JP2004149922A - 金属酸化膜の形成方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 プラズマCVD法により有機金属と酸化性ガスとを反応させて所定の基材表面にガス遮断性を有する金属酸化膜を形成する方法において、低出力領域でのグロー放電によって有機金属が主体とする反応を行った後、高出力領域でのグロー放電によって有機金属と酸化性ガスとの反応を行うことを特徴とする。
【選択図】 なし
Description
低出力領域でのグロー放電によって有機金属が主体とする反応を行った後、高出力領域でのグロー放電によって有機金属と酸化性ガスとの反応を行うことを特徴とする金属酸化膜の形成方法が提供される。
1.前記低出力領域が20乃至90Wの範囲であり、前記高出力領域が、100W以上の範囲であること、
2.前記低出力領域から高出力領域での出力変化を連続的に行うこと、
3.前記低出力領域から高出力領域での出力変化を段階的に行うこと、
4.前記低出力領域から高出力領域での出力変化を行った後、さらに高出力領域から低出力領域への出力変化及び低出力領域から高出力領域への出力変化を繰り返し行うこと、
5.前記グロー放電を高周波電界で行うこと、
6.前記グロー放電をマイクロ波電界で行うこと、
7.前記有機金属として有機ケイ素化合物を使用すること、
8.前記基材がプラスチックであること、
9.低出力領域でのマイクロ波グロー放電により、O,C及びSiの3元素基準でのC元素濃度が15%以上のカーボン成分に富んだ有機性層が10nm以下の厚みで基体表面側に形成されること、
10.前記有機性層も含めて、全体として100nm以下の厚みの金属酸化膜を形成すること、
が好適である。
本発明において、金属酸化膜を形成すべき基体としては、ガラス、各種金属等からなるものを使用することもできるが、最も好適には、プラスチック基体が使用される。このようなプラスチックとしては、それ自体公知の熱可塑性樹脂、例えば低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ1−ブテン、ポリ4−メチル−1−ペンテンあるいはエチレン、ピロピレン、1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン等のα−オレフィン同志のランダムあるいはブロック共重合体等のポリオレフィン、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・ビニルアルコール共重合体、エチレン・塩化ビニル共重合体等のエチレン・ビニル化合物共重合体、ポリスチレン、アクリロニトリル・スチレン共重合体、ABS、α−メチルスチレン・スチレン共重合体等のスチレン系樹脂、ナイロン6、ナイロン6−6、ナイロン6−10、ナイロン11、ナイロン12等のポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等の熱可塑性ポリエステル、ポリフエニレンオキサイド等や、ポリ乳酸など生分解性樹脂、あるいはそれらの混合物のいずれかの樹脂を例示することができる。本発明においては、特に密着性とガスバリヤー性とに優れた金属酸化膜を形成することができるため、包装材料として使用される熱可塑性樹脂が最も好適であり、例えば、ポリオレフィンや熱可塑性ポリエステルが最適である。
本発明において、有機金属としては、有機ケイ素化合物が好適に使用されるが、酸化性ガスと反応して金属酸化物を形成するものであれば、有機ケイ素化合物に限定されるものではなく、例えばトリアルキルアルミニウムなどの有機アルミニウム化合物、その他、有機チタン化合物など、種々のものを使用することができる。有機ケイ素化合物としては、ヘキサメチルジシラン、ビニルトリメチルシラン、メチルシラン、ジメチルシラン、トリメチルシラン、ジエチルシラン、プロピルシラン、フェニルシラン、メチルトリエトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン等の有機シラン化合物、オクタメチルシクロテトラシロキサン、1,1,3,3−テトラメチルジシロキサン、ヘキサメチルジシロキサン等の有機シロキサン化合物等が使用される。また、これらの材料以外にも、アミノシラン、シラザンなどを用いることもできる。
上述した有機金属は、単独でも或いは2種以上の組合せでも用いることができる。また、上述した有機ケイ素化合物とともに、シラン(SiH4)や四塩化ケイ素を併用することができる。
本発明においては、上述した有機金属、酸化性ガス及びキャリアーガスを含む雰囲気中で、基体の表面に、プラズマCVD法により金属酸化膜を形成させる。
プラズマCVDとは、気体プラズマを利用して薄膜成長を行うものであり、基本的には、減圧下において原料ガスを含むガスを高電界による電気的エネルギーで放電させ、分解させ、生成する物質を気相中或いは基板上での化学反応を経て、基板上に堆積させるプロセスから成る。
プラズマ状態は、グロー放電によって実現されるものであり、このグロー放電の方式によって、直流グロー放電を利用する方法、高周波グロー放電を利用する方法、マイクロ波放電を利用する方法などが知られている。
低温プラズマCVDは、
(1)高速電子によるガス分子の直接分解を利用しているため、生成エネルギーの大きな原料ガスを容易に解離できる、
(2)電子温度とガスイオン温度が異なり、電子温度は化学反応を遂行するに必要なエネルギーを有する高温であるが、イオン温度は低温である熱的非平衡状態にあり、低温プロセスが可能となる、
(3)基板温度が低くても比較的均一なアモルファス膜を形成できる、
という利点を有するものであり、プラスチック基材にも容易に適用できるものである。
(a)水素の引き抜き:SiCH3→SiCH2
(b)酸化:SiCH2→SiOH
(c)縮合:SiOH→SiO
即ち、従来公知のケイ素酸化膜は、高出力でグロー放電が実行されていたため、有機ケイ素化合物が(c)の段階まで一挙に反応してしまい、この結果、可撓性に乏しく、基材との密着性も低いものであった。しかるに、本発明では、高出力でのグロー放電に先立って低出力でグロー放電が行われるため、
(a)の段階で生成したSiCH2・ラジカル同士の反応が生じ、有機ケイ素化合物重合体が基材の界面近傍に生成し、この結果、基体表面には、このような重合体に由来するカーボン成分に富んだ有機性層が生成する。また、次に行われる高出力のグロー放電では、反応(c)が主体となり、高い密度のケイ素酸化膜が得られ、優れたガス遮断性が発現するものである。
また、高出力でのグロー放電は、一般に100W以上で行われる。
即ち、図1及び図2では、低出力から高出力への出力変化を連続的に行った例である。この場合には、基体表面に有機性層が形成され、その上に金属酸化膜が形成されるが、その組成は連続的に変化する。また、図3は、段階的に出力変化を行った例であり、この場合、有機性層から金属酸化膜への変化は臨界的となる。
さらに、図4は、低出力から高出力に出力変化を行った後、高出力と低出力での出力変化を繰り返し行った例である。この場合には、有機性層と金属酸化膜とが交互に形成される。
本発明において、金属酸化膜の形成に用いる装置は、処理すべき基体を含むプラズマ処理室と、プラズマ処理室を減圧状態に保持するための排気系と、プラズマ処理室内に処理用ガスを導入するための処理用ガス導入系と、プラズマ処理室内にプラズマを発生させるための電磁波導入系とを含んでなる。
かかる装置の一例を、マイクロ波プラズマ処理装置を例にとって、その概略配置を図5に示した。
この具体例において、導波管5には、処理室からのマイクロ波反射量を最少に調節するための三本チューナー6が設けられており、またプラズマ処理室1には、該処理室の負荷を調節するためのショートプランジャー(図示せず)も設けられている。
真空ポンプ2により達成されるボトル8内の減圧の程度は、処理用ガスが導入され且つマイクロ波が導入されてグロー放電が発生するような程度である。一方、プラズマ処理室1内の減圧の程度は、マイクロ波が導入されてもグロー放電が発生しないような減圧の程度である。
尚、この際、処理ガス導入パイプ9を金属製パイプとしたときには、金属製アンテナを兼ねることができる。
また、金属製パイプの外方(該パイプの伸張方向)に線状或いは箔状の等の金属製アンテナを取り付けて全体を金属製アンテナとすることもできる。
さらに、容器内面に化学蒸着膜を形成する場合は、前記処理ガス導入パイプを多孔質の金属、セラミック、プラスチック等の多孔質体から形成することが、均一な薄い膜厚で柔軟性及び可撓性を有するガス遮断性に優れた化学蒸着膜とし、生産性を向上させる点で好ましい。
このプラズマ中での電子温度は数万Kであり、ガス粒子の温度は数100Kであるのに比して、約2桁ほど低く、熱的に非平衡の状態であり、耐熱性の低いプラスチック基体に対しても有効にプラズマ処理による被膜形成を行うことができる。
本発明において、プラズマ処理の条件は、前述した低出力領域及び高出力領域でのグロー放電によって処理を行うものであるが、製膜時の真空度、原料ガスの供給速度、酸化性ガスの供給速度等の条件は、処理すべき基材(例えば容器)の大きさ等によって適宜決定される。
5〜200Paの範囲に維持して、マイクロ波放電を行うのが好ましい。
酸化性ガスの導入量は、ケイ素原料ガスの組成等によっても相違するが、一般に5〜500sccm、特に、10〜300sccmの比較的多い流量で供給するのが好ましい。
ケイ素原料の供給速度が小さく、製膜時の真空度が高い(圧力が低い)場合には、マイクロ波によるグロー放電が不安定になり、その結果としてケイ素酸化膜の形成も不安定になる傾向がある。
これに対して、マイクロ波プラズマ処理に際して、プラズマ処理室内に金属製のアンテナや電子放出トリガーを位置させると、製膜時の真空度が高い(圧力が低い)場合にも、マイクロ波によるグロー放電が安定になり、ケイ素酸化膜を安定に形成させることができる。
更に、ケイ素原料の供給速度を小さくしながら、製膜時の真空度(圧力)をグロー放電の安定化の上で適切な範囲に維持するには、酸化性ガスの供給速度を大きな値に維持することが重要であることも了解されるであろう。
アンテナの形状としては、棒状アンテナ或いは先端部が尖った細線状アンテナ或いは箔状アンテナで長さが前述した範囲にあるものが使用される。そして、前記細線状アンテナの径は一般に先端が2mm以下のものが適しており、一方、前記箔状アンテナの幅は5乃至10mm、厚みは5乃至500μm程度が適している。
この細線は発熱するので、耐熱性に優れたものがよく、例えば白金、ステンレススチール、銅、カーボン、アルミニウム、スチール等の材質で製造されたものが好ましい。
プラズマCVDの場合、蒸着膜の付き回り性は良好であり、全ての表面に蒸着膜を形成させることができる。
プラスチック容器のような立体成形品では、プラズマ処理室内に前記プラスチック容器の底部に対面するようにマイクロ波の反射板を配置することが、マイクロは放電を安定化させ、処理効率を高めるために好ましい。
内面にケイ素酸化膜が形成されたPETボトルについて、酸素透過率測定装置(モダンコントロール社製、OX−TRAN)を用いて、37℃、100%RHにおける酸素透過量を測定し、ケイ素酸化膜が形成されていないPETボトルの酸素透過量に対する値をガスバリヤー性として示した。即ち、この値が小さいほど、ガスバリヤー性が向上していることを意味する。
内面にケイ素酸化膜が形成されたPETボトルに無酸素水を満注充填し、キャッピング後37℃の空気環境に保存し、3週間後、ボトル内の水の酸素濃度を測定し、ケイ素酸化膜が形成されていないPETボトルによるボトル内の酸素濃度に対する値を耐水性として示した。即ち、この値が小さいほど、ガスバリヤー性が向上し、耐水性・密着性が優れていることを意味する。
内面にケイ素酸化膜が形成されたPETボトルの胴部の内面について、PHI社製のX線光電子分光装置(Quantum 2000)により、膜の深さ方向のケイ素、酸素及び炭素の組成分布を測定し、炭素元素濃度が15%以上、且つケイ素元素濃度が10%以上の領域の厚みを有機性層の厚みとして示した。
図5に示す構造のプラズマ処理室を備えたプラズマ処理装置を使用し、且つ処理用ガスとして、ヘキサメチルジシロキサン(HMDSO)及び酸素を使用し、内容積520mlのPETボトルの内面に、下記条件でマイクロ波をプラズマ処理室に導入してケイ素酸化膜を形成した。
低出力領域: 2秒
誘導期間;0.5秒
マイクロ波出力; 50W
高出力領域: 3秒
マイクロ波出力; 480W
マイクロ波発振時間(ON時間);3.8ミリ秒/1周期
このようにして内面に蒸着膜が形成されたPETボトルについて、ガスバリヤー性、密着性、有機性層厚み及び全膜厚を測定し、その結果を表1に示した。
低出力領域を設けず、高出力領域一段でマイクロ波(2.45GHz)をプラズマ処理室に連続して導入した以外は、実施例1と全く同様にしてPETボトルの内面にケイ素酸化膜を形成し、実施例1と同様の評価を行った。その結果を表1に示す。
尚、マイクロ波の導入時間は、以下のように設定した。
高出力領域: 3秒(低出力領域なし)
誘導期間; 3秒
マイクロ波出力; 480W
Claims (11)
- プラズマCVD法により有機金属と酸化性ガスとを反応させて所定の基材表面にガス遮断性を有する金属酸化膜を形成する方法において、
低出力領域でのグロー放電によって有機金属が主体とする反応を行った後、高出力領域でのグロー放電によって有機金属と酸化性ガスとの反応を行うことを特徴とする金属酸化膜の形成方法。 - 前記低出力領域が20乃至90Wの範囲であり、前記高出力領域が、100W以上の範囲である請求項1に記載の形成方法。
- 前記低出力領域から高出力領域での出力変化を連続的に行う請求項1または2に記載の形成方法。
- 前記低出力領域から高出力領域での出力変化を段階的に行う請求項1または2に記載の形成方法。
- 前記低出力領域から高出力領域での出力変化を行った後、さらに高出力領域から低出力領域への出力変化及び低出力領域から高出力領域への出力変化を繰り返し行う請求項1乃至4の何れかに記載の形成方法。
- 前記グロー放電を高周波電界で行う請求項1乃至5の何れかに記載の形成方法。
- 前記グロー放電をマイクロ波電界で行う請求項1乃至5の何れかに記載の形成方法。
- 前記有機金属として有機ケイ素化合物を使用する請求項1乃至7の何れかに記載の形成方法。
- 前記基材がプラスチックである請求項1乃至8の何れかに記載の形成方法。
- 低出力領域でのマイクロ波グロー放電により、O,C及びSiの3元素基準でのC元素濃度が15%以上のカーボン成分に富んだ有機性層が10nm以下の厚みで基体表面側に形成される請求の範囲7に記載の金属酸化膜の形成方法。
- 前記有機性層を含めて全体として100nm以下の厚みの金属酸化膜を形成する請求の範囲10に記載の形成方法。
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