JP2006111949A - Film deposition system and film deposition method of silicon oxide thin film by cvd process - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラスチック容器等の三次元中空容器、プラスチックカップ、プラスチックトレー、紙容器、紙カップ、紙トレー、ガラス瓶、その他中空のプラスチック成形品等の表面にCVD法(化学蒸着法)により酸化珪素薄膜を成膜するための成膜装置及び成膜方法に関する。 The present invention provides a silicon oxide thin film formed on a surface of a three-dimensional hollow container such as a plastic container, a plastic cup, a plastic tray, a paper container, a paper cup, a paper tray, a glass bottle, and other hollow plastic molded articles by a CVD method (chemical vapor deposition method). The present invention relates to a film forming apparatus and a film forming method for forming a film.
近年、プラスチック容器等の三次元中空容器表面に薄膜を成膜し、容器のガスバリア性、水蒸気バリア性、表面の濡れ性等を向上させる試みがなされている。これらの機能性薄膜を容器表面に成膜する方法としては、プロセスガスの化学反応を利用したプラズマ助成式CVD法による成膜方法がある。具体的には、特許文献1に示されているように、容器の外形とほぼ相似形の中空部を有する外部電極と、容器の内部形状とほぼ相似形の内部電極の間に容器を設置し、容器表面に成膜を行う方法や、また特許文献2に示されているように、外部電極と内部電極をともに容器の表面からほぼ一定の距離にあるように配置し、容器表面に成膜を行う方法等である。
In recent years, attempts have been made to improve the gas barrier property, water vapor barrier property, surface wettability, and the like of a container by forming a thin film on the surface of a three-dimensional hollow container such as a plastic container. As a method of forming these functional thin films on the surface of the container, there is a film forming method by a plasma assisted CVD method using a chemical reaction of a process gas. Specifically, as shown in
これらの成膜方法によって成膜される機能性薄膜としては種々のものがあるが、その中には酸化珪素からなる薄膜がある。この薄膜を上記したCVD法により成膜する場合には、有機シリコーンガスと酸素等の酸化力を有するガスの混合ガスを用いることが一般的であり、有機シリコーンガスと酸化力を有するガスの流量及びその配分比率を適宜に組み合わせることにより酸化珪素薄膜の性質を様々に変化させている。 There are various functional thin films formed by these film forming methods, and among these, there are thin films made of silicon oxide. When forming this thin film by the above-mentioned CVD method, it is common to use a mixed gas of an organic silicone gas and a gas having an oxidizing power such as oxygen, and the flow rate of the organic silicone gas and a gas having an oxidizing power. The properties of the silicon oxide thin film are variously changed by appropriately combining the distribution ratios.
例えば、特許文献3に開示の成膜方法においては、原料ガスとなる有機シリコーンガスと酸化力を有するガスの流量及びその配分比率を適宜に組み合わせ、容器内面に炭素原子の比率が高い組成の部分と炭素原子の比率が低い組成の部分とが層状に連続して存在するように酸化珪素薄膜を形成させることにより、この薄膜によって高いバリア性が確保できるようにすると共に、容器が変形した場合においても一旦成膜された薄膜のバリア性が劣化しないようにしている。
For example, in the film forming method disclosed in
2種類の原料ガスの流量を変化させて成膜を行う際の原料ガス流量のコントロール方法としては、それぞれのガス流量をコントロールするために用いられるマスフローコントローラーの設定値を成膜中に変化させるという方法があり、一般に広く用いられている。しかし、マスフローコントローラーの流量制御は、流れているガス流量を測定し、その測定値を元にフィードバック制御にてマスフローコントローラー内のバルブの開度を調整することにより行われるため、流量設定値を成膜中に変えたとしても、実際の流量がその設定値に達するまでに時間を要するため、流量設定値に対応する所定組成の薄膜部分を得るまでには時間を要するようになり、結果として薄膜全体を成膜するのにかかる時間が長くなっていた。
本発明は上記従来技術の問題点を解決するためになされたもので、原料ガスの配分比率を変化させながら行うCVD法による酸化珪素薄膜の成膜において、成膜中に有機シリコーンガスと酸化力を有するガスの流量が所定の流量に達するまでの時間を短くなるように
することにより、成膜チャンバー内に供給する原料ガスの配分比率が所定設定値に迅速に到達するようにし、所定配分比率の原料ガスの下での成膜が短時間で行えるようにした、酸化珪素薄膜の成膜装置及び成膜方法を提供することを課題とする。
The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and in the formation of a silicon oxide thin film by a CVD method while changing the distribution ratio of the source gas, the organic silicone gas and the oxidizing power are formed during the film formation. By reducing the time until the flow rate of the gas having the predetermined flow rate is reached, the distribution ratio of the source gas supplied into the film forming chamber quickly reaches the predetermined set value, and the predetermined distribution ratio It is an object of the present invention to provide a silicon oxide thin film forming apparatus and a film forming method capable of forming a film under a raw material gas in a short time.
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、請求項1に記載の発明は、少なくとも有機シリコーン化合物ガスと酸化力を有するガスを含む混合ガスを用いてガスの配分比率を変化させながらCVD法により容器の表面に酸化珪素薄膜を成膜するための装置であって、有機シリコーン化合物ガスを定流量で供給するためのマスフローコントローラーを複数個有し、かつこれらのマスフローコントローラーの内の一つから送られてくる定流量の有機シリコーン化合物ガスを成膜チャンバー内に供給できるようにするための切り替えバルブが設置されていることを特徴とするCVD法による酸化珪素薄膜の成膜装置である。
The present invention has been made to solve such a problem, and the invention according to
また、請求項2に記載の発明は、少なくとも有機シリコーン化合物ガスと酸化力を有するガスを含む混合ガスを用いてガスの配分比率を変化させながらCVD法により容器の表面に酸化珪素薄膜を成膜するための装置であって、酸化力を有するガスを定流量で供給するためのマスフローコントローラーを複数個有し、かつこれらのマスフローコントローラーの内の一つから送られてくる定流量の酸化力を有するガスを成膜チャンバー内に供給できるようにするための切り替えバルブが設置されていることを特徴とするCVD法による酸化珪素薄膜の成膜装置である。 According to the second aspect of the present invention, a silicon oxide thin film is formed on the surface of a container by a CVD method using a mixed gas containing at least an organosilicon compound gas and a gas having an oxidizing power while changing a gas distribution ratio. A plurality of mass flow controllers for supplying a gas having oxidizing power at a constant flow rate, and a constant flow oxidizing power sent from one of these mass flow controllers. This is a silicon oxide thin film deposition apparatus by a CVD method, in which a switching valve is provided for allowing a gas to be supplied into the deposition chamber.
さらにまた、請求項3に記載の発明は、少なくとも有機シリコーン化合物ガスと酸化力を有するガスを含む混合ガスを用いてガスの配分比率を変化させながらCVD法により容器の表面に酸化珪素薄膜を成膜するための装置であって、有機シリコーン化合物ガスを定流量で供給するための複数個のマスフローコントローラーと酸化力を有するガスを定流量で供給するための複数個のマスフローコントローラーを有し、かつ複数個のマスフローコントローラーの内の一つから送られてくる定流量の有機シリコーン化合物ガスを成膜チャンバー内に供給できるようにするための切り替えバルブと複数個のマスフローコントローラーの内の一つから送られてくる定流量の酸化力を有するガスを成膜チャンバー内に供給できるようにするための切り替えバルブが設置されていることを特徴とするCVD法による酸化珪素薄膜の成膜装置である。
Furthermore, in the invention described in
さらにまた、請求項4に記載の発明は、少なくとも有機シリコーン化合物ガスと酸化力を有するガスを含む混合ガスを用いてガスの配分比率を変化させながらCVD法により容器の表面に酸化珪素薄膜を成膜するための成膜方法において、有機シリコーン化合物ガスと酸化力を有するガスのそれぞれを定流量で供給するための複数個のマスフローコントローラーのそれぞれから送られてくるガス流量を個別に設定すると共に、複数個のマスフローコントローラーの内の一つから送られてくる定流量の有機シリコーン化合物ガス及び/または複数個のマスフローコントローラーの内の一つから送られてくる定流量の酸化力を有するガスを切り替えバルブの切り替えにより成膜チャンバー内に選択して供給することにより、混合ガスの配分比率を変化させながら酸化珪素薄膜を成膜するようにしたことを特徴とする酸化珪素薄膜の成膜方法である。
Furthermore, in the invention described in
本発明は、原料ガスの配分比率を変化させながら行うCVD法による酸化珪素薄膜の成膜において、成膜中の原料ガスの配合比率の変更をマスフローコントローラーと切り替えバルブとの協同で行うことで、成膜中に有機シリコーンガスと酸化力を有するガスの流量が所定の流量に達するまでの時間が短くなり、成膜チャンバー内における原料ガスの配分比率が所定設定値に迅速に到達するようになるため、所期の組成部分が層状に変化して存
在する酸化珪素薄膜の成膜が短時間で行えるようになる。
In the present invention, in the formation of the silicon oxide thin film by the CVD method while changing the distribution ratio of the source gas, by changing the mixing ratio of the source gas during the film formation in cooperation with the mass flow controller and the switching valve, During the film formation, the time until the flow rate of the organic silicone gas and the gas having oxidizing power reaches a predetermined flow rate is shortened, and the distribution ratio of the source gas in the film formation chamber quickly reaches the predetermined set value. Therefore, it is possible to form a silicon oxide thin film in which a desired composition portion is changed into a layer shape in a short time.
以下、本発明を図面を参照にして詳細に説明する。図1は、プラスチック容器の内面に酸化珪素薄膜を成膜するために用いる、本発明のCDV法による酸化珪素薄膜の成膜装置の一例を示す概略説明図である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic explanatory view showing an example of a silicon oxide thin film forming apparatus according to the CDV method of the present invention used for forming a silicon oxide thin film on the inner surface of a plastic container.
この装置は、大略的には、成膜チャンバー17と、この成膜チャンバー17内に少なくとも有機シリコーン化合物ガスと酸化力を有するガスを含む混合ガスを供給するためのガス導入管7と、有機シリコーン化合物ガスを定流量で供給するための複数個のマスフローコントローラー11、12と、酸化力を有するガスを定流量で供給するための複数個のマスフローコントローラー13、14と、マスフローコントローラー11、12のそれぞれから送られてくる原料ガス(有機シリコーン化合物ガス)の一方だけをガス供給管7を経由して成膜チャンバー17内に供給するための切り替えバルブ15と、マスフローコントローラー13、14のそれぞれから送られてくる原料ガス(酸化力を有するガス)の一方だけをガス供給管7を経由して成膜チャンバー17内に供給するための切り替えバルブ16と、原料ガスを貯蔵しておくための原料ガス貯蔵部9、10と、複数の原料ガス輸送管19、19・・・とから構成されている。
This apparatus generally includes a
成膜チャンバー17は、内部に薄膜を成膜しようとする容器1が収容できるだけの筒状のスペースを持ち、導電性材料よりなる外部電極2と、その外部電極2の一方の開口端に配置されている天蓋3と、もう一方の開口端に配置されている底蓋5とからなると共に、底蓋5の一部には排気口4が設けられ、さらには成膜チャンバー17の内部の適正な位置には容器1を配置するための容器保持部6が絶縁体により設けられている。そして、中空管であるガス導入管7が成膜チャンバー17の内部に挿入、配置されていて、その先端の混合ガス吐出口8から少なくとも有機シリコーン化合物ガスと酸化力を有するガスを所定の配合比率で含む混合ガスが容器1の内部に供給されるようになっている。また、成膜チャンバー17内を真空にするため、この排気口4を介して真空ポンプ(図示せず)が設置されている。
The
このような構成の成膜装置においては、原料ガス貯蔵部9に貯蔵してある有機シリコーン化合物ガスがガス輸送管を介してマスフローコントローラー11、12へと送られ、原料ガス貯蔵部10に貯蔵してある有機シリコーン化合物ガスがガス輸送管を介してマスフローコントローラー13、14へと送られる。各マスフローコントローラー11、12、13、14は内部のバルブの開度がそれぞれ適宜のものに調整してあり、マスフローコントローラー11、12からはバルブの開度に応じた一定流量の有機シリコーン化合物ガスがガス輸送管を介して切り替えバルブ15のところまで送られ、マスフローコントローラー13、14からはバルブの開度に応じた一定流量の酸化力を有するガスがガス輸送管を介して切り替えバルブ16のところまで送られてくる。
In the film forming apparatus having such a configuration, the organosilicon compound gas stored in the source
すると、切り替えバルブ15ではバルブの切り替えによりマスフローコントローラー11、12の何れかから送られてくる所定流量の有機シリコーン化合物ガスの一方を、また切り替えバルブ16ではバルブの切り替えによりマスフローコントローラー13、14の何れかから送られてくる所定流量の酸化力を有するガスの一方をガス導入管7に向かって送り込むように制御される。
Then, in the
このような制御のもと、例えば容器1表面に、炭素原子の比率が高い組成の部分と炭素原子の比率が低い組成の部分とが層状に連続して存在するように酸化珪素薄膜を成膜するような場合には、マスフローコントローラー11の流量設定は多めにし、マスフローコントローラー12の流量設定は少なめにしておき、成膜中に切り替えバルブ15を所定のタ
イミングで瞬時に切り替えることにより、原料ガスの供給に係わるマスフローコントローラーの切り替えを行い、容器1内に供給される混合ガス中の有機シリコーン化合物ガスの配合比率を短時間で変化させ、結果として炭素原子の比率の高い組成の部分と炭素原子比率の低い組成の部分とが層状に連続して積層されてなる酸化珪素薄膜が短時間で成膜できるようになる。これは、混合ガス中の有機シリコーン化合物ガスの比率が高ければ炭素原子を多く含む組成の部分が得られ、逆に有機シリコーン化合物の比率が低ければ炭素原子の少ない部分が得られるので、酸化珪素薄膜の成膜中に有機シリコーン化合物ガスと酸化力を有するガスのガス配分比率を適宜に変えることにより、炭素原子の比率が高い組成の部分と炭素原子の比率が低い組成の部分とが層状に連続して存在する酸化珪素薄膜が形成されるという現象を利用したものである。
Under such control, for example, a silicon oxide thin film is formed on the surface of the
したがって、成膜する酸化珪素薄膜の厚さ方向における組成を次第に変化させて成膜するには、有機シリコーン化合物ガスの流量を一定にしておいて酸化力のあるガスの流量を変化させても、あるいは酸化力のあるガスの流量を一定にしておいて有機シリコーン化合物のガス流量を変化させるようにしてもよい。 Therefore, in order to form a film by gradually changing the composition in the thickness direction of the silicon oxide thin film to be formed, even if the flow rate of the oxidizing gas is changed while the flow rate of the organosilicon compound gas is kept constant, Alternatively, the gas flow rate of the organic silicone compound may be changed while keeping the flow rate of the gas having oxidizing power constant.
実際の成膜においては、成膜チャンバー17内を一定の真空度にした後、ガス導入管の混合ガス吐出口8より混合ガスを前記したよう調整しながら供給しつつ外部電極2に高周波電力を印加し、ボトル1内のガスをプラズマ化させ、容器の内面に所定の組成部分が層状に変化して存在する酸化珪素薄膜を効率的に形成することができる。
In actual film formation, after the inside of the
この際に使用される有機シリコーン化合物ガスとしては、例えば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、ビニルトリメチルシラン、メチルトリメトキシシラン、ヘキサメチルジシラン、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、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、メチルトリエトキシシラン、オクタメチルシクロテトラシロキサン等のガスの中から適宜のものを選択することができる。この中では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、オクタメチルシクロテトラシロキサンのガスが好ましい。ただし、本発明において用いることのできる有機シリコーン化合物ガスとしては、これらの有機シリコーン化合物ガスに限定されるものではなく、アミノシラン、シラザン等のガスも用いることができる。 Examples of the organic silicone compound gas used in this case include 1,1,3,3-tetramethyldisiloxane, hexamethyldisiloxane, vinyltrimethylsilane, methyltrimethoxysilane, hexamethyldisilane, methylsilane, dimethylsilane, In gases such as trimethylsilane, diethylsilane, propylsilane, phenylsilane, vinyltriethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, octamethylcyclotetrasiloxane An appropriate one can be selected from the above. Of these, 1,1,3,3-tetramethyldisiloxane, hexamethyldisiloxane, and octamethylcyclotetrasiloxane are preferred. However, the organic silicone compound gas that can be used in the present invention is not limited to these organic silicone compound gases, and gases such as aminosilane and silazane can also be used.
また、酸化力を有するガスとしてはたとえば酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、オゾン等が使用できる。以下、本発明の実施例を以下に説明する。 As the gas having oxidizing power, for example, oxygen, carbon monoxide, carbon dioxide, ozone and the like can be used. Examples of the present invention will be described below.
図1に示す成膜装置の成膜チャンバー17に設置されている容器保持部6に、容量が500mlのポリエチレンテレフタレート製中空容器1をセットした。次に、マスフローコントローラー11(MFC11)、マスフローコントローラー12(MFC12)、マスフローコントローラー21(MFC21)の流量を表1に示すようにそれぞれ設定すると共に、切り替えバルブ15を切り替えることにより原料ガス貯蔵部9に貯蔵されているヘキサメチルジシロキサンのガスを、また切り替えバルブ16を介しては原料ガス貯蔵部10に貯蔵されている酸素ガスを、下記のようにコントロールしながら成膜チャンバー17内に供給し、酸化珪素薄膜の成膜を行った。
A
混合ガスをガス導入管7のガス吐出口8から供給して行った成膜時間は全体で5秒間であったが、その間、ヘキサメチルジシロキサンのガスについては成膜開始から2秒間はマスフローコントローラー11(MFC11)を介して供給し、その後は切り替えバルブ15を切り替えてからマスフローコントローラー12(MFC12)を介して3秒間供給し
た。また、酸素ガスについては、切り替えバルブ16を切り替えることなくマスフローコントローラー21(MFC21)を介して5秒間の供給を行った。また、成膜時に外部電極2に印加した高周波電力は400ワットであった。
The film formation time when the mixed gas was supplied from the
マスフローコントローラー11(MFC11)、マスフローコントローラー21(MFC21)、マスフローコントローラー22(MFC22)の流量を表1に示すようにそれぞれ設定すると共に、切り替えバルブ15を介しては原料ガス貯蔵部9に貯蔵されているヘキサメチルジシロキサンのガスを、また切り替えバルブ16を切り替えることにより原料ガス貯蔵部10に貯蔵されている酸素ガスを、下記のようにコントロールしながらガス導入管7から成膜チャンバー17内に供給し、酸化珪素薄膜の成膜を行った。
The flow rates of the mass flow controller 11 (MFC 11), the mass flow controller 21 (MFC 21), and the mass flow controller 22 (MFC 22) are set as shown in Table 1 and stored in the source
混合ガスをガス導入管7のガス吐出口8から供給して行った成膜時間は全体で5秒間であったが、その間、ヘキサメチルジシロキサンのガスについては切り替えバルブ15を切り替えることなくマスフローコントローラー11(MFC11)を介して5秒間の供給を行い、酸素ガスについては成膜開始から2秒間は供給せず、2秒経過後に替えバルブ16を切り替えることによりマスフローコントローラー21(MFC21)から3秒間の供給を行った。それ以外は実施例1と同様の条件であった。
The film formation time performed by supplying the mixed gas from the
マスフローコントローラー11(MFC11)、マスフローコントローラー12(MFC12)、マスフローコントローラー22(MFC22)の流量を表1に示すようにそれぞれ設定すると共に、切り替えバルブ15を切り替えることにより原料ガス貯蔵部9に貯蔵されているヘキサメチルジシロキサンのガスを、また切り替えバルブ16を切り替えることにより原料ガス貯蔵部10に貯蔵されている酸素ガスを、下記のようにコントロールしながらガス導入管7から成膜チャンバー17内に供給し、酸化珪素薄膜の成膜を行った。
The flow rates of the mass flow controller 11 (MFC 11), the mass flow controller 12 (MFC 12), and the mass flow controller 22 (MFC 22) are set as shown in Table 1 and stored in the source
混合ガスをガス導入管7のガス吐出口8から供給して行った成膜時間は全体で5秒間であったが、その間、ヘキサメチルジシロキサンのガスについては成膜開始から2秒間はマスフローコントローラー11(MFC11)から供給し、その後に切り替えバルブ15を切り替えることによって今度はマスフローコントローラー12(MFC12)から3秒間の供給を行った。
The film formation time when the mixed gas was supplied from the
一方、酸素ガスについては成膜開始から2秒間は供給せず、2秒経過後に替えバルブ16を切り替えることによりマスフローコントローラー22(MFC22)から3秒間の供給を行った。それ以外は実施例1と同様の条件であった。
On the other hand, oxygen gas was not supplied for 2 seconds from the start of film formation, and was supplied from the mass flow controller 22 (MFC 22) for 3 seconds by switching the
実施例1と同様の成膜装置を用い、マスフローコントローラー12(MFC12)とマスフローコントローラー22(MFC22)並びに各切り替えバルブ15、16は使用せず、マスフローコントローラー11(MFC11)とマスフローコントローラー21(MFC21)のみを使用し、マスフローコントローラー11(MFC11)からはヘキサメチルジシロキサンのガスを成膜開始から2秒間は10SCCMで供給した後、さらに3秒間は2SCCMで供給すると共に、それと同時に、マスフローコントローラー21(MFC21)からは酸素ガスを5秒間成膜チャンバー17内に供給しながら、比較のための実施例4に係る成膜を行った。マスフローコントローラー11(MFC11)における流量の制御は、流れているガス流量を測定し、その測定値を元にフィードバック制御にてマスフローコントローラー11(MFC11)のバルブの開度を調整することにより行った。
Using the same film forming apparatus as in Example 1, the mass flow controller 12 (MFC 12), the mass flow controller 22 (MFC 22), and the switching
以上のようにしてなされた実施例1乃至4に係る成膜によって得られた酸化珪素薄膜中の炭素、珪素、酸素の合計の原子数の中の炭素原子の比率を厚み方向で測定した。結果を図2に示す。実施例1〜3に係る酸化珪素薄膜は、ヘキサメチルジシロキサンのガスの流量を変化させた時点から薄膜中の炭素原子の比率が厚み方向にガス流量の変化に対応して急激に変化していたが、実施例4に係る酸化珪素薄膜は、ヘキサメチルジシロキサンのガスの流量を切り替えに伴って急激に変化するのではなく、なだらかに変化しているだけであった。 The ratio of carbon atoms in the total number of atoms of carbon, silicon, and oxygen in the silicon oxide thin film obtained by the film formation according to Examples 1 to 4 performed as described above was measured in the thickness direction. The results are shown in FIG. In the silicon oxide thin films according to Examples 1 to 3, the ratio of carbon atoms in the thin film changed rapidly in response to the change in gas flow rate from the time when the gas flow rate of hexamethyldisiloxane was changed. However, the silicon oxide thin film according to Example 4 did not change abruptly as the gas flow rate of hexamethyldisiloxane was changed, but only changed gently.
1・・・容器
2・・・外部電極
3・・・天蓋
4・・・排気口
5・・・底蓋
6・・・容器保持部品
7・・・ガス導入管
8・・・混合ガス吐出口
9、10・・・原料ガス貯蔵部
11、12、13、14・・・マスフローコントローラー
15、16・・・切り替えバルブ
17・・・成膜チャンバー
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