JP2013159517A - Organic carbon film and method for producing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an organic carbon film with high hardness, which is producible by a wet film forming method.SOLUTION: An organic carbon film has hardness evaluated by a pencil hardness test of 2H or higher. In a method for producing the organic carbon film, a film formed by wet film forming using a solution of a fullerene derivative is heat-treated at 400 to 1,000°C. The organic carbon film with high hardness is obtainable by heat-treating a fullerene derivative film formed by wet film forming at a high temperature region where decomposition of fullerene starts.

Description

本発明は有機系炭素膜に関するものであり、詳しくは湿式製膜法により形成されたフラーレン誘導体の膜を加熱処理して得られる高硬度有機系炭素膜に関する。
本発明はまた、この有機系炭素膜の製造方法と、この有機系炭素膜を含む積層体に関する。
The present invention relates to an organic carbon film, and more particularly to a high-hardness organic carbon film obtained by heat-treating a fullerene derivative film formed by a wet film forming method.
The present invention also relates to a method for producing the organic carbon film and a laminate including the organic carbon film.

本発明において、「有機系炭素膜」とは、炭素のみからなる膜ではなく、強熱減量試験(Ignition Loss Test)で質量の減少を示す、主として有機物よりなる強熱減量成分を含む炭素膜をさす。   In the present invention, the “organic carbon film” is not a film made of only carbon, but a carbon film containing an ignition loss component mainly composed of an organic substance, which shows a decrease in mass in an ignition loss test (ignition loss test). Sure.

炭素系材料は、ダイヤモンドや黒鉛(グラファイト)等のバルク材料として古くから利用されてきたが、近年コーティング材料や機能性薄膜材料としても注目を集めつつある。中でも、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)に代表されるアモルファス炭素膜は、例えば後述の本発明に係る鉛筆硬度法で評価した硬度が6H程度と高硬度で摩擦係数が低く、平滑性、耐摩耗性、絶縁性、耐薬品性等に優れるため、アルミニウム加工用金型、工具等の保護膜、光学素子の保護膜、磁気ヘッドの摺動面へのコーティング等に用いられている。   Carbon-based materials have been used for a long time as bulk materials such as diamond and graphite (graphite), but in recent years they are also attracting attention as coating materials and functional thin film materials. Among them, an amorphous carbon film typified by diamond-like carbon (DLC) has a hardness as high as about 6H evaluated by a pencil hardness method according to the present invention, which will be described later, and has a low friction coefficient, smoothness, wear resistance, Since it is excellent in insulation, chemical resistance, etc., it is used for aluminum processing molds, protective films for tools and the like, protective films for optical elements, coating on sliding surfaces of magnetic heads, and the like.

アモルファス炭素膜の形成には、高周波プラズマ法やプラズマ化学気相成長法などの気相成長法が主に用いられている(例えば特許文献1)。しかし、これらの気相成長法はいずれも大型の真空機器を必要とするため、製膜コストが高くなるとともに、大面積膜の製膜には適していない。   For the formation of the amorphous carbon film, a vapor phase growth method such as a high frequency plasma method or a plasma chemical vapor deposition method is mainly used (for example, Patent Document 1). However, since these vapor phase growth methods all require a large vacuum device, the film forming cost is high and the film is not suitable for forming a large area film.

また、近年注目を集める炭素系材料にフラーレン(fullerene)がある。フラーレンは、球状の閉殻構造を有する炭素分子の総称であり、紫外線吸収特性、光導電性、光増感特性等の、分子構造に由来するユニークな性質を有しているため、有機半導体等の電子材料、機能性光学材料、従来のアモルファス系炭素薄膜に代わるコーティング材料等への幅広い応用が期待されており、基材上へのフラーレン薄膜の形成に関する検討が近年盛んに行われている。   In addition, fullerene is a carbon-based material that has attracted attention in recent years. Fullerene is a generic name for carbon molecules having a spherical closed shell structure, and has unique properties derived from the molecular structure such as ultraviolet absorption characteristics, photoconductivity, and photosensitization characteristics. A wide range of applications to electronic materials, functional optical materials, coating materials replacing conventional amorphous carbon thin films, and the like are expected, and studies on the formation of fullerene thin films on substrates have been actively conducted in recent years.

即ち、フラーレン薄膜を気相成長法により形成することは非常に困難であるため、溶媒キャスト法等の湿式製膜法によるフラーレン薄膜の形成に関する検討がなされてきた(例えば、非特許文献1参照)。
また、フラーレンは溶媒に対する溶解性が低い上に、対称性の高い球状の分子構造を有していて配向性が低いため、十分な膜厚を有し、かつフラーレン分子が規則的に配向した膜を溶媒キャスト法等の湿式製膜法により得ることは困難であることから、フラーレンの膜形成特性および溶媒に対する溶解性を向上させるために、各種フラーレン誘導体の検討がなされ、種々の誘導体が提示されている(例えば特許文献2参照)。
That is, since it is very difficult to form a fullerene thin film by a vapor phase growth method, studies on the formation of a fullerene thin film by a wet film forming method such as a solvent casting method have been made (for example, see Non-Patent Document 1). .
In addition, fullerene has low solubility in a solvent and has a highly symmetrical spherical molecular structure and low orientation, so it has a sufficient film thickness, and fullerene molecules are regularly oriented. Is difficult to obtain by a wet casting method such as a solvent casting method, and various fullerene derivatives have been studied and various derivatives have been proposed in order to improve the film-forming properties of fullerene and the solubility in solvents. (For example, refer to Patent Document 2).

また、本願出願人は、湿式製膜法により容易に製造でき、かつ量産も可能であり、フラーレン本来の性質を損なうことなく保持でき、さらに熱分解によって発生する分解物が分解温度において窒素化合物を含まない気体であることから製造環境を汚染することなく、また膜内に残留することが無いため均質なフラーレン膜を形成することが可能なフラーレン膜の製造方法として、熱分解温度が400℃以下であり、熱分解によって発生する分解物が分解温度において窒素化合物を含まない気体であるフラーレン誘導体の溶液を基材上に塗布して得られる塗布膜を、前記フラーレン誘導体の熱分解温度よりも高く、前記フラーレンの熱分解温度よりも低い温度で加熱して、前記フラーレン誘導体の少なくとも一部を熱分解させることを特徴とするフラーレン膜の製造方法を提案した(特許文献3)。   In addition, the applicant of the present application can easily manufacture by a wet film-forming method, and can be mass-produced, can be retained without impairing the original properties of fullerene, and further, a decomposition product generated by thermal decomposition can generate a nitrogen compound at the decomposition temperature. As a method for producing a fullerene film capable of forming a homogenous fullerene film without polluting the production environment and not remaining in the film because it does not contain a gas, the thermal decomposition temperature is 400 ° C. or lower. And a coating film obtained by applying a fullerene derivative solution, which is a decomposition product generated by thermal decomposition, which is a gas containing no nitrogen compound at a decomposition temperature, on a substrate, is higher than the thermal decomposition temperature of the fullerene derivative. Heating at a temperature lower than the thermal decomposition temperature of the fullerene to thermally decompose at least a part of the fullerene derivative. It proposed a method for producing a fullerene film (Patent Document 3).

特開昭64−31974号公報JP-A-64-31974 特開2006−199674号公報JP 2006-199674 A 特開2010−229021号公報JP 2010-229021 A

パベル・ヤンダ(Pavel Janda)他、「アドバンスト・マテリアルズ(Advanced Materials)」、(ドイツ)、ワイリーVCH社(Wiley−VCH Verlag)、1998年12月、第10巻、第17号、p.1434−1438Pavel Janda et al., “Advanced Materials” (Germany), Wiley-VCH Verlag, December 1998, Vol. 10, No. 17, p. 1434-1438

アモルファス炭素膜は高硬度で各種の物性に優れるものであるが、その形成方法は乾式製膜法に限定され、工業的大量生産、大面積化には適していない。   An amorphous carbon film has high hardness and excellent various physical properties, but its formation method is limited to the dry film forming method, and is not suitable for industrial mass production and area enlargement.

一方、フラーレンは炭素のみで構成されるため、高硬度フラーレン膜の形成が期待されるが、湿式製膜法による製膜のためには、溶媒に対する溶解性向上のために、フラーレン骨格に各種の置換基を導入してフラーレン誘導体とする必要がある。そして、置換基の導入により、形成されるフラーレン誘導体膜の炭素含有量が相対的に低減する結果、高硬度膜を形成し得なくなる。   On the other hand, since fullerene is composed only of carbon, formation of a high-hardness fullerene film is expected. However, for film formation by a wet film formation method, various kinds of fullerene skeletons are added to improve the solubility in a solvent. It is necessary to introduce a substituent into a fullerene derivative. And by introducing a substituent, the carbon content of the fullerene derivative film to be formed is relatively reduced. As a result, a high hardness film cannot be formed.

特許文献3では、フラーレン誘導体の塗布膜をフラーレン誘導体の熱分解温度よりも高く、フラーレンの熱分解温度よりも低い温度、好ましくは100〜400℃、より好ましくは150〜300℃で加熱して、フラーレン誘導体の少なくとも一部を熱分解させているが、本発明者らの検討により、このような低温の加熱処理では高硬度膜を得ることは困難であることが確認された。   In Patent Document 3, the coating film of the fullerene derivative is heated at a temperature higher than the thermal decomposition temperature of the fullerene derivative and lower than the thermal decomposition temperature of the fullerene derivative, preferably 100 to 400 ° C, more preferably 150 to 300 ° C. Although at least a part of the fullerene derivative is thermally decomposed, it has been confirmed by the present inventors that it is difficult to obtain a high-hardness film by such low-temperature heat treatment.

本発明は、上記従来技術の実状に鑑みてなされたものであり、湿式製膜法で形成可能な高硬度有機系炭素膜を提供することを課題とする。   This invention is made | formed in view of the actual condition of the said prior art, and makes it a subject to provide the high hardness organic type carbon film which can be formed with a wet film forming method.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、湿式製膜法で形成したフラーレン誘導体膜をフラーレンの分解が始まるような高温領域で加熱処理すると、高硬度有機系炭素膜を得ることができることを見出した。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted a heat treatment on a fullerene derivative film formed by a wet film-forming method in a high temperature region where fullerene decomposition starts, and a high-hardness organic carbon film Found that you can get.

本発明はこのような知見に基づいて達成されたものであり、以下を要旨とする。   The present invention has been achieved based on such findings, and the gist thereof is as follows.

[1] 鉛筆硬度法で評価した硬度が2H以上であることを特徴とする有機系炭素膜。 [1] An organic carbon film having a hardness evaluated by a pencil hardness method of 2H or more.

[2] フラーレン及び/又はフラーレン誘導体を含む膜を400℃以上、1000℃以下で加熱処理して得られることを特徴とする[1]に記載の有機系炭素膜。 [2] The organic carbon film according to [1], which is obtained by heat-treating a film containing fullerene and / or fullerene derivatives at 400 ° C. or more and 1000 ° C. or less.

[3] 前記フラーレン及び/又はフラーレン誘導体のフラーレンが、C60、C70、C76、C82、C84、及びC90フラーレンから選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする[1]又は[2]に記載の有機系炭素膜。 [3] fullerene of the fullerene and / or fullerene derivative, C 60, C 70, C 76, C 82, C 84, and wherein the C 90 is at least one selected from fullerene [1] or The organic carbon film according to [2].

[4] 前記フラーレン誘導体が下記式(1)で表される構造を有することを特徴とする[1]ないし[3]のいずれかに記載の有機系炭素膜。 [4] The organic carbon film according to any one of [1] to [3], wherein the fullerene derivative has a structure represented by the following formula (1).

Figure 2013159517
Figure 2013159517

(但し、上記式(1)中、FLNはフラーレン骨格を表し、Rは、−Ar−(OX)又は−Ar−(CH(3−a)−(OX)で表される置換基(但し、Arは置換基を有していてもよい芳香族炭化水素基、Oは酸素原子、Xは水素原子、又はアルコール性水酸基の保護基であり、aは0〜3の整数、bは1〜5の整数である。)を表し、Rは、水素原子、水酸基又は炭素数1〜30の有機基を表し、mは1〜30の整数、nは0〜25の整数である。m,nが2以上の場合、複数のR、Rはそれぞれ相互に異なっていても同一でもよい。) (In the above formula (1), FLN represents a fullerene skeleton, and R 1 is represented by —Ar— (OX) a or —Ar— (CH (3-a) — (OX) a ) b. A substituent (wherein Ar is an aromatic hydrocarbon group which may have a substituent, O is an oxygen atom, X is a hydrogen atom or a protective group for an alcoholic hydroxyl group, a is an integer of 0 to 3, b is an integer of 1 to 5), R 2 represents a hydrogen atom, a hydroxyl group or an organic group having 1 to 30 carbon atoms, m is an integer of 1 to 30, and n is an integer of 0 to 25. When m and n are 2 or more, the plurality of R 1 and R 2 may be different or the same.

[5] 前記フラーレン誘導体が下記式(2)で表される構造を有することを特徴とする[1]ないし[3]のいずれかに記載の有機系炭素膜。 [5] The organic carbon film according to any one of [1] to [3], wherein the fullerene derivative has a structure represented by the following formula (2).

Figure 2013159517
Figure 2013159517

(但し、上記式(2)中、Aはフラーレン骨格との結合部位を表し、酸素原子、硫黄原子、燐原子、炭素数1〜6の炭素鎖、−Ar−O−(但しArは置換基を有していてもよい芳香族炭化水素基でありフラーレン骨格と結合している。)、フラーレン骨格の炭素原子を含む置換されていてもよい環状脂肪族基、又は置換されていてもよい芳香族炭化水素基を表し、rは0〜6の整数、tは0又は1の整数、pは1〜3の整数、qは1〜46の整数をそれぞれ表し、Rは炭素数1〜20の有機基を表す。) (In the above formula (2), A represents a bonding site with the fullerene skeleton, and an oxygen atom, a sulfur atom, a phosphorus atom, a carbon chain having 1 to 6 carbon atoms, -Ar-O- (where Ar is a substituent) An aromatic hydrocarbon group which may have a bond to the fullerene skeleton), an optionally substituted cycloaliphatic group containing a carbon atom of the fullerene skeleton, or an optionally substituted aromatic R represents an integer of 0 to 6, t represents an integer of 0 or 1, p represents an integer of 1 to 3, q represents an integer of 1 to 46, and R 3 represents an integer of 1 to 20 carbon atoms. Represents an organic group of

[6] 前記式(2)のフラーレン骨格との結合部位Aが、下記式(3)で表されるフラーレン骨格上の炭素原子を含む環状炭化水素構造を有することを特徴とする[5]に記載の有機系炭素膜。 [6] The binding site A with the fullerene skeleton of the formula (2) has a cyclic hydrocarbon structure containing a carbon atom on the fullerene skeleton represented by the following formula (3). The organic carbon film described.

Figure 2013159517
Figure 2013159517

(但し、上記式(3)中、2つのCはフラーレン骨格上の隣接する2つの炭素原子を表し、xは1〜8の整数である。なお、メチレン基−(CH−のうちの水素原子の少なくとも1つは、式(2)に示される−(CH−CO−(O)−Rで置換されている。) (However, in the above formula (3), the two C f represents the two adjacent carbon atoms on the fullerene skeleton, x is an integer from 1 to 8 Note, methylene group -. (CH 2) x - in At least one of the hydrogen atoms is substituted with — (CH 2 ) r —CO— (O) t —R 3 represented by the formula (2).

[7] 前記フラーレン誘導体が、下記式(4a)又は(4b)で表される構造を有することを特徴とする[1]ないし[3]のいずれかに記載の有機系炭素膜。 [7] The organic carbon film according to any one of [1] to [3], wherein the fullerene derivative has a structure represented by the following formula (4a) or (4b).

Figure 2013159517
Figure 2013159517

(但し、上記式(4a),(4b)中、R及びRはそれぞれ独立して、任意の置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RとRは、RとRの両者に結合する炭素原子、窒素原子、及び酸素原子のいずれかとともに、任意の置換基を有していてもよい含窒素環を形成していてもよい。) (However, in the above formulas (4a) and (4b), R a and R b each independently represent a hydrocarbon group which may have an arbitrary substituent, and R a and R b represent R (A nitrogen-containing ring which may have an arbitrary substituent may be formed together with any of a carbon atom, a nitrogen atom, and an oxygen atom bonded to both a and R b .)

[8] 前記フラーレン誘導体が、下記式(7)で表されるフラーレン骨格上の炭素原子を含む環状炭化水素構造を有することを特徴とする[1]ないし[3]のいずれかに記載の有機系炭素膜。 [8] The organic as described in any one of [1] to [3], wherein the fullerene derivative has a cyclic hydrocarbon structure containing a carbon atom on a fullerene skeleton represented by the following formula (7): Carbon film.

Figure 2013159517
Figure 2013159517

(但し、上記式(7)中、2つのCはフラーレン骨格上の隣接する2つの炭素原子を表し、Cαβは、式(7)に示されていない置換基を有していてもよいα個の炭素原子とこれらの炭素原子のいずれかに結合したβ個の水素原子とを有する飽和又は不飽和の炭化水素鎖を表し、αは1〜8の整数、βは0〜16の整数である。Cαβが2以上の置換基を有する場合、これらは互いに結合して環状構造を形成していてもよい。) (However, in the above formula (7), two C f represent two adjacent carbon atoms on the fullerene skeleton, and C α H β has a substituent not shown in the formula (7). Represents a saturated or unsaturated hydrocarbon chain having α carbon atoms and β hydrogen atoms bonded to any of these carbon atoms, α is an integer from 1 to 8, and β is from 0 to 16 (When C α H β has two or more substituents, these may be bonded to each other to form a cyclic structure.)

[9] 前記フラーレン及び/又はフラーレン誘導体を含む膜を110℃で加熱したときの膜厚Mに対して、その後該膜を400℃以上、1000℃以下で加熱処理して得られる有機系炭素膜の膜厚Mが0.5M以上であることを特徴とする[2]ないし[8]のいずれかに記載の有機系炭素膜。 [9] Organic carbon obtained by subjecting the film containing fullerene and / or fullerene derivative to a film thickness M 1 when heated at 110 ° C. and then heat-treating the film at 400 ° C. or more and 1000 ° C. or less. thickness M 2 of the membrane, characterized in that at 0.5M 1 or more [2] to organic carbon film according to any one of [8].

[10] 前記フラーレン及び/又はフラーレン誘導体を含む膜を110℃で加熱して得られる膜がラマンスペクトル上の1460cm−1±5cm−1に吸収ピークを有し、その後該膜を400℃以上、1000℃以下で加熱処理して得られる有機系炭素膜のラマンスペクトルでは該吸収ピークが認められないことを特徴とする[2]ないし[9]のいずれかに記載の有機系炭素膜。 [10] The fullerene and / or film obtained by heating the film at a 110 ° C. containing fullerene derivative has an absorption peak at 1460 cm -1 ± 5 cm -1 in the Raman spectrum, then membranes were 400 ° C. or higher, The organic carbon film according to any one of [2] to [9], wherein the absorption peak is not observed in a Raman spectrum of the organic carbon film obtained by heat treatment at 1000 ° C. or lower.

[11] フラーレン誘導体の溶液を用いて湿式製膜された膜を400℃以上、1000℃以下で加熱処理することを特徴とする有機系炭素膜の製造方法。 [11] A method for producing an organic carbon film, comprising heat-treating a film formed using a fullerene derivative solution at a temperature of 400 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.

[12] 前記加熱処理の温度が430℃以上、800℃以下であることを特徴とする[10]に記載の有機系炭素膜の製造方法。 [12] The method for producing an organic carbon film according to [10], wherein the temperature of the heat treatment is 430 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.

[13] フラーレン誘導体の溶液を用いて湿式製膜された膜を400℃以上、1000℃以下で加熱処理することを特徴とする[1]ないし[10]のいずれかに記載の有機系炭素膜の製造方法。 [13] The organic carbon film according to any one of [1] to [10], wherein a film formed wet using a solution of a fullerene derivative is heat-treated at 400 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. Manufacturing method.

[14] [1]ないし[10]のいずれかに記載の有機系炭素膜が基材上に形成されていることを特徴とする積層体。 [14] A laminate in which the organic carbon film according to any one of [1] to [10] is formed on a substrate.

本発明の有機系炭素膜は、鉛筆硬度2H以上の高硬度膜であって、フラーレン誘導体を用い、湿式製膜法で形成した膜を加熱処理することにより安価に製造することができ、また大面積化も容易である。
本発明の有機系炭素膜は、従来のアモルファス炭素膜に代わる高硬度機能性膜として、各種用途に適用可能である。
The organic carbon film of the present invention is a high-hardness film having a pencil hardness of 2H or more, and can be produced at low cost by heat-treating a film formed by a wet film-forming method using a fullerene derivative. The area can be easily increased.
The organic carbon film of the present invention can be applied to various applications as a high-hardness functional film that replaces the conventional amorphous carbon film.

本発明に用いられるフラーレン誘導体「H200」のラマンスペクトルを示すチャートである。It is a chart which shows the Raman spectrum of fullerene derivative "H200" used for this invention. 本発明の比較例に相当する「有機系炭素膜2」のラマンスペクトルを示すチャートである。It is a chart which shows the Raman spectrum of the "organic carbon film 2" corresponding to the comparative example of this invention. 本発明の実施例に相当する「有機系炭素膜3」のラマンスペクトルを示すチャートである。It is a chart which shows the Raman spectrum of the "organic carbon film 3" corresponding to the Example of this invention. 本発明の実施例に相当する「有機系炭素膜5」のラマンスペクトルを示すチャートである。It is a chart which shows the Raman spectrum of the "organic carbon film 5" corresponding to the Example of this invention. 本発明に用いられるフラーレン誘導体「H351」及び添加剤「WPAG618」のラマンスペクトルを併せて示すチャートである。It is a chart which shows collectively the Raman spectrum of fullerene derivative "H351" used for this invention, and additive "WPAG618". 本発明の比較例に相当する「有機系炭素膜22」のラマンスペクトルを示すチャートである。It is a chart which shows the Raman spectrum of the "organic carbon film 22" corresponding to the comparative example of this invention. 本発明の実施例に相当する「有機系炭素膜23」のラマンスペクトルを示すチャートである。It is a chart which shows the Raman spectrum of the "organic carbon film 23" corresponding to the Example of this invention. 本発明に用いられるフラーレン誘導体「H200」の赤外線吸収スペクトルを示すチャートである。It is a chart which shows the infrared absorption spectrum of fullerene derivative "H200" used for this invention. 本発明の実施例に相当する「有機系炭素膜5」の赤外線吸収スペクトルを示すチャートである。It is a chart which shows the infrared absorption spectrum of the "organic carbon film 5" corresponding to the Example of this invention.

以下、本発明について例示物等を示して詳細に説明するが、本発明は以下の例示物等に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に変更して実施できる。
なお、本明細書において「〜」という表現を用いる場合、その前後の数値を含む表現として用いる。
本発明の有機系炭素膜は、鉛筆硬度法で評価した硬度が2H以上の高硬度有機系炭素膜である。なお、この鉛筆硬度法による硬度の測定方法の詳細は、後掲の実施例の項に記載する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples and the like, but the present invention is not limited to the following examples and the like, and can be arbitrarily modified and implemented without departing from the gist of the present invention.
In addition, when using the expression “to” in this specification, it is used as an expression including numerical values before and after that.
The organic carbon film of the present invention is a high hardness organic carbon film having a hardness evaluated by a pencil hardness method of 2H or more. Details of the method of measuring hardness by this pencil hardness method will be described in the section of Examples below.

本発明の有機系炭素膜の製造方法としては特に制限はないが、湿式製膜法により製造することが好ましく、特に、フラーレン誘導体の溶液を用いて湿式製膜法により形成した膜を400℃以上、1000℃以下で加熱処理する本発明の有機系炭素膜の製造方法に従って製造することが好ましい。   Although there is no restriction | limiting in particular as the manufacturing method of the organic type carbon film of this invention, It is preferable to manufacture by the wet film forming method, and especially the film | membrane formed by the wet film forming method using the solution of a fullerene derivative is 400 degreeC or more. It is preferably produced according to the method for producing an organic carbon film of the present invention, which is heat-treated at 1000 ° C. or lower.

[フラーレン誘導体]
まず、本発明の有機系炭素膜の製造に好適なフラーレン誘導体について説明する。
[Fullerene derivative]
First, a fullerene derivative suitable for production of the organic carbon film of the present invention will be described.

<フラーレン骨格>
「フラーレン」とは、閉殻構造を有する炭素クラスターである。フラーレンの炭素数は、通常60〜130の偶数である。フラーレンの具体例としては、C60、C70、C76、C78、C82、C84、C90、C94、C96及びこれらよりも多くの炭素を有する高次の炭素クラスターを挙げることができる。なお、本明細書では、炭素数i(ここでiは任意の自然数を表す。)のフラーレン骨格を適宜、一般式「Ci」で表す。
<Fullerene skeleton>
“Fullerene” is a carbon cluster having a closed shell structure. The carbon number of fullerene is usually an even number of 60 to 130. Specific examples of fullerenes include C 60 , C 70 , C 76 , C 78 , C 82 , C 84 , C 90 , C 94 , C 96 and higher carbon clusters having more carbons than these. Can do. Note that in this specification, a fullerene skeleton having i carbon atoms (where i represents an arbitrary natural number) is appropriately represented by a general formula “C i ”.

また、「フラーレン誘導体」とは、フラーレン骨格を有する化合物又は組成物の総称である。即ち、フラーレン誘導体には、フラーレン骨格上に置換基を有したものの他、フラーレン骨格の内部に金属や化合物等を内包するもの及び他の金属原子や化合物と錯体を形成したもの等も含まれる。   The “fullerene derivative” is a general term for compounds or compositions having a fullerene skeleton. That is, fullerene derivatives include those having a substituent on the fullerene skeleton, those containing a metal or a compound in the fullerene skeleton, and those having a complex formed with another metal atom or compound.

本発明に係るフラーレン誘導体が有するフラーレン骨格は制限されないが、C60、C70、C76、C82、C84、及びC90から選ばれる少なくとも1種が好ましく、中でもC60又はC70が好ましく、C60がより好ましい。C60及びC70はフラーレンの製造時に主生成物として得られるので、入手が容易であるという利点がある。即ち、本発明に係るフラーレン誘導体は、C60又はC70或いはその混合物の誘導体であることが好ましく、C60の誘導体であることがより好ましい。 Although the fullerene skeleton of the fullerene derivative according to the present invention is not limited, at least one selected from C 60 , C 70 , C 76 , C 82 , C 84 , and C 90 is preferable, and C 60 or C 70 is particularly preferable. C 60 is more preferred. Since C 60 and C 70 are obtained as the main product in the production of fullerenes, the advantage that is easily available. That is, the fullerene derivative according to the present invention is preferably a derivative of C 60 or C 70 or a mixture thereof, and more preferably a derivative of C 60 .

<フラーレン誘導体(I)>
本発明で用いるフラーレン誘導体の好適例として、下記式(1)で表される構造を有するもの(以下「フラーレン誘導体(I)」と称す。)が挙げられる。このフラーレン誘導体(I)は耐熱性が高く高温処理を実施した際の残膜量が高い点において好ましい。
<Fullerene derivative (I)>
Preferable examples of the fullerene derivative used in the present invention include those having a structure represented by the following formula (1) (hereinafter referred to as “fullerene derivative (I)”). This fullerene derivative (I) is preferable because it has high heat resistance and a high residual film amount when subjected to high-temperature treatment.

Figure 2013159517
Figure 2013159517

(但し、上記式(1)中、FLNはフラーレン骨格を表し、Rは、−Ar−(OX)又は−Ar−(CH(3−a)−(OX)で表される置換基(但し、Arは置換基を有していてもよい芳香族炭化水素基、Oは酸素原子、Xは水素原子、又はアルコール性水酸基の保護基であり、aは0〜3の整数、bは1〜5の整数である)を表し、Rは、水素原子、水酸基又は炭素数1〜30の有機基を表し、mは1〜30の整数、nは0〜25の整数である。m,nが2以上の場合、複数のR、Rはそれぞれ相互に異なっていても同一でもよい。) (In the above formula (1), FLN represents a fullerene skeleton, and R 1 is represented by —Ar— (OX) a or —Ar— (CH (3-a) — (OX) a ) b. A substituent (wherein Ar is an aromatic hydrocarbon group which may have a substituent, O is an oxygen atom, X is a hydrogen atom or a protective group for an alcoholic hydroxyl group, a is an integer of 0 to 3, b is an integer of 1 to 5), R 2 represents a hydrogen atom, a hydroxyl group or an organic group having 1 to 30 carbon atoms, m is an integer of 1 to 30, and n is an integer of 0 to 25. When m and n are 2 or more, the plurality of R 1 and R 2 may be different or the same.

フラーレン誘導体(I)における置換基R1は、特に、−Ar−CH(3−a)−(OX)において、a=1の場合、加熱処理により容易に脱離し、アルキロール基を与える。そのため、フラーレン誘導体(I)は、自己反応性置換基であるR1を有しており、分子間反応により縮合物を得ることができるだけでなく、m≧2の場合は架橋反応が進行するため架橋したフラーレン材料を得ることができる。
また、フラーレン誘導体(I)は、フラーレン誘導体(I)以外の、アルキロール基又はフェノール性水酸基を含む化合物と結合することもできる。特にフラーレン誘導体(I)における置換基R1が2以上(式(1)においてm=2以上)である場合に、アルキロール基又はフェノール性水酸基を含む他のフラーレン誘導体に対する架橋剤として使用することもできる。
The substituent R 1 in the fullerene derivative (I) is easily removed by heat treatment to give an alkylol group, particularly when a = 1 in —Ar—CH 2 (3-a) — (OX) a . Therefore, the fullerene derivative (I) has R 1 which is a self-reactive substituent and not only can obtain a condensate by intermolecular reaction, but also a crosslinking reaction proceeds when m ≧ 2. A cross-linked fullerene material can be obtained.
Moreover, fullerene derivative (I) can also couple | bond with the compound containing an alkylol group or a phenolic hydroxyl group other than fullerene derivative (I). In particular, when the substituent R 1 in the fullerene derivative (I) is 2 or more (m = 2 or more in the formula (1)), it is used as a crosslinking agent for other fullerene derivatives containing an alkylol group or a phenolic hydroxyl group. You can also.

式(1)において、mはフラーレン骨格に結合した置換基R1の数である。mは1〜30の整数であり、好ましくは5〜20であり、より好ましくは5〜10である。
なお、mが2以上である場合には、それぞれの置換基R1が、同一の構造でもよいし、異なる構造であってもよい。例えば1種類の化合物を原料として用いた場合は同一置換基を有する構造となり、複数の化合物の混合物を原料に用いれば通常異なった構造の誘導体が得られる。目的とする用途に応じて複数の置換基を導入できる。
In the formula (1), m is the number of substituents R 1 bonded to the fullerene skeleton. m is an integer of 1 to 30, preferably 5 to 20, and more preferably 5 to 10.
In addition, when m is 2 or more, each substituent R 1 may have the same structure or a different structure. For example, when one kind of compound is used as a raw material, the structure has the same substituent. When a mixture of a plurality of compounds is used as a raw material, derivatives having different structures are usually obtained. A plurality of substituents can be introduced depending on the intended use.

フラーレン誘導体(I)において、置換基Rに含まれるArの置換基を有していてもよい芳香族炭化水素基としては、置換基を有してもよい炭素数6〜18の芳香族炭化水素基であることが好ましい。 In the fullerene derivative (I), the aromatic hydrocarbon group which may have a substituent of Ar contained in the substituent R 1 is an aromatic carbon group having 6 to 18 carbon atoms which may have a substituent. A hydrogen group is preferred.

置換基を有してもよい炭素数6〜18の芳香族炭化水素基の具体的な例としては、Rが−Ar−CH(3−a)−(OX)の場合、Ar基としてはフェニレン基、メチルフェニレン基、ジメチルフェニレン基、トリメチルフェニレン基、メトキシフェニレン基、ヒドロキシフェニレン基、ジヒドロキシフェニレン基、ヒドロキシメチルフェニレン基、エチルヒドロキシフェニレン基、ヒドロキシジメチルフェニレン基、アセチルフェニレン基、フッ化フェニレン基、クロロフェニレン基、ブロモフェニレン基、t−ブチルフェニレン基、エチルフェニレン基、ビフェニレン基、ナフチレン基、メチルナフチレン基、ヒドロキシナフチレン基、メトキシナフチレン基、アントラセニレン基、フェナントラセニレン基、ピレニレン基等が挙げられる。
この中でも、フェニレン基、ナフチレン基又はアントラセニレン基が好ましく、特にフェニレン基が好ましい。
As a specific example of an aromatic hydrocarbon group having 6 to 18 carbon atoms that may have a substituent, when R 1 is —Ar—CH 2 (3-a) — (OX) a , Is phenylene group, methylphenylene group, dimethylphenylene group, trimethylphenylene group, methoxyphenylene group, hydroxyphenylene group, dihydroxyphenylene group, hydroxymethylphenylene group, ethylhydroxyphenylene group, hydroxydimethylphenylene group, acetylphenylene group, phenylene fluoride Group, chlorophenylene group, bromophenylene group, t-butylphenylene group, ethylphenylene group, biphenylene group, naphthylene group, methylnaphthylene group, hydroxynaphthylene group, methoxynaphthylene group, anthracenylene group, phenanthracenylene group, Pyrenylene group etc. It is.
Among these, a phenylene group, a naphthylene group, or an anthracenylene group is preferable, and a phenylene group is particularly preferable.

また、Rが−Ar−(OX)の場合、Arとしてはフェニル基、メチルフェニル基、ジメチルフェニル基、トリメチルフェニル基、メトキシフェニル基、ヒドロキシフェニル基、ジヒドロキシフェニル基、ヒドロキシメチルフェニル基、エチルヒドロキシフェニル基、ヒドロキシジメチルフェニル基、アセチルフェニル基、フッ化フェニル基、クロロフェニル基、ブロモフェニル基、t−ブチルフェニル基、エチルフェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、メチルナフチル基、ヒドロキシナフチル基、メトキシナフチル基、アントラセニル基、フェナントラセニル基、ピレニル基等が挙げられる。
この中でも、フェニル基、ナフチル基又はアントラセニル基が好ましく、特にフェニル基が好ましい。
When R 1 is -Ar- (OX) a , Ar is a phenyl group, a methylphenyl group, a dimethylphenyl group, a trimethylphenyl group, a methoxyphenyl group, a hydroxyphenyl group, a dihydroxyphenyl group, a hydroxymethylphenyl group, Ethyl hydroxyphenyl group, hydroxydimethylphenyl group, acetylphenyl group, fluorinated phenyl group, chlorophenyl group, bromophenyl group, t-butylphenyl group, ethylphenyl group, biphenyl group, naphthyl group, methylnaphthyl group, hydroxynaphthyl group, Examples include methoxynaphthyl group, anthracenyl group, phenanthracenyl group, pyrenyl group and the like.
Among these, a phenyl group, a naphthyl group, or an anthracenyl group is preferable, and a phenyl group is particularly preferable.

Xは水素原子、又はアルコール性水酸基の保護基であり、好ましくは水素原子、又は炭素数1〜10のアルコール性水酸基の保護基である。
Xが、水素原子、又は炭素数1〜10のアルコール性水酸基の保護基であると、加熱等により容易に脱離することができるため、その末端にはアルキロール基が生成する。該アルキロール基は、自己反応性を有し、分子間反応による縮合物を得ることができるだけでなく、さらに置換基R1を複数(m≧2)有する場合は架橋性も持たせることができる。
X is a hydrogen atom or a protecting group for an alcoholic hydroxyl group, preferably a hydrogen atom or a protecting group for an alcoholic hydroxyl group having 1 to 10 carbon atoms.
When X is a hydrogen atom or a protecting group for an alcoholic hydroxyl group having 1 to 10 carbon atoms, it can be easily removed by heating or the like, so that an alkylol group is generated at the terminal. The alkylol group has self-reactivity and can not only obtain a condensate by intermolecular reaction, but can also have crosslinkability when it has a plurality of substituents R 1 (m ≧ 2). .

アルコール性水酸基の保護基の中でも、炭素数1〜10で炭素鎖中にエーテル結合又はチオエーテル結合を有していてもよいアルキル基、アリール基、シリルエーテル基、アシル基、アラルキル基又は環状構造を構成する原子数が5〜12であるヘテロ環状基であることが好ましい。   Among the protecting groups for alcoholic hydroxyl groups, alkyl groups, aryl groups, silyl ether groups, acyl groups, aralkyl groups, or cyclic structures having 1 to 10 carbon atoms and optionally having an ether bond or thioether bond in the carbon chain. It is preferably a heterocyclic group having 5 to 12 atoms.

炭素数1〜10で炭素鎖中にエーテル結合又はチオエーテル結合を有していてもよいアルキル基、アリール基、シリルエーテル基、アシル基、アラルキル基としては、具体的には、メチル基、エチル基、メトキシメチル基、ベンジルメチル基、ベンジルオキシアルキル基、トリメチルシリル基、アセチル基、ベンゾイル基、ビバロイル基等が挙げられる。
環状構造を構成する原子数が5〜12であるヘテロ環状基として具体的には、テトラヒドロピラニル基が挙げられる。
なお、アルコール性水酸基の保護基は特に上記限定されるものではなく、公知の保護基が対象となる。例えば、THEODRA W. GREENE「PROTECTIVE GROUPS in ORGANIC SYNTHESIS」(WILEY−INTERSCIENCE THIRD EDITION) p23−200に記載されている保護基等も有効である。
Specific examples of the alkyl group, aryl group, silyl ether group, acyl group, and aralkyl group having 1 to 10 carbon atoms and optionally having an ether bond or thioether bond in the carbon chain include a methyl group and an ethyl group. Methoxymethyl group, benzylmethyl group, benzyloxyalkyl group, trimethylsilyl group, acetyl group, benzoyl group, bivaloyl group and the like.
Specific examples of the heterocyclic group having 5 to 12 atoms constituting the cyclic structure include a tetrahydropyranyl group.
The protecting group for the alcoholic hydroxyl group is not particularly limited as described above, and known protecting groups are targeted. For example, THEODRA W. Protecting groups described in GREEN “PROTECTIVE GROUPS in ORGANIC SYNTHESIS” (WILEY-INTERSCIENCE THIRD EDITION) p23-200 are also effective.

中でも、Xとしては水素原子が好ましく、アルコール性水酸基の保護基である場合では、メチル基、ベンジル基、テトラヒドロピラニル基が好ましく、特にテトラヒドロピラニル基が好ましい。   Among these, as X, a hydrogen atom is preferable, and when it is a protective group for an alcoholic hydroxyl group, a methyl group, a benzyl group, and a tetrahydropyranyl group are preferable, and a tetrahydropyranyl group is particularly preferable.

フラーレン誘導体(I)は、上記置換基R1以外に、置換基R2を有していてもよい。
置換基R2は、水素原子、水酸基又は炭素数1〜30の有機基である。有機基としてはアルキル基、アルケニル基、アリル基又はアリール基等が挙げられる。また、上記式(1)に示すフラーレン骨格に結合した置換基R2の数を示すnは、0〜25の整数であり、好ましくは0〜20、より好ましくは0〜15である。nが2以上である場合は、個々のR2は相互に異なっていても同一でもよい。なお、n=0は、置換基R2が存在しないことを示す。
The fullerene derivative (I) may have a substituent R 2 in addition to the substituent R 1 .
The substituent R 2 is a hydrogen atom, a hydroxyl group, or an organic group having 1 to 30 carbon atoms. Examples of the organic group include an alkyl group, an alkenyl group, an allyl group, and an aryl group. Also, n representing the number of substituents R 2 bonded to the fullerene skeleton represented by the above formula (1) is an integer of 0 to 25, preferably 0 to 20, more preferably 0 to 15. When n is 2 or more, each R 2 may be different or the same. Note that n = 0 indicates that the substituent R 2 does not exist.

2は水素原子又は炭素数1〜20、好ましく炭素数1〜10のアルキル基又はアルケニル基であることが好ましい。 R 2 is preferably a hydrogen atom or an alkyl or alkenyl group having 1 to 20 carbon atoms, preferably 1 to 10 carbon atoms.

フラーレン誘導体(I)の中でも、置換基RのArがフェニレン基であるAr−CH−OXであるフラーレン誘導体が好ましい。
このようなフラーレン誘導体の中でも、特にフラーレン骨格がC60又はC70、mが5〜10の整数、かつXが水素原子、メチル基又はテトラヒドロピラニル基であることが好ましい。
Among the fullerene derivatives (I), a fullerene derivative in which Ar of the substituent R 1 is Ar—CH 2 —OX in which Ar is a phenylene group is preferable.
Among such fullerene derivatives, it is particularly preferable that the fullerene skeleton is C 60 or C 70 , m is an integer of 5 to 10, and X is a hydrogen atom, a methyl group or a tetrahydropyranyl group.

フラーレン誘導体(I)の製造方法については、後掲の合成例1にその代表例を示す。   About the manufacturing method of fullerene derivative (I), the representative example is shown in the synthesis example 1 mentioned later.

<フラーレン誘導体(II)>
本発明で用いるフラーレン誘導体の他の好適例として、下記式(2)で表される構造を有するもの(以下「フラーレン誘導体(II)」と称す。」)が挙げられる。このフラーレン誘導体(II)は、合成法が簡便な点において好ましい。
<Fullerene derivative (II)>
Another preferred example of the fullerene derivative used in the present invention is one having a structure represented by the following formula (2) (hereinafter referred to as “fullerene derivative (II)”). This fullerene derivative (II) is preferable in that the synthesis method is simple.

Figure 2013159517
Figure 2013159517

(但し、上記式(2)中、Aはフラーレン骨格との結合部位を表し、酸素原子、硫黄原子、燐原子、炭素数1〜6の炭素原子鎖、−Ar−O−(但しArは置換基を有していてもよい芳香族炭化水素基でありフラーレン骨格と結合している。)、フラーレン骨格の炭素原子を含む置換されていてもよい環状脂肪族基、又は置換されていてもよい芳香族炭化水素基を表し、rは0〜6の整数、tは0又は1の整数、pは1〜3の整数、qは1〜46の整数をそれぞれ表し、Rは炭素数1〜20の有機基を表す。) (In the above formula (2), A represents a bonding site with the fullerene skeleton, and represents an oxygen atom, a sulfur atom, a phosphorus atom, a carbon atom chain having 1 to 6 carbon atoms, -Ar-O- (where Ar is a substituted group). An aromatic hydrocarbon group which may have a group and bonded to the fullerene skeleton.), An optionally substituted cycloaliphatic group containing a carbon atom of the fullerene skeleton, or an optionally substituted group. Represents an aromatic hydrocarbon group, r represents an integer of 0 to 6, t represents an integer of 0 or 1, p represents an integer of 1 to 3, q represents an integer of 1 to 46, and R 3 represents an integer of 1 to Represents 20 organic groups.)

フラーレン誘導体(II)を表す式(2)におけるAが−Ar−Oの場合、Arの置換基を有していてもよい芳香族炭化水素基としては、前記式(1)において、Rが−Ar−CH(3−a)−(OX)の場合、或いは−Ar−(OX)の場合のArとして例示したものが挙げられ、好ましくはフェニレン基、ナフタレン基である。
また、Aで表される炭素数1〜6の炭素原子鎖としては、2〜4価の鎖状炭化水素鎖が挙げられるが、中でも合成の容易さの点からアルキレン基が好ましい。
When A in the formula (2) representing the fullerene derivative (II) is —Ar—O, the aromatic hydrocarbon group optionally having an Ar substituent is, in the formula (1), R 1 is In the case of -Ar-CH (3-a) -(OX) a or -Ar- (OX) a , those exemplified as Ar can be mentioned, and preferably a phenylene group or a naphthalene group.
Examples of the carbon atom chain having 1 to 6 carbon atoms represented by A include a divalent to tetravalent chain hydrocarbon chain, and among them, an alkylene group is preferable from the viewpoint of ease of synthesis.

フラーレン誘導体(II)のAは、酸素原子、−Ar−O−、又は下記式(3)で表されるフラーレン骨格上の炭素原子を含む環状炭化水素構造を有することが好ましい。   A in the fullerene derivative (II) preferably has an oxygen atom, -Ar-O-, or a cyclic hydrocarbon structure containing a carbon atom on the fullerene skeleton represented by the following formula (3).

Figure 2013159517
Figure 2013159517

(但し、上記式(3)中、2つのCはフラーレン骨格上の隣接する2つの炭素原子を表し、xは1〜8の整数である。なお、メチレン基−(CH−のうちの水素原子の少なくとも1つは、式(3)に示される−(CH−CO−(O)−Rで置換されている。) (However, in the above formula (3), the two C f represents the two adjacent carbon atoms on the fullerene skeleton, x is an integer from 1 to 8 Note, methylene group -. (CH 2) x - in At least one of the hydrogen atoms is substituted with — (CH 2 ) r —CO— (O) t —R 3 represented by the formula (3).

式(2)においてメチレン鎖の数rは0〜6であるが、プロピレングリコールメチルアセテート(以下「PGMEA」と略す。)等のエステル溶媒へ高濃度で溶解させるためには、メチレン鎖を有していた方が良く、好ましいrは4以下である。またメチレン鎖の数rは0か1のものが原料調達の観点から好ましい。
また、上記メチレン鎖には、フラーレン誘導体(II)の優れた物性を大幅に損なうものでなければ、他の有機基で置換されていてもよい。
In the formula (2), the number r of methylene chains is 0-6, but in order to dissolve in a high concentration in an ester solvent such as propylene glycol methyl acetate (hereinafter abbreviated as “PGMEA”), The preferable r is 4 or less. The number r of methylene chains is preferably 0 or 1 from the viewpoint of raw material procurement.
The methylene chain may be substituted with another organic group as long as the excellent physical properties of the fullerene derivative (II) are not significantly impaired.

式(2)において、酸素原子の数tは0又は1を表すが、中でも、PGMEA等のエステル溶媒へ溶解度を向上させる観点から、tは1であることが好ましい。
また、pは1〜3の整数であるが、合成上の容易さを考慮すると、pは1又は2であるのが好ましい。
また、qは1〜46の整数であるが、溶解性と耐熱性の観点から1〜10が好ましく、特に1〜6が好ましい。
In the formula (2), the number t of oxygen atoms represents 0 or 1, but t is preferably 1 from the viewpoint of improving the solubility in an ester solvent such as PGMEA.
Moreover, although p is an integer of 1-3, it is preferable that p is 1 or 2 when the synthetic | combination ease is considered.
Moreover, although q is an integer of 1-46, 1-10 are preferable from a soluble and heat resistant viewpoint, and 1-6 are especially preferable.

式(2)においてRは炭素数1〜20の有機基を表す。Rの好ましい炭素数は1〜15であり、原料調達の観点から、炭素数1〜10の直鎖状又は分岐状のアルキル基が好ましい。 In formula (2), R 3 represents an organic group having 1 to 20 carbon atoms. R 3 preferably has 1 to 15 carbon atoms, and is preferably a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms from the viewpoint of raw material procurement.

の具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、イソプロピル基、sec−ブチル基、iso−ブチル基、tert−ブチル基、tert−アミル基、ネオペンチル基、2−メチルブチル基、3−メチルブチル基等の直鎖又は分岐状の鎖状アルキル基;シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基、ノルボルニル基、トリシクロデカニル基、アダマンチル基等の環状アルキル基;アリル基、クロチル基、シンナミル基等のアルケニル基;フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基等のアリール基が挙げられる。 Specific examples of R 3 include methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, pentyl group, hexyl group, heptyl group, octyl group, nonyl group, decyl group, isopropyl group, sec-butyl group, iso-butyl group. , Tert-butyl group, tert-amyl group, neopentyl group, 2-methylbutyl group, 3-methylbutyl group and the like linear or branched chain alkyl group; cyclopropyl group, cyclobutyl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, cyclo Examples thereof include cyclic alkyl groups such as heptyl group, norbornyl group, tricyclodecanyl group and adamantyl group; alkenyl groups such as allyl group, crotyl group and cinnamyl group; and aryl groups such as phenyl group, biphenyl group and naphthyl group.

更に、酸解離性、熱分解性挙動の観点から、Rとしては、酸素原子もしくはカルボニル基が結合している炭素原子が、第三級炭素原子であるアルキル基が好ましい。具体的には、tert−ブチル基、tert−アミル基、1,1-ジエチルプロピル基、1−メチルシクロペンチル基、1−メチルシクロヘキシル基、1−エチルシクロペンチル基、1−エチルシクロヘキシル基、1−ブチルシクロペンチル基、1−ブチルシクロヘキシル基、2−メチル−2−アダマンチル基等が挙げられる。これらの中でも、加熱分解後の分解物が気体であると言う観点からtert−ブチル基が最も好ましい。 Furthermore, from the viewpoint of acid dissociation and thermal decomposability, R 3 is preferably an alkyl group in which the carbon atom to which the oxygen atom or carbonyl group is bonded is a tertiary carbon atom. Specifically, tert-butyl group, tert-amyl group, 1,1-diethylpropyl group, 1-methylcyclopentyl group, 1-methylcyclohexyl group, 1-ethylcyclopentyl group, 1-ethylcyclohexyl group, 1-butyl A cyclopentyl group, 1-butylcyclohexyl group, 2-methyl-2-adamantyl group and the like can be mentioned. Among these, the tert-butyl group is most preferable from the viewpoint that the decomposition product after the thermal decomposition is a gas.

また、これら有機基Rは、本発明の有機系炭素膜の優れた物性を大幅に損なうものでなければ、他の置換基で更に置換されていてもよい。置換基は炭化水素基に限らずハロゲン原子や水酸基等の置換基でも構わないが、置換基を有する場合も、置換基を含んだ炭素数の合計が上記条件を満たすことが好ましい。 These organic groups R 3 may be further substituted with other substituents as long as they do not significantly impair the excellent physical properties of the organic carbon film of the present invention. The substituent is not limited to a hydrocarbon group, and may be a substituent such as a halogen atom or a hydroxyl group. However, even if it has a substituent, the total number of carbon atoms including the substituent preferably satisfies the above conditions.

なお、フラーレン誘導体(II)のAが酸素原子のとき、rが1であるのが好ましい。
また、フラーレン誘導体(II)のAが前記式(3)で表される基の場合、xが1であるシクロプロピル基であることが好ましく、rが0であり、pが2であることが好ましい。
In addition, when A of the fullerene derivative (II) is an oxygen atom, r is preferably 1.
Further, when A of the fullerene derivative (II) is a group represented by the above formula (3), x is preferably a cyclopropyl group of 1, r is 0, and p is 2. preferable.

好ましいフラーレン誘導体(II)の例としては、下式の(4)〜(6)で示される水酸化フラーレン、芳香族基含有フラーレン、シクロプロパン環含有フラーレンが挙げられる。   Examples of preferable fullerene derivatives (II) include hydroxylated fullerenes, aromatic group-containing fullerenes, and cyclopropane ring-containing fullerenes represented by the following formulas (4) to (6).

(水酸化フラーレン)

Figure 2013159517
(Fullerene hydroxide)
Figure 2013159517

式(4)のフラーレン誘導体は、前記式(2)で表される部分構造において、フラーレン骨格との結合部位Aが酸素原子であるフラーレン誘導体であり、rは0〜5の整数を表し、tは0又は1を表し、zとsはz+s=q、即ちzとsの和が1〜46を満足する整数を表し、Rは式(2)におけると同様炭素数1〜20の有機基を表す。このフラーレン誘導体は特定の構造を有する有機基が水酸化フラーレンの水酸基上に導入されたものである。 The fullerene derivative of the formula (4) is a fullerene derivative in which the binding site A to the fullerene skeleton is an oxygen atom in the partial structure represented by the formula (2), r represents an integer of 0 to 5, Represents 0 or 1, z and s represent z + s = q, that is, an integer in which the sum of z and s satisfies 1 to 46, and R 3 represents an organic group having 1 to 20 carbon atoms as in formula (2). Represents. This fullerene derivative is obtained by introducing an organic group having a specific structure onto a hydroxyl group of a fullerene hydroxide.

式(4)において、zは、フラーレン骨格に結合している保護された水酸基保護基の数を表す。また、sはフラーレン骨格に結合している未保護の水酸基の数を表す。z+s(=q)は前述の通り、1〜46の整数であるが、好ましくは2以上、更に好ましくは6以上、特に好ましくは8以上であり、好ましくは20以下、更に好ましくは12以下である。z+sの数は原料となる水酸化フラーレンの水酸基数に相当するが、目的に応じて適切なものを選択すればよい。   In the formula (4), z represents the number of protected hydroxyl protecting groups bonded to the fullerene skeleton. S represents the number of unprotected hydroxyl groups bonded to the fullerene skeleton. As described above, z + s (= q) is an integer of 1 to 46, preferably 2 or more, more preferably 6 or more, particularly preferably 8 or more, preferably 20 or less, more preferably 12 or less. . The number of z + s corresponds to the number of hydroxyl groups of the fullerene hydroxide as a raw material, but an appropriate one may be selected according to the purpose.

z+sの値が小さすぎると有機溶媒への溶解性が低くなる傾向があり、大きすぎるとフラーレン誘導体の性質が損なわれる傾向がある。
また式(4)において、zは1以上46以下であるが、好ましくは2以上、更に好ましくは3以上であり、好ましくは20以下、更に好ましくは10以下である。
If the value of z + s is too small, the solubility in an organic solvent tends to be low, and if it is too large, the properties of the fullerene derivative tend to be impaired.
In the formula (4), z is 1 or more and 46 or less, preferably 2 or more, more preferably 3 or more, preferably 20 or less, more preferably 10 or less.

さらに式(4)において、sは0〜45であるが、好ましくは20以下、さらに好ましくは10以下である。
z及びsは原料として用いる水酸化フラーレンの水酸基数(z+s)並びにこれらの置換基を導入する目的に応じて決定すればよい。
Furthermore, in Formula (4), s is 0 to 45, preferably 20 or less, more preferably 10 or less.
z and s may be determined according to the number of hydroxyl groups (z + s) of the fullerene hydroxide used as a raw material and the purpose of introducing these substituents.

式(4)において、水酸基の保護基の種類は1種類でもよく、2種類以上でもよい。2種類以上の場合は、その組み合わせ及び比率は任意である。   In the formula (4), the number of hydroxyl protecting groups may be one, or two or more. In the case of two or more types, the combination and ratio are arbitrary.

(芳香族基含有フラーレン)

Figure 2013159517
(Aromatic group-containing fullerene)
Figure 2013159517

式(5)のフラーレン誘導体は、前記式(2)で表される部分構造において、フラーレン骨格との結合部位Aが−Ar−O−であるフラーレン誘導体であり、rは0〜5の整数を表し、tは0又は1を表し、yは1〜15の整数を表し、Rは炭素数1〜20の有機基を表す。 The fullerene derivative of the formula (5) is a fullerene derivative in which the binding site A to the fullerene skeleton is —Ar—O— in the partial structure represented by the formula (2), and r is an integer of 0 to 5. T represents 0 or 1, y represents an integer of 1 to 15, and R 3 represents an organic group having 1 to 20 carbon atoms.

このフラーレン誘導体は特開2006−56878号公報に記載された芳香族性水酸基を有するフラーレン誘導体、もしくはフラーレンに水酸基を有する芳香族化合物と三塩化アルミニウムを作用させて得られる芳香族性水酸基を有するフラーレン誘導体の水酸基に、特定の構造を有する有機基を導入したものである。   This fullerene derivative is a fullerene derivative having an aromatic hydroxyl group described in JP-A No. 2006-56878, or a fullerene having an aromatic hydroxyl group obtained by allowing an aromatic compound having a hydroxyl group and aluminum trichloride to act on the fullerene. An organic group having a specific structure is introduced into the hydroxyl group of the derivative.

式(5)において、yは、特定の構造を有する有機基によって保護されたフラーレン骨格に結合している芳香族炭化水素基の数を表す。yは1以上15以下であるが、好ましくは2以上、更に好ましくは3以上であり、通常15以下、好ましくは10以下、更に好ましくは5以下である。y(芳香族炭化水素基による置換数)は原料として用いるフラーレン誘導体の水酸基数並びに目的に応じて決定すればよい。   In the formula (5), y represents the number of aromatic hydrocarbon groups bonded to the fullerene skeleton protected by an organic group having a specific structure. y is 1 or more and 15 or less, preferably 2 or more, more preferably 3 or more, and usually 15 or less, preferably 10 or less, more preferably 5 or less. y (the number of substitution with an aromatic hydrocarbon group) may be determined according to the number of hydroxyl groups and the purpose of the fullerene derivative used as a raw material.

また、上記式(5)で表されるフラーレン誘導体は上記式(5)に示される部分構造の他に、−Ar−OHで示される未保護の水酸基を有する芳香族炭化水素基を有していてもよい。またフラーレン骨格に水素基(即ち、水素原子。ヒドロ基とも言う)やエポキシド(即ち、三員環を成すオキシド)、炭素数1〜30の有機基を有していてもよい。   In addition, the fullerene derivative represented by the above formula (5) has an aromatic hydrocarbon group having an unprotected hydroxyl group represented by -Ar-OH in addition to the partial structure represented by the above formula (5). May be. The fullerene skeleton may have a hydrogen group (that is, a hydrogen atom, also referred to as a hydro group), an epoxide (that is, an oxide that forms a three-membered ring), or an organic group having 1 to 30 carbon atoms.

式(5)において、芳香族性水酸基に導入される有機基の種類は1種類でもよく、2種類以上でもよい。2種類以上の場合は、その組み合わせ及び比率は任意である。   In the formula (5), the organic group introduced into the aromatic hydroxyl group may be one type or two or more types. In the case of two or more types, the combination and ratio are arbitrary.

(シクロプロパン環含有フラーレン)

Figure 2013159517
(Cyclopropane ring-containing fullerene)
Figure 2013159517

式(6)のフラーレン誘導体は、前記式(2)で表される部分構造において、式(2)で表されるフラーレン骨格との結合部位Aが、フラーレン骨格の隣接する2個の炭素原子を含んだ三員環(シクロプロパン環)であるフラーレン誘導体であり、FLNはフラーレン骨格を表し、rは0〜5の整数を表し、tは0又は1を表し、pは1又は2を表し、qは1〜46の整数を表し、Rは炭素数1〜20の有機基を表す。 In the fullerene derivative of the formula (6), in the partial structure represented by the formula (2), the binding site A with the fullerene skeleton represented by the formula (2) has two carbon atoms adjacent to the fullerene skeleton. A fullerene derivative which is a three-membered ring (cyclopropane ring) included, FLN represents a fullerene skeleton, r represents an integer of 0 to 5, t represents 0 or 1, p represents 1 or 2, q represents an integer of 1 to 46, and R 3 represents an organic group having 1 to 20 carbon atoms.

式(6)で表されるフラーレン誘導体としては、特許第3512412号公報及び特開2005−263795号公報に記載されているメタノフラーレン誘導体を用いることができる。メタノフラーレンとはフラーレン誘導体の1種であり、フラーレン骨格上にメチレン基による架橋結合を有するフラーレン誘導体の総称であり、通常はフラーレン骨格上にシクロプロパン構造を有するフラーレン誘導体を指す。   As the fullerene derivative represented by the formula (6), methanofullerene derivatives described in Japanese Patent No. 3512412 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-26395 can be used. The methanofullerene is a kind of fullerene derivative and is a general term for a fullerene derivative having a cross-linking bond with a methylene group on the fullerene skeleton, and usually refers to a fullerene derivative having a cyclopropane structure on the fullerene skeleton.

上記式(6)において、rは0であることが好ましく、tは1であることが好ましく、pは2であることが好ましい。qは架橋メチレン基の付加数に相当する。C60フラーレンの場合の理論上の最大値は30となるが、立体反発等の要因により、tの上限は通常30よりも低い値となる。 In the above formula (6), r is preferably 0, t is preferably 1, and p is preferably 2. q corresponds to the number of bridged methylene groups added. The theoretical maximum value for C 60 fullerene is 30, but the upper limit of t is usually lower than 30 due to factors such as steric repulsion.

上記の式(4)〜(6)で表されるフラーレン誘導体で代表されるフラーレン誘導体(II)は、特開2010−229021号公報に記載される方法で製造することができる。   The fullerene derivative (II) represented by the fullerene derivatives represented by the above formulas (4) to (6) can be produced by the method described in JP 2010-229021 A.

<フラーレン誘導体(III)>
本発明で用いるフラーレン誘導体の他の好適例として、下記式(4a)又は(4b)で表される構造を有するアミノ化フラーレン誘導体が挙げられる。これらは、低温で付加基を分解できるため膜の炭素濃度を高くできるという点において好ましい。
<Fullerene derivative (III)>
Another preferred example of the fullerene derivative used in the present invention is an aminated fullerene derivative having a structure represented by the following formula (4a) or (4b). These are preferable in that the carbon concentration of the film can be increased because the additional group can be decomposed at a low temperature.

Figure 2013159517
Figure 2013159517

(但し、上記式(4a),(4b)中、R及びRはそれぞれ独立して、任意の置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RとRは、RとRの両者に結合する炭素原子、窒素原子、及び酸素原子のいずれかとともに、任意の置換基を有していてもよい含窒素環を形成していてもよい。) (However, in the above formulas (4a) and (4b), R a and R b each independently represent a hydrocarbon group which may have an arbitrary substituent, and R a and R b represent R (A nitrogen-containing ring which may have an arbitrary substituent may be formed together with any of a carbon atom, a nitrogen atom, and an oxygen atom bonded to both a and R b .)

式(4a),(4b)において、R,Rの置換基を有していてもよい炭化水素基としては、例えばアルキル基、アラルキル基やアルケニル基が挙げられ、具体的にはメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、シクロプロピル基、シクロペンチル基、ベンジル基、フェネチル基、ビニル基、プロペニル基、イソプロペニル基、アリル基、ブテニル基、ペンテニル基、ヘキセニル基などが挙げられる。これらのうち、合成が容易であることからメチル基が好ましい。 In the formulas (4a) and (4b), examples of the hydrocarbon group which may have a substituent for R a and R b include an alkyl group, an aralkyl group, and an alkenyl group. Specifically, a methyl group , Ethyl group, n-propyl group, isopropyl group, n-butyl group, isobutyl group, tert-butyl group, pentyl group, hexyl group, cyclopropyl group, cyclopentyl group, benzyl group, phenethyl group, vinyl group, propenyl group, Examples thereof include an isopropenyl group, an allyl group, a butenyl group, a pentenyl group, and a hexenyl group. Of these, a methyl group is preferred because it is easy to synthesize.

また、RとRが、RとRの両者に結合する炭素原子、窒素原子、及び酸素原子のいずれかとともに、任意の置換基を有していてもよい含窒素環を形成している場合、この含窒素環構造としてはアゼチジン、ピロリジン、イミダゾリジン、ピペリジン、ピペラジン、ホモピペラジン、ピロール、ピロリン、イミダゾリン、イミダゾール、ピラゾール、トリアゾール、テトラゾールなどに相当する構造が挙げられ、好ましくはピペリジン、ピペラジンである。 In addition, R a and R b form a nitrogen-containing ring which may have an arbitrary substituent together with any of a carbon atom, a nitrogen atom and an oxygen atom bonded to both R a and R b. The nitrogen-containing ring structure includes structures corresponding to azetidine, pyrrolidine, imidazolidine, piperidine, piperazine, homopiperazine, pyrrole, pyrroline, imidazoline, imidazole, pyrazole, triazole, tetrazole, and the like, preferably piperidine Piperazine.

<フラーレン誘導体(IV)>
本発明で用いるフラーレン誘導体の他の好適例として、下記式(7)で表されるフラーレン骨格上の炭素原子を含む環状炭化水素構造を有するフラーレン誘導体(以下「フラーレン誘導体(IV)」と称す。)が挙げられる。フラーレン誘導体(IV)は、合成が簡便である点において好ましい。
<Fullerene derivative (IV)>
As another preferred example of the fullerene derivative used in the present invention, a fullerene derivative having a cyclic hydrocarbon structure containing a carbon atom on the fullerene skeleton represented by the following formula (7) (hereinafter referred to as “fullerene derivative (IV)”). ). Fullerene derivative (IV) is preferable in that the synthesis is simple.

Figure 2013159517
Figure 2013159517

(但し、上記式(7)中、2つのCはフラーレン骨格上の隣接する2つの炭素原子を表し、Cαβは、式(7)に示されていない置換基を有していてもよいα個の炭素原子とこれらの炭素原子のいずれかに結合したβ個の水素原子とを有する飽和又は不飽和の炭化水素鎖を表し、αは1〜8の整数、βは0〜16の整数である。Cαβが2以上の置換基を有する場合、これらは互いに結合して環状構造を形成していてもよい。) (However, in the above formula (7), two C f represent two adjacent carbon atoms on the fullerene skeleton, and C α H β has a substituent not shown in the formula (7). Represents a saturated or unsaturated hydrocarbon chain having α carbon atoms and β hydrogen atoms bonded to any of these carbon atoms, α is an integer from 1 to 8, and β is from 0 to 16 (When C α H β has two or more substituents, these may be bonded to each other to form a cyclic structure.)

上記式(7)におけるCαβとしては、具体的には−C(Q)H−CH−C(Q)H−、−CH−C(Q)=C(Q)−CH−等が挙げられる。ここで、Qは炭素原子に結合した任意の置換基であり、複数のQは同一であってもよく異なるものであってもよい。また、Q同士が結合して環状構造を形成していてもよい。 The C alpha H beta in the formula (7) include -C (Q) H-CH 2 -C (Q) H -, - CH 2 -C (Q) = C (Q) -CH 2 -Etc. are mentioned. Here, Q is an arbitrary substituent bonded to a carbon atom, and a plurality of Q may be the same or different. Moreover, Qs may combine to form a cyclic structure.

置換基Qとしては、前記式(2)におけるRの炭素数1〜20の有機基として例示したものなどが挙げられ、これらが互いに結合して形成する環状構造としては、インデン環、インダン環、ベンゼン環、ベンゾシクロブテン環、ベンゾシクロヘキサン環等が挙げられる。 Examples of the substituent Q include those exemplified as the organic group having 1 to 20 carbon atoms of R 3 in the above formula (2), and examples of the cyclic structure formed by combining these with each other include an indene ring and an indane ring. Benzene ring, benzocyclobutene ring, benzocyclohexane ring and the like.

また、一つのフラーレン誘導体(IV)が有する前記式(7)で表されるフラーレン骨格上の炭素原子を含む環状炭化水素構造の数は1〜16個、特に1〜10個であることが好ましい。   In addition, the number of cyclic hydrocarbon structures containing carbon atoms on the fullerene skeleton represented by the formula (7) of one fullerene derivative (IV) is preferably 1 to 16, and particularly preferably 1 to 10. .

このようなフラーレン誘導体(IV)の具体例としては、例えば、下記構造式(7a)で表されるフラーレン誘導体や、下記構造式(7b)で表されるフラーレン誘導体などが挙げられる(下記式中wは1〜10の整数を表す。)   Specific examples of such fullerene derivatives (IV) include, for example, fullerene derivatives represented by the following structural formula (7a), fullerene derivatives represented by the following structural formula (7b), etc. w represents an integer of 1 to 10.)

Figure 2013159517
Figure 2013159517

<その他のフラーレン誘導体>
本発明において用いる原料フラーレン誘導体としては、加熱処理により鉛筆硬度2H以上の有機系炭素膜を得ることができるものであればよく、上記のフラーレン誘導体以外にも、PCBM(フェニルC61酪酸メチルエステル)多付加体、水酸化フラーレン、上記式(4a),(4b)で表されるアミノ化フラーレン以外のアミノ化フラーレンなどが挙げられる。
<Other fullerene derivatives>
The raw material fullerene derivative used in the present invention is not particularly limited as long as an organic carbon film having a pencil hardness of 2H or more can be obtained by heat treatment. Besides the above fullerene derivatives, PCBM (phenyl C 61 butyric acid methyl ester) Examples include polyadducts, hydroxylated fullerenes, and aminated fullerenes other than the aminated fullerenes represented by the above formulas (4a) and (4b).

なお、本発明で用いるフラーレン誘導体は、後述の好適な残膜率を満たすものであることが好ましく、また、後述の鏡面性を示すものであることが好ましい。   In addition, it is preferable that the fullerene derivative used by this invention satisfy | fills the below-mentioned suitable residual film rate, and it is preferable that it shows the below-mentioned specularity.

[有機系炭素膜の製造方法]
次に、上述のようなフラーレン誘導体を用いた本発明の有機系炭素膜の製造方法について説明する。ただし、本発明の有機系炭素膜の製造方法は、何ら以下に説明する方法に限定されるものではない。
[Method for producing organic carbon film]
Next, a method for producing an organic carbon film of the present invention using the above fullerene derivative will be described. However, the method for producing an organic carbon film of the present invention is not limited to the method described below.

本発明の有機系炭素膜を製造するには、まず、前述の原料フラーレン誘導体の溶液(以下「製膜溶液」又は「塗布液」と称す。)を調製し、この製膜溶液を基材上に湿式製膜することにより塗膜を形成し、この塗膜を必要に応じて乾燥させた後、所定の温度で加熱処理して本発明の有機系炭素膜を得る。   In order to produce the organic carbon film of the present invention, first, a solution of the above-mentioned raw material fullerene derivative (hereinafter referred to as “film-forming solution” or “coating solution”) is prepared, and this film-forming solution is applied onto a substrate. A coating film is formed by wet film formation, and the coating film is dried as necessary, and then heat-treated at a predetermined temperature to obtain the organic carbon film of the present invention.

なお、本発明の有機系炭素膜の製造に当たり、原料フラーレン誘導体は1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。   In the production of the organic carbon film of the present invention, the raw material fullerene derivative may be used alone or in combination of two or more.

<製膜溶液の調製>
製膜溶液の調製に用いられる溶媒としては、フラーレン誘導体が十分な溶解度を有し、常圧下又は減圧下で室温又は加熱することにより揮発させることのできる溶媒であれば特に限定することなく用いることができるが、入手の容易さ、価格、毒性ないしは有害性、安全性等を考慮して適宜選択すればよい。
<Preparation of film forming solution>
The solvent used for the preparation of the film-forming solution is not particularly limited as long as the fullerene derivative has sufficient solubility and can be volatilized by heating at room temperature or under normal pressure or reduced pressure. However, it may be selected as appropriate in consideration of availability, price, toxicity or toxicity, safety, and the like.

溶媒としては、例えば1価又は多価のアルコール類、ケトン類、エーテル類、エステル類、芳香族炭化水素類、芳香族ハロゲン化炭化水素類、複素環化合物系溶媒、アルカン系溶媒、ハロアルカン系溶媒、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、ニトロメタン、ニトロエタン、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)および水を挙げることができる。   Examples of the solvent include monovalent or polyvalent alcohols, ketones, ethers, esters, aromatic hydrocarbons, aromatic halogenated hydrocarbons, heterocyclic compound solvents, alkane solvents, haloalkane solvents. , Acetonitrile, dimethyl sulfoxide (DMSO), N, N-dimethylformamide (DMF), nitromethane, nitroethane, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and water.

1価又は多価のアルコール類としては、例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン、ジプロピレングリコールを挙げることができる。
ケトン類としては、例えば、アセトン、MEK(メチルエチルケトン)、2−ヘプタノン、メチルイソプロピルケトン、MIBK(メチルイソブチルケトン)、シクロヘキサノン(CHN)を挙げることができる。
Examples of monovalent or polyhydric alcohols include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, butanol, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, glycerin, and dipropylene glycol.
Examples of ketones include acetone, MEK (methyl ethyl ketone), 2-heptanone, methyl isopropyl ketone, MIBK (methyl isobutyl ketone), and cyclohexanone (CHN).

エーテル類としては、例えば、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン(THF)、PGME(プロピレングリコールモノメチルエーテル)等を挙げることができる。
エステル系溶媒としては、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸プロピル、乳酸エチル、GBL(γ−ブチロラクトン)、PGMEA(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート)等を挙げることができる。
Examples of ethers include dimethyl ether, diethyl ether, dibutyl ether, tetrahydrofuran (THF), and PGME (propylene glycol monomethyl ether).
Examples of ester solvents include ethyl acetate, butyl acetate, propyl acetate, ethyl lactate, GBL (γ-butyrolactone), PGMEA (propylene glycol monomethyl ether acetate), and the like.

芳香族炭化水素類としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン、エチルベンゼン、1,2,3−トリメチルベンゼン、1,3,5−トリメチルベンゼン、1,2,4−トリメチルベンゼン、1−メチルナフタレン、1−フェニルナフタレンなどが挙げられる。
芳香族ハロゲン化炭化水素類の具体例としては、クロロベンゼン、o−ジクロロベンゼン、m−ジクロロベンゼン、ブロモベンゼン、1,2,4−トリクロロベンゼンなどが挙げられる。
Aromatic hydrocarbons include benzene, toluene, xylene, o-xylene, m-xylene, p-xylene, ethylbenzene, 1,2,3-trimethylbenzene, 1,3,5-trimethylbenzene, 1,2, 4-trimethylbenzene, 1-methylnaphthalene, 1-phenylnaphthalene and the like can be mentioned.
Specific examples of the aromatic halogenated hydrocarbons include chlorobenzene, o-dichlorobenzene, m-dichlorobenzene, bromobenzene, 1,2,4-trichlorobenzene and the like.

複素環化合物系溶媒としては、テトラヒドロフラン、テトラヒドロチオフェン、2−メチルチオフェン、ピリジン、キノリン、チオフェン等を挙げることができる。
アルカン系溶媒としては、n−ヘキサン、シクロヘキサン、n−オクタン、2,2,4−トリメチルペンタン、n−デカン、n−ドデカン、n−テトラデカン、デカリン、cis−デカリン、trans−デカリン等を挙げることができる。
Examples of the heterocyclic compound-based solvent include tetrahydrofuran, tetrahydrothiophene, 2-methylthiophene, pyridine, quinoline, thiophene, and the like.
Examples of alkane solvents include n-hexane, cyclohexane, n-octane, 2,2,4-trimethylpentane, n-decane, n-dodecane, n-tetradecane, decalin, cis-decalin, trans-decalin and the like. Can do.

ハロアルカン系溶媒としては、ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、1,2−ジブロモエタン、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、ジクロロジフルオロエタン、1,1,2−トリクロロ−1,2,2−トリフルオロエタン、1,1,2,2−テトラクロロエタン等を挙げることができる。   Examples of haloalkane solvents include dichloromethane, chloroform, carbon tetrachloride, 1,2-dibromoethane, trichloroethylene, tetrachloroethylene, dichlorodifluoroethane, 1,1,2-trichloro-1,2,2-trifluoroethane, 1,1, 2,2-tetrachloroethane and the like can be mentioned.

これらの溶媒の中でも、より好ましく用いられる溶媒の例としては、PGMEA、PGME、乳酸エチル、2−ヘプタノン、CHN、MEK、GBL、NMP等が挙げられる。   Among these solvents, examples of more preferably used solvents include PGMEA, PGME, ethyl lactate, 2-heptanone, CHN, MEK, GBL, NMP and the like.

製膜溶液において、溶媒は1種のみを用いてもよく、2種以上を任意に組み合わせて併用してもよい。   In the film forming solution, only one type of solvent may be used, or two or more types may be used in any combination.

製膜溶液のフラーレン誘導体濃度は、フラーレン誘導体の溶媒への溶解度、形成する有機系炭素膜の膜厚等により異なるため一義的に定めることは困難であるが、通常1〜30質量%であることが好ましく、5〜30質量%であることがより好ましく、10〜25質量%であることがさらに好ましい。製膜溶液のフラーレン誘導体濃度が1質量%よりも低くなると、多量の溶媒を必要とし不経済であるとともに膜厚の厚い有機系炭素膜を製膜するために繰返し塗布を行う必要が生じる。また、有機系炭素膜の濃度が30質量%を超えると、製膜溶液の粘性が高くなるため取扱いが困難になり、均一な膜厚の有機系炭素膜を得ることが困難になる。また、製膜溶液において、フラーレン誘導体は溶媒に完全溶解していることが好ましいが、一部溶解せずに懸濁していてもよく、或いは塗布時に再分散して分散液とすることができる限り、その一部が沈降していても構わない。   The concentration of the fullerene derivative in the film-forming solution varies depending on the solubility of the fullerene derivative in the solvent, the film thickness of the organic carbon film to be formed, and the like, but it is difficult to uniquely determine, but it is usually 1 to 30% by mass. Is preferable, it is more preferable that it is 5-30 mass%, and it is further more preferable that it is 10-25 mass%. If the fullerene derivative concentration in the film-forming solution is lower than 1% by mass, a large amount of solvent is required, which is uneconomical and it is necessary to repeatedly apply in order to form a thick organic carbon film. On the other hand, if the concentration of the organic carbon film exceeds 30% by mass, the viscosity of the film-forming solution becomes high and handling becomes difficult, and it becomes difficult to obtain an organic carbon film having a uniform film thickness. Further, in the film-forming solution, the fullerene derivative is preferably completely dissolved in the solvent, but may be suspended without being partially dissolved, or as long as it can be redispersed at the time of application to form a dispersion. , A part of it may be settled.

本発明の有機系炭素膜の優れた物性を大幅に損なわない限り、製膜溶液は、フラーレン誘導体及び溶媒の他に、その他の添加剤を含有していてもよい。添加剤としては、界面活性剤や分散剤、高分子化合物等が挙げられるが、これに限定されるものではない。添加剤は1種のみを含有していてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で含有していてもよい。   Unless the excellent physical properties of the organic carbon film of the present invention are significantly impaired, the film forming solution may contain other additives in addition to the fullerene derivative and the solvent. Examples of the additive include a surfactant, a dispersant, a polymer compound, and the like, but are not limited thereto. The additive may contain only 1 type and may contain 2 or more types by arbitrary combinations and ratios.

製膜溶液に、フラーレン誘導体及び溶媒以外の添加剤を含む場合、添加剤の含有量が多過ぎると高硬度有機系炭素膜を得ることができない場合があるので、製膜溶液中の添加剤の含有量は30質量%以下で、フラーレン誘導体に対して100質量%以下、例えば1〜50質量%とすることが好ましい。また、製膜溶液中のフラーレン誘導体と添加剤との合計の固形分濃度としては1〜50質量%、特に10〜40質量%であることが好ましい。   When the film-forming solution contains additives other than fullerene derivatives and solvents, if the additive content is too high, a high-hardness organic carbon film may not be obtained. Content is 30 mass% or less, and it is preferable to set it as 100 mass% or less, for example, 1-50 mass% with respect to a fullerene derivative. Further, the total solid content concentration of the fullerene derivative and the additive in the film forming solution is preferably 1 to 50% by mass, particularly preferably 10 to 40% by mass.

フラーレン誘導体、必要に応じて用いられる添加剤を上記の溶媒に溶解させることができる限り、製膜溶液の調製方法に制限はないが、通常、所定の装置で攪拌しながら溶解させる方法、超音波を照射する方法などで調製できる。また、フラーレン誘導体及び溶媒、並びに必要に応じて用いられる添加剤の混合順序も、特に制限はない。   As long as the fullerene derivative and additives used as necessary can be dissolved in the above-mentioned solvent, there is no limitation on the method for preparing the film-forming solution. It can be prepared by a method of irradiating. Moreover, there is no restriction | limiting in particular also in the mixing order of a fullerene derivative, a solvent, and the additive used as needed.

製膜溶液は、安定性や操作性の観点から通常室温(25℃程度)で調製されるが、溶媒の沸点以下であれば、加熱しながら溶解させ、保管することができる。また、フラーレン誘導体の溶解度に問題がなければ、25℃以下の低温下で調製、保管することもできる。   The film-forming solution is usually prepared at room temperature (about 25 ° C.) from the viewpoint of stability and operability, but can be dissolved and stored while heating if it is not higher than the boiling point of the solvent. If there is no problem with the solubility of the fullerene derivative, it can be prepared and stored at a low temperature of 25 ° C. or lower.

<製膜溶液の湿式製膜>
製膜溶液の湿式製膜は、ディップコーティング法、スピンコーティング法、スプレーコーティング法等の、任意の方法により行うことができる。
<Wet film formation of film forming solution>
The wet film formation of the film forming solution can be performed by any method such as a dip coating method, a spin coating method, or a spray coating method.

製膜溶液を湿式製膜する基材の形状としては、板状およびフィルム状、球状、塊状、繊維状等が挙げられる。また、基材の材質としては、次の加熱処理の際に熱分解や変形を起こさない限り特に限定することなく任意の材質のものを用いることができる。例えば、ガラス、シリコン等の半導体、金属、コンクリート等の無機系材料を用いることができる。   Examples of the shape of the substrate on which the film-forming solution is wet-formed include a plate shape, a film shape, a spherical shape, a lump shape, and a fibrous shape. Moreover, as a material of a base material, the thing of arbitrary materials can be used without being specifically limited unless thermal decomposition or a deformation | transformation is raise | generated at the time of the next heat processing. For example, a semiconductor such as glass or silicon, an inorganic material such as metal or concrete can be used.

製膜溶液の湿式製膜により形成する塗膜の膜厚は、製膜溶液の濃度や基材への付着量を調節することにより、用途等に応じて数nm〜数十μmの範囲内で適宜調整することができる。膜厚の下限は、好ましくは10nm、より好ましくは50nmである。膜厚の上限は、繰り返して湿式製膜を行えば理論上制限がないが、好ましくは1μm、より好ましくは500nmである。この膜厚は公知の膜厚測定方法により測定することができる。   The film thickness of the coating film formed by wet film-forming of the film-forming solution is within the range of several nm to several tens of μm depending on the application etc. It can be adjusted appropriately. The lower limit of the film thickness is preferably 10 nm, more preferably 50 nm. The upper limit of the film thickness is theoretically not limited if wet film formation is repeated, but is preferably 1 μm, more preferably 500 nm. This film thickness can be measured by a known film thickness measuring method.

塗膜の膜厚が厚すぎると、フラーレン誘導体の加熱分解時に膜質が悪化する可能性があり、薄すぎるとピンホール等の膜の不均質の問題が起きる可能性がある。   If the coating film is too thick, the film quality may be deteriorated during the thermal decomposition of the fullerene derivative, and if it is too thin, there may be a problem of film heterogeneity such as pinholes.

<乾燥処理>
上記塗膜の加熱処理に先立ち、膜中に残留した溶媒を除去するための乾燥を行ってもよい。
<Drying process>
Prior to the heat treatment of the coating film, drying for removing the solvent remaining in the film may be performed.

乾燥は、用いられる溶媒の沸点、揮発性等に応じて任意の方法により行うことができる。乾燥方法としては、室温、大気圧下での風乾、室温、減圧下での減圧乾燥、大気圧又は減圧下での加熱等が挙げられ、これらを組み合わせて用いてもよい。加熱による乾燥の場合、フラーレンの閉殻構造の破壊を伴わない500℃以下、好ましくは300℃以下で行うことが好適であり、塗膜の突沸等を防止するため150℃以下で行うことがより好ましい。さらに、酸化による膜質の変化を抑制するためには不活性雰囲気下で行ってもよいが、通常は大気中で行うことができる。加熱による乾燥を、フラーレンの閉殻構造の破壊を伴わない温度条件下で行う場合等では、乾燥は、後述の加熱処理と同時に行ってもよい。減圧による乾燥の場合、好ましい減圧条件は1.33×10Pa(1torr)以上1.01×10Pa(760torr)未満である。 Drying can be performed by any method depending on the boiling point, volatility, etc. of the solvent used. Examples of the drying method include air drying at room temperature and atmospheric pressure, vacuum drying at room temperature and reduced pressure, heating under atmospheric pressure and reduced pressure, and the like, which may be used in combination. In the case of drying by heating, it is preferable to carry out at 500 ° C. or less, preferably 300 ° C. or less, without destroying the closed shell structure of fullerene, and more preferably at 150 ° C. or less to prevent bumping of the coating film. . Furthermore, in order to suppress the change in the film quality due to oxidation, it may be performed in an inert atmosphere, but it can usually be performed in the air. In the case where drying by heating is performed under temperature conditions that do not involve destruction of the fullerene closed shell structure, drying may be performed simultaneously with the heat treatment described below. In the case of drying under reduced pressure, a preferable reduced pressure condition is 1.33 × 10 2 Pa (1 torr) or more and less than 1.01 × 10 5 Pa (760 torr).

乾燥を不活性雰囲気下で行う際に使用できる不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、アルゴン等が挙げられる。   Nitrogen, helium, argon etc. are mentioned as an inert gas which can be used when drying is performed in inert atmosphere.

特に、塗膜の乾燥は大気中にて、20〜200℃の温度で5秒〜60分程度行うことが好ましい。   In particular, the coating film is preferably dried in the air at a temperature of 20 to 200 ° C. for about 5 seconds to 60 minutes.

<加熱処理>
製膜溶液の湿式製膜により形成された塗膜を必要に応じて乾燥した後は、加熱処理を行う。
<Heat treatment>
After the coating film formed by wet film formation of the film forming solution is dried as necessary, heat treatment is performed.

本発明において、この加熱処理は400℃以上、1000℃以下の温度で行う。加熱処理温度が400℃よりも低いと、目的とする高硬度有機系炭素膜を得ることができない。加熱処理温度は1000℃よりも高くても得られる有機系炭素膜の硬度の向上は認められず、基材の耐熱性や加熱コスト、加熱設備等に制約を受け好ましくない。加熱処理は400℃を超える温度で行うことがより好ましく、特に430〜800℃、とりわけ450〜650℃で行うことが好ましい。   In the present invention, the heat treatment is performed at a temperature of 400 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. When the heat treatment temperature is lower than 400 ° C., the intended high-hardness organic carbon film cannot be obtained. Even if the heat treatment temperature is higher than 1000 ° C., the improvement of the hardness of the organic carbon film obtained is not recognized, which is not preferable due to restrictions on the heat resistance of the base material, heating cost, heating equipment, and the like. The heat treatment is more preferably performed at a temperature exceeding 400 ° C., and particularly preferably performed at 430 to 800 ° C., particularly 450 to 650 ° C.

加熱処理時間については、目的とする高硬度有機系炭素膜が得られる時間であればよく、特に制限はないが、通常1分〜1時間、好ましくは1分〜0.5時間である。   The heat treatment time is not particularly limited as long as the target high-hardness organic carbon film can be obtained, but is usually 1 minute to 1 hour, preferably 1 minute to 0.5 hour.

加熱処理の雰囲気については、乾燥雰囲気と同様の不活性ガス雰囲気であってもよく、大気中であってもよいが、雰囲気により得られる有機系炭素膜の組成や性状が変動することは好ましくないので、この点についての配慮が必要である。   The atmosphere of the heat treatment may be an inert gas atmosphere similar to the dry atmosphere or in the air, but it is not preferable that the composition and properties of the organic carbon film obtained vary depending on the atmosphere. Therefore, it is necessary to consider this point.

<残膜率>
本発明の有機系炭素膜の製造で用いる原料フラーレン誘導体は、上述の製膜溶液の湿式製膜により形成した塗膜を110℃で加熱したときの膜厚Mに対する、その後該膜を400℃以上、1000℃以下で加熱処理して得られる有機系炭素膜の膜厚Mの比で表される残膜率M/Mが0.5以上であることが好ましい。即ち、Mは0.5M以上であることが好ましい。
<Residual film rate>
Organic material fullerene derivative used in the production of the carbon film of the present invention, with respect to the film thickness M 1 upon heating the coating film formed by a wet film of the membrane forming solution described above at 110 ° C., then membranes were 400 ° C. As described above, the remaining film ratio M 2 / M 1 represented by the ratio of the film thickness M 2 of the organic carbon film obtained by heat treatment at 1000 ° C. or less is preferably 0.5 or more. That is, M 2 is preferably 0.5M 1 or more.

残膜率が0.5未満であると体積変化率が大きく密度低下などの影響により低硬度の膜になったり膜の鏡面性が劣ったものになることがある。残膜率は好ましくは0.5以上、特に好ましくは0.6以上であるが、可溶性のフラーレン誘導体とするための置換基の導入などの影響を考慮すると、通常0.95以下である。   If the remaining film ratio is less than 0.5, the volume change rate is large and the film may have a low hardness due to the influence of a decrease in density or the like, and the film may have poor specularity. The remaining film ratio is preferably 0.5 or more, particularly preferably 0.6 or more, but is usually 0.95 or less in consideration of the influence of introduction of a substituent for obtaining a soluble fullerene derivative.

なお、この残膜率を算出するための膜厚及び以下の本発明の有機系炭素膜の膜厚は、皮膜が施されていない部分との段差を測定することによって求めることができる。   In addition, the film thickness for calculating the remaining film ratio and the film thickness of the organic carbon film of the present invention described below can be obtained by measuring the level difference from the portion where the film is not applied.

<膜厚>
本発明の有機系炭素膜の膜厚については、その用途に応じて適宜設計されるが、通常50nm〜100μm、特に100nm〜1μmであることが好ましい。有機系炭素膜の膜厚が上記範囲よりも薄いと、例えば半導体用の炭素膜材料として使用する際のエッチング処理時に膜が消滅してしまうことがあり、逆に厚いと熱が均一にかかりにくく均一で高強度な膜を作ることが難しいことがある。
<Film thickness>
The film thickness of the organic carbon film of the present invention is appropriately designed according to its use, but is usually 50 nm to 100 μm, particularly preferably 100 nm to 1 μm. If the film thickness of the organic carbon film is thinner than the above range, the film may disappear during the etching process when used as a carbon film material for semiconductors, for example. It can be difficult to make a uniform and high strength film.

<鏡面性>
本発明の有機系炭素膜の製造に当たり、前述の塗膜の加熱処理後において、膜表面が鏡面性に優れたものであることが好ましい。
即ち、加熱処理により膜中のフラーレン誘導体の分解が不均一に進行した場合、加熱処理後の膜表面は鏡面を示さず膜荒れが生じる。このような膜荒れが生じた有機系炭素膜は通常硬度も劣るものとなり、半導体向けなど均一性を必要とする用途では好ましくない。
<Specularity>
In the production of the organic carbon film of the present invention, it is preferable that the film surface has excellent specularity after the heat treatment of the coating film.
That is, when the decomposition of the fullerene derivative in the film proceeds non-uniformly by the heat treatment, the film surface after the heat treatment does not show a mirror surface and the film becomes rough. Organic carbon films with such film roughness usually have poor hardness and are not preferred for applications that require uniformity, such as for semiconductors.

なお、加熱処理後の膜の鏡面性の有無は目視観察で評価することができる。   Note that the presence or absence of specularity of the film after the heat treatment can be evaluated by visual observation.

<ラマンスペクトルの吸収ピーク>
本発明において、上述の製膜溶液の湿式製膜により形成した塗膜を110℃で加熱して得られる膜(以下、「乾燥膜」と称す。)について、後掲の実施例の項で記載される装置及び条件でラマンスペクトル分析すると、1460cm−1付近(1460cm−1±5cm−1)に吸収ピークが確認されるが、その後この乾燥膜を400℃以上、1000℃以下で加熱処理して得られる本発明の有機系炭素膜について同様にラマンスペクトル分析すると、この吸収ピークは消失している。
この1460cm−1付近の吸収ピークは、フラーレン骨格構造に由来するものであり、乾燥膜において存在する1460cm−1付近の吸収ピークが、本発明の有機系炭素膜では認められないことは、乾燥膜ではフラーレン骨格構造が残存しているが、この乾燥膜を400℃以上の温度で加熱処理して得られる本発明の有機系炭素膜では、フラーレン誘導体のフラーレン骨格の少なくとも一部が分解して、アモルファスカーボンまたはこれに近い構造を取るようになったことを示すものと推定され、本発明の有機系炭素膜では、これによって高硬度が得られるものと推定される。
<Absorption peak of Raman spectrum>
In the present invention, a film (hereinafter referred to as “dry film”) obtained by heating a coating film formed by wet film-forming of the above-described film-forming solution at 110 ° C. is described in the Examples section below. When the Raman spectrum analysis is performed with the apparatus and conditions to be used, an absorption peak is confirmed in the vicinity of 1460 cm −1 (1460 cm −1 ± 5 cm −1 ). Thereafter, the dry film is heated at 400 ° C. or more and 1000 ° C. or less. When the obtained organic carbon film of the present invention is similarly subjected to Raman spectrum analysis, this absorption peak disappears.
The absorption peak near 1460 cm −1 is derived from the fullerene skeleton structure, and the absorption peak near 1460 cm −1 present in the dry film is not observed in the organic carbon film of the present invention. In the organic carbon film of the present invention obtained by heat-treating this dry film at a temperature of 400 ° C. or higher, at least a part of the fullerene skeleton of the fullerene derivative is decomposed, It is presumed to show that amorphous carbon or a structure close to this is taken, and the organic carbon film of the present invention is presumed to obtain high hardness.

[鉛筆硬度]
本発明の有機系炭素膜は、鉛筆硬度法で評価した硬度が2H以上であることを特徴とする。この硬度は高い程好ましく、より好ましくは4H以上である。
[Pencil hardness]
The organic carbon film of the present invention is characterized in that the hardness evaluated by the pencil hardness method is 2H or more. The hardness is preferably as high as possible, more preferably 4H or more.

従来のアモルファス炭素膜について、本発明に係る鉛筆硬度法で測定された鉛筆硬度は6H程度であるが、本発明によれば、フラーレン誘導体の種類や加熱処理温度を適切に制御することにより、鉛筆硬度6H程度の有機系炭素膜を得ることもできる。   With respect to the conventional amorphous carbon film, the pencil hardness measured by the pencil hardness method according to the present invention is about 6H, but according to the present invention, by appropriately controlling the type of fullerene derivative and the heat treatment temperature, An organic carbon film having a hardness of about 6H can also be obtained.

なお、本発明において、有機系炭素膜の鉛筆硬度は、以下の方法で評価した値である。   In the present invention, the pencil hardness of the organic carbon film is a value evaluated by the following method.

<有機系炭素膜の鉛筆硬度の評価>
有機系炭素膜について、JIS K−5600−5−4 塗料一般試験方法−第5部:塗膜の機械的性質−第4節:引っかき硬度(鉛筆法)に基づき、以下の調整を加えた方法で、荷重630gで硬度の異なる鉛筆を用いて引っかき操作を実施する。鉛筆で引っかいたときに、評価膜厚の1/10程度よりも深い傷が、80%以上の発生確率で生じる場合は、その鉛筆では傷が発生すると評価する。
鉛筆で引っかいても、傷の深さが評価膜厚の1/10より浅い場合、或いは、傷の深さが評価膜厚の1/10より深くてもその発生確率が80%未満の場合は、当該鉛筆に対して合格と評価し、評価した鉛筆のうち、最も硬度の高い鉛筆の硬度を当該有機系炭素膜の鉛筆硬度とする。傷の深さはαステップIQ(段差測定機)(KLA−Tencol社製)を用いて測定する。
また、傷の発生確率とは複数回評価をし、傷が発生した件数を評価回数で除したものの割合として求める。
なお、評価にあたっては均一な塗布膜が形成されていることが重要であり、不均一な膜を用いた評価では、本発明の有機系炭素膜が有する本質的な物性を評価することが困難であるので注意を要する。
<Evaluation of pencil hardness of organic carbon film>
For organic carbon films, JIS K-5600-5-4 General test method for coating materials-Part 5: Mechanical properties of coating film-Section 4: Method with following adjustment based on scratch hardness (pencil method) Then, the scratching operation is performed using a pencil with different hardness at a load of 630 g. When scratches deeper than about 1/10 of the evaluation film thickness occur with a probability of occurrence of 80% or more when scratched with a pencil, it is evaluated that scratches are generated with the pencil.
Even if the scratch depth is shallower than 1/10 of the evaluation film thickness even when scratched with a pencil, or the probability of occurrence is less than 80% even if the scratch depth is deeper than 1/10 of the evaluation film thickness The pencil is evaluated to be acceptable and the hardness of the pencil having the highest hardness is defined as the pencil hardness of the organic carbon film. The depth of the scratch is measured using an α step IQ (step difference measuring machine) (manufactured by KLA-Tencol).
In addition, the occurrence probability of scratches is obtained as a ratio of the number of evaluations made multiple times and the number of scratches divided by the number of evaluations.
In the evaluation, it is important that a uniform coating film is formed. In the evaluation using a non-uniform film, it is difficult to evaluate the essential physical properties of the organic carbon film of the present invention. Because there is, attention is necessary.

[積層体]
本発明の積層体は、前述の基材上に本発明の有機系炭素膜が形成されたものであり、有機系炭素膜表面の硬度が高いという特長を利用して、前述の半導体用のエッチング基材等に用いることができる。
[Laminate]
The laminated body of the present invention is obtained by forming the organic carbon film of the present invention on the above-mentioned base material, and using the feature that the hardness of the surface of the organic carbon film is high, etching for the semiconductor described above It can be used for a substrate or the like.

以下に実施例及び比較例に相当する有機系炭素膜の製造例と評価結果を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、これらの実施例によって限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to production examples and evaluation results of organic carbon films corresponding to examples and comparative examples. However, the present invention is limited by these examples as long as the gist thereof is not exceeded. Is not to be done.

以下において、各種の化合物や測定法等の略号は次の通りである。
THP:テトラヒドロピラニル
ODCB:o−ジクロルベンゼン
THF:テトラヒドロフラン
MeI:ヨウ化メチル
CDCl3:重水素化クロロホルム
PGMEA:プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート
CHN:シクロヘキサノン
ODS:オクタデシルシリル
Me:メチル基
Bu:ブチル基
Ph:フェニル基
BOC:tert−ブトキシカルボニル基
HPLC:高速液体クロマトグラフィー
NMR:核磁気共鳴
MS:質量分析
In the following, abbreviations of various compounds and measurement methods are as follows.
THP: tetrahydropyranyl ODCB: o-dichlorobenzene THF: Tetrahydrofuran MeI: methyl iodide CDCl 3: deuterated chloroform PGMEA: Propylene glycol monomethyl ether acetate CHN: cyclohexanone ODS: octadecylsilyl Me: methyl Bu: butyl group Ph : Phenyl group BOC: tert-butoxycarbonyl group HPLC: High performance liquid chromatography NMR: Nuclear magnetic resonance MS: Mass spectrometry

また、以下において、有機系炭素膜の膜厚はαステップIQ(段差測定機)(KLA−Tencol社製)により測定をした。   In the following, the film thickness of the organic carbon film was measured by an α step IQ (step difference measuring machine) (manufactured by KLA-Tencol).

[有機系炭素膜の合成]
<合成例1>
臭化銅(I)(7.32g、51.0mmol)のTHF懸濁液(75mL)を5℃まで冷却した後、(4−THP)OCH2−C64Brから合成したグリニャール試薬である(4−THP)OCH2−C64MgBr/THF溶液(0.7mol/L;68mL)を加え、25℃まで昇温した。そこにC60(3.0g、4.17mmol)のODCB溶液(135mL)を加え、2時間攪拌した。ここに、MeI(3.9mL、62.6mmol)を加えさらに8時間攪拌した。反応液を濾過し、THFを除去した後、トルエンで希釈し、シリカカラムクロマトグラフィー(展開液:トルエン及び酢酸エチル)を行った。溶液を濃縮し、2−プロパノール(500mL)で晶析を行い、100℃で真空乾燥を行うことでフラーレン誘導体:C60{(4−THP)OCH2−C645(−CH3)をオレンジ色固体(6.01g、3.56mmol、収率84.5%)の生成物として得た。
[Synthesis of organic carbon film]
<Synthesis Example 1>
A THF suspension (75 mL) of copper (I) bromide (7.32 g, 51.0 mmol) was cooled to 5 ° C., and then the Grignard reagent synthesized from (4-THP) OCH 2 —C 6 H 4 Br was used. A certain (4-THP) OCH 2 —C 6 H 4 MgBr / THF solution (0.7 mol / L; 68 mL) was added, and the temperature was raised to 25 ° C. An ODCB solution (135 mL) of C 60 (3.0 g, 4.17 mmol) was added thereto and stirred for 2 hours. To this, MeI (3.9 mL, 62.6 mmol) was added and further stirred for 8 hours. The reaction solution was filtered to remove THF, diluted with toluene, and subjected to silica column chromatography (developing solution: toluene and ethyl acetate). The solution is concentrated, crystallized with 2-propanol (500 mL), and vacuum dried at 100 ° C. to obtain a fullerene derivative: C 60 {(4-THP) OCH 2 —C 6 H 4 } 5 (—CH 3 ) As a product of an orange solid (6.01 g, 3.56 mmol, 84.5% yield).

得られた生成物を1H−NMR及びHPLCにて測定した。なお、1H−NMRはCDCl3を溶媒とし、400MHzにて測定した。また、HPLCは、0.5mg/mLのTHF溶液を調製し、以下の測定条件で測定した。 The obtained product was measured by 1 H-NMR and HPLC. 1 H-NMR was measured at 400 MHz using CDCl 3 as a solvent. For HPLC, a 0.5 mg / mL THF solution was prepared and measured under the following measurement conditions.

カラム種類:ODS
カラムサイズ:150mm×4.6mmφ
溶離液:トルエン/メタノール=4/6
検出器:UV290nm
Column type: ODS
Column size: 150mm x 4.6mmφ
Eluent: Toluene / methanol = 4/6
Detector: UV290nm

HPLC測定の結果、保持時間4.40minに、89.9(Area%)で観測された。   As a result of HPLC measurement, it was observed at 89.9 (Area%) at a retention time of 4.40 min.

また、1H−NMRの測定結果は、以下の通りであった。
1H−NMR(CDCl3,400MHz)>
7.78ppm(d,Ph,4H),7.68ppm(d,Ph,4H),7.30ppm(t,Ph,8H),7.19ppm(d,Ph,2H),7.06ppm(d,Ph,2H),4.83〜4.80ppm(m,PhCH2,4H),4.70ppm(s,PhCH2,4H),4.6ppm(m,PhCH2,2H),4.5ppm(t,PhCH2−O−CH,4H),4.3ppm(d,PhCH2−O−CH,1H),3.9〜3.8ppm(m,THP(O−CH2),5H),3.6〜3.5ppm(m,THP(O−CH2),5H),2.0〜1.4ppm(m,C60Me+THP(CH2),33H)
Moreover, the measurement result of < 1 > H-NMR was as follows.
<1 H-NMR (CDCl 3 , 400MHz)>
7.78 ppm (d, Ph, 4H), 7.68 ppm (d, Ph, 4H), 7.30 ppm (t, Ph, 8H), 7.19 ppm (d, Ph, 2H), 7.06 ppm (d, Ph, 2H), 4.83~4.80ppm (m , PhCH 2, 4H), 4.70ppm (s, PhCH 2, 4H), 4.6ppm (m, PhCH 2, 2H), 4.5ppm (t , PhCH 2 —O—CH, 4H), 4.3 ppm (d, PhCH 2 —O—CH, 1H), 3.9 to 3.8 ppm (m, THP (O—CH 2 ), 5H), 3. 6 to 3.5 ppm (m, THP (O—CH 2 ), 5H), 2.0 to 1.4 ppm (m, C60Me + THP (CH 2 ), 33H)

以上の結果から、得られた生成物が下記構造式で表される、C60{(4−THP)OCH2−C645(−CH3)であることが確認された。このフラーレン誘導体を「H351」と称す。 From the above results, it was confirmed that the obtained product was C 60 {(4-THP) OCH 2 —C 6 H 4 } 5 (—CH 3 ) represented by the following structural formula. This fullerene derivative is referred to as “H351”.

Figure 2013159517
Figure 2013159517

<合成例2>
フロンティアカーボン(株)製の水酸化フラーレン(平均水酸化数10)C60(OH)101.0g(1.12mmol)のTHF(20mL)、アセトン(40mL)懸濁液に、炭酸カリウム8gとブロモ酢酸tert-ブチル10mL(68.2mmol)を加え、25℃で1時間攪拌した。その後、反応液を55℃まで昇温して更に12時間攪拌した。その後、反応液をセライト濾過し(展開液:酢酸エチル)溶媒を除去した後、酢酸エチルと水を加えて分液操作を行った。有機相を硫酸ナトリウムで乾燥後、濾過し溶液を濃縮した後、ヘキサン300mLで晶析を行い、50℃で真空乾燥を行うことで、フラーレン誘導体:C60(OH)5.2(O−CH2C(=O)O−t−Bu)4.8を茶色固体(0.74g;収率46%)の生成物として得た。
<Synthesis Example 2>
To a suspension of 1.0 g (1.12 mmol) of C 60 (OH) 10 in THF (20 mL) and acetone (40 mL) of fullerene hydroxide (average hydroxyl number 10) manufactured by Frontier Carbon Corporation, 8 g of potassium carbonate and 10 mL (68.2 mmol) of tert-butyl bromoacetate was added, and the mixture was stirred at 25 ° C. for 1 hour. Thereafter, the reaction solution was heated to 55 ° C. and further stirred for 12 hours. Thereafter, the reaction solution was filtered through Celite (developing solution: ethyl acetate), and the solvent was removed. Then, ethyl acetate and water were added to carry out a liquid separation operation. The organic phase is dried over sodium sulfate, filtered, and the solution is concentrated. Then, crystallization is performed with 300 mL of hexane, and vacuum drying is performed at 50 ° C., whereby a fullerene derivative: C 60 (OH) 5.2 (O—CH 2 C (= O) Ot-Bu) 4.8 was obtained as the product of a brown solid (0.74 g; 46% yield).

得られた生成物のH−NMR及び、MS測定を行った。なお、H−NMRは重クロロホルムを溶媒とし、400MHzにて測定した。
H−NMR測定の結果により、 5.40〜4.20ppm(brs,O−CH2−),1.80−1.30ppm(brs,tert−Bu)のピークが9:2で観測され、水酸化フラーレンの水酸基の一部が保護されたことが確認された。
1 H-NMR and MS measurement of the obtained product were performed. 1 H-NMR was measured at 400 MHz using deuterated chloroform as a solvent.
From the result of 1 H-NMR measurement, a peak of 5.40 to 4.20 ppm (brs, O—CH 2 —), 1.80 to 1.30 ppm (brs, tert-Bu) was observed at 9: 2. It was confirmed that a part of the hydroxyl groups of the fullerene hydroxide was protected.

得られた生成物及び内部標準としてクマリンをそれぞれ秤量した後、その混合物を重クロロホルムに溶解し、H−NMRを測定した。それぞれの積分比から得られた生成物の平均分子量は1437.2、平均保護数は4.8と算出された。
また、得られた生成物のMS測定では、C60(OH)(O−CH2C(=O)O−t−Bu):分子量1084、C60(OH)(O−CH2C(=O)O−t−Bu):分子量1198、C60(OH)(O−CH2C(=O)O−t−Bu):分子量1312、C60(OH)(O−CH2C(=O)O−t−Bu):分子量1346、C60(OH)(O−CH2C(=O)O−t−Bu):分子量1460、C60(OH)(O−CH2C(=O)O−t−Bu):分子量1574、C60(OH)(O−CH2C(=O)O−t−Bu):分子量1608、C60(OH)(O−CH2C(=O)O−t−Bu):分子量1722が混合物ピークとして観測された。
以上の結果から、得られた生成物が下記構造式で表される、C60(OH)5.2(O−CH2C(=O)O−t−Bu)4.8であることが確認された。このフラーレン誘導体を「D200−A」と称す。
After weighing each of the obtained product and coumarin as an internal standard, the mixture was dissolved in deuterated chloroform, and 1 H-NMR was measured. The average molecular weight of the product obtained from each integration ratio was calculated to be 1437.2 and the average protection number was 4.8.
Moreover, in MS measurement of the obtained product, C 60 (OH) 6 (O—CH 2 C (═O) Ot—Bu) 2 : molecular weight 1084, C 60 (OH) 5 (O—CH 2) C (═O) Ot-Bu) 3 : molecular weight 1198, C 60 (OH) 4 (O—CH 2 C (═O) Ot-Bu) 4 : molecular weight 1312, C 60 (OH) 6 ( O—CH 2 C (═O) Ot—Bu) 4 : molecular weight 1346, C 60 (OH) 5 (O—CH 2 C (═O) Ot—Bu) 5 : molecular weight 1460, C 60 ( OH) 4 (O—CH 2 C (═O) Ot—Bu) 6 : molecular weight 1574, C 60 (OH) 6 (O—CH 2 C (═O) Ot—Bu) 6 : molecular weight 1608 , C 60 (OH) 5 (O—CH 2 C (═O) Ot-Bu) 7 : Molecular weight 1722 was observed as a mixture peak.
From the above results, it was confirmed that the obtained product was C 60 (OH) 5.2 (O—CH 2 C (═O) Ot—Bu) 4.8 represented by the following structural formula. This fullerene derivative is referred to as “D200-A”.

Figure 2013159517
Figure 2013159517

[有機系炭素膜の製造]
<有機系炭素膜1〜5>
下記構造式で表されるフラーレン誘導体「H200」(フロンティアカーボン(株)製)1重量部に対して、PGMEA6.7重量部を添加して塗布液1を調製した。
[Manufacture of organic carbon film]
<Organic carbon film 1-5>
A coating solution 1 was prepared by adding 6.7 parts by weight of PGMEA to 1 part by weight of a fullerene derivative “H200” (manufactured by Frontier Carbon Co., Ltd.) represented by the following structural formula.

Figure 2013159517
Figure 2013159517

次いで、塗布液1をシリコンウエハ上に滴下し、スピンコーターを用いて、500rpmで10秒間、その後1500rpmで40秒間回転させる条件で、シリコンウエハ上に塗布液1を塗布した。
次いで、塗布液1を塗布したシリコンウエハを、空気中、ホットプレート上で110℃で60秒加熱処理後(1st加熱処理)、表1に示す温度で60秒加熱処理する(2nd加熱処理)ことで、各々シリコンウエハ上に表1に示す膜厚の有機系炭素膜1〜5を形成した。
Subsequently, the coating liquid 1 was dripped on the silicon wafer, and the coating liquid 1 was coated on the silicon wafer using a spin coater under the condition of rotating at 500 rpm for 10 seconds and then at 1500 rpm for 40 seconds.
Next, the silicon wafer coated with the coating liquid 1 is subjected to a heat treatment in air at 110 ° C. for 60 seconds (1st heat treatment) on a hot plate, followed by a heat treatment at the temperatures shown in Table 1 for 60 seconds (2nd heat treatment). Thus, organic carbon films 1 to 5 having the thicknesses shown in Table 1 were formed on the silicon wafer.

また、上記加熱処理に当たり、各加熱処理後の塗膜の鏡面性の有無を目視観察して下記基準で評価し、結果を表1に示した。
なお表1の「添加剤」欄の「NULL」との表記は添加剤を用いなかったことを示す。以下の表についても同様である。
Moreover, in the said heat processing, the presence or absence of the mirror surface property of the coating film after each heat processing was visually observed and evaluated on the following reference | standard, and the result was shown in Table 1.
In Table 1, “NULL” in the “Additives” column indicates that no additive was used. The same applies to the following tables.

(鏡面性評価基準)
○:鏡面である
×:鏡面でない
(Specularity evaluation criteria)
○: Mirror surface ×: Not mirror surface

なお、加熱処理後に膜が存在しなくなったものを「−」で表した。   In addition, the thing which the film | membrane did not exist after heat processing was represented by "-".

<有機系炭素膜6〜10>
下記構造式で表されるフラーレン誘導体「M100」(フロンティアカーボン(株)製)1重量部に対して、PGMEA6.7重量部を添加して塗布液2を調製した。
<Organic carbon film 6-10>
A coating solution 2 was prepared by adding 6.7 parts by weight of PGMEA to 1 part by weight of a fullerene derivative “M100” (manufactured by Frontier Carbon Co., Ltd.) represented by the following structural formula.

Figure 2013159517
Figure 2013159517

塗布液1の代りに塗布液2を用いたこと以外は、有機系炭素膜1〜5と同様にして、各々表1に示す膜厚の有機系炭素膜6〜10を形成し、各々鏡面性の評価を行って結果を表1に示した。   Except that the coating liquid 2 was used instead of the coating liquid 1, the organic carbon films 6 to 10 having the film thicknesses shown in Table 1 were formed in the same manner as the organic carbon films 1 to 5, respectively. The results are shown in Table 1.

<有機系炭素膜11〜15>
下記構造式で表されるフラーレン誘導体「H350」1重量部に対して、CHN5.7重量部を添加して塗布液3を調製した。
<Organic carbon film 11-15>
A coating solution 3 was prepared by adding 5.7 parts by weight of CHN to 1 part by weight of fullerene derivative “H350” represented by the following structural formula.

Figure 2013159517
Figure 2013159517

塗布液1の代りに塗布液3を用いたこと以外は、有機系炭素膜1〜5と同様にして、各々表1に示す膜厚の有機系炭素膜11〜15を形成し、各々鏡面性の評価を行って結果を表1に示した。   Except that the coating liquid 3 was used instead of the coating liquid 1, the organic carbon films 11 to 15 having the film thicknesses shown in Table 1 were formed in the same manner as the organic carbon films 1 to 5, respectively. The results are shown in Table 1.

<有機系炭素膜16〜20>
合成例1で合成した下記構造式で表されるフラーレン誘導体「H351」1重量部に対して、CHN5.7重量部を添加して塗布液4を調製した。
<Organic carbon film 16-20>
A coating solution 4 was prepared by adding 5.7 parts by weight of CHN to 1 part by weight of the fullerene derivative “H351” represented by the following structural formula synthesized in Synthesis Example 1.

Figure 2013159517
Figure 2013159517

塗布液1の代りに塗布液4を用いたこと以外は、有機系炭素膜1〜5と同様にして、各々表1に示す膜厚の有機系炭素膜16〜20を形成し、各々鏡面性の評価を行って結果を表1に示した。   Except that the coating liquid 4 was used instead of the coating liquid 1, the organic carbon films 16 to 20 having the film thicknesses shown in Table 1 were formed in the same manner as the organic carbon films 1 to 5, respectively. The results are shown in Table 1.

<有機系炭素膜21〜25>
合成例1で合成したフラーレン誘導体「H351」1重量部に対して、添加剤として熱酸発生剤である「WPAG618」(和光純薬株式会社製)を0.2重量部、CHN5.7重量部を添加して塗布液5を調製した。
塗布液1の代りに塗布液5を用いたこと以外は、2nd加熱処理の温度を表1に示す温度として有機系炭素膜1〜5と同様にして、各々表1に示す膜厚の有機系炭素膜21〜25を形成し、各々鏡面性の評価を行って結果を表1に示した。
<Organic carbon films 21-25>
With respect to 1 part by weight of the fullerene derivative “H351” synthesized in Synthesis Example 1, 0.2 parts by weight of “WPAG618” (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), which is a thermal acid generator, is added, and 5.7 parts by weight of CHN. Was added to prepare a coating solution 5.
Except that the coating solution 5 was used instead of the coating solution 1, the 2nd heat treatment temperature was set to the temperature shown in Table 1, and the organic system having the film thickness shown in Table 1 was used in the same manner as the organic carbon films 1 to 5. Carbon films 21 to 25 were formed, and the specularity was evaluated. The results are shown in Table 1.

<有機系炭素膜26〜30>
ポリヒドロキシスチレン(PHS樹脂)「VP15000」(日本曹達株式会社製)1重量部に対して、PGMEA11.5重量部を添加して塗布液6を調製した。
塗布液1の代りに塗布液6を用いたこと以外は有機系炭素膜1〜5と同様にして、各々表2に示す膜厚の有機系炭素膜26〜30を形成し、各々鏡面性の評価を行って結果を表2に示した。
<Organic carbon film 26-30>
A coating solution 6 was prepared by adding 11.5 parts by weight of PGMEA to 1 part by weight of polyhydroxystyrene (PHS resin) “VP15000” (manufactured by Nippon Soda Co., Ltd.).
Except that the coating liquid 6 was used instead of the coating liquid 1, the organic carbon films 26 to 30 having the film thicknesses shown in Table 2 were formed in the same manner as the organic carbon films 1 to 5, respectively. The evaluation was performed and the results are shown in Table 2.

<有機系炭素膜31〜35>
ノボラック樹脂「SP1010」(旭有機材料株式会社製)1重量部に対して、PGMEA7.3重量部を添加して塗布液7を調製した。
塗布液1の代りに塗布液7を用いたこと以外は有機系炭素膜1〜5と同様にして、各々表2に示す膜厚の有機系炭素膜31〜35を形成し、各々鏡面性の評価を行って結果を表2に示した。
<Organic carbon films 31-35>
Coating solution 7 was prepared by adding 7.3 parts by weight of PGMEA to 1 part by weight of novolak resin “SP1010” (manufactured by Asahi Organic Materials Co., Ltd.).
The organic carbon films 31 to 35 having the film thicknesses shown in Table 2 are formed in the same manner as the organic carbon films 1 to 5 except that the coating liquid 7 is used in place of the coating liquid 1, and each has a specularity. The evaluation was performed and the results are shown in Table 2.

<有機系炭素膜36〜40>
下記構造式で表されるフラーレン誘導体「F301」(フロンティアカーボン社製)1重量部に対して、PGMEA4重量部を添加して塗布液8を調製した。
<Organic carbon film 36-40>
A coating solution 8 was prepared by adding 4 parts by weight of PGMEA to 1 part by weight of a fullerene derivative “F301” (manufactured by Frontier Carbon Co.) represented by the following structural formula.

Figure 2013159517
Figure 2013159517

塗布液1の代りに塗布液8を用いたこと以外は有機系炭素膜1〜5と同様にして、各々表2に示す膜厚の有機系炭素膜36〜40を形成し、各々鏡面性の評価を行って結果を表2に示した。   Except that the coating liquid 8 was used instead of the coating liquid 1, the organic carbon films 36 to 40 having the film thicknesses shown in Table 2 were formed in the same manner as in the organic carbon films 1 to 5, respectively. The evaluation was performed and the results are shown in Table 2.

<有機系炭素膜41〜45>
下記構造式で表されるフラーレン誘導体「J204」(フロンティアカーボン社製)1重量部に対して、PGMEA4重量部を添加して塗布液9を調製した。
<Organic carbon films 41-45>
A coating solution 9 was prepared by adding 4 parts by weight of PGMEA to 1 part by weight of fullerene derivative “J204” (manufactured by Frontier Carbon Co.) represented by the following structural formula.

Figure 2013159517
Figure 2013159517

塗布液1の代りに塗布液9を用いたこと以外は有機系炭素膜1〜5と同様にして、各々表2に示す膜厚の有機系炭素膜41〜45を形成し、各々鏡面性の評価を行って結果を表2に示した。   The organic carbon films 41 to 45 having the film thicknesses shown in Table 2 are formed in the same manner as the organic carbon films 1 to 5 except that the coating liquid 9 is used instead of the coating liquid 1, and each has a specularity. The evaluation was performed and the results are shown in Table 2.

<有機系炭素膜46〜50>
合成例2で合成した下記構造式で表されるフラーレン誘導体「D200−A」1重量部に対して、PGMEA6.7重量部を添加して塗布液10を調製した。
<Organic carbon film 46-50>
A coating solution 10 was prepared by adding 6.7 parts by weight of PGMEA to 1 part by weight of the fullerene derivative “D200-A” represented by the following structural formula synthesized in Synthesis Example 2.

Figure 2013159517
Figure 2013159517

塗布液1の代りに塗布液10を用いたこと以外は有機系炭素膜1〜5と同様にして、各々表2に示す膜厚の有機系炭素膜46〜50を形成し、各々鏡面性の評価を行って結果を表2に示した。   The organic carbon films 46 to 50 having the thicknesses shown in Table 2 are formed in the same manner as the organic carbon films 1 to 5 except that the coating liquid 10 is used in place of the coating liquid 1. The evaluation was performed and the results are shown in Table 2.

Figure 2013159517
Figure 2013159517

Figure 2013159517
Figure 2013159517

[有機系炭素膜の硬度評価]
表3に示す有機系炭素膜について、前述の通りJIS K−5600−5−4 塗料一般試験方法−第5部:塗膜の機械的性質−第4節:引っかき硬度(鉛筆法)に基づいた修正法により鉛筆硬度の評価を行った。
鉛筆硬度の評価結果を、各々の有機系炭素膜の2nd加熱処理温度に対応させて、表3に示す。
[Evaluation of hardness of organic carbon film]
As described above, the organic carbon film shown in Table 3 was based on JIS K-5600-5-4 General test method for coating materials-Part 5: Mechanical properties of coating film-Section 4: Scratch hardness (pencil method) The pencil hardness was evaluated by the correction method.
Table 3 shows the pencil hardness evaluation results corresponding to the 2nd heat treatment temperature of each organic carbon film.

Figure 2013159517
Figure 2013159517

表3より、フラーレン誘導体を用いて形成した塗膜に400℃以上の加熱処理を行うことにより、高硬度有機系炭素膜を得られることが判る。   From Table 3, it can be seen that a high-hardness organic carbon film can be obtained by performing a heat treatment at 400 ° C. or higher on a coating film formed using a fullerene derivative.

[加熱処理前後の残膜率]
加熱処理前後の残膜率として、表4に示す有機系炭素膜の製造時の1st加熱処理後の膜厚Mに対する、2nd加熱処理後の膜厚Mの割合(M/M)を求め、結果を各々の有機系炭素膜の2nd加熱処理温度に対応させて表4に示した。
[Residual film ratio before and after heat treatment]
The ratio of the film thickness M 2 after the 2nd heat treatment to the film thickness M 1 after the 1st heat treatment at the time of manufacturing the organic carbon film shown in Table 4 as the remaining film ratio before and after the heat treatment (M 2 / M 1 ) Table 4 shows the results corresponding to the 2nd heat treatment temperature of each organic carbon film.

Figure 2013159517
Figure 2013159517

[ラマンスペクトル分析]
有機系炭素膜の原料として用いたフラーレン誘導体H200、H351、添加剤(熱酸発生剤)WPAG618、及び有機系炭素膜2(比較例相当)、同3(実施例相当)、同5(実施例相当)、同22(比較例相当)、同23(実施例相当)の顕微ラマンスペクトル分析を行った。測定結果を図1〜図7に示す。
測定装置及び条件は下表にまとめた通りである。
[Raman spectrum analysis]
Fullerene derivatives H200 and H351 used as raw materials for organic carbon films, additives (thermal acid generator) WPAG618, and organic carbon films 2 (corresponding to comparative examples), 3 (corresponding to examples), 5 (examples) Equivalent), 22 (equivalent to Comparative Example), and 23 (equivalent to Example) were subjected to micro-Raman spectral analysis. The measurement results are shown in FIGS.
The measuring equipment and conditions are summarized in the table below.

Figure 2013159517
Figure 2013159517

Figure 2013159517
Figure 2013159517

図1、図5よりフラーレン誘導体H200、H351において、フラーレン骨格構造に由来する1460cm−1付近の吸収ピークが観察され(図1,図5)、このピークは有機系炭素膜2(図2)、同22(図6)においても観測される。このことよりこれらの炭素膜ではフラーレン骨格構造が残っていることを示すものと考えられる。
一方、有機系炭素膜3(図3)、同5(図4)、及び同23(図7)においては、このピークは著しく小さくなりほとんど観測されない。
このことは、本発明において、400℃以上の温度で加熱処理することにより、フラーレン誘導体のフラーレン骨格の少なくとも一部が分解して、アモルファスカーボンまたはこれに近い構造を取るようになったことを示すものと思われ、これによって膜の硬度が向上したものと推定される。
1 and FIG. 5, in the fullerene derivatives H200 and H351, an absorption peak near 1460 cm −1 derived from the fullerene skeleton structure is observed (FIGS. 1 and 5), and this peak is the organic carbon film 2 (FIG. 2), It is also observed in Fig. 22 (Fig. 6). This suggests that the fullerene skeleton structure remains in these carbon films.
On the other hand, in the organic carbon film 3 (FIG. 3), 5 (FIG. 4), and 23 (FIG. 7), this peak becomes extremely small and is hardly observed.
This indicates that, in the present invention, at least a part of the fullerene skeleton of the fullerene derivative is decomposed by heat treatment at a temperature of 400 ° C. or higher, and amorphous carbon or a structure close thereto is obtained. It is presumed that the hardness of the film was improved.

[赤外線吸収(IR)スペクトル分析]
H200及び有機系炭素膜5の赤外線吸収スペクトル測定を行ったところ、1730cm−1付近にピークの出現が確認された(図8、図9)。
このことから、有機系炭素膜5は酸素(カルボニル基)を含有した膜であることが確認された。
なお、有機系炭素膜5については、得られた膜を剥離させて、試料1mgを秤量し、これに臭化カリウム(KBr)199mgを添加した上で乳鉢中で粉砕混合したものを、KBr錠剤法で成形してIR測定を行った。
[Infrared absorption (IR) spectrum analysis]
When the infrared absorption spectrum measurement of H200 and the organic carbon film 5 was performed, the appearance of a peak in the vicinity of 1730 cm −1 was confirmed (FIGS. 8 and 9).
From this, it was confirmed that the organic carbon film 5 is a film containing oxygen (carbonyl group).
As for the organic carbon film 5, the obtained film was peeled off, 1 mg of a sample was weighed, 199 mg of potassium bromide (KBr) was added thereto, and then pulverized and mixed in a mortar. And then IR measurement was performed.

Claims (14)

鉛筆硬度法で評価した硬度が2H以上であることを特徴とする有機系炭素膜。   An organic carbon film characterized by having a hardness evaluated by a pencil hardness method of 2H or more. フラーレン及び/又はフラーレン誘導体を含む膜を400℃以上、1000℃以下で加熱処理して得られることを特徴とする請求項1に記載の有機系炭素膜。   2. The organic carbon film according to claim 1, wherein the organic carbon film is obtained by heat-treating a film containing fullerene and / or a fullerene derivative at 400 ° C. or more and 1000 ° C. or less. 前記フラーレン及び/又はフラーレン誘導体のフラーレンが、C60、C70、C76、C82、C84、及びC90フラーレンから選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の有機系炭素膜。 Fullerene of the fullerene and / or fullerene derivative, C 60, C 70, C 76, C 82, C 84, and claim 1 or claim 2, wherein the C 90 is at least one selected from fullerene The organic carbon film described in 1. 前記フラーレン誘導体が下記式(1)で表される構造を有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の有機系炭素膜。
Figure 2013159517
(但し、上記式(1)中、FLNはフラーレン骨格を表し、Rは、−Ar−(OX)又は−Ar−(CH(3−a)−(OX)で表される置換基(但し、Arは置換基を有していてもよい芳香族炭化水素基、Oは酸素原子、Xは水素原子、又はアルコール性水酸基の保護基であり、aは0〜3の整数、bは1〜5の整数である)を表し、Rは、水素原子、水酸基又は炭素数1〜30の有機基を表し、mは1〜30の整数、nは0〜25の整数である。m,nが2以上の場合、複数のR、Rはそれぞれ相互に異なっていても同一でもよい。)
The organic carbon film according to any one of claims 1 to 3, wherein the fullerene derivative has a structure represented by the following formula (1).
Figure 2013159517
(In the above formula (1), FLN represents a fullerene skeleton, and R 1 is represented by —Ar— (OX) a or —Ar— (CH (3-a) — (OX) a ) b. A substituent (wherein Ar is an aromatic hydrocarbon group which may have a substituent, O is an oxygen atom, X is a hydrogen atom or a protective group for an alcoholic hydroxyl group, a is an integer of 0 to 3, b is an integer of 1 to 5), R 2 represents a hydrogen atom, a hydroxyl group or an organic group having 1 to 30 carbon atoms, m is an integer of 1 to 30, and n is an integer of 0 to 25. When m and n are 2 or more, the plurality of R 1 and R 2 may be different or the same.
前記フラーレン誘導体が下記式(2)で表される構造を有することを特徴とする1ないし3のいずれか一項に記載の有機系炭素膜。
Figure 2013159517
(但し、上記式(2)中、Aはフラーレン骨格との結合部位を表し、酸素原子、硫黄原子、燐原子、炭素数1〜6の炭素原子鎖、−Ar−O−(但しArは置換基を有していてもよい芳香族炭化水素基でありフラーレン骨格と結合している。)、フラーレン骨格の炭素原子を含む置換されていてもよい環状脂肪族基、又は置換されていてもよい芳香族炭化水素基を表し、rは0〜6の整数、tは0又は1の整数、pは1〜3の整数、qは1〜46の整数をそれぞれ表し、Rは炭素数1〜20の有機基を表す。)
The organic carbon film according to any one of 1 to 3, wherein the fullerene derivative has a structure represented by the following formula (2).
Figure 2013159517
(In the above formula (2), A represents a bonding site with the fullerene skeleton, and represents an oxygen atom, a sulfur atom, a phosphorus atom, a carbon atom chain having 1 to 6 carbon atoms, -Ar-O- (where Ar is a substituted group). An aromatic hydrocarbon group which may have a group and bonded to the fullerene skeleton.), An optionally substituted cycloaliphatic group containing a carbon atom of the fullerene skeleton, or an optionally substituted group. Represents an aromatic hydrocarbon group, r represents an integer of 0 to 6, t represents an integer of 0 or 1, p represents an integer of 1 to 3, q represents an integer of 1 to 46, and R 3 represents an integer of 1 to Represents 20 organic groups.)
前記式(2)のフラーレン骨格との結合部位Aが、下記式(3)で表されるフラーレン骨格上の炭素原子を含む環状炭化水素構造を有することを特徴とする請求項5に記載の有機系炭素膜。
Figure 2013159517
(但し、上記式(3)中、2つのCはフラーレン骨格上の隣接する2つの炭素原子を表し、xは1〜8の整数である。なお、メチレン基−(CH−のうちの水素原子の少なくとも1つは、式(2)に示される−(CH−CO−(O)−Rで置換されている。)
6. The organic compound according to claim 5, wherein the binding site A to the fullerene skeleton of the formula (2) has a cyclic hydrocarbon structure containing a carbon atom on the fullerene skeleton represented by the following formula (3). Carbon film.
Figure 2013159517
(However, in the above formula (3), the two C f represents the two adjacent carbon atoms on the fullerene skeleton, x is an integer from 1 to 8 Note, methylene group -. (CH 2) x - in At least one of the hydrogen atoms is substituted with — (CH 2 ) r —CO— (O) t —R 3 represented by the formula (2).
前記フラーレン誘導体が、下記式(4a)又は(4b)で表される構造を有することを特徴とする1ないし3のいずれか一項に記載の有機系炭素膜。
Figure 2013159517
(但し、上記式(4a),(4b)中、R及びRはそれぞれ独立して、任意の置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RとRは、RとRの両者に結合する炭素原子、窒素原子、及び酸素原子のいずれかとともに、任意の置換基を有していてもよい含窒素環を形成していてもよい。)
The organic carbon film according to any one of 1 to 3, wherein the fullerene derivative has a structure represented by the following formula (4a) or (4b).
Figure 2013159517
(However, in the above formulas (4a) and (4b), R a and R b each independently represent a hydrocarbon group which may have an arbitrary substituent, and R a and R b represent R (A nitrogen-containing ring which may have an arbitrary substituent may be formed together with any of a carbon atom, a nitrogen atom, and an oxygen atom bonded to both a and R b .)
前記フラーレン誘導体が、下記式(7)で表されるフラーレン骨格上の炭素原子を含む環状炭化水素構造を有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の有機系炭素膜。
Figure 2013159517
(但し、上記式(7)中、2つのCはフラーレン骨格上の隣接する2つの炭素原子を表し、Cαβは、式(7)に示されていない置換基を有していてもよいα個の炭素原子とこれらの炭素原子のいずれかに結合したβ個の水素原子とを有する飽和又は不飽和の炭化水素鎖を表し、αは1〜8の整数、βは0〜16の整数である。Cαβが2以上の置換基を有する場合、これらは互いに結合して環状構造を形成していてもよい。)
The organic carbon film according to any one of claims 1 to 3, wherein the fullerene derivative has a cyclic hydrocarbon structure containing a carbon atom on a fullerene skeleton represented by the following formula (7). .
Figure 2013159517
(However, in the above formula (7), two C f represent two adjacent carbon atoms on the fullerene skeleton, and C α H β has a substituent not shown in the formula (7). Represents a saturated or unsaturated hydrocarbon chain having α carbon atoms and β hydrogen atoms bonded to any of these carbon atoms, α is an integer from 1 to 8, and β is from 0 to 16 (When C α H β has two or more substituents, these may be bonded to each other to form a cyclic structure.)
前記フラーレン及び/又はフラーレン誘導体を含む膜を110℃で加熱したときの膜厚Mに対して、その後該膜を400℃以上、1000℃以下で加熱処理して得られる有機系炭素膜の膜厚Mが0.5M以上であることを特徴とする請求項2ないし8のいずれか一項に記載の有機系炭素膜。 A film of an organic carbon film obtained by heat-treating the film at 400 ° C. or more and 1000 ° C. or less with respect to the film thickness M 1 when the film containing the fullerene and / or fullerene derivative is heated at 110 ° C. organic carbon film according to any one of claims 2 to 8 thickness M 2 is characterized in that at 0.5M 1 or more. 前記フラーレン及び/又はフラーレン誘導体を含む膜を110℃で加熱して得られる膜がラマンスペクトル上の1460cm−1±5cm−1に吸収ピークを有し、その後該膜を400℃以上、1000℃以下で加熱処理して得られる有機系炭素膜のラマンスペクトルでは該吸収ピークが認められないことを特徴とする請求項2ないし9のいずれか一項に記載の有機系炭素膜。 The fullerene and / or film obtained by heating the film at a 110 ° C. containing fullerene derivative has an absorption peak at 1460 cm -1 ± 5 cm -1 in the Raman spectrum, then membranes were 400 ° C. or higher, 1000 ° C. or less The organic carbon film according to any one of claims 2 to 9, wherein the absorption peak is not observed in a Raman spectrum of the organic carbon film obtained by heat treatment with the method. フラーレン誘導体の溶液を用いて湿式製膜された膜を400℃以上、1000℃以下で加熱処理することを特徴とする有機系炭素膜の製造方法。   A method for producing an organic carbon film, comprising heat-treating a film formed using a fullerene derivative solution at a temperature of 400 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. 前記加熱処理の温度が430℃以上、800℃以下であることを特徴とする請求項11に記載の有機系炭素膜の製造方法。   The temperature of the said heat processing is 430 degreeC or more and 800 degrees C or less, The manufacturing method of the organic carbon film of Claim 11 characterized by the above-mentioned. フラーレン誘導体の溶液を用いて湿式製膜された膜を400℃以上、1000℃以下で加熱処理することを特徴とする請求項1ないし10のいずれか一項に記載の有機系炭素膜の製造方法。   The method for producing an organic carbon film according to any one of claims 1 to 10, wherein a film formed by a wet process using a solution of a fullerene derivative is subjected to a heat treatment at 400 ° C or higher and 1000 ° C or lower. . 請求項1ないし10のいずれか一項に記載の有機系炭素膜が基材上に形成されていることを特徴とする積層体。   A laminate comprising the organic carbon film according to any one of claims 1 to 10 formed on a substrate.
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