JP4036095B2 - 基板 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリマー基板の表面特性を変化させる表面処理が施された基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリマーは多くの実用的な用途を有している。特許文献１はポリエチレンテレフタレイト系ポリエステル樹脂１００重量部と粒状無機化合物３〜５０重量部とからなるポリエステル樹脂組成物の層と、非晶性ポリエステル樹脂の層とからなる二層ポリエステル樹脂シートを開示している。しかしながら、多くの場合において、ポリマーは理想的でない表面特性を有している。例えば、ポリエチレンテレフタレイト（以下、簡単の為にＰＥＴと呼ぶ）及び他のポリマーの場合において、商業利用可能な製品は表面の結晶度に関連した粗さがある。この粗さは数多くの問題を引き起こす。その薄膜が、例えば無機ガラス塗布のようなさらなる層の堆積のための基板として使用されるときに、さらなる層の成長の間に欠陥、ストレスを引き起こすことによって負の役割をすると考えられる。同様に、ＰＥＴのような多くのポリマーに対して、表面を通してその中に物質を拡散させることは難しい。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１５３５９４号公報（請求項１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
それゆえ、その特性を変化させるポリマー表面の処理が望ましい。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ポリエチレンテレフタレイトからなる第１ポリマーと、前記第１ポリマーの表面に堆積されるアモルファス状態のポリエチレンテレフタレイトからなり、厚さが１０ナノメートル以上２００ナノメートル以下の溶液堆積層である第２ポリマーを具備する層と、前記第２ポリマーを具備する層の外側表面に堆積、成長される無機材料からなる少なくとも１つのさらなる層と、を具備する基板が提供される。
【０００６】
第２ポリマーを具備する層がアモルファス状態であるので、基板の表面特性を改善することが出来る。例えば、準結晶状の構造である基板の第１ポリマーの場合において、そのアモルファス層は粗い結晶状の表面に拡散していき、より平らな外側の表面を提供し、それによって基板の表面粗さは有効に少なくなる。また、アモルファス層は基板の結晶状の表面よりより柔らかく粘着性のあるものとなる。アモルファス層はさらなる層の堆積を助長することにより基板の表面特性を改善する。それはまた、基板の中への物質の拡散の助長にもなる。
【０００７】
ポリエチレンテレフタレイトは特に第２ポリマー層として適している。なぜなら、アモルファス形態のポリエチレンテレフタレイトは基板の表面特性において有用な改善点を供給することが出来るからである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【０００９】
よりよい理解を与えるために、詳細な説明が以下に伴なう図面を参照して限定されない例として与えられる。
【００１０】
ＰＥＴは多くの実用的な用途を有するポリマーである。そのＰＥＴの表面は表面の結晶度に関連した粗さがある。これは原子力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて得られた商業上利用できる２５マイクロメートルの厚さの光学等級のＰＥＴ薄膜の画像を示す図１に示される。ＰＥＴ薄膜は比較的高い程度の表面粗さを持つことが直ちに明らかである。この粗さは次のように表面結晶度に関係している。図２はＰＥＴのような準結晶構造をもつ基板１の断面図である。この構造はアモルファス層３内にランダムに決定されて分散した多数の結晶２を具備していると理解されるだろう。その結晶２の寸法はおよそ１０ナノメートルから２０ナノメートルである。その結晶度は基板１のポリマーによる。ＰＥＴ及び他のポリマーの典型的な値はおよそ３０パーセントであるが、表面４からの深さと熱的及び機械的な変遷に強く依存して変化し、表面で７０パーセント以上に達する。試料の表面４でアモルファス層３の中に埋まった結晶２は突出することにより、表面４に粗さが形成される。粗さの度合いは矢印５によって図解される粗さの二乗平均（ＲＭＳ）によって特徴づけられる。商業利用可能なＰＥＴの場合において１平方マイクロメートルに対してのＡＦＭ画像から計測された二乗平均粗さは１ナノメートルから２ナノメートルである。
【００１１】
その表面粗さは望ましくない表面特性を引き起こす。特に、その表面粗さは基板１がさらなる層の堆積のために使用されるとき負の役割をすると考えられ、例えば無機ガラス塗布に対して、さらなる層の成長の間に欠陥、ストレスを引き起こす。そしてまた、その表面の結晶度は基板の中へ物質を拡散させるのを妨げる。
【００１２】
本実施形態に従って、アモルファス形態のポリマーの層６は図３に示すように、表面特性を改善するために基板の表面上に堆積される。その層６は基板の元の表面４を覆い、アモルファス層３から突き出る結晶２を埋める。その層の外側の表面８はアモルファス原料の一様の性質の為に基板の元の表面４よりはるかに平らなものとなる。その外側表面８の下の二乗平均粗さは矢印７により図３に示されている。ＰＥＴの層６の場合において１平方マイクロメートルの領域のＡＦＭ画像から計測された二乗平均粗さは、以下に述べるような焼きなまし（アニーリング処理）をしないと、０．２ナノメートルから０．４ナノメートルである。
【００１３】
その結果、層６は基板１の表面特性を改善させる。外側表面８はアモルファス層６の上のさらなる層の堆積を助長し、より平らなものになる。そのアモルファス層６もまた、より柔らかくなり、より粘着性が増す。その層６の中の物質のアモルファス性質は基板１の中へ物質が堆積するのを助長する。
【００１４】
基板１の元の表面４から突き出る結晶２の結晶状構造は支えとなる骨組みを供給することによりアモルファス層６を丈夫にする。
【００１５】
図４はアモルファス層６の外側表面上にさらなる層１０を堆積させるとともに図３に示すところの処理した基板１を図解する横断面図である。その層１０は例えば金属、金属酸化物、金属窒化物、ケイ素酸化物、ケイ素窒化物及びそれらを混ぜ合わせたもののような無機材料のように基板１に堆積させることを要求される材料を具備する。その無機材料はＳｉＯ_Ｘ（０≦ｘ≦２），ＩＴＯ（インジウム−スズ酸化物），ＴｉＯ_Ｘ（０≦ｘ≦２），ＡｌＯ_Ｘ（０≦ｘ≦１．５），ＭｇＯ_Ｘ（０≦ｘ≦１），ＳｎＯ_Ｘ（０≦ｘ≦１），ＺｒＯ_Ｘ（０≦ｘ≦２）及びＩｎＯ_Ｘ（０≦ｘ≦１）を含む。その層１０の厚さに関しては図４に図解されている。その層１０はどんな厚さであってもよく、アモルファス層６に匹敵する厚さに制限されない。
【００１６】
層６は、ＰＥＴが望ましい、なぜなら特に表面特性に利点を与えるからである。しかしながら、一般的には、層６は基板１に対して望ましい表面特性を与えるために選択されたポリマーから形成され、出来ればポリエステル、さらに出来ればポリアルキレンテレフタレイトから形成されることが望ましい。その層６の分子量は、少なくともおよそ１５，０００が望ましいが、どのような量でもよい。
【００１７】
本発明はどのようなポリマーの基板に適用してもよい。本発明は準結晶構造をもつ基板が適用されるものとして図３に図解されるが、一般的には、本発明は表面特性を改善させるためにどのようなポリマーの基板に適用してもよく、出来ればポリエステル、さらに出来ればポリアルキレンテレフタレイトに適用することが望ましい。基板１は良質の薄膜構成に対して望ましい分子量（選択されたポリマーに強く依存する）を持つ。ＰＥＴに対しては、典型的な分子量はおよそ１５，０００から６０，０００までの範囲になる。
【００１８】
一般に、その基板１自身の化学的及び物理的特性をあまり改善させることなしに基板１の表面特性を与えるために基板１とアモルファス層６は同様の材料で形成することが望ましい。
【００１９】
矢印９により図３に示される層６の厚さは、広い幅をもっている。その範囲の一番低い値で、その厚さは表面特性を改善させるのに十分でなければならない。それゆえに、層６の厚さは基板１の元の表面４から突き出る結晶を覆うのに十分でなければならない。それゆえに、寸法がおよそ１０ナノメートルから２０ナノメートルである結晶２を含んでいる準結晶構造の基板１の場合は、層６の厚さは少なくとも１０ナノメートル出来れば２０ナノメートルが望ましい。
【００２０】
基板の表面特性を改善する事に関係する限りでは、層６の厚さに絶対的な上限は無い。しかしながら層６の厚さを制限することが望ましい実際上の理由がある。例えば、層６の機械的な強度は、層６の厚さに実用的な上限を与える。層６のアモルファスの性質は準結晶構造の基板１に比較して低い機械的強度を引き起こす。この場合では、層６の上限厚さはおよそ１００ナノメートルから２００ナノメートルであろう。
【００２１】
本実施形態は特に第１ポリマーと第２ポリマーが同種であるときに有利である。なぜなら、そのとき基板の表面特性を改善するアモルファス層の利点が基板自身の化学的及び物理的特性をほとんど変化させることなく得られるからである。
【００２２】
基板１上のアモルファス層６の堆積方法を述べる。その方法は、主に基板１の表面４上に層が形成されるポリマーの溶液を堆積させる。そして、基板の上で溶解が広がること及び溶媒が乾燥するのに十分な速度で基板１が移動され、基板１上にアモルファス状のポリマー層が残る。
【００２３】
具体的には、その方法は、次のとおりに実行される。
【００２４】
まず最初に、層を形成するポリマーの溶液が用意される。ポリマーが溶解するどのような溶液、例えば２クロロフェノールでも使用可能である。
【００２５】
それに続いて、溶液は基板１の表面４上に堆積される。基板１はその基板１の表面に溶液を拡散させて、かつ溶媒を乾燥させるのに十分高い速度で、好ましくは堆積するのと同時に移動される。その手順は、基板１の移動の結果として溶液に与えられる剪弾力の効果の元で、溶媒の拡散と強いられた蒸発の間中で溶液の粘着性と凝固の突然の増加に基づくものである。
【００２６】
実際は、例えば溶媒、溶液の濃度及び移動速度の選択のようなプロセスパラメータの中の選択の幅が広い。これらのパラメータは次のようにバランスがとられている。１番目に、溶液の粘着性は溶媒すなわち溶液の濃度による。典型的な濃度は、分子の集団と対象となっているポリマーの化学的性質とポリマーの分子の集団に依存して、およそ５ミリリットル毎ミリグラムから１００ミリリットル毎ミリグラム、望ましくは２０ミリリットル毎ミリグラムから５０ミリリットル毎ミリグラムの範囲である。
【００２７】
移動の速度は拡散の割合で調節され、溶液の粘着性にもよる。移動の速度は乾燥度によっても調節され、溶液の濃度にもよる。堆積された溶液量と移動速度は、溶液の濃度とその粘着性に逆らってバランスがとられた所望の区域上に溶液の拡散が選択される。ポリマーの堆積の厚さは堆積の速度と溶液の濃度を通して調節される。
【００２８】
堆積層の厚さを調節する要素は、天然ゴム、ポリスチレン及びシリコン上のポリメタクリル酸エチルの堆積に対して例えばＥｘｔｒａｎｄ，Ｃ．Ｗ．，Ｐｏｌｙｍ．Ｅｎｇ．及びＳｃｉ．，１９９４，ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．５，３９０などで以前から調査されている。同様の考察は本発明にも当てはまる。
【００２９】
溶媒は別々の量もしくは連続的な工程の中で基板の表面に堆積されてもよい。
【００３０】
１つの方法は基板１の回転移動の方法である。この場合は溶液の拡散は基板１の回転による遠心力の適用により引き起こされる。典型的な回転速度の範囲は、およそ５００ｒｐｍから５０００ｒｐｍである。最も良い品質の層は速度の範囲がおよそ１０００ｒｐｍから３０００ｒｐｍの範囲の速度のときに形成される。
【００３１】
他の方法では基板１は直線的に移動する。典型的な速度の範囲はおよそ２メートル毎秒から２０メートル毎秒である。最も良い品質の層は速度の範囲がおよそ５メートル毎秒から１０メートル毎秒の範囲の速度のときに形成される。例えば、基板１は、基板１上への注入により連続的に堆積された状態をもって、長く伸ばした基板１上に連続的な過程の中で移動する。
【００３２】
基板１の原料が比較的不溶解性である溶媒を選択する事が望ましい。その結果として、層の堆積の工程の間中、基板１は層６の形成により不安定にならない。それゆえに本発明の工程は、一般的にその低温の溶媒の中の低い溶解性ゆえに基板１としてＰＥＴが特に適している。
【００３３】
出来れば、その工程は摂氏１０度以上の温度で実行されるのが望ましい。それ以下では、（温度の傾斜のために少なくとも堆積期間中に）層６と基板１の弾性特性のミスマッチにより、粘着及び層間剥離の問題が生じてくる。出来るならば温度は層の表面のガラス移行温度以下（層６の厚さに依存しＰＥＴに対して約摂氏５０度から約摂氏８０度の）が望ましい。そこで勧める温度はおよそ摂氏４５度または摂氏３０度より低い温度である。
【００３４】
基板１の上に層６を堆積させた後、層６はアモルファスの結晶度を増加させる目的でアニーリング処理される。表面特性の改善点を保つために、層６の結晶度を基板１のそれより低く制限するのが望ましいのはもちろんであるが、これはアモルファス層６の機械的強度を増加させるのに都合が良い。結晶度を増加させること、すなわちアニーリング処理がアモルファス相のガラス移行温度以上、例えばＰＥＴに対して摂氏８０度以上の温度で行なわれる。結晶度はアニーリング処理の温度により主に調節される。その結晶度は、層６が最初に７０パーセントまで形成されたときに０パーセントから変化が与えられても量をもつように調節される。結晶度はまた、層６の厚さと熱の変化によっても調節される。ＰＥＴの層６に対する平方根粗さは１平方マイクロメートルに対してＡＦＭから計測される場合に３ナノメートル以上に調節される。
【００３５】
堆積工程の効能を証明するために、工程はシリコン及びガラス物質の上にＰＥＴ層を堆積するように形成される。溶媒として２つのクロロフェノールＰＥＴの溶液を１％ウェイトで５０マイクロリットルの量を用いている。基板は１０００ｒｐｍから３０００ｒｐｍの範囲での回転率で回転移動される。この方法では、１８０ナノメートルから加えて２０ナノメートルの範囲の厚さの層が形成される。望ましくは、試料は一般的におよそ摂氏１００度から１５０度の範囲に温度を高めてアニーリング処理される。その結果として生ずる層は、ＡＦＭとフーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）分光器を用いて調べられる。例えば、実際に観察されたＰＥＴのＡＦＭによる画像は図５で示されており、図１のＡＦＭの画像と同じ寸法であり、その中で約８０ナノメートルの厚さを持つＰＥＴ層をもつ。ＡＦＭの画像のような分析結果はＰＥＴ層の外側の表面の平方根粗さはＰＥＴ薄膜のそれより意味を持って少なくされるよう示される。これは図１と図５のＡＦＭ画像を比較することから明らかになる。実際にＡＦＭ画像はアモルファスの特徴が無い構造をもつ層を示している。
【００３６】
そのような観察で、ガラス移行点より上の温度で焼きなまされることにより粗い粒上の構造が形成されることが示される。一般的に、これは平方根粗さの中に少なくとも３つのくぼみが生成される。アニーリング処理によるＰＥＴ表面の結晶度調節の可能性はＡＦＭと（ＦＴＩＲ）分光器のデータにより確かめられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＰＥＴ薄膜の試料の原子力顕微鏡（ＡＦＭ）による画像を示す写真である。
【図２】準結晶状の構造を示すＰＥＴの試料の断面図である。
【図３】図２のＰＥＴ上にアモルファス層を堆積させた試料の断面図である。
【図４】図３のアモルファス層上にさらに別の層を堆積させた試料の断面図である。
【図５】シリコン基板上にＰＥＴ薄膜を堆積させた原子力顕微鏡（ＡＦＭ）による画像を示す写真である。
【符号の説明】
１…基板、２…結晶、３…アモルファス層、４…元の表面、６…アモルファス層、８…外側表面。

Claims (3)

1. ポリエチレンテレフタレイトからなる第１ポリマーと、
   前記第１ポリマーの表面に堆積されるアモルファス状態のポリエチレンテレフタレイトからなり、厚さが１０ナノメートル以上２００ナノメートル以下の溶液堆積層である第２ポリマーを具備する層と、
   前記第２ポリマーを具備する層の外側表面に堆積、成長される無機材料からなる少なくとも１つのさらなる層と、
   を具備する基板。
2. 前記第２ポリマーは前記第１ポリマーより低い結晶度をもつ請求項１記載の基板。
3. 前記さらなる層はガラスからなる請求項１記載の基板。

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