特許 7384368 グラファイトアイランドスライディングブロックアレイの調製方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-13

(45)【発行日】2023-11-21

(54)【発明の名称】グラファイトアイランドスライディングブロックアレイの調製方法

(51)【国際特許分類】

   C10M 103/02 20060101AFI20231114BHJP

   C01B 32/21 20170101ALI20231114BHJP

【ＦＩ】

C10M103/02 Z

C01B32/21

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2022559676

(86)(22)【出願日】2020-06-28

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-05-17

(86)【国際出願番号】 CN2020098477

(87)【国際公開番号】W WO2022000120

(87)【国際公開日】2022-01-06

【審査請求日】2022-09-29

(73)【特許権者】

【識別番号】518215231

【氏名又は名称】深▲せん▼清華大学研究院

【氏名又は名称原語表記】Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｎ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ

【住所又は居所原語表記】Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｉｎ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ， Ｇａｏｘｉｎ Ｓｏｕｔｈ ７ｔｈ Ｂｌｖｄ． Ｎａｎｓｈａｎ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５１８０５７， Ｃｈｉｎａ

(73)【特許権者】

【識別番号】514326214

【氏名又は名称】清▲華▼大学

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100135079

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 修

(72)【発明者】

【氏名】鄭 泉水

(72)【発明者】

【氏名】姜 海洋

【審査官】中田 光祐

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１０９９４９８３２（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０３４３８３４８（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０９９７９４９０（ＣＮ，Ａ）

【文献】PHYSICAL REVIEW LETTERS，2012年，Vol. 108, 205503

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ１０Ｍ １０１／００－１７７／００

Ｃ０１Ｂ ３２／００－ ３２／９９１

Ｂ８１Ｂ ５／００

Ｂ８１Ｃ １／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０／ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高配向性熱分解グラファイトに少なくともフォトレジストを被覆するステップ１と、
前記フォトレジストをパターニングし、複数のフォトレジストのアイランドを保留するステップ２と、
前記高配向性熱分解グラファイトをエッチングし、フォトレジストで保護されていない一部の高配向性熱分解グラファイトを除去し、複数のグラファイトアイランドを形成するステップ３と、
残ったフォトレジストを除去し、グラファイトアイランドスライディングブロックアレイを得るステップ４とを含むグラファイトアイランドスライディングブロックアレイの調製方法であって、
ステップ１の前に、高配向性熱分解グラファイト表面近くの３次元結晶粒構造を検出し、グラファイト表面近くの多結晶構造の結晶粒情報を得て、
ステップ３において、上記で検出された多結晶構造の結晶粒情報に基づいて、エッチングされた各グラファイトアイランドは水平粒界を１層のみ含むように前記エッチングを制御する、ことを特徴とするグラファイトアイランドスライディングブロックアレイの調製方法。

【請求項2】

ステップ１に記載のフォトレジストは、スピンコート法で被覆される、ことを特徴とする請求項１に記載の調製方法。

【請求項3】

ステップ２で形成されたフォトレジストのアイランドの平均直径は、１μｍ～３０μｍであり、フォトレジストのアイランド間の平均間隔は、１μｍ～１００μｍである、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の調製方法。

【請求項4】

ステップ３に記載のエッチングは反応性イオンエッチングである、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の調製方法。

【請求項5】

前記検出は電子後方散乱回折、Ｘ線散乱及び・又は楕円偏光検出である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の調製方法。

【請求項6】

前記結晶粒情報は結晶粒の厚さ、結晶粒の長さ及び結晶粒の幅である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の調製方法。

【請求項7】

エッチングの深さはちょうどグラファイトの最表層の１つの結晶粒の厚さよりも大きく、最表層から第２の結晶粒の底部までの高さよりも小さくするように前記エッチングの時間を制御する、ことを特徴とする請求項６に記載の調製方法。

【請求項8】

各グラファイトアイランドにグラファイトアイランド頂部の接続層を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の調製方法。

【請求項9】

前記グラファイトアイランドの頂部の接続層は、プラズマ化学気相堆積法によって接続層を前記高配向性熱分解グラファイト上に堆積したものである、ことを特徴とする請求項８に記載の調製方法。

【請求項10】

グラファイトに少なくともフォトレジストを被覆するステップ１と、
前記フォトレジストをパターニングし、複数のフォトレジストのアイランドを保留するステップ２と、
前記グラファイトをエッチングし、フォトレジストで保護されていない一部のグラファイトを除去し、複数のグラファイトアイランドを形成するステップ３と、
残ったフォトレジストを除去し、グラファイトアイランドスライディングブロックアレイを得るステップ４とを含むグラファイトアイランドスライディングブロックアレイの調製方法であって、
ステップ１の前に、基板上に単結晶または多結晶グラファイトを成長する；基板上に単結晶グラファイトが成長している場合、前記単結晶グラファイトを検出し、前記単結晶グラファイトの平坦度を得る；基板に多結晶グラファイトが成長している場合、前記多結晶グラファイト表面近くの３次元結晶粒構造を検出し、グラファイト表面近くの多結晶構造の結晶粒情報を得て、
ステップ３において、上記で検出された多結晶構造の結晶粒情報に基づいて、エッチングされた各グラファイトアイランドは水平粒界を１層のみ含むように前記エッチングを制御する、ことを特徴とするグラファイトアイランドスライディングブロックアレイの調製方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は超潤滑（Ｓｕｐｅｒｌｕｂｒｉｃｉｔｙ）構造の分野に関し、特にグラファイトアイランドスライディングブロックアレイをバッチで調製する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

長きに渡り、摩擦と摩耗の問題は、製造業に密接な影響を与えているだけでなく、エネルギー、環境及び健康にも直接的な影響を与えている。統計によると、全世界のエネルギーの約３分の１は摩擦過程で消費され、機器部品の故障の約８０％は摩耗によるものである。超潤滑構造は、摩擦と摩耗の問題を解決する理想的な方案の１つであり、超潤滑構造とは、２つの原子レベルで平滑、且つ不整合（ｉｎｃｏｍｍｅｎｓｕｒａｔｅ）に接触するファンデルワールス固体表面（例えば、グラフェン、二硫化モリブデンなどの２次元材料表面）間の摩擦、摩耗がほぼゼロである状態を指す。２００４年、オランダの科学者Ｊ．Ｆｒｅｎｋｅｎの研究グループは、実験設計により、プローブに付着した数ナノメートルのサイズ（合計で約１００個の炭素原子）のグラファイトシートが高配向性熱分解グラファイト（ｈｉｇｈｌｙ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ ｇｒａｐｈｉｔｅ，ＨＯＰＧ）の結晶面に摺動するときの摩擦力を測定することで、初めて実験でナノスケールの超潤滑の存在を実証した。２０１３年、鄭泉水教授は、ＨＯＰＧ（Ｈｉｇｈｌｙ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｇｒａｐｈｉｔｅ）シート層材料間の超潤滑現象をミクロンスケールで初めて発見し、これは、超潤滑が基礎研究から適用可能な技術研究過程に移行したことを示している。

【0003】

従来のグラファイトアイランドスライディングブロックアレイの調製過程においては、高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）が多結晶構造を有することで、その内部に複数の粒界が含まれることが多く、グラファイトアイランドがいずれか１つの粒界で劈開と超潤滑摺動を起こす可能性があるため、グラファイトアイランドの滑り面の位置を決定することが難しい。この要因の影響により、従来の方法を用いてバッチで調製されたグラファイトアイランドスライディングブロックアレイの一致性はよくない。具体的には、次の２つの問題が発生する。

【0004】

１．グラファイト材料における多結晶構造の位置により、グラファイトアイランドスライディングブロックの加工過程で、粒界に跨がっている位置でちょうど１つのグラファイトアイランドを加工してしまう可能性がある。この時、スライディングブロックの内部には縦方向の粒界が存在するため、グラファイトアイランドを押し退けてグラファイトアイランドスライディングブロックを形成したときに、この縦方向の粒界が大きな摩擦を引き起こし、これにより該スライディングブロックが超潤滑摺動を実現できなくなり、該スライディングブロックの故障を引き起こす。

【0005】

２．また、グラファイトアイランドをちょうど単結晶領域の内部に加工しても、エッチングの深さが不確定であるため、スライディングブロックにはスライディングブロックを貫通するいくつかの水平粒界が含まれる可能性がある。これらの水平粒界はグラファイトアイランドにおける滑り面であり、グラファイトアイランドを押したときに、グラファイトアイランドはこれらの水平粒界のいずれか１つから滑って離れることが可能であるため、その滑り面の位置は未知である。大量のグラファイトアイランドスライディングブロックをバッチで製造すると、それぞれの滑り面の位置と高さが一致性を有さず、これによりスライディングブロックの品質を一致するように制御することができない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来の技術の欠点について、本発明の目的は、グラファイトアイランドスライディングブロックアレイを調製する過程で結晶粒構造検出ステップを追加し、後続のエッチングステップを制御することにより、グラファイトアイランドの内部に粒界面を１つのみ有し、これらのグラファイトアイランドをせん断してグラファイトアイランドスライディングブロックを形成すると、それらは唯一の粒界面から滑って離れるものを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の発明目的を実現するための、本発明に係る技術案は次のとおりである。
グラファイトアイランドスライディングブロックアレイの調製方法は、
高配向性熱分解グラファイトに少なくともフォトレジストを被覆するステップ１と、
前記フォトレジストをパターニングし、複数のフォトレジストのアイランドを保留するステップ２と、
前記高配向性熱分解グラファイトをエッチングし、フォトレジストで保護されていない一部の高配向性熱分解グラファイトを除去し、複数の島状構造を形成するステップ３と、
残ったフォトレジストを除去し、前記グラファイトアイランドスライディングブロックアレイを得るステップ４とを含み、
テップ１の前に、高配向性熱分解グラファイト表面近くの３次元結晶粒構造を検出し、グラファイト表面近くの多結晶構造の結晶粒情報を得て、
ステップ３において、上記で検出された多結晶構造の結晶粒情報に基づいて、エッチングされたグラファイトアイランドは水平粒界を１層のみ含むように前記エッチングの時間を制御することを特徴としている。

【0008】

さらに、ステップ１に記載のフォトレジストは、好ましくはスピンコート法で被覆される。

【0009】

さらに、ステップ２で形成されたフォトレジストのアイランドの平均直径は、好ましくは１μｍ～３０μｍであり、フォトレジストのアイランド間の平均間隔は、好ましくは１μｍ～１００μｍである。

【0010】

さらに、ステップ３に記載のエッチングは反応性イオンエッチングである。

【0011】

さらに、前記検出は電子後方散乱回折、Ｘ線散乱又は楕円偏光検出である。

【0012】

さらに、前記結晶粒情報は結晶粒の厚さである。

【0013】

さらに、エッチングの深さがちょうどグラファイトの最表層の１つの結晶粒の厚さよりも大きく、最表層から第２の結晶粒の底部までの高さよりも小さくなるように前記エッチングの時間を制御する。

【0014】

さらに、各グラファイトアイランドにグラファイトアイランド頂部の接続層（９）を有する。

【0015】

さらに、前記グラファイトアイランドの頂部の接続層（９）は、プラズマ化学気相堆積法によって接続層（８）を前記高配向性熱分解グラファイト上に堆積したものである。

【0016】

さらに、前記接続層（８）の材料は、好ましくはＳｉＯ_２であり、厚さは、好ましくは５０ｎｍ～５００ｎｍである。

【発明の効果】

【0017】

本発明の技術案から分かるように、従来のグラファイトアイランドスライディングブロックアレイの調製方法は加工前の結晶粒構造の検出がないため、この検出情報に従ってエッチングの深さを厳しく制御することができず、加工されたグラファイトアイランドスライディングブロックアレイの内部に大量の粒界面（滑り面）が含まれる。したがって、これらのスライディングブロックは一致性を有さない。本発明で調製されたスライディングブロックアレイは同一の滑り面と高さを有する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明に係る高配向性熱分解グラファイトの非破壊３次元検出の期待される典型的な結果の模式図である。

【図2】本発明に係るフォトレジストを塗布してパターニングした後のサンプルの模式図である。

【図3】本発明に係る基板をエッチングして島状アレイを形成した後のサンプルの模式図である。

【図4】本発明に係る残ったフォトレジストを除去し、加工完了した後のサンプルの、グラファイトアイランドアレイは同一高さの滑り面を有する模式図である。

【図5】本発明に係るフォトレジストを塗布してパターニングした後の接続層付きのサンプルの模式図である。

【図6】本発明に係る接続層及び基板をエッチングして島状アレイを形成した後のサンプルの模式図である。

【図7】本発明に係る加工完了した後の接続層付きのサンプルの模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、図面を参照しながら本発明のグラファイトアイランドスライディングブロックの調製方法を詳細に説明する。

【0020】

ステップ１では、高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）を選択することにより、該高配向性熱分解グラファイト材料は相対的平坦な表面と層状構造を有し、且つ大きい単結晶のサイズと厚さを備える。

【0021】

好ましくは、単結晶グラファイトまたは高い平坦性を有する多結晶グラファイトを選択することもできる。この単結晶グラファイトまたは多結晶グラファイトは自己成長し、非標準グラファイトである。

【0022】

ステップ２では、材料非破壊検出手段により、グラファイト表面近くの結晶粒を検出し、特に表面近くの３次元結晶粒構造の非破壊検出により、グラファイト表面近くの多結晶構造を得る。該非破壊検出手段は、例えば、電子後方散乱回折技術、Ｘ線散乱技術、楕円偏光技術などであってもよい。期待される測定結果の例は図１に示すように、高配向性グラファイトは、「レンガ状」のような多結晶モザイク状構造を有し、グラファイト表面から内部に延在するいくつかの縦方向の粒界１及びグラファイト内部のいくつかの水平粒界２を含み、非破壊３次元検出技術により、これらの粒界の位置を精度よく測定して取得することができる。検出結果による結晶粒構造情報によれば、高配向性熱分解グラファイトの表面で、後続の調製工程で使用するために面積の大きい単結晶領域３を正確に選択することができる。

【0023】

ステップ３では、ＨＯＰＧ上にフォトレジストを順に被覆し、前記フォトレジストはスピンコート法で被覆可能である。

【0024】

ステップ４では、前記フォトレジストをパターニングし、複数のフォトレジストのアイランドを保留する。図２に示すように、フォトレジストをパターニングするステップでは、後続のステップで形成される島状構造のレイアウトを決定し、例えば、電子ビームエッチング法を用いて前記フォトレジストをパターニング可能であり、形成されたフォトレジストアのイランドは、例えば、平均直径は１μｍ～３０μｍ、フォトレジストのアイランド間の平均間隔が１μｍ～１００μｍの正方形又は円形のアレイであってもよく、これによりエッチングされた島状構造も対応する平均直径と平均間隔を有する。

【0025】

ステップ５では、前記基板をエッチングし、フォトレジストで保護されていない一部の基板を除去することにより、複数島状構造を形成する。前記エッチング方法は、例えば、反応性イオンエッチングであってもよい。図３に示すように、ステップ２における測定データ、特に島状構造が所在する領域の結晶粒の厚さデータに基づいて、エッチング過程で反応性イオンエッチングの時間を厳しく制御することにより、エッチングの深さをちょうどグラファイトの最表層の１つの結晶粒の厚さよりも大きくする。

【0026】

ステップ６では、図４に示すように、残ったフォトレジストを除去し、加工を完了し、グラファイトアイランドスライディングブロックアレイのバッチを得て、元のグラファイト内部の水平粒界は現在、グラファイトアイランドアレイ内の同一の滑り面になる。同一バッチのアレイ内の異なるグラファイトアイランドは、摺動するときに同一高さから滑って離れるため、一致性を有する。

【0027】

特に、各グラファイトアイランドスライディングブロックは接続層、例えば、ＳｉＯ_２を有してもよい。具体的な調製方法は次のとおりである。

【0028】

ステップ１では、高配向性熱分解グラファイトを選択し、該材料は平坦な表面と層状構造を有し、大きい単結晶のサイズと厚さを有する。

【0029】

ステップ２では、図１に示すように、材料非破壊検出手段により、グラファイト表面近くの結晶粒を検出し、特に表面近くの３次元結晶粒構造の非破壊検出により、グラファイト表面近くの多結晶構造を得る。高配向性熱分解グラファイトの表面で、後続の調製のために面積の大きい単結晶領域３を正確に選択することができる

【0030】

ステップ３では、ＨＯＰＧ上に順に接続層を堆積してフォトレジストを塗布し、前記接続層はＳｉＯ_２であってもよく、その厚さは、例えば、５０ｎｍ～５００ｎｍであってもよく、プラズマ化学気相堆積法を用いて前記ＳｉＯ_２接続層を堆積可能である。前記フォトレジストはスピンコート法で被覆可能である。

【0031】

ステップ４では、前記フォトレジストをパターニングし、複数のフォトレジストのアイランドを保留する。例えば、電子ビームエッチング法を用いて前記フォトレジストをパターニング可能であり、形成されるフォトレジストのアイランドは、例えば、平均直径は１μｍ～３０μｍ、フォトレジストのアイランド間の平均間隔が１μｍ～１００μｍであってもよく、これによりエッチングされた島状構造も対応する平均直径と平均間隔を有する。フォトレジストのパターニングを完了した後のサンプルは図５に示す。

【0032】

ステップ５では、フォトレジストで保護されていない接続層と一部のグラファイトを除去するように、前記接続層及び前記グラファイト基板を順にエッチングすることにより、複数の接続層付きの島状構造を形成する。各接続層は対応するグラファイトアイランドの頂部にあり、グラファイトアイランドの頂部の接続層として記述されています。この接続層はＳｉＯ_２とすることができ、グラファイト基板と他の構造との接続効果を高めるために用いられる。前記エッチングは、例えば、反応性イオンエッチングであってもよい。図６に示すように、グラファイト基板をエッチングするときに、反応性イオンエッチングの時間を厳しく制御し、ステップ２における測定データに基づいて、エッチングの深さをちょうどグラファイトの最表層の１つの結晶粒の厚さよりも大きく、最表層から第２の結晶粒の底部までの高さよりも小さくする。

【0033】

ステップ６では、図７に示すように、残ったフォトレジストを除去し、加工を完了し、接続層付きのグラファイトアイランドスライディングブロックアレイのバッチを得て、それらは同一の滑り面を有する。

【産業上の利用可能性】

【0034】

上記の説明は、本発明の好ましい実施形態にすぎず、本発明の特許請求の範囲に従って行われる同等の変更及び修正は、いずれも本発明の特許請求の範囲に含まれる範囲に属するべきである。

【符号の説明】

【0035】

１、グラファイトの表面から内部に延在する縦方向の粒界 ２、グラファイト内部の水平粒界
３、面積の大きい単結晶領域 ４、パターニングされたフォトレジスト
５、グラファイトアイランドにおける滑り面 ６、グラファイトアイランド基板
７、グラファイトアイランドスライディングブロック ８、接続層
９、グラファイトアイランド頂部の接続層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】