(57)【特許請求の範囲】
【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を変更することにより、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。
【請求項２】
摩擦係数が０．４μ以下の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のそれぞれの結晶が配向さ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。
【発明の詳細な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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を変更することにより、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、摩擦係数が０．４μ以下の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、Ｃｕ2Ｏ、およびＣｕのそれぞれの結晶が配向さ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、Ｃｕ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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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、６５ｍｍ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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【図２】ＣｕＯ、Ｃｕ2Ｏ、Ｃｕのスペクトル強度比を示した図である。
【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。
【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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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