JP4133353B2 - Method for producing silicon oxide thin film or titanium oxide thin film - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大気圧近傍の圧力下で発生させたグロー放電プラズマを用いて、基材上にシリコン酸化薄膜やチタン酸化薄膜を製造するための有用な方法に関するものである。本発明で得られるシリコン酸化薄膜やチタン酸化薄膜は、フラットパネルディスプレイ(FPD)、建材ガラス、自動車ガラスへのコーティングや食品包装用フィルムへのコーティング等、様々な分野で応用できるものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、表面硬度の向上、特定波長の吸収、ガス透過性の改善、光触媒機能の発揮などを目的として、種々の機能性薄膜(機能性堆積膜)の開発・実用化が進められている。このような機能性薄膜としては、シリコン酸化薄膜やチタン酸化薄膜が代表的なものとして知られている。
【0003】
上記シリコン酸化薄膜を製造する方法としては、10〜1000Pa程度の減圧条件下でグロー放電によるプラズマを発生させて基板上に薄膜を形成する減圧プラズマCVD法(減圧プラズマ気相蒸着法)が一般的に採用されている。またこの減圧プラズマCVD法でシリコン酸化薄膜を形成するに当たっては、その原料(シリコンソース)としてN2O−SiH4系やO2−Si(OC2H5)4系等が用いられている。またチタン酸化薄膜を製造するに当たっては、減圧スパッタリング法が一般に採用されており、その原料(チタンソース)として、O2−TiCl4系やO2−Ti(i−OC3H7)4系等が用いられている。
【0004】
しかしながら、上記各方法におけるような低圧条件下においては、真空容器や当該真空容器を真空にするためのポンプ等の真空排気設備等が必要になり、また基材を真空容器内に搬送し、成膜、搬出までのタクトタイムの増大や、装置自体のコストが高くなるという問題がある。また、基材の大型化に伴って装置も大型化し、装置コストが非常に高価になる。しかも、こうした従来の技術では、成膜速度をそれほど高くすることができず、生産性が悪いという欠点もある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした状況の下でなされたものであって、その目的は、プラズマ発生によるシリコン酸化薄膜やチタン酸化薄膜の形成において、良質なシリコン酸化薄膜またはチタン酸化薄膜を生産性良くしかも安価に製造することのできる方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するべく、様々な角度から検討した。そして、コスト的に低減するという観点から、大気圧付近の圧力下でグロー放電プラズマを形成する方法に着目した。こうした方法は、例えば特開平6−2149号に提案されており、本発明者からこうした方法を基本的に採用することによって、減圧装置を設けることによる設備やコスト面での不都合を回避できると考えた。
【0007】
一方、薄膜を生産性良く形成する方法として、例えば特開平9−104985号に開示されているような回転電極を用いて成膜する技術に着目した。こうした技術は、放電電極を回転電極とすると共に対向電極上に基材を載置し、回転電極と基材間(以下、「狭隙間」と呼ぶ)にグロー放電によるプラズマを発生させて、プラズマを狭隙間におけるライン状のプラズマとし、プラズマ空間を横切るように基材をスキャンさせることによって、装置の大型化を図ることなく大面積の成膜や表面処理を行うことができるものである。
【0008】
本発明者らは、これらの技術を応用すれば上記目的に適う技術が実現できると考えたのであるが、単純に組み合わせただけでは依然として解決すべき問題が生じることになり、更なる工夫が要求されたのである。即ち、シリコン酸化皮膜を形成する場合に、シリコン系アルコキシドを反応ガスとして用いると共に、大気圧プラズマCVDを適用したときには、シリコン系アルコキシド(Si−O−R、R:アルキル基)が含有するカーボン、或はアルキル有機成分がプラズマ気相反応過程でそのままシリコン酸化薄膜中に取り込まれてしまい、良質な膜が形成できないという問題が生じた。また、酸化・架橋反応を進行させることによってシリコン酸化薄膜の前駆体における分子量を大きくすれば、プラズマ気相反応において有機成分が残留しないことも考えられるが、そうすればパーティクル状のシリコン酸化薄膜が発生することになり、膜における基材への密着性低下や成膜速度の低下を引き起こすという新たな問題が生じることになる。
【0009】
一方、チタン酸化皮膜を形成する場合においても、チタン系アルコキシドを反応ガスとして用いると共に、大気圧プラズマCVDを適用したときには、チタン系アルコキシド(Ti−O−R、R:アルキル基)が含有するカーボン、或はアルキル有機成分がプラズマ気相反応過程でそのままチタン酸化薄膜中に取り込まれてしまい、良質な膜が形成できないという問題が生じた。また、有機成分を気相反応によって除去するために、O2/チタン系アルコキシド比を高くしてしまうと、シリコン酸化皮膜の場合と同様にパーティクル状のチタン酸化薄膜が発生することになり、膜における基材への密着性低下や成膜速度の低下を引き起こすことになる。
【0010】
そこで本発明者らは、回転電極を用いること、および大気圧近傍の圧力下においてシリコン系反応ガス或はチタン系反応ガスを分解させて基材上に薄膜を成膜するCVD装置を用いることを前提とし、しかも上記した不都合をも回避できる技術を実現するべく、更に検討を重ねた。
【0011】
その結果、シリコン系反応ガスとして、少なくとも不活性ガス、酸素およびシリコン系アルコキシドを含有する反応ガスを用いると共に、反応ガス中のシリコン系アルコキシドの分圧比を適切な範囲に制御してやれば、上記目的に適う最適なシリコン酸化膜が形成できることを見出した。また、チタン系反応ガスとして、少なくとも不活性ガスおよびチタン系アルコキシドを含有し、必要によって更に酸素を含有する反応ガスを用いると共に、反応ガス中のチタンアルコキシドの分圧比を適切は範囲に制御してやれば、上記目的に適う最適なチタン酸化膜が形成できることを見出し、本発明を完成した。
【0012】
ところで、本発明者らは、かねてより適切な機能性薄膜を形成するための装置構成についても研究を進めており、その研究の一環として、例えば特願平2001−394140号のような装置も提案している。この装置は、基本的に上記回転電極の代わりに無端状ベルト電極を用いるものであり、その詳細な構成は後述するが(後記図2参照)、こうした装置構成を採用して上記のような反応ガスを用いても本発明の目的が達成されることも分かった。
【0013】
即ち、上記目的を達成し得た本発明方法とは、円筒状回転電極または無端状ベルト電極と、当該電極の一部と対向して設けられる対向電極との狭隙間に、大気圧近傍の圧力下でグロー放電によるプラズマを発生させてシリコン系反応ガスを分解させ、前記対極電極上に載置された基材上にシリコン酸化薄膜を成膜するCVD装置を用い、前記シリコン系反応ガスとして、不活性ガス、酸素およびシリコン系アルコキシドを含む反応ガスを用いると共に、反応ガス中のシリコン系アルコキシドの分圧比を0.1〜3.0%として操業する点に要旨を有するものである。
【0014】
上記方法で用いるシリコンソースとしては、大気圧近傍の圧力下でのプラズマCVDを適用するに際して、安全性の観点から、前記シリコン系アルコキシドが用いられるが、こうしたシリコン系アルコキシドとしては、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシランおよびメチルトリエトキシシランよりなる群から選ばれる1種以上が挙げられる。また、この方法では、反応ガス中の酸素とシリコン系アルコキシドの体積比(酸素/シリコン系アルコキシド)が0.5〜5.0であることが好ましい。
【0015】
一方、チタン酸化薄膜を形成する場合には、上記のような構成のチタン酸化薄膜成膜用CVD装置を用い、チタン系反応ガスとして、不活性ガスおよびチタン系アルコキシドを含む反応ガスを用いると共に、反応ガス中のチタン系アルコキシドの分圧比を0.02〜5.0%、且つ基材の加熱温度を250℃以上として操業すれば、上記目的に適うチタン酸化薄膜が得られる。
【0016】
この方法で用いるチタンソースとしては、大気圧近傍の圧力下でのプラズマCVDを適用するに際して、安全性の観点から、チタン系アルコキシドが用いられるが、こうしたチタン系アルコキシドとしては、Ti(i−OC3H7)4、Ti(t−OC4H9)4、Ti(OC2H5)4およびTi(n−OC4H9)4よりなる群から選ばれる1種以上が挙げられる。また、この方法においては、反応ガス中に酸素を含有していなくても、良質なチタン酸化薄膜が形成できるのであるが、必要によって反応ガス中に酸素を含有させても良く、この場合には反応ガス中の酸素とチタン系アルコキシドの体積比(酸素/チタン系アルコキシド)が2.0以下であることが好ましい。
【0017】
いずれの方法においても、円筒状回転電極または無端状ベルト電極の周速度を3000cm/min以上として操業することが好ましい。
【0018】
本発明では、上記のように回転電極または無端状ベルト電極と、対向電極間との狭隙間にプラズマを発生させることによって、対極電極表面に載置した基材表面にシリコン酸化薄膜やチタン酸化薄膜を形成するものであるが、上記のように回転電極または無端状ベルト電極を用いることによる基本的な作用な次の通りである。即ち、回転電極または無端状ベルト電極を用いれば、これらの回転運動によって層流が生成し、この層流の作用で電極と基材間(狭隙間)に原料ガスを導入することが可能となり、また狭隙間のプラズマによって生成した反応生成物を狭隙間から排出することができる。こうした作用によって、強制的に狭隙間への原料供給が実行できるので、回転数を増加させることによって(即ち、周速度を増加させることによって)、高速成膜が実現できることになる。
【0019】
本発明では、上記のように大気圧近傍の圧力でプラズマCVDを適用するものであるが、「大気圧近傍の圧力」とは、0.01〜0.1MPa程度の圧力を意味し、この圧力範囲のうち、圧力調整が容易で装置構成機構が簡易になるという観点からして好ましい圧力範囲は0.08〜0.1MPa程度である。
【0020】
大気圧近傍の圧力でのグロー放電においては、ガス分子の電離後の再結合までの寿命が短く、また電子の平均自由工程も短いので、対向する狭隙電極間にグロー放電を安定に発生させるためには、狭隙間にて電子・イオンの荷電粒子を捕捉する必要がある。このために、回転電極または無端状ベルト電極に高周波電力を印加する際には、10MHz以上の高周波であることが好ましい。
【0021】
シリコン酸化薄膜を形成するときに用いるシリコン系アルコキシドとしては、特に限定されるものではないが、例えば上記のテトラエトキシシラン[TEOS;Si(OC2H5)4]、テトラメトキシシラン[TMOS;Si(OCH3)4]およびメチルトリエトキシシラン[MTEOS;SiH3(OC2H5)3]等が挙げられ、これらのうちから1種を単独でまたは2種以上を混合して用いることができる。またこれらは、大気圧近傍の圧力下でのプラズマCVDを適用するに際して、プラズマOFF時において高圧下においてもO2との反応性が低いという理由で安全な物質である。
【0022】
チタン酸化薄膜を形成するときに用いるチタン系アルコキシドとしては、特に限定されるものではないが、例えば上記のTi(i−OC3H7)4、Ti(t−OC3H7)4Ti(OC2H5)4およびTi(OC2H5)3]等が挙げられ、これらのうちから1種を単独でまたは2種以上を混合して用いることができる。またこれらは、大気圧近傍の圧力下でのプラズマCVDを適用するに際して、プラズマOFF時において高圧下においてもO2との反応性が低いという理由で安全な物質であると共に、蒸気圧が比較的高く、大気圧近傍圧力下の成膜条件において導入し易い物質である。
【0023】
シリコン酸化薄膜を形成するに当たり、反応ガス中におけるシリコン系アルコキシドの分圧の比(反応ガス全圧力に対する分圧の比)は、0.1〜3.0%とする必要がある。この分圧比が0.1%未満になると、シリコン酸化薄膜の成膜速度が0.05nm・m/sec(スキャン方向長さ1mを成膜する速度)にも満たない。こうしたことから、スキャン方式にて成膜を行う場合に、或る程度の膜厚を基材表面に形成するためには、基材のスキャン速度を落とさなければならず、実質的にタクトタイムが増大してしまうことになる。
【0024】
シリコン系アルコキシドの分圧比が3.0%を超えると、狭隙間で発生するプラズマへのシリコン系アルコキシド原料の過剰供給となって、処理ガスにおける不活性ガス比が相対的に低くなり、大気圧雰囲気下において狭隙間に発生するプラズマが不安定なものとなってしまい、良質な膜が形成できない。
【0025】
またチタン酸化膜を形成するに当たり、反応ガス中におけるチタン系アルコキシドの分圧の比(反応ガス全圧力に対する分圧の比)は、0.02〜5.0%とする必要がある。この分圧比が0.02%未満になると、チタン酸化膜の成膜速度が3nm・m/minにも満たない。一般的に従来のチタン酸化膜成膜技術であるスパッタリング法による成膜では、O2ガスを添加する反応性スパッタを用いるので、3nm/min程度と成膜速度が非常に遅い。またCVD装置においても蒸気圧が高いチタンソースがないために同様に成膜速度が遅い。チタン系アルコキシドの分圧比が5.0%を超えると、シリコン酸化膜を形成する場合と同様に、狭隙間で発生するプラズマへのチタン系アルコキシド原料の過剰供給となって、処理ガスにおける不活性ガス比が相対的に低くなり、大気圧雰囲気下において狭隙間に発生するプラズマが不安定なものとなってしまい、良質な膜が形成できない。
【0026】
本発明を実施するに際して、安定なグロー放電を発生するには、反応性のラジカルを発生しない雰囲気で行う必要があり、こうしたことから原料ガスは不活性ガスを主体としたものと用いることが好ましく、こうした不活性ガスとしては、He,Ar,Xe,Kr等の希ガスやN2等のガスが挙げられ、これらの1種以上を用いることができる。上記各種不活性ガスのうち、準安定励起状態の寿命が長いHeを用いることが好ましい。また、上記の観点から、不活性ガスの反応ガス中の割合は75〜99体積%程度であることが好ましい。
【0027】
シリコン酸化薄膜を形成する場合においては、上記のような不活性ガスに対して、シリコン酸化薄膜におけるシリコン源となるシリコン系アルコキシドと、当該シリコン系アルコキシドの酸化反応の為に、或は量体化の架橋剤としての酸素を混入させ、狭隙間にて同様に安定なグロー放電を発生させ、狭隙間に対して垂直方向にスキャン移動させて基材上にシリコン酸化薄膜を形成するものである。
【0028】
またチタン酸化薄膜を形成する場合においては、上記のような不活性ガスに対して、チタン酸化膜におけるチタン源となるチタン系アルコキシドと、当該チタン系アルコキシドの架橋・酸化反応の為に、狭隙間にて安定なグロー放電を発生させ、狭隙間に対して垂直方向にスキャン移動させて基材上にチタン酸化薄膜を形成するものである。
【0029】
本発明で希望する特性を発揮するシリコン酸化薄膜を形成するには、反応ガス中の酸素配合量は、シリコンアルコキシドとの体積比(酸素/シリコンアルコキシド)で0.5〜5.0程度であることが好ましい。この比が0.5未満になると、シリコン系アルコキシドの酸化・架橋反応が不十分になって、基材上に成膜したシリコン酸化薄膜中に、シリコン系アルコキシドの成分であるアルコキシド基(OR;Rはアルキル基)がそのまま残留し、吸湿性の高くなったり、軟弱になったりする。
【0030】
また、酸素におけるシリコン系アルコキシドとの体積比が5.0を超えると、シリコン系アルコキシドへの酸化・架橋反応が進行し過ぎて、基材表面に到達前の気相中にて、シリコン酸化薄膜の前駆体である量体の分子量が大きくなり過ぎ、パーティクルライクなシリコン酸化薄膜となり、プラズマ空間から排出されてチャンバー内を汚染したり、成膜中の基材表面に付着したりする等の事態が生じる。こうした事態が生じると、成膜レートの低下、成膜表面へのパーティクル付着によるピンホールの発生等の不都合を招くことになる。
【0031】
本発明で希望する特性を発揮するチタン酸化膜を形成するには、反応中の基材加熱温度を250℃以上とし、反応ガス中の酸素配合量は、チタンアルコキシドとの体積比(酸素/シリコンアルコキシド)で0〜2.0程度であることが好ましい。チタンアルコキシドの場合には、シリコンアルコキシドの場合と異なり、酸素が存在しない状態[即ち、前記体積比(酸素/シリコンアルコキシド)が0]であっても、基材の加熱温度を250℃以上(この点については後述する)とすることによって、気相中での架橋反応とこの量体の基材付着と表面反応によりチタン系アルコキシドの成分であるアルキル基がそのまま残留せず、良質な膜が得られることになる。
【0032】
但し、チタン酸化薄膜を形成する場合においても、必要によって反応ガス中に酸素を含有させても良く、この場合には反応ガス中の酸素とチタン系アルコキシドの体積比(酸素/チタン系アルコキシド)が2.0以下であることが好ましい。この体積比が2.0を超えると、チタン系アルコキシドへの架橋・酸化反応が進行し過ぎて基材表面到達前の気相中にて、チタン酸化薄膜の前駆体である量体の分子量が大きくなり過ぎ、パーティクルライクなチタン酸化薄膜となり、シリコン酸化薄膜の場合と同様に、成膜レートの低下、パーティクル付着によるピンホール発生等の不都合を招くことになる。
【0033】
本発明を実施するに際して、円筒状回転電極または無端状ベルト電極の周速度を3000cm/min以上として操業することが好ましい。周速度が3000cm/min未満になれば、成膜速度が減少することになる。この周速度は、好ましくは10000cm/min以上とするのが良いが、収率の向上ということを考慮すると15000cm/min以下であることが好ましい。
【0034】
本発明方法によって、より良質なシリコン酸化薄膜を形成するには、基材を加熱することも有効な手段であり、特に前駆体が基材付着後に表面と反応することによって、シリコン酸化薄膜中の水酸基や有機成分を減少させるのに有効に作用する。こうした観点から、シリコン酸化薄膜の成膜時における基材の加熱温度は150〜400℃程度であることが好ましい。
【0035】
一方、本発明方法によって、チタン酸化薄膜を形成するに際して、成膜速度が速くてアルキル基の残留のない、且つ光触媒効果を発現するようなアナターゼ型の多結晶チタン酸化薄膜を形成するには、基材の加熱が不可欠な要件となる。特に、前駆体の基材表面での表面反応を活性化し、有機成分を気相化させ、チタン酸化薄膜を多結晶化させるという点で基材の加熱は有効である。また有機成分が残留するアモルファスチタン酸化薄膜は、屈折率が1.8程度と低い。例えば、シリコン酸化薄膜とチタン酸化薄膜の積層による低反射膜コートの場合には、高屈折率のチタン酸化膜の屈折率が1.8程度では最適設計が難しくなる。しかもアモルファスチタン酸化薄膜の成膜速度は非常に低いため、タクトタイムが増加してしまい、生産性の点で問題となる。これら生産性、高屈折率や光触媒の機能特性の観点から、成膜時における基材の加熱温度は250℃とする必要があり、好ましくは300℃以上とするのが良い。
【0036】
本発明を実施するに際して、回転電極または無端状ベルト電極と、対向電極に載置された基材との距離(前記狭隙間の距離)は、回転電極または無端状ベルト電極に印加する電力、処理ガスの種類、組成比等によって決定されるが、1〜3mm程度とすることが好ましい。この距離が1mm未満になると、その狭隙間への反応ガスの安定供給が図れず、回転電極または無端状ベルト電極の幅方向における狭隙間バラツキが顕著になり、均一な成膜が困難になる。また、狭隙間の狭化に伴って、安定なプラズマ生成を実現するには、電子・イオンのプラズマ荷電粒子の捕捉が必要になり、100MHz以上の高周波が必要となってしまう。こうした100MHz以上の高周波電源は工業的にも高価なものとなって、コスト的にも不利になる。
【0037】
一方、狭隙間が3mmを超えると、電界の減少、プラズマ密度の減少による成膜速度の低下を招いたり、回転電極や無端状ベルト電極の回転にて発生する層流によって成膜の前駆体が基材上から排出されることによる成膜速度の低下およびチャンバー内の汚染等の問題が生じることになる。
【0038】
尚、本発明において、シリコン酸化薄膜を形成するための基材の素材については、当該薄膜が形成できるものであれば特に限定されるものではなく、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、アクリル等の樹脂系材料、白板ガラス、青板ガラス、無アルカリガラス等のガラス、石英、シリコン等を好適に用いることができる。また、チタン酸化薄膜を形成するために基材の素材については、250℃以上の耐熱性のあるものが好ましく、例えば白板ガラス、青板ガラス、無アルカリガラス等のガラス、石英、シリコン等を好適に用いることができる。
【0039】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明方法を実施するためのCVD装置の構成例を示す概略説明図であり、図中1は成膜チャンバー、2aは基材導入用ロードロック室、2bは基材搬出用ロードロック室、3a〜3dはゲートバルブ、4a〜4dはガス導入口、5a〜5cはリーク口、6は基材ホルダー、7は基材、8はベアリング、9は回転電極、10は架台、11a〜11cは回転電極支持用絶縁体、12は合成石英ガラス、13は近赤外線ランプ、14は覗き窓、15は放射温度計、16,19は高周波電源、17,20は整合器、18は基材ホルダーに内臓されたヒータ、21はグロー放電(プラズマ発生領域)を夫々示す。
【0040】
図1に示した装置構成において、成膜チャンバー1には、基材導入用ロードロック室2aおよび基材搬出用ロードロック室2bが、夫々ゲートバルブ3b,3cを介して接続されている。そして、ロードロック室2a,2bには、夫々ガス導入口4a,4bからHe等の不活性ガスが常時導入されており(V1,V2は流量調整バルブ)、ロードロック室2a,2bの夫々に設けられたリーク口5a,5bによって圧力調整がされ(V3,V4は流量調整バルブ)、ロードロック室2a,2bは常圧(0.1MPa程度)に保持されている。
【0041】
上記成膜チャンバー1内には、ガス導入口4cからHe等の不活性ガスと酸素(O2)の混合ガスがマスフロー(図示せず)を介して流量調整されつつ導入されている。また、ガス導入口4dからは、マスフロー(図示せず)を介して流量調整されたHe等の不活性ガスによるバプリングによって希釈されたシリコン系アルコキシドまたはチタン系アルコキシドが導入される。尚、チャンバー1内の圧力は、排気口5cからの流量が調整されることによって行われる。また、チタン酸化薄膜を形成する場合に、酸素を不要とするときにはガス導入口4cからはHe等の不活性ガスだけが導入される。
【0042】
基材ホルダー6の上には基材7が載置されており、この基材ホルダー6は、まずゲートバルブ3aを開状態としてロードロック室2aに移送・格納される。その後、ゲートバルブ3aを閉の状態とすると共に、ゲートバルブ3bを開の状態として、基材ホルダー7は矢印Aの方向にスキャン移動されて、チャンバー1内に格納され、その後ゲートバルブ3bは閉の状態になる。
【0043】
基材ホルダー6はチャンバー1内に格納された状態で、基材ホルダー6上に載置された基材7の表面に成膜処理(この処理については、後に詳述する)が行われる。基材7の表面にシリコン酸化薄膜またはチタン酸化薄膜が形成された後は、ゲートバルブ3cが開状態とされ、基材ホルダー7は、ロードロック室2bに格納される。引き続き、ゲートバルブ3cを閉状態とすると共に、ゲートバルブ3dを開の状態とし、基材ホルダー7およびその上に載置されている基材7は、ロードロック室2b外に搬出される。これら一連の動作は、連続的に行われ、基材ホルダー6の停止および進行が自由に制御することができる。
【0044】
常温では液体原料であるシリコン系アルコキシド、或はチタン系アルコキシドの成膜チャンバー1内壁等での液体吸収を防止する為に、成膜チャンバー1、ロードロック室2a,2b等の外壁にはヒータ(図示せず)を取り付け、各壁面温度が100℃程度の高温になるようにすることが好ましい。また、これと同じ理由で、成膜チャンバー1内の回転電極9を支える架台10および絶縁体11a〜11c等は内臓ヒータによって100℃程度に温度調整することが好ましい。更に、回転電極9については、合成石英ガラス12を介して近赤外線ランプ13から放射される赤外線によって加熱され、150℃程度に昇温されることが好ましい。尚、回転電極9の温度モニターは、例えばBaF2からなる覗き窓14を介して放射温度計15によって行われる。
【0045】
上記した装置において、回転電極9と基材7間の狭隙間にグロー放電21によるプラズマを形成することによって、基材7上にシリコン酸化薄膜、或はチタン酸化薄膜を形成するものであるが、この成膜の原理について説明する。回転電極9は、例えばアルミニウム製で構成されており、そのサイズは例えば幅:120mm、直径:100mm程度の円筒状であり、そのエッジ部は電界集中を防止するために、R5(mm)の曲率半径で丸く形成されている。また、回転電極9の表面は、アーキングを防止するために、誘電体コーティングがなされている。このときの誘電体コーティングとしては、例えばホワイトアルミナが溶射コート(厚み:150μm程度)されることによって構成される。
【0046】
回転電極9において、基材7との狭隙を形成する面は研磨仕様となっている。また、回転電極9はベアリング8と架台10とによって支持されている。回転電極9の一方の軸端はマグネットカップリングとなっており、成膜チャンバー1の外側に配置されているモータ端のマグネット(図示せず)とカップリングし、回転電極9を0〜1000rpmの範囲で回転させることができる。
【0047】
架台10は例えばステンレス鋼製で構成されており、この架台10に整合器17を介して、高周波電源16からの高周波電力が印加できるようにされている。基材ホルダー6のスキャン先端部が回転電極9の直下に到着したときに、上記高周波電力が印加され、まず回転電極9と基材ホルダー6(即ち、基材ホルダー6は対向電極に相当する)の狭隙間でグロー放電21が開始される。次いで、基材ホルダー6が順次スキャンされ、基材ホルダー6上に載置された基材7が回転電極9の直下に到着した後に、狭隙は回転電極9と基材7との間となる。
【0048】
基材ホルダー6の内部にはヒータ18が埋設されており、このヒータ18によって基材ホルダー6の温度を室温から300℃程度にまで加熱できるように構成されている。また、基材ホルダー6の表面にはホワイトアルミナが厚み:100μm程度で溶射コ―ティングされており、基本的には電気的にアース(接地)された状態でもよいが、図1に示すように整合器20を介して高周波電源19からの高周波電力を印加するように構成されていてもよい。このように基材ホルダー6にも高周波電力を印加することによって、プラズマ密度の増加やプラズマの封じ込め効果等が発揮されることになる。高周波電源19からの電力を基材ホルダー6に印加する時期については、回転電極9への高周波電源16からの電力を印加後、直ちに高周波電力を印加するようにすればよい。
【0049】
尚、整合器17は、高周波電源16側と整合器17を含めた負荷側をマッチングさせるため周波数の同調とインピーダンスの調整を行うこと、整合器17を含めた負荷回路全体での消費電力を最大にすること、および高周波電源16や高周波発振回路を保護すること等の役目を担うものである(整合器20と高周波電源19の関係についても同じ)。
【0050】
図2は、本発明を実施するためのCVD成膜装置の他の例を示す概略説明図であり、その基本的な構成は前記図1に示した装置構成に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付すことによって重複説明を回避する。また図2では、説明の便宜上図面では示していないが、この装置においても前記図1に示した装置と同様に、基材導入用ロードロック室2a、基材搬出用ロードロック室2bおよびそれに付随する部材が配置されるものである。
【0051】
そして、図2に示した装置構成においては、前記円筒状回転電極9の代わりに無端状ベルト電極22が設けられており、この無端状ベルト電極22は、例えば薄肉鋼製の導電性部材からなり、2つのローラ23,24に掛け回されて走行するように構成されている。ローラ23,24は、円筒状外周面を有しており、これらはプラズマ発生領域Pにおいて無端状ベルト電極22表面と水平に延びる基材7表面とが平行をなし、両者の狭隙間距離が一定となるように配置されている。無端状ベルト電極22は、その回転方向がプラズマ発生領域Pにおいて基材7の移動方向と同方向に走行するようになっている。
【0052】
前記2つのローラ23,24のうち、図2における右側に位置するものが金属性の駆動兼給電用ローラ24である。このローラ24をベルト駆動用モータ(図示せず)によって回転させることによって、ローラ24が回転するように構成されている。また、成膜チャンバー1内において、基材ホルダー6上に載置された基材7は、基材搬送機構25によって水平方向(矢印B方向)に移動されるようになされている。
【0053】
図2に示したプラズマCVD装置では、ガス導入口4eより成膜チャンバー1内にシリコン系反応ガスまたはチタン系反応ガスを導入すると共に、排気用ダクト26を介して排気し、成膜チャンバー1内を所定の雰囲気圧力に維持する。そして、ローラ23,24により無端状ベルト電極22を走行させ、該ベルト電極22と基材7との狭隙間にグロー放電により比較的広いライン状のプラズマを発生させ、基材7を移動させながらガスの化学反応により基材7上にシリコン酸薄膜、或はチタン酸化薄膜を形成するものである。
【0054】
次に、実施例によって本発明の作用効果をより具体的に示すが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施することはいずれも本発明の技術範囲に含まれるものである。
【0055】
【実施例】
(実施例1)
前記図1に示したCVD装置を用いて、シリコン酸化薄膜の形成を行った。このとき、基材ホルダー6としては、幅:170mm、長さ(スキャン方向長さ):170mmのものを使用し、この基材ホルダー6上に基材7を載置してチャンバー1内に収納した。また、基材7としては、幅:100mm、長さ(スキャン方向長さ):150mm、厚さ:2mmの青板ガラスを用いた。そして、基材ホルダー6の先端が回転電極9の直下に到達した後、回転電極9に高周波電源16から高周波電力(周波数:13.5MHz、300W)を印加した。その直後、基材ホルダー6側の電極にもプラズマ封じ込めのために、400KHz、3Wの電力を高周波電源19から印加した。
【0056】
このとき基材ホルダー6の設定温度を250℃、回転電極9の温度を150℃、成膜チャンバー1およびその部材は100℃に設定した。また回転電極9の回転数は500rpm(周速度:15000cm/min)とし、回転電極9と基材7との狭隙間は1mmに設定した。このとき基材7のスキャン速度は3.3mm/secとしたので、基材7のスキャン方向における端間での放電時間は約51secとなった。
【0057】
成膜チャンバー1の圧力は、排気口5cに設置されたオートプレシャーコントロール(図示せず)によって行い、この製造例では全圧0.093MPaに調整した。成膜チャンバー1に導入した反応ガスは、He,O2およびTEOSの混合ガスとし、夫々流量調整よって分圧を調整した。このとき、TEOS分圧は466Paの一定とし(分圧比換算で466Pa/93000Pa=0.5%)、O2/TEOS比を0〜12程度まで変化させて成膜実験を行った。
【0058】
上記製造方法でシリコン酸化膜を形成したときのO2/TEOS比と成膜速度の関係を図3に示す。まず、O2/TEOS比が3.0近傍を境に、成膜速度が飽和状態になるが、O2/TEOS比が5.0を超えると基材7上にパーティクルが発生し、これより低い側では発生していないことが分かった。O2/TEOS比が1.0のときの膜表面SEM写真(図面代用走査型電子顕微鏡写真)を図4に、O2/TEOS比が5.5のときの膜表面SEM写真を図5に夫々示す。
【0059】
これらのことから、パーティクルを発生させずに、効率良くシリコン酸化薄膜を形成するには、O2/TEOS比を5.0以下とすることが好ましいことが判明した。より好ましくは、O2/TEOS比を3.0以下とするのが良い。
【0060】
この結果から、成膜速度はパーティクル発生に影響があることが明らかであるが、これは次のように考えることができた。即ち、成膜速度が低下すると、成膜における気相中でのTEOSの酸化・架橋反応が進み過ぎて、基材表面に到達前の気相中にて、シリコン酸化膜の前駆体である量体の分子量が大きく成長し過ぎて、シリコン酸化薄膜にパーティクルが発生するものと考えられる。
【0061】
次に、上記で製造したシリコン酸化薄膜の膜中有機成分の残留量を測定するために、光電子分光法(X-ray Photoelectron Spectroscopy;XPS法)によって、Si,OおよびCの組成分析を行った。その結果を図6に示すが、これから明らかなように、O2/TEOS比が1.5以下では、C1sから計算されたC含有量が徐々に増加し、O2/TEOS比が0.5未満になるとC含有量が10原子%を超えることが分かる。これらのことから、膜中に有機成分を残留させないためには、O2/TEOS比を0.5以上とすることが好ましく、より好ましくは1.0以上とするのが良いことが予測できた。
【0062】
本発明者らは、上記結果を裏付けるために、反射フーリエ変換赤外分光法(Attenuated Total Reflection-Fourier Infrared;ATR−FT−IR法)によって有機成分の評価を行った。その結果を図7に示すが、図7には波数1500〜400cm-1付近の拡大図を併記してある(矢印D)。
【0063】
図7において、周波数:3000〜3400cm-1付近のピークは、膜中の−OH基を、周波数:2800〜2900cm-1付近のピークはC−Hx基(x=1,2,3)を夫々示す。特に、シリコン系アルコキシドをシリコンソースとして使用した場合には、OR(R:一般式CmHnで示されるアルキル基)のアルキル成分が膜中に取り込まれる可能性があり、上記C−Hx基はTEOSのアルキル成分であるC2H5を見ているものと推定される。
【0064】
図7に示した結果は、TEOS分圧を466Paの一定で、O2分圧を0,46.6,652,1351,5312(Pa)と変化させたものである(即ち、O2/TEOS比で0,0.1,1.4,2.9,11.4)。そして、O2分圧が0MPa(即ち、O2/TEOS比が0)のときには、−OH基およびCHx基が認められており、O2分圧が652Paのときでは、CHx基は僅かしか認められない。この結果と前記図3の結果(XPS分析結果)からして、O2/TEOS比を1.0以上とすれば、膜中の有機成分を減少させることが可能であることが分かる。
【0065】
これらの結果から、O2/TEOS比を0.5〜5.0の範囲内とすることによって、基材上に形成するシリコン酸化膜中の有機成分を低減できると共に、経時変化の少ない良質なシリコン酸化膜が得られることが分かる。
【0066】
(実施例2)
前記図1に示したCVD装置を用いて、シリコン酸化薄膜の形成を行った。このとき、基材ホルダー6としては、幅:170mm、長さ(スキャン方向長さ):170mmのものを使用し、この基材ホルダー6上に基材7を載置して成膜チャンバー1内に格納した。また、基材7としては、幅:100mm、長さ(スキャン方向長さ):150mm、厚さ:2mmの青板ガラスを用いた。そして、基材ホルダー6の先端が回転電極9直下に到達した後、回転電極9に高周波電源16から高周波電力(周波数:13.5MHz、400W)を印加した。その後、基材ホルダー6にもプラズマ閉じ込めのための高周波電力(周波数:400kHz、4W)を印加した(高周波電源19)。
【0067】
基材ホルダー6の設定温度を250℃、回転電極9の温度を150℃、成膜チャンバー1およびその部材は100℃に設定した。また回転電極9の回転数は500rpm(周速度:15000cm/min)とし、回転電極9と基材7との狭隙間は1mmに設定した。このとき基材7のスキャン速度は3.3mm/secとしたので、基材7のスキャン方向における端間での放電時間は約51secとなった。
【0068】
成膜チャンバー1の圧力は、排気口5cに設置されたオートプレシャーコントロール(図示せず)によって行い、この製造例では全圧0.093MPaに調整した。成膜チャンバー1に導入した反応ガスは、He,O2およびTEOSの混合ガスとし、夫々流量調整よって分圧を調整した。このとき、TEOS分圧を133〜4000Paで変化させ[分圧比換算で(133/93000)×100=0.14〜4.3%]、O2/TEOS比を1.4の一定として成膜実験を行った。
【0069】
上記製造方法でシリコン酸化薄膜を形成したときのTEOS分圧(および分圧比)と成膜速度の関係を図8に示す。この結果から明らかなように、TEOS分圧が133Pa以下(分圧比換算で0.14%以下)では、シリコン酸化薄膜の成膜速度が非常に小さいことが分かる。この結果から明らかなように、上記分圧比は0.1%以上であることが好ましく、より好ましくは、より良好な成形膜速度(0.05nm・m/sec以上)が得られる分圧比:0.21%以上とするのがよい。また、図8から明らかなように、TEOS分圧を、今回使用したCVD装置(成膜チャンバー1)の蒸気圧限界に近い1330Pa(分圧比換算で1.4%)まで導入すると、成膜速度は0.9nm・m/secまで増加していることが分かる。尚、TEOS分圧が3000Pa(分圧比換算で3.0%)を超えると、プラズマが不安定になって、成膜速度が極端に低下することが確認できた。
【0070】
上記実施例1、2では、基材7として厚さ2mmの青板ガラス使用したが、同様のサイズの基材7として、厚さ:4mmの建材用青板ガラス、厚さ:0.7mmのFPD(Flat Panel Display)用無アルカリガラス(コーニング社製「#1737」)を用いて同様の実験を行った。その結果、基材誘電率の違いによる回転電極−基材の狭隙間でのプラズマ密度の変動はあるものの、実施例1および2における結果と同様の傾向が認められた。
【0071】
これらのことから、シリコンアルコキシドであるTEOSの分圧比、およびO2/TEOS比を適切に制御することは、シリコン酸化薄膜を気相反応によって形成する上で極めて有効であると判断できた。
【0072】
上記実施例1および2において成膜したシリコン酸化薄膜の硬さ評価を、ナノインデンテーション法によって行った。このナノインデンテーション法は、基材との密着性の影響を受けることなく、薄膜の硬さを評価できる方法である。その結果、実施例1におけるO2/TEOS比が0の場合には、0.7GPaであったが、O2/TEOS比が0.5を越えると1.0GPa以上の硬度が得られ、更にO2/TEOS比が2〜4近傍では2.5GPaの値が得られていた。これらのことから、O2/TEOS比を適切に選択すれば、有機成分の膜中への残留や成長中のパーティクル発生が少なく、しかも高硬度で緻密な膜が得られることが理解できる。
【0073】
(実施例3)
上記実施例2において、TEOS分圧を1351Pa、O2/TEOS比を1.4の一定とし、分圧の残りをHeとし、回転電極9の成膜時の回転数を0〜1500rpm(周速度:0〜45000cm/min以下)まで変化させて上記と同様の成膜実験を行った。このときの、回転数(周速度)と成膜速度の関係を図9に示す。
【0074】
この結果から明らかなように、回転電極9の回転数を増加させることによって、成膜速度が大幅に向上することが分かる。例えば、回転数値1500rpmでは1.6nm・m/secの高速成膜が実現できることになる。これは、今回使用した回転電極9における周速度で45000cm/minに相当する。一方、回転数が100rpm以下(周速度:3000cm/min以下)であれば、成膜速度が急速に低下し、0.2nm・m/secを下回るようになる。これは45000cm/minの周速度における成膜速度と比較して13%(即ち、反応ガスの収率比が13%)となり、急激に低下していることが分かる。
【0075】
これらの結果は、周速度を増加させることで、プラズマ部への反応ガス(原料ガス)の供給と、反応生成物の排気が効率良く達成されていることを示している。こうした効果は、回転電極や無端状ベルト電極を用いることによって得られたものと考えられる。そしてこの結果から、周速度が3000cm/min以上であれば、工業的に十分に対応できる成膜速度を実現できることが分かる。
【0076】
(実施例4)
前記図1に示したCVD装置を用いて、TEOSの代わりにTMOSを用いる以外は、上記実施例2と同様にして青板ガラス基材上にシリコン薄膜を形成した。このとき、TMOS分圧を133〜665Paで変化させ、O2/TMOS比を1.4の一定として成膜実験を行った。
【0077】
その結果、TMOS分圧が665Paのとき、成膜速度:0.52nm・m/secの高速成膜が実現できた。TMOSは、TEOSと比較して蒸気圧が高いので、TEOSと比べて高い分圧設定が可能である。また、シリコンアルコキシド系の原料を使用すると、プラズマ中の気相反応過程での酸素によるシリコンアルコキシドの酸化・架橋反応による前駆体の生成は、同様の反応機構によって行われるので、上記で示したTEOSやTMOS以外にも、MTEOSやその他のシリコンアルコキシド(例えば、トリエトキシシラン、トリメトキシシシラン、テトライソプロポキシシラン等)においても同様の効果が得られることが確認できた。
【0078】
(実施例5)
前記図1に示したCVD装置を用いて、チタン酸化薄膜の形成を行った。このとき、基材ホルダー6としては、幅:170mm、長さ(スキャン方向長さ):170mmのものを使用し、この基材ホルダー6上に基材7を載置してチャンバー1内に収納した。また、基材7としては、幅:100mm、長さ(スキャン方向長さ):150mm、厚さ:2mmの青板ガラスを用いた。そして、基材ホルダー6の先端が回転電極9の直下に到達した後、回転電極9に高周波電源16から高周波電力(周波数:13.5MHz、300W)を印加した。その直後、基材ホルダー6側の電極にもプラズマ封じ込めのために、400KHz、3Wの電力を高周波電源19から印加した。
【0079】
このとき基材ホルダー6の設定温度を300℃、回転電極9の温度を150℃、成膜チャンバー1およびその部材は100℃に設定した。また回転電極9の回転数は500rpm(周速度:15000cm/min)とし、回転電極9と基材7との狭隙間は1mmに設定した。このとき基材7のスキャン速度は3.3mm/secとしたので、基材7のスキャン方向における端間での放電時間は約51secとなった。
【0080】
成膜チャンバー1の圧力は、排気口5cに設置されたオートプレシャーコントロール(図示せず)によって行い、この製造例では全圧0.093MPaに調整した。成膜チャンバー1に導入した反応ガスは、He,O2およびTi(t−OC4H9)4の混合ガスとし、夫々流量調整よって分圧を調整した。このとき、Ti(t−OC4H9)4分圧は133Paの一定とし(分圧比換算で133Pa/93000Pa=0.14%)、O2/Ti(t−OC4H9)4比を0〜5程度まで変化させて成膜実験を行った。
【0081】
上記製造方法でチタン酸化膜を形成したときのO2/Ti(t−OC4H9)4比と成膜速度の関係を図10に示す。まず、O2/Ti(t−OC4H9)4比の増加に従い、単調に減少する。O2/Ti(t−OC4H9)4比が2.0を超えると、成膜速度が3nm・m/min以下となり、気相反応中でパーティクルとしてチタン原料が消費され、基材に到達していないと考えられる。
【0082】
これらのことから、パーティクルを発生させずに、効率良くチタン酸化薄膜を形成するには、O2/Ti(t−OC4H9)4比を2.0以下とすることが好ましいことが分かる。より好ましくは、O2/Ti(t−OC4H9)4比を1.0以下とするのが良い。
【0083】
この結果から、成膜速度はパーティクル発生に影響があることが明らかであるが、これはシリコン酸化膜の形成と同じように、酸化・架橋反応が過度に進み過ぎて発生する問題であり、シリコン系やチタン系などのアルコキシド原料に本質的な問題であると考えられる。
【0084】
図11は、O2/Ti(t−OC4H9)4比を0として成膜したチタン酸化薄膜のX線回折パターンを示したものである。回折パターンの半値幅から、良質なアナターゼ型の多結晶チタン薄膜であることが分かった。同様に回折パターンを評価した結果、O2/Ti(t−OC4H9)4比が0〜2.0ではアナターゼ型多結晶であることが分かった。また同膜のXPS分析を行った結果、膜中のCは0.1原子%以下であり、ほとんど有機成分は含まれていないことが分かった。
【0085】
アナターゼ型の多結晶チタン酸化薄膜は近紫外光照射によって、超親水性効果と有機物分解効果の2つの大きな効果を有することが知られている。今回、上記で得られたチタン酸化薄膜の光触媒効果を確認するために、太陽光下で3時間照射し、照射前後のチタン酸化薄膜表面の水接触角を測定した。その結果、照射前じゃ43°であったのに対して、照射後は3°であった。この結果から、良好な光触媒超親水性効果が発現していることが分かった。
【0086】
これらの結果から、O2/Ti(t−OC4H9)4比を0〜2.0の範囲内とし、基材温度を250℃以上とすることによって、基材上に形成するチタン酸化薄膜中の有機成分を除去できると共に、光触媒効果を発現する良質なチタン酸化薄膜が得られることが分かる。
【0087】
(実施例6)
前記図1に示したCVD装置を用いて、チタン酸化薄膜の形成を行った。このとき、基材ホルダー6としては、幅:170mm、長さ(スキャン方向長さ):170mmのものを使用し、この基材ホルダー6上に基材7を載置して成膜チャンバー1内に格納した。また、基材7としては、幅:100mm、長さ(スキャン方向長さ):150mm、厚さ:2mmの青板ガラスを用いた。そして、基材ホルダー6の先端が回転電極9直下に到達した後、回転電極9に高周波電源16から高周波電力(周波数:13.5MHz、400W)を印加した。その後、基材ホルダー6にもプラズマ閉じ込めのための高周波電力(周波数:400kHz、4W)を印加した(高周波電源19)。
【0088】
基材ホルダー6の設定温度を300℃、回転電極9の温度を150℃、成膜チャンバー1およびその部材は100℃に設定した。また回転電極9の回転数は500rpm(周速度:15000cm/min)とし、回転電極9と基材7との狭隙間は1mmに設定した。このとき基材7のスキャン速度は3.3mm/secとしたので、基材7のスキャン方向における端間での放電時間は約51secとなった。
【0089】
成膜チャンバー1の圧力は、排気口5cに設置されたオートプレシャーコントロール(図示せず)によって行い、この製造例では全圧0.093MPaに調整した。成膜チャンバー1に導入した反応ガスは、HeおよびTi(t−OC4H9)4の混合ガス(O2なし)とし、夫々流量調整よって分圧を調整した。このとき、Ti(t−OC4H9)4分圧を13〜5320Paで変化させ[分圧比換算で(13/93000)×100=0.014(%)、(5320/93000)×100=5.7(%)]、成膜実験を行った。
【0090】
上記製造方法でチタン酸化薄膜を形成したときのTi(t−OC4H9)4分圧(および分圧比)と成膜速度の関係を図12に示す。この結果から明らかなように、Ti(t−OC4H9)4分圧が18.6Pa以下(分圧比換算で0.02%以下)では、チタン酸化薄膜の成膜速度が非常に小さいことが分かる。この結果から明らかなように、上記分圧比は成膜速度3nm・m/min以上が得られる0.02%以上であることが好ましい。また、図12から明らかなように、Ti(t−OC4H9)4分圧が5320Pa(分圧比換算で5.7%)を超えると、プラズマの不安定或は気相反応でTi(t−OC4H9)4が消費され、成膜速度が低下することが確認できた。
【0091】
これらのことから、チタンアルコキシドであるTi(t−OC4H9)4の分圧比、およびO2/Ti(t−OC4H9)4比を適切に制御することは、チタン酸化薄膜を気相反応によって形成する上で極めて有効であると判断できた。
【0092】
(実施例7)
上記実施例6において、Ti(t−OC4H9)4分圧を133Pa、O2/Ti(t−OC4H9)4比を0とし、分圧の残りをHeとし、回転電極の回転数を0〜1500rpm(周速度:0〜45000cm/min)まで変化させて上記と同様の成膜実験を行った。このときの回転数と成膜速度の関係を図13に示す。
【0093】
この結果から明らかなように、回転電極9の回転数を増加させることによって、成膜速度が増加することが分かる。
【0094】
【発明の効果】
本発明は、以上の様に構成されており、従来では低圧力下で行われていたシリコン酸化薄膜やチタン酸化薄膜の形成が、大気圧近傍下でも可能となり、しかも製造条件を適切に選定することによって、これらの酸化薄膜の形成が連続的若しくは高速に形成できるようになった。得られるシリコン酸化薄膜は、有機成分を殆ど含まず、且つシリコン膜表面へのパーティクル付着も少ない高品質の膜が形成でき、硬度も十分な膜である。またチタン酸化薄膜にあっては、有機成分を殆ど含まず、良質なアナターゼ型多結晶であり、光触媒効果を有するものである。これらの酸化薄膜の技術的応用は大きく広がるものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法を実施するためのCVD成膜装置の一構成例を示す概略説明図である。
【図2】本発明方法を実施するためのCVD成膜装置の他の構成例を示す概略説明図である。
【図3】実施例1で得られたシリコン酸化薄膜における成膜速度とO2/TEOS比との関係を示すグラフである。
【図4】O2/TEOS比が1.0のときの膜表面を示す図面代用走査型電子顕微鏡写真である。
【図5】O2/TEOS比が5.5のときの膜表面を示す図面代用走査型電子顕微鏡写真である。
【図6】実施例1で得られたシリコン酸化薄膜中における元素含有量とO2/TEOS比との関係を示すグラフである。
【図7】実施例1で得られたシリコン酸化薄膜のATR−FTIRによる反射スペクトルを示すグラフである。
【図8】実施例2で得られたシリコン酸化薄膜における成膜速度とTEOS分圧との関係を示したグラフである。
【図9】実施例3で得られたシリコン酸化薄膜における成膜速度と回転電極回転数(周速度)との関係を示すグラフである。
【図10】実施例5で得られたチタン酸化薄膜におけるO2/Ti(t−OC4H9)4比と成膜速度の関係を示すグラフである。
【図11】実施例5においてO2/Ti(t−OC4H9)4比を0として成膜したチタン酸化膜のX線回折パターンである。
【図12】実施例6で得られたチタン酸化薄膜におけるTi(t−OC4H9)4分圧と成膜速度の関係を示すグラフである。
【図13】実施例7で得られたチタン酸化薄膜における成膜速度と回転電極回転数(周速度)との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 成膜チャンバー
2a 基材導入用ロードロック室
2b 基材搬出用ロードロック室
3a〜3d ゲートバルブ
4a〜4d ガス導入口
5a〜5c リーク口
6 基材ホルダー
7 基材
9 回転電極
11a〜11c 絶縁体
12 合成石英ガラス
13 近赤外線ランプ
14 覗き窓
15 放射温度計
16,19 高周波電源
17,20 整合器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a useful method for producing a silicon oxide thin film or a titanium oxide thin film on a substrate using glow discharge plasma generated under a pressure near atmospheric pressure. The silicon oxide thin film and titanium oxide thin film obtained by the present invention can be applied in various fields such as coating on flat panel displays (FPD), building glass, automotive glass, and food packaging films.
[0002]
[Prior art]
In recent years, various functional thin films (functional deposition films) have been developed and put into practical use for the purpose of improving surface hardness, absorbing a specific wavelength, improving gas permeability, and exhibiting a photocatalytic function. Typical examples of such functional thin films are silicon oxide thin films and titanium oxide thin films.
[0003]
As a method for producing the silicon oxide thin film, a low pressure plasma CVD method (low pressure plasma vapor deposition method) in which a thin film is formed on a substrate by generating plasma by glow discharge under a reduced pressure condition of about 10 to 1000 Pa is common. Has been adopted. In forming a silicon oxide thin film by this low pressure plasma CVD method, N as a raw material (silicon source) is used. 2 O-SiH Four Series and O 2 -Si (OC 2 H Five ) Four A system or the like is used. In producing a titanium oxide thin film, a low-pressure sputtering method is generally employed, and as a raw material (titanium source), O 2 -TiCl Four Series and O 2 -Ti (i-OC Three H 7 ) Four A system or the like is used.
[0004]
However, under the low pressure conditions as in each of the above methods, a vacuum vessel or a vacuum exhaust facility such as a pump for evacuating the vacuum vessel is required, and the substrate is transported into the vacuum vessel to be formed. There are problems that the tact time until the film and the carry-out increase, and the cost of the apparatus itself increases. In addition, as the base material is increased in size, the apparatus is also increased in size, resulting in a very high apparatus cost. In addition, such a conventional technique has a drawback that the film forming speed cannot be increased so much and the productivity is poor.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made under such circumstances, and its purpose is to manufacture a high-quality silicon oxide thin film or titanium oxide thin film with high productivity and low cost in the formation of a silicon oxide thin film or a titanium oxide thin film by plasma generation. It is to provide a method that can do this.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present inventors have studied from various angles. From the viewpoint of cost reduction, attention was paid to a method of forming glow discharge plasma under a pressure near atmospheric pressure. Such a method is proposed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-2149. By adopting such a method basically by the present inventor, it is considered that inconveniences in equipment and cost due to the provision of a decompression device can be avoided. It was.
[0007]
On the other hand, as a method of forming a thin film with high productivity, attention has been paid to a technique of forming a film using a rotating electrode as disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 9-104985. Such a technique uses a discharge electrode as a rotating electrode and a substrate placed on the counter electrode, and generates plasma by glow discharge between the rotating electrode and the substrate (hereinafter referred to as “narrow gap”). By forming a line-shaped plasma in a narrow gap and scanning the substrate so as to cross the plasma space, film formation and surface treatment of a large area can be performed without increasing the size of the apparatus.
[0008]
The present inventors thought that if these techniques were applied, a technique suitable for the above-described purpose could be realized, but simply combining them would still cause problems to be solved, and further contrivance was required. It was done. That is, when a silicon oxide film is formed, a silicon alkoxide is used as a reaction gas, and when atmospheric pressure plasma CVD is applied, carbon containing silicon alkoxide (Si—O—R, R: alkyl group), Or the alkyl organic component was taken in the silicon oxide thin film as it was in the process of the plasma gas phase reaction, and there was a problem that a good quality film could not be formed. Moreover, if the molecular weight of the precursor of the silicon oxide thin film is increased by advancing the oxidation / crosslinking reaction, organic components may not remain in the plasma gas phase reaction. As a result, there arises a new problem that the adhesion of the film to the base material is lowered and the film forming speed is lowered.
[0009]
On the other hand, even when a titanium oxide film is formed, carbon containing titanium alkoxide (Ti-O-R, R: alkyl group) is used when titanium-based alkoxide is used as a reaction gas and atmospheric pressure plasma CVD is applied. Alternatively, the alkyl organic component is directly taken into the titanium oxide thin film during the plasma gas phase reaction process, resulting in a problem that a high-quality film cannot be formed. Also, in order to remove organic components by gas phase reaction, O 2 If the / titanium-based alkoxide ratio is increased, a particle-like titanium oxide thin film is generated in the same manner as in the case of a silicon oxide film, which causes a decrease in adhesion to the substrate and a decrease in the film formation rate. It will be.
[0010]
Therefore, the present inventors use a rotating electrode and use a CVD apparatus that decomposes a silicon-based reactive gas or a titanium-based reactive gas under a pressure near atmospheric pressure to form a thin film on a substrate. Further studies have been made to realize a technology that is premised and that can also avoid the above-mentioned disadvantages.
[0011]
As a result, if a reactive gas containing at least an inert gas, oxygen and a silicon-based alkoxide is used as the silicon-based reactive gas, and the partial pressure ratio of the silicon-based alkoxide in the reactive gas is controlled within an appropriate range, the above object is achieved. It has been found that a suitable silicon oxide film can be formed. Further, as the titanium-based reaction gas, at least an inert gas and a titanium-based alkoxide are used, and if necessary, a reaction gas further containing oxygen is used, and the partial pressure ratio of the titanium alkoxide in the reaction gas is appropriately controlled within a range. The present inventors have found that an optimum titanium oxide film suitable for the above purpose can be formed, and the present invention has been completed.
[0012]
By the way, the inventors of the present invention have been researching a device configuration for forming a more appropriate functional thin film. As part of the research, for example, a device such as Japanese Patent Application No. 2001-394140 has also been proposed. is doing. This device basically uses an endless belt electrode in place of the rotating electrode, and its detailed configuration will be described later (see FIG. 2 below). It has also been found that the object of the present invention can be achieved using gas.
[0013]
That is, the method of the present invention that can achieve the above object is that a pressure near the atmospheric pressure is provided in a narrow gap between a cylindrical rotating electrode or an endless belt electrode and a counter electrode provided facing a part of the electrode. Using a CVD apparatus for generating a silicon discharge thin film on a base material placed on the counter electrode by decomposing a silicon-based reaction gas by generating plasma by glow discharge below, as the silicon-based reaction gas, The present invention has a gist in that a reactive gas containing an inert gas, oxygen, and a silicon-based alkoxide is used, and that the partial pressure ratio of the silicon-based alkoxide in the reactive gas is 0.1 to 3.0%.
[0014]
As the silicon source used in the above method, the silicon-based alkoxide is used from the viewpoint of safety when applying plasma CVD under a pressure close to atmospheric pressure. As such silicon-based alkoxide, tetraethoxysilane, One or more selected from the group consisting of tetramethoxysilane and methyltriethoxysilane can be mentioned. Moreover, in this method, it is preferable that the volume ratio of oxygen in the reaction gas to the silicon-based alkoxide (oxygen / silicon-based alkoxide) is 0.5 to 5.0.
[0015]
On the other hand, when forming a titanium oxide thin film, a titanium oxide thin film CVD apparatus having the above-described configuration is used, and a reactive gas containing an inert gas and a titanium alkoxide is used as the titanium reactive gas. If the operation is carried out with the partial pressure ratio of the titanium alkoxide in the reaction gas being 0.02 to 5.0% and the heating temperature of the substrate being 250 ° C. or higher, a titanium oxide thin film suitable for the above purpose can be obtained.
[0016]
As a titanium source used in this method, a titanium-based alkoxide is used from the viewpoint of safety when applying plasma CVD under a pressure near atmospheric pressure. As such a titanium-based alkoxide, Ti (i-OC) is used. Three H 7 ) Four , Ti (t-OC Four H 9 ) Four , Ti (OC 2 H Five ) Four And Ti (n-OC Four H 9 ) Four 1 type or more chosen from the group which consists of. In this method, a good quality titanium oxide thin film can be formed even if the reaction gas does not contain oxygen. However, if necessary, the reaction gas may contain oxygen. The volume ratio of oxygen to titanium alkoxide in the reaction gas (oxygen / titanium alkoxide) is preferably 2.0 or less.
[0017]
In any method, it is preferable to operate the cylindrical rotating electrode or the endless belt electrode at a peripheral speed of 3000 cm / min or more.
[0018]
In the present invention, a silicon oxide thin film or a titanium oxide thin film is formed on the surface of the substrate placed on the counter electrode surface by generating plasma in a narrow gap between the rotating electrode or endless belt electrode and the counter electrode as described above. The basic operation by using the rotating electrode or the endless belt electrode as described above is as follows. That is, if a rotating electrode or an endless belt electrode is used, a laminar flow is generated by these rotational movements, and it becomes possible to introduce a source gas between the electrode and the base material (narrow gap) by the action of this laminar flow, Further, the reaction product generated by the narrow gap plasma can be discharged from the narrow gap. By such an action, it is possible to forcibly supply the raw material to the narrow gap, so that high-speed film formation can be realized by increasing the rotation speed (that is, by increasing the peripheral speed).
[0019]
In the present invention, plasma CVD is applied at a pressure near atmospheric pressure as described above, and “pressure near atmospheric pressure” means a pressure of about 0.01 to 0.1 MPa. Among the ranges, a preferable pressure range is about 0.08 to 0.1 MPa from the viewpoint that pressure adjustment is easy and the device configuration mechanism is simplified.
[0020]
In glow discharge at a pressure close to atmospheric pressure, the life until recombination after ionization of gas molecules is short, and the mean free path of electrons is also short, so that glow discharge is stably generated between opposing narrow gap electrodes. For this purpose, it is necessary to capture charged particles of electrons and ions in a narrow gap. For this reason, when applying high frequency electric power to a rotating electrode or an endless belt electrode, it is preferable that it is a high frequency of 10 MHz or more.
[0021]
The silicon-based alkoxide used for forming the silicon oxide thin film is not particularly limited. For example, the tetraethoxysilane [TEOS; Si (OC 2 H Five ) Four ], Tetramethoxysilane [TMOS; Si (OCH Three ) Four ] And methyltriethoxysilane [MTEOS; SiH Three (OC 2 H Five ) Three Among these, one kind can be used alone, or two or more kinds can be mixed and used. In addition, when applying plasma CVD under a pressure close to atmospheric pressure, these are O.O. 2 It is a safe substance because of its low reactivity.
[0022]
The titanium-based alkoxide used for forming the titanium oxide thin film is not particularly limited. For example, the above-described Ti (i-OC) Three H 7 ) Four , Ti (t-OC Three H 7 ) Four Ti (OC 2 H Five ) Four And Ti (OC 2 H Five ) Three Among these, one kind can be used alone, or two or more kinds can be mixed and used. In addition, when applying plasma CVD under a pressure close to atmospheric pressure, these are O.O. 2 This is a safe substance because of its low reactivity with, and a substance with a relatively high vapor pressure, which is easy to introduce under film-forming conditions under a pressure near atmospheric pressure.
[0023]
In forming the silicon oxide thin film, the ratio of the partial pressure of silicon alkoxide in the reaction gas (ratio of the partial pressure with respect to the total pressure of the reaction gas) needs to be 0.1 to 3.0%. When this partial pressure ratio is less than 0.1%, the film formation speed of the silicon oxide thin film is less than 0.05 nm · m / sec (the speed at which the scanning direction length is 1 m). For this reason, when forming a film by the scanning method, in order to form a certain film thickness on the surface of the substrate, the scanning speed of the substrate must be lowered, and the tact time is substantially reduced. It will increase.
[0024]
When the partial pressure ratio of the silicon-based alkoxide exceeds 3.0%, the silicon-based alkoxide raw material is excessively supplied to the plasma generated in the narrow gap, and the inert gas ratio in the processing gas becomes relatively low, and the atmospheric pressure The plasma generated in the narrow gap under the atmosphere becomes unstable, and a high-quality film cannot be formed.
[0025]
In forming the titanium oxide film, the ratio of the partial pressure of the titanium alkoxide in the reaction gas (ratio of the partial pressure with respect to the total pressure of the reaction gas) needs to be 0.02 to 5.0%. When this partial pressure ratio is less than 0.02%, the deposition rate of the titanium oxide film is less than 3 nm · m / min. Generally, in the case of film formation by sputtering, which is a conventional titanium oxide film formation technique, O 2 Since reactive sputtering to which a gas is added is used, the film forming speed is very slow, about 3 nm / min. Similarly, the CVD apparatus has a low deposition rate because there is no titanium source having a high vapor pressure. When the partial pressure ratio of the titanium-based alkoxide exceeds 5.0%, as in the case of forming the silicon oxide film, the titanium-based alkoxide raw material is excessively supplied to the plasma generated in the narrow gap, and the inertness in the processing gas The gas ratio becomes relatively low, and the plasma generated in the narrow gap under an atmospheric pressure atmosphere becomes unstable, so that a high-quality film cannot be formed.
[0026]
In practicing the present invention, in order to generate a stable glow discharge, it is necessary to perform in an atmosphere that does not generate reactive radicals. Therefore, it is preferable to use a source gas mainly composed of an inert gas. Such inert gases include rare gases such as He, Ar, Xe, Kr, and N 2 These gases can be used, and one or more of these can be used. Of the various inert gases, it is preferable to use He having a long life in a metastable excited state. From the above viewpoint, the ratio of the inert gas in the reaction gas is preferably about 75 to 99% by volume.
[0027]
In the case of forming a silicon oxide thin film, the silicon-based alkoxide as a silicon source in the silicon oxide thin film and the oxidation reaction of the silicon-based alkoxide with respect to the inert gas as described above, or quantification Then, oxygen as a crosslinking agent is mixed, a stable glow discharge is similarly generated in the narrow gap, and the silicon oxide thin film is formed on the substrate by scanning and moving in a direction perpendicular to the narrow gap.
[0028]
In the case of forming a titanium oxide thin film, a narrow gap is formed against the inert gas as described above for the crosslinking and oxidation reaction of the titanium alkoxide as a titanium source in the titanium oxide film and the titanium alkoxide. A stable glow discharge is generated at, and the titanium oxide thin film is formed on the substrate by scanning and moving in a direction perpendicular to the narrow gap.
[0029]
In order to form a silicon oxide thin film exhibiting the desired properties in the present invention, the oxygen blending amount in the reaction gas is about 0.5 to 5.0 in volume ratio (oxygen / silicon alkoxide) to silicon alkoxide. It is preferable. When this ratio is less than 0.5, the oxidation / crosslinking reaction of the silicon-based alkoxide becomes insufficient, and an alkoxide group (OR; which is a component of the silicon-based alkoxide) is formed in the silicon oxide thin film formed on the substrate. R is an alkyl group), and the hygroscopicity becomes high or becomes weak.
[0030]
In addition, when the volume ratio of oxygen to silicon alkoxide exceeds 5.0, the oxidation / crosslinking reaction to silicon alkoxide proceeds excessively, and the silicon oxide thin film in the gas phase before reaching the substrate surface. The molecular weight of the polymer precursor is too large, resulting in a particle-like silicon oxide thin film that is exhausted from the plasma space and contaminates the chamber or adheres to the substrate surface during film formation. Occurs. When such a situation occurs, there are inconveniences such as a decrease in the film formation rate and the generation of pinholes due to particles adhering to the film formation surface.
[0031]
In order to form a titanium oxide film exhibiting the desired properties in the present invention, the substrate heating temperature during the reaction is set to 250 ° C. or higher, and the oxygen blending amount in the reaction gas is set to a volume ratio (oxygen / silicon) with the titanium alkoxide. The alkoxide is preferably about 0 to 2.0. In the case of titanium alkoxide, unlike the case of silicon alkoxide, the heating temperature of the base material is 250 ° C. or higher (even if the volume ratio (oxygen / silicon alkoxide) is 0) even when oxygen is not present. The point will be described later), the alkyl group which is a component of the titanium-based alkoxide does not remain as it is due to the crosslinking reaction in the gas phase and the adhesion of the base material to the surface and the surface reaction, thereby obtaining a high-quality film. Will be.
[0032]
However, even in the case of forming a titanium oxide thin film, oxygen may be contained in the reaction gas if necessary. In this case, the volume ratio of oxygen to titanium alkoxide in the reaction gas (oxygen / titanium alkoxide) is It is preferable that it is 2.0 or less. When this volume ratio exceeds 2.0, the crosslinking and oxidation reaction to the titanium-based alkoxide proceeds excessively, and the molecular weight of the monomer that is the precursor of the titanium oxide thin film is in the gas phase before reaching the substrate surface. It becomes too large and becomes a particle-like titanium oxide thin film, which causes inconveniences such as a decrease in film formation rate and generation of pinholes due to particle adhesion, as in the case of a silicon oxide thin film.
[0033]
In practicing the present invention, it is preferable to operate the cylindrical rotating electrode or the endless belt electrode at a peripheral speed of 3000 cm / min or more. If the peripheral speed is less than 3000 cm / min, the film forming speed is reduced. The peripheral speed is preferably 10,000 cm / min or more, but is preferably 15000 cm / min or less in consideration of improvement in yield.
[0034]
In order to form a silicon oxide thin film of better quality by the method of the present invention, it is also an effective means to heat the base material, and in particular, the precursor reacts with the surface after the base material is adhered, It works effectively to reduce hydroxyl groups and organic components. From such a viewpoint, it is preferable that the heating temperature of the base material during the formation of the silicon oxide thin film is about 150 to 400 ° C.
[0035]
On the other hand, when forming a titanium oxide thin film by the method of the present invention, in order to form anatase type polycrystalline titanium oxide thin film that has a high film formation rate, no alkyl group remains, and expresses a photocatalytic effect, Heating the substrate is an indispensable requirement. In particular, heating the substrate is effective in that the surface reaction of the precursor on the substrate surface is activated, the organic component is vaporized, and the titanium oxide thin film is polycrystallized. The amorphous titanium oxide thin film in which the organic component remains has a refractive index as low as about 1.8. For example, in the case of a low reflection film coating by laminating a silicon oxide thin film and a titanium oxide thin film, the optimum design becomes difficult if the refractive index of the high refractive index titanium oxide film is about 1.8. In addition, since the deposition rate of the amorphous titanium oxide thin film is very low, the tact time increases, which causes a problem in terms of productivity. From the viewpoint of productivity, high refractive index, and functional characteristics of the photocatalyst, the heating temperature of the base material during film formation needs to be 250 ° C., preferably 300 ° C. or higher.
[0036]
In carrying out the present invention, the distance between the rotating electrode or the endless belt electrode and the substrate placed on the counter electrode (the distance of the narrow gap) is the power applied to the rotating electrode or the endless belt electrode, processing Although it is determined by the type of gas, composition ratio, etc., it is preferably about 1 to 3 mm. When this distance is less than 1 mm, the reactive gas cannot be stably supplied to the narrow gap, and the narrow gap variation in the width direction of the rotating electrode or the endless belt electrode becomes remarkable, and uniform film formation becomes difficult. In addition, with the narrowing of the narrow gap, in order to realize stable plasma generation, it is necessary to capture plasma charged particles of electrons and ions, and a high frequency of 100 MHz or more is required. Such a high-frequency power source of 100 MHz or more becomes industrially expensive and disadvantageous in terms of cost.
[0037]
On the other hand, if the narrow gap exceeds 3 mm, the deposition rate may decrease due to the decrease in the electric field and the plasma density, or the deposition precursor may be caused by the laminar flow generated by the rotation of the rotating electrode and the endless belt electrode. Problems such as a decrease in film formation speed and contamination in the chamber due to discharge from the substrate occur.
[0038]
In the present invention, the material of the base material for forming the silicon oxide thin film is not particularly limited as long as the thin film can be formed. For example, polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate, acrylic, etc. Resin materials, white plate glass, blue plate glass, glass such as non-alkali glass, quartz, silicon and the like can be suitably used. Further, the material of the base material for forming the titanium oxide thin film is preferably one having heat resistance of 250 ° C. or higher, for example, glass such as white plate glass, blue plate glass, non-alkali glass, quartz, silicon, etc. Can be used.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic explanatory view showing a configuration example of a CVD apparatus for carrying out the method of the present invention, in which 1 is a film forming chamber, 2a is a load lock chamber for introducing a substrate, and 2b is a load for carrying out a substrate. Lock chambers, 3a to 3d are gate valves, 4a to 4d are gas inlets, 5a to 5c are leak ports, 6 is a base material holder, 7 is a base material, 8 is a bearing, 9 is a rotating electrode, 10 is a mount, 11a -11c is a rotating electrode support insulator, 12 is a synthetic quartz glass, 13 is a near-infrared lamp, 14 is a viewing window, 15 is a radiation thermometer, 16 and 19 are high-frequency power supplies, 17 and 20 are matching units, and 18 is a base. A
[0040]
In the apparatus configuration shown in FIG. 1, a substrate introduction
[0041]
In the
[0042]
A
[0043]
With the
[0044]
In order to prevent liquid absorption of silicon-based alkoxide or titanium-based alkoxide, which is a liquid raw material, at the inner wall of the
[0045]
In the apparatus described above, a silicon oxide thin film or a titanium oxide thin film is formed on the
[0046]
The surface of the
[0047]
The
[0048]
A
[0049]
The matching
[0050]
FIG. 2 is a schematic explanatory view showing another example of a CVD film forming apparatus for carrying out the present invention. The basic structure is similar to the apparatus structure shown in FIG. Duplicate description is avoided by assigning the same reference numerals. In FIG. 2, although not shown in the drawing for convenience of explanation, in this apparatus as well as the apparatus shown in FIG. 1, the substrate introduction
[0051]
In the apparatus configuration shown in FIG. 2, an
[0052]
Of the two
[0053]
In the plasma CVD apparatus shown in FIG. 2, a silicon-based reaction gas or a titanium-based reaction gas is introduced into the
[0054]
Next, the working effects of the present invention will be described more specifically by way of examples. However, the following examples are not of a nature that limits the present invention, and any modifications may be made without departing from the spirit of the preceding and following descriptions. Is also included in the technical scope of the present invention.
[0055]
【Example】
(Example 1)
A silicon oxide thin film was formed using the CVD apparatus shown in FIG. At this time, as the
[0056]
At this time, the set temperature of the
[0057]
The pressure in the
[0058]
O when a silicon oxide film is formed by the above manufacturing method. 2 The relationship between the / TEOS ratio and the deposition rate is shown in FIG. First, O 2 When the / TEOS ratio is in the vicinity of 3.0, the film formation rate becomes saturated. 2 When the / TEOS ratio exceeded 5.0, it was found that particles were generated on the
[0059]
From these facts, in order to efficiently form a silicon oxide thin film without generating particles, O 2 It has been found that the / TEOS ratio is preferably 5.0 or less. More preferably, O 2 The / TEOS ratio is preferably 3.0 or less.
[0060]
From this result, it is clear that the film formation speed has an influence on the generation of particles, which could be considered as follows. That is, when the film formation rate is decreased, the TEOS oxidation / crosslinking reaction in the gas phase during film formation proceeds excessively, and the amount that is the precursor of the silicon oxide film in the gas phase before reaching the substrate surface It is considered that particles are generated in the silicon oxide thin film because the molecular weight of the body grows too much.
[0061]
Next, in order to measure the residual amount of organic components in the silicon oxide thin film produced as described above, composition analysis of Si, O, and C was performed by photoelectron spectroscopy (XPS method). . The result is shown in FIG. 6, and as is clear from this, O 2 When the / TEOS ratio is 1.5 or less, the C content calculated from C1s gradually increases, and O 2 It can be seen that when the / TEOS ratio is less than 0.5, the C content exceeds 10 atomic%. For these reasons, in order not to leave organic components in the film, O 2 It was predicted that the / TEOS ratio was preferably 0.5 or more, more preferably 1.0 or more.
[0062]
In order to support the above results, the present inventors evaluated organic components by an Attenuated Total Reflection-Fourier Infrared (ATR-FT-IR method). The result is shown in FIG. 7, which shows a wave number of 1500 to 400 cm. -1 A magnified view of the vicinity is also shown (arrow D).
[0063]
In FIG. 7, frequency: 3000-3400 cm -1 The peak near the OH group in the film is a frequency: 2800-2900 cm. -1 Nearby peaks indicate C-Hx groups (x = 1, 2, 3), respectively. In particular, when a silicon-based alkoxide is used as a silicon source, an alkyl component of OR (R: an alkyl group represented by the general formula CmHn) may be taken into the film, and the C-Hx group is TEOS. C as an alkyl component 2 H Five It is estimated that
[0064]
The results shown in FIG. 7 show that the TEOS partial pressure is constant at 466 Pa and O 2 The partial pressure is changed to 0,46.6,652,1351,5312 (Pa) (that is, O 2 /
[0065]
From these results, O 2 By setting the / TEOS ratio within the range of 0.5 to 5.0, organic components in the silicon oxide film formed on the substrate can be reduced, and a high-quality silicon oxide film with little change over time can be obtained. I understand.
[0066]
(Example 2)
A silicon oxide thin film was formed using the CVD apparatus shown in FIG. At this time, as the
[0067]
The set temperature of the
[0068]
The pressure in the
[0069]
FIG. 8 shows the relationship between the TEOS partial pressure (and partial pressure ratio) and the film formation rate when the silicon oxide thin film is formed by the above manufacturing method. As is clear from this result, it is understood that when the TEOS partial pressure is 133 Pa or less (0.14% or less in terms of partial pressure ratio), the deposition rate of the silicon oxide thin film is very small. As is clear from this result, the partial pressure ratio is preferably 0.1% or more, more preferably a partial pressure ratio at which a better forming film speed (0.05 nm · m / sec or more) can be obtained: 0 21% or more is recommended. Further, as apparent from FIG. 8, when the TEOS partial pressure is introduced to 1330 Pa (1.4% in terms of partial pressure ratio) close to the vapor pressure limit of the CVD apparatus (film formation chamber 1) used this time, the film formation rate is obtained. It can be seen that increases to 0.9 nm · m / sec. It has been confirmed that when the TEOS partial pressure exceeds 3000 Pa (3.0% in terms of partial pressure ratio), the plasma becomes unstable and the film formation rate decreases extremely.
[0070]
In Examples 1 and 2 above, blue plate glass having a thickness of 2 mm was used as the
[0071]
From these facts, the partial pressure ratio of TEOS, which is a silicon alkoxide, and O 2 It was judged that appropriately controlling the / TEOS ratio is extremely effective in forming a silicon oxide thin film by a gas phase reaction.
[0072]
The hardness of the silicon oxide thin film formed in Examples 1 and 2 was evaluated by the nanoindentation method. This nanoindentation method is a method by which the hardness of a thin film can be evaluated without being affected by the adhesion to the substrate. As a result, O in Example 1 2 When the / TEOS ratio was 0, it was 0.7 GPa. 2 When the / TEOS ratio exceeds 0.5, a hardness of 1.0 GPa or more is obtained. 2 When the / TEOS ratio was in the vicinity of 2 to 4, a value of 2.5 GPa was obtained. From these, O 2 If the / TEOS ratio is appropriately selected, it can be understood that a dense film having high hardness can be obtained with less organic component remaining in the film and generation of particles during growth.
[0073]
(Example 3)
In Example 2, the TEOS partial pressure was 1351 Pa, O 2 / TEOS ratio is made constant at 1.4, the remainder of the partial pressure is set to He, and the rotational speed during film formation of the
[0074]
As is apparent from this result, it can be seen that the film forming speed is greatly improved by increasing the number of rotations of the
[0075]
These results show that the supply of the reaction gas (raw material gas) to the plasma part and the exhaust of the reaction product are efficiently achieved by increasing the peripheral speed. Such an effect is considered to be obtained by using a rotating electrode or an endless belt electrode. From this result, it can be seen that when the peripheral speed is 3000 cm / min or more, a film forming speed capable of being industrially adequate can be realized.
[0076]
Example 4
Using the CVD apparatus shown in FIG. 1, a silicon thin film was formed on a soda glass substrate in the same manner as in Example 2 except that TMOS was used instead of TEOS. At this time, the TMOS partial pressure is changed from 133 to 665 Pa, and O 2 The film formation experiment was performed with the / TMOS ratio kept constant at 1.4.
[0077]
As a result, when the TMOS partial pressure was 665 Pa, a high-speed film formation with a film formation speed of 0.52 nm · m / sec could be realized. Since TMOS has a higher vapor pressure than TEOS, it is possible to set a higher partial pressure than TEOS. In addition, when silicon alkoxide-based raw materials are used, the precursor generation by the oxidation / cross-linking reaction of silicon alkoxide with oxygen in the gas phase reaction process in plasma is performed by the same reaction mechanism. In addition to TMOS and TMOS, MTEOS and other silicon alkoxides (for example, triethoxysilane, trimethoxysilane, tetraisopropoxysilane, etc.) were confirmed to have the same effect.
[0078]
(Example 5)
A titanium oxide thin film was formed using the CVD apparatus shown in FIG. At this time, as the
[0079]
At this time, the set temperature of the
[0080]
The pressure in the
[0081]
O when a titanium oxide film is formed by the above manufacturing method. 2 / Ti (t-OC Four H 9 ) Four The relationship between the ratio and the deposition rate is shown in FIG. First, O 2 / Ti (t-OC Four H 9 ) Four As the ratio increases, it decreases monotonously. O 2 / Ti (t-OC Four H 9 ) Four When the ratio exceeds 2.0, the deposition rate becomes 3 nm · m / min or less, and it is considered that the titanium raw material is consumed as particles in the gas phase reaction and does not reach the substrate.
[0082]
From these facts, in order to efficiently form a titanium oxide thin film without generating particles, O 2 / Ti (t-OC Four H 9 ) Four It can be seen that the ratio is preferably 2.0 or less. More preferably, O 2 / Ti (t-OC Four H 9 ) Four The ratio is preferably 1.0 or less.
[0083]
From this result, it is clear that the deposition rate has an influence on the generation of particles, but this is a problem that occurs due to excessive oxidation / crosslinking reaction, as in the formation of silicon oxide film. This is considered to be an essential problem for alkoxide raw materials such as titanium and titanium.
[0084]
FIG. 11 shows O 2 / Ti (t-OC Four H 9 ) Four The X-ray diffraction pattern of a titanium oxide thin film formed with a ratio of 0 is shown. From the half-value width of the diffraction pattern, it was found to be a good quality anatase type polycrystalline titanium thin film. Similarly, as a result of evaluating the diffraction pattern, O 2 / Ti (t-OC Four H 9 ) Four A ratio of 0 to 2.0 was found to be anatase type polycrystal. As a result of XPS analysis of the film, it was found that C in the film was 0.1 atomic% or less and contained almost no organic component.
[0085]
It is known that anatase-type polycrystalline titanium oxide thin films have two major effects, that is, a superhydrophilic effect and an organic matter decomposition effect when irradiated with near-ultraviolet light. This time, in order to confirm the photocatalytic effect of the titanium oxide thin film obtained above, irradiation was performed under sunlight for 3 hours, and the water contact angle on the surface of the titanium oxide thin film before and after irradiation was measured. As a result, it was 43 ° before irradiation and 3 ° after irradiation. From this result, it was found that a good photocatalytic superhydrophilic effect was developed.
[0086]
From these results, O 2 / Ti (t-OC Four H 9 ) Four By setting the ratio within the range of 0 to 2.0 and setting the substrate temperature to 250 ° C. or higher, the organic component in the titanium oxide thin film formed on the substrate can be removed, and high-quality titanium that expresses the photocatalytic effect It can be seen that an oxide thin film is obtained.
[0087]
(Example 6)
A titanium oxide thin film was formed using the CVD apparatus shown in FIG. At this time, as the
[0088]
The set temperature of the
[0089]
The pressure in the
[0090]
Ti (t-OC) when a titanium oxide thin film is formed by the above manufacturing method. Four H 9 ) Four FIG. 12 shows the relationship between the partial pressure (and partial pressure ratio) and the film formation rate. As is clear from this result, Ti (t-OC Four H 9 ) Four It can be seen that when the partial pressure is 18.6 Pa or less (0.02% or less in terms of partial pressure ratio), the deposition rate of the titanium oxide thin film is very small. As is apparent from this result, the partial pressure ratio is preferably 0.02% or more, which can provide a film forming speed of 3 nm · m / min or more. Further, as is clear from FIG. 12, Ti (t-OC Four H 9 ) Four When the partial pressure exceeds 5320 Pa (5.7% in terms of partial pressure ratio), Ti (t-OC) is caused by plasma instability or gas phase reaction. Four H 9 ) Four It was confirmed that the film formation speed was reduced.
[0091]
From these, Ti (t-OC) which is titanium alkoxide. Four H 9 ) Four The partial pressure ratio, and O 2 / Ti (t-OC Four H 9 ) Four It was judged that appropriately controlling the ratio was extremely effective in forming a titanium oxide thin film by a gas phase reaction.
[0092]
(Example 7)
In Example 6 above, Ti (t-OC Four H 9 ) Four Partial pressure is 133 Pa, O 2 / Ti (t-OC Four H 9 ) Four The film formation experiment was performed in the same manner as described above, with the ratio set to 0, the remainder of the partial pressure set to He, and the rotation speed of the rotating electrode was changed to 0 to 1500 rpm (peripheral speed: 0 to 45000 cm / min). FIG. 13 shows the relationship between the rotational speed and the film formation speed at this time.
[0093]
As is apparent from this result, it can be seen that the film formation rate increases by increasing the number of rotations of the
[0094]
【The invention's effect】
The present invention is configured as described above, and it is possible to form a silicon oxide thin film or a titanium oxide thin film, which has been conventionally performed under a low pressure, even in the vicinity of atmospheric pressure, and appropriately select manufacturing conditions. As a result, these oxide thin films can be formed continuously or at high speed. The obtained silicon oxide thin film is a film that contains almost no organic components, can form a high-quality film with little particle adhesion to the silicon film surface, and has sufficient hardness. The titanium oxide thin film contains almost no organic components, is a high-quality anatase-type polycrystal, and has a photocatalytic effect. The technical application of these oxide thin films is expected to greatly expand.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic explanatory view showing an example of the configuration of a CVD film forming apparatus for carrying out the method of the present invention.
FIG. 2 is a schematic explanatory view showing another configuration example of a CVD film forming apparatus for carrying out the method of the present invention.
3 shows the film formation rate and O in the silicon oxide thin film obtained in Example 1. FIG. 2 It is a graph which shows the relationship with / TEOS ratio.
FIG. 4 2 3 is a drawing-substitute scanning electron micrograph showing the film surface when the / TEOS ratio is 1.0.
FIG. 5 2 5 is a drawing-substituting scanning electron micrograph showing the film surface when the / TEOS ratio is 5.5.
6 shows the element content and O in the silicon oxide thin film obtained in Example 1. FIG. 2 It is a graph which shows the relationship with / TEOS ratio.
7 is a graph showing a reflection spectrum by ATR-FTIR of the silicon oxide thin film obtained in Example 1. FIG.
8 is a graph showing the relationship between the deposition rate and TEOS partial pressure in the silicon oxide thin film obtained in Example 2. FIG.
9 is a graph showing the relationship between the film formation speed and the rotational speed (circumferential speed) of the silicon oxide thin film obtained in Example 3. FIG.
10 shows O in the titanium oxide thin film obtained in Example 5. FIG. 2 / Ti (t-OC Four H 9 ) Four It is a graph which shows the relationship between ratio and the film-forming speed | rate.
FIG. 11 shows O in Example 5. 2 / Ti (t-OC Four H 9 ) Four It is an X-ray diffraction pattern of a titanium oxide film formed with a ratio of 0.
12 shows Ti (t-OC) in the titanium oxide thin film obtained in Example 6. FIG. Four H 9 ) Four It is a graph which shows the relationship between a partial pressure and the film-forming speed | rate.
13 is a graph showing the relationship between the film formation speed and the rotational speed (circumferential speed) of the titanium oxide thin film obtained in Example 7. FIG.
[Explanation of symbols]
1 Deposition chamber
2a Load lock chamber for substrate introduction
2b Load lock chamber for substrate removal
3a-3d Gate valve
4a-4d Gas inlet
5a-5c Leakage port
6 Base material holder
7 Base material
9 Rotating electrode
11a to 11c insulator
12 Synthetic quartz glass
13 Near-infrared lamp
14 Viewing window
15 Radiation thermometer
16, 19 High frequency power supply
17, 20 Matching device
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