形成されたワイヤ状突起物を備えることを特徴とする。   The metal material according to the second aspect of the present invention includes a wire-like protrusion formed by the method according to the first aspect.

本発明によれば、第1のスパッタ工程で、円錐状突起物が形成され、第2のスパッタ工程で、円錐状突起物の先端からワイヤ状突起物が形成される。ワイヤ状突起物は、アスペクト比が極めて大きいため、ワイヤ状突起物が形成されることで、金属材料の表面積は大きく増加する。   According to the present invention, a conical protrusion is formed in the first sputtering process, and a wire-shaped protrusion is formed from the tip of the conical protrusion in the second sputtering process. Since the wire-shaped protrusion has an extremely large aspect ratio, the surface area of the metal material is greatly increased by forming the wire-shaped protrusion.

本発明の実施の形態において金属材料の表面にワイヤ状突起物を形成する処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process which forms a wire-shaped protrusion on the surface of a metal material in embodiment of this invention. 図1の処理で使用される高周波マグネトロンスパッタ装置を示す概略図である。It is the schematic which shows the high frequency magnetron sputtering device used by the process of FIG. 円錐状突起物(第1の突起物)が形成された基板の表面を、走査型電子顕微鏡で撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed the surface of the board | substrate with which the conical protrusion (1st protrusion) was formed with the scanning electron microscope. ワイヤ状突起物(第2の突起物)が形成された基板の表面を、走査型電子顕微鏡で撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed the surface of the board | substrate with which the wire-shaped protrusion (2nd protrusion) was formed with the scanning electron microscope. 円錐状突起物の底面の平均直径と、ワイヤ状突起物の平均直径との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the average diameter of the bottom face of a conical protrusion, and the average diameter of a wire-like protrusion. 円錐状突起物やワイヤ状突起物等のX線解析の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of X-ray analysis of a conical protrusion, a wire-like protrusion, etc. 基板表面への突起物の形成メカニズムを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the formation mechanism of the protrusion to a substrate surface. 円錐状突起物及びワイヤ状突起物を拡大して示す図及び写真である。It is the figure and photograph which expand and show a conical protrusion and a wire-like protrusion.

図1は、本発明の実施の形態において金属材料の表面にワイヤ状突起物を形成する処理を示すフローチャートである。図2は、図1の処理で使用される高周波マグネトロンスパッタ装置1を示す概略図である。以下、図1,2を参照して、本実施の形態におけるワイヤ状突起物の形成手順について説明する。   FIG. 1 is a flowchart showing a process of forming wire-like projections on the surface of a metal material in the embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic view showing a high-frequency magnetron sputtering apparatus 1 used in the process of FIG. Hereinafter, with reference to FIG. 1, 2, the formation procedure of the wire-shaped protrusion in this Embodiment is demonstrated.

まず、時効性金属材料である基板Kを、固溶化熱処理する(ステップS1)。時効性金属材料とは、合金であって、高温に加熱されることで全ての合金元素が均一に分散し、この後、急冷されて、ある温度に再び加熱されることで、一部の原子が集まり、別の相を形成する金属を言う。固溶化熱処理は、焼き入れとも呼ばれ、合金を一度高温に保持して、全ての合金元素を均一に分布させた後、急冷する操作を言う。   First, the substrate K which is an aging metal material is subjected to solution heat treatment (step S1). An aging metal material is an alloy, and when heated to a high temperature, all the alloy elements are uniformly dispersed. Refers to a metal that gathers and forms another phase. The solution heat treatment, also called quenching, refers to an operation in which the alloy is once held at a high temperature and all alloy elements are uniformly distributed and then rapidly cooled.

ステップS1では、例えば、基板Kは、加熱装置で加熱された後、水冷される。基板Kの加熱は、基板Kの酸化を防止する観点から、アルゴン雰囲気中で行われる。なお、予め固溶化熱処理を行なった基板Kを用いる場合には、ステップS1は省略される。   In step S1, for example, the substrate K is heated with a heating device and then cooled with water. The heating of the substrate K is performed in an argon atmosphere from the viewpoint of preventing the oxidation of the substrate K. In addition, when using the board | substrate K which performed the solution heat treatment previously, step S1 is abbreviate | omitted.

ステップS1の後では、高周波マグネトロンスパッタ装置1のチャンバ3内に、基板Kを設置する(ステップS2)。図2に示すように、高周波マグネトロンスパッタ装置1は、上述のチャンバ3と、供給管路4と、高周波電源5と、排気装置6とを有する。この高周波マグネトロンスパッタ装置1は、不活性ガスであるアルゴンガスや、蒸留水を、供給管路4を通じてチャンバ3内に供給可能であり、高周波電源5が高周波電力を出力することで、チャンバ3内にプラズマを発生する。供給管路4には、バルブ14,15が設けられており、バルブ14,15の開閉により、アルゴンガスや蒸留水の供給量が調整可能である。排気装置6は、拡散ポンプ7及び油回転式真空ポンプ8の作動により、排気管路9を通じて、チャンバ3内の気体を排出して、チャンバ3内を減圧可能である。   After step S1, the substrate K is placed in the chamber 3 of the high frequency magnetron sputtering apparatus 1 (step S2). As shown in FIG. 2, the high-frequency magnetron sputtering apparatus 1 includes the above-described chamber 3, a supply pipe 4, a high-frequency power source 5, and an exhaust device 6. The high-frequency magnetron sputtering apparatus 1 can supply argon gas, which is an inert gas, or distilled water into the chamber 3 through the supply pipe 4, and the high-frequency power source 5 outputs high-frequency power, so that the inside of the chamber 3 Plasma is generated. The supply pipe 4 is provided with valves 14 and 15, and the supply amount of argon gas or distilled water can be adjusted by opening and closing the valves 14 and 15. The exhaust device 6 can discharge the gas in the chamber 3 through the exhaust pipe 9 by the operation of the diffusion pump 7 and the oil rotary vacuum pump 8, and can reduce the pressure in the chamber 3.

チャンバ3の内部には、試料台10が設けられる。試料台10には、熱伝導率の高いホルダー11が載置され、基板Kは、スパッタエッチング対象の表面a(以下、基板表面a)が上を向くように、ホルダー11に載置される。試料台10は、水冷パイプ12(流入側)及び水冷パイプ13(流出側)を有しており、水冷パイプ12,13に冷却水が流されることで、ホルダー11の温度は低下して、基板表面aの反対側の面b(以下、基板底面b)が冷却される。   A sample stage 10 is provided inside the chamber 3. A holder 11 having a high thermal conductivity is placed on the sample stage 10, and the substrate K is placed on the holder 11 so that a surface a to be sputter-etched (hereinafter referred to as a substrate surface a) faces upward. The sample stage 10 has a water cooling pipe 12 (inflow side) and a water cooling pipe 13 (outflow side). When cooling water flows through the water cooling pipes 12 and 13, the temperature of the holder 11 decreases, and the substrate The surface b opposite to the surface a (hereinafter referred to as the substrate bottom surface b) is cooled.

ステップS2の後では、供給管路4からアルゴンガスをチャンバ3内に導入しながら、高周波電源5に高周波電力を出力させることで、チャンバ3内にプラズマを発生して、基板表面aのスパッタエッチングを行う(ステップS3)。ステップS3のスパッタエッチングは、基板表面aに第1の突起物Eが形成されるまで、時間t1行われる。またステップS3では、水冷パイプ12,13に冷却水を流して、基板底面bを冷却することで、基板Kに温度勾配(基板表面aから基板底面bに向けて温度が低下する勾配)が生じた状態で、スパッタエッチングが行われる。なお、ステップS3では、供給管路4から、蒸留水はチャンバ3内に導入されない。   After step S2, argon gas is introduced into the chamber 3 from the supply line 4 and high-frequency power is output to the high-frequency power source 5, thereby generating plasma in the chamber 3 and sputter etching of the substrate surface a. Is performed (step S3). The sputter etching in step S3 is performed for a time t1 until the first protrusion E is formed on the substrate surface a. In step S3, cooling water is supplied to the water cooling pipes 12 and 13 to cool the substrate bottom surface b, thereby generating a temperature gradient (gradient in which the temperature decreases from the substrate surface a toward the substrate bottom surface b) on the substrate K. In this state, sputter etching is performed. In step S <b> 3, distilled water is not introduced into the chamber 3 from the supply pipe 4.

図3は、第1の突起物Eが形成された基板表面aを、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope)で撮影した写真である。第1の突起物Eは、先端に向けて細くなる円錐状を呈しており、基板表面aの全体に形成される。以下、第1の突起物Eを、円錐状突起物Eと記す。   FIG. 3 is a photograph of the substrate surface a on which the first protrusion E is formed, taken with a scanning electron microscope. The first protrusion E has a conical shape that narrows toward the tip, and is formed on the entire substrate surface a. Hereinafter, the first protrusion E is referred to as a conical protrusion E.

ステップS3の後(時間t1の経過後)では、アルゴンガスに加えて、蒸留水も供給管路4からチャンバ3内に導入しながら、引き続き、高周波電源5に高周波電力を出力させることで、チャンバ3内にプラズマを発生して、基板表面aのスパッタエッチングを行う(ステップS4)。ステップS4でも、ステップS3と同様に、基板Kに温度勾配を生じさせるため、水冷パイプ12,13に冷却水が流される。このステップS4により、基板表面aには、第2の突起物Yが形成される。以上で図1の処理は終了する。   After step S3 (after the elapse of time t1), in addition to the argon gas, distilled water is also introduced into the chamber 3 from the supply line 4, and the high-frequency power is continuously output to the high-frequency power source 5 to thereby output the chamber. Plasma is generated in the substrate 3, and the substrate surface a is sputter-etched (step S4). In step S4, as in step S3, the cooling water is caused to flow through the water cooling pipes 12 and 13 in order to generate a temperature gradient in the substrate K. By this step S4, the second protrusion Y is formed on the substrate surface a. Thus, the process of FIG. 1 ends.

なお、図1の処理では、ステップS1とステップS2との間に、基板表面aを研磨及び脱脂洗浄する工程が追加されてもよい。このようにすることで、基板表面aに存在する酸化物・さび・凹凸・油分が除去されるため、基板表面aのスパッタエッチング量を均一にできる。また、油分等の飛散により、基板Kや高周波マグネトロンスパッタ装置1が汚染されることを防止できる。   In the process of FIG. 1, a step of polishing and degreasing and cleaning the substrate surface a may be added between step S1 and step S2. By doing so, oxides, rust, irregularities, and oils present on the substrate surface a are removed, so that the sputter etching amount on the substrate surface a can be made uniform. Moreover, it can prevent that the board | substrate K and the high frequency magnetron sputtering apparatus 1 are contaminated by scattering of oil etc.

図4は、第2の突起物Yが形成された基板表面aを、走査型電子顕微鏡で撮影した写真である。図4(a)は、図3と同一の拡大倍率で基板表面aを示している。図4(b)は、図3の1/2の拡大倍率で基板表面aを示している。   FIG. 4 is a photograph of the substrate surface a on which the second protrusion Y is formed, taken with a scanning electron microscope. FIG. 4A shows the substrate surface a at the same magnification as in FIG. FIG. 4B shows the substrate surface a at an enlargement factor of 1/2 of FIG.

第2の突起物Yは、基板表面aの一部の範囲において、円錐状突起物Eの先端からワイヤ状に成長するものであり、アスペクト比が大きく、導電性を有する。以下、第2の突起物Yを、ワイヤ状突起物Yと記す。   The second protrusion Y grows in a wire shape from the tip of the conical protrusion E within a partial range of the substrate surface a, has a large aspect ratio, and has conductivity. Hereinafter, the second protrusion Y is referred to as a wire-like protrusion Y.

次に、ワイヤ状突起物Yが形成された金属材料の用途について説明する。   Next, the use of the metal material on which the wire projection Y is formed will be described.

上述のように、ワイヤ状突起物Yはアスペクト比が大きいため、ワイヤ状突起物Yが金属材料(基板K)に形成されることで、金属材料の表面積は大きく増大する。よって、ワイヤ状突起物Yが形成された金属材料は、電極に用いられることで電気容量を大きく増加させることができ、電気自動車の電気二重層キャパシタ等に使用可能である。   As described above, since the wire-shaped protrusion Y has a large aspect ratio, the surface area of the metal material is greatly increased by forming the wire-shaped protrusion Y on the metal material (substrate K). Therefore, the metal material on which the wire-shaped protrusion Y is formed can greatly increase the electric capacity by being used for an electrode, and can be used for an electric double layer capacitor of an electric vehicle.

また、金属材料にワイヤ状突起物Yが形成されることで、金属材料の電子放出面積が増大する。このため、ワイヤ状突起物Yが形成された金属材料は、エミッターや触媒に使用可能である。   In addition, since the wire-shaped protrusion Y is formed on the metal material, the electron emission area of the metal material is increased. For this reason, the metal material in which the wire-shaped protrusion Y is formed can be used for an emitter or a catalyst.

また、円錐状突起物Eは、先端が鋭利であるとともに、硬く耐摩耗性に優れる。このため、金属材料は、円錐状突起物Eを備えることで、グリップローラなどの接触搬送手段として使用できる。   Further, the conical protrusion E has a sharp tip and is hard and excellent in wear resistance. For this reason, a metal material can be used as contact conveyance means, such as a grip roller, by providing the conical protrusion E.

次に、ワイヤ状突起物Yの形成に影響を与える要因を確認するために行った試験について説明する。本試験では、複数の基板K1〜K11を準備して、これらに対して図1の処理を行った。   Next, a description will be given of a test performed to confirm a factor affecting the formation of the wire-shaped protrusion Y. In this test, a plurality of substrates K1 to K11 were prepared, and the process of FIG.

基板K1〜K11は、時効性金属材料であるSKH51(JIS)鋼を、ファインカッターでカットしたものであり、厚さが5mm、平面形状が辺の長さ13.5mmmの正方形を呈する。表1に、SKH51鋼の化学成分等を示す。   The substrates K1 to K11 are formed by cutting SKH51 (JIS) steel, which is an aging metal material, with a fine cutter, and have a square shape with a thickness of 5 mm and a planar shape with a side length of 13.5 mm. Table 1 shows chemical components of SKH51 steel.

ステップS1では、高周波加熱装置(セキスイ電子株式会社製:MU−1700)を用いて、基板K1〜K11を1323Kまで加熱して、3.6ks保持した後、水冷することで、固溶化熱処理を行った。1323Kに至るまでの昇温速度は、基板K1〜K11の温度が常温から973Kまでの間では、500K/minであり、温度が973Kから1273Kまでの間では、300K/minであり、温度が1273Kから1323Kまでの間では、100K/minである。   In step S1, the substrates K1 to K11 are heated to 1323K using a high-frequency heating apparatus (manufactured by Sekisui Electronics Co., Ltd .: MU-1700), held at 3.6 ks, and then subjected to solution heat treatment by water cooling. It was. The temperature increase rate up to 1323 K is 500 K / min when the temperature of the substrates K1 to K11 is from room temperature to 973 K, is 300 K / min when the temperature is from 973 K to 1273 K, and the temperature is 1273 K. And 1323K to 100K / min.

ステップS2では、高周波マグネトロンスパッタ装置1(図2)のチャンバ3内に、固溶化熱処理を行った基板K1〜K11を設置した。本試験で用いた高周波マグネトロンスパッタ装置1は、高周波電源5の最大出力が800Wであり、拡散ポンプ7及び油回転式真空ポンプ8の作動により、チャンバ3内を4.3×10−4パスカル(Pa)まで減圧可能である。 In step S2, substrates K1 to K11 subjected to solution heat treatment were placed in chamber 3 of high frequency magnetron sputtering apparatus 1 (FIG. 2). The high-frequency magnetron sputtering apparatus 1 used in this test has a maximum output of a high-frequency power source 5 of 800 W, and the inside of the chamber 3 is operated at 4.3 × 10 −4 Pascal (by operation of the diffusion pump 7 and the oil rotary vacuum pump 8). The pressure can be reduced to Pa).

ステップS3では、まず、チャンバ3内を約4.3〜7.5×10−4Paになるまで減圧した。そして、チャンバ3内の圧力が5.0Paに保持されるように、純度99.999%のアルゴンガスを、約5.7sccmの流量で、チャンバ3内に導入しながら、高周波電源5に高周波電力を出力させることで、基板K1〜K11のスパッタエッチングを行った。 In step S3, first, the pressure in the chamber 3 was reduced to about 4.3 to 7.5 × 10 −4 Pa. Then, high-frequency power is supplied to the high-frequency power source 5 while introducing argon gas having a purity of 99.999% into the chamber 3 at a flow rate of about 5.7 sccm so that the pressure in the chamber 3 is maintained at 5.0 Pa. Was output to perform sputter etching of the substrates K1 to K11.

ステップS4では、アルゴンガスに加えて、蒸留水をチャンバ3内に導入しながら、高周波電源5に高周波電力を出力させることで、基板K1〜K11のスパッタエッチングを行った。   In step S4, sputter etching of the substrates K1 to K11 was performed by outputting high-frequency power to the high-frequency power source 5 while introducing distilled water into the chamber 3 in addition to argon gas.

表2に、本試験におけるステップS3,4の条件や、ステップS3,4で形成された円錐状突起物Eやワイヤ状突起物Yの形状に関するデータ等を示す。   Table 2 shows data on the conditions of steps S3 and S4 in this test, the shape of the conical protrusion E and the wire protrusion Y formed in steps S3 and 4, and the like.

ステップS3の高周波電力Pの出力は、基板K1〜K9については、500Wに設定し、基板K10,K11については、300Wに設定した。   The output of the high-frequency power P in step S3 was set to 500 W for the substrates K1 to K9, and 300 W for the substrates K10 and K11.

ステップS3のスパッタエッチング時間t1は、基板K2〜K6及びK9,K10については、2.0ks以上3.0ks以下の範囲内に設定し、基板K1については、2.0ksよりも短い時間(1.8ks)に設定し、基板K7,K8,K11については、3.0Ksよりも長い時間(3.2ks〜3.3ks)に設定した。   The sputter etching time t1 in step S3 is set in the range of 2.0 ks to 3.0 ks for the substrates K2 to K6 and K9 and K10, and is shorter than 2.0 ks for the substrate K1 (1. 8 ks), and the substrates K7, K8, and K11 were set to a time longer than 3.0 Ks (3.2 ks to 3.3 ks).

ステップS4における蒸留水の流量QH2Oは、基板K1〜K5及びK7〜K11については、3.0ml/minに設定し、基板K6については、15.0ml/minに設定した。   The flow rate QH2O of distilled water in step S4 was set to 3.0 ml / min for the substrates K1 to K5 and K7 to K11, and 15.0 ml / min for the substrate K6.

ステップS4の高周波電力Pの出力は、基板K1〜K9については、ステップS3と同一の値(500W)に設定し、基板K10,K11については、ステップS3の値から変更させた(300W→500W)。   The output of the high-frequency power P in step S4 is set to the same value (500 W) as that in step S3 for the substrates K1 to K9, and is changed from the value in step S3 for the substrates K10 and K11 (300 W → 500 W). .

ステップS4のスパッタエッチング時間t2は、基板K1〜K7及びK10,K11については、0.6ksに設定し、基板K8については、0.34ksに設定し、基板K9については、0.3ksに設定した。   The sputter etching time t2 in step S4 was set to 0.6 ks for the substrates K1 to K7 and K10 and K11, 0.34 ks for the substrate K8, and 0.3 ks for the substrate K9. .

ステップS3,S4でスパッタエッチングを行った後、基板K1〜K11の表面aを、走査型電子顕微鏡の撮影写真により観察した。この結果、基板K1〜K9には、円錐状突起物Eが形成されていた。   After performing sputter etching in steps S3 and S4, the surface a of the substrates K1 to K11 was observed with a photograph taken with a scanning electron microscope. As a result, conical protrusions E were formed on the substrates K1 to K9.

円錐状突起物Eは、平均高さhrが、0.27μm以上1.15μm以下であり、底面の平均直径drが、0.23μm以上1.02μm以下であった。   The conical protrusion E had an average height hr of 0.27 μm or more and 1.15 μm or less, and an average diameter dr of the bottom surface of 0.23 μm or more and 1.02 μm or less.

基板K2〜K6には、円錐状突起物Eに加えて、ワイヤ状突起物Yも形成されていた。また、円錐状突起物Eが形成されず、ワイヤ状突起物Yのみ形成された基板Kは存在しなかった。このことから、円錐状突起物Eが形成される場合に、ワイヤ状突起物Yは形成されるものと考えられる。   In addition to the conical protrusions E, wire-like protrusions Y were also formed on the substrates K2 to K6. Further, there was no substrate K in which the conical protrusion E was not formed and only the wire protrusion Y was formed. From this, when the conical protrusion E is formed, it is considered that the wire-shaped protrusion Y is formed.

ワイヤ状突起物Yは、円錐状突起物Eの先端から成長しており、平均長さlwが1.16μm〜5.79μm、平均直径dwが0.21μm以上1.44μm以下であり、アスペクト比が極めて大きかった。基板K2及びK4〜K6に形成されたワイヤ状突起物Yは、全て直径がマイクロメータ(μm)サイズであった。基板K3では、直径がマイクロメータ(μm)サイズのワイヤ状突起物Yの他に、直径がナノメータ(nm)サイズのワイヤ状突起物Yも形成されていた。   The wire-shaped protrusion Y grows from the tip of the conical protrusion E, has an average length lw of 1.16 μm to 5.79 μm, an average diameter dw of 0.21 μm to 1.44 μm, and an aspect ratio Was extremely large. All the wire-like protrusions Y formed on the substrates K2 and K4 to K6 had a diameter of a micrometer (μm). In the substrate K3, in addition to the wire-shaped protrusion Y having a diameter of micrometer (μm), a wire-shaped protrusion Y having a diameter of nanometer (nm) was also formed.

図5は、円錐状突起物Eの底面の平均直径dと、ワイヤ状突起物Yの平均直径dとの関係を示すグラフである。円錐状突起物E及びワイヤ状突起物Yの両方が形成された基板K2〜K6のうち、ワイヤ状突起物Yの平均直径dが、円錐状突起物Eの底面の平均直径dの0.75倍よりも小さい基板Kは、存在しなかった。このことから、円錐状突起物Eの寸法は、ワイヤ状突起物Yの太さに影響を与えると考えられる。 Figure 5 is a graph showing the mean diameter d r of the bottom surface of the conical projections E, the relation between the average diameter d w of the wire-like protrusion Y. Of the substrate K2~K6 both conical projections E and the wire-like protrusion Y is formed, the average diameter d w of the wire-like protrusion Y is the average diameter d r of the bottom surface of the conical projections E 0 There was no substrate K smaller than .75 times. From this, it is considered that the size of the conical protrusion E affects the thickness of the wire protrusion Y.

ワイヤ状突起物Yが形成されずに、円錐状突起物Eのみが形成された基板K7〜K9では、突起物の形成による表面積の増加率ΔSが、最大23.52%であった(基板K8のデータ参照)。一方、ワイヤ状突起物Yも形成された基板K2〜K6では、突起物の形成による表面積の増加率ΔSが、最大39.93%であった(基板K5のデータ参照)。このことから、ワイヤ状突起物Yが形成される場合には、円錐状突起物Eのみが形成される場合に比して、金属材料(基板K)の表面積が増加することが確認された。   In the substrates K7 to K9 on which only the conical protrusions E were formed without forming the wire-shaped protrusions Y, the increase rate ΔS of the surface area due to the formation of the protrusions was 23.52% at maximum (substrate K8 Data reference). On the other hand, in the substrates K2 to K6 on which the wire-shaped protrusions Y were also formed, the surface area increase rate ΔS due to the formation of the protrusions was a maximum of 39.93% (see data on the substrate K5). From this, when the wire-shaped protrusion Y was formed, it was confirmed that the surface area of the metal material (substrate K) increased compared to the case where only the conical protrusion E was formed.

円錐状突起物Eやワイヤ状突起物Yの成分を確認するため、X線解析や、電子線マイクロアナライザ(Electron Probe MicroAnalyser )による解析(以下、EPMA解析)を行った。図6は、円錐状突起物Eやワイヤ状突起物Y等のX線解析の結果を示すグラフである。   In order to confirm the components of the conical protrusion E and the wire protrusion Y, X-ray analysis and analysis by an electron probe microanalyzer (hereinafter referred to as EPMA analysis) were performed. FIG. 6 is a graph showing the results of X-ray analysis of the conical protrusion E, the wire protrusion Y, and the like.

ワイヤ状突起物Y、円錐状突起物E、基板Kとも、2θ=43°、63°、82°、97°、117°でピークが確認された。また、ワイヤ状突起物Yや円錐状突起物Eでは、2θ=114°でも、ピークが確認された。この2θ=114°のピークは、CrCによるピークに相当する。また、EPMA解析では、ワイヤ状突起物Yや円錐状突起物Eから、Fe、Cr、Mo、Vの成分が検出された。以上の解析結果から、ワイヤ状突起物Yや円錐状突起物Eは、Fe、Mo、Vを多少含有したCrCからなると考えられる。   Peaks were confirmed at 2θ = 43 °, 63 °, 82 °, 97 °, and 117 ° for the wire-like protrusion Y, the conical protrusion E, and the substrate K. Moreover, in the wire-like protrusion Y and the conical protrusion E, a peak was confirmed even at 2θ = 114 °. This peak at 2θ = 114 ° corresponds to a peak due to CrC. In the EPMA analysis, Fe, Cr, Mo, and V components were detected from the wire-like protrusion Y and the conical protrusion E. From the above analysis results, it is considered that the wire-like protrusion Y and the conical protrusion E are made of CrC containing some Fe, Mo, and V.

以上の試験結果に基づき、ワイヤ状突起物Yや円錐状突起物Eの形成メカニズムは、次のように考えられる。図7は、基板表面aへの突起物の形成メカニズムを説明するための図である。図8は、円錐状突起物E及びワイヤ状突起物Yを拡大して示す図及び写真である。図8(a)は、図7(c)のA範囲の拡大図であり、図8(b)は、図8(a)に示す状態が撮影された写真である。   Based on the above test results, the formation mechanism of the wire-like protrusions Y and the conical protrusions E is considered as follows. FIG. 7 is a view for explaining the formation mechanism of protrusions on the substrate surface a. FIG. 8 is an enlarged view and a photograph of the conical protrusion E and the wire protrusion Y. FIG. 8A is an enlarged view of range A in FIG. 7C, and FIG. 8B is a photograph of the state shown in FIG. 8A.

図1のステップS3で、チャンバ3内にアルゴンガスを導入しながら、スパッタエッチングを行う過程では、基板表面aがArによりスパッタエッチングされるとともに、基板Kに生じる温度勾配により、基板Kの内部に溶け込んでいる炭素が基板表面aに供給される(図7(a))。これにより、基板表面aに炭化物が析出して成長することで、円錐状突起物Eが形成される(図7(b))。 In the process of performing sputter etching while introducing argon gas into the chamber 3 in step S3 of FIG. 1, the substrate surface a is sputter-etched by Ar + and the temperature gradient generated in the substrate K causes the inside of the substrate K Carbon dissolved in is supplied to the substrate surface a (FIG. 7A). Thereby, the carbide | carbonized_material precipitates on the substrate surface a and grows, and the conical protrusion E is formed (FIG.7 (b)).

図2のステップS4で、アルゴンガスに加えて、蒸留水もチャンバ3内に導入しながら、スパッタエッチングを行う過程では、基板表面aは、ArとHによりスパッタエッチングされる(図7(c))。Hは、Arよりもスパッタ率が小さいので、ステップS4では、ステップS3に比して、スパッタによる基板Kの厚さの減少量(スパッタ量)は小さく抑えられる。これにより、基板底面bから基板表面aに至る熱伝導距離dがほぼ一定に保たれるため、底面bの冷却により、表面aに生じる温度低下は小さく抑えられる。この状況で、円錐状突起物Eの先端が、プラズマの集中により選択的に加熱されることで、円錐状突起物Eの先端から炭化物が成長して、ワイヤ状突起物Yが形成される(図8)。ステップS4のスパッタエッチング時間t2が長くなることに応じて、ワイヤ状突起物Yは成長して、ワイヤ状突起物Yの長さlwや直径dwは増加するものと推定される(図7(b)→図7(c))。 In step S4 of FIG. 2, in the process of performing sputter etching while introducing distilled water into the chamber 3 in addition to argon gas, the substrate surface a is sputter-etched by Ar + and H + (FIG. 7 ( c)). Since H + has a smaller sputtering rate than Ar + , the amount of decrease in the thickness of the substrate K due to sputtering (sputtering amount) is suppressed to be smaller in step S4 than in step S3. Thereby, since the heat conduction distance d from the substrate bottom surface b to the substrate surface a is kept substantially constant, the temperature drop caused on the surface a by the cooling of the bottom surface b can be suppressed to a small value. In this situation, the tip of the conical protrusion E is selectively heated by the plasma concentration, so that carbide grows from the tip of the conical protrusion E and the wire-like protrusion Y is formed ( FIG. 8). As the sputter etching time t2 in step S4 becomes longer, the wire-like projection Y grows and the length lw and the diameter dw of the wire-like projection Y are estimated to increase (FIG. 7B). → FIG. 7 (c)).

なお表2に示すように、ワイヤ状突起物Yが形成された基板K2〜K6は、ステップS3,S4で出力される高周波電力Pが、いずれも500Wに設定され、ステップS3のスパッタエッチング時間t1が2.0〜3.0ksに設定され、ステップS4のスパッタエッチング時間t2が0.6ksに設定されたものである。これに基づき、ステップS3,4で出力する高周波電力Pを同一の大きさにして、さらに、スパッタエッチング時間t2をスパッタエッチング時間t1で除した値t2/t1が、0.2以上0.3以下になるように、スパッタエッチング時間t1,t2を調整することで、ワイヤ状突起物Yを確実に形成できるものと考えられる。   As shown in Table 2, the high frequency power P output in steps S3 and S4 is set to 500 W for the substrates K2 to K6 on which the wire-like protrusions Y are formed, and the sputter etching time t1 in step S3 is set. Is set to 2.0 to 3.0 ks, and the sputter etching time t2 in step S4 is set to 0.6 ks. Based on this, the value t2 / t1 obtained by dividing the sputter etching time t2 by the sputter etching time t1 with the same magnitude of the high frequency power P output in steps S3 and S4 is 0.2 or more and 0.3 or less. Thus, it is considered that the wire-like protrusions Y can be reliably formed by adjusting the sputter etching times t1 and t2.

ここで上記実施の形態では、チャンバ3内に供給する不活性ガスとしてアルゴンガスを用いる場合を示したが、アルゴンガスに限らず、クリプトンガス、ネオンガス、キセノンガス、ラドンガス等の不活性ガスが、チャンバ3内に供給されてもよい。これら不活性ガスのイオンも、Arと同様、Hに比してスパッタ率が大きいものであり、上記不活性ガスを用いる場合にも、図7と同様のメカニズムで、ワイヤ状突起物Yが形成される。 Here, in the above-described embodiment, the case where argon gas is used as the inert gas supplied into the chamber 3 is shown. It may be supplied into the chamber 3. The ions of these inert gases also have a higher sputtering rate than H + as with Ar +, and even when the above inert gas is used, the wire projection Y Is formed.

また、水素ガスをチャンバ3内に導入しても、チャンバ3内にHが生じると考えられたため、ステップS4で、蒸留水の代わりに、水素ガスをチャンバ3内に導入する試験を行った。本試験でも、図2の高周波マグネトロンスパッタ装置1を用いており、水素ガスを供給管路4を通じてチャンバ3内に供給した。また本試験では、バルブ14,15の開閉により、チャンバ3内に導入するアルゴンガスや水素ガスの流量を調整することで、チャンバ3内の圧力が5.0Paになり、このうち、水素ガスの分圧が3.3Paになり、アルゴンガスの分圧が1.7Paになるように制御した。 Further, since it was considered that H + was generated in the chamber 3 even when hydrogen gas was introduced into the chamber 3, a test was conducted in which hydrogen gas was introduced into the chamber 3 instead of distilled water in step S 4. . Also in this test, the high-frequency magnetron sputtering apparatus 1 of FIG. 2 was used, and hydrogen gas was supplied into the chamber 3 through the supply pipe 4. In this test, the pressure in the chamber 3 is adjusted to 5.0 Pa by adjusting the flow rates of the argon gas and hydrogen gas introduced into the chamber 3 by opening and closing the valves 14 and 15. The partial pressure was controlled to 3.3 Pa, and the partial pressure of argon gas was controlled to 1.7 Pa.

試験の結果、蒸留水を導入する場合にワイヤ状突起物Yが形成される条件下、つまり、ステップS3,4で出力される高周波電力が同一であり(例えば、ステップS3,4の高周波電力が500W)、ステップS4のスパッタエッチング時間t2を、ステップS3のスパッタエッチング時間t1で除した値t2/t1が、0.2以上0.3以下になる条件下(例えば、時間t1が2ks〜3ks、時間t2が0.6ks)では、ワイヤ状突起物Yが形成されることを確認した。   As a result of the test, the high-frequency power output in the conditions under which the wire-shaped protrusion Y is formed when distilled water is introduced, that is, in steps S3 and S4 is the same (for example, the high-frequency power in steps S3 and S4 500 W), a condition that a value t2 / t1 obtained by dividing the sputter etching time t2 of step S4 by the sputter etching time t1 of step S3 is 0.2 or more and 0.3 or less (for example, the time t1 is 2 ks to 3 ks, It was confirmed that the wire-like protrusion Y was formed at time t2 of 0.6 ks).

本発明によりワイヤ状突起物が形成された金属材料は、電気自動車用の電気二重層キャパシタ、蓄電池用電極、蛍光灯やプラズマテレビのエミッター、コーティングの中間層、グリップローラなどの接触搬送手段に適用することができる。   The metal material with wire-like protrusions formed according to the present invention is applied to contact transporting means such as electric double layer capacitors for electric vehicles, storage battery electrodes, fluorescent lamps and plasma TV emitters, coating intermediate layers, and grip rollers. can do.

1 高周波マグネトロンスパッタ装置
3 チャンバ
4 供給管路
5 高周波電源
6 排気装置
7 拡散ポンプ
8 油回転式真空ポンプ
9 排気管路
10 試料台
11 ホルダー
12,13 水冷パイプ
14,15 バルブ
E 第1の突起物(円錐状突起物)
Y 第2の突起物(ワイヤ状突起物)
K,K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7,K8,K9,K10,K11 基板
t1 第1スパッタ工程でスパッタエッチングを行う時間
t2 第2スパッタ工程でスパッタエッチングを行う時間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 High frequency magnetron sputter apparatus 3 Chamber 4 Supply line 5 High frequency power supply 6 Exhaust apparatus 7 Diffusion pump 8 Oil rotary vacuum pump 9 Exhaust line 10 Sample stand 11 Holder 12, 13 Water-cooled pipes 14, 15 Valve E 1st protrusion (Conical protrusion)
Y Second protrusion (wire-like protrusion)
K, K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K8, K9, K10, K11 Substrate t1 Sputter etching time in the first sputter process t2 Sputter etching time in the second sputter process

Claims (4)

不活性ガスをチャンバ内に導入しながら、高周波電力の出力により前記チャンバ内にプラズマを発生して、前記チャンバ内に設置された金属材料の表面のスパッタエッチングを行う第1スパッタ工程と、
前記第1スパッタ工程の後に、前記不活性ガスに加えて、水或いは水素を前記チャンバ内に導入しながら、前記高周波電力の出力により前記チャンバ内にプラズマを発生して、前記金属材料の表面のスパッタエッチングを行う第2スパッタ工程と、
を有することを特徴とする金属材料表面へのワイヤ状突起物の形成方法。
A first sputtering step of generating a plasma in the chamber by introducing high-frequency power while introducing an inert gas into the chamber, and performing sputter etching on the surface of the metal material installed in the chamber;
After the first sputtering step, while introducing water or hydrogen into the chamber in addition to the inert gas, plasma is generated in the chamber by the output of the high frequency power, and the surface of the metal material is A second sputtering step for performing sputter etching;
A method of forming a wire-like protrusion on the surface of a metal material.
前記金属材料は、時効性金属材料であることを特徴とする請求項1に記載の金属材料表面へのワイヤ状突起物の形成方法。   The method of forming a wire-like protrusion on the surface of the metal material according to claim 1, wherein the metal material is an aging metal material. 前記第1,2スパッタ工程では、前記高周波電力が同一の大きさで出力され、
前記第2スパッタ工程で前記スパッタエッチングを行う時間を、前記第1スパッタ工程で前記スパッタエッチングを行う時間で除した値は、0.2以上0.3以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の金属材料表面へのワイヤ状突起物の形成方法。
In the first and second sputtering steps, the high-frequency power is output with the same magnitude,
The value obtained by dividing the time for performing the sputter etching in the second sputtering step by the time for performing the sputter etching in the first sputtering step is 0.2 or more and 0.3 or less. Or the formation method of the wire-shaped protrusion to the metal material surface of 2.
請求項1乃至3のいずれかに記載の方法で形成されたワイヤ状突起物を備えることを特徴とする金属材料。   A metal material comprising a wire-like protrusion formed by the method according to claim 1.
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