(57)【要約】【課題】  硫化水素ガスを放出し難い二硫化モリブデン、二硫化タングステン固体潤滑膜の提供、または、これらの膜を適用した固体潤滑軸受の提供。  【解決手段】  物理気相成長法で作製される二硫化モリブデン固体潤滑膜１において、かさ密度が３．５〜４．８g／ｃｍ３で酸素を１．５〜２０at％含む構成とする。または、物理気相成長法で作製される二硫化タングステン固体潤滑膜１において、かさ密度が５．３〜７．４g／ｃｍ３で酸素を１．５〜２０at％含む構成とする。さらに、玉やころなどの転動要素にこれらの膜が被覆されている固体潤滑軸受。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空中内に不活性ガスが導入され、物理気相成長法で基材に作製された二硫化モリブデン固体潤滑膜において、
前記二硫化モリブデン固体潤滑膜のかさ密度が３．５〜４．８g／ｃｍ３で、酸素を１．５〜２０at％含むことを特徴とする固体潤滑膜。
【請求項２】
真空中内に不活性ガスが導入され、物理気相成長法で基材に作製された二硫化タングステン固体潤滑膜において、
前記二硫化タングステン固体潤滑膜のかさ密度が５．３〜７．４g／ｃｍ３で、酸素を１．５〜２０at％含むことを特徴とする固体潤滑膜。
【請求項３】
請求項１または２に記載の固体潤滑膜であって、前記固体潤滑膜が被覆された転動体が組み込まれたことを特徴とする固体潤滑軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空環境で使用される半導体製造装置に適用する軸受、またはその軸受用の固体潤滑膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空環境下において、各機構の摺動部には固体潤滑膜が用いられており、固体潤滑膜には、潤滑特性が良好な二硫化モリブデンが使用されている。この固体潤滑膜は物理気相成長法で軸受部品に被覆され、真空ロボット用軸受として使用される（例えば、非特許文献１参照）。
また、従来の固体潤滑膜の製造方法は、アルゴンガスと水蒸気を導入した成膜室の中でターゲット材の二硫化モリブデンをスパッタリングにより成膜するものである（特許文献１）。
【非特許文献１】月刊トライボロジ２０００年５月号（第４１頁）
【特許文献１】特開２００２−２７６６６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
真空ロボットなどのウエハ搬送装置に要求されるクリーン度や適用真空度は、半導体部品の歩留まり向上の観点から年々厳しくなっている。高温・高真空中でのガス放出量低減や放出されるガスの種類の制限などである。二硫化モリブデンスパッタ膜を固体潤滑剤として使用した場合、非特許文献１でも記載されているように、真空機器特有のベーキング温度である１２０℃加熱により質量数３４の硫化水素ガスがわずかではあるが放出されるという課題が生じていた。
この硫化水素ガスは真空装置を汚染し、ウエハの汚染につながるガスである。したがって、このガスは放出されないことが要望されていたが、真空中で優れた潤滑特性を示す固体潤滑剤が二硫化モリブデン膜以外にないのでやむなく使用されていた。
また、従来の固体潤滑膜の製造方法は、アルゴンガスに水蒸気を混入しているために、膜質を良くなる酸素ガスの混入量を正確に求めることができず、膜質の良い二硫化モリブデン膜の再現性が低いという問題が生じていた。また、水蒸気を導入しているので、膜中に水分子が入り込み、硫化水素の発生原因になるという問題も生じていた。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、真空中で１２０℃に加熱しても硫化水素ガスを放出し難い二硫化モリブデン膜または二硫化タングステン膜、およびこれらの膜を適用した固体潤滑軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、真空中内に不活性ガスが導入され、物理気相成長法で基材に作製された二硫化モリブデン固体潤滑膜において、前記固体潤滑膜のかさ密度が３．５〜４．８g／ｃｍ３で酸素を１．５〜２０at％含むものである。
また、請求項２に記載の発明は、真空中内に不活性ガスが導入され、物理気相成長法で基材に作製された二硫化タングステン固体潤滑膜において、前記固体潤滑膜のかさ密度が５．３〜７．４g／ｃｍ３で酸素を１．５〜２０at％含むものである。
さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の固体潤滑膜であって、前記固体潤滑膜が被覆された転動体が組み込まれたものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１に記載の発明によると、二硫化モリブデン膜のかさ密度を高くし、かつ膜中の硫黄を硫黄より原子半径の小さい酸素または窒素で置換することで格子間隔を狭くしているので、水が膜中に入り難くなり硫化水素の放出を防止できる。
硫化水素ガスの発生原因は、二硫化モリブデン膜と膜中に含まれる水分が８０℃以上で反応するためである。したがって、膜中に水分をできるだけ含ませないようにすることが対策となる。膜のかさ密度が低いと空隙が多くなり、その部分に水分が吸着する。この水分を低減するためには、膜のかさ密度を３．５g／ｃｍ３以上として空隙を少なくすることが第一必要条件である。なお、かさ密度４．８g／ｃｍ３は物理気相成長法で得られる膜の最大密度である。
次に必要な条件は、二硫化モリブデンの結晶格子間に水を浸入させ難くすることである。二硫化モリブデンスパッタ膜には格子欠陥が多く存在しているので、天然の二硫化モリブデン材より最大で約１０パーセントも格子間隔が広くなっている。したがって、水が格子間に入りやすく、また昇温によって生成された硫化水素ガスも放出されやすい。このため、格子間隔を狭くすることが硫化水素ガスの放出を防止することになる。
そこで、格子間隔を狭くするためには二硫化モリブデンを構成する硫黄原子を硫黄原子より原子半径の小さい酸素原子で置換すればよい。膜中に酸素を１．５at％以上含ませることで硫化水素の放出を防止できるが、酸素濃度が２０at％を越えると高真空環境下での摩擦係数が大きくなることがわかっており、実用化に向かない。
このように膜のかさ密度と膜中の酸素の含有量を規定することで、ベーキング温度１２０℃でも硫化水素ガスを放出し難い高真空用途の二硫化モリブデン固体潤滑膜を提供できる。
請求項２に記載の発明によると、二硫化タングステン膜のかさ密度を５．３〜７．４g／ｃｍ３とし、かつ膜中の硫黄原子をそれより原子半径の小さい酸素原子で置換することで格子間隔を狭くしているので、水が膜中に入り難くなり硫化水素の放出を防止できる。なお、かさ密度７．４g／ｃｍ３は物理気相成長法で得られる膜の最大密度である。
請求項３に記載の発明によると、軸受の潤滑材として、請求項１または２に記載の固体潤滑膜を使用しているので、ベーキング温度１２０℃でも硫化水素ガスを放出し難い高真空用途の固体潤滑軸受を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は、本発明の第１の実施例を示す断面図である。図において、１は固体潤滑膜、２は基板である。この固体潤滑膜は物理気相成長法で形成した酸素を含む二硫化モリブデンであり、かさ密度は３．５g／ｃｍ３以上である。また、基板はＳＵＳ４４０Ｃである。本実施例では、物理気相成長法としてスパッタリング法を用いて説明する。
この固体潤滑膜は、図２に示すスパッタ装置で作製した。図において１０は真空を保持する真空チャンバである。真空チャンバ１０の内部には、基板ホルダ１１に載置された基板２と、基板ホルダ１１に対向する位置に二硫化モリブデンのターゲット１３が電極１２に接続されて配置されている。真空チャンバ１０の外部には、電極１２に接続されたＲＦ電源１９と、マスフローコントローラ１８ａを介して接続された純アルゴンガスボンベ１６と、真空ポンプ１４と、真空計１５が配置されている。
二硫化モリブデン固体潤滑膜の作製手順は以下のとおりである。
・  真空チャンバ１０内を真空ポンプ１４で５×１０−４Ｐａ以下の圧力まで真空引きする。
・  真空引きしながら、マスフローコントローラ１７が開かれ、純アルゴンガスが真空チャンバ１０内に導入される。真空計１５をモニタしながら真空チャンバ１０内を所定の圧力にする。（このときの真空チャンバ１０内の圧力を便宜的にアルゴンガス圧と呼ぶ。）
・  ターゲット１３にＲＦ電力を印加してグロー放電を発生させる。アルゴンイオンによって二硫化モリブデンからなるターゲット１３の表面をスパッタし、ターゲット１３を構成する原子、すなわち硫黄とモリブデンを叩き出す。これらの原子をターゲット１３と対向する位置に置いた基板２の表面に堆積させ、二硫化モリブデン固体潤滑膜を形成する。
上記（２）の工程では、アルゴンガス圧および酸素濃度が以下のとおり調整されている。
はじめに、アルゴンガス圧の調整について述べる。アルゴンガス圧が高いと、ターゲット１３から叩き出された硫黄やモリブデンなどの粒子（以下、スパッタ粒子と呼ぶ）は基板に到達するまでにアルゴン原子と衝突する回数が多い。このため、基板に到達したときのスパッタ粒子のエネルギは小さい。その結果、スパッタ粒子は粒状になって基板に堆積するために固体潤滑膜１のかさ密度は低くなる。逆に、アルゴンガス圧が低いと、スパッタ粒子はアルゴン原子とほとんど衝突しない。したがって、スパッタ粒子はエネルギを失わないまま基板に到達する。その結果、形成される固体潤滑膜のかさ密度は高くなる。したがって、膜のかさ密度は、アルゴンガスの分圧を調節することで設定される。
次に、酸素濃度の調整について述べる。膜中の酸素含有量は、上記（２）の工程の純アルゴンガスの代わりに種々の酸素濃度となるアルゴンガスを真空チャンバ１０内に導入して設定された。
上記の方法によって作製された固体潤滑膜１のかさ密度は、マイクロ天秤で測定した固体潤滑膜作製前後の基板の重量差と表面形状計で測定した膜厚を用いて計算するアルキメデス法で算出された。
また、膜の組成、化学状態はそれぞれ電子線プローブマイクロアナライザ（以下ＥＰＭＡと呼ぶ）、X線光電子分光法（以下ＸＰＳと呼ぶ）で分析した。ＥＰＭＡ分析の結果から、アルゴンガス中の酸素濃度が増加すると膜中の酸素含有量も増加した。また、ＸＰＳ分析の結果から膜中の酸素は硫黄と二硫化モリブデン結晶の硫黄の位置に置き換わっていることが確認された。
次に、上記の手順によって試料を作製した結果について述べる。試料は、直径５０ｍｍ（試料１）と５ｍｍ(試料２)のＳＵＳ４４０Ｃ製円板である、各々の試料上に厚さ０．６μｍの固体潤滑膜を形成した。試料１はボールオンディスク式すべり試験機を用いた摩擦係数の測定に使用し、試料２は真空中で１２０℃に加熱したときに放出されるガスの分析に使用した。
摩擦係数の測定条件は、すべり速度８ｍ／分、荷重１．５Ｎ、面圧０．８ＧＰａ、温度２２〜２７℃、湿度９〜１５％ＲＨとした。
また、１２０℃加熱時に放出されるガスは、四重極質量分析計を備えた真空チャンバ内に試料を設置して昇温脱離ガス分析法で調べた。このとき、昇温開始時の真空度は６×１０−５Ｐａ、昇温速度は３０℃／分とした。
表１に評価結果を示す。かさ密度が３．５g／ｃｍ３以上かつ膜中の酸素含有量が１．５〜２０ａｔ％の範囲で、摩擦係数および硫化水素ガスの放出について優れた特性が得られている。なお、本試験時では摩擦係数は０．０５を規定値とし、この値以下を合格品とした。
【０００８】
【表１】
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【実施例２】
【０００９】
図２のターゲット１３に二硫化タングステンを用いて、実施例１と同様な方法で二硫化タングステン固体潤滑膜を形成し、摩擦係数と真空中で１２０℃に加熱したときのガス放出特性を調べた。それぞれの測定条件は、実施例１と同じである。
表２に評価結果を示す。かさ密度が５．３g／ｃｍ３以上かつ膜中の酸素含有量が１．５〜２０ａｔ％の範囲で、摩擦係数および硫化水素ガスの放出について優れた特性が得られている。なお、本試験時では摩擦係数は０．０５を規定値とし、この値以下を合格品とした。
【００１０】
【表２】
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【実施例３】
【００１１】
実施例１または実施例２の方法で、ＳＵＳ４４０Ｃ製ボール上に二硫化モリブデン固体潤滑膜、または二硫化タングステン固体潤滑膜を形成した。これらのボールを玉軸受に組込み、真空中で摩擦したときに硫化水素ガスが放出されるかどうか調べた。玉軸受はＳＵＳ４４０Ｃ製の内径８ｍｍ、外径２２ｍｍ、幅７ｍｍの深溝型玉軸受を用い、ＰＥＥＫ系保持器を組み込んだ。この軸受を真空度０．０２Ｐａ、温度２２〜２７℃の雰囲気中で、転がり速度８ｍ／分、面圧０．８ＧＰａとして摩擦を行い、このときに放出されるガスを四重極質量分析計で分析した。
表３に評価結果を示す。実施例１および実施例２で優れた特性を示した膜は玉軸受に組み込んで摩擦しても硫化水素を発生しておらず、高真空用途の固体潤滑軸受に使用できる。なお、実施例３は玉軸受であるが、本発明はこれに限られるものではなく、ころ軸受など他の軸受にも適用可能である。
【００１２】
【表３】
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【産業上の利用可能性】
【００１３】
本発明は，半導体製造等の分野で，低摩擦係数が必要とされ、高真空中での摺動部の軸受に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施例を示す固体潤滑膜の断面構造
【図２】本発明の固体潤滑膜を作製したスパッタ装置
【符号の説明】
【００１５】
１  ：二硫化モリブデン膜
２  ：基板
１０：真空チャンバ
１１：基板ホルダ
１２：電極
１３：ターゲット
１４：真空ポンプ
１５：真空計
１６：純アルゴンガスボンベ、または酸素を含むアルゴンガスボンベ
１７：マスフローコントローラ
１８：ＲＦ電源
【図１】
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【図２】
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